KR20210005525A - 불규칙한 형상의 폴리머 섬유 - Google Patents

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시엔 팡 치우
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Abstract

본 발명은 적어도 6개의 핑거 형상 단면적(six-fingered sectional area)을 포함하는 불규칙한 형상의 폴리머 섬유, 폴리머 섬유를 포함하는 필터, 폴리머 섬유를 포함하는 부직포, 폴리머 섬유의 용도 및 상기 폴리머 섬유를 제공하도록 설계된 방적돌기(spinneret)에 관한 것이다.

Description

불규칙한 형상의 폴리머 섬유 {IRREGULARLY SHAPED POLYMER FIBERS}
본 발명은 적어도 6개의 핑거 형상 단면적(six-fingered sectional area)을 포함하는 불규칙한 형상의 폴리머 섬유, 폴리머 섬유를 포함하는 필터, 폴리머 섬유를 포함하는 부직포, 폴리머 섬유의 용도 및 상기 폴리머 섬유를 제공하도록 설계된 방적돌기(spinneret)에 관한 것이다.
폴리머 섬유는 다양한 공지된 방사 공정에 의해 얻어진다. 가열 하에서 유동가능하고, 유연 가능하게 되는 폴리머, 특히 열가소성 물질로부터의 섬유는 용융 방사 공정에 의해 생산될 수 있다. 용융 방사는 폴리머 용융물을 얻기 위해 폴리머 물질을 용융시킨 후, 방적돌기, 즉 연속 필라멘트를 형성하는데 사용되는 유형의 다이를 통과시키는, 특수화된 형태의 압출이다. 통상적인 구체예에서, 방적돌기는 폴리머 용융물이 응고 및 섬유 형성을 위해 공기 또는 액체로 통과되는 작은 구멍의 배열(패턴)을 갖는 금속판을 포함한다. 방적돌기의 디자인은 크게 달라진다. 통상적인 방적돌기 오리피스(orifice)는 원형이고 단면이 둥근 섬유를 생산한다. 모세관 방적돌기 오리피스는 직경이 1 데니어 이하의 작은 직경을 갖는 필라멘트를 압출할 수 있다. 방적돌기를 빠져 나가는 압출된 용융 필라멘트는 냉각되어 방적돌기 판의 출구 개구의 형상을 갖는 최종 섬유를 얻는다. 상이한 형상 및 다양한 특성을 갖는 섬유를 얻기 위해 형상화 된 구멍을 갖는 방적돌기 오리피스를 사용하는 것이 공지되어 있다.
상이한 형상의 섬유, 및 특히 다엽형 섬유(multi-lobal fiber)가 오래 동안 알려져 왔다. 공지된 섬유는 소위 삼엽형 섬유(trilobal fiber)라고 하는 삼각형 단면일 수 있다. 또한, 섬유는 정사각형 형상일 수 있거나, 4개, 5개, 6개 이상의 핑거를 갖는 별 형상 섬유일 수 있다. 또한, 편평한 타원형, T자 형상, M자 형상, S자 형상, Y자 형상 또는 H자 형상 단면을 나타내는 섬유가 공지되어 있다.
단일 섬유(필라멘트)는 얀(yarn)으로 방사될 수 있고, 다수의 얀이 쓰레드(thread)를 생성하기 위해 함께 합체될 수 있다.
하나의 특별한 양태는 다양한 적용을 위해 필터 제조를 위한 폴리머 섬유의 용도이다. 오늘날, 필터는 다양한 목적으로 대규모로 사용된다. 따라서, 자동차 분야에서, 필터는 예를 들어 꽃가루, 그을음, 미세 먼지, 알레르겐, 가스 등으로부터 차량 탑승자를 보호하기 위한 캐빈 에어 필터로서 사용될 수 있다. 엔진 흡입 에어 필터는 연소 과정 및 자동차의 센서 시스템에 부정적인 영향을 줄 수 있는 오염 물질을 제거한다. 연료 전지 차량에는, 특수 흡입 공기 필터 및 가습기가 요구된다. 다양한 산업 분야에서 필터는 특히 가스 터빈 및 압축기, 식음료 산업, 대기 오염 제어, 부식 제어, 클린룸 및 의약품 생산에 사용된다. 또한, 필터는 병원 및 의료 시설에서 사용된다. 일상 생활에서, 필터는 예를 들어 백리스(bagless) 진공 청소기용 필터로서 진공 청소기에, 냄새 제거를 위해, 자동차 보호 필터로서, 그리고 배기 가스 용으로 사용된다. 필터는 많은 다양한 형태, 예를 들어, 폴리머 섬유로 만들어진 열적으로 본딩된(bonded) 부직포를 포함하는 필터 매트로 사용될 수 있다.
다른 특별한 양태는 카펫 제조를 위한 폴리머 섬유의 용도이다. 터프팅된(tufted) 카펫은 다층의 파일 텍스타일(multilayer, pile textile)이다. 그것들은 파일 얀(pile yarn)이 베이스 층(base layer)과 결합되지만 니들에 의해 묶이지 않는, 특수 기계에서 제조되며, 카펫의 경우, 오늘날 거의 합성 섬유 만으로 이루어진다. 파일 얀의 고정은 천연 또는 합성 고무, 또는 폴리비닐 클로라이드(PVC)로 베이스 층의 뒷면을 후속 코팅함으로써 달성된다. 또한, 고무 코팅은 대체로 엘라스토머 포움(foam) 또는 직포 또는 부직포 텍스타일 재료로 이루어진 소위 2차 배킹(backing)에 결합된다.
터프팅된 제품은 예를 들어, 카펫, 러너(runner), 텍스타일 타일, 침대 스프레드, 목욕 매트 등과 같은 많은 용도로 사용된다. 생산 과정에서, 베이스 층은 특히 상당히 중요하다. 베이스 층의 역할은 파일 얀의 안전한 고정이다.
용어 "터프팅(tufting)"은 3차원 텍스타일 시트의 생산 기술을 지칭한다. 카펫 제조를 위해 전 세계적으로 가장 빈번히 사용되는 공정이다. 터프팅은 재봉틀의 원리에 따라 작동한다. 니들은 소위 파일 얀을 베이스 재료(직포 또는 부직포)에, 소위 1차 배킹 또는 지지체에 삽입한다. 니들은 베이스 재료를 통해 스티칭하고; 니들이 다시 돌아가기 전에 삽입된 파일 얀이 루퍼(looper)에 의해 유지된다. 이것은 터프팅 직물의 윗면에 루프(loop)(파일 매듭(pile knot))를 생성한다. 이러한 방식으로, 소위 루프 파일 카펫(loop-pile carpet)이 얻어진다. 루프가 나이프에 의해 절단되어 열리면, 벨벳 카펫(컷-파일 카펫(cut-pile carpet))이 형성된다. 종종 나이프가 루퍼에 이미 부착되어 있기 때문에, 파일의 유지 및 절단이 한 번의 작업으로 수행된다. 스티칭된 파일 얀을 단단히 유지하기 위해서는 2차 배킹 또는 라텍스 층이 적용되어야 한다. 이 공정은 라미네이션(lamination) 또는 인테그레이션(integration)으로서 지칭된다.
EP 1619283은 터프팅 부직포의 생산 방법을 기술하고 있으며, 여기서 원형 섬유 단면으로부터 분기되는 섬유가 터프트 배킹(tuft backing)에 사용된다.
US 3351205는 부직 섬유를 위한 꼬인 가닥(twisted strand)을 기술하고 있다. 이 문헌은 6-핑거 필라멘트(6개의 반대쪽으로 배치된 로브(lobe)를 갖는 방사상 단면을 갖는 별 형상 구성)가 꼬인 가닥에 유용하다는 것을 개시하고 있다(도 32 참조). 6-핑거 필라멘트는 규칙적이며 모든 핑거는 폭이 동일하고 중심으로부터 동일 거리에 있다.
US 5069970은 폴리올레핀을 포함하는 폴리에스테르계 섬유를 기술하고 있다. 섬유는 다른 형상, 예를 들어 별 형상이며 6개의 핑거를 갖는다(도 3). 그러나, 이러한 섬유의 형상 또한 규칙적이다.
US 6787227은 적어도 5개의 정점을 갖는 필라멘트를 기술하고 있다. 필라멘트의 단면은 바람직하게는 별 형상이다. 그러나, 이들 필라멘트는 또한 규칙적인 형상을 갖는다.
WO 2017/006234는 규칙적인 것으로 보이는 기어 형상 단면을 갖는 폴리에스테르 섬유를 개시한다.
EP 3069625는 인공 모발용 필라멘트에 관한 것이다. 섬유는 3개 이상의 인터 로브 갭 영역(interlobe gap region)을 갖는 다엽형 형상을 갖는다. 불규칙한 6-핑거 형상의 필라멘트는 기술되어 있지 않다.
EP 1966416은 3개의 주 로브 및 3개의 부 로브를 갖는 6-핑거 필라멘트를 기술하고 있다. 그러나, 주 로브는 동일한 폭 및 길이를 갖고, 부 로브는 또한 동일한 폭 및 길이를 갖는다. 즉, 그것들은 규칙적이다.
WO 2006/133036은 불투명성, 장벽 성질 및 기계적 성질의 제어 가능한 개선을 제공하기 위한 다양한 형상의 섬유의 혼합물을 기술하고 있다. 다양한 단면은 솔리드 원형 섬유, 중공 원형 섬유, 다엽형 솔리드 섬유, 중공 다엽형 섬유, 초승달 형상 섬유, 정사각형 형상 섬유, 및 이들의 임의의 조합을 포함한다.
US 2017/0226673은 변형된 단면 중공 섬유를 기술하고 있으며, 여기서 상기 섬유는 중공 부분, 형상 유지 부분 및 체적 제어 부분을 포함한다. 중공 부분의 중공 비율은 섬유 단면적에서 15 내지 30%이다. 또한, 섬유는 모노 필라멘트/단 섬유 방사 공정으로 생산된다.
US 2013/0133980은 복수(16 내지 32개)의 로브로 둘러싸인 코어를 포함하는 날개형 섬유를 기술하고 있다. 섬유는 씻겨 나가는 다른 폴리머 내부에 요망하는 섬유 재료를 공압출하고, 이후 최종 섬유가 완전히 형성됨으로써 제조된다. 그러나, 섬유 자체는 모노 필라멘트/단 섬유 방사 공정으로 생산된다.
성질 프로파일을 개별적으로 조정할 수 있는 섬유가 필요하다. 예를 들어, 다목적 여과 기재(filtration substrate)로서 사용될 수 있는 부직포의 제조에 적합한 섬유에 대해 특별한 요구가 존재한다. 따라서, 섬유 및 이에 따른 부직포는 예를 들어 높은 처리량, 낮은 압력 강하 적용에 적합한 공기 투과성 필터 생산에 적합해야 한다. 현재, 낮은 압력 강하 적용을 위한 보다 경량인 섬유 및/또는 더 큰 섬유 직경을 갖는 섬유에 대한 요구가 있을 수 있다. 어쨌든, 우수한 여과 성능의 유지가 요망된다. 따라서, 하나의 과제는 요구되는 낮은 압력 강하 요건과 동시에 개선된 입자 포획 성능에 부합하기 위해 보다 높은 섬유 직경 및 더 큰 표면적을 갖는 섬유를 개발하는 것이다. 섬유 생산에 대한 또 다른 요구는 하나의 방적돌기에서 상이한 섬유의 요망하는 디자인을 형성하고 한 단계에서 상이한 층으로 직물을 형성하기 위해 적어도 2개의 상이한 폴리머를 방사할 수 있는 오리피스를 갖는 방적돌기이다. 한 단계의 방사 공정으로 섬유의 타깃 형상을 형성하고 웹을 직접 열-본딩(thermal-bonding)할 수 있어야 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 특히 필터 적용을 위해 우수한 적용 성질을 갖는 부직포의 제조를 가능하게 하는 새로운 섬유 또는 새로운 섬유 조성물을 제공하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 높은 여과 성능을 위한 섬유를 제공하기 위해 더 큰 표면적 및 높은 섬유 직경 둘 모두를 갖는 최적화된 섬유를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 하나의 방적돌기에서 섬유의 요망하는 디자인을 형성하고 한 단계에서 상이한 층을 갖는 직물을 형성하기 위해 적어도 2개의 상이한 폴리머를 방사할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 근본적인 문제점은 적어도 6개의 핑거 형상 단면적을 포함하는 본 발명에 따른 폴리머 섬유에 의해 해결된다.
본 발명에 따른 폴리머 섬유는 하기 장점 중 적어도 하나를 갖는다:
- 보다 넓은 표면으로 인해, 이러한 섬유를 기반으로 하는 필터의 입자 유지 용량(particle holding capacity)이 증가한다.
- 보다 큰 섬유 직경으로 인해, 이러한 섬유를 기반으로 하는 필터의 압력 강하가 감소한다.
- 섬유의 보다 높은 표면적으로 인해, 이러한 섬유를 기반으로 하는 필터 및 와이핑 몹(wiping mop)의 분진 보유 용량(dirt holding capacity)이 높다.
- 높은 강성으로 내구성이 높아진다.
- 상기 섬유를 기반으로 하는 필터를 사용하면 높은 투과성 및 심층 여과가 가능하여, 압력 강하가 적은 필터를 통과하는 공기를 효율적으로 지속적으로 세정하게 한다.
- 하나의 방적돌기에서 폴리머 물질이 다른 섬유를 방사하고, 한 단계에서 다밀도(multi-density) 층을 형성할 수 있다.
발명의 요약
본 발명은 다음 성질 중 적어도 하나를 갖는, 적어도 6개의 핑거 형상 단면적을 포함하는 폴리머 섬유에 관한 것이다:
- 핑거는 각 중심 축에 대해 비대칭적으로 위치함,
- 섬유의 단면적은 회전축을 갖지 않음.
특히, 본 발명은 다음 성질 중 적어도 하나를 갖는, 6 내지 10개의 핑거 형상 단면적을 포함하는 솔리드 폴리머 섬유에 관한 것이다:
- 핑거는 각 중심 축에 대해 비대칭적으로 위치함,
- 섬유의 단면적은 회전축을 갖지 않음.
본 발명은 또한 상기 및 하기에 정의된 바와 같은 폴리머 섬유를 포함하는 부직포에 관한 것이다.
본 발명은 또한 상기 및 하기에 정의된 바와 같은 폴리머 섬유를 포함하는 필터 재료에 관한 것이다.
본 발명은 또한 부직포를 제조하기 위한 상기 및 하기에 정의된 바와 같은 폴리머 섬유의 용도에 관한 것이다.
본 발명은 또한 상기 및 하기에 정의된 바와 같은 폴리머 섬유를 제공하도록 설계된 배열된 구멍의 패턴을 포함하는 모세관 방적돌기 오리피스를 포함하는 방적돌기에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 6개의 핑거 형상 폴리머 섬유를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 폴리머 섬유를 형성하는 방적돌기의 6개의 슬롯(slot)에 대한 상세도를 도시한 것이다.
상세한 설명
본 발명의 의미에서, 용어 "내원(inner circle)(ri)"은 섬유의 단면적에 완전히 맞는 최대 원이다.
본 발명의 의미에서 용어 "외원(outer circle)(ro)"은 섬유의 단면적을 완전히 둘러싸는 최소 원이다.
각 핑거의 용어 "길이"는 핑거의 팁에서 내원(ri)의 중심까지의 거리이다.
용어 "섬유"는 길이 치수가 폭 및 두께의 가로 치수보다 큰, 기다란 바디(elongated body)를 나타낸다. 따라서, 용어 "섬유"는 필라멘트에 동의어로 사용된다.
용어 "솔리드 섬유"는 섬유의 단면적에 임의의 중공 부분을 포함하지 않는 섬유를 나타낸다.
섬유:
본 발명에 따른 폴리머 섬유는 일반적으로 단면적이 불규칙한 형상을 갖는다. 일반적으로, 섬유의 단면적은 회전축을 갖지 않는다. 섬유의 단면적은 본질적으로 바깥쪽으로 연장되고 볼록 팁, 소위 핑거에서 끝나는 직선형 측부를 갖는다. 일반적으로, 핑거는 각각의 중심 축에 비대칭적으로 위치된다. 핑거는 볼록 팁의 방향에서 중심 축으로부터 멀어지면서 넓은 폭에서 좁아지게 안쪽으로 테이퍼링될 수 있거나, 핑거는 볼록 팁의 방향에서 중심 축으로부터 멀어지면서 좁은 폭에서 넓어지게 바깥쪽으로 테이퍼링될 수 있다.
본 발명에 따른 폴리머 섬유는 적어도 6개의 핑거 형상 단면적, 바람직하게는 6 내지 10개의 핑거 형상 단면적, 더욱 바람직하게는 6개의 핑거 형상 단면적을 포함한다.
바람직한 구체예에서, 폴리머 섬유의 적어도 6개의 핑거 형상 단면적, 바람직하게 6 내지 10개의 핑거 형상 단면적은 적어도 하나의 다른 핑거와 상이한 섬유의 단면적에 완전히 맞는, 핑거 팁으로부터 최대 원(내원 ri)의 중심까지의 거리를 갖는 하나 이상의 핑거를 포함한다.
바람직하게는, 적어도 6개의 핑거 형상 단면적, 바람직하게는 6 내지 10개의 핑거 형상 단면적은, 내원(ri)을 포함하며, 이는 5 ㎛ 내지 50 ㎛, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ 내지 30 ㎛ 범위 내이다.
바람직하게는, 적어도 6개의 핑거 형상 단면적, 바람직하게는 6 내지 10개의 핑거 형상 단면적은 외원(ro)(섬유의 단면적을 완전히 둘러싸는 최소 원)을 포함하며, 이는 10 ㎛ 내지 10 ㎛, 더욱 바람직하게는 15 ㎛ 내지 50 ㎛ 범위 내이다.
바람직한 구체예에서, ro : ri의 비율은 3 내지 1.01, 바람직하게는 1.5 내지 1.01, 특히 1.5 내지 1.25의 범위이다.
핑거 팁으로부터 내원(ri)의 중심까지의 거리를 의미하는, 핑거의 길이는 바람직하게는 적어도 5 ㎛ 내지 100 ㎛, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ 내지 50 ㎛이다.
핑거의 가장 넓은 지점에서 핑거의 폭은 바람직하게는 적어도 5 ㎛ 내지 100 ㎛, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ 내지 50 ㎛이다.
핑거의 각 축은 핑거의 가장 가까운 축으로부터 각도있게 이격되고, 각 핑거의 축 사이의 각도는 1° 내지 170°의 랜덤 분포이다.
섬유의 핑거의 특별한 특징은 가장 짧은 핑거와 가장 긴 핑거의 비이다. 따라서, 핑거 팁에서 가장 짧은 핑거와 가장 긴 핑거의 내원(ri)의 중심까지의 거리의 비가 25:100 내지 60:100의 범위인 본 발명에 따른 폴리머 섬유가 바람직하다.
섬유의 역가는 선형 질량 밀도(linear mass density), 즉 주어진 길이의 섬유의 중량으로 측정될 수 있다. 본 발명에 따른 폴리머 섬유는 5 내지 14 dtex(SI- 단위: 1 dtex = 1 g/10000 m) 범위의 역가를 갖는 것이 바람직하다.
일반적으로, 방적돌기는 주로 섬유 제조에 사용되는 유형의 다이이다. 방적돌기는 일반적으로 용융물을 당기고/거나 강제로 통과시키는 다수의 작은 구멍을 갖는 금속판이다. 방적돌기는 1 데니어 이하의 필라멘트의 압출이 가능하다. 통상적인 방적돌기 오리피스는 원형이며 단면이 둥글고 섬유를 생산한다. 방적돌기는 아주 많은 작은 구멍, 예를 들어, 약 50 내지 110개의 매우 작은 구멍을 포함할 수 있다. 방적돌기 디자인의 특별한 특징은 비교적 작은 면적의 방출 섹션의 용융물이 큰 원의 방적돌기에 분포된다는 것이다. 분배기의 입구 영역에서 거리가 보다 좁기 때문에, 데드 스페이스(dead space)가 방지되고, 출구 오리피스 사이의 거리가 멀수록 쓰레딩(threading)이 더 쉬워진다.
본 발명에 따른 폴리머 섬유는 방적돌기 오리피스를 통한 용융 또는 용액 방사에 의해 제조된다. 용융 방사를 위해, 용융 상태의 폴리머는 예를 들어 압출기에 의해 방적돌기 판에 공급될 수 있다. 바람직하게는, 하나의 단일 섬유가 방적돌기에서 6 내지 10개의 슬롯, 특히 6개의 슬롯에 의해 형성되며, 여기서 슬롯은 연결되어 있지 않다. 따라서, 하나의 단일 섬유는 6 내지 10개, 특히 6개의 슬롯을 빠져 나가는 합쳐진 가소화된 폴리머 용융물에 의해 형성된다. 다시 말해, 섬유 형상은 6 내지 10개, 특히 6개의 슬롯에 의해 형성되며, 여기서 오리피스는 타원 형상이다. 폴리머 용융물을 6 내지 10개, 특히 6개의 부분 가닥으로 분할함으로써, 본 발명에 따른 섬유가 달성될 수 있다. 바람직하게는, 공기 흐름은 섬유 형상을 형성하는 각각의 측면의 3 내지 10개, 특히 3개, 4개, 5개 또는 6개의 갭으로부터 주입된다. 특히, 하나의 섬유를 형성하는 6 내지 10개, 특히 6개의 슬롯의 각 슬롯은 타원과 유사한 형상을 갖는다. 바람직하게는, 각 슬롯의 타원의 길이는 0.40 mm 내지 0.60 mm의 범위 내이다. 바람직하게는, 각 타원의 폭은 0.10 mm 내지 0.15 mm의 범위 내이다. 6 내지 10개, 특히 6개의 타원형 슬롯은 가상 중심 주위에 불규칙적으로 배열된다. 가상 중심으로부터 슬롯의 거리는 0.2 mm 내지 0.4 mm이다.
바람직하게는, 본 발명의 방법에서 방적돌기를 빠져 나가는 섬유는 1 단계 연신 공정을 거친다. 연신 공정의 경우, 예를 들어, 방적돌기의 오리피스를 빠져 나가는 새로 형성된 섬유가 먼저 가열된 구역을 통과하며, 여기에서 이러한 온도는 섬유의 소성 변형을 야기할 수 있는 온도로 설정된다. 가열 구역 다음에 냉각 구역이 있을 수 있다. 이 구역에서, 섬유의 온도는 유리 전이 온도(Tg) 아래로 낮아진다. 냉각은 당업자에게 알려진 다양한 방식으로 수행될 수 있다. 섬유 다발이 냉각 구역을 나갈 때, 다발의 온도는 섬유 또는 다발이 영구적으로 변형되지 않고 회전 또는 정적 안내 요소 위로 또는 이를 따라 지나갈 수 있을 정도로 충분히 낮아야 한다. 연신을 위해, 방적돌기 오리피스를 빠져 나가는 섬유의 속도(방사 속도), 및 존재하는 경우, 가열 및 냉각 구역은 고정된다. 속도는 예를 들어, 하나 이상의 고데트(godet)에 걸쳐 섬유 다발을 여러 번 통과시킴으로써, 특정 값으로 설정될 수 있다. 요망하는 경우, 고데트는 가열될 수 있다.
본 발명에 따른 1 단계 연신 공정에서, 방사 속도가 고정된 직후 섬유(즉, 방사된 그대로의 생성물)가 연신된다.
섬유가 한 단계에서 인출되면, 개선된 디자인 및 개선된 적용 특성을 갖는 본 발명에 따른 솔리드 폴리머 섬유가 얻어지는 것으로 밝혀졌다.
섬유의 재료:
원칙적으로, 본 발명에 따른 폴리머 섬유는 임의의 섬유 형성 폴리머, 즉 방적성(spinnability) 조건을 만족시키는 용융물 또는 용액으로 전환될 수 있는 폴리머로부터 형성될 수 있다.
열가소성 폴리머 물질이 본 발명에서 사용될 수 있다. 본 발명의 의미에서, 열가소성 폴리머는 특정 온도 이상에서 가역적으로 변형될 수 있고, 이로써 이 공정이 요망에 따라 여러번 반복될 수 있는 것들이다. 이 특정 온도 미만에서는, 이들은 변형될 수 없는 물질이다. 열가소성 폴리머 물질은 용융 방사에 적합한 유동 학적 특성을 가져야 한다. 폴리머의 분자량은 폴리머 분자 사이의 얽힘을 가능하게하기에 충분해야 하지만 용융 방사 가능할 정도로 충분히 낮아야 한다. 용융 방사를 위해, 열가소성 폴리머는 약 1,000,000 g/mol 미만, 바람직하게는 약 5,000 g/mol 내지 약 750,000 g/mol, 더욱 바람직하게는 약 10,000 g/mol 내지 약 500,000 g/mol, 및 더욱 더 바람직하게는 약 50,000 g/mol 내지 약 400,000 g/mol의 분자량을 갖는다. 열가소성 폴리머 물질은 스테이플 섬유를 위한 스핀 연신 공정 또는 스펀본드 연속 섬유 공정과 같은 공지된 공정에서 전형적으로 직면되는 바와 같이, 바람직하게는 신장 흐름(extensional flow) 하에서 비교적 신속하게 고화될 수 있고, 열적으로 안정한 섬유 구조를 형성할 수 있어야 한다. 바람직한 폴리머 물질은 폴리에스테르, 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리락테이트, 할로겐 함유 폴리머, 폴리아크릴레이트, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 알콜, 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리설폰, 폴리옥시메틸렌, 이들로부터 유도된 폴리이미드 코폴리머 및 이들의 혼합물을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
적합한 폴리올레핀은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리(1-부텐), 폴리이소부틸렌, 폴리(1-펜텐), 폴리(4-메틸펜트-1-엔), 폴리부타디엔, 폴리이소프렌 및 폴리올레핀 함유 블렌드로부터 선택된다. 적합한 폴리에틸렌은 HDPE, LDPE, LLDPE, VLDPE; ULDPE 및 UHMW-PE로부터 선택된다. 적합한 폴리올레핀 블렌드는 적어도 하나의 폴리올레핀, 특히 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 에틸렌-프로필렌-코폴리머 및 적어도 하나의 상이한 폴리머를 포함한다. 상이한 폴리머는 예를 들어, 폴리올레핀 및 α,β-불포화 카복실산 또는 카복실산 무수물, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리설폰, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리스티렌, 폴리아미드 또는 언급된 상이한 폴리머의 둘 이상의 혼합물로 제조된 그라프트 또는 코폴리머로부터 선택된다.
적합한 할로겐 함유 섬유 형성 폴리머는 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리비닐리덴 클로라이드(PVDC), 폴리비닐리덴 플로라이드(PVDF) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이다.
본 발명에 따른 폴리머 섬유는 또한 적어도 하나의 비열가소성 폴리머 물질을 포함하거나 이로 이루어질 수 있다. 적합한 비열가소성 폴리머 물질은 재생 셀룰로스(특히, 비스코스 레이온(viscose rayon), 리오셀(lyocell)), 면, 목재 펄프, 등, 및 이들의 혼합물이다. 비열가소성 폴리머 물질로부터의 폴리머 섬유는 예를 들어, 용액 또는 용매 방사에 의해 생산될 수 있다. 재생 셀룰로스는 모세관을 통해 산 응고조로 압출함으로써 생산될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 폴리머 섬유는 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아미드 및 이들의 코폴리머 및 혼합물로부터 선택된 폴리머를 포함한다.
본 발명에 따른 폴리머 섬유는 일- 또는 다성분 필라멘트로 구성될 수 있다. 적합한 구체예는 코어 물질로서 폴리에스테르, 특히 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 및 핑거 물질로서 코폴리에스테르를 갖는 다성분 필라멘트이다.
본 발명에 따른 폴리머 섬유는 직물, 예를 들어 필터로서 유리하게 사용될 수 있는 직물, 에를 들어, 부직포의 형성의 적합하다. 필터 기재는 단일 유형의 필라멘트 또는 상이한 유형의 필라멘트의 조합으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 폴리머 섬유는 직물, 예를 들어 카펫 타일로서 유리하게 사용될 수 있는 직물, 예를 들어, 부직포의 형성의 적합하다. 카펫 타일 기재는 단일 유형의 필라멘트 또는 상이한 유형의 필라멘트의 조합으로 이루어질 수 있다.
상이한 형상을 갖는 오리피스의 조합을 갖는 방적돌기를 사용함으로써, 소위 다중-형태 방사에 의해 상이한 유형의 필라멘트를 한 단계로 생산할 수 있다. 이에 의해, 한 단계로 다층 직물을 생산할 수 있다. 따라서, 예를 들어 상이한 공기 투과성을 갖는 상이한 층을 갖는 필터를 생산하는 것이 가능하다. 예를 들어, 이에 따른 필터는 기류의 우회(indirection)가 보다 높은 공기 투과도에서 보다 낮은 공기 투과도의 구배를 갖는 층으로 이루어질 수 있다. 본 발명은 공기 중의 입자를 제거하는 데 효과적이며 장시간 적용에 걸쳐 유지되는 낮은 압력 강하를 특징으로 하는 필터의 생산을 가능하게 한다.
필라멘트의 디자인 및 이에 따른 필터는 요구되는 공기 흐름/공기 침투에 따라 최적화될 수 있다.
예를 들어, 다음과 같이 상이한 형상 및/또는 상이한 크기 및/또는 상이한 재료의 섬유를 조합하는 것이 가능하다:
a) 예를 들어 하향식 배열의 본 발명에 따른 6개의 핑거 필라멘트와 같은, 동일한 형상이지만 상이한 데니어 값(예를 들어, 12 및 6 데니어)을 갖는 필라멘트의 조합.
b) 예를 들어 하향식 배열의 둥근 섬유 및 본 발명에 따른 6개의 핑거 섬유와 같은, 상이한 형상을 갖는 필라멘트의 조합(2층 직물).
c) 예를 들어 하향식 배열의 둥근 섬유 및 본 발명에 따른 6개의 핑거 섬유 및 둥근 섬유와 같은, 상이한 형상을 갖는 필라멘트의 조합(3층 직물).
d) 예를 들어 본 발명에 따른 6개의 핑거 섬유 및 둥근 섬유 및 본 발명에 따른 6개의 핑거 섬유와 같은, 상이한 형상을 갖는 필라멘트의 조합(3층 직물).
e) 예를 들어 하향식 배열의 본 발명에 따른 6개의 핑거 섬유 및 삼각형, 4-, 5-, 6-, 7-, 8-포인트 별, 타원, H자 형상, 이중 H자 형상 및 이들의 조합으로부터 선택된 형상과 같은, 상이한 형상을 갖는 필라멘트의 조합(2 및 다층 직물).
f) 예를 들어 PET 및 하나 이상의 상이한 폴리머, 특히 PET/PP 또는 PET/PBT를 포함하는 조합과 같은, 상이한 재료를 갖는 필라멘트의 조합.
공정:
일 구체예에서 본 발명에 따른 폴리머 섬유는 스펀멜트(spunmelt) 섬유이다. 본 발명의 의미에서 용융 방사는 일종의 열가소성 압출이다. 용융 방사는 스펀레이드(spunlaid) 공정, 멜트블로운(meltblown) 공정 및 스펀본드(spunbond) 공정을 포함한다. 이러한 공정은 당업자에게 공지되어 있다.
섬유를 생산하는 첫 번째 단계는 일반적으로 컴파운딩(compounding) 또는 혼합 단계이다. 컴파운딩 단계에서, 원료는 전형적으로 전단 하에서 가열된다. 열 존재 하에서의 전단은 열가소성 물질 및 선택적인 비열가소성 물질의 균질한 용융물을 형성할 것이다. 이후, 얻어진 용융물을 압출기에 넣고, 재료를 혼합하고 모세관을 통해 운반하여 섬유를 형성한다. 이후, 섬유는 어테뉴에이션(attenuation)되고 수집된다. 섬유는 바람직하게는 실질적으로 연속적이며(즉, 약 2500:1보다 큰 길이 대 직경 비를 가짐), 스펀레이드 섬유로 지칭될 것이다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 구체예에서, 상기 정의된 바와 같이 폴리머 섬유를 제공하도록 설계된 배열된 구멍의 패턴을 형성하는 모세관 방적돌기 오리피스를 포함하는 방적돌기가 사용된다.
상기 정의된 바와 같은 폴리머 섬유를 제공하도록 설계된 배열된 구멍의 패턴을 포함하는 방적돌기는 또한 본 발명의 한 양태이다.
바람직한 구체예에서, 방적돌기는 6 내지 10개, 바람직하게는 6개의 슬롯으로 이루어진 오리피스를 포함하고, 여기서 각 슬롯은 타원과 유사한 형상을 가지며, 바람직하게는 각각의 타원은 0.10 mm 내지 0.15 mm의 폭 및 0.40 mm 내지 0.60 mm의 길이를 갖는다.
섬유는 상이한 본딩 방법에 의해 직물로 전환될 수 있다. 스펀본드 또는 멜 트블로운 공정에서, 섬유는 공지된 산업 표준 기술을 사용하여 통합된다. 전형적인 본딩 방법은 캘린더(압력 및 열), 스루-에어 열(thru-air heat), 기계적 엉킴, 수력 엉킴, 니들 펀칭 및 화학적 본딩 및/또는 수지 본딩을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 가압 열 및 스루-에어 열 본딩 방법의 경우, 열적으로 본딩 가능한 섬유가 필요하다. 섬유는 또한 직물 시트를 형성하기 위해 함께 직조될 수 있다. 이 본딩 기술이 기계적 인터로킹 방법이다. 이후, 섬유 직물은 물품에 포함될 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 예를 들어 본 발명에 따른 폴리머 섬유를 포함하는 직포, 편물, 레이드 스크림(laid scrim) 또는 부직포의 형태의 텍스타일 구조이다. 본 발명의 의미에서 텍스타일 구조는 섬유 또는 섬유 다발의 조합이다. 그것은 단일 또는 다중 층을 이룰 수 있다. 본 발명의 맥락에서 텍스타일 구조는 적어도 하나의 층, 바람직하게는 하나 초과의 층으로 이루어진 직포, 단일 또는 다중 층 직포, 단일 또는 다중 층 부직포, 단일 또는 다중 층 편물, 단일 또는 다중 층 레이드 스크림 직물, 바람직하게는 얀, 트위스트(twist) 또는 로프(rope)의 평행 섬유 또는 섬유 다발로 이루어진 수 개의 층으로서 정의될 수 있으며, 얀, 트위스트 또는 로프의 평행 섬유 또는 섬유 다발의 개별 층들은 서로, 또는 부직포에 대해 꼬일될 수 있다.
본 발명의 특정 양태는 본 발명에 따른 폴리머 섬유를 포함하는 부직포이다. 따라서, 본 발명의 추가의 양태는 부직포를 제조하기 위한 상기 정의된 바와 같은 폴리머 섬유의 용도이다.
바람직하게는, 본 발명의 부직포는 본 발명에 따른 폴리머 섬유를 함유하는 터프트-배킹을 포함한다.
본 발명의 폴리머 섬유를 포함하거나 이로 이루어진 제품은 바람직하게는 필터, 특히 공기, 오일 및 물을 위한 필터; 진공 청소기 필터; 노(furnace) 필터; 안면 마스크; 커피 필터 등에 사용된다.
본 발명의 폴리머 섬유를 포함하거나 이로 이루어진 제품은 추가로 단열 재료 및 방음 재료에 사용될 수 있다. 이들은 일회용 위생 제품, 예컨대 기저귀, 여성용 패드 및 요실금 물품용 부직포; 개선된 수분 흡수 및 착용 유연성을 위한 생분해성 텍스타일 직물, 예컨대 마이크로 섬유 또는 통기성 직물; 먼지를 수집 및 제거하기 위한 구조화된 웹; 포장지, 필기 용지, 신문, 골판지와 같은 종이의 경질 등급을 위한 보강재 및 웹, 및 화장지, 종이 타월, 냅킨 및 페이셜 티슈와 같은 종지의 조직 등급을 위한 웹에 사용될 수 있다. 본 발명의 폴리머 섬유를 포함하거나 이로 이루어진 제품은 추가로 외과용 드레이프, 상처 드레싱, 붕대, 피부 패치 및 자가 용해 봉합사와 같은 의학적 용도 및 치실 및 칫솔 강모와 같은 치과용으로 사용될 수 있다. 본 발명의 폴리머 섬유를 포함하거나 이로 이루어진 제품은 추가로 물 및 오일을 흡수하는 제품에 사용될 수 있으며, 농업 또는 원예 적용을 위한 오일 또는 물 유출 세정 또는 제어된 물 보유 및 방출에 사용될 수 있다. 생산된 섬유 또는 섬유 웹은 또한 콘크리트, 플라스틱, 목재 펄프 등과 같은 다른 재료에 혼입되어 복합 재료를 형성할 수 있으며, 이는 벽, 지지 빔, 프레스 보드, 건조 벽 및 배킹, 및 천장 타일과 같은 건축 자재로서 사용될 수 있다.
본 발명의 추가의 양태는 부직포를 제조하기 위한 상기 정의된 바와 같은 폴리머 섬유의 용도이다.
바람직한 일 구체예에서, 상기 정의된 바와 같은 폴리머 섬유는 필터 및 카펫, 특히 카펫 타일, 바닥을 완전히 덮는 카펫(wall-to-wall carpet), 도어 매트, 스로인 매트(throw-in mat), 신발 카펫 등에 사용될 수 있으며, 자동차용 터프트 카펫(automotive tuft carpet)이 바람직하다.
본 발명에 따른 섬유의 터프트-배킹 층에서 파일 얀과 접촉되고 그것들을 기재에 고정한다(터프트 배킹). 섬유와 파일 얀 사이의 접촉 면적이 종래 기술로부터 공지된 일반적인 원형 섬유보다 현저히 높은 것이 본 발명의 이점이다.
섬유와 얀 루프(파일 얀) 사이의 접촉각이 바람직하게는 20 내지 90°, 특히 40 내지 90°, 특히 60 내지 90°인 터프트 배킹으로 본 발명에 따른 섬유를 배열하는 것이 가능하다.
본 발명의 특별한 구체예는 카펫 배킹 및 필터로서의 본 발명에 따른 폴리머 섬유의 용도이다.
본 발명의 추가의 특별한 구체예는 적어도 2개의 상이한 폴리머 섬유를 포함하는 폴리머 섬유 조성물이고, 상기 섬유 중 적어도 하나는 적어도 6개의 핑거 형상 단면적, 바람직하게는 6 내지 10개의 핑거 형상 단면적을 포함하는 상기 정의된 바와 같은 폴리머 섬유이다. 적어도 6개의 핑거 형상 단면적을 포함하는, 적합하고 바람직한 섬유의 상기 언급된 정의가 여기에서 완전히 지칭된다.
둘 이상의 상이한 폴리머 섬유는 하기 성질들 중 적어도 하나가 상이하다:
- 단면적의 형상,
- 섬유의 역가,
- 섬유의 화학적 조성.
다중 역가, 단일 형상 필라멘트 또는 다중 형상 필라멘트가 바람직하다.
바람직한 구체예에서, 적어도 2개의 상이한 폴리머 섬유는 특히 하나의 단일 방적돌기를 사용하여 단일 단계 공정으로 제조된다.
본 발명의 추가의 구체예는 본 발명에 따르고, 상기 정의된 적어도 하나의 폴리머 섬유 및 하기로부터 선택되는 적어도 하나의 섬유를 포함하는 섬유 조성물이다:
- 본 발명에 따르고 하향식 배열의 상기 정의된 폴리머 섬유와 비교하여 상이한 데니어 값을 갖는 섬유,
- 본 발명에 따르고 하향식 배열의 상기 정의된 폴리머 섬유와 비교하여 상이한 형상을 갖는 섬유.
본 발명은 하기 실시예에서 보다 상세하게 기술된다.
실시예
도 1은 본 발명에 따른 6개의 핑거 형상 폴리머 섬유를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 폴리머 섬유를 형성하는 방적돌기의 6개의 슬롯에 대한 상세도를 도시한 것이다.
실시예 1:
두 층이 본 발명에 따른 6개의 핑거 형상 폴리머 섬유를 포함하는, 2개의 층을 갖는 폴리에스테르 스펀바운드(spunbound) 직물을 생산하였다. 혼합된 섬유 형상, 및 각 오리피스에 폴리머를 공급하기 위한 칭량 판을 포함하는, 특수 방적돌기를 사용하였다. 층들 중 하나는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 코어 물질 및 코폴리에스테르 물질의 핑거를 포함하는 다성분 필라멘트를 포함하였다. 다른 층은 코폴리에스테르 물질을 포함하였다. 섬유를 열 및 압력을 사용하여 함께 열적으로 본딩시켰다.
이에 따른 직물은 2개의 층으로 이루어지며, 한 층은 공기 투과성이 높고, 다른 한 층은 공기 투과성이 낮다. 이 직물을 포함하는 공기 필터는 공기 중의 입자를 제거하는데 효과적이며, 오랜 적용 시간에 걸쳐 유지되는 낮은 압력 강하를 특징으로 한다.
실시예 2:
중간층이 본 발명에 따른 6개의 핑거 형상 폴리머 섬유를 포함하는, 3개의 층을 갖는 폴리에스테르 스펀바운드 직물을 생산하였다. 상부 층은 솔리드 원형 섬유로 형성되었다. 바닥층은 이중 H자 형상 섬유로 형성되고, 중간층은 본 발명에 따른 6개의 핑거 형상 폴리머 섬유로부터 형성되었다. 혼합된 섬유 형상, 및 각 오리피스에 폴리머를 공급하기 위한 칭량 판을 포함하는, 특수 방적돌기를 사용하였다. 중간층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 코어 물질 및 코폴리에스테르 물질의 핑거를 포함하는 다성분 필라멘트를 포함하였다. 다른 층은 코폴리에스테르 물질을 포함한다. 섬유를 열 및 압력을 사용하여 함께 열적으로 본딩시켰다.
이에 따른 직물은 각각 높은, 낮은 및 매우 낮은 공기 투과성을 갖는 3개의 층으로 이루어진다. 이 직물을 포함하는 공기 필터는 공기 중의 입자를 제거하는데 효과적이며, 오랜 적용 시간에 걸쳐 유지되는 낮은 압력 강하를 특징으로 한다.

Claims (20)

  1. 하기 성질 중 적어도 하나를 갖는, 6 내지 10개의 핑거 형상 단면적(fingered sectional area)을 포함하는, 솔리드 폴리머 섬유(solid polymeric fiber):
    - 상기 핑거가 각 중심 축에 대해 비대칭적으로 위치함,
    - 상기 섬유의 단면적이 회전축을 갖지 않음.
  2. 제1항에 있어서, 6개의 핑거 형상 단면적을 포함하는, 솔리드 폴리머 섬유.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 핑거가 적어도 하나의 다른 핑거와 상이한 섬유의 단면적에 완전히 맞는, 핑거 팁으로부터 최대 원(내원(inner circle)(ri))의 중심까지의 거리를 갖는, 솔리드 폴리머 섬유.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 내원(ri)이 5 ㎛ 내지 50 ㎛, 바람직하게는 10 ㎛ 내지 30 ㎛인, 솔리드 폴리머 섬유.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유의 단면적을 완전히 둘러싸는 최소 원(외원(outer ciicle)(ro))이 10 ㎛ 내지 100 ㎛, 바람직하게는 15 ㎛ 내지 50 ㎛인, 솔리드 폴리머 섬유.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, ro : ri의 비율이 3 내지 1.01, 바람직하게는 1.5 내지 1.01, 특히 1.5 내지 1.25의 범위 내인, 솔리드 폴리머 섬유.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 핑거 팁으로부터 내원(ri)의 중심까지의 거리가 적어도 5 ㎛ 내지 100 ㎛, 바람직하게는 10 ㎛ 내지 50 ㎛인, 솔리드 폴리머 섬유.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 핑거 팁에서 가장 짧은 핑거와 가장 긴 핑거의 내원(ri)의 중심까지의 거리의 비가 25:100 내지 60:100의 범위인, 솔리드 폴리머 섬유.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유가 바람직하게는 폴리에스테르, 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리아세테이트, 이들로부터 유래된 코폴리머 및 이들의 혼합물로부터 선택된 열가소성 폴리머로부터 선택되는, 솔리드 폴리머 섬유.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유가 5 내지 15 dtex 범위의 역가(titer)를 갖는, 솔리드 폴리머 섬유.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 오리피스(orifice)의 패턴을 포함하는 방적돌기(spinneret)를 통한 용융 또는 용액 방사에 의해 제조되고, 하나의 단일 섬유가 폴리머 용융물을 6 내지 10개, 특히 6개의 슬롯(slot)의 배열을 통과시킴으로써 형성되고, 하나의 섬유를 형성하는 6 내지 10개의 슬롯, 바람직하게는 6개의 슬롯의 각 슬롯이 타원형과 유사한 형상을 갖고, 바람직하게는 6 내지 10개, 바람직하게는 6개의 타원형 슬롯이 각각 0.10 mm 내지 0.15 mm의 폭 및 0.40 mm 내지 0.60 mm의 길이를 갖는, 솔리드 폴리머 섬유.
  12. 제11항에 있어서, 오리피스의 패턴을 포함하는 방적돌기를 통한 용융 또는 용액 방사에 의해 제조되고, 상기 방적돌기를 빠져 나가는 섬유가 1 단계 연신 공정을 거치는, 솔리드 폴리머 섬유.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 솔리드 폴리머 섬유를 포함하는 부직포.
  14. 제13항에 있어서, 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 솔리드 폴리머 섬유를 함유하는 터프트-배킹(tuft-backing)을 포함하는 부직포.
  15. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 솔리드 폴리머 섬유를 포함하는 필터 재료.
  16. 부직포 제조를 위한 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 솔리드 폴리머 섬유의 용도.
  17. 제16항에 있어서, 필터 및 카펫, 특히 카펫 타일, 바닥을 완전히 덮는 카펫(wall-to-wall carpet), 도어 매트, 스로인 매트(throw-in mat), 또는 자동차용 터프트 카펫(automotive tuft carpet)을 위한 용도.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 솔리드 폴리머 섬유가 카펫 배킹으로서 사용되는 용도.
  19. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 솔리드 폴리머 섬유를 제공하도록 설계된 배열된 구멍의 패턴을 형성하는 모세관 방적돌기 오리피스를 포함하는 방적돌기.
  20. 제19항에 있어서, 6 내지 10개, 바람직하게는 6개의 슬롯으로 이루어진 오리피스를 포함하고, 각각의 슬롯이 타원과 유사한 형상을 갖는 방적돌기.
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