KR20210091808A

KR20210091808A - 스펀-블로운 섬유의 제조에 사용하기 위한 쉽게 교환 가능한 노즐을 구비하는 방사구 블록

Info

Publication number: KR20210091808A
Application number: KR1020217019354A
Authority: KR
Inventors: 파비오 잠폴로
Original assignee: 테크노웹 머티리얼스 에스.알.엘.
Priority date: 2018-11-23
Filing date: 2019-11-05
Publication date: 2021-07-22
Also published as: EP3884088A1; WO2020104190A1; CN113574216A; BR112021009905A2; MX2021005985A; JP2022507154A; GB201819098D0; US20210310156A1; GB2579100A

Abstract

본 발명은, 예를 들어 다층 5 복합 웹(multi-layer 5composite web)의 층과 같이, 형성된 스펀-블로운 웹(spun-blown)을 포함하는 부직포 또는 스펀-블로운 웹(spun-blown web)을 더 형성할 수 있는 필라멘트(filaments) 또는 섬유를 형성하기 위한 스펀-블로잉 공정(spun-blowing process)을 위한 다이 블록(die block)에 대한 특정 수행에 관한 것이다. 다이 블록은 바람직하게는 챔퍼링되고(chamfered) 쉽게 제거 가능한(removable) 노즐(nozzles)을 포함한다.

Description

스펀-블로운 섬유의 제조에 사용하기 위한 쉽게 교환 가능한 노즐을 구비하는 방사구 블록

본 발명은 우수한 품질의 부직포 재료를 형성하기 위한 스펀-블로운(spun-blown) 유형의 필라멘트(filaments)를 생성하기 위해 응용되는(adapted) 장비(equipment)뿐만 아니라 이러한 장비를 작동시키기 위한 공정(process)에 관한 것이다.

스펀멜트(Spunmelt)는, 섬유(fiber)가 부직포 웹(nonwoven web) 또는 그의 구성요소(components)와 같은 웹(web)으로 형성되도록 하나 이상의 압출기(extruder)에 연결된 다이 헤드(die head) 내의 복수의 노즐을 통해 용융 폴리머(molten polymer)로부터 섬유가 방사되는(spun) 공정이다. 스펀멜트 공정은 당업계에 잘 알려져 있으며, 멜트-블로잉(melt-blowing)(예를 들어, US8017534 (K-C, 하비(Harvey)) 참조)과 스펀-본딩(spun-bonding)(예를 들어, US5935512 (K-C, 헤인스(Haynes)) 참조)을 포함할 수 있다.

이러한 기술로부터, 종종 “스펀-블로잉(spun-blowing)”으로 지칭되는 “하이브리드(hybrid)” 기술이 개발되었고, 예를 들어, W02015/171707 / US 9303334 (비아스(Biax), 2014)에 기술되어 있다. 이 기술은 섬유 및 웹 특성(properties)에 관한 다수의 이점을 제공하지만, 또한 제조를 위한 장비 및 공정에 관한 많은 이점을 제공한다. 그러나, 상기 장비는 시간에 따른 노즐의 불균일한 마모(uneven wear)의 경우와 같이, 또는 필라멘트 직경을 변화시키는 것이 이루어져야(executed) 하는 경우, 개별 노즐의 교환에 관하여 매우 완강하다(inflexible).

따라서, US6364647로부터, 노즐이 제거가능한 유사한 스펀-블로잉 장치를 구성하는 것은 알려져 있다. 이는 작동에 관하여, 제품 유연성에 관하여서도 어떤 개선을 제공하지만, 이러한 설계는 폴리머 공급 시스템으로부터 노즐 캐필러리(nozzle capillary)로의 급격한 변화(sharp transition)의 단점을 갖고, 이는 폴리머 흐름의 난류(turbulences)를 초래하며, 이는 캐필러리를 통한 흐름의 평활도(smoothness)를 감소시킬 뿐만 아니라, 더 빈번한 세정을 필요로 할 수 있는 노즐 개구 주위의 폴리머 증착(polymer depositions)의 경향(propensity)을 증가시키기도 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 스펀-블로잉 기술의 문제점을 극복하는 것이다.

본 발명은 스펀-블로운 필라멘트(spun-blown filaments)를 형성하기 위한 다이 블록(die block)이고, 상기 다이 블록은 다음을 포함한다:

용융 폴리머 공급부(molten polymer supply);

공기 공급부(air supply);

방사구 블록(spinneret block) - 상기 방사구 블록은,

폴리머 공급 측면(polymer supply side)을 포함하는 상부 플레이트(upper plate), 및

하부 플레이트(lower plate), 및

복수의 노즐(nozzles)

을 포함함 - ;

개구(openings)를 포함하는 공기 분배 플레이트(air distribution plate);

개구를 포함하는 외부 공기 플레이트(exterior air plate);

커버 스트립(cover strip); 및

고정 수단(securing means).

상기 방사구 블록, 상기 공기 분배 플레이트, 상기 외부 공기 플레이트, 및 상기 커버 스트립은, 이 순서로 장착되고, 상기 고정 수단에 의해 고정되어서,

상기 노즐은 상기 공기 분배 플레이트에서 대응하는 개구를 통해 돌출되고, 상기 외부 공기 플레이트에서 대응하는 개구를 통해서도 돌출되고,

상부 플레이트의 상기 폴리머 공급 측면으로부터 상기 노즐을 통해 통과하는 용융 폴리머를 위해 폴리머 통로가 형성되고, 그리고

상기 공기 공급부로부터 상기 공기 분배 플레이트 및 상기 외부 공기 플레이트에서 개구를 통해 통과하는 공기를 위해 공기 통로가 형성된다.

상기 노즐 및 상기 외부 플레이트에서 상기 개구는, 용융 폴리머가 상기 노즐을 빠져나가게 하도록 구성되고(adapted), 상기 외부 공기 플레이트의 개구부를 통해 흐르는 공기는 30° 미만, 바람직하게는 약 10° 미만의 각도이고, 보다 바람직하게는 기본적으로(essentially) 평행하다.

또한, 상기 방사구 몸체(spinneret body)는 다음을 포함한다:

폴리머 공급 캐비티(polymer supply cavity), 및

상부 플레이트 개구 직경(upper plate opening diameter)을 적어도 하단부(lower end)에서 나타내는 상부 플레이트 개구(upper plate openings)

를 포함하면서, 상기 용융 폴리머 공급부를 향하여 위치된 상부 플레이트;

상부 직경(upper portion diameter), 선택적으로 상부 챔퍼링(upper portion chamfering), 및 상부 길이(upper portion length)를 갖는 상기 상부 플레이트를 향해 위치된 상부(upper portion), 및

하부 직경(lower portion diameter) 및 하부 길이(lower portion length)를 갖는, 상기 상부의 반대편에 위치된 하부(lower portion) - 상기 상부 직경은 상기 하부 직경보다 더 크다 -

를 나타내는 상기 상부 플레이트 관통 홀(upper plate through holes)과 중심이 같은(concentric) 하부 플레이트 관통 홀(lower plate through holes)을 포함하는, 상기 용융 폴리머 공급부로부터 떨어져 위치된 하부 플레이트(lower plate).

상기 노즐은 다음을 포함한다:

상부 섹션 외경(upper section outer diameter)을 나타내는 상부 섹션(upper section);

하부 섹션 외경(lower section outer diameter)을 나타내는 하부 섹션(lower section); 및

상기 노즐을 통해 내부 관통 홀로서 캐필러리(capillary).

또한, 상기 노즐의 상기 상부 섹션은, 상기 하부 플레이트의 상부에 제거 가능하게 끼워지고(fit), 바람직하게는 상기 하부 플레이트의 상부로부터 돌출되지 않으며, 또한 상기 상부 플레이트 개구 직경 및 상기 하부 플레이트 개구 직경 또는 상기 챔퍼링은, 50 ㎛ 미만, 바람직하게는 20 ㎛ 미만의 차이를 나타낸다.

또한, 상기 다이 블록은, 다음으로 구성된 그룹으로부터 선택된 조건 중 적어도 하나를 만족시킬 수 있다:

- 상기 노즐의 내경(inner diameter)은 약 1.25 mm 미만이고, 바람직하게는 약 0.8 mm 미만임;

- 상기 노즐의 외경(outer diameter)은 약 2 mm 미만임;

- 상기 노즐은 약 50 mm 미만의 길이를 나타냄;

- 상기 노즐은 약 10 mm 초과의 길이를 나타냄;

- 상기 노즐은 약 50 미만의 길이/직경 비(L/d ratio)를 나타냄;

- 상기 노즐은 약 0.5 mm 초과의 직경을 나타내는 프리-홀(pre-hole)을 갖도록 이루어짐;

- 상기 노즐은 약 4 mm 미만의 프리-홀 직경(pre-hole diameter)을 나타내는 프리-홀을 갖도록 이루어짐;

- 상기 노즐은 2 mm 초과, 바람직하게는 약 4 mm 초과로 연장되는 상이한 직경의 섹션들 사이에서 변화 영역(transition zones)을 나타냄;

- 상기 노즐은 약 2 mm 초과, 바람직하게는 약 4 mm 초과보다 작게 연장되는 상이한 직경의 섹션들 사이에서 변화 영역을 나타냄;

- 상기 노즐은 2 mm 초과, 바람직하게는 4 mm 초과의 길이를 나타내는 프리-홀을 갖도록 이루어지고, 상기 길이는 더 큰 직경을 향하는 변화 영역의 길이를 포함함 - ;

- 상기 노즐은 2 mm 초과, 바람직하게는 약 20 mm 미만, 바람직하게는 약 14 mm 미만, 보다 바람직하게는 약 8 mm 미만의 길이를 나타내는 프리-홀을 갖도록 이루어지고, 상기 길이는 더 큰 직경을 향하는 변화 영역의 길이를 포함함 - ; 및

- 상기 다이 블록은, 250 초과의 CD 폭(CD width)을 나타내고, 바람직하게는 1500 초과, 보다 더 바람직하게는 약 2000 mm 초과 또는 5000 mm 초과의 CD 폭을 나타냄.

선택적으로, 상기 다이 블록의 상기 상부 플레이트 내의 상기 개구는, 다음을 포함하는 그룹으로부터 선택된 조건 중 적어도 하나를 만족시킨다:

- 둥근 프로파일(rounded profile)을 가지거나 또는 30°와 60° 사이의 챔퍼 각도(chamfering angle)로 챔퍼링(chamfering)을 포함함;

- 상기 캐필러리의 내경의 1.5 내지 4 배의 챔퍼링 직경(chamfering diameter)을 나타냄;

- 약 2 mm 초과의, 바람직하게는 약 4 mm 초과의 길이를 나타냄;

- 약 20 mm 미만의, 바람직하게는 약 14 mm 미만의, 보다 바람직하게는 약 8 mm 미만의 길이를 나타내고, 그리고 가장 바람직하게는 약 6 mm의 길이를 나타냄; 및

- 상기 폴리머 공급 측면으로부터 대향 측면(opposite side)을 향해 테이퍼링(tapering).

상기 다이 블록의 상기 노즐은, 어레이를 형성할 수 있고, 바람직하게는 노즐과 동일한 외경 및 길이를 나타내는, 고정 핀(stationary pins)을 더 포함할 수 있으며, 상기 고정 핀은, 상기 어레이의 주변부(periphery)에 위치된다.

다이 블록의 상기 상부 플레이트는 다음을 더 포함할 수 있다:

- 적어도 하나의 행 그루브(row groove) - 상기 행 그루브는,

o 상기 제1 플레이트(plate)를 향하는 측면(side)에 위치되고,

o 상기 노즐의 행에 평행하게 배향됨 - ; 및

- 선택적으로, 상기 노즐의 행 또는 상기 노즐의 어레이를 각각 둘러싸는(circumscribing) 원주의 그루브(circumferential groove).

여기서,

- 노즐 홀(nozzle holes)의 적어도 하나의 행은, 바람직하게는 노즐 홀의 2 개의 행은, 행 그루브에 위치되어, 상기 노즐의 상기 챔퍼링 섹션을 형성하고, 그리고

- 상기 그루브는 실란트(sealant)를 수용하도록(receive) 구성된다(adapted).

상기 실란트 화합물(compound)은, 상기 다이 블록의 조립된 상태(assembled state)에서,

- 상기 행 그루브(들) 내에 위치된 노즐 홀 내로,

- 상기 다이 몸체의 상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트 사이의 갭(gap)에 따라, 인접한(neighbouring) 행 그루브, 또는 노즐 홀, 또는 외부를 향하는,

상기 용융 폴리머의 흐름을 방지하도록 구성될(adapted) 수 있다.

상기 그루브는, 둥근 단면 형상(rounded cross-sectional shape) 또는 둥근 베이스(rounded base), 바람직하게는 반원형 베이스(half-circular base) 및 그 위에 직선 측면(straight sides)을 갖는 부분 타원형(partial oval)의 단면 형상을 나타낼 수 있다.

상기 그루브는, 다음을 포함하는 그룹으로부터 선택된 치수 중 적어도 하나를 나타낼 수 있다:

- 약 1 mm 초과, 바람직하게는 약 2 mm 초과의 폭,

- 약 10 mm 미만, 바람직하게는 약 5 mm 미만의 폭,

- 약 1 mm 초과, 바람직하게는 약 2 mm 초과의 깊이, 및

- 약 10 mm 미만, 바람직하게는 약 5 mm 미만의 깊이.

상기 행 그루브는, 실란트(sealant)를 포함할 수 있으며, 상기 실란트는, PTFE, 또는 우레탄 실란트(urethane sealants), 보다 바람직하게는 실리콘(silicon) 또는 PTFE 유형과 같은, 아크릴 수지(acrylic resins), 접착 실란트(adhesive sealants), 부틸 고무(butyl rubber), 탄성 실란트(elastic sealants), 에폭시 열경화성수지(epoxy thermosets), 라텍스 실란트(latex sealants), 플라스틱 실란트(plastic sealants), 폴리설파이드 실란트(polysulfide sealants), 폴리우레탄 실란트(polyurethane sealants), 고무 실란트, 실리콘 실란트(silicone sealants), 바람직하게는 폴리실록산(polysiloxanes), 또는 플루오로카본 폴리머(fluorocarbon polymers)를 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다.

다이 블록의 상기 노즐의 어레이는,

- 상기 노즐의 내경;

- 상기 노즐의 외경; 및

- 상기 노즐의 길이

를 포함하는 그룹으로부터 선택된 치수(dimensions) 중 적어도 하나에서, 상이한 서브-어레이(sub-array)의 노즐과는 상이한 노즐을 포함하는 적어도 2 개의 서브-어레이를 포함할 수 있다.

선택적으로, 상기 다이 블록의 노즐의 어레이는, 적어도 2 개의 서브-어레이를 더 포함하고, 상기 서브-어레이 각각은,

- 폴리머 유형;

- 폴리머 유량(polymer flow rate);

- 폴리머 압력; 및

- 폴리머 온도

를 포함하는 그룹으로부터 선택된 특징(features) 중 적어도 하나에서 상이한 상기 서브-어레이에 용융 폴리머를 공급하도록 구성된 별도의 폴리머 공급 시스템(separate polymer supply system)에 연결된다.

또 다른 측면에서, 본 발명은, 스펀-블로운 섬유(spun-blown fibers)를 포함하는 부직포 웹(nonwoven web)을 형성하기 위한 방법(process)이며, 다음을 포함한다.

- 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 따른 장비를 제공하는 단계;

- 바람직하게는, 폴리프로필렌(polypropylene)에 대해 210°C 그리고 폴리에틸렌(polyethylene)에 대해 190°C의 적정 재료 클래스 온도(appropriate material class temperature)에서 2.16 kg로 10 분(minutes) 동안 30 내지 2000의 용융 흐름 지수(MFI: Melt Flow Index)를 나타내는, 멜트-블로운 섬유를 형성하기 위한 열가소성 폴리머(thermoplastic polymer)를 제공하는 단계; 및

- 폴리머 공급부(polymer supply)에서, 70 바(bar) 미만의, 바람직하게는 50 바 미만의, 보다 바람직하게는 45 바 미만의 압력을 인가(applying)함으로써 필라멘트를 형성하는 단계.

도 1은 종래 기술에 따른 스펀-블로잉 장비(spun-blowing equipment)를 도시한다.
도 2는 제거 가능한 노즐을 갖는 종래 기술에 따른 멜트-블로잉 장비(melt-blowing equipment)를 도시한다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 다른 특징을 개략적으로 도시한다.
도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 특정 수행(executions)을 도시한다.
도면에서 동일한 숫자는 동일하거나 동등한 특징을 나타낸다. 도면은 도식적이며, 비례척이 아니다(not to scale).

본 발명은, 예를 들어 다층 복합 웹(multi-layer composite web)의 층과 같이, 형성된 스펀-블로운 웹(spun-blown web)을 포함하는 부직포(nonwoven) 또는 섬유 스펀-블로운 웹(fibrous spun-blown web)을 더 형성할 수 있는 필라멘트(filaments) 또는 섬유를 형성하기 위한 스펀-블로잉 공정(spun-blowing process)을 위한 다이 블록(die block)에 대한 특정 수행에 관한 것이다.

스펀멜팅(Spunmelting)는 섬유가 하나 이상의 압출기(extruders)에 연결된 다이 헤드(die head)에서 복수의 노즐을 통해 용융 폴리머(molten polymer)로부터 방사되는(spun) 공정이다. 스펀멜트 공정은, 멜트-블로잉(melt-blowing), 스펀-본딩(spun-bonding) 및 이하에서 보다 상세히 설명되는 바와 같은 하이브리드 공정(hybrid process)을 포함할 수 있으며, 또한 스펀-블로잉(spun-blowing)이라고도 한다.

멜트-블로잉(Melt-blowing)은 전형적으로 약 10 미크론(microns) 미만의 직경을 갖는 매우 미세한(fine) 섬유를 제조하기 위한 공정이며, 다수의 용융 폴리머 스트림(molten polymer streams)은, 일단 필라멘트가 노즐로부터 나오면(emerge), 고온(hot), 고속 기체 스트림(speed gas stream)을 사용하여 약화된다(attenuated). 약화된 섬유는 예를 들어, 평평한(flat) 벨트(belt) 또는 드럼 수집기(drum collector)와 같은 수집기 상에서 수집된다. 전형적인 멜트-블로잉 다이(melt-blowing die)는 인치(inch)당 약 35 개의 노즐 및 하나의 행(single row)의 노즐을 갖는다. 전형적인 멜트-블로잉 다이는 필라멘트를 약화시키기 위해 노즐의 행의 각 측면에서 경사진 공기 제트(inclined air jets)를 사용한다.

스펀-본딩(Spun-bonding)는 방사구 표면(spinneret face) 근처에서 섬유를 켄칭하면서(quenching) 차가운 고속 공기(high speed air)를 사용하여 스펀 필라멘트(spun filaments)를 약화시킴(attenuating)으로써 열가소성 폴리머로부터 직접 강한 섬유 부직 웹(strong fibrous nonwoven webs)을 제조하기 위한 공정이다. 개별 섬유는 수집 벨트(collection belt) 상에 무작위로 놓이고, 본더(bonder)로 운반되어(conveyed) 웹 부가 강도 및 무결성(web added strength and integrity)을 제공한다. 섬유 크기는 일반적으로 250 ㎛미만이고, 평균 섬유 크기는 약 10 미크론(microns) 초과 및/또는 약 50 미크론 미만의 범위 내에 있다. 상기 섬유는 결정화(crystallizing)(고화(solidifying)) 필라멘트의 약화 동안 달성되는 분자 사슬 정렬(molecular chain alignment)로 인해 멜트-블로운 섬유와 비교하여 매우 강하다. 전형적인 스펀-본드 다이는 복수의 행의 폴리머 구멍을 가지며, 폴리프로필렌 유형의 통상적인 폴리머에 대해, 폴리머 용융 흐름 지수(MFI: melt flow index)는 일반적으로 2.16 kg 하중(load)에서 약 500 그램(grams)/10 분(minutes) 미만이다.

본 발명은 전형적인 멜트-블로운 공정 및 전형적인 스펀-본드 공정 사이의 하이브리드 공정으로서, 스펀-본딩에 사용되는 방사구와 유사한 다중-행 방사구(multi-row spinneret)를 사용하며, 노즐이 스펀 필라멘트를 약화 및 고화시키기 위해 평행 가스 제트(parallel gas jets)가 스펀 필라멘트를 둘러싸도록 허용하도록 배열되는 것은 제외된다. 압출된(extruded) 필라멘트 각각은 가압된 가스로 덮이며(shrouded), 그 온도는 폴리머 용융물(polymer melt)보다 더 차갑거나 또는 더 뜨거울 수 있다. 선택적으로, 필라멘트를 구비하는 어레이 주위의 주변부(periphery)는 가압된 가스의 커튼(curtain)에 의해 둘러싸일 수 있다.

스펀-블로잉 장비(spun-blowing equipment)의 일반적인 원리 및 필라멘트를 형성하기 위한 공정, 및 부직 웹 또는 이러한 웹의 구성 요소와 같은 또 다른 웹을 설명하기 위해, 이러한 기술을 보다 상세하게 설명하는 US9303334를 참조한다. 따라서, 도 1은 이러한 전형적인 “하이브리드” 스펀-블로잉 공정을 위한 다이 블록을 도시한다.

전체적으로, 다이 블록(26)은 방사구 몸체(52), 공기 분배 플레이트(70), 외부 플레이트(78), 및 커버 스트립(88)을 포함한다. 또한, 노즐(58)은 방사구 몸체(52)로부터 분배 플레이트(70) 및 외부 플레이트(78)의 개구 각각을 통해 연장되므로, 용융 재료는 노즐(58)의 캐필러리(60)를 통과하여 노즐(96)의 팁에 필라멘트(86)를 형성할 수 있다.

설명을 용이하게 하기 위해, 이하를 참조하는 상기 요소의 순서는 방사구 몸체(52), 공기 분배 플레이트(70), 외부 플레이트(78), 및 커버 스트립(88)이 중력을 따라 배열되므로, 방사구 몸체(52)는 위에 위치되고 공기 분배 플레이트(70)에 고정되며, 이는 위에 위치되고 외부 플레이트(78)에 고정되고, 이는 위에 위치되고 커버 스트립(88)에 고정되며, 고정 수단은 도시되지 않았다.

도 1은 다이 블록(26)의 단면도를 도시한다. 부직포를 형성하기 위한 제조 장비에 위치될 때, 이 도면은 x-z-방향 뷰(x-z-directional view)에 대응하며, x-방향(12)은 제조 방향, 즉 결과적인 웹의 이동 방향을 나타내고, z-방향(15)은 (중력을 따라) 높이에 대응한다. 도시된 바와 같은 수행에 있어서, 3 개의 노즐(58)은 “다중 행(multi row)”(여기서, 3 행(three-row)) 다이 블록(26)의 1 “열(column)”을 나타낸다. 다이 블록은 y-방향(18)으로 인접하게(즉, 도면의 평면에 수직으로 원으로 표시됨) 위치된 복수의 열(columns)을 포함하므로, 노즐의 열 및 행은 다이 블록의 노즐의 어레이를 형성한다. 방사구 몸체(52)는 최소 10 개의 노즐(58)부터 수 천 개의 노즐(58)까지 포함할 수 있다. 일반적인 크기의 라인(commercial size line)에 대해, 방사구 몸체(52) 내의 노즐(58)의 수는 약 500 내지 약 10,000 사이의 범위일 수 있다.

행의 수는 변할 수 있으며, 열의 수도 변할 수 있다. 전형적으로, 열의 수는 1 초과, 종종 5 초과일 수 있고, 약 30 미만, 또는 심지어 15 미만일 것이다. 전형적으로, 열의 수는 50 초과일 것이나, 약 200 초과일 수 있으며, 3500 미만일 수 있다.

US'334에 기술된 바와 같이, 노즐(58)은 용융 폴리머를 위한 통로를 형성하기 위해 방사구 몸체(52) 내의 개구를 통해 삽입되는 캐필러리 튜브(capillary tubes)로 형성된다.

각각의 노즐(58)은 내부 캐필러리 직경 및 외부 직경을 갖는다. 내부 직경은 약 0.125 mm 내지 약 1.25 mm 범위일 수 있다. 각각의 노즐(58)의 외부 직경은 적어도 약 0.5 mm이어야 한다. 각각의 노즐(58)의 외부 직경은 약 0.5 mm 내지 약 2.5 mm사이의 범위일 수 있다.

전형적으로, 노즐(58)의 길이는 약 0.5 내지 약 6 인치 사이의 범위이다.

용융 폴리머가 노즐의 캐필러리를 통해서만 통과할 필요가 있기 때문에, US'334는 방사구 몸체에 단단히 끼워지고 전형적으로 용접되는 튜브를 기술하며, 이는 본 발명과 비교하면 이하에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 중요한 차이를 나타낸다.

상이한 폴리머의 혼합물 또는 단독폴리머 유형(homopolymer type)의 열가소성 폴리머일 수 있는, 용융 재료(22)는 다이 블록(26)의 상류에(upstream), 통상적으로는 압출기(extruder)(미도시)에서, 프로필렌 기반 폴리머(propylene based polymers)의 경우 통상적으로 최소 약 170 ℃까지, 종종 약 210 ℃까지, 이의 용융점(melting point)보다 높은 온도로 가열된다. 선택적으로, 상이한 폴리머들은 각각 상이한 그룹의 노즐들로 배향될(directed) 수 있다.

각 노즐(58)을 통한 폴리머 처리량(throughput)은 “분 당 홀 당 그램(gram per hole per minute)” (“ghm”)으로 기재된다. 각각의 노즐(58)을 통한 폴리머 처리량은 약 0.01 ghm 내지 약 4 ghm 사이의 범위일 수 있다.

그 상부(top)에서, 즉 폴리머 공급부를 향해 배향된(oriented) 상부 방사구 몸체 측면(upper spinneret body side) 상에서, 다이 블록(26)은 캐비티(cavity)(30) 및 캐비티(30)에 연결된 유입구(inlet)(28)를 포함한다. 용융 재료(22)는 유입구(28)로부터 방사구 몸체(52)의 상부 쪽으로 폴리머 통로를 따라 운반되며, 그리고 또한 노즐을 통해 아래쪽으로 운반된다. 방사구 몸체(52)는 또한 공기 챔버(54)로 가압 가스(공기)를 전달하기 위해 통과하여 형성된 하나 이상의 가스 통로(32)를 가지며, 이는 방사구 몸체(52)와 공기 분배 플레이트(70) 사이에 기본적으로(essentially) 형성된다. 복수의 노즐(58)은 방사구 몸체로부터 하향으로 연장되어, 용융된 재료가 필라멘트(86)의 형태로 노즐 팁(96)에서 외부 플레이트의 하향으로 노즐 및 다이 블록을 빠져나가기 위해 캐필러리(60)을 통해 흐르도록 허용한다.

또한, 복수의 고정 핀(stationary pins)(62)은 노즐의 어레이를 둘러쌀 수 있고, 방사구 몸체에 부착되고 공기 분배 플레이트의 개구를 통해 외부 공기 플레이트의 개구부로 연장된다.

각각의 고정 핀(62)은 종방향 중심축(longitudinal central axis)과 외경(outside diameter)을 갖는 가늘고 긴 고체 부재(elongated, solid member)이다. 각각의 고정 핀(62)은 방사구 몸체(52)에 고정되고 보통 폴리머 노즐(58)에 대해 유사한 외경을 갖는다. 고정 핀(62)의 외경은 그 길이에 걸쳐 일정하게 유지되어야 한다. 외경의 치수는 변할 수 있다. 각각의 고정 핀(62)의 외경은 약 0.25 mm 초과, 또는 약 0.5 mm 초과, 또는 약 0.6mm 초과, 또는 심지어 약 0.75 mm 초과일 수 있다.

공기 분배 플레이트(70)는 복수의 개구를 갖는 방사구 몸체(52)에 고정된다. 제1 개구(first openings)(72)의 각각 하나는 노즐(58) 중 하나를 수용한다. 고정 핀(62)이 사용되면, 이들은 제2 개구(74)에 수용되고, 제3 개구(76) 각각은 제1 및 제2 개구(72, 74)에 각각 인접하여 위치된다. 상기 공정을 작동시킬 때, 가압된 가스, 전형적으로 공기는, 상기 공기 챔버(54)로부터, 노즐 주위의 얇은 환형(annulus)인 개구(72), 또한 존재한다면 상기 고정 핀 주위의 작은 환형(small annulus) 개구(74), 및 공기를 위한 주 통로(main passageway)인 제3 개구(76)를 통해 공기 통로를 따라 흐르고 있다.

외부 공기 플레이트(78)는 방사구 몸체(52)로부터 떨어진 공기 분배 플레이트(70)에 고정된다. 외부 부재(78)는 노즐(58)을 둘러싸는 복수의 제1 개구(80)를 갖는다. 제2 확대(enlarged) 개구(82)는 존재하는 경우 각각의 고정 핀(62)을 둘러싼다.

작동 중에, 용융 폴리머 재료(molten polymeric material)(22)는 각각의 노즐(58)을 통해 압출되어, 캐필러리(60)의 축 및 그에 따른 노즐 팁(96)에서의 필라멘트(86)의 흐름 방향에 본질적으로 평행한 미리 결정된 속도(velocity)로, 외부 부재(78)에 형성된 제1 확대 개구(80)를 통해 방출되는, 일반적으로 반드시 공기는 아니지만, 가압된 가스로 주위 공기로부터 덮이도록(shrouded) 의도되는 다수의 필라멘트(86)를 형성한다.

존재하는 경우, 고정 핀 주위의 외부 부재(78)에 형성된 제2 확대 개구(82)를 빠져나가는 가압된 가스(공기) 흐름은, 또 다른 덮는(shrouding) 공기 흐름을 형성하며, 이는 또한 노즐의 축과 본질적으로 평행하게 배향되고, 이에 따라 또한 노즐을 빠져나가는 필라멘트에 본질적으로 평행하게 배향되며, 도 1에 화살표(94)로 표시된 바와 같이, 둘러싸인 주변 공기로부터 필라멘트(86)를 격리시키는(isolating) 것을 목표로 한다.

US6364647(이하, US'647로 지칭됨)에서, 시스템이 도시되며(도 2 참조), 노즐의 어레이의 개별 노즐(individual nozzles)(58)이 방사구 몸체(52)로부터 제거될 수 있다. 이를 위해, 노즐(58)은 (상부 커버(53)로 또한 덮여 있는 폴리머 공급부(22)를 향해) 그 상단부에 견부(51)에 구비되므로(equipped), 방사구 몸체(52)를 통하는 구멍의 더 넓은 부분에 견고하게(firmly) 놓일 수 있다. 이는, 이들이 마모될 때, 개별 노즐을 교환하는 유연성(flexibility)과 같은 다수의 이점을 제공한다. 이는 또한 상이한 캐필러리 직경(capillary diameters)의 노즐을 구현하고 신속하게 도입할 수 있게 한다.

작동 중에, 노즐은 용융 폴리머의 압력에 의해 각각의 개구 내로 가압된다(pressed).

그러나, 이 시스템은 여전히 폴리머 공급 챔버(polymer supply chamber)(22)로부터 복수의 노즐 개구 내로 급격한 변화(sharp transition)의 단점을 갖는다.

그 결과로, 폴리머 재료의 증착(deposits)은 캐필러리의 유입구 주위에 형성될 수 있으며, 이는 시간에 따라 저하될(degrade) 수 있고, 더 빈번한 세정(cleaning)을 필요로 한다.

도 3a는 도 1의 맥락으로 도시된 바와 같은 방식으로 구성된 방사구 블록(152), 공기 분배 플레이트(170), 외부 공기 플레이트(178), 커버 스트립(188), 및 고정 수단(199)을 포함하는 다이 블록(126)을 개략적인 단면도로 나타냄으로써 본 발명의 원리를 도시한다. 또한, 용융 폴리머(122), 공기 유입구 및 분배 챔버(132)(미도시된 공기 공급 수단(air supply means))에 대한 유입구 캐비티(130)도 도시되어 있다. 방사구 블록(152)은 상부 플레이트(151) 및 하부 플레이트(155)를 포함하며, 본 명세서 전반에 걸쳐 적용될 수 있는 바와 같이 “상부(upper)”는 폴리머 공급부를 향하는 위치 설정을 나타내고, “하부(lower)”는 그로부터 멀리 떨어진 위치 설정을 나타낸다. 노즐(158)은 방사구 몸체의 하부 플레이트(155) 내로 삽입되고, 유입구 캐비티(130)로부터 노즐(158)의 캐필러리(160)을 통하여 노즐 팁(196)을 향해 진행하는 폴리머 통로를 형성하며, 필라멘트(filaments)가 형성된다. 그러나, 수직 배향이 필수적이지 않지만, 다이 블록이 CD 배향된 축(CD oriented axis)을 중심으로 기울어질(tilted) 수 있으므로, 노즐이 5°, 또는 15°, 또는 30°, 또는 45° 초과, 또는 심지어 그 이상으로, 그러나 통상적으로 약 90° 미만으로 수직으로 배향될 수 있다는 것을 당업자가 쉽게 알 수 있을 것이다.

도 3b는 도 3a로부터 확대된 부분을 개략적으로 도시하고, 하부 플레이트(155)를 통하는 개구들에서 노즐들(158)의 위치 설정 및 상부 플레이트(151)를 통하는 개구들의 상대적 위치 설정에 초점을 맞추고 있으며, 도 3c 및 3d는 단일 노즐(single nozzle)(158)의 확대된 단면도의 특정 수행을 개략적으로 도시한다.

도 3a의 복수의 노즐(158)은 예시적으로 8개로 도시되었으며, US'334에 대해 상술된 바와 같이 노즐의 어레이를 형성하는 열(columns) 및 행(rows)으로 배열될(arranged) 수 있으며, 내경(157)을 각각 나타내며, 용융 유체 흐름(molten fluid flow)을 위해 캐필러리(160)의 직경에 대응한다. 내경은 약 0.125 mm 초과 그리고/또는 약 1.25 mm 미만일 수 있다. 노즐(158)은 상부 섹션(331) 및 하부 섹션(335)의 2 개의 섹션으로 형성되고, 그 외경에서 상이한 반면에 캐필러리(160)의 내경은 본질적으로 일정하게(constant) 유지된다. 그 상단부에서 캐필러리(160)는, 도 3d에 도시된 바와 같은 둥근 프로파일(rounded profile)를 가지거나, 또는 도 3c에 도시된 바와 같이 바람직하게는 적어도 30° 그리고/또는 60° 미만의 챔퍼 각도(chamfering angle)로 챔퍼링(333)을 가질 수 있다. 노즐(158)의 하부 섹션(335)의 외경(159)은 약 0.5 mm 초과 그리고/또는 약 2.5 mm 미만일 수 있다. 상부 섹션(331)의 외경(161)은 약 0.5 mm 초과 그리고/또는 약 5 mm 미만일 수 있다.

전형적으로, 노즐(158)의 전체 길이(overall length)(330)는 약 20 mm 초과 그리고/또는 약 150 mm 미만일 수 있고, 상부 섹션(331)의 길이(332)는 약 1　mm 초과 그리고/또는 약 50 mm 미만일 수 있으며, 하부 섹션(335)의 길이(334)는 약 10 mm 초과 그리고/또는 약 140 mm 미만일 수 있다.

각각의 노즐(158)은 상부(upper portion)(361) 및 하부(lower portion)(365)를 갖는 하부 플레이트(155)의 개구(360) 내로 끼워진다(fitted).

상부(361)는 노즐(158)의 상부 섹션(331)을 수용하고 직경(362)을 나타내며, 이는 노즐(158)의 상부 섹션의 외경(161)보다 2 mm 더 넓다. 양호한 끼워짐을 위하여(For good fit), 직경(362)은 노즐의 상부 섹션의 외경(161)보다는 더 큰 10 ㎛ 미만 또는 50 ㎛ 미만이고, 이는 노즐이 힘이 가해져 끼워지거나 또는 더 낮은 온도에서 끼워질 때와 같이, 더 작은 10 ㎛ 미만으로, 약간 더 작을 수 있다.

하부(365)는 노즐(158)의 하부 섹션(335)을 수용하고 직경(366)을 나타내며, 이는 노즐(158)의 하부 섹션의 외경(159)보다 2 mm 더 넓지는 않다. 잘 맞도록(good fit), 직경(366)은 노즐의 하부 섹션의 외경(159)보다 더 큰 10 ㎛ 미만 또는 50 ㎛ 미만이고, 이는 노즐이 힘이 가해져 끼워지거나 또는 더 낮은 온도에서 끼워질 때와 같이, 더 작은 10 ㎛ 미만으로, 약간 더 작을 수 있다.

개구(360)의 상부(361)로부터 하부(365)으로의 변화(transition)는, 작은 반경 또는 챔퍼링이 허용될 수 있지만, 바람직하게는 급격할(sharp one) 수 있다. 그러나, 이러한 변화는 노즐의 상부 섹션(331)으로부터 노즐의 하부 섹션(335)으로의 변화와 매칭되어야(matched) 한다.

가장 바람직하게는, 노즐(158)의 상부 섹션(331)의 길이(332)는 개구(360)의 상부(361)의 길이(364)와 동일할 수 있으므로, 차이(differential)가 10 ㎛ 미만, 또는 약 2 ㎛ 미만일 수 있지만, 차이(369)는 0(zero)이다. 음의 차이(negative differential)(즉, 홀(hole) 밖으로 돌출된 노즐)은 바람직하지 않다.

개구(360)의 하부(365)의 길이(368)는 약 2 mm 초과 그리고/또는 약 100 mm 미만일 수 있다.

방사구 몸체(153)의 상부 플레이트(151)는 노즐(158)의 캐필러리(160)의 축(axis)(339)에 대해 정렬된 개구(370)를 포함하며, 이에 따라 하부 플레이트(155)에 개구가 있다. 개구(370)는 캐필러리(160)의 직경 또는 - 존재하는 경우 - 챔퍼링(333)의 직경과 가능한 많이 일치하는 직경(372)을 하단부에서 나타낸다. 바람직하게는, 이러한 직경들의 차이는 약 20 ㎛ 미만, 보다 바람직하게는 약 10 ㎛ 미만이다. 또한, 캐필러리의 축으로부터의 개구(370)의 축의 오프셋(offset)은 가장 바람직하게는 본질적으로 0이지만, 바람직하게는 5 ㎛ 미만 또는 50 ㎛ 미만이다. 선택적으로 그리고 종종 바람직하게는, 개구(370)는 바람직하게는 적어도 1°, 또는 10°, 또는 30°, 또는 60° 그리고/또는 90° 미만의 각도로 또는 이러한 값들 중 임의의 각도로 그 상단부에 챔퍼링(375)을 가진다. 따라서, 극단적으로(in the extreme) 챔퍼링은 상부 플레이트의 전체 길이에 걸쳐 연장될 수 있으므로, 개구의 단면도는 도 3e에서 그리고 도 3b의 점선(376)으로 표시된 바와 같이 사다리꼴(trapeze)에 대응할 수 있다.

작동 중에, 개구(370)는 캐필러리를 위한 프리-홀(pre-holes)로서 기능하며(function), 바람직하게는 캐필러리의 직경의 약 1.5배 및/또는 약 4배 미만의 직경과, 약 2 mm 초과 및/또는 약 20 mm 미만의 상부 플레이트의 두께에 대응하는 길이를 나타낸다.

이러한 프리-홀은 용융된 재료를 갖는 캐비티로부터 캐필러리(160) 내로 더 평활한 흐름을 제공하며, 이는 차례로 공정을 위한 더 넓은 공정 윈도우(wider process window)에 대한 기회를 넓힐 것이다.

또한, - 전술한 바와 같이 노즐에 추가하여 - 다이 블록은 US'334의 맥락에서 전술한 바와 같이, 고정 핀을 포함할 수 있는 것 또한 본 발명의 범주에 있다. 도 3f는, 캐필러리가 없고 고체인 것을 제외하고는, 외부 치수(outer dimensions)에 대해 노즐(158)에 대응할 수 있는 이러한 핀을 개략적으로 도시한다. 장비의 작동 범위를 넓힐 수 있게 하는 본 발명의 또 다른 변형에서, 챔퍼링은 그루브(grooves)로서 이루어질 수 있다. 이를 위해, 방사구 몸체는 2개의 부분으로 비단일(non-unitary)로 이루어지며, 이는, 폴리머 공급 측면을 포함하는 제1 플레이트(또한 테이퍼 플레이트(taper plate)로 지칭됨), 및 폴리머 공급 측면의 반대편에 위치된 제2 플레이트이다. 제2 플레이트는 제1 플레이트를 향하는 표면 상의 그루브(grooves)를 포함하며, 이는 노즐들의 행(row)과 평행하게 배향된다.

도 4는, 제1 또는 상부 플레이트(151)의 폴리머 수용 캐비티(130)의 반대 측면에 위치된, 도 4b의 제2 또는 “하부” 플레이트(155) 및 폴리머 공급부를 향하는 용융 폴리머 수용 캐비티(130)와 함께 위치된 제1 또는 “상부” 플레이트(151)를 갖는 방사구 몸체를 도 4a에서 - 도 3a와 유사하게 - 도시한다. 제2 플레이트는 각각 2 개의 노즐에 대한, 4개의 행 그루브(four row grooves)(140), 및 원주의 그루브(circumferential groove)(145)를 더 포함한다.　도 4b는, 노즐 행의 행에 따라 단면도로 방사구 몸체의 제2 플레이트(155)의 일부를 도시하며, 여기서 홀(156)을 나타낼 수 있는 8 개의 홀을 도시하며, 이는 제거가능한 노즐(미도시)을 수용하도록 구성된다. 또한, 바람직하게는 둥근 단면 형상(rounded cross-sectional shape) 또는 적어도 둥근 베이스 수행(rounded base execution)을 나타내는 노즐 행에 평행하게 연장되는 행 그루브(140)가 도시되며, 여기서 위에 직선 측면들(straight sides) 및 반원형 베이스(half-circular base)를 갖는 부분 타원의 단면 형상을 예시적으로 나타내도록 도시된다. 바람직하게는, 그루브는 다음을 나타낸다:

- 약 1 mm 초과, 바람직하게는 약 2 mm 초과의 폭,

- 약 10 mm 미만, 바람직하게는 약 5 mm 미만의 폭,

- 약 1 mm 초과, 바람직하게는 약 2 mm 초과의 깊이, 및

- 약 10 mm 미만, 바람직하게는 약 5 mm 미만의 깊이.

1 mm 내지 12 mm, 바람직하게는 2 내지 5 mm이다. 바람직하게는 깊이(depth)는 1 내지 10 mm, 바람직하게는 2 내지 5 mm이다. 바람직하게는 그루브들의 폭(width) 및 간격(spacing)은 노즐 행이 등거리로(equidistantly) 이격되도록 선택된다.

일반적으로, 각 행 그루브는 적어도 한 행의 노즐, 바람직하게는 2 행의 노즐이 도면에 도시된 바와 같이 하나의 행 그루브에 속할 수 있다. 바람직하게는, 반드시 필요한 것은 아니지만, 모든 행 그루브는 노즐 홀(156)을 포함하며, 보다 바람직하게는 각각의 행 그루브는 2 행의 노즐 홀(156)을 포함한다. 따라서, 도 4b의 예시적인 수행을 위해, 8 행의 노즐 홀이 4 개의 행 그루브에 위치된다.

바람직하게는, 방사구 블록의 제2 플레이트(155)는 노즐 어레이를 둘러싸도록, 행 그루브에 평행할 뿐만 아니라 수직적으로(perpendicular), 폐쇄된 원주의 그루브(closed circumferential groove)(145)을 더 포함한다. 바람직하게는, 원주의 그루브(145)의 x-y-방향 코너(x-y-directional corners)는 둥글게(rounded) 된다. 바람직하게는, 반드시 필요한 것은 아니지만, 원주의 그루브는 행 그루브와 동일한 단면 형상(cross-sectional shape)을 나타낸다.

제2 플레이트 내의 홀들은 제거 가능한 노즐들의 변형에서 노즐들을 수용하도록 구성되고, 행 그루브들의 더 넓은 개구는 용융 폴리머의 원활한 흐름(smooth flow)을 허용하는 상술된 바와 같은 챔퍼링 효과를 제공한다.

또한, 그루브(140 및 145)는 실란트(sealant)를 수용하도록 구성되고, 방사구 블록의 제1 및 제2 플레이트 사이에 형성될 수 있는 임의의 갭뿐만 아니라 선택된 그루브를 충진할(fill) 수 있게 할 수 있다. 행 그루브의 경우, 이는 노즐 홀 안으로의 폴리머 흐름을 차단하고, 또한 이러한 행 그루브에 연결된 노즐의 캐필러리 안으로의 폴리머 흐름을 차단할 수 있게 한다. 또한, 이는 다르게는 제1 및 제2 플레이트 사이의 갭을 통해 발생할 수 있는 바와 같이, 하나의 그루브로부터 인접한(neighbouring) 그루브로의 흐름을 방지하는 것을 허용한다. 따라서, 실란트의 적용(application)으로, 노즐의 행은 도 4c에 도시된 바와 같이, 실란트로 충진되는 그루브(140' 및 145), 및 충전되지 않은 그루브(140”)를 이용하여, “스위치 오프(switched off)”될 수 있으며, 용융 폴리머가 통과하게 할 수 있다. 유사하게는, 원주의 그루브 내의 실란트는 폴리머 재료의 외부로의 누출(outward leakage)을 방지한다.

실란트 재료의 경우, 주요 요건(key requirement)은 작동 온도(operating temperatures)를 견디는(withstands) 것이며, 즉 상승된 온도에서 갭 안으로 또는 캐필러리 안으로 흐르지 않고, 이에 따라 약 100°C, 바람직하게는 180°C, 보다 바람직하게는 230°C 초과 또는 심지어 500°C 이상을 초과하는 온도까지 유동적(fluid)이어야 한다. 따라서, 실란트는, 바람직하게는 실리콘(silicon) 및 PTFE, 가장 바람직하게는 PTFE와 함께, PTFE, 또는 우레탄 실란트(urethane sealants)와 같이, 아크릴 수지(acrylic resins), 접착 실란트(adhesive sealants), 부틸 고무(butyl rubber), 탄성 실란트(elastic sealants), 에폭시 열경화성수지(epoxy thermosets), 라텍스 실란트(latex sealants), 플라스틱 실란트(plastic sealants), 폴리설파이드 실란트(polysulfide sealants), 폴리우레탄 실란트(polyurethane sealants), 고무 실란트, 실리콘 실란트(silicone sealants)(예를 들어, 폴리실록산(polysiloxanes), 플루오로카본 폴리머(fluorocarbon polymers))로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 예시적인 실란트는 이탈리아(Italy)의 에이티에이지 스파(ATAG Spa)로부터 상업적으로 사용 가능한 바와 같이, “PTFE 와이어 3.2 mm(PTFE wire 3.2 mm)”일 수 있다.

바람직하게는, 반드시 필요한 것은 아니지만, 미리 경화된(pre-cured) 재료가 적절한 크기의 O 링(O-rings)과 같이 또한 사용될 수 있지만, 유체(fluid) 또는 페이스트형 실란트(pasty sealant)가 도포된(applied) 후에 경화(curing)가 이루어지고 방사구 블록이 조립된다.

바람직하게는, 특히 유체 또는 페이스트형 실란트에 있어서, 그루브를 약간 과충진(overfill)하도록, 제1 및 제2 플레이트 사이의 갭 안으로 소량의 실란트를 압착(squeezing)할 수 있도록, 실란트의 양이 선택된다. 이러한 특징은 약 20 mm 미만, 보다 바람직하게는 약 10 mm 미만, 또는 심지어 약 8 mm 미만일 수 있는, 비교적 얇은 제2 플레이트에 대해 특히 유익하다(beneficial). 조립 또는 작동 동안, 이러한 비교적 얇은 플레이트들은 약간 변형될(deform) 수 있어서, 어떠한 실란트 없이 용융 폴리머는 인접한 그루브 안으로 또는 바깥으로(outwardly) 나올(ooze) 수 있다.

또한, 실란트는 방사구 블록이 분해될(disassembled) 때, 관통될(penetrated) 경우, 그루브로부터 그리고 홀 또는 캐필러리로부터 제거되도록 구성된다. 이러한 제거는 순수하게 기계적으로 이루어질 수 있으며, 또는 홀 또는 캐필러리를 통해 공기 또는 액체를 불어넣어(blowing) 이루어질 수 있으며, 또는 구조(structure)를 손상시키지 않는 임의의 다른 수단에 의해서 이루어질 수도 있다.

그루브로 충진된 그루브의 이점은 본질적으로 다이 블록의 동작 범위(operating range)를 넓힐 수 있게 한다.

비교적 좁은 범위 내에서 캐필러리를 통하는 폴리머 흐름을 유지하는 것은 작동 관점에서만 아니라, 양호한 제품 품질(good product quality)을 위해서도 바람직하다고 알려져 있다. 그러나, 상이한 제품 또는 제품 유형에 대해, 상이한 웹 기초 중량(web basis weights)이 바람직하다. 그러나, 예를 들어, 더 낮은 기초 중량(예를 들어, 35 g/m²)으로부터 더 높은 기초 중량(higher one)(예를 들어, 60 g/m²)으로 스위칭(switching)할 때, (예를 들어, 폴리머 분자(polymer molecules)에 가해지는(applied) 증가된 응력(stress)에 의해, 캐필러리를 통하는 흐름 속도가 증가될 수 있으며, 이는 더 높은 작동 압력, 이에 따른 비용을 요구하지만, 결과적인 섬유의 품질을 저하시킬(deteriorate) 수도 있다. 따라서, 종래의 접근법은 다른 것으로 완전한 방사구 블록을 상이한 수의 노즐 행으로 대체하기 위한 것이다. 이는 이러한 전환(change over)에 대한 작업과 관련하여, 교체 부분(replacement part)의 스톡(stock)을 유지하는 것에 관련하여서도 높은 노력을 의미한다. 후자의 경우, 노즐은 비용의 상당한 부분을 나타낸다. 따라서, (본 발명의 이러한 측면에 의해 가능한) 최소의 교체 부분을 유지하는 것이 유익하다. 이를 위해, 다이 블록은, 예시적으로 설명을 위해 단지 12 개의 행의 노즐들에 대해서만, 처리량(throughput)의 상위 범위(upper range)에 대해 설계되고, 이에 대해 높은 기초 중량 산물(high basis weight product)이 충분히 생성될 수 있다. 더 낮은 기초 중량 제품이 제조될 때, 2 개의 노즐에 각각 연결된 최외측(outermost) 행 그루브는 실란트로 충진될 수 있으므로, 8 개의 노즐만 사용 가능하며(operational), 더 낮은 기초 중량이 제품 품질 저하없이 이루어질 수 있다. 더 낮은 기초 중량을 위해, 2 개 이상의 행 그루브가 충진될 수 있고, 이제 단지 4 개의 노즐 행만이 사용 가능할 것이다.

폴리머의 저화를 초래할 수 있는 데드스페이스(deadspace)를 피하기 위해, 도 4c에 도시된 수행에 대응하여 도 4d에 도시된 충진되지 않은(non-filled) 그루브의 수까지 방사구 몸체의 제1 플레이트(151)의 홀을 구성하는(adapt) 것이 바람직하므로, 도 4d의 충전된 그루브(140')으로 이어질 수 있는 제1 플레이트(151)를 통하는 홀은 제외된다(omitted). 그러나, 몇 개의 이러한 플레이트의 교체는 완전한 방사구 블록에 비해 상당히 더 용이하고 비용이 적게 든다.

선택적으로, 노즐의 어레이는 서브-어레이(sub-arrays)를 포함할 수 있다. 이러한 서브-어레이는 바람직하게는, 다이 블록의 전체 폭에 걸쳐 반드시 연장되지는 않지만, 적어도 하나의 행의 노즐을 포함할 수 있다.

도 4를 참조하면, 하나 이상의 서브-어레이들을 포함하는 다이 블록의 제1 수행에서, 서브-어레이들 중 적어도 하나의 노즐은, 노즐의 내경(inner diameter), 노즐의 외경, 및 노즐의 길이로 구성된 그룹으로부터 선택된 치수의 적어도 하나에서 상이한 서브-어레이의 노즐들과 실질적으로 상이하며, 이는 도 4에서, 제2 어레이를 형성하는 더 작은 노즐(smaller nozzles)(158”)과 비교하여 제1 어레이를 형성하는 더 큰 노즐(bigger nozzles)(158')에 대한 내부 노즐 직경(inner nozzle diameter)을 변화시키는 것(varying)으로 표시된다. 본 맥락에서, 용어 "실질적으로 상이한"은 적어도 5%, 종종 그의 10% 초과의 각각의 치수에서의 차이를 지칭한다.

도 5에 도시된 바와 같은, 그러나 다른 수행에 배타적이지 않은, 또 다른 수행에서, 하나의 서브-어레이의 노즐들은, 제2 용융 폴리머 공급 캐비티(second molten polymer supply cavity)(130”)를 통하는 상이한 서브-어레이에 공급되는 용융 폴리머와 상이하게 제1 서브-어레이에 제1 유형(type)의 용융 폴리머를 공급하도록 구성된(adapted) 제1 용융 폴리머 공급 캐비티(first molten polymer supply cavity)(130')를 통하는 제1 개별 폴리머 공급 시스템에 연결될 수 있으며, 폴리머는 폴리머 유형과 같은 정성적 특징(qualitative features), 또는 폴리머 유량(polymer flow rate), 폴리머 압력과 같은 정량적 파라미터(quantitative parameters)(이에 의해 적어도 5%, 종종 10% 초과로 상이함), 또는 폴리머 온도(이에 의해 적어도 5°C 만큼 상이함) 중 적어도 하나에서 상이하다. 선택적으로, 노즐은 이중(bi-) 또는 다중-구성 요소(multi-component) 섬유를 생성하기 위해 동축방향으로(co-axially) 위치된 서브-캐필러리(sub-capillaries)를 이용하여 이루어질 수 있으며, 이러한 서브-캐필러리는 상이한 각각의 비혼화성(immiscible) 폴리머 유형이 제공된다.

이러한 공정 윈도우(process window)는 다음에 의해 주로 지시된다(dictated):

- 캐비티 내의 용융 폴리머의 압력;

- 용융 폴리머의 온도;

- 캐필러리의 직경;

- 공기 흐름 및 공기 유량(air flow ratio)에 영향을 주는 노즐 또는 외경;

- 캐필러리의 길이; 및

- 용융 흐름 지수(MFI: Melt Flow Index)에 의해 표현되는, 용융 폴리머의 재료 특성(material properties). 이는 ASTM D1238 및 ISO 1133에 의해 결정될 수 있으며, 현재 장비 및 공정에 적합하게 처리될 수 있는 폴리머로서 폴리프로필렌(polypropylene)에 대해서, 210 ℃ 및 2.16 kg 하중 하에 10 분 당 그램 단위(units of gram)로 적절하게 표현되며, 반면에 다른 재료 클래스(material classes)에 대해 온도는, 예를 들어 폴리에틸렌에 대해 190°C와 같은 적절한 온도로 설정된다(set).

비교 예로서, US'334에 기술된 장비 및 공정은 다음을 나타낸다:

- 0.46 mm의 캐필러리 내경;

- 24 mm의 캐필러리 길이; 및

- 이에 따른, 약 52의 L/d 비(L/d ratio).

이는 약 500 [g/10min @ 2.16 kg 하중(load)] 미만의 MFI를 갖는 용융 폴리머에 대해 50 내지 70 바(bar)의 배압(back pressure)으로 약 210 ℃의 온도에서 작동될 수 있다. 비교할만한 섬유 치수 및 특성을 달성하기 위해, 본 발명의 본 발명의 장비는 예시적으로 다음과 같이 나타낸다:

- 0.46 mm의 캐필러리 직경;

- 약 18 mm의 캐필러리 길이;

- 약 1.2 mm의 프리-홀 직경;

- 약 6 mm의 (캐필러리로의 변화에서와 유입구에서의 60° 챔퍼링을 포함하는) 프리-홀 길이; 및

- 차후 약 39의 캐필러리에 대한 L/d 비. 이는 50 바(bar) 보다 상당히 낮은 배압(back pressure)의 약 500[g/10min @ 2.16 kg 하중]의 MFI를 나타내는 폴리프로필렌 폴리머를 또한 사용할 수 있게 한다.

폴리머를 낮은 배압을 받게 하는 한가지 이점은 기계적 응력(mechanical stress)의 감소가 더 강한 부직포를 생산할 수 있게 야기하는 것이다.

즉, 본 발명은 더 낮은 L/d 비를 나타낼 수 있는 장비를 제공할 수 있으며, 이는 - 주어진 MFI에 대한 - 유량 저항(flow resistance)을 나타내며, 이에 따라 MFI 및 배압에 대한 더 넓은 공정 윈도우에서 작동할 수 있게 한다.

또한, 용융 폴리머(130)를 위한 캐비티로부터 프리-홀(370)로의 더 평활한 흐름은, 바람직하게는 챔퍼링에서 폴리머의 더 평활한 흐름은, 유입구 주위의 폴리머의 난류(turbulence), 및 이에 따른 폴리머 잔류물 증착(polymer residue deposition)을 상당히 감소시켜, 세정을 위한 중단 없이 더 긴 작동 시간을 가능하게 한다.

Claims

스펀-블로운 필라멘트(spun-blown filaments)를 형성하기 위한 다이 블록(die block)에 있어서,
용융 폴리머 공급부(molten polymer supply);
공기 공급부;
폴리머 공급 측면(polymer supply side)을 포함하는 상부 플레이트(upper plate), 및
하부 플레이트(lower plate), 및
복수의 노즐(nozzles)
을 포함하는 방사구 블록(spinneret block) ;
개구(openings)를 포함하는 공기 분배 플레이트(air distribution plate);
개구를 포함하는 외부 공기 플레이트(exterior air plate);
커버 스트립(cover strip); 및
고정 수단(securing means)
을 포함하고,
상기 방사구 블록, 상기 공기 분배 플레이트, 상기 외부 공기 플레이트, 및 상기 커버 스트립은, 이 순서로 장착되고, 상기 고정 수단에 의해 고정되어서,
상기 노즐은 상기 공기 분배 플레이트에서 대응하는 개구를 통해 돌출되고, 상기 외부 공기 플레이트에서 대응하는 개구를 통해서도 돌출되고,
상부 플레이트의 상기 폴리머 공급 측면으로부터 상기 노즐을 통해 통과하는 용융 폴리머를 위해 폴리머 통로가 형성되고, 그리고
상기 공기 공급부로부터 상기 공기 분배 플레이트 및 상기 외부 공기 플레이트에서 개구를 통해 통과하는 공기를 위해 공기 통로가 형성되고,
상기 노즐 및 상기 외부 플레이트에서 상기 개구는, 용융 폴리머가 상기 노즐을 빠져나가게 하도록 구성되고(adapted), 상기 외부 공기 플레이트의 개구부를 통해 흐르는 공기는 30° 미만, 바람직하게는 약 10° 미만의 각도이고, 보다 바람직하게는 기본적으로(essentially) 평행하되,
상기 방사구 블록은,
폴리머 공급 캐비티(polymer supply cavity), 및
상부 플레이트 개구 직경(upper plate opening diameter)을 적어도 하단부(lower end)에서 나타내는 상부 플레이트 개구(upper plate openings)
를 포함하면서, 상기 용융 폴리머 공급부를 향하여 위치된 상부 플레이트;
상부 직경(upper portion diameter), 선택적으로 상부 챔퍼링(upper portion chamfering), 및 상부 길이(upper portion length)를 갖는 상기 상부 플레이트를 향해 위치된 상부(upper portion), 및
하부 직경(lower portion diameter) 및 하부 길이(lower portion length)를 갖는, 상기 상부의 반대편에 위치된 하부(lower portion) - 상기 상부 직경은 상기 하부 직경보다 더 크다 -
를 나타내는 상기 상부 플레이트 관통 홀(upper plate through holes)과 중심이 같은(concentric) 하부 플레이트 관통 홀(lower plate through holes)을 포함하는, 상기 용융 폴리머 공급부로부터 떨어져 위치된 하부 플레이트(lower plate)
를 포함하고,
상기 노즐은,
상부 섹션 외경(upper section outer diameter)을 나타내는 상부 섹션(upper section);
하부 섹션 외경(lower section outer diameter)을 나타내는 하부 섹션(lower section); 및
상기 노즐을 통해 내부 관통 홀로서 캐필러리(capillary)
를 포함하는 것을 특징으로 하고,
상기 노즐의 상기 상부 섹션은, 상기 하부 플레이트의 상부에 제거 가능하게 끼워지고(fit), 바람직하게는 상기 하부 플레이트의 상부로부터 돌출되지 않으며,
상기 상부 플레이트 개구 직경 및 상기 하부 플레이트 개구 직경 또는 상기 챔퍼링은, 50 ㎛ 미만, 바람직하게는 20 ㎛ 미만의 차이를 나타내기도 하는,
다이 블록.
제1항에 있어서,
- 상기 노즐의 내경(inner diameter)은 약 1.25 mm 미만이고, 바람직하게는 약 0.8 mm 미만임;
- 상기 노즐의 외경(outer diameter)은 약 2 mm 미만임;
- 상기 노즐은 약 50 mm 미만의 길이를 나타냄;
- 상기 노즐은 약 10 mm 초과의 길이를 나타냄;
- 상기 노즐은 약 50 미만의 길이/직경 비(L/d ratio)를 나타냄;
- 상기 노즐은 약 0.5 mm 초과의 직경을 나타내는 프리-홀(pre-hole)을 갖도록 이루어짐;
- 상기 노즐은 약 4 mm 미만의 프리-홀 직경(pre-hole diameter)을 나타내는 프리-홀을 갖도록 이루어짐;
- 상기 노즐은 2 mm 초과, 바람직하게는 약 4 mm 초과로 연장되는 상이한 직경의 섹션들 사이에서 변화 영역(transition zones)을 나타냄;
- 상기 노즐은 약 2 mm 초과, 바람직하게는 약 4 mm 초과보다 작게 연장되는 상이한 직경의 섹션들 사이에서 변화 영역을 나타냄;
- 상기 노즐은 2 mm 초과, 바람직하게는 4 mm 초과의 길이를 나타내는 프리-홀을 갖도록 이루어지고, 상기 길이는 더 큰 직경을 향하는 변화 영역의 길이를 포함함 - ;
- 상기 노즐은 2 mm 초과, 바람직하게는 약 20 mm 미만, 바람직하게는 약 14 mm 미만, 보다 바람직하게는 약 8 mm 미만의 길이를 나타내는 프리-홀을 갖도록 이루어지고, 상기 길이는 더 큰 직경을 향하는 변화 영역의 길이를 포함함 - ; 및
- 상기 다이 블록은, 250 초과의 CD 폭(CD width)을 나타내고, 바람직하게는 1500 초과, 보다 더 바람직하게는 약 2000 mm 초과 또는 5000 mm 초과의 CD 폭을 나타냄
을 포함하는 그룹으로부터 선택된 조건 중 적어도 하나를 만족시키는,
다이 블록.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 상부 플레이트 내의 상기 개구는,
- 둥근 프로파일(rounded profile)을 가지거나 또는 30°와 60° 사이의 챔퍼 각도(chamfering angle)로 챔퍼링(chamfering)을 포함함;
- 상기 캐필러리의 내경의 1.5 내지 4 배의 챔퍼링 직경(chamfering diameter)을 나타냄;
- 약 2 mm 초과의, 바람직하게는 약 4 mm 초과의 길이를 나타냄;
- 약 20 mm 미만의, 바람직하게는 약 14 mm 미만의, 보다 바람직하게는 약 8 mm 미만의 길이를 나타내고, 그리고 가장 바람직하게는 약 6 mm의 길이를 나타냄; 및
- 상기 폴리머 공급 측면으로부터 대향 측면(opposite side)을 향해 테이퍼링(tapering)
을 포함하는 그룹으로부터 선택된 조건 중 적어도 하나를 만족시키는,
다이 블록.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 노즐은,
어레이를 형성하고,
바람직하게는 노즐과 동일한 외경 및 길이를 나타내는, 고정 핀(stationary pins)을 더 포함하며,
상기 고정 핀은,
상기 어레이의 주변부(periphery)에 위치되는,
다이 블록.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상부 플레이트는,
- 적어도 하나의 행 그루브(row groove) - 상기 행 그루브는,
o 상기 제1 플레이트(plate)를 향하는 측면(side)에 위치되고,
o 상기 노즐의 행에 평행하게 배향됨 - ; 및
- 선택적으로, 상기 노즐의 행 또는 상기 노즐의 어레이를 각각 둘러싸는(circumscribing) 원주의 그루브(circumferential groove)
를 더 포함하고,
- 노즐 홀(nozzle holes)의 적어도 하나의 행, 바람직하게는 노즐 홀의 2 개의 행은, 행 그루브에 위치되어, 상기 노즐의 상기 챔퍼링 섹션을 형성하고, 그리고
- 상기 그루브는 실란트(sealant)를 수용하도록(receive) 구성된(adapted),
다이 블록.
제5항에 있어서,
상기 실란트 화합물(compound)은 상기 다이 블록의 조립된 상태에서
- 상기 행 그루브(들) 내에 위치된 노즐 홀 내로,
- 상기 다이 몸체의 상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트 사이의 갭(gap)에 따라, 인접한(neighbouring) 행 그루브, 또는 노즐 홀, 또는 외부를 향하는
상기 용융 폴리머의 흐름을 방지하도록 구성된,
다이 블록.
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 그루브는,
둥근 단면 형상(rounded cross-sectional shape) 또는 둥근 베이스(rounded base), 바람직하게는 반원형 베이스(half-circular base) 및 그 위에 직선 측면(straight sides)을 갖는 부분 타원형(partial oval)의 단면 형상을 나타내는,
다이 블록.
제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 그루브는,
- 약 1 mm 초과, 바람직하게는 약 2 mm 초과의 폭,
- 약 10 mm 미만, 바람직하게는 약 5 mm 미만의 폭,
- 약 1 mm 초과, 바람직하게는 약 2 mm 초과의 깊이, 및
- 약 10 mm 미만, 바람직하게는 약 5 mm 미만의 깊이
를 포함하는 그룹으로부터 선택된 치수 중 적어도 하나를 나타내는,
다이 블록.
제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 행 그루브 중 적어도 하나는,
바람직하게는 아크릴 수지(acrylic resins), 접착 실란트(adhesive sealants), 부틸 고무(butyl rubber), 탄성 실란트(elastic sealants), 에폭시 열경화성수지(epoxy thermosets), 라텍스 실란트(latex sealants), 플라스틱 실란트(plastic sealants), 폴리설파이드 실란트(polysulfide sealants), 폴리우레탄 실란트(polyurethane sealants), 고무 실란트, 실리콘 실란트(silicone sealants), 바람직하게는 폴리실록산(polysiloxanes), 또는 우레탄 실란트(urethane sealants), 또는 플루오로카본 폴리머(fluorocarbon polymers), 또는 보다 바람직하게는 실리콘(silicon) 또는 PTFE 유형을 포함하는 그룹으로부터 선택된 실란트(sealant)를 포함하는,
다이 블록.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 노즐의 어레이는,
- 상기 노즐의 내경;
- 상기 노즐의 외경; 및
- 상기 노즐의 길이
를 포함하는 그룹으로부터 선택된 치수(dimensions) 중 적어도 하나에서, 상이한 서브-어레이(sub-array)의 노즐과는 상이한 노즐을 포함하는 적어도 2 개의 서브-어레이
를 포함하는 다이 블록.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 노즐의 어레이는,
적어도 2 개의 서브-어레이
를 더 포함하고,
상기 서브-어레이 각각은,
- 폴리머 유형;
- 폴리머 유량(polymer flow rate);
- 폴리머 압력; 및
- 폴리머 온도
를 포함하는 그룹으로부터 선택된 특징(features) 중 적어도 하나에서 상이한 상기 서브-어레이에 용융 폴리머를 공급하도록 구성된 별도의 폴리머 공급 시스템(separate polymer supply system)에 연결되는,
다이 블록.
멜트-블로운 섬유(melt-blown fibers)를 포함하는 부직포 웹(nonwoven web)을 형성하기 위한 방법(Process)에 있어서,
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 장비를 제공하는 단계;
- 바람직하게는, 폴리프로필렌(polypropylene)에 대해 210°C 그리고 폴리에틸렌(polyethylene)에 대해 190°C의 적정 재료 클래스 온도(appropriate material class temperature)에서 2.16 kg로 10 분(minutes) 동안, 30 내지 2000의 용융 흐름 지수(MFI: Melt Flow Index)를 나타내는, 멜트-블로운 섬유를 형성하기 위한 열가소성 폴리머(thermoplastic polymer)를 제공하는 단계; 및
- 폴리머 공급부(polymer supply)에서, 70 바(bar) 미만의, 바람직하게는 50 바 미만의, 보다 바람직하게는 45 바 미만의 압력을 인가(applying)함으로써 필라멘트를 형성하는 단계
를 포함하는 방법.