KR20230022649A - 폴리에스테르 수지 및 그 제조방법, 이로부터 제조된 열접착성 폴리에스테르 섬유 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저융점 폴리에스테르 수지 및 그 제조방법, 이로부터 제조된 열접착성 폴리에스테르 섬유에 관한 것으로서, 구체적으로는 투명성이 높고 인체 유해성이 현저히 낮은 저융점 폴리에스테르 수지 및 그 제조방법, 이를 사용하여 제조한 열접착성 폴리에스테르 섬유에 관한 발명이다.
Description
본 발명은 저융점 폴리에스테르 수지 및 그 제조방법, 이로부터 제조된 열접착성 폴리에스테르 섬유에 관한 것으로서, 구체적으로는 투명성이 높고 인체 유해성이 현저히 낮은 저융점 폴리에스테르 수지 및 그 제조방법, 이를 사용하여 제조한 열접착성 폴리에스테르 섬유에 관한 발명이다.
폴리에스테르는 우수한 기계적 성질과 화학적 안정성, 높은 융점 등의 특징으로, 오늘날 가장 널리 쓰이는 합성 섬유의 소재일 뿐만 아니라, 각종 플라스틱 제품의 재료가 되는, 상업적으로 매우 중요한 고분자 물질이다. 이러한 PET의 응용 범위를 확장하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있는데, 특히 고중합도와 낮은 카르복시기 함량을 갖는 PET를 보다 짧은 시간에 합성하여 여러가지 성질을 개선하고 생산성을 향상시키려는 시도는 꾸준하게 연구되고 있다.
한편, 폴리에스테르 수지는, 예컨대 에스테르화 반응을 거쳐, 용융 및 중축합반응을 거친다. 중축합 반응에는 일반적으로 촉매가 사용되며, 공업적인 규모에서는 대부분이 안티몬(Antimony, Sb) 화합물 또는 게르마늄(Germanium, Ge) 화합물이 사용되고 있다. 그런데, 안티몬 화합물을 촉매로 하여 중축합한 폴리에스테르 수지는, 색상이 특유의 검은색을 띠게 되며, 안티몬 화합물의 문제점으로 지적되는 독성, 환경 파괴를 일으킬 수 있는 점이 문제가 되며, 게르마늄 화합물을 촉매로 하여 중축합한 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지는, 색상의 투명성이나 독성 등의 면에 있어서는 안티몬 촉매를 사용한 것보다 바람직하지만, 게르마늄 화합물 자체가 매우 고가이므로 제조 비용의 상승을 유발하게 되는 불리한 점이 있다. 따라서, 이들을 대체할 수 있는 폴리에스테르 중축합 촉매의 출현이 강하게 요망되고 있다.
이와 같은 이유에 의하여, 종래부터 안티몬 화합물이나 게르마늄 화합물을 대신하는 촉매로서 다양한 화합물이 제안되어 왔고, 그 중에서도 티타늄(Titanium, Ti) 화합물은 저가에 독성 문제가 없는 점에서 여러 종류가 제안되어 있다. 그러나 티탄 화합물을 촉매로 하는 폴리에스테르 수지는 특유의 황색을 띠고, 또한 열안정성이 떨어져, 예컨대 중축합시 또는 용융 성형시 분해 반응이 일어나 아세트알데히드 등의 부산물을 다량으로 생성한다는 결점이 있다. 따라서, 제조된 폴리에스테르 수지의 색조, 열안정성 등의 개선 및 아세트알데히드 함유량의 저감 등의 문제를 해결할 수 있는 폴리에스테르 수지 제조방법의 개발이 필요한 상황이다.
한편, 폴리에스테르는 비교적 융점이 높아 일반적으로 섬유 구조체를 경화시킬 때에는 포르말린(포름알데히드 수용액)이나 유기 용제를 함유한 접착제, 경질 수지(페놀 수지, 멜라닌 수지, 우레아 수지)를 사용한다. 이러한 유기 용제를 함유한 접착제는 원단의 내부까지 침투하지 않아 접착성도 낮고 완성되었을 때의 촉감이 거칠다. 또한, 휘발성이 강하고 인체에 유해한 물질이 대부분이며, 저온에서의 접착력을 보유하기 위하여 다량의 공중합 원료를 투입할 경우 유리전이온도가 너무 낮아져 강도의 저하 및 고온 환경에서의 내구성이 떨어져 고온에서의 안정성을 요구하는 분야에 사용되기는 어려운 문제가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 첫번째 해결하고자 하는 과제는 인체 유해성이 현저히 적으면서 색상의 투명도 및 강도가 우수한 폴리에스테르 섬유를 제조할 수 있는 폴리에스테르 수지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 두번째 해결하고자 하는 과제는 인체 유해성이 적으면서 색상의 투명도 및 강도가 우수하고, 화학적 결합 대신 열접착성을 가져 유해한 용제 사용을 제한할 수 있는 열접착성 폴리에스테르 섬유를 제공하는 것이다.
상술한 첫번째 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 테레프탈산(terephthalic acid, TPA)을 포함하는 산 성분; 및 에틸렌글리콜(ethylene glycol)에 하기 화학식 1로 표시되는 디올 화합물을 더 포함하는 디올 성분;이 중축합된 것으로서 말단 카르복실기(-COOH)가 45 eq./106g 이하인 공중합 폴리에스테르를 포함하며, 안티몬(Antimony, Sb)이 10 ppm 이하의 함량으로 포함된 폴리에스테르 수지를 제공한다.
[화학식 1]
상기 화학식 1 및 2에서, R은 
또는 
이고, a는 1 또는 2이다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 산 성분은 테레프탈산 외에 C6~14의 방향족 다가 카르복실산 및 C2~14의 지방족 다가 카르복실산을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 폴리에스테르 수지는 5 ppm 내지 30 ppm의 함량으로 티타늄(Titanium, Ti)을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 폴리에스테르 수지는 220~255℃의 융점(Tm)을 갖고, 유리전이온도(glass-transition temperature, Tg)가 60℃ 내지 75℃일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 산 성분은 테레프탈산을 80mol% 이상의 함량으로 포함하고, 상기 디올 성분은 에틸렌글리콜을 60~90 mol%의 함량으로 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 폴리에스테르 수지는 보색제로서 블루 및 레드 염료를 혼합 사용하여 1~10 ppm의 함량으로 포함할 수 있다.
상술한 두번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 테레프탈산에, 테레프탈산 외의 C6~14 방향족 다가 카르복실산 및 C2~14의 지방족 다가 카르복실산 중 하나 이상을 더 포함하는 산 성분; 및 에틸렌글리콜에 하기 화학식 1로 표시되는 디올 화합물을 더 포함하는 디올 성분;을 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하는 촉매의 존재 하에 중축합 반응을 수행하는 단계를 포함하는 폴리에스테르 수지 제조방법을 제공한다:
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 화학식 1에서, R은 
또는 
이고, a는 1 또는 2이며, 상기 화학식 2에서 R1은 -(CH2)nCOOH이며, 상기 n은 1 내지 8이다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 중축합 반응의 반응물에 상기 촉매를 티타늄(titanium) 원자가 10~20 ppm의 함량으로 첨가하여 반응을 수행할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 중축합 반응은 상기 산 성분과 상기 디올 성분을 1:1 내지 1:1.5의 몰 비율로 투입하여 수행할 수 있다.
또한, 상술한 두번째 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 상술한 본 발명에 따른 폴리에스테르 수지를 방사하여 제조되며, L*a*b 표색계의 컬러 b 값이 2.5~8인 것을 특징으로 하는 열접착성 폴리에스테르 섬유를 제공한다.
본 발명에 따른 폴리에스테르 수지는 인체 유해 물질이 적어 안정성이 높고 투명성이 뛰어나며 낮은 유리전이온도로 인하여 열접착성을 갖는 장점이 있다.
본 발명에 따른 열접착성 폴리에스테르 섬유는 인체 유해성이 적으며 투명성이 뛰어나 비 안티몬계 촉매를 사용하여 중합한 종래의 폴리에스테르 섬유에 비하여 심미성이 우수하며, 낮은 유리전이온도로 인하여 열접착성을 가져 케미컬 본딩을 피할 수 있어 유해성으로부터 더욱 안전해지는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 티타늄계 촉매와 안티몬 촉매의 혼합비를 달리 하여 혼합한 촉매를 중축합 촉매로 사용하여 중축합 반응 진행 시 반응성을 비교한 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 티타늄계 촉매와 안티몬 촉매의 혼합비를 달리 하여 혼합한 촉매를 중축합 촉매로 사용하여 중축합 반응 진행 시 반응 완결 시까지 걸린 시간을 비교한 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 티타늄계 촉매와 안티몬 촉매의 혼합비를 달리 하여 혼합한 촉매를 중축합 촉매로 사용하여 중축합 반응 진행 시 반응 완결 시까지 걸린 시간을 비교한 그래프이다.
이하, 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
상술한 바와 같이 종래의 폴리에스테르 섬유는 그 제조 과정에서 사용되는 안티몬계 촉매로 인하여 제조된 폴리에스테르 섬유가 인체에 대한 독성을 갖는 등의 문제가 있어 안전성이 나쁘고 비 안티몬계 촉매를 사용하여 폴리에스테르 수지를 중합하는 경우에는 색조가 침착되는 등 물성이 나빠지는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명자는 테레프탈산(terephthalic acid, TPA)을 포함하는 산 성분; 및 에틸렌글리콜(ethylene glycol)에 하기 화학식 1로 표시되는 디올 화합물을 더 포함하는 디올 성분;이 중축합된 것으로서 말단 카르복실기(-COOH)가 45 eq./106g 이하인 공중합 폴리에스테르를 포함하며, 안티몬(Antimony, Sb)이 10 ppm 이하의 함량으로 포함된 폴리에스테르 수지를 제공하여 이와 같은 문제점을 해결한 폴리에스테르 섬유를 제공할 수 있도록 하였다.
[화학식 1]
상기 화학식 1 및 2에서, R은 
또는 
이고, a는 1 또는 2이다.
본 발명은 상기와 같이 안티몬 함량이 폴리에스테르 수지 내에 10 ppm 이하의 소량으로만 포함되도록 제조함으로써 발암물질인 중금속으로 인한 유해성을 현저히 저감할 수 있는 장점이 있다. 또한, 말단기의 함량을 저감함으로써 우수한 폴리머 수지로 제조가 가능하다. 안티몬 함량이 10 ppm을 초과하는 경우 인체에 접촉하는 소재, 특히 위생재용 부직포에 사용하기 적합하지 않은 단점이 있다. 또한, 만일 상기 폴리에스테르 수지 내의 말단기 함량이 45 eq./106g를 초과하는 경우 상기 폴리에스테르 수지를 사용한 최종 폴리에스테르 섬유 제품의 내가수분해 성능이 낮아지게 되는 단점이 있다. 바람직하게는 상기 폴리에스테르 수지 내의 말단기(-COOH) 함량은 20 eq./106g 이하, 더욱 바람직하게는 말단기 함량이 5~15 eq./106g일 수 있다.
바람직하게, 상기 폴리에스테르 수지는 안티몬을 실질적으로 포함하지 않을 수 있다. 여기서 실질적으로 포함하지 않는다는 것의 의미는 수지 제조 반응 시 시약이나 원료로 안티몬계 화합물을 첨가하지 않는다는 것을 의미하며, 상기 원료 등에 불순물 등의 이유로 의도하지 않게 포함되어 있는 안티몬까지 포함되어 있지 않는다는 의미는 아니다. 이러한 의도하지 않은 안티몬까지 포함하여 안티몬의 함량은 수지 내에 10 ppm 이하이어야 한다. 바람직하게는 안티몬 함량이 3~10ppm일 수 있다.
이하, 상기 폴리에스테르 수지 제조를 위한 산 성분 및 디올 성분 단량체에 대하여 설명하기로 한다.
상기 산 성분은 테레프탈산(terephthalic acid, TPA)을 포함한다. 또한, 상기 산 성분은 테레프탈산에 더하여 C6~14의 방향족 다가 카르복실산 및 C2~14의 지방족 다가 카르복실산 중 선택된 하나 이상의 다가 카르복실산 화합물을 더 포함할 수 있다.
상기 산 성분은 바람직하게는 설폰산(sulfonate) 금속염을 더 포함할 수 있다.
상기 C6~14의 방향족 다가 카르복실산은 폴리에스테르 수지 제조에 사용되는 다가 카르복실산 화합물로 공지된 것 중에서 제한 없이 선택할 수 있으나, 바람직하게는 디메틸테레프탈레이트(dimethyl terephthalate), 이소프탈산(isophthalic acid, IPA) 및 디메틸이소프탈레이트(dimethyl isophthalate)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있으며, 보다 바람직하게는 테레프탈산과의 반응 안정성, 취급의 용이성 및 경제적인 측면에 있어 이소프탈산을 선택할 수 있다.
또한, 상기 C2~14의 지방족 다가 카르복실산은 폴리에스테르 제조에 사용되는 다가 카르복실산으로서 공지된 것들 가운데 제한 없이 선택될 수 있으나, 이에 대한 비제한적인 예로서는 옥살산(oxalic acid), 말론산(malonic acid), 석신산(succinic acid), 글루타르산(glutaric acid), 아디프산(adipic acid), 수베린산(suberic acid), 시트르산(citric acid), 피메르산(pimelic acid), 아젤라인산(azelaic acid), 세바스산(sebacic acid), 펠라르곤산(nonanoic acid), 데칸산(decanoic acid), 라우르산(lauric acid 또는 dodecanoic acid) 및 팔미트산(palmitic acid 또는 hexadecanoic acid) 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 산 성분에 포함되는 테레프탈산 이외의 다른 디카르복실산 성분은 이소프탈산이 바람직하다. 상기 산 성분은 바람직하게는 테레프탈산을 전체 산 성분 대비 80 mol% 이상의 함량으로 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 폴리에스테르 수지는 5 ppm 내지 30 ppm의 함량으로 티타늄(Titanium, Ti)을 포함하는 것일 수 있다. 본 발명에 따른 폴리에스테르 수지는 바람직하게는 안티몬계 촉매를 사용하지 않고 티타늄계 촉매, 특히 티타늄계 킬레이트 화합물을 포함하는 촉매를 사용하여 축중합 반응을 수행하여 제조함으로써 제조된 폴리에스테르 수지는 상기와 같은 함량의 티타늄이 잔류하고 있을 수 있으며, 티타늄은 안티몬과 같은 중금속에 비하여 인체 독성이 낮아 안전한 폴리에스테르 섬유를 제조할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 폴리에스테르 수지는 220~255℃의 융점(Tm)을 가지고, 유리전이온도(glass-transition temperature, Tg)가 60℃ 내지 75℃일 수 있다. 상기 폴리에스테르 수지는 바람직하게는 비결정성일 수 있으며, 이로 인하여 섬유로 제조 시 우수한 섬유 접착 기능을 발휘할 수 있고, 접착 후 접착 부위의 촉감 또한 양호한 특성을 구현할 수 있다.
만일 유리 전이 온도가 60℃ 미만인 경우, 섬유의 연신 공정이나 운송 중에 섬유 간 융착이 발생할 수 있고, 유리 전이온도가 75℃를 초과하도록 제조하는 것은 수지의 재료 특성상 실질적으로 어려운 문제가 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 디올 성분은 에틸렌글리콜을 60~90 mol%의 함량으로 포함하는 것일 수 있다. 또한, 에틸렌글리콜 외의 디올 성분 화합물을 10~40 mol%의 함량으로 포함할 수 있다.
상기 에틸렌글리콜 외의 디올 성분 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물이다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서 R은 
또는 
이고, a는 1 또는 2이다.
바람직하게는 상기 디올 성분은 에틸렌글리콜 외의 디올 성분으로 하기 화학식 1-1 내지 1-3으로 표시되는 화합물 중에서 선택된 둘 이상의 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1-1]
[화학식 1-2]
[화학식 1-3]
바람직하게는 상기 화학식 1-1로 표시되는 화합물은 디올 성분 전체 대비 13~40 mol%, 바람직하게는 20~40 mol%, 더욱 바람직하게는 30~40 mol%의 함량으로 포함될 수 있다. 만일 상기 화학식 1-1로 표시되는 화합물의 함량이 13 mol% 미만인 경우 폴리에스테르 수지를 방사하여 섬유를 제조할 때 방사성은 우수하나, 접착 가능 온도가 높아지거나 열접착 특성이 저하될 수 있고, 사용 온도가 제한되는 단점이 있다.
또한, 상기 화학식 1-1로 표시되는 화합물의 함량이 40 mol%를 초과하는 경우 방사성이 나빠져 상용화가 어려운 문제점이 발생할 수 있으며, 오히려 결정성이 증대되어 열접착 특성이 저하될 우려가 있다. 한편, 상기 화학식 1-1로 표시되는 화합물의 함량이 20 mol%으로 반응에 참여하는 경우 하기 화학식 1-2 또는 화학식 1-3의 화합물과 함께 반응하여 제조되는 폴리에스테르 수지를 방사하여 형성된 폴리에스테르 섬유의 저온에서의 열접착 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 화학식 1-2로 표시되는 화합물은 디올 성분 전체 대비 0.1~5 mol%, 바람직하게는 상기 화학식 1-3으로 표시되는 화합물은 디올 성분 전체 대비 0.1~20 mol%의 함량으로 포함될 수 있다.
만일 상기 디올 성분 중 에틸렌글리콜의 함량이 60 mol% 미만인 경우 폴리에스테르의 중합 반응성과 섬유로의 방사성이 현저하게 저하될 우려가 있으며, 제조되는 폴리에스테르의 결정성이 증가되어 목적하는 온도에서의 높은 열접착 특성을 발현하기 어려울 수 있다. 또한, 반대로 에틸렌글리콜의 함량이 90 mol%를 초과하는 경우에는 제조되는 폴리에스테르 수지의 결정성이 증가하여 지나치게 높은 융점이 발현되거나 낮은 온도의 연화점을 구현하기 어려워져서 열접착 가능 온도가 현저히 높아지게 되고, 낮은 온도에서는 열접착성이 잘 구현되지 않을 수 있다.
또한, 상기 디올 성분은 에틸렌글리콜, 상기 화학식 1-1 내지 1-3으로 표시되는 화합물 외에도 다른 종류의 디올 화합물을 더 포함할 수 있다.
이러한 다른 종류의 디올 성분은 폴리에스테르의 제조에 사용되는 공지된 디올 성분 중에서 특별히 제한 없이 사용될 수 있으며, 이에 대한 비제한적인 예시는, C2~14의 지방족 디올 성분일 수 있으며, 구체적으로는 1,3-프로판디올(1,3-propandiol), 1,4-부탄디올(1,4-butandiol), 1,6-헥산디올(1,6-hexandiol), 테트라메틸렌글리콜(tetramethyl glycol), 펜타메틸글리콜(pentamethyl glycol), 헥사메틸렌글리콜(hexamethylene glycol), 헵타메틸렌글리콜(heptamethylene glycol), 옥타메틸렌글리콜(octamethylene glycol), 노나메틸렌글리콜(nonamethylene glycol), 데카메틸렌글리콜(decamethylene glycol), 운데카메틸렌글리콜(undecamethylene glycol), 도데카메틸렌글리콜(dodecamethy기본급lene glycol) 및 트리데카메틸렌글리콜(tridecamethylene glycol)로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 폴리에스테르 수지는 고유 점도가 0.5~0.8 dl/g일 수 있다. 만일 상기 폴리에스테르 수지의 고유점도가 0.5 dl/g 미만인 경우, 섬유의 방사 시 제조되는 섬유가 목적하는 형상으로 제조되기 어려울 수 있고, 0.9 dl/g를 초과하는 경우, 섬유의 방사 시 팩압이 과도하게 증가하여 방사 작업성이 저하되거나 복합섬유로 제조 시 열접착성이 저하되는 등의 문제가 발생할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 폴리에스테르 수지는 보색제를 더 포함할 수 있다. 보색제는 종래에는 코발트 화합물을 사용하는 것이 일반적이었으나, 코발트 화합물은 폐간질 섬유화, 인체 발암성 물질 분류 등 인체에 유해성이 있어 사용하지 않는 것이 바람직하며, 비 코발트계 보색제를 사용하는 것이 좋다. 바람직하게는 당업계에서 보색제로 사용되는 것 중 비 코발트계 보색제를 제한 없이 선택 사용할 수 있다.
보색제는 최종적으로 제조되는 폴리에스테르 수지 조성물의 총 중량을 기준으로 1~10 ppm이 포함되는 것이 바람직하며, 블루 및 레드 염료를 혼합하여 사용하되 그 함량을 1~10 ppm으로 조절하는 것이 바람직하다.
보색제를 상기 함량으로 포함함으로써 L*a*b 표색계의 컬러 b 값이 적절한 값으로 얻어져 높은 백색도를 갖는 폴리에스테르 섬유의 제조가 가능하다.
또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 폴리에스테르 수지는 인(phosphorus) 화합물을 더 포함할 수 있다. 상기 인 화합물은 열 안정제의 역할을 하며, 인 화합물의 종류는 인산(phosphoric acid), 모노메틸인산(monomethyl phosphoric acid), 트리메틸인산(trimethyl phosphoric acid) 및 트리에틸인산(triethyl phosphoric acid) 등의 인산류 및 그 유도체들을 사용하는 것이 바람직하며, 이 중에서도 특히 트리메틸인산 또는 트리에틸인산이 그 효과가 우수하여 바람직하다.
상기 인 화합물의 함량은 제조된 수지 전체에 대하여 인 원자의 중량이 10~30 ppm이 되는 함량으로 포함시키는 것이 바람직하다. 만일 인 화합물이 인(P)이 10 ppm 미만이 되는 함량으로 포함되는 경우, 지나친 부반응으로 인해 물성이 약화되는 문제가 있을 수 있고, 반대로 인(P)이 30 ppm을 넘는 함량으로 포함되는 경우, 반응 속도가 느려지는 문제가 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 폴리에스테르 수지는 소취제를 더 포함할 수 있다. 소취제로는 전이금속이 도핑된 광촉매 산화물을 사용할 수 있으며, 상기 전이금속은 특별한 제한은 없으나, 반응성을 고려하여 아연(Zn), 망간(Mn), 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Cr), 바나듐(V), 지르코늄(Zr), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 텅스텐(W), 비스무트(Bi), 백금(Pt) 및 금(Au)으로 이루어진 군으로부터 선택된 2종 이상을 사용하는 것이 좋다. 상기 광촉매 산화물의 구체적인 예시로는 TiO2, SrTiO3, ZrO, SnO2, WO3, Bi2O3 및 Fe2O3 등을 들 수 있지만, 특히 TiO2가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 아나타제(Anatase) 구조를 갖는 TiO2를 사용하는 것이 좋다.
이하에서는, 상기 폴리에스테르 수지를 제조하는 방법에 대하여 설명하기로 한다. 상기 폴리에스테르 수지에 대한 설명과 중복되는 부분은 생략하고 설명한다.
본 발명은 테레프탈산에, 테레프탈산 외의 C6~14 방향족 다가 카르복실산 및 C2~14의 지방족 다가 카르복실산 중 하나 이상을 더 포함하는 산 성분; 및 에틸렌글리콜에 하기 화학식 1로 표시되는 디올 화합물을 더 포함하는 디올 성분;을 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하는 촉매의 존재 하에 중축합 반응을 수행하는 단계를 포함하는 폴리에스테르 수지 제조방법을 제공한다.
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 화학식 1에서, R은 
또는 
이고, a는 1 또는 2이며, 상기 화학식 2에서 R1은 -(CH2)nCOOH이며, 상기 n은 1 내지 8이다.
본 발명에 따른 폴리에스테르 수지 제조방법은 티타늄계 킬레이트 화합물을 촉매로 사용함으로써 축중합 반응 시 보다 낮은 반응 온도에서도 중합이 가능하고, 이로써 열분해가 일어나는 것을 방지할 수 있으며, 낮은 온도에서도 중합 반응성이 우수하기 때문에 상대적으로 높은 중합도에 의하여 말단기(-COOH)의 함량을 낮출 수 있어 우수한 폴리에스테르 폴리머 수지를 제조할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 중축합 반응은 반응물에 상기 촉매를 티타늄(titanium) 원자가 10~20 ppm의 함량이 되도록 첨가하여 반응을 수행할 수 있다. 티타늄 원자의 함량이 10 ppm 미만이 되는 경우 반응 속도가 늦어져 생산성이 감소할 수 있으며, 반대로 티타늄 원자의 함량이 20 ppm을 넘는 경우 반응성은 충분하나, 촉매가 이물질로 작용하여 제조된 폴리에스테르 수지를 방사하여 제조된 섬유의 기계적 강도 및 열접착성 등의 물성이 감소하게 될 우려가 있다.
바람직하게는 본 발명에 따른 폴리에스테르계 수지 제조방법에서는 안티몬(Antimony, Sb)계 촉매를 사용하지 않을 수 있다. 안티몬계 촉매를 사용하지 않음으로써 제조된 폴리에스테르 수지 및 이를 방사하여 제조된 폴리에스테르 섬유에서 안티몬이 거의 검출되지 않을 수 있으며, 인체에 유해한 안티몬을 포함하지 않아 인체에 접촉하는 물품의 소재로 사용하기에 적합한 폴리에스테르 섬유를 제조할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 중축합 반응은 상기 산 성분과 상기 디올 성분을 1:1 내지 1:1.5의 몰 비율로 투입하여 수행할 수 있다. 만일 상기 산 성분의 몰 비율이 1:1보다 큰 경우, 중합 시 산도(acidity)가 과도하게 높아져 부반응이 촉진될 수 있고, 상기 산 성분의 몰 비율이 1:1.5보다 적은 경우, 중합도가 충분하지 않을 수 있다.
또한, 상술한 두번째 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 상술한 본 발명에 따른 폴리에스테르 수지를 방사하여 제조되며, L*a*b 표색계의 컬러 b 값이 2.5~8인 것을 특징으로 하는 열접착성 폴리에스테르 섬유를 제공한다.
상기 b 값을 2.5~8 이내로 조절함으로써 높은 백색도를 얻을 수 있는 효과가 있다. 만약, 상기 b 값이 2.5 미만인 경우 푸르스름해지는 문제가 있을 수 있고, 반대로 b 값이 8을 초과하는 경우 누르스름해지는 문제가 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열접착성 폴리에스테르 섬유는 바람직하게는 심초형(시스/코어) 복합섬유일 수 있다. 심초형 복합섬유인 경우 바람직하게는 본 발명에 따른 폴리에스테르 수지를 초부에 방사하여 상기 심초형 복합섬유를 제조할 수 있다. 따라서, 초부의 열접착 성능을 잃지 않으면서 심부에는 융점이 상대적으로 높은 섬유를 포함하여 기계적 강도 및 형태 유지력이 우수한 섬유를 제공할 수 있다.
이하에서는 실시예를 들어 본 발명에 대하여 좀 더 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명의 권리범위를 제한하는 것은 아니며, 단지 예시에 불과하고, 본 발명은 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 범위에서 통상의 기술자에 의하여 구성을 부가, 변경 또는 삭제하여 실시될 수도 있음을 이해하여야 할 것이다.
<실시예>
실시예 1
에스테르 반응조에 테레프탈산(TPA) 70몰%, 이소프탈산(IPA) 30몰%을 포함하는 산 성분, 하기 화학식 1-3으로 표시되는 화합물 12몰% 및 에틸렌글리콜(EG) 88몰%을 포함하는 디올 성분을 1:1.2의 몰비로 투입한 후, 250℃, 1140 Torr의 조건으로 반응시켜 에스테르 반응물을 얻었다. 형성된 에스테르 반응물을 중축합 반응기에 이송하고, 상기 에스테르 반응물 대비 10ppm의 중량 비율로 블루/레드 염료를 혼합한 유기 보색제를 첨가하고, 중축합 촉매로 하기 화학식 2로 표시되는 화합물 15 ppm(Ti 원소의 함량 기준), 열 안정제로 트리에틸인산 25 ppm(P 원소의 함량 기준)을 투입하여 최종 압력이 0.5 Torr가 되도록 서서히 감압하면서 280℃까지 승온하여 축중합 반응을 수행하여 폴리에스테르 수지를 제조하였다.
[화학식 1-3]
[화학식 2]
상기 화학식 2에서, R1은 -(CH2)nCOOH이며, 상기 n은 1 내지 8이다.
실시예 2~9
실시예 1과 동일하게 실시하되, 하기 표 1에 기재된 바와 같이 반응물의 조성을 달리 하여 폴리에스테르 수지를 제조하였다.
비교예 1
실시예 1과 동일하게 실시하되, 하기 표 1에 기재된 바와 같이 반응물의 조성을 달리 하여 폴리에스테르 수지를 제조하였다.
| 구분 | 산 성분 (mol%) |
디올 성분 (mol%) |
촉매 (종류/함량) |
||||
| TPA | IPA | E-10 | NPG | DEG | EG | ||
| 실시예 1 | 70 | 30 | 0 | 0 | 12 | 88 | 화학식 2 10~20ppm |
| 실시예 2 | 60 | 40 | 0 | 0 | 12 | 88 | |
| 실시예 3 | 95 | 5 | 0 | 0 | 12 | 88 | |
| 실시예 4 | 50 | 50 | 0 | 0 | 12 | 88 | |
| 실시예 5 | 100 | 0 | 0 | 0 | 12 | 88 | |
| 실시예 6 | 70 | 30 | 0 | 0 | 45 | 55 | |
| 실시예 7 | 70 | 30 | 33 | 3 | 0 | 64 | |
| 실시예 8 | 70 | 30 | 36 | 2 | 0 | 62 | |
| 실시예 9 | 70 | 30 | 36 | 1 | 0 | 63 | |
| 비교예 1 | 70 | 30 | 0 | 0 | 12 | 88 | Sb2O3 250ppm |
* 상기 표 1에서, TPA는 테레프탈산, IPA는 이소프탈산, E-10은 1,3-프로판디올, NPG네오펜틸글리콜, DEG는 디에틸렌글리콜, EG는 에틸렌글리콜을 의미한다.
제조예
실시예 1 내지 9 및 비교예 1에 따라 제조한 폴리에스테르 수지를 초부로 하고, 폴리에틸렌테레프탈레이트를 심부로 하는 심초형 복합섬유를 제조하기 위하여, 심초형 방사 구금을 이용하여 방사 온도 275℃ 하에서 1000 mpm의 방사 속도로 심부와 초부가 5:5의 중량비가 되도록 복합 방사하고, 3.0배 연신하여 섬유장이 51 mm이고, 섬도가 4.0 de인 열접착성 폴리에스테르 섬유를 제조하였다. 각각의 실시예에 대응되는 폴리에스테르 복합 섬유를 제조예 1 내지 9로, 비교예에 대응되는 폴리에스테르 복합 섬유를 비교제조예 1로 칭한다.
<실험예>
실험예 1: 융점 및 유리 전이 온도 측정
시차 열량분석기를 이용하여 실시예 및 제조예에서 제조한 폴리에스테르 수지의 유리 전이 온도를 각각 측정하였고, 분석 조건은 승온 속도를 20℃/min으로 하여 측정하였다. 분석 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
실험예 2: 고유점도(I.V.) 측정
실시예 및 비교예에서 제조된 폴리에스테르 수지를 오르쏘-클로로 페놀(Ortho-Chloro Phenol) 용매에 110℃ 온도에서 2.0g/25mL의 농도로 30분간 용융한 후, 25℃에서 30분 간 항온하여 CANON 점도계가 연결된 자동 점도 측정 장치를 이용하여 고유 점도(Inherent Viscosity, I.V.)를 측정하였다. 분석 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
실험예 3: 카르복시 말단기 정량
실시예 및 비교예에 따라 제조된 폴리에스테르 수지의 말단 카르복시기(-COOH) 함량을 Phol의 방법에 따라 측정하였다. 20 메쉬(mesh)의 크기로 분쇄한 폴리에스테르 수지 분말 0.15 g을 정밀하게 측정하여 시험관에 넣고, 5 ml의 벤질 알코올을 가하여 초소형 교반기로 교반하면서 150초 동안에 걸쳐 210℃에서 가열 용해시켰다. 용해 직후 시험관을 25℃의 물에 7초간 담가 급랭시키고, 10 ml의 클로로포름이 들어 있는 50 ml의 비커에 내용물을 부은 후, 다시 5 ml의 벤질 알코올을 시험관에 넣어 60초간 교반시키면서 남아 있는 폴리에스테르 수지 용액을 완전히 헹구어 비커에 즉시 가하여 이를 피적정액으로 사용하였다. 카르복시기 함량은 페놀 레드(0.1% 벤질알코올 용액)을 지시약으로 하여 0.1N 수산화나트륨 벤질알코올 용액을 마이크로시린지(microsyringe, 용량 100㎕)를 사용하여 중화 적정하고 적정 결정치를 적정 시약에 대한 바탕시험 결과에 따라 보정하여 식 1에 따라 계산하였다.
[식 1]
단, 상기 식 1에서 f는 0.1N 수산화나트륨 벤질 알코올 용액의 농도 계수를 의미한다.
분석 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
실험예 4: 접착 강도
제조예 및 비교제조예에서 제조된 폴리에스테르 심초형 복합 섬유 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 단섬유 (섬유장 51mm, 섬도 4.0de)를 5:5로 혼섬 및 개섬한 뒤, 120℃, 140℃ 및 160℃의 온도 조건에서 각각 열처리하여 평량이 35g/㎡인 핫멜트 부직포를 구현하였고, 가로, 세로 및 두께가 각각 100 mm × 20 mm × 10 mm인 시편으로 구현하여 KS M ISO 36 시험법에 의거하여 UTM(universal testing machine)을 이용하여 접착 강도를 측정하였다. 한편, 열처리 시 과도한 수축으로 인해 형태가 변형된 경우 접착 강도를 평가하지 않고, '형태 변형'으로 평가하였다.
분석 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
실험예 5: 방사 작업성
실시예 및 비교예에 따라 제조된 폴리에스테르 수지를 이용하여 상기 제조예와 같이 폴리에스테르 심초형 복합 섬유를 제조할 때 방사 가공 중 드립(구금을 통과하는 섬유 가닥들이 일부 융착되거나 사절 이후 가닥들이 불규칙하게 융착되어 형성된 덩어리)의 발생 수치를 드립 감지기를 이용하여 카운팅하였고, 실시예 1에서 발생한 드립 발생 수치를 100으로 하여 이를 기준으로 나머지 실시예 및 비교예에서 발생한 드립 개수를 상대적인 백분율로 표시하였다. 분석 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
실험예 6: 가스 저감률
제조예 및 비교제조예 1에 따라 제조된 폴리에스테르 심초형 복합 섬유를 사용하여 10 cm × 10 cm의 크기로 부직포를 제조하였고, 제조된 부직포를 3L 테들러 백에 넣고 대상 가스와 청정 공기를 주입하여 밀봉한 다음, 120분 경과 후, 각각의 농도를 가스텍검지관법으로 측정하여 하기 식 2로부터 가스 저감률을 계산하여 하기 표 2에 나타내었다.
[식 2]
상기 식 2에서, Ca는 시료 농도를 나타내고, Cb는 공시험 농도를 나타낸다.
실험예 7: 색조 평가
제조예 1 내지 9 및 비교제조예 1에 따른 폴리에스테르 심초형 복합 섬유를 CM-3600D 분광측색기를 사용하여 L*a*b 표색계의 b값을 측정하였다. 측정된 값은 하기 표 2에 나타내었다.
실험예 8: 잔류 안티몬 함량 측정
실시예 1 내지 9 및 비교예 1에 따라 제조한 폴리에스테르 수지에 포함된 안티몬(Sb)의 함량을 하기의 방법에 따라 측정하고, 측정값을 하기 표 2에 나타내었다.
[측정 방법]
ICP 로 원소 정량 분석방법에 의한다. 구체적으로, 실시예 1~9 및 비교예 1에 따른 폴리에스테르 수지 시료를 전처리(질산 or 불산 등) 하여 시료를 분해시킨 후, ICP OES(Inductively coupled plasma optical emission spectrometry) 분석장비를 이용하여 화학 원소를 검출한다.
| 구분 | 유리 전이온도 (℃) |
말단기 함량 (eq./106g) |
방사 작업성 |
접착 강도 (단위) |
고유 점도 |
VOCs (ppb) |
L*a*b 표색계 b value |
Sb 함량 (ppm) |
| 실시예 1(제조예 1) | 67.5 | 11.2 | 100 | 158 | 0.64 | 1553 | 2~4 | 3.4 |
| 실시예 2(제조예 2) | 63.4 | 19.2 | 107 | 161 | 0.61 | 1521 | 3~6 | 5.9 |
| 실시예 3(제조예 3) | 68.1 | 17.8 | 98 | 150 | 0.6 | 1501 | 3~7 | 5.3 |
| 실시예 4(제조예 4) | 61.8 | 25.1 | 126 | 154 | 0.6 | 1596 | 3~6 | 7.2 |
| 실시예 5(제조예 5) | 72.5 | 28.6 | 118 | 156 | 0.6 | 1611 | 3~7 | 8.1 |
| 실시예 6(제조예 6) | 67.2 | 20.8 | 104 | 155 | 0.6 | 1526 | 2~5 | 6.1 |
| 실시예 7(제조예 7) | 67.8 | 17.9 | 93 | 155 | 0.6 | 1532 | 2~4 | 5.5 |
| 실시예 8(제조예 8) | 68.0 | 14.2 | 89 | 155 | 0.6 | 1537 | 2~4 | 4.1 |
| 실시예 9(제조예 9) | 69.5 | 21.4 | 95 | 155 | 0.6 | 1545 | 3~6 | 6.3 |
| 비교예 1(비교 제조예 1) |
73.6 | 42.1 | 82 | 161 | 0.68 | 1582 | 3~7 | > 10 |
상기 표 2를 참조하면, 본 발명의 실시예 1 내지 9에 따른 폴리에스테르 수지를 사용한 폴리에스테르 섬유는 모두 유리전이온도 및 말단기 함량에 있어서 우수한 물성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 섬유의 물성적인 측면에 있어서는 안티몬계 촉매를 사용하여 폴리에스테르 수지를 중합한 비교예 1의 섬유도 유사한 성질을 가지지만, 실시예, 제조예에 따른 폴리에스테르 섬유는 안티몬 촉매를 사용하지 않아 섬유 내 잔류하고 있는 안티몬 함량이 적으므로 인체 유해성이 현저히 낮다.
또한, 실시예, 제조예에 따른 폴리에스테르 섬유는 안티몬계 촉매를 사용한 섬유에 비하여 말단 카르복실기 함량이 적어 가수분해에 대한 저항성이 더욱 우수할 것임을 알 수 있었다.
Claims (10)
- 테레프탈산(terephthalic acid, TPA)을 포함하는 산 성분; 및 에틸렌글리콜(ethylene glycol)에 하기 화학식 1로 표시되는 디올 화합물을 더 포함하는 디올 성분;이 중축합된 것으로서 말단 카르복실기(-COOH)가 45 eq./106g 이하인 공중합 폴리에스테르를 포함하며,
안티몬(Antimony, Sb)이 10 ppm 이하의 함량으로 포함된 폴리에스테르 수지:
[화학식 1]
상기 화학식 1에서, R은또는
이고, a는 1 또는 2이다.
- 제1항에 있어서,
상기 산 성분은 테레프탈산 외의 C6~14의 방향족 다가 카르복실산 및 C2~14의 지방족 다가 카르복실산 중에서 선택된 하나 이상의 다가 카르복실산 화합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리에
스테르 수지. - 제1항에 있어서,
상기 폴리에스테르 수지는 5 ppm 내지 30 ppm의 함량으로 티타늄(Titanium, Ti)을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 수지. - 제1항에 있어서,
상기 폴리에스테르 수지는 220~255℃의 융점(Tm)을 갖고, 유리전이온도(glass-transition temperature, Tg)가 60℃ 내지 75℃인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 수지. - 제1항에 있어서,
상기 산 성분은 테레프탈산을 80mol% 이상의 함량으로 포함하고, 상기 디올 성분은 에틸렌글리콜을 60~90 mol%의 함량으로 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 수지. - 제1항에 있어서,
상기 폴리에스테르 수지는 보색제로서 블루(blue) 및 레드(red) 염료를 혼합 사용하며, 1~10 ppm의 함량으로 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 수지. - 테레프탈산에, 테레프탈산 외의 C6~14 방향족 다가 카르복실산 및 C2~14의 지방족 다가 카르복실산 중 하나 이상을 더 포함하는 산 성분; 및 에틸렌글리콜에 하기 화학식 1로 표시되는 디올 화합물을 더 포함하는 디올 성분;을 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하는 촉매의 존재 하에 중축합 반응을 수행하는 단계를 포함하는 폴리에스테르 수지 제조방법:
[화학식 1]
[화학식 2]
상기 화학식 1에서, R은또는
이고, a는 1 또는 2이며, 상기 화학식 2에서 R1은 -(CH2)nCOOH이며, 상기 n은 1 내지 8이다.
- 제7항에 있어서,
상기 중축합 반응의 반응물에 상기 촉매를 티타늄(titanium) 원자가 10~20 ppm의 함량으로 첨가하여 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 수지 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 중축합 반응은 상기 산 성분과 상기 디올 성분을 1:1 내지 1:1.5의 몰 비율로 투입하여 수행하는 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 수지 제조방법. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 폴리에스테르 수지를 방사하여 제조되며, L*a*b 표색계의 컬러 b 값이 2.5~8인 것을 특징으로 하는 열접착성 폴리에스테르 섬유.
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