KR20230046977A - 담배필터용 라이오셀 소재 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 현재 사용되는 담배필터인 CA와 동등 수준의 필터 물성을 구현할 수 있는 주름(Crimp)이 부여된 라이오셀 토우의 최적 섬도 범위를 설정하여, 담배필터 제조를 위한 최적의 공정성을 확보할 수 있으며, 생분해성이 우수하여 종래 폐기 담배 꽁초로 인한 환경오염 요인을 저감시킬 수 있는 담배필터용 라이오셀 소재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 담배필터용 라이오셀 소재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적인 담배 필터는 목재 펄프로부터 셀룰로오스를 추출하여 아세틸화 시킨 셀룰로오스 아세테이트 토우(tow)를 포함하고 있다.
또한, 담배필터는 담배제품으로 조립되어 소비자에게 유통되고, 끽연에 제공되며, 최종적으로 담배의 흡연 후 폐기된다. 또한, 담배필터는 담배필터 제조공장으로부터 제조잔사로서 직접 폐기되는 것도 있다. 이들 담배필터 폐기물은 쓰레기로서 회수되고, 그 처리를 위하여 매립된다. 또한, 담배의 흡연은 경우에 따라서는 쓰레기로서 회수되지 않고 자연 환경 중에 방치되는 경우도 있다.
이에, 생분해성 담배 필터를 제조하고자, 셀룰로오스 아세테이트의 분해 속도를 증가시키기 위해 생분해성 폴리머로 되어 있는 첨가제를 첨가하거나, 생분해성을 증가시키기 위한 낮은 치환도를 갖는 셀룰로오스 아세테이트를 이용하거나, 필터토우 원료로서 PHB(poly-hydroxybutyrate)/PVB(polyvinyl butyral) 및 전분과 같은 생분해성이 강한 폴리머의 복합재를 사용하는 것 등이 제안되어 왔다.
또한, 최근에는 자연환경 보호와 원가절감을 위하여 셀룰로오스 아세테이트 토우를 친환경 소재로 대체하는 연구가 진행되고 있다. 예를 들어, 셀룰로오스 아세테이트와 달리 셀룰로오스 자체를 섬유화 시킨 라이오셀(lyocell) 섬유를 이용한 토우의 개발이 진행되고 있다.
그러나, 아직까지 원하는 수준으로 환경 오염문제를 저감시킬 수 있으면서 현용 담배필터 소재의 CA와 비교하여 동등 수준 이상의 필터 성능을 만족하는 소재가 개발되지 못하고 있다.
본 발명의 일 실시예는, 라이오셀 소재를 활용하여 담배필터 성능을 현용 CA(Cellulose Acetate) 제품과 동등한 수준으로 구현할 수 있는 담배필터용 라이오셀 소재 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 일 실시예는, 상기 CA 담배꽁초의 폐기물로 인한 환경 오염 요인을 저감시킬 수 있는 담배필터용 라이오셀 소재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 명세서에서는 일 구현예에 따라, (S1) 셀룰로오스 펄프 및 N-메틸모폴린-N-옥사이드(N-methylmorpholine-N-oxide; NMMO) 수용액을 포함하는 라이오셀 방사 도프를 방사하는 단계;
(S2) 상기 방사된 라이오셀 방사 도프를 응고시켜 라이오셀 멀티필라멘트를 수득하는 단계;
(S3) 상기 수득된 라이오셀 멀티필라멘트를 수세하는 단계;
(S4) 상기 수세된 라이오셀 멀티필라멘트를 유제 처리하는 단계;
(S5) 상기 유제 처리된 라이오셀 멀티필라멘트를 크림핑하여, 크림프 토우(crimped tow)를 얻는 단계; 및
(S6) 상기 크림프 토우를 건조하는 단계;를 포함하고,
상기 크림프 토우를 얻는 단계는, 유제 처리된 라이오셀 멀티필라멘트에 대하여, 하기 식 1에 계산되는 크림퍼 드래프트비가 1.01 내지 1.3배를 만족하도록 크림프를 부여하는 단계를 포함하고,
상기 크림프 토우는 25000~45000 De의 굵기 범위를 갖는,
담배필터용 라이오셀 소재의 제조방법을 제공한다:
[식 1]
크림퍼 드래프트비 = V1/V0
상기 식 1에서, V0은 Crimper M/C에 유제 처리된 라이오셀 멀티필라멘트를 투입하기 직전의 속도(V0)이고, V1은 유제 처리된 라이오셀 멀티필라멘트의 Crimp 부여를 위한 Crimper M/C의 Roller 회전속도이다.
또한, 본 명세서에서는 다른 구현예에 따라, 셀룰로오스 펄프 및 N-메틸모폴린-N-옥사이드(N-methylmorpholine-N-oxide; NMMO) 수용액을 포함하는 라이오셀 방사 도프로부터 방사된 라이오셀 멀티 필라멘트를 이용하여 형성된 크림프 토우(crimped tow)를 포함하며,
상기 크림프 토우는 25000~45000 De의 굵기 범위를 갖는 라이오셀 토우인 담배필터용 라이오셀 소재를 제공한다.
또한, 본 명세서에서는 상기 담배필터용 라이오셀 소재를 포함하는 담배 필터를 제공한다.
이하, 발명의 구현예에 따른 담배필터용 라이오셀 소재 및 그 제조방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
그에 앞서, 본 명세서에서 명시적인 언급이 없는 한, 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 '포함'의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
본 명세서에서 '적어도 하나' 또는 "1종 이상"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
라이오셀 소재의 제조방법
발명의 일 구현예에 따라, (S1) 셀룰로오스 펄프 및 N-메틸모폴린-N-옥사이드(N-methylmorpholine-N-oxide; NMMO) 수용액을 포함하는 라이오셀 방사 도프를 방사하는 단계; (S2) 상기 방사된 라이오셀 방사 도프를 응고시켜 라이오셀 멀티필라멘트를 수득하는 단계; (S3) 상기 수득된 라이오셀 멀티필라멘트를 수세하는 단계; (S4) 상기 수세된 라이오셀 멀티필라멘트를 유제 처리하는 단계; (S5) 상기 유제 처리된 라이오셀 멀티필라멘트를 크림핑하여, 크림프 토우(crimped tow)를 얻는 단계; 및 (S6) 상기 크림프 토우를 건조하는 단계;를 포함하고, 상기 크림프 토우를 얻는 단계는, 유제 처리된 라이오셀 멀티필라멘트에 대하여, 하기 식 1에 계산되는 크림퍼 드래프트비가 1.01 내지 1.3배를 만족하도록 크림프를 부여하는 단계를 포함하고, 상기 크림프 토우는 25000~45000 De의 굵기 범위를 갖는, 담배필터용 라이오셀 소재의 제조방법이 제공될 수 있다:
[식 1]
크림퍼 드래프트비 = V1/V0
상기 식 1에서, V0은 Crimper M/C에 유제 처리된 라이오셀 멀티필라멘트를 투입하기 직전의 속도(V0)이고, V1은 유제 처리된 라이오셀 멀티필라멘트의 Crimp 부여를 위한 Crimper M/C의 Roller 회전속도이다.
본 발명은 생분해성이 우수한 라이오셀을 적용한 담배필터 토우를 제조하여, 종래 사용되는 담배필터 소재를 대체할 수 있는 담배필터용 라이오셀 소재 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명에서는 라이오셀 소재를 활용하여 생분해성이 우수하고 담배필터 성능을 현용 CA(Cellulose Acetate)제품과 동등한 수준으로 구현할 수 있는 담배필터용 토우를 제조하고자 한다.
구체적으로, 본 발명은 라이오셀 담배필터 토우 제조 시, 크림핑 공정에서 크림퍼 드래프트비를 조절함으로써, 담배필터인 현재 사용되는 CA와 동등 수준의 필터 물성을 구현할 수 있는 주름(Crimp)이 부여된 라이오셀 토우의 최적 섬도 범위를 설정하여, 담배필터 제조를 위한 최적의 공정성을 확보할 수 있다.
발명의 일 구현예에 따라, 크림핑 공정에서 상기 라이오셀 담배필터 토우는 균일한 주름 부여를 위해 필라멘트에 1.01~1.3배의 공정 Draft 조건을 적용할 수 있다.
상기 크림핑시, 크림퍼에서의 드래프트 비(Crimper Draft)는 다음 식 1에 의해 계산될 수 있다.
[식 1]
크림퍼 드래프트비(Crimper Draft ratio) = V1/V0
상기 식 1에서, V0은 Crimper M/C에 투입 직전의 속도(V0)이고, V1은 유제 처리된 라이오셀 멀티필라멘트의 Crimp 부여를 위한 Crimper M/C의 Roller 회전속도이다.
상기 Crimper M/C는 crimp machine을 의미한다.
이때, 상기 크림퍼 드래프트비가 1.01배 미만이면 크림퍼로 투입되는 필라멘트 토우의 장력이 안정적이지 못하여, 불균일한 Crimp가 부여되는 문제가 있고, 1.3배 이상이면 크림퍼로 투입된 필라멘트에 과도한 크림프가 부여되어 물리적인 물성 취화가 발생되거나, 필라멘트 폭의 변화로 인해 토우의 좌우측 변부에 균일한 크림프를 부여할 수 없는 문제가 있다.
또한, 담배필터의 물성 구현을 위해 토우는 25~50 개/inch (ea/inch)의 크림프수의 범위를 가진다.
부가하여, 최종적으로, 라이오셀 토우는 최적의 담배필터 성능 구현을 위해 25000~45000 De 굵기 범위(즉, 섬도)를 가지는 특징이 있다.
이때 상기 라이오셀 토우의 굵기가 25000 데니어(De) 미만 또는 45000 데니어(De) 초과 시, 담배필터 공정성 및 물성을 확보하기가 어렵다. 이러한 라이오셀 토우의 섬도는 상기 크림퍼 드래프트비의 조절과 함께, 방사공정시 라이오셀 멀티필라멘트의 단섬도를 2.0 내지 2.8 데니어 범위로 조절하여 구현될 수 있다.
또한, 발명의 일 구현예에 따른 담배필터는 일반적으로 레귤러 타입과 초슬림 타입으로 구분할 수 있으며, 본 발명은 레귤러 타입의 담배필터에 적용할 수 있다.
상기 토우를 적용하여 제조된 담배필터는 다양한 담배에서 요구하는 흡인저항 구현이 가능하며, 담배필터에 요구되는 물성(필터 원주, 흡인저항)을 균일하게 구현할 수 있다.
이하, 본 발명의 담배필터용 라이오셀 소재 제조방법을 각 단계별로 보다 상세히 설명한다.
[(S1) 단계]
본 발명에서 (S1)단계는 셀룰로오스 펄프 및 N-메틸모폴린-N-옥사이드(Nmethylmorpholine-N-oxide; NMMO) 수용액을 포함하는 라이오셀 방사 도프를 방사하는 단계이다. 이때, 상기 라이오셀 방사 도프는 셀룰로오스 펄프 8 ~ 13중량%; 및 N-메틸모폴린-N-옥사이드 수용액 87 ~ 92중량%를 포함하는 것일 수 있으며, 상기 셀룰로오스펄프는 알파-셀룰로오스 함량이 85 ~ 97중량%이고, 중합도(DPw)가 600 ~ 1700인 것일 수 있다.
상기 셀룰로오스 펄프의 함량이 8중량% 미만이며 섬유적 특성을 구현하기 어렵고, 13중량% 초과이면 수용액상에 용해하기 어려울 수 있다. 또한, 상기 N-메틸모폴린-N-옥사이드 수용액의 함량이 87중량% 미만이면 용해 점도가 크게 높아져서 바람직하지 못하며, 92중량% 초과이면 방사 점도가 크게 낮아져서 방사단계에서 균일한 섬유를 제조하기에 어려울 수 있다.
상기 N-메틸모폴린-N-옥사이드 수용액에서 N-메틸모폴린-N-옥사이드 및 물의 중량비가 93:7 내지 85:15일 수 있다. 상기 N-메틸모폴린-N-옥사이드 및 물의 중량비가 93:7 초과인 경우에는 용해 온도가 높아져서 셀룰로오스 용해 시 셀룰로오스의 분해가 발생할 수 있으며, 상기 중량비가 85:15 미만인 경우에는 용매의 용해성능이 저하되어 셀룰로오스의 용해가 어려울 수 있다.
상술한 방사 도프를 사용하여 이를 평면 또는 도넛 형태의 방사 구금의 방사 노즐로부터 토출시킨다. 이때, 상기 방사 구금은 필라멘트 상의 방사 도프를 에어갭 구간을 통해 응고조 내의 응고액으로 토출시키는 역할을 한다. 상기 방사 도프를 방사구금으로부터 토출시키는 단계는 100 내지 120 ℃에서 이루어질 수 있다.
또한, 상기 (S1) 단계는 라이오셀 멀티필라멘트의 단섬도가 2.0 내지 2.8 데니어가 되도록 토출량과 방사속도를 조절하여 방사한다. 구체적으로, 라이오셀 필라멘트를 방사시, 후술하는 크램퍼 드래프트 비율 조절과 함께 라이오셀 멀티필라멘트의 단섬도를 상기 범위 내에서 방사하는 것이, 담배 필터 공정성 저하를 방지하고, 업계에서 요구하는 물성 구현을 보다 효과적으로 달성할 수 있다.
[(S2) 단계]
본 발명에서 (S2) 단계는 상기 (S1) 단계에서 방사된 라이오셀 방사 도프를 응고시켜 라이오셀 멀티필라멘트를 수득하는 단계로서, 상기 (S2) 단계의 응고는 냉각공기를 방사 도프에 공급하여 응고시키는 에어??칭(air quenching, Q/A)에 의한 1차 응고단계; 및 1차 응고된 방사 도프를 응고액에 담그어 응고시키는 2차 응고단계를 포함할 수 있다.
상기 (S1) 단계에서, 평면 또는 도넛 형태의 구금을 통하여 방사 도프를 토출시킨 후에는 이를 상술한 방사 구금과, 응고조 사이 공간의 에어갭 구간으로 통과시킬 수 있다. 이러한 에어갭 구간에는 평면 형태의 구금의 경우 구금의 한쪽 방향에서 반대쪽 방향으로 냉각 공기가 공급되며, 도넛 형태의 구금의 경우 안쪽에 위치한 공냉부로부터 구금의 안쪽에서 바깥쪽으로 냉각 공기가 공급되며 반대쪽 또는 바깥쪽에는 석션 기능도 추가될 수 있다. 이러한 냉각 공기로 방사 도프에 공급하는 에어??칭에 의해 1차 응고될 수 있다.
상기 응고시 사용하는 (S2)단계의 라이오셀 멀티필라멘트는 단섬도가 2.0 내지 2.8 데니어이다.
이때, (S2) 단계에서 수득되는 라이오셀 멀티필라멘트의 물성에 영향을 미치는 요소는 에어갭 구간에서의 냉각 공기의 온도 및 풍속이며, (S2) 단계의 응고는 4 ~ 15℃의 온도 및 50 내지 250L/㎥의 풍량의 냉각 공기를 방사 도프에 공급하여 수행하는 것일 수 있다.
상기 1차 응고시 냉각 공기의 온도가 4℃ 미만이면 구금 표면 온도가 낮아져서, 라이오셀 멀티필라멘트의 단면이 불균일하게 되고 방사 공정성도 좋지 않게 되며, 15℃ 초과이면 냉각 공기에 의한 1차 응고가 충분히 되지 않아 방사 공정성이 좋지 않게 된다.
또한, 1차 응고시 냉각 공기의 풍량이 50L/㎥ 미만이면 냉각 공기에 의한 1차 응고가 충분히 되지 않아서 방사 공정성이 좋지 않게 되어 사절이 발생하고, 250L/㎥ 초과이면 구금에서 토출되는 방사 도프가 공기에 의해 흔들리면서 방사 공정성이 좋지 않게 된다.
에어??칭에 의한 1차 응고 후, 상기 방사 도프는 응고액이 담겨 있는 응고조에 공급되어 2차 응고가 진행될 수 있다. 한편, 적절한 2차 응고의 진행을 위해, 상기 응고액의 온도는 30℃ 이하일 수 있다. 이는 2차 응고 온도가 필요 이상으로 높지 않아 응고 속도가 적절히 유지되도록 하기 위한 것이다. 여기서 상기 응고액은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 조성으로 제조하여 사용할 수 있으므로 특별히 한정되지 않는다.
[(S3) 단계]
본 발명에서 (S3)단계는 상기 (S2) 단계에서 수득된 라이오셀 멀티필라멘트를 수세하는 단계이다. 보다 구체적으로는, 상기 (S2) 단계에서 수득된 라이오셀 멀티필라멘트를 견인롤러에 도입한 후, 수세욕으로 도입하여 수세하는 단계이다.
상기 필라멘트의 수세 단계에서는, 수세 후 용제의 회수 및 재사용의 용이성을 고려하여, 0 내지 100℃ 온도의 수세액을 사용할 수 있으며, 상기 수세액으로는 물을 이용할 수 있고, 필요에 따라 기타의 첨가 성분을 더욱 포함시킬 수도 있다.
[(S4) 단계]
본 발명에서 (S4) 단계는 상기 (S3) 단계에서 수세된 라이오셀 멀티필라멘트를 유제 처리하는 단계이다.
상기 유제 처리를 위해서는 유제가 Make-up된 Bath에 Filament 토우를 침지시켜 배출하는 방식이 사용될 수 있다.
상기 유제 처리는 멀티필라멘트가 유제 속에 완전히 잠겨서 묻혀지는 상태로 수행되며, 유제 처리 장치의 진입롤과 방출롤에 부착된 짜주는 롤러에 의해 유제가 필라멘트에 묻는 양을 일정하게 유지하도록 한다.
또한, 상기 필라멘트 도포에 사용되는 유제는 일반적인 섬유에 사용되는 유제와는 달리 라이오셀 전용으로 개발된 것을 사용할 수 있다.
바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 유제는 담배필터 토우의 물성을 균일하게 부여할 수 있는 윤활기능, 적정 수준의 평활성과 포합성을 부여하여 필터 제조 공정성을 최적화시킬 수 있으며, 흡연 중 흡연자의 타액에 의해 필터 형태가 변형되어 필터의 경도가 낮아지는 현상을 최소화하기 위해, 본 유제는 타액의 필터 침투를 지연시킬 수 있는 소수성을 부여하여 필터 경도가 낮아지는 속도를 낮출 수 있다. 또한, 일정량의 유제가 담배필터에 잔류하여도 흡연자의 인체에 무해한 성분으로 구성될 수 있다.
다만, 상기 유제는 필라멘트가 건조 롤러 및 가이드, 크림프 단계에서의 접촉 시 발생하는 마찰을 줄여주고 섬유간 크림프가 잘 형성되도록 하는 역할을 수행하는 것으로서, 라이오셀 필라멘트 제조 시 일반적으로 통용되는 것이라면 그 종류에 특별히 제한은 없다.
바람직한 일례를 들면, 상기 유제는 윤활 성분, 포합(cohesion) 성분, 평활 (smoothness) 및 소수성 성분으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 유제는 라이오셀 멀티필라멘트에 대한 유제 함량이 2 내지 8 중량%의 농도 혹은 3 내지 7 중량%가 유지되도록 하면서 사용될 수 있다. 상기 유제 함량이 상기 범위를 유지하는 것이, 크림프 단계에서 라이오셀 멀티필라멘트가 크림프 단계에서 장치에 접촉 시 발생하는 마찰을 줄여주고 섬유간 크림프가 잘 형성되도록 하는 역할을 수행하도록 할 수 있다.
[(S5) 단계]
(S5) 단계는 상기 (S4) 단계에서 유제 처리된 라이오셀 멀티필라멘트를 크림핑하여 크림프 토우를 얻는 단계이다.
구체적으로, 상기 방법은 유제 처리된 라이오셀 멀티필라멘트를 스팀과 압력을 가하여 크림핑(crimping)하는 단계로서, (S5)단계를 거쳐 크림프 토우(crimped tow)를 얻을 수 있다.
본 명세서 전체에 걸쳐 기재된 용어인 "크림핑(Crimp)"이란 주로 섬유의 벌크(bulk)한 감성을 부여하기 위해 필라멘트에 주름을 부여하는 것을 의미한다. 본 발명에서 상기 크림핑 공정은 프레스 롤러가 구비된 스터퍼 박스(stuffer box)를 통해 수행될 수 있다. 상기 프레스 롤러는 닙 롤러일 수 있다.
본 발명에서 제시하는 담배필터용 라이오셀 토우는 최적의 필터 물성 구현을 위해 토우 제조 공정에서 Crimper Draft 비의 범위를 가진다.
바람직한 일 구현에에 따라, 크림핑 공정에서 상기 라이오셀 담배필터 토우는 주름 부여를 위해 필라멘트에 상기 식 1에 의해 계산되는 1.01~1.3배의 공정 Draft 조건을 적용할 수 있다.
또한, 크림퍼 드래프트 (Crimper Draft) 조건에 따라 균일 크림프 부여를 위한 장치(Machine)의 조건은 변화될 수 있으며, 변화 인자는 크림프 장치 전단의 스팀박스에 공급되는 압력, 크림프 장치 롤에 부여되는 압력 및 닥터 블레이트의 압력 조건을 조절하는 것일 수 있다.
예를 들어, 상기 스터퍼 박스 전단에는 필라멘트 토우의 스팀 처리를 위한 스팀박스 (Steam box)가 구성되어 있으며, 스팀박스에 공급되는 스팀 압력이 0.1 ~ 3.0kgf/㎠이고, 크림프 장치의 프레스 롤러(Press Roller)에 부여되는 압력이 1.5 ~ 4kgf/㎠이고, 닥터 블레이드의 압력이 0.1 ~ 3kgf/㎠인 조건을 만족하도록 제어될 수 있다. 상기 조건이 제어됨에 따라, 균일한 크림프가 부여될 수 있다.
상기 스팀 압력이 0.1kgf/㎠ 미만이면 필라멘트의 모듈러스가 공정에 적합한 수준으로 낮아지지 못해 크림프가 원활하게 형성되지 않으며, 3.0kgf/㎠ 초과하여 지나치게 많은 양의 스팀이 공급되면, 필라멘트의 모듈러스는 최소화되나, 과도한 함수율로 인해 요구하는 크림프 수를 균일하게 부여하지 못한다.
또한, 상기 프레스 롤러를 통해 눌러주는 압력은 1.5kgf/㎠ 미만일 경우 투입되는 필라멘트의 두께를 균일하게 부여하지 못하여 원하는 크림프 수가 균일하게 형성되지 않고, 4kgf/㎠ 초과이면 눌러주는 힘이 너무 강하여 토우(Tow) 내 존재하는 수분 또는 유지분의 함량이 급격히 낮아지게 되어 필라멘트가 스터퍼 박스를 원할히 통과하지 못할 수가 있다. 이때, 더불어 상기 프레스 롤러의 간격은 0.01 ~ 3.0mm으로 유지되는 것이 바람직하다. 프레스 롤러의 간격이 0.01mm 미만이면, 롤러에 의한 필라멘트의 압력이 높아져 크림프 형성이 불가하거나, 형성 후 필라멘트 표면 마찰에 의해 손상이 발생할 수 있고, 3.0mm 초과이면 프레스 롤러 사이에서의 필라멘트 슬립현상이 발생하여 균일한 크림프 형성이 어려울 수 있다.
또한, 상기 닥터 블레이드는 프레스 롤러 통과 후 균일한 크림프 부여를 위해 상하로 움직이는 역할을 한다. 이러한 닥터 블레이드의 압력이 0.1kgf/㎠ 미만이면, 스터퍼 박스 내부의 압력으로 인해 상부 플레이트가 고정되지 못해 토우가 스터퍼 박스내에서 장시간 체류되면서 공정의 연속성이 유지되지 못하 못하거나 적정한 체류시간을 부여하지 못해 원하는 토우의 크림프 수를 조절할 수 없고, 3.0kgf/㎠ 초과이면 스터퍼 박스 내에 토우가 원활하게 배출하지 못해 크림프 형태가 불규칙하게 될 수 있다.
이와 같은 조건으로 크림핑된 토우는 25 내지 50개/inch, 혹은 30 내지 45개/inch의 크림프를 확보 및 유지할 수 있다. 또한, 이는 모노필터 및 복합필터 직경 24.2mm, 24.5mm의 필터 로드(filter road)로 형성하였을 때, KS H ISO 6565 측정 기준 약 240 내지 590 PD(mmH2O)의 흡인 저항을 나타낼 수 있다. 상기 필터는 궐련제품에 따라 다양한 흡인저항값이 적용된다. 이에 따라, 본 발명의 라이오셀 크림핑 토우는 단시간내에 생분해되어 제거되므로 친환경적일 뿐만 아니라, 담배필터로 제조되었을 때, 요구되는 물성인 흡인저항, 필터경도, 필터제거능 등을 종래보다 더 효과적으로 만족시킬 수 있어서 그 효과를 최대화시킬 수 있다.
[(S6) 단계]
(S6) 단계는 상기 (S5) 단계에서 얻은 크림프 토우를 일정 온도에서 건조하는 단계이다.
구체적으로, 상기 유제 처리조(Bath)에서 균일하게 필라멘트 토우에 침지된 유제는 크림프 공정에서 균일한 크림프수를 부여할 수 있는 수준으로 픽업(Pick Up)된다.
이후, 연속 건조장치를 통해, 크림프 토우(Crimped Tow)를 건조하면, 균일한 양의 유제를 함유한 최종 라이오셀 크림프 토우를 제조할 수 있다.
상기 크림프 토우를 건조하는 단계는 105 내지 135℃에서, 15분 내지 45분간 혹은 110 내지 130℃에서, 20분 내지 40분간 연속건조장치를 이용하여 수행할 수 있다.
상기 건조 온도가 105℃ 이하이면 토우가 완벽히 건조되지 않아 요구하는 수분율로 조절하지 못하는 문제가 있고, 135℃ 이상이면 황변 현상으로 인해 백색도가 낮아지는 문제가 있다. 또한, 건조 시간이 15분 이하 미만이면 비규칙적으로 건조되지 않는 부분이 발생할 수 있고, 45분 이상이면 과도한 건조 시간으로 인해 토우 표면의 손상을 야기하고 황변 현상으로 인해 백색도가 낮아지는 문제가 있다.
또한, 상기 건조 이후에 최종적으로 제조된 토우는 담배필터용 라이오셀 토우는 25000~45000 데니어(De)의 굵기 범위를 가질 수 있다.
이때, 상기 라이오셀 토우의 굵기 범위가 25000 De 미만 또는 45000 De 초과 시, 담배필터 공정성 및 물성을 확보하기가 어렵다.
또한, 상기 라이오셀 토우의 굵기 범위는 (S1)단계의 방사공정에서 라이오셀 멀티필라멘트의 단섬도를 2.0 내지 2.8 데니어 범위로 조절하고, 또한 상기 (S5)단계의 크림퍼 드래프트비를 조절하여 얻을 수 있다.
담배필터용 라이오셀 소재
발명의 다른 구현예에 따라, 셀룰로오스 펄프 및 N-메틸모폴린-N-옥사이드(N-methylmorpholine-N-oxide; NMMO) 수용액을 포함하는 라이오셀 방사 도프로부터 방사된 라이오셀 멀티 필라멘트를 이용하여 형성된 크림프 토우(crimped tow)를 포함하며, 상기 크림프 토우는 25000~45000 De의 굵기 범위를 갖는 라이오셀 토우인 담배필터용 라이오셀 소재가 제공될 수 있다.
상기 라이오셀 토우의 크림프수는 25 내지 50개/inch가 되도록 형성될 수 있다.
상기 라이오셀 방사 도프는 셀룰로오스 펄프 8 ~ 13 중량%; 및 N-메틸모폴린-N-옥사이드 수용액 87 ~ 92 중량%를 포함할 수 있다.
상기 셀룰로오스 펄프는 알파-셀룰로오스 함량이 85 ~ 99중량%이고, 중합도(DPw)가 600 ~ 1700일 수 있다.
또한, 발명의 다른 예에 따라, 상기 담배필터용 라이오셀 소재를 라이오셀 토우로 포함하는 담배 필터가 제공될 수 있다.
상기 담배필터는 상기 라이오셀 토우를 제외하고, 그 구성이 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 담배 필터는 복수 개의 라이오셀(lyocell) 섬유를 포함하는 원통형의 상기 라이오셀 토우(tow), 가소제, 경화제 등이 포함될 수 있다.
상기 복수 개의 라이오셀 섬유는 경화제에 의해 서로 연결되어 섬유 표면이 경화제와 접촉하는 형태로 상호 접합된 구조를 나타낼 수 있다.
상기 경화제는 필터의 경도 개선을 위해 잘 알려진 물질이 사용될 수 있고, 예를 들어 화제는 셀룰로오스 유도체, 비닐계 유도체, 비닐계 에멀젼 수지, 알긴산 나트륨을 포함하는 천연 고분자, 전분, 전분 유도체 등의 고분자 수지를 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 현용 담배필터 소재인 CA와 동등 수준의 필터 성능(제조 공정성, 필터 물성)을 구현할 수 있는, 라이오셀 담배필터 토우를 제공할 수 있다. 또한, 본 명세서에는 현용 CA 담배꽁초(필터)를 종래보다 친환경 공법으로 제조할 수 있다.
또한, 상기의 방법으로 제조된 라이오셀 토우를 적용하면 레귤러 타입의 담배필터를 균일하게 제조할 수 있으며, 요구 물성(필터 원주, 흡인저항)을 균일하게 구현할 수 있다.
본 발명에 따르면, 현용 담배필터인 CA와 동등 수준의 필터 물성을 구현할 수 있는 주름(Crimp)이 부여된 라이오셀 토우의 최적 섬도 범위를 설정하여, 담배필터 제조를 위한 최적의 공정성을 확보할 수 있다.
또한, 상기 라이오셀 토우를 적용하여 제조된 담배필터는 다양한 담배에서 요구하는 흡인저항 구현이 가능하며, 그 물성(필터 원주, 흡인저항)을 발현할 수 있다.
부가하여, 본 발명은 친환경적인 방법으로 라이오셀 토우를 제공할 수 있으므로, 종래 CA 담배필터를 대체하여 폐기 담배꽁초로 인한 환경오염 요인을 저감시킬 수 있다.
즉, 본 발명은 생분해성, 공정성 및 물성이 모두 우수하여 종래 일반적인 담배필터 소재를 대체하여 경제적인 효과를 나타낼 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 이들에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
중합도(DPw) 820, 알파셀룰로오스 함량 93.9%인 셀룰로오스 펄프를 프로필갈레이트 함량 0.01중량%인 NMMO/H2O 혼합 용제(중량비 90/10)에 혼합하여, 농도 12중량%의 담배필터용 토우 제조용 방사 도프를 제조하였다. 먼저, 방사 도프는 방사 노즐에서 방사온도 110℃로 유지하였으며, 필라멘트의 단섬도가 2.4데니어가 되도록 토출량과 방사속도를 조절하여 방사하였다.
상기 방사노즐로부터 토출된 필라멘트 상의 방사 도프를 에어갭 구간을 거쳐 응고조 내의 응고액에 공급하였다. 이때 상기 에어갭 구간에서 냉각공기는 8℃온도 및 100L/㎥ 풍량으로 방사 도프를 1차 응고시켰다. 상기 응고액은 온도 25℃, 농도는 물 75중량% 및 NMMO 25중량%인 것을 사용하였다. 이때, 상기 응고액 농도는 센서와 굴절계를 사용하여 연속적으로 모니터링 하였다.
견인롤러를 통해 응고된 필라멘트는 수세장치에서 스프레이된 수세액에 의해 수세되어 필라멘트 내 잔존하고 있는 NMMO를 제거하였다.
이후, 수세된 필라멘트는 유제 2중량%로 Make Up된 유제 처리조(Bath) 내부에 침지시켰다.
상기 처리조(Bath)에 침지된 필라멘트는 bath의 배출부에 설치된 닙 롤러 (Nip Roller)를 사용하여 2kgf/㎠ 압력으로 처리한 후, 주름 부여를 위해 크림프 장치 (Crimper M/C)으로 투입하였다.
이때, Crimped 크림프 부여 비율, 즉 크림퍼 드래프트비(Crimper Draft 비)를 1.1배 조건으로 설정하였으며, Steam box에 Steam을 0.3kgf/㎠로 공급하고, Crimp M/C Roller 압력은 2.5kgf/㎠이고, 닥터 블레이트(Doctor Blade) 압력은 1.0kgf/㎠로 설정하여 토우를 제조하였다. 제조된 토우는 120℃로 Setting 된 연속 건조장치를 통과하여 건조된 토우 제품을 수득하였다.
수득한 토우는 레귤러 필터 흡인저항 450±12% mmH2O를 타겟으로 하여, 담배필터용 필터를 제조하였다.
실시예 2
단섬도 2.6데니어, 크림퍼 드래프트비(Crimper Draft 비)를 1.05배로 조절한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 담배필터용 라이오셀 토우를 제조하였다.
실시예 3
단섬도 2.8데니어, 크림퍼 드래프트비(Crimper Draft 비)를 1.2배로 조절한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 담배필터용 라이오셀 토우를 제조하였다.
비교예 1
크림퍼 드래프트비(Crimper Draft 비)를 1.0배로 조절한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 담배필터용 라이오셀 토우를 제조하였다.
비교예 2
크림퍼 드래프트비(Crimper Draft 비)를 1.35배로 조절한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 담배필터용 라이오셀 토우를 제조하였다.
비교예 3
크림퍼 드래프트비(Crimper Draft 비)를 1.5배로 조절한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 담배필터용 라이오셀 토우를 제조하였다.
비교예 4
단섬도 3.0데니어, 크림퍼 Draft비를 1.1배로 조절한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 담배필터용 라이오셀 토우를 제조하였다.
[실험예]
실시예 및 비교예의 라이오셀 토우에 대하여, 다음 방법으로 토우 물성을 측정하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
물성 측정방법
(1) 토우 섬도 측정 :
측정하고자 하는 토우를 2m 샘플로 채취하여, 온도 20℃, 습도 65%로 항온항습된 Room에 24시간 방치시킨다. 안정화시킨 토우는 한쪽 끝을 고정시킨 후, 반대편 끝에 2kg 하중의 추를 장착한다. 하중으로 인해 신장된 상태의 토우를 5초간 안정화시킨 후, 90㎝로 Cutting 하여 시료를 수득 후 무게를 측정한다. 토우 섬도는 데니어 환산법에 따라, 측정된 무게 Х 10000으로 환산된다.
(2) 크림프 개수 측정
KS K 0326 규격으로 측정하였으며, 크림프가 손상되지 않는 20올의 시료를 취한 후, 미리 준비한 광택지편 (공간거리 25mm)을 셀룰로이드 4~5% 아세트산아밀 접착제로 단섬유 1올씩 첨부 길이에 대하여 25±5% 늘어지도록 첨부한 후 방치하여 접착제를 건조시킨다. 이 시료에 대하여 크림프 시험기를 사용하여 1올씩 1De당 1.96/1000cN(=2mgf)에 상당하는 초하중을 걸어, 25사이의 크림프 개수를 구한 후, 그 평균 값을 소수점을 제외하여 나타내었다.
(3) 크림프 형태 측정
크림프 형태는 크림프 개수 측정과 동일하게 샘플링 한 후, 광학현미경을 사용하여 균일함을 육안으로 확인하였다.
(4) 담배필터 제조 공정성
담배필터 제조 공정성은 담배필터 제조설비에 토우를 투입하여 1 batch의 샘플이 전량 소진되는 시점까지의 공정 유지성을 확인하였다.
(5) 담배필터 흡인저항 및 원주 측정
상기 실시예 및 비교예를 통해 제조된 토우를 이용하여 담배필터 Rod를 제조하였으며, KS H ISO 6565 규격에 의거하여 흡인저항 및 원주 측정기를 사용하여 Rod별 흡인저항을 측정하였다.
| 토우 섬도 (De) |
토우 Crimp 수 (ea/inch) |
Crimp 형태 |
담배필터 제조 공정성 |
필터 흡인저항 (mmH2O) |
필터 원주 (mm) |
|
| 실시예1 | 36200 | 36~40 | 양호 | 양호(무절사) | 446~454 | 24.22 |
| 실시예2 | 34500 | 30~34 | 양호 | 양호(무절사) | 446~454 | 24.18 |
| 실시예3 | 39600 | 40~43 | 양호 | 양호(무절사) | 446~454 | 24.24 |
| 비교예1 | 제조불가 | 측정불가 | - | - | - | - |
| 비교예2 | 37000 | 34~46 | 불량 | 불량(연속 제조 불가) | 375~420 | 24.52 |
| 비교예3 | 38400 | 32~50 | 불량 | 불량(연속 제조 불가) | 220~400 | 24.55 |
| 비교예4 | 45500 | 28~52 | 불량 | 불량(연속 제조 불가) | 200~380 | 24.58 |
상기 표 1에 기재된 바와 같이, 실시예 1 내지 3의 경우 토우 제조 조건에 따라 크림프 수가 균일하게 형성되었으며, 담배필터 제조 시 설비 조건의 설정으로 제조된 토우는 담배필터에서 요구하는 물성을 구현할 수 있었다.그러나, 비교예 1의 경우 토우 제조 조건이 적절치 않아 제조과정에서의 조건 설정으로도 토우를 제조하지 못해, 필터 성능을 확인할 수 없었다. 또한, 비교예 2 내지 4의 경우 토우를 제조할 수는 있었으나, 제조 조건의 불합리로 인해 균일한 토우를 제조하기에 어려움이 있었다.
즉, 비교예 1 내지 3은 본 발명의 크림퍼 드래프트비 범위를 벗어나서, 토우의 제조가 불가능하거나, 설사 토우가 제조되었더라도, 크림프 형태가 불량하여 담배 필터의 연속 제조가 불가능하였고, 이에 따라 흡인저항도 실시예들보다 저하되었다. 또한, 비교예 4는 방사도프를 이용한 방사시, 필라멘트의 단섬도가 3.0 데니어로서, 본 발명의 필라멘트 단섬도 범위를 초과하여, 토우의 섬도 범위가 4000 데니어(De)를 초과하여 담배필터 공정성과 물성이 실시예 1 내지 3보다 불량함이 확인되었다.
따라서, 비교예들은 제조된 토우를 적용한 담배필터 제조 시 토우의 불균일로 인해 공정성이 유지되지 못하는 것을 확인하였으며, 토우의 불균일로 인해 필터 성능을 구현하기에 어려움이 있었다.
반면, 실시예 1 내지 3은 라이오셀 담배필터 토우 제조시, 크림핑 공정에서 크림퍼 드래프트비를 조절하여, 최적의 담배필터 성능을 구현할 수 있는 25000~45000 De 굵기 범위를 갖도록 할 수 있다. 이에, 본 발명에 따르면, 현재 사용되는 CA와 동등 수준의 담배필터 물성을 구현할 수 있는 주름(crimp)가 부여된 라이오셀 토우를 제공함으로써, 담배필터 제조를 위한 최적의 공정성을 확보할 수 있다.
Claims (14)
- (S1) 셀룰로오스 펄프 및 N-메틸모폴린-N-옥사이드(N-methylmorpholine-Noxide; NMMO) 수용액을 포함하는 라이오셀 방사 도프를 방사하는 단계;
(S2) 상기 방사된 라이오셀 방사 도프를 응고시켜 라이오셀 멀티필라멘트를 수득하는 단계;
(S3) 상기 수득된 라이오셀 멀티필라멘트를 수세하는 단계;
(S4) 상기 수세된 라이오셀 멀티필라멘트를 유제 처리하는 단계;
(S5) 상기 유제 처리된 라이오셀 멀티필라멘트를 크림핑하여, 크림프 토우(crimped tow)를 얻는 단계; 및
(S6) 상기 크림프 토우를 건조하는 단계;를 포함하고,
상기 크림프 토우를 얻는 단계는, 유제 처리된 라이오셀 멀티필라멘트에 대하여, 하기 식 1에 계산되는 크림퍼 드래프트비가 1.01 내지 1.3배를 만족하도록 크림프를 부여하는 단계를 포함하고,
상기 크림프 토우는 25000~45000 De의 굵기 범위를 갖는,
담배필터용 라이오셀 소재의 제조방법:
[식 1]
크림퍼 드래프트비 = V1/V0
상기 식 1에서, V0은 Crimper M/C에 유제 처리된 라이오셀 멀티필라멘트를 투입하기 직전의 속도(V0)이고, V1은 유제 처리된 라이오셀 멀티필라멘트의 Crimp 부여를 위한 Crimper M/C의 Roller 회전속도이다.
- 제1항에 있어서,
상기 (S2) 단계의 라이오셀 멀티필라멘트는 단섬도가 2.0 내지 2.8 데니어인 담배필터용 라이오셀 소재의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 라이오셀 토우의 크림프수는 25 내지 50개/inch가 되도록 형성되는 담배필터용 라이오셀 소재의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (S5) 단계는, 크림핑 장치의 스터퍼 박스를 통해 수행되는 담배필터용 라이오셀 소재의 제조방법.
- 제4항에 있어서,
상기 스터퍼 박스는 스팀 압력이 0.1 ~ 3.0kgf/㎠이고, 크림프 장치의 프레스 롤러(Press Roller)에 부여되는 압력이 1.5 ~ 4kgf/㎠이고, 닥터 블레이드의 압력이 0.1 ~ 3.0kgf/㎠인 조건을 만족하도록 제어되는, 담배필터용 라이오셀 소재의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (S6) 단계의 크림프 토우를 건조하는 단계는 105 내지 135℃에서, 15분 내지 45분간 연속건조장치를 이용하여 수행하는 담배필터용 라이오셀 소재의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (S2) 단계의 응고는 4 ~ 15 ℃의 온도 및 50 내지 250L/㎥의 풍량의 냉각 공기를 방사 도프에 공급하여 수행하는, 담배필터용 라이오셀 소재의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (S1) 단계의 라이오셀 방사도프는 셀룰로오스 펄프 8 내지 13 중량% 및 N-메틸모폴린-N-옥사이드 수용액 87 내지 92 중량%를 포함하는, 담배필터용 라이오셀 소재의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 셀룰로오스 펄프는 알파-셀룰로오스 함량이 85 ~ 99중량%이고, 중합도(DPw)가 600 ~ 1700인 담배필터용 라이오셀 소재의 제조방법.
- 셀룰로오스 펄프 및 N-메틸모폴린-N-옥사이드(N-methylmorpholine-N-oxide; NMMO) 수용액을 포함하는 라이오셀 방사 도프로부터 방사된 라이오셀 멀티 필라멘트를 이용하여 형성된 크림프 토우(crimped tow)를 포함하며,
상기 크림프 토우는 25000~45000 De의 굵기 범위를 갖는 라이오셀 토우인 담배필터용 라이오셀 소재.
- 제10항에 있어서,
상기 크림프 토우의 크림프수는 25 내지 50개/inch가 되도록 형성되는 담배필터용 라이오셀 소재.
- 제10항에 있어서,
상기 라이오셀 방사 도프는 셀룰로오스 펄프 8 ~ 13 중량%; 및 N-메틸모폴린-N-옥사이드 수용액 87 ~ 92 중량%를 포함하는 담배필터용 라이오셀 소재.
- 제10항에 있어서,
상기 셀룰로오스 펄프는 알파-셀룰로오스 함량이 85 ~ 99중량%이고, 중합도(DPw)가 600 ~ 1700인 것인 담배필터용 라이오셀 소재.
- 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 담배필터용 라이오셀 소재를 포함하는 담배 필터.
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