KR20230068030A - 재생 폴리에스테르 수지를 이용한 고강도 장섬유 제조방법 - Google Patents

재생 폴리에스테르 수지를 이용한 고강도 장섬유 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고유점도(Intrinsic Viscosity)가 0.4~0.7dL/g인 재생 폴리에스테르 칩(PET Chip)을 결정화하는 단계; 상기 결정화된 칩을 언하이드라드(Anhydride)계열 사슬연장제(Chain-Extender)를 이용하여 고상중합반응하는 단계;상기 고상중합반응 단계 후 재생 폴리에스테르 칩(PET Chip)을 용융압출방식 미연신사를 제조하고 연신단계를 포함한 고강도 장섬유 제조방법에 관한 것이다.

Description

재생 폴리에스테르 수지를 이용한 고강도 장섬유 제조방법{Method of Producing High Tenacity Filament Yarn with Recycled PET}
본 발명은 재생 폴리에스테르 수지를 이용한 고강도 장섬유의 제조방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 재생 PET 칩을 결정화 및 사슬연장제를 이용한 고상중합반응을 통해 개선된 재생 PET 칩을 수득하여 고상중합물을 용융압출 방식으로 미연신사 제조 후 연신과정을 통해 고강도 장섬유 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 폴리에스테르(이하 'PET'라 약칭한다)로 성형된 PET의 재사용 방법 중의 한 방법으로 폐 PET 용기를 플레이크(flake)로 절단, 다시 압출(extrusion)후 펠렛타이징(pelletizing) 하고 고상중합(solid state polymerization)하여 재사용 하는 방법에서 고상중합방법을 통해 고유점도가 0.8~1.08dL/g의 재생 PET 칩을 수득하여 공정성 및 고강도 확보가능한 산업자재용 섬유에 관한 것이다.
PET는 섬유, 음료 용기, 필름, 타이어코드(Tire cord) 등으로 널리 쓰이고 있다. 그 중 특히 음료용 병 등과 같은 용기의 소재로서 PET사용량은 매우 급격히 증가되고 있다. 최근 환경문제에 대한 관심도가 높아지면서 사용된 폐 PET 용기를 재사용하는 방법이 다양하게 개발되어 왔다. 그 중 가장 많이 사용되고 있는 방법으로, 폐 PET 용기를 스크랩(Scrap)형태의 플레이크(flake)로 잘게 절단하여 압출 후 펠렛으로 만들어 재사용하는 방법이다.
본 발명은 상기의 펠렛을 고상중합(solid state polymerization)을 통해 고점도화 하여 산업자재용 섬유용의 고강도 물성을 얻을 수 있는 방법에 대한 제시이다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 재활용 PET Bottle Flake를 이용하여 제조된 Recycled PET Chip을 이용한 재생 섬유 제조방법의 제공에 관한 것이다.
또한 본 발명은 고유점도(Intrinsic Viscosity)가 낮은(0.64dL/g) Recycle PET Chip을 활용한 고점도(0.8~1.08dL/g) Recycled PET Chip의 제조방법을 통해서 산업용 고강력 폴리에스터 장섬유의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 고유점도(Intrinsic Viscosity)가 0.4~0.7dL/g인 재생 폴리에스테르 칩(PET Chip)을 결정화하는 단계; 상기 결정화된 칩을 언하이드라드(Anhydride)계열 사슬연장제(Chain-Extender)를 이용하여 고상중합반응하는 단계;상기 고상중합반응 단계 후 재생 폴리에스테르 칩(PET Chip)을 용융압출 방사하고 연신단계를 포함한 고강도 장섬유 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 고상중합반응 단계 후 재생 폴리에스테르 칩(PET Chip)의 고유점도는 0.8~1.08dL/g인 것에 특징이 있는 고강도 장섬유 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 결정화 단계는 콘 드라이어(Cone Dryer)에서 진공상태에서 100~200℃에서 5~10시간 교반하는 것에 특징이 있는 고강도 장섬유 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 사슬연장제는 클로로폼(Chloroform) 또는 아세톤(Acetone)의 용매에 2,2'-비스-2-옥사졸린(2,2'-Bis-2-Oxazolin)이 혼합된 용액인 것에 특징이 있는 고강도 장섬유 제조방법을 제공한다.
본 발명은 재생 PET 칩을 결정화 및 사슬연장제를 이용한 고상중합반응을 통해 개선된 재생 PET 칩을 수득하여 고상중합물을 용융압출 방사하고 다단연신과정을 통해 고강도 장섬유 제조방법에 관한 것으로 고상중합반응으로 산업자재용 고강도섬유(HTY)로 사용가능한, 강도가 7.5(g/d) 이상의 고강도 물성을 갖는다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 '약', '실질적으로' 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 고유점도(Intrinsic Viscosity)가 0.4~0.7dL/g인 재생 폴리에스테르 칩(PET Chip)을 결정화하는 단계; 상기 결정화된 칩을 언하이드라드(Anhydride)계열 사슬연장제(Chain-Extender)를 이용하여 고상중합반응하는 단계;상기 고상중합반응 단계 후 재생 폴리에스테르 칩(PET Chip)을 용융압출 방사하고 다단연신 단계를 포함한 고강도 장섬유 제조방법을 제공한다.
고상중합 반응기는 공통적으로 100-200℃의 온도조건이 필요하지만, 중합반응시 발생되는 휘발성 부산물인 에틸렌글리콜(ethylen glycol)이나 물(water) 등을 반응기 밖으로 제거하기 위하여 진공장치를 사용하는 폐쇄식 계(closed system) 또는 불활성 기체(대부분 질소)를 순환시키는 개방식 계(open system)으로 크게 두 가지로 나눌 수 있다.
통상 개방계의 경우에는 반응물이 끊임없이 반응기 상부로 일정한 주입속도로 주입되고 일정한 시간동안 반응기 하부 쪽으로 쌓여 내려오면서 끊임없이 반응기 하부에 서는 중합된 생산물이 반응기를 빠져나가는 연속식으로 운전되고 있으나, 본 발명은 연속식에는 적용할 수 없고, 배치(Batch) 방식에만 적용되는 제약이 있다.
즉, 진공장치를 사용하는 폐쇄식 계의 경우에는 통상적으로 진공펌프 등으로 연결되는 라인 이외에 반응기 내부를 외부와 차단시키고, 반응기를 회전시키며 진공을 걸어 반응을 하게 된다.
이 경우에는 원통형으로 제작된 반응기를 수직으로 세운 상태에서 원료 칩(Chip)를 반응기 상부로부터 주입시키고 크기별로 체분리(screening) 한 후, 다시 원통형 반응기를 수평으로 눕히고 원통의 원주 방향으로 회전시키며 반응을 진행시킬 수 있다.
다음으로 질소 등의 불활성 기체를 순환시키며 반응을 진행시키는 개방식 계(open system)의 경우에는 원통형 반응기를 높이 방향으로 수직으로 세운 상태에서 원료 플레이크(flake)를 반응기 상부로부터 주입시키고 크기별로 체분리(screening)하고, 원통형 반응기의 위치 변경 없이 그대로 질소 등 불활성 기체를 순환시키며 반응을 진행시킬 수 있다.
단, 이 경우에 질소 기체에 대하여는 개방계임에도 불구하고 연속식 (Continuous system)으로 운전할 수 없고, 배치(Batch) 식으로 운전해야 한다는 제약이 있다. 즉, 질소 순환식의 개방계의 반응기 형태를 사용한다고 해도, 연속적으로 반응물인 플레이크가 주입되고 중합된 생산물이 빠져 나가는 연속식으로 운전하는 것이 아니고, 한번 반응물이 플레이크가 반응기 상부에서 진동이걸린 상태에서 주입되고 체분리되고 난 후 반응을 시작하고 일정시간 후 반응을 종료시키는 배치식으로만 본 발명을 적용할 수 있다
상기 고상중합반응 단계 후 재생 폴리에스테르 칩(PET Chip)의 고유점도는 0.8~1.08dL/g인 것에 특징이 있다.
본 발명에 결정화 단계는 콘 드라이어(Cone Dryer)에서 진공상태에서 100~200℃에서 5~10시간 교반하는 것에 특징이 있는 고강도 장섬유 제조방법을 제공한다.
또한 상기 사슬연장제는 클로로폼(Chloroform) 또는 아세톤(Acetone)의 용매에 2,2'-비스-2-옥사졸린(2,2'-Bis-2-Oxazolin)이 혼합된 용액인 것에 특징이 있는 고강도 장섬유 제조방법을 제공한다.
상기 용융압출 방식으로 제조된 고강도 재생 섬유는 섬도가 100~2,000데니어로 제조될 수 있으며, 최종 강도는 산업용 적용이 가능한 6.0g/d 이상이며,
     연신비 등 공정 조건 최적화를 통해 강도 8.0g/d 이상의 물성을 가질 수 있다.
[실시예]
1. 실시예 1
수분이 30ppm인 재생 폴리에스테르 고유점도 0.5dL/g 칩을 Cone Dryer에서 진공상태로 150℃로 8시간 교반하여 결정화한 후, Chloroform을 용매로 사용한 사슬연장제 2,2'-Bis-2-Oxazolin 5몰% 용액을 1.2w% 투입하고 180℃에서 2시간 고상중합하여  최종 고유점도 0.95dL/g의 고상칩을 수득하였다.
이 칩을 압출기에서 280℃에서 용융 노즐직경 0.4Φ192 Hole 구금을 이용하여 방사 후 열고정, 권취 과정을 거쳐 원사를 제조하였다. 이 때, 방속은 600m/min이며, 권취속도는 3,000m/min으로 연신비는 6.0배이다.
연신 및 열고정을 위해 Heated Godet Roller를 사용하였으며, 1단의 온도는 90℃, 2단은 120℃, 3~5단은 150~200℃수준으로 저수축이 아닌 고강도 타입으로 연신비율 및 온도를 미세조정하여 제사하였다. 더욱 더 구체적으로는 하기 표1에 정리하여 비교하였다.
       제사된 제품은 생활용 매트리스 및 산업용 로프, 웨빙 등에 사용가능한 고강도 제품으로 강도가 8.0g/d 이상인 것을 특징으로 한다.
2. 실시예 2
재생칩의 고상중합 시간을 5시간으로 하여 고유점도 0.90dL/g의 고상칩을 수득하였으며, 이 외에는 실시예 1과 동일하다.
3. 비교예 1
1시간의 고상중합 시간을 제외하고는 실시예 1과 동일한다.
4. 비교예 2
연신비 7.0을 제외하고는 실시예 1과 동일한다.
5. 비교예 3
일반 PET 고상칩(고유점도 0.94)를 사용하였으며, 이 외에는 실시예 1과 동일하다.
[성능평가법]
- 평가방법 : ASTM D-885, Room temp.(25℃R.H 65%)
구분 실시예1 실시예2 비교예1 비교예2 비교예3
재생칩 여부 O O O O X
고유점도
(dL/g)
0.95 0.90 0.78 0.95 0.94
연신비 6.0 6.0 6.0 7.0 6.0
공정성 O O O X O
강도(g/d) 8.9 8.7 7.5 권취불가 9
상기 실시예 1,2와 같이 재생 PET 칩을 결정화 및 고상중합반응을 통해 생성된 재생칩을 이용한 제품은 강도(g/d)는 일반 PET 고상칩(고유점도 0.94)을 바로 사용한 것과 강도에서 유사한 값을 갖는다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

Claims (4)

  1. 고유점도(Intrinsic Viscosity)가 0.4~0.7dL/g인 재생 폴리에스테르 칩(PET Chip)을 결정화하는 단계;
    상기 결정화된 칩을 언하이드라드(Anhydride)계열 사슬연장제(Chain-Extender)를 이용하여 고상중합반응하는 단계;
    상기 고상중합반응 단계 후 재생 폴리에스테르 칩(PET Chip)을 용융압출 방사하고 연신단계를 포함한 고강도 장섬유 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고상중합반응 단계 후 재생 폴리에스테르 칩(PET Chip)의 고유점도는 0.8~1.08dL/g인 것에 특징이 있는 고강도 장섬유 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 결정화 단계는 콘 드라이어(Cone Dryer)에서 진공상태에서 100~200℃에서 5~10시간 교반하는 것에 특징이 있는 고강도 장섬유 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 사슬연장제는 클로로폼(Chloroform) 또는 아세톤(Acetone)의 용매에 2,2'-비스-2-옥사졸린(2,2'-Bis-2-Oxazolin)이 혼합된 용액인 것에 특징이 있는 고강도 장섬유 제조방법.
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