KR880001261B1 - 폴리비닐 알콜 물건의 제조방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

폴리비닐 알콜 물건의 제조방법

본 발명은 인장강도와 모듈러스가 뛰어난 폴리비닐 알콜 물건을 제조하는 방법에 관한 것이다.

폴리비닐 알콜을 토대로 한 합성섬유는 잘 알려져 있으며, 종이코팅, 부직포 및 굵은실(캔버스)을 제조하는데 스테이플 섬유(컷 섬유)의 형태로, 직물 생성 라인에서 분리목적과 고무, 플라스틱 및 다른 생성물의 보강을 위해서 연속섬유 형태로, 또 탄소섬유의 전구체로 광범위하게 사용되고 있음을 알 수 있다.

여기에 사용된 섬유는 일반적으로 인장강도가 0.3-1.2GPa 이고 모듈러스가 3-30GPa 이다.

이러한 형태의 섬유를 제조하기 위하여 가장 널리 쓰이는 제조방법은 습식방사 방법이다.

이 방법에서 폴리머는 방사하기에 적합한 농도를 얻기 위하여 적당한 매질에서 용해되며 이 용액을 방적돌기를 통과시켜 얻어진 필라멘트를 응고배드를 통과시키면 용매가 제거되고 폴리머는 침전한다.

합성 폴리비닐 알콜섬유를 위하여 상기한 바와 같은 것 외에 고등급 폴리비닐 알콜섬유에 대한 요구가 증가하고 있다.

이러한 요구를 충족시키기 위하여 섬유는 인장강도와 모듈러스가 높아야 한다.

뛰어난 기계적 성질을 갖는 폴리비닐 알콜섬유를 제조하기 위한 여러가지 방법이 특허문헌, 특히 폴리비닐 알콜 섬유 특허문헌에 제안되었다.

가령, 응용 폴리머 심포지움 제6(1967), 109-149페이지에 보면 폴리비닐 알콜의 묽은 용액을 유기 용매에서 응고 반사(상분리)시키고 이어 신축시킴으로써 약 1.2GPa의 인장강도를 갖는 섬유를 제조하는 방법이 기술되어 있다.

프랑스 특허출원 제 1,280,192호에 보면 붕산의 존재하에 물에서 폴리비닐 알콜의 용액으로 부터 출발하여 응고 및 신축하여 최대로 1.7GPa의 인장강도를 갖는 섬유를 제조하는 것을 알 수 있다.

상기 공보에서는 얻어진 섬유의 모듈러스에 대해서는 언급 되어있지 않다.

독일 특허출원 제2,132,055호에 보면 폴리비닐 알콜 용액을 물처리로 다단계 신축조작과 응고 반사를 통하여 약 40GPa의 최대 모듈러스와 약 1.8GPa의 최대 인장강도를 갖는 섬유로 바꾸는 것이 설명되어 있다.

일반적으로 6×10⁴과 12×10⁴사이인 비교적 낮은 중량 평균 분자량을 갖는 폴리비닐 알콜로 부터 출발하여 언급한 모든 방법으로 얻은 섬유는 인장강도와 모듈러스가 상업적으로 이용되는 합성폴리비닐 알콜 섬유보다 높지만 아직 기술적인 분야에 이용하기에는 충분하지 않다.

영국 특허출원 제2,042,414호 및 제2,051,667호로 부터 고분자량의 폴리머로부터 출발하여 인장강도와 모듈러스가 아주 뛰어난 섬유를 제조하는 방법을 알 수 있는데 영국특허출원 제2,042,414호에 기술된 방법에 따르면 이 목적을 위해 폴리에틸렌과 같은 묽은 용액을 방사하고 얻어진 필라멘트를 겔 필라멘트로 냉각하여 용매를 포함한 겔 필라멘트를 높은 온도에서 신축시킨다.

영국특허출원 제2,051,667호에 따르면 이 목적을 위해 고분자량의 폴리에틸렌 용액을 방사하고 선택적으로 용매를 전부 또는 부분 제거하여 겔 필라멘트를 분자량과 관계가 있는 높은 신축비로 특별한 온도에서 신축시킨다.

이 공지의 방법에서, 폴리에틸렌의 분자량 증가와 함께 모듈러스와 인장강도가 증가된다는 것을 알았다.

그러므로 이 방법들은 1.2GPa 이상의 인장강도와 20GPa 이상의 모듈러스를 갖는 섬유를 토대로 한 폴리에틸렌을 제조하기 위하여 사용될 수 있다.

상기 영국특허출원 제2,042,414호에 따르면 여기에서 제안된 방법은 폴리비닐 알콜로부터 강도와 모듈러스가 높은 섬유를 제조하는데 이용될 수 있다.

이것은 중량 평균분자량이 5×10⁵, 특히 1×10⁶이상인 고분자 폴리비닐 알콜의 묽은 용액을 방사하고 방사된 필라멘트를 냉각하여 겔 필라멘트를 얻고 이것을 용매로 추출한 후 신축하여 인장강도가 1.3-2.2GPa이고 모듈러스가 40-70GPa인 섬유를 제조하는 방법이 기술되어 있는 유럽특허출원 제105,169호에 의해서도 확인되었다.

비록 이 방법이 아주 좋은 기계적 성질을 갖는 폴리비닐 알콜을 제조하지만 고분자 폴리비닐 알콜이 공정효율이 줄어들고 용매를 회수 및 분리하는데 비용이 증가하여 높은 점성으로 인하여 비교적 묽은 용액형태로 사용해야 하는 등의 결점이 있다.

더우기 초산비닐의 중합개시와 이어 메탈을 리시스시키는 것과 같은 고분자 폴리비닐 알콜을 제조하는 것이 힘들며 한편으로는 이러한 폴리비닐 알콜의 균질용액을 제조하는 것이 아주 어렵다.

유럽특허출원 제146,084호에 따르면 비교적 분자량이 낮은 폴리비닐 알콜로부터 출발하여 특별한 건식/습식 응고 방사공정을 이용하고 냉각하여 용매를 제거하고 연심함으로서 강도와 모듈러스가 높은 섬유를 제조가능하다.

유럽특허출원 제146,084호 및 제105,169호의 방법의 결점은 추출과 같은 방법으로 섬유로 부터 용매를 제거하는 것이 극히 어렵다는 것이다.

유럽특허출원 제105,169호에 92시간의 추출시간이 소요된다고 한다.

따라서 두 방법 모두 상업적으로 이용하기에는 적합치 않다.

본 발명은 상기한 바와 같은 결점이 없거나 거의 존재하지 않는 저분자 폴리비닐 알콜로부터 인장강도와 모듈러스가 뛰어난 물건을 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명은 필라멘트나 섬유를 제조하는 방법에 관한 것이지만 폴리비닐 알콜을 토대로 테이프, 리본, 필름, 튜브, 막대 또는 프로파일을 제조하는 방법에 관한 것이기도 하다.

본 발명은 폴리비닐 알콜로부터 인장강도와 모듈러스가 뛰어난 물건을 제조하는 방법에 관한 것으로 다음과 같은 것을 특징으로 하고 있다.

a) 중량 평균 분자량이 2.5×10⁴-5×10⁵인 폴리비닐 알콜 5-50중량% 용액을 물에서 용해 온도 이상에서 모량을 갖추고 물을 포함한 물건으로 바꾼다.

b) 이 물건을 냉동 온도 이하에서 급속 냉각시킴으로써 균질의 겔 구조를 갖는 겔 물건으로 바꾼다.

c) 이 겔 물건에 존재하는 물을 겔의 녹는점 이하의 온도에서 대부분 제거한다.

d) 물을 제거하는 도중 또는 한후 겔 물건을 신축비를 최소한 10 : 1로 하여 폴리비닐 알콜의 유리전이 온도 이상에서, 그러나 분해 온도 이하에서 신축시킨다.

본 발명에 따른 방법에서 중량평균 분자량이 2.5×10⁴-5×10⁵, 바람직하게는 5×10⁴-3×10⁵인 폴리비닐 알콜을 사용한다.

이러한 폴리머는 초산비닐을 중합하여 가수분해시켜 대규모로 제조된다.

폴리비닐 알콜이라는 말은 비닐알콜모노머가 최소한 50% 들어있는 폴리머를 말한다.

이 폴리머는 폴리비닐 알콜과 양립되는 충진제 등과 같은 다른 폴리머나 물질을 소량 포함해도 된다.

사용되는 용액은 고체 폴리비닐 알콜을 물에 현탁시켜 높은 온도에서 교반시켜 혼합 및 전달장치가 설치된 스크루가 두개 달린 압출기를 이용하여 현탁액을 전환시키는 것과 같은 여러가지 방법으로 제조될 수 있다.

사용될 용액의 농도는 다양하게 변화한다.

본 발명에서는 고농도 용액을 사용하며 20-40중량%용액이 쓰인다.

용액을 모양을 갖추고 물을 포함한 물건으로 바꾸는 것은 본 발명에따른 여러방법으로 이루어지며 그 예로는 둥글거나 슬릿 모양의 구멍이 있는 스피너레트를 이용하여 리본 또는 필라멘트로 방사하거나 또는 보통 프로파일 헤드가 있는 압출기를 이용하여 압출하는 것이다.

전환시킬 때의 온도는 용해온도 보다 높아야 한다.

물론 용해 온도는 폴리비닐 알콜의 농도, 분자량과 사용된 압력에 따라 다르다.

물일 경우는 약 20℃이다.

일반적으로 전환온도는 용해온도 이상, 약 75-95℃에서 선택된다.

이 온도는 폴리비닐 알콜 분해 온도 이하에서 유지되어야 하는 것도 물론이다.

본 발명에 따른 방법의 본질적인 부분은 모양을 갖추고 물을 포함하는 물건의 냉동온도 이하로 냉각하여 균질의 겔 구조를 한 겔 물건을 얻는 것이며 이때 급속 냉각을 해야 하고 액체 냉매를 사용한다.

원래 10℃의 겔화온도 이하에서 냉각하여 겔화하는 것은 가능하지만 많은 냉각시간이 소요되므로 실용적이지 못하다.

그러므로 겔화온도 이하인 최하 40℃에서 냉각하는 것이 바람직하다.

또한 냉매의 성질 역시 최종적으로 얻은 물건의 기계적 성질에 영향을 미친다는 것을 알았다.

적당한 매질은 디클로로 메탄, 액체질소 또는 아세톤과 CO₂의 혼합물이다.

냉각하기 전에 물절을 드로오 다운 시키는 것이 좋다.

드로오 다운 비는 최대 20 : 1이 좋고 최대 10 : 1이 가장 바람직하다.

만약 방사비가 높을수록 기계적 성질이 뛰어난 생성물이 얻어 진다는 것을 알았다.

냉각후 얻은 겔 물건으로 부터 존재하고 있는 물의 대부분을 제거한다.

이것은 증발과 같은 것으로 이루어지며 추출을 하여 제거하는 것이 좋다.

지방족 알콜, 특히 메탄올과 케톤이 추출제로 아주 적합하다.

원한다면 추출을 높은 온도에서 할 수 있으나 겔이 용해하는 온도보다는 낮아야 한다.

물을 제거하는 도중 또는 제거한 후 겔 물건을 신축비를 최소 10으로 하여 하나 또는 그 이상의 단계로 신축시킨다.

일반적으로 온도는 유리전이 온도 이상과 폴리비닐 알콜의 분해온도 이하로 유지된다.

신축은 160-240℃, 특히 180-230℃에서 이루어지는 것이 좋다.

본 발명에서는 높은 신축비가 주어지며 최소 20 : 1이 좋다.

본 발명에 따른 물건은 복합체, 고품질 탄소섬유의 전구체, 대체 유리섬유 등과 같은 것에 이용하는데 적합하다.

원한다면 소량의 첨가제, 안정화제 등과 같은 것을 첨가해도 좋다.

본 발명을 실시예로 설명하면 다음과 같다.

[실시예 1]

중량평균 분자량이 1.15×10⁵g/몰(알드리히 회사로부터 제조됨)과 가수분해도가 100%인 폴리비닐 알콜 분말을 물 100ml 당 25g씩으로 하여 물에 첨가하고 이 현탁액을 95℃에서 4시간 동안 교반시킨다.

방사용액을 오일히터로 95℃로 온도 조절 장치된 이중벽의 실린더로 옮긴다.

변동 속도 모타에 부착된 피스톤에 의해 용액은 시간당 130ml의 비로 캐필러리(0.5mm 직경)를 통하여 소광배드로 옮겨진다.

소광매질로 액체 질소를 이용하고 소광온도는 -196℃이다.

소광된 필라멘트를 V=3의 드로오 다운비에 해당하는 28cm/sec의 속도로 감는다.

그 다음 필라멘트를 20℃에서 추출배드(메탄올)에 놓는다.

추출된 필라멘트를 20℃에서 공기 건조하고 이어 190℃에서 신축비 23 : 1로 신축시킨다.

이렇게 하여 얻어진 필라멘트는 인장강도가 1.6GPa이고 모듈러스가 48GPa이며 신장이 4.3%이다.

얻어진 필라멘트의 인장강도와 모듈러스는 Zwick 1445 인장 시험기를 이용하여 결정했다.

견본 길이는 50mm였고 신장비는 5mm/분이었다.

초기 모듈러스는 탄젠트로부터 응력-변형 곡선의 초기 부분까지 결정했다.

[실시예 2-9]

다른 소광매질, 온도, 방사비와 감는 속도로 실시예1의 방법을 되풀이 했으며 그결과가 표1에 나타나 있다.

[비교 실시예 A]

실시예 9의 방법을 되풀이 하였으나 냉각온도를 겔점이하와 냉동점 이상에서 실시했다.

신축 가능한 또는 사용가능한 필라멘트가 얻어지지 않았다.

[표 1]

Claims (9)

1. 폴리비닐 알콜로부터 인장강도와 모듈러스가 뛰어난 물건을 제조하는 방법에 있어서, a. 중량평균 분자량이 2.5×10⁴-5×10⁵인 폴리비닐 알콜 5-50중량% 용액을 물에서 용해온도 이상에서 성형되고 물을 포함한 물건으로 바꾸고, b. 이 물건을 냉동 온도 이하에서 급속 냉각시킴으로써 균질의 겔구조를 갖는 겔물건으로 바꾸고, c. 이 겔 물건에 존재하는 물을 겔의 녹는점 이하의 온도에서 대부분 제거하고, d. 물을 제거하는 도중 또는 한후 겔 물건을 신축비를 최소한 10 : 1로 하여 폴리비닐 알콜의 유리전이 온도 이상에서, 그러나 분해온도 이하에서 신장시키는 것을 특징으로 하는 폴리비닐 알콜 물건의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 중량평균 분자량이 5×10⁴-3×10⁵인 폴리비닐 알콜을 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 20-40중량% 용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 성형되고 물을 포함한 물건을 냉각하기 전에 연신시키는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 물을 포함한 물건이 겔화 온도 이하인 최소 40℃에서 냉각되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제5항에 있어서, 물을 포함한 물건이 액체 매질에서 급냉되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항에 있어서, 겔 물건을 포화 지방족 알콜 또는 케톤을 이용하여 추출하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항에 있어서, 겔 물건을 160-240℃에서 신장비를 20 : 1로 하여 신장시키는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제1항에 따른 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 인장강도와 모듈러스가 뛰어난 폴리비닐 알콜 물건.