KR920008998B1 - Process for the production of highly-oriented acrylic short fibers without spinning - Google Patents
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Abstract
Description
제1a도는 아크릴로니트릴 중합체 함수물의 시차 주사 열량계(DSC)에 의한 전형적인 용융 흡열 피크와 고화 발열 피크를 도시한 것으로서, 용융온도(Tm)와 고화 온도(Tc) 사이에서 분자 질서를 갖는 용융 준결정상을 형성할 수 있는 온도범위(OR)를 표시하고 있다.FIG. 1A shows a typical melt endothermic peak and a solidification exothermic peak by differential scanning calorimetry (DSC) of an acrylonitrile polymer water content, wherein the molten quasicrystalline phase having molecular order between the melting temperature (Tm) and the solidification temperature (Tc) The temperature range OR can be formed.
제1b도는 제1a도의 일례로서 무게 비로 아크릴로니트릴 89.2%와 메틸아크릴레이트 10.8%를 함유하는 아크릴로니트릴 중합체에 물 20%를 혼합시킨 함수물의 용융 흡열 피크 및 고화 발열 피크를 나타내고 있다.FIG. 1b shows, as an example of FIG. 1a, a melt endothermic peak and a solidified exothermic peak of a water-containing water in which 20% of water is mixed with an acrylonitrile polymer containing 89.2% of acrylonitrile and 10.8% of methyl acrylate in weight ratio.
제2a도는 아크릴로니트릴 중합체의 함수물에 있어서 함수량에 따른 용융 온도 및 고화 온도의 전형적인 변화를 도시한 것으로서, 액정과 유사한 특성의 분자질서를 갖는 용융 준결정상을 형성할 수 있는 온도영역을 표시하고 있다.FIG. 2a shows a typical change of the melting temperature and the solidification temperature according to the water content in the water content of the acrylonitrile polymer, and shows a temperature range in which a molten quasi-crystalline phase having a molecular order similar to that of liquid crystal can be formed. have.
제2b도는 제2a도의 일례로서 무게비로 아크릴로니트릴 89.2%와 메틸아크릴레이트 10.8%를 함유하는 아크릴로니트릴 중합체의 수화물에 있어서 함수량에 따른 용융 온도 및 고화 온도의 변화를 나타내고 있다.FIG. 2B shows a change in the melting temperature and the solidification temperature depending on the water content in the hydrate of the acrylonitrile polymer containing 89.2% acrylonitrile and 10.8% methyl acrylate in weight ratio as an example of FIG. 2A.
제3도는 아크릴로니트릴 중합체의 함수물에 있어서 공중합 단량체인 메틸아크릴레이트의 함량에 따른 용융 온도 및 고화 온도의 변화를 도시한 것으로서, 아크릴로니트릴 중합체에 메틸아크릴레이트 함량이 증가할수록 아크릴로니트릴 중합체 함수물의 용융 온도 및 고화 온도가 낮아지는 것을 나타내고 있다.3 shows the change of the melting temperature and the solidification temperature according to the content of methyl acrylate, which is a copolymerization monomer, in the water of acrylonitrile polymer, and the acrylonitrile polymer is increased as the methyl acrylate content is increased in the acrylonitrile polymer. It shows that the melting temperature and the solidification temperature of the water are lowered.
제4도는 아크릴로니트릴 중합체 함수물의 용융체를 압출하여 압출물을 제조할때, 용융체의 온도에 따른 압출물의 배향도를 도시한 것으로서, 무정형 용융체를 만드는 온도범위에서는 배향도가 50% 정도로 거의 무배향 상태이며 용융 준결정상을 형성하는 온도범위에서는 배향도 80% 이상의 고도 분자 배향을 이루고 있음을 나타낸다.Figure 4 shows the orientation of the extrudate according to the temperature of the melt when extruding the melt of the acrylonitrile polymer water content, the orientation degree is almost unoriented at about 50% in the temperature range to form an amorphous melt In the temperature range for forming the molten quasi-crystalline phase, it indicates that the orientation is also high molecular orientation of 80% or more.
제5a도는 용융 상태에서 아크릴로니트릴 중합체 함수물의 준결정상이 압출될 때 아크릴로니트릴 고분자쇄가 물 분자와의 상호작용으로 삼차원적 분자질서를 이루는 구조 모형.Figure 5a is a structural model in which the acrylonitrile polymer chain forms a three-dimensional molecular order by interaction with water molecules when the semicrystalline phase of the acrylonitrile polymer hydrate is extruded in the molten state.
제5b도는 압출 고화 후 섬유가 형성되었을 때 아크릴로니트릴 고분자쇄들이 직쇄 배좌의 판상 피드릴을 이루는 구조 모형을 각각 도시한 것으로서, 화살표시 "C"방향으로 고분자쇄가 뻗쳐있고 화살표시 "V"방향으로 약한 반데르발스 힘(Van der Waals force)이 작용하고 있으며 용융 준결정상에서 수소 결합력(hydrogen bonding force)이 작용하는 화살표시 "H"방향에서는 섬유가 형성되는 동안 물이 빠져 나가면서 수축되고 섬유형성 후 수소 결합력 대신 니트릴기 사이의 쌍극자 인력(dipole attraction)이 화살표시 "D"방향으로 작용하게 된다는 것을 표시하고 있다.FIG. 5b shows structural models in which acrylonitrile polymer chains form a plate feed reel of linear chains when fibers are formed after extrusion solidification. The polymer chains extend in the direction of "C" at the arrow and "V" at the arrow. Weak van der Waals force in the direction and the hydrogen bonding force on the molten semi-crystalline phase in the "H" direction during the formation of the fiber shrinks as water escapes during fiber formation It is indicated that the dipole attraction between the nitrile groups acts in the "D" direction at the arrow instead of the hydrogen bonding force after formation.
제6도는 용융 준결정상을 압출하여 섬유가 형성된 후 얻어진 테이프상 압출물의 횡단면 및 종단면을 주사 전자 현미경으로 관찰한 사진으로서, 횡단면에 판상 피브릴 들이 물이 빠져 나간 공간을 사이에 두고 가지런히 적층되어 있는 단면 구조 및 종단면에 각각의 피브릴이 다시 미크로피브릴로 분리되어 섬유를 이루는 내부 구조를 나타내고 있다.FIG. 6 is a scanning electron microscope photograph of the cross section and the longitudinal section of the tape-like extrudate obtained by extruding the molten semi-crystalline phase and the fibers are formed. The cross-sectional fibrils are neatly stacked in the cross section with the space where the water escapes. In the cross-sectional structure and longitudinal section, each fibrils are separated into microfibrils again to form an internal structure forming a fiber.
제7도는 제6도의 테이프상 압출물의 횡단면 및 종단면 구조를 모형으로 도시한 것으로, 횡단면에 판상 피브릴들이 적절한 공간을 사이에 두고 가지런히 적층되어 있는 단면 구조와 종단면에 각각의 판상 피브릴은 수 많은 미크로피브릴로 구성되어 있는 내부 구조를 보이고 있으며 피브릴 및 미크로피브릴들은 쉽게 각각으로 분리되어 개개의 섬유가 될 수 있음을 표시하고 있다.FIG. 7 illustrates the cross-sectional and longitudinal cross-sectional structure of the tape-shaped extrudate of FIG. 6, wherein the plate-shaped fibrils are stacked in the cross-sectional structure and the longitudinal cross-sections of the tapered extrudate are arranged in the cross-section. It shows an internal structure composed of many microfibrils and indicates that fibrils and microfibrils can be easily separated into individual fibers.
제8도는 제6도의 테이프상 압출물의 X-선 회절 패턴 사진으로서, 섬유상 결정구조 및 고배향 구조를 이루고 있음을 나타내고 있다.FIG. 8 is an X-ray diffraction pattern photograph of the tape-like extrudate of FIG. 6, showing that the fibrous crystal structure and the highly oriented structure are formed.
제9도는 제8도의 X-선 회절 패턴상의 적도 방향의 주회절 피크(2θ=16.2°)위치에서 방위각 방향으로 주사한 회절 강도 곡선으로서, 고도의 분자배향을 이루고 있음을 알 수 있다.FIG. 9 is a diffraction intensity curve scanned in the azimuth direction at the position of the main diffraction peak (2θ = 16.2 °) in the equator direction on the X-ray diffraction pattern of FIG. 8, and it can be seen that high molecular orientation is achieved.
제10도는 열처리한 테이프상 압출물을 적당한 길이로 절단하고 이를 고해 (beating)하여 얻은 펄프상 단섬유를 주사 전자 현미경으로 관찰한 사진으로서, 개개의 섬유는 피브릴 및 미크로피브릴로 구성되어 있으며, 불규칙 단면 및 측면에 많은 갈라진 틈과 분지를 갖고 있음을 보여준다.FIG. 10 is a scanning electron microscope photograph of pulp-like short fibers obtained by cutting a heat-extruded tape-like extrudate to an appropriate length and beating it. Each fiber is composed of fibrils and microfibrils. It shows that it has many cracks and branches in irregular cross sections and sides.
본 발명은 아크릴로니트릴 중합체(이하, "PAN"이라 약칭함)를 사용하여 일반적인 방사 공정없이 고배향도를 가지는 새로운 펄스상 단섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a process for producing new pulsed short fibers with high orientation without the usual spinning process using acrylonitrile polymer (hereinafter abbreviated as “PAN”).
PAN은 측쇄 니트릴기의 강한 극성으로 인하여 분자쇄들이 불규칙한 나선형으로 틀어져서 강직쇄에 가까운 특성을 갖고 있는 것으로 알려져 있다[참조 W.R. Krigbaum 등, Journal of Polymer Science, Vol. XLIII, 467-488, (1960)]. 이러한 중합물에 "디메틸포름아미드", "디메틸아세트아미드", "디메틸설폭사이드", 또는 NaSC N 수용액, ZnCl2수용액, HNO3수용액 등의 강극성 용매가 가해지면 나트릴기들이 상온에서도 용매와 친화 결착되면서 서로 분리되어서 유동성 용액이 된다.PAN is known to have properties close to the straight chain because of the strong polarity of the side chain nitrile group, the molecular chains are irregularly twisted. See WR Krigbaum et al., Journal of Polymer Science, Vol. XLIII, 467-488, (1960). When a strong solvent such as dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, or NaSC N aqueous solution, ZnCl 2 aqueous solution or HNO 3 aqueous solution is added to such a polymer, the natril groups are affinity with the solvent even at room temperature. As they bind, they separate from each other to form a fluid solution.
이러한 PAN의 성질을 이용하여 PAN과 용매와의 혼합 용액을 방사구의 미세공을 통해 방사함으로써 섬유를 제조하는 방법이 알려져 있다.It is known a method for producing fibers by spinning a mixed solution of PAN and a solvent through the micropores of the spinneret using the properties of the PAN.
이 방법에 따라서, 상기 유동성 용액을 방사한 후 용매를 제거하면, PAN은 섬유 모양을 이루면서 고화되기는 하지만, 고화물 내부의 분자쇄들은 원래대로 무배향의 뭉치를 이루면서 서로 결착된 상태가 된다. 따라서 방사 직후의 필라멘트는 섬유 모양을 갖추고 있으나 내부 분자쇄들이 전혀 배향을 이루고 있지 않기 때문에 용매를 제거한 후 이것을 건조시키면 방사된 섬유 모양내의 PAN 분자쇄들은 다시 뭉쳐서 결국 분말상태로 되고 많다. 그러므로 분자 구성면에서 완전한 섬유 구조를 갖기 위해서는 분자쇄들이 섬유축과 나란히 배열되도록 5배 내지 30배 이상의 고배율로 필라멘트를 연신하지 않으면 안된다. 이때, 무배향으로 뭉쳐져 있던 PAN 분자쇄들이 풀려 길게 펼쳐지면서 서로 배열하여 직쇄 결정 영역(extended chain crystal region)을 갖는 섬유를 형성하는 것이다. 이 때문에 종래의 섬유 제조 공정에 있어서는 연신 공정이 필수불가결한 핵심공정으로 되며, 이 공정을 통해서만 대부분의 분자쇄들이 섬유축과 나란히 배향되는 실질적인 섬유 구조를 형성시킬 수 있는 것이다.According to this method, when the solvent is removed after spinning the flowable solution, the PANs are solidified while forming a fiber, but the molecular chains inside the solids are bound to each other while forming an unoriented bundle. Therefore, the filament immediately after spinning has a fibrous shape, but since the inner molecular chains are not oriented at all, when the solvent is removed and dried, the PAN molecular chains in the spun fiber shape are aggregated again to form a powder state. Therefore, in order to have a complete fiber structure in terms of molecular composition, the filaments must be stretched at a high magnification of 5 to 30 times or more so that the molecular chains are aligned with the fiber axis. At this time, the PAN molecular chains that are agglomerated in an unoriented direction are unfolded and unfolded and arranged to form fibers having an extended chain crystal region. For this reason, in the conventional fiber manufacturing process, the stretching process becomes an indispensable core process, and only this process can form a substantial fiber structure in which most of the molecular chains are aligned with the fiber axis.
그러나, 위와 같이 용매를 사용하는 종래 기술에서는 용매의 추출, 회수 및 정제에 비용이 많이 들 뿐 아니라, 용매에 의한 환경 오염이 초래된다는 단점이 있었다.However, in the prior art using the solvent as described above, the extraction, recovery and purification of the solvent is not only expensive, but also has the disadvantage of causing environmental pollution by the solvent.
이와 같은 단점을 해소시키기 위하여 PAN을 물과 혼합하여 용융체를 만들고 이 용융체를 방사 연신하여 섬유를 제조하는 방법이 제안되었다. 예를 들어, 미국특허 제 2,585,444호에서는 PAN에 무게비 30% 내지 85%까지의 물을 혼합한 함수물을 용융 온도 이상으로 가열하여 용융 유동체를 제조하고, 이로부터 용융 방사 방식을 통해 PAN 섬유를 제조할 수 있음을 알려 주고 있다. 미국 특허 제 3,896,204호 및 미국 특허 제 3,984,601호에서는 PAN에 무게비 약 20% 내지 30%의 물을 혼합하여 170℃ 내지 205℃까지의 온도에서 얻어진 무정형 용융체를 방사하고 5배 이상 연신하여 섬유를 제조하고 있다. 미국 특허 제 3,991,153호 및 미국 특허 제 4,163,770호에서는 무게비 10% 내지 40% 까지의 물을 혼합한 PAN 함수물을 용융 온도 이상 즉, 용융체가 무정형의 단일상을 이루는 온도 이상의 범위에서 방사하여 사출된 필라멘트를 압력 챔버내에서 25배 내지 150배 인장연신하여 섬유를 제조하고 있다. 그러나, 위와 같은 종래의 선행 기술은 무질서한 무정형 용융체로 존재하는 온도 영역에서 방사하므로 필라멘트를 고도로 연신하지 않고서는 PAN 분자쇄가 배향된 섬유를 제조할 수 없다.In order to alleviate these drawbacks, a method has been proposed in which a PAN is mixed with water to form a melt and spin-drawn the melt to produce fibers. For example, U. S. Patent No. 2,585, 444 prepares a molten fluid by heating a water containing 30% to 85% water by weight to PAN above a melting temperature, and from this, to produce a PAN fiber through melt spinning. It tells you that you can. U.S. Patent No. 3,896,204 and U.S. Patent No. 3,984,601 mix PAN with a weight ratio of about 20% to 30% of water to spin an amorphous melt obtained at a temperature from 170 ° C to 205 ° C and draw at least 5 times to prepare fibers. have. In U.S. Patent No. 3,991,153 and U.S. Patent No. 4,163,770, a filament injected by spinning a PAN water mixture of water having a weight ratio of 10% to 40% at or above the melting temperature, that is, above the temperature at which the melt forms an amorphous single phase Is stretched 25 to 150 times in a pressure chamber to produce fibers. However, the prior art as described above spins in the temperature range present as a disordered amorphous melt and therefore cannot produce fibers oriented with PAN molecular chains without highly stretching the filaments.
또한 미국 특허 제 3,402,231호, 미국 특허 제 3,774,387호, 및 미국 특허 제 3,873,508호에서는 PAN에 1배 이상의 물을 가하여 온도 200℃ 정도에서 용융체를 만들고 이 용융체를 방사하여 펄프용 섬유를 제조하고 있다. 그러나 이들 특허는 과량의 물을 사용하여 고온에서 용융체를 얻기 때문에 PAN/H2O 용융체가 무질서한 무정형일 뿐 아니라, 이로 부터 방사된 PAN 필라멘트가 외형적으로는 섬유로 형성된 것 같이 보이나 실제 분자쇄의 배향이나 섬유 구조를 전혀 이루지 못한 무배향 연속 발포체에 불과하다.In addition, US Pat. No. 3,402,231, US Pat. No. 3,774,387, and US Pat. No. 3,873,508 add one or more times water to PAN to make a melt at a temperature of about 200 ° C. and spin the melt to produce fibers for pulp. However, because these patents use excess water to obtain the melt at high temperatures, the PAN / H 2 O melt is not only disorderly amorphous, but the spun PAN filament from which it looks like is formed into fibers, It is just an unoriented continuous foam that has not achieved any orientation or fiber structure.
이상과 같은 종래의 PAN 함수물의 용융 방사 기술에 있어서는 섬유 구조를 갖도록 하기 위하여 고배율, 예를 들면 5 내지 30배 이상의 배율로 연신하지 않으면 섬유 구조를 얻을 수 없었다.In the melt spinning technique of the conventional PAN water content as described above, in order to have a fiber structure, a fiber structure cannot be obtained unless it is stretched at a high magnification, for example, 5 to 30 times or more.
본 발명자들은 PAN과 물의 2성분계(이하, "PAN/H2O계"라 약칭함)에 관하여 예의 연구를 거듭한 결과, 다음과 같은 놀라운 사실을 발견하였다. 즉, PAN/H2O계는 용융온도(Tm)에서 융해열을 흡수한 후 무정형 용융단일상을 형성하며, 이는 다시 용융온도 이하로 냉각하여도 일정한 온도범위(OR)까지 결정화가 일어나지 않고 과냉각 용융상태를 유지하다가 고화온도(Tc) 이하로 더욱 냉각될 때 PAN이 결정화되어 본래의 상태로 되돌아간다. 그러나 PAN/H2O 용융체가 과냉각 상태로 냉각되었을 때는 무정형의 고온 용융체와는 달리 단일상 그대로 PAN과 물이 함께 참여하여 액정과 유사한 특성의 분자질서를 갖는 일종의 준결정상(準結晶相)을 형성하게 된다. 이와 같은 준결정상은 제4도에서 보는 바와 같이 압출에 의해 아주 쉽게 분자 배향을 이룬다.The present inventors have made intensive studies on the two-component system of PAN and water (hereinafter, abbreviated as “PAN / H 2 O system”), and found the following surprising facts. That is, the PAN / H 2 O system absorbs the heat of fusion at the melting temperature (Tm) and then forms an amorphous melt single phase, which does not crystallize to a certain temperature range (OR) even when cooled below the melting temperature again, and melts supercooled. The PAN crystallizes and returns to its original state when it is further cooled below the solidification temperature Tc while maintaining the state. However, when the PAN / H 2 O melt is cooled in a supercooled state, unlike the amorphous high temperature melt, PAN and water participate together as a single phase to form a quasi-crystalline phase having a molecular order similar to that of a liquid crystal. Done. Such quasicrystalline phases are very easily molecularly oriented by extrusion as shown in FIG.
이러한 용융 준결정상의 과냉각 용융체에 있어서는 PAN 분자쇄들이 물분자들과 더불어 직쇄상의 분자질서를 갖는 무수하고도 미세한 단위 규칙상을 형성하는 것으로 추측한다. 용융 준결정상내의 PAN 분자쇄들은 자발적으로 배향하는 특성을 갖고 있으므로, 이들에 대하여 기계적 압출 조작에 의한 약간의 지향성 전단력이 주어지면 아주 용이하게 고배향 섬유 구조를 형성하게 된다. 즉, 용융 준결정상이 압출되면 직쇄상의 PAN 분자쇄들이 횡적으로 서로 접근 배향하면서 함유된 물이 자동적으로 계외로 배출되면서 섬유 구조를 형성하여 고배율의 연신 공정 없이도 고배향 섬유가 제조될 수 있다.In the supercooled melt of such a molten quasi-crystalline phase, it is assumed that PAN molecular chains together with water molecules form a myriad of fine unit regular phases having a linear molecular order. Since the PAN molecular chains in the molten quasi-crystalline phase have the property of spontaneous orientation, given a slight directional shear force by mechanical extrusion operation, they form a highly oriented fiber structure very easily. That is, when the molten semi-crystalline phase is extruded, while the linear PAN molecular chains are laterally approached to each other, the contained water is automatically discharged out of the system to form a fiber structure, so that highly oriented fibers can be produced without a high magnification stretching process.
본 발명의 방법에 의하여 제조된 고분자 배향의 펄프상 아크릴 단섬유는 석면 대체 섬유, 보온 내열섬유, 시멘트 보강 섬유등의 산업용 소재로서 적합할 뿐 아니라, 종이 제조용 펄프로서도 매우 적합하다.The pulp-like acrylic short fibers of polymer orientation produced by the method of the present invention are not only suitable as industrial materials such as asbestos replacement fibers, heat-resistant heat-resistant fibers, cement-reinforced fibers, but also as pulp for paper production.
따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 방사 공정이나 고 배율의 연신 공정을 수행함이 없이 고 분자 배향의 섬유 구조를 갖는 새로운 무방사 고배향 아크릴 단섬유의 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method for producing a new unspun high orientation acrylic short fibers having a high molecular orientation fiber structure without carrying out the spinning process or the stretching process of a high magnification of the prior art.
본 발명의 또 다른 목적은 PAN을 용매에 녹이는 원액의 제조 공정, 방사 공정, 고화 공정, 용매 제거 및 회수 공정, 연신 공정, 피브릴화 공정등의 복잡한 펄프상 단섬유의 제공정을 단순화시킨 새로운 펄프상 단섬유의 제조 방법을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to simplify the provision of complex pulp-like short fibers, such as a preparation process of spinning a PAN in a solvent, a spinning process, a solidification process, a solvent removal and recovery process, a stretching process, and a fibrillation process. It is to provide a method for producing pulp short fibers.
위에서 언급한 목적 및 기타의 목적은 이하 발명의 상세한 설명으로부터 더욱 명확해질 것이다.The above and other objects will become more apparent from the following detailed description.
본 발명에 따라서 적어도 무게비 70% 이상의 아크릴로니트릴 및 무게비 30% 이하의 공중합용 단량체로 구성되고 점도 평균 분자량이 10,000 내지 600,000 사이인 PAN에 무게비 5% 내지 100% 사이의 물을 혼합하고 밀폐된 용기 내에서 가열하여 무정형의 PAN/H2O 용융체를 만든 다음, 이 무정형 용융체를 냉각하여 용융 온도와 고화 온도 사이에서 액정과 유사한 특성의 분자 질서를 갖는 용융 준결정상의 과냉각 용융체를 제조하며, 이것을 적절한 규격의 압출구를 통해 압출하여 섬유 구조 형성과 동시에 물을 자동 배출, 고화시켜 판상 피브릴들이 가지런히 적층된 고배향 압출물을 얻고, 이 압출물을 열처리하여 배향을 보다 향상시킨 다음, 적당한 길이로 절단 고해하여 펄프상단섬유를 제조한다.According to the present invention, an airtight container which is composed of an acrylonitrile having a weight ratio of at least 70% and a monomer for copolymerization having a weight ratio of 30% or less and mixed with a water content of 5% to 100% by weight in a PAN having a viscosity average molecular weight of 10,000 to 600,000. Heated to form an amorphous PAN / H 2 O melt, followed by cooling the amorphous melt to produce a molten semi-crystalline supercooled melt having a molecular order similar to liquid crystal between the melt temperature and the solidification temperature. Extruded through the extrusion hole of the standard to form a fiber structure, the water is automatically discharged and solidified to obtain a highly-oriented extrudates in which the plate-shaped fibrils are neatly stacked, and the extrudate is heat-treated to improve the orientation, then the appropriate length The pulp upper fibers are prepared by cutting and beating.
본 발명에서의 PAN은 아크릴로니트릴 단독 중합체 및 아크릴로니트릴과 하나 또는 둘 이상의 공중합 가능한 단량체와의 공중합체를 의미한다. 공중합체의 조성에 있어서는 아크릴로니트릴이 적어도 무게비 70% 이상을 차지하고, 공중합 단량체가 많아도 무게비 30% 이하를 차지해야 하며, 보다 바람직하게는 아크릴로니트릴이 적어도 무게비 85% 이상을 차지하고 공중합 가능한 단량체가 많아도 무게비 15% 이하를 차지해야 한다.PAN in the present invention means an acrylonitrile homopolymer and a copolymer of acrylonitrile with one or more copolymerizable monomers. In the composition of the copolymer, acrylonitrile should occupy at least 70% by weight, and even more copolymerized monomers, should account for 30% or less by weight. More preferably, acrylonitrile occupies at least 85% by weight and copolymerizable monomers At most, the weight ratio should occupy less than 15%.
공중합 가능한 단량체로서는 메틸아크릴레이트, 메틸메타아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, 클로로아크릴산, 에틸메타크릴레이트, 아크릴산, 메타크릴산, 아크릴아미드, 메타크릴아미드, 부틸아크릴레이트, 메타크릴로니트릴, 부틸메타크릴레이트, 비닐아세테이트, 비닐클로리드, 비닐브로미드, 비닐플루오리드, 비닐리덴클로리드, 비닐리덴브로미드, 알릴클로리드, 메틸비닐케톤, 비닐포르메이트, 비닐클로로아세테이트, 비닐프로피오네이트, 스티렌, 비닐스테아레이트, 비닐벤조에이트, 비닐피롤리돈, 비닐피페리딘, 4-비닐피리딘, 2-비닐피리딘, N-비닐프탈이미드, N-비닐석신이미드, 메틸말로네이트, N-비닐카르바졸, 메탈비닐에테르, 이타콘산, 비닐설폰산, 스티렌설폰산, 알릴설폰산, 메탈릴설폰산, 비닐푸란, 2-메틸-5-비닐피리딘, 비닐나프탈렌, 이타콘산에스테르, 클로로스티렌, 비닐설폰산염, 스티렌설폰산염, 알릴설폰산염, 메탈릴설폰산염, 비닐리덴플루오리드, 1-클로로-2-브로모에틸렌, 알파메틸스티렌, 에틸렌, 프로필렌 등 에틸렌 단위의 이중 결합을 갖는 부가 중합용 단량체들을 포함한다.Examples of the copolymerizable monomer include methyl acrylate, methyl methacrylate, ethyl acrylate, chloroacrylic acid, ethyl methacrylate, acrylic acid, methacrylic acid, acrylamide, methacrylamide, butyl acrylate, methacrylonitrile and butyl methacryl. Latex, vinyl acetate, vinyl chloride, vinyl bromide, vinyl fluoride, vinylidene chloride, vinylidene bromide, allyl chloride, methyl vinyl ketone, vinyl formate, vinyl chloroacetate, vinyl propionate, styrene, Vinylstearate, vinylbenzoate, vinylpyrrolidone, vinylpiperidine, 4-vinylpyridine, 2-vinylpyridine, N-vinylphthalimide, N-vinylsuccinimide, methylmalonate, N-vinylcar Basezol, metal vinyl ether, itaconic acid, vinylsulfonic acid, styrenesulfonic acid, allylsulfonic acid, metalylsulfonic acid, vinylfuran, 2-methyl-5-vinylpyridine, vinylnaphthalene, Ethylene units such as taconic acid ester, chlorostyrene, vinyl sulfonate, styrene sulfonate, allyl sulfonate, metalyl sulfonate, vinylidene fluoride, 1-chloro-2-bromoethylene, alphamethylstyrene, ethylene and propylene And monomers for addition polymerization having a double bond.
PAN의 분자량은 N,N-디메틸포름아미드를 용매로 사용하여 절대 점도([η])를 측정하여 아래와 같은 관계식으로 부터 점도 평균 분자량(Mv)을 구한다(T. Shibukawa 등, Journal of Polymer Science, Part A-1, Vol. 6, 147-159, 1968).The molecular weight of PAN is obtained by measuring absolute viscosity ([η]) using N, N-dimethylformamide as a solvent and obtaining the viscosity average molecular weight (Mv) from the following relationship (T. Shibukawa et al., Journal of Polymer Science, Part A-1, Vol. 6, 147-159, 1968).
[η]=3.35×10-4Mv0.72 [η] = 3.35 × 10 -4 Mv 0.72
절대 점도의 측정은 PAN을 N,N-디메틸포름아미드에 용해시켜 30℃에서 측정한다. 본 발명에서의 아크릴로니트릴 중합체의 분자량은 절대 점도에서 환산된 점도 평균 분자량으로 10,000에서 600,000사이의 값을 가지며, 보다 바람직하게는 50,000에서 350,000사이의 값을 갖는 것이 좋다.The absolute viscosity is measured at 30 ° C. by dissolving PAN in N, N-dimethylformamide. The molecular weight of the acrylonitrile polymer in the present invention has a value of 10,000 to 600,000 in terms of viscosity average molecular weight in terms of absolute viscosity, and more preferably 50,000 to 350,000.
시차 주사 열량계(DSC)를 이용하여 함수량, 온도, 및 PAN 성분의 변화에 따른 상변화 현상을 측정하면 제1a도 및 제2a도와 같은 용융 준결정상을 형성하는 온도 영역이 존재하는 것을 알 수 있다. 이때 PAN과 물의 2성분계는 상압의 물 비등점보다 높은 온도에서 상변화를 일으키므로 밀봉이 완벽하고 고압에서도 견딜 수 있는 대용량의 내압 캡술(Perkin-lmer Part 319-0128)을 사용하여 승온시 용융 흡열 피크 및 냉각시 고화 발열 피크를 얻는다. 제1a도에서 표시된 바와 같이 흡열 피크의 정점을 용융 온도(Tm)로, 발열 피크의 정점을 고화 온도(Tc)로 나타내고, 용융온도와 고화 온도 사이의 온도 범위(OR)로 용융 준결정상이 형성되는 영역을 나타낸다. 제2a도에서는 함수량의 변화에 따라 용융 준결정상이 형성되는 온도 영역을 도식화한 것이며, 제3도는 PAN 성분 변화에 따른 영역 변화의 일례를 도식화한 것이다. 제1b도 및 제2b도는 각각 제1a도 및 제2a도의 일례로서, 무게비로 아크릴로니트릴 89.2% 및 메타크릴레이트 10.8%를 함유한 PAN을 사용하여 제1b도는 무게비 20%의 물을 혼합시킨 경우 및 제2b도는 함수량을 무게비 5%에서 50%까지로 변화시킨 경우의 용융 준결정상이 형성되는 온도 영역을 나타낸 것이다.When the phase change phenomenon according to the change of water content, temperature, and PAN component is measured by using a differential scanning calorimeter (DSC), it can be seen that there exists a temperature region for forming a molten quasi-crystalline phase such as FIGS. 1a and 2a. At this time, the two-component system of PAN and water produces a phase change at a temperature higher than the boiling point of water at normal pressure, so that the endothermic peak at the time of heating is increased by using a high-capacity pressure cap (Perkin-lmer Part 319-0128) which is completely sealed and can withstand high pressure. And a solidified exothermic peak upon cooling. As shown in FIG. 1A, the peak of the endothermic peak is represented by the melting temperature (Tm), the peak of the exothermic peak is represented by the solidification temperature (Tc), and the molten quasi-crystalline phase is formed by a temperature range (OR) between the melting temperature and the solidification temperature. It shows the area | region which becomes. In FIG. 2A, the temperature region in which the molten quasi-crystalline phase is formed in accordance with the change in the water content is shown in FIG. 3, and FIG. 3 is an example of the region change in accordance with the PAN component change. FIGS. 1b and 2b are examples of FIGS. 1a and 2a, respectively, where water of 20% by weight is mixed using PAN containing 89.2% of acrylonitrile and 10.8% of methacrylate by weight. And FIG. 2B shows a temperature range in which the molten quasi-crystalline phase is formed when the water content is changed from 5% to 50% by weight.
PAN에 적당량의 물을 혼합시킨 함수물을 내압 용기에 넣고 용융 온도 이상으로 가열하면 자연 수증기압이 생기면서 중합체가 물과 화합하여 PAN/H2O 용융체를 만든다. 이때, 질소, 아르곤 등의 불활성 가스를 주입하여 가압 상태를 유지시켜도 무방하며, 가열 온도는 제1a도에서 나타난 용융온도(Tm)이상으로 도달시킨다. 여기서 생성된 용융체는 무질서한 무정형 유동체이다.When the water containing the appropriate amount of water in PAN is placed in a pressure-resistant vessel and heated above the melting temperature, a natural vapor pressure is generated and the polymer is combined with water to form a PAN / H 2 O melt. At this time, an inert gas such as nitrogen or argon may be injected to maintain the pressurized state, and the heating temperature is reached to the melting temperature Tm shown in FIG. The melt produced here is a disordered amorphous fluid.
이 무정형 용융체를 냉각시켜서 제2a도에서와 같은 용융 온도와 고화 온도 사이의 온도로 유지시키면 액정과 유사한 특성을 갖는 용융 준결정상의 과냉각 용융체가 제조된다. 용융 준결정상은 용융 온도 보다 낮은 온도에 있지만 고화되지 않고 유동체로 존재하는 일종의 과냉각 용융체로서 무질서한 무정형이 아니고 분자질서를 갖는 규칙상을 형성하고 있는 것으로 추측된다.The amorphous melt is cooled and maintained at a temperature between the melting temperature and the solidification temperature as shown in FIG. 2A to produce a supercooled melt of a molten semicrystalline phase having properties similar to those of liquid crystals. The molten quasi-crystalline phase is a kind of subcooled melt which exists at a temperature lower than the melting temperature but does not solidify and exists as a fluid, and is thought to form a regular phase having a disordered amorphous and molecular order.
이 규칙상은 PAN 분자쇄와 물의 상호 작용으로 직쇄상의 PAN 분자쇄들이 평행 배열하고 있는 것으로 보이며, 마치 액정과 같은 자발적인 분자 배향 특성을 갖는다. 즉, 제4도에서 보듯이 무정형 용융체를 만드는 고온에서 압축된 압출물은 배향도 50%의 거의 무배향으로 얻어지는 반면, 용융 준결정상의 보다 낮은 온도에서 얻어진 압출물은 동일 압출조작에서도 배향도 80% 이상의 고배향을 이룬다.This regular phase appears to be a parallel arrangement of linear PAN molecular chains due to the interaction of the PAN molecular chain and water, and has the spontaneous molecular orientation characteristics such as liquid crystal. That is, as shown in FIG. 4, the extrudate compressed at high temperature to produce an amorphous melt is obtained with almost no orientation of 50% of the orientation, whereas the extrudate obtained at lower temperature of the molten semi-crystalline phase has an orientation of 80% or more in the same extrusion operation. High orientation
이렇게 분자 질서를 갖는 용융 준결정상을 형성할 수 있는 온도 범위는 제3도에서 보듯이 PAN의 아크릴로니트릴 함량, 또는 제2a도에서 보듯이 함수량 등에 따라 다르며, 항상 그림 1A에서 나타난 용융 온도와 고화 온도 사이의 영역에 속해 있다. 상기 PAN/H2O 용융체를 제조할 때 내압 용기에 걸리는 압력은 온도에 따른 자연 수증기압이 되거나, 1기압 내지 50기압 정도의 압력을 가하여도 무방하다. 용융체 내에 포함되어 있는 물의 함량은 무게비로 5% 내지 100%가 좋으나, 보다 바람직하게는 10% 내지 50% 사이가 적합하다.The temperature range in which the molten quasi-crystalline phase with molecular order can be formed depends on the acrylonitrile content of PAN as shown in FIG. 3 or the water content as shown in FIG. 2A, and the melting temperature and solidification shown in FIG. It belongs to the region between temperatures. When producing the PAN / H 2 O melt, the pressure applied to the pressure-resistant vessel may be a natural water vapor pressure depending on the temperature, or may be a pressure of about 1 to 50 atm. The content of water contained in the melt is preferably 5% to 100% by weight, more preferably between 10% and 50%.
무질서한 무정형 PAN/H2O 용융체에서는 개개의 PAN 분자쇄들이 보다 자유롭게 움직이므로 분자쇄들이 불규칙적으로 뭉쳐져 있을 뿐 아니라, 분자들 사이에서도 아무런 질서를 갖지 못한다. 이 무정형 용융체가 냉각되어 적절한 온도 범위내에 들게 되면 PAN 분자쇄와 물이 상호간의 분자인력에 의해 분자쇄 개개의 활동이 억제되고 구속되면서 분자쇄가 직쇄배좌를 이루어 다른 주변 분자쇄들과 질서 있게 평행 배열하여 상호간의 거리를 유지하는 용융 준결정상을 만든다.In the disordered amorphous PAN / H 2 O melt, the individual PAN molecular chains move more freely, so that the molecular chains are not lumped together irregularly and have no order between the molecules. When the amorphous melt cools and falls within an appropriate temperature range, the molecular chains of the PAN molecules and water are inhibited and restrained by the molecular forces of each other, and the molecular chains form a linear chain order and parallel to other surrounding molecular chains. Arranged to form a molten quasi-crystalline phase that maintains a mutual distance.
이렇게 만들어진 용융 준결정상에서는 PAN 분자쇄들이 분자쇄간의 질서를 유지하고 있기 때문에 분자쇄 하나 하나가 개별적으로 활동하기는 어려우나, 규칙상을 이루는 분자쇄 전체가 일정한 방향으로 움직여질때 제5a도에서 보듯이 삼차원적 배향 구조를 갖게 되는 것은 매우 쉬운 것으로 보인다. 그러므로, 분자 질서를 갖는 용융 준결정상에서 부터 제4b도에서와 같이 직쇄상의 분자쇄들을 일정한 방향으로 나열시켜서 고화하는 것, 즉, 고도의 분자 배향을 갖는 섬유를 제조하는 것이 매우 용이하다. 반면, 무정형의 용융체에서는 PAN 분자쇄 하나 하나가 자유롭게 움직이므로 분자쇄간의 질서를 가질 수 없을 뿐 아니라, 분자쇄 자체도 자유 자재로 구겨지고 뭉쳐져 있어서 일정한 방향으로 이들 분자쇄를 나열시키는 것이 불가능해진다.In this molten quasi-crystalline phase, since the PAN molecular chains maintain the order between the molecular chains, it is difficult for each molecular chain to act individually, but when the entire molecular chain forming a regular phase moves in a certain direction, as shown in FIG. It seems very easy to have a positive orientation structure. Therefore, it is very easy to solidify by arranging linear molecular chains in a constant direction as in FIG. 4B from a molten quasi-crystalline phase having molecular order, that is, to manufacture a fiber having a high molecular orientation. On the other hand, in the amorphous melt, since each PAN molecular chain is free to move, it cannot not only have order between molecular chains, but also the molecular chains themselves are crumpled and aggregated freely, making it impossible to arrange these molecular chains in a certain direction.
본 발명에 있어서, 용융 준결정상의 과냉각 용융체는 마치 액정과 같이 자발적인 분자 배향 특성을 갖고 있으므로, 피스톤식 압출기에 의한 단순 압출에 의해서도 PAN 분자쇄는 고배향 섬유구조를 형성하며 판상 피브릴들이 가지런하게 적층된 단면 구조의 고배향 압출물로 제조된다. 압출기로서는 피스톤식 압출기 외에 스크루형 압출기 등도 가능하며, 압출구는 슬릿 다이, 튜브 다이, 아크형 다이 등이 자유롭게 사용될 수 있다. 압출구의 두께 대 길이의 비는 1이상이어야 하며, 이 비율이 클수록 고배향을 얻는데 효과적이다. 압출 온도는 해당 PAN 함수물의 용융 온도와 고화 온도 사이의 온도 범위이다. 압출 조건은 내부 압력을 적어도 자체 발생 수증기압 이상으로 유지시켜 초당 1mm 이상의 토출 속도로 상온 상압의 대기중으로 압출하여 토출 속도 이상의 선속도로 연속 압출물을 감는다. 이때, 토출 속도 대 감는 속도의 비는 1이상이며, 이 비율을 크게 하는것이 배향도 향상에 효과적이다.In the present invention, the molten quasi-crystalline supercooled melt has spontaneous molecular orientation characteristics as if it were a liquid crystal. Thus, even by simple extrusion by a piston type extruder, the PAN molecular chain forms a highly oriented fiber structure and the plate-shaped fibrils are neat. It is made of highly oriented extrudates of laminated cross-sectional structure. As the extruder, a screw extruder may be used in addition to the piston extruder, and the extruder may be freely used as a slit die, a tube die, an arc die, or the like. The thickness-to-length ratio of the extrusion port should be 1 or more, and the larger this ratio is, the more effective it is in obtaining high orientation. The extrusion temperature is the temperature range between the melting temperature and the solidification temperature of the corresponding PAN water. Extrusion conditions maintain the internal pressure at least above the self-generated water vapor pressure and extrude into the atmosphere at room temperature and atmospheric pressure at a discharge rate of 1 mm or more per second to wind the continuous extrudate at a linear velocity above the discharge rate. At this time, the ratio of the discharging speed to the reeling speed is one or more, and increasing this ratio is effective for improving the degree of orientation.
또한, 보다 기계적 성질이 향상된 치밀한 조직의 압출물을 제조하기 위하여, 압출구와 연결하여 이융 합금(易融合金)으로 된 저융점, 고비중의 용융 금속으로 채워진 수직 튜브를 통과시켜서 비중이 큰 용융 금속의 압력에 의하여 물이 빠져나가는 공간을 억제시키는 방법도 효과적이다. 여기서 수직 튜브의 길이는 요구되는 압력에 따라 조절되며, 수직 튜브에 채워지는 이융 합금은 예를 들어 Bi(50%)/Pb(31%)/Sn(19%), Bi(50%)/Pb(24%)/Sn(14%)/Cd(12%)으로 이루어진 융점이 100℃ 미만인 합금을 사용할 수 있다.In addition, in order to produce a compact structure with improved mechanical properties, molten metal having a high specific gravity by passing through a vertical tube filled with a low melting point and a high specific gravity molten metal made of a molten alloy in conjunction with an extrusion hole It is also effective to suppress the space from which water escapes due to the pressure of. The length of the vertical tube is adjusted according to the required pressure, and the molten alloy filled in the vertical tube is for example Bi (50%) / Pb (31%) / Sn (19%), Bi (50%) / Pb An alloy having a melting point of less than 100 ° C. consisting of (24%) / Sn (14%) / Cd (12%) may be used.
이상과 같은 용융 준결정상의 압출 및 고화를 통하여 미세 섬유 다발로 구성된 테이프상 압출물이 연속적으로 제조되며, 이는 제6도와 같이 횡단면에 판상 피브릴들이 물이 분리 제거된 공간 즉, 탈수공간을 사이에 두고 가지런히 배열 적층된 단면 구조 및 종단면에 각각의 피브릴이 다시 미크로피브릴로 분리되어 섬유를 이루는 내부 구조를 갖는다. 여기서 판상 피브릴은 두께 1㎛ 내지 10㎛사이이고, 각각의 판상 피브릴은 두께 0.01㎛ 내지 1.0㎛ 사이의 미크로피브릴들이 치밀하게 모여서 구성된다. 테이프상 압출물을 이용하여 X-선 회절에 의한 회절 패턴을 얻은 결과, 판상 피브릴 및 미크로피브릴은 제8도에서 보듯이 섬유상 결정과 고배향 구조를 갖고 있음을 확인할 수 있으며, 제9도에서와 같이 회절 패턴상의 적도 방향의 주회절 피크 위치(2θ=16.2°)에서 방위각 방향으로 주사한 회절강도의 반가폭(OA)을 아래식에 따라 환산한 값으로 70% 이상의 배향도를 나타낸다.Through the extrusion and solidification of the molten semi-crystalline phase as described above, a tape-like extrudate composed of bundles of fine fibers is continuously produced, which is a space in which plate-like fibrils are separated and removed from each other in a cross section, that is, a dehydration space, as shown in FIG. The fibrils are separated into microfibrils again in a cross-sectional structure and a longitudinal cross-sectional structure arranged in a uniform manner to form an internal fiber. Here, the plate-like fibrils are between 1 μm and 10 μm in thickness, and each plate-like fibrils are composed of microfibrils gathered between 0.01 μm and 1.0 μm thick. As a result of obtaining a diffraction pattern by X-ray diffraction using a tape-like extrudate, it can be seen that the plate-like fibrils and microfibrils have fibrous crystals and a highly oriented structure as shown in FIG. As shown in Fig. 3, the orientation value of the half width (OA) of the diffraction intensity scanned in the azimuth direction at the main diffraction peak position (2θ = 16.2 °) in the equator direction on the diffraction pattern is 70% or more.
보다 배향을 향상시키기 위하여, 이상과 같이 제조된 연속 압출물을 100℃ 내지 220℃의 온도로 유지된 고온 기체 분위기 또는 압축력이 가해지는 고온 롤러 사이로 인당 상태하에서 통과시켜 열처리한다. 고온 기체 분위기로서는 수증기, 공기, 질소, 아르곤 등과 같이 PAN과 화학반응이 거의 일어나지 않는 기체로 만들어진다. 보다 바람직한 열처리 온도는 120 내지 200℃이다. 열처리 과정에서 원래 길이에 대해 5% 내지 100%의 연신 효과가 나타나며 기계적 강도가 향상되고 피브릴이 보다 발달된 압출물이 제조된다. 열처리한 연속 압출물을 X-선 회절 패턴으로 부터 앞에서와 같은 방법으로 분석한 결과, 배향이 열처리 이전보다 향상된 것으로 나타나며, 인장 강도 및 탄성율도 열처리에 의하여 향상된다.In order to further improve the orientation, the continuous extrudate prepared as described above is subjected to heat treatment under a phosphorous state through a hot gas atmosphere maintained at a temperature of 100 ° C to 220 ° C or a high temperature roller to which a compressive force is applied. The hot gas atmosphere is made of a gas that hardly undergoes chemical reaction with PAN, such as water vapor, air, nitrogen, argon, and the like. More preferable heat processing temperature is 120-200 degreeC. An annealing effect of 5% to 100% with respect to the original length is shown during the heat treatment process, and an extruded product having improved mechanical strength and fibril is developed. As a result of analyzing the heat-treated continuous extrudate from the X-ray diffraction pattern in the same manner as before, the orientation was improved than before heat treatment, and the tensile strength and elastic modulus were also improved by heat treatment.
열처리한 연속 압출물을 임의의 길이로 절단하고 고해하면, 제10도와 같은 펄프상 단섬유가 제조되며, 단섬유의 크기는 절단 길이 및 고해조건에 따라 다양하게 얻어진다. 제조된 펄프상 단섬유는 고배향 섬유 구조를 갖는 판상 피브릴 및 미크로피브릴로 구성되어 있으며, 대체로 불규칙 장타원 단면을 갖고 측면에 다수의 갈라진 틈과 분지를 갖고 있다. 단섬유의 크기는 굵기가 0.1㎛ 내지 100㎛ 사이의 분포이고 길이가 0.1mm 내지 100mm 사이의 분포이다. 개개의 섬유는 두께 1㎛ 내지 10㎛ 사이의 판상 피브릴 및 두께 0.01㎛ 내지 1.0㎛ 사이의 미크로피브릴들로 구성되어 있다. 펄스상 단섬유의 미세구조는 투과 전자 현미경(TEM)에 의해 전자선 회절 패턴으로 확인되며, 고해전의 테이프상 압출물에서와 같은 섬유상 결정 및 고배향 구조를 나타낸다.When the heat-treated continuous extrudate is cut and beated to an arbitrary length, pulp-like short fibers as shown in FIG. 10 are produced, and the size of the short fibers is variously obtained depending on the cutting length and the beating condition. The pulp-like short fibers produced are composed of plate-like fibrils and microfibrils having a highly oriented fiber structure, and generally have irregular long elliptical cross-sections and a large number of cracks and branches on the sides. The size of the short fibers is a distribution between 0.1 μm and 100 μm in thickness and between 0.1 mm and 100 mm in length. The individual fibers consist of plate-like fibrils between 1 μm and 10 μm thick and microfibrils between 0.01 μm and 1.0 μm thick. The microstructure of the pulsed short fibers is confirmed by an electron beam diffraction pattern by transmission electron microscopy (TEM), and exhibits fibrous crystals and highly oriented structures, such as those of high-electrode tape-like extrudates.
본 발명에서는 PAN에 공융체로서 소량의 물만을 혼합하여 용융 압출 및 열처리하는 획기적인 단순 공정을 통하여 고배향의 펄프상 아크릴 단섬유를 제조하기 때문에 기존 방법에 비하여 제조원가가 크게 절감될 수 있을 뿐만 아니라, 공해문제도 자동 해결되며, 단섬유 자체는 고배향 피브릴로 구성되는 구조적 특징을 갖는다.In the present invention, a high-oriented pulp-like acrylic short fiber is manufactured through a revolutionary simple process of mixing only a small amount of water as a eutectic in the PAN through melt extrusion and heat treatment, thereby significantly reducing manufacturing cost as compared to the conventional method. Pollution problems are automatically solved, and the short fibers themselves have a structural feature composed of highly oriented fibrils.
섬유의 성능면에 있어서도 고도의 분자배향에 의하여 물리적 성질이 뛰어나며, 무수한 미크로피브릴로 구성되어 있어서 표면적이 매우 크고, 불규칙한 단면 구조를 지니고 있기 때문에 타물질과의 결착성이 극히 향상된다.In terms of the performance of the fiber, it is excellent in physical properties due to its high molecular orientation, and is composed of a myriad of microfibrils, so that the surface area is very large and has an irregular cross-sectional structure, so that binding with other materials is extremely improved.
이와섬유 본 발명의 펄프상 단섬유는 펄프상 소재로서의 최적인 조건을 가지고 있다. 특히, 펄프상 단섬유가 단순 공정에 의하여 아주 저렴한 가격으로 제조될 수 있기 때문에 천연 펄프를 대신하여 종이 원료로도 무난히 사용할 수 있다. 또한, 이 펄프상 단섬유는 미세한 피브릴로 구성되어 있고, 불규칙 장타원 단면과 측면에 다수의 갈라진 틈 및 분지를 갖고 있기 때문에 종이용 펄프로서 만족스런 특성을 갖는다.This fiber The pulp-like short fiber of this invention has the optimal conditions as a pulp material. In particular, since pulp-like short fibers can be produced at a very low price by a simple process, it can be used as a paper raw material instead of natural pulp. In addition, this pulp-like short fiber is composed of fine fibrils and has satisfactory characteristics as a pulp for paper because it has a large number of cracks and branches at irregular long oval cross sections and sides.
이하, 본 발명 섬유의 제조 방법을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 다음과 같은 실시예를 기술하고 있으나, 본 발명이 이에 국한된 것이 아님을 명심해야 한다.Hereinafter, the following examples are described in order to explain the method of manufacturing the present invention in more detail, but it should be noted that the present invention is not limited thereto.
[실시예 1]Example 1
실린더, 피스톤 및 슬릿 다이형 압출구로 구성되고 밀폐 및 가열 보온이 가능한 압출기의 실린더내에, 아크릴로니트릴 92.8% 및 메틸아크릴레이트 7.2%의 화학 조성으로 구성되고 점도 평균 분자량이 102,000인 아크릴로니트릴 공중합체 100g과 물 22g을 혼합한 혼합물을 다져 넣고, 5kg/㎠로 가압한 상태에서 175℃까지 가열하여 완전히 용융시킨 다음, 148℃로 다시 온도를 내려 유지시킨 후, 피스톤을 작동시켜 60kg/㎠의 압력을 걸어 두께/폭/길이가 0.25mm/20mm/3mm인 슬릿 다이를 통해 상온 상압 분위기중으로 압출하여 테이프상 연속 압출물을 분당 2m의 속도로 감는다. 제조된 압출물의 구조를 주사 전자 현미경으로 관찰하면, 두께 1㎛ 내지 10㎛사이의 판상 피브릴들이 탈수 공간을 사이에 두고 가지런히 적층된 단면구조와 각 피브릴이 무수히 많은 두께 0.01㎛ 내지 1.0㎛ 사이의 미크로피브릴들로 분리되는 내부 구조를 갖고 있다. X선 분석에 의하면 테이프상 압출물은 섬유상 결정을 갖고 있고 89%의 분자 배향도를 나타낸다. 연속 압출 테이프를 길이방향으로 가늘게 분리하여 장섬유로 만들어 기계적 성질을 측정한 결과, 인장 강도 4.5g/데이어, 신도 11%, 인장 탄성률 67g/데니어를 각각 나타낸다. 이 테이프상 연속 압출물을 150℃로 유지되고 압축력이 가해지는 롤러 사이를 인장하에서 통과시켜 30% 연신 열처리한다. X선 분석에 의하면, 연신 열처리된 테이프상 압출물은 섬유상 결정을 갖고 있고 91%의 분자 배향도를 나타낸다. 연신 열처리된 연속 압출 테이프를 길이 방향으로 가늘게 분리하여 장섬유로 만들어 기계적 성질을 측정한 결과, 인장 강도 5.7g/데니어, 신도 10%, 인장 탄성률 86g/데니어를 각각 나타낸다.Acrylonitrile copolymer with a viscosity average molecular weight of 102,000 and a chemical composition of 92.8% acrylonitrile and 7.2% methyl acrylate in the cylinder of an extruder, which is composed of a cylinder, a piston and a slit die-type extruder, and is capable of sealing and heating insulation. The mixture of 100 g and 22 g of water was chopped and heated to 175 ° C. to be completely melted under pressure at 5 kg /
연신 열처리된 테이프상 연속 압축물을 20mm의 길이로 절단하고 비터로 고해하여 펄프상 단섬유를 제조한다. 제조된 단섬유는 0.1㎛ 내지 20㎛의 굵기 분포와 1mm 내지 20mm의 길이 분포를 가진다.The continuous heat-treated tape-like compressed product is cut into 20 mm lengths and beaten with a beater to prepare pulp-like short fibers. The prepared short fibers have a thickness distribution of 0.1 μm to 20 μm and a length distribution of 1 mm to 20 mm.
[실시예 2]Example 2
실린더, 피스톤 및 슬릿 다이형 압출구로 구성되고 밀폐 및 가열 보온이 가능한 압출기의 실린더내에 점도 평균 분자량이 93,000인 아크릴로니트릴 단독 중합체 100g과 물 30g을 혼합한 혼합물을 다져 넣고 5kg/㎠로 가압한 상태에서 205℃까지 가열하여 완전히 용융시킨 다음, 178℃로 다시 온도를 내려 유지시킨 후, 피스톤을 작동시켜 70kg/㎠의 압력을 걸어 두께/폭/길이가 0.35mm/20mm/4mm인 슬릿 다이를 통해 상온 상압 분위기 중으로 압출하여 테이프상 연속 압출물을 분당 1.5m의 속도로 감는다. 이 연속 압출물을 170℃로 유지되고 압축력이 가해지는 롤러 사이를 인장하에서 통과시켜 25% 연신 열처리한다. X선 분석에 의하면, 연신 열처리된 테이프상 압출물은 섬유상 결정을 갖고 있고 90%의 분자 배향도를 나타낸다. 연신 열처리된 연속 압출 테이프를 길이 방향으로 가늘게 분리하여 장섬유로 만들어 기계적 성질을 측정한 결과, 인장 강도 6.0g/데니어, 신도 9%, 인장 탄성률 93g/데니어를 각각 나타낸다.In a cylinder of an extruder composed of a cylinder, a piston, and a slit die-type extruder, and a sealed and heated insulation, a mixture of 100 g of acrylonitrile homopolymer having a viscosity average molecular weight of 93,000 and 30 g of water was compacted and pressed at 5 kg / ㎠ Heat up to 205 ° C to melt completely, and then keep the temperature down to 178 ° C, then operate the piston to apply a pressure of 70kg /
연신 열처리된 테이프상 연속 압축물을 15mm의 길이로 절단하고 비터로 고해하여 펄프상 단섬유를 제조한다. 제조된 단섬유는 0.1㎛ 내지 20㎛의 굵기 분포와 1mm 내지 15mm의 길이 분포를 가진다.The stretched heat treated tape-like continuous compact was cut into a length of 15 mm and beaten with a beater to prepare pulp-like short fibers. The prepared short fibers have a thickness distribution of 0.1 μm to 20 μm and a length distribution of 1 mm to 15 mm.
[실시예 3]Example 3
실린더, 피스톤 및 슬릿 다이형 압출구로 구성되고 밀폐 및 가열보온이 가능한 압출기의 실린더내에, 아크릴로니트릴 94.2% 및 메틸아크릴레이트 5.8%의 화학 조성으로 구성되고 점도 평균 분자량이 178,000인 아크릴로니트릴 공중합체 100g과 물 25g을 혼합한 혼합물을 다져넣고 5kg/㎠로 가압한 상태에서 180℃까지 가열하여 완전히 용융시킨 다음, 155℃로 다시 온도를 내려 유지시킨 후, 피스톤을 작동시켜 60kg/㎠의 압력을 걸어 두께/폭/길이가 0.25mm/20mm/3mm인 슬릿 다이를 통해 압출하여 테이프상 연속 압출물을 분당 2m의 속도로 감는다. 이 연속 압출물을 160℃로 유지되고 압축력이 가해지는 롤러 사이를 인장하에서 통과시켜 25% 연신 열처리한다. X선 분석에 의하면, 연신 열처리된 테이프상 압출물은 섬유상 결정을 갖고 있고 91%의 분자 배향도를 나타낸다. 이 압출 테이프를 길이 방향으로 가늘게 분리하여 장섬유로 만들어 기계적 성질을 측정한 결과, 인장 강도 6.1g/데니어, 신도 10%, 인장 탄성률 97g/데니어를 각각 나타낸다.Acrylonitrile copolymer with a viscosity average molecular weight of 178,000 and a chemical composition of 94.2% acrylonitrile and 5.8% methylacrylate in the cylinder of the extruder, which is composed of a cylinder, a piston and a slit die-type extruder, and is capable of sealing and heating. The mixture was mixed with 100 g and 25 g of water, and the mixture was heated to 180 ° C. under a pressure of 5 kg /
연신 열처리된 테이프상 연속 압출물을 20mm의 길이로 절단하고 비터로 고해하여 펄프상 단섬유를 제조한다. 제조된 단섬유는 0.1㎛ 내지 20㎛의 굵기 분포와 1mm 내지 20mm의 길이 분포를 가진다.The stretch heat treated tape-like continuous extrudate is cut to a length of 20 mm and beaten with a beater to produce pulp-like short fibers. The prepared short fibers have a thickness distribution of 0.1 μm to 20 μm and a length distribution of 1 mm to 20 mm.
[실시예 4]Example 4
실린더, 피스톤 및 슬릿 다이형 압출구로 구성되고 밀폐 및 가열보온이 가능한 압출기의 실린더내에, 아크릴로니트릴 88.6% 및 메틸아크릴레이트 11.4%의 화학 조성으로 구성되고 점도 평균 분자량이 215,000인 아크릴로니트릴 공중합체 100g과 물 25g을 혼합한 혼합물을 다져 넣고 5kg/㎠로 가압한 상태에서 175℃까지 가열하여 완전히 용융시킨 다음, 145℃로 다시 온도를 내려 유지시킨 후, 피스톤을 작동시켜 70kg/㎠의 압력을 걸어 두께/폭/길이가 0.40mm/20mm/4mm인 슬릿 다이를 통해 압출하여 테이프상 연속 압출물을 분당 1m의 속도로 감는다. 이 연속 압출물을 140℃로 유지되고 압축력이 가해지는 롤러 사이를 인장하에서 통과시켜 35% 연신 열처리한다. X선 분석에 의하면, 연신 열처리된 테이프상 압출물은 섬유상 결정을 갖고 있고 89%의 분자 배향도를 나타낸다. 이 연신 열처리된 연속 압출 테이프를 길이 방향으로 가늘게 분리하여 장섬유로 만들어 기계적 성질을 측정한 결과, 인장 강도 6.3g/데니어, 신도 10%, 인장 탄성률 84g/데니어를 각각 나타낸다.Acrylonitrile copolymer with a viscosity average molecular weight of 215,000 and a chemical composition of 88.6% acrylonitrile and 11.4% methylacrylate in the cylinder of an extruder, which is composed of a cylinder, a piston and a slit die-type extruder, and is sealed and heated. The mixture of 100g and 25g of water was chopped and heated to 175 ° C and completely melted under pressure of 5kg /
연신 열처리된 테이프상 연속 압축물을 10mm의 길이로 절단하고 비터로 고해하여 펄프상 단섬유를 제조한다. 제조된 단섬유는 0.1㎛ 내지 30㎛의 굵기 분포와 1mm 내지 10mm의 길이 분포를 가진다.The continuous heat-treated tape-like compressed product was cut into 10 mm lengths and beaten with a beater to prepare pulp-like short fibers. The prepared short fibers have a thickness distribution of 0.1 μm to 30 μm and a length distribution of 1 mm to 10 mm.
[실시예 5]Example 5
실린더, 피스톤 및 슬릿 다이형 압출구로 구성되고 밀폐 및 가열보온이 가능한 압출기의 실린더내에, 아크릴로니트릴 94.8% 및 비닐아세테이트 5.2%의 화학 조성으로 구성되고 점도 평균 분자량이 97,000인 아크릴로니트릴 공중합체 100g과 물 26g을 혼합한 혼합물을 다져 넣고 5kg/㎠로 가압한 상태에서 180℃까지 가열하여 완전히 용융시킨 다음, 155℃로 다시 온도를 내려 유지시킨 후, 피스톤을 작동시켜 65kg/㎠의 압력을 걸어 두께/폭/길이가 0.30mm/15mm/4mm인 슬릿 다이를 통해 압출하여 테이프상 연속 압출물을 분당 1.8m의 속도로 감는다. 이 연속 압출물을 160℃로 유지되고 압축력이 가해지는 롤러 사이를 인장하에서 통과시켜 27% 연신 열처리한다. X선 분석에 의하면, 연신 열처리된 테이프상 압출물은 섬유상 결정을 갖고 있고 90%의 분자 배향도를 나타낸다. 이 연신 열처리된 연속 압출 테이프를 길이 방향으로 가늘게 분리하여 장섬유로 만들어 기계적 성질을 측정한 결과, 인장 강도 5.8g/데니어, 신도 10%, 인장 탄성률 88g/데니어를 각각 나타낸다.100 g of acrylonitrile copolymer having a viscosity average molecular weight of 97,000 and a chemical composition of 94.8% acrylonitrile and 5.2% vinyl acetate in the cylinder of the extruder, which is composed of a cylinder, a piston and a slit die extruder, and is sealed and heated. The mixture of 26 g of water and 26 g of water was chopped and heated to 180 ° C. under a pressurized condition of 5 kg /
연신 열처리된 테이프상 연속 압출물을 10mm의 길이로 절단하고 비터로 고해하여 펄프상 단섬유를 제조한다. 제조된 단섬유는 0.1㎛ 내지 30㎛의 굵기 분포와 1mm 내지 10mm의 길이 분포를 가진다.The stretch heat treated tape-like continuous extrudate is cut to a length of 10 mm and beaten with a beater to prepare pulp short fibers. The prepared short fibers have a thickness distribution of 0.1 μm to 30 μm and a length distribution of 1 mm to 10 mm.
[실시예 6]Example 6
실린더, 피스톤 및 슬릿 다이형 압출구로 구성되고 밀폐 및 가열 보온이 가능한 압출기의 실린더내에, 아크릴로니트릴 83.8% 및 비닐아세테이트 16.2%의 화학 조성으로 구성되고 점도 평균 분자량이 176,000인 아크릴로니트릴 공중합체 100g과 물 20g을 혼합한 혼합물을 다져 넣고 5kg/㎠로 가압한 상태에서 165℃까지 가열하여 완전히 용융시킨 다음, 135℃로 다시 온도를 내려 유지시킨 후, 피스톤을 작동시켜 55kg/㎠의 압력을 걸어 두께/폭/길이가 0.25mm/20mm/3mm인 슬릿 다이를 통해 압출하여 테이프상 연속 압출물을 분당 2.4m의 속도로 감는다. 이 연속 압출물을 140℃로 유지되고 압축력이 가해지는 롤러 사이를 인장하에서 통과시켜 43% 연신 열처리한다. X선 분석에 의하면, 연신 열처리된 테이프상 압출물은 섬유상 결정을 갖고 있고 86%의 분자 배향도를 나타낸다. 이 연신 열처리된 연속 압출 테이프를 길이 방향으로 가늘게 분리하여 장섬유로 만들어 기계적 성질을 측정한 결과, 인장 강도 5.3g/데니어, 신도 12%, 인장 탄성률 72g/데니어를 각각 나타낸다.100 g of acrylonitrile copolymer having a viscosity average molecular weight of 176,000 and a chemical composition of 83.8% acrylonitrile and 16.2% vinyl acetate, in the cylinder of the extruder, which is composed of a cylinder, a piston and a slit die extruder, and is sealed and heated insulated. The mixture was mixed with 20 g of water and squeezed and heated to 165 ° C. while fully pressurized at 5 kg /
연신 열처리된 테이프상 연속 압출물을 15mm의 길이로 절단하고 비터로 고해하여 펄프상 단섬유를 제조한다. 제조된 단섬유는 0.1㎛ 내지 40㎛의 굵기 분포와 1mm 내지 15mm의 길이 분포를 가진다.The stretch heat treated tape-like continuous extrudate is cut to a length of 15 mm and beaten with a beater to prepare pulp short fibers. The prepared short fibers have a thickness distribution of 0.1 μm to 40 μm and a length distribution of 1 mm to 15 mm.
[실시예 7]Example 7
실린더, 피스톤 및 슬릿 다이형 압출구로 구성되고 밀폐 및 가열 보온이 가능한 압출기의 실린더내에, 아크릴로니트릴 89.5% 및 스티렌 10.5%의 화학 조성으로 구성되고 점도 평균 분자량이 126,000인 아크릴로니트릴 공중합체 100g과 물 21g을 혼합한 혼합물을 다져 넣고 5kg/㎠로 가압한 상태에서 170℃까지 가열하여 완전히 용융시킨 다음, 142℃로 다시 온도를 내려 유지시킨 후, 피스톤을 작동시켜 55kg/㎠의 압력을 걸어 두께/폭/길이가 0.3mm/20mm/4mm인 슬릿 다이를 통해 압출하여 테이프상 연속 압출물을 분당 2m의 속도로 감는다. 이 연속 압출물을 155℃로 유지되고 압축력이 가해지는 롤러 사이를 인장하에서 통과시켜 30% 연신 열처리한다. X선 분석에 의하면, 연신 열처리된 테이프상 압출물은 섬유상 결정을 갖고 있고 87%의 분자 배향도를 나타낸다. 연속 압출 테이프를 길이 방향으로 가늘게 분리하여 장섬유로 만들어 기계적 성질을 측정한 결과, 인장 강도 4.8g/데니어, 신도 12%, 인장 탄성률 82g/데니어를 각각 나타낸다.100 g of acrylonitrile copolymer having a viscosity average molecular weight of 126,000 and a chemical composition of 89.5% acrylonitrile and 10.5% styrene in the cylinder of the extruder, which is composed of a cylinder, a piston and a slit die-type extruder The mixture was mixed with 21 g of water and squeezed at 5kg /
[실시예 8]Example 8
실린더, 피스톤 및 슬릿 다이형 압출구로 구성되고 밀폐 및 가열 보온이 가능한 압출기의 실린더내에, 아크릴로니트릴 87.1% 및 메틸아크릴레이트 12.9%의 화학 조성으로 구성되고 점도 평균 분자량이 112,000인 아크릴로니트릴 공중합체 100g과 물 18g을 혼합한 혼합물을 다져 넣고 5kg/㎠로 가압한 상태에서 170℃까지 가열하여 완전히 용융시킨 다음, 140℃로 다시 온도를 내려 유지시킨 후, 피스톤을 작동시켜 50kg/㎠의 압력을 걸어 두께/폭/길이가 0.20mm/20mm/3mm인 슬릿 다이를 통해 상온 상압 분위기 중으로 압출하여 테이프상 연속 압출물을 분당 2m의 속도로 감는다. 이 연속 압출물을 145℃로 유지되고 압축력이 가해지는 롤러 사이를 인장하에서 통과시켜 40% 연신 열처리한다. X선 분석에 의하면, 연신 열처리된 테이프상 압출물은 섬유상 결정을 갖고 있고 90%의 분자 배향도를 나타낸다. 이 연신 열처리된 연속 압출 테이프를 길이 방향으로 가늘게 분리하여 장섬유로 만들어 기계적 성질을 측정한 결과, 인장 강도 6.3g/데니어, 신도 10%, 인장 탄성률 83g/데니어를 각각 나타낸다.Acrylonitrile copolymer with a viscosity average molecular weight of 112,000 and a chemical composition of 87.1% acrylonitrile and 12.9% methylacrylate in the cylinder of an extruder, which is composed of a cylinder, a piston and a slit die extruder and is capable of sealing and heating insulation. The mixture of 100 g and 18 g of water was chopped and heated to 170 ° C. under a pressure of 5 kg /
[실시예 9]Example 9
비교 실험을 위하여, 실시예 1과 동일한 압출기의 실린더내에 아크릴로니트릴 92.8% 및 메틸아크릴레이트 7.2%의 화학 조성으로 구성되고 점도 평균 분자량이 102,000인 아크릴로니트릴 공중합체 100g과 물 22g을 혼합한 혼합물을 다져 넣고 5kg/㎠로 가압한 상태에서 175℃까지 가열하여 완전히 용융시킨 다음, 그대로 피스톤을 작동시켜 60kg/㎠의 압력을 걸어 두께/폭/길이가 0.25mm/20mm/3mm인 슬릿 다이를 통해 상온 상압 대기중으로 압출하면 발포가 심한 연속 압출물을 얻는다. 이 발포체는 X선 회전 패턴에서 전혀 배향이 나타나지 않고, 펄프상 단섬유를 제조할 수 없다.For comparative experiments, a mixture of 22 g of water and 100 g of acrylonitrile copolymer having a viscosity average molecular weight of 102,000 and a chemical composition of 92.8% acrylonitrile and 7.2% methyl acrylate in the same extruder cylinder as in Example 1 And squeezed at 5kg / ㎠ and melted completely by heating to 175 ℃, then operating the piston as it is, and applying pressure of 60kg / ㎠, through a slit die having a thickness / width / length of 0.25mm / 20mm / 3mm. Extrusion to ambient temperature and atmospheric pressure results in continuous foam extrudate with high foaming. This foam showed no orientation at all in the X-ray rotation pattern, and pulp-like short fibers could not be produced.
[실시예 10]Example 10
비교 실험을 위하여, 실시예 1과 동일한 압출기의 실린더내에 아크릴로니트릴 92.8% 및 메틸아크릴레이트 7.2%의 화학 조성으로 구성되고 점도 평균 분자량이 102,000인 아크릴로니트릴 공중합체 100g과 물 22g을 혼합한 혼합물을 다져 넣고 5kg/㎠로 가압한 상태에서 175℃까지 가열하여 완전히 용융시킨 다음, 그대로 피스톤을 작동시켜 30kg/㎠의 압력을 걸어 두께/폭/길이가 0.25mm/20mm/3mm인 슬릿 다이를 통해 상온 2kg/㎠의 압력 챔버 내로 압출하여 테이프상 연속 압출물을 분당 5m의 속도로 감는다. X선 분석에 의하면 테이프상 압출물은 56%의 배향도를 나타내지만 이것으로는 펄프상 단섬유를 제조할 수 없다.For comparative experiments, a mixture of 22 g of water and 100 g of acrylonitrile copolymer having a viscosity average molecular weight of 102,000 and a chemical composition of 92.8% acrylonitrile and 7.2% methyl acrylate in the same extruder cylinder as in Example 1 And squeezed at 5kg / ㎠ and melted completely by heating to 175 ℃, and then operating the piston as it is, applying a pressure of 30kg / ㎠, through a slit die having a thickness / width / length of 0.25mm / 20mm / 3mm. Extrusion into a pressure chamber at room temperature of 2 kg /
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Legal Events
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