WO2017191916A1 - 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치 - Google Patents

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함완규
남인우
이승진
임기섭
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Definitions

  • the present invention relates to a spinning nozzle apparatus for producing high strength fibers, and more particularly, to thermally decompose a fiber temperature of a molten phase discharged from a spinning nozzle by optimizing a heating method for a spinning part in a process of melt spinning a thermoplastic resin through a spinning nozzle.
  • a heating method for a spinning part in a process of melt spinning a thermoplastic resin through a spinning nozzle By heating locally at a higher temperature than the pack body temperature for a short period of time without the occurrence of heat, by controlling the molecular chain entanglement structure in the molten-phase polymer of the thermoplastic resin without decreasing the molecular weight by instantaneous high temperature heating, the elongation of the fiber is improved to improve the elongation of the fiber.
  • the present invention relates to a spinning nozzle apparatus for producing high-strength fibers that can be improved and mass-produce high-strength fibers at low cost.
  • the maximum strength known to date is about 1.1 GPa, compared to the theoretical strength of the high-strength fiber (ultra-performance para-aramid (Kevlar, Kevlar) fiber of about 2.9 GPa), which is different from the maximum strength 1 It stays at 3-4%, which is the / 3 level.
  • the industrial textile material that requires extreme performance except general clothing or household or industrial part (tire cord) textile material.
  • PET and nylon fibers which are non-liquid-crystalline thermoplastic polymer fibers
  • PBO Xylon, Zylon
  • para-aramid Kevlar fibers
  • LCP liquid crystal polymer
  • the liquid crystal polymer (LCP) forms a liquid crystal phase in a solution state, if a proper shear stress is applied, the liquid crystal polymer (LCP) is formed into a fiber structure having a very high degree of orientation and crystallinity due to a small difference in the fiber structure entropy before and after spinning. It can be prepared as.
  • PET and nylon non-liquid crystalline thermoplastic polymers have a complex structure in which the polymer chains are entangled in amorphous random coils in the molten state, so that high shear stress and subsequent draw ratio (such as draft and draw ratio) in the spinning nozzle Even if given, due to the structure intertwined in the random coil, there is a problem that complete orientation crystallization (high strength) is relatively difficult. At this time, there is a big difference between the fiber structure entropy before and after spinning.
  • thermoplastic polymer if a relatively high-strength thermoplastic polymer fiber can be developed compared to the conventional, since the application market and the ripple effect is very large, the conventional general-purpose PET fiber in the recent Japanese textile industry Various studies have been conducted to maximize the physical properties and increase the marginal performance.
  • Japan has reported research and development to increase the strength of existing fibers from 1.1 GPa to 2 GPa, using general-purpose thermoplastic polymers, such as PET and nylon, within the range of not more than double the manufacturing cost based on the melt spinning process. have.
  • the research and development fields promoted for the purpose of applying and practically applying tire cords that consume the most as industrial fibers in the shortest time are melt structure control technology, molecular weight control technology, stretching / heat treatment technology and evaluation / analysis technology. .
  • the molten structure control technology in the molten polymer unlike the research that realized the high strength of the fiber by controlling the formation behavior of the fiber structure through the molecular orientation and crystallization of the conventional solidified fibers, molecular chain entanglement in the molten phase polymer (molecular entanglement) Approach to the concept of controlling the structure, by trying to identify the structure control and behavior in the non-oriented amorphous fiber, to achieve a high strength of PET fiber.
  • a high-strength PET fiber is provided as a method of designing a spinneret device in a conventional melt spinning process .
  • FIG. 1 As an example of a method of locally heating a spinneret in the vicinity, FIG .
  • the spinning nozzle apparatus radiates to a Pack-Body 200 held from a Pack-Body Heater 300 provided with a heat source of 100 to 350 ° C.
  • the nozzle 100 is fixed and the discharge plate 500 and the distribution plate 600 are sequentially installed on the spinning nozzle 100 so that the thermoplastic resin in the molten state is distributed through the distribution plate 600 and the discharge plate 500. It is supplied to the spinning nozzle 100 and is radiated through the spinning hole 111 of the spinning nozzle 100.
  • the fiber 112 formed after spinning passes through an annealing heater 400 of 20 to 200 mm so as to uniformly apply an electric heater at room temperature to 400 ° C. at a constant distance, thereby enabling high-efficiency heat transfer at a lower cost.
  • the local heating of the fibers 112 by the annealing heater 400 is not a heating purpose, but a thermal insulation for maintaining a uniform temperature between the spinning holes 111 in the lower part of the spinning nozzle 100. It is only applied to improve the spinning workability and quality by minimizing the temperature variation between the spinning holes 111, and the uniform heating is not applied to the fibers 112 because the distance between the fibers 112 and the annealing heater 400 is far.
  • Another spinning nozzle apparatus for locally heating the spinning nozzle in a conventional melt spinning process the diameter of the spinning hole of the spinning nozzle is reduced and the CO 2 laser is irradiated directly under the spinning nozzle, so that the PET fiber strength after stretching is 1.68 GPa (13.7). g / den.) and manufacture of high performance PET fibers with elongation of 9.1% [Masuda, M., "Effect of the Control of Polymer Flow in the Vicinity of Spinning Nozzle on Mechanical Properties of Poly (ethylene terephthalate) Fibers"). , Intern. Polymer Processing, 2010, 25, 159-169].
  • the fiber 112 is formed after radiating CO 2 laser irradiation part 410, the CO into the bottom of the spinning nozzle 100, the lower the pack body 200 in such a manner as to direct heating by the second laser irradiation over 0-3 It protrudes mm, and irradiates with a CO 2 laser at a position of 1 to 10 mm immediately after radiation.
  • the laser heating directly under the radiation nozzle 100 is characterized by heating a specific fiber 112 to a high temperature, but simultaneously applying to the actual commercially available spinning nozzle 100 having tens to tens of thousands of radiation holes 111. There are hard limits.
  • the present inventors have tried to improve the problem of the local heating method when directing the spinning nozzle in the manufacturing process of the conventional high-strength fibers, by optimizing the heat transfer method by heating near the spinning hole of the spinning nozzle that is actually commercialized, discharged from the spinning nozzle By heating the fiber temperature of the molten phase to a temperature higher than the pack body temperature for a short time without pyrolysis, and heating locally, controlling the molecular chain entanglement structure of the thermoplastic resin in the molten phase polymer of the thermoplastic resin without deteriorating the molecular weight by instantaneous high temperature heating.
  • An object of the present invention is to provide a spinning nozzle apparatus for producing a high strength fiber in which the spinning hole portion of the spinning nozzle is positioned outside the pack body in the melt spinning process of the thermoplastic resin, and the heating method for the spinning hole portion is optimized.
  • a first preferred embodiment for implementing the spinning nozzle apparatus for producing a high strength fiber of the present invention a pack body 21, a pack body heater 22 provided outside the pack body to provide a heat source to the pack body, Spinning nozzle 23 is installed in the pack body 21 to radiate the molten thermoplastic resin, and the distribution plate 24 and the discharge plate installed in the pack body for introducing the molten thermoplastic resin into the spinning nozzle It includes (25), the radiation nozzle 23 is composed of a fixed portion 23b located inside the pack body 21, and a radiating portion 23c located outside the pack body 21, the pack body A plurality of spinning holes 23a are formed in the spinning unit 23c located outside, and the thermoplastic resin is melt-spun to form fibers, and a portion of the spinning holes 23a of the spinning unit 23c is packed into a pack body 21.
  • High strength island with heating element 26 for heating to a temperature higher than It provides a device for producing a spinning nozzle.
  • the radiation nozzle 23 is provided with an extension portion 23d for spaced apart between the fixed portion 23b and the radiation portion 23c, and the extension portion 23d is a pack body. It is formed to extend 10 to 500mm from the lower end of the (21) so that the radiation hole 23a formed in the radiating portion 23c is located outside the pack body.
  • the heating body 26 is provided in a ring shape so as to surround the circumference of the side wall of the radiating part 23c, and the lower part of the drain plate 25 is inserted into the spinning nozzle 23.
  • the lower part of the flow plate 25 extends to the boundary point between the extension part 23d and the radiation part 23c of the spinning nozzle 23 so that the molten thermoplastic resin is guided to the inlet of the spinning hole 23a.
  • a space portion 27 is formed between the inner wall of the fixing portion 23b and the extending portion 23d of the spinning nozzle and the outer wall of the drift plate 25 opposite to the spinning nozzle.
  • An extension portion 23d is formed with an air flow hole 28 for communicating the space 27 with the outside.
  • a second preferred embodiment for implementing the spinning nozzle apparatus for producing a high strength fiber of the present invention is a pack body 31, a pack body heater 32 is provided on the outside of the pack body to provide a heat source to the pack body, and It is installed in the pack body 31 and includes a distribution plate 34 and the flow plate 35 for introducing the molten thermoplastic resin into the spinning nozzle, the flow plate 35 is located inside the pack body 31 A first flow plate 35a and a second flow plate 35b positioned outside the pack body 31 and designed to be detachable from the first flow plate 35a.
  • a plurality of radiation holes 33a are installed in a lower portion of the second current collector plate 35b to be located outside the pack body 31 and in the spinning nozzle 33 located outside the pack body 31. Is formed to melt-spin the thermoplastic resin to form fibers, and pack the portion of the spinning hole 33a. It provides a high strength fiber for manufacturing spinneret device provided with a heating member 36 for heating to a temperature above the temperature of 31.
  • the heating body 36 is installed in a shape surrounding the side circumference and the upper surface of the second flow plate 35b and the spinning nozzle 33, the lower end of the pack body 31 and the heating It is preferable to form the space 37 through which air flows between the sieves 36.
  • a third preferred embodiment for implementing the spinning nozzle apparatus for producing a high-strength fiber of the present invention is a pack body 41, a pack body heater 42 provided outside the pack body to provide a heat source to the pack body, and A spinning nozzle 43 formed in the pack body 41 and having a plurality of spinning holes 43a for spinning a molten thermoplastic resin, and a molten thermoplastic resin being introduced into the pack body to flow into the spinning nozzle. And a distribution plate 44 and a discharge plate 45, which are disposed below the spinning hole 43a of the spinning nozzle 43 to heat the fiber to a temperature higher than the temperature of the pack body 41 after spinning.
  • the heating body 46 is hole-shaped so that each fiber passes through after spinning Type heating holes 46a or strip-shaped heating holes arranged in a line ( Provided is a spinning nozzle apparatus for producing a high strength fiber having a 46b).
  • the thickness of the heat insulating material layer 40 is set to 1 to 30 mm
  • the heating body 46 extends from 1 to 500 mm in length from the heat insulating material layer, and the thickness of the heat insulating material layer and the heating body.
  • the heating zone of the fiber is formed, including the extension of.
  • a fourth preferred embodiment for implementing the spinning nozzle apparatus for producing a high strength fiber of the present invention is a pack body 51, a pack body heater 52 provided outside the pack body to provide a heat source to the pack body, and A spinning nozzle 53 formed in the pack body 51 and having a plurality of spinning holes 53a for spinning a thermoplastic resin in a molten state and a thermoplastic resin in a molten state in the pack body are introduced into the spinning nozzle. And a distribution plate 54 and a discharge plate 55 for discharging, and are disposed near the radiation hole 53a of the radiation nozzle 53 to heat the vicinity of the radiation hole to a temperature higher than the temperature of the pack body 51.
  • a heating body 56 for heating the fibers after spinning wherein the heating body 56 has a hole-type heating hole 56a or a strip-shaped heating arranged in a row such that each fiber passes through after spinning.
  • the spinneret 53 with a hole 56b Inserting a portion of the contact or the heating body to the heating body 56 on the lower portion to provide a high-strength fiber spinning nozzle for manufacturing the device is made.
  • the position of the lower surface of the radiation nozzle 53 from the pack body 51 is set to 1 to 300 mm based on the lower surface of the pack body, and on the lower surface of the radiation nozzle 53,
  • the insertion depth of the heating body 56 which is in contact or partially inserted is set to 0 to 50 mm
  • the extension length of the heating body 56 extending from the lower surface of the spinning nozzle 53 is set to 0 to 500 mm.
  • the heating zone of the fiber includes an insertion depth of the heating body 56 partially inserted into the lower part of the spinning nozzle 53 and an extension length of the heating body 56 extending from the lower surface of the spinning nozzle 53.
  • the heater 56 is melted in the spinning nozzle 53 before spinning by setting the insertion depth of the heating body 56 inserted below the spinning nozzle 53 to a maximum of 50 mm. It is designed to simultaneously perform direct heating of the thermoplastic resin and indirect heating of the fiber directly under the nozzle body.
  • the hole type heating hole or the strip type heating hole is preferably formed so that the inner circumference is spaced within 1 to 300 mm from the center of the fiber. .
  • the heating method for the spinning part of the spinning nozzle is optimized in the melt spinning process, and the spinning hole of the spinning nozzle, which is commercially available, is directly under the pack body.
  • Optimized heat transfer method by locating outside and heating the hole part for heating with heating body, and improving the elongation of thermoplastic resin by controlling the molecular chain entanglement structure in molten polymer by instantaneous high temperature heating. It is effective to improve physical properties.
  • the spinning nozzle for producing a high strength fiber according to the present invention effectively delays the cooling rate of the fiber on the radiation by using a heating device having a simple structure and high energy efficiency while utilizing existing processes of the melt spinning process and the stretching process. And by improving the drawing speed, it is possible to lower the initial investment cost, and to produce high-performance fiber at a mass production and low cost.
  • the spinning nozzle for producing a high strength fiber according to the present invention by utilizing the existing process of the melt spinning process and the stretching process, by using a heating device having a simple structure and high energy efficiency, reducing the molecular weight of the resin of the molten phase in the spinning hole molecular weight By effectively lowering the diameter, the service life of the spinneret is long, and spinneret with higher shear rate and hole spec of L / D is possible to improve spinning workability and fiber quality. Ultra-high viscosity resins that can not be spun can be spun to reduce initial investment and produce high-performance fibers at low cost.
  • marine materials such as tire cords, automobiles, trains, aviation, ships, interior materials, civil and building materials, electronic materials, ropes and nets, etc. It is useful for military use, and also useful for clothing and daily use such as light sportswear and work clothes, military uniform, furniture and interior, sporting goods, etc., thus securing a wide range of markets.
  • non-woven fabrics in addition to the fiber field, such as PET filament and short fibers, non-woven fabrics, as well as can be used in the field of manufacturing such as film, sheet, molding, container using the same.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a spinning nozzle apparatus for producing a high strength fiber according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a spinning nozzle apparatus for producing a high strength fiber according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a spinning nozzle apparatus for producing a high strength fiber according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line I-I of FIG. 3 and has a heating element having a hole-type heating hole, FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line I-I of FIG. 3, and is a cross-sectional view of a heating body having heating holes of a strip type (a) or a straight line type (b),
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a spinning nozzle apparatus for producing a high strength fiber according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the radiating part of the spinning nozzle apparatus provided with the spinning nozzle of the prior art
  • Fig. 8 is a cross-sectional view of the radiation section of the radiation nozzle apparatus provided with the radiation nozzle of another conventional example.
  • the spinning nozzle apparatus of the first embodiment is installed on the pack body 21 and the outer side of the pack body 21.
  • a pack body heater 22 for providing a heat source to the pack body 21, a spinning nozzle 23 installed in the pack body 21 to radiate a molten thermoplastic resin, and the pack body 21 in the pack body 21. It is provided with a distribution plate 24 and a discharge plate 25 for introducing a molten thermoplastic resin into the spinning nozzle 23.
  • the spinning nozzle 23 is composed of a fixing part 23b located inside the pack body 21 and a spinning part 23c located outside the pack body 21.
  • a plurality of spinning holes 23a are formed from the located spinning part 23c, and thermoplastic resin is melt-spun to form fibers, and a part of the spinning hole 23a of the spinning part 23c is formed in the pack body 21.
  • a heating body 26 for heating to a temperature higher than the temperature is provided.
  • the radiation nozzle 23 is provided with an extension portion 23d for spaced apart between the fixing portion 23b and the radiation portion 23c, and the extension portion 23d is a pack body. As it extends from 10 to 500 mm from the lower end of the 21, the radiation hole 23a formed in the radiation portion 23c is located outside the pack body.
  • the spinning portion 23c is formed with a plurality of spinning holes 23a for melting the thermoplastic resin to form the fiber F, and the extension 23d is formed from the lower end of the pack body 21. 10 to 500 mm, more preferably 100 to 300 mm, is formed so that the radiating portion 23c and the radiating hole 23a are located outside the pack body 21.
  • the radiating part 23c of the radiating nozzle 23 is provided with a heating body 26 for heating a portion of the spinning hole 23a located outside the pack body 21, and the heating body 26 is a ring It is formed so as to surround the side wall of the radiating portion 23c.
  • the lower part of the discharge plate 25 is inserted into the radiation nozzle 23, and the lower end of the discharge plate 25 extends to the boundary point between the extension 23d and the radiation unit 23c of the radiation nozzle 23.
  • the thermoplastic resin in a molten state can be guided to the inlet of the spinning hole 23a.
  • the pack body 21 is maintained at 50 to 350 ° C. from the pack body heater 22.
  • the temperature of the pack body 21 is less than 50 ° C., most of the resin is not melted and hardened, and spinning is difficult. If the temperature exceeds 350 ° C, deterioration of physical properties of the fiber due to rapid thermal decomposition of the resin occurs, which is not preferable.
  • the temperature of the radiating part 23c of the spinning nozzle 23 heated by the heating body 26 is higher than the temperature of the pack body 21, for example, the pack body 21 temperature is 300 ° C, It is preferable to keep the temperature of the spinning part 23c at 350-700 degreeC, and the temperature which heats the spinning hole 23a part rather than the temperature which heats the molten resin in the pack body 21 is set higher.
  • the inner wall of the fixing portion 23b and the extension portion 23d of the spinning nozzle 23 and the opposite side thereof A space portion 27 is formed between the outer walls of the plate 25, and an air flow hole 28 is formed in the extension portion 23d of the spinning nozzle 23 to communicate the space portion 27 with the outside.
  • thermoplastic resin in the molten state introduced into the spinning nozzle 23 through the distribution plate 24 and the discharge plate 25 is spun through the spinning hole 23a to form fibers.
  • Forming (F) by cooling the fiber (F) after spinning and stretching the cooled fiber (F) with a combustor to produce a high-strength thermoplastic polymer fiber.
  • the heating body 26 by heating the radiating portion 23c of the spinning nozzle 23 exposed to the outside of the pack body 21 at a temperature of 50 ⁇ 400 °C higher than the temperature of the pack body 21,
  • mechanical properties such as strength and elongation of the thermoplastic polymer fiber can be improved.
  • the radiating part 23c of the radiating nozzle 23 is located outside the pack body 21 by the extension part 23d, and at the same time, a space part provided between the radiating nozzle 23 and the discharge plate 15 ( 27, the high temperature of the heating body 26 is transmitted to the inside of the pack body 21 through the radiation nozzle 23 to minimize the increase in temperature. It is possible to prevent deterioration of physical properties due to deterioration of the molten polymer.
  • FIG. 2 is installed on the outside of the second embodiment shows an emission nozzle device according to the embodiment, the second embodiment of the spinning nozzle device pack body 31 and the pack body 31 of the as shown in the present invention pack A pack body heater 32 for providing a heat source to the body 31 and a distribution plate 34 and a small flow plate 35 installed in the pack body 31 to introduce a molten thermoplastic resin into the spinning nozzle 33. ).
  • the sorbent plate 35 is a first sorbent plate 35a installed in the pack body 31 and a second vortex placed on the outside of the pack body 31 and detachable from the first sorbent plate 35a. It is made of a plate (35b), the radiation nozzle 33 is detachably installed in the lower portion of the second flow plate (35b) to be located outside the pack body (31). At this time, a plurality of spinning holes 33a are formed in the spinning nozzle 33 located outside the pack body 31 to melt-spun the thermoplastic resin to form fibers F, and the spinning holes 33a A heating body 36 for heating the portion to a temperature higher than the temperature of the pack body 31 is provided.
  • the detachable structure of the first pleated plate 35a and the second pleated plate 35b forms a female screw portion 38 on the first pleated plate 35a, and a male screw portion 39 on the second pleated plate 35b. Forming a hexagonal head portion 39a which can be attached and detached by these screw couplings, and on the male screw portion 39 of the second water flow plate 35b to facilitate rotation of the second water flow plate 35b. It is preferable.
  • the detachable structure of the spinning nozzle 33 and the second solving plate 35b is inserted into the upper portion of the spinning nozzle 33 on the bottom surface of the second solving plate 35b, and screwed to the second solving plate 35b.
  • the edge of the spinning nozzle 33 is fixed to the second pleural plate 35b by using the fixed rim plate 40, and the spinning hole 33a of the spinning nozzle 33 is exposed to the fixed rim plate 40. It is comprised by forming the opening part 40a.
  • the outer wall and the upper surface of the second discharge plate 35b and the spinning nozzle 33 are surrounded by a heating body 36 for heating a portion of the spinning hole 33a of the spinning nozzle 33.
  • the pack body 31 is maintained at 50 to 350 ° C. from the pack body heater 32.
  • the temperature of the pack body 31 is less than 50 ° C., most of the resin cannot melt and harden, and spinning is difficult. If the temperature exceeds 350 ° C, deterioration of physical properties of the fiber due to rapid thermal decomposition of the resin occurs, which is not preferable.
  • the temperature of the part of the spinning hole 33a of the spinning nozzle 33 heated from the heating body 36 is higher than the pack body 31, for example, if the pack body 31 temperature is 300 ° C. It is preferable to keep the temperature of the spinning hole 33a portion of the nozzle 33 at 350 to 700 ° C, and the temperature of heating the spinning hole 33a portion rather than the temperature of heating the molten resin in the pack body 31. Is set high.
  • the thermoplastic resin in the molten state introduced into the spinning nozzle 33 installed outside the pack body 31 through the distribution plate 34 and the drainage plate 35 is formed in the spinning nozzle ( High-strength thermoplastic polymer through the process of spinning through the spinning hole 33a of 33) to form the fiber (F), cooling the fiber (F) after spinning and stretching the cooled fiber (F) with a combustor To produce fibers.
  • the heating body 36 instantaneously heats the spinning nozzle 33 located outside the pack body 31 to a temperature of 50 to 400 ° C. or more higher than the temperature of the pack body 31 to thereby open the spinning hole 33a.
  • the outside air flows to the space portion 37 between the heating element 36 and the pack body 31, and the male screw portion 39 of the second water flow plate 35b is exposed to the space portion 37. Therefore, the high temperature of the heating body 36 is transferred to the pack body 31 and the first sorbent plate 35a to minimize the increase in temperature, thereby preventing the degradation of physical properties due to deterioration of the molten polymer.
  • the radiation nozzle device of the second embodiment is configured to be detachable from the second flow plate 35b, when the radiation nozzle 33 is to be replaced, the radiation nozzle 33 is separated from the second flow plate 35b. Since it is possible to separate and replace, the replacement operation is made very quickly and easily, there is a very convenient advantage even during the cleaning operation for the spinning hole (33a) of the spinning nozzle (33).
  • the spinning nozzle apparatus of the third embodiment includes a pack body 41 and an outer side of the pack body.
  • the heating body 46 is disposed below the spinning hole 43a of the spinning nozzle 43 so that the fiber after spinning is at a temperature higher than the temperature of the pack body 41. Heat.
  • the insulating layer 40 provided between the radiating nozzle 43 and the heating body 46 is provided, the heating body 46 is a hole-type heating hole 46a so that each fiber passes after spinning.
  • strip-shaped heating holes 46b arranged in a row.
  • the spinning nozzle 43 spins the thermoplastic resin in a molten state through the spinning hole 43a to form a fiber F, and after the spinning, the fiber F is heat treated by passing through a heating body, and the heating is performed.
  • the high-strength thermoplastic polymer fibers are manufactured by cooling the treated fibers (F) and stretching the cooled fibers (F) with an in-line stretching machine and winding them up.
  • the heating body 46 forms a hole-type heating hole 46a having the same structure and number as the spinning hole 43a of the spinning nozzle 43. It consists of a heating body, and after spinning, the fiber F passes through each heating hole 46a, and it is designed so that it may not directly contact (for example, heat conduction) with the heating hole 46a when it passes.
  • the distance a1 from the inner circumferential surface of the heating hole 46a to the center of the fiber F is preferably set within 1 to 300 mm, more preferably in the range of 1 to 30 mm.
  • the heating hole 46a can maintain a uniform temperature at the same distance in the 360 degree direction from the center of the heating hole 46a.
  • FIG. 5 is a sectional view taken along the line II of FIG. 3, in the case of the spinning nozzle in which the spinning holes are arranged concentrically, as shown in (a), in a line concentrically.
  • a band-shaped heating hole 46b is formed to be circular so that the fibers F radiated from the plurality of spinning holes arranged together pass, or as shown in (b), the spinning holes are arranged in a straight line.
  • a band-shaped heating hole of various shapes such as an arc shape, a mountain shape, or a combination of various types of heating holes.
  • the strip-shaped heating hole 46b has a distance a1 between the inner circumferential surface and the center of the fiber F within 1 to 300 mm, more preferably 1 to 30 mm. Set to mm range.
  • the radiating nozzle 43 and the heating body 46 are not thermally transferred to each other.
  • an insulating material layer is formed between the radiating nozzle 43 and the heating body 46. 40.
  • the temperature of the spinning nozzle 43 is equal to the temperature of the pack body heater 41.
  • the heat insulation layer 40 performs a function of heat transfer blocking so that a high temperature of temperature provided by the heating body 46 positioned directly below the spinning nozzle 43 is not transmitted to the spinning nozzle 43, and thus a thermoplastic resin, for example,
  • a thermoplastic resin for example, it is possible to prevent the problem that the raw material made of a polyester-based polymer resin deteriorates in the spinning nozzle 43, thereby deteriorating physical properties.
  • the material for the heat insulating material layer 40 may use a known heat insulating material that implements a heat insulating effect, preferably an inorganic high temperature fire resistant heat insulating material containing glass and ceramic compounds.
  • the thickness a2 of the heat insulating material layer 40 is set so that the distance between the radiation nozzle 43 and the heating body 46 may be in the range of 1 to 30 mm. For example, when the thickness a2 exceeds 30 mm, the fiber F formed after spinning from the spinning nozzle 43 is cooled before being heat treated by the heating body 46, so that it is difficult to effectively control the molten structure. Not.
  • the extension length a3 of the heating body 46 is set to 1 to 500 mm from the joint surface with the heat insulating material layer 40, and the thickness a2 of the heat insulating material layer 40 and the extension length of the heating body 46. (a3).
  • the heating body 46 of 3rd Embodiment is 1-500 mm from the thickness a2 of the heat insulating material layer 403 set within 1-30 mm directly under the spinning nozzle 43, and the said heat insulating material layer 40.
  • the fiber F is heated indirectly (e.g., radiation) after spinning while passing through the heating body 46 formed in the extension length a3.
  • the mechanical properties can be improved by allowing all fibers F to be heated indirectly (for example, radiation) immediately after spinning.
  • the heating zone 50 including the heating element 46 and the heat insulating material layer 40 shown in the above-described third embodiment can be directly applied without a design change directly under the spinning nozzle 43 which is commercially available. It is possible to produce high performance fibers at low cost, mass production and low cost.
  • the entire fiber F discharged after spinning is instantaneously heated to a uniformly high temperature by a heating body 46 at a constant distance, thereby controlling the molecular chain entanglement structure in the molten phase to lower the melt viscosity.
  • the spinning nozzle apparatus of the fourth embodiment includes a pack body 51 and an outer side of the pack body.
  • the spinning nozzle apparatus for producing high-strength fibers of the fourth embodiment is disposed near the spinning hole 53a of the spinning nozzle 53 to heat the vicinity of the spinning hole to a temperature higher than the temperature of the pack body 51 and spin at the same time.
  • a heating body 56 for heating the fibers after the heating and the heating body 56 is a hole-type heating hole 56a or a strip-shaped heating hole 56b arranged in a line so that each fiber passes after spinning. It has a 56c, and provides a spinning nozzle apparatus for producing a high-strength fiber made by contacting the heating body 56 in the lower portion of the spinning nozzle 53 or inserting a part of the heating body.
  • the lower surface position b1 of the radiation nozzle 53 is exposed from 1 to 300 mm from the lower surface of the pack body 51.
  • the heating body 56 is inserted into the lower surface of the spinning nozzle 53 at a contact or insertion depth b2 of 0 to 50 mm without the heat insulating material layer directly under the spinning nozzle 53 and is radiated.
  • the heating body 56 extends from the lower surface of the nozzle 53 to a length of 0 to 500 mm, and the insertion length b2 of which the heating body 56 is inserted into the spinning nozzle 53.
  • a gap b4 of 0 to 10 mm is formed between the upper surface of the heating body 56 inserted into the radiation nozzle 53 and the bottom surface of the radiation nozzle 53 opposite thereto.
  • the heating body 56 and the surface of the nozzle body 52 directly contact each other (gap: 0 mm) or are heated in a direct or indirect (eg, conduction or radiation) to a gap b4 of up to 10 mm in the radiation nozzle 53 before spinning.
  • the molten thermoplastic resin in the vicinity of the spinning hole 53a is first heated (eg, conductive) directly.
  • the heating zone 60 is the insertion length (b2) of the heating body 56 inserted into the lower portion of the spinning nozzle 53 in the thermoplastic resin molten near the spinning hole 53a in the spinning nozzle 53 before spinning.
  • the extension length (b3) of the heating body 81 which is heated directly or indirectly (e.g., conduction or radiation) by the gap b4, and then extends from 0 to 500 mm in length from the bottom surface of the spinning nozzle 53.
  • the fibers F in the molten state before solidification discharged from the nozzle body 52 after spinning are secondarily indirectly heated (for example, radiant).
  • the lower surface position b1 of the spinning nozzle 53 is designed to be exposed to 1 to 300 mm from the lower surface of the pack body 60. It is preferable.
  • the heating zone 60 of the fourth embodiment directly transmits high-temperature heat to the vicinity of the spinning hole 53a of the spinning nozzle 53 due to the structural change of the lower end in the spinning nozzle 53 which is actually commercialized.
  • the heat transfer method of the double heating which indirectly heats the fiber F by the heating body 56 formed directly under the nozzle 53, the molten-phase molecular entanglement structure in the molten phase is instantaneously heated.
  • mechanical properties such as strength and elongation can be improved.
  • the fourth embodiment can be applied immediately after changing the spinning nozzle 53 lower structure is actually commercialized, it is possible to lower the initial investment cost, and to produce high-performance fibers at high volume and low cost.
  • the heating body 56 is partially inserted into the spinning nozzle 53 to heat the vicinity of the spinning hole 53a of the spinning nozzle 53 to emit the viscosity of the melted resin through the spinning hole. Since it is possible to relax, productivity can be improved by increasing the draw ratio and spinning speed, and in particular, "radiation of ultra high molecular weight resin", which was previously impossible to spin with high viscosity by reducing the viscosity in the vicinity of the spinning hole 53a, High strength can be achieved.
  • the heating holes 56a, 56b, 56c of the heating body 56 are the hole-type heating holes or the band-type type described in the third embodiment. Is the same as the heating hole.
  • the heating holes 46a, 46b, 46c, 56a, 56b, and 56c of the heating bodies 46 and 56 are the chambers of the radiation nozzles 43 and 53.
  • the fibers F discharged after spinning are locally heated while passing through the heating bodies 46 and 56 as they are.
  • the hole-type heating holes 46a and 56a maintain the structure of the spinning holes 43a and 53a of the spinning nozzles 43 and 53, and the inner circumferential surfaces of the nozzle bodies 12 and 52 are radiated.
  • the temperature is maintained at the same distance in the 360 degree direction from the center of the radiation holes 43a and 53a of each of the radiation nozzles 43 and 53.
  • the strip-shaped heating holes 46b and 56b have a linear structure facing 180 degrees around the spinning holes 43a and 53a of the spinning nozzles 43 and 53, and from the center of the spinning holes 43a and 53a. It is a structure formed to be symmetrical within 1-300 mm.
  • the heating holes 46a, 46b, 46c, 56a, 56b, 56c are designed by an indirect heating method in which the fiber F passed after spinning is not directly in contact with heat, and the heating holes 46a, 46b, 46c, 56a,
  • the sizes of 56b and 56c are close to less than 1 mm from the center of the spinning holes 43a and 53a of the spinning nozzles 43 and 53, there is a high possibility that the heating elements 46 and 56 are in contact with the fiber F. Contamination of the heating elements 46 and 56 and trimming of the fiber F occur, deteriorating the fiber quality and workability, and deteriorating the fiber F due to excessive heat exposure. It is not preferable because sufficient heat transfer in (F) is difficult to control the molecular chain entanglement structure in the molten fiber polymer and the physical property improvement effect is lowered.
  • the hole diameter D is 0.01 to 5 mm
  • the hole length L is L / D 1 or more
  • the number of holes 11 and 51 in the nozzle body is 1 or more.
  • the pitch between the radiation holes 43a and 53a is 1 mm or more, and the cross-sections of the radiation holes 43a and 53a illustrate a circle in the embodiment of the present invention. +,-, O, etc.) may also be applied.
  • the spinneret including the spinneret 10 and 50 may enable two or more types of complex spinning, such as a sheath-core type, a side-byside type, and an island-in-sea type.
  • the hole-type heating holes 46a and 56a of the unheated body 46 and 56 have the structure of the radiation holes 43a and 53a of the spinning nozzles 43 and 53. Since the number and the same, and thus includes all types of hole structure, such as round, oval, square, donut.
  • the temperature of the heating bodies 26, 36, 46, and 56 is the same as that of the pack body heaters 22, 32, 42, and 52. Or it can be adjusted by the heat, and as an example of the electric heating wire, Cu-based and Al-based casting heater, electromagnetic induction induction heater, near infrared heater, carbon heater, ceramic heater, PTC heater, quartz tube heater, halogen It may be provided by any one selected from a heater or the like.
  • thermoplastic resins can be applied without limitation, and more preferably, it is particularly advantageous for application of heat-sensitive polymer resins.
  • it can be applied to the spin nozzle apparatus commercially available with a minimum design change, it is possible to lower the initial investment cost, and to produce high-performance fibers at a mass production and low cost.
  • thermoplastic resin nylon, PP, PE or the like can be used in addition to the polyester polymer (PET, PBT, PTT, PEN, etc.).
  • polyester fibers are most preferred, and are applicable to the fields of PET, long fibers, non-woven fabrics, and the like, and may also be grafted to manufacturing fields such as films, sheets, moldings, and containers. will be.
  • the radiation nozzles 23, 33, 43, 53 pass through the radiation holes 23a, 33a, 43a, 53a. Optimization of residence time, flow rate and shear rate of the molten polymer is required.
  • the residence time of the spinning holes 23a, 33a, 43a, 53a of the preferred molten polymer is 3 seconds or less, and the flow rate is performed at least 0.01 cc / min or more.
  • the residence time exceeds 3 seconds, the molten polymer is exposed to excessive heat for a long time, causing deterioration problems, and if the flow rate is less than 0.01 cc / min, this also exposes excessive heat to the molten polymer. Deterioration problem occurs and is not preferable.
  • the shear rate of the wall surface of the spinning holes 23a, 33a, 43a, 53a of the spinning nozzles 23, 33, 43, 53 is 500;
  • the shear rate is less than 500 / sec, the molecular orientation and the structure control effect of the molten polymer due to low shear stress are reduced, and when the shear rate is higher than 500,000 / sec, Melt fractures occur and result in uneven fiber cross sections.
  • the spinning nozzle apparatus of the first to fourth embodiments described above can be applied to a melt spinning process using at least one thermoplastic polymer as a raw material. Specifically, it can be applied to the monofilament alone or composite spinning process, it can be carried out at a spinning speed of 0.1 to 200 m / min, to provide a monofilament of 0.01 to 3 mm fiber diameter.
  • the spinning nozzle apparatus of the first to fourth embodiments has a low-speed spinning method (UDY, 100 to 2000 m / min), a medium and low speed spinning method (POY, 2000 to 4000 m / min), a high speed spinning method (HOY, 4000 m / min or more), spinning and in-line stretching process (SDY), can be applied to the fiber (F) (long fiber) alone or composite spinning process of 100 d / f or less.
  • UY low-speed spinning method
  • POY medium and low speed spinning method
  • HOY high speed spinning method
  • SDY spinning and in-line stretching process
  • the spinning nozzle apparatus of the present invention improves the physical properties while utilizing the actual design of the spinning nozzle apparatus commercially available and existing processes such as a melt spinning process and a stretching process, thereby lowering the initial investment cost, mass production and low cost. High performance fiber production is possible.
  • marine cords such as tire cords, automobiles, trains, aviation, ships, interior materials, civil and building materials, electronic materials, ropes and nets. It is useful for military use, and also useful for clothing and daily use such as light sportswear and work clothes, military uniform, furniture and interior, sporting goods, etc., thus securing a wide range of markets.
  • the local high temperature heating method using the spinning nozzle apparatus of the first embodiment was carried out, but as shown in Table 1, the intrinsic viscosity of the PET resin was changed, and high-strength PET fibers were prepared by performing the following low-speed spinning and offline stretching.
  • Example 1 PET (I.V. 0.65)
  • Example 2 PET (I.V.1.20)
  • the undrawn yarns (as-spun) prepared in Examples 1 and 2 and The fiber properties of the stretched yarn showed high results compared to the fibers of Comparative Examples 1 and 2, which were performed in the same manner except that the fiber properties of the drawn yarn were performed without the nozzle local high temperature heating. From these results, it was confirmed that the physical properties of both low molecular weight and high molecular weight PET resins were controlled by molecular chain entanglement by nozzle localized high temperature heating.
  • the maximum stretchable ratio of the low-molecular weight and high-molecular-weight PET fibers increased by 10% or more, compared to the existing Comparative Examples 1 and 2, and the obtained fiber also had a similar strength of 15% or more. Improved.
  • the local high temperature heating method using the spinning nozzle apparatus of the second embodiment was performed, but the local heating temperature was changed as shown in Table 2, and the following low-speed spinning and offline stretching were performed to prepare high-strength PET fibers.
  • the fiber and the nozzle portion of Examples 3 and 4 manufactured by changing the heating temperature through the nozzle localized high temperature heating of the PET resin having an intrinsic viscosity of 1.2 using the spinning nozzle apparatus of the second embodiment.
  • the fiber properties of the drawn yarn were higher than that of Comparative Example 3 fiber, which was performed in the same manner except that the fiber properties were performed without the nozzle local high temperature heating.
  • the higher the local heating temperature the higher the fiber properties.
  • the local high temperature heating method using the spinning nozzle apparatus of the third embodiment was performed, but the high-strength PET fibers were prepared by the following process conditions.
  • the strength is 231 MPa and the elongation of 455% of the PET fiber obtained in the on state of the heating body 46, compared to the strength of 230 MPa and the elongation of 435% of the PET fiber obtained in the off state of the heating body 46. Toughness increased by%.
  • the local high temperature heating method using the spinning nozzle apparatus of the fourth embodiment was performed, but the high-strength PET fibers were prepared by the following process conditions.
  • the strength is 211 MPa and elongation 520% of the PET fiber obtained in the heating body 56 on state, and the strength is increased by 7.2% in similar range or elongation. Toughness was increased.
  • the strength was 1175 MPa and elongation 13.8% of the PET fiber obtained in the heating body 56 on state, and the strength increased by 25% in similar range or elongation. Toughness was increased.
  • the spinning nozzle apparatus for producing a high strength fiber of the present invention is to optimize the heating method of the spinning hole portion while placing the spinning hole portion of the spinning nozzle outside the pack body in the melt-combined spinning process.
  • Strength and elongation were improved by controlling the molecular chain entanglement structure of the molten phase polymer by instantaneous high temperature heating to improve the stretchability of the thermoplastic polymer fibers.
  • High-strength fiber spinning nozzle apparatus of the present invention by lowering the melt viscosity of the resin, delaying the cooling rate of the fiber and improving the stretchability while utilizing existing processes such as melt spinning process and stretching process, lowering the initial investment cost, mass production and High performance fiber can be produced at low cost.
  • polyester yarn of high strength of the thermoplastic polymer it is useful for marine and military use such as tire cords, interior materials for transportation of automobiles, trains, aviation, ships, civil engineering and building materials, electronic materials, ropes and nets
  • clothing and daily use such as lightweight sportswear and work clothes, military uniforms, furniture and interiors, and sporting goods, thereby securing a wide range of markets.
  • a high-strength PET fiber it can be applied to the field of fiber, such as PET long fibers and short fibers, non-woven fabrics, and can also be used in the field of manufacturing films, sheets, molding, containers and the like using the same.

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Abstract

본 발명은 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치에 관한 것이다. 본 발명은 방사노즐의 방사용 홀을 팩바디 외부에 위치시키고 별도의 가열체를 이용하여 팩바디 보다 높은 온도로 가열함으로써 용융상 고분자내 분자쇄 얽힘 구조를 제어하여 열가소성 고분자 섬유의 강도 및 신도 등의 기계적 물성을 개선하고, 가열체의 고온이 팩바디에 열전달 되어 온도를 상승시키는 것을 최소화함으로써 팩바디 내 용융 고분자의 열화로 인한 물성저하를 방지할 수 있다. 또한 본 발명의 방사노즐장치는 실제 상용화되는 방사노즐 설계와 용융방사공정 및 연신공정의 기존 공정을 활용하면서 수지의 용융점도를 낮추고 섬유의 냉각속도를 지연함과 동시에 연신성을 개선하므로, 저비용으로 고성능의 섬유를 대량생산할 수 있다.

Description

고강도 섬유 제조용 방사노즐장치
본 발명은 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 방사노즐을 통해 열가소성 수지를 용융방사하는 공정에서 방사부분에 대한 가열방식을 최적화하여, 방사노즐에서 토출되는 용융상의 섬유 온도를 열분해가 일어나지 않는 짧은 시간 동안 팩바디 온도보다 고온으로 승온시켜 국부 가열함으로써, 순간 고온 가열에 의해 분자량 저하 없이 열가소성 수지의 용융상 고분자내 분자쇄 얽힘 구조를 제어하여 섬유의 연신성을 향상시켜 강도 및 신도 등의 기계적 물성을 개선함과 동시에, 용융방사 공정 및 연신 공정의 기존 공정을 활용하면서 방사시 수지의 용융점도(노즐 전단압)를 낮추어 보다 고점도 수지의 방사가 가능하게 하며, 섬유의 냉각속도를 지연하여 방사 장력(배향)을 낮춤으로써 방사속도(생산속도)를 추가적으로 개선할 수 있게 하여, 저비용으로 고강도의 섬유를 대량생산할 수 있는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치에 관한 것이다.
상업화된 PET 섬유 중 현재까지 알려진 최대강도는 1.1 GPa 정도이며, 이론적인 강도대비 최대 발현할 수 있는 강도가 다른 고강도 섬유(극한성능 파라계-아라미드(케블라, Kevlar) 섬유 약 2.9 GPa)대비, 1/3 수준인 3 내지 4%에 머물고 있다. 이에, 일반 의류나 생활용 또는 산업용 일부(타이어 코드) 섬유 소재를 제외한 극한 성능이 요구되는 산업용 섬유 소재로 적용하기에는 한계가 있다.
상기와 같이, 비액정 열가소성 고분자 섬유인 PET와 나일론계 섬유는 액정 폴리머(LCP) 섬유인 PBO(자일론, Zylon), 파라계-아라미드(케블라)계 섬유보다 강도가 낮고, 이론대비 실제 강도를 극단적으로 올릴 수 없는데, 그 이유는 수지에서 섬유상으로 가공할 때 구조형성의 거동에서 차이가 있기 때문이다.
즉, 액정 폴리머(LCP)는 용액 상태에서 액정상의 구조를 이루고 있기 때문에 적절한 전단응력을 부여한다면, 방사 전후의 섬유구조 엔트로피 차이가 작아 대단히 높은 배향도 및 결정성을 가지는 섬유 구조로 형성하여 고강도 고성능 섬유로 제조할 수 있다.
반면에, PET와 나일론계 비액정 열가소성 폴리머는 용융 상태에서 고분자 사슬이 비결정의 랜덤 코일상으로 얽혀있는 복잡한 구조로 이루어져 있기 때문에, 방사노즐에서 고도의 전단응력 및 이후 연신비(드래프트 및 연신비율 등)를 부여하더라도, 랜덤 코일상으로 얽혀있는 구조로 인해, 완전한 배향 결정화(고강도화)가 상대적으로 어려운 문제가 있다. 이때, 방사 전후의 섬유구조 엔트로피간 큰 차이를 보인다.
한편, 범용 열가소성 고분자의 구조적으로 불리한 점에도 불구하고, 종래 대비 상대적으로 고강도의 열가소성 고분자 섬유를 개발할 수 있다면, 적용 시장 및 파급 효과가 대단히 크기 때문에, 최근 일본의 섬유업계를 중심으로 종래 범용 PET 섬유의 물성의 극대화 및 한계성능을 올리기 위해 다양한 연구가 진행되고 있다.
그 일례로, 고강도 섬유를 제조하는 연구로서, 초고분자량의 PET 수지를 이용하거나[Ziabicki, A., "Effect of Molecular Weight on Melt Spinning and Mechanical Properties of High-Performance Poly(ethylene terephthalate) Fibers", Text. Res. J., 1996, 66, 705-712; Sugimoto, M., et al., "Melt Rheology of Polypropylene Containing Small Amounts of High-Molucular-Weight Chain. 2. Uniaxial and Biaxial Extensional Flow", Macromol., 2001, 34, 6056-6063], 용융방사에 응고 욕조 기술을 적용하여 배향을 극대화하려는 연구[Ito M., et al., "Effect of Sample Geometry and Draw Conditions on the Mechanical Properties of Drawn Poly(ethylene terephthalate)", Polymer, 1990, 31, 58-63]가 보고되고 있다.
그러나, 상기 연구들은 고강도 PET 섬유를 개발하기 위한 실험실 규모의 접근방식인 점을 고려한다면, 물성향상의 효과에 비해 작업성 및 생산성의 한계로 인해 상용화는 이루어지지 않고 있다.
또한 최근 일본에서는 PET, 나일론 등의 범용 열가소성 고분자를 이용하여 용융방사 공정을 기반으로 제조비용이 2배 이상 상승하지 않는 범위 내에서 기존 섬유를 1.1GPa에서 2GPa의 강도로 고강도화하는 연구개발을 보고하고 있다.
나아가, 최종적으로 산업용 섬유로서 소비량이 가장 많은 타이어 코드에 빠른 시일 내에 적용하고 실용화할 목적으로 추진되는 연구개발 분야로는 용융구조 제어기술, 분자량 제어기술, 연신/열처리기술 및 평가/분석기술이 있다.
특히, 이중에서 용융구조 제어기술은 종래 고화된 섬유의 분자배향 및 결정화를 통해 섬유구조의 형성 거동을 제어하여 섬유의 고강도화를 구현한 연구와는 달리, 용융상 고분자내 분자쇄 얽힘(molecular entanglement) 구조를 제어하는 개념으로 접근하고 있으며, 비배향 무정형 섬유 내의 구조제어 및 거동을 규명함으로써, PET 섬유의 고강도화를 달성하고자 하였다.
이에, 용융방사 공정에서 분자구조를 제어하기 위한 수단으로, 방사노즐장치 설계 및 레이저 히팅, 초임계 가스, 응고 욕조 등을 통해, 고강도 PET 섬유 개발을 보고하고 있다.
특히, 종래 용융방사 공정시 방사노즐장치 설계의 방법으로 고강도 PET 섬유를 제공하는데 방사노즐 부근을 국부가열하는 방법의 일례로서, 도 7은 방사노즐의 직하 보온법에 의한 국부가열의 실시형태이다.
구체적으로는, 용융방사 공정에 있어서 방사노즐장치는, 100∼350℃의 열원이 제공되는 팩바디 히터(Pack-Body Heater)(300)로부터 유지된 팩바디(Pack-Body)(200)에 방사노즐(100)이 고정되고, 방사노즐(100) 상부에 소류판(500)과 분배판(600)이 차례로 설치되어, 용융상태의 열가소성 수지는 분배판(600)과 소류판(500)을 통해 방사노즐(100)로 공급되어 방사노즐(100)의 방사용 홀(111)을 통해 방사된다.
방사 후 형성된 섬유(112)가 상온∼400℃ 고온의 전기 히터를 일정한 거리에 균일하게 적용하도록 20∼200㎜의 어닐링 히터(400)를 통과함으로써, 보다 저비용으로 고효율의 열전달이 가능하도록 되어 있다.
그러나, 상기 어닐링 히터(400)에 의한 섬유(112)의 국부 가열은 가열 목적이 아니라, 방사노즐(100) 하부의 방사용 홀(hole)(111)간 균일한 온도를 유지시키기 위한 보온용도로서 방사용 홀(111)간 온도 편차를 최소화함으로써 방사 작업성 및 품질 개선을 위해 적용될 뿐이고, 섬유(112)와 어닐링 히터(400)간의 거리가 멀어 섬유(112)에 균일한 가열이 적용되지 않는다.
종래 용융방사 공정내 방사노즐 부근을 국부가열하는 또 다른 방사노즐장치로서, 방사노즐의 방사용 홀 직경을 미세화하고 방사노즐 직하에서 CO2 레이저를 조사함으로써, 연신 후 PET 섬유 강도가 1.68 GPa(13.7 g/den.)이고 신도 9.1%인 고성능 PET 섬유의 제조가 보고되어 있다[Masuda, M., "Effect of the Control of Polymer Flow in the Vicinity of Spinning Nozzle on Mechanical Properties of Poly(ethylene terephthalate) Fibers", Intern. Polymer Processing, 2010, 25, 159-169].
이에, 도 8은 방사노즐의 직하에 레이저조사에 의한 국부가열의 실시형태이다. 구체적으로는, 방사 후 형성된 섬유(112)에 CO2 레이저 조사부(410)를 통해 조사된 CO2 레이저에 의해 직접 가열하는 방식으로 방사노즐(100) 하부가 팩바디(200) 하단으로 0∼3㎜ 돌출되고, 방사 직후 1∼10㎜ 위치에서 CO2 레이저가 조사된다.
그러나 방사노즐(100) 직하에서의 레이저 히팅은 특정한 섬유(112) 부위를 고온으로 가열하는 특징이 있으나, 수십에서 수만 개의 방사용 홀(111)이 있는 실제 상용화 방사노즐(100)에는 동시에 적용하기 어려운 한계가 있다.
이에, 본 발명자들은 종래 고강도 섬유의 제조공정에서 방사노즐 직하시 국부 가열방식의 문제점을 개선하고자 노력한 결과, 실제 상용화되는 방사노즐의 방사용 홀 부근을 가열하여 열전달 방식을 최적화함으로써, 방사 노즐에서 토출되는 용융상의 섬유 온도를 열분해가 일어나지 않는 짧은 시간 동안 팩바디 온도보다 고온으로 승온시켜 국부 가열함으로써, 순간 고온 가열에 의해 분자량 저하 없이 열가소성 수지의 용융상 고분자내 분자쇄 얽힘 구조를 제어하여 섬유의 연신성을 향상시켜 강도 및 신도 등의 기계적 물성을 개선함과 동시에, 용융방사 공정 및 연신 공정의 기존 공정을 활용하면서 방사시 수지의 용융점도(노즐 전단압)를 낮추어 보다 고점도 수지의 방사가 가능하며, 섬유의 냉각속도를 지연하여 방사 장력(배향) 을 낮춤으로써 방사속도(생산속도)를 추가적으로 개선할 수 있게 되어, 저비용으로 고강도의 섬유를 대량생산할 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 열가소성 수지의 용융방사공정에서 방사노즐의 방사용 홀 부분을 팩바디 외부에 위치시키고, 방사용 홀 부분에 대한 가열방식을 최적화한 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치를 구현하기 위한 바람직한 제1실시형태는, 팩바디(21)와, 상기 팩바디의 외측에 설치되어 팩바디에 열원을 제공하는 팩바디 히터(22)와, 상기 팩바디(21)에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사하는 방사노즐(23)과, 상기 팩바디 내에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사노즐에 유입시키기 위한 분배판(24) 및 소류판(25)을 포함하며, 상기 방사노즐(23)이 팩바디(21) 내부에 위치하는 고정부(23b)와, 팩바디(21) 외부에 위치한 방사부(23c)로 이루어지고, 상기 팩바디 외부에 위치한 방사부(23c)에는 다수개의 방사용 홀(23a)이 형성되어 열가소성 수지가 용융방사되어 섬유가 형성되고, 상기 방사부(23c)의 방사용 홀(23a) 부분을 팩바디(21)의 온도보다 높은 온도로 가열하기 위한 가열체(26)가 구비된 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치를 제공한다.
또한, 상기 제1실시형태에 있어서, 상기 방사노즐(23)은 고정부(23b)와 방사부(23c) 사이를 이격시키기 위한 연장부(23d)를 구비하고, 연장부(23d)는 팩바디(21)의 하단으로부터 10∼500mm 연장 형성되어 방사부(23c)에 형성된 방사용 홀(23a)이 팩바디 외부에 위치되도록 한다.
또한, 상기 제1실시형태에 있어서, 가열체(26)는 방사부(23c)의 측벽 둘레를 둘러싸도록 링 형상으로 설치되며, 상기 소류판(25)의 하부는 방사노즐(23) 내에 삽입되고, 상기 소류판(25)의 하부가 방사노즐(23)의 연장부(23d)와 방사부(23c)의 경계지점까지 연장되어 용융상태의 열가소성 수지가 방사용 홀(23a)의 입구까지 유도될 수 있도록 하는 것이 바람직하며, 상기 방사노즐의 고정부(23b) 및 연장부(23d)의 내측벽과 이에 대향하는 소류판(25)의 외측벽 사이에는 공간부(27)를 형성하고, 방사노즐의 연장부(23d)에는 상기 공간부(27)와 외부를 연통시키는 공기유통구멍(28)을 형성한다.
본 발명의 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치를 구현하기 위한 바람직한 제2실시형태는 팩바디(31)와, 상기 팩바디의 외측에 설치되어 팩바디에 열원을 제공하는 팩바디 히터(32)와, 상기 팩바디(31) 내에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사노즐에 유입시키는 분배판(34) 및 소류판(35)을 포함하며, 상기 소류판(35)이 상기 팩바디(31) 내부에 위치하는 제1 소류판(35a)과, 상기 팩바디(31) 외부에 위치하고 상기 제1 소류판(35a)과 착탈가능하도록 설계된 제2 소류판(35b)으로 이루어지고, 상기 방사노즐(33)이 상기 제2 소류판(35b) 하부에 착탈가능하게 설치되어 상기 팩바디(31) 외부에 위치하며, 상기 팩바디(31) 외부에 위치된 방사노즐(33)에 다수개의 방사용 홀(33a)이 형성되어 열가소성 수지가 용융방사되어 섬유가 형성되고, 상기 방사용 홀(33a) 부분을 팩바디(31)의 온도보다 높은 온도로 가열하기 위한 가열체(36)가 구비된 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치를 제공한다.
상기 제2실시형태에 있어서, 상기 가열체(36)는 상기 제2 소류판(35b) 및 방사노즐(33)의 측면둘레와 상면을 감싸는 형상으로 설치되고, 팩바디(31) 하단부와 상기 가열체(36) 사이에 공기가 유통하는 공간부(37)를 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치를 구현하기 위한 바람직한 제3실시형태는 팩바디(41)와, 상기 팩바디의 외측에 설치되어 팩바디에 열원을 제공하는 팩바디 히터(42)와, 상기 팩바디(41)에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사하는 다수개의 방사용 홀(43a)이 형성된 방사노즐(43)과, 상기 팩바디 내에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사노즐에 유입시키기 위한 분배판(44) 및 소류판(45)을 포함하며, 상기 방사노즐(43)의 방사 홀(43a) 하부에 배치되어 방사 후 섬유를 팩바디(41)의 온도보다 높은 온도로 가열하기 위한 가열체(46)를 포함하고, 상기 방사노즐(43)과 가열체(46) 사이에 구비된 단열재층(40)이 구비되고, 상기 가열체(46)가 방사 후 각각의 섬유가 통과하도록 홀형 타입의 가열구멍(46a) 또는 일렬로 배치된 띠형 타입의 가열구멍(46b)을 가지는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치를 제공한다.
상기 제3실시형태에 있어서, 상기 단열재층(40)의 두께는 1∼30mm로 설정하고, 상기 가열체(46)는 단열재층으로부터 1∼500mm 길이로 연장되며, 상기 단열재층의 두께와 가열체의 연장길이를 포함하여 섬유의 가열구역이 형성한다.
본 발명의 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치를 구현하기 위한 바람직한 제4실시형태는 팩바디(51)와, 상기 팩바디의 외측에 설치되어 팩바디에 열원을 제공하는 팩바디 히터(52)와, 상기 팩바디(51)에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사하는 다수개의 방사용 홀(53a)이 형성된 방사노즐(53)과, 상기 팩바디 내에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사노즐에 유입시키기 위한 분배판(54) 및 소류판(55)을 포함하며, 상기 방사노즐(53)의 방사 홀(53a) 부근에 배치되어 방사 홀 부근을 상기 팩바디(51)의 온도보다 높은 온도로 가열함과 동시에 방사 후 섬유를 가열하기 위한 가열체(56)를 포함하고, 상기 가열체(56)가 방사 후 각각의 섬유가 통과하도록 홀형 타입의 가열구멍(56a) 또는 일렬로 배치된 띠형 타입의 가열구멍(56b)을 가지고, 상기 방사노즐(53)의 하부에 상기 가열체(56)를 접촉 또는 가열체의 일부를 삽입하여 이루어진 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치를 제공한다.
상기 제4실시형태에 있어서, 상기 팩바디(51)로부터 방사노즐(53)의 하부면 위치는 팩바디 하부면을 기준으로 1∼300mm로 설정하고, 상기 방사노즐(53)의 하부면에, 접촉 또는 일부 삽입되는 가열체(56)의 삽입깊이는 0∼50㎜로 설정하고, 상기 방사노즐(53)의 하부면으로부터 연장되는 가열체(56)의 연장길이는 0∼500mm로 설정하며, 상기 방사노즐(53)의 하부에 일부 삽입된 가열체(56)의 삽입깊이와, 상기 방사노즐(53)의 하부면으로부터 연장된 가열체(56)의 연장길이를 포함하여 섬유의 가열구역을 형성한다.
또한, 제4실시형태에 있어서, 상기 방사노즐(53)의 하부에 일부 삽입된 가열체(56)의 상면과, 상기 가열체(56)의 상면이 대향하는 방사노즐(53)의 대향면 사이에 직접 접촉 또는 틈새를 형성하도록 하며, 방사노즐(53) 하부로 삽입되는 가열체(56)의 삽입깊이를 최대 50mm로 설정하여, 가열체(56)는 방사 전 방사노즐(53) 내에서 용융된 열가소성 수지의 직접 가열 및 노즐몸체 직하에서 섬유의 간접 가열을 동시에 수행하도록 설계된다.
본 발명의 제3실시형태 및 제4실시형태에 있어서, 상기 홀형 타입의 가열구멍 또는 띠형 타입의 가열구멍은, 안둘레면이 상기 섬유의 중심으로부터 1∼300㎜이내로 이격되도록 형성하는 것이 바람직하다.
상기의 특징적 구성을 가지는 본 발명의 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치에 의하면, 용융방사 공정에서 방사노즐의 방사부분에 대한 가열방식을 최적화한 것으로서, 실제 상용화되는 방사노즐의 방사용 홀을 팩바디 직하의 외부에 위치시키고 방사용 홀 부분을 가열체로 가열함으로써 열전달 방식을 최적화하고, 또한 순간 고온 가열에 의해 용용상 고분자내 분자쇄 얽힘 구조를 제어하여 열가소성 수지의 연신성을 향상시킴으로써 강도, 신도 등의 기계적 물성을 개선하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 고강도 섬유 제조용 방사노즐은, 용융방사 공정 및 연신 공정의 기존 공정을 활용하면서 구조가 간단하고 에너지 효율이 높은 가열장치를 사용함으로써 방사선상에서 섬유의 냉각속도를 효과적으로 지연하며 방사속도 및 연신속도를 향상시킴으로써, 초기 투자비를 낮추고, 대량생산 및 저비용으로 고성능의 섬유 생산이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 고강도 섬유 제조용 방사노즐은, 용융방사 공정 및 연신 공정의 기존 공정을 활용하면서 구조가 간단하고 에너지 효율이 높은 가열장치를 사용함으로써, 방사 홀 내 용융상의 수지의 점도를 분자량 저하 없이 효과적으로 낮춤으로써, 방사노즐의 사용주기가 길어지고, 보다 높은 전단속도 및 L/D의 홀 스펙(spec)을 갖는 방사노즐로 방사가 가능하여 방사 작업성 및 섬유 품질이 개선되며, 특히 이전에는 방사하지 못한 초고점도의 수지도 방사가 가능하여 초기 투자비를 낮추고, 저비용으로 고성능의 섬유 생산이 가능하다.
따라서, 대량생산 및 저비용으로 인한 가격 경쟁력, 다양한 섬유 물성 제어를 바탕으로 타이어 코드, 자동차, 열차, 항공, 선박 등의 수송용 내장재, 토목 및 건축자재, 전자재료, 로프 및 그물 등의 해양용 및 군사용도에 유용하고 이외에, 경량 스포츠웨어 및 작업복, 군복, 가구 및 인테리어, 스포츠 용품 등의 의류 및 생활용도로도 유용하여, 광범위한 시장확보가 가능하다.
이외에도 PET 장섬유 및 단섬유, 부직포 등의 섬유 분야에도 적용가능함은 물론이고, 이를 이용한 필름, 시트, 성형, 용기 등의 제조 분야에도 활용 가능할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 따른 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치를 나타낸 단면도이고,
도 2는 본 발명의 제2실시형태에 따른 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치를 나타낸 단면도이고,
도 3은 본 발명의 제3실시형태에 따른 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치를 나타낸 단면도이고,
도 4는 도 3의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도로서 홀형 타입의 가열구멍을 가지는 가열체 단면도이고,
도 5는 도 3의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도로서 띠형 타입(a) 또는 일직선 타입(b)의 가열구멍을 가지는 가열체 단면도이고,
도 6은 본 발명의 제4실시형태에 따른 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치를 나타낸 단면도이고,
도 7은 종래예의 방사노즐이 설치된 방사노즐장치의 방사부 단면도이고,
도 8은 다른 종래예의 방사노즐이 설치된 방사노즐장치의 방사부 단면도이다.
<부호의 설명>
21,31,41,51: 팩바디 22,32,42,52: 팩바디 히터
23,33,43,53: 방사노즐 23a,33a,43a,53a: 방사용 홀
23b: 고정부 23c: 방사부
23d: 연장부 24,34,44,54: 분배판
25,35,45,55: 소류판 35a,35b: 제1소류판, 제2소류판
26,36,46,56: 가열체 46a,46b,46c,56a,56b,56c: 가열구멍
27,37: 공간부 28: 공기유통구멍
38: 암나사부 39: 수나사부
40: 단열재층 F: 섬유
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 방사노즐장치를 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이 제1 실시형태의 방사노즐장치는, 팩바디(21)와, 상기 팩바디(21)의 외측에 설치되어 팩바디(21)에 열원을 제공하는 팩바디 히터(22)와, 상기 팩바디(21)에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사하는 방사노즐(23)과, 상기 팩바디(21) 내에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사노즐(23)에 유입시키기 위한 분배판(24) 및 소류판(25)을 구비한다.
제1실시형태에 있어서 방사노즐(23)은 팩바디(21) 내부에 위치하는 고정부(23b)와, 팩바디(21) 외부에 위치한 방사부(23c)로 이루어지고, 상기 팩바디 외부에 위치한 방사부(23c)로부터 다수개의 방사용 홀(23a)이 형성되어 열가소성 수지가 용융방사되어 섬유가 형성되고, 상기 방사부(23c)의 방사용 홀(23a) 부분을 팩바디(21)의 온도보다 높은 온도로 가열하기 위한 가열체(26)가 구비된다.
또한, 상기 제1실시형태에 있어서, 방사노즐(23)은 고정부(23b)와 방사부(23c) 사이를 이격시키기 위한 연장부(23d)를 구비하고, 상기 연장부(23d)는 팩바디(21)의 하단으로부터 10∼500mm 연장 형성됨에 따라, 방사부(23c)에 형성된 방사용 홀(23a)은 팩바디 외부에 위치한다.
즉, 상기 방사부(23c)에는 열가소성 수지를 용융방사하여 섬유(F)를 형성하는 다수개의 방사용 홀(23a)이 형성되어 있고, 상기 연장부(23d)는 팩바디(21)의 하단으로부터 10∼500mm, 더욱 바람직하게는 100∼300mm 연장 형성되어 방사부(23c) 및 방사용 홀(23a)이 팩바디(21) 외부에 위치하도록 되어 있다.
또한, 상기 방사노즐(23)의 방사부(23c)에는 팩바디(21) 외부에 위치한 방사용 홀(23a) 부분을 가열하기 위한 가열체(26)가 구비되고, 가열체(26)는 링 형태로 형성되어 방사부(23c)의 측벽 둘레를 둘러싸도록 설치된다.
또한, 소류판(25)의 하부는 방사노즐(23) 내에 삽입되고, 소류판(25)의 하단은 방사노즐(23)의 연장부(23d)와 방사부(23c)의 경계지점까지 연장되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사용 홀(23a)의 입구까지 유도할 수 있도록 되어 있다.
통상, 팩바디(21)는 팩바디 히터(22)로부터 50∼350℃로 유지되는 것으로, 팩바디(21)의 온도가 50℃ 미만이면, 대부분의 수지가 용융되지 못하고 굳어 방사가 곤란하고, 350℃를 초과하면, 수지의 급격한 열분해로 인한 섬유의 물성저하가 발생하여 바람직하지 않다.
이에 대하여 가열체(26)에 의해 가열되는 방사노즐(23)의 방사부(23c) 온도는 상기 팩바디(21)보다 높은 온도, 예를 들면 팩바디(21) 온도가 300℃라면 방사노즐의 방사부(23c) 온도는 350∼700℃로 유지하는 것이 바람직한 것으로, 팩바디(21) 내의 용융 수지를 가열하는 온도보다 방사용 홀(23a) 부분을 가열하는 온도를 높게 설정한다.
한편, 팩바디(21)와 방사노즐(23) 사이에는 상호 열 전달이 최소화되도록 구성된 것으로, 이를 위해 방사노즐(23)의 고정부(23b) 및 연장부(23d) 내측벽과 이에 대향하는 소류판(25)의 외측벽 사이에는 공간부(27)를 형성하고, 방사노즐(23)의 연장부(23d)에는 상기 공간부(27)와 외부를 연통시키는 공기유통구멍(28)을 형성한다.
이는 방사노즐(23)의 방사부(23c)를 팩바디(21) 외부에 위치시킴과 동시에, 방사노즐(23)과 소류판(25) 사이의 공간부(27)에 공기가 유통되도록 하여 가열체(26)에서 제공하는 고온이 방사노즐(23)을 통해 팩바디(21)에 전달되어 팩바디(21)의 온도가 상승하는 것에 의해 팩바디(21) 내의 열가소성 수지, 예를 들면 폴리에스테르계 고분자 수지로 이루어진 원료가 열화되어 물성이 저하되는 문제를 방지하기 위한 것이다.
이러한 제1 실시형태의 방사노즐장치에 의하면, 분배판(24) 및 소류판(25)을 통해 방사노즐(23)로 유입된 용융상태의 열가소성 수지는 방사용 홀(23a)을 통해 방사되어 섬유(F)를 형성하며, 방사 후 섬유(F)를 냉각시키고 상기 냉각된 섬유(F)를 가연기로 연신 후 권취하는 과정을 통해 고강도 열가소성 고분자 섬유를 제조하게 된다.
이때, 가열체(26)는 팩바디(21) 외부에 노출된 방사노즐(23)의 방사부(23c)를 팩바디(21)의 온도보다 50∼400℃이상 높은 온도로 순간 가열함으로써, 방사용 홀(23a)을 통해 방사되는 용융상의 고분자 내 분자쇄 얽힘 구조를 제어하여 열가소성 고분자 섬유의 강도 및 신도 등의 기계적 물성을 개선할 수 있다.
또한 방사노즐(23)의 방사부(23c)는 연장부(23d)에 의해 팩바디(21) 외부에 위치함과 동시에, 방사노즐(23)과 소류판(15) 사이에 구비된 공간부(27)로 외부의 공기가 유통하도록 한 구성에 의하여, 가열체(26)의 고온이 방사노즐(23)을 통해 팩바디(21) 내부로 전달되어 온도를 상승시키는 것을 최소화함으로써 팩바디(21) 내 용융 고분자의 열화로 인한 물성저하를 방지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2실시형태에 따른 방사노즐장치를 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이 제2실시형태의 방사노즐장치는 팩바디(31)와 상기 팩바디(31)의 외측에 설치되어 팩바디(31)에 열원을 제공하는 팩바디 히터(32)와 상기 팩바디(31) 내에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사노즐(33)에 유입시키기 위한 분배판(34) 및 소류판(35)을 구비한다.
상기 소류판(35)은 상기 팩바디(31) 내에 설치되는 제1 소류판(35a)과 상기 팩바디(31) 외부에 위치하여 상기 제1 소류판(35a)과 착탈가능하게 된 제2 소류판(35b)으로 이루어지고, 상기 방사노즐(33)은 상기 제2 소류판(35b) 하부에 착탈가능하게 설치되어 상기 팩바디(31) 외부에 위치하도록 되어 있다. 이때, 상기 팩바디(31) 외부에 위치된 방사노즐(33)에 다수개의 방사용 홀(33a)이 형성되어 열가소성 수지가 용융방사되어 섬유(F)가 형성되고, 상기 방사용 홀(33a) 부분을 팩바디(31)의 온도보다 높은 온도로 가열하기 위한 가열체(36)를 구비한다.
상기 제1 소류판(35a)과 제2 소류판(35b)의 착탈구조는 제1 소류판(35a)에 암나사부(38)를 형성하고, 제2 소류판(35b)에 수나사부(39)를 형성하여 이들의 나사결합에 의해 착탈 가능하고, 제2 소류판(35b)의 수나사부(39)에는 제2 소류판(35b)의 회전을 용이하게 하는 육각머리형상부(39a)를 형성하는 것이 바람직하다.
또한 상기 방사노즐(33)과 제2 소류판(35b)의 착탈구조는 제2 소류판(35b) 저면에 방사노즐(33)의 상부를 삽입하고, 제2 소류판(35b)에 나사결합되는 고정테두리판(40)을 이용하여 방사노즐(33)의 가장자리부를 제2 소류판(35b)에 고정하며, 고정테두리판(40)에는 방사노즐(33)의 방사용 홀(33a)이 노출되도록 개구부(40a)를 형성함으로써 구성한다.
또한, 상기 제2 소류판(35b)과 방사노즐(33)의 외측벽과 상면은 방사노즐(33)의 방사용 홀(33a) 부분을 가열하기 위한 가열체(36)로 둘러싸여 있다.
통상, 팩바디(31)는 팩바디 히터(32)로부터 50∼350℃로 유지되는 것으로, 팩바디(31)의 온도가 50℃ 미만이면, 대부분의 수지가 용융되지 못하고 굳어 방사가 곤란하고, 350℃를 초과하면, 수지의 급격한 열분해로 인한 섬유의 물성저하가 발생하여 바람직하지 않다.
이에 대하여 가열체(36)로부터 가열되는 방사노즐(33)의 방사용 홀(33a) 부분의 온도는 상기 팩바디(31)보다 높은 온도, 예를 들면 팩바디(31) 온도가 300℃라면 방사노즐(33)의 방사용 홀(33a) 부분의 온도는 350∼700℃로 유지하는 것이 바람직한 것으로, 팩바디(31) 내의 용융 수지를 가열하는 온도보다 방사용 홀(33a) 부분을 가열하는 온도를 높게 설정한다.
한편, 팩바디(31)와 가열체(36) 사이에는 상호 열전달이 최소화되도록 하는 것이 바람직한 것으로, 이를 위해 팩바디(31)와 가열체(36) 사이에 공간부(37)를 형성하여 공기가 흐를 수 있도록 하고, 또한 상기 공간부(37)를 통해 제2 소류판(35b)의 수나사부(39)가 외부에 노출되도록 한다.
이는 가열체(36)와 제2 소류판(35b)의 고온이 팩바디(31) 및 제1 소류판(35a)으로 열전달되어 팩바디(31) 및 제1 소류판(35a)의 온도를 상승시키는 것에 의해 팩바디(31) 및 제1 소류판(35a) 내의 열가소성 수지, 예를 들면 폴리에스테르계 고분자 수지로 이루어진 원료가 열화되어 물성이 저하되는 문제를 방지한다.
이러한 제2 실시형태의 방사노즐장치에 의하면, 분배판(34) 및 소류판(35)을 통해 팩바디(31) 외부에 설치된 방사노즐(33)로 유입된 용융상태의 열가소성 수지는 방사노즐(33)의 방사용 홀(33a)을 통해 방사되어 섬유(F)를 형성하며, 방사 후 섬유(F)를 냉각시키고 상기 냉각된 섬유(F)를 가연기로 연신 후 권취하는 과정을 통해 고강도 열가소성 고분자 섬유를 제조하게 된다.
이때, 가열체(36)는 팩바디(31) 외부에 위치된 방사노즐(33)을 팩바디(31)의 온도보다 50∼400℃ 이상 높은 온도로 순간 가열함으로써, 방사용 홀(33a)을 통해 방사되는 용융상의 고분자 내 분자쇄 얽힘 구조를 제어하여 열가소성 고분자 섬유의 강도 및 신도 등의 기계적 물성을 개선할 수 있다.
또한 가열체(36)와 팩바디(31) 사이의 공간부(37)로 외부의 공기가 유통하고, 제2 소류판(35b)의 수나사부(39)가 공간부(37)에 노출된 구성이므로, 가열체(36)의 고온이 팩바디(31) 및 제1 소류판(35a)으로 전달되어 온도를 상승시키는 것으로 최소화함으로써 용융 고분자의 열화로 인한 물성저하를 방지할 수 있다.
또한, 제2실시형태의 방사노즐장치는 방사노즐(33)을 제2 소류판(35b)으로부터 착탈 가능하게 구성된 것이므로, 방사노즐(33)을 교체하고자 하는 경우, 제2 소류판(35b)로부터 분리교체하면 되므로, 교체 작업이 매우 신속하고 간편하게 이루어지며, 방사노즐(33)의 방사용 홀(33a)에 대한 청소 작업시에도 매우 편리한 이점이 있다.
도 3은 본 발명의 제3실시형태에 따른 방사노즐장치를 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이 제3실시형태의 방사노즐장치는 팩바디(41)와, 상기 팩바디의 외측에 설치되어 팩바디에 열원을 제공하는 팩바디 히터(42)와, 상기 팩바디(41)에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사하는 다수개의 방사용 홀(43a)이 형성된 방사노즐(43)과 상기 팩바디 내에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사노즐에 유입시키기 위한 분배판(44) 및 소류판(45)을 구비한다.
상기 제3실시형태의 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치는 상기 방사노즐(43)의 방사 홀(43a) 하부에 가열체(46)를 배치하여 방사 후 섬유를 팩바디(41)의 온도보다 높은 온도로 가열한다. 또한, 상기 방사노즐(43)과 가열체(46) 사이에 구비된 단열재층(40)이 구비되며, 상기 가열체(46)는 방사 후 각각의 섬유가 통과되도록, 홀형 타입의 가열구멍(46a) 또는 일렬로 배치된 띠형 타입의 가열구멍(46b)을 가진다.
상기 방사노즐(43)은 방사용 홀(43a)을 통해 용융상태의 열가소성 수지를 방사하여 섬유(F)를 형성하고, 상기 방사 후 섬유(F)가 가열체를 통과하여 가열처리되며, 상기 가열처리된 섬유(F)를 냉각시키고 상기 냉각된 섬유(F)를 인라인(in-line) 연신기로 연신 후 권취하는 과정을 통해 고강도 열가소성 고분자 섬유를 제조하게 된다.
도 4는 도 3의 I-I 선 단면도로서 도시된 바와 같이, 가열체(46)는 방사노즐(43)의 방사용 홀(43a)과 동일한 구조와 개수로 이루어진 홀형 타입의 가열구멍(46a)을 형성한 가열체로 이루어지고, 방사 후 섬유(F)는 각각의 가열구멍(46a)을 통과하도록 되어 있으며, 가열구멍 통과시 가열구멍(46a)에 직접적으로 접촉(예: 열전도) 하지 않도록 설계되어 있다.
이를 위해, 가열구멍(46a)의 안둘레면에서 섬유(F) 중심까지의 거리(a1)는 1∼300㎜ 이내, 더욱 바람직하게는 1∼30㎜ 범위로 설정하는 것이 바람직하고, 이러한 홀형 타입의 가열구멍(46a)은 가열구멍(46a)의 중심으로부터 360도 방향으로 동일한 거리에서 균일한 온도를 유지할 수 있다.
또한, 상기 가열구멍(46a)의 변형예로서, 도 5는 도 3의 I-I 선 단면도로서 (a)에 도시된 바와 같이 방사용 홀이 동심원상으로 배치된 방사노즐의 경우, 동심원상으로 일렬로 배치된 복수개의 방사용 홀에서 방사되는 섬유(F)가 함께 통과하도록 원형으로 된 띠형 타입의 가열구멍(46b)을 형성하거나, (b)에 도시된 바와 같이 방사용 홀이 일직선상으로 일렬로 배치된 방사노즐의 경우, 일렬로 배치된 복수개의 방사용 홀에서 방사되는 섬유(F)가 통과하도록 직선형으로 된 띠형 타입의 가열구멍(46c)으로 형성할 수 있다. 이외에도 도시하지는 않았지만, 가열체(46)에 방사 홀이 배치된 형태에 따라, 원호형, 산형 등 다양한 형태의 띠형 타입 가열구멍으로 설계하거나, 여러 형태의 가열구멍을 조합하여 설계할 수 있다.
상기 띠형 타입의 가열구멍(46b)도 홀형 타입의 가열구멍(46a)과 마찬가지로, 안둘레면과 섬유(F) 중심까지의 거리(a1)를 1∼300㎜이내, 더욱 바람직하게는 1∼30㎜ 범위로 설정한다.
다시 도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 방사노즐(43)과 가열체(46)는 상호 열전달 되지 않도록 하는 것이 바람직한 것으로, 이를 위해 상기 방사노즐(43)과 가열체(46) 사이에 단열재층(40)을 구비한다.
방사노즐(43)의 온도는 팩바디 히터(41)의 온도와 동일하다. 상기 단열재층(40)은 방사노즐(43) 직하에 위치한 가열체(46)에서 제공하는 고온의 온도가 방사노즐(43)에 전달되지 않도록 열전달 차단의 기능을 수행하며, 이로써 열가소성 수지, 예를 들면 폴리에스테르계 고분자 수지로 이루어진 원료가 방사노즐(43) 내에서 열화되어 물성이 저하되는 문제를 방지할 수 있다. 이때, 단열재층(40)에 대한 재질은 단열효과를 구현하는 공지된 단열재를 사용할 수 있고, 바람직하게는 유리 및 세라믹계 화합물을 포함하는 무기계의 고온내화 단열재를 사용한다.
단열재층(40)의 두께(a2)는 방사노즐(43)과 가열체(46) 사이의 거리가 1∼30㎜ 범위가 되도록 설정한다. 예를 들어 상기 두께(a2)가 30㎜를 초과하면, 방사노즐(43)로부터 방사 후 형성되는 섬유(F)가 가열체(46)에 의해 열처리되기 전에 냉각되어 효과적인 용융구조 제어가 곤란하여 바람직하지 않다.
상기 가열체(46)의 연장길이(a3)는 단열재층(40)과의 접합면으로부터 1∼500㎜로 설정되며, 단열재층(40)의 두께(a2)와 가열체(46)의 연장길이(a3)를 포함한다.
즉, 제3 실시형태의 가열체(46)는 방사노즐(43) 직하면에 1∼30㎜ 이내로 설정된 단열재층(403)의 두께(a2) 및 상기 단열재층(40)으로부터 1∼500㎜의 연장길이(a3)로 형성된 가열체(46)를 통과하면서, 방사 후 섬유(F)가 간접(예: 복사) 가열되는 방식이다.
이때, 가열체(46) 직하에서부터 팩바디(41) 하단면까지의 거리(a4)를 1∼50㎜ 범위 이내로 설정함으로써, 상기 가열체(46)에서 단열재층(40) 전체와 가열체(46)의 일부가 팩바디(41) 내에 위치하도록 한다. 이로써, 방사 직후 모든 섬유(F)에 간접(예: 복사) 가열되도록 함으로써, 기계적 물성을 개선할 수 있다.
이상 설계된 제3 실시형태에 도시된 가열체(46) 및 단열재층(40)을 포함하는 가열구역(50)은 실제 상용화되는 방사노즐(43)의 직하에 설계변경 없이 바로 적용 가능하므로 초기 투자비를 낮추고, 대량생산 및 저비용으로 고성능의 섬유를 생산할 수 있다.
또한, 제3실시형태는 방사 후 토출되는 섬유(F) 전체를 가열체(46)에 의해 일정 거리에서 균일하게 고온으로 순간 가열함으로써, 용융상의 고분자 내 분자쇄 얽힘 구조를 제어하여 용융점도를 낮추고 연신성을 향상시키고, 단열재층(40)에 의해 고온의 열이 방사노즐(43)의 방사용 홀(43a)에 전달되지 않도록 함으로써, 용융 고분자의 열화로 인한 물성저하를 방지하여, 열가소성 고분자 섬유의 강도 및 신도를 개선하고, 저비용으로 고강도 섬유를 대량생산 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제4실시형태에 따른 방사노즐장치를 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이 제4실시형태의 방사노즐장치는 팩바디(51)와, 상기 팩바디의 외측에 설치되어 팩바디에 열원을 제공하는 팩바디 히터(52)와, 상기 팩바디(51)에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사하는 다수개의 방사용 홀(53a)이 형성된 방사노즐(53)과, 상기 팩바디 내에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사노즐에 유입시키기 위한 분배판(54) 및 소류판(55)을 구비한다.
상기 제4 실시형태의 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치는 상기 방사노즐(53)의 방사 홀(53a) 부근에 배치되어 방사 홀 부근을 상기 팩바디(51)의 온도보다 높은 온도로 가열함과 동시에 방사 후 섬유를 가열하기 위한 가열체(56)를 포함하고, 상기 가열체(56)가 방사 후 각각의 섬유가 통과하도록 홀형 타입의 가열구멍(56a) 또는 일렬로 배치된 띠형 타입의 가열구멍(56b, 56c)을 가지고, 상기 방사노즐(53)의 하부에 상기 가열체(56)를 접촉 또는 가열체의 일부를 삽입하여 이루어진 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치를 제공한다.
상기 제4실시형태에 있어서, 상기 팩바디(51)의 하부면으로부터 방사노즐(53)의 하부면 위치(b1)가 1∼300mm로 노출되어 설정된다.
또한, 제4실시형태에 있어서, 가열체(56)는 방사노즐(53) 직하에 단열재층 없이 방사노즐(53)의 하부면에, 접촉 또는 삽입깊이(b2) 0∼50㎜로 삽입되고 방사노즐(53)의 하부면으로부터 연장길이(b3) 0∼500mm의 길이로 연장된 가열체(56)로 이루어지며, 상기 방사노즐(53)에 가열체(56)가 삽입된 삽입길이(b2)와, 방사노즐(53)의 하부면으로부터 연장된 가열체(56)의 연장길이(b3)를 포함하여 가열구역(60)이 형성된다.
이때, 도 6의 부분확대도에서와 같이 방사노즐(53)에 삽입된 가열체(56)의 상면과 이에 대향하는 방사노즐(53)의 저면 사이에 0∼10mm의 틈새(b4)를 형성하여 가열체(56)부와 노즐몸체(52)의 표면이 직접 닿거나(틈새: 0mm) 최대 10mm의 틈새(b4)로 직간접(예: 전도 또는 복사)으로 가열되어 방사 전 방사노즐(53) 내의 방사용 홀(53a) 부근에서 용융된 열가소성 수지를 1차로 직접(예: 전도) 가열되도록 한다.
따라서, 상기 가열구역(60)은 방사 전 방사노즐(53) 내 방사용 홀(53a) 부근에서 용융된 열가소성 수지를 방사노즐(53)의 하부에 삽입된 가열체(56)의 삽입길이(b2)와 틈새(b4)에 의해 1차로 직간접(예: 전도 또는 복사) 가열하고, 이어서 방사노즐(53)의 하부면으로부터 0∼500㎜ 길이로 연장된 가열체(81)의 연장길이(b3)에 의해, 방사 후 노즐몸체(52)에서 토출된 고화 전 용융상태의 섬유(F)를 2차로 간접(예: 복사) 가열하도록 되어 있다.
이때, 상기 제4실시형태의 가열구역(60)에 있어서, 방사노즐(53)의 하부에 가열체(56)를 최대 50mm까지 삽입할 때에는, 고온의 열이 전달되어 방사노즐(53)의 방사용 홀(53a) 내 용융 고분자의 열화에 의한 물성이 저하되는 것을 고려해서, 상기 방사노즐(53)의 하부면 위치(b1)는 팩 바디(60) 하부면으로부터 1∼300㎜ 노출되도록 설계하는 것이 바람직하다.
이상의 제4실시형태의 가열구역(60)은 실제 상용화되는 방사노즐(53)에서 하단의 구조변경으로 인해 고온의 열을 방사노즐(53)의 방사용 홀(53a) 부근에 직접 전달하고, 방사노즐(53)의 직하에 형성된 가열체(56)에 의해 섬유(F)를 간접 가열하는 이중 가열의 열전달 방식으로 최적화함으로써, 순간 고온 가열에 의해 용융상의 고분자내 분자쇄 얽힘(molecular entanglement) 구조를 제어하여 얻어진 열가소성 고분자 섬유의 연신성을 향상시킴으로써, 강도 및 신도 등의 기계적 물성을 개선할 수 있다.
이에, 제4 실시형태는 실제 상용화되는 방사노즐(53) 하부 구조를 변경하고 바로 적용 가능하므로 초기 투자비를 낮추고, 대량생산 및 저비용으로 고성능의 섬유를 생산할 수 있다.
또한, 제4 실시형태에 있어서는 가열체(56)가 방사노즐(53)에 일부 삽입되어 방사노즐(53)의 방사용 홀(53a) 부근을 가열하여 방사용 홀을 통해 방사되는 용융수지의 점도를 완화시키게 되므로, 연신비 및 방사속도 증가에 따라 생산성을 향상시킬 수 있고, 특히 방사용 홀(53a) 부근에서의 점도 완화에 의해 기존 고점도의 방사가 불가능했던 "초고분자량 수지의 방사"도 가능하여 고강도화를 실현할 수 있다.
본 발명의 제4실시형태에 있어서, 도 6의 II-II 선의 단면으로서, 가열체(56)의 가열구멍(56a, 56b, 56c)은 제3실시형태에서 설명한 홀형 타입의 가열구멍 또는 띠형 타입의 가열구멍과 동일하다.
구체적으로는, 본 발명의 제3실시형태 및 제4실시형태에서 가열체(46, 56)의 가열구멍(46a,46b,46c,56a,56b,56c)은 방사노즐(43, 53)의 방사용 홀(43a, 53a) 구조 및 개수와 동일하게 설계됨으로써, 방사 후 토출된 섬유(F)가 가열체(46, 56)를 그대로 통과하면서 국부 가열된다. 특히, 홀형 타입의 가열구멍(46a, 56a)은 방사노즐(43, 53)의 방사용 홀(43a, 53a) 의 구조를 유지하되, 그 안둘레면을 상기 노즐몸체(12,52)의 방사 홀(11,51) 중심으로부터 1∼300㎜이내로 이격시켜 형성함으로써, 각 방사노즐(43, 53)의 방사용 홀(43a, 53a) 중심으로부터 360도 방향으로 동일한 거리에서 온도를 유지한다.
또한, 띠형 타입의 가열구멍(46b, 56b)은 방사노즐(43, 53)의 방사용 홀(43a, 53a)을 중심으로 180도 마주보는 선형 구조이고, 방사용 홀(43a, 53a) 중심으로부터 1∼300 ㎜이내에서 대칭되도록 형성한 구조이다.
이때, 가열구멍(46a,46b,46c,56a,56b,56c)은 방사 후 통과되는 섬유(F)가 직접 열에 닿지 않는 간접 가열방식으로 설계되는 것으로, 가열구멍(46a,46b,46c,56a,56b,56c)의 크기가 방사노즐(43, 53)의 방사용 홀(43a, 53a) 중심으로부터 1㎜ 미만으로 근접하면, 가열체(46, 56)가 섬유(F)와 접촉될 가능성이 높아 가열체(46, 56)의 오염 및 섬유(F)의 사절이 발생하여 섬유 품질 및 작업성이 나빠지며 또한 과도한 열의 노출로 섬유(F)가 열화될 우려가 있으며, 300㎜를 초과하면, 섬유(F)에 충분한 열전달이 안되어 용용상 섬유 고분자 내 분자쇄 얽힘 구조 제어가 곤란하여 물성개선 효과가 낮아지므로 바람직하지 않다.
방사노즐(43, 53)의 방사용 홀(43a, 53a) 구조에 대하여 설명하면, 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 홀 직경(D)이 0.01∼5mm이고, 홀 길이(L)가 L/D 1 이상이고, 노즐몸체 내의 홀(11,51) 수는 1 이상이다.
또한, 방사용 홀(43a, 53a)간 피치(pitch)는 1mm 이상이고, 방사용 홀(43a, 53a) 단면은 본 발명의 실시예에서는 원형을 예시하고 있으나 이에 한정되지 않고 이형단면(Y, +, -, O 등)도 적용될 수 있다. 또한, 방사노즐(10,50)을 포함하는 방사구금을 통해 시스-코어형, 사이드바이사이드형, 해도형 등, 2종 이상의 복합방사가 가능할 것이다.
본 발명의 제3실시형태 및 제4 실시형태에서 미가열체(46,56)의 홀형 타입의 가열구멍(46a,56a)은 방사노즐(43, 53)의 방사용 홀(43a, 53a) 구조와 개수가 동일하므로, 그에 따라 원형, 타원형, 사각형, 도넛형 등의 모든 형태의 홀 구조를 포함한다.
이상의 제1 내지 제4실시형태의 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치에 있어서, 가열체(26, 36, 46, 56)의 온도는 팩바디 히터(22, 32, 42, 52)와 마찬가지로 통상의 전기 열선 또는 열매(熱媒)에 의해 조절될 수 있으며, 전기 열선의 일례로는, Cu계 및 Al계 주물히터, 전자기 유도 인덕션 히터, 근적외선 히터, 카본 히터, 세라믹 히터, PTC 히터, 석영관 히터, 할로겐 히터 등에서 선택된 어느 하나에 의해 제공될 수 있다.
이상의 제1 내지 제4실시형태의 방사노즐장치를 적용하여 섬유(F)를 형성할 때, 통상의 열가소성 수지가 제한 없이 적용가능하나, 더욱 바람직하게는 특히 열에 약한 고분자 수지 적용에 유리할 것이다. 또한, 실제 상용화되는 방사노즐장치에 최소의 설계변경으로 적용 가능하므로 초기 투자비를 낮추고, 대량생산 및 저비용으로 고성능의 섬유를 생산할 수 있다.
열가소성 수지로는, 폴리에스테르계 고분자(PET및 PBT, PTT, PEN등) 외에 Nylon 및 PP, PE계 등도 사용할 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에서는 폴리에스테르계 섬유가 가장 바람직하고, PET 장섬유 및 단섬유, 부직포 등의 섬유 분야에도 적용가능하고, 이외에 필름, 시트, 성형, 용기 등의 제조 분야에도 접목이 가능할 것이다.
또한, 제1 내지 제4실시형태의 방사노즐장치에 있어서, 동일한 목적을 달성하기 위하여, 방사노즐(23, 33, 43, 53)의 방사용 홀(23a, 33a, 43a, 53a)을 통과하는 용융 고분자의 체류시간, 유량 및 전단속도의 최적화가 요구된다.
이에, 바람직한 용융 고분자의 방사용 홀(23a, 33a, 43a, 53a) 체류시간은 3초 이하이고, 유량은 적어도 0.01cc/min 이상으로 수행되는 것이다. 이때, 폴리에스테르계 고분자의 경우 체류시간이 3초를 초과하면, 용융 고분자가 과도한 열에 장시간 노출되어 열화 문제가 발생하고, 유량이 0.01cc/min 미만이면, 이 또한 용융 고분자에 과도한 열이 노출되어 열화 문제가 발생하여 바람직하지 않다.
또한, 제1 내지 제4실시형태의 방사노즐장치에 있어서, 방사노즐(23, 33, 43, 53)의 방사용 홀(23a, 33a, 43a, 53a) 벽면의 전단속도(shear rate)는 500∼500,000/sec인 것이 바람직하며, 전단속도가 500/sec 미만이면, 낮은 전단응력에 의한 용융 고분자의 분자 배향 및 구조제어 효과가 감소하고, 500,000/sec를 초과하면, 용융 고분자의 점탄성 특성에 의한 필름 외관 불량(melt fracture)이 발생하여 섬유 단면의 불균일을 초래한다.
이상의 제1 내지 제4실시형태의 방사노즐장치는 1종 이상의 열가소성 고분자를 원료로 적용한 용융방사공정에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 모노 필라멘트 단독 또는 복합방사 공정에 적용할 수 있으며, 방사속도 0.1∼200 m/min로 수행하여, 섬유직경 0.01∼3mm의 모노 필라멘트를 제공할 수 있다.
또한, 제1 내지 제4실시형태의 방사노즐장치는 용융 복합방사시 저속방사법(UDY, 100∼2000 m/min), 중저속방사법(POY, 2000∼4000 m/min), 고속방사법(HOY, 4000 m/min 이상), 방사 및 인라인(in-line) 연신공정(SDY)를 이용하여, 100 d/f이하의 섬유(F)(장섬유) 단독 또는 복합방사 공정에 적용할 수 있다.
이외에도, 스테이플 파이버(단섬유) 단독 또는 복합방사 공정에 적용하여, 방사속도: 100∼3000m/min로 수행하여 섬유직경 100 d/f이하의 섬유를 제공할 수 있고, 방사속도 100∼6000m/min 및 섬유직경 100 d/f 이하를 구현하는 부직포(Spun-bond 및 melt blown 등) 단독 및 복합방사 공정에 적용할 수 있다. 이외 고분자 수지 성형 및 압출 공정 등에도 적용할 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명의 방사노즐장치는 실제 상용화되는 방사노즐장치의 설계와, 용융방사공정 및 연신공정 등의 기존 공정을 활용하면서 물성을 개선함으로써, 초기 투자비를 낮추고, 대량생산 및 저비용으로 고성능의 섬유 생산이 가능하다.
이에, 대량생산 및 저비용으로 인한 가격 경쟁력, 다양한 섬유 물성 제어를 바탕으로 타이어 코드, 자동차, 열차, 항공, 선박 등의 수송용 내장재, 토목 및 건축자재, 전자재료, 로프 및 그물 등의 해양용 및 군사용도에 유용하고 이외에, 경량 스포츠웨어 및 작업복, 군복, 가구 및 인테리어, 스포츠 용품 등의 의류 및 생활용도로도 유용하여, 광범위한 시장확보가 가능하다.
<실시예 1∼2> 제1실시형태의 방사노즐장치에 의한 고강도 PET 섬유 제조
제1실시형태의 방사노즐장치를 이용한 국부 고온가열 방식을 수행하되, 표 1에서 제시된 바와 같이 PET 수지의 고유점도를 달리하고, 하기의 저속방사 및 오프라인 연신을 수행하여 고강도 PET 섬유를 제조하였다.
(1) 방사 조건
- 사용 수지: 실시예 1:PET (I.V. 0.65), 실시예 2: PET (I.V.1.20)
- 방사온도(노즐온도): 280∼300℃
- 방사노즐 홀 직경: Ø 0.5
- 방사노즐 홀당 토출량: 3.3g/min
- 노즐 국부가열 히터 온도: Pack 바디온도 + 100℃ 이상
- 방사속도: 1k/min
(2) 오프라인 연신 조건
- 미연신사: 상기 방사 조건에서 얻은 PET as-spun 섬유
- 1st 고뎃 롤(godet roll) 속도 (온도): 10m/min (85℃)
- 연신단수: 3단 이상
- 절사되지 않고 연속으로 연신 가능한 최대 연신비에서 연신사 샘플링 실시(열고정온도 130∼180℃)
Figure PCTKR2017004337-appb-I000001
상기 표 1에서 확인되는 바와 같이, 고유점도 0.65 및 1.2의 PET 수지를 제1실시 형태의 방사노즐장치를 이용하여 노즐 국부 고온가열을 통해 제조된 실시예 1, 2의 섬유와 노즐 국부 고온가열 없이(Pack 바디온도와 동일) 수행되는 것을 제외하고는 동일하게 수행된 비교예 1, 2의 섬유의 강도 및 신도의 물성분석 결과, 실시예 1, 2에서 제조된 미연신사(as-spun사) 및 연신사의 섬유 물성치가 노즐 국부 고온가열 없이 수행되는 것을 제외하고는 동일하게 수행된 비교예 1, 2의 섬유대비, 높은 결과를 보였다. 이러한 결과로부터, 저분자량 및 고분자량 PET 수지 모두 노즐 국부 고온가열 에 의한 분자쇄 얽힘 제어로 물성 향상을 확인하였다.
특히, 실시예 1, 2의 연신사의 경우, 저분자량 및 고분자량 PET 섬유 모두 기존 비교예 1, 2 대비 최대 연신 가능한 연신비가 10%이상 증가하였으며, 얻어진 섬유 또한 신도는 유사한반면 강도가 15% 이상 향상되었다.
<실시예 3∼4> 제2 실시형태의 방사노즐장치에 의한 고강도 PET 섬유 제조
제2실시형태의 방사노즐장치를 이용한 국부 고온가열 방식을 수행하되, 표 2에서 제시된 바와 같이 국부 가열온도를 달리하고, 하기의 저속방사 및 오프라인 연신을 수행하여 고강도 PET 섬유를 제조하였다.
(1) 방사 조건
- 사용 수지: PET (I.V. 1.20)
- 방사온도(노즐온도): 280∼300℃
- 방사노즐 홀 직경: Ø 0.5
- 방사노즐 홀당 토출량: 3.3g/min
- 노즐 국부가열 히터 온도: Pack 바디온도 + 100 ∼ 150℃ 이상
- 방사속도: 1k/min
(2) 오프라인 연신 조건
- 미연신사: 상기 방사 조건에서 얻은 PET as-spun 섬유
- 1st 고뎃 롤(godet roll) 속도 (온도): 10m/min (85℃)
- 연신단수: 3단 이상
- 절사되지 않고 연속으로 연신 가능한 최대 연신비에서 연신사 샘플링 실시(열고정온도 130∼180℃)
Figure PCTKR2017004337-appb-I000002
상기 표 2에서 확인되는 바와 같이, 고유점도 1.2의 PET 수지를 제2실시형태의 방사노즐장치를 이용하여 노즐 국부 고온가열을 통해 가열 온도를 변화시켜 제조된 실시예 3, 4의 섬유와 노즐 국부 고온가열 없이(Pack 바디온도와 동일) 수행되는 것을 제외하고는, 동일하게 수행된 비교예 3의 섬유의 강도 및 신도의 물성분석 결과, 실시예 3, 4에서 제조된 미연신사(as-spun사) 및 연신사의 섬유 물성치가 노즐 국부 고온가열 없이 수행되는 것을 제외하고는 동일하게 수행된 비교예 3 섬유대비, 높은 결과를 보였다. 또한 국부가열 가열온도가 높을수록 섬유 물성치가 증가하는 것을 보였다. 이러한 결과로부터, 고분자량 PET 수지의 노즐 국부 고온가열에 의한 분자쇄 얽힘 제어로 물성 향상을 확인하였으며, 특히 가열온도를 증가할수록 물성이 보다 더 증가하는 것을 확인한 바, 향후 온도를 추가로 올릴 경우 물성도 추가로 개선될 가능성이 있음을 보였다.
실시예 3, 4의 PET 연신사의 경우 모두 기존 비교예 3 대비 최대 연신 가능한 연신비가 15%이상 증가하였으며, 얻어진 섬유 또한 신도는 유사한반면 강도가 20% 이상 향상되었다.
<실시예 5> 제3 실시형태의 방사노즐장치에 의한 고강도 PET 섬유 제조
제3실시형태의 방사노즐장치를 이용한 국부 고온가열 방식을 수행하되, 하기 공정조건으로 수행하여 고강도 PET 섬유를 제조하였다.
(1) 방사 조건
- 사용 수지: PET (I.V. 1.21)
- 방사온도(노즐온도): 300℃
- 방사 홀당 토출량: 4 g/min
- 방사속도: 1km/min
- 가열체 온도: 400℃ 이상
(2) 물성 분석결과
가열체(46)의 오프 상태에서 얻어진 PET 섬유의 강도 230MPa 및 신도 435% 대비, 가열체(46)의 온 상태에서 얻어진 PET 섬유의 강도 231MPa 및 신도 455%로서, 강도는 유사범위이나 신도가 4.6% 증가하여 연신성(Toughness)이 증가하였다.
<실시예 6> 제4 실시형태의 방사노즐장치에 의한 고강도 PET 섬유 제조
제4실시형태의 방사노즐장치를 이용한 국부 고온가열 방식을 수행하되, 하기 공정조건으로 수행하여 고강도 PET 섬유를 제조하였다.
(1) 방사 조건
- 사용 수지: PET (I.V. 1.21)
- 방사온도(노즐온도): 300℃
- 방사 홀당 토출량: 4 g/min
- 방사속도: 1km/min
- 가열체 온도: 400℃ 이상
(2) 물성 분석결과
가열체(56) 오프 상태에서 얻어진 PET 섬유의 강도 210MPa 및 신도 485% 대비, 가열체(56) 온 상태에서 얻어진 PET 섬유의 강도 211MPa 및 신도 520%로서, 강도는 유사범위이나 신도가 7.2% 증가하여 연신성(Toughness)이 증가하였다.
<실시예 7> 제4 실시형태의 방사노즐장치에 의한 고강도 PET 섬유 제조
제4실시형태의 방사노즐장치를 이용한 국부 고온가열 방식을 수행하되, 하기 공정조건으로 저속방사 직후 인라인(in-line) 연신하여 수행하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 6와 동일하게 수행하여 PET 섬유를 제조하였다.
(1) 방사 및 고속 인라인(in-line) 연신조건
- 노즐몸체 온도: 300℃
- 방사 홀당 토출량: 4 g/min
- 가열체 온도: 400℃ 이상
- 1st 롤 속도 및 온도: 1000 m/min 및 85℃
- 2nd 롤 속도 및 온도: 4000 m/min 및 130℃
- 권취속도: 3,960 m/min
(2) 물성 분석결과
가열체(56) 오프 상태에서 얻어진 PET 섬유의 강도 1180MPa 및 신도 11.0% 대비, 가열체(56) 온 상태에서 얻어진 PET 섬유의 강도 1175MPa 및 신도 13.8%로서, 강도는 유사범위이나 신도가 25% 증가하여 연신성(Toughness)이 증가하였다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치는 용융복합 방사공정에서 방사노즐의 방사용 홀 부분을 팩바디 외부에 위치시킴과 동시에, 방사용 홀 부분의 가열방식을 최적화한 것으로서, 순간 고온 가열에 의해 용융상 고분자의 분자쇄 얽힘 구조를 제어하여 열가소성 고분자 섬유의 연신성을 향상시킴으로써, 강도 및 신도를 개선하였다.
본 발명의 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치는 용융방사공정 및 연신공정 등의 기존 공정을 활용하면서 수지의 용융점도를 낮추고 섬유의 냉각속도를 지연하며 연신성을 개선함으로써, 초기 투자비를 낮추고, 대량생산 및 저비용으로 고성능의 섬유 생산이 가능하다.
이에, 열가소성 고분자 중 고강도의 폴리에스테르사를 제공함으로써, 타이어 코드, 자동차, 열차, 항공, 선박 등의 수송용 내장재, 토목 및 건축자재, 전자재료, 로프 및 그물 등의 해양용 및 군사용도에 유용하고 이외에, 경량 스포츠웨어 및 작업복, 군복, 가구 및 인테리어, 스포츠 용품 등의 의류 및 생활용도로도 유용하여, 광범위한 시장확보가 가능하다.
특히 고강도의 PET 섬유를 제공함으로써, PET 장섬유 및 단섬유, 부직포 등의 섬유 분야에 적용가능하고, 이를 이용한 필름, 시트, 성형, 용기 등의 제조 분야에도 활용될 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형 및 수정 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (16)

  1. 팩바디(21)와 상기 팩바디의 외측에 설치되어 팩바디에 열원을 제공하는 팩바디 히터(22)와 상기 팩바디(21)에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사하는 방사노즐(23)과 상기 팩바디 내에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사노즐에 유입시키기 위한 분배판(24) 및 소류판(25)을 포함하며,
    상기 방사노즐(23)이 팩바디(21) 내부에 위치하는 고정부(23b)와 팩바디(21) 외부에 위치한 방사부(23c)로 이루어지고,
    상기 팩바디 외부에 위치한 방사부(23c)에는 다수개의 방사용 홀(23a)이 형성되어 열가소성 수지가 용융방사되어 섬유가 형성되고,
    상기 방사부(23c)의 방사용 홀(23a) 부분을 팩바디(21)의 온도보다 높은 온도로 가열하기 위한 가열체(26)가 구비된 것을 특징으로 하는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방사노즐(23)이 고정부(23b)와 방사부(23c) 사이를 이격시키기 위한 연장부(23d)가 구비된 것을 특징으로 하는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 방사노즐의 연장부(23d)는 팩바디(21)의 하단으로부터 10∼500mm 연장 형성되어 방사부(23c)에 형성된 방사용 홀(23a)이 팩바디 외부에 위치되도록 한 것을 특징으로 하는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가열체(26)가 방사부(23c)의 측벽 둘레를 둘러싸도록 링 형상으로 설치된 것을 특징으로 하는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 소류판(25)의 하부가 방사노즐(23) 내에 삽입되고, 상기 소류판(25)의 하부가 방사노즐(23)의 연장부(23d)와 방사부(23c)의 경계지점까지 연장되어 용융상태의 열가소성 수지가 방사용 홀(23a)의 입구까지 유도될 수 있도록 설계된 것을 특징으로 하는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 방사노즐의 고정부(23b) 및 연장부(23d)의 내측벽과 이에 대향하는 소류판(25)의 외측벽 사이에는 공간부(27)를 형성하고, 방사노즐의 연장부(23d)에는 상기 공간부(27)와 외부를 연통시키는 공기유통구멍(28)이 형성된 것을 특징으로 하는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치.
  7. 팩바디(31)와 상기 팩바디의 외측에 설치되어 팩바디에 열원을 제공하는 팩바디 히터(32)와 상기 팩바디(31) 내에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사노즐에 유입시키는 분배판(34) 및 소류판(35)을 포함하며,
    상기 소류판(35)이 상기 팩바디(31) 내부에 위치하는 제1 소류판(35a)과, 상기 팩바디(31) 외부에 위치하고 상기 제1 소류판(35a)과 착탈가능하도록 설계된 제2 소류판(35b)으로 이루어지고,
    상기 방사노즐(33)이 상기 제2 소류판(35b) 하부에 착탈가능하게 설치되어 상기 팩바디(31) 외부에 위치하며,
    상기 팩바디(31) 외부에 위치된 방사노즐(33)에 다수개의 방사용 홀(33a)이 형성되어 열가소성 수지가 용융방사되어 섬유가 형성되고,
    상기 방사용 홀(33a) 부분을 팩바디(31)의 온도보다 높은 온도로 가열하기 위한 가열체(36)가 구비된 것을 특징으로 하는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 가열체(36)가 상기 제2 소류판(35b) 및 방사노즐(33)의 측면둘레와 상면을 감싸는 형상으로 설치된 것을 특징으로 하는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 팩바디(31) 하단부와 상기 가열체(36) 사이에 공기가 유통하는 공간부(37)를 형성한 것을 특징으로 하는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치.
  10. 팩바디(41)와 상기 팩바디의 외측에 설치되어 팩바디에 열원을 제공하는 팩바디 히터(42)와 상기 팩바디(41)에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사하는 다수개의 방사용 홀(43a)이 형성된 방사노즐(43)과 상기 팩바디 내에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사노즐에 유입시키기 위한 분배판(44) 및 소류판(45)을 포함하며,
    상기 방사노즐(43)의 방사 홀(43a) 하부에 배치되어 방사 후 섬유를 팩바디(41)의 온도보다 높은 온도로 가열하기 위한 가열체(46)를 포함하고, 상기 방사노즐(43)과 가열체(46) 사이에 구비된 단열재층(40)이 구비되고,
    상기 가열체(46)가 방사 후 각각의 섬유가 통과하도록 홀형 타입의 가열구멍(46a) 또는 일렬로 배치된 띠형 타입의 가열구멍(46b)을 가지는 것을 특징으로 하는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 단열재층(40)의 두께는 1∼30mm로 설정하고, 상기 가열체(46)는 단열재층으로부터 1∼500mm 길이로 연장되며, 상기 단열재층의 두께와 가열체의 연장길이를 포함하여 섬유의 가열구역이 형성되는 것을 특징으로 하는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치.
  12. 팩바디(51)와 상기 팩바디의 외측에 설치되어 팩바디에 열원을 제공하는 팩바디 히터(52)와 상기 팩바디(51)에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사하는 다수개의 방사용 홀(53a)이 형성된 방사노즐(53)과 상기 팩바디 내에 설치되어 용융상태의 열가소성 수지를 방사노즐에 유입시키기 위한 분배판(54) 및 소류판(55)을 포함하며,
    상기 방사노즐(53)의 방사 홀(53a) 부근에 배치되어 방사 홀 부근을 상기 팩바디(51)의 온도보다 높은 온도로 가열함과 동시에 방사 후 섬유를 가열하기 위한 가열체(56)를 포함하고,
    상기 가열체(56)가 방사 후 각각의 섬유가 통과하도록 홀형 타입의 가열구멍(56a) 또는 일렬로 배치된 띠형 타입의 가열구멍(56b)을 가지고,
    상기 방사노즐(53)의 하부에 상기 가열체(56)를 접촉 또는 가열체의 일부를 삽입하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 팩바디(51)로부터 방사노즐(53)의 하부면 위치는 팩바디 하부면을 기준으로 1∼300mm로 설정하고, 상기 방사노즐(53)의 하부면에, 접촉 또는 일부 삽입되는 가열체(56)의 삽입깊이는 0∼50㎜로 설정하고, 상기 방사노즐(53)의 하부면으로부터 연장되는 가열체(56)의 연장길이는 0∼500mm로 설정하며, 상기 방사노즐(53)의 하부에 일부 삽입된 가열체(56)의 삽입깊이와, 상기 방사노즐(53)의 하부면으로부터 연장된 가열체(56)의 연장길이를 포함하여 섬유의 가열구역이 형성되는 것을 특징으로 하는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 방사노즐(53)의 하부에 일부 삽입된 가열체(56)의 상면과, 상기 가열체(56)의 상면이 대향하는 방사노즐(53)의 대향면 사이에 직접 접촉 또는 틈새를 형성한 것을 특징으로 하는 하는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 방사노즐(53) 하부로 삽입되는 가열체(56)의 삽입깊이를 최대 50mm로 설정하여, 가열체(56)는 방사 전 방사노즐(53) 내에서 용융된 열가소성 수지의 직접 가열 및 노즐몸체 직하에서 섬유의 간접 가열을 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치.
  16. 제 10 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 홀형 타입의 가열구멍 또는 띠형 타입의 가열구멍은, 안둘레면이 상기 섬유의 중심으로부터 1∼300㎜이내로 이격되도록 형성한 것을 특징으로 하는 고강도 섬유 제조용 방사노즐장치.
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