WO2020111910A1 - 용융방사형 부직포의 제조방법 및 그로부터 제조된 극세섬유 부직포 웹 - Google Patents

용융방사형 부직포의 제조방법 및 그로부터 제조된 극세섬유 부직포 웹 Download PDF

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WO2020111910A1
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WO
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nozzle
spinning
melt
hole
heater
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PCT/KR2019/016831
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함완규
양병진
최영찬
오현주
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한국생산기술연구원
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H1/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
    • D04H1/40—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties
    • D04H1/42—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties characterised by the use of certain kinds of fibres insofar as this use has no preponderant influence on the consolidation of the fleece
    • D04H1/4282—Addition polymers
    • D04H1/4291—Olefin series
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
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    • D04H1/40—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties
    • D04H1/54—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties by welding together the fibres, e.g. by partially melting or dissolving
    • D04H1/56—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties by welding together the fibres, e.g. by partially melting or dissolving in association with fibre formation, e.g. immediately following extrusion of staple fibres

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a melt-spun non-woven fabric and a microfiber non-woven web produced therefrom, and more particularly, to capture fibers melt-spun through a spinning nozzle in which a thermoplastic polymer includes at least one nozzle hole with high-speed air flow.
  • the melt-spun fiber passes through a nozzle local heating heater provided directly under the spinning nozzle during spinning, and is instantaneously subjected to local high-temperature heating at a higher temperature than the spinning temperature to be discharged from the nozzle hole without lowering the molecular weight.
  • the present invention relates to a method for manufacturing a melt-spun nonwoven fabric in which fibers are finely divided and a microfiber nonwoven fabric web produced therefrom.
  • Non-woven fabrics are used in a wide range of fields such as medical, industrial materials, civil construction materials, agricultural horticultural materials, life-related materials, and medical hygiene materials.
  • the long-fiber non-woven fabric has various advantages in that the properties are uniform and superior to that of the short-fiber non-woven fabric, and the productivity is high in terms of manufacturing the non-woven fabric.
  • many studies and developments have been attempted to fine-tune the thickness of fibers constituting the non-woven fabric as thin as possible.
  • the fineness of non-woven products is one of the important issues, and as the fineness of fibers increases, the specific surface area of non-woven products increases rapidly, maximizing liquid absorbency, softness or flexibility, filtration performance, and various applications including sanitary materials and filters. It will be useful for performance improvement in the field.
  • Effective methods of manufacturing nonwovens which are directly related to melt spinning, include spunbonding and meltblowning.
  • the spunbond method is a method of obtaining a long fiber nonwoven fabric, and has been widely used as a spunbond nonwoven fabric to date since it was first industrialized by DuPont in 1959.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a method for manufacturing synthetic fiber by a general melt spinning process, wherein the thermoplastic polymer supplied to the hopper 100 is melted by the extruder 101 and extruded from the nozzle 103 of the pores to cool and solidify it. And going through a thinning process, in the thinning process, a fiber is manufactured using a winding unit 105 using a rotating roll 104.
  • FIG. 2 is a schematic view of a method of manufacturing a nonwoven fabric by an open spunbond method using melt spinning, in which the fiber is towed by high-speed air flow by an ejector 204 instead of a winding unit using a rotating roll in the drawing process of FIG. 1. It is possible to obtain a spunbond nonwoven fabric on the web on the mobile collection conveyor belt installed in the lower part of the ejector.
  • FIG. 3 is a schematic view of a method of manufacturing a nonwoven fabric by a closed spunbond method using melt spinning, in which the fiber is cooled with air supplied directly under a nozzle in a closed duct instead of a winding unit using a rotating roll in the drawing process of FIG. 1.
  • the fiber As it flows downstream while reducing the area of duct passage, it maximizes the air passage speed, and draws fibers by high-speed air flow to refining the fibers similar to the open type ejector, and webs on the moving collection conveyor belt installed under the duct. You can obtain a spunbond nonwoven fabric on (web).
  • the final running speed or denier of the fiber on the radiation produced by the melt spinning method is controlled by the spinning conditions such as the ejection amount or the winding speed of the nozzle hole, but in the case of a spunbonded nonwoven fabric, the ejection amount and ejector of the nozzle hole are finally determined. It depends on the output air pressure and amount.
  • the nonwoven fabric made of the continuous filament fibers produced by the spunbond method has excellent mechanical strength, but has a small surface area due to large fiber diameter, and thus lacks fluid absorption, flexibility and filtration properties.
  • Non-Patent Document 1 For the fine fabrication of non-woven fabrics, it has been reported that by increasing the air pressure of the ejector or reducing the ejection amount of the nozzle hole in the manufacturing process by the spunbond method, it is possible to obtain a finer fine fiber nonwoven fabric as the fiber speed increases.
  • FIG. 4 is a schematic view of a method of manufacturing a nonwoven fabric by a melt-blown method using melt spinning.
  • the melt-blown method uses melt spinning similarly to the spunbond method [Non-patent Document 2, Patent Document 1], but has a small fiber diameter and excellent flexibility and has a large surface area as compared to a spunbond nonwoven fabric.
  • This melt-blown method melts a low-molecular-weight thermoplastic polymer having a low viscosity for fineness and then discharges it from a nozzle. Ultrafine nonwoven fabric can be obtained.
  • the ultrafine fiber nonwoven fabric obtained from the melt blown method has a very high energy consumption in the process, and because it uses a low-molecular-weight thermoplastic polymer for fine-separation, it has low mechanical strength in itself, so it is mainly compounded with a conventional spunbond rather than used alone. I am using it.
  • ultrafine fibers using an electrospinning method. After dissolving the polymer in a solvent, the solvent is volatilized and removed simultaneously with spinning by a voltage difference under a high-voltage electric field, thereby obtaining nano-sized ultrafine fibers.
  • productivity is greatly reduced, and it is difficult to remove residual solvents, which may be limited to hygiene materials and filter applications, and its physical properties are very weak, and it is mainly used in combination with conventional spunbonds.
  • the flash spinning method dissolves the polymer in a solvent such as liquefied gas at a higher temperature than the melting point at high pressure and makes it uniform, and when the pressure is slightly decreased before the nozzle outlet, it is phase-separated into two components.
  • a solvent such as liquefied gas
  • the solvent rapidly gasifies and vaporizes simultaneously with supersonic flow.
  • the remaining polymer can be solidified and stretched to obtain a 0.1 denier-class microfiber nonwoven fabric having excellent physical properties [Patent Document 2].
  • the melt spinning method for manufacturing synthetic fibers is manufactured in a fibrous form by heating a polymer of a polymer compound at a temperature higher than a melting point, melting it, and extruding it in the air from a spinning nozzle to cool it.
  • the fiber properties, especially high-strength synthetic fibers can be obtained by a stable cooling method for the spinning fibers discharged from the spinning nozzle, and the conventional studies control the formation behavior of the fiber structure through molecular orientation and crystallization of the cooled solidified fibers or , It has been progressed to realize high strength of the fiber by delaying cooling.
  • a method of local heating by a direct thermal insulation method of a radiation nozzle or local heating by laser irradiation under a radiation nozzle has been implemented, but the local heating is specific to heat or laser heating directly under the radiation nozzle.
  • the local heating is specific to heat or laser heating directly under the radiation nozzle.
  • PET and nylon-based non-liquid crystal thermoplastic polymers are made of a complex structure in which polymer chains are entangled in an amorphous random coil in a molten state, so that high shear stress in the spinning nozzle and subsequent draw ratios (draft and draw ratio, etc.) Even if imparted, due to the structure entangled in a random coil shape, it was impossible to control the molecular entanglement structure in the molten phase polymer, so that complete orientation crystallization (high strength) could not be achieved.
  • the present inventors previously designed a nozzle heating unit capable of optimizing the local heating method directly under the spinning nozzle through which the molten resin passes after spinning in a melt spinning process, and multifilaments spun near the hole of the spinning nozzle and under the spinning nozzle. It has reported the improvement of mechanical properties such as strength and elongation of synthetic fibers by controlling the molecular chain entanglement structure in the molten phase polymer by instantaneous local high temperature heating of the whole yarn [Patent Document 3].
  • the present inventors introduced the instantaneous local high temperature heating method, directly or indirectly, by directly or indirectly introducing fibers into the hole of the spinning nozzle and directly under the spinning nozzle, in order to improve the problems of the conventional ultrafine fiber nonwoven fabric manufacturing method.
  • the fiber spinning speed in the ejector is increased to compare with conventional spunbond or melt blown non-woven fabrics.
  • the present invention was completed by confirming that a microfiber nonwoven fabric having a low fineness can be obtained.
  • An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a melt spinning type nonwoven fabric that optimizes the instantaneous local high temperature heating method of a spinning nozzle when spinning in a melt spinning process.
  • Another object of the present invention is to provide a microfiber nonwoven web produced from the above manufacturing method.
  • Another object of the present invention is to provide a use comprising a microfiber nonwoven web produced from the above manufacturing method.
  • the present invention is a method for manufacturing a nonwoven fabric by a melt spinning spunbond method in which fibers of a thermoplastic polymer are melt-spun through a spinning nozzle including at least one nozzle hole and collected by high-speed air.
  • the temperature difference between the pack body temperature and the instantaneous local high temperature heat treatment at a temperature of 0.1 to 1,000°C is instantaneously treated by fine localization of the melt spun type nonwoven fabric.
  • a hole-type heater hole in which the heater for nozzle local heating is spaced within 1 to 300 mm from the center of the nozzle hole may be formed in a number corresponding to at least one nozzle hole.
  • the heater for nozzle local heating is formed in a band-like type inserted between neighboring hole layers and hole layers when the nozzle holes are formed with a plurality of hole layers within the same radius, within 1 to 300 mm from the center of individual nozzle holes.
  • a hole for a heater of the belt type of which is arranged in a line may be formed.
  • thermoplastic polymer used in the method of manufacturing the melt-spun nonwoven fabric of the present invention is polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT), polytrimethylene terephthalate (PTT), polycyclohexanedimethanol terephthalate (PCT) ,
  • PET polyethylene terephthalate
  • PBT polybutylene terephthalate
  • PTT polytrimethylene terephthalate
  • PCT polycyclohexanedimethanol terephthalate
  • a nozzle heating unit for instantaneous local high-temperature heating treatment of the melt-spun fibers is located at -50 (into the pack body) to 300 mm (out of the pack body) based on the lower part of the pack body.
  • the insertion depth of the heater for the nozzle local heating which is in contact with or partially inserted into the lower portion and the lower portion of the spinning nozzle is 0 to 50 mm
  • the length of the heater for the nozzle local heating is 5 to 500 mm
  • the nozzle heating portion of the nozzle body It is formed including an insertion depth of a heater for heating the nozzle localization partially inserted in the lower portion, and an extension length of a heater for heating the nozzle localization extending from the insertion depth.
  • the additional extension distance of the lower surface of the nozzle body is 0 to 100 mm, and the distance between the extended sections may be 0 to 100 mm.
  • the spinning nozzle may be provided with a fluid mixing device in the flow path pipe above the hole.
  • the present invention provides a microfiber nonwoven web finely divided by a local high-temperature heating treatment when a polypropylene (PP) polymer having a melt viscosity (MFI) of 3 to 900 is spun from the method of manufacturing the melt-spun nonwoven fabric.
  • PP polypropylene
  • MFI melt viscosity
  • Fineness ( ⁇ m) 94 ⁇ A (-0.71)
  • A is a melt viscosity of fibers constituting a spunbond nonwoven fabric when using a pure polypropylene (PP) polymer without additives or modifier components.
  • PP polypropylene
  • the present invention provides a microfiber nonwoven web finely divided by a local high temperature heating treatment when a polyethylene terephthalate (PET) polymer having an intrinsic viscosity (IV) of 0.5 to 3.0 is spun from the manufacturing method of the melt spinning nonwoven fabric. do.
  • PET polyethylene terephthalate
  • IV intrinsic viscosity
  • the fineness in the ultrafine fiber nonwoven web satisfies the fineness calculated by Equation 2 below.
  • B is an intrinsic viscosity of fibers constituting a spunbond nonwoven fabric when using a pure polyethylene terephthalate (PET) polymer without additives or modifier components.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the present invention is a microfiber non-woven fabric capable of fine-fibering fibers compared to conventional spunbond nonwoven fabrics by introducing the instantaneous local high-temperature heating method, directly or indirectly, directly or indirectly in the spunbond method of the melt spinning process in the vicinity of the hole of the spinning nozzle and directly under the spinning nozzle Can provide
  • the method of manufacturing the melt-spun non-woven fabric of the present invention includes fibers in the molten state discharged from the spinning nozzle, respectively. Since the discharge rate of the initial thermoplastic polymer can be increased according to the increase in the spinning speed or the stretching speed by local heating passing through the heating hole, productivity of the nonwoven fabric can be improved.
  • the manufacturing method of the melt-spun non-woven fabric of the present invention is a microfiber non-woven web by lowering the viscosity (pack pressure) to the extent that it is possible to spin a high-viscosity thermoplastic polymer, which was difficult to spin, by subjecting the polymer to be melt-spun directly to the hole at a high temperature. to provide.
  • filter materials or hygiene materials including ultrafine fiber nonwoven webs, produced from the method of manufacturing the melt spun nonwoven fabric of the present invention.
  • 1 is a schematic diagram of a method for manufacturing a synthetic fiber by a general melt spinning process
  • Figure 2 is a schematic diagram of a method of manufacturing a non-woven fabric by an open spunbond method using a melt spinning method
  • Figure 3 is a schematic diagram of a method of manufacturing a nonwoven fabric by a closed spunbond method using a melt spinning method
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a method of manufacturing a nonwoven fabric by a melt blown method using melt spinning
  • FIG. 5 is an enlarged view provided with a nozzle unit and a heater for keeping warm at the bottom of the nozzle in a general melt spinning process
  • FIG. 6 is a sectional view taken along the line III-III in FIG. 5, and is a general hole type embodiment
  • FIG. 7 is an enlarged view of a nozzle heating part provided with a nozzle part and a heater for heating the nozzle station directly under the nozzle in the melt spinning process of the present invention
  • FIG. 8 is a sectional view taken along line I-I in FIG. 7 and is a hole type embodiment of a heater for nozzle local heating;
  • Fig. 9 is a sectional view taken along the line I-I in Fig. 7 and is another embodiment of a hole type of a heater for nozzle local heating.
  • Fig. 10 is an enlarged view of a nozzle heating part provided with a nozzle part and a heater for heating the local area directly under the nozzle in a melt spinning process according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 11 is a cross-sectional view taken along line X-X' in Fig. 10, and is another embodiment of the hole type of the heater for nozzle local heating.
  • FIG. 5 is a pack body heater 300 that is installed outside the pack body 200 and the pack body 200 to provide a heat source to the pack body, and the pack body 200.
  • a spinning nozzle 100 that radiates a thermoplastic resin in a molten state
  • a plurality of spinning holes 111 are formed under the spinning nozzle to melt-spin the thermoplastic resin to form fibers.
  • the present invention is a method for producing a nonwoven fabric by a melt spinning spunbond method in which fibers melt-spun through a spinning nozzle containing at least one nozzle hole of a thermoplastic polymer are collected by a high-speed air stream, when the melt-spun fibers are spun.
  • the nozzle local heating heater 41 of the nozzle heating unit 40 provided directly under the spinning nozzle passes through the temperature difference between the pack body temperature and the temperature of 0.1 to 1,000°C, the instantaneous local high temperature heating treatment is provided to provide a method for manufacturing a melt-spun nonwoven fabric. do.
  • Heater 41 for the nozzle local heating of the present invention has a temperature difference of 0.1 to 1,000°C compared to the temperature of the pack body 20, and is provided at least equal to or higher than the temperature of the pack body 20.
  • the spinning nozzle 32 is fixed to the pack body 20 maintained at 50 to 400°C from the heat source of the pack body heater 10, and the temperature of the spinning nozzle 32 is the same as the temperature of the pack body heater 10 or high.
  • the temperature of the pack body heater 10 may be adjusted by an electric heater or heat.
  • the fiber (F) passes through a nozzle-heating mantle (40) disposed directly under the spinning nozzle (32).
  • FIG. 7 shows an enlarged view of the nozzle heating unit 40 provided with a heater 41 for direct heating of the nozzle under the nozzle of the present invention, wherein the spinning nozzle 32 is installed in the pack body 20 of the spinning device , A pack body heater 10 is installed outside the pack body 20.
  • the present invention is a spinning nozzle 32 having a plurality of nozzle holes 31 forming a fiber (F) by melt spinning a thermoplastic resin, and is disposed under the nozzle hole 31 of the spinning nozzle 32 to spin It includes a nozzle heating unit 40 for heating the fiber (F) directly or indirectly.
  • the heater holes 41a and 41b of the nozzle local heating heater 41 which is a feature of the present invention, are designed to be the same as the structure and number of the nozzle holes 31 of the spinning nozzle 32, thereby discharging fibers F ) Passes through the vicinity of the heater 41 for nozzle local heating, and instantaneous local high temperature heating.
  • FIG. 8 is a sectional view taken along line I-I in FIG. 7, and a hole-type embodiment of the heater 41 for nozzle local heating according to the present invention is a hole-type heater hole spaced within 1 to 300 mm from the center of the nozzle hole. And, maintaining the structure of the nozzle hole 31 of the spinning nozzle 32, by forming the inner circumferential surface spaced within 1 to 300 mm from the center of the nozzle hole 31 of the spinning nozzle 32, the spinning nozzle It is characterized in that the temperature is maintained at the same distance in the direction of 360 degrees from the center of the nozzle hole 31 of (32).
  • the hole type of the nozzle local heating heater 41 is characterized in that a nozzle heater is inserted between neighboring hole layers-hole layers when a plurality of hole layers are formed in the same radius.
  • the fiber F passing through the spinning hole 41a or 41b is allowed to pass through, so that it does not directly contact the heater hole 41a or 41b when passing.
  • the size of the heater hole (41a or 41b) is close to less than 1 mm from the center of the nozzle hole 31 of the spinning nozzle 32, the possibility that the heater for heating the nozzle part 41 is in contact with the fiber (F) This is high, the contamination of the nozzle heater for heating (41) and the trimming of the fiber (F) occurs, the fiber quality and workability are deteriorated, and the fiber (F) may be deteriorated due to excessive heat exposure, exceeding 300 mm If not, it is not preferable because sufficient heat transfer to the fiber (F) is insufficient, so it is difficult to control the molecular chain entanglement structure in the molten fiber polymer, and the effect of improving physical properties is lowered.
  • the distance a1 between the heaters 41 for heating the nozzle stations at the center of the nozzle hole 31 of the spinning nozzle 32 is 1 mm or more and less than 50 mm. As the distance (a1) between the heaters 41 for nozzle local heating at the center of the nozzle hole 31 increases, it may be difficult to obtain ultra fine fibers.
  • the nozzle heating part 40 provided directly under the nozzle of the present invention is a spinning nozzle located at -50 (entering the pack body) to 300 mm (out of the pack body) based on the lower portion of the pack body 20 32)
  • the insertion depth (b2) of the heater (41) for nozzle station heating that is contacted or partially inserted into the lower part (b1) and the lower part of the spinning nozzle (32) is 0 to 50 mm
  • the heater for nozzle station heating ( The length of 41) is 5 to 500 mm (b3)
  • the nozzle heating section 40 extends from the insertion depth b2 of the nozzle local heating heater 41 partially inserted under the nozzle body and the insertion depth. It is formed to include the extended length (b3) of the heater for heating the nozzle local area (41).
  • the length of the nozzle local heating heater 41 is preferably 10 mm or more to less than 300 mm, preferably 50 mm or more to 250 mm.
  • a gap (b4) of 0 to 10 mm is formed between the top surface of the heater for heating the nozzle part (41) inserted in the radiation nozzle (32) and the bottom surface of the radiation nozzle (32) facing the same.
  • the surface of the nozzle heating part (41) and the radiation nozzle (32) directly contact (spacing: 0mm) or directly or indirectly (eg conduction or radiation) with a gap (b4) of up to 10mm before being radiated.
  • the molten thermoplastic resin in the vicinity of the nozzle hole 31 in the spinning nozzle 32 is primarily heated directly (for example, conduction).
  • the nozzle heating unit 40 After primary (directly conducting) heating by the insertion length (b2) and the clearance (b4), and then radiated by the heater (41) for nozzle local heating of length 5 to 500 mm from the insertion depth (b3)
  • the fibers F in the molten state before solidification discharged from the spinning nozzle 32 are secondarily indirectly heated (eg, radiated).
  • the above nozzle heating unit 40 directly transfers high-temperature heat to the vicinity of the nozzle hole 31 of the spinning nozzle 32 due to the structure change at the bottom of the spinning nozzle 32 that is actually commercialized, and the spinning nozzle 32 Optimized by a double-heating heat transfer method indirectly heating the fiber (F) by a heater 41 for direct heating of a nozzle formed directly under it, controlling the molecular entanglement structure in the polymer of the molten phase by instantaneous local high-temperature heating.
  • the spinning speed can be increased to improve productivity.
  • the nozzle heating unit 40 provided directly under the nozzle of the present invention extends the spinning nozzle 32 from the lower surface of the nozzle body, as shown in FIG. 10, further extending distance (z1) from the lower surface of the nozzle to the outlet of the nozzle hole. You can have
  • the heat of the nozzle heating section can be more concentrated (efficiently) transmitted near the nozzle hole, thereby improving the local heating effect, further reducing the nozzle shear pressure, and increasing the spinning speed. In accordance with this, it is possible to maximize the fineness.
  • a gap z2 through which air can pass may be formed between the nozzle hole 31 located in the additional extended section and the neighboring nozzle hole.
  • heat can be uniformly transferred to each nozzle hole, and in particular, local heating deviation between the outermost hole and the center hole can be minimized, thereby preventing denier and physical property variations between nozzle holes.
  • the additional extension distance (z1) of the lower surface of the nozzle body is 0 to 100 mm, preferably 1 to 50 mm, and the distance (z2) of the gap between the extended sections is 0 to 100 mm, preferably 1 to 10 mm. have.
  • the manufacturing method of the present invention can be applied to the nozzle heating unit 40 directly under the spinning structure of the commercially available spinning nozzle 32 and directly applied, thereby reducing the initial investment cost and manufacturing the ultrafine fiber nonwoven fabric at low cost.
  • the nozzle heating part 40 stays in the molten polymer passing through each nozzle hole 31 of the spinning nozzle 32 Optimization of time, flow rate and shear rate is required.
  • the preferred residence time of the molten polymer per hole is 5 seconds or less, and the discharge amount per hole is at least 0.001 g/min.hole or more, and preferably from 0.1 to 1 g/min and more preferably from 0.3 to 1 in terms of productivity and fineness of fibers. 0.7 g/min.
  • the residence time exceeds 5 seconds, the molten polymer is exposed to excessive heat for a long time, causing deterioration problems, and if the discharge amount is less than 0.001 g/min, this also exposes excessive heat to the molten polymer. Deterioration problems can occur.
  • the shear rate of the wall surface of the nozzle hole 31 in the spinning nozzle 32 is preferably 1,000 to 200,000/sec, more preferably 5,000 to 50,000/sec, and the shear rate is 1,000/ If it is less than sec, the molecular orientation and structure control effect of the molten polymer due to low shear stress decreases, and if it exceeds 200,000/sec, melt fracture occurs due to the viscoelastic properties of the molten polymer, resulting in unevenness of the fiber cross section. As a result, there is a problem in that it is difficult to manufacture finely divided nonwoven fabric.
  • the shear pressure at the nozzle is preferably maintained at 10 to 200 bar, and to maximize fiber fineness, it is desirable to maintain 20 to 150 bar. If the shear pressure is less than 10 bar, the deviation between the holes in the fiber denier becomes severe due to the variation in the discharge amount between the nozzle holes, and if it exceeds 200 bar, excessive pressure may be applied to the nozzle to cause deformation or damage to the periphery.
  • the diameter (D) of the nozzle hole 31 of the spinning nozzle 32 was set to 0.01 to 1 mm in terms of fiber micronization. If the diameter of the nozzle hole is less than 0.01mm, the problem of clogging of the hole by foreign matter is easy to use and it is difficult to clean, and if it exceeds 1mm, the spinning draft is high, the fiber section fluctuation rate is high and the fiber fineness is difficult.
  • the spinning nozzle 32 may be provided with a fluid mixing device 50 in the flow path pipe at the top of the hole.
  • the fluid mixing device may be additionally provided inside the upper flow path pipe of all the nozzle holes constituting the spinning nozzle, and when the fluid mixing device is installed in only some holes, the residence time and pressure difference between holes occur, resulting in a quality problem.
  • the mixing device it should be installed in all nozzle holes.
  • a static mixer 50a may be used as the fluid mixing device 50.
  • a static mixer is a mixing device that can mix fluids using multiple curved screw blades. It is convenient and economical to mix fluids continuously and uniformly by passing through a tube without rotating parts or special power. With the phosphorus mixing device, an effect of easily exchanging heat between the outside and the inside of the nozzle hole can be obtained.
  • the form of the static mixer is not particularly limited as long as it has a form suitable for dispersion in the nozzle, but when mixing is considered, for example, it is preferably a screw form or a spiral form.
  • the static mixer may be included in a form in which a plurality of the nozzles are installed in various directions.
  • the static mixer may be made of a known material without particular limitation, and for example, may be manufactured by a method of manufacturing a mold or a mold using a metallic material.
  • the same effect as the static mixer can be expected by using a metal powder, a metal foam, and a porous metal filter 50b as the fluid mixing device.
  • the ratio (L/D) of the length (L) and the diameter of the nozzle hole (31) was 2 to 10.
  • the ratio (L/D) of the hole length and the hole diameter of the spinning nozzle is less than 2, external heat is not directly transmitted to the molten resin flowing in the hole, making it difficult to ultrafine the fiber. If the ratio (L/D) exceeds 10, the hole The heat was directly transferred to the flowing molten resin excessively, resulting in poor fiber properties and increased pack pressure, resulting in poor spinnability.
  • the number of holes 31 in the nozzle body is 1 or more
  • the pitch between nozzle holes 31 is 0.1 mm or more
  • the cross section of the nozzle hole 31 illustrates a circular shape in an embodiment of the present invention. It is not limited, and a cross-section (Y, +, -, O, etc.) may also be applied.
  • two or more types of composite spinning such as a sheath-core type, a side-by-side type, and a sea-island type, may be possible through a spinneret including the spinning nozzle 32.
  • the hole-type heater hole 41a of the nozzle local heating heater 41 of the present invention has the same number and structure as the nozzle hole 31 of the spinning nozzle 32, and accordingly, has a circular, elliptical, square, and donut shape. And all types of hole structures.
  • the heater for nozzle local heating 41 can be applied as a normal electric heating wire, for example, Cu-based and Al-based casting heaters, electromagnetic induction induction heaters, sheath heaters, flange heaters, cartridges (cartridge) heater, coil (coil) heater, near infrared heater, carbon heater, ceramic heater, PTC heater, quartz tube heater, halogen heater, nichrome wire heater, to be provided by any one selected from optical heaters such as lasers or ultrasonic heaters, etc. Can be.
  • a normal electric heating wire for example, Cu-based and Al-based casting heaters, electromagnetic induction induction heaters, sheath heaters, flange heaters, cartridges (cartridge) heater, coil (coil) heater, near infrared heater, carbon heater, ceramic heater, PTC heater, quartz tube heater, halogen heater, nichrome wire heater, to be provided by any one selected from optical heaters such as lasers or ultrasonic heaters, etc. Can be.
  • the raw material polymer that can be used in the method of manufacturing the melt-spun nonwoven fabric of the present invention can be employed without limitation among general-purpose thermoplastic polymers, more preferably polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT), polytree Polyester polymers selected from the group consisting of methylene terephthalate (PTT), polycyclohexanedimethanol terephthalate (PCT), polyethylene naphthalate (PEN) and polyarylate; Polyamide-based polymers selected from nylon 6, nylon 6,6, nylon 4 and nylon 4,6; Or a polyolefin-based polymer selected from polyethylene or polypropylene; Any one selected from polyphenyl sulfite (PPS) or a mixture of two or more types may be used.
  • PPS polyphenyl sulfite
  • polypropylene and polyethylene terephthalate are described as preferred examples, but will not be limited thereto.
  • the manufacturing method of the melt-spun type nonwoven fabric of the present invention is characterized in that it is a manufacturing method by an open or closed spunbond method.
  • the manufacturing method of the melt-spun non-woven fabric of the present invention is as described above, after the instantaneous local high-temperature heating treatment of the melt-spun fiber with high-speed air flow performed in a conventional open-type and closed-type spun-bonding method (Spun-bond).
  • the method of collecting and winding the fibers on the conveyor belt applies the same.
  • the present invention introduces the instantaneous local high-temperature heating method indirectly or indirectly by introducing fibers directly or indirectly into the hole of the spinning nozzle and directly under the spinning nozzle in the melt spinning process, thereby lowering the melt viscosity and radiation of the thermoplastic resin discharged from the nozzle hole without lowering the molecular weight.
  • the elongation viscosity it is possible to provide an ultrafine fiber nonwoven web in which fibers can be fine-divided compared to conventional spunbond nonwoven fabrics.
  • the melt spinning step of the fiber is optimized by the instant local high temperature heating treatment method, the molecular weight is controlled, the spinning and the heat treatment conditions are adjusted, and various fiber structure properties (strength, elongation, elastic modulus, etc.), fineness (denier), composite yarn (Sea island, Cisco, side by side, etc.) and microfiber nonwoven fabrics having a cross-sectional shape (release cross-section) can be produced.
  • various fiber structure properties such as the melt spinning step of the fiber is optimized by the instant local high temperature heating treatment method, the molecular weight is controlled, the spinning and the heat treatment conditions are adjusted, and various fiber structure properties (strength, elongation, elastic modulus, etc.), fineness (denier), composite yarn (Sea island, Cisco, side by side, etc.) and microfiber nonwoven fabrics having a cross-sectional shape (release cross-section) can be produced.
  • the pressure of the spinning nozzle is lowered and elongation in the radial phase.
  • the fiber tension between the spinning nozzle and the ejector can be lowered to provide a microfiber nonwoven web in which fibers using high-viscosity resins can be finely divided compared to the conventional open-type and closed-type spunbond methods.
  • the method of manufacturing the melt-spun type non-woven fabric of the present invention is the fiber of the molten state discharged from the spinning nozzle in order to satisfy the same denier and physical properties as the non-woven fabric prepared from the conventional spun-bond manufacturing process (Spun-bond) Since the discharge rate of the initial thermoplastic polymer can be increased according to the increase in the spinning speed by local heating passing through each heating hole, productivity of the nonwoven fabric can be improved.
  • the present invention is a polypropylene (PP) polymer having a melt viscosity (MFI) of 3 to 900, preferably of 3 to 300, and more preferably of 3 to 100 from the manufacturing method of the melt-spun non-woven fabric is instantaneously localized upon spinning.
  • MFI melt viscosity
  • a microfiber nonwoven web finely divided by a high temperature heat treatment is provided.
  • the method of manufacturing the melt-spun type nonwoven fabric of the present invention provides ultrafine fiber non-woven webs by lowering the pack pressure to a high degree of spinning the high-viscosity thermoplastic polymer by instantaneous high temperature heating treatment of the melt-spun fibers.
  • polypropylene having a polypropylene (PP) polymer having a melt viscosity (MFI) of 10 and 28 is instantaneous by local high temperature heat treatment upon spinning, and a polypropylene having a relatively high viscosity of melt viscosity (MFI) of 10 (PP)
  • MFI melt viscosity
  • PP polypropylene
  • ASTM D1238 (MFI 230/2) method specifically, after melting the resin at 230° C. for about 6 minutes, a nozzle having a diameter of 2 mm Measure the weight (g/10min) of the resin discharged for 10 minutes by applying pressure with a weight of 2.16 kg.
  • the ejector 204 of the spunbond method is to provide a high-speed air stream for stretching the ejected fiber yarn, and when the spinneret is discharged from the spinneret It is preferred to arrange the distance from the ejector to the compressed air jet port of 100 to 2000 mm. If it is less than 100 mm, fiber cooling is insufficient, and fineness and trimming tend to occur as it enters the ejector, and if it exceeds 2000 mm, the fiber and air resistance sufficiently solidified before the ejector increases, resulting in fineness. There can be difficult problems. It is presumed that this is because the stretching tension can be applied to the position where the cooling solidification is not completely ended by the position of the ejector in the spinning yarn, thereby facilitating the orientation crystallization together with the fineness of the fibers.
  • a variety of shapes such as circular or rectangular are known, but in order to efficiently use the air consumption of the high-pressure air jet without causing fusion or interference between yarns, the shape of the detention and the shape of the ejector are used. Similar combinations are preferred.
  • a circular ejector is a circular ejector, and a rectangular nozzle is preferably a rectangular ejector.
  • Fineness ( ⁇ m) 94 ⁇ A (-0.71)
  • A is a melt viscosity of fibers constituting a spunbond nonwoven fabric when using a pure polypropylene (PP) polymer without additives or modifier components.
  • PP polypropylene
  • the present invention is a polyethylene terephthalate (PET) polymer having an intrinsic viscosity (IV) of 0.5 to 3.0 measured according to the ASTM D4603-3 method from the above method for manufacturing a melt-spun nonwoven fabric, by instantaneous local high temperature heating treatment upon spinning. It provides a fine fiber microfiber non-woven web.
  • PET polyethylene terephthalate
  • IV intrinsic viscosity
  • B is an intrinsic viscosity of fibers constituting a spunbond nonwoven fabric when using a pure polyethylene terephthalate (PET) polymer without additives or modifier components.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the present invention can be used without limitation to the conventional non-woven fabric applications, including the ultra-fine fiber non-woven web from the above manufacturing method, more preferably useful for the filter material or hygiene material including the micro-fiber non-woven web of the present invention, the hygiene Ashes include universal feminine and infant disposable hygiene products or mask packs.
  • I.V. of PET was measured at 30°C in 60/40% by weight phenol/tetrachloroethane according to ASTM D4603-3 method.
  • the draft value was calculated based on the following equation.
  • the spinning speed V was calculated based on the following equation from the average density of fibers (denier) and the discharge amount D (hereinafter abbreviated as the single hole discharge amount) of the resin discharged from the spinneret single hole set under each condition.
  • the polypropylene (PP) resin of melt viscosity (MFI) 28 is put in an extruder, melt-extruded, and flows into a spinning nozzle.
  • a polypropylene microfiber nonwoven fabric was manufactured by performing the following spinning conditions.
  • -Nozzle local heating heater temperature +50°C or higher compared to pack body temperature
  • -Heater hole of the heater for nozzle local heating hole type spaced within 5 mm from the center of the nozzle hole
  • Example 1 Except that the ejector (Ejector) pressure was performed at 350 kPa, the same procedure as in Example 1 was performed to prepare a polypropylene microfiber nonwoven fabric.
  • a polypropylene microfiber nonwoven fabric was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the discharge amount per hole of the spinning nozzle was performed at 0.40 g/min ⁇ hole.
  • Example 1 A polypropylene-based microfiber nonwoven fabric was manufactured by the same procedure as described above.
  • Example 5 except for using a static mixer (Static Mixer) in the nozzle flow path, it was performed in the same manner as in Example 5 to prepare a polypropylene microfiber nonwoven fabric.
  • Static Mixer Static Mixer
  • Example 1 When spinning in Example 1, a polypropylene-based microfiber nonwoven fabric was performed in the same manner as in Example 1, except that a spinning nozzle not provided with a heater for heating the nozzle station disposed under the nozzle as shown in FIG. 5 was used. Was prepared.
  • Comparative Example 1 When spinning in Comparative Example 1, it was performed in the same manner as in Example 1, except that a polypropylene (PP) resin having a melt viscosity (MFI) of 10 was used.
  • PP polypropylene
  • MFI melt viscosity
  • Fineness (denier) Calculated taking into account the measured value of diameter (um) and specific gravity of 0.98
  • Example 1 compared to Comparative Example 1, the nozzle shear pressure is reduced, the fineness can be reduced by increasing the spinning speed and reducing the fineness, but the physical properties and molecular weight of the fibers are similar, so that thermal decomposition by high temperature local heating does not occur It was confirmed that it does not.
  • Example 2 high-speed spinning that was not possible in Comparative Example 2 is possible, and further fineness is possible by increasing the spinning speed compared to Example 1, and the physical properties and molecular weight of the fiber are improved or similar, resulting in thermal decomposition by high-temperature local heating. It was confirmed that it did not work.
  • Example 3 it can be seen that compared to Comparative Example 1, fibers of similar fineness and physical properties can be produced at a higher spinning speed, and productivity is increased by increasing the web production per unit time.
  • Example 4 it was confirmed that a resin having a high viscosity (high molecular weight, low MFI), as compared with Comparative Example 3, can be spun.
  • Example 5 as compared with Example 2, as the nozzle shear pressure was further reduced, the local heating effect could be improved, and at the same time, the spinning speed was increased to maximize the fineness, and it was confirmed that the fiber properties and molecular weight were similar. there was.
  • Example 6 as compared with Example 5, it was confirmed that the nozzle shear pressure increased due to the resistance generation in the flow path according to the application of the static mixer, the spinning speed and fineness were similar, and the molecular weight of the fiber was improved.
  • microfiber nonwoven fabrics produced by the methods of Examples 1 to 6 did not have a fineness of fibers as well as a change in melt viscosity, so that there was no decrease in molecular weight, and no decrease in mechanical properties such as toughness and ductility.
  • melt viscosity a change in melt viscosity
  • PET Polyethylene terephthalate
  • PET Polyethylene terephthalate
  • IV intrinsic viscosity 0.65
  • the resin is put into an extruder, melt-extruded, flows into a spinning nozzle, and when spinning, the instantaneous local high-temperature heating treatment is performed by a nozzle local heating heater arranged directly under the nozzle as shown in FIG. A fiber nonwoven fabric was prepared.
  • -Nozzle local heating heater temperature +50°C or higher compared to pack body temperature
  • -Heater hole of the heater for nozzle local heating hole type spaced within 5 mm from the center of the nozzle hole
  • a polyethylene terephthalate-based microfiber nonwoven fabric was prepared in the same manner as in Example 7, except that the discharge amount per hole of the spinning nozzle was performed at 0.46 g/min ⁇ hole.
  • Example 7 Except for using a high-viscosity polyethylene terephthalide (PET) resin having an intrinsic viscosity (IV) of 1.20, the same procedure as in Example 7 was carried out to prepare a polyethylene terephthalate-based microfiber nonwoven fabric.
  • PET polyethylene terephthalide
  • IV intrinsic viscosity
  • Example 7 Polyethylene terephthalate-based microfiber nonwoven fabric was prepared by the same procedure as described above.
  • Example 11 except for using a static mixer (Static Mixer) in the nozzle flow path, it was performed in the same manner as in Example 11 to prepare a polyethylene terephthalate microfiber nonwoven fabric.
  • Static Mixer Static Mixer
  • Example 7 When spinning in Example 7, the polyethylene terephthalate-based microfiber was performed in the same manner as in Example 7, except that a spinning nozzle not provided with a heater for heating the nozzle was disposed directly under the nozzle as shown in FIG. A nonwoven fabric was prepared.
  • Fineness (denier) Calculated taking into account the measured value of diameter (um) and specific gravity of 0.98
  • Example 7 reduces the nozzle shear pressure and the spinning speed. It was confirmed that the fineness was possible due to the increase and the decrease in fineness, and the thermal decomposition by high-temperature local heating did not occur, so that the properties and molecular weight of the fibers were similar.
  • Example 8 was carried out by increasing the air pressure of the ejector (Ejector) under the same conditions, to obtain a finer fine (8.2 ⁇ m) non-woven fabric.
  • Example 9 it was confirmed through Example 9 that in order to produce the same fineness, when the discharge amount from the nozzle was increased, the web output rate of the nonwoven web could be increased. At this time, the ultrafine fiber nonwoven fabric of the present invention was maintained without deteriorating the physical properties and intrinsic viscosity of the fiber.
  • Example 10 it was confirmed that high-viscosity resins that could not be radiated in Comparative Example 3 were also capable of spinning.
  • Example 11 compared to Example 2, the nozzle shear pressure was further reduced, the local heating effect was improved, and the fineness was maximized by increasing the spinning speed.
  • Example 12 as compared with Example 5, it was confirmed that the nozzle shear pressure increased due to the resistance generation in the flow path according to the application of the static mixer, the spinning speed and fineness were similar, and the molecular weight of the fiber was improved.
  • roller 204 ejector
  • the method for manufacturing a melt-spun nonwoven fabric according to the present invention utilizes the conventional spunbond manufacturing process as it is, while providing a microfiber nonwoven web in which fibers are finely divided compared to a spunbond nonwoven fabric, thereby providing high-performance ultrafine fibers with high added value at a low cost. It can be used in the production field of non-woven fabric.

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Abstract

본 발명은 용융방사형 부직포의 제조방법 및 그로부터 제조된 극세섬유 부직포 웹에 관한 것이다. 본 발명은 열가소성 고분자가 적어도 하나 이상의 노즐 홀을 포함하는 방사노즐을 통해 용융방사된 섬유를 고속공기류로 포집한 용융방사형 부직포 제조방법에 있어서, 상기 용융방사된 섬유가 방사시 방사노즐 직하에 구비된 노즐국부가열용 히터에 통과되면서 방사온도보다 높게 순간 국부고온가열 처리되어, 분자량 저하없이 노즐 홀에서 토출되는 열가소성 수지의 용융점도 및 방사선상에서의 신장점도를 낮춤으로써, 종래 스펀본드 부직포 대비 섬유가 세섬화된 극세섬유 부직포 웹을 제공할 수 있다.

Description

용융방사형 부직포의 제조방법 및 그로부터 제조된 극세섬유 부직포 웹
본 발명은 용융방사형 부직포의 제조방법 및 그로부터 제조된 극세섬유 부직포 웹에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열가소성 고분자가 적어도 하나 이상의 노즐 홀을 포함하는 방사노즐을 통해 용융방사된 섬유를 고속공기류로 포집한 용융방사형 부직포 제조방법에 있어서, 상기 용융방사된 섬유가 방사시 방사노즐 직하에 구비된 노즐국부가열용 히터에 통과되면서 방사온도보다 높게 순간 국부고온가열 처리되어, 분자량 저하없이 노즐 홀에서 토출되는 열가소성 수지의 용융점도 및 방사선상에서의 신장점도를 낮춤으로써, 종래 대비 섬유가 세섬화된 용융방사형 부직포의 제조방법 및 그로부터 제조된 극세섬유 부직포 웹에 관한 것이다.
부직포는 의료용, 산업자재용, 토목 건축자재용, 농업원예자재용, 생활 관련자재용, 의료 위생재료용 등의 폭넓은 분야에서 사용되고 있다. 부직포 중에서도 장섬유 부직포는 단섬유 부직포보다도 물성이 균일하고 우수하면서 부직포의 제조면에서도 생산성이 높다는 각종 이점이 있다. 이러한 장섬유 부직포가 가지는 이점을 살리면서 기능성이 우수한 부직포를 수득하기 위해, 부직포를 구성하는 섬유의 굵기를 가능한 한 가늘게 세섬화 하려는 많은 연구와 개발이 그동안 시도되어 왔다.
따라서, 부직포 제품의 세섬화는 중요한 이슈 중의 하나로서, 섬유가 세섬화 될수록 부직포 제품의 비표면적이 급격히 증가함으로써 액체 흡수성, 부드러움 또는 유연성, 여과 성능이 극대화되어, 위생재 및 필터류 분야를 비롯하여 다양한 응용분야에서 성능개선에 유용할 것이다.
용융방사와 직접 연관된, 부직포의 효과적인 제조방법은 스펀본드 공법과 멜트블로운 공법을 포함한다.
스펀본드 공법은 장섬유 부직포를 얻는 제법으로서 1959년에 듀퐁사 의해 처음으로 공업화된 이래 현재까지 스펀본드 부직포로 널리 사용되고 있다.
도 1은 일반적인 용융방사공정에 의한 합성섬유의 제조방법에 대한 모식도로서, 호퍼(100)에 공급된 열가소성 고분자가 압출기(101)에 의해 용용 토출되어 세공의 노즐(103)로부터 압출 방사되어 냉각고화 및 세화공정을 거치고, 상기 세화공정에서 회전롤(104)을 이용한 권취부(105)를 사용하여 섬유를 제조한다.
도 2는 용융방사를 이용한 오픈형 스펀본드법에 의한 부직포의 제조방법에 대한 모식도로서, 도 1의 세화공정에서 회전롤을 이용한 권취부 대신에 이젝터(204) 의한 고속 공기류에 의해 섬유를 견인시켜 세화시키고, 이젝터 하부에 설치된 이동포집 컨베이어 밸트 상에 웹(web)상으로 스펀본드 부직포를 얻을 수 있다.
도 3는 용융방사를 이용한 밀폐형 스펀본드법에 의한 부직포의 제조방법에 대한 모식도로서, 도 1의 세화공정에서 회전롤을 이용한 권취부 대신에 폐쇄형 덕트내의 노즐 직하에서 공급하는 공기로 섬유를 냉각시키면서 하류로 흘러갈 때 급격히 덕트의 통과 면적을 줄임으로서 공기의 통과속도를 극대화 시켜 오픈형의 이젝터와 유사하게 고속 공기류에 의해 섬유를 견인시켜 세화시키고, 덕트 하부에 설치된 이동포집 컨베이어 밸트 상에 웹(web)상으로 스펀본드 부직포를 얻을 수 있다.
따라서, 용융방사법에 의해 제조된 방사선상에서의 섬유의 최종 주행속도나 데니어(denier)는 노즐홀의 토출량 또는 권취속도 등의 방사조건에 의해 조절되나, 스펀본드 부직포의 경우 최종적으로 노즐홀의 토출량과 이젝터에서의 아웃풋(output)되는 공기 압력 및 양에 의해 좌우된다.
상기 스펀본드법으로 제조된, 연속적인 필라멘트 섬유로 이루어진 부직포는 뛰어난 기계적 강도를 가지나, 큰 섬유 직경 때문에 표면적이 작아 유체 흡수성, 유연성 및 여과 성질이 부족하다.
따라서, 부직포의 세섬화를 위하여, 스펀본드법에 의한 제조과정에서 이젝터의 공기압을 증가시키거나 노즐홀의 토출량을 감소시키면 섬유속도가 증가하면서 보다 가는 극세섬도의 섬유 부직포를 얻을 수 있다고 보고하고 있다[비특허문헌 1].
도 4는 용융방사를 이용한 멜트블로운드법에 의한 부직포의 제조방법에 대한 모식도이다.
멜트블로운드법은 스펀본드법과 유사하게 용융방사를 이용하되[비특허문헌 2, 특허문헌 1], 스폰본드 부직포와 비교할 때 섬유 직경이 작아, 유연성에서 뛰어나고 넓은 표면적을 가지게 된다. 이러한 멜트블로운드법은 세섬화를 위하여 점도가 낮은 저분자량의 열가소성 고분자를 용융시킨 후 노즐에서 토출 시킬 때, 고온의 공기를 음속에 가까운 속도로 노즐 주변에 가함으로써, 대량으로 1 내지 3㎛ 수준의 극세 부직포 섬유를 얻을 수 있다.
그러나 멜트블로운법으로부터 얻은 극세섬유 부직포는 공정상 에너지 소비량이 매우 크고, 세섬화를 위해서는 저분자량의 열가소성 고분자를 사용하기 때문에 그 자체로서 기계적 강도가 낮아서 단독으로 사용보다는 종래 스펀본드와 복합화하여 주로 사용하고 있다.
이외에도, 전기방사법을 이용한 극세섬유를 제조할 수 있는데, 고분자를 용매에 녹인 후 고압의 전기장하에서 전압차에 의해 방사와 동시에 용매는 휘발되어 제거되도록 함으로써, 나노 사이즈의 극세섬유를 얻을 수 있다. 그러나, 전기방사법을 이용할 경우, 생산성이 크게 떨어지고, 잔류 용매의 제거가 어려워 위생재 및 필터 적용에 제한될 수 있으며, 물성이 매우 약하여, 종래 스펀본드와 복합화하여 주로 사용되고 있다.
또 다른 방법으로서, 플레쉬 방사(flash spinning)법은 고분자를 액화가스 등의 용매에 융점보다 높은 고온에서 고압으로 용해시켜 균일하게 만든 후, 노즐 토출구 전에서 압력을 약간 감소시키면 2성분으로 상분리되는데 이를 상온상압의 대기 중에 토출시키면 용매가 급격히 가스화되면서 초음속으로 흐름과 동시에 기화된다. 이때, 잔류하는 고분자는 고화 및 연신되어 물성이 우수한 0.1 데니어급의 극세섬유 부직포를 얻을 수 있다[특허문헌 2].
그러나 공정이 매우 복잡하고 제어가 어려우며, 올레핀 고분자 계열외에는 적용에 한계가 있다는 문제가 있다.
앞서 도 1에 도시된 바와 같이, 합성섬유를 제조하는 용융방사법은 고분자 화합물의 중합체를 녹는점보다 높은 온도로 가열하여 용융하고 방사노즐로부터 공기중에 압출하여 냉각함으로써 섬유상으로 제조된다. 이때, 방사노즐로부터 토출된 방사섬유에 대한 안정적인 냉각방법에 의해 섬유 물성 특히 고강도 합성섬유를 얻을 수 있는데, 종래 연구는 상기 냉각고화된 섬유의 분자배향 및 결정화를 통해 섬유구조의 형성 거동을 제어하거나, 냉각을 지연시켜 섬유의 고강도화를 구현하고자 진행되어 왔다.
그 일례로, 방사노즐의 직하 보온법에 의한 국부가열하거나 방사노즐의 직하에 레이저조사에 의한 국부가열하는 방법이 실시되고 있으나, 상기의 국부가열은 방사노즐 직하에서의 열이나 레이저 히팅이 닿는 특정한 섬유부위를 가열할 수는 있으나 가열이 아닌 보온수준에 가까운 방식이고, 특히 방사섬유 전체를 균일하게 가열할 수 없는 문제가 있다.
따라서, PET와 나일론계 비액정 열가소성 고분자는 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, 용융상 고분자내 분자쇄 얽힘(molecular entanglement) 구조를 제어할 수 없어 완전한 배향 결정화(고강도화)를 달성할 수 없었다.
한편, 앞서 본 발명자들은 용융방사공정에서 용융된 수지가 방사 후 통과되는 방사노즐 직하에 국부 가열방식을 최적화할 수 있는 노즐가열부를 설계하고 방사노즐의 홀 부근과 방사노즐의 직하에서 방사된 멀티필라멘트사 전체를 순간 국부고온가열에 의해 용융상 고분자내 분자쇄 얽힘 구조를 제어하여 합성섬유의 강도 및 신도 등의 기계적 물성개선을 보고한 바 있다[특허문헌 3].
이에, 본 발명자들은 종래 극세섬유 부직포 제조방법의 문제점을 개선하기 위하여, 스펀본드법의 용융방사공정에 방사노즐의 홀 부근과 방사노즐 직하에서 섬유를 직간접적으로 순간 국부고온가열 방식을 도입함으로써, 방사노즐의 압력을 낮추고, 방사 노즐과 이젝터 사이의 섬유 장력을 낮추면서, 분자량 저하없이 고분자내 분자쇄 얽힘 구조를 효과적으로 제어하여 이젝터에서의 섬유 방사속도를 증가시켜 종래 스펀본드 또는 멜트블로운 부직포 대비 낮은 세섬도의 극세섬유 부직포를 얻을 수 있음을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 용융방사공정에서 방사 시, 방사노즐의 순간 국부 고온가열 방식을 최적화한 용융방사형 부직포의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법으로부터 제조된 극세섬유 부직포 웹을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 제조방법으로부터 제조된 극세섬유 부직포 웹을 포함하는 용도를 제공하는 것이다.
본 발명은 열가소성 고분자가 적어도 하나 이상의 노즐 홀을 포함하는 방사노즐을 통해 용융방사된 섬유를 고속공기류로 포집한 용융방사형 스펀본드법에 의한 부직포 제조방법에 있어서,
상기 용융방사된 섬유가 방사시 방사노즐 직하에 구비된 노즐가열부의 노즐국부가열용 히터에 통과되면서 팩바디 온도 대비 온도 차가 0.1∼1,000℃ 온도로 순간 국부고온가열 처리되어 세섬화된 용융방사형 부직포의 제조방법을 제공한다.
상기에서, 노즐국부가열용 히터가 노즐 홀 중심으로부터 1∼300㎜이내로 이격된 홀형 타입의 히터용 홀이 적어도 하나 이상의 노즐 홀과 대응되는 개수로 형성될 수 있다.
다른 유형으로서, 노즐국부가열용 히터가 노즐 홀이 동일 반경 내에 복수개의 홀층이 형성될 때, 이웃하는 홀층-홀층 사이에 삽입된 띠형 타입으로 형성될 때, 개별 노즐 홀 중심으로부터 1∼300㎜이내로 일렬 배열된 띠형 타입의 히터용 홀이 형성될 수 있다.
본 발명의 용융방사형 부직포의 제조방법에서 사용되는 열가소성 고분자는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트(PTT), 폴리사이클로헥산디메탄올 테레프탈레이트(PCT), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 및 폴리아릴레이트(Polyarylate)로 이루어진 군에서 선택되는 폴리에스테르계 고분자; 나일론 6, 나일론 6,6, 나일론 4 및 나일론 4,6에서 선택되는 폴리아미드계 고분자; 또는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌에서 선택되는 폴리올레핀계 고분자; 폴리페닐설파이트 (PPS); 중에서 선택되는 단독 또는 2종 이상의 혼합형태가 사용될 수 있다.
본 발명의 용융방사형 부직포의 제조방법에서 용융방사된 섬유를 순간 국부고온가열처리 하기 위한 노즐가열부가 팩바디 하부를 기준으로 -50(팩바디 안으로 들어감)∼300mm(팩바디 밖으로 나옴)로 위치한 방사노즐 하부와, 상기 방사노즐의 하부에, 접촉 또는 일부 삽입되는 노즐국부가열용 히터의 삽입깊이가 0∼50mm이고, 상기 노즐국부가열용 히터의 길이는 5∼500mm이며, 상기 노즐가열부는 노즐몸체의 하부에 일부 삽입된 노즐국부가열용 히터의 삽입깊이와, 상기 삽입깊이로부터 연장된 노즐국부가열용 히터의 연장길이를 포함하여 형성된다.
상기 노즐 몸체 하부면 추가 연장 거리가 0~100mm 이고, 연장된 구간 사이의 틈의 거리가 0~100mm으로 형성될 수 있다.
바람직하게는 상기 방사노즐은 홀 상부의 유로관에 유체혼합장치를 구비할 수 있다.
본 발명은 상기의 용융방사형 부직포의 제조방법으로부터 용융점도(MFI) 3 내지 900를 가지는 폴리프로필렌(PP) 고분자가 방사시 순간 국부고온가열 처리에 의해 세섬화된 극세섬유 부직포 웹을 제공한다.
상기 극세섬유 부직포 웹에서 세섬화는 하기 식 1에 의해 산출된 섬도 이하를 충족한다.
식 1
섬도 (㎛) = 94 × A(-0.71)
상기에서 A는 첨가제나 개질제성분없는 순수 폴리프로필렌(PP) 고분자를 이용할 때, 스펀본드 부직포 를 구성하는 섬유의 용융점도이다.
또한, 본 발명은 상기의 용융방사형 부직포의 제조방법으로부터 고유점도(I.V.) 0.5 내지 3.0을 가지는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 고분자가 방사시 순간 국부고온가열 처리에 의해 세섬화된 극세섬유 부직포 웹을 제공한다.
상기 극세섬유 부직포 웹에서 세섬화는 하기 식 2에 의해 산출된 섬도 이하를 충족한다.
식 2
섬도 (㎛) = (34 × B) - 12.7
상기에서 B는 첨가제나 개질제성분없는 순수 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 고분자를 이용할 때, 스펀본드 부직포를 구성하는 섬유의 고유점도이다.
본 발명은 스펀본드법의 용융방사공정에 방사노즐의 홀 부근과 방사노즐 직하에서 섬유를 직간접적으로 순간 국부고온가열 방식을 도입함으로써, 종래 스펀본드 부직포 대비 섬유가 세섬화된 가능한 극세섬유 부직포 웹을 제공할 수 있다.
따라서, 종래의 스펀본드법(Spun-bond)의 제조공정을 그대로 활용함으로써, 초기 투자비가 낮고, 저비용으로 고부가가치 고기능의 극세 섬유 부직포의 대량 생산이 가능할 것이다.
또한, 본 발명의 용융방사형 부직포의 제조방법은 종래 스펀본드법(Spun-bond)의 제조공정으로부터 제조된 부직포와 동일한 직경 및 물성을 충족하기 위해서는, 방사노즐로부터 토출되는 용융상태의 섬유가 각각의 가열구멍에 통과되는 국부가열에 의해 방사속도 또는 연신속도 상승에 따라, 초기 열가소성 고분자의 토출량을 늘릴 수 있으므로, 부직포의 생산성을 향상시킬 수 있다.
특히, 본 발명의 용융방사형 부직포의 제조방법은 용융방사되는 고분자를 홀에서 직접 순간 국부고온가열처리함으로써, 기존에는 방사하기 어려웠던 고점도의 열가소성 고분자를 방사 가능한 정도로 점도(팩압)를 낮춰 극세섬유 부직포웹을 제공한다.
본 발명의 용융방사형 부직포의 제조방법으로부터 제조된 극세섬유 부직포웹을 포함한 필터재 또는 위생재에 특히 유용하다.
도 1은 일반적인 용융방사공정에 의한 합성섬유의 제조방법에 대한 모식도이고,
도 2는 용융방사법을 이용한 오픈형 스펀본드법에 의한 부직포의 제조방법에 대한 모식도이고,
도 3는 용융방사법을 이용한 밀폐형 스펀본드법에 의한 부직포의 제조방법에 대한 모식도이고,
도 4은 용융방사를 이용한 멜트블로운드법에 의한 부직포의 제조방법에 대한 모식도이고,
도 5는 일반적인 용융방사공정에서의 노즐부 및 노즐하면의 보온용 히터가 구비된 확대도이고,
도 6은 도 5의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도로서 일반적인 홀 타입의 실시형태이고,
도 7은 본 발명의 용융방사공정에서의 노즐부 및 노즐직하에 노즐국부가열용 히터가 구비된 노즐가열부의 확대도이고,
도 8은 도 7의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도로서 노즐국부가열용 히터의 홀 타입의 실시형태이고,
도 9은 도 7의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도로서, 노즐국부가열용 히터의 홀 타입의 다른 실시형태이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시형태인 용융방사공정에서의 노즐부 및 노즐직하에 노즐국부가열용 히터가 구비된 노즐가열부의 확대도이고.
도 11은 도 10의 X-X'선 단면도로서, 노즐국부가열용 히터의 홀 타입의 다른 실시형태이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.
도 5는 일반적인 용융방사공정에서의 노즐부를 나타낸 것으로 팩바디(200)와 상기 팩바디(200)의 외측에 설치되어 팩바디에 열원을 제공하는 팩바디 히터(300)와, 상기 팩바디(200)에 설치되어 용융상태의 열가소성수지를 방사하는 방사노즐(100)로 이루어지고, 상기 방사노즐 하부에는 다수개의 방사용 홀(111)이 형성되어 열가소성수지가 용융방사되어 섬유가 형성된다. 다만, 이 경우 열가소성수지의 물성 변화 없이 섬유의 세섬화를 제공하는 데는 한계가 있었다.
본 발명은 열가소성 고분자가 적어도 하나 이상의 노즐 홀을 포함하는 방사노즐을 통해 용융방사된 섬유를 고속공기류로 포집한 용융방사형 스펀본드법에 의한 부직포 제조방법에 있어서, 상기 용융방사된 섬유가 방사시 방사노즐 직하에 구비된 노즐가열부(40)의 노즐국부가열용 히터(41)에 통과되면서 팩바디 온도 대비 온도 차가 0.1∼1,000℃ 온도로 순간 국부고온가열 처리되어 용융방사형 부직포의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 노즐국부가열용 히터(41)는 팩바디(20) 온도 대비 온도 차가 0.1∼1,000℃로서, 팩바디(20) 온도와 적어도 동일하거나 고온으로 제공된다.
또한, 방사노즐(32)는 팩바디 히터(10) 열원으로부터 50~400℃로 유지된 팩바디(20)에 고정되며, 방사노즐(32)의 온도는 팩바디 히터(10) 온도와 동일하거나 높다. 상기에서 팩바디(20)의 온도가 50℃ 미만이면, 대부분의 수지가 용융되지 못하고 굳어 방사가 곤란하고, 400℃를 초과하면, 수지의 급격한 열분해로 인한 섬유의 물성저하가 발생하여 바람직하지 않다. 이때, 팩바디 히터(10)의 온도는 전기 히터 또는 열매(熱媒)에 의해 조절될 수 있다.
본 발명의 용융방사형 부직포의 제조방법에 있어서, 방사 시, 섬유(F)가 방사노즐(32) 직하에 배치된 노즐가열부(nozzle-heating mantle, 40)를 통과하게 된다.
도 7은 본 발명의 노즐직하에 노즐국부가열용 히터(41)가 구비된 노즐가열부(40)의 확대도를 나타낸 것으로서, 방사노즐(32)은 방사장치의 팩바디(20) 내에 설치되고, 팩바디(20)의 외측에는 팩바디 히터(10)가 설치되어 있다.
본 발명은 열가소성 수지를 용융방사하여 섬유(F)를 형성하는 다수개의 노즐 홀(31)을 구비한 방사노즐(32)과, 상기 방사노즐(32)의 노즐 홀(31) 하부에 배치되어 방사 시 섬유(F)를 직간접으로 가열하기 위한 노즐가열부(40)를 포함한다.
본 발명의 특징부인 노즐국부가열용 히터(41)의 히터용 홀(41a, 41b)은 방사노즐(32)의 노즐 홀(31) 구조 및 개수와 동일하게 설계됨으로써, 방사 시 토출되는 섬유(F)가 노즐국부가열용 히터(41) 부근을 통과하면서 순간 국부고온가열된다.
도 8은 도 7의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도로서, 본 발명에 따른 노즐국부가열용 히터(41)의 홀 타입의 실시형태는, 노즐 홀 중심으로부터 1∼300㎜이내로 이격된 홀형 타입의 히터용 홀이며, 방사노즐(32)의 노즐 홀(31)의 구조를 유지하되, 그 안둘레면을 상기 방사노즐(32)의 노즐 홀(31) 중심으로부터 1∼300㎜이내로 이격시켜 형성함으로써, 방사노즐(32)의 노즐 홀(31) 중심으로부터 360도 방향으로 동일한 거리에서 온도를 유지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 노즐국부가열용 히터(41)의 홀 타입은 노즐 홀이 동일 반경 내에 복수개의 홀층이 형성될 때, 이웃하는 홀층-홀층 사이에 노즐 히터가 삽입된 형태인 것을 특징을 한다.
상기 히터용 홀(41a 또는 41b)에 방사 후 통과되는 섬유(F)가 통과되도록 함으로써, 통과시 히터용 홀(41a 또는 41b)에 직접적으로 접촉되지 않도록 되어 있다.
이때, 히터용 홀(41a 또는 41b)의 크기가 방사노즐(32)의 노즐 홀(31) 중심으로부터 1㎜ 미만으로 근접하면, 노즐국부가열용 히터(41)가 섬유(F)와 접촉될 가능성이 높아 노즐국부가열용 히터(41)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.
이때, 방사노즐(32)의 노즐 홀(31)의 중심에서 노즐국부가열용 히터(41)간의 거리(a1)는 1mm이상 50mm 미만인 것이 바람직하다. 노즐 홀(31)의 중심에서 노즐국부가열용 히터(41)간의 거리(a1)가 멀어질수록, 극세섬화된 섬유를 얻기 어려울 수 있다.
본 발명의 노즐직하에 구비된 노즐가열부(40)를 구체적으로 설명하면, 팩바디(20) 하부를 기준으로 -50(팩바디 안으로 들어감)∼300mm(팩바디 밖으로 나옴)로 위치한 방사노즐(32) 하부(b1)와, 상기 방사노즐(32)의 하부에, 접촉 또는 일부 삽입되는 노즐국부가열용 히터(41)의 삽입깊이(b2)가 0∼50mm이고, 상기 노즐국부가열용 히터(41)의 길이는 5∼500mm(b3)이며, 노즐가열부(40)는 상기 노즐몸체의 하부에 일부 삽입된 노즐국부가열용 히터(41)의 삽입깊이(b2)와, 상기 삽입깊이로부터 연장된 노즐국부가열용 히터(41)의 연장길이(b3)를 포함하여 형성된다.
또한, 상기 노즐국부가열용 히터(41)의 길이는 10mm 이상 내지 300mm 미만, 바람직하게는 50mm 이상 내지 250mm로 하는 것이 바람직하다.
이때, 도 7의 부분확대도에서와 같이 방사노즐(32)에 삽입된 노즐국부가열용 히터(41)의 상면과 이에 대향하는 방사노즐(32)의 저면 사이에 0∼10mm의 틈새(b4)를 형성하여 노즐국부가열용 히터(41)부와 방사노즐(32)의 표면이 직접 닿거나(틈새: 0mm) 최대 10mm의 틈새(b4)로 직간접(예: 전도 또는 복사)으로 가열되어 방사 전 방사노즐(32) 내의 노즐 홀(31) 부근에서 용융된 열가소성 수지를 1차로 직접(예: 전도) 가열되도록 한다.
따라서, 상기 노즐가열부(40)는, 방사 전 방사노즐(32) 내 노즐 홀(31) 부근에서 용융된 열가소성 수지를 방사노즐(32)의 하부에 삽입된 노즐국부가열용 히터(41)의 삽입길이(b2)와 틈새(b4)에 의해 1차로 직접(예: 전도) 가열하고, 이어서 상기 삽입깊이로부터 5∼500㎜길이(b3)의 노즐국부가열용 히터(41)에 의해, 방사 후 방사노즐(32)에서 토출된 고화 전 용융상태의 섬유(F)를 2차로 간접(예: 복사) 가열하도록 되어 있다.
이상의 노즐가열부(40)는 실제 상용화되는 방사노즐(32)에서 하단의 구조변경으로 인해 고온의 열을 방사노즐(32)의 노즐 홀(31) 부근에 직접 전달하고, 방사노즐(32)의 직하에 형성된 노즐국부가열용 히터(41)에 의해 섬유(F)를 간접 가열하는 이중 가열의 열전달 방식으로 최적화함으로써, 순간 국부고온가열에 의해 용융상의 고분자내 분자쇄 얽힘(molecular entanglement) 구조를 제어하여 얻어진 열가소성 고분자 섬유의 연신성을 향상시키고 냉각속도를 지연시킴으로써, 방사속도를 증가시켜 생산성을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 노즐직하에 구비된 노즐가열부(40)는 도 10과 같이, 노즐 몸체 하부면으로부터 방사노즐(32)을 연장하여, 노즐 하부면에서 노즐 홀의 토출구까지 추가 연장 거리(z1)를 갖도록 할 수 있다.
방사 노즐 몸체 하부면을 추가 연장할 경우에는 노즐가열부의 열을 노즐 홀 부근에 보다 집중(효율)적으로 전달할 수 있어 국부 가열 효과가 개선되어 노즐 전단압을 추가 감소시킬 수 있고, 방사 속도가 증가됨에 따라 세섬화 극대화가 가능하다.
이 때, 추가 연장된 구간에 위치한 노즐 홀(31)과 이와 이웃하는 노즐 홀 사이에 공기가 통과할 수 있는 틈(z2)이 형성될 수 있다. 이 경우 각각의 노즐 홀에 열을 균일하게 전달할 수 있어, 특히 최외곽 홀과 중심부 홀간의 국부 가열 편차를 최소화 할 수 있어, 노즐 홀간의 데니어 및 물성편차가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
상기 노즐 몸체 하부면 추가 연장 거리(z1)는 0∼100mm, 바람직하게는 1∼50mm 이고, 연장된 구간 사이의 틈의 거리(z2)는 0~100mm, 바람직하게는 1~10mm으로 형성될 수 있다.
본 발명의 제조방법은 실제 상용화되는 방사노즐(32) 하부 구조를 변경하고 직하에 노즐가열부(40)를 바로 적용가능하므로 초기 투자비를 낮추고, 저비용으로 극세섬유 부직포를 제조할 수 있다.
본 발명의 용융방사형 부직포의 제조방법에 있어서, 섬유의 세섬화와 생산성 향상을 달성하기 위하여, 노즐가열부(40)는 방사노즐(32)의 각 노즐 홀(31)을 통과하는 용융 고분자의 체류시간, 유량 및 전단속도의 최적화가 요구된다.
이에, 홀당 바람직한 용융 고분자의 체류시간은 5초 이하이고, 홀당 토출량은 적어도 0.001g/min.hole 이상이고, 생산성 및 섬유의 세섬화 측면에서 바람직하게는 0.1 내지 1g/min 더욱 바람직하게는 0.3 내지 0.7g/min이다.
이때, 폴리에스테르계 고분자의 경우 체류시간이 5초를 초과하면, 용융 고분자가 과도한 열에 장시간 노출되어 열화 문제가 발생하고, 토출량이 0.001g/min 미만이면, 이 또한 용융 고분자에 과도한 열이 노출되어 열화 문제가 발생할 수 있다.
또한, 방사노즐(32)에서 노즐 홀(31) 벽면의 전단속도(shear rate)는 1,000~ 200,000/sec이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 5,000~50,000/sec인 것이며, 이때, 전단속도가 1,000/sec 미만이면, 낮은 전단응력에 의한 용융 고분자의 분자 배향 및 구조제어 효과가 감소하고, 200,000/sec를 초과하면, 용융 고분자의 점탄성 특성에 의한 용융파열(melt fracture)이 발생하여 섬유 단면의 불균일을 초래하여, 세섬화된 부직포 제조가 어려운 문제점이 있다.
또한, 노즐에서의 전단 압력은 10 내지 200 bar를 유지하는 것이 바람직하고, 섬유 세섬화를 극대화 시키기 위해서는 20 내지 150bar를 유지하는 것이 바람직하다. 전단압력이 10bar 미만이면 노즐 홀간의 토출량 편차로 섬유 데니어(denier)의 홀간 편차가 심해지며, 200bar를 초과하면 노즐에 과도한 압력이 가해서 변형이 생기거나 주변부에 손상을 줄 수 있다.
또한, 방사노즐(32)의 노즐 홀(31)의 직경(D)은 섬유극세화 측면에서 0.01~ 1 mm으로 하였다. 노즐 홀의 직경이 0.01mm미만이면 사용시 이물에 의한 홀막힘의 문제가 발생하기 쉽고 세정이 어려우며 1mm를 초과하는 경우에는 방사 draft가 높아 섬유단면 변동율이 심해지고 섬유의 세섬화가 어려운 문제점이 있다.
또한, 상기 방사노즐(32)은 홀 상부의 유로관에 유체혼합장치(50)를 구비할 수 있다.
즉, 방사노즐을 구성하는 모든 노즐 홀 상부 유로관 내부에 유체혼합장치를 추가로 구비할 수 있고, 유체혼합장치는 일부 홀에만 설치시 홀간 체류시간 및 압력차이가 발생하여 품질 문제가 발생하므로 유체혼합장치를 설치할 경우 모든 노즐 홀에 동일하게 설치 하여야 한다.
일례로, 상기 유체혼합장치(50)로 스테틱 믹서(Static Mixer)(50a)를 사용할 수 있다. 스테틱 믹서(Static Mixer)는 여러 개의 굴곡진 스크류 날개를 이용하여 유체혼합을 할 수 있는 혼합장치로써, 회전부나 특별한 동력없이 관내를 통과하는 것만으로 유체를 연속적이고 균일하게 혼합시켜 주는 편리하고 경제적인 혼합장치로, 특히 노즐 홀의 외부와 내부간 열교환을 쉽게 할 수 있는 효과도 얻을 수 있다.
상기 스테틱 믹서의 형태는 노즐 내에서 분산에 적합한 형태를 가지는 한 특별히 제한되지 않으나, 혼합도를 고려할 경우 예를 들어 스크류 형태 또는 나선 형태인 것이 바람직하다. 또한, 상기 스테틱 믹서는 상기 노즐 내에서 복수가 다양한 방향으로 설치되는 형식으로 포함될 수 있다. 상기 스테틱 믹서는 특별한 제한 없이 공지의 재료로 제조될 수 있으며, 예를 들어 금속성 재질의 재료를 사용하여 금형 또는 주형의 제조 방법으로 제조될 수 있다.
다른 일례로, 상기 유체혼합장치로 메탈 파우더(Metal powder), 메탈 폼(Metal Foam), 다공성 메탈 필터(Porous Metal Filter)(50b)를 이용하여 스테틱 믹서와 동일한 효과를 기대할 수 있다.
또한, 노즐 홀(31)의 길이(L)와 직경의 비율(L/D)을 2 내지 10로 하였다. 방사 노즐의 홀길이와 홀 직경의 비율(L/D)을 2 미만으로 하면 홀내 흐르는 용융 수지에 외부열이 충분히 직접 전달되지 못해 섬유 극세화가 어려우며, 비율(L/D)이 10을 초과하면 홀내 흐르는 용융 수지에 열이 직접적으로 과도하게 전달되어 섬유 물성 저하 및 팩압이 증가하여 방사성이 좋지 못하였다.
또한, 노즐몸체 내의 홀(31) 수는 1 이상이며, 노즐 홀(31)간 피치(pitch)는 0.1mm 이상이고, 노즐 홀(31) 단면은 본 발명의 실시예에서는 원형을 예시하고 있으나 이에 한정되지 않고 이형단면(Y, +, -, O 등)도 적용될 수 있다. 또한, 방사노즐(32)을 포함하는 방사구금을 통해 시스-코어형, 사이드바이사이드형, 해도형 등, 2종 이상의 복합방사가 가능할 것이다.
본 발명의 노즐국부가열용 히터(41)의 홀형 타입의 히터용 홀(41a)은 방사노즐(32)의 노즐 홀(31) 구조와 개수가 동일하므로, 그에 따라 원형, 타원형, 사각형, 도넛형 등의 모든 형태의 홀 구조를 포함한다.
또한, 노즐국부가열용 히터(41)는 통상의 전기 열선으로 적용될 수 있으며, 그 일례로, Cu계 및 Al계 주물히터, 전자기유도 인덕션 히터, 씨즈(sheath)히터, 플렌지(flange) 히터, 카트리지(cartridge) 히터, 코일(coil) 히터, 근적외선 히터, 카본 히터, 세라믹 히터, PTC 히터, 석영관 히터, 할로겐 히터, 니크롬선 히터, 레이저 등의 광히터 또는 초음파 히터 등에서 선택된 어느 하나에 의해 제공될 수 있다.
본 발명의 용융방사형 부직포의 제조방법에서 사용될 수 있는 원료 고분자는 범용의 열가소성 고분자 중에서 제한없이 채용될 수 있으나, 더욱 바람직하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트(PTT), 폴리사이클로헥산디메탄올 테레프탈레이트(PCT), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 및 폴리아릴레이트(Polyarylate)로 이루어진 군에서 선택되는 폴리에스테르계 고분자; 나일론 6, 나일론 6,6, 나일론 4 및 나일론 4,6에서 선택되는 폴리아미드계 고분자; 또는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌에서 선택되는 폴리올레핀계 고분자; 폴리페닐설파이트 (PPS) 중에서 선택되는 어느 하나의 단독 또는 2종이상의 혼합형태를 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 바람직한 일례로 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)에 대하여 설명하고 있으나, 이에 한정되지 아니할 것이다.
본 발명의 용융방사형 부직포의 제조방법은 오픈형 또는 밀폐형 스펀본드법에 의한 제조방법인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 용융방사형 부직포의 제조방법은 이상에서 살펴본 특징과 같이, 용융방사된 섬유를 순간 국부고온가열처리한 이후에는 종래 오픈형 및 밀폐형의 스펀본드법(Spun-bond)에서 수행하는 고속 공기류로 상기 섬유를 컨베이커 벨트상에 포집하고 권취하는 방식은 동일하게 적용한다.
즉, 본 발명은 용융방사공정에 방사노즐의 홀 부근과 방사노즐 직하에서 섬유를 직간접적으로 순간 국부고온가열 방식을 도입함으로써, 분자량 저하없이 노즐 홀에서 토출되는 열가소성 수지의 용융점도 및 방사선상에서의 신장점도를 낮춤으로써, 종래 스펀본드 부직포 대비 섬유가 세섬화가 가능한 극세섬유 부직포 웹을 제공할 수 있다.
따라서, 종래의 오픈형 및 밀폐형의 스펀본드법(Spun-bond)의 제조공정을 그대로 활용함으로써, 초기 투자비가 낮고, 저비용으로 고부가가치 고기능의 극세 섬유 부직포의 대량 생산이 가능할 것이다.
또한, 섬유의 용융방사단계를 순간 국부고온가열처리 방식으로 최적화함에 따라, 분자량의 제어 및 방사, 열처리 조건을 조절하여, 다양한 섬유 구조물성(강도, 신도, 탄성율 등) 및 섬도(denier), 복합사(해도사, 시스코아, 사이드바이 사이드 등), 단면 형태 (이형단면)를 가지는 극세섬유 부직포를 제조할 수 있다.
특히, 본 발명의 용융방사형 부직포의 제조방법으로부터, 종래 스펀본드법 에서는 어려웠던 고점도의 수지를 분자량 저하없이 노즐 홀에서 토출되는 열가소성 수지의 용융점도를 낮춤으로서 방사노즐의 압력을 낮추고, 방사선상에서의 신장점도를 낮춤으로서 방사 노즐과 이젝터 사이의 섬유 장력을 낮추어 종래 오픈형 및 밀폐형의 스펀본드법 대비 고점도의 수지를 이용한 섬유가 세섬화가 가능한 극세섬유 부직포 웹을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 용융방사형 부직포의 제조방법은 종래 스펀본드법(Spun-bond)의 제조공정으로부터 제조된 부직포와 동일 데니어(denier) 및 물성을 충족하기 위해서는, 방사노즐로부터 토출되는 용융상태의 섬유가 각각의 가열구멍에 통과되는 국부가열에 의해 방사속도 상승에 따라, 초기 열가소성 고분자의 토출량을 늘릴 수 있으므로, 부직포의 생산성을 향상시킬 수 있다.
이에, 본 발명은 상기의 용융방사형 부직포의 제조방법으로부터 용융점도(MFI) 3 내지 900, 바람직하게는 3 내지 300, 더욱 바람직하게는 3 내지 100를 가지는 폴리프로필렌(PP) 고분자가 방사시 순간 국부고온가열 처리에 의해 세섬화된 극세섬유 부직포 웹을 제공한다.
특히, 본 발명의 용융방사형 부직포의 제조방법은 용융방사된 섬유를 순간 국부고온가열처리함으로써, 고점도의 열가소성 고분자를 방사가능한 정도로 팩압을 낮춰 극세섬유 부직포웹을 제공한다.
본 발명의 실시예에서는 제시된 바와 같이, 용융점도(MFI) 10 및 28를 가지는 폴리프로필렌(PP) 고분자가 방사시 순간 국부고온가열 처리에 의해, 상대적인 고점도인 용융점도(MFI) 10을 가지는 폴리프로필렌(PP) 고분자의 경우 방사가능하며 세섬화된 극세섬유 부직포 웹을 제공한다. 이때, 상기 PP 수지 및 섬유 용융점도(MFI, Melt Flow Index) 측정법은 ASTM D1238 (MFI 230/2) 법에 따라 얻어지되, 구체적으로는 수지를 230℃에서 6분정도 녹인 후, 직경 2mm의 노즐로 2.16kg의 추로 압력을 가하여 10분 동안 토출되어 나온 수지의 중량(g/10min)을 측정한다.
이때, 스펀본드법의 이젝터(204)는 토출된 섬유사조를 연신(stretch)시키기 위한 고속의 공기 흐름(high-speed air stream)을 제공하기 위한 것으로, 방사구금으로부터 토출된 섬유사조를 방사구금 하면으로부터 이젝터의 압축공기 분출구까지의 거리가 100~2000㎜가 되도록 배치하는 것이 바람직하다. 이는 100㎜ 미만으로 하면 섬유 냉각이 불충분한 상태로 이젝터에 들어감에 따라 섬도 불량 및 사절이 다발하는 경향이 있고, 2000㎜를 초과하는 경우 이젝터 전에서 충분히 고화된 섬유와 공기의 저항이 높아져 세섬화가 어려운 문제가 있을 수 있다. 이는 방사사조에 있어서 이젝터의 위치에 의해 냉각 고화가 완전히 종료되지 않은 상태의 위치에 연신 장력을 가할 수 있어 섬유의 섬세화와 함께 배향 결정화를 촉진시킬 수 있기 때문인 것으로 추측된다.
또한, 이젝터(204)의 형상으로서는 원형이나 직사각형 등 여러 가지의 것이 알려져 있지만 사조끼리의 융착이나 간섭이 발생하지 않으면서 고압에어 제트류의 에어사용량을 효율적으로 사용하기 위해서는 구금의 형태와 이젝터의 형태가 유사한 조합이 바람직하다. 일례로 원형 노즐이면 원형의 이젝터, 직사각형 노즐이면 직사각형 이젝터 형태가 바람직하다.
이에, 본 발명의 용융방사시 노즐직하 순간 국부고온가열 방식에 의해, 다양한 용융점도(MFI)를 가지는 폴리올레핀계 섬유군을 대상으로 기존의 각 섬유의 용융점도(MFI)에서 얻을 수 없었던 상대적으로 낮은 denier의 세섬도를 갖는 폴리올레핀계 섬유들을 제공할 수 있다.
이때, 상기 극세섬유 부직포 웹에서 세섬화는 하기 식 1에 의해 산출된 섬도이하를 충족한다.
식 1
섬도 (㎛) = 94 × A(-0.71)
상기에서 A는 첨가제나 개질제성분없는 순수 폴리프로필렌(PP) 고분자를 이용할 때, 스펀본드 부직포를 구성하는 섬유의 용융점도이다.
또한, 본 발명은 상기의 용융방사형 부직포의 제조방법으로부터 ASTM D4603-3법에 따라 측정된 고유점도(I.V.) 0.5 내지 3.0을 가지는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 고분자가 방사시 순간 국부고온가열 처리에 의해 세섬화된 극세섬유 부직포 웹을 제공한다.
이때, 상기 극세섬유 부직포 웹에서 세섬화는 하기 하기 식 2에 의해 산출된 섬도 이하를 충족한다.
식 2
섬도 (㎛) = (34 × B) - 12.7
상기에서 B는 첨가제나 개질제성분없는 순수 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 고분자를 이용할 때, 스펀본드 부직포를 구성하는 섬유의 고유점도이다.
나아가, 본 발명은 이상의 제조방법으로부터 극세섬유 부직포 웹을 포함하여 종래 부직포 용도에 제한없이 사용될 수 있으나, 더욱 바람직하게는 본 발명의 극세섬유 부직포 웹을 포함한 필터재 또는 위생재에 유용하며, 상기 위생재는 범용의 여성용 및 유아용 일회용 위생제품 또는 마스크 팩을 포함한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.
본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[측정 방법]
- 용융점도(MFI) (g/10분)
* PP의 MFI는 ASTM D1238에 준해서 측정 온도 230℃이며, 측정 하중 2.16kg의 조건으로 측정했다.
-고유점도(I.V.) (dl/g)
PET의 I.V.는 ASTM D4603-3법에 준해서 60/40 중량% 페놀/테트라클로로에탄 중에 30℃에서 측정하였다.
-드래프트(Draft)
다음 식에 의거하여 드래프트 값을 산출했다.
이젝터에서의 섬유속도 (방사속도) / 노즐 출구에서의 섬유 토출속도
- 방사속도(m/min)
섬유의 평균 섬도(denier)와 각 조건으로 설정한 방사구금 단공으로부터 토출되는 수지의 토출량 D(이하 단공 토출량으로 약기한다)(g/분)로부터 다음 식에 의거하여 방사속도 V를 산출했다.
방사속도 (m/min) = (9000(m) × D (g/min)) / denier
- 강도(MPa) 및 신도(%)
ASTM D 885 시험방법에 따라, 인스트론 시험기(Instron Engineering Corp., Canton, Mass)를 이용하여 25 ℃의 온도 및 65 % 상대습도 조건에서 250 ㎜의 시료 길이에 대하여 300 m/분 인장 속도를 가함으로써 혼합 섬유의 인장 강도 및 신도를 측정하였다.
1. 폴리프로필렌 극세섬유 부직포 제조
< 실시예 1> 극세섬유 부직포의 제조
용융점도(MFI) 28의 폴리프로필렌(PP) 수지를 압출기에 넣어 용융 압출하고 방사노즐에 유입하고, 방사 시, 도 7과 같이 노즐직하에 배치된 노즐국부가열용 히터에 의해 순간 국부 고온가열처리하고 아래의 방사조건에 따라 수행하여 폴리프로필렌계 극세섬유 부직포를 제조하였다.
(1) 방사 조건
- 압출기 온도: 240℃
- 방사팩 온도: 240℃
- 방사노즐 홀당 토출량: 0.35g/minㆍhole
- 이젝터(Ejector)의 공기압력: 250kPa
- 방사노즐 홀 수(nozzle내): 24개
- 노즐국부가열용 히터의 온도: 팩바디 온도 대비 +50℃ 이상
- 노즐국부가열용 히터의 히터용 홀: 노즐 홀 중심으로부터 5㎜이내로 이격된 홀형 타입
< 실시예 2>
이젝터(Ejector) 압력을 350kPa로 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 폴리프로필렌계 극세섬유 부직포를 제조하였다.
< 실시예 3>
방사노즐 홀당 토출량을 0.40g/minㆍhole로 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 폴리프로필렌계 극세섬유 부직포를 제조하였다.
< 실시예 4>
용융점도(MFI) 10의 고점도 폴리프로필렌(PP) 수지를 이용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 폴리프로필렌계 극세섬유 부직포를 제조하였다.
< 실시예 5>
도 10과 같이, 노즐 하부면 추가연장 거리(Z1)를 30mm, 연장구간 사이의 홀간 틈(z2)을 3mm로 하고, 이젝터(Ejector) 압력을 350kPa로 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 폴리프로필렌계 극세섬유 부직포를 제조하였다.
< 실시예 6>
상기 실시예 5에서, 노즐 유로관 내 스테틱 믹서(Static Mixer)를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 5와 동일하게 수행하여 폴리프로필렌계 극세섬유 부직포를 제조하였다.
< 비교예 1>
상기 실시예 1에서 방사 시, 도 5와 같은 노즐직하에 배치된 노즐국부가열용 히터가 구비되지 않은 방사노즐을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 폴리프로필렌계 극세섬유 부직포를 제조하였다.
< 비교예 2>
상기 비교예 1에서 방사 시, 이젝터(Ejector) 압력을 350kPa로 수행한 것을 제외하고는, 상기 비교예 1과 동일하게 수행하였다.
< 비교예 3>
상기 비교예 1에서 방사 시, 용융점도(MFI) 10인 폴리프로필렌(PP) 수지를 이용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
< 실험예 1>
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3에서 수행된 부직포의 제조 및 그에 따른 물성을 하기 표 1에 기재하였다.
폴리프로필렌 섬유 부직포 제조 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6 비교예1 비교예2 비교예3
운전조건 용융점도 (MFI) 28 28 28 10 28 28 28 28 10
노즐하부 국부가열용히터 ○ ○ ○ ○ ○ ○ X X X
Static Mixer 사용 X X X X X ○ X X X
노즐홀 중심에서 히터간 거리(a1), mm 5 5 5 5 5 5 - - -
가열히터 길이(b3), mm 50 50 50 50 50 50 - - -
노즐 하부면 추가연장 거리(z1), mm 0 0 0 0 30 30 - - -
연장구간 사이의 홀간 거리 (z2), mm 0 0 0 0 3 3 - - -
토출량, g/min.hole 0.35 0.35 0.40 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35 0.35
이젝터 압력, kPa 250 350 250 250 350 350 250 350 250
공정실측값 노즐전단압력, bar 38 38 46 112 31 42 72 72 203
Shear ratesec-1 8250 8250 9425 8250 8250 8250 8250 8250 8250
Draft1 ) 318 391 252 88 431 424 242 - -
방사속도2 )m/min 3940 4840 3560 1085 5340 5250 3000 - -
Spun-bond Fibers물성 직경, um 10.8 9.7 12.1 20.5 9.2 9.3 12.3 - -
섬도3 ) 0.80 0.65 1.01 2.90 0.59 0.60 1.05 - -
강도, MPa 203 237 195 270 225 229 211 - -
신도, % 162 154 173 180 158 164 160 - -
용융점도, MFI 31 31 30 11 30 29 30 - -
웹 생산량, g/min 8.3 8.4 9.6 8.4 8.3 8.3 8.4 - -
1)Draft = 이젝터에서의 섬유속도(방사속도)/노즐 출구에서의 섬유 토출속도2 )방사속도 (m/min): 계산된 섬도 값과 토출량을 근거로 계산
3)섬도 (denier): 직경 실측한 값 (um)과 사 비중 0.98 감안하여 계산
상기 표 1의 결과로부터, 실시예 1은 비교예 1 대비, 노즐 전단압이 감소되고, 방사속도 증가 및 섬도 감소로 세섬화가 가능하면서도 섬유의 물성 및 분자량 유사하여 고온 국부가열에 의한 열분해가 발생되지 않는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 2는 비교예 2에서는 불가능했던 고속방사가 가능하고, 실시예 1 대비 방사속도가 증가하여 추가 세섬화가 가능하며, 섬유의 물성 및 분자량이 개선되거나, 유사하여 고온국부가열에 의한 열분해가 발생되지 않는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 실시예 3은 비교예 1 대비, 유사한 섬도 및 물성의 섬유를 보다 높은 방사속도에서 생산가능하고, 단위 시간당 웹생산량 증가하여 생산성이 증가되는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 4는 비교예 3 대비, 고점도(고분자량, 저MFI)를 갖는 수지를 방사할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 5는 실시예 2 대비, 노즐 전단압이 추가 감소됨에 따라 국부가열 효과를 개선시킬 수 있음과 동시에, 방사속도가 증가하여 세섬화를 극대화 시킬 수 있고, 섬유의 물성 및 분자량 유사한 것을 확인할 수 있었다.
실시예 6는 실시예 5 대비, 스테틱 믹서적용에 따른 유로 내 저항발생에 따른 노즐 전단압이 증가하고, 방사속도 및 섬도가 유사하면서, 섬유의 분자량 저하가 개선됨을 확인할 수 있었다.
또한, 비교예 2 및 비교예 3은 방사가 불가능하였다.
결과적으로, 실시예 1 내지 실시예 6의 방법에 의해 제조된 극세섬유 부직포는 섬유의 세섬화뿐만 아니라 용융점도의 변화가 없어 분자량 저하가 없고, 인성 및 연성 등의 기계적 물성 저하없이 제조되는 것을 확인할 수 있었다.
2. 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET) 극세섬유 부직포 제조
< 실시예 7> 극세섬유 부직포의 제조
고유점도(IV) 0.65의 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지를 압출기에 넣어 용융 압출하고 방사노즐에 유입하고, 방사 시, 도 7과 같이 노즐직하에 배치된 노즐국부가열용 히터에 의해 순간 국부 고온가열처리하고 아래의 방사조건에 따라 수행하여 폴리프로필렌계 극세섬유 부직포를 제조하였다.
(1) 방사 조건
- 압출기 온도: 290℃
- 방사팩 온도: 290℃
- 방사노즐 홀당 토출량: 0.40g/minㆍhole
- 이젝터(Ejector)의 공기압력: 300 kPa (3 bar)
- 방사노즐 홀 수(nozzle내): 24개
- 노즐국부가열용 히터의 온도: 팩바디 온도 대비 +50℃ 이상
- 노즐국부가열용 히터의 히터용 홀: 노즐 홀 중심으로부터 5㎜이내로 이격된 홀형 타입
< 실시예 8>
이젝터(Ejector) 압력을 400kPa로 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 7과 동일하게 수행하여 폴리에틸렌테레프탈레이트계 극세섬유 부직포를 제조하였다.
< 실시예 9>
방사노즐 홀당 토출량을 0.46g/minㆍhole로 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 7과 동일하게 수행하여 폴리에틸렌테레프탈레이트계 극세섬유 부직포를 제조하였다.
< 실시예 10>
고유점도(IV) 1.20의 고점도 폴리에틸렌테레프탈레이드(PET)수지를 이용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 7과 동일하게 수행하여 폴리에틸렌테레프탈레이트계 극세섬유 부직포를 제조하였다.
< 실시예 11>
도 10과 같이, 노즐 하부면 추가연장 거리(Z1)를 30mm, 연장구간 사이의 홀간 틈(z2)을 3mm로 하고, 이젝터(Ejector) 압력을 400kPa로 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 7과 동일하게 수행하여 폴리에틸렌테레프탈레이트계 극세섬유 부직포를 제조하였다.
< 실시예 12>
상기 실시예 11에서, 노즐 유로관 내 스테틱 믹서(Static Mixer)를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 11과 동일하게 수행하여 폴리에틸렌테레프탈레이트계 극세섬유 부직포를 제조하였다.
< 비교예 4>
상기 실시예 7에서 방사 시, 도 5와 같은 노즐직하에 배치된 노즐국부가열용 히터가 구비되지 않은 방사노즐을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 7과 동일하게 수행하여 폴리에틸렌테레프탈레이트계 극세섬유 부직포를 제조하였다.
< 비교예 5>
상기 비교예 4에서 방사 시, 이젝터(Ejector) 압력을 400kPa로 수행한 것을 제외하고는, 상기 비교예 4와 동일하게 수행하였다.
< 비교예 6>
상기 비교예 4에서 방사 시, 고유점도(IV) 1.2인 폴리에틸렌테레프탈레이드(PET)수지를 이용한 것을 제외하고는, 상기 비교예 4와 동일하게 수행하였다.
< 실험예 2>
상기 실시예 7 내지 12 및 비교예 4 내지 6에서 수행된 부직포의 제조 및 그에 따른 물성을 하기 표 2에 기재하였다.
항목PET 실시예 실시예7 실시예8 실시예9 실시예10 실시예11 실시예12 비교예4 비교예5 비교예6
운전조건 고유점도, I.V. 0.65 0.65 0.65 1.20 0.65 0.65 0.65 0.65 1.20
노즐하부 국부가열용히터 ○ ○ ○ ○ ○ ○ X X X
Static Mixer 사용 X X X X X ○ X X X
노즐홀 중심에서 히터간 거리(a1), mm 5 5 5 5 5 5 - - -
가열히터 길이(b3), mm 50 50 50 50 50 50 - - -
노즐 하부면 추가연장 거리(z1), mm 0 0 0 0 30 30 - - -
연장구간 사이의 홀간 거리 (z2), mm - - - - 3 3 - - -
토출량, g/min.hole 0.40 0.40 0.46 0.40 0.40 0.40 0.40 0.40 0.40
이젝터 압력, kPa 300 400 300 300 400 400 300 400 300
공정 실측값 노즐전단압력, bar 48 48 58 127 39 50 86 86 215
Shear ratesec-1 7200 7200 8270 7200 7200 7200 7200 - -
Draft1 ) 359 513 318 104 585 575 312 - -
방사속도2 )m/min 3870 5540 3940 1125 6320 6210 3365 - -
Spun-bond Fibers 물성 직경, um 9.8 8.2 10.4 18.1 7.7 7.7 10.5 - -
섬도3 ) 0.93 0.65 1.05 3.20 0.57 0.58 1.07 - -
강도, MPa 315 330 319 360 335 333 324 - -
신도, % 106 102 120 94 98 103 113 - -
고유점도, I.V. 0.60 0.61 0.61 0.91 0.61 0.62 0.61 - -
웹 생산량, g/min 9.6 9.5 11.5 9.6 9.6 9.6 9.6 - -
1)Draft = 이젝터에서의 섬유속도(방사속도)/노즐 출구에서의 섬유 토출속도2 )방사속도 (m/min): 계산된 섬도 값과 토출량을 근거로 계산
3)섬도 (denier): 직경 실측한 값 (um)과 사 비중 0.98 감안하여 계산
상기 표 2의 결과로부터, 실시예 7 및 비교예 4는 동일 방사조건에서 노즐직하에 배치된 노즐국부가열용 히터의 존재여부에 따른 물성을 비교하면, 실시예 7은 노즐전단압 감소, 방사속도 증가 및 섬도 감소로 세섬화가 가능하고, 고온 국부가열에 의한 열분해가 발생되지 않아 섬유의 물성 및 분자량 유사한 것을 확인할 수 있었다.
또한, 실시예 8은 동일조건에서 이젝터(Ejector)의 공기압력을 올려 수행한 결과, 더 가는 극세(8.2㎛) 섬유의 부직포를 수득하였다.
또한, 실시예 9를 통해 섬도를 동일하게 생산하기 위해서는 노즐에서의 토출량을 올리는 경우에, 부직포 웹의 생산량(web output rate)을 증가시킬 수 있음을 확인하였다. 이때, 본 발명의 극세섬유 부직포는 섬유의 물성 및 고유점도의 저하없이 유지되었다.
또한, 실시예 10은 비교예 3에서는 방사 불가했던 고점도 수지도 방사가 가능한 것을 확인할 수 있었다.
실시예 11은 실시예 2 대비, 노즐 전단압이 추가 감소되어, 국부가열 효과가 개선되고, 방사속도 증가로 세섬화 극대화가 가능하였다.
실시예 12는 실시예 5 대비, 스테틱 믹서적용에 따른 유로 내 저항발생에 따른 노즐 전단압이 증가하고, 방사속도 및 섬도가 유사하면서, 섬유의 분자량 저하가 개선됨을 확인할 수 있었다.
비교예 5 및 비교예 6은 방사가 불가능하였다.
결과적으로, 실시예 7 내지 실시예 12의 방법에 의해 제조된 극세섬유 부직포는 섬유의 세섬화뿐만 아니라 용융점도의 변화가 없어 분자량 저하가 없고, 인성 및 연성 등의 기계적 물성 저하없이 제조되는 것을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
[부호의 설명]
10: 팩바디 히터 20: 팩바디
30: 용융상의 고분자 수지 31: 노즐 홀
32: 방사노즐 40: 노즐가열부
41: 노즐국부가열용 히터 41a, 41b: 히터용 홀
50: 유체혼합장치
100, 200, 300, 400: 호퍼 101, 201, 301, 401: 압출기
102, 202, 302, 402: 기어펌프 103, 203, 303, 403: 노즐
104: 롤러 204: 이젝터
304: 덕트 404: 멜트블로운 다이
105, 205, 305, 405: 권취부
본 발명에 따른 용융방사형 부직포의 제조방법은 종래의 스펀본드법의 제조공정을 그대로 활용하면서도 스펀본드 부직포 대비 섬유가 세섬화된 극세섬유 부직포 웹을 제공하여 낮은 비용으로 고부가가치를 갖는 고기능의 극세 섬유 부직포의 생산분야에 이용될 수 있다.

Claims (11)

  1. 열가소성 고분자가 적어도 하나 이상의 노즐 홀을 포함하는 방사노즐을 통해 용융방사된 섬유를 고속공기류로 포집한 용융방사형 스펀본드법에 의한 부직포 제조방법에 있어서,
    상기 용융방사된 섬유가 방사시 방사노즐 직하에 구비된 노즐가열부의 노즐국부가열용 히터에 통과되면서 팩바디 온도 대비 온도 차가 0.1∼1,000℃ 온도로 순간 국부고온가열 처리되어 세섬화된 용융방사형 부직포의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 노즐국부가열용 히터가 노즐 홀 중심으로부터 1∼300㎜이내로 이격된 홀형 타입의 히터용 홀이 적어도 하나 이상의 노즐 홀과 대응되는 개수로 형성되는 것을 특징으로 하는 세섬화된 용융방사형 부직포의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 노즐국부가열용 히터가 노즐 홀이 동일 반경 내에 복수개의 홀층이 형성될 때, 이웃하는 홀층-홀층 사이에 삽입된 띠형 타입으로 형성될 때, 개별 노즐 홀 중심으로부터 1∼300㎜이내로 일렬 배열된 띠형 타입의 히터용 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 세섬화된 용융방사형 부직포의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 고분자가 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트(PTT), 폴리사이클로헥산디메탄올 테레프탈레이트(PCT), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 및 폴리아릴레이트(Polyarylate)로 이루어진 군에서 선택되는 폴리에스테르계 고분자; 나일론 6, 나일론 6,6, 나일론 4 및 나일론 4,6에서 선택되는 폴리아미드계 고분자; 또는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌에서 선택되는 폴리올레핀계 고분자; 폴리페닐설파이트 (PPS); 중에서 선택되는 단독 또는 2종 이상의 혼합형태인 것을 특징으로 하는 세섬화된 용융방사형 부직포의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 노즐가열부가 팩바디 하부를 기준으로 -50(팩바디 안으로 들어감)∼300mm(팩바디 밖으로 나옴)로 위치한 방사노즐 하부와, 상기 방사노즐의 하부에, 접촉 또는 일부 삽입되는 노즐국부가열용 히터의 삽입깊이가 0∼50mm이고, 상기 노즐국부가열용 히터의 길이는 5∼500mm이며, 상기 노즐가열부는 노즐몸체의 하부에 일부 삽입된 노즐국부가열용 히터의 삽입깊이와, 상기 삽입깊이로부터 연장된 노즐국부가열용 히터의 연장길이를 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는 세섬화된 용융방사형 부직포의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 노즐 몸체 하부면 추가 연장 거리가 0~100mm 이고, 연장된 구간 사이의 틈의 거리가 0~100mm인 것을 특징으로 하는 세섬화된 용융방사형 부직포의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 방사노즐은 홀 상부의 유로관에 유체혼합장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 세섬화된 용융방사형 부직포의 제조방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 제조방법으로부터 용융점도(MFI) 3 내지 900를 가지는 폴리프로필렌(PP) 고분자가 방사시 순간 국부고온가열 처리에 의해 세섬화된 극세섬유 부직포 웹.
  9. 제8항에 있어서, 상기 세섬화가 하기 식 1에 의해 산출된 섬도 이하를 가지는 것을 특징으로 하는 극세섬유 부직포 웹.
    식 1
    섬도 (㎛) = 94 × A(-0.71)
    상기에서 A는 첨가제나 개질제성분없는 순수 폴리프로필렌(PP) 고분자를 이용할 때, 스펀본드 부직포를 구성하는 섬유의 용융점도이다.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 제조방법으로부터 고유점도(I.V.) 0.5 내지 3.0을 가지는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 고분자가 방사시 순간 국부고온가열 처리에 의해 세섬화된 극세섬유 부직포 웹.
  11. 제10항에 있어서, 상기 세섬화가 하기 식 2에 의해 산출된 섬도 이하를 가지는 것을 특징으로 하는 극세섬유 부직포 웹.
    식 2
    섬도 (㎛) = (34 × B) - 12.7
    상기에서 B는 첨가제나 개질제성분없는 순수 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 고분자를 이용할 때, 스펀본드 부직포를 구성하는 섬유의 고유점도이다.
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