KR101235054B1 - 아라미드 멀티필라멘트 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아라미드 멀티필라멘트 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 상기 아라미드 멀티필라멘트는 표면에 하기 구조식 Ⅰ의 인산 에테르 알칼리 금속염이 부착되어 있다.

[구조식 Ⅰ]

(상기 식에서, R은 알킬기이고, n은 1~9의 정수이고, M은 Na, K 또는 Li 등과 같은 알칼리 금속이다)

본 발명은 제전성이 우수하여 타이어 코오드 제조공정중 하나인 합연사 공정 등에서 백분 발생이나 롤감김 현상을 최소화 할 수 있다.

아라미드, 멀티필라멘트, 방사유제, 제전성, 합연사, 타이어 코오드.

Description

아라미드 멀티필라멘트 및 그의 제조방법{Aramid multi-filament and method of manufacturing the same}

본 발명은 아라미드 멀티필라멘트 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 타이어 코오드 제조공정중 하나인 합연사 공정 등에서 백분 발생이 적고, 롤감김 현상을 최소화할 수 있는 아라미드 멀티필라멘트 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

아라미드 멀티필라멘트는 미국특허 제 3,869,429 호 및 미국특허 제 3,869,430 호 등에 게재되어 있는 바와 같이, 방향족 디아민과 방향족 디에시드클로라이드를 N-메틸-2-피롤리돈을 포함하는 중합용매 중에서 중합시켜 아라미드 중합체를 제조하는 공정과, 상기 중합체를 농황산 용매에 용해시켜 방사원액을 제조하는 공정과, 상기 방사원액을 방사 구금으로부터 방사하여 방사된 방사물을 비응고성 유체층을 통해 응고액 욕조내로 통과시켜 필라멘트를 형성하는 공정과, 상기 필라멘트를 수세 및 건조하는 공정들을 거쳐 제조된다.

상기와 같은 종래의 제조방법으로 제조된 아라미드 멀티필라멘트는 높은 강도 및 모듈러스를 구비하여 타이어 코오드용 원사로 유용하지만, 제전성이 부족하여 타이어 코오드 제조공정중 하나인 합연사 공정에서 백분 발생이 많이 발생되고, 롤감김 현상이 심하여 후공정성이 저하되는 문제가 있었다.

한편, 타이어 코오드는 타이어의 구성성분중 하나로서 타이어 고무를 보강하는 역할을 하며, 타이어 내에서 기본 골격 구조를 형성한다.

타이어 보강재로써 코오드에 요구되는 성능은 내피로성, 전단강도, 내구성, 반발탄성 그리고 고무와의 접착력 등이다. 따라서, 타이어에 요구되는 성능에 따라 적절한 코오드를 사용하게 된다.

현재 일반적으로 사용되는 코오드용 소재로는 레이온, 나일론, 폴리에스터, 스틸 및 아라미드 등이 사용된다.

타이어 코오드 제조를 위해서는 타이어 코오드 제조용 원사(멀티필라멘트)에 상연(Z연) 꼬임을 준 다음 상연된 원사 2가닥에 다시 하연(S연) 꼬임을 주면서 합사하여 합연사(Raw cord)를 제조한 후, 이를 타이어 코오드 제조용 접착제 용액에 침지, 건조 및 열처리하는 공정을 거치게 된다.

상기 합연사(Raw cord) 제조공정을 "합연사 공정"이라고 한다.

앞에서 설명한 바와 같이 종래의 아라미드 멀티필라멘트로 아라미드 타이어 코오드를 제조하는 경우, 아라미드 멀티필라멘트의 제전성이 부족하여 합연사 공정시 공정성이 크게 저하되는 문제가 발생하였다.

본 발명은 원사 표면에 제전제인 인산 에테르 알칼리 금속염이 부착되어 있어서 합연사 공정 등에서 백분 발생이 적고, 롤감김 현상이 없고, 후공정성이 우수한 아라미드 멀티필라멘트 및 그의 제조방법을 제공한다.

방사되어 제조된 필라멘트다발을 '멀티 필라멘트'라 하고, 상기 멀티 필라멘트를 상연 및 하연(또는 하연 및 상연)하여 제조되는 로코오드(Raw cord)를 '합연사'라 하고, 상기 합연사에 타이오 코오드용 접착제로 처리된 완제품 상태의 딥 코오드를 '타이어 코오드' 또는 '코오드'라 한다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 아라미드 멀티필라멘트의 제조방법은 아라미드 방사원액을 방사, 비응고 유체 통과, 응고, 수세, 건조 및 수세하여 아라미드 멀티필라멘트를 제조할때 도 1에 도시된 바와 같이 방사되는 멀티필라멘트에 하기 구조식 Ⅰ의 인산 에테르 알칼리 금속염을 포함하는 방사유제를 부착해 주는 것을 특징으로 한다.

[구조식 Ⅰ]

(상기 식에서, R은 알킬기이고, n은 1~9의 정수이고, M은 Na, K 또는 Li 등과 같은 알칼리 금속이다)

도 1은 본 발명에 따른 아라미드 멀티필라멘트를 제조하는 공정개략도이다.

또한, 본 발명에 따른 아라미드 멀티필라멘트는 그의 표면에 상기 구조식 Ⅰ의 인산 에테르 알칼리 금속염이 부착되어 있다.

구체적으로, 본 발명에서는 도 1에 도시된 바와 같이 방향족 디아민과 방향족 디에시드클로라이드를 N-메틸-2-피롤리돈을 포함하는 중합용매 중에서 중합시켜 폴리(파라-페닐렌테레프탈아미드) 중합체를 제조하고, 상기 중합체를 농황산 용매에 용해시켜 방사원액을 제조하고, 상기 원액을 방사 구금으로부터 방사하여 방사된 방사물을 비응고성 유체층을 통과시키면서 상기 방사물에 상기 구조식 Ⅰ의 인산 에테르 알칼리 금속염을 포함하는 방사유제를 묻혀주고, 이를 응고액 욕조 내로 통과시켜 멀티필라멘트를 형성하고, 상기 멀티필라멘트를 수세 및 건조하여 아라미드 멀티필라멘트를 제조한다.

상기 방사유제는 합성섬유 제조시 사용되는 통상의 방사유제 모두를 나타낸다.

이때 상기 방향족 디아민은 P-페닐렌디아민 등이고, 방향족 디에시드클로라이드는 테레프탈로일 클로라이드 등이다.

또한, 상기의 중합용매는 염화칼슘이 용해되어 있는 N-메틸-2-피롤리돈 등이다.

상기 아라미드(전방향족 폴리아미드) 중합체의 고유점도는 5.0 이상인 것이 필라멘트의 강도 및 탄성률 향상에 좋다.

상기 아라미드 중합체는 미국등록 특허 제 3,869,429 호 등에 게재된 공지의 중합조건들을 사용하여 제조할 수 있으나, 본 발명에서는 상기 아라미드 중합체의 중합조건을 특별하게 한정하는 것은 아니다.

중합체를 제조하는 한가지 예로는 1몰의 파라-페닐렌디아민을 약 1몰의 염화칼슘을 포함하는 N-메틸-2-피롤리돈에 용해시킨 용액과 1몰의 테레프탈로일 클로라이드를 중합용 반응기 내에 투입한 후 교반하여 겔상의 중합체를 제조하고, 이를 분쇄, 수세 및 건조하여 미세 분말상의 아라미드 중합체를 제조한다. 이때 상기 테레프탈로일 클로라이드는 2 단계로 나누어 중합용 반응기 내에 투입할 수도 있다.

상기 방사원액 제조시에 사용되는 농황산 농도를 97%∼100%인 것이 바람직하며, 클로로황산이나 플루오로황산 등도 사용될 수 있다.

이때 황산의 농도가 97% 미만인 경우에는 폴리머의 용해성이 저하되고 비등방성 용액의 액정성 발현이 곤란해지며, 따라서 일정한 점도의 방사원액 제조가 어려워져 방사시 공정관리가 힘들고 최종 섬유의 기계적 물성이 저하될 수 있다.

반대로, 농황산의 농도가 100%를 초과하면, 과리(過離) SO₃를 함유하는 발연 황산에서 SO₃가 과다해져 취급상 바람직하지 않을 뿐만 아니라 고분자의 부분적 용해가 일어나기 때문에 방사원액으로는 부적당하며, 또한, 비록 방사하여 얻어진 섬유라 할지라도 섬유의 내부구조가 치밀하지 않고 외관상 광택이 없으며 응고용액 내로 확산되는 황산의 속도가 떨어져 섬유의 기계적 물성이 저하되는 문제점이 발생될 수 있다.

한편, 방사 원액내 중합체의 농도는 10∼25중량% 인 것이 섬유물성에 바람직 하다.

그러나, 본 발명에서는 농황산의 농도 및 방사 원액내 중합체의 농도를 특별하게 한정하는 것은 아니다.

상기의 비응고성 유체층은 주로 공기층이나 불활성 기체층도 사용될 수 있다.

비응고성 유체층의 길이, 다시 말해 방사 구금(40)의 저면과 응고액 욕조(50)내에 담겨져 있는 응고액의 표면까지의 거리는 0.1~15cm인 것이 방사성이나 필라멘트의 물성 향상에 바람직하다.

비응고성 유체층을 통과한 멀티필라멘트 표면에 유제 로울러(20)를 사용하여 상기 구조식 Ⅰ의 인산 에테르 알칼리 금속염을 포함하는 방사유제를 묻혀준후 응고액 욕조(50)내로 통과시킨다. 상기 방사유제내 인산 에테르 알칼리 금속염의 함량은 방사유제 총중량 대비 30 중량% 이상인 것이 바람직하다.

방사유제내 상기 인산 에테르 알칼리 금속염의 함량이 30 중량% 미만이면 원사 표면에 묻혀지는 인산 에테르 알칼리 금속염의 양이 너무 낮아져 제전성이 저하될 수 있고, 원사 표면에 부착되는 인산 에테르 알칼리 금속염의 부착량을 원하는 범위로 높히기 어렵게 된다.

상기 유제 로울러(20)에는 유제공급장치(10)로 방사유제가 공급되거나, 상기 유제 로울러(20)가 방사유제 욕조에 일부 침지된 상태로 회전할 수도 있다.

이때, 상기 아라미드 멀티필라멘트(원사)에 묻혀지는, 즉 부착되는 상기 인산 에테르 알칼리 금속염의 부착량은 원사 중량 대비 0.05~1.60 중량%가 되도록 조절하는 것이 좋다.

상기의 응고액 욕조(50)내의 응고액은 오버플로우 될 수도 있다. 응고액으로는 물, 염수 또는 농도가 70% 이하인 황산 수용액 등을 사용한다.

다음으로는, 형성된 필라멘트를 수세 및 건조한 후 공기교락기로 공기교락한 다음 권취하여 아라미드 멀티필라멘트를 제조한다.

이때 방사 권취 속도는 300~1,500 m/분 수준으로 한다.

본 발명에 따른 아라미드 멀티필라멘트는 표면에 상기 인산 에테르 알칼리 금속염이 아라미드 멀티필라멘트 중량대비 0.05~1.6 중량%이다.

또한 본 발명에 따른 아라미드 멀티필라멘트의 강도는 10~25 g/d로서, 10 g/d 미만인 경우에는 강도가 낮아 타이어 코오드로 적용시 자동차 하중을 지지하기 어려워 타이어의 성능발현이 불가능한 문제가 발생되고, 25 g/d 를 초과하는 경우에는 타이어 성능 발현에는 충분한 물성을 넘어서 효율적이지 못한 문제가 발생될 수 있다.

또한, 상기 아라미드 멀티필라멘트의 절단신도는 2~6%로서, 2% 미만인 경우에는 낮은 절단신도로 인해 타이어 코오드로 적용되기에는 피로특성이 부족한 문제가 발생되고, 6%를 초과하는 경우에는 형태안정성이 부족한 문제가 발생될 수 있다.

또한, 상기 아라미드 멀티필라멘트의 모듈러스 400~750 g/d로서, 400 g/d 미만인 경우에는 낮은 모듈러스로 인해 타이어 제조시 고속주행에 대한 지지능력 발현이 부족한 문제가 발생되고, 750 g/d를 초과하는 경우에는 높은 모듈러스로 인해 타이어 성형이 어려운 문제가 발생될 수 있다.

상기 아라미드 타이어 코오드의 총섬도가 800~10,000 데니어인 것이 바람직하고, 상기 아라미드 멀티필라멘트는 총섬도가 400~5,000 데니어이고 500~1,200개의 아라미드 모노필라멘트들로 구성되는 것이 바람직하다. 또한 상기 아라미드 모노필라멘트의 단사섬도는 1~2 데니어인 것이 바람직하다.

상기 아라미드 멀티필라멘트의 각종 물성들은 아래와 같은 방법으로 측정한다.

·강도(g/d) 및 절단신도 (%)

ASTM D-885 시험방법에 따라, 인스트론 시험기(Instron Engineering Corp, Canton, Mass)에서 길이가 25cm인 샘플사를 이용하여 샘플사가 파단될 때의 강력(g)을 측정한 다음 이를 샘플사의 데니어로 나누어 강도를 구하였다. 절단신도 는 샘플사의 원래길이대비 샘플사가 파단될 때까지 늘어난 길이의 비율로 구하였다. 상기 강도 및 절단신도는 5회 테스트한 후 그 평균값으로 하였다. 이때 인장속도는 300 mm/분으로 하였고, 초하중은 섬도×1/30g으로 하였다.

· 모듈러스 (g/d)

상기의 강도 측정 조건으로 샘플사의 응력-변형 곡선을 구한 다음, 상기 응력-변형율 곡선상의 기울기로부터 계산한다.

· 교락수

자동교락 측정장치(제품명 : Rothschild R 2070)로 80gf의 장력하에서 측정하였다.

본 발명에 따른 아라미드 멀티필라멘트로 아라미드 타이어 코오드를 제조하는 방법 일례를 살펴보면, 하기의 물성을 갖는 아라미드 멀티필라멘트를 타이어 코오드용 알마 연사기 등을 사용하여 도 2에 도시된 것과 같이 꼬임방향이 시계반대방향인 상연(Z연) 꼬임을 준 다음 상연된 2가닥을 도 3에 도시된 것과 같이 꼬임방향이 시계 방향인 하연(S연) 꼬임을 주면서 합사하여 합연사를 제조한다.

도 2 내지 도 3은 각각 상연(Z연)과 하연(S연)의 정의를 나타내는 도면이다.

이때 상기 상연(Z연) 및 하연(S연) 각각의 꼬임수는 각각 20~60회/10㎝인 것이 바람직하다.

꼬임수가 20회/10㎝ 미만인 경우에는 꼬임수가 낮아 강력은 높은 반면 절단신도가이 매우 낮음에 따라 코오드의 피로특성이 나쁘며 표면적이 낮아짐에 따른 접착력도 불량한 문제가 발생될 수 있다.

꼬임수가 60회/10㎝를 초과하는 경우에는 과도한 꼬임으로 인해 타이어 코오드의 강도가 떨어지는 문제가 발생될 수 있다.

다음으로는 상기와 같이 합사된 아라미드 합연사를 통상의 레솔시놀-포름알데히드-라텍스(RFL) 용액에 아라미드 합연사를 기준으로 픽업율이 3~12중량%가 되도록 침지하며, 1욕 또는 2욕 디핑을 사용할 수 있다.

본 발명에서 사용하는 RFL 접착제 용액 일례로는 레소시놀 2.0 중량%, 포르말린(37%) 3.2 중량%, 수산화나트륨(10%) 1.1 중량%, 스티렌/부타디엔/비닐피리딘(15/70/15) 고무(41%) 43.9 중량%, 및 물을 포함하는 RFL 접착제 용액을 사용한다.

본 발명에서 아라미드 코오드와 고무의 접착력을 위한 접착액의 일예로서 상기와 같이 제조하여 사용되어질수 있고, 상기의 예가 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일뿐, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

상기 픽업률이 3중량% 미만인 경우에는 고무와의 접착력이 저하되고, 12중량%를 초과하는 경우에는 RFL 용액(침지액)의 코오드내 침투도가 너무 높아 강도가 낮아지고 피로특성이 낮아지게 되는 등의 여러가지 물성이 저하될 수 있다.

다음으로는 RFL 용액이 침지된 원사를 105~200℃에서 10초 내지 400초간 건조한 다음, 계속해서 105~300℃에서 10초 내지 400초간 열처리하여 아라미드 타이 어 코오드를 제조한다.

건조시간 및 열처리 시간 각각이 상기 범위보다 낮거나 건조온도 및 열처리 온도 각각이 상기범위보다 낮은 경우에는 접착력이 낮은 문제가 발생될 수 있다.

건조시간 및 열처리 시간 각각이 상기 범위를 초과하거나 건조온도 및 열처리 온도 각각이 상기 범위를 초과하는 경우에는 과도한 열이력으로 인해 접착력이 낮고 물성이 저하되는 문제가 발생될 수 있다.

상기 건조 공정에서는 아라미드 멀티필라멘트 내에 존재하는 수분을 건조시키며, 상기 열처리 공정에서는 함침용액을 반응시켜 타이어 코오드에 접착력을 부여하게 된다.

본 발명에 따른 아라미드 멀티필라멘트는 그의 표면에 제전제인 인산 에테르 알칼리 금속염이 원사 중량 대비 0.05~0.16 중량% 부착되어 있어서 합연사 공정 등에서 백분 발생이 적고, 롤감김 현상이 감소하고, 후공정성이 뛰어난 효과를 나타낸다.

그로인해, 본 발명에 따른 아라미드 멀티필라멘트는 아라미드 타이어 코오드 제조 등에 유용하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

1,000kg의 N-메틸-2-피롤리돈을 80℃로 유지시키고 여기에 염화칼슘 80kg과 48.67kg의 파라-페닐렌디아민을 녹여서 방향족 디아민 용액을 제조하였다.

상기의 방향족 디아민 용액을 중합용 반응기(20) 내로 투입함과 동시에 파라-페닐렌디아민 동몰량의 용융 테레프탈로일 클로라이드를 중합용 반응기(20) 내로 동시에 투입한 후 이들을 교반하여 고유점도가 6.8인 폴리(파라-페닐렌테레프탈아미드) 중합체(아라미드 중합체)를 제조하였다.

다음으로, 제조된 상기의 아라미드 중합체를 99% 농황산에 용해시켜 중합체 함량이 18중량%인 광학적 비등방성 방사원액을 제조하였다.

다음으로, 상기와 같이 제조된 방사원액을 도 1에 도시된 바와 같이 방사 구금(40)을 통해 1,000m/분의 방사권취속도로 방사한 후, 방사된 방사물을 7 mm의 공기층(비응고성 유체층)을 통과시킨 후, 계속해서 수세 및 건조한 후 유제로울러(20)를 사용하여 상기 방사물에 인산 에테르 알칼리 금속염이 50 중량% 포함된 방사유제를 방사물 중량대비 0.2 중량% 부착하고, 계속해서 황산농도가 13%인 황산수용액(응고액)이 담겨져 있는 응고액 욕조(50)내로 통과시켜 아라미드 멀티필라멘트를 제조하였다.

상기 제조된 아라미드 멀티필라멘트를 Cable & Cord 3 type twister (C.C Twister, Allma Co.)를 이용하여 30회/10㎝의 꼬임수로 상연(Z연)하고, 상연된 2가 닥을 다시 30회/10㎝의 꼬임수 하연(S연)하여 이들을 합연사 하여 코오드 생지(Raw cord)를 제조하였다.

상기 합연사 공정의 공정성과 아라미드 멀티필라멘트의 각종 물성을 측정한 결과는 표 1과 같았다.

실시예 2

방사물에 방사유제를 방사울 중량 대비 0.3 중량% 부착한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 아라미드 멀티필라멘트 및 코오드 생지를 제조하였다.

상기 합연사 공정의 공정성과 아라미드 멀티필라멘트의 각종 물성을 측정한 결과는 표 1과 같았다.

비교실시예 1

공기층(40)을 통과한 방사물에 인산 에테르 알칼리 금속염이 전혀 포함되지 않은 방사유제를 방사물 중량대비 0.2 중량% 부착한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 아라미드 멀티필라멘트 및 코오드 생지를 제조하였다.

상기 합연사 공정의 공정성과 아라미드 멀티필라멘트의 각종 물성을 측정한 결과는 표 1과 같았다.

물성 평가 결과

구분		실시예 1	실시예 2	비교실시예 1
아라미드 멀티필라멘트 물성	평균단사섬도 (데니어)	1.5	1.5	1.5
	강도(g/d)	22.3	22.2	22.4
	모듈러스(g/d)	714	713	715
	절단신도(%)	3.2	3.2	3.2
합연사 공정성	백분 발생 (mg/100kg)	2.8	3.0	18.3
	롤감김 현상 (회/100kg)	0	0	3

표 1에 기재된 백분 발생 및 만권율은 아래와 같이 평가하였다.

·백분 발생

아라미드 멀티필라멘트 100kg을 합연사 시킨 후 합연사 기계의 각종 가이드 및 공급로울러에 부착된 백분의 중량을 측정하였다.

· 롤감김 현상

아라미드 멀티필라멘트 100kg을 합연사 기계에서 합연사 하였을때 롤감김 발생 회수로 측정하였다.

도 1은 본 발명에 따른 아라미드 멀티필라멘트를 제조하는 공정개략도.

도 2 내지 도 3은 상연과 하연의 정의를 나타낸 도면.

Claims (7)

1. 표면에 하기 구조식 Ⅰ의 인산 에테르 알칼리 금속염이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 아라미드 멀티필라멘트.

   [구조식 Ⅰ]

   

   (상기 식에서, R은 알킬기이고, n은 1~9의 정수이고, M은 Na, K 또는 Li 등과 같은 알칼리 금속이다)
2. 제1항에 있어서, 아라미드 멀티필라멘트는 강도가 10~25 g/d이고, 절단신도가 2~6%이고, 모듈러스가 400~750 g/d인 것을 특징으로 하는 아라미드 멀티필라멘트.
3. 제1항에 있어서, 아라미드 멀티필라멘트의 총섬도가 400~5,000 데니어인 것을 특징으로 하는 아라미드 멀티필라멘트.
4. 제1항에 있어서, 아라미드 멀티필라멘트는 500~1,200개의 아라미드 모노필라 멘트들로 구성되는 것을 특징으로 하는 아라미드 멀티필라멘트.
5. 제4항에 있어서, 아라미드 모노필라멘트의 단사섬도가 1~2 데니어인 것을 특징으로 하는 아라미드 멀티필라멘트.
6. 아라미드 방사원액을 방사, 비응고 유체 통과, 응고, 수세, 건조 및 수세하여 아라미드 멀티필라멘트를 제조함에 있어서, 방사되는 멀티필라멘트에 하기 구조식 Ⅰ의 인산 에테르 알칼리 금속염을 포함하는 방사유제를 부착해 주는 것을 특징으로 하는 아라미드 멀티필라멘트의 제조방법.

   [구조식 Ⅰ]

   

   (상기 식에서, R은 알킬기이고, n은 1~9의 정수이고, M은 Na, K 또는 Li 등과 같은 알칼리 금속이다)
7. 제6항에 있어서, 상기 아라미드 멀티필라멘트에 부착되는 상기 인산 에테르 알칼리 금속염의 함량이 멀티필라멘트 중량대비 0.05~1.60 중량%가 되도록 조절해 주는 것을 특징으로 하는 아라미드 멀티필라멘트의 제조방법.

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