KR20190005361A - 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유에 있어서, 코어는 폴리에틸렌 섬유로 형성되고 시스는 메타아라미드가 상기 폴리에틸렌 섬유에 코팅되어 형성되는 시스-코어 구조를 갖는 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유에 관한 것으로 박리강도가 우수한 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유를 제조하여 고강도, 내열성, 난연성 등의 우수한 물성을 갖는 폴리에틸렌 섬유를 제조한다.

Description

메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유 및 그의 제조방법{MATA-ARAMID POLYETHYLENE FIBER AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시스-코어 구조로 물성이 우수한 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

폴리에틸렌 수지는 가격이 저렴하고, 내화학성, 제품 가공성이 우수하여, 엔지니어링 플라스틱, 필름, 섬유 및 부직포 용도로 활용이 증가되고 있으며, 섬유 분야에서는 모노필라멘트 및 멀티필라멘트로 제조되어 의류용, 산업용 등으로 용도가 확대되고 있다. 특히 최신 섬유 동향에 따라 고강도 및 고탄성률을 요구하는 고 기능성 폴리에틸렌 섬유에 관한 관심이 증가하고 있다.

미국특허 제4,228,118호에서는 수평균분자량이 20,000 이상, 중량평균분자량이 125,000 이하인 폴리에틸렌 수지를 사용하여 방사온도 220 내지 335℃에서 용융한 후 8홀인 노즐에 압출하여 열연신온도 115 내지 132℃, 핫 튜브온도 200 내지 335℃를 두고 최소 방사속도 30m/min로 권취한 후 20배 이상 연신하여 10 내지 20g/d의 섬유를 제조하였다. 하지만, 이러한 방법은 폴리에틸렌 섬유의 상업적인 제조에 있어 노즐 홀수 및 스핀드로우 방법에 따른 방사속도가 낮아 생산량에 한계가 있으며, 수십 내지 수백의 멀티필라멘트를 생산할 때 균제도 및 방사 작업성이 우수한 폴리에틸렌 섬유를 생산하는데 어려움이 있다.

또한, 대한민국 등록특허 제10-0909559호에서는 중량평균분자량이 300,000이하이고, 분자량분포지수인 중량평균분자량과 수평균분자량의 비(Mw/Mn)가 4.0이하이며, 고강도를 발현하는 고강도 폴리에틸렌섬유에 대해 명시하고 있다.

상기와 같이 폴리에틸렌 섬유는 용도에 따라 강도, 내구성이 우수해지는 등 다양한 물성이 개선되어 점차 사용용도가 다양해지고 있으나, 폴리에틸렌의 난연성 및 내열성이 낮은 문제에 대해서는 현재까지 개선되지 못하여 용도를 크게 제한하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로 폴리에틸렌 섬유의 물성에 난연성 및 내열성을 부여하기 위해 메타아리미드를 폴리에틸렌 섬유의 표면에 코팅하여 단면이 시스-코어형 구조를 갖도록 형성한 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 상기 메타아리미드가 폴리에틸렌 섬유에 견고하게 코팅되어 박리 강도가 우수한 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 시스-코어 구조의 섬유에 있어서, 코어는 폴리에틸렌 섬유로 형성되고 시스는 메타아라미드가 상기 폴리에틸렌 섬유에 코팅되어 형성되는 것을 특징으로 하는 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 메타아리미드의 박리강도는 1.5Mpa이상인 것을 특징으로 하는 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 폴리에틸렌 섬유는 모노필라멘트 또는 멀티필라멘트인 것을 특징으로 하는 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유를 제공한다.

또한, 본 발명은 시스-코어 구조의 섬유 제조방법에 있어서, 폴리에틸렌 섬유를 공급하는 섬유공급단계; 상기 폴리에틸렌 섬유 표면에 메타아라미드 도프를 코팅하는 코팅단계; 상기 코팅된 메타아라미드 도프를 응고액에서 응고시키는 응고단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 코팅단계 이후 일정 기격거리(h)에서 폴리에틸렌 섬유가 공기 중에 노출되는 노출단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 기격거리(h)는 1 내지 30㎜인 것을 특징으로 하는 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유 제조방법을 제공한다.

상기와 같은 본 발명의 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유는 폴리에틸렌 섬유에 난연성 및 내열성이 우수한 메타아리미드가 코팅된 시스-코어 구조로 폴리에틸렌 섬유의 특성을 해지지 않으면서 난연성 및 내열성이 우수한 효과가 있다.

또한, 상기 폴리에틸렌 섬유에 메타아리미드 도프를 코팅하고 응고액까지 일정 거리를 형성하여 메타아리미드가 견고하게 코팅되어 박리강도가 우수하도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 시스-코어 구조를 갖는 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 시스-코어 구조를 갖는 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유 제조방법을 나타낸 도면이다.

이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 '약', '실질적으로' 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.

도 1은 본 발명에 따른 시스-코어 구조를 갖는 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유의 단면을 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명의 시스-코어 구조를 갖는 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유 제조방법을 나타낸 도면이다.

본 발명은 도 1에서와 같이 시스-코어 구조를 갖는 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유로 코어(100)는 폴리에틸렌 섬유로 형성되고 시스(200)는 난연성과 내열성이 우수한 메타아라미드가 상기 폴리에틸렌 섬유에 코팅되어 형성되는 시스-코어 구조를 갖는 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유에 관한 것이다.

상기 코어(100)는 폴리에틸렌 섬유로, 용융방사 또는 용액방사로 제조될 수 있고, 용융방사로 폴리에틸렌 섬유를 제조함이 더욱 바람직하다. 용융방사에 의한 폴리에틸렌 섬유를 제조하는 방법은 일실시예로 용융 및 압출단계 - 방사단계 - 냉각 및 고화단계 - 연신단계 - 열고정단계 - 이완단계 - 권취단계를 거쳐 제조될 수 있다. 상기 폴리에틸렌 섬유의 폴리에틸렌 수지는 용융지수가 0.5 내지 10g/10min이 바람직하고, 압출단계에서 압출온도는 200 내지 270℃가 바람직하며, 연신비는 4 내지 12배로 함이 바람직하다. 제조된 폴리에틸렌 섬유는 강도가 5 내지 20g/d로 고강도 성능이 발현되어 다양한 용도로 활용될 수 있다.

상기 시스(200)는 메타아라미드 도프가 코팅된 것으로, 상기 메타아라미드 도프는 메타-페닐렌 디아민(M-phenylene diamine, MPD)과 이소프탈로일클로라이드(Isophthaloyl chloride, IPC)로 중합된 메타아라미드를 극성 아미드계 용매에 녹여 도프(Dope)로 형성한 것으로 상기 극성 아미드계 용매와 메타아라미드의 혼합율에 따라 메타아라미드 도프의 점도를 조절할 수 있는 것으로 코팅에 적합하도록 상기 극성 아미드계 용매와 메타아라미드의 혼합율을 조절하는 것이 바람직할 것이다. 상기 메타아라미드 도프의 점도는 도프의 농도와 온도에 따라 조절되는데, 온도 20 ~ 60℃, 농도 5 ~ 25% 범위에서 점도 20,000 ~ 200,000cP로 하여 실시할 수 있고, 점도 140,000 ~ 180,000cP로 하여 실시함이 더욱 바람직하다.

상기 메타아라미드 도프는 상기 극성 아미드계 용매에 10~40중량%의 메타아라미드가 함유되는 것이 바람직할 것이다.

상기 극성 아미드계 용매는 디메틸아세트아미드(Dimethyl acetamide, DMAc), N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone, NMP), 디메틸포름아미드(Dimethyl formamide, DMF), 디메틸이미다졸리디논(Dimethyl imidazolidinone) 중 어느 하나의 화합물을 사용할 수 있으며, 가장 효과가 우수한 디메틸아세트아미드를 사용하는 것이 바람직할 것이다.

상기 폴리에틸렌 섬유(100)에 코팅된 메타아리미드(200)는 쉽게 박리되지 않도록 메타아리마드의 박리강도는 1.5Mpa이상인 것이 바람직할 것이다.

상기와 같이 본 발명에 따른 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유는 섬유공급단계, 코팅단계, 응고단계를 포함하여 제조될 수 있는 것으로, 도 2와 같은 제조장치를 통해 제조될 수 있다.

도 2의 제조장치는 폴리에틸렌 섬유에 메타아라미드 도프를 코팅시키는 노즐장치(300)와 상기 노즐장치(300) 하단에 형성되어 메타아라미드 도프를 응고시키는 응고배스(400)를 포함하여 구성된다.

상기 섬유공급단계는 폴리에틸렌 섬유를 공급하는 단계이며, 상기 코팅단계는 상기 폴리에틸렌 섬유 표면에 메타아라미드 도프를 코팅하는 단계로 노즐장치(300)에서 진행되는 단계이다.

상기 노즐장치(300)는 중앙에 폴리에틸렌 섬유가 공급되는 섬유투입로(310)가 형성되고 외측에 메타아라미드 도프가 공급되는 도프투입로(330)가 형성된다.

상기 도프투입로(330)로 공급되는 메타아라미드 도프가 폴리에틸렌 섬유를 코팅할 수 있도록 도프투입로(330)는 일정 위치에서 상기 섬유투입로(310)와 하나로 통합된다.

상기 응고단계는 코팅된 메타아라미드 도프를 응고액에서 응고시키는 단계로 상기 노즐장치(300)에서 메타아라미드 도프가 코팅된 폴리에틸렌 섬유가 응고배스의 응고액(400)으로 함침되어 코팅된 메타아라미드 도프가 응고된다.

상기 코팅단계에서 메타아라미드 도프가 폴리에틸렌 섬유 표면에 견고히 코팅되기 위해서는 기격거리(h)를 두어 일정시간 동안 공기 중에 노출시키는 단계가 더 필요할 수 있다. 상기 기격거리(h)는 메타아라미드 도프가 코팅된 폴리에틸렌 섬유가 노즐로부터 벗어나는 지점에서 응고액에 닿기까지의 거리로, 1~30㎜로 설정함이 바람직하다. 상기 기격거리(h)를 형성함은 코팅된 메타아라미드 도프가 폴리에틸렌 섬유에 더욱 견고하게 부착되도록 하는 것으로, 공기 중에 노출됨으로써 메타아라미드 도프가 폴리에틸렌 섬유 내부로 더욱 흡착될 수 있다. 모노필라멘트 또는 멀티필라멘트 내 미세한 공간으로 메타아라미드 도프가 흡착될 수 있고, 멀티필라멘트의 경우 필라멘트 수가 많을수록 표면적이 넓어져 흡착되는 정도가 더 우수해질 수 있다. 상기 기격거리(h)가 형성되지 않으면 메타아라미드가 도포된 직후 바로 응고액에서 응고가 이루어져 메타아라미드 도프의 흡착성이 떨어져 박리강도가 낮고 원하는 물성을 얻지 못하는 문제가 있다. 또한, 기격거리(h)가 과도하게 클 경우 공기 중에 노출되는 시간이 길어져 오염도의 문제가 발생할 수 있고, 도포된 메타아라미드가 탈착되는 문제가 발생할 수 있다. 이에 기격거리(h)를 1 내지 30㎜로 함이 가장 바람직하다.

상기 응고액은 상기 메타아라미드 도프에서 극성 아미드계 용매를 추출하여 메타아라미드를 응고시키는 액으로 극성 아미드계 용매와 물로 형성된다.

이하 본 발명에 따른 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유를 제조하기 위한 방법의 실시예를 나타내지만, 본 발명이 실시예로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

도 2의 제조장치를 통해 폴리에틸렌 섬유에 메타아라미드를 코팅한 것으로 상기 폴리에틸렌 섬유는 400데니어(1.6de, 250가닥)를 사용하였으며, 기격거리는 3㎜로 조절하여 본 발명의 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유를 제조하였다.

실시예 2

실시예 1과 동일하게 제조하였으나, 기격거리를 5㎜로 조절하여 본 발명의 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유를 제조하였다.

실시예 3

실시예 1과 동일하게 제조하였으나, 기격거리를 8㎜로 조절하여 본 발명의 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유를 제조하였다.

실시예 4

실시예 1과 동일하게 제조하였으나, 기격거리를 10㎜로 조절하여 본 발명의 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유를 제조하였다.

실시예 5

도 2의 제조장치를 통해 폴리에틸렌 섬유에 메타아라미드를 코팅한 것으로 상기 폴리에틸렌 섬유는 200데니어(1.6de, 125가닥)를 사용하였으며, 기격거리는 3㎜로 조절하여 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유를 제조하였다.

실시예 6

실시예 5와 동일하게 제조하였으나, 기격거리를 5㎜로 조절하여 본 발명의 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유를 제조하였다.

실시예 7

실시예 5와 동일하게 제조하였으나, 기격거리를 8㎜로 조절하여 본 발명의 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유를 제조하였다.

◈ 실시예의 박리강도 평가 실험

※ 박리강도 측정방법

- 사용기기: 인스트롱 4303 (로드셀 1KN, 크로스헤드 속도 25mm/min, 파지거리 50mm)

- 박리강도는 시편 인장시 코팅된 고분자수지막에 가해지는 단위면적당 전단력으로 정의되고, 전단력이 가해지는 면적(㎡)은 π X 복합사의 외경(m) X 복합사의 접착부 길이를 사용하여 아래의 수학식으로 계산하였음

박리강도(Pa) = 항복점의 하중(kg)/전단력이 가해지는 면적(㎡)

구분	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5	실시예6	실시예7
섬도(de)	400	400	400	400	200	200	200
박리강도(Mpa)	1.8	2.1	1.6	1.5	1.6	1.8	1.5

표 1에서와 같이 메타아라미드의 박리강도가 우수하여 메타아리미드가 견고하게 폴리에틸렌 섬유에 코팅된 것을 알 수 있다.

또한, 폴리에틸렌 섬유의 용융점(Tm)은 130 내지 140℃이나 본 발명에 의한 메타아라미드가 코팅된 폴리에틸렌 섬유는 380~420℃에서 분해가 일어나 난연성과 내열성이 우수한 효과가 있음을 확인하였다. 또한, 용융 폴리에틸렌 섬유의 고유 물성인 고강도 및 신도도 유지됨을 확인하였다.

100: 폴리에틸렌 섬유 200: 메타아리미드
300: 노즐장치 310: 섬유투입로
330: 도프투입로 400: 응고배스
410: 응고액

Claims (6)

1. 시스-코어 구조의 섬유에 있어서,
   코어는 폴리에틸렌 섬유로 형성되고 시스는 메타아라미드가 상기 폴리에틸렌 섬유에 코팅되어 형성되는 것을 특징으로 하는 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유.
2. 제1항에 있어서,
   상기 도포된 메타아리미드의 박리강도는 1.5Mpa이상인 것을 특징으로 하는 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유.
3. 제1항에 있어서,
   상기 폴리에틸렌 섬유는 모노필라멘트 또는 멀티필라멘트인 것을 특징으로 하는 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유.
4. 시스-코어 구조의 섬유 제조방법에 있어서,
   폴리에틸렌 섬유를 공급하는 섬유공급단계;
   상기 폴리에틸렌 섬유 표면에 메타아라미드 도프를 코팅하는 코팅단계; 및
   상기 코팅된 메타아라미드 도프를 응고액에서 응고시키는 응고단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유 제조방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 코팅단계 이후 일정 기격거리(h)에서 폴리에틸렌 섬유가 공기 중에 노출되는 노출단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유 제조방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 기격거리(h)는 1 내지 30㎜인 것을 특징으로 하는 메타아라미드가 도포된 폴리에틸렌 섬유 제조방법.

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