KR101819659B1 - 방사노즐의 국부가열에 의해 생산성이 향상된 합성섬유의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방사노즐부근의 국부가열에 의해 생산성이 향상된 합성섬유의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 용융방사공정에서 방사노즐로부터 섬유상으로 토출되는 섬유가 방사노즐 직하에 배치된 노즐가열부를 통과하면서 짧은 시간 내에 직간접으로 국부가열되도록 함으로써, 방사속도 또는 연신속도가 상승되어 방사영역 또는 연신영역에서 생산속도가 향상되고, 상기의 국부가열하는 장비 구조가 상대적으로 작고 간단하여 에너지 효율이 높고 섬유의 단면 변동율 및 물성편차가 적으면서 생산성을 향상시킬 수 있다.

Description

방사노즐의 국부가열에 의해 생산성이 향상된 합성섬유의 제조방법{METHOD FOR IMPROVING PRODUCTIVITY OF SYNTHETIC FIBERS USING PARTIAL HEATING OF SPINNERET}

본 발명은 방사노즐의 국부가열에 의해 생산성이 향상된 합성섬유의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 용융방사공정에서 용융된 열가소성 수지를 방사노즐 부분에 배치된 노즐가열부에 통과시키면서 순간 고온가열에 의해 열가소성 수지의 용융상 고분자내 분자쇄 얽힘 구조를 제어하여 방사된 섬유의 연신성을 높이고 냉각속도를 지연함으로써, 방사속도 또는 연신속도가 상승되어 방사영역 또는 연신영역에서 생산속도가 향상되고, 상기의 국부가열하는 장비 구조가 상대적으로 작고 간단하여 에너지 효율이 높고 섬유의 단면 변동율 및 물성편차가 적으면서 생산성이 향상된 합성섬유의 제조방법에 관한 것이다.

열가소성 고분자 수지로 만들어진 합성섬유는 역학 특성, 치수 안정성 등에 있어서 우수한 특성을 균형있게 가지고, 용융 방사ㆍ연신, 고속 방사법 등에 의해 저가로 제조할 수 있기 때문에 의류용도뿐만 아니라 산업용도에도 넓게 사용되고 있다.

열가소성 고분자 수지의 용융방사에 있어서, 용융된 수지는 방사구금의 노즐을 통해 토출되어 냉각 고체화된다. 이때 얻어진 섬유의 물성은 냉각 고체화 중의 온도, 응력의 이력에 의해 결정되기 때문에, 방사선의 온도 제어는 중요한 의미를 가진다. 특히 토출 직후에서는 수지온도가 방사 온도로부터 급격하게 저하하기 때문에, 섬유 물성뿐만 아니라, 방사사 절단 등의 제사성에도 지대한 영향을 미친다.

이에, 토출되는 섬유의 냉각속도를 지연시켜 제사성이나 얻어진 섬유의 물성을 개선하고자 노력한 결과, 토출되는 섬유의 수지성분의 온도를 방사 온도이상으로 높이기 위해서는 방사영역의 긴 구간동안 유지해야 하므로 에너지 비용이 높아질뿐더러 고온 분위기에 장시간 노출됨으로써 고분자 수지의 열분해가 진행되어 얻어진 섬유의 물성 특히 강도가 저하된다.

일본공개특허 제1983-156017호에는 방사구금의 바로 하류측에 적외선식 급냉 지연 컬러를 배치함으로써, 고강도 섬유용 미연신사를 종래보다 고속으로 방사하는 기술이 알려져 있으나, 적외선식 가열장치로는 가열 효율이 낮은 문제가 있다.

반면에, 고온 분위기에 장시간 노출됨으로써 폴리에스테르의 열분해 문제를 해소하기 위하여, 용융된 폴리에스테르가 방사구금을 통해 배출되면서 형성되는 반고화 상태의 모노필라멘트의 냉각을 지연시키기 위하여 방사구금과 냉각부 사이에 히팅 후드를 배치하되, 상기 히팅 후드의 온도를 상기 방사구금의 온도와 동일하거나 그보다 약간 낮은 온도(즉, 200 내지 300℃)로 설정함으로써, 모노필라멘트의 냉각을 지연시키고 미연신사의 배향도를 조금이나마 더 증가시키는 방법이 제안되고 있으나, 상기와 같은 지연 냉각 방법으로는 폴리에스테르 원사의 물성 향상이 미미한 수준이다.

이에 대한민국 공개특허 제2015-0104475호에는 히팅 후드의 열이 방사구금으로 전이되는 것을 방지하기 위하여 상기 히팅 후드 및 상기 방사구금 사이에 배치되는 단열판을 포함하여 폴리에스테르 섬유 제조를 제안하고 있다.

다른 방법으로서 일본특허 제4224813호에서는 폴리에스테르 용융방사에 있어서, 방사구금면으로부터 방사선을 따라 15cm까지의 위치에, 주행하는 수지에 대해 20W/cm2 이상의 에너지 밀도로 레이저를 조사하는 방법이 개시되어 있으나, 토출되는 섬유전체에 고른 가열이 어려운 문제가 지적된다.

이에, 용융방사 공정에서 분자구조를 제어하기 위한 수단으로, 방사노즐 설계 및 레이저 히팅, 초임계 가스, 응고 욕조 등을 통해, 고강도 PET 섬유 개발을 보고하고 있다.

특히, 종래 용융방사 공정시 방사노즐 설계의 방법으로 고강도 PET 섬유를 제공하는데 노즐 부근을 국부가열하는 방법의 일례로서, 도 8은 방사노즐의 직하 보온법에 의한 국부가열의 실시형태이고, 도 9는 도 8의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도를 나타낸다.

구체적으로는, 용융방사 공정에 있어서 방사노즐(100)은 100∼350℃의 열원이 제공되는 팩바디 히터(Pack-Body Heater)(300)로부터 유지된 팩바디(Pack-Body)(200)에 고정되고, 방사 후 멀티필라멘트(112)가 상온∼400℃ 고온의 전기 히터를 일정한 거리에 균일하게 적용하도록 20∼200㎜의 어닐링 히터(400)를 통과함으로써, 보다 저비용으로 고효율의 열전달이 가능하도록 되어 있다.

그러나 상기 어닐링 히터(400)에 의한 멀티필라멘트(112)의 국부 가열은 가열 목적이 아니라, 방사노즐(100) 하부의 방사용 홀(hole)(111)간 균일한 온도를 유지시키기 위한 보온용도로서 방사용 홀(111)간 온도 편차를 최소화함으로써 방사 작업성 및 품질 개선을 위해 적용될 뿐이고, 멀티필라멘트(112)와 어닐링 히터(400)간의 거리가 멀어 멀티필라멘트(112)에 균일한 가열이 적용되지 않는다.

종래 용융방사 공정내 방사노즐 부근을 국부가열하는 또 다른 방법으로서, 방사노즐의 방사용 홀 직경을 미세화하고 방사노즐 직하에서 CO₂ 레이저를 조사함으로써, 연신 후 PET 섬유 강도가 1.68 GPa(13.7g/den.)이고 신도 9.1%인 고성능 PET 섬유의 제조가 보고되어 있다[Masuda, M., "Effect of the Control of Polymer Flow in the Vicinity of Spinning Nozzle on Mechanical Properties of Poly(ethylene terephthalate) Fibers", Intern. Polymer Processing, 2010, 25, 159-169].

도 10은 방사노즐의 직하에 레이저조사에 의한 국부가열의 실시형태이고, 도 11은 도 10의 Ⅳ-Ⅳ선 단면도를 도시한 것이다.

구체적으로는, 방사 후 멀티필라멘트(112)에 CO₂ 레이저 조사부(410)를 통해 조사된 CO₂ 레이저에 의해 직접 가열하는 방식으로 방사노즐(100) 하부가 팩바디(200) 하단으로 0∼3㎜ 돌출되고, 방사 직후 1∼10㎜ 위치에서 CO₂ 레이저가 조사된다.

그러나 방사노즐(100) 직하에서의 레이저 히팅은 특정한 멀티필라멘트(112) 부위를 고온으로 가열하는 특징이 있으나, 수십에서 수만 개의 방사용 홀(111)이 있는 실제 상용화 방사노즐(100)에는 동시에 적용하기 어려운 한계가 있다.

이에, 본 발명자들은 용융방사공정으로부터 합성섬유의 제조방법에 있어서, 물성개선을 위한 종래 방법의 문제점을 개선하고자 노력한 결과, 용융방사공정에서 용융된 수지를 방사노즐 부분에 배치된 노즐가열부에 통과시키면서 짧은 시간 내에 고온으로 직간접 가열함으로써, 토출되는 섬유전체에 고른 가열이 가능하고 국부가열하는 장비 구조가 상대적으로 작고 간단하여 에너지 효율이 높고 섬유의 단면 변동율 및 물성편차가 적으면서, 방사속도 또는 연신속도가 상승되어 방사영역 또는 연신영역에서 생산속도가 향상됨을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 용융방사공정에서 용융된 수지가 방사노즐 부분에 배치된 노즐가열부에 통과되어 짧은 시간 내에 고온으로 직간접 가열되도록 하여 생산성이 향상된 합성섬유의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 방사장치의 팩바디 내에 방사노즐이 설치되고, 압출기로부터 용융압출된 열가소성 수지가 상기 방사노즐에 유입되고, 상기 방사노즐로부터 섬유상으로 토출되는 방사노즐 부분에 노즐가열부가 배치되고,

상기 토출직후 용융상태의 섬유가 노즐가열부에 통과되면서, 열가소성 수지의 용융상 고분자내 분자쇄 얽힘 구조를 제어할 정도의 고온으로 직간접적으로 국부가열되도록 하고,

상기 가열된 섬유가 냉각 고화되고, 연신 후 권취되는 공정으로 수행하되, 상기 국부가열에 의해 방사속도 또는 연신속도 상승에 따라 생산성이 향상된 합성섬유의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 방사노즐의 국부가열에 의해 생산성이 향상된 합성섬유의 제조방법을 달성하기 위한 바람직한 제1실시형태의 노즐가열부의 특징에 있다.

구체적으로는, 제1실시형태의 노즐가열부는 열가소성 수지를 용융방사하여 섬유를 형성하는 다수개의 방사 홀을 구비한 노즐몸체와, 상기 노즐몸체의 방사 홀 하부에 배치되어 방사 후 섬유를 가열하고,

상기 노즐가열부는, 상기 방사 후 섬유가 각각 통과하도록 된 홀형 타입의 가열구멍 또는 일렬로 배치된 다수개의 섬유가 통과하도록 된 띠형 타입의 가열구멍을 형성한 가열체와, 상기 노즐몸체와 가열체 사이에 구비된 단열재층을 포함하는 것이다.

이때, 상기 단열재층의 두께가 1∼30mm이고, 상기 가열체가 단열재층으로부터 1∼500mm 길이로 연장되며, 상기 단열재층의 두께와 가열체의 연장길이를 포함하여 섬유의 가열구역이 형성된다.

본 발명의 방사노즐의 국부가열에 의해 생산성이 향상된 합성섬유의 제조방법을 달성하기 위한 바람직한 제2실시형태의 노즐가열부는 방사장치의 팩바디로부터 돌출 형성된 노즐몸체의 하부 저면에 배치되어, 방사용 홀 부분의 가열과 동시에 방사 후 섬유를 가열하고,

상기 노즐가열부는, 상기 방사 후 섬유가 각각 통과하도록 된 홀형 타입의 가열구멍 또는 일렬로 배치된 다수개의 섬유가 통과하도록 된 띠형 타입의 가열구멍을 형성한 가열체의 일부가 삽입되어 이루어진 것을 특징으로 한다.

이때. 상기 팩바디로부터 돌출된 노즐몸체의 하부위치는 팩바디 하부를 기준으로 -50(팩바디 안으로 들어감)∼300mm(팩바디 안으로 나옴)로 설정되고, 상기 노즐몸체의 하부에, 접촉 또는 일부 삽입되는 가열체의 삽입깊이는 0∼50mm이고, 상기 노즐몸체의 하부로부터 연장되는 가열체의 연장길이는 1∼500mm이며, 상기 노즐몸체의 하부에 일부 삽입된 가열체의 삽입깊이와, 상기 노즐몸체의 하부로부터 연장된 가열체의 연장길이를 포함하여 섬유의 가열구역이 형성된다.

또한, 제2실시형태의 노즐가열부의 특징에 있어서, 노즐몸체의 하부에 일부 삽입된 가열체의 상면과, 상기 가열체의 상면이 대향하는 노즐몸체의 대향면 사이에 틈새를 형성하고, 상기 노즐몸체 하부로 삽입되는 가열체의 삽입깊이를 50mm로 설정하여, 가열체는 방사 전 노즐몸체 내에서 용융된 열가소성 수지의 직접 가열 및 노즐몸체 직하에서 섬유의 간접 가열을 동시에 수행하도록 한다.

이상의 제1실시형태 및 제2실시형태의 노즐가열부에서, 상기 홀형 타입의 가열구멍 또는 띠형 타입의 가열구멍은, 안둘레면이 상기 섬유의 중심으로부터 1∼300㎜이내로 이격되도록 형성한다.

본 발명은 용융방사공정으로부터 수득된 합성섬유의 제조방법에서 방사노즐 하부에 노즐가열부를 설치하여 섬유방사시 방사노즐의 방사홀 부근과 방사노즐 부분에서 방사되는 용융상의 섬유를 짧은 시간 내에 직접 또는 간접으로 국부가열되도록 하여, 방사속도 또는 연신속도 상승에 의해 방사영역 또는 연신영역에서 생산속도가 향상됨으로써, 국부가열 미처리대비 시간당 생산성을 적어도 10% 이상 향상시킬 수 있는 합성섬유의 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 합성섬유 제조방법은 용융방사 공정 및 연신 공정의 기존 공정을 활용하면서 국부가열하는 장비 구조가 상대적으로 작고 간단하여 에너지 효율이 높고 섬유의 냉각속도를 지연하며 연신성을 개선함으로써, 초기 투자비를 낮추고, 저비용으로 합성섬유의 대량 생산이 가능하다.

따라서, 대량생산 및 저비용으로 인한 가격 경쟁력을 바탕으로 타이어 코드, 자동차, 열차, 항공, 선박 등의 수송용 내장재, 토목 및 건축자재, 전자재료, 로프 및 그물 등의 해양용 및 군사용도에 유용하고 이외에, 경량 스포츠웨어 및 작업복, 군복, 가구 및 인테리어, 스포츠 용품 등의 의류 및 생활용도로도 유용하여, 광범위한 시장확보가 가능하다.

이외에도 열가소성 수지의 장섬유 및 단섬유, 부직포 등의 섬유 분야에도 적용가능함은 물론이고, 이를 이용한 필름, 시트, 성형, 용기 등의 제조 분야에도 활용 가능할 것이다.

도 1은 본 발명의 용융방사법에 따른 폴리에스테르 섬유의 공정별 흐름도의 일례이고,
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 노즐가열부가 구비된 방사노즐의 확대도이고,
도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도이고,
도 4의 (a) 및 (b)는 제1 실시형태의 변형예를 나타낸 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도이고,
도 5는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 노즐가열부가 구비된 방사노즐의 확대도이고.
도 6은 도 5의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이고,
도 7의 (a) 및 (b)는 제2 실시형태의 변형예를 나타낸 도 5의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이고,
도 8은 종래예의 방사노즐이 설치된 방사장치의 방사부 단면도이고,
도 9는 도 8의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도이고,
도 10은 다른 종래예의 방사노즐이 설치된 방사장치의 방사부 단면도이고,
도 11은 도 10의 Ⅳ-Ⅳ선 단면도이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 용융방사법에 따른 폴리에스테르 섬유의 공정별 흐름도로서, 원료공급부(1)로부터 공급된 폴리에스테르 수지를 압출기(2)에서 용융압출하고, 기어펌프(3)를 통해 방사노즐(4)에 유입되어 섬유(F)를 방사한다. 이때, 상기 방사 직후 가열처리된 섬유(F)를 퀸칭 챔버(5)를 통해 냉각 고화시키고 상기 냉각된 섬유(F)를 제1고뎃롤러(6) 및 제2고뎃롤러(7)를 통과하면서 연신한 후 권취(8)하는 과정을 통해 폴리에스테르 섬유를 제조한다.

이에, 본 발명은 방사장치의 팩바디(20) 내에 설치되고, 압출기로부터 용융압출된 열가소성 수지가 방사장치 내 방사노즐(10)에 유입되고,

상기 방사노즐로부터 섬유상으로 토출되는 방사노즐 부분에 노즐가열부(41, 81)가 배치되고, 상기 토출직후 용융상태의 섬유가 노즐가열부에 통과되면서, 열가소성 수지의 용융상 고분자내 분자쇄 얽힘 구조를 제어할 정도의 고온으로 직간접적으로 국부가열되도록 하고,

상기 가열된 섬유가 냉각 고화되고, 연신 후 권취되는 공정으로 수행하되, 상기 국부가열에 의해 방사속도 또는 연신속도 상승에 따라 생산성이 향상된 합성섬유의 제조방법을 제공한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 노즐가열부가 구비된 방사노즐의 확대도이고, 도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도로서, 방사노즐(4)은 방사장치의 팩바디(20) 내에 설치되고, 팩바디(20)의 외측에는 팩바디 히터(30)가 설치되어 있다. 방사노즐(10)은 열가소성 수지를 용융방사하여 섬유(F)를 형성하는 다수개의 방사 홀(11)을 구비한 노즐몸체(12)와, 상기 노즐몸체(12)의 방사 홀(11) 하부에 배치되어 방사 후 섬유(F)를 가열하기 위한 가열수단을 포함한다.

노즐몸체(12)는 방사 홀(11)을 통해 용융상태의 열가소성 수지를 방사하여 섬유(F)를 형성하고, 상기 방사 후 섬유(F)가 가열수단을 통과하여 가열처리되며, 상기 가열처리된 섬유(F)를 냉각시키고 상기 냉각된 섬유(F)를 인라인(in-line) 연신기로 연신 후 권취하는 과정을 통해 열가소성 고분자 섬유를 제조하게 된다.

이때 상기 방사노즐(10) 직하의 가열수단은, 노즐몸체(12)의 방사 홀(11)과 동일한 구조와 개수로 이루어진 홀형 타입의 가열구멍(41a)을 형성한 가열체(41)로 이루어지고, 방사 후 섬유(F)는 상기 가열구멍(41a)을 각각 통과하도록 되어 있으며, 가열구멍(41a) 통과시 가열구멍(41a)에 직접적으로 접촉(예: 열전도) 하지 않도록 되어 있다.

이를 위해, 가열구멍(41a)의 안둘레면에서 섬유(F) 중심까지의 거리(a1)는 1∼300㎜이내, 더욱 바람직하게는 1∼100㎜ 범위로 설정하는 것이 바람직하고, 이러한 홀형 타입의 가열구멍(41a)은 가열구멍(41a)의 중심으로부터 360도 방향으로 동일한 거리에서 균일한 온도를 유지할 수 있다.

또한, 상기 가열구멍(41a)의 변형예로서, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 방사 홀(11)이 동심원상으로 배치된 방사노즐의 경우, 동심원상으로 일렬로 배치된 복수개의 방사 홀(11)에서 방사되는 섬유(F)가 함께 통과하도록 원형으로 된 띠형 타입의 가열구멍(41b)을 형성하거나, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 방사 홀(11)이 일직선상으로 일렬로 배치된 방사노즐의 경우, 일렬로 배치된 복수개의 방사 홀(11)에서 방사되는 섬유(F)가 통과하도록 직선형으로 된 띠형 타입의 가열구멍(41b)으로 형성할 수 있다. 이외에도 도시하지는 않았지만, 노즐몸체(12)에 방사 홀(11)이 배치된 형태에 따라, 원호형, 산형 등 다양한 형태의 띠형 타입 가열구멍으로 설계하거나, 여러 형태의 가열구멍을 조합하여 설계할 수 있다.

띠형 타입의 가열구멍(41b)도 홀형 타입의 가열구멍(41a)과 마찬가지로, 안둘레면과 섬유(F) 중심까지의 거리(a1)를 1∼300㎜ 이내, 더욱 바람직하게는 1∼100㎜ 범위로 설정한다.

다시 도 2를 참조하면, 상기 노즐몸체(12)와 가열체(41)는 상호 열전달 되지 않도록 하는 것이 바람직한 것으로, 이를 위해 상기 노즐몸체(12)와 가열체(41) 사이에 단열재층(43)을 구비한다.

노즐몸체(12)의 온도는 팩바디 히터(30)의 온도와 동일하다. 상기 단열재층(43)은 노즐몸체(12) 직하에 위치한 가열체(41)에서 제공하는 고온의 온도가 노즐몸체(12)에 전달되지 않도록 열 전달 차단의 기능을 수행하며, 이로써 열가소성 수지, 예를 들면 폴리에스테르계 고분자 수지로 이루어진 원료가 노즐몸체(12) 내에서 열화되어 물성이 저하되는 문제를 방지할 수 있다. 이때, 단열재층(43)에 대한 재질은 단열효과를 구현하는 공지된 단열재를 사용할 수 있고, 바람직하게는 유리 및 세라믹계 화합물을 포함하는 무기계의 고온내화 단열재를 사용한다.

단열재층(43)의 두께(a2)는, 노즐몸체(12)와 가열체(41) 사이의 거리가 1∼30㎜ 범위가 되도록 설정한다. 예를 들어 상기 두께(a2)가 30㎜를 초과하면, 노즐몸체(12)로부터 방사 후 형성되는 섬유(F)가 가열체(41)에 의해 열처리되기 전에 냉각되어 효과적인 용융구조 제어가 곤란하여 바람직하지 않다.

상기 가열체(41)의 연장길이(a3)는 단열재층(43)과의 접합면으로부터 1∼500㎜로 설정되며, 단열재층(43)의 두께(a2)와 가열체(41)의 연장길이(a3)를 포함하여 가열구역(40)이 형성된다.

즉, 제1 실시형태의 가열구역(40)은 노즐몸체(12) 직하면에 1∼30㎜ 이내로 설정된 단열재층(43)의 두께(a2) 및 상기 단열재층(43)으로부터 1∼500㎜의 연장길이(a3)로 형성된 가열체(41)를 통과하면서, 방사 후 섬유(F)가 간접(예: 복사) 가열되는 방식이다.

이때, 노즐몸체(12) 직하에서부터 팩바디(20) 하단면까지의 거리(a4)를 1∼30㎜ 범위 이내로 설정함으로써, 상기 가열구역(40)에서 단열재층(43) 전체와 가열체(41)의 일부가 팩바디(20) 내에 위치하도록 한다. 이로써, 방사 직후 모든 섬유(F)에 간접(예: 복사) 가열되도록 함으로써, 생산성을 올릴 수 있다.

이상 설계된 제1 실시형태에 도시된 가열체(41) 및 단열재층(43)을 포함하는 가열구역(40)은 실제 상용화되는 방사노즐(10)의 직하에 설계변경 없이 바로 적용가능하므로 초기 투자비를 낮추고, 저비용으로 섬유의 생산성을 올릴 수 있다.

또한, 제1 실시형태의 가열구역(40)은 방사 후 토출되는 섬유(F) 전체를 가열체(41)에 의해 일정 거리에서 균일하게 고온으로 순간 가열함으로써, 용융상의 고분자 내 분자쇄 얽힘 구조를 제어하고, 단열재층(43)에 의해 고온의 열이 노즐몸체(12)의 방사 홀(11)에 전달되지 않도록 함으로써, 용융 고분자의 열화로 인한 물성저하를 방지할 수 있다. 이에, 이상의 제1 실시형태의 가열구역(40)을 적용하여 섬유(F)를 형성할 때, 통상의 열가소성 수지가 제한 없이 적용가능하나, 더욱 바람직하게는 특히 열에 약한 고분자 수지 적용에 유리할 것이다.

도 5는 본 발명의 바람직한 제2실시형태의 노즐가열부가 구비된 방사노즐의 확대도이고, 도 6은 도 5의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도로서, 도시된 바와 같이 제2 실시형태에 따른 방사노즐(50)은 방사장치의 팩바디(60) 내에 설치되고, 팩바디(60)의 외측에는 팩바디 히터(70)가 설치되어 있다.

방사노즐(50)은 열가소성 수지를 용융방사하여 섬유(F)를 형성하는 다수개의 방사 홀(51)을 구비한 노즐몸체(52)와, 상기 노즐몸체(52)의 방사 홀(51) 하부에 배치되어 방사 후 섬유(F)를 가열하기 위한 가열수단을 포함한다.

제2 실시형태에서의 상기 가열수단은, 노즐몸체(52)의 방사 홀(51)과 동일한 구조와 개수로 이루어진 홀형 타입의 가열구멍(81a) 또는 도 7의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같은 띠형 타입의 가열구멍(81b)을 형성한 가열체(81)로 이루어지고, 방사 후 섬유(F)는 상기 가열구멍(81a 또는 81b)을 통과하도록 되어 있으며, 통과시 가열구멍(81a 또는 81b)에 직접적으로 접촉(예: 열전도)되지 않도록 되어 있다.

이러한 가열구멍(81a 또는 81b)은, 제1 실시형태에서 설명된 가열구멍(41a 또는 41b)와 동일하므로, 구체적인 구성 설명을 생략한다.

다시 도 5를 참조하면, 제2 실시형태에 따른 가열수단은 노즐몸체(52) 직하에 단열재층 없이 팩바디(60) 하부로부터 길이(b1)가 -50(팩내부)∼300(팩외부)mm로 위치한 노즐몸체(52)의 하부와, 상기 노즐몸체(52)의 하부 저면에 접촉 또는 삽입깊이(b2) 0∼50㎜로 삽입되고 노즐몸체(52)의 하부 저면으로부터 연장길이(b3) 1∼500mm의 길이로 연장된 가열체(81)로 이루어지며, 상기 노즐몸체(52)에 가열체(81)가 삽입된 삽입길이(b2)와, 노즐몸체(52)의 하부 저면으로부터 연장된 가열체(81)의 연장길이(b3)를 포함하여 가열구역(80)이 형성된다.

이때, 도 5의 부분확대도에서와 같이 노즐몸체(52)에 삽입된 가열체(81)의 상면과 이에 대향하는 노즐몸체(52)의 저면 사이에 0∼10mm의 틈새(b4)를 형성하여 가열체(81)부와 노즐몸체(52)의 표면이 직접 닿거나(틈새: 0mm) 최대 10mm의 틈새(b4)로 직간접(예: 전도 또는 복사)으로 가열되어 방사 전 노즐몸체(52) 내의 방사 홀(51) 부근에서 용융된 열가소성 수지를 1차로 직접(예: 전도) 가열되도록 한다.

따라서, 상기 가열구역(80)은, 방사 전 노즐몸체(52) 내 방사 홀(51) 부근에서 용융된 열가소성 수지를 방사노즐(52)의 하부에 삽입된 가열체(81)의 삽입길이(b2)와 틈새(b4)에 의해 1차로 직간접(예: 전도 또는 복사) 가열하고, 이어서 1∼500㎜ 길이로 연장된 가열체(81)의 연장길이(b3)에 의해, 방사 후 노즐몸체(52)에서 토출된 고화 전 용융상태의 섬유(F)를 2차로 간접(예: 복사) 가열하도록 되어 있다.

이상의 제2 실시형태의 가열구역(80)은 실제 상용화되는 노즐몸체(52)에서 하단의 구조변경으로 인해 고온의 열을 노즐몸체(52)의 방사 홀(51) 부근에 직접 전달하고, 노즐몸체(52)의 직하에 형성된 가열체(81)에 의해 섬유(F)를 간접 가열하는 이중 가열의 열전달 방식으로 최적화함으로써, 순간 고온 가열에 의해 용융상의 고분자내 분자쇄 얽힘(molecular entanglement) 구조를 제어하여 얻어진 열가소성 고분자 섬유의 연신성을 향상시키고 냉각속도를 지연시킴으로써, 방사속도 및 연신속도를 증가시켜 생산성을 개선할 수 있다.

이에, 제2 실시형태는 실제 상용화되는 노즐몸체(52) 하부 구조를 변경하고 바로 적용가능하므로 초기 투자비를 낮추고, 저비용으로 합성섬유의 생산성을 향상시킬 수 있다.

이상의 제1 실시형태 및 제2 실시형태의 가열수단에 있어서, 동일한 목적을 달성하기 위하여, 노즐몸체(12,52)의 각 방사 홀(11,51)을 통과하는 용융 고분자의 체류시간, 유량 및 전단속도의 최적화가 요구된다.

이에, 홀당 바람직한 용융 고분자의 체류시간은 3초 이하이고, 유량은 적어도 0.01cc/min 이상으로 수행되는 것이다. 이때, 폴리에스테르계 고분자의 경우 체류시간이 3초를 초과하면, 용융 고분자가 과도한 열에 장시간 노출되어 열화 문제가 발생하고, 유량이 0.01cc/min 미만이면, 이 또한 용융 고분자에 과도한 열이 노출되어 열화 문제가 발생하여 바람직하지 않다.

또한, 제1 및 제2 실시형태의 노즐몸체(12,52)에서 방사 홀(11,51) 벽면의 전단속도(shear rate)는 500∼100,000/sec인 것이 바람직하며, 전단속도가 500/sec 미만이면, 낮은 전단응력에 의한 용융 고분자의 분자 배향 및 구조제어 효과가 감소하고, 100,000/sec를 초과하면, 용융 고분자의 점탄성 특성에 의한 용융파열(melt fracture)이 발생하여 섬유 단면의 불균일을 초래한다.

즉, 본 발명의 특징부인 가열체(41,81)의 가열구멍(41a,41b,81a,81b)은 노즐몸체(12,52)의 방사 홀(11,51) 구조 및 개수와 동일하게 설계됨으로써, 방사 후 토출된 섬유(F)가 가열체(41,81)를 그대로 통과하면서 국부 가열된다. 특히, 홀형 타입의 가열구멍(41a,81a)은 노즐몸체(12,52)의 방사 홀(11,51)의 구조를 유지하되, 그 안둘레면을 상기 노즐몸체(12,52)의 방사 홀(11,51) 중심으로부터 1∼300㎜이내로 이격시켜 형성함으로써, 각 노즐몸체(12,52)의 방사 홀(11,51) 중심으로부터 360도 방향으로 동일한 거리에서 온도를 유지한다[도 3 및 도 6 참조].

또한, 띠형 타입의 가열구멍(41b,81b)은 노즐몸체(12,52)의 방사 홀(11,51)을 중심으로 180도 마주보는 선형 구조이고, 방사 홀(11,51) 중심으로부터 1∼300m 이내에서 대칭되도록 형성한 구조이다[도 4 및 도 7 참조].

이때, 가열구멍(41a,41b,81a,81b)은 방사 후 통과되는 섬유(F)가 직접 열에 닿지 않는 간접 가열방식으로 설계되는 것으로, 가열구멍(41a,41b,81a,81b)의 크기가 노즐몸체(12,52)의 방사 홀(11,51) 중심으로부터 1㎜ 미만으로 근접하면, 가열체(41,81)가 섬유(F)와 접촉될 가능성이 높아 가열체(41,81)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.

노즐몸체(12,52)의 방사 홀(11,51) 구조에 대하여 설명하면, 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 홀 직경(D)이 0.01∼5 mm이고, 홀 길이(L)가 L/D 1 이상이고, 노즐몸체 내의 홀(11,51) 수는 1 이상이다.

또한, 방사 홀(11,51)간 피치(pitch)는 1mm 이상이고, 방사 홀(11,51) 단면은 본 발명의 실시예에서는 원형을 예시하고 있으나 이에 한정되지 않고 이형단면(Y, +, -, O 등)도 적용될 수 있다. 또한, 방사노즐(10,50)을 포함하는 방사구금을 통해 시스-코어형, 사이드바이사이드형, 해도형 등, 2종 이상의 복합방사가 가능할 것이다.

본 발명의 가열체(41,81)의 홀형 타입의 가열구멍(41a,81a)은 노즐몸체(12,52)의 방사 홀(11,51) 구조와 개수가 동일하므로, 그에 따라 원형, 타원형, 사각형, 도넛형 등의 모든 형태의 홀 구조를 포함한다.

또한, 가열체(41,81)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 등에서 선택된 어느 하나에 의해 제공될 수 있다.

본 발명의 고강도 열가소성 섬유 제조용 방사노즐의 바람직한 제1, 2 실시형태에서 가열체(41,81)는 팩바디(20,60) 온도 대비 온도차가 0∼1,500℃로서, 팩바디(20,60) 온도와 적어도 동일하거나 고온으로 제공된다.

또한, 노즐몸체(12,52)는 팩바디 히터(30,70) 열원으로부터 100∼350℃로 유지된 팩바디(20,60)에 고정되며, 노즐몸체(12,52)의 온도는 팩바디 히터(30,70) 온도와 동일하다. 상기에서 방사노즐(12,52)의 온도가 100℃ 미만이면, 대부분의 수지가 용융되지 못하고 굳어 방사가 곤란하고, 350℃를 초과하면, 수지의 급격한 열분해로 인한 섬유의 물성저하가 발생하여 바람직하지 않다.

이때, 팩바디 히터(30,70)의 온도는 전기 히터 또는 열매(熱媒)에 의해 조절될 수 있다.

이후, 용융된 열가소성 수지가 노즐몸체(12,52)를 포함하는 방사노즐(10,50)을 통해 토출된 섬유(F)를 형성한다. 이때, 상기 열가소성 수지로서, 폴리에스테르계 고분자(PET, PBT, PTT, PEN등) 외에 나일론계(Nylon 6 및 Nylon66, Nylon4 등) 및 올레핀계 (PP 및 PE 등)도 사용할 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에서는 폴리에스테르계 섬유가 가장 바람직하고, PET 장섬유 및 단섬유, 부직포 등의 섬유 분야에도 적용가능하고, 이외에 필름, 시트, 성형, 용기 등의 제조 분야에도 접목이 가능할 것이다.

이상의 제1, 2 실시형태의 방사노즐(10,50)은 1종 이상의 열가소성 고분자를 원료로 적용한 용융방사공정에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 모노 필라멘트 단독 또는 복합방사 공정에 적용할 수 있으며, 방사속도 0.1∼200 m/min로 수행하여, 섬유직경 0.01∼3mm의 모노 필라멘트를 제공할 수 있다.

또한, 제1, 2 실시형태의 방사노즐(10,50)은, 용융 복합방사시 저속방사법(UDY, 100∼2000 m/min), 중저속방사법(POY, 2000∼4000m/min), 고속방사법(HOY, 4000 m/min 이상), 방사 및 인라인(in-line) 연신공정(SDY)를 이용하여, 0.01∼100 d/f의 섬유(F)(장섬유) 단독 또는 복합방사 공정에 적용할 수 있다.

이외에도, 스테이플 파이버(단섬유) 단독 또는 복합방사 공정에 적용하여, 방사속도: 10∼3000m/min로 수행하여 섬유직경 0.01∼100 d/f의 섬유를 제공할 수 있고, 방사속도 100∼6000m/min 및 섬유직경 0.0001∼100 d/f를 구현하는 부직포(Spun-bond 및 melt blown 등) 단독 및 복합방사 공정에 적용할 수 있다. 이외 고분자 수지 성형 및 압출 공정 등에도 적용할 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명을 통하여 방사노즐로부터 토출되는 섬유가 방사노즐직하에 배치된 노즐가열부에 통과되면서 짧은 시간 내에 고온으로 직간접 국부가열되어 생산성이 향상된다.

이러한 생산성 향상의 첫째 요인은 토출되는 섬유를 순간적으로 온도 상승을 시킴으로써, 섬유냉각(고화)이 지연되어 방사속도를 추가로 올릴 수 있고, 둘째 요인은 고온의 국부가열로 인한 고분자내 분자쇄 얽힘의 용융구조제어를 통해 연신비가 상승하는데 기인한다.

따라서 본 발명의 제조방법은 특정의 노즐가열부 설계에 의한 방사노즐의 국부가열방식을 수행함으로써, 종래 대비 방사영역뿐만 아니라 연신영역에서도 생산속도를 추가로 올리고 극대화할 수 있다.

이에, 본 발명의 방사노즐의 국부가열에 의해 생산성이 향상된 합성섬유의 제조방법은 용융방사공정에서 용융된 열가소성 수지를 방사노즐 부분에 배치된 노즐가열부에 통과시키면서 순간 고온가열에 의해 열가소성 수지의 용융상 고분자내 분자쇄 얽힘 구조를 제어하여 방사된 섬유의 연신성을 높이고 냉각속도를 지연함으로써, 방사속도 또는 연신속도가 상승되어 방사영역 또는 연신영역에서 생산속도 향상결과를 제공한다.

본 발명의 실시예에서 뒷받침되는 바와 같이, 합성섬유 소재로서, 폴리에틸렌케레프탈레이트(PET, IV 1.2), 나일론 수지(Nylon 6, Rv 2.6)) 및 폴리프로필렌(PP, MI 25)를 사용하고, 용융방사 공정을 수행한 경우, 국부가열을 수행하지 않은 경우보다, 적어도 10% 이상의 생산성이 향상되는 결과를 제시한다.

이상을 통해, 본 발명의 방사노즐의 국부가열에 의해 생산성이 향상된 합성섬유의 제조방법은 합성섬유의 소재에 제한되지 않고, 생산성을 향상시킬 수 있음을 뒷받침한다.

또한, 본 특허의 방사노즐(10,50)은, 국부가열하는 노즐가열부의 장비 구조가 작고 간단하여 종래 방사노즐에 적용할 수 있어 에너지 효율이 높고, 용융방사공정 및 연신공정 등의 기존 공정을 활용함으로써, 초기 투자비를 낮추고, 저비용으로 합성섬유의 생산성 향상이 가능하다.

이에, 대량생산 및 저비용으로 인한 가격 경쟁력을 바탕으로 타이어 코드, 자동차, 열차, 항공, 선박 등의 수송용 내장재, 토목 및 건축자재, 전자재료, 로프 및 그물 등의 해양용 및 군사용도에 유용하고 이외에, 경량 스포츠웨어 및 작업복, 군복, 가구 및 인테리어, 스포츠 용품 등의 의류 및 생활용도로도 유용하여, 광범위한 시장확보가 가능하다.

이하, 제1 및 제2 실시형태의 작용을 구체적인 실시예를 통해 상세히 설명하고자 한다.

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.

< 실시예 1>

1. 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 섬유 제조

도 1에 도시된 원료공급부(1)로부터 공급된 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지(고유점도 1.21 ㎗/g)가 압출기(2)에서 용융압출되고, 기어펌프(3)을 통해 300 온도로 유지된 방사노즐(4)에 유입되었다. 이때, 도 1에 도시된 바와 같이, 팩바디 히터(pack-body heater, 70)의 열원으로부터 방사노즐(4)과 동일온도로 유지된 팩바디(60)에 감싸진 형태에서 저속 방사(1km/min)를 수행하여 미연신 PET 섬유(UDY)를 얻은 후 연속적으로 인라인(in-line) 연신을 실시하여 연신된 고강도의 PET 섬유를 제조하였다. 이때, 상기 노즐몸체(12) 직하에 단열재층(43) 및 상기 노즐몸체(12)의 방사용 홀(11)과 동일 홀 구조와 개수의 가열구멍(41a)을 형성한 가열체(41)를 노즐몸체(12) 하단부로부터 5mm 및 10㎜ 길이로 각각 배치하여, 토출 직후의 섬유를 간접 가열방식의 가열구역(40)을 형성하였다. 상기 단열재층(43) 및 가열체(41)로 이루어진 가열구역(40)은 상기 노즐몸체(12)의 각 방사용 홀(11)의 중심부에서 10㎜보다 큰 반경을 가지는 복수 개의 가열구멍(41a)을 구비하여 방사 후 섬유(F)가 그대로 통과되면서 직접 닿지 않게 열 전달될 수 있도록 설계되었다.

(1) 방사조건

방사온도: 300℃

방사노즐: Φ 0.5

홀당 토출량: 4g/min

노즐직하 국부히터 온도: 400℃ 이상

목표 섬유 물성: 강도 9.0g/d 이상 및 신도 25±5% 이내

방사 (G/R-1) 속도 및 연신온도: 0.5km/min (85℃)

연신비: 4배 이상

2. 국부가열 유무에 따른 PET 섬유의 물성평가

상기 실시예 1에서 제조된 PET 섬유를 하기 표 1에 기재된 제1롤 방사속도(G/R-1 속도), 제2롤 연신속도(G/R-2 속도) 및 연신비로 수행하여 제조하고, 국부가열 유무에 따라 목표 섬유 물성인 강도 9g/d 이상 및 신도 25±5% 이내에 도달 가능한 최적조건을 관찰하였다.

상기 표 1에서 뒷받침된 바와 같이, 미연신 PET 섬유(UDY)의 고속 인라인 연신공정을 수행하되, 방사속도(1km/min)를 고정하고, 연신속도(연신비)를 변화하여 목표물성의 PET 섬유를 제조한 결과, 동일한 방사속도에서 목표물성에 도달한 섬유를 제조하기 위해서는 노즐직하 국부히터로 가열한 경우, 종래 연신속도(생산속도) 4.5km/min 대비, 연신속도(생산속도) 5km/min로 높여 빠른 속도로 권취하므로, 시간당 섬유 생산성이 약 11.1% 증가하였다.

또한, 단면변동율(CV)은 노즐직하에서 국부히터로 순간 고온가열하여 제조한 경우와 종래공정과 큰 차이없이 물성편차가 적었다.

< 실시예 2>

1. 나일론 섬유 제조

원료공급부로부터 공급된 나일론(Nylon 6) 수지 (상대점도 Rv 2.6)가 압출기에 용융압출되고, 하기 방사조건으로 수행하여 나일론 섬유를 제조하였다.

(1) 방사조건

방사온도: 270℃

방사노즐: Φ0.5

홀당 토출량: 4g/min

노즐직하 국부히터 온도: 370℃ 이상

목표 섬유 물성: 강도 4.0g/d 이상 및 신도 30±5% 이내

방사 (G/R-1) 속도 및 연신온도: 0.5km/min (85℃)

연신비: 3배 이상

2. 국부가열 유무에 따른 나일론 섬유의 물성평가

상기 실시예 2에서 제조된 나일론 섬유를 하기 표 2에 기재된 제1롤 방사속도(G/R-1 속도), 제2롤 연신속도(G/R-2 속도) 및 연신비로 수행하여 제조하고, 국부가열 유무에 따라 목표 섬유 물성인 강도 4.0g/d 이상 및 신도 30±5% 이내에 도달가능한 최적조건을 관찰하였다.

상기 표 2에서 뒷받침된 바와 같이, 목표물성의 나일론 섬유를 동일한 방사속도에서 목표물성에 도달한 섬유를 제조하기 위해서는 노즐직하 국부히터로 가열한 경우, 시간당 섬유 생산성이 약 13.3% 증가하였다.

또한, 단면변동율(CV)은 노즐직하에서 국부히터로 순간 고온가열하여 제조한 경우에도 큰 차이없이 물성편차가 적었다.

< 실시예 3>

1. 폴리프로필렌 섬유 제조

원료공급부로부터 공급된 폴리프로필렌(PP, MI 25) 수지가 압출기에 용융압출되고, 하기 방사조건으로 수행하여 고강도의 폴리프로필렌 섬유를 제조하였다.

(1) 방사조건

방사온도: 230℃

방사노즐: Φ 0.5

홀당 토출량: 4g/min

노즐직하 국부히터 온도: 330℃ 이상

목표 섬유 물성: 강도 3.5g/d 이상 및 신도 35±5% 이내

방사 (G/R-1) 속도 및 연신온도: 0.5km/min (85℃)

연신비: 3배 이상

2. 국부가열 유무에 따른 폴리프로필렌 섬유의 물성평가

상기 실시예 2에서 제조된 폴리프로필렌 섬유를 하기 표 3에 기재된 제1롤 방사속도(G/R-1 속도), 제2롤 연신속도(G/R-2 속도) 및 연신비로 수행하여 제조하고, 국부가열 유무에 따라 목표 섬유 물성인 강도 3.5g/d 이상 및 신도 35±5% 이내에 도달가능한 최적조건을 관찰하였다.

상기 표 3에서 뒷받침된 바와 같이, 목표물성의 폴리프로필렌 섬유를 동일한 방사속도에서 목표물성에 도달한 섬유를 제조하기 위해서는 노즐직하 국부히터로 가열한 경우, 시간당 섬유 생산성이 약 10% 증가하였다.

또한, 단면변동율(CV)은 노즐직하에서 국부히터로 순간 고온가열하여 제조한 경우에도 큰 차이없이 물성편차가 적었다.

< 실시예 4>

1. 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 섬유 제조

원료공급부(1)로부터 공급된 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지(고유점도 1.21 ㎗/g)가 압출기(2)에서 용융압출되고, 기어펌프(3)을 통해 300 온도로 유지된 방사노즐(4)에 유입되었다. 이때, 팩바디 히터 열원(pack-body heater, 70)으로부터 방사노즐(4)과 동일온도로 유지된 팩바디(60)에 감싸진 형태에서 고속 방사하여 고배향된 PET 섬유를 제조하였다. 상기에서 방사노즐부의 열전달 방식은 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.

(1) 초고속 방사조건

방사온도: 300℃

방사노즐: Φ 0.5

홀당 토출량: 4g/min

노즐직하 국부히터 온도: 400℃ 이상

목표 섬유 물성: 강도 2.5g/d 이상 및 신도 150±15% 이내

방사 (G/R-1) 속도 및 연신온도: 3.0km/min (RT)

연신비: 1

상기 표 4에서 뒷받침된 바와 같이, 목표물성의 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 섬유를 동일한 방사속도에서 목표물성에 도달한 섬유를 제조하기 위해서는 노즐직하 국부히터로 가열한 경우, 시간당 섬유 생산성이 약 16.7% 증가하였다.

또한, 단면변동율(CV)은 노즐직하에서 국부히터로 순간 고온가열하여 제조한 경우에도 큰 차이없이 물성편차가 적었다.

< 실시예 5>

1. 폴리프로필렌 섬유 제조

원료공급부(1)로부터 공급된 폴리프로필렌(PP, MI 25) 수지가 압출기(2)에서 용융압출되고, 기어펌프(3)을 통해 300 온도로 유지된 방사노즐(4)에 유입되었다. 이때, 팩바디 히터 열원(pack-body heater, 70)으로부터 방사노즐(4)과 동일온도로 유지된 팩바디(60)에 감싸진 형태에서 고속 방사를 수행하여 폴리프로필렌 섬유를 제조하였다. 상기에서 방사노즐부의 열전달 방식은 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.

(1) 초고속 방사조건

방사온도: 230℃

방사노즐: Φ 0.5

홀당 토출량: 4g/min

노즐직하 국부히터 온도: 330℃ 이상

목표 섬유 물성: 강도 2.0g/d 이상 및 신도 150±15% 이내

방사 (G/R-1) 속도 및 연신온도: 1.0km/min (RT)

연신비: 1

상기 표 5에서 뒷받침된 바와 같이, 목표물성의 폴리프로필렌(PP) 섬유를 동일한 방사속도에서 목표물성에 도달한 섬유를 제조하기 위해서는 노즐직하 국부히터로 가열한 경우, 시간당 섬유 생산성이 약 13.3% 증가하였다.

또한, 단면변동율(CV)은 노즐직하에서 국부히터로 순간 고온가열하여 제조한 경우에도 큰 차이없이 물성편차가 적었다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 용융방사공정에서 방사노즐로부터 토출되는 섬유가 방사노즐 부분에 배치된 노즐가열부에 통과되어 짧은 시간 내에 고온으로 직간접 국부가열되도록 하여 생산성이 향상된 합성섬유의 제조방법을 제공하였다.

즉, 본 발명의 합성섬유의 제조방법은 섬유상으로 토출되는 방사노즐부근에서 짧은 시간내에 고온으로 직접/간접적인 국부 가열방법에 의해, 방사 후 방사노즐 직하시 가열방식을 최적화하여, 토출되는 섬유를 순간적으로 고온 가열하여 섬유냉각(고화)을 지연시켜 방사속도를 추가로 올릴 수 있고, 상기 고온의 국부가열로 인한 고분자내 분자쇄 얽힘의 용융구조제어를 통해 합성섬유사의 연신성을 향상시켜 연신비를 상승시킴으로써, 방사노즐의 국부가열없이 수행되는 종래대비 방사영역뿐만 아니라 연신영역에서도 생산속도를 추가로 올리는 합성섬유의 생산성 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 합성섬유의 제조방법은 상기의 국부가열하는 장비 구조가 상대적으로 작고 간단하여 에너지 효율이 높고 섬유의 단면 변동율 및 물성편차가 적으면서 생산성을 향상시킬 수 있다.

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.

1: 원료공급기, 2: 압출기, 3: 기어 펌프, 4: 방사노즐,
5: 퀀칭 챔버(방사), 6: 제1고뎃롤러, 7: 제2고뎃롤러, 8: 권취롤러
10,50: 방사노즐 11,51: 방사용 홀 12,52: 노즐몸체 20,60: 팩바디(Pack-Body)
30,70: 팩바디 히터(Pack-Body Heater) 41,81: 가열체
41a, 41b, 81a, 81b: 가열구멍 43: 단열재층
F: 섬유

Claims (8)

1. 방사장치의 팩바디 내에 방사노즐이 설치되고, 압출기로부터 용융압출된 열가소성 수지가 상기 방사노즐에 유입되고,
   상기 방사노즐로부터 토출되는 용융상태의 섬유가 노즐가열부에 통과되면서, 열가소성 수지의 용융상 고분자내 분자쇄 얽힘 구조를 제어할 정도의 고온으로 직간접적으로 국부가열되도록 하고,
   상기 가열된 섬유가 냉각 고화되고, 연신 후 권취되는 공정으로 수행되되,
   상기 노즐가열부가 방사노즐의 노즐몸체의 방사 홀과 동일한 구조와 개수로 이루어진 가열구멍이 형성된 가열체로 이루어지며, 상기 가열구멍이 통과하는 섬유의 중심으로부터 1∼300㎜ 이내로 이격되도록 형성되어, 방사노즐로부터 토출되는 용융상태의 섬유가 각각의 가열구멍에 통과되는 국부가열에 의해 방사속도 또는 연신속도 상승에 따라 생산성이 향상된 합성섬유의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 노즐가열부가 열가소성 수지를 용융방사하여 섬유를 형성하는 다수개의 방사 홀을 구비하되, 방사 후 섬유를 가열하는 방사 홀 하부에 배치된 노즐몸체와, 상기 방사 후 섬유가 각각 통과하도록 된 홀형 타입의 가열구멍을 형성한 가열체와, 상기 노즐몸체와 가열체 사이에 구비된 단열재층을 포함하는 것을 특징으로 하는 생산성이 향상된 합성섬유의 제조방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 단열재층의 두께가 1∼30mm이고, 상기 가열체가 단열재층으로부터 1∼500mm 길이로 연장된 것을 특징으로 하는 생산성이 향상된 합성섬유의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 노즐가열부가 방사장치의 팩바디의 하부 저면에 돌출 배치되어 방사용 홀 부분의 가열과 동시에 방사 후 섬유를 가열하는 노즐몸체와,
   상기 방사 후 섬유가 각각 통과하도록 된 홀형 타입의 가열구멍 또는 일렬로 배치된 다수개의 섬유가 통과하도록 된 띠형 타입의 가열구멍을 형성한 가열체를 포함하되, 상기 가열체의 일부가 노즐몸체의 하부에 접촉 또는 삽입되어 이루어진 것을 특징으로 하는 생산성이 향상된 합성섬유의 제조방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 팩바디의 하부 저면에 돌출 배치된 노즐몸체가 팩바디 하부를 기준으로 -50∼300mm로 설정되어 이루어진 것을 특징으로 하는 생산성이 향상된 합성섬유의 제조방법.
6. 제4항에 있어서, 상기 가열체가 노즐몸체 하부 내부에 0∼50mm로 배치되어 접촉 또는 일부 삽입되고, 상기 노즐몸체의 하부로부터 연장되는 가열체의 연장길이는 1∼500mm인 것을 특징으로 하는 생산성이 향상된 합성섬유의 제조방법.
7. 제4항에 있어서, 상기 노즐몸체의 하부에 일부 삽입된 가열체의 상면과, 상기 가열체의 상면이 대향하는 노즐몸체의 대향면 사이에 틈새를 형성한 것을 특징으로 하는 생산성이 향상된 합성섬유의 제조방법.
8. 삭제

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