KR101902524B1 - 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고점도 메타아라미드 수지와 저점도 메타아라미드 수지를 사이드 바이 사이드 형으로 복합방사하여 형성되어 점도차이에 의한 메타아라미드 수지의 자발수축으로 탄성율이 향상된 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유에 관한 것이다.

Description

고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유 및 그의 제조방법{Meta-Aramid Fiber having High elastic rate and Method for Preparing the Same}

본 발명은 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유 및 그의 제조방법에 관한 것으로 상대점도가 다른 2종의 메타아라미드 수지를 이용하여 탄성율이 우수한 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

1960년대 개발된 아라미드라는 방향족 폴리아미드는 지방족 폴리아미드인 나일론의 내열성을 개선시키기 위해 개발된 것으로 노멕스(Nomex), 케블라(Kevlar)와 같은 상품명으로 잘 알려져 있는 방향족 폴리아미드는 난연성 섬유직물, 타이어 코드 등의 섬유용도로 사용될 수 있는 뛰어난 내열성과 높은 인장강도를 갖는다.

일반적인 지방족 폴리아미드는 아미드기사이에 지방족 탄화수소가 결합되어 있는 합성수지이나, 아라미드(aramid)는 아미드기 사이에 벤젠기가 85%의 아미드 결합이 두 개의 방향족 고리에 결합되어 있는 합성수지를 말한다. 상기 지방족 폴리아미드의 지방족 탄화수소는 열을 가하면 쉽게 분자운동이 일어나는 데 반하여, 방향족 폴리아미드의 벤젠 환은 분자쇄가 강직하고 열을 가하여도 분자가 쉽게 움직이지 않으므로 열에 안정하고 탄성률이 높아 일반 지방족 폴리아미드와는 특성에 있어서 많은 차이를 나타낸다.

특히, 메타아라미드는 듀폰사에서 개발된 노멕스(Nomex), 데이진사에서 개발된 코넥스(Conex)가 대표적이다. 메타계 아라미드는 벤젠고리가 메타 위치에서 아미드기와 결합된 것으로 강도와 신도는 보통의 나일론과 비슷하나 열에 대한 안정성이 대단히 좋으며, 다른 내열용 소재에 비하여 가볍고 땀흡수도 어느정도 가능하므로 쾌적하다는 장점을 가지고 있어, 소방복, 경주용 자동차 운전자를 위한 유니폼, 우주 비행사 유니폼, 작업복 등의 내열용 의복 소재로 사용되며, 산업용으로는 고온용 필터등으로 쓰인다.

상기와 같은 메타 아라미드를 섬유로 다양한 분야에 활용하기 위해 기능성을 높이기 위해 타섬유와 혼합하는 방법이 제시되고 있으며, 그 일환으로 대한민국 공개특허 제1990-0010102호에서는 아라미드섬유 및 폴리벤지미다졸섬유로 구성된 그룹으로부터 선택한 내열성 섬유로 된 심사와, 상기 심사를 둘러싸서 피복시키고 있는 내한성 섬유로 된 심사의 내피복사 및, 상기 심사의 내피복사를 둘러싸서 피복시키고 있는 내한성 섬유로 된 외피복사로 구성되는 내화성 안전복 제조용 코어방적사를 제공하고 있으며, 대한민국 공개특허 제2008-0062319호에서는 아라미드 섬유, 폴리벤즈이미다졸 섬유 및 열안정화되고 산화된 폴리아크릴로니트릴 섬유로 구성된 섬유중에서 선택한 내열성 섬유로 된 심사와 이 심사를 둘러싸서 피복시키고 있는 고강도, 터치감, 치수안정성이 우수한 섬유로 된 피복사로 구성되는 안전복 제조용 코어방적사를 제시하고 있다.

최근에는 메타아라미드 섬유에 고내열성과 난연성 이외에 다른 기능을 갖는 메타아라미드 섬유를 다양한 산업에서 요구하고 있다. 그러나 종래 제품은 메타아리미드 섬유와 다른 합성섬유를 혼용하여 사용하여 기능성이 부과된 것으로 메타아라미드 섬유의 고유의 내열성과 난연성이 저하되는 문제가 있었다.

특히 일반 합성섬유와 같이 탄성력이 높고 권축을 갖는 메타아라미드 섬유에 대한 소비자의 욕구가 높아지고 있으나 현재까지 개발된 메타아라미드 섬유는 낮은 탄성율로 소비자의 욕구를 만족하지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같이 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로 상대점도가 다른 2종의 메타아라미드 수지를 사용하고, 사이드 바이 사이드 형의 복합섬유로 메타아라미드 섬유를 형성하여 탄성율이 향상된 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 상기 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유를 제조할 수 있는 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 고점도 메타아라미드 수지와 저점도 메타아라미드 수지를 사이드 바이 사이드 형으로 복합방사하여 형성되는 것을 특징으로 하는 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유를 제공한다.

또한, 상기 고점도 메타아라미드 수지는 상대점도가 2.0~3.0이고, 상기 저점도 메타아라미드 수지는 상대점도가 1.0~2.0인 것을 특징으로 하는 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유를 제공한다.

또한, 상기 고점도 메타아라미드 수지와 저점도 메타아라미드 수지의 상대점도 차이는 0.2~0.8인 것을 특징으로 하는 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유를 제공한다.

또한, 본 발명은 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유 제조방법에 있어서, 상대점도가 2.0~3.0인 고점도 메타아라미드 수지와 상대점도가 1.0~2.0인 저점도 메타아라미드 수지를 준비하는 메타아라미드 수지 준비공정; 상기 고점도 메타아라미드 수지와 저점도 메타아라미드 수지를 응고액에서 습식방사로 방사하되, 사이드 바이 사이드 형으로 복합방사하는 방사공정; 상기 응고액에서 메타아라미드 섬유를 연신하는 제1 연신공정; 연신된 메타아라미드 섬유를 수세 및 건조하는 수세공정; 수세된 메타아라미드 섬유를 히트롤러 또는 히트 챔버를 이용하여 연신하는 제2 연신공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 고점도 메타아라미드 수지와 저점도 메타아라미드 수지의 상대점도 차이는 0.2~0.8인 것을 특징으로 하는 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 제1 연신공정은 연신비 1.5~2.5로 연신하는 것을 특징으로 하는 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 제2 연신공정은 350~370℃에서 연신비 1.5~2.0으로 연신하는 것을 특징으로 하는 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유 제조방법을 제공한다.

상기와 같이 본 발명은 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유 상대점도가 다른 2종의 메타아라미드 수지를 이용하고, 사이드 바이 사이드 형의 복합섬유로 메타아라미드 섬유를 형성하여 탄성율이 우수한 효과가 있다.

또한, 탄성율이 향상된 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유를 제조할 수 있는 최적의 제조방법을 제공하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유의 단면형상을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유 제조방법의 공정도이다.

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 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유의 단면형상을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유 제조방법의 공정도이다.

본 발명은 도 1에서와 같이 고점도 메타아라미드 수지(100)와 저점도 메타아라미드 수지(200)를 사이드 바이 사이드 형으로 복합방사하여 형성되는 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유에 관한 것이다.

상기와 같이 본 발명은 고점도 메타아라미드 수지(100)와 저점도 메타아라미드 수지(200)의 점도차이를 통해 메타라미드 섬유에 권축이 발현되어 탄성율이 향상된다.

상기 고점도 메타아라미드 수지는 상대점도(relatively viscosity, R.V.)가 2.0~3.0이고, 상기 저점도 메타아라미드 수지는 상대점도가 1.0~2.0인 것이 바람직한 것으로 상기 고점도 메타아라미드 수지와 저점도 메타아라미드 수지의 상대점도 차이는 0.2~0.8인 것이 바람직할 것이다.

상기 고점도 메타아라미드 수지와 저점도 메타아라미드 수지의 상대점도 차이가 0.2미만인 경우에는 권축 발현이 미미하여 탄성율이 낮을 수 있으며, 상대점도 차이가 0.8를 초과하면 메타아라미드 섬유의 고점도 메타아라미드 수지와 저점도 메타아라미드 수지가 서로 분리되어 사절현상이 발생될 수 있어 공정성이 저하될 수 있다.

메타아라미드 수지는 메타-페닐렌 디아민(M-phenylene diamine, MPD)과 이소프탈로일클로라이드(Isophthaloyl chloride, IPC)을 몰비 1:1로 중합되는 것으로 상대점도 차이를 조절하기 위해 중합과정에서 이소프탈로일클로라이드(IPC)의 투입량을 2회로 나누어서 투입하는 1차, 2차 중합과정으로 메타아라미드 수지를 제조하여 상대점도를 조절할 수 있다.

즉, 메타-페닐렌 디아민(MPD)에 메타-페닐렌 디아민(MPD) 대비 70~90몰%의 이소프탈로일클로라이드(IPC)을 투입하여 1차 중합을 실시하고, 1차 중합물에 메타-페닐렌 디아민(MPD) 대비 10~30몰%의 이소프탈로일클로라이드(IPC)를 투입하여 2차 중합하는 방법으로 메타아라미드 수지의 상대점도를 조절할 수 있는 것으로 1차 중합에서 투입되는 이소프탈로일클로라이드(IPC)의 양이 높을수록 상대점도가 높아지게 된다.

일예로, 고점도 메타아라미드 수지는 1차 중합에서는 메타-페닐렌 디아민(MPD)에 메타-페닐렌 디아민(MPD) 대비 80~90몰%의 이소프탈로일클로라이드(IPC)를 투입하고, 2차 중합에서는 10~20몰%의 이소프탈로일클로라이드(IPC)를 투입하여 제조할 수 있으며, 저점도 메타아라미드 수지는 1차 중합에서는 메타-페닐렌 디아민(MPD)에 메타-페닐렌 디아민(MPD) 대비 70~80몰%의 이소프탈로일클로라이드(IPC)를 투입하고, 2차 중합에서는 20~30몰%의 이소프탈로일클로라이드(IPC)를 투입하여 제조할 수 있을 것이다.

본 발명은 상기에서 설명된 고점도 메타아라미드 수지(100)와 저점도 메타아라미드 수지(200)를 이용하여 도 1의 (a)와 같은 땅콩형 단면이나, (b)와 같은 원형 단면의 사이드 바이 사이드형의 복합섬유로 형성된다.

상기와 같은 본 발명의 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유는 도 2에서와 같이 메타아라미드 수지 준비공정, 방사공정, 제1 연신공정, 수세공정, 제2 연신공정을 포함하여 제조된다.

상기 메타아라미드 수지 준비공정은 상대점도가 2.0~3.0인 고점도 메타아라미드 수지와 상대점도가 1.0~2.0인 저점도 메타아라미드 수지를 준비하는 공정으로 상기에서 설명된 방법으로 고점도 메타아라미드 수지와 저점도 메타아라미드 수지를 제조하여 준비할 수 있을 것이다.

상기 방사공정은 상기 고점도 메타아라미드 수지와 저점도 메타아라미드 수지를 응고조에서 습식방사로 방사하는 공정으로 본 발명은 사이드 바이 사이드 형으로 복합방사하여 메타아라미드 섬유를 제조한다.

메타아라미드 수지를 이용하여 방사할 경우 메타아라미드를 극성 아미드계 용매에 녹여 혼합하는 용매 혼합공정으로 메타아라미드 도프로 형성한 후 방사된다.

상기 극성 아미드계 용매와 메타아라미드의 혼합율에 따라 메타아라미드 도프의 점도를 조절할 수 있는 것으로 방사에 적합하도록 상기 극성 아미드계 용매와 메타아라미드의 혼합율을 조절하는 것이 바람직할 것이다. 상기 메타아라미드 도프는 상기 극성 아미드계 용매에 5~30중량%의 메타아라미드가 함유되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 15~25중량%의 메타아라미드가 함유되는 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.

본 발명의 고점도 메타아라미드 수지와 저점도 메타아라미드 수지는 상기에서와 같이 극성 아미드계 용매와 혼합하여 각각의 메타아라미드 도프로 제조하여 방사된다.

본 발명의 메타아라미드 섬유는 20~80℃의 응고액 속에서 복합방사구금을 통해 섬유화되는 습식방사로 방사되는 것으로 상기 응고액은 극성 아미드계 용매와 물의 혼합물로 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, 본 발명에서는 디메틸아세트아미드를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 디메틸아세트아미드(DMAc) 20~60중량%, 물 40~80중량%를 혼합하여 사용하는 것이 바람직할 것이다.

상기 제1 연신공정은 방사된 메타아라미드 섬유를 상기 응고액에서 연신하는 공정으로 일반적인 습식방사를 통한 메타아라미드 섬유의 연신공정과 동일하게 실시될 수 있다.

상기 제1 연신공정에서의 연신비는 1.5~2.5로 연신하는 것이 바람직할 것이다.

상기 수세공정은 연신된 메타아라미드 섬유를 수세 및 건조하는 공정으로 메타아라미드 섬유에 함유된 극성 아미드계 용매와 염 등을 제거하는 공정으로 일반적인 메타아라미드 섬유의 수세 및 건조방법으로 실시될 수 있다.

상기 제2 연신공정은 수세된 메타아라미드 섬유를 히트롤러 또는 히트 챔버를 이용하여 연신하는 공정으로 제2 연신공정으로 본 발명의 메타아라미드 섬유는 점도차에 의한 자발 수축성 차이로 크림프가 발현된다.

상기 제2 연신공정은 350~370℃의 고온의 히트롤러 또는 히트 챔버를 통해 연신되는 것으로 연신비는 1.5~2.0으로 연신하는 것이 바람직할 것이다.

상기 제2 연신공정에서 연신시의 온도가 350℃ 미만이면 점도차에 의한 자발 수축성이 미미하여 탄성율이 저하될 수 있으며, 370℃를 초과하면 메타아라미드 섬유의 물성이 저하될 수 있다.

또한, 상기 제2 연신공정에서 연신비가 2.0을 초과하면 메타아라미드 수지의 배향도가 높아지고 결정화도가 높아져서 탄성율이 저하될 수 있는 것으로 제2 연신공정에서 연신비는 2.0을 초과하지 않는 것이 바람직할 것이다.

상기와 같이 고온에서 실시되는 제2 연신공정을 통해 크림프가 발현되어 탄성율이 높아지는 메타아라미드 섬유로 제2 연신공정 후에 열고정을 실시하지 않는 것이 바람직할 것이다. 제2 연신공정 후 열고정을 실시하면 배향된 메타아라미드 섬유가 다시 재배향되어 탄성율이 저하될 수 있다.

이하 본 발명에 따른 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유를 제조하기 위한 방법의 실시예를 나타내지만, 본 발명이 실시예로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1, 2

고점도 메타아라미드 수지와 저점도 메타아라미드 수지를 준비한 후에 상기 고점도 메타아라미드 수지와 저점도 메타아라미드 수지 각각 용매인 디메틸아세트아미드에 녹여 메타아라미드 농도가 20중량%인 고점도 메타아라미드 메타아라미드 도프 및 저점도 메타아라미드 메타아라미드 도프를 형성하였다.

상기 고점도 메타아라미드 메타아라미드 도프와 저점도 메타아라미드 메타아라미드 도프를 디메틸아세트아미드 40중량%와 물 60중량%의 혼합물인 50℃ 응고액에서 도 1의 (a)형태로 복합방사하여 섬유화하는 방사공정을 실시하고 같은 응고액에서 연신비 2.0으로 제1 연신공정을 실시하였다.

상기 연신된 메타아라미드 섬유를 수세 및 건조하여는 수제공정을 실시하였고, 수세된 메타아라미드 섬유를 고온의 히트 챔버에서 제2 연신공정을 실시하여 본 발명에 따른 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유를 제조하였다.

실시예 1, 2에 따른 고점도 메타아라미드 수지와 저점도 메타아라미드 수지의 상대점도, 제2 연신공정에서의 연신비, 제2 연신공정의 연신온도를 표 1에 나타내었다.

비교예 1 내지 4

실시예 1과 동일하게 실시하였으나, 사용되는 메타아라미드 수지의 상대점도 차이, 연신비 및 연신온도를 다르게 하여 메타아라미드 섬유를 제조하였다.

비교예 1 내지 4에서 사용된 메타아라미드 수지의 상대점도, 제2 연신공정에서의 연신비, 제2 연신공정의 연신온도를 표 1에 나타내었다.

구분	실시예 1	실시예 2	비교예 1	비교예 2	비교예 3	비교예 4
저점도 수지(RV)	1.8	2.0	2.0	2.4	1.8	1.8
고점도 수지(RV)	2.4	2.2	2.0	2.4	2.4	2.4
제2 연신의 연신비	2.0	2.0	2.0	2.0	3.0	2.0
연신온도(℃)	360	360	360	360	360	320

상기 메타아라미드 수지의 상대점도(RV, relative viscosity)의 측정은 ASTM-1P-200법을 사용하여 측정하였는데, 용매는 황산을 사용하였고 모세관 점도계는 Kenon-Fensk 타입을 사용하였다. 35±0.01℃의 항온조에서 모세관 점도계를 통과하는 순수 용매의 시간(t0)과 고분자 용액의 시간(t)을 측정한 후 다음의 식을 사용하여 상대점도(RV)를 구하였다.

RV = t/t0

◈ 메타아라미드 섬유의 탄성율 평가

상기 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 4의 강도 및 탄성율을 측정하여 평가하였다.

강도는 강신도 측정기(Instron 5564)-ASTM D885로 측정하였고, 탄성율은 만능인장시험기(제품명 Instron 4200/430C Machine)을 통해 측정하였다.

구분	실시예 1	실시예 2	비교예 1	비교예 2	비교예 3	비교예 4
섬도(De')	1.48	1.47	1.5	1.49	1.45	1.51
강도(g/d)	4.89	4.91	4.89	5.1	5.12	5.04
탄성율(gf)	489	358	254	281	287	248

표 2에서와 같이 본 발명의 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유인 실시예 1, 2는 비교예 1 내지 4의 메타아라미드 섬유에 비해 높은 탄성율을 갖는 것을 알 수 있다.

비교예 1 내지 4는 모두 크림프가 발현되지 않아 탄성율이 향상도지 않은 것으로 비교예 1,2는 상대점도가 동일한 메타아라미드 수지를 사이드 바이 사이드형으로 제조된 것으로 제2 연신공정에서 점도차이에 의한 크림프가 발현되지 않았으며, 비교예 3은 연신비가 높아 메타아리미드 섬유의 배향도가 너무 높아져 크림프가 발현되지 않은 것으로 예상되며, 비교예 4는 제2 연신공정에서 낮은 연신온도로 점도차에 의한 자발 수축이 크지 않아 크림프가 발현되지 않은 것으로 예상된다.

따라서, 본 발명의 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유는 제2 연신공정에서 연신온도와 연신비가 매우 중요한 요소임을 알 수 있다.

Claims (7)

1. 고점도 메타아라미드 수지와 저점도 메타아라미드 수지를 사이드 바이 사이드 형으로 복합방사하여 형성되되,
   상기 고점도 메타아라미드 수지와 저점도 메타아라미드 수지의 상대점도 차이는 0.2~0.8인 것을 특징으로 하는 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유.
2. 제1항에 있어서,
   상기 고점도 메타아라미드 수지는 상대점도가 2.0~3.0이고, 상기 저점도 메타아라미드 수지는 상대점도가 1.0~2.0인 것을 특징으로 하는 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유.
3. 삭제
4. 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유 제조방법에 있어서,
   상대점도가 2.0~3.0인 고점도 메타아라미드 수지와 상대점도가 1.0~2.0인 저점도 메타아라미드 수지로 상기 고점도 메타아라미드 수지와 저점도 메타아라미드 수지의 상대점도 차이는 0.2~0.8인 고점도 메타아라미드 수지와 저점도 메타아라미드 수지를 준비하는 메타아라미드 수지 준비공정;
   상기 고점도 메타아라미드 수지와 저점도 메타아라미드 수지를 응고액에서 습식방사로 방사하되, 사이드 바이 사이드 형으로 복합방사하는 방사공정;
   상기 응고액에서 메타아라미드 섬유를 연신하는 제1 연신공정;
   연신된 메타아라미드 섬유를 수세 및 건조하는 수세공정;
   수세된 메타아라미드 섬유를 히트롤러 또는 히트 챔버를 이용하여 연신하는 제2 연신공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유 제조방법.
5. 삭제
6. 제4항에 있어서,
   상기 제1 연신공정은 연신비 1.5~2.5로 연신하는 것을 특징으로 하는 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유 제조방법.
7. 제4항에 있어서,
   상기 제2 연신공정은 350~370℃에서 연신비 1.5~2.0으로 연신하는 것을 특징으로 하는 고탄성율을 가지는 메타아라미드 섬유 제조방법.

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