KR102227679B1 - 이형단면 형상의 제조가 용이한 방사구금, 이를 이용하여 제조한 이형단면사 및 그 제조방법 - Google Patents

이형단면 형상의 제조가 용이한 방사구금, 이를 이용하여 제조한 이형단면사 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이형단면 형상의 제조가 용이한 방사구금, 이를 이용하여 제조한 이형단면사 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 이형단면사 제조 과정에서 섬유형성성분을 빠르게 냉각시킬 수 있어 섬유형성성분의 변형을 최소화하여 의도한 형상에 최대한 근사한 이형단면사를 제조하는 것이 용이한 방사구금, 이를 이용하여 제조한 이형단면사 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

이형단면 형상의 제조가 용이한 방사구금, 이를 이용하여 제조한 이형단면사 및 그 제조방법{SPINNERET BEING ABLE TO FORM NONCIRCULAR CROSS-SECTIONAL SHAPE, YARN WITH NONCIRCULAR CROSS-SECTIONAL SHAPE MANUFACTURED USING THE SAME AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME YARN}
본 발명은 이형단면 형상의 제조가 용이한 방사구금, 이를 이용하여 제조한 이형단면사 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 이형단면사 제조 과정에서 섬유형성성분을 빠르게 냉각시킬 수 있어 섬유형성성분의 변형을 최소화하여 의도한 형상에 최대한 근사한 이형단면사를 제조하는 것이 용이한 방사구금, 이를 이용하여 제조한 이형단면사 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 합성섬유의 단면은 원형이 많으나 특수한 목적으로 원형이 아닌 삼각형, 사각형, 별형, 십자형 등 다양한 모양으로 주어질 수 있다. 이러한 원형 이외의 단면을 갖는 합섬사를 이형단면사라 한다. 이형단면사는 표면적이 넓고, 견과 같은 광택이나 촉감을 줄 수 있으며, 굴곡탄성, 내오성, 보온성, 흡한속건성 등을 개량하는 데 이용된다. 상기와 같은 이형단면사를 제조하는 방법은 크게 방사구금을 이형화하거나 이성분방사법을 통해 일성분을 용출하는 방법으로 구분할 수 있고, 이형단면의 방사구금을 이용하는 것이 일반적이다. 이형단면사는 특히 심색화나 흡한속건성 등의 기능향상을 위해 다수 사용되고 있다. 특히 폴리에스테르사는 가공후 번들거리는 경향이 있어 실크와 같은 은은한 광택을 부여하기 위해 이형단면사의 개발이 다수 시도된 바 있다. 6엽 형상의 이형단면사는 난반사 효과를 일으켜 심색성이나 광택 특성이 우수한 특징이 있어 이러한 형태의 방사구금 및 필라멘트 개발이 이루어져 왔다. 상기 이형단면사의 하나로 중공율이 높은 중공섬유는 중공율이 높은 섬유는 많은 공기층을 함유하므로 비중이 작고, 보온성이 우수하다. 따라서, 가벼우면서도 따뜻한 느낌을 주는 우수한 특성을 가지며, 단열옷, 이불, 보온용 이불, 침낭 등에 많이 사용되고 있으나, 지금까지 개발되어온 중공섬유는 방사 시 방사공 상부의 압력 불균형이나, 방사된 고분자 용융체를 냉각시키는 과정에서 공기와류에 의해 원사가 개환되거나 반복 사용시 중 공사가 개환되어 공기층을 잃게 되므로 반발성, 숭고성, 보온성 및 염색성이 떨어지는 결점이 있다. 종래에 중공섬유의 중공율을 크게 하는 방법으로는 대한민국 등록특허 제0062548호에서는 구금홀이 세변이 반지름이 R인 원(圓)의 일부인 원호모양으로 되어 있으며, 상기 구금홀은 세변의 꼭짓점으로부터 돌출된 3개의 돌기 부를 가지며, 또 세변의 각 구금홀 사이에는 간극을 가지며 전체적으로 구금공의 형상이 3각형으로 되어 있는 삼각단면 중공섬유 제조용 방사구금을 이용하여 중공섬유를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 이러한, 만곡된 슬릿(slit) 두 개 이상을 원형으로 배열한 방사구금을 이용하여 구금의 지름, 슬릿폭, 만곡슬릿 과 슬릿간의 길이, 고분자 용융체의 점도, 토출량, 방출사조의 냉각방식을 조절하는 방법이 알려져 있다.
그러나 이와같은 방법만으로는 원형 단면을 갖는 중공사의 제조는 용이하였으나, 십자형, 오각성, 육각성, C형 중공사 등 이형도가 높은 이형단면사를 제조하는 경우에는 방사 과정에서 섬유형성성분의 느린 냉각 속도로 섬유에 변형이 일어나 이형도가 감소하여 의도한 단면 형상과 달라지게 되는 문제점이 있었다.
가령, 도 1, 도 3 및 도 5를 참조하면, 기존에는 U자형, 원형 중공사 및 C형 중공사의 제조를 위하여 슬릿형 방사구금을 이용하여 섬유형성성분을 방사하였다. 이는 방사 후 유리전이온도 아래로 냉각되기 전의 섬유형성성분이 자체의 응집력으로 인하여 방사구금의 형태를 상실하고 의도한 형태에서 벗어난 형태의 섬유 단면을 갖게 만드는 문제점이 있었다.
또한, 냉각 속도를 향상시키기 위하여 냉각풍의 풍량/풍속을 높여서 섬유형성성분을 냉각하더라도 구금의 보온 등의 문제가 있어 가동성이 불량하여 원하는 형상의 높은 이형도를 가진 이형단면사를 제조하는 것에는 어려움이 있었다. 따라서, 냉각풍을 조절하지 않고도 원하는 형상에 가까운 높은 이형도를 가진 이형단면사를 제조할 수 있는 방사구금에 대한 기술의 개발이 시급한 실정이다.
일반적으로 합성섬유의 단면은 원형이 많으나 특수한 목적으로 원형이 아닌 삼각형, 사각형, 별형, 십자형 등 다양한 모양으로 주어질 수 있다. 이러한 원형 이외의 단면을 갖는 합섬사를 이형단면사라 한다. 이형단면사는 표면적이 넓고, 견과 같은 광택이나 촉감을 줄 수 있으며, 굴곡탄성, 내오성, 보온성, 흡한속건성 등을 개량하는 데 이용된다. 상기와 같은 이형단면사를 제조하는 방법은 크게 방사구금을 이형화하거나 이성분방사법을 통해 일성분을 용출하는 방법으로 구분할 수 있고, 이형단면의 방사구금을 이용하는 것이 일반적이다. 이형단면사는 특히 심색화나 흡한속건성 등의 기능향상을 위해 다수 사용되고 있다. 특히 폴리에스테르사는 가공후 번들거리는 경향이 있어 실크와 같은 은은한 광택을 부여하기 위해 이형단면사의 개발이 다수 시도된 바 있다. 6엽 형상의 이형단면사는 난반사 효과를 일으켜 심색성이나 광택 특성이 우수한 특징이 있어 이러한 형태의 방사구금 및 필라멘트 개발이 이루어져 왔다. 상기 이형단면사의 하나로 중공율이 높은 중공섬유는 중공율이 높은 섬유는 많은 공기층을 함유하므로 비중이 작고, 보온성이 우수하다. 따라서, 가벼우면서도 따뜻한 느낌을 주는 우수한 특성을 가지며, 단열옷, 이불, 보온용 이불, 침낭 등에 많이 사용되고 있으나, 지금까지 개발되어온 중공섬유는 방사 시 방사공 상부의 압력 불균형이나, 방사된 고분자 용융체를 냉각시키는 과정에서 공기와류에 의해 원사가 개환되거나 반복 사용시 중 공사가 개환되어 공기층을 잃게 되므로 반발성, 숭고성, 보온성 및 염색성이 떨어지는 결점이 있다. 종래에 중공섬유의 중공율을 크게 하는 방법으로는 대한민국 등록특허 제0062548호에서는 구금홀이 세변이 반지름이 R인 원(圓)의 일부인 원호모양으로 되어 있으며, 상기 구금홀은 세변의 꼭짓점으로부터 돌출된 3개의 돌기 부를 가지며, 또 세변의 각 구금홀 사이에는 간극을 가지며 전체적으로 구금공의 형상이 3각형으로 되어 있는 삼각단면 중공섬유 제조용 방사구금을 이용하여 중공섬유를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 이러한, 만곡된 슬릿(slit) 두 개 이상을 원형으로 배열한 방사구금을 이용하여 구금의 지름, 슬릿폭, 만곡슬릿 과 슬릿간의 길이, 고분자 용융체의 점도, 토출량, 방출사조의 냉각방식을 조절하는 방법이 알려져 있다. 그러나 이와같은 방법만으로는 원형 단면을 갖는 중공사의 제조는 용이하였으나, 십자형, 오각성, 육각성, C형 중공사 등 이형도가 높은 이형단면사를 제조하는 경우에는 방사 과정에서 섬유형성성분의 느린 냉각 속도로 섬유에 변형이 일어나 이형도가 감소하여 의도한 단면 형상과 달라지게 되는 문제점이 있었다. 가령, 도 1, 도 3 및 도 5를 참조하면, 기존에는 U자형, 원형 중공사 및 C형 중공사의 제조를 위하여 슬릿형 방사구금을 이용하여 섬유형성성분을 방사하였다. 이는 방사 후 유리전이온도 아래로 냉각되기 전의 섬유형성성분이 자체의 응집력으로 인하여 방사구금의 형태를 상실하고 의도한 형태에서 벗어난 형태의 섬유 단면을 갖게 만드는 문제점이 있었다. 또한, 냉각 속도를 향상시키기 위하여 냉각풍의 풍량/풍속을 높여서 섬유형성성분을 냉각하더라도 구금의 보온 등의 문제가 있어 가동성이 불량하여 원하는 형상의 높은 이형도를 가진 이형단면사를 제조하는 것에는 어려움이 있었다. 따라서, 냉각풍을 조절하지 않고도 원하는 형상에 가까운 높은 이형도를 가진 이형단면사를 제조할 수 있는 방사구금에 대한 기술의 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 첫번째 해결하고자 하는 과제는 의도한 형상의 이형도가 높더라도 원하는 형상에 근사한 단면 형상을 갖는 이형단면사를 제조하는 것이 용이한 방사구금을 제공하는 것이다.
본 발명의 두번째 해결하고자 하는 과제는 단면의 이형도가 향상된 이형단면사를 제공하는 것이다.
본 발명의 세번째 해결하고자 하는 과제는 상술한 방사구금을 이용하 이형도가 높고 낮음에 관계 없이 다양한 형태의 이형단면사를 용이하게 제조할 수 있는 제조방법을 제공하는 것이다.
상술한 첫번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 단일 이형단면사를 제조하기 위한 복수의 구금홀을 포함하는 이형단면 방사구금에 있어서, 상기 방사구금은 서로 이웃하게 배열되는 3개 이상의 구금홀을 포함하되, 상기 복수개의 구금홀은 개수(個數)를 기준으로 50% 이상이 하기의 수학식 1로 표시되는 이형도가 1.3 이하인 형상의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 이형단면 방사구금을 제공한다.
[수학식 1]
Figure 112019087409787-pat00001
상기 수학식 1에서, l은 상기 구금홀 단면의 둘레를 나타내고, A는 상기 구금홀의 면적을 의미한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 서로 이웃하게 배열되는 복수개의 구금홀 중 적어도 일부가 접촉되어 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 전체 구금홀의 면적의 총합 대비 상기 단면 이형도가 1.3 이하인 구금홀의 면적의 총합이 30% 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 단일 이형단면사는 하기 수학식 1로 표시되는 이형도가 1.5 이상이거나 내부에 중공을 갖는 단면 형상을 갖는 것으로서, 상기 서로 이웃하게 배열되는 복수개의 구금홀은 상기 단면 형상을 따라 배열되어 있는 것일 수 있다.
Figure 112019087409787-pat00002
상기 수학식 1에서, l은 상기 구금홀 단면의 둘레를 나타내고, A는 상기 구금홀의 면적을 의미한다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 단면 형상은 타원형, 다각형, 다엽형 및 이들의 형태의 중심에 중공이 있는 형상, W자형 및 C자형 및 장인 공자(工)형 중 어느 하나 이상의 단면 형상을 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따른 이형단면 방사구금은 하기의 수학식 2를 만족하는 것일 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112019087409787-pat00003
상기 수학식 2에서, d50은 상기 단면 이형도가 1.3 이하인 구금홀들 각각의 면적과 동일 면적을 갖는 원들의 평균 직경을 의미하고, L은 상기 단면 형상 내에서 가장 먼 두 지점 간의 거리를 의미한다.
상술한 두번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상기 이형단면 방사구금을 통하여 섬유형성성분을 방사하여 제조된 이형단면사를 제공한다.
상술한 세번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 (1) 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 이형단면 방사구금을 통하여 섬유형성성분을 방사하는 단계; 및 (2) 상기 (1) 단계의 방사로 형성된 섬유를 냉각풍에 의하여 냉각하는 단계; 를 포함하는 이형단면사 제조방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 (1) 단계에서는 상기 섬유형성성분을 260 내지 360℃의 분위기 온도 하에서 1,000 내지 5,500mpm의 방사속도로 방사하는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 (2) 단계의 냉각풍은 60mpm 이하의 풍속으로 상기 방사로 형성된 섬유에 가해지는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 이형단면 방사구금을 이용하는 경우 구금홀을 통하여 방사된 섬유를 냉각풍을 특별히 강하게 가하지 않더라도 종래의 기술에 비하여 빠르게 냉각시킬 수 있고, 냉각 과정에서의 섬유의 단면 형상 변형이 적어 높은 단면 이형도를 가진 이형단면사를 제조하는 경우에도 의도한 형상에 가깝게 제조하는 것이 용이하다.
또한, 상술한 이형단면 방사구금을 이용하여 제조한 이형단면사는 종래의 기술에 비하여 높은 이형도를 갖는 단면을 가진다.
도 1은 종래 기술에 따른 U자형 중공사 제조를 위한 방사구금의 단면의 개략도이다.
도 2a 내지 2c는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 U자형 중공사 제조를 위한 방사구금의 단면의 개략도로서, 구체적으로 도 2a는 모두 작은 원형 구금홀이 서로 이웃하게 배열된 이형단면 방사구금의 단면의 개략도이고, 도 2b는 크기가 서로 상이한 원형 구금홀이 서로 이웃하게 배열된 이형단면 방사구금의 단면의 개략도이며, 도 2c는 구금홀의 일부는 슬릿형, 나머지는 작은 원형으로 이루어진 이형단면 방사구금의 단면의 개략도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 원형 중공사 제조용 이형단면 방사구금의 단면의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 원형 중공사 제조용 이형단면 방사구금의 단면의 개략도이다.
도 5는 종래 기술에 따른 C자형 중공사 제조용 이형단면 방사구금의 단면 개략도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 C자형 중공사 제조용 이형단면 방사구금의 단면 개략도이다.
도 7a 및 7b는 각각 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 C자형 중공사 및 종래 기술에 따라 제조한 C자형 중공사의 단면을 촬영한 사진이다.
먼저 본 발명에서 사용하는 용어의 의미에 대하여 설명한다.
본 발명에서 "이형단면"이라는 것은 원형 단면이 아닌 단면을 의미한다.
이하, 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
상술한 것과 같이 종래의 기술에 의하여 이형단면사를 제조하는 경우 방사구금으로부터 방사된 섬유가 냉각되는 과정에서 표면장력 등에 의하여 변형이 일어나 원형에 가까운 형태로 변화되는 문제가 있었다. 그 결과물은 의도한 형상과 다른 단면을 갖는 섬유로서, 의도한 물성과도 다른 물성을 갖는 문제점이 있었다.
본 발명자는 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구에 매진한 결과, 상기 복수개의 구금홀은 개수(個數)를 기준으로 50% 이상이 하기의 수학식 1로 표시되는 이형도가 1.3 이하인 형상의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 이형단면 방사구금을 개발하게 되었다.
[수학식 1]
Figure 112019087409787-pat00004
상기 수학식 1에서, l은 상기 구금홀 단면의 둘레를 나타내고, A는 상기 구금홀의 면적을 의미한다. 이러한 방사구금을 통하여 방사된 섬유의 빠른 냉각이 가능하고 의도한 형상에 근접한 이형단면사의 제조가 용이하게 되었고, 또한 불규칙한 형태의 이형단면사도 용이하게 제조할 수 있게 되었다.
이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 설명하나, 본 발명의 범위가 첨부된 도면에 의하여 제한되는 것은 아니며, 이는 단지 구체적인 적용 예에 불과한 것이며, 통상의 기술자는 본 명세서에 기술된 발명의 사상의 범위 내에서 구성요소를 용이하게 추가 및 변경하여 실시할 수 있을 것이다.
본 발명의 이형단면 방사구금은 복수의 구금홀을 포함하며, 상기 복수의 구금홀을 통하여 방사된 섬유에 의하여 단일한 이형단면사를 제조하기 위한 것으로, 이는 상기 복수의 구금홀이 서로 이웃하게 배열되어 방사된 섬유가 냉각 중에 상호 융착되어 하나의 형상을 이룸으로써 달성된다.
따라서, 복수의 구금홀이 이웃하게 배열된다는 것의 의미는 상기 복수의 구금홀들의 집합이 전체적으로 제조하고자 하는 이형단면사의 형상을 갖도록 배열하는 것을 의미한다. 이에 의하여 상기 복수의 구금홀에 의하여 방사된 섬유형성성분은 냉각 중 상호 융착되어 제조하고자 의도한 이형 단면을 갖는 단일한 이형단면사를 형성하게 된다.
구체적으로 도 2a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 U자형의 이형단면사를 제조하기 위한 이형단면 방사구금의 구금홀 형태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2a를 참조하면, 제조하고자 하는 이형단면사는 U자형의 단면을 갖는 것이지만, 방사구금은 U자형의 구금홀 대신에 g의 간격을 두고 서로 이웃하게 배열된 d의 직경을 갖는 작은 원형의 구금홀(100)을 다수 포함하고 있는 것을 알 수 있다. 원형의 구금홀(100)은 상기 수학식 1에 따라 계산한 이형도가 1이다. 이형도의 계산은 아래와 같이 할 수 있다.
Figure 112019087409787-pat00005
이러한 방사구금을 통하여 섬유형성성분을 방사하는 경우 방사 후에 섬유형성성분의 변형으로 인하여 제조된 섬유의 단면 형태가 구금홀(100)의 형태에서 크게 벗어나지 않는 장점이 있다.
구체적으로, 하나의 섬유를 제조하기 위한 구금홀이 하나가 아닌 복수의 더 작은 구금홀(100)들의 집합으로 이루어져 있어 방사 후 냉각을 더 빠르게 할 수 있으므로 섬유의 변형을 감소시킬 수 있다. 원형의 섬유를 제조하는 경우와는 달리 굴곡이 있는 C형, 별모양, 십자형, 사각형, 타원형, 납작한 형태 등의 이형단면사를 제조하는 경우에는 방사구금의 구금홀(100)을 원하는 형태로 형성하여 방사하더라도, 섬유형성성분이 냉각되기 전에는 점도를 갖고 있는데, 이 때 섬유형성성분의 응집력에 의하여 원형 단면에 가까운 형상으로 모이려는 성질이 있어, 빠르게 냉각시키지 않는 경우 원하는 단면 형상을 유지할 수 없다. 본 발명의 방사구금에 따른 경우에는 이형단면 방사구금을 크기가 작은 복수 개의 구금홀(100)로 분리함으로써 방사된 섬유의 표면적을 넓게 하여 더 빨리 냉각시킬 수 있다. 따라서, 상기 복수 개의 구금홀(100)의 집합의 형상 즉 의도한 단면 형상에 근접한 이형 단면을 갖는 이형단면사를 제조할 수 있다.
구체적으로, 상기 구금홀(100)들은 냉각 속도 및 안정성의 조절을 위하여 그 직경 d가 0.05mm 내지 0.40mm인 것일 수 있다. 만일 d가 0.05mm 미만인 경우 구금의 전단 속도가 높아져, 가동 조업성이 불량하며, 특히 '모우(毛羽)' 등의 결점이 발생하는 문제가 있다. 또한, 만일 d가 0.40mm를 초과하는 경우에는 단위 면적당 토출량 및 draft가 낮아지므로 가동 조업성이 불량해지는 문제점이 있다.
또한, 도 4 및 도 6은 각각 원형 중공사 및 C자형 중공사의 제조를 위한 방사구금의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다. 모두 각 단면 형상을 갖는 이형단면사 제조를 위하여 d의 직경을 갖고 g의 간격으로 서로 떨어져 있는 원형 구금홀(100)이 이웃하게 배열되어 있는 형상으로 이루어져 있다. 이러한 형상을 갖는 구금홀(100)의 배열로 인하여 역시 도 2a의 경우와 마찬가지로 의도한 형상와 매우 근접한 단면 형상을 갖는 원형 중공사 및 C자형 중공사를 제조할 수 있다.
반면에 도 3 및 도 5는 종래의 기술에 따라 원형 중공사 및 C자형 중공사를 제조하기 위한 이형단면 방사구금의 단면을 개략적으로 나타낸 도면으로, 모두 슬릿형 구금홀(200)로만 이루어져 있음을 알 수 있다. 도 3 및 도 4의 방사구금으로 방사하는 경우 슬릿형 구금홀(200)로부터 방사된 섬유가 유리전이온도 이하로 냉각되기 전 응집력에 의하여 변형이 일어나 의도한 형태로부터 벗어나게 되어 원하는 이형도를 갖는 이형단면사를 제조하는 것이 어렵다.
또한 상기 수학식 1을 만족하는 구금홀은 서로 그 면적이 동일하거나 상이할 수 있다. 도 2b는 서로 상이한 면적을 갖는 작은 원형 구금홀들의 집합으로 이루어진 U자형 이형단면사 제조를 위한 이형단면 방사구금의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2b를 참조하면, 상기 작은 구금홀(100)들의 집합이 서로 이웃되게 배열되어 도 2a와 마찬가지로 U자형의 전체적인 형상을 이루고 있으며, 가장 큰 구금홀(100)과 가장 작은 구금홀(100)의 d 값은 서로 상이함을 알 수 있다.
본 발명에 따른 이형단면 방사구금은 총 3개 이상의 구금홀의 집합으로 이루어진 것이다. 구금홀의 개수가 3개 미만인 경우에는 각 구금홀로부터 방사된 섬유의 냉각 속도가 감소하여 섬유의 단면 형상의 변형이 심해지게 되어 의도한 이형도를 갖는 이형단면사의 제조가 용이하지 않게 된다.
구금홀의 개수는 좀 더 바람직하게는 5개 내지 50개일 수 있고, 더욱 바람직하게는 10개 내지 30개일 수 있다.
각 구금홀 중 개수를 기준으로 50% 이상은 하기의 수학식 1로 표시되는 이형도가 1.3 이하인 형상의 단면을 갖는 것이며, 그에 따라 원하는 형상으로 빠르게 냉각되어 이형단면사를 제조할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112019087409787-pat00006
상기 수학식 1에서 l은 상기 구금홀 단면의 둘레를 나타내고, A는 상기 구금홀의 단면적을 의미한다.
이형도가 1에 가까울수록 그 단면이 원형에 가까운 것을 의미하고, 이형도가 커질수록 복잡하고 길쭉한 형상의 단면을 갖게 된다. 슬릿형의 구금홀에 비하여 상기 슬릿형 구금홀이 여러 개의 원형 구금홀로 나누어진 경우 빠른 냉각이 가능하며, 구금홀 자체가 원형이기 때문에 응집력에 의한 섬유의 변형이 전혀 일어나지 않으므로 이형도가 높은 이형단면사의 제조가 용이한 장점이 있다. 원형은 아니나 이형도가 1.3 이하인 형상의 단면을 갖는 구금홀인 경우에는 약간의 변형은 일어날 수 있으나 그 변형이 크지 않아 원하는 형상에 근접한 이형단면사를 제조할 수 있다. 만일 이형도가 1.3을 초과하는 구금홀의 경우 각 구금홀에서 일어나는 변형이 커져 원하는 단면을 갖는 이형단면사를 얻기가 어렵다.
이와 같이 이형도가 1.3 이하인 형상의 단면을 갖는 구금홀이 전체 구금홀의 개수에서 50% 이상을 차지함으로써 방사 시 변형이 최소화된 이형단면사를 얻을 수 있다. 이형도가 1.3 이하인 형상의 단면을 갖는 구금홀 개수는 바람직하게는 전체에서 60% 이상일 수 있고, 좀 더 바람직하게는 70%, 80% 및 90% 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 모든 구금홀이 이형도가 1.3 이하인 형상의 단면을 갖는 구금홀로 이루어진 것일 수 있다.
만일 이형도가 1.3 이하인 형상의 단면을 갖는 구금홀이 전체 구금홀의 개수에서 50% 미만인 경우에는 각 구금홀로부터 방사된 섬유가 냉각 과정에서 변형이 크게 일어날 수 있고, 그에 따라서 제조된 이형단면 섬유의 단면 형상이 의도한 형상에서 많이 벗어나게 될 수 있다.
구체적으로 도 2c를 참조하여 설명하기로 한다. 도 2c는 U자형의 이형단면사의 제조를 위한 이형단면 방사구금으로서, 1개의 슬릿형 구금홀(200)과 14개의 작은 원형 구금홀(100)을 포함하고 있어, 원형 구금홀(100)의 개수 비율이 약 93%이다.
이와 같이 제조하는 경우 슬릿형 구금홀(200) 부근에서 약간 뭉치게 되는 변형이 일어날 수 있으나, 섬유 전체에 걸쳐 대부분을 이루고 있는 원형 구금홀의 부분에서는 거의 변형이 일어나지 않게 되어 전체적으로 의도한 U자형 이형단면사의 형상에 근접한 섬유를 제조할 수 있다.
본 발명의 이형단면 방사구금은 상술한 복수개의 구금홀들이 이웃되어 배열되어 있는 것이며, 바람직하게는 상기 이웃한 구금홀들은 적어도 일부가 접촉되어 있는 것일 수 있다. 구금홀들이 접촉되어 있는 경우 상기 이웃한 구금홀들로부터 방사된 섬유가 일관되게 융착될 수 있어 안정적인 형상으로 이형단면사를 제조할 수 있는 장점이 있다.
상기 이웃한 구금홀들은 각각 간격이 0.05mm 이하일 수 있다. 구금홀 간의 간격이 0.05mm 이하에서 냉각 효율이 우수한 반면에, 0.05mm를 초과하는 경우에는 토출된 폴리머가 방사직하에서 융착되지 않아서 원하는 단면 모양이 형성되지 않으며, 형성되더라도 집속이 불량하여 이후에 섬유에 원단 작업을 할 때 결점이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 복수개의 구금홀의 면적의 총합 대비 상기 조건 1)을 만족하는 형상의 단면을 갖는 구금홀의 면적의 총합은 30% 이상일 수 있다. 본 발명은 상술한 것과 같이 조건 1)을 만족하는 형상의 단면을 갖는 구금홀 외에도 슬릿형의 구금홀도 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 조건 1)을 만족하는 형상의 단면을 갖는 구금홀의 면적의 총합이 전체 면적의 30% 이상을 가지는 경우 의도한 형상에 근접하게 섬유를 제조하는 것이 용이하다. 좀 더 바람직하게는 50%, 더욱 바람직하게는 70% 이상의 면적을 상기 조건 1)을 만족하는 형상의 단면을 갖는 구금홀이 차지할 수 있다. 상기 비율이 30% 미만인 경우에는 구금홀 집합이 배열된 형상과 제조된 이형단면사의 단면의 형상이 크게 차이가 나 원하는 물성을 얻지 못할 수 있다.
또한, 바람직하게는 상기 복수개의 구금홀의 개수 전체 개수 대비 상기 조건 1)을 만족하는 형상의 단면을 갖는 구금홀의 개수가 40% 이상일 수 있다. 좀 더 바람직하게는 상기 조건 1)을 만족하는 형상의 단면을 갖는 구금홀의 개수가 60% 이상일 수 있다. 가장 바람직하게는, 상기 조건 1)을 만족하는 형상의 단면을 갖는 구금홀의 개수가 80% 이상일 수 있다.
만일 상기 비율이 40% 미만인 경우에는 구금홀 집합이 배열된 형상과 이를 통하여 방사되어 제조된 이형단면사의 단면의 형상이 크게 차이가 나 원하는 물성을 얻지 못할 수 있다.
본 발명에 따른 이형단면사 제조용 방사구금은 예를 들어 다각형, 타원형, 다엽형 및 이들의 형태의 중심에 중공이 있는 형상, C자형, W자형 및 장인 공자(工)형 중 어느 하나 이상의 단면 형상을 갖는 이형단면사를 제조하기 위한 것일 수 있다. 이형단면사의 형태는 반드시 이에만 제한되는 것은 아니며, 통상의 기술자는 섬유에 특정한 물성을 부여하기 위하여 자유롭게 원하는 형상을 선택하여 제조할 수 있다. 이러한 형상은 상술한 바와 같이 복수개의 구금 홀을 이웃하여 배열한 구금홀의 집합을 상기와 같은 형태로 하여 방사함으로써 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 이형단면 방사구금의 구금홀들은 하기의 수학식 2를 만족하는 것일 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112019087409787-pat00007
상기 수학식 2에서, d50은 상기 단면 이형도가 1.3 이하인 구금홀들 각각의 면적과 동일 면적을 갖는 원들의 평균 직경을 의미하고, L은 상기 단면 형상 내에서 가장 먼 두 지점 간의 거리를 의미한다.
만일 d50/L의 값이 1/20 미만인 경우, 각 구금홀의 크기가 지나치게 작아 제조된 이형단면사의 단면 형상이 안정적이지 못할 수 있으며, 1/3을 초과하는 경우에는 구금홀의 크기가 지나치게 커서 냉각 속도가 느려져 냉각 중 변형이 크게 일어나 원하는 이형도를 갖는 이형단면사를 제조할 수 없는 문제점이 있다.
이하, 상술한 이형단면 방사구금을 통하여 제조된 이형단면사에 대하여 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 이형단면사는 이형도가 1.5 이상인 것일 수 있다. 섬유의 이형도는 하기 수학식 1에 따라서 정의된다.
[수학식 1]
Figure 112020109424703-pat00024
상기 수학식 2에서, l은 섬유의 단면의 둘레를 나타내고, A는 섬유의 단면적을 의미하는 것으로, 이형도란 동일한 단면적을 갖는 원형 섬유의 둘레의 몇 배인지를 나타내는 것이다.
삭제
본 발명에 따른 이형단면사는 바람직하게는 폴리에스테르계 섬유일 수 있다. 좀 더 바람직하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)계 섬유일 수 있다.
이하, 이형단면사의 단면 형상에 관한 구체적인 사항은 상술한 방사 구금에 관한 사항과 중복되는 내용인 바, 설명을 생략한다.
이하, 상기 이형단면사를 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 상술한 내용과 중복되는 부분은 생략하고 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 이형단면사 제조방법은 (1) 섬유형성성분을 이형단면 방사구금을 통하여 방사하는 단계; 및 (2) 상기 (1) 단계의 방사로 형성된 섬유를 냉각풍에 의하여 냉각하는 단계;를 포함한다.
상기 (1) 단계의 이형단면 방사구금은 상술한 바와 같이 서로 이웃하게 배열되는 3개 이상의 구금홀을 포함하고, 상기 복수개의 구금홀은 개수를 기준으로 50% 이상이 하기의 수학식 1로 표시되는 이형도가 1.3 이하인 형상의 단면을 갖는다.
[수학식 1]
Figure 112019087409787-pat00009
상기 수학식 1에서, l은 상기 구금홀 단면의 둘레를 나타내고, A는 상기 구금홀의 면적을 의미한다.
이와 같은 방사 구금을 통하여 섬유형성성분을 방사 및 냉각함으로써 종래의 기술에 따른 공정으로 이형단면사를 제조하는 경우에 비하여 방사 후 섬유를 빠르게 냉각시킬 수 있어 섬유 단면 형상의 변형이 적고, 따라서 이형도가 높은 경우에도 방사구금의 형상과 매우 근접한 이형단면사를 제조할 수 있는 장점이 있다.
상기 (1) 단계에서는 상기 섬유형성성분을 260 내지 360℃의 분위기 온도 하에서 방사할 수 있다. 좀 더 바람직하게는 280 내지 320℃의 분위기 온도에서 방사할 수 있다. 만일, 분위기 온도가 260℃ 미만일 경우, 방사된 섬유 간에 융착이 잘 일어나지 않아 섬유의 물성이 저하될 수 있으며, 360℃를 초과하는 경우에는 냉각에 시간이 오래 걸려 섬유의 단면에 변형이 일어나 원하는 형상의 단면을 갖는 이형단면사를 얻는 것이 어려울 수 있다.
또한, 방사 시 1,000 내지 5,500mpm의 방사속도로 방사하여 이형단면사를 제조할 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 1,200 내지 4,000mpm, 좀 더 바람직하게는 1,500 내지 3,000mpm의 방사속도로 방사할 수 있다. 가장 바람직하게는 1,800mpm 내지 2,500mpm의 방사속도로 방사할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 (2) 단계에서는 상기 방사로 형성된 섬유에 60mpm 이하의 풍속으로 냉각풍을 가할 수 있다.
만일 풍속이 60mpm을 초과하는 경우, 냉각풍이 지나치게 강하여 방사된 섬유가 바람에 의하여 변형될 수 있으므로 적절하지 않다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 이형단면사 제조방법에서, 섬유형성성분은 폴리에스테르를 사용할 수 있고, 좀 더 바람직하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 사용할 수 있다.
상기 섬유형성성분은 바람직하게는 극한 점도가 0.50 내지 1.00dl/g인 것을 사용할 수 있다. 좀 더 바람직하게는 극한 점도가 0.60 내지 0.80dl/g인 것을 사용할 수 있다. 만약, 극한 점도가 0.50dl/g 미만인 경우에는 방사성이 나빠질 수 있고, 1.00dl/g을 초과하는 경우에는 냉각 중 변형이 크게 일어나 원하는 형상의 이형단면사를 얻지 못하는 문제점이 있을 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 한다. 하기 실시예는 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
<실시예>
실시예 1
이산화티탄 함량이 0.4 중량%이고, 극한 점도(η)가 0.652dl/g인 폴리에틸렌테레프탈레이트를 도 2a 형태의 이형단면 방사구금을 통하여 방사 분위기 온도 300℃ 및 방사 속도 2,000mpm으로 방사한 후, 30mpom의 풍속으로 냉각, 고화를 거쳐 유제를 부여한 다음, 고뎃 롤러(Godet roller, TEK社 제조)에서 연신하고 열처리하여 4,000mpm으로 원사를 생산하였다. 이렇게 얻어진 원사를 통상의 방법으로 제직하여 직물을 제조하였다.
여기서, 상기 이형단면 방사구금에서 d는 0.15mm, g는 0.03mm 이고, L은 055mm이었으며, 원형 구금홀은 총 17개였다.
실시예 2
이형단면 방사구금을 도 2b 형태를 가진 것을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 원사 및 직물을 제조하였다.
여기서 상기 이형단면 방사구금에서 g 및 L은 실시예 1과 동일하게 하였고, 원형 구금홀들은 총 17개로, 4종의 다른 크기의 직경을 갖는 것을 혼합 배치하였으며, 도 2b에서 볼 수 있는 것과 같이 U자 형의 끝부분에서 중심으로 올수록 큰 것을 배치하는 형태로 두었다. 가장 작은 것부터 커지는 순서대로 직경을 d1, d2, d3, d4라 하였을 때, d1은 0.10mm, d2는 0.20mm, d3은 0.30mm, d4는 0.40mm이었다.
실시예 3
이형단면 방사구금을 도 2c 형태를 가진 것을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 원사 및 직물을 제조하였다.
상기 이형단면 방사구금에서 d, g 및 L은 실시예 1과 동일하며, 구금홀 중 슬릿형 구금홀의 수직거리 두께는 d이었으며, 구금홀의 총 개수는 13개였고 그 중 원형 구금홀은 12개였다.
실시예 4
이형단면 방사구금을 도 4 형태를 가진 것을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 원사 및 직물을 제조하였다.
여기서, 상기 이형단면 방사구금에서 d는 0.15mm, g는 0.05mm이고, L은 0.40mm이었다.
실시예 5
이형단면 방사구금을 도 6 형태를 가진 것을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 원사 및 직물을 제조하였다.
상기 이형단면 방사구금에서 d, g 및 L은 실시예 4와 동일한 것을 사용하였다.
실시예 6
냉각풍을 사용하지 않고 자연냉각한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 원사 및 직물을 제조하였다.
실시예 7
방사 온도를 380℃로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 원사 및 직물을 제조하였다.
실시예 8
냉각 풍속을 70mpm으로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 원사 및 직물을 제조하였다.
실시예 9
방사 속도를 5,700mpm으로 조절한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 원사 및 직물을 제조하였다.
비교예 1
이형단면 방사구금을 도 1 형태를 가진 것을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 원사 및 직물을 제조하였다.
상기 이형단면 방사구금에서 d 및 L은 실시예 1의 d 및 L과 동일하게 하였다.
비교예 2
이형단면 방사구금을 도 3 형태를 가진 것을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 원사 및 직물을 제조하였다.
상기 이형단면 방사구금에서 d 및 L 값은 실시예 4와 동일하였다.
비교예 3
이형단면 방사구금을 도 5 형태를 가진 것을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 원사 및 직물을 제조하였다.
상기 이형단면 방사구금에서 d 및 L 값은 실시예 5와 동일하였다.
<실험예>
실험예 1: 가동합격률 측정
실시예 및 비교예에 따라 제조된 섬유에 대하여 임의의 1,200개의 샘플에대하여 방사 및 권취를 하면서, 사절이나 외관상의 흠결이 발견되지 않은 제품의 생산량의 전체 생산량 대비 비율을 가동합격률(방사조업성)로 하여 측정하였다.
실험예 2: 이형도 측정
실시예 및 비교예에 따라 제조된 섬유의 원사를 각각 나이프로 절단하고 그 단면을 SEM(x50, NIKON社 제조)로 촬영하고, 단면 사진을 BMI PLUS SE으로 분석하여 하기 수학식 1에 따라 이형도를 계산하였다.
[수학식 1]
Figure 112019087409787-pat00010
상기 수학식 1에서, l은 상기 구금홀 단면의 둘레를 나타내고, A는 상기 구금홀의 면적을 의미한다.
실험예 3: 원단기능성 평가
실시예 및 비교예에 따라 제조된 직물을 15명의 임의의 실험자에게 육안으로 확인하고 촉감을 만져보게 한 후, 파일의 직립성 및 원단의 부드러움 정도를 좋음 또는 나쁨으로 평가하게 하였다.
평가 기준은 아래와 같다.
양호: 좋음으로 평가한 사람이 2/3 이상
보통: 좋음으로 평가한 사람이 1/3 이상 2/3 미만
불량: 좋음으로 평가한 사람이 1/3 미만
상기와 같이 평가한 결과들을 하기의 표 1에 각각 기재하였다.
구분 구금 형태 분위기온도
(℃)		 냉각풍속
(mpm)		 방사속도
(mpm)		 가동합격률
(%)		 이형도 원단기능성
실시예 1 U자 형상원형구금홀 300 30 2000 97.5 2.8 양호
실시예 2 U자 형상원형구금홀
크기상이		 300 30 2000 97.5 2.64 양호
실시예 3 U자 형상원형+슬릿형 300 30 2000 97.0 2.52 양호
실시예 4 원형 중공원형구금홀 300 30 2000 97.5 2.72 양호
실시예 5 C자 형상원형구금홀 300 30 2000 97.5 2.84 양호
실시예 6 U자 형상원형구금홀 300 0 2000 97.3 2.68 양호
실시예 7 U자 형상원형구금홀 380 30 2000 93.0 2.6 양호
실시예 8 U자 형상원형구금홀 300 70 2000 89.6 2.88 양호
실시예 9 U자 형상원형구금홀 300 30 5700 75.5 2.4 불량
비교예 1 U자 형상슬릿형 300 30 2000 94.5 1.48 보통
비교예 2 원형 중공슬릿형 300 30 2000 93.8 1.4 보통
비교예 3 C자 형상슬릿형 300 30 2000 93.6 1.37 보통
상기 표 1을 참고하면, 이형단면사의 이형도는 슬릿형 구금홀만을 사용한 비교예 1 내지 3에서 1.5 미만으로 매우 낮아, 의도한 형태로부터 변형이 크게 일어났음을 알 수 있었다. 따라서 직물의 원단 기능성 또한 좋지 않음을 알 수 있다.
이에 반하여 실시예 1 내지 9의 이형단면사는 모두 1.5 이상의 높은 이형도를 나타내어, 본 발명에 따른 이형단면 방사구금을 통하여 섬유를 제조하는 경우, 높은 이형도를 갖는 이형단면사도 용이하게 제조할 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 방사속도를 지나치게 빠르게 한 실시예 9, 방사 풍속이 지나치게 강한 실시예 8에서는 각각 원단 기능성이 불량하거나 가동성이 좋지 않았다.
실시예 6을 참고하면, 본 발명에 따른 이형단면 방사구금을 사용하면, 냉각풍을 전혀 사용하지 않아도 높은 이형도를 갖는 이형단면사를 용이하게 제조할 수 있음을 알 수 있었다.
100: 슬릿형 구금홀
200: 원형 구금홀
d: 직경
g: 간격
L: 이형단면사 형상 내 최장거리

Claims (10)

  1. 단일 이형단면사를 제조하기 위한 복수의 구금홀을 포함하는 이형단면 방사구금에 있어서, 상기 방사구금은 서로 이웃하게 배열되는 10개 내지 30개의 구금홀을 포함하되, 상기 복수개의 구금홀은 개수(個數)를 기준으로 50% 이상이 하기의 수학식 1로 표시되는 이형도가 1.3 이하인 형상의 단면을 가지며,
    상기 단일 이형단면사는 하기 수학식 1로 표시되는 이형도가 1.5 이상이거나 내부에 중공을 갖는 단면 형상을 갖는 것으로서, 상기 서로 이웃하게 배열되는 복수 개의 구금홀은 상기 단면 형상을 따라 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 이형단면 방사구금:
    [수학식 1]
    Figure 112020109424703-pat00011

    상기 수학식 1에서, l은 상기 구금홀 단면의 둘레를 나타내고, A는 상기 구금홀의 면적을 의미한다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 서로 이웃하게 배열되는 복수개의 구금홀 중 적어도 일부가 접촉되어 형성된 것을 특징으로 하는 이형단면 방사구금.
  3. 제1항에 있어서,
    전체 구금홀의 면적의 총합 대비 상기 단면 이형도가 1.3 이하인 구금홀의 면적의 총합이 30% 이상인 것을 특징으로 하는 이형단면 방사구금.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단면 형상은 타원형, 다각형, 다엽형, 및 이들의 형태의 중심에 중공이 있는 형상, W자형, C자형 및 장인 공자(工)형 중 어느 하나 이상의 단면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 이형단면 방사구금.
  6. 제1항에 있어서,
    하기의 수학식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 이형단면 방사구금:
    [수학식 2]
    Figure 112020109424703-pat00013

    상기 수학식 2에서, d50은 상기 단면 이형도가 1.3 이하인 구금홀들 각각의 면적과 동일 면적을 갖는 원들의 평균 직경을 의미하고, L은 상기 단면 형상 내에서 가장 먼 두 지점 간의 거리를 의미한다.
  7. 삭제
  8. (1) 제1항 내지 제3항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항의 이형단면 방사구금을 통하여 섬유형성성분을 방사하는 단계; 및
    (2) 상기 (1) 단계의 방사로 형성된 섬유를 냉각풍에 의하여 냉각하는 단계; 를 포함하는 이형단면사 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (1) 단계에서는 상기 섬유형성성분을 260 내지 360℃의 분위기 온도 하에서 1,000 내지 5,500mpm의 방사속도로 방사하는 것을 특징으로 하는 이형단면사 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 (2) 단계의 냉각풍은 60mpm 이하의 풍속으로 상기 방사로 형성된 섬유에 가해지는 것을 특징으로 하는 이형단면사 제조방법.
KR1020190104375A 2019-08-26 2019-08-26 이형단면 형상의 제조가 용이한 방사구금, 이를 이용하여 제조한 이형단면사 및 그 제조방법 KR102227679B1 (ko)

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