KR102299797B1 - 염색성 및 광택성이 향상된 메타아라미드 섬유 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 메타-페닐렌 디아민(M-phenylene diamine, MPD)과 이소프탈로일클로라이드(Isophthaloyl chloride, IPC)로 중합된 메타아라미드를 극성 아미드계 용매에 녹여 메타아라미드 도프(Dope)를 형성하는 도프형성단계; 상기 도프를 극성 아미드계 용매가 20~60중량% 함유된 응고액 속에서 방사하여 메타아라미드 섬유화하는 습식방사단계; 방사되는 메타아라미드 섬유를 극성 아미드계 용매가 3~60중량% 함유된 응고액 속에서 연신하고, 메타아라미드 섬유의 극성 아미드계 용매 함량을 3~9중량%로 조절하는 습연신단계; 극성 아미드계 용매 함량이 3~9중량%인 메타아라미드 섬유를 150~300℃에서 건조하는 건조단계; 건조된 메타아라미드 섬유를 수세 및 건조하는 수세·건조단계; 건조된 메타아라미드 섬유를 열처리하는 열처리단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염색성 및 광택성이 향상된 메타아라미드 섬유 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

Description

염색성 및 광택성이 향상된 메타아라미드 섬유 및 그의 제조방법{Meta-Aramid Fiber improved dyeability and gloss, and Method for Preparing the Same}

본 발명은 염색성 및 광택성이 향상된 메타아라미드 섬유 및 그의 제조방법에 관한 것으로 섬유 표면을 변화시켜 메타아라미드 섬유의 염색성을 향상하고 염색된 메타아라미드 섬유의 광택성을 향상시키는 메타아라미드 섬유 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

아라미드 섬유는 미국의 듀폰(Dupont)사가 유리섬유의 강도와 석면의 내열성을 갖는 섬유를 목표로 1965년에 개발에 성공한 방향족 고분자를 원료로 한 합성섬유이며, 1960년대 말에 케블라(Kevlar)라는 상표로 생산되었다. 1974년에는 미연방거래위원회는「2개의 방향족환으로 아미드 결합이 85% 이상 직접 결합되어 있는 방향족 폴리아미드」의 일반명칭으로 아라미드 라는 용어를 정의하였으며, 그 후 ISO-2076, JIS L 0204-2에도 아라미드라는 명칭이 동일하게 정의되었다.

아라미드는 아미드 결합된 방향족환의 결합단위에 의해 메타계와 파라계로 나뉜다. 메타아라미드 섬유는 고온내열성이 우수하며, 파라 아라미드 섬유는 고온내열성뿐만 아니라 고강도 및 고탄성의 특징을 갖는다.

상기 메타아라미드는 듀폰사에서 개발된 노멕스(Nomex), 데이진사에서 개발된 코넥스(Conex)가 대표적이다. 메타아라미드는 벤젠고리가 메타 위치에서 아미드기와 결합된 것으로 강도와 신도는 보통의 나일론과 비슷하나 열에 대한 안정성이 대단히 좋으며, 다른 내열용 소재에 비하여 가볍고 땀흡수도 어느 정도 가능하므로 쾌적하다는 장점을 가지고 있다. 초기에는 색상이 몇 가지로 제한되었으나, 최근에는 형광색을 포함한 다양한 색상으로 만들어지고 있다. 소방복, 경주용 자동차 운전자를 위한 유니폼, 우주 비행사 유니폼, 작업복 등의 내열용 의복 소재로 사용 되며, 산업용으로는 고온용 필터 등으로 쓰인다.

상기와 같이 다양한 분야에서 사용되고 있으나, 메타아라미드 섬유는 염색성능이 떨어져 단독으로 사용되기 보다는 염색성이 우수한 다른 섬유와 같이 사용되는 경우가 많으며, 색상을 부여하기 위해서는 대한민국 등록특허 제1551432호 및 공개특허 제2013-0133348호에서와 같이 아라미드 중합체에 안료를 첨가하여 원착사로 제조하고 있다.

그러나, 상기와 같은 원착사로 제조되는 메타아라미드 섬유는 색상발현을 위해 많은 양의 안료가 첨가되어 메타아라미드 섬유의 강도 등의 물성을 저하시키는 문제점이 있었다.

일반적으로 메타아라미드 섬유는 습식방사 후에 응고액 속에서 연신되는 습연신하고 수세·건조 후에 열연신하여 제조되는 것으로 일반적인 메타아리미드 섬유는 제조 시에 습연신보다 열연신의 연신비를 크게하여 배향도가 크게 증가하여 결정화도 증가로 인해 염색성이 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로 메타아라미드 섬유 표면에 무수히 많은 기공을 형성하여 염색성이 향상시키는 메타아라미드 섬유를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 메타아라미드 섬유에 형성된 미세 기공 및 단면 변형을 통해 광택성이 향상된 메타아라미드 섬유를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 상기와 같은 염색성 및 광택성이 향상된 메타아라미드 섬유를 제조하는 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 메타-페닐렌 디아민(M-phenylene diamine, MPD)과 이소프탈로일클로라이드(Isophthaloyl chloride, IPC)로 중합된 메타아라미드를 극성 아미드계 용매에 녹여 메타아라미드 도프(Dope)를 형성하는 도프형성단계; 상기 도프를 극성 아미드계 용매가 20~60중량% 함유된 응고액 속에서 방사하여 메타아라미드 섬유화하는 습식방사단계; 방사되는 메타아라미드 섬유를 극성 아미드계 용매가 3~60중량% 함유된 응고액 속에서 연신하고, 메타아라미드 섬유 내의 잔존하는 극성 아미드계 용매 함량을 3~9중량%로 조절하는 습연신단계; 극성 아미드계 용매 함량이 3~9중량%인 메타아라미드 섬유를 150~300℃에서 건조하는 건조단계; 건조된 메타아라미드 섬유를 수세 및 건조하는 수세·건조단계; 건조된 메타아라미드 섬유를 열처리하는 열처리단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염색성 및 광택성이 향상된 메타아라미드 섬유 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 습연신단계에서 메타아라미드 섬유 내의 잔존하는 극성 아미드계 용매 함량을 4~7중량%로 조절하는 것을 특징으로 하는 염색성 및 광택성이 향상된 메타아라미드 섬유 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 습연신단계의 다단 연신으로 마지막 연신의 응고액에 함유된 극성 아미드계 용매는 3~9중량%인 것을 특징으로 하는 염색성 및 광택성이 향상된 메타아라미드 섬유 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 건조단계는 히팅 롤러(heating roller)로 메타아라미드 섬유를 건조하는 것을 특징으로 하는 염색성 및 광택성이 향상된 메타아라미드 섬유 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 건조단계의 온도는 사용되는 극성 아미드계 용매의 끓는점 보다 10~30℃ 높은 것을 특징으로 하는 염색성 및 광택성이 향상된 메타아라미드 섬유 제조방법을 제공한다.

또한, 상기의 메타아라미드 섬유 제조방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 염색성 및 광택성이 향상된 메타아라미드 섬유를 제공한다.

또한, 상기 메타아라미드 섬유의 염착농도(K/S)는 10 이상인 것을 특징으로 하는 염색성 및 광택성이 향상된 메타아라미드 섬유를 제공한다.

상기와 같은 본 발명에 따른 염색성을 향상시킬 수 있는 메타아라미드 섬유는 메타아라미드 섬유 내부의 잔존하는 극성 아미드계 용매를 고온에서 기화시켜고, 기화된 극성 아미드계 용매가 섬유 외부로 배출되면서 섬유 표면에 미세기공을 형성하여 염색성이 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 메타아라미드 섬유는 섬유 표면에 형성된 다수의 미세 기공 및 단면 변형을 통해 광택성이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 염색성 및 광택성이 향상된 메타아라미드 섬유 제조방법의 공정도를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 염색성 및 광택성이 향상된 메타아라미드 섬유의 단면도를 나타낸 사진이다.

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 염색성 및 광택성이 향상된 메타아라미드 섬유 제조방법의 공정도를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 염색성 및 광택성이 향상된 메타아라미드 섬유의 단면도를 나타낸 사진이다.

본 발명은 도 1에서와 같이 도프형성단계, 습식방사단계, 습연신단계, 건조단계, 수세·건조단계, 열처리단계를 포함하는 염색성 및 광택성이 향상된 메타아라미드 섬유 제조방법에 관한 것이다.

상기 도프형성단계는 메타-페닐렌 디아민(M-phenylene diamine, MPD)과 이소프탈로일클로라이드(Isophthaloyl chloride, IPC)로 중합된 메타아라미드를 용매에 녹여 메타아라미드 도프(Dope)를 형성하는 단계이다.

본 발명에서는 메타-페닐렌 디아민(M-phenylene diamine, MPD)과 이소프탈로일클로라이드(Isophthaloyl chloride, IPC)을 중합하여 메타아라미드를 제조하는 중합공정과, 상기 중합된 메타아라미드를 극성 아미드계 용매에 녹여 혼합하는 용매 혼합공정으로 메타아라미드 도프를 형성할 수 있다.

상기 메타아라미드 도프 형성 시에 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 10~40중량%의 메타아라미드가 함유되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 10~25중량%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.

상기 습식방사단계는 상기 도프를 아미드계 용매를 포함하는 극성 아미드계 용매가 함유된 응고액 속에서 방사하여 메타아라미드 섬유화하는 단계이다.

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) 3~60중량%, 물 40~80중량%를 혼합하여 사용하는 것이 바람직할 것이다.

상기 습연신단계는 방사되는 메타아라미드 섬유를 극성 아미드계 용매가 3~60중량% 함유된 응고액 속에서 연신하고, 메타아라미드 섬유 내의 잔존하는 극성 아미드계 용매 함량을 3~9중량%로 조절하는 단계이다.

상기 메타아라미드 섬유 내의 잔존하는 극성 아미드계 용매 함량이 3중량%미만인 경우 염색성 및 광택성 향상효과가 미미할 수 있으며, 극성 아미드계 용매 함량이 9중량%를 초과하면 건조단계에서 섬유간의 융착이 발생하여 공정성이 저하될 수 있으므로 메타아라미드 섬유 내의 잔존하는 극성 아미드계 용매 함량은 3~9중량%가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 4~7중량%의 극성 아미드계 용매가 잔존하는 것이다.

상기 메타아라미드 섬유 내의 잔존하는 극성 아미드계 용매 함량은 습연신하는 응고조의 응고액의 극성 아미드계 용매 함량으로 조절할 수 있다.

상기 습연신단계는 다단 연신으로 연신되는 것이 바람직한 것으로 각 연신과정은 극성 아미드계 용매 함량이 다른 응고액에서 연신할 수 있는 것으로 메타아라미드 섬유 내의 잔존하는 극성 아미드계 용매 함량을 조절하기 위해 마지막 연신의 응고액에는 극성 아미드계 용매는 3~9중량%으로 조절하여 메타아라미드 섬유 내의 잔존하는 극성 아미드계 용매 함량을 3~9중량%로 조절할 수 있을 것이다.

상기 건조단계는 메타아라미드 섬유 표면에 미세기공을 형성시키는 단계로 극성 아미드계 용매 함량이 3~9중량%인 메타아라미드 섬유를 150~300℃에서 건조한다.

상기와 같이 고온에서 극성 아미드계 용매가 함유된 메타아라미드 섬유는 건조 중에 극성 아미드계 용매가 기화하여 메타아라미드 섬유 표면에 기공을 형성시키면서 외부로 배출된다.

도 2(a)는 습연신단계 후의 메타아라미드 섬유의 단면이고 도 2(b)는 건조단계 후의 메타아라미드 섬유의 단면으로 도 2(a)의 섬유는 표면이 매끄럽고 단면이 원형에 가까운 것을 알 수 있으며, 도 2(b)의 섬유는 표면이 거칠고 단면이 원형에서 많은 변형이 형성된 것으로 건조단계에서 미세기공을 형성시키고 섬유 단면도 변형시키는 것을 알 수 있다.

상기 건조단계는 히팅 롤러(heating roller)로 메타아라미드 섬유를 건조시키는 것이 바람직한 것으로 메타아라미드 섬유에 직접 열을 가하여 극성 아미드계 용매의 기화를 촉진하여 공정시간을 단축할 수 있다.

상기 건조단계는 메타아라미드 섬유에 잔존하는 극성 아미드계 용매의 함량에 따라 조절될 수 있는 것으로 대략 15~120초간 실시되는 것이 바람직할 것이다.

또한, 상기 건조단계의 온도는 사용되는 극성 아미드계 용매에 따라 조절될 수 있는 것으로 사용되는 극성 아미드계 용매의 끓는점 보다 10~30℃ 높은 것이 바람직하다.

즉, 디메틸아세트아미드(Dimethyl acetamide, DMAc)은 끓는점이 약 165℃, N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone, NMP)은 끓는점이 약 202℃, , 디메틸포름아미드(Dimethyl formamide, DMF)은 끓는점이 약 153℃, 디메틸이미다졸리디논(Dimethyl imidazolidinone)은 끓는점이 약 225℃로, 극성 아미드계 용매를 디메틸아세트아미드(DMAc)을 사용할 경우 건조단계는 175~195℃의 온도에서 실시하는 것이 바람직할 것이다.

상기 수세·건조단계는 상기 건조단계에서 제거되지 않은 극성 아미드계 용매를 제거하기 위해 섬유화된 메타아라미드 섬유를 수세하는 수세와 수세를 통해 극성 아미드계 용매가 제거된 메타아리미드 섬유에 함유된 수분을 제거하기 위한 건조하는 단계이다.

상기 수세·건조단계는 일반적인 습식방사를 통한 메타아리미드 섬유와 동일한 방법으로 수행할 수 있을 것이다.

상기 열처리단계는 건조된 메타아라미드 섬유를 250~450℃의 고온에서 열처리하여 메타아라미드 섬유의 배향성을 향상시키는 단계로 필요에 따라 연신을 병행할 수 있으며, 열연신 롤러를 통해 메타아라미드 섬유를 열연신할 수 있다.

상기 열처리단계 후에 크림프부여 단계 등은 추가적으로 실시할 수 있으며, 일반적인 메타아라미드 섬유의 제조방법과 동일한 방법으로 수행할 수 있을 것이다.

상기와 같은 본 발명의 염색성 및 광택성이 향상된 메타아라미드 섬유 제조방법으로 제조되는 메타아라미드 섬유는 미세기공 및 단면 형태 변형으로 염색성 및 광택성이 향상되는 것으로 메타아라미드 섬유의 염착농도(K/S)는 10 이상으로 염색성이 우수할 것이다.

이하 본 발명에 따른 염색성 및 광택성이 향상된 메타아라미드 섬유를 제조하기 위한 방법의 실시예를 나타내지만 이들 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리 범위가 이들 실시예에 반드시 한정되는 것으로 해석되어 져서는 아니 된다.

실시예 1 내지 9

메타-페닐렌 디아민(M-phenylene diamine, MPD)과 이소프탈로일클로라이드(Isophthaloyl chloride, IPC)로 중합된 메타아라미드를 용매인 디메틸아세트아미드(DMAc)에 녹여 메타아라미드 농도가 20중량%인 메타아라미드 도프(Dope)를 형성하였다.

상기 메타아라미드 도프(Dope)를 DMAc 50중량%, 50℃ 응고액의 응고조에서 습식방사하여 메타아라미드 섬유를 제조하였다.

방사된 메타아라미드 섬유를 DMAc 30중량%, 50℃ 응고액에서 1단 연신, DMAc 20중량%, 50℃ 응고액에서 2단연신, 하기 표 1의 DMAc 함량의 50℃ 응고액에서 3단연신하여 습연신 후, DMAc 함량이 2~10중량%로 조절된 메타아라미드 섬유를 수득하였다.

DMAc가 잔존하는 메타아라미드 섬유를 180℃의 히팅 롤러(heating roller)를 통해 30초간 건조 한후, 수세 및 건조하였다. 도 2(a)는 실시예 6의 습연신 후의 섬유 단면 사진이며, 도 2(b)는 실시예 6의 건조단계 후의 섬유 단면 사진이다.

건조된 메타아라미드 섬유를 250~350℃에서 열연신을 하였으며, 300~450℃에서 열처리하여 본 발명에 따른 염색성이 향상된 메타아라미드 섬유를 제조하였다.

◈ 염색성 및 광택성 평가

상기 실시예 1 내지 9의 메타아라미드 섬유를 M dohmen Korea의 blue, red의 혼합인 violet염료(염료농도 1%, 염색온도 130℃)로 염색한 후에 광택도, 염착농도 및 섬유융착을 측정하여 표 1에 나타내었다.

* 측정방법

○ 광택도(Gloss Meter) : ASTM D523 방법으로 60℃값을 측정하였음 (LANDEK, GM-268)

○ 염착농도(K/S) : 측색기(GretagMacbeth Color-Eye 7000A)를 이용하여 염색직물의 최대 흡수 파장에서 표면 반사율을 측정하여 Kubelka-Munk식에 따라 염착농도(K/S)를 산출하여 각 조건에 따른 염색 직물의 염착 농도를 비교한다.

K/S = (1-R)²÷(2R)

(여기서, K는 흡광계수, S는 산란계수, R은 반사율)

○ 섬유융착: 500가닥의 섬유다발에서 섬유간의 융착을 육안으로 관찰하여 융착 발생빈도로 판정(X : 융착없음, ○ :　융착사 1~10가닥, ◎ : 융착사 10가닥 이상)

구분	DMAc 함량 (중량%)	광택도 (gloss meter)	섬유융착	K/S
실시예1	2	0.21	X	13.2
실시예2	3	0.32	X	13.8
실시예3	4	0.41	X	14.1
실시예4	5	0.43	X	14.5
실시예5	6	0.51	X	15.5
실시예6	7	0.62	X	18.8
실시예7	8	0.65	○	19.8
실시예8	9	0.72	○	20.1
실시예9	10	0.75	◎	20.3

표 1에서와 같이 메타아라미드 섬유 내에 잔존하는 극성 아미드계 용매의 함량이 높을수록 미세기공 및 섬유단면 변형이 커져 광택도 및 염착농도가 향상되나, 10중량%인 경우 섬유 융착이 커져 공정성이 저하되는 것을 알 수 있다.

메타아라미드 섬유 내에 잔존하는 극성 아미드계 용매의 함량이 2중량%인 경우 광택도가 낮으므로 잔존하는 극성 아미드계 용매의 함량 3중량%이상인 것이 바람직할 것이다.

또한, 메타아라미드 섬유 내에 잔존하는 극성 아미드계 용매의 함량이 4~7중량%일 경우 광택도, 염착농도가 우수하면서 섬유 융착이 낮아 잔존하는 극성 아미드계 용매의 함량은 4~7중량%인 경우가 가장 바람직할 것이다.

Claims (7)

1. 메타-페닐렌 디아민(M-phenylene diamine, MPD)과 이소프탈로일클로라이드(Isophthaloyl chloride, IPC)로 중합된 메타아라미드를 극성 아미드계 용매에 녹여 메타아라미드 도프(Dope)를 형성하는 도프형성단계;
   상기 도프를 극성 아미드계 용매가 20~60중량% 함유된 응고액 속에서 방사하여 메타아라미드 섬유화하는 습식방사단계;
   방사되는 메타아라미드 섬유를 극성 아미드계 용매가 3~60중량% 함유된 응고액 속에서 연신하고, 메타아라미드 섬유 내의 잔존하는 극성 아미드계 용매 함량을 3~9중량%로 조절하는 습연신단계;
   극성 아미드계 용매 함량이 3~9중량%인 메타아라미드 섬유를 150~300℃에서 건조하는 건조단계;
   건조된 메타아라미드 섬유를 수세 및 건조하는 수세·건조단계;
   건조된 메타아라미드 섬유를 열처리하는 열처리단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염색성 및 광택성이 향상된 메타아라미드 섬유 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 습연신단계에서 메타아라미드 섬유 내의 잔존하는 극성 아미드계 용매 함량을 4~7중량%로 조절하는 것을 특징으로 하는 염색성 및 광택성이 향상된 메타아라미드 섬유 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 습연신단계의 다단 연신으로 마지막 연신의 응고액에 함유된 극성 아미드계 용매는 3~9중량%인 것을 특징으로 하는 염색성 및 광택성이 향상된 메타아라미드 섬유 제조방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 건조단계는 히팅 롤러(heating roller)로 메타아라미드 섬유를 건조하는 것을 특징으로 하는 염색성 및 광택성이 향상된 메타아라미드 섬유 제조방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 건조단계의 온도는 사용되는 극성 아미드계 용매의 끓는점 보다 10~30℃ 높은 것을 특징으로 하는 염색성 및 광택성이 향상된 메타아라미드 섬유 제조방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 메타아라미드 섬유 제조방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 염색성 및 광택성이 향상된 메타아라미드 섬유.
7. 제6항에 있어서,
   상기 메타아라미드 섬유의 염착농도(K/S)는 10 이상인 것을 특징으로 하는 염색성 및 광택성이 향상된 메타아라미드 섬유.

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