KR20120072858A - 용매 잔존량이 낮은 고강력 라이오셀 섬유의 수세 방법 - Google Patents

용매 잔존량이 낮은 고강력 라이오셀 섬유의 수세 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산업용 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로 수세 공정 인자에 대한 상수(R)을 이용하여 용매 잔존량을 관리하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 수세 공정 인자에 대한 상수(R)을 이용하여 원사에 잔존하는 NMMO가 효율적으로 제거되면 원사의 물성에 좋은 영향으로 발현되며 또한 NMMO 회수율도 높아지며 원가절감의 효과도 기대된다. 또한, 용매의 잔존량을 조절할 수 있는 방법을 도입하여 타이어 코드에 적합한 고강력 셀룰로오즈 섬유를 제조할 수 있다.

Description

용매 잔존량이 낮은 고강력 라이오셀 섬유의 수세 방법 {Washing Process for High Strength Lyocell Filament Having Low Residual Solvent}
본 발명은 산업용 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로 수세 공정 인자에 대한 상수(R)을 이용하여 용매 잔존량을 관리하는 방법에 관한 것이다.
셀룰로오스 섬유인 라이오셀은 여러 가지 고유 특성을 가지고 있으며, 특히 산업용으로 사용되는 타 섬유보다 우수한 모듈러스와 열안정성을 가지고 있어 형태 안정성이 크게 요구되는 산업용 소재의 보강재로서 매우 적합한 섬유이다. 특히 타이어, 벨트, 호스 등의 제조 분야의 경우 설계 단계에서부터 치수 안정성과 열안정성이 제품의 성능을 구현하는데 있어서 중요한 영향을 미친다. 이에 따라 라이오셀 멀티 필라멘트는 적용 제품의 종류 및 용도에 따라 보강재로 적합한 다양한 특성이 요구된다. 특히, 열안정성이 우수한 라이오셀 멀티 필라멘트의 보강재로서의 사용에 따른 요구 물성은 기본적으로 원사의 강력 외에 형태안정성 및 내피로성과 관련된 모듈러스와 파단신도로 대표될 수 있다. 그리고 적용 제품의 종류 및 용도에 맞게 보강재의 요구 물성의 범위가 결정된다.
라이오셀 섬유의 제조방법은 셀룰로오스/N-메틸모르폴린-N-옥사이드(NMMO)/물의 3성분으로 구성된 방사 도프를 제조한 후, 이를 방사하는 방법으로 진행되며, 비용매인 물을 포함하기 때문에 습식방사법에 따라 방사할 경우에 매우 빠른 응고작용을 일으켜 연신성능 및 물성을 확보하기 어렵다. 또한, 상기 방사 도프는 약 8,000 내지 15,000 포아즈(Poise)의 고 점도를 가질 뿐만 아니라, NMMO 용제가 염 화합물이므로 증발이 불가능하다. 따라서 라이오셀 섬유를 제조하기 위해서는 건식방사와 습식방사 공법이 적절히 조합된 건습식 방사공법이 가장 적절하게 사용되고 있다.
기존에 사용하는 라이오셀 제조 방법에 따르면, 방사 및 응고 공정 후 원사에 잔존하는 NMMO를 제거하기 위해서 수세 공정이 사용되고 있는데, 상기 수세 공정은 원사를 직접 물 또는 용매에 접촉하게 하여 원사에 잔존하는 NMMO를 제거한다. 이러한 수세 공정은 일반적으로 1단에서 10단 사이로 이루어져 있으며 이때 물의 온도는 상온 또는 순차적으로 온도를 높이는 방식이 사용되고 있다. 기존의 수세 방법으로는 대략 수세 초기단계에서 일정량의 NMMO만 제거된 후 후단에서는 원사에 잔존하는 NMMO를 제거하기가 어려운 문제점이 있다. 원사에 남아있는 과도한 NMMO는 원사의 물성에 영향을 미칠 뿐 아니라 최종 제품에도 좋지 않은 결과를 초래하며 또한 NMMO의 회수율의 저하로 인하여 원가의 상승요인을 초래한다. 또한, 단순히 용매 잔존량이 100ppm 이하로만 규정되어 있어, 이를 달성하기 위해 어떤 방법을 사용했는지, 또한 잔존량이 높을 경우의 문제점이 무엇인지에 대한 기술 설명이 없다.
본 발명자는 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조 방법에 있어서, 수세 공정 인자에 대한 상수(R)을 이용하여 용매 잔존량을 관리할 경우, 원사에 남아있는 NMMO가 100 내지 5000ppm이 될 수 있으며, 또한 이러한 방식으로 제조되는 라이오셀 필라멘트 섬유가 우수한 물성을 가진다는 사실을 밝혀내고, 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 라이오셀 필라멘트의 방사 공정 중 수세 공정을 개선한 것으로 수세 공정 인자에 대한 상수(R)을 이용하여 용매 잔존량을 관리하는 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법에 있어서, 상기 방법은 라이오셀 방사용 도프를 방사 구금을 통해 방사하는 단계; 상기 방사구금을 통해 방사되는 필라멘트를 응고액에 통과시키는 단계; 및 상기 응고욕을 통과한 필라멘트를 수세, 예비건조 및 건조하는 단계를 포함하며, 상기 수세 단계는 하기에 기재된 수세 공정 인자에 대한 상수(R)을 이용하여 NMMO용매 잔존량을 관리하는 것을 특징으로 하는 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법이 제공된다.
상수(R) = (Dope 량 X 방사속도) / (수세 온도 X 수세수량)
본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 수세 공정 인자에 대한 상수(R)은 1.1 내지 25인 것을 특징으로 하는 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 NMMO용매 잔존량은 100내지 2000ppm 것을 특징으로 하는 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따른 수세 공정 인자에 대한 상수(R)을 이용하여 원사에 잔존하는 NMMO가 효율적으로 제거되면 원사의 물성에 좋은 영향으로 발현되며 또한 NMMO 회수율도 높아지며 원가절감의 효과도 기대된다. 또한, 용매의 잔존량을 조절할 수 있는 방법을 도입하여 타이어 코드에 적합한 고강력 셀룰로오즈 섬유를 제조할 수 있다.
도 1은 라이오셀 멀티필라멘트의 제조 장치의 일예를 나타낸 간략 구성도이다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 산업용 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로 수세 공정 인자에 대한 상수(R)을 이용하여 용매 잔존량을 관리하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법을 통해 원사에 잔존하는 NMMO가 효과적으로 제거된다.
도 1은 라이오셀 멀티필라멘트의 제조 장치의 일예를 나타낸 간략 구성도이다. 도 1의 구성을 참조하면, 라이오셀 멀티 필라멘트 제조 장치는 방사 도프를 일정한 압력으로 공급하기 위한 기어 펌프(1), 상기 압출기로부터 공급받은 방사 도프를 섬유의 형태로 방사하는 방사 구금(2), 상기 방사구금으로부터 토출되는 미응고 섬유(3)를 응고시키기 위한 제1 응고욕(4) 및 제2 응고욕(8)을 구비한다. 제1 응고욕을 통과한 필라멘트는 견인롤러(9)의 구동에 의해 제 2 응고욕을 거치고, 수세장치에서 물에 의해 방사 도프 등에 포함된 용매 등을 제거한다. 이어서, 상기 수세장치를 거친 필라멘트는 건조장치에서 건조된 후 와인딩되어 최종 라이오셀 필라멘트를 얻을 수 있다.
본 발명에서 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법에 사용되는 방사용 도프는 라이오셀 필라멘트 섬유 제조공정에서 통상적으로 사용되는 방사 도프를 사용할 수 있으며, 셀룰로오스(cellulose), N-메틸모르폴린-N-옥사이드(N-methylmorpholine-N-oxide; NMMO) 및 물을 포함하는 방사 도프를 사용할 수 있다. 본 발명에 따르면, 농축 N-메틸모르폴린-N-옥사이드/물/셀룰로오스로 구성된 용액으로부터 제조되는 셀룰로오스 멀티 필라멘트를 제조하는 공정에 있어서, 단사 섬도가 1.5 내지 3.0 데니어; 및 원사 섬도가 500내지 3000데니어의 범위를 갖는 산업용 라이오셀 멀티 필라멘트에 수세 공정 인자에 대한 상수(R)을 이용하여 용매 잔존량을 관리하는 방법을 사용하여, 수세공정을 통과한 필라멘트에 잔존하는 NMMO의 양이 100ppm 내지 2000ppm으로 낮은 라이오셀 멀티 필라멘트를 제조할 수 있다.
본 발명은 라이오셀 방사용 도프를 방사 구금을 통해 방사하는 단계; 상기 방사구금을 통해 방사되는 필라멘트를 응고액에 통과시키는 단계; 및 상기 응고욕을 통과한 필라멘트를 수세, 예비건조 및 건조하는 단계를 포함하며, 상기 수세 단계는 하기에 기재된 수세 공정 인자에 대한 상수(R)을 이용하여 NMMO용매 잔존량을 관리하는 것을 특징이다.
상수(R) = (Dope 량 X 방사속도) / (수세 온도 X 수세수량)
본 발명은 상기 수세 공정 인자에 대한 상수(R)은 1.1 내지 25인 것이 바람직하다. 상기 상수(R)값이 1.1 미만이면 수세공정이 경제성이 떨어지며, 25를 초과하면 높은 NMMO용매 잔존량으로 인해 원사의 강도가 떨어진다.
본 발명은 상기 NMMO용매 잔존량이 100내지 2000ppm인 것이 바람직하다. 상기 상수(R)값이 100 미만이면 수세공정이 경제성이 떨어지며, 2000ppm을 초과하면 높은 NMMO용매 잔존량으로 인해 원사의 강도가 떨어진다.
본 발명에 따른 제조 방법에 의하여 제조된 라이오셀 멀티 필라멘트의 물성은 아래와 같은 방법으로 측정이 되었다.
물성 평가 방법
(a) 멀티 필라멘트의 강도(g/d), 절단신도(%), 탄성률(g/d) 및 중간신도(%)
열풍 건조기로 120℃에서 30 동안 건조 후 즉시 측정하였다. 상기 측정을 위하여 인스트론(Instron) 사의 저속신장형 인장 시험기(Instron 4465)를 사용하였고, 이때 원사의 측정 조건은 80Tpm(80회 twist/m)의 꼬임을 부가한 후 시료장 250mm, 인장속도 300mm/min으로 측정하였다. 탄성률은 일정수준의 신장을 일으키기 위한 하중의 기울기로 표현되고, 강신도 시험에서의 신도-하중 곡선의 기울기를 말한다. 중간신도(Elongation at specific load)는 하중 4.5kg(필라멘트가 1500 데니어인 경우), 또는 6.8kg(필라멘트가 2000 데니어인 경우)인 지점의 신도를 나타내고, 그리고 중간신도가 낮을수록 탄성률이 크며 필라멘트의 변형이 적음을 나타낸다.
(b) 건열수축률 (%, Shrinkage)
25℃, 65%RH에서 24시간 방치한 후, 0.05g/d의 정하중에서 측정한 길이(L0)와 150℃로 30분간 0.05g/d의 정하중에서 처리한 후의 길이(L1)의 비를 이용하여 건열수축률을 나타낸다.
S(%) = [(L0 - L1) /L0] ×100
<실시예1~3, 비교예1~2>
액상 농축 NMMO에 중합도(DPw)가 1,200인 벅키(Buckeye)사 펄프(V-81)를 평균 입자 직경이 300㎛이하가 되도록 분쇄하여 분말 상태로 제조하여 연속적으로 펄프 공급용 쌍축압출기 내부로 강제 공급하였다. 상기 방법으로 제조된 셀룰로오스 용액을 표1에 기재된 방사속도로 방사하였다. 상기 방사 과정에서 방사용 노즐의 오리피스(Orifice) 수는 900개; 오리피스 직경에 대한 길이의 비(L/D)는 4;외경이 100 mmΦ인 방사노즐이 사용되었다. 셀룰로오스 용액은 70mm이 길이로 조정된 공기층을 통하여 토출되었고, 그리고 토출된 용액의 셀룰로오스 농도는 11.5중량%였다. 또한 응고액의 온도는 25℃; 그리고 농도는 25%가 되도록 NMMO 수용액이 조절되었다. 응고액의 온도 및 농도는 굴절계를 사용하여 연속적으로 모니터링이 되었다. 이후 응고욕을 빠져나온 필라멘트는 표 1에 기재된 수세온도 및 수세수량으로 처리되었다. 이때의 방사조건, 수세조건 및 얻어진 원사의 물성을 표 1에 나타내었다.
상수(R)에 다른 용매 잔존량 및 원사 물성의 변화
비교예 1 실시예 1 실시예 2 비교예 2 실시예 3
공정
조건		 Dope 량(g/min) 682 682 682 912 912
방사속도(m/min) 110 110 110 100 100
수세 온도(℃) 25 60 60 25 48
수세수량(l/min) 100 100 200 110 320
R 30.0 12.5 6.3 33.2 6.5
원사
물성		 De 1510 1512 1506 2012 2014
강력(kgf) 10.1 10.6 11.1 13.3 14.7
강도(g/d) 6.7 7.0 7.4 6.6 7.3
중신(%, at4.5kgf) 1.1 1.2 1.2 1.4 1.6
절신(%) 5.6 6.1 6.6 5.5 6.4
탄성율(g/d) 260 266 273 253 265
용매 잔존량 2764 977 224 4230 258
이상 실시예를 들어 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나는 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 당업자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.
방사 도프를 일정한 압력으로 공급하기 위한 기어 펌프(1), 방사 도프를 섬유의 형태로 방사하는 방사 구금(2), 상기 방사구금으로부터 토출되는 미응고 섬유(3), 제1 응고욕(4), 센서(5), 에어노즐(6), 센서(7), 제2 응고욕(8), 견인롤러(9), 응고액(10)

Claims (3)

  1. 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법에 있어서,
    상기 방법은 라이오셀 방사용 도프를 방사 구금을 통해 방사하는 단계; 상기 방사구금을 통해 방사되는 필라멘트를 응고액에 통과시키는 단계; 및 상기 응고욕을 통과한 필라멘트를 수세, 예비건조 및 건조하는 단계를 포함하며,
    상기 수세 단계는 하기에 기재된 수세 공정 인자에 대한 상수(R)을 이용하여 NMMO용매 잔존량을 관리하는 것을 특징으로 하는 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법.
    상수(R) = (Dope 량 X 방사속도) / (수세 온도 X 수세수량)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수세 공정 인자에 대한 상수(R)은 1.1 내지 25인 것을 특징으로 하는 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 NMMO용매 잔존량은 100내지 2000ppm 것을 특징으로 하는 라이오셀 필라멘트 섬유의 제조방법.
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