WO2014104571A1 - 열가소성 폴리우레탄 원사의 제조방법 - Google Patents

열가소성 폴리우레탄 원사의 제조방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a thermoplastic polyurethane yarn having a single layer or a multilayer structure using an extruder, and more particularly, after compounding a thermoplastic polyurethane resin and an additive, compounding it, and then again extruder
  • the present invention relates to a method of manufacturing a thermoplastic polyurethane yarn by co-extrusion with a thermoplastic polyurethane yarn to realize excellent wear resistance, mechanical properties, durability, thermoformability, adhesiveness, and the like.
  • yarns used for weaving industrial or footwear fabrics generally used yarns such as polyester, nylon, and acrylic resins.
  • Fabrics processed using such yarns are not only inferior in durability and abrasion resistance, but also have problems in various parts such as adhesive strength, so that there are various limitations in using them for high-functional applications such as shoes fabrics.
  • thermoplastic polyurethane In addition, today, the development of softer yarns is constantly required to improve the touch on the part that touches the human body, and accordingly, attempts to solve the above problems using the thermoplastic polyurethane have continued.
  • thermoplastic polyurethane As described above, a spinning method such as a polyester or nylon yarn manufacturing method takes a lot of processing cost, and also due to the viscosity and tacky of the thermoplastic polyurethane itself, There have been practical difficulties in producing polyurethane yarns.
  • the coated yarn as described above (specifically, the yarn coated on the surface of the polyester, nylon, acrylic yarn) has a disadvantage of poor durability and wear resistance and poor physical properties such as mechanical strength and chemical strength.
  • Patent Documents 1 to 3 have a problem that is unsuitable for use as a fabric for shoes because of the stiff feeling because the thickness of the yarn is 1,000 denier or more as mentioned above.
  • Patent Document 5 has a low viscosity when using a thermoplastic polyurethane, the productivity is lowered, in particular, the production of a coating yarn of a thin thickness is impossible, and because the gloss occurs on the surface of the coating yarn for imparting matting characteristics There was a disadvantage that a separate process was required.
  • Patent Document 1 Publication No. 10-2011-0069868 (Name of the invention: a fabric containing a polyurethane elastic yarn, published date: June 23, 2011)
  • Patent Document 2 Registered Patent Publication No. 10-0875709 (Invention name: Non-slip fabric using a thermoplastic polyurethane coated yarn, Publication Date: December 23, 2008)
  • Patent Document 3 Registered Patent Publication No. 10-0193110 (Invention name: Polyurethane yarn dispensing device for plywood, Publication date: February 02, 1997)
  • Patent Document 4 Publication No. 10-2012-0078630 (Invention name: polyester yarn and its manufacturing method, publication date: July 10, 2012)
  • Patent Document 5 Registered Patent Publication No. 10-0875709 (Name of the Invention: Non-slip Fabric Using Thermoplastic Polyurethane Coated Yarn. Publication Date: December 23, 2008)
  • the present invention is to solve the conventional problems as described above, a thermoplastic polyurethane resin and various additives added thereto, compounded, and then co-extruded the compound with an extruder thermoplastic polyurethane yarn of a single layer or multilayer structure Its purpose is to provide a method for producing the same.
  • thermoplastic polyurethane yarn it is an object of the present invention to provide a method for producing a thermoplastic polyurethane yarn to have excellent durability and wear resistance, mechanical strength, and chemical strength.
  • thermoplastic polyurethane yarns of up to 250 denier.
  • the present invention is to prepare a thermoplastic polyurethane compound by compounding a thermoplastic polyurethane, a thickening agent, and a processing lubricant with an extruder, in which case it is possible to reproduce the color by adding a master batch for each color, if necessary, and then the thermoplastic polyurethane compound It is characterized by being able to produce a thermoplastic polyurethane yarn of a single layer or a multilayer structure by co-extrusion with a conventional extruder.
  • the thickener used in the preparation of the thermoplastic polyurethane compound is characterized by using any one selected from inorganic materials such as silica (Silica) or talc (calcium) or calcium carbonate (CaCO 3 ). .
  • thermoplastic polyurethane compound is a view showing a process for preparing a thermoplastic polyurethane compound by combining a thermoplastic polyurethane and various additives according to an embodiment of the present invention and compounding it with an extruder.
  • Figure 2 is a view showing a method and a yarn structure for producing a thermoplastic polyurethane yarn of a single layer using a thermoplastic polyurethane compound according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a view showing a method and a yarn structure for producing a thermoplastic polyurethane yarn of a multi-layer structure using a thermoplastic polyurethane compound according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a process of cooling a thermoplastic polyurethane yarn of a single layer or multilayer structure manufactured by the method shown in FIG. 2 or 3 by using a horizontal cooling apparatus and then winding it.
  • the present invention comprises the steps of mixing a thermoplastic polyurethane, a thickening agent and a processing lubricant, and then melting and kneading the same, and drying and aging them again to prepare a compound, and injecting the compound into the coextruder, and at the same time ⁇ thermoplastic poly One resin selected from urethane, polyester, nylon, and acrylic ⁇ is added to another coextruder, and the inside is made of any one resin selected from ⁇ thermoplastic polyurethane, polyester, nylon, and acrylic ⁇ , and the outside is the thermoplastic It is characterized by producing a thermoplastic polyurethane yarn having a multilayer structure formed of a polyurethane compound.
  • thermoplastic polyurethane in the form of Virgin or the airbag pattern used in the shoe manufacturing process, and collecting the remaining scrap or other thermoplastic polyurethane, the remaining scrap is collected.
  • compounding compounding
  • co-extruded with an extruder to produce a thermoplastic polyurethane yarn to improve the physical properties.
  • the present invention provides a method for producing a thermoplastic polyurethane yarn to improve productivity and processability by manufacturing a thermoplastic polyurethane yarn (hereinafter referred to as "TPU yarn") in a single layer or multilayer structure using a coextruder. present.
  • TPU yarn thermoplastic polyurethane yarn
  • the present invention provides a method of preparing a thermoplastic polyurethane yarn to co-extrude resins to simultaneously improve touch and physical properties.
  • the present invention can implement a TPU yarn of various colors by adding a master batch (Batch) for each color when manufacturing the TPU yarn, and also a method for manufacturing the TPU yarn for each hardness according to the content of the raw material present.
  • a master batch Batch
  • the present invention can implement a TPU yarn of various colors by adding a master batch (Batch) for each color when manufacturing the TPU yarn, and also a method for manufacturing the TPU yarn for each hardness according to the content of the raw material present.
  • the present invention provides the inherent physical properties of thermoplastic polyurethane, specifically, excellent durability and abrasion resistance, good mechanical strength, good chemical strength, and in particular, sports articles, It is to implement a manufacturing method of thermoplastic polyurethane yarn that can be widely used in household goods, industrial products, shoes fabrics, and the like.
  • thermoplastic polyurethane compound (hereinafter referred to as "TPU compound”) according to the present invention is as shown in FIG.
  • the TPU compound manufacturing method of the present invention 1) mixing the thermoplastic polyurethane and various additives (preferably thickener, processing lubricant) and injecting them into the hopper of a conventional compound extruder, and 2) the compound Melting and kneading the thermoplastic polyurethane and various additives in a cylinder of the extruder at a pressure of 50 to 150 kgf at a temperature of 150 to 250 ° C., and 3) compounding the discharged through the die of the compound extruder. Cutting the thermoplastic polyurethane liquid inside the cooling water to form a fillet, and 4) drying the thermoplastic polyurethane fillet thus prepared at 60 to 80 ° C. for 4 to 6 hours, and then again 30 to 30 It consists of the process of aging at least 7 days at a temperature of 50 °C.
  • various additives preferably thickener, processing lubricant
  • compositions used when preparing the TPU compound specifically, the compositions of the thermoplastic polyurethane, the thickener, and the processing lubricant will be described.
  • thermoplastic polyurethane is a chain extender for short chain glycol (ex. 1.4 Butanediol) using polyester polyol, polyether polyol, polycarprolactone, or the like. It refers to a thermoplastic polyurethane in virgin form, which is made of (Chain Extender) and polymerized with aromatic isocyanate and aliphatic isocyanate.
  • the scrap remaining after the manufacture of the shoe may be used without using the virgin thermoplastic polyurethane.
  • the airbag scrap or the clear or semi clear type generated after the shoe airbag is processed. Thermoplastic polyurethane scrap).
  • a thickener is used to improve productivity and quenching, and the thickener is silica powder or an inorganic material for the purpose of thickening (for example, Talc, CaCO 3 ).
  • the thickener is compatible with thermoplastic polyurethanes such as styrene butadiene styrene block copolymer (SBS), styrene ethylene / butylene styrene resin (SEBS), polyacetal resin (POM), styrene acrylonitrile resin (SAN), and the like.
  • SBS styrene butadiene styrene block copolymer
  • SEBS styrene ethylene / butylene styrene resin
  • POM polyacetal resin
  • SAN styrene acrylonitrile resin
  • the montan wax is to improve the activity between the co-extruder and the TPU to produce a TPU yarn of a certain thickness
  • the fatty acid ester is to improve the flow of the TPU to increase the extrusion amount.
  • an additive for adhesion is used.
  • the additive includes an olefin (Oleffine: PE, PP, EVA, etc.) base coupling agent (maleic anhydride 2 to 2). 20%).
  • the TPU compound made by the composition and the manufacturing method as described above is used when producing a TPU yarn having a single layer structure.
  • it is also used to form an external resin when manufacturing a TPU yarn of a multi-layer structure, specifically, as shown in Figure 3 constitutes the external resin passed through the die of the extruder for coextrusion.
  • a low hardness TPU specifically, a TPU having a Shore 91 ⁇ 2A is used, and when manufacturing a TPU yarn having a multilayered structure, the TPU constituting the external resin has a Shore hardness.
  • High hardness TPU with 65D and tensile strength over 300kgf / cm2 is used.
  • the inner resin uses a resin capable of extruding a high hardness yarn, such as nylon, polyester, acrylic resin in addition to the high hardness TPU. This will be easily understood by the following detailed description of FIGS. 2 and 3.
  • Table 1 shows the results of thickening using silica as a thickener when preparing a TPU yarn according to the present invention.
  • the product names "AK-92A-4" and "AK-92A-5" shown in Table 1 above are TPU raw TPU compounds made by the composition and the method of the present invention, preferably silica as a thickener. The TPU compound when used.
  • Table 2 shows in detail each composition and composition ratio added when preparing the TPU compound (specifically, "AK-92A-4" and "AK-92A-5" shown in Table 1). .
  • Table 3 shows the results of thickening when using an inorganic material (for example, Talc) as a thickener in detail.
  • the product names "TC-92A-3" and "TC-92A-6" shown in Table 3 is a TPU raw TPU compound made according to the composition and method of the present invention, preferably a mineral as a thickener TPU compound when talc is used.
  • Table 4 Compositions of the Invention TC-92A-3 (wt%) TC-92A-6 (wt%) Shoe airbag scrap 40.0 40.0 Virgin TPU 44.5 34.5 Polyethylene-Based Coupling Agent 5.0 5.0 5.0 Talc (Thickener) 10.0 20.0 Montan wax 0.2 0.2 Fatty acid ester 0.3 0.3
  • Table 5 shows the results of thickening using polyacetal resin (POM) as a thickener when preparing the TPU yarn of the present invention.
  • product names "PA-95A-3" and "PA-95A-5" set forth in Table 5 above are TPU raw TPU compounds made according to the compositions and methods of preparation of the present invention, preferably as thickeners. TPU compound when polyacetal resin (POM) is used.
  • POM polyacetal resin
  • a method of manufacturing a TPU yarn of a single layer structure using the TPU compound made by the composition and the preparation method as described above is as shown in FIG.
  • the TPU compound prepared by the above-described method and the master batch for each color are mixed and introduced into a hopper of an extruder (preferably, a coextruder), and then the TPU compound and the master batch for each color are mixed. Melt at a temperature of 150-250 ° C. and a pressure of 50-150 kgf inside the cylinder of the coextruder.
  • the resultant melted in the co-extruder (that is, a mixture of the TPU compound and the color master batch) is supplied to the die, the present invention by being extruded at a temperature of 50 ⁇ 250 °C and a pressure of 50 ⁇ 150kgf inside the die According to the monolayer TPU yarn is produced.
  • a method of manufacturing a TPU yarn of a multi-layer structure using the TPU compound and the high hardness TPU or polyester or nylon or acrylic resin made by the composition and the manufacturing method as described above is as shown in FIG.
  • the TPU compound prepared by the above-described method is introduced into the hopper of the co-extruder, and at the same time, a high-hardness TPU having a hardness of more than Shore 65D and a tensile strength of 300kgf / cm 2 or more and a master batch for each color Put it in the hopper of the coextruder.
  • a high-hardness TPU having a hardness of more than Shore 65D and a tensile strength of 300kgf / cm 2 or more and a master batch for each color Put it in the hopper of the coextruder.
  • any one of nylon, polyester, or high hardness resin such as acrylic may be selected and added to the hopper of the coextruder together with the master batch for each color.
  • the low hardness TPU compound introduced into the coextruder is melted in the coextruder at a temperature of 200 to 280 ° C. and a pressure of 50 to 150 kgf, and is supplied toward the die.
  • the high hardness TPU and the master batch are 150 to 250 ° C. It is fed into the die while melting in another coextruder at a temperature of 50 to 150 kgf. At this time, the die is connected together to two coextruders as shown in FIG.
  • the mixture of the low hardness TPU compound and the high hardness TPU and the master batch fed to the die is extruded simultaneously at a pressure of 50 to 150 kgf, and is formed of a multi-layer structure, preferably the inside of the high hardness TPU and the outside of the low hardness TPU.
  • the TPU yarn of a multi-layer structure formed by the above is manufactured.
  • the inside maintains a temperature of 200 ⁇ 280 °C and the outside maintains a temperature of 150 ⁇ 250 °C.
  • a single-layered TPU yarn or a multi-layered TPU yarn is subjected to a cooling step while passing through the die of the coextruder, specifically a vertical cooling apparatus as shown in FIG. It is cooled by using or cooled using a horizontal cooling apparatus as shown in FIG.
  • the TPU yarns (preferably, single-layered TPU yarns or multilayered TPU yarns) that pass through the dies of the coextruder may be subjected to primary cooling and secondary cooling in a tank containing cooling water. Specifically, after the first and second cooling at a temperature of 10 ⁇ 15 °C, and then the third cooling in the natural state, it is wound in a conventional intake.
  • the TPU yarn extruded from the coextruder was vertically dropped to cool the primary and secondary cooling in the water tank, and then the third cooling was performed in the natural air cooling state so that the take-out was not problem.
  • the temperature control and the take-up speed of the cooling water tank can be adjusted according to the type of TPU resin.
  • the TPU yarn is cooled by using a horizontal cooling device. Specifically, the TPU yarn extruded through the coextruder is first cooled to a temperature of 10 to 15 ° C. in a cooling water tank. After secondary cooling in the natural air-cooled state, it is wound up through a conventional take-off. At this time, the cooling water tank is disposed as close as possible to the die of the co-extruder, and can also adjust the temperature control and take-up speed of the cooling water tank according to the type of TPU resin as described above.
  • the present invention blends thermoplastic polyurethane with a thickener (preferably, inorganic materials such as silica or talc or calcium carbonate) when producing a thermoplastic polyurethane yarn, and thus provides a better feel and feel compared to a fabric made of conventional polyester or nylon. It has the advantage of being able to implement elasticity.
  • a thermoplastic polyurethane yarn of a multi-layer structure the inside is composed of high-strength TPU, nylon, polyester, acrylic resin, etc., the outside is composed of a low hardness TPU has the advantage of implementing both strength and touch .
  • the present invention has excellent wear resistance compared to conventional fabrics (ie, fabrics made of polyester, nylon, acrylic yarns), can improve mechanical properties and durability, such as tensile strength, excellent waterproofing as well as excellent There is an advantage that can implement the thermoformability and adhesion.

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Abstract

본 발명은 버진(Virgin) 형태의 열가소성 폴리우레탄 또는 신발 제조 공정에 사용되고 있는 에어백 패턴에 맞도록 사용하고 남은 스크랩 혹은 기타 열가소성 폴리우레탄을 가공한 후 남은 스크랩을 수거한 후, 이와 같은 다양한 종류의 열가소성 폴레우레탄과 각종 첨가제를 혼합한 다음, 이를 컴파운딩(compounding) 한 후, 이를 다시 압출기로 공압출하여 열가소성 폴리우레탄 원사를 제조함으로써 물리적 특성을 향상시킬 수 있으며. 특히 250 데니아(denier) 이하의 열가소성 폴리우레탄 원사를 제조할 수 있도록 하는 조성물 및 그 제조방법을 제시한다.

Description

열가소성 폴리우레탄 원사의 제조방법
본 발명은 압출기를 이용한 단층 또는 다층 구조를 가지는 열가소성 폴리우레탄 원사의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열가소성 폴리우레탄 수지와 첨가제를 배합한 후, 이를 컴파운딩(compounding) 한 다음, 이를 다시 압출기로 공압출하여 열가소성 폴리우레탄 원사를 제조함으로써 우수한 내마모성, 기계적 물성, 내구성, 열 성형성, 접착성 등을 구현할 수 있도록 하는 열가소성 폴리우레탄 원사의 제조방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 산업용이나 신발용 원단을 제직하는데 사용하는 원사의 경우 일반적으로 폴리에스테르(Polyester), 나일론(Nylon), 아크릴(Acryl) 수지 등과 같은 원사를 주로 사용하였다.
이러한 원사를 사용하여 가공한 원단은 내구성 및 내마모성 등이 떨어질 뿐만 아니라 접착력 등 여러 부분에 있어 문제가 있기 때문에 신발용 원단 등과 같은 고 기능성 용도로 사용하기에는 여러 가지 제약이 있었다.
또한, 오늘날에는 인체에 닿는 부분에 대한 촉감 개선을 위하여 좀더 부드러운 원사에 대한 개발이 지속적으로 요구되고 있으며, 이에 따라 열가소성 폴리우레탄을 사용하여 상기의 문제점을 해결하고자 하려는 시도가 계속해서 진행되었다.
그러나, 위와 같이 열가소성 폴리우레탄을 이용하여 원사를 제조할 때 폴리에스테르나 나일론 원사 제조방법과 같은 방사 방법으로는 가공 비용이 많이 소요될 뿐만 아니라 열가소성 폴리우레탄 자체의 점도, 태키(Tacky) 등으로 인해 열가소성 폴리우레탄 원사를 제조하기에는 현실적으로 어려움이 많았다.
한편, 종래에는 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 폴리에스테르, 나일론, 아크릴 원사의 표면에 PVC 또는 PP를 코팅 처리하거나 혹은 하기의 특허문헌 1 내지 3에서 보는 바와 같이 1,000 데니아(denier) 이상의 열가소성 폴리우레탄 원사를 제조할 수밖에 없었다.
하지만, 위와 같이 코팅 처리된 원사(구체적으로는, 폴리에스테르, 나일론, 아크릴 원사의 표면에 코팅 처리된 원사)는 내구성 및 내마모성이 떨어지게 되고 기계적 강도 및 화학적 강도 등의 물성이 떨어지는 단점이 있었다.
또한, 상기 특허문헌 1 내지 3은 위에서 언급한 바와 같이 원사의 굵기가 1,000 데니아 이상이기 때문에 뻣뻣한 느낌으로 인해 신발용 원단으로 사용하기에는 부적합한 문제점이 있었다.
뿐만 아니라, 하기의 특허문헌 5는 열가소성 폴리우레탄을 사용시 점도가 낮기 때문에 생산성이 저하되고, 특히 얇은 두께의 코팅 원사 생산이 불가능하고 또한 코팅 원사의 표면에 광택이 발생하기 때문에 소광 특성을 부여하기 위한 별도의 공정이 필요한 단점이 있었다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) [문헌 1] 공개특허공보 공개번호 제10-2011-0069868호(발명의 명칭: 폴리우레탄 탄성 실을 포함하는 직물, 공개일자: 2011년 06월 23일)
(특허문헌 2) [문헌 2] 등록특허공보 등록번호 제10-0875709호(발명의 명칭: 열가소성 폴리우레탄 코팅 원사를 이용한 논슬립성 원단, 공고일자: 2008년 12월 23일)
(특허문헌 3) [문헌 3] 등록특허공보 등록번호 제10-0193110호(발명의 명칭: 합사기용 폴리우레탄 원사 송출 장치, 공개일자: 1997년 02월 02일)
(특허문헌 4) [문헌 4] 공개특허공보 공개번호 제10-2012-0078630호(발명의 명칭: 폴리에스테르 원사 및 그의 제조방법, 공개일자: 2012년 07월 10일)
(특허문헌 5) [문헌 5] 등록특허공보 등록번호 제10-0875709호(발명의 명칭: 열가소성 폴리우레탄 코팅 원사를 이용한 논슬립성 원단. 공고일자: 2008년 12월 23일)
본 발명은 위와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 열가소성 폴리우레탄 수지와 여기에 각종 첨가제를 배합하고, 이를 컴파운딩 한 다음, 상기 컴파운드를 압출기로 공압출하여 단층 또는 다층 구조의 열가소성 폴리우레탄 원사를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 우수한 내구성 및 내마모성, 기계적 강도, 화학적 강도를 가질 수 있도록 하는 열가소성 폴리우레탄 원사의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 250 데니아(denier) 이하의 열가소성 폴리우레탄 원사를 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 열가소성 폴리우레탄과 증점제, 가공활제를 압출기로 컴파운딩 하여 열가소성 폴리우레탄 컴파운드를 제조하며, 이때 필요에 따라 색상별 마스터 배치를 첨가하여 색상을 재현할 수 있고, 이후 상기 열가소성 폴리우레탄 컴파운드를 통상의 압출기로 공압출하여 단층 또는 다층 구조의 열가소성 폴리우레탄 원사를 제조할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는 상기 열가소성 폴리우레탄 컴파운드를 제조할 때 사용되는 증점제로는 실리카(Silica) 또는 탈크(Talc)나 탄산칼슘(CaCO3) 등의 무기질 중에서 어느 하나를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 열가소성 폴리우레탄과 각종 첨가제를 배합하고 이를 압출기로 컴파운딩하여 열가소성 폴리우레탄 컴파운드를 제조하는 과정을 보여주고 있는 도면.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 열가소성 폴리우레탄 컴파운드를 사용하여 단층 구조의 열가소성 폴리우레탄 원사를 제조하는 방법 및 원사 구조를 보여주고 있는 도면.
도 3은 본 발명의 바람직한 다른 실시 예에 따른 열가소성 폴리우레탄 컴파운드를 사용하여 다층 구조의 열가소성 폴리우레탄 원사를 제조하는 방법 및 원사 구조를 보여주고 있는 도면.
도 4는 도 2 또는 도 3에서 도시하고 있는 방법으로 제조된 단층 혹은 다층 구조의 열가소성 폴리우레탄 원사를 수직냉각장치를 이용하여 냉각시킨 다음 이를 권취하는 과정을 보여주고 있는 도면.
도 5는 도 2 또는 도 3에서 도시하고 있는 방법으로 제조된 단층 혹은 다층 구조의 열가소성 폴리우레탄 원사를 수평냉각장치를 이용하여 냉각시킨 다음 이를 권취하는 과정을 보여주고 있는 도면.
본 발명은, 열가소성 폴리우레탄와 증점제 및 가공활제를 혼합한 다음, 이를 용융하고 혼련시킨 후, 이를 다시 건조 및 숙성시켜 컴파운드로 제조하는 단계와,상기 컴파운드를 공압출기에 투입하고, 이와 동시에 {열가소성 폴리우레탄, 폴리에스테르, 나일론, 아크릴} 중에서 선택된 어느 하나의 수지를 다른 공압출기에 투입하여 내부는 상기 {열가소성 폴리우레탄, 폴리에스테르, 나일론, 아크릴} 중에서 선택된 어느 하나의 수지로 형성되고 외부는 상기 열가소성 폴리우레탄 컴파운드로 형성된 다층 구조의 열가소성 폴리우레탄 원사를 제조하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 후술 될 상세한 설명에서는 상술한 기술적 과제를 이루기 위해 본 발명에 있어 대표적인 실시 예를 제시할 것이다. 그리고 본 발명으로 제시될 수 있는 다른 실시 예들은 본 발명의 구성에서 설명으로 대체한다.
본 발명에서는 버진(Virgin) 형태의 열가소성 폴리우레탄 또는 신발 제조 공정에 사용되고 있는 에어백 패턴에 맞도록 사용하고 남은 스크랩 혹은 기타 열가소성 폴리우레탄을 가공한 후 남은 스크랩을 수거한 다음, 이와 같은 다양한 종류의 열가소성 폴레우레탄과 각종 첨가제를 혼합한 후, 이를 컴파운딩(compounding) 한 다음, 이를 다시 압출기로 공압출하여 열가소성 폴리우레탄 원사를 제조함으로써 물리적 특성을 향상시킬 수 있으며. 특히 250 데니아(denier) 이하의 열가소성 폴리우레탄 원사를 제조하는 방법을 구현하고자 한다.
바람직하게는, 본 발명은 공압출기를 사용하여 열가소성 폴리우레탄 원사(이하 "TPU 원사"라 함)를 단층 또는 다층 구조로 제조함으로써 생산성 및 가공성을 향상시킬 수 있도록 하는 열가소성 폴리우레탄 원사의 제조방법을 제시한다.
특히, 다층 구조의 TPU 원사를 제조할 때 내부에는 고강도 TPU 또는 폴리에스테르 혹은 나일론 또는 아크릴 수지 등의 강성이 있는 수지를 공압출하고, 외부에는 저경도 TPU를 동시에 공압출함으로써 종래기술과 같이 원사에 코팅하는 방법과 달리 수지들을 공압출하여 촉감과 물성을 동시에 향상시킬 수 있도록 하는 열가소성 폴리우레탄 원사의 제조방법을 제시한다.
이때, 본 발명에서는 TPU 원사를 제조할 때 색상별 마스터 배치(Master Batch)를 첨가함으로써 다양한 색상의 TPU 원사를 구현할 수 있으며, 또한 원재료의 함량에 따라 경도별로 TPU 원사를 각각 제조할 수 있는 방법 또한 제시한다.
이와 같이, 본 발명은 열가소성 폴리우레탄이 가지는 고유의 물성, 구체적으로는 내구성 및 내마모성이 우수하고, 기계적 강도가 양호하며, 화학적 강도가 양호하고, 특히 250 데니아 이하의 원사를 제조함에 따라 스포츠 용품, 생활용품, 산업용품, 신발용 원단 등에 널리 사용될 수 있는 열가소성 폴리우레탄 원사의 제조방법을 구현하고자 하는 것이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 의거 상세히 설명하겠는 바, 상기 본 발명이 실시 예에 의해 한정되는 것은 아니다.
하기의 실시 예에서는 본 발명에서 구현하고자 하는 단층 구조의 TPU 원사를 제조하는 방법과 다층 구조의 TPU 원사를 제조하는 방법 및, 그리고 상기 단층 및 다층 구조의 TPU 원사를 제조할 때 사용되는 조성물을 구체적으로 설명하고자 한다.
{실시 예}
1. TPU 원사를 제조할 때 사용되는 열가소성 폴리우레탄 컴파운드의 제조 과정 및 그 조성물
본 발명에 따른 열가소성 폴리우레탄 컴파운드(이하 "TPU 컴파운드"라 함)를 제조하는 방법은 도 1에서 도시하고 있는 바와 같다.
즉, 본 발명의 TPU 컴파운드 제조방법은, 1) 열가소성 폴리우레탄과 각종 첨가제(바람직하게는, 증점제, 가공활제)를 혼합하고 이를 통상의 컴파운드용 압출기의 호퍼에 투입하는 과정과, 2) 상기 컴파운드용 압출기의 실린더 내부에서 열가소성 폴리우레탄과 각종 첨가제를 150~250℃의 온도에서 50~150kgf의 압력으로 용융시키고 혼련하여 컴파운드하는 과정과, 3) 상기 컴파운드용 압출기의 다이스를 통해 토출되는 컴파운딩된 열가소성 폴리우레탄 액을 냉각수의 내부에서 커팅하여 필렛(pellet)을 형성하는 과정과, 4) 이와 같이 제조된 열가소성 폴리우레탄 필렛을 60~80℃에서 4~6시간 동안 건조시킨 다음, 이를 다시 30~50℃의 온도에서 7일 이상 숙성시키는 과정으로 이루어진다.
아래에서는 TPU 컴파운드를 제조할 때 사용되는 조성물, 구체적으로는 열가소성 폴리우레탄, 증점제, 가공활제의 조성물들을 각각 살펴보면 다음과 같다.
즉, 상기 열가소성 폴리우레탄은 폴리에스터 폴리올(Polyester Polyol), 폴리에테르 폴리올(Polyether Polyol), 폴리카프로락톤(Polycarprolactone) 등을 사용하여 단분자 글리콜(Short chain glycol: ex. 1.4 Butanediol)을 쇄연장제(Chain Extender)로 하고 방향족 이소시아네이트(Aliphatic Isocyanate) 및 지방족 이소시아네이트(Aliphatic Isocyanate) 등과 중합하여 만든 버진(Virgin) 형태의 열가소성 폴리우레탄을 말한다.
한편, 본 발명에서는 버진 형태의 열가소성 폴리우레탄을 사용하지 않고 신발 제조 후 남은 스크랩을 사용할 수 있는데, 구체적으로는 신발용 에어백 가공 후 발생하는 에어백 스크랩이나 클리어(Clear) 또는 세미 클리어 타입(semi clear type)의 열가소성 폴리우레탄 스크랩을 사용한다.
그리고, 본 발명에서는 TPU 원사를 제조할 때 생산성과 소광성을 개선하기 위하여 증점제를 사용하게 되는데, 상기 증점제는 실리카 파우더(Silica Powder) 또는 증점을 목적으로 하는 무기물(예를 들어, Talc, CaCO3)을 사용한다. 또한 상기 증점제로는 스티렌 부타디엔 스티렌 블록 코폴리머(SBS), 스티렌 에틸렌/부틸렌 스텔렌 수지(SEBS), 폴리아세탈 수지(POM), 스티렌 아크릴로니트릴 수지(SAN) 등과 같이 열가소성 폴리우레탄과 상용성을 부여할 수 있는 수지와의 얼로이(Alloy)를 사용한다.
한편, 본 발명에서는 TPU 원사를 제조할 때 생산성 개선을 위하여 가공활제를 사용하는데, 구체적으로는 몬탄 왁스(Montane Wax), 지방산 에스테르(Fatty Acid(C=5-9) Esters with Pentaery Thritol) 등을 사용한다. 이때 상기 몬탄 왁스는 공압출기와 TPU 간의 활성 개선으로 일정한 두께의 TPU 원사를 제조할 수 있도록 하며, 상기 지방산 에스테르는 TPU의 흐름성을 좋게하여 압출량을 증대시킬 수 있도록 한다.
또한, 본 발명에서는 TPU 원사로 매쉬 원단을 직조 후, 접착을 위한 첨가제를 사용하게 되는데, 상기 첨가제로는 올레핀(Oleffine: PE, PP, EVA 등) 베이스(Base)의 커플링제(무수말레인산 2~20% 함유)를 사용한다.
상기와 같은 조성물 및 제조방법으로 만들어진 TPU 컴파운드는 단층 구조를 가지는 TPU 원사를 제조할 때 사용된다. 또한 다층 구조의 TPU 원사를 제조할 때 외부 수지를 형성할 때 사용되기도 하는데, 구체적으로는 도 3과 같이 공압출용 압출기의 다이스를 통과한 외부수지를 구성하게 된다.
이때, 상기 단층 구조의 TPU 원사를 구현할 때는 저경도의 TPU, 구체적으로는 경도가 Shore 91±2A인 TPU를 사용하며, 다층 구조의 TPU 원사를 제조할 때 외부수지를 구성하는 TPU는 경도가 Shore 65D이고 인장강도 300kgf/㎠ 이상인 고경도 TPU를 사용한다. 또한 상기 다층 구조의 TPU 원사를 제조할 때 내부수지는 상기 고경도의 TPU 이외에 나일론, 폴리에스테르, 아크릴 수지 등과 같이 고경도의 원사 압출이 가능한 수지를 사용한다. 이는 하기의 도 2와 도 3의 상세설명에 의해 용이하게 이해될 것이다.
하기의 표 1에서는 본 발명에 따른 TPU 원사를 제조할 때, 증점제로 실리카를 사용하여 증점한 결과를 구체적으로 제시하고 있다.
표 1
TPU 컴파운드(제품명) 용융지수(g/10min) 유동점(℃) 유동점도(Pa.s) 압출 작업성 실리카함량
165℃ 170℃
AK-92A-4 13.50 154.6 34,380 12,030 좋음 1.5 phr
AK-92A-5 8.45 156.5 40,570 14,930 좋음 3.0 phr
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 실리카 함량 증가에 따라 용융지수가 낮아지고 유동 점도가 올라가므로 증점이 됨을 알 수 있었다. 또한 압출 작업성 평가 결과 실리카 함량 1.5phr 이상 들어갔을 때는 작업성이 양호함을 알 수 있었다. 그리고 상기 실리카를 3.0phr 투입한 제품의 경우에는 압출 작업성은 양호하였으나 블루밍(blooming)이 발생하여 적용이 어려웠다.
부가적으로, 상기 표 1에서 제시하고 있는 제품명 "AK-92A-4"와 "AK-92A-5"는 본 발명의 조성물 및 제조방법으로 만들어진 TPU 원사용 TPU 컴파운드를, 바람직하게는 증점제로 실리카를 사용했을 때의 TPU 컴파운드를 말한다.
한편, 표 2에서는 TPU 컴파운드(구체적으로는, 표 1에서 제시하고 있는 "AK-92A-4"와 "AK-92A-5")을 제조할 때 첨가되는 각 조성물과 조성비를 구체적으로 제시하고 있다.
표 2
본 발명의 조성물 AK-92A-4(중량%) AK-92A-5(중량%)
신발 에어백 스크랩 50.0 50.0
버진 형태의 TPU 43.0 41.5
폴리에틸렌 베이스의 커플링제 5.0 5.0
실리카(증점제) 1.5 3.0
몬탄 왁스 0.2 0.2
지방산 에스테르 0.3 0.3
한편, 아래의 표 3에서는 증점제로 무기물(예를 들어, Talc)을 사용했을 때의 증점한 결과를 구체적으로 제시하고 있다.
표 3
TPU 컴파운드(제품명) 용융지수(g/10min) 유동점(℃) 유동점도(Pa.s) 압출 작업성 Talc함량
165℃ 170℃
TC-92A-3 9.50 157.8 43,380 15,030 좋음 10 phr
TC-92A-6 5.65 158.5 60,550 18,880 좋음 20 phr
상기 표 3에서 보는 바와 같이, 탈크 함량 증가에 따라 용융지수가 낮아지고 유동 점도가 올라가므로 증점이 됨을 알 수 있었다. 또한 압출 작업성 평가 결과 탈크 함량 10phr 이상 들어갔을 때는 작업성이 양호함을 알 수 있었다. 그리고 상기 탈크를 30phr 투입한 제품의 경우에는 압출 작업성은 양호하였으나 블루밍(blooming)이 발생하여 적용이 어려웠다.
한편, 상기 표 3에서 제시하고 있는 제품명 "TC-92A-3"과 "TC-92A-6"은 본 발명의 조성물 및 제조 방법에 따라 만들어진 TPU 원사용 TPU 컴파운드를, 바람직하게는 증점제로 무기물인 탈크를 사용했을 때의 TPU 컴파운드를 말한다.
한편, 표 4에서는 TPU 원사용 TPU 컴파운드(구체적으로는, 표 3에서 제시하고 있는 "TC-92A-3"과 "TC-92A-6"의 TPU 컴파운드)를 제조할 때 첨가되는 각 조성물과 조성비를 구체적으로 제시하고 있다.
표 4
본 발명의 조성물 TC-92A-3(중량%) TC-92A-6(중량%)
신발 에어백 스크랩 40.0 40.0
버진 형태의 TPU 44.5 34.5
폴리에틸렌 베이스의 커플링제 5.0 5.0
Talc(증점제) 10.0 20.0
몬탄 왁스 0.2 0.2
지방산 에스테르 0.3 0.3
하기의 표 5에서는 본 발명의 TPU 원사를 제조할 때, 증점제로 폴리아세탈 수지(POM)를 사용하여 증점한 결과를 구체적으로 제시하고 있다.
표 5
TPU 컴파운드(제품명) 용융지수(g/10min) 유동점(℃) 유동점도(Pa.s) 압출 작업성 POM함량
165℃ 170℃
PA-95A-3 10.20 178.2 52,240 27,830 좋음 10 phr
PA-95A-5 6.65 185.1 63,580 37,880 좋음 20 phr
상기 표 5에서 보는 바와 같이, POM 함량 증가에 따라 용융지수가 낮아지고 유동 점도가 올라가므로 증점이 됨을 알 수 있었다. 또한 압출 작업성 평가 결과 POM 함량 10phr 이상 들어갔을 때는 작업성이 양호함을 알 수 있었다. 그리고 상기 POM을 20phr 투입한 제품의 경우에는 압출 작업성은 양호하였으나 경도가 높아져 딱딱한 느낌이 많아짐을 알 수 있다.
부가적으로, 상기 표 5에서 제시하고 있는 제품명 "PA-95A-3"과 "PA-95A-5"는 본 발명의 조성물 및 제조 방법에 따라 만들어진 TPU 원사용 TPU 컴파운드를, 바람직하게는 증점제로 폴리아세탈 수지(POM)를 사용했을 때의 TPU 컴파운드를 말한다.
한편, 표 6에서는 TPU 원사용 TPU 컴파운드(구체적으로는, 표 7에서 제시하고 있는 "PA-95A-3"과 "PA-95A-5"의 TPU 컴파운드)을 제조할 때 첨가되는 각 조성물과 조성비를 구체적으로 제시하고 있다.
표 6
본 발명의 조성물 PA-95A-3(중량%) PA-95A-5(중량%)
버진 형태의 TPU 84.5 74.5
POM 수지 10.0 20.0
폴리에틸렌 베이스의 커플링 5.0 5.0
몬탄 왁스 0.2 0.2
지방산 에스테르 0.3 0.3
상기한 바와 같이, 각각의 증점제의 사용 결과를 살펴보면, 실리카를 사용하였을 경우 생산성이 가장 좋았고 소광 효과까지도 뛰어나 최상의 제품(TPU 원사)을 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.
2. 단층 구조의 TPU 원사를 제조하는 단계
상기와 같은 조성물 및 제조방법으로 만들어진 TPU 컴파운드를 사용하여 단층 구조의 TPU 원사를 제조하는 방법은 도 2에 도시한 바와 같다.
상기 도 2를 참조하면, 전술한 방법으로 제조된 TPU 컴파운드와 색상별 마스터 배치를 혼합하여 압출기(바람직하게는, 공압출기)의 호퍼에 투입한 다음, 상기 TPU 컴파운드와 색상별 마스터 배치를 혼합하여 공압출기의 실린더 내부에서 150~250℃의 온도 및 50~150kgf의 압력으로 용융시킨다.
다음, 상기 공압출기에서 용융된 결과물(즉, TPU 컴파운드와 색상별 마스터 배치의 혼합물)은 다이스로 공급되며, 상기 다이스의 내부에서 50~250℃의 온도 및 50~150kgf의 압력으로 압출됨으로써 본 발명에 따른 단층 구조의 TPU 원사가 제조된다.
3. 다층 구조의 TPU 원사를 제조하는 단계
상기와 같은 조성물 및 제조방법으로 만들어진 TPU 컴파운드와 고경도의 TPU 또는 폴리에스테르 혹은 나일론 또는 아크릴 수지를 사용하여 다층 구조의 TPU 원사를 제조하는 방법은 도 3에 도시한 바와 같다.
상기 도 3을 참조하면, 전술한 방법으로 제조된 TPU 컴파운드를 공압출기의 호퍼에 투입하고, 이와 동시에 Shore 65D 이상의 경도이고 300kgf/㎠ 이상의 인장강도를 가지는 고경도 TPU와 색상별 마스터 배치를 또 다른 공압출기의 호퍼에 투입한다. 이때 상기 고경도 TPU 대신에 나일론 또는 폴리에스테르 혹은 아크릴 등 고경도 수지 중에서 어느 하나의 수지를 선택하여 상기 색상별 마스터 배치와 함께 공압출기의 호퍼에 투입할 수 있다.
이후, 상기 공압출기로 각각 투입된 저경도의 TPU 컴파운드는 200~280℃의 온도 및 50~150kgf의 압력으로 공압출기에서 용융되면서 다이스 쪽으로 공급되며, 이와 동시에 고경도 TPU와 마스터 배치는 150~250℃의 온도 및 50~150kgf의 압력으로 또 다른 공압출기에서 용융되면서 다이스 쪽으로 공급된다. 이때 상기 다이스는 도 3에서 보는 바와 같이 두 개의 공압출기에 함께 연결되어 있다.
다음, 상기 다이스로 공급된 저경도 TPU 컴파운드 및 고경도 TPU와 마스터 배치의 혼합물은 50~150kgf의 압력으로 동시에 압출되면서 다층 구조의, 바람직하게는 내부는 고경도 TPU로 형성되고 외부는 저경도 TPU로 형성된 다층 구조의 TPU 원사가 제조된다. 이때 상기 다이스를 통과할 때 내부는 200~280℃의 온도를 유지하고 외부는 150~250℃의 온도를 유지한다.
4. 단층 또는 다층 구조의 TPU 원사를 냉각시키는 단계
한편, 전술한 도 2와 도 3에서 보는 바와 같이, 단층 구조의 TPU 원사 또는 다층 구조의 TPU 원사는 공압출기의 다이스를 통과하면서 냉각단계를 거치게 되는데, 구체적으로는 도 4와 같이 수직냉각장치를 이용하여 냉각되거나 또는 도 5와 같이 수평냉각장치를 이용하여 냉각되어진다.
즉, 상기 도 4에 도시한 바와 같이 공압출기의 다이스를 통과한 TPU 원사(바람직하게는, 단층 구조의 TPU 원사 또는 다층 구조의 TPU 원사)는 냉각수가 담겨진 수조에서 1차 냉각 및 2차 냉각을 하게 되는데, 구체적으로는 10~15℃의 온도에서 1차, 2차 냉각된 다음, 자연 상태에서 3차 냉각된 후, 통상의 인취기에 권취된다.
이와 같이 공압출기에서 압출되는 TPU 원사의 냉각을 위해 수직으로 떨어지게 만들어 수조에서 1차 냉각 및 2차 냉각을 한 다음, 자연 공냉 상태에서 3차 냉각함으로써 인취에 문제가 없도록 하였다. 이때 TPU 수지의 종류에 따라 냉각수조의 온도 조절 및 인취 속도를 조절할 수 있다.
한편, 도 5에 도시한 바와 같이 수평냉각장치를 이용하여 TPU 원사를 냉각시키게 되는데, 구체적으로는 공압출기를 통해 압출되는 TPU 원사를 냉각수조에서 10~15℃의 온도로 1차 냉각시킨 다음, 자연 공냉 상태에서 2차 냉각시킨 후, 통상의 인취기를 통해 권취된다. 이때 상기 냉각수조는 공압출기의 다이스에 최대한 가깝게 배치되어 있으며, 또한 위와 같이 TPU 수지의 종류에 따라 냉각수조의 온도 조절 및 인취 속도를 조절할 수 있다.
본 발명은 열가소성 폴리우레탄 원사를 제조할 때 열가소성 폴리우레탄과 증점제(바람직하게는, 실리카 또는 탈크나 탄산칼슘 등의 무기물질)를 배합하기 때문에 종래의 폴리에스테르나 나일론으로 만들어진 원단에 비해 양호한 촉감 및 신축성을 구현할 수 있는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 다층 구조의 열가소성 폴리우레탄 원사를 제조함에 따라 안쪽은 고강도 TPU, 나일론, 폴리에스테르, 아크릴 수지 등으로 구성하고 바깥쪽은 저경도 TPU를 구성함으로써 강도와 촉감을 모두 구현할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 기존의 원단(즉, 폴리에스테르, 나일론, 아크릴 원사로 만들어진 원단)에 비해 우수한 내마모성을 가지고, 인장 강도 등의 기계적 물성 및 내구성을 향상시킬 수 있으며, 생활방수가 뛰어날 뿐만 아니라 우수한 열 성형성 및 접착성을 구현할 수 있는 장점이 있다.

Claims (1)

  1. 열가소성 폴리우레탄 원사의 제조방법에 있어서,
    열가소성 폴리우레탄와 증점제 및 가공활제를 혼합한 다음, 이를 용융하고 혼련시킨 후, 이를 다시 건조 및 숙성시켜 컴파운드로 제조하는 단계와;
    상기 컴파운드를 공압출기에 투입하고, 이와 동시에 {열가소성 폴리우레탄, 폴리에스테르, 나일론, 아크릴} 중에서 선택된 어느 하나의 수지를 다른 공압출기에 투입하여 내부는 상기 {열가소성 폴리우레탄, 폴리에스테르, 나일론, 아크릴} 중에서 선택된 어느 하나의 수지로 형성되고 외부는 상기 열가소성 폴리우레탄 컴파운드로 형성된 다층 구조의 열가소성 폴리우레탄 원사를 제조하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 열가소성 폴리우레탄 원사의 제조방법.
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