KR100208055B1 - 높은 강도, 높은 모듈러스 및 낮은 수축률 합성사를 제조하기 위한 방사 방법 - Google Patents

Abstract

유기 합성 용융 방사성 중합체를 방사시키기 위한 방법이 여기 공개되어 있다. 이 방법은 중합체를 방사구금을 통해 압출시키고; 방사구금으로부터의 필라멘트를 긴 구획을 통해 통과시키고; 필라멘트를 구획내 중합체의 유리전이 온도이상의 온도에서 유지시키고; 및 그후 필라멘트를 수렴시키는 단계를 포함한다.

대안적으로, 본 방법은 중합체를 방사구금을 통해 압출시키고; 상기 구획내 온도를 소정의 최대치부터 소정의 최소치까지 조절하기 위한 수단 또는 적어도 5 m의 길이를 갖는 긴 구획을 제공하고; 필라멘트를 구획을 통해 통과시키고; 및 그후 필라멘트를 수렴시키는 단계를 포함한다.

Description

높은 강도, 높은 모듈러스, 및 낮은 수축률의 합성사를 제조하기 위한 방사방법

제1도는 방사 공정의 개략적 입면도이다.

제2도는 연신 공정의 개략적 입면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 방사장치 12 : 압출기

14 : 방사비임 16 : 방사팩

17 : 스파저(sparger) 18 : 컬럼

19 : 원추태 20, 23 : 마감질 고리

21 : 배기구 22 : 고데 로울

24 : 인장 조절 권취기 30 : 크리일(creel)

34 : 공급 로울 36 : 열판

38 : 연신 로울

본 발명은 높은 강도, 높은 모듈러스, 및 낮은 수축률의 합성사를 제조하기 위한 방사공정에 관한 것이다.

섬유를 형성하는 용융방사성 합성 중합체가 도입된 이래, 섬유 제조업자들은 상기 중합체로 부터 제조된 섬유의 강도 및 안정성 성질을 증가시키기 위한 방법을 찾아 왔다. 섬유의 부가적 강도 및 안정성의 성질은 그들 제품이 용도 외의 적용에 대해서도 개방적이도록 하기 위하여 필요하다. 그러한 비 직물적 용도(공업적 용도로도 알려짐)로는 타이어 코오드; 재봉사; 범포지; 노상 구조물 또는 다른 geo-직물 용도에 사용되는 천, 웨브 또는 매트; 공업용 벨트; 복합재료; 건축용 직물; 호스 강화재; 적층 직물; 로우프 등을 포함한다.

원래, 레이온은 몇몇의 이러한 공업적 용도에 사용되었다. 이후, 나일론이 선택 재료로서 레이온을 대신하였다. 1970년도에, 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 같은 통상적인 폴리에스테르가 나일론에 대한 경쟁물로서 도입되었다. 1985년경에는, 보다 높은 성능, 즉 보다 높은 강도 및 보다 큰 안정성을 가진 폴리에스테르가 도입되었다.

하기에 요약된, 몇몇 선행 특허 기술에 대한 간단한 검토는 이러한 합성 섬유의 강도 및 안정성 성질을 향상시키기 위한 가능한 방법으로서 3가지의 일반적인 영역이 조사되었음을 나타낸다. 이러한 일반적인 영역은 연신(drawing)에 관한 공정; 중합체에 관한 공정; 및 방사(spinning)에 관한 공정을 포함한다. 이후, 용어 연신은 방적상태의 실에 적용되는 가열 및 인장(stretching)을 말한다. 용어 중합체에 대한 처리는 방사전 중합체에 행해지는 것들을 말한다. 용어 방사는 중합체로 부터 필라멘트를 형성하기 위한 공정으로서, 다만 연신을 배재한 공정을 의미한다.

연신에 관한 공정은 다음과 같다 :

미합중국 특허 제 3,090,997 호에서는, 타이어 코오드로서 사용하기 위한 폴리아미드의 다단계 연신이 공개되어 있다. 섬유(나일론)는 통상적인 방식으로 용융방사된다. 그후, 방적 섬유는 3-단계 공정(연신된 다음 가열되고, 그 다음 다시 연신됨)에서 연신되어 다음의 성질을 갖는 연신된 나일론을 얻는다 : 데니어 당 10.4-11.1 g(gpd) 범위의 직선강도; 12.9-17.1% 범위의 신장율; 및 48-71 gpd/100%의 초기 모듈러스.

미합중국 특허 제 3,303,169 호에서는, 높은 모듈러스, 높은 직선강도, 및 낮은 수축률의 폴리아미드사를 생성시키는 폴리아미드에 대한 1-단계 연신 공정이 공개되어 있다. 방적 폴리아미드는 연신되고, 적어도 115까지 가열되며, 5-8.7 gpd 범위내의 직선강도; 16.2-30.3% 범위의 신장율; 28-59 gpd/100% 의 초기 모듈러스; 및 3.5-15% 범위의 수축률을 갖는 실을 얻는다.

미합중국 특허 제 3,966,867 호에서는, 1.5-17의 상대 점도를 갖는 폴리에틸렌 테레프탈레이트에 대한 2-단계 연신 공정이 공개되어 있다. 첫번째 단계에서, 섬유는 70내지 100의 온도 및 3.8-4.2의 연신비에 적용된다. 두번째 단계에서, 섬유는 210내지 250의 온도 및 첫번째 연신비 및 두번째 연신비의 총계로서, 5.6-6.1 범위의 연신비에 적용된다. 얻어진 연신사는 다음의 성질을 갖는다 : 직선강도, 7.5-9.5 gpd; 신장율, 5 gpd의 하중에서 대략 2-5; 파단점 신장율, 9-15%; 및 수축률, 1-4%.

미합중국 특허 제 4,003,974 호에서는, 24-28의 HRV를 갖는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 방적사를 연신하는 동안 72-250까지 가열한 다음, 가열된 연신 로울 위로 통과시키고, 마지막으로 완화시킨다. 연신사는 다음 성질을 갖는다 : 직선강도, 7.5-9 gpd; 수축률, 약 4%; 파단점 신장율, 12-20%; 및 7%의 신장율에서의 3-5 gpd 의내부하력.

중합체에 대한 처리에 의해 향상된 실의 성질에 관한 그러한 공정들은 다음과 같다 :

미합중국 특허 제 4,690,866 호 및 제 4,867,963 호에서, 폴리에틸렌 테레프탈레이트의 고유 점도(I.V.)는 0.90 이상이다. 미합중국 특허 제 4,690,868 호에서 방적 상태(연신되지 않은)섬유의 성질을 다음과 같다 : 파단점 신장율, 52-193%; 복굴절, 0.0626-0.136; 및 결정도, 19.3-36.8%. 연신된 섬유의 성질은 다음과 같다: 직선강도, 5.9-8.3 gpd; 신장율; 10.1-24.4%; 및 건조수축률(210에서), 0.5-10.3%. 미합중국 특허 제 4,867,936 호에서, 연신된 섬유의 성질은 다음과 같다: 직선강도, 약 8.5. gpd; 파단점 신장율; 약 9.9%; 및 수축률(177에서), 약 5.7%.

방사에 관한 그러한 공정들은 다음과 같다.

미합중국 특허 제 3,053,611 호에서는, 방사구금을 떠난 후 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 2 m 길이의 방사 샤프트내에서 220까지 가열한다. 그 후, 두번째 샤프트내의 섬유상의 찬물을 분무한다. 섬유를 분당 1,600 미터의 속도(mpm)에서 취하고, 연이어 연신시켜 3.5 gpd의 직선강도를 얻는다.

미합중국 특허 제 3,291,800 호에서는, 폴리아미드를 방사구금으로 부터 방사시킨 다음 약 15까지 냉각시키고, 그 후 섬유에 생증기를 분무한다. 방적 상태의 섬유는 낮은 배향성 및 낮은 복굴절을 갖는다.

미합중국 특허 제 3,361,859 호에서는, 합성 유기 중합체를 섬유로 방사시킨다. 섬유가 방사구금을 나올 때, 이들에 조절 지연된 냉각을 적용시킨다. 이러한 냉각을 방사구금으로 부터 첫번째 17.8 cm(7 인치)에 걸쳐 수행한다. 상부(즉, 방사구금에 인접함)에서 온도는 300이고, 하부(즉, 방사구금으로 부터 대략 17.8 cm(7 인치))에서의 최저 온도는 132이다. 방적상태의 실은 잦은 복굴절(11내지 35×10^-3)을 가지며 연신사의 성질은 다음과 같다: 직선강도, 6.9-9.4 gpd; 최기 모듈러스, 107-140 gpd/100%; 및 파단점 신장율, 7.7-9.9%.

미합중국 특허 제 3,936,253 호 및 제 4,96,462 호에서는, 약 115-460범위의 온도를 갖는 가열된 덮개(Shroud)(15 cm (1/2 ft) - 60 cm(2 ft) 범위의 길이)의 사용을 공개하고 있다. 상기 특히 제 3,963,253 호에서, 온도는 덮개의 하부에서 보다 상부에서 더 높다. 이것의 연신사의 성질은 다음과 같다 : 직선강도, 9.25 gpd; 신장율, 약 13.5%; 및 수축률, 약 9.5%, 상기 특허 제 3,969,462 호에서, 온도는 덮개내에서 일정하고 연신사의 성질은 다음과 같다 : 직선 강도 8-11 gpd; 및 파단점 신장율, 12.5-13.2%.

미합중국 특허 제 3,946,100 호에서는, 섬유를 방사구금으로 부터 방시키시고 80미만의 온도에서 응고시킨다. 그 후 응고된 섬유를 중합체의 유리전이온도(Tg)내지 그의 용융온도 사이의 온도로 재가열한다. 이 가열된 섬유를 분당 1,000-6,000 미터의 속도를 가열 구획으로 부터 취출한다. 방적사의 성질은 다음과 같다 : 직선 강도 3.7-4.0 gpd; 초기 모듈러스, 70-76 gpd/100%; 및 복굴절, 0.1188-0.1240.

미합중국 특허 제 4,491,657 호에서는, 폴리에틸렌 멀티필라멘트사를 높은 속도로 용융 방사시키시고 응고시킨다. 응고는 연속적으로, 가열 구획 및 냉각 구획을 포함하는 구획내에서 일어난다. 가열 구획은 0.2-1.0 m 범위 길이의 배럴 모양의 가열기(중합체의 용융 온도내지 400범위의 온도)이다. 냉각 구획은 10내지 40에서 공기에 의해 냉각된다. 이 공정에 의해 제조된 연신사는 다음 성질을 갖는다 : 초기 모듈러스, 90-130 gpd; 및 8.7% 이하의 수축률(150에서).

미합중국 특허 제 4,702,871 호에서는, 섬유를 감압 챔버로 방사시킨다. 방적사의 성질은 다음과 같다 : 강도, 3.7-4.4 gpd; 복굴절 104.4-125.8(×10^-3); 및 160에서 15분 동안의 건열 수축, 4.2-5.9%.

미합중국 특허 제 4,869,958 호에서는, 섬유를 열 없이 방사시킨 다음 인취한다. 이 점에서, 섬유는 낮은 결정도를 가지나 매우 배향되어 있다. 그 후, 섬유를 열처리한다. 연신된 섬유의 성질은 다음과 같다 : 직선강도, 4.9-5.2 gpd; 초기 모듈러스, 92.5-96.6 gpd/100%; 및 신장율, 28.5-32.5%.

상기 특허들에 대한 검도는, 이러한 다양한 공정에 의해 생성된 섬유 중 몇몇이 높은 강도 또는 낮은 수축 성질을 가짐을 나타내고 있으나, 상기 특허의 어떠한 것도 높은 직선강도, 높은 초기 모듈러스, 및 낮은 수축률 모두를 갖는 그러한 연신사 또는 그의 제조 방법을 지침하고 있지는 않다.

그러한 연신사를 지침하는데 가장 근접한 특허는 본 발명의 양수인에게 양도된 관련 특허, 즉, 미합중국 특허 제 4,101,525 호 및 4,195,052 호이다. 이 특허에서, 폴리에틸렌 필라멘트(g 당 0.5-2.0 dl 의 고유 점도를 갖는 중합체)는 방사구금으로 부터 용융 방사된다. 용융된 필라멘트는 이들의 균일하게 퀀칭되고 고체 섬유로 변형되는 응고 구획을 통과한다. 고체 섬유는 실질적인 응력(0.015-0.15 gpd)하에 응고 구획으로부터 연신된다. 이러한 방적 상태의 고체 섬유는 비교적 높은 복굴절(약 9내지 70×10^-3)을 나타낸다. 방적 상태의 섬유는 그 후 연신되고, 연이어 열처리된다. 연신된 필라멘트의 성질을 다음과 같다: 직선강도, 7.5-10 gpd; 초기 모듈러스, 110-150 gpd 100%; 및 수축률, 175에서 공기중 8.5% 이하.

유기 합성 용융 방사성 중합체를 방사하기 위한 방법이 여기에 개시되어 있다. 이 방법은 방사구금을 통해 중합체을 압출시키고; 방사구금으로 부터의 필라멘트를 긴 구획을 통해 통과시키고; 필라멘트를, 구획내 약 3 m 또는 그 이상의 거리에 걸쳐 중합체의 유리전이온도 이상의 온도에서 유지시키고; 그 후 필라멘트를 수렴시키는 단계를 포함한다.

대안적으로, 본 방법은 중합체을 방사구금을 통해 압출시키고; 상기 구획내 온도를 소정의 최대치로 부터 소정의 최소치로까지 조절하기 위한 수단, 즉 적어도 5 m 의 길이를 갖는 긴 구획을 제공하고; 구획을 통해 필라멘트를 통과시키고; 후 필라멘트를 수렴시키는 단계를 포함한다.

본 발명을 예증하기 위한 목적으로, 현재 바람직한 방법의 도식이 도면으로 나타나 있으나, 본 발명은 나타낸 정확한 배열 및 수단에 제한되지 않는 것으로 이해된다.

높은 직선강도, 높은 초기 모듈러스, 및 낮은 수축률의 연신사 및 그러나 실을 방사시키는 방법이 이후 논의된다. 용어 실(또는 사) 또는 필라멘트 또는 섬유는 용융방사성 합성 유기 중합체로 부터 제조되는 임의의 섬유를 말한다. 그러한 중합체는 폴리에스테르 및 폴리아미드를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 그러나, 본 발명은, 예컨대 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), PET 및 폴라부틸렌 테레프탈레이트(PBT)의 블렌드, 및 다관능 단량체(예컨대, 펜타에리트리톨)와 가교된 PET 와 같은 폴리에스테르와 특별히 관련되어 있다. 상기 중합체는 모두 통상적인 첨가제를 포함할 수 있다. (PET 기재 중합체에 대한) 실의 I.V. 는 0.60내지 0.87 일 수 있다. 그러나, 본 발명은 중합체의 고유점도(I.V.)에 의존하지 않는다.

제1도를 참조하면, 방사장치(10)가 나타나 있다. 용융 중합체 칩용의 통상적인 압출기(12)가 통상적인 방사비임(14)과 유체 연결되어 있다. 방사비임(14)내에는 통상적인 방사팩(16)이 있다. 팩(16)은 고리 모양의 디자인일 수 있고, 이것은 당 분야에 공지된 바와 같이, 중합체를 미분 입자들의 베드를 통해 통과시키므로써 중합체를 여과시킨다. 팩(16)의 일부분으로서, 통상적인 방사구금(보이지 않음)이 포함된다. 팩을 통한 중합체의 유량을 시간당 약 4.5-25 kg(약 10-55 lb)의 범위일 수 있다. 25 kg(55 lb)의 상한도는 팩(16)의 물리적 치수에 의해서만 규정되며, 보다 큰 유량은 보다 큰 팩의 사용에 의해 얻어질 수 있다. 필라멘트당 스펀 데니어(gpf)는 3-20의 범위이고; 실에 대한 최적 성질 및 기계적 설질은 5-13 dpf로 나타난다.

임의로, 섬유는, 방사구금을 떠날 때, 뜨거운 불활성 기체(예컨대 공기)로 퀀칭될 수 있다. 미합중국 특허 제 4,378,325 호를 참조하라. 전형적으로, 기체는 약 230이고, 분당 약 6 표준 입방 피이드(scfm)로 제공된다. 공기가 너무 뜨거우면, 즉 260이상이면, 방적사의 성질은 상당히 열화된다.

가늘고 긴 컬럼(18)이 방사비임(14) 바로 밑에 꼭 맞게(즉, 공기가 통하지 않게) 장착된다. 컬럼은 약 5 m 또는 그 이상의 길이를 갖는 절연관을 포함한다. 아래에서 컬럼 길이에 대하여 보다 상세히 논의할 것이다. 관의내부 직경은 방사구금으로 부터 모든 필라멘트가 장애없이 관의 길이를 통과할 수 있도록 충분히 크다{예컨대, 30.5 cm(12 인치)이다}. 컬럼은 관내 온도가 그 길이를 따라 조절될 수 있도록 다수의 통상적인 밴드 가열기가 갖추어져 있다. 컬럼 온도에 대해서는 아래에서 보다 상세히 논의할 것이다. 컬럼은, 바람직하게, 보다 좋은 온도 조절을 위해 많이 분리된 온도 구획으로 세분된다. 총 4-7 개의 구획이 사용된다. 임의로 컬럼(18)은 컬럼내 온도를 조절하기 위해 사용되는 공기 스파저(sparger)(17)를 포함할 수 있다. 스파저(17)는 컬럼 주변에 불활성 기체를 균등하게 분포시키기 위해 고안된다.

컬럼(18)의 최하단 안쪽에는 다공성의 원추태(truncated cone)(19), 즉 공기 난류를 감소시키기 위한 수단이 있다. 바람직하게 91.5 cm(3 피이트)의 길이이고 최상단에서 관 직경과 동일한 넓이의 직경 및 하단에서 관 직경의 약 1/2의 직경을 갖는 원추태(19)는, 공기 난류로 인한 실선(thread line)내의 움직임이 실질적으로 감소되거나 또는 완전히 제거되도록, 밸브 있는 배기구(21)를 통해 관의 최하단으로 부터 공기를 배출시키기 위해 사용된다.

컬럼의 최하단 아래에서 실선이 수렴된다. 이러한 수렴은 마감질 고리(finish applicator)(20)에 의해 수행될 수 있다. 이것은 실이 방사구금을 떠난 후 갖게되는 첫번째 접촉이다.

컬럼의 길이, 개개 필라멘트의 비수렴, 및 컬럼내 공기 온도의 분포는 본 발명에서 특히 중요한 것이다. 온도 분포와 관련하여, 이것은 섬유가 컬럼의 상당한 길이(예컨대, 적어도 3 m)에 걸쳐 섬유의 Tg 이상의 온도에서 유지되도록 선택된다. 이 온도는 컬럼의 전 길이에 걸쳐 유지될 수 있으나, 권취된 필라멘트는 불안정할 것이다. 그러므로, 실제적 이유로 인해, 컬럼내 온도는 Tg 이하까지 감소되며, 그 결과 필라멘트는 권취되기전 결정 구조에 있어서 어떠한 더 이상의 변화도 거치지 않을 것이다. 바람직하게, 온도 분포는 어떠한 외부 열도 적용되지 않는다면 관내에서 설정되는 온도 분포를 반영하기 위해 선택된다. 그러나, 어떠한 외부 열도 없는 상황은 컬럼 온도에 영향을 주는 많은 변수로 인하여 비실제적이다. 그러므로, 온도 분포는 공정 중 변수로서의 온도를 배제하기 위해, 바람직하게 선형 방식으로 조절된다.

컬럼내 공기 온도는 밴드 가열기의 사용에 의해 조절된다. 바람직하게, 컬럼의 다수의 구획으로 나뉘고, 각 구획내 공기의 온도는 소정의 수치로 조절된다. 그러므로, 컬럼내 온도는 컬럼 길이에 걸쳐 변할 수 있다. 컬럼내 온도는 중합체의 방사 온도 만큼 높은 온도내지 중합체의 유리전이온도(Tg)(폴리에스테르의 Tg는 약 80임)또는 그 이하의 범위일 수 있다. 중합체의 방사 온도는 방사구금 주위에서, 즉 용융된 중합체가 방사구금을 나올 때 일어난다. 그런, 컬럼내 공기 온도는 바람직하게 약 155에서 약 50까지 조절된다. 분당 4300 m(14,000 ft)이하의 권취 속도에서, 방사구금에 인접한 첫번째 구획은 바람직하게 약 155의 온도로 조절되고, 방사구금으로 부터 가장 먼 구획은 약 50로 조절된다.

그러나, 직선형 온도 분포는 여기 공개된 이로운 결과를 산출시킬 유일한 온도 패턴은 아니다. 4300 mpm(14,000 fpm) 이상의 인취(또는 권취) 속도에서, 온도 분포(컬럼이 4개의 분리된 구획으로 나뉘어질 때)는 다음과 같을 수 있다 : (방사구금 아래로 부터 시작하여) 첫번째 구획- 약 105내지 약 110; 두번째 구획- 약 110내지 약 115; 세번째 구획- 약 125내지 약 130; 및 네번째 구획- 115내지 약 120.

컬럼 길이에 대해서는, 필라멘트의 수렴을 갖는 5 m의 최소 컬럼 길이(적어도 3 m에 대해 중합체 Tg 이상의 컬럼 온도를 가짐)가 이후 본 발명에서 필요한 것으로 보인다. 5-9 m 의 컬럼 길이가 본 발명에 적합하다. 9 m 의 상한도는 실제적인 한계이고, 실내 공간이 허용하는 한, 더 증가될 수 있다. 직선강도 성질을 최적화히기 위하여, 약 7 m 의 컬럼 길이가 바람직하다.

섬유는 컬럼(18)을 나온 후 수렴된다. 이 수렴은 마감질고리(20)의 사용에 의해 수행될 수 있다.

마감질{즉 마감질고리(20)에서}의 첫번째 적용 후, 실은 한쌍의 고데 로울(godet roll)(22) 둘레에 걸린다. 그 후, 두번째 마감질 적용이 행해질 수 있다(즉 마감질고리(23)에서). 첫번째 마감질 적용은 섬유상에 생긴 정전기를 감소시키기위해 행해질 수 있다. 그러나 이 마감질은 섬유가 고데 로울 상을 통과할 때 때때로 벗겨진다. 그러므로, 마감질은 고대 로울 통과 후 다시 적용될 수 있다.

그 후 섬유는 통상적인 인장 조절 로울 권취기(24) 상을 통과한다. 권취 속도는 전형적으로 3,000 mpm(9,800 fpm) 이상이고 최대 속도는 5,800 mpm(19,000 fpm)이다. 최적 범위는 약 3,200-4,100 mpm (약 10,500-13,500 fpm) 사이에 존재한다. 가장 바람직한 범위는 3200-3800 mpm (약 10,500-12,500 fpm) 사이에 존재한다. 3,000 mpm (9,800 fpm) 이하의 속도에서는, 실의 균일성 성질이 열화된다.

상기 공정에 의해 제조되는 방적상태 폴리에스테르사는, 일반적으로 비교적 작은 결정 및 상대적으로 높은 배향을 가짐을 특징으로 할 수 있다. 방적상태 실은 아래 논의된 독특한 연신사 성질을 가질 수 있도록 하는 것으로 생각된다.

방적상태 폴리에스테르사의 일반적인 특징을 정량화하기 위해, 작은 결정은 결정크기(으로 측정됨)의 용어로 정의되고, 배향은 다음의 용어 : 광학 복굴절; 무정형 복굴절; 또는 결정 복굴절 중 하나로 정의된다. 또한, 폴리에스테르 방적사는 결정크기 및 장기간 간격(결정간의 거리)의 용어로 특징화된다. 광범위한 용어로, 방적상태의 폴리에스테르사는 55이하의 결정 크기 및 0.090 이상의 광학 복굴절 또는 0.060 이상의 무정형 복굴절 또는 300이하의 장기간 간격을 가짐을 특징으로 할 수 있다. 보다 바람직하게, 방적상태의 폴리에스테르사는 약 20내지 약 55범위의 결정크기 및 약 0.090내지 0.140 범위의 광학 복굴절 또는 약 0.060내지 약 0.100 범위의 무정형 복굴절 또는 약 100내지 약 250범위의 장기간 간격을 가짐을 특징으로 할 수 있다. 가장 바람직하게, 방적상태의 폴리에스테르사는 43내지 54범위의 결정크기 및 약 0.100내지 0.130 범위의 광학 복굴절 또는 0.060내지 약 0.085 범위의 무정형 복굴절 또는 약 140내지 약 200범위의 장기간 간격을 가짐을 특징으로 할 수 있다.

통상의 당업자들에게 명백한 바와 같이, 방적사의 결정크기는 최적 권취 속도 범위에서 통상적인 실의 약 1/3이다. 결정 크기는 속도와 함께 증가하나 여전히 낮은 채로 유지된다. 방적사의 무정형 배향성은 매우 높으며, 정상의 약 2 배이다. 이 방적사는 그와 같은 높은 배향성 및 낮은 수축률을 가지며, 임의의 연신 없이 사용될 수 있다. 또한, 폴리에스테르 방적사는 다음과 같은 성질을 갖는다 : 10-43% 의 결정 함량(즉, 밀도로써 측정되는 결정도 수준); 약 1.7-5.0 gpd 의 방적사 직선 강도; 10-140 gpd/100% 범위의 방적사 모듈러스; 약 5-45% 의 고온 공기 수축률; 및 50-160% 의 신장율.

그 후, 방적사는 연신된다. 제2도를 참조하라. 1 단계 또는 2 단계 연신 조작이 사용될 수 있다. 그러나, 두번째 단계는 부가적인 이점을 거의 또는 전혀 제공하지 않는 것으로 판단되었다. 방사 조작은 연신 조작과 직접적으로 연결될 수 있을 것이다. (즉, 방사/연신 공정).

방적상태의 실은 크리일(creel)(30)로 부터 주위 온도내지 약 150까지 가열될 수 있는 공급 로울(34) 상으로 공급될 수 있다. 그 후, 섬유는 주위 온도내지 대략 255에서 가열될 수 있는 연신 로울(38) 상으로 공급된다. 가열되는 로울을 구할 수 없다면, 180내지 245로 가열되 수 있는 열판(36)을 사용할 수 있다. 열판(36){15.2 cm(6 인치)의 굽은 접촉 표면을 가짐}을 연신 구역, 즉, 공급 로울(34)과 연신 로울(38) 사이에 놓는다. 연신 속도는 분당 75-300 m 범위이다. 전형적인 연신비는 약 1.65(분당 약 3,800 미터로 제조된 방적사에 대해)이다. 가장 높은 인장 강도를 제공하는, 최적의 공급 로울의 온도는 약 90인 것으로 밝혀졌다. 최적의 연신 로울의 온도는 약 245이다. 열판이 사용되는 경우, 최적 온도는 약 240내지 245이다. 연신 로울의 온도는 열 공기 수축률에 대해 약간의 조절을 부여한다. 일반적으로, 낮은 수축률은 최상으로 처리된 코오드 안정성 등급을 야기시키므로 바람직하다. 그러나, 적어도 하나의 목적 용도인 범포지는, 보다 높은 연신사 수축률을 요하며, 이 수축률은 보다 낮은 연신 로울 온도로써 조절될 수 있다.

이상을 근거로, 연신사의 성질은 다음과 같이 조절될 수 있다 : 직선강도는 데니어 당 4.90-10.8 g 범위일 수 있다. 신장율은 7%내지 대략 80% 범위일 수 있다. 초기 할선 모듈러스(secant modulus)는 60-170 gpd/100% 범위일 수 있다. 고온 공기 수축률(177에서)은 6%내지 15% 이다. 섬유 다발의 데니어는 125-1100 의 범위일 수 있고(숫자 1100 은 토우(two)들을 함께 플라이(plying)시키므로써 얻어질 수 있음), 필라멘트 당 데니어는 1.5-6 dpf 범위이다. 그러한 실은 고무 타이어의 섬유 강화재로서 사용될 수 있다.

상기 방법에 따라 제조된 폴리에스테르(즉, PET), 즉 연신사는 데니어 당 150 g/100 이상의 초기 할선 모듈러스를 얻을 수 있다. 게다가, 이 실은 또한 8% 이하의 수축률을 가질 수 있거나, 데니어 당 7.5 g 이상의 직선강도를 가질 수 있다.

폴리에스테르 연신사의 한가지 바람직한 실시 양태는 다음을 특징으로 할 수 있다 : 데니어 당 적어도 8.5g의 직선강도; 데니어 당 적어도 150g/100% 의 초기 모듈러스, 및 6% 이하의 수축률. 폴리에스테르 연신사의 또다른 바람직한 실시 양태는 다음을 특징으로 할 수 있다 : 데니어 당 적어도 10g 의 직선강도; 데니어 당 적어도 120g/100% 의 초기 모듈러스, 및 적어도 6% 이하의 수축률. 폴리에스테르 연신사의 또다른 바람직한 실시 양태는 다음을 특징으로 할 수 있다 : 데니어 당 약 9내지 약 9.5g 범위의 직선강도; 데니어당 약 150-158 g/100% 범위의 초기 모듈러스, 및 적어도 7.5% 이하의 수축률.

상기 방법에 따라 제조된 어떠한 연신사도, 다음의 최종 용도에 사용될 수 있다 : 타이어 코오드; 봉제사; 범포지; 노상 구조 또는 다른 geo-방직섬유 적용에 사용되는 천, 웨브 또는 매트, 공업용 벨트; 복합 재료; 건축용 직물; 호스 강화제; 적층 직물; 로우프 등.

본 발명 및 연속되는 실시예에 대한 이후의 논의에 사용될, 하기 중요한 시험들은 다음과 같이 수행되었다.

직선강도란 ASTM D-2256-80에서 정의된 바와 같은 파단 직선강도를 말한다.

초기 모듈러스(또는 초기 할선 모듀러스)는 ASTM D-2256-80, 섹션 10.3에 의해 정의되나, 다만 여기서 응력 변형도 곡선의 초기 직선 부분을 나타내는 선은 응력 변형도 곡선 상의 0.5% 및 1.0% 의 신장율 지점을 통과하는 할선으로 정의 됨을 예외로 한다.

모든 다른 인장 성질은 ASTM D-2256-80 에서 정의된 바와 같다.

수축률(HAS)은 ASTM D-885-85에 의해 177±1로 유지된 고온 공기 환경에서의 직선 수축률로서 정의된다.

밀도, 결정크기, 장기간 간격, 복굴절, 및 무정형 복굴절은 미합중국 특허 제 4,134,882 호에 제시된 바와 같다. 구체적으로, 상기된 것의 각각은 미합중국 특허 제 4,134,882 호 : 밀도 - 컬럼 8, 라인 60; 결정크기 - 컬럼 9, 라인 6; 장기간 간격 - 컬럼 7, 라인 62; 결정 복굴절 - 컬럼 11, 라인 12; 및 무정형 복굴절 - 컬럼 11, 라인 27 에서, 또는 그 부근에서 발견할 수 있다.

복굴절(광학 복굴절 또는 Δn) 은 미합중국 특허 제 4,101,525 호, 컬럼 5, 라인 4-46에서 제시된 바와 같다. Bi CV 는 10 개의 측정된 필라멘트로 부터 계산된 필라멘트 간의 광학 복굴절 변수의 계수이다.

여기서 언급된 다른 시험은 통상적인 방법에 의해 수행된다.

이제 본 발명을 보다 충분히 예증할 실시예를 참조해야 한다.

[실시예 1]

실험 시행의 하기 세트에서, 통상적인 폴리에스테르 중합체(PET, IV-0.63)를 방사시켰다. 방사 속도는 380 mpm(12,500 fpm)으로 부터 5800 mpm(19,000 fpm)까지 증가되었다. 컬럼 길이는 6.4 m 였고 4 개의 온도 조절 구획으로 나뉘었다. 온도 각 구획의 중심에서 벽에 가까운 공기 온도를 측정하므로써 조절하였다. 중합체를 285에서의 방사비임 및 40 개 구멍의 방사구금{구멍 크기는 0.023 cm(0.009인치)×0.033 cm(0.013 인치)}을 통해 시간당 10.4 kg(22.9 lb)의 속도로 압출시켰다. 섬유는 퀀칭시키지 않았다. 방적 섬유를 연신시키지는 않았으나, 열처리를 했다. 결과는 표 1에 제시되어 있다.

[실시예 2]

실험 시행의 하기 세트에서, 통상적인 폴리에스테르(PET, IV-0.63)를 방사시켰다. 컬럼 온도(공기 온도, 구획의 중심)를 나타낸 바와 같이 변화시켰다. 컬럼 길이는 6.4m 였다. 중합체를 300에서의 방사비임 및 72 개의 구멍의 방사구금{구멍 크기 0.023 cm(0.009 인치) ×0.030 cm(0.012 인치)}을 통해 시간당 10.5 kg(23.1 lb)의 속도로 압출시켰다. 섬유는 퀀칭시키지 않았다. 방적 섬유를 연속적으로 연신시켰다(나타낸 바와 같이). 결과는 표 2에 제시되어 있다.

시험 시행의 상기 세트에서(즉, 표 2에 제시된 것), 번호 4, 5, 6 및 7 은 본 발명을 나타낸다.

[실시예 3]

시험 시행의 하기 세트에서, 통상적인 폴리에스테르(PET, IV-0.63)를 방사시켰다. 섬유를 3200 mpm(10,500 fpm)의 속도로 권취시켰다. 중합체를 72 개 구멍의 방사구금{구멍 크기 0.023 cm(0.009 인치) ×0.030 cm(0.012 인치)} 및 300의 방사비임을 통하여 시간당 8.8 kg(19.5 lb)의 속도로 압출시켰다. 섬유를 232에서 6.5 scfm 의 공기로 퀀칭시켰다. 컬럼은 6.4 m 길이였고, 구획의 중앙에서 다음의 공기 온도 분포 (하향 순서로) : 135; 110; 92; 및 83를 갖는 4 개의 구간으로 나누어졌다. 방적사는 다음 성질을 가졌다: 데니어-334; 직선강도 4.09 gpd; 신장율 71.7%; 초기 모듈러스-55.0 gpd/100%; 고온 공기 수축률-176.7(350)에서 11.8%; 우스터 1.10; I.V.-0.647; FOY-0.35%; 복굴절-110×10^-3; 및 결정도-21.6%.

표 3a 에서는, 연신사의 성질에 미치는 연신비의 효과를 나타내고 있다.

표 3b 에서는, 연신 중 가열 방법의 효과를 나타내고 있다 (연신비는 1.65 였고 실은 완화되지 않았다).

표 3c 에서는, 보다 높은 연신 온도 및 연신비의 효과가 나타나 있다(공급 로울은 주위 온도에 있고 연신 로울은 240에 있다).

[실시예 4]

시험 시행의 하기 세트에서, 종래의 폴리에스테르(PET, IV-0.92)를 방사시켰다. 시행 번호 1-5에서, 섬유를 미합중국 특허 제 4,101,525 호 및 제 4,195,052 호에 제시된 방법에 따라 방사시키고 연신시켰다. 번호 6-9 는 다음과 같이 제조되었다 :

0.92의 I.V. 에 의해 특징되는 분자량을 가진 PET 를 0.001% 또는 그 이하의 수분 수준까지 건조시켰다. 이 중합체를 압출기내에서 용융시키고 295의 온도까지 가열시킨 후, 계량 펌프에 의해 방사 팩으로 보냈다. 이 팩은 고리 모양의 디자인으로서, 중합체를 미분된 금속 입자의 베드를 통해 통과시키므로써 중합체를 여과시켰다. 여과 후, 중합체를 80 개 구멍의 방사구금을 통해 압출시켰다. 각 방사구금의 구멍은 0.610 mm의 모세관 길이 및 0.457 mm 직경의 원형 단면을 가졌다.

9 m 길이의 절연 가열된 관을 팩 아래에 꼭맞게 장착하고, 멀티필라멘트 방사 실선을, 임의의 가이드 표면과 접촉시키거나 수렴시키기 전에, 상기 관의 전 길이를 통과시켰다. 관은 온도 조절을 목적으로 그 길이를 7 개의 구획으로 나누었다. 개개의 조절기는 이들 구획 각각의 중심에서 공기 온도를 맞추기 위해 사용되었다. 관 주위의 외부 가열기 및 공정 열의 조합을 사용하여, 이 관의 수직 거리 아래로 균일한 공기 온도 분포를 가지도록 하기 위해 개개 조절기 세팅을 선택했다. 전형적인 상황에서, 공기의 온도는 관의 상부 구획에서 155였고, 온도는 하부에서의 50까지 대략 균일한 기울기로 감소하였다.

관의 대략 10 cm 아래에서, 실선은 수렴 가이드 및 실이 마주치는 첫번째 접촉물로서도 작용하는 마감질 고리와 접촉되었다. 관의 출구에 마감질 가이드가 근접해 있음으로 인하여, 수렴되지 않은 실의 단면은 매우 작았다. 이것은 매우 작은 구경이 사용되는 것을 허용하므로써, 관으로부터 잃게 되는 고온 공기의 양을 최소화했다.

방사 마감질의 적용, 실은 한쌍의 고데 로울 및 그 후 인장 조절된 권취기에 걸렸다. 권취 속도는 전형적으로 3200-4100 mpm 범위에 있다.

이 실의 연신은 두번째 단계에서 수행되었고, 여기서 방적상태의 실은 한 세트의 예비 인장 로울을 거쳐 80-150로 맞추어진 온도로 유지되는 가열된 공급 로울로 보내졌다. 그 후 실을 이들 로울과 180-255범위내에서 선택된 설정 지점에서 유지되는 한세트의 연신 로울 사이에서 연신시켰다. 3800 mpm에서 제조된 방적사에 대한 전형적인 연신비는 1.65 일 것이며, 보다 높거나 낮은 속도에서 방사된 샘플들은, 각각 보다 낮거나 보다 높은 연신비를 요구한다.

결과는 표 4에 제시되어 있다.

[실시예 5]

0.92 의 I.V. 에 의해 특징되는 분자량을 갖는 폴리에스테르를 0.001% 의 수분 수준까지 건조시켰다. 이 중합체를 압출기내에서 용융시키고 295의 온도까지 가열시킨 후, 이 용융뮬을 계량 펌프에 의해 방사팩으로 보냈다. 미분된 금속 입자들의 베드내에서의 여과 후, 중합체를 80 개 구멍의 방사구금을 통해 압출시켰다. 각 방사구금의 구멍은 0.457 mm 의 직경 및 0.610 mm 의 모세관 길이를 가졌다. 압출시 이 중합체의 측정된 I.V. 는 0.84 였다.

압출된 중합체를 9 m 길이의 가열된 원기둥형 공동으로 방사시켰다. 이 관의 전 길이에 걸쳐 거의 직선 온도 분포(기울기)가 유지되었다. 상부 구획의 중심에서 공기 온도는 155였고 관의 하부에서 온도는 50였다. 멀티필라멘트사 다발은 가열된 관의 출구 바로 아래에서 마감질 가이드와 접촉한 후 수렴되었다. 이 지점으로 부터 실은 한 쌍의 고데 로울에 의해 인장 조절된 권취기로 보내졌다. 이러한 조건 하에서 일련의 4 개의 방적사를 서로 다른 방사(권취) 속도에서 제조하였다. 이 실들은 표 5a 에서 A 내지 D로서 언급한다.

또다른 일련의 시험에서, 가열된 관은 몇몇 제거 가능한 구획을 제거하므로써 짧아졌다. 표 5a 에서 예 E 및 F 를 7 및 5 미터의 컬럼을 통해 방사시켰다. 서로 다른 분자량(I.V.'s)을 갖는 다른 중합체들을 또한 예 G 및 H를 제공하기 위해 이 시스템 상에서 방사시켰다. 표 5a에서 , 예 I는 보다 낮은 컬럼 온도가 사용되는 경우를 나타낸다. 이 경우, 컬럼의 하부 방향으로 125내지 50의 직선 기울기기 설정되었다.

일련의 A 내지 I에서의 모든 방적사들을 주위 공급 고울 및 245연신 로울을 사용하여 단일 단계 공정으로 연신시켰다.

또다른 일련의 시험에서, 예 A에서 기술된 것과 동일한 방적사를 서로 다른 공급 로울 온도를 사용하여 연신시켰다. 이 실들을 시험한 결과는 표 5b 에서 예 A, J 및 K로 나타나 있다.

[실시예 6]

하기 시험 시행에서, 종래의 중합체 나일론을 본 발명의 방법에 따라 방사시키고, 통상적인 방법에 의해 제조된 나일론과 비교하였다.

본 발명의 방법에 의해 제조된 나일론을 다음 조건 하에 방사시켰다 : 처리량-시간당 16.8 kg (37 lb); 방사 속도 -720 mpm (3362 fpm); 데니어 -3500; 필라멘트수 -68; 방적사 상대 점도 -3.21 (HSO) 또는 68.4 (HCOOH 당량); 퀀칭 공기 -72 scfm; 권취 인장 80 g; 컬럼 길이 -7.32 m (24 ft); 컬럼 상부 온도 240및 하부 48. 이 실의 방적 상태의 성질은 다음과 같았다. 직선 강도 -0.95 gpd; 신장율 235%; TE1^/2-14.6. 그 후 실을 다음 조건 하에서 연신시켰다 : 연신비 3.03; 연신 온도 90. 연신사의 성질은 다음과 같다 : 직선 강도 6.2 gpd; 신장율 -70% TE^/2-52; 10% 모듈러스 -0.87 gpd; 371(400)에서의 고온 공기 수축률(HAS) -1.4%.

하나의 비교 나일론을 다음의 통상적인 방식으로 방사시켰다 : 처리량-시간당 10.6 kg (23.4 lb); 방사 속도 -257 mpm (843 fpm); 데니어 -5556; 필라멘트 수 -180; 방적사 상대 점도 -3.3 (H₂SO₄) 또는 72.1 (HCOOH 당량); 퀀칭 -150 scfm. 그 후, 실을 다음 조건 하에서 연신시켰다. 연신비 -2.01; 연신 온도 -90. 연신사의 성질은 다음과 같다 : 직선 강도 3.8 gpd; 신장율 -89% TE^/3-33; 10% 모듈러스 -0.55 gpd.

또다른 비교용 실을 다음의 통상적인 방식으로 방사시켰다 : 처리량 -시간당 26.1 kg (57.5 lb); 방사 속도 -320 mpm (1048 fpm); 데니어 -12400; 필라멘트 수 -240; 방적사 상대 점도 -42(HCOOH 당량); 퀀칭 공기 -150 scfm; rm 후, 실을 다음 조건 하에서 연신시켰다. 연신비 -3.60; 연신 온도 -110. 연신사의 성질은 다음과 같다 : 직선 강도 -3.6 gpd; 신장율 -70% TE^/2-30.1; 10 % 신장율에서의 모듈러스 -0.8 gpd; HAS (370(400)에서) -2.0%.

[실시예 7]

하기 실시 시행에서, 저 I.V. (예컨대 0.63) 및 고 I.V. (예컨대 0.92)의 통상적인 폴리에스테르(PET) 방적 상태의 실을, 미합중국 특허 제 4,134,882 호에서 제시한 방적 상태의 실과 비교한다. 실시예 1-8 은 저 I.V. 폴리에스테르(PET)이고, 실시예 1에 제시된 방식으로 제조된다. 실시예 9-11 은 고 I.V. 폴리에스테르(PET)이고, 실시예 5에서 제시된 방식으로 제조된다. 실시예 12-17 은 미합중국 특허 제 4,134,882 호의 예 1, 5, 12, 17, 36 및 20 에 상응한다.

각 실시예에 대해, 방사 속도 (fpm), 밀도 (gms/cc), 결정 크기 (, 0.10), 장기간 간격 (LPS), 복굴절(biref.), 결정 복굴절 및 무정형 복굴절이 제시되어 있다. 결과는 표 6에 나타나 있다.

본 발명은 그 정신 또는 그것의 근본적인 특질로부터 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있으며, 따라서 본 발명의 범위를 나타냄에 있어서, 상기 명세서 보다 첨부된 특허 청구의 범위를 참조하여야 한다.

Claims (17)

1. 방사구금을 통해 중합체를 압출시키고; 방사구금으로부터의 필라멘트를 긴 구획을 통해 통과시키고; 필라멘트를 구획내에서 3 m 또는 그 이상의 거리에 걸쳐 중합체의 유리전이온도 이상의 온도에서 유지시키고; 그 후 필라멘트를 수렴시키는 단계를 포함하여 구성되는 유기 합성 용융 방사성 중합체를 방사시키기 위한 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 중합체는 폴리에스테르이며, 수렴 후 3000 m/분(min) 이상의 속도로 필라멘트를 권취시키는 단계를 더욱 포함하여 구성되는 방법.
3. 제1항에 있어서, 필라멘트가 3-10 필라멘트 당 방적 데니어를 갖도록 필라멘트를 방사구금으로부터 방사시키는 단계를 더욱 포함하여 구성되는 방법.
4. 제1항에 있어서, 필라멘트가 방사구금을 떠날 때 필라멘트를 뜨거운 기체로 퀀칭시키는 단계를 더욱 포함하여 구성되는 방법.
5. 제4항에 있어서, 260이하의 온도를 갖는 뜨거운 기체로 퀀칭시키는 단계를 더욱 포함하여 구성되는 방법.
6. 제1항에 있어서, 구획내 온도가 중합체 방사 온도의 최대치로 부터 주위 온도의 최소치까지 구획의 전 길이에 걸쳐 조절되는, 5 m 이상의 길이를 갖는 긴 구획을 통해, 방사구금으로 부터의 필라멘트를 통과시키는 단계를 포함하여 구성되는 방법.
7. 제6항에 있어서, 구획내 온도가 방사구금 가까이의 155로부터 방사구금으로 부터 먼 곳의 50까지 조절되는 긴 구획을 통해, 방사구금으로 부터의 필라멘트를 통과시키는 단계를 포함하여 구성되는 방법.
8. 제7항에 있어서, 구획내 온도가 방사구금 가까이의 155로부터 방사구금으로 부터 먼 곳의 50까지 조절되고, 상기 가가운 곳과 먼 곳 사이의 온도가 직선 방식으로 감소되는 긴 구획을 통해, 방사구금으로 부터의 필라멘트를 통과시키는 단계를 포함하여 구성되는 방법.
9. 제1항에 있어서, 5내지 9 m 범위의 길이를 갖는 긴 구획을 통해 방사구금으로 부터의 필라멘트를 통과시키는 단계를 포함하여 구성되는 방법.
10. 제2항에 있어서, 3000 m/분내지 5795 m/분의 속도로 필라멘트를 권취시키는 단계를 더욱 포함하여 구성되는 방법.
11. 제2항에 있어서, 3200 m/분내지 4120 m/분의 속도로 필라멘트를 권취시키는 단계를 더욱 포함하여 구성되는 방법.
12. 제2항에 있어서, 방사구금 가까이의 첫번째 부분에서 105내지 110범위의 온도를 갖고, 첫번째 구획 옆의 두번째 구획에서 110내지 115범위의 온도를 갖고; 두번째 구획 옆의 세번째 구획에서 125내지 130범위의 온도를 가지며; 세번째 구획 옆의 네번째 구획에서 115내지 120범위의 온도를 갖는, 4 개의 부분으로 나뉘어진 긴 구획을 통해 방사 구금으로 부터의 필라멘트를 통과시킨 후, 4270 m/분 이상의 속도로 필라멘트를 권취시키는 단계를 더욱 포함하여 구성되는 방법.
13. 필라멘트 형성 수단을 통해 중합체를 압출시키고; 5 m 이상의 길이를 갖는 긴 구획을 제공하고; 상기 긴 구획을 통해 상기 필라멘트 형성 수단으로 부터의 필라멘트를 통과시키고; 그 후 필라멘트를 수렴시키는 단계를 포함하여 구성되는, 유기 합성 용융 방사성 중합체를 방사시키는 방법.
14. 필라멘트 형성 수단을 통해 중합체를 압출시키고; 구획내 온도를 소정의 최대치로부터 소정의 최소치까지 조절하기 위한 수단을 갖는 긴 구획을 제공하고; 상기 긴 구획을 통해 상기 필라멘트 형성 수단으로 부터의 필라멘트를 통과시키고; 그 후 필라멘트를 수렴시키는 단계를 포함하여 구성되는, 유기 합성 용융 방사성 중합체를 방사시키는 방법.
15. 제14항에 있어서, 긴 구획내의 온도가 직선 방식으로 조절되는 방법.
16. 제2항에 있어서, 55이하의 결정 크기 및 0.090 이상의 광학 복굴절 또는 0.060 이상의 무정형 복굴절 또는 300이하의 장기간 간격에 의해 특징되는 필라멘트가 제조되는 방법.
17. 제2항 또는 제18항에 있어서, 10내지 43% 의 결정 함량, 데니어 당 1.7내지 5.0 g 의 방적사 직선 강도, 데니어 당 10-140g/100% 범위의 방적사 모듈러스, 5내지 45%의 고온 공기 수축율, 및 50내지 160%의 신장율에 의해 특징되는 필라멘트가 제조되는 방법.