KR100402839B1

KR100402839B1 - 고강력 폴리에틸렌 나프탈레이트 섬유

Info

Publication number: KR100402839B1
Application number: KR10-2001-0025459A
Authority: KR
Inventors: 조은래; 최송주; 이종
Original assignee: 주식회사 효성
Priority date: 2001-05-10
Filing date: 2001-05-10
Publication date: 2003-10-22
Also published as: US6511747B1; DE10220380B4; TWI222474B; JP2002339161A; TR200201295A2; FR2826379A1; CN1195110C; FR2826379B1; KR20020085935A; DE10220380A1; JP3655577B2; CN1397669A

Abstract

본 발명은 고강력 폴리에틸렌 나프탈레이트 섬유에 관한 것으로, (A) 고유점도가 0.90 내지 1.00 범위인 고상중합 폴리에틸렌-2,6-나프탈레이트 칩을 400 내지 900의 방사 드래프트비로 용융방사하여 용융방출사를 생성하는 단계, (B) 이 용융방출사를 냉각구역을 통과시켜 고화시키는 단계, (C) 미연신사의 복굴절율이 0.005 내지 0.025가 되도록 하는 방사속도로 사를 권취하는 단계, 및 (D) 권취된 사를 총연신비 6.5 이상으로 하고 제2단계 연신의 온도를 150 내지 180℃로 하여 다단연신시키는 단계를 포함하는 방법에 따라 제조된 연신 폴리에틸렌 나프탈레이트 섬유는 고강력 및 개선된 물성을 가지며, 이로부터 형성된 처리 코드는 우수한 치수안정성 및 강도를 가져 고무제품의 보강재로서 유용하게 사용된다.

Description

고강력 폴리에틸렌 나프탈레이트 섬유{POLYETHYLENE NAPHTALATE FIBER OF HIGH STRENGTH}

본 발명은 타이어의 섬유 보강재로서 특히 유용한 고강력 폴리에틸렌 나프탈레이트 섬유에 관한 것으로, 본 발명의 사는 우수한 치수안정성(dimensional stability) 및 강도(tenacity)를 갖는 처리 코드(treated cord)를 제공한다.

폴리에틸렌-2,6-나프탈레이트는 큰(bulky) 구조의 나프탈레이트 단위를 가짐으로써 폴리에틸렌 테레프탈레이트에 비해 유리전이온도, 결정화온도, 용융온도 및 용융점도가 높기 때문에, 방사시 방사성의 향상을 위해, 즉 방사시 용융물의 용융점도를 낮추기 위해 통상적인 방사온도(310 내지 320℃)보다 상대적으로 높은 온도에서 방사되어 왔다.

그러나, 높은 온도로의 방사는 용융물의 열분해를 초래하여 연신작업성을 떨어뜨리고 상당한 수준의 고유점도의 저하를 가져오기 때문에, 폴리에틸렌-2,6-나프탈레이트 중합체를 사용하여 고강력 원사(原絲)를 제조하는 것이 어려웠다(일본 공개특허 소47-35318호, 소48-64222호 및 소50-16739호 참조).

이에, 일본 특허 제 2945130 호는 방사온도를 높이는 대신 방사속도 및 방사 드래프트비(draft ratio)를 조절하고 연신시 단계별 연신온도를 조절함으로써 고강도 및 고탄성율의 폴리에틸렌-2,6-나프탈레이트 섬유를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 이 방법에 의하면, 균일한 방사가 어려울 뿐 아니라, 제1단계 연신의 온도가 150℃를 초과함으로써 사폭이 벌어져 정상적인 연신이 어렵다는 문제가 있었다.

이에, 본 발명자들은 예의 연구한 결과, 저온 용융방사를 수행하면서도 폴리에틸렌-2,6-나프탈레이트 중합체 자체의 품질을 방사에 적합하게 조절하고 방사 드래프트비 및 연신온도를 적정화함으로써 물성이 우수한 고강력 폴리에틸렌-2,6-나프탈레이트 섬유를 제조할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 우수한 치수안정성 및 강도를 가진 타이어 코드의 제조에 유용한, 개선된 물성을 갖는 고강력 폴리에틸렌 나프탈레이트 섬유를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시양태에 따른 폴리에틸렌 나프탈레이트 섬유 제조공정의 개략도이고,

도 2는 도 1의 공정 중 이용되는 팩의 종단면도이다.

<도면 부호에 대한 간단한 설명>

1 : 팩 2 : 노즐

3 : 냉각구역 4 : 방출사

L : 후드 길이 5 : 유제 부여장치

6 : 공급 롤러 7, 8, 9 및 10 : 연신 롤러

11 : 최종 연신사(원사) 12 : 몸체

13 : 상부 분산판 14 : 중합체 도관

15 : 하부 분산판 16 : 여과층

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는,

(A) 에틸렌-2,6-나프탈레이트 단위를 95 몰% 이상 함유하고 망간 및 안티몬 금속을 각각 30 내지 70 ppm 및 180 내지 300 ppm 포함하며 고유점도가 0.90 내지 1.00 범위인 고상중합 폴리에틸렌-2,6-나프탈레이트 칩을 400 내지 900의 방사 드래프트비로 용융방사하여 용융방출사를 생성하는 단계,

(B) 이 용융방출사를 냉각구역을 통과시켜 고화시키는 단계,

(C) 미연신사의 복굴절율이 0.005 내지 0.025가 되도록 하는 방사속도로 사를 권취하는 단계, 및

(D) 권취된 사를 총연신비 6.5 이상으로 하고 제2단계 연신의 온도를 150 내지 180℃로 하여 다단연신시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조되는, 하기의물성을 갖는 폴리에틸렌 나프탈레이트 섬유를 제공한다;

(1) 0.70 내지 0.77의 고유점도, (2) 9.5g/d 이상의 강도, (3) 9.5% 이상의 신도, (4) 0.45 이상의 복굴절율, (5) 1.355 내지 1.368의 밀도, (6) 270 내지 275℃의 융점, 및 (7) 2 내지 3%의 수축율.

이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명에 사용되는 폴리에틸렌 나프탈레이트 칩은 최소한 95 몰%의 에틸렌-2,6-나프탈레이트 단위를 함유하며, 바람직하게는 에틸렌-2,6-나프탈레이트 단위만으로 구성된다.

본 발명에 따른 폴리에틸렌 나프탈레이트 칩은, 바람직하게는 나프탈렌-2,6-디메틸카르복실레이트(NDC)과 에틸렌글리콜 원료를 2.0 내지 2.3의 비율로 190℃에서 용융혼합하고, 이 용융혼합물을 에스테르 교환반응(220 내지 230℃에서 약 2 내지 3시간 동안) 및 축중합반응(280 내지 290℃에서 약 2 내지 3시간 동안)시켜 고유점도 0.42 내지 0.50 수준의 로우 칩(raw chip)을 만든 후, 240 내지 260℃의 온도 및 진공하에서 0.90 내지 1.00의 고유점도 및 30 ppm 이하의 수분율을 갖도록 고상중합된다.

에스테르 교환반응시, 에스테르 교환반응 촉매로서는 망간 화합물, 바람직하게는 망간 아세테이트를 최종 중합체 중의 망간 금속으로서의 잔존량이 30 내지 70 ppm이 되도록 하는 양으로 첨가할 수 있는데, 이 양이 30 ppm보다 적으면 에스테르 교환반응속도가 너무 느려지고, 70 ppm보다 많으면 필요 이상의 망간 금속이 이물질로 작용하여 고상중합 및 방사시 문제가 된다.

축중합 반응시, 중합촉매로서는 안티몬 화합물, 바람직하게는 삼산화 안티몬을 최종 중합체 중의 안티몬 금속으로서의 잔존량이 180 내지 300 ppm이 되도록 하는 양으로 첨가할 수 있는데, 이 양이 180 ppm보다 적으면 중합반응속도가 느려져 중합효율이 저하되고, 300 ppm보다 많으면 필요 이상의 안티몬 금속이 이물질로 작용하여 방사연신 작업성을 떨어뜨린다. 또한, 이때 인계 내열안정제, 바람직하게는 트리메틸포스페이트를 최종 중합체 중의 인 원소로서의 잔존량이 35 내지 45 ppm이 되도록 하는 양으로 첨가할 수 있으며, 망간/인 함량비는 2.0 이하로 한다. 망간/인 함량비가 2.0보다 높으면 고상중합시 산화가 촉진되어 방사시 정상적인 물성을 수득할 수 없게 되므로 2.0 이하로 조절하는 것이 바람직하다.

이와 같이 제조된 폴리에틸렌 나프탈레이트 칩을 본 발명의 방법에 따라 섬유화하며, 도 1은 이러한 본 발명의 하나의 실시양태에 따른 제조공정을 개략적으로 도시한다.

단계 (A)에서, 폴리에틸렌 나프탈레이트 칩을 팩(1) 및 노즐(2)을 통해 300 내지 318℃의 온도에서 400 내지 900의 방사 드래프트비(최초 권취롤러 위에서의 선속도/노즐에서의 선속도)로 저온 용융방사함으로써 열분해 및 가수분해에 의한 중합체의 점도의 저하를 방지할 수 있다. 방사 드래프트비가 400보다 작으면 필라멘트 단면 균일성이 나빠져 연신작업성이 현저히 떨어지고, 900을 초과하면 방사 중 필라멘트 파손이 발생하여 정상적인 원사를 생산하기 어렵게 된다.

도 2는 본 발명에 사용되는 팩(2)의 종단면도를 나타내는 도면으로서, 팩(2)을 구성하는 몸체(12)로부터 상부 분산판(13)의 여과층(16) 직전까지 3개 이상의유니트(unit)를 갖는 스태틱 믹서를 중합체 도관(14) 내에 설치하여 하부 분산판(15)과 노즐(2)을 통해 방사되는 중합체를 고르게 혼합시킴으로써 중합체의 부위별 용융점도의 균일성을 높여 방사 작업성을 향상시킬 수 있다.

단계 (B)에서, 상기 단계 (A)에서 생성된 용융방출사(4)를 냉각구역(3)을 통과시켜 고화시키는데, 필요에 따라, 노즐(2) 직하에서 냉각구역(3) 시작점까지의 거리, 즉 후드 길이(L)에 가열장치를 설치할 수 있다. 이 구역을 지연 냉각구역 또는 가열구역이라 칭하는데, 300 내지 500 mm의 길이 및 350 내지 400℃의 온도를 가질 수 있다. 냉각구역(3)에서는 냉각공기를 불어주는 방법에 따라 오픈 냉각(open quenching)법, 원형 밀폐 냉각(circular closed quenching)법 및 방사형 아웃플로우 냉각(radial outflow quenching)법 등을 적용할 수 있으나, 이것으로 제한되지는 않는다. 이어, 냉각구역(3)을 통과하면서 고화된 방출사(4)를 유제 부여장치(5)에 의해 0.5 내지 1.0%로 오일링할 수 있다.

단계 (C)에서, 공급 롤러(6)에서 미연신사의 복굴절율이 0.005 내지 0.025가 되도록 하는 방사속도로 사를 권취하며, 바람직한 방사속도는 300 내지 700 m/분이다. 미연신사의 복굴절율이 0.005보다 작으면 방사시 방사장력이 걸리지 않아 사도가 불안정하게 되어 균일한 미연신사를 얻기가 어렵고, 0.025를 초과하면 연신성이 떨어져 후연신이 어려워 고강력사를 제조하기가 어렵다.

단계 (D)에서, 공급 롤러(6)를 통과한 사를, 일단 권취한 후 별도의 연신공정을 이용하여, 또는 바람직하게는 스핀드로우(spin draw) 공법으로 일련의 연신 롤러(7, 8, 9 및 10)를 통과시키면서 다단연신시킴으로써 최종 연신사(11)를 수득하는데, 이때 제2단계 연신의 온도를 150 내지 180℃로 조절한다. 보다 구체적으로는, 먼저 1 내지 10%의 프리드로우(free draw)를 준 다음, 130 내지 150℃에서 5 내지 7배로 제1단계 연신을 행하고, 150 내지 180℃에서 1.2 내지 2.0배로 제2단계 연신을 행할 수 있으며, 제1단계 연신시 고배율 연신의 균일성을 높이기 위하여 스팀제트 공법을 적용할 수 있다. 이어, 통상적인 방법에 따라, 연신이 완료된 사를 220 내지 240℃의 온도로 열고정(heat setting)하고 2 내지 4%로 이완(relax)시킬 수 있다.

본 발명의 방법에 따라 제조된 연신 폴리에틸렌 나프탈레이트 섬유는 0.70 내지 0.77의 고유점도, 9.5 g/d 이상의 강도, 9.5% 이상의 신도, 0.45 이상의 복굴절율, 1.355 내지 1.368의 밀도, 270 내지 275℃의 융점 및 2 내지 3%의 수축율을 갖는다.

또한, 본 발명에 따르면, 제조된 연신사는 통상적인 처리방법에 의해 처리 코드로 전환될 수 있다. 예를 들면, 1500데니어의 연신사 2가닥을 390turns/m(일반적인 폴리에스테르 처리 코드 기준 꼬임 수)로 상하연(plying and cabling)하여 코드 사를 제조하고, 이 코드 사를 1차로 딥핑 탱크(dipping tank)에서 접착액(예: 이소시아네이트+에폭시 수지, 또는 PCP(파라클로로페놀) 수지+RFL(레소르시놀-포르말린-라텍스))에 침적한 다음 건조 지역(drying zone)에서 130∼160℃로 1.0∼4.0% 연신하에 150∼200초간 건조하고 고온 연신 지역(hot stretching zone)에서 235∼245℃로 2.0∼6.0% 연신하에 45∼80초간 열고정한 후, 2차로 다시 접착액(예: RFL)에 침적한 다음 140∼160℃로 90∼120초간 건조하고 235∼245℃로 -4.0∼2.0%연신하에 45∼80초간 열고정함으로써, 4.5% 이하의 E_2.25(2.25g/d에서의 신장율)+FS(자유수축율) 및 6.8g/d 이상의 강도를 갖는 처리 코드를 제조할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 고강력 폴리에틸렌 나프탈레이트 섬유로부터 형성된 처리 코드는 치수안정성 및 강도가 우수하여 타이어 및 벨트 등의 고무제품의 보강재로서 또는 기타 산업적 용도로서 유용하게 사용될 수 있다.

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀더 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 한정하지는 않으며, 본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조된 사 및 처리 코드의 각종 물성 평가는 다음과 같은 방법으로 실시하였다.

(1) 고유점도(I.V.)

페놀과 1,1,2,3-테트라클로로에탄올을 6:4의 무게비로 혼합한 시약(90℃)에 시료 0.1g을 농도가 0.4g/100ml 되도록 90분간 용해시킨 후 우베로데(Ubbelohde) 점도계에 옮겨담아 30℃ 항온조에서 10분간 유지시키고, 점도계와 흡인장치(aspirator)를 이용하여 용액의 낙하 초수를 구했다. 용매의 낙하 초수도 동일한 방법으로 구한 다음, 하기 수학식 1 및 2에 의해 R.V.값 및 I.V.값을 계산하였다.

상기 식에서, C는 용액 중의 시료의 농도(g/100ml)를 나타낸다.

(2) 강신도

인스트론(Instron) 5565(인스트론사제, 미국)를 이용하여, ASTM D 885의 규정에 따라 표준 상태(20℃, 65% 상대습도)하에서 250mm의 시료 길이, 300mm/분의 인장속도 및 80turns/m의 조건으로 강신도를 측정하였다.

(3) 밀도

23℃의 온도에서 크실렌/사염화탄소 밀도구배관을 이용하여 시료의 밀도(ρ)를 구하였다. 이때, 밀도구배관은 1.34∼1.41 g/cm²범위의 밀도를 가지며 ASTM D 1505의 규정에 따라 제조된 것을 사용하였다.

(4) 수축율

시료를 20℃, 65% 상대습도의 표준 상태하에서 24시간 이상 방치한 후 0.1g/d에 상당하는 중량을 달아 길이(L₀)를 측정하고, 무장력 상태하에서 드라이 오븐을 이용하여 150℃하에서 30분간 처리한 다음 꺼내어 4시간 이상 방치한 후 하중을 달아 길이(L)를 측정하여 하기 수학식 3에 의해 수축율을 계산하였다.

(5) 중간신도

강신도 S-S 커브 상에서 원사는 하중 4.5g/d에서의 신도를, 처리 코드는 하중 2.25g/d에서의 신도를 측정하여 중간신도로 하였다.

(6) 치수안정성

처리 코드의 치수안정성(%)은 타이어 측벽 결각화(Side Wall Indentation, SWI) 및 핸들링에 관계되는 물성으로서 주어진 수축율에서의 높은 모듈러스로 정의되고, E_2.25(2.25g/d에서의 신장율)+FS(자유수축율)는 서로 다른 열처리과정을 거친 처리 코드에 대한 치수안정성의 척도로서 유용하며 낮을수록 더 우수한 치수안정성을 나타낸다.

(7) 복굴절율

베레크 보상기(Berek compensator)가 구비된 편광현미경을 사용하여 복굴절율을 측정하였다.

(8) 융점

가루 상태로 잘게 자른 2mg의 시료를 팬(pan)에 담아 밀봉한 후, 퍼킨엘머 DSC를 사용하여 질소하에서 상온에서 290℃까지 분당 20℃씩 승온하면서 용융흡열 피크가 최대가 되는 온도를 융점으로 하였다.

실시예 1

망간 및 안티몬 금속을 각각 40 및 220 ppm 포함하는 고유점도(I.V.) 0.95, 망간/인 함량비 1.8 및 수분율 20 ppm의 고상중합 폴리에틸렌 나프탈레이트 칩을 제조하였다. 제조된 칩을 압출기를 사용하여 316℃의 온도에서 440g/분의 토출량 및 550의 방사 드래프트비로 용융방사하였다. 이때, 5개의 유니트를 갖는 스태틱 믹서를 팩의 중합체 도관 내에 설치하여 용융방사되는 중합체를 고르게 혼합시켰다. 이어, 방출사를 노즐 직하 길이 40cm의 가열구역(분위기온도 370℃) 및 길이 530mm의 냉각구역(20℃, 0.5m/초의 풍속을 갖는 냉각공기 취입)을 통과시켜 고화시킨 다음 방사 유제로 오일링하였다. 이 미연신사를 380m/분의 방사속도로 권취하고, 5% 프리드로를 준 다음 2단 연신시켰다. 제1단계 연신은 150℃에서 5.6배로, 제2단계 연신은 170℃에서 1.2배로 수행하고, 230℃에서 열고정하고 3% 이완시킨 다음 권취하여 1500데니어의 최종 연신사(원사)를 제조하였다.

제조된 원사 2가닥을 390 turns/m로 상하연하여 코드 사를 제조한 후, 이 코드 사를 딥핑 탱크에서 (PCP 수지+RFL)의 접착액에 침적한 다음 건조 지역에서 170℃로 1.5% 연신하에 150초간 건조하고 고온 연신 지역에서 240℃로 4% 연신하에 150초간 열고정한 후, 다시 RFL에 침적한 다음 240℃로 100초간 건조하고 240℃로-1% 연신하에 40초간 열고정시켜 처리 코드를 제조하였다.

이와 같이 제조된 연신사 및 처리 코드의 물성을 평가하여 하기 표 1에 나타내었다.

실시예 2 내지 5 및 비교예 1 내지 7

칩의 고유점도, 망간/인 함량비, 방사온도, 방사 드래프트비, 가열구역의 길이 또는 온도, 또는 미연신사의 복굴절율을 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 변화시키면서 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실험을 수행하여 연신사 및 처리 코드를 제조하였다.

본 발명에 따른 폴리에틸렌 나프탈레이트 섬유는 고강력을 비롯한 개선된 물성을 가지며, 이 사로부터 형성된 처리 코드는 치수안정성 및 강도가 우수하여 타이어 및 벨트 등의 고무제품의 보강재로서 또는 기타 산업적 용도로서 유용하게 사용될 수 있다.

Claims

(A) 에틸렌-2,6-나프탈레이트 단위를 95 몰% 이상 함유하고 망간 및 안티몬 금속을 각각 30 내지 70 ppm 및 180 내지 300 ppm 포함하며 고유점도가 0.90 내지 1.00 범위인 고상중합 폴리에틸렌-2,6-나프탈레이트 칩을 400 내지 900의 방사 드래프트비로 용융방사하여 용융방출사를 생성하는 단계,

(B) 이 용융방출사를 냉각구역을 통과시켜 고화시키는 단계,

(C) 미연신사의 복굴절율이 0.005 내지 0.025가 되도록 하는 방사속도로 사를 권취하는 단계, 및

(D) 권취된 사를 총연신비 6.5 이상으로 하고 제2단계 연신의 온도를 150 내지 180℃로 하여 다단연신시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조되는, 하기의 물성을 갖는 폴리에틸렌 나프탈레이트 섬유:

(1) 0.70 내지 0.77의 고유점도, (2) 9.5g/d 이상의 강도, (3) 9.5% 이상의 신도, (4) 0.45 이상의 복굴절율, (5) 1.355 내지 1.368의 밀도, (6) 270 내지 275℃의 융점, 및 (7) 2 내지 3%의 수축율.
제 1 항에 있어서,

인을 추가로 포함하며 망간/인의 함량비가 2.0 이하인 고상중합 폴리에틸렌-2,6-나프탈레이트 칩을 사용하는 것을 특징으로 하는 방법에 의해 제조되는 폴리에틸렌 나프탈레이트 섬유.
제 1 항에 있어서,

단계 (B)에서 냉각구역 직전에 이웃하여 분위기온도가 350 내지 400℃이며 길이가 300 내지 500mm인 가열구역을 설치하는 것을 특징으로 하는 방법에 의해 제조되는 폴리에틸렌 나프탈레이트 섬유.
제 1 항의 폴리에틸렌 나프탈레이트 섬유 2가닥을 상하연하고 레소르시놀-포르말린-라텍스(RFL)로 처리하여 얻어지는, 하기의 물성을 갖는 처리 코드:

(a) 4.5% 이하의 E_2.25(2.25g/d에서의 신장율)+FS(자유수축율), 및 (b) 6.8g/d 이상의 강도.
제 4 항의 처리 코드가 보강재로서 혼입된 고무제품.