KR100959867B1 - Method for producing ultra high strength polyethylene fiber and ultra high strength polyethylene fiber produced therefrom - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초고강도 폴리에틸렌 섬유의 제조방법 및 이로부터 제조된 초고강도 폴리에틸렌 섬유에 관한 것으로, 상기 제조방법은 중량평균분자량 20만 내지 500만의 폴리에틸렌을 비휘발성 유기 화합물의 제1용제와 혼합하여 17 내지 23 dl/g의 고유점도를 갖는 겔 용액을 형성하는 단계; 상기 겔 용액을 다이스로 방사하여 겔 섬유를 형성하는 단계; 상기 겔 섬유를 휘발점에 가까운 고온의 액체상의 휘발성 유기 화합물의 제2용제에 침지하여 냉각시키는 단계; 및 상기 냉각된 겔 섬유에 대하여 기체상의 휘발성 유기 화합물의 제2용제를 제트 분사하여 제1용제를 추출하는 동시에 상기 겔 섬유를 30:1 내지 50:1의 연신비로 연신하는 단계를 포함한다.The present invention relates to a method for preparing an ultra high strength polyethylene fiber and to an ultra high strength polyethylene fiber prepared therefrom, wherein the method for preparing an ultra high strength polyethylene fiber is obtained by mixing polyethylene having a weight average molecular weight of 200,000 to 5 million with a first solvent of a nonvolatile organic compound. Forming a gel solution having an inherent viscosity of 23 dl / g; Spinning the gel solution with a die to form gel fibers; Immersing and cooling the gel fibers in a second solvent of a liquid volatile organic compound having a high temperature near a volatilization point; And extracting the first solvent by jet spraying a second solvent of a gaseous volatile organic compound to the cooled gel fibers and simultaneously stretching the gel fibers in a draw ratio of 30: 1 to 50: 1.
본 발명에 따른 제조방법에 의하면 고강도 및 고신도 등의 우수한 기계적 특성과 함께 뛰어난 내약품성을 갖는 초고강도 폴리에틸렌 섬유를 제조할 수 있다. According to the production method according to the present invention it is possible to produce an ultra-high strength polyethylene fiber having excellent chemical resistance with excellent mechanical properties such as high strength and high elongation.
초고강도 폴리에틸렌, 강도, 신도 Ultra High Strength Polyethylene, Strength, Elongation
Description
본 발명은 초고강도 폴리에틸렌 섬유의 제조방법 및 이로부터 제조된 초고강도 폴리에틸렌 섬유에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고강도 및 고신도 등의 우수한 기계적 특성과 함께 뛰어난 내약품성을 갖는 초고강도 폴리에틸렌 섬유를 제공할 수 있는 초고강도 폴리에틸렌 섬유의 제조방법 및 이로부터 제조된 초고강도 폴리에틸렌 섬유에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing an ultra high strength polyethylene fiber and to an ultra high strength polyethylene fiber prepared therefrom, and more particularly, to provide an ultra high strength polyethylene fiber having excellent chemical resistance along with excellent mechanical properties such as high strength and high elongation. The present invention relates to a method for producing an ultra high strength polyethylene fiber and an ultra high strength polyethylene fiber produced therefrom.
고강도 폴리에틸렌 섬유는 고강도, 고신도 등의 우수한 기계적 특성과 뛰어난 내약품성 등의 우수한 화학적 특성에 의하여 여러 분야에서 다양한 용도로 종래부터 널리 사용됐다.High-strength polyethylene fiber has been widely used in various fields in various fields due to its excellent mechanical properties such as high strength and high elongation and excellent chemical properties such as excellent chemical resistance.
이러한 고강도 폴리에틸렌 섬유를 제조하는 방법으로서 초고연신법, 고체상태압출법, 대역연신법, 겔 방사법 등이 있으나, 이 중 대량생산이 가능한 겔방사법 이 널리 행해지고 있다.As a method for producing such a high strength polyethylene fiber, there are an ultra-high stretching method, a solid state extrusion method, a band stretching method, a gel spinning method, etc. Among these, a gel spinning method capable of mass production is widely used.
상기 겔 방사법은 초고분자량 폴리에틸렌을 비휘발성의 제1용제에 혼합하여 겔용액을 형성하고, 냉각조내 방사를 통해 겔 섬유를 형성하고, 휘발성의 제2용제를 이용하여 상기 비휘발성 제1용제를 제거하고 겔섬유를 연신하는 단계로 이루어진다.In the gel spinning method, ultra-high molecular weight polyethylene is mixed with a nonvolatile first solvent to form a gel solution, gel fibers are formed through spinning in a cooling bath, and the nonvolatile first solvent is removed using a volatile second solvent. And stretching the gel fibers.
이 과정에서 초고분자량의 폴리에틸렌이 가는 섬유에 선상으로 길게 늘어서게 되어 결국 섬유를 끊기 위해서는 수많은 분자의 연결고리를 매우 끊어야 하므로 높은 강도를 가지게 되는 것이다.In this process, ultra-high molecular weight polyethylene is lined with thin fibers in a long line, and in order to break the fiber, it is necessary to break the linkage of many molecules very much and thus has high strength.
그러나 종래에 사용되던 휘발성 용매로서는 고강도 폴리에틸렌 섬유를 용해하는 비휘발성 용매를 완전하게 추출할 수 없을 뿐만 아니라 휘발성 용매와 비휘발성 용매의 분리가 어려워 재사용할 수 없는 문제가 있었다.However, as a volatile solvent used in the related art, not only the non-volatile solvent dissolving high-strength polyethylene fibers can be completely extracted but also the separation of the volatile solvent and the non-volatile solvent is difficult and cannot be reused.
또한 상기 제조방법에 의하여 제조된 섬유는 응고 및 연신의 과정에서 내재적으로 발생하는 크리프(creep) 및 스트레스를 가지고 있어 크랙(crack)에 의한 파손의 요인이 되며, 그리고 제1용제가 완전히 제거되지 못한 상태에서는 충분한 강성을 가질 수 없게 된다.In addition, the fiber produced by the manufacturing method has a creep and stress inherently generated during the solidification and stretching process, causing a breakage due to cracks, and the first solvent is not completely removed In the state, it cannot have sufficient rigidity.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 분자량이 수십만 내지는 수백만 몰에 해당하는 초고분자량 폴리에틸렌(UHMwPE -Ultra High Molecular Weight PE)을 이용하여 초고강도, 고신도 등의 우수한 기계적 특성과 뛰어난 내약품성 등을 갖는 섬유를 제조할 수 있는 초고강도 폴리에틸렌 섬유의 제조방법을 제공하고자 한다.The present invention is to solve the above problems, by using ultra-high molecular weight polyethylene (UHMwPE -Ultra High Molecular Weight PE) of the molecular weight of several hundred thousand to millions of moles excellent mechanical properties and excellent resistance such as ultra high strength, high elongation An object of the present invention is to provide a method for producing an ultra high strength polyethylene fiber capable of producing a fiber having chemical properties and the like.
본 발명은 또한 비휘발성의 제1용제를 완전히 제거하는 동시에 섬유내 크리프(creep) 및 스트레스를 제거할 수 있는 초고강도 폴리에틸렌 섬유의 제조방법을 제공하고자 한다.It is another object of the present invention to provide a method for producing ultra high strength polyethylene fiber which can remove creep and stress in the fiber while completely removing the nonvolatile first solvent.
본 발명은 또한 상기 제조방법에 의해 제조된 초고강도 폴리에틸렌 섬유를 제공하고자 한다.The present invention also provides an ultra high strength polyethylene fiber produced by the above production method.
다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other technical problems will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, In order to achieve the above object, the present invention,
중량평균분자량 20만 내지 500만의 폴리에틸렌을 비휘발성 유기 화합물의 제1용제와 혼합하여 17 내지 23 dl/g의 고유점도를 갖는 겔 용액을 형성하는 단계; Mixing a weight average molecular weight of 200,000 to 5 million polyethylene with a first solvent of a nonvolatile organic compound to form a gel solution having an inherent viscosity of 17 to 23 dl / g;
상기 겔 용액을 다이스로 방사하여 겔 섬유를 형성하는 단계; Spinning the gel solution with a die to form gel fibers;
상기 겔 섬유를 휘발점에 가까운 고온의 액체상의 휘발성 유기 화합물의 제2용제에 침지하여 냉각시키는 단계; 및 Immersing and cooling the gel fibers in a second solvent of a liquid volatile organic compound having a high temperature near a volatilization point; And
상기 냉각된 겔 섬유에 대하여 기체상의 휘발성 유기 화합물의 제2용제를 제트 분사하여 제1용제를 추출하는 동시에 상기 겔 섬유를 30:1 내지 50:1의 연신비로 연신하는 단계Jetting a second solvent of a gaseous volatile organic compound to the cooled gel fibers to extract the first solvent and stretching the gel fibers at a draw ratio of 30: 1 to 50: 1.
를 포함하는 초고강도 폴리에틸렌 섬유의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing ultra high strength polyethylene fiber comprising a.
또한 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 초고강도 폴리에틸렌 섬유를 제공한다.In another aspect, the present invention provides an ultra-high strength polyethylene fiber produced by the above production method.
기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.Other specific details of embodiments of the present invention are included in the following detailed description.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 초고강도 폴리에틸렌 섬유 제조방법에 의하면 초고강도, 고신도 등의 우수한 기계적 특성과 함께 뛰어난 내약품성 등을 가지는 초고강도 폴리에틸렌 섬유를 제조할 수 있다. 이러한 초고강도 폴리에틸렌 섬유는 방탄복, 안전장갑, 의학용, 각종 로프, 헬멧, 스키판 등 여러 분야에서 다양한 용도로 사용될 수 있다.As described above, according to the ultra-high strength polyethylene fiber manufacturing method of the present invention, it is possible to produce ultra-high strength polyethylene fiber having excellent mechanical resistance such as ultra high strength and high elongation and excellent chemical resistance. Such ultra high strength polyethylene fibers can be used in various applications in various fields such as body armor, safety gloves, medical, various ropes, helmets, ski boards.
또한 본 발명의 제조방법에 따르면 겔 섬유로부터 제1용제를 완전하게 제거하는 동시에 크리프(creep) 및 스트레스 발생을 제거할 수 있다.In addition, according to the manufacturing method of the present invention, it is possible to completely remove the first solvent from the gel fiber and to remove creep and stress generation.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것이고, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, this is presented as an example, whereby the present invention is not limited and the present invention is defined only by the scope of the claims to be described later.
본 명세서에 있어서 특별한 언급이 없는 한 "초고분자량"이란 중량평균 분자량 20만 이상을 의미하며, "초고강도"란 30g/d 이상의 강도를 갖는 것을 의미한다.Unless otherwise specified in the present specification, "ultra high molecular weight" means a weight average molecular weight of 200,000 or more, and "ultra high strength" means having an intensity of 30 g / d or more.
또한 본 명세서에서 "총연신비"란 1단 고뎃롤러에서 권취롤러까지의 롤러중 최고 롤러속도를 1단 고뎃롤러 속도를 나눈 값을 의미한다.In addition, in this specification, "total draw ratio" means the value obtained by dividing the maximum roller speed by one stage high roller speed among rollers from single stage high roller to winding roller.
본 발명의 일 구현예에 따른 초고강도 폴리에틸렌 섬유의 제조방법은Ultra high strength polyethylene fiber manufacturing method according to an embodiment of the present invention
중량평균분자량 20만 내지 500만의 폴리에틸렌을 비휘발성 유기 화합물의 제1용제와 혼합하여 17 내지 23 dl/g의 고유점도를 갖는 겔 용액을 형성하는 단계(S1); Mixing a weight average molecular weight of 200,000 to 5 million polyethylene with a first solvent of a nonvolatile organic compound to form a gel solution having an inherent viscosity of 17 to 23 dl / g (S1);
상기 겔 용액을 다이스로 방사하여 겔 섬유를 형성하는 단계(S2); Spinning the gel solution with a die to form gel fibers (S2);
상기 겔 섬유를 휘발점에 가까운 고온의 액체상의 휘발성 유기 화합물의 제2용제에 침지하여 냉각시키는 단계(S3); 및 Immersing and cooling the gel fiber in a second solvent of a high temperature liquid volatile organic compound near a volatilization point (S3); And
상기 냉각된 겔 섬유에 대하여 기체상의 휘발성 유기 화합물의 제2용제를 제트 분사하여 제1용제를 추출하는 동시에 상기 겔 섬유를 30:1 내지 50:1의 연신비로 연신하는 단계(S4)Jet spraying a second solvent of a gaseous volatile organic compound on the cooled gel fibers to extract the first solvent and stretching the gel fibers at a draw ratio of 30: 1 to 50: 1 (S4)
를 포함하는 초고강도 폴리에틸렌 섬유 제조방법을 제공한다.It provides an ultra-high strength polyethylene fiber manufacturing method comprising a.
이하 본 발명의 초고강도 폴리에틸렌 섬유 제조방법에 대하여 각 단계별로 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the ultra high strength polyethylene fiber manufacturing method of the present invention will be described in more detail in each step.
(S1) 겔 용액 형성 단계(S1) gel solution forming step
먼저, 비휘발성의 유기 화합물 제1용제를 이용하여 초고분자량 폴리에틸렌을 용해하여 겔 용액을 형성한다(S1). First, the ultrahigh molecular weight polyethylene is dissolved using a nonvolatile organic compound first solvent to form a gel solution (S1).
상기 초고분자량 폴리에틸렌은 반복단위가 에틸렌으로만 이루어진 폴리에틸렌 호모폴리머(homopolymer)이거나, 또는 그 반복단위가 실질적으로 에틸렌으로 이루어지고, 알켄 등 상기 에틸렌과 공중합 가능한 다른 모노머가 5몰% 이하로 공중합된 공중합체(copolymer)이다.The ultra-high molecular weight polyethylene is a polyethylene homopolymer having only repeating units made of ethylene, or the repeating unit consists essentially of ethylene, and air copolymerized with 5 mol% or less of other monomers copolymerizable with ethylene such as alkene. It is a copolymer.
상기 초고분자량 폴리에틸렌은 20만 이상의 중량평균분자량을 갖는 것으로, 바람직하게는 20만 내지 500만의 중량평균분자량을 갖는 것이 좋다. 상기 범위를 벗어나 중량평균분자량이 지나치게 작은 경우 폴리머 체인의 말단기수가 증가하여 최종 제조되는 폴리에틸렌 섬유에 있어서 취약부로 작용하게 되어 고강도 특성을 얻기 어렵다. 따라서 상기 범위 내의 중량평균분자량을 갖는 폴리에틸렌을 사용하는 것이 바람직하다.The ultra high molecular weight polyethylene has a weight average molecular weight of 200,000 or more, and preferably has a weight average molecular weight of 200,000 to 5 million. If the weight average molecular weight is out of the range is too small, the number of end groups of the polymer chain is increased to act as a weak part in the final polyethylene fiber is difficult to obtain high strength properties. Therefore, it is preferable to use polyethylene having a weight average molecular weight within the above range.
또한 상기 폴리에틸렌은 중량평균분자량에 대한 수평균분자량의 비(Mw/Mn비)가 10 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 5 내지 8의 Mw/Mn비를 갖는 것이 좋다. 상기와 같이 좁은 분자량 분포를 가질 때 보다 우수한 강도특성을 갖는 폴리에틸렌 섬유를 제조할 수 있다.In addition, the polyethylene preferably has a ratio (Mw / Mn ratio) of the number average molecular weight to the weight average molecular weight of 10 or less, and more preferably 5 to 8 Mw / Mn ratio. When having a narrow molecular weight distribution as described above it can be produced a polyethylene fiber having superior strength characteristics.
상기 제1용제로는 비휘발성 유기 화합물을 사용할 수 있는데, 바람직하게는 대기압 하에서 비점이 350℃ 이상, 보다 바람직하게는 350 내지 500℃인 탄화수소계 유기 화합물을 사용하는 것이 좋다. 상기와 같은 특성을 갖는 제1용제는 초고분자량 폴리에틸렌에 대한 용해성이 우수하고, 이후 추출 공정에서 제2용제에 의해 용이하게 추출될 수 있으며 또한 재사용이 가능할 뿐만 아니라 화재 위험 등이 없어 취급성이 우수하다.As the first solvent, a nonvolatile organic compound may be used. Preferably, a hydrocarbon-based organic compound having a boiling point of 350 ° C. or higher and more preferably 350 to 500 ° C. under atmospheric pressure is used. The first solvent having the above characteristics is excellent in solubility in ultra high molecular weight polyethylene, and can be easily extracted by the second solvent in the subsequent extraction process, and can be reused, and there is no fire risk, so it is excellent in handling. Do.
구체적으로 상기 제1용제로는 자이렌, 톨루엔, 플루오렌 등과 같은 방향족 탄화수소; 트리클로로벤젠 등의 방향족 염화탄화수소; 데카린; 테트라린; 파라핀유; 석유계 광유; 미네랄 오일 등을 사용이 가능하다.Specifically, the first solvent may be an aromatic hydrocarbon such as xylene, toluene, fluorene, or the like; Aromatic hydrocarbons such as trichlorobenzene; Decalin; Tetralin; Paraffin oil; Petroleum mineral oils; Mineral oils can be used.
겔 용액의 제조시 상기 초고분자량 폴리에틸렌은 제1용제 100 중량부에 대하여 5 내지 20 중량부로 사용되는 것이 바람직하다. 초고분자량 폴리에틸렌의 함량이 상기 범위를 벗어나 지나치게 낮을 경우 최종 제조되는 폴리에틸렌 섬유의 강도, 신도 등의 강도 특성이 저하될 우려가 있고, 또한 초고분자량 폴리에틸렌의 함량이 지나치게 높을 경우 용해도가 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다. 따라서, 최종 제조되는 초강도 폴리에틸렌 섬유의 물성 및 초고분자량 폴리에틸렌의 용해도 발란스 면에서 상기 함량 범위로 사용되는 것이 바람직하다.In preparing the gel solution, the ultra high molecular weight polyethylene is preferably used in an amount of 5 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the first solvent. If the content of ultra high molecular weight polyethylene is too low outside the above range, there is a fear that the strength characteristics such as strength, elongation, etc. of the final polyethylene fiber is lowered, and if the content of ultra high molecular weight polyethylene is too high, the solubility may be lowered. Not desirable Therefore, it is preferable to be used in the above content range in terms of the physical properties of the final prepared ultra-high strength polyethylene fibers and the solubility balance of the ultra high molecular weight polyethylene.
또한, 상기 초고분자량 폴리에틸렌의 용해 공정은 135 내지 150℃에서 실시되는 것이 바람직하다. 상기 온도 범위에서 용해 공정이 실시될때 제1용제에 대한 초고분자량 폴리에틸렌의 용해도가 우수하다.In addition, the ultra-high molecular weight polyethylene dissolution step is preferably carried out at 135 to 150 ℃. The solubility of ultra high molecular weight polyethylene in the first solvent is excellent when the dissolution process is carried out in the above temperature range.
상기와 같은 방법으로 제조된 초고분자량 폴리에틸렌의 겔 용액은 17 내지 23 dl/g의 고유점도를 갖는 것이 바람직하다. 상기 범위내의 고유점도를 가질 때 우수한 결정화도를 갖기 때문에 연신이 원활하게 이루어지고, 또한 우수한 강도 및 신도를 얻을 수 있어 바람직하다.It is preferable that the gel solution of ultra high molecular weight polyethylene prepared by the above method has an intrinsic viscosity of 17 to 23 dl / g. When it has intrinsic viscosity in the said range, since it has the outstanding crystallinity degree, extending | stretching is made smoothly and it is preferable because it can obtain the outstanding strength and elongation.
(S2) 겔 섬유 형성 단계(S2) gel fiber forming step
다음으로, 제조된 겔 용액을 다이스로 방사하여 겔 섬유를 형성한다(S2).Next, the prepared gel solution is spun with a die to form gel fibers (S2).
상기 겔 섬유 형성 공정은 제조된 겔 용액을 압출기를 통하여 다이스에 형성된 복수의 방사구를 통해 방사함으로써 실시될 수 있다.The gel fiber forming process may be carried out by spinning the prepared gel solution through a plurality of spinneret formed in the die through an extruder.
방사시 방사 온도는 120℃ 이상, 보다 바람직하게는 120 내지 210℃인 것이 좋다. 또한 방사 압력은 5kPa이하, 보다 바람직하게는 1.5kPa 이하인 것이 좋다. 보다 구체적으로는 압출기에서의 온도는 160 내지 180℃로 유지하는 것이 바람직하고, 상기 다이스의 온도는 190℃ 내지 210℃로 유지하는 것이 바람직하다.The spinning temperature at the time of spinning is preferably 120 ° C. or more, more preferably 120 to 210 ° C. The spinning pressure is preferably 5 kPa or less, more preferably 1.5 kPa or less. More specifically, it is preferable to maintain the temperature in an extruder at 160-180 degreeC, and it is preferable to maintain the temperature of the said dice | dies at 190 degreeC-210 degreeC.
또한 상기 다이스의 길이대 직경의 비(L/D비)는 25:1 내지 60:1인 것이 바람직하다. 상기 범위내일 때 다이스의 방사구를 통과하는 겔 용액을 최적의 고유 점도로 유지하여 강도와 신도가 우수한 폴리에틸렌 섬유를 제조할 수 있다.In addition, the ratio of the length to the diameter (L / D ratio) of the die is preferably 25: 1 to 60: 1. When within the above range, the gel solution passing through the spinneret of the die can be maintained at an optimum intrinsic viscosity to produce polyethylene fibers having excellent strength and elongation.
(S3) 겔 섬유의 침지 및 냉각 단계 (S3) immersion and cooling step of gel fibers
상기 다이스의 방사구를 통과한 겔 섬유를 액체상의 휘발성 유기 화합물의 제2용제에 침지하여 냉각시킨다(S3).The gel fiber having passed through the spinneret of the die is immersed in the second solvent of the liquid volatile organic compound and cooled (S3).
방사구를 통과한 겔 섬유는 제2용제에 침지되기에 앞서 상기 다이스의 선단과 제2용제 표면의 간격인 에어갭(Air gap)을 통과하게 된다. 이때 에어갭의 길이는 2 내지 10mm 인 것이 바람직하다. 또한 상기 에어갭에 1m/min의 속도로 공기, 보다 바람직하게는 산화를 방지할 수 있도록 N2 와 같은 불활성 기체를 불어 주는 것이 좋다.The gel fiber passing through the spinneret passes through an air gap, which is a gap between the tip of the die and the surface of the second solvent, before being immersed in the second solvent. At this time, the length of the air gap is preferably 2 to 10mm. In addition, the air gap is preferably blown with an inert gas such as N 2 to prevent air, more preferably oxidation, at a rate of 1 m / min.
상기 제2용제로는 폴리에틸렌 겔 구조를 변화시키지 않고, 인체에 무해한 휘발성 유기 화합물을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 대기압 하에서 60 내지 80℃의 비점을 갖는 액상의 휘발성 유기 화합물을 사용하는 것이 좋다. 상기와 같은 비점 범위를 가질 때 조기 증발의 우려 없이 겔 섬유 표면상에 목적하는 작용시간 동안 잔류할 수 있으며, 이후 또한 잔류의 우려 없이 용이하게 제거될 수 있다.As the second solvent, a volatile organic compound that is harmless to the human body can be used without changing the polyethylene gel structure, and preferably, a liquid volatile organic compound having a boiling point of 60 to 80 ° C. under atmospheric pressure is used. When having such a boiling point range, it can remain on the surface of the gel fiber for a desired time of operation without fear of premature evaporation, and then can also be easily removed without fear of remaining.
구체적으로는 에탄올 등과 같은 알코올류; 디에틸에테르 등과 같은 에테르류; 아세톤, 시클로헥사논, 2-메틸펜타논 등과 같은 케톤류; 에탄, n-헥산 등의 알칸류; 디클로로메탄, 트리클로로트리플루오로에탄 등의 할로알칸류; 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택된 것을 사용할 수 있다.Specifically, alcohol, such as ethanol; Ethers such as diethyl ether and the like; Ketones such as acetone, cyclohexanone, 2-methylpentanone, and the like; Alkanes such as ethane and n-hexane; Haloalkanes such as dichloromethane and trichlorotrifluoroethane; And mixtures thereof.
상기 겔 섬유의 냉각시 제2용매의 온도는 휘발점에 가까운 고온인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 제2용매의 휘발점±10 ℃ 에서 수행하는 것이 바람직하다.When the gel fiber is cooled, the temperature of the second solvent is preferably high temperature close to the volatilization point, and more preferably, the volatilization point of the second solvent is performed at ± 10 ° C.
상기와 같은 고온의 제2용제에 겔 섬유를 침지하여 냉각시킴으로써 겔 섬유의 코어부분부터 바깥 부분까지 천천히 냉각이 이루어 질 수 있고, 그 결과 스트레 스 및 크리프의 발생을 억제할 수 있다.By immersing and cooling the gel fibers in the high temperature second solvent as described above, cooling can be slowly performed from the core portion to the outer portion of the gel fibers, and as a result, generation of stress and creep can be suppressed.
(S4) 제트 분사 및 연신 단계 (S4) jet spraying and stretching step
다음으로 상기 냉각된 겔 섬유에 대하여 기체상의 휘발성 유기 화합물의 제2용제를 제트 분사하여 제1용제를 추출하는 동시에 상기 겔 섬유를 연신한다(S4).Next, a jet of a second solvent of a gaseous volatile organic compound is jetted onto the cooled gel fibers to extract the first solvent and to stretch the gel fibers (S4).
상기 제2용제를 이용한 제1용제의 추출 공정은 연신 공정을 위해 냉각된 겔 섬유가 롤러를 통과할 때 제2용제를 제트 분사함으로써 실시될 수 있다. The extraction process of the first solvent using the second solvent may be carried out by jet spraying the second solvent when the cooled gel fibers for the stretching process passes through the rollers.
이와 같이 제트 분사에 의한 제1용제의 추출공정과 동시에 연신 공정을 실시함으로써 내재적 스트레스 및 크리프를 제거하여 균제도를 향상시킬 수 있고, 또한 연신 공정시 사절을 발생시킬 수 있어 작업성을 향상시킬 수 있다. 또한 섬유의 배향성은 강도와 직결되는데 제트분사에 의해 섬유의 배향성을 증가시킬 수 있다.As described above, by carrying out the stretching process simultaneously with the extraction process of the first solvent by jet injection, the intrinsic stress and creep can be removed to improve the uniformity, and also the trimming can be generated during the stretching process, thereby improving workability. . In addition, the orientation of the fibers is directly related to the strength, and jet orientation may increase the orientation of the fibers.
상기와 같은 연신공정은 총 연신비 30:1 내지 50:1로 연신되는 것이 바람직하며, 상기 연신 공정은 1단계로 행해질 수도 있으나 연신시 사절되는 것을 방지하고 균일하게 연신을 행하기 위하여 2단계 이상으로 행하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 3 단계 이상으로 행하는 것이 좋다.The stretching process as described above is preferably drawn in a total draw ratio of 30: 1 to 50: 1, the stretching process may be carried out in one step, but at least two steps in order to prevent the trimming during stretching and to perform uniform stretching. It is preferable to carry out. More preferably, it is good to carry out in three or more steps.
일례로 3단계로 연신을 실시할 경우, 휘발점을 많이 넘어선 고온(제2용제의 휘발점 + 50∼80℃)의 제2용제를 제트분사하면서 연신하는 1차 연신 공정; 상기 1차 연신된 섬유에 대하여 휘발점을 막 넘어선 중온(제2용제의 휘발점 + 20∼50℃)의 제2용제를 제트분사하면서 연신하는 2차 연신 공정; 및 상기 2차 연신된 섬유에 대하여 저온(제2용제의 휘발점 + 5∼20℃)에서 연신하는 3차 연신 공정으로 실시 한다.For example, in the case where stretching is performed in three steps, a primary stretching step of stretching while jet-spraying a second solvent having a high temperature (volatile point of the second solvent + 50 to 80 ° C.) beyond the volatile point; A secondary stretching step of stretching while jet-spraying a second solvent having a medium temperature (volatile point of the second solvent + 20 to 50 ° C.) just above the volatile point with respect to the primary stretched fiber; And a third stretching step of stretching the secondary stretched fiber at a low temperature (volatile point of the second solvent + 5 to 20 ° C).
상기 1차 연신 공정은 1차 롤러를 통할 때 제2용제의 휘발점을 많이 넘어선 고온의 제2용제를 제트분사하여 실시한다. 구체적으로는 상기 제2용제의 온도는 120 내지 150℃ 인 것이 바람직하다. 상기와 같은 온도 범위일 때 연신된 섬유에서 잔류된 제1용제가 휘발되는 동시에 섬유가 표면으로부터 급격하게 냉각되는 것이 방지되어 바람직하다.The primary stretching step is carried out by jet spraying a high temperature second solvent that exceeds a volatilization point of the second solvent when passing through the primary roller. Specifically, it is preferable that the temperature of the said 2nd solvent is 120-150 degreeC. The first solvent remaining in the stretched fiber in the above temperature range is preferably volatilized and at the same time prevents the fiber from rapidly cooling from the surface.
이때 제2용제의 분사 속도는 연신 속도보다 10 내지 20배 빠른 것이 바람직하다, 상기 범위를 벗어나 연신 속도보다 지나치게 빠를 경우 섬유에 손상이 갈 우려가 있고, 지나치게 느린 경우 단거리 동안에만 어닐링 효과가 발생되어 바람직하지 않다. In this case, the injection speed of the second solvent is preferably 10 to 20 times faster than the stretching speed. If it is too fast beyond the stretching speed, the fiber may be damaged. If too slow, the annealing effect may occur only for a short distance. Not desirable
또한 상기 롤러의 온도는 매우 고온으로, 구체적으로는 120 내지 150℃인 것이 바람직하다. 이때 연신비율은 총연신비의 70% 이상인 것이 바람직하다.Moreover, it is preferable that the temperature of the said roller is very high temperature, specifically, 120-150 degreeC. At this time, the draw ratio is preferably 70% or more of the total draw ratio.
이어서 1차 연신된 겔 섬유에 대하여 2차 연신을 실시한다.Subsequently, the secondary stretching is performed on the primary stretched gel fibers.
2차 연신은 2차 롤러를 통과할 때 제2용제의 휘발점을 막 넘어선 중온의 제2용제를 제트 분사함으로써 실시될 수 있다. 이때 제2용제의 분사속도는 방사속도보다 20 내지 40 배 빠른 것이 바람직하다. Secondary stretching may be carried out by jet-jetting a medium temperature second solvent just beyond the volatilization point of the second solvent when passing through the secondary roller. At this time, the injection speed of the second solvent is preferably 20 to 40 times faster than the spinning speed.
또한 상기 롤러의 온도는 중온으로, 구체적으로는 100 내지 130℃인 것이 바람직하다. 이때 연신비율는 총연신비의 20% 이하인 것이 바람직하다.Moreover, it is preferable that the temperature of the said roller is medium temperature, specifically, 100-130 degreeC. At this time, the draw ratio is preferably 20% or less of the total draw ratio.
이어서 2차 연신된 겔 섬유에 대하여 제트 분사 없이 3차 롤러(롤러 온도 저온)를 통과시킴으로써 3차 연신을 실시한다.Tertiary stretching is then effected by passing a tertiary roller (roller temperature low temperature) through the secondary stretched gel fibers without jet spraying.
3차 연신시 롤러의 온도는 저온으로, 구체적으로는 80 내지 120℃인 것이 바람직하다. The temperature of the roller at the time of tertiary stretching is low temperature, specifically, it is preferable that it is 80-120 degreeC.
선택적으로 휘발점을 많이 넘어선 고온의 제2용제를 섬유에 5 내지 10배 속도로 분사함으로써 마지막 어닐링으로 끊어진 에틸렌 분자 연결시키는 공정을 더욱 실시할 수 있다.Optionally, the process of connecting the ethylene molecules broken by the last annealing may be further carried out by spraying a high temperature second solvent beyond the volatilization point to the fiber at a rate of 5 to 10 times.
상기와 같은 제조방법에 의해 제조된 초고강도 폴리에틸렌 섬유는 우수한 강도 및 신도 등 탁월한 기계적 특성을 가질 뿐만 아니라 내약품성이 우수하다. 구체적으로는 30g/d 이상의 강도 및 3% 이상의 고신율을 갖는다.The ultra high strength polyethylene fiber produced by the above manufacturing method has excellent mechanical properties such as excellent strength and elongation as well as excellent chemical resistance. Specifically, it has a strength of 30 g / d or more and a high elongation of 3% or more.
이에 따라 본 발명의 다른 일 구현예에 따르면 상기 제조방법에 의해 제조된 초고강도 폴리에틸렌 섬유를 제공한다. 상기 초고강도 폴리에틸렌 섬유는 우수한 기계적 특성 및 내약품성을 가져 케이블, 캔버스, 방탄복, 안전장갑, 의학용, 각종 로프, 헬멧, 스키판, 스포츠 및 자동차 장비, 건축 자재 등 여러 분야에서 다양한 용도로 사용될 수 있다.Accordingly, according to another embodiment of the present invention provides an ultra-high strength polyethylene fiber produced by the manufacturing method. The ultra high strength polyethylene fiber has excellent mechanical properties and chemical resistance, and can be used in various fields such as cables, canvas, body armor, safety gloves, medical, various ropes, helmets, ski boards, sports and automobile equipment, and building materials. have.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이러한 실시예들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 아니 된다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but these examples are for illustrative purposes only and should not be construed as limiting the present invention.
<실시예 1><Example 1>
초고분자량 폴리에틸렌(중량평균분자량: 200만, 분자량 분포(Mw/Mn비)=5) 95중량%와 제1용제로서 비점이 350℃인 하이드로카본계 파라핀 오일 5중량%를 혼합한 슬러리(slurry)형태의 혼합액을 140℃의 온도분위기를 유지하는 교반기에 투입하여 고유점도 20dl/g인 겔 용액을 형성하였다. Ultra high molecular weight polyethylene (weight average molecular weight: 2 million, molecular weight distribution (Mw / Mn ratio) = 5) slurry containing a mixture of 95% by weight and 5% by weight of hydrocarbon paraffin oil having a boiling point of 350 ℃ as the first solvent The mixture was added to a stirrer holding a temperature atmosphere of 140 ° C. to form a gel solution having an intrinsic viscosity of 20 dl / g.
형성된 겔용액을 170±10℃의 압출기를 이용하여 L/D비가 25:1인 다이스의 방사구를 통하여 방사하고 70±10℃의 트리클로로트리플로로에탄의 제2용제에 침전시켜 냉각하여 겔섬유를 형성하였다. 이때 다이스와 제2용제사이의 간격인 에어갭을 3mm로 하고 N2 가스를 불어 넣었다. The formed gel solution was spun through a spinneret of a die having an L / D ratio of 25: 1 using an extruder of 170 ± 10 ° C., precipitated in a second solvent of trichlorotrifluoroethane at 70 ± 10 ° C., and cooled to a gel. Fibers were formed. At this time, the air gap, which is the distance between the die and the second solvent, was set to 3 mm, and N 2 gas was blown in.
이어 냉각된 겔 섬유에 대하여 150℃의 트리클로로트리플로로에탄의 제2용제를 연신 속도 대비 10배 빠르게 제트분사하면서 135℃의 롤러를 통과시켜 연신비 70%로 1차 연신하였다. Subsequently, the second solvent of trichlorotrifluoroethane at 150 ° C. was jet sprayed 10 times faster than the drawing speed while passing through the roller at 135 ° C. to primary cooling at a draw ratio of 70%.
1차 연신된 섬유에 대하여 120℃ 트리클로로트리플로로에탄의 제2용제를 연신속도 대비 20배 빠르게 제트분사하면서 115℃의 롤러를 통과시켜 연신비 20%로 2차 연신하고, 이어서 별도의 제트분사없이 80℃의 롤러를 통과시켜 3차 연신하였다. The second solvent of 120 ° C. trichlorotrifluoroethane was jet sprayed 20 times faster than the drawing speed while passing through the roller at 115 ° C. for the first drawn fiber, and the second drawing was performed at a draw ratio of 20%. The third stretching was carried out through a roller at 80 ° C. without.
3단계 연신을 통해 총연신비 30:1로 연신한 폴리에틸렌 섬유에 대해 5배 속도로 90℃의 트리클로로트리플로로에탄을 분사하여 초고강도 폴리에틸렌 섬유를 제조하였다. Ultra high strength polyethylene fibers were prepared by spraying trichlorotrifluoroethane at 90 ° C. at a rate of 5 times with respect to polyethylene fibers drawn at a total draw ratio of 30: 1 through three-step stretching.
<실시예 2><Example 2>
3단계 연신을 통해 총연신비 40:1로 연신하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 초고강도 폴리에틸렌 섬유를 제조하였다.The ultra-high strength polyethylene fibers were prepared in the same manner as in Example 1 except that the draw was performed at a total draw ratio of 40: 1 through three-stage stretching.
<실시예 3><Example 3>
3단계 연신을 통해 총연신비 50:1로 연신하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 초고강도 폴리에틸렌 섬유를 제조하였다.The ultra-high strength polyethylene fibers were prepared in the same manner as in Example 1 except that the draw was performed at a total draw ratio of 50: 1 through three-stage stretching.
상기 실시예 1에서 제조된 폴리에틸렌 섬유에 대하여 하기와 같은 방법으로 강도 및 신도를 측정하였다.The strength and elongation of the polyethylene fiber prepared in Example 1 were measured by the following method.
인장성질은 인스트론(Instron) 재료 시험기를 이용하여 인장 속도 300mm/min, 시료길이 250mm, 분위기 20℃×65%RH에서 측정하였으며, 데니어크릴을 이용하여 시료의 데니어를 측정하고 강도 계산에 적용하였다.Tensile properties were measured using an Instron material tester at a tensile rate of 300 mm / min, a sample length of 250 mm, and an atmosphere of 20 ° C. × 65% RH. Denier krill was used to measure the denier of the sample and applied to the strength calculation. .
측정 결과 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 폴리에틸렌 섬유는 모두 30g/d 이상의 강도 및 3% 이상의 고신율을 나타내었다.As a result of the measurement, the polyethylene fibers produced according to Examples 1 to 3 all exhibited strengths of 30 g / d or more and high elongation of 3% or more.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.The present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications may be made by those skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention. It is possible.
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