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KR102404541B1 - 탄소-함유 모드아크릴과 아라미드의 2성분 필라멘트 원사 - Google Patents

탄소-함유 모드아크릴과 아라미드의 2성분 필라멘트 원사 Download PDF

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KR102404541B1
KR102404541B1 KR1020197008478A KR20197008478A KR102404541B1 KR 102404541 B1 KR102404541 B1 KR 102404541B1 KR 1020197008478 A KR1020197008478 A KR 1020197008478A KR 20197008478 A KR20197008478 A KR 20197008478A KR 102404541 B1 KR102404541 B1 KR 102404541B1
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KR
South Korea
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polymer
carbon particles
yarn
filaments
filament
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KR1020197008478A
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마크 윌리암 앤더슨
마크 티. 아론손
크리스토퍼 윌리암 뉴톤
토마스 웨인 스테인루크
비 린 와이즈만
레이야오 주
Original Assignee
이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니
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Publication date
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Abstract

제1 폴리머 조성물을 포함하는 제1 영역 및 제2 폴리머 조성물을 포함하는 제2 영역을 갖는 복수의 2성분 필라멘트를 포함하고, 총 0.1 내지 5 중량% 함량의 불연속 탄소 입자를 갖는 원사로서, 제1 영역 및 제2 영역 각각은 2성분 필라멘트에서 서로 별개이고, 각각의 2성분 필라멘트는 5 내지 60 중량%의 제1 폴리머 조성물 및 95 내지 40 중량%의 제2 폴리머 조성물을 포함하고, 제1 폴리머 조성물은 균질하게 분산된 불연속 탄소 입자를 0.5 내지 20 중량% 함유하는 아라미드 폴리머를 포함하고, 제2 폴리머 조성물은 불연속 탄소 입자가 없는 모드아크릴 폴리머를 포함하는 원사.

Description

탄소-함유 모드아크릴과 아라미드의 2성분 필라멘트 원사
본 발명은 아크 보호에 사용하기에 적합한 2성분 필라멘트의 원사에 관한 것이며, 각각의 필라멘트는 불연속 탄소 입자가 균질하게 분산된 아라미드 폴리머의 별개의 영역 및 불연속 탄소 입자가 없는 모드아크릴 폴리머의 별개의 영역을 갖는다.
Hull의 미국 특허 4,803,453호에는 열가소성 합성 폴리머에 분산된 도전성 카본 블랙으로 이루어진 도전성 폴리머 코어를 둘러싸는 합성 열가소성 섬유-형성 폴리머의 연속적이고 비전도성인 시스를 포함하는, 정전기 방지 특성을 갖는 용융 방사 필라멘트가 개시되어 있다.
Nakamura 등의 미국 특허 4,309,476호에는 단일 방향족 폴리아미드 물질로 제조된, 염색성이 양호한 코어-인-시스(core-in-sheath)형 방향족 폴리아미드 섬유가 개시되어 있다. 코어-인-시스 섬유가 산성 염료로 염색되는 경우, 시스부만 착색된다. Sasaki 등의 미국 특허 4,398,995호에는 Nakamura의 섬유를 종이에 사용하는 것이 개시되어 있다.
Moulds의 미국 특허 3,038,239호에는 권축 가역성을 갖는 개선된 복합 필라멘트가 개시되어 있다. 필라멘트는 편심 관계에 있는 적어도 2개의 소수성 폴리머를 가지며, 소수성 폴리머 중 하나는 이와 혼합된 흡수율(water absorption rate)이 높은 소량의 폴리머를 추가로 함유한다.
Zhu 등의 미국 특허 7,065,950호 및 7,348,059호에는 모드아크릴, p-아라미드, 및 m-아라미드 섬유를 함유하는 아크 및 화염 보호에 사용하기 위한 원사, 패브릭, 및 의복이 개시되어 있다. 이들 섬유 블렌드는 아크 보호에 매우 유용한 것으로 밝혀졌지만, 잠재적으로 생명을 구할 수 있는 아크 보호 기능의 향상이 요구된다.
본 발명은 제1 폴리머 조성물을 포함하는 제1 영역 및 제2 폴리머 조성물을 포함하는 제2 영역을 갖는 복수의 2성분 필라멘트를 포함하고, 총 0.1 내지 5 중량% 함량의 불연속 탄소 입자를 갖는 원사에 관한 것이며, 제1 영역 및 제2 영역 각각은 2성분 필라멘트에서 서로 별개이고, 각각의 2성분 필라멘트는 5 내지 60 중량%의 제1 폴리머 조성물 및 95 내지 40 중량%의 제2 폴리머 조성물을 포함하고, 제1 폴리머 조성물은 필라멘트의 제1 영역에 균질하게 분산된 불연속 탄소 입자를 제1 조성물 내 탄소 입자의 양을 기준으로 0.5 내지 20 중량% 함유하는 아라미드 폴리머를 포함하고, 제2 폴리머 조성물은 불연속 탄소 입자가 없는 모드아크릴 폴리머를 포함한다.
본 발명은 또한, 각각의 필라멘트가, 불연속 탄소 입자가 없는 모드아크릴 폴리머의 별개의 시스 및 균질하게 분산된 불연속 탄소 입자를 포함하는 아라미드 폴리머의 별개의 코어를 포함하고, 시스가 코어를 둘러싸는 2성분 필라멘트를 포함하는 원사를 형성하는 방법에 관한 것이며, 이 방법은
a) 용매에서 아라미드 폴리머를 함유하는 제1 폴리머 용액을 형성하고(아라미드 폴리머 용액은 불연속 탄소 입자를 더 포함함), 동일하거나 상이한 용매에서 불연속 탄소 입자가 없는 모드아크릴 폴리머의 제2 폴리머 용액을 형성하는 단계;
b) 제1 폴리머 용액과 제2 폴리머 용액을 위한 별개의 유입구, 및 도프 필라멘트를 방사하기 위한 복수의 출구 모세관을 갖는 방사구금 조립체를 제공하는 단계;
c) 제1 용액과 제2 용액의 결합된 복수의 스트림을 출구 모세관을 통해 방사셀 내로 압출하여 제2 폴리머 용액의 시스 및 제1 폴리머 용액의 코어를 갖는 복수의 도프 필라멘트를 형성하는 단계; 및
d) 복수의 도프 필라멘트로부터 용매를 추출하여 폴리머 필라멘트 원사를 제조하는 단계를 포함한다.
본 발명은 또한, 각각의 필라멘트가, 균질하게 분산된 불연속 탄소 입자를 포함하는 아라미드 폴리머의 별개의 제1 면, 및 불연속 탄소 입자가 없는 모드아크릴 폴리머의 별개의 제2 면을 포함하는, 병렬배치 구조를 갖는 2성분 필라멘트를 포함하는 원사를 형성하는 방법에 관한 것이며, 이 방법은
a) 용매에서 아라미드 폴리머를 함유하는 제1 폴리머 용액을 형성하고(아라미드 폴리머 용액은 불연속 탄소 입자를 더 포함함), 동일하거나 상이한 용매에서 불연속 탄소 입자가 없는 모드아크릴 폴리머의 제2 폴리머 용액을 형성하는 단계;
b) 제1 폴리머 용액과 제2 폴리머 용액을 위한 별개의 유입구, 및 도프 필라멘트를 방사하기 위한 복수의 출구 모세관을 갖는 방사구금 조립체를 제공하는 단계;
c) 제1 용액과 제2 용액의 결합된 복수의 스트림을 출구 모세관을 통해 방사셀 내로 압출하여 제1 폴리머 용액의 제1 면 및 제2 폴리머 용액의 제2 면을 나란한 방향으로 갖는 복수의 도프 필라멘트를 형성하는 단계; 및
d) 복수의 도프 필라멘트로부터 용매를 추출하여 폴리머 필라멘트 원사를 제조하는 단계를 포함한다.
도 1은 탄소 입자가 없는 모드아크릴 폴리머의 시스 및 탄소 입자를 포함하는 폴리(메타페닐렌 이소프탈아미드) 폴리머의 코어를 갖는 시스-코어 2성분 필라멘트의 단면에 대한 광학 현미경 이미지이다.
본 발명은 작업자 및 다른 직원에 대한 아크 보호 기능을 제공하는 용품을 제조하는 데 유용한 원사에 관한 것이다. 아크 플래시는 전기 아크로 인한 폭발적인 에너지 방출이다. 전기 아크는 일반적으로 수천 볼트 및 수천 암페어의 전류를 수반하여, 의복을 강렬한 입사열과 복사 에너지에 노출시킨다. 착용자를 보호하기 위해서는, 보호복 용품은 이러한 입사 에너지가 통과하여 착용자에게 전달되는 것을 막아야 한다. 이는 보호복 용품이 소위 "브레이크-오픈(break-open)"을 견디는 동안 입사 에너지의 일부를 흡수할 때 가장 잘 일어나는 것으로 여겨졌다. "브레이크-오픈" 중에, 이러한 용품에 구멍이 형성된다. 따라서, 아크 보호용 보호 용품 또는 의복은 의복 내 임의의 패브릭층의 브레이크-오픈을 방지하거나 최소화하도록 설계되었다.
열적으로 안정한 내화성(즉, 한계 산소 지수가 21보다 큰) 섬유의 폴리머에 불연속 탄소 입자를 첨가함으로써 패브릭 및 의복의 아크 성능이 거의 2배 정도 증가될 수 있음이 밝혀졌다. 본원에 사용된 "열적으로 안정한"이란 용어는 폴리머 또는 섬유가 분당 10도의 속도로 섭씨 425도까지 가열시 그 중량의 적어도 90%를 유지함을 의미한다.
패브릭 중량을 기준으로, 패브릭 내 불연속 탄소 입자의 총량이 패브릭 내 섬유의 총량을 기준으로 0.1 내지 3 중량%일 경우 극적인 향상이 확인되었다. 매우 낮은 첨가량에서도 이러한 탄소 입자의 존재는 ATPV에 의해 측정되는 패브릭 아크 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 최상의 성능은 패브릭 내 탄소 입자의 양이 약 0.5 중량%보다 많은 경우 발견되며, 12 cal/cm2 이상의 바람직한 성능은 약 0.75 중량% 이상의 탄소 입자를 갖는 패브릭에 대해 발생하고, 특히 바람직한 패브릭 내 탄소 입자의 범위는 0.75 내지 2 중량%이다.
구체적으로, 본 발명은 제1 폴리머 조성물을 포함하는 제1 영역 및 제2 폴리머 조성물을 포함하는 제2 영역을 갖는 복수의 2성분 필라멘트를 포함하는 원사에 관한 것이며, 이들 영역은 서로 별개이고 바람직하게는 2성분 필라멘트에서 균일한 밀도를 갖는다. 바람직하게, 이들 영역은 제1 영역이 코어이고 제2 영역이 시스인 시스-코어 구조의 형태이다. 대안적으로, 이들 영역은 병렬배치 2성분 구조의 형태이다. 제1 폴리머 조성물은 필라멘트의 제1 영역에 균질하게 분산된 불연속 탄소 입자를 제1 조성물 내 탄소 입자의 양을 기준으로 0.5 내지 20 중량% 함유하는 아라미드 폴리머를 포함한다. 제2 폴리머 조성물은 불연속 탄소 입자가 없는 모드아크릴 폴리머를 포함한다. 원사는 원사의 모든 2성분 필라멘트 내 탄소 입자의 양을 기준으로 총 0.1 내지 5 중량% 함량의 불연속 탄소 입자를 갖는다.
따라서, 본 발명은 미국 특허 7,065,950호 및 7,348,059호에 개시된 바와 같은 모드아크릴 섬유와 아라미드 섬유의 블렌드에 비해 아크 성능이 크게 개선된, 분산된 탄소 입자를 갖는 2성분 필라멘트의 원사에 관한 것이다. 일부 구현예에서, 필라멘트는 섬유 내 블랙 카본 입자의 존재를 감추는 데 도움이 되도록 원사, 패브릭 또는 물품 형태에서 추가로 착색될 수 있다. 일부 구현예에서, 2성분 필라멘트는 원사, 패브릭 또는 물품에서 블랙 카본-함유 섬유의 존재를 감추기 위해 모드아크릴 폴리머 시스에 방사 안료(spun-in pigment)를 추가로 포함한다.
원사는 복수의 2성분 필라멘트를 포함한다. "2성분"은 필라멘트가 일부 방식이 다른 적어도 2개의 폴리머 조성물로 형성됨을 의미한다. 2성분 필라멘트를 제조하는 데 적어도 2개의 상이한 폴리머 조성물이 필요하므로, 이는 2개의 상이한 폴리머 용액이 제조됨을 의미하지만, 2개의 상이한 폴리머 용액은 동일하거나 상이한 용매를 사용할 수 있다. 바람직하게, 용매는 2개의 상이한 폴리머 용액에 대해 동일하다.
2성분 필라멘트는 제1 폴리머 조성물을 포함하는 제1 영역 및 제2 폴리머 조성물을 포함하는 제2 영역을 갖는다. 이들 영역은 서로 별개이고, 바람직하게는 시스-코어 구조 또는 병렬배치 구조에서 균일한 밀도를 갖는다. 시스-코어 구조에 대한 하나의 대표 영역은 시스이고, 또 다른 대표 영역은 코어이다. 병렬배치 구조는 단면이 보다 장방형이거나 도그본(dog-bone) 형상을 갖거나, 단면이 보다 콩 형상이거나 원형일 수 있고, 따라서 대표 영역은 필라멘트의 일측 면 또는 타측 면이다. 또한, 2개의 폴리머의 상대적 양이 유사한 경우, 양쪽 면 또는 영역이 유사한 크기이고 실질적으로 대칭인 병렬배치 구조가 만들어질 수 있거나; 일측 면 또는 영역이 타측 면 또는 영역과 중첩하는(즉, 일측 면 또는 영역이 타측 면 또는 영역의 둘레 50%를 넘게 덮는) 병렬배치 구조가 만들어질 수 있다. 이는 2개의 폴리머의 상대적 양이 매우 다르고 일측 면 또는 영역이 타측 면 또는 영역의 둘레 75% 이상을 덮을 수 있는 경우일 수 있다.
"별개"란 제1 폴리머 조성물과 제2 폴리머 조성물이 필라멘트에서 그다지 많이 혼합되어 있지 않고, 2개의 폴리머 영역 사이에 광학 현미경 또는 전자 현미경을 이용해 적절한 배율에서 육안으로 볼 수 있는 뚜렷한 가시적 경계가 존재함을 의미한다. 시스-코어 구조에서, 시스는 바람직하게 연속적이다. "연속적"이란 시스-코어 필라멘트의 시스의 경우, 시스 폴리머가 코어 폴리머를 완전히 방사상으로 둘러싸고, 폴리머 시스에 의한 코어 폴리머의 커버리지가 필라멘트의 길이를 따라 선형적으로 실질적인 연속성을 가짐을 의미한다. 코어는 바람직하게 연속적이거나 반연속적이다. 시스-코어 필라멘트의 코어를 언급할 때, "연속적"이란 코어 폴리머가 필라멘트의 길이를 따라 선형적으로 실질적인 연속성을 가짐을 의미하고, "반연속적"이란 필라멘트에서 원하는 기능을 수행할 수 있는 코어 내 탄소 입자의 능력에 그다지 영향을 미치지 않을 정도로 코어가 필라멘트를 따라 선형적으로 별로 크지 않은 불연속성을 가질 수 있음을 의미한다. 병렬배치 구조에서, 각각의 면은 바람직하게 "연속적"이며, 이는 2성분 필라멘트의 각각의 면의 폴리머 영역이 그 길이를 따라 선형적으로 실질적인 연속성을 가짐을 의미한다. 그러나, 일부 구현예에서, 탄소 입자를 함유하는 영역 또는 면은 연속적이거나 반연속적일 수 있고, 반연속적이란 필라멘트에서 원하는 기능을 수행할 수 있는 필라멘트 내 탄소 입자의 능력에 그다지 영향을 미치지 않을 정도로 탄소 입자-함유 영역이 필라멘트를 따라 선형적으로 별로 크지 않은 불연속성을 가질 수 있음을 의미한다. 시스와 관련하여 "균일한 밀도"란 어구는, 광학 현미경 또는 전자 현미경을 이용해 적절한 배율에서 육안으로 관찰할 때, 필라멘트 단면이 대체로 속이 채워지거나 부적당한 다공성이 없는 시스를 나타냄을 의미한다. 바람직한 구현예에서, 균일한 밀도의 코어가 또한 필라멘트에 존재한다. 코어와 관련하여, 그리고 병렬배치 구조의 각각의 면과 관련하여 "균일한 밀도"란, 광학 현미경 또는 전자 현미경을 이용해 적절한 배율에서 육안으로 관찰할 때, 대부분의 필라멘트 단면이 속이 채워진 고밀도 중심부 또는 특징을 갖고 부적당한 다공성 및 공극이 비교적 없는 필라멘트를 나타냄을 의미한다. 다시 말해, 일부 바람직한 구현예에서, 코어는 실질적으로 속이 채워진 단면 및 균일한 밀도를 갖는다. 또한, 일부 구현예에서, 시스-코어 필라멘트는 타원형, 장방형, 콩 형상, 코쿤(cocoon) 형상, 도그본 형상, 또는 이들의 혼합일 수 있다.
형성 중에 필라멘트에 가해지는 모든 힘을 제어할 수는 없기 때문에 각각의 필라멘트의 형상이 약간의 차이가 있을 수 있으므로, 코어가 시스의 중심에 있어야 한다거나 시스 또는 코어의 두께가 각각의 필라멘트에 대해 완전히 동일할 필요는 없다. 그러나, 사용되는 폴리머 또는 폴리머 용액의 상대적 양은 평균적인 최종 범위를 제공할 수 있다.
제1 폴리머 조성물은 필라멘트의 제1 영역에 균질하게 분산된 불연속 탄소 입자를 0.5 내지 20 중량% 함유하는 아라미드 폴리머를 포함한다. 2성분 구조가 시스-코어인 경우, 제1 영역은 필라멘트의 코어이고, 2성분 구조가 병렬배치인 경우, 제1 영역은 필라멘트의 면 중 하나이다. "균질하게 분산된"이란 어구는 섬유의 원하는 영역에 축 방향 및 반경 방향으로 균일하게 분포된 영역에서 탄소 입자가 발견될 수 있음을 의미한다. 일부 구현예에서, 제1 폴리머 조성물은 0.5 내지 15 중량%의 불연속 탄소 입자를 함유하는 아라미드 폴리머를 포함하고, 일부 다른 구현예에서, 제1 폴리머 조성물은 0.5 내지 10 중량%의 불연속 탄소 입자를 함유하는 아라미드 폴리머를 포함한다. 일부 구현예에서, 제1 폴리머 조성물은 0.5 내지 6 중량%의 불연속 탄소 입자를 함유하는 아라미드 폴리머를 포함한다. 일부 구현예에서, 제1 폴리머 조성물은 5 내지 10 중량%의 불연속 탄소 입자를 함유하는 아라미드 폴리머를 포함하는 것이 바람직하다. 일부 구현예에서, 각각의 2성분 필라멘트는 각각의 필라멘트의 총 중량을 기준으로 총 0.5 내지 3 중량% 함량의 불연속 탄소 입자를 갖는다.
제1 폴리머 조성물은, 바람직하게 공기 중 산소 농도보다 높은(즉, 21보다 크고 바람직하게는 25보다 큰) 한계 산소 지수(LOI)를 갖는 아라미드 폴리머를 포함한다. 이는 섬유 또는 이러한 섬유만으로 제조된 패브릭이 공기 중의 정상적인 산소 농도에서 화염을 지속시키지 않을 것이며 내화성이 있는 것으로 간주됨을 의미한다. 제1 폴리머는 또한 바람직하게 분당 10도의 속도로 섭씨 425도까지 가열시 그 중량의 적어도 90%를 유지하며, 이는 이러한 폴리머가 열 안정성이 높다는 것을 의미한다. 이러한 열적으로 안정한 내화성 폴리머와 불연속 탄소 입자의 조합은 아크 성능의 향상에 상승 작용을 하는 것으로 여겨진다.
섬유에 존재하는 탄소 입자는 10 마이크로미터 이하, 바람직하게는 평균 0.1 내지 5 마이크로미터의 평균 입도를 가지며, 일부 구현예에서, 0.5 내지 3 마이크로미터의 평균 입도가 바람직하다. 일부 구현예에서, 0.1 내지 2 마이크로미터의 평균 입도가 바람직하며, 일부 구현예에서, 0.5 내지 1.5 마이크로미터의 평균 입도가 바람직하다. 탄소 입자는 중유 제품 및 식물유의 불완전 연소에 의해 생성되는 카본 블랙 등을 포함한다. 카본 블랙은 표면적 대 부피비가 유연(soot)보다 높지만 활성탄보다는 낮은 준결정질 탄소 형태이다. 이러한 입자는 방사를 통해 섬유를 형성하기 전에 방사 도프(spin dope)에 탄소 입자를 첨가함으로써 섬유에 혼입될 수 있다. 시스-코어 필라멘트의 경우, 탄소 입자를 함유하는 제1 폴리머 조성물은 바람직하게 필라멘트의 코어에 존재한다.
본질적으로, 상업적으로 입수 가능한 임의의 카본 블랙이 아라미드 폴리머 조성물에 불연속 탄소 입자를 공급하는 데 사용될 수 있다. 바람직한 일 실시예에서, 폴리머 용액, 바람직하게는 아라미드 폴리머 용액 중의 카본 블랙의 별도의 안정한 분산액을 먼저 만든 후, 분산액을 밀링하여 균일한 입자 분포를 얻는다. 바람직하게 이 분산액은 제1 폴리머 조성물을 형성하기 위해 방사 전에 아라미드 폴리머 용액에 주입된다.
제2 폴리머 조성물은 모드아크릴 폴리머를 포함하지만, 불연속 탄소 입자가 없다(이는 이 조성물을 포함하는 필라멘트 영역이 본원에 정의된 탄소 입자를 함유하지 않음을 의미한다).
모드아크릴 폴리머는 폴리머가 바람직하게는 30 내지 70 중량%의 아크릴로니트릴 및 70 내지 30 중량%의 할로겐-함유 비닐 모노머를 포함하는 공중합체임을 의미한다. 할로겐-함유 비닐 모노머는, 예를 들어 염화비닐, 염화비닐리덴, 브롬화비닐, 브롬화비닐리덴 등으로부터 선택되는 적어도 하나의 모노머이다.
일부 구현예에서, 모드아크릴 공중합체는 염화비닐리덴과 결합된 아크릴로니트릴의 공중합체이다. 일부 구현예에서, 모드아크릴 공중합체는 추가로 안티몬 산화물 또는 안티몬 산화물들을 갖는다. 일부 바람직한 구현예에서, 모드아크릴 공중합체는 1.5 중량% 미만의 안티몬 산화물 또는 안티몬 산화물들을 갖거나, 공중합체는 안티몬이 전혀 없다. 안티몬 함량이 매우 낮은 폴리머 및 안티몬이 없는 폴리머는 제조 중에 공중합체에 첨가되는 모든 안티몬 화합물의 양을 제한하거나 완전히 제거함으로써 제조될 수 있다. 이러한 방식으로 변형될 수 있는 것들을 포함한 모드아크릴 폴리머의 대표적 공정은 2 중량%의 삼산화안티몬을 갖는 미국 특허 3,193,602호; 적어도 2 중량%, 바람직하게는 8 중량% 이하의 양으로 존재하는 다양한 안티몬 산화물로 제조된 미국 특허 3,748,302호; 8 내지 40 중량%의 안티몬 화합물을 갖는 미국 특허 5,208,105호 및 5,506,042호에 개시되어 있다.
일부 구현예에서, 모드아크릴 폴리머 내에서 적어도 26의 LOI를 갖는다. 바람직한 일 구현예에서, 모드아크릴 폴리머는 적어도 26의 LOI를 가지면서 또한 안티몬이 없다.
대안적인 일 구현예에서, 제2 폴리머 조성물, 즉 모드아크릴 폴리머 조성물은 또한, 제2 폴리머 조성물이 존재하는 영역이 필라멘트의 다른 영역의 탄소 입자의 존재를 가급적으로 감출 수 있도록 하는 데 도움이 되도록 적어도 하나의 안료가 균질하게 분산되어 있다. 일부 구현예에서, 적어도 하나의 마스킹 안료는 모드아크릴 폴리머 조성물에 5 내지 25 중량%의 양으로 존재한다. 일부 다른 구현예에서, 적어도 하나의 마스킹 안료는 모드아크릴 폴리머 조성물에 10 내지 20 중량%의 양으로 존재한다. 일부 구현예에서, 적어도 하나의 마스킹 안료는 2성분 필라멘트에 2성분 필라멘트의 총 중량을 기준으로 2.5 내지 22.5 중량%의 양으로 존재한다. 특히 바람직한 하나의 안료는 이산화티타늄(TiO2)이다.
본원에 사용된 바와 같이, "아라미드"는 아미드(-CONH-) 결합의 적어도 85%가 두 개의 방향족 고리에 직접 결합된 폴리아미드를 의미한다. 아라미드와 함께 첨가제가 사용될 수 있으며, 실제로, 다른 폴리머 재료가 최대 10 중량%만큼 아라미드와 배합될 수 있다거나, 아라미드의 디아민에 대해 다른 디아민이 10%만큼 치환되었거나 아라미드의 염화이산에 대해 다른 염화이산이 10%만큼 치환된 공중합체가 사용될 수 있음이 확인되었다. 적합한 아라미드 섬유는 문헌[Man-Made Fibers--Science and Technology, 제2권, Fiber-Forming Aromatic Polyamides 제목의 섹션, 297 페이지, W. Black et al., Interscience Publishers, 1968]에 기재되어 있다. 아라미드 섬유는 또한 미국 특허 4,172,938호; 3,869,429호; 3,819,587호; 3,673,143호; 3,354,127호; 및 3,094,511호에 개시되어 있다.
일부 바람직한 구현예에서, 아라미드 폴리머는 메타-아라미드이다. 메타-아라미드는 아미드 결합이 서로에 대해 메타 위치에 있는 아라미드이다. 바람직하게, 메타-아라미드 폴리머는 일반적으로 적어도 약 25의 LOI를 갖는다. 바람직한 메타-아라미드 중 하나는 폴리(메타페닐렌 이소프탈아미드)이다.
2성분 필라멘트는 5 내지 60 중량%의 제1 폴리머 조성물(아라미드 폴리머 조성물) 및 95 내지 40 중량%의 제2 폴리머 조성물(모드아크릴 폴리머 조성물)을 포함한다. 다시 말해, 시스/코어 필라멘트의 경우, 시스/코어 중량비는 95:5 내지 40:60의 범위이다. 일부 구현예에서, 2성분 필라멘트는 5 내지 50 중량%의 제1 폴리머 조성물 및 95 내지 50 중량%의 제2 폴리머 조성물을 포함하거나, 95:5 내지 50:50의 시스/코어 중량비 범위를 포함한다. 일부 구현예에서, 2성분 필라멘트는 30 내지 60 중량%의 제1 폴리머 조성물 및 70 내지 40 중량%의 제2 폴리머 조성물을 포함하거나, 70:30 내지 40:60의 시스/코어 중량비 범위를 포함한다.
일 구현예에서, 본 발명은 또한, 각각의 필라멘트가, 불연속 탄소 입자가 없는 모드아크릴 폴리머의 별개의, 바람직하게는 균일한 밀도의 시스 및 균질하게 분산된 불연속 탄소 입자를 포함하는 아라미드 폴리머의 별개의 코어를 포함하고, 시스가 코어를 둘러싸는 2성분 필라멘트를 포함하는 원사를 형성하는 방법에 관한 것이며, 이 방법은
a) 용매에서 아라미드 폴리머를 함유하는 제1 폴리머 용액을 형성하고(아라미드 폴리머 용액은 불연속 탄소 입자를 더 포함함), 동일하거나 상이한 용매에서 불연속 탄소 입자가 없는 모드아크릴 폴리머를 함유하는 제2 폴리머 용액을 형성하는 단계;
b) 제1 폴리머 용액과 제2 폴리머 용액을 위한 별개의 유입구, 및 도프 필라멘트를 방사하기 위한 복수의 출구 모세관을 갖는 방사구금 조립체를 제공하는 단계;
c) 제1 용액과 제2 용액의 결합된 복수의 스트림을 출구 모세관을 통해 방사셀 내로 압출하여 제2 폴리머 용액의 시스 및 제1 폴리머 용액의 코어를 갖는 복수의 도프 필라멘트를 형성하는 단계; 및
d) 복수의 도프 필라멘트로부터 용매를 추출하여 폴리머 필라멘트 원사를 제조하는 단계를 포함한다.
원하는 경우, 제2 폴리머 용액 조성물은 적어도 하나의 마스킹 안료를 추가로 포함한다.
일부 구현예에서, 이러한 공정은 건식 방사를 이용해 수행된다. 이 구현예에서, 복수의 도프 필라멘트로부터 용매를 추출하여 원사를 제조하는 단계는,
i) 도프 필라멘트를 방사셀 내의 가열된 가스와 접촉시켜 도프 필라멘트로부터 용매를 제거하여 용매가 감소된 필라멘트를 형성하는 단계;
ii) 용매가 감소된 필라멘트를 수성 액체로 ??칭시켜 필라멘트를 냉각함으로써, 폴리머 필라멘트 원사를 형성하는 단계; 및
iii) 원사를 세척하고 가열하여 폴리머 필라멘트 원사로부터 용매를 추가로 추출하는 단계를 포함한다.
일 구현예에서, 본 발명은 각각의 필라멘트가, 균질하게 분산된 불연속 탄소 입자를 포함하는 아라미드 폴리머의 별개의 제1 면, 및 불연속 탄소 입자가 없는 모드아크릴 폴리머의 별개의, 바람직하게는 밀도가 균일한 제2 면을 포함하는, 병렬배치 구조를 갖는 2성분 필라멘트를 포함하는 원사를 형성하는 방법에 관한 것이며, 이 방법은
a) 용매에서 아라미드 폴리머를 함유하는 제1 폴리머 용액을 형성하고(아라미드 폴리머 용액은 불연속 탄소 입자를 더 포함함), 동일하거나 상이한 용매에서 불연속 탄소 입자가 없는 모드아크릴 폴리머의 제2 폴리머 용액을 형성하는 단계;
b) 제1 폴리머 용액과 제2 폴리머 용액을 위한 별개의 유입구, 및 도프 필라멘트를 방사하기 위한 복수의 출구 모세관을 갖는 방사구금 조립체를 제공하는 단계;
c) 제1 용액과 제2 용액의 결합된 복수의 스트림을 출구 모세관을 통해 방사셀 내로 압출하여 제1 폴리머 용액의 제1 면 및 제2 폴리머 용액의 제2 면을 나란한 방향으로 갖는 복수의 도프 필라멘트를 형성하는 단계; 및
d) 복수의 도프 필라멘트로부터 용매를 추출하여 폴리머 필라멘트 원사를 제조하는 단계를 포함한다.
원하는 경우, 제2 폴리머 용액 조성물은 적어도 하나의 마스킹 안료를 추가로 포함한다.
일부 구현예에서, 병렬배치 구조를 형성하는 공정은 건식 방사를 이용해 수행된다. 이 구현예에서, 복수의 도프 필라멘트로부터 용매를 추출하여 원사를 제조하는 단계는,
i) 도프 필라멘트를 방사셀 내의 가열된 가스와 접촉시켜 도프 필라멘트로부터 용매를 제거하여 용매가 감소된 필라멘트를 형성하는 단계;
ii) 용매가 감소된 필라멘트를 수성 액체로 ??칭시켜 필라멘트를 냉각함으로써, 폴리머 필라멘트 원사를 형성하는 단계; 및
iii) 원사를 세척하고 가열하여 폴리머 필라멘트 원사로부터 용매를 추가로 추출하는 단계를 포함한다.
일부 구현예에서, 본 발명은 또한, 균질하게 분산된 탄소 입자를 포함하는 코어를 갖는 시스-코어 2성분 필라멘트를 포함하는 원사를 형성하는 방법에 관한 것이며, 원사는 탄소-함유 코어의 존재를 감추기 위해 2성분 필라멘트의 시스에 안료, 바람직하게는 이산화티타늄 안료를 추가로 포함한다. 대안적으로, 본 발명은 또한, 균질하게 분산된 탄소 입자를 포함하는 제1 면을 갖는 병렬배치 구조를 갖는 2성분 필라멘트를 포함하는 원사를 형성하는 방법에 관한 것이며, 원사는 탄소-함유 면의 존재를 감추기 위해 2성분 필라멘트의 제2 면에 안료, 바람직하게는 이산화티타늄 안료를 추가로 포함한다.
일 구현예에서, 이 공정은 시스-코어 필라멘트의 원사를 건식 방사하는 단계를 포함한다. 일반적으로, 용어 "건식 방사"는 방사구금 구멍을 통해 폴리머 용액을, 가열된 가스 분위기가 제공되는 방사셀로서 알려진, 가열된 챔버 내에 도프 필라멘트로 연속 스트림으로 압출하여 필라멘트를 제조하는 공정을 의미한다. 가열된 가스 분위기는 도프 필라멘트로부터 용매의 상당 부분(일반적으로는 40% 이상)을 제거하여, 추가 처리될 수 있는 충분한 물리적 무결성을 갖는 반고체 필라멘트를 남긴다. 이러한 "건식 방사"는 폴리머 용액이 액체 수조 또는 응집 매질에서 압출되거나 액체 수조 또는 응집 매질 내로 직접 압출되어 폴리머 필라멘트를 재생하는 "습식 방사" 또는 "에어 갭 습식 방사"(에어 갭 방사로도 알려짐)와 구별된다. 다시 말해, 건식 방사에서 1차 초기 용매 추출 매질은 가스이고, 습식 방사(및 에어 갭 습식 방사)에서 1차 초기 용매 추출 매질은 액체이다. 건식 방사에서, 도프 필라멘트로부터 용매를 충분히 제거하고 반고체 필라멘트를 형성한 후, 필라멘트를 추가 액체로 처리하여 필라멘트를 냉각시키고 이로부터 추가 용매를 가능한 한 추출할 수 있다. 후속 세척, 연신, 및 열처리는 원사의 필라멘트로부터 용매를 더 추출할 수 있다.
바람직한 구현예에서, 가열된 방사셀에서, 도프 필라멘트는 본질적으로 불활성 가열 가스 및 도프 필라멘트로부터 제거된 용매의 양만을 포함하는 환경에 접촉되거나 노출된다. 바람직한 불활성 가스는 실온에서 기체인 가스이다.
이 공정은 상이한 용액, 즉 탄소 입자는 없지만 선택적으로 카본 블랙이 아닌 마스킹 안료를 추가로 포함하고 용매 중에 모드아크릴 폴리머를 함유하는 하나의 폴리머 용액; 및 탄소 입자를 함유하고 바람직하게는 동일한 용매 중에 아라미드 폴리머를 함유하는 다른 폴리머 용액에서 적어도 2개의 상이한 폴리머 조성물을 형성하는 단계를 포함한다.
바람직하게 용매는 양성자 수용체로서도 기능하는 용매, 예를 들어 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc), N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 등으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 디메틸 설폭시드(DMSO)도 용매로서 사용될 수 있다. 디메틸아세트아미드(DMAc)는 하나의 바람직한 용매이다.
임의의 특정 용매 중의 임의의 특정 폴리머의 용해도는 폴리머와 용매의 상대적 양, 폴리머의 분자량 또는 고유 점도, 시스템의 온도를 비롯한 다양한 파라미터에 의존한다. 또한, 폴리머는 초기에 용매에 가용성일 수 있지만, 시간이 지남에 따라 폴리머는 용매로부터 침전될 수 있고, 이는 용액이 안정적인 용액이 아니라는 것을 의미한다.
바람직한 구현예에서, 이 공정은 안정적인 폴리머 방사 용액인 적어도 2개의 폴리머 용액을 사용한다. "안정적인 폴리머 방사 용액"이란 폴리머가 섬유 방사에 적절한 농도 및 온도에서 용매 또는 용매 시스템에 가용성이고, 폴리머가 용매에 가용성인 상태를 무한히 유지함을 의미한다. 용어 "용매 시스템"은 용매 및 무기염과 같은 용해/안정성 보조제를 포함함을 의미한다.
일부 구현예에서, 가용화/안정화 염이 존재하는 경우에만, 아라미드 폴리머는 유용한 안정적인 폴리머 방사 용액을 형성할 것이다. 따라서, 원한다면 필요한 경우, 폴리머를 용액 중에 유지시키기 위해 아라미드 폴리머 용액은 용액 중의 염, 폴리머, 및 용매의 양을 기준으로 적어도 4 중량%의 무기염을 포함한다. 일부 구현예에서, 용액은 적어도 7 중량%의 무기염을 포함한다.
사용될 수 있는 무기염은 칼슘, 리튬, 마그네슘 또는 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 양이온을 갖는 염화물 또는 브롬화물을 포함한다. 염화칼슘 또는 염화리튬 염이 바람직하다. 본원에 사용된 "염"이란 단어는 선택된 용매 중의 폴리머의 용해도를 증가시키거나 안정적인 방사 용액을 제공하는 데 도움이 되는 화합물을 포함함을 의미하고, 염일 수 있지만 단지 폴리머의 한계 산소 지수를 증가시키기 위해 첨가되는 첨가제(특히 난연성 첨가제)를 제외한다. 마찬가지로, "염이 없는(salt-free)"이란 용어는 이러한 LOI를 증가시키는 첨가제가 존재하지 않음을 의미하는 것이 아니고, 앞서 언급된 무기염이 존재하지 않음을 의미할 뿐이다.
일부 구현예에서, 모드아크릴 폴리머는 가용화/안정화 염의 존재 없이 유용한 안정적인 폴리머 방사 용액을 형성할 것이다. 이러한 용액은 염이 없는 것으로 간주되며 바람직하다.
유용한 폴리머 용액은 유용한 도프 필라멘트로 압출될 수 있는, 바람직하게는 건식 방사될 수 있는 폴리머 용액이다. 유용한 폴리머 용액을 형성하도록 조정될 수 있는 파라미터는 폴리머 분자량 및 용매 중의 폴리머 농도를 포함한다. 물론, 특정 파라미터는 선택된 폴리머와 용매에 의존한다. 그러나, 특정 점도의 특정 폴리머 용액이 유용한 필라멘트를 만드는 경향이 있는 것으로 알려져 있다. 점도에 영향을 미칠 수 있는 모든 변수, 예를 들어 온도, 농도, 폴리머와 용매의 유형, 폴리머 분자량 등이 유용한 폴리머 용액을 생성하는 데 사용될 수 있다. 일반적으로, 이러한 용액은 약 10 내지 1000 파스칼 초(Pa-sec), 바람직하게는 약 50 내지 500 Pa-sec의 소위 제로 전단 속도 또는 뉴턴 점도를 갖는다.
적어도 제1 조성물과 제2 조성물 및 용액을 형성한 후, 건식 방사 공정은 제1 용액과 제2 용액을 위한 별개의 유입구, 및 도프 필라멘트를 압출(방사)하기 위한 복수의 출구 모세관을 갖는 방사구금 조립체를 제공하는 단계를 포함한다. 도프 필라멘트를 방사하는 데 유용한 하나의 바람직한 방사구금 조립체는 Davies의 미국 특허 5,505,889호에 개시되어 있다. 그러나, 다른 방사구금 조립체가 잠재적으로 유용하고, 미국 특허 2,936,482호 및 3,541,198호에 개시된 방사구금 조립체(사용될 수 있는 가능한 방사구금 조립체들 중 일부일 뿐임)와 같은 많은 다양한 특징을 가질 수 있다.
이 공정은 바람직하게 탄소 입자가 없는 모드아크릴 폴리머의 연속 시스 및 탄소 입자를 함유하는 아라미드 폴리머의 연속 코어를 갖는 복수의 도프 필라멘트를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 코어는 2성분 필라멘트가 원하는 기능을 수행하기에 적절한 탄소 입자를 제공하기 위해 엄격하게 연속적일 필요는 없다. 대안적으로, 탄소 입자가 없는 모드아크릴 폴리머의 연속적 영역을 갖는 복수의 도프 필라멘트는 병렬배치 2성분 필라멘트 구조에 탄소 입자를 함유한 아라미드 폴리머의 연속적 영역과 함께 방사된다. 이러한 필라멘트 구조는 모두 제1 용액과 제2 용액의 결합된 복수의 스트림을 방사구금 조립체의 출구 모세관을 통해 방사셀 내로 압출하여 제조된다. 본원에서의 목적을 위해, "방사셀"은 도프 필라멘트로부터 용매를 제거할 수 있는 모든 종류의 챔버 또는 수조를 포함한다는 의미이다.
바람직한 구현예에서, 제1 용액과 제2 용액은 이들이 합쳐지는 방사구금 조립체 내로 별개의 유입구를 통해 공급된다. 일부 구현예에서, 방사구금 조립체는 두 용액이 모두 방사구금 조립체의 각각의 출구 모세관에 공급되도록 두 용액을 분배하여, 방사구금의 각각의 출구 모세관에서 제1 폴리머 용액과 제2 폴리머 용액을 결합하여 이루어지는 모드아크릴 폴리머 용액의 연속 시스 및 아라미드 폴리머 용액의 반연속 또는 연속 코어를 갖는 것이 바람직한 2성분 도프 필라멘트를 형성한다. 즉, 용액은 시스-코어 필라멘트 구조를 제공하기에 적합한 방식으로 공급된 후 동일한 출구 모세관을 통해 압출되며, 각각의 출구 모세관은 방사구금 조립체의 복수의 출구 모세관 중 하나이다. 이러한 구현예가 바람직하지만, 제1 폴리머 용액과 제2 폴리머 용액을 원하는 구조(예컨대, 대안적인 병렬배치 구조)의 적합한 2성분 도프 필라멘트로 결합하는 임의의 다른 배치의 출구 모세관 또는 개구 또는 방법이 사용될 수 있다.
바람직한 공정은 도프 필라멘트를 방사셀 내의 가열된 가스와 접촉시켜 복수의 도프 필라멘트로부터 용매를 제거하여 용매가 감소된 필라멘트를 형성하는 단계를 계속한다. 가열된 가스는 일반적으로 질소와 같은 불활성 가스이다. 일부 구현예에서, 도프 필라멘트는 방사셀 내의 가열된 가스와 단독으로 접촉된다.
일부 구현예에서, 복수의 도프 필라멘트 내 전체 용매 중, 그 용매의 50 내지 85%만큼이 방사셀 내의 도프 필라멘트로부터 제거된다. 따라서, 도프 필라멘트는 방사셀에서 용매가 감소된 필라멘트로 변환된다. 용매가 감소된 필라멘트는 이어서 필라멘트의 냉각을 위해 수성 액체로 ??칭되어, 폴리머 필라멘트 원사를 형성한다. ??칭은 또한, 더 효율적인 하류 처리를 위해 필라멘트로부터 일부 표면 점착성을 제거하는 역할을 한다. 또한 ??칭은 일부 추가 용매를 제거할 수 있고, 일단 ??칭되면, 도프 필라멘트 내 전체 최초 용매의 75% 이상이 제거되었을 수 있다. 이어서, 폴리머 필라멘트의 원사로부터 용매를 더 추출하는 추가 단계가 수행된다. 이들 단계는 필요에 따라 추가 세척, 연신, 및/또는 가열 또는 열처리를 포함할 수 있다.
"원사"는 연속 가닥을 형성하기 위해 서로 방사되거나 꼬인 섬유의 집합체를 의미한다. 본원에 사용된 바와 같이, 일반적으로 원사는 연속 멀티필라멘트 원사로 알려진 방사되는 2성분 필라멘트의 조립체를 지칭한다. 그러나, 본원의 방사 필라멘트는 스테이플 섬유로 절단되고, 직조(weaving) 및 편직(knitting)과 같은 작업에 적합한 옷감 재료의 가장 단순한 가닥인 단사로서 당업계에 알려진 것으로 변환될 수 있다. 예를 들어, 스테이플 섬유 원사는 스테이플 섬유 형태의 2성분 섬유로부터 형성될 수 있고, 원사는 다소의 꼬임을 갖는다. 단사에 꼬임이 존재하는 경우, 이는 모두 같은 방향이다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "합연사(ply yarn)" 및 "합사(plied yarn)"는 상호 교환적으로 사용될 수 있고 2개 이상의 원사(서로 꼬이거나 합쳐진 단사)를 지칭한다.
본원에서의 목적을 위해, 용어 "섬유" 및 "필라멘트"는 상호 교환적으로 사용되고, 길이에 수직인 단면 영역의 폭에 대한 길이의 비가 높은 비교적 유연하고 거시적으로 균질한 바디로서 정의된다. 또한, 이러한 섬유는 옷감 용도에서의 적절한 강도를 위해 대체로 속이 채워진 단면을 갖는 것이 바람직하다. 즉, 섬유는 공극이 그다지 많지 않거나 부적당한 공극의 양이 많지 않은 것이 바람직하다.
원하는 경우, 원사는 연속 멀티필라멘트 또는 스테이플 형태로 다른 섬유와 배합된 본원에 기술된 2성분 섬유를 포함할 수 있다. 또한, 2성분 필라멘트의 원사는 스테이플 섬유로 절단될 수 있다. 본원에 사용된 용어 "스테이플 섬유"는 원하는 길이로 절단되거나 연신 파단된 섬유, 또는 연속 필라멘트에 비해 길이에 수직인 단면 영역의 폭에 대한 길이의 비가 작게 만들어진 섬유를 의미한다. 인조 스테이플 섬유는, 예컨대 면, 모직, 또는 소모 원사 방사 장비에서 가공하기에 적합한 길이로 절단되거나 만들어진다. 스테이플 섬유는 (a) 실질적으로 균일한 길이, (b) 가변 또는 임의의 길이를 가질 수 있거나, (c) 스테이플 섬유의 하위세트가 실질적으로 균일한 길이를 갖고 다른 하위세트의 스테이플 섬유는 상이한 길이를 가지며, 하위세트의 스테이플 섬유는 서로 혼합되어 실질적으로 균일한 분포를 형성한다.
일부 구현예에서, 적합한 스테이플 섬유는 1 내지 30 cm(0.39 내지 12 인치)의 절단 길이를 갖는다. 일부 구현예에서, 적합한 스테이플 섬유는 2.5 내지 20 cm(1 내지 8 인치)의 길이를 갖는다. 일부 바람직한 구현예에서, 짧은 스테이플 공정에 의해 제조된 스테이플 섬유는 6 cm(2.4 인치) 이하의 절단 길이를 갖는다. 일부 바람직한 구현예에서, 짧은 스테이플 공정에 의해 제조된 스테이플 섬유는 1.9 내지 5.7 cm(0.75 내지 2.25 인치)의 스테이플 섬유 길이를 가지며, 3.8 내지 5.1 cm(1.5 내지 2.0 인치)의 섬유 길이가 특히 바람직하다. 긴 스테이플, 소모, 또는 모직 시스템 방사의 경우, 최대 16.5 cm(6.5 인치)의 길이를 갖는 섬유가 바람직하다.
스테이플 섬유는 임의의 공정에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 스테이플 섬유는 회전식 절단기 또는 길로틴형 절단기를 사용해 연속 스트레이트 섬유로부터 스트레이트(즉, 비권축(non-crimped)) 스테이플 섬유를 생성하며 절단되거나, 센티미터당 권축수가 바람직하게 8개 이하인 권축(또는 반복 굴곡) 빈도로 스테이플 섬유의 길이를 따라 톱니 형상의 권축을 갖는 권축 연속 섬유로부터 추가로 절단될 수 있다. 바람직하게, 스테이플 섬유는 권축을 갖는다.
스테이플 섬유는 연속 섬유를 연신 파단하여 형성될 수도 있으며, 이로 인해 권축 역할을 하는 변형부를 갖는 스테이플 섬유가 생성된다. 연신 파단된 스테이플 섬유는 파단 구역 조정에 의해 조절된 평균 절단 길이를 갖는 임의의 가변 질량의 섬유를 생성하는 소정 거리의 하나 이상의 파단 구역을 갖는 연신 파단 작업 중에 연속 필라멘트의 번들 또는 토우를 파단하여 제조될 수 있다.
방사 스테이플 원사는 당업자에게 잘 알려진 기존의 긴 스테이플 및 짧은 스테이플 링 방사 공정을 이용해 스테이플 섬유로부터 제조될 수 있다. 그러나, 원사는 에어 제트 방사, 오픈 엔드 방사, 및 스테이플 섬유를 사용 가능한 원사로 변환하는 많은 기타 유형의 방사를 이용해 방사될 수도 있기 때문에 이러한 언급이 링 방사로 한정하려는 것은 아니다. 방사 스테이플 원사는 연신 파단 토우-투-탑(tow-to-top) 스테이플 공정을 이용해 연신 파단에 의해 직접 제조될 수도 있다. 기존의 연신 파단 공정에 의해 형성된 원사의 스테이플 섬유는 일반적으로 최대 18 cm(7 인치)의 길이를 갖지만, 연신 파단에 의해 제조된 방사 스테이플 원사도, 예를 들어 PCT 특허 출원 WO 0077283호에 기재된 것과 같은 공정을 통해 약 50 cm(20 인치)까지의 최대 길이를 갖는 스테이플 섬유를 가질 수 있다. 연신 파단 공정은 섬유에 어느 정도 권축을 부여하기 때문에 연신 파단 스테이플 섬유는 일반적으로 권축을 필요로 하지 않는다.
2성분 필라멘트로 제조된 스테이플 섬유, 또는 2성분 필라멘트 자체는 원하는 경우 섬유 블렌드에서 또한 사용될 수 있다. 섬유 블렌드는 두 가지 이상의 스테이플 섬유 유형, 또는 두 가지 이상의 연속 필라멘트의 임의 방식의 조합물을 의미한다. 바람직하게, 스테이플 섬유 블렌드는 "균질 블렌드"이며, 이는 블렌드 내 다양한 스테이플 섬유가 비교적 균일한 섬유 혼합물을 형성함을 의미한다. 일부 구현예에서, 스테이플 섬유 원사가 방사되기 전에 또는 방사되는 중에 두 가지 이상의 스테이플 섬유 유형이 배합되어 다양한 스테이플 섬유가 스테이플 원사 번들에 균질하게 분포된다.
블렌드는 선택적으로 정전기 방지 섬유를 함유한다. 한 가지 적합한 섬유는 De Howitt의 미국 특허 4,612,150 및/또는 Hull의 미국 특허 3,803,453호에 기재된 것과 같은, 1 내지 3 중량%의 양의 용융 방사 열가소성 정전기 방지 섬유이다. 이들 섬유는 카본 블랙을 함유하고 있지만, 섬유 폴리머가 방염성과 열적 안정성의 조합을 갖지 않으므로(즉, 분당 10도의 속도로 섭씨 425도까지 가열시 그 중량의 적어도 90%를 유지하지 않으며, 21보다 큰 LOI를 함께 갖지 않음) 아크 성능에 거의 영향을 미치지 않는다. 실제로, 이러한 열가소성 정전기 방지 섬유는 분당 10도의 속도로 섭씨 425도까지 가열시 35 중량%를 초과하여 손실된다. 본원에서의 목적을 위해, 그리고 혼동을 피하기 위해, 불연속 탄소 입자의 총 함량(중량%)은 소량의 정전기 방지 섬유를 제외한 섬유 블렌드의 총 중량 기준이다.
패브릭은 원사로부터 제조될 수 있고, 일부 구현예에서, 바람직한 패브릭은 직조 또는 편직 패브릭을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일반적인 패브릭 디자인 및 구조는 당업자에게 잘 알려져 있다. "직조" 패브릭은 보통 직조기에서 경사(warp yarn) 또는 세로 방향 원사와 위사(filling yarn) 또는 가로 방향 원사를 서로 엮어 평직, 크로우풋직, 바스켓직, 새틴직, 능직 등과 같은 임의의 패브릭 직조형을 생성함으로써 형성된 패브릭을 의미한다. 평직 및 능직이 업계에 사용되는 가장 일반적인 직조형인 것으로 여겨지고 많은 구현예에서 바람직하다.
"편직" 패브릭은 보통 바늘을 사용해 원사 루프를 연환(interlooping)하여 형성된 패브릭을 의미한다. 많은 경우에, 편직 패브릭을 제조하기 위해, 원사를 패브릭으로 변환하는 편물기에 방사 스테이플 원사가 공급된다. 원하는 경우, 합쳐지거나 합쳐지지 않은 여러 경사(ends) 또는 원사가 편물기에 공급될 수 있다(즉, 원사의 번들 또는 합사의 번들이 편물기에 동시 공급되고 종래 기술을 이용해 패브릭으로 편직되거나 장갑과 같은 의류 용품으로 직접 편직될 수 있다). 니트의 치밀성(tightness)은 특정 요구를 충족시키도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 단일 저지 니트 및 테리 니트 패턴에서 보호복을 위한 특성의 매우 효과적인 조합이 확인되었다.
특히 유용한 일부 구현예에서, 방사 스테이플 원사는 아크 저항성 방염성 의복을 제조하는 데 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 의복은 방사 스테이플 원사로 제조된 본질적으로 하나의 층의 보호 패브릭을 가질 수 있다. 이러한 유형의 의복은 극심한 열적 이벤트가 발생할 수 있는 화학 처리 산업 또는 산업 또는 전기 설비와 같은 상황에서 착용할 수 있는 점프 슈트, 작업복, 바지, 셔츠, 장갑, 슬리브 등을 포함한다. 바람직한 일 구현예에서, 의복은 본원에 기술된 원사를 포함하는 패브릭으로부터 제조된다.
이러한 유형의 보호 용품 또는 의복은 산업 인력, 예컨대 전기 아크 가능성이 있는 환경에서 작업할 수 있는 전기 기술자 및 공정 제어 전문가 등에 의해 사용되는 보호복, 재킷, 점프 슈트, 작업복, 후드 등을 포함한다. 바람직한 구현예에서, 보호 의복은 전기 패널 또는 변전소에서 작업이 필요한 경우 옷과 다른 보호 장비 위에 일반적으로 사용되는 7부 길이의 코트를 비롯한 코트 또는 재킷이다.
바람직한 구현예에서, 단일 패브릭층의 보호 용품 또는 의복은, 아크 등급에 대한 두 가지 일반적인 카테고리 등급 시스템 중 하나로 측정할 때 적어도 카테고리1 또는 2 아크 등급 이상인 2 cal/cm2/oz 초과의 ATPV를 갖는다. 미국 방화 협회(NFPA)에는 카테고리 1이 가장 낮은 성능을 갖고 카테고리 4가 가장 높은 성능을 갖는 4개의 상이한 카테고리가 있다. NFPA 70E 시스템 하에서, 카테고리 1, 2, 3, 및 4는 각각 4, 8, 25, 및 40 cal/cm2의 패브릭 관통 최소 임계 열유속에 해당한다. 미국 전기 안전 규정(NESC)에도 카테고리 1이 가장 낮은 성능을 갖고 카테고리 3이 가장 높은 성능을 갖는 3개의 상이한 카테고리를 가진 등급 시스템이 있다. NESC 시스템 하에서, 카테고리 1, 2, 및 3은 각각 4, 8, 및 12 cal/cm2의 패브릭 관통 최소 임계 열유속에 해당한다. 따라서, 카테고리 2 아크 등급을 갖는 패브릭 또는 의복은 표준 설정 방법 ASTM F1959 또는 NFPA 70E에 따라 측정할 때 8 cal/cm2의 열유속을 견딜 수 있다.
일부 구현예에서, 패브릭 및 물품은 바람직하게 30 내지 70 범위의 "L*" 값을 갖는다.
시험 방법
아크 저항성. 본 발명의 패브릭의 아크 저항성은 ASTM F-1959-99 "Standard Test Method for Determining the Arc Thermal Performance Value of Materials for Clothing"에 따라 측정된다. 바람직하게, 본 발명의 패브릭은 바람직하게 oz/yd2 당 적어도 0.8 cal/cm2, 더 바람직하게는 적어도 2 cal/cm2의 아크 저항성(ATPV)을 갖는다.
열중량 분석(TGA). 분당 10도의 속도로 섭씨 425도까지 가열시 중량의 적어도 90%를 유지하는 섬유는 델라웨어주 뉴워크의 TA Instruments(Waters사의 계열사)로부터 입수 가능한 모델 2950 열중량 분석기(TGA)를 사용해 측정될 수 있다. TGA는 승온에 대한 샘플 중량 감소의 스캔을 제공한다. TA Universal Analysis 프로그램을 이용해, 임의의 기록된 온도에서 중량 감소 퍼센트가 측정될 수 있다. 프로그램 프로파일은 50℃에서의 샘플 평형화; 분당 10℃로 50℃에서 1000℃까지의 승온; 기체로서 공기의 사용(10 ml/분으로 공급); 및 500 마이크로리터 세라믹 컵(PN 952018.910) 샘플 용기의 사용으로 이루어진다. 구체적인 시험 절차는 다음과 같다. TA Systems 2900 Controller 상의 TGA 화면을 사용해 TGA를 프로그래밍하였다. 샘플 ID를 입력하고, 분당 20도의 계획된 승온 프로그램을 선택하였다. 기기의 테어(tare) 기능을 이용해 빈 샘플 컵을 테어링하였다. 섬유 샘플을 약 1/16"(0.16 cm) 길이로 절단하고, 샘플 용기를 샘플로 대략 채웠다. 샘플 중량은 10 내지 50 mg의 범위이어야 한다. TGA에는 저울이 있으므로 정확한 중량을 미리 측정할 필요는 없다. 어떠한 샘플도 용기 외부에 있어서는 안 된다. 채워진 샘플 용기를 저울 와이어에 로딩하고 열전대가 용기의 상부 가장자리에 가깝지만 접촉하지 않도록 하였다. 노(furnace)를 용기 위로 올리고 TGA를 시작한다. 프로그램이 종료되면, TGA는 자동으로 노를 내리고, 샘플 용기를 제거하고, 냉각 모드로 들어간다. 이어서, TA Systems 2900 Universal Analysis 프로그램을 사용해 분석하여 온도 범위에 걸친 중량 감소 퍼센트에 대한 TGA 스캔을 생성한다.
한계 산소 지수. 본 발명의 패브릭의 한계 산소 지수(LOI)는 ASTM G-125-00 "Standard Test Method for Measuring Liquid and Solid Material Fire Limits in Gaseous Oxidants"에 따라 측정된다.
색 측정. 색 및 분광 반사율 측정에 사용된 시스템은 1976 CIELAB 컬러 스케일(Commission Internationale de l'Eclairage가 개발한 L*-a*-b* 시스템)이다. CIE "L*-a*-b*" 시스템에서, 색은 3 차원 공간 내 점으로 보인다. "L*" 값은 명도 좌표(높은 값이 가장 밝음)이고, "a*" 값은 적색/녹색 좌표("+a*"는 적색 색조를 나타내고 "-a*"는 녹색 색조를 나타냄)이고, "b*" 값은 황색/청색 좌표("+b*"는 황색 색조를 나타내고 "-b*"는 청색 색조를 나타냄)이다. 섬유의 퍼프(puff)에서, 또는 명시된 패브릭 또는 의복 형태에서, 분광 광도계를 사용해 샘플의 색을 측정하였다. 구체적으로, 10도(10-degree) 관찰자 및 D65 광원의 산업 표준을 포함하는 Hunter Lab UltraScan® PRO 분광 광도계를 사용하였다. 본원에 사용된 컬러 스케일은 별표 없이 표기된("L-a-b") 이전 헌터(Hunter) 컬러 스케일의 좌표와 달리, 별표가 있는 CIE("L*-a*-b*) 컬러 스케일의 좌표를 사용한다.
탄소 입자의 중량%. 섬유 제조시 섬유 내 카본 블랙의 공칭량은 성분의 단순한 물질 수지(mass balance)에 의해 결정된다. 섬유 제조 후, 섬유에 존재하는 카본 블랙의 양은, 섬유 샘플의 중량을 측정하고, 카본 블랙 입자에 영향을 미치지 않는 적절한 용매에 폴리머를 용해시켜 섬유를 제거하고, 나머지 고형분을 세척하여 탄소가 아닌 모든 무기염을 제거하고, 나머지 고형분을 칭량하여 결정될 수 있다. 구체적인 한 가지 방법은, 시험할 섬유, 원사, 또는 패브릭 약 1 g을 칭량하는 단계, 이 샘플을 105℃의 오븐에서 60분 동안 가열하여 모든 수분을 제거하는 단계, 이후 샘플을 데시케이터에 넣어 실온까지 냉각시키는 단계, 이후 샘플을 칭량하여 0.0001 g의 정밀도로 초기 중량을 얻는 단계를 포함한다. 이어서, 교반기가 있는 250 ml 평저 플라스크에 샘플을 넣고, 적절한 용매(예를 들어, 96% 황산) 150 ml를 첨가한다. 이어서, 응축기 상단으로 연기가 빠져 나가지 않도록 하는 충분한 유량으로 작동하는 냉각수 응축기가 있는 교반/히터의 조합 위에 플라스크를 놓는다. 이어서, 원사가 용매에 완전히 용해될 때까지 교반하면서 열을 가한다. 이어서, 플라스크를 히터로부터 제거하고 실온까지 냉각시킨다. 이어서, 테어링된 0.2 미크론 PTFE 여과지가 있는 밀리포어 진공 필터 유닛을 사용해 플라스크의 내용물을 진공 여과한다. 진공을 없앤 후, 25 ml의 추가 용매로 플라스크를 씻어 내고, 이 또한 필터에 통과시킨다. 이어서, 밀리포어 유닛을 진공 플라스크로부터 제거하고, 새로운 깨끗한 유리 진공 플라스크에 재설정한다. 진공 상태에서, 여과액 상의 pH 시험지 확인에 의해 세척수가 중성인 것으로 나타날 때까지 여과지 상의 잔사를 물로 세척한다. 이어서, 잔사를 메탄올로 최종 세척한다. 잔사 샘플이 있는 여과지를 제거하여, 접시에 놓고, 105℃의 오븐에서 20분 동안 가열 건조시킨다. 이어서, 잔사 샘플이 있는 여과지를 데시케이터에 넣어 실온까지 냉각시킨 후, 잔사 샘플이 있는 여과지를 칭량하여 0.0001 g의 정밀도로 최종 중량을 얻는다. 잔사 샘플이 있는 여과지의 중량에서 여과지의 중량을 뺀다. 이어서, 이 중량을 원사 또는 섬유 또는 패브릭의 초기 중량으로 나누고 100을 곱한다. 이로써 섬유, 원사, 또는 패브릭 내 카본 블랙의 중량%가 얻어진다.
입도. 탄소 입자의 크기는 ASTM B822-10 "Standard Test Method for Particle Size Distribution of Metal Powders and Related Compounds by Light Scattering"의 일반 규정을 이용해 측정될 수 있다.
안료의 중량%. 섬유 제조시 카본 블랙이 아닌 섬유 내 안료의 공칭량은 성분의 단순한 물질 수지(mass balance)에 의해 결정된다. 섬유 제조 후, 섬유에 존재하는 안료의 양은 섬유 샘플의 중량을 측정하고, 샘플을 회분화(ashing)하고, 나머지 고형분을 칭량하여 중량%를 계산하는 일반적인 방법에 의해 측정될 수 있다. 섬유 샘플 내 TiO2의 양을 측정하는 한 가지 구체적인 방법은 시험할 섬유 약 5 g을 칭량하고, 이 샘플을 105℃의 오븐에서 60분 동안 가열하여 모든 수분을 제거한 후, 샘플을 약 15분 동안 데시케이터에 넣어 실온까지 냉각시키는 것을 포함한다. 이어서, 합성 석영 도가니를 800℃로 작동하는 머플로(muffle furnace)에 15분 동안 넣은 후, 꺼내 데시케이터에서 15분 동안 냉각시킨다. 이어서, 0.0001 g의 정밀도로 도가니를 칭량한다. 건조된 원사 샘플도 0.0001 g의 정밀도로 칭량하여 초기 중량을 얻는다. 건조된 원사 샘플을 도가니에 넣은 후, 샘플이 있는 도가니를 800℃로 작동하는 머플로 안에 60분 동안 둔다. 이어서, 도가니를 꺼내 데시케이터에 넣어 15분 동안 냉각시킨 후, 최종 샘플과 도가니를 함께 0.0001 g의 정밀도로 칭량한다. 이어서, 최종 샘플과 도가니의 전체 중량에서 도가니 중량을 먼저 빼고, 이 양을 섬유 샘플의 초기 중량으로 나눈 다음 100을 곱해 TiO2의 양을 계산한다. 이로써 TiO2의 양이 중량%로 제공된다.
수축률. 고온에서 섬유 수축률을 시험하기 위해, 시험할 멀티-필라멘트 원사 샘플의 두 말단을 루프의 총 내부 길이가 약 1 m 길이가 되도록 단단한 매듭으로 서로 묶는다. 이어서, 루프를 팽팽해질 때까지 인장시키고, 배가된 루프의 길이를 0.1 cm 단위까지 측정한다. 이어서, 원사 루프를 섭씨 185도에서 30분 동안 오븐 안에 걸어둔다. 이어서, 원사 루프를 냉각시키고, 다시 인장시키고, 배가된 길이를 다시 측정한다. 이어서, 루프의 직선 길이의 변화로부터 수축률 퍼센트를 계산한다.
본 발명은 다음과 같은 실시 형태를 포함한다.
실시 형태 1. 복수의 2성분 필라멘트를 포함하는 원사로서,
상기 2성분 필라멘트는 제1 폴리머 조성물을 포함하는 제1 영역 및 제2 폴리머 조성물을 포함하는 제2 영역을 갖고, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 각각은 상기 2성분 필라멘트에서 서로 별개이고,
각각의 2성분 필라멘트는 5 내지 60 중량%의 상기 제1 폴리머 조성물 및 95 내지 40 중량%의 상기 제2 폴리머 조성물을 포함하고,
상기 제1 폴리머 조성물은 상기 필라멘트의 상기 제1 영역에 균질하게 분산된 불연속 탄소 입자를 상기 제1 조성물 내 탄소 입자의 양을 기준으로 0.5 내지 20 중량% 함유하는 아라미드 폴리머를 포함하고,
상기 제2 폴리머 조성물은 불연속 탄소 입자가 없는 모드아크릴 폴리머를 포함하고,
상기 원사는 총 0.1 내지 5 중량% 함량의 불연속 탄소 입자를 갖는, 원사.
실시 형태 2. 실시 형태 1에 있어서, 각각의 2성분 필라멘트는 30 내지 60 중량%의 상기 제1 폴리머 조성물 및 70 내지 40 중량%의 상기 제2 폴리머 조성물을 포함하는, 원사.
실시 형태 3. 실시 형태 1 또는 실시 형태 2에 있어서, 상기 제1 폴리머 조성물은 0.5 내지 10 중량%의 불연속 탄소 입자를 함유하는 아라미드 폴리머를 포함하는, 원사.
실시 형태 4. 실시 형태 1 내지 실시 형태 3 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 상기 제2 폴리머 조성물은 적어도 하나의 마스킹 안료를 추가로 포함하는, 원사.
실시 형태 5. 실시 형태 4에 있어서, 상기 적어도 하나의 마스킹 안료는 상기 제2 폴리머 조성물에 5 내지 25 중량%의 양으로 존재하는, 원사.
실시 형태 6. 실시 형태 5에 있어서, 상기 적어도 하나의 마스킹 안료는 상기 제2 폴리머 조성물에 10 내지 20 중량%의 양으로 존재하는, 원사.
실시 형태 7. 실시 형태 1 내지 실시 형태 6 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 상기 적어도 하나의 마스킹 안료는 상기 2성분 필라멘트에 2.5 내지 22.5 중량%의 양으로 존재하는, 원사.
실시 형태 8. 실시 형태 1 내지 실시 형태 7 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 상기 2성분 필라멘트는 상기 제1 영역이 코어이고 상기 제2 영역이 시스인 시스-코어 구조를 갖는, 원사.
실시 형태 9. 실시 형태 1 내지 실시 형태 7 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 상기 2성분 필라멘트는 상기 제1 영역이 상기 필라멘트의 제1 면이고 상기 제2 영역이 상기 필라멘트의 제2 면인 병렬배치(side-by-side) 구조를 갖는, 원사.
실시 형태 10. 실시 형태 1 내지 실시 형태 9 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 상기 원사는 총 0.1 내지 3 중량% 함량의 불연속 탄소 입자를 갖는, 원사.
실시 형태 11. 실시 형태 1 내지 실시 형태 10 중 어느 한 실시 형태의 원사를 포함하는 패브릭.
실시 형태 12. 실시 형태 11의 패브릭을 포함하는 열 보호복 용품.
실시 형태 13. 실시 형태 1 내지 실시 형태 10 중 어느 한 실시 형태의 원사를 포함하는 열 보호복 용품.
실시 형태 14. 각각의 필라멘트가, 불연속 탄소 입자가 없는 모드아크릴 폴리머의 별개의 시스 및 균질하게 분산된 불연속 탄소 입자를 포함하는 아라미드 폴리머의 별개의 코어를 포함하고, 상기 시스가 상기 코어를 둘러싸는 2성분 필라멘트를 포함하는 원사를 형성하는 방법으로서,
a) 용매에서 아라미드 폴리머를 함유하는 제1 폴리머 용액을 형성하고(상기 아라미드 폴리머 용액은 불연속 탄소 입자를 더 포함함), 동일하거나 상이한 용매에서 탄소 입자가 없는 모드아크릴 폴리머의 제2 폴리머 용액을 형성하는 단계;
b) 상기 제1 폴리머 용액과 상기 제2 폴리머 용액을 위한 별개의 유입구, 및 도프 필라멘트를 방사하기 위한 복수의 출구 모세관을 갖는 방사구금 조립체를 제공하는 단계;
c) 상기 제1 용액과 상기 제2 용액의 결합된 복수의 스트림을 상기 출구 모세관을 통해 방사셀 내로 압출하여 상기 제2 폴리머 용액의 시스 및 상기 제1 폴리머 용액의 코어를 갖는 복수의 도프 필라멘트를 형성하는 단계; 및
d) 상기 복수의 도프 필라멘트로부터 용매를 추출하여 폴리머 필라멘트 원사를 제조하는 단계를 포함하는 방법.
실시 형태 15. 실시 형태 14에 있어서, 상기 복수의 도프 필라멘트로부터 용매를 추출하여 원사를 제조하는 d) 단계는,
i) 상기 도프 필라멘트를 상기 방사셀 내의 가열된 가스와 접촉시켜 상기 도프 필라멘트로부터 용매를 제거하여 용매가 감소된 필라멘트를 형성하는 단계;
ii) 상기 용매가 감소된 필라멘트를 수성 액체로 ??칭시켜 상기 필라멘트를 냉각함으로써, 폴리머 필라멘트 원사를 형성하는 단계; 및
iii) 원사를 세척하고 가열하여 상기 폴리머 필라멘트 원사로부터 용매를 추가로 추출하는 단계를 포함하는, 방법.
실시 형태 16. 실시 형태 14 또는 실시 형태 15에 있어서, 상기 제2 폴리머 용액 조성물은 적어도 하나의 마스킹 안료를 추가로 포함하는, 방법.
실시 형태 17. 실시 형태 14 내지 실시 형태 16 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 상기 아라미드 폴리머는 폴리(메타페닐렌 이소프탈아미드)인, 방법.
실시 형태 18. 각각의 필라멘트가, 균질하게 분산된 불연속 탄소 입자를 포함하는 아라미드 폴리머의 별개의 제1 면, 및 불연속 탄소 입자가 없는 모드아크릴 폴리머의 별개의 제2 면을 포함하는, 병렬배치 구조를 갖는 2성분 필라멘트를 포함하는 원사를 형성하는 방법으로서,
a) 용매에서 아라미드 폴리머를 함유하는 제1 폴리머 용액을 형성하고(상기 아라미드 폴리머 용액은 불연속 탄소 입자를 더 포함함), 동일하거나 상이한 용매에서 불연속 탄소 입자가 없는 모드아크릴 폴리머의 제2 폴리머 용액을 형성하는 단계;
b) 상기 제1 폴리머 용액과 상기 제2 폴리머 용액을 위한 별개의 유입구, 및 도프 필라멘트를 방사하기 위한 복수의 출구 모세관을 갖는 방사구금 조립체를 제공하는 단계;
c) 상기 제1 용액과 상기 제2 용액의 결합된 복수의 스트림을 상기 출구 모세관을 통해 방사셀 내로 압출하여 상기 제1 폴리머 용액의 제1 면 및 상기 제2 폴리머 용액의 제2 면을 나란한 방향으로 갖는 복수의 도프 필라멘트를 형성하는 단계; 및
d) 상기 복수의 도프 필라멘트로부터 용매를 추출하여 폴리머 필라멘트 원사를 제조하는 단계를 포함하는 방법.
실시 형태 19. 실시 형태 18에 있어서, 상기 복수의 도프 필라멘트로부터 용매를 추출하여 원사를 제조하는 d) 단계는,
i) 상기 도프 필라멘트를 상기 방사셀 내의 가열된 가스와 접촉시켜 상기 도프 필라멘트로부터 용매를 제거하여 용매가 감소된 필라멘트를 형성하는 단계;
ii) 상기 용매가 감소된 필라멘트를 수성 액체로 ??칭시켜 상기 필라멘트를 냉각함으로써, 폴리머 필라멘트 원사를 형성하는 단계; 및
iii) 원사를 세척하고 가열하여 상기 폴리머 필라멘트 원사로부터 용매를 추가로 추출하는 단계를 포함하는, 방법.
실시 형태 20. 실시 형태 18 또는 실시 형태 19에 있어서, 상기 제2 폴리머 용액 조성물은 적어도 하나의 마스킹 안료를 추가로 포함하는, 방법.
실시 형태 21. 실시 형태 18 내지 실시 형태 20 중 어느 한 실시 형태에 있어서, 상기 아라미드 폴리머는 폴리(메타페닐렌 이소프탈아미드)인, 방법.
실시예 1
본 실시예에서, 시스/코어 2성분 섬유를 모드아크릴 폴리머의 시스 40% 및 시스에 안료 없이 코어에 2.5 중량%의 카본 블랙이 첨가(섬유 내 1.5 중량%의 카본 블랙 첨가)된 폴리(메타페닐렌 이소프탈아미드)(MPD-I)를 갖는 코어 60%로 방사하였다.
모드아크릴 폴리머로부터 제조된 적절한 양의 섬유를 DMAc에 용해시켜 DMAc 중의 모드아크릴 폴리머 30 중량% 용액을 제조하였다. 이 용매에서 폴리머를 중합시켜 DMAc 중의 MPD-I 폴리머 19.3 중량% 용액을 또한 얻었다.
이어서, 모드아크릴 폴리머 용액과 MPD-I 폴리머 용액의 독립적으로 제어되는 스트림을 MPD-I 폴리머의 코어 위에 모드아크릴 폴리머의 시스를 건식 방사하기 위한 방사셀에 공급하였다. 방사셀의 상단에 들어가기 전 시스/코어 필라멘트를 생성하기 위해 방사셀에 방사구금 조립체를 장착하였다. 미국 특허 5,505,889호의 도 1 내지 3에 상세히 개시된 것과 같은 방사구금 조립체는 2개의 용액으로부터 원하는 시스-코어 구조를 생성하기 위해 미터 플레이트 및 방사구금을 포함하였다. 방사구금에는 791개의 출구 구멍이 있고, 각각의 구멍은 0.005 인치의 직경과 0.01 인치의 길이를 가졌다. 방사구금 조립체는 용액이 미터 플레이트와 방사구금을 통과할 때 용액의 온도가 100 내지 150℃로 제어되도록 스트림 통로를 또한 포함하였다.
스트림에서의 모드아크릴 폴리머 용액과 MPD-I 폴리머 용액의 유량은 2개의 상이한 계량 펌프로 독립적으로 제어하였다. 일정량의 카본 블랙을 MPD-I 용액과 혼합하여 카본 블랙을 함유한 별도의 추가 분산액을 제조한 후, 이 분산액을 밀링하여 균일한 입자 분포를 얻었다. 이어서, 이 분산액을 이 스트림에서 2.5 중량%의 카본 블랙 첨가량을 얻기에 적합한 유량으로 방사구금 전 MPD-I 폴리머 용액의 코어 스트림에 주입하였다.
방사구금 조립체에서 나온 카본 블랙 함유 개별 모드아크릴/MPD-I 시스/코어 필라멘트의 번들을 가열된 질소 가스로 처리하여 필라멘트로부터 DMAc 일부를 제거하였고, 필라멘트를 방사셀의 출구에서 수성 액체로 추가로 ??칭시켰다.
이 공정으로부터 생성된 스레드라인(threadline) 번들의 샘플을 ??칭 후 채취하고, 시스-코어 2성분 필라멘트 단면의 광학 현미경 이미지를 찰영하여 도 1에 나타내었다. 블랙 코어와 함께 섬유의 시스 코어 구조가 분명하다.
카본 블랙을 함유한 ??칭된 모드아크릴/MPD-I 시스/코어 섬유를 세척/연신기에서 추가로 처리하여 필라멘트를 3.6배 더 연신하고, 잔류 농도가 1 중량% 미만이 되도록 추가 DMAc 용매를 추출하였다. 이어서, 섬유를 스팀 건조기 및 전열 드럼을 사용해 건조시키고 추가로 열처리한 후, 보빈에 감기 전에 방사유제(spin-finish)를 도포하였다.
실시예 2
실시예 1을 반복하지만, 병렬배치 2성분 필라멘트 구조를 제공하는 방사구금을 사용하였고, 탄소 입자를 함유한 아라미드 폴리머의 제1 면 대 탄소 입자가 없는 모드아크릴 폴리머의 제2 면의 중량비는 실시예 1에서와 같이 60:40이다. 제1 면의 추가 질량으로 인해, 그 면은 제2 면의 둘레 50%를 넘게 둘러싸서, 시스-코어와 유사한 기능을 하는 병렬배치 2성분 필라멘트를 만든다.
실시예 3
실시예 1 및 2에 나타낸 절차를 반복하지만, 추가로, 모드아크릴 스트림은 DMAc 중의 루타일 이산화티타늄(TiO2) 안료의 분산액을 포함한다. 이 안정한 분산액은 DMAc 중에 폴리머 및 약 30 중량%의 TiO2를 함유하고, 이를 밀링하여 분산액 중의 TiO2의 균일한 분포를 얻는다. 이어서, 이 밀링된 분산액을 모드아크릴 폴리머 중의 15 중량% TiO2의 최종 농도와 동일한 양으로 모드아크릴 폴리머의 스트림에 첨가한다. 본 내용에서, 시스에 TiO2 안료를 갖는 시스-코어 필라멘트, 및 일측 면에 TiO2 안료를 갖는 병렬배치 필라멘트가 제조된다.

Claims (21)

  1. 복수의 2성분 필라멘트를 포함하는 원사로서,
    상기 2성분 필라멘트는 제1 폴리머 조성물을 포함하는 제1 영역 및 제2 폴리머 조성물을 포함하는 제2 영역을 갖고, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 각각은 상기 2성분 필라멘트에서 서로 별개이고,
    각각의 2성분 필라멘트는 5 내지 60 중량%의 상기 제1 폴리머 조성물 및 95 내지 40 중량%의 상기 제2 폴리머 조성물을 포함하고,
    상기 제1 폴리머 조성물은 상기 필라멘트의 상기 제1 영역에 균질하게 분산된 탄소 입자를 상기 제1 폴리머 조성물 내 탄소 입자의 양을 기준으로 0.5 내지 20 중량% 함유하는 아라미드 폴리머를 포함하고,
    상기 제2 폴리머 조성물은 탄소 입자가 없는 모드아크릴 폴리머를 포함하고,
    상기 원사는 총 0.1 내지 5 중량% 함량의 탄소 입자를 갖는, 원사.
  2. 제1항에 있어서, 상기 2성분 필라멘트는 상기 제1 영역이 코어이고 상기 제2 영역이 시스인 시스-코어 구조를 갖는, 원사.
  3. 제1항에 있어서, 상기 2성분 필라멘트는 상기 제1 영역이 상기 필라멘트의 제1 면이고 상기 제2 영역이 상기 필라멘트의 제2 면인 병렬배치(side-by-side) 구조를 갖는, 원사.
  4. 제1항의 원사를 포함하는 패브릭.
  5. 제4항의 패브릭을 포함하는 열 보호복 용품.
  6. 제1항의 원사를 포함하는 열 보호복 용품.
  7. 2성분 필라멘트를 포함하는 원사를 형성하는 방법으로서, 상기 각각의 2성분 필라멘트는 탄소 입자가 없는 모드아크릴 폴리머의 별개의 시스 및 균질하게 분산된 탄소 입자를 포함하는 아라미드 폴리머의 별개의 코어를 포함하고, 상기 시스는 상기 코어를 둘러싸며, 상기 방법은,
    a) 용매에서 아라미드 폴리머를 함유하는 제1 폴리머 용액을 형성하고, 동일하거나 상이한 용매에서 탄소 입자가 없는 모드아크릴 폴리머의 제2 폴리머 용액을 형성하는 단계로서, 상기 제1 폴리머 용액은 탄소 입자를 더 포함하는 것인, 단계;
    b) 상기 제1 폴리머 용액과 상기 제2 폴리머 용액을 위한 별개의 유입구, 및 도프 필라멘트를 방사하기 위한 복수의 출구 모세관을 갖는 방사구금 조립체를 제공하는 단계;
    c) 상기 제1 폴리머 용액과 상기 제2 폴리머 용액의 결합된 복수의 스트림을 상기 출구 모세관을 통해 방사셀 내로 압출하여 상기 제2 폴리머 용액의 시스 및 상기 제1 폴리머 용액의 코어를 갖는 복수의 도프 필라멘트를 형성하는 단계; 및
    d) 상기 복수의 도프 필라멘트로부터 용매를 추출하여 폴리머 필라멘트 원사를 제조하는 단계를 포함하는 방법.
  8. 병렬배치 구조를 갖는 2성분 필라멘트를 포함하는 원사를 형성하는 방법으로서, 상기 각각의 2성분 필라멘트는 탄소 입자를 포함하며, 상기 병렬배치 구조는 균질하게 분산된 탄소 입자를 포함하는 아라미드 폴리머의 별개의 제1 면, 및 탄소 입자가 없는 모드아크릴 폴리머의 별개의 제2 면을 갖고, 상기 방법은,
    a) 용매에서 아라미드 폴리머를 함유하는 제1 폴리머 용액을 형성하고, 동일하거나 상이한 용매에서 탄소 입자가 없는 모드아크릴 폴리머의 제2 폴리머 용액을 형성하는 단계로서, 상기 제1 폴리머 용액은 탄소 입자를 더 포함하는 것인, 단계;
    b) 상기 제1 폴리머 용액과 상기 제2 폴리머 용액을 위한 별개의 유입구, 및 도프 필라멘트를 방사하기 위한 복수의 출구 모세관을 갖는 방사구금 조립체를 제공하는 단계;
    c) 상기 제1 폴리머 용액과 상기 제2 폴리머 용액의 결합된 복수의 스트림을 상기 출구 모세관을 통해 방사셀 내로 압출하여 상기 제1 폴리머 용액의 제1 면 및 상기 제2 폴리머 용액의 제2 면을 나란한 방향으로 갖는 복수의 도프 필라멘트를 형성하는 단계; 및
    d) 상기 복수의 도프 필라멘트로부터 용매를 추출하여 폴리머 필라멘트 원사를 제조하는 단계를 포함하는 방법.
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