건식방사의 생산공정기술
건식방사(dry spinning)는 섬유 고분자를 쉽게 증발할 수 있는 용매에 녹인 다음 이 용액을 뜨거운 공기 속으로 압출하여 용매를 증발시켜 섬유상으로고화시키는 방법이다.
1891년 브리티시 셀라니스사에 의해서 최초의 건식방사로 아세테이트섬유가 공업적으로 생산된 이래 염화비닐과 아세트산비닐의 공중합체인 비일론(vinylon)이 건식방사로 생산 되었으며, 그 이후 아세테이트 섬유를 비롯하여 트리아세테이트섬유, 폴리염화비닐섬유, 아크릴 섬유(올론), 스판덱스, 아라미드(aramid) 등이 건식방사로 생산 제조되기에 이르렀다.
건식방사 공정의 공정순서와 목적 및 장치를 <표 1>에 나타내었다. 권취 및 연신 이후의 공정은 제품의 형태(필라멘트, 스테이플, 토우)에 따라 다르나, 용융방사와 거의 같으며, 방사구의 토출은 용융이나 습식방사와 유사한 기술로 진행된다. 다만 토출사의 건조방식이 건식방사의 특유한 공정이다.
<표 1> 건식방사공정의 순서와 목적
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공 정 |
목 적 |
장 치 |
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용해 여과 탈포 방사 용매회수 연신 |
고분자의 용해 미세 불순물의 제거 기포의 제거 섬유모양으로 성형 용매의 회수, 재사용 배향, 결정화로 섬유 성능향상 |
교반용해기, 반죽기 필터 프레스 정치 탱크, 박막탈포기 기어펌프, 방사구, 방사통, 귄취기 흡수탑, 흡착포, 증류탑 연신기 |
1. 용매의 선택
용매의 성질은 건식방사의 성패를 결정하여 주는 중요한 인자이다. 용매 선택시 가장 중요하게 고려해야 할 사항은 용매가 대상 섬유고분자에 대한 용해성능이다. 용해 성능의 판단에는 분자 응집밀도를 이용하는 것이 편리한데, 고분자는 비슷한 값의 용해파라미터를 갖는 용매에 용해된다.
섬유 고분자의 용해에 사용되는 용매는 방사 후 증발 제거되나, 대부분의 경우 회수되어 재사용 되므로 그 사용량을 가능한 한 줄이도록 하여야 한다. 그렇게 하기 위해서는 방사용 섬유 고분자 용액의 농도로 높게 하는 것이 유리하나, 방사 전에 실시하는 여과와 탈포는 농도가 낮은 것이 유리하다.
섬유고분자의 초기 용해는 용액의 점성도가 낮은 상태에 있으므로 섬유 고분자가 서로 접촉하여 응집함으로서 입자 내에서의 용매 확산에 많은 시간이 소요된다. 그러나 용해가 한참 진행된 후에는 용액점도가 상승하여 고분자 상호간의 응집 가능성이 적으므로 용매의 확산속도를 늘리는 것이 바람직하다. 용해가 완료된 후에는 미량의 미립자를 2단계 여과하여 제거한 후 방사원액을 상압에서 탈포시키며 기포는 가압하여 제거시킨다.
2. 방사(건조)
건식방사법으로 생산되고 있는 섬유의 방사조건을 <표 2>에 나타내었다.
<표 2> 여러섬유의 건식방사조건
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고분자 |
용 매 |
고분자 농도(중량%) |
토출시 원액온도(℃) |
방사속도 (m/min) |
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디아세트산 셀롤로오스 |
아세톤/물 95/5 |
약 25 26.8 |
50～60 78 |
300～800 800 |
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트리아세트산 셀롤로오스 |
CH2Cl2/메탄올 90/10 |
18～20 21.8 |
45～50 76 |
- 400 |
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PVC |
아세톤/벤젠 60/40 |
32.5 |
90 |
220 |
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PAN |
DMF |
26 |
140 |
282 |
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PVA |
물 |
43 |
125～130 |
30～35 |
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폴리우레탄 |
DMF |
30 |
110 |
110 |
건식방사 공정은 다음의 3가지 기본공정 즉 방사구(nozzle)로 부터의 토출, 토출사의 건조, 섬유의 권취로 구성되어 있다. 이들 공정중 다른 공정들은 다른 방사법과 공통된 기술이므로, 여기서는 건조와 관련된 것을 다루기로 한다.
방사구로부터 방사 원액을 토출하는 장치를 방사두라 하며 방사두는 보통 방사통내에 설치되어 방사구로 원액을 토출하도록 되어 있다. 개개의 방사구로부터 토출되는 원액은 온도를 균일하게 유지하는 것이 제품의 균일화에 가장 중요하다. 용매를 건조하기 위하여 열풍을 사용하는 것이 일반적이나, 용매를 비점 이상으로 가열하여 용매 회수 공정을 간략화 시킨 방법도 있다. 열풍을 사용할 경우 실의 흐름과 같은 방향 또는 반대방향으로 하는 방법이 있으나, 중요한 것은 방사구 부근에서 토출된 직후의 액류가 요동하지 않도록 기류의 온도나 풍속의 불균일성을 최소화 할 것에 주의해야 한다. 그러나 고화된 후 기류는 용매 건조 촉진에 필요하므로, 난류 상태가 바람직하다. 가연성 용매를 사용하는 건식방사에서는 건조 기류중에 포함되어 있는 용매 증기의 농도를 폭팔농도 이하로 유지되도록 열풍의 유량 조절에 특히 주의를 해야한다.
3. 방사원액 제조공정
(1) 후레이크를 호퍼를 통해 투입하여 저장탱크에 일정량 준비한다.
(2) 아세톤 탱크에 아세톤을 이송하여 일정량 준비한다.
(3) 일정량의 증류수를 계량, 준비한다.
(4) 일정량의 우드펄프를 분쇄, 계량 준비한다.
(5) 후레이크를 계량대차로 일정량 이송 후 지정 용해기로 투입을 준비한다
(6) 용해기 내부의 송액이 완료되었는지 육안으로 확인후, 아세톤가스의과 다발생방지를 위해 데어레이션(deaeration, 가스방출을 위한 방출line) 을 개방한다.
(7) 준비된 아세톤을 지정 용해기 라인(line)으로 투입하고, 증류수와 우드펄프를 혼합, 투입한다.
(8) 임펠러(용해기내 교반날개)는 기존 도프송액, 완료 후 운전을 시작한 다.
(9) 아세톤이 50% 정도 투입된 후, 후레이크를 투입한다. 이때 투입개도를 조절하여 투입속도를 조절하며, 계량대차의 하단부를 접지한다.
(10) 용해기의 원료투입이 완료되면, 일정시간 용해하여 규정의 농, 점도를 가진 도프(dope, 원액명칭)를 만든 후, 2～3회에 걸쳐 예열 및 여과를 시킨다.
(11) 도프내의 기포를 제거하여 방사에 적합한 물성을 지니도록 하기 위해 일정기간 탈포시킨다.
(12) 각 여과기의 입출압을 점검하여 여재 교체시점을 정하고, 배관내의 송출압을 일정하게 유지시키기 위해 송출펌프 회전수를 적절하게 조정한다.
4. 노즐 팩 조립 작업공정
(1) 팩 본체 및 부품과 노즐을 조립대 위에 올려 놓는다.
(2) 팩 본체를 건조한 걸레로 깨끗이 닦는다.
(3) 팩 본체와 노즐 접촉면에 가스켓을 넣는다.
(4) 팩 본체에 현미경으로 검사한 노즐을 넣는다.
(5) 노즐위에 여과재(필터류)를 넣고 오일 프레스로 압착한후 팩 커버를 덮는다.
(6) 이형제를 바른 팩 조임 볼트를 팩 커버 볼트구멍에 끼워 L-렌치로1차 조인 후 팩 본체와 커버가 일치하도록 한다.
(7) 쇠파이프에 L-렌치를 끼워 1-2차에 걸쳐 볼트 조일한다.
(8) 팩 본체 옆면에 노즐규격 및 사용처를 기재한다.
(9) 조립된 팩을 운반대차에 적재하여 현장 예비팩 케비넷에 넣어 둔다.
(10) 작업장 정리정돈 및 청소를 한다.
5. 노즐 팩 분해 작업공정
(1) 취외된 팩을 운반대차를 이용하여 분해대차에 운반한다.
(2) 임펙트 렌치에 복스를 끼워 팩 조립볼트를 취외 후 팩커버를 분리한다.
(3) 와이퍼로 내부폴리우레탄 도프제거 및 여과재를 드라이버로 제거한다.
(4) 팩케이스에서 노즐을 분리한다.
(5) 분리한 부품을 각각의 바스켓에 구분하여 적재한다.
(6) 바스켓에 구분 적재한 부품(노즐 팩캡 팩케이스 볼트 등)을 용제속에 24시간 정도 침적시켜 잔류 도프를 용출 제거한다.
(7) 잔류 도프가 용출제거된 부품은 물로 세척하여 건조시킨 다음 노즐을 제외한 부품은 외관 검사 후 부품함에 적재한다.
(8) 노즐은 상온의 용제 속에 4시간 정도 침적시키고 물로 세척하여 잔류 도프를 2차 용출 제거한다.
(9) 노즐은 초음파 세척기로 4-5시간 정도 세척 후 3kgf/cm2 압력의 공기를 분사시켜 미세한 이물질 및 수분을 제거한다.
(10) 현미경을 이용하여 노즐 홀 세척상태 및 이상유무를 검사 후 정상 노즐만 노즐 보관함에 적재한다.
(11) 작업장 주변 정리정돈 및 청소를 한다.
6. 노즐 팩 교환 작업공정
(1) 팩 취외 작업
가) 임펙트 렌치를 에어 밸브에 부착 시킨다.
나) 토오크 렌치로 팩 취부 볼트를 살짝 푼 후 임펙트 렌치로 볼틀를 취외 한다.
다) 팩 취외 보조기구를 사용하여 팩을 취외한다.
라) 취외된 팩을 운반대차를 이용하여 분해장소로 운반한다.
(2) 팩 취부 작업
가) 팩 받침대를 이용하여 새로 정비한 팩을 스핀 블록내에 삽입한다.
나) 팩 고정용 볼트를 임펙트벤치를 사용하여 대각선 방향으로 팩취부용 볼트를 조인다.
다) 토오크 렌치를 사용하여 취부용 볼트의 조임상태를 확인한다.
라) 취부된 팩의 노즐표면에 와이핑 오일을 2-3회 분사 후 정상 토출이 되도록 기어펌프를 가동한다.
(3) 점검사항
가) 계획된 노즐이 취부되었는지 확인한다.
나) 노즐의 슬로 홀(slow-hole, 토출량이 작은 홀)이나 블라인드홀 (bling-hole, 홀내에 이물질이 존재하여 토출이 안되는 홀)의 유무를 확인한다.
7. 기어펌프 정비 작업공정
(1) 기어펌프를 스핀 빔에서 취외한다.
(2) 기어펌프를 고정박스에 놓고 기어펌프 조립 볼트를 취외한다.
(3) 커플링 케이스, 상부 후렘기어 케이스, 기어, 후렘, 구동축 및 고정축 분해 불리한다.
(4) 문해한 기어펌프 부품들을 용제 속에 24시간 정도 침적시켜 도프를 1차 용출 제거한다.
(5) 1차 용제처리 후 물로 각 부품들을 세척한다.
(6) 세척한 부품들을 상온의 용제 속에 4시간 정도 침적시킨후 물로 세척하여 도프를 2차 용출 제거한다.
(7) 초음파 세척된 부품들을 마른 걸레로 깨끗이 닦은 후 분해 역순으로 조립한다.
(8) 조립된 기어 펌프를 고정박스에 놓고 10회 정도 기어를 회전시켜 정상 유무를 확인한 후 보관함에 적재한다.
(9) 작업장 주변 청소를 실시한다.
8. 기어펌프 교환 작업공정
(1) 기어펌프측을 기어펌프에서 분리한다.
(2) 기어펌프 보온커버를 취외한 후 스핀빔과 기어펌프와의 고정볼트를
풀어 펌프를 취외한다.
(3) 스핀빔의 폴리머 토출구를 깨끗이 청소한다.
(4) 교체할 기어펌프를 폴리머 토출구와 일치되게 놓은 후 기어펌프 취부 볼트로 1차 취부한다.
(5) 기어펌프 회전축을 5-6회 회전시켜본 후 볼트 조립용 복스를 확용하여 대각선 방향으로 취부 볼트를 견고하게 조운다.
(6) 구동 회전축의 타페트를 기어펌프 커플링 훔에 맞춘다.
(7) 사용 공구 및 주변 청소를 한다.
(8) 2시간 정도 운전 후 도프의 리크(Leak)유무를 확인한다. 이상 없을시 보온 커버를 덮는다.
9. 출사노즐 준비공정
(1) 기 사용된 출사 노즐을 방사헤드에서 취외하여 노즐만 별도 분해후 아세톤에 일정시간 침적시킨다.
(2) 노즐을 제외한 링, 메시, 아답타등은 아세톤 침적후 브러싱, 수세한다.
(3) 일정시간 아세톤 침적한 노즐은 질산세척 및 초음파 처리하여 노즐 홈안의 이물질을 깨끗이 제거한다.
(4) 아세톤 침적후 건조된 노즐은 현미경으로 개개의 홀(Hole)청결상태를 점검한다.
(5) 노후된 노즐과 표면 손상이 심한 노즐은 폐기한다.
(6) 제품설계에 맞추어 적절한 노즐을 여재와 함께 조립한다.
10. 방사 준비공정
(1) 방사기의 도프 입,출배관의 압력및 온도를 적정수준으로 조정한 후, 방사헤드의 온수, 온도를 설정, 입력한다.
(2) 각 추별 소요 입풍량을 감안하여 전체 입풍량을 설정, 적정온도로 조정한다. 방사헤드 위측의 정류관은 막힘이 없는지 확인하고 열풍의 방향이 치우침이 없는지 점검한다.
(3) 제품설계에 맞는 출사 노즐을 준비하고, 기어펌프를 메인모터와 연결 하여 일정시간 헤드를 통해 도프를 방류시킨다.
(4) 기어펌프와 방사헤드 간의 부위별 압력을 측정하여 압력손실이 일정 범위를 벗어나면 디스크필터의 여재를 교체한 후 재방류 한다.
(5) 권취부의 출풍덕트는 막힘이 없는지 확인하고 출풍량을 적절하게 설정 한다.
(6) 제품설계에 맞추어 각종 생산조건(입,출풍량, 기어펌프 회전수, 유제급 유조건, 인터레이스 에어압, 권취조건 등)을 적절하게 설정한다.
11. 방사공정
(1) 방사헤드의 온도를 점검한다. 이상시 헤드온수 입,출밸브를 재개폐하고 설정조건을 확인한다.
(2) 입,출풍량이 적절한지 확인한 후, 이상시 풍량조절개를 점검한다.
(3) 각 추별로 출사압력이 적절한지 확인한다.
(4) 권취실의 권취자에게 출사신호를 하여 특정추에서 일정방향으로 권취 준비를 시킨다.
(5) 도프방류를 중지하고, 기어펌프를 재취부하여 출사 노즐면을 아세톤으로 와이핑한다.
(6) 노즐을 통해 출사되는 상태를 확인하고, 막히거나 흔들리는 경우는 재와이핑한다. 만약, 2-3회의 와이핑 후에도 출사상태가 불량면 출사 노즐을 교체한다.
(7) 출사가 완료되면 일정량을 받아서 동그랗게 뭉친후 방사통 내벽에 들어 붙지 않도록 아래로 떨어뜨린다.
(8) 별도의 와류(vortex)가 생기지 않도록 신속히 감시창을 닫는다.
12. 유제 준비공정
(1) 유제 조제조건에 맞게 근거하여 투입량을 산출한다.
(2) 유제용해기에 유제 원액을 준비하고, 순수 가온탱크를 지난 일정온도로 가온된 순수가 일정량 투입하여 용해성을 양호하게 한다.
(3) 전상점을 찾은 유제는 혼합기에서 원하는 농도로 유화시키기 위해 순수를 일정량 투입한다.
(4) 일정시간 교반후 점도 및 투명도를 측정하여 관리 범위내에 드는지 확인한다.
(5) 조제된 유제는 유제 이송펌프를 이용하여 유제 헤드탱크로 이송하고, 적절한 유제온도를 유지하기위해 유제 쿨러(cooler)를 통해 순환된다.
(6) 유제 헤드탱크에서 각 권취기옆의 유제탱크로 슬롯밸브를 통해 계속적으로 이송되어 유제 로울러가 침적된 유제배드로 순환된다.
(7) 유제탱크 및 유제로울러, 유제배드는 일정기간 주기로 청소를 실시한다.
13. 권취공정
(1) 권취실 내부가 규정된 온습도 조건인가 확인,점검한다.
(2) 출입구의 기류가 내부로 향하는지(부압이 결려 있는지) 점검한다.
(3) 권취자는 유제로울러를 운전시키고 회전수와 점착상태를 확인한다.
(4) 에어노즐의 청결상태를 확인하고 적정 공기압을 주입한다.
(5) 권취용 와인다를 운전시킨다.
(6) 사의 점촉부위를 깨끗이 닦은후, 보빈홀더에 새 지관을 규정된 방향대로 삽입한다.
(7) 아스피레이터(aspirater, 사 흡입기구)의 에어압을 점검하고 폐사통은 적절히 비워져서 사용가능한지 확인 점검한다.
(8) 하부 댐퍼를 열어 사 건조통의 사를 날리지 않게 돌돌 말아 끄집어낸 후 일정부위의 사를 절단하여 아스피레이터에 흡입시킨다.
(9) 아스피레이터 압력을 밸브로 조절하여 분섬이 가능한 적절한 장력이 되도록 한 후 사를 분리한다.
(10) 각 사는 가이드, 유제 로울러, 인터레이스 등의 지정된 사도대로 걸어준다.
(11) 사도 하부의 진자가이드와 아스피레이터 사이의 사를 잡아끌어, 지관 슬릿(slit,사가 걸리도록 파여진 지관의 흠)부위에 갖다대어 지관에 사가 권취되도록 한다.
(12) 지관에 일정 권취시간 동안 일정량의 실을 감은 후, 각 사를 다시 아스피레이터에 절단 흡입시킨 후 만권을 취외하여 이동대차로 옮긴다.
(13) 새 지관을 취부한 후 동일한 방식으로 권취한다.
(14) 제품설계에 적당한 물성조건(데니어, 교락, O.P.U, 강도, 신도 등)인지 확인한다.
14. 안전 및 유의사항
1) 아세톤 투입시 정전기 발생으로 인해 아세톤 가스에 인화되지 않도록 필히 투입구를 접지한다.
2) 도프송출시 스트레이너 및 여과기의 통과압력을 수시로 점검하여 적절한 시점에서 교환하여 준다.
3) 조립할 노즐의 규격을 정확하게 확인한다.
4) 작업전 몸을 유연하게 하기위해 기초체조를 한다.
5) 팩 운반시 충격이 가하지 않도록 한다.
6) 고온의 용제를 다루므로 보안경, 면장갑 및 토시를 착용하여 화상을방지한다.
7) 노즐표면에 이물질이 뭍지 안도록 운반시 주의한다.
8) 팩볼트 조임시 무리한 힘을 가하지 않는다.
9) 교체 할 팩노즐에 이물질이 부착되지 않도록 주의한다.
10) 고온의 용제를 사용하므로 화상에 주의한다.
11) 각부 부품이 분해시 손망실 되지 않도록 한다.
12) 파손된 부품은 새것으로 교체한다.
13) 볼트가 마모되지 않도록 무리한 힘을 가하지 않는다.
14) 기어펌프의 도프누출 및 압력변동을 수시로 점검하여 적절한 시점에 교환해준다.
15) 헤드온수 순환이 원할한지 에드온도를 수시로 점검한다.
16) 방사통내에 이물질은 없는지, 정류관의 막힘은 없는지 수시 점검한다.
17) 출사조건을 확인하여 이상없는 상태에서 출사하도록 한다.
18) 노즐관리는 철저히 하여 흠이 가거나, 이물이 끼지 못하게 한다.
19) 폐사 및 권취용 철사가 회전체에 감기지 않도록 한다.
20) 사 분리가 제대로 되었는지 확인한다.
21) 에어 노즐에서 이탈된 사는 없는지 수시로 점검한다.
22) 절사되어 방사통에 쌓이고 있는 사는 없는지 수시 점검, 조치한다.
23) 노즐준비간 관리를 철저히 하여 이물이 들어가지 않게 한다.
24) 질산세척시 필히 환기 및 안전장구를 갖추고 작업한다.
25) 유제조제시 순수의 온도 및 교반시간, 조제 비율을 준수한다.
26) 유제순환이 제대로 되는지, 이물이 끼거나 청소주기를 넘지는 않았는지 점검한다.