용융방사의 생산공정 기술
1. 용융방사공정기술
1) 건조, 혼합 공정 중합공정과 방사공정이 직접 연결되어 있는 경우를 제외하면 중합물은 일단 중합 후 칩(chip)으로 만들어지고, 방사공정 전에 로트간 혼합을 겸 해 건조가 행해진다. 건조공정은 방사공정에서 고온으로 가열할 때 중합 물이 가수분해에 의해 분자량이 저하하는 것을 방지함과 동시에 로트간 의 분자량의 차이를 제거하기 위해서 행해진다. 건조온도는 중합물의 2차 전이점과 융착온도 사이에서 결정된다. 건조 후 칩(chip)은 밀폐된 용기에 보관되어 다음 공정으로 보내진다. 2) 용융공정 최근에는 중합물의 용융에 주로 압출기(extruder)가 사용된다. 압출기는 스크루(screw)와 바렐(barrel)로 구성되어 있는데, 중합물은 스크루와 바 렐 사이에서 스크루의 회전으로 공급되면서 압축․탈포 또는 혼합․용융 되면서 다음 공정으로 균일한 용융액이 되어 공급된다.(그림 3-1) 용융시 공기 중의 산소에 의해서 중합물이 열 산화되는 것을 방지하기 위해서질소 충진하에서 행해진다. 가열은 바렐 외벽에 장착된 히터에 의해 이루 어지며 용융고분자는 스크루에 의해 여러개의 관을 통해 방사두(melthead)로 공급된다.'
3) 방사두(spin block) 방사두는 금속으로 되어 있으며, 계량 펌프와 방사구 블록이 장착되어 있고, 열매에 의해서 블록 전체가 균일하게 가열되도록 되어 있다. 계량 펌프로서는고 정밀도의 기어 펌프(gear pump)가 사용된다. 고온(300℃), 고압(300kg/Cm2)의 작동 조건하에서 일정한 토출량을 유지하기 위해 정 밀도와 재질이 우수한 것을 사용하여야 한다. 계량된 고분자 용융액은 방 사구 블록의 여과장치로 보내져 방사시 사절의 원인이 되는 이물질을 제거한다. 필터에 의해 여과된 고분자의 용융액은 방사구에 공급되어 공 기 중으로 토출된다. 필라멘트의 경우, 생산 품목에 따라 다르나 한 방사 구에 보통 몇 개에서 몇 십개의 세공이 뚫려 있으며 스테이플의 경우는몇 백 개부터 몇 만개에 이르는 세공이 한 방사구에 뚫려 있다. 특히 방 사구는 직경의 오차가 적어야 하며 온도가 균일하게 유지되도록 설계되 어 있어야 한다. 방사온도는 고분자의 특성에 따라 결정되나 온도가 너무 높으면 고분자의 열분해가 일어나 분자량이 저하되며 그 결과 사절이 일 어난다. 반대로 온도가 너무 낮으면 이상유동이 발생하여 방사가 불가능 해지거나 품질이 나쁜 실이 제조 된다. 4) 사조 냉각공정 토출된 사조(thread line)는 냉각 기류에 의해 냉각되어 고화된다. 냉각 방법으로는 사조에 대해 수직 방향으로 송출되는 기류에 의해 냉각하는 방법과 원주로부터 사조 내부로 송출되는 냉각방식이 있다. 냉각기류로서는 상온부근의 온도에서 습도를 일정하게 조절한 공기를 사용해야 한다. 5) 오일(oil) 부여공정 미연신사의 권취시 안정성을 부여 함과 동시에 또 연신, 가연 등의 후처리 공정에서 실의 취급을 용이하게 하기 위해서 권취 직전에 필라멘트사에 오일을 부여한다. 오일은 보통 평활제, 유화제, 대전방지제, 집속제 등을 조합시킨 수성 에멀션을 사용한다. 때에 따라서 비수계의 오일을 사용하기도 한다. 오일은 회전 로울러의 표면에 오일을 픽업(pick up)시켜 로울러와 필라멘트사를 접촉시켜 부여하거나, 가이드에 오일공급구를 설치하여 사조와 접촉점에서 공급하는 방법이 있다. 오일부여시 오일 공급장치와 실과의 접촉저항을 가능한 한 줄여 균일하게 오일이 부착되도록 한다. 나일론의 경우는 흡수에 의해 사조가 늘어나 권취를 어렵게 하므로 주의해야 한다. 6) 권취공정 오일이 부여된 사조는 곧바로 권취장치에서 권취된다. 필라멘트용 권취기는 고데트 로울러(godet roller)와 권취부로 이루어져 있는데. 하나의 고데트 로울러의 사조를 여러 개의 사조로 나뉘어 권취되도록 되어 있다. 권취속도는 보통 1,000m/min 정도이나 최근에는 권취속도가 6,000m/min 에 이르는 것도 사용되고 있다. 스테이플의 경우에는 여러 개의 방사구로 부터 토출된 사조를 권취 로울러에서 방향 전환시키고 모아서, 사조를 토 우 형태로 정돈하여 토우 통(can)에 떨어뜨리도록 된 것도 있다. 7) 연신공정 최근 방사공정과 연신공정이 직접 연결된 소위 스핀 드로오(spin draw)방식이 채용되고 있으나 방사와 연신은 일반적으로는 독립된 공정에서이루어진다. 필라멘트의 경우 미연신사는 습도 조절한 후 연신에 공급된 다. 연신기는 미연신사를 송출하는 공급 로울러와 핀(pin)또는 로울러를사용하는 연신 고정장치, 바로 뒤에 설치된 가열판 및 권취로울러, 최종 적으로 실에 꼬임을 주면서 펀(pirn)에 권취하는 스핀들(spindle)로 이루 어져 있는데 권취속도는 대략 1,000m/min이다. 폴리에스테르섬유의 연신 은 제2차 전이점이 높기 때문에(70℃ 부근)연신점 고정에는 가열 핀 또는 로울러가 사용되나, 나일론에서는 제 2차 전이점이 낮기 (대략 40℃) 때 문에 상온에서 2～3단 연신을 하는 경우가 많다. 스테이플의 경우는 여러 개의 토우를 모아서 정리하고 토우상태로 연신기에 공급된다. 연신에는건식과 습식이 있는데, 두 방법 모두 연신점을 어떻게 고정하는가의 방법 에 따라 분류된다. 높은 강력의 섬유를 만들고자 할 때는 2단 연신이 행해진다. 8) 열고정, 권축가공, 절단가공 필라멘트사나 스테이플의 치수 안정성을 향상시키기 위해 연신 후열고정을 행한다. 열고정에는 정장 열고정 또는 이완 열처리 방법이 있는 데, 이 때 습도 및 이완율 등의 처리조건은 후공정의 요구사항에 따라 정 해진다. 필라멘트사는 일반적으로 실의 벌키성(bulky)을 높혀 주기 위해 권축 가공을 해주며 권축 가공은 보통 가연방법에 의해 행해진다. 최근에 는 3,000m/min이상의 속도로 고속방사하여 생산된 반연신사(partiallyoriented yarn, POY)를 사용하여 연신과 가연을 동시에 행하는 연신-가 연(draw-texturing)방법이 가연사 제조에 주류를 이루고 있다. 스테이플의 생산공정은 필라멘트사에 비해 훨씬 단순하므로 권축, 절단, 포장(baling)까지 연신에 직결되어 있다. 스테이플의 열처리는 주로 권축 을 고정하기 위해서 행해지는데, 토우 상태에서 행하거나 스테이플로 절 단된 후 열처리 장치에서 행해진다. 토우 상태에서 행하거나 스테이플로 절단된 후 열처리 장치에서 행해진다. 토우 상태에서 열처리한 경우는 열처리 후에 절단되며, 절단한 후에 열처리한 경우는 포장기(baler)로 보 내져 포장된다. 또 방적을 용이하게 하기 위해서 오일은 절단 전후 적당 하게 부여한다.
2. 나일론의 섬유화 공정
나일론의 방사법으로는 습식,건식법에 의한 특허로 나와 있으나, 폴리아미드(polyamide)의 용융점이 낮기 때문에 공업적으로는 생산성이 높은 용융 방사법이 채용되고 있다. 용융 방사법으로는 폴리 아미드 침(chip)을 재용융하여 방사하는 방법과 퉁합 장치에서 직접 방사하는 방법이 있다. 재용융 방사법으로는 용융격자법, 프레셔멜트(pressure melter)법및 압출법이 있고 직접 방사법으로는 연속 중합 방사법이 있다. 1) 방사법
가) 용융 격자법 이 방법은 Du pont사의 방사 장치로서 나이론 66에서 최초로 발전시킨 것이다. 나이론 용융물은 점도가 낮기 때문에 고속방사도 가능하고대단히 경제적이기 때문에 많은 나라에서 채용하고 있다. 나이론 칩을 호퍼(hopper)에 공급하면 밑에 있는 스테인레스 스틸 코일에서 다우성(dowtherm)증기가 과열 증기로서 칩을 융점 이상으로 가 열하여 용융시키게 되어 있다. 격자의 온도는 침량및 분자량에 따라 다른데 나이론 66은 280～300℃, 나일론 6은 265～285℃ 정도이다. 격자 내부에는 질소기류에 의해 방사중에 공기의 접촉을 막아 준다. 칩은 호퍼로부터 용융격 자면 위에 떨어져서 용융된 후, 격자사이를 통하여 풀(pool)에 모이면 계량 펌프를 거쳐 노즐 블록에서 순수한 모래로 채워진 여과층을 통과하여 노즐로 부터 압출된다. 나일론은 용융상태에서 물리, 화학적 변화가 일어 나기 쉽기 때문에 용융상태에 있는 시간을 짧게 해야 한다. 즉 용융 능력 과 토출량의 조정이 필요하며 격자 온도 가 중요한 조건이 된다. 격자 온도가 너무 낮아서 토출량이 많아지면 용융 폴리머 부족이 오고, 격자 온도가 너무 높으면 용융물은 격자면 위로 넘쳐흘러 칩을 부유시킨다. 또 용융상태의 시간이 너무 길면 격 자상이나 내벽에 겔화한 폴리머가 부착, 축적되어 용융 능력을 저하시킨다. 나) 프레셔멜트법 용융 격자법은 칩의 공급이 자체중량에 의하여 이루어지기 때문에용융 능력에 한계가 있다. 프레셔멜트법에서는 스크류를 사용하여 칩을 용융격자면에 보낼 수가 있기 때문에 용융 능력을 증가시킬 수있는 방법이다. 이 방법은 용융격자에 비하여 스크류를 추가 사용하므로 격자면의 압력 조절이 필요하게 되어 장치가 복잡하다. 또한 용융격자로 용융능력과 내압성을 고려하여 고성능인 것을 사용해야 한다. 다) 압출법 최근 많이 사용하고 있는 방법이다. 압출식 방사 장치에는 수평식과 수직식의 두가지 방식이 있는데, 수평식을 모노필라멘트에 이용되고 수직식은 멀티필라멘트에 주로 사용된다. 압출기(extruder)의 선단에 기어 펌프와 노즐 블록을 붙여서 사용하며 압출기는 스크류, 타이머, 가열히터 및 구동모터, 칩 호퍼로 구성되어 있다. 호퍼에서 떨어진 칩은 스크루의 회전으로 이동되는 동안에 용융, 가 압되어 펌프에 이르러 여과, 방출된다. 스크류는 공급부, 압축부, 계 량부의 3부분으로 되어 있으며, 이들의 치수는 스쿠루의 지름과 길이 비와 더불어 일정한 토출량 및 일정 선단압을 얻는 데에 중요한인자로 되어 있다. 최근에는 고속회전으로 생기는 칩과의 마찰열로서 용융시키는 고속 스크루형이 개발되고 있다. 또 설치 면적을 축소하기 위하여 수직 형 압출기도 개발되고 있다. 압출법의 특징은 용융 능력이 크며, 안 료나 기타 첨가제의 혼합 방사가 가능한 점이라 볼 수 있다. 용융 방사기의 주요 장치를 살펴보면 다음과 같다. ㈎ 방사 펌프(spinning pump) 방사 펌프는 용융된 고분자를 일정량씩 계량하여 노즐로 보내는 작용을 하는데, 주로 기어 펌프가 사용된다. 기어 펌프는 고온, 고압에 견딜 수 있는 특수 합금으로 되어 있다. 기어 펌프의 계량 정밀성과 효율을 높이기 위하여 가압 펌프 드럼의 가압장치가 병용되기도 한다. ㈏ 여과(filtration) 용융된 고분자는 기어펌프를 거쳐서 필터(filter)와 깨끗한 모래로채워진 여과층을 지나 노즐로 보내어진다. 모래는 염산과 증류수로세척된 0.1～0.2mm의 것이 사용된다. ㈐ 노즐(spinning nozzle, spinneret) 방사기에서 용융, 압축된 고분자는 기어 펌프에서 계량하여 스테인리스 스틸 와이어로 짠 필터와 정선된 석영가루나 유리구슬로 채워진 여과층을 거쳐서 노즐에 이르게 된다. 용융물의 여과는 방사작업에 중요한 역할을 하므로 필터의 조직, 배치순서, 메시(mesh)의 조합 등에 세심한 주의를 할 필요가 있다. 가는 섬도의 방사에는 보다섬세한 필터를 사용한다. 노즐은 보통 스테인리스 스틸로 만들어 졌는데, 내압성을 고려하여 10mm 정도의 두께로 되어 있다. 노즐의 직경은 일반적으로 0.25～0.30mm인 것이 쓰여지고 있는데, 노즐의직경과 길이의 비는 압출사의 균일성과 방사작업성에 영향을 미치므로 충분히 검토하여 결정한다. 비원형단면사(이형단면사)를 만들때는 노즐의 단면모양이 다른 것을 사용하게 된다.
㈑ 냉각고화 (quenching) 노즐로 부터 압출된 필라멘트는 방사온도와 실온의 차에 의하여 냉각된다. 용융체가 응고하는 점을 고화점라 하는데, 방사조건을 설정하는데 고려할 요소가 된다. 고화점의 변동을 적게 하기 위하여 노즐로부터 압출된 필라멘트에 일정한 온습도의 공기를 일정 속도로 불어줌으로써 균일한 냉각이 되게 함과 동시에 필라멘트에 일정한 장력을 부여하여 외부 기류나 기타 외력의 작용에 대하여 안정화시키는 목적이 있다. 냉각고화에 의하여 섬도 변동이 감소한다. 방사중 냉각조건은 분자의 결정화에 영향을 주어 연신공정에 크게 영향을 미친다. 서서히 냉각하면 결정화도가 커져서 연신공정에서 연신 장력이 증가하며 필라멘트 절단의 원인이 되기도 한다. 2) 권취
블로잉장치를 거쳐 냉각통을 나온 필라멘트를 노즐면에서 5～6mm 밑에 있는 급유 로울러에서 급유시켜 고데트 로울러와 트래버스 기구를 거쳐보빈에 감는다.(그림 3-11).귄취속도가 증가함에 따라 분자 배향이커지는데, 종래의 약 1,000m/min미만의 것은 연신공정이 따로 필요하며,이와같이 연신이 되지 않은 실을 미연신사(UDY:undrawn yarn 혹은LDY:Low orented yarn)라고 한다. 압축사가 냉각통을 통과할 때까지 흡습과 동시에 팽윤하여 길이 방향으로 신장된다. 이 때문에 귄취할 때까지 수분을 부여할 필요가 있다. 보통은 2단 급유 로울러를 설치하여 상단에서 물과 습윤제를, 하단에는 유제를 부착시키거나 두 로울러에서 유제의 유화액을 부착시켜 적극적으로 흡습시킨다. 유제처리는 필라멘트의 집속성, 윤활성 및 대전방지성 부여를 목적으로 하고 있다. 권취중인 필라멘트가 항시 일정한 흡습상태로 하기 위하여 귄취실의 온습도 조건이 일정해야 하는데, 보통은 온도20～25℃, 상대습도 50% 이하로 온습도를 조정한다. 3) 스테이플 파이버의 제조 여러 개의 스풀(spool)을 크릴 스탠드(creel stand)에 걸어 수십만 내지수백만 데니어의 미연신사를 접속하여 속도가 다른 여러 개의 로울러에서 연신속도는 100～200m/min 정도로 2단연신을 한다. 권축기에서 권축을 부여하는데 권축기로서는 보통 스터퍼 복스(stuffer box)가 사용된다.이어서 절단기에서 적당한 길이로 절단된다. 연속중합, 직접방사한 미연신사는 약 10%의 열수가용성 성분을 향유하고 있으므로 약 95%의 열수로 수세한 다음 벨트식 건조기에서 건조 후 일정한 온도실에 저장한다. 또 권축부여와 절단을 하지 않고 토우(tow) 상태로 출하하는 경우도 있는데, 이들 방법은 한 예에 불과한 것으로 순서를 바꾸거나 또는 생략하는 경우도 있다. 4) 필라멘트의 연신 용융방사한 미연신사는 섬유의 축방향으로 분자가 규칙적으로 배열되 어 있지 않고 400～500%의 신도를 갖고 있어 적은 외력에 의하여 신장하기 쉬우며 강도도 1g/d 정도 밖에 되지 않아 그대로는 사용할 수 없으므로 3～4배 신장시켜 사용한다. 이와 같은 신장조작을 연신이라고 하며, 상온에서 하는 냉연신과 가열하에서 신장하는 열연신으로 분류된다. 연신조작은 두 개의 선속도가 다른 로울러에 의하여 선속도의 비만큼 연속적으로 연신하는 방법을 사용하고 있는데, 연신 후 연사를 겸하는 연신 연사기(draw-twister)가 일반적으로 쓰여지고 있다. 그림 3-12은 연신 연사기의 개략도이다. 그림 3-12에서 공급 로울러를 나온 미연신사는 연신 핀에 2～3회 감긴 후 연신 로울러에 이르게 된다. 나일론은 유리 전이온도가 낮아 냉연신이 가능하다. 연신배율은 미연신사의 배향 정도에 따라 다르지만 냉연신함으로써 강도 4～6g/d, 신도20～35%의 실을 만들 수 있어 일반적으로 의류용에적용된다. 연신속도는 300～1,000m/min로 하는 것이 일반적이다. 열연신을 하면 가열에 의하여 연신이 용이할 뿐만 아니라 고강력사를 만들 수 있기 때문에 타이어 코드나 어망 등 산업용 섬유제조용에는 열연신법이 이용된다. (열연신함으로써 강도 8.5g/d 이상이고 신도 15～20%인 나일론 6 필라멘트를 만들 수 있다.) 일반적으로 나일론 연신사는 비등수 수축이 큰데, 나일론 6은 비등수중에서 약 12～14% 수축한다(나일론 66은 약 9%).따라서 불균일한 수 축이 문제가 되는 곳에 쓰이는 원사는 수축을 가능한한 적게 하기 위하여 열고정을 할 필요가 있다.
3. 폴리에스테르의 섬유화 공정
폴리에스테르 중합물을 융점 이상이 온도에서 용융되기 때문에 나이론과 같이 용융방사공정을 거쳐 제조된다. 용융방사된 미연신사에 최종 섬유로서 가져야 할 강도를 부여하기 위해 배향화와 결정화를 위해 연신이라는 공정 을 거쳐 연신사라는 원사가 제조된다. 그러나 권취속도에 따라 (1000～6000m/min)분자배향이 정도가 다르게 되며 권취속도가 커서 분자배향이 방사공정에서 다 이루어지는 경우에는(예:권취속도>6000m/min)별도의 연신 공정이 필요없이 방사공정만으로 원하는 물성을 갖는 섬유를 제조할 수도 있다. 그림 3-13은 용융방사법에 의한 전체적 섬유 제조장치를 보여 주고있다. 1) 건조 공정 중합공정과 방사가 연결되어 있는 경우(직접방사)를 제외하고 중합체는일단 칩(chip)상태로 저장되어 사용시에는 혼합을 겸하여 건조가 행하여진다. 건조공정은 공기중에서 가수분해에 의한 분자량의 저하를 방지하고 칩간의 분자량 차를 균일하게 할 목적으로 행하여진다. 폴리에스테르의 경우에는 건조 칩의 수분율은 0.001～0.005% 까지의 건조가 요구된다. 미건조칩의 건조는 100～120℃에서 10분 정도의 예비건조와 160～200℃ 에서 1～3시간 건조하는 본 건조공정의 2단계 건조공정을 거치게 되는데, 이는 예비건조에 의해 중합체의 표면을 미리 결정화시켜 줌으로써 급격히 고온에 투입시 칩이 서로 점착하여 덩어리를 형성하는 위험을 방지하기 위한 것이다. 2) 용융공정 건조된 폴리에스테르 칩은 압축기(extruder)에 의해 약 290℃에서 용융되어 기어 펌프(gear pump)에 공급되게 된다. 압출기는 스크류(screw)와 배럴(barrel)로 구성되어 있고, 공급, 압축, 계량의 기능을 가지고 있어 공급되는 칩을 연속적으로 용융시켜 압출 탈포 후 계량하면서 다음공정에 균일하게 공급하는 역할을 하고 있다. 스크루에 의해 운반된 용융중합체는 필요에 의해 여러 개의 분기관을 통하여 방사두(spinninghead)에 공급된다. 3) 방사구(nozzle) 가열 금속 블록으로 이루어져 있으며 계량 펌프(metering pump)와 방사 팩(spin pack)이 장착되어 전체가 균일하게 가열된다. 고온,고압하에서 치차의 회전에 의해 균일한 토출을 보장하기 위해 고도의 재질과세공이 필요하게 된다. 계량된 중합체는 방사 팩에 공급된다. 방사 팩은두꺼운 두께의 금속 원통으로 만들어지며 상부 커버 판(cover plate)과 구금 사이에 내압판과 모래나 금속분말로 된 입자층과 금속망으로 된 여과장치 등으로 구성이 되어 있다. 필터는 사 결점이 되는 이물을 효과적으로 제거하면서 이 제거 물에 의한 압력(표 1)상승을 가능한 한 줄일수 있도록 해야 한다. 필터에 의해 청정화된 중합체는 두께 약 5～10mm의 내압원판으로 만들어진 노즐에 공급되어, 이 방사구금의 세공(orifice)으로부터 토출이 되는데, 세공은 일반적으로 원형으로 0.20～0.30mm의 직경을 가지며 길이와 직경의 비는 1:1.15나 그 이상을 갖게된다. 필라멘트의 경우 이 세공의 수는 수개에서 수십 개가 보통이며 스테이플의 경우에는 수백에서 수만 개에 이른다. <표 1> 필터 구성의 예
4) 냉각공정 토출되는 사속은 냉각기류에 의해 냉각되어 고하된다. 냉각방법은 필라멘트사의 경우에는 공기의 흐름이 사의 진행 방향과 수직 방향으로 되며, 스테이플 파이버에 대해서는 원주방향으로 사조 내부에 공기를 불어넣는 원형냉각(circular quenching)방식 등이 사용되고 있다. 사용하는 공기는 온도와 습도의 제어가 중요하며, 이 공기의 흐름 조건을 배향 균일화에 직접적으로 영향을 미치는 중요한 인자가 된다. 5) 오일 부여공정 오일(oil)의 부여는 미연신사의 권취 안정성을 확보와 연신, 가연 등의후공정에서 취급을 용이하게 하기 위해 행해진다. 사용되는 유제는 통상평활재, 대전 방지제, 집속조제 등을 조합한 수성 내지 비수성 유화액이사용되며 유제를 부여하는 수단으로서는 회전 로울러의 표면에 유제를픽업(pick-up)시키고 그 면에 사를 접촉시켜 부착시키는 방법과 가이드에 유제 공급구를 설치, 사 접촉점에 공급하는 방법 등이 사용되고 있다. 6) 권취 공정 필라멘트용 권취기는 고데트 로울러(godet roller)와 권취기로 구성되어있다. 생산성을 올리기 위해 수본의 사조가 1세트의 고데트 로울러를 거쳐 사조를 분할하여 감을 수 있는 권취기에 의해 권취된다. 최근에는8,000m/min까지 권취가능한 권취장치도 상업화 되어 있다. 스테이플의 경우는 여러개의 노즐로부터 토출되는 사조를 귄취 로울러를 통하여 캔에 모으게 된다 방사된 사의 배향의 정도에 따라 폴리에스테르 용융방사는 다음과 같이 구분되어지고 있다. 즉 방사속도가 500～1,500m/min에서 방사된 실은 매우 낮은 배향도를 갖게 되며, 따라서 이 속도에서 방사된 실은 LOY(Low oriented spun yarn)라고 부른다. 방사속도 1,500～2,500m/min에서 제조된 원사는 MOY(medium oriented spun yarn), 2,500～4,000m/min에서 방사된 원사는 POY(partially oriented yarn), 4,000～ 6,000m/min에서 방사된 원사는 HOY(highly orented spun yarn),6,000m/min에서 방사된 원사는 FOY(fully oriented yarn)라고 부르고 있다. 현재 국내에서는 LOY, POY, HOY 정도가 생산되고 있으며, LOY와 POY는 연신 및 연사공정을 거쳐야만 최종 섬유 물성을 갖게 된다. 그러나 POY는 연신공정을 거치는 이외에 대부분의 원사를 연신-가연공정 (draw-texturing)을 거쳐 가연사(POY-DTY)로 사용하게 된다. 그러나 6,000m/min이상에서 고속 방사된 원사의 물성이 기존 연신사보다 떨어지는 이유는 전체적으로 분자 배향이 (특히 비정형 부분의 분자배향이)낮은 점과 직경방향으로 섬유구조차가 심하여 외부(skin)층에 응력 집중에 의한 크랙(crack)이나 크레이즈(craze)현상이 일어난다. <표 2> 방사 속도별 토출량 비교(75d 기준)
7) 연신 및 열고정 최근에는 연신방법(스핀드로오, spin-draw)이 채용되고 있으나 일반적인 재래식 방식은 방사와 연신공정이 분리되어 있다. 즉 필라멘트사의 경우 미 연신사는 온, 습도가 조절된 분위기 하에서 연신공정에 공급된다. 연신기는 미연신사를 크릴(creel)로 부터 안정되게 공급시켜 주는 공급 로울러와 연신 점 고정장치, 그리고 가열판 및 권취로울러 등을 통과한 후 스핀들로 꼬임 을 가하면서 1,000m/min 정도의 속도로 보빈에 감겨지게 된다. 통상의 미연 신사를 연신할 때 변형이 1～2mm의 사이에서 국부적으로 일어나는데 이를 넥(neck) 발생이라고 한다. PET의 경우에는 2차 전이점이 높기 때문에 통 상 열연신이 이용된다. 고강력사를 얻기 위해서는 2단연신을 채택하는 경우 가 있다. 그림 3-21는 연신기의 구동 부분(gear end)쪽에서 본 기어링 다이 어그램을 나타낸 것이다. 연신기에서 공급 로울러와 제 1 연신 로울러 사이 에서 필라멘트가 잡아늘여지는 배율을 제 1 연신비라 하고, 제 1 연신 로울 러와 제 2 연신 로울러 사이에서 필라멘트가 잡아늘여지는 배율을 제 2 연 신비라 한다. 그러므로, 연신비라 하면 제 1 연신비와 제 2 연신비의 곱을 말한다. 특히, 제 2 연신 구간에서는 필라멘트를 가열시키는데, 이러한 경우 를 열연신이라 한다. 연신비는 다음과 같은 식으로 계산할 수 있다. 1단 비율과 2단비율의 적절한 조합에 의해, 균일한 연신에 의해 고배향사 를 얻을 수 있게 되는 것이다. 고정력하에서 연신되어 고배향화된 연신사는 내부에 응력과 병형을 내포하고 있기 때문에 제품화를 위한 후공정에서 열 적 자극을 받으면 이 변형이 이완되어 수축하게 된다. 따라서 열적으로 분 자쇄를 안정화 시키기 위해 열고정을 필요로 하게 된다. 열고정화 공정, 즉 결정화 공정에서 원사를 160～180℃ 범위에서 수 초 동안 유지시킴으로써 비정부분의 이완, 부분용융(partial melting), 재결정화, 결정성장 등의 구조 변화가 일어나 결정화도가 증가되며 안정된 구조를 형성함으로서 후공정에 서 시행되는 열처리에 의해서 수축변형이 일어나지 않게 된다. 가) 연신 연사 드로오 트위스팅 공정에서 일반적인 공급사는 LOY이나 최근에는POY로 많이 대체되고 있다. 연신은 일반적으로 연신 로울러와 공급 로울러 사이에서 일어나며 공급 로울러는 보통 75～100℃로 가열된다.일반적으로는 공급 로울러와 연신 로울러 사이에 가열판을 사용한다.드로오 트위스팅 공정에서 연신점의 고정은 매우 중요한데 이 연신점의 위치가 변동할 때에는 섬도의 불균일, 염색차나 사절의 원인이 되기도 한다. 이와 같이 공급 로울러-가열판-연신 로울러사이에서 연신된 원사는 링과 트래블러(ring and traveller)권취장치를 이용하여 800～1,500m/min속도로 권취된다. 또한 이 권취과정에서 원사에 8～15tpm의 꼬임이 가해지게 된다. 나) 스핀 드로오(spin-draw) 스핀 드로오 공정은 기존의 LOY 나 POY 공정과 유사하나 첫번째고데트 로울러와 두번째 고데트 로울러가 가열되며, 이 두 개의 로울러의 속도차에 의해 드로오 트위스팅 공정과 유사한 연신이 이루어진 다는 점이 차이점이다. 일반적으로 두번째 고데트 로울러를 통과하여권취되는 사의 속도는 4,000～6,000m/min이다. 이 공정 중에서 필라멘트 다발에 집속력을 부여하기 위해 에어제트 인터밍글 (air-jet intermingler)장치가 사용되는데, 이는 드로오 트위스팅 공정이 꼬임에 상응하는 것이라고 볼 수 있다
4. 방사 준비공정
1) 압출기의 호퍼에 기초 원료를 공급받아 저장한다. 2) 호퍼에 질소를 충전하여 흡습 및 산화되는 것을 방지한다. 3) 방사기의 보일러에 방사 온도에 맞는 열매유를 선정, 적정량을 주입한다. 4) 압출기 및 방사기의 온도를 규정온도 까지 서서히 승온한다. 5) 방사기의 각 부위별로 온도를 측정하고 편차가 있으면 열매가스를 조금 씩 배출하여 균일하게 조정한다. 6) 방사기 내부 폴리머 파이프의 이물질 제거를 위해 압출기의 브로잉을 실시한다. 7) 브로잉 종료 후 방사기에 웨어프레이트와 스켈리튼 다이어그램기어 펌프를 취부 한다. 8) 기어펌프와 펌프모터를 연결한다. 9) 제품 설계에 맞게 각종 생산조건(방사량, 기어펌프 회전수, 냉각에어 조건, 유제 급유 조건, 권취 조건 등)을 설정한다
5. 노즐팩 조립 공정
1) 완전히 세척 건조한 팩의 부품과 몸체를 조립대위에 준비한다. 2) 검사 합격한 구급 다공관, 내압관 등 팩의 부품을 준비한 후 모래 또는 금속 미립자는 규정량으로 준비한다. 3) 부품 준비가 끝나면 진공벨브를 연다 4) 방사 팩 몸체를 위로 향하게 하고 깨끗이 청소한다. 5) 제일 먼저 구리 개스킷을 넣는다. 다음으로 방사구(spinnerette), 알루미늄 개스킷을 넣는다. 6) 다공관, 내압관을 넣기 전에 진공청소기로 깨끗이 한 후 알루미늄 개스킷 위에 올려놓는다. 7) 5매 필트를 100메시(Mesh)가 밑으로 되게 하여 넣는다. 8) 링 너트를 비티스크루(body screw)처음부터 시작하여 필트의 알루미늄 테두리가 링 너트 속에 들어가 보이지 않게 한 후 힘껏 조운다. 9) 팩 몸체조립이 끝나면 중심선을 맞추어 홀드(holder)안에 넣는다. 10) 규정량의 모래 또는 금속미립자를 링 너트 안에 조금씩 부어 넣는다. 11) 모래 또는 금속미립자 위에 2매의 필트를 놓는다. 12) 링너트를 넣고 조리게로 힘껏 조운다. 13) 링 너트위에 다시 규정량의 모래 또는 금속미립자를 부어넣고 2매의 필터를 올려놓은 후 링 너트를 넣고 조리개로 조운다. 14) 완전 조립된 상태에서 렌스 링(lens ring)을 넣은 후 책 뚜껑을 덮는다
6. 노즐 팩 분해 작업공정
1) 분해대차 위치 조정 및 작업공구를 준비한다. 2) 취외된 팩을 운반대차를 이용하여 솔트 처리된 방사팩을 분해대 위에 들어낸다. 3) 임펙트 렌치에 복스를 끼워 팩 조립 볼트를 전부 푼다. 4) 톱 커버를 풀어낸후 렌스링(lens ring)을 빼낸다. 5) 팩커버를 분리 후 와이퍼로 내부 폴리머를 제거한다. 6) 여과재 및 필터를 드라이버로 제거한다. 7) 팩케이스에서 노즐을 분리한다. 8) 분리한 부품을 각각의 바스켓에 구분하여 적재한다. 9) 바스캣에 구분 적재한 부품(노즐 팩캡 팩케이스 볼트 등)을 소각로에 넣고 약 450℃의 고온하에서 10시간 정도 소각한다. 10) 소각 후 서냉하여 부품이 상온이되던 물로 세척하여 건조시킨다. 노즐을 제외한 부품은 외관 검사 후 부품함에 적재한다. 11) 비등 세척한 노즐을 초음파 세척기로 5시간 정도 세척 후 3kg/f압력의 공기를 분사시켜 미세이물 및 건조시킨다. 다음으로 현미경을 이용 노 즐홀 이상유무를 검사 후 정상분만 노즐 보관함에 적재한다. 12) 작업장 주변 정리정돈 및 청소를 한다.
7. 노즐 팩 교환 작업공정
1) 팩 취외 작업 가) 임펙트 렌치를 에어 밸브에 부착 시킨다. 나) 토오크 렌치로 볼트를 살짝 푼 후 임펙트 렌치로 볼트를 취외한다. 다) 팩취외 보조기구를 사용하여 팩을 취외한다. 라) 최외된 팩을 운반대차를 이용하여 분해장소로 운반한다. 2) 팩 취부 작업 가) 팩 받침대를 이용하여 새로 정비한 팩을 스핀 블록내에 삽입한다. 나) 팩 고정용 볼트를 임펙트 렌치를 사용하여 대각선 방향으로 팩 취부용볼트를 조인다. 다) 토오크 렌치를 사용하여 취부용 볼트의 조임상태를 확인한다. 라) 취부된 팩의 노즐표면에 와이핑 오일을 2～3회 분사 후 정상 토출이되도록 기어 펌프를 가동한다.
3) 점검 사항 가) 계획된 노즐이 취부되었는지 확인한다. 나) 노즐의 슬로 홀(slow-hole, 토출량이 작은 홀)이나 블라인드 홀 (blind-hole, 홀내에 이물질이 존재하여 토출이 안되는 홀)의 유무를 확인한다.
8. 기어펌프 정비 작업공정
1) 기어펌프를 스핀 빔에서 취외한다. 2) 취외한 기어펌프를 450℃ 되는 소각로에서 10시간 정도 소각후 상온까 지 서냉한다. 3) 소각한 기어펌프를 고정박스에 놓고 볼트를 취외한다. 4) 커플링 케이스, 상부 후렘기어 케이스, 기어, 후렘, 구동축 및 고정축 분해 분리한다. 5) 와이어 브러쉬로 기어의 톱니바퀴외 플레이트의 이물질을 제거한다. 6) 각부 케이스와 내부 부품을 가는 샌드 페이퍼로 닦아준다. 7) 각 부품들을 초음파 세척기로 4～5시간 초음파 세척한다. 8) 초음파 세척된 부품들을 마른 걸레로 깨끗이 닦은 후 분해 역순으로 조립한다. 9) 조립된 기어 펌프를 고정박스에 놓고 10회 정도 기어를 회전시켜 정상 유무를 확인한후 보관함에 적재한다. 10) 작업장 주변 청소를 실시한다.
9. 기어펌프 교환 작업공정
1) 거어펌프축을 기어펌프에서 분리한다. 2) 기어펌프 보온커버를 취외한 후 스핀빔과 기어펌프와의 고정볼트를 풀어 기어펌프를 취외한다. 3) 스핀빔의 폴리머 토출구를 깨끗이 청소한다. 4) 교체할 기어펌프를 폴리머 토출구와 일치되게 놓은 후 기어펌프 취부 볼트로 1차 취부한다. 5) 기어품프를 회전축을 5～6회 회전시켜 본 후 볼트 조립용 복스를 활용하여 대각선 방향으로 취부 볼트를 견고하게 조운다. 6) 구동 회전축의 타페트를 기어펌프 커플링 홈에 맞춘다. 7) 사용 공구 및 주변청소를 한다. 8) 2～3시간 운전 후 폴리머 리크(leak)유무를 확인한다. 이상이 없을 시 보온커버를 덮는다.
10. 유제 준비공정
1) 유제 원액을 준비한다. 2) 유제 믹싱 탱크에 적정량의 순수를 투입하고 이를 40～50℃ 정도로 가열한다. 3) 규정량의 유제원액 및 방부제를 투입하고 3～4시간 정도 교반을 한다. 4) 굴절계를 사용 규정 농도에 맞는지 농도 측정을 한다. 5) 필요시 에멸젼의 투과율, pH 등도 측정한다. 6) 조제된 유제를 권취실의 저장 탱크에 공급한다. 7) 저장 탱크의 유제를 유제 라인을 통해 유제 로울러가 침적해 있는 유제배드에 공급한다. 8) 유제 배드에 과잉 공급되는 유제는 다시 저장 탱크로 유입되도록 하여 이 경로를 통해 계속 순환시킨다. 9) 유제 탱크, 유제 라인 오일링 로울러 등은 일정기간을 주기로 한번씩 청소를 실시한다.
11. 방사하기
1) 압출기 및 방사기의 온도를 점검한다. 2) 압출기를 구동하고 서서히 원료 호퍼의 밸브를 열어 원료를 공급한다. 3) 기어펌프를 구동시킨다. 4) 압출기의 압력을 규정압력까지 도달시킨 후 압력이 계속 균일하게 유지되도록 한다. 5) 일정시간 폴리머를 방류한다. 6) 기어펌프를 한추씩 정지하고 노즐팩을 취부한다. 7) 한추의 노즐팩 취부가 완료되면 기어펌프를 가동하고 같은 방법으로 반복하며 노즐팩 취부를 완료한다. 8) 노즐에서 폴리머가 압출되는 것을 확인하고 규정보다 가는 실이 나오는 지 점검한다. 9) 노즐면을 실리콘으로 와이핑한다. 10) 토출량, 펌프 회전수, 냉각에어의 속도 등이 설계조건과 일치하는지 확인한다. 11) 각종 가이드류를 설치한다. 12) 권취실에 권치준비가 되도록 신호한다. 13) 실을 권취실로 내려 권취하고 실가르기를 한다. 14) 노즐면 실리콘 와이핑은 일정주기로 도핑시기를 이용 정기적으로 실시 한다. 15) 절사추 발생시 권취실에 신호하여 절사추 처리를 한다.
12. 권취공정
1) 권취실의 온․습도가 규정된 작업 조건인가 확인한다. 2) 오일링 로울러의 유제 침지상태 확인 및 회전수가 규정 속도와 맞는지 확인한다. 3) 고데트 로울러 프릭션 로울러 트라이버스 속도 등이 규정속도와 맞는지 기동하면서 확인한다. 4) 에어서커의 사 흡인력을 확인한다. 5) 방사기에 권취 가능 여부를 확인하고 권취 준비가 되었음을 알린다. 6) 방사기에서 내린 실을 에어서커로 받는다. 7) 실을 오일링 로울러, 고데트 로울러 및 가이드를 거쳐 보빈에 권취하고 사분리를 한다. 8) 보빈에 규정량의 실을 감는다. 9) 규정량의 실이 권취되면 에어서커를 사용, 도핑을 실시한다. 10) 도핑한 미연신사는 규정에 의거하여 운반대차에 적재한다. 11) 새 보빈을 끼우고 권취를 계속한다. 12) 사도 이상, 가이드 이탈, 필라넘어감 등 이상이 없는지 확인한다. 13) 미연신사의 데니어 및 필라멘트 수를 측정한다. 14) 미연신사가 적재된 운반대 차를 에이징실로 운반 정리한다. 15) 권취가 잘 이루어 지고 있는지 확인한다.
13. 연신공정
1) 연신기를 청결하게 청소를 실시한다. 2) 연신비, 연신속도, 스핀들 회전속도 등이 규정에 맞는지 확인한다. 3) 링에 트래블러를 끼우고 스핀들에는 실을 감을 핀을 삽입 한다. 4) 일정시간 에이징된 미연신사를 운반하여 크릴부에 로딩한다. 5) 실끝을 찾아 해사하여 규정에 따라 가이드와 로울러를 거쳐 실걸이한다. 6) 연신기를 가동하여 연신작업을 실시한다. 7) 실의 권취장력, 열연신의 경우 히터의 온도 등을 체크한다. 8) 기계 주위를 패트롤 하면서 사절에 대비 및 조치를 한다. 9) 체크시트를 작성한다. 10) 연신기가 스톱되면 도핑을 한다. 11) 도핑한 실을 중량별로 선별하여 운반 트럭에 적재한다. 12) 운반 트럭에 적재된 제품을 외관검사, 중량검사, 물성 검사를 실시한 다. 13) 검사결과에 따라 등급별로 구분 박스에 포장하고 제품라벨을 부착한 다. 14) 제품 박스를 창고에 입고시킨다.
14. 안전 및 유의사항
1) 압력의 누출 상태를 확인하여 안전사고가 생기지 않도록 한다. 2) 노즐관리를 철저히 하여 흠이가지 않도록 한다. 3) 조립할 노즐의 규격을 정확하게 확인한다. 4) 작업전 몸을 유연하게 하기위해 기초체조를 한다. 5) 예열시 화상과 팩추락에 의한 안전사로 방지에 유념한다. 6) 팩 운반시 충격이 가하지 않도록 한다. 7) 작업물이 고온이므로 면장갑 및 토시를 착용하여 화상을 방지한다. 8) 노즐표면에 이물질이 뭍지 않토록 운반시 주의한다. 9) 고온의 풍량물이므로 화상 및 낙하에 주의한다. 10) 팩의 예열상태를 확인한다. 11) 팩볼트 조임시 무리한 힘을 가하지 않는다. 12) 각부 부품이 분해시 손망실 되지 않도록 한다. 13) 파손된 부품은 새것으로 교체한다. 14) 고온의 물체이므로 화상에 주의하며, 필요한 보안경을 착용한다. 15) 볼트가 마모되지 않도록 무리한 힘을 가하지 않는다. 16) 유제 라인의 내부가 청결 상태를 유지할 수 있도록 한다. 17) 유제 로울러에 거품이 생기지 않도록 한다. 18) 에멀션을 만들 때에는 원액의 온도, 물의 온도, 휘젖는 속도와 시간을 정해진 대로 잘 지켜야 한다. 19) 에멀션을 다 만든 다음에는 투명도, 농도, pH 등을 잘 관리해야 한다. 20) 오일링 로울러의 회전은 고르게 되도록 잘 정비해야 한다. 21) 기계 각부를 철저히 점검하여 최적한 운전상태가 되도록 한다. 22) 방사기를 운전할 때에는 이 배압이 갑자기 상승하는 것을 막아야 하며 방사 펌프의 회전 방향은 바르게 되고 있는지도 먼저 확인해야 한다. 23) 방사기가 충분히 예열되어 있지 않은 때에는 방사기의 시동 스위치를 눌러서는 안된다. 24) 권취실의 온․습도를 규정된 조건으로 해주어야 한다. 25) 작업 중 실이 헝클어지거나 비사가 생기지 않도록 한다. 26) 기계의 주위를 정기적으로 점검해야 한다. 27) 표면사 및 기계의 이상 유무를 수시로 점검한다. 28) 사도 이탈 및 불량추는 즉시 교환한다.
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