고속 방사 시 폴리에스테르 품질 및 칩 건조 요건
폴리에스테르 방사는 용융 직접 방사와 칩 방사의 두 가지 유형으로 분류됩니다. 다양한 폴리에스터 용융물과 칩은 방사 및 완제품의 품질에 큰 영향을 미칩니다. POY(Partially Oriented Yarn)의 방사조건과 품질은 폴리에스터의 상대적인 분자량과 그 분포, 용융물의 유변학적 특성, 칩의 열용량과 관련될 뿐만 아니라, 칩 내 응집된 입자의 함량, 중합 시 첨가된 촉매의 잔류물, 회분의 함량, 기타 기계적 불순물, 첨가된 TiO2의 특성과도 관련이 있습니다. 다양한 방사 공정은 다양한 방사 상황으로 이어지며 이에 따라 원료에 대한 요구사항도 달라집니다. 고속 방사에는 폴리에스터 품질에 대한 다음 요구 사항이 있습니다.
폴리에스테르의 기계적 불순물과 응집된 입자의 함량은 가능한 낮아야 합니다. 용융물의 특성 점도 변동 값은 이상적으로는 0.01 미만이어야 하며 중앙 값은 0.63~0.68 사이로 약간 더 선호됩니다. 특성 점도가 높을수록 좋은 POY를 생산하는 데 유리하지만 점도가 너무 높으면 방사가 어려워지고 잔털이 증가할 수 있습니다.
폴리에스테르의 상대 분자량 분포는 좁아야 하며, 분포 지수 α가 작아야 하며(α < 2.2), 평균 상대 분자량은 적당해야 합니다. α가 클수록 방적 형성이 불량해지며 잔털과 융합이 발생하고 결함이 많아지며 비오일사 점도와 섬유 강도가 크게 변동됩니다. 상대 분자량이 높을수록 중합체는 방사 중에 높은 장력을 견딜 수 있으며 이는 유리합니다. 그러나 상대적인 분자량이 너무 높으면 긴 분자 사슬이 쉽게 펴지지 않고 곧게 펴지지 않아 분자 배향에 더 큰 힘이 필요하고 잠재적으로 불완전한 배향이 발생할 수 있습니다. 반대로, 상대 분자량이 너무 낮으면 방사구금에서 압출되어 배향을 위해 인발될 때 더 짧은 분자 사슬이 장력으로 인해 파손될 수 있습니다. 따라서 평균 상대분자량은 적당해야 합니다. 폴리에스테르의 상대적 분자량은 섬유 성능을 크게 결정하며 방사 공정 조건에 상당한 영향을 미칩니다. 상대 분자량의 최적 범위는 방사 공정 조건 및 제품 품질에 가장 덜 민감한 영역에서 선택해야 합니다.
폴리에스터 용융물의 여과 성능이 좋아야 합니다. 폴리에스터 용융물의 여과 성능은 여과 면적 S(m²)에서 설정 시간 G(분) 동안의 평균 압력 강하 ΔP를 사용하여 설명하고 결정할 수 있습니다. 그 값 A를 여과 계수라고 하며 다음과 같이 표현됩니다.
A의 값이 작을수록 여과 성능이 좋다는 것을 의미한다. 여과 성능이 좋은 칩은 프리필터 출구에서 상대적으로 안정적인 초기 압력 단계를 나타내다가 점차 감소합니다. 대조적으로, 여과 성능이 좋지 않으면 안정된 상태가 나타나지 않으며 압력은 종종 선형 방식으로 급격하게 떨어집니다.
칩 내 먼지 함량이 낮음
칩 내 먼지 함량이 높으면 방사구금에 심각한 점착이 발생할 수 있으며, 새로운 방사구금은 사용 후 불과 8~12시간 만에 부착 현상이 나타납니다. 이로 인해 방사 형성이 저하되고 심지어 필라멘트가 끊어지거나 블록 결함이 발생하여 방사 부품의 수명이 단축될 수 있습니다. 먼지가 쌓이면 측면 송풍창이 채워져 냉각 기류의 속도와 균일성이 영향을 받아 POY 품질이 저하될 수 있습니다. 분진의 녹는점은 일반 칩보다 10~15°C 높아 일반적인 방사 온도에서는 녹기가 어렵습니다. 더욱이 먼지에는 녹지 않은 물질과 응집된 입자가 상당량 포함되어 있어 방사성이 저하됩니다. 따라서 칩의 먼지 함량은 0.1% 미만이어야 합니다.
칩의 젤 함량 최소화
칩의 젤 함량은 가능한 한 낮아야 하며, 특히 오래된 젤을 제거해야 합니다. 겔은 폴리에스터의 열분해에 의해 형성된 3차원적으로 가교된 폴리에스터이며 뚜렷한 녹는점이 없습니다. 폴리에스테르의 열 분해는 온도, 체류 시간, 생산 중 산소 존재와 같은 요인의 영향을 받습니다. 따라서 중합 및 방사 중 용융물의 체류 시간을 최소화하여 가능한 한 낮은 온도를 유지해야 하며, 폴리머 분해를 일으킬 수 있는 용기 및 파이프의 사용을 최소화해야 합니다.
젤이 있으면 방사 파손이 크게 증가하여 어둡고 긴 필라멘트가 생성되어 사전 필터와 구성 요소가 빠르게 막히게 됩니다. 겔은 회전 부품에서 세 가지 형태로 존재할 수 있습니다.
텐더 젤(Tender Gel) : 이 유형의 젤은 일반적인 가공 조건에서 용융물과 유사하며 유동성이 좋습니다. 생성기간이 짧고 가교가 심하지 않은 폴리에스터입니다. 이는 폴리에스터 칩에 혼합된 미세 노란색 형광체로 나타나며, 백색광에서는 구별하기 어렵지만 UV광에서는 볼 수 있습니다. 그 존재는 방사 파손, 섬유 염료 흡수 증가 및 여과 성능 저하로 이어집니다. 미세한 여과재로는 이를 제거할 수 없어 방사 공정에 악영향을 미칩니다.
성숙한 젤(Mature Gel) : 이 젤은 성장 기간이 길고 더 단단합니다. 표준 처리 조건에서는 변형된 반고체 상태로 남아 있으며 백색광 아래에서는 노란색을 띠고 때로는 갈색으로 나타납니다. 그 존재는 심각한 파손을 일으키고 섬유의 염료 흡수를 증가시킵니다. 일반적으로 미세한 여과 매체를 사용하여 걸러낼 수 있지만 빠르게 막히게 됩니다.
Old Gel : 이 유형은 성장 기간이 길고 가교 결합이 심하여 취성 없이 더 단단한 고체입니다. 백색광 하에서 탄화물질과 유사한 암갈색 내지 흑색 입자로 나타난다. 이러한 소위 블랙 코어 입자는 자주 발생하지는 않지만 방사 안정성과 제품 품질을 심각하게 저하시킬 수 있습니다. 이는 프리필터의 급속한 막힘, 방사 돌기 구멍의 막힘 및 제품의 결함 증가로 이어질 수 있으므로 이들의 존재는 허용되지 않습니다.
고결정 폴리머 최소화
고결정 폴리머는 융점이 280°C 이상이고 결정화도가 45% 이상(건조 칩에서)인 폴리에스테르의 일부입니다. 이는 젖은 칩에서 흰색 코어로 나타날 수 있으며 UV 광선 아래에서 형광을 나타낼 수 있습니다. 이는 국부적인 폴리에스테르가 생산 및 방적 중에 장기간 동안 용융 온도(260°C) 근처에 유지될 때 형성됩니다. 녹는점이 높기 때문에 일반적인 방사 온도에서 녹기가 어렵습니다. 잠재적으로 방사 부품에 부드러운 젤이나 성숙한 젤이 형성되어 파손되거나 빠르게 막힐 수 있습니다. 이러한 고결정 성분이 원사에 들어가면 염색 불균일, 인장강도 불균일, 신도 불균등이 발생하여 필라멘트가 약하고 강도가 약한 경우가 발생합니다.
촉매 잔류물 최소화
중합 공정 중에 첨가된 에스테르화 및 중축합 촉매는 폴리에스테르 용융물(칩)에 남아 방사성(여과 성능)에 영향을 미칩니다. 따라서 중합 시 방사성에 미치는 영향을 최소화하는 금속 촉매를 선택하고 이를 아껴서 방사 성능에 미치는 영향을 줄이는 것이 중요합니다. 현재 산화안티몬(Sb2O3)은 중국 폴리에스테르 생산에서 중합 촉매로 일반적으로 사용되며 보유 수준은 2.0~4.5ppm입니다. 안티몬의 존재는 폴리머의 색상에 영향을 미칠 수 있습니다. 수준이 높을수록 'L' 값이 감소하고(회색도 증가), 방사구금 모세관 내부의 오염이 증가하여 방사 파손이 증가하고 방사성이 감소합니다. 극세섬유 방사 시 안티몬과 같이 촉매 함량이 낮은 폴리에스터 칩을 사용하는 것이 중요합니다.
중합 중 안티몬과 같은 촉매의 양을 줄이는 것은 공정과 장비뿐만 아니라 촉매, 특히 Sb2O3의 품질과 순도에 따라 달라집니다. 안티몬 자체와 그 불완전 산화물(Sb2O5)은 촉매 효과가 없기 때문에 상당한 양의 금속 안티몬과 그 산화물을 함유한 낮은 순도의 Sb2O3는 동일한 촉매 효과를 위해 사용량을 늘려야 하므로 최종 폴리머의 안티몬 함량이 높아집니다. 망간 및 코발트와 같은 다른 촉매에서도 유사한 문제가 관찰되며, 특히 칼슘 금속 촉매가 포함된 경우 더 많은 침전물이 발생하고 방사성에 더 큰 영향을 미칩니다.
불투명도 요구 사항을 충족하기 위한 최소 TiO2 함량
TiO2는 특히 큰 TiO2 입자가 존재할 때 회전 성능에 부정적인 영향을 미칩니다. 기존 중국 추가금액은 0.5%에서 0.3%로 개정됐다. 국제적으로 반무광 폴리에스테르 칩의 TiO2 첨가율은 일반적으로 0.15% ~ 0.3%입니다. TiO2에는 또한 두 가지 부작용이 있습니다. 폴리에스테르의 분해 촉매 역할을 하여 방사 중 분해를 촉진하고, 그 집합체는 트리에틸렌 글리콜에 불용성이므로 용융 필터 청소를 어렵게 만듭니다. 또한 사용된 TiO2의 입자 크기와 글리콜 및 폴리에스테르 올리고머의 유화 및 분산 특성이 중요합니다. TiO2 입자 크기가 0.3μm를 초과하거나 글리콜 현탁액에서 쉽게 응집되면 0.3μm보다 큰 TiO2 응집 입자가 생성되어 폴리에스테르의 방사성에 큰 영향을 미칩니다.
디에틸렌 글리콜 함량
함량은 일반적으로 0.7%~1.5%이며 더 높은 함량이 선호됩니다. 디에틸렌 글리콜(DEG)은 중합 과정에서 과량의 에틸렌 글리콜과 축합 공정 중 의도적인 첨가로 인해 발생하는 이원 알코올 반응의 부산물입니다. 중합 중 DEG 생성은 불가피하지만, 가공 조건을 적절하게 제어하면 DEG 수준을 조정할 수 있습니다. DEG를 의도적으로 첨가하면 방사성과 최종 섬유의 품질이 향상되는 것으로 생각됩니다.
폴리에스테르의 DEG 양은 사실상 에테르 결합 함량을 나타냅니다. DEG의 에테르 결합은 폴리에스테르 고분자의 에틸렌 글리콜 세그먼트를 변경하여 에테르 결합의 수를 증가시킬 수 있습니다. 에테르 결합은 염료 흡수 그룹이기 때문에 폴리에스테르 섬유(자연적으로 염료 흡수 그룹이 거의 없음)의 염료 흡수를 향상시킬 수 있습니다. 한편, 에테르 결합의 존재는 거대분자의 질서 있는 배열을 방해합니다. 에테르 결합은 또한 극성이 좋고 엔트로피가 높기 때문에 융점을 낮추고 결정성을 감소시켜 섬유 강도를 감소시킬 수 있습니다. 그러나 DEG 함량이 높을수록 폴리에스터 칩의 b 값(황색 색상)이 증가하므로 이 함량을 제어해야 합니다. 중요한 것은 DEG 함량의 균일성이 중요하다는 것입니다. 함량이 높으나 균일성이 부족하면 섬유의 방사성 및 염색 일관성이 손상될 수 있습니다. 이상적으로 변동 범위는 0.05%에서 0.1% 사이여야 합니다.
또한, 에테르 결합의 증가는 폴리에스터 칩의 녹는점을 낮추고 열산화 안정성을 저하시킨다. 그러나 무산소 조건에서는 열 안정성에 영향을 미치지 않습니다. DEG 함량이 높은 폴리에스테르는 결정화가 잘 되지 않아 방사 시 결정화가 느려지는데, 이는 저결정성, 고배향성 POY 생산에 유리하여 최종 DTY의 품질을 향상시킵니다.
용융 결정화 피크
폴리에스터 칩의 방사 공정은 용융에서 냉각 및 성형까지 발생하는 모든 변화를 포함합니다. 폴리에스테르의 결정화 능력은 섬유의 결정도와 배향성뿐만 아니라 방사 조건에도 영향을 받습니다. DSC 곡선의 용융 결정화 온도와 피크 높이는 폴리에스터의 결정화 능력을 나타내는 중요한 지표입니다. 6개 샘플의 열 분석 결과는 표 10-2에 나와 있습니다.
표에서 폴리에스테르 칩의 방사성은 용융 결정화 온도 및 피크 모양과 밀접한 관련이 있음이 분명합니다. 용융 결정화 온도가 낮고 피크 분포가 더 넓고 평평한 칩은 더 나은 회전성을 나타냅니다. 반대로, 용융 온도가 더 높고 피크 모양이 뚜렷하게 정의된 칩은 방사성이 더 낮습니다. 일반적으로 폴리에스테르 칩은 용융 결정화 온도가 170~180°C 정도인 것이 방사성이 좋은 것으로 간주됩니다. 방사성을 피크 값으로 특성화하면 값이 0.5~1.0인 칩이 더 나은 것으로 간주되고, 0.5 미만인 칩은 방사성이 좋지 않은 것으로 간주됩니다. 방사구금을 빠져나올 때 너무 빨리 결정화되는 폴리에스테르 용융물은 빠르게 결정 구조를 형성하여 거대분자의 평행 배향을 복잡하게 하고 섬유 품질을 저하시킵니다. 후속 연신 공정에서는 방사가 더 높은 온도에서 이루어져야 변형이 어려워집니다. 추가적인 열경화 과정에서 급속한 결정화로 인해 고르지 못한 결정 구조를 지닌 큰 결정 블록이 생성되는 경우가 많습니다. 이러한 모든 요인으로 인해 최종 제품의 품질이 저하될 수 있습니다. 따라서, 용융 결정화 온도가 낮고 결정화 속도가 느린 폴리에스테르가 바람직합니다.
고속 방사의 방사 온도는 일반적으로 기존 방사의 방사 온도보다 5~15°C 더 높습니다. 따라서 고속 방사를 위한 건조 칩의 수분 함량은 용융 가수분해를 줄이기 위해 낮아야 합니다. 또한, 고속 방사 시 용융물에 미량의 수분이라도 존재하면 생성된 기포가 방사구금에서 배출되는 미세한 용융물 흐름에 갇히게 되어 필라멘트가 날아오거나 단일 필라멘트 내에 숨겨진 결함이 발생하여 후속 연신 시 잔털이 생기거나 끊어지는 원인이 될 수 있습니다. 따라서 건조 칩의 수분 함량은 50ppm 미만, 이상적으로는 30ppm 미만이어야 합니다. 수분 함량이 높을수록 방사 중 용융물의 특성 점도에 부정적인 영향을 미쳐 방사 조건이 악화됩니다. 양호한 방사 상태를 유지하려면 건조 칩의 수분 함량이 요구 사항을 충족해야 할 뿐만 아니라 균일해야 합니다.
칩을 건조하는 동안 건조 온도는 건조 칩의 효율성과 품질 모두에 영향을 미칩니다. 건조 온도는 수분의 완전하고 빠른 증발을 보장하는 동시에 칩의 특성 점도 감소 또는 고온에서 색상의 황변을 방지해야 합니다. 건조하는 동안 칩의 실제 온도는 이상적으로 160°C를 초과해서는 안 되며, 건조되는 뜨거운 공기의 온도는 185°C를 초과해서는 안 됩니다. 건조 공기의 양을 늘리고 건조 공기의 습도를 낮추면 건조 효율을 높이는 데 도움이 될 수 있습니다. 결정화 전 온도와 시간의 선택도 다양한 장비와 칩 재료에 맞게 조정되어야 합니다. 빠르게 결정화되는 칩의 경우 더 낮은 온도와 더 짧은 사전 결정화 시간을 사용해야 합니다.
