In order to analyze the effect of process variables during the ploy(p-phenylene terephthalamide) pulp/fiber production process, the reaction kinetics, kinetics of liquid crystal formation, state of the liquid crystalline dope and the structure/morphology of the fiber and film were investigated.
To get information for the polymerization reaction, kinetics of polymerization and liquid crystal formation were studied. A second order reaction model was suitable to describe the polymerization reaction. The Avrami equation was used to describe the liquid crystal formation from the isotopic solution and the Avrami value(n) of 2 was obtained.
During the reaction, the onset point of transition from isotopic to anisotropic phase could be confirmed by striation bands produced by shearing between crossed polars under polarized microscope. The conversion at the onset point of transition was nearly the same regardless of initial reaction temperature for the same solid content. The conversion at the onset point is lower at high solid content.
The role of pyridine as the coagulating agent was confirmed. I. V. of polymer increased up to about of 2 in pyridine system. When films were made from anisotropic state, the degree of crystallinity and orientation increased linearly as increasing the shear rate, but for films made from isotopic state, the structure was not well developed. The tensile strength of the former is 7-10 times higher than that of latter.
The calculated unit cell constant and lattice image for the fiber produced from liquid crystalline prepolymer dope were nearly the same as those of Kevlar, which implies that the basic structural units are the same as Kevlar. However, both the regular defect bands with a periodicity of ca. 250-500 nm and the characteristic features of skin-core structure in Kevlar were not observe in this fiber. These differences in the structure may be originated from differences in the dope and spinning process.
폴리페닐렌 테레프탈아마이드 단섬유 및 필름제조에 있어서, 공정변수의 영향을 알아내기 위하여 반응속도론, 액정형성 속도론, 반응에 따른 액정도우프의 상변화 및 피리딘으로 후중합된 단섬유 및 필름의 구조, 성질 및 모폴로지에 대하여 연구하였다.
중합반응에 대한 정보를 얻기 위하여 중합 및 액정형성의 속도론을 연구했다. 고형분(solid content) 및 초기 반응온도의 변화로 부터 얻은 2차반응식으로 중합반응은 잘 설명할 수 있었다. AVRAMI 식으로 액정형성 속도를 표현할 수 있고, 이 때 얻어진 AVRAMI 상수 값 (2)으로 부터 액정형성이 계속적인 핵형성과 일차원적인 성장임을 알 수 있었다.
반응중, 편광현미경하에서 전단력에 의하여 전단방향과 수직으로 생긴 무지개 빛 줄무늬 (striation band)의 존재로 부터 반응도우프는 등방성에서 이방성상의 전이를 함을 알 수 있다. 전이점에서의 반응율은 초기 반응온도에는 무관하지만 고형분의 농도가 증가함에 따라, 낮은 반응율에서 전이점이 나타났다.
필름 및 단섬유를 응고시킬 때 사용되는 피리딘은 반응물의 중합을 촉진시켜, 고분자의 I.V.를 2 정도 더 증가시켰다. 반응중합체가 이방성상일 때 만들어진 필름은 전단응력에 비례하여 결정화도 및 배향도가 증가함에 반하여, 등방성상에서 얻어진 필름의 결정화도 및 배향도는 전혀 발달되지 못하였다. 이방성상일 때의 필름의 강도는 등방성상일 때의 강도에 비하여 7 ~ 10배 정도 높았다. 따라서 제조공정에 투입되기 전의 반응물의 상태 (phase)는 매우 중요한 역할을 하였다.
액정상 도우프로 부터 얻어진 단섬유의 단위구조 및 격자상은 기존의 케블라 (kevlar) 와 거의 유사하지만, 케블라를 특징짓고 있는 250 ~ 500nm의 규칙적인 결점 줄무늬 (defect band) 및 스킨-코아 (skin-core) 구조는 본 시료에서는 나타나지 않았다. 이러한 점은 고분자 자체의 차이로 부터 기인되는 문제가 아니라, 도우프 및 제사공정의 차에 기인된다고 판단되었다.
