KR100975363B1 - 내구성이 우수한 열가소성 중공 섬유 및 이를 포함하는원단 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내구성이 우수한 열가소성 중공 섬유 및 이를 포함하는 원단에 관한 것으로서, 중공 섬유내에 플루오르 중합체가 함유되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 열가소성 중공 섬유는 열가소성 수지를 방사하여 열가소성 중공 섬유를 제조할때 상기 열가소성 수지내에 플루오르 중합체를 첨가하는 방법으로 제조된다.

본 발명의 열가소성 중공 섬유는 중량성과 동시에 마찰 및 변형에 대한 내구성이 우수하여 신발용 원사, 가구용 원사, 배낭용 원사, 연마재용 원사, 스포츠 웨어용 원사 등으로 유용하다.

중공 섬유, 열가소성, 내구성, 플루오르 중합체, 경량성

Description

내구성이 우수한 열가소성 중공 섬유 및 이를 포함하는 원단{Thermoplastic hollow fiber with excellent durability and fabric comprising the same}

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 열가소성 중공 섬유의 단면 예시도

* 도면 중 주요부분에 대한 부호 설명

1 : 중공 섬유 A : 열가소성 수지

B : 중공부

본 발명은 내구성이 우수한 열가소성 중공 섬유 및 이를 포함하는 원단에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 본 발명은 열가소성 중공 섬유내에 플루오르 중합체가 함유되어 경량성과 동시에 마찰 및 변형에 대한 내구성이 뛰어난 열가소성 중공 섬유 및 이를 포함하는 원단에 관한 것이다.

폴리아미드나 폴리에틸렌테레프탈레이트와 같은 열가소성 섬유의 내구성을 강화하기 위해서는 기본적으로 다음과 같은 방법을 사용한다.

첫째는 폴리머 중합단계에서 열가소성 섬유의 기본수지의 분자량을 상승시켜 원사 자체의 기계적 물성치를 상승시키는 방법이다.

두번째는 원사의 방사단계에서 열가소성 섬유 다발의 기본적인 굵기를 상승시키는 방법이다. 즉 원사의 굵기 즉, 전체 섬도가 굵어지면 굵어질수록 단위면적당 받은 하중에 대한 부하가 감소하게 된다. 1데니어보다 10데니어가, 10데니어보다는 100데니어가 더욱더 강하다는 것은 일반적인 사실이다.

세번째는 원사의 연신조건 변경으로 앞의 2가지의 조건중 하나 또는 전부를 만족하는 상태에서 방사 연신상태에서 고배향, 고결정화를 부여하는 방법으로 다단 연신 및 열처리를 통해 강도를 상승시키는 방법이다.

중합단계에서 열가소성 섬유를 구성하는 기본수지의 분자량을 상승시키는 방법은 크게 두가지가 있다. 즉, 중합시간을 길게 유지하는 방법으로 중합시간이 길어지면 길어질수록 중합되는 분자량은 커지게 된다. 하지만 이는 기본적으로 시간적 및 효율성 측면에서 한계가 있다. 폴리에틸렌테레프탈레이트의 경우 초기 분자량 증가속도는 시간과 선형적인 관계가 있지만 고유점도가 0.6 이상의 영역에서는 시간에 따른 분자량 상승경향이 상당히 완만해지는 경향이 있다. 즉, 많은 중합시간 대비 그다지 분자량이 상승하지 않는다는 문제점이 발생한다. 또한 부반응이 발생하여 일정 수준의 고유점도를 정점으로하여 분자량이 감소하는 경향을 나타나게 된다.

이러한 문제점을 극복하기 위해서 폴리에틸렌테레프탈레이트의 경우 고유점도가 0.5~0.7 사이에서 중합한 후 다시 진공상태에서 150℃이상의 고온을 균일하게 가할 수 있는 고상중합건조기를 통과시켜 폴리머의 결정화를 향상시킨다. 이를 통상적으로 고상중합이라 부르며 통상적으로 고유점도를 1.0 ~ 1.3 수준까지 향상시킨다. 이러한 방식은 폴리머 중합공정에서 많은 시간적 손실과 생산량 및 생산 비용측면에서 손실이 극심하다. 특히 고상중합 도중에 시간과 열풍 조절을 잘 못하는 경우 폴리에스테르의 경우 서로 엉켜붙는 현상과 폴리아미드 소재인 경우는 색상이 누렇게 변화하는 황변현상 등의 부가적인 문제점이 많이 발생하여 특수한 용도 이외에는 적용하기 곤란한 문제점이 있다.

다음으로, 방사단계에서 원사의 총섬도를 증가시키면서 원하는 수준의 내구성 및 마모성을 확보하는 방법은 용도에 따라 무한정 섬유의 섬도를 상승시킬 수 없는 문제점이 있다. 예를 들어 의류용 소재로 적용할 때 원단의 표준중량이 50 ~ 300g/㎡ 수준이 적합하다 그 이하인 경우는 원사의 소재가 너무 하늘거리고 제직/제편하기 어려우며 그 이상인 경우에는 사람이 걸치기에는 너무 과 중량으로 활동성에 제한을 받는다. 특히 섬도가 올라가면 올라갈수록 원단자체의 소프트감과 유연성이 감소하여 뻣뻣해진다. 즉, 섬유는 용도에 따라 그 섬도의 한계가 존재한다는 것이다.

다음으로, 연신조건의 변경으로 원사의 강도를 강화시키는 방법으로는 연신을 한번에 끝내지 않고 목적에 따라 2단에서 3단, 4단으로 다단 연신하는 방법이 널리 사용된다. 이때 다단 연신 단계에 따라 원사의 신도 감소율 대비 강도의 증가가 커 지게 된다. 이때 강도를 향상시키기 위해 열처리를 병행하면 효과적이다.

하지만 다단열처리 방법은 기대적인 한계성이 존재한다. 즉, 모사를 생산한 후 일정시간이 지나도록 방치시킨 후 다단연신기에서 다시 재연신하게 되거나 멀티스텝 방사즉시연신기로 생산할 수 있어나 설비가 크고 초기 방사 스피드 대비 최종 연신권취 속도가 낮아 생산성이 낮으며 공정이 까다로워 수율이 낮다. 즉 생산성 측면에서 권장할 만한 방법이 아니라는 것이다.

상기의 내구성 개선조건은 경량화를 위한 기본조건이 된다. 하지만 상업적으로 경량화의 전제조건이 필요로 하는 경우가 많다. 내구성만 확보된다면 낮은 섬도 얇은 섬도의 소재를 사용하여 경량화 효과를 구현할 수 있다는 의미와 두번째는 겉보기에는 동일한 형태를 지니면서 원단 중량을 낮추는 경우이다.

대부분의 경우는 후자에 속하는 경우로 중량을 낮추더라도 겉보기 외관은 동일하게 유지하여야 하며 세섬도사를 사용함에 따른 원단 밀도 및 후도의 저하를 감수할 수 없는 경우가 많다.

이런 조건에 가장 적합한 소재는 바로 중공 섬유 이며, 내부 중공율에 따라 원사의 겉보기 비중이 물의 비중 1.0 이하로 낮아지게 된다. 폴리아미드 소재인 경우는 약 15중량%이상, 폴리에스테르 소재인 경우에는 25중량% 이상의 경량화를 달성하여야만 겉보기 비중이 1.0 이하로 낮아지게되어 의미가 있는 경량화를 달성할 수 있다. 이때 내부 중공율은 섬유 전체 단면적 대비 섬유 단면적내 중공부 전체 면적의 비율로서 측정한다.

중공 섬유의 경우 경량화의 조건이 바로 내부 중공율에 있다. 중공율이 높을 수록 겉보기 경량화를 이룰 수 있으나 실질적으로 원사 자체의 강력 및 신도가 낮아지게 된다. 중공 섬유의 경우 방사시 방사 드레프트가 일반적인 원형단면 원사 제조 때보다 5~10배 이상의 높은 방사드레프트가 발생하므로 원사 자체의 강도 및 신도가 모두 저하하게되어 앞에서 언급한 중합, 방사 및 연신의 조건을 거친다 하여도 실질적으로는 내구성이 급격히 떨어지게 된다. 동일 섬도에서나 경량화된 섬도에서 내구성을 비교하여도 상당히 낮다. 이는 단면적인 영향과 실질적인 과도한 연신으로 인한 변형이 심하기 때문이다.

본 발명에서는 종래 원사의 경량성과 내구성을 동시에 향상하기 어려운 문제점을 해결함으로써, 내구성과 경량성이 동시에 우수한 열가소성 중공섬 섬유및 이를 포함하는 원단을 제공하고자 한다.

이하, 첨부한 도면 등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1 내지 도 2는 본 발명에 따른 열가소성 중공 섬유의 단면예시도 이다.

본 발명의 열가소성 중공 섬유는 열가소성 수지로 제조되고 원사 단면상에 중공부(中空部)가 형성되어 있는 열가소성 중공 섬유에 있어서, 상기 중공 섬유를 형성하는 열가소성 수지내에 플루오르 중합체가 함유되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 플루오르 중합체는 폴리테트라플루오르에틸렌 중합체, 테트라플루오르에틸렌과 헥사플루오르프로펜과의 공중합체, 테트라플루오르에틸렌과 퍼플루오르알킬비닐에테르와의 공중합체 및 이들의 삼원 공중합체로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 1종이다.

상기 퍼플루오르알킬비닐에테르의 예로는 퍼플루오르프로필비닐에테르, 퍼플루오르에틸비닐에테르 등이다.

상기 플루오르 중합체는 중공 섬유를 구성하는 열가소성 수지내에 함유되어 중공 섬유의 마찰개수를 낮추는 역할을 한다.

즉, 열가소성 수지내 플루오르 중합체는 중공 섬유 표면에 위치하는 경우 원사의 금속마찰계수를 낮게하여 중공 섬유 자체를 보호하게 된다.

상기 열가소성 수지내 플루오르 중합체의 함량은 0.1~9.0중량%가 바람직하다.

상기 함량이 0.1중량% 미만인 경우 중공 섬유의 내마모성 및 내구성을 확보하기가 어려우며 9중량%를 초과하는 경우에는 원하는 수준이상의 내마모성 및 내구성을 구현할 수 있으나 중공 섬유를 생산하기 위해서는 일정수준 이상의 장력 및 마찰력이 필요하지만 상기의 범위를 벗어나버리게 되므로 방사 중 사도의 흔들림이 아주 극심해지며, 권취 드럼상에서 아무리 권사각도를 조절하여도 사도가 붕괴되어 버리는 등 공정성에서 아주 취약해진다.

플루오르중합체의 평균 입자 직경은 광학현미경이나 전자현미경으로 측정시 0.01~5.0㎛, 보다 바람직하기로는 0.1~1.0㎛인 것이 좋다. 0.01㎛ 미만인 경우에 는 플루오르중합체를 분쇄하여 얻을 수 있는 수율과 초미세직경으로 인한 상호 엉킴현상을 극복하기 곤란하며, 5.0㎛을 초과하는 경우에는 열가소성 수지로 중공 섬유를 생산함에 있어 무기물로 연속성이 없는 관계로 방사 중 최약점 역할을 해 절사 및 공정성 저하의 직접적인 원인이 된다.

중공사의 중공율은 열가소성 수지의 종류에 따라 차이가 있기는 하지만 전체적으로 10~40% 수준이면 충분하다. 상기의 범위의 10% 보다 낮은 경우에는 실질적인 경량화 효과가 없으며, 40%보다 높은 경우에는 중공이 잘 형성되어 있다고 하더라도 외력에 의해 쉽게 무너지는 경향이 있다.

본 발명은 열가소성 수지내에 플루오르 중합체가 함유되어 있는 상기 열가소성 중공 섬유를 갖는 원단을 포함한다. 원단내 상기 열가소성 중공 섬유 함량은 40~100중량%인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 원단은 내구성 및 경량감이 우수하다.

예를들어, ASTM-D 3884 조건에서 내마모도 2,000회를 요구하는 폴리에스터 카펫트인 경우 150데니어의 종래 폴리에스테르 원사를 사용하면 아무리 카펫트의 조직 및 염가공조건을 변경하여도 1,400회 이상의 내마모도를 구하기 어렵다. 하지만 본 발명에 따른 중공 섬유를 사용한다면 150데니어 소재로도 2,000회 이상의 내마모도를 구현할 수 있다.

그 외, 내마찰횟수가 350회 수준인 75데니어급 소재에 대해서도 그 수준을 500회 이상으로 개선할 수 있으며, 가연공정을 거치게되면 그 효과는 배가된다.

이하, 실시예 및 비교실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 살펴본다.

그러나, 본 발명은 하기 실시예로만 그 권리범위가 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

폴리에틸렌테레프탈레이트를 기본 폴리머로 하여 전자현미경으로 측정한 입자직경이 평균적으로 0.5㎛인 폴리테트라플루오르에틸렌을 15중량%함유하는 마스터베치를 제조하였다.

상기의 마스터베치를 사용하여 150데니어 48필라멘트인 폴리에틸렌테레프탈레이트 중공 섬유를 방사직접연신방법으로 제조하였다. 이때 중공 섬유내 폴리테트라플루오르에틸렌 함량이 1중량%가 되도록 마스터베치의 함량을 조절하였다. 이때 중공 섬유의 중공율은 30%였다.

이를 다시 4Kg 드럼으로 88본씩 생산하여 22게이지 인터락 환편기로 제직 후 130℃에서 60분 염색한 후 180℃ 열풍건조기에서 30m/분의 속도로 건조하여 환편가공지를 제편하였다

제조된 환편가공지의 내마모 횟수를 측정해본 결과 27회 이였다.

실시예 2

폴리에틸렌테레프탈레이트를 기본 폴리머로 하여 전자현미경으로 측정한 입자직경이 평균적으로 0.5㎛인 폴리테트라플루오르에틸렌을 15중량%함유하는 마스터베치를 제조하였다.

상기의 마스터베치를 사용하여 150데니어 48필라멘트인 폴리에틸렌테레프탈레이트 중공 섬유를 방사직접연신방법으로 제조하였다. 이때 중공 섬유내 폴리테트 라플루오르에틸렌 함량이 2중량%가 되도록 마스터베치의 함량을 조절하였다. 이때 중공 섬유의 중공율은 30%였다.

이를 다시 4Kg 드럼으로 88본씩 생산하여 22게이지 인터락 환편기로 제직 후 130℃에서 60분 염색한 후 180℃ 열풍건조기에서 30m/분의 속도로 건조하여 환편가공지를 제편하였다

제조된 환편가공지의 내마모 횟수를 측정해본 결과 32회 이였다.

비교실시예 1

폴리테트라플루오르에틸렌을 함유하지 않는 실시예 1의 폴리에틸렌테레프탈레이트를 사용하여 방사직접연신 방법으로 중공율이 0%인 150데니어/48필라멘트의 폴리에틸렌테레프탈레이트 원사를 제조하였다.

제조된 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트 원사를 사용하여 실시예 1과 같은 조건으로 환편 가공지를 제편하였다.

제조된 환편가공지의 내마모 횟수를 측정해 본 결과 12회 이였다.

비교실시예 2

폴리테트라플루오르에틸렌을 함유하지 않는 실시예 1의 폴리에틸렌테레프탈레이트를 사용하여 방사직접연신 방법으로 중공율이 0%인 120데니어/48필라멘트의 폴리에틸렌테레프탈레이트 원사를 제조하였다.

제조된 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트 원사를 사용하여 실시예 1과 같은 조 건으로 환편 가공지를 제편하였다.

제조된 환편가공지의 내마모 횟수를 측정해 본 결과 19회 이였다.

실시예 1내지 실시예 2 및 비교실시예 1 내지 비교실시예 2에서 환편 가공지의 내마모 횟수는 ASTM-D3884의 편성물 시험방법으로 하였으며 평가기기는 마틴달 내마모측정기를 사용하였다. 이때 사용한 마찰포는 320 Cw 센드페이퍼이고 부여 하중은 500g이었다.

본 발명의 열가소성 중공 섬유는 경량성과 내구성이 동시에 우수하여 다양한 분야에 적용할 수 있다. 의류용으로서는 전체 섬도가 낮은 경량소재의 내구성 및 내마모성을 보완하여 의류용으로 상용화 할 수 있으며, 비의류용으로는 강도 및 내마모도 등이 중요한 신발용이나 가구용, 오토바이나 승마복 등의 프로텍션 웨어의 소재로 적용할 수 있으며, 등산용이나 산악용 베낭지 등의 소재로도 폭넓게 사용할 수 있다. 산업용으로는 표면마찰 특성이 중요한 연마용소재로 적용할 수 있다.

Claims (7)

1. 열가소성 수지로 제조되고 원사 단면상에 중공부(中空部)가 형성되어 있는 열가소성 중공 섬유에 있어서, 상기 중공 섬유를 형성하는 열가소성 수지내에 플루오르 중합체가 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 열가소성 중공 섬유.
2. 제1항에 있어서, 열가소성 수지내의 플루오르 중합체 함량이 0.1~9.0중량%인 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 열가소성 중공 섬유.
3. 제1항에 있어서, 플루오르 중합체의 평균입자 직경이 0.01~5.0㎛인 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 열가소성 중공 섬유.
4. 제1항에 있어서, 플루오르 중합체의 평균입자 직경이 0.1~1.0㎛인 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 열가소성 중공 섬유.
5. 제1항에 있어서, 플루오르 중합체는 폴리테트라플루오르에틸렌 중합체, 테트라플루오르에틸렌과 헥사플루오르프로펜과의 공중합체, 테트라플루오르에틸렌과 퍼플루오르알킬비닐에테르와의 공중합체 및 이들의 삼원 공중합체로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 열가소성 중공 섬유.
6. 제1항에 있어서, 중공율이 10~40%인 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 열가소성 중공 섬유.
7. 제1항의 열가소성 중공사를 포함하는 원단.

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