KR100436174B1 - 중공구 형상의 입자를 함유하는 합성섬유 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중공구 형태의 입자를 함유하는 합성섬유에 관한 것으로, 무기물 또는 유기물로 이루어진 중공구 또는 이들의 복합물질로 이루어진 중공구를 함유하는 것을 특징으로 하며, 본 발명의 섬유는 비중이 가벼워서 기능성 섬유의 단점인 무거운 착용감 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.

Description

중공구 형상의 입자를 함유하는 합성섬유 {Synthetic Fiber containing Powders with the Shape of Hollow Sphere}

본 발명은 중공구 형태의 입자를 함유하는 합성섬유에 관한 것으로, 보다 상세하게는 섬유내부에 중공구의 존재로 인해 섬유에 경량성을 부여하고 중공구의 구성물질에 따라서 여러 가지 부가적인 기능을 부여할 수 있는 합성섬유에 관한 것이다.

최근 기능성섬유에 대한 관심이 높아지고 있어서 다양한 특성을 가지고 있는 섬유들이 개발되고 있다. 예를 들면 인체에 유익한 원적외선 방사, 항균성, 대전방지성, 자외선 차단, 자성, 탈취성 및 전자파 차단 등과 같은 기능이 부여된 합성섬유가 개발되었으며, 이중 일부는 성공적으로 시판되고 있다.

상기 언급한 특성을 갖는 섬유를 얻고자할 경우 상기 특성을 부여할 수 있는 무기입자를 섬유 내부에 넣어줌으로서 원하는 특성을 갖도록 하는 경우가 일반적이다. 그러나 이 같은 방법으로 섬유를 제조할 경우, 섬유 제조공정상의 문제점이 많이 발생할 뿐 아니라 생산된 섬유 자체의 물성도 나빠지게 되는 경우가 많다. 특히 섬유내부에 비중이 무거운 무기입자가 들어감으로서 섬유의 비중이 높아지고 이 섬유를 이용하여 의류 등을 만들어 착용할 경우 무거운 느낌이 들게되는 문제점이 있다.

본 발명은 다양한 기능을 가지되, 비중이 낮은 섬유를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 다른 목적은 기능성 섬유가 일반 섬유를 쉽게 대체할 수 있도록 함으로써 기능성 섬유의 적용범위를 넓히는 것이다.

도 1은 균일한 크기를 갖는 폴리스타이렌 미소구의 확대사진

도 2는 실리카 중공구의 확대사진

도 3은 실리카 중공구의 내부가 비어 있음을 확인할 수 있는 확대사진

본 발명의 합성섬유는 무기물 또는 유기물로 이루어진 중공구를 함유하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

합성섬유를 제조할 때 무기물 입자를 첨가하였을 경우 무기물 입자의 비중이합성섬유용 수지의 비중보다 매우 높기 때문에 무기물의 함량이 증가할수록 섬유의 비중이 커지게 된다.

본 발명에서는 이 같이 섬유의 비중이 증가하는 문제점을 해결하기 위해, 가운데가 비어있는 중공구(中空球, hollow sphere) 형상의 것을 첨가하여 합성섬유를 제조한다. 섬유에 첨가되어 비중을 효과적으로 낮추기 위해서는 사용되는 중공구의 겉보기 비중은 0.5 이하가 바람직하다. 이 이상의 비중을 가지는 중공구는 섬유의 비중을 낮추기 위하여 많은 량이 사용되어야 하므로 섬유의 물성에 나쁜 영향을 미치게 된다.

중공구는 다양한 용도로 사용되고 있는데 주로 내부에 존재하는 빈 공간을 이용한 제품의 경량화 또는 유효물질 담지 목적으로 주로 사용되고 있다. 즉, 도료, 플라스틱, 고무, 합성목재, 화장품, 내화재, 농약 담지체 등으로 사용되고 있다. 시판되고 있는 무기계 중공구는 실리카, 알루미나 그리고 플라이애쉬 등이 있는데 사용목적이나 가격 등에 따라서 크기, 모양 및 입도 분포 등이 다양하다.

일반적인 입자의 크기의 측면에서 본다면 입자가 클 경우 제조공정에서 방사시 팩의 막힘현상이 일어나거나 섬유가 끊어짐에 따라 정상적인 원사의 생산이 이루어지지 않게 되며 생산된 합성섬유 원사도 표면상태가 거칠고 강도 등이 좋지 않아 섬유자체의 물성이 나쁜 상태로 만들어지게 된다.

따라서 중공구의 크기도 작은 것일수록 섬유제조공정이나 섬유의 물성 면에서 유리하다고 할 수 있다. 대략적인 크기범위를 본다면 의류용으로 주로 사용되고 있는 약 1.5데니어 이하의 섬유인 경우에는 입자의 크기가 평균크기 약 0.5㎛이하,90% 입자크기 약 1㎛이하, 최대입자크기 2㎛이하 정도면 섬유를 생산하는데 커다란 문제가 발생하지는 않는다. 물론 이 같은 수치는 엄밀하게 적용되는 것은 아닌데 예로서 구형입자와 같은 경우라면 입자들간의 응집력이 작으므로 약간 더 큰 경우라도 작업상의 문제가 발생하지 않는다. 한편 입자가 더욱 작다면 제조공정의 문제점이 덜 발생하고 섬유의 물성 면에서 더 우수한 제품이 얻어지는 것은 당연하다고 할 수 있다.

실제 시판되고 있는 중공구들 중에는 상기의 입자크기조건을 맞추지 못하는 것들이 많이 있는데 이는 본래 그들의 사용 목적이 섬유와 같은 미세한 부분에 첨가되는 것이 아니기 때문이다.

또한 상기의 입자크기의 범위는 본 발명자들의 그간의 발명 및 이를 토대로 한 생산과정으로부터 얻어낸 결과이며 입자의 모양과 입자분포가 불규칙한 입자들의 경우까지 포함하는 범위이다. 실제로 입자크기가 균일하고 구형 상태가 우수하며 깨진 것이 적은 중공구라면 입자간의 응집현상도 거의 없을 것이기 때문에 입자크기가 약 1㎛ 정도 즉, 평균크기가 1㎛정도의 중공구라도 섬유를 생산하는데 커다란 문제가 발생하지는 않는다.

폴리스티렌과 같은 유기물질로 이루어진 중공구도 현재 시판되고 있으며, 유기물질의 중공구를 제조하는 방법의 예로는 미합중국특허 제4,427,863호, 대한민국 특허 제80123호 등을 들 수 있다. 유기계 중공구는 주로 내부기공과 이를 둘러싼 껍질 고분자층들 사이의 굴절률 차이로 인해 입사하는 빛을 산란시켜 은폐력 및 백색도를 증가시키는 용도로 사용되고 있다.

섬유의 비중을 가볍게 하는 효과 이외의 기능을 부여하기 위해서는 중공구와 함께 중공구 형상이 아닌 원하는 기능을 발휘할 수 있는 물질의 분말을 첨가해주는 간단한 방법이 있다. 그러나 이 같은 첨가 방법은 섬유의 비중을 낮추어주는 역할을 하는 중공구와 다른 기능을 갖는 물질의 분말을 각각 넣어야하기 때문에 전체로 보면 첨가제의 첨가량이 많아지는 되므로 섬유제조공정에도 나쁜 영향을 미치고 섬유자체의 기본 물성도 나빠질 가능성이 많다. 그러므로 실제로 생산가능한 좋은 방법이지만 최선의 방법으로 볼 수는 없다.

따라서 더욱 바람직한 방법은 원하는 기능을 갖는 물질로 중공입자 자체를 만들어주는 것이라 할 수 있다. 예를 들면 중공구를 합성할 때 도전성 분말을 이용하여 중공구를 만들면 이 중공구를 첨가하여 만든 합성섬유는 가볍고 대전방지특성이 우수한 섬유가 될 수 있을 것이다.

원하는 중공구를 균일한 크기로 얻는 것은 여러 가지 방법이 있는데 한가지 예로서 본 발명에서 사용하는 것과 같이 미세한 크기의 것을 만들려면 중간체로서 유기고분자의 미소구를 이용하는 것이 좋다. 즉 유기합성 등의 방법을 이용하여 유기고분자의 미세한 구형입자를 만들고 이 구형입자 위에 원하는 물질을 얇은 두께로 코팅시킨 다음 내부에 존재하는 유기고분자를 제거하면 외부의 코팅되었던 부분만이 남게되어 중공구가 만들어지는 것이다. 내부의 유기고분자물질을 제거하는 방법으로는 소성에 의해 태워버리거나 유기용매를 이용하여 녹여서 제거하는 방법 등이 있다.

중공구 사용의 또 다른 방법으로는 중공구의 외부에 원하는 기능성 물질을코팅한 후 이를 그대로 사용하는 것을 들 수 있다.

본 발명의 섬유 제조방법은 통상의 합성섬유 방사방법 외에, 공기분사압출 방법 등의 방법도 가능하다.

본 발명의 실시예는 아래와 같다.

(실시예 1)

시판 중인 겉보기 비중 0.15g/cc, 평균입도 2㎛이고 SiO2 함량이 98%인 실리카 중공구 중에서 입도가 큰 것을 분리하고 작은 것만을 취하여 겉보기 비중 0.18 g/cc, 평균입경 0.65㎛, 90% 입경 1.3㎛, 최대입경 2.2㎛인 실리카 중공구를 얻었다.

이 중공구를 폴리프로필렌 수지와 함께 통상의 마스터배치 제조공정에 투입하여 실리카 중공구가 10중량% 함유된 폴리프로필렌 마스터배치 칩을 만들었다. 이 마스터배치 칩을 다시 폴리프로필렌 수지와 혼합하여 통상의 합성섬유방사공정에 투입하여 실리카 중공구를 1.5중량% 함유한 1.2 데니어 굵기의 폴리프로필렌 섬유원사를 제조하였다.

이 섬유원사의 밀도 비는 0.96이었다. 여기서 밀도 비는 (중공구를 함유한 섬유원사의 비중 / 중공구와 동일한 무게의 맥반석 분말을 함유한 섬유원사의 비중)을 의미한다.

(실시예 2)

통상의 유화중합법을 통하여 일차로 균일한 크기를 갖는 폴리스티렌의 미세구를 합성하고 이를 분리하였다[도1]. 다음 단계로 미세구의 표면에 TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)를 가수분해하여 코팅시키고 분리, 건조한 후 메틸렌디클로라이드를 이용하여 내부의 폴리스티렌을 녹여 실리카 중공구를 얻었다[도2]. 입자는 매우 균일한 크기를 갖고 있으며 직경은 약 1.0㎛ 이었다. 이들 실리카 중공구입자를 파괴하고 관찰한 결과, 중공구 형태를 갖고 있음을 확인할 수 있었다(도3).

상기의 중공구를 실시예1과 동일한 방법을 적용하여 중공구를 1.5 중량% 함유하는 1.2데니어의 폴리프로필렌 섬유원사를 얻었다. 밀도 비는 0.94이었다.

(실시예 3)

LbL(layer by layer) 흡착 방법을 이용하여 구형의 폴리스타이렌 라텍스 입자에 20nm 크기의 SiO2 초미립자를 3회 흡착시켜 SiO2 초미립자가 코팅된 폴리스티렌 라텍스 미립자를 얻은 후 이것을 열처리하여 유기물을 제거하고 직경 0.6㎛ 의 균일한 SiO2 중공구를 제조하였다.

이 중공구를 실시예1과 동일한 방법을 적용하여 SiO2 중공구를 1.5중량% 함유한 1.2 데니어 굵기의 폴리프로필렌 섬유원사를 제조하였다. 밀도 비는 0.96이었다.

(실시예 4)

실시예 3에서 만든 SiO2 중공구를 질산은 용액에 침지시켜 은 성분이 함침되도록 하고 이를 분리, 건조, 소성하여 은 성분이 4 중량% 함유된 SiO2 중공구를 얻었다.

실시예 1과 동일한 방법으로 방사하여, 은 성분을 4 중량% 함유하고 있는 SiO2 중공구가 1.5 중량% 함유된 1.2데니어의 폴리프로필렌 섬유원사를 제조하였다. 밀도 비는 0.97이었다.

이 섬유원사의 항균력을 확인하기 위하여 대장균에 대한 항균테스트를 실시한 결과 99%이상의 항균력을 나타내었다. 그러나 실시예 3에 의하여 얻어진 섬유는 항균성을 가지지 못하였다.

(실시예 5)

실시예 3에서 만든 SiO2 중공구를 SnCl4 용액에 침지시킨 후 여액과 분리하고 이를 SbCl3 용액에 다시 침지시키고 암모니아로 중화처리하여 건조하고 600℃에서 1시간 열처리하여 Sn : Sb 가 중량비로 8.8 : 1 이고 SiO2 : [(Sn + Sb) 산화물] 이 중량비로 3.2 : 1 인 도전성 혼합물을 얻었다.

얻어진 상기 도전성 혼합물을 실시예 1과 동일한 방법으로 방사하여 상기 도전성 혼합물이 1.5 중량% 함유된 1.2데니어의 폴리프로필렌 섬유원사를 제조하였다. 밀도 비는 0.97이었다.

이 섬유원사의 비저항치는 실시예 3에서 제조한 섬유원사의 비저항치의 1/10000 이하의 값을 나타내고 있어 대전방지기능이 있음을 알 수 있었다.

(실시예 6)

실시예 2에서 사용한 실리카 중공구와 함께 은을 5중량% 함유한 제올라이트 항균제(평균입자크기 0.5㎛, 90% 입자크기 1.0㎛, 최대입자크기 1.8㎛)를 중량비로 3 : 1로 혼합하고 이것을 일반 폴리에스터 칩과 함께 무기물 함량이 10%인 마스터배치 칩을 만들고 이 마스터배치 칩을 일반 폴리에스터 칩과 함께 혼합하여 통상의 방사공정에 적용하여 섬유원사를 만들었다. 섬유원사는 섬도 1.4데니어, 무기물 함량 2.0중량% 이었고, 밀도 비는 0.97이었다. 이 섬유원사의 항균력을 확인하기 위하여 항균테스트를 실시한 결과 99%이상의 항균력을 얻었다.

(실시예 7)

실시예 3에서 사용한 실리카 중공구를 에틸렌글리콜과 혼합하여 슬러리 상태로 만들고 이를 통상의 폴리에스터 칩 중합공정에 투입하여 실리카 중공구가 2중량% 함유된 폴리에스터 콤파운드 칩을 제조하였다. 이를 통상의 방사공정에 적용하여 실리카 중공구가 2중량% 함유된 1.2데니어의 폴리에스터 섬유원사를 제조하였으며 이 섬유원사의 밀도 비는 0.97이었다.

본 발명에 의하여 얻어진 중공구를 함유하는 합성섬유는 일반 의류용 및 침구용 등으로 사용가능한 물성을 가지며, 일반섬유에 비해 가벼운 특성을 가지므로기능성 섬유제품의 최대 단점인 무거운 착용감 문제를 근본적으로 해결할 수 있게 되었다. 따라서 본 발명에 의하여 기능성 섬유의 적용범위를 획기적으로 확대시킬 수 있다.

Claims (7)

1. 무기물 또는 유기물로 이루어진 중공구 또는 이들의 복합물질로 이루어진 중공구를 함유하는 것을 특징으로 하는 합성섬유.
2. 제1항에 있어서, 중공구는 겉보기 비중이 0.5 이내인 것을 특징으로 하는 합성섬유.
3. 제1항에 있어서, 중공구의 입자의 평균크기가 0.5㎛이하이고, 90% 입자크기 1㎛이하이며, 최대입자크기가 2㎛이하인 것을 특징으로 하는 합성섬유.
4. 제1항에 있어서, 기능성 무기물질이 첨가된 것을 특징으로 하는 합성섬유.
5. 제1항에 있어서, 기능성 무기물질이 중공구에 코팅된 것을 특징으로 하는 합성섬유.
6. 제1항에 있어서, 중공구는 기능성 무기물질로 제조된 것을 특징으로 하는 합성섬유.
7. 제4항 내지 제6항에 있어서, 기능성 무기물질은 원적외선 방사 물질, 도전성 물질, 항균성 물질, 전자파를 흡수하는 물질, 자외선을 차단하는 물질, X-선을 차단하는 물질, 탈취특성을 갖는 물질, 자성을 가진 물질, 광학적인 특성을 갖는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 중공구를 함유하는 합성섬유.