KR100441044B1 - 숯 함유량이 높은 합성섬유의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리에스터, 폴리프로필렌, 나일론등의 섬유로 제조가능한 합성수지에 입자크기가 5~15㎛인 숯 분말을 진공에서 합성수지와 컴파운딩하여 숯의 함량이 무게비율로 5~40%를 이루는 펠렛형태의 칩으로 만들고 이 칩을 마스터배치 또는 원료로 하여 용융방사하는 방법으로 제조한 숯의 함량이 무게비율로 5~30%인 고함유량의 숯을 함유한 합성섬유의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 방법으로 제조되는 합성섬유는 숯 함유량이 높아 숯이 갖고 있는 유용한 기능을 충분히 발휘할 수 있으면서 섬유로서의 물성이 떨어지지 않는 효과를 갖는다.

Description

숯 함유량이 높은 합성섬유의 제조 방법{Manufacturing Method of High Charcoal Content Synthetic Fiber}

본 발명은 숯을 함유하는 합성섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다. 구체적으로는 합성섬유 중의 숯 함유량이 5~30wt%로 높으면서 섬유로서의 물성도 떨어지지 않아 숯이 갖고 있는 다양한 기능을 나타내면서 다양한 용도로 사용될 수 있는 숯 함유량이 높은 합성섬유의 제조방법에 관한 것이다.

숯은 항균·흡착작용, 원적외선 및 음이온 방출작용 등 인체에 유용한 여러기능을 갖고 있는 것으로 잘 알려져 있다. 일반적으로 숯 분말을 함유하는 합성섬유는 숯 분말을 합성수지 중에 균일하게 분산시킨 합성수지 칩(chip)을 만들고 이 칩을 용융방사하여 합성섬유를 제조한다. 이 때 사용되는 합성수지들은 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 나일론 등 일반적인 합성섬유 제조시 사용되는 합성수지들이다. 그러나 숯 분말은 표면이 불규칙하고 복잡한 다공성구조로 되어있는 친수성(hydrophilic)물질이며 겉보기 비중(bulk density)이 0.3 내외인 가벼운 물질이고 합성섬유의 원료로 사용되는 합성수지들은 비중이 1.0 내외로서 비중이 높고 용융상태에서는 점도가 큰 소수성(hydrophobic)물질들이어서 이들은 혼화성(compartibility)이 나빠 균일하게 분산 혼합시켜주기가 매우 어렵다는 문제가 있다.

또한 숯을 섬유에 함유시켜 주는 이유는 숯이 갖고 있는 여러 가지 유용한 기능을 섬유에 부가시키고자 하는 것인데 이러한 목적을 달성하기 위해서는 숯 함량이 적어도 5wt%이상은 되어야 하며 숯 함량이 높을수록 숯의 유용한 기능을 높게 발휘할 수 있게 되는데 숯 함유량이 높아지게 될 수록 강도가 떨어지고 파단율이 높아지게 되는 등의 섬유로서의 물성을 떨어뜨리게 되는 문제가 따르게 된다.

이 분야에서는 숯이 갖고 있는 다양한 기능을 섬유에 부가시킨 숯을 함유하는 합성섬유의 개발을 위하여 다양한 방법들이 활발하게 제안되고 있으나 숯 함유량을 높여주면서 섬유의 물성이 떨어지지 않는 합성섬유의 개발에는 아직 미흡한 실정에 있다.

종래 숯함유 합성섬유의 제조방법으로는 대한민국특허등록 제10-0311832 및 제10-0319791호가 제안된 바 있다. 대한민국특허등록 제10-0311832호에서는 숯분말 50중량%와 송진가루 등의 접착제 50중량%로 된 숯점액을 만들고 이 숯점액 10중량%와 합성수지 90중량%로 된 합성수지 칩을 만들고 이를 방사하여 합성섬유를 제조하는 방법에 대하여 기술하고 있다.

대한민국특허등록 제10-0319791호에서는 숯 2~7중량%를 함유하는 합성섬유를 제조하는 방법에 대하여 기술하고 있는데 여기에서는 숯을 함유하는 합성수지 칩을 제조시 숯가루의 비산을 방지하고 숯과 합성수지의 혼화성을 개선시켜주기 위해서소량의 오일(Dioctyl Phthalate)을 첨가하여 주는 방법에 대하여 개시하고 있다.

그러나 상기 방법들에서는 송진가루 등의 접착제나 오일은 액체상태이어서 작업성은 향상시켜 줄 수는 있으나 숯의 기공을 막게 되어 숯이 갖고 있는 다공성 구조에 의한 기능을 상실하게 할 뿐 아니라 숯의 함량을 10%이상 높여주기 어렵기 때문에 숯의 기능을 충분히 발휘할 수 없게 된다는 문제가 따른다.

대한민국특허등록 제10-0325013호에서는 평균입도 0.001~1㎛의 숯 2~10중량%를 함유하는 숯을 함유하는 합성수지 마스터배치를 제조하고 이 합성수지 마스터배치를 용융방사하여 합성섬유를 제조하는 방법에 대하여 기술하고 있으며 여기에서는 숯을 함유하는 합성수지 마스터배치의 방사 작업성을 개선시켜주기 위해서 합성수지 마스터배치 제조시 0.1중량%의 아민계 실란화합물을 단순히 첨가하는 방법에 대하여 개시하고 있다. 그러나 이 방법은 숯 표면에 실란을 화학적으로 결합시켜주는 것이 아니며 또한 아민계 실란은 폴리에스터와 결합력이 약하므로 역시 숯의 함유량을 증가시키지 못하며, 섬유물성의 저하를 초래하는 단점을 지닌다.

또한 숯 분말이 1㎛이하로 너무 미세하게 되면 제조비용도 높아지게 될 뿐 아니라 숯이 갖고 있는 다공성의 공극이 파괴되어 숯의 유용한 기능이 저하되게 된다.

본 발명의 목적은 숯함량을 높이면서 섬유의 물성이 저하되지 않는 숯함유 합성섬유의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명자들은 평균입도 5~15㎛의 숯분말을 산성수용액으로 가수분해시킨 실란 화합물로 표면처리한 후 이 숯분말을 합성수지와 함께 진공중에서 용융, 컴파운딩하여 합성수지 칩을 만들고 이 합성수지 칩을 직접 용융방사하거나 마스터배치로 사용하여 합성수지와 혼합한 후 용융방사하면 숯함유량을 높여주면서 섬유의 물성이 저하되지 않는 합성섬유를 제조할 수 있는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.

도 1은 본 발명의 합성섬유 제조공정을 나타내는 공정도이고,

도 2는 본 발명의 방법으로 제조된 합성섬유의 광학현미경 사진이고,

도 3은 아세트산으로 숯 표면에 활성기를 도입시키는 반응식을 그림으로 나타낸 것이고,

도 4는 활성기가 도입된 숯과 실란화합물이 결합되는 반응식을 그림으로 나타낸 것이고,

도 5는 본 발명의 방법으로 제조된 섬유에서 숯의 입자 크기에 따른 방사시 섬유의 파단 정도를 비교하여 나타낸 그래프이고,

도 6은 본 발명의 방법으로 제조된 섬유에서 숯의 함량에 따른 방사시 섬유의 파단 정도를 비교하여 나타낸 그래프이고,

도 7은 본 발명의 방법에서 숯을 표면처리하는 실란의 종류에 따른 숯 함유 섬유의 원사강도를 비교하여 나타낸 그래프이고,

도 8은 숯 함유 칩 제조공정에 따른 방사 가능한 숯의 최대 함량을 비교하여 나타낸 그래프이고,

도 9는 본 발명의 방법으로 제조된 섬유에서 숯의 함량에 따른 탈취율을 비교하여 나타낸 그래프이고,

도 10은 본 발명에 의해 제조된 섬유에서 숯의 함량에 따른 원적외선 방사율을 비교하여 나타낸 그래프이다.

본 발명은 숯의 효능이 충분히 발휘 될 수 있도록 높은 숯의 함유량을 가지면서 섬유의 물성이 저하되지 않는 섬유의 제조 방법에 관한 것이다. 숯은 높은 다공성을 가지고 있어 미세 분말 내부에도 수분이나 공기를 함유하게 된다. 숯 분말 내부에 함유된 이러한 수분이나 공기가 합성수지와 컴파운딩시 또는 방사시 용융수지와 함께 가열됨에 의해 증기화 되거나 팽창되어 방출되게 되고 이로 인해 섬유내부구조에 미세기공을 함유하게 되어 섬유의 파단강도를 떨어트리게 되고 수지와 숯 분말과의 접착력이 약화되게 되어 섬유의 물성을 떨어트린다.

본 발명에서는 이러한 문제점을 극복하기 위해 숯 분말을 합성수지와 친화성을 갖도록 표면처리하고 건조한 후 진공상태에서 숯 분말과 수지를 컴파운딩한 후 방사함으로서 이러한 문제점을 극복하게 한 것이다. 구체적으로 본 기술을 서술하면 다음과 같은 단계에 의해 섬유가 제조된다.

1) 제 1단계 : 목재를 유해가스 성분이 완전히 제거되도록 백탄으로 제조하여 미세분말로 분쇄한 후 평균입도 5~15㎛의 것을 선별한다.

2) 제 2단계 : 비닐트리아세톡시 실란(CH₂CHSi(OCCH₃)₃), 비닐트리메톡시실란(CH₂CHSi(OCH₃)₃), 비닐트리에톡시 실란(CH₂CHSi(OCH₂CH₃)₃등 비닐계 실란이나, 메타크릴옥시프로필트리메톡시 실란(CH₂C₂H₃COO(CH₂)₃Si(OCH₃)₃)등의 메타크릴(meta acryl)계 실란으로 숯을 표면처리한다. 구체적으로 증류수에 아세틱산을 이용하여 산도(pH)를 3.0~5.5사이로 조정한다. 그 다음 여기에 실란을 0.1~1.0% 넣고 30분 정도 저어주어 수용액이 투명하게 될 때까지 젖는다. 이 수용액을 분무기를 이용하여 숯 분말의 표면에 골고루 분산되도록 뿌리고 100~120℃ 가열건조 함으로써 실란 수용액이 숯 분말 표면에 도포되게 한다.

이 과정에서 도 3에서 도시하는 바와 같이 아세트산은 산화반응에 의하여 숯에 화학적 개질을 가능하게 하는 활성 그룹인 카르복실기를 도입하게 되며, 도 4에서 도시하는 바와 같이 실란은 가수분해 반응에 의한 부산물인 메탄올 또는 에탄올이 제거되고 활성 그룹을 가진 숯과 실란은 화학결합을 이루게 된다.

3) 제 3단계 : 실란으로 표면 처리된 참숯 분말을 충분히 건조한 다음 폴리에스터, 폴리프로필렌 또는 나일론수지와 같이 방사 가능한 수지와 진공중에서 혼련한다. 실란으로 표면 처리된 숯 분말과 수지를 진공 속에서 혼련하여 실란의 유기반응 그룹(도4참조)과 수지를 반응시켜 계면에서의 접착력을 향상시키고 또한 진공중에서 컴파운딩 함으로써 공기 또는 수분의 함유를 원천적으로 제거함으로써 방사작업성을 향상시킬 수 있었다.

이 때 참숯 분말의 함유량은 방사에 직접 사용할 수 있는 양의 참숯 분말을 사용하거나 컴파운딩 된 재료를 순수 수지와 혼합하여 방사할 수 있어 원하는 숯의 함유량에 따라 함유량을 조정하면서 제조하면 된다. 일반적으로 본 발명에서는 숯 분말이 40% 이상이면 컴파운딩시 재료의 분산이 어려웠으며, 최종 섬유에서 최소 5%이상이 되어야 참숯의 효능을 발휘 할 수 있어 그 이상으로 제조하는 것이 바람직하다.

4) 제 4단계 : 이렇게 제조된 참숯 함유 칩을 직접 방사하거나 또는 일반 별도의 수지와 적절한 양으로 혼합하여 방사함으로써 섬유의 물성저하를 방지하면서 우수한 숯의 효능을 발휘할 수 있도록 한다. 이때 최종 섬유에서 숯의 함유량이 5~30wt%범위의 것이 적합하며, 5wt%이하에서는 숯의 탈취 및 원적외선 효과가 떨어지고 30wt%이상에서는 섬유의 방사시 작업성이 떨어지고 큰 물성저하를 초래하여 상품으로써 적합하지 못하다.

5) 제 5단계 : 상기 공법으로 방사된 숯 함유 섬유를 연신하여 연속된 필라멘트사를 만들어 의류나 직물류를 제조하거나, 필라멘트사를 일정한 크기로 잘라 스테이플 섬유를 만들고 이를 권취하고 해섬하여 솜을 만든 후 이를 이용하여 이불, 요, 베개 등의 침구류 또는 부직포를 제조한다.

이와 같은 방법에 의해 제조된 숯을 함유하는 섬유는 기존의 기술로는 불가능하였던 숯의 함유량을 30wt%까지 높일 수 있으면서도, 일반 합성섬유와 물성에 큰 차이가 나지 않으며 숯에 의한 원적외선 방출, 음이온 발생, 습도조절, 탈취, 항균 및 살균 등과 같은 다양한 기능이 크게 나타나는 특징을 가진다.

본 발명의 실시예는 아래와 같다.

실시예1

증류수1ℓ에 아세트산을 첨가하여 산도(pH)를 3.0~5.5로 조정한 다음 여기에 메타크릴옥시프로필트리메톡시실란(metaacryl oxypropyl trimethoxy silane)을 5g을 넣고 30분 정도 저어주어 수용액이 투명하게 될 때까지 저었다. 이 수용액을 분무기를 이용하여 평균입도 5㎛로 분쇄한 숯 분말의 표면에 골고루 분산되도록 뿌리고 100℃~120℃ 가열건조 하여 숯 분말을 실란으로 표면 처리하였다.

폴리에스터 수지 60kg과 표면 처리된 숯 40kg을 진공상에서 컴파운딩하여 숯 함량 40wt%인 폴리에스터수지 칩을 제조하였다. 숯의 함량이 40wt%인 숯 칩과 폴리에스터 수지를 1:4의 중량비로 혼합한 후 용융 방사하여 숯함량 10wt%인 15데니어(denier)의 폴리에스터 섬유를 제조하였다.

본 발명에서 아세트산 대신에 프로피온산(propionic acid)이나 부탄산(butanoic acid)을 사용할 수도 있다. 아세트산은 일염기성 포화지방산의 일종이고 프로피온산이나 부탄산도 일염기성 포화지방산의 일종이다. 또한 실란화합물로서는 비닐트리아세톡시실란(Vinyltriacetocxy silane)비닐트리메톡시실란, 비닐트리에톡시실란과 같은 비닐계실란이나 메타크릴옥시프로필트리메톡시실란과 같은 메타크릴계실란을 사용할 수도 있다. 폴리에스텔수지 대신에 폴리프로필렌수지나 나이론수지와 같은 다른 합성섬유제조용수지를 사용할 수도 있다.

실시예2

숯 분말의 평균입도가 15㎛인 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시하여 숯 함유 섬유를 제조하였다.

실시예3

숯의 함량이 40wt%인 숯 칩과 폴리에스터 수지를 1:39로 혼합한 후 용융 방사하여 숯을 무게비율로 1wt% 함유한 숯 함유 섬유를 제조한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 숯 함유 섬유를 제조하였다.

실시예4

숯의 함량이 40wt%인 숯 칩과 폴리에스터 수지를 1:7로 혼합한 후 용융 방사하여 숯을 무게비율로 5wt% 함유한 숯 함유 섬유를 제조한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시하여 숯 함유 섬유를 제조하였다.

실시예5

숯의 함량이 40wt%인 숯 칩과 폴리에스터 수지를 1:1로 혼합한 후 용융 방사하여 숯을 무게비율로 20wt% 함유한 숯 함유 섬유를 제조한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시하여 숯 함유 섬유를 제조하였다.

실시예6

숯의 함량이 40wt%인 숯 칩과 폴리에스터 수지를 3:1로 혼합한 후 용융 방사하여 숯을 무게비율로 30wt% 함유한 숯 함유 섬유를 제조한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시하여 숯 함유 섬유를 제조하였다.

실시예7

숯의 함량이 40wt%인 숯 칩으로 용융 방사하여 숯을 무게비율로 40wt% 함유한 숯 함유 섬유를 제조한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시하여 숯 함유 섬유를 제조하였다.

비교예1

숯 분말을 표면처리 하지 않은 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시하여 숯 함유 섬유를 제조하였다.

비교예2

숯 분말과 폴리에스텔수지를 혼련하여 수지칩을 만들 때 아민계 실란인 아미노프로필트리메톡시실란을 0.5중량% 첨가하여 칩을 제조하고 이를 용융방사하여 숯 함유 섬유를 제조하였다.

비교예 3

숯 분말과 폴리에스테르수지를 혼련하여 수지칩을 만들 때 비닐계 실란인 비닐트리아세톡시 실란을 0.5중량% 첨가하여 숯 함유 섬유를 제조하였다.

비교예4

숯 분말의 평균입도가 43㎛인 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시하여 숯 함유 섬유를 제조하였다.

비교예5

숯 분말의 평균입도가 109㎛인 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시하여 숯 함유 섬유를 제조하였다.

도 1은 본 발명에서 제시하는 공정도로서 합성섬유에 숯의 함량을 5~30wt%까지 높여 방사할 수 있는 제조방법의 흐름도이다.

도 2는 실시예 2에서 제시하는 공정으로 제작한 숯의 함량이 10wt%인 섬유를 광학현미경으로 관찰한 사진이다. 섬유 안에 숯 분말이 조밀하게 위치하고 있으며, 또한 섬유 외곽에 돌출된 숯 분말들이 관찰되고 있다.

도 5는 본 발명의 방법으로 제조한 숯 함량이 10wt%이고, 섬유의 굵기가 15데니어인 섬유의 방사시 실이 끊어지는 파단율을 나타낸 것이다. 기존 기술들이 제시하는 방법으로는 숯 분말의 크기가 2㎛ 이하에서만 섬유로 제조가 가능하였지만 본 발명에서 제시하는 공정으로는 숯 분말의 크기가 43㎛(실시예 3)일때 방사시 파단율이 1.8%, 15㎛(실시예2)일때 0.21%로 측정되어 숯 분말의 크기가 15㎛ 이하일때 숯 함유 섬유를 제조하는 연속공정상에 문제가 발생하지 않았다.

도 6은 본 발명에서 개발된 공정으로 숯 분말의 크기가 15㎛이고, 섬유의 크기가 15데니어인 섬유를 제조 하였을때 숯 분말의 함량에 따른 숯 함유 섬유의 방사시 파단율을 나타낸 것이다. 기존 기술들이 제시하는 방법으로는 숯 분말의 함량이 3.5wt% 이하에서만 섬유로 제작이 가능하였지만 본 발명에서 제시하는 공정으로는 숯 분말의 함량이 30wt%까지도 가능하였다.

도 7은 숯 분말에 여러 종류의 실란으로 표면처리를 한 후 섬유를 제조하여 원사 강도를 측정한 결과이다. 메타크릴레이트계 실란을 사용할 경우가 가장 높았으며, 숯 분말을 실란으로 표면 처리 하지 않은 경우(비교예1)보다 17.6% 증가한 4.99g/den를 나타냈다.

도 8은 본 발명에서 제시하는 진공컴파운딩 후 방사하는 방식으로 숯 함유 섬유를 제조할 경우 가공 가능한 숯의 함량과 숯 분말을 방사시 직접 투입하여 숯 함유 섬유를 제조할 경우, 방사가 가능한 숯의 함량을 비교한 그래프이다. 방사시 숯 분말을 직접 투입하여 가공하는 공법으로 가공 가능한 숯의 함량이 3.5wt% 이었으며, 본 발명에서 제시한 방법인 진공컴파운딩 후 방사하는 공법으로는 숯의 합량을 30wt%까지도 성형 가능하였다.

도 9는 숯의 함량에 따른 탈취효과를 나타내는 그래프이다. 숯이 함유량에 따른 섬유에 암모니아를 넣고 60분이 경과한 후 숯의 함량에 따른 탈취율을 KICM-FIR-1004방법에 의해 측정하였다. 검사 결과 숯의 함량이 10% 이상일때 약 94%의 탈취율을 나타냈으며 5% 이하의 함량에서는 탈취율이 급격히 감소함을 알 수 있다.

도 10은 숯의 함량에 따른 원적외선 방사율을 나타낸 그래프이다. 숯의 함량에 따른 섬유(실시예2,3,4,5)를 제조한 후 40℃에서 FT-IR Spectrometer를 이용하여 측정하였으며 흑체(Black Body) 대비 측정결과 이다. 숯의 함량이 5% 미만에서는 원적외선의 방사율이 미미하지만 5%이상에서는 급격히 증가함을 알 수 있으며, 20%에서는 0.927로 거의 숯 자체의 원적외선 방사율(0.93)과 비슷한 수치를 나타냈다.

본 발명의 방법으로 제조되는 합성섬유는 숯 함유량이 높아 숯이 갖고있는 유용한 기능을 충분히 발휘할 수 있으면서 섬유로서의 물성이 떨어지지 않는 효과를 갖는다.

Claims (3)

1. 숯을 함유하는 합성섬유를 제조하는 방법에 있어서, 일염기성 포화지방산으로 pH를 3.0~5.5로 조정한 수용액에 실란화합물을 첨가하여 얻어지는 실란화합물 함량 0.1~1.0%인 실란화합물 수용액을 평균입도 5~15㎛의 숯분말 표면에 도포한 후 이 숯 분말을 100~120℃로 가열건조시키고, 가열 건조된 숯 분말 5~40wt%와 합성수지 60~95wt%를 진공중에서 혼련하여 숯을 함유하는 합성수지칩을 만들고, 이 칩을 직접 용융방사하거나 상기 숯을 함유하는 합성수지칩과 합성수지를 균일하게 혼합한 후 용융방사하여 숯 함량 5~30wt%인 숯을 함유하는 합성섬유를 제조하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 일염기성 포화지방산이 아세트산(acetic acid), 프로피온산(propionic acid) 또는 부탄산(butanoic acid)중에서 선택되는 것인 숯을 함유하는 합성섬유를 제조하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 실란화합물이 비닐트리아세톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 비닐트리에톡시실란 또는 메타크릴옥시프로필트리메톡시실란 중에서 선택되는 숯을 함유하는 합성섬유를 제조하는 방법.