KR100450530B1 - 기능성 폴리에스테르 섬유의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 운모광물인 세리사이트 입자, 일라이트 입자 또는 이들의 혼합물이 폴리에스테르 전체 중량의 0.3~10%이고, 은계 무기항균제 입자가 운모광물 전체 중량의 5~30%가 되도록 하여, 1차로 수계 분쇄공정과 2차로 에틸렌 글리콜계 분쇄공정으로 분쇄하여 얻은 평균 입도 1㎛ 이하의 글리콜 슬러리를 제조하고, 제조된 슬러리를 폴리에스테르 중합 공정 중에 첨가하여 제조하는 것을 특징으로 하는 기능성 폴리에스테르 섬유의 제조에 관한 것으로,

본 발명에 의하면 우수한 중합 공정, 방사 공정, 염색가공 공정 기타 생산 공정으로, 원적외선 방출성, 항균성, 축열성, 탈취성 등의 기능성을 갖는 폴리에스테르를 제조할 수 있게 되며 또한 무기광물 첨가에 따른 직물이나 편물상태에서 고유한 터치(touch)를 발현함으로써 기능성과 착용성을 동시에 만족하는 의류용 폴리에스테르 섬유제품을 생산할 수 있게 된다.

Description

기능성 폴리에스테르 섬유의 제조방법{Method for producing functional polyester fiber}

본 발명은 폴리에스테르 섬유에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 운모광물인 세리사이트(Serite), 일라이트(Illite) 또는 이들의 혼합물과 은계 무기항균제를 함유하는 기능성 폴리에스테르 섬유의 제조방법에 관한 것이다.

폴리에스테르 섬유는 여러 가지 우수한 물성 및 장점을 갖기 때문에, 의류, 산업자재 및 의료 등의 여러 분야에서 사용되고 있는 대표적인 합성섬유 중의 하나이다.

더욱이, 근래에는 폴리에스테르가 갖는 단점을 없애고 새로운 장점을 부각시키려는 노력의 일환으로, 폴리에스테르 합성물의 기존 성분을 다른 특수성분으로 변경하고 개질 한다든지, 특수한 첨가제를 첨가한다든지 하는 많은 연구들이 수행되고 있다.

그 중에서도, 최근에는 폴리에스테르에 천연의 특수한 광물을 첨가함으로써, 그 광물이 갖는 장점을 폴리에스테르 섬유에 부여하려는 시도들이 이루어지고 있다.

특히 의류용 섬유제품에 있어서는 인체에서 분비되는 땀과 기타 지방이나 단백질 등의 유기물에 의해 세균이나 미생물이 번식하게 되며 이러한 미생물이 유기물을 분해하면서 악취를 발생시키거나 신체 접촉에 의해 피부 질병을 유발하기도 한다.

이에 따라 일본 특개소 제59-134418호, 일본 특개소 제61-17567호, 한국 특허공개 제95-018915호 등에서는 세라믹 항균제를 폴리우레탄 수지 및 계면활성제와 혼합하여 액상 조성물을 제조한 후, 폴리에스테르 섬유 표면에 분사하여 무기 세라믹 입자가 표면에 부착함으로써 항균성을 갖게 하는 기술이 소개되어 있지만 이러한 방법으로 제조된 폴리에스테르 섬유 제품은 내세탁성 문제로 기능성이 영구적이지 못한 단점이 있다.

또한 이러한 단점을 개선하기 위해서 기능성 입자를 마스터 배치(Master Batch)법에 의해 항균 금속이 치환된 무기계 제올라이트(Zeolite)를 섬유 내부에 분산시키거나, 세라믹을 이용하는 방법이 일본 특개소 제61-234390호, 일본 특개소 제62-101643호 등에 소개되어 있지만 이러한 기술은 기능성 섬유 제품의 내세탁성은 개선할 수 있지만 흡습성이 강한 제올라이트로 인하여 용융 방사시 빈번한 사절 발생과 섬유제품의 색상이 변색되는 문제점이 있어 염색 가공 공정에서 염색 불량으로 이어져 실제로 섬유화하는데 많은 문제점이 있다.

또한 한국 특허공개 제98-033453호에서는 항균, 소취 기능을 갖는 폴리에스테르 섬유를 제조하기 위하여 맥반석 미립자와 항균제 분말을 폴리에스테르 중합반응의 진공조작 전에 첨가하는 방법이 소개되어 있는데, 일반적으로 무기물 분말을 통상의 폴리에스테르 중합 공정에 투입하면 무기물끼리 응집이 일어나 방사공정의 팩압 상승과 사절의 원인이 되어 생산 공정성이 나쁜 단점이 있다.

한편 이러한 단점을 보완하기 위하여 한국특허 공개 98-033438호에서는 저융점 폴리에스테르에 입경이 0.2~1㎛ 이고, 0.5㎛이하의 입경을 갖는 입자가 전체에 대해 60% 이상인 맥반석 미립자를 함유하는 마스터배치 칩과 일반 폴리에스테르 칩을 혼합하여 방사하는 방법도 소개되어 있는데 이러한 방법은 기능성 폴리에스테르 섬유의 방사 작업성은 개선되나 맥반석 무기입자의 경도가 크기 때문에 사가공이나 방적시 가공상의 문제가 생겨 작업 생산 효율이 떨어지거나, 강신도의 불균일에 의한 물성 저하와 원가 상승의 단점이 있다.

일반적으로 폴리에스테르의 기능성을 향상시키기 위하여 폴리에스테르에 첨가되는 광석으로는 운모, 각섬석, 백반석, 황토 등이 있다. 이 중에서도 세리사이트 혹은 일라이트라고 하는 운모족 광석은 그 성능이 가장 우수한 것으로 알려져 있다.

운모는 광물학적인 구조가 인편상 삼층 구조를 가지고 있어 흡수하면 측간 간격이 1.8Å 정도로 확장되며, (-)2가 전하를 갖는 관계로 용수 중 양이온의 부유 미립자와 전기적인 중화로 응집 침전을 유발하여 탁도를 향상시키며 자체 함수 기능으로 보습효과가 크고, 직사광선을 방지하며 활도가 높은 특징이 있으며, 상온에서 5~25마이크론 파장의 원적외선을 80% 이상 방사하고 용존 산도를 발생시켜 흡착력과 원적외선 방사의 이중 작용으로 탈취 능력이 우수한 장점이 있다.

세리사이트 또는 일라이트는 원적외선 방출성, 항균성, 축열성, 탈취성 등이 매우 우수하다. 하지만 이런 장점뿐만 아니라 섬유용으로 사용하기 적합한 1㎛ 이하로의 분쇄가 어려운 단점도 있다. 즉, 운모 광물은 광물학적인 구조가 인편상 삼층 구조를 가지고 있는데 층 간의 분쇄는 용이하지만 육각 판상의 운모의 분쇄가 용이하지 않은 단점을 가지고 있다.

운모 광석은 경도가 1~2정도로 일반의 다른 광석에 비해 무르기 때문에 미립자로의 분쇄가 용이하지 않으며, 또한 분쇄 후에도 재응집이 쉽게 일어나는 특성을 갖고 있는데, 일반적으로 이런 문제를 해결하기 위해 고온에서 광물을 소성한 후 제트밀 등을 이용하여 분쇄하는 방법이 알려져 있지만 이러한 방법으로 제조된 운모를 중합 공정에 직접 투입하면 중합 공정 중에 재응집이 일어나는 치명적인 단점이 있다. 또한 중합공정 중에 슬러리 상태로 투입할 수 있도록 에틸렌 글리콜에 분산시켜 직접 분쇄 분산시킬 경우 에틸렌 글리콜의 점도가 높아 밀링공정 중에 밀링 기기에 고열이 발생하여 운모 광물을 1㎛ 이하로 분쇄할 수 없게 된다.

따라서, 본 발명은 기능성 섬유제품을 생산하는데 있어서, 내세탁성 문제, 방사공정성, 가공공정성 등의 생산공정성에서 발생하는 문제점 없이, 원적외선 방출성, 축열성, 항균성, 탈취성 등의 기능을 발현할 수 있는 기능성 폴리에스테르 섬유의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 운모광물인 일라이트(Illite) 입자 또는 일라이트(Illite) 입자와 세리사이트(Sericite) 입자의 혼합물 입자가 폴리에스테르 전체 중량의 0.3~10%이고, 은계 무기항균제 입자가 운모광물 전체 중량의 5~30%가 되도록 하여, 1차로 수계 분쇄공정과 2차로 에틸렌 글리콜계 분쇄공정으로 분쇄하여 글리콜 슬러리를 제조하고, 제조된 슬러리를 폴리에스테르 중합 공정 중에 첨가하여 제조하는 것을 특징으로 하는 기능성 폴리에스테르 섬유의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 제조된 에틸렌 글리콜 슬러리내 운모광물과 은계 무기항균제의 평균 입도 1㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 기능성 폴리에스테르 섬유의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 방법으로 제조된 기능성 폴리에스테르 섬유를 함유하는 기능성 섬유제품을 제공한다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 통상의 폴리에스테르 섬유에 영구적인 원적외선 방출성과 항균, 탈취성 등의 기능성을 부여하기 위해 운모광물인 세리사이트, 일라이트 또는 이들의 혼합물과 은계 무기항균제를 글리콜 슬러리 형태로 폴리에스테르 중합 공정 중에 첨가하는 것을 특징으로 한다.

상기 운모광물로는 일라이트, 세리사이트, 금운모, 백운모, 흑운모가 있으며, 이중 세리사이트가 가장 순도가 우수한 것으로 알려져 있으며, 이러한 일라이트 또는 세리사이트는 원적외선의 방출성, 항균성, 축열성 및 탈취성 등의 기능을 발현하고, 단사정계에 속하는 미세한 운모족 천연광물로서, 화학 조성은 (K, H₃O)(Al, Mg, Fe)₂(Si, Al)₄O₁₀[(OH)₂, (H₂O)]로서, 매우 복잡하다. 주된 성분은 규석(SiO₂) 45~80%, 알루미나(Al₂O₃) 20~40%, 산화칼륨(K₂O) 5~15%, 산화제2철(Fe₂O₃) 0.7~4% 이고 경도는 1~2, 비중은 2.6~2.9이다.

또한 본 발명은 항균성 등의 기능을 극대화하기 위해서 운모광물에 은계 무기항균제를 소량 첨가하는 것을 특징으로 하는데,

상기 은계 무기항균제는 무기계 세라믹 물질인 제올라이트(Zeolite)를 담체로 하여 항균작용을 가지는 금속 이온인 은(Ag), 아연(Zn) 등을 이온형태로 결합되어 있는 무기항균제로, 운모광물 전체 중량의 5~30%인 것이 본 발명의 기능 발현에 적합하다.

또한, 본 발명에서 운모광물과 은계 무기항균제를 폴리에스테르 섬유에 적용하기 위해서는 입자 크기를 1㎛ 이하로 하는 것이 바람직한데,

합성 섬유에 사용되는 운모광물 원분말의 평균입도는 9.4㎛ 정도이며, 최대입경이 76.4㎛ 정도로 거대한 입자여서 합성섬유 제조용 첨가제로는 부적합하다.

따라서, 본 발명에서는 합성섬유 제조용 첨가제로 적합한 입도가 1㎛ 이하의 운모광물과 은계 무기항균제를 제조하기 위하여 1차로 수계 분쇄공정과 2차로 에틸렌 글리콜계 분쇄공정을 포함하는 것을 특징으로 하며, 자세한 공정은 아래의 내용과 같다.

우선 운모광물 원분말을 1차로 수계 상태에서 세라믹 비드(bead)의 지름이 0.1~1㎛인 강제 볼밀로 분쇄한 후 건조한다. 분쇄하여 건조된 무기 광물 중 입도가 1㎛ 이상인 것은 1㎛ 메쉬 필터를 이용하여 분리하고 재분쇄하여 99.9%, 1㎛ 이하의 분쇄 분말 슬러리로 유지한다.

이러한 1차 분쇄공정을 거친 분쇄 분말 슬러리는 건조하여 2차 분쇄공정을 거치게 되는데,

상기 2차 공정에서는 분쇄 분말 슬러리를 폴리에스테르 중합 공정 중에 직접 투입하기 위해서 에틸렌 글리콜에 분산시키는 것이 바람직하고, 또한 건조 공정 중에 재응집이 일어난 분말을 강제 볼밀로 다시 분쇄하여 운모광물 에틸렌 글리콜 슬러리를 제조한다.

제조된 운모광물 에틸렌 글리콜 슬러리는 무기물의 평균 입경이 약 0.29㎛ 정도이며 1㎛ 이상의 크기를 갖는 입자는 약 1~2% 정도로 폴리에스테르 섬유에 첨가하기에 적합하게 된다.

또한, 본 발명에서는 상기 1㎛ 이하의 운모광물 에틸렌 글리콜 슬러리와 함께 1㎛ 이하의 입도를 갖는 은계 무기항균제 에틸렌 글리콜 슬러리를 제조하여 통상의 폴리에스테르의 중합공정 중 중합 단계에서 투입하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는데, 세리사이트 또는 일라이트와 은계 무기항균제는 상호 응집성이 없기 때문에 따로 제조하여 각각 투입하거나, 혼합된 상태로 동시에 조제하여 투입하는 것도 가능하다.

본 발명에서 폴리에스테르의 중합 단계 중 첨가제 슬러리를 투입할 수 있는단계로는 테레프탈산과 에틸렌 글리콜의 원료 혼합단계나, 에스테르반응이 종료된 중축합 공정 직전에 투입하는 것이 가능한데, 설비상 효율성을 위해 중축합 공정의 감압공정 시작 직전에 투입하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 폴리에스테르 중합체는 통상의 폴리에스테르 중합공정에 의하여 제조되며, 삼산화안티몬과 인산을 각각 중합촉매와 열안정제로 사용할 수 있으며, 285℃의 반응온도와 용융점도가 100rad/s에서 3000~3500poise인 중합도로 중합할 수 있다.

상기와 같은 방법으로 중합된 폴리에스테르 수지는 통상적인 방사공정으로 섬유화 된다.

본 발명에서 운모광물의 투입량은 폴리에스테르 전체 중량의 10%를 초과해서는 안 된다. 이 함량을 초과할 경우에는 방사시 공정성이 매우 불량해져 단지 수시간 동안의 생산도 어렵게 된다. 반면에, 운모광물의 함량이 0.3% 미만이 되는 경우에는 운모광물의 함유량이 너무 적어 실질적으로 기능성 향상의 효과를 보기가 힘들다. 그러므로, 첨가되는 운모광물의 함량은 폴리에스테르 전체 중량에 대해 0.3~10% 가 되어야 하며, 바람직하게는 0.5~4.0%가 좋다.

또한, 본발명에서 은계 무기항균제의 투입량은 운모광물 전체 중량의 5~50%가 바람직한데, 5% 미만인 경우에는 폴리에스테르 섬유에서의 항균성이 충분히 발휘되지 않으며, 50%을 초과하는 경우에는 원가 상승과 과다한 무기입자의 첨가로 원사의 염색불량과 방사시 팩압상승 등의 방사 작업성이 저하되기 때문이다. 더욱 바람직하게는 운모광물 전체 중량의 10~30%를 투입하는 것이 좋다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명의 특징 및 기타의 장점은 후술되는 실시예로부터 보다 명백하게 될 것이다. 단, 본 발명은 하기 실시예로 제한되는 것은 아니다.

하기 실시예의 물성은 다음과 같은 방법으로 측정한 것이다.

* 입도 분포 : 콜터사의 엘에스 입도 분석기(Coulter사, LS Particle Size Analyzer)를 이용하여 측정.

* 원적외선 방출성 : 한국건자재시험연구원에 의뢰하여 분석.

* 팩압 변화 : 방사공정 중에 걸리는 파우더필터의 압력을 시간 경과에 따른 변화율로 측정. (단위: 하루당 변한 압력변화, Kg/㎠/day)

* 초기인장강도 : 75데니아로 제조된 필라멘트를 강신도 측정기를 이용한 통상의 방법으로 측정.

* 항균도 : 케에스 케 0693(KS K 0693)법에 의해 균감소율 측정.

* 축열성 : 실시예와 비교예에서 제조된 섬유를 이용하여 평직으로 직물을 제조하고 이를 분산염료를 이용하여 흰색으로 염색하여 비교용 직물을 제조하여 폴리에스테르(측정용 직물)를 비교하여 측정하였다. 측정 방법은 다음과 같이 하였다. 10℃ 항온실에 50℃로 설정된 두개의 항온체를 놓고 이것들을 각각 측정용 직물과 비교용 직물로 덮어 60분간 유지하였다. 그 다음, 이 발열체를 제거한 후 10분이 경과한 후 직물 각각의 내부를 측정하였다. 그리고 측정된 각각의 온도를 비교하여, 측정용 직물의 온도에서 비교용 직물의 온도를 뺀 값을 축열성의 대표값으로 표기하였다.

[실시예 1]

평균입도가 9.4㎛ 정도이고, 최대입경이 76.4㎛ 정도인 세리사이트 원분말((주)넥스텍산, 한국의 경주)과 세리사이트 원분말 중량대비 15%의 은계 제올라이트인 무기항균제((주)참빛소재산, 유니킬러(Unikiller))를 혼합하여 준비한 무기 첨가제를 제1차 수계 분쇄공정과 제2차 에틸렌 글리콜계 분쇄공정을 거쳐 에틸렌 글리콜 슬러리를 슬러리내의 무기 첨가제의 평균입도가 0.29㎛ 이고, 1㎛ 이상의 크기를 갖는 입자가 1% 미만이 되도록 제조하였다.

제조된 에틸렌 글리콜 슬러리를 폴리에스테르 중축합 반응의 감압공정 직전에 투입하였다. 투입된 무기 첨가제의 함량은 전체 폴리에스테르 수지 중량에 대해 2%가 되도록 하였다. 무기 첨가제가 투입되는 폴리에스테르 중합 공정은 285℃의 온도에서, 용융점도 3,200 poise 수준으로 중합하여 이를 칩화한 후 140℃ 온도로 8시간 동안 건조시켰다. 건조한 폴리에스테르를 290℃에서 3,500m/분의 속도로 섬유화하여 섬유의 섬도가 75데니아이고, 구성 필라멘트 수는 24가닥이 되도록 하였다.

[실시예 2]

무기 첨가제의 함량을 전체 폴리에스테르 수지 중량에 대해 4%가 되도록 중합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하였다.

[실시예 3]

무기 첨가제의 함량을 전체 폴리에스테르 수지 중량에 대해 0.5%가 되도록 중합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하였다.

[비교예 1]

무기 첨가제를 첨가하지 않지 않고 일반적인 폴리에스테르 세미덜 칩을 사용하여 폴리에스테르 섬유를 제조하였다.

[비교예 2]

무기 첨가제의 함량을 전체 폴리에스테르 수지 중량에 대해 0.3% 되도록 중합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하였다.

[비교예 3]

무기 첨가제의 함량을 전체 폴리에스테르 수지 중량에 대해 10%가 되도록 중합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하였다.

[비교예 4]

무기 첨가제의 함량을 전체 폴리에스테르 수지 중량에 대해 2%가 되도록 하되 분쇄, 분산된 에틸렌 글리콜 슬러리를 사용하지 않고 원분말을 직접 중합 공정에 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하였다.

위와 같은 실시예와 비교예에서 얻은 무기 첨가제의 함량 및 기타 물성평가치는 표 1에 나타내었다. 비교예 4의 경우에는 실의 제조 공정성이 매우 불량하여 원사제조를 할 수 없어 기능성 평가를 할 수 없었다.

구 분	실시예	비교예
	1	2	3	1	2	3	4
무기첨가제함량(폴리에스테르당 중량%)	2.0	4.0	0.5	0.0	0.3	10.0	2.0
평균입도(㎛)	0.29	0.29	0.29	-	0.29	0.29	9.40
용융점도(poise)	3,000	2,700	3,200	3,400	3,300	2,400	3,100
강도(g/d)	4.1	4.0	4.2	4.2	4.1	3.5	-
신도(%)	40.0	36.8	37.2	39.0	38.6	37.8	-
팩압(kg/㎠/day)	2.4	2.8	1.8	1.0	1.4	18.2	-
균감소율(%)	99.9	99.9	99.6	0.0	89.2	99.9	-
축열성(℃)	4.0	4.5	3.0	0.0	1.5	4.5	-
원적외선방사성(%)	88.9	88.9	88.7	88.3	88.5	88.9	-
탈취율(%)	45.1	45.2	40.2	0.0	29.3	45.1	-

본 발명에 의해 만들어진 폴리에스테르 섬유는 원적외선 방출성, 축열성, 항균성 및 탈취성이 우수한 동시에 섬유제조 공정성이 매우 우수하여, 그 용도 및 응용 분야가 현저히 넓어졌다. 본 발명의 섬유를 이용해 만든 제품은 보온성, 착용감이 우수할 뿐만 아니라, 건강에도 유익하다. 주요 용도로는 내의류, 외의류, 양말, 스타킹, 이불용 원면 등을 들 수 있다.

Claims (3)

1. 운모광물인 일라이트 입자 또는 일라이트 입자와 세리사이트 입자의 혼합물이 폴리에스테르 전체 중량의 0.3~10%이고, 은계 무기항균제 입자가 상기 운모광물 전체 중량의 5~30%가 되도록 하여, 1차로 수계 분쇄공정과 2차로 에틸렌 글리콜계 분쇄공정으로 분쇄하여 에틸렌 글리콜 슬러리를 제조하고, 제조된 슬러리를 폴리에스테르 중합 공정 중에 첨가하여 제조하는 것을 특징으로 하는 기능성 폴리에스테르 섬유의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 제조된 에틸렌 글리콜 슬러리내 운모광물과 은계 무기항균제의 평균 입도 1㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 기능성 폴리에스테르 섬유의 제조방법.
3. 제 1 항의 방법에 의해서 제조된 기능성 폴리에스테르 섬유를 함유하는 기능성 섬유제품.