KR100472387B1 - 권축성 셀룰로오스 섬유의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 셀룰로오스 디아세테이트 (치환도 2.0 ~ 2.75)섬유에 크림프를 형성한 후 알칼리 처리방법에 의해 셀룰로오스 섬유로 전환시켜 미세크림프가 발현된 권축성 셀룰로오스 섬유를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의해 제조되는 권축성 셀룰로오스 섬유는 기존의 비스코스 레이온 섬유와 화학적 구조 및 물리적 특성이 유사한 값을 가지면서 기존의 비스코스 레이온 섬유에서 기대할 수 없는 우수한 드레이프성, 신축성 및 부품성을 갖게 된다.

Description

권축성 셀룰로오스 섬유의 제조방법{Preparation of shrinkable cellulose fiber}

본 발명은 셀룰로오스 섬유에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 셀룰로오스 디아세테이트를 적어도 일부 함유하는 섬유 또는 섬유제품으로부터 권축성을 갖는 셀룰로오스 섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.

권축성을 갖는 섬유를 제조하기 위하여 섬유에 크림프를 부여하는 방법은 가연법, 합입법, 찰과법 등이 잘 알려져 있으며 그 중에서도 가장 많이 사용되고 있는 방법은 가연법이다.

가연법으로 폴리에스터의 섬유에 크림프를 부여하는 데에는 폴리에스터 필라멘트 섬유의 열가소성을 이용하여 필라멘트 섬유에 3000 - 4000회/m의 꼬임을 주고 열고정을 한 후 3000 - 4000 회/m의 반대 꼬임을 주는 것이 일반적이다.

그러나 아세테이트 섬유나, 셀룰로오스 섬유의 경우 열가소성이 없어 섬유에 크림프를 부여하는 것이 불가능하여 대부분의 아세테이트 섬유 및 셀룰로오스 섬유는 필라멘트 형태로만 제조, 판매되어지고 있는 실정이다.

이와 같이 셀룰로오스 섬유에는 신축성 및 부품성을 부여하는 것이 매우 어려워서 이를 해결할 수 있는 방법에 대한 요구가 증대되고 있는 추세에 있다.

따라서 본 발명은 신축성 및 부품성이 우수한 셀룰로오스 섬유를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위한 연구에서 본 발명자는 표면 제거 공정과, 알칼리 처리방법에 의해 셀룰로오스 섬유에 크림프를 부여할 수 있음을 알게 되었고, 그 결과 신축성 및 부품성이 우수한 셀룰로오스 섬유를 제조할 수 있게 된 것이다.

그러므로 본 발명에 의하면 치환도 2.0 ~ 2.75의 셀룰로오스 디아세테이트를 적어도 일부 함유하는 섬유 또는 섬유제품을 알칼리에 의해 섬유 표면을 검화시킨 후 셀룰로오스 분해효소를 사용하여 검화부위를 제거하고 열처리함으로써 셀룰로오스 디아세테이트 섬유에 크림프를 부여하는 공정과, 크림프가 부여된 셀룰로오스 디아세테이트 섬유를 알칼리 처리하여 셀룰로오스 섬유로 전환시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 권축성 셀룰로오스 섬유의 제조방법이 제공된다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 권축성 셀룰로오스 섬유 제조방법은 셀룰로오스 디아세테이트 섬유에 크림프를 부여하는 공정과, 크림프가 부여된 셀룰로오스 디아세테이트 섬유를 셀룰로오스 섬유로 전환시키는 공정으로 대별된다.

크림프가 부여된 셀룰로오스 디아세테이트 섬유는 셀룰로오스 디아세테이트 섬유 또는 섬유제품을 알칼리처리하여 셀룰로오스 디아세테이트 섬유의 스킨층을 검화하고, 검화된 스킨층을 셀룰로오즈 분해 효소로 분해시켜 제거한 후 열처리함으로써 제조할 수 있다.

일본 특허 공개 평9-195161호에는 셀룰로오스 디아세테이트 섬유의 방사후 섬유 내부에 잔류하는 응력차를 이용하여 섬유의 스킨층을 검화 - 효소분해 공정을 통해 제거시키고 열처리함으로써 섬유에 크림프를 부여하는 방법이 기술되어 있다. 이 방법은 셀룰로오스 아세테이트 섬유의 표면 검화 후 셀룰로오스 분해효소인 셀룰라아제에 의한 효소분해시 처리에 오랜 시간이 걸리고 배치 방식에 의해 처리하게 되어 생산량의 제약을 가지게 된다. 믈론 이러한 방법도 본 발명에 적용할 수 있는 것이나, 직,편물상태에서 셀룰로오스 디아세테이트 섬유의 스킨층을 검화하고, 검화된 스킨층을 셀룰로오즈 효소로 분해시켜 제거한 후 열처리하여 크림프를 부여하는 것이 보다 효과적이다.

셀룰로오스 디아세테이트 섬유를 포함하는 직편물로부터 크림프가 부여된 셀룰로오스 디아세테이트 섬유를 제조하는 데에는 다음의 방법을 이용하는 것이 바람직하다. 즉, 셀룰로오스 디아세테이트 섬유를 포함하는 직편물을 5 ~ 20% ows 농도의 알칼리 수용액에 침치하여 50 ~ 100℃에서 1 ~ 120분간 처리하여 셀룰로오스 섬유 중량대비 1 ~ 20% 표면이 셀룰로오스화된 섬유를 얻은 후, 셀룰로오스 분해 효소인 셀룰라아제 1 ~ 20g/L용액을 준비하여, 준비된 섬유를 셀룰라아제 용액에 침지시켜 50 ~ 100% 웨트픽업(Wet Pick-up)시킨 후 저장 롤(Roll)에 권취한 뒤 20℃이상 70℃이하에서 1 ~ 48hr 에이징(aging) 처리한 후 수세하여 표면의 셀룰로오스화 된 부분을 제거한 다음, 96℃ 이상의 열수에서 1 ~ 60분간 처리하면 크림프가 부여된 셀룰로오스 디아세테이트 섬유를 얻을 수 있게 된다. 이때, 알칼리에 의한 감량율이 5%이하에서는 크림프 형성이 불충분하며, 20%이상에서는 검화후 효소분해시 섬유의 과다감량으로 인해 강신도의 저하 문제가 발생하게 된다. 또한 열수처리시 96℃ 이하에서는 크림프 형성이 불충분하게 된다.

다음, 크림프가 부여된 셀룰로오스 디아세테이트를 알칼리 처리하면 아세틸기를 하이드록시기로 전환되는 검화가 일어나게 되는데 이때 무정형으로 존재하던 디아세테이트 섬유의 분자쇄들의 폴딩(folding)과 패킹(packing)등의 재배열로 결정화가 일어나서 셀룰로오스 II와 IV가 혼합된 결정구조를 가지는 권축성 셀룰로오스 섬유가 얻어지게 된다. 이때, 알칼리 처리 정도는 셀룰로오스 디아세테이트 섬유의 전체 아세틸기중 75% 이상을 히드록시기로 치환시키는 정도가 바람직하다.

셀룰로오스화를 위한 알칼리 처리는 다음의 조건으로 수행하는 것이 바람직하다. 즉, 20 ~ 53wt%의 알칼리 수용액에 계면활성제 0.5g/L이상 첨가하여 침지액을 준비하고, 준비된 수용액에 직물을 침지하여 50 ~ 100% 웨트픽업 시킨후 저장 롤에 권취한 뒤 20℃이상 70℃이하에서 1 ~ 48hr 에이징 처리한 후 수세하는 것이다. 이와 같이 처리하면 미세 크림프가 형성된 셀룰로오스 디아세테이트 섬유가 셀룰로오스 섬유로 전환시키게 됨에 따라 미세 크림프가 형성된 셀룰로오스 섬유를 얻게된다. 셀룰로오스화를 위한 알칼리 처리온도에 있어서 20℃이하에서는 반응이 불충분하며, 70℃이상에서는 불균일 반응과 분자쇄 절단이 일어나게 되며, 알칼리 농도 20%이하에서는 반응이 느려 완전 반응에 도달하지 못하며, 53%이상에서는 가성소다가 포화수용액이 되어 침전이 발생하게 된다. 또한 계면활성제를 첨가하여 처리함으로써 알칼리의 내부 침투를 용이하게 함으로써 균일한 반응이 가도록 하며, 섬유의 강도 저하도 방지하게 되는데, 계면활성제 첨가량은 0.5g/L이하이면 효과가 떨어지며, 그 이상에서는 큰 차이 없으나 좋기로는 1 g/L첨가하는 것이 반응에 유리하다.

일반적으로 천연의 셀룰로오스는 셀룰로오스 I의 결정구조를 가지게 되며 재생 셀룰로오스 섬유의 경우는 셀룰로오스 II의 구조를 가지는 데 반해 셀룰로오스 디아세테이트의 검화에 의해 제조된 셀룰로오스 섬유는 셀룰로오스 II와 IV가 혼합된 결정구조를 가지게 되며, 결정화도(비중법) 14~34%, 복굴절율 0.012~0.024이다.

본 발명에서 크림프 부여 공정시 알칼리 처리와 셀룰로오스화 공정시 알칼리 처리에는 고온 및 저온 알칼리처리방법을 이용할 수 있으나, 저온 알칼리처리방법인 콜드패드배치법(CPB 처리방법, Cold-Pad-Batch법)을 이용하는 것이 보다 바람직하다.

본 발명에서, 상기한 표면 검화 및 셀룰로오스화 반응에 사용될 수 있는 알칼리화합물의 예로는 수산화나트륨등과 같은 알칼리금속수산화물, 수산화칼슘 등과 같은 알칼리토금속류수산화물, 탄산나트륨등과 같은 알칼리 금속탄산염 등이 있다. 이러한 알칼리 화합물을 계면활성제와 병용하여 사용하는 것이 바람직하다. 사용가능한 계면활성제의 예로는 폴리에틸렌글리콜형 비이온 계면활성제, 다가 알코올형 비이온 계면활성제, 음이온 계면 활성제 등이 있으며, 이러한 계면활정제들은 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다.

이상 설명한 방법으로 제조되는 본 발명의 권축성 셀룰로오스 섬유의 물성은 비중이 1.31-1.51 gm/㎤, 인장강도 1.2~2.5gf/de, 신도 20~50%, 표준상태 수분율 12-13%로 일반 레이온과 유사한 성능을 보이나, 기존의 레이온 섬유에서는 볼 수 없었던 신축성과 부품성을 가지게 된다.

상기한 바와 같은 본 발명의 특징 및 기타의 장점은 후술되는 실시예로부터 보다 명백하게 될 것이다. 단 본 발명이 하기 실시예로 제한되는 것은 아니다.

하기 실시예에서 셀룰로오스 아세테이트의 감량율등은 다음과 같은 방법으로 측정한 것이다.

* 감량율 : 알칼리 처리 전의 시료중량(W₁)과 처리 후의 시료 중량(W₂)을 측정하여 다음 식으로 구하였다.

감량율(%) = (W_1－W₂)/W₁ ×100

* 탈아세틸화 : 적외선 분광 분석기(MAGNA 750, Nicolet, 미국)를 사용하여 적외선 분광분석에 의해 탈아세틸화를 확인하였다. 이 때 탈아세틸화는 1760cm^-1에서 나타나는 아세틸기의 카르보닐 밴드로 유무로 확인하였다.

[실시예 1-1 내지 1-4]

아세틸 치환도 2.55(초산화도 56.9%)의 셀룰로오스 디아세테이트 섬유로 구성된 5매의 새틴(Satin) 직물(경사 75d/20f, 위사 120d/33f, 위밀도 75본/inch, SK케미칼제품, 한국)을 정련 건조한 후 액류염색기에 물을 넣고 디아세테이트 섬유 대비 5, 10,15,20wt%의 가성소다를 투입하였다. 정련과 건조를 한 디아세테이트 섬유를 액류염색기에 넣은 후 30℃에서 2℃/min로 승온하여 80℃에서 30분간 처리한 뒤 30℃까지 2℃/min로 냉각시키고 배액하였다. 상온의 물을 넣고 수세하여 잔류 알칼리를 제거하고 섬유를 인출한 뒤 건조시켜 셀룰로오스 아세테이트 섬유대비 5-20% 감량되어 표면 검화된 셀룰로오스 섬유를 얻을 수 있었다. 상기 섬유를 셀룰로오스 분해효소인 셀룰라아제 5g/L용액에 침지시켜 100% 웨트픽업시킨 후 저장 롤(Roll)에 권취한 뒤 30℃에서 24hr aging 처리한 후 수세하여 효소 감량율 7 ~ 18%로 표면의 셀룰로오스화 되었던 부분을 완전히 제거하게 된다. 상기 시료를 96℃의 열수에 10분간 처리하여 미세 크림프가 형성된 셀룰로오스 아세테이트 직물을 얻게 되었다. 미세 크림프가 형성된 시료를 콜드패드배치(Cold-Pad-Batch) 감량기의 패딩(Padding)조에 가성소다 53% 용액이 되도록 가성소다를 투입하여 용해시킨 후 계면활성제 1 g/L를 넣어 다시 용해시킨다. 준비된 셀룰로오스 디아세테이트 정련지를 침지시켜 가성소다 용액의 Wet Pick-up이 70%가 되도록 처리한 후 저장 롤(Roll)에 권취한 후 20℃에서 24hr 에이징 처리한 후 수세조에서 수세하여 잔류 알칼리를 제거하고 섬유를 건조시켰다. 이러한 검화 공정을 통해 초기 셀룰로오스 디아세테이트 섬유 중량대비 감량율이 40%인 미세 크림프가 부여된 셀룰로오스 섬유를 얻을 수 있었다.

원료 섬유와 검화에 의해 감량된 섬유를 각각 적외선 분광 스펙트럼으로 분석한 결과 원료로 사용된 디아세테이트 섬유는 1760cm^-1에서 아세틸기의 카르보닐 밴드가 크게 나타나는 반면 실시예1의 섬유는 1760cm^-1의 카르보닐 밴드가 완전히 사라지고 3400cm^-1의 히드록시기 스트레칭(Hydroxy Stretching)이 증가하여 모든 아세틸기가 히드록시기로 치환되었음을 알 수 있었으며, 미세 크림프 형성은 비디오마이크로스코프(Videomicroscope)를 사용하여 섬유의 표면을 측정하여 확인할 수 있었다.

[비교예 1]

아세틸 치환도 2.55(초산화도 56.9%)의 셀룰로오스 디아세테이트 섬유로 구성된 5매의 새틴직물(경사 75d/20f, 위사 120d/33f, 위밀도 75본/inch, SK케미칼 제품, 한국)을 정련 건조한 후 콜드패드배치 감량기의 패딩조에 가성소다 53% 용액이 되도록 가성소다를 투입하여 용해시킨 후 계면활성제 1g/L를 넣어 다시 용해시킨다. 준비된 셀룰로오스 디아세테이트 정련지를 침지시켜 가성소다 용액의 웨트픽업이 70%가 되도록 처리한 후 저장 롤에 권취한 후 20℃에서 24hr 에이징처리한 후 수세조에서 수세하여 잔류 알칼리를 제거하고 섬유를 건조시켰다. 이러한 검화 공정을 통해 초기 셀룰로오스 디아세테이트 섬유 중량대비 감량율이 40%인 셀룰로오스 섬유를 얻을 수 있었다.

원료 섬유와 검화에 의해 감량된 섬유를 각각 적외선 분광 스펙트럼으로 분석한 결과 원료로 사용된 디아세테이트 섬유는 1760cm^-1에서 아세틸기의 카르보닐 밴드가 크게 나타나는 반면 실시예1의 섬유는 1760cm^-1의 카르보닐 밴드가 완전히 사라지고 3400cm^-1의 히드록시기 스트레칭(Hydroxy Stretching)이 증가하여 모든 아세틸기가 히드록시기로 치환되었음을 알 수 있었으며, 미세 크림는 비디오마이크로스코프를 사용하여 섬유의 표면을 측정하여 형성되지 않은 것을 확인할 수 있었다.

표 1에 실시예 1및 비교예 1에 의해 제조된 섬유의 표면 검화 감량율 차이에 의한 강도, 신도 및 크림프 형성 차이를 비교하였다.

	표면검화감량률(%)	강도(g/de)	신도 (%)	크림프수(개/m)
실시예 1-1	5	1.39	42	9,400
실시예 1-2	10	1.38	44	9,800
실시예 1-3	15	1.35	45	9,500
실시예 1-4	20	1.30	46	9,000
비교예 1	0	1.40	38	0

상기한 실험결과로부터 명백하게 되는 바와 같이, 본 발명에 의해 셀룰로오스 디아세테이트 섬유로부터 표면검화 및 효소분해에 의한 표면 셀룰로오스부분 제거, 열수처리공정에 의한 미세크림프 형성공정과, 알칼리 처리에 의해 셀룰로오스 화된 섬유는 기존의 비스코스 레이온 섬유와 화학적 구조 및 물리적 특성이 유사한 값을 가지면서 기존의 비스코스 레이온 섬유에서 기대할 수 없는 우수한 드레이프성, 신축성 및 부품성을 갖게 된다.

도 1은 비교예 1에 의해 제조된 시료의 표면사진이고,

도 2는 실시예 1-2에 의해 제조된 시료의 표면사진이다.

Claims (6)

1. 치환도 2.0 ~ 2.75의 셀룰로오스 디아세테이트를 적어도 일부 함유하는 섬유 또는 섬유제품을 알칼리에 의해 섬유 표면을 검화시킨 후 셀룰로오스 분해효소를 사용하여 검화부위를 제거하고 열처리함으로써 셀룰로오스 디아세테이트 섬유에 크림프를 부여하는 공정과, 크림프가 부여된 셀룰로오스 디아세테이트 섬유를 알칼리 처리하여 셀룰로오스 섬유로 전환시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 권축성 셀룰로오스 섬유의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 셀룰로오스 디아세테이트 섬유의 셀룰로오스화를 위한 알칼리 처리시 셀룰로오스 디아세테이트 섬유의 전체 아세틸기중 75% 이상을 히드록시기로 전환시키는 것을 특징으로 하는 권축성 셀룰로오스 섬유의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 표면검화 공정 조건이 알칼리처리 농도 5 - 20%, 처리온도 50 - 100℃이고, 검화부위 제거 공정 조건이 효소 농도 1 - 20g/L, 에이징 시간 1 - 48hr이며, 열수처리 온도 96℃ 이상인 것을 특징으로 하는 권축성 셀룰로오스 섬유의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 셀룰로오스화 공정 조건이 알칼리 처리농도 20 - 53%, 계면활성제 0.5g/L이상, 처리온도 20 - 70℃, 에이징 시간 1 - 48hr인 것을 특징으로 하는 권축성 셀룰로오스 섬유의 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서, 셀룰로오스화 공정에서 알칼리 처리시 첨가하는 계면활성제가 폴리에틸렌글리콜형 비이온 계면활성제, 다가 알코올형 비이온 계면활성제, 음이온 계면 활성제, 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 권축성 셀룰로오스 섬유의 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서, 크림프 부여 공정시 알칼리 처리와 셀룰로오스화 공정시 알칼리 처리에 콜드패드배치법을 이용하는 것을 특징으로 하는 권축성 셀룰로오스 섬유의 제조방법.