KR100897378B1 - 온도 상승에 따라 투습방수특성을 갖는 섬유로 제직된투습방수직물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수증기는 투과시키고, 물방울은 투과시키지 않는 투습방수직물에 관한 것이다. 본 발명의 투습방수직물은 온도 상승에 따라 투습방수특성을 갖는 섬유로 제직된 의류용 투습방수직물로서. 2작용성 이소시아네이트, 2작용성 폴리올 및 활성수소기를 함유한 2작용성 사슬연장제로 중합된 폴리우레탄 섬유로 제직되고, 상기 폴리우레탄 섬유의 소프트 세그먼트의 융점(Tm)이 15 내지 40℃인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 투습방수직물의 투습방수특성은 온도 상승시 고분자의 프리 볼륨(free volume)이 증가하여 투습방수특성이 자체적으로 발현되는 섬유에 의해 구현된다. 이에 따라, 본 발명의 투습방수직물은 초극세사를 이용하여 제직하거나 직물 표면에 다공성 막을 형성하지 않고도 투습방수특성을 나타낸다. 또한, 저온에서의 방풍 및 보온효과가 우수하며, 더위를 느낄 수 있는 고온에서는 방수성을 유지하면서도 땀과 열이 용이하게 방출된다.

Description

온도 상승에 따라 투습방수특성을 갖는 섬유로 제직된 투습방수직물{A waterproof and breathable fabric manufactured by fiber having temperature-dependent waterproof and breathable properties}

본 발명은 수증기는 투과시키고, 물방울은 투과시키지 않는 투습방수직물에 관한 것이다.

최근, 수증기는 투과시키고 물방울은 투과시키지 않는, 이른바 투습방수직물을 이용한 다양한 제품이 각광을 받고 있다. 투습방수직물은 빗물 등 외부에서 유입되는 물기는 차단하고, 인체에서 배출된 땀을 수증기의 형태로 외부로 방출함으로서, 체온을 적절히 유지하면서 쾌적한 상태를 지속시킨다. 이에 따라, 투습방수직물은 스포츠용 의류 뿐만 아니라, 장갑, 텐트, 침낭커버, 스패츠, 오버미턴 등 다양한 분야에 이용되고 있다.

투습방수직물을 제조하는 통상적인 방법으로는 크게 다음의 두가지 방법을 들 수 있다.

첫째, 원형 또는 이형 단면을 갖는 초극세사를 이용하여 경위밀도를 최대극한에 도달하도록 조절하고, 여기에 선택적으로 발수제로 발수처리 가공(water repellent finish process) 및 가열압착(hot press) 처리하여 조직 사이의 틈을 최소한으로 함으로서, 섬유와 섬유 사이의 공간 크기가 수증기 크기와 물방울 크기 사이로 조절하여 직물에 투습방수성을 부여하는 방법이다.

이 방법에 따르면, 직물 표면에 별도의 투습방수 기능을 갖는 막을 형성하지 않아도 되므로, 감촉이 부드러워 의류용으로 적합하다는 장점이 있으나, 초극세사를 이용함에 따른 제조공정상의 문제점 외에 양호한 투습방수성 부여를 위해 섬유들 사이의 공간 크기를 세밀히 조절해야 하는 어려움이 있다.

둘째, 직물 표면에 투습방수성을 갖는 막을 코팅하거나 투습방수성을 갖는 필름을 라미네이팅하는 방법이 있다.

라미네이팅 방법은 이형지 위에 수지를 코팅하여 친수무공형 혹은 다공질의 필름을 제조한 후, 이를 접착제로 원단과 접합시켜서 투습방수직물을 제조하는 방식이다. 라미네이팅 방식은 코팅방법에 비해 원단 본래의 촉감을 저하시키는 정도가 덜하다는 장점과, 고기능성(특히 고내수압)을 발현하기가 용이하다는 장점이 있다. 현재 투습방수직물의 제조에 있어서 가장 활발한 기술개발이 이루어지고 있는 분야가 바로 라미네이팅 방식이며, 고어-텍스(GORE-TEX), 미크로-텍스(MICRO-TEX), 바이온 2(BION 2), 심파 텍스(SYMPA-TEX) 등의 상품명으로 판매되고 있다. 필름제조의 원료는 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리우레탄-에스테르공중합제 등으로 다양해지고 있으며, 필름 제조 방식 또한 기존의 이형지상 코팅에 의해서 제조되던 것에 비해 블로윙(Blowing)에 의한 대량 제조방식으로 전환되고 있다. 그리고 합포에서는 용제형 접착제를 사용하던 것을 반응형 폴리우레탄 핫멜트를 적용하여 접착강 도 향상, 품질균일성 향상, 생산성 향상, 환경문제 해결 등을 추구하고 있다.

라미네이팅 방식의 주요한 기술은 고기능성 박막 필름을 균일하게 제조하는 것인데, 이에 따라 설비의 정밀화, 작업환경의 청정화가 요구된다는 단점이 있다.

라미네이트팅 방식이 필름을 직물에 접착하는 방식인데 비하여, 코팅 방식은 직물에 투습방수성을 갖는 막을 코팅하여 투습방수성을 부여하는 방식이다. 하이파론(HYPALON), 엔트란트(ENTRANT), 윅 코트(WICK COAT), 레포라(LEPORA) 등의 상품명으로 판매되고 있다. 일반적으로 라미네이팅 방식의 제품에 비해 투습성은 떨어지나 방수 방풍 성능은 엇비슷하며, 비교적 가격이 저렴하다는 장점이 있다.

이와 같이, 전술한 구조의 통상적인 투습방수직물들은 각각의 장점이 존재하나, 제조공정이 복잡하거나 직물 고유의 촉감을 살리기 어렵다. 더욱이, 이러한 종래의 투습방수직물들은 저온에서도 투습방수 기공이 형성되어 있으므로, 저온에서의 방풍 및 보온효과에 한계가 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 문제점을 해결하여, 온도 상승시 고분자의 프리 볼륨(free volume)이 증가하여 투습방수특성이 자체적으로 발현되는 섬유를 이용하므로서, 저온에서의 방풍 및 보온효과가 우수하며, 더위를 느낄 수 있는 고온에서는 방수성을 유지하면서도 땀과 열이 용이하게 방출되는 투습방수직물을 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 투습방수직물은 온도 상승에 따라 투습방수특성을 갖는 섬유로 제직된 의류용 투습방수직물로서. 2작용성 이소시아네이트, 2작용성 폴리올 및 활성수소기를 함유한 2작용성 사슬연장제로 중합된 폴리우레탄 섬유로 제직되고, 상기 폴리우레탄 섬유의 소프트 세그먼트의 Tm이 15 내지 40℃인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 투습방수직물에 있어서, 폴리우레탄 섬유 제조에 사용되는 2작용성 이소시아네이트는 4,4-메틸렌 디페닐 디이소시아네이트이고, 상기 2작용성 폴리올은 폴리(카프로락톤 디올)이고, 상기 활성수소기를 함유한 2작용성 사슬연장제는 1,4-부탄 디올인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 투습방수직물은 발수처리되는 것이 바람직하며, 커버링사를 이용하여 폴리우레탄 섬유의 표면을 커버링하여 투습방수직물을 제조할 수도 있다.

본 발명에 따른 투습방수직물의 투습방수특성은 온도 상승시 고분자의 프리 볼륨(free volume)이 증가하여 투습방수특성이 자체적으로 발현되는 섬유에 의해 구현된다. 이에 따라, 본 발명의 투습방수직물은 초극세사를 이용하여 제직하거나 직물 표면에 다공성 막을 형성하지 않고도 투습방수특성을 나타낸다. 또한, 저온에서의 방풍 및 보온효과가 우수하며, 더위를 느낄 수 있는 고온에서는 방수성을 유지하면서도 땀과 열이 용이하게 방출된다.

이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 구체적인 실시 예를 들어 설명하고, 필요한 경우에는 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명의 투습방수직물은 온도 상승에 따라 투습방수특성을 갖는 섬유로 제직된 의류용 투습방수직물로서. 2작용성 이소시아네이트, 2작용성 폴리올 및 활성수소기를 함유한 2작용성 사슬연장제로 중합된 폴리우레탄 섬유로 제직되고, 상기 폴리우레탄 섬유의 소프트 세그먼트의 융점(Tm)이 15 내지 40℃인 것을 특징으로 한다.

일반적으로, 고분자는 이차전이온도(Tg)를 임계적으로 하여 고분자의 프리 볼륨(free volume)이 증가하는 것으로 알려져 있다. 특히, 2작용성 이소시아네이트, 2작용성 폴리올 및 활성수소기를 함유한 2작용성 사슬연장제로 중합된 폴리우레탄은 풍부한 소프트 세그먼트와 강한 분자간결에 의해 결정구조를 갖는 하드 세그먼트로 이루어진 블록 공중합체로서, Tg가 낮아 양호한 공기 투과성을 보인다. 그러나, 폴리우레탄의 Tg 이상의 온도에서 고분자의 프리 볼륨(free volume)이 증 가하더라도 수증기를 원활히 투과시킬 정도로 고분자의 프리 볼륨이 증가되는 것은 아니다.

만일 온도가 폴리우레탄의 Tg를 넘어 소프트 세그먼트의 Tm 이상에 도달하면, 소프트 세그먼트의 결정영역이 용융되어 제한적이었던 고분자의 분자운동이 더욱 자유롭게 된다. 이에 따라 쇼프트 세그먼트의 Tm을 경계로 하여 폴리우레탄 고분자의 프리 볼륨이 급증하게 되므로, 수증기의 투과가 원활하게 된다. 즉, 폴리우레탄 고분자 자체가 투습방수특성을 나타낸다.

본 발명자들은 온도 변화에 따른 폴리우레탄 고분자의 이러한 성질을 확인하고, 폴리우레탄을 이용하여 제조한 섬유의 소프트 세그먼트의 Tm을 15 내지 40℃가 되도록 조절하면, 이러한 폴리우레탄 섬유로 제직한 직물이 투습방수의 성질이 요구되는 온도인 15 내지 40℃의 범위에서 투습방수성을 나타낼 수 있게 됨에 착안하여 본 발명을 완성하였다.

소프트 세그먼트의 Tm은 폴리우레탄 중합시 사용되는 원료인 2작용성 이소시아네이트, 2작용성 폴리올 및 활성수소기를 함유한 2작용성 사슬연장제의 종류와 몰비를 선택하므로서 조절할 수 있다.

일반식 OCN-R-NCO로 표시된 분자구조를 갖는 2작용성 이소시아네이트로는, 알킬분자 내에 페닐 고리를 지니거나 지니지 않은 각종 화합물을 사용할 수 있으며, 예를들어, 톨루엔 2,4-디이소시아네이트, 4,4-메틸렌 디페닐 디이소시아네이트, 카르보디이미드변성 4,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트, 헥사메틸렌 디이소시아네이트를 들 수 있다. 바람직하게는 4,4-메틸렌 디페닐 디이소시아네이트를 사용 한다.

일반식 HO-R'-OH로 표시된 분자구조를 갖는 2작용성 폴리올 즉, 디올로는 폴리(카프로락톤 디올), 폴리프로필렌글리콜, 1,4-부탄글리콜 아디페이트, 폴리테트라메틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 프로필렌 옥시드를 첨가한 비스페놀 A 등을 들 수 있는데, 바람직하게는 폴리(카프로락톤 디올)을 사용한다.

일반식 HO-R"-OH로 표시된 분자구조를 갖으며, 활성수소기를 함유한 2작용성 사슬연장제로서는, 에틸렌글리콜, 1,4-부탄디올, 비스(2-히드록시에틸)히드로퀴논, 프로필렌옥시드를 첨가한 비스페놀 A등을 들 수 있는데, 1,4-부탄 디올을 사용하는 것이 바람직하다.

전술한 원료물질로부터 본 발명에 따른 폴리우레탄 고분자를 제조하는 방법으로는 공지의 벌크중합이나 용액중합법을 사용할 수 있으며, 3개의 성분을 동시에 중합반응시키는 원쇼트법을 사용할수도 있고, 이소시아네이트 성분과 폴리올성분으로부터 프레폴리머를 제조하고 사슬연장제를 프레폴리머속에 도입함으로써 사슬연장을 실행시키는 프레폴리머법을 사용할 수도 있다.

제조된 폴리우레탄 고분자는 용융방사법과 같은 통상적인 방사법을 거쳐 필라멘트로 제조할 수 있으며, 소프트 세그먼트의 Tm이 15 내지 40℃로 조절된 폴리우레탄 섬유는 잘 알려진 바와 같이 섬유 사이의 공간이 최소화되도록 경위사의 밀도를 조정하여 용이하게 투습방수직물로 제조할 수 있다. 투습방수직물 제조시, 직물의 촉감 개선을 위하여 본 발명의 목적을 저해하지 않는 한도 내에서 폴리우레탄 섬유의 표면을 커버링사를 이용하여 커버링 처리할 수도 있다.

제조된 투습방수직물은 실리콘계 발수제, 불소계 발수제, 왁스계 발수제, 지르코늄염계 발수제와 같은 공지의 발수처리제를 이용하여 선택적으로 발수처리할 수 있다. 통상적으로 발수처리 가공시 발수처리된 약제는 직물의 표층, 특히 경위사 사이의 틈에 존재하는데, 본 발명의 투습방수직물에 발수처리시, 경위사 사이의 틈에만 발수처리되면 충분하므로, 발수처리제의 처리량을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명의 투습방수직물은 발수처리되는 것이 바람직하며, 커버링사를 이용하여 폴리우레탄 섬유의 표면을 커버링하여 투습방수직물을 제조할 수도 있다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다.

<실시예>

1. 폴리우레탄의 합성

2작용성 이소시아네이트, 2작용성 폴리올 및 활성수소기를 함유한 2작용성 사슬연장제로서 각각 4,4-메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(MDI, 250g/mol), 폴리(카프로락톤 디올)(PCL, 4000g/mol) 및 1,4-부탄 디올(BD, 90g/mol)을 사용하고, 용매 및 촉매로서 N,N-디메틸 아세트아미드(DMAc) 및 디부틸틴 일라우에이 트(dibutyltin dilauate)를 사용하여, 원쇼트법으로 폴리우레탄을 합성하였다(MDI : PCL : BD의 몰비는 6 : 1 : 5임).

2. 폴리우레탄 섬유의 제조

폴리우레탄 섬유는 용융방사(melt spinning)하여 제조하였다. 방사시에 온도는 표 1에 나타낸 조건을 따라, 홀 크기(hole size)가 0.06 인치인 방사구에서 7.2g/min의 양으로 토출시켰다. 이어서, 74m/min의 속도로 권취하여 680 denier의 필라멘트를 얻었다(드래프트는 약 14)

	zone 1	zone 2	zone 3	zone 4(Die)
온도(℃)	200	205	210	215

<폴리우레탄 섬유의 소프트 세그먼트의 Tm 측정>

폴리우레탄 섬유의 소프트 세그먼트의 Tm은 시차주사열량계(DSC)를 이용하여 측정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 제조한 폴리우레탄 필라멘트사의 소프트 세그먼트의 Tm을 시차주사열량계(DSC)를 이용하여 측정한 결과를 도시한 그래프이다. 도 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 폴리우레탄 필라멘트사의 소프트 세그먼트의 Tm은 28.2℃로 나타났다.

<폴리우레탄 섬유의 투습도 측정>

폴리우레탄 섬유 자체의 투습도를 직접적으로 측정하기는 용이치 않으므로, 도 2에 도시된 방법에 따라 폴리우레탄 필라멘트사의 투습방수특성을 간접적으로 측정하였다.

도 2를 참조하면, 일정양(250g)의 증류수가 들어있는 용기(용기면적: 26880mm²)의 입구를 실시예의 폴리우레탄 고분자를 이용하여 제조한 필름(두께 : 약 0.3mm)으로 밀봉하고, 일정온도(28.2, 38, 48, 58℃)에서 24시간 경과한 후의 손실된 증류수의 양을 측정하였다.(참고: ASTM E 96).

투습도(water vapor permeabilty, g/mm²/24h)는 다음의 수힉식 1에 따라 계산하였다.

투습도 = (용기에 최초 투입된 증류수의 무게- 24시간 경과 후의 용기에 남은 증류수의 무게)/ 용기의 면적

도 3은 도 2의 측정방법을 이용하여 투습도를 측정한 결과를 도시한 그래프이다. 도 3의 결과를 참조하면, 폴리우레탄 고분자의 소프트 세그먼트의 Tm 온도에서 수증기가 투과되었음을 확인할 수 있다. 수증기의 투과도는 폴리우레탄 고분자의 소프트 세그먼트의 Tm 온도 이상으로 상승됨에 따라 증가하므로, 온도 상승에 따른 투습방수특성이 더욱 향상됨을 알 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하 는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조한 폴리우레탄 필라멘트사의 소프트 세그먼트의 Tm을 시차주사열량계(DSC)를 이용하여 측정한 결과를 도시한 그래프이고,

도 2는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조한 폴리우레탄 필라멘트사의 투습방수특성을 간접적으로 측정하기 위한 방법을 개략적으로 도시한 개략도이고,

도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조한 폴리우레탄 필라멘트사의 온도에 따른 투습방수특성을 도 2의 측정방법을 이용하여 측정한 결과를 도시한 그래프이다.

Claims (3)

1. 수증기는 투과시키고, 물방울은 투과시키지 않는 투습방수직물에 있어서,

   상기 투습방수직물은,

   2작용성 이소시아네이트, 2작용성 폴리올 및 활성수소기를 함유한 2작용성 사슬연장제로 중합된 폴리우레탄 섬유를 경사 및 위사로 하여 물방울이 섬유들 사이로 투과하지 않는 밀도로 제직되고,

   상기 폴리우레탄 섬유의 소프트 세그먼트의 Tm이 15 내지 40℃인 것을 특징으로 하는,

   온도 상승에 따라 투습방수특성을 갖는 섬유로 제직된 투습방수직물.
2. 제1항에 있어서,

   상기 2작용성 이소시아네이트는 4,4-메틸렌 디페닐 디이소시아네이트이고, 상기 2작용성 폴리올은 폴리(카프로락톤 디올)이고, 상기 활성수소기를 함유한 2작용성 사슬연장제는 1,4-부탄 디올인 것을 특징으로 하는,

   온도 상승에 따라 투습방수특성을 갖는 섬유로 제직된 투습방수직물.
3. 제1항에 있어서,

   상기 투습방수직물이 발수처리된 것을 특징으로 하는,

   온도 상승에 따라 투습방수특성을 갖는 섬유로 제직된 투습방수직물.

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