KR100997960B1 - 온도제어형 고분자 마스터배치의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 온도제어형 코어-시쓰타입 복합섬유 - Google Patents

온도제어형 고분자 마스터배치의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 온도제어형 코어-시쓰타입 복합섬유 Download PDF

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Abstract

본 발명은 온도제어형 고분자 마스터배치의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 온도제어형 코어-시쓰 타입 복합섬유에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 온도제어형 고분자 마스터배치의 제조방법은 (ⅰ) 알칸계 탄화수소인 상변화물질(PCM)을 물이 담겨진 욕조에 첨가한 후 50~80℃로 가열하여 상기 상변화물질(PCM)을 액상화 시키는 공정; 및 (ⅱ) 폴리올레핀계 폴리머인 기질 폴리머를 상기와 같이 액상화된 상변화물질(PCM)에 첨가, 교반하여 상기 기질 폴리머 내에 상기 상변화물질(PCM)을 흡수시켜 상기 기질 폴리머를 상기 상변화물질(PCM)로 팽윤시키는 공정;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 코어- 시쓰 타입 복합섬유는 코어(core) 성분은 상기 방법으로 제조되어 폴리올레핀계 폴리머인 기질 폴리머 내에 알칸계 탄화수소인 상변화물질(PCM)이 흡수되어 팽윤된 상태인 고분자 마스터배치로 구성되며, 시쓰(sheath) 성분은 폴리에스테르 수지 또는 폴리아미드 수지로 구성된다.
본 발명의 온도제어형 코어-시쓰타입 복합섬유는 촉감, 드레이프성, 공기통풍성 및 세탁내구성 등의 물성저하 없이도 반영구적인 온도제어성능을 발현함과 동시에 코어 성분을 구성하는 상변화물질과 기질 폴리머 간의 혼화성이 뛰어나 복합방사공정중 코어 성분이 열분해 또는 열변형되어 가스상으로 분출되거나 탄화되어 방사성이 저하되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
온도제어형, 마스터 배치, 복합섬유, 상변화물질, 알칸계 탄화수수, 팽윤.

Description

온도제어형 고분자 마스터배치의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 온도제어형 코어-시쓰타입 복합섬유{Method of manufacturing a polymer masterbatch with temperature control function and a core-sheath type composite fiber with temperature control function manufactured by using the same}
본 발명은 온도제어형 고분자 마스터배치의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 온도제어형 코어-시쓰 타입 복합섬유에 관한 것이다.
보다 구체적으로 본 발명은 폴리올레핀계 폴리머인 기질 폴리머 내에 액상화된 알칼계 탄화수소인 상변화물질(Phase Change Material : 이하 "PCM"이라 한다)을 흡수시켜 상기 기질 폴리머를 상기 PCM으로 팽윤시켜 기질 폴리머와 PCM 간의 혼화성이 뛰어난 온도제어형 고분자 마스터 배치의 제조방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 코어(Core) 성분이 상기 방법으로 제조된 온도제어형 고분자 마스터배치로 구성되고, 시쓰(sheath) 성분이 폴리에스테르 수지 또는 폴리아미드 수지로 구성되어 촉감, 드레이프성, 공기통풍성 및 세탁내구성 등의 물성저하 없이도 반영구적인 온도제어성능을 발현함과 동시에 코어 성분을 구성하는 상변화물질과 기질 폴리머 간의 혼화성이 뛰어나 복합방사공정중 코어 성분이 열분해 또는 열변형되어 가스상으로 분출되거나 탄화되어 방사성이 저하되는 것을 효과적으 로 방지 온도제어형 코어-시쓰 타입 복합섬유에 관한 것이다.
미국특허 제6,077,597호 등에서는 상변화물질로 유기물질인 아크릴 또는 멜라민수지 등을 사용하여 마이크로캡슐 형태로 만들고 이를 우레탄이나 아크릴과 같은 바인더를 사용하여 섬유 또는 직물 표면에 코팅하는 방법을 게재하고 있다. 이러한 방법으로 제조된 섬유제품에 온도제어성을 부여하기 위해서는 일반적으로 섬유의 20중량%이상의 상변화물질을 코팅하여야 하며 이럴 경우 터치 및 드레이프성 등이 떨어지고 공기통풍성이 낮아지며 세탁내구성이 떨어지는 등의 단점을 가지고 있다.
한편, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 대한민국 공개특허 제2003-31699호 등에서는 원사를 용융방사할때 마이크로 캡슐 형태의 상변화물질(아크릴 또는 멜라민 수지 등)을 방사용액내에 투입하는 법을 게재하고 있다.
그러나, 상기 방법은 마이크로 캡슐의 크기 한계로 인해 방사시 사절이나 노즐막힘 등으로 생산성이 크게 떨어지는 문제가 있었다.
한편, 대한민국 공개특허 제2005-0117812호, 공개특허 제2007-0017572호 및 공개특허 2006-0014110호 등에서는 기질 폴리머와 상변화 물질을 2축 혼련기에서 균일하게 혼련하여 온도제어형 마스터배치를 제조하고, 복합방사시 상기와 같이 제조된 온도제어형 마스터배치를 코어 또는 도성분으로 사용하고 통상적인 열가소성 수지를 시쓰 또는 해성분으로 사용하여 온도제어형 복합섬유를 제조하는 방법을 게재하고 있다.
그러나, 상기 방법은 직물의 촉감, 드레이프성, 공기통풍성 및 세탁내구성을 저하시키는 문제를 해결할 수 있으나, 코어성분 또는 도성분을 이루는 상변화물질과 기질 폴리머 상호간의 혼화성이 나빠서 복합방사시 코어 성분이 열분해 또는 열변형되어 가스상으로 분출되거나 탄화되어 방사성이 저하되는 문제가 발생되었다.
구체적으로, 대한민국 공개특허 제2005-0117812호 및 대한민국 공개특허 제 2006-0014110호 등의 상기 종래방법에서는 폴리알킬렌글리콜-지방족산 공중합체, 카본수가 13~23개인 폴리에틸렌 유도체 및 인계 열안정제가 혼합된 상변화물질과 지방산 폴리에스테르 또는 폴리올레핀계 폴리머인 기질 폴리머를 통상적인 방법으로 단순히 혼련하여 온도제어형 마스터배치를 제조하기 때문에 상기 상변화물질과 기질 폴리머는 단순히 혼합된 상태라서 상호간의 혼화성이 저하되고, 그로 인해 복합방사시 코어성분이 열분해 또는 열변형되어 가스상으로 분출되거나 탄화되어 방사성이 저하되는 문제가 발생되었다.
본 발명의 과제는 상기 문제점들을 해결할 수 있도록 반영구적인 온도제어성을 구비하면서도 복합방사시 코어성분의 열분해 또는 열변형 등으로 방사성이 저하되지 않는 온도제어형 마스터배치와 이를 이용한 온도제어형 코어-시쓰 타입 복합섬유를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에서는 상기 과제를 달성하기 위해서 상변화물질(PCM)로 알칸계 탄화 수소를 사용하고, 기질 폴리머로 폴리올레핀계 폴리머를 사용하여 상기 상변화물질(PCM)을 액상화 시킨 다음, 액상화된 상변화물질(PCM)에 상기 기질 폴리머를 첨가, 교반하여 기질 폴리머 내에 상변화물질(PCM)을 흡수시켜 기질 폴리머를 상변화물질(PCM)으로 팽윤시키는 방법으로 온도제어형 고분자 마스터배치를 제조함으로서 기질 폴리머와 상변화물질(PCM) 상호간의 혼화성을 개선한다.
또한, 본 발명에서는 상기와 같이 제조된 온도제어형 고분자 마스터배치를 코어 성분으로 사용하고, 폴리에스테르 수지 또는 폴리아미드 수지를 시쓰 성분으로 사용하여, 이들을 복합방사하여 반영구적인 온도제어성능을 구비한 온도제어형 코어-시쓰 타입 복합섬유를 코어성분의 열분해 등으로 인한 방사성 저하가 없이도 제조한다.
본 발명에 따른 온도제어형 코어-시쓰 타입 복합섬유는 촉감, 드레이프성, 공기통풍성 및 세탁내구성 등의 물성저하 없이도 반영구적인 온도제어성능을 발현함과 동시에 코어 성분을 구성하는 상변화물질과 기질 폴리머 간의 혼화성이 뛰어나 복합방사공정중 코어 성분이 열분해 또는 열변형되어 가스상으로 분출되거나 탄화되어 방사성이 저하되는 것을 효과적으로 방지 할 수 있다.
또한, 본 발명으로 제조된 온도제어형 고분자 마스터배치는 이를 구성하는 상변화물질(PCM)과 기질 폴리머 간의 혼화성이 뛰어 복합방사시 공정성이 양호하다.
이하, 첨부한 도면 등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 온도제어형 고분자 마스터배치의 제조방법은 (ⅰ) 알칸계 탄화수소인 상변화물질(PCM)을 물이 담겨진 욕조에 첨가한 후 50~80℃로 가열하여 상기 상변화물질(PCM)을 액상화 시키는 공정; 및 (ⅱ) 폴리올레핀계 폴리머인 기질 폴리머를 상기와 같이 액상화된 상변화물질(PCM)에 첨가, 교반하여 상기 기질 폴리머 내에 상기 상변화물질(PCM)을 흡수시켜 상기 기질 폴리머를 상기 상변화물질(PCM)로 팽윤시키는 공정;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 온도제어형 코어-시쓰 타입 복합섬유는 코어(core) 성분은 상기의 방법으로 제조되어 폴리올레핀계 폴리머인 기질 폴리머 내에 알칸계 탄화수소인 상변화물질(PCM)이 흡수되어 팽윤된 상태인 온도제어형 고분자 마스터배치로 구성되며, 상기 시쓰(sheath) 성분은 폴리에스테르 수지 및 폴리아미드 수지 중에서 선택된 1종의 수지로 구성되는 것을 특징으로 한다.
다음으로, 온도제어형 고분자 마스터배치를 제조하는 방법에 대하여 살펴본다.
먼저, 알칸계 탄화수소인 상변화물질(PCM)을 물이 담겨진 욕조에 첨가한 후 50~80℃로 가열하여 상기 상변화물질(PCM)을 액상화 시키는 공정을 거져 상기 상변화물질(PCM)을 액상화 한다.
이때, 상기 상변화물질(PCM) : 기질 폴리머의 첨가 중량비율을 10~50 : 90~50으로 조절하는 것이 바람직하다.
상변화물질(PCM)이 상기 중량비율 범위보다 낮으면 외부온도에 따라 흡열과 발열을 일으키는 성능이 저하되어 결국 온도제어기능이 저하되고, 상기 중량비율 범위 보다 높으면 온도제어기능이 더 이상 향상되지도 않으면서 방사성이 저하될 수도 있다.
상기 상변화물질(PCM)은 주변의 온도가 상승하면 녹으면서 열을 흡수하고, 주변의 온도가 낮아지면 결정화하면서 열을 방출시키는 축열, 방열 특성을 반복적으로 나타내는 물질이다.
상기 상변화물질(PCM)인 알칸계 탄화수소의 탄소수는 13~30개인 것, 보다 바람직하기로는 n-파라핀인 것이 기질 폴리머와의 혼화성 개선 등에 더욱 바람직하다.
다음으로는, 폴리올레핀계 폴리머인 기질 폴리머를 상기와 같이 액상화된 상변화물질(PCM)에 첨가, 교반하여 상기 기질 폴리머 내에 상기 상변화물질(PCM)을 흡수시켜 상기 기질 폴리머를 상기 상변화물질(PCM)로 팽윤시키는 공정을 거쳐 본 발명에 따른 온도제어형 고분자 마스터배치를 제조한다.
이때, 액상화된 상변화물질(PCM)에 폴리올레핀계 폴리머인 기질 폴리머를 첨가한 후 2~10시간 동안 교반하는 것이 좋다.
상기 기질 폴리머인 올레핀계 폴리머는 폴리에틸렌 수지 또는 폴리프로필렌 수지인 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명에서 온도제어용 고분자 마스터배치의 기질 폴리머로 사용하는 폴리프로필렌 수지 분말의 전자현미경 사진이고, 도 3은 도 2의 폴리프로필렌 수지 분말에 n-파라핀(상변화물질)이 20중량% 흡수되어 팽윤된 상태를 나타내는 본 발명의 온도제어형 고분자 마스터배치의 전자현미경 사진이다.
본 발명에 따라 제조된 온도제어형 고분자 마스터배치는 도 3과 같이 상변화물질(n-파라핀)이 기질 폴리머(폴리프로필렌 수지)에 20중량% 흡수되어 팽윤된 상태를 나타낸다.
그로 인해, 본 발명에 따라 제조된 온도제어형 고분자 마스터배치는 상변화물질과 기질 폴리머가 단순히 혼합된 종래의 온도제어형 고분자 마스터배치와 비교시 상변화물질(PCM)과 기질 폴리머 상호간의 혼화성이 뛰어나며, 그 결과 복합방사시 코어 성분으로 사용되는 상기 온도 제어형 고분자 마스터배치가 열분해 또는 열변형되지 않아 방사성이 크게 향상된다.
다음으로는, 본 발명에 따른 코어-시쓰 타입 복합섬유 및 그의 제조방법에 대하여 살펴본다.
먼저, 본 발명에 따른 코어-시쓰 타입 복합섬유는 도 1과 같이 코어(core) 성분과 시쓰(sheath) 성분으로 구성된 단면을 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 코어-시쓰 타입 복합섬유의 단면개략도이다.
상기 코어(core) 성분은 앞에서 설명한 본 발명의 온도제어형 고분자 마스터배치의 제조방법으로 제조되어 폴리올레핀계 폴리머인 기질 폴리머 내에 알칸계 탄화수소인 상변화물질(PCM)이 흡수되어 팽윤된 상태인 온도제어형 고분자 마스터배치로 구성되며, 상기 시쓰(sheath) 성분은 폴리에스테르 수지 및 폴리아미드 수지 중에서 선택된 1종의 수지로 구성되는 것을 특징으로 한다
상기 코어(core) 성분을 구성하는 온도제어형 고분자 마스터배치는 폴리올레 핀계 폴리머인 기질 폴리머 50~90중량%와 상기 기질 폴리머 내에 흡수되어 있는 알칸계 탄화수소의 상변화물질(PCM) 10~50중량%로 구성되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 코어-시쓰 타입 복합섬유는 코어-시쓰 타입 복합섬유를 복합방사하는 통상의 방법에 있어서 코어(core) 성분으로 앞에서 설명한 본 발명의 온도제어형 고분자 마스터배치를 사용하고, 시쓰(Sheath) 성분으로 폴리에스테르 수지 또는 폴리아미드 수지를 사용하여 제조할 수 있다.
이와 같이 제조된 본 발명의 온도제어형 코어-시쓰 타입 복합섬유는 촉감, 드레이프성, 공기통풍성 및 세탁내구성 등의 물성저하 없이도 반영구적인 온도제어성능을 발현함과 동시에 코어 성분을 구성하는 상변화물질과 기질 폴리머 간의 혼화성이 뛰어나 복합방사공정중 코어 성분이 열분해 또는 열변형되어 가스상으로 분출되거나 탄화되어 방사성이 저하되는 것을 효과적으로 방지한다.
이하, 실시예 및 비교실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 살펴본다.
그러나, 본 발명의 보호범위는 하기 실시예로만 국한되는 것은 아니다.
실시예 1
탄소수가 15개인 알칸계 탄화수소인 상변화물질(PCM)을 물이 담겨진 욕조에 첨가한 후 60℃로 가열하여 상기 상변화물질(PCM)을 액상화시킨 다음, 상기와 같이 액상화된 상변화물질(PCM)에 폴리에틸렌수지인 기질 폴리머를 상기 상변화물질(PCM):기질 폴리머의 중량비율이 15:85가 되도록 첨가한 후 4시간 동안 교반하여 상기 기질 폴리머 내에 상기 상변화물질(PCM)을 흡수시켜 기질 폴리머를 상변화물질로 팽윤되도록하여 온도제어형 고분자 마스터배치를 제조하였다.
다음으로는, 통상의 코어-시쓰형 복합방사 노즐 내에 상기와 같이 제조된 온도제어형 고분자 마스터배치를 코어 성분으로 공급함과 동시에 폴리에스테르 수지를 시쓰 성분으로 공급하여 복합방사한 다음, 복합방사된 사조를 80℃의 연신온도 및 2.0의 연신비로 연신 후 권취하여 온도제어형 코어-시쓰형 복합섬유를 제조하였다.
다음으로, 제조된 온도제어형 코어-시쓰형 복합섬유를 경사 및 위사로 사용하여 능직의 직물을 제조하였다.
복합방사시 방사성, 직물의 온도응답성 및 내세탁성을 측정한 결과는 표 1과 같았다.
실시예 2
탄소수가 18개인 알칸계 탄화수소인 상변화물질(PCM)을 물이 담겨진 욕조에 첨가한 후 70℃로 가열하여 상기 상변화물질(PCM)을 액상화시킨 다음, 상기와 같이 액상화된 상변화물질(PCM)에 폴리프로필렌수지인 기질 폴리머를 상기 상변화물질(PCM):기질 폴리머의 중량비율이 25:75가 되도록 첨가한 후 5시간 동안 교반하여 상기 기질 폴리머 내에 상기 상변화물질(PCM)을 흡수시켜 기질 폴리머를 상변화물질로 팽윤되도록하여 온도제어형 고분자 마스터배치를 제조하였다.
다음으로는, 통상의 코어-시쓰형 복합방사 노즐 내에 상기와 같이 제조된 온도제어형 고분자 마스터배치를 코어 성분으로 공급함과 동시에 폴리에스테르 수지를 시쓰 성분으로 공급하여 복합방사한 다음, 복합방사된 사조를 80℃의 연신온도 및 2.0의 연신비로 연신 후 권취하여 온도제어형 코어-시쓰형 복합섬유를 제조하였 다.
다음으로, 제조된 온도제어형 코어-시쓰형 복합섬유를 경사 및 위사로 사용하여 능직의 직물을 제조하였다.
복합방사시 방사성, 직물의 온도응답성 및 내세탁성을 측정한 결과는 표 1과 같았다.
비교실시예 1
분자량이 500인 폴리알킬렌글리콜 90중량%와 지방족공중합체 10중량%로 이루어진 폴리알킬렌글리콜-지방족산 공중합체인 상변화물질(PCM)과 폴리에틸렌테레프탈레이트인 기질 폴리머를 20:80의 중량비율로 2축 혼련기에서 단순히 혼련하여 온도제어형 고분자 마스터배치를 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 공정으로 온도제어형 코어-시쓰형 복합섬유 및 그의 직물을 제조하였다.
복합방사시 방사성, 직물의 온도응답성 및 내세탁성을 측정한 결과는 표 1과 같았다.
구분
 직물 물성 복합방사시 방사성
온도응답성(초) 내세탁성(초)
실시예 1 25 25 우수
실시예 2 20 20 우수
비교실시예 1 20 25 불량
표 1에 재된 각종 물성은 아래와 같은 방법으로 평가하였다.
· 직물의 온도응답성(초)
열화상 측정기를 사용하여 인체피부와의 상호작용에 의해 37℃에서 33℃까지 온도변화에 걸리는 시간을 측정하였다.
·직물의 내세탁성(초)
중성세제를 사용하여 40℃에서 5회 세탁한 후에 상기와 같이 온도응답성을 측정하였다.
·복합방사시 방사성
코어-시쓰형 복합섬유가 권취된 10kg의 풀-드럼(Full-Drum) 100개 생산시 발생되는 사절이 10개 이상이면 불량으로, 3~10개이면 보통으로, 2개 미만이면 우수로 구분, 판정하였다.
도 1은 본 발명에 따른 온도제어형 코어-시쓰 타입 복합섬유의 단면개략도.
도 2는 본 발명에서 온도제어용 고분자 마스터배치의 기질 폴리머로 사용하는 폴리프로필렌 수지 분말의 전자현미경 사진.
도 3은 도 2의 폴리프로필렌 수지 분말에 n-파라핀(상변화물질)이 20중량% 흡수되어 팽윤된 상태를 나타내는 본 발명의 온도제어형 고분자 마스터배치의 전자현미경 사진.
* 도면중 주요 부분에 대한 부호 설명
S : 시쓰성분 C : 코어성분

Claims (8)

  1. (ⅰ) 알칸계 탄화수소인 상변화물질(PCM)을 물이 담겨진 욕조에 첨가한 후 50~80℃로 가열하여 상기 상변화물질(PCM)을 액상화 시키는 공정; 및
    (ⅱ) 폴리올레핀계 폴리머인 기질 폴리머를 상기와 같이 액상화된 상변화물질(PCM)에 첨가, 교반하여 상기 기질 폴리머 내에 상기 상변화물질(PCM)을 흡수시켜 상기 기질 폴리머를 상기 상변화물질(PCM)로 팽윤시키는 공정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 온도제어형 고분자 마스터배치의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 액상화된 상변화물질(PCM)에 기질 폴리머를 상변화물질(PCM) : 기질 폴리머의 중량비율이 10~50 : 90~50이 되도록 첨가하는 것을 특징으로 하는 온도제어형 고분자 마스터배치의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 알칸계탄화수소는 탄소수가 13~30개인 것을 특징으로 하는 온도제어형 고분자 마스터배치의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 액상화된 상변화물질(PCM)에 폴리올레핀계 폴리머인 기질 폴리머를 첨가 후 2~10시간 동안 교반하는 것을 특징으로 하는 온도제어형 고분자 마스터배치의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 올레핀계 폴리머인 기질 폴리머는 폴리에틸렌 수지 및 폴리프로필렌 수지 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 온도제어형 고분자 마스터배치의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 알칸계 탄화수소인 상변화물질(PCM)은 n-파라핀인 것을 특징으로 하는 온도제어형 고분자 마스터배치의 제조방법.
  7. 코어(core) 성분과 시쓰(sheath) 성분으로 이루어진 코어-시쓰형 복합섬유에 있어서, 상기 코어(core) 성분은 제1항의 방법으로 제조되어 폴리올레핀계 폴리머인 기질 폴리머 내에 알칸계 탄화수소인 상변화물질(PCM)이 흡수되어 팽윤된 상태인 온도제어형 고분자 마스터배치로 구성되며, 상기 시쓰(sheath) 성분은 폴리에스테르 수지 및 폴리아미드 수지 중에서 선택된 1종의 수지로 구성되는 것을 특징으로 하는 온도제어형 코어-시쓰 타입 복합섬유.
  8. 제7항에 있어서, 상기 코어(core) 성분을 구성하는 온도제어형 고분자 마스터배치는 폴리올레핀계 폴리머인 기질 폴리머 50~90중량%와 상기 기질 폴리머 내에 흡수되어 있는 알칸계 탄화수소의 상변화물질(PCM) 10~50중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 온도제어형 코어-시쓰 타입 복합섬유.
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