KR101171944B1 - 항균성 합성섬유 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 항균성 합성섬유에 관한 것으로, 항균성이 있는 항균성 식물 추출물 1종 이상을 선택하여 섬유 형성 고분자 물질과 혼합하여 200~300℃의 온도로 용융 방사하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 의한 항균성 합성섬유는 매우 우수한 항균성을 발휘함과 동시에, 지속적으로 항균성을 발휘한다. 또한 종래의 항균성 합성섬유보다 물성이 우수하여 일반 의생활 소재로 매우 적합하다.

Description

항균성 합성섬유 및 그 제조방법 {Antibacterial synthetic fiber and manufacturing method of the same}

본 발명은 항균성 합성섬유에 관한 것으로, 보다 상세하기로는 식물 추출물을 함유하는 항균성 합성섬유 및 그 제조방법에 관한 것이다.

합성섬유에 항균성을 부여하기 위하여 다양한 시도들이 있어 왔다. 그 주종이 항균성을 가지는 무기물질을 합성섬유에 포함시키는 것이었으며, 사용되는 무기물질은 맥반석, 옥, 운모, 은 나노 입자 등이다. 그러나 이러한 무기물질들은 섬유의 제조과정에서 방해물질로 작용하므로 미량 사용할 수밖에 없기 때문에 원하는 수준의 항균성을 부여하지 못하며, 특히 항균 효과가 우수하다고 알려진 은 나노 입자의 경우에는 위의 문제점 외에, 사용된 은 나노 입자가 섬유의 염색 가공 후에 섬유의 일광견뢰도에 악영향을 미쳐서 색상을 변하게 하는 문제점을 가지고 있다.

또한 미량 사용한다고 하더라도 사용된 무기물질들로 인하여 종래의 항균성 합성섬유는 일반 합성섬유보다 제반 물성이 열악하다는 문제점을 가지고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 항균성을 가진 식물 추출물 또는 정유를 이용하려는 시도들도 많이 있어 왔다.

그 대표적인 예로 한국등록특허 제10-0726409호, 한국등록특허 제10-0515808호 등과 같이 항균성을 가진 식물 추출물을 합성섬유에 직접 도포하여 고착시키는 방법을 들 수 있다. 그러나 이러한 방법으로 제조된 합성섬유는 도포된 식물 추출물이 세탁시 탈리되므로 지속적으로 효과를 발휘하지 못한다는 문제점이 있다.

위의 문제점을 해결하고자 식물 추출물 또는 정유를 합성섬유 내부에 포함시키는 방법들도 꾸준히 모색되어 왔다.

본 발명자들도 공개 특허 제 2000-0058680호와 같이 탈취 효과를 얻기 위하여, 목초액을 다공성이 있는 광물질 입자에 흡착시켜서 마스터 배치 칩으로 제조하려는 시도를 하였으나, 목초액 성분의 대부분이 수분이고 점성이 있어서 목초액과 광물질 입자를 혼합할 때 사용된 광물질 입자의 응집이 심하게 발생되어 마스터 배치 설비의 필터가 막히고, 수분에 의한 분해가 발생되어 폴리머의 점도 저하가 발생되는 등의 여러 가지의 이유로 마스터 배치 칩의 제조가 불가능하였다.

광물질 입자에 수분을 가하게 되면 광물질 입자의 응집이 발생하게 되며, 이를 방지하는 것은 원천적으로 불가능하다. 응집된 광물질 입자는 건조과정을 거치면서 덩어리 상태로 굳어지게 된다. 이 상태로는 사용이 불가능하며, 이를 재사용하기 위해서는 다시 핀밀이나 제트밀로 장시간에 걸쳐 정밀 분쇄를 반복하여 원하는 수준의 입도로 만들어야 하고 또한 입자들의 재응집을 막기 위하여 정밀 분쇄하여 해쇄시켜야 한다.

이와 같은 복잡한 공정을 거쳐 응집된 광물 입자를 재사용할 수 있기는 하지만 정밀 분쇄 및 해쇄과정에서 너무 많은 비용이 발생하게 되어 생산 코스트가 크게 증가하게 된다.

또한 이미 언급한 바와 같이 광물질은 섬유의 물성에 나쁜 영향을 미치므로 위와 같은 복잡한 공정을 거치더라도 얻어진 섬유의 물성이 열악하다는 문제점을 여전히 가지고 있다.

통상적인 섬유용 합성섬유의 용융 온도는 200~300℃이므로 용융 방사 전에 투입된 식물 추출물이나 정유는 휘발, 분해, 변질 등이 진행되어 제조가 불가능하거나 그 성능이 충분히 발휘되지 않는다는 문제점이 있다.

위의 문제점을 해결하기 위한 방법으로 한국특허 제10-0910241호 등에서 개시하고 있는 전기방사법을 들 수 있다. 이 특허에는 방사 온도를 낮추기 위하여, (a)식물성 천연 추출물 및 식물성 천연 정유로부터 선택되는 1종 이상의 성분, (b) 1종 이상의 섬유형성 고분자 및 (c) 상기 (a)성분 및 (b)성분을 용해할 수 있는 용매를 혼합한 방사용액을 전기방사 하는 방법이 개시되어 있다.

전기방사 원리는 컬렉터와 노즐 사이에 형성된 전기력에 의하여 노즐을 통하여 토출된 용액이 제트 스트림으로 변하고 제트 스트림에 포함된 용매가 불완전 영역에 도달한 후에 용매가 휘발되면서 순수한 나노섬유가 형성되도록 하는 것이다. 이 기술에 의하여 제반 종래기술들이 가진 문제점들은 대부분 해소되었다. 그러나 이 방법에 의하여 얻어진 섬유는 고분자 자체의 molecular orientation을 통한 강도 향상을 얻기 어렵기 때문에 mechanical property가 낮다는 문제점을 가지고 있다. 이런 이유로 전기방사법에 의하여 얻어진 섬유는 의류용 소재로는 사용될 수 없으며 산업용 특수 용도로만 제한적으로 사용되고 있다.

또한 전기방사법은 방사시 드롭이나 비드가 자주 발생하여 공정이 안정적이지 못할 뿐만 아니라, 생산코스트는 매우 높은 반면, 생산량은 매우 적다는 단점을 가지고 있다.

위의 문제점을 해결하기 위한 방법으로 US 2010/0221969 A1호에 게시된 방법을 들 수 있다. 여기에는 섬유의 향의 기능을 부여하기 위한 목적으로 식물성 정유를 마이크로캡슐에 넣은 후 방사 전에 고분자 물질과 혼합하여 방사하는 방법이 게시되어 있다. 그러나 이 방법은 마이크로캡슐 자체가 섬유의 물성을 떨어뜨리는 역할을 하며, 특히 합성수지의 용융방사 시에는 고분자 물질이 용융되어 방사되는 시점까지 받게 되는 고온 및 고압의 환경에서 마이크로캡슐 내부의 물질이 용출될 수 있으며, 이 경우는 고분자 물질의 물성에 악영향을 주어 제조공정상 이상이 발생할 수 있게 하는 커다란 문제점도 가지고 있다.

본 발명의 목적은 항균성 식물 추출물이 함유된 항균성이 우수한 합성섬유를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 지속적인 항균성을 가지는 합성섬유를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 항균 재현성이 우수한 합성섬유를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 의류용 소재로 사용이 가능한 항균성 합성섬유를 제공하는 것이다.

본 발명의 항균성 합성섬유의 제조방법은 항균성 식물의 추출물을 섬유 형성 고분자 물질에 함유시킨 후 통상의 방법으로 용융방사 하는 것을 특징으로 한다.

항균성 식물의 추출물을 섬유 형성 고분자 물질에 함유시키는 방법으로는 (i) 항균성 식물 추출물을 합성수지 칩에 코팅하고 건조시켜서 얻어진 칩을 통상의 방법으로 용융방사하는 방법과, (ii) 식물추출물을 첨가하여 마스터 배치 칩으로 제조 한 후 이 마스터 배치 칩 단독 또는 합성수지 칩과 혼합하여 통상의 방법으로 용융방사 방법, (iii) 중합공정 중 항균성 식물 추출물을 첨가하는 방법 등을 들 수 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

항균성을 가지는 식물은 매우 다양하며, 대부분의 식물들은 정도의 차이는 있으나 항균성을 가지고 있다.

하기에 나열된 항균성 식물들은 예로 든 것이며, 본 발명에서는 아래에 예시되지 않았더라도 항균성이 있는 식물은 모두 사용이 가능하다.

녹나무과, 측백나무과, 소나무과, 삼나무과, 두릅나무과, 녹차나무과, 동백나무과, 향나무과, 장미과, 허브과, 물푸레나무과(Oleaceae), 은행나무과, 인동과, 녹나무과, 아마과(亞麻科 Linaceae), 벼과(Poaceae), 운향과, 백합과, 연잎과, 꿀풀과, 국화과, 참나무과, 옻나무과 등의 잎이나 줄기, 꽃, 뿌리, 열매 또는 씨앗 등에서 추출한 식물 추출물과 나무에서 얻은 수액이나 진액 등은 뛰어난 항균성을 가지고 있음이 널리 알려져 있다.

이러한 식물 추출물의 유효성분이 열분해 또는 열화되지 않도록 하기 위하여 전기방사 등과 같은 다양한 방법들이 시도되었다는 사실은 이미 언급한 바와 같다.

그러나 본 발명자는 식물 추출물의 유효성분은 통상의 용융방사를 통해서도 완전히 열분해 또는 열화되지 않는다는 사실을 확인하게 되었다. 식물 추출물의 유효성분이 일부 열분해 또는 열화된다고 하더라도 일부가 잔존하여 항균성을 발휘한다면 산업상 매우 유용하며 본 발명자에 의하여 이러한 사실이 명백히 밝혀졌다.

유효성분의 일부가 잔존한다는 의미는 유효성분의 일부가 온전히 잔존한다는 의미와 유효성분 중의 일부 성분이 잔존한다는 의미를 포함한다. 예를 들면 고온에서 장시간 건조를 하여 고온의 용융방사와 염색공정 등을 거치면 식물 추출물 특유의 향은 소실되지만 항균특성은 그대로 유지되는 것을 들 수 있다.

본 발명에서 식물 추출물이라 함은 식물의 잎, 꽃, 줄기, 뿌리, 수액, 진액, 열매 또는 씨앗 등을 물로 끓여서 유효성분을 추출한 액 또는 식물을 태울 때 발생하는 연기를 냉각 및 응축시켜 얻어진 추출액 등을 의미한다.

항균성 식물에 물을 넣고 끓여서 추출한 추출액 중 수분은 건조 공정 또는 마스터 배치 제조 공정 등에서 없어지게 되고 약리 작용을 하는 유효 성분은 섬유 내에 존재하게 된다. 고형분 등과 같은 불순물은 여과를 통하여 걸러진다. 추출액은 충분히 농축되어야 하며 바람직하기로는 재료(항균성 식물)와 가한 물의 25~60% 이하, 보다 바람직하기로는 30~50% 정도의 무게로 감량이 될 때까지 가열하여 농축시키는 것이 좋다. 농축의 정도가 이 보다 적을 경우에는 추출액 내에 가연성 휘발 물질이 많이 잔존하여 연속공정이 어려울 뿐만 아니라, 얻어진 섬유의 물성도 매우 열악하다. 농축의 정도가 이 보다 많을 경우는 점도가 지나치게 높아져서 작업성이 떨어지며, 또한 지나친 농축으로 인하여 재료의 열화가 발생하게 된다. 바람직한 추출 온도는 110~150℃이며, 더욱 바람직하기로는 120~130℃이다. 이 범위 미만의 경우에는 추출 효율이 부족하며, 이 범위를 초과하게 되면 더 이상의 추출 효율의 증가는 없으며 추출시 발생되는 고압으로 인하여 공정의 위험성이 증가하게 된다.

재료(항균성 식물)과 최초 사용되는 물의 무게 비는 통상적인 약초를 다릴 때처럼 1 : 2~5의 비율이 적절하다.

식물의 유효성분을 용매로 추출한 다음, 건조 및 분쇄하여 얻어진 분말이나 식물 자체를 건조 및 분쇄하여 얻어진 분말 등은 본 발명에서는 사용이 불가능하다. 원하는 수준의 미분말을 얻기도 어려울 뿐만 아니라 방사 전의 건조과정이나 용융방사과정에서 심하게 열 열화되거나 타기 때문이다. 첨가된 식물 분말이 타버리게 되면 합성수지의 점도가 급격히 저하되어 방사 자체가 불가능하게 된다.

식물추출물을 기준으로 할 때 적절한 함량은 0.01~10.0중량%, 더욱 바람직하기로는 0.05~6.0중량%, 더욱 바람직하기로는 0.1~3.0중량%이다. 이 범위 미만의 경우에는 투입효과가 부족하며, 이 범위를 초과하더라도 더 이상의 효과 향상은 없고 섬유의 물성에 악영향을 끼치게 된다.

본 발명의 제조방법은 섬유 형성 고분자 물질에 항균성 식물의 추출물 0.01~10 중량%, 바람직하기로는 0.05~6.0중량%, 더욱 바람직하기로는 0.1~3.0중량%를 함유시켜 통상의 방법으로 용융방사하는 것으로 구성된다.

섬유 형성 고분자 물질에 항균성 식물의 추출물을 함유시키는 방법으로는 코팅법, 마스터 배치법, 중합법 등을 사용할 수 있음은 전술한 바와 같다.

코팅법 등에 있어서, 식물 추출물의 열화를 방지하기 위하여 저온 건조 또는 로타리 열풍건조 설비를 이용하여 건조하는 것이 바람직하다.

이상과 같은 제조방법에 의하여 제조된 본 발명의 합성섬유는 항균성 식물 추출액 또는 목초액의 유효성분을 0.01~3.0중량% 함유하며, 18시간 경과 균 항균율이 90% 이상으로 매우 우수한 항균성을 가진다.

본 발명의 항균성 합성섬유는 매우 우수한 항균성을 발휘함과 동시에, 지속적으로 항균성을 발휘한다. 또한 종래의 항균성 합성섬유보다 물성이 우수하여 일반 의생활 소재, 부직포 또는 산업용 소재로 아주 적합하며 또한 반복 세탁 후에도 항균성이 지속되고 피부 질환 및 항 알레르기 효과가 우수하여 유아 또는 환자용 기저귀로 효과적으로 사용될 수 있다. 한편, 칫솔모로 사용하여도 우수한 항균 효과를 발휘하게 된다.

도 1은 접종 후 18시간 후의 대조편과 시험편의 비교 사진이다.

(제조실시예 1)

* 연교 농축액의 제조

연교 파쇄 분말을 P.P 부직포 자루에 2Kg씩 담고 압력 약탕기에 8Kg을 넣은 다음, 물 20Kg을 넣고 130℃에서 3시간 끓인 후 유압기에서 가압하여 추출액 15Kg을 얻었다 이를 5미크론 필터에 2회 통과시키고 농축하여 5Kg의 여과된 농축액을 제조하였다.

이러한 단계를 반복하여 65Kg의 여과된 농축액을 제조하였다.

(제조실시예 2~4)

* 금은화, 은행잎, 계피 농축액의 제조

금은화, 은행잎, 계피껍질을 제조실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 여과된 농축액을 제조하였다.

(제조실시예 5~8)

제조실시예 1~4에 의하여 얻어진 각 추출물 2중량%를 폴리프로필렌 칩과 혼합하여 로타리 열풍건조기로 60℃에서 2시간 건조하여 코팅된 칩을 제조하였다.

코팅칩 2Kg을 사용하여 파이롯드 방사기로 방사온도 225℃에서 통상의 제조방법으로 방사하여 150데니어 28필라의 필라멘트사를 제조하였다.

(제조실시예 9)

제조실시예 1에 의하여 얻어진 추출물 3중량%를 나일론 칩과 혼합하여 로타리 열풍건조기를 사용하여 60℃에서 3시간 동안 건조하여 코팅된 칩 50Kg을 제조 하였다. 얻어진 코팅칩을 일반 나이론칩과 1 : 1의 비율로 혼합하여 통상의 방법으로 건조한 후 파이롯드 방사기에서 방사온도 235℃로 방사하여 150데니어 28필라의 나일론 필라멘트사를 제조 하였다.

(제조실시예 10)

여과된 참나무 목초액 2중량%를 폴리프로필렌 칩과 혼합하여 로타리 열풍건조기를 사용하여 60℃에서 3시간 동안 건조하여 코팅된 칩 50Kg을 제조 하였다. 코팅된 칩을 단독으로 2Kg을 사용하여 방사온도 225℃에서 통상의 제조 방법으로 방사하여 150데니어 28필라의 필라멘트사를 제조하였다.

(제조실시예 11)

제조실시예 1에 의하여 제조된 연교 추출물 농축액 65Kg과 폴리에스터 파쇄 칩 700Kg을 혼합하고 예비 건조시켜 마스터 배치 설비(트윈스크류 독일 W&P사)에서 용융온도 285℃로 용융 압출하여 마스터배치 칩 620Kg을 제조하였다. 이 마스터 배치 칩과 평균 고유점도 0.64의 통상의 폴리에스터 칩을 무게 비로 1 : 7의 비율로 혼합하여 방사하여 1.4D, 38mm의 스테플 화이버 4,080Kg을 제조 하였다.

이 화이버를 방적하여 40S/1 원사(방적사)를 생산한 후 S/J니팅을 편직한 후 이를 고압 염색기에서 정련, 염색, 쇼핑을 한 후 흡수유연제를 처리하여 텐타 공정을 거쳐 통상의 제조 방법에 의하여 시편을 얻었다.

(실시예 1~8)

제조실시예 5~10에 의하여 제조된 필라멘트사를 양말 형태로 제조하였으며, 이 편직물과 제조실시예 11에 의하여 얻어진 시편에 대하여 항균성 실험을 한 결과 아래의 표1과 같이 모두 18시간 경과 균 항균율이 90% 이상으로 매우 우수하였다. 시험방법은 아래와 같았다.

?시험방법 : KS K 0693 - 2006 준용

제조실시예 11에 의하여 얻어진 시편에 대해서는 추가로 슈퍼 박테리아인 MRSA균에 대한 항균성을 시험하였으며, 시험한 결과는 아래의 표 2와 같았으며, 시험조건은 아래와 같다. 접종 후 18시간 후의 대조편과 시험편의 비교 사진은 도 1과 같다.

* 시험균종 : Staphy lococcus aureus(MRSA) ATCC 33591

* 접종균액의 농도 : 1.2 × 10⁵ CFU/mL CFU

* 대조편 : 표준면포

* 비이온성 계면활성제 : Tween80, 접종균액에 0.05% 첨가

구분	시험균종	항균율
제조실시예5 (연교)	Staphylococcus aureus ATCC 6538(황색포도상구균)	99.9%이상
	Klebsiella pneumonia ATCC 4352(폐렴균)	99.9%이상
제조실시예6 (금은화)	Staphylococcus aureus ATCC 6538(황색포도상구균)	99.7%
	Klebsiella pneumonia ATCC 4352(폐렴균)	99.1%
제조실시예7 (은행잎)	Staphylococcus aureus ATCC 6538(황색포도상구균)	98.3%
	Klebsiella pneumonia ATCC 4352(폐렴균)	92.1%
제조실시예8 (계피)	Staphylococcus aureus ATCC 6538(황색포도상구균)	99.9%이상
	Klebsiella pneumonia ATCC 4352(폐렴균)	99.9%이상
제조실시예9 (연교)	Staphylococcus aureus ATCC 6538(황색포도상구균)	99.4%
	Klebsiella pneumonia ATCC 4352(폐렴균)	99.9%이상
제조실시예10 (목초액)	Staphylococcus aureus ATCC 6538(황색포도상구균)	99.9%이상
	Klebsiella pneumonia ATCC 4352(폐렴균)	99.9%이상
제조실시예11 (연교)	Staphylococcus aureus ATCC 6538(황색포도상구균)	99.9%이상
	Klebsiella pneumonia ATCC 4352(폐렴균)	99.9%이상
	Staphylococcus aureus(MRSA) ATCC 33591	99.9%이상

(비교예 1)

폴리에스테르 40s/1 방적사로 편직한 싱글저지 니팅 원단을 고압염색기에서 정련 염색 쇼핑을 한 후 탈수시킨 후 건조시켰다. 이어서 제조실시예 1에서 얻은 연교 추출물 5중량%를 유연제가 첨가된 물(95중량%)에 혼합하고, 여기에 원단을 침지시켜 망글을 통과시키고 텐타 공정을 거쳐 시료를 얻었다.

세탁 전 시료는 99.9%의 항균성을 나타냈으나 5회 세탁 후에는 항균성이 34% 이하로 현저하게 감소하였다.

(비교예 2)

목초액 20L에 다공성 광물입자 5Kg을 혼합하였으며, 이 때 광물 입자들의 응집이 발생하였다. 용융 방사를 위하여 목초액이 흡착된 광물 분말 2중량%를 폴리에스테르 칩과 혼합하여 130~160℃ 의 온도에서 6시간 동안 건조시켰으며, 건조 후에는 응집된 광물 입자들이 딱딱하게 굳어진 상태에서 덩어리가 되어 더 이상의 공정을 진행할 수가 없었다.

Claims (9)

1. 섬유 형성 고분자 물질에 항균성 식물의 물 추출액을 0.01~10 중량%를 함유시켜 통상의 방법으로 용융방사하는 항균성 합성섬유의 제조방법.
   
2. 제1항에 있어서, 항균성 식물의 물 추출액을 섬유 형성 고분자 물질에 함유시키는 방법이 항균성 식물의 추출액을 용융방사 전 섬유 형성 고분자 물질에 코팅하는 방법인 것을 특징으로 하는 항균성 합성 섬유의 제조방법.
   
3. 제1항에 있어서, 항균성 식물의 물 추출액을 섬유 형성 고분자 물질에 함유시키는 방법이 항균성 식물의 물 추출액을 섬유 형성 고분자 물질과 혼합하여 마스터 배치 칩으로 제조하는 방법인 것을 특징으로 하는 항균성 합성섬유의 제조방법.
   
4. 제1항에 있어서, 항균성 식물의 물 추출액을 섬유 형성 고분자 물질에 함유시키는 방법이 항균성 식물의 물 추출액을 섬유 형성 고분자 물질의 중합 단계에서 첨가하는 방법인 것을 특징으로 하는 항균성 합성섬유의 제조방법.
   
5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 섬유 형성 고분자 물질은 용융방사가 가능한 고분자 물질인 것을 특징으로 하는 항균성 합성섬유의 제조방법.
   
6. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 용융방사하여 부직포용으로 성형하는 것을 특징으로 하는 항균성 합성섬유의 제조방법.
   
7. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 항균성을 가지는 식물은 녹나무과, 측백나무과, 소나무과, 삼나무과, 두릅나무과, 녹차나무과, 동백나무과, 향나무과, 장미과, 허브과, 물푸레나무과(Oleaceae), 은행나무과, 인동과, 녹나무과, 아마과(亞麻科 Linaceae), 벼과(Poaceae), 운향과, 백합과, 연잎과, 꿀풀과, 국화과, 옻나무과 식물 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 항균성 합성섬유의 제조방법.
   
8. 제1항 내지 4항 중의 어느 한 항의 제조방법에 의하여 제조되며, 항균성 식물의 물 추출액의 유효성분을 0.01~3.0중량% 함유하는 것을 특징으로 하는 항균성 합성섬유.
   
9. 제8항에 있어서, 18시간 경과 균 항균율이 90% 이상인 것을 특징으로 하는 항균성 합성섬유.

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