KR101232113B1 - 수용성 또는 수분산성 바인더를 이용한 케이폭 섬유 부직포 및 그 제조방법 - Google Patents

수용성 또는 수분산성 바인더를 이용한 케이폭 섬유 부직포 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 케이폭 섬유를 수분산성 바인더와 혼합하여 제조된 부직포를 제공한다. 본 발명의 케이폭 섬유 부직포는 섬유의 절단에 따른 비산이 없고, 형태안정성이 우수하며, 나아가, 흡음성도 우수하다. 따라서 본 발명의 부직포는 자동차, 선박, 비행기 등 수송수단의 흡음재, 건축 및 각종 산업용 흡음재, 기름 흡착포, 분리막, 보온재, 침구 및 침장구류, 구명조끼 등 형태 안정성을 갖는 모든 충진재로 이용될 수 있다.

Description

수용성 또는 수분산성 바인더를 이용한 케이폭 섬유 부직포 및 그 제조방법 {Kapok Nonwoven Using Water Soluble or Water Dispersible Binder and Manufacturing Method Thereof}
본 발명은 케이폭 섬유 부직포 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 케이폭 섬유를 수용성 또는 수분산성 바인더와 혼합하여 제조됨으로써 높은 형태안정성과 흡음성 및 보온성을 갖는 케이폭 섬유 부직포 및 그 제조방법에 관한 것이다
케이폭 섬유는 케이폭 나무의 종자모섬유로서, 원산지는 말레이지아이고, 현재는 하와이, 자바섬, 필리핀, 대만 등에서 주로 생산되고 있다. 상기 케이폭 섬유는 섬유장이 8 ~ 32mm, 굵기 30 ~35, 단면이 원형 내지 타원형인 중공상의 천연섬유이다. 상기 케이폭 섬유는 그 중공상의 특징으로 밀도가 0.30g/cc로 낮아, 면(밀도 1.54g/cc) 대비 1/5 정도의 초경량성이어서, 견과 같은 광택이 있다는 점 외에 가볍고 탄력이 있다는 특징이 있다. 또한, 양모수준의 보온성이 있으며 그 밖에 흡음, 흡유, 항균, 소취, 원적외선 방사 등의 특징이 있어 다양한 용도전개가 시도되는 천연섬유이다.
그러나, 상기 케이폭 섬유는 그 짧은 섬유장과, 세포벽이 얇아 카딩(carding) 등의 가공시에 쉽게 절단될 수 있다는 단점 때문에, 그 용도는 가구, 침장구류 충전재용, 구명복용 충진재 등 제한적으로만 활용되고 있을 뿐이어서, 케이폭 섬유를 부직포 등으로 제조하여 이를 보온, 흡음, 흡유재로서 활용하려는 노력이 다양하게 시도되어 왔다.
예를 들어, 특허문헌 1에는 케이폭 섬유를 이용한 흡음재가 개시되어 있다. 그러나, 상기 흡음재는 케이폭 섬유를 별다른 가공 없이 다공성(porous) 물질에 채워 넣은 것에 불과하다.
특허문헌 2에는 케이폭 섬유와 PP 섬유를 1:1로 혼방하여 제조한 부직포가 제조되어 이를 기름 제거용으로 활용한 예가 개시되어 있고, 특허문헌 3에는 케이폭 부직포/열가소성 또는 열경화성수지/케이폭 부직포로 구성된 흡음재가 개시되어 있다. 그러나, 상기 부직포들은 여전히 케이폭 섬유 가공이나 사용 시 섬유의 절단 및 그로 인한 비산 등의 문제를 전면적으로 해소한 것이라고 볼 수 없으며, 케이폭 섬유 사이에 접착력이 없기 때문에, 제조된 부직포의 형태안전성이 떨어진다는 문제점이 여전히 계속되고 있다.
이에, 본 발명자들은 수용성 또는 수분산성 바인더를 이용하여 케이폭 섬유들을 접착시키면, 상술한 선행기술들의 문제점인 절단섬유의 비산이나, 제조된 부직포의 형태안정성을 현저하게 개선하여 흡음재, 보온재, 충진재 등으로 사용할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
미국특허 제6,338,395호 대한민국 공개특허공보 제2009-117136호 대한민국 공개특허공보 제2006-13468호,
본 발명의 목적은 케이폭 섬유를 수용성 또는 수분산성 바인더와 혼합하여 제조됨으로써 높은 형태안정성과 흡음성을 갖는 부직포를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 부직포를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 부직포는 케이폭 섬유를 수용성 또는 수분산성 바인더와 혼합하여 제조된 것임을 특징으로 한다.
상기 케이폭 섬유는 길이 1 ~ 10mm의 단섬유인 것이 바람직하다.
상기 수용성 또는 수분산성 바인더는 수분산형 폴리우레탄, 수분산형 아크릴, 수분산형 폴리카보네이트, 폴리비닐알콜 및 카르복시메틸 셀룰로오스로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나, 이들의 공중합물 또는 혼합물인 것이 바람직하다.
본 발명의 케이폭 섬유 부직포의 제조방법은 케이폭 섬유를 1 ~ 10mm의 케이폭 단섬유로 절단하는 단계; 상기 케이폭 단섬유, 수용성 또는 수분산성 바인더 및 계면활성제를 함께 분산용매와 혼합하여 분산액을 준비하는 단계; 및 상기 분산액을 초지기를 이용하여 웹을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 건조단계 후에 열접착하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 케이폭 섬유 부직포는 섬유의 절단에 따른 비산이 없고, 형태안정성이 우수하며, 나아가, 흡음성도 우수하다. 따라서 자동차, 비행기, 선박 등 수송기나 실내 건축재 등에 사용되는 흡음재로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 5에서 제조한 부직포를 500배 확대한 SEM 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 5에 따른 부직포에 대하여, 진동수(frequency) 변화에 따른 흡음계수(sound absorption coefficient)의 변화를 측정한 그래프이다.
본 발명의 부직포는 케이폭 섬유를 수용성 또는 수분산성 바인더와 혼합하여 제조된 것임을 특징으로 한다.
본 발명의 부직포에 사용되는 케이폭 섬유는 케이폭 나무(케이바 펜탄트라, Ceiba pentantra)의 열매로부터 얻어지는 천연섬유로서, 그 형상이 중공형이며, 저비중이며 흡음특성이 있다. 일명 자바섬유라고도 불리는 것으로서, 상기 케이폭 나무의 주산지는 자바, 수마트라, 인도, 태국 등이다. 다만, 본 발명의 부직포에 사용되는 케이폭 섬유는 자연에서 채취된 섬유를 그대로 사용할 수도 있으나, 1 ~ 10mm의 길이로 절단된 단섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 케이폭 섬유의 길이가 1mm에 이르지 못하는 경우에는 접착의 문제가 발생하여 강도가 저하되므로 바람직하지 못하고, 10mm를 초과하는 경우에는 섬유의 분산에 문제가 발생하여 부직포의 중량 및 두께의 균일성이 저하되는 문제점이 있다.
상기 수용성 또는 수분산성 바인더는 부직포를 형성한 단섬유간의 결합을 목적으로 사용된다. 이 목적의 수용성 또는 수분산성 바인더 수지는 구체적으로 친수성 단위를 함유하는 단독 중합체 또는 공중합체로서, 예를 들면 폴리우레탄, 폴리비닐 알코올(부분 비누화물을 포함), 폴리카보네이트, 카르복시메틸 셀룰로오스, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리(2-하이드록시에틸 아크릴레이트), 폴리(2-하이드록시 에틸 메타크릴레이트), 폴리(4-하이드록시부틸 아크릴레이트), 폴리(4-하이드록시부틸 메타크릴레이트), 폴리(글리코실록시에틸 아크릴레이트), 폴리(글리코실록시에틸 메타크릴레이트), 폴리비닐 메틸에테르, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리비닐 아세탈(부분 아세탈화물을 함유), 폴리에틸렌 이민, 폴리에틸렌 옥사이드, 스티렌-무수 말레산 공중합체, 폴리비닐 아민, 옥사졸린 그룹 함유 수용성 수지, 폴리에스테르계, 아크릴계 수지, 알키드계 수지, 폴리에테르계 수지, 멜라민계 수지, 셀룰로오스계 수지 등을 수용화 또는 수분산시킨 것을 사용할 수 있으며, 이들은 단독, 또는 2종 이상을 일정 비율로 혼합하거나 공중합하여 사용할 수 있다. 바람직하기로는 수분산형 폴리우레탄, 수분산형 아크릴, 폴리카보네이트, 폴리비닐알콜 및 카르복시메틸 셀룰로오스 중에서 선택되는 단독, 또는 2종 이상을 일정 비율로 혼합하거나 공중합한 것이 바람직하다.
한편, 상기 수용성 또는 수분산성 바인더는 분산용매에 1 ~ 10 중량%의 농도로 분산액을 제조하는 것이 바람직하다. 바인더 농도가 1중량% 미만인 경우, 바인딩 효과가 떨어져 케이폭 부직포 성형의 문제가 있으며, 10중량%를 초과인 경우 분산액의 점도가 급격히 증가하여 분산성이 떨어지고 케이폭의 고유물성이 저하되어 바람직하지 않다.
본 발명의 케이폭 부직포의 제조방법은 케이폭 섬유를 1 내지 10mm의 케이폭 단섬유로 절단하는 단계; 상기 케이폭 섬유를 수용성 수분산성 바인더 및 계면활성제를 함께 분산매와 혼합하여 분산액을 준비하는 단계; 및 상기 분산액을 초지기를 이용하여 웹을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 웹 형성단계 후에 열접착하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 제조방법의 각 단계에서 케이폭 단섬유와 수용성 또는 수분산성 바인더에 대하여는 앞서 설명한 바와 같다.
한편, 상기 계면활성제는 케이폭 섬유를 효과적으로 분산시키기 위한 목적으로 사용된다. 계면활성제를 첨가하지 않아도 케이폭 단섬유와 바인더 섬유를 분산시키는 것은 가능하나 계면활성제를 첨가해 줌으로써 케이폭 단섬유와 바인더 섬유를 빠르고 효과적으로 분산시킬 수 있다.
상기 계면활성제로는 양이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 비이온성 계면활성제, 양쪽성 계면활성제 중에서 하나 이상이 사용될 수 있다. 양이온성 계면활성제의 예로는 알킬트리메틸암모늄 또는 알킬트리에틸암모늄과 같은 알킬암모늄류, 알킬디메틸벤질암모늄염류, 인산아민염류 등이 있으며, 이때 알킬암모늄류로는 화학식 CnH2n +1N(CH3)3X (식 중, X는 OH, Cl, Br, HSO4 또는 OH 및 Cl의 조합이고, n은 8 내지 22의 정수이다) 및 화학식 CnH2n +1N(C2H5)3X (식 중, n은 12 내지 18의 정수이다)이 있다.
음이온성 계면활성제로는 알킬 설페이트(예를 들면, 화학식 CnH2n +1OSO3Na (식중, n은 12내지 18이다)), 알킬술포네이트(예를 들면, C12H25C6H4SO3Na), 아킬카르복실산(예를 들면, C17H25COOH, C14H25COOH)이 있고, 또한, 직쇄 또는 분지쇄 지방족 알콜 및 카르복실산의 폴리에톡시화 유도체의 설페이트; 알킬벤젠 또는 알킬나프탈렌 술포네이트 및 설페이트, 예컨대 소듐옥틸벤젠술포네이트; 알킬카르복실레이트, 예컨대 도데실카르복실레이트; 및 에톡시화 및 폴리에톡시화 알킬 및 아르알킬 알콜 카르복실레이트의 알칼리 금속 및 (알킬)암모늄 염이 사용될 수 있다.
양쪽성계면활성제로는 알라닌계, 이미다졸륨베타인계, 아미드프로필베타인계, 아미노디프로피온산염 등이 있다.
또한, 비이온성 계면활성제로는 폴리(에틸렌 옥사이드), (옥타에틸렌글리콜) 모노도데실 에테르 (C12EO8), (옥타에틸렌 글리콜) 모노헥사데실 에테르(C16EO8), 및 폴리(알킬렌 옥사이드)-폴리(프로필렌 옥사이드)-폴리(에틸렌 옥사이드)(PEO-PPO-PEO) 또는 역(PPO-PEO-PPO)을 포함한다.
케이폭 섬유는 그 섬유장이 짧고, 세포벽이 얇아 카딩(carding) 등의 가공시 쉽게 절단 될 수 있으며, 크림프가 없기 때문에 카딩(carding)이나 니들펀칭(needle punching) 공정을 통한 부직포 제조가 어렵기 때문에 케이폭 섬유에 손상을 주지 않고 부직포를 제조할 수 있는 습식(wet-laid)법을 선택하였다.
마지막으로, 본 발명의 케이폭 부직포 제조방법에서는 건조단계 후에 열접착하는 단계를 추가할 수 있는 바, 이는 부직포를 구성하는 단위 케이폭 섬유들이 수용성 또는 수분산성 바인더에 의하여 접착되는 것을 돕기 위함이며, 그 방법에 있어서는 특히 제한이 없어, 당업계에서 사용되는 통상의 가열 수단이면 족하다. 그 예로서는 칼렌더링(또는 더블벨트프레스), 열풍 방식의 접착, 초음파접착, 적외선 조사에 의한 접착 등이 있다.
이하에서는 본 발명을 실시예에 의하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 실시예들은 본 발명을 예시하는 것일 뿐으로, 본 발명의 내용이 이들 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예
1. 케이폭 섬유 부직포의 제조
<실시예 1 내지 4>
습식(wet-laid) 공법에 의하여 수분산성 바인더에 의하여 접착된 케이폭 부직포를 제조하였다.
먼저 실험에 사용된 조성들은 다음과 같다. 케이폭섬유 (인도네시아산)는 약 2 ~ 3mm의 크기로 잘라서 사용하였다. 수분산성 바인더는 수분산 아크릴-우레탄 (티앤엘사제, HM4001; 수분함량 40%)를 사용하였고 계면활성제는 비이온성 게면활성제인 폴리에틸렌글리콜과 폴리프로필렌글리콜의 공중합체를 사용하였다 (시그마-알드리치사제, 제품명 Pluronicⓡ127, 평균분자량 5,800; CAS 9003-11-6).
혼합용 배쓰에 물을 분산매로 하여 케이폭 섬유, 수분산성 바인더 및 계면활성제를 표 1의 조성으로 분산시킨 후 500 rpm의 교반속도로 5분간 교반하여 웹 형성용 분산액을 준비하였다.
초지기에 웹 형성용 분산액을 투입한 후 교반하고, 초지기의 메쉬틀 안에 분산액을 부은 다음 분산매인 물을 제거하여 웹을 형성하고 건조하였다. 이 때 초지기의 와이어 스크린은 120#의 스크린 메쉬를 사용하였다.
<실시예 5>
수분산성 바인더로서 수분산 폴리우레탄(티앤엘사제, DTG 1345; 수분함량 35%)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 3 내지 4와 동일한 방법으로 부직포를 제조하였다.
번호 케이폭
(g)		 수분산성 바인더
(g/L)		 계면활성제
(g/L)		 부직포 중량
(g/m2)
실시예 1 2.0 HM4001 : 14.3 0.2 101.5
실시예 2 2.0 HM4001 : 21.4 0.2 102.2
실시예 3 2.1 HM4001 : 30.0 0.2 106.4
실시예 4 2.0 HM4001 : 40.0 0.2 115.2
실시예 5 2.0 DTG1345 : 40.0 0.2 101.9
상기 표에서, 실시예 1 및 2의 경우에는 건조 후, 추가적으로 열처리 (온도 170, 속도 1.0m/분)하였다.
2. SEM 평가
실시예로부터 제조된 케이폭 부직포의 표면을 관찰하기 위하여 시차주사전자현미경(JEOL, JSM-5510)을 이용하여 500배 확대하여 관찰하였다.
도 1은 본 발명의 실시예 5로 이루어진 부직포 표면을 500배 확대한 주사전자현미경 사진이다. 시차주사전자현미경 사진에 나타난 바와 같이, 케이폭 섬유가 수분산성 바인더 소재로 인해 코팅한 것과 같은 형상으로 접착되어 있음을 알 수 있으며, 이로 인해 제조된 부직포는 형태안정성을 가질 수 있음을 확인하였다.
3. 흡음성 평가
1) 평가방법
흡음성 평가는 흡음성능평가기(sound absorption tester, 01dB-Metravib)를 사용하여 400 ~ 5,000 Hz의 범위내에서 측정하며, 이때 실험은 KS F 2814 규격에 준한다.
2) 평가 결과
도 2는 실시예 1 내지 실시예 5의 부직포에 대하여, 진동수(frequency)변화에 따른 흡음계수(sound absorption coefficient)의 변화를 측정한 결과이다. 도2에서, 1K, 2K, 3.15K 및 5K는 각각 1000, 2000, 3150 및 5000Hz에서 측정한 흡음계수이다.
도2를 참조하면, 본 발명에 의한 케이폭 부직포는 주파수 증가에 따라 흡음특성이 증가하는 경향을 보였으며, 우수한 흡음성능을 나타내었다. 한편 바인더로 사용된 복합섬유의 종류에 따라서는 흡음성능이 크게 차이나지 않음을 알 수 있다. 본 발명에 의한 kapok 부직포는 우수한 흡음성능을 나타내었다.
본 발명의 부직포는 자동차, 선박, 비행기 등 수송수단의 흡음재, 건축 및 각종 산업용 흡음재, 기름 흡착포, 분리막, 보온재, 침구 및 침장구류, 구명조끼 등 형태 안정성을 갖는 모든 충진재로 이용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 케이폭 섬유를 1 ~ 10mm의 케이폭 단섬유로 절단하는 단계;
    상기 케이폭 섬유, 수분산성 바인더로서 수분산 아크릴-우레탄 또는 수분산 폴리우레탄 및 계면활성제를 함께 분산용매와 혼합하여 분산액을 준비하는 단계;
    상기 분산액을 이용하여 웹을 형성한 다음 건조시키는 단계; 및
    상기 건조 후에 열접착하는 단계;를 포함하는
    흡음용 케이폭 섬유 부직포의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제5항에 있어서, 상기 분산용매에 1 ~ 10 중량%의 수용성 또는 수분산성 바인더의 농도가 되도록 분산액이 준비되는 것을 특징으로 상기 흡음용 케이폭 섬유 부직포의 제조방법.
  9. 제5항에 있어서, 상기 계면활성제는 양이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 비이온성 계면활성제, 양쪽성 계면활성제인 것을 특징으로 하는 상기 흡음용 케이폭 부직포의 제조방법.
  10. 제5항의 방법으로 제조되고, 케이폭 섬유가 수분산 아크릴-우레탄 또는 수분산 폴리우레탄 바인더에 의하여 접착되되, 상기 수분산성 바인더의 중량비는 100:1 ~ 100:20인 것을 특징으로 하는 흡음용 케이폭 섬유 부직포.
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