KR101306652B1 - 고분산 무기질 분말을 함유하는 기능성 섬유의 제조방법 - Google Patents

고분산 무기질 분말을 함유하는 기능성 섬유의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고분산 무기질 분말을 함유하는 기능성 섬유의 제조방법에 관한 것으로, 황토와 모나자이트(Monazite)를 수분함량 10중량% 이하로 건조시키고 분쇄하여 입도 1 ~ 5㎛의 분말을 선별한 다음, 각각 30 ~ 70중량%의 비율로 혼합하여 무기질 분말을 제조하는 제1단계; 상기 무기질 분말 60 ~ 80중량% 및 분산제 20 ~ 40중량%를 혼합하고, 80 ~ 120℃의 온도로 유지시키면서 30분 내지 2시간 동안 교반시켜 고분산 무기질 분말을 제조하는 제2단계; 섬유용 합성수지를 220 ~ 280℃의 열로 용융시키면서 원료 총중량을 기준으로 상기 고분산 무기질 분말을 10 ~ 30중량% 혼합하여 분산시키는 제3단계; 상기 혼합된 원료를 용융 압출하여 직경과 길이가 각각 1 ~ 4㎜인 펠릿(pellet)형 마스터배치를 제조하는 제4단계; 상기 마스터배치를 용융시킨 방사액에 추가적으로 섬유용 합성수지를 첨가하여 방사액 총중량을 기준으로 고분산 무기질 분말의 함량을 1 ~ 5중량%로 유지하면서 교반시키는 제5단계; 상기 교반된 방사액을 200 ~ 280℃의 방사온도로 용융 방사하여 원사를 제조하는 제6단계를 순차적으로 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 상기 제2단계 중의 분산제는 다가알콜에스테르, 다가카르복시산에스테르 및 하이드록시-다가카르복시산에스테르 중의 어느 하나로 이루어지는 에스테르계, 아크릴계, 폴리실록산, 폴리올레핀 왁스, 광유 중에서 선택되는 어느 1종 이상의 물질인 것을 특징으로 하며, 상기 제3단계 중의 섬유용 합성수지는 폴리에스테르수지 또는 나일론수지 중에서 선택되는 어느 1종인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제6단계 중의 원사는 단일 구조 또는 복합 구조인 것을 특징으로 하며, 상기 원사의 복합 구조는 복합방사에 의해 원사의 외부에만 고분산 무기질 분말이 함유되며, 원사의 내부와 외부에 동일하거나 서로 다른 폴리에스테르수지 또는 나일론수지를 선택적으로 사용할 수 있으며, 상기 기능성 섬유의 제조방법으로 제조된 섬유와 그로부터 제직된 직물을 포함한다.
본 발명의 제조방법으로 제조된 기능성 섬유는 황토와 모나자이트(Monazite)로 이루어지는 고분산 무기질 분말이 혼합된 원료를 마스터배치로 제조하고 이에 합성수지를 첨가한 방사액으로 용융 방사하여 원사를 제조함으로써, 섬유의 생산성이 향상되고 중금속 등의 유해물질 발생이 전혀 없을 뿐만 아니라, 원적외선 방출 및 음이온 발생은 물론, 자외선 차단, 탈취, 항균기능이 우수한 효과가 있다.
그리고 본 발명의 기능성 섬유의 제조방법은 황토와 모나자이트(Monazite)를 건조시킨 입도 1 ~ 5㎛의 무기질 분말을 분산제로 처리한 고분산 무기질 분말이 혼합된 원료를 마스터배치로 제조하고 용융 방사하여 원사를 제조함으로써, 용융 방사시의 원사 사절이 방지되고 염색견뢰도가 우수하게 됨은 물론, 섬유의 인장력, 수분흡수력, 질감, 보온력, 복원력, 굵기, 색상 등이 유지되면서 세탁시에도 내구성과 지속성이 유지되며, 별도의 항균처리공정을 거칠 필요가 없이 탁월한 가공성과 제품의 품질을 발휘하게 된다.

Description

고분산 무기질 분말을 함유하는 기능성 섬유의 제조방법{MANUFACTURING PROCESS OF A FUNCTIONAL FIBER CONTAINING HIGH-DISPERSED MINERAL POWDERS}
본 발명은 고분산 무기질 분말을 함유하는 기능성 섬유의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 황토와 모나자이트(Monazite)로 이루어지는 고분산 무기질 분말을 섬유용 합성수지에 혼입시켜 마스터배치(Master Batch)를 제조하고, 이를 용융 방사시켜 원사를 제조함으로써, 중금속 등의 유해물질 발생이 전혀 없을 뿐만 아니라 변색이 되지 않으므로 고유의 염료색상을 살릴 수 있으며, 그리고 원적외선 방출과 음이온 발생은 물론, 탈취, 항균기능이 우수한 기능성 섬유와 직물 등과 같은 다양한 용도에 사용될 수 있다.
잘 알려진 바와 같이, 인체의 건강을 증진시키기 위한 원적외선과 음이온을 방사하는 각종 원석이 개발, 가공되어 각종 공예품, 건축내장재, 침대, 타일, 정수필터, 조리기구, 섬유재료, 온열기, 지압구 등 여러 방면에 사용되어 인간에게 이로운 영향을 미치도록 하고 있다.
그 중에서도, 침구나 의류용 섬유제품에 있어서는 인체에서 분비되는 땀과 기타 지방이나 단백질 등의 유기물에 의해 세균이나 미생물이 번식하게 되며, 이 세균과 미생물이 유기물을 분해하면서 악취를 발생시키거나 신체 접촉에 의해 피부 질병을 유발하기도 한다. 이러한 단점을 개선하기 위하여 최근에는 합성섬유인 폴리에스테르수지 또는 나일론수지 등에 천연의 특수한 광물질을 첨가함으로써 그 광물이 갖는 장점을 섬유에 부여하려는 시도들이 이루어지고 있다.
일반적으로, 합성섬유의 기능성을 향상시키기 위하여 첨가되는 광석분말로는 운모, 각섬석, 맥반석, 황토 등이 있는데, 상기와 같은 기능성 광물입자를 마스터배치(Master Batch)법에 의해 첨가하거나 은(Ag)과 같은 항균금속이 치환된 무기계 제올라이트(Zeolite)를 섬유 내부에 분산시키는 등 주로 세라믹을 이용하는 방법이 많이 개발되고 있으나, 이들은 합성섬유의 용융 방사시 빈번한 사절 발생과 섬유제품의 색상이 변색되는 문제점이 있고, 또한 염색가공 공정에서 염착성이 좋지 않아 염색견뢰도가 떨어지기 때문에 염색 불량으로 인하여 실제로 실용화되는데 많은 문제점이 있다.
한편, 본 발명자들은 용융 방사에 의해 제조되는 섬유의 조건 등을 예의 검토한 결과, 원적외선과 음이온을 방사하는 대표적인 광물인 황토와 모나자이트(Monazite)를 수분함량 10중량% 이하로 건조시키고 입도 1 ~ 5㎛의 분말로 제조된 고분산 무기질 분말을 첨가한 마스터배치를 제조한 다음, 추가적으로 섬유용 합성수지를 첨가하여 고분산 무기질 분말의 함량을 1 ~ 5중량%로 유지시킴으로써, 용융 방사시 원사의 사절이 방지될 뿐만 아니라 그로부터 제조된 섬유는 고유의 염료색상을 살릴 수 있고 변색이 되지 않으며, 또한 인체에 유해한 물질의 발생이 전혀 없음은 물론, 원적외선 및 음이온 발생량이 우수하게 된다는 과제를 연구하여 본 발명에 이르게 되었다.
본 발명과 관련하여 종래기술을 살펴보면, 대한민국 등록특허 제10-0815459호(공고일: 2008. 03. 20)에는 폴리아미드, 폴리에스테르, 아크릴, 나일론, 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리테트라플로우로에틸렌 중 어느 1종을 선택하여 혼합하여 구비되는 합성수지원료 80 ~ 95중량%와, 모나자이트, 라돈광석, 온천광석, 의왕석, 맥반석, 장석, 희토류 광석, 용암석, 감람석, 포졸란, 흑석, 토르말린, 천조석, 은, 성광석, 규석, 무기항균제, 제올라이트, 숯, 황토, 해조류 중 어느 1종 또는 2종 이상으로 이루어지는 기능성입자 5 ~ 20중량%를 혼합하여 방사하는 것을 특징으로 하는 이온광석 분말이 함유된 섬유의 제조방법에 관한 기술이 공지되어 있고, 그에 따라 제조된 섬유는 여과, 탈취, 음이온방출, 양이온중화효과, 원적외선 방사효과, 공기정화, 물의 정화 효과 및 습도조절효과가 있다고 하나, 아직까지 상기 이온광석 분말의 입도와 분산성 등 해결해야 할 문제점이 많은 것으로 파악된다.
또한, 대한민국 공개특허 제10-2010-0098252호(공개일: 2010. 09. 06)에 개시하고 있는 황토 폴리에스터 마스터배치 제조방법은 합성수지등에 널리 사용하고 있는 분산제를 혼합한 황토를 첨가한 1차 마스터배치를 제조하고 다시 2차 재가공을 하여 황토 마스터배치를 제조하여 실을 방사하는 공정으로 이루어져 있으나, 건조제로서 다량의 실리카겔을 분말을 사용하는 문제점과 2차에 걸쳐 마스터배치를 제조하는 제조공정상의 복잡한 문제점이 있고, 그리고 대한민국 공개특허 제10-2007-0038938호(공개일: 2007. 04. 11)의 항균·항진균사, 항균향기· 항진균향기사 및 그 제조방법 및 등록특허 제10-0450530호(공고일: 2004. 09. 30)의 기능성 폴리에스테르 섬유의 제조방법 등을 면밀히 살펴보더라도, 무기질 분말의 분산성을 향상시키기 위한 별도의 처리를 하지 않음에 따르는 제조상의 애로점과 최종 섬유제품의 품질에 문제점이 있는 것으로 조사된다.
반면, 본 발명은 용융 방사시의 방사액이 별도 처리된 고분산 무기질 분말을 1 ~ 5중량% 정도로 일정하게 유지시키게 되어 용융 방사시의 생산성과 섬유의 인장력, 수분흡수력, 질감, 보온력, 복원력, 굵기, 색상 등이 유지면서 세탁시에도 내구성과 지속성이 유지되며, 별도의 항균처리공정을 거칠 필요가 없는 각종 기능성 섬유 제품을 생산할 수 있게 된다.
참고로, 원적외선은 인체에 가장 유익한 에너지 곡선에 근접, 인체의 중심부분이 35℃ 이상의 체온을 유지, 혈류량을 유지시켜 신진대사 촉진으로 피로를 풀어주는 역할을 하며, 또한 음이온은 일반적으로 ‘공기 속의 비타민’ 또는 ‘공기 중에 있는 산소 알맹이’라고 일컬어지는 것으로, 공기 중에 존재하는 여러 가지 오염물질, 예를 들면, 담배연기, 아황산가스, 질소산화물, 일산화탄소, 오존 및 각종 유기물질은 양이온을 형성하고 있는데, 음이온은 이들 양이온을 중화 침전시켜 제거하므로 공기를 깨끗하고 신선하게 유지하여 준다고 알려져 있다.
또한, 양이온은 세균이나 먼지, 꽃가루 곰팡이, 오염된 입자들을 자유롭게 떠다니도록 하여 공기를 혼탁하게 만드는 반면, 음이온은 이들을 중화, 제거해 주며, 통상적으로 음이온은 (-)전하를 띤 공기의 원자요소로서 유해한 양이온을 중화, 제거시킴에 의해 피를 맑게 하고 신경안정과 피로회복, 식욕증진, 세포의 활성화를 촉진시켜 생기 있는 생활을 영위케 하는 효과가 있다고 알려져 있다.
지금까지 알려진 연구결과에 따르면, 보통 인체가 하루 동안 필요로 하는 음이온의 양은 700개/㎤인 반면, 도시에는 음이온의 농도가 30 ~ 150개/㎤개 정도이고 양이온의 농도는 1000 ~ 1500개/㎤ 정도라고 알려져 있다. 반면에 숲에는 2000 ~ 2500개/㎤나 되는 많은 양의 음이온이 있기 때문에 스트레스를 심하게 받거나 몸이 피로할 때 몸에서 발생되는 양이온은 음이온이 풍부한 숲에 가면 중화되어 몸이 개운해진다고 한다. 이밖에도 음이온이 많은 공기는 두통을 없애주고 호흡기질환을 일으키는 신경호르몬인 자유히스타민을 억제하며, 음이온이 피를 맑게 하고 피로를 풀어 주며 식욕을 증진시키고 집중력과 인체 면역력을 높이는 데 효과가 있다고 알려져 있다.
본 발명의 목적은, 황토와 모나자이트(Monazite)로 이루어지는 고분산 무기질 분말이 혼합된 원료를 마스터배치로 제조하고 이에 합성수지를 첨가한 방사액으로 용융 방사하여 원사를 제조함으로써, 생산성이 향상되고 중금속 등의 유해물질 발생이 전혀 없을 뿐만 아니라 원적외선 방출 및 음이온 발생은 물론, 자외선 차단, 탈취, 항균기능이 우수한 기능성 섬유의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 황토와 모나자이트(Monazite)를 건조시킨 입도 1 ~ 5㎛ 크기의 무기질 분말을 분산제로 처리한 고분산 무기질 분말이 혼합된 원료를 마스터배치로 제조하고 이를 용융 방사하여 원사를 제조함으로써, 용융 방사시의 원사 사절이 방지되고 염색견뢰도가 우수하게 되며, 섬유의 인장력, 수분흡수력, 질감, 보온력, 복원력, 굵기, 색상 등이 유지되면서 세탁시에도 내구성과 지속성이 유지되며, 별도의 항균처리공정을 거칠 필요가 없는 기능성 섬유의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기능성 섬유의 제조방법은, 황토와 모나자이트(Monazite)를 수분함량 10중량% 이하로 건조시키고 분쇄하여 입도 1 ~ 5㎛의 분말을 선별한 다음, 각각 30 ~ 70중량%의 비율로 혼합하여 무기질 분말을 제조하는 제1단계; 상기 무기질 분말 60 ~ 80중량% 및 분산제 20 ~ 40중량%를 혼합하고, 80 ~ 120℃의 온도로 유지시키면서 30분 내지 2시간 동안 교반시켜 고분산 무기질 분말을 제조하는 제2단계; 폴리에스테르수지 또는 나일론수지 중에서 선택되는 어느 1종의 섬유용 합성수지를 220 ~ 280℃의 열로 용융시키면서 원료 총중량을 기준으로 상기 고분산 무기질 분말을 10 ~ 30중량% 혼합하여 분산시키는 제3단계; 상기 혼합된 원료를 용융 압출하여 직경과 길이가 각각 1 ~ 4㎜인 펠릿(pellet)형 마스터배치를 제조하는 제4단계; 상기 마스터배치를 용융시킨 방사액에 추가적으로 폴리에스테르수지 또는 나일론수지 중에서 선택되는 어느 1종의 섬유용 합성수지를 첨가하여 방사액 총중량을 기준으로 고분산 무기질 분말의 함량을 1 ~ 5중량%로 유지하면서 교반시키는 제5단계; 상기 교반된 방사액을 200 ~ 280℃의 방사온도로 용융 방사하여 원사를 제조하는 제6단계를 순차적으로 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 상기 제2단계 중의 분산제는 다가알콜에스테르, 다가카르복시산에스테르 및 하이드록시-다가카르복시산에스테르 중의 어느 하나로 이루어지는 에스테르계, 아크릴계, 폴리실록산, 폴리올레핀 왁스, 광유 중에서 선택되는 어느 1종 이상의 물질인 것을 특징으로 하며, 상기 제3단계 중의 섬유용 합성수지는 폴리에스테르수지 또는 나일론수지 중에서 선택되는 어느 1종인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제6단계 중의 원사는 단일 구조 또는 복합 구조인 것을 특징으로 하며, 상기 원사의 복합 구조는 복합방사에 의해 원사의 외부에만 고분산 무기질 분말이 함유되며, 원사의 내부와 외부에 동일하거나 서로 다른 폴리에스테르수지 또는 나일론수지를 선택적으로 사용할 수 있다.
그리고 본 발명은 상기 기능성 섬유의 제조방법으로 제조된 섬유와 그로부터 제직된 직물을 포함한다.
본 발명의 제조방법으로 제조된 기능성 섬유는 황토와 모나자이트(Monazite)로 이루어지는 고분산 무기질 분말이 혼합된 원료를 마스터배치로 제조하고 이에 합성수지를 첨가한 방사액으로 용융 방사하여 원사를 제조함으로써, 섬유의 생산성이 향상되고 중금속 등의 유해물질 발생이 전혀 없을 뿐만 아니라, 원적외선 방출 및 음이온 발생은 물론, 자외선 차단, 탈취, 항균기능이 우수한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 기능성 섬유의 제조방법은 황토와 모나자이트(Monazite)를 건조시킨 입도 1 ~ 5㎛의 무기질 분말을 분산제로 처리한 고분산 무기질 분말이 혼합된 원료를 마스터배치로 제조하고 용융 방사하여 원사를 제조함으로써, 용융 방사시의 원사 사절이 방지되고 염색견뢰도가 우수하게 됨은 물론, 섬유의 인장력, 수분흡수력, 질감, 보온력, 복원력, 굵기, 색상 등이 유지되면서 세탁시에도 내구성과 지속성이 유지되며, 별도의 항균처리공정을 거칠 필요가 없이 탁월한 가공성과 제품의 품질을 발휘하게 된다.
도 1은 본 발명에 의한 기능성 섬유의 제조방법을 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도 2(a), (b)는 본 발명에 의한 기능성 섬유의 제조방법으로 제조된 원사의 단일 구조 및 복합 구조 단면에 대한 전자현미경 사진이다.
본 발명의 기능성 섬유의 제조방법은, 황토와 모나자이트(Monazite)를 수분함량 10중량% 이하로 건조시키고 분쇄하여 입도 1 ~ 5㎛의 분말을 선별한 다음, 각각 30 ~ 70중량%의 비율로 혼합하여 무기질 분말을 제조하는 제1단계, 상기 무기질 분말 60 ~ 80중량% 및 분산제 20 ~ 40중량%를 혼합하고, 80 ~ 120℃의 온도로 유지시키면서 30분 내지 2시간 동안 교반시켜 고분산 무기질 분말을 제조하는 제2단계, 폴리에스테르수지 또는 나일론수지 중에서 선택되는 어느 1종의 섬유용 합성수지를 220 ~ 280℃의 열로 용융시키면서 원료 총중량을 기준으로 상기 고분산 무기질 분말을 10 ~ 30중량% 혼합하여 분산시키는 제3단계, 상기 혼합된 원료를 용융 압출하여 직경과 길이가 각각 1 ~ 4㎜인 펠릿(pellet)형 마스터배치를 제조하는 제4단계, 상기 마스터배치를 용융시킨 방사액에 추가적으로 폴리에스테르수지 또는 나일론수지 중에서 선택되는 어느 1종의 섬유용 합성수지를 첨가하여 방사액 총중량을 기준으로 고분산 무기질 분말의 함량을 1 ~ 5중량%로 유지하면서 교반시키는 제5단계, 상기 교반된 방사액을 200 ~ 280℃의 방사온도로 용융 방사하여 원사를 제조하는 제6단계를 순차적으로 포함하여 제조된다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 의한 기능성 섬유의 제조방법에 대하여 설명하기로 하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 예시하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 고분산 무기질 분말을 함유하는 기능성 섬유의 제조방법은 제1단계 내지 제6단계를 포함하여 이루어진다.
제1단계는, 황토와 모나자이트(Monazite)를 수분함량 10중량% 이하로 건조시키고 분쇄하여 입도 1 ~ 5㎛의 분말을 선별한 다음, 각각 30 ~ 70중량%의 비율로 혼합하여 무기질 분말을 제조하는 것으로, 상기 황토와 모나자이트는 각각 원적외선과 음이온을 발생시키는 물질로 알려져 있어 이들을 적절한 비율로 혼합 사용하는 것이 섬유의 복합기능을 발휘하기에 유리하므로, 황토와 모나자이트를 각각 충분히 건조시킨 다음, 325매쉬(mesh) 이하로 1차 분쇄하여 자석 등에 의해 이물질과 유해철분을 제거함으로써 제품 고유의 색상이나 염료의 변색 등을 방지하여 제품의 품질을 향상시킬 수 있음은 물론, 상기 분말은 PH 7.2 ~ 7.8 정도를 나타내는 약알칼리성 재료로서 인체에 전혀 유해하지 않는 환경 친화적인 소재로서 이를 포함하는 섬유제품으로 인하여 인체에 미치는 효능을 효과적으로 증진시킬 수 있다.
또한, 상기 황토와 모나자이트 분말은 2차 분쇄를 통해 입도 1 ~ 5㎛의 분말을 선별함으로써 분산성이 우수한 입자크기로 되며, 만일, 입도가 5㎛를 초과하는 분말을 함유하는 경우, 마스터배치를 용융시킨 방사액에 대한 무기질 분말의 분산성이 저하되어 방사시의 원사 사절의 원인이 되며, 입도가 1㎛ 미만의 나노크기 분말을 함유하는 경우에도 나노크기 입자간의 강한 응집력 때문에 균일한 혼합을 하거나 결함이 없는 마스터배치를 제조하는데 어려움이 있다. 따라서 상기 선별된 황토 분말은 무기질 분말 총량을 기준으로 30 ~ 70중량% 이내로 함유함으로써 원적외선 방출과 염색견뢰도를 향상시키게 되며, 이에 더하여 모나자이트 분말을 30 ~ 70중량%의 비율로 혼합시킴으로써 다량의 음이온 발생과 더불어 자외선 차단작용에 의하여 제품의 기능을 더욱 증진시키게 된다.
일반적으로, 나노입자는 원자확산이 매우 빠르게 일어나 성형체의 치밀화에는 도움이 되지만 반대로 빠른 입자성장 때문에 치밀화한 벌크에서는 커다란 결정립이 형성되기 때문에, 일반적으로 나노분말의 벌크화 공정으로는 열간가압소결(hot press), 열간등방가압소결(hot isostatic press), 방전소결(spark plasma sintering) 등을 적용하여 소결시에 온도와 압력을 동시에 가하여 저온에서 단시간에 치밀화가 이루어지도록 하여야 하는 것이므로, 본 발명에서는 수많은 실험을 거듭한 결과, 고분산 무기질 분말을 제조하기 위해서는 입도 1 ~ 5㎛ 크기의 분말을 분리 선별하여 사용하는 것이 경제성과 가공성, 섬유제품의 품질 면에서 가장 바람직한 것으로 연구되었다.
다시 말해, 본 발명에 있어 무기질 분말을 나노입자 크기로 할 경우 서로 엉기려는 성질이 있어 분산에 어려움이 있으며, 당업계에서 많이 제조되는 섬유인 PET 75D/36F, NYLON 70D/36로 진행할 때(75D/36F의 원사 1가닥 굵기는 2d임), 무기질 분말의 입도를 1 ~ 5㎛ 정도로 하는 것이 가장 최적의 조건이라 판단된다. 또한, 본 발명에서 사용되는 황토와 모자자이트 분말은 다 같이 경도 5 ~ 5.5 정도로서 섬유용 합성수지에 혼입되어 섬유의 인장력, 수분흡수력, 질감, 보온력, 복원력 등의 성질을 더욱 양호하게 하며, 세탁시에도 내구성과 지속성이 잘 유지되게 한다.
본 발명에 사용되는 황토 분말은 융점이 700 ∼ 1000℃로서, 폴리에스테르나 나일론수지의 융점인 200 ~ 300℃의 온도에서는 고체상태를 그대로 유지한 채 수지 내에 혼재하기 때문에 원적외선 방사효과를 반영구적으로 지속시킬 수 있다. 또 상기 황토 분말은 중량비율로 이산화규소(SiO2) 42.5%, 산화철(Fe2O3) 4.05%, 산화알루미늄(Al2O3) 36.6%, 산화칼슘(CaO) 0.57%, 산화마그네슘(MgO) 0.69%, 산화티탄(TiO2) 0.23%, 산화칼륨(K2O) 0.41%, 산화나트륨(Na2O) 0.18%, 강열감량 14.8% 로 구성되며, 원적외선 방사, 중금속 흡착, 항균, 휘발성 물질 제거, 탈취 등의 효과를 나타낸다고 알려져 있다.
그리고 모나자이트는 음이온 광물로 알려져 있으며, 음이온이 발생하는 광물은 상기 모자나이트 이외에 일반적으로 알려진 음이온 광물을 사용하여도 무방하지만, 본 발명에서 사용되는 모나자이트는 단사정계(單斜晶系)에 속하는 세륨족 희토류원소의 인산염광물로서 화학성분은 (Ce, La, Y, Th)PO4로서, 경도는 5 ~ 5.5, 비중은 4.6 ~ 5.4, 황색, 황갈색, 적갈색, 회색, 회록색을 띠면서 투명 또는 반투명하며, 수지광택(樹脂光澤)을 띠는 결정(結晶)으로 산출되기 때문에 섬유제품에 혼입되어 음이온 발산기능과 더불어 자외선 차단작용을 하게 된다.
참고로, 음이온이 발생하는 광물은 상기 모자나이트 이외에 토르말린(전기석), 귀양석(군마장석), 의왕석, 게르마늄, 견운모 등의 운모계 광물 등이 보고되고 있으며, 상기 광물들은 각각 구성성분과 화학적 성질이 상이하여 황토 분말과의 반응성, 경도와 비중, 그리고 (-)전하를 띤 입자를 정제 선별하는 방법과 광물 원료의 가격 등의 면에서 불리한 것으로 조사되었다.
제2단계는, 상기 무기질 분말 60 ~ 80중량% 및 분산제 20 ~ 40중량%를 혼합하고, 80 ~ 120℃의 온도로 유지시키면서 30분 내지 2시간 동안 교반시켜 고분산 무기질 분말을 제조하는 것으로, 종래에는 합성수지와 기능성 분말을 혼합한 용융 수지에 분산제를 첨가하여 컴파운드(Compound) 방법 또는 마스터배치(Master Batch) 방법으로 원사를 제조하는 반면, 본 발명에서는 입도 1 ~ 5㎛로 선별된 무기질 분말과 분산제를 적정량 혼합하고 교반시켜 제조된 고분산 무기질 분말을 사용하는 관계로, 용융 수지에 대한 무기질 분말의 분산성이 탁월하여 방사시 사절이 방지되고 염색견뢰도가 우수하게 되며, 섬유의 인장력, 수분흡수력, 질감, 보온력, 복원력, 굵기, 색상 등이 변화되지 않으면서도 세탁시에 내구성과 지속성이 잘 유지되는 것이다.
상기 분산제는 본 발명에서 사용되는 무기질 분말이나 섬유용 합성수지와 반응성이 없는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니지만, 본 발명에서는 다가알콜에스테르, 다가카르복시산에스테르 및 하이드록시-다가카르복시산에스테르 중의 어느 하나로 이루어지는 에스테르계, 아크릴계, 폴리실록산, 폴리올레핀 왁스, 광유 중에서 선택되는 어느 1종 이상의 물질을 사용하는 것이 분산도와 환경 면에서 가장 바람직한 것으로 연구되었다.
제3단계는, 폴리에스테르수지 또는 나일론수지 중에서 선택되는 어느 1종의 섬유용 합성수지를 220 ~ 280℃의 열로 용융시키면서 원료 총중량을 기준으로 상기 고분산 무기질 분말을 10 ~ 30중량% 혼합하여 분산시키는 것으로, 이는 마스터배치에 함유되는 무기질 분말을 고르게 분산시킴으로써 이로부터 제조되는 마스터배치의 조성을 균일하게 형성시키게 된다.
상기 섬유용 합성수지는 기능성 섬유로 가장 적합한 폴리에스테르수지 또는 나일론수지 중에서 선택되는 어느 1종을 한정하고 있으나, 이들 이외에도 용해시켜 본 발명의 기능성 성분들과 혼합하여 방사될 수 있는 어떠한 성분도 본 발명의 방법에 사용될 수 있다.
제4단계는, 상기 혼합된 원료를 용융 압출하여 직경과 길이가 각각 1 ~ 4㎜인 펠릿(pellet)형 마스터배치를 제조하는 것으로, 본 발명은 기능성 섬유를 제조하기 위해 마스터배치 방법으로 원사를 제조하기 때문에, 컴파운드 방법에 비해 원사의 생산성은 다소 떨어지나 다양한 종류의 섬유제품 생산이 가능하다.
제5단계는, 상기 마스터배치를 용융시킨 방사액에 추가적으로 폴리에스테르수지 또는 나일론수지 중에서 선택되는 어느 1종의 섬유용 합성수지를 첨가하여 방사액 총중량을 기준으로 고분산 무기질 분말의 함량을 1 ~ 5중량%로 유지하면서 교반시키는 것으로, 만일 상기 고분산 무기질 분말의 함량을 1중량% 미만으로 하는 경우, 섬유 제품에 대한 기능성이 저하되어 본 발명에 따른 원적외선 및 음이온발생 기능을 발휘하기에 충분하지 않으며, 고분산 무기질 분말의 함량이 5중량%를 초과하는 경우, 섬유의 기능성은 향상되나 용융시킨 방사액의 점도가 지나치게 높아지게 되며, 이로 인하여 방사시의 사절이 빈번히 발생하여 작업성과 생산성이 불량하게 되고 섬유제품의 물성 저하와 변색의 우려가 있으며, 또한 염료에 의한 색상을 그대로 유지하기 어렵게 되어 염색견뢰도가 좋지 않게 된다.
마지막 제6단계는, 상기 교반된 방사액을 200 ~ 280℃의 방사온도로 용융 방사하여 원사를 제조하게 되며, 상기 제조된 섬유는 인장력, 수분흡수력, 질감, 보온력, 복원력이 우수하면서도 고유의 염료색상을 살릴 수 있고 변색이 되지 않음을 확인할 수 있다. 아울러 상기 기능성 섬유는 앞서 언급한 구성성분과 제조방법으로 인하여 우수한 원적외선 및 음이온 효과를 나타내게 된다.
그리고 상기 제6단계 중의 원사는 통상의 방법에 의해 단일 구조 또는 복합 구조로 방사될 수 있으며, 원사의 복합 구조는 복합방사에 의해 원사의 외부에만 고분산 무기질 분말이 함유되는 것이 바람직하며, 상기 원사의 내부와 외부에 동일하거나 서로 다른 폴리에스테르수지 또는 나일론수지를 선택적으로 사용하여 제조함으로써, 그로부터 제조된 섬유는 각 수지가 갖는 물성의 장점을 상승적으로 발휘할 수 있게 된다. 상기 복합방사는 당업계에 널리 알려진 기술로서 성질이 서로 다른 2종의 중합체가 접착되어 모노필라멘트의 상태가 되도록 방사한 것으로, 바람직하게는 원사의 내부에 폴리에스테르수지 또는 나일로수지 중에서 선택되는 어느 1종의 섬유용 합성수지를 사용함으로써 도 2에 도시된 바와 같은 코어셀(core-shell)형태의 복합구조로 제조하게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 수많은 실험을 거쳐 완성되었으나, 이하에서는 당업자가 용이하게 이해하고 실시할 수 있을 정도의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 설명한다.
<실시예 1> ~ <실시예 3>
아래 [표 1]과 같은 원료의 배합조건으로 입경이 1.0 ~ 5.0㎛인 고분산 무기질 분말을 섬유용 합성수지에 투입하여 분말의 함량이 10 ~ 30중량%이고 크기가 3㎜ 정도인 펠릿(pellet)형 마스터배치를 제조한 다음, 상기 마스터배치를 용융시킨 방사액에 추가적으로 섬유용 합성수지를 첨가하여 고분산 무기질 분말의 함량을 약 1 ~ 5중량%로 유지하면서 평균 250℃(200 ~ 280℃)의 방사온도, 3,000 ~ 4,000m/min의 방사속도로 용융 방사하여 75/36, 70/48, 100/72 등의 규격으로 된 원사(filament)를 제조하였다.

배합의 종류(중량부)
실시예 1
실시예 2
실시예 3


무기질 분말
(고분산)
황토
7
5
3

모나자이트
3
5
7


합성수지
(마스터배치)
PET
90
60
-

NYLON
-
-
40


합성수지
PET
500
-
-

NYLON
-
300
200

고분산 무기질 분말 함량(중량%)
1.7
2.7
4.0

<비교예 1>
삭제
비교예 1에 따른 원사(filament) 제조는 고분산이 아닌 황토와 모나자이트로 혼합된 입경이 1.0 ~ 5.0㎛인 일반 무기질 분말을 5 : 5의 중량비로 혼합한 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트) 마스터배치를 사용하였으며, 상기 일반 무기질 분말의 함량을 3중량%로 유지한 것을 제외하고는 상기 실시예 1 내지 실시예 3과 동일하다.
<비교예 2>
비교예 2에 따른 원사(filament) 제조는 NYLON(나일론) 마스터배치를 사용하였으며, 무기질 분말을 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1 내지 실시예 3과 동일하다.
<실험예>
실시예 1 내지 3 및 비교예 1, 2에서 각각 제조된 원사(filament)에 대한 물리적 특성 및 기능성 평가결과에 대한 평균값을 아래 [표 2]에 나타내었다.

항 목
실시예 1
실시예 2
실시예 3
비교예 1
비교예 2

원적외선 방사율(%)
0.913
0.905
0.908
0.851
0

원적외선 방사에너지
(× 102 W/㎡)

3.50

3.48

3.48

3.44

0

음이온 농도(개/㎤)
325
538
630
286
0

탈취율(%)
43.1
45.6
48.7
41.5
2.5

인장강도(g/d)
4.3
4.2
4.0
2.9
4.3

신도(%)
45.1
43.5
41.8
31.6
45.3

분산성
우수
우수
우수
불량
-
상기 [표 2]에서와 같이, 위의 공정에 의해 제조된 원사(filament)를 한국원적외선협회 및 한국건자재시험연구원에 시험 의뢰하여 원적외선 방출량을 측정한 결과, 흑체(black body) 대비 40℃에서의 원적외선 방사율(5 ~ 20㎛)은 평균 0.9 이상, 방사에너지(W/㎡)는 평균 3.48× 102 이상에 이르렀음을 확인할 수 있었다.
또한, 상기 고분산 무기질 분말을 함유하는 섬유를 제조하여 접촉식 음이온측정기를 사용하여 수회 측정한 결과, 상기 섬유에서 발산되는 음이온 농도는 평균 300 ~ 700개/㎤ 정도로서 본 발명의 목적과 효과를 구현하기에 충분한 정도인 것으로 조사되었다.
이상과 같이, 본 발명의 제조방법으로 제조된 기능성 섬유는 유해물질 발생이 전혀 없을 뿐만 아니라 원적외선 및 음이온 발생량이 우수하여 항균탈취기능, 공기정화기능 및 인체의 혈액순환을 원활하게 하는 등의 효과를 발휘할 수 있으며, 용융 방사시의 사절이 발생되지 않아 작업성이 우수하고 제품 고유의 색상이나 염료에 의한 색상을 손상시키지 않으며, 아울러 자외선 차단효과는 물론 질감이 매우 우수하다.
따라서 상기와 같이 제조된 기능성 섬유는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 여러 가지로 치환, 변형 및 변경이 가능하여 각종 섬유제품은 물론, 건강생활용품, 탈취기, 정수기 등의 소재로서 다양한 용도와 형태로 사용되어 질 수 있다.

Claims (7)

  1. 황토와 모나자이트(Monazite)를 수분함량 10중량% 이하로 건조시키고 분쇄하여 입도 1 ~ 5㎛의 분말을 선별한 다음, 각각 30 ~ 70중량%의 비율로 혼합하여 무기질 분말을 제조하는 제1단계;
    상기 무기질 분말 60 ~ 80중량% 및 분산제 20 ~ 40중량%를 혼합하고, 80 ~ 120℃의 온도로 유지시키면서 30분 내지 2시간 동안 교반시켜 고분산 무기질 분말을 제조하는 제2단계;
    폴리에스테르수지 또는 나일론수지 중에서 선택되는 어느 1종의 섬유용 합성수지를 220 ~ 280℃의 열로 용융시키면서 원료 총중량을 기준으로 상기 고분산 무기질 분말을 10 ~ 30중량% 혼합하여 분산시키는 제3단계;
    상기 혼합된 원료를 용융 압출하여 직경과 길이가 각각 1 ~ 4㎜인 펠릿(pellet)형 마스터배치를 제조하는 제4단계;
    상기 마스터배치를 용융시킨 방사액에 추가적으로 폴리에스테르수지 또는 나일론수지 중에서 선택되는 어느 1종의 섬유용 합성수지를 첨가하여 방사액 총중량을 기준으로 고분산 무기질 분말의 함량을 1 ~ 5중량%로 유지하면서 교반시키는 제5단계;
    상기 교반된 방사액을 200 ~ 280℃의 방사온도로 용융 방사하여 원사를 제조하는 제6단계;
    를 순차적으로 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고분산 무기질 분말을 함유하는 기능성 섬유의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2단계 중의 분산제는 다가알콜에스테르, 다가카르복시산에스테르 및 하이드록시-다가카르복시산에스테르 중의 어느 하나로 이루어지는 에스테르계, 아크릴계, 폴리실록산, 폴리올레핀 왁스, 광유 중에서 선택되는 어느 1종 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 고분산 무기질 분말을 함유하는 기능성 섬유의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제6단계 중의 원사는 단일 구조 또는 복합 구조인 것을 특징으로 하는 고분산 무기질 분말을 함유하는 기능성 섬유의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복합 구조는 복합방사에 의해 원사의 외부에만 고분산 무기질 분말이 함유되며, 원사의 내부에는 폴리에스테르수지 또는 나일론수지 중에서 선택되는 어느 1종의 섬유용 합성수지를 사용하는 것을 특징으로 하는 고분산 무기물질을 함유하는 기능성 섬유의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
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