KR101431789B1 - 수성 폴리우레탄 수지액을 이용한 나노섬유 멤브레인의 표면 내마모성 증진방법 - Google Patents

수성 폴리우레탄 수지액을 이용한 나노섬유 멤브레인의 표면 내마모성 증진방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저장 안정성이 양호하고 동시에 초기 접착력 및 내습열성이 우수한 폴리우레탄 수지 수분산액과 염료 혹은 안료, 무기충전재를 혼합하여 수성 폴리우레탄 수지액을 준비하는 단계; 상기 수성 폴리우레탄 수지액을 패턴화되어 있는 구동롤러를 사용하여 원단에 전기방사 또는 용융방사에 의해 만들어진 나노웹 멤브레인을 합포한 텍스타일-나노 멤브레인 2-레이어 텍스타일의 나노웹 멤브레인 표면에 대해 연속상 혹은 비연속상 및 비정형 혹은 정형의 패턴을 프린팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수성 폴리우레탄 수지액을 이용한 나노섬유 멤브레인의 표면 내마모성 증진방법을 제공한다.

Description

수성 폴리우레탄 수지액을 이용한 나노섬유 멤브레인의 표면 내마모성 증진방법 {The method for promoting abrasion-durability of surface of nano fiber membrane using aqueous polyurethane resin solution}
본 발명은 텍스타일(textile)에 라미네이팅(laminating) 되어 있는 나노섬유 멤브레인의 표면 내마모성 증진방법에 관한 것으로, 상세하게는, 외부의 물리적 충격 등에 의해 나노섬유 멤브레인의 손상을 최소화 하며, 나노 멤브레인 본래의 기능성을 최대한 유지하거나 향상될 수 있도록 한 수성 폴리우레탄 수지액을 이용한 나노섬유 멤브레인의 표면 내마모성 증진방법에 관한 것이다.
텍스타일(섬유)은 원료 고분자물질의 개질에서부터 원단의 후가공에 이르기까지 다양한 방법으로 기능성을 부여하는 기술이 요구된다. 부여되는 기능은 물, 열, 빛, 전기 냄새, 균, 약품 등 일상생활에서 흔히 접할 수 있는 여러 가지 요소에 따라 달라지는데, 물을 예로 들면 방수성(내수성, 발수성, 누수성), 투습성, 흡수성, 보수성, 흡습성, 보온성, 속건성 등의 기능이 있다. 이러한 기능은 단독으로 혹은 복합적으로 섬유에 부여되며, 그 중에는 방수성-투습성 같은 서로 상반되는 성질의 기능을 동시에 요구하는 경우도 있다.
이렇게 텍스타일 제품에 기능성을 부여하기 위해서 텍스타일 소재 자체를 고기능성 섬유로 사용하거나 또는 다양한 복합화의 방식이 사용되고 있다. 복합화는 부가가치를 부여하기 위한 하나의 방법으로, 섬유 제품에 있어서 특히 주목되고 있는 기술로서, 두 종류 이상의 요소를 조합시키는 것으로 종류가 다른 섬유의 복합화, 상이한 제법의 복합화, 이종 소재의 복합화 등이 있다.
최근들어, 전기방사(electrospinning)를 통한 나노섬유의 제조에 주목하고 있는데, 이는 고분자 용액 및 용융된 고분자에 고전압(high voltage)을 걸어 섬유 및 입자를 받아주는 컬렉터(collector)와 방사되는 팁(tip)사이에 정전기력(electrostatic force)을 형성시켜 나노 섬유 및 입자를 제조하는 방법이다. 여기서, 정전기력의 세기가 고분자 용액의 표면 장력과 같을 경우, 전하를 띤 고분자 용액은 팁 부분에 맺히게 되며, 고분자가 가지고 있는 표면장력 이상의 전압을 걸어주면 하전된 고분자 방울은 안정되지 못하고 접지방향으로 분산(jet form)하게 된다. 이때, 제트(jet)가 공기 중을 지나면서 용매는 휘발하게 되고 표면에 전하가 밀집하게 되면서 전하 반발력에 의해 더욱 작은 섬유로 만들어지게 된다. 섬유가 가늘어지는 것은 제트가 집진판으로 이동하는 과정에서 제트의 신장과 스프레이(spray)현상에 의해 가늘어지기 때문이다. 결국, 분산된 고분자 용액은 섬유 및 입자 형태로 컬렉터(collector)에 집속되어 웹(web)을 형성할 수 있다.
한편, 이렇게 생산된 나노섬유를 다른 이종 텍스타일(섬유)과의 적층 복합시키는 것으로, 나노섬유의 생산시에 나노섬유를 이종의 텍스타일에 코팅시키는 방법, 나노섬유를 별도로 생산하여 이를 이종 텍스타일에 접합시키는 방법이 있다. 이렇게 접합시킨 텍스타일은 텍스타일-나노섬유 멤브레인의 2-레이어의 기능성 텍스타일이라 할 수 있다. 이러한 2-레이어 텍스타일 제품은 나노 멤브레인 자체의 장점 및 기능성을 최대로 살릴 수 있는 장점이 있으며, 가볍고 소프트한 편이다.
그러나, 나노섬유 자체가 약하기 때문에 스크래치 발생이 쉬우며, 세탁 등에 대한 강도가 약하여 기능성이 손상되기 쉽고, 봉제 시 필요한 슬립성이 부족하여 봉제 시 별도의 안감을 사용하여야 하는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 도 1 및 도 2와 같은 나노섬유가 적층된 부직포 형태의 멤브레인 표면 내마모성을 증진시키고, 더불어 투습능을 크게 저하시키지 않으면서, 내수압 성능을 향상시키기 위한 방법을 제공한다. 세부적으로는, 나노섬유 멤브레인 자체를 표면 처리하는 방법과, 텍스타일에 라미네이팅되어 있는 나노섬유 멤브레인의 표면을 개질하는 방법으로 볼 수 있으며, 외부의 물리적 충격 등에 의해 나노섬유 멤브레인의 손상을 막아 기능성을 유지할 수 있도록 하는 방법을 제공한다. 통상적으로 나노섬유가 적층된 부직포 형태의 멤브레인은 기공이 없이 일정한 두께를 가지는 일반 멤브레인과 달리, 수백 나노미터(nm)의 굵기를 가지는 섬유상으로 구성되어 있기 때문에, 외부에서 가해지는 외력에 취약한 특성을 가지고 있다. 대부분의 연구자들은 이러한 취약 특성을 개선하기 위하여 멤브레인 자체의 내마모성을 증진시키는데 중점을 두고, 멤브레인 자체의 소재를 변화시키거나, 여러 소재를 복합적으로 적용한 복합(hybrid) 형태에 관해서 연구해 왔다.
본 발명에서는 멤브레인 자체 소재의 변화 없이도, 표면처리 가공에 의해 상기에서 기술한 취약점을 개선하고자 하는 것이다.
표면처리 가공 방법으로는 상기 저장 안정성이 양호하고 동시에 초기 접착력 및 내습열성이 우수한 폴리우레탄 수지 수분산액과 염료 혹은 안료, 무기충전재를 혼합하여 수성 폴리우레탄 수지액을 사용하는 경우에는 도 3 혹은 도 4와 같은 정형 혹은 비정형 패턴의 형태로 패턴화되어 있는 그라비아 롤 혹은 스크린을 사용하여 텍스타일-나노웹 멤브레인의 2-레이어 텍스타일의 멤브레인에 직접 도포할 수 있으며, 그 외에 로타리 스크린(Rotary screen), 슬롯 다이(Slot die), 멀티롤(Multi roll) 등을 사용하여 직접 도포할 수도 있다. 이렇게 수성 폴리우레탄 수지액을 텍스타일-나노웹 멤브레인의 2-레이어 텍스타일의 멤브레인 직접 도포한 후 120℃에서 예비 건조, 150~160℃에서 열경화 건조를 시행하여 권취하는 방법을 적용하여 본 출원인은 나노 멤브레인 표면처리에 관한 발명을 개발하기에 이르렀다.
본 발명의 제1 목적은 텍스타일-나노섬유 멤브레인의 2-레이어 텍스타일의 장점을 최대한 살리되, 나노섬유 멤브레인의 손상으로 인한 기능성 저하를 막으면서 나노섬유 멤브레인 표면의 슬립성을 부여하여, 별도의 안감을 사용하지 않고 사용될 수 있도록 하며, 다양한 패턴을 부여하여 심미적 효과까지 부여하는 수성 폴리우레탄 수지액을 이용한 나노섬유 멤브레인의 표면 내마모성 증진 방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 텍스타일-나노섬유 멤브레인의 2-레이어 텍스타일에 있어서 수성 폴리우레탄 수지액을 이용하여 나노섬유 멤브레인의 물리적 내마모성 증진방법을 제공하는 데 있다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 저장 안정성이 양호하고 동시에 초기 접착력 및 내습열성이 우수한 폴리우레탄 수지 수분산액과 염료 혹은 안료, 무기충전재를 혼합하여 수성 폴리우레탄 수지액을 준비하는 단계; 상기 수성 폴리우레탄 수지액을 패턴화되어 있는 구동롤러를 사용하여 원단에 전기방사 또는 용융방사에 의해 만들어진 나노웹 멤브레인을 합포한 텍스타일-나노 멤브레인 2-레이어 텍스타일의 나노웹 멤브레인 표면에 대해 연속상 혹은 비연속상 및 비정형 혹은 정형의 패턴을 프린팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수성 폴리우레탄 수지액을 이용한 나노섬유 멤브레인의 표면 내마모성 증진 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수성 폴리우레탄 수지액은 에스테르계 혹은 페닐계 폴리우레탄 수지, 물 및 유화제로 이루어진 폴리우레탄 수지 수분산액 100중량부당 이소시아네이트 경화제를 3 내지 15중량부와 염료 혹은 안료, 무기 충전재를 포함하고, 상기 구동롤러는 롤투롤도포헤드 또는 코터(coater)를 포함한다.
또한, 본 발명에서는 표면에 형성시키고자 하는 패턴은 패턴과 패턴이 규칙적으로 배열된 형태, 패턴과 패턴이 비규칙적으로 배열된 형태, 패턴 형태의 크기가 동일한 형태, 패턴 형태의 크기가 비정형적인 형태 등 표현하고자 하는 심미적 효과와 구현하고자 하는 물성 효과에 따라 다양하게 전개할 수 있다.
본 발명에 의해 나노섬유 멤브레인의 표면을 표면처리를 하는 경우, 상기에서 기술한 방식을 사용함으로서 공정상의 손실 발생을 줄일 수 있고, 나노섬유 멤브레인의 손상을 방지하고, 환경 친화적이며 컴팩트한 공정을 이룰 수 있는 장점이 생긴다.
그리고 이러한 처리를 통해서 슬립성이 부여되어 의류 봉제 시 작업성 및 생산성을 높일 수 있으며, 별도의 안감을 사용하지 않더라도 피부에 직접 닿는 경우 끈적이거나 찝찝한 느낌을 주지 않아 보다 쾌적한 상태를 유지할 수 있다.
또한 중요한 것은 표면 처리를 통해서도 나노섬유 멤브레인 본래의 기능이 그다지 떨어지지 않거나 증진되기도 하며, 또한 이의 보호를 통해 내구 기능성을 가져온다.
도 1은 텍스타일-나노웹 멤브레인 2-레이어 텍스타일 제조에 사용되는 나노웹 멤브레인의 표면 SEM 사진.
도 2는 텍스타일-나노웹 멤브레인 2-레이어 텍스타일의 단면 SEM 사진.
도 3은 텍스타일-나노웹 멤브레인 2-레이어 텍스타일의 멤브레인 표면에 정형 패턴으로 가공된 제품의 샘플 예.
도 4는 텍스타일-나노웹 멤브레인 2-레이어 텍스타일의 멤브레인 표면에 비정형 패턴으로 가공된 제품의 샘플 예.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 하며, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기술 혹은 공지구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 발명은 텍스타일에 적층되어 있는 나노섬유 멤브레인의 표면을 개질하는 것으로, 일반적으로는 텍스타일-나노섬유 멤브레인의 2-레이어에 있어 나노섬유 멤브레인을 보호하기 위한 방법이 될 것이다.
여기에서, 텍스타일은 직물과 편물을 모두 포함하며, 직물의 경우 천연섬유, 합성섬유 등으로 제직된 모든 직물이 가능하며, 편물의 경우 경편 및 위편 모두가 선택 가능하다. 그리고 본 발명의 나노섬유 멤브레인 층은 전기방사로 만들어진 초극세 섬유로 구성된 나노섬유 웹 형태의 부직포를 말하는 것이다.
텍스타일-나노섬유 멤브레인의 2-레이어의 형성은 다양한 방법이 가능하다.
즉, 전기방사 과정에서 텍스타일에 직접 방사하여 코팅하는 다양한 방법을 통해서도 가능하다.
대한민국 특허출원 제2005-0104704호, 대한민국 등록특허 제0658499호 등의 기재된 방법을 통해 텍스타일에 나노섬유를 직접적으로 코팅하여 이를 형성하는 방법이 이미 공개되어 있고, 그 외에도 유사한 방법들이 많이 알려져 있으므로 이에 대한 내용은 생략한다. 그리고, 전기방사에 의하여 나노섬유를 별도로 생산하여 이를 필름 형태로 하여 이를 텍스타일에 접착제를 사용하여 결합시키는 방법도 있으며, 예시적으로 이러한 방식을 간략히 언급하기로 한다.
텍스타일과 나노섬유 멤브레인을 폴리우레탄계 접착제 또는 폴리아크릴계 접착제 등을 사용하여 접착한다. 가장 많이 사용되고 있는 형태로는 폴리우레탄 수지를 이용하여 가교제, 가교촉진제 및 희석용제 등과 함께 사용된다. 예를 들면, 폴리우레탄 수지를 그라비아 롤러를 사용하여 텍스타일 상에 도포하고 용제를 증발시키는 과정을 거친 후, 다른 권취 롤에 감겨 있는 나노섬유 멤브레인이 적층되면서 압착되어 결합하게 되는 형태이다.
이렇게 텍스타일에 나노섬유 멤브레인이 적층되어 있는 형태를 그대로 사용하는 경우, 앞서 언급한 바와 같은 문제점이 발생한다. 따라서 본 발명에서는 나노섬유 멤브레인을 보호하기 위한 막을 생성시켜 이를 보호함과 아울러 2-레이어의 장점을 최대한 살릴 수 있도록 하는 것을 목표로 한다.
본 발명에서는 텍스타일(textile)에 라미네이팅(laminating) 되어 있는 나노섬유 멤브레인의 표면 내마모성 증진방법에 관한 것으로, 상세하게는, 외부의 물리적 충격 등에 의해 나노섬유 멤브레인의 손상을 최소화 하며, 나노 멤브레인 본래의 기능성을 최대한 유지하거나 향상될 수 있도록 한 수성 폴리우레탄 수지액을 이용한 나노섬유 멤브레인의 표면 내마모성 증진방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 텍스타일-나노섬유 멤브레인의 2-레이어 텍스타일에서 나노섬유 멤브레인의 표면 내마모성을 증진시키기 위해, 먼저, 텍스타일에 전기방사에 의해 초극세 나노섬유로 구성된 나노섬유 웹 형태의 부직포를 라미네이팅시킨 텍스타일-나노섬유 멤브레인의 2-레이어 텍스타일을 형성한다. 그리고 이와 별도로 수성 폴리우레탄 수지액이 저장 안정성이 양호하고 동시에 초기 접착력 및 내습열성이 우수한 폴리우레탄 수지 수분산액과 염료 혹은 안료, 무기충전재 등을 혼합하여 준비된다. 상기 수성 폴리우레탄 수지액은 패턴화되어 있는 롤투롤도포헤드 또는 코터(coater)의 표면 둘레에 적셔진다. 본 발명에 따른 나노섬유 멤브레인은 정해진 원단에 전기방사 또는 용융방사에 의해 합포되어 텍스타일-나노 멤브레인 2-레이어 텍스타일을 구성하며, 상기 적셔진 코터가 나노웹 멤브레인 표면에 연속상 혹은 비연속상 및 비정형 혹은 정형의 패턴을 프린팅하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수성 폴리우레탄 수지액은 에스테르계 혹은 페닐계 폴리우레탄 수지, 물 및 유화제로 이루어진 폴리우레탄 수지 수분산액 100중량부당 이소시아네이트 경화제를 3 내지 15중량부와 염료 혹은 안료 및 무기 충전재를 포함한다. 또한, 롤투롤도포헤드를 이용하는 경우, 롤에 가해지는 압력이 0.5~4kgf/㎡ 인 것이 바람직하다.
이와 같이 나노섬유 멤브레인의 표면을 도포 또는 프린팅함으로써, 수지가 도포된 텍스타일-나노웹 멤브레인 2-레이어 텍스타일은 수지가 도포되지 않은 텍스타일에 비해 내수압과 슬립성은 개선되면서, 통기성과 투습성은 크게 저하되지 않는 특징을 가진다.
텍스타일-나노섬유 멤브레인의 2-레이어 텍스타일의 제조
직물의 일면에 고형분 100%의 습기경화형 폴리우레탄 수지를 1~15 g/㎡ 양으로 도포하고, 필름 형태의 나노섬유 멤브레인을 직물에 적층하고 가열, 가압 실린더를 통과시키면서 가압 압착하여 상기 직물과 라미네이션시켰다. 라미네이션 후에는 권취 롤러 등에 의해 당기는 공정 장력은 3 kgf 이하로 유지시켰다. 그리고 25~30℃의 온도와 상대습도 70%에서 24시간을 숙성시켜 반응을 완료시켜 라미네이션된 2-레이어의 텍스타일을 만들었다.
다음, 상기 2-레이어의 텍스타일의 표면처리를 위해, 상기 저장 안정성이 양호하고 동시에 초기 접착력 및 내습열성이 우수한 폴리우레탄 수지 수분산액과 염료 혹은 안료, 무기충전재를 혼합하여 수성 폴리우레탄 수지액을 사용하는 경우에는 도 3 혹은 도 4와 같은 정형 혹은 비정형 패턴의 형태로 패턴화되어 있는 그라비아 롤 혹은 스크린을 사용하여 텍스타일-나노웹 멤브레인의 2-레이어 텍스타일의 멤브레인에 직접 도포할 수 있으며, 그 외에 로타리 스크린(Rotary screen), 슬롯 다이(Slot die), 멀티롤(Multi roll) 등을 사용하여 직접 도포할 수도 있다. 이렇게 수성 폴리우레탄 수지액을 텍스타일-나노웹 멤브레인의 2-레이어 텍스타일의 멤브레인에 직접 도포한 후 120℃에서 예비 건조, 150~160℃에서 열경화 건조를 시행하여 권취한다.
상기에서 기술한 내용들은 본 발명에서 설명하고자 하는 내용에 대해서 간략히 언급하였으며, 당해 발명의 분야에서 통상적인 기술적 지식이 있는 자라면 누구든지 변형 실시가 가능할 것이고, 본 발명은 텍스타일-나노웹 멤브레인의 2-레이어 텍스타일의 멤브레인 표면 가공을 통하여 기존 물성을 크게 저하시키지 않거나 향상 시키면서 내마모성 향상에 관하여 기술한 것으로 본 발명의 범주가 상기 기술한 방법에 국한되는 것은 아니다.
2-레이어 텍스타일의 나노섬유 멤브레인의 표면처리 결과
텍스타일-나노웹 멤브레인의 2-레이어 텍스타일에 대한 표면처리 방법은 상기 과제해결 수단에서 서술한 방법에 의해 처리하였으며, 2-레이어 텍스타일 제품과 표면처리 제품에 대해서 외관 시각검사를 하였고, 표면의 촉감을 측정하였으며 인위적으로 스크레치를 발생시켜 그 정도를 살펴보았다. 또한 ASTM D 1894의 방법을 사용하여 슬립성 검사를 하였으며, ISO 0811규격의 방법으로 내수압을 측정하여 보았고, JIS L 1096규격의 방법으로 공기 투과도를 조사하여 보았다. 이 결과는 다음의 표 1과 같다.
구분 내수압 mmH2O 공기투과도 ㎤/sec/㎠ 스크래치발생 슬립성 외관 촉감
표면처리 전 3,500 0.6 심함 약함 깨끗함 양호
표면처리 후 4,500 0.5 없음 좋음 깨끗함 매우 양호
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 표면처리 전 수준에 비해 공기투과도는 최소 50% 이상을 유지하는 것이 바람직한 것으로 상당히 좋은 결과를 보여 주고 있으며, 내수압은 증가되는 결과를 보여 주고 있어 나노섬유 멤브레인의 기능성의 유지 내지는 보완이 충분히 이루어지고 있음을 알 수 있다. 또한 스크래치에 강한 면을 보여주며 슬립성과 촉감은 매우 좋아졌다. 한편 세탁과정을 거친 후 상기 각각의 것을 다시 측정하여 보면, 표면처리 한 경우 그 차이가 심하지 않았으나 표면처리를 하지 않은 경우에는 세탁에 의해 나노 섬유 멤브레인의 손상이 심하게 이루어짐을 확인할 수 있었다. 따라서, 표면처리한 경우 나노섬유 멤브레인의 보호가 잘 이루어지고 있어 실용성을 증가시켰음을 예측할 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능할 것이다.

Claims (4)

  1. 텍스타일-나노섬유 멤브레인의 2-레이어 텍스타일에서 나노섬유 멤브레인의 표면 내마모성 증진방법에 있어서,
    저장 안정성이 양호하고 동시에 초기 접착력 및 내습열성이 우수한 폴리우레탄 수지 수분산액과 염료 혹은 안료, 무기충전재를 혼합하여 수성 폴리우레탄 수지액을 준비하는 단계;
    상기 수성 폴리우레탄 수지액을 구동롤러를 사용하여 원단에 전기방사 또는 용융방사에 의해 만들어진 나노웹 멤브레인을 합포한 텍스타일-나노 멤브레인 2-레이어 텍스타일의 나노웹 멤브레인 표면에 연속상 혹은 비연속상 및 비정형 혹은 정형의 패턴을 프린팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수성 폴리우레탄 수지액을 이용한 나노섬유 멤브레인의 표면 내마모성 증진방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수성 폴리우레탄 수지액은 에스테르계 또는 페닐계 폴리우레탄 수지, 물 및 유화제로 이루어진 폴리우레탄 수지 수분산액 100중량부당 이소시아네이트 경화제를 3 내지 15중량부와 염료 혹은 안료, 무기 충전재를 포함하는 것을 특징으로 하는 수성 폴리우레탄 수지액을 이용한 나노섬유 멤브레인의 표면 내마모성 증진방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동롤러는 패턴화된 롤투롤도포헤드 또는 코터인 것을 특징으로 하는 수성 폴리우레탄 수지액을 이용한 나노섬유 멤브레인의 표면 내마모성 증진방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    구동롤러로서 롤투롤도포헤드가 이용되는 경우, 롤에 가해지는 압력이 0.5~4kgf/㎡ 인 것을 특징으로 하는 수성 폴리우레탄 수지액을 이용한 나노섬유 멤브레인의 표면 내마모성 증진방법.
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