KR101433406B1 - 내풍성 및 수증기 투과성 의복 - Google Patents

내풍성 및 수증기 투과성 의복 Download PDF

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조세프 로버트 국커트
로버트 앤토니 마린
조지 브루스 팔머
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이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니
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Abstract

본 발명은 착용자를 바람으로부터 보호하면서 높은 MVTR을 유지하는 능력을 갖는 의류 용품에 관한 것이다. 의복은 천 외부 층과 대면하는 관계로 접착된 나노섬유 층을 갖는다. 선택적으로, 제2 천 층이 나노섬유 층과 대면하는 관계로 인접하게 접착되며, 제1 천 층으로부터 나노섬유 층의 반대편 면 상에 있다. 천은 약 7.6 ㎥/㎡/분 이하의 프래지어 공기 투과도, 및 약 500 g/㎡/일 초과의 MVTR을 갖는다.
의류 용품, 복합 천, 나노섬유, 공기 투과도, 수증기 투과율(MVTR)

Description

내풍성 및 수증기 투과성 의복{WIND RESISTANT AND WATER VAPOR PERMEABLE GARMENTS}
본 발명은 습기 및 공기 관리 층을 포함하는 다층형의 습기 및 공기 유동 관리 의복에 관한 것이다. 청구되고 개시된 본 발명은 특히 겉옷에 적용된다.
비 및 기타 습윤 상황에서 착용하기 위한 보호용 의복은 땀이 착용자로부터 대기로 증발되게 함으로써 착용자를 건조한 상태로 유지하여야 한다. 땀의 증발을 허용하는 "통기성"(breathable) 재료는 비에 함빡 젖기 쉬워서, 이들은 진정한 방수성이 아니다. 방수포(oilskin), 폴리우레탄 코팅 천, 폴리비닐 클로라이드 필름 및 기타 재료가 방수성이기는 하지만 땀을 만족스럽게 증발시키지 못한다.
의복은 쾌적해지도록 "통기성"이어야 한다는 것이 널리 인식된다. 의복의 쾌적성의 수준에 기여하는 2가지 인자는 내의가 습윤해지지 않도록 하고 따라서 자연 증발에 의한 냉각 효과가 달성될 수 있도록, 내측으로부터 외측으로 투과되는 땀의 양뿐만 아니라 의복을 통과하거나 통과하지 못하는 공기의 양을 포함한다. 그러나, 미공성 필름을 사용하는 통기성 천 용품에서의 최근의 발전조차도 공기 투과도(air permeability)가 제어되어야 하는 경우 수증기 투과(moisture vapor transmission)를 제한하는 경향이 있다.
본 발명은 높은 증기 투과율의 존재 하에서 제어된 공기 투과도를 제공하는 의복용의 층상(layered) 재료에 관한 것이다.
발명의 개요
일 실시 형태에서, 본 발명은 착용자를 바람으로부터 보호하면서 수증기를 통과시키는 능력을 가지며 나노섬유(nanofiber) 층과 대면하는(face-to-face) 관계로 인접한 적어도 하나의 천 층의 복합 천을 포함하는 의류 용품에 관한 것으로서, 상기 나노섬유 층은 약 50 ㎚ 내지 약 1000 ㎚의 수평균 직경, 및 약 1 g/㎡ 내지 약 100 g/㎡의 평량을 갖는 중합체 나노섬유들의 적어도 하나의 다공성 층을 포함하며, 상기 복합 천은 약 1.2 ㎥/㎡/분 내지 약 7.6 ㎥/㎡/분의 프래지어 공기 투과도(Frazier air permeability), 및 약 500 g/㎡/일(day) 초과의 MVTR(moisture vapor transmission rate)을 갖는다.
일 실시 형태에서, 본 발명은 천 층에 인접하고 그 표면의 적어도 일부에 걸쳐 천 층에 선택적으로 접착되는 나노섬유 층을 포함한다. "나노섬유 층" 및 "나노웨브"라는 용어들은 본 명세서에서 교환가능하게 사용된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 "나노섬유"라는 용어는 약 1000 ㎚ 미만, 심지어 약 800 ㎚ 미만, 심지어 약 50 ㎚ 내지 500 ㎚, 심지어 약 100 내지 400 ㎚의 수평균 직경 또는 단면을 갖는 섬유를 지칭한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같은 직경이라는 용어는 비원형 형상의 최대 단면을 포함한다.
"부직물"이라는 용어는 다수의 무작위로 분포된 섬유들을 포함하는 웨브를 의미한다. 섬유들은 일반적으로 서로 접착되거나 접착되지 않을 수 있다. 섬유는 스테이플(staple) 섬유 또는 연속 섬유일 수 있다. 섬유는 단일 재료, 또는 상이한 섬유들의 조합으로서 또는 각각 상이한 재료들로 구성된 유사한 섬유들의 조합으로서 다수의 재료를 포함할 수 있다.
"캘린더링"(calendering)은 2개의 롤들 사이의 닙(nip)을 통해 웨브를 통과시키는 공정이다. 롤들은 서로 접촉할 수 있거나, 롤 표면들 사이에 고정 또는 가변 갭(gap)이 존재할 수 있다. "비패터닝"(unpatterned) 롤은 그를 제조하기 위해 사용되는 공정의 능력 내에서 매끄러운 표면을 가진 롤이다. 점 접착 롤과 달리, 웨브가 닙을 통과함에 따라 의도적으로 웨브 상에 패턴을 생성하는 점 또는 패턴이 존재하지 않는다.
"의류 용품" 또는 "의복"이라는 것은 사용자의 신체의 일정 영역을 기후 또는 신체 외측 환경의 기타 인자로부터 보호하기 위해 사용자에 의해 착용되는 임의의 물품을 의미한다. 예를 들면, 코트, 재킷, 바지, 모자, 장갑, 신발, 양말, 및 셔츠 모두가 이러한 정의 하에서의 의류 용품 또는 의복으로 고려될 것이다.
일 실시 형태에서, 본 발명은 제한 및 제어된 공기 투과도를 가지면서 높은 수증기 투과율(MVTR)을 갖는 의복에 관한 것이다. 의복은, 차례로 약 1 g/㎡ 내지 약 100 g/㎡의 평량을 갖는 중합체 나노섬유들의 적어도 하나의 다공성 층을 포함하는 나노섬유 층을 포함한다.
본 발명의 의복은, 적어도 나노섬유 층과 대면하는 관계로 인접한 제1 천 층을 포함하며, 선택적으로 나노섬유 층과 대면하는 관계로 인접하고 제1 천 층으로부터 나노섬유 층의 반대편 면 상에 있는 제2 천 층을 추가로 포함하는 복합 천이다.
본 발명의 의복은 약 7.6 ㎥/㎡/분 이하의 프래지어 공기 투과도, 및 약 500 g/㎡/일 초과의 ASTM E-96B 방법에 따른 MVTR을 갖는 영역을 추가로 구비한다.
나노웨브는 전기 방사(electrospinning), 예컨대 전통적인 전기 방사 또는 일렉트로블로잉(electroblowing)에 의해, 그리고 소정 환경에서는 멜트블로잉(meltblowing) 공정에 의해 생성되는 나노섬유를 주로 또는 나노섬유만을 포함할 수 있다.
전통적인 전기 방사는, 나노섬유 및 부직 매트(mat)를 생성하기 위해 고전압이 용액 내의 중합체에 인가되는, 전체적으로 본 명세서에 포함된 미국 특허 제4,127,706호에 예시된 기술이다.
나노웨브를 생성하는 "일렉트로블로잉" 공정이 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 출원 공개 제2005-0067732 A1호에 개시되어 있다. 중합체 및 용매를 포함하는 중합체 용액의 스트림이 저장 탱크로부터, 고전압이 인가되고 중합체 용액이 방출되는 방사구(spinneret) 내의 일련의 방사 노즐로 공급된다. 한편, 선택적으로 가열된 압축 공기가 방사 노즐의 측면 또는 주연부에 배치된 공기 노즐로부터 방출된다. 공기는, 새로 방출된 중합체 용액을 둘러싸서 전진시키고 진공 챔버 위의 접지된 다공성 수집 벨트 상에 수집되는 섬유질 웨브의 형성을 돕는 블로잉 기체 스트림(blowing gas stream)으로서 대체로 하향으로 지향된다. 일렉트로블로잉 공정은 실질적으로 연속적인 나노섬유의, 약 1 g/㎡을 초과하는, 심지어 약 40 g/㎡ 이상만큼 높은 평량의 나노웨브의 상업적 크기 및 수량으로의 형성을 비교적 단기간에 가능하게 한다.
본 발명의 천 층 구성요소는 수집기 상에 배열되어 방사된 나노웨브가 천 층 상에 수집 및 조합될 수 있어서, 천 층/나노웨브의 복합체가 본 발명의 천으로서 사용된다. 대안적으로, 나노웨브는 별도로 수집되고, 선택적으로 후처리, 예컨대 캘린더링, 코팅 등을 거치며, 그 후 하나 이상의 천 층과 조합될 수 있다.
나노웨브의 나노섬유를 형성하는 데 사용될 수 있는 중합체 재료는 특정하게 제한되지 않으며, 부가 중합체 및 축합 중합체 둘 모두, 예컨대 폴리아세탈, 폴리아미드 - 고도 방향족 폴리아미드를 포함함, 예를 들어 메타- 및 파라-아라미드 - , 폴리에스테르, 폴리올레핀, 셀룰로오스 에테르 및 에스테르, 폴리알킬렌 설파이드, 폴리아릴렌 옥사이드, 폴리설폰, 개질된 폴리설폰 중합체, 및 이들의 혼합물을 포함한다. 바람직한 중합체는 가교결합 및 비-가교결합 형태의 다양한 가수분해도(87% 내지 99.5%)의 폴리비닐알코올, 폴리(비닐리덴 클로라이드), 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 그리고 폴리(비닐클로라이드), 폴리메틸메타크릴레이트(및 다른 아크릴 수지), 폴리스티렌, 및 (ABA형 블록 공중합체를 포함하는) 이들의 공중합체를 포함한다. 바람직한 부가 중합체는 유리질인 경향이 있다(Tg가 실온보다 높음). 이는 폴리비닐클로라이드 및 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌 중합체 조성물 또는 얼로이(alloy) 또는 저결정성 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 폴리비닐알코올 재료의 경우에 해당한다. 폴리아미드 축합 중합체의 하나의 바람직한 부류는 나일론 재료, 예컨대 나일론-6, 나일론-6,6, 나일론 6,6-6,10 등이다. 본 발명의 중합체 나노웨브가 멜트블로잉에 의해 형성될 때, 폴리에스테르, 예컨대 폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 폴리올레핀, 및 폴리아미드, 예컨대 상기 열거된 나일론 중합체를 포함하여, 나노섬유로 멜트블로잉될 수 있는 임의의 열가소성 중합체가 사용될 수 있다.
본 발명의 방사된 상태의 나노웨브는, 2006년 9월 20일자로 출원되고 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된, 공히 계류중인 미국 특허 출원 제11/523,827호에 개시된 바와 같이, 본 발명의 천에 원하는 물리적 특성을 부여하기 위해 캘린더링될 수 있다. 방사된 상태의 나노웨브는, 하나의 롤이 비패터닝 소프트 롤이고 하나의 롤이 비패터닝 하드 롤인 2개의 비패터닝 롤들 사이의 닙으로 공급될 수 있으며, 하드 롤의 온도는 본 명세서에서 중합체가 유리질로부터 고무질 상태로의 전이를 겪는 온도로서 정의되는 Tg와 본 명세서에서 중합체의 용융 개시 온도로서 정의되는 Tom 사이의 온도로 유지되어, 나노웨브의 나노섬유는 캘린더 닙을 통과할 때 가소화된 상태에 있다. 롤의 조성 및 경도는 천의 원하는 최종 용도의 특성을 생성하도록 변경될 수 있다. 하나의 롤은 스테인레스강과 같은 초경 금속(hard metal)일 수 있고, 다른 하나의 롤은 연질 금속(soft-metal) 또는 중합체 코팅된 롤 또는 로크웰(Rockwell) B 70 미만의 경도를 갖는 복합 롤일 수 있다. 2개의 롤들 사이의 닙 내에서의 웨브의 체류 시간은 바람직하게는 약 1 m/분 내지 약 50 m/분의 웨브의 라인 속도에 의해 제어되며, 2개의 롤들 사이의 풋프린트(footprint)는 웨브가 두 롤 모두와 동시에 접촉하여 이동하는 MD 거리이다. 풋프린트는 2개의 롤들 사이의 닙에서 가해지며 일반적으로 롤의 선형 CD 치수당 힘으로 측정되는 압력에 의해 제어되고, 바람직하게는 약 1 ㎜ 내지 약 30 ㎜이다.
또한, 나노웨브는, 선택적으로 나노섬유 중합체의 가장 낮은 Tom과 Tg 사이인 온도로 가열되는 동안, 신장될 수 있다. 신장은 웨브가 캘린더 롤로 공급되기 전 및/또는 후에 그리고 기계 방향 또는 횡방향 중 어느 하나 또는 둘 모두로 발생할 수 있다.
매우 다양한 천연 및 합성 천이 알려져 있으며, 예를 들어 운동복, 거친 겉옷(rugged outerwear) 및 실외복(outdoor gear), 보호용 의복 등(예를 들어, 장갑, 앞치마, 가죽 바지(chaps), 바지, 부츠, 게이터(gator), 셔츠, 재킷, 코트, 양말, 신발, 내의, 조끼, 방수복(wader), 모자, 긴 장갑(gauntlet), 침낭, 텐트 등)을 구성하기 위해 본 발명에서 천 층 또는 층들로서 사용될 수 있다. 전형적으로, 거친 겉옷으로서 사용하기 위해 설계된 의복은 상대적으로 낮은 강도(strength 또는 tenacity)를 갖는 천연 및/또는 합성 섬유(예를 들어, 나일론, 면, 모, 실크, 폴리에스테르, 폴리아크릴, 폴리올레핀 등)로부터 제조된 상대적으로 느슨하게 직조된 천으로 구성되었다. 각각의 섬유는 인장 강도가 약 8 그램(g)/데니어(Denier) (gpd) 미만, 더 전형적으로 약 5 gpd 미만, 그리고 몇몇 경우에서는 약 3 gpd 미만일 수 있다. 그러한 재료는, 예를 들어 염색성, 통기성, 경량성, 쾌적성, 그리고 몇몇 경우에서는 내마모성과 같은 다양한 이로운 특성을 가질 수 있다.
다양한 직조 구조 및 다양한 직조 밀도가 본 발명의 구성요소로서 몇몇 대안적인 직조 복합 천을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 직조 구조, 예컨대 평직(plain woven) 구조, (이중 또는 다중 경사 및/또는 위사를 갖는) 강화 평직 구조, 능직(twill woven) 구조, (이중 또는 다중 경사 및/또는 위사를 갖는) 강화 능직 구조, 수자직(satin woven) 구조, (이중 또는 다중 경사 및/또는 위사를 갖는) 강화 수자직 구조, 편직, 펠트(felt), 플리스(fleece), 및 니들펀칭된 구조가 사용될 수 있다. 신축성 직조 천, 립스톱(ripstop), 도비(dobby) 직물, 및 자카드(jacquard) 직물이 또한 본 발명에 사용하기에 적합하다.
나노웨브는 그 표면의 일정 부분에 걸쳐 천 층에 접착되며, 예를 들어 접착제에 의해, 열에 의해, 초음파장을 사용하여 또는 용매 접착에 의한 것과 같이 당업자에게 공지된 임의의 수단에 의해 천 층에 접착될 수 있다. 일 실시 형태에서, 나노웨브는 폴리우레탄과 같은 중합체 접착제의 용액을 사용하고 용매를 증발되게 함으로써 접착제에 의해 접착된다. 추가의 실시 형태에서, 나노웨브가 천 상으로 직접 전기 방사될 때, 용매 접착을 달성하도록 나노웨브가 그 내에서 방사되는 용매가 사용된다.
프래지어 공기 투과도는 시트의 표면들 사이의 규정된 압력차 하에서 시트를 통과하는 공기 유동의 측정치이며, 이로써 참고로 포함된 ASTM D 737에 따라 수행하였고, ㎥/㎡/분으로 기록한다.
폴리에스테르 플리스(미국 매사추세츠주 스토우톤 소재의 쇼멋 밀즈(Shawmut Mills)로부터 입수가능함), 나일론 6,6으로부터 제조된 나노웨브, 및 폴리에스테르 플리스의 다른 층으로부터 3층 천 구조체를 제조하였다. 3층 천 구조체는 "288-패턴" 그라비어-롤(gravure-roll) 인가에 의해, 용매계 우레탄 접착제를 사용하여 플리스 천을 나노웨브에 라미네이팅하고, 그 후 용매계 우레탄 접착제를 사용하여 이 2층 구조체를 플리스의 배킹(backing) 층에 라미네이팅함으로써 생성하였다. 그 후, 최종 3층 천 구조체를 공기 투과도에 대해 시험하였다.
3층 천 구조체는 3.3 ㎥/㎡/분의 프래지어 공기 투과도를 가졌다. 3층 천 구조체를 5회 세척하였고, 그 후 재시험한 결과 3.1 ㎥/㎡/분의 프래지어 수치를 보였다. 플리스의 단일 층의 공기 투과도는 65.5 ㎥/㎡/분으로 측정되었고, 라미네이팅된 플리스의 2개의 층으로 이루어진 2층 천 구조체는 41.5 ㎥/㎡/분의 공기 투과도로 측정되었다. 알 수 있는 바와 같이, 나노웨브 복합체는 플리스 천의 단일 층 및 플리스 천의 2중 층 구조 모두에 비해 상당한 개선을 제공한다.
하기의 표 1에 시험한 다양한 천 구조 및 각각의 구조에 대한 대응하는 프래지어 측정치를 열거한다. 모든 구조체는 용매계 접착제를 사용하여 라미네이팅함으로써 생성하였다. 천들의 대략의 평량이 표 1에 포함되어 있다.
Figure 112009031835485-pct00001
상기 데이터로부터 알 수 있는 바와 같이, 나노웨브는 천 구조체의 공기 투과도를 우수하게 제어할 수 있다. 또한, 공기 투과도는 나노웨브 구조체의 후처리를 통해 추가로 감소될 수 있다. 이러한 후처리된 나노웨브를 사용한 그러한 구조체는 플리스/나노웨브/플리스 구조로 0.76 ㎥/㎡/분만큼 낮은 공기 투과도를 보였다.
의류에서의 다른 중요한 파라미터는 재킷의 내측으로부터 외측으로 수증기를 방출하는 천의 능력이다. 이 파라미터는 수증기 투과율(MVTR)로 불린다. 상기 구조체들 중 몇몇을 또한 ASTM E-96B 방법을 사용하여 MVTR에 대해 시험하였다. 결과를 하기의 표 2에 열거한다.
Figure 112009031835485-pct00002
실시예들로부터 알 수 있는 바와 같이, 나노웨브는 필요한 경우, 수증기 투과의 쾌적하고 허용가능한 수준을 유지하면서, 공기 투과도를 크게 감소시킬 수 있다.

Claims (16)

  1. 의류 용품으로서,
    상기 의류 용품은 착용자를 바람으로부터 보호하면서 수증기를 통과시키는 능력을 가지며, 나노섬유 층과 대면하는 관계로 인접한 적어도 하나의 천 층의 복합 천을 포함하고,
    상기 나노섬유 층은 50 ㎚ 내지 1000 ㎚의 수평균 직경, 및 1 g/㎡ 내지 100 g/㎡의 평량을 갖는 중합체 나노섬유들의 적어도 하나의 다공성 층을 포함하며,
    상기 복합 천은 1.2 ㎥/㎡/분 내지 7.6 ㎥/㎡/분의 프래지어 공기 투과도(Frazier air permeability), 및 500 g/㎡/일 초과의 MVTR을 갖고,
    상기 천 층은 직조 천을 포함하는 의류 용품.
  2. 제1항에 있어서, 나노섬유 층과 천 층은 그 표면들의 일부에 걸쳐 서로 접착되는 의류 용품.
  3. 제2항에 있어서, 나노섬유 층과 천 층은 용매계 접착제에 의해 서로 접착되는 의류 용품.
  4. 제2항에 있어서, 복합 천은 나노섬유 층을 천 층의 표면 상으로 직접 전기 방사(electrospinning) 또는 일렉트로블로잉(electroblowing)함으로써 생성되며, 나노섬유 층과 천 층은 전기 방사 또는 일렉트로블로잉 공정으로부터의 잔류 용매에 의해 서로 접착되는 의류 용품.
  5. 제3항에 있어서, 나노섬유 층과 천 층은 폴리우레탄 접착제에 의해 서로 접착되는 의류 용품.
  6. 제2항에 있어서, 나노섬유 층과 천 층은 열에 의해 서로 접착되는 의류 용품.
  7. 제2항에 있어서, 나노섬유 층과 천 층은 초음파에 의해 서로 접착되는 의류 용품.
  8. 제1항에 있어서, 나노섬유 층은 폴리아세탈, 폴리아미드, 아라미드, 폴리올레핀, 폴리에스테르, 셀룰로오스 에테르, 셀룰로오스 에스테르, 폴리알킬렌 설파이드, 폴리아릴렌 옥사이드, 폴리설폰, 개질된 폴리설폰 중합체, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 중합체의 나노섬유를 포함하는 의류 용품.
  9. 제1항에 있어서, 나노섬유 층은 폴리(비닐클로라이드), 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌, 및 이들의 공중합체, 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 폴리(비닐 리덴 클로라이드), 폴리비닐 알코올 - 가교결합 및 비-가교결합 형태 - 로 이루어진 군으로부터 선택되는 중합체의 나노섬유를 포함하는 의류 용품.
  10. 제8항에 있어서, 나노섬유 층은 나일론-6, 나일론-6,6, 및 나일론 6,6-6,10으로 이루어진 군으로부터 선택되는 중합체의 나노섬유를 포함하는 의류 용품.
  11. 제1항에 있어서, 나노섬유 층은 캘린더링되는 의류 용품.
  12. 제11항에 있어서, 나노섬유 층은 천 층과 접촉하면서 캘린더링되는 의류 용품.
  13. 제1항에 있어서, 천 층은 나일론, 면, 모, 실크, 폴리에스테르, 폴리아크릴, 폴리올레핀, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 재료로부터 제조되는 직조 천을 포함하는 의류 용품.
  14. 제1항에 있어서, 천 층은 8 gpd 미만의 강도를 갖는 섬유로부터 제조된 직조 천을 포함하는 의류 용품.
  15. 제1항에 있어서, 천 층은 5 gpd 미만의 강도를 갖는 섬유로부터 제조된 직조 천을 포함하는 의류 용품.
  16. 제1항에 있어서, 천 층은 3 gpd 미만의 강도를 갖는 섬유로부터 제조된 직조 천을 포함하는 의류 용품.
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