KR101602177B1

KR101602177B1 - 반사용 비드를 갖는 고반사 칫솔모 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101602177B1
Application number: KR1020140169547A
Authority: KR
Inventors: 오귀환
Original assignee: 비비씨 주식회사
Priority date: 2014-12-01
Filing date: 2014-12-01
Publication date: 2016-03-10

Abstract

본 발명은 내부에 반사용 비드를 포함하는 고반사 칫솔모로, 상기 칫솔모는 길이방향과 수직한 단면을 기준으로 내측에서 외측으로 갈수록 비드 밀도가 증가하며, 하기 화학식 1을 만족하는 것인 고반사 칫솔모에 관한 것이다.
[식 1]

(상기 화학식 1에서 n_s는 비드의 굴절률, n_c는 필라멘트의 굴절률이다.)

Description

반사용 비드를 갖는 고반사 칫솔모 및 이의 제조방법{Bristles having reflection beads and manufacturing method thereof}

본 발명은 반사용 비드를 갖는 고반사 칫솔모 및 이의 제조방법으로, 상세하게는 단면의 형상이 비원형인 칫솔모에서 꼭짓점 쪽에 비드를 위치시켜 높은 반사광을 가지면서도 비드의 경도를 이용하여 세정력을 향상시킨 고반사 칫솔모 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

생활수준이 향상되고 구강위생에 대한 관심이 증가하면서, 칫솔과 칫솔모에 대해서도 많은 연구가 행해지고 있다. 칫솔질 방식도, 과거의 좌우 운동에 의한 마찰방식에서 근래에는 상하 운동에 의한 마찰 방식으로 바뀌고 있는 추세이며, 최근에는 전동 칫솔 보급으로 정면회전운동에 의한 측면 마찰방식이 새로이 도입되고 있다. 뿐만 아니라 잇몸 질환의 증가로 치간칫솔의 사용도 증가하고 있다.

대부분의 칫솔모는 표면이 평면이고 매끄러워서 측면 마찰력이 약하거나 미미하며, 대부분 칫솔모의 끝부분의 마찰력에 의존하여 칫솔질 효과를 얻고 있다. 하지만 음식물 찌꺼기 및 프라그를 제거하는데 요구되는 적절한 마찰력을 얻기 위해, 대부분의 사람들은 과도하게 칫솔질을 하게 되고 이로 인해 지나친 잇몸자극을 유발하거나 무리한 힘을 가하게 되어 칫솔모가 굽게 되는 부작용 발생한다.

이를 해결하기 위해 칫솔모의 표면에 요철 또는 굴곡을 주거나 부착물을 붙여, 치아표면과 잇몸과의 마찰 시의 칫솔질 효과를 향상시킨 칫솔모가 몇몇 제안되어 있다.

대한민국 특허출원 제 10-2008-0011846호에는, 테이퍼링을 하거나 테이퍼링을 거치지 않은 칫솔모의 일단에 요철을 만들어 치석제거 효과가 우수한 칫솔모를 제안하고 있다. 이 특허출원은 연마공정 또는 코팅공정으로 칫솔모에 미세입자를 부착시켜 돌기를 형성하는 것을 제안하고 있으나, 연마공정이 복잡하고 균일하지 못하며, 반복 사용에 코팅된 요철이 쉽게 떨어질 수 있다는 단점이 있다.

또한 대한민국 공개특허 10-2007-0099757 등과 같이 방사용액에 기능성 물질을 포함하여 칫솔모를 제조하기도 하나, 첨가되는 물질들이 견운모, 금속 플레이트와 같은 입자들을 포함한다. 이들 입자는 칫솔모 방사 시 크랙(crack)으로 작용하여 섬유가 절사되는 것을 막기 위해 평균입경이 제한될 수밖에 없으며, 칫솔모의 두께가 0.3㎜ 이하의 미세모인 경우 입자들에 의해 필라멘트의 백화현상이 발생하여 고급감을 더욱 떨어뜨리게 된다. 이밖에 백화현상을 막기 위해 안료 등을 첨가하거나 표면에 요철을 형성하여 난반사를 유도하기도 하나 이에 한계가 있다.

대한민국 공개특허 10-2008-0011846 (2008년 08월 01일) 대한민국 공개특허 10-2007-0099757 (2007년 10월 10일)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 칫솔모에 고반사율을 가지는 투명 비드를 삽입하고, 상기 비드를 칫솔모를 이루는 필라멘트의 용융방사 시 발생하는 다이 스웰(die swell) 현상을 이용하여 칫솔모의 각진 부분(edge)으로 자연스럽게 위치시켜 압출 시 발생할 수 있는 비드의 파괴를 최소화함을 물론, 높은 산란성을 확보하여 고급감을 높인 칫솔모의 제공을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 상기 비드를 칫솔모 표면으로 노출시켜 비드의 고경도를 이용하여 세정력을 높이는 칫솔모의 제공이다.

본 발명의 또 다른 목적은 이러한 칫솔모를 제조하는 제조방법의 제공이다.

본 발명은 반사용 비드를 갖는 고반사 칫솔모 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 일 양태는 내부에 반사용 비드를 포함하는 고반사 칫솔모로, 상기 칫솔모는 길이방향과 수직한 단면을 기준으로 내측에서 외측으로 갈수록 비드 밀도가 증가하며, 하기 화학식 1을 만족하는 것인 고반사 칫솔모에 관한 것이다.

[식 1]

또한 상기 비드는 평균입경이 50 내지 100㎛, 굴절율 2.2 이상, 비커스 경도가 400 내지 700 ㎏/㎟일 수 있다.

또한 본 발명에 따른 비드는 부피분율이 하기 식 4를 만족할 수 있다.

[식 4]

(상기 식 4에서 V_P는 고분자 수지의 부피, V_B는 비드의 부피를 뜻한다.)

또한 상기 칫솔모의 단면은 삼각형, 사각형 및 마름모형 중 어느 하나일 수 있으며, 굵기 0.1 내지 0.3㎜이고, 길이방향의 일단 또는 양 끝단에 테이퍼가 형성된 것일 수 있다.

본 발명의 다른 양태는,

a) 비드가 포함된 마스터배치 및 고분자를 혼합하여 방사용액을 제조하는 단계;

b) 상기 방사용액을 방사구의 지름과 길이의 비(L/D)가 18 내지 30인 방사구를 통해 방사하여 칫솔모를 제조하는 단계; 및

c) 상기 방사된 칫솔모를 연신비 5.0 내지 6.2로 연신 및 권취하는 단계;

를 포함하는 고반사 칫솔모의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에서 상기 고분자는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리트리메틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 나일론6, 나일론11, 나일론12, 나일론 4,6, 나일론6,6, 나일론6,10 및 나일론6,12에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있으며, 상기 방사용액은 용융유속이 0.001 내지 100 g/10min이고, 팽창비(swell ratio)가 2.0 이상일 수 있다.

또한 상기 제조방법은 e) 상기 칫솔모의 일단 또는 양 끝단을 테이퍼 용액에 담가 테이퍼 가공하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 고반사 칫솔모는 칫솔모 내부에 고반사 비드를 포함함으로써 산란성이 우수한 고급형 필라멘트를 제조할 수 있다. 또한 방사 조건에 따라 투입되는 비드의 입경 크기를 조절할 수 있으며, 비드 투입에 따른 필라멘트의 절단을 억제할 수 있다. 또한 고경도 및 원형의 비드를 이용하여 높은 세척력을 보이는 미백모를 제공할 수 있으며 잇몸에 가해지는 자극을 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 칫솔모의 단면을 도시한 것이다.

이하 첨부된 도면 및 구체예를 들어 본 발명에 따른 고반사 칫솔모를 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 구체예 또는 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.

또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 구체예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.

또한 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.

본 발명자들은 필라멘트의 백화현상을 해결하면서도 무기 입자를 혼합하여 방사 시 발생할 수 있는 필라멘트의 절단을 막기 위해 예의 연구를 거듭하던 중, 무기 입자의 부피분율을 특정 범위로 한정함과 동시에 방사용액의 용융유속, 팽창비 및 방사구의 지름과 길이비(Length/Diameter)를 특정 범위로 조절함으로써 방사용액의 다이 스웰(die swell) 현상을 조절할 수 있었으며, 방사용액 내 무기 입자의 위치를 섬유의 외곽, 더 정확하게는 비원형 섬유의 돌기부 쪽으로 유도할 수 있음을 발견하였다.

일반적으로 낮은 Reynold 수에서 압출된 유체의 단면적은 압출 직후 die의 단면적보다 크게 부풀어 오른 상태를 띄게 되는데, 이를 다이 스웰(die swell) 또는 압출물 팽창(extrudate swell)이라고 한다. 본 발명에 따른 필라멘트(칫솔모)는 이러한 현상을 이용하여 방사용액 내 비드를 특정 위치로 보내 고반사율 및 세정효과 향상을 노린 것으로, 방사용액의 점도와 함께 비드의 부피분율, 전단속도, 방사관의 길이 및 방사구금의 지름 등을 조절하여 필라멘트의 사절을 억제함과 동시에 비드를 필라멘트의 돌기부로 위치시킬 수 있다. 이를 통해 방사되는 필라멘트의 사절(切)현상을 억제함과 동시에 돌기부 또는 무기 입자가 형성하는 요철 또는 굴곡에 의해 세정효과가 향상되고, 고굴절률을 가지는 무기 입자로 인해 난반사를 유도하여 밝고 고급스러운 느낌의 모노필라멘트를 제조할 수 있어 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명에 따른 고반사 칫솔모는 내부에 반사용 비드를 포함하며, 도 1과 같이 길이방향과 수직한 단면의 형상이 비원형일 수 있다.

본 발명에서는 섬유의 단면에서 중심점으로부터 원주의 모든 부분이 동일 거리를 갖는 형상을 원형이라 하고, 상기 원형과 다른 형상을 비원형으로 한다. 상기 비원형은 삼각형, 사각형, 마름모형뿐만 아니라, 별모양, 십자형, 다각형, 도넛형, 장원형, 누에고치 모양 등 다양한 형태를 가질 수 있다.

본 발명에 따른 비드(120)는 도 1과 같이 단면을 기준으로 돌기부(110) 측에 위치할 수 있다. 본 발명에서 돌기부란 도면에서 점선으로 이루어진 원 외곽에 위치하며 밖으로 돌출된 형태를 취하고 있다. 다만, 상기 점선은 돌기부를 설명하기 위한 가상의 원이며, 도면에서 곡선으로 이루어져 있으나 각을 형성하여도 무방하다.

또한 본 발명에서 상기 비드(120)는 도 1의 (b) 또는 (d)와 같이 칫솔모의 표면에 노출되어 요철로 작용할 수 있다. 이는 칫솔모를 테이퍼 가공하여 형성하는 것으로, 테이퍼 가공 시 사용하는 용액 및 침지 시간, 침지 횟수, 기타 조건들을 조절하여 칫솔모의 표면적을 넓힐 수 있으며, 양치 시 치아에 닿는 면적이 증가하여 세정력을 높일 수 있다.

본 발명에 따른 칫솔모는 하기 식 1을 만족할 수 있다.

[식 1]

(상기 식 1에서 n_s는 비드의 굴절률, n_c는 필라멘트의 굴절률이다.)

상기 식 1은 본 발명의 목적인 난반사를 나타내는 인자 중 하나로써 반사율을 나타내며, 상기 식을 만족함에 따라 밝고 고급스러운 느낌의 필라멘트를 제공할 수 있다.

상기 식 1은 필라멘트를 이루는 고분자 수지 및 비드의 굴절률에 의해 결정되는 인자이다. 일반적으로, 대부분의 탄화수소로 이루어진 유기 고분자는 낮은 굴절률을 가지며, 순수한 지방족 탄화수소의 경우 대부분 1.5를 넘지 못하며, 염소가 도입된 방향족 탄화수소의 경우 굴절률이 소폭 증가하나 1.6 이상을 얻기 힘들다. 이를 개선하기 위해 고분자의 주쇄에 금속 등을 치환하기도 하나, 불균일한 분산 또는 도메인의 형성으로 오히려 투명도를 떨어뜨리는 문제를 발생시키게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 필라멘트 내에 반사용 비드를 도입하되, 필라멘트와의 굴절률 차를 두어 필라멘트를 통과하는 빛의 난반사를 유도하면서 표면반사 또는 산란에 의한 자외선 차단이라는 추가적인 장점을 가질 수 있다.

상기 식 1의 값이 0.02 미만인 경우 필라멘트를 이루는 수지와 비드와의 굴절률 차가 작은 것으로, 입사되는 빛의 굴절이 제대로 이루어지지 않고 표면반사 또는 산란효과가 현저히 감소할 수 있다. 또한 0.10을 초과하는 경우 표면반사 또는 산란이 극심하여 원하는 투명성 및 선명한 염색성 확보가 곤란하며 눈에 피로감을 줄 수 있다.

본 발명에 따른 비드는 제조방법, 재질 및 비드의 형상을 한정하지 않는다. 일예로 상기 비드는 대한민국 공개특허 10-2012-0029193 등과 같이 콜로이달 금속산화물을 포함하는 유화액을 현탁중합한 폴리머 비드를 이용할 수 있으며, 재귀반사를 이용하여 비드의 휘도를 높이기 위해 2010-0014677 등과 같이 비드 표면에 산화알루미늄을 코팅할 수도 있다. 또는 상기 처리 없이 글래스 비드를 사용하여도 무방하다. 또한 비드의 형상은 구형, 타원형, 마름모형, 사각형, 삼각형, 비정형 등 다양한 형상을 가질 수 있으며, 이 또한 본 발명에서 특별히 제한하지 않는다.

본 발명에 따른 비드는 형상을 한정하지는 않으나 하기 식 2를 만족하는 것이 좋다.

[식 2]

0.2 < l_b/l_o <0.5

(상기 식 1에서 l_b는 비드의 장축 길이이며, l_o는 상기 단면의 중심점에서 섬유 표면까지 직선거리 중 가장 긴 직선거리의 길이이다.)

상기 식 2는 방사된 필라멘트에서 비드의 위치를 결정하는 인자 중 하나로, l_b/l_o이 0.2 미만인 경우 비드의 부피분율에 영향을 주며, 결과적으로 전단속도에 따른 점도 변화가 미비하여 방사 시 비드가 필라멘트의 돌기부로 이동하지 않게 된다. 또한 비드의 입경이 작아져 세정력이 저하되며, 반사율의 저하에 따른 고급스러운 질감이 제대로 발현되지 않는다. l_b/l_o이 0.5 초과인 경우 필라멘트 내에서 절사(絶絲)요인으로 작용할 수 있다. 또한 방사가 되더라도 비드의 입경이 너무 커져 양치 시 잇몸에 상처를 줄 수 있다.

[식 4]

본 발명에서 비드의 부피분율은 비드와 고분자를 포함하는 전체 방사용액 중 비드가 차지하는 부피를 뜻하는 것으로, 상기 비드의 부피분율은 필라멘트 내 비드의 위치를 결정하는 인자 중 가장 중요한 인자이다. 비드의 부피분율은 방사용액의 전단속도에 영향을 주며, 비드의 관성 효과를 좌우한다. 상기 부피분율은 비드의 첨가량 및 비드의 크기에 영향을 받으며, 비드의 첨가량 또는 비드의 크기가 증가할수록 방사용액과 리지드(rigid)한 비드와의 혼합으로 인해 다이 스웰이 감소할 수 있다.

상기 부피분율은 칫솔모를 이루는 고분자 수지, 비드의 밀도 및 질량을 바탕으로 부피를 계산하여 구할 수 있다. 이때 고분자 수지의 밀도는 필라멘트를 이루는 고분자 각각의 고유밀도를 대입할 수 있으며, 첨가량을 계산하여 부피를 구할 수 있다. 비드의 경우 입자이므로 입자 하나의 밀도가 아닌 겉보기밀도(apparent density)를 대입하는 것이 좋다.

상기 겉보기밀도는 여러 측정방법이 있으나, ASTM D 1895에 따라 단위부피당 질량을 측정하여 계산하는 것이 좋다. 즉 일정 무게의 비드를 정밀하게 달아 건조한 25 ㎖유리제 매스실린더(눈금 1㎖)에 눌러 다져지지 않도록 하여 담고 고른 다음 눈금의 최소 단위까지 용적을 읽어 나온 부피(V)를 질량(M)에 나누어(M/V) 계산할 수 있다.

본 발명에서 비드의 부피분율이 0.01 미만인 경우 전단 속도가 증가하여 비드가 방사 구금의 벽으로부터 필라멘트의 중심 쪽으로 이동(migration or crowding)하여 결과적으로 칫솔모의 세정효과가 크게 떨어질 수 있다. 또한 0.3 초과인 경우 방사용액의 전단속도의 감소 및 점도가 증가하며, 비드가 방사 구금의 벽 쪽으로 과도하게 이동하여 사절의 원인이 될 수 있다.

또한 상기 비드는 상기 부피분율을 만족하는 범위 내에서 평균입경이 30 내지 100㎛일 수 있으며, 비커스 경도가 400 내지 700 ㎏/㎟인 것이 균일한 표면 거칠기를 가져 치아 세정력을 향상시킬 수 있어 좋다.

본 발명에 따른 비드는 광확산 효과를 위해 굴절률이 높은 물질을 사용하는 것이 좋으며, 좋게는 2.2 이상인 것이 좋다. 굴절률이 2.2 미만인 경우 필라멘트를 이루는 고분자 수지와의 굴절률 차이가 없어져 본 발명에서 원하는 반사효과가 제대로 발생하지 않는다.

본 발명에 따른 필라멘트는 초기 무게를 m₀라 할 때, 하기 식 3을 만족할 수 있다.

[식 3]

0.85m₀ < m₁ < 0.90m₀

0.65m₀ < m₂ < 0.80m₀

(상기 식 3에서 m₁은 필라멘트를 테이퍼 용액에 30분 침지시킨 후의 무게이며, m₂는 1시간 침지시킨 후의 무게이다.)

상기 식 3은 필라멘트 내 비드의 위치를 나타내는 인자로서, 테이퍼링에 따른 필라멘트의 무게 변화를 수식화한 것이다. 이는 비드의 위치가 필라멘트의 표면 쪽으로 쏠릴수록 필라멘트의 감량가공을 통해 테이퍼링 발생 시 비드가 필라멘트에서 이탈될 것을 고려한 개념으로서, 동일한 감량가공에 무게의 감소량이 클수록 비드가 필라멘트의 표면에 위치한 것이며, 감소가 일어나지 않는다면 비드가 필라멘트의 중심부에 위치하여 이탈하지 않는 것을 이용하여 계산된 것이다. 즉, 테이퍼링이 진행되면서 필라멘트의 표면에 위치하는 비드가 필라멘트에서 이탈할 수 있는데, 비드가 필라멘트의 내부에 위치할수록 무게 감소 속도가 줄어들게 되며, 표면에 위치하는 비드의 수가 많을수록 필라멘트의 무게 감소 속도가 급격해진다. 따라서 초기 무게 및 테이퍼링 후의 무게를 측정하여 상기 식 3에 대입하는 것으로 필라멘트 내 비드의 위치를 간접적으로 측정할 수 있다.

상기 식 3에서 m₁ 또는 m₂가 상기 수치 미만인 경우 양치 시 비드가 쉽게 이탈할 수 있으며, 방사가 제대로 이루어지지 않고 사절이 발생할 수 있다. 또한 m₁ 또는 m₂가 상기 수치 초과인 경우 테이퍼링 시 요철이 생성되지 않아 칫솔모의 세정효과가 크게 떨어질 수 있다.

본 발명에 따른 칫솔모는 하기 단계를 거쳐 제조될 수 있다.

본 발명에 따른 칫솔모는 먼저 상기 a)단계와 같이 비드가 포함된 마스터배치 및 고분자를 혼합하여 방사용액을 제조한다.

본 발명에 따른 비드는 입경 크기에 따라 방사용액에 그대로 투입할 수도 있으나, 좀 더 고른 분산을 위해 마스터배치 형태로 투입하는 것이 좋다. 상기 마스터배치는 당업계에서 통상적으로 제조하는 방법을 이용할 수 있으며, 비드와 함께 포함되는 고분자 수지는 필라멘트를 이루는 베이스 수지와 동일 또는 상이하여도 무방하다.

상기 고분자 수지는 당업계에서 칫솔모용 필라멘트 제조 시 사용되는 물질이라면 종류에 한정하지 않는다. 상기 고분자 수지로 예를 들면 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리트리메틸렌테레프탈레이트(polytrimethyleneterephthalate), 나일론6(nylon6), 나일론11(nylon11), 나일론12(nylon12), 나일론6,6(nylon6,6), 나일론6,10(nylon6,10) 및 나일론6,12(nylon6,12) 중 어느 하나 이상의 고분자 수지를 사용할 수 있으며 바람직하게는 폴리트리메틸렌테레프탈레이트 또는 폴리부틸렌테레프탈레이트를 사용하는 것이 비드와의 굴절률 차이가 있으면서도 기계적인 물성이 우수하여 좋다.

또한 본 발명에서 상기 방사용액은 ASTM D1238(230℃, 2160g)에 따라 측정된 용융유속(mass flow rate, MFR)이 0.01 내지 100 g/10min일 수 있다. 상기 용융유속은 방사용액의 다이 스웰비를 결정하는 인자로서, 방사용액의 점도와 관련이 있으며, 성형 가공 시의 압출 부하와 관련 있다. 용융유속이 0.01 g/10min 미만인 경우 방사용액의 점도가 지나치게 높아져 압출된 필라멘트의 표면 평활성이 불량해지고 압출이 어려워질 수 있다. 또한 100 g/10min을 초과하는 경우 방사된 필라멘트의 형태유지능이 떨어지며, 비강도의 감소가 급격히 일어날 수 있다.

또한 상기 방사용액은 다이 스웰비(swell ratio)가 1.6 이상, 바람직하게는 2.0 내지 3.0인 것이 좋다. 상기 다이 스웰비는 방사구의 직경과 방사구를 빠져나온 필라멘트의 직경비를 뜻하는 것으로 방사구의 온도 방사용액의 용융유속, 고분자 수지의 분자량분포, 방사용액의 체류 시간 등에 영향을 받는다. 또한 방사용액 내 비드의 이동에도 영향을 줄 수 있다.

상기 다이 스웰비는 용융유속 측정 시 190℃, 21.18N의 하중 조건 하에서 방사된 스트랜드(strand)를 공기 중에서 냉각시키고, 압출 상류측 선단으로부터 5㎜ 위치에서의 스트랜드의 직경(D)을 측정한 후 상기 직경(D)을 방사구의 직경(D₀)으로 나눔으로서 계산할 수 있다.

상기 다이 스웰비가 1.6 미만인 경우 필라멘트 내 비드가 필라멘트 표면으로 이동하지 않을 수 있으며, 3.0 초과인 경우 필라멘트의 형상 보유능이 떨어져 기계적인 물성이 하락할 수 있다.

상기 마스터배치 제조 시 고분자 수지와 비드의 조성비는 한정하지 않으며, 상기 비드의 부피분율 범위를 유지할 정도로 적당히 첨가하는 것이 좋다.

이어서 b) 단계와 같이 상기 방사용액을 방사구의 지름과 길이의 비(L/D)가 18 내지 30인 방사구를 통해 방사하여 칫솔모를 제조한다.

상기 방사구는 압출기와 연결될 수 있으며, 이때 원활한 방사를 위해 압출기는 250 내지 280℃로 가열될 수 있다. 250℃ 미만으로 가열될 경우 고분자 수지가 충분히 용해되지 않아 방사에 어려움이 있을 수 있으며, 280℃ 초과인 경우 고분자 수지의 용융점도가 낮아져 필라멘트의 기계적 물성이 하락할 뿐만 아니라 권취 속도가 일정하지 않아 필라멘트의 균일성이 떨어질 수 있다.

본 발명에서 상기 방사구는 방사구의 지름과 길이의 비(L/D)가 18 이상, 더욱 바람직하게는 18 내지 30인 것이 좋다. 상기 L/D는 다이 스웰 및 비드의 위치를 결정하는 인자 중 하나로서, L/D의 값이 작아질수록 방사용액의 팽창비(swell ratio)가 증가하며, swell ratio의 증가는 방사용액 내 비드가 필라멘트의 중심부에서 섬유 표면 또는 돌기부 쪽으로 더 쉽게 이동하도록 한다. 즉, L이 길어질수록 응력완화가 일어날 수 있는 여력이 커지므로 swelling 현상이 적어지게 되는 것이다. 다만 swell ratio 값이 일정값 미만인 경우, 필라멘트 자체가 뒤틀려버려 제대로 된 형상을 유지하기 어렵다.

상기 L/D가 18 미만인 경우 필라멘트가 뒤틀려 형상을 유지하기 어려우며, 30을 초과하는 경우 die swell이 제대로 일어나지 않아 비드가 필라멘트의 돌기부 쪽으로 이동하지 않는다.

본 발명에서 상기 방사구는 압출기와 마찬가지로 가열된 것이 좋다. 이때 방사구의 가열온도는 250 내지 280℃일 수 있다. 250℃ 미만인 경우 방사 작업성이 좋지 않으며, 280℃ 초과 가열하는 경우 고분자 수지의 열분해가 발생하여 필라멘트의 기계적인 물성이 하락할 수 있다. 또한 방사구금은 필라멘트의 형태에 따라 자유롭게 가져갈 수 있으며, 본 발명이 이에 한정하는 것은 아니다. 일예로 상기 삼각형, 사각형, 마름모형, 별모양, 십자형, 다각형, 도넛형, 장원형, 누에고치 모양 등의 단면 형태를 가지는 방사구금(직경 0.3 내지 0.3㎜)이 다수가(32 내지 300개) 형성된 노즐을 통해 압출할 수 있다.

상기와 같이 방사된 필라멘트는 c) 단계와 같이 연신비(draw ratio) 5.0 내지 6.2으로 연신 및 권취하여 칫솔모를 제조할 수 있다.

상기 연신은 필라멘트의 유연성과 강도를 증가시키기 위해 진행하는 것으로, 기계적인 물성을 증가시키는 것 이외에 필라멘트 내 비드의 위치를 돌기부 쪽으로 더욱 이동시키는 효과가 있다.

상기 연신 단계는 통상적인 연신사 제조 공정에 따라 방사와 연신이 단일공정에서 연속적으로 이루어지는 직접 방사 연신방식(Direct Spinning & Drawing, 이하 ‘DSD 방식’이라 함)으로 진행될 수 있다.

상기 연신 단계는 필라멘트의 방사속도에 따라 다를 수 있으나, 본 발명이 원하는 물성을 해치지 않는 범위에서 다양한 연신 방법을 적용하여도 무방하다. 다만 상기 연신 공정은 우수한 강도 및 형태안정성을 갖는 필라멘트를 제조하기 위해 권취속도를 조절하여 150 내지 220℃의 온도에서 4.0 내지 8.0, 더욱 바람직하게는 5.0 내지 6.2배가 되도록 수행하는 것이 바람직하다. 상기 연신비에서 제조된 필라멘트는 우수하면서도 균일한 물성을 가질 수 있으며, 동시에 연신에 따른 고분자의 재배향이 일어나 필라멘트 내 비드의 위치를 돌기부 쪽으로 유도할 수 있다. 또한 상기 연신 공정은 1회 내지 4회 실시하는 것이 바람직하다.

상기 a)단계에서 제조된 복합 필라멘트의 굵기는 직경 0.1 내지 0.3㎜인 것이 좋다. 0.1㎜ 미만인 경우 강도가 저하되며, 0.3㎜ 초과하는 경우, 미 연신현상이 발생하며, 양치 시 치아 사이의 침투력이 떨어지게 된다.

또한 본 발명의 칫솔모는 습기가 많은 조건에서도 미생물, 균류의 증식을 효과적으로 차단하기 위해 하나 이상의 항균물질을 포함할 수 있다. 상기 항균물질은 유기물질, 무기물질 모두 사용이 가능하다.

상기 항균물질로 사용할 수 있는 무기물질은 상기 첨가제 중 무기입자인 제올라이트, 실리카알루미나, 인산칼슘, 인산지르코늄, 탄산칼슘, 실리카겔, 이산화티탄, 산화아연, 탄화지르코늄, 산화마그네슘, 이산화규소 및 산화알루미늄 중 어느 하나의 담지체에 금, 백금, 은, 구리에서 선택되는 어느 하나 이상의 금속이온을 담지한 무기물질을 사용하거나 상기 금속이온 또는 나노화 금속 단독으로 사용하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 표면에 요철을 형성하고, 상기 칫솔모의 말단부를 가늘게 하기 위해 상기 d) 단계 후, e) 상기 칫솔모의 일단 또는 양 끝단을 테이퍼 용액에 담가 테이퍼 가공하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 테이퍼 가공은 칫솔모를 구성하는 수지의 종류에 따라 다른 종류의 테이퍼 용액을 사용하는 것이 좋으며, 예를 들어 상기 필라멘트를 이루는 고분자수지가 나일론 등이 폴리아미드인 경우 10 내지 30 농도%의 염산, 질산, 황산 등의 산성용액이나 5 내지 10 농도%의 페놀 등을 사용할 수 있다. 또한 상기 고분자수지가 폴리에스테르인 경우 30 내지 60 농도%의 수산화나트륨, 수산화암모늄, 수산화칼슘 및 수산화칼륨 등의 알칼리용액을 사용하는 것이 좋다. 상기 테이퍼가공은 80 내지 140℃의 온도에서 시행하는 것이 좋다. 이때 침지되는 길이에 따라 테이퍼되는 길이를 조절할 수 있다.

또한 본 발명에선 침지의 횟수를 조절하여 테이퍼되는 타단의 단면적을 조절할 수 있다. 바람직하게는 회당 10 내지 60초의 시간에 2 내지 20회 침지를 반복하는 것이 좋다. 침지를 반복함으로서 테이퍼되는 필라멘트의 단면적은 타단으로 갈수록 점점 가늘어지게 되며 본 발명에서 원하는 끝부분이 가는 필라멘트를 제조할 수 있다.

상기 테이퍼가공은 상기 필라멘트의 타단의 단면적을 감소시키는 동시에 필라멘트 내에 포함되는 비드를 노출함으로써 표면에 요철을 형성하여 본 발명에서 원하는 세정력의 증가를 얻을 수 있다. 이는 상기 테이퍼가공의 시간, 용액의 농도, 필라멘트의 침지길이에 따라 다양하게 조절함으로서 얻을 수 있다.

상기 테이퍼 가공이 끝나면 가수분해된 부분을 세척하여 제거함으로서 테이퍼부를 형성할 수 있다. 세척은 흐르는 물에서 2 내지 3회 세척하며, 세척과정 중간에 묽은 황산을 이용하여 알칼리를 중화하는 과정을 더 포함할 수 있다.

본 발명은 상기 비드를 포함하는 칫솔모가 식모된 칫솔을 더 포함할 수 있다. 상기 칫솔모는 칫솔자루에 식모될 수 있는데 상기 칫솔자루는 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위 내에서 종류 및 기능에 한정하지 않는다. 상기 칫솔자루는 합성수지재, 금속재, 세라믹재, 플라스틱재 중 선택되는 하나 이상의 재질로 제조할 수 있다. 물론 칫솔자루는 단일 재질로 이루어질 수도 있으며, 금속재로 만들어지고 그 위에 탄성재로 된 껍데기가 씌워지는 등과 같이 둘 이상의 재질이 합쳐져서 만들어질 수도 있는 등 그 재질이 어떻게 형성되어도 무방하다.

이하는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 실시예를 들어 설명하는 바, 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 다만 하기 실시예에서 구성 성분의 함량 및 기타 측정값은 소수점 셋째자리에서 반올림하였다.

하기 실시예에 따라 제조된 칫솔의 물성을 다음과 같이 측정하였다.

(비드 위치)

실시예 및 비교예를 통해 제조된 필라멘트(길이 50㎜, 굵기 0.2㎜) 300가닥의 초기 무게(m₀)를 측정한 후, 3% 수산화나트륨 수용액에 95℃로 30분(m₁), 1시간(m₂) 동안 처리하고 무게를 측정하고 초기 무게에 대한 무게 감소율을 측정하였다.

(굴절률)

비드를 용제(Butanol, TOL, Benzyl alcohol)에 분산 후 TT(Total Transmittance) 평가로 측정하였다.

(부피분율)

① 비드 겉보기 밀도

ASTM D 1895에 따라 비드의 단위부피당 질량을 측정하여 구하였다. 3.0g의 비드를 25㎖ 유리제 매스실린더(눈금 1㎖)에 눌러 다져지지 않도록 하여 담고 고른 다음, 눈금의 최소 단위까지 용적을 읽은 후 밀도를 계산하였다. 이때 주변 분위기는 25℃, 상대습도 52%였으며, 3회 측정을 반복하여 그 평균값으로부터 겉보기밀도를 구하였다.

② 부피분율

측정된 고분자 수지와 비드의 밀도 및 질량을 바탕으로 각각의 부피를 계산하였다. 그리고 계산된 각각의 부피를 식 4에 대입하여 계산하였다.

[식 4]

(인장강도)

KS K 0412(모의 강도 및 신율 시험)에 의거하여 측정하였으며, 이때 섬유의 컨디션 및 실험실의 표준 상태는 KS K ISO 139에 따랐다. 상세하게는 표준 시료에 초하중을 가하고 절단시의 강도(N) 및 신장(cm)을 측정하며, 계산은 절단 시 강도의 평균값을 구하여 평균값을 정량 섬도 tex에 대한 강도(N)로 표시하고(소수점 이하 2자리까지), 신율은 절단시 의 신장(또는 최대 강도의 신장)을 파지 간격에 대한 백분율(%)로 표시하였다.(소수점 이하 1자리까지)

(관능검사)

50명의 패널을 대상으로 본 발명의 제조방법을 통해 제조한 칫솔과 기존의 칫솔을 일정기간(7일)동안 사용한 후, 설문조사를 통하여 양치감, 세정력, 내구성, 유연성 등의 항목을 5점 척도법으로 조사하여 그 평균값을 나타내었다.

[평가 기준]

5점 : 효과가 매우 우수함.

4점 : 효과가 우수함.

3점 : 효과가 보통임.

2점 : 효과가 다소 약함.

1점 : 효과가 아주 약함.

(실시예 1)

고분자 수지로 밀도 1.35 g/㎖, 중량평균분자량 75,000의 폴리트리메틸렌테레프탈레이트(polytrimethyleneterephthalate, PBT) 7,000g 준비하였고, 평균직경 10㎛, 굴절률 2.3, 겉보기 밀도 1.78 g/㎖의 비드를 10.4g 준비하여 혼합하였다. 혼합 후 비드의 부피분율은 0.2이었다. 비드와 혼합된 고분자 수지를 온도 260℃의 압출기에 투입하여 L/D가 26인 방사구금을 통해 필라멘트를 토출하였다. 방사구금의 형태는 삼각형이었으며, 방사된 필라멘트는 5.5배의 연신비로 연신과정을 거쳐 직경 0.2㎜의 필라멘트를 제조하였다. 다음으로 제조된 필라멘트를 테이퍼 가공하였다. 이때 테이퍼 용액은 110℃, 30 RH% 농도의 수산화나트륨 용액이었으며, 침지는 2회 반복하였다. 제조된 필라멘트의 물성을 측정하여 표 1, 2에 기재하였다.

(실시예 2)

굴절률이 2.5인 비드를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 필라멘트를 제조하였다. 제조된 필라멘트의 물성을 측정하여 표 1, 2에 기재하였다.

(실시예 3)

비드를 27.77g 투입하여 비드의 부피분율을 0.3으로 조절한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 필라멘트를 제조하였다. 제조된 필라멘트의 물성을 측정하여 표 1, 2에 기재하였다.

(비교예 1)

굴절률이 1.8인 비드를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 필라멘트를 제조하였다. 제조된 필라멘트의 물성을 측정하여 표 1, 2에 기재하였다.

(비교예 2)

굴절률이 3.5인 갈륨포스파이드(gallium phosphide) 비드를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 필라멘트를 제조하였다. 제조된 필라멘트의 물성을 측정하여 표 1, 2에 기재하였다.

(비교예 3)

비드를 0.46g 투입하여 비드의 부피분율이 0.005가 되도록 비드를 첨가한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 필라멘트를 제조하였다. 제조된 필라멘트의 물성을 측정하여 표 1, 2에 기재하였다.

(비교예 4)

비드를 46g 투입하여 비드의 부피분율이 0.5가 되도록 비드를 첨가한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 필라멘트를 제조하였다. 제조된 필라멘트의 물성을 측정하여 표 1, 2에 기재하였다.

(비교예 5)

L/D가 15인 방사구금을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 필라멘트를 제조하였다. 제조된 필라멘트의 물성을 측정하여 표 1, 2에 기재하였다.

(비교예 6)

L/D가 35인 방사구금을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 필라멘트를 제조하였다. 제조된 필라멘트의 물성을 측정하여 표 1, 2에 기재하였다.

[표 1]

[표 2]

상기 표 1 및 2와 같이 실시예 1 내지 3을 통해 제조된 칫솔모는 기계적인 물성을 유지하면서도 세정력 및 양치감이 비교예에 비해 현저히 우수한 것을 알 수 있다. 또한 비드의 굴절률을 조절함에 따라 난반사를 효과적으로 유도하여 고급스런 외관을 발현할 수 있었다. 이에 반해 비교예를 통해 제조된 필라멘트는 비드의 부피분율이 증가하거나 방사구금의 형태(L/D)가 실시예보다 더 작은 경우 필라멘트가 방사와 동시에 뒤틀리거나 비드가 필라멘트 표면으로 과도하게 몰려 사절이 발생하였다. 또한 부피분율이 너무 낮거나 L/D가 30 이상인 경우, 비드가 필라멘트 중심부로 쏠렸으며, 테이퍼 가공을 했음에도 표면에 요철이 생성되지 않아 양치감 및 세정력이 크게 떨어진 것을 알 수 있었다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 균등물을 사용할 수 있으며, 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기의 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

100 : 칫솔모
·110 : 돌기부
120 : 비드

Claims

내부에 반사용 비드를 포함하는 고반사 칫솔모로, 상기 칫솔모는 길이방향과 수직한 단면을 기준으로 내측에서 외측으로 갈수록 비드 밀도가 증가하며, 하기 식 1을 만족하는 것인 고반사 칫솔모.
[식 1]

(상기 식 1에서 n_s는 비드의 굴절률, n_c는 필라멘트의 굴절률이다.)
제 1항에 있어서,
상기 비드는 굴절율이 2.2 이상인 고반사 칫솔모.
제 1항에 있어서,
상기 칫솔모의 단면은 하나 이상의 돌출부를 가지며, 상기 비드는 상기 돌출부에 위치하는 것인 고반사 칫솔모.
제 1항에 있어서,
상기 비드의 부피분율이 하기 식 4를 만족하는 것인 고반사 칫솔모.
[식 4]

(상기 식 4에서 V_P는 고분자 수지의 부피, V_B는 비드의 부피를 뜻한다.)
제 1항에 있어서,
상기 칫솔모의 단면은 원형, 삼각형, 사각형 및 마름모형 중 어느 하나인 고반사 칫솔모.
제 1항에 있어서,
상기 칫솔모는 굵기가 0.1 내지 0.3㎜인 고반사 칫솔모.
제 1항에 있어서,
상기 칫솔모는 길이방향의 일단 또는 양 끝단에 테이퍼가 형성된 것인 고반사 칫솔모.
a) 비드가 포함된 마스터배치 및 고분자를 혼합하여 방사용액을 제조하는 단계;
b) 상기 방사용액을 방사구의 지름과 길이의 비(L/D)가 18 내지 30인 방사구를 통해 방사하여 칫솔모를 제조하는 단계; 및
c) 상기 방사된 칫솔모를 연신비 5.0 내지 6.2으로 연신 및 권취하는 단계;
를 포함하며, 상기 c) 단계를 통해 제조된 필라멘트는 하기 식 1을 만족하는 것인 고반사 칫솔모의 제조방법.
[식 1]

(상기 식 1에서 n_s는 비드의 굴절률, n_c는 필라멘트의 굴절률이다.)
제 8항에 있어서,
상기 고분자는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리트리메틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 나일론6, 나일론11, 나일론12, 나일론 4,6, 나일론6,6, 나일론6,10 및 나일론6,12에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상인 고반사 칫솔모의 제조방법.
제 8항에 있어서,
상기 비드는 평균입경이 30 내지 100㎛인 고반사 칫솔모의 제조방법.
제 8항에 있어서,
상기 제조방법은 d) 상기 칫솔모의 일단 또는 양 끝단을 테이퍼 용액에 담가 테이퍼 가공하는 단계;를 더 포함하는 것인 고반사 칫솔모의 제조방법.
삭제
제 8항에 있어서,
상기 비드의 부피분율이 하기 식 4를 만족하는 것인 고반사 칫솔모의 제조방법.
[식 4]

(상기 식 4에서 V_P는 고분자 수지의 부피, V_B는 비드의 부피를 뜻한다.)