KR101638505B1 - 셀룰로오스섬유를 포함하는 토목구조물용 직물의 제조방법 - Google Patents

셀룰로오스섬유를 포함하는 토목구조물용 직물의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 셀룰로오스섬유를 포함하는 토목구조물용 직물의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 셀룰로오스 섬유 및 셀룰로오스 섬유와 합성섬유의 하이브리드 섬유를 이용하여 토목구조물용 직물을 제조하는 방법에 관한 것이다.
구체적으로는 경사로 셀룰로오스 섬유를 사용하고, 위사로 셀룰로오스섬유와 합성섬유의 하이브리드섬유를 사용하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 토목용 직물의 제조방법을 제공한다.

Description

셀룰로오스섬유를 포함하는 토목구조물용 직물의 제조방법{Method for preparing the textile for construction structure comprising cellulose fibers}
본 발명은 셀룰로오스섬유를 포함하는 토목구조물용 직물의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 셀룰로오스 섬유 및 셀룰로오스 섬유와 합성섬유의 하이브리드 섬유를 이용하여 토목구조물용 직물을 제조하는 방법에 관한 것이다.
셀룰로오스 섬유는 여러 가지 고유 특성을 가지고 있으며, 특히 산업용으로 사용되는 타 섬유보다 우수한 모듈러스와 열안정성을 가지고 있어 형태 안정성이 크게 요구되는 산업용 소재의 보강재로서 매우 적합한 섬유이다. 특히 타이어, 벨트, 호스 등의 제조 분야의 경우 설계 단계에서부터 치수 안정성과 열안정성이 제품의 성능을 구현하는데 있어서 중요한 영향을 미친다. 이에 따라 셀룰로오스 멀티 필라멘트는 적용 제품의 종류 및 용도에 따라 보강재로 적합한 다양한 특성이 요구된다. 특히, 열안정성이 우수한 라이오셀 멀티 필라멘트의 보강재로서의 사용에 따른 요구 물성은 기본적으로 원사의 강력 외에 형태안정성 및 내피로성과 관련된 모듈러스와 파단신도로 대표될 수 있다. 그리고 적용 제품의 종류 및 용도에 맞게 보강재의 요구 물성의 범위가 결정된다.
셀룰로오스 섬유의 제조방법은 셀룰로오스/N-메틸모르폴린-N-옥사이드(NMMO)/물의 3성분으로 구성된 방사 도프를 제조한 후, 이를 방사하는 방법으로 진행되며, 비용매인 물을 포함하기 때문에 습식방사법에 따라 방사할 경우에 매우 빠른 응고작용을 일으켜 연신성능 및 물성을 확보하기 어렵다. 또한, 상기 방사 도프는 약 8,000 내지 15,000 포아즈(Poise)의 고 점도를 가질 뿐만 아니라, NMMO 용제가 염 화합물이므로 증발이 불가능하다. 따라서 라이오셀 섬유를 제조하기 위해서는 건식방사와 습식방사 공법이 적절히 조합된 건습식 방사공법이 가장 적절하게 사용되고 있다.
토목구조물용 직물로는 합성섬유를 직조하여 형성된 다공성 제품인 지오텍스타일(Geotextile), 치수용 제품인 지오멤브레인(Geomembranes), 또는 고강도 제품인 지오그리드(Geogrids)를 들 수 있다. 이전까지 토목섬유로 사용되는 합성섬유는 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에스터 (Polyester), 폴리에칠렌(Polyethylene), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 나일론(Nylon)이었다. 그러나, 이런 합성섬유는 내화학성 및 내열성에 취약한 단점을 가지고 있다.
본 발명은 상기한 종래 토목구조물용 직물의 단점을 개선하기 위하여 셀룰로오스계 섬유와 셀룰로오스섬유와 합성섬유의 하이브리드 섬유를 이용하여 토목구조물용 직물을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 셀룰로오스계 섬유와 셀룰로오스 하이브리드 섬유를 이용하여 강도 및 탄성율이 우수한 토목구조물용 직물을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 경사로 셀룰로오스 섬유를 사용하고, 위사로 셀룰로오스섬유와 합성섬유의 하이브리드섬유를 사용하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 토목용 직물의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 경사로 셀룰로오스 섬유를 사용하고, 위사로 합성섬유를 사용하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 토목용 직물의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 합성섬유는 폴리프로필렌, 폴리에스터, 폴리에칠렌, 폴리아크릴니트릴, 나일론, 및 아라미드로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 인 것을 특징으로 하는 하이브리드 토목용 직물의 제조방법을 제공한다.
강도 및 탄성율이 높은 셀룰로오스계 섬유와 합성섬유를 사용하여 토목 구조물을 제조할 경우 형태안정성 및 충격 흡수율이 우수하게 된다. 또한, 셀룰로오스계 섬유의 자체 특성인 친수성, 내화학성, 내열성으로 인하여 토목 구조물의 내구성이 증대된다.
도 1은 본 발명에 따른 셀룰로오스 섬유의 제조 장치의 일예를 나타낸 간략 구성도이다.
본 발명은 상기에 나타난 이전까지 사용되던 합성섬유의 단점인 내화학성, 내열성, 압축강도 및 수축율을 개선하기 위해 셀룰로오스계 섬유를 단독으로 사용하고, 셀룰로오스계 섬유와 폴리프로필렌,폴리에스터, 폴리에칠렌, 폴리아크릴니트릴, 나일론, 아라미드에서 최소 1종 이상의 섬유와의 하이브리드 섬유를 이용하여 토목구조물용 직물 특히, 지오텍스타일로 사용하는 것을 특징으로 한다.
셀룰로오스계 섬유는 섬유 자체가 친수성을 구비하여 부착성이 우수하며, 강도 및 탄성율이 높아 토목 구조물의 형태안정성에 큰 효과를 발현할 수 있다.
또한 내마모성, 내열성, 내화학성이 매우 우수하여 내구성 측면에서도 유리하다.
본 발명에서 토목 구조물용 하이브리드 직물은 경사방향으로는 셀룰로오스계 섬유를, 위사방향으로는 셀룰로오스계 섬유과 합성섬유로 이루어진 하이브리드 섬유를 사용하는 것을 특징으로 한다. 이는 기존 직조공정의 적용과 제조단가 절감에 효과가 있다.
도 1은 셀룰로오스 섬유의 제조 장치의 일례를 나타낸 간략 구성도이다. 도 1의 구성을 참조하면, 셀룰로오스 섬유의 제조 장치는 방사 도프를 일정한 압력으로 공급하기 위한 기어 펌프(1), 상기 압출기로부터 공급받은 방사 도프를 섬유의 형태로 방사하는 방사 구금(2), 상기 방사구금으로부터 토출되는 미응고 섬유(3)를 응고시키기 위한 제1 응고욕(4) 및 제2 응고욕(8)을 구비한다. 제1 응고욕을 통과한 필라멘트는 견인롤러(9)의 구동에 의해 제 2 응고욕을 거치고, 수세장치에서 물에 의해 방사 도프 등에 포함된 용매 등을 제거한다. 이어서, 상기 수세장치를 거친 필라멘트는 건조장치에서 건조된 후 와인딩되어 최종 셀룰로오스 섬유를 얻을 수 있다.
본 발명에서 셀룰로오스 섬유의 제조방법에 사용되는 방사용 도프는 라이오셀 필라멘트 섬유 제조공정에서 통상적으로 사용되는 방사 도프를 사용할 수 있으며, 셀룰로오스(cellulose), N-메틸모르폴린-N-옥사이드(N-methylmorpholine-N-oxide; NMMO) 및 물을 포함하는 방사 도프를 사용할 수 있다. 본 발명에 따르면, 농축 N-메틸모르폴린-N-옥사이드/물/셀룰로오스로 구성된 용액으로부터 제조되는 셀룰로오스 멀티 필라멘트를 제조하는 공정에 있어서, 단사 섬도가 1.5 내지 3.0 데니어; 및 원사 섬도가 500내지 3000데니어의 범위를 갖는 산업용 라이오셀 멀티 필라멘트에 응고액으로 알코올계 솔벤트와 물의 중량비가 20-40:80-60인 응고액을 사용하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법을 통해 섬유를 제조 시 기존대비 원사의 절신이 약 20-50% 의 향상을 보이며 향후 타이어코드용으로 사용시 내피로도가 증가된다.
본 발명은 응고욕에 알코올계 솔벤트를 물과 일정량을 혼합하여 사용하며 중량비에 따라 섬유의 물성이 변화하는 특징을 보인다. 알코올계 수용액에서 알코올의 함량이 20 중량% 미만이면 섬유의 절단신도 증가가 미미하고, 40중량%를 초과하면 NMMO 잔존량이 증가한다.
또한, 알코올계 솔벤트중 이소프로판올의 경우 방사용 도프의 응고속도가 가장 지연되었으며 메탄올의 경우 응고속도가 가장 빠른 현상이 나타났다. 이러한 방법으로 제조된 섬유는 결정화도가 낮아지며 섬유의 물성 개선에 도움이 되었으며 특히 절신이 향상되는 경향을 보인다.
본 발명의 셀룰로오스 하이브리드 섬유는 상기 방법으로 제조된 셀룰로오스계 섬유와 합성섬유를 1:1 내지 1:2(중량비)로 합연하여 제조하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 합성섬유는 폴리프로필렌, 폴리에스터, 폴리에칠렌, 폴리아크릴니트릴, 나일론, 및 아라미드로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 사용할 수 있으며, 합성섬유는 섬도가 500~20,000데니어인 것을 사용할 수 있다.
셀룰로오스와 셀룰로오스 하이브리드 섬유를 이용한 토목구조물용 직물은 경사에 셀룰로오스섬유를 사용하고 위사로 셀룰로오스섬유와 합성섬유의 하이브리드 섬유를 사용한다.
본 발명에서 제조된 토목구조물용 직물의 물성은 하기의 방법으로 평가하였다.
(1) 강력
토목구조물용 직물의 강력은 ASTM D 4595의 방법으로 평가하였다.
(2) 내시공성 평가
토목구조물용 직물의 내시공성 평가는 ASTM D 5818방법으로 토목구조물을 시공한 후 경사방향의 인장강력을 측정하여 시공전과 후의 인장강도 감소율로 평가하였다.
이하에서 실시예 및 비교예를 들어서 본발명을 상세하게 설명하지만, 하기의 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
액상 농축 NMMO에 중합도(DPw)가 1,200인 벅키(Buckeye)사 펄프(V-81)를 평균 입자 직경이 300㎛이하가 되도록 분쇄하여 분말 상태로 제조하여 연속적으로 펄프 공급용 쌍축압출기 내부로 강제 공급하였다. 상기 방법으로 제조된 셀룰로오스 용액을 110g/m의 방사속도로 방사하였다. 상기 방사 과정에서 방사용 노즐의 오리피스(Orifice) 수는 900개; 오리피스 직경에 대한 길이의 비(L/D)는 4;외경이 100 mmΦ인 방사노즐이 사용되었다. 셀룰로오스 용액은 70mm이 길이로 조정된 공기층을 통하여 토출되었고, 그리고 토출된 용액의 셀룰로오스 농도는 11.5중량%였다. 표 1은 섬유 제조공정 조건 및 제조된 셀룰로오스 섬유의 물성을 도시한 것이다. 이렇게 제조된 셀룰로오스 섬유를 경사로 사용한다.
상기 방법으로 제조된 셀룰로오스 섬유와 폴리에스테르 산업용 고강력사를 1:1로 합사하여 셀룰로오스 하이브리드 사를 제조하고 이를 위사로 사용하였다.
상기 경사 및 위사를 8.47 및 3.63 간격으로 배열한 후 경편하여 토목구조물용 직물을 제조하였다. 제조된 직물의 강력, 내시공성 및 충격흡수율을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 2
셀룰로오스 섬유 제조시 응고욕 조성을 달리한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 직물을 제조하였다. 제조된 직물의 강력, 내시공성 및 충격흡수율을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 1
경사 및 위사에 폴리에스테르 산업용 고강력사를 사용한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 직물을 제조하였다. 제조된 직물의 강력, 내시공성 및 충격흡수율을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
셀룰로오스 섬유 및 이를 포함하는 직물의 물성
실시예 1 실시예 2 비교예 1
공정
조건		 Dope 량(g/min) 680 680 -
방사속도(m/min) 110 110 -
응고액 종류 (메탄올/물) (이소프로판올/물) -
응고액 조성비(중량%)
(알코올/물)		 (30/70) (30/70) -
De 1506 1512 -
원사
물성		 강도(g/d) 7.1 6.9 -
절신(%) 10.6 11.5 -
직물물성 강력(KN/M) 41 39 30
내시공성 매우 우수 매우 우수 보통
이상 실시예를 들어 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나는 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 당업자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.
방사 도프를 일정한 압력으로 공급하기 위한 기어 펌프(1), 방사 도프를 섬유의 형태로 방사하는 방사 구금(2), 상기 방사구금으로부터 토출되는 미응고 섬유(3), 제1 응고욕(4), 센서(5), 에어노즐(6), 센서(7), 제2 응고욕(8), 견인롤러(9), 응고액(10)

Claims (3)

  1. 하이브리드 토목용 직물의 제조방법에 있어서, 경사로 셀룰로오스 섬유를 사용하고, 위사로 셀룰로오스섬유와 섬도가 500~20,000데니어인 합성섬유를 1:1 내지 1:2의 중량비로 합연하여 제조된 하이브리드섬유를 사용하며, 직물의 경사방향에서의 인장강도가 39KN/M 이상인 것을 특징으로 하는 하이브리드 토목용 직물의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
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