KR101730936B1 - 토목용 폴리에스테르 단섬유 부직포 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2종의 폴리에스테르 단섬유를 이용하여 발수성과 투수성을 동시에 갖는 토목용 폴리에스테르 단섬유 부직포를 제공하기 위한 것이다. 이를 위해 본 발명에서는 표면에 실리콘 코팅층이 형성된 1형 폴리에스테르 단섬유와, 폴리에스테르 수지를 용융, 방사, 연신하여 제조된 통상의 2형 폴리에스테르 단섬유를 80:20 내지 50:50의 중량비로 혼섬한 후 카딩하여 웹을 형성하고, 이를 니들펀칭하여 제조한 토목용 폴리에스테르 단섬유 부직포를 개시한다.

Description

토목용 폴리에스테르 단섬유 부직포{POLYESTER STAPLE FIBER NON-WOVEN FABRIC}
본 발명은 2종의 폴리에스테르 단섬유를 이용하여 제조한 토목용 부직포에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 발수성과 투수성을 동시에 갖는 토목용 폴리에스테르 단섬유 부직포에 관한 것이다.
오늘날 토목용 부직포는 우수한 시공성과 경제성을 바탕으로 각종 건설현장에서 필수적으로 사용하는 보편화된 건설재료로서, 기계적 물성과 더불어 일정한 화학적 특성이 요구된다.
특히 연약지반이나 구조물 법면(경사면)에 포설하여 수류에 의한 토입자의 유실 및 세굴 방지와, 지반의 지지력 보강 및 조기안정을 유도하는 용도의 부직포는 법규에서 요구하는 투과능계수(투수계수)를 만족함은 물론 식생 활착이 충분히 이루어지도록 생태녹화 효과를 만족해야 한다.
일반적인 토목용 부직포는 대개 섬유올의 길이와 굵기를 정밀설계하여 니들 펀칭(Needle-punched)에 의한 3차원적 세공 구조로 형성되므로 효과적인 여과층을 형성하면서 초기 투수성을 유지하나 조직이 치밀한 경우 시공 후 시간이 경과함에 따라 수산화칼슘이나 토양 및 이물질 등에 의해 기공이 조기에 막히는 현상이 발생하여 배수성능이 떨어지는 문제점이 있다.
예컨대, 대한민국 특허출원 제10-2000-0012644호에는 단사섬도가 8~13 데니어인 폴리에스테르 필라멘트들의 사이에 교락을 용이하게 하는 실리콘계 오일을 도포한 후 니들펀칭 함으로써 토목공사용으로 적합한 부직포가 개시되어 있다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-1475149호에는 단사섬도 3 내지 6 데니어로 이루어진 부직포층과, 단사섬도 7 내지 12 데니어로 이루어진 부직포층을 적층시키고 열융착하여 프리본딩 웹을 형성한 후, 이들 중 결합되어 있지 않은 섬유들은 니들펀칭을 통해 교락 함으로써 배수성(투수성)과 토양 및 이물질의 차단성이 향상되는 토목공사용 부직포를 제조하는 방법이 개시되어 있다.
그런데 이와 같은 종래의 토목용 부직포는 투수성이 우수하여 빗물 등을 그대로 통과 및 배수시키므로 폭우 시 등에는 포설면으로부터 쉽게 들뜨는 현상이 일어나면서 토입자의 유실 및 세굴침식을 유발하는 한계가 있다.
한편, 부직포는 실의 형성 없이 시트(sheet) 상의 웹을 제조하여 섬유 간 결합력만으로 형태안정성을 부여한다. 부직포 제조방법은 크게 웹을 제조하는 방식에 따라 건식법과 습식법으로 분류되며, 제조된 웹에 형태안정성을 부여하는 수단에 따라 기계적 결합법인 니들펀칭법과, 방사법인 멜트블로운법과 스펀본딩법으로 구분된다.
이 중에서 니들펀칭 부직포는 섬유 간 화학적인 접착이 아닌 평행화된 섬유의 마찰저항과 니들링 공정에서 수직방향으로 배열된 섬유 엉킴에 의해 강도가 좌우된다.
니들펀칭 부직포의 강도와 물성 향상을 부여하기 위해 대부분 후가공처리를 한다. 예를 들면 캘린더링은 부직포의 니들링 부분이 마모와 변형이 심하기 때문에 고온·고압에서 열고정을 통해 표면평활화와 고밀도 부직포를 얻기 위해 사용된다. 부직포의 투과성에 많은 영향을 미치는 것은 직물의 단위면적당 중량이지만 니들펀칭 부직포에서는 제조공정 중 니들링에 의해 웹의 밀도와 두께에 따라 변하게 된다.
또한, 항균·방취·난연성 및 대전방지기능을 부여하기 위해 화합물을 부직포 상에 도포하거나 침지시켜 처리하고 있으나, 이와 같은 기능성 가공은 그 효과에 있어 영구성이 떨어지고 복잡하기 때문에 최근에는 원료선택에서 특수기능을 가진 섬유를 사용하거나 혼섬을 통해 반영구적인 기능성 부직포를 제조하여 원가절감과 공정단축화를 시도하고 있다.
니들펀칭 부직포의 구조와 물성은 원료섬유 특성과 카딩(carding)에서 웹 제조 조건, 니들펀칭에서 침포의 종류 및 공정 인자에 따라 제조된 부직포에서 현저한 차이를 나타내므로 최종용도에 적합한 제품을 제조하기 위해서는 이들 인자를 종합적으로 고려해야 하며, 특히 섬유의 재질과 형상이 동일하여도 방사, 연신, 후처리 등의 가공 조건에 따라 최종 제품의 특성이 크게 달라지는 특성이 있다.
한편, 발수성은 해당 고체의 자유 에너지가 해당 액체의 표면 장력보다 현저하게 낮을 때 나타나게 된다. 예를 들면, 물의 표면 장력은 72.8mN/m이고, 폴리에스테르 수지의 표면 장력은 43mN/m이므로 폴리에스테르 섬유가 발수성을 나타내게 하려면 접촉각이 높은 불소 발수제로 처리하거나 불소 수지(PTFE), 실리콘 수지 등으로 폴리에스테르 섬유를 코팅하여야 한다.
일반적으로 용융 압출기로 방사 및 연신하여 성형한 섬유에 발수성을 부여하기 위한 방법으로는 발수 고분자가 유화된 수계 발수제나 발수 고분자가 용해된 용제계 발수제를 스프레이로 코팅하거나 디핑(dipping)한 다음 발수제와 발유제에 포함된 수분과 용제를 열처리하여 제거함으로써 발수성을 향상시키는 방법이 있다.
용제계 발수제는 수계 발수제와 비교하여 경화 공정이 거의 필요하지 않고 낮은 온도에서 짧은 시간에 경화시켜도 발수성능이 나타나는 장점이 있다.
또한, 용융 방사의 경우 수분이나 용제가 포함된 발수제를 고분자 수지와 혼합하여 섬유를 제조하는 것은 불가능한 것이 일반적인데, 이는 방사 노즐의 온도가 대부분 100℃ 이상이므로 수분과 용제가 기화되어 공극(void)이 생기기 때문이다.
한편, 폴리에스테르 단섬유로 제조한 부직포는 수많은 미세 기공(pore)이 있어서 우수한 투수성을 나타낸다.
그러나 전술한 방법만으로 폴리에스테르 단섬유에 발수 처리를 하게 되면 발수성은 부여되지만 이를 이용하여 부직포로 제조할 경우 그 네트워크 구조 사이에 있는 미세한 기공이 부분적으로 막히게 되어 투수성과 인장강도 및 인장신도 등의 물성이 현저하게 떨어질 수밖에 없다.
더구나 폴리에스테르 단섬유의 표면이 너무 매끄럽거나 뻣뻣하여 접속성의 부족으로 뒤엉킴(entanglement)이나 균일한 웹을 형성할 수 없어 니들펀칭법을 이용하여 제조하는 부직포에는 사용할 수 없는 한계가 있다.
여기서 상술한 기술들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 기술을 의미하는 것은 아님을 밝힌다.
KR10-2001-0091203 A(2001.10.23) KR10-1475149 B1(2014.12.15) KR10-1524690 B1(2015.05.26) KR10-1062997 B1(2011.08.31) KR10-0133617 B1(1997.12.23)
이에 본 발명자는 상술한 제반 사항을 종합적으로 고려하여 기존의 토목용 부직포가 지닌 한계 및 문제점의 해결에 역점을 두고, 니들펀칭법으로 제조하여 토목용 부직포 고유의 규격 및 물성기준을 충족하는 투수성은 물론이고 포설면으로부터 들뜨거나 토입자의 유실 및 세굴 침식을 방지하기 위한 발수성을 동시에 갖는 효과를 도모할 수 있는 새로운 구조의 토목용 폴리에스테르 단섬유 부직포를 개발하고자 각고의 노력을 기울여 부단히 연구하던 중 그 결과로써 본 발명을 수득 및 창안하게 되었다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 니들펀칭법으로 제조하여 발수성과 투수성을 동시에 가질 수 있도록 하는 토목용 폴리에스테르 단섬유 부직포를 제공하는 데 있는 것이다.
여기서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 이상에서 언급한 기술적 과제 및 목적으로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제 및 목적들은 아래의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 목적을 달성 및 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 태양에 따른 구체적 수단은, (A) 폴리에스테르 수지를 280~300℃에서 용융하고 1000~1,500m/min의 방사속도로 방사하는 방사공정과, (B) 방사된 미연신사를 85~90℃의 실리콘 유제 침지욕 중에 침지시켜 1.5~4.0의 연신비와 50~150m/min의 연신속도로 연신하는 연신 및 1차 실리콘 코팅공정과, (C) 연신 및 실리콘이 코팅된 연신사를 130~170℃의 히팅롤(hot godet roll)을 통과시켜 열처리하는 열고정공정과, (D) 열고정공정을 거쳐 120~130m/sec의 선속도로 이동하는 연신사의 표면에 시간당 7.5L의 실리콘 유제를 분사하여 코팅하는 2차 실리콘 코팅공정과, (E) 실리콘이 코팅된 연신사에 9±1개/inch의 크림프를 형성하는 크림핑공정과, (F) 크림핑된 권축사의 표면에 시간당 7.5L의 실리콘 유제를 분사하여 코팅하는 3차 실리콘 코팅공정과, (G) 3차로 실리콘이 코팅된 권축사를 20±5℃의 온도 및 1~1.5m/sec의 풍속으로 50~60분간 냉각하는 1차 냉각공정과, (H) 냉각된 권축사를 130~170℃의 온도 및 1~1.5m/sec의 풍속으로 30~40분간 열고정하는 세팅공정과, (I) 열고정된 권축사를 20±5℃의 온도 및 1~1.5m/sec의 풍속으로 50~60분간 냉각하는 2차 냉각공정 및 (J) 2차로 냉각된 권축사를 단섬유로 절단하는 커팅공정을 거쳐, 표면에 실리콘 코팅층이 형성된 1형 폴리에스테르 단섬유와, 폴리에스테르 수지를 용융, 방사, 연신하여 제조된 통상의 2형 폴리에스테르 단섬유를 80:20 내지 50:50의 중량비로 혼섬한 후 카딩하여 웹을 형성하고, 이를 니들펀칭하여 제조한 것을 특징으로 하는 토목용 폴리에스테르 단섬유 부직포를 제시한다.
이로써 본 발명은 니들펀칭법으로 제조하여 투수성 등의 토목용 부직포 고유의 규격 및 물성기준을 충족함은 물론이고 포설면으로부터 들뜨거나 토입자의 유실 및 세굴 침식을 방지하는 용도의 발수성을 동시에 갖는 토목용 폴리에스테르 단섬유 부직포를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 태양으로, 상기 1형 폴리에스테르 단섬유는, 상기 연신 및 1차 실리콘 코팅공정에서, 방사된 미연신사를 50~60℃의 물과 연신용 유제가 1:1 비율로 담긴 침지욕에 침지시켜 1.5~4.0의 연신비로 연신한 다음 이루어짐으로써 평활성과 집속성을 향상시킬 수 있고, 이와 더불어 대전방지, 모우, 사절 등을 효과적으로 방지할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 실시 태양으로, 상기 실리콘 유제는, 물 100중량부에 폴리디메틸록산(Polydimethylsiloxane) 7~8중량부, 폴리옥시에틸렌알킬에테르(Polyoxyethylene Alkyl ether) 2~3중량부, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란(3-glyciddoxypropyltrimethoxysilane) 0.5~0.7중량부가 혼합되어 이루어짐으로써 인장강도 등의 기계적 물성을 유지 및 수직투과계수를 충족하면서도 발수성능을 극대화할 수 있고, 아울러 니들펀칭으로 안정적이고 양호한 토목용 폴리에스테르 단섬유 부직포를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시 태양으로, 상기 1형 폴리에스테르 단섬유는, 절단강도(strength)가 평균 3.4g/de, 절단신도(extension)가 70~75%, OPU(Oil Pick-Up)가 0.40±0.05%로 이루어짐으로써 형태안정성이 우수하면서 수직투과계수 등의 토목용 부직포 고유의 기준요건을 충족함은 물론이고 우수한 발수성을 동시에 갖는 토목용 폴리에스테르 단섬유 부직포를 얻을 수 있다.
상기와 같은 목적의 달성과 기술적 과제를 해결하기 위한 수단 및 구성을 갖춘 본 발명의 실시 태양은, 투수성 등 토목용 부직포 고유의 규격 및 물성기준을 충족함은 물론이고 우수한 형태안정성과 발수성을 동시에 가지므로 우수의 양(강수량) 및 압력(수압)에 따라 단계적으로 통과 및 배수시켜 종래와 달리 포설면으로부터 들뜨거나 토입자의 유실 및 세굴 침식을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 표면에 실리콘 코팅층이 켜켜이 형성된 1형 폴리에스테르 단섬유와, 통상의 2형 폴리에스테르 단섬유를 혼섬하여 제조함으로써 1형 폴리에스테르 단섬유만으로 이루어지거나 혹은 1형 폴리에스테르 단섬유와 폴리프로필렌(PP) 단섬유를 일정한 비율로 혼섬하는 것에 비하여 제조원가를 대폭 절감할 수 있다.
여기서 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예를 보다 구체적으로 설명한다.
이에 앞서, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석하여야 함을 명시한다.
또한, 본 발명과 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
아울러 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
<1형 폴리에스테르 단섬유 제조방법>
본 발명의 실시 예에 따른 1형 폴리에스테르 단섬유 제조방법은 크게 방사공정, 연신 및 1차 실리콘 코팅공정, 열고정공정, 2차 실리콘 코팅공정, 크림핑공정, 3차 실리콘 코팅공정, 1차 냉각공정, 세팅공정, 2차 냉각공정, 커팅공정을 포함하여 이루어진다.
(A) 방사공정
폴리에스테르 수지(중합체)를 280~300℃에서 용융하고 방사구금을 통해 1000~1,500m/min의 방사속도로 방사하여 단사섬도(denier per filament)가 90 내지 300 데니어(denier)인 토우(tow) 상태의 미연사를 형성한다.
여기서 폴리에스테르 수지로는 폴리에틸렌테레프탈레이트 등의 수지를 들 수 있으며, 고강도의 섬유를 제조하기 위하여 고유 점도가 0.9 내지 1.0인 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지를 사용할 수 있다. 이러한 고유 점도를 갖는 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지는 공지의 방법에 따라 고유 점도가 0.6 정도인 통상적인 폴리에틸렌테레프탈레이트 칩을 고상중합하는 방법 등으로 용이하게 제조할 수 있다.
용융방사의 온도는 예를 들면 300℃이며, 폴리에스테르 수지의 용융지수를 고려하여 적절히 방사온도를 정할 수 있다.
이 공정은 폴리에스테르 수지(중합체)를 용융된 상태로 공급하여 별도의 용융부가 필요 없는 연속중합방사법 등을 적용할 수 있다.
(B) 연신 및 1차 실리콘 코팅공정
방사된 토우(tow) 상태의 미연신사를 85~90℃의 물과 폴리디메틸록산(Polydimethylsiloxane), 폴리옥시에틸렌알킬에테르(Polyoxyethylene Alkyl ether), 3-글리시독시프로필트리메톡시실란(3-glyciddoxypropyltrimethoxysilane)이 100:7~8:2~3:0.5~0.7 중량비(kg)로 혼합된 실리콘 유제 침지욕 중에 침지시켜 1.5~4.0의 연신비와 50~150m/min의 연신속도로 연신하면서 1차로 실리콘을 코팅한다.
즉, 폭이 넓은 토우(tow) 상태로 열수인 침지욕 중에 침지하여 표면속도가 다른 두 개의 롤러에 의해 연신과 실리콘 코팅이 동시에 이루어진다.
여기서 물의 조성비가 100보다 적고 폴리디메틸록산의 조성비가 8보다 많고, 폴리옥시에틸렌알킬에테르의 조성비가 3보다 많고, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란의 조성비가 0.7보다 많으면 매끄러운 터치감이 떨어져 발수도에 악영향이 미칠 수 있고, 물의 조성비가 100보다 많고 폴리디메틸록산의 조성비가 7보다 적고, 폴리옥시에틸렌알킬에테르의 조성비가 2보다 적고, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란의 조성비가 0.5보다 적으면 디핑(dipping)에 의한 코팅이 골고루 균일하게 일어나지 않을 수 있다.
또한, 실리콘 유제는 먼저 물을 배합기에 투입하여 교반을 진행한 상태에서 3-글리시독시프로필트리메톡시실란을 투입하여 약 15분간 교반하여 배합하고, 그 혼합물에 폴리디메틸록산과 폴리옥시에틸렌알킬에테르를 서서히 투입하여 약 30분간 교반 후 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 이 과정에서 방사된 미연신사를 50~60℃의 물과 연신용 유제가 1:1 비율로 담긴 침지욕에서 1.5~4.0의 연신비로 연신한 다음 이루어질 수 있다.
이때, 연신용 유제는 평활성 부여 및 집속성 향상을 통해 작업성에 크게 기여하고, 수지의 고화 시 마찰열을 완화하는 대전방지 역할, 모우, 사절 등의 방지를 위해 사용하는데 전체 섬유의 중량 대비 0.35~0.45 중량%가 표면에 부착되도록 양을 조절하는 것이 바람직하다.
즉, 폴리에스테르 섬유 등의 합성섬유는 전반적으로 소수 구조로 되어 있어 흡수성이 적고 정전기 발생이 쉽고, 고속화에 따른 평활성, 내열성, 내발연성, 내스컴성(scum resistance) 등이 요구되므로 연신용 유제는 충분한 대전방지, 마찰 계수, 내열, 방청 등의 기능을 고려하여 선택하여야 한다. 이러한 조건을 만족하는 연신용 유제로는 EO·PO 유도체, 특수 에스터 화합물, 실리콘화합물 등이 있다.
여기서 제조되는 폴리에스테르 섬유의 OPU는 0.35 내지 0.45%이다. OPU 수치가 이 범위를 벗어나면 내마모성 효과가 저하되거나 연신 및 크림핑 공정상에서 오염원을 증가시키는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 단사섬도는 6 내지 7 데니어(denier)이다. 단사 섬도가 6 데니어 미만이면 제조원가가 상승하고, 7 데니어를 초과하면 부직포 내 단위면적당 구성 가닥 수가 감소하여 혼용하는 다른 단섬유와 제대로 혼섬이 이루어지지 않을 수 있다.
이 공정에서 폴리에스테르 미연신사의 선속도 및 연신용 유제는 통상의 방법에 따라 적용할 수 있다. 예를 들어, 폴리에스테르 미연신사를 200 내지 600m/min 범위의 선속도로 주행하도록 제어함으로써 연신용 유제의 비산을 억제할 수 있고, 점도가 90 내지 1,000cps인 윤활제가 함유된 연신용 유제를 미연신사에 안정적으로 부착할 수 있다.
한편, 방사공정과 연신 및 1차 실리콘 코팅공정은 일련의 공정으로 이루어지는 1스텝설비 또는 2단계로 나누어지는 2스텝설비를 이용할 수 있고, 혹은 연신의 배율을 높이고 절사 없이 안정적인 연신을 위해 3~4단의 다단 연신 및 60~100℃의 온욕 중에서 연신하는 욕 중 연신으로 연신할 수도 있다.
즉, 1스텝설비는 방사구금을 통해 토출된 용융중합체를 급랭(10~50m/sec의 냉각공기)하는 단계를 거침으로써 서랭(1~4m/sec의 냉각공기)하는 단계를 거치는 2스텝설비 대비 방사속도가 비교적 느리며, 또 방사구금을 통해 토출된 용융중합체를 급랭하므로 인해 섬유의 방사 결정화 및 방사 배향이 2스텝설비로 제조된 섬유보다 낮으며, 아울러 방사 직후의 미연신사의 물성이 2스텝설비로 제조된 미연신사와 대비하여 인장강도가 낮고 신도가 높은 경향을 보인다.
(C) 열고정공정
연신 및 실리콘이 코팅된 연신사를 130 내지 170℃의 히팅롤(hot godet roll)을 5 내지 30초간 통과시키는 열처리를 수행하여 열고정한다.
이때, 히팅롤의 온도가 130℃ 미만이면 수축률이 떨어지고 170℃를 초과하면 연신사가 녹아내릴 수 있다.
이러한 열고정공정은 섬유의 안정성을 높이는 통상의 열처리공정으로서, 다수의 히팅롤(hot godet roll)을 이용하여 진행하는 것이 바람직하다.
(D) 2차 실리콘 코팅공정
열고정공정을 거쳐 120~130m/sec의 선속도로 이동하는 연신사의 표면에 시간당 7.5L의 실리콘 유제를 스프레이(spray)로 분사하여 2차 코팅·부착한다.
이때, 실리콘 유제는 침지(dipping) 처리하여 코팅·부착할 수도 있으나, 0.40±0.05%의 OPU(Oil Pick-Up)를 만족하기 위해서는 120~130m/sec의 선속도로 이동하는 연신사의 표면에 시간당 7.5L의 실리콘 유제를 스프레이로 분사 처리하는 것이 바람직하다.
여기서 OPU가 0.35% 미만이거나 0.45%를 초과하면 후속으로 진행되는 크림핑공정에서 크림프가 원활하게 형성되지 않을 수 있다.
그리고 실리콘 유제는 상술한 연신 및 1차 실리콘 코팅공정에서 사용하는 실리콘 유제와 같이 물과 폴리디메틸록산(Polydimethylsiloxane), 폴리옥시에틸렌알킬에테르(Polyoxyethylene Alkyl ether), 3-글리시독시프로필트리메톡시실란(3-glyciddoxypropyltrimethoxysilane)이 100:7~8:2~3:0.5~0.7 중량비(kg)로 혼합한 것을 사용할 수 있고, 이로써 연신사의 표면에 더욱 효과적으로 코팅·부착될 수 있을 뿐만 아니라 필터 매트 타입의 토목용 부직포에서 요구되는 물성을 충족하면서도 부가적인 발수도 성능을 얻을 수 있다.
즉, 실리콘 유제의 조성비가 100:7~8:2~3:0.5~0.7 중량비(kg)로 이루어질 경우 연신사의 표면에 유연성 피막을 형성하여 후속 공정인 니들펀칭이 수월하게 이루어지는 표면거칠기와 우수한 발수성을 나타낼 수 있으나, 그 범위를 벗어날 경우 평활도의 증가로 인해 섬유의 표면이 반반하고 매끄럽거나 너무 뻣뻣하여 후속 공정인 니들펀칭이 제대로 이루어지지 않음은 물론 필터 매트 타입의 토목용 부직포에서 요구되는 규격과 물성기준을 충족하기 어렵다.
특히 3-글리시독시프로필트리메톡시실란의 조성비가 0.5 미만이면 실리콘 유제가 연신사의 표면에 안정적으로 코팅·부착되기 어려우며, 0.7을 초과하면 실리콘 유제가 지나치게 두껍고 거칠게 코팅·부착되어 투수성이 떨어지고 기계적 강도에 문제를 야기하는 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
예를 들면, 실리콘 유제의 조성 및 배합비가 물 100kg을 기준으로 폴리디메틸록산 7.5kg, 폴리옥시에틸렌알킬에테르 2.5kg, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란 0.6kg로 이루어질 경우, 후속 공정인 니들펀칭이 한결 수월하게 이루어지는 표면거칠기를 나타낼 수 있으면서 토목용 부직포에서 요구되는 규격 및 기준요건을 충족하는 우수한 물성과 더불어 최적의 발수성능을 얻을 수 있다.
(E) 크림핑공정
실리콘이 코팅된 연신사에 9±1개/inch의 크림프를 형성하여 권축을 부여한다.
이때, 권축 정도가 8개/inch 미만이면 표면이 매끈하고 완만하여 카딩, 웹 형성(집속성 부족으로 균일한 웹을 형성할 수 없음) 및 니들펀칭 공정이 용이하게 이루어지지 않는 데다, 이로 인하여 최종 제품이 실의 형성 없이 시트 상의 웹을 제조하여 섬유 간 결합력만으로 형태안정성을 부여하는 부직포의 특성상 섬유 간 엉킴이 제대로 이루어지지 않아 강도 및 형태안정성이 상당히 떨어질 수 있으며, 11개/inch를 초과하면 필요 이상으로 섬유 간 밀집도가 증가하여 수직투수계수가 상당히 저하될 수 있다.
(F) 3차 실리콘 코팅공정
크림핑된 권축사의 표면에 시간당 7.5L의 실리콘 유제를 스프레이(spray)로 분사하여 3차 코팅·부착한다.
즉, 실리콘 유제를 3차로 코팅·부착함으로써 크림핑 과정에서 손상된 실리콘 코팅·부착층 부분을 메워 보완하고, 아울러 후속 공정인 니들펀칭이 한결 수월하게 이루어지도록 권축사의 표면을 거칠게 만들 수 있다.
이러한 실리콘 유제를 3차에 걸쳐 코팅·부착하는 공정을 거치지 않고 거를 경우 부직포 제조를 위해 단섬유가 카드기를 통과하는 과정에서 카드롤 사이에 말리는 현상과, 날림(flying) 현상이 발생하거나 웹 형성이 좋지 못할 뿐만 아니라 최종 제품에서 양호한 발수성능을 얻을 수 없다.
이때, 실리콘 유제는 침지(dipping) 처리하여 코팅·부착할 수도 있으나, 0.40±0.05%의 OPU(Oil Pick-Up)를 만족하기 위해서는 120~130m/sec의 선속도로 이동하는 연신사의 표면에 시간당 7.5L의 실리콘 유제를 스프레이로 분사 처리하는 것이 바람직하다.
여기서 OPU가 0.35% 미만이거나 0.45%를 초과하면 후속으로 진행되는 크림핑공정에서 크림프가 원활하게 형성되지 않을 수 있다.
즉, OPU가 0.35% 미만이면 연신사의 거칠기(roughness)가 미흡하여 크림프가 원만하게 형성되지 않아 니들펀칭이 제대로 이루어질 수 없고, 0.45%를 초과하면 연신사가 너무 뻣뻣해져서 인장강도와 인장신도가 낮아질 수 있다.
그리고 실리콘 유제는 상술한 1차 및 2차 실리콘 코팅공정에서 사용하는 실리콘 유제와 같이 물과 폴리디메틸록산(Polydimethylsiloxane), 폴리옥시에틸렌알킬에테르(Polyoxyethylene Alkyl ether), 3-글리시독시프로필트리메톡시실란(3-glyciddoxypropyltrimethoxysilane)이 100:7~8:2~3:0.5~0.7 중량비(kg)로 혼합하여 이루어짐으로써 연신사의 표면에 더욱 효과적으로 코팅·부착될 수 있을 뿐만 아니라 필터 매트 타입의 토목용 부직포에서 요구되는 물성을 충족하면서도 부가적인 발수도 성능을 얻을 수 있다.
즉, 실리콘 유제의 조성비가 100:7~8:2~3:0.5~0.7 중량비(kg)로 이루어질 경우 연신사의 표면에 유연성 피막을 형성하여 후속 공정인 니들펀칭이 수월하게 이루어지는 표면거칠기와 우수한 발수성을 나타낼 수 있으나, 그 범위를 벗어날 경우 평활도의 증가로 인해 섬유의 표면이 반반하고 매끄럽거나 너무 뻣뻣하여 후속 공정인 니들펀칭이 제대로 이루어지지 않음은 물론 필터 매트 타입의 토목용 부직포에서 요구되는 규격과 물성기준을 충족하기 어렵다.
특히 3-글리시독시프로필트리메톡시실란의 조성비가 0.5 미만이면 실리콘 유제가 연신사의 표면에 안정적으로 코팅·부착되기 어려우며, 0.7을 초과하면 실리콘 유제가 지나치게 두껍고 거칠게 코팅·부착되어 투수성이 떨어지고 기계적 강도에 문제를 야기하는 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
예를 들면, 실리콘 유제의 조성 및 배합비가 물 100kg을 기준으로 폴리디메틸록산 7.5kg, 폴리옥시에틸렌알킬에테르 2.5kg, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란 0.6kg로 이루어질 경우, 후속 공정인 니들펀칭이 한결 수월하게 이루어지는 표면거칠기를 나타낼 수 있으면서 토목용 부직포에서 요구되는 규격 및 기준요건을 충족하는 우수한 물성과 더불어 최적의 발수성능을 얻을 수 있다.
(G) 1차 냉각공정
3차로 실리콘이 코팅된 권축사를 20±5℃의 온도 및 1~1.5m/sec의 풍속으로 50~60분간 1차 냉각한다.
즉, 권축사에 묻어 있는 수분을 상온에서 날림으로써 후속 공정에서의 처리가 원활하게 이루어질 수 있다.
이러한 1차 냉각공정을 거치지 않을 경우 수분이 완전히 제거되지 않아 권축사의 표면에 코팅된 실리콘이 완전히 고착되지 않아 권축된 형상을 온전히 유지하기 어려울 수 있다.
(H) 세팅공정
냉각된 권축사를 130~170℃의 온도 및 1~1.5m/sec의 풍속으로 30~40분간 열고정한다.
즉, 권축사를 열고정함으로써 그 표면에 3차로 코팅·부착한 실리콘을 더욱 안정적으로 고착할 수 있고, 니들펀칭이 가능 및 수월하도록 하는 집속성과 거친 표면의 형상을 유지할 수 있다.
여기서 130℃ 미만의 열풍을 가할 경우 수분이 완전히 제거되지 않을 수 있고, 170℃를 초과하는 열풍을 가할 경우 권축사가 변형될 수 있다.
이러한 열고정 공정을 거치지 않으면 표면이 너무 매끄러워서 원하는 발수성능의 토목용 부직포를 수득할 수 없을 뿐만 아니라 섬유 집속성이 떨어져서 날리거나 퍼지는 현상 등으로 니들펀칭 공정에 부적합하여 작업성 및 생산성 등이 현저히 떨어질 수 있다.
(I) 2차 냉각공정
열고정된 권축사를 20±5℃의 온도 및 1~1.5m/sec의 풍속으로 50~60분간 냉각하는 2차 냉각한다.
이러한 2차 냉각 공정을 거치지 않으면 열고정된 권축사를 바로 압축포장할 경우 내부 잠열로 인해 실리콘 코팅층이 손상될 수 있다.
(J) 커팅공정
2차로 냉각된 권축사를 단섬유로 절단한다.
이러한 커팅공정에 의하여 필요에 따라 적절한 섬유장을 갖는 1형 폴리에스테르 단섬유를 얻을 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 1형 폴리에스테르 단섬유는 35 내지 150mm의 섬유장을 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 최종 용도에 따라 적절한 단섬유의 섬유장을 결정할 수 있다.
(K) 니들펀칭공정
이렇게 제조하여 표면에 실리콘 코팅층이 켜켜이 형성된 1형 폴리에스테르 단섬유와, 폴리에스테르 수지를 용융, 방사, 연신하여 제조된 통상의 2형 폴리에스테르 단섬유를 80:20 내지 50:50의 중량비로 바람직하게는 70:30의 비율로 혼섬한 후, 카딩머신(carding machine)으로 카딩하여 웹을 형성하고, 이를 니들펀칭 함으로써 200 내지 2,000g/㎡의 중량을 갖는 토목용 폴리에스테르 단섬유 부직포를 얻을 수 있다.
이 과정에서 최종 토목용 폴리에스테르 단섬유 부직포의 목표 중량에 맞추기 위해 필요한 만큼 웹을 겹치는 크로스 랩핑(cross-lapping) 공정을 추가할 수도 있다.
또한, 니들펀칭 시 예비펀칭(pre punching)을 통해 웹을 약하게 물리적으로 결합한 후, 주펀칭(main punching)으로 강하게 결합시키는 2단계의 니들링 펀칭법을 적용하는 것이 바람직하다.
이때, 니들의 밀도는 30 내지 200punch/㎠를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 50 내지 100punch/㎠를 사용한다. 또 섬유 간 교락을 위한 니들의 이동 깊이는 5 내지 30mm로 진행할 수 있고, 바람직하게는 10 내지 15mm로 진행한다. 그리고 니들의 이동속도(stroke)는 300 내지 1000stroke/min 일 수 있다.
여기서 2형 폴리에스테르 단섬유의 중량비가 50을 초과하면 부직포의 발수성이 저하되며, 20 미만이면 발수성은 향상되나 원가가 상승할 수 있다. 또 카팅 방법에는 특별한 제한을 두지 않으며, 예를 들면, 롤러카드, 플랫카드, 유니언카드 등 당업자에게 공지된 통상의 카딩 방법을 채택하여 적용할 수 있다.
이처럼 니들펀칭법으로 제조한 토목용 폴리에스테르 단섬유 부직포는 투수성과 인장강도 및 인장신도와 같은 기본적인 물리적 특성은 한국표준규격의 기준요건을 충족하면서 기존과는 차원이 다른 발수성능의 구현이 가능하다.
<실시 예>
(1형 폴리에스테르 단섬유의 제조)
폴리에스테르 섬유 제조장치를 이용하여 아래와 같이 1형 폴리에스테르 단섬유를 제조하였다.
먼저, 폴리에스테르 수지를 280~300℃에서 용융하고 1000~1,500m/min의 방사속도로 방사하여 토우 상태의 미연신사를 만들고, 이를 85~90℃의 수용성 실리콘 유제가 담긴 침지욕 중에 침지시켜 1.5~4.0의 연신비와 50~150m/min의 연신속도로 연신 및 1차로 실리콘 코팅을 한 다음 130~170℃의 히팅롤(hot godet roll)을 통과시켜 열고정하였다.
계속해서 120~130m/sec의 선속도로 이동하는 연신사의 표면에 실리콘 유제를 시간당 7.5L로 분사하여 2차 코팅하고, 이를 9±1개/inch의 크림프를 형성하도록 권축한 후, 다시 표면에 시간당 7.5L의 실리콘 유제를 분사하여 3차 코팅하였다.
이어서 공기가 잘 통하는 큐어링(curing) 기계를 이용하여 20±5℃의 온도 및 1~1.5m/sec의 풍속으로 50~60분간 냉각하는 1차 냉각하고, 이를 130~170℃의 온도 및 1~1.5m/sec의 풍속으로 30~40분간 열고정한 후, 다시 20±5℃의 온도 및 1~1.5m/sec의 풍속으로 50~60분간 냉각하는 2차 냉각한 다음 길이(섬유장)가 40~60mm인 단섬유로 절단하여 최종적으로 표면에 실리콘 코팅층이 켜켜이 형성되고, 섬유의 단사 섬도가 6~7 데니어, 절단강도(strength)가 평균 3.4g/de, 절단신도(extension)가 70~75%, OPU(Oil Pick-Up)가 0.40±0.05%인 1형 폴리에스테르 단섬유를 제조하였다.
(2형 폴리에스테르 단섬유의 제조)
폴리에스테르 섬유 제조장치를 이용하여 폴리에스테르 수지를 용융, 방사, 연신하는 통상의 방법으로 길이(섬유장)가 40~60mm인 2형 폴리에스테르 단섬유를 제조하였다.
예컨대, 상술한 1형 폴리에스테르 단섬유와 동일한 방법으로 제조하되, 85~90℃의 실리콘 유제가 담긴 침지욕 중에 침지시키는 공정을 대체하여 85~90℃의 물과 연신용 유제가 1:1 비율로 담긴 침지욕에 침지시키고, 후속으로 이루어지는 공정 중에서 연신사의 표면에 실리콘 유제를 시간당 7.5L로 분사하여 2차 코팅하는 공정과, 권축사의 표면에 시간당 7.5L의 실리콘 유제를 분사하여 3차 코팅하는 공정을 건너뛰어 2형 폴리에스테르 단섬유를 제조할 수 있다.
(토목용 폴리에스테르 단섬유 부직포의 제조)
토목용 폴리에스테르 단섬유 부직포를 제조하기 위하여 상기 방법에 의해 얻은 1형 폴리에스테르 단섬유와, 통상의 방법으로 제조된 2형 폴리에스테르 단섬유의 혼섬비를 80:20 및 50:50의 중량비(혼용율)로 설정하여 혼합 및 개섬(opening)한 후, 카딩머신(carding machine)으로 카딩하여 웹을 형성하였다.
다음으로, 100 내지 300회/min로 약하게 1차 니들펀칭을 한 후, 500 내지 900회/min로 2차 니들펀칭을 순차적으로 진행하여 결합시킴으로써 토목용 폴리에스테르 단섬유 부직포를 수득하였다.
<비교 예>
통상의 방법으로 제조된 2형 폴리에스테르 단섬유만을 개섬(opening)한 후, 카딩머신(carding machine)로 카딩하여 웹을 형성하였다.
다음으로, 100 내지 300회/min로 약하게 1차 니들펀칭을 한 후, 500 내지 900회/min로 2차 니들펀칭을 순차적으로 진행하여 결합시킴으로써 비교용 부직포를 수득하였다.
<테스트 1 : 실시 예의 품질확인 시험>
부직포의 물성과 발수 특성 등을 평가하기 위해 국제공인시험기관인 FITI시험연구원에 의뢰하여 아래의 각 항목에 대하여 시험을 실시하였다.
(1) 질량(KS K ISO 9864:2007):g/㎡
KS K ISO 9864의 시험방법에 따라 시편 250g를 채취하여 질량을 측정하였다. 그 결과값은 260±10g/㎡으로 나타났다.
(2) 인장강도(KS K 0743:2009, C.R.E, 그래브법):N
KS K 0743의 시험방법에 따라 시편 250g를 채취하여 인장강도를 측정하였다. 그 결과값은 길이 420±20N, 폭 470±10N으로 나타났다.
(3) 인장신도(KS K 0743:2009, C.R.E, 그래브법):%
KS K 0743의 시험방법에 따라 시편 250g를 채취하여 인장신도를 측정하였다. 그 결과값은 90±10%, 폭 80±10%로 나타났다.
(4) 수직투수계수(KS K ISO 11058:2011, 정수두법):cm/s
KS K ISO 11058의 시험방법에 따라 시편 250g를 채취하여 수직투수계수를 측정하였다. 그 결과값은 5.0~5.6×10-1cm/s으로 나타났다.
(5) 발수도(KS K 0590:2008, 스프레이법):급
KS K 0590의 시험방법에 따라 시편 250g를 채취하여 발수도를 측정하였다. 그 결과값은 2급 내지 3급으로 나타냈다.
<테스트 2 : 비교 예의 품질확인 시험>
이 시험은 실시 예와 마찬가지로 국제공인시험기관인 FITI시험연구원에 의뢰하여 아래의 각 항목에 대하여 실시하였다.
(1) 질량(KS K ISO 9864:2007):g/㎡
KS K ISO 9864의 시험방법에 따라 시편 250g를 채취하여 질량을 측정하였다. 그 결과값은 260±10g/㎡으로 나타났다.
(2) 인장강도(KS K 0743:2009, C.R.E, 그래브법):N
KS K 0743의 시험방법에 따라 시편 250g를 채취하여 인장강도를 측정하였다. 그 결과값은 410±5N, 폭 480±5N으로 나타났다.
(3) 인장신도(KS K 0743:2009, C.R.E, 그래브법):%
KS K 0743의 시험방법에 따라 시편 250g를 채취하여 인장신도를 측정하였다. 그 결과값은 길이 95±5%, 폭 80±5%로 나타났다.
(4) 수직투수계수(KS K ISO 11058:2011, 정수두법):cm/s
KS K ISO 11058의 시험방법에 따라 시편 250g를 채취하여 수직투수계수를 측정하였다. 그 결과값은 5.3~5.4×10-1cm/s으로 나타났다.
(5) 발수도(KS K 0590:2008, 스프레이법):급
KS K 0590의 시험방법에 따라 시편 250g를 채취하여 발수도를 측정하였다. 그 결과값은 1급으로 나타났다.
이상에서 보이는 바와 같이 2종의 폴리에스테르 단섬유를 이용하여 제조된 본 발명의 실시 예는 비교 예에 비해 질량, 인장강도, 인장신도 및 수직투수계수는 유의적인 차이가 없이 모두 토목용 폴리에스테르 단섬유 부직포에 대하여 한국산업표준에서 규정하는 규격 및 물성기준을 충족하고 있으나, 발수도에서 현격하게 우수한 차이(2등급)를 나타내는 것임을 알 수 있다.
여기서 발수도 등급은 1급-표면이 완전히 습윤 된 것이고, 2급-전 표면에 걸쳐 부분적 습윤을 나타내는 것이고, 3급-물이 떨어진 자리에 습윤을 나타내는 것이고, 4급-표면에 약간의 부착 또는 습윤을 나타내는 것이고, 5급-표면에 부착 또는 습윤이 없는 것으로 분류되므로 토목용 부직포에서 1급의 경우 발수성이 없는 것이며, 5급의 경우 투수성이 없는 것이므로 결국 2급 내지 3급이 발수성과 투수성을 동시에 충족하는 최적의 등급을 나타내는 수치임을 알 수 있다.
이처럼 본 발명의 실시 예에 따른 토목용 폴리에스테르 단섬유 부직포는 형태안정성이 우수하면서도 한국산업표준의 규격 및 기준요건을 충족하는 투수성과 함께 우수의 양(강수량) 및 압력에 따라 단계적으로 통과 및 배수시키는 발수성을 동시에 가지므로 일반적으로 내리는 빗방울은 튕겨내듯이 경사면을 따라 아래로 흘러내리도록 유도하고, 빗물이 일정한 압력 및 하중을 넘어설 경우에만 자연스럽게 다공질 공간을 통과하여 토양 속으로 흘러들어가도록 안내한다.
따라서 토목용으로 사용할 경우 시공의 편의성과 효율성을 향상시킴은 물론이고, 포설면으로부터 들뜨거나 토입자의 유실 및 세굴 침식 등을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 안에서 예시되지 않은 여러 가지 변형과 응용이 가능함은 물론 구성요소의 치환 및 균등한 타 실시 예로 변경하여 폭넓게 적용할 수도 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백하다.
그러므로 본 발명의 특징에 대한 변형과 응용에 관계된 내용은 본 발명의 기술사상 및 범위 내에 포함되는 것으로 해석하여야 할 것이다.

Claims (4)

  1. (A) 폴리에스테르 수지를 280~300℃에서 용융하고 1000~1,500m/min의 방사속도로 방사하는 방사공정과, (B) 방사된 미연신사를 85~90℃의 실리콘 유제 침지욕 중에 침지시켜 1.5~4.0의 연신비와 50~150m/min의 연신속도로 연신하는 연신 및 1차 실리콘 코팅공정과, (C) 연신 및 실리콘이 코팅된 연신사를 130~170℃의 히팅롤(hot godet roll)을 통과시켜 열처리하는 열고정공정과, (D) 열고정공정을 거쳐 120~130m/sec의 선속도로 이동하는 연신사의 표면에 시간당 7.5L의 실리콘 유제를 분사하여 코팅하는 2차 실리콘 코팅공정과, (E) 실리콘이 코팅된 연신사에 9±1개/inch의 크림프를 형성하는 크림핑공정과, (F) 크림핑된 권축사의 표면에 시간당 7.5L의 실리콘 유제를 분사하여 코팅하는 3차 실리콘 코팅공정과, (G) 3차로 실리콘이 코팅된 권축사를 20±5℃의 온도 및 1~1.5m/sec의 풍속으로 50~60분간 냉각하는 1차 냉각공정과, (H) 냉각된 권축사를 130~170℃의 온도 및 1~1.5m/sec의 풍속으로 30~40분간 열고정하는 세팅공정과, (I) 열고정된 권축사를 20±5℃의 온도 및 1~1.5m/sec의 풍속으로 50~60분간 냉각하는 2차 냉각공정 및 (J) 2차로 냉각된 권축사를 단섬유로 절단하는 커팅공정을 거쳐, 표면에 실리콘 코팅층이 형성된 1형 폴리에스테르 단섬유와; 폴리에스테르 수지를 용융, 방사, 연신하여 제조된 통상의 2형 폴리에스테르 단섬유를; 80:20 내지 50:50의 중량비로 혼섬한 후 카딩하여 웹을 형성하고, 이를 니들펀칭하여 제조한 토목용 폴리에스테르 단섬유 부직포.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 1형 폴리에스테르 단섬유는, 상기 연신 및 1차 실리콘 코팅공정에서, 방사된 미연신사를 50~60℃의 물과 연신용 유제가 1:1 비율로 담긴 침지욕에 침지시켜 1.5~4.0의 연신비로 연신한 후 이루어진 토목용 폴리에스테르 단섬유 부직포.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 유제는, 물 100중량부에 폴리디메틸록산(Polydimethylsiloxane) 7~8중량부, 폴리옥시에틸렌알킬에테르(Polyoxyethylene Alkyl ether) 2~3중량부, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란(3-glyciddoxypropyltrimethoxysilane) 0.5~0.7중량부가 혼합되어 이루어진 토목용 폴리에스테르 단섬유 부직포.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 1형 폴리에스테르 단섬유는, 절단강도(strength)가 평균 3.4g/de, 절단신도(extension)가 70~75%, OPU(Oil Pick-Up)가 0.40±0.05%인 토목용 폴리에스테르 단섬유 부직포.
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