KR101834413B1 - 기재섬유와 나노섬유 부직포 간의 부착력이 향상된 나노섬유 적층 복합섬유 및 이를 포함하는 분리막 - Google Patents

기재섬유와 나노섬유 부직포 간의 부착력이 향상된 나노섬유 적층 복합섬유 및 이를 포함하는 분리막 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기재와 나노섬유 부직포 간의 부착력이 향상된 복합섬유의 제조방법에 관한 것으로, 열가소성 폴리우레탄 기재를 준비하는 단계; 전기방사장치에서 이형지에 고분자 방사용액을 전기방사하여 나노섬유 부직포를 형성하는 단계; 상기 열가소성 폴리우레탄 기재 일면에 상기 형성된 나노섬유부직포를 합지 후 열융착하는 단계;를 포함하고, 상기 나노섬유 부직포의 총 평량이 1g/m2 이상 50 g/m2 이하인 것을 특징으로 하는 기재와 나노섬유 부직포 간의 부착력이 향상된 복합섬유의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 별도의 접착제나 핫멜트층의 추가 없이도 나노섬유가 기재섬유에 강하게 부착되어 다회 세탁 후에도 박리되지 않는 나노섬유가 적층된 복합섬유를 제공할 수 있다.

Description

기재섬유와 나노섬유 부직포 간의 부착력이 향상된 나노섬유 적층 복합섬유 및 이를 포함하는 분리막{Nanofiber composite fiber having excellent adhesive ability between substrate and nanofiber nonwoven and a separator containing thereof}
기재와 나노섬유 부직포 간의 부착력이 향상된 복합섬유와 이를 포함하는 분리막 및 이의 제조방법에 관한 발명이다.
나노섬유란, 직경이 수십에서 수백 나노미터에 불과한 초극세사를 지칭하는 것으로, 나노섬유로 구성된 부직포, 멤브레인, 필라멘트 및 브레이드 등의 제품은 생활용품, 농업용, 의류용 및 산업용 등으로 널리 사용된다.
뿐만 아니라, 인조 피혁, 인조 스웨이드, 생리대, 의복, 기저귀, 포장재, 잡화용 소재, 각종 필터 소재, 유전자 전달체의 의료용 소재 및 방탄 조끼 등 국방용 소재에 적용되는 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.
나노섬유는 전기장에 의해 생산된다. 즉, 나노섬유는 원료인 고분자 물질에 고전압의 전기장을 걸어서 원료인 고분자 물질 내부에 전기적인 반발력을 발생시키고, 이로 인해 분자들이 뭉쳐 나노 크기의 실 형태로 갈라짐으로써 나노섬유가 제조 및 생산된다. 이 때, 전기장이 강할수록 원료인 고분자 물질이 가늘게 찢어지기 때문에 10 내지 1000nm의 가늘기를 갖는 나노섬유를 얻을 수 있다.
한편, 이렇게 생산된 나노섬유를 다른 기재 섬유와 적층복합시키는 방법에는 나노섬유 생산시에 이를 이종의 섬유에 코팅을 시키는 방법, 나노섬유를 별도로 생산하여 이를 이종 텍스타일에 접합시키는 방법에 있다. 최근 나노섬유를 멤브레인화시켜 이를 이종의 텍스타일에 접합하는 방식에 대한 연구가 진행되고 있다. 한국 등록특허 10-0934117에서는 나노 섬유 멤브레인과 이종의 섬유간에 부착력이 향상된 복합섬유에 대해 개시하고 있으나, 접착제로서 별도의 폴리우레탄 수지를 사용하여 제조단가가 상승하고 공정이 복잡하다는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 나노섬유가 방사되는 기재섬유로써 열가소성 폴리우레탄 기재를 사용하여 별도의 접착제나 핫멜트층의 추가 없이도 나노섬유가 기재섬유에 강하게 부착되어 다회 세탁 후에도 박리되지 않는 나노섬유가 적층된 복합섬유를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 나노섬유가 방사되는 기재섬유로써 제1 및 제2 열가소성 폴리우레탄 기재를 준비하는 단계;
전기방사장치에서 이형지에 고분자 방사용액을 전기방사하여 나노섬유 부직포를 형성하는 단계;
상기 제1 열가소성 폴리우레탄 기재 상에 상기 형성된 나노섬유 부직포를, 상기 나노섬유 부직포 상에 제2 열가소성 폴리우레탄 기재를 차례로 합지 후 열융착하는 단계를 포함하고
상기 나노섬유 부직포의 평량은 1g/m2 이상 50 g/m2 이하인 것을 특징으로 하는 기재와 나노섬유 부직포 간의 부착력이 향상된 복합섬유의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
여기서 상기 열융착 단계 이전에 상기 제1 및 제2 열가소성 폴리우레탄 기재의 나노섬유 부직포가 부착되지 않은 다른 한쪽면에 폴리에틸렌 테레프탈레이트 기재, 셀룰로오스 기재, 합성 기재 및 이성분 기재로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 지지체를 적층하는 단계가 추가될 수 있다.
여기서 고분자는 폴리이미드(PI), 폴리아크릴로니트릴(PAN), PES(폴리에테르술폰), 폴리아미드(PA), 메타아라미드, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리우레탄(PU) 으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 나노섬유 부직포는 섬유 직경이 상이하거나 고분자 종류가 상이한 것을 특징으로 하는 기재와 나노섬유 부직포 간의 부착력이 향상된 복합섬유의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 기재와 나노섬유 부직포 간의 부착력이 향상된 복합섬유의 제조방법에 있어서 상기 나노섬유 부직포 의 총 평량은 1g/m2 이상 20 g/m2이하일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 상기 전기방사장치는 2개 이상의 전기방사장치로 구성되고, 상향식과 하향식 전기방사장치가 교대로 배치되며, 각 전기방사장치 사이에는 적층체를 180도 회전시키는 플립장치가 구비되어 있을 수 있다.
또한 상기의 제조방법에 따라 제조된 복합섬유를 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 열가소성 폴리우레탄 기재 상에 나노섬유 부직포를 전기방사 후 열 융착하는 방식으로 나노섬유가 적층된 섬유를 제조하는 방법을 제공하여 별도의 핫멜트층 추가 없이도 기재섬유와 나노섬유 부직포 간의 부착력이 향상된 나노섬유 적층 복합섬유를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 상기 기재와 나노섬유 부직포 간의 부착력이 향상된 섬유를 제조하는 데 있어서 전기방사장치는 2개 이상의 전기방사장치로 구성되고, 상향식과 하향식 전기방사장치가 교대로 배치되며, 각 전기방사장치 사이에는 적층체를 180도 회전시키는 플립장치가 구비되어 있는 것을 특징으로 하여 나노섬유가 적층된 섬유를 대량생산하는 방법을 제공할 수 있다.
또한 본 발명의 복합섬유는 분리막으로 활용이 가능하며 바람직하다. 이는 전기방사를 통해 제조된 나노섬유로 이루어짐에 따라 다공성을 지니므로 이로부터 제조된 분리막은 전지 성능이 우수한 효과가 있는 점에서 분리막으로 활용하는 것이 바람직하며, 기재와 나노섬유 사이에 탈리가 발생하지 않으므로 안정적인 분리막 이용이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 나노섬유 제조장치를 개략적으로 나타내는 측면도,
도 2는 본 발명에 의한 상향식과 하향식 전기방사 유닛이 교대로 있는 나노섬유 제조장치를 개략적으로 나타내는 측면도
도 3은 본 발명의 나노섬유 제조장치의 각 전기방사장치 내에 설치되는 노즐블록을 개략적으로 나타내는 평면도,
도 4는 본 발명의 나노섬유 제조장치의 각 전기방사장치 내에 설치되는 노즐블록 내에 온도조절을 위한 열선이 설치된 모습을 개략적으로 나타내는 정단면도,
도 5는 도 4의 A-A선 단면도,
도 6 및 도 7은 본 발명의 나노섬유 제조장치의 회전장치의 일 실시예로 사용되는 플립장치를 개략적으로 나타낸 단면도,
도 8은 본 발명의 나노섬유 제조장치를 수직방향으로 배치한 경우의 배치도를 개략적으로 나타낸 측면도,
도 9은 본 발명의 나노섬유 제조장치를 수평방향에 대해 U자로 배치한 경우의 배치도를 개략적으로 나타낸 조감도,
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 열가소성 폴리우레탄 기재 위에 나노섬유 부직포가 적층된 복합섬유의 구조,
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 열가소성 폴리우레탄 기재 위에 나노섬유 부직포가 적층되고, 열가소성 폴리우레탄 기재 하부에 지지체가 합지되어 제조된 복합섬유의 구조이다.
1. 멤브레인 형태의 나노섬유 부직포를 제조하기위한 전기방사장치에 대한 설명
가. 일반
본 발명에 의한 전기방사장치(1)는 상향식 전기방사장치(1) 또는 하향식 전기방사장치(미도시)로 이루어지되, 적어도 하나 이상의 유닛(10, 30)이 일정간격 이격되어 순차적으로 구비되고, 상기 각 유닛(10, 30)은 동일한 고분자 방사용액을 개별적으로 전기방사하거나, 재질이 상이한 고분자 방사용액을 개별적으로 전기방사하여 나노섬유 부직포를 제조한다.
본 발명의 일 실시예에 사용되는 전기방사장치는 상향식 전기방사장치 및 하향식 전기방사장치를 포함하여 구성될 수도 있다. 상향식 전기방사장치와 하향식 전기방사장치가 일정간격 이격되어 배열설치되어 있으며, 상향식 전기방사장치를 전단에, 하향식 전기방사장치를 후단에 위치시키거나, 이와 반대로 배치하는 것도 가능하다. 상향식 전기방사장치와 하향식 전기방사장치 사이에는 플립장치를 구비될 수 있다.
도 1에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 전기방사장치(1)가 2개의 유닛으로 설치되는 경우를 표시하고 있다. 전기방사장치는 전기방사 유닛 1(10) 및 전기방사 유닛 2(30)를 포함하여 구성되되, 상기 전기방사 유닛 1(10) 및 전기방사 유닛 2(30)가 일정간격 이격되어 배열설치된다.
여기서 상기 전기방사 유닛 1(10)와 전기방사 유닛 2(30)는 고분자 방사용액(미도시)이 내부에 충진되는 방사용액 주탱크(11,31) 내의 고분자 방사용액을 토출하되, 핀 형태로 이루어지는 노즐(15,35)이 다수개 배열설치되는 노즐블록(13,33)과 상기 노즐(15,35)의 상단(상향식 전기방사장치의 경우) 및 하단(하향식 전기방사장치의 경우)에 위치하여 분사되는 고분자 방사용액을 집적하기 위하여 노즐(15,35)로부터 일정간격 이격되는 컬렉터(17,37) 및 상기 컬렉터(17,37)에 전압을 발생시키기는 전압 발생장치(14)를 포함하여 구성된다.
상기한 바와 같은 구조에 의하여 본 발명에 의한 나노섬유 제조장치(1)는 상기 전기방사 유닛 1(10) 및 전기방사 유닛 2(30)의 방사용액 주탱크(11,31) 내에 충진되는 방사용액이 계량 펌프를 통하여 높은 전압이 부여되는 다수의 노즐(15,35) 내의 연속적으로 정량 공급되고 노즐(15,35)로 공급되는 고분자 방사용액은 노즐(15,35)을 통해 높은 전압이 걸려있는 컬렉터(17,37) 상에 방사, 집속되어 나노섬유를 형성하며, 형성된 나노섬유를 엠보싱 또는 니들펀칭하여 부직포로 제조한다.
한편, 상기 각 전기방사장치에서 노즐(15,35)이 배치되어 있는 노즐블록(13,33)은 각 관체(112) 내에 온도조절장치(60)가 구비된다. 즉, 상기 각 전기방사장치(10,30) 내에 설치되되, 다수개의 노즐(15,35)로 고분자 방사용액이 공급되는 노즐블록(13,33)의 관체에 고분자 방사용액의 온도를 조절하기 위한 온도조절장치가 구비된다. 여기서, 상기 노즐블록(13,33) 내의 고분자 방사용액의 흐름은 고분자 방사용액이 저장되는 방사용액 주탱크(11,31)로부터 방사용액 유동파이프(미도시)를 통하여 각 관체로 공급된다. 그리고 각 관체에 공급되는 고분자 방사용액은 다수의 노즐(15,35)을 통해 방사 및 토출되어 나노섬유 부직포의 형태로 지지체(3)에 집적된다. 이때 각 관체 및 상기 관체의 상부에 길이방향으로 일정간격 이격되어 다수개로 장착되는 노즐(15,35)은 도전부재로 이루어져 전기적으로 접속된 상태로 관체에 장착된다. 여기서 상기 온도조절장치(60)는 각 관체로 공급 및 유입되는 고분자 방사용액의 온도조절을 제어하기 위하여 상기 관체의 내주연에 열선(113) 형태로 구비된다. 즉, 도 3 내지 도 5에서 도시하고 있는 바와 같이 상기 노즐블록(13,33)의 관체 내주연에 열선으로 이루어지는 온도조절장치(60)가 노즐블록(13,33)의 관체 내주연에 나선상으로 형성되어 관체로 공급 및 유입되는 고분자 방사용액의 온도를 조절한다. 본 발명에서는 상온에서 방사하는 것이 일반적이나, 바람직하게 45 내지 120℃인 고온에서 방사하는 것도 가능하다.
한편, 상기 나노섬유 제조장치(1)의 전단에는 전기방사 유닛 1(10)이 배치되고 후단에는 전기방사 유닛 2(30)가 배치되고 각 유닛에서 고분자 방사용액이 분사되어 나노섬유가 적층형성되는 이형지(3)를 공급하는 공급롤러(5)가 구비되고, 나노섬유 제조장치(1)의 최후단에는 나노섬유가 적층형성되는 이형지(3)를 권취하기 위한 권취롤러(9)가 구비된다.
한편, 상기 각 컬렉터(17,37)의 양 단부에는 이송롤러(7)가 각각 구비되고, 상기 각 이송롤러(7)를 통하여 각 컬렉터(17,37)에 집적되어 나노섬유가 적층형성되는 지지체(3)가 수평방향으로 이송된다. 즉, 상기 상향식 전기방사장치(10)의 노즐(15)에서 분사되는 고분자 방사용액을 컬렉터(17)의 지지체(3)상에 적층형성시켜 제조된 나노섬유를 하향식 전기방사장치(30)의 컬렉터(37) 상으로 수평이동시킴과 상기한 공정을 반복적 및 연속적으로 진행하기 위한 이송롤러(7)가 상기 각 컬렉터(17,37)의 양 단부에 각각 구비된다.
나. 상향식/하향식 섞음
도 2와 같이 상기 전기방사 유닛 1은 상향식, 유닛2는 하향식으로 구배 가능하다. 한편, 본 발명에서는 상향식 전기방사장치(10‘)와 하향식 전기방사장치(30’) 사이에 회전장치(20)가 구비되는 것을 특징으로 한다. 상기 회전장치(20)는 전기방사장치 사이에 위치되어 지지체(3)를 180도 회전시켜 후단에 위치한 전기방사장치에서는 지지체의 상부면은 하부면으로, 하부면은 상부면이 되도록 회전시키기 위한 장치이다.
도 6 및 7은 회전장치의 일 실시예로 사용되는 플립장치(20-1)를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 구체적으로 도 6는 플립장치(20-1)의 초기 동작과정을 나타낸 단면도이며, 도 7은 플립장치(20-1)의 후기 동작과정을 나타낸 단면도이다.
상기 회전장치의 일 실시예로 사용되는 플립장치(20-1)는 내부에 중공을 갖는 원통형상체로 형성되고 그 중심부에서 수평방향 양 측 내주연 상에 지지체(3)의 양 단부가 삽입되기 위한 가이드홈을 갖는 좌, 우측 가이드 부재(21,21)가 각각 내향돌출되게 형성된다. 이 때 상기 플립장치(20-1)의 내주연에 내향돌출되게 형성되는 좌,우측 가이드부재(21,21) 중 좌측 가이드부재(21)는 내주연을 따라 상방향으로 연장형성된후 다시 하방향으로 연장형성되도록 나선상으로 회전되어 우측 가이드 부재(21)의 최초 위치 및 방향에 위치하고, 우측 가이드부재(21)는 내주연을 따라 하방향으로 연장형성된 후 다시 상방향으로 연장형성되도록 나선상으로 회전되어 좌측 가이드부재(21)의 최초 위치 및 방향에 위치한다.
상기한 바와 같은 구조에 의하여 상기 플립장치(20-1)의 내주연에 내향돌출되게 형성되는 좌, 우측 가이드부재의 각 가이드홈(22,22)으로 삽입된 지지체의 일측 단부 및 타측 단부가 좌, 우측 가이드부재(21,21)를 가이드되면서 플립장치(20-1)의 내주연을 상호 대향되게 나선상으로 180도 회전됨으로써 지지체(3)의 상, 하부면이 역전된다.
본 발명에서는 전기방사장치 사이에 위치하고 전기방사된 나노섬유를 180도 회전시키는 회전장치(20)로 플립장치(20-1)를 사용하고 있으나, 이에 한정하지 아니하고 변형적으로 비틀림 롤러를 구비한 장치나 비틀림 롤러에 의해 지지체의 진행방향으로 90도 굴곡하도록 회전시키는 장치가 사용되는 것도 가능하다.
상기한 바와 같은 구조에 의하여 상기 상향식 전기장치(10)의 방사용액 주탱크(11) 내에 충진된 고분자 방사용액이 노즐(15)을 통하여 컬렉터(17)의 지지체(3) 상에 분사되고, 상기 컬렉터(17)의 지지체(3) 상에 분사된 고분자 방사용액이 집적되면서 나노섬유를 형성한 후 나노섬유가 적층형성된 지지체(3)는 회전장치(20)에 의하여 상향식 전기방사에 의해 나노섬유가 적층형성된 지지체(3)의 하부면이 상부면으로 180도 회전된다. 그 이후 이송롤러(7)를 통하여 하향식 전기방사장치(30)의 컬렉터(37) 상으로 이송되고, 상기 컬렉터(37) 상으로 이송된 나노섬유가 적층된 지지체(3)에 상기 하향식 전기방사장치(30)의 방사용액 주탱크(31) 내에 충진된 고분자 방사용액이 노즐(35)을 통하여 전기방사되어 상기한 과정을 연속적 및 반복적으로 수행하면서 최종 제품이 제조된다.
2. 열가소성 폴리우레탄 기재와 나노섬유 부직포층을 포함하는 복합섬유의 제조방법
이하, 상기 전기방사장치를 이용하여 본 발명의 열가소성 폴리우레탄 기재 사이에 나노섬유 부직포가 샌드위치된 구조의 복합섬유의 제조방법을 설명한다.
본 발명에서는 장척시트(15)로 이형지를 사용한다.
먼저 폴리우레탄은 폴리이소시아네이트(Polyisocyanate)와 폴리알콜(Polyalcohol)의 반응에 의해 만들어지는 우레탄 결합의 폴리머이다. 폴리우레탄은 탄성, 내마모성, 가공성이 우수하여 산업 및 소비재, 부품 등에 다양하게 사용되는데, 폴리우레탄의 종류에 따라 그 물성의 차이가 있으므로 용도에 맞는 제품의 선택이 중요하다.
폴리우레탄은 크게 2가지로 구분되는데, 열가소성 폴리우레탄과 열경화성 폴리우레탄으로 나뉘는데, 여기서 열가소성 폴리우레탄의 경우 강도, 성형성, 내화학성, 내유성, 내마모도 등이 우수한 특징이 있다. 열가소성 폴리우레탄(이하 "TPU"라 칭함)로 이루어진 신축성 부직포는, 그들의 높은 탄성, 낮은 잔류왜곡 및 우수한 통기성에 의해 의류, 위생재료 및 스포츠용품용 재료를 포함한 용도에 이용되어 왔다. 이른바 멜트 블로우 방사 방법(melt-blow spinning method)으로 제조되는 열가소성 폴리우레탄 부직포는 뛰어난 신축성과 유연성 및 통기성을 가지고 있어서, 종래부터 종이 기저귀의 사이드 밴드, 구급 반창고의 기포(base fabric), 1회용 장갑 등과 같은 비교적 인체의 움직임에 대한 순응이 요망되는 분야, 혹은 스포츠 의류·신축성 면 패드(cotton pad) 등의 겉옷 분야 등 비교적 소프트한 신축성이 요망되는 분야에 사용되고 있다.
상기 열가소성 폴리우레탄의 제조방법은 잘 알려져 있다. 즉, 폴리에스테르폴리올 또는 폴리에테르폴리올과 같은 하이드록시 말단기를 함유하는 선형 폴리올과, 양 말단에 이소시아네이트기를 함유하는 디이소시아네이트 화합물을 반응시켜 제조되며, 필요에 따라 사슬연장제, 모노아민 화합물 등의 말단정지제, 기타 첨가제를 첨가하여 제조된다.
폴리올로는 선형상의 호모 또는 공중합체로 이루어지는 각종 디올, 예를 들어 폴리에스테르디올, 폴리에테르디올, 폴리에스테르아미드디올, 폴리아크릴디올, 폴리티오에스테르디올, 폴리티오에테르디올, 폴리카보네이트디올, 또는 이들의 혼합물 또는 공중합체가 사용될 수 있다. 보다 구체적인 예로는 폴리옥시에틸렌글리콜, 폴리옥시프로필렌글리콜, 폴리테트라메틸렌에테르글리콜, 테트라메틸렌기와 3-메틸테트라케틸렌기로 이루어진 공중합 폴리에테르글리콜 등의 폴리알킬렌에테르글리콜을 예시할 수 있다.
하드 세그먼트 역할을 하는 디이소시아네이트 화합물로는 방향족, 지방족 또는 지환족 디이소시아네이트가 사용되는데, 예를 들러 4,4'디페닐케탄디이소시아네이트, 1,3- 및 1,4-시클로헥실렌디이소시아네이트, 1,6-헥사메틸렌디이소시아네이트, 트리메틸렌디이소시아네이트, 테트라메틸렌디이소시아네이트, 이소포론디이소시아네이트 등을 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
사슬연장제로는 디아민 화합물 또는 디올 화합물을 들 수 있으며, 예를 들어 메틸렌디아민, 에탄올디아민, 1,2-프로필렌디아민 등의 디아민 화합물과, 에틸렌글리콜, 1,3-프로판디올, 1,4-부탄디올, 네오펜틸 글리콜 등의 디올 화합물이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
말단정지제로는 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 디이소프로필아민과 같은 모노아민계 화합물을 들 수 있다.
한편, 열가소성 폴리우레탄의 수평균 분자량은 1,000∼100,000인 것이 바람직하다.
본 발명에서는 기재로서 이러한 열가소성 폴리우레탄을 부직포 기재로 사용하는 것에 특징이 있는데, 먼저, 부직포는 웹(섬유를 거듭해 맞춘 상태)를 제작하여 섬유끼리 물리적화학적으로 포장에 얽히게 할 수 있어 제조한다.
일반적인 부직포의 제조공정은 웹 형성과 웹 결합공정을 거치게 된다. 일반적인 공정은 단섬유 부직포에만 사용되며, 장섬유 부직포는 방사에 의한 필라멘트를 사용하므로 이 공정은 필요치 않다. 부직포의 경우 압축된 베일(Bale) 상태로 입고되므로 부직포를 만들기 위해서는 압축된 섬유들의 과정을 거쳐야한다. 웹의 형성공정은 부직포를 만들기 위해서 반드시 필요한 공정으로, 건식 부직포는 웹의 형성을 대기 중에서 행하는데 반하여 습식 부직포는, 섬유를 분산시켜 이것을 떠올림으로써 웹을 얻는다. 따라서 건식부직포는 섬유의 배열이 방향성을 갖는 것이 대부분이나, 습식부직포는 섬유가 랜덤한 불규칙 배열을 이룬다. 그러나 건식부직포에도 랜덤 카드기의 개발로 용도에 따라 방향성이 없는 웹을 얻을 수 있다.
웹을 형성하는 방법으로서 원료 펠렛(pellet)으로부터 용해 방사를 제작한 장섬유를 사용하는 스펀본드법, 단섬유를 카드기 등에서 일정 방향으로 늘어놓아 웹을 형성하는 건식법, 분산제등을 사용 해 수중에 균일 분산해, 망상에 흘려 탈수해 웹을 형성하는 습식법등이 있다.
또한 섬유끼리를 얽히게 할 수 있는 방법에는, 웹에 열용해성 섬유를 혼합해 , 열롤로 압착하는 서멀 본드법, 바인더(접착수지방)으로 결합시키는 케미컬 본드법, 니들(바늘)의 바브(미소한 돌기)로 섬유끼리를 얽히게 할 수 있는 니들펀치법, 섬유를 제조할 때 고압의 공기로 필라멘트에 충격을 주어 랜덤하게 웹을 형성시키며 0.5 내지 30미크론 직경의 웹을 제조할 수 있는 멜트블로운법등이 있다.
이 중 본 발명에 사용되는 열가소성 폴리우레탄 기재는 상기 방법 중 멜트블로운법, 스펀본드 법 및 니들펀치법에 의해 제조되는 것이 바람직하다. 멜트블로운(Meltblown)법의 원리는 열가소성 수지에 의한 용융방사법으로서 방사 노즐의 출구에 고온 및 고압의 공기류를 유입하여 섬유를 연신 및 개섬한 다음 포집 콘베이어 상에 집적시키는 방식이다. 이 방법에 의한 부직포는 유연성, 비투과성, 절연성이 우수한 이점이 있다. 일반적으로 열가소성 폴리우레탄 부직포는 멜트 블로운 방사방법에 의해서 제조되는데 멜트블로운 방사의 일반적인 방법을 후술하면 이하와 같다. 즉 용융한 열가소성 중합체를 1열로 배치한 노즐구멍에 공급하고, 그 노즐구멍에서 연속적으로 용융 중합체를 압출하고, 그 노즐구멍군의 양측에 배치한 슬릿으로부터 고온 기체를 고속으로 분사하여, 그 기체 에너지로 노즐구멍에서 압출한 중합체를 세선화, 냉각하여 연속 필라멘트를 형성시킨 다음, 그 연속 필라멘트 군을 이동하는 컨베이어 네트 위 등에 집적, 적층하여 필라멘트 자체가 갖는 자기 접착성에 의해서 필라멘트를 서로 접착시키는 것이다.
한편 스판본드(Spunbond)법은 원료를 방사하여 열에 의해 자체 접착하여 부직포를 형성하는 방식이다. 주로 폴리프로필렌이나 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 방사하여 열에 의하여 자체 접착하여 웹을 형성하는 기술로서, 원단 설계가 용이한 이점이 있다.
또한 니들펀치법의 경우는 섬유를 특수바늘을 이용하여 물리적으로 웹을 결합시켜 제조하며 바늘의 펀칭 회수나 바늘의 밀도에 의하여 제품의 두께 등을 다양화하는 것이 가능한 이점이 있다.
이와 같은 부직포 제조방법에 의해 제조된 열가소성 폴리우레탄 부직포는 본 발명에 사용되는 기재로 사용하는 것이 바람직하다. 열가소성 폴리우레탄 부직포 기재는 기본적인 신축 특성이 우수한 것은 물론이고 그 면밀도가 매우 낮고 매우 얇고 부드럽고 소프트하고 또한 통기성이 있음에도 불구하고 기공이 작고 균일하게 분산하여 분포하고 있는 구조를 취하고 있다. 또한 얇은 부직포로 구성될 수 있는 점에서 다른 부재와 복합할 때도 더욱 얇은, 부드럽고 소프트한 복합소재를 부착하는 것이 가능하다. 상기 열가소성 폴리우레탄은 융점이 80 내지 200℃인 것이 특징이다. 따라서 열 접착성이 양호하고 열처리 이후 열 접착 용도로 사용하는 것이 가능한 이점이 있다. 한편, 기재의 평량으로는 10 내지 150g/m2인 것이 바람직한데, 평량이 10g/m2 미만이면 기재로서의 물성이 떨어지며, 평량이 150g/m2를 초과하면 강성도(stiffness)가 높아 가공성이 떨어지는 문제점이 있었다.
또한, 열가소성 폴리우레탄 부직포는 소수성 또는 친수성의 성질을 띠는 것이 가능하고, 색 도입도 가능하며, 열가소성의 특징을 통해 고온의 라미네이팅 환경에서 부분적으로 용융될 수 있어서 별도의 접착제 없이 접착 역할을 하는 것이 가능한 이점이 있다.
한편, 본 발명에서 각 유닛을 통하여 방사되는 고분자 방사용액의 고분자의 종류는 전기방사될 수 있는 것이면 크게 제한되지 않으나, 폴리이미드(PI), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리에테르 술폰(PES), 폴리아미드(PA), 메타아라미드, 폴리비닐리덴디플루오라이드(PVDF), 폴리우레탄(PU) 으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상인 것이 바람직하며, 그 중에서도 폴리우레탄(PU)을 사용한 경우, 소재 유사성으로 인해 기재인 열가소성 폴리우레탄과의 접착력이 강하여 특히 바람직하다.
한편 본 발명의 섬유를 제조하기 위해서는 먼저 고분자 방사용액을 전기방사장치의 각 유닛(10, 30 또는 30‘)과 연결된 방사용액 주탱크(8)에 공급하고, 상기 방사용액 주탱크(8)에 공급된 고분자방사 용액은 계량 펌프(미도시)를 통하여 높은 전압이 부여되는 노즐블록(11)의 다수의 노즐(12) 내에 연속적으로 정량공급된다. 상기 각 노즐(12)로부터 공급되는 고분자 방사 용액은 노즐(12)을 통해 높은 전압이 걸려있는 컬렉터(13) 상에 위치한 이형지 상에 전기방사되면서 나노섬유 부직포가 적층형성된다.
적층형성되는 나노섬유 부직포의 평량은 1g/m2 이상 50 g/m2 이하가 바람직하며, 1g/m2 이상 20 g/m2 이하가 특히 바람직하다. 1g/m2 미만이거나 50 g/m2 를 초과하면 기계적 물성이 바람직하지 않다.
한편 상기 전기방사장치(1)의 각 유닛(10, 30 또는 30‘) 내에서 나노섬유 부직포가 적층되는 열가소성 폴리우레탄 기재는 모터(미도시)의 구동에 의해 동작하는 공급롤러(3) 및 상기 공급롤러(3)의 회전에 의해 구동하는 보조이송장치(미도시)의 회전에 의해 제1 유닛(10)에서 제2 유닛(30 또는 30‘)으로 이송되고 상기한 공정을 반복하면서 이형지상에 나노섬유 부직포가 연속적으로 전기방사 및 적층형성된다. 이후 이형지에서 분리한 나노섬유 부직포를 제1 및 제2 열가소성 폴리우레탄 기재와 라미네이팅 장치(미도시)에서 열융착하는 과정을 거쳐 열가소성 폴리우레탄 기재 사이에 나노섬유 부직포가 샌드위치된 구조의 복합섬유가 제조될 수 있다. 상기 라이네이팅 과정에서는 별도의 접착제나 핫멜트층의 적층 단계가 없이도 기재와 나노섬유 부직포간의 접착력이 향상된 복합섬유를 제조할 수 있다는 것이 특징이다.
3. 지지체, 열가소성 폴리우레탄 기재, 및 나노섬유 부직포를 포함하는 섬유의 제조방법
본 발명의 일실시예에 따르면, 각 유닛(0, 30 또는 30‘)에서 상기 이형지 상에 나노섬유 부직포를 연속적으로 적층형성한 후, 이형지에서 나노섬유 부직포를 분리한다. 이후 제1 지지체, 제1 열가소성 폴리우레탄 기재, 나노섬유 부직포, 제2 열가소성 폴리우레탄 기재, 제2 지지체를 차례로 합치하여 라미네이팅 장치(미도시)에서 열융착하는 과정을 거쳐 복합섬유가 제조될 수 있다. 상기 지지체로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 기재, 셀룰로오스 기재, 합성 기재 및 이성분 기재로 이루어진 군에서 1종이상이 선택되어 사용될 수 있다. 이때, 상기 지지체의 평량은 50 내지 300g/m2인 것이 바람직하다.
이하에서는 구체적 실시예를 통하여 본 발명의 효과를 보다 구체적으로 살펴보도록 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서 본 발명의 권리범위를 제한하지는 않는다.
실시예 1
폴리우레탄(Dow(USA) 사의 Pellethane 2363-80AE를 사용) 13중량%를 N-N-디메틸아세트아마이드(DMAc) 용매 87중량%를 사용하여 용해시켜 고분자 방사용액을 제조하고, 도면 2의 전기방사장치의 각 유닛의 방사용액 주탱크에 투입하였다. 각 유닛에서 이형지 상에 전극과 컬렉터 간의 거리를 40cm, 인가 전압 20kV, 방사용액 유량 0.1mL/h, 온도 22℃, 습도 20%의 조건에서 상기 방사용액을 전기방사하여 평량이 5g/m2인 폴리우레탄 나노섬유 부직포를 적층형성하였다. 상기 형성된 폴리우레탄 나노섬유 부직포를 이형지에서 분리한 후, 나노섬유 부직포 상 하면에 평량이 30g/m2인 멜트블로운 열가소성 폴리우레탄 기재(Bluecher사(社) IOH10UM4)를 각각 합지한 후 열융착 과정을 거쳐 열가소성 폴리우레탄 기재 사이에 폴리우레탄 나노섬유가 샌드위치된 구조로 이루어진 복합섬유를 제조하였다.
실시예 2
제1유닛은 상향식 전기방사장치가 구비되고 제2유닛은 하향식 전기방사장치가 구비되며, 이 사이에는 플립장치가 구비된 전기방사장치를 이용하여 이형지의 한쪽면에 평량이 3g/m2이 되도록 폴리우레탄 나노섬유 부직포가 연속적으로 전기방사되어 적층형성된다. 상기 형성된 폴리우레탄 나노섬유 부직포를 이형지에서 분리한 후, 나노섬유 부직포 상 하면에 평량이 30g/m2인 멜트블로운 열가소성 폴리우레탄 기재(Bluecher사(社) IOH10UM4)를 각각 합지한 후 열융착 과정을 거쳐 열가소성 폴리우레탄 기재 사이에 폴리우레탄 나노섬유가 샌드위치된 구조로 이루어진 복합섬유를 제조하였다.
실시예 3
실시예1에서 형성된 폴리우레탄 나노섬유 부직포를 이형지에서 분리한 후, 나노섬유 부직포 상 하면에 평량이 30g/m2인 멜트블로운 열가소성 폴리우레탄 기재(Bluecher사(社) IOH10UM4)를 각각 합지하고, 열가소성 폴리우레탄 각각의 기재에 폴리우레탄 나노섬유가 부착되지 않은 다른 면에 평량 100g/m2 인 폴리에틸렌 테레프탈레이트 기재를 합지한 후, 열융착과정을 거쳐 제1 폴리에틸렌 테레프탈레이트 기재, 제1 열가소성 폴리우레탄 기재, 폴리우레탄 나노섬유, 제2 열가소성 폴리우레탄 기재, 제2 폴리에틸렌 테레프탈레이트 기재로 이루어진 복합섬유를 제조하였다.
비교예 1
기재로 열가소성 폴리우레탄 기재 대신 셀룰로오스 기재를 사용한 것 외에는 실시예 1과 동일 제조방법을 이용, 셀룰로오스 기재와 폴리우레탄 나노섬유로 이루어진 복합섬유를 제조하였다.
비교예 2
폴리우레탄(Dow(USA) 사의 Pellethane 2363-80AE를 사용) 13중량%를 디메틸아세트아미드(N,N-Dimethylacetamide, DMAc)에 87%용해시켜 각각의 방사용액을 제조하고, 상향식 전기방사장치 방사용액 주탱크에 폴리우레탄 방사용액을 투입하였다. 인가전압을 20kV로 부여하여 이형지상에 상기 폴리우레탄 방사용액을 전기방사하여 평량 10g/m2인 폴리우레탄 나노섬유 부직포를 적층형성하였다.
기재와 나노섬유웹층 간의 부착력 테스트
실시예 및 비교예에서 제조된 복합섬유 1m2을 각각 세탁기를 이용하여 세탁1회, 헹굼2회, 건조 1회를 세탁 1사이클로 하여, 1, 3, 5, 사이클로 세탁하였을 때 기재와 나노섬유웹층 간에 탈리가 일어나는지 관찰하였다.
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 비교예1
1사이클 O O O O O
3사이클 O O △ O △
5사이클 O O △ O X
(O: 탈리가 일어나지 않은 경우, : 탈리가 총 면적대비 50%이하로 일어난 경우, X: 탈리가 총 면적대비 50%초과하여 일어난 경우)
실시예 1내지 3에 따른 복합섬유는, 별도의 접착제나 핫멜트층을 사용하지 않고도, 열융착 공정을 통해 5사이클 세탁 이후에도 기재와 나노섬유 사이에 탈리가 잘 일어나지 않았다.
생산시간 비교
실시예 1 및 비교예2의 나노섬유 부직포가 이형지상에 형성되어 권취롤러에 다 감길때까지의 걸리는 시간을 측정하여 비교하였다.
실시예1 비교예2
생산시간 90분 182분
상기와 같이 나노섬유를 제조하기 위해 상향식과 하향식을 동시에 사용함으로써 상향식의 이점인 나노섬유 부직포의 품질을 높이고, 하향식을 이용함에 따라 비교예2에 비해 생산효율도 높아지는 효과가 있었다.
1: 나노섬유 제조장치, 3: 지지체,
5: 공급롤러, 7: 이송롤러,
9: 권취롤러, 10: 전기방사 유닛1(상향식),
11: 방사용액 주탱크, 13: 노즐블록,
14: 전압발생장치, 15: 노즐,
17: 컬렉터, 20: 회전장치,
20-1: 플립장치,
21, 21: 좌, 우측 가이드 부재,
22, 22: 좌, 우측 가이드홈,
30: 전기방사유닛2(상향식) 30‘: 전기방사유닛2(하향식),
31: 방사용액 주탱크,
33: 노즐블록, 35: 노즐,
37: 컬렉터, 50: 라미네이팅 장치,
60: 온도조절장치,
70: 공기 투과도 측정장치,
112: 관체,
113: 열선.

Claims (7)

  1. 제1 및 제2 열가소성 폴리우레탄 기재를 준비하는 단계;
    전기방사장치에서 이형지에 폴리우레탄(PU) 고분자 방사용액을 전기방사하여 나노섬유 부직포를 형성하는 단계;
    상기 제1 열가소성 폴리우레탄 기재 상에 상기 형성된 나노섬유 부직포를, 상기 나노섬유 부직포 상에 제2 열가소성 폴리우레탄 기재를 차례로 합지 후 열융착하는 단계를 포함하고
    상기 나노섬유 부직포의 평량은 1g/m2 이상 50 g/m2 이하이며,
    상기 열융착 단계 이전에 상기 제1 및 제2 열가소성 폴리우레탄 기재의 나노섬유 부직포가 부착되지 않은 다른 한쪽면에 폴리에틸렌 테레프탈레이트 기재, 셀룰로오스 기재 및 이성분 기재로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 지지체를 적층하는 것을 특징으로 하는 기재와 나노섬유 부직포 간의 부착력이 향상된 복합섬유의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나노섬유 부직포의 평량이 1g/m2 이상 20 g/m2 이하인 것을 특징으로 하는 기재와 나노섬유 부직포 간의 부착력이 향상된 복합 섬유의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전기방사장치는 2개 이상의 전기방사장치로 구성되고, 상향식과 하향식 전기방사장치가 교대로 배치되며, 각 전기방사장치 사이에는 적층체를 180도 회전시키는 플립장치가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 기재와 나노섬유 부직포 간의 부착력이 향상된 복합섬유의 제조방법.
  7. 제1항, 제5항 내지 제6항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된 복합섬유.
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