KR101845240B1 - 친환경 단열섬유 코팅제, 그 코팅제 제조방법 및 이를 이용한 직물 - Google Patents

친환경 단열섬유 코팅제, 그 코팅제 제조방법 및 이를 이용한 직물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 친환경 단열섬유 코팅제에 관한 것으로, 수분산 폴리우레탄에 에어로겔을 적용하여 유기 용제를 사용하지 않아 친환경적이면서 직물 두께의 감축 및 경량화가 실현됨에도 우수한 단열성이 구비되도록 수분산 폴리우레탄에 실리카 에어로겔을 포함하여 제조되고, 상기 수분산 폴리우레탄은 디페닐 메탄 디이소시아네이트, 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 이소포론 디이소시아네이트로 이루어진 군에서 어느 하나 이상 선택된 지방족 이소시아네이트 및 폴리에스터, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 다이머레이트로 이루어진 군에서 어느 하나 이상 선택된 폴리올을 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 단열 섬유 코팅제와 그 코팅제 제조방법 및 이를 이용한 직물을 제공하는 것이다.

Description

친환경 단열섬유 코팅제, 그 코팅제 제조방법 및 이를 이용한 직물{Environment-friendly coating material for insulating fiber and its manufacturing method and fabric using this}
본 발명은 친환경 단열섬유 코팅제에 관한 것으로서, 상세하게는 수분산 폴리우레탄에 에어로겔을 적용하여 유기 용제를 사용하지 않아 친환경적이면서, 얇은직물에도 적용 가능한 우수한 단열성이 구비되는 친환경 단열섬유 코팅제, 그 코팅제 제조방법 및 이를 이용한 직물에 관한 것이다.
단열 섬유코팅제는 단열성능을 이용하여 인체의 보온 효과를 극대화한 제품을 말하며, 외부의 온도조건에 관계없이 피복 내부의 온도를 일정하게 유지해 주면서도 인체에 유해하지 않고 경량화가 가능하여야 한다.
이에, 종래 기술로서 등록특허 제10-1308537호에서는 산업용 및 일상생활용 보온 단열재로 사용되어 왔던 초경량성의 고체이자 우수한 단열성을 가진 에어로겔(aerogel)을 채택하여 섬유코팅방법에 적용한바, 상기 섬유코팅방법은 폴리우레탄, 실리콘, 아크릴 등의 섬유 코팅용 고분자와 에어로겔 파우더를 혼합한 조성물을 다이렉트 또는 트랜스퍼 코팅방법으로 섬유에 코팅하여 초단열, 경량성을 부가 하고자 하였다.
그러나 상기 기술은 매우 비중이 낮고 가벼운 에어로겔 파우더의 특성을 고려하지 않고 고분자 물질에 분산시킴으로써 제조 공정 중 에어로겔 파우더의 공중 비산 문제 및 제조 단가 상승 문제가 따르고, 또 에어로겔의 혼입 전 고분자 물질의 점도에 대해서만 단지 70,000cPs로 제시됨에 따라 혼입된 후 코팅제를 직물에 적용시 코팅의 점착력 및 균일도가 구현되기 어려울 뿐 아니라 실질적으로 매우 높은 점도로서 공정상 작업이 불가하고, 입자가 작은 에어로겔 파우더가 균일하게 분산될 수 없다. 아울러 상기 고분자 물질의 점도 조절을 위해 톨루엔 등의 유기 용제를 사용함에 따라 환경문제 및 신체 착용 시 유해 물질로 인한 안정성이 저하된다.
따라서 현재까지 에어로겔은 그 우수한 기능성에도 불구하고, 에어로겔의 특성을 고려한 코팅 공정이 제시되지 않았을 뿐더러 혼입되는 고분자 물질의 희석을 위해 유기용제가 함께 적용됨에 따라 환경문제, 신체에 착용시 유해 물질의 누출 등의 문제로 인해 아직 의류 적용이 미흡한 실정이다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해, 수분산 폴리우레탄을 사용하여 유기 용제 대신 물을 사용함에 따라 친환경 소재의 단열섬유 코팅제 및 그 코팅제 제조 방법을 제공 하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 얇고 촉감이 우수하면서도 단열성, 내열성, 내구성이 우수하여 보온용 자켓, 아웃도어, 작업복 등의 기능성 의류에 사용할 수 있는 친환경 직물을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 해결하기 위한 본 발명의 특징은, 수분산 폴리우레탄에 실리카 에어로겔을 포함하여 제조되고, 상기 수분산 폴리우레탄은 디페닐 메탄 디이소시아네이트, 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 이소포론 디이소시아네이트로 이루어진 군에서 어느 하나 이상 선택된 지방족 이소시아네이트 및 폴리에스터, 폴리카보네이트, 폴리에테르, 다이머레이트로 이루어진 군에서 어느 하나 이상 선택된 폴리올을 포함하는 친환경 단열 섬유 코팅제를 제공하는 것이다.
또한, 상기 수분산 폴리우레탄 100 중량부에 실리카 에어로겔 3~15 중량부가 포함되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 실리카 에어로겔은 열 전도율 0.018W/mK~0.02W/mK, 밀도가 70kg/㎥~150kg/㎥, 입도가 20nm~50nm, 입자크기가 10㎛~100㎛, 기공률이 90%~99%인 것을 특징으로 한다.
아울러, 수분산 폴리우레탄 100 중량부에 실리카 에어로겔 분말 3~15 중량부를 투입하는 단계(S1), 상기 실리카 에어로겔 분말이 투입된 수분산 폴리우레탄을 초고속 분산기에 투입하여 3,000RPM ~ 5,000RPM으로 10분 ~ 20분 동안 1차 분산하여 실리카 에어로겔 혼합 수지를 제조하는 단계(S2), 1차 분산된 실리카 에어로겔 혼합 수지에 물 30~50 중량부를 투입한 후, 초고속 분산기에 3,000RPM ~ 5,000RPM으로 20~30분 2차 분산하는 단계(S3), 2차 분산된 실리카 에어로겔 혼합 수지에 우레탄 증점제를 1~3중량부 투입하여 3,000CPS~6,000 CPS로 점도 조절하는 단계(S4)를 포함하여 이루어지는 친환경 단열 섬유 코팅제의 제조 방법을 제공하는 데 또 다른 특징이 있다.
한편, 상기에 의해 제조된 친환경 단열 섬유 코팅제가 30g/y~150g/y로 플로팅 방식 또는 롤온 방식을 포함한 방식으로 코팅되는 친환경 단열 섬유 코팅제를 이용한 직물을 제공하는 데 또 다른 특징이 있으며, 상기 친환경 단열 섬유 코팅제가 1~5회로 코팅된다.
또한, 상기 코팅된 직물을 90℃~130℃에서 20y/min~50y/min으로 건조 후, 텐타기에서 130℃~150℃로 열처리 하는 것을 특징으로 한다.
상기의 구성에 따르면 코팅제 제조 공정, 코팅 공정 및 추후 직물의 장기간 착용에도 유해 물질이 배출되지 않아 친환경적이면서 안정성을 확보할 수 있다. 또한, 두께가 얇고, 촉감이 우수하면서도 단열성, 내열성이 우수한 직물의 제공이 가능하여 보온용 자켓, 아웃도어, 작업복 등의 기능성 의류에 적합하다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 코팅제 제조방법 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 실험 2 결과를 나타내는 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 보다 상세히 설명하도록 한다.
1. 친환경 단열 섬유 코팅제의 제조 방법
S1: 실리카 에어로겔 분말 투입
본 발명에서는 수분산 폴리우레탄에 실리카 에어로겔 분말을 투입하여 추후 공정에서 사용하고, 바람직하게는 수분산 폴리우레탄 100 중량부에 실리카 에어로겔 분말 3~15 중량부를 투입한다.
이때 상기 수분산 폴리우레탄은 디페닐메탄 디이소시아네이트(diphenylmethane diisocyanate), 헥사메틸렌 디이소시아네이트(hexamethylene diisocyanate), 이소포론 디이소시아네이트(isophorone diisocyanate)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 지방족 이소시아네이트를 연질부분(soft segment)으로, 폴리에스터(polyester), 폴리카보네이트(polycabonate), 폴리에테르(polyether), 2분자체(dimerate)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 폴리올(polyol)을 경질부분(hard segment)으로 하여 구성된다.
본 발명에서는 수성매체(물)에 폴리우레탄 입자가 분산된 수분산 폴리우레탄을 적용함으로써 유기 용제(톨루엔, 메틸에틸케톤, 디메틸폼아마이드 등)의 사용을 회피할 수 있으므로 제조 공정상 화재 위험성을 대폭 감축하고, 제조 공정뿐 아니라 추후 직물의 장기간 사용에도 환경 유해 성분이 검출되지 않아 작업자, 사용자 인체에 무해하며 환경 규제에 부합할 수 있는 친환경 단열 섬유 제공이 가능하다.
또한, 본 발명의 실리카 에어로겔 분말은 물유리용액, 무기산, 오가노실란화합물로 구성되면서 열전도율 0.018~0.02W/mK, 밀도가70~150kg/㎥, 입도가20~50㎚, 입자크기는 10~100㎛, 기공률은 90~99%의 나노 다공성 구조로서 단열 특성이 매우 우수한 것을 사용하였다.
한편, 상기 수분산 폴리우레탄 100 중량부에 대해 실리카 에어로겔 분말이 3 중량부 미만으로 투입되면 실리카 에어로겔로부터 유래되는 경량성 및 단열성 등의 특성이 직물에서 구현되기 어렵고, 15 중량부를 초과하여 투입되면 오히려 수분산 폴리우레탄에 대한 실리카 에어로겔 분말의 분산성 저하로 인해 코팅 시 불균일한 도포가 이루어져 직물로부터 구현되는 효과의 편차가 발생하거나, 직물에 대한 코팅제의 접착력이 저하될 수 있다.
S2: 1차 분산
상기 실리카 에어로겔 분말이 투입된 수분산 폴리우레탄을 초고속 분산기에 투입하여 3,000RPM ~ 5,000RPM으로 10분 ~ 20분동안 1차 분산하여 실리카 에어로겔 혼합 수지를 제조한다.
이때 초고속 분산기의 회전 운동에 의해 상기 분산기 내 중앙을 기준으로 원형의 수분산 폴리우레탄 흐름이 형성되는바, 초고속 분산기에 구비된 프로펠러 회전 방향에 따라 외측에서 내측으로(역회전) 또는 내측에서 외측으로(정회전) 형성될 수 있다. 그러나 내측에서 외측으로 수분산 폴리우레탄의 흐름이 형성되면 내부 내용물의 분출 문제점과 매우 비중이 낮고 가벼운 실리카 에어로겔 분말의 특성상 대기중으로 비산 되는 문제점이 발생하여 실제 사용량 대비 효율성이 저하된다. 따라서 외측에서 내측으로 수분산 폴리우레탄의 흐름이 형성되도록 초고속 분산기는 역회전 방식을 본 발명에서는 채택한다.
S3: 2차 분산
상기 1차 분산된 실리카 에어로겔 혼합 수지에, 물 30~50 중량부를 투입한 후, 초고속 분산기에서 3,000RPM~5,000RPM으로 20~30분간 2차 분산하여 코팅제 혼합물을 제조한다.
제2차 분산시에 물을 혼합하는 것은, 상기 실리카 에어로겔 혼합 수지의 농도 조절을 위한 것으로, 처음부터 실리카 에어로겔을 물에 단독적으로 분산 시 점성이 없는 물의 특성에 의해 실리카 에어로겔이 물과 혼합되지 못하고, 실리카 에어로겔과의 비중 차에 의해 층 분리 현상이 발생하게 되어 균일한 분산이 불가능하다. 따라서 1차 분산단계에서 점성을 가지는 수분산 폴리우레탄에 실리카 에어로겔을 우선 분산시킨 후, 2차로 물을 투입하여 코팅제의 농도를 조절하는 것이다.
또, 1차 분산 시간 보다는 더 증가한 20~30분간 분산을 진행하여, 물과 1차 실리카 에어로겔 혼합 수지의 균일한 분포도를 형성하도록 하고,코팅된 섬유의 신축성 및 마찰 내구성 증대를 위해 2차 분산된 코팅제에 대해 아미노 변성 실리콘을 5~10 중량부를 더 첨가할 수 있으며 또는 코팅 접착력 향상을 위해 이소시아네이트 가교제를 1~5 중량부를 더 첨가할 수 있다.
이처럼 본 발명에서 물의 첨가 단계 및 중량은 실리카 에어로겔 혼합 수지 품질 형성에 중요 요인이 되는 것이다.
S4: 점도 조절
2차 분산된 실리카 에어로겔 혼합 수지에 우레탄 증점제를 1~3중량부 투입하여 3,000 CPS ~ 6,000 CPS로 점도 조절한다. 본 발명에서는 상기 우레탄 증점제로서 디에틸모노부틸에테르계를 적용하였다.
상기 혼합 수지의 증점 시 점도가 3,000CPS 미만이면 섬유에 대해 코팅제의 침투가 과다하여 직물의 터치감이 하드(hard)해지고, 분산된 실리카 에어로겔의 층분리로 인한 침전이 발생 되거나 코팅층이 갈라질 수 있다. 반해, 점도가 6,000CPS를 초과하면 코팅 작업 시 본 발명에 따른 코팅제의 도포량 조절이 용이하지 않아 해당 섬유에 대해 불균일한 코팅이 이루어져 불량 요인이 될 수 있다.
2. 친환경 단열 섬유 코팅제에 의해 코팅된 직물의 제조
상기에서 제조된 친환경 단열 섬유 코팅제를 나일론, 폴리에스터, 교직류 등을 포함한 직물에 30g/y~150g/y로 플로팅 방식 또는 롤온 방식을 포함한 방식으로 코팅하여 본 발명에 따른 친환경 단열 섬유 코팅제를 이용한 직물을 제조한다.
이때 상기 단열 섬유 코팅제가 30g/y 미만으로 도포되면 도포량이 현저히 적어 실리카 에어로겔의 특성 구현이 바람직하지 못하고, 150g/y 이상으로 도포량이 과다하게 되면 섬유의 세탁 시 세탁 내구성이 저하될 수 있어 해당 직물의 특성에 맞게 상기 범위 하 단열 섬유 코팅제를 도포하는 것이 바람직하다.
아울러, 실리카 에어로겔의 효과를 섬유에 더욱 부가하고자 할 경우, 상기 친환경 단열 섬유 코팅제가 1~5회로 코팅되도록 한다.
코팅이 완료된 직물은 90℃~130℃에서 20y/min~50y/min으로 건조 후, 텐타기에서 130℃~150℃로 열처리하여 최종적으로 포장 및 출하가 진행된다.
이때 건조 온도가 90℃ 미만이면 코팅제와 섬유 간 접착력이 저하되고, 130℃를 초과할 시 섬유 코팅 피막이 불균일하게 형성되어 오히려 섬유의 방수도가 저하될 수 있다. 또, 건조 속도가 20y/min 미만이면 생산성의 저하로 제조 원가 상승의 우려가 있고, 50y/min을 초과하면 전반적으로 균일한 건조가 이루어지지 않아 제품 불량 요인이 된다.
3. 실험 방법 및 결과
실험 1. 실리카 에어로겔 첨가량에 따른 단열 효과
(1) 실험 준비
아래 표 1의 비교 예 및 각 실시 예는 상기 코팅제의 제조 방법에 따라 점도 5,000CPS로 제조되고, 다만 비교 예는 실리카 에어로겔이 첨가되지 않는다. 점도 조절이 완료된 비교 예 및 각 실시 예는 미리 준비된 직물(NYLON 20D 400T)에 나이프(1mm)를 사용하여 50g/y 도포한 후, 130℃에서 1분동안 열풍건조 후 텐타기에서 150℃로 1분동안 2차 열처리(curing)를 진행하였다.
이때 상기 준비된 직물(NYLON 20D 400T)은 염색 후 발수 처리하여 130℃에서 40kg/㎤의 압력으로 50y/min의 속도로 광택작업(cire)을 진행한 것을 사용하였다.
구 분 비교 예 실시 예1 실시 예2 실시 예3 실시 예4
수분산우레탄(PUD) 100 100 100 100 100
이소시아네이트가교제
(Isocyanate CLA)		 2 2 2 2 2
물 50 50 50 50 50
실리카에어로겔 0 5 10 15 20
증점제 2 1.5 1.2 1 0.7
(2) 실험 결과
비교 예 및 본 발명에 따른 실시 예 1 내지 4의 실험 결과는 아래 표2과 같으며, 내수도는 ISO 811 방식, 투습도는 ASTM E96-96 방식으로 측정하였다. 또한, 코팅면온도는 800W 원적외선 램프를 이용하여 60cm 거리에서 조사하여 코팅된 섬유 표면에 인체 온도 기준으로 36.5℃를 유지하여 뒷면(코팅면)의 온도를 열화상 카메라로 측정하였다. 단열 온도는 비교 예를 기준으로 온도차를 측정하였으며, 단열성은 비교 예를 기준으로 측정된 온도차를 백분율로 환산하였다.
구 분 비교 예 실시 예1 실시 예2 실시 예3 실시 예4
내수도(mmH2O) 600 600 580 570 550
투습도(g/m2/24h) 2000 2500 2800 3200 3500
코팅면온도(℃) 36.5 32.3 30.5 28.7 26.5
단열온도(℃) 0 4.2 6 7.8 10
단열성(%) 0 13 19.6 27.1 37.7
내수도는 실리카 에어로겔의 첨가량이 많아질수록 감소하는 경향을 보였으나, 반대로 투습도는 실리카 에어로겔의 첨가량이 많아질수록 증가하는 경향을 보였다. 특히, 기능성 의류의 투습도는 3000(g/m2/24h) 이상을 권장하고 있는바, 본 발명에 따른 실시 예3, 4가 기능성 의류의 섬유로 적용 가능함을 확인할 수 있다.
또한, 코팅면 온도는 조사된 빛에 의해 코팅된 섬유 표면이 인체 온도를 가지나 코팅된 섬유로부터 광열의 방출 유무를 확인할 수 있는바, 실리카 에어로겔의 첨가량이 많아질수록 코팅면의 온도가 낮은 것으로 보아 광열의 방출이 차단되는, 즉 단열 효과가 우수해지는 결과를 나타내었다.
아울러, 단열온도와 단열성을 살펴보면 비교 예 대비 실리카 에어로겔을 첨가한 각 실시 예로부터 단열 성능이 나타남을 확인할 수 있을 뿐 아니라, 실리카 에어로겔이 10 중량부 첨가된 실시예 2(19.6%) 대비 실리카 에어로겔이 20 중량부 첨가된 실시예 4의 단열성이 37.7%로 약 2배가량 증가한 것으로 보아 실리카 에어로겔 첨가량에 비례하여 단열성이 증가함을 확인하였다.
실험2. 두께 조건이 상이한 직물과의 단열성 비교
(1) 실시 예의 준비
아래 표 3의 비교 예 및 실시 예5는 상기 코팅제의 제조 방법에 따라 점도 5,000CPS로 제조되었으며 다만 비교 예는 실리카 에어로겔이 첨가되지 않았다. 점도 조절이 완료된 비교 예는 미리 준비된 직물 NYLON에, 실시 예5는 미리 준비된 직물 NYLON 400T에 나이프(1mm)를 사용하여 50g/y 도포한 후, 130℃에서 1분동안 열풍건조 후 텐타기에서 150℃로 1분동안 2차 열처리(curing)를 진행하였다.
이때 상기 준비된 직물(NYLON 400T)은 염색 후 발수 처리하여 130℃에서 40kg/㎤의 압력으로 50y/min의 속도로 광택작업(cire)을 진행한 것을 사용하였다.
구 분 비교 예 실시 예 5
두께 1.4mm 0.7mm
수분산폴리우레탄(PUD) 100 100
이소시아네이트가교제
(Isocyanate CLA)		 2 2
물 50 50
실리카에어로겔 0 10
증점제 1 1.2
(2) 실험 결과
실험1에서 단열성을 측정한 방법과 같이 코팅된 직물 비교 예 및 실시 예 5의 각 표면에 800W 원적외선 램프를 이용하여 60cm 거리에서 조사한 후, 인체 온도 기준으로 35.6℃를 유지하여 뒷면(코팅면)의 온도를 열화상 카메라로 측정하여 도 2에 나타내었고, 상기 뒷면(코팅면)의 초기 온도는 33.0℃다.
그 결과, 비교 예는 49.5℃가 측정되었으나 실시 예5는 40℃가 측정됨에 따라 두께가 2배 가량 두꺼운 비교 예 대비 실시 예 5는 23% 이상 단열 효과의 발현이 확인됨에 따라 본 발명에 따른 코팅제가 직물의 경량화를 실현함에도 우수한 단열 효과를 부여할 수 있는 기술적 과제가 달성된 것이다.

Claims (7)

  1. 수분산 폴리우레탄에 실리카 에어로겔을 포함하여 제조되고, 상기 수분산 폴리우레탄은 디페닐 메탄 디이소시아네이트, 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 이소포론 디이소시아네이트로 이루어진 군에서 어느 하나 이상 선택된 지방족 이소시아네이트 및 폴리에스터, 폴리카보네이트, 폴리에테르(polyether), 다이머레이트로 이루어진 군에서 어느 하나 이상 선택된 폴리올을 포함하고,
    상기 실리카 에어로겔은 열 전도율 0.018W/mK~0.02W/mK, 밀도가 70kg/㎥~150kg/㎥, 입도가 20nm~50nm, 입자크기가 10㎛~100㎛, 기공률이 90%~99%이며,
    점도가 3,000CPS~6,000 CPS인 것을 특징으로 하는 친환경 단열 섬유 코팅제.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수분산 폴리우레탄 100 중량부에 실리카 에어로겔 3~15 중량부가 포함되는 것을 특징으로 하는 친환경 단열 섬유 코팅제.
  3. 삭제
  4. 수분산 폴리우레탄 100 중량부에 열 전도율 0.018W/mK~0.02W/mK, 밀도가 70kg/㎥~150kg/㎥, 입도가 20nm~50nm, 입자크기가 10㎛~100㎛, 기공률이 90%~99% 실리카 에어로겔 분말 3~15 중량부를 투입하는 단계(S1);
    상기 실리카 에어로겔 분말이 투입된 수분산 폴리우레탄을 초고속 분산기에 투입하여 3,000RPM~5,000RPM으로 10분~20분동안 분산함에 있어, 상기 초고속 분산기는 외측에서 내측으로 수분산 폴리우레탄의 흐름이 형성되도록 역회전 방식으로 실리카 에어로겔을 1차 분산하는 단계(S2);
    상기 1차 분산된 실리카 에어로겔 혼합 수지에 물 30~50 중량부를 투입한 후, 고속 분산기에서 3,000RPM ~ 5,000RPM으로 20~30분간 분산시켜 코팅제 농도를 조절하는 2차 분산하는 단계(S3);
    상기 2차 분산된 실리카 에어로겔 혼합 수지에 우레탄 증점제를 1~3중량부 투입하여 3,000CPS~6,000 CPS로 점도 조절하는 단계(S4)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 친환경 단열 섬유 코팅제의 제조 방법.
  5. 제1항 또는 제4항에 따라 제조된 친환경 단열 섬유 코팅제가 30~150g/y로 플로팅 방식 또는 롤온 방식을 포함한 방식으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 친환경 단열 섬유 코팅제를 이용한 직물.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 친환경 단열 섬유 코팅제가 1~5회로 코팅되는 것을 특징으로 하는 친환경 단열 섬유 코팅제를 이용한 직물.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 코팅된 직물을 90℃~130℃에서 20y/min~50y/min으로 건조 후, 텐타기에서 130℃~150℃로 열처리 하는 것을 특징으로 하는 친환경 단열 섬유 코팅제를 이용한 직물.
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