KR101866341B1 - 공기투과성 및 방수성이 있는 의류용 원단 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 신축성 나일론 직물, 나노섬유 멤브레인 및 폴리에스테르 싱글 니트를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기투과성 및 방수성이 있는 의류용 원단에 관한 것으로, 상기 나노섬유 멤브레인을 제조함에 있어 온도조절 장치를 포함한 전기방사장치를 사용함으로서 고온에서 전기방사가 가능하며, 기존의 희석제를 사용하던 생산공정을 간소화하고 희석제의 폭발의 위험성을 줄이며, 나노섬유 멤브레인의 직경은 일정하게 유지함과 동시에 폴리머 용액 농도를 증가시켜 나노섬유 멤브레인 제조의 생산성을 높일 수 있고, 제조된 나노섬유 멤브레인의 잔존 용매량을 낮추어 나노섬유 멤브레인의 품질을 향상시키는 효과가 있다.

Description

공기투과성 및 방수성이 있는 의류용 원단{AN AIRPERMEABLE, WATERPROOF TEXTILE FOR CLOTHES}
본 발명은 공기투과성 및 방수성이 있는 의류용 원단에 관한 것으로, 원단을 구성하는 재료로 나노섬유 멤브레인을 사용함으로서 기존 제품보다 방수성이 우수할 뿐 아니라 공기투과도에 있어서도 우수한 기능을 가지는 의류용 원단에 관한 것이다.
방수 및 투습성 의류란 방수, 방풍 및 투습성의 기능을 가진 원단으로 제작된 의류를 의미한다. 이 원단은 대부분이 덧옷이나 겉감으로 사용되는데 방수 및 투습성 원단은 물 분자보다 작고 수증기 분자보다는 큰 미세한 구멍을 가진 막을 기존 원단에 접착시켜 방수와 통풍을 동시에 해결한 것으로 등산복 뿐 아니라 야외용 의류 원단의 주류를 이루고 있다. 종전의 방수용 원단이 해결하지 못한 몸 안에서 발생하는 땀을 배출하는 발한 기능은 등산 활동 중에도 쾌적함을 유지시켜 준다. 이런 원단은 대표적으로 미국의 W.L.고어가 발명한 고어텍스가 있다. 고어텍스는 테플론 계통의 수지를 가열 확장하여 수많은 작은 기공이 생기도록 만든 엷은 막으로서 가격이 비싸고 수분 배출의 한계가 있으며 세탁의 까다로움 등이 문제가 되어 왔다. 이에 고어텍스에 대체되는 소재로 각광받고 있는 것이 나노섬유 멤브레인으로 우수한 투습성과 기존 섬유 대비 1/5 무게를 지니어 고어텍스의 대체재료로 부상하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자, 전기방사로 제조된 나노섬유 멤브레인을 포함하고 공기투과도와 방수도를 가지는 의류용 원단을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 신축성 직물, 나노섬유 멤브레인 및 폴리에스테르 싱글 니트를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기투과성 및 방수성을 갖는 의류용 원단을 제공한다. 여기서 나노섬유 멤브레인은 45 내지 120℃인 고온에서 전기방사되어 제조되는 것을 특징으로 하고, 신축성 직물은 100% 나일론으로 구성되어 있으며, 평량은 80 내지 100g/yard2이며, 폴리에스테르 싱글 니트의 평량은 50 내지 100g/yard2인 것을 특징으로 한다. 또한 나노섬유 멤브레인은 폴리우레탄, 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트로 구성된 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상이고, 평량은 3 내지 15g/m2이고, 두께는 3 내지 20㎛이며, 공기투과도는 0.1 내지 2cm3/cm2/sec이고, 투습도는 20,000이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 나노섬유 멤브레인의 일면 또는 양면에 접착제가 도포되고 라미네이팅되는 것을 특징으로 하는 공기투과성 및 방수성이 있는 의류용 원단을 제공한다.
본 발명의 의류용 원단에 사용되는 나노섬유 멤브레인은 온도조절 장치를 포함한 전기방사장치를 사용함으로서 고온에서 전기방사가 가능하며, 기존의 희석제를 사용하던 생산공정을 간소화하고 희석제의 폭발의 위험성을 줄이며, 점도에 따라 폴리머 용액 농도를 증가시켜 나노섬유 멤브레인 제조의 생산성을 높일 수 있고, 제조된 나노섬유 멤브레인의 잔존 용매량을 낮추어 나노섬유 멤브레인의 품질을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 이와 같은 나노섬유 멤브레인을 의류에 적용함으로서 공기투과도와 방수성이 뛰어난 의류를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 사용되는 오버플로우 시스템을 구비한 전기방사장치에 관한 도면이다.
도 2는 본 발명에 사용되는 온도조절장치를 구비한 전기방사장치에 있어서, 코일 형태의 열선을 장착한 관체를 도시한 정단면도이다.
도 3은 상기 도 2의 A-A'선 측단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 온도조절장치를 구비한 전기방사장치에 있어서, 선형 형태의 열선을 장착한 관체를 도시한 정단면도이다.
도 5은 상기 도 4의 B-B'선 측단면도이다.
도 6은 본 발명에 사용되는 온도조절장치를 구비한 전기방사장치에 있어서, U자 형태의 파이프를 장착한 관체를 도시한 정단면도이다.
도 7은 상기 도 6의 C-C'선 측단면도이다.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명의 공기투과성 및 방수성이 있는 의류용 원단은 신축성 직물, 나노섬유 멤브레인 및 폴리에스테르 싱글 니트의 구성으로 이루어진다.
먼저 본 발명에서 사용되는 의류용 원단에서 Face용 원단으로 사용되며 외층을 이루는 직물로 신축성 직물이 사용된다. 구체적으로 본 발명에 사용되는 신축성 직물은 나일론으로 구성되는 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 나일론 6, 나일론 66인 것이 바람직하다. 본 발명에서는 100% 나일론으로 구성된 신축성 직물인 것이 바람직하다. 나일론은 얇고 가벼울 뿐 아니라 질기고 오염에 강하며 내구성이 뛰어나므로 등산 의류의 소재로 널리 사용된다. 바람직하게 나일론 소재로 구성된 신축성 직물의 평량의 범위는 80 내지 100g/yard2인 것이 바람직하다. 80g/yard2 미만인 경우 외층에 사용되는 원단으로서 기계적 물성이 다소 떨어지며, 100g/yard2를 초과하는 경우 신축성이 좋지 못한 문제가 있다.
한편, 상기 외층으로 사용되는 신축성 직물 아래에는 중간층으로 나노섬유 멤브레인이 위치하고, 나노섬유 멤브레인 아래에는 내층으로 폴리에스테르 싱글 니트가 사용된다. 싱글 니트란 홑겹으로 짠 것을 의미하는데 더블 니트에 비해 얇은 편직물을 얻을 수 있다. 상기와 같은 싱글 니트는 본 발명에서는 폴리에스테르 100%로 구성된 것으로 사용하는 것이 바람직하며, 그 평량의 범위는 50 내지 100g/yard2인 것이 바람직하다. 50g/yard2 미만이거나 100g/yard2를 초과하는 경우 내층으로서의 기계적 물성이 적합하지 않은 문제가 있다.
한편, 본 발명에 사용되는 나노섬유 멤브레인은 전기방사에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다. 이하 전기방사장치를 이용하여 제조하는 나노섬유 멤브레인을 설명한다.
*
1. 오버플로우 시스템이 구비된 전기방사방법
본 발명에 의한 나노섬유 멤브레인의 제조방법은 전기방사장치(1) 노즐블럭(110)에서 방사되었으나 나노섬유화되지 못한 방사용액을 재사용하는 오버플로우 시스템(200)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 전기방사장치(1)는 케이스(102), 노즐블록(110), 컬렉터(150), 전원장치(160)와 보조 벨트장치(170)와 이들을 내부에 수용하는 유닛(100, 100')과, 주저장탱크(210), 제2 이송배관(216), 제2 이송제어장치(218)와 재생탱크(230)와 이들로 이루어진 오버플로우 시스템(200)으로 구성되어 있다.
이때 상기 케이스(102)는 도전체로 이루어지는 것이 바람직하나, 상기 케이스(102)가 절연체로 이루어지거나, 상기 케이스(102)가 도전체 및 절연체가 혼용되어 적용되는 것도 가능하고, 기타 다양한 재질로 이루어지는 것도 가능하다.
노즐블록(110)의 노즐(42)은 상향식과 하향식 그리고 수평식이 모두 가능하며, 특히 오버플로우 시스템(200)이 적용된 전기방사 장치에 있어서는 상향식 전기방사가 바람직하다. 노즐(42)은 상향식, 하향식 또는 수평식으로 다수개 배열설치되며, 주저장탱크(210) 또는 재생탱크(230)로부터 방사용액을 공급받는다. 이하 상향식 전기방사를 기본으로 발명을 설명하며, 하기 상향식 방사는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시한 것이며, 그 기술적인 요지를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변경이 가능하다.
상향식 전기방사의 노즐(42)의 선단부는 원통을 해당원통의 축과 비스듬히 교차하는 평면을 따라서 절단한 형상으로 이루어지는 것이 바람직하나, 노즐블록(110) 일부분의 노즐(42) 선단부가 나팔관 모양의 형상을 가지는 것도 가능하다.
컬렉터(150)는 노즐블록(110) 보다 위쪽에 배치되어 있으며, 도전체로 이루어지고, 절연부재(152)를 통하여 케이스(102)에 취부되어 있다. 이때 상기 케이스(102)가 절연체로 이루어지거나, 케이스(102)의 상부는 절연체로, 하부는 도전체로 혼용되어 적용되는 경우에는 절연부재(152)를 삭제하는 것도 가능하다.
전원장치(160)는 노즐블록(110)에 상향식으로 다수개 배열설치된 노즐(42)과 컬렉터(150)와의 사이에 고전압을 인가한다. 전원장치(160)의 정극은 컬렉터(150)에 접속되고, 전원장치(160)의 부극은 케이스(102)를 통하여 노즐블록(110)에 접속되어 있다.
상기 노즐블록(110)의 방사용액을 토출구로부터 상향의 컬렉터(150)를 향하여 나노섬유를 토출하는 노즐(42)을 통해 제작된 나노섬유는 장척시트에 퇴적되어 균일한 두께를 유지하면서 이동한다.
이때, 전기방사 나노섬유는 전기방사가 가능한 합성수지 재질을 방사하여 제조된 평균직경이 50~1000nm의 섬유로, 상기 전기방사가 가능한 합성수지 재질은 별도로 제한받지 아니하나, 예를 들면 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌텔레프탈레이트(PET), 폴리비닐리덴플루라이드, 나일론, 폴리비닐아세테이트, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리우레탄(PUR), 폴리부틸렌텔레프탈레이트(PBT), 폴리비닐부틸랄, 폴리비닐클로라이드, 폴리에틸렌이민, 폴리올레핀, 폴리유산(PLA), 폴리초산비닐(PVAc), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리아미드(PA), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리에틸렌이미드(PEI), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리유산글리롤산(PLGA), 실크, 셀룰로오스, 키토산 등이 있으며, 그 중 폴리프로필렌(PP)재질의 소재와 내열성 고분자 물질인 폴리아마이드, 폴리이미드, 폴리아마이드이미드, 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아미이드), 폴리설폰, 폴리에테르케톤, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌텔레프탈레이트, 폴리트리메틸렌텔레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트 등과 같은 방향족 폴리에스터, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디페녹시포스파젠, 폴리 비스[2-(2-메톡시에톡시)포스파젠]과 같은 폴리포스파젠류, 폴리우레탄 및 폴리에테르우레탄을 포함하는 폴리우레탄 공중합체, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 등의 폴리머로 이루어진 군이 상용적으로 널리 사용되고 있다.
더 바람직하게는 폴리우레탄, 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트로 구성된 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것이 바람직하다.
먼저 폴리우레탄은 알코올기와 아이소사이안산기의 결합으로 만들어진 우레탄 결합으로 결합된 고분자 화합물을 총칭한다. 대표적으로는 합성섬유로 만들어진 스판덱스가 있고, 우레탄계 합성고무도 널리 사용된다. 다시 말해, 폴리우레탄은 주사슬의 반복당위 중에 우레탄 결합(-NHCOO-)기를 갖는 고분자 화합물을 총칭한다. 상기와 같은 폴리우레탄은 폴리아미드와 폴리에스테르 중간의 성질을 보이는데, 흡습성은 폴리아미드보다 작고, 상대습도 65%에서 1 내지 1.5%를 나타낸다. 내마모성, 내약품성, 내용제성이 좋고 내노화성, 산소에 대한 안정성이 뛰어난 장점이 있다.
한편, 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVDF; 이하 PVDF라 칭한다)는 플루오로계열의 고분자 중 하나로, 플루오로 수지는 플루오린을 함유하여 열적, 화학적 성질이 뛰어나다.
Figure 112016096459497-pat00001
반응식1. PVDF의 제조
PVDF는 상기 반응식 1과 같은 과정으로 제조되며, 다른 플루오로 수지에 비해 녹는점(177)과 밀도(1.78)가 낮고, 단가가 싸며, 화학적으로 매우 안정하여, 전기줄의 절연에 이용되며, 건물의 외벽을 바르는 고급 페인트로도 쓰인다.
또한, PVDF는 압전성을 나타내는 대표적인 유기물질로 1960년대부터 많은 연구가 진행되어 왔다. PVDF 고분자 내에는 4가지 종류의 결정이 혼재하는데, 이것은결정형태에 따라 α,β,γ 그리고 δ형의 최소 4가지의 형태로 구분 할 수 있다. 그 중 PVDF의 β형 결정은 트랜스형 분자쇄가 평행으로 충진된 것으로 모노머가 갖는 영구쌍극자가 모두 한 방향으로 배열되어 큰 자발 분극을 나타낸다. 이는 연신을 통하여 PVDF 분자를 규칙적으로 배열하여 집합상태에 이방성을 부여함으로써 압전성을 가질 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 압전 특성을 향상시키기 위하여, PVDF 섬유 내 β형 결정을 증가시키는 다양한 방법들이 연구되고 있다.
또한 폴리에틸렌 테레프탈레이트는 흔히 PET(Polyethylene terephthalate)라고도 하는데, 테레프탈산과 에틸렌글리콜을 축합중합하여 얻을 수 있는 포화 폴리에스터이다. 폴리에틸렌 테레프탈레이트는 테레프탈산다이메틸과 에틸렌글리콜을 150~230℃에서 가열하여 에스터교환 반응으로 Bis(β-하이드록시에틸)테레프탈레이트를 얻는다. Bis(β-하이드록시에틸)테레프탈레이트를 1토르(torr) 이하에서 270∼300℃로 가열하면 중축합이 이루어지면서 에틸렌글리콜을 내보내며 PET가 얻어진다. Bis(β-히드록시에틸)테레프탈레이트를 얻는 다른 방법은 고순도 테레프탈산과 에틸렌글리콜에 압력을 가하면서 약 230℃에서 반응시키는 것이다. 이러한 폴리에틸렌 테레프탈레이트는 내열성, 강성, 전기적 성질 등이 뛰어나고, 높은 온도에 오랫동안 있어도 극한강도가 약간만 줄어드는 이점이 있다.
한편, 상기 방사용액은 고분자를 용매에 용해시켜 제조하는데, 용매의 종류 또한 고분자를 용해시킬 수 있는 것이라면 제한되지 않으며, 예를 든다면 페놀, 포름산, 황산, m-크레솔, 티플루오르아세트앤하이드라이드/다이클로로메테인, 물, N-메틸모폴린 N-옥시드, 클로로폼, 테트라히드로푸란과 지방족 케톤군인 메틸이소부틸케톤, 메틸에틸케톤, 지방족 수산기 군인 m-부틸알콜, 이소부틸알콜, 이소프로필알콜, 메틸알콜, 에탄올, 지방족 화합물인 헥산, 테트라클로로에틸렌, 아세톤, 글리콜군으로서 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 에틸렌글리콜, 할로겐 화합물군으로 트리크롤로에틸렌, 다이클로로메테인, 방향족 화합물 군인 톨루엔, 자일렌, 지방족 고리 화합물군으로서 사이클로헥사논, 시클로헥산과 에스테르군으로 n-부틸초산염, 초산에틸, 지방족에테르군으로 부틸셀로살브, 아세트산2-에톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 아미드로 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드 등을 사용할 수 있으며, 복수 종류의 용매를 혼합하여 이용할 수 있다. 방사용액에는 도전성 향상제 등의 첨가제를 함유하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 컬렉터(150)의 외측에는 보조 벨트장치가 구비되며, 상기 보조벨트장치(170)는 장척시트의 이송속도에 동기하여 회전하는 보조벨트(172)와, 보조벨트(172)의 회전을 돕는 보조벨트용 롤러(174)와 보조벨트(172)의 구동을 위한 보조벨트 구동장치로 구성된다.
이때, 보조벨트용 롤러(174)는 보조벨트 구동장치에 의하여 보조벨트(172)를 회전시키는 것이 바람직하나, 마찰계수가 낮은 롤러를 사용하여 별도의 구동장치가 없이 장척시트의 이송을 보조하는 것도 가능하다.
주저장 탱크(210)는 나노섬유의 원료가 되는 방사용액을 저장한다. 주저장 탱크(210)내에는 방사용액의 분리나 응고를 방지하기 위한 교반장치(211)를 내부에 구비한다.
제2 이송배관(216)은 상기 주저장 탱크(210) 또는 재생탱크(230)에 접속된 파이프와 밸브(233)로 구성되어 있고, 상기 주저장 탱크(210) 또는 재생탱크(230)로부터 중간탱크(220)에 방사용액을 이송한다.
제2 이송제어장치(218)는 상기 제2 이송배관(216)의 밸브(212, 213, 214)를 제어함으로써, 제2 이송배관(216)의 이송동작을 제어한다. 밸브(212, 213, 214)는 주저장 탱크(210)로부터 중간탱크(220)로의 방사용액의 이송을 제어하며, 재생탱크(230)로부터 중간탱크(220)로의 방사용액의 이송을 제어하고, 주저장 탱크(210) 및 재생탱크(230)로부터 중간탱크(220)에 유입하는 방사용액의 양을 제어한다.
상기와 같은 제어방법은 후술하는 중간탱크(220)의 구비된 제2 센서(222)로 계측된 방사용액의 액면높이에 따라서 제어된다.
중간탱크(220)는 주저장 탱크(210) 또는 재생탱크(230)로부터 공급된 방사용액을 저장하고, 노즐블록(110)으로 상기 방사용액을 공급하며, 공급된 방사용액의 액면높이를 측정하는 제2 센서(222)를 구비하고 있다.
상기 제2 센서(222)는, 액면높이 측정이 가능한 센서면 가능하고, 예를 들면 광센서 혹은 적외선 센서 등으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 중간탱크(220)의 하부에는 노즐블록(110)으로 방사용액을 공급하는 공급배관(24)과 공급제어밸브(242)가 구비되어 있는데, 상기 공급제어밸브(242)는 상기 공급배관(240)의 공급동작을 제어한다.
재생탱크(230)는 오버플로우되어 회수된 방사용액을 저장하고 방사용액의 분리나 응고를 방지하기 위한 교반장치(231)를 내부에 갖고, 회수된 방사용액의 액면높이를 측정하는 제1 센서(232)를 구비하고 있다.
상기 제1 센서(232)는, 액면높이 측정이 가능한 센서면 가능하고, 예를 들면 광센서 혹은 적외선 센서 등으로 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 노즐블록(110)에서 오버플로우된 방사용액은 노즐블록(110) 하부에 구비된 방사용액 회수 경로(250)를 통하여 회수된다. 상기 방사용액 회수 경로(250)는 제1 이송배관(251)을 통해 재생탱크(230)로 방사용액을 회수한다.
한편, 제1 이송배관(251)은 상기 재생탱크(230)에 접속되는 파이프와 펌프를 구비하고, 상기 펌프의 동력으로 방사용액을 방사용액 회수경로(250)로부터 재생탱크(230)로 이송한다.
이때, 재생탱크(230)는 적어도 하나 이상인 것이 바람직하며, 2개 이상인 경우에는 상기 제1 센서(232)와 밸브(233)가 복수개로 구비되는 것도 가능하다.
이어서, 재생탱크(230)가 2개 이상인 경우, 재생탱크(230) 상부에 위치한 밸브(233)도 복수로 구비됨에 따라 제1 이송제어장치(미도시)는 상기 재생탱크(230)에 구비된 상기 제1 센서(232)의 액면높이에 따라서 상부에 위치한 2개 이상의 밸브를 제어하여 방사용액을 복수의 재생탱크(230) 중 어느 하나의 재생탱크(230)로 이송할지에 대하여 제어한다.
2. 폴리머 용액(고분자)의 온도조절 시스템
전기방사를 위해 폴리머 용액을 사용한다. 일반적으로 기존의 발명들은 폴리머 용액의 농도를 일정하게 유지하기 위해 희석제, 농도 조절 장치들을 구비한다. 이러한 희석제로는 MEK(methyl ether ketone), THF(tetra hydro furan), Alcohol 등이 사용된다. 노즐블록(110)을 통해 전기방사되어 컬렉터(150)에 집적되는 폴리머 용액 이외에 오버플로우 시스템(200)을 통해 회수되는 폴리머 용액의 농도는 주저장 탱크(210)로부터 최초에 공급되는 폴리머 용액의 농도보다 높은 농도를 가지게 되는데, 기존 전기방사시에는 이러한 폴리머 용액의 농도를 일정수준으로 유지하기 위하여 희석제를 첨가하였다. 또한 희석제로 사용되는 MEK 또는 THF 등은 끓는점(b.p)이 낮아(약 60℃) 전기방사시에 용매인 DMAc 단독으로 사용하는 경우보다 비산성이 좋아 나노섬유형성이 용이하다.
그러나 본원발명은 농도를 일정하게 유지하는 대신, 재사용되는 고농도의 폴리머 용액을 오버플로우 후에 다시 사용하되 폴리머 용액의 점도를 온도조절 제어장치(60)를 이용하여 일정하게 조절함으로써 전기방사의 효율을 높이는 수단을 제공하며 희석제의 사용이 없이도 높은 점도를 조절하기 위한 높은 온도조건에서 비산성이 우수하여 폴리머 용액의 나노섬유형성을 용이하게 할 수 있다. 본 발명의 온도조절 제어장치(60)는 폴리머 용액의 점도를 측정하고 이에 따라 방사온도를 제어하는 것이 가능하다.
점도란 흐르는 액체 내에서 용질과 용매의 비뚤어짐 응력과 비뚤어짐 속도의 비율을 의미한다. 일반적으로 절단면적당 점탄율로 표시하며 단위는 dynscm-2gcm-1s-1또는 푸아즈(poise, P)이다. 점도는 온도 상승에 반비례하여 저하된다. 용해액의 점도가 용매의 점도보다 높은 것은 용질에 따라 액체의 흐름에 비뚤어짐이 생기며 그 양만큼 액체의 유속이 저하되기 때문이다.
용액의 점도를 각종 용액농도로 측정하여 그것을 농도 0에 외삽한 값, 고유점도(η)와 물질의 분자량M의 관계는 (η)=KMa로 표시할 수 있다. 이때의 K, a는 용질또는 용매의 종류, 온도에 의존하는 정수이다. 따라서, 점도값은 온도에 영향을 받으며 그 변화정도는 유체의 종류에 따라 다르다. 따라서, 점도를 이야기할 때에는 온도 및 점도의 값을 명시해야 한다.
전기방사장치(1)로 나노섬유를 제조할 때에, 사용되는 고분자와 용매(Solvent)의 종류, 고분자 용액의 농도, 방사실(Spinningroom)의 온도 및 습도 등이 제조되는 나노섬유의 섬유직경과 방사성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 즉, 전기방사에서 방사되는 고분자(폴리머 용액)의 물성이 중요하다. 통상적으로 전기방사시에 고분자의 점도는 일정 점도이하를 유지하는 것이 필요한 것으로 여겨져 왔다. 이는 점도가 높을수록 노즐(42)을 통해 나노 굵기의 섬유의 방사가 원활이 이루어지지 않는 특성에서 기인하며 점도가 높으면 전기방사를 통해 섬유화 하기에 부적당하다.
본원발명은 상기에서 설명한 바와 같이 전기방사에 적합한 섬유점도를 유지하기 위하여 온도조절 제어장치(60)로 점도를 조절하기 위한 온도조절 제어장치(60)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 온도조절 제어장치(60)로는 오버플로우를 통해 재사용되는 높은 점도의 폴리머 용액의 점도를 낮게 유지할 수 있는 가열장치와 상대적으로 낮은 점도의 폴리머 용액의 점도를 높게 유지할 수 있는 냉각장치 모두 또는 어느 하나를 구비할 수 있다.
전기방사 영역에서의 온도에 있어서, 전기방사가 일어나는 영역(이하, '방사영역'이라 한다)의 온도는 방사용액의 점도를 변화시킴으로써 방사 용액의 표면장력을 변화시키므로, 결국 방사된 나노섬유의 직경에 영향을 미치게 된다.
즉, 방사영역의 온도가 상대적으로 높아서 용액의 점도가 낮으면 섬유직경이 상대적으로 가는 나노섬유가 만들어지고, 온도가 상대적으로 낮아서 용액의 점도가 높으면 섬유직경이 상대적으로 굵은 나노섬유가 만들어진다.
농도를 측정하기 위한 농도측정장치는 용액에 직접 접촉하는 접촉식과 비접촉식이 있으며, 접촉식으로는 캐필리러식 농도측정장치, 디스크(DISC)식 농도측정장치 등이 사용될 수 있으며, 비접촉식으로는 자외선을 이용한 농도측정장치 또는 적외선을 이용한 농도측정장치 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 가열장치는 전열히터, 온수순환장치 또는 온풍 순환 장치등으로 이루어 질 수 있으며, 이외에 상기 장치들과 균등한 범위에서 온도를 높일수 있는 장치들을 차용할 수 있다.
가열장치의 일예로 전열히터는 열선형태로 사용될 수 있으며, 노즐블록(110)의 관체(43)내부에 코일형태의 열선(62a, 62b)을 장착할 수 있으며, 이는 자킷형태로도 변형가능하다(도 3 내지 도 8 참고).
또한, 선형형태의 열선(62a, 62b) 및 U자 형태의 파이프(63)의 구성을 지닌 것도 가능하다.
상기와 같은 가열장치는 폴리머 용액이 방사되는 노즐블록(110), 폴리머 용액이 저장되는 탱크(주저장 탱크, 중간탱크 또는 재생탱크) 및 오버플로우 시스템(200 : 특히 회수부로부터 재생탱크로 이송되는 이송배관)중 어느 하나 이상에 구비될 수 있다.
본 발명의 냉각장치는 칠링장치를 포함한 냉각수단등이 사용될 수 있으며, 폴리머 용액의 일정점도를 유지하기 위한 수단은 통상적으로 적용이 가능하다. 냉각장치는 가열장치와 동일하게 노즐블록(110), 탱크 및 오버플로우 시스템(200) 중 어느 하나 이상에 구비될 수 있으며, 폴리머 용액의 일정점도를 유지하기 위해 사용된다.
또한, 본 발명의 온도조절 제어장치(60)는 농도를 측정하는 센서와 이에 따라 온도를 제어하는 온도조절 제어부(미도시)를 포함한다.
상기 센서는 주저장 탱크(210), 중간탱크(220), 재생탱크(230), 노즐블록(110) 또는 오버플로우 시스템(200) 등에 설치되어 방사용액의 농도를 실시간으로 측정하여 이를 온도조절 제어장치(60)에서 점도가 일정하게 유지되도록 가열장치 및/또는 냉각장치를 작동한다.
본 발명의 오버플로우 시스템(200)을 통해 재공급 되는 폴리머 용액의 농도는 20 내지 40%이며, 이는 통상적인 전기방사에서 사용되는 폴리머 용액의 농도인 10 내지 18%에 비해 고농도의 용액이다.
또한, 본 발명의 재공급 되는 폴리머 용액의 점도를 일정하게 하기 위해, 폴리머 용액의 농도에 따른 폴리머 용액의 온도는 상온이 아닌, 45 내지 120 ℃로 조절되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 폴리머 용액은 점도는 1,000 내지 5,000 cps가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1,000 내지 3,000 cps 의 점도가 좋다. 점도가 1,000 cps 이하일 경우 전기방사되어 적층되는 나노섬유의 품질이 불량하며, 점도가 3,000 cps 이상일 경우 전기방사시 노즐(42)로부터 폴리머 용액의 토출이 용이하게 되지 않아 생산속도가 느려진다.
또한, 본원발명은 전기방사를 진행할수록 폴리머 용액의 점도는 일정하여 전기방사시의 방사용이성이 우수함과 동시에 폴리머용액의 농도가 증가하여 콜렉터에 집적되는 나노섬유 중 용매를 제외한 고형분 양의 증가로 생산성이 증대되는 효과가 있다.
이에 더해, 전기방사를 이용한 나노섬유의 잔존 용매량이 기존의 전기방사를 이용한 경우 보다 적어 우수한 품질의 나노섬유를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 온도조절 제어장치(60)는 오프라인 상으로 작업자가 중간탱크(220)의 농도를 측정하여 노즐블록(110)이나 주저장탱크(210)의 온도조절을 통해 폴리머 용액의 점도를 제어할 수 있는 수동식이 가능함과 동시에, 온라인상으로 자동제어 시스템을 통해 농도측정에 따라 해당 용액의 온도를 조절할 수 있는 자동식인 것을 포함한다.
이하에서는 온도조절 제어장치(60)를 구비하여 점도를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 전기방사전기방사를 이용한 나노섬유 제조방법에 대해 설명한다. 그러나 하기 제조방법은 본 발명의 일 제조방법에 불과할 뿐, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
나노섬유 제조방법은 폴리머 용액이 저장된 주저장 탱크(210)로부터 폴리머 용액이 노즐블록(110)으로 공급되는 공급단계를 포함한다. 이때 주저장 탱크(210)에 유입되는 폴리머 용액의 종류는 상기에서 설명한 폴리머 용액이 다양하게 사용될 수 있다.
주저장 탱크(210)로부터 노즐블록(110)으로 공급된 폴리머 용액은 노즐(42)을 통해 컬렉터(150)에 전기방사되어 나노섬유층을 적층하는 전기방사단계를 포함한다. 전기방사단계에서는 노즐블록(110)과 컬렉터(150) 간의 거리를 평균적으로 20 내지 50 cm로 조절하고, 인가전압을 10 내지 40kV로 조절하고, 폴리머 용액의 유량, 온도 및 습도는 전기방사에 있어서 통상의 범위로 설정할 수 있다.
전기방사단계에서 노즐블록(110)에서 전기방사되는 폴리머 용액의 30 내지 10%만이 나노섬유화 되며 나머지 70 내지 90%의 폴리머 용액은 나노섬유화 되지 못한다. 이렇게 나노섬유화 되지 못한 폴리머 용액은 오버플로우 시스템(200)을 통해 재생탱크(230)로 수거 및 수집되는 회수단계를 거친다.
이후 재생탱크(230)에 저장된 폴리머 용액은 바로 노즐블록(110)으로 재공급될 수 있으며, 이에 더해 주저장 탱크(210)로부터 재생탱크(230)로 폴리머 용액이 유입되어 재생탱크(230)에 저장되는 저장단계를 거쳐 노즐블록(110)으로 재공급될 수 있다.
이 후 재생탱크(230)로부터 폴리머 용액이 노즐블록(110)으로 재공급되는 재공급단계를 거치게 되며 이때 폴리머 용액의 점도를 일정하게 조절하기 위해 노즐블록(110)에 온도조절 제어장치(60)가 설치된다. 또한, 온도조절 제어장치(60)는, 노즐블록(110) 뿐만 아니라 오버플로우 시스템(200)과, 재생탱크(230) 또는 주저장 탱크(210) 어느 하나에 설치 될 수 있다.
상기 나노섬유 멤브레인은 평량이 3 내지 15g/m2인 것이 바람직하며, 제조되는 나노섬유 멤브레인의 두께로는 3 내지 20㎛인 것이 바람직하다. 여기서 평량이 3g/m2미만 또는 두께가 3㎛ 미만인 경우 기계적 물성이 떨어지는 문제가 있으며, 평량이 15g/m2 초과 또는 두께가 20㎛를 초과하면 공기투과도 및 방수도의 물성이 떨어지는 문제가 발생한다. 또한 본 발명에 의해 제조되는 나노섬유 멤브레인의 공기투과도는 0.1 내지 2cm3/cm2/sec인 것이 바람직하며 투습도는 20,000 이하인 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 제조된 나노섬유 멤브레인은 신축성 직물과 폴리에스테르 싱글 니트 사이에 위치시켜 3층으로 구성하여 의류용 3층 원단을 최종적으로 제조한다. 여기서 3층 원단의 중간층을 이루고 있는 나노섬유 멤브레인의 일면 또는 양면에는 접착제가 도포되고 라미네이팅 되는 것도 가능하다.
상기 접착제로는 저융점 폴리머 또는 접착제를 도포함으로서 사용하는 것이 가능하며, 접착제로 사용되는 물질을 별도로 전기방사하는 방식도 가능하다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 나노섬유 멤브레인 및 이를 포함하고 있는 의류용 원단의 제조방법을 설명한다.
신축성 직물과 폴리에스테르 싱글 니트를 각각 준비하는 단계, 전기방사를 통해 나노섬유 멤브레인을 제조하는 단계, 나노섬유 멤브레인의 양면에 상기 신축성 직물과 폴리에스테르 싱글 니트를 적층형성하는 단계; 및 적층형성된 적층체를 라미네이팅하는 단계;를 포함하여 의류용 원단을 제조한다.
여기서, 상기 나노섬유 멤브레인을 제조하는 단계는 45 내지 120℃인 고온에서 전기방사되어 제조되는 것을 특징으로 하며, 나노섬유 멤브레인을 구성하는 고분자로는 폴리우레탄, 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트로 구성된 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 한다.
이와 같이 제조된 의류용 원단은 방수성과 공기투과성을 동시에 만족함으로서 의류에 적용하기에 적합하다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 실시예는 본 발명의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
폴리우레탄 20중량%를 N-N-디메틸아세트아마이드(DMAc) 용매 80중량%를 사용하여 용해시켜 농도가 20%, 점도 1000cps인 방사용액을 제조하고 원료탱크에 구비하였다. 이후 상기 원료탱크로부터 방사용액을 노즐블록으로 이동시킨 후 노즐블록과 컬렉터 간의 거리를 20cm, 인가전압 15kV, 방사용액 유량 0.1mL/h, 온도 50℃, 습도 50%로 지지체 상에 전기방사 하였다. 이후, 방사공정을 거치며 방사되지 못하고 오버플로우된 방사용액이 다시 저장탱크의 하나인 원료탱크로 구비되는 과정에서 원료탱크 내 방사용액의 농도가 25%로 변경되었고, 이에 따라 점도는 2000cps로 변경되었다. 이후 점도를 1000cps로 낮추기 위해 온도제어 장치에 의해 방사되는 노즐의 온도를 100℃로 상승시킨 후 지지체 상에 전기방사하여 나노섬유 멤브레인을 얻었다. 여기서 제조된 나노섬유 멤브레인의 평량은 5g/m2이고 두께는 10㎛였다. 이후 나노섬유 멤브레인 일면에는 나일론 66으로 구성되고 평량이 90g/yard2이고 4Way Stretch된 나일론 66 직물을 위치시켰다. 상기 나일론 66 직물은 가로, 세로 및 대각선 방향으로 신장(4 Way Stretch)될 수 있으며, 방수처리(water resistance)되어 있으며, 폭은 54인치인 것을 특징으로 한다. 그리고 경사와 위사가 모두 20데니어의 풀달(Full Dull)처리된 나일론 66 원사를 이용하였다. 한편 상기 나노섬유 멤브레인의 다른 일면에는 평량이 70g/yard2이고, 50데니어의 폴리에스테르 싱글 니트를 위치시킨다. 여기서 상기 폴리에스테르 싱글 니트는 폴리에스테르 50D/72F DTY를 사용하였으며, 폭은 58인치였다. 상기와 같이 나노섬유 멤브레인의 양면에 각각 신축성을 지닌 나일론 66 직물과 폴리에스테르 싱글 니트를 위치시켜 적층된 적층체를 라미네이팅하여 의류용 원단을 제조하였다.
[실시예 2]
방사용액으로 사용되는 고분자로 폴리우레탄을 폴리비닐리덴 플루오라이드로 변경하는 것 외에는 실시예 1과 동일하게 의류용 원단을 제조하였다.
[실시예 3]
*방사용액으로 사용되는 고분자로 폴리우레탄을 폴리에틸렌 테레프탈레이트로 변경하는 것 외에는 실시예 1과 동일하게 의류용 원단을 제조하였다.
[실시예 4]
나노섬유 멤브레인 양면에 에폭시 접착제를 도포한 후 각각 나일론 66 직물과 폴리에스테르 싱글 니트를 위치시켜 적층된 적층체를 라미네이팅 하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 의류용 원단을 제조하였다.
[비교예 1]
나노섬유 멤브레인 대신에 두께가 10㎛인 폴리테트라플루오로에틸렌 필름을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 의류용 원단을 제조하였다.
실시예와 비교예에 의해 제조된 의류용 원단의 공기투과도 및 투습도를 측정하였다.
1. 공기투과도의 측정
공기투과도는 가스투과분석기(GPA-2001, B,S chem. Co,. LTD)로 측정하였다.
2. 투습도 측정
투습도는 JIS L1099A-1에 의하여 측정하였다.
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 비교예1
공기투과도(cm3/cm2/sec) 2 0.9 0.6 0.2 -
투습도(mmH2O) 10000 13500 12000 9500 25000
이에, 본 발명의 실시예 1 내지 4는 기존의 희석제를 사용하던 생산공정을 간소화하고 희석제의 폭발의 위험성을 줄이며, 방사온도를 높임으로 방사용액 농도를 증가시켜 나노섬유 멤브레인 제조의 생산성을 높일 수 있고, 제조된 나노섬유 멤브레인을 포함하는 의류용 원단이 공기투과도가 우수한 반면, 비교예는 공기투과도 측정이 불가하였다. 투습도에 있어서도 투습도가 비교예에 비하여 낮은 특성을 보여 방수성이 더 탁월함을 보이는 효과를 제공한다. 또한 비교예 1은 나노섬유 멤브레인이 아닌 필름을 사용함에 따라서 신축성이 실시예 1 내지 4에 비해 떨어지는 문제점이 있었다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 의류용 원단은 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
1 : 전기방사장치, 42: 노즐,
43: 관체 60: 온도조절 제어장치,
62a, 62b: 열선 63: 파이프,
100, 100' : 유닛, 102 : 케이스,
110 : 노즐블록, 150 : 컬렉터,
152 : 절연부재, 160 : 전원장치,
170 : 보조벨트장치, 172 : 보조벨트,
174 : 보조벨트용 롤러, 200 : 오버플로우 시스템,
210 : 주저장 탱크, 211 : 교반장치,
212 : 밸브, 213 : 밸브,
214 : 밸브, 216 : 제2 이송배관,
218 : 제2 이송제어장치, 220 : 중간탱크,
222 : 제2 센서, 230 : 재생탱크,
231 : 교반장치, 232 : 제1 센서,
233 : 밸브, 240 : 공급배관,
242 : 공급제어밸브, 250 : 방사용액 회수 경로,
251 : 제1 이송배관.

Claims (6)

  1. 신축성 직물;
    상기 신축성 직물 상에 적층된 나노섬유 멤브레인; 및
    상기 나노섬유 멤브레인 상에 적층된 폴리에스테르 싱글 니트;를 포함하는 의류용 원단에 대하여,
    상기 신축성 직물은 100% 나일론으로 구성되어 있으며, 평량은 80 내지 100g/yard2이고,
    상기 폴리에스테르 싱글 니트의 평량은 50 내지 100g/yard2이고,
    상기 나노섬유 멤브레인은 폴리우레탄, 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트로 구성된 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상이고, 평량은 3 내지 15g/m2이고, 두께는 3 내지 20㎛이고, 공기투과도는 0.1 내지 2cm3/cm2/sec이며, 투습도는 20,000mmH2O 이하인 것을 특징으로 하는 공기투과성 및 방수성을 갖는 의류용 원단.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 나노섬유 멤브레인은 45 내지 120℃인 고온에서 전기방사되어 제조되는 것을 특징으로 하는 공기투과성 및 방수성이 있는 의류용 원단.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 나노섬유 멤브레인의 일면 또는 양면에 접착제가 도포되고 라미네이팅되는 것을 특징으로 하는 공기투과성 및 방수성이 있는 의류용 원단.
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