KR101974180B1 - 나일론 섬유를 포함하는 냉감 방적사 및 원단 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 질화알루미늄(aluminium nitride, AlN)을 포함하는 원형 단면의 냉감 기능성 나일론 단섬유, 이형 단면을 갖는 속건성 나일론 단섬유 및 흡수성 셀룰로오스 단섬유를 혼합 방적하여 냉감 기능성과 흡한속건성을 갖는 냉감 방적사 및 상기 방적사를 사용하여 제조된 냉감 원단에 관한 것이다.
본 발명에 따른 냉감 방적사 및 이를 사용하여 제조된 냉감 원단은 원형 단면의 냉감 나일론사에 의한 냉감 기능, 셀룰로오스 섬유에 의한 흡한 기능 및 이형 단면의 일반 나일론사에 의한 속건 기능이 조합되어, 피부에 접촉시 시원함과 함께 인체에서 발생한 땀을 신속히 배출하므로 쾌적하고 청량한 느낌을 피부에 부여할 수 있다.

Description

나일론 섬유를 포함하는 냉감 방적사 및 원단{Refrigerant Functional Spun Yarn Including Nylon Fiber, and Fabric Using the Spun Yarn}
본 발명은 질화알루미늄(aluminium nitride, AlN)을 포함하는 원형 단면의 냉감 기능성 나일론 단섬유, 이형 단면을 갖는 속건성 나일론 단섬유 및 흡수성 셀룰로오스 단섬유를 혼합 방적하여 냉감 기능성과 흡한속건성을 갖는 냉감 방적사 및 상기 방적사를 사용하여 제조된 냉감 원단에 관한 것이다.
생활수준이 향상됨에 따라 스포츠나 레저활동을 즐기는 인구가 증가하고 있으며, 이에 따라 통기성이 우수하고 가벼운 소재를 중심으로 새로운 촉감의 섬유소재에 대한 관심 또한 증가하고 있어서, 인체 활동시 배출되는 땀을 잘 흡수하여 건조시키는 흡한속건성을 가진 의류 소재가 개발되고 있다.
일반적으로, 스포츠웨어용 원단으로 주로 사용되는 나일론, 폴리에스테르 등의 합성섬유는 특성상 흡수성이 없어서 의복으로 착용시 땀을 흡수하지 못하는 단점이 있다.
이와 같은 문제를 해결하고자 합성섬유 원단에 폴리우레탄 수지 등을 코팅 또는 라미네이팅 등의 방법으로 원단에 부가하여 제한적으로나마 인체에서 발생한 땀을 배출할 수 있도록 투습성을 부여하는 방법이 응용되어 왔으나, 땀이 인체에서 단시간에 과량 발생시 투습성만으로는 인체의 쾌적함을 만족시킬 수 없다.
마, 면, 큐프라(cupra) 등의 셀룰로오스계 소재는 흡습성이 우수하여 땀이 소량 발생시에는 매우 쾌적하나, 마는 촉감이 거칠고 비용이 고가이며 구김이 심하여 손질이 어려운 단점이 있고, 면은 세탁 내구성이 우수하고 저렴하기 때문에 내의나 셔츠, 바지 등 폭넓게 사용되고 있으나 흡수한 땀을 그대로 유지하고 있으므로 땀으로 인한 냄새가 심하고 축축한 느낌으로 불쾌감을 유발한다.
또한, 셀룰로오스계 소재는 자외선 및 적외선을 투과하는 성질이 있어서 착의한 상태로 야외활동을 할 경우 체온이 올라가고 피부손상이 발생할 수 있으며, 흡수한 땀을 보유하여 유지하기 때문에 끈적거리는 느낌이나 운동 후 냉각된 땀으로 인하여 찬 느낌이 들어서 착용자로 하여금 불쾌감을 유발한다.
이와 같이, 여름철 의류나 운동복 제조시 단순히 청량감을 위해 통기성을 높이거나 가벼운 소재로 제작하거나 투습성, 흡수성을 향상시키는 단순 기능의 소재로는 현대인의 요구수준을 충족시키지 못하므로, 착용시 시원한 감각을 주는 냉감성과 땀 흡수율이 높으면서 빨리 마르는 흡한속건성을 강화한 기능성 소재의 개발이 요구되고 있다.
이에, 한국등록특허공보 제1630277호에는 트리아세테이트와 흡한속건사를 합사한 후 제직하여 접촉 냉감 및 흡수 냉감을 갖는 기능성 직물이 제안되어 있다.
상기 트리아세테이트는 촉감이 산뜻하고 냉감 특성이 우수하여 직물에 접촉 냉감을 부여하고 흡한속건사는 폴리에스터계, 폴리프로필렌계 또는 폴리아미드계 합성섬유의 이형단면사로 구성하여 섬유 간 공간형성에 의해 흡수 냉감을 갖도록 함으로써 직물이 접촉 냉감 및 흡수 냉감을 나타낸다.
그러나 트리아세테이트는 수분흡수가 적고 주름이 잡히기 쉬우며 감촉이 뻣뻣하고 가격이 비싼 단점이 있으며, 이형단면사는 연사나 가연가공시 공극감소로 인하여 모세관 현상을 발현하는 채널이 축소되어 흡한속건 성능이 저하되는 문제가 있다.
또한, 한국등록특허공보 제1613533호에는 이형 단면 나일론 필라멘트를 경사로 사용하고, 상기 이형 단면 나일론 필라멘트로 만든 드로텍스쳐사(draw textured yarn, DTY)와 일반 나일론 필라멘트로 만든 드로텍스쳐사를 연사하여 위사로 사용한 냉감지속능이 우수한 냉감지가 제안되었다.
상기 이형 단면 나일론 필라멘트는 고열전도도 물질(MgO, Al2O3, Si3N4, TiN, BN, AlN, ZrC, TiC, SiC)을 나일론 수지에 용융 혼련하여 분산시킨 마스터배치 칩을 방사한 것으로서 인체피부 접촉시 체열을 외부로 신속히 배출하여 우수한 접촉냉감성을 발현하고, 위사는 DTY를 연사하는 방법으로 실 표면을 최대한 균일하게 하여 직물의 요철현상을 최소화함으로써 피부와 직물 원단이 넓은 표면적에 걸쳐 접촉하므로 체열 발산이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
그러나 경사의 이형 단면 나일론 필라멘트에 고열전도도 물질을 포함시켜도 이형단면사는 일반사에 비하여 피부와 접하는 면적이 작아서 체열이 이형 단면의 나일론 필라멘트를 통하여 외부로 발산되는 속도가 낮고, 위사의 합연사는 가연가공 및 연사에 의해 흡한속건 성능이 저하되어 땀의 배출이 원활하지 못하며, 더불어 나일론 소재는 폴리에스테르 소재보다 열전도율이 낮아서 피부접촉에 의한 냉감 효과가 폴리에스테르 섬유에 비하여 만족스럽지 못한 단점이 있다.
본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 냉감 기능성과 흡한속건성을 모두 만족하여, 인체활동 후에도 청량감과 쾌적함을 부여할 수 있는 방적사 및 상기 방적사를 사용하여 제조된 원단을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 입자표면을 소수성으로 개질한 질화알루미늄 분말 0.1~5.0 중량%와 잔량의 나일론 수지로 구성되는 원형 단면의 냉감 나일론 단섬유 20~50 중량%; 이형 단면의 나일론 단섬유 10~40 중량%; 및 셀룰로오스 단섬유 40~70 중량%;를 포함하는 냉감 방적사를 제공한다.
이때, 상기 질화알루미늄의 개질은 질화알루미늄 분말을 올레산이 0.5~3.0 중량% 농도로 함유된 에탄올 용액과 함께 습식분쇄하여 건조한 다음 질소분위기에서 800~1200 ℃의 온도로 3~7 시간 가열하여 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 습식분쇄된 질화알루미늄 100 중량부에 탄산칼슘 1~5 중량부를 첨가하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 셀룰로오스 단섬유는 면사, 라이오셀 또는 레이온의 단섬유인 것이 바람직하다.
또한, 상기 냉감 나일론 단섬유는 질화붕소 0.5~5.0 중량%, 이산화티탄 0.1~0.5 중량% 또는 이들 모두를 더 포함하는 것이 바람직하고, 상기 이산화티탄은 저급알코올 10~20 중량%, 고급알코올 10~20 중량%, 물 30~40 중량% 및 유기용제 30~40 중량%를 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계; 상기 혼합액에 이산화티탄 나노분말을 넣고 교반하여 교반액을 제조하는 단계; 상기 교반액에 20~30 ㎑의 초음파를 25~35 분간 조사하는 단계; 상기 초음파가 조사된 교반액을 여과하여 혼합액을 제거하는 단계; 상기 혼합액이 제거된 이산화티탄 나노분말을 건조하는 단계; 및 상기 건조된 이산화티탄 나노분말을 불활성가스 환경에서 400~500 ℃의 온도로 10~15 시간 가열하는 단계;를 포함하는 과정으로 제조되는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 이형 단면의 나일론 단섬유는 2,5-비스(5-t-부틸벤즈옥사졸-2-일)티오펜을 표면에 코팅처리한 것이 바람직하고, 은 분말, 산화아연 분말 또는 이들 모두가 나일론 수지 내에 0.5~3.0 중량% 혼입 분산되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기의 냉감 방적사를 포함하는 냉감 원단을 제공한다.
본 발명에 따른 냉감 방적사 및 이를 사용하여 제조된 냉감 원단은 원형 단면의 냉감 나일론사에 의한 냉감 기능, 셀룰로오스 섬유에 의한 흡한 기능 및 이형 단면의 일반 나일론사에 의한 속건 기능이 조합되어, 피부에 접촉시 시원함과 함께 인체에서 발생한 땀을 신속히 배출하므로 쾌적하고 청량한 느낌을 피부에 부여할 수 있다.
본 발명은 질화알루미늄을 포함하는 나일론 수지를 일반 방사구금으로 방사하여 원형 단면의 냉감 나일론 필라멘트를 제조하고, 일반 나일론 수지를 이형 단면의 방사구금으로 방사하여 이형 단면의 일반 나일론 필라멘트를 제조한 다음, 이들을 단섬유(stable fiber)화하여 셀룰로오스 단섬유와 함께 혼합방적하는 과정으로 냉감 기능성과 흡한속건성을 모두 만족하는 냉감 방적사를 제조하며, 상기 냉감 방적사를 이용하여 직물, 편물 또는 부직포의 냉감 원단을 제조한다.
질화알루미늄은 이론 열전도도(319 W/m·K)가 알루미나보다 10배 이상이고 전기절연성(9×1013Ω·㎝)이 우수하며 열팽창계수(4×10-6)가 알루미나보다 작으며 기계적 강도(430 ㎫)가 우수한 연회색의 무정형 분말로서, 열전도도가 매우 커서 광 조사에 의한 열과 인체에서 발생하는 열을 의류 외부로 신속히 배출하여 냉감 효과를 발휘할 수 있으며, 색상을 거의 띠지 않아서 섬유의 투명성을 저해하지 않으므로 선명한 염색성을 확보할 수 있다.
이러한 질화알루미늄을 수지에 혼합하여 마스터배치 칩으로 제조한 후 방사하거나 섬유방사원액에 첨가하여 방사하는 방법으로 섬유 내부에 혼입하는 방법과 제조된 섬유에 흡착시켜 표면에 고착시키는 흡착법과 패딩법 등으로 섬유 표면에 코팅하는 방법이 있으나, 질화알루미늄은 세라믹 분말입자 형태이므로 섬유 표면에 코팅하면 세탁내구성이 저하될 수 있으므로 섬유 내부에 혼입하는 방법이 좀 더 바람직하다.
질화알루미늄은 나일론 수지 중에 0.1~5.0 중량% 함유되도록 첨가하는 것이 바람직하며, 상기 함유량은 냉감 효과가 첨가량 대비 최대치가 되는 범위로서 상기 범위 미만이면 냉감 효과가 미진하고 상기 범위를 초과하면 사용량 증가분에 비례하여 냉감 효과의 상승률이 낮으므로 경제성을 고려하여 상기 범위로 첨가하는 것이 적절하다.
그런데 질화알루미늄 분말은 열역학적으로 불안정하여 대기 중의 수분 또는 산소와 반응하여 수산화알루미늄(Al(OH)3)과 암모니아(NH3)로 분해되며, 대기 중에 방치하면 5~10 ㎚ 정도의 표면산화물이 형성되고 상기 표면산화물은 질화알루미늄과 고용체(solid solution)를 형성하여 열전도율을 저하시키는 원인이 된다.
이러한 문제를 방지하기 위하여 질화알루미늄 분말입자의 표면을 소수성으로 개질하여 화학적으로 안정화시키는 것이 바람직하며, 이러한 방안으로서 질화알루미늄 분말을 올레산(oleic acid)이 0.5~3.0 중량% 농도로 함유된 에탄올(ethanol) 용액과 함께 볼 밀(ball mill)에 넣고 습식분쇄(wet grinding)하여 건조한 다음, 건조된 질화알루미늄 분말을 로(furnace)에 넣고 질소분위기 하에서 800~1200 ℃의 온도로 3~7 시간 가열하여 질화반응시킨다.
상기 질화반응을 촉진하기 위하여는 반응 중 산화물 생성을 억제할 필요가 있으며, 이를 위하여 습식분쇄된 질화알루미늄에 탄산칼슘(calcium carbonate)을 첨가하여 건조한 후 질화반응시키는 것이 바람직하고, 질화알루미늄 100 중량부 기준 탄산칼슘 1~5 중량부를 첨가하는 것이 적정하다.
상기와 같이 질화알루미늄 분말을 질소처리하면 입자의 표면이 소수성으로 개질되어 질화알루미늄이 분해되거나 입자표면에 산화물이 형성되는 것이 억제되므로, 본 발명의 냉감 방적사 및 원단을 사용하는 중에 질화알루미늄이 함유된 냉감 나일론 필라멘트의 냉감 효능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
나일론 섬유는 흡습성이 낮아서 세균번식이 억제되고 내유성, 경량성 등이 우수하여 피부와 접촉시 위생성 및 착용감이 높은 장점이 있으나, 낮은 흡습성으로 인하여 정전기가 발생하기 쉽고 체내의 수분이 외기로 발산되는 것을 어렵게 하여 여름에는 후텁지근하고 겨울에는 차게 느껴진다.
이러한 문제를 방지하기 위하여 통상 나일론 섬유에 이종의 섬유를 혼섬하여 의류 용도로 사용하는데, 이종섬유의 종류에 따라 차이가 있으나 혼섬하는 섬유들의 섬도, 수축률 등의 차이에 의하여 혼섬사의 물성과 특징이 한정되고 흡습성 증가와 건조도 저하에 의해 의류의 속건성이 낮아질 우려가 있다.
이를 해소하는 방안으로서 본 발명에서는 상기 일반 나일론 필라멘트를 이형 단면 형상으로 제조하여 사용하는데, 상기 이형 단면 형상은 방적사 내의 각 실 사이에서 공간을 형성하고 이러한 공간이 방적사에 흡수된 수분을 모세관 현상을 통하여 외부로 배출시키는 채널을 형성하도록 함으로써 흡수된 수분을 신속히 배출하는 통로역할을 수행한다.
이형단면사는 원형 단면의 일반사에 비하여 피부와 접하는 면적이 작으므로 질화알루미늄을 포함하는 냉감 나일론 필라멘트를 이형단면 형상으로 가공할 경우 체열을 외부로 발산하는 냉감 효과가 줄어들게 되나, 본 발명에서는 냉감 나일론 필라멘트를 원형 단면으로 제조하고 일반 나일론 필라멘트를 이형 단면으로 제조하여 냉감 효과를 유지하면서 수분의 흡수·배출을 원활하게 수행할 수 있다.
상기 이형 단면 나일론 필라멘트는 단면이 다각형, 십자형, 별형, 누에고치형, 클로버형, 매화형 또는 중공형 등 다양한 형상일 수 있고 이들 단면형상의 실이 1종 또는 2종 이상 함께 사용될 수 있으나, 본 발명에 사용되는 섬유의 단면형상이 상기에서 예시된 종류로 한정되는 것은 아니다.
그런데 상기 방적사는 원형 단면의 냉감 나일론 필라멘트와 이형 단면의 일반 나일론 필라멘트를 혼방하므로 용도에 따라 흡한속건성이 충분치 않은 경우가 있고 또한 나일론 섬유는 햇볕에 약하기 때문에 밝은 색상의 나일론을 햇볕에 장시간 노출하면 황변이 발생할 우려가 있다.
이러한 문제를 해소하기 위하여, 상기 2종의 나일론 단섬유에 셀룰로오스 단섬유를 혼방하여 냉감 방적사를 제조하며, 셀룰로오스는 자연에서 풍부하게 얻을 수 있는 고분자 물질로서 우수한 기계적 강도와 생분해성, 흡습성, 발색성, 질감 등의 많은 장점을 가지고 있다.
셀룰로오스 섬유는 천연 셀룰로오스 섬유와 인조 셀룰로오스 섬유로 대별되고 천연 셀룰로오스 섬유로서 대표적으로 면사(cotton yarn), 삼베 등이 있고 인조 셀룰로오스 섬유로서 라이오셀(lyocell), 레이온(rayon), 아세테이트(acetate) 섬유 등이 있으며, 이들 중에서 흡습성이 높은 면사, 라이오셀 섬유 또는 레이온사를 나일론과 혼방하는 것이 좀 더 유리하다.
셀룰로오스 섬유에는 수산기(-OH)가 존재하기 때문에 흡수성이 높으므로 나일론 섬유의 단점인 흡수성을 보완할 수 있으며, 인체에서 배출된 땀을 셀룰로오스 섬유가 흡수하여 이형 단면 나일론 필라멘트의 모세관 현상을 통하여 외부로 신속히 배출시키므로 피부에 쾌적한 느낌을 제공할 수 있다.
원형 단면의 냉감 나일론 필라멘트, 이형 단면의 일반 나일론 필라멘트 및 셀룰로오스 섬유는 단섬유로 서로 혼합되며, 이들의 혼합비는 20~50:10~40:40~70 중량%(냉감 나일론 단섬유:일반 나일론 단섬유:셀룰로오스 단섬유)로 혼합되는 것이 바람직하고 용도에 따라 상기 범위 내에서 조정되며, 원형 단면의 냉감 나일론 단섬유와 이형 단면의 일반 나일론 단섬유의 혼합비는 인체에서 발생한 열과 땀의 발생비율에 맞추어 이들을 외부로 배출하는 적정 혼합비이고, 나일론 단섬유와 셀룰로오스 단섬유의 혼합비는 셀룰로오스 단섬유의 흡습성과 이형 단면 일반 나일론 단섬유의 속건성 효능이 적절한 조합을 이루도록 하여 최적의 흡한속건성을 나타내도록 하는 범위이다.
인체의 쾌적성을 만족시키기 위한 기능성 가공은 크게 흡한속건, 흡수 냉감, 접촉 냉감, 태양열(UV) 차단, 열전도율 가공기술에 의한 영향이 크므로, 인체에서 발생하는 열과 땀의 외부 배출뿐만 아니라 외부에서 피부에 도달하는 햇빛을 차단할 필요성이 있고 햇빛 중에는 열선인 적외선이 체온을 상승시키고 특히 화학선인 자외선은 피부 손상을 유발하여 이의 차단방법에 대한 소비자의 관심이 크다.
일반적으로 나일론과 셀룰로오스 섬유는 폴리에스테르 섬유에 비하여 자외선 차단효과가 낮아서 이를 차단할 수 있는 방안이 더욱 요구되는데, 이를 위하여 상기 이형 단면의 일반 나일론 필라멘트에 유기계 섬광물질인 2,5-비스(5-t-부틸벤즈옥사졸-2-일)티오펜{2,5-bis(5-t-butylbenzoxazol-2-yl)thiophene, BBOT}을 함유시켜 BBOT에 의한 자외선 차단효과를 나일론과 셀룰로오스 섬유로 구성되는 방적사에 부가하는 것이 바람직하다.
BBOT는 방사선을 계측하는데 사용되는 섬광물질로서, 약 390 ㎚에서 광흡수 피크를 가지고 450 ㎚에서 재발산하여 광파장을 자외선 영역에서 가시광선 영역으로 전환함으로써 인체에 미치는 자외선의 영향을 차단할 수 있으며, 자외선 흡수영역이 넓고 독성이 없으며 높은 투명도와 화학적 내구성, 쉬운 가공특성을 가져서 섬유의 투명도를 저해하지 않고 섬유에 견고히 결착하여 세탁에 의해 쉽게 이탈하지 않으므로 자외선 차단효과를 지속적으로 유지할 수 있다.
자외선은 BBOT에 흡수되어 장파장 파로 변환되고 장파장 파는 열작용이 있어서 섬유의 온도를 승온시키므로, 자외선에 의해 발생한 열을 신속히 제거할 필요가 있다.
따라서 상기 BBOT를 섬유 제조과정에서 내부에 혼입시켜 섬유 내부에서 열을 발생시키는 것보다 섬유 표면에 고착시켜 섬유 표면에서 열을 발생시키는 것이 좀 더 바람직하며, 섬유 표면의 열은 내부에 비하여 좀 더 신속히 제거될 수 있어서 상기와 같은 자외선 차단 메커니즘이 섬유의 냉감 효과에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
BBOT는 유기계 자외선 흡수제로서 섬유에 흡착되어 표면에 견고히 고착되므로 섬유 표면에 코팅하여도 세탁 등에 의해 섬유로부터 쉽게 이탈하지 않으며, 셀룰로오스 섬유보다 나일론 필라멘트에 좀 더 견고히 결착하므로 나일론 필라멘트 표면에 코팅하는 것이 바람직하고, 이형 단면의 필라멘트는 원형 단면의 필라멘트에 비하여 표면적이 크고 원형 단면의 냉감 나일론 필라멘트에는 질화알루미늄이 내부에 혼입되어 있어서 여기에 BBOT를 코팅하면 냉감 나일론 필라멘트의 냉감효과가 저하되므로, 이형 단면의 일반 나일론 필라멘트에 BBOT를 코팅처리하는 것이 자외선 차단효과와 이로 인해 발생한 열의 제거 및 질화알루미늄의 냉감기능을 저해하지 않는 점에서 가장 바람직하다.
냉감 효과와 자외선 차단효과를 좀 더 향상시키기 위하여 상기 원형 단면의 냉감 나일론 필라멘트에 질화붕소(boron nitride, BN) 세라믹 입자 및/또는 이산화티탄(titanium dioxide) 나노분말을 첨가하여 질화붕소에 의한 방열효과와 이산화티탄에 의한 자외선 차단효과를 부가하는 것이 바람직하다.
질화붕소는 300 W/m·K 이상의 열전도성을 가지고 있고 다른 수지들과 혼합하여도 25 W/m·K 이상의 열전도성을 가지며, 열충격저항이 크고 전기 절연성과 화학적 안전성이 우수한 무색 결정이며, 광 조사에 의한 열, BBOT에 의해 자외선이 장파장 파로 변환시킴에 따른 열, 인체에서 발생하는 열을 의류 외부로 신속히 배출할 수 있어서 냉감 효과를 증가시키고 색상을 거의 띄지 않아서 섬유에 적용시 투명성을 저해하지 않으므로 선명한 염색성을 확보할 수 있다.
이산화티탄은 자외선을 산란시켜 차단하는데, 피부에 부작용을 일으키지 않고 자외선에 분해되지 않는 장점을 가지고 있으며, 냉감 나일론 필라멘트에 무기계 자외선 산란제인 이산화티탄 나노분말을 함유시키고 일반 나일론 필라멘트에 유기계 자외선 흡수제인 BBOT를 함유시켜 무기계 이산화티탄이 자외선을 반사 및 산란시키고 산란된 자외선을 유기계 BBOT가 흡수하여 장파장 파로 변환시킴으로서 자외선이 피부에 침투하는 것을 효과적으로 차단할 수 있다.
그런데 이산화티탄은 표면에 친수성의 수산기를 가지고 있어서 대기 중의 수분과 결합하여 입자 간의 응집이 발생하고 이는 수지 내의 분산성을 악화시키는 문제를 야기하므로 이산화티탄 입자표면을 소수성으로 가공처리할 필요가 있으며, 이를 위하여 이산화티탄에 탄소수 6 이상의 지방족 알코올인 고급 알코올(higher alcohol)로 처리한 후 사용하는 것이 바람직하다.
자외선은 파장의 길이에 따라 UV-A(320~400 ㎚), UV-B(280~320 ㎚), UV-C(100~290 ㎚)로 구분되고 UV-A는 다시 UV-A I(340~400 ㎚)과 UV-A Ⅱ(320~340 ㎚)로 나누어지며, 이들 중 UV-C는 대기상의 오존층, 수증기, 먼지 등에 흡수·산란되기 때문에 지표면 상에는 인체에 유해한 UV-A 및 UV-B만이 도달하므로 보통 UV-A와 UV-B가 차단 대상이 된다.
이산화티탄은 UV-A Ⅱ 및 UV-B의 자외선 영역에서 광 활성을 우수한데, 이산화티탄을 저급 알코올(lower alcohol)로 처리하면 UV-A I 영역에서도 광 감응하여 자외선 차단 범위를 좀 더 증가시킬 수 있으므로, 고급 알코올 처리뿐만 아니라 저급 알코올로 처리하는 것도 자외선 차단에 효과적이다.
상기 알코올 처리는 이산화티탄에 고급(저급) 알코올과 유기용제(물)를 혼합하고 교반한 후 초음파를 조사(照射)하며, 이를 여과하여 알코올과 유기용제(물)을 제거하고 건조하여 이산화티탄을 회수한다.
이산화티탄과 고급 알코올/유기용제 혼합액에 초음파를 조사하면 이산화티탄 표면에 친수성의 수산기와 소수성의 알킬기가 함께 형성되어 이산화티탄이 수분과 결합하는 것을 억제하며, 이산화티탄과 저급 알코올/물 혼합액에 초음파를 조사하면 이산화티탄의 산소원자를 저급 알코올의 탄소원자로 치환시켜 387 ㎚ 이상의 파장 영역에서도 광 활성이 증가된다.
상기 유기용제로서 고급 알코올을 용해할 수 있는 유기용제이면 그 종류에 제한되지 않으며, 예를 들어 탄화수소류, 알코올류, 알데히드류, 에테르류, 에스테르류, 케톤류 등으로부터 선택할 수 있다.
알코올과 유기용제(또는 물)의 혼합비는 알코올 20~40 중량%와 유기용제(또는 물) 60~80 중량%가 적당하고 초음파 조사는 20~30 ㎑의 초음파를 25~35 분간 제공하는 것이 바람직하며, 건조는 자연건조 또는 인공건조 모두 가능하고 수분이 충분히 제거되도록 한다.
상기 건조된 이산화티탄의 소수성 또는 광 활성의 안정화를 위하여 열처리할 수도 있으며, 열처리는 불활성가스 환경에서 400~500 ℃의 온도로 10~15 시간 가열하여 알킬기, 탄소원자를 이산화티탄에 안정하게 고정시킨다.
목적에 따라 이산화티탄을 고급 알코올/유기용제로 소수성 가공처리하거나 저급 알코올/물 혼합물로 광 활성 가공처리하거나 또는 이들 가공처리 과정을 한꺼번에 일괄처리할 수도 있으며, 일괄처리시에는 각 처리과정의 배합비율에 비례하여 저급알코올 10~20 중량%, 고급알코올 10~20 중량%, 물 30~40 중량% 및 유기용제 30~40 중량%를 혼합한 후 초음파를 조사한다.
상기와 같이, 냉감 나일론 필라멘트에 무기계 자외선 산란제인 이산화티탄 나노분말을 함유시키고 일반 나일론 필라멘트에 유기계 자외선 흡수제인 BBOT를 함유시켜 무기계 자외선 산란제의 우수한 자외선 차단능, 피부 안전성 및 방열효과와 유기계 자외선 흡수제의 광 흡수 기능이 서로의 단점을 보완하고 장점을 극대화시켜 섬유의 자외선 차단성능을 향상시킬 수 있다.
질화붕소와 이산화티탄은 분말입자이므로 세탁내구성을 위하여 질화알루미늄과 함께 섬유 내부에 혼입하는 것이 바람직하며, 자외선이 냉감 나일론 필라멘트를 통과하다가 섬유 내부의 이산화티탄에 의해 반사 및 산란된 후 일반 나일론 필라멘트 표면의 BBOT에 흡수되어 장파장 파로 변환되며, 장파장 파는 열작용이 있어서 섬유 표면에서 열이 발생하고 표면에서 발생한 열은 신속히 제거될 수 있으므로, 상기와 같은 자외선 차단 메커니즘이 섬유의 냉감 효과에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
질화붕소와 이산화티탄은 냉감 나일론 필라멘트 제조시 나일론 수지 중에 각각 0.5~5.0 중량%(질화붕소), 0.1~0.5 중량%(이산화티탄) 함유되도록 첨가하는 것이 바람직하며, 상기 질화붕소의 첨가량은 질화알루미늄과 협력하여 냉감 효과가 극대화되는 범위이고 상기 이산화티탄의 첨가량은 BBOT와 협력하여 효율적으로 자외선을 차단할 수 있는 범위이다.
상기와 같이, 본 발명에서는 나일론 섬유에 높은 열전도성을 갖는 질화알루미늄, 질화붕소를 함유하고 자외선 차단효과를 부여하는 유기계 자외선 흡수제(BBOT)와 무기계 자외선 산란제(이산화티탄)를 혼용하여 섬유에 냉감 기능 및 자외선 차단효과를 부여함으로써, 특히 자외선이 강렬한 무더운 여름철에 인체를 보호하고 쾌적한 느낌을 제공하는데 효과적이다.
냉감 방적사 및 원단의 쾌적함을 위하여 덥고 습한 환경에 번식하기 쉬운 세균을 차단할 필요가 있으며, 이를 위하여 상기 냉감 방적사에 항균물질을 첨가하는 것이 바람직하고, 상기 항균물질로서 은(Ag) 분말 및/또는 산화아연(zinc oxide) 분말이 좀 더 바람직하다.
상기 항균물질은 입자형태이므로 세탁내구성을 위하여 섬유 내부에 혼입하는 것이 바람직하고 세균과 접촉하여 멸균시키므로 표면적이 큰 이형 단면의 일반 나일론 필라멘트에 함유시키는 것이 더욱 바람직하며, 일반 나일론 필라멘트 제조시 나일론 수지 중에 0.5~3.0 중량% 함유되도록 첨가하는 것이 가장 바람직하다.
상기 항균물질의 함량이 0.5 중량% 미만이면 항균기능의 발현이 미미하고 3.0 중량%를 초과하면 방사시 섬유가 절단될 우려가 있다.
상기와 같이, 본 발명의 나일론 섬유를 포함하는 냉감 방적사 및 이를 사용하여 제조된 냉감 원단은 원형 단면의 냉감 나일론사에 의한 냉감 기능, 이형 단면의 일반 나일론사에 의한 속건 기능 및 셀룰로오스 섬유에 의한 흡한 기능이 조합되어, 시원한 느낌과 인체에서 발생한 땀을 신속히 배출하여 쾌적하고 청량한 효과를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예, 비교예 및 시험예에 의거하여 좀 더 상세하게 설명한다.
단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 치환 및 균등한 타 실시예로 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
<실시예 1~3>
나일론 수지를 압출기(exturder)의 메인 피더(main feeder)에 투입하고, 질화알루미늄 분말을 사이드 피더(side feeder)에 투입하여 가열운전되는 압출기 내에서 서로 용융·혼합시킨 다음 방사구금의 원형 방사구에서 방사속도 4000 m/min로 용융방사하여, 질화알루미늄이 나일론 수지 내부에 3 중량% 혼입·분산된 원형 단면의 냉감 나일론 필라멘트를 제조하였다.
또한, 상기의 압출기 사이드 피더에 질화알루미늄을 투입하지 않고 방사구금을 십자형 방사구로 교체하고 방사하여 이형 단면의 일반 나일론 필라멘트를 제조하였다.
상기 제조된 냉감 나일론 필라멘트와 일반 나일론 필라멘트를 단섬유화 한 다음 냉감 나일론 단섬유 30 중량%, 일반 나일론 단섬유 20 중량% 및 셀룰로오스 섬유인 면사(실시예 1), 라이오셀 섬유(실시예 2) 또는 레이온사(실시예 3)를 각각 50 중량%를 혼섬하여 방적사를 제조한 후 이를 경사와 위사로 사용하여 3종의 직물을 제직하였다.
<비교예>
상기 실시예 1에서, 냉감 나일론 단섬유를 사용하지 않고 일반 나일론 단섬유와 면사만으로 방적사를 제조한 후(일반 나일론 단섬유 50 중량%, 면사 50 중량%), 이를 사용하여 직물을 제직하였다.
<시험예 1> 접촉냉온감 측정
상기 실시예 1~3 및 비교예의 직물을 대표적인 접촉 냉감 평가방법인 Qmax법을 이용하여 접촉냉온감 효과를 측정하였으며, 10 회 반복제작하여 측정하고 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
Qmax 값의 측정은 KES-F7(Thermo Labo Ⅱ, Kato Tech, 일본) 기기를 사용하여 20 ℃, 65 %RH, ΔT=20 ℃의 조건에서 실시하였다.
접촉냉온감 측정결과(J/sec/㎠)
측정횟수 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예
1 0.376 0.385 0.386 0.239
2 0.377 0.391 0.383 0.236
3 0.377 0.400 0.382 0.234
4 0.369 0.393 0.384 0.236
5 0.372 0.390 0.388 0.236
6 0.374 0.385 0.384 0.240
7 0.373 0.396 0.384 0.237
8 0.374 0.399 0.381 0.237
9 0.374 0.394 0.382 0.237
10 0.372 0.392 0.384 0.235
평균 0.3738 0.3925 0.3838 0.2367
접촉 냉감이란 원단을 만지는 순간 차갑게 느껴지는 특성을 가리키는데, 의복을 착용했을 때 피부와 의복 사이의 열전달 현상이 발생하여 차가움을 느끼게 되고 쾌적감과 밀접한 관계가 있다.
Qmax 값은 원단의 표면온도보다 높은 열원판(피부온도)을 원단에 접촉시킨 후 초기에 생기는 순간적인 열흡수량의 최대치(Qmax)를 측정한 결과로서, 열의 이동이 많을수록 Qmax 값이 커지고 피부에서 더욱 차갑게 느끼게 된다.
상기 표 1에 나타난 바와 같이 일반 나일론 단섬유와 면사로 제조된 비교예의 직물은 Qmax 값이 평균 0.2367 J/sec/㎠인데 비하여 냉감 나일론 단섬유가 혼합된 실시예의 직물은 0.3738~0.3925 J/sec/㎠로 측정되었다.
통상, 나일론의 Qmax 값이 0.25 J/sec/㎠ 정도이고 셀룰로오스 섬유는 종류에 따라 다르나 0.18~0.22 정도인데, 비교예의 직물은 나일론 단섬유와 면사가 동일 중량비로 함유되고 또한 방적사는 필라멘트사에 비해 표면이 매끄럽지 않고 돌출된 잔섬유가 많기 때문에 접촉면이 작아서 Qmax 값이 가장 작게 측정되었다.
반면에, 실시예의 직물은 열전도도가 높은 질화알루미늄 함유 냉감 나일론 단섬유가 혼합되고, 2종의 나일론 단섬유와 셀룰로오스 단섬유가 혼합 방적되어 내부공극이 적어짐에 따라 섬유 내 공기함량이 줄어들어 열이 좀 더 신속히 전달되므로 Qmax 값이 증가한 것으로 판단된다.
실시예 중에서는 라이오셀 섬유가 혼합된 실시예 2가 가장 크고 면사가 혼합된 실시예 1이 가장 작았으며, 라이오셀 섬유는 표면이 매끄러워 면사나 레이온사보다 피부 접촉면이 좀 더 크고, 면사는 중앙에 중공이 형성되어 있어서 열전달 속도가 낮아진 것으로 판단된다.
통상, 섬유에 냉감 특성을 부여하기 위해서는 실의 단면구조 변화, 상전이 물질(PCM) 활용, 천연재료 및 화학약품을 이용한 원단 가공 등의 가공이 이루어져야 하나, 본 발명에 따른 실시예에서는 섬유의 단면구조의 변화, 소재의 조합 및 제사방법을 통하여 냉감 특성을 부여하므로 제조비용이나 위생 면에서 종래의 방법보다 유용한 장점이 있다.
<시험예 2> 흡한속건성 분석
의류소재로서 쾌적한 느낌을 제공하기 위해서는 피부와 접촉시 냉감 효과뿐만 아니라 피부에서 발산된 땀을 의류 외부로 신속히 배출하는 흡한속건 기능이 중요하다.
이에 따라, 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 직물의 흡한속건 성능을 측정하여 비교하였으며, 흡수속도는 KS K 0815:2008, 6.27.1 B법으로 측정하였고 구체적으로 직물에서 20.0×2.5 ㎝의 시험편을 5 매씩 채취하여 27±2 ℃의 증류수가 들어있는 용기의 수면에 한쪽 끝이 닿도록 하여 일정 높이로 고정하고 10 분 경과 후 물이 상승한 높이를 측정하여 평균값을 구하였다.
건조속도는 KS K 0815:2008, 6.28.1 A법으로 측정하였으며, 구체적으로 40×40 ㎝의 시험편을 3 매씩 취하여 27±2 ℃의 증류수 중에 침지시켜 충분히 흡수되도록 한 후, 수중에서 꺼내어 물방울이 더 이상 떨어지지 않을 때 표준상태의 시험실 내에서 자연건조될 때까지의 시간을 측정하여 평균값을 구하였다.
흡한속건성 분석결과
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예
흡수속도(㎜/10 분) 88 92 85 98
건조속도(분) 55 60 52 65
상기 표 2를 보면, 실시예가 비교예에 비하여 흡수속도가 느리고 건조속도가 빠르게 나타났는데, 비교예의 직물은 이형단면사와 면사로만 구성되어 섬유 내부의 공극이 많아서 흡수성이 높고, 실시예의 직물은 원형 단면과 이형 단면의 나일론 단섬유와 셀룰로오스 단섬유가 혼합 방적되어 내부공극이 적어져 상대적으로 흡수속도가 낮은 것으로 판단된다.
건조속도에서는 실시예의 직물이 소재 종류와 굵기와 다른 이종의 섬유가 혼섬되므로 내부공극이 좁아져 모세관 현상이 좀 더 활발히 일어나고 또한 섬유 내 함유된 수분함량이 적으므로 직물 내의 수분이 신속히 제거되는 반면에, 비교예의 경우 이형 단면의 나일론 섬유가 많아서 수분배출은 빨리 진행되나 내부공극이 많아서 직물에 함유된 수분이 많으므로 건조속도가 상대적으로 낮게 측정된 것으로 판단된다.
즉, 의류 착용시 쾌적함을 위해서는 흡수성뿐만 아니라 속건성이 중요하고 땀을 신속히 흡수하는 것보다 신속히 배출하는 것이 더욱 중요하며, 따라서 실시예와 같이 수분을 흡수하는 대로 즉시 배출하는 것이 쾌적함을 위해서 바람직함을 알 수 있다.
상기와 같이, 실시예의 직물은 냉감 나일론 단섬유가 냉감 효과를 제공하고 셀룰로오스 단섬유가 흡수성을 제공하며, 이형 단면의 일반 나일론 단섬유가 속건성을 제공하면서 이들의 조합으로 냉감기능과 흡한속건성이 좀 더 향상되어 쾌적하고 청량한 느낌을 인체에 부여할 수 있다.

Claims (10)

  1. 입자표면을 소수성으로 개질한 질화알루미늄 분말 0.1~5.0 중량%와 잔량의 나일론 수지로 구성되는 원형 단면의 냉감 나일론 단섬유 20~50 중량%;
    이형 단면의 나일론 단섬유 10~40 중량%; 및
    셀룰로오스 단섬유 40~70 중량%;를 포함하는 냉감 방적사.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 질화알루미늄의 개질은 질화알루미늄 분말을 올레산이 0.5~3.0 중량% 농도로 함유된 에탄올 용액과 함께 습식분쇄하여 건조한 다음 질소분위기에서 800~1200 ℃의 온도로 3~7 시간 가열하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉감 방적사.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 습식분쇄된 질화알루미늄 100 중량부에 탄산칼슘 1~5 중량부를 첨가하는 것을 특징으로 하는 냉감 방적사.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 셀룰로오스 단섬유는 면사, 라이오셀 또는 레이온의 단섬유인 것을 특징으로 하는 냉감 방적사.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉감 나일론 단섬유는 질화붕소 0.5~5.0 중량%, 이산화티탄 0.1~0.5 중량% 또는 이들 모두를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉감 방적사.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 이산화티탄은,
    저급알코올 10~20 중량%, 고급알코올 10~20 중량%, 물 30~40 중량% 및 유기용제 30~40 중량%를 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계;
    상기 혼합액에 이산화티탄 나노분말을 넣고 교반하여 교반액을 제조하는 단계;
    상기 교반액에 20~30 ㎑의 초음파를 25~35 분간 조사하는 단계;
    상기 초음파가 조사된 교반액을 여과하여 혼합액을 제거하는 단계;
    상기 혼합액이 제거된 이산화티탄 나노분말을 건조하는 단계; 및
    상기 건조된 이산화티탄 나노분말을 불활성가스 환경에서 400~500 ℃의 온도로 10~15 시간 가열하는 단계;를 포함하는 과정으로 제조되는 것을 특징으로 하는 냉감 방적사.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 이형 단면의 나일론 단섬유는 2,5-비스(5-t-부틸벤즈옥사졸-2-일)티오펜을 표면에 코팅처리한 것을 특징으로 하는 냉감 방적사.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 이형 단면의 나일론 단섬유는 은 분말, 산화아연 분말 또는 이들 모두가 나일론 수지 내에 0.5~3.0 중량% 혼입 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 냉감 방적사.
  10. 청구항 1, 청구항 3 내지 청구항 9 중 어느 한 항의 냉감 방적사를 포함하는 냉감 원단.
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