KR102151370B1 - 다기능성 섬유 구조체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 섬유 구조체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다기능성 섬유 구조체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 섬유 구조체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 식물성 섬유 원료를 이용하여 제조되는 시트상 또는 벌크상 등의 다양한 형태를 갖는 구조체의 표면 구조를 진공 흡입을 통해 양각화 함으로써 구조체 표면의 공극성과 벌크를 증가시키고, 이를 통해 완충성 및 수분흡수성을 크게 개선시킬 수 있는 다기능성 섬유 구조체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 섬유 구조체에 관한 것이다.
본 발명에 따른 다기능성 섬유 구조체의 제조방법은 (a) 식물성 섬유 원료를 준비하는 단계; (b) 상기 (a)단계에서 준비된 식물성 섬유 원료를 이용하여 구조체를 성형하는 단계; (c) 상기 (b)단계에서 성형된 구조체의 표면 수분을 조절하는 단계; (d) 상기 (c)단계에서 수분이 조절된 구조체의 표면에 진공 흡입을 통해 양각화 하는 단계; 및 (e) 상기 (d)단계에서 양각화 된 구조체를 건조시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다기능성 섬유 구조체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 섬유 구조체{Method for manufacturing a multifunctional fiber structure and fiber structure manufactured by the same}

본 발명은 다기능성 섬유 구조체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 섬유 구조체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 식물성 섬유 원료를 이용하여 제조되는 시트상 또는 벌크상 등의 다양한 형태를 갖는 구조체의 표면 구조를 진공 흡입을 통해 양각화 함으로써 구조체 표면의 공극성과 벌크를 증가시키고, 이를 통해 완충성 및 수분흡수성을 크게 개선시킬 수 있는 다기능성 섬유 구조체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 섬유 구조체에 관한 것이다.

활엽수 및 침엽수 펄프와 같은 목재섬유, 면섬유, 대나무섬유, 볏짚섬유, 또는 마섬유와 같은 비목재 섬유 및 재활용 고지섬유 등과 같은 다양한 식물성 섬유와, 폴리에스터, 비스코스레이온, 나일론, 폴리프로필렌 등의 합성 고분자 물질 기반 섬유를 원료로 사용하여 제조된 종이제품, 펄프몰드, 부직포 등의 시트상 또는 벌크상 등의 다양한 형태를 갖는 구조체들이 제조된다.

이들 구조체들은 주로 일회용 포장소재, 완충소재, 위생용품소재, 흡수 및 흡유 소재 등으로 널리 활용되고 있다. 특히, 포장용 소재와 흡수용 소재로 활용하기 위한 구조체들은 대량 생산을 위한 습식성형 방식이 주로 활용되고 있으며, 추가적인 벌크구조화 및 완충성 부여를 위하여 엠보싱 처리가 적용되는 경우가 많다.

이러한 엠보싱 처리의 경우, 구조체의 표면에 요철구조를 부여하고 패턴을 형성하여 상대적으로 표면구조의 부드러움과 벌크특성을 갖는 구조를 제공한다. 이를 통해 표면 완충성을 개선하는 효과가 있을 뿐만 아니라 액체가 표면에 적용되는 경우 액체의 배출경로를 조정하여 흡수성을 증대시키는 효과 등의 여러 가지 품질개선 효과로 인하여 다양한 섬유상 원료제품의 제조에 폭넓게 활용되고 있는 표면구조 개질 방법이다.

여기서, 엠보싱 처리는 대부분 일정한 요철을 가지는 롤이나 판으로 구조체의 표면에 압착을 가해 표면구조의 변형을 가져오는 방식으로 구현되는데, 실제 엠보싱 구조가 형성된 구조체 자체의 벌크특성이나 공극특성이 내부구조의 변화를 통해 발현되지 않고, 외관적 형태의 변화를 통한 요철구조가 발현되는 단점이 있으며, 특히 벌크상의 고평량 구조체의 경우에는 압착방식에 의한 표면 부분별로 과밀화 현상이 나타나는 단점이 있다.

현재 국내외에서 편의성을 중시하는 사회변화와 개인중심의 생활문화가 널리 확대되고, 인터넷 물품 배송이 주요한 제품구매 방안이 됨에 따라 상품포장 수요는 지속적으로 증가하고 있고, 일회용 생활용품, 위생용품의 수요 및 활용의 계속적인 성장이 나타나고 있다. 특히, 티슈나 키친타월과 같은 생활용품과 기저귀나 흡수패드 등에 사용되는 흡수코어와 같은 위생용품들의 경우에는 완충성 및 수분흡수성 증대를 위한 다양한 기술들이 개발되어 왔다. 이러한 기술들의 일예가 하기 문헌 1 내지 5에 개시되어 있다.

특허문헌 1에는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 플라스틱 기반소재로 이루어진 섬유를 이용하여 다층구조를 갖는 부직포를 제조하는데, 그 중 시트상 구조체의 표면층을 엠보싱 형성층으로 적용하는 방법이 개시되어 있다. 이때 형성되는 엠보싱은 압착방식으로 성형되기 때문에 시트상 구조체 자체의 수분흡수성이 개선되지 못하는 단점을 가지고 있다.

특허문헌 2에는 엠보싱을 적용하여 지필의 유연성, 신장율, 수분흡수성을 증대시킬 수 있는 시트의 제조방법에 대해 개시되어 있다. 하지만, 패턴을 갖는 엠보싱롤의 압착을 통해 형성되는 엠보싱 적용으로 시트의 지필구조가 일부 파괴되어 섬유간 결합력이 저하되는 단점을 가지고 있다.

특허문헌 3에는 엠보싱 기술을 이용하여 패턴을 적용한 후, 릴 건조가 아닌 통기 건조를 이용하여 기존의 티슈에 비하여 수분흡수성을 증가시킨 제품에 대해 개시되어 있다. 하지만, 기존과 마찬가지로 지필을 압착하는 방식의 엠보싱 기술을 적용하기 때문에 상기의 기술이 적용된 시트는 압착된 시트 자체의 벌크특성과 수분흡수성 증대가 일어나지 못하는 단점이 있다.

한편, 온라인 구매의 활성화 및 소비자의 편의성을 중시한 소포장 배송 등 다양한 물건들의 배송이 늘어나면서 다양한 포장재의 사용이 더욱 증가되고 있는데, 특히 보관 및 운송과정 중 제품의 파손 및 손실을 방지하기 위한 목적으로 포장재의 완충성은 매우 중요한 품질특성이 되고 있다. 이에 포장재의 완충성을 증대시키기 위한 다양한 추가적인 장치들의 적용을 통한 방법들이 개발된 바 있다.

특허문헌 4에는 제품의 파손을 방지하기 위해 기체 저장부를 포함하는 일체형 완충포장재에 대해 개시되어 있다. 이는 포장재에 완충성을 발현하기 위해서 기체 저장부를 추가적으로 적용하는 방법으로, 주로 합성수지로 제조된 제품을 이용하기 때문에 지류기반 포장재에 비해 재활용 또는 친환경적 폐기가 어렵고, 기체 저장부의 추가적 제조 및 이를 위한 공정이 추가적으로 필요함에 따라 경제성과 활용성이 낮은 단점이 있다.

특허문헌 5에는 완충성을 부여하기 위하여 펄프몰드 내부에 합성수지 소재로 제작된 완충재를 삽입한 펄프몰드 달걀 트레이에 대해 개시되어 있다. 하지만, 합성수지 기반의 완충재가 추가적으로 적용되기 때문에 달걀 트레이의 재활용성이 심각하게 손상되고, 추가적인 기재의 제조와 적용이 필요함에 따라 활용성과 경제성이 크게 낮아지는 단점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1227815호(2013.01.23. 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-1824843호(2018.01.26. 등록) 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0006504호(2019.01.18. 공개) 대한민국 등록특허공보 제10-2000556호(2019.07.10. 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-2042407호(2019.11.04. 등록)

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 식물성 섬유 원료를 이용하여 제조되는 종이, 포장지, 티슈, 부직포 등과 같은 시트상 또는 벌크상 등의 다양한 형태를 갖는 구조체를 두께와 평량에 제한없이 표면 구조를 양각화 함으로써, 벌크와 공극성을 추가적으로 향상시킴에 따라 다양한 제품에 적용이 가능하여 경제성과 활용성이 우수한 다기능성 섬유 구조체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 섬유 구조체를 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 다기능성 섬유 구조체의 제조방법은 (a) 식물성 섬유 원료를 준비하는 단계; (b) 상기 (a)단계에서 준비된 식물성 섬유 원료를 이용하여 구조체를 성형하는 단계; (c) 상기 (b)단계에서 성형된 구조체의 표면 수분을 조절하는 단계; (d) 상기 (c)단계에서 수분이 조절된 구조체의 표면에 진공 흡입을 통해 양각화 하는 단계; 및 (e) 상기 (d)단계에서 양각화 된 구조체를 건조시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 식물성 섬유 원료는 목재섬유, 재활용 고지섬유 또는 비목재섬유 중 하나인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 (b)단계에서는 구조체의 습식성형을 수행하기 위한 지료를 제조하며, 식물성 섬유 원료를 물에 0.2~5%의 농도를 갖도록 풀어주어 혼합지료를 제조하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 (c)단계에서는 상기 (b)단계에서 성형된 구조체가 40~60%의 수분을 함유하도록 건조 또는 습윤시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 (d)단계에서는 다수의 흡입구가 형성된 진공흡입장치에서 제공되는 흡입력으로 구조체 표면의 일부분을 진공 흡입하여 양각을 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 진공흡입장치는 다양한 형태의 몰드 성형홈이 형성되어 있는 하부금형과, 상기 하부금형의 상부에 승강 가능하게 배치되되 다수의 흡입구가 형성되어 있는 상부금형으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 진공흡입장치는 회전 가능하게 지지되어 수평 이송되는 구조체에 대하여 진공압력에 의한 흡입작용을 발생시키는 진공흡입롤로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 진공흡입장치의 진공압력은 0.01~0.2MPa인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 흡입구의 직경은 0.1~2㎝인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 진공흡입장치의 진공 흡입시간은 0.2~3초인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 섬유 구조체는 식물성 섬유 원료를 습식성형을 통해 시트 또는 벌크 형태로 제조되되 진공 흡입을 통한 양각 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 다기능성 섬유 구조체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 섬유 구조체는 식물성 섬유 원료를 이용하여 제조되는 시트상 또는 벌크상 등의 다양한 형태를 갖는 구조체의 표면에 대하여 기존 압착방식의 엠보싱 기술과는 달리 진공 흡입방식의 양각 표면구조를 형성시킴으로써 제품의 표면 구조를 벌크화하고, 공극성을 증대시킴에 따라 완충성과 수분흡수성을 증대시키는 효과가 있다.

또한, 습식성형되는 구조체 제조 공정의 경우에 건조효율 증가를 통한 생산비 절감효과를 가져올 수 있으며, 다양한 패턴의 양각무늬를 제품에 부여하여 부드러움과 제품의 외관특성을 증대시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 다기능성 섬유 구조체의 제조방법을 나타낸 공정도.
도 2는 본 발명에 따른 진공흡입장치를 나타낸 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 진공흡입장치의 다른 실시예를 나타낸 구성도.
도 4는 구조체의 수분함량에 따른 표면 양각화 처리 효과를 나타낸 그래프.
도 5는 표면 양각화 처리에 의한 구조체의 벌크 변화를 나타낸 그래프.
도 6은 구조체의 표면 구조화 처리방식에 따른 벌크 변화 비교를 나타낸 그래프.
도 7은 흡입구 직경 크기에 의한 양각화 가능 크기를 나타낸 예시도.
도 8은 흡입구 직경 크기에 의한 구조체의 표면 양각화 처리 효과를 나타낸 그래프.
도 9는 흡입구 직경 크기에 의한 구조체의 벌크 특성을 나타낸 그래프.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다기능성 섬유 구조체의 제조방법은 식물성 섬유 원료를 준비하는 단계; 준비된 식물성 섬유 원료를 이용하여 구조체를 성형하는 단계; 성형된 구조체의 표면 수분을 조절하는 단계; 수분이 조절된 구조체의 표면에 진공 흡입을 통해 양각화 하는 단계; 및 양각화 된 구조체를 건조시키는 단계를 포함한다.

상기 식물성 섬유 원료를 준비하는 단계에서는 기존의 합성섬유 등으로 제조된 부직포 기반의 소재들을 대체할 수 있는 친환경 섬유 구조체의 제조를 위하여 식물성 섬유 원료를 기반으로 제조한다.

이러한 식물성 섬유 원료는 활엽수 및 침엽수 펄프와 같은 목재섬유이거나 면섬유 또는 마섬유와 같은 비목재섬유 및 재활용 고지섬유로 이루어진다.

상기 구조체를 성형하는 단계에서는 구조체의 습식성형을 수행하기 위한 지료를 제조한다.

즉, 상기 구조체를 성형하는 단계는 식물성 섬유 원료를 물에 풀어서 교반함으로써 균일한 지료를 형성하고, 최종 제품의 품질 특성에 맞도록 다양한 식물성 섬유 지료를 혼합하여 배합하는 단계이다.

보다 구체적으로, 상기 구조체를 성형하는 단계에서는 식물성 섬유 원료를 물에 0.2~5%의 농도를 갖도록 풀어주어 혼합지료를 제조한다.

상기 구조체를 성형하는 단계에서는 식물성 섬유 원료를 사용하여 시트상 구조체를 제조하기 위해 원료를 물에 풀어서 성형하는 습식성형방식이 적용된다.

주로 식물성 섬유 원료를 기반으로 제조되는 시트상 구조체의 습식성형은 환망이나 장망식 초지기를 사용하여 메쉬상에 일정 정도의 두께를 갖도록 구조체를 습식성형하는 제지형 습식성형 방식과, 혼합지료 탱크에서 메쉬망이 장착된 상태에서 지료를 흡입하여 일정한 두께의 습식성형 몰드를 형성하는 몰드형 습식성형 방식 중 어느 하나의 방식으로 수행한다.

특히, 다양한 구조 및 형태의 제품 생산이 가능한 습식성형에 의한 구조체는 혼합지료 탱크에서 일정시간 동안 일정 흡입압력으로 지료를 흡입하여 제조하게 되는데, 성형조건에 따라 습식성형 구조체의 평량을 조절할 수 있는 장점이 있으며, 제지형 방식보다 높은 평량의 벌크한 구조를 갖는 구조체의 성형이 가능하기 때문에 주로 포장용 몰드 제품의 제조에 활용되고 있다.

상기 구조체의 표면 수분을 조절하는 단계는 진공 흡입에 의한 구조체의 표면 양각화 형성을 용이하게 하기 위하여 수행되는 것이다.

식물성 섬유 원료로 제조되는 구조체의 표면에 대한 양각화를 위한 처리를 실시하기 전에 구조체의 식물성 섬유 원료들의 결합상태를 일정 정도 조절하는 것이 필요하다. 이는 식물성 섬유 원료들이 구조체 내에서 강하게 서로 간 결합을 이미 형성한 경우에는 표면 흡입에 의하여 내부 섬유결합이 일정 정도 파괴에 의한 양각화가 이루어지지 않고, 식물성 섬유 원료들 간의 결합력이 매우 약한 경우에는 표면 흡입에 의하여 식물성 섬유 원료들이 뜯겨져 나오는 현상이 발생할 수 있기 때문이다.

식물성 섬유 원료들을 사용하여 구조체를 제조하는 경우에 식물성 섬유 원료들의 결합이 주로 물의 표면장력에 의한 구조 형성과, 섬유간 존재하는 물의 건조에 의한 섬유간 밀착과, 이와 함께 발생되는 섬유간의 수소결합에 의해 발생하게 되는데, 식물성 섬유 원료로 성형된 구조체의 수분함량에 따라 식물성 섬유 원료들 간의 결합력은 크게 달라지게 된다.

따라서 흡입처리에 의한 표면 양각화 형성을 용이하게 수행하기 위해서는 식물성 섬유 원료의 종류 및 성형조건에 따라 일정 정도의 수분함량을 가지는 조건에서 표면 양각화 형성을 실시해야 한다.

이에, 성형된 구조체가 40~60%의 수분을 함유하도록 건조 또는 습윤시키는 것이 바람직하며, 건조방식은 열풍, 열판, 마이크로웨이브, 적외선 등의 다양한 방식이 적용될 수 있다. 더불어, 이송되는 구조체의 표면에 블로워(blower)를 통해 스팀 또는 가열공기를 공급하여 구조체 표면의 수분특성을 조절할 수 있다.

상기 구조체의 수분함량이 60% 이상인 경우에는 수분함량이 높아 식물성 섬유 원료간의 결합력이 낮아져 흡입에 의한 구조체 표면의 터짐이나 뜯김이 발생할 수 있고, 수분함량이 40% 미만인 경우에는 수분함량이 낮아 식물성 섬유 원료간의 결합이 강하게 이루어진 상태로 흡입에 의한 양각화 효과가 나타나지 않는다.

상기 구조체의 표면에 진공 흡입을 통해 양각화 하는 단계에서는 다수의 흡입구가 형성된 진공흡입장치에서 제공되는 흡입력으로 구조체 표면의 일부분을 진공 흡입하여 양각을 형성한다.

즉, 수분함량 조절을 통해 식물성 섬유 원료간의 결합력이 조절된 성형 구조체의 상부면 또는 상ㆍ하부면에 국부적 또는 일정 지정범위에 대하여 진공흡입장치에서 제공되는 흡입력으로 구조체의 표면 일부분을 진공 흡입함으로써 내ㆍ외부 구조의 고벌크화를 부여한다.

특히, 양각화 처리에 의한 구조체의 고벌크화는 구조체의 원료, 평량, 수분함량, 적용 진공압력, 흡입구의 직경 크기, 모양, 진공 흡입시간 등 다양한 공정 조건이 고려되며, 이를 통해, 조건 및 위치별, 전체적인 또는 부분적인 구조체의 고벌크화가 가능하게 된다.

한편, 상기 구조체의 표면에 진공 흡입을 통해 양각화 하는 단계에서는 구조체 표면의 양각화 처리를 위하여 몰드형 구조체에 적용되는 단속방식과 시트형 구조체 적용되는 연속방식 중 하나의 방식에 의해 수행된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 단속방식에서의 진공흡입장치는 다양한 형태의 몰드 성형홈(110)이 형성되어 있는 하부금형(100)과, 상기 하부금형(100)의 상부에 승강 가능하게 배치되되 다수의 흡입구(210)가 형성되어 있는 상부금형(200)으로 구성된다.

즉, 하부금형(100)의 몰드 성형홈(110)에 구조체가 위치한 상태에서 상부금형(200)이 하강을 하여 구조체에 근접하면, 외부의 진공펌프(미도시)에서 발생되는 진공압에 의해 진공이 이루어지면서 흡입구(210)를 통해 구조체 표면의 일부분을 진공 흡입하여 양각을 형성한다.

여기서, 몰드형 구조체의 표면 형태에 따라 구조체의 바닥면, 측면, 곡면 등에 맞추어 양각의 제조가 가능하므로, 제품의 포장시 완충성 및 제품 고정성을 극대화 할 수 있다. 또한, 다양한 패턴의 양각무늬를 구조체에 부여하여 부드러움과 외관특성을 증대시킬 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 연속방식에서의 진공흡입장치는 회전 가능하게 지지되어 수평 이송되는 구조체에 대하여 진공압력에 의한 흡입작용을 발생시키는 진공흡입롤(300)로 구성된다.

상기 진공흡입롤(300)에 의한 방식은 흡수코어 또는 시트상 또는 벌크상 등의 다양한 형태로 연속 생산되는 방식의 구조체를 제조하는 경우에 적용되며, 일정한 속도로 회전하면서 특정 위치에서 진공압을 가하는 방식이다.

즉, 진공흡입롤(300)의 외부에 일정한 패턴을 가지는 다수의 흡입구(310)를 구비함으로써 구조체와 접촉하는 부분에서 일정한 진공압으로 구조체 표면의 일부분을 진공 흡입하여 양각을 형성한다.

여기서, 양각 구조를 형성하는 진공압은 구조체가 진공흡입롤(300)과 접촉하는 지점부터 진공흡입롤(300)과 구조체의 간격이 가장 가까운 중심선까지 적용되며, 그 이후에는 진공압이 적용되지 않고 진공흡입롤(300)과 구조체의 분리가 이루어진다. 이때, 진공압의 적용이 진공흡입롤(300)의 중심선 이후까지 지속되면 진공흡입롤(300)과 구조체의 분리가 원활하지 않고, 지필의 파괴가 발생할 수 있다.

더불어, 상기 연속방식에서는 연속식 컨베이어를 통해 양각처리 진공흡입롤(300)로 투입되는 구조체의 표면을 전처리하는 장치가 구비될 수 있고, 구조체의 양각처리 후 진공흡입롤(300)과 구조체의 분리, 탈착을 용이하게 할 수 있는 에어블로워(air blower)를 추가적으로 설치할 수도 있다.

한편, 상기 진공흡입장치의 진공압력은 0.01~0.2MPa인 것이 바람직하다.

여기서, 진공흡입장치의 진공압력이 0.01MPa 이하인 경우에는 구조체의 양각 구조가 나타나지 않고, 진공흡입장치의 진공압력이 0.2MPa 이상인 경우에는 양각 구조의 파괴가 발생될 수 있다.

적정 진공압력 조건은 흡입구 직경이 작은 경우 상대적으로 높은 진공압력에서도 양각 구조의 파괴가 발생하지 않고, 구조체의 수분함량이 낮은 경우에는 상대적으로 낮은 진공압력 조건에서도 양각 구조의 형성이 잘 이루어지나, 양각 구조의 파괴가 낮은 진공압력에서도 나타날 수 있다.

또한, 진공압력이 0.2MPa 이상의 높은 경우 흡입시간을 1초 이하로 짧게 하여 양각 구조의 파괴를 조절할 수 있다.

따라서, 구조체의 양각 구조를 뚜렷하게 형성시키기 위한 적정 진공압력은 적용 구조체의 수분함량, 흡입구 직경, 진공압력 적용시간 등을 고려하여 0.01~ 0.2MPa 범위에서 각각 선정할 수 있다.

이하, 흡입구 직경 1.0㎝, 구조체의 수분함량 59.3%, 흡입시간 1초의 조건으로 다음과 같은 실험을 실시하였다.

구조체의 진공압력별 특성

	진공 압력 ( - MPa)	양각부분 두께 (㎝)	양각높이 (㎝)	음각깊이 (㎝)	두께증가 (양각-음각) (㎝)	양각구조 두께 ㎝)	양각구조 벌크 (㎤/g)
1	0.02	1.78	0.20	0.18	0.02	1.60	4.93
2	0.04	2.28	0.70	0.64	0.06	1.64	5.03
3	0.06	터짐

※무처리 구조체 벌크 : 4.86 cm³/g

흡입구 직경 1.0㎝에서 구조체의 진공압력별 처리 특성

0.04MPa	0.06MPa

흡입구 직경 0.5㎝에서 구조체의 진공압력별 처리 특성

0.04MPa	0.06MPa	0.08MPa

표 1 내지 표 3에서와 같이, 흡입구 직경이 0.5㎝인 경우 1.0㎝인 경우에 비교하여 높은 진공압력에서도 파괴가 발생되지 않는 것을 확인할 수 있다. 따라서 흡입 진공압력은 흡입구 직경이 작을수록 높게 선정하는 것이 양각 구조의 효율적 제조를 위하여 적절할 것으로 판단된다.

상기 흡입구의 직경은 0.1~2㎝인 것이 바람직하다.

여기서, 흡입구의 직경이 0.1㎝ 이하인 경우에는 구조체의 양각 구조가 작고, 양각이 형성된 이후 구조체가 건조되는 과정 중에 양각 구조가 수축되면서 더욱 작아져 무처리 표면과 같은 수준으로 적절한 양각 구조를 형성하지 못하는 문제가 있다.

흡입구의 직경이 2㎝ 이상인 경우에는 구조체의 양각 처리시 뒷면의 음각이 발생하기 쉬운 경향을 나타냄에 따라 양각처리 효과가 감소되는 문제가 발생할 수 있다.

흡입구 직경 0.1㎝인 경우	흡입구 직경 1㎝인 경우	흡입구 직경 2㎝인 경우

상기 진공흡입장치의 진공 흡입시간은 0.2~3초인 것이 바람직하다.

여기서, 진공흡입장치의 진공 흡입시간이 0.2초 이하인 경우에는 양각의 형성이 잘 이루어지지 않는 문제가 발생하고, 진공흡입장치의 진공 흡입시간이 3초 이상인 경우에는 추가적인 양각의 형성이 이루어지지 않고 양각처리 시간이 길어질수록 생산효율이 낮아지는 문제가 있다.

진공 흡입시간은 흡입구 직경이 클수록, 흡입 진공압력이 낮을수록, 구조체의 수분함량이 낮을수록 길게 적용하는 것이 적절한 양각 구조 형성을 가져온다. 실제 양각 구조는 3초 이상의 흡입시간을 추가적으로 적용하여도 양각 구조의 구조적 특성의 추가적인 변화는 거의 나타나지 않는다.

한편, 구조체 표면의 양각화에 의해 크게 4가지의 구조변화가 발생할 수 있는데, 이것은 구조체의 터짐, 양각과 음각 형성, 양각만 형성, 효과 없음으로 구분할 수 있다.

하기 표 5에서와 같이, 구조체 표면구조가 터지는 상태는 식물성 섬유 원료간 결합력이 충분하지 않아 섬유가 뽑혀나오고, 구조가 파괴된 상태로 표면구조에 터짐, 뜯김 등이 발생하는 것을 말한다.

양각과 음각이 형성되는 상태는 평량이 낮은 구조체에 적용하는 경우 구조체의 표면(상부면)에 양각이 발생하면서 흡입압력에 의해 하부면에서 음각이 발생하는 상태이다.

양각만 형성되는 상태는 적절한 섬유간 결합력이 확보된 상태에서 양각화를 실시함에 따라 양각처리 반대면에 음각이 발생하지 않으면서 양각만이 발생하는 상태이다.

효과 없음의 상태는 식물성 섬유 원료간 결합력이 강하게 형성되어 구조체에 표면 양각화 처리를 진행하여도 구조체의 표면구조 변화가 나타나지 않는 상태로 무처리와 같은 정도의 구조를 유지하는 상태이다.

구조체의 상태와 흡입 양각 공정 조건에 따른 표면 양각화 처리 결과 단면

구조체 상태	구조특성	표면 양각화 처리 후 단면
양각화 무처리	무처리
표면 양각화 처리 시 구조체 파괴	구조의 터짐
표면 양각화 처리 시 상부면과 하부면이 모두 구조변화 발생	양각과 음각 형성
표면 양각화 처리 시 상부면에서만 양각화 변화	양각만 형성
양각화 변화 없음	효과없음

특히, 식물성 섬유 원료를 사용하여 성형된 구조체의 양각화를 실시하는 경우, 양각 구조의 형태적 특성은 구조체의 식물성 섬유 원료의 결합력 정도와 흡입압력, 흡입시간 등의 공정조건에 의하여 달라지게 된다. 특히, 수분함량이 높아 구조체의 강직성이 낮은 상태의 저평량 구조체의 경우에는 흡입시 상부면 뿐만 아니라 하부면의 구조도 변화가 발생하여 오목한 형태의 음각 구조를 나타낸다.

한편, 구조체의 표면에 양각 형성 이후에는 추가적인 코팅처리 등으로 양각표면 구조의 기능성을 강화할 수 있으며, 이때 표면처리용 코팅액으로는 표면의 강도를 조절할 수 있는 전분, 라텍스, PVA, 미세셀룰로오스 등을 사용할 수 있고, 내수성을 부여할 수 있는 로진이나 AKD 등을 적용할 수 있다.

상기 구조체를 건조시키는 단계에서는 구조체의 표면 양각화 처리를 실시한 이후, 다양한 건조방식을 적용하여 구조체를 건조시켜 제품화한다. 이때 적용되는 건조방식은 비접촉식 건조방식을 적용하며, 복사에너지를 이용하는 근적외선 건조기 또는 원적외선 건조기, 파장에너지를 이용하는 마이크로웨이브 건조기, 고주파 건조기, 직접가열식 열풍 건조기, 열판건조기 등의 적용이 가능하다.

본 발명에 의하면, 본 발명의 다기능성 섬유 구조체의 제조방법을 이용하여 섬유 구조체를 제조하게 되며, 상기 섬유 구조체는 식물성 섬유 원료를 습식성형을 통해 시트 또는 벌크 형태로 제조되되 진공 흡입을 통한 양각 구조로 형성된다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 : 섬유 구조체 제조

식물성 섬유 원료 중 활엽수 표백펄프 섬유를 기반으로 한 지료를 제조하고, 300g/㎡로 습식성형된 구조체를 제조하였다.

실시예 2 : 섬유 구조체의 수분함량에 따른 표면 양각화 처리 효과 평가

제조한 구조체의 수분함량을 조절하여 표면 양각화 처리를 실시하여 구조체 수분함량에 따른 양각화 특성변화를 평가하였다. 이때, 구조체의 표면 양각화 처리는 진공흡입장치의 진공압력은 0.1MPa이고, 흡입구의 직경은 1.0㎝이며, 진공 흡입시간은 1~3초 간의 조건으로 실시하였다.

도 4에서와 같이, 구조체의 수분함량을 낮추게 되면 섬유간 결합력이 증가하여 양각화 효과가 감소하게 되지만, 상대적으로 반대면의 음각 형성도 같이 감소하게 된다.

표 6에서와 같이, 본 실시예에서 구조체의 수분함량이 44.47%일 때, 음각이 발생되지 않은 상태에서 양각만 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 특성은 구조체를 형성하는 식물성 섬유 원료의 특성과 구조체의 평량, 두께, 흡입조건 등에 따라 달라질 수 있지만, 양각화와 함께 음각 구조 특성을 고려하는 경우 최적 공정조건을 도출하는 중요한 지표가 될 수 있는 것을 보여주는 것이다.

양각 처리시 구조체의 수분함량에 의한 표면 양각화 처리 특성(흡입구 직경 : 1.0㎝)

	구조체 수분함량 (%)	양각부분 두께 (㎝)	양각높이 (㎝)	음각깊이 (㎝)	두께증가 (양각-음각) (㎝)	양각구조 두께 (㎝)	양각구조 벌크 (㎤/g)
실시예 1	63.42	구조 파괴
실시예 2	59.69	2.01	0.43	0.23	0.20	1.78	5.48
실시예 3	50.32	1.92	0.34	0.14	0.20	1.78	5.48
실시예 4	44.47	1.76	0.18	0	0.18	1.76	5.41
실시예 5	38.48	1.62	0.04	0	0.04	1.62	5.00
실시예 6	32.95	1.61	0.03	0	0.03	1.61	4.97
실시예 7	28.81	1.61	0.03	0	0.03	1.61	4.97

※ 무처리 구조체 벌크 : 4.86㎤/g , 두께 1.58㎝

도 5에 도시된 바와 같이, 양각화를 실시하는 경우 기존 무처리 구조체의 벌크가 4.86㎤/g에서 5.48㎤/g로 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 양각화 된 부분의 두께가 무처리 부분의 두께보다 크게 증가하기 때문인 것으로 나타났다.

도 6에 도시된 바와 같이, 기존의 통상적인 표면 구조를 가져오는 엠보싱 처리를 실시하여 본 실시예의 구조체의 양각화에 의한 효과와 비교 평가하였다. 압착 방식으로 적용되는 엠보싱 처리의 경우에 비해 흡입방식의 양각화에 의한 벌크 상승효과가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 흡입방식은 기존 구조체의 내부 구조의 일부 파괴를 유도함에 따라 내부 공극을 증가시키고, 그에 따른 벌크상승 효과를 가져오기 때문에 압착방식의 엠보싱 처리에 비해 구조체 자체의 벌크가 크게 상승하는 것을 확인할 수 있었다.

기존의 엠보싱 방식과 본 발명의 양각화 방식으로 각각 처리한 구조체의 단면사진을 보여주는 하기 표 7에서 볼 수 있듯이, 표면 양각화 처리 방식의 경우에는 엠보식 처리 방식의 구조체와는 달리 양각화 된 부분의 두께가 실질적으로 두꺼워지고, 벌크화되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 엠보싱 방식의 경우, 요철의 패턴을 압착하여 구조의 변화를 가져오는 방식과는 달리, 본 발명의 표면 양각화 처리기술은 표면 구조를 진공 흡입하여 표면의 식물성 섬유 구조를 외부로 당겨냄으로써 내부 구조의 일부 파괴 및 공극부여를 통한 벌크화가 발생되는 효과를 가져오기 때문이다.

구조체 단면사진

무처리 구조체	표면 양각화 처리 구조체	엠보싱 처리 구조체

실시예 3 : 양각처리 시 흡입구 크기에 따른 표면 양각화 처리 효과 변화

상기 실시예 1의 조건과 같은 조건으로 표면 양각화 처리를 실시함에 있어서 흡입구의 크기를 기존 1.0㎝에서 0.5㎝로 조정하였을 때의 영향을 비교 평가하였다. 흡입구의 크기가 작은 경우, 도 7에서와 같이 당겨져 올라오는 표면구조의 가능 높이가 작아짐에 따라 양각의 크기도 상대적으로 작아진다.

도 8에 도시된 바와 같이, 흡입구 구경이 0.5㎝인 조건으로 양각화를 실시한 경우, 1.0㎝ 흡입구로 양각화를 실시한 경우와 같이 구조체의 수분함량에 따라 벌크 상승효과가 다르게 나타나는 것을 볼 수 있었는데, 약 46%일 때 벌크가 5.20㎤/g로 가장 높은 벌크가 형성되는 것을 확인할 수 있었다.

양각 처리시 구조체의 수분함량에 의한 표면 양각화 처리 특성(흡입구 직경 : 0.5㎝)

	흡입구경 (㎝)	구조체의 수분함량 (%)	양각부분 두께 (㎝)	양각높이 (㎝)	음각깊이 (㎝)	두께증가 (양각-음각) (㎝)	양각구조 두께 (㎝)	양각구조 벌크 (㎤/g)
실시예8	0.5	62.17	표면 구조 파괴
실시예9	0.5	54.76	1.92	0.34	0.25	0.09	1.67	5.15
실시예10	0.5	46.90	1.92	0.34	0.23	0.11	1.69	5.20
실시예11	0.5	36.36	1.66	0.08	0	0.08	1.66	5.11
실시예12	0.5	28.81	1.62	0.04	0	0.04	1.62	4.98

※ 무처리 구조체 벌크 : 4.86㎤/g, 두께 1.58㎝

도 9에 도시된 바와 같이, 흡입구의 크기가 상대적으로 큰 직경 1.0㎝ 일 때 상대적으로 높은 큰 양각이 형성되어 벌크의 상승효과도 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

실시예 4 : 흡입구의 형태에 따른 양각 구조 조절

진공 흡입시 흡입구의 형태를 다르게 하여 적용함으로써 다양한 형태의 양각구조 발현성을 평가하였다. 활엽수 표백펄프 섬유를 원료로 평량 300g/㎡의 시트상 구조체를 성형한 이후 구조체의 수분함량을 55%로 조절하고, 진공압력 0.1MPa, 진공 흡입 시간은 2초로 적용하였다. 이때 흡입구의 형태를 원형, 사각형, 육각형으로 각각 처리한 후 발현되는 양각 구조의 형태를 평가하였다.

표 9에서와 같이, 진공 흡입시 흡입구의 형태를 조절함에 따라 다양한 형태를 가지는 표면 양각 구조를 제조할 수 있는 것을 확인할 수 있었고, 이를 통해 제품의 상품적, 기능적 가치를 증대시키기 위한 다양한 형태와 패턴의 양각을 진공 흡입 방식으로 제조할 수 있음을 확인하였다.

진공 흡입시 흡입구의 형태에 따른 양각 구조 형태변화

원형 흡입구 적용	사각형 흡입구 적용	육각형 흡입구 적용	패턴형 흡입구 적용

실시예 5 : 표면 양각화 처리에 의한 표면 양각 구조의 내부구조 평가

표면 양각화 처리에 의한 표면 양각 구조의 내부 구조를 평가하기 위하여 전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, FESEM)을 이용하여 구조체의 단면 분석을 실시하였다.

표 10에서와 같이, 미처리 구조체의 경우에는 섬유들이 일정하게 조밀한 구조를 형성하고 있는 것을 확인할 수 있는데 반해, 표면 양각 구조에서는 양각 구조 내부에 공극이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 이는 흡입방식으로 표면 섬유층이 양각화 되면서 양각 구조 내부에서의 섬유들의 결합이 느슨해지며 공극이 형성되는 것을 보여주는 결과라고 할 수 있다. 기존의 엠보싱 처리 기술은 압착방식으로 이루어짐에 따라 구조체 자체의 내부 구조 변화를 유도할 수 없는데 반해, 본 발명의 진공 흡입 방식의 경우 구조체 내부 구조에 공극성을 부여함에 따라 구조체 자체의 고벌크화를 부여할 수 있는 것을 보여주는 결과이다.

표면 양각화 처리에 의한 구조체 내부구조 변화

무처리 시트	표면 양각화 처리 시트(실시예 4)

실시예 6 : 표면 양각화 처리에 의한 구조체 수분흡수량 증대효과 평가

표면 양각화 처리를 실시한 구조체의 수분흡수량 변화를 평가하였다. 수분흡수량 평가는 각각의 구조체 시편을 1×1㎝의 크기로 준비한 후, 증류수에 침지하여 약 1분간 포수시킨 후 꺼내어 습지를 이용하여 표면의 중력수를 제거한 후, 시편의 처리 전 시료자체 무게 대비 흡수된 물에 의한 무게증가량으로 수분흡수량을 평가하였다. 수분흡수량이 높을수록 구조체가 구조 내부에 흡수할 수 있는 수분량이 높은 것을 나타낸다.

표면 양각화 처리에 의한 수분흡수량 변화를 하기 표 11에 나타내었다. 표면 양각화 처리된 구조체의 수분흡수량은 537%, 무처리 구조체의 수분흡수량은 499%로 표면 양각화 처리에 의한 수분흡수량이 증가하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 양각화에 의해 구조체 내부에 공극이 형성되고, 벌크가 증가되어 나타나는 효과로 판단되었다.

구조체의 표면 양각화 처리에 의한 수분흡수량 변화

	처리조건	수분흡수량(%)
1	무처리 구조체	499
2	표면 양각화 처리 구조체 (실시예 2)	537

실시예 7 : 표면 양각화 처리에 의한 완충성 증대효과 평가

구조체의 표면 양각화를 통한 완충성 증대효과를 평가하였다. 완충성 평가는 각각의 시편에 쇠구슬을 자유낙하시켜 표준 바닥면에서 튀어오르는 높이와 시편에 의해 튀어오르는 높이가 감소되는 효과를 비교 평가하였다. 표 12에서와 같이 실험을 실시하였고, 이때 실험에 적용한 쇠구슬은 직경 20.62㎜, 무게 35.866g의 쇠구슬을 적용하였으며, 70㎝ 높이에서 자유 낙하시켜 다시 튀는 높이를 각각 평가하고, 표준 바닥면에서의 다시 튀는 높이와 비교하여 완충효과에 의해 나타나는 다시 튀는 높이의 감소율을 %로 나타내어 완충성을 비교평가 하였다.

	완충성 : 표준바닥면	완충성평가 : 저완충성	완충성평가 : 고완충성
모식도
비고	-	- 표준 바닥면위의 시편에 의해 쇠구슬의 다시 튀는 현상이 감소되는 완충효과를 평가함 - 다시 튀는 높이가 낮을수록 완충효과가 높아 완충성이 높은 것을 나타냄

표 13에서와 같이, 무처리 구조체와 표면 양각 처리 구조체를 각각 평가한 결과, 표준 바닥면 대비 각각 11.1%와 29.4%의 완충성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 표면 양각화 처리는 벌크와 내부 공극성을 증가시킴에 따라 구조체의 완충성이 크게 증가되는 것을 확인할 수 있었다.

처리조건	완충성 (%)
무처리 구조체	11.1
표면 양각화 처리 구조체 (실시예 2)	29.4

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양한 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.

100 : 하부금형 110 : 몰드 성형홈
200 : 상부금형 210 : 흡입구
300 : 진공흡입롤 310 : 흡입구

Claims (11)

1. (a) 식물성 섬유 원료를 준비하는 단계;
   (b) 상기 (a)단계에서 준비된 식물성 섬유 원료를 이용하여 구조체를 성형하는 단계;
   (c) 상기 (b)단계에서 성형된 구조체의 표면 수분을 조절하는 단계;
   (d) 상기 (c)단계에서 수분이 조절된 구조체의 표면에 진공 흡입을 통해 양각화 하는 단계; 및
   (e) 상기 (d)단계에서 양각화 된 구조체를 건조시키는 단계;를 포함하며,
   상기 (c)단계에서는 상기 (b)단계에서 성형된 구조체가 40~60%의 수분을 함유하도록 건조 또는 습윤시키는 것을 특징으로 하는 다기능성 섬유 구조체의 제조방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 식물성 섬유 원료는 목재섬유, 재활용 고지섬유 또는 비목재섬유 중 하나인 것을 특징으로 하는 다기능성 섬유 구조체의 제조방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 (b)단계에서는 구조체의 습식성형을 수행하기 위한 지료를 제조하며, 식물성 섬유 원료를 물에 0.2~5%의 농도를 갖도록 풀어주어 혼합지료를 제조하는 것을 특징으로 하는 다기능성 섬유 구조체의 제조방법.
   
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 (d)단계에서는 다수의 흡입구가 형성된 진공흡입장치에서 제공되는 흡입력으로 구조체 표면의 일부분을 진공 흡입하여 양각을 형성하는 것을 특징으로 하는 다기능성 섬유 구조체의 제조방법.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 진공흡입장치는 다양한 형태의 몰드 성형홈이 형성되어 있는 하부금형과, 상기 하부금형의 상부에 승강 가능하게 배치되되 다수의 흡입구가 형성되어 있는 상부금형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 다기능성 섬유 구조체의 제조방법.
   
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 진공흡입장치는 회전 가능하게 지지되어 수평 이송되는 구조체에 대하여 진공압력에 의한 흡입작용을 발생시키는 진공흡입롤로 구성되는 것을 특징으로 하는 다기능성 섬유 구조체의 제조방법.
   
8. 청구항 5에 있어서,
   상기 진공흡입장치의 진공압력은 0.01~0.2MPa인 것을 특징으로 하는 다기능성 섬유 구조체의 제조방법.
   
9. 청구항 5에 있어서,
   상기 흡입구의 직경은 0.1~2㎝인 것을 특징으로 하는 다기능성 섬유 구조체의 제조방법.
   
10. 청구항 5에 있어서,
    상기 진공흡입장치의 진공 흡입시간은 0.2~3초인 것을 특징으로 하는 다기능성 섬유 구조체의 제조방법.
    
11. 청구항 1 내지 청구항 3 및 청구항 5 내지 청구항 10 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조되며,
    식물성 섬유 원료를 습식성형을 통해 시트 또는 벌크 형태로 제조되되 진공 흡입을 통한 양각 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 섬유 구조체.
    

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