KR102201584B1 - Uv 경화코팅방법을 이용한 전기전도성 쉬스코어형섬유소재의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 쉬스부에 광개시제를 함유한 쉬스코어형합섬섬유사에 자외선 경화방식을 적용하여 전기전도성 입자를 섬유표면에 처리함으로써 섬유에 전기전도성을 효율적으로 부여하는 기술에 관한 것으로서 본 발명에 의해 광개시제에 의한 전도성입자의 기능저하를 방지하여 안정적이고 효율적인 전기전도성을 발현할 수 있는 전기전도성섬유소재를 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 쉬스부에 광개시제를 함유한 쉬스코어형합섬섬유사에 자외선 경화방식을 적용하여 전기전도성 입자를 섬유표면에 처리함으로써 섬유에 전기전도성을 효율적으로 부여하는 기술에 관한 것이다.
고부가 가치를 가진 하이테크섬유분야의 산업은 높은 성장성과 함께 활용분야의 확대로 각광을 받고 있다. 이러한 산업용 및 기능성 섬유 분야의 대표적 종류에는 나노섬유, 스마트 섬유, 인공지능섬유, 바이오메디칼 섬유 등이 있으며, 그 대표적인 예로서 전도성섬유의 경우 스마트섬유분야에 대한 관심 고조로 그 수요가 크게 증가하고 있는 추세이다.
종래에는 전기전도성을 갖는 합성섬유를 제조하기 위해서는 전기전도성 입자를 섬유형성능 고분자(폴리에스터, 나일론 등)에 혼입하여 방사하는 공정을 통해 제조하였다.
하지만, 이와 같은 경우에는 섬유방사성 때문에 혼입할 수 있는 전기전도성입자의 양이 최대 3 wt% 내외정도로서 제한적이어서 전기전도성의 극대화가 어려운 실정이었다.
또한, 가능한한 섬유의 표면에 전기전도성입자가 존재해야만 기능성을 충분히 발현할 수 있거나 또는 기능저하가 발생되지 않지만, 섬유내에 전기전도성입자가 존재하는 위치를 임의로 조절하는 것이 불가능하였다.
한편, 섬유에 전기전도성을 부여하는 다른 방법으로서 진공증착, 수지코팅 등의 방법이 소개되었으나, 금속이 부착된 섬유를 장기간 사용하면 마찰이나 세탁 등에 의하여 금속분이 쉽게 탈락되는 문제점이 있었다.
일부 선행기술에서는 전기전도성물질을 함유한 자외선 경화액을 섬유에 도포한 후 자외선 경화방식을 통해 섬유상에 코팅하는 방법이 소개되고 있으나, 자외선 경화를 위해 필수적으로 사용해야 하는 자외선 경화액에 포함된 광개시제에 의해 금속 입자의 산화에 의해 기능 저하가 발생하는 문제점이 발생되어 이의 개선이 요구되고 있는 실정이다.
그러므로 본 발명에서는 전기전도성물질을 함유한 자외선 경화액을 섬유에 도포한 후 자외선 경화방식을 통해 섬유상에 코팅하는 방법을 사용하되 광개시제에 의한 전기전도성입자의 기능저하를 방지하여 안정적이고 효율적인 전기전도성을 발현할 수 있는 전기전도성섬유소재의 제공을 기술적과제로 한다.
그러므로 본 발명에 의하면, 자외선 경화형 모노머 40~60 중량%, 자외선 경화형 올리고머 40~60 중량%가 혼합된 자외선 경화 코팅액을 준비한 후,
상기 자외선 경화 코팅액 100중량부 대비 5 ~ 30중량부의 전기전도성입자를 자외선 경화 코팅액에 분산시킨 후,
쉬스부에 광개시제를 함유한 쉬스코어형합섬섬유사를 상기 자외선 경화 코팅액에 함침한 후, 일정한 압력의 압착롤러를 통과시켜 상기 쉬스코어형합섬섬유사표면에 코팅층을 형성시킨 후,
상기 코팅된 쉬스코어형합섬섬유사에 파장범위 260~395nm인 자외선을 조사하여 상기 자외선 경화 코팅액을 경화시키는 것을 특징으로 하는 UV 경화코팅방법을 이용한 전기전도성 쉬스코어형섬유소재의 제조방법이 제공된다.
이하 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 쉬스부에 광개시제를 함유한 쉬스코어형합섬섬유사에 자외선 경화방식을 적용하여 전기전도성 입자를 섬유표면에 처리함으로써 섬유에 전기전도성을 부여하는 기술에 관한 것이다.
본 발명의 UV 경화코팅방법을 이용한 전기전도성 쉬스코어형섬유소재의 제조방법은 크게 쉬스부에 광개시제를 함유한 쉬스코어형합섬섬유사의 제조, 전기전도성입자가 분산된 자외선 경화 코팅액에 함침, 자외선을 조사하여 자외선 경화 코팅액을 경화하는 단계로 나뉘어진다.
먼저 쉬스부에 광개시제를 함유한 쉬스코어형합섬섬유사의 제조에 관하여 설명하기로 한다. 상기 쉬스코어형합섬섬유사의 복합방사는 크게 용융단계, 방사단계, 냉각단계 및 권취단계로 이루어진다. 용융단계에서는 폴리머칩과 광개시제를 함유한 폴리머칩을 각각 용융시켜 별도의 폴리머공급도관으로 이송하여 다음단계인 방사단계에 공급하게 된다. 익스트루더는 통상의 합성섬유방사에 사용하는 익스트루더를 사용할 수 있으며, 투입되는 폴리머칩의 종류에 따라 적정한 용융조건을 조절하여 상기 2종의 폴리머칩을 용융시킬 수 있다.
상기 사용되는 폴리머칩은 폴리에스테르, 나일론, 폴리프로필렌 및 아크릴 중 어느 하나를 사용할 수 있으며, 쉬스용 폴리머와 코어용 폴리머는 동종의 폴리머로 선정하되 상대점도를 상이하게 할 수 있음은 공지의 방법과 동일하나, 상기 광개시제를 함유한 폴리머칩은 쉬스부를 형성하도록 쉬스코어용 방사구금으로 공급되며, 코어부는 광개시제를 함유하지 않는 폴리머가 공급된다.
상기 쉬스부를 형성하는 폴리머칩에 함유되는 광개시제는 Igacure 127(2-Hydroxy-1-{4-[4-(2-hydroxy-2-methyl-propionyl)-benzyl]phenyl}-2-methyl-propan-1-one), Igacure 819(Bis(2,4,6-trimethylbenzoyl)-phenylphosphineoxide), Igacure 2959(2-Hydroxy-1-[4-(2-hydroxyethoxy)phenyl]-2-methyl-1-propanone), Darocure TPO(Diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphine) 및 ITX(2-Isopropylthioxanthone) 중 어느 하나이상의 광개시제를 사용하되, 쉬스부에 2~5중량% 함유하도록 하는 것이 바람직하다. 2중량%미만에서는 광중합이 제대로 진행되지 않는 문제점이 발생하며, 5중량%를 초과하는 경우에는 방사성에 문제가 발생할 수 있다.
상기 광개시제는 평균입경 0.5~0.8㎛인 고체형의 광개시제인 것이 방사 작업성 및 원사 물성 저하를 방지할 수 있고 광개시제가 쉬스부의 표면에 가깝도록 분포할 수 있어 바람직하다. 평균입경 0.5㎛미만인 경우는 폴리머 내에 광개시제입자의 분산이 골고루 되지 않으므로 응집 현상을 극복하기 어렵고, 1㎛를 초과하는 경우에는 방사 중 절사 및 공정 저하의 직접적인 원인이 되며 방사 노즐 내에 여과층이 쌓이게 되는 문제점이 된다.
쉬스/코어의 중량비는 20:80~30:70인 것이 가장 바람직한데, 쉬스의 비율이 20% 미만인 경우에는 광개시제가 응집된 형태로 존재하여 광중합성이 저하될 수 있으며, 쉬스의 비율이 30% 초과인 경우는 광개시제가 쉬스표면부분에 충분히 분포되지 않아 자외선 경화 코팅액과의 반응에 문제점이 생길 수 있다.
상기 각각 용융된 코어용 폴리머와 쉬스용 폴리머는 통상적으로 사용되는 쉬스코어용 방사구금에 공급되어 동시에 방사되는데, 상기 방사구금은 투입되는 상기 2종의 폴리머가 서로 혼합되지 않도록 설계된 것을 사용하여 방사액이 토출되는 각각의 방사구에서는 한종류의 방사액만이 토출되도록 해야한다.
상기 방사구금에서의 방사온도는 적용하는 폴리머의 융점을 감안하여 적절하게 조절하는 것이 적합하며, 원사생산성 및 방사작업성측면에서 바람직하다. 상기 방사구금을 통해 동시에 용융방사된 복합필라멘트사조는 통상적인 방법과 같이 구금직하의 사조냉각구간을 통과시키면서 냉각시켜 고화하게 된다. 상기 사조냉각구간을 통과하면서 고화된 필라멘트들은 오일을 부여하면서 집속을 하게 된다.
이렇게 제조된 쉬스부에 광개시제를 함유한 쉬스코어형합섬섬유사는 후술하는 자외선 경화 코팅액의 코팅시 섬유사의 쉬스부에 존재하는 광개시제와 아크릴계 코팅 조성액이 섬유사 표면에서 광개시제에 의한 라디컬 중합반응을 일으키게 하여 자외선 경화 코팅액이 경화될 수 있도록 할 수 있다.
이렇게 쉬스부에 광개시제를 함유한 쉬스코어형합섬섬유사를 제조한 후, 자외선 경화 코팅액에 함침하게 된다. 상기 자외선 경화 코팅액은 자외선 경화형 모노머 40~60 중량%, 자외선 경화형 올리고머 40~60 중량%가 혼합된 것을 사용하는데, 기존의 자외선 경화 코팅액이 광개시제를 함유하는 것과는 달리 본 발명의 자외선 경화 코팅액은 광개시제를 함유하지 아니한다.
본 발명의 자외선 경화 코팅액은 광개시제를 함유하지 않아 함께 분산되는 전기전도성입자의 기능을 저하하지 않으면서도 상기 쉬스코어형합섬섬유사의 쉬스부에 함유된 광개시제와의 반응에 의해 자외선 조사시 광경화가 될 수 있도록 한 것이다.
상기 자외선 경화형 모노머는 메틸메타크릴레이트(methyl methacrylate), 이소보닐아크릴레이트(Isobonyl acrylate), 테트라하이드로퍼퓨릴 아크릴레이트(Tetrahydrofurfuryl acrylate), 2-하이드록시에틸아크릴레이트(2-hydroxyethyl acrylate), 2-하이드록시에틸메타크릴레이트(2-hydroxyethyl methacrylate), 2-하이드록시프로필아크릴레이트(2-hydroxypropyl acrylate), n-부틸 아크릴레이트(n-butyl acrylate), 헥산디올디아크릴레이트(Hexanediol diacrylate), 에톡시에톡시에틸아크릴레이트(Etoxy Etoxy ethylacrylate), 옥타데실 아크릴레이트(Octadecyl acrylate) 중 어느 하나 이상이고, 상기 자외선 경화형 올리고머는 우레탄계 아크릴레이트, 에폭시계 아크릴레이트, 불포화 폴리에스터계 아크릴레이트, 비닐계 아크릴레이트, 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate) 중 어느 하나 이상의 올리고머인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
이후 상기 자외선 경화 코팅액에 자외선 경화 코팅액 100중량부 대비 5 ~ 30중량부의 전기전도성입자를 자외선 경화 코팅액에 분산시키는데, 상기 전기전도성입자는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리사이오펜 중 어느 하나 이상인 고분자 타입의 전기전도성 입자 또는 구리, 구리·주석합금, 은, 금 중 어느 하나 이상인 금속 타입의 전기전도성 입자인 것을 사용하여 전기전도성을 부여할 수 있어 바람직하다. 기존의 전기전도성 섬유를 제조하기 위해 자외선 경화를 이용하는 경우에는 자외선 경화액에 함유된 광개시제에 의해 전기전도성 입자의 산화에 의해 전기전도성 입자의 기능저하가 발생되었으나, 본 발명에서는 전도성 입자를 충분히 분산시킨 상태에서 수 초내에 반응이 일어나기 때문에 비중에 의해 전도성 입자가 가라앉아 전도성 입자와 광개시제와의 접촉이 일어나지 않으므로 이러한 문제점을 극복할 수 있다.
이렇게 준비된 상기 전기전도성 입자가 분산된 자외선 경화 코팅액에 쉬스코어형합섬섬유사를 함침한 후, 일정한 압력의 압착롤러를 통과시켜 상기 섬유사 표면에 코팅층을 형성시킨다. 일정한 두께의 코팅층을 형성하기 위한 압착롤러부는 압력조절이 가능한 유연한 재질의 고무 또는 실리콘 재질이어야 한다. 압착롤러의 압력조절은 섬유 실 표면의 코팅층 두께를 조절하기 위한 장치로서 높은 압력의 압착시 너무 얇은 박막 또는 일부 미코팅 부분이 발생되어 코팅층의 균일성이 저하될 수 있고, 낮은 압력의 압착시에는 코팅층이 두껍기 때문에 액상의 코팅액의 흐름에 의해 경화 후 코팅층의 균일도가 저하되어 코팅사를 이용한 제직이 불가능할 수 있다.
이후 상기 코팅된 섬유사에 파장범위 260~395nm인 자외선을 조사하여 상기 자외선 경화 코팅액을 경화시키는데, 상기 자외선 조사는 수은 램프에 Fe, Ga, Mg 중 어느 하나 이상의 금속물질이 첨가된 메탈 할라이드 램프와 가장 장파장(395nm)의 자외선을 조사시킬 수 있는 자외선 LED를 사용하는 것이 바람직한데, 이는 수은 램프보다 장파장의 자외선이 조사되어 코팅층의 경화를 수초에서 수분이내에 이룰 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있다.
자외선 LED는 조사하였을 경우 상온(20~30℃)에서 경화할 수 있기 때문에 열에 민감한 섬유소재에 적용하기 용이하다. 또한 자외선 조사공정의 전후에 적외선(Infrared) 건조부를 추가로 설치하여 적외선 건조공정을 행할 수 있는데, 이는 함유되어 있는 수분을 건조시키거나 수용성 또는 수분산 배합액을 사용하는 경우 수분 건조를 통한 경화도를 향상시키는데 목적이 있다.
이렇게 본 발명에 의한 UV 경화코팅방법을 이용한 전기전도성 쉬스코어형섬유소재의 제조방법에 의하면 쉬스부에 광개시제를 함유한 쉬스코어형합섬섬유사에 광개시제를 함유하지 않는 자외선 경화 코팅액을 코팅하여 섬유사에 존재하는 광개시제와 아크릴계 코팅 조성액이 섬유사 표면에서 광경화반응을 일으키게 하여 자외선 경화 코팅액이 경화되도록 하고 자외선 경화 코팅액에 분산된 전기전도성입자의 기능을 저하하지 않도록 할 수 있게 된다.
그러므로 본 발명에서는 전도성물질을 함유한 자외선 경화액을 섬유에 도포한 후 자외선 경화방식을 통해 섬유상에 코팅하는 방법을 사용하되 광개시제에 의한 전도성입자의 기능저하를 방지하여 안정적이고 효율적인 전기전도성을 발현할 수 있는 전기전도성섬유소재를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 의해 제조된 전기전도성 쉬스코어형섬유소재의 표면사진이다.
다음의 실시예에서는 본 발명의 UV 경화코팅방법을 이용한 전기전도성 쉬스코어형섬유소재의 제조방법의 비한정적인 예시를 하고 있다.
[실시예 1]
폴리에스터 폴리머칩과 광개시제(Irgacure 819)를 3중량% 함유한 폴리에스터 폴리머칩을 각각 용융시켜 별도의 폴리머공급도관으로 이송하여 공급한 후, 통상의 합성섬유방사에 사용하는 익스트루더를 사용하여 상기 2종의 폴리머칩을 용융시키고, 상기 광개시제를 함유한 폴리머칩은 쉬스부를 형성하도록 쉬스코어용 방사구금으로 공급되며, 코어부는 광개시제를 함유하지 않는 폴리머를 공급하여 쉬스/코어의 중량비 20:80가 되도록 방사하고 냉각시킨 후 오일을 부여하면서 집속을 하였다. (방사구금에서의 방사온도: 295℃, 방사속도 4,000m/분)
이후, 히드록시에틸 메타크릴레이트와 에톡시에톡시에틸아크릴레이트가 혼합된 자외선 경화형 모노머 40 중량%, 지방족 우레탄 아크릴레이트와 아크릴릭 아크릴레이트가 혼합된 자외선 경화형 올리고머 60 중량%가 혼합된 자외선 경화 코팅액을 제조한 후, 상기 자외선 경화 코팅액에 자외선 경화 코팅액 100중량부 대비 20중량부의 평균입경 0.5~0.7㎛인 구리 입자를 자외선 경화 코팅액에 투입하여 혼합한 후 균질기에서 5분 이상 분산하였다.
이렇게 준비된 상기 전기전도성 입자가 분산된 자외선 경화 코팅액이 담긴 함침부에 쉬스코어형합섬섬유사를 진행시켜 일정량의 코팅액을 도포한 후 두 개의 압착롤러에 일정한 압력(1MPa)으로 압착하여 박막 코팅층을 형성시킨 후, 지표로부터 수평방향으로 파장범위 260~395nm인 자외선 램프와 LED를 조사하고 액상의 코팅액을 광경화를 통해 20m/min의 속도로 경화하고 리와인더(rewinder)부에서 감아서 마감하였다.
[실시예 2]
실시예 1에서 전기전도성입자를 폴리아닐린으로 하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
[비교예 1]
실시예 1에서 섬유를 쉬스코어형태가 아닌 단일 성분의 폴리에스터필라멘트를 사용하고 히드록시에틸 메타크릴레이트와 에톡시에톡시에틸아크릴레이트가 혼합된 자외선 경화형 모노머 40 중량%, 지방족 우레탄 아크릴레이트와 아크릴릭 아크릴레이트가 혼합된 자외선 경화형 올리고머 57 중량% 및 광개시제로서 Irgacure 819 3중량%가 혼합되고 구리 입자가 분산된 자외선 경화 코팅액에 함침하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
[비교예 2]
비교예 1에서 전기전도성입자를 폴리아닐린으로 하는 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 실시하였다. 코팅작업이 완료된 섬유의 물성시험결과는 표 1과 같다.
| 구분 | 전기전도도 |
| 실시예 1 | 50 S/cm |
| 실시예 2 | 8 S/cm |
| 비교예 1 | 20 S/cm |
| 비교예 2 | 1 S/cm |
Claims (5)
- 자외선 경화형 모노머 40~60 중량%, 자외선 경화형 올리고머 40~60 중량%가 혼합된 자외선 경화 코팅액을 준비한 후,
상기 자외선 경화 코팅액 100중량부 대비 5 ~ 30중량부의 전기전도성입자를 자외선 경화 코팅액에 분산시킨 후,
쉬스부에 광개시제를 함유한 쉬스코어형합섬섬유사를 상기 자외선 경화 코팅액에 함침한 후, 일정한 압력의 압착롤러를 통과시켜 상기 쉬스코어형합섬섬유사표면에 코팅층을 형성시킨 후,
상기 코팅된 쉬스코어형합섬섬유사에 파장범위 260~395nm인 자외선을 조사하여 상기 자외선 경화 코팅액을 경화시키는 것을 특징으로 하는 UV 경화코팅방법을 이용한 전기전도성 쉬스코어형섬유소재의 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 쉬스부에 광개시제를 함유한 쉬스코어형합섬섬유사는 쉬스부에 Igacure 127(2-Hydroxy-1-{4-[4-(2-hydroxy-2-methyl-propionyl)-benzyl]phenyl}-2-methyl-propan-1-one), Igacure 819(Bis(2,4,6-trimethylbenzoyl)-phenylphosphineoxide), Igacure 2959(2-Hydroxy-1-[4-(2-hydroxyethoxy)phenyl]-2-methyl-1-propanone), Darocure TPO(Diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphine) 및 ITX(2-Isopropylthioxanthone) 중 어느 하나이상의 광개시제를 2~5중량% 함유하도록 쉬스코어형으로 복합방사된 쉬스코어형합섬섬유사인 것을 특징으로 하는 UV 경화코팅방법을 이용한 전기전도성 쉬스코어형섬유소재의 제조방법. - 제 2항에 있어서,
상기 광개시제는 평균입경 0.5~0.8㎛인 고체형의 광개시제인 것을 특징으로 하는 UV 경화코팅방법을 이용한 전기전도성 쉬스코어형섬유소재의 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 전기전도성입자는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리사이오펜 중 어느 하나 이상인 고분자 타입의 전기전도성 입자 또는 구리, 구리·주석합금, 은, 금 중 어느 하나 이상인 금속 타입의 전기전도성 입자인 것을 특징으로 하는 UV 경화코팅방법을 이용한 전기전도성 쉬스코어형섬유소재의 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 자외선 경화형 모노머는 메틸메타크릴레이트(methyl methacrylate), 이소보닐아크릴레이트(Isobonyl acrylate), 테트라하이드로퍼퓨릴 아크릴레이트(Tetrahydrofurfuryl acrylate), 2-하이드록시에틸아크릴레이트(2-hydroxyethyl acrylate), 2-하이드록시에틸메타크릴레이트(2-hydroxyethyl methacrylate), 2-하이드록시프로필아크릴레이트(2-hydroxypropyl acrylate), n-부틸 아크릴레이트(n-butyl acrylate), 헥산디올디아크릴레이트(Hexanediol diacrylate), 에톡시에톡시에틸아크릴레이트(Etoxy Etoxy ethylacrylate), 옥타데실 아크릴레이트(Octadecyl acrylate) 중 어느 하나 이상이고, 상기 자외선 경화형 올리고머는 우레탄계 아크릴레이트, 에폭시계 아크릴레이트, 불포화 폴리에스터계 아크릴레이트, 비닐계 아크릴레이트, 폴리비닐부티랄(Polyvinyl butyral), 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate) 중 어느 하나 이상의 올리고머인 것을 특징으로 하는 UV 경화코팅방법을 이용한 전기전도성 쉬스코어형섬유소재의 제조방법.
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