KR102258885B1 - 그래핀 코팅층이 적용된 폴리프로필렌 방적사의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리프로필렌 방적사의 표면에 소정의 그래핀 소재를 코팅함으로써 방수, 소취, 통전, 원적외선 방출 등 추가적인 기능 부여에 기인하여 다양한 분야의 제품에 적용 가능하게 구성되고, 나아가 Pilling 성이 적극적으로 감소하는 Ring Compact 방식을 활용하여 쾌적한 제조환경 내에서 우수한 품질의 폴리프로필렌 방적사를 제조할 수 있는 그래핀 코팅층이 적용된 폴리프로필렌 방적사의 제조방법에 관한 것으로, 폴리프로필렌(Polypropylene)에 마스터배치(Master batch)를 첨가하여 방사하고, 방적 공정을 거쳐 방적사를 생성하는 방적사 생성단계(S100);와, 방적사의 표면에 그래핀을 도포하는 방적사 코팅단계(S200);와, 코팅된 방적사를 추가 연사한 후 설정 온도의 열 세팅과 싸이징 공정을 거쳐 생성된 경사 빔을 이용하여 원단을 제직하고, 원단의 촉감유지를 위해 설정 온도로 열처리하는 원단 제직단계(S300);로 구성된다.

Description

그래핀 코팅층이 적용된 폴리프로필렌 방적사의 제조방법{Manufacturing method of polypropylene spun yarn}

본 발명은 폴리프로필렌 방적사의 제조환경 개선 및 기능 보완을 위한 기술사상을 개진한 것으로, 더욱 상세하게는 폴리프로필렌 방적사의 표면에 소정의 그래핀 소재를 코팅함으로써 방수, 소취, 통전, 원적외선 방출 등 추가적인 기능 부여에 기인하여 다양한 분야의 제품에 적용 가능하게 구성되고, 나아가 Pilling 성이 적극적으로 감소하는 Ring Compact 방식을 활용하여 쾌적한 제조환경 내에서 우수한 품질의 폴리프로필렌 방적사를 제조할 수 있는 그래핀 코팅층이 적용된 폴리프로필렌 방적사의 제조방법에 관한 것이다.

통상 폴리프로필렌 방적사는 폴리프로필렌을 방사 및 방적하여 제조되며, 탄소 3개로 이루어진 프로필렌 단량체가 사슬 성장 중합으로 얻어지는 열가소성 고분자 소재로써, 특히 PP 소재는 수분 배출이 뛰어나고 속건, 경량, 열 전도성, 내약품성, 화학 반응 방지, 항균, 방취, 내마모성, 친환경성, 정전기 발생 차단, 극성 오염물질 저항성 등의 특성을 보유하여 꿈의 섬유 또는 최후의 섬유로 지칭되고 있다.

이러한 폴리프로필렌 방적사를 이용한 기술사례로는 공개특허공보 제10-2006-0111402호 "기능성조성물 PP방적사 제조"와, 공개특허공보 제10-2008-0043113호 "새로운 기능성 PP 방적사 제조방법"이 게재되어 있으며, 상기 기술들은 은나노 콜로이드 조성물 또는 은나노 콜로이드 토르말린 조성물을 음이온 광물질 파우더와 혼합으로 이루어지는 은나노 안료 조성물을 PE나 PP 수지와 혼합하여 마스터배치를 생성하고, 상기 마스터배치를 PP 수지칩과 혼합하여 화이바를 제조한 후 방적기를 이용하여 PP 방적사를 제조하는 기술을 제안한 바 있다.

다만, 이러한 방적사는 방수 성능이 미비하여 방수 제품으로 제작되지는 않는다.

한편, 그래핀은 꿈의 나노 물질로 지칭되며 흑연으로부터 한 층을 떼어낸 것으로, 육안으로 식별할 수 없을 만큼 매우 얇은 박판으로 이루어진 것을 말한다. 상기 그래핀은 방수 기능을 비롯하여 전도성, 전자이동성, 열 전도성, 신축성, 소취, 원적외선 방출 등 매우 뛰어난 성능을 보유하고 있다.

이러한 그래핀은 주로 금속판에 코팅되어 수명을 연장하려는 목적으로 사용되고 있으며, 최근 섬유업계에서도 그래핀을 활용한 섬유가 개발되고 있다. 일례로 그래핀텍스라는 업체에서 그래핀과 PET를 복합하여 생산한 '그래핀복합섬유'가 있다. 또한, 공개특허공보 제10-2011-0110986호 "폴리머 탄소나노튜브 아라미드 섬유 및 폴리머 그래핀 아라미드 섬유"가 게재되어 있으며, 해당 기술은 아라미드 섬유 원사 또는 원단에 그래핀 용액을 침지 내지 도포하여 그래핀 코팅층을 형성하는 기술을 제안한 바 있다. 상기와 같이 그래핀 코팅층이 형성된 아라미드 섬유는 항균, 탈취, 방오, 자외선 차단, 정전기 방지 등의 성능이 부여되어 이를 이용하여 제조된 제품을 사용함으로써 삶의 질을 향상시킬 수 있다.

하지만, 폴리프로필렌 방적사는 낮은 수분흡수율로 인해 염색안료가 원사 내지 원단에 침투하지 못하여 다양한 제품 생산이 불가능하였고, 덧붙여 제직과 편직 과정에서 대량의 잔털이 발생하여 직기 가동률이 심각하게 저하되는 등의 이유로 실용성이 매우 낮았다.

또한, 나노 두께로 이루어진 그래핀 역시, 흑연으로부터 떼어내는 공정부터 생산 효율이 떨어져 고가의 제품 외에 사용이 제한되고 있었다.

결과적으로 폴리프로필렌을 더욱 효율적으로 생산하되, 저렴한 방식으로 그래핀 코팅층을 형성시킬 수 있는 기술이 적극적으로 요구되고 있는 실정이다.

공개특허공보 제10-2006-0111402호 "기능성조성물 PP방적사 제조" 공개특허공보 제10-2008-0043113호 "새로운 기능성 PP 방적사 제조방법" 공개특허공보 제10-2011-0110986호 "폴리머 탄소나노튜브 아라미드 섬유 및 폴리머 그래핀 아라미드 섬유"

본 발명은 상기의 제반 문제점을 보다 적극적으로 해소하기 위하여 창출된 것으로, 폴리프로필렌 방적사의 표면에 그래핀 코팅층을 효율적으로 형성시키기 위한 기술 제공을 주된 해결과제로 한다.

또한, 본 발명은 폴리프로필렌이 가진 낮은 수분흡수율로 염색안료가 원사 또는 원단에 침투하지 못하는 문제와 제직과 편직 과정에서 대량의 잔털 발생으로 직기 가동율이 심각하게 저하되는 등 기존의 문제점을 타개하여 높은 견뢰도와 생산성이 우수한 PP 방적사의 제조기술을 제공하고자 하는 것이 다른 해결과제이다.

또한, 본 발명은 제품의 생산 조건과 제품의 사용목적을 고려하여 그래핀의 다양한 코팅 방식을 제안함으로써 방적사의 생산 환경 개선 및 우수한 품질의 제품 생산을 유도하는 것이 또 다른 해결과제로 한다.

상기의 해결 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서 제안하는 그래핀 코팅층이 적용된 폴리프로필렌 방적사의 제조방법은 다음과 같다.

본 발명은 그래핀 소재의 코팅제에 폴리프로필렌(Polypropylene) 방적사를 침지 내지 미세 분사하거나 또는 폴리프로필렌 방적사의 표면에 그래핀 소재를 열 증착시켜 박막이 형성되게 하는 것을 특징으로 한다.

상세하게는 폴리프로필렌(Polypropylene)에 마스터배치(Master batch)를 첨가하여 방사하고, 방적 공정을 거쳐 방적사를 생성하는 방적사 생성단계(S100);와, 방적사의 표면에 그래핀을 도포하는 방적사 코팅단계(S200);와, 코팅된 방적사를 추가 연사한 후 설정 온도의 열 세팅과 싸이징 공정을 거쳐 생성된 경사 빔을 이용하여 원단을 제직하고, 원단의 촉감유지를 위해 설정 온도로 열처리하는 원단 제직단계(S300);로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 방적사 코팅단계(S200)는 수성 코팅 또는 유성 코팅 또는 라미네이션(Lamination) 코팅 중 어느 하나의 방식을 선택하여 코팅되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 방적사 생성단계(S100)는 Ring Compact 방식을 기반으로 하되 40 내지 41mm의 화이버 절단 길이와, 850 T/M의 연사와, 1.2 이내의 균제도와, 90℃(Double)의 열세팅 조건으로 가공되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 방적사 생성단계(S100)는 40 내지 41mm의 화이버 절단 길이와, 850T/M의 연사와, 1.2 이내의 균제도와, 90℃(Double)의 열 세팅 조건으로 가공되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 마스터배치는 폴리에스테르 기반의 폴리머와 다기공 물질을 합성 용융하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다기공 물질은 40nm의 입자크기로 이루어진 견운모 분말인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 방적사 생성단계(S100)는 9개로 구분된 익스트루더의 멜팅온도를 250 내지 290℃로 설정하고, 멜팅 인덱스(Melt index)를 16으로 설정한 후 1.6의 데니어(Denier)로 방사하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 원단 제직단계(S300)는 원사를 평직(Plain) 또는 트윌(Twill) 조직으로 제작하는 것을 특징으로 한다.

상술한 구성으로 이루어지는 본 발명에 의하면, 소취, 통전, 원적외선 방출 등 착용자의 신체 기능을 개선해줄 수 있는 그래핀이 코팅되어 기존 대비 우수한 성능의 폴리프로필렌 방적사를 제공 및 이를 이용하여 다양한 분야의 제품을 생산할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 낮은 수분흡수율로 인해 방적 과정에서 대량의 Pilling이 발생하고, Pilling이 방적장치에 끼임되어 가동오류가 지속적으로 발생함에 따라 생산성과 생산 품질이 저하되던 RING 기반의 방적기술에서 벗어나, Pilling 발생이 현저하게 감소하는 RING COMPACT 방식을 채용하여 더욱 향상된 가동률과 고품질의 폴리프로필렌 방적사를 제공할 수 있는 다른 효과가 있다.

또한, 본 발명은 제품의 생산 조건과 제품의 사용목적을 고려하여 수성 코팅, 유성 코팅, 라미네이션 코팅 등 그래핀의 다양한 코팅 방식을 제안함으로써 방적사의 생산 환경 개선은 물론, 우수한 성능의 제품을 생산 유도할 수 있는 또 다른 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하여 구성되는 폴리프로필렌 방적사의 제조과정을 공정 순서별로 나열한 플로차트.

이하, 첨부도면을 참고하여 본 발명의 구성 및 이로 인한 작용, 효과에 대해 일괄적으로 기술하기로 한다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그리고 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

본 발명은 꿈의 섬유로 알려진 폴리프로필렌 방적사의 제조환경 개선 및 기능 보완을 위한 기술사상을 개진한 것이다.

무엇보다 본 발명은 폴리프로필렌 방적사의 표면에 소정의 그래핀 소재를 코팅함으로써 방수, 소취, 통전, 원적외선 방출 등 추가적인 기능 부여에 기인하여 다양한 분야의 제품에 적용 가능하게 구성되고, 나아가 Pilling 성이 적극적으로 감소하는 Ring Compact 방식을 활용하여 쾌적한 제조환경 내에서 우수한 품질의 폴리프로필렌 방적사를 제조할 수 있는 그래핀 코팅층이 적용된 폴리프로필렌 방적사의 제조방법에 관련됨을 주지한다.

특히, 본 발명의 주장하는 핵심은 그래핀 소재의 코팅제에 폴리프로필렌(Polypropylene) 방적사를 침지 내지 미세 분사하거나 또는 폴리프로필렌 방적사의 표면에 그래핀 소재를 열 증착시켜 박막이 형성되는 기술을 제안함에 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 의하여 구성되는 폴리프로필렌 방적사의 제조과정을 공정 순서별로 나열한 플로차트이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명이 제안하는 폴리프로필렌 방적사(이하 'PP 방적사'라 통칭함)는 폴리프로필렌(Polypropylene)에 마스터배치(Master batch)를 첨가하여 방사하고, 방적 공정을 거쳐 방적사를 생성하는 방적사 생성단계(S100);와, 방적사의 표면에 그래핀을 도포하는 방적사 코팅단계(S200);와, 코팅된 방적사를 추가 연사한 후 설정 온도의 열 세팅과 싸이징 공정을 거쳐 생성된 경사 빔을 이용하여 원단을 제직하고, 원단의 촉감유지를 위해 설정 온도로 열처리하는 방적원단 제직단계(S300);로 구성되고, 이렇게 제조된 원단을 이용하여 각종 목적에 맞는 방수 의류로 제작된다.

상기 방적사 생성단계(S100)는 다시 폴리프로필렌과 마스터배치를 혼합하여 방사하는 방사단계(S110);와, 방사된 폴리프로필렌 화이바를 Ring Compact 기반으로 방적 가공하는 방적단계(S120);로 구성된다.

상기 방사단계(S110)는 폴리프로필렌(Polypropylene) 95 내지 96 중량%에 마스터배치(Master batch) 4 내지 5 중량%를 첨가하면서 방사한다.

상기 방사단계(S110)는 필라멘트 형성능을 가지고 있는 물질을 가소상 용융상태 또는 용액상태로 하여 방사구 또는 틀 구멍을 통해서 기설정된 속도로 끌어당기거나 밀어내어 얻는 공정이다. 방사는 일반적으로 건식방사, 습식방사, 용융방사가 있으며, 본 발명에서는 용융방사 방식을 사용한다.

상기 폴리프로필렌(Polypropylene)은 섬유 중에서 비중이 가장 낮고 물에 뜨며 강도가 크고 흡습성이 없으며 약품에 강한 특성을 지니고 있다.

아래 표 1은 폴리프로필렌의 특성과 특성이 보유한 기능을 수치로 표현한 것을 나타낸 것이다.

특성	수치	비고
MOISTURE TRANS/FER	1000:125(PP:PET)
Quick Dry	수분흡수율 5/1000
Light weight	비중 0.91	폴리에스테르 1.38
Thermal Conductivity		섬유중 가장 낮음
Chemical Resistant		염분에 반응 안함
No Odor Retrntion		FDA인증 무해섬유
Abrasion Resistant		내구성을 지님
친환경성		유독가스 없음
정전기 발생 낮음	비유전율 2.2	편안한 착용감
극성오염물질 저항성		극성오염에 저항성이 높음

<폴리프로필렌의 특성과 수치를 나타낸 표>

하지만, 자체 보유한 낮은 수분흡수율로 염색성이 좋지 않고, 내광성, 내열성이 낮아 기능성 의류 소재로는 다소 실용성이 떨어진다.

따라서 본 발명은 이러한 문제를 해소하고자 특수 제작된 마스터배치를 첨가한다. 상기 마스터배치(Master batch)란 원료 대상물에 배합제를 혼합하는 공정에서 배합제를 미리 처방보다 높은 농도로 섞어 반죽한 것으로 대상물에 혼입하여 각 배합제의 계량을 정확하게 할 수 있고, 분산을 좋게 하며, 작업 중의 흩날림을 방지하는 역할을 수행한다. 상기 마스터배치로는 폴리에스테르 기반의 폴리머와 다기공 물질을 합성 용융하여 구성된 것으로 폴리프로필렌의 화이바(솜)을 제작하는 과정에서 원활한 방사가 진행될 수 있도록 유도한다.

특히, 상기 다기공 물질은 40nm의 입자크기로 이루어진 견운모 분말로써 자체적으로 방사율이 높아 여러 분야에서 사용하고 있으며, 이러한 견운모를 나노 크기의 분말형태로 사용할 경우 염료의 교반과 투입이 용이하게 하고, 나아가 소취의 효과를 얻을 수 있다. 한편, 상기 견운모를 대신하여 황토나 숯, 게르마늄 등의 소재로 대체할 수도 있으나, 원사 및 원단의 완성도에서 요구하는 수준의 결과치를 얻을 수 없기 때문에 상기 견운모 분말의 사용은 필수적이다.

아래 실시예 1은 본 발명의 방사단계(S110)를 진행함에 있어 바람직한 조건을 나타낸 것이다.

● 흐름성(MELT INDEX) : 16

● 다기공 물질의 입자크기 : 40(nm)

● Heat Distortion Temperature

0.455 MPa(66 psi) 70℃

1.82 MPa(264 psi) 60℃

● 신축성 : 4.5

상기 실시예 1과 같이 본 발명의 방사단계(S110)는 9개로 구분된 익스트루더의 멜팅온도를 250 내지 290℃로 설정하고, 멜팅 인덱스(Melt index)를 16으로 설정한 후 1.6의 데니어(Denier)로 방사한다. 방사시 사용되는 유제는 친수성 소재를 1/100의 함유로 사용하며, 이는 PP 소재의 특성 중 수분흡수율의 수치가 5/1000임에 대하여 방적시 정전기가 발생하는 문제를 해결하기 위한 목적이 있다. 또한, 본 발명의 PP 방사시 연신 비율은 2단이며, 연신 배율은 3배로 구성하는 것이 바람직한 조건이다.

상기 방적단계(S120)는 폴리프로필렌의 화이바를 Ring Compact 방식으로 가공하여 방적사를 생성하는 단계로써, 혼타, 소면, 코마, 연조, 조방, 정방, 정사 공정을 거쳐 진행하되, 상기 공정은 모두 Ring Compact 방식을 기반으로 한다.

상기 Ring Compact 방적 공법은 일반 Ring 방적 공법에 비해 Pilling 성이 약 50% 이상 감소하여 우수한 품질의 원단을 생산할 수 있음은 물론, 방적기계에 끼임되는 Pilling 양이 현저하게 감소하여 원단의 제직 또는 편직의 가동률이 약 15% 이상 상승하는 효율적인 생산환경을 구축할 수 있다.

아래는 Ring Compact 방적 공법의 부연 설명이다.

상기 Ring Compact yarn은 정방 공정에서 공기 흡입이 이루어지며, 이후 실 안쪽에 남아있는 공기층을 제거하고, 섬유의 평행도와 집적도를 향상시켜 실이 좀 더 밀접하게 꼬아지도록 유도하는 기술이다. 다시 말해 Ring Compact 방적 공법을 거쳐 제조된 방적사는 공기를 흡입한 후 실을 평행 배열한 상태에서 일정한 장력을 유지하면서 연사하므로 강도가 강하고 매끈한 실을 제조할 수 있다.

아래 실시예 2는 본 발명의 방적단계(S120)를 진행함에 있어 바람직한 조건을 나타낸 것이다.

● 화이버 절단 길이 : 41(mm)

● 원사의 T/M : 850

● 원사 균제도 :1.2 이내

● 원사 열세팅 : 90℃(DOUBLE)

상기 실시예 2와 같이 방적단계(S120)는 Ring Compact 방식을 기반으로 하되 화이버의 바람직한 길이를 40 내지 41mm로 조정한 후 850T/M으로 연사하고, 1.2 이내의 균제도와 90℃(Double)의 열 세팅 조건으로 가공한다. 예컨대 상기 방적단계(S120)는 135 Denier의 PP 방적사 40수를 생산하며, 그 내부에 형성된 필라멘트의 최소 수량이 약 80개 이상 존재할 수 있도록 한다.

상기 방적사 코팅단계(S200)는 PP 방적사의 표면에 그래핀을 수성 또는 유성 또는 라미네이션(Lamination) 방식으로 코팅하는 단계로써, 우선 방적사에 색상을 부여하는 염색단계(S210);와, 방적사의 표면에 그래핀 코팅층을 형성하는 피복단계(S220);로 이루어진다.

통상적으로 PP 방적사는 폴리프로필렌이 가진 낮은 수분흡수율로 인해 수분 침투가 어려워 염색이 어렵다. 따라서, 상기 Ring Compact 방적 공법을 거쳐 원사를 매끄럽게 준비하고, 여기에 전처리, 염색, 환원세정 공정을 추가하여 염색한다.

상기 염색단계(S210)는 정련제를 이용한 전처리공정(S211);과, 분산염료를 이용한 염색공정(S212);과, 환원표백제와 가성소다를 이용한 환원세정공정(S213)을 순차 거쳐 원하는 색상의 방적사를 획득한다.

아래 실시예 3은 본 발명의 염색단계(S210)를 진행함에 있어 바람직한 조건을 나타낸 것이다.

● 전처리 공정(S41)

80℃ × 20min, 정련제:3/L

● 염색 공정(S42)

120~130℃ × 45min(1℃/min)

욕비 1:20

pH : 4~4.5

분산제 : 0.5-2.0g/L

● 환원세정 공정(S43)

70℃이하 × 20min

: 2g/L 이하

: 2g/L

상기 전처리공정(S211)은 방적사에 정련제 3/L를 투입한 후 70~80℃에서 18~20분간 전처리하는 공정이고, 상기 염색공정(S212)은 방적사에 분산염료를 1:2의 중량비로 투입하여 4~4.5pH가 되도록 조성하고, 분산제를 첨가한 후 120~130℃에서 40~45분간 염색하는 공정이며, 상기 환원세정공정(S213)은 방적사에 환원표백제와 가성소다를 투입한 후 70℃ 이하의 저온조건에서 15~20분간 색소 일부를 분해하는 공정이다.

상기 피복단계(S220)는 준비된 방적사를 그래핀이 함유된 수성 코팅제 또는 유성 코팅제가 담수된 침지탱크에 투입하여 침지 처리하되, 각종 도포 수단을 활용하여 방적사의 표면에 균일한 두께로 도포한다. 상기 그래핀 코팅제는 그래핀 분말을 주축으로 다기공 물질, 처리 용매로 구성된다. 예컨대 다기공 물질은 알루미나를 비롯하여 제올라이트, 견운모 등이 사용되며, 상기 처리 용매에는 분산 용매나 용해 용매 등을 포함하여 구성된다. 한편, 그래핀 수성 코팅제는 물과 에탄올이 부가 첨가되고, 유성 코팅제는 각종 유성 성분이 부가 첨가된다. 상기 라미네이션 방식은 방사된 폴리프로필렌 소재를 방적하는 과정에서 폴리프로필렌 소재의 표면에 그래핀 박판을 포용시켜 동반 토출하며, 이때 방적 과정에서 폴리프로필렌 소재가 머금은 열기로 인해 그래핀 박판이 자연스럽게 증착된다.

예컨대 흑연은 탄소들이 허니콤의 형태로 배열된 평면들이 층으로 적층된 구조로써 이 흑연의 한 층을 그래핀(Graphene)이라고 하며, 상기 그래핀은 0.2nm의 두께로 물리적, 화학적 안정성이 뛰어나다. 상기 그래핀은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 실리콘보다 100배 이상 전자 이동성이 빠르며 강철보다 200배 이상 강도가 강하다. 또한, 다이아몬드보다 2배 이상 열 전도성이 높으며, 신축성이 뛰어나고 투명성 성질을 가지고 있다. 이러한 성질의 그래핀이 코팅된 PP 방적사는 소취와 통전, 원적외선 방출 등은 물론, 특히 방수 기능이 부여되어 각종 방수 제품 생산에 유리하다.

상기 원단 제직단계(S300)는 그래핀 코팅층이 적용된 방적사를 이용하여 천이나 설정 디자인의 제품을 제직 또는 편직하고, 각종 후처리 공정을 통해 형상, 성질 등을 보존 내지 보강하는 단계이다.

상기 원단 제직단계(S300)는 방적사를 제직하는 제직공정(S310);과, 열처리하는 후처리공정(S320);으로 이루어진다. 상기 제직공정(S310)은 제조된 복수의 방적사를 추가 연사한 후 열 세팅과 싸이징 공정을 거쳐 생성된 경사빔을 이용하여 원단을 제직한다. 상기 제직(製織)이란 직물을 짜는 조작으로 주로 직기(織機)를 이용한다. 상기 직기를 이용하여 날실을 가지런히 정리해 정경(整經)시킨 후 기계에 부착하고, 종광을 이용해 날실을 서로 엇갈리게 상하로 개구(開口)시킨 다음 씨실을 그 사이에 끼워 넣는다. 이것을 다시 바디로 날실 사이에 밀어넣고 또 개구시켜 씨실을 짜 넣는 일을 반복하여 짜진 부분을 감아냄과 동시에 날실을 내보내는 공정을 반복하여 이루어진다.

아래 실시예 4는 본 발명의 제직공정(S310)을 진행함에 있어 바람직한 조건을 나타낸 것이다.

● 원사 T/M : 400

● 원사 열세팅 : 90℃(DOUBLE)

● 원단조직 : PLAIN , TWILL

● 제직습도 : 60~65%

상기 제직공정(S310)은 135 Denier로 이루어진 PP 방적사 40수를 400T/M으로 추가 연사한 후 90 내지 100℃의 열 세팅과 싸이징 공정을 거쳐 생성된 경사빔을 이용하여 원단을 제직한다. 상기와 같은 조건을 기반으로 PP 방적사를 제직시 메모리효과(원단의 주름방지)가 있다.

그리고 상기 후처리공정(S320)은 제직된 원단의 촉감유지를 위해 125℃ 이하로 열처리하는 공정이다.

상기와 같이 그래핀 코팅층이 확보된 PP 방적사는 방수기능이 부여되어 각종 방수 제품을 생산하는데 탁월하다.

상기와 같은 각 단계를 거쳐 제직된 PP 직물의 물성을 분석하였으며, 아래 표 2는 PP 직물의 분석 결과를 폴리에스테르 직물과 비교한 것을 첨부한 것이다.

	Fiber		Density		weave	함량(%)
	Warp	Weft	Warp	Weft
P1	P DTY 75D/36F	P.P. 30's	123	78	plain	P.P : 49.3 PET : 50.7
P2	P DTY 75D/36F	P.P. 40's/2	123	65	plain	P.P : 63.2 PET : 36.8
P3	P DTY 75D/36F	P.P. 40's/2	123	62	plain	P.P : 63.2 PET : 36.8
P4	C 30's	P.P. 30's	66	48	plain	P.P : 52.7 Cotton : 47.3
P5	RT30's (rayon, PET)	P.P. 30's	66	48	plain	P.P : 28.6 Rayon/PET : 54.0
P6	P DTY 75D/36F	P.P.W30's (P.P45:W15)	-	-	tricot	P.P : 28.6 PET : 56.7 Wool : 14.6
P7	P DTY 50D	P.P. 30's	-	-	tricot	P.P : 65.9 PET : 34.1
TC1	PET/Cotton	PET/Cotton	80	120	tricot	Cotton : 40 PET : 60
TC2	PET/Cotton	PET/Cotton	72	64	tricot	Cotton : 35 PET : 65

<P.P 직물 및 폴리에스테르 직물의 스펙 비교표>

아래 표 3은 본 발명이 제안하는 PP 방적사의 방수 성능을 입증하기 위한 실험을 실시한 후 해당 결과를 나타낸 것이다.

- 실험 방법

1) 방오(soil resistance)

2) 발오(stan repellence)로 구분하여 진행

1) KS K 0610법(soil release)에 따라 시료에 오염을 부착한 후 부착된 오염이 세탁 후 얼마나 잘 제거되는지 평가함. 1~5등급으로 평가되며 등급이 높을수록 오염이 잘 제거됨.

2) KS K ISO 14419 법(oil repellency)에 따라 표면 장력이 서로 다른 7개의 탄화 수소계 액체를 떨어뜨려 그 중 스며들지 않는 가장 높은 번호의 탄화 수소계 액체 등급을 부여하는 탄화수소 법을 이용하여 측정함. 1~8등급으로 평가되며 등급이 높을수록 기름오염에 대한 저항이 큰 것(오염되지 않는 것)으로 평가함.

	P1	P2	P3	P4	P5	P6	P7	TC1	TC2
soil release (Grade)	1	1	1.3	1.8	1.5	3.5	4.2	3.1	3.4
oil repellency (Grade)	4	4	5	4	2	2	3	1	2

<방오성 및 발오성 실험 결과 표>

아래 표 4는 본 발명이 제안하는 PP 방적사의 마찰대전성을 실험한 후 해당 결과를 나타낸 것이다.

- 실험 방법

KS K 0555:2010, B법에 따라 크기 4cm×8cm의 시험편을 경사방향, 위사방향으로 준비하여 마찰대전압(V)을 측정함.

	P1	P2	P3	P4	P5	P6	P7	TC1	TC2
Cotton	310	140	120	1000	2600	1500	7300	1400	700
Wool	530	350	420	1900	2000	7540	7200	1200	650

<마찰대전성 실험 결과 표>

상기 표 4와 같이 일반적으로 직물의 대전성은 섬유의 흡습성이 적을수록, 대기 중의 습도가 낮을수록 강하게 나타난다. 면과 같은 친수성 섬유가 혼방되어 있으면 면의 높은 수분율로 인해 대전성이 낮아지게 된다. 상기 표에 나타난 바와 같이 수분율이 거의 0에 가까운 폴리프로필렌 소재의 혼방 직물이 오히려 대전율이 훨씬 작게 나타났다. 이는 폴리프로필렌 섬유가 다른 섬유와는 다른 정전기 특성이 있기 때문인데 대전서열에서 대체로 음극에 치우쳐 있기 때문이다. 폴리올레핀 섬유를 제외한 나머지 섬유들은 대전서열에서 모두 양극에 치우쳐 있으므로 폴리에스테르와의 교직에 의해 정전기 발생이 현저히 줄어든 것을 알 수 있었다.

아래 표 5는 수분제어특성을 실험한 후 해당 결과를 나타낸 표이다.

- 실험 방법

1) AATCC 195법의 MMT(Moisture Management Tester)를 이용.

2) MMT는 수분(땀)을 빠르게 흡수하여 외부로 배출 후 건조되는 특성을 평가하는 방법으로 시험편 이면에서 표면으로의 배출성능, 시험편 표면에서의 퍼짐속도에 의해 결정.

3) Wetting time(sec): 시료의 표면과 이면이 수분에 의해 젖기 시작하는 시간으로 정 중앙 sensor로부터 다음 sensor(5mm)까지 걸리는 시간을 측정.

4) Absorption rate(%/sec): 원단의 표면과 이면의 시간당 초기 수분흡수율로 최초 수분율이 측정되는 순간의 기울기 도출.

5) Max wetted radius(mm): 원단 표면과 이면의 최대 수분확산반경 측정.

6) Spreading Speed(mm/sec): 측정시간 내 원단 표면과 이면의 수분확산반경이 최대가 될 때까지의 속도를 측정.

7) One way transport Capability(OWTC): 측정시간 내 원단 표면과 이면의 누적된 수분함량(%)의 차이를 시간당 평균으로 측정.

8) Overall Moisture Management Capability(OMMC): 이면의 수분흡수율, 원단 표면과 이면의 누적 수분함량의 차이, 이면의 최대 수분확산속도의 세 가지 특성 수치를 조합하여 계산된 원단 전체 수분이동능력 지수를 측정.

		P1		P2		P3		P4		P5		P6		P7		TC1		TC2
		A	G	A	G	A	G	A	G	A	G	A	G	A	G	A	G	A	G
Wetting time (sec)	T	4.33	3.5	4.89	3.5	5.14	3.5	5.55	3.5	6.17	3.5	4.43	3.5	2.72	5	6.61	5	2.68	5
	B	4.41	3.5	6.04	3.5	5.74	3.5	6.12	3.5	6.94	3.5	4.41	4	3.99	4.5	2.78	5	2.61	5
Absorption rate (%/sec)	T	9.52	1	28.44	2.5	25.49	2.5	6.07	1	42.67	2.5	10.57	1	18.03	2	30.35	2.5	44.89	3.5
	B	47.98	3.5	23.78	2	31.85	2.5	45.65	3	25.97	2.5	43.67	3.5	33.50	3	55.32	3.5	56.81	3.5
Max wetted radius (mm)	T	14	3	19	4	20	4	5	1	9	2	22	4	25	5	26	5	25	5
	B	15	3	21	4	20	4	5	1	8	2	25	5	30	5	28	5	26	5
Spreading speed (mm/sec)	T	1.49	2	1.97	2	1.80	2	0.98	1	1.37	1.5	2.56	3	4.83	5	5.81	5	5.60	5
	B	1.43	2	1.93	2	1.70	2	0.83	1	1.19	1.5	2.70	3	4.87	5	5.95	5	5.69	5
One way transport capability		479.27	5	177.27	3	235.83	3.5	555.35	5	292.15	4	423.97	5	312.69	4	162.88	3	193.96	3.5
Overall moisture management capability		0.64	3.5	0.64	2.5	0.44	2.5	0.60	3.5	0.43	3	0.72	4	0.71	4	0.61	3.5	0.65	4
Total Grade		4		2		3		4		3		4		4		4		4
A: Average, G: Grade, T: Top, B: Bottom

<수분대전특성 실험 결과표>

상기 표 5에서 흡수시간을 살펴보면 폴리프로필렌 소재 직물이 TC1의 표면을 제외하고는 비교 예의 폴리에스테르 혼방직물보다 길게 나타난 것을 알 수 있다. 또한, 흡수율을 살펴보면, P1은 직물의 안쪽 면과 겉면의 차이가 커서 직물 안쪽의 수분을 빠르게 이동시켜 반대편으로 증발시켜 쾌적하게 유지할 것으로 기대되는 결과이다. 최대흡수 반지름과 확산속도는 P1, P2, P3가 TC1, TC2에 비해 작은 것으로 나타났다. 또한, 한 방향 이동 성능은 P1, P3가 TC1, TC2에 비해 높은 것으로 나타나 wicking성이 큰 것으로 나타났다. 결과적으로 폴리프로필렌 소재는 잘 젖지 않으며, 흡수를 잘 하지 않을 뿐 아니라 젖더라도 금방 건조되는 등 수영복이나 등산복으로도 활용될 수 있는 적합한 성능이라 할 수 있다. 또한, 다른 섬유와 교직할 경우 땀 등의 수분이 발생하였을 때, 신속히 이를 외부로 배출시켜 피부 면을 건조하게 하여줘서 쾌적한 상태를 유지하므로 골프웨어나 기타 아웃도어용 의류로 충분히 활용 가능하다.

아래 표 6은 발수성(수분 접촉 각 측정): Blood protection을 실험한 후 해당 결과를 나타낸 것이다.

- 실험 방법

1) Face Contact Angle Meter를 이용하여 3차 증류수를 측정용 액체로 사용하여 마이크로 주사기로 시험포의 표면에 약 10㎕의 액적을 형성시킨 다음, 각 시험 포에 대해 5회씩 측정하여 그 평균값을 접촉각으로 사용하였음.

2) 접촉 각이 클수록 발수성이 큰 것으로 평가함.

	접촉 각	사진		접촉 각	사진		접촉 각	사진
P1	99.76		P2	108.01		P3	102.56
P4	43.49		P5	101.51		P6	0
P7	0		TC1	0		TC2	0

<발수성 실험 결과표>

아래 표 7은 항균성을 실험한 후 해당 결과를 나타낸 것이다.

- 실험 방법

1) KS K 0693:2016 법에 따라 직물의 항균도 측정.

2) 공시균을 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)과 폐렴간균(Klebsiella pneumoniae)를 사용하여 정균 감소율 측정.

3) P1, P2는 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)과 폐렴간균(Klebsiella pneumoniae)에서 정균 감소율이 99.9%로 우수함.

		Blank(Cotton)	P1	P2	TC1
Staphylococcus aureus	초기균수	1.8 X 104	1.8 X 104	1.8 X 104	1.8 X 104
	18시간후	5.6 X 106	<10	<10	1.0 X 107
	정균감소율	-	99.9	99.9	0
	항균도 시험사진
Klebsiella pneumoniae	초기균수	1.9 X 104	1.9 X 104	1.9 X 104	1.9 X 104
	18시간후	3.7 X 107	<10	<10	4.9 X 107
	정균감소율	-	99.9	99.9	0
	항균도 시험사진

<항균성 실험 결과표>

상기와 같은 성능이 입증된 PP 방적사는 그래핀 코팅층에 의해 방수, 소취, 통전, 원적외선 등이 방출됨에 기인하여 중환자실이나 요양병원 등에서 사용하는 방수 패드와 현재 코로나 19의 영향으로 중요성이 대두된 마스크의 생산 소재로 매우 탁월하다.

특히, 그래핀이 제공하는 통전 기능은 정전기 발생을 적극적으로 억제하여 사용상의 이물감을 완벽하게 해소하고, 나아가 혈액순환을 원활하게 유도하여 신체 기능 개선에 도모하는 등 삶의 질을 개선할 수 있다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 PP 방적사는 낮은 수분흡수율로 인해 방적 과정에서 대량의 Pilling이 발생하고, Pilling이 방적장치에 끼임되어 가동오류가 지속적으로 발생함에 따라 생산성과 생산 품질이 저하되던 RING 기반의 방적기술에서 벗어나, RING 기반의 방적에 비해 Pilling 발생이 현저하게 감소하는 RING COMPACT 방식을 채용하여 더욱 향상된 가동률과 고품질의 폴리프로필렌 방적사를 제공할 수 있다. 또한, 소취, 통전, 원적외선 방출 등 착용자의 신체 기능을 개선해줄 수 있는 그래핀이 코팅되어 기존 대비 우수한 성능의 폴리프로필렌 방적사를 제공 및 이를 이용하여 다양한 분야의 제품을 생산할 수 있다. 마지막으로 제품의 생산 조건과 제품의 사용목적을 고려하여 수성 코팅, 유성 코팅, 라미네이션 코팅 등 그래핀의 다양한 코팅 방식을 제안함으로써 방적사의 생산 환경 개선은 물론, 우수한 성능의 제품을 생산 유도할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은, 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 명확히 하여야 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

S100. 방적사 생성단계 S110. 방사단계
S120. 방적단계
S200. 방적사 코팅단계 S210. 염색단계
S220. 코팅단계
S300. 원단 제직단계 S310. 제직공정
S320. 후처리공정

Claims (5)

1. 그래핀 소재의 코팅제에 폴리프로필렌(Polypropylene) 방적사를 침지시켜 박막이 형성되게 하는 폴리프로필렌 방적사의 제조방법에 있어서,
   폴리프로필렌(Polypropylene)에 마스터배치(Master batch)를 첨가하여 방사한 후 방적 공정을 거쳐 방적사를 생성하되, 폴리프로필렌(Polypropylene) 95 내지 96 중량%에 마스터배치(Master batch) 4 내지 5 중량%를 혼합하여 방사하는 방사단계(S110) 및 방사된 폴리프로필렌 화이바를 Ring Compact 기반으로 방적 가공하는 방적단계(S120)로 구분되는 방적사 생성단계(S100);
   방적사에 색상을 부여하는 염색단계(S210) 및 방적사 표면에 그래핀 코팅층을 형성하는 피복단계(S220)로 구분되고, 수성 코팅 또는 유성 코팅 또는 라미네이션(Lamination) 코팅 중 어느 하나의 방식을 선택하여 방적사 표면에 그래핀을 형성하는 방적사 코팅단계(S200);
   코팅된 복수의 방적사를 추가 연사한 후 90 내지 100℃의 열 세팅과 싸이징 공정을 거쳐 생성된 경사빔을 이용하여 원단을 제직하는 제직공정(S310) 및 원단의 촉감유지를 위해 125℃ 이하 온도로 열처리하는 후처리공정(S320)으로 구분되는 원단 제직단계(S300);
   를 포함하고,
   상기 방사단계(S110)는 9개로 구분된 익스트루더의 멜팅온도를 250 내지 290℃로 설정하고, 멜팅 인덱스(Melt index)를 16으로 설정한 후 1.6의 데니어(Denier)로 방사하고, 상기 방적단계(S120)는 폴리프로필렌 화이바를 Ring Compact 방식으로 기반으로 하여 혼타, 소면, 코마, 연조, 조방, 정방, 정사 공정을 거쳐 진행되고, 정방 공정에서 공기 흡입이 이루어져 실 안쪽에 잔존하는 공기층을 제거한 후 실을 평행 배열한 상태에서 설정 장력으로 연사하는 Ring Compact 방식에 의해 135 Denier의 폴리프로필렌 방적사 40수 생산 시 내부에 형성된 필라멘트의 최소 수량이 80개 이상 존재하게 하는 것을 포함하고,
   상기 염색단계(S210)는 정련제를 이용한 전처리공정(S211)과, 분산염료를 이용한 염색공정(S212)과, 환원표백제와 가성소다를 이용한 환원세정공정(S213)을 순차 거쳐 원하는 색상의 방적사를 획득하되, 상기 전처리공정(S211)은 방적사에 정련제 3/L를 투입한 후 70~80℃에서 18~20분간 전처리하고, 상기 염색공정(S212)은 방적사에 분산염료를 1:2의 중량비로 투입하여 4~4.5pH가 되도록 조성하고, 분산제를 첨가한 후 120~130℃에서 40~45분간 염색하며, 상기 환원세정공정(S213)은 방적사에 환원표백제와 가성소다를 투입한 후 70℃ 이하의 저온조건에서 15~20분간 색소 일부를 분해하는 것을 포함하고,
   상기 피복단계(S220)는 준비된 방적사를 그래핀이 함유된 수성 코팅제 또는 유성 코팅제가 담수된 침지탱크에 투입하여 침지 처리하되, 상기 코팅제는 그래핀 분말을 주축으로 다기공 물질과 처리 용매의 조합으로 이루어지고, 상기 다기공 물질은 40nm의 입자크기로 이루어진 견운모 분말인 것을 특징으로 하는 그래핀 코팅층이 적용된 폴리프로필렌 방적사의 제조방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 방적사 생성단계(S100)는 40 내지 41mm의 화이버 절단 길이와, 850T/M의 연사와, 1.2 이내의 균제도와, 90℃(Double)의 열 세팅 조건으로 가공되는 것을 특징으로 하는 그래핀 코팅층이 적용된 폴리프로필렌 방적사의 제조방법.
   

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