KR102424727B1 - 복합 섬유 원단의 제조방법 및 복합 섬유 원단 - Google Patents

복합 섬유 원단의 제조방법 및 복합 섬유 원단 Download PDF

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Abstract

제1 섬유 원료 및 금속 미립자를 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 단계; 제2 섬유 원료 및 상기 제1 혼합물을 혼합하여 제2 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 제2 혼합물을 방사하여 섬유 원사를 제조하는 단계를 포함하고, 상기 금속 미립자의 평균 입경이 2㎛ 내지 7㎛인 복합 섬유 원단의 제조방법과 이러한 제조방법을 통하여 제조된 복합 섬유 원단으로서 탄력성 등의 기계적 물성과 항균성을 동시에 확보할 수 있는 섬유 재료를 제공한다.

Description

복합 섬유 원단의 제조방법 및 복합 섬유 원단 {MANUFACTURING COMPOSITE FIBER FABRIC AND COMPOSITE FIBER FABRIC}
소정의 기능성 부여를 위한 복합 섬유 원단과 이를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
기능성 섬유는 원래 섬유 제품에 요구되는 본연의 기능이 아닌 부가적인 기능을 부여한 것으로 처음에는 합성 섬유에 흡수성, 흡습성을 첨가하는 것과 같이 천연섬유와 유사한 제품을 만드는 데서 출발했다. 최근에는 천연섬유 이상의 성능을 지니게 함은 물론 합성섬유의 독자적인 성능을 추구하는 방향으로 나아가면서 여러 가지 다양한 기술개발이 접목되고 있다. 특히 소비자들은 섬유 소재의 착용감은 물론 건강까지 고려한 의류를 선호하고 있으며 더 나아가서 보온성, 항균성, 방취 효과, 방수, 방풍 등 특수한 기능을 가진 섬유를 찾게 되었다. 이와 같이, 다양한 기능 부여에 대한 니즈(needs)가 증가함에 따라 산업용 섬유, 특수 섬유, 고성능 섬유, 엔지니어링 섬유 등으로 지칭되는 여러 종류의 기능성 섬유들이 개발되어 왔다. 일반적으로 기능성 섬유라고 하면 특수한 기능을 바탕으로 그 성능이 상당 수준 이상을 충족시킬 수 있어야 한다. 기능성 섬유산업은 그 종류가 방대하고 생산 제품별로 다양하게 구분되며, 신규 제품과 혁신 제품의 개발속도가 매우 빠르기 때문에, 그 시대의 환경과 사회적 요구에 적합한 섬유의 개발이 활발하게 진행되고 있는 실정이다. 예를 들어, 대한민국 등록특허 제10-0822719호에서는 게르마늄, 황토, 맥반석, 토트마린, 티타늄 등의 진공 증착에 의해 원적외선 방사 기능을 갖는 섬유를 제조하는 기술을 제안하고 있고, 대한민국 공개특허 제10-2011-0015319호에서는 게르마늄, 텅스텐, 이산화규소, 티타늄디옥사이드, 알루미늄옥사이드 등의 나노입자를 섬유 원단에 적용하는 기술을 제안하고 있다.
본 발명의 일 구현예는 마이크로 크기의 금속 미립자를 적용하여도 섬유 원단의 가공 과정이나 세탁 등의 사용 중에 금속 미립자의 탈착을 방지하고, 이로 인해 부여되는 항균 기능 등의 기능성과 고탄력성 등의 기계적 물성이 장기간 지속될 수 있는 이점을 갖는 복합 섬유 원단을 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 마이크로 크기의 금속 미립자가 적용된 기능성 섬유 원사로부터 제조된 원단으로서 나노 크기의 미립자가 적용된 원단과 동등 수준 이상의 항균 기능을 구현함과 동시에 나노 크기의 미립자에 비하여 흡입으로 인한 인체 유해성이 낮은 이점을 갖는 복합 섬유 원단을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1 섬유 원료 및 금속 미립자를 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 단계; 제2 섬유 원료 및 상기 제1 혼합물을 혼합하여 제2 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 제2 혼합물을 방사하여 섬유 원사를 제조하는 단계를 포함하고, 상기 금속 미립자의 평균 입경이 2㎛ 내지 7㎛인 복합 섬유 원단의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 섬유 원사의 직물을 포함하고, 상기 섬유 원사의 표면에 부착되거나 상기 섬유 원사의 내부에 함유된 금속 미립자를 포함하며, 상기 금속 미립자의 평균 입경이 2㎛ 내지 7㎛이고, 하기 식 1에 의한 항균-공정 상관 지수(antibiosis-process correlation index)가 1.5 내지 2.0인 복합 섬유 원단을 제공한다.
[식 1]
항균-공정 상관 지수 = 최대 방사 함량 값 / 초기 항균력 값
상기 식 1에서, 상기 최대 방사 함량 값은 원료 혼합물로부터 상기 섬유 원사를 방사하는 과정에서 상기 원료 혼합물이 끊어지지 않고 최대로 방사되는 원료 혼합물의 함량[kg] 값으로, 제1 섬유 원료 및 금속 미립자를 혼합한 제1 혼합물에 제2섬유원료를 혼합한 제2 혼합물의 80kg 내지 150kg 방사시킨 후 끊어지지 않고 최대로 방사된 제2혼합물의 함량(kg)을 의미하고, 상기 초기 항균력 값은 상기 직물 제조 후 48시간 이내에 KS K 0693:2016 규격에 따른 섬유 재료의 항균시험법을 이용하여 항균성을 평가하였을 때, 황색포도상구균(균주 1, Straphylococcus aureus ATCC 6538), 폐렴쌍구균(균주 2, Klebsiella pneumoniae ATCC 4352) 및 대장균(균주 3, Escherichia coli ATCC 25922) 중 적어도 하나의 균주에 대한 정균 감소율[%] 값이다.
상기 복합 섬유 원단의 제조방법에 따라 제조된 복합 섬유 원단은 마이크로 크기의 금속 미립자를 적용하여도 섬유 원단의 가공 과정이나 세탁 등의 사용 중에 금속 미립자의 탈착을 방지하고, 이로 인해 부여되는 항균 기능 등의 기능성과 고탄력성 등의 기계적 물성이 장기간 지속될 수 있는 이점을 갖는다.
상기 복합 섬유 원단은 마이크로 크기의 금속 미립자가 적용된 기능성 섬유 원사로부터 제조된 원단으로서 나노 크기의 미립자가 적용된 원단과 동등 수준 이상의 항균 기능을 구현함과 동시에 나노 크기의 미립자에 비하여 흡입으로 인한 인체 유해성이 낮은 이점을 갖는다.
도 1은 일 구현예에 따른 복합 섬유 원단의 제조방법의 순서도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 추가 구현예에 따른 복합 섬유 원단의 제조방법의 순서도를 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 후술하는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 특정 기능성 명칭으로 기재된 성분은 주된 기능을 기준으로 지칭한 것이며, 이러한 명칭으로 인하여 그 성분이 다른 기능을 하지 못하는 것으로 이해되는 것은 아니다.
본 명세서에서 특정 화합물명으로 언급되는 유효 성분은 목적하는 효과를 저해하지 않는 범위 내에서 소정의 치환 또는 개질된 유도체를 포함하는 개념으로 이해된다.
일 구현예에서, 제1 섬유 원료 및 금속 미립자를 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 단계; 제2 섬유 원료 및 상기 제1 혼합물을 혼합하여 제2 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 제2 혼합물을 방사하여 섬유 원사를 제조하는 단계를 포함하고, 상기 금속 미립자의 평균 입경이 2㎛ 내지 7㎛인 섬유 원단의 제조방법을 제공한다.
최근 다양한 기능성 원단에 대한 요구가 증가함에 따라 섬유 또는 원단에 본연의 기능 이외의 기능을 부여하기 위한 다양한 재료들이 활용되고 있다. 다만, 제조된 원단의 가공 또는 활용 중에도 기능성이 저하되지 않고 장기간 지속 가능하기 위해서는 원단의 제조 또는 직조 과정 중; 또는 섬유 원사의 제조 과정 중에 상당히 고도의 기술이 필요하다. 특히, 섬유와 물리적 부착성 또는 화학적 혼용성이 좋지 않은 재료를 활용함에 있어서 장기 내구성 확보가 무엇보다 중요하다고 볼 수 있다.
일 구현예에 따른 상기 복합 섬유 원단의 제조방법은 전술한 목적을 달성할 수 있는 기술적 수단으로서 의의를 갖는다. 상기 복합 섬유 원단의 제조방법은 평균 입경이 2㎛ 이상인 금속 미립자를 포함하는 섬유 원단을 제조하기 위한 것이다. 금속 미립자의 경우 섬유 원단과 전혀 다른 재질인 이종의 성분으로서 섬유 원단 중에 포함된 상태로 목적하는 기능을 장기적으로 지속 구현하기 위해서는 섬유 원단 내에서 분산성이 우수해야 하며 섬유 원단과의 물리적 또는 화학적 부착성이 우수해야 한다. 상기 복합 섬유 원단의 제조방법은 이를 위한 효율적인 수단이 될 수 있다.
상기 금속 미립자의 평균 입경은 약 2㎛ 이상일 수 있고, 예를 들어, 약 2㎛ 내지 약 7㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 2㎛ 내지 약 5㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 2㎛ 내지 약 4㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 2㎛ 내지 약 3.5㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 2.5㎛ 내지 약 3.0㎛일 수 있다. 상기 금속 미립자의 평균 입경이 상기 범위를 만족함으로써 수십 또는 수백 나노미터 수준의 평균 크기를 갖는 금속 미립자의 경우에 비하여 인체 유해성이 저하되고, 마이크로 수준의 상대적으로 큰 금속 미립자를 사용함에도 불구하고 끊김없이 방사되는 이점을 갖는다.
상기 금속 미립자는 구리(Cu), 은(Ag), 게르마늄(Ge) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 금속 미립자는 구리(Cu)를 주성분으로 포함할 수 있다. 구리(Cu)를 주성분으로 포함한다는 것은 상기 금속 미립자를 이루는 금속 성분 중의 90중량%를 초과하는 성분이 구리(Cu)임을 의미하는 것으로서, 상기 금속 미립자를 이루는 금속 성분 전체 중의 구리(Cu)의 함량이 약 90중량% 내지 약 99중량% 일 수 있다. 평균 입경이 약 2㎛ 내지 약 7㎛인 상기 금속 미립자가 주성분으로 구리(Cu)를 포함함으로써 상기 복합 섬유 원단 제조방법에 의해 제조된 복합 섬유 원단이 목적으로 하는 수준의 탄력성 및 항균성을 동시에 확보할 수 있다.
도 1은 상기 복합 섬유 원단의 제조방법(100)의 순서도이다. 도 1을 참조할 때, 상기 복합 섬유 원단의 제조방법은 제1 섬유 원료 및 금속 미립자를 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 단계(10) 및 제2 섬유 원료 및 상기 제1 혼합물을 혼합하여 제2 혼합물을 제조하는 단계(20)를 포함한다.
상기 복합 섬유 원단을 제조하기 위해서는 섬유 원사를 우선적으로 제조해야 한다. 상기 섬유 원사는 원료 성분을 방사하여 필라멘트(filament) 형태로 뽑아내는 방법을 통하여 제조될 수 있다. 상기 제조방법에서 상기 섬유 원사를 제조하기 위한 원료 성분은 전술한 바와 같이 다단으로 제조될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 혼합물을 우선적으로 제조하고, 이어서 상기 제1 혼합물에 상기 제2 섬유 원료를 혼합하여 상기 제2 혼합물을 제조할 수 있다. 이와 같이 다단 원료 제조방법을 사용함으로써 상기 금속 미립자가 자체적인 응집없이 상기 섬유 원단 내에 고르게 분산될 수 있다. 이러한 금속 미립자의 분산성은 이러한 다단 원료 제조방법과 함께 후술하는 바에 따른 각 성분의 종류 및 함량비와 후속 공정 조건 등에 의해 종합적으로 영향을 받을 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제1 혼합물은 총 중량 100 중량부에 대하여, 상기 제1 섬유 원료를 약 50 중량부 이상, 예를 들어, 약 50 중량부 내지 약 75 중량부, 예를 들어, 약 50 중량부 내지 약 70 중량부, 예를 들어, 약 50 중량부 내지 60 중량부, 예를 들어, 약 50 중량부를 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제1 혼합물은 총 중량 100중량부에 대하여, 상기 금속 미립자를 약 12 중량부 내지 약 38 중량부, 예를 들어, 약 20 중량부 내지 약 38 중량부, 예를 들어, 약 25 중량부 내지 약 38 중량부, 예를 들어, 약 28 중량부 내지 약 38 중량부 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제1 혼합물은 상기 제1 섬유 원료를 용융시키면서 상기 금속 미립자를 상기 제1 섬유 원료의 용융물 내에 분산시키는 방법으로 제조될 수 있다. 이때, 상기 제1 혼합물을 용융시키는 온도는 약 80℃ 내지 250℃일 수 있고, 예를 들어, 약 150℃ 내지 약 250℃일 수 있고, 예를 들어, 약 180℃ 내지 약 200℃일 수 있고, 예를 들어, 90℃ 내지 180℃일 수 있고, 예를 들어, 약 95℃ 내지 약 150℃일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제1 혼합물은 분산제를 더 포함할 수 있다. 상기 분산제는 상기 금속 미립자가 상기 제1 섬유 원료 내에 보다 고르게 분산되도록 유도하는 역할을 수행할 수 있다. 상기 분산제는 예를 들어, 폴리에틸렌계 왁스(wax), 폴리프로필렌계 왁스, 에틸렌비스스테아마이드(EBS)계 왁스, 폴리올레핀엘라스토머(POE)계 왁스, 아연(Zinc) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다. 상기 제1 혼합물은 총 중량 100 중량부에 대하여, 상기 분산제를 약 10 중량부 내지 22 중량부, 예를 들어, 약 10 중량부 내지 15 중량부, 예를 들어, 약 12 중량부 내지 약 22 중량부 포함할 수 있다.
상기 복합 섬유 원단의 제조방법는 상기 제1 섬유 원료와 상기 금속 미립자를 혼합한 후에 상기 분산제를 추가 혼합하여 제1 혼합물을 제조할 수 있고, 상기 제1 섬유 원료를 상기 분산제와 혼합한 후에 상기 금속 미립자를 추가 혼합하여 제1 혼합물을 제조할 수도 있으며, 상기 금속 미립자와 상기 분산제를 혼합한 후에 상기 제1 섬유 원료를 추가 혼합하여 상기 제1 혼합물을 제조할 수도 있다. 또는 상기 제1 섬유 원료, 상기 금속 미립자 및 상기 분산제를 각각 계량 후 동시에 혼합하여 제1 혼합물을 제조할 수도 있다.
상기 복합 섬유 원단의 제조방법은 상기 제1 혼합물과 제2 섬유 원료를 혼합하여 제2 혼합물을 제조하는 단계(20)를 포함한다. 상기 제1 혼합물을 우선적으로 제조한 후에 제2 섬유 원료를 혼합하여 제2 혼합물을 제조함으로써 상기 금속 미립자의 균일한 분산성을 확보할 수 있고, 상기 금속 미립자가 2㎛ 이상의 마이크로 크기를 가짐에도 불구하고 상기 복합 섬유 원단의 가공이나 세탁 등의 사용 중에 탈착을 방지하는 효과를 얻을 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제2 혼합물은 총 중량 100 중량부에 대하여, 상기 제2 섬유 원료를 약 80 중량부 초과, 예를 들어, 약 82 중량부 내지 약 95 중량부, 예를 들어, 약 85 중량부 내지 약 95 중량부, 예를 들어, 약 85 중량부 내지 약 94 중량부, 예를 들어, 약 85 중량부 내지 약 93 중량부 포함할 수 있다. 상기 제2 혼합물의 총 중량 대비 상기 제2 섬유 원료의 함량비가 상기 범위를 만족함으로써 후속하여 상기 제2 혼합물을 방사하는 과정에서 끊김 없는 방사 효율을 구현하기에 유리할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제2 혼합물은 총 중량 100 중량부에 대하여 상기 제1 혼합물을 약 5 중량부 내지 15 중량부, 예를 들어, 약 5.5 중량부 내지 약 15 중량부, 예를 들어, 약 6 중량부 내지 약 15 중량부, 예를 들어, 약 7 중량부 내지 약 15 중량부 포함할 수 있다. 상기 제2 혼합물의 총 중량 대비 상기 제1 혼합물의 함량비가 상기 범위를 만족함으로써 상기 금속 미립자가 최종 원단 내에 목적하는 기능성 부여에 적합한 함량으로 포함될 수 있으며, 원단의 제조 과정 중에 상기 금속 미립자가 응집되지 않고 균일하게 분산 혼합될 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제2 혼합물은 상기 제2 섬유 원료를 용융시키면서 상기 제1 혼합물을 투입 및 혼합함으로써 제조될 수 있다. 다른 구현예에서, 상기 제2 혼합물은 상기 제2 섬유 원료와 상기 제1 혼합물을 동시 투입하여 혼합함으로써 제조될 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제2 혼합물은 상기 제1 혼합물과 상기 제2 섬유 원료를 약 150℃ 내지 약 300℃, 예를 들어, 약 180℃ 내지 약 300℃, 예를 들어, 약 200℃ 내지 약 300℃, 예를 들어, 약 220℃ 내지 약 280℃, 예를 들어, 약 240℃ 내지 약 280℃의 온도에서 용융 혼합함으로써 제조될 수 있다. 이러한 온도 범위 공정을 통하여 상기 제1 혼합물과 상기 제2 섬유 원료가 균일하게 혼합될 수 있고, 전체 혼합물 내에 상기 제1 혼합물 중의 금속 미립자가 고르게 혼합될 수 있다.
상기 제1 섬유 원료 및 상기 제2 섬유 원료는 각각 섬유 재질의 원료로서 비스코스레이온(Viscosrayon), 폴리에스터(Polyester), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리프로필렌(Polypropylene, PP), 폴리락트산(Polylacticacid, PLA), 면(Cotton), 나이론(Nylon), 펄프(Pulp) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제1 섬유 원료 및 상기 제2 섬유 원료는 각각 폴리프로필렌(PP)을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 섬유 원료 및 상기 제2 섬유 원료 각각은 폴리프로필렌(PP)을 포함하면서 이종의 섬유 원료를 함께 포함할 수 있다. 상기 제1 섬유 원료 및 상기 제2 섬유 원료는 상호 동일한 조성을 가질 수도 있고, 상이한 조성을 가질 수도 있다.
일 구현예에서, 상기 제1 섬유 원료 및 상기 제2 섬유 원료 각각은 폴리에틸렌(PE)을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 섬유 원료 및 상기 제2 섬유 원료 각각은 폴리에틸렌(PE)을 포함하면서 이종의 섬유 원료를 함께 포함할 수 있다. 상기 제1 섬유 원료 및 상기 제2 섬유 원료는 상호 동일한 조성을 가질 수도 있고, 상이한 조성을 가질 수도 있다.
일 구현예에서, 상기 제1 섬유 원료가 폴리프로필렌(PP)을 포함하고, 상기 제1 섬유 원료 및 상기 금속 미립자를 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 단계(10)의 공정 온도가 약 180℃ 내지 약 200℃일 수 있다. 그 결과, 상기 금속 미립자가 상기 제1 섬유 원료 내에 고르게 분산될 수 있고, 상기 제1 섬유 원료 본연의 기능을 손상시키지 않으면서 목적하는 항균성 및 기계적 물성을 우수하게 구현할 수 있다.
다른 구현예에서, 상기 제1 섬유 원료가 폴리에틸렌(PE)을 포함하고, 상기 제1 섬유 원료 및 상기 금속 미립자를 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 단계(10)의 공정 온도가 약 100℃ 내지 약 150℃일 수 있다. 그 결과, 상기 금속 미립자가 상기 제1 섬유 원료 내에 고르게 분산될 수 있고, 상기 제1 섬유 원료 본연의 기능을 손상시키지 않으면서 목적하는 항균성 및 기계적 물성을 우수하게 구현할 수 있다.
일 구현예에 따른 상기 복합 섬유 원단의 제조방법은 상기 제1 섬유 재료 및 상기 제2 섬유 재료에 각각 폴리프로필렌(PP)을 적용할 수 있고, 이와 동시에, 평균 입경이 약 2㎛ 내지 약 7㎛인 금속 미립자를 적용함으로써 폴리프로필렌(PP)의 우수한 내마모성, 경량성 및 보온성과 함께 탄성력이 향상된 기계적 물성 및 항균성을 확보할 수 있다.
다른 구현예에 따른 상기 복합 섬유 원단의 제조방법은 상기 제1 섬유 재료 및 상기 제2 섬유 재료에 각각 폴리에틸렌(PE)을 적용할 수 있고, 이와 동시에, 평균 입경이 약 2㎛ 내지 약 7㎛인 금속 미립자를 적용함으로써 폴리에틸렌(PE)의 우수한 유연성과 함께 탄성력이 향상된 기계적 물성 및 항균성을 확보할 수 있다.
도 1을 참조할 때, 상기 복합 섬유 원단의 제조방법은 상기 제2 혼합물을 방사하여 섬유 원사를 제조하는 단계(30)를 포함한다.
상기 제2 혼합물을 방사하는 방법은 용융 방사(Melting Spinning) 공정, 건식 방사(Dry Spinning) 공정, 습식 방사(Wet Spinning) 공정 중 적어도 하나를 적용할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제2 혼합물은 용융 방사 공정을 통하여 섬유 원사로 방사될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 섬유 재료의 용융물 및 상기 제2 섬유 재료의 용융물과 상기 금속 미립자를 포함하는 유동상의 상기 제2 혼합물을 소정의 크기를 갖는 노즐을 통하여 압출한 후 냉각 고화시켜 가늘고 긴 형상의 섬유 원사를 얻을 수 있다.
일 구현예에서, 상기 노즐의 직경은 약 0.5mm 내지 약 2.0mm일 수 있고, 예를 들어, 약 0.8mm 내지 약 1.5mm일 수 있다. 상기 제2 혼합물은 섬유 원료의 용융물과 함께 전술한 평균 크기를 갖는 입자상의 금속 미립자를 포함하므로 전술한 점도 및 노즐 직경의 조건에 따라 방사됨으로써 끊김 없이 균일한 섬유 원사로 제조될 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제2 혼합물이 상기 노즐을 통하여 약 15℃ 내지 약 30℃, 예를 들어, 약 18℃ 내지 약 25℃, 예를 들어, 약 20℃ 내지 23℃의 온도 조건 하에 방사됨으로써 냉각 고화되어 섬유 원사로 제조될 수 있다. 이러한 온도 조건 하에 방사됨으로써 상기 섬유 원사 중의 금속 미립자가 탈착 없이 견고히 부착될 수 있고, 상기 섬유 원사의 굵기가 균일하게 제조될 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제2 혼합물을 방사하여 섬유 원사를 제조하는 단계는 상기 노즐을 통하여 방사되어 냉각 고화된 섬유 원사에 유제를 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 유제는 상기 섬유 원사에 평활성, 집속성, 대전 방지성 등을 부여하기 위한 것으로서, 상기 유제의 종류는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 마찰계수를 낮춰주는 오일(Oil)을 사용할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제2 혼합물을 방사하여 섬유 원사를 제조하는 단계 는 상기 유제가 도포된 섬유 원사를 연신 롤러에 투입한 후 열풍 조건 하에서 연신하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이는 상기 섬유 원사에 적절한 배향성을 부여하여 상용화되기 위한 탄성과 강성을 갖도록 가공하는 단계로서, 예를 들어, 약 100℃ 내지 약 150℃, 예를 들어, 약 110℃ 내지 140℃, 예를 들어, 약 115℃ 내지 약 130℃ 열풍 조건 하에서 연신할 수 있다.
상기 연신 롤러는 상대적으로 회전수가 느린 피드 롤러(feed roller) 및 상대적으로 회전수가 빠른 테이크업 롤러(take-up roller)를 포함할 수 있다. 상기 피드 롤러로부터 상기 테이크업 롤러로 상기 섬유 원사가 권취되면서 상기 섬유 원사를 이루는 화학적 분자가 재배열되어 섬유 축 방향으로 배향성을 갖게 되며 이를 통해 적절한 탄성을 나타낼 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제2 혼합물로부터 제조된 상기 섬유 원사를 연신하기 위한 연신 롤러에 있어서, 상기 피드 롤러의 회전수 대 상기 테이크업 롤러의 회전수 비는 1 : 1.01 내지 1 : 5일 수 있고, 예를 들어, 1 : 2 내지 1 : 4일 수 있다. 평균입경이 2㎛ 내지 7㎛인 입자상의 금속 미립자를 전술한 바와 같은 함량으로 포함하는 제2 혼합물을 방사 및 연신함에 있어서, 상기 피드롤러 대 상기 테이크업롤러의 회전수 비가 상기 범위를 만족함으로써 섬유 원사가 끊어지지 않고 목적하는 수준의 배향성을 부여받을 수 있다.
도 2는 추가 구현예에 다른 복합 섬유 원단의 제조방법(200)의 순서도를 도시한 것이다. 도 2를 참조할 때, 상기 복합 섬유 원단의 제조방법은 상기 섬유 원사를 직조하여 직물을 제조하는 단계(40); 및 상기 직물을 열처리하는 단계(50)를 더 포함할 수 있다.
상기 섬유 원사를 직조하여 제조된 직물은 제직물; 또는 경편, 환편, 위편 등의 편직물일 수 있다. 상기 직물의 형태는 최종 제조된 복합 섬유 원단의 용도에 따라 적절히 선택될 수 있다. 상기 직물을 열처리 함에 따라 상기 복합 섬유 원단에 부여된 항균성을 우수하게 구현하면서도, 동시에 향상된 탄력성을 부여할 수 있다.
상기 복합 섬유 원단의 제조방법을 통하여, 마이크로 크기의 금속 미립자를 적용하여도 섬유 원단의 가공 과정이나 세탁 등의 사용 중에 금속 미립자의 탈착을 효과적으로 방지할 수 있고, 이로 인해 부여되는 항균 기능 등의 기능성과 고탄력성 등의 기계적 물성이 장기간 지속될 수 있는 이점과 나노 크기의 미립자에 비하여 흡입으로 인한 인체 유해성을 차단하는 등의 장점을 갖는 복합 섬유 원단을 제조할 수 있다.
다른 구현예에서, 섬유 원사의 직물을 포함하고, 상기 섬유 원사의 표면에 부착되거나 상기 섬유 원사의 내부에 함유된 금속 미립자를 포함하며, 상기 금속 미립자의 평균 입경이 2㎛ 내지 7㎛이고, 하기 식 1에 따른 항균-공정 상관 지수(antibiosis-process correlation index)가 1.5 내지 2.0인 복합 섬유 원단을 제공한다.
[식 1]
항균-공정 지수 = 최대 방사 함량 값 / 초기 항균력 값
상기 식 1에서 상기 최대 방사 함량 값은 상기 섬유 원사를 방사하는 과정에서 원료 혼합물이 끊어지지 않고 최대로 방사되는 원료 혼합물의 함량[kg] 값으로, 제1 섬유 원료 및 금속 미립자를 혼합한 제1 혼합물에 제2섬유원료를 혼합한 제2 혼합물의 80kg 내지 150kg 방사시킨 후 끊어지지 않고 최대로 방사된 제2혼합물의 함량(kg)을 의미하고, 상기 초기 항균력 값은 상기 직물 제조 후 24시간 이내에 KS K 0693:2016 규격에 따른 섬유 재료의 항균시험법을 이용하여 항균성을 평가하였을 때, 황색포도상구균(균주 1, Straphylococcus aureus ATCC 6538), 폐렴쌍구균(균주 2, Klebsiella pneumoniae ATCC 4352) 및 대장균(균주 3, Escherichia coli ATCC 25922) 중 적어도 하나의 균주에 대한 항균력[%] 값이다.
상기 식 1의 항균-공정 상관 지수의 값이 약 1.5 미만인 경우, 상기 복합 섬유 원단의 항균성에 비하여 방사 품질이 열등한 문제가 있고, 약 2.0을 초과하는 경우, 상기 복합 섬유 원단의 방사 품질에 비하여 항균성이 열등한 문제가 있다.
상기 복합 섬유 원단은 전술한 복합 섬유 원단의 제조방법에 의해 제조될 수 있다.
상기 금속 미립자는 상기 섬유 원사의 표면에 부착되거나 상기 섬유 원사의 내부에 함유된다. 즉, 상기 금속 미립자는 상기 섬유 원사의 표면에 부착될 수도 있고, 상기 섬유 원사 필라멘트 내부에 배치될 수도 있다. 상기 복합 섬유 원단은 2 이상의 복수의 금속 미립자를 포함할 수 있고, 이때 각각의 입자가 독립적으로 상기 섬유 원사의 표면 또는 상기 섬유 원사의 내부에 위치할 수 있다.
상기 복합 섬유 원단은 마이크로 크기의 금속 미립자가 적용된 기능성 섬유 원사로부터 제조된 원단으로서 나노 크기의 미립자 적용에 비하여 동등 수준 이상의 항균기능을 구현하면서, 이와 동시에 흡입으로 인한 인체 유해성을 차단하고, 원단 내 금속 미립자가 응집없이 보다 균일하게 분산된 이점을 갖는다. 또한 우수한 탄력성을 기반으로 향상된 기계적 물성을 나타낼 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
<실시예 및 비교예>
하기 실시예 1-1 내지 1-2 및 비교예 1-1 내지 1-3은 하기 표 1에 기재된 바와 같이 금속 미립자의 평균 입경에 따른 다양한 예시를 기재한 것이다. 하기 표 1에서 각 성분에 해당하는 수치는 중량부를 의미한다.
실시예 1-1
폴리프로필렌(Polypropylene, PP)을 포함하는 제1 섬유 원료(롯데케미칼社)를 준비하였다. 상기 제1 섬유 원료 50kg에 평균 입경이 2.70㎛이고 순도가 99%인 구리(Cu) 미립자를 30kg 투입하고, 분산제 (라이온캠텍社 등)를 15kg 투입한 후 100도이상의 온도에서 용융시키면서 혼합한 후 압출하여 제1 혼합물을 제조하였다. 폴리프로필렌(Polypropylene, PP)을 포함하는 제2 섬유 원료(LG화학社)를 준비하였다. 상기 제2 섬유 원료를 용융시키면서 상기 제1 혼합물을 혼합하여 제2 혼합물을 제조하되, 상기 제2 혼합물 총 중량 100 중량부에 대하여 상기 제1 혼합물을 7 중량부가 되도록 혼합하여 제2 혼합물을 제조하였다. 상기 제2 혼합물을 충분히 용융시킨 후 1mm 직경을 갖는 노즐을 통하여 압출한 후 20(ㅁ2)℃에서 냉각시키고, 표면에 오일을 도포하여 섬유 원사를 제조하였다. 상기 오일이 도포된 섬유 원사를 상대적으로 회전수가 느린 피드 롤러(feed roller) 및 상대적으로 회전수가 빠른 테이크업 롤러(take-up roller)를 포함하는 연신 롤러에 투입한 후 120℃ 열풍 조건 하에서 연신하여 최종 섬유 원사를 제조하였다. 이어서, 상기 섬유 원사로 경편 또는 위편으로 직조한 후 열처리하여 복합 섬유 원단을 제조하였다.
실시예 1-2
평균 입경이 2.00㎛인 구리(Cu) 미립자를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 복합 섬유 원단을 제조하였다.
비교예 1-1
평균 입경이 1.00㎛인 구리(Cu) 미립자를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 복합 섬유 원단을 제조하였다.
비교예 1-2
평균 입경이 30㎛인 구리(Cu) 미립자를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 복합 섬유 원단을 제조하였다.
비교예 1-3
평균 입경이 20㎛인 구리(Cu) 미립자를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 복합 섬유 원단을 제조하였다.
실시예 1-1 실시예 1-2 비교예 1-1 비교예 1-2 비교예 1-3
금속 미립자 주성분 구리(Cu) 구리(Cu) 구리(Cu) 구리(Cu) 구리(Cu)
크기[㎛] 2.70 2.00 1.00 30 20
제1 혼합물 제1 섬유 원료 50 50 50 50 50
금속 미립자 30 30 30 30 30
제2 혼합물 제2 섬유 원료 93 93 93 93 93
제1 혼합물 7 7 7 7 7
하기 실시예 2-1 내지 2-2 및 비교예 2-1 내지 2-2는 하기 표 2에 기재된 바와 같이 각각의 제1 혼합물 중의 제1 섬유 원료 및 금속 미립자의 함량비에 따른 다양한 예시를 기재한 것이다. 하기 표 2에서 각 성분에 해당하는 수치는 중량부를 의미한다.
실시예 2-1
상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 복합 섬유 원단을 제조하였다.
실시예 2-2
상기 제1 혼합물의 제조 단계에서, 상기 제1 섬유원료 50kg, 상기 금속 미립자 38kg 및 상기 분산제 12kg을 투입하여 제1 혼합물을 제조한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 복합 섬유 원단을 제조하였다.
비교예 2-1
상기 제1 혼합물의 제조 단계에서, 상기 제1 섬유 원료 75kg, 상기 금속 미립자 5kg 및 상기 분산제 20kg을 투입하여 제1 혼합물을 제조한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 복합 섬유 원단을 제조하였다.
비교예 2-2
상기 제1 혼합물의 제조 단계에서, 상기 제1 섬유 원료 25kg에 대하여 상기 금속 미립자를 55kg 투입하여 제1 혼합물을 제조한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 복합 섬유 원단을 제조하였다.
실시예 2-1 실시예 2-2 비교예 2-1 비교예 2-2
금속미립자 주성분 구리(Cu) 구리(Cu) 구리(Cu) 구리(Cu)
크기[㎛] 2.70 2.70 2.70 2.70
제1 혼합물 제1 섬유 원료 50 50 75 25
금속 미립자 30 38 5 55
제2 혼합물 제2 섬유 원료 93 93 93 93
제1 혼합물 7 7 7 7
하기 실시예 3-1 내지 3-2 및 비교예 3-1 내지 3-2는 하기 표 3에 기재된 바와 같이 각각의 제2 혼합물 중의 제2 섬유 원료 및 제1 혼합물의 함량비에 따른 다양한 예시를 기재한 것이다. 하기 표 3에서 각 성분에 해당하는 수치는 중량부를 의미한다.
실시예 3-1
상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 복합 섬유 원단을 제조하였다.
실시예 3-2
상기 제2 혼합물의 제조 단계에서, 상기 제2 혼합물 총 중량 100 중량부에 대하여, 상기 제2 섬유 원료 90 중량부 및 상기 제1 혼합물 10 중량부를 투입 및 혼합하여 제2 혼합물을 제조한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 복합 섬유 원단을 제조하였다.
비교예 3-1
상기 제2 혼합물의 제조 단계에서, 상기 제2 혼합물 총 중량 100 중량부에 대하여, 상기 제2 섬유 원료 80 중량부 및 상기 제1 혼합물 20 중량부를 투입 및 혼합하여 제2 혼합물을 제조한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 복합 섬유 원단을 제조하였다.
비교예 3-2
상기 제2 혼합물의 제조 단계에서, 상기 제2 혼합물 총 중량 100 중량부에 대하여, 상기 제2 섬유 원료 97 중량부 및 상기 제1 혼합물 3 중량부를 투입 및 혼합하여 제2 혼합물을 제조한 것을 제외하고, 상기 실시예 1-1과 동일한 방법으로 복합 섬유 원단을 제조하였다.
실시예 3-1 실시예 3-2 비교예 3-1 비교예 3-2
금속미립자 주성분 구리(Cu) 구리(Cu) 구리(Cu) 구리(Cu)
크기[㎛] 2.70 2.70 2.70 2.70
제1 혼합물 제1 섬유 원료 50 50 50 50
금속 미립자 30 30 30 30
제2 혼합물 제2 섬유 원료 93 90 80 97
제1 혼합물 7 10 20 3
<평가>
평가예 1: 방사 품질 평가
상기 각각의 실시예 및 비교예에 대하여 하기 평가 기준에 따라 방사 품질을 평가하였다. 그 결과는 하기 표 4에 기재된 바와 같다.
<평가 기준>
우수: 끊어짐 없이 방사됨
보통: 제2 혼합물 80kg 내지 150kg 방사 후 끊어짐
열등: 제2 혼합물 80kg 이하로 방사 후 끊어짐
평가예 2: 항균성 평가
KS K 0693:2016 규격에 따른 섬유 재료의 항균시험법을 이용하여 각각의 실시예 및 비교예의 복합 섬유 원단에 대하여 항균성을 평가하였다. 각각의 복합 섬유 원단이 제조된 후 48시간 이내에 각각의 시료를 고온고압멸균기(오토클레이브)에서 121℃로 멸균처리 후 황색포도상구균(균주 1, Straphylococcus aureus ATCC 6538), 폐렴쌍구균(균주 2, Klebsiella pneumoniae ATCC 4352) 및 대장균(균주 3, Escherichia coli ATCC 25922)을 각각 5.0g 접종하고 18시간 배양한 뒤 표준 면포와 비교하여 정균 감소율(%)를 계산하였다. 그 결과는 하기 표 4에 기재된 바와 같다.
평가예 3: 항균-공정 상관성 평가
각각의 실시예 및 비교예의 복합 섬유 원단에 대하여 상기 평가예 1에 의해 측정된 제2 혼합물의 최대 방사 함량[kg] 값과 상기 평가예 2에 의해 측정된 정균 감소율로 나타나는 초기 항균력[%] 값을 이용하여 하기 식 1에 의한 항균-공정 상관 지수(antibiosis-process correlation index)를 도출하였다. 그 결과는 하기 표 4에 기재된 바와 같다.
[식 1]
항균-공정 지수 = 최대 방사 함량 값 / 초기 항균력 값
실시예 비교예
1-1 1-2 2-2 3-2 1-1 1-2 1-3 2-1 2-2 3-1 3-2
방사 품질 우수 우수 우수 우수 보통 열등 열등 우수 열등 열등 보통
항균력
[%]		 초기 균주 1 99.9 99.9 99.8 99.6 95.7 - - 79.2 - - 75.4
균주 2 99.9 99.8 99.9 99.5 96.3 - - 79.5 - - 74.8
균주 3 99.9 99.8 99.7 99.2 97.1 - - 77.8 - - 76.4
유
지
력		 균주 1 99.9 99.9 99.8 99.6 94.5 - - 76.0 - - 74.3
균주 2 99.9 99.8 99.9 99.5 96.3 - - 78.2 - - 74.8
균주 3 99.9 99.8 99.7 99.2 97.0 - - 77.8 - - 75.2
항균-공정
상관지수		 균주 1 1.70 1.70 1.70 1.71 1.04 - - 2.15 - - 1.33
균주 2 1.70 1.70 1.70 1.71 1.04 - - 2.14 - - 1.34
균주 3 1.70 1.70 1.71 1.71 1.03 - - 2.19 - - 1.31
*유지력: 한 달 동안 100번 이상 세탁한 후 초기와 동일한 방법으로 평가
상기 표 4를 참조할 때, 상기 비교예 1-2, 1-3, 2-2 및 3-1 등은 방사 품질이 열등하여 섬유 원사의 방사 과정에서 잦은 끊어짐 등의 이유로 인하여 섬유 원단의 제조가 가능한 수준의 원사를 제조해내지 못하였다.
또한, 상기 실시예 1-1, 1-2, 2-2 및 3-2의 경우, 상기 식 1에 의한 항균-공정 상관 지수의 값이 1.5 내지 2.0, 보다 구체적으로, 1.7 내지 1.9의 값을 만족함으로써, 그 값이 1.5 미만인 비교예 1-1 및 3-2에 비하여 항균성 대비 방사 품질이 우수한 것을 확인할 수 있었고, 그 값이 2.0 초과인 비교예 2-1에 비하여 방사 품질 대비 항균성이 우수한 것을 확인할 수 있었다.
100, 200: 복합 섬유 원단의 제조방법 순서도
10: 제1 혼합물 제조단계
20: 제2 혼합물 제조단계
30: 섬유 원사 제조단계
40: 직물 제조단계
50: 직물 열처리 단계

Claims (9)

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  8. 삭제
  9. 섬유 원사의 직물을 포함하고,
    상기 섬유 원사의 표면에 부착되거나 상기 섬유 원사의 내부에 함유된 평균 입경이 2㎛ 내지 7㎛이고, 구리(Cu)의 함량이 90중량% 내지 99중량% 인 금속 미립자를 포함하며,
    하기 식 1에 의한 항균-공정 상관 지수(antibiosis-process correlation index)가 1.5 내지 2.0인 복합 섬유 원단:
    [식 1]
    항균-공정 상관 지수 = 최대 방사 함량 값 / 초기 항균력 값
    상기 식 1에서,
    상기 최대 방사 함량 값은 원료 혼합물로부터 상기 섬유 원사를 방사하는 과정에서 상기 원료 혼합물이 끊어지지 않고 최대로 방사되는 원료 혼합물의 함량[kg] 값으로, 제1 섬유 원료 및 금속 미립자를 혼합한 제1 혼합물에 제2섬유원료를 혼합한 제2 혼합물의 80kg 내지 150kg 방사시킨 후 끊어지지 않고 최대로 방사된 제2혼합물의 함량(kg)을 의미하고,
    상기 초기 항균력 값은 상기 직물 제조 후 48시간 이내에 KS K 0693:2016 규격에 따른 섬유 재료의 항균시험법을 이용하여 항균성을 평가하였을 때, 황색포도상구균(균주 1, Straphylococcus aureus ATCC 6538), 폐렴쌍구균(균주 2, Klebsiella pneumoniae ATCC 4352) 및 대장균(균주 3, Escherichia coli ATCC 25922) 중 적어도 하나의 균주에 대한 정균 감소율[%] 값이다.
KR1020200087941A 2020-07-16 2020-07-16 복합 섬유 원단의 제조방법 및 복합 섬유 원단 KR102424727B1 (ko)

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