KR102471577B1 - 기능성 원사 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 기능성 원사 제조방법은 제1원사소재를 용융시켜 제1소재공급부를 통해 방사노즐부로 공급하고, 제2원사소재와 기능성 성분의 혼합물을 용융시켜 제2소재공급부를 통해 상기 방사노즐부로 공급하는 제1단계, 상기 방사노즐부에서 상기 제1소재공급부와 제2소재공급부를 통해 공급되는 용융액을 시스-코어(sheath-core) 형태의 원사로 방사하는 제2단계, 상기 방사된 원사를 냉각시켜 권취하는 제3단계를 포함하되, 상기 제2단계에서 방사노즐부는 상기 제1소재공급부에서 공급되는 용융액을 중앙부에 위치한 제1노즐을 통해 방사하고, 상기 제2소재공급부에서 공급되는 용융액을 상기 제1노즐의 외측을 둘러싸는 형태로 형성된 제2노즐을 통해 방사하는 것을 특징으로 한다.

Description

기능성 원사 제조방법{Manufacturing Method for Functional Yarn}

본 발명은 기능성 원사의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원사의 단면을 다지형 시스-코어(sheath-core) 구조로 구성하되, 원사에 포함되는 기능성 성분이 원사의 시스부에만 분포하도록 방사함으로써 원사에 혼합되는 기능성 성분의 함량을 최소화하여 안정적인 방사가 이루어지도록 하면서도 원사의 기능성 발휘를 최대화시킬 수 있는 기능성 원사의 제조방법에 관한 것이다.

최근 들어, 생활수준이 향상됨에 따라 건강과 웰빙에 대한 관심이 높아지면서 기존의 섬유 소재에 다양한 가능성 성분을 함유시킨 기능성 섬유의 개발이 활발히 이루어지고 있다.

이러한 기능성 섬유는 대부분 항균, 소취, 원적외선 방출 등의 기능을 가지도록 구성되는데, 이를 위하여 종래에는 하기 [문헌 1]과 [문헌 2]에 개시된 바와 같이 섬유 소재에 항균 및 소취 기능을 구비한 은분말 또는 은나노 입자를 함유시킨 섬유가 주로 개발되었다.

그러나, 상기 은 성분을 함유한 기능성 섬유의 경우 귀금속의 일종인 은의 가격 때문에 섬유의 제조비용을 크게 상승시킬 뿐만 아니라, 의복 등으로 제작될 경우 은 성분이 착용자의 신체에 축적됨으로써 오히려 착용자의 건강을 해치게 되는 문제점이 있었다.

또한, 종래 기술에 따른 기능성 섬유의 경우 원사 소재와 기능성 성분을 혼합한 용융액을 단일 노즐을 통해 방사하여 원사를 제조하는 방식이기 때문에 상기 기능성 성분이 원사의 단면에 전체적으로 분포하게 된다.

이 경우, 섬유의 기능성 발휘가 원사의 표면에서 이루어짐을 감안할 때 불필요한게 많은 양의 기능성 성분이 요구됨으로써 섬유의 제조비용을 상승시킬 뿐만 아니라 이물질(즉, 기능성 성분)의 과도한 혼입으로 인하여 절사(切絲) 현상 등을 야기함으로써 원사의 방사 효율이 크게 저하되는 문제점도 있었다.

[문헌 1] 한국공개특허 제2009-0012486호(2009. 2. 4. 공개)

[문헌 2] 한국공개특허 제2002-0060654호(2002. 7. 18. 공개)

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 원사의 단면을 시스-코어(sheath-core) 구조로 구성하되, 원사에 포함되는 기능성 성분이 원사의 시스부에만 분포하도록 방사함으로써 원사에 혼합되는 기능성 성분의 함량을 최소화하여 안정적인 방사가 이루어지도록 하면서도 원사의 기능성 발휘를 최대화시킬 수 있는 기능성 원사의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 원사에 항균, 소취, 원적외선 방출 등의 기능성을 부여하기 위하여 종래의 은 성분 대신에 인체에 축적되지 않는 알루미나 성분을 기능성 성분으로 혼합함으로써 원사의 제조비용을 크게 저감시킬 뿐만 아니라, 인체에도 무해한 친환경적인 기능성 원사의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 원사의 단면을 다지형으로 구성하여 원사의 기능성 발휘를 위한 표면적을 최대화함과 동시에 섬유로 직조시 원사 사이에 발생되는 공극으로 인하여 섬유에 보온단열 및 흡한속건의 기능성도 부여할 수 있는 기능성 원사의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 기능성 원사 제조방법은 제1원사소재를 용융시켜 제1소재공급부를 통해 방사노즐부로 공급하고, 제2원사소재와 기능성 성분의 혼합물을 용융시켜 제2소재공급부를 통해 상기 방사노즐부로 공급하는 제1단계, 상기 방사노즐부에서 상기 제1소재공급부와 제2소재공급부를 통해 공급되는 용융액을 시스-코어(sheath-core) 형태의 원사로 방사하는 제2단계, 상기 방사된 원사를 냉각시켜 권취하는 제3단계를 포함하되, 상기 제2단계에서 방사노즐부는 상기 제1소재공급부에서 공급되는 용융액을 중앙부에 위치한 제1노즐을 통해 방사하고, 상기 제2소재공급부에서 공급되는 용융액을 상기 제1노즐의 외측을 둘러싸는 형태로 형성된 제2노즐을 통해 방사하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 원사의 외형을 유지하기 위하여 상기 제1원사소재의 고유점도가 제2원사소재의 고유점도 보다 높은 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1단계에서 제1노즐의 방사 속도가 제2노즐의 방사 속도 보다 큰 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1노즐과 제2노즐은 각각의 출구가 중앙부를 중심으로 복수의 가지부(branch)가 방사상으로 연장되어 형성된 다지형으로 구성되되, 상기 가지부의 외곽 직경은 상기 중앙부 직경의 1.5배 내지 5배인 것을 특징으로 한다.

상기 제1원사소재와 제2원사소재는 PET 이고, 상기 기능성 성분은 알루미나이되, 상기 알루미나는 분말 상태에서 실란 커플링제를 첨가하여 표면개질을 위한 전처리를 수행한 후 상기 제2원사소재와 혼합하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기능성 성분은 제2원사소재의 100 중량%에 대하여 0.5 내지 3 중량%의 비율로 혼합되고, 상기 원사의 시스(sheath)부의 면적은 코어(core)부 면적의 5 내지 40%인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 기능성 원사의 제조방법은 제1노즐과 제2노즐로 구성되는 이중 노즐 구조의 방사노즐부를 이용하여 원사의 단면을 시스-코어(sheath-core) 구조로 구성하되, 원사에 포함되는 기능성 성분이 원사의 시스부에만 분포하도록 방사함으로써 원사에 혼합되는 기능성 성분의 함량을 최소화하여 안정적인 방사가 이루어지도록 하면서도 원사의 기능성 발휘를 최대화시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 기능성 원사의 제조방법에 의하여 방사된 원사는 항균, 소취, 원적외선 방출 등의 기능성을 부여하기 위하여 종래의 은 성분 대신에 상대적으로 저가이고 인체에 축적이 되지 않는 알루미나 성분이 기능성 성분으로 혼합되기 때문에 원사의 제조비용이 현저히 저감될 뿐만 아니라 인체에도 무해한 장점이 있다.

또한,본 발명에 따른 기능성 원사의 제조방법에 의하여 방사된 원사는 단면이 다지형으로 구성되기 때문에 원사의 기능성 발휘를 위한 표면적을 최대화할 수 있고, 섬유로 직조시 원사 사이에 발생되는 공극으로 인하여 섬유에 보온단열 및 흡한속건의 기능성도 부여할 수 있는 장점이 있다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 원사 제조방법에 사용되는 장치의 전체적인 구성을 나타낸 도면,
도2는 도1에 적용한 방사노즐부의 상세 구성을 나타낸 단면도,
도3은 도2에 도시한 방사노즐부를 구성하는 제2노즐의 출구 형상을 나타낸 도면,
도4는 도1에 따른 장치를 이용하여 방사한 시스-코아 구조의 원사 단면을 나타낸 도면, 및
도5는 도1에 따른 장치에 투입되는 기능성 성분인 알루미나를 전처리하는 방법을 설명하기 위한 공정도이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 이용하여 상세히 설명하기로 한다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 기능성 원사 제조방법에 사용되는 장치의 전체적인 구성을 나타낸 도면이고, 도2는 도1에 적용한 방사노즐부의 상세 구성을 나타낸 단면도이며, 도3은 도2에 도시한 방사노즐부를 구성하는 제2노즐의 출구 형상을 나타낸 도면이다.

또한, 도4는 도1에 따른 장치를 이용하여 방사한 시스-코아 구조의 원사 단면을 나타낸 도면이고, 도5는 도1에 따른 장치에 투입되는 기능성 성분인 알루미나를 전처리하는 방법을 설명하기 위한 공정도이다.

본 발명에 따른 기능성 원사의 제조방법은 제1원사소재를 용융시켜 제1소재공급부를 통해 방사노즐부로 공급하고, 제2원사소재와 기능성 성분의 혼합물을 용융시켜 제2소재공급부를 통해 상기 방사노즐부로 공급하는 제1단계, 상기 방사노즐부에서 상기 제1소재공급부와 제2소재공급부를 통해 공급되는 용융액을 시스-코어(sheath-core) 형태의 원사로 방사하는 제2단계, 상기 방사된 원사를 냉각시켜 권취하는 제3단계를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 제2단계에서 방사노즐부는 상기 제1소재공급부에서 공급되는 용융액을 중앙부에 위치한 제1노즐을 통해 방사하고, 상기 제2소재공급부에서 공급되는 용융액을 상기 제1노즐의 외측을 둘러싸는 형태로 형성된 제2노즐을 통해 방사하는 것을 특징으로 한다.

이를 위하여 본 발명에 따른 기능성 원사의 제조방법은 도1에 도시한 바와 같은 방사장치를 일예로서 사용하게 되는데, 상기 방사장치는 제1원사소재를 용융시켜 공급하는 제1소재공급부(10), 제2원사소재와 기능성 성분의 혼합물을 용융시켜 공급하는 제2소재공급부(20), 상기 제1소재공급부(10)와 제2소재공급부(20)에서 공급되는 용융액을 시스-코어(sheath-core) 형태의 원사로 방사하는 방사노즐부(30), 상기 방사된 원사를 냉각시키는 냉각장치부(40), 및 상기 냉각된 원사를 권취하는 원사 권취부(50)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 제1소재공급부(10)는 제1호퍼(13)를 통해 공급되는 제1원사소재를 용융시켜 공급하는 제1피더(11)와 제1피딩모터(12), 상기 공급된 용융액을 일시적으로 저장하는 제1저장용기(14), 및 상기 제1저장용기(14)의 용융액을 상기 방사노즐부로 방출하는 제1기어펌프(15)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 제2소재공급부(20)는 제2호퍼(23)를 통해 공급되는 제2원사소재와 기능성 성분의 혼합물을 용융시켜 공급하는 제2피더(21)와 제2피딩모터(22), 상기 공급된 용융액을 일시적으로 저장하는 제2저장용기(24), 및 상기 제2저장용기(24)의 용융액을 상기 방사노즐부로 방출하는 제2기어펌프(25)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 제1소재공급부(10)와 제2소재공급부(20)는 통상의 압출기(extruder)를 이용하여 바람직하게 구성될 수 있다.

또한, 상기 제1원사소재와 제2원사소재는 원사를 방사하기 위하여 사용되는 통상의 합성수지로 구성될 수 있는데, 필요에 따라서는 상기 제1,2원사소재는 서로 다른 종류의 합성수지로 구성되거나 동일한 종류의 합성수지로 구성될 수 있다.

본 실시예의 경우 일예로서 상기 제1,2원사소재로 PET 수지를 사용하였는데, 이 경우도 상기 제1,2원사소재는 필요에 따라 물성이 동일한 PET 수지를 사용하거나 물성이 상이한 PET 수지를 사용할 수 있다.

또한, 상기 기능성 성분으로서 본 실시예에서는 항균 및 소취 작용이 있고 인체내에 축적이 되지 않는 알루미나(Al₂O₃)를 사용하였는데, 상기 알루미나 입자는 PET 수지에 혼합할 경우 균일한 분산이 이루어질 수 있도록 하기 위하여 도5에 도시한 바와 같이 실란커플링제(MPS)를 이용하여 표면 개질을 위한 전처리 공정을 수행한 후 PET 수지에 혼합된다.

이때, 상기 기능성 성분은 제2원사소재 100 중량%에 대하여 0.5 내지 3 중량%의 비율로 혼합되는 것이 바람직한데, 기능성 성분의 혼합 비율이 0.5 중량% 이하일 경우 원사의 기능성 발휘가 제대로 이루어지지 않는 단점이 있고 기능성 성분의 혼합 비율이 3 중량%를 초과할 경우 절사 등으로 인하여 방사 효율이 저하되는 단점을 가지게 된다.

또한, 본 실시예에서는 일예로서 알루미나를 기능성 성분으로 사용하였으나 이에 한정되지 아니하며, 필요에 따라서는 은, 셀레늄, 아연, 마그네슘, 맥반석, 황토, 게르마늄, 이산화규소 등 여러 가지 유용한 성분 중 적어도 어느 하나를 기능성 성분으로 사용하는 경우에도 본 발명에 따른 원사 제조방법을 적용할 수 있음은 물론이다.

상기 알루미나 전처리 공정을 구체적으로 살펴보면, 먼저 나노 알루미나 분말을 준비하게 되는데 이 경우 원사 방사의 효율성과 기능성 성분 발휘를 위한 입자 표면적 확보를 위하여 10 내지 100nm 수준의 입경을 가지는 알루미나 입자를 사용하는 것이 바람직하다(S10).

다음으로, 실란 커플링제(MPS)를 첨가하여 나노 알루미나 분말 입자의 표면을 개질하여 분산성을 증가시키게 되는데, 이 경우 상기 실란 커플링제는 필요에 따라 단일의 화합물을 사용하거나 2종 이상의 화합물을 혼합하여 또는 순차적으로 사용할 수 있다(S20).

이와 같이 실란 커플링제가 첨가된 나노 알루미나 분말은 균일하게 분산시킬 필요가 있는데, 이를 위하여 호모믹서와 같은 고속 믹서기를 이용하여 고속 교반을 수행한다(S30).

또한, 상기 균일 분산 공정을 거친 나노 알루미나 분말은 비드밀 공정, 미스터리밀 공정, 다이노밀 공정 등을 이용한 해쇄 공정을 추가적으로 거치게 되는데, 본 실시예에서는 일예로서 비드밀 공정을 이용하여 상기 해쇄 공정을 수행하였다(S40).

상기 해쇄 공정은 응집 입자를 해쇄시킴에 따라 실란 커플링제와 미반응 입자와의 가교를 증대시켜 나노 알루미나 입자 표면의 유기화 반응율을 극대화하게 된다.

상술한 S20 내지 S40 단계에 의하여 실란 커플링제와의 반응이 완료된 나노 알루미나 분말은 가열처리와 같은 건조 공정을 거침으로써 최종적으로 표면이 개질된 입자를 얻을 수 있게 된다(S50).

한편, 상기 방사노즐부는 상기 제1소재공급부(10)와 제2소재공급부(20)로부터 공급되는 용융액을 시스-코어 형태의 원사로 방사하기 위한 것으로서, 중앙부에 위치한 제1노즐(31)과 상기 제1노즐의 외측을 둘러싸는 형태로 형성된 제2노즐(32)을 포함하여 구성된다.

또한, 상기 제1노즐(31)은 제1공급로(31a)를 통해 제1소재공급부(10)로부터 공급되는 제1원사소재의 용융액을 방사하고, 상기 제2노즐(32)은 제2공급로(32a)를 통해 제2소재공급부(20)로부터 공급되는 제2원사소재와 기능성 성분의 혼합물의 용융액을 방사하게 된다.

또한, 상기 제1노즐(31)과 제2노즐(32) 각각의 출구(31b,32b)측 단면 형상은 중앙부를 중심으로 복수의 가지부(branches)가 방사상으로 연장되어 형성된 다지형으로 구성되는데, 본 실시예에서는 일예로서 상기 제1,2노즐(31,32)의 출구(31b,32b)측 단면 형상이 도3에 도시한 바와 같이 대략 'Y'자 형상을 이루도록 구성하였다.

이때, 상기 제1,2노즐(31,32)의 출구측 단면 형상은 가지부의 외곽 직경(도3의 O.D)이 중앙부 직경(도3의 I.D)의 1.5배 내지 5배가 되도록 구성되는데, 원사 방사 이후 냉각시 변형을 고려하여 상기 가지부의 외곽 직경(O.D)이 중앙부 직경(I.D)의 3배 이상이 되도록 구성하는 것이 더욱 바람직하다.

상기와 같이 구성되는 방사노즐부(30)에 의하여 방사된 원사의 단면적 형상을 도4에 도시하였는데, 단면 형상이 대략 'Y'자인 원사의 코어부는 제1원사소재(본 실시예의 경우 PET)로 구성되고 시스부는 제2원사소재(본 실시예의 경우 PET)와 기능성 성분(본 실시예의 경우 나노 알루미나)으로 구성된다.

이때, 상기 원사의 시스부의 면적은 코어부 면적의 5 내지 40% 수준으로 유지되는 것이 바람직하며, 30% 이하로 유지되는 것이 더욱 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 기능성 원사의 제조방법에 의하여 방사된 원사는 기능성 성분이 원사의 시스부에만 분포하도록 구성되기 때문에 원사에 혼합되는 기능성 성분의 함량을 최소화하여 안정적인 방사가 이루어지도록 하면서도 원사의 기능성 발휘를 최대화시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 기능성 원사의 제조방법에 의하여 방사된 원사는 항균, 소취, 원적외선 방출 등의 기능성을 부여하기 위하여 종래의 은 성분 대신에 상대적으로 저가이고 인체에 축적이 되지 않는 알루미나 성분이 기능성 성분으로 혼합되기 때문에 원사의 제조비용이 현저히 저감될 뿐만 아니라 인체에도 무해한 장점이 있다.

또한,본 발명에 따른 기능성 원사의 제조방법에 의하여 방사된 원사는 단면이 다지형으로 구성되기 때문에 원사의 기능성 발휘를 위한 표면적을 최대화할 수 있고, 섬유로 직조시 원사 사이에 발생되는 공극으로 인하여 섬유에 보온단열 및 흡한속건의 기능성도 부여할 수 있는 장점이 있다.

또한, 상술한 원사의 장점을 최대화하기 위해서는 상기 방사노즐부(30)에서 방사되는 원사가 방사 공정과 후속하는 냉각 공정 및 권취 공정을 거치는 동안 원래의 단면 형태를 그대로 유지할 것이 요구되는데, 본 실시예에서는 이를 위하여 앞서 설명한 바와 같이 노즐 출구의 이형율(O.D/I.D)을 300% 이상으로 구성하는 것에 더하여 상기 코어부에 충진되는 제1원사소재의 고유점도가 시스부에 충진되는 제2원사소재의 고유점도 보다 높도록 구성한 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성할 경우 코어부의 구성이 시스부보다 상대적으로 더 견고하여 빼대와 같은 기능을 수행하기 때문에 방사노즐부(30)에서 방사된 원사는 냉각 공정 및 권취 공정을 거치는 동안에도 원래의 형태를 안정적으로 유지할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 기능성 원사의 제조방법은 방사노즐부(30)를 통해 원사를 방사할 경우 코어부를 둘러싸는 시스부의 두께가 일정하게 유지될 수 있도록 상기 제1노즐(31)의 방사 속도를 제2노즐(32)의 방사 속도 보다 크게 하는 것이 바람직하다.

한편, 상술한 바와 같이 다지형의 시스-코어 형태로 방사된 원사는 냉각장치부(40)를 거치면서 냉각된 후 원사 권취부(50)에서 권취된다.

이때, 상기 원사 권취부(50)는 고온을 이용하여 원사를 연신하는 제1,2고뎃롤러(51,52)(godet roller)와 최종적으로 원사를 권취하는 권취롤러(53)로 구성된다.

10 : 제1소재공급부 20 : 제2소재공급부
30 : 방사노즐부 31 : 제1노즐
32 : 제2노즐 40 : 냉각장치부
50 : 원사 권취부

Claims (6)

1. 제1소재공급부를 통해 제1원사소재를 용융시켜 원사를 방사하는 방사노즐부로 공급하고, 제2소재공급부를 통해 제2원사소재와 기능성 성분의 혼합물을 용융시켜 상기 방사노즐부로 공급하는 제1단계;
   상기 방사노즐부에서 상기 제1소재공급부에서 공급되는 용융액과 상기 제2소재공급부에서 공급되는 용융액을, 각각 방사노즐부의 중앙부에 위치한 제1노즐과 상기 제1노즐의 외측을 둘러싸는 형태로 형성된 제2노즐을 통해 방사하여 시스-코어(sheath-core) 형태로 이루어진 원사를 방사하는 제2단계; 및
   상기 방사된 원사를 냉각시켜 권취하는 제3단계를 포함하고,
   상기 제1단계에서, 상기 제1소재공급부는 제1원사소재를 용융시킨 용융액을 제1저장용기에 일시 저장하였다가 상기 방사노즐부로 공급하고, 상기 제2소재공급부는 제2원사소재와 기능성 성분의 혼합물을 용융시킨 용융액을 제2저장용기에 일시 저장하였다가 상기 방사노즐부로 공급하며,
   상기 제2단계에서, 상기 원사의 코어(core)부를 둘러싸는 시스(sheath)부의 두께를 균일하게 유지하기 위하여 상기 제1노즐의 방사 속도가 제2노즐의 방사 속도 보다 크게 유지되되,
   상기 원사의 외형을 유지하기 위하여 상기 제1원사소재의 고유점도는 제2원사소재의 고유점도 보다 높고,
   상기 제1노즐과 제2노즐은 각각의 출구가 중앙부를 중심으로 복수의 가지부(branch)가 방사상으로 연장되어 형성된 다지형으로 구성되되, 상기 가지부의 외곽 직경은 상기 중앙부 직경의 1.5배 내지 5배이고,
   상기 제1원사소재와 제2원사소재는 PET 이고 상기 기능성 성분은 알루미나이되, 상기 알루미나는 분말 상태에서 실란 커플링제를 첨가하여 표면개질을 위한 전처리를 수행한 후 상기 제2원사소재와 혼합되고,
   상기 기능성 성분은 제2원사소재의 100 중량%에 대하여 0.5 내지 3 중량%의 비율로 혼합되고,
   상기 원사의 시스(sheath)부의 면적은 코어(core)부 면적의 5 내지 40%인 것을 특징으로 하는 기능성 원사 제조방법.
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