KR102480911B1 - 원착 폴리에틸렌 원사 및 이를 포함하는 기능성 원단 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원착 폴리에틸렌 원사 및 이를 포함하는 기능성 원단에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 우수한 색상 균일도를 가지는 원착 폴리에틸렌 원사 및 이를 포함하는 기능성 원단에 관한 것이다.
본 발명에 따른 안료를 포함하는 원착 폴리에틸렌 원사에 있어서, 하기 측정 조건에서 측정된 L*, a* 및 b*에 대하여 하기식을 만족한다.
[측정 조건]
평면상의 기재 상에 상기 원착 폴리에틸렌 원사를 감아 측정영역을 형성하여, 상기 측정영역에 대해 CCM(Computer Color Matching) 측정을 하되, 상기 기재에 대해 상기 원착 폴리에틸렌 원사가 70회 감겼을 때 마다 CCM 측정을 하여, 적어도 n(n은 50 이상의 자연수)회 이상 측정
[식]
(Cmax-Cmin)/Caver X 100 ≤ 10
(상기 Cmax , Cmin 및 Caver는 L*, a* 및 b*중 선택된 어느 하나의 최대, 최소 및 평균 값을 각각 의미한다. )
본 발명에 따른 안료를 포함하는 원착 폴리에틸렌 원사에 있어서, 하기 측정 조건에서 측정된 L*, a* 및 b*에 대하여 하기식을 만족한다.
[측정 조건]
평면상의 기재 상에 상기 원착 폴리에틸렌 원사를 감아 측정영역을 형성하여, 상기 측정영역에 대해 CCM(Computer Color Matching) 측정을 하되, 상기 기재에 대해 상기 원착 폴리에틸렌 원사가 70회 감겼을 때 마다 CCM 측정을 하여, 적어도 n(n은 50 이상의 자연수)회 이상 측정
[식]
(Cmax-Cmin)/Caver X 100 ≤ 10
(상기 Cmax , Cmin 및 Caver는 L*, a* 및 b*중 선택된 어느 하나의 최대, 최소 및 평균 값을 각각 의미한다. )
Description
본 발명은 원착 폴리에틸렌 원사 및 이를 포함하는 기능성 원단에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 우수한 색상 균일도를 가지는 원착 폴리에틸렌 원사 및 이를 포함하는 기능성 원단에 관한 것이다.
고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 원사는 0.94 g/cm3 이상의 밀도를 가지는 고강도 폴리에틸렌 원사를 의미하는 것으로, 고밀도 폴리에틸렌 원사는 고강도를 요구하는 스포츠용 로프, 낚시줄, 보호복, 방탄복 및 방검복 등 다양한 소재로 활용되고 있으며, 초고강도를 요구하는 복합재료에도 다양하게 응용되고 있다.
또한, 고밀도 폴리에틸렌 원사는 포논(phonon)이라는 격자 진동(lattice vibration)에 의해 높은 열전도도를 가지며, 비중이 0.93 정도로서 물에 뜰 정도로 가벼워 우수한 경량성을 가진다.
이에, 상술한 스포츠용 로프, 낚시줄, 보호복, 방탄복 및 방검복과 같은 고강도를 요구하는 섬유 제품뿐만 아니라, 냉감성을 요구하는 하복, 작업복 및 스포츠 웨어 등 다양한 용도로 활용되고 있다.
그러나, 고밀도 폴리에틸렌 원사는 고결정성에 의한 소수성으로 인해 염색시스템에서 어떠한 염료를 사용하더라도 염색이 거의 불가능하여 난염성 섬유로 알려져 있다.
현재, 이와 같은 고밀도 폴리에틸렌 원사를 염색하는 방법은 두 가지 정도의 착색법이 이용되고 있다. 그 중 하나는 방사 시 안료를 첨가하여 방사하는 원착법이며, 다른 하나는 염색이 가능한 다른 고분자를 혼합하는 고분자 블렌드 기법이다.
그러나, 고분자 블렌드 기법으로 제조된 원착 폴리에틸렌 원사는 폴리에틸렌 이외의 다른 물성을 가지는 고분자가 혼합됨에 따라, 높은 열전도도 및 경량성 등 고밀도 폴리에틸렌 원사 특유의 물성을 유지하기 어렵다는 단점이 있다.
이에, 종래에는 대한민국 등록특허 제10-1992444호 '원착 폴리에틸렌 멀티필라멘트 가연사 제조방법'에 개시된 바와 같이 안료를 추가한 마스터배치 칩을 용융방사하는 원착법을 통해 제조한 원착 폴리에틸렌 원사를 사용하였다.
그러나, 이와 같은 종래 원착 폴리에틸렌 원사는 비교적 고점도 특성을 가지는 폴리에틸렌에 안료가 균일하게 혼합되기 어려워, 안료 및 폴리에틸렌 원료 간의 혼합 불균일에 의한 원사 색상 불균일이 심각하다는 문제점이 있다. 이에, 원착 원사 자체의 불균일도에 의해 품질이 저하될 뿐만 아니라, 요구하는 색상발현을 위해서 다량의 안료가 첨가됨에 따라, 강도 등과 같은 원사 물성이 저하된다는 단점이 있다. 나아가 원사로부터 제조된 최종 제품 역시 품질이 저하된다는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 우수한 색상 균일도를 가지는 원착 폴리에틸렌 원사 및 이를 포함하는 기능성 원단을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 원착 폴리에틸렌 원사는 안료를 포함하는 원착 폴리에틸렌 원사에 있어서, 하기 측정 조건에서 측정된 L*, a* 및 b*에 대하여 하기식을 만족한다.
[측정 조건]
평면상의 기재 상에 상기 원착 폴리에틸렌 원사를 감아 측정영역을 형성하여, 상기 측정영역에 대해 CCM(Computer Color Matching) 측정을 하되, 상기 기재에 대해 상기 원착 폴리에틸렌 원사가 70회 감겼을 때 마다 CCM 측정을 하여, 적어도 n(n은 50 이상의 자연수)회 이상 측정
[식]
(Cmax-Cmin)/Caver X 100 ≤ 10
(상기 Cmax , Cmin 및 Caver는 L*, a* 및 b*중 선택된 어느 하나의 최대, 최소 및 평균 값을 각각 의미한다. )
본 발명의 일 실시예에 따른 원착 폴리에틸렌 원사에 있어서, 상기 원사의 CCM 측정 시, 상기 L* 값의 표준편차는 3이하 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원착 폴리에틸렌 원사에 있어서, 상기 원착 폴리에틸렌 원사 전체 중량에 대하여 상기 안료 0.00005 내지 1중량%를 함유할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원착 폴리에틸렌 원사에 있어서, 상기 원사의 결정화도는 60 내지 80%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원착 폴리에틸렌 원사에 있어서, 상기 원사는 ASTM D2256으로 측정되는 초기 모듈러스가 50 내지 300cN/dtex, 강도는 4 내지 20g/d일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원착 폴리에틸렌 원사에 있어서, 상기 원사는 ASTM D1238에 따라 측정된 용융지수(melt index: MI, @190℃)가 0.5 내지 22g/10min일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원착 폴리에틸렌 원사에 있어서, 상기 원사는 ASTM D4974-04에 따른 건열 수축률 (@100℃)이 2 내지 15%일 수 있다.
본 발명에 따른 기능성 원단은 상술한 원착 폴리에틸렌 원사로부터 제조된 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 원단에 있어서, 상기 원단은 20±2℃, 65±2% R.H에서, 20±2℃의 원단에 대해 30±2℃의 열판(T-box)을 접촉시켜 측정되는 접촉냉감이 0.1 내지 0.3 W/cm2 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 원단에 있어서, 상기 원단은 20±2℃, 65±2% R.H에서, 20±2℃의 원단에 대해 30±2℃의 열원판(BT-box)을 접촉시켜 측정되는 두께 방향 열전도도(thermal conductivity)가 0.05 내지 0.25 W/mK일 수 있다.
본 발명에 따른 폴리에틸렌 원사는 우수한 색상 균일도를 가짐에 따라, 안료 투입량 대비 우수한 발색특성을 가질 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 폴리에틸렌 원사는 안료가 투입됨에도 불구하고 고밀도 폴리에틸렌 고유의 우수한 열전도도를 유지할 수 있어, 우수한 냉감 특성을 가지는 원단의 제조가 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 기능성 원단은 우수한 색상 균일도 및 우수한 열전도도를 갖는 폴리에틸렌 원사를 포함함에 따라, 우수한 발색력 및 색상 균일도를 가질 수 있음과 동시에 냉감 특성을 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원사 제조공정을 나타내는 모식도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 원단의 CCM(Computer Color Matching)을 측정하는 장치의 사진,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 원단의 접촉냉감을 측정하는 장치를 개략적으로 도시한 모식도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 원단의 두께 방향의 열전도도를 측정하는 장치를 개략적으로 도시한 모식도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원사의 CCM 측정결과이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 원단의 CCM(Computer Color Matching)을 측정하는 장치의 사진,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 원단의 접촉냉감을 측정하는 장치를 개략적으로 도시한 모식도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 원단의 두께 방향의 열전도도를 측정하는 장치를 개략적으로 도시한 모식도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원사의 CCM 측정결과이다.
본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미하고, 중량%는 달리 정의되지 않는 한 전체 조성물 중 어느 하나의 성분이 조성물 내에서 차지하는 중량%를 의미한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 수치 범위는 하한치와 상한치와 그 범위 내에서의 모든 값, 정의되는 범위의 형태와 폭에서 논리적으로 유도되는 증분, 이중 한정된 모든 값 및 서로 다른 형태로 한정된 수치 범위의 상한 및 하한의 모든 가능한 조합을 포함한다. 본 발명의 명세서에서 특별한 정의가 없는 한 실험 오차 또는 값의 반올림으로 인해 발생할 가능성이 있는 수치범위 외의 값 역시 정의된 수치범위에 포함된다.
본 명세서의 용어, '포함한다'는 '구비한다', '함유한다', '가진다' 또는 '특징으로 한다' 등의 표현과 등가의 의미를 가지는 개방형 기재이며, 추가로 열거되어 있지 않은 요소, 재료 또는 공정을 배제하지 않는다.
종래 원착 폴리에틸렌 원사는 비교적 고점도 특성을 가지는 폴리에틸렌에 안료가 균일하게 혼합되기 어려워, 안료 및 폴리에틸렌 원료 간의 혼합 불균일에 의한 원사 색상 불균일이 심각하다는 문제점이 있다. 이에, 원착 원사 자체의 불균일도에 의해 품질이 저하될 뿐만 아니라, 요구하는 색상발현을 위해서 다량의 안료가 첨가됨에 따라, 강도 등과 같은 원사 물성이 저하된다는 단점이 있다. 나아가 원사로부터 제조된 최종 제품 역시 품질이 저하된다는 단점이 있다.
이에, 본 출원인은 물성은 유지하되 우수한 색상 균일도를 가지는 폴리에틸렌 섬유를 개발하고자 장기간 심도 깊은 연구를 수행한 결과, 안료와 폴리에틸렌 원사의 원료 간의 혼합도를 높여 우수한 색상 균일도를 가지는 새로운 원착 폴리에틸렌을 개발하였다.
구체적으로, 본 발명에 따른 원착 폴리에틸렌 원사는 안료를 포함하는 원착 폴리에틸렌 원사로, 하기 측정 조건에서 측정된 L*, a* 및 b*에 대하여 하기식을 만족한다.
[측정 조건]
평면상 기재 상에 상기 원착 폴리에틸렌 원사를 감아 측정영역을 형성하여, 상기 측정영역에 대해 CCM(Computer Color Matching) 측정을 하되, 상기 기재에 대해 상기 원착 폴리에틸렌 원사가 70회 감겼을 때 마다 CCM 측정을 하여, 적어도 n(n은 50 이상의 자연수)회 이상 측정
[식]
(Cmax-Cmin)/Caver X 100 ≤ 10
(상기 Cmax , Cmin 및 Caver는 L*, a* 및 b*중 선택된 어느 하나의 최대, 최소 및 평균 값을 각각 의미한다. )
구체적으로, 상술한 식에 있어서, (Cmax-Cmin)/Caver X 100은 0.1 내지 8, 더욱 구체적으로, 3 내지 7일 수 있다. 이와 같은 원착 폴리에틸렌 원사는 우수한 색상 균일도를 가짐에 따라, 안료 투입량 대비 우수한 발색특성을 가질 수 있다. 아울러, 소량의 안료가 투입됨에도 불구하고 우수한 발색 특성을 가짐에 따라, 고밀도 폴리에틸렌 고유의 우수한 열전도도를 유지할 수 있어, 우수한 냉감 특성을 가지는 원단의 제조가 가능하다.
구체적으로, 평면상 기재 상에 원착 폴리에틸렌 원사가 감김에 따라, 기재 상에 원착 폴리에틸렌에 의해 덮인 영역 즉, 측정영역이 형성된다.
이때, 기재의 둘레를 따라 감기되, 기재의 어느 일방향으로 진행하도록 n-1(n은 2 이상의 자연수)회차 감긴 원착 폴리에틸렌 원사와 n회차 감긴 원착 폴리에틸렌 원사가 서로 접할 수 있다.
이와 같은 측정영역은, 기재상에 원착 폴리에틸렌 섬유사가 덮어져 형성됨에 따라, 원착 폴리에틸렌 섬유사가 원단으로 제조될 시와 유사하게 색상을 나타낸다. 측정영역은 CCM 측정이 가능한 면적이라면 한정되지 않는다. 다만, 기재의 크기와, 원착 폴리에틸렌 원사의 굵기 및 감김 횟수에 따라 측정영역이 기재상에서 차지하는 면적이 적절히 조절될 수 있다. 비 한정적인 일 예로, 가로 6.5㎝, 세로 6.5㎝, 높이 0.5㎝를 가지는 사각 판상형 기재 상에, 410De 굵기의 원착 폴리에틸렌 원사가 30회 이상, 상세하게 40 내지 100회, 더욱 상세하게 50 내지 90회 감겨 측정영역을 형성할 수 있다.
상술한 방법을 통해 형성된 측정영역을 통해 n-1(n은 2 이상의 자연수)번째의 CCM을 측정한 후, n번째의 CCM을 측정할 시에는 n-1번째 CCM 측정을 위해 형성된 측정영역 상에 n번째 CCM 측정을 위한 측정영역을 형성할 수 있다.
이하, 선행되어 형성된 측정영역을 제1측정영역, 이후 형성된 측정영역을 제2측정영역이라 가정하여 설명한다.
원착 폴리에틸렌 원사가 기재의 일방향으로 진행하도록 70회 감겨져 형성된 제1측정영역의 CCM 측정을 한 후, 제1측정영역 상에 원착 폴리에틸렌 원사가 다시 감겨져 형성된 제2측정영역의 CCM 측정한다. 즉, 기재의 일방향과 반대되는 방향으로 진행방향이 바뀌면서 제1측정영역을 덮도록 원착 폴리에틸렌 원사가 감겨 제2측정영역이 형성된다.
이에, n-1번째 CCM이 측정된 제1측정영역 대비 n번째 CCM이 측정된 제2측정영역은 서로 크기가 동일하며, 기재 상에 측정영역이 형성하는 두께는 제1측정영역 상에 제2측정영역이 형성될 시, 원착 폴리에틸렌 원사의 두께만큼 증가한다. 제1측정영역 및 제2측정영역에 있어서, CCM이 측정되는 위치는 동일할 수 있다.
이와 같은 측정영역을 통해 측정된 CCM의 L*, a* 및 b*는 상술한 식을 만족할 수 있다.
구체적으로, 원착 폴리에틸렌 원사는 전체 중량에 대하여 안료 0.00005 내지 1중량%, 상세하게, 0.0001 내지 0.5중량%, 더욱 상세하게, 0.002 내지 0.05중량%가 함유될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 다만, 상기 범위에서 투입량 대비 우수한 발색력 및 색상 균일도를 가질 수 있다.
이때, 원사의 CCM 측정 시, 상기 L* 값의 표준편차는 3 이하, 구체적으로 2 이하, 더욱 구체적으로 1.5 이하로, 육안으로 쉽게 구별되지 않는 매우 우수한 색상 균일도를 가질 수 있다.
본 발명에서, 안료는 종래 폴리에틸렌 원착 시 사용되는 안료 또는 원료로 알려진 것이라면 한정되지 않는다. 일 구체예로 흑색 폴리에틸렌 원사일 시, 안료는 카본블랙 입자일 수 있다.
원착 폴리에틸렌 원사는 ASTM D2256에 따라 측정되는 초기 모듈러스가 50 내지 300cN/dtex, 구체적으로, 70 내지 150cN/dtex 일 수 있다. 이때, ASTM D2256에 따라 측정되는 강도는 4 내지 20g/d, 구체적으로, 10 내지 15g/d일 수 있으나, 이에 한정되진 않는다. 다만, 상기 범위에서 높은 열전전도를 가짐과 동시에 제직성에 유리한 적절한 강연도를 가질 수 있다.
또한, 원착 폴리에틸렌 원사는 다분산지수가 5 내지 20, 더욱 구체적으로, 7 내지 15일 수 있으며, 이때, 원착 폴리에틸렌 원사는 중량 평균분자량이 45,000 내지 300,000g/mol, 좋게는 100,000 내지 200,000g/mol 인 것일 수 있다. 상기 범위에서 원사의 용융 압출 시 용융물의 흐름성이 좋고, 열분해 발생을 방지하고, 연신 시 사절이 발생하지 않는 등 공정성이 확보되어 균일한 물성의 원사를 제조할 수 있으며, 내구성이 우수한 원단을 제공할 수 있다
또한, 원착 폴리에틸렌 원사는 ASTM D1238에 따라 190℃, 2.16kg에서 측정된 용융지수(melt index: MI, @190℃)가 0.5 내지 22g/10min, 구체적으로, 1 내지 10g/10min 더욱 구체적으로, 2 내지 8g/10min일 수 있다. 또한, 원착 폴리에틸렌 원사는 밀도가 0.93 내지 0.97g/cm3일 수 있다. 아울러, 원착 폴리에틸렌 원사는 방사를 통한 결정화도가 60 내지 80%, 구체적으로 65 내지 75%일 수 있다. 상기 폴리에틸렌 원사의 결정화도는 X-선 회절분석기를 이용한 결정성 분석 시 미결정 크기와 함께 도출될 수 있다. 상술한 바와 같이, 용융지수, 밀도 및 결정화도가 상기 범위를 만족하는 범위에서 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)의 공유 결합을 통해 연결된 분자 사슬 방향으로 '포논(phonon)'이라는 격자 진동(lattice vibration)을 통해 열이 빠르게 확산 및 발산되고, 땀 및 입김 등의 수분 배출 기능이 향상되어 냉감이 우수한 원단을 제공할 수 있다.
그리고 원착 폴리에틸렌 원사는 ASTM D4974-04에 따른 건열 수축률 (@100℃)이 2 내지 15% 구체적으로, 2.7 내지 5%로 매우 낮은 건열 수축률을 가짐에 따라, 우수한 형태안정성을 가질 수 있다.
이와 같은 본 발명의 원착 폴리에틸렌 원사는 원착법을 통해 제조될 수 있다.
구체적으로, 원착 폴리에틸렌 원사는 칩(chip) 형태의 폴리에틸렌에 안료를 혼합한 후, 건조시켜 제1차 마스터칩을 제조하는 단계 및 제1차 마스터칩을 용융하여 재혼합한 후 건조시키는 단계를 n차(n은 1 이상의 자연수) 반복하여 제n차 마스터칩을 제조하는 단계;를 포함하여 제조된 칼라마스터배치를 포함하는 폴리에틸렌 수지 조성물로부터 제조된 것일 수 있다. 이때, n은 비한정적으로, 2 내지 5 구체적으로, 2 내지 3일 수 있다. 상기 단계로부터 제조된 칼라마스터배치를 폴리에틸렌 수지에 포함하여 수지 조성물을 제조함에 따라 원착 폴리에틸렌 원사는 보다 우수한 색상 균일도를 가질 수 있다.
칼라마스터배치 내 안료의 함량은 다양하게 조절될 수 있으나, 칼라마스터배치 전체 중량에 대하여 안료 0.05 내지 10.0중량% 구체적으로, 0.1 내지 5중량%가 함유될 수 있다. 상기 범위에서 종래, 칼라마스터배치 대비 저함량으로 안료를 포함함에도 불구하고 우수한 발색력을 가질 수 있다.
또한, 이와 같은 칼라마스터배치를 포함하는 폴리에틸렌 수지 조성물은 상술한 원사 내 안료 함량비에 따라, 적절히 칼라마스터배치가 혼합될 수 있다. 구체적으로, 폴리에틸렌 수지 조성물 전체 중량에 대하여, 칼라마스터배치 0.1 내지 10중량%를 함유할 수 있다.
이와 같은 원착법을 통해 제조된 원착 폴리에틸렌 원사는 상술한 바와 같이 매우 우수한 색상 균일도를 가질 수 있어, 고품질의 원단을 제공할 수 있도록 한다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 양태에 따른 원착 폴리에틸렌 원사의 제조방법을 구체적으로 설명한다.
먼저, 칩(chip) 형태의 폴리에틸렌에 안료를 혼합한 후, 건조시킨 제1차 마스터칩을 다시 용융하여 재혼합하여 제2차 마스터칩을 얻는다. 이후, 제조한 제2차 마스터칩 및 칩형태의 폴리에틸렌을 익스트루더(extruder)(100)로 투입하여 용융시킴으로써 원착 폴리에틸렌 용융물을 얻는다.
용융된 폴리에틸렌이 상기 익스트루더(100) 내의 스크루(미도시)에 의해 구금(100)을 통해 운반되며, 상기 구금(200)에 형성된 다수의 홀들을 통해 압출된다. 상기 구금(200)의 홀들의 개수는 제조될 원사의 DPF (Denier Per Filament) 및 섬도에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 75 데니어의 총섬도를 갖는 원사를 제조할 경우 상기 구금(200)은 20 내지 75 개의 홀들을 가질 수 있고, 450 데니어의 총섬도를 갖는 원사를 제조할 경우 상기 구금(200)은 90 내지 450 개, 바람직하게는 100 내지 400개의 홀들을 가질 수 있다.
상기 익스트루더(100) 내에서의 용융 공정 및 구금(200)을 통한 압출 공정은 폴리에틸렌 칩의 용융지수에 따라 변경 적용 가능하지만, 구체적으로 예를 들면 150 내지 315℃바람직하게는 250 내지 315℃더욱 바람직하게는 265 내지 310℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 즉, 익스트루더(100) 및 구금(200)이 150 내지 315℃바람직하게는 250 내지 315℃더욱 바람직하게는 265 내지 310℃로 유지되는 것이 바람직하다.
상기 방사 온도가 150℃미만일 경우, 낮은 방사온도로 인해 폴리에틸렌의 균일한 용융이 이루어지지 않아서 방사가 곤란할 수 있다. 반면, 방사 온도가 315℃를 초과할 경우 폴리에틸렌의 열분해가 야기되어 원하는 강도를 발현하지 못할 수 있다.
상기 구금(200)의 홀 직경(D)에 대한 홀 길이(L)의 비율인 L/D는 3 내지 40일 수 있다. L/D가 3 미만이면 용융 압출 시 다이스웰(Die Swell) 현상이 발생하고 폴리에틸렌의 탄성 거동 제어가 힘들게 됨으로써 방사성이 좋지못하게 되고, L/D가 40을 초과하는 경우에는 구금(200)을 통과하는 용융 폴리에틸렌의 넥킹(necking) 현상에 의한 사절과 함께 압력강하에 따른 토출 불균일 현상이 발생될 수 있다.
용융된 폴리에틸렌이 구금(200)의 홀들로부터 토출되면서 방사온도와 실온 간의 차이에 의해 폴리에틸렌의 고화가 시작되면서 반고화 상태의 필라멘트들(11)이 형성된다. 본 명세서에서는, 반고화 상태의 필라멘트는 물론이고 완전 고화된 필라멘트 모두를 "필라멘트"라 통칭한다.
다수의 상기 필라멘트들(11)은 냉각부(또는 "quenching zone")(300)에서 냉각됨으로써 완전 고화된다. 상기 필라멘트들(11)의 냉각은 공냉 방식으로 수행될 수 있다.
또한, 냉각부에서 냉각 시 다단냉각을 수행함으로써 더욱 균일하게 결정화가 되도록 할 수 있으며, 이에 따라 습기 및 땀의 배출을 더욱 원활하게 하고, 냉감성이 우수한 원사를 제조할 수 있다.
이어서, 집속기(400)로 상기 냉각 및 완전 고화된 필라멘트들(11)을 집속시켜 멀티필라멘트(10)를 형성시킨다.
도 1에 예시된 바와 같이, 본 발명의 폴리에틸렌 원사는 직접방사연신(DSD) 공정을 통해 제조될 수 있다. 즉, 상기 멀티필라멘트(10)가 다수의 고뎃 롤러부들(GR1...GRn)을 포함하는 다단연신부(500)로 직접 전달되어 2 내지 20, 바람직하게는 3 내지 15배의 총연신비로 다단연신된 후 와인더(600)에 권취될 수 있다. 또한 다단연신 시 마지막 연신구간에서는 1 내지 5%의 수축연신(이완)을 부여함으로써 내구성이 더욱 우수한 원사를 제공할 수 있다.
대안적으로, 상기 멀티필라멘트(10)를 미연신사로서 일단 권취한 후 상기 미연신사를 연신함으로써 본 발명의 폴리에틸렌 원사가 제조될 수도 있다. 즉, 본 발명의 폴리에틸렌 원사는 폴리에틸렌을 용융방사하여 미연신사를 일단 제조한 후 상기 미연신사를 연신하는 2단계 공정을 통해 제조될 수도 있다.
본 발명에 따른 기능성 원단은 상술한 원착 폴리에틸렌 원사를 포함하는 것으로, 우수한 색상 균일도 및 우수한 열전도도를 갖는 원착 폴리에틸렌 원사를 포함함에 따라, 우수한 발색력 및 색상 균일도를 가질 수 있음과 동시에 냉감 특성을 나타낼 수 있다.
본 발명에 따른 기능성 원단은 상기 설명된 원착 폴리에틸렌 원사를 단독으로 사용하는 것일 수 있으며, 다른 기능성을 더욱 부여하기 위하여 이종 원사를 더 포함할 수도 있지만 냉감성 및 우수한 색상 균일도를 동시에 가질 수 있는 관점에서는 상기 폴리에틸렌 원사를 단독으로 사용하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 기능성 원단은 20±2℃, 65±2% R.H에서, 20±2℃의 원단에 대해 30±2℃로 가열된 열판(T-box)를 접촉시켜 측정되는 접촉냉감이 0.1 내지 0.3W/cm2이고, 20±2℃의 원단에 대해 30±2℃로 가열된 열원판(BT-box)를 접촉시켜 측정되는 두께 방향 열전도도(thermal conductivity)가 0.05 내지 0.25W/mK 일 수 있다. 더욱 구체적으로 접촉냉감이 0.15 내지 0.22W/cm2이고, 열전도도(thermal conductivity)가 0.08 내지 0.2W/mK일 수 있다. 이와 같은 냉감을 가지는 기능성 원단은 추후 제품으로 제조 또는 가공되어 사용자에 착용될 시, 고온 환경 하에서 사용자가 쾌적감을 느낄 수 있는 적절한 냉감을 제공할 수 있다.
이와 같은 원단은 적절한 냉감성이 요구되는 냉감성 제품으로 가공될 수 있다. 제품은 종래 섬유제품은 모두 가능하나 바람직하게는 인체에 냉감성을 부여하기 위한 여름철 하복, 스포츠 웨어, 마스크 및 작업복 일 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.
물성은 다음과 같이 측정하였다.
[원사 물성 측정]
<1. CCM(Computer Color Matching) 측정>
도 2에 도시된 바와 같이, 가로 6.5㎝, 세로 6.5㎝ 및 높이 0.5㎝인 기재 상에 원사를 감아 측정영역을 형성하여, 측정영역에 대해 CCM(Computer Color Matching) 측정을 하되, 기재에 대해 원착 폴리에틸렌 원사가 70회(±10) 감겼을 때 마다 CCM 측정을 하였다. 총 CCM 측정 횟수는 135회였다.
색차계 (KAE1-063, GNB TECH)를 통해 CCM을 측정하여 L*, a* 및 b* 값 및 하기 식의 값을 도출하였다.
[식]
(Cmax-Cmin)/Caver X 100
(상기 Cmax , Cmin 및 Caver는 L*, a* 및 b*중 선택된 어느 하나의 최대, 최소 및 평균 값을 각각 의미한다. )
<2. 중량 평균 분자량(Mw)(g/mol) 및 다분산 지수(PDI)>
폴리에틸렌 원사를 아래의 용매에 완전히 용해시킨 후 다음의 겔 투과 크로마토그래피(GPC)를 이용하여 상기 폴리에틸렌 원사의 중량 평균 분자량(Mw) 및 다분산 지수(Mw/Mn: PDI)를 각각 구하였다.
- 분석기기: Tosoh社 HLC-8321 GPC/HT
- 컬럼: PLgel guard (7.5 x 50mm) + 2 x PLgel mixed-B (7.5 x 300mm)
- 컬럼 온도: 160℃
- 용매: 트리클로로벤젠(TCB) + 0.04 wt.% 디부틸히드록시톨루엔(BHT) (after drying with 0.1% CaCl2)
- Injector, Detector 온도: 160℃
- Detector: RI Detector
- 유속: 1.0㎖/min
- 주입량: 300mL
- 시료농도 : 1.5mg/mL
- 표준시료: 폴리스티렌
<3. 강도(g/d), 초기 모듈러스(g/d) >
ASTM D2256 방법에 따라, 인스트론사(Instron Engineering Corp, Canton, Mass)의 만능인장시험기를 이용하여 폴리에틸렌 원사의 변형-응력 곡선을 얻었다. 샘플 길이는 250mm이었고, 인장속도는 300mm/min이었으며, 초기 로드(load)는 0.05g/d로 설정하였다. 파단점에서의 응력과 신장으로부터 강도(g/d)를 구하였고, 상기 곡선의 원점 부근의 최대 구배를 부여하는 접선으로부터 초기 모듈러스(g/d)를 구하였다. 각 원사마다 5회 측정 후 그 평균값을 산출하였다.
<4. 결정화도>
XRD 기기(X-ray Diffractometer)[제조사: PANalytical社, 모델명: EMPYREAN]를 이용하여 폴리에틸렌 원사의 결정화도를 측정하였다. 구체적으로, 폴리에틸렌 원사를 절단하여 2.5cm의 길이를 갖는 샘플을 준비하였고, 상기 샘플을 샘플 홀더에 고정시킨 후 아래의 조건들 하에서 측정을 실시하였다.
- 광원(X-ray Source): Cu-Kα radiation
- 전력(Power): 45 KV x 25mA
- 모드: 연속 스캔 모드
- 스캔 각도 범위: 10~40°
- 스캔 속도: 0.1°/sec
<5. 강력(kgf), 절신(%)>
ASTM D-885 시험방법에 따라, 인스트론 시험기(Instron EngineeringCorp., Canton, Mass)를 이용하여 250mm의 샘플에 대하여 300 m/min 인장속도를 가하면서 원사 샘플의 절단 강력(Strength at Break)을 측정함으로써 구하였다.
<6. 건열수축률>
ASTM D4974-04 방법에 따라, 건열수축율 측정 장비(제조사: TESTRITE, 모델명: MK-V)를 이용하여, 0.2g/d의 하중이 인가된 상태에서 샘플의 최초 길이(L1) 및 100℃에서 0.2g/d의 하중이 인가된 상태에서 2분 경과 후 샘플의 길이(L2)를 각각 측정한 후, 아래의 식 2에 의해 원사의 건열수축율(%)를 산출하였다.
[식 2]
건열수축율(%) = [(L1 - L2)/L1] × 100
<7. 용융지수>
ASTM D1238에 따라 190℃, 2.16kg에서 용융지수(melt index: MI, @190℃를 측정하였다.
[원단의 물성 측정]
<1. 접촉냉감>
한국의류시험연구원에 의뢰하여 KES-F7(Thermo Labo II)장치를 이용하여 시험환경 20±2℃, 65±2% R.H에서 측정하였다.
구체적으로, 20cm×20cm 사이즈의 원단 샘플을 준비한 후 20±2℃의 온도 및 65±2%의 RH의 조건하에서 24시간 동안 방치하였다. 이어서, 20±2℃의 온도 및 65±2%의 RH의 테스트 환경에서 KES-F7 THERMO LABO Ⅱ(Kato Tech Co.LTD.) 장치를 이용하여 원단의 접촉냉감(Q max)을 측정하였다. 구체적으로, 도 3에 예시된 바와 같이, 20℃±2℃로 유지되는 베이스 플레이트('Water-Box'로도 지칭됨)(21) 상에 상기 원단 샘플(23)을 올려놓고, 30℃±2℃로 가열된 열판(T-Box, 22a)(접촉면적: 3cm×3cm)를 상기 원단 샘플(23) 상에 1초 동안만 올려놓았다. 즉, 일면이 베이스 플레이트(21)과 접촉하고 있는 상기 원단 샘플(23)의 타면을 T-Box(22a)에 순간적으로 접촉시켰다. 상기 T-Box(22a)에 의해 상기 원단 샘플(23)에 가해진 접촉 압력은 6gf/cm2이었다. 이어서, 상기 장치에 연결된 모니터(미도시)에 표시된 Q max 값을 기록하였다. 이와 같은 테스트를 10회 반복하였고, Q max 값의 산술평균을 산출하였다.
<2. 열전도도>
20cm×20cm 사이즈의 원단 샘플을 준비한 후 20±2℃의 온도 및 65±2%의 RH의 조건하에서 24시간 동안 방치하였다. 이어서, 20±2℃의 온도 및 65±2%의 RH의 테스트 환경에서 KES-F7 THERMO LABO Ⅱ(Kato Tech Co.,LTD.) 장치를 이용하여 원단의 열전도도 및 열전달계수를 구하였다. 구체적으로, 도 4에 예시된 바와 같이, 20℃±2℃로 유지되는 베이스 플레이트(21) 상에 상기 원단 샘플(23)을 올려놓고, 30℃±2℃의 열원판(BT-Box, 22b)(접촉 면적: 5cm×5cm)를 상기 원단 샘플(23) 상에 1분 동안 올려놓았다. 상기 BT-Box(22b)가 상기 원단 샘플(23)과 접촉하는 동안에도 그 온도가 30℃±2℃로 유지될 수 있도록 상기 BT-Box(22b)에 열이 지속적으로 공급되었다. 상기 BT-Box(22b)의 온도 유지를 위해 공급된 열량[즉, 열류 손실((heat flow loss))]이 상기 장치에 연결된 모니터(미도시)에 표시되었다. 이와 같은 테스트를 5회 반복하였고, 열류 손실의 산술평균을 산출하였다. 이어서, 원단의 열전도도 및 열전달계수를 아래의 식 3 및 식 4를 이용하여 산출하였다.
[식 3]
K = (W·D)/(A·ΔT)
[식 4]
k = K/D
여기서, K는 열전도도(W/cm·℃)이고, D는 원단 샘플(23)의 두께(cm)이고, A는 상기 BT-Box(22b)의 접촉 면적(=25cm2)이고, ΔT는 원단 샘플(23) 양면의 온도 차이(= 10℃)이고, W는 열류 손실(Watt)이며, k는 열전달계수(W/cm2·℃)이다.
[실시예 1]
<컬러마스터배치 제조>
칩(chip) 형태의 폴리에틸렌에 안료를 혼합한 후, 건조시킨 제1차 마스터칩을 다시 용융 및 혼합하여 제2차 마스터칩, 즉, 컬러마스터 배치를 얻었다. 이때, 컬러 마스터칩 전체 중량에 대하여 0.83중량%의 안료가 혼합되었다.
<폴리에틸렌 원사의 제조>
총섬도가 410 데니어인 원착 폴리에틸렌 원사를 제조하였다.
구체적으로 154,604g/mol의 중량평균분자량(Mw)를 가지는 폴리에틸렌 칩과 제2차 마스터칩을 익스트루더에 투입하여 용융시켜 용융물을 형성하였다. 이때, 용융물 전체 중량에 대하여 제2차 마스터칩 3중량%가 혼합되었다. 용융물은 200개의 홀들을 갖는 구금을 통해 압출되었다. 구금의 홀 직경(D)에 대한 홀 길이(L)의 비율인 L/D는 6이었다. 구금 온도는 270℃이었다.
구금의 노즐 홀들로부터 토출되면서 형성된 필라멘트들은 냉각 후 집속된 다음 연신되었다. 이어서, 상기 연신된 멀티필라멘트사는 와인더에 권취되었다. 권취 장력은 0.8g/d이었다.
제조된 원사의 물성을 측정하고, 도출된 (Cmax-Cmin)/Caver X 100 값을 △C값으로 하기 표 1에 나타내었다.
<기능성 원단의 제조>
상기 제조된 원착 폴리에틸렌 원사를 제직하여 면밀도 500g/m2의 기능성 원단을 제조하였다. 제조된 기능성 원단의 물성을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
[실시예 2]
실시예 1에 있어서, 컬러마스터배치 내 안료의 함량을 0.83중량%에서 0.40중량%으로 변경하고, 용융물 내 컬러마스터배치의 함량을 3중량%에서 3.3중량%로 변경한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 원사 및 원단을 제조하였다. 또한, 실시예 1과 동일하게 제조된 원사 및 원단의 물성을 측정하여 하기 표 1 및 표 2에 각각 나타내었다.
[실시예 3]
실시예 1에 있어서, 컬러마스터배치 내 안료의 함량을 0.83중량%에서 0.40중량%으로 변경하고, 용융물 내 컬러마스터배치의 함량을 3중량%에서 3.8중량%로 변경한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 원사 및 원단을 제조하였다. 또한, 실시예 1과 동일하게 제조된 원사 및 원단의 물성을 측정하여 하기 표 1 및 표 2에 각각 나타내었다.
[비교예 1]
실시예 1에 있어서, 134,277g/mol의 중량평균분자량(Mw)를 가지는 칩(chip) 형태의 폴리에틸렌에 안료를 혼합한 후, 건조시킨 제1차 마스터칩을 컬러마스터배치로 사용하고, 컬러마스터배치 내 안료의 함량을 10.0중량%, 용융물 내 컬러마스터배치의 함량을 3중량%에서 0.25중량%로 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 원사 및 원단을 제조하였다. 또한, 실시예 1과 동일하게 제조된 원사 및 원단의 물성을 측정하여 하기 표 1 및 표 2에 각각 나타내었다.
상기 표 1 내지 표 2를 참조하면, 실시예에 따른 원단의 경우, 강도 및 신율 등과 같은 기계적 물성이 우수함과 동시에 냉감특성을 가짐을 확인할 수 있었으며, 원사의 색상 균일도가 매우 우수함을 확인할 수 있었다.
도 5는 실시예에 따라 원착 폴리에틸렌 원사를 방사하며, 도 2에 도시된 원착 폴리에틸렌 원사의 측정영역을 통해, 시간에 따른 CCM 값 측정 결과가 도시되어 있다. 구체적으로, 실시예 1 내지 3 및 비교예에 따른 원착 폴리에틸렌 원사의 CCM 값이 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 원착 폴리에틸렌 원사는 장시간 방사 시에도 색상 변화가 거의 없으며, 색상 균일도가 우수한 원사 생산이 가능함을 확인할 수 있었다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 멀티필라멘트 11 : 필라멘트
21 : 베이스플레이트 23 : 원단
22a : T-box 22b : BT-box
100: 익스트루더 200: 구금
300: 냉각부 400: 집속부
500: 연신부 600: 교락 장치
700: 와인더
21 : 베이스플레이트 23 : 원단
22a : T-box 22b : BT-box
100: 익스트루더 200: 구금
300: 냉각부 400: 집속부
500: 연신부 600: 교락 장치
700: 와인더
Claims (10)
- 안료를 포함하는 원착 폴리에틸렌 원사에 있어서,
하기 측정 조건에서 측정된 L*, a* 및 b*에 대하여 하기 식을 만족하며,결정화도가 60 내지 80%인, 원착 폴리에틸렌 원사
[측정 조건]
평면상의 기재 상에 상기 원착 폴리에틸렌 원사를 감아 측정영역을 형성하여, 상기 측정영역에 대해 CCM(Computer Color Matching) 측정을 하되, 상기 기재에 대해 상기 원착 폴리에틸렌 원사가 70회 감겼을 때 마다 CCM 측정을 하여, 적어도 n(n은 50 이상의 자연수)회 이상 측정
[식]
(Cmax-Cmin)/Caver X 100 ≤ 10
(상기 Cmax , Cmin 및 Caver는 L*, a* 및 b*중 선택된 어느 하나의 최대, 최소 및 평균 값을 각각 의미한다. )
- 제1항에 있어서,
상기 원사의 CCM 측정 시, 상기 L* 값의 표준편차는 3이하인, 원착 폴리에틸렌 원사.
- 제1항에 있어서,
상기 원착 폴리에틸렌 원사 전체 중량에 대하여 상기 안료 0.00005 내지 1중량%를 함유하는, 원착 폴리에틸렌 원사.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 원사는 ASTM D2256으로 측정되는 초기 모듈러스가 50 내지 300cN/dtex, 강도는 4 내지 20g/d인 원착 폴리에틸렌 원사.
- 제1항에 있어서,
상기 원사는 ASTM D1238에 따라 측정된 용융지수(melt index: MI, @190℃)가 0.5 내지 22g/10min인, 원착 폴리에틸렌 원사.
- 제1항에 있어서,
상기 원사는 ASTM D4974-04에 따른 건열 수축률 (@100℃)이 2 내지 15%인, 원착 폴리에틸렌 원사.
- 제1항 내지 제3항 및 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항의 원착 폴리에틸렌 원사로부터 제조된 기능성 원단.
- 제8항에 있어서,
상기 원단은 20±2℃, 65±2% R.H에서, 20±2℃의 원단에 대해 30±2℃의 열판(T-box)을 접촉시켜 측정되는 접촉냉감이 0.1 내지 0.3 W/cm2 인, 기능성 원단.
- 제8항에 있어서,
상기 원단은 20±2℃, 65±2% R.H에서, 20±2℃의 원단에 대해 30±2℃의 열원판(BT-box)을 접촉시켜 측정되는 두께 방향 열전도도(thermal conductivity)가 0.05 내지 0.25 W/mK인 기능성 원단.
Priority Applications (3)
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| KR1020210175078A KR102480911B1 (ko) | 2021-12-08 | 2021-12-08 | 원착 폴리에틸렌 원사 및 이를 포함하는 기능성 원단 |
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2022
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