KR102480920B1 - 치수안정성이 향상된 폴리에틸렌 원사 및 이를 포함하는 기능성 원단 - Google Patents

Abstract

본 발명은 치수안정성이 향상된 폴리에틸렌 원사 및 이를 포함하는 기능성 원단에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제직 및 제단 등과 같은 후가공 시 형태변형을 방지할 수 있는 치수안정성이 향상된 폴리에틸렌 원사 및 이를 포함하여 냉감을 사용자에게 제공할 수 있는 기능성 원단에 관한 것이다.

Description

치수안정성이 향상된 폴리에틸렌 원사 및 이를 포함하는 기능성 원단 {Polyethylene yarn with improved size stability and functional fabric containing the same}

본 발명은 치수안정성이 향상된 폴리에틸렌 원사 및 이를 포함하는 기능성 원단에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제직 및 제단 등과 같은 후가공 시, 치수 변형률이 작은 치수안정성이 향상된 폴리에틸렌 원사 및 이를 포함하는 기능성 원단에 관한 것이다.

최근 생활수준의 향상, 인구증가 등으로 인해, 섬유의 수요가 일반 의류용 범용사 및 산업용 섬유에서 다양한 기능을 갖는 고기능성, 고성능화된 첨단 섬유소재로 변하고 있다. 특히, 여름철이나 고온의 작업환경에서 사용자의 쾌적감을 부여하는 냉감성을 가진 섬유소재의 개발이 활발히 이루어지고 있는 실정이다.

냉감성 섬유소재는 섬유 자체의 열전도성을 이용하여 냉감성이 부여되거나, 열전도도가 높은 금속 성분의 코팅 등을 통해 섬유 소재의 표면의 열전도도가 조절되어 냉감성이 부여되었다. 특히, 섬유 자체의 열전도성을 이용한 냉감성 섬유소재는 원단의 제직공정만으로 제조할 수 있으며, 세탁 후에도 냉감성을 유지할 수 있어 현재 실질적으로 다양한 산업분야에서 생산되고 있다.

종래, 섬유 자체의 열전도성을 이용한 냉감성 섬유소재는 일본 등록특허 공보 JP 2010-236130A 및 대한민국 공개 특허공보 제10-2017-0135342호에 개시된 바와 같이 고분자량 폴리에틸렌(HMWPE) 섬유가 가지는 우수한 열전도성을 이용하여 운동복, 등산복 및 작업복 등의 높은 냉감이 요구되는 패션의류 및 테크니컬 섬유 분야에 다양하게 적용하는 시도가 이루어지고 있다.

그러나 이와 같은 냉감성 폴리에틸렌 원사는 고점도의 고분자량 폴리에틸렌를 포함함에 따라, 원사로 제조될 시, 원료의 낮은 용융흐름성에 의해 제조가 어렵다는 단점이 있다. 이에, 원료의 용융흐름성을 개선하기 위하여 고점도의 고분자 폴리에틸렌을 포함하는 원료를 용매에 희석시켜 원사를 생산하였으나, 공정이 복잡해지고 용매 관리 및 회수가 어렵다는 추가적인 문제점이 발생한다.

한편, 고점도의 고분자량 폴리에틸렌 섬유에 비해 저점도의 저분자량 폴리에틸렌 섬유는 저강도, 고신율 및 저치수안정성으로 인해 제직, 편직 및 열처리 등 후가공에 있어서 불리하다는 단점이 있다. 이에, 저분자량 폴리에틸렌 섬유는 고분자량 폴리에틸렌 섬유에 비해 산업 이용성이 낮으며, 다양한 용도로 활용되지 못하고 있다.

(특허 문헌1) : 일본 등록특허 공보 JP 2010-236130A (특허 문헌2) : 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0135342호

본 발명의 목적은 제직 및 제단 등과 같은 후가공 시, 치수 변형률이 작은 치수안정성이 향상된 폴리에틸렌 원사 및 이를 포함하여 냉감을 사용자에게 제공할 수 있는 기능성 원단을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 폴리에틸렌 원사는 최대 열 수축 응력(maximum thermal shrinkage stress)이 0.1 내지 0.7g/d이며, 용융지수(melt index: MI, @190℃)가 5 내지 25g/10min이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 폴리에틸렌 원사에 있어서, 상기 원사는 다분산지수(Polydispersity Index, PDI)가 5 내지 20이며, 수 평균 분자량(Mn)이 1000 내지 10,000g/mol일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 폴리에틸렌 원사에 있어서, 상기 원사는 ASTM D2256에 따라 측정되는 강도가 6 내지 17g/d이며, 신율이 10 내지 25%일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 폴리에틸렌 원사에 있어서, 상기 원사는 결정화도가 65 내지 85%일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 폴리에틸렌 원사에 있어서, 상기 원사는 밀도가 0.92 내지 0.97g/cm³일 수 있다.

본 발명에 따른 기능성 원단은 상술한 폴리에틸렌 원사를 포함한다.

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 0.05 내지 0.25W/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 0.25W/mK일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 기능성 원단에 있어서, 상기 원단은 면밀도가 150 내지 800g/m²일 수 있다.

본 발명에 따른 냉감성 제품은 상술한 원단으로부터 제조된 것이다.

본 발명에 따른 폴리에틸렌 원사는 저분자량 폴리에틸렌 원사임에도 불구하고 우수한 치수안정성을 가지며, 우수한 열전도도를 가질 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 기능성 원단은 우수한 열전도도 및 높은 치수안정성을 갖는 폴리에틸렌 원사를 포함함에 따라, 냉감성을 가짐과 동시에 후가공시에도 형태변형이 방지되어 우수한 품질을 가질 수 있다.

도 1은 폴리에틸렌 원사 제조장치를 개략적으로 도시한 모식도,
도 2는 원단의 접촉냉감을 측정하는 장치를 개략적으로 도시한 모식도,
도 3은 원단의 두께 방향의 열전도도를 측정하는 장치를 개략적으로 도시한 모식도이다.

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 냉감성 폴리에틸렌 원사는 고점도의 고분자량 폴리에틸렌을 포함함에 따라 원사로 제조될 시, 원료의 낮은 용융흐름성에 의해 제조가 어렵다는 단점이 있다. 이에, 폴리에틸렌 원사 원료의 용융흐름성을 개선하기 위하여 고점도의 고분자 폴리에틸렌을 포함하는 원료를 용매에 희석시켜 원사를 생산하였으나, 공정이 복잡해지고 용매 관리 및 회수가 어렵다는 추가적인 문제점이 발생한다.

한편, 고점도의 고분자량 폴리에틸렌 원사에 비해 저점도의 저분자량 폴리에틸렌 원사는 저강도, 고신율 및 저치수안정성으로 인해 제직, 편직 및 열처리 등 후가공에 있어서 불리하다는 단점이 있다. 이에, 저분자량 폴리에틸렌 원사는 고분자량 폴리에틸렌 원사에 비해 산업 이용성이 낮으며, 다양한 용도로 활용되지 못하고 있다.

이에, 본 출원인은 저점도의 저분량 폴리에틸렌을 포함하되 높은 치수안정성을 가지는 폴리에틸렌 원사를 개발하여, 별도의 용매에 희석할 필요 없이, 폴리에틸렌 고유의 높은 용융흐름성에 의해 용이하게 방사 공정을 수행할 수 있으며, 제직 및 제단 염색 등 후가공 시, 치수 변형률이 작은, 우수한 치수안정성 및 기계적물성을 가지는 폴리에틸렌 원사를 제공한다.

본 명세서에서 폴리에틸렌 원사는 폴리에틸렌 칩을 원료로 하여 방사 및 연신 등의 공정을 통해 제조된 모노 및 멀티 필라멘트를 의미한다. 일 예로, 폴리에틸렌 섬유는 1 내지 3 데니어의 섬도를 각각 갖는 40 내지 500 개의 필라멘트들을 포함할 수 있고, 100 내지 1,000 데니어의 총섬도를 가질 수 있다.

본 발명의 폴리에틸렌 원사는 최대 열 수축 응력(maximum thermal shrinkage stress)이 0.1 내지 0.7g/d이되, 용융지수(melt index: MI, @190℃)가 5 내지 10g/10min으로, 저점도 저분자량 폴리에틸렌을 포함함에도 불구하고 우수한 열수축율, 즉, 우수한 치수안정성을 가진다. 이에, 고점도 고분자량 폴리에틸렌을 포함할 때와 달리, 방사공정 시, 별도의 용매에 희석할 필요가 없어 공정이 단순해짐에 따라 원사 생산성이 매우 높으며, 제직, 꼬임 등 후가공 시, 형태가 변형되지 않고 우수한 우수한 열전도도를 가질 수 있다. 또한, 우수한 열전도도 및 치수안정성을 가짐에 따라, 냉감성 등 우수한 물성을 가지는 원단으로 제조될 수 있다.

본 발명에 따른 폴리에틸렌 원사의 치수안정성은 원사가 원단으로 제직 또는 편직되는 것과 같이 후가공될 시, 열, 압력 및 장력 등에 의한 치수 변형에 대해 저항하는 특성으로, 형태 안정성을 의미할 수도 있다. 치수안정성이 높을수록 후가공 시 치수 변형율이 작다.

본 발명에 따른 폴리에틸렌 원사를 포함하는 원단의 냉감성은 원사의 높은 열전도도를 통해 원단을 착용한 사용자가 적절한 냉감 즉, 시원함(cooling feeling)을 느낄 수 있는 특성이다. 구체적으로, 고분자의 경우, 주로 포논(phonon)이라는 격자 진동(lattice vibration)을 통해 열이 고분자 내에서(특히, 공유결합을 통해 연결된 분자 사슬 방향으로) 전달된다. 즉, 원사의 열전도도는, 동일한 수지로부터 제조된 원사일지라도, 원사의 결정화도 및 배향도 등 고분자 자체의 구조적 특징에 따라 달리 조절될 수 있다.

상술한 바와 같이, 폴리에틸렌 원사는 최대 열 수축 응력이 0.1 내지 0.7g/d, 구체적으로, 0.2 내지 0.5g/d일 수 있으며, 용융지수(melt index: MI, @190℃)가 5 내지 25g/10min, 상세하게 6 내지 15g/10min일 수 있으나 이에 한정되진 않는다. 다만, 상기 범위에서, 더욱 우수한 치수안정성 및 열전도도를 가질 수 있다. 또한 이와 같은 폴리에틸렌 원사는 용융 시 저점도를 가지는 것으로, 방사 공정에 있어서, 별도의 용매 없이도 방사가 가능하여 방사 효율이 우수하다.

특히, 폴리에틸렌 원사는 저분자량 폴리에틸렌을 포함하는 것으로, 다분산지수(Polydispersity Index, PDI)가 5 내지 20, 구체적으로 8 내지 18, 더욱 구체적으로, 10 내지 15이며, 수 평균 분자량(Mn)이 1000 내지 10,000g/mol, 구체적으로, 2000 내지 5000g/mol 일 수 있다. 상기 범위의 다분산지수 및 수 평균 분자량을 가지는 폴리에틸렌 원사는 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 원사를 제공할 수 있다. 이때, 중량 평균 분자량은 상술한 수 평균 분자량에 대하여 상술한 PDI 값을 만족할 수 있는 것이라면 한정되지 않으나, 통상적인 냉감용 폴리에틸렌 원사보다 낮은 중량 평균 분자량을 가질 수 있다. 구체적으로 20,000 내지 90,000g/mol 상세하게는 35,000 내지 75,000g/mol일 수 있다.

또한, 폴리에틸렌 원사는 밀도가 0.92 내지 0.97g/cm³이고, 방사를 통한 결정화도가 60 내지 90%, 구체적으로 65 내지 85%일 수 있다. 상기 폴리에틸렌 원사의 결정화도는 X-선 회절분석기를 이용한 결정성 분석 시 미결정 크기와 함께 도출될 수 있다. 상술한 바와 같이, 결정화도가 상기 범위를 만족하는 범위에서 폴리에틸렌의 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, 폴리에틸렌 원사는 ASTM D2256에 따라 측정되는 강도가 6 내지 17g/d, 구체적으로 10 내지 15g/d이며, 신율이 10 내지 25%, 구체적으로 12 내지 20% 일 수 있다. 상기 범위의 강도 및 신율을 가지는 폴리에틸렌 원사는 우수한 열전도도뿐만 아니라 비교적 유연성이 높아 우수한 제직성을 가질 수 있어, 추후 제직되어 원단으로 제조될 시, 더욱 우수한 품질의 원단을 수득할 수 있다.

이하에서는, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 양태에 따른 폴리에틸렌 원사의 제조방법을 구체적으로 설명한다. 본 발명의 폴리에틸렌 원사는 PDI, 강도 및 신율 등 상기한 물성들의 범위를 만족하는 것이라면 그 제조방법에 제한되는 것은 아니며, 아래는 일 양태를 설명하는 것이다.

먼저, 칩(chip) 형태의 폴리에틸렌을 익스트루더(extruder)(100)로 투입하여 용융시킴으로써 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.

상기 냉각부(300)에서의 상기 필라멘트들(11) 냉각은, 0.2 내지 1m/sec 풍속의 냉각풍을 이용하여 15 내지 40℃로 냉각되도록 수행되는 것이 바람직하다. 상기 냉각 온도가 15℃미만이면 과냉각으로 인해 신도가 부족하여 연신 과정에서 사절이 발생할 수 있고, 상기 냉각 온도가 40℃를 초과하면 고화 불균일로 인해 필라멘트들(11)간 섬도 편차가 커지고 연신 과정에서 사절이 발생할 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. 더욱 구체적으로 상기 냉각부는 2개 이상의 구간으로 나누어질 수 있다. 예를 들어 2개의 냉각 구간으로 이루어진 경우, 제1 냉각부에서 제2 냉각부로 갈수록 온도가 점차 낮아지도록 설계되는 것이 바람직하다. 구체적으로 예를 들면 제1 냉각부는 40 내지 90℃로 설정되고, 제2 냉각부는 15 내지 50℃로 설정될 수 있다.

또한, 제1 냉각부에서 풍속을 가장 높게 설정함으로써 표면이 더욱 매끄러운 섬유를 제조할 수 있다. 구체적으로 제1 냉각부는 0.8 내지 1.2m/sec 풍속의 냉각풍을 이용하여 40 내지 90℃로 냉각되도록 하고, 제2 냉각부는 0.3 내지 1.0m/sec 풍속의 냉각풍을 이용하여 15 내지 50℃로 냉각되도록 하는 것일 수 있으며, 이와 같은 조건으로 조절함으로써 결정화도가 더욱 높고, 표면이 더욱 매끄러운 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.

연신 공정에서 적용되는 총연신비가 2 미만이면, 최종적으로 얻어지는 폴리에틸렌 원사가 60% 이상의 결정화도를 가질 수 없으며, 상기 원사로 제조되는 원단 상에 보푸라기(필링)가 유발될 위험이 있다.

반면, 상기 총연신비가 15배를 초과하면 사절이 발생할 가능성이 있고, 최종적으로 얻어지는 폴리에틸렌 원사의 강도가 적합하지 못해 상기 폴리에틸렌 원사의 제직성이 좋지 못할 뿐만 아니라 이를 이용하여 제조된 원단이 지나치게 뻣뻣하여 사용자가 불편함을 느낄 수 있다.

본 발명의 용융 방사의 방사속도를 결정하는 첫 번째 고뎃 롤러부(GR1)의 선속도가 결정되면, 상기 다단연신부 (500)에서 2 내지 20, 바람직하게는 3 내지 15의 총 연신비가 상기 멀티필라멘트(10)에 적용될 수 있도록, 나머지 고뎃 롤러부들의 선속도가 적절히 결정된다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 다단연신부(500)의 고뎃 롤러부들(GR1...GRn)의 온도를 40 내지 140℃의 범위에서 적절히 설정함으로써 상기 다단연신부(500)를 통해 폴리에틸렌 원사의 열고정(heat-setting)이 수행될 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 상기 다단연신부는 3개 이상, 구체적으로 3 내지 5개의 연신 구간으로 이루어진 것일 수 있다. 또한, 각 연신구간은 여러 개의 고뎃 롤러부들로 이루어진 것일 수 있다.

구체적으로 예를 들어, 상기 다단연신부는 4개의 연신구간으로 이루어질 수 있으며, 제1연신구간 내지 제3연신구간에서 총 연신비 7 내지 15배로 연신 후, 제4연신구간에서 1 내지 3 % 수축연신(이완)을 수행하는 것일 수 있다. 상기 총 연신비는 연신을 하기 전 섬유에 비하여, 제1연신구간에서부터 제3연신구간을 거친 섬유의 최종 연신비를 의미한다.

더욱 구체적으로 제1 연신구간은 40 내지 120℃에서 수행될 수 있으며, 총 연신비가 2 내지 5배인 것일 수 있다. 제2 연신구간은 상기 제1 연신구간에 비하여 높은 온도에서 수행될 수 있으며, 구체적으로 90 내지 140℃에서 수행될 수 있으며, 총 연신비가 5 내지 8배가 되도록 연신하는 것일 수 있다. 제3 연신구간은 90 내지 140℃에서 수행될 수 있으며, 총 연신비가 7 내지 15배가 되도록 연신하는 것일 수 있다. 제4연신구간은 상기 제3 연신구간과 같거나 낮은 온도에서 수행될 수 있으며, 구체적으로 90 내지 140℃에서 수행될 수 있으며, 1 내지 3% 수축연신(이완)을 수행하는 것일 수 있다.

다단연신부(500)에 의해 상기 멀티필라멘트(10)의 다단연신과 열고정이 동시에 수행되며, 다단연신된 멀티필라멘트(10)가 와인더(600)에 권취됨으로써 본 발명의 폴리에틸렌 원사가 완성된다.

본 발명에 따른 기능성 원단은 상술한 폴리에틸렌 원사를 포함하는 것으로, 우수한 열전도도 및 높은 치수안정성을 갖는 폴리에틸렌 원사를 포함함에 따라, 냉감 특성을 가짐과 동시에 우수한 품질을 가질 수 있다.

본 발명에 따른 기능성 원단은 상기 설명된 폴리에틸렌 원사를 단독으로 사용하는 것일 수 있으며, 다른 기능성을 더욱 부여하기 위하여 이종 원사를 더 포함할 수도 있지만 냉감성 및 치수안정성을 동시에 가질 수 있는 관점에서는 상기 폴리에틸렌 원사를 단독으로 사용하는 것이 바람직하다.

구체적으로, 기능성 원단은 상술한 원사를 포함함에 따라, 우수한 냉감성을 가질 수 있다. 상세하게, 20±2 ℃, 65±2% R.H에서 20±2℃의 원단에 대해 30±2℃의 열판(T-box)을 접촉시켜 측정되는 측정된 접촉냉감이 0.05 내지 0.25 W/cm²이고, 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 0.25인 W/mK 일 수 있다. 더욱 구체적으로 접촉냉감이 0.07 내지 0.20W/cm²이고, 두께 방향 열전도도(thermal conductivity)가 0.07 내지 0.20W/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.

또한, 기능성 원단은 상술한 폴리에틸렌 원사를 포함함에 따라 우수한 치수 안정성을 가질 수 있다. 구체적으로, 기능성 원단은 상술한 폴리에틸렌 원사를 통해 제직 또는 편직되어 제조될 시 설계된 치수에 대해 최종적으로 제조된 원단이 치수 변형율이 거의 없어 불량품이 거의 없으며, 우수한 품질을 가질 수 있다.

또한, 기능성 원단은 상술한 바와 같이 특정 열 수축 응력을 가지는 원사를 포함함에 따라, 고온의 가혹 조건 하에서도 우수한 치수 안정성을 가질 수 있다. 구체적으로 90±2℃, 65±2% R.H 조건 하에서, 하기 식 1으로 표현되는 원단의 치수 변형율은 -2.0% 내지 2.0%, 바람직하게는 -1.8% 내지 1.8%, 더욱 바람직하게는 -1.5% 내지 1.5%일 수 있다.

[식 1]

치수변형율(%) = {(FS₁ - FS₀)/(FS₀)} × 100

(상기 식에서, FS₀는 기능성 원단을 상온(20±2℃, 65±2 % R.H)에서 24시간 동안 방치 후 측정한 기능성 원단 치수(mm)이고, FS₁는 기능성 원단을 90±2℃, 65±2 % R.H 조건 하에서 24시간 동안 방치한 후 측정한 기능성 원단 치수(mm)이다)

이처럼, 기능성 원단은 가혹 조건에서도 우수한 치수 안정성을 가짐에 따라, 열, 압력 등 다양한 외력이 작용하는 후가공에 있어서 치수 안정성이 확보되어 우수한 후가공성을 가질 수 있다.

또한, 기능성 원단은 150 내지 800g/m²의 단위면적당 중량(즉, 면밀도) 를 갖는 직물 또는 편물일 수 있다. 원단의 면밀도가 150 g/m² 미만이면 원단의 조밀성이 부족해지고 원단 내에 많은 공극들이 존재하게 되는데, 이러한 공극들은 원단의 냉감성을 저하시킨다. 반면, 원단의 면밀도가 800 g/m²를 초과하면 지나치게 조밀한 원단 구조로 인해 원단이 뻣뻣해지고, 사용자가 느끼는 촉감에 문제가 발생하며, 높은 중량으로 인해 사용상의 문제점이 유발된다.

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. 열 수축 응력>

폴리에틸렌 원사의 양단을 매듭지어 루프(loop) 형태의 샘플을 만든 후, 루프 형태의 샘플 양쪽을 열응력 시험기(일본 Kanebo Eng., KE-2)의 핫 챔버(hot chamger) 내에 배치한 다음, 로드셀 및 포하중 고리에 루프 샘플 양측을 각각 걸고 아래 조건들에서 최대 열 수축 응력을 측정하였다. 이때, 루프의 둘레 길이는 10㎝이었다.

- 로드셀(load cell) : 500gf까지 측정 가능한 로드셀

- 초기 온도 : 실온(20±2℃)

- 승온 속도 : 300℃/120sec

- 초하중 : 0.06667 g/d

열 수축 응력 값은 출력장치(Type 3086 X-T Recoder, Yokogawa, Hokushin Eletric, Tokyo, Japan)을 통해 그래프로 얻었다.

<2. 수 평균 분자량(Mw)(g/mol) 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 50 mm) + 2 x PLgel mixed-B (7.5 x 300 mm)

- 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 및 신율(%)>

ASTM D2256 방법에 따라, 인스트론사(Instron Engineering Corp, Canton, Mass)의 만능인장시험기를 이용하여 폴리에틸렌 원사의 변형-응력 곡선을 얻었다. 샘플 길이는 250mm이었고, 인장속도는 300 mm/min이었으며, 초기 로드(load)는 0.05 g/d로 설정하였다. 파단점에서의 응력과 신장으로부터 강도(g/d) 및 신율(%)을 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

[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 2에 예시된 바와 같이, 20℃로 유지되는 베이스 플레이트('Water-Box'로도 지칭됨)(21) 상에 상기 원단 샘플(23)을 올려놓고, 30℃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 6 gf/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 3에 예시된 바와 같이, 20℃로 유지되는 베이스 플레이트(21) 상에 상기 원단 샘플(23)을 올려놓고, 30℃로 가열된 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℃로 유지될 수 있도록 상기 BT-Box(22b)에 열이 지속적으로 공급되었다. 상기BT-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 하기 식 2 및 식 3을 이용하여 산출하였다.

[식 2]: K = (W·D)/(A·ΔT)

[식 3]: 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(=25 cm²)이고, ΔT는 원단 샘플(23) 양면의 온도 차이(= 10 ℃)이고, W는 열류 손실(Watt)이며, k는 열전달계수(W/cm²·℃)이다.

<3. 치수안정성>

20cm×20cm 사이즈의 원단 샘플을 준비한 후 20±2℃의 온도 및 65±2%의 RH의 조건하에서 24시간 동안 방치하였다. 이후, 원단 샘플에 대하여 일측 모서리의 치수를 측정하였다.

이후, 90±2℃의 온도 및 65±2%의 RH의 조건하에 24시간 동안 방치한 후 상기한 방법으로 치수를 재 측정하였다. 이어서, 원단의 치수 변형율을 하기 식 1을 통해 산출하였다.

[식 1]

치수변형율(%) = {(FS₁ - FS₀)/(FS₀)} × 100

(상기 식에서, FS₀는 기능성 원단 제직 후 상온(20±2℃, 65±2 % R.H)에서 24시간 동안 방치 후 측정한 기능성 원단 치수(mm)이고, FS₁는 기능성 원단 제직 후 90±2℃, 65±2 % R.H 조건 하에서 24시간 동안 방치한 후 측정한 기능성 원단 치수(mm)이다)

[실시예 1]

<폴리에틸렌 원사의 제조>

도 1에 예시된 장치를 이용하여 200개의 필라멘트들을 포함하고 총섬도가 400 데니어인 폴리에틸렌 원사를 제조하였다.

먼저, 0.93 g/cm³의 밀도, 8,500 g/mol의 중량평균분자량(Mw)를 가지는 폴리에틸렌 칩을 익스트루더(100)에 투입하여 용융시켰다. 용융된 폴리에틸렌은 200개의 홀들을 갖는 구금(200)을 통해 압출되었다. 구금(200)의 홀 직경(D)에 대한 홀 길이(L)의 비율인 L/D는 6이었다. 구금 온도는 270℃이었다.

구금(200)의 노즐 홀들로부터 토출되면서 형성된 필라멘트들(11)은 2개 구간으로 이루어진 냉각부(300)에서 순차적으로 냉각을 하였다. 제1냉각부에서는 1.0m/sec의 풍속의 냉각풍에 의해 60℃로 냉각하고, 제2냉각부에서는 0.5m/sec의 풍속의 냉각풍에 의해 30℃로 최종 냉각되었다. 냉각된 후 집속기(400)에 의해 멀티필라멘트사(10)로 집속되었다.

이어서, 상기 멀티필라멘트사는 연신부(500)로 이동하였다. 상기 연신부는 4개의 구간으로 이루어진 다단연신부로 이루어지며, 총 4단의 고뎃 롤러부들로 구성되었으며, 각 고뎃 롤러부들은 2개 내지 6개의 고뎃 롤러로 이루어진다.

구체적으로 제1 연신구간은 최대 연신온도 80 ℃에서 총 연신비 2배로 연신되고, 제2 연신구간은 최대 연신온도 120℃에서 총 연신비 1.5배로 연신되고, 제3 연신구간은 최대 연신온도 120 ℃에서 총 연신비 1.3배로 연신되고, 제4 연신구간은 최대 연신온도 120 ℃에서 제3 연신구간에 비하여 2% 수축연신(이완)되도록 하여 연신 및 열고정되었다.

이어서, 상기 연신된 멀티필라멘트사는 와인더(600)에 권취되었다. 권취 장력은 0.8 g/d이었다.

제조된 원사의 물성을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

측정된 열 수축응력 그래프를 도 4에 도시하였다.

<기능성 원단의 제조>

상기 제조된 폴리에틸렌 원사를 제직하여 면밀도 500g/m²의 기능성 원단을 제조하였다. 제조된 기능성 원단의 물성을 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.

[실시예 2 내지 9]

하기 표 1과 같이 원사 조건을 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 원단을 제조하였다. 또한, 실시예 1과 동일하게 제조된 원단의 물성을 측정하여 하기 표 3에 나타내었다. 실시예 7의 경우, 측정된 열 수축응력 그래프를 도 5에 도시하였다.

[비교예 1 내지 2]

하기 표 2와 같이 원사 조건을 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 원단을 제조하였다. 또한, 실시예 1과 동일하게 제조된 원단의 물성을 측정하여 하기 표 4에 나타내었다.

[비교예 3]

하기 표 2와 같이 원사 조건을 변경하고, 연신 구간 개수를 2으로 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 원사 및 원단을 제조하였다. 또한, 실시예 1과 동일하게 제조된 원단의 물성을 측정하여 하기 표 4에 나타내었다.

[비교예 4]

하기 표 2와 같이 원사 조건을 변경하고, 연신 구간 개수를 6으로 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 원사 및 원단을 제조하였다. 또한, 실시예 1과 동일하게 제조된 원단의 물성을 측정하여 하기 표 4에 나타내었다.

상기 표 1 내지 표 4를 참조하면, 실시예에 따른 원단의 경우 적절한 냉감을 가지며, 우수한 치수안정성을 가짐을 확인할 수 있었다. 특히, 비교예 4의 경우, 비교적 결정화도가 높은 원사를 이용하여 원단을 제조했음에도 불구하고, 원단 제조시, 다량의 모우가 발생하여 낮은 접촉냉감 및 열전도도를 가짐을 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 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100: 익스트루더
200: 구금
300: 냉각부
400: 집속부
500: 연신부
600: 교락 장치
700: 와인더

Claims (10)

1. 최대 열 수축 응력(maximum thermal shrinkage stress)이 0.1 내지 0.7g/d이며,
   용융지수(melt index: MI, @190℃)가 5 내지 25g/10min인, 폴리에틸렌 원사.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 원사는 다분산지수(Polydispersity Index, PDI)가 5 내지 20이며, 수 평균 분자량(Mn)이 1000 내지 10,000g/mol인, 폴리에틸렌 원사.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 원사는 ASTM D2256에 따라 측정되는 강도가 6 내지 17g/d이며, 신율이 10 내지 25%인, 폴리에틸렌 원사.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 원사는 결정화도가 65 내지 85%인, 폴리에틸렌 원사.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 원사는 밀도가 0.92 내지 0.97g/cm³인, 폴리에틸렌 원사.
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 폴리에틸렌 원사를 포함하는 기능성 원단.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 원단은 20±2℃, 65±2% R.H에서, 20±2℃의 원단에 대해 30±2℃의 열판(T-box)을 접촉시켜 측정되는 접촉냉감이 0.05 내지 0.25W/cm² 인, 기능성 원단.
   
8. 제6항에 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 0.25W/mK인 기능성 원단.
   
9. 제6항에 있어서,
   상기 원단은 면밀도가 150 내지 800g/m²인, 기능성 원단.
   
10. 제6항의 원단으로부터 제조된 냉감성 제품.
    

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