KR102534492B1 - 내절단성 복합섬유 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내절단성 복합섬유에 관한 것으로, 더 상세하게는 우수한 내절단성을 가짐과 동시에 부드러운 감촉을 제공할 수 있는 제품의 제조가 가능한 내절단성 복합섬유 관한 것이다.
본 발명의 내절단성 복합섬유는 저융점 금속을 포함하는 다수개의 금속체 및 열가소성 고분자를 포함하며, 저융점 금속의 용융점(T1)과 열가소성 고분자의 용융점(T2)은 하기 관계식을 만족하고, 상기 금속체는 섬유의 중심 영역에 위치한다.
[관계식]
1T2 < T1 < 3T2

Description

내절단성 복합섬유{Cut-resistance complex fiber}
본 발명은 내절단성 복합섬유에 관한 것으로, 더 상세하게는 우수한 내절단성을 가짐과 동시에 부드러운 감촉을 제공할 수 있는 제품의 제조가 가능한 내절단성 복합섬유 관한 것이다.
금속 및 유리 가공 작업장, 정육 작업장 등과 같은 위험도가 높은 산업분야에서 일하는 작업자 또는 경찰, 군인 또는 소방관과 같이 보안 및 재난분야에 종사하는 사람들은 칼과 같은 흉기 또는 날카로운 절단도구로부터 인체를 보호하기 위해 내절단성 장갑 또는 의복을 착용하고 있다.
일반적으로 내절단성을 부여하는 수단으로서, 아라미드 섬유등과 같은 고강도 방적사로 이루어진 제품이 개발되어 왔으나, 고위험군의 현장에서 사용하기엔 충분한 내절단성을 갖진 못하였다. 한편, 금속섬유를 이용한 다양한 제품 역시 개발되었으나 유연성이 부족하여 작업자의 손 사용이 많은 작업현장에 실질적으로 적용할 수 없었다.
이에, 금속성분을 함유하는 폴리에틸렌 섬유에 관한 개발이 이루어졌으나, 비교적 섬유가 거칠며 파단 가능성이 높아, 원단의 제조 및 가공이 어려웠다. 또한 금속이 표면으로 노출됨에 따라 제조된 제품의 촉감이 좋지 못하여 착용감을 저하시킴에 따라 착용자의 움직임을 방해하고 작업 능률을 저하시킬 수 있다. 이와 같은 불편한 착용감은 착용 회피를 유발하여 작업자의 부상 위험을 증가시킬 수 있는 큰 문제점이 있다.
(특허 문헌1) : 대한민국 공개특허 제10-2020-0048122호
본 발명의 목적은 우수한 내절단성을 가짐과 동시에 부드러운 감촉을 제공할 수 있는 제품의 제조가 가능한 내절단성 복합섬유를 제공하는 것이다.
본 발명의 내절단성 복합섬유는 저융점 금속을 포함하는 다수개의 금속체 및 열가소성 고분자를 포함하며, 저융점 금속의 용융점(T1)과 열가소성 고분자의 용융점(T2)은 하기 관계식을 만족하고, 상기 금속체는 섬유의 중심 영역에 위치한다.
[관계식]
1T2 < T1 < 3T2
본 발명의 일 실시예에 따른 내절단성 복합섬유에 있어서, 상기 복합섬유는 직경 방향 단면 상, 기공이 단면 면적의 5% 미만일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내절단성 복합섬유에 있어서, 상기 복합섬유 전체 중량에 대하여 상기 금속체 3 내지 20중량%를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내절단성 복합섬유에 있어서, 상기 복합섬유의 직경방향 단면 면적에서 상기 금속체가 차지하는 면적 비율은 0.1% 내지 45%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내절단성 복합섬유에 있어서, 상기 금속체는 일부 또는 전부가 상기 복합섬유의 길이방향과 나란한 방향으로 연장된 금속사 형태이며, 상기 금속사의 종횡비는 2 내지 10일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내절단성 복합섬유에 있어서, 상기 복합섬유는 단면적 기준 100㎛2 당 상기 금속사를 5 내지 50개 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내절단성 복합섬유에 있어서, 상기 금속사의 직경은 1 내지 5㎛일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내절단성 복합섬유에 있어서, 상기 저융점 금속은 갈륨, 세슘, 루비듐, 인듐, 주석, 비스무트, 카드뮴 및 납으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 원소를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내절단성 복합섬유에 있어서, 상기 열가소성 고분자는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드 및 폴리에스테르로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내절단성 복합섬유에 있어서, 상기 복합섬유는 7g/d 내지 16g/d 의 인장강도를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내절단성 복합섬유에 있어서, 복합섬유는 코어-시스(core sheath) 구조일 수 있다.
본 발명은 상기한 복합섬유를 포함하는 내절단성 원단이다.
본 발명은 상기한 원단을 포함하는 보호용 제품이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 보호용 제품에 있어서, 상기 제품의 강연도는 7gf 이하일 수 있다.
본 발명에 따른 내절단성 복합섬유는 우수한 내절단성을 가짐에 따라 고위험군의 산업 및 재난현장에 실질적으로 적용 가능한 섬유제품 제조가 가능할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 내절단성 복합섬유는 금속성분이 외부로 노출되지 않아 부드러운 감촉을 가지는 제품의 제조를 가능하게 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합섬유 제조장치를 개략적으로 도시한 것이다.
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.
또한, 본 명세서의 용어, '실질적으로'는 특정된 요소, 재료 또는 공정과 함께 열거되어 있지 않은 다른 요소, 재료 또는 공정이 발명의 적어도 하나의 기본적이고 신규한 기술적 사상에 허용할 수 없을 만큼의 현저한 영향을 미치지 않는 양 또는 정도로 존재할 수 있는 것을 의미한다.
내절단성이란 칼의 날 또는 날처럼 예리한 부분이 있는 물체에 베이거나 찔리는 것에 대한 내구성을 의미하는 것으로, 금속 및 유리 가공 작업장, 정육 작업장 등과 같은 위험도가 높은 산업분야에서 일하는 작업자 또는 경찰, 군인 또는 소방관과 같이 보안 및 재난분야에 종사하는 사람들은 칼과 같은 흉기 또는 날카로운 절단도구로부터 인체를 보호하기 위해 내절단성 장갑 또는 의복을 착용하고 있다.
종래에는 금속성분을 포함하는 폴리에틸렌 섬유를 사용한 내절단성 제품이 개발되었으나, 비교적 섬유가 거칠며 파단 가능성이 높아, 원단의 제조 및 가공이 어려웠다. 또한 금속이 섬유 표면으로 노출됨에 따라, 제조된 제품의 촉감이 좋지 못하여 착용감을 저하시키며 착용자의 움직임을 방해하고 작업 능률을 저하시켰다. 이와 같은 불편한 착용감은 착용 회피를 유발하여 작업자의 부상 위험을 증가시킬 수 있는 큰 문제점이 있었다.
이에, 본 출원인은 금속성분을 포함하여 우수한 내절단성을 가지되 비교적 섬유가 부드러워 파단 가능성을 낮출 수 있는 복합섬유를 개발하고자 장시간 심도 깊은 연구를 수행한 결과, 특정 온도의 용융점을 가지는 금속을 포함하여 방사 및 연신된 복합섬유가 우수한 내절단성을 가짐과 동시에 부드러운 촉감을 가질 수 있는 제품의 제조를 가능함을 발견하고, 이에 대한 연구를 심화한 결과 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명에서 복합섬유는 원사를 일컫는 것으로, 모노필라멘트사 또는 멀티필라멘트사일 수 있다. 일 예로, 멀티필라멘트사 일 때, 복합섬유는 1 내지 50 데니어의 섬도를 각각 갖는 70 내지 500개의 필라멘트들을 포함할 수 있고, 70 내지 1,000데니어의 총섬도를 가질 수 있다.
본 발명의 내절단성 복합섬유는 저융점 금속을 포함하는 다수개의 금속체 및 열가소성 고분자를 포함하며, 저융점 금속의 용융점(T1)과 열가소성 고분자의 용융점(T2)은 하기 관계식을 만족하고, 금속체는 복합섬유의 중심 영역에 위치한다.
[관계식]
1T2 < T1 < 3T2
이와 같은 복합섬유는 저융점 금속을 포함하는 금속체를 포함함에 따라 우수한 내절단성을 가짐과 동시에 비교적 부드러운 제품의 제조가 가능하다. 이에, 원단의 제조 및 가공이 용이하여 다양한 제품으로 제조가 가능함에 따라 산업 이용성이 매우 높다.
구체적으로, 저융점 금속의 용융점(T1)과 열가소성 고분자의 용융점(T2)은 1.5T2 < T1 < 2T2 일 수 있다. 이와 같은 본 발명의 복합섬유는 열가소성 고분자 및 저융점 금속의 용융점이 큰 차이가 없어, 방사 및 연신이 용이하고, 비교적 종횡비가 큰 금속체가 형성될 수 있다.
복합섬유는 상술한 바와 같이 저융점 금속 및 열가소성 고분자를 포함함에 따라, 기공이 적게 포함될 수 있다. 상세하게, 복합섬유는 직경 방향 단면 상, 기공이 단면 면적의 10%, 바람직하게는 5%, 더욱 바람직하게는 3% 미만일 수 있다. 즉, 복합섬유는 실질적으로 기공이 거의 포함되지 않음에 따라 우수한 인장강도 및 신율을 가질 수 있으며, 일정 강도를 유지할 수 있다. 이에, 편조 및 직조와 같은 원단 제조 공정 시, 유리하게 적용될 수 있으며, 우수한 내절단성을 가질 수 있다. 구체적으로 복합섬유는 7 내지 16 g/d, 구체적으로, 8 내지 13 g/d의 인장강도를 가질 수 있으며, 3 내지 10%의 신율(elongation)을 가질 수 있다.
또한, 복합섬유는 금속체가 복합섬유의 중심영역에 위치함에 따라, 우수한 촉감을 제공할 수 있는 제품으로 제조될 수 있다. 구체적으로, 복합섬유는 금속체가 중심영역에 위치함에 따라, 외력이 발생할 시, 외부로 금속성분이 돌출되는 것이 방지될 수 있다. 이에, 복합섬유로부터 제조된 제품은 우수한 내마모성에 따른 필링저항성을 가질 수 있음에 따라, 복합섬유의 인장강도가 유지되어 제조된 원단의 내구성이 유지될 수 있다.
이와 달리, 금속체가 섬유의 중심영역 뿐만 아니라 섬유의 표면부에 위치하는 복합섬유로 제조된 제품은 비교적 낮은 내마모성을 나타낸다. 이로 인해, 장시간 사용 시 많은 보푸라기(필링)이 발생하여, 복합섬유의 인장강도가 점차적으로 감소되며 제조된 원단의 내구성이 저하될 수 있다.
본 발명에서 중심영역은 복합섬유의 직경방향 단면의 중심을 기준으로, 단면 반경의 80%이내 영역을 의미할 수 있다.
복합섬유 전체 중량에 대하여 금속체는 1 내지 50중량%, 구체적으로 3 내지 20중량%, 더욱 구체적으로 5 내지 17중량%를 포함할 수 있다. 상기 함량 범위로 금속체가 복합섬유에 포함됨에 따라 복합섬유의 비중이 증가하여 적절한 중량을 가지면서도 유연성을 가질 수 있으며, 우수한 내절단성을 가질 수 있어 바람직하다.
금속체는 복합섬유의 중심영역에 위치하되, 복합섬유의 직경방향 단면 면적에서 금속체가 차지하는 면적 비율은 0.1 내지 45%, 구체적으로, 0.2 내지 30%, 더욱 구체적으로 0.25 내지 10% 일 수 있으나 이에 한정되진 않는다. 다만, 상기 범위에서 금속체가 중심영역에 균일하게 분산되어 금속체가 외부로 돌출되는 것을 더욱 방지할 수 있다.
본 발명에서, 열가소성 고분자는 용융점이 90 내지 450℃, 바람직하게는 100 내지 290℃일 수 있다. 구체적으로, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드 및 폴리에스테르 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 일 수 있다. 바람직한 열가소성 고분자로는 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET) 일 수 있으며, 상기 폴리에틸렌(PE)는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)일 수 있다. 폴리에틸렌 섬유 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 섬유는 습식방사, 건식방사 또는 용융방사 등의 공지의 방사방법으로 제조될 수 있으나, 바람직하게 용용방사를 통해 금속체와 함께 방사되어 고밀도의 복합섬유로 제조될 수 있으며, 현저한 내절단성을 구현할 수 있다.
일 구체예로, 열가소성 고분자는 폴리에틸렌일 수 있으며, 폴리에틸렌은 80,000 g/mol 내지 180,000 g/mol 구체적으로, 100,000 g/mol 내지 170,000 g/mol, 더욱 구체적으로는 120,000 g/mol 내지 160,000 g/mol의 중량 평균 분자량(Mw)을 가질 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 폴리에틸렌은 0.941 내지 0.965 g/cm3의 밀도를 가지는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)일 수 있으며, 55 내지 85%, 바람직하게는 60 내지 85 %의 결정화도를 가질 수 있다.
또한, 폴리에틸렌은 5 초과 9 이하의 다분산 지수(Polydispersity Index: PDI)를 가질 수 있다. 다분산 지수(PDI)는 수 평균 분자량(Mn)에 대한 중량 평균 분자량(Mw)의 비율(Mw/Mn)로서, 분자량 분포지수(MWD)로 지칭되기도 한다. 폴리에틸렌의 PDI가 5미만이면 상대적으로 좁은 분자량 분포로 인해 흐름성이 좋지 못하고 용융압출시의 가공성이 떨어져서 방사 공정 중 토출 불균일로 인한 사절이 야기된다. 반대로, 상기 폴리에틸렌의 PDI가 9를 초과하면 넓은 분자량 분포로 인해 용융흐름성 및 용융압출시의 가공성은 좋아지나 저분자량 폴리에틸렌이 지나치게 많이 포함되어 있어서 최종적으로 얻어지는 섬유의 인장강도가 저하될 수 있다.
한편, 열가소성 고분자는 폴리에틸렌테레프탈레이트일 수 있으며, 구체적으로, 에틸렌글리콜과 테레프탈산 또는 디메틸테레프탈레이트를 단량체로 사용하여 직접에스테르화 반응 또는 에스테르교환 반응을 통하여 축중합에 의해서 제조된 수지를 사용한다. 제조된 수지의 고유점도는 0.5 내지 1.2dl/g일 수 있다. PET 수지의 고유점도가 0.5 미만일 경우에는 수지 조성물의 전반적인 기계적 물성 저하를 초래할 수 있고, 고유점도가 1.2 초과일 경우에는 높은 점도로 인해 사출 성형시에 흐름성 저하에 의한 가공이 어려울 수 있다.
본 발명에서, 저융점 금속은 용융점이 70 내지 500℃, 바람직하게는 100 내지 300℃, 더욱 바람직하게는 150 내지 270℃ 일 수 있으며, 고분자의 방사 및 연신 온도보다는 융점이 낮은 것이 바람직하다. 이와 같은 저융점 금속은 원료로서 열가소성 고분자와 함께 용융되어 방사 및 연신될 시 섬유의 길이 방향으로 연신되어 종횡비를 가지는 금속사로 구비될 수 있다. 이에, 이를 포함하는 복합섬유는 더욱 우수한 내절단성을 가지는 제품 제조가 가능할 수 있다.
상술한 바와 같이, 금속체는 일부 또는 전부가 복합섬유의 길이방향과 나란한 방향으로 연장된 금속사형태일 수 있다. 이때, 복합섬유의 직경방향 단면 상, 둘 이상의 금속사는 분산되어 포함될 수 있다. 즉, 복합섬유의 직경방향 단면은 해도사(sea-island)형 구조를 가질 수 있으며, 해부분에 고분자, 도부분에 금속사가 위치하며, 금속사들은 복합섬유의 중심영역에서 섬유의 길이방향과 상호 평행하게 분산되어 포함될 수 있다. 해도사형 구조의 복합섬유는 길이방향을 따라 금속사가 상호 일정구간이 겹치도록 배열되되 서로 이격 배열됨을 의미한다.
본 발명에 따른 복합섬유는 금속사로 인해 내절단성 원단으로 제조될 수 있는 우수한 강도를 가질 수 있다. 구체적으로, 금속사를 포함하는 복합섬유는 13g/d, 상세하게는 15g/d이상의 강도를 가질 수 있다. 또한, 금속사를 포함하는 복합섬유는 초기 모듈러스가 350 g/d이하로, 내절단성 원단으로 제조될 시 비교적 낮은 강연도를 갖도록 하여 개선된 착용감을 가지도록 한다.
본 발명에서 “평행”은 금속사가 복합섬유의 축 방향과 나란한 방향으로 배향된 것을 의미하나, 금속사의 연신 방향이 복합섬유의 방사 및 연신공정에 의해 결정됨에 따라, 금속사의 축으로부터 특정 각도로 배향된 것도 포함될 수 있다. 상세하게, 복합섬유의 축방향으로부터 0 내지 60°, 바람직하게는 45° 이내, 더욱 바람직하게 20° 이내의 각도로 배향된 것을 의미할 수 있다.
본 발명에 따른 복합섬유의 직경방향 단면에 있어, 모노필라멘트의 단위면적 당 금속사의 개수는 1 내지 100, 구체적으로 5 내지 50, 더욱 구체적으로 10 내지 30일 수 있으나, 이에 한정되지 않음은 물론이다. 다만, 상기 범위에서 금속사가 복합섬유 내 균일한 분산성을 유지할 수 있다. 이때, 단위 면적은 모노필라멘트의 직경방향 단면의 100㎛2 면적을 의미한다.
복합섬유의 축 방향으로 연장된 금속사의 종횡비는 1.1 내지 50, 구체적으로 2 내지 10, 더욱 구체적으로 3 내지 8일 수 있으나 이에 한정되진 않는다. 이때, 금속사의 직경은 0.5 내지 10㎛, 구체적으로 1 내지 5일 수 있다. 이와 같은 금속사를 포함하는 복합섬유는 우수한 내 절단성을 유지함과 동시에 비교적 부드러운 섬유물성을 가질 수 있다.
저융점 금속은 상기 관계식을 만족하는 금속이라면 제한받지 않고 사용될 수 있으며, 단일 성분의 금속 또는 금속 합금을 의미할 수 있다. 구체적으로 단일 금속으로는 인듐, 주석, 비스무트, 카드뮴 및 납으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 일 수 있다. 또한 구체적으로 금속 합금으로는 갈륨, 세슘, 루비듐, 인듐, 주석, 비스무트, 카드뮴 및 납으로 이루어진 군으로부터 선택되는 둘 이상을 포함하는 금속 합금일 수 있다. 일 구체예로 주석-비스무트 합금일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 복합섬유는 코어-시스 구조일 수 있다. 일 구체예로, 상기 복합섬유는 코어-시스(core-sheath) 구조일 수 있다. 일 예로, 본 발명의 금속체는 코어에 위치할 수 있으며, 열가소성 고분자는 코어 및 시스에 위치할 수 있다. 이와 같은 구조의 복합섬유는 상술한 바와 같이, 금속체가 중심영역에 분산되어 위치하는 것을 조절하기 용이하며, 섬유의 직경방향 단면 상에서 코어 및 시스의 형성 면적을 조절하여 섬유의 물성을 용이하게 조절할 수 있다. 즉, 복합섬유의 단면적의 조절, 코어와 시스의 면적비 및 금속체의 분포 위치를 조절함에 따라 다양한 물성을 가지는 제품 제조가 용이한 장점을 가진다. 구체적으로, 시스의 형성면적이 코어 형성 면적보다 넓은 복합섬유로 제조한 원단은 시스의 형성면적이 코어 형성 면적보다 작은 복합섬유로 제조한 원단보다 강연도가 낮아 드레이프성이 높은 원단 제조가 가능하다. 이에, 개별적으로 착용감을 조절할 수 있어 더욱 착용 회피가 없는 보호제품의 제조가 가능할 수 있다.
이하, 도 1을 참조하며, 구체예로 폴리에틸렌 고분자를 사용한 복합섬유 제조방법에 대해 설명하나, 이에 한정되지 않음은 물론이다.
먼저, 저융점금속과 폴리에틸렌이 혼합된 혼합칩(chip)과, 폴리에틸렌 칩을 각각 제1익스트루더(extruder)(100)와 제2익스트루더(700)에 투입하여 용융시킴으로써 용융물을 얻는다.
용융물이 상기 제1익스트루더(100)와 제2익스트루더(700)내의 스크루(미도시)에 의해 구금(100)을 통해 운반되며, 상기 구금(200)에 형성된 복합방사용 노즐을 통해 압출된다. 상기 구금(200)의 노즐의 수는 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 제1익스트루더(100)과 제2익스트루더(700) 내에서의 용융 공정 및 구금(200)을 통한 압출 공정은 사용한 칩의 용융지수에 따라 변경 적용 가능하지만, 구체적으로 예를 들면 150 내지 315 ℃, 바람직하게는 250 내지 315 ℃, 더욱 바람직하게는 265 내지 310 ℃에서 수행될 수 있다. 즉, 제1익스트루더(100), 제2익스트루더(700) 및 구금(200)이 150 내지 315 ℃, 바람직하게는 250 내지 315 ℃, 더욱 바람직하게는 265 내지 310 ℃로 유지될 수 있다.
상기 방사 온도가 150℃ 미만일 경우, 낮은 방사온도로 인해 폴리에틸렌 및 금속의 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 폴리에틸렌 및 금속의 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 1 m/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 더욱 우수한 강도를 가지는 복합섬유의 제조가 가능하다. 더욱 구체적으로 상기 냉각부는 3개 이상의 구간으로 나누어질 수 있다. 예를 들어 3개의 냉각 구간으로 이루어진 경우, 제 1 냉각부에서 제 3 냉각부로 갈수록 온도가 점차 낮아지도록 설계되는 것이 바람직하다. 구체적으로 예를 들면 제 1 냉각부는 40 내지 80 ℃로 설정되고, 제 2 냉각부는 30 내지 50 ℃로 설정되고, 제 3 냉각부는 15 내지 30 ℃로 설정될 수 있다.
또한, 제 1 냉각부에서 풍속을 가장 높게 설정함으로써 표면이 더욱 매끄러운 섬유를 제조할 수 있다. 구체적으로 제 1 냉각부는 0.8 내지 1 m/sec 풍속의 냉각풍을 이용하여 40 내지 80 ℃로 냉각되도록 하고, 제 2 냉각부는 0.4 내지 0.6 m/sec 풍속의 냉각풍을 이용하여 30 내지 50 ℃로 냉각되도록 하고, 제 3 냉각부는 0.2 내지 0.5 m/sec 풍속의 냉각풍을 이용하여 15 내지 30 ℃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 복합섬유는 용융방사공정을 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 복합섬유를 제공할 수 있다.
대안적으로, 상기 멀티필라멘트(10)를 미연신사로서 일단 권취한 후 상기 미연신사를 연신함으로써 본 발명의 복합섬유가 제조될 수도 있다. 즉, 본 발명의 복합섬유는미연신사를 일단 제조한 후 상기 미연신사를 연신하는 2단계 공정을 통해 제조될 수도 있다.
연신 공정에서 적용되는 총연신비가 2 미만이면, 최종적으로 얻어지는 복합섬유의 폴리에틸렌이 60% 이상의 결정화도를 가질 수 없으며, 상기 복합섬유로 제조되는 원단 상에 보푸라기(필링)가 유발될 위험이 있다.
반면, 상기 총연신비가 15배를 초과하면 사절이 발생할 가능성이 있고, 최종적으로 얻어지는 복합섬유의 강도가 적합하지 못해 상기 복합섬유의 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 상술한 고분자 및 금속의 융점 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 100 내지 300 ℃에서 수행될 수 있으며, 총 연신비가 2 내지 5배인 것일 수 있다. 제2 연신구간은 상기 제1 연신구간에 비하여 높은 온도에서 수행될 수 있으며, 구체적으로 100 내지 350 ℃에서 수행될 수 있으며, 총 연신비가 5 내지 8배가 되도록 연신하는 것일 수 있다. 제3 연신구간은 150 내지 250 ℃에서 수행될 수 있으며, 총 연신비가 7 내지 15배가 되도록 연신하는 것일 수 있다. 제4연신구간은 상기 제2 연신구간과 같거나 낮은 온도에서 수행될 수 있으며, 구체적으로 100 내지 350 ℃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. 이와 같은 방법으로 제조된 폴리에틸렌 섬유는 편조 또는 직조되어 내절단성을 가지는 원단으로 제조될 수 있다.
한편, 원단은 150 내지 800 g/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 내절단성을 저하시킨다. 반면, 원단의 면밀도가 800 g/m2를 초과하면 지나치게 조밀한 원단 구조로 인해 원단이 매우 뻣뻣해지고, 사용자가 느끼는 촉감에 문제가 발생하며, 높은 중량으로 인해 사용상의 문제점이 유발된다.
이와 같은 원단은 우수한 내절단성이 요구되는 제품으로 가공될 수 있다. 제품은 종래 섬유제품은 모두 가능하나 바람직하게는 인체에 방호기능을 하기 위한 방호용 장갑 또는 의복일 수 있다.
제품은 4N 이상, 더욱 바람직하게는 5N 내지 10N의 우수한 내절단성을 가짐과 동시에 7 gf 이하, 더욱 바람직하게는 3 내지 6 gf의 낮은 강연도를 가짐으로써 우수한 착용감을 나타낼 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.
<실시예 1>
도 1에 예시된 장치를 이용하여, 하기 표 1에 기재된 조건으로, 복합섬유를 제조하였다.
구체적으로, 200,000 g/mol의 중량평균분자량(Mw), 및 1.5 g/10min의 용융지수(MI at 190℃)를 갖는 폴리에틸렌 및 하기 표1에 기재된 금속이 혼합된 칩을 제1익스트루더(100)에 투입하고, 금속이 혼합되지 않은 상기 폴리에틸렌 칩을 제2익스트루더(700) 투입하여 각각 용융시켰다. 용융물은 구금(200)을 통해 압출되었다. 구금(200)의 온도는 하기 표 1의 가공온도이다.
구금(200)의 복합섬유 방사용 노즐 홀들로부터 토출되면서 형성된 필라멘트들(11)은 3개 구간으로 이루어진 냉각부(300)에서 순차적으로 냉각을 하였다. 제1냉각부에서는 0.9 m/sec의 풍속의 냉각풍에 의해 50℃로 냉각하고, 제2냉각부에서는 0.5 m/sec의 풍속의 냉각풍에 의해 35℃로 냉각하였으며, 제3냉각부에서 0.4 m/sec의 풍속의 냉각풍에 의해 25℃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, 구체적으로 제1 연신구간은 최대 연신온도 100 ℃에서 총 연신비 3배로 연신되고, 제2 연신구간은 최대 연신온도 150℃에서 총 연신비 8배로 연신되고, 제3 연신구간은 최대 연신온도 150 ℃에서 총 연신비 10배로 연신되고, 제4 연신구간은 최대 연신온도 150 ℃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 멀티필라멘트사를 편직하여 보호용 장갑을 제조하였다.
구분 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6
공정
조건		 원료 PE PET PE PE PE PE
가공온도(℃) 270 300 270 270 270 270
금속 종류(용융점) Sn
(230℃)		 Sn
(230℃)		 Sn+Bi
(140℃)		 Sn
(230℃)		 Sn
(230℃)		 Sn
(230℃)
금속 함량비(wt%) 12 12 12 4 12 17
금속성분 위치 코어 코어 코어 코어 코어 코어
연신비 7 5 7 7 12 7
<실시예 2>
실시예 1에 있어서, 폴리에틸렌 칩이 아닌 100,000 g/mol의 중량평균분자량(Mw), 1dl/g의 점도를 가지는 폴리에틸렌테레프탈레이트수지를 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 보호용 장갑을 제조하였으며, 상기 표 1에 기재된 조건으로 진행하였다.
<실시예 3 내지 6>
이하, 실시예 3 내지 6을 상기 표 1을 참조하여 제조하였다. 실시예 3 내지 6은 실시예 1과 동일한 방법으로 진행하나, 상기 표 1에 기재된 조건으로 각각 진행하였다.
<비교예 1>
실시예 1에 있어서, 상기 금속 대신 평균입경 1.2㎛의 구리(Cu, Tm : 1,085℃) 분말을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 보호용 장갑을 제조하였다.
<비교예 2 내지 비교예 3>
실시예 1에 있어서, 금속의 함량을 하기 표2를 만족하도록 첨가한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 보호용 장갑을 제조하였다.
구분 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4 비교예5
공정 원료 PE PE PE PE PE
가공온도 270 270 270 270 270
금속 종류 Cu Sn Sn Sn Sn
금속 함량비(wt%) 12 50 1 12 12
금속성분 위치 코어 코어 코어 시스 코어/시스
연신비 7 7 7 7 7
<비교예 4>
실시예 1에 있어서, 제1익스트루더(100)에 투입하는 원료를 제2익스트루더(700)에 투입하고, 제1익스트루더(100)에 투입하는 원료를 제2익스트루더(700)에 투입한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 보호용 장갑을 제조하였다.
<비교예 5>
실시예 1에 있어서, 제1익스트루더(100)에 투입한 원료와 제2익스트루더(700)에 투입한 원료를 제1익스트루더(100)에 투입하여 제1익스트루더(100) 만을 이용하여 방사한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 보호용 장갑을 제조하였다.
* 강도(g/d) 측정
ASTM D885 방법에 따라, 인스트론사(Instron Engineering Corp, Canton, Mass)의 만능시험기를 이용하여 멀티필라멘트사의 변형-응력 곡선을 얻음으로써 멀티필라멘트사의 강도를 구하였다. 구체적으로, 샘플 길이는 250mm이었고, 인장속도는 300 mm/min이었으며, 초기 로드(load)는 0.05 g/d로 설정하였다.
* 내절단성(Cut Resistance)
보호용 장갑의 내절단성은 ISO13997:1999 규격에 따라 측정되었다.
* 강연도(stiffness)(gf)
보호용 장갑의 손바닥 부분에서 시편(가로: 60mm, 세로: 60mm)을 채취한 후 ASTM D885/D885M-10a(2014)의 section 38에 따라 시편의 강연도를 측정하였다. 측정장치는 다음과 같았다.
(i) CRE-type Tensile Testing Machine(model: INSTRON 3343)
(ii) Loading Cell, 2 KN [200 kgf]
(iii) Specimen Holder: section 38.4.3에 규정된 specimen holder
(iv) Specimen Depressor: section 38.4.4에 규정된 specimen depressor
구체적으로, 시편의 장갑 바깥쪽 면이 위를 향하고 장갑 안쪽 면이 아래를 향하며 장갑 손가락에 인접한 측 및 그 반대 측(즉, 장갑 손목에 인접한 측)이 specimen holder에 의해 직접적으로 지지되도록 시편을 specimen holder의 중앙에 올려놓았다. 시편은 구부러지지 않고 편평한 상태를 유지하였다. 이때, 상기 specimen holder의 시편 지지부(specimen supporting part)와 specimen depressor의 디프레싱부(depressing part) 사이의 거리는 5mm이었다. 이어서, specimen depressor를 움직이지 않고 그대로 놔둔 상태에서 specimen holder를 15mm까지 상승시키면서 최대 강력을 측정하였다.
하기 표 3에는 실시예에서 제조된 복합섬유 및 장갑의 물성 측정 결과를 기재하였으며, 표 4에는 비교예에서 제조된 복합섬유 및 장갑의 물성 측정 결과를 기재하였다.
구분 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6
물성 총섬도(De) 404 402 405 404 401 402
DPF 4 4 4 4 4 4
필라직경(㎛) 24.2 24.3 24.5 23.7 23.8 23.9
금속사 종횡비 4.7 3.1 7.8 3.8 5.4 5.1
강도(g/d) 8.7 7.5 8.5 11.8 10.9 7.6
강연도(gf) 3.8 3.2 3.3 3.1 4.4 5.1
내절단성(N) 6.3 5.2 6.1 4.7 6.5 6.9
구분 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4 비교예5
물성 총섬도(De) 404 실 형성
불가		 403 실 형성
불가		 실 형성
불가
DPF 4 4
필라직경(㎛) 24 23.8
금속사 종횡비 - 4.1
강도(g/d) 5.7 12.4
강연도(gf) 6.2 2.9
내절단성(N) 2.5 3.9
표 3 내지 표 4를 참조하면, 본 발명의 장갑은 비교예들에 비해 우수한 내절단 지수를 가지면서도 낮은 강연도를 가질 수 있다.
구체적으로, 실시예와 다른 금속을 사용한 비교예 1을 비교하였을 시, 실시예는 서로 다른 소재인 고분자 및 금속이 용융 방사됨에도 불구하고, 상호 접하는 부문에서 기공이 거의 형성되지 않는다. 더욱 구체적으로, 실시예 1의 제조된 복합섬유의 직경방향 단면을 기준으로, 전체 단면 면적 대비 기공의 형성면적 비율은 5% 미만이었다.
반면, 비교예 1과 같이 용융점 차이가 큰 금속을 포함하는 복합섬유는 제조될 시, 서로 매우 다른 용융점을 가짐에 따라 용융방사 자체가 어려워 실 자체를 형성하기 어려웠다. 실이 제조되더라도, 용융 방사 및 연신 시 고분자의 형태변화와 금속간의 형태변화가 함께 이루어 지지 않아, 금속사 형태의 금속체가 아닌 입자상의 금속체를 포함하는 섬유를 얻을 수 있었다. 이와 같은 섬유는 고분자 및 금속 간에 기공이 형성될 수 있어 내절단성을 위한 원단으로 제조될 시 파단 가능성이 높을 뿐만 아니라, 강도가 낮아져 내절단성을 갖지 못할 수 있다.
금속함량이 다른 비교예 2 내지 3과 실시예를 비교하였을 시, 본 발명의 복합섬유는 용이하게 방사가 가능하며, 우수한 내절단성을 가질 수 있음을 알 수 있었다.
또한, 섬유 단면상 금속의 위치가 상이한 비교예 4 내지 비교예 5와 비교하였을 시, 본 발명의 복합섬유는 우수한 강도, 강연도 및 내절단성을 모두 나타내어 섬유제품으로서 제조가 용이함을 확인할 수 있었으며, 제조된 제품의 감촉이 매우 부드러움을 확인 할 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.

Claims (14)

  1. 저융점 금속을 포함하는 다수개의 금속체 및 열가소성 고분자를 포함하며,
    저융점 금속의 용융점(T1)과 열가소성 고분자의 용융점(T2)은 하기 관계식을 만족하고,
    상기 금속체는 섬유의 중심 영역에 위치하며,
    상기 열가소성 고분자는 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하며,
    상기 금속체는 일부 또는 전부가 상기 섬유의 길이방향과 나란한 방향으로 연장된 금속사 형태이며, 상기 금속사의 종횡비는 2 내지 10인 내절단성 복합섬유.
    [관계식]
    1T2 < T1 < 3T2
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복합섬유는 직경 방향 단면 상, 기공이 단면 면적 비율의 5% 미만인, 내절단성 복합섬유.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복합섬유 전체 중량에 대하여 상기 금속체 3 내지 20중량%를 포함하는 내절단성 복합섬유.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복합섬유의 직경방향 단면 면적에서 상기 금속체가 차지하는 면적 비율은 0.1% 내지 45%인 내절단성 복합섬유.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복합섬유는 단면적 기준 100㎛2 당 상기 금속사를 5 내지 50개 포함하는 내절단성 복합섬유.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속사의 직경은 1 내지 5㎛인 내절단성 복합섬유.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 저융점 금속은 갈륨, 세슘, 루비듐, 인듐, 주석, 비스무트, 카드뮴 및 납으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 원소를 포함하는 내절단성 복합섬유.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복합섬유는 7 g/d 내지 16g/d의 인장강도를 가지는 내절단성 복합섬유.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복합섬유는 코어-시스(core sheath) 구조인 내절단성 복합섬유.
  12. 제1항 내지 제 4항 및 제 6항 내지 제8항 및 제 10항 내지 제11항 중 어느 한 항의 복합섬유를 포함하는 내절단성 원단.
  13. 제12항의 원단을 포함하는 보호용 제품.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제품의 강연도는 7gf 이하인 보호용 제품.
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