KR102592387B1 - 내열성 섬유 구조체 - Google Patents

Abstract

내열성 섬유 구조체는, 유리전이온도가 100℃ 이상인 내열성 섬유를 함유하고, 내열성 섬유끼리가 접착함으로써 구성된다.

Description

내열성 섬유 구조체{HEAT-RESISTANT FIBER STRUCTURE}

본 발명은, 내열성 섬유로 구성되고, 단열재나 흡음재로서 사용되는 내열성 섬유 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

종래, 내열성 섬유를 사용한 섬유 재료는, 차량 또는 항공기, 건축 등의 분야에서, 단열재, 흡음재 등으로 사용되고 있다.

이와 같은 용도로 사용되는 섬유 구조체 등의 섬유 재료에는 경량성의 관점에서 저밀도인 것이 요구되고, 또한 굽힘 응력이나 인장 강도 등의 강력도 요구되며, 특히 고온 조건 하에서의 강력이 중요해진다. 예를 들어, 항공기 벽면에 내장되는 흡음 단열재나 자동차 엔진 부분에 내장되는 필터 용도 등에서 고온 시의 강력이 강하게 요구되고 있다.

또한, 바인더를 혼면한 면상 소재를 매트화시킨 단열 흡음재가 제안되고 있다. 보다 구체적으로는, 예를 들어, 고내열성의 무기 섬유와, 열용융 온도 또는 열분해 온도가 350℃ 이상인 난연성의 유기 섬유를 균일하게 혼면하여 얻은 면상 소재에 내열성의 수지 바인더를 첨가하고, 면상 소재를 열처리함으로써 전체를 매트화시킨 단열 흡음재가 개시되어 있다. 그리고, 이와 같은 단열 흡음재를 사용함으로써, 높은 단열성 및 흡음성에 의해 안전성이 높은 단열 흡음재를 제공할 수 있다고 기재되어 있다.

특허문헌 1 : 일본특허 4951507호 공보

그러나, 상기 특허문헌 1에 기재된 단열 흡음재에서는 높은 단열성과 흡음성을 갖는 굴곡 가능한 단열 흡음재가 얻어진다고 되어 있으나 섬유끼리를 바인더로 접착하는 구성이기 때문에 강력은 충분하다고는 할 수 없으며, 특히 고온 조건 하에서는 바인더가 용해되기 때문에 강력이 저하되는 문제가 있었다.

또한, 바인더를 개재하여 섬유끼리 접착한 섬유 구조체인 경우, 강력을 높이기 위해서는 바인더의 양을 늘릴 필요가 있으나, 바인더의 함유율이 높아지면 내열성 섬유의 함유율이 저하되기 때문에 내열성이 얻어지지 않아 강력과 내열성의 양립이 어려운 문제가 있었다.

그래서, 본 발명은, 상술한 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 내열성을 가짐과 함께, 굴곡 응력이나 인장 강도 등의 강력이 우수한 내열성 섬유 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 내열성 섬유 구조체는, 유리전이온도가 100℃ 이상인 내열성 섬유를 함유하는 섬유 구조체로서, 내열성 섬유끼리가 접착하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 내열성을 가짐과 함께, 굴곡 응력이나 인장 강도 등의 강력이 우수한 내열성 섬유 구조체를 제공할 수 있다.

본 발명의 내열성 섬유 구조체(이하, 단순히 “섬유 구조체”라 함)는, 상호 접착된 복수의 내열성 섬유로 구성되는 것이다. 그리고, 본 발명의 섬유 구조체는, 상기 종래의 섬유 구조체와는 달리, 저융점의 바인더 섬유를 사용하지 않고, 내열성 섬유끼리를 직접 접착시킴으로써 우수한 내열성과 강력을 구비하는 특성이 있다.

한편, 여기서 말하는 “접착”이란, 가열에 의해 섬유가 연화되어 섬유끼리가 그 교점에서 상호 겹치는 힘에 의해 변형되어 맞물리거나, 또는, 섬유끼리가 녹아 일체화된 상태를 말한다.

<내열성 섬유>

섬유 구조체를 구성하는 내열성 섬유로는, 유리전이온도(T_g)가 100℃ 이상인 섬유가 사용된다.

여기서, 일반적으로 내열성의 지표로서 유리전이온도(고분자가 미시적 분자 운동을 시작하는 온도)가 사용되나, 이 유리전이온도가 100℃ 이상인 수지는, 엔지니어링 플라스틱이라고 불리며, 내열성이 요구되는 용도로 적합하게 사용된다. 그리고, 이 수지를 원료로 사용한 섬유를 내열성 섬유라 부른다.

이 내열성 섬유는, 고온의 과열 증기(150℃∼600℃)에 의해 연화되어 자기 접착이 가능한 섬유이며, 예를 들어, 폴리아미드 섬유, 메타아라미드 섬유, 파라아라미드 섬유, 멜라민 섬유, 폴리벤조옥사졸 섬유, 폴리벤조이미다졸 섬유, 폴리벤조티아졸 섬유, 폴리아릴레이트 섬유, 폴리에테르술폰 섬유, 액정 폴리에스테르 섬유, 폴리이미드 섬유, 폴리에테르이미드 섬유, 폴리에테르에테르케톤 섬유, 폴리에테르케톤 섬유, 폴리에테르케톤케톤 섬유, 폴리아미드이미드 섬유 등을 들 수 있다. 그리고, 이들 섬유는 단독으로 사용하거나 2종 이상의 혼합체로 사용하여도 된다.

그리고, 이들 섬유 중, 저흡수성 및 내약품성의 관점에서 폴리아미드 섬유를 사용하는 것이 바람직하고, 난연성 및 저발연성의 관점에서 폴리에테르이미드 섬유를 사용하는 것이 바람직하다.

폴리아미드 섬유로는, 예를 들어, 지방족 디아민과, 방향족 성분을 주체로 하는 디카복실산으로부터 얻어지는 폴리아미드인 반방향족 폴리아미드로 이루어진 섬유가 사용된다. 지방족 디아민은 하기 일반식(1)로 나타내며, n＝4∼12인 것이 바람직하고, n＝6 및 n＝9가 보다 바람직하며, n＝9가 특히 바람직하다.

방향족 성분을 주체로 하는 디카복실산이란, 적어도 60몰％ 이상이 방향족 디카복실산인 것을 말한다. 바람직한 예로는, 테레프탈산, 이소프탈산, 나프탈렌 디카복실산 등이다. 지방족 디아민과 방향족 디카복실산의 조합예로는 지방족 디아민(상기 일반식(1)의 n＝9)과 테레프탈산의 조합이 바람직하다.

또한, 폴리에테르이미드 섬유로는, 융점을 갖지 않는 비결정성 폴리에테르이미드 섬유가 사용되고, 유리전이온도(T_g)가 200℃ 이상이어도 되며, 세섬도라도 200℃ 등의 고온 조건하에서 내열성을 유지하는 것이 바람직하다. 이와 같은 내열성은, 200℃에서의 건열수축률에 의해 판단하는 것이 가능하고, 본 발명의 내열성 섬유로 사용되는 비결정성 폴리에테르이미드계 섬유는, 200℃에서의 건열수축률이 5.0％ 이하여도 되며, 구체적으로는, 건열수축률이 －1.0∼5.0％인 것이 바람직하다.

또한, 비결정성 폴리에테르이미드계 섬유는, 폴리머에서 유래하여 난연성도 우수하고, 예를 들어, 한계산소지수 값(LOI 값)이 25 이상이어도 되며, 바람직하게는 28 이상, 보다 바람직하게는 30 이상이어도 된다.

또한, 비결정성 폴리에테르이미드계 섬유는, 단섬유 섬도가 15.0dtex 이하여도 된다. 제조비용, 취급성의 관점에서는, 바람직하게는 단섬유 섬도가 0.1∼12.0dtex이고, 0.5∼10.0dtex이면 더욱 바람직하다.

또한, 비결정성 폴리에테르이미드계 섬유는, 실온에서의 섬유 강도가 2.0cN／dtex 이상인 것이 바람직하다. 섬유 강도가 2.0cN／dtex 미만일 경우, 종이나 부직포나 직물 등의 천을 만들 때의 공정 통과성이 악화되는 경우가 있고, 또한 사용 용도에 제한이 생기므로 바람직하지 않다. 보다 바람직하게는 2.3∼4.0cN／dtex, 2.5∼4.0cN／dtex이면 더욱 바람직하다.

또한, 내열성 섬유의 횡단면 형상(섬유의 길이 방향에 수직인 단면 형상)은, 일반적인 단면 형상인 원형 단면이나 이형 단면(편평 형상, 타원 형상, 다각형상, 3∼14엽 형상, T자 형상, H자 형상, V자 형상, 도그-본(dog-bone)(I자 형상) 등)으로 한정되지 않고, 중공 단면 형상 등이어도 된다.

내열성 섬유의 평균 섬도는, 용도에 따라, 예를 들어, 0.01∼100dtex의 범위에서 선택할 수 있으며, 바람직하게는 0.1∼50dtex, 더욱 바람직하게는 0.5∼30dtex(특히 1∼10dtex)이다. 평균 섬도가 이 범위에 있으면, 섬유 강도와 접착성 발현 사이의 균형이 우수하다.

내열성 섬유의 평균 섬유 길이는, 예를 들어, 10∼100㎜의 범위에서 선택할 수 있고, 바람직하게는 20∼80㎜, 더욱 바람직하게는 25∼75㎜(특히 35∼55㎜)이다. 평균 섬유 길이가 이 범위에 있으면, 섬유가 충분히 얽히므로, 섬유 구조체의 기계적 강도가 향상된다.

내열성 섬유의 권축률은, 예를 들어, 1∼50％, 바람직하게는 3∼40％, 더욱 바람직하게는 5∼30％(특히 10∼20％)이다. 또한, 권축수는 예를 들어, 1∼100개／인치, 바람직하게는 5∼50개／인치, 더욱 바람직하게는 10∼30개／인치이다.

<섬유 구조체>

본 발명의 섬유 구조체는, 상술한 내열성 섬유를 함유하며, 내열성 섬유끼리 접착하는 구조를 갖고, 그 형상은 용도에 따라 선택할 수 있으나, 일반적으로 시트 형상 또는 판 형상이다.

또한, 본 발명의 섬유 구조체에서, 높은 표면 경도 및 굽힘 경도를 가짐과 함께, 경량성과 통기성을 균형 있게 구비한 부직 섬유 구조를 갖기 위해서는, 부직 섬유 웹을 구성하는 섬유의 배열 상태 및 접착 상태가 적당히 조정될 필요가 있다. 즉, 섬유 웹을 구성하는 섬유가, 대체로 섬유 웹(부직 섬유)면에 대해 평행하게 배열하면서, 상호 교차하도록 배열시키는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 섬유 구조체는, 각 섬유가 교차한 교점에서 접착하는 것이 바람직하다. 특히, 높은 경도 및 강도가 요구되는 섬유 구조체(성형체)는, 교점 이외의 섬유가 거의 평행하게 배열되어 있는 상태에서, 수∼수십개 정도로 다발 형상으로 접착된 다발 형상 접착 섬유를 형성하여도 된다. 이들 섬유가, 단섬유끼리의 교점, 다발 형상 섬유끼리의 교점, 또는 단섬유와 다발 형상 섬유와의 교점에서 접착한 구조를 부분적으로 형성함으로써, “스크럼”을 짜는 구조(섬유가 교점부에서 접착하여 메쉬와 같이 얽힌 구조, 또는 교점에서 섬유가 접착하여 인접하는 섬유를 상호 구속하는 구조)로 하고, 목적으로 하는 굽힘 거동이나 표면 경도 등을 발현시킬 수 있다. 본 발명에서는, 이와 같은 구조가, 섬유 웹의 면 방향 및 두께 방향을 따라 대체로 균일하게 분포하는 형태로 하는 것이 바람직하다.

한편, 여기서 말하는 “대체로 섬유 웹면에 대해 평행하게 배열”이란, 국부적으로 다수의 섬유가 두께 방향을 따라 반복 배열되는 부분이 없는 상태를 나타낸다. 보다 구체적으로는, 섬유 구조체의 섬유 웹의 임의의 단면을 현미경으로 관찰했을 때, 섬유 웹에서 두께 30％ 이상에 걸쳐 두께 방향으로 연속 연장되는 섬유의 존재 비율(개수 비율)이, 그 단면의 전체 섬유에 대해 10％ 이하(특히, 5％ 이하)인 상태를 말한다.

섬유를 섬유 웹면에 대해 평행하게 배열하는 것은, 두께 방향(웹면에 대해 수직인 방향)을 따라 배향하는 섬유가 많이 존재하면 주변에 섬유 배열이 흐트러지고, 부직 섬유 내에 필요 이상으로 큰 공극이 생겨 섬유 구조체의 굽힘 강도나 표면 경도가 저감되기 때문이다. 따라서, 가능한 이 공극을 적게 하는 것이 바람직하며, 이를 위해 섬유를 가능한 한 섬유 웹면에 대해 평행하게 배열시키는 것이 바람직하다.

특히, 본 발명의 섬유 구조체가 시트 형상 또는 판 형상 성형체일 경우, 섬유 구조체의 두께 방향에 하중이 가해진 경우, 큰 공극부가 존재하면, 이 공극부가 하중으로 인해 수축되어 성형체 표면이 변형되기 쉬워진다. 또한, 이 하중이 성형체 전면에 가해지면 전체적으로 두께가 작아지기 쉬워진다. 그래서, 섬유 구조체 자체를 공극 없는 수지 충전물로 하면 이와 같은 문제를 회피할 수 있으나, 이로는 통기도가 저하되어, 굽혔을 때 꺾이기 어렵게 하거나(내절성) 경량성을 확보하는 것이 어려워진다.

한편, 하중에 의한 두께 방향에 대한 변형을 작게 하기 위해, 섬유를 가늘게 하여 더 조밀하게 섬유를 충전하는 것이 생각되나, 가는 섬유만으로 경량성과 통기성을 확보하려고 하면, 각각의 섬유의 강성이 저하되어 오히려 굽힘 응력이 저하된다. 굽힘 응력을 확보하기 위해서는, 섬유 직경을 어느 정도 굵게 할 필요가 있으나, 단순히 굵은 섬유를 혼합한 것으로는, 굵은 섬유끼리의 교점 부근에서, 큰 공극이 생기기 쉬워 두께 방향으로 변형되기 쉬워진다.

따라서, 본 발명의 섬유 구조체는, 섬유의 방향을 웹의 면 방향을 따라 평행하게 배열 분산시킴(또는 섬유 방향을 랜덤 방향으로 향하게 함)으로써, 섬유끼리 상호 교차하고, 그 교점에서 접착함에 따라, 작은 공극이 생겨 경량성을 확보한다. 또한, 이와 같은 섬유 구조가 연속됨으로써, 적당한 통기도 및 표면 경도도 확보한다. 특히, 다른 섬유와 교차하지 않으며 대체로 평행하게 배열된 곳에서, 섬유 길이 방향으로 병행 접착한 다발 형상 섬유를 형성시킨 경우에는, 단섬유만으로 구성되는 경우에 비해 주로 높은 굽힘 강도를 확보할 수 있다. 경도 및 강도가 높은 섬유 구조체를 원할 경우에는, 섬유 하나 하나가 교차하는 교점에서 접착하면서, 교점과 교점 사이에서, 각 섬유가 다발 형상으로 배열되는 부분에 있어서, 수개의 다발 형상 섬유를 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같은 구조는, 성형체 단면을 관찰했을 때 단섬유의 존재 상태에서 확인할 수 있다.

또한, 본 발명의 섬유 구조체에서는, 접착에 의한 내열성 섬유의 섬유 접착률이 10∼85％인 것이 바람직하고, 25∼75％인 것이 보다 바람직하고, 40∼65％인 것이 더욱 바람직하다.

이는, 섬유 접착률이 10％ 미만일 경우는, 경도, 굽힘 응력 및 인장 강도가 저하되는 문제가 발생하는 경우가 있으며, 85％보다 클 경우는, 섬유 사이의 공극이 작아지기 때문에, 겉보기 밀도가 너무 커져 경량성이 저하된다는 문제가 발생하는 경우가 있기 때문이다. 즉, 섬유 접착률을 10∼85％로 설정함으로써, 경량성을 저하시키지 않으며, 굽힘 응력 및 인장 강도 등 강력을 한층 더 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 이 섬유 접착률은, 후술하는 실시예에 기재된 방법으로 측정할 수 있고, 부직 섬유 단면에서 전체 섬유의 단면 수에 대해, 2개 이상 접착한 섬유의 단면 수의 비율을 나타낸다. 따라서, 섬유 접착률이 낮다는 것은, 복수의 섬유끼리가 접착하는 비율(집속하여 접착한 섬유의 비율)이 적다는 것을 의미한다.

또한, 부직 섬유 구조를 구성하는 내열성 섬유는, 각각의 섬유의 접점에서 접착되나, 가능한 한 적은 접점 수로 큰 굽힘 응력을 발현하기 위해서는, 이 접착점이, 두께 방향을 따라, 섬유 구조체의 표면으로부터 내부(중앙부), 그리고 이면에 이르기까지, 균일하게 분포되는 것이 바람직하다. 접착점이 표면 또는 내부 등에 집중되면, 굽힘 응력을 충분히 확보하는 것이 어려워질 뿐만 아니라, 접착점이 적은 부분에서 형태 안정성이 저하된다. 따라서, 형태 안정성을 저하시키지 않고, 굽힘 응력을 한층 더 향상시키는 관점에서, 섬유 구조체의 두께 방향의 단면에서, 두께 방향으로 3등분한 3개의 영역 중, 중앙부(중심 부분)에서의 섬유 접착률이, 모두 상술한 범위(10∼85％)에 있는 것이 바람직하다.

또한, 각 영역에서의 섬유 접착률의 균일성(즉, 섬유 접착률의 최대값과 최소값의 차)은 20％ 이하(예를 들어, 0.1∼20％)가 바람직하고, 15％ 이하(예를 들어, 0.5∼15％)가 보다 바람직하고, 10％ 이하(예를 들어, 1∼10％)가 더욱 바람직하다.

본 발명의 섬유 구조체는, 섬유 접착률이 두께 방향에서 이와 같은 균일성을 가지므로 경도나 굽힘 강도, 내절성, 인성이 우수하다.

또한, 본 발명에서, “두께 방향으로 3등분한 영역”이란, 판 형상 섬유 구조체의 두께 방향에 대해 직교하는 방향으로 슬라이스하여 3등분한 각 영역을 의미한다.

이와 같이, 본 발명의 섬유 구조체는, 내열성 섬유에 의한 접착이 균일하게 분산되어 점접착하고 있을 뿐만 아니라, 이들 점접착이 짧은 접착점 거리(예를 들어, 수십∼수백㎛)에서 치밀하게 네트워크 구조를 다수 형성한다. 이와 같은 구조에 의해, 본 발명의 섬유 구조체는, 외력이 작용하여도 섬유 구조의 유연성에 의해 변형에 대해 추종성이 높아짐과 함께, 미세하게 분산된 섬유의 각 접착점으로 외력이 분산되어 작아지기 때문에, 높은 굽힘 응력 및 인장 강도를 발현한다고 추정할 수 있다. 반면, 바인더 섬유를 개재하여 내열성 섬유끼리를 접착하는 종래의 섬유 구조체는, 내열성을 확보하기 위해 바인더 섬유의 양이 제한되기 때문에 접착점의 수가 적고, 또한 바인더 섬유의 양을 늘려 접착점을 증가시켰다 하더라도 내열성이 얻어지지 않고, 또한 섬유 구조체의 두께 방향의 접착을 균일하게 분산시키는 것도 어렵기 때문에 변형이 발생하기 쉬워 굽힘 응력이나 인장 강도가 저하한다고 추정할 수 있다.

본 발명의 섬유 구조체에서는, 두께 방향의 단면(斷面)에서의 단섬유(단섬유 단면(端面))의 존재 빈도는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 그 단면(斷面) 중 임의의 1㎟에 존재하는 단섬유의 존재 빈도가 100개／㎟ 이상(예를 들어, 100∼300개)이어도 되나, 특히, 경량성보다 기계적 특성이 요구되는 경우에는, 단섬유의 존재 빈도는, 예를 들어, 100개／㎟ 이하, 바람직하게는 60개／㎟ 이하(예를 들어, 1∼60개／㎟), 더욱 바람직하게는 25개／㎟ 이하(예를 들어, 3∼25개／㎟)여도 된다. 단섬유의 존재 빈도가 너무 많으면, 섬유의 접착이 적고, 섬유 구조체로 이루어진 성형체의 강도가 저하된다. 또한, 단섬유의 존재 빈도가 100개／㎟를 초과하면 섬유의 다발 형상 접착이 적어지므로 높은 굽힘 강도의 확보가 어려워진다. 또한, 판 형상 성형체일 경우, 다발 형상으로 접착된 섬유가 성형체의 두께 방향으로 얇고, 면 방향(길이 방향 또는 폭 방향)으로 폭이 넓은 형태를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서는, 단섬유의 존재 빈도는, 다음과 같이 측정한다. 즉, 성형체 단면의 주사형 전자현미경(SEM) 사진 중에서 고른 1㎟에 상당하는 범위를 관찰하고, 단섬유 단면의 수를 센다. 사진 중에서 임의의 여러 곳(예를 들어, 무작위로 선택한 10곳)을 동일하게 관찰하고, 단섬유 단면의 단위 면적당 평균값을 단섬유의 존재 빈도로 한다. 이 때, 단면에서, 단섬유 상태인 섬유의 수를 모두 센다. 즉, 완전히 단섬유 상태인 섬유 이외에, 수개의 섬유가 접착한 섬유여도, 단면의 접착 부분에서 떨어져 단섬유 상태인 섬유는 단섬유로 센다.

섬유 구조체 중 내열성 섬유는, 두께 방향의 양단이 접속되지 않음으로써(두께 방향으로 섬유가 섬유 구조체를 관통하지 않음으로써), 섬유의 탈락 등에 의한 섬유 구조체의 결락을 억제할 수 있다. 내열성 섬유를 이와 같이 배치하기 위한 제조 방법은 특별히 한정되지 않으나, 내열성 섬유를 교락시킨 섬유 성형체를 복수 적층하고, 과열 증기로 접착하는 수단이 간편하고 확실하다. 또한, 섬유 길이와 섬유 구조체의 두께의 관계를 조정함으로써, 섬유 구조체의 두께 방향의 양단을 접속하는 섬유를 대폭 저감할 수 있다. 이와 같은 관점에서, 섬유 구조체의 두께는, 섬유 길이에 대해 10％ 이상(예를 들어, 10∼1000％), 바람직하게는 40％ 이상(예를 들어, 40∼800％), 보다 바람직하게는 60％ 이상(예를 들어, 60∼700％), 더욱 바람직하게는 100％ 이상(예를 들어, 100∼600％)이다. 섬유 구조체의 두께와 섬유 길이가 이와 같은 범위에 있으면, 섬유 구조체의 굽힘 응력 등의 기계적 강도가 저하되지 않고, 섬유의 탈락 등에 의한 섬유 구조체의 결락을 억제할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 섬유 구조체의 밀도나 기계적 특성은, 다발 형상 접착 섬유의 비율이나 존재 상태에 영향을 받는다. 접착 정도를 나타내는 섬유 접착률은, SEM을 이용하여, 섬유 구조체의 단면을 확대한 사진을 촬영하고, 소정의 영역에서, 접착한 섬유 단면의 수에 기초하여 간편하게 측정할 수 있다. 그러나, 다발 형상으로 섬유가 접착하는 경우에는, 각 섬유가 다발 형상으로 또는 교점에서 접착하기 때문에, 특히 밀도가 높을 경우에는, 섬유 단일체로서 관찰하는 것이 어려워지기 쉽다.

또한, 본 발명에서는, 이 섬유 접착의 정도를 반영하는 지표로서, 섬유 구조체의 단면(두께 방향의 단면)에서의 섬유 및 다발 형상의 섬유 다발이 형성하는 단면이 차지하는 면적 비율, 즉 섬유 충전율을 이용할 수도 있다. 두께 방향의 단면에서의 섬유 충전율은, 예를 들어, 20∼80％, 바람직하게는 20∼60％, 더욱 바람직하게는 30∼50％이다. 섬유 충전율이 너무 작으면 섬유 구조체 내의 공극이 너무 많아 원하는 표면 경도 및 굽힘 응력을 확보하는 것이 어려워진다. 반대로 너무 크면 표면 경도 및 굽힘 응력을 충분히 확보할 수 있으나 너무 무거워져 통기도가 저하되는 경향이 있다.

본 발명의 섬유 구조체(특히, 다발 형상으로 섬유가 접착하고, 단섬유의 존재 빈도가 100개／㎟ 이하인 섬유 구조체)는, 판 형상(보드 형상)이더라도, 하중으로 인해 오목 형상이 형성되는 등의 변형이 발생하기 어려운 표면 경도를 갖는 것이 바람직하다. 이와 같은 지표로서, A타입 듀로미터 경도시험(JIS K 6253의 “가황 고무 및 열가소성 고무의 경도 시험법”에 준거한 시험)에 의한 경도가, 예를 들어, A50 이상, 바람직하게는 A60 이상이고, 더욱 바람직하게는 A70 이상이다. 이 경도가 너무 작으면 표면에 가해지는 하중으로 인해 변형되기 쉽다.

이와 같은 다발 형상 접착 섬유를 함유하는 섬유 구조체는, 굽힘 강도 및 표면 경도와 경량성과 통기성을 높은 차원에서 균형있게 하기 위해, 다발 형상 접착 섬유의 존재 빈도가 적고, 또한 각 섬유(다발 형상 섬유 및/또는 단섬유)의 교점에서 높은 빈도로 접착하는 것이 바람직하다. 단, 섬유 접착률이 너무 높으면, 접착하는 점끼리의 거리가 너무 근접하여 유연성이 저하되고, 외부 응력에 의한 변형의 해소가 어려워진다. 따라서, 본 발명의 섬유 구조체는, 상술한 바와 같이, 섬유 접착률이 85％ 이하인 것이 바람직하다. 섬유 접착률이 너무 높지 않음으로써 섬유 구조체 내에 미세한 공극에 의한 통로를 확보할 수 있어 경량성과 통기도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 가능한 한 적은 접점 수로 큰 굽힘 응력, 표면 경도 및 통기도를 발현하기 위해서는, 섬유 접착률이 섬유 구조체의 표면으로부터 내부(중앙부), 그리고 이면에 이르기까지, 두께 방향을 따라 균일하게 분포되는 것이 바람직하다.

또한, 접착점이 표면이나 내부 등에 집중되면 상술한 굽힘 응력이나 형태 안정성뿐만 아니라 통기도를 확보하는 것도 어려워진다. 따라서, 본 발명의 섬유 구조체에서는, 두께 방향의 단면에서, 두께 방향으로 3등분한 3개의 영역(표면, 중앙부, 이면) 중, 중앙부의 섬유 접착률이 상술한 범위에 있는 것이 바람직하고, 표면, 중앙부 및 이면 모두가 상술한 범위에 있는 것이 보다 바람직하다. 또한, 각 영역에서 섬유 접착률의 최대값과 최소값의 차가 20％ 이하(예를 들어, 0.1∼20％)여도 되고, 바람직하게는 15％ 이하(예를 들면, 0.5∼15％), 더욱 바람직하게는 10％ 이하(예를 들어, 1∼10％)이다. 본 발명에서는, 섬유 접착률이 두께 방향으로 균일하면 굽힘 응력이나 인장 강도, 내절성이나 인성 등이 우수하다. 본 발명의 섬유 접착률은, 후술하는 실시예에 기재한 방법으로 측정한다.

본 발명의 섬유 구조체는, 바인더 섬유를 개재하여 내열성 섬유를 접착한 종래의 섬유 구조체로는 얻어지지 않는 굽힘 거동을 제시하는 것도 특징 중 하나이다. 본 발명에서는, 이 굽힘 거동을 제시하기 위해, JIS K 7171 “플라스틱-굽힘 특성을 구하는 법”에 준거하여, 샘플을 서서히 구부렸을 때 발생하는 샘플의 반발력과 굽힘 양에서 굽힘 응력을 측정하고, 굽힘 거동의 지표로 사용하였다. 즉, 이 굽힘 응력이 클수록 단단한 섬유 구조체이며, 또한 측정 대상물이 파괴될 때까지의 굽힘 양(변위)이 클수록 잘 휘는 성형체이다.

본 발명의 섬유 구조체는, 적어도 한방향(바람직하게는 모든 방향)의 굽힘 응력이 0.05㎫ 이상(예를 들어, 0.05∼100㎫)이고, 바람직하게는 0.1∼30㎫, 더욱 바람직하게는 0.2∼10㎫여도 된다. 이 굽힘 응력이 너무 작으면, 보드재로 사용했을 때 자중이나 약간의 하중으로 인해 간단히 꺾이기 쉽다. 또한, 굽힘 응력이 너무 크면, 너무 단단해져 응력의 피크를 넘겨 굽히면 꺾여서 파손되기 쉬워진다. 또한, 100㎫를 초과하는 경도를 얻기 위해서는, 섬유 구조체의 밀도를 높게 하는 것이 필요하여 경량성 확보가 어려워진다.

본 발명의 섬유 구조체는, 섬유 사이에 생기는 공극에 의해 우수한 경량성을 확보할 수 있다. 또한, 이와 같은 공극은, 스펀지와 같은 수지 발포체와 달리 각각이 독립된 공극이 아닌 연속되어 있으므로 통기성을 갖는다. 이와 같은 구조는, 수지를 함침하는 방법이나 표면 부분을 조밀하게 접착시켜 필름 형상 구조를 형성하는 방법 등, 지금까지의 일반적인 경질화 기술로는 제조하는 것이 매우 어려운 구조이다.

즉, 본 발명의 섬유 구조체는 저밀도이고, 구체적으로는, 겉보기 밀도가, 예를 들어, 0.03∼0.7g／㎤이고, 특히, 경량성이 요구되는 용도로는, 예를 들어, 0.05∼0.5g／㎤, 바람직하게는 0.08∼0.4g／㎤, 더욱 바람직하게는 0.1∼0.35g／㎤이다. 경량성보다 경도가 요구되는 용도로는, 겉보기 밀도는, 예를 들어, 0.2∼0.7g／㎤, 바람직하게는 0.25∼0.65g／㎤, 더욱 바람직하게는 0.3∼0.6g／㎤여도 된다. 겉보기 밀도가 너무 낮으면 경량성을 가지나 굽힘 경도 및 표면 경도를 충분히 확보하는 것이 어렵고, 반대로 너무 높으면 경도는 확보할 수 있으나 경량성이 저하된다. 또한, 겉보기 밀도가 저하되면 섬유가 교락하여 교점에서 접착한 일반적인 부직 섬유 구조에 가까워지는 한편, 밀도가 높아지면 섬유가 다발 형상으로 접착하여 다공질 성형체에 가까운 구조가 된다.

한편, 여기서 말하는 “겉보기 밀도”란, JIS L 1913(일반 부직포 시험 방법)의 규정에 준거하여 측정된 면밀도와 두께에 따라 계산되는 밀도를 말한다.

본 발명의 섬유 구조체의 면밀도는 예를 들어, 50∼10000g／㎡ 정도의 범위에서 선택할 수 있으며, 바람직하게는 150∼8000g／㎡, 더욱 바람직하게는 300∼6000g／㎡ 정도이다. 경량성보다 경도가 요구되는 용도로는, 면밀도는, 예를 들어, 1000∼10000g／㎡, 바람직하게는 1500∼8000g／㎡, 더욱 바람직하게는 2000∼6000g／㎡ 정도여도 된다. 면밀도가 너무 작으면 경도를 확보하는 것이 어렵고, 또한, 면밀도가 너무 크면 웹이 너무 두꺼워 과열 증기에 의한 가공에서 과열 증기가 충분히 웹 내부로 들어가지 않아 두께 방향으로 균일한 섬유 구조체로 하는 것이 어려워진다.

본 발명의 섬유 구조체가, 판 형상 또는 시트 형상일 경우, 그 두께는 특별히 한정되지 않으나, 1∼100㎜ 정도의 범위에서 선택할 수 있고, 예를 들어, 2∼50㎜, 바람직하게는 3∼20㎜, 더욱 바람직하게는 5∼150㎜이다. 두께가 너무 얇으면 경도 확보가 어려워지고, 너무 두꺼우면 이 것도 질량이 무거워지므로, 시트로서의 취급성이 저하된다.

본 발명의 섬유 구조체는, 부직 섬유 구조를 가지므로 통기성이 높다. 본 발명의 섬유 구조체의 통기도는, 프레이저형(Frazier type)법에 의한 통기도로 0.1㎤／㎠／초 이상(예를 들어, 0.1∼300㎤／㎠／초), 바람직하게는 0.5∼250㎤／㎠／초(예를 들어, 1∼250㎤／㎠／초), 더욱 바람직하게는 5∼200㎤／㎠／초이고, 일반적으로, 1∼100㎤／㎠／초이다. 통기도가 너무 작으면, 섬유 구조체에 공기를 통과시키기 위해 외부에서 압력을 가할 필요가 생겨 자연스런 공기 출입이 어려워진다. 한편, 통기도가 너무 크면, 통기성은 높아지나 섬유 구조체 내의 섬유 공극이 너무 커져 굽힘 응력이 저하된다.

본 발명의 섬유 구조체는, 부직 섬유 구조를 가지므로, 단열성도 높고, 열전도율이 0.1W／m·K 이하로 낮아, 예를 들어, 0.03∼0.1W／m·K, 바람직하게는 0.05∼0.08W／m·K이다.

다음으로, 본 발명의 섬유 구조체의 제조 방법에 대해 설명한다.

본 발명의 섬유 구조체의 제조 방법에서는, 먼저, 상술한 내열성 섬유를 웹화한다. 웹 형성 방법으로는, 관용 방법, 예를 들면, 스펀본드법, 멜트블로운법 등의 직접법, 멜트블로운 섬유나 스테이플 섬유 등을 사용한 카딩법, 에어레이법 등의 건식법 등을 이용할 수 있다. 이와 같은 방법 중, 멜트블로운 섬유나 스테이플 섬유를 사용한 카딩법, 특히 스테이플 섬유를 사용한 카딩법이 범용된다. 스테이플 섬유를 사용하여 얻어진 웹으로는, 예를 들어, 랜덤웹, 세미랜덤웹, 패러렐웹, 크로스랩웹 등을 들 수 있다. 이와 같은 웹 중, 다발 형상 접착 섬유의 비율을 많게 할 경우에는, 세미랜덤웹, 패러렐웹이 바람직하다.

얻어진 섬유 웹의 섬유끼리를 접착시키는 공정에서는, 섬유끼리를 접착시키는 수단은 종래의 열풍 처리나 열프레스여도 되고, 또한 과열 증기에 의해 섬유끼리를 접착하여도 된다. 과열 증기를 이용하는 경우, 상기 공정에서 얻어진 섬유 웹은 벨트 컨베이어에 의해 다음 공정으로 보내져, 과열 증기(고압 스팀)류에 노출됨으로써, 본 발명의 부직 섬유 구조를 갖는 섬유 구조체가 얻어진다. 즉, 벨트 컨베이어로 운반된 섬유 웹은 증기 분사 장치의 노즐로부터 분출되는 과열 증기류 안을 통과하고, 분사된 과열 증기에 의해 내열성 섬유끼리가 3차원적으로 접착(열 접착)된다.

이와 같은 과열 증기(150℃∼600℃)에 의해 가열 처리함으로써, 내열성 섬유끼리가 접착되어 섬유의 네트워크를 얻을 수 있으므로, 섬유 구조체의 두께 방향의 내부까지 균일하고 부피를 크게 처리할 수 있게 된다.

여기서, 내열성 섬유에 분사되는 과열 증기의 온도는, 150∼600℃의 범위가 바람직하다. 이는, 온도가 150℃보다 낮으면 내열성 섬유에 부여되는 에너지가 부족하여 섬유끼리의 접착이 불충분해지는 경우가 있고, 600℃보다 크면 분사 장치에 가까운 섬유로 전열되는 에너지가 너무 커져 섬유 접착률의 균일성이 저하되는 경우가 있기 때문이다.

사용하는 벨트 컨베이어는, 기본적으로는 가공에 사용하는 섬유 웹을 목적으로 하는 밀도로 압축하면서 과열 증기에 의한 처리가 가능하면 특별히 한정되는 것이 아니고, 엔드리스 컨베이어가 적합하게 이용된다. 또한, 일반적인 단독 벨트 컨베이어여도 되고, 필요에 따라 2개의 벨트 컨베이어를 조합하여, 양 벨트 사이에 웹을 끼워 운반하여도 된다. 이와 같이 운반함으로써 웹을 처리할 때 처리에 이용하는 과열 증기, 컨베이어 진동 등의 외력에 기인하여 운반해 온 웹의 형태가 변형되는 문제를 억제할 수 있다. 또한, 이 벨트의 간격을 조정함으로써 처리 후의 부직 섬유의 밀도나 두께를 제어하는 것도 가능해진다.

웹에 과열 증기를 공급하기 위한 증기 분사 장치는, 2개의 벨트 컨베이어를 조합한 경우, 한쪽 컨베이어 내에 장착되며, 컨베이어망을 통해 웹에 과열 증기를 공급한다. 반대쪽 컨베이어에는, 흡입 장치를 장착하여도 된다. 흡입 장치에 의해 웹을 통과한 과잉 과열 증기를 흡입 배출할 수 있다. 또한, 웹의 앞과 뒤 양쪽에 대해, 동시에 과열 증기에 의해 처리하기 위해, 추가로, 과열 증기 분사 장치가 장착된 쪽 컨베이어의 하류부에 흡입 장치를 장착하고, 이 흡입 장치가 장착된 반대쪽 컨베이어 내에 과열 증기 분사 장치를 설치하여도 된다. 하류부의 과열 증기 분사 장치 및 흡입 장치가 없을 때, 섬유 웹의 앞과 뒤를 증기 처리할 경우는, 한 번 처리한 섬유 웹의 앞과 뒤를 반전시켜 다시 처리 장치 내를 통과시킴으로써 대용할 수 있다.

컨베이어에 사용되는 엔드리스 벨트는, 웹의 운반이나 과열 증기 처리에 지장을 주지 않는 한 특별히 한정되지 않는다. 단, 과열 증기 처리한 경우, 그 조건에 따라 섬유 웹의 표면에 벨트의 표면 형상이 전사될 경우가 있으므로 용도에 따라 적절히 선택하는 것이 바람직하다. 특히, 표면이 평탄한 섬유 구조체일 경우에는 메쉬가 미세한 망을 사용한다. 또한, 90 메쉬가 상한이며, 그 이상의 메쉬가 미세한 망은 통기성이 낮아 증기가 통과하기 어려워진다. 메쉬 벨트의 재질은, 과열 증기 처리에 대한 내열성 등의 관점에서, 금속, 내열처리를 실시한 폴리에스테르계 수지, 폴리페닐렌술피드계 수지, 폴리아릴레이트계 수지(전방향족계 폴리에스테르계 수지), 방향족 폴리아미드계 수지 등의 내열성 수지 등이 바람직하다.

증기 분사 장치에서 분사되는 과열 증기는 기류이므로, 수류결합 처리나 니들펀칭 처리와는 달리, 피처리체인 웹 안의 섬유를 크게 이동시키지 않고 웹 내부로 진입한다. 이 웹 안으로의 증기류의 진입 작용 및 과열 작용에 의해, 과열 증기류가 웹 내에 존재하는 각 내열성 섬유의 표면을 과열 상태에서 효율적으로 피복하고, 균일한 열 접착이 가능해진다고 생각된다. 또한, 이 처리는 고속 기류 하에서 극히 단시간에 이루어지기 때문에, 과열 증기의 섬유 표면으로의 열전도는 충분하나, 섬유 내부로의 열전도가 충분히 이루어지기 전에 처리가 종료되어, 이에 따라 과열 증기의 압력이나 열에 의해, 처리되는 섬유 웹 전체가 수축되는 문제나 그 두께에 지장을 주는 변형도 발생하기 어렵다. 그 결과, 섬유 웹에 큰 변형이 발생하지 않고, 표면 및 두께 방향의 접착 정도가 대체로 균일하게 되도록 열접착이 완료된다.

또한, 표면 경도나 굽힘 강도가 높은 섬유 구조체를 얻을 경우에는, 웹에 과열 증기를 공급하고 처리할 때, 처리되는 웹을, 컨베이어 벨트 또는 롤러 사이에서, 목적으로 하는 겉보기 밀도(예를 들어, 0.03∼0.7g／㎤)로 압축한 상태에서 과열 증기에 노출시키는 것이 중요하다. 특히, 상대적으로 고밀도의 섬유 구조체를 얻고자 할 경우에는, 과열 증기로 처리할 때, 충분한 압력으로 섬유 웹을 압축할 필요가 있다. 또한, 롤러 사이 또는 컨베이어 사이에 적당한 클리어런스를 확보하여 목적으로 하는 두께나 밀도로 조정하는 것도 가능하다. 컨베이어의 경우에는, 한번에 웹을 압축하는 것이 어렵기 때문에 벨트의 장력을 가능한 한 높게 설정하고, 증기 처리 지점의 상류에서 서서히 클리어런스를 좁혀가는 것이 바람직하다. 또한, 증기 압력, 처리 속도를 조정함으로써 원하는 굽힘 경도, 표면 경도, 경량성, 통기도를 갖는 섬유 구조체로 가공한다.

이 때, 경도를 올리고 싶을 경우에는, 웹을 사이에 두고 노즐과는 반대쪽 엔드리스 벨트의 이면측을 스테인리스판 등으로 하여 증기가 통과할 수 없는 구조로 하면 피처리체인 웹을 통과한 증기가 여기에서 반사하므로 증기의 보온 효과에 의해 더욱 견고하게 접착된다. 반대로, 가벼운 정도의 접착이 필요할 경우에는, 흡입 장치를 배치하여 여분의 증기를 실외로 배출하여도 된다.

과열 증기를 분사하기 위한 노즐은, 소정의 오리피스가 폭 방향으로 연속적으로 배열된 플레이트나 다이를 이용하여, 이를 공급되는 웹의 폭 방향으로 오리피스가 나열되도록 배치하면 된다. 오리피스 열은 1열 이상이면 되고, 복수 열이 나란히 나열된 배열이어도 된다. 또한, 오리피스 열이 1열인 노즐 다이를 여러개 병렬로 설치하여도 된다.

플레이트에 오리피스를 형성한 타입의 노즐을 사용하는 경우, 플레이트의 두께는 0.5∼1㎜여도 된다. 오리피스의 직경이나 피치에 관해서는, 목적으로 하는 섬유 고정이 가능한 조건이면 특별히 제한은 없으나, 오리피스의 직경은, 일반적으로, 0.05∼2㎜, 바람직하게는 0.1∼1㎜, 더욱 바람직하게는 0.2∼0.5㎜이다. 오리피스의 피치는, 일반적으로, 0.5∼3㎜, 바람직하게는 1∼2.5㎜, 더욱 바람직하게는 1∼1.5㎜이다. 오리피스의 직경이 너무 작으면, 노즐의 가공 정밀도가 낮아지며 가공이 어려워지는 설비적인 문제점과 막힘을 일으키기 쉬워지는 운전상의 문제점이 발생하기 쉽다. 반대로, 너무 크면, 증기 분사력이 저하된다. 한편, 피치가 너무 작으면, 노즐 구멍이 너무 긴밀하게 되므로 노즐 자체의 강도가 저하된다. 한편, 피치가 너무 크면, 고온 수증기가 웹에 충분히 닿지 않는 경우가 발생하기 때문에 웹 강도가 저하된다.

과열 증기에 대해서도, 내열성 섬유 고정을 실현할 수 있으면 특별히 한정되지 않고, 사용하는 섬유의 재질이나 형태에 따라 설정하면 되나, 압력은, 예를 들어, 0.1∼2㎫, 바람직하게는 0.2∼1.5㎫, 더욱 바람직하게는 0.3∼1㎫이다. 증기의 압력이 너무 높거나 너무 강할 경우에는, 웹을 형성하는 섬유가 유동되어 베이스의 변형을 발생시키거나 섬유가 너무 용융되어 부분적으로 섬유 형상을 유지할 수 없게 될 가능성이 있다. 또한, 압력이 너무 약하면, 섬유 접착에 필요한 열량을 웹에 부여할 수 없어지거나 과열 증기가 웹을 관통하지 못하여 두께 방향으로 섬유 접착반이 생기는 경우가 있어, 노즐로부터의 증기의 균일한 분출의 제어가 어려워지는 경우가 있다.

이와 같이 하여 얻어진 부직 섬유 구조를 갖는 섬유 구조체는, 일반적인 부직포와 동일한 정도의 저밀도이면서 매우 높은 굽힘 응력 및 표면 경도를 가짐과 함께, 통기성, 흡음성, 단열성뿐만 아니라 내열성을 갖는다. 따라서, 이와 같은 성능을 이용하여, 예를 들어, 자동차 내장재, 항공기의 내벽, 건축 자재 보드 등의 내열성이 요구되는 용도로 응용할 수 있다.

실시예

이하에, 본 발명을 실시예에 기초하여 설명한다. 여기서, 본 발명은, 이들 실시예에 한정되는 것이 아니며, 이들 실시예를 본 발명의 취지에 기초하여 변형, 변경하는 것이 가능하고, 이들을 본 발명의 범위로부터 제외하는 것이 아니다.

실시예의 각 물성값은, 이하에 나타내는 방법으로 측정하였다. 여기서, 실시예 중의 “부”는 질량부를 의미하고, “％”는 질량％를 의미한다.

(실시예 1)

＜섬유 구조체의 제작＞

내열성 섬유로서, 탄소 수 9인 디아민과 테레프탈산으로 이루어진 반방향족 폴리아미드 수지(주식회사 쿠라레제, 상품명 ： 제네스타, 융점 ： 265℃, 유리전이온도 ： 125℃, 열분해온도 ： 400℃)를 사용한 내열성 섬유(섬도 ： 1.7dtex, 섬유 길이 ： 51㎜)를 준비하였다. 다음으로, 이 내열성 섬유를 사용하여, 카딩법에 의해 면밀도가 50g／㎡인 카딩웹을 제작하고, 이 웹을 12장 겹쳐, 합계 면밀도 600g／㎡인 카딩웹으로 하였다. 이 카딩웹을, 50 메쉬, 폭 500㎜의 스테인리스제 엔드리스망을 장비한 벨트 컨베이어로 이송하였다.

그리고, 이 벨트 컨베이어는, 하측 컨베이어와 상측 컨베이어 한쌍의 컨베이어로 이루어지고, 적어도 한쪽의 컨베이어의 벨트 이면측에 증기 분사 노즐이 설치된다. 또한, 벨트를 통해 통과하는 웹에 과열 증기를 분사할 수 있다. 또한, 이 노즐보다 상류측에, 웹 두께 조정용 금속롤(이하, “웹두께 조정용 롤”이라 약기하는 경우가 있음)이, 각각의 컨베이어에 설치된다. 그리고, 하측 컨베이어는 상면(즉, 웹이 통과하는 면)이 평평한 형상이며, 한편 상측 컨베이어는 하면이 웹두께 조정용 롤을 따라 굴곡된 형상을 이루고, 상측 컨베이어의 웹두께 조정용 롤이 하측 컨베이어의 웹두께 조정용 롤과 쌍을 이루도록 배치된다.

또한, 상측 컨베이어는 상하로 이동 가능하며, 이에 따라 상측 컨베이어와 하측 컨베이어의 웹두께 조정용 롤 사이를 소정의 간격으로 조정할 수 있도록 되어 있다. 또한, 상측 컨베이어의 상류측은, 하류부에 대해 웹두께 조정용 롤을 기점으로(상측 컨베이어의 하류측 하면에 대해) 30도 각도로 경사시키고, 하류부는 하측 컨베이어와 평행하게 되도록 배치하도록 굴곡된다. 또한, 상측 컨베이어가 상하로 이동하는 경우에는 이 평행 관계를 유지하면서 이동한다.

이들 벨트 컨베이어는, 각각이 동일한 속도로 동일한 방향으로 회전하고, 이들 양 컨베이어 벨트끼리 및 웹두께 조정용 롤끼리가 소정의 클리어런스를 유지하면서 가압 가능한 구조로 되어 있다. 이는, 이른바 캘린더 공정처럼 작동하여 증기 처리 전의 웹 두께를 조정하기 위한 것이다. 즉, 상류측으로부터 이송되어 온 카딩웹은 하측 컨베이어 위를 주행하나, 웹두께 조정용 롤에 도달할 때까지의 동안에 상측 컨베이어와의 간격이 서서히 좁아진다. 그리고, 이 간격이 웹 두께보다 좁아졌을 때, 웹은 상하 컨베이어 벨트 사이에 끼여, 서서히 압축되면서 주행한다. 이 웹은, 웹두께 조정용 롤에 구비된 클리어런스와 거의 동등한 두께가 될 때까지 압축되어, 그 두께 상태에서 과열 증기 처리가 이루어져, 그 후에도 컨베이어 하류부에서 두께를 유지하면서 주행하는 구조로 되어 있다. 여기에서는, 웹두께 조정용 롤이 선압 50㎏／㎝가 되도록 조정하였다.

이어서, 하측 컨베이어에 구비된 증기 분사 장치로 카딩웹을 도입하고, 이 장치에서 300℃의 과열 증기를 카딩웹의 두께 방향을 향해 통과하도록(수직으로) 분출하여 증기 처리하고, 본 실시예의 부직 섬유 구조를 갖는 섬유 구조체를 얻었다. 이 증기 분사 장치는, 하측 컨베이어 내에, 컨베이어망을 통해 과열 증기를 웹을 향해 분사하도록 노즐이 설치되고, 상측 컨베이어에 흡입 장치가 설치되었다. 또한, 이 분사 장치의 웹 진행 방향의 하류측에는, 노즐과 흡입 장치의 배치가 역전된 조합의 분사 장치가 1대 더 설치되며, 웹의 앞과 뒤 양면에 과열 증기 처리하였다.

또한, 증기 분사 노즐의 구멍 직경은 0.3㎜이며, 노즐이 컨베이어의 폭 방향을 따라 1㎜ 피치로 1열로 배치된 증기 분사 장치를 사용하였다. 가공 속도는 3m／분이며, 노즐측과 흡입측의 상하 컨베이어 벨트 사이의 간격(거리)은 5㎜로 하였다. 노즐은 컨베이어 벨트 이면측에 벨트와 거의 접하도록 배치하였다.

＜면밀도의 측정＞

JIS L 1913에 준거하여 제작한 섬유 구조체의 면밀도(g／㎡)를 측정하였다. 이상의 결과를 표 1에 나타낸다.

<겉보기 밀도의 측정>

JIS L 1913에 준거하여 제작한 섬유 구조체의 두께(㎜)를 측정하고, 이 두께 값과 면밀도의 값에 기초하여 겉보기 밀도(g／㎤)를 산출하였다. 이상의 결과를 표 1에 나타낸다.

＜섬유 접착률의 측정＞

주사형 전자현미경(SEM)을 이용하여 섬유 구조체의 단면을 100배로 확대한 사진을 촬영하였다. 다음으로, 촬영한 섬유 구조체의 두께 방향에서 단면 사진을 두께 방향으로 3등분하고, 3등분한 각 영역(표면측, 내부(중앙부), 이면측)에서, 인식 가능한 섬유 절단면(섬유 단면)의 수에 대해 섬유끼리가 접착하고 있는 절단면의 수의 비율을 구하였다.

보다 구체적으로는, 각 영역에서 인식할 수 있는 섬유의 전체 단면 수 중, 2개 이상의 섬유가 접착한 상태의 단면 수가 차지하는 비율을 다음의 식(1)에 기초하여 백분율로 나타내었다.

또한, 섬유끼리가 접촉하는 부분에는, 접착하지 않고 단순히 접촉하고 있는 부분과, 접착에 의해 접착하고 있는 부분이 있으나, 현미경 촬영을 위해 섬유 구조체를 절단하게 되므로 섬유 구조체의 절단면에서, 각 섬유가 갖는 응력에 따라, 단순히 접촉하고 있는 섬유끼리는 분리되었다. 따라서, 단면 사진에서, 접촉하고 있는 섬유끼리는, 접착하고 있는 것으로 하였다.

또한, 각 사진에 대해, 단면을 확인할 수 있는 섬유는 모두 세고, 섬유 단면수 100 이하일 경우는, 관찰하는 사진을 추가하여 섬유의 전체 단면 수가 100을 초과하도록 하였다. 또한, 3등분한 각 영역에 대해 각각 섬유 접착률을 구하고, 그 최대값과 최소값의 차(즉, 균일성)도 함께 구하였다. 이상의 결과를 표 1에 나타낸다.

＜굽힘 응력의 측정＞

JIS K 7171(플라스틱-굽힘 특성을 구하는 법) 규정에 준거하여, 제작한 섬유 구조체에서 시험편(폭 10㎜, 길이 100㎜)을 준비하고, 지점 간 거리를 80㎜, 시험 속도를 10㎜／분으로 하고, 굽힘 응력(MPa)을 측정하였다. 이상의 결과를 표 1에 나타낸다.

＜인장 강도의 측정＞

JIS L 1913(일반 부직포 시험 방법)의 규정에 준거하여, 제작한 섬유 구조체에서 시험편(폭 30㎜, 길이 150㎜)을 준비하고, 물림간격을 100㎜, 시험 속도를 10㎜／분으로 하고, 인장 강도(N／30㎜)를 측정하였다. 이상의 결과를 표 1에 나타낸다.

(실시예 2)

＜섬유 구조체의 제작＞

내열성 섬유로 비결정성 폴리에테르이미드 섬유(주식회사 쿠라레제, 상품명 ： KURAKISSS, 유리전이온도 ： 215℃, 열분해온도： 540℃, 섬도 ： 8.9dtex, 섬유 길이 51㎜)를 준비하였다. 다음으로, 이 내열성 섬유를 사용하여, 카딩법에 의해 면밀도가 100g/㎡인 카딩웹을 제작하고, 수류결합법을 사용하여 시트화하였다.

다음으로, 이 시트를 10장 적층한 후, 적층체를 50 메쉬, 폭 500㎜의 스테인리스제 엔드리스망을 장비한 벨트 컨베이어로 이송하였다.

다음으로, 상술한 실시예 1과 같이, 하측 컨베이어에 구비된 증기 분사 장치로 카딩웹을 도입하고, 이 장치에서 330℃의 과열 증기를 카딩웹의 두께 방향을 향해 통과하도록(수직으로) 분출하여 증기 처리하고, 본 실시예의 부직 섬유 구조를 갖는 섬유 구조체를 얻었다.

다음으로, 상술한 실시예 1과 같이, 면밀도 측정, 겉보기 밀도 측정, 섬유 접착률 측정, 굽힘 응력 측정, 굽힘 하중 측정, 및 인장 강도 측정을 실시하였다. 이상의 결과를 표 1에 나타낸다.

(실시예 3)

＜섬유 구조체의 제작＞

실시예 1에서 이용한 카딩웹을 9장 적층하고, 열프레스 장치로 260℃에서 1분간 열프레스 처리하여 섬유 구조체를 얻었다.

다음으로, 상술한 실시예 1과 같이, 면밀도의 측정, 겉보기 밀도 측정, 섬유 접착률 측정, 굽힘 응력 측정, 굽힘 하중 측정, 및 인장 강도 측정을 실시하였다. 이상의 결과를 표 1에 나타낸다.

(비교예 1)

＜섬유 구조체의 제작＞

실시예 1에서 준비한 반방향족 폴리아미드 섬유와, 바인더 섬유로 폴리프로필렌/폴리에틸렌 심초형 복합섬유(우베엑시모 주식회사제, HR-NTW, 심부의 유리전이온도 ： －20℃, 초부의 유리전이온도 ： －120℃, 심부의 열분해온도 ： 240℃, 초부의 열분해온도 ： 270℃, 섬도 ： 1.7dtex, 섬유 길이 ： 51㎜)를 준비하고, 80／20의 질량비로 혼면하였다. 다음으로, 이 혼면 섬유를 사용하여 카딩법에 의해 면밀도가 50g／㎡인 카딩웹을 제작하고, 이 웹을 6장 겹쳐, 합계 면밀도 300g／㎡인 카딩웹으로 하였다. 그리고 이 카딩웹을 열풍 건조기로 150℃에서 1분간 가열 처리함으로써, 본 비교예의 섬유 구조체를 얻었다.

다음으로, 상술한 실시예 1과 같이, 면밀도 측정, 겉보기 밀도 측정, 섬유 접착률 측정, 굽힘 응력 측정, 굽힘 하중 측정, 및 인장 강도 측정을 실시하였다. 이상의 결과를 표 1에 나타낸다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 100℃ 이상인 유리 전이 온도를 갖는 내열성 섬유끼리를 열접착시킨 실시예 1∼3의 섬유 구조체는, 내열성 섬유끼리가 바인더를 개재하여 접착하고 있는 비교예 1의 섬유 구조체보다도, 굽힘 응력 및 인장 강도가 우수하다. 특히, 섬유 접착률의 균일성이 높은 실시예 1∼2의 섬유 구조체에서는, 비교예 1에 비해, 굽힘 응력, 및 인장 강도의 값이 현저하게 높고, 강력이 매우 우수하다고 할 수 있다.

또한, 실시예 1∼2의 섬유 구조체에서는, 비교예 1에 비해, 인장 강도 유지율(180℃에서의 인장 강도／상온에서의 인장 강도)이 매우 크고, 내열성이 매우 우수하다고 할 수 있다.

또한, 표 1에 나타낸 바와 같이, 비교예 1의 섬유 구조체의 굽힘 응력은 0으로 이와 같은 섬유 구조체는 자중으로 휘어질 정도로 약하고, 굽힘 응력이 측정 한계 이하이며, 예를 들어, 단열재로서 시공할 경우에도, 벽면이나 천장면 등을 따르지 않고 처지기 때문에 취급성이 떨어진다. 한편, 실시예 3의 굽힘 응력은 0.4㎫이고 비교예 1보다 우수하여 0.4㎫ 정도의 굽힘 응력을 갖고 있으면 벽면에서 처지지 않고 시공할 수 있기 때문에, 실시예 3에서도 취급성의 관점 등에서 크게 향상되었다고 할 수 있다.

또한, 실시예 3의 섬유 구조체에서는, 비교예 1에 비해, 인장 강도 유지율(180℃에서의 인장 강도／상온에서의 인장 강도)이 크고, 내열성이 우수하다고 할 수 있다.

한편, 비교예 1에서는, 섬유끼리를 바인더로 접착하는 구성이기 때문에, 표 1에 나타낸 바와 같이, 섬유 접착률이 현저하게 낮아져, 결과적으로, 실시예 1∼2에 비해, 굽힘 응력이나 인장 강도가 현저하게 낮아졌다고 할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 내열성 섬유에 의해 구성되고, 단열재나 흡음재로서 사용되는 내열성 섬유 구조체에 적합하다.

Claims (5)

1. 유리 전이 온도가 100 ℃ 이상이고, 또한 150 ℃ ~ 600 ℃ 의 과열 증기에 의해 연화되어 자기 접착이 가능한 섬유인 내열성 섬유를 포함하는 섬유 구조체로서, 그 내열성 섬유끼리 접착하고 있고,
   상기 내열성 섬유의 섬유 접착률이 10 ~ 85 % 이며, 상기 섬유 접착률의 균일성이 20 ％ 이하이고,
   겉보기 밀도가, 0.03 ~ 0.5g／㎤ 이고,
   상기 내열성 섬유는 1.7 내지 15.0 dtex 의 단섬유 섬도를 갖고,
   상기 섬유 구조체의 두께 방향의 단면에서, 두께 방향으로 3등분한 3개의 영역 중, 중앙부에서의 섬유 접착률이 10 ~ 85％ 인 내열성 섬유 구조체.
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