KR102612742B1 - 서로 다른 종류의 원사로 제조된 탄소-함유 아크 저항성 아라미드 패브릭 - Google Patents

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Abstract

패브릭이 위사와 다른 종류의 경사를 갖고, 패브릭의 일면의 대부분은 제1 원사이고 패브릭의 반대면의 대부분은 제2 원사이고, 제2 원사는 균질하게 분산된 0.5 내지 20 중량%의 불연속 탄소 입자를 함유하는 25 내지 100부의 아라미드 섬유 및 불연속 탄소 입자가 없는 0 내지 75부의 아라미드 섬유를 포함하고, 제1 원사는 불연속 탄소 입자가 없는 아라미드 섬유를 포함하고, 패브릭은 총 0.5 내지 3 중량% 함량의 불연속 탄소 입자를 갖는, 아크 보호에 사용하기에 적합한 직조 패브릭 및 이러한 패브릭을 포함하는 열 보호복 용품.

Description

서로 다른 종류의 원사로 제조된 탄소-함유 아크 저항성 아라미드 패브릭
본 발명은 전기 아크로부터 작업자를 보호하는 패브릭 및 물품에 관한 것이다.
전기 아크 등에 노출될 수 있는 산업 근무자 등은 내열성 패브릭으로 제조된 보호복 및 보호 용품을 필요로 한다. 보호 성능을 유지하면서 이러한 보호 용품의 효율성 또는 편안함을 높이는 것이 바람직하다.
탄소 입자는 섬유의 착색시 방사 안료(spun-in pigment)로서 사용되어 왔으며, 탄소의 흑색은 어두운 색조를 생성하는 데 효과적이다.
탄소 입자가 열적으로 안정한 내화성 폴리머로 제조된 섬유로 방사되는 경우, 생성된 원사, 패브릭, 및 의복은 아크 보호 기능이 크게 향상된다. 그러나, 탄소 입자는 어두운 색조의 섬유를 만드는 경향이 있고, 많은 경우에 더 밝은 색조의 아크-보호 패브릭 및 의복이 요구된다. 예를 들어, 더 어두운 색조의 의복은 가시성이 낮은 상황 및 야간에 확인하기 더 어렵다. 한편, 일부 의복 제조업자들은 고객의 패션 선택에 대응하기 위해 단순히 다양한 색조를 제공할 수 있는 능력을 원한다.
따라서, 바람직한 색조를 가지면서 크게 향상된 아크 보호 기능을 갖는 방법이 필요하다.
본 발명은 아크 보호에 사용하기에 적합한 직조 패브릭에 관한 것으로서, 패브릭은 제1면 및 제2면을 갖고, 위사(fill yarn)와 다른 종류의 경사(warp yarn)를 갖되,
a) 패브릭의 제1면의 대부분은 패브릭에서 경사인 제1 원사이고, 패브릭의 제2면의 대부분은 패브릭에서 위사인 제2 원사이거나,
b) 패브릭의 제1면의 대부분은 패브릭의 위사인 제1 원사이고, 패브릭의 제2면의 대부분은 패브릭의 경사인 제2 원사이고;
패브릭의 제2면의 대부분을 형성하는 제2 원사는,
i) 개별 섬유 내 탄소 입자의 양을 기준으로, 섬유에 균질하게 분산된 0.5 내지 20 중량%의 불연속 탄소 입자를 함유하는 25 내지 100부의 아라미드 섬유, 및
ii) 불연속 탄소 입자가 없는 0 내지 75부의 아라미드 섬유를 포함하고(제2 원사 내 i)과 ii)의 총량 기준),
물품의 제1면의 대부분을 형성하는 제1 원사는 불연속 탄소 입자가 없는 아라미드 섬유를 포함하고,
패브릭은 총 0.5 내지 3 중량% 함량의 불연속 탄소 입자를 갖는다.
도 1은 전체 조성 범위(0 내지 100%)에 걸쳐, 탄소 입자가 없는 천연 폴리(m-페닐렌 이소프탈아미드)(MPD-I) 섬유와 탄소 입자를 함유한 MPD-I 섬유의 균질 블렌드의 측정된 명도값 L*의 관계를 나타낸다.
도 2는 6.3 oz/yd2의 평량을 갖는 패브릭에 대해 정규화된, 패브릭 내 불연속 탄소 입자의 총량에 대한 아크 성능의 관계를 나타낸다.
본 발명은 불연속 탄소 입자가 없는 아라미드 섬유를 포함하는 외측 물품 표면의 대부분을 형성하는 제1 원사, 및 균질하게 분산된 0.5 내지 20 중량%의 불연속 탄소 입자를 함유하는 25 내지 100부의 아라미드 섬유와 불연속 탄소 입자가 없는 0 내지 75부의 아라미드 섬유를 포함하는 내측 물품 표면의 대부분을 형성하는 제2 원사를 포함하는 경면(warp-faced) 또는 위면(weft-faced) 능직 또는 새틴직을 갖는 직조 패브릭을 포함하는 보호복 용품에 관한 것이다.
이러한 패브릭은 작업자 및 다른 직원에 대한 아크 보호 기능을 제공하는 용품에 유용하다. 열적으로 안정한 내화성 아라미드 섬유에 불연속 탄소 입자를 첨가함으로써 패브릭 및 의복의 아크 성능이 거의 2배 정도 증가될 수 있음이 밝혀졌다. 본원에 사용된 바와 같이, "내화성"은 폴리머가 21보다 큰, 바람직하게는 25보다 큰 한계 산소 지수를 가짐을 의미하며, "열적으로 안정한"이란 용어는 폴리머 또는 섬유가 분당 10도의 속도로 섭씨 425도까지 가열시 그 중량의 적어도 90%를 유지함을 의미한다.
패브릭 중량을 기준으로, 패브릭 내 불연속 탄소 입자의 총량이 패브릭 내 섬유의 총량을 기준으로 0.5 내지 3 중량%일 경우 이러한 극적인 향상이 확인되었다. 도 2는 6.3 oz/yd2의 평량을 갖는 패브릭에 대해 정규화된, 탄소 입자를 함유한 이러한 패브릭의 ATPV를 도시한다. 도시된 바와 같이, 매우 낮은 첨가에서도 탄소의 존재는 ATPV에 의해 측정되는 패브릭 아크 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 최상의 성능은 패브릭 내 탄소 입자의 양이 약 0.5 중량%보다 많은 경우 발견되며, 12 cal/cm2 이상의 바람직한 성능은 약 0.75 중량% 이상의 탄소 입자를 갖는 패브릭에 대해 발생하고, 특히 바람직한 패브릭 내 탄소 입자의 범위는 0.75 내지 2 중량%이다.
단층 패브릭의 양면 구조는 패브릭의 외측 표면 및 패브릭으로 제조된 의복이 놀라울 정도로 향상된 아크 성능을 제공하면서 밝은 색조를 포함한 매우 다양한 색으로 착색(즉 염색 등)될 수 있도록 한다. 아크 보호에 사용하기에 적합한 직조 패브릭은 제1면 및 제2면을 갖는 패브릭으로서, 패브릭은 위사와 다른 종류의 경사를 갖되,
a) 패브릭의 제1면의 대부분은 패브릭의 경사인 제1 원사이고, 패브릭의 제2면의 대부분은 패브릭의 위사인 제2 원사이거나,
b) 패브릭의 제1면의 대부분은 패브릭의 위사인 제1 원사이고, 패브릭의 제2면의 대부분은 패브릭의 경사인 제2 원사이고;
물품의 제2면의 대부분을 형성하는 제2 원사는,
i) 개별 섬유 내 탄소 입자의 양을 기준으로, 섬유에 균질하게 분산된 0.5 내지 20 중량%의 불연속 탄소 입자를 함유하는 25 내지 100부의 아라미드 섬유, 및
ii) 불연속 탄소 입자가 없는 0 내지 75부의 아라미드 섬유를 포함하고(제2 원사 내 i)과 ii)의 총량 기준),
패브릭의 제1면의 대부분을 형성하는 상기 제1 원사는 불연속 탄소 입자가 없는 아라미드 섬유를 포함하고, 패브릭은 총 0.5 내지 3 중량% 함량의 불연속 탄소 입자를 갖는다. 일부 구현예에서, i)의 아라미드 섬유는 25 내지 50부의 양으로 존재하고, ii)의 아라미드 섬유는 50 내지 75부의 양으로 존재한다.
본원에서의 목적을 위해, 용어 "섬유"는 길이에 수직인 단면 영역의 폭에 대한 길이의 비가 높은 비교적 유연하고 거시적으로 균질한 바디로서 정의된다. 섬유 단면은 임의의 형상일 수 있지만, 일반적으로 원형 또는 콩 모양이다. 또한, 이러한 섬유는 옷감 용도에서의 적절한 강도를 위해 대체로 속이 채워진 단면을 갖는 것이 바람직하다. 즉, 섬유는 공극이 상당한 정도로는 있지 않거나 부적당한 공극의 양이 많지 않은 것이 바람직하다.
본원에 사용된 용어 "스테이플 섬유"는 원하는 길이로 절단되거나 연신 파단된 섬유, 또는 연속 필라멘트에 비해 길이에 수직인 단면 영역의 폭에 대한 길이의 비가 작게 만들어진 섬유를 의미한다. 인조 스테이플 섬유는, 예컨대 면, 모직, 또는 소모 원사 방사 장비에서 가공하기에 적합한 길이로 절단되거나 만들어진다. 스테이플 섬유는 (a) 실질적으로 균일한 길이, (b) 가변 또는 임의의 길이를 가질 수 있거나, (c) 스테이플 섬유의 하위세트가 실질적으로 균일한 길이를 갖고 다른 하위세트의 스테이플 섬유는 상이한 길이를 가지며, 하위세트의 스테이플 섬유는 서로 혼합되어 실질적으로 균일한 분포를 형성한다.
일부 구현예에서, 적합한 스테이플 섬유는 1 내지 30 cm(0.39 내지 12 인치)의 절단 길이를 갖는다. 일부 구현예에서, 적합한 스테이플 섬유는 2.5 내지 20 cm(1 내지 8 인치)의 길이를 갖는다. 일부 바람직한 구현예에서, 짧은 스테이플 공정에 의해 제조된 스테이플 섬유는 6 cm(2.4 인치) 이하의 절단 길이를 갖는다. 일부 바람직한 구현예에서, 짧은 스테이플 공정에 의해 제조된 스테이플 섬유는 1.9 내지 5.7 cm(0.75 내지 2.25 인치)의 스테이플 섬유 길이를 가지며, 3.8 내지 5.1 cm(1.5 내지 2.0 인치)의 섬유 길이가 특히 바람직하다. 긴 스테이플, 소모, 또는 모직 시스템 방사의 경우, 최대 16.5 cm(6.5 인치)의 길이를 갖는 섬유가 바람직하다.
스테이플 섬유는 임의의 공정에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 스테이플 섬유는 회전식 절단기 또는 길로틴형 절단기를 사용해 연속 스트레이트 섬유로부터 스트레이트(즉, 비권축(non-crimped)) 스테이플 섬유를 생성하며 절단되거나, 센티미터당 권축수가 바람직하게 8개 이하인 권축(또는 반복 굴곡) 빈도로 스테이플 섬유의 길이를 따라 톱니 형상의 권축을 갖는 권축 연속 섬유로부터 추가로 절단될 수 있다. 바람직하게, 스테이플 섬유는 권축을 갖는다.
스테이플 섬유는 연속 섬유를 연신 파단하여 형성될 수도 있으며, 이로 인해 권축 역할을 하는 변형부를 갖는 스테이플 섬유가 생성된다. 연신 파단된 스테이플 섬유는 파단 구역 조정에 의해 조절된 평균 절단 길이를 갖는 임의의 가변 질량의 섬유를 생성하는 소정 거리의 하나 이상의 파단 구역을 갖는 연신 파단 작업 중에 연속 필라멘트의 번들 또는 토우를 파단하여 제조될 수 있다.
방사 스테이플 원사는 당업자에게 잘 알려진 기존의 긴 스테이플 및 짧은 스테이플 링 방사 공정을 이용해 스테이플 섬유로부터 제조될 수 있다. 그러나, 원사는 에어 제트 방사, 오픈 엔드 방사, 및 스테이플 섬유를 사용 가능한 원사로 변환하는 많은 기타 유형의 방사를 이용해 방사될 수도 있기 때문에 이러한 언급이 링 방사로 한정하려는 것은 아니다. 방사 스테이플 원사는 연신 파단 토우-투-탑(tow-to-top) 스테이플 공정을 이용해 연신 파단에 의해 직접 제조될 수도 있다. 기존의 연신 파단 공정에 의해 형성된 원사의 스테이플 섬유는 일반적으로 최대 18 cm(7 인치)의 길이를 갖지만, 연신 파단에 의해 제조된 방사 스테이플 원사도, 예를 들어 PCT 특허 출원 WO 0077283호에 기재된 것과 같은 공정을 통해 약 50 cm(20 인치)까지의 최대 길이를 갖는 스테이플 섬유를 가질 수 있다. 연신 파단 공정은 섬유에 어느 정도 권축을 부여하기 때문에 연신 파단 스테이플 섬유는 일반적으로 권축을 필요로 하지 않는다.
바람직하게, 패브릭 내 원사는 섬유 블렌드로 제조된다. 섬유 블렌드는 두 가지 이상의 스테이플 섬유 유형의 임의 방식의 조합물을 의미한다. 바람직하게, 스테이플 섬유 블렌드는 "균질 블렌드"이며, 이는 블렌드 내 다양한 스테이플 섬유가 비교적 균일한 섬유 혼합물을 형성함을 의미한다. 일부 구현예에서, 스테이플 섬유 원사가 방사되기 전에 또는 방사되는 중에 두 가지 이상의 스테이플 섬유 유형이 배합되어 다양한 스테이플 섬유가 스테이플 원사 번들에 균질하게 분포된다.
본 발명은 바람직하게 경면 또는 위면 능직 또는 새틴직을 갖는 직조 패브릭 및 그로부터 제조된 물품에 관한 것이다. 능직에서, 각각의 위사(weft 또는 filling yarn)는 좌우로 서로 엮는 공정에서 경사를 가로질러 플로팅되어(float) 뚜렷한 대각선을 형성한다. 이러한 대각선은 웨일(wale)로도 알려져 있다. 플로트는 반대 방향으로부터 2개 이상의 원사를 가로지르는 원사의 부분이다. 능직은 복잡성에 따라 3개 이상의 하네스(harness)를 필요로 한다. 능직은 흔히 분율(예컨대, 2/1)로서 표기되며, 분자는 위로 올라가는(따라서, 실이 교차되는) 하네스의 수(이 예에서는 2)를 나타내고, 분모는 위사가 삽입될 때 아래로 내려가는 하네스의 수(이 예에서는 1)를 나타낸다. 분율 2/1은 "2개 상향, 1개 하향"으로 이해될 것이다. 능직을 제조하는 데 필요한 하네스의 최소 수는 분율 내의 수를 합산함으로써 결정될 수 있다. 설명된 예에서, 하네스의 수는 3이다(평직의 분율은 1/1이다). 새틴직에서는, 직조형의 반복에서 각각의 경사 또는 위사 시스템 원사가 반대 위사 또는 경사 시스템의 하나의 원사를 제외하고 모든 원사 위로 또는 아래로 통과하거나 플로팅되므로 패브릭 표면은 거의 완전히 경사 또는 위사 플로트로 이루어진다. 일반적으로, 교차점은 능직에서와 같이 직선으로 떨어지는 것이 아니라, 규칙적 또는 불규칙적 형태로 서로 분리된다. 바람직한 하나의 새틴직은 4/1 직조형이다.
경면 능직 또는 새틴직은 패브릭의 면 상에 경사의 양이 더 많은 것을 의미한다(예를 들어 2/1 또는 3/1 능직). 위면 능직 또는 새틴직은 패브릭의 면 상에 위사의 양이 더 많은 것을 의미한다(예를 들어 1/2 또는 1/3 능직).
경면 또는 위면 능직 또는 새틴직으로 직조된 패브릭은 위사(fill 또는 weft yarn)와 다른 종류의 경사를 갖는다. 바람직한 구현예에서, 직조 패브릭은 단지 한 종류의 경사 및 단지 한 종류의 위사(fill 또는 weft yarn)만을 갖고 패브릭은 단층 패브릭이다.
패브릭은 물품의 내측 및 외측 표면을 형성하는데, 패브릭이 경면 또는 위면 능직 또는 새틴직이기 때문에, 물품의 외측 표면의 대부분은 패브릭의 경사인 제1 원사이고 물품의 내측 표면의 대부분은 패브릭의 위사(weft 또는 fill yarn)인 제2 원사이거나; 대안적으로, 물품의 외측 표면의 대부분은 패브릭의 위사(weft 또는 fill yarn)인 제1 원사이고 물품의 내측 표면의 대부분은 패브릭의 경사인 제2 원사이다.
바람직하게, 패브릭은 CIELAB 컬러 스케일로 측정할 때 50 이상의 명도 좌표 또는 "L*" 값을 갖는 제1면을 갖는다. 일부 구현예는 또한 가시광의 파장(380 내지 780 nm)에 걸쳐 20% 이상의 분광 반사율을 갖는다. 패브릭의 색은 측정 항목의 색의 다양한 특성을 나타내는 3개의 스케일 값 "L*", "a*", "b*" 및 분광 반사율을 제공하는 색도계라고도 하는 분광 광도계를 사용해 측정될 수 있다. 컬러 스케일에서, 더 낮은 "L*" 값은 일반적으로 더 어두운 색을 나타내며, 백색은 약 100 또는 100 근처의 값을 갖고 흑색은 약 0 또는 0 근처의 값을 갖는다. 착색 전의 천연 상태에서, 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아미드) 섬유는 색도계를 사용해 측정했을 때 약 80 이상의 "L*" 값을 갖는 약간 미색인 색을 띤다. 0.5 내지 20 중량%의 불연속 탄소 입자를 더 포함하는 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아미드) 섬유는 색도계를 사용해 측정했을 때 약 20 이하 범위의 "L*" 값을 갖는 흑색을 띤다.
놀랍게도, 약간 미색의 천연 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아미드) 섬유와 탄소 입자가 분산된 흑색 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아미드) 섬유의 혼합물의 명도 좌표 또는 "L*"은 단순한 혼합물 법칙이 적용되지 않는다는 것이 확인되었다. 도 1은 전체 조성 범위(0 내지 100%)에 걸쳐 균질 블렌드의 측정된 명도값 L*의 관계를 나타낸다. 조성 범위에 걸쳐 대부분의 조성에서 블렌드는 단순한 혼합물 법칙에 의해 예상되는 것보다 실제로 더 어둡다.
일 구현예에서, 패브릭의 제2면은 65 이하의 "L*" 값을 갖는다. 일 구현예에서, 제1면은 70 이상의 "L* 값을 갖는다. 일부 구현예에서, 제1면과 제2면 간의 측정된 색 차이는 "L*" 스케일에서 적어도 5개 단위이고, 일부 바람직한 구현예에서, 제1면과 제2면 간의 색 차이는 "L*" 스케일에서 적어도 10개 단위이다.
본원에 사용된 바와 같이, 패브릭에 기인하는 색은 섬유와 섬유 블렌드, 원사, 및 의복에도 적용되며; 일반적으로 거의 동일한 "L*" 값을 따르는 섬유, 원사, 패브릭, 및 의복의 "L*" 값을 측정하기 위해 동일한 분광 광도계가 사용될 수 있다.
직조 패브릭은 불연속 탄소 입자가 없는 아라미드 섬유를 포함하는 제1 원사, 및 적어도 25%가 균질 분산 탄소 입자를 갖는 아라미드 섬유를 포함하는 제2 원사를 포함한다.
구체적으로, 제2 원사는 패브릭의 제2면의 대부분을 형성하며, 개별 섬유 내 탄소 입자의 양을 기준으로 0.5 내지 20 중량%의 불연속 탄소 입자를 함유하는 25 내지 100 중량부의 아라미드 섬유를 포함한다. 탄소 입자는 그 섬유의 폴리머에 균질하게 분산된다. 제2 원사는 또한 불연속 탄소 입자가 없는 0 내지 75 중량부의 아라미드 섬유를 포함한다. 아라미드 섬유는 공기 중 산소 농도보다 높은(즉, 21보다 크고 바람직하게는 25보다 큰) 한계 산소 지수(LOI)를 갖는 아라미드 폴리머로 제조된다. 이는 섬유 또는 이러한 섬유만으로 제조된 패브릭이 화염을 지속시키지 않을 것이며 내화성이 있는 것으로 간주됨을 의미한다. 아라미드 섬유는 또한 분당 10도의 속도로 섭씨 425도까지 가열시 그 중량의 적어도 90%를 유지하며, 이는 이러한 섬유가 열 안정성이 높다는 것을 의미한다.
바람직한 아크 성능 또는 아크 열 성능 값(ATPV)의 경우, 탄소 입자-함유 아라미드 섬유는 개별 섬유 내 탄소 입자의 양을 기준으로 0.5 내지 20 중량%의 불연속 탄소 입자를 포함하는 것으로 확인되었다. 일부 구현예에서, 제1 스테이플 섬유는 개별 섬유 내 탄소 입자의 양을 기준으로 0.5 내지 10 중량%의 불연속 탄소 입자를 포함하고, 일부 구현예에서, 제1 스테이플 섬유는 개별 섬유 내 탄소 입자의 양을 기준으로 0.5 내지 6 중량%의 불연속 탄소 입자를 포함한다. 일부 다른 구현예에서, 개별 섬유 내 탄소 입자의 양을 기준으로 5 내지 10 중량%의 불연속 탄소 입자를 갖는 것이 바람직하다. 바람직한 일 구현예에서, 제1 스테이플 섬유는 0.5 내지 3.0 중량%의 불연속 탄소 입자를 포함한다.
섬유에 존재하는 탄소 입자는 10 마이크로미터 이하, 바람직하게는 평균 0.1 내지 5 마이크로미터의 평균 입도를 가지며, 일부 구현예에서, 0.5 내지 3 마이크로미터의 평균 입도가 바람직하다. 일부 구현예에서, 0.1 내지 2 마이크로미터의 평균 입도가 바람직하며, 일부 구현예에서, 0.5 내지 1.5 마이크로미터의 평균 입도가 바람직하다. 탄소 입자는 중유 제품 및 식물유의 불완전 연소에 의해 생성되는 카본 블랙 등을 포함한다. 카본 블랙은 표면적 대 부피비가 유연(soot)보다 높지만 활성탄보다는 낮은 준결정질 탄소 형태이다. 이러한 입자는 일반적으로 방사를 통해 섬유를 형성하기 전에 방사 도프에 탄소 입자를 첨가함으로써 섬유에 혼입된다.
본질적으로, 상업적으로 입수 가능한 임의의 카본 블랙이 아라미드 폴리머 조성물에 불연속 탄소 입자를 공급하는 데 사용될 수 있다. 이러한 입자는 일반적으로 방사를 통해 섬유를 형성하기 전에 방사 도프에 탄소 입자를 첨가함으로써 섬유에 혼입된다. 바람직한 일 실시예에서, 폴리머 용액, 바람직하게는 아라미드 폴리머 용액 중의 카본 블랙의 별도의 안정한 분산액을 먼저 만든 후, 분산액을 밀링하여 균일한 입자 분포를 얻는다. 바람직하게 이 분산액은 방사 전에 아라미드 폴리머 용액에 주입된다.
"섬유에 균질하게 분산된"이란 어구는 축 방향 및 반경 방향으로 섬유에 균일하게 분포된 탄소 입자가 섬유에서 발견될 수 있음을 의미한다. 이러한 균일한 분포를 달성하는 한 가지 방법은 탄소 입자를 함유한 폴리머 용액을 습식 또는 건식 방사로 방사하는 것이라고 여겨진다.
일부 바람직한 구현예에서, 아라미드 섬유에 사용되는 폴리머는 메타-아라미드이다. 본원에 사용된 바와 같이, "아라미드"는 아미드(-CONH-) 결합의 적어도 85%가 두 개의 방향족 고리에 직접 결합된 폴리아미드를 의미한다. 아라미드와 함께 첨가제가 사용될 수 있으며, 실제로, 다른 폴리머 재료가 최대 10 중량%만큼 아라미드와 배합될 수 있다거나, 아라미드의 디아민에 대해 다른 디아민이 10%만큼 치환되었거나 아라미드의 염화이산에 대해 다른 염화이산이 10%만큼 치환된 공중합체가 사용될 수 있음이 확인되었다. 적합한 아라미드 섬유는 문헌[Man-Made Fibers--Science and Technology, 제2권, Fiber-Forming Aromatic Polyamides 제목의 섹션, 297 페이지, W. Black et al., Interscience Publishers, 1968]에 기재되어 있다. 아라미드 섬유는 또한 미국 특허 4,172,938호; 3,869,429호; 3,819,587호; 3,673,143호; 3,354,127호; 및 3,094,511호에 개시되어 있다.
메타-아라미드는 아미드 결합이 서로에 대해 메타 위치에 있는 아라미드이다. 바람직한 메타-아라미드 중 하나는 폴리(메타페닐렌 이소프탈아미드)이다. 원사 내에, 메타-아라미드 섬유로 인해, LOI가 일반적으로 적어도 약 25인 내화성 섬유가 제공된다.
일부 구현예에서, 메타-아라미드 섬유는 적어도 20%, 더 바람직하게는 적어도 25%의 최소 결정화도를 갖는다. 예시의 목적으로, 최종 섬유 형성의 용이성 때문에, (더 높은 비율이 적합하다고 여겨지더라도) 결정화도의 실제 상한은 50%이다. 일반적으로, 결정화도는 25 내지 40%의 범위일 것이다. 메타-아라미드 섬유의 결정화도는 두 가지 방법 중 하나에 의해 결정될 수 있다. 첫 번째 방법은 공극이 없는 섬유로 사용되는 반면, 두 번째 방법은 공극이 완전히 없지는 않은 섬유에서 사용된다. 첫 번째 방법에서 메타-아라미드의 결정화도 퍼센트는 본질적으로 공극이 없는 양호한 샘플을 사용해 결정화도에 대한 선형 보정 곡선을 먼저 생성하여 결정된다. 이러한 공극이 없는 샘플의 경우, 비체적(1/밀도)은 2상 모델을 이용해 결정화도와 직접 관련될 수 있다. 샘플의 밀도는 밀도 구배 컬럼에서 측정된다. x선 산란법에 의해 비결정질인 것으로 결정된 메타-아라미드 필름은 측정 결과 1.3356 g/cm3의 평균 밀도를 갖는 것으로 확인되었다. 이어서, 완전히 결정질인 메타-아라미드 샘플의 밀도는 x선 단위 격자의 크기로부터 1.4699 g/cm3인 것으로 결정되었다. 이들 0% 및 100% 결정화도 종점이 설정되면, 밀도가 알려진 공극이 없는 임의의 실험 샘플의 결정화도는 다음의 선형 관계식으로부터 결정될 수 있다.
(1/비결정질 밀도) - (1/실험 밀도)
결정화도 = ------------------------------------------------------------
(1/비결정질 밀도) - (1/완전 결정질 밀도)
많은 섬유 샘플은 공극이 완전히 없지는 않으므로, 라만 분광법이 결정화도를 결정하는 바람직한 방법이다. 라만 측정은 공극 함량에 민감하지 않으므로, 1650 cm-1에서의 카보닐 연신의 상대적 강도를 사용하여 공극의 존재 여부에 상관없이 임의의 형태의 메타-아라미드의 결정화도를 결정할 수 있다. 이를 달성하기 위해, 전술한 바와 같이 밀도 측정으로부터 결정화도가 미리 측정되어 알려진 최소 공극률 샘플을 사용해, 1002 cm-1에서의 고리 연신 모드의 강도로 정규화된, 결정화도와 1650 cm-1에서의 카보닐 연신의 강도 간의 선형 관계식이 개발되었다. Nicolet 모델 910 FT-라만 분광계를 사용해 결정화도 퍼센트에 대한 다음의 경험적 관계식(밀도 보정 곡선에 의존)이 개발되었다.
100.0 x (I (1650 cm-1) - 0.2601)
% 결정화도 = -------------------------------------------------
0.1247
여기서, I(1650 cm-1)는 그 지점에서의 메타-아라미드 샘플의 라만 강도이다. 이 강도를 사용해, 실험 샘플의 결정화도 퍼센트가 식으로부터 계산된다.
추가적인 열 또는 화학 처리 없이, 메타-아라미드 섬유가 용액으로부터 방사되고, ??칭되고, 유리 전이 온도 미만의 온도에서 건조되는 경우, 단지 작은 수준의 결정화도가 발생한다. 라만 산란 기술을 이용해 섬유의 결정화도를 측정하면 이러한 섬유는 15% 미만의 결정화도를 갖는다. 결정화도가 낮은 이러한 섬유는 열 또는 화학 수단을 이용해 결정화될 수 있는 비정질 메타-아라미드 섬유인 것으로 여겨진다. 결정화도의 수준은 폴리머의 유리 전이 온도 이상에서 열처리함으로써 증가될 수 있다. 이러한 열은 일반적으로, 원하는 양의 결정화도를 섬유에 부여하기에 충분한 시간 동안 장력 하에 섬유를 가열롤과 접촉시켜 가해진다.
m-아라미드 섬유의 결정화도 수준은 화학 처리에 의해 증가될 수도 있으며, 일부 구현예에서, 이는 패브릭으로 통합되기 전에 섬유를 착색, 염색, 또는 모의 염색하는 방법을 포함한다. 일부 방법은, 예를 들어 미국 특허 4,668,234; 4,755,335; 4,883,496; 및 5,096,459에 개시되어 있다. 아라미드 섬유의 염료 픽업을 증가시키는 것을 돕기 위해, 염료 담체로도 알려진 염료 조제가 사용될 수 있다. 유용한 염료 담체는 아릴 에테르, 벤질 알코올, 또는 아세토페논을 포함한다.
제1 원사는 패브릭으로 제조되는 의복의 외측 표면으로서 바람직하게 사용되는 패브릭의 다른 면의 대부분을 형성한다. 제1 원사는 불연속 탄소 입자가 없는 아라미드 섬유를 포함하며, 이는 섬유가 본원에 정의된 탄소 입자를 함유하지 않음을 의미한다. 일 구현예에서, 불연속 탄소 입자가 없는 아라미드 섬유는 염료 또는 착색을 더 수용할 수 있다. 다른 섬유가 제1 원사의 아라미드 섬유와 혼합될 수 있다. 바람직한 구현예에서, 불연속 탄소 입자가 없는 아라미드 섬유는 제1 원사에서 (50 중량%보다 많은) 다수 섬유로서 존재하며, 일부 구현예에서, 아라미드 섬유는 스테이플 섬유로 존재하거나, 다른 섬유와 함께 또는 다른 섬유 없이 아라미드 섬유의 블렌드로 존재한다.
일부 바람직한 구현예에서, 제1 원사 내에 불연속 탄소 입자가 없는 아라미드 섬유는 본원에서 전술한 바와 같은 메타-아라미드 섬유이다. 바람직한 메타-아라미드 중 하나는 폴리(메타페닐렌 이소프탈아미드)이다. 일부 구현예에서, 메타-아라미드 섬유는 적어도 20%, 더 바람직하게는 적어도 25%의 최소 결정화도를 갖는다. 예시의 목적으로, 최종 섬유 형성의 용이성 때문에, (더 높은 비율이 적합하다고 여겨지더라도) 결정화도의 실제 상한은 50%이다. 일반적으로, 결정화도는 25 내지 40%의 범위일 것이다.
일부 구현예에서, 제1 원사 또는 제2 원사에 사용되는 메타-아라미드 섬유는 섭씨 185도에서의 축방향 열수축률이 10%보다 클 수 있다. 이러한 높은 수준의 수축률은 상당히 결정화되었거나 달리 열 안정화되지 않은 비정질 섬유를 나타낸다. 대표적인 메타-아라미드 섬유는 라만 산란 기술을 이용해 섬유의 결정화도를 측정할 때 15% 미만의 결정화도를 갖는다. 결정화도의 부족으로 인해, 이러한 섬유는 균질 블렌드, 원사, 패브릭, 또는 물품 형태로 비교적 용이하게 염색될 수 있다. 바람직한 메타-아라미드 중 하나는 폴리(메타페닐렌 이소프탈아미드)이다.
일부 구현예에서, 제1 원사 또는 제2 원사에 사용되는 메타-아라미드 섬유는 섭씨 185도에서의 축방향 열수축률이 2% 이하일 수 있다. 이러한 낮은 수준의 수축률은 비교적 결정화된 섬유를 나타낸다. 대표적인 메타-아라미드 섬유는 적어도 20%, 더 바람직하게는 적어도 25%의 최소 결정화도를 갖는다. 예시의 목적으로, 최종 섬유 형성의 용이성 때문에, (더 높은 비율이 적합하다고 여겨지더라도) 결정화도의 실제 상한은 50%이다. 일반적으로, 결정화도는 25 내지 40%의 범위일 것이다. 이러한 결정화도로 인해, 이러한 섬유는 균질 블렌드, 원사, 패브릭, 또는 물품 형태로 염색될 수 있지만, 일반적으로 염료 조제 또는 보다 적극적인 염색 조건을 필요로 한다. 바람직한 메타-아라미드 중 하나는 폴리(메타페닐렌 이소프탈아미드)이다.
일부 구현예에서, 불연속 탄소 입자가 없는 아라미드 섬유는 염료를 더 포함한다. 적합한 염료는 40 이상, 바람직하게는 50 이상의 "L*" 값을 갖는 색을 제공하는 것이 바람직하다. "L*" 값의 바람직한 범위 중 하나는 50 내지 90이다.
일부 구현예에서, 제1 및/또는 제2 원사는 파라-아라미드 섬유를 더 포함할 수 있고, 바람직한 파라-아라미드는 바람직하게는 원사 내 최대 약 8 중량%의 양으로 사용되는 폴리(파라페닐렌 테레프탈아미드)이다. 일부 구현예에서, 제1 및/또는 제2 원사는 매우 소량(원사의 1~3 중량%)의 정전기 방지 섬유를 더 포함할 수 있고, 한 가지 적합한 섬유는 De Howitt의 미국 특허 4,612,150 및/또는 Hull의 미국 특허 3,803,453호에 기재된 것과 같은 용융 방사 열가소성 정전기 방지 섬유이다. 이들 섬유는 카본 블랙을 함유하고 있지만, 섬유 폴리머가 방염성과 열적 안정성의 조합을 갖지 않으므로(즉, 분당 10도의 속도로 섭씨 425도까지 가열시 그 중량의 적어도 90%를 유지하지 않으며, 21보다 큰, 바람직하게는 25보다 큰 LOI를 함께 갖지 않음) 아크 성능에 거의 영향을 미치지 않는다. 실제로, 이러한 열가소성 정전기 방지 섬유는 분당 10도의 속도로 섭씨 425도까지 가열시 35 중량%를 초과하여 손실된다. 본원에서의 목적을 위해, 그리고 혼동을 피하기 위해, 불연속 탄소 입자의 총 함량(중량%)은 소량의 정전기 방지 섬유를 제외한 섬유 블렌드의 총 중량 기준이다.
바람직한 일 구현예에서, 제1 및 제2 원사는 스테이플 섬유의 균질 블렌드로 제조된 방사 스테이플 원사이다. 스테이플 섬유의 균질 블렌드는 서로 다른 섬유의 가닥 또는 토우를 커터 배합하거나 서로 다른 섬유 더미를 배합하여 제조될 수 있고, 균질 블렌드를 형성하는 당업계에 알려진 다른 수단에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 스테이플 섬유 원사가 방사되기 전에 또는 방사되는 중에 서로 다른 스테이플 섬유 유형의 둘 이상의 슬리버가 배합되어 다양한 스테이플 섬유가 균질 블렌드로서 스테이플 원사 번들에 균질하게 분포되도록 할 수 있다.
"원사"는 연속 가닥을 형성하기 위해 서로 방사되거나 꼬인 섬유의 집합체를 의미한다. 본원에 사용된 바와 같이, 원사는 일반적으로, 직조(weaving) 및 편직(knitting)과 같은 작업에 적합한 옷감 재료의 가장 단순한 가닥인 단사; 또는 합연사(ply yarn) 또는 합사(plied yarn)로서 당업계에 알려진 것을 지칭한다. 방사 스테이플 원사는 다소 꼬인 스테이플 섬유로부터 형성될 수 있다. 단사에 꼬임이 존재하는 경우, 이는 모두 같은 방향이다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "합연사" 및 "합사"는 상호 교환적으로 사용될 수 있고 2개 이상의 원사(서로 꼬이거나 합쳐진 단사)를 지칭한다.
일부 특히 유용한 구현예에서, 본원에 기술된 패브릭은 아크 저항성 방염 의복을 제조하는 데 사용될 수 있다. 일부 구현예에서, 의복은 본질적으로 하나의 층의 보호 패브릭을 가질 수 있다. 이러한 유형의 의복은 극심한 열적 이벤트가 발생할 수 있는 화학 처리 산업 또는 산업 또는 전기 설비와 같은 상황에서 착용할 수 있는 점프 슈트, 작업복, 바지, 셔츠, 장갑, 슬리브 등을 포함한다. 바람직하게, 잠재적 전기 아크에 더 가까운 표면인, 의복의 외측 표면은 탄소 입자가 없는 아라미드 섬유를 포함하는 대다수의 원사를 포함하고, 착용자에 더 가까운 표면인, 의복의 내측 표면은 탄소 입자를 함유한 아라미드 섬유를 포함하는 대다수의 원사를 포함한다. 일부 구현예에서, 직조 패브릭은 염료를 더 포함하는 제1 원사를 함유한다. 이러한 방식으로, 의복의 외측 표면은 염료로 착색, 염색, 또는 인쇄되어 임의의 수의 색 및 색조를 가질 수 있고, 어둡거나 검은 색으로 제한되지 않는다.
이러한 유형의 보호 용품 또는 의복은 산업 인력, 예컨대 전기 아크 가능성이 있는 환경에서 작업할 수 있는 전기 기술자 및 공정 제어 전문가 등에 의해 사용되는 보호복, 재킷, 점프 슈트, 작업복, 후드 등을 포함한다. 바람직한 구현예에서, 보호 의복은 전기 패널 또는 변전소에서 작업이 필요한 경우 옷과 다른 보호 장비 위에 일반적으로 사용되는 7부 길이의 코트를 비롯한 코트 또는 재킷이다.
바람직한 구현예에서, 보호 용품 또는 의복은 아크 등급에 대한 두 가지 일반적인 카테고리 등급 시스템 중 하나로 측정할 때 적어도 카테고리 1 또는 2 아크 등급 이상을 갖는다. 미국 방화 협회(NFPA)에는 카테고리 1이 가장 낮은 성능을 갖고 카테고리 4가 가장 높은 성능을 갖는 4개의 상이한 카테고리가 있다. NFPA 70E 시스템 하에서, 카테고리 1, 2, 3, 및 4는 각각 4, 8, 25, 및 40 cal/cm2의 패브릭 관통 열유속에 해당한다. 미국 전기 안전 규정(NESC)에도 카테고리 1이 가장 낮은 성능을 갖고 카테고리 3이 가장 높은 성능을 갖는 3개의 상이한 카테고리를 가진 등급 시스템이 있다. NESC 시스템 하에서, 카테고리 1, 2, 및 3은 각각 4, 8, 및 12 cal/cm2의 패브릭 관통 열유속에 해당한다. 따라서, 카테고리 2 아크 등급을 갖는 패브릭 또는 의복은 표준 설정 방법 ASTM F1959 또는 NFPA 70E에 따라 측정할 때 8 cal/cm2의 열유속을 견딜 수 있다.
시험 방법
아크 저항성. 본 발명의 패브릭의 아크 저항성은 ASTM F-1959-99 "Standard Test Method for Determining the Arc Thermal Performance Value of Materials for Clothing"에 따라 측정된다. 바람직하게, 본 발명의 패브릭은 바람직하게 oz/yd2 당 적어도 0.8 cal/cm2, 더 바람직하게는 적어도 2 cal/cm2의 아크 저항성(ATPV)을 갖는다.
열중량 분석(TGA). 분당 10도의 속도로 섭씨 425도까지 가열시 중량의 적어도 90%를 유지하는 섬유는 델라웨어주 뉴워크의 TA Instruments(Waters사의 계열사)로부터 입수 가능한 모델 2950 열중량 분석기(TGA)를 사용해 측정될 수 있다. TGA는 승온에 대한 샘플 중량 감소의 스캔을 제공한다. TA Universal Analysis 프로그램을 이용해, 임의의 기록된 온도에서 중량 감소 퍼센트가 측정될 수 있다. 프로그램 프로파일은 50℃에서의 샘플 평형화; 분당 10℃로 50℃에서 1000℃까지의 승온; 기체로서 공기의 사용(10 ml/분으로 공급); 및 500 마이크로리터 세라믹 컵(PN 952018.910) 샘플 용기의 사용으로 이루어진다. 구체적인 시험 절차는 다음과 같다. TA Systems 2900 Controller 상의 TGA 화면을 사용해 TGA를 프로그래밍하였다. 샘플 ID를 입력하고, 분당 20도의 계획된 승온 프로그램을 선택하였다. 기기의 테어(tare) 기능을 이용해 빈 샘플 컵을 테어링하였다. 섬유 샘플을 약 1/16"(0.16 cm) 길이로 절단하고, 샘플 용기를 샘플로 대략 채웠다. 샘플 중량은 10 내지 50 mg의 범위이어야 한다. TGA에는 저울이 있으므로 정확한 중량을 미리 측정할 필요는 없다. 어떠한 샘플도 용기 외부에 있어서는 안 된다. 채워진 샘플 용기를 저울 와이어에 로딩하고 열전대가 용기의 상부 가장자리에 가깝지만 접촉하지 않도록 하였다. 노(furnace)를 용기 위로 올리고 TGA를 시작한다. 프로그램이 종료되면, TGA는 자동으로 노를 내리고, 샘플 용기를 제거하고, 냉각 모드로 들어간다. 이어서, TA Systems 2900 Universal Analysis 프로그램을 사용해 분석하여 온도 범위에 걸친 중량 감소 퍼센트에 대한 TGA 스캔을 생성한다.
한계 산소 지수. 본 발명의 패브릭의 한계 산소 지수(LOI)는 ASTM G-125-00 "Standard Test Method for Measuring Liquid and Solid Material Fire Limits in Gaseous Oxidants"에 따라 측정된다.
색 측정. 색 및 분광 반사율 측정에 사용된 시스템은 1976 CIELAB 컬러 스케일(Commission Internationale de l'Eclairage가 개발한 L*-a*-b* 시스템)이다. CIE "L*-a*-b*" 시스템에서, 색은 3 차원 공간 내 점으로 보인다. "L*" 값은 명도 좌표(높은 값이 가장 밝음)이고, "a*" 값은 적색/녹색 좌표("+a*"는 적색 색조를 나타내고 "-a*"는 녹색 색조를 나타냄)이고, "b*" 값은 황색/청색 좌표("+b*"는 황색 색조를 나타내고 "-b*"는 청색 색조를 나타냄)이다. 섬유의 퍼프(puff)에서, 또는 명시된 패브릭 또는 의복 형태에서, 분광 광도계를 사용해 샘플의 색을 측정하였다. 구체적으로, 10도(10-degree) 관찰자 및 D65 광원의 산업 표준을 포함하는 Hunter Lab UltraScan® PRO 분광 광도계를 사용하였다. 본원에 사용된 컬러 스케일은 별표 없이 표기된("L-a-b") 이전 헌터(Hunter) 컬러 스케일의 좌표와 달리, 별표가 있는 CIE("L*-a*-b*) 컬러 스케일의 좌표를 사용한다.
탄소 입자의 중량%. 섬유 제조시 섬유 내 카본 블랙의 공칭량은 성분의 단순한 물질 수지(mass balance)에 의해 결정된다. 섬유 제조 후, 섬유에 존재하는 카본 블랙의 양은, 섬유 샘플의 중량을 측정하고, 카본 블랙 입자에 영향을 미치지 않는 적절한 용매에 폴리머를 용해시켜 섬유를 제거하고, 나머지 고형분을 세척하여 탄소가 아닌 모든 무기염을 제거하고, 나머지 고형분을 칭량하여 결정될 수 있다. 구체적인 한 가지 방법은, 시험할 섬유, 원사, 또는 패브릭 약 1 g을 칭량하는 단계, 이 샘플을 105℃의 오븐에서 60분 동안 가열하여 모든 수분을 제거하는 단계, 이후 샘플을 데시케이터에 넣어 실온까지 냉각시키는 단계, 이후 샘플을 칭량하여 0.0001 g의 정밀도로 초기 중량을 얻는 단계를 포함한다. 이어서, 교반기가 있는 250 ml 평저 플라스크에 샘플을 넣고, 적절한 용매(예를 들어, 96% 황산) 150 ml를 첨가한다. 이어서, 응축기 상단으로 연기가 빠져 나가지 않도록 하는 충분한 유량으로 작동하는 냉각수 응축기가 있는 교반/히터의 조합 위에 플라스크를 놓는다. 이어서, 원사가 용매에 완전히 용해될 때까지 교반하면서 열을 가한다. 이어서, 플라스크를 히터로부터 제거하고 실온까지 냉각시킨다. 이어서, 테어링된 0.2 미크론 PTFE 여과지가 있는 밀리포어 진공 필터 유닛을 사용해 플라스크의 내용물을 진공 여과한다. 진공을 없앤 후, 25 ml의 추가 용매로 플라스크를 씻어 내고, 이 또한 필터에 통과시킨다. 이어서, 밀리포어 유닛을 진공 플라스크로부터 제거하고, 새로운 깨끗한 유리 진공 플라스크에 재설정한다. 진공 상태에서, 여과액 상의 pH 시험지 확인에 의해 세척수가 중성인 것으로 나타날 때까지 여과지 상의 잔사를 물로 세척한다. 이어서, 잔사를 메탄올로 최종 세척한다. 잔사 샘플이 있는 여과지를 제거하여, 접시에 놓고, 105℃의 오븐에서 20분 동안 가열 건조시킨다. 이어서, 잔사 샘플이 있는 여과지를 데시케이터에 넣어 실온까지 냉각시킨 후, 잔사 샘플이 있는 여과지를 칭량하여 0.0001 g의 정밀도로 최종 중량을 얻는다. 잔사 샘플이 있는 여과지의 중량에서 여과지의 중량을 뺀다. 이어서, 이 중량을 원사 또는 섬유 또는 패브릭의 초기 중량으로 나누고 100을 곱한다. 이로써 섬유, 원사, 또는 패브릭 내 카본 블랙의 중량%가 얻어진다.
입도. 탄소 입자의 크기는 ASTM B822-10 "Standard Test Method for Particle Size Distribution of Metal Powders and Related Compounds by Light Scattering"의 일반 규정을 이용해 측정될 수 있다.
수축률. 고온에서 섬유 수축률을 시험하기 위해, 시험할 멀티-필라멘트 원사 샘플의 두 말단을 루프의 총 내부 길이가 약 1 m 길이가 되도록 단단한 매듭으로 서로 묶는다. 이어서, 루프를 팽팽해질 때까지 인장시키고, 두 배된 루프의 길이를 0.1 cm 단위까지 측정한다. 이어서, 원사 루프를 섭씨 185도에서 30분 동안 오븐 안에 걸어둔다. 이어서, 원사 루프를 냉각시키고, 다시 인장시키고, 두 배된 길이를 다시 측정한다. 이어서, 루프의 직선 길이의 변화로부터 수축률 퍼센트를 계산한다.
실시예
하기 실시예들에서, 달리 지정하지 않는 한, 천연 메타-아라미드 섬유는 비정질 또는 비결정화 폴리(m-페닐렌 이소프탈아미드)(MPD-I) 섬유였고, 천연 파라-아라미드 섬유는 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드)(PPD-T)였고; 이들 모두는 탄소 입자가 없었다(즉, 어떠한 첨가 카본 블랙도 함유하지 않았음). 흑색 메타-아라미드 섬유는 탄소 입자 또는 카본 블랙을 더 함유한 결정화된 MPD-I 섬유였다. 정전기 방지 섬유는 Invista로부터 입수 가능한 P140®로서 상업적으로 알려진 탄소-코어 나일론-피복 섬유였다.
균질 블렌드에 대한 (패브릭 내) 탄소의 계산된 퍼센트 총량(%)은 공칭 2.1 중량%의 탄소를 갖는 탄소-함유 흑색 메타-아라미드 섬유 내 탄소 입자의 중량을 전체 섬유 블렌드의 중량으로 나누어 100을 곱한 값을 기준으로 하였다. 정전기 방지 섬유 내 탄소는 블렌드 내 탄소 퍼센트의 계산시 고려되지 않는다.
참고예
패브릭의 명도에 미치는 탄소 함유 섬유의 영향을 예시하기 위해, 탄소 입자가 없는 천연 폴리(m-페닐렌 이소프탈아미드)(MPD-I) 섬유와 탄소 입자를 함유한 MPD-I 섬유(흑색 섬유)의 균질 블렌드를 전체 조성 범위(0 내지 100%)에 걸쳐 제조하였다. 조성을 표 1에 나타내었다. 각각의 블렌드에 대해 카드 공정을 실시하여 명도 측정용 섬유의 "퍼프" 볼을 생성하였다. HunterLab UltraScan® PRO 분광 광도계를 사용해 각 블렌드의 L* 값을 측정하였으며, 관찰 조건은 다음과 같다: 대면적 관찰/10도 관찰자/D65 광원. L* 값을 보고하는 데 사용된 컬러 스케일은 CIE 1976 L*a*b* (CIELAB) 컬러 스케일이다. 이 스케일에서 낮은 값은 어두운 색조를 나타내는 반면, 높은 값은 밝은 색조를 나타낸다. 표 2에 요약한 바와 같이, 흑색 MPD-I 섬유의 양이 감소함에 따라 L* 값은 증가한다.
도 1은 전체 조성 범위에 걸쳐 측정 명도값 L*의 관계를 그래프로 나타낸 것으로, 놀랍게도 블렌드의 명도는 단순한 혼합물 법칙이 적용되지 않음을 보여준다.
실시예 1
에어 제트 방사된 서로 다른 경사와 위사를 갖고, 외측 표면이 내측 표면보다 더 밝은 색을 갖는 내구성이 있는 아크 및 열 보호 직조 패브릭을 제조하였다.
93 중량%의 천연 메타-아라미드 섬유, 5 중량%의 천연 파라-아라미드 섬유, 및 2 중량%의 정전기 방지 섬유의 균질 스테이플 섬유 블렌드로 경사를 제조하였다. 메타-아라미드 섬유, 파라-아라미드 섬유, 및 정전기 방지 섬유의 피커(picker) 블렌드 슬리버를 제조하고, 면사 방식(cotton system) 공정 및 에어 제트 정방기(spinning frame)를 이용해 방사 스테이플 원사로 제조하였다. 생성된 원사는 21 텍스(28 면사 번수)의 단사였다. 이어서, 2개의 단사를 합사기(plying machine)에서 합쳐 10회/인치 꼬임의 합연수(ply twist)를 갖는 2합연사를 제조하였다. 이러한 합사를 경사로서 사용하였다.
93 중량%의 천연 메타-아라미드 섬유, 5 중량%의 천연 파라-아라미드 섬유, 및 2 중량%의 정전기 방지 섬유로 이루어진 제1 섬유 블렌드 50 중량%를, 약 2 중량%의 균질 분산 탄소 입자를 구비한 95 중량%의 흑색 메타-아라미드 섬유 및 5 중량%의 천연 파라-아라미드 섬유로 이루어진 제2 섬유 블렌드 50 중량%와 합한 균질 스테이플 섬유 블렌드로 위사를 제조하였다. 제1 섬유 블렌드와 제2 섬유 블렌드의 피커 블렌드 슬리버를 면사 방식 공정 및 에어 제트 정방기를 이용해 방사 스테이플 원사로 제조하였다. 생성된 원사는 21 텍스(28 면사 번수)의 단사였다. 이어서, 2개의 단사를 합사기에서 합쳐 10회/인치 꼬임의 합연수를 갖는 2합연사를 제조하였다. 이러한 합사를 위사로서 사용하였다.
이어서, 경면 2x1 능직 구조로 셔틀 직조기에서 직조되는 패브릭의 경사 및 위사에서와 같이 원사를 사용하였다. 미염색(greige) 능직 패브릭은 186 g/m2 (5.5 oz/yd2)의 평량을 가졌다. 이어서, 미염색 능직 패브릭을 뜨거운 물로 씻고, 염료는 사용하지 않고 염료 담체/조제(Cindye C-45)를 사용해 모의 염색하고 건조시켰다. HunterLab UltraScan® PRO 분광 광도계를 사용해 각각의 면에 대한 L* 값을 측정하였다. 결과를 표 2에 나타내었다.
완성된 능직 패브릭은 cm 당 약 31개의 경사(ends) x 16개의 위사(picks) (인치당 77개의 경사 x 47개의 위사)의 구조 및 203 g/m2 (6.0 oz/yd2)의 평량을 가졌다. 최종 패브릭은 아라미드 섬유로부터 0.4 중량%의 총 탄소 입자 농도를 갖는다.
이어서, 완성된 패브릭의 아크 열 성능 값(ATPV)을 측정하기 위한 시험을 수행하였다. 이를 유사한 방식으로 제작된 대조 패브릭(각각 93 중량%의 천연 메타-아라미드 섬유, 5 중량%의 천연 파라-아라미드 섬유, 및 2 중량%의 정전기 방지 섬유의 균질 스테이플 섬유 블렌드로부터 제조된 동일한 경사 및 위사를 포함하는 표준 아라미드 패브릭)과 비교하였다. 결과를 표 2에 나타내었다.
나타낸 바와 같이, 최종 패브릭은, 탄소-함유 섬유의 부적당한 수준을 나타내지 않고 다양한 색으로 염색될 수 있는 적어도 하나의 표면을 제공하면서 아크 성능이 크게 증가하였다.
실시예 2
실시예 1에서 제조된 미염색 능직 패브릭의 추가 샘플을 압력 제트 염색 용기를 이용해 추가로 염색하였는데, 패브릭은 용기 내로 로딩되고 나서 패브릭의 말단을 서로 꿰매 형성된 연속 루프에서 천공 벤츄리를 통해 순환된다. 패브릭을 수용액으로 섭씨 60도의 온도에서 10분 동안 씻었다. 씻은 후, 염색 용기를 배수시키고, 섭씨 70도의 초기 온도에서 염료, 염료 조제(Cindye C-45), 및 물로 채웠다. 조(bath) 온도를 분당 섭씨 1도의 속도로 증가시키면서 10분 동안 패브릭을 염색하였다. 이어서, 아세트산을 첨가하여 용액의 pH를 3 내지 4의 pH로 조절하였다. 이어서, 용기를 추가 염료 및 염료 조제로 채우고, 섭씨 80도의 일정한 온도를 10분 동안 유지하였다. 이어서, 조 온도가 섭씨 130도가 될 때까지 분당 섭씨 1도의 속도로 온도를 올렸다. 조를 섭씨 130도에서 40분 동안 또는 염료가 소진될 때까지 유지하였다. 이어서, 조를 섭씨 60도까지 냉각시키고 배수시켰다. 이어서, 염료 용액을 중화시키기 위해 용기를 하이드로아황산나트륨 2 g/l, 탄산나트륨 2 g/l, 및 물의 용액으로 채웠다. 조 온도를 분당 섭씨 1도의 속도로 섭씨 60도까지 올리고 10분 동안 순환시켰다. 이어서, 용기를 배수시키고 물로 다시 채웠다. 이어서, 물 온도를 분당 섭씨 1도의 속도로 섭씨 60도의 온도까지 올리고 10분 동안 순환시켰다. 이어서, 용기를 배수시키고 패브릭을 건조시켰다.
적색, 청록색, 감청색, 남색, 및 카키색 염료로 상기 과정을 여러 번 사용하여 적색, 청록색, 감청색, 남색, 및 카키색 염색된 양면 패브릭을 제조하였다. 생성된 염색된 패브릭은 바람직한 색조의 색으로 염색된 표면측을 가졌고, 다른 측은 그 측에서 탄소 함유 섬유의 비율이 더 높기 때문에 약간 더 어두운 색을 띠었다.

Claims (12)

  1. 아크 보호에 사용하기 위한 직조 패브릭으로서, 제1면 및 제2면을 갖고, 위사(fill yarn)와 다른 종류의 경사(warp yarn)를 갖되,
    a) 상기 패브릭의 제1면의 50 중량% 초과는 상기 패브릭의 경사인 제1 원사이고, 상기 패브릭의 제2면의 50 중량% 초과는 상기 패브릭의 위사인 제2 원사이거나,
    b) 상기 패브릭의 제1면의 50 중량% 초과는 상기 패브릭의 위사인 제1 원사이고, 상기 패브릭의 제2면의 50 중량% 초과는 상기 패브릭의 경사인 제2 원사이고;
    상기 패브릭의 제2면의 50 중량% 초과를 형성하는 상기 제2 원사는,
    i) 개별 섬유 내 탄소 입자의 양을 기준으로, 상기 섬유에 균질하게 분산된 0.5 내지 20 중량%의 불연속 탄소 입자를 함유하는 25 내지 100부의 아라미드 섬유, 및
    ii) 불연속 탄소 입자가 없는 0 내지 75부의 아라미드 섬유를 포함하고(상기 제2 원사 내 i)과 ii)의 총량 기준),
    상기 패브릭의 제1면의 50 중량% 초과를 형성하는 상기 제1 원사는 불연속 탄소 입자가 없는 아라미드 섬유를 포함하고,
    상기 패브릭은 총 0.5 내지 3 중량% 함량의 불연속 탄소 입자를 갖는, 직조 패브릭.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, i)의 아라미드 섬유는 0.5 내지 6 중량%의 불연속 탄소 입자를 포함하는, 직조 패브릭.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서, i)의 아라미드 섬유는 메타-아라미드인, 직조 패브릭.
  5. 제4항에 있어서, 상기 메타-아라미드는 폴리(m-페닐렌 이소프탈아미드)인, 직조 패브릭.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서, ii)의 아라미드 섬유는 메타-아라미드 또는 파라-아라미드인, 직조 패브릭.
  7. 제6항에 있어서, 상기 메타-아라미드는 폴리(m-페닐렌 이소프탈아미드)이고 상기 파라-아라미드는 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드)인, 직조 패브릭.
  8. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 원사 및 상기 제2 원사는 스테이플 섬유를 포함하는, 직조 패브릭.
  9. 삭제
  10. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 원사는 염료를 더 포함하는, 직조 패브릭.
  11. 제1항 또는 제3항의 직조 패브릭을 포함하는 열 보호복 용품.
  12. 제11항에 있어서, 상기 직조 패브릭은 상기 직조 패브릭의 제1면이 상기 패브릭의 제2면보다 잠재적 아크 이벤트에 더 가깝도록 상기 보호복에 배치된, 열 보호복 용품.
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