KR20020037001A - 폐섬유를 이용하여 제조되는 난연성 망상구조체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐섬유를 이용하여 제조되는 난연성 망상구조체에 관한 것으로 더욱 상세하게는 직물, 부직포 또는 섬유의 형태로 유발되는 폐섬유를 기계적인 방법으로 개개의 섬유로 분리한 후 성형공정을 거쳐 얻어지는 폐섬유 시트(sheet)에 반응성 유기화합물 또는 수지수용액과 난연제를 분사, 침지 또는 코팅의 방법으로 첨가한 후 건조시켜서 형태안정성과 내구성을 부여하여 제조되는 난연성 망상구조체에 관한 것이다.

본 발명의 난연성 망상구조체는 폐섬유를 원료물질로 사용함으로 자연보호와 자원절약의 파급효과가 있으며 불규칙적인 형태와 크기로 존재하는 원료물질인 폐섬유의 형태적특징에서 기인된 무작위로 존재하는 수많은 기공들로 인한 방음성과 단열성이 뛰어나며 비교적 강도가 높은 섬유질이 망상으로 연결되어 있어서 물리적 물성이 우수한 것이 특징이다.

본 발명의 난연성 망상구조체는 난연성, 보온성, 단열성, 흡음성, 차음성 등의 기능을 가져 건축물, 가전제품, 자동차, 기계, 배관 등의 단열재, 차음재 및 흡음재 및 원료소재로 폭넓게 사용될 수 있는 것이다.

Description

폐섬유를 이용하여 제조되는 난연성 망상구조체{Fire retardant net structure made of textile waste}

본 발명은 폐섬유를 이용하여 제조되는 난연성 망상구조체에 관한 것으로 직물, 부직포 또는 섬유의 형태로 유발되는 폐섬유를 기계적인 방법으로 개개의 섬유로 분리한 후 성형공정을 거쳐 얻어지는 폐섬유 시트(sheet)에 반응성 유기화합물 또는 수지용액과 난연제를 분사, 침지 또는 코팅의 방법으로 첨가한 후 건조시켜서 형태안정성과 내구성을 부여한 후 난연물의 피막을 개개의 폐섬유표면에 형성시켜 제조되는 난연성 망상구조체를 제공하는 것이다.

다양한 합성고분자의 개발과 인조섬유의 제조기술 개발 및 패션디자인의 발전으로 근대에 접어들어 인류는 풍요로운 의복문화를 영위하기 시작하였으며 최근 각종 고성능 섬유소재가 개발되어 건축, 자동차 및 전기, 전자 산업에 이르기까지 다양한 산업의 부분에서 인조 섬유소재가 활용되고 있다.

하지만 일부 지방족 폴리에스테르계 섬유를 제외한 대부분의 인조섬유는 생분해성이 전혀 없으며 효과적인 재활용기술이 개발되지 않아 최근 폐섬유로 인하여 유발되는 환경오염문제가 심각하게 인식되고 있으며 이를 재활용하려는 연구가 폭넓게 진행되고 있다.

미국특허 제4546128호에서는 산업현장 및 가정에서 발생하는 폐섬유를 열가소성수지와 혼합한 후 열을 가하며 반죽하여 기계적인 강도가 뛰어난 복합재료를 제조하는 것이 가능하다는 사실을 알려주고 있다. 또한 미국특허 제6132840호에서는 폐섬유, 폐플라스틱, 폐타이어, 폐지 등의 산업폐기물을 150℃ 내지 300℃ 사이의 온도에서 150ton 내지 3,000ton 사이의 압력을 가하며 몰딩하여 제조되는 철로용 부재를 소개하고 있으며 미국특허 제6260511호에서는 폐섬유를 별도의 절단 및 파쇄의 공정을 거치지 않고 수분함량을 40% 이상으로 조절하여 뭉친 후 건조하여 제조되는 소재는 흡수력이 뛰어나 산업용 흡수제 또는 동물용 깔짚으로 사용하기에 유용하다고 소개하고 있다.

하지만 이들은 모두 폐섬유를 이용하는 새로운 방법을 소개하는 것에 지나지 않으며 신재를 이용하여 제조되는 기존의 제품과 비교하여 품질의 우위나 산업적인 유용성을 전혀 기대할 수 없는 제품이 대부분이다.

또한 미국특허 제603782호에서는 폐섬유를 기계적으로 분해하여 혼합 후 부직포를 형성시켜 재활용하는 기술을 소개하고 있으며 미국특허 제3978179호에서는 열가소성수지를 폐섬유와 혼합한 후 바인더역활을 수행하게 하여 형태안정성이 개선된 부직포의 제조가 가능하다는 기술을 소개하고 있다. 하지만 대부분의 폐섬유는 염색된 형태로 존재하므로 제조된 부직포의 색상이 불균일하여 의류 및 건축 외장재의 용도로는 단독으로 사용할 수 없으며 외관이 중요하게 인식되지 않는 농업용 보온덮게, 자동차 내장재 등 극히 일부분야에만 적용될 수 있는 기술에 지나지 않는다.

최근 원료비를 절감하기 위한 목적으로 건축산업에서 폐섬유를 활용하려는 연구가 활발하게 진행되고 있으며 이러한 연구는 폐섬유소재의 보온성 및 흡음성을 이용하려는 목적에 집중되고 있다.

미국특허 제6045298호에서는 폐섬유를 건축물의 벽면 사이에 스프레이법으로 주입하여 단열하는 기술을 소개하고 있으며, 미국특허 제4045603호에서는 열가소성 폐인조섬유를 열압착하여 판재를 제조하고 이를 셀룰로오스계 폐섬유와 접착시켜 제조되는 건축용 판낼을 소개하고 있다.

하지만 폐섬유로 제조된 모든 제품은 면, 폴리에스테르, 아크릴, 나일론 등 여러 섬유가 필연적으로 공존하게되며 열에 의해 용융된 합성섬유가 기화하한 후 발화하며 비교적 열안정성이 우수한 섬유가 심지역활까지 하여 화제에 대한 위험성이 매우 높다는 문제점이 있어 건축용 소재로도 활발하게 활용되지 못하고 있는 실정이다. 이에 미국특허 제6306318호에서는 폐카펫에 폴리염화비닐을 첨가한 후 폴리염화비닐의 융점이상의 온도로 성형하여 제조되는 타일용도의 성형물을 소개하고 있다. 폴리염화비닐은 산소지수가 45인 고분자소재로 이를 혼합하여 성형물을 제조할 때 난연성이 우수하여 화제의 위험성을 줄일 수 있다는 사실을 소개하고 있다. 하지만 제조된 제품의 조성이 대부분 폴리염화비닐로 구성되어 제조원가의 상승이 불가피하여 폐섬유를 활용한다는 것 이외에는 별다른 이점을 찾아보기 힘들며 성형물의 폐섬유함량을 높이는데 한계가 있어 제한적인 재활용기술에 머무르고 있다.

이상과 같이 판재, 부직포, 충진물 등 다양한 방법으로 폐섬유를 활용하는 기술이 개발되고 있으며 섬유소재의 보온성과 흡음성을 이용한 다양한 제품이 개발되었지만 폐섬유소재의 흡음성과 보온성을 활용하며 동시에 화제의 위험성까지 없는 난연성 망상구조체는 존재하지 않고 있다.

본 발명은 폐섬유를 원료물질로 사용하여 자연보호와 자원절약의 파급효과를 제공할 수 있으며 불규칙적인 형태와 크기로 존재하는 폐섬유의 소재특성을 최대한 이용하여 무작위로 존재하는 수많은 기공들을 성형과정에서 부과시켜 방음성과 단열성을 극대화시키며 동시에 난연제를 부과하여 화제의 위험성이 없는 난연성 망상구조체를 제공하는 것이다.

본 발명의 난연성 망상구조체는 종래의 기술로는 달성할 수 없었던 셀룰로오스계, 단백질계, 폴리에스테르계, 아크릴계, 나일론계, 폴리프로릴렌계, 폴리우레탄계 섬유 등 다양한 종류의 폐섬유를 구분없이 경화제를 이용하여 망상구조로 성형하고 액체상태로 존재하는 난연제를 분사, 침지 또는 코팅의 방법으로 부과하여 결과적으로는 개개의 폐섬유 외부에 난연제가 얇은 피막을 형성하게 되므로 상대적으로 매우 적은 양의 난연제를 함유하면서도 전체 소재의 난연성이 우수한 재활용 망상구조체를 제조하고 있다.

이와 같이 본 발명은 지금까지 제조된 적 없는 새로운 형태의 물질구성과 공정설계에 의해 이루어지는 신규의 난연성 망상구조체를 제공하는 진보된 기술을 제시하고 있다.

도면1은 폐섬유에 아크릴계 바인더와 인산계 난연제를 혼합하여 제조된 난연성 경화재를 첨가하여 제조된 본 발명의 난연성 망상구조체의 표면을 전자현미경을 이용하여 110배 확대하여 촬영한 사진으로 폐섬유들이 경화제에 의해 결속되어 망상구조로 존재한다는 사실을 보여주고 있다.

도면2는 실시예에 따라 제조된 본 발명의 난연성 망상구조체를 열중량분석기를 통하여 온도의 상승에 따른 무게의 변화를 보인 것으로 난연성이 배가되어 열안정성이 우수하다는 사실을 증명하고 있다.

도면3은 열안정성의 비교를 위해 실시한 순수 면섬유의 열중량분석 결과를 보인 것으로 본 발명의 난연성 망상구조체의 경우(도면2)와 비교하여 열안정성이 떨어진다는 사실을 보여주고 있다.

본 발명은 직물, 부직포 또는 섬유의 형태로 유발되는 폐섬유를 기계적인 방법으로 개개의 섬유로 분리한 후 성형공정을 거쳐 얻어지는 폐섬유 시트(sheet)에 반응성 유기화합물 또는 수지수용액과 난연제를 분사, 침지 또는 코팅의 방법으로 첨가한후 건조시켜서 형태안정성과 내구성을 부여하여 제조되는 난연성 망상구조체 제공하는 것이다.

본 발명의 난연성 망상구조체는 망상구조로 존재하는 폐섬유가 무게비로 50wt% 내지 98wt% 사이이고 형태를 유지시키는 경화제의 고형분이 무게비로 0.2wt% 내지 50wt% 사이로 조성되며 난연제가 0.1wt% 내지 60wt% 사이, 수분 및 잔류물이 0.1wt% 내지 30wt% 사이로 존재하는 것으로 밀도가 0.01g/cm³내지 2g/cm³사이이며 통기성을 갖는 것이다. 또한 강도향상, 기능성 부여, 촉감 개선 등의 필요에 따라 폐섬유가 무게비로 1wt% 내지 98wt% 사이, 신제인 섬유가 0.1wt% 내지 98wt% 사이로 존재하며 형태를 유지시키는 경화제의 고형분이 무게비로 0.2wt% 내지 70wt% 사이, 난연제가 0.1wt% 내지 60wt% 사이로 조성되며 수분 및 잔류물이 0.1wt% 내지 20wt% 사이, 항균성, 원적외선 방사성, 온열성, 음이온 방출성, 소취성, 전자파차단성, 유연성, 심미성 등의 기능성 중 한 가지 또는 두 가지 이상의 기능성을 부여시키기 위한 첨가물이 무게비로 0wt% 내지 10wt% 사이로 존재하는 것이다.

본 발명에서 사용되는 폐섬유와 신제인 섬유는 에스테르계, 아마이드계, 아크릴계, 모다크릴계, 비닐알콜계, 프로필렌계, 사카라이드계, 콜라겐계, 단백질계 등의 섬유가 유효하며 글리콜라이드, 글리콜산, 락타이드, 젖산, 카프로락톤, 디옥사논, 트리메틸렌 카보네이트, 또는 디메틸 트리메틸렌 카보네이트 등의 단량체로 이루어진 군에서 이루어진 단독 중합체, 이들의 공중합체, 혼합물 또는 브렌드물이 인위적으로 방사된 것과 천연에서 얻어진 것이 한 가지 또는 두 가지 이상 혼합된 것또한 유용하다.

본 발명의 난연성 망상구조체는 개개의 섬유로 분리된 폐섬유를 스펀레이스, 니들펀칭, 열융착 또는 경화제를 이용하여 제조될 수 있으나 바람직하기로는 경화제를 이용할 때 흡음성과 보온성을 극대화시키며 밀도가 낮은 동시에 우수한 강도를 부여하는 것이 가능하다.

본 발명에서 사용하는 경화제로는 식물성의 전분류, 해조류, 식물성 단백질, 셀룰로오스와 동물성의 단백질 및 건성 유지 등의 천연물질, 침지가공전분, α전분, 초산전분, 인산전분, CMS, CES, HES, 양성전분, 에틸화 전분, 디알데 히드 전분, 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, CMC, 하이드룩시셀룰로오스, 카르복시룰로오스, 알긴산염, 가공천연검 등의 반 인조물질, 폴리비닐알콜, 변성폴리비닐알콜, 아크릴 변성 폴리비닐알콜, 폴리비닐 메틸에테르, 초산비닐 말레인산 공중합물, 초산비닐 아크릴산 공중합물, 폴리비닐알콜 말레인산 공중합물, 폴리아크릴산소다, 폴리아크릴산에스테르 검화물, 폴리-m-아크릴산 염, 폴리아크릴아미드, 스티룰 말레인산 공중합물, 폴리올레핀, 알키드수지, 폴리에스터수지, 멜라민수지, 아크릴수지, 수분산형 아크릴수지, 수용성 알키드수지, 폴리염화비닐수지, 폴리우레탄수지, 요소수지, 페놀수지, 에폭시수지, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 반응성 또는 수지형 합성 경화제 중 한가지 또는 두 가지 이상 임의 선택된 것이 사용될 수 있다.

난연제로는 삼수산화알루미늄, 인산염, 브롬화물, 삼산화안티모니, 멜라민, 염화물, 수산화마그네슘, 붕소, 붕산, 물유리 및 질소, 인, 안티몬, 할로겐원소 중 한가지 또는 두 가지 이상 함유하는 화합물인 화학난연제와 광물방염제 중 한가지 또는 두 가지 이상 임의 선택된 것이 사용될 수 있다. 세부적으로 본 발명에서 사용되는 난연제는 반응성 난연제와 첨가물형 난연제로 분류될 수 있으며 바람직하기로는 폐섬유의 화학적 불균일한 조성에 변함없이 우수한 난연성을 발현시키기 위하여 첨가물형 난연제를 선택하여 사용하는 것이 권장된다.

또한 기능성 첨가물로는 액상 및 고상으로 존재하는 4급 암모늄염, 키토산 등의 항균제, 황토, 규석, 실리콘 등의 원적외선 방사체, 페라이트 등의 온열제, 활성탄소 또는 대나무 숯 등의 음이온 방출제, 숯과 같은 탈취제, 전도성 필러 및 탄소섬유와 같은 전도체 등이 한 가지 또는 두 가지 이상 선택되어 사용될 수 있다.

본 발명의 폐섬유를 이용하여 제조되는 망상구조체는 망상구조를 가지는 성형물을 폐섬유를 활용하여 제조할 때 소재의 불균일성에서 기인된 보온성과 흡음성이 우수하며 개개의 폐섬유가 모두 난연처리 될 수 있는 구조가 제공된다는 사실이 밝혀져 이 사실이 제조방법에 적용되어 얻어진 것이다.

이하, 본 발명의 실시예는 본발명의 일부분을 보다 구체적으로 설명하고 있으나 본발명의 내용이 이에 국한된 것이 아니다.

실시예

1. 폐섬유의 수거 및 분리

봉제공장에서 얻어진 면직물조각 50kg을 40℃의 온도에서 2일간 보관하여 수분율이 20%로 떨어지도록 건조하였다. 이후 절단기를 이용 직물조각을 10㎝로 절단한 후 타면기를 이용하여 개개의 섬유로 분리된 폐섬유 솜을 제조하였다.

2. 폐섬유 시트의 제조 및 경화제 처리

개개의 섬유로 분리되어 있는 폐섬유 솜을 카딩기에 유입시켜 각각의 섬유를 평행하게 배열시키고 성형기를 이용하여 10㎝의 두께로 적층하는 동시에 성형기의 폐섬유 유출부에서 분무기를 통하여 에멀젼형 아크릴경화제를 첨가하여 적층된 폐섬유시트의 내부와 외부에 균일하게 경화제를 첨가시켰다.

3. 열처리

경화제가 균일하게 첨가된 폐섬유시트는 열롤러타입의 밀폐형건조기를 이용하여 분위기온도 150℃, 롤러온도 150℃의 조건에서 10분간 이송되게 하여 경화제가 충분히 경화될 수 있게 하였다.

4. 난연제의 제조

에멀젼 타입의 폴리염화비닐 분산액을 물에 1:1로 혼합하여 염화비닐 분산액 10㎏을 제조한 후 붕사 1.4㎏과 붕산 0.6㎏을 첨가하여 70℃의 온도에서 10분간 교반하여 액상 난연제를 제조하였다.

5. 난연처리

상기한 방법에 의해 제조된 폐섬유시트를 액상 난연제에 침지시키고 맹글을 이용하여 압착하여 폐섬유시트의 내부에 과량으로 존재하는 난연제를 제거하였다. 이때 맹글의 롤러에 부여되는 압력을 3㎏/㎤으로 조절하여 에드온(Add-on)율을 80%로 조절하였다.

6. 열건조 및 표면처리

난연처리된 폐섬유시트는 열건조기를 이용 150℃의 온도에서 10분간 건조시킨 후 180℃의 고온롤러를 이용 표면처리하여 평활한 표면을 갖는 본 발명의 난연성 망상구조체를 제조하였다.

7. 열분석

상기한 방법에 의해 제조된 난연성 망상구조체의 열안정성을 확인하기 위해 열중량분석기(TGA)를 이용하여 열분석을 실시하였다. 도면2는 열중량분석의 결과를 보인 것인데 400℃의 온도에서 10%의 재가 남는 일반적인 면섬유의 열중량분석의 결과인도면3과 비교하여 400℃의 온도에서 약 60%의 재가 남는다는 결과를 얻어 본 발명의 난연성 망상구조체는 열적안정성이 우수하다는 사실을 확인할 수 있었다.

본 발명의 폐섬유를 이용하여 제조되는 난연성 망상구조체는 폐섬유의 화학적인 조성에 따른 별도의 구분없이 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있어 물리적으로 결속되어 화학적 조성에 따라 구분이 불가능한 폐섬유의 실효성 있는 재활용방법이 제공된다는 장점이 있으며 적절한 난연제의 적용을 통하여 폐섬유 성형물의 용도에 적합한 보온, 단열, 흡음, 차음의 목적으로 사용되는 건축물, 자량, 선발, 기계, 전자제품 등의 내장재에 필수적으로 난연성을 부여하는 기술이 제공된다. 또한 폐섬유의 불규칙적인 화학적 조성 및 형태를 최대로 활용하여 흡음성 및 보온성이 우수하여 건축물의 내장재 및 외장재, 컨테이너 및 조립식 건축물의 내외장재와 선박, 자동차의 흡음단열재 및 각종 전자제품의 흡음단열제로 효과적으로 사용될 수 있는 신규의 섬유판재가 제공된다.

Claims (7)

1. 폐섬유가 무게비로 50wt% 내지 98wt% 사이이고 형태를 유지시키는 경화제의 고형분이 무게비로 0.2wt% 내지 50wt% 사이로 조성되며 난연제가 0.1wt% 내지 60wt% 사이, 수분 및 잔류물이 0.1wt% 내지 30wt% 사이로 존재하는 것으로 밀도가 0.01g/cm³내지 2g/cm³사이이며 통기성을 갖는 난연성 망상구조체.
2. 제1항에 있어서 보다 바람직하게는 폐섬유가 무게비로 1wt% 내지 98wt% 사이, 신제인 섬유가 0.1wt% 내지 98wt% 사이로 존재하며 형태를 유지시키는 경화제의 고형분이 무게비로 0.2wt% 내지 70wt% 사이, 난연제가 0.1wt% 내지 60wt% 사이, 수분 및 잔류물이 0.1wt% 내지 20wt% 사이, 기능성 첨가물이 무게비로 0wt% 내지 10wt% 사이로 존재하는 것을 특징으로 하는 난연성 망상구조체.
3. 제1항과 제2항에 있어서 폐섬유가 에스테르계, 아마이드계, 아크릴계, 모다크릴계, 비닐알콜계, 프로필렌계, 사카, 콜라겐계, 단백질계 등의 섬유가 한가지 또는 두가지 이상 임의 선택되어진 것 또는 무작위로 혼합된 것을 사용한 것을 특징으로 하는 난연성 망상구조체.
4. 제1항과 2항에 있어서 경화제가 식물성의 전분류, 해조류, 식물성 단백질, 셀룰로오스와 동물성의 단백질 및 건성 유지 등의 천연물질, 침지가공전분, α전분, 초산전분, 인산전분, CMS, CES, HES, 양성전분, 에틸화 전분, 디알데 히드 전분, 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, CMC, 하이드룩시셀룰로오스, 카르복시룰로오스, 알긴산염, 가공천연검 등의 반 인조물질, 폴리비닐알콜, 변성폴리비닐알콜, 아크릴 변성 폴리비닐알콜, 폴리비닐 메틸에테르, 초산비닐 말레인산 공중합물, 초산비닐 아크릴산 공중합물, 폴리비닐알콜 말레인산 공중합물, 폴리아크릴산소다, 폴리아크릴산에스테르 검화물, 폴리-m-아크릴산 염, 폴리아크릴아미드, 스티룰 말레인산 공중합물, 폴리올레핀, 알키드수지, 폴리에스터수지, 멜라민수지, 아크릴수지, 수분산형 아크릴수지, 수용성 알키드수지, 폴리염화비닐수지, 폴리우레탄수지, 요소수지, 페놀수지, 에폭시수지, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 반응성 또는 수지형 합성 경화제 중 한가지 또는 두 가지 이상 임의 선택된 것이 사용된 것이 사용된 것을 특징으로 하는 난연성 망상구조체.
5. 제1항과 제2항에 있어서 난연제가 삼수산화알루미늄, 인산염, 브롬화물, 삼산화안티모니, 멜라민, 염화물, 수산화마그네슘, 붕소, 붕산, 물유리 및 질소, 인, 안티몬, 할로겐원소 중 한가지 또는 두 가지 이상 함유하는 화합물인 화학난연제 및 광물방염제 중 한가지 또는 두 가지 이상 임의 선택된 것이 사용된 것을 특징으로 하는 난연성 망상구조체.
6. 제2항에 있어서 신제인 섬유가 새로 제작된 에스테르계, 아마이드계, 아크릴계, 모다크릴계, 비닐알콜계, 프로필렌카라이드계, 콜라겐계, 단백질계 등의 섬유가 한가지 또는 두가지 이상 임의 선택되어진 것이 사용된 것을 특징으로 하는 난연성 망상구조체.
7. 제2항에 있어서 기능성 첨가물이 액상 및 고상으로 존재하는 4급 암모늄염, 키토산 등의 항균제, 황토, 규석, 옥, 실리콘 등의 원적외선 방사체, 페라이트와 게르마늄 등의 온열제, 활성탄소 또는 대나무숯 등의 음이온 방출제, 숯과 활성탄소와 같은 탈취제, 불소와 같은 난연제, 전도성 필러 및 탄소섬유와 같은 전도체 등 기본소재인 폐섬유와 난연제 및 경화제를 제외한 별도의 기능부여를 목적으로 첨가되는 한 가지 또는 두 가지 이상 선택되어 사용된 것을 특징으로 하는 난연성 망상구조체.