KR20040110653A

KR20040110653A - 체온조절 기능이 우수한 투습방수원단 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR20040110653A
Application number: KR1020030040065A
Authority: KR
Inventors: 이상윤; 최정주; 정인만
Original assignee: 주식회사 코오롱
Priority date: 2003-06-20
Filing date: 2003-06-20
Publication date: 2004-12-31
Also published as: KR100715308B1

Abstract

본 발명은 체온조절기능이 우수한 투습방수원단 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 폴리우레탄수지 조성물을 원단 상에 코팅 후 물로 응고하는 습식공법으로 투습방수원단을 제조할 때 폴리우레탄수지 조성물에 상전이 마이크로캡슐을 첨가하는 것은 특징으로 한다. 본 발명의 투습방수원단은 방수성능과 투습성능이 우수함과 동시에 의복제조시 의복 내 온도 변화를 줄여줄 수 있어서 쾌적한 착용감을 발현 한다.

Description

체온조절 기능이 우수한 투습방수원단 및 그의 제조방법 {A breathable and waterproof fabric with enhanced body temperature control properties, and a process of preparing for the same}

본 발명은 투습성과 방수성은 물론 체온 조절 기능도 우수한 투습방수원단 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

투습방수원단을 제조하는 종래의 기술로는 폴리우레탄과 유기용제인 디메틸포름아마이드를 혼합하여 제조한 수지를 원단 상에 일정한 두께로 코팅한 후 물 속을 통과시키는 공정에 의해 원단 상에 미세한 기공을 갖는 폴리우레탄 필름층을 형성시켜서, 투습성과 내수성을 동시에 갖도록 하는 습식공법이 있다.

그리고 폴리우레탄을 메틸에틸케톤, 톨루엔, 아세톤, 이소프로필 알코올 등 휘발성이 강한 유기용제에 용해시켜서 제조한 수지를 원단 상에 일정한 두께로 코팅한 후 열처리하여 휘발성 유기용제를 휘발시킴에 의해 원단 상에 균질의 폴리우레탄 필름층을 형성시켜서, 투습성과 내수성을 동시에 갖도록 하는 건식공법이 있다.

상기의 습식공법 및 건식공법은 원단 상에 직접 폴리우레탄 수지용액으로 도포하는 방법이므로 수지용액이 원단내부로 침투하여 제품의 촉감이 딱딱해질 우려가 있으며, 투습성, 내수성 등의 기능성을 발현하는데 한계를 가지고 있다. 따라서 최근에는 기능성 필름을 별도로 제조한 후 접착제를 사용하여 원단과 합포하는 방식인 라미네이팅 공법이 투습방수원단의 제조에 많이 적용되고 있다.

그 일예를 살펴보면 폴리우레탄을 메틸에틸케톤, 톨루엔, 아세톤, 이소프로필 알코올 등 휘발성이 강한 유기용제에 용해시켜서 제조한 수지를 한 면이 매끈한 시이트(종이, 필름, 직물 등)상에 일정한 두께로 코팅한 후 열처리하여 휘발성 유기용제를 휘발시켜서 제조한 균질의 폴리우레탄 필름을 형성시킨 후, 여기에 폴리우레탄 접착제성분을 유기용제, 이소시아네이트계 경화제와 혼합시켜서 제조한 접착수지를 나이프(knife)로 균일하게 전면 도포하거나, 그라비아를 사용하여 점 도포한 후 원단과 합포하고 숙성시켜서 투습성과 내수성을 동시에 가지면서 부드러운 원단 촉감을 그대로 발현하도록 한다.

종래의 제조방법으로 제조된 투습방수원단은 투습성과 방수성이라는 두 가지기본적인 기능성을 발현하도록 설계되었는데, 투습성은 수증기 상태의 물분자의 투과성을 개선시킨 것이고, 방수성은 액체상태인 물의 침투를 방지하도록 부여된 기능성이다. 이것들은 모두 수분의 이동을 제어하는데 목적을 두었는데, 인체의 쾌적성이란 관점에서 보았을 때 외부 환경과의 열의 이동을 제어하는데는 한계를 드러낸다.

투습방수원단의 열 제어 기능을 보안한 종래의 기술로는 코팅층 내에 태양으로부터 빛에너지를 받아 열에너지로 변환시키는 기능성을 갖는 세라믹 성분을 첨가시켜 보온성을 향상시키는 방법이 알려져 있다.

이러한 기술은 비중이 높은 세라믹을 첨가하므로 코팅된 원단의 무게가 무겁고, 원단의 촉감이 딱딱해지는 단점을 가지며, 태양광선이 존재하는 상황에서만 보온성능을 발현한다는 한계를 지니고 있어서, 실질적으로 보온 기능성이 필요한 야간에는 제 역할을 하지 못하게 되며, 보온 성능 또한 인체가 감지하기에는 매우 미미한 상태에 그친다.

미국 특허 제 5,366,801호 에서는 의복의 보온성을 향상시키기 위하여 상전이 물질을 포함하는 마이크로캡슐을 원단의 한쪽 면에 형성시키는 방법을 개시하고 있다. 그러나 이 발명은 마이크로캡슐의 상전이 현상에 의해 의복내의 온도를 제어하는데 있어서 인체로부터 발생하는 땀 수증기의 영향을 고려하지 않았기 때문에 실질적인 쾌적한 의복의 제조에는 한계를 드러내며, 마이크로캡슐을 함유하는 코팅 층이 단일층으로 구성되었기 때문에 상전이 물질 함유 마이크로캡슐이 마찰에 의하여 탈리되거나 캡슐막이 부서져서 내부의 상전이 물질이 빠져나와 온도제어 기능을상실하게 될 우려가 있었다. 또한 상전이 물질 자체는 인체에 유해할 수가 있기 때문에 의류용 원단을 제조하는데 있어서는 적절한 방법이 아니다. 또한 상전이 마이크로캡슐의 바인더로 사용된 코팅 층의 고분자 물질이 피막을 형성할 때 균일한 무공성 피막을 형성하기 때문에 실제 착용 시 피막을 통한 전도에 의한 열 손실이 커서 실질적인 의복 내의 온도를 유지, 보온시키는 데는 제 역할을 다하지 못하는 단점이 있다.

본 발명은 투습방수원단의 보온 기능성을 향상시켜, 방수성능, 투습성능처럼 수분의 제어뿐만 아니라 외부환경과의 열에너지 교환을 제어할 수 있어서 인체를 항상 쾌적한 상태로 유지시킬 수 있는 기능성을 보유하는 원단의 제조에 관한 것이다.

본 발명은 투습방수원단을 제조하는데 있어서, 코팅 수지 용액내에 열을 저장, 방출 기능성이 있는 마이크로캡슐을 첨가시켜서 이의 열 교환 능력에 의해서 의복내의 온도의 변화를 줄여줄 수 있는 기능성을 보유하며, 우수한 방수성능과 투습성능을 동시에 발현할 수 있는 투습방수원단의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 미세한 기공을 가지는 균일한 피막을 형성할 수 있는 폴리우레탄수지를 사용하여 투습방수원단을 제조하는데 있어서, 제조된 원단의 온도 조절능력을 향상시키기 위하여 열 저장, 방출 기능성을 갖는 마이크로캡슐을 첨가하여 코팅용 수지를 조성하고 이것을 원단 상에 균일 도포하여 방수성능, 투습성능을 동시에발현하도록 하는 투습방수원단의 제조 방법에 관한 것이다.

이렇게 하여 제조된 투습방수원단은 우수한 방수기능성과 투습기능성을 보유하기 때문에 비와 바람의 침투를 방지하여 체온 손실을 줄여주며, 극심한 운동시 인체에서 발생하는 땀 수증기를 외부로 적절히 배출하여 의복 내 온도의 상승을 막아주는 동시에 외부의 기온이 상당히 낮을 경우에는 코팅피막 내에 존재하는 마이크로캡슐내의 열 저장, 방출 물질이 액체상태에서 고체상태로 전이하면서 잠열을 방출하여 의복 내 온도를 높여 주고, 의복 내의 온도가 필요이상으로 높아졌을 때에는 코팅피막 내에 존재하는 마이크로캡슐내의 열 저장, 방출물질이 고체상태에서 액체상태로 전이하면서 열을 흡수하여 의복 내 온도를 낮춰주는 기능성을 발현하여 의복 내 온도를 적절한 상태로 유지시키는 기능성을 발현하도록 한다.

도 1은 의복 내 온도 및 온도 지속시간을 측정하는 장치의 개략도.

도 2는 도 1 중 부호 2(사각형 격자)의 확대 사시도

※ 도면 중 주요부분에 대한 부호 설명

1 : 원단 2 : 사각형 격자 3 : 전열기 4 : 가열판

이와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 폴리우레탄 수지조성물을 원단 상에 코팅 후 물로 응고하는 습식공법으로 투습방수원단을 제조할 때 폴리우레탄수지 조성물에 상전이 마이크로캡슐을 첨가하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 투습방수원단은 상전이 마이크로캡슐이 첨가된 폴리우레탄수지 조성물을 통상의 습식공법과 같이 원단 상에 코팅한 후 물 속에서 응고하는 방법으로 제조된다.

상기 폴리우레탄수지 조성물은 폴리우레탄수지, 유기용매, 기공크기조절제및 상전이 마이크로캡슐을 포함한다.

유기용매로는 디메틸포름아마이드 등이 사용될 수 있으며, 기공크기조절제로는 실리콘 수지 등이 사용될 수 있다.

본 발명의 투습방수원단을 제조하는 방법 중 일례를 살펴보면, 통상의 방법으로 발수처리된 원단 위에 조성 1과 같이 제조된 습식 코팅용 수지조성물을 나이프 오버 롤 코팅방식으로 도포량 50∼500g/m²가 되도록 균일하게 코팅한 후 물 속에 1∼10분간 통과시킨 후 150℃에서 1분간 건조하여 미세 다공형 코팅 층을 형성한다.

-- 조 성 1 --

폴리우레탄 수지 : 100중량부

디메틸포름아마이드 : 20 - 80중량부

기공 크기 조절 조제 : 2.0 - 10중량부

상전이 마이크로캡슐 : 5 - 80중량부

상기와 같이 원단 상에 형성된 미세 다공형 코팅층은 원단 쪽 하단에 1∼5㎛의 극미세 기공이 형성되어 있고 원단 반대쪽 상단에는 10∼100㎛의 큰 미세 기공이 형성된 2층 구조이다.

본 발명의 투습방수원단은 상기와 같은 2층 구조의 코팅층으로 인해, 우수한 방수 기능성과 투습성을 가지며, 필름층내의 미세 기공들에 의해 볼륨감이 향상되며, 특히 기공내부에 비유동성 공기층이 형성되어 원단 내에서의 대류, 전도에 의한 열 이동을 감소시키는 기능을 발현하게 된다. 특히, 원단 측에 근접하여 형성된 직경 1∼5㎛의 극미세 기공층은 코팅층 내에서 전도현상에 의한 열의 흐름을 줄여주는 효과를 나타내며 이어서 형성된 직경 10∼100㎛의 비교적 큰 기공은 그 안에 포접된 비유동성 공기에 의하여 대류에 의한 열 손실을 줄여주는 효과를 발휘하게 된다. 전체 코팅층의 두께는 10∼100㎛의 범위에 있도록 한다.

사용된 마이크로캡슐은 10∼40℃ 사이에서 고체에서 액체로 상전이를 일으키는 상변화 물질을 함유하고 있으며 외벽은 폴리우레아계 가교체로 구성되거나, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)가 주성분인 가교체 혹은 멜라민 가교체로 이루어져 있으며, 그 직경은 1.0∼100㎛의 사이에 있다. 상변화 물질로는 하이드로카본 등이 사용된다.

본 발명에 사용된 열 저장, 방출 기능성을 가지는 마이크로캡슐(이하 상전이 마이크로캡슐)은 상전이 온도 주위에서 시차주사열량계(DSC)로 측정하였을 때 용융엔탈피의 변화(△H)가 30∼300J/g의 범위에 있는 것이 좋다.

상전이 마이크로캡슐내 물질은 일정 온도 주위에서 액체에서 고체로, 혹은 고체에서 액체로 상전이를 하여 주위로 열을 방출 혹은 흡수하여 의복 내 온도를 조절하는 기능을 하게 된다.

습식코팅용 수지 조성물 내에 함유된 마이크로캡슐의 함량이 많을수록 방출, 흡수하는 열량의 양이 많아서 온도조절 능력이 향상되나, 코팅 피막의 강도를 저하시키거나 결점을 일으킬 가능성이 많아서 방수성능 및 투습성능을 저하시킬 수 있으며, 반대로 함유된 상전이 마이크로캡슐의 함량이 적을수록 방수성능 및 투습성능은 향상되나 온도조절 능력이 줄어든다.

코팅층 1야드(Yd)당 상전이 마이크로캡슐의 함량은 1∼200g 수준인 것이 바람직하다.

본 발명에 의해서 제조된 투습방수원단은 원단 쪽에 근접해서 직경 1∼5㎛의 극미세 기공이 형성되므로 외부로부터 물의 침투를 방지하는 방수성능이 향상되었으며, 극미세 기공에 의해서 폴리우레탄 피막의 연속성이 저해되므로 전도에 의한 열의 흐름이 줄어들게 된다. 그리고 이어서 형성된 직경 10∼100㎛의 비교적 큰 기공은 수증기 분자의 자유로운 통로가 되므로 우수한 투습성능을 발현할 수 있으며, 저온 환경에서는 기공내에 포접된 비유동성 공기층에 의해 대류에 의한 열의 손실을 막아줄 수 있다.

코팅수지 내에 첨가된 상전이 마이크로캡슐은 코팅피막 내에 균일하게 분포하며 입자의 크기가 1∼100㎛로서 비교적 작기 때문에 코팅피막의 미세기공의 형성에 방해를 주지 않는다. 무공형 균일 피막에 분산된 상전이 마이크로캡슐은 상전이를 할 때 주로 주위의 폴리우레탄 피막과의 열 교환 반응이 우세하게 되며 폴리우레탄의 상대적으로 빠른 열 전도성 때문에 외부로의 열 손실이 많다.

그러나 미세다공형 피막에 분산된 상전이 마이크로캡슐은 상대적으로 코팅 피막의 기공 내에 존재하는 공기층과 인접하고 있기 때문에 상전이 할 때 공기층과의 열 교환 반응을 주로 하게 된다. 따라서 폴리우레탄에 비해 열 전도성이 낮은 공기층은 보유한 열을 장시간 유지하게 되어 상전이 마이크로캡슐의 열 조절 기능을 극대화할 수 있는 요인이 된다.

첨가된 마이크로캡슐내의 상전이 물질은 10∼40℃ 사이에서 고체에서 액체로, 액체에서 고체로 상전이를 일으키는 물질이며, 이의 열 교환 반응으로 의복내의 체온 부근으로 일정하게 유지시키는 기능을 하게 된다.

상세히 설명하면 만약 상전이 물질의 상전이 온도가 30℃라고 하고, 의복내의 온도는 약 27℃이라고 하면, 마이크로캡슐내의 상전이 물질은 고체상태를 유지하게 된다. 신체가 격렬한 운동을 하거나 외부환경의 온도가 올라가서 의복내의 온도가 30℃를 넘어서게 되면, 인체는 더위를 느끼게 된다.

이때 상전이 물질은 고체에서 액체상태로 상변화 하면서 주위의 열을 흡수하게 되고 이에 따라 의복 내의 온도를 낮춰주는 효과를 발휘하게 된다. 신체가 운동을 멈추거나 외부의 온도가 내려가면 의복 내의 온도가 30℃ 이하로 떨어지게 되며, 이때 신체는 추위를 느끼게 된다. 그러면 액체상태의 상전이 물질이 고체상태로 상변화하면서 그 잠열만큼 열을 방출하게 되어 의복 내의 온도를 상승 또는 유지시키는 효과를 발휘한다.

본 발명에 사용된 상전이 물질은 상변화를 할 때 용융엔탈피의 변화(△H)가 30∼300J/g의 범위에 있는 것을 사용하는 것이 바람직 하며, 이것을 코팅 피막 내에 1g/yd에서 200g/yd 수준으로 첨가시킨 경우, 주위의 온도가 30℃에서 0℃로 변화되었을 때 상전이 마이크로캡슐이 첨가되지 않은 원단에 비하여 의복 내 온도를 0.5℃∼3.5℃정도 높은 상태로 5분∼2시간 정도 유지시켜주는 효과를 발현하게 된다.

본 발명 투습방수원단의 투습방수 기능성은 내수성 1000∼5000mmH₂O(ISO 811법)수준이며, 투습도는 3000∼10000g/㎡·24시간(ASTM E 96, CaCl₂법)수준이다.

이상과 같이 본 발명에 의하여 제조된 투습방수원단은 우수한 방수성능, 투습성능을 보유하면서 의복 내 온도의 변화를 완화시켜서 쾌적한 착용감을 발현할 수 있다.

본 발명에 있어서, 투습방수원단의 각종물성은 아래 방법으로 평가하였다.

·내수압

ISO 811 방법으로 측정한다.

·투습도

ASTM E 96(CaCl₂법)으로 측정한다.

·접착력

ASTM A751 방법으로 측정한다.

·의복내 온도

가로 15cm×세로 15cm인 시험편을 도1과 같이 항상 36.5℃를 유지하는 전열기(3) 위에 높이가 3cm인 사각형 격자(2) 중 사이에 두고 코팅면이 아래를 향하도록 장치한다. 이것을 외부온도 30℃에서 1시간 방치한 후 신속히 온도가 0℃인 쳄버 안에 넣고 5분간 방치 후 원단과 전열기 사이 공간의 온도를 측정하여 이를 의복 내 온도로 평가하였다.

·의복내 온도 지속시간

상전이 마이크로캡슐을 함유하는 시험편(A)과 상전이 마이크로캡슐을 함유하지 않은 시험편(B) 각각을 상기 의복 내 온도를 측정하는 방법과 같이 처리한 후 온도가 0℃인 쳄버 내에 넣었을 때 2개 시험편의 온도가 동일하게 될 때까지 소요시간을 의복 내 온도 지속시간으로 평가하였다.

이하, 실시예 및 비교실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 하기실시예에만 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

상전이 온도가 28.2℃인 상변화 물질(옥타데칸)을 함유하는 조성2의 습식 코팅용 폴리우레탄 조성물을 나일론 원단 상에 나이프 오버 롤 방식으로 150g/m²코팅한 후 물 속에서 2분간 응고시키고, 150℃에서 2분간 건조시켜 투습방수원단을 제조하였다.

-- 조 성 2 --

습식코팅용 폴리우레탄수지 : 100중량부

디메틸포름아마이드 : 40 중량부

기공크기 조절 조제(실리콘수지) : 7중량부

상전이 마이크로캡슐 : 30중량부

제조한 투습방수원단의 각종물성을 평가한 결과는 표1과 같다.

실시예 2

상전이 마이크로캡슐의 함량을 100 중량부로 변경한 것을 제외하고는 실시예1과 동일한 조건 및 공정으로 투습방수원단을 제조하였다. 제조한 투습방수원단의 각종물성을 평가한 결과는 표1과 같다.

실시예 3

상변화 온도가 22℃인 상변화물질로 제조된 상전이 마이크로캡슐을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건 및 공정으로 투습방수원단을 제조하였다. 제조한 투습방수원단의 각종물성을 평가한 결과는 표1과 같다.

비교실시예 1

습식코팅용 폴리우레탄 조성물 내에 상전이 마이크로캡슐을 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건 및 공정으로 투습방수원단을 제조하였다. 제조한 투습방수원단의 각종물성을 평가한 결과는 표1과 같다.

<표1> 투습방수원단 물성평가

구분	내수압(mmH₂O)	투습도(g/m²24hrs)	접착력(g/cm)	의복내 온도(℃)	지속시간(분)
실시예 1	3,000	4,500	500	28	20
실시예 2	2,000	5,000	500	29	45
실시예 3	3,000	4,400	400	29	30
비교실시예 1	3,000	4,500	450	26.5	0

발명은 우수한 방수성과 투습성과 동시에 의복 내 온도를 적절한 상태로 유지시키는 기능을 갖고 있다. 그 결과 본 발명의 투습방수원단은 의복제조시 양호한 쾌적감을 발현한다.

Claims

폴리우레탄수지, 유기용매 및 기공 크기 조절제들을 포함하는 폴리우레탄 수지 조성물을 원단 상에 코팅한 후 물 속에서 응고하여 투습방수원단을 제조함에 있어서, 상기 폴리우레탄수지 조성물에 상전이 마이크로캡슐을 첨가하는 것을 특징으로 하는 체온조절 기능이 우수한 투습방수원단의 제조방법.
1항에 있어서, 상전이 마이크로캡슐이 상변이 온도가 10∼40℃인 상변화 물질을 멜라민 가교체, 폴리우레아계 가교체 또는 폴리메틸메타크릴레이트 가교체로 캡슐화한 것임을 특징으로 하는 체온조절 기능이 우수한 투습방수원단의 제조방법.
1항에 있어서, 상전이 마이크로캡슐의 직경이 1.0∼100㎛인 것을 특징으로 하는 체온조절 기능이 우수한 투습방수원단의 제조방법.
1항에 있어서, 폴리우레탄 수지 조성물의 코팅 두께가 10∼100㎛인 것을 특징으로 하는 체온조절 기능이 우수한 투습방수원단의 제조방법.
1항에 있어서, 상전이 온도 주위에서 시차주사열량계(DSC)로 측정시, 상전이 마이크로캡슐의 용융엔탈피의 변화(△H)가 30∼300J/g인 것을 특징으로 하는 체온조절 기능이 우수한 투습방수원단의 제조방법.
원단상에 폴리우레탄 수지의 미세기공형 코팅층이 형성되어 있는 투습방수원단에 있어서, 상기 코팅층내에 상전이 마이크로캡슐이 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 체온조절 기능이 우수한 투습방수원단.
6항에 있어서, 코팅층 1야드(Yd)당 1∼200g의 상전이 마이크로캡슐이 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 체온조절 기능이 우수한 투습방수원단.
6항에 있어서, 내수압이 1,000∼5,000mmH₂O이고, 투습도가 3,000∼ 10,000g/㎡·24시간인 것을 특징으로 하는 체온조절 기능이 우수한 투습방수원단.
6항에 있어서, 코팅층의 두께가 10∼100㎛인 것을 특징으로 하는 체온조절 기능이 우수한 투습방수원단.
6항에 있어서, 코팅층이 원단쪽 하단에는 1∼5㎛의 극 미세기공이 형성되어 있고 원단 반대쪽 상단에는 10∼100㎛의 큰 미세기공이 형성된 2층 구조인 것을 특징으로 하는 체온조절 기능이 우수한 투습방수원단.
6항에 있어서, 외부 온도가 30℃에서 0℃로 변화할 때 상전이 마이크로캡슐을 함유하지 않는 투습방수원단의 온도보다 0.5∼3.5℃ 높은 원단내 온도를 5분∼2시간동안 유지하는 것을 특징으로 하는 체온조절 기능이 우수한 투습방수원단.