KR20070026949A - 카본나노튜브를 함유하는 합성섬유 - Google Patents

Abstract

본 발명은 카본나노튜브를 함유하는 합성섬유에 관한 것으로 보다 상세하게는 본 발명의 섬유는 섬유의 내부에 카본나노튜브를 넣어줌으로서 도전성 및 열전도 특성이 우수한 섬유이다. 또한 나노크기의 직경과 마이크론 단위의 길이를 갖는 카본나노튜브를 섬유에 넣어주었기 때문에 강도가 높으면서도 섬유의 생산성이 우수한 기능성 합성섬유이다.

카본나노튜브, 합성섬유, 기능성 섬유, 도전성, 열전도

Description

카본나노튜브를 함유하는 합성섬유{Synthetic Fiber containing Carbon Nanotube}

도 1. 카본나노튜브의 구조

도 2. 카본나노튜브의 전자현미경사진

기능성섬유라 하면 다양한 종류가 많이 있는데 그 중에서도 무기입자를 함유하는 기능성섬유로는 항균기능섬유, 원적외선 및 탈취기능섬유, 대전방지기능섬유, 자기적특성을 갖는 섬유, 마찰력이 낮은 기능을 갖는 섬유, 흡수성이 우수한 특성을 갖는 섬유 등등이 있다.

제올라이트계, 인산칼슘계, 인산지르코늄계, 실리카계, 이산화티탄계 등의 무기항균제 또는 나노실버를 사용하는 항균기능섬유의 예로서 한국특허 공개번호 10-2002-0061711, 한국특허 공개번호 10-2002-0061715 등이 있으며, 맥반석, 운모, 황토, 일라이트, 카오린, 숯, 바이오세라믹, 옥, 토르마린 등을 사용하는 원적외선 및 탈취기능섬유의 예로는 , 한국특허 공개번호 10-1998-0012950, 한국특허 공개번호 10-2000-0014163, 한국특허 공개번호 10-1999-0036768, 한국특허 공개번호 10- 1998-0005799, 한국특허 공개번호 10-2000-0013928, 한국특허 공개번호 10-2000-0025282, 한국특허 공개번호 10-2001-1084170, 한국특허 공개번호 10-2002-006171, 한국특허 공개번호 10-1997-0012986, 한국특허 공개번호 10-1998-0012949, 한국특허 공개번호 10-2004-0023334 등이 있다.

전도성물질을 사용하는 대전방지기능섬유의 예로는 한국특허 공개번호 10-1996-0031697 이 있으며, 자성체등을 사용하는 자기적특성을 갖는 섬유의 예로는 한국특허 공개번호 10-1997-0034465, 한국특허 공개번호 10-1999-0046741, 한국특허 공개번호 10-1999-0049583 등이 있다.

이밖에도 정전기방지나 전자파차폐를 위한 여러 가지 재질들이 사용되고 있는데 아직까지는 도전성카본이 주로 사용되고 있으며 페라이트분말을 혼합하여 사용하기도 한다.

그러나 이들은 기본적으로 도전성카본과 같은 도전성물질의 함량이 많이 들어가야만 요구되는 특성을 만족할 수 있는데, 섬유제품의 품질면에서 보면 도전성카본 등의 함량이 많아지면 많아질수록 섬유의 물성이 낮아지고 섬유의 생산성도 낮아지기 때문에 무작정 많이 넣어 줄 수가 없다. 따라서 도전성이 우수한 합성섬유를 만드는 것은 매우 어려운 일이었다. 더구나, 굵기가 굵은 섬유원사에는 도전성물질의 함량을 어느 정도 높게 첨가할 수 있으나 일반적으로 많이 사용되고 있는 의류용 섬유와 같이 가느다란 섬유에는 매우 적은 양밖에는 첨가할 수 없었기 때문에 도전성이 우수하고 섬유물성도 우수한 섬유원사를 생산하기가 어려웠다.

본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해소하고 우수한 도전성 및 열전도특성을 갖는 섬유원사를 제조할 수 있는 방법을 제시하고자 하였으며 구체적으로는 [도 1]과 같은 구조를 갖고 있어서 도전성 및 열전도특성이 타물질에 비해 월등히 우수한 카본나노튜브를 사용하여 도전성 및 열전도특성이 우수한 기능성섬유를 제조하고자하였다. 카본나노튜브의 사용량을 기존의 도전성물질에 비하여 소량만 사용하여도 우수한 도전성 및 열전도특성을 갖기 때문에, 섬유원사의 방사공정에서도 이 물질의 함유로 인한 막힘이나 사절 등과 같은 문제점이 발생하지 않을 뿐 아니라 방적 및 제직 등의 후공정에서도 장치마모나 물성저하 등의 문제를 거의 일으키지 않아 상업적 대량생산을 하는데 문제가 없도록 하고자하였다.

이와 함께 카본나노튜브는 [도2]에서도 알 수 있는 바와 같이 가늘고 긴 섬유상의 것들이 서로 심하게 엉키어 있는 형상으로서, 이것을 그대로 섬유제조공정에 투입할 경우에는 비록 적은 양을 첨가할지라도 엉키어 있는 응집상태가 절대로 풀어지지 않기 때문에 필터 등이 막혀서 작업이 중단되거나, 섬유의 사절이 많이 발생하는 등, 정상적인 섬유방사작업을 할 수 없게된다. 이 같은 문제는 섬유방사공정과 같은 대단위 장치공정에 있어서는 치명적인 것으로 섬유방사자체를 불가능하게 할 수 있는 것이다.

본 발명에서 사용한 카본나노튜브는 속이 비어있는 중공섬유의 형상으로 이루어져 있다.

카본나노튜브의 직경은 수 나노미터에서부터 수백 나노미터까지의 크기이며 길이는 수 마이크로미터에서 수백 마이크로미터까지의 것을 얻을 수 있는데, 대개의 시판중인 제품은 직경 약 5 나노미터에서부터 50 나노미터, 길이는 5 마이크로미터에서 50 마이크로미터까지의 것이 일반적이다.

이들은 제조과정에서 심하게 엉키어 있는 응집상태로 되어있어서 그대로 이용할 수 없다. 따라서 사용하기에 적합한 상태로 분산시키거나 때로는 적당한 크기로 절단하여 사용해야만 한다.

고무나 플라스틱에 필러로 사용하거나 필름이나 코팅액의 첨가제 등으로 사용될 경우에도 문제가 되는 것은 물론이지만, 특히 카본나노튜브를 첨가한 섬유원사를 제조할 경우에는 이 같은 문제가 매우 심각한 것으로서 제품의 불량뿐 아니라 공정의 중단에까지 이르는 심각한 문제를 발생시키게 된다.

본 발명에서는 카본나노튜브를 분쇄 및 분산시키기 위해 비드를 사용하는 밀(아트리션밀, 다이노밀, 볼밀 등등)을 이용하였으며 분산매와 분쇄매체의 종류와 크기를 다양하게 사용하여 원하는 크기로 조절하여 사용할 수 있다.

그러나 카본나노튜브를 분쇄하게되면 제품의 불량이나 생산공정 등의 문제는 해결 할 수 있는 반면에, 전기전도와 열전도 같은 고유의 특성이 저하되게 됨으로 양자를 적절히 조화시키는 기술이 필요하다. 예로서 크기가 큰 비드를 사용하고 분쇄시간을 오래하여 탄소나노튜브의 크기를 조절하려하는 경우에는 작은 입자가 너무 많이 만들어져서 탄소나노튜브의 고유한 특성이 많이 저하하게된다.

섬유원사제조공정을 선택할 경우에도 고려할 사항들이 있는데, 폴리에스테르 섬유를 예로 들면 탄소나노튜브를 마스터배치상태로 투입하여 섬유원사를 제조하는 것에 비하여 에틸렌글리콜 중에서 분쇄 및 분산시켜 직접 폴리에스테르 중합공정에 투입하는 것이 최종적으로 탄소나노튜브가 섬유내부에서 잘 분산되어 있게 된다.

마스터배치상태로 투입하는 경우에는 마스터배치를 제조할 때, 탄소나노튜브의 분산이 잘되도록 하여야한다. 즉 탄소나노튜브와 폴리에스테르의 혼합이 잘되도록 폴리에스테르 수지는 칩 상태로 사용하는 것보다 파우더 형태의 것을 사용하는 것이 좋으며 혼합시간을 충분히 하는 것이 바람직하다.

이하 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 실시예의 범주에만 국한되는 것이 아님을 알려두고자 하며, 예를 들어 폴리에스테르 섬유를 중심으로 설명하였지만 폴리에스테르 섬유뿐 아니고 섬유로 생산이 가능한 나일론, 아크릴, 폴리프로필렌, 폴리우레탄 및 그 밖의 일반적으로 섬유로서 만들 수 있는 모든 수지에도 적용될 수 있는 것이다.

[실시 예 1]

탄소나노튜브( 한국 CNT사 제품, multiwall carbon nanotube, diameter ＜ 40nm, length ＜ 20㎛ )를 분쇄 및 분산시키기 위해 수평식 비드밀을 이용하였다. 탄소나노튜브는 에틸알콜을 분산매로 하여 슬러리상태로 만들었으며 10 % 농도가 되도록 하였다. 작업방법은 슬러리를 완전히 비드밀을 통과시키는 패스(pass)식으로 하였다. 분산매체로는 1mm 글라스비드를 사용하였다.

결과는 다음과 같으며 탄소나노튜브의 길이는 전자현미경으로 확인하였다. 3 pass를 통과시키면 분산상태가 양호한 탄소나노튜브 슬러리를 얻을 수 있었으며 섬유원사를 생산할 수 있는 상태로 되었다.

[실시 예 2]

실시 예 1에서 얻은 test 4 번의 탄소나노튜브 슬러리를 건조하여 파우더로 만들고 폴리에스테르 수지파우더와 함께 통상의 마스터배치 제조공정에 투입하여 탄소나노튜브가 10 중량% 함유된 폴리에스테르 마스터배치 칩을 만들었다. 이 마스터배치 칩을 다시 폴리에스테르 수지와 혼합하여 통상의 합성섬유방사공정에 투입하고 방사하여 탄소나노튜브를 1.0 중량% 함유한, 1.3 데니어 굵기, 38mm 길이의 폴리에스테르 스테이플 섬유원사를 제조하였다.

[실시 예 3]

실시예 1에서 얻은 test 5 번의 탄소나노튜브 슬러리를 에틸렌글리콜에 넣어 가열 증류하여 에틸알콜을 제거하고 10 중량 %의 탄소나노튜브가 함유된 에틸렌글리콜 슬러리를 제조하였다.

통상의 폴리에스테르 수지 제조공정에 투입하여 탄소나노튜브가 1% 함유된 폴리에스테르 칩을 제조하였다. 이 칩을 다시 용융방사하여 탄소나노튜브가 1% 함 유된 100d/48f 폴리에스테르 필라멘트사를 제조하였다.

[실시 예 4]

실시예 1에서 얻은 탄소나노튜브 슬러리에 나노실버(평균입자크기 10nm) 콜로이드를 첨가하고 나머지는 실시예 2와 동일한 과정을 거쳐 탄소나노튜브가 1.0 중량%, 나노실버의 함량이 100 ppm 인, 1.3 데니어 굵기, 38mm 길이의 폴리에스테르 스테이플 섬유원사를 제조하였다.

본 발명을 통하여 제조하는 탄소나노튜브를 함유하는 합성섬유는 전기전도성 및 열전도성이 우수하고 일반섬유와 같은 수준의 강도를 갖고 있어서 도전성을 필요로 하는 기능성 섬유제품의 단점인 섬유로서의 물성을 개선할 수 있으므로 도전성 기능성 섬유의 응용제품개발의 폭을 획기적으로 확대시키는데 이바지할 것으로 판단된다.

Claims (7)

1. 합성섬유원사의 생산 단계에서 탄소나노튜브를 전체 섬유중량대비 0.01% ∼ 10% 첨가하여 제조하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 함유하는 합성섬유원사 및 그 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서 합성섬유는 폴리에스터, 나일론, 폴리프로필렌, 우레탄, 폴리비닐클로라이드, 아크릴, 레이온 등의 통상의 합성섬유인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 함유하는 합성섬유원사 및 그 제조방법.
3. 탄소나노튜브를 섬유직물에 코팅하여 제조하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 함유하는 합성섬유직물 및 그 제조방법.
4. 청구항 1내지 3에 있어서 탄소나노튜브의 최대길이가 7 마이크로미터 이하의 것, 더욱 바람직하기로는 5 마이크로미터 이하의 것, 더더욱 바람직하기로는 3 마이크로미터 이하의 입자를 사용하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 함유하는 합성섬유원사 및 그 제조방법.
5. 청구항 1에 있어서 탄소나노튜브의 표면에 항균기능 또는 자기적특성 등을 갖는 기능성 물질을 코팅하여 사용하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 함유하 는 합성섬유원사 및 그 제조방법.
6. 청구항 1 에 있어서 섬유의 단면이 클로바형상 등의 이형단면 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 함유하는 합성섬유원사 및 그 제조방법.
7. 청구항 1에 있어서 섬유가 해도사 등의 극세사인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 함유하는 합성섬유원사 및 그 제조방법.

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