KR20090075870A - 내수성 및 수증기 투과성 의복 - Google Patents

내수성 및 수증기 투과성 의복 Download PDF

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조세프 로버트 국커트
로버트 앤토니 마린
조지 브루스 팔머
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이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니
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Abstract

본 발명은 내수성을 유지하면서 높은 MVTR의 영역을 갖는 내수성 의복에 관한 것이다. 의복은 천 층과 대면하는 관계로 접착된 나노섬유 층을 갖는다. 선택적으로, 제2 천 층이 나노섬유 층과 대면하는 관계로 인접하게 접착되며, 제1 천 층에 대해 나노섬유 층의 반대편 면 상에 있다. 의복은 약 7.6 ㎥/㎡/분 이하의 프래지어 공기 투과도, 약 500 g/㎡/일 초과의 ASTM E-96B 방법에 따른 MVTR, 및 적어도 약 50 ㎝ 물의 수두를 갖는다.
의복, 내수성, 나노섬유, 공기 투과도, 수증기 투과율(MVTR)

Description

내수성 및 수증기 투과성 의복{LIQUID WATER RESISTANT AND WATER VAPOR PERMEABLE GARMENTS}
본 발명은 제어된 수증기 및 물 관리 능력을 갖는 의복에 관한 것이다. 청구되고 개시된 본 발명은 특히 겉옷에 적용된다.
비 및 기타 습윤 상황에서 착용하기 위한 보호용 의복은 의복 내로의 물의 누입을 방지하고 땀이 착용자로부터 대기로 증발되게 함으로써 착용자를 건조한 상태로 유지하여야 한다. 땀의 증발을 허용하는 "통기성" 재료는 비에 함빡 젖기 쉬워서, 이들은 진정한 방수성이 아니다. 방수포(oilskin), 폴리우레탄 코팅 천, 폴리비닐 클로라이드 필름 및 기타 재료가 방수성이기는 하지만 땀을 만족스럽게 증발시키지 못한다.
실리콘, 플루오로카본 및 기타 발수 가공제(water repellant)로 처리된 천은 대개 땀의 증발을 허용하지만 단지 한계적으로 방수성이어서, 이들은 물이 매우 낮은 압력 하에서 누입되게 하고 대개 마찰되거나 기계적으로 휘어질 때 자발적으로 누입되게 한다. 비옷(rain garment)은 내리는 그리고 바람에 날리는 비의 충돌 압력 및 의복의 접힘부와 주름에서 발생되는 압력을 견뎌야 한다.
의복은 쾌적해지도록 "통기성"이어야 한다는 것이 널리 인식된다. 의복의 쾌적성의 수준에 기여하는 2가지 인자는 내의가 습윤해지지 않도록 하고 따라서 자연 증발에 의한 냉각 효과가 달성될 수 있도록, 내측으로부터 외측으로 투과되는 땀의 양뿐만 아니라 의복을 통과하거나 통과하지 못하는 공기의 양을 포함한다. 그러나, 미공성 필름을 사용하는 통기성 천 용품에서의 최근의 발전조차도 공기 투과도(air permeability)가 제어되어야 하는 경우 수증기 투과(moisture vapor transmission)를 제한하는 경향이 있다.
현재 이용가능한 많은 방수 구조체는 소수성 코팅의 사용을 이용하는 다층 천 구조체를 포함한다. 이러한 천 구조체는 전형적으로 직조 천 층, 나노웨브(nanoweb) 유형의 미공성 층, 및 기타 직조 또는 편직 층으로 제조된다. 미공성 층은 목표하는 응용에 필요한 적절한 공기 투과도 및 수증기 투과율(moisture vapor transmission rate, MVTR)을 제공하는 구조를 갖는 기능성 층이다. 그러한 구조체의 예로는 미국 특허 제5,217,782호, 제4,535,008호, 제4,560,611호, 및 제5,204,156호를 참조한다.
소수성 코팅이 천 구조체에 적용되는 경우, 시장에서 현재 이용가능한 기술은 그 응용에 대해 과도설계된다(overdesigned). 보다 낮은 비용과 보다 높은 생산성에서 허용가능한 수준의 내수성(liquid water resistance) 및 높은 수증기 투과를 제공하는 천이 요구된다.
쾌적해져야 하는 의복에 대해, 이는 체온 조절을 위한 신체의 생리적 요구를 수용하여야 한다는 것이 알려져 있다. 고온 환경에서, 열 에너지는 신체로부터 방출되어야 한다. 이는 피부 표면에서의 천과 공기 층을 통한 신체 외부로의 열의 직접 열전도, 유동하는 공기에 의한 신체 외부로의 열대류의 조합에 의해, 그리고 피부 표면으로부터의 땀의 증발에 따른 냉각 효과에 의해 주로 이루어진다. 열전달을 상당하게 억제하는 의복은 열과 습기가 축적되게 할 수 있으며, 이는 덥고, 끈끈하고, 축축하고 그리고/또는 땀에 젖은 느낌으로 인해 불쾌함을 초래할 수 있다. 극단적인 경우, 예컨대 보호용 의복이 고온 다습한 환경에서의 활동 중에 적절한 체온 조절을 방해하는 경우, 그러한 의복의 제한은 불쾌함으로 이어질 뿐만 아니라, 생명을 위협하는 열 스트레스(heat stress)를 초래할 수 있다. 이러한 이유로 인해, 흔히 의복의 제한은 열 스트레스로 인한 결과를 회피하기 위해 활동성에 제약을 가하게 된다.
고온 다습한 환경에서의 물리적 활동성에 최소한의 제약을 가하면서 가장 쾌적한 의복은 환경과의 공기 교환 메커니즘을 통해 최대로 통기될 수 있는 의복이라는 것으로 연구를 통해 나타났다. (문헌[Bernard, T. E., N. W. Gonzales, N. L. Carroll, M. A. Bryner and J. P. Zeigler. "Sustained work rate for five clothing ensembles and the relationship to air permeability and moisture vapor transmission rate." American Industrial Hygiene Conference, Toronto, June 1999]; 및 문헌[N. W. Gonzales, "Maximum Sustainable Work for Five Protective Clothing Ensembles and the Effects of Moisture Vapor Transmission Rates and Air Permeability" Master's Thesis, College of Public Health, University of South Florida, December 1998] 참조.)
물리적 활동은 천과 의복을 휘게 한다. 천이 공기 유동에 대해 충분히 낮은 저항성을 갖는 경우, 이러한 휨은 천을 통해 공기를 앞뒤로 밀고 당기는 펌핑 작용(pumping action)을 생성한다. 이러한 메커니즘에 의해, 의복 내의 고온 습기를 함유한 공기의 주위 공기와의 교환이 상당한 냉각 효과를 제공한다. 동일한 형(cut)으로 제조되지만 고온 다습 조건(32℃, 60% RH) 하에서 크게 상이한 공기 유동 저항성을 갖는 보호용 의복에 대한 시험을 통해, 최소의 공기 유동 저항성을 갖는 천으로 제조된 의복은 열 스트레스를 야기하지 않고서 대상이 더 높은 수준의 활동성을 반복적으로 달성하게 하는 것으로 나타났다. 반대로, 최대의 공기 유동 저항성을 갖는 천으로 제조된 의복은 열 스트레스를 회피하기 위해 동일한 대상의 물리적 활동성을 가장 낮은 수준으로 제한하였다. 중간의 공기 유동 저항성을 갖는 천으로 제조된 의복은 열 스트레스를 야기하지 않고서 대상이 중간 수준의 활동성을 달성하게 하였다. 중간 수준의 활동성은 천의 공기 유동 저항성과 매우 적절하게 상관되었다.
명확하게, 신체가 쾌적성을 유지하거나 열 스트레스를 회피하도록 열 및 습기를 전달하여야 하는 조건 하에서, 의복은 낮은 공기 유동 저항성을 갖는 천으로 제조되는 것이 바람직하다.
의복은 환경의 위험으로부터 보호를 제공한다. 의복이 부여하는 보호의 정도는 의복의 차단 특성의 유효성에 의존한다. 차단 기능이 환경 미립자 또는 유체가 의복에 침투하여 착용자에 도달하는 것을 방지하는 것인 경우, 이러한 차단은 천 기공 크기와 쉽게 상관된다. 가장 효과적인 차단재는 일반적으로 가장 작은 기공 크기를 갖는다.
불행하게도, 더 작은 기공 크기는 또한 일반적으로 더 높은 공기 유동 저항성을 형성한다. 상기 언급된 연구에서, 가장 높은 차단 특성을 갖는 의복은 가장 낮은 공기 유동 투과도를 가졌으며, 반대의 경우도 마찬가지였다. 따라서, 동일한 의복에서, 의복의 효과적인 차단 보호를 제공하는 능력 및 낮은 공기 유동 저항성, 즉 높은 공기 유동 투과도를 제공하는 능력은 반비례 관계이다.
미공성 필름은 극히 높은 정수두(hydrostatic head) 액체 차단 특성을 달성하도록 차단 재료에 사용되었지만, 통기성을 희생하였으며, 따라서 이들의 공기 투과도가 허용할 수 없을 정도로 낮아져서 그러한 필름을 포함하는 천을 착용자에게는 불편하게 하였다.
본 발명은 높은 증기 투과율의 존재 하에서 제어된 내수성(liquid water resistance)을 제공하는 의복용의 층상(layered) 재료에 관한 것이다.
발명의 개요
제1 실시 형태에서, 본 발명은 착용자를 물로부터 보호하면서 수증기를 통과시키는 능력을 가지며 나노섬유(nanofiber) 층과 대면하는(face-to-face) 관계로 인접한 제1 외부 천 층의 복합 천을 포함하는 방수 통기성 의복에 관한 것으로서, 상기 나노섬유 층은 약 50 ㎚ 내지 약 1000 ㎚의 수평균 직경, 및 약 1 g/㎡ 내지 약 100 g/㎡의 평량을 갖는 중합체 나노섬유들의 적어도 하나의 다공성 층을 포함하며, 상기 복합 천은 약 1.2 ㎥/㎡/분 내지 약 7.6 ㎥/㎡/분의 프래지어 공기 투과도(Frazier air permeability), 약 500 g/㎡/일(day) 초과의 MVTR, 및 적어도 약 50 ㎝ 물의 정수두(hydrostatic head)를 갖는다.
"나노섬유 층" 및 "나노웨브"라는 용어들은 본 명세서에서 교환가능하게 사용되며, 나노섬유들의 부직 웨브를 지칭한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 "나노섬유"라는 용어는 약 1000 ㎚ 미만, 심지어 약 800 ㎚ 미만, 심지어 약 50 ㎚ 내지 500 ㎚, 심지어 약 100 내지 400 ㎚의 수평균 직경 또는 단면을 갖는 섬유를 지칭한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같은 직경이라는 용어는 비원형 형상의 최대 단면을 포함한다.
"부직물"이라는 용어는 다수의 무작위로 분포된 섬유들을 포함하는 웨브를 의미한다. 섬유들은 일반적으로 서로 접착되거나 접착되지 않을 수 있다. 섬유는 스테이플(staple) 섬유 또는 연속 섬유일 수 있다. 섬유는 단일 재료, 또는 상이한 섬유들의 조합으로서 또는 각각 상이한 재료들로 구성된 유사한 섬유들의 조합으로서 다수의 재료를 포함할 수 있다.
"멜트블로운 섬유"(meltblown fiber)는 용융된 열가소성 재료의 필라멘트를 가늘게 하여 섬유를 형성하도록 수렴하는, 통상 고온 및 고속의 기체, 예컨대 공기의 스트림 내로, 용융된 열가소성 재료를 복수의 미세한, 통상 원형인 다이(die) 모세관을 통해 용융된 실 또는 필라멘트로서 압출함으로써 형성되는 섬유이다. 멜트블로잉 공정(meltblowing) 동안, 용융된 필라멘트의 직경은 드로잉 공기(drawing air)에 의해 원하는 크기로 감소된다. 그 후, 멜트블로운 섬유는 고속 기체 스트림에 의해 운반되며, 수집 표면 상에 침착되어 무작위로 분배된 멜트블로운 섬유들의 웨브를 형성한다. 그러한 공정이, 예를 들어 번틴(Buntin) 등에게 허여된 미국 특허 제3,849,241호, 라우(Lau)에게 허여된 제4,526,733호, 및 닷지 2세(Dodge, II) 등에게 허여된 제5,160,746호에 개시되어 있으며, 이들 특허 모두는 이로써 본 명세서에 참고로 포함된다. 멜트블로운 섬유는 연속이거나 불연속일 수 있다.
"캘린더링"(calendering)은 2개의 롤들 사이의 닙(nip)을 통해 웨브를 통과시키는 공정이다. 롤들은 서로 접촉할 수 있거나, 롤 표면들 사이에 고정 또는 가변 갭(gap)이 존재할 수 있다. 유리하게는, 닙은 소프트 롤과 하드 롤 사이에 형성된다. "소프트 롤"은 2개의 롤을 함께 캘린더로 유지하기 위해 가해진 압력 하에서 변형되는 롤이다. "하드 롤"은 공정 또는 제품에 상당한 영향을 미치는 변형이 공정의 압력 하에서 발생하지 않는 표면을 갖는 롤이다. "비패터닝"(unpatterned) 롤은 그를 제조하기 위해 사용되는 공정의 능력 내에서 매끄러운 표면을 가진 롤이다. 점 접착 롤과 달리, 웨브가 닙을 통과함에 따라 의도적으로 웨브 상에 패턴을 생성하는 점 또는 패턴이 존재하지 않는다.
"의복"이라는 것은 사용자의 신체의 일정 영역을 기후 또는 신체 외측 환경의 기타 인자로부터 보호하기 위해 사용자에 의해 착용되는 임의의 물품을 의미한다. 예를 들면, 코트, 재킷, 모자, 장갑, 신발, 양말, 및 셔츠 모두가 이러한 정의 하에서의 의복으로 고려될 것이다.
일 실시 형태에서, 본 발명은 물의 침투를 제어하면서 높은 MVTR을 유지하는 능력을 갖는 방수 의복에 관한 것이다. 의복은, 차례로 약 1 g/㎡ 내지 약 100 g/㎡의 평량을 갖는 중합체 나노섬유들의 적어도 하나의 다공성 층을 포함하는 나노섬유 층을 포함한다.
본 발명은 나노섬유 층과 대면하는 관계로 인접한 제1 천 층, 및 선택적으로 나노섬유 층과 대면하는 관계로 인접하고 제1 천 층에 대해 나노섬유 층의 반대편 면 상에 있는 제2 천 층의 복합체를 포함하는 의복을 추가로 포함한다.
본 발명의 의복은 또한 약 7.6 ㎥/㎡/분 이하의 프래지어 공기 투과도, 약 500 g/㎡/일 초과의 ASTM E-96B 방법에 따른 MVTR, 및 적어도 약 50 센티미터 수주(water column) (cmwc)의 정수두를 갖는다.
부직 웨브는 전기 방사(electrospinning), 예컨대 전통적인 전기 방사 또는 일렉트로블로잉(electroblowing)에 의해, 그리고 소정 환경에서는 멜트블로잉 공정에 의해 생성되는 나노섬유를 주로 또는 나노섬유만을 포함할 수 있다. 전통적인 전기 방사는, 나노섬유 및 부직 매트(mat)를 생성하기 위해 고전압이 용액 내의 중합체에 인가되는, 전체적으로 본 명세서에 포함된 미국 특허 제4,127,706호에 예시된 기술이다. 부직 웨브는 또한 멜트블로운 섬유를 포함할 수 있다.
나노웨브를 생성하는 "일렉트로블로잉" 공정이 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된 국제 출원 공개 WO 03/080905호에 개시되어 있다. 중합체 및 용매를 포함하는 중합체 용액의 스트림이 저장 탱크로부터, 고전압이 인가되고 중합체 용액이 방출되는 방사구(spinneret) 내의 일련의 방사 노즐로 공급된다. 한편, 선택적으로 가열된 압축 공기가 방사 노즐의 측면 또는 주연부에 배치된 공기 노즐로부터 방출된다. 공기는, 새로 방출된 중합체 용액을 둘러싸서 전진시키고 진공 챔버 위의 접지된 다공성 수집 벨트 상에 수집되는 섬유질 웨브의 형성을 돕는 블로잉 기체 스트림(blowing gas stream)으로서 대체로 하향으로 지향된다. 일렉트로블로잉 공정은 약 1 gsm을 초과하는, 심지어 약 40 gsm 이상만큼 높은 평량의 나노웨브의 상업적 크기 및 수량의 형성을 비교적 단기간에 가능하게 한다.
본 발명의 천 층은 수집기 상에 배열되어 방사된 나노웨브가 천 상에 수집 및 조합될 수 있어서, 복합체가 본 발명의 천으로서 사용된다.
본 발명의 나노웨브를 형성하는 데 사용될 수 있는 중합체 재료는 특정하게 제한되지 않으며, 부가 중합체 및 축합 중합체 재료 둘 모두, 예컨대 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리올레핀, 셀룰로오스 에테르 및 에스테르, 폴리알킬렌 설파이드, 폴리아릴렌 옥사이드, 폴리설폰, 개질된 폴리설폰 중합체, 및 이들의 혼합물을 포함한다. 이들 포괄 부류에 속하는 바람직한 재료는 가교결합 및 비-가교결합 형태의 다양한 가수분해도(87% 내지 99.5%)의 폴리비닐알코올, 폴리(비닐리덴 클로라이드), 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 그리고 폴리(비닐클로라이드), 폴리메틸메타크릴레이트(및 다른 아크릴 수지), 폴리스티렌, 및 (ABA형 블록 공중합체를 포함하는) 이들의 공중합체를 포함한다. 바람직한 부가 중합체는 유리질인 경향이 있다(Tg가 실온보다 높음). 이는 폴리비닐클로라이드 및 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌 중합체 조성물 또는 얼로이(alloy) 또는 저결정성 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 폴리비닐알코올 재료의 경우에 해당한다. 폴리아미드 축합 중합체의 하나의 바람직한 부류는 나일론 재료, 예컨대 나일론-6, 나일론-6,6, 나일론 6,6-6,10 등이다. 본 발명의 중합체 나노웨브가 멜트블로잉에 의해 형성될 때, 폴리에스테르, 예컨대 폴리(에틸렌 테레프탈레이트) 및 폴리아미드, 예컨대 상기 열거된 나일론 중합체를 포함하여, 나노섬유로 멜트블로잉될 수 있는 임의의 열가소성 중합체가 사용될 수 있다.
본 발명의 방사된 상태의 나노웨브는 본 발명의 천에 원하는 물리적 특성을 부여하기 위해 캘린더링될 수 있다. 본 발명의 일 실시 형태에서, 방사된 상태의 나노웨브는, 하나의 롤이 비패터닝 소프트 롤이고 하나의 롤이 비패터닝 하드 롤인 2개의 비패터닝 롤들 사이의 닙으로 공급되며, 하드 롤의 온도는 본 명세서에서 중합체가 유리질로부터 고무질 상태로의 전이를 겪는 온도로서 정의되는 Tg와 본 명세서에서 중합체의 용융 개시 온도로서 정의되는 Tom 사이의 온도로 유지되어, 나노웨브의 나노섬유는 캘린더 닙을 통과할 때 가소화된 상태에 있다. 롤의 조성 및 경도는 천의 원하는 최종 용도의 특성을 생성하도록 변경될 수 있다. 본 발명의 일 실시 형태에서, 하나의 롤은 스테인레스강과 같은 초경 금속(hard metal)이고, 다른 하나의 롤은 연질 금속(soft-metal) 또는 중합체 코팅된 롤 또는 로크웰(Rockwell) B 70 미만의 경도를 갖는 복합 롤이다. 2개의 롤들 사이의 닙 내에서의 웨브의 체류 시간은 바람직하게는 약 1 m/분 내지 약 50 m/분의 웨브의 라인 속도에 의해 제어되며, 2개의 롤들 사이의 풋프린트(footprint)는 웨브가 두 롤 모두와 동시에 접촉하여 이동하는 MD 거리이다. 풋프린트는 2개의 롤들 사이의 닙에서 가해지며 일반적으로 롤의 선형 CD 치수당 힘으로 측정되는 압력에 의해 제어되고, 바람직하게는 약 1 ㎜ 내지 약 30 ㎜이다.
또한, 나노웨브는, 선택적으로 나노섬유 중합체의 가장 낮은 Tom과 Tg 사이인 온도로 가열되는 동안, 신장될 수 있다. 신장은 웨브가 캘린더 롤로 공급되기 전 및/또는 후에 그리고 기계 방향 또는 횡방향 중 어느 하나 또는 둘 모두로 발생할 수 있다.
나노섬유를 포함하는 소수성 부직 시트는, 종래의 친수성 중합체 나노섬유의 나노웨브를 수집/지지 웨브 상으로 침착시키고 웨브의 나노섬유를 소수성 처리제, 예컨대 플루오로카본 물질로 처리함으로써 본 발명에 따라 생성될 수 있다. 코팅 물질이 극히 얇은 층으로 적용될 때, 예컨대 2002년 6월 26일자로 출원되어 공히 계류중인 미국 가특허 출원 제60/391,864호에 설명된 바와 같이, 아래에 놓인 웨브의 공기 투과도 특성의 임의의 변경은 발생하더라도 거의 없다. 대안적으로, 형성된 나노웨브는 코팅 물질, 예컨대 플루오로계면활성제의 용액 중에 침지되고 그 후 건조될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 플루오르화 계면활성제는 듀폰 컴퍼니(DuPont company)에 의해 생산되는 조닐(Zonyl)(등록상표) 계열의 계면활성제들 중 하나이다.
매우 다양한 천연 및 합성 천이 알려져 있으며, 예를 들어 의복, 예컨대 운동복, 거친 겉옷(rugged outerwear) 및 실외복(outdoor gear), 보호용 의복 등(예를 들어, 장갑, 앞치마, 가죽 바지(chaps), 바지, 부츠, 게이터(gator), 셔츠, 재킷, 코트, 양말, 신발, 내의, 조끼, 방수복(wader), 모자, 긴 장갑(gauntlet), 침낭, 텐트 등)을 구성하기 위해 본 발명에서 천 층 또는 층들로서 사용될 수 있다. 전형적으로, 거친 겉옷으로서 사용하기 위해 설계된 의복은 상대적으로 낮은 강도(strength 또는 tenacity)를 갖는 천연 및/또는 합성 섬유(예를 들어, 나일론, 면, 모, 실크, 폴리에스테르, 폴리아크릴, 폴리올레핀 등)로부터 제조된 상대적으로 느슨하게 직조된 천으로 구성되었다. 각각의 섬유는 인장 강도가 약 8 g/데니어(Denier) (gpd) 미만, 더 전형적으로 약 5 gpd 미만, 그리고 몇몇 경우에서는 약 3 gpd 미만일 수 있다. 그러한 재료는, 예를 들어 염색성, 통기성, 경량성, 쾌적성, 그리고 몇몇 경우에서는 내마모성과 같은 다양한 이로운 특성을 가질 수 있다.
다양한 직조 구조 및 다양한 직조 밀도가 본 발명의 구성요소로서 몇몇 대안적인 직조 복합 천을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 직조 구조, 예컨대 평직(plain woven) 구조, (이중 또는 다중 경사 및/또는 위사를 갖는) 강화 평직 구조, 능직(twill woven) 구조, (이중 또는 다중 경사 및/또는 위사를 갖는) 강화 능직 구조, 수자직(satin woven) 구조, (이중 또는 다중 경사 및/또는 위사를 갖는) 강화 수자직 구조, 편직, 펠트(felt), 플리스(fleece) 및 니들펀칭된 구조가 사용될 수 있다. 신축성 직조 구조체, 립스톱(ripstop), 도비(dobby) 직물, 및 자카드(jacquard) 직물이 또한 본 발명에 사용하기에 적합하다.
나노웨브는 그 표면의 일정 부분에 걸쳐 천 층에 접착되며, 예를 들어 접착제에 의해, 열에 의해, 초음파장을 사용하여 또는 용매 접착에 의한 것과 같이 당업자에게 공지된 임의의 수단에 의해 천 층에 접착될 수 있다. 일 실시 형태에서, 나노웨브는 폴리우레탄과 같은 중합체 접착제의 용액을 사용하고 용매를 증발되게 함으로써 접착제에 의해 접착된다. 추가의 실시 형태에서, 나노웨브가 천 층 상으로 직접 전기 방사될 때, 용매 접착을 달성하도록 잔류하는 전기 방사 용매가 사용된다.
정수두(hydrostatic head) 또는 "수두"(hydrohead) (ISO 811)는 물 침투를 방지하기 위한 천의 능력의 편리한 측정치이다. 이는 물이 강제로 천을 통과하게 하는 데 필요한, 센티미터 수주(cmwc) 단위의 압력으로서 제공된다. 수두는 기공 크기에 반비례하는 것으로 알려져 있다. 더 작은 기공 크기는 더 높은 수두를 생성하고, 더 큰 기공 크기는 더 낮은 수두를 생성한다. 하기의 측정에서 분당 60 cmwc의 경사율(ramp rate)을 사용하였다.
천의 공기 유동 투과도는 프래지어 측정(ASTM D737)을 사용하여 통상 측정된다. 이러한 측정에서, 124.5 N/㎡ (0.5 인치 수주)의 압력차가 적절하게 클램핑된 천 샘플에 가해지며, 그 결과로서 공기 유량이 프래지어 투과도 또는 더 간단하게는 "프래지어"로서 측정된다. 여기서, 프래지어 투과도는 ㎥/㎡/분의 단위로 기록한다. 높은 프래지어는 높은 공기 유동 투과도에 대응하며, 낮은 프래지어는 낮은 공기 유동 투과도에 대응한다.
의류에서의 다른 중요한 파라미터는 재킷의 내측으로부터 수증기를 방출하는 천의 능력이다. 이 파라미터는 수증기 투과율(MVTR)로 불린다. 나노웨브를 ASTM E96 B 방법을 사용하여 MVTR에 대해 시험하였으며, g/㎡/일의 단위로 기록한다.
샘플이 캘린더링되는 경우, 캘린더링은 267.9 g/㎝ (1.5 파운드/선형 인치(pli))의 압력 및 125℃에서 이루어졌다.
달리 명시되지 않는 한, 플루오로계면활성제 처리는 나노웨브의 양면이 그 내부에 완전하게 잠기는 400 g 수조 내에서, 습윤제로서 0.6% 헥산올을 사용하여 딥 앤드 스퀴즈(dip and squeeze) 방법에 의해 행하였다. 그 후, 나노웨브를 3분 동안 139℃의 오븐 내에서 건조시켰다.
실시예 1
평량이 10 gsm(제곱미터당 그램)인 나일론 6,6으로부터 제조된 나노웨브, 및 170 gsm의 신축성 나일론 평직 천(미국 오리건주 포트랜드 소재의 로즈 시티 텍스타일즈(Rose City Textiles)로부터 입수가능함)으로부터 제조된 2층 천 구조체를 생성하였다. 2층 천 구조체는 413.7 ㎪ (60 psi)의 압력으로 "288-패턴" 그라비어-롤(gravure-roll) 인가를 사용하는 용매계 우레탄 접착제를 사용하여 나일론 부직 천을 나노웨브에 라미네이팅함으로써 생성하였다. 그 후, 최종 2층 천 구조체를 수조 내에서 8% 고형물(인수 상태) 텔로머 플루오르화 계면활성제(telomeric fluorinated surfactant) (조닐(Zonyl)(등록상표) 7040, 듀폰, 미국 델라웨어주 윌밍톤)으로 처리하였다. 조닐(등록상표) (이. 아이. 듀폰 디 네모아 앤드 컴퍼니(E. I. du Pont de Nemours and Company)로부터 구매가능함)을 구조체의 양면이 수조 내에 완전하게 잠긴 상태에서 딥 앤드 스퀴즈 방법을 사용하여 적용하였다. 그 후, 2층 구조체를 2분 45초의 체류 시간으로 140℃의 온도에서 전기 가열식 오븐을 통과시켰다.
2층 천 구조체는 190 cmwc의 수두 및 1397 g/㎡/일의 MVTR을 가졌다.
비교예 1
평직 신축성 나일론의 단일 층을 전술한 바와 동일한 방식으로 조닐(등록상표) 7040으로 처리하고 수두에 대해 시험하였다. 부직 나노웨브가 없는 직조 나일론의 단일 층은 단지 33 cmwc의 수두 및 1916 g/㎡/일의 MVTR을 가졌다.
실시예 1 및 비교예 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 나노웨브는 내구성 발수 코팅과 조합하여 사용될 때 천 구조체의 수두를 크게 증가시킬 수 있다. 또한, 수두는 바람직한 경우 혼성(hybrid) 나노웨브 구조체의 후처리를 통해 추가로 증가될 수 있다.
실시예 2
평량이 25 gsm인 나일론 6,6으로부터 제조된 나노웨브의 단일 층을 캘린더링하고, 그 후 8% 고형물(인수 상태) 조닐(등록상표) 7040으로 처리하였다. 그 후, 이 처리한 나노웨브를 수두에 대해 시험하였다. 첫 번째 실험에서는 나노웨브를 위한 어떠한 유형의 지지 시스템도 사용하지 않았으며, 생성된 수두는 48 cmwc였다. 두 번째 실험의 경우, 에지에서 각 면 상에 2개의 가스켓을 가진 성긴 메시(coarse mesh) 지지 스크린을 시험 클램프 내의 나노웨브 위에 배치하였다. 이 스크린은 정수압을 가하는 동안 나노웨브가 불룩해지는 것을 방지하기 위해 사용하였다. 이러한 성긴 메시 지지 스크린을 사용한 경우 생성된 수두는 166 cmwc였다. 세 번째 및 네 번째 실험의 경우, 더욱 더 미세한 메시 지지 스크린을 사용하여 시험 동안 나노웨브가 불룩해지는 것을 제어하였다. 이러한 미세 메시 지지 스크린을 사용한 경우, 생성된 수두는 각각 244 cmwc 및 269 cmwc였다.
실시예 3
평량이 25 gsm인 나일론 6,6으로부터 제조된 나노웨브의 단일 층을 8% 고형물(인수 상태) 조닐(등록상표) 7040으로 처리하였다. 첫 번째 실험에서는 나노웨브를 위한 어떠한 유형의 지지 시스템도 사용하지 않았으며, 생성된 수두는 40 cmwc였다. 두 번째, 세 번째 및 네 번째 실험의 경우, 미세 메시 지지 스크린을 시험 클램프 내의 나노웨브의 상부에 배치하여 시험 동안 나노웨브가 불룩해지는 것을 억제하였다. 생성된 수두는 202 cmwc, 214 cmwc, 및 202 cmwc였다. MVTR은 1730 g/㎡/일이었다.
실시예 4
평량이 25 gsm인 나일론 6,6으로부터 제조된 나노웨브의 단일 층을 캘린더링하고, 그 후 16% 고형물(인수 상태) 조닐(등록상표) 7040으로 처리하였다. 첫 번째 실험에서는 나노웨브를 위한 어떠한 유형의 지지 시스템도 사용하지 않았으며, 생성된 수두는 46.5 cmwc였다. 두 번째 및 세 번째 실험의 경우, 미세 메시 지지 스크린을 시험 클램프 내의 나노웨브의 상부에 배치하여 나노웨브가 불룩해지는 것을 억제하였다. 생성된 수두는 각각 292 cmwc 및 326 cmwc였다. 네 번째 실험의 경우, 170 gsm의 신축성 나일론 평직 천(미국 오리건주 포트랜드 소재의 로즈 시티 텍스타일즈로부터 입수가능함)을 시험 클램프 내의 나노웨브의 상부에 배치하여 나노웨브가 불룩해지는 것을 억제하였다. 생성된 수두는 173 cmwc였다. 다섯 번째 실험의 경우, 2조각의 캘린더링된 나노웨브들을 서로 겹쳐 층상으로 배치하였고, 그 후 시험 클램프 내에서 미세 메시 지지 스크린으로 덮었다. 생성된 수두는 550 cmwc였다. MVTR은 1586 g/㎡/일이었다.
실시예 5
평량이 25 gsm인 나일론 6,6으로부터 제조된 나노웨브의 단일 층을 16% 고형물(인수 상태) 조닐(등록상표) 7040으로 처리하였다. 첫 번째 및 두 번째 실험 모두는 미세 메시 지지 스크린을 사용하여 시험 클램프 내에서 나노웨브가 불룩해지는 것을 억제하였다. 생성된 수두는 각각 266 cmwc 및 282 cmwc였다. 세 번째 실험의 경우, 나노웨브를 딥 앤드 스퀴즈 방법을 통해 후방으로 이동시킴으로써 나노웨브를 재차 처리하였고, 그 후 3분 동안 139℃의 오븐 내에서 재차 건조시켰다. 그 후, 2회 처리한 나노웨브를 FX3000 정수압 시험기(Hydrostatic Tester)를 사용하여 수두에 대해 시험하였다. 시험 클램프 내에서 미세 메시 지지 스크린을 사용하여 시험 동안 나노웨브가 불룩해지는 것을 억제하였다. 생성된 수두는 290 cmwc였다. MVTR은 1708 g/㎡/일이었다.
실시예 6
평량이 25 gsm인 나일론 6,6으로부터 제조된 나노웨브의 단일 층을 캘린더링하고, 그 후 16% 고형물(인수 상태) 조닐(등록상표) 7040으로 처리하였다. 3번의 실험 모두의 경우, 시험 클램프 내에서 미세 메시 지지 스크린을 사용하여 시험 동안 나노웨브가 불룩해지는 것을 억제하였다. 그 결과로서 수두는 490 센티미터 수주(cmwc), 454 cmwc, 및 586 cmwc였다. MVTR은 1701 g/㎡/일이었다.
실시예 7
평량이 25 gsm인 나일론 6,6으로부터 제조된 나노웨브의 단일 층을 캘린더링하고, 그 후 200 g 수조 내에서, 습윤제로서 0.6% 헥산올을 사용하여 28% 고형물 (인수 상태) 조닐(등록상표) 7040으로 처리하였다. 첫 번째, 두 번째 및 세 번째 실험에서, 미세 메시 지지 스크린을 시험 클램프 내의 나노웨브 위에 사용하여 시험 동안 나노웨브가 불룩해지는 것을 억제하였다. 생성된 수두는 각각 372 cmwc, 300 cmwc, 및 318 cmwc였다. 네 번째 및 다섯 번째 실험에서, 2조각의 처리한 나노웨브들을 시험 클램프 내에서 서로 겹쳐 층상으로 배치하였고, 그 후 미세 메시 지지 스크린으로 덮었다. 생성된 수두는 각각 360 cmwc 및 509 cmwc였다. 평균 MVTR은 1660 g/㎡/일이었다.
실시예 8
평량이 25 gsm인 나일론 6,6으로부터 제조된 나노웨브의 단일 층을 캘린더링하고, 그 후 200 g 수조 내에서, 습윤제로서 0.6% 헥산올을 사용하여 28% 고형물(인수 상태) 조닐(등록상표) 7040으로 처리하였다. 첫 번째 실험의 경우, 시험 클램프 내에서 미세 메시 지지 스크린을 사용하여 시험 동안 나노웨브가 불룩해지는 것을 제어하였다. 그 결과로서 수두는 600 cmwc였다. 두 번째 실험의 경우, 2조각의 나노웨브들을 서로 겹쳐 배치하였고, 미세 메시 지지 스크린을 사용하여 시험하였다. 그 결과로서 수두는 750 cmwc였다.
상기 샘플들에 대한 MVTR 데이터는 산업 표준을 크게 초과하였고, MVTR을 허용할 수 없는 수준으로 감소시키지 않고서 내구성 발수 처리가 부직 나노웨브에 적용될 수 있음을 증명한다.

Claims (12)

  1. 방수 통기성 의복으로서,
    상기 의복은 착용자를 물로부터 보호하면서 수증기를 통과시키는 능력을 가지며, 나노섬유 층과 대면하는 관계로 인접한 제1 외부 천 층의 복합 천을 포함하고,
    상기 나노섬유 층은 약 50 ㎚ 내지 약 1000 ㎚의 수평균 직경, 및 약 1 g/㎡ 내지 약 100 g/㎡의 평량을 갖는 중합체 나노섬유들의 적어도 하나의 다공성 층을 포함하며,
    상기 복합 천은 약 1.2 ㎥/㎡/분 내지 약 7.6 ㎥/㎡/분의 프래지어 공기 투과도(Frazier air permeability), 약 500 g/㎡/일 초과의 MVTR, 및 적어도 약 50 ㎝ 물의 정수두(hydrostatic head)를 갖는 방수 통기성 의복.
  2. 제1항에 있어서, 나노섬유 층과 제1 천 층은 그 표면들의 일부에 걸쳐 서로 접착되는 방수 통기성 의복.
  3. 제2항에 있어서, 용매계 접착제가 층들을 접착하는 데 사용되는 방수 통기성 의복.
  4. 제2항에 있어서, 나노섬유 층은 제1 천 층의 표면 상으로 직접 전기 방사되 며, 전기 방사 공정으로부터의 잔류 용매가 층들을 접착하는 데 사용되는 방수 통기성 의복.
  5. 제1항에 있어서, 나노섬유 층은 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리에스테르, 셀룰로오스 에테르, 셀룰로오스 에스테르, 폴리알킬렌 설파이드, 폴리아릴렌 옥사이드, 폴리설폰, 개질된 폴리설폰 중합체 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 중합체의 나노섬유를 포함하는 방수 통기성 의복.
  6. 제1항에 있어서, 나노섬유 층은 폴리(비닐클로라이드), 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌, 및 이들의 공중합체, 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 폴리(비닐리덴 클로라이드), 폴리비닐 알코올 - 가교결합 및 비-가교결합 형태 - 로 이루어진 군으로부터 선택되는 중합체의 나노섬유를 포함하는 방수 통기성 의복.
  7. 제5항에 있어서, 중합체는 나일론-6, 나일론-6,6, 및 나일론 6,6-6,10으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방수 통기성 의복.
  8. 제1항에 있어서, 나노섬유 층은 캘린더링되는 방수 통기성 의복.
  9. 제8항에 있어서, 나노섬유 층은 제1 천 층과 접촉하면서 캘린더링되는 방수 통기성 의복.
  10. 제1항에 있어서, 나노섬유 층은 플루오르화 계면활성제로 처리되는 방수 통기성 의복.
  11. 제1항에 있어서, 제1 천 층은 나일론, 면, 모, 실크, 폴리에스테르, 폴리아크릴, 폴리올레핀, 및 그 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 재료로부터 직조되는 방수 통기성 의복.
  12. 제1항에 있어서, 제1 천 층은 약 8 g/데니어 (gpd) 미만의 강도를 갖는 섬유로부터 직조되는 방수 통기성 의복.
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