KR20120048149A - 케이폭 섬유 복합 부직포 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 케이폭 섬유와 천연 유래 생분해성 섬유의 복합 부직포를 제공한다.
본 발명의 복합 부직포는 섬유의 절단에 따른 비산이 없고, 형태안정성이 우수하며, 나아가, 흡음성도 우수하다. 따라서 자동차, 선박, 비행기 등 수송수단의 흡음재, 건축 및 각종 산업용 흡음재로 사용 가능하며 또한, 보온재, 침구 및 침장구류, 구명조끼 등 형태 안정성을 갖는 모든 충진재로 사용될 수 있다.

Description

케이폭 섬유 복합 부직포 및 그 제조방법{Kapok Fiber based Nonwoven Fabric and Manufacturing Method Thereof}
본 발명은 케이폭 섬유 복합 부직포 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 케이폭 섬유를 천연 유래 생분해성 섬유와 혼합하여 제조함으로써 높은 형태안정성과 흡음성을 갖도록 된 케이폭 섬유 복합 부직포 및 그 제조방법에 관한 것이다.
케이폭 섬유는 케이폭 나무의 종자모섬유로서, 원산지는 말레이지아이고, 현재는 하와이, 자바섬, 필리핀, 대만 등에서 주로 생산되고 있다. 상기 케이폭 섬유는 섬유장이 8 ~ 32mm, 굵기 30 ~ 35㎛, 단면이 원형 내지 타원형인 중공상의 천연섬유이다. 상기 케이폭 섬유는 그 중공상의 특징으로 밀도가 0.30g/cc로 낮아, 면(밀도 1.54g/cc) 대비 1/5 정도의 초경량성이어서, 견과 같은 광택이 있다는 점 외에 가볍고 탄력이 있다는 특징이 있다. 또한, 양모수준의 보온성이 있으며 그 밖에 흡음, 흡유, 항균, 소취, 원적외선 방사 등의 특징이 있어 다양한 용도전개가 시도되는 천연섬유이다.
그러나 상기 케이폭 섬유는 그 짧은 섬유장과, 세포벽이 얇아 카딩(carding) 등의 가공시에 쉽게 절단될 수 있다는 단점 때문에, 그 용도는 가구, 침장구류 충전재용, 구명복용 충진재 등 제한적으로만 활용되고 있을 뿐이어서, 케이폭 섬유를 부직포 등으로 제조하여 이를 보온, 흡음, 흡유재로서 활용하려는 노력이 다양하게 시도되어 왔다.
예를 들어 특허문헌 1에는 케이폭 섬유를 이용한 흡음재가 개시되어 있다. 그러나 상기 흡음재는 케이폭 섬유를 별다른 가공 없이 다공성(porous) 물질에 채워 넣은 것에 불과하다.
특허문헌 2에는 케이폭 섬유와 PP 섬유를 1:1로 혼방하여 제조한 부직포가 제조되어 이를 기름 제거용으로 활용한 예가 개시되어 있고, 특허문헌 3에는 케이폭 부직포/열가소성 또는 열경화성수지/케이폭 부직포로 구성된 흡음재가 개시되어 있다. 그러나 상기 부직포들은 여전히 케이폭 섬유 가공이나 사용시 섬유의 절단 및 그로 인한 비산 등의 문제를 전면적으로 해소한 것이라고 볼 수 없으며, 케이폭 섬유사이에 접착력이 없기 때문에, 제조된 부직포의 형태안정성이 떨어진다는 문제점이 여전히 계속되고 있다.
이에, 본 발명자들은 케이폭과 같은 천연 유래의 섬유이면서도 생문해성, 열가소성 수지인 폴리락트산(polylactic acid, PLA)과 케이폭 섬유들을 혼합 접착시키면, 상술한 선행기술들의 문제점인 절단섬유의 비산이나, 제조된 부직포의 형태안정성을 개선하여 환경친화적 흡음재로 사용할 수 있음을 확인하였으며, 또한 케이폭과 같은 중공섬유 형태의 폴리락트산을 적용함으로써 경량성 및 흡음성을 확보하고자 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
미국특허 제6,338,395호 대한민국 공개특허공보 제2009-117136호 대한민국 공개특허공보 제2006-13468호
본 발명의 목적은 케이폭 섬유를 천연유래 생분해성 섬유와 혼합하여 웹을 형성한 후 가열접착함으로써 높은 형태안정성과 흡음성을 갖는 부직포를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 부직포를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 케이폭 섬유 복합 부직포는 케이폭 섬유가 천연 유래 생분해성 섬유에 의하여 접착된 것을 특징으로 한다.
상기 케이폭 섬유 및 천연 유래 생분해성 섬유는 길이 1 내지 10mm의 단섬유인 것이 바람직하다.
상기 천연 유래 생분해성 섬유는 폴리락트산 섬유인 것이 바람직하다.
상기 천연 유래 생분해성 섬유는 중공섬유인 것이 바람직하다.
상기 케이폭 섬유와 천연 유래 생분해성 섬유의 중량비는 90:10 ~ 10:90인 것이 바람직하다.
본 발명의 케이폭 섬유 복합 부직포의 제조방법은 케이폭 섬유 및 천연 유래 생분해성 섬유를 1 내지 10mm의 단섬유로 절단하는 단계; 상기 케이폭 단섬유, 천연 유래 생분해성 섬유의 단섬유 및 계면활성제를 분산매와 혼합하여 분산액을 준비하는 단계; 상기 분산액을 이용하여 웹을 형성하는 단계; 및 상기 웹을 가열접착하는 단계;를 포함한다.
상기 계면활성제는 양이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 비이온성 계면활성제, 양쪽성 계면활성제로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
상기 가열접착은 칼렌더링, 더블 벨트프레스, 열풍접착, 적외선 접착, 초음파 접착 등으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 케이폭 섬유 복합 부직포는 섬유의 절단에 따른 비산이 없고, 형태안정성이 우수하며, 나아가, 흡음성도 우수하다. 따라서 자동차, 비행기, 선박 등 수송기나 실내 건축재 등에 사용되는 흡음재로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1의 부직포 표면을 500배 확대한 주사전자현미경 사진이고,
도 2는 실시예 1 및 실시예 2의 부직포에 대하여, 진동수(frequency)변화에 따른 흡음계수(sound absorption coefficient)의 변화를 측정한 그래프이다.
본 발명의 부직포는 케이폭 섬유를 폴리락트산 중공섬유와 혼합하여 제조된 것임을 특징으로 한다.
본 발명의 부직포에 사용되는 케이폭 섬유는 케이폭 나무(케이바 펜탄트라, Ceiba pentantra)의 열매로부터 얻어지는 천연섬유로서, 그 형상이 중공형이며, 저비중이며 흡음특성이 있다. 일명 자바섬유라고도 불리는 것으로서, 상기 케이폭 나무의 주산지는 자바, 수마트라, 인도, 태국 등이다. 다만, 본 발명의 부직포에 사용되는 케이폭 섬유는 자연에서 채취된 섬유를 그대로 사용할 수도 있으나, 바람직하게는 1 ~ 10mm의 길이로 절단된 단섬유 사용한다. 케이폭 섬유의 길이가 1mm에 이르지 못하는 경우에는 접착의 문제가 발생하여 강도가 저하되어 바람직하지 못하고, 10mm를 초과하는 경우에는 섬유의 분산에 문제가 발생하여 균제도가 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 천연 유래 생분해성 섬유는 재생 가능한 천연자원으로부터 생산된 고분자로부터 제조된 섬유이고, 상기 생분해성 섬유는 미생물이나 빛, 열, 수분 등의 자연환경에 의해 물이나 이산화탄소 등과 같은 저분자 물질로 분해되어 초기 물성을 잃는 소재로 만들어진 섬유를 말한다. 이와 같은 천연 유래 생분해성 섬유에는 폴리락트산(polylatic acid, PLA), 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL), 폴리부틸렌숙신네이트(polybutylene succinate, PBS), 폴리히드록시알카노에이트(polyhydroxyalkanoate, PHA), 폴리3-히드록시부티레이트(poly3-hydroxybutyrate, PHB), 폴리부틸렌 아디페이트-코-부틸렌테레프탈레이트(polybutylene adipate-co-nutylene terephthalate, PBAT) 등으로 이루어진 단독중합체 또는 공중합체로부터 유래하는 섬유들이 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 천연 유래 생분해성 섬유는 부직포를 구성하고 있는 케이폭 섬유간의 결합을 위한 바인딩 소재의 기능을 한다는 점에서 폴리락트산 섬유가 바람직하다.
또한, 부직포의 흡음성, 경량성을 위하여 상기 천연 유래 생분해성 섬유는 중공섬유인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 5 내지 50%의 중공율을 가지는 폴리락트산 중공섬유가 바람직하다.
한편, 상기 케이폭 섬유와 천연 유래 생분해성 섬유의 중량비는 90:10 ~ 10:90인 것이 바람직하다. 천연 유래 생분해성 섬유의 중량비가 10에 이르지 못하면 케이폭 섬유와의 결합력이 저하되어 형태 안정성 저하의 이유로 바람직하지 않고, 천연 유래 생분해성 섬유의 중량비가 90을 초과하면 천연 중공을 갖는 케이폭 섬유의 특성 발현의 문제점이 있다.
상기 케이폭 섬유 및 천연 유래 생분해성 섬유 길이는 1 ~ 10mm의 단섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 섬유들의 길이가 1mm에 이르지 못하는 경우에는 섬유간 결합의 문제가 발생하여 강도가 저하되어 바람직하지 못하고, 10mm를 초과하는 경우에는 섬유의 분산에 문제가 발생하여 균제도가 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 케이폭 섬유 복합 부직포의 제조방법은 케이폭 섬유 및 천연 유래 생분해성 섬유를 1 내지 10mm의 단섬유로 절단하는 단계; 상기 케이폭 단섬유, 천연 유래 생분해성 섬유의 단섬유 및 계면활성제를 분산매와 혼합하여 분산액을 준비하는 단계; 상기 분산액을 이용하여 웹을 형성하는 단계; 및 상기 웹을 가열접착하는 단계;를 포함한다.
상기 제조방법의 각 단계에서 케이폭 단섬유와 폴리락트산 중공섬유에 대하여는 앞서 설명한 바와 같다. 한편, 계면활성제는 케이폭 단섬유와 바인더 섬유를 효과적으로 분산시키기 위한 목적으로 사용된다. 계면활성제를 첨가하지 않아도 케이폭 단섬유와 바인더 섬유를 분산시키는 것은 가능하나 계면활성제를 첨가해 줌으로써 케이폭 단섬유와 바인더 섬유를 빠르고 효과적으로 분산시킬 수 있다. 이 목적으로 사용되는 계면활성제로서는 양이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 비이온성 계면활성제, 양쪽성 계면활성제가 있다.
양이온성 계면활성제의 예로는 알킬트리메틸암모늄 또는 알킬트리에틸암모늄과 같은 알킬암모늄류, 알킬디메틸벤질암모늄염류, 인산아민염류 등이 있으며, 이때 알킬암모늄류로는 화학식 CnH2n +1N(CH3)3X (식 중, X는 OH, Cl, Br, HSO4 또는 OH 및 Cl의 조합이고, n은 8 내지 22의 정수이다) 및 화학식 CnH2n +1N(C2H5)3X (식 중, n은 12 내지 18의 정수이다)이 있다.
음이온성 계면활성제로는 알킬 설페이트(예를 들면, 화학식 CnH2n +1OSO3Na (식중, n은 12내지 18이다)), 알킬술포네이트(예를 들면, C12H25C6H4SO3Na), 아킬카르복실산(예를 들면, C17H25COOH, C14H25COOH)이 있고, 또한, 직쇄 또는 분지쇄 지방족 알콜 및 카르복실산의 폴리에톡시화 유도체의 설페이트; 알킬벤젠 또는 알킬나프탈렌 술포네이트 및 설페이트, 예컨대 소듐옥틸벤젠술포네이트; 알킬카르복실레이트, 예컨대 도데실카르복실레이트; 및 에톡시화 및 폴리에톡시화 알킬 및 아르알킬 알콜 카르복실레이트의 알칼리 금속 및 (알킬)암모늄 염이 사용될 수 있다.
양쪽성계면활성제로는 알라닌계, 이미다졸륨베타인계, 아미드프로필베타인계, 아미노디프로피온산염 등이 있다.
또한, 비이온성 계면활성제로는 폴리(에틸렌 옥사이드), (옥타에틸렌글리콜) 모노도데실 에테르 (C12EO8), (옥타에틸렌 글리콜) 모노헥사데실 에테르(C16EO8), 및 폴리(알킬렌 옥사이드)-폴리(프로필렌 옥사이드)-폴리(에틸렌 옥사이드)(PEO-PPO-PEO) 또는 역(PPO-PEO-PPO)을 포함한다.
마지막으로, 본 발명의 케이폭 부직포 제조방법에서는 건조단계 후에 가열하는 단계이다. 이는 부직포를 구성하는 단위 케이폭 섬유들이 폴리락트산 중공섬유 의하여 접착되는 것을 돕기 위함이며, 그 방법에 있어서는 특히 제한이 없어, 당업계에서 사용되는 통상의 가열 수단이면 족하다. 그 예로서는 칼렌더링, 더블 벨트프레스, 열풍접착, 적외선 접착, 초음파 접착 등이 있다.
이하에서는 본 발명을 실시예에 의하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 실시예들은 본 발명을 예시하는 것일 뿐으로, 본 발명의 내용이 이들 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예
1. 케이폭 섬유/폴리락트산 섬유 복합 부직포의 제조
<실시예 1>
습식(wet-laid) 공법에 의하여 폴리락트산 중공섬유에 의하여 접착된 케이폭 부직포를 제조하였다.
먼저 실험에 사용된 조성들은 다음과 같다. 케이폭 섬유(인도네시아산)는 약 2 ~ 3mm의 크기의 단섬유로 잘라서 사용하였다. 폴리락트산 중공섬유(휴비스)는 섬도 6데니어, 중공율 10%인 것을 사용하되, 약 2 ~3 mm의 크기의 단섬유로 잘라서 사용하였다. 단섬유의 분산성 향상을 위해 본 발명에서는 비이온성 계면활성제인 폴리에틸렌글리콜과 폴리프로필렌글리콜의 공중합체(시그마-알드리치, 제품명 Pluronicⓡ127, 평균분자량 5,800; CAS 9003-11-6)를 사용하였다.
혼합용 배쓰에 케이폭 섬유 1.0g, 폴리락트산 중공섬유 1.0g, 계면활성제 0.4g를 물 7L에 분산시킨 후 500 rpm의 교반속도로 5분간 교반하여 웹 형성용 분산액을 준비하였다.
초지기에 웹 형성용 분산액을 투입한 후 교반하고, 분산매인 물을 제거하여 웹을 형성하고 24시간 이상 자연 건조하였다. 이 때 초지기의 와이어 스크린은 120#의 스크린 메쉬를 사용하였다.
마지막으로, 상기 웹을 벨트-라미네이팅 공정에서(롤러 사이의 온도 195℃, 롤러 속도 1.0m/분으로 접착시켜 부직포를 제조하였다. 제조된 부직포의 중량은 88g/m2 이었다.
<실시예 2>
실시예 2는 케이폭 섬유 1.4g, 폴리락트산 중공섬유 0.6g를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 공정으로 제조하였다.
2. SEM 평가
1) 평가방법
실시예로부터 제조된 케이폭/폴리락트산 복합 부직포의 표면을 관찰하기 위하여 시차주사전자현미경(JEOL, JSM-5510)을 이용하여 500배 확대하여 관찰하였다.
2) 평가 결과
도 1은 본 발명의 실시예 1로 이루어진 부직포 표면을 500배 확대한 주사전자현미경 사진이다.
시차주사전자현미경 사진에 나타난 바와 같이, 폴리락트산 중공섬유의 표면이 열에 의해 용융되어 케이폭 섬유와 접착되어 있음을 알 수 있으며, 이로 인해 제조된 부직포는 형태안정성을 가질 수 있음을 나타낸다.
3. 흡음성 평가
1) 평가방법
흡음성 평가는 흡음성능평가기(sound absorption tester, 01dB-Metravib)를 사용하여 400 ~ 5,000 Hz의 범위내에서 측정하며, 이때 실험은 KS F 2814 규격에 준한다.
2) 평가 결과
도 2는 실시예 1 내지 실시예 2의 부직포에 대하여, 진동수(frequency)변화에 따른 흡음계수(sound absorption coefficient)의 변화를 측정한 결과이다. 도2에서, 1K, 2K, 3.15K 및 5K는 각각 1000, 2000, 3150 및 5000Hz에서 측정한 흡음계수이다. 또2를 참조하면, 케이폭/폴리락트산 복합 부직포는 주파수 증가에 따라 흡음특성이 증가하는 경향을 보였으며, 실시예 1에 비해 상대적으로 케이폭 함량이 더 큰 실시예 2가 더 높은 흡음 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다.
본 발명의 케이폭 섬유 복합 부직포는 자동차, 선박, 비행기 등 수송수단의 흡음재, 건축 및 각종 산업용 흡음재, 기름 흡착포, 분리막, 보온재, 침구 및 침장구류, 구명조끼 등 형태 안정성을 갖는 모든 충진재로 이용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 케이폭 섬유가 천연 유래 생분해성 섬유에 의하여 접착된 것을 특징으로 하는 케이폭 섬유 복합 부직포.
  2. 제1항에 있어서, 상기 케이폭 섬유 및 천연 유래 생분해성 섬유는 길이 1 내지 10mm의 단섬유인 것을 특징으로 하는 상기 케이폭 섬유 복합 부직포.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 천연 유래 생분해성 섬유는 폴리락트산 섬유인 것을 특징으로 하는 케이폭 섬유 복합 부직포.
  4. 제1항에 있어서, 상기 천연 유래 생분해성 섬유는 중공섬유인 것을 특징으로 하는 상기 케이폭 섬유 복합 부직포.
  5. 제1항에 있어서, 상기 케이폭 섬유와 천연 유래 생분해성 섬유의 중량비는 90:10 ~ 10:90인 것을 특징으로 하는 상기 케이폭 섬유 복합 부직포.
  6. 케이폭 섬유 및 천연 유래 생분해성 섬유를 1 내지 10mm의 단섬유로 절단하는 단계;
    상기 케이폭 단섬유, 천연 유래 생분해성 섬유의 단섬유 및 계면활성제를 분산매와 혼합하여 분산액을 준비하는 단계;
    상기 분산액을 이용하여 웹을 형성하는 단계; 및
    상기 웹을 가열접착하는 단계;를 포함하는 케이폭 섬유 복합 부직포의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 천연 유래 생분해성 섬유는 폴리락트산 섬유인 것을 특징으로 하는 상기 케이폭 섬유 복합 부직포의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 천연 유래 생분해성 섬유는 중공섬유인 것을 특징으로 하는 상기 케이폭 섬유 복합 부직포의 제조방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 계면활성제는 양이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 비이온성 계면활성제, 양쪽성 계면활성제로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 상기 케이폭 섬유 복합 부직포의 제조방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 가열접착은 칼렌더링, 더블 벨트프레스, 열풍접착, 적외선 접착 또는 초음파 접착인 것을 특징으로 하는 상기 케이폭 섬유 복합 부직포의 제조방법.
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