KR20120077264A - 복합기능성 나일론 섬유의 제조방법 및 그에 의한 복합기능성 나일론 섬유 - Google Patents

복합기능성 나일론 섬유의 제조방법 및 그에 의한 복합기능성 나일론 섬유 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복합기능성 나일론 섬유의 제조방법 및 그에 의한 복합기능성 나일론 섬유에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산화티탄계 및 알루미나계 원적외선 소재를 혼합하여 마스터 배치 칩을 제조한 후, 이를 일반 나일론 칩과 혼합 용융 방사함으로써 우수한 원적외선 방출 성능 및 축열/보온 성능을 가지면서도 방사조업성이 우수한 복합기능성 나일론 섬유의 제조방법 및 그에 의해 제조된 복합기능성 나일론 섬유에 관한 것이다.

Description

복합기능성 나일론 섬유의 제조방법 및 그에 의한 복합기능성 나일론 섬유{Method for Manufacturing Multi-Function Nylon Fiber and Multi-Function Nylon Fiber Made Thereof}
본 발명은 복합기능성 나일론 섬유의 제조방법 및 그에 의한 복합기능성 나일론 섬유에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산화티탄계 및 알루미나계 원적외선 소재를 혼합하여 마스터 배치 칩을 제조한 후, 이를 일반 나일론 칩과 혼합 용융 방사함으로써 우수한 원적외선 방출 성능 및 축열/보온 성능을 가지면서도 방사조업성이 우수한 복합기능성 나일론 섬유의 제조방법 및 그에 의해 제조된 복합기능성 나일론 섬유에 관한 것이다.
원적외선은 일정한 주파수를 갖는 전자파 및 열에너지로서, 세포를 1분에 약 2000번씩 흔들어주는 공진, 공명을 통해 세포조직의 생명활동을 왕성하게 해주고 혈액 순환을 촉진시켜 스트레스 및 피로 회복과 노화 방지에 큰 효능을 갖는다고 알려져 있다.
이러한 이유로 원적외선을 방출하는 방출체에 대한 연구가 여러 분야에서 폭넓게 이루어지고 있으며, 특히 최근 섬유 제품의 고급화 추세에 따라 다양한 종류의 원적외선 섬유가 출시되고 있는 실정이다.
원적외선 섬유를 제조하는 종래의 방법들은 원적외선 효능을 발휘하는 물질로서 Al2O3, MgO, SiO2, ZrO2 등의 천연 맥반석을 주로 사용하고 있는 바, 상기 물질들은 모두 경도가 높은 물질로서 제조공정에서 설비의 마모를 일으킬 뿐 아니라, 입자의 모양과 크기가 불균일하므로 제사시 팩압을 상승시키는 등의 문제점을 가지고 있다.
이와 관련하여 유럽특허 제302141호는 탄화지르코늄 미립자를 배합한 축열 보온성 섬유를 개시하고 있으나, 탄화지르코늄계 미립자는 혼사에 혼입시 회색 또는 흑색을 띄므로 다양한 색상의 포백을 제조할 수 없는 단점이 있다.
또한 일본 공개특허공보 평3-69675호는 산화지르코늄, 산화실리콘, 산화알루미늄 등의 세라믹 미분말을 40 중량% 혼련하여 마스터 배치 칩을 제조하고, 이를 레귤러와 혼합 방사함으로써 스테이플 파이버를 제조하는 기술을 개시하고 있다. 그러나 이러한 종래기술은 백도는 양호하나 다량의 세라믹 입자의 분산성이 불량하여 필라멘트사 생산이 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 하나의 목적은 원적외선 방출 성능, 축열보온 성능 등 기능성이 우수하면서도 방사조업성이 우수하여 필라멘트사 제조가 가능한 복합기능성 나일론 섬유의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 본 발명의 제조방법에 의해 제조되는 복합기능성 나일론 섬유를 제공하는 것이다.
본 발명의 그 밖의 목적, 이점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 자명해질 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은, 산화티탄계 무기 미립자와 알루미나계 미립자를 2:1~1:1의 비율로 혼합한 다음, 고점도 나일론과 혼합하여 마스터 배치 칩을 제조한 후, 상기 마스터 배치 칩을 일반 나일론과 혼합하여 용융 방사하는 복합기능성 나일론 섬유의 제조방법에 관계한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 복합기능성 나일론 섬유의 제조방법은, 용융 방사 후 방사된 미연신사를 가연연신비 1.1~1.3 배로 가연하여 가연사를 제조하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 복합기능성 나일론 섬유의 제조방법에 있어서, 산화티탄계 무기 미립자는 평균 입경이 평균 입경이 0.35~0.45 ㎛이고 0.4 ㎛ 이하의 입경을 갖는 입자가 55~65 % 이고, 알루미나계 무기 미립자는 평균 입경이 0.9~1.1 ㎛, 1.0 ㎛ 이하의 입경을 갖는 입자가 55~65 % 인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 복합기능성 나일론 섬유의 제조방법에 있어서, 상기 마스터 배치 칩은 무기 미립자의 함량이 5~30 중량%인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양상은 상기와 같은 제조방법에 의해 제조되는 복합기능성 나일론 섬유로서, 산화티탄계 및 알루미나계 무기 미립자를 0.05~2 중량% 포함하며, 단사섬도가 0.5~2 데니어이고 단면이 '3山' 형태인 복합기능성 나일론 섬유에 관계한다.
본 발명의 제조방법에 의해 제조된 복합기능성 나일론 섬유는 종래기술에 비하여 원적외선 방사영역에서의 원적외선 방사율이 0.03(3%) 증대하고, 축열보온 효과가 2 ℃ 정도 상승하며, 필라멘트사 제조공정성이 95% 이상이고, 염색 M%가 92% 이상인 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 일 구현예에 따른 제조방법에 사용된 혼합용융방사장치의 개략도이며,
도 2는 본 발명에 의해 제조된 섬유의 단면도이다.
이하에서 도면 및 실시예 등을 참고하여 본 발명의 구현예에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지의 범용적인 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 복합기능성 나일론 섬유의 제조방법은, 산화티탄계 무기 미립자와 알루미나계 미립자를 2:1~1:1의 비율로 혼합한 다음, 고점도 나일론과 혼합하여 마스터 배치 칩(MB)을 제조하는 단계 및 상기 마스터 배치 칩을 일반 나일론과 혼합하여 용융 방사하는 단계를 포함하여 이루어진다. 상기 본 발명에 따른 제조방법은 용융 방사된 미연신사를 가연연신비 1.1~1.3 배로 가연하여 가연사를 제조하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 먼저 평균 입경이 0.35~0.45 ㎛이고 0.4 ㎛ 이하의 입경을 갖는 입자가 55~65 %인 산화티탄계 무기 미립자와, 평균 입경이 0.9~1.1 ㎛, 1.0 ㎛ 이하의 입경을 갖는 입자가 55~65 %인 알루미나계 무기 미립자를 2:1~1:1 의 비율로 혼합하는 것이 바람직하며 더욱 바람직하게는 1.4:1~1.6:1의 비율로 혼합하는 것이 좋다. 산화티탄계 무기 미립자의 함량이 1.4 이하이면, 원적외선 방사율에 있어 알루미나계 무기 미립자와의 시너지 작용이 저하되어 목표수준의 원적외선 방사율을 달성하기 어려우며, 1.6이상이면 분산성 문제를 일으키거나, 이형단면 섬유를 제조함에 있어 defect로 작용하여 mono fila 사절에 의한 방사공정성 저하, 또는 외관불량을 일으켜 제품성이 저하되는 문제점이 있다.
이어서, 상기와 같이 혼합된 무기 미립자와 황산상대점도가 2.5~2.7인 Regular 나일론칩을 각각 별도의 투입구를 통하여 트윈 익스트루더에 투입한 후 240~280 ℃ 정도로 용융 혼합한 후 압출하여 마스터 배치 칩을 제조한다. 이때 마스터 배치 칩 내 무기 미립자의 함량이 5~30 중량% 정도 되도록 무기 미립자와 고점도 나일론 칩을 혼합하는 것이 바람직하다. 차후 Regular 나이론과의 혼합방사를 기준으로 볼 때, 무기 미립자의 함량이 5 중량% 미만이면 목표하는 원적외선 방사율의 달성을 위하여 MB 칩을 과량 첨가하여야 하므로, MB 칩 제조 시 한번의 가공단계를 거친 MB 칩 자체(Shear stress, 열에 의한 Polymer 변성 등)가 defect가 될 수 있는 문제가 있고, 30 중량%를 초과하면 소량 투입에 의한 균일 분산성의 문제로 균일한 원적외선 방사율을 구현하는데 있어 문제점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 복합기능성 나일론 섬유의 제조방법에 사용되는 혼합용융방사장치의 개략도이다. 도 1을 참조하면 상기와 같은 방법에 의해 제조된 마스터 배치 칩은 마스터 배치 칩 사일로(2)에 저장되며, 황산상대점도가 2.5~2.7인 일반 나일론 칩은 나일론 사일로(1)에 저장된다. 상기 마스터 배치 칩과 일반 나일론 칩은 최종 원사 내 무기 미립자의 함량이 0.05~2 중량%가 되도록 계량 혼합 공급장치(3, Auto blender)에서 혼합된다. 이때 최종 원사 내 무기 미립자의 함량이 0.05 중량% 미만이 되도록 혼합하는 경우에는 방사공정상의 작업성 측면에서는 유리하나 제조된 섬유의 원적외선 효과가 미미하며, 2 중량%를 초과하도록 혼합하는 경우에는 원적외선 효능은 더 이상 향상되지 않고 오히려 방사조업성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
이어서 상기와 같이 혼합된 마스터 배치 칩과 일반 나일론 칩은 익스트루더(5)로 투입된 후 익스트루더(5)에서 온도 240~280 ℃ 로 용융 혼합된 후 폴리머 멜팅 펌프(6)를 통하여 방사 노즐(8)에서 방사속도 3,200~4,200 m/분의 속도로 압출 방사된다. 이때 방사 온도가 저온일 경우 방사의 팩압 상승을 초래하고 고온일 경우에는 과다한 열분해로 방사불량을 야기할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 방사 노즐(8)은 섬유의 흡한속건 기능을 증대시키기 위하여 수분전이 채널(channel)이 있도록 '3山' 형상의 단면을 가지는 노즐을 사용하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 일 구현예에 따르면, 방사 시 배면 배출형 냉각장치(9-2, Cross Flow Quenching) 과 노즐 보온 히터(9-1)를 이용하는 것이 바람직한 데, ROQ (Radial Out-flow Quenching)은 적극적 냉각이 가능하나, 상기 발명의 Polymer에 다량의 무기 미립자가 첨가되어 있으므로 급랭 시 고속 결정화에 의해 Polymer가 brittle 하여 진다. 이는 섬유의 물성저하 및 방사공정성 저하의 원인이 되기 때문에, 상기 발명에서는 배출형 냉각장치(9-2)를 사용하게 되는데, 이는 Polymer를 지연냉각 시킴으로써 상기 문제를 해결하는 역할을 한다. 또한 이와 동시에 노즐 보온 히터(9-1)는 Polymer의 relaxation time을 주어 결정화 속도를 조절하며, 균일한 단면을 형성하는 역할을 한다. 상기의 Quenching 조건과 보온 히터의 두께 및 온도 등은 Polymer의 특성과 첨가제 함량 등의 조건에 따라 적절히 조절되어야 한다.
상기와 같이 방사 후 냉각 고화된 미연신사는 제1, 2 고뎃롤러(11, 12)을 통과하면서 가연연신비 1.1~1.3으로 연신, 열처리 및 이완 공정을 거친 후 권취 롤러(14)에서 권취하여 최종적으로 원사를 제조한다.
특히 본 발명에 따른 복합기능성 나일론 섬유의 제조방법은, 원적외선 소재인 산화티탄계 및 알루미나계 무기 미립자의 평균 입경이 1 ㎛ 이하로 작고, 입도분포가 고르기 때문에 방사 도중에 절사 등의 문제가 발생하지 않고 방사조업성이 우수하여 필라멘트사의 제조가 용이한 잇점이 있다. 또한 전술한 바와 같이 산화티탄계 및 알루미나계 무기 미립자를 적정 비율로 혼합하고 이를 별도의 마스터 배치 칩으로 제조하여 일반 나일론 칩과 혼합하기 때문에 무기 미립자의 분산성이 우수하고, 원적외선 방출 성능이 뛰어난 효과가 있다.
이와 같이 제조된 본 발명의 일 구현예에 따른 복합기능성 나일론 섬유는 산화티탄계 및 알루미나계 무기 미립자를 0.05~2 중량% 포함하며, 단사섬도가 0.5~2 데니어이고 단면이 '3山' 형태를 지니게 된다. 특히 단면이 '3山' 형태를 지니게 됨으로써 섬유가 모세관 현상에 의한 수분전이 Channel을 형성 할 수 있으며, Filament 間 공기층을 형성하여 보온특성을 나타낼 수 있다. 또한 단면이 편평하며, 이형화 되어 있기 때문에 제직/편직 조건에 따라 Cover factor를 증가시켜, 자외선 차단의 효과를 낼 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 복합기능성 나일론 섬유의 제조방법에 대하여 실시예를 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 이는 본 발명을 설명하기 위한 목적일 뿐 본 발명의 보호범위가 이에 제한되어 해석되어서는 아니된다.
실시예 1
산화티탄계 무기물 미립자의 평균크기가 0.4㎛ 이고 0.4㎛ 이하의 크기를 갖는 입자가 60% 분포한 무기 미립자 및 알루미나계 무기물 미립자의 평균크기가 1.0㎛ 이고 1.0㎛ 이하의 크기를 갖는 입자가 60% 분포한 무기 미립자를 1.5:1 비율로 혼합한 다음, 나일론 (황산상대점도 2.6)와 용융 혼합하여 무기물 함량 20중량%의 마스터 배치 칩(Master Batch Chip)(이하 MB칩)을 만들고 섬유 내 무기물 미립자의 농도가 0.5중량%를 이룰 수 있도록 MB칩을 일반 나일론(황산상대점도 2.6) 칩과 혼합하여 도1의 방사장치 및 배면 배출형 냉각 장치 (CFQ: Cross Flow Quenching) 및 노즐 보온 히터를 이용, 260℃에서 3,400m/분의 속도로 방사한 다음 통상의 가연 설비를 이용하여 가연연신비 1.2배로 가연, 도2의 3山 형상의 단면 형태의 70데니어/68가연사로 제조하였다. 방사노즐은 섬유의 흡한속건기능을 증대키 위해 수분전이 Channel있도록 3山 형 형상을 지닌 노즐을 사용하였고, MB칩의 공급은 도 1과 같이 용융압출기 전에 별도의 공급혼합장치를 이용하여 공급하였으며, 수득된 나일론 섬유의 물성, 공정성 및 기능성을 평가하여 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 2
산화티탄계 무기물 미립자의 평균크기가 0.4㎛ 이고 0.4㎛ 이하의 크기를 갖는 입자가 60% 분포한 무기 미립자 및 알루미나계 무기물 미립자의 평균크기가 1.0㎛ 이고 1.0㎛ 이하의 크기를 갖는 입자가 60% 분포한 무기 미립자를 1.5:1 비율로 혼합한 다음, 나일론 (황산상대점도 2.6)와 용융 혼합하여 무기물 함량 20중량%의 마스터 배치 칩(Master Batch Chip)(이하 MB칩)을 만들고 섬유내 무기물 미립자의 농도가 0.5중량%를 이룰 수 있도록 MB칩을 일반 나일론 (황산상대점도 2.6)와 혼합하여 도1의 방사장치 및 배면 배출형 냉각 장치 및 노즐 보온 히터를 이용, 260℃에서 4,000m/분의 속도로 방사하여 도2의 3山 형상의 단면 형태의 30데니어/24필라멘트사로 제조하였다. 방사노즐은 섬유의 흡한속건기능을 증대키 위해 수분전이 Channel있도록 3山 형 형상을 지닌 노즐을 사용하였고, MB칩의 공급은 도 1과 같이 용융 압출기 전에 별도의 공급혼합장치를 이용하여 공급하였으며, 수득된 나일론 섬유의 물성, 공정성 및 기능성을 평가하여 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 1
당사의 일반적인 나일론 칩(황산상대점도 2.6)을 이용하여 통상의 방사장치를 이용하여 260℃에서 3,400m/분의 속도로 방사한 다음 통상의 가연 설비를 이용, 가연연신비 1.2배로 가연하여 원형 단면의 70데니어/68필라멘트를 제조하였으며 수득된 나일론 섬유의 물성, 공정성 및 기능성을 평가하여 하기 표 1에 나타내었다.
[표 1]
Figure pat00001
무기입자의 입자 크기 및 분포
원사내 투입된 입자의 입자 크기 및 분포를 측정키 위해 이미지 어넬라이저(Image analyzer)가 장착된 전자현미경(SEM)을 이용하여 원사 단면을 10번 무작위로 촬영 후, 무기물 입자 평균 크기 및 분포도를 산출하였다.
균제도(Uster %)
섬유의 균제도를 측정키 위해 Keisokki사의 Eveness Tester 80 모델의 기기를 사용하여 균제도(Uster %)를 측정하였다.
방사 조업성
120시간 동안 방사기를 가동하여 권량기준 9kg으로 하여 전체 생산 개수에 대한 만관량(Full Cake)의 비율을 만관율로 하여 측정하였다.
원적외선 방출성(KFIA-FI-1005)
FT-IR Spectrometer를 사용하여 온도 37℃, 원적외선 방사 영역(λ=5~20㎛)에서 블랙바디 대비 원적외선 방사율을 측정하였다.
축열/보온 성능
가로(30cm), 세로(30cm)의 원단을 준비하여 인공기후실(20℃, 상대습도 50%)에서 2시간 동안 방치한 다음, 원단 밑부분에는 온도센서를 부착하고, 원단으로부터 70cm 거리에서 500W 광원을 30분 동안 조사하며 1분 단위로 온도를 측정후 평균 온도로 표시하였다.
상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 복합기능성 나일론 섬유는 통상의 나일론 섬유인 비교예 1에 비하여 산화티탄계 무기물의 열에너지 흡수 및 방출의 기능이 뛰어나므로 원적외선 방사율 증가 및 이로 인한 보온효과가 우수함을 알 수 있었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 구현예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나 본 발명은 상술한 구현예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 많은 변형이 가능함은 자명할 것이다.
1 : 나일론 사일로(Silo),　　　　　　　　　　　 2 : 마스터 배치 칩 사일로(Silo)
3 : 계량 혼합 공급장치(Auto blender)　　 4 , 4-1: 모터
5 : 익스트루더　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 6 : 폴리머 멜팅 펌프
7 : 스핀 블록　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 8 : 방사 노즐
9 : 냉각 장치　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 9-1 : 노즐 보온 히터
9-2 : 배면 배출형 냉각 장치 (CFQ: Cross Flow Quenching)
10 : 집속 오일링 장치　　　　　　　　　　　　　　　11, 12: 제1, 제2 고뎃 롤러(Godet Roller)
13 : 권취장치　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 14 : 원사

Claims (9)

  1. 산화티탄계 무기 미립자와 알루미나계 미립자를 2:1~1:1 의 비율로 혼합한 다음, 고점도 나일론과 혼합하여 마스터 배치 칩을 제조하는 단계; 및
    상기 마스터 배치 칩을 일반 나일론과 혼합하여 용융 방사하는 단계를 포함하는 복합기능성 나일론 섬유의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제조방법은 용융 방사 후에 방사된 미연신사를 가연연신비 1.1~1.3 배로 가연하여 가연사를 제조하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 복합기능성 나일론 섬유의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 산화티탄계 무기 미립자는 평균 입경이 0.35~0.45 ㎛, 0.4 ㎛ 이하의 입경을 갖는 입자가 55~65 %이고, 상기 알루미나계 무기 미립자는 평균 입경이 0.9~1.1 ㎛, 1.0 ㎛ 이하의 입경을 갖는 입자가 55~65 %인 것을 특징으로 하는 복합기능성 나일론 섬유의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 마스터 배치 칩은 무기 미립자의 함량이 5~30 중량%인 것을 특징으로 하는 복합기능성 나일론 섬유의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 마스터 배치 칩을 일반 나일론과 혼합하는 단계는 원사 내 무기 미립자의 함량이 0.05~2 중량%가 되도록 마스터 배치 칩과 일반 나일론을 혼합하는 것을 특징으로 하는 복합기능성 나일론 섬유의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 마스터 배치 칩을 일반 나일론과 혼합하여 용융 방사하는 단계는 '3山' 형상의 단면을 가지는 노즐을 사용하여 방사하는 것을 특징으로 하는 복합기능성 나일론 섬유의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 방사하는 단계는 배면 배출형 냉각장치 및 노즐 보온히터를 이용하여 방사하는 것을 특징으로 하는 복합기능성 나일론 섬유의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 방사하는 단계는 3200~4200 m/분의 방사속도로 방사하는 것을 특징으로 하는 복합기능성 나일론 섬유의 제조방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조되는 복합기능성 나일론 섬유로서, 상기 나일론 섬유는 산화티탄계 및 알루미나계 무기 미립자를 0.05~2 중량% 포함하며, 단사섬도가 0.5~2 데니어이고 단면이 '3山' 형상인 것을 특징으로 하는 복합기능성 나일론 섬유.
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