KR20140074756A - 흡음성능이 우수한 섬유집합체 및 그 제조방법 - Google Patents

흡음성능이 우수한 섬유집합체 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 흡음성능이 우수한 섬유집합체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 입사된 소리에너지의 점성 손실과 소산 경로를 극대화할 수 있는 공기층을 형성하여 흡음률을 향상시키고, 외부 온도 변화에도 온도 조절이 가능하여 외부 온도가 낮아지는 겨울철에도 흡음 성능의 저하를 방지할 수 있으며, 우수한 흡음 효과로 자동차 내부로 유입되는 소음 방지에 효과적일 뿐만 아니라 온도 조절 기능이 부가되어, 배터리에 의해서 구동되고, 별도로 난방이 이루어지는 미래 전기자동차에 에너지 효율을 높일 수 있는 내장재로 사용하여 품질 향상에 기여할 수 있는 흡음성능이 우수한 섬유집합체에 관한 것이다.

Description

흡음성능이 우수한 섬유집합체 및 그 제조방법{Fiber aggregate having excellent sound absorption performance and manufacturing method thereof}
본 발명은 흡음성능이 우수한 섬유집합체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 흡음률이 개선될 뿐만 아니라 외부 온도 변화에도 온도 조절이 가능한 흡음성능이 우수한 섬유집합체에 관한 것이다.
진공청소기, 식기세척기, 세탁기, 에어컨, 공기청정기, 컴퓨터, 프로젝터 등과 같이 소음원의 종류가 더욱 다양해지고, 이에 따라 소음공해 문제가 점점 심각해지고 있다. 따라서 이러한 현대생활 속에 다양한 소음원으로부터 발생되는 소음을 차단하거나 감소시키기 위한 노력이 계속되고 있으며, 해외선진국에서는 아파트 등의 공동 주택의 층간 및 세대간의 소음수준을 규제하기 위한 법적 규제가 점점 엄격해지는 추세이다. 또한, 자동차의 실내로 유입되는 소음은 엔진에서 발생하여 차체 또는 공기를 통하여 전달되는 엔진 소음, 바퀴 및 지면과의 마찰음이 대표적인데, 이러한 소음을 억제하기 위하여 엔진 커버, 후드 인슐레이션을 사용하고 있으나 실제로 소음을 저감하는 효과는 미미하며, 차량의 실외에 부착된 대쉬 아우터, 실내에 부착된 대쉬 인너 및 플로어 카펫 등이 대부분의 소음을 제거하는 역할을 수행하고 있다.
소음을 개선하는 방법에는 흡음성능을 개선하는 것과 차음 성능을 개선하는 두 가지 방법이 있는데 흡음이란 발생한 소리에너지가 소재의 내부경로를 통해 전달되면서 열에너지로 변환되어 소멸하는 것이며, 차음은 발생한 소리에너지가 차폐물에 의해 반사되어 차단되는 것이다.
종래 전통적으로 사용되는 흡,차음재로서는 펠트(felt), 스펀지, 폴리우레탄 폼 등이 주로 사용되고 있으며, 이외에도 압축섬유, 유리섬유, 암면, 또는 재생섬유 등에 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 함침시킨 흡음재를 열거할 수 있다. 그러나, 상기에서 기술된 흡음재의 대부분이 방음 성능이 충분하지 않으며, 흡음재의 의 대부분은 인체에 유해한 성분을 함유하고 있는 문제점이 있었다.
근래에는 친환경성 및 재활용 가능 여부에 대한 각 국의 규제가 점차적으로 강화되고 있는 추세여서 PET나 PP(polypropylene) 등의 열가소성 수지를 기반으로 하는 섬유 흡음재의 사용 비율이 증가하고 있는 상황이다. 또한 이산화탄소 저감을 위하여 차량의 연비 규제도 점차 심화되고 있는데, 연비 향상은 부품의 경량화를 통해 달성할 수 있으므로 향상된 성능과 더불어 경량화된 흡음재의 개발이 필요한 상황이다.
이에 따라, 인체에 무해하고, 두께를 감소시키면서도 소음을 효과적으로 흡수하여 저감할 수 있는 흡음 기능이 탁월한 흡음재에 대한 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.
종래의 연구 개발된 흡음재로는 일반적인 멜트블로운 섬유에 크림프되는 직경 10 ㎛ 이상인 일반적인 단섬유가 10 중량% 이상 함유되어 이루어지는 웹 형태인 흡음재가 개시되어 있고, 일반적인 멜트블로운 섬유에 크림프되는 벌키섬유가 함유되어 이루어지는 웹 형태인 흡음재겸 보온재가 개시되어 있으나, 일반적인 멜트블로운 섬유로 이루어지는 웹의 공극률이 매우 커서 조직구조가 치밀하지 못하고, 흡음재의 내구성이 부족하고 충분한 흡음 효과를 제공하지 못할 뿐만 아니라, 충분한 흡음 효과를 제공하기 위해서는 흡음재의 두께를 크게 증가시켜야 한다는 문제점이 있다.
또한, 극세섬유를 멜트블로운하여 이루어지는 3차원 부직포웹인 흡음재가 개시되어 있으나, 3차원 부직포웹은 공극률이 커서 조직구조가 치밀하지 못하여 내구성이 부족하며, 3차원 부직포웹의 특성 상 충분한 흡음 효과를 제공하기 위해서는 상기 3차원 부직포웹의 두께를 크게 증가시켜야 할 뿐만 아니라, 상기와 같이 3차원으로 구성되는 부직포웹의 제조가 까다로워서 제조원가가 크게 상승하게 된다는 문제점이 있다.
이 외에도, 흡음성과 단열성이 우수한 멜트블로운 부직포에서는 평균직경 0.1∼20 ㎛의 섬유로 이루어지는 밀도 50∼4000 g/㎡의 단일 구조인 멜트블로운 부직포가 개시되어 있으나, 이러한 단일 구조의 멜트블로운 부직포는 역시 종래의 흡음재에 비해 방음 성능이 그다지 개선되지 못했다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 섬유 흡음제품은 외부 온도 변화로부터 흡음 성능의 영향을 많이 받는 문제점이 있었다. 온도가 높은 여름철에 비하여 외부 온도가 낮아지는 겨울철에는 외부 온도가 낮아짐에 따라 섬유집합체가 딱딱해지고 점탄성이 저하되어 흡음 효과가 떨어지는 문제가 있었다.
나아가, 미래에 그 수요가 증가할 것으로 예상되는 전기자동차는 내연기관에서 나오는 폐열로 난방하는 가솔린자동차와 달리 배터리에 의해서 구동되고, 별도로 난방이 이루어지기 때문에 자동차 내부로 유입되는 소음 방지와 더불어 에너지 효율을 높일 수 있는 내장재의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 입사된 소리에너지의 점성 손실과 소산 경로를 극대화할 수 있는 공기층을 형성하여 흡음률을 향상시키고, 외부 온도 변화에도 온도 조절이 가능하여 외부 온도가 낮아지는 겨울철에도 흡음 성능의 저하를 방지할 수 있는 흡음성능이 우수한 섬유집합체를 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
멜트블로운 섬유(meltblown fiber); 및 상변화물질(PCM)을 포함하는 단섬유(staple fiber);를 포함하는 흡음성능이 우수한 섬유집합체를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 단섬유는 폴리올레핀계 고분자 및 분산된 상변화물질(PCM)을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 폴리올레핀계 고분자 및 상변화물질(PCM)의 중량비는 9: 1 내지 3: 7일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 단섬유(staple fiber)는 폴리올레핀계 고분자 및 분산된 상변화물질(PCM)을 일성분으로 하여 복합방사한 복합섬유일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 단섬유(staple fiber)는 폴리올레핀계 고분자 및 분산된 상변화물질(PCM)을 코어(Core) 성분으로 하고, 폴리에스테르계 고분자를 시스(Sheath) 성분으로 포함하는 시스-코어(Sheath-core)형 복합섬유일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 시스-코어(Sheath-core)형 복합섬유는 코어(Core) 성분 및 시스(Sheath) 성분의 중량비가 7 : 3 내지 3 : 7일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 상변화물질(PCM)은 탄소 수 14 내지 22의 파라핀계 상변화물질(PCM)일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 상변화물질(PCM)은 n-옥타코산, n-헵타코산, n-헥사코산, n-테트라코산, n-트리코산, n-도코산, n-헤네이코산, n-아이코산, n-노나데칸, n-옥타데칸, n-헵타데칸, n-헥사데칸, n-펜타데칸, n-테트라데칸 및 n-트리데칸으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 상변화물질(PCM)의 융점은 5 내지 44℃일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 단섬유(Staple fiber)의 섬유장은 22 내지 64mm이며, 섬도는 1 내지 10D일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 멜트블로운 섬유(meltblown fiber)는 1.0 내지 20.0 μm의 직경을 갖을 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 섬유집합체는 상변화물질(PCM)을 포함하는 단섬유(Staple fiber)를 10 내지 65중량% 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 멜트블로운 섬유(meltblown fiber); 및 상변화물질(PCM)을 포함하는 단섬유(staple fiber);를 포함하는 섬유집합체에 있어서, Alpha Cabin법에 의해 25℃에서 측정한 흡음률에 비하여 0℃에서 측정한 흡음률의 감소율이 5%이하인 것을 특징으로 하는 흡음성능이 우수한 섬유집합체를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 단섬유(staple fiber)는 폴리올레핀계 고분자 및 분산된 상변화물질(PCM)을 코어(Core) 성분으로 하고, 폴리에스테르계 고분자를 시스(Sheath) 성분으로 포함하는 시스-코어(Sheath-core)형 복합섬유일 수 있다.
또한, 본 발명은 (1) 상변화물질(PCM)을 포함하는 단섬유(staple fiber)를 제조하는 단계; 및 (2) 멜트블로운 섬유(meltblown fiber)가 방사되는 과정에서 상기 단섬유(staple fiber)를 혼입하는 단계;를 포함하는 흡음성능이 우수한 섬유집합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 단섬유(staple fiber)는 폴리올레핀계 고분자 및 분산된 상변화물질(PCM)을 코어(Core) 성분으로 하고, 폴리에스테르계 고분자를 시스(Sheath) 성분으로 포함하는 시스-코어(Sheath-core)형 복합섬유일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 상변화물질(PCM)은 탄소 수 14 내지 22의 파라핀계 상변화물질(PCM)일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 섬유집합체는 (PCM)을 포함하는 단섬유(Staple fiber)를 10 내지 65중량% 포함할 수 있다.
본 발명의 흡음성능이 우수한 섬유집합체는 입사된 소리에너지의 점성 손실과 소산 경로를 극대화할 수 있는 공기층을 형성하여 흡음률을 향상시키고, 외부 온도 변화에도 온도 조절이 가능하여 외부 온도가 낮아지는 겨울철에도 흡음 성능의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 우수한 흡음 효과로 자동차 내부로 유입되는 소음 방지에 효과적일 뿐만 아니라 온도 조절 기능이 부가되어, 배터리에 의해서 구동되고, 별도로 난방이 이루어지는 미래 전기자동차에 에너지 효율을 높일 수 있는 내장재로 사용하여 품질 향상에 기여할 수 있다.
도1은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 섬유집합체의 단면도이다.
도2는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 섬유집합체에 포함되는 시스-코어 형태로 복합방사하여 제조한 상변화물질(PCM)을 포함하는 단섬유(staple fiber)의 단면 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
상술한 바와 같이 종래의 흡음 제품은, 공극률 및 음파 소산 경로를 증대시켜 흡음 성능 및 차음 성능을 향상시키기 위해서 섬유 집합체의 면밀도 및 두께를 증가시켜야 하는 문제점이 있었으며, 외부 온도 변화로부터 흡음 성능의 영향을 많이 받아 온도가 높은 여름철에 비하여 외부 온도가 낮아지는 겨울철에는 외부 온도가 낮아짐에 따라 섬유집합체가 딱딱해지고 점탄성이 저하되어 흡음 효과가 떨어지는 문제가 있었다.
이에 본 발명에서는 멜트블로운 섬유(meltblown fiber); 및 상변화물질(PCM)을 포함하는 단섬유(staple fiber);를 포함하는 흡음성능이 우수한 섬유집합체를 제공함으로써 상술한 문제의 해결을 모색하였다. 이를 통해 입사된 소리에너지의 점성 손실과 소산 경로를 극대화할 수 있도록 공기층을 형성하여 흡음률을 향상시킬 수 있으며, 외부 온도 변화에도 온도 조절이 가능하여 외부 온도가 낮아지는 겨울철에도 흡음 성능의 저하를 방지할 수 있는 흡음성능이 우수한 섬유집합체 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
구체적으로, 도1은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 흡음성능이 우수한 섬유집합체의 단면도로서, 멜트블로운 섬유집합체(10)는 멜트블로운 섬유(meltblown fiber)(11) 및 단섬유(staple fiber)(12)를 포함한다. 멜트블로운 섬유집합체(10)는 조직구조가 치밀하여 상당한 정도의 흡음 기능을 지니고 있으나, 두께를 대폭 감소하면서도 흡음 효과를 크게 향상시키기 위해서는 멜트블로운 섬유집합체(10)에 흡음 효과의 향상을 제공하는 단섬유(staple fiber)(12)를 별도로 포함하여 멜트블로운 섬유집합체(10)를 구성할 수 있다. 이를 위하여, 멜트블로운 성형 중인 섬유집합체의 내부에 단섬유(staple fiber)(12)를 혼입하여 균일하게 분산되도록 할 수 있다.
먼저, 본 발명의 섬유집합체(10)를 형성하는 멜트블로운 섬유(meltblown fiber)(11)는 통상적으로 멜트블로운 되어 멜트블로운 섬유(meltblown fiber)를 형성할 수 있는 것이라면 특별한 제한은 없으나, 보다 바람직하게는 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐, 1-헥센, 4-메틸-1-펜텐 및 1-옥텐 등의 알파-올레핀의 단독 혹은 공중합체인 고압법 저밀도 폴리에틸렌, 선상 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리프로필렌(프로필렌 단독 중합체), 폴리프로필렌 랜덤 공중합체, 폴리1-부텐, 폴리4-메틸-1-펜텐, 에틸렌프로필렌 랜덤 공중합체, 에틸렌1-부텐 랜덤 공중합체, 프로필렌1-부텐 랜덤 공중합체 등의 폴리올레핀, 폴리에스터(폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리트리메틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트 등), 폴리아미드(나일론-6, 나일론-66, 폴리메타크실렌아디프아미드 등), 폴리염화비닐, 폴리이미드, 에틸렌아세트산비닐 공중합체, 에틸렌아세트산비닐비닐알코올 공중합체, 에틸렌(메트)아크릴산 공중합체, 에틸렌-아크릴산에스테르-일산화탄소 공중합체, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 아이오노머 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 것이 될 수 있다.
상기 멜트블로운 섬유(meltblown fiber)(11)의 직경은 1.0 내지 20.0 μm일 수 있다. 멜트블로운 섬유(meltblown fiber)(11)의 직경이 1.0 μm 미만일 경우 생산성 저하로 인해 제조원가가 크게 증가되고, 두께 및 압축회복률 감소로 인해 흡음성능이 감소하는 문제가 있을 수 있으며, 직경이 20.0 μm를 초과하는 경우 섬유집합체의 조직구조가 치밀하게 형성되지 않으며, 이는 결국 흡음재의 흡음 성능 및 내구성 저하의 문제를 일으킬 수 있다.
다음으로, 본 발명의 섬유집합체(10)에 포함되는 단섬유(staple fiber)(12)는, 상변화물질(PCM)을 포함한다.
상변화물질(Phase Change Material, PCM)이란, 주변의 온도가 상승하면 녹으면서 열을 흡수하고, 주변의 온도가 낮아지면 결정화하면서 열을 방출시키는 축열, 방열 특성을 반복적으로 나타내는 물질이다.
본 발명은 단섬유(staple fiber)(12)에 상변화물질(PCM)을 포함하여 흡음 효과와 더불어 온도 조절 기능을 부가함으로써 에너지 효율을 높일 수 있으며, 외부 온도 변화에도 온도 조절이 가능하여 겨울철 낮은 외부 온도로 인해 흡음재가 딱딱해지고 점탄성이 저하되어 흡음성능이 감소하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 단섬유(staple fiber)(12)는 폴리올레핀계 고분자 및 상기 폴리올레핀계 고분자에 분산된 상변화물질(PCM)을 포함할 수 있다.
폴리올레핀계 고분자는 상변화물질(PCM)과의 상용성이 우수하여 상변화물질(PCM)을 포함하는 단섬유(staple fiber)(12)의 주성분으로 포함할 수 있으며, 그 종류는 크게 제한되지 않으나, 보다 바람직하게는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아이소부틸렌 및 이들의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 폴리올레핀(polyolefin) 고분자일 수 있으며, 가장 바람직하게는 내마모성, 내화학성 등의 물성이 뛰어나고, 가격이 저렴하여 넓은 범용성을 가진 폴리프로필렌일 수 있다. 상기 폴리프로필렌은 용융흐름지수(MFI)가 10 내지 40g/10min이고, DSC로 측정한 융융점(Tm)이 160 내지 165℃인 것이 보다 바람직하다. 폴리프로필렌의 용융흐름지수가 낮을수록 섬유의 강성, 내약품성, 낮은 신율을 부여할 수 있지만 점도가 저하되므로 가공성이 나빠지게 되며, 용융흐름지수가 너무 높으면 섬유의 강성이 저하될 뿐만 아니라, 방사가 어려우므로 10 내지 40g/10min의 용융흐름지수를 가지는 것이 가장 적합하다.
또한, 본 발명의 단섬유(staple fiber)(12)에 포함되는 상기 상변화물질(PCM)의 융점은 바람직하게는 5 내지 44℃일 수 있다. 상변화물질(PCM)의 융점은 계절적 요인과 통상적인 자동차 실내의 온도범위를 고려하여 상기 범위 내인 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 21 내지 34℃일 수 있다.
상기 상변화물질(PCM)은 상기 융점 범위를 만족하는 것 중에도 탄소 수 14 내지 22의 파라핀계 상변화물질(PCM)인 것이 보다 바람직하다. 파라핀계 상변화물질(PCM)은 폴리올레핀계와의 상용성이 우수하고, 인체에 무해하다. 상기 파라핀계 상변화물질(PCM)은 n-옥타코산, n-헵타코산, n-헥사코산, n-테트라코산, n-트리코산, n-도코산, n-헤네이코산, n-아이코산, n-노나데칸, n-옥타데칸, n-헵타데칸, n-헥사데칸, n-펜타데칸, n-테트라데칸 또는 n-트리데칸 등의 단독 또는 혼합 형태일 수 있다.
본 발명의 단섬유(staple fiber)(12)에 포함되는 상기 폴리올레핀계 고분자 및 상변화물질(PCM)의 중량비는 9: 1 내지 3: 7일 수 있다. 상변화물질(PCM)이 상기 범위 미만으로 포함될 경우 온도 조절 기능이 미흡한 단점이 있을 수 있으며, 상기 범위를 초과하여 포함될 경우 코어(Core)부의 섬유 형성능이 저하되어 결과적으로 복합섬유의 생산성 및 물성이 저하되는 단점이 있을 수 있다.
나아가, 상기 단섬유(staple fiber)(12)는 폴리올레핀계 고분자 및 분산된 상변화물질(PCM)을 일성분으로 하여 복합방사한 복합섬유일 수 있다.
바람직하게는 시스-코어(sheath-core)형 또는 사이드 바이 사이드(side by side)형 등의 복합섬유일 수 있으며, 시스-코어(sheath-core)형 복합섬유를 형성할 경우, 폴리올레핀계 고분자 및 분산된 상변화물질(PCM)을 코어(Core) 성분으로 하고, 폴리에스테르계 고분자를 시스(Sheath) 성분으로 포함하는 시스-코어(Sheath-core)형 복합섬유일 수 있다. 시스(Sheath) 성분으로 포함되는 폴리에스테르계 고분자는 코어(Core)성분의 폴리올레핀계 고분자와의 계면특성으로 인하여 그 사이에 공간이 형성되고, 이는 공기층의 형성을 극대화하여 입사된 소리에너지의 점성 손실과 소산 경로를 극대화할 수 있으며, 흡음성능이 현저히 향상될 수 있다. 시스(Sheath) 성분으로 포함되는 폴리에스테르계 고분자는 범용적인 폴리에스테르계 고분자라면 특별한 제한이 없으나, 보다 바람직하게는 폴리에텔렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate) 또는 폴리트리메틸렌테레프탈레이트 (Polytrimethyleneterephthalate) 등의 단독 또는 혼합 형태일 수 있다. 도2는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 섬유집합체에 포함되는 시스-코어 형태로 복합방사하여 제조한 단섬유(staple fiber)의 단면 사진으로, 코어 성분에 폴리프로필렌과 파라핀계 상변화물질(PCM)을 포함하고, 시스 성분으로 폴리에틸렌테레프탈레이트를 포함하였으며, 이들의 계면특성으로 인해 코어 성분과 시스 성분 사이에 공간이 형성된 것을 확인할 수 있다.
상기 시스-코어(Sheath-core)형 복합섬유는 코어(Core) 성분 및 시스(Sheath) 성분의 중량비가 7 : 3 내지 3 : 7일 수 있다. 코어(Core)성분이 상기 범위 미만으로 포함될 경우 온도 조절 기능이 미흡하고, 시스(Sheath)와 코어(Core)부 사이에 형성되는 공간의 크기가 감소하여 흡음성능이 저하되는 단점이 있을 수 있으며, 상기 범위를 초과하여 포함될 경우 시스(Sheath) 성분이 너무 적어 복합방사된 섬유 전체의 물성저하가 발생하는 단점이 있을 수 있다.
상기 단섬유(staple fiber)(12)의 섬유장은 22 내지 64 mm일 수 있으며, 22 mm 미만인 경우 섬유구조체의 두께 및 압축회복률 감소로 인해 흡음성능이 저하되는 문제가 있을 수 있고, 64 mm를 초과하는 경우 단섬유 오프닝(Opening) 및 카딩(Carding) 공정과 블로잉(Blowing) 공정에서 균일하게 혼입하는데 문제가 발생할 수 있으며 동일 비율로 혼입이 되었을 때 무게 단위로 조정하기 때문에 섬유구조체 전체에서 단섬유 개체수가 적게 혼입되게 되고 이로 인해 두께 감소, 압축회복률 등의 물성 저하를 초래하는 문제가 있을 수 있다. 나아가 상기 단섬유(staple fiber)(12)의 섬도는 1 내지 10 D일 수 있으며, 섬도가 작아질수록 흠음 성능 향상에는 효과적일 수 있다. 단섬유(staple fiber)(12)의 섬도가 1 D 미만인 경우 목표로 하는 단면의 최적 형상을 제어하는데 문제가 있을 수 있으며, 10 De를 초과하는 경우 동일 비율로 혼입이 되었을 때 무게 단위로 조정하기 때문에 섬유구조체 전체에서 단섬유 개체수가 적게 혼입되게 되고 이로 인해 두께 감소, 압축회복률 등의 물성 저하를 초래하는 문제가 있을 수 있다.
본 발명의 흡음성능이 우수한 섬유집합체(10)는 상기 멜트블로운 섬유(meltblown fiber)(11) 35 내지 90중량% 및 상기 상변화물질(PCM)을 포함하는 단섬유(staple fiber)(12) 10 내지 65중량% 를 포함할 수 있다. 상기 단섬유(staple fiber)(12)가 10중량% 미만인 경우 단섬유를 혼입하여 두께 및 압축회복률을 증가시키는 장점이 감소하기 때문에 이와 연관된 흡음성능 저하의 문제가 있을 수 있고 외부 온도 변화에 대한 온도조절 기능이 미흡할 수 있으며, 65중량%를 초과하게 되면 극세한 섬유 부분의 비율이 감소하기 때문에 동일 중량의 섬유집합체로 입사되는 음파에 대한 에너지 손실률을 높여 소음을 감소시키기 위한 음파의 점성 손실 발생률이 적어져서 결과적으로 흡음성능 저하의 문제가 있을 수 있다.
초극세 섬유로 구성된 멜트블로운 섬유(meltblown fiber)(11)와 단섬유(staple fiber)(12)가 상기 범위 내의 비율로 함께 존재함으로써 넓은 표면적과 공기층을 형성하여 흡음률을 향상시킬 수 있으며, 고주파수뿐 만 아니라 저주파수 대역에서도 우수한 흡음 성능을 구현할 수 있다. 또한, 외부 온도 변화에도 온도 조절이 가능하여 외부 온도가 낮아지는 겨울철에도 흡음 성능의 저하를 방지할 수 있다.
멜트블로운 섬유(meltblown fiber)(11) 및 내부에 분산되는 단섬유(staple fiber)(12)로 이루어지는 상기 섬유집합체(10)는 강도를 향상시키고 형태를 그대로 유지하기 위하여, 상기 섬유집합체(10)의 일 표면 또는 양 표면에 일정한 두께의 지지층(20, 30)이 형성되는 것이 바람직하다.
이를 위하여, 멜트블로운 섬유(meltblown fiber)(11)와 상변화물질(PCM)을 포함하는 단섬유(staple fiber)(12)로 이루어지는 섬유집합체(10)의 표면에 내장재 커버용으로 적용되는 이미 공지된 각종 소재들 예를 들면 부직포, 직조 직물, 편직 직물, 폼(Foam), 필름, 종이, 스판본드 직물, 멜트블로운 직물, 스테이플 웹 등과 같은 공지된 내장재 커버용 소재를 단독으로 사용하거나 또는 2종 이상 조합하여 이루어지는 지지층(20, 30)이 형성될 수 있다. 이러한 지지층(20, 30)은 차량 내부, 건축물 내부 등에 시공되는 흡음재의 표면을 커버하여 상기 흡음재의 형태를 유지하고 강도를 제공하는 동시에, 시일이 경과됨에 따라 흡음재의 단섬유(staple fiber)(12)가 탈리되는 것도 방지하여 흡음 기능을 지속적으로 유지하도록 할 수 있다.
상기와 같은 흡음 성능이 우수한 섬유집합체는 (1) 상변화물질(PCM)을 포함하는 단섬유(staple fiber)를 제조하는 단계; 및 (2) 멜트블로운 섬유(meltblown fiber)가 방사되는 과정에서 상기 단섬유(staple fiber)를 혼입하는 단계;를 포함하는 흡음성능이 우수한 섬유집합체의 제조방법을 통해 제조한다.
본 발명의 흡음 성능이 우수한 섬유집합체 제조를 위해서는 멜트블로운 성형이 진행 중인 부직포의 내부에 상술한 상변화물질(PCM)을 포함하는 단섬유(staple fiber)(12)가 고압기류에 의해 혼입되어 균일하게 분산됨으로써 부직포의 형태로 성형하여 제조할 수 있다. 본 발명 흡음재의 제조방법에 동일하게 적용되는 상술한 멜트블로운 섬유(meltblown fiber)(11) 및 상변화물질(PCM)을 포함하는 단섬유(staple fiber)(12)에 대한 상세한 설명은 이하 생략하도록 한다.
상기와 같이 멜트블로운 성형되어 멜트블로운 섬유집합체(10)가 성형되는 것과 상기 섬유집합체(10)에 상변화물질(PCM)을 포함하는 단섬유(staple fiber)(12)가 분산되는 것이 동시에 진행되어 흡음재가 구성되므로 상기 구성된 섬유집합체(10)의 내부에서 단섬유(staple fiber)(12)가 균일하게 분산될 뿐만 아니라, 제조가 용이하고 제조공정이 간단하다는 특성을 지니게 된다.
상기와 같이 제조된 본 발명의 흡음성능이 우수한 섬유집합체는 흡음률이 향상되면서도 외부 온도 변화에도 온도 조절이 가능하여 외부 온도가 낮아지는 겨울철에도 흡음 성능의 저하를 방지할 수 있으며, Alpha Cabin법에 의해 25℃에서 측정한 흡음률에 비하여 0℃에서 측정한 흡음률의 감소율이 5%이하를 만족할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 흡음재는 외부 소음이 차량 실내로 유입되는 것을 차단하는 자동차용 흡음재 또는 기차, 선박, 항공기 등 전반에 걸쳐 사용될 수 있을 뿐만 아니라 배터리에 의해서 구동되고, 별도로 난방이 이루어지는 미래 전기자동차에 에너지 효율을 높일 수 있는 내장재로 사용하여 품질 향상에 기여할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
<실시예1>
혼입되는 단섬유로, n-옥타데칸(n-Octadecane)(융점 28~30℃)과 폴리프로필렌을 일성분으로 포함하는 시스-코어형 복합섬유를 제조하였다. 260℃의 융점과 고유점도 0.6g/dl인 폴리에텔렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate)를 시스 성분으로 하였으며, 용융흐름지수(Melt Flow Index, MFI)가 24~26g/10min인 PP(polypropylene)과 상전이물질인 n-옥타데칸(n-Octadecane)을 7:3 중량비로 함유하여 가공온도 230℃에서 혼련하여 코어 성분으로 사용하였다. 상기 PP 및 n-옥타데칸(코어성분)과 일반 PET(시스성분)을 복합방사 할 수 있는 복합방사구금을 이용하여 코어 성분과 시스 성분의 중량비가 5:5가 되도록 하여 방사온도 275℃, 권취 속도 1,000m/min로 방사 및 77℃에서 3.3배 연신 처리하고 140℃에서 최종 열처리하여 섬도 7D, 강도 3.0g/D, 신도 80%, 크림프수 12개/인치, 섬유장 38㎜의 온도조절 기능성 복합 단섬유를 제조하였다.
상기 섬도 7데니어, 섬유장 38mm의 온도조절기능성 단섬유를 오프닝(Opening)과 카딩 공정(Carding)을 거친 후 블로잉(Blowing) 설비를 통해서 용융흐름지수(Melt Flow Index, MFI)가 1,300g/10min인 폴리프로필렌을 평균 직경이 2.3㎛인 폴리프로필렌 멜트블로운사로 방사되는 과정에 균일, 정량 혼입하였다. 이때 수직 하강하는 멜트블로운 기류 중에서 서로 혼합시키되, 온도조절기능성 단섬유가 40중량%가 되도록 하고, 폴리프로필렌 멜트블로운사가 잔량 즉, 60중량%가 되도록 하여 혼합하여 총 면밀도 300g/m2, 두께 16mm의 단섬유 복합 멜트블로운 섬유집합체를 제조하였다.
<실시예2>
온도조절 기능성 복합 단섬유 20중량% 및 폴리프로필렌 멜트블로운사 80중량%를 포함한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
<실시예3>
온도조절 기능성 복합 단섬유 60중량% 및 폴리프로필렌 멜트블로운사 40중량%를 포함한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
<실시예4>
상변화물질로 n-옥타데칸을 대신하여 헵타데칸(Heptadecane; 융점 약 21℃)을 포함한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
<실시예5>
상변화물질로 n-옥타데칸을 대신하여 노나데칸(Nonadecane; 융점 약 32~34℃)을 포함한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
<실시예6>
온도조절 기능성 단섬유를 PET을 포함하는 복합섬유가 아닌, n-옥타데칸(n-Octadecane)(융점 28~30℃)과 폴리프로필렌을 혼련하여 제조한 단일섬유로 제조한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
<비교예1>
단섬유를 혼입시키지 않고, 폴리프로필렌 수지 100%로 구성된 멜트블로운 섬유집합체를 제조한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
<비교예2>
온도조절 기능성 복합 단섬유를 대신하여, 범용적인 260℃의 융점과 고유점도 0.6g/dl인 폴리에텔렌테레프탈레이트를 단독으로 사용하여 제조한 단섬유를 혼입한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
<비교예3>
온도조절 기능성 복합 단섬유를 대신하여, 단섬유에 n-옥타데칸을 포함하지 않고, 260℃의 융점과 고유점도 0.6g/dl인 폴리에텔렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate)를 시스 성분으로, 용융흐름지수(Melt Flow Index, MFI)가 24~26g/10min인 PP(polypropylene)을 코어 성분으로 한 복합섬유를 사용한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
<실험예>
상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 섬유집합체의 흡음 성능, 압축회복률 및 온도조절 기능성을 평가하기 위하여 하기 측정방법에 따라 실험하고, 그 결과를 표3에 나타내었다.
1. 두께
두께 게이지를 이용하여 전폭에 걸쳐 20회를 측정하여 평균값을 사용하였다.
2. 흡음률
흡음률 측정하기 위해 ISO R 354, Alpha Cabin법에 적용 가능한 시편으로 각각 3매씩 제조하여 외부온도 0℃ 및 25℃에서 30분 방치후 흡음계수를 측정하고 측정된 흡음계수 평균값을 표에 나타내었다.
3. 압축회복률
ASTM D6571 방법을 이용하여 아래와 조건으로 압축회복률을 측정하였다. 초기에 일정한 조건으로 측정한 두께와 7.26kg 무게 추를 이용해서 일정시간 동안 압축한 후의 두께 비율을 계산한 값을 압축회복률(%)로 하였다.
4. 온도조절기능성 테스트
실시예와 비교예를 통해 제조된 단섬유 복합 멜트블로운 섬유집합체의 온도조절기능성을 테스트하기 위하여 시편을 50℃로 설정된 오븐에 30분간 방치하면서 가열하였고, 이때 10분 간격으로 부직포 시편의 표면 온도 변화를 적외선 카메라를 이용하여 측정하였다. 오븐에서 30분간 방치한 후 꺼내어 공기 중에서 30분간 방치하면서 냉각하였고, 이때 10분 간격으로 부직포 시편의 표면 온도 변화를 적외선 카메라를 이용하여 측정하였다. 모든 테스트는 5회 실시하여 평균값을 사용하였다.
구분 가열시간(분) 냉각시간(분)
0 10 20 30 0 10 20 30
실시예1 16.7 26.8 33.4 45.9 45.9 37.1 28.5 18.5
실시예2 16.4 27.9 34.7 46.1 46.1 36.8 28.1 17.8
실시예3 16.5 26.2 32.8 44.6 44.6 38.1 29.2 20.4
실시예4 16.4 27.3 34.2 46.1 46.1 36.7 28.2 18.1
실시예5 16.5 26.3 32.9 44.9 44.9 36.9 28.1 18.4
실시예6 16.7 28.1 36.2 47.1 47.1 36.2 26.9 16.3
비교예 1 16.3 28.9 36.3 47.2 47.2 35.9 27.1 16.2
비교예 2 16.5 28.7 36.8 47.5 47.5 36.3 27.7 16.8
비교예 3 16.4 28.7 36.4 47.4 47.4 36.3 27.4 16.5
구분 주파수별(Hz) 흡음계수 압축
회복률(%)
1000Hz 2000Hz 3150Hz 5000Hz
25℃ 0℃ 감소율(%) 25℃ 0℃ 감소율(%) 25℃ 0℃ 감소율(%) 25℃ 0℃ 감소율(%)
실시예1 0.86 0.82 4.65 0.99 0.95 4.04 1.01 0.96 4.95 1.12 1.08 3.57 45
실시예2 0.82 0.78 4.88 0.91 0.87 4.40 0.95 0.91 4.21 1.07 1.03 3.74 42
실시예3 0.83 0.79 4.82 0.96 0.92 4.17 0.96 0.92 4.17 1.07 1.02 4.67 48
실시예4 0.81 0.77 4.94 0.94 0.90 4.26 0.94 0.90 4.26 1.09 1.05 3.67 44
실시예5 0.80 0.76 0.50 0.96 0.93 3.12 0.97 0.94 3.09 1.12 1.07 4.46 45
실시예6 0.81 0.72 11.11 0.95 0.83 12.63 0.97 0.86 11.34 1.03 0.92 10.68 43
비교예1 0.51 0.42 17.65 0.78 0.65 16.67 0.84 0.69 17.86 0.92 0.75 18.48 28
비교예2 0.79 0.68 13.92 0.9 0.77 14.44 0.93 0.81 12.90 1.01 0.89 11.88 46
비교예3 0.82 0.73 10.98 0.92 0.82 10.87 0.97 0.86 11.34 1.06 0.95 10.38 45

상기 표에서 알 수 있듯이, 상변화물질(PCM)을 포함한 단섬유를 사용한 실시예1 내지 5가 비교예에 비하여 흡음성능이 우수할 뿐만 아니라, 외부 온도가 감소하였을 때 흡음성능 저하율이 현저히 적은 것으로 나타났다.
구체적으로, 상변화물질(PCM)을 포함하지 않은 시스-코어 복합 단섬유를 사용한 비교예3은 25℃에서는 흡음성능에서 큰 차이가 없었으나, 0℃로 외부 온도가 감소하였을 때 흡음률의 감소율이 약 11%정도로 크게 나타나 외부 온도 변화의 영향으로 흡음성능의 차가 큰 것으로 나타났다. 이에 비하여 상변화물질(PCM)을 포함한 시스-코어 복합 단섬유를 사용한 실시예들은 0℃로 외부 온도가 감소할 때에도 흡음률의 감소율이 5% 이하로 적게 나타나 외부 온도 변화에도 온도 조절 기능을 발현하여 여전히 우수한 흡음성능을 나타낼 수 있었다. 다만, 복합섬유가 아닌 단일 섬유로 제조한 실시예6은 시스부 코어부 사이의 공간 형성 효과가 없어 흡음 성능이 저하되고, PCM 성분이 기화되어 빠져나와 버려 온도 조절 기능 효과도 현저히 떨어졌다.

Claims (18)

  1. 멜트블로운 섬유(meltblown fiber); 및
    상변화물질(PCM)을 포함하는 단섬유(staple fiber);를 포함하는 흡음성능이 우수한 섬유집합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단섬유는 폴리올레핀계 고분자 및 분산된 상변화물질(PCM)을 포함하는 것을 특징으로 하는 흡음성능이 우수한 섬유집합체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 폴리올레핀계 고분자 및 상변화물질(PCM)의 중량비는 9: 1 내지 3: 7인 것을 특징으로 하는 흡음성능이 우수한 섬유집합체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단섬유(staple fiber)는 폴리올레핀계 고분자 및 분산된 상변화물질(PCM)을 일성분으로 하여 복합방사한 복합섬유인 것을 특징으로 하는 흡음성능이 우수한 섬유집합체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단섬유(staple fiber)는 폴리올레핀계 고분자 및 분산된 상변화물질(PCM)을 코어(Core) 성분으로 하고, 폴리에스테르계 고분자를 시스(Sheath) 성분으로 포함하는 시스-코어(Sheath-core)형 복합섬유인 것을 특징으로 하는 흡음성능이 우수한 섬유집합체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 시스-코어(Sheath-core)형 복합섬유는 코어(Core) 성분 및 시스(Sheath) 성분의 중량비가 7 : 3 내지 3 : 7인 것을 특징으로 하는 흡음성능이 우수한 섬유집합체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 상변화물질(PCM)은 탄소 수 14 내지 22의 파라핀계 상변화물질(PCM)인 것을 특징으로 하는 흡음성능이 우수한 섬유집합체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 상변화물질(PCM)은 n-옥타코산, n-헵타코산, n-헥사코산, n-테트라코산, n-트리코산, n-도코산, n-헤네이코산, n-아이코산, n-노나데칸, n-옥타데칸, n-헵타데칸, n-헥사데칸, n-펜타데칸, n-테트라데칸 및 n-트리데칸으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 흡음성능이 우수한 섬유집합체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 상변화물질(PCM)의 융점은 5 내지 44℃인 것을 특징으로 하는 흡음성능이 우수한 섬유집합체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 단섬유(Staple fiber)의 섬유장은 22 내지 64mm이며, 섬도는 1 내지 10D인 것을 특징으로 하는 흡음성능이 우수한 섬유집합체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 멜트블로운 섬유(meltblown fiber)는 1.0 내지 20.0 μm의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 흡음성능이 우수한 섬유집합체.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 섬유집합체는 상변화물질(PCM)을 포함하는 단섬유(Staple fiber)를 10 내지 65중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 흡음성능이 우수한 섬유집합체.
  13. 멜트블로운 섬유(meltblown fiber); 및
    상변화물질(PCM)을 포함하는 단섬유(staple fiber);를 포함하는 섬유집합체에 있어서,
    Alpha Cabin법에 의해 25℃에서 측정한 흡음률에 비하여 0℃에서 측정한 흡음률의 감소율이 5%이하인 것을 특징으로 하는 흡음성능이 우수한 섬유집합체.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 단섬유(staple fiber)는 폴리올레핀계 고분자 및 분산된 상변화물질(PCM)을 코어(Core) 성분으로 하고, 폴리에스테르계 고분자를 시스(Sheath) 성분으로 포함하는 시스-코어(Sheath-core)형 복합섬유인 것을 특징으로 하는 흡음성능이 우수한 섬유집합체.
  15. (1) 상변화물질(PCM)을 포함하는 단섬유(staple fiber)를 제조하는 단계; 및
    (2) 멜트블로운 섬유(meltblown fiber)가 방사되는 과정에서 상기 단섬유(staple fiber)를 혼입하는 단계;를 포함하는 흡음성능이 우수한 섬유집합체의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 단섬유(staple fiber)는 폴리올레핀계 고분자 및 분산된 상변화물질(PCM)을 코어(Core) 성분으로 하고, 폴리에스테르계 고분자를 시스(Sheath) 성분으로 포함하는 시스-코어(Sheath-core)형 복합섬유인 것을 특징으로 하는 흡음성능이 우수한 섬유집합체의 제조방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 상변화물질(PCM)은 탄소 수 14 내지 22의 파라핀계 상변화물질(PCM)인 것을 특징으로 하는 흡음성능이 우수한 섬유집합체의 제조방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 섬유집합체는 (PCM)을 포함하는 단섬유(Staple fiber)를 10 내지 65중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 흡음성능이 우수한 섬유집합체의 제조방법.
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