KR20140093465A - 도전성 폴리에스테르 복합섬유의 제조방법 및 그에 의해서 제조된 도전성 폴리에스테르 복합섬유 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단면 구조가 방사형(放射形)인 도전부가 유동층 그래핀을 함유한 폴리에스테르 중합물로 구성되고, 단면 구조가 부채꼴 형상인 비도전부가 폴리에스테르 수지로 구성된 폴리에스테르 복합섬유의 제조방법 및 그에 의해서 제조된 도전성 폴리에스테르 복합섬유에 관한 것으로, 본 발명에 의한 복합섬유는 도전부에 그래핀을 포함하는 분할형의 복합섬유 형태를 가져 기존의 시스-코어 형태에 비하여 우수한 전기 전도성을 확보할 수 있을 뿐 아니라 비도전부에 포함된 폴리에스테르 수지가 도전부의 외관노출을 줄여주기 때문에 섬유 활용도를 높일 수 있다.

Description

도전성 폴리에스테르 복합섬유의 제조방법 및 그에 의해서 제조된 도전성 폴리에스테르 복합섬유{METHOD FOR PREPARING ELECTRICALLY CONDUCTIVE POLYESTER COMPOSITE FIBER AND ELECTRICALLY CONDUCTIVE POLYESTER COMPOSITE FIBER PREPARED THEREBY}
본 발명은 도전성 폴리에스테르 복합섬유의 제조방법 및 그에 의해서 제조된 도전성 폴리에스테르 복합섬유에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도전부가 유동층 그래핀을 포함하는 폴리에스테르 중합물로 구성되어 우수한 전기전도도 및 제조공정성을 갖는 폴리에스테르 복합섬유의 제조방법 및 그에 의해서 제조된 도전성 폴리에스테르 복합섬유에 관한 것이다.
폴리에스테르 합성섬유는 일반적으로 정전기가 발생하여 대전하기 쉬운 단점을 가지고 있다. 따라서, 폴리에스테르 소재에 전기전도성을 부여하여 대전방지 기능을 부여하기 위한 여러 가지 기술들이 개발되고 있다. 예를 들어, 고분자 성형품의 표면에 대전방지제를 코팅하는 방법, 성형품 내부에 유기성 또는 무기성의 대전방지제를 첨가하는 방법 및 전도성 고분자 층을 형성하는 방법 등이 알려져 있다. 그러나 외부에 대전방지제를 코팅하는 방법은 초기 대전방지성은 우수하나 온도, 습도 또는 마찰 등의 외부 변화에 대한 내구성 저하의 문제가 있고, 내부에 대전방지제를 첨가하는 방법은 내구성이 비교적 우수하고 다양한 첨가제와 혼합하여 성형할 수는 있으나 첨가제의 첨가량이 많을 경우 기계적 특성이 현저하게 저하되는 단점이 있다.
한편, 도전사의 제조 방법으로는 시스코어(sheath-core) 복합방사 또는 분할형(split) 복합방사가 알려져 있다. 시스코어 복합방사에서는 전도성 재료인 카본블랙(carbon black), 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT), 탄소섬유(carbon fiber), 금속사(steel fiber), 그래핀(graphene) 등의 도전성 재료를 포함한 고분자 수지가 복합섬유 단면의 시스 영역 또는 코어 영역에 위치하면서 전기전도성을 갖게 되는 특성이 있다. 그러나 그래핀을 포함하는 전도성 복합섬유 관련 기술은 섬유를 구성하는 수지가 폴리아미드계로 한정되어 있으며, 그래핀이 포함되어 있는 부분이 시스코어부 중에 시스부에 노출되어 있어 방사성이 좋지 않을 뿐 아니라 도전성 물질이 탈락되는 문제가 발생할 수 있다. 또한 염가공 및 용도 측면에서 매우 한정적이다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 단면 구조가 방사형(放射形)인 도전부에 유동층 그래핀을 2 내지 40 중량% 함유한 폴리에스테르 중합물을 포함하고, 단면 구조가 부채꼴 형상인 비도전부에 폴리에스테르 수지를 포함하여 섬유 활용도가 높고 전기적 특성이 매우 향상된 도전성 폴리에스테르 복합섬유를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 내구성이 양호하고 염가공성이 월등하면서도 우수한 전기전도성을 갖는 폴리에스테르 복합섬유의 제조방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은,
유동층 그래핀을 2 내지 40 중량% 함유하는 폴리에스테르 중합물을 도전부에 사용하고, 폴리에스테르 수지를 비도전부에 사용하여 상기 도전부와 비도전부의 섬유 단면적비가 5 면적% 대 95 면적% 내지 70 면적% 대 30 면적%가 되도록 복합방사하는 단계를 포함하되, 상기 도전부의 단면 구조는 방사형(放射形)이고, 상기 비도전부의 단면 구조는 부채꼴 형상인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 분할형 복합섬유의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 다른 양상은,
상기 제조방법에 의해 제조되어, 도전부에는 유동층 그래핀을 2 내지 40 중량% 함유하는 폴리에스테르 중합물을 포함하고, 비도전부에는 폴리에스테르 수지를 포함하며, 상기 도전부와 비도전부의 섬유 단면적비가 5 면적% 대 95 면적% 내지 70 면적% 대 30 면적%이며, 상기 도전부의 단면 구조는 방사형(放射形)이고, 상기 비도전부의 단면 구조는 부채꼴 형상인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 분할형 복합섬유에 관한 것이다.
본 발명에 의한 분할형 폴리에스테르 복합섬유는 도전부에 그래핀을 포함하여 폴리에스테르 원사와의 염가공 문제를 해결할 수 있고, 부채꼴 형상 단면 구조를 갖는 비도전부에 포함된 폴리에스테르 수지가 도전부의 외관노출을 줄여주기 때문에 종래의 시스부에 도전성 재료를 포함하는 도전사에 비해 섬유 활용도를 높일 수 있다. 또한, 도전부에 그래핀을 포함하는 분할형의 복합섬유 형태를 가져 기존의 시스-코어 형태에 비하여 외부 접촉점이 증가되어 우수한 전기 전도성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의해서 제조되는 분할형 폴리에스테르 복합섬유의 단면 구조도이다.
도 2는 본 발명의 비교예 1에 의해 제조된 도전성 폴리에스테르 복합섬유의 단면구조도이다.
이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 분할형 폴리에스테르 복합섬유의 제조방법에 관한 것으로서, 도전부에 유동층 그래핀을 2 내지 40 중량%를 함유하는 폴리에스테르 중합물을 사용하고, 비도전부에는 폴리에스테르 수지를 사용하며, 도전부와 비도전부의 섬유 단면적비가 5 면적% 대 95 면적% 내지 70 면적% 대 30 면적%가 되도록 복합사 용융방사 공정을 거쳐 복합섬유를 제조하되, 분할 복합 단면 노즐을 사용하여 상기 도전부의 단면 구조는 방사형(放射形)이고, 상기 비도전부의 단면 구조는 부채꼴 형상인 웨지(wedge)-코어 구조가 되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 적용하는 그래핀은 탄소 원자로 이루어져 있으며 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막으로서 2차원 평면형태를 가지고 있으며, 밴드갭이 0(zero gap)인 반도체 물질이다. 그래핀은 기존의 카본블랙이나 탄소나노튜브에 비하여 우수한 전도성을 확보할 수 있다. 본 발명에 있어서 폴리에스테르 중합물에 대한 유동층 그래핀의 첨가량은 폴리에스테르 폴리머 마스터 배치 내에 2 내지 40 중량%가 적당하며, 2 중량% 미만인 경우에는 최종 원사에서 유동층 그래핀이 잘 분산이 된다고 하여도 전기전도도가 떨어지며, 40 중량%를 초과하는 경우에는 폴리에스테르 수지로의 분산성 및 비용면에서 바람직하지 않다.
본 발명에서 사용될 수 있는 폴리에스테르는 반방향족 폴리에스테르, 예컨대 폴리(부틸렌 테레프탈레이트) (PBT), 폴리(에틸렌 테레프탈레이트) (PET), 폴리(1,3-프로필렌 테레프탈레이트) (PPT), 폴리(에틸렌나프탈레이트) (PEN) 및 폴리(시클로헥산디메탄올 테레프탈레이트) (PCT)와 지방족 폴리에스테르, 예컨대 폴리(락트산) 및 이들의 공중합체가 포함된다. 바람직한 폴리에스테르에는 폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 폴리(에틸렌 나프탈레이트) 또는 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)/폴리(에틸렌 나프탈레이트)가 있다. 또한, 바람직한 폴리에스테르의 고유 점도는 오르토-클로로페놀 중에서 측정시 약 0.6 이상이다.
본 발명의 도전부 용융 단계에서는 유동층 그래핀을 함유하는 폴리에스테르 마스터 배치 칩을 제조한 후, 압출기에 투입하여 용융한다. 압출기에는 융융된 재료를 방사노즐로 보내기 위해 펌프가 연결되고, 압출기 다음에는 열에 의해 폴리머 재료를 용융시키는 폴리머 멜팅 펌프 및 펌프가 설치된다.
비도전부를 구성하는 폴리에스테르 수지에는 분산 조제, 폴리머 친화조제, 산화방지제, 안정제, 난연제, 착색제, 항균제, 자외선 흡수제 등의 개질제 및 기능성을 부여하는 첨가제들이 첨가될 수 있다.
유동층 그래핀을 함유하는 폴리에스테르 마스터 배치 칩을 용융한 후에는 스핀 블록에 장착된 분할 복합 단면 구조를 갖는 방사노즐에 의해 방사하는데, 본 발명에서는 상기 도전부의 단면 구조가 방사형(放射形)이고, 상기 비도전부의 단면 구조가 부채꼴 형상인 것을 특징으로 한다.
도 1은 이와 같이 제조된 분할형 폴리에스테르 복합섬유의 단면 구조도를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 복합섬유(10)의 단면 구조는 도전부(11) 및 비도전부(12)의 이중구조이며, 상기 도전부(11)의 단면 구조는 그래핀을 포함하는 폴리에스테르 수지로 구성된 방사형(放射形)이고, 상기 비도전부(12)의 단면 구조는 폴리에스테르 수지로 구성된 부채꼴 형상인 웨지-코어 구조이다 이다. 바람직하게는, 상기 도전부(11)의 단면 구조는 방사상으로 분지된 쐐기의 개수가 3개인 Y자 형의 방사 형상이고, 상기 비도전부(12)의 단면 구조는 상기 도전부(11)의 Y자 형 단면 구조에 의해 등분된 세 개의 부채꼴 형상이며, 이 때 각 부채꼴의 단면적은 동일하다. 이와 같은 단면 형상을 갖는 복합섬유는, 비도전부의 폴리에스테르 수지에 의해 도전부의 외관노출을 줄여줄 수 있어 기존 시스부에 도전성 재료를 포함한 도전사에 비해 섬유 활용도를 증가시킬 수 있다.
용용된 도전부 폴리머와 비도전부 폴리에스테르 수지를 방사노즐에 의해 방사한 후 냉각장치를 통과시켜 냉각시킨다. 이 때, 냉각장치는 일반적으로 편면 냉각장치를 사용하여 필라멘트의 불균일 냉각을 최소화하고 장비 교체 비용을 줄일 수 있다. 한편, 환상 배출형 냉각장치(ROQ: Rotational Outflow Quenching)의 경우 냉각 공기 송출부로부터 사조까지의 거리와 방향을 균일하게 하여 1데니어 이하 세데니어 단사간의 냉각 속도 및 냉각효율 편차에 의한 원사의 불균일 냉각 문제를 감소시켜 균제도 및 원사 물성 편차를 줄일 수 있는 장점이 있어 부차적으로 사용될 수도 있다.
이 때 냉각장치의 특성에 따른 근접 냉각에 의한 노즐 표면 온도 저하로 인한 방사 조업성 저하를 막기 위하여 방사노즐 하단에 노즐 보온 히터를 설치하여 사용할 수 있다.
섬유 연신단계에서는 상기 냉각된 폴리머를 통상의 연신 설비를 이용하여 연신하여 단사섬도가 0.5 내지 10 데니어인 도전성 폴리에스테르 복합섬유를 제조한다. 즉, 제1 고뎃 롤러(Godet Roller)와 제2 고뎃 롤러 사이에서 소정의 연신비로 연신되며, 이때 균일 연신을 위해 제1 고뎃 롤러 이전에 집속 오일링 장치에 의해 오일링할 수 있다. 연신 및 가연이 완료되면 최종 수득된 원사는 권취 장치에 권취된다.
본 발명에 의해 제조되는 도전성 폴리에스테르 복합섬유(10)는 도전부(11)와 비도전부(12)의 섬유 단면적 비율이 5 면적% 대 95 면적% 내지 70 면적% 대 30 면적%가 되도록 구성된다. 전기 전도성을 지닌 도전부(11)의 단면적비율이 복합섬유(10) 전체 단면적의 5% 미만이면 상기 복합섬유(10)에서 그래핀의 함량 부족으로 인하여 전도성이 발현되지 않으며, 도전부(11)의 단면적 비율이 복합섬유(10) 전체 단면적의 70 %를 초과하면 상기 복합섬유(10)의 비도전부(12)가 도전부(11)를 충분히 지지하지 못하므로 기계적 물성이 저하되어 실용화가 곤란하다.
본 발명의 복합섬유(10)는 상기와 같이 전기전도도가 우수하며, 도전부의 외관노출을 줄여주어 기존 시스부에 도전성 재료를 포함한 도전사에 비해 활용도를 증가시킬 수 있어 다양한 기술분야에 다양한 용도로 사용될 수 있다.
이하, 실시예에 의거하여 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 이들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명의 보호범위가 이들로 제한되는 것은 아니다.
실시예 1: 분할형 복합 단면 폴리에스테르 섬유의 제조
도 1과 같은 단면을 갖는 필라멘트를 제조하기 위하여 도전부 성분으로 유동층 그래핀을 10중량% 포함하는 폴리에스테르(PET, IV 0.6이상) 마스터 배치 칩(Master Batch chip, 이하 MB칩)을 사용하고, 비도전부 성분으로는 일반 폴리에스테르를 사용하여 복합방사 하되, 도전부의 MB칩과 비도전부의 폴리에스테르를 각각 20 대 80 중량%씩 투입하여 도전부 방사 온도 300℃, 비도전부 방사 온도 285℃에서 방사구금을 통하여 토출되는 폴리머를 750 m/min의 속도로 권취하여 60 데니어 3 필라멘트의 미연신사(Undrawn Yarn, UDY)를 제조하였고, 이를 3배 연신시켜 단사섬도가 7데니어인 도전성 폴리에스테르 복합섬유를 제조하였다. 수득된 분할형 복합 단면 폴리에스테르 섬유의 물성, 공정성 및 기능성을 평가하여 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 2: 분할형 복합 단면 폴리에스테르 섬유의 제조
도 1과 같은 단면을 갖는 필라멘트를 제조하기 위하여 도전부 성분으로 유동층 그래핀을 10중량% 포함하는 폴리에스테르(PET, IV 0.6이상) MB칩을 사용하고, 비도전부 성분으로는 일반 폴리에스테르를 사용하여 복합방사 하되, 도전부의 MB칩과 비도전부의 폴리에스테르를 각각 10 대 90 중량%씩 투입하여 도전부 방사 온도 300℃, 비도전부 방사 온도 285℃에서 방사구금을 통하여 토출되는 폴리머를 750 m/min의 속도로 권취하여 60 데니어 3 필라멘트의 미연신사를 제조하였고, 이를 3배 연신시켜 단사섬도가 7데니어인 도전성 폴리에스테르 복합섬유를 제조하였다. 수득된 분할형 복합 단면 폴리에스테르 섬유의 물성, 공정성 및 기능성을 평가하여 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 1: 쉬스부에 도전성 폴리머를 사용한 복합섬유의 제조
도전부 성분으로 유동층 그래핀을 10중량% 포함하는 폴리에스테르(PET, IV 0.6이상) MB칩을 사용하고, 비도전부 성분으로는 일반 폴리에스테르를 사용하여 복합방사 하되, 도전부의 MB칩과 비도전부의 폴리에스테르를 각각 40 대 60 중량%씩 투입하여 비도전부를 심부로, 도전부를 초부로 노출시키는 형태로 도전부 방사 온도 300℃, 비도전부 방사 온도 285℃에서 방사구금을 통하여 토출되는 폴리머를 750 m/min의 속도로 권취하여 60 데니어 3 필라멘트의 미연신사를 제조하였고, 이를 3배 연신시켜 단사섬도가 7데니어인 도전성 폴리에스테르 복합섬유를 제조하였다. 수득된 도전성 폴리에스테르 복합섬유의 물성, 공정성 및 기능성을 평가하여 하기 표 1에 나타내었다. 도 2는 비교예 1에 의해 제조된 도전성 폴리에스테르 복합섬유(20)의 단면구조도로서, 도전부(21)가 초부로 비도전부(22)가 심부로 구성되었음을 알 수 있다.
비교예 2:도전성 폴리아미드계 복합섬유의 제조
도전성 폴리아미드계 복합섬유를 제조하기 위하여 도전부 성분으로 유동층 그래핀을 10중량% 포함하는 폴리아미드(Nylon, RV 2.6이상) MB칩을 사용하고, 비도전부 성분으로는 일반 폴리아미드를 사용하여 복합방사 하되, 도전부의 MB칩과 비도전부의 폴리에스테르를 각각 각각 40 대 60 중량%씩 투입하여 비도전부를 심부로, 도전부를 초부로 노출시키는 형태로 도전부 방사 온도 280℃, 비도전부 방사 온도 260℃에서 방사구금을 통하여 토출되는 폴리머를 750 m/min의 속도로 권취하여 60 데니어 3 필라멘트의 미연신사를 제조하였고, 이를 3배 연신시켜 단사섬도가 7데니어인 도전성 폴리아미드 복합섬유를 제조하였다. 수득된 분할형 복합 단면 폴리아미드 섬유의 물성, 공정성 및 기능성을 평가하여 하기 표 1에 나타내었다.
물성 평가: 전기전도성 측정
실시예와 비교예의 전기전도성 측정은 도전성 복합섬유 필라멘트 상태로 실시하였다. 원사 1가닥의 양 끝을 10cm 길이로 구리판에 고정시키고 가운데 부분은 바닥과 접촉하지 않은 상태에서 프로브를 10cm 양 끝에 접촉시켜 250V 전압에서의 전기저항을 측정하였다.
실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2
도전부 내 그래핀 함량(중량%) 10 10 10 10
복합섬유 내 그래핀 함량(중량%) 1 2 4 4
도전부:비도전부(중량%) 10 : 90 20 : 80 40 : 60 40 : 60
섬유 내 도전부 위치 심부 심부 초부 초부
사용 폴리머 PET PET PET Nylon
방사작업성 양호 양호 불량 불량
전기전도성(Ω/cm) 106 106 105 106
이상에서 본 발명의 바람직한 구현예를 예로 들어 상세하게 설명하였으나, 이러한 설명은 단순히 본 발명의 예시적인 실시예를 설명 및 개시하는 것이다. 당업자는 본 발명의 범위 및 정신으로부터 벗어남이 없이 상기 설명 및 첨부 도면으로부터 다양한 변경, 수정 및 변형예가 가능함을 용이하게 인식할 것이다. 따라서 본 발명의 이러한 변형이나 변경은 본 발명의 특허청구범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
10, 20 : 복합섬유 11, 21: 도전부
12, 22 : 비도전부

Claims (5)

  1. 유동층 그래핀을 2 내지 40 중량% 함유하는 폴리에스테르 중합물을 도전부에 사용하고, 폴리에스테르 수지를 비도전부에 사용하여 상기 도전부와 비도전부의 섬유 단면적비가 5 면적% 대 95 면적% 내지 70 면적% 대 30 면적%가 되도록 복합방사하는 단계를 포함하되, 상기 도전부의 단면 구조는 방사형(放射形)이고, 상기 비도전부의 단면 구조는 부채꼴 형상인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 분할형 복합섬유의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 폴리에스테르는 폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 폴리(에틸렌 나프탈레이트) 및 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)/폴리(에틸렌 나프탈레이트) 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 분할형 복합섬유의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 도전부의 단면 구조는 방사상으로 분지된 쐐기의 개수가 3개인 Y형이고, 상기 비도전부의 단면 구조는 상기 도전부의 Y형 단면 구조에 의해 등분된 세 개의 부채꼴 형상인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 분할형 복합섬유의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 비도전부의 단면적은 동일한 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 분할형 복합섬유의 제조방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조되어, 도전부에는 유동층 그래핀을 2 내지 40 중량% 함유하는 폴리에스테르 중합물을 포함하고, 비도전부에는 폴리에스테르 수지를 포함하며, 상기 도전부와 비도전부의 섬유 단면적비가 5 면적% 대 95 면적% 내지 70 면적% 대 30 면적%이며, 상기 도전부의 단면 구조는 방사형이고, 상기 비도전부의 단면 구조는 부채꼴 형상인 것을 특징으로 하는 폴리에스테르 분할형 복합섬유.
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