KR20150073701A - 현무암 섬유를 포함하는 직물 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 위사(weft) 및 경사(warp) 중 적어도 하나가 현무암 섬유(basalt fiber)로 이루어진 것을 특징으로 하는 현무암 섬유 포함 직물 및 그 제조방법에 대한 것으로서, 본 발명에 따른 현무암 섬유 포함 직물은, 기존에 섬유 강화 복합재료의 강화 재료로서 주로 사용되던 탄소 섬유 직물 또는 유리 섬유 직물과 비교할 때, 탄소 섬유 직물에 비해서는 훨씬 경제적으로 제조가 가능하며, 유리 섬유 직물에 비해서는 보다 우수한 내화학성 및 내열성을 가져 전술한 기존 강화 재료를 대체할 수 있으며, 절연재, 방염복 및 방화문 등의 방재 관련 제품 등을 포함한 다양한 용도로 유용하게 사용될 수 있다.

Description

현무암 섬유를 포함하는 직물 및 그 제조방법{FABRIC CONTAINING BASALT FIBER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 현무암 섬유를 포함하는 혼용 직물 및 그 제조방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는, 위사(weft) 및 경사(warp) 중 적어도 하나가 현무암 섬유로 이루어진 현무암 섬유 포함 직물 및 그 제조방법에 대한 것이다.
섬유 강화 복합재료(fiber-reinforced composite, FRC)는 경량성, 우수한 기계적 물성 등의 장점을 가지기 때문에 고강도, 고강성, 고내열성, 및 진동 및/또는 고내충격성의 소재를 필요로 하는 자동차 산업, 스포츠 용품 분야, 항공 우주 산업 등의 다양한 산업 분야에 널리 사용되고 있다.
그리고, 이러한 섬유 강화 복합재료를 제조함에 있어서, 보강 성분으로서 탄소섬유(carbon fiber), 유리 섬유(glass fiber) 등을 원사로 이용해 제직된 직물이 널리 사용되고 있다[특허문헌 0001 및 0002].
상기 탄소섬유는 탄소 원자의 결정 구조를 이용한 고강도 섬유로서 강철과 비교해 무게는 5분의 1 정도로 가볍지만, 강도는 10배 이상 강하기 때문에 강화 섬유로서 복합재료 생산에 가장 많이 이용되고 있으며, 특히, 최근 자동차 산업에서 친환경적, 저에너지 소비형 미래 자동차를 지향함에 따라 그 수요가 증가되고 있다. 그러나, 탄소섬유는 자동차 산업 분야를 비롯해 현재 널리 사용되는 용도를 고려할 때 너무나 고가이기 때문에 그 사용에 제약이 따른다.
한편, 유리섬유는 규사(silica), 석회석(limestone), 붕사(borax) 등을 주성분으로 포함하며, 그 원료조성에 따라 A-glass(고알카리용), C-glass(화학용), E-glass(전기부품용), S-glass(고강도용) 등으로 나뉘는데, 유리섬유는 인장 강도가 우수하고, 가격이 저렴하다는 장점을 가지는 반면, 내화학성 및 내열성이 떨어지며 착색이 불가능하다는 단점을 가진다.
이에, 섬유 강화 복합재료에 있어서 강화 재료로 사용되던 기존의 탄소 섬유 직물 또는 유리 섬유 직물 등을 대체해 비용면에서도 강화 재료로서 적합한 성질을 가짐과 동시에 비용 면에서도 경제성을 갖춘 새로운 섬유 직물에 대한 필요성이 대두되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-1999-0023333호 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0131868호
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 종래 섬유 강화 복합재료의 강화 성분으로 널리 사용된 탄소 섬유 직물 또는 유리 섬유 직물을 대체할 수 있는 새로운 섬유 직물로서 현무암 섬유를 포함하는 직물 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 위사(weft) 및 경사(warp) 중 적어도 하나가 현무암 섬유(basalt fiber)로 이루어진 것을 특징으로 하는 현무암 섬유 포함 직물을 제안한다.
또한, 본 발명은 (a) 현무암 섬유사를 준비하는 단계; 및 (b) 상기 현무암 섬유사를 위사(weft), 경사(warp), 또는 위사 및 경사로 하여 직물을 형성하는 단계를 포함하는 현무암 섬유 포함 직물의 제조방법을 제안한다.
본 발명에 따른 현무암 섬유 포함 직물은, 기존에 섬유 강화 복합재료의 강화 재료로서 주로 사용되던 탄소 섬유 직물 또는 유리 섬유 직물과 비교할 때, 탄소 섬유 직물에 비해서는 훨씬 경제적으로 제조가 가능하며, 유리 섬유 직물에 비해서는 보다 우수한 내화학성 및 내열성을 가져 전술한 기존 강화 재료를 대체할 수 있으며, 절연재, 방염복 및 방화문 등의 방재 관련 제품 등을 포함한 다양한 용도로 유용하게 사용될 수 있다.
도 1(a) 내지 도 1(c)는 각각 본원 실시예 1 내지 3에서 제조된 현무암 섬유 포함 직물의 표면 외관을 보여주는 광학 카메라 사진이다.
도 2는 본원 실시예 1 및 2에서 제조된 현무암 섬유 포함 직물 및 비교예의 유리 섬유 직물에 대한 내열성 실험 결과를 보여주는 광학 카메라 사진이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 현무암 섬유 포함 직물(basalt fiber)은, 위사(weft) 및 경사(warp) 중 적어도 하나가 현무암 섬유(basalt fiber)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 현무암 섬유 포함 직물은 현무암 섬유를 위사 및/또는 경사로 포함하여 제직되는 직물인 바, 현무암 섬유로만 이루어진 직물일 수도 있고, 현무암 섬유 외에 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드(aramid fiber) 섬유 등의 다른 섬유를 포함하는 혼용 직물(blended fabric)일 수도 있다.
참고로, 본 발명에 따른 현무암 섬유 포함 직물의 주성분인 현무암 섬유는 전 세계에 분포돼 있는 불활성 암석인 현무암을 그 원료로 하는 차세대 광물섬유(mineral fiber)로서 무기 섬유의 일종이며, 화산작용에 의하여 지구내부에 있는 마그마가 지표로 유출되어 급격히 냉각, 응고 되어서 형성된 화성암인 현무암 원광을 약 1500℃ 부근의 온도에서 용융시켜 약 102.8 ~ 103 poise의 점도를 가지는 용융액에서 노즐을 통해 사용 용도에 따라 9 ~ 24㎛의 초미세극사로 인발하여 만든 섬유를 말한다.
이와 같은 현무암 섬유는 자연친화적일 뿐만 아니라 우수한 내화학성 (내알칼리성, 내산성), 고강도, 내열성, 내수성, 흡음성, 높은 원적외선 방사율을 나타내 의료기기 및 침구류, 주방기기 등 생활용품 전반에 걸쳐 활용할 수 있으며, 900℃ 이상의 고온에서도 원형을 유지할 수 있어 방염복과 방화문 등 화재 관련 제품으로도 그 적용이 가능하다. 나아가, 군수산업이나 우주/항공산업 등으로도 그 적용범위를 확대할 수 있을 것으로 예상된다.
한편, 본 발명에 있어서 현무암 섬유로 이루어진 위사 및 경사는 200 개 필라멘트를 포함하고, 74 tex(74g/1km)가 바람직하다. 이는 현무암 섬유 원사에 포함된 필라멘트 수와 필라멘트 직경 및 텍스값이 최종 제품의 물성을 좌우하는 특성치가 되기 때문이다. 본 발명에서 사용한 13㎛ 직경의 현무암 섬유 200 필라멘트를 74tex로 하여 제직하는데 사용한 것은 철근 콘크리트 대용 rebar, 내화학성 pipe, 소각로 필터용에 사용하기 적합한 현무암 섬유 일 수 있기 때문이다.
또한, 본 발명에 따른 현무암 섬유 포함 직물은 32 ppi(picks per inch)의 위사 밀도(density) 및 25 ppi의 경사 밀도를 가질 수 있다.
그리고, 위사 또는 경사로서 현무암 섬유 외의 다른 섬유사를 사용할 경우에는 유리 섬유 또는 탄소 섬유를 사용하는 것이 바람직하며, 이때, 상기 유리 섬유는 그 종류가 특별히 제한되지 않으며, 본 발명에 따른 현무암 섬유 포함 직물의 용도에 따라 A-glass 섬유, C-glass 섬유, E-glass 섬유, S-glass 섬유 등에서 적절히 선택될 수 있다. 탄소 섬유 또한 그 종류에 제한이 따르지 않으며, 예를 들어, 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 탄소 섬유, 피치(Pitch)계 탄소 섬유, 레이온(Rayon)계 탄소 섬유 등을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 현무암 포함 직물은 그 직조 형태에 있어서 특별한 제한이 없으며, 예를 들어, 평직, 능직, 수자직으로 제직될 수 있다. 다만, 본 발명에 따른 현무암 포함 직물을 섬유 강화 복합재료의 강화 소재로서 사용할 경우에는 평직으로 제직된 직물인 것이 얇은 복합재료 성형체를 만들 수 있다는 점에서 보다 바람직하다.
참고로, 평직(plain weave)은 직물조직 중 가장 기본적이고 간단하며 제일 많이 사용되는 조직으로, 위사와 날실이 각각 한 올씩 번갈아 상하로 부침하면서 교차한 구조를 가지며, 능직(twill weave)은 직물 표면에 날실 또는 씨실로 빗방향의 이랑무늬를 형성하는 조직 또는 이런 조직으로 이루어진 조직으로서, 빗방향의 이랑무늬가 있으므로 사문직이라고도 한다. 또한, 수자직(satin weave)은 경사나 위사가 직물표면에 많이 나타나게 하는 조직으로, 주자직이라고도 하며, 평직 및 능직과 함께 직물의 삼원조직의 하나이다.
다음으로, 본 발명에 따른 현무암 섬유 포함 직물의 제조방법에 대해 이하에서 설명한다.
본 발명에 따른 현무암 섬유 포함 직물의 제조방법은, (a) 현무암 섬유사를 준비하는 단계; 및 (b) 상기 현무암 섬유사를 위사(weft), 경사(warp), 또는 위사 및 경사로 하여 직물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 단계 (a)에서는 현무암 원광을 용융 방사하여 현무암 필라멘트(filament)를 제조하고, 이를 여러 가닥으로 꼬아 현무암 섬유사(yarn)를 제조하게 된다.
다음으로, 상기 단계 (b)에서는 전 단계에서 준비된 현무암 섬유사를 이용해 위사 및 경사 모두 현무암 섬유로 이루어진 직물을 제직하거나 현무암 섬유사 및 다른 종류의 섬유사를 혼용하여 직물을 제직하는 단계로서 상기 다른 종류의 섬유사는 유리 섬유, 탄소 섬유 등이 사용될 수 있으며, 본 단계에서 직물을 제직함에 있어서 그 구체적인 직조 방법은 특별히 제한되지 않는바, 예를 들어, 평직, 능직, 수자직 등으로 제직될 수 있다. 그리고, 본 단계를 수행하기 위해 사용되는 직기로서는 위사와 경사를 이용해 제직할 수 있는 레피어직기, 에어제트직기, 워터제트직기그리퍼북기 등을 사용할 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명에 따른 현무암 섬유 포함 직물은, 기존에 섬유 강화 복합재료의 강화 재료로서 사용되던 탄소 섬유 직물 또는 유리 섬유 직물과 비교해 탄소 섬유 직물에 비해서는 훨씬 경제적으로 제조가 가능하며, 유리 섬유 직물에 비해서는 보다 우수한 내화학성 및 내열성을 가져 전술한 기존 강화 재료를 대체할 수 있으며, 절연재, 방염복 및 방화문 등의 방재 관련 제품 등으로도 유용하게 사용될 수 있다.
아래에서 본 발명에 대해 실시예를 기초로 하여 상세하게 설명한다. 제시된 실시예는 예시적인 것으로 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
<실시예> 현무암 섬유 포함 직물의 제조
본 실시예에서는 현무암 섬유, 유리 섬유, 탄소 섬유를 위사 및/또는 위사로 하여 아래 표 1에 기재된 바와 같은 평직 형태의 현무암 섬유 포함 직물을 제조하였으며, 이와 같이 실시예 1 내지 3에서 제조된 현무암 섬유 포함 직물의 표면 외관은 각각 도 1(a) 내지 도 1(c)와 같다.
한편, 비교예로서는 아래 표 1에 기재된 유리 섬유 직물을 준비하였다.
직물
조직 		경사
(번수) 		위사
(번수) 		경사밀도(ppi) 위사
밀도
(ppi) 		직물 폭
(mm) 		직물두께
M/D
(mm) 		중량
(g/m 2 ) 		강열
감량
(%)
실시예 1 평직 현무암 섬유
(74tex 0.9z)		 현무암 섬유
(74tex 0.9z)		 25 32 437 0.143/
0.18		 162.9 1.66
실시예 2 평직 현무암 섬유
(74tex 0.9z)		 유리섬유
(PFG ECG 75 1/0 0.7z 610,
67.5tex)		 25 32 435 0.142/
0.18		 160.2 1.83
실시예
3 		평직 현무암 섬유
(74tex 0.9z)		 탄소 섬유
(Toray 1K
68tex)		 25 32 435 0.160/
0.20		 156.0 6.81
비교예 평직 유리섬유
(PFG ECG 75 1/0 0.7z 610,
67.5tex)		 유리섬유
(PFG ECG 75 1/0 0.7z 610,
67.5tex)		 32 25 1105 0.156/
0.18		 158.4 1.60
<실험예> 실시예 1 및 2에서 제조된 현무암 섬유 포함 직물과 비교예의 유리 섬유 직물에 대한 내화학성 및 내열성 평가
실시예 1에서 제조된 현무암 섬유/현무암 섬유(경사/위사) 직물, 실시예 2에서 제조된 현무암 섬유/유리 섬유(경사/위사) 직물 및 비교예의 유리 섬유/유리 섬유(경사/위사) 직물에 대한 내화학성 및 내열성 평가를 아래와 같이 실시하였다.
(1) 직물의 내화학성 평가
실시예 1, 실시예 2 및 비교예의 직물로부터 직물편(1g)들을 절단하여 염산(HCl) 수용액(2N, 25℃), 수산화나트륨(NaOH) 수용액(2N, 25℃) 또는 탈이온수(D.I.water)(100℃)에 3 시간 동안 침지시켰다가 꺼내 수세한 후 건조하여 침지 전후의 무게 변화로부터 각 섬유 직물의 내화학성을 평가하였으며, 그 결과는 아래 표 2와 같다.
Figure pat00001
표 2에 따르면 본원 실시예 1 및 2에서 제조된 현무암 섬유 포함 직물은 비교예의 유리 섬유 직물과 비교해 염기성 용액에서만 다소 내화학성이 뒤떨어질 뿐, 산성 및 중성 분위기에서는 기존의 유리 섬유 직물에 비해 훨씬 향상된 화학적 안정성을 나타냄을 알 수 있다.
(2) 직물의 내열성 평가
실시예 1, 실시예 2 및 비교예의 직물에 대해 900℃ 또는 1000℃ 까지 가열(승온 속도 10℃/min) 한 후 2시간 동안 유지하는 열처리를 수행한 후 냉각하여 각 직물의 외관 변화를 관찰함으로써 내열성을 평가하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2로부터, 실시예 1 및 2에서 제조된 현무암 섬유 포함 직물과 달리 비교예의 유리 섬유 직물은 열처리에 의해 용융이 일어나 열처리 전의 직물 형상이 완전히 소실되었음을 알 수 있다. 반면, 현무암 섬유로만 이루어진 실시예 1의 직물 시편은 1000℃에서 열처리한 경우에도 산화에 의한 변색만이 일어났을 뿐 직물의 형상을 사실상 그대로 유지하므로 내화 소재로서 유용하게 사용될 수 있을 것으로 예상된다.

Claims (13)

  1. 위사(weft) 및 경사(warp) 중 적어도 하나가 현무암 섬유(basalt fiber)로 이루어진 것을 특징으로 하는 현무암 섬유 포함 직물.
  2. 제1항에 있어서, 위사 또는 경사가 유리 섬유(glass fiber)인 것을 특징으로 하는 현무암 섬유 포함 직물.
  3. 제2항에 있어서, 상기 유리 섬유(glass fiber)는 A-glass 섬유, C-glass 섬유, E-glass 섬유 또는 S-glass 섬유인 것을 특징으로 하는 현무암 섬유 포함 직물.
  4. 제1항에 있어서, 위사 또는 경사가 탄소 섬유(carbon fiber)인 것을 특징으로 하는 현무암 섬유 포함 직물.
  5. 제4항에 있어서, 상기 탄소 섬유는 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 탄소 섬유, 피치(Pitch)계 탄소 섬유 또는 레이온(Rayon)계 탄소 섬유인 것을 특징으로 하는 현무암 섬유 포함 직물.
  6. 제1항에 있어서, 평직, 능직 또는 수자직으로 제직된 것을 특징으로 하는 현무암 섬유 포함 직물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 현무암 섬유로 이루어진 위사 또는 경사는 200개의 현무암 필라멘트를 포함하고 74 tex의 번수(yarn count)를 가지는 것을 특징으로 하는 현무암 섬유 포함 직물.
  8. 제1항에 있어서, 위사 밀도(density)가 32 ppi이며, 경사 밀도가 25 ppi인 것을 특징으로 하는 현무암 섬유 포함 직물.
  9. (a) 현무암 섬유사를 준비하는 단계; 및
    (b) 상기 현무암 섬유사를 위사(weft), 경사(warp), 또는 위사 및 경사로 하여 직물을 형성하는 단계를 포함하는 현무암 섬유 포함 직물의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 위사 또는 경사가 유리 섬유(glass fiber)인 것을 특징으로 하는 현무암 섬유 포함 직물의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서, 위사 또는 경사가 탄소 섬유(carbon fiber)인 것을 특징으로 하는 현무암 섬유 포함 직물의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 단계 (a)에서는 현무암 원광을 용융 방사하여 현무암 필라멘트(filament)를 제조하고, 이를 복수의 가닥으로 꼬아 현무암 섬유사(yarn)를 제조하는 것을 특징으로 하는 현무암 섬유 포함 직물의 제조방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 단계 (b)에서는 평직, 능직 또는 수자직에 의해 상기 현무암 섬유사만을 이용해 직물을 제직하거나 또는 상기 현무암 섬유사 및 다른 종류의 섬유사를 혼용하여 직물을 제직하는 것을 특징으로 하는 현무암 섬유 포함 직물의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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