KR20160143387A - 바이오매스-유래 폴리에틸렌으로 된 장섬유 부직포 및 그의 제조방법 - Google Patents

바이오매스-유래 폴리에틸렌으로 된 장섬유 부직포 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바이오매스-유래 폴리에틸렌으로 된 장섬유 부직포 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 일회용 기저귀의 백시트 및 허리밴드 등과 같은 위생용 제품과 수술용 가운, 마스크 등과 같이 인체 피부에 직접 닿는 용도를 비롯하여 다양한 용도에서 유용하게 사용될 수 있다.

Description

바이오매스-유래 폴리에틸렌으로 된 장섬유 부직포 및 그의 제조방법{Long fiber nonwoven fabric formed from biomass-derived polyethylene and method for producing the same}
본 발명은 바이오매스-유래 폴리에틸렌으로 된 장섬유 부직포 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기저귀 등의 위생용 제품 및 수술용 가운 등 신체와 접촉하기 때문에 인체친화적인 특성이 요구되는 다양한 용도에 사용될 수 있는 부드럽고 보풀이 개선된 바이오매스-유래 폴리에틸렌으로 된 장섬유 부직포 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
최근 출생률이 저하하고, 고령 인구 및 워킹맘이 증가하며, 소비자 편의성이 강조되는 사회의 흐름에 따라 일회용 기저귀나 일회용 보호복 등의 사용이 급격히 증가하고 있다. 하지만, 일회용 기저귀나 일회용 보호복 등에 사용되는 재료는 대부분 석유에서 추출한 원료로 만들어지기 때문에 석유고갈이나 CO2 배출에 의한 오존층 파괴 문제가 큰 사회적 문제가 되고 있다. 또한, 아기들의 피부에 직접 닿는 부분의 재료의 재질이 천연의 재료로 만들어진 인체친화적인 재료, 즉 식물로부터 추출한 원료를 이용한 재료로 만들어지기를 원하고 있다.
예를 들어, 대한민국 공개특허공보 제2012-0121602호는 부직포를 구성하는 필라멘트를 심초형으로 하여 각각 별개의 익스트루더로 용융시켜 심성분에는 폴리프로필렌을 위치시키고, 초 성분에는 식물에서 유래한 폴리에틸렌을 위치시켜 복합 장섬유 부직포를 제조하는 식물유래 조성물을 함유한 복합 장섬유 부직포 및 그 제조방법을 개시하고 있다. 그러나, 필라멘트를 구성하는 심초형 성분중에서 초 성분만 식물유래 물질로 구성되어 있기 때문에 식물유래 성분의 함량이 낮고, 또한, 심초형 섬유가 서로 다른 성분의 물질로 구성되어 있기 때문에 심성분과 초성분의 박리가 일어나 보풀이 일어나는 문제점이 있다.
또한, 일본 공개특허공보 제2013-76192호는 부직포를 구성하는 필라멘트가 서로 융점이 다른 식물 유래 폴리올레핀을 포함하는 심초형으로 하여 심성분에는 융점이 낮은 식물유래 폴리에틸렌을 위치시키고, 초 성분에는 융점이 높은 식물유래 폴리프로필렌을 위치시켜 식물유래 물질의 함량이 높은 복합섬유 및 부직포를 개시하고 있다. 그러나, 심초형 성분이 모두 식물에서 유래한 물질로 구성되어 식물유래 물질의 함량이 높으나, 심초형 성분의 융점이 서로 달라서 심성분과 초성분의 박리 현상이 생기기 때문에 부직포의 표면에 보풀이 일어나기 쉬운 단점을 가지고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 과제는 상기한 문제점을 해결하여, 식물에서 추출한 물질로부터 제조된 바이오매스-유래 원료를 이용하여 단일성분 섬유로 구성된 부직포를 제조함으로써 부드럽고 보풀이 적게 발생하여 인체친화적인 바이오매스-유래 폴리에틸렌으로 된 장섬유 부직포('장섬유 부직포') 및 이러한 부직포를 제조할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 섬유 필라멘트의 90 내지 100 중량%가 바이오매스-유래 폴리에틸렌인 섬유 필라멘트로 이루어진 장섬유 부직포가 제공된다.
상기 장섬유 부직포는 0.002 내지 0.01 gf·cm2/cm의 굽힘강성 및 0.1 내지 0.4 mg/cm3 의 보풀지수를 가질 수 있다.
상기 장섬유 부직포는 5 내지 30%의 엠보싱율을 가질 수 있다.
상기 장섬유 부직포는 두 겹 이상의 부직웹으로 이루어질 수 있다.
상기 폴리에틸렌 성분은 0.930 내지 0.965 g/cm3 범위의 밀도, 15 내지 30 g/10min 범위의 용융지수 및 2 내지 3.5 범위의 분자량 분포(Mw/Mn)를 가질 수 있다.
상기 섬유 필라멘트는 10 내지 30 ㎛ 직경을 가질 수 있다.
상기 장섬유 부직포는 10 내지 200 g/㎡의 단위중량을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, (S1) 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹을 형성하는 단계; (S2) 상기 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹을 두 겹 이상 적층시키는 단계; 및 (S3) 적층된 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹을 엠보싱 처리하는 단계를 포함하는, 상기 장섬유 부직포의 제조방법이 제공된다.
상기 (S2) 단계와 (S3) 단계 사이에, 적층된 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹을 냉각시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 엠보싱 처리는 4 내지 8 kgf/cm2 범위의 압력에서 이루어질 수 있다.
상기 엠보싱 처리는 130 내지 145℃ 범위의 온도에서 이루어질 수 있다.
상기 냉각은 15 내지 25 ℃ 범위의 온도에서 실시될 수 있다.
본 발명에 따른 장섬유 부직포는 이를 구성하는 섬유가 바이오매스-유래의 폴리에틸렌 단일성분으로 되어 있어서 인체 및 환경 친화적이며, 부드러운 촉감과 우수한 마찰특성을 갖는다.
따라서, 본 발명의 장섬유 부직포는 일회용 기저귀의 백시트 및 허리밴드 등과 같은 위생용 제품과 수술용 가운, 마스크 등과 같이 인체 피부에 직접 닿는 용도를 비롯하여 다양한 용도에서 사용될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 양태에 따라, 두 겹의 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹으로 이루어진 장섬유 부직포의 단면도이다.
도 1b는 본 발명의 일 양태에 따라, 세 겹의 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹으로 이루어진 장섬유 부직포의 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 양태에 따라, 두 겹의 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹으로 이루어진 장섬유 부직포를 제조하기 위한 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2b는 본 발명의 일 양태에 따라, 세 겹의 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹으로 이루어진 장섬유 부직포를 제조하기 위한 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 섬유 필라멘트의 90 내지 100 중량%가 바이오매스-유래 폴리에틸렌 성분인 장섬유 부직포가 제공된다.
본원 명세서에서 '바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹'이라 함은 장섬유 부직포를 구성하는 성분이며, 본 발명에서는 두 겹 이상의 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹이 엠보싱과 같은 처리를 통해 물리적으로 결합되어 최종 제품인 장섬유 부직포로 형성될 수 있다. 본원 명세서에서, 별도의 명시가 없는 한, '바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹'은 홑겹의 부직웹을 의미하는 것으로 이해한다.
본 발명에서 사용가능한 바이오매스-유래 폴리에틸렌은 옥수수, 사탕수수, 고구마 등에서 얻을 수 있는 전분이나 당분 등의 바이오매스-유래의 성분을 미생물로 발효시켜 바이오 에탄올을 제조한 후에 탈수 반응시켜서 수득된 에틸렌을 더 중합시켜 수득된 것이다.
본 발명의 장섬유 부직포를 구성하는 섬유 필라멘트에는 제조 공정에서 첨가되는 미량의 첨가제가 포함될 수 있으나, 실질적으로 폴리에틸렌 단일 성분으로 이루어진 섬유 필라멘트이다. 이러한 측면에서, 본 발명의 일 양태에 따른 섬유 필라멘트는 바이오매스-유래 폴리에틸렌을 90 내지 100 중량%의 범위로 포함한다.
상기 바이오매스-유래 폴리에틸렌은 또한 0.930 내지 0.965 g/cm3 의 밀도, 15 내지 30 g/10min 범위의 용융지수 및 2 내지 3.5 범위의 분자량 분포(Mw/Mn)를 가질 수 있다.
폴리에틸렌의 밀도가 0.930 g/cm3 보다 낮으면 부직웹을 구성하는 섬유의 강력이 낮아 제품 강도가 낮게 되고, 0.965 g/cm3 보다 크면 섬유끼리 충분히 접착되지 않아 보풀이 많이 발생한다.
또한, 폴리에틸렌의 용융지수가 15 g/10min 보다 낮으면 흐름성이 낮아 섬유 제조시 압력이 높아져서 섬유를 제조할 수 없게 되며, 30 g/10min 보다 크면 노즐을 통과한 섬유를 연신시 섬유가 끊어져 부직웹으로 형성되기가 어렵다.
또한, 폴리에틸렌의 분자량 분포가 2 보다 작으면 저분자량 성분이 적게 분포되고 고분자량 성분이 많아 노즐을 통과시켜 섬유를 형성시키기 어려워지며, 3.5보다 크면 고분자량 성분이 적고 저분자량 성분이 많아 부직웹을 구성하는 섬유가 충분히 연신되지 않아 강도가 저하된다.
또한, 상기 섬유 필라멘트는 10 내지 30㎛의 직경을 가질 수 있다. 섬유 필라멘트의 직경이 10 ㎛ 미만인 경우에는 섬유 필라멘트가 너무 가늘어서 충분한 파단강력이 발휘되지 못하며, 섬유 필라멘트의 직경이 30 ㎛을 넘는 경우에는 너무 굵어서 배향이 충분히 이루어지지 않아 오히려 파단강력이 감소되고 유연하지 않게 되어 제품으로 사용하기 곤란하다.
본 발명의 장섬유 부직포는 바이오매스-유래 폴리에틸렌으로 된 장섬유 스펀본드 부직포일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따르는 두 겹 이상의 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹을 포함하여 이루어진 장섬유 부직포에서, 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹 각각은 동일한 물성 및 크기를 갖는 것일 수 있으나, 필요에 따라, 두께와 같은 요건을 달리하는 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹들이 적층 결합되어 장섬유 부직포를 구성할 수 있다. 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹의 두께는 특별히 제한되지 않으며, 최종 제품의 용도 및 적층 개수 등을 고려하여 당업계에서 통상적으로 사용되는 두께의 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹을 사용할 수 있다.
장섬유 부직포는 총 표면적 기준으로 5 내지 30% 범위의 엠보싱율을 가져서 장섬유 부직포의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. 엠보싱율이 5% 미만인 경우에는 촉감은 우수하지만 폴리에틸렌 부직포간의 접착력이 저하되어 상기 단위층이 서로 분리될 수 있으며 기계적 강도를 향상시키는 효과를 발생하지 못하고, 엠보싱율이 30%을 초과하는 경우에는 제품 유연성이 저하되는 문제가 발생된다.
또한, 장섬유 부직포는 10 내지 200 g/m2의 단위중량을 가질 수 있다. 장섬유 부직포의 단위 중량이 10 g/m2 미만이면 파단강력이 약하여 제품으로 사용할 수 없게 되고, 200 g/m2 보다 크면 층간의 접착력이 약해서 서로 분리되어 제품으로 사용할 수 없게 된다.
또한, 장섬유 부직포는 0.002 내지 0.01 gf·cm2/cm의 굽힘강성을 가질 수 있다. 굽힘강성이 0.002 gf·cm2/cm 미만인 경우에는 너무 유연하여 후가공시 제품 성형이 어렵고, 0.01 gf·cm2/cm을 초과하는 경우에는 촉감이 좋지 않아 원하는 용도에 사용할 수 없다.
또한, 장섬유 부직포는 0.01 내지 0.4 mg/cm3의 보풀지수를 가질 수 있다. 보풀지수가 0.01 mg/cm3 미만인 경우에는 밀착이 잘 되어 부직포의 표면이 매끄러워 후가공시 다른 제품과 접착이 잘 안되고, 보풀지수가 0.4 mg/cm3 를 초과하는 경우에는 부직포 제품이 사용될 때 보풀이 많이 일어나 최종제품으로 사용되기 어렵다.
이러한 장섬유 부직포의 구조를 도 1a와 도 1b를 참조하여 설명한다.
도 1a와 도 1b 각각은 본 발명의 일 실시양태에 따른 장섬유 부직포(100)의 단면을 나타낸 것으로, 이들 도면에는 엠보싱 처리가 표현되어 있지 않다.
보다 구체적으로, 도 1a는 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹(101) 위에 또 다른 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹(102)이 겹쳐져 있는, 두 겹의 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹으로 이루어진 부직포(100)를 나타낸다.
또한, 도 1b는 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹(101)의 상하 양면에 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹(102)이 더 형성되어 있는, 세 겹의 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹으로 이루어진 부직포(200)를 나타낸다.
도 1a와 도 1b에서 장섬유 부직포(100, 200) 각각은 동일한 두께를 갖는 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹(101, 102)으로 이루어져 있다.
상기 장섬유 부직포를 제조하기 위한 방법의 일 양태로, (S1) 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹을 형성하는 단계; (S2) 상기 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹을 두 겹 이상 적층시키는 단계; 및 (S3) 적층된 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹을 엠보싱 처리하는 단계를 포함하는 방법을 들 수 있다.
먼저, 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹을 형성한다 (S1 단계).
바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹을 제조하기 위한 장치의 일 양태가 도 2a와 도 2b에 도시되어 있다. 도 2a는 두 겹의 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹으로 형성된 부직포를 제조하기 위한 장치인 반면, 도 2b는 세 겹의 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹으로 형성된 부직포를 제조하기 위한 장치이다.
도 2a와 도 2b의 장치에는 바이오매스-유래 폴리에틸렌 수지를 압출하기 위한 압출기(4a, 4b), 필터(5a, 5b), 정량펌프(6a, 6b), 스핀 팩(7a, 7b), 냉각 및 연신장치(8a, 8b), Forming Belt(9), 냉각장치(11), 결합장치(14), 와인더(17)가 구비되어 있으며, 이하에서는 도 2a를 중심으로 제조방법을 설명한다.
먼저, 펠릿 형태의 바이오매스-유래 폴리에틸렌 수지(1)를 호퍼(3a)를 통해 온도가 160 내지 230 ℃인 압출기(4a)에 공급시켜 용융시킨다. 용융된 바이오매스-유래 폴리에틸렌 수지는 필터(5a)를 거쳐 불순물이 제거된 후에 정량 펌프(6a)를 통해 일정한 양으로 스핀팩(7a)에 공급된다. 스핀팩(7a)에서 직경이 0.3 내지 1.0 mm이고 온도가 180 내지 230 ℃로 유지되는 방사구금을 통하여 바이오매스-유래 폴리에틸렌 섬유 필라멘트가 형성된다. 이 때, 바이오매스-유래 폴리에틸렌 섬유 필라멘트는 10 내지 30 ㎛의 직경을 가질 수 있다. 형성된 바이오매스-유래 폴리에틸렌 섬유 필라멘트는 냉각 및 연신장치(8a)에서 공기에 의해 연신된 후 Forming Belt(9) 위에서 웹을 형성하는 동시에 이송된다.
상기에서 사용가능한 폴리에틸렌에 대해서는 전술한 내용을 참고한다.
이어서, 상기 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹 두 겹 이상을 적층시킨다(S2 단계).
S1 단계에서 Forming belt 상에 형성되어 이송된 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹(101) 위에 또 다른 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹(102)을 형성시킨다.
이어서, 적층된 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹을 엠보싱 처리한다(S3 단계).
도 2a와 도 2b를 참조하면, 두 겹 이상의 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹(101, 102)은 일정한 조건 하에 결합장치(14)의 압착 롤러(15, 16)에 의해 엠보싱 처리되면서 결합된다.
바이오매스-유래 폴리에틸렌으로 된 장섬유 부직포의 총 표면적 중 엠보싱 무늬가 차지하는 면적(???맒缺??)은 5 내지 30% 범위일 수 있다. 엠보싱율이 5% 미만인 경우에는 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹(101, 102) 간의 접착력 혹은 결합력이 약하기 때문에 서로 분리될 수 있으며, 엠보싱율이 30%를 초과하는 경우에는 제품 유연성이 저하되어 원하는 용도로 사용되기에 부적합하다. 압착 롤러와 함께 열, 접착제(바인더) 또는 이들 둘 다가 이용될 수 있다.
압착 롤러(15)에는 마름모형, 원형 또는 타원형 등의 무늬가 양각되어 있어, 두 겹 이상으로 적층되어 있는 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹을 동시에 엠보싱 처리하게 되고, 그 결과, 최종 수득되는 부직포에 엠보싱이 형성된다.
압착 롤러에 의해 이루어지는 엠보싱 처리는 4 내지 8 kgf/cm2 가압하에 이루어질 수 있다. 압력이 4 kgf/cm2 미만인 경우에는 폴리에틸렌 부직웹 간의 물리적 결합이 제대로 이뤄지지 않아 쉽게 분리되어 파단강력이 저하되는 원인이 되며, 압력이 8 kgf/cm2 를 초과하는 경우에는 부직포에 엠보싱 처리가 지나치게 되어 굽힘강성이 증가되는 문제, 즉 유연성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
열을 이용하는 경우에는 신도의 증가를 적절히 억제하면서 부드러운 촉감이 유지되도록 하기 위하여 압착 롤러의 온도를 130 내지 145℃ 범위로 할 수 있다. 압착 롤러의 온도가 130℃ 미만인 경우에 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹이 충분히 열을 받지 못하여 부직웹간의 접착력이 낮아진다. 또한, 압착 롤러의 온도가 145℃를 초과하는 경우에는 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹의 표면이 용융되어 압착 롤러에 접착되어 작업이 진행되지 않거나 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹이 열에 의해 손상되어 강도가 저하되는 단점이 있다. 또한, 바이오매스-유래 폴리에틸렌의 용융 온도가 131.4℃이기 때문에 압착 롤러의 온도가 일정하게 유지될 수 있도록 압착 롤러의 열을 식혀주는 별도의 장치가 필요하다. 즉, 압착 롤러의 열을 외부로 배출시켜, 압착 롤러 주위의 온도를 25℃ 이하로 일정하게 유지시켜 준다.
상기 (S2) 단계와 (S3) 단계 사이에, 부직웹을 냉각시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
Forming Belt(9) 위에 형성된 두 겹의 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹(101, 102)은 결합 장치(14)에 의해 결합되기 전에 냉각장치(11)에 의해 15 내지 25 ℃ 로 냉각될 수 있다. 이 때, 냉매 분사장치(12, 13)의 온도가 25 ℃ 보다 높은 경우에는 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹(101)의 필라멘트의 표면이 매끄러워져 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹(102)과의 결합이 충분히 이루어지지 않아 서로 분리가 일어난다. 또한, 냉각 온도가 15 ℃ 미만인 경우에는 섬유가 급속히 냉각되어 결정화가 충분히 일어나지 않아 강도가 저하된다.
도 2b의 제조장치는 도 1b에 도시된 바와 같은 세 겹의 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹으로 구성된 부직포를 제조하기 위한 것으로, (S1)에서 (S3) 단계를 거치는 동안, 도 2a에 도시된 장치 구성성분 이외에, 추가적인 예열 장치(21), 히팅 플레이트(22, 23) 및 언와인더(19)가 더 포함될 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다.
<실시예 1: 부직포의 제조>
밀도 0.955 g/cm3, 용융지수 20 g/10min, 분자량분포 2.43인 바이오매스-유래 폴리에틸렌 펠릿을 온도가 220 ℃인 압출기에 투입하여 용융시키고 정량펌프를 이용하여 온도가 220 ℃인 방사구금을 통하여 방사하였다. 방사된 섬유는 냉각 및 연신장치에 의해 연신되고 냉각되어 Forming Belt 위에서 섬유직경 18㎛인 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹을 형성시켰다. 상기 부직웹 상에 또 다른 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹을 형성시키기 위해, 상기와 동일한 바이오매스-유래 폴리에틸렌 펠릿, 즉, 밀도 0.955 g/cm3, 용융지수 20 g/10min, 분자량분포 2.43인 바이오매스-유래 폴리에틸렌 펠릿을 온도가 220 ℃인 또 다른 압출기에 투입하여 용융시키고 정량펌프를 이용하여 온도가 220 ℃인 방사구금을 통하여 방사하였다. 방사된 섬유는 냉각 및 연신장치에 의해 연신되고 냉각되어, Forming Belt 위에 형성되어 있는 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹 위에서 섬유직경 18㎛인 웹을 형성시켰다. Forming Belt 위에 있는 두 겹의 부직웹은 온도가 20 ℃로 유지된 냉각장치를 통과하였다. 이어서, 상기 두 겹의 부직웹에, 엠보싱율이 24%인 압착 롤러를 압력 5 kgf/cm2 및 온도 139℃에서 적용시켜 부직포를 제조하였다. 제조된 부직포를 일정한 길이로 와인더에 권취하였다.
<실시예 2: 부직포의 제조>
밀도 0.961 g/㎤, 용융지수 18 g/10min 및 분자량 분포 2.15인 바이오매스-유래 폴리에틸렌 펠릿을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<실시예 3: 부직포의 제조>
밀도 0.948 g/㎤, 용융지수 25 g/10min 및 분자량 분포 2.84인 바이오매스-유래 폴리에틸렌 펠릿을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<실시예 4: 부직포의 제조>
밀도 0.935 g/㎤, 용융지수 27 g/10min 및 분자량 분포 3.21인 바이오매스-유래 폴리에틸렌 펠릿을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<실시예 5: 부직포의 제조>
바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직포의 섬유 필라멘트 직경을 13 ㎛로 변경시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<실시예 6: 부직포의 제조>
바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직포의 섬유 필라멘트 직경을 15 ㎛로 변경시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<실시예 7: 부직포의 제조>
바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직포의 섬유 필라멘트 직경을 25 ㎛로 변경시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<실시예 8: 부직포의 제조>
냉각 장치의 온도를 15 ℃로 변경시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<실시예 9: 부직포의 제조>
냉각 장치의 온도를 25 ℃로 변경시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<실시예 10: 부직포의 제조>
압착 롤러의 압력을 8 kgf/㎠로 변경시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<실시예 11: 부직포의 제조>
압착 롤러의 압력을 4 kgf/㎠로 변경시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<실시예 12: 부직포의 제조>
압착 롤러의 온도를 135 ℃로 변경시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<실시예 13: 부직포의 제조>
압착 롤러의 온도를 142 ℃로 변경시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<실시예 14: 부직포의 제조>
장섬유 부직포의 엠보싱율을 14%로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<실시예 15: 부직포의 제조>
장섬유 부직포의 엠보싱율을 28%로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<실시예 16: 부직포의 제조>
장섬유 부직포의 단위중량을 50 g/㎡으로 변경시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<실시예 17: 부직포의 제조>
장섬유 부직포의 단위중량을 150 g/㎡으로 변경시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<비교예 1: 부직포의 제조>
밀도 0.920 g/㎤, 용융지수 12 g/10min 및 분자량 분포 3.81인 바이오매스-유래 폴리에틸렌 펠릿을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<비교예 2: 부직포의 제조>
밀도 0.967 g/㎤, 용융지수 34 g/10min 및 분자량 분포 1.74인 바이오매스-유래 폴리에틸렌 펠릿을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<비교예 3: 부직포의 제조>
바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직포의 섬유직경을 6 ㎛로 변경시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<비교예 4: 부직포의 제조>
바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직포의 섬유직경을 35 ㎛로 변경시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<비교예 5: 부직포의 제조>
냉각장치의 냉각온도를 30 ℃로 변경시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<비교예 6: 부직포의 제조>
냉각장치의 냉각온도를 40 ℃로 변경시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<비교예 7: 부직포의 제조>
압착 롤러의 압력을 2 kgf/㎠로 변경시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<비교예 8: 부직포의 제조>
압착 롤러의 압력을 10 kgf/㎠로 변경시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<비교예 9: 부직포의 제조>
압착 롤러의 온도를 125 ℃로 변경시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<비교예 10: 부직포의 제조>
압착 롤러의 온도를 147 ℃로 변경시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<비교예 11: 부직포의 제조>
장섬유 부직포의 엠보싱율을 3%로 변경시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<비교예 12: 부직포의 제조>
장섬유 부직포의 엠보싱율을 35%로 변경시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<비교예 13: 부직포의 제조>
장섬유 부직포의 단위중량을 8 g/㎡로 변경시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<비교예 14: 부직포의 제조>
장섬유 부직포의 단위중량을 220 g/㎡로 변경시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다.
<비교예 15: 부직포의 제조>
폴리프로필렌 섬유와 바이오매스-유래 폴리에틸렌 섬유를 하나의 방사구금으로 제조하여 섬유의 단면이 표 2에 기재된 것과 같이 쉬쓰/코어 형태를 갖도록 하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 장섬유 부직포를 제조하였다. 이 때, 코어부는 폴리프로필렌 수지가 50%이고, 쉬쓰부는 바이오매스-유래 폴리에틸렌 수지가 50%이었다.
평가예 1: 바이오매스 -유래 탄소함유량 ASTM D6866 의 측정
본 평가는 14C(방사성 탄소) 연대측정의 이론에 의거 제품의 화석자원유래의 탄소와 바이오매스-유래의 탄소 함유량을 측정한다.
평가예 2: 강력 및 신도 KS K ISO 9073-3의 측정
본 평가를 위해, 규정된 길이와 폭의 시험편에 대하여 길이 방향으로 힘이 가해지도록 정속신장한 후 기록된 하중-신장 곡선으로부터 절단 강력 및 신도 값을 측정하였다. 50mm의 폭으로 절단된 부직포를 길이 75mm가 되도록 강신도 측정기에 파지시킨 후 300mm/min의 속도로 측정하였다.
평가예 3: 보풀지수 ASTM D 4966의 측정
본 시험은 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직포가 상호간에 다른 재료와 마찰될 때 견디는 정도를 측정하는 것으로, 균일한 접촉 압력하에서 두 면이 접촉되도록 놓은 후 중량을 측정하고, 일정시간 동안 마찰시킨 후의 중량을 측정하여, 마찰로 인해 발생한 중량차를 측정하였다.
평가예 4: 굽힘강성 Kawabata Evaluation System ( KES )의 측정
본 평가는 사람이 느끼는 촉감을 객관적인 수치로 평가하기 위한 것으로, 시료를 구부릴 때와 펼 때 발생되는 힘의 변화를 측정하여 평가하였다.
하기 표 1 및 2 각각은 실시예 1~17 및 비교예 1~15에서 사용된 원료, 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직포에 관한 상세, 결합 조건에 관한 상세 및 장섬유 부직포에 관한 상세를 기재한 것으로, '바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹'이라 함은 장섬유 부직포를 구성하는 홑겹의 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹을 의미하는 것으로 이해한다.
　 원료 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹 결합조건 장섬유 부직포
밀도 용융
지수		 분자량
분포		 성분 섬유단면형태 섬유직경 냉각온도 결합압력 결합온도 엠보
싱율		 단위중량 강력
(MD)		 신도
(MD)		 보풀지수 굽힘강성 바이오매스 성분 함량
g/cm3 g/10min - - - ㎛ °C kgf/cm2 °C % g/m2 kg/
5cm		 %/
5cm		 mg/
cm3 		gf cm2/
cm
(Х10-3)		 %
실시예1 0.955 20 2.43 PE 모노 18 20 5 139 24 20 2.5 39.2 0.36 7.680 94
실시예2 0.961 18 2.15 PE 모노 18 20 5 139 24 20 2.9 42.0 0.35 8.475 96
실시예3 0.948 25 2.84 PE 모노 18 20 5 139 24 20 2.3 42.0 0.30 8.475 90
실시예4 0.935 27 3.21 PE 모노 18 20 5 139 24 20 2.9 42.0 0.33 8.475 87
실시예5 0.955 20 2.43 PE 모노 13 20 5 139 24 20 2.5 37.8 0.29 7.695 94
실시예6 0.955 20 2.43 PE 모노 15 20 5 139 24 20 2.6 38.6 0.30 7.815 94
실시예7 0.955 20 2.43 PE 모노 25 20 5 139 24 20 2.4 40.6 0.30 7.665 94
실시예8 0.955 20 2.43 PE 모노 18 15 5 139 24 20 2.6 42.0 0.38 7.650 94
실시예9 0.955 20 2.43 PE 모노 18 25 5 139 24 20 2.3 38.4 0.37 8.820 94
실시예10 0.955 20 2.43 PE 모노 18 20 8 139 24 20 2.6 44.0 0.31 7.620 94
실시예11 0.955 20 2.43 PE 모노 18 20 4 139 24 20 2.4 41.6 0.30 6.345 94
실시예12 0.955 20 2.43 PE 모노 18 20 5 135 24 20 2.0 34.1 0.29 7.815 94
실시예13 0.955 20 2.43 PE 모노 18 20 5 142 24 20 2.4 36.5 0.38 9.120 94
실시예14 0.955 20 2.43 PE 모노 18 20 5 139 14 20 2.4 39.6 0.34 6.165 94
실시예15 0.955 20 2.43 PE 모노 18 20 5 139 28 20 2.5 42.4 0.25 9.195 94
실시예16 0.955 20 2.43 PE 모노 18 20 5 139 24 50 2.0 32.9 0.29 9.315 94
실시예17 0.955 20 2.43 PE 모노 18 20 5 139 24 150 2.7 44.9 0.30 9.120 94
　 원료 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹 결합조건 장섬유 부직포
밀도 용융
지수		 분자량
분포		 성분 섬유단면형태 섬유직경 냉각온도 결합압력 결합온도 엠보
싱율		 단위중량 강력
(MD)		 신도
(MD)		 보풀지수 굽힘
강성		 바이오매스 성분 함량
g/cm3 g/10min - - - ㎛ °C kgf/cm2 °C % g/m2 kg/
5cm		 %/
5cm		 mg/
cm3 		gf cm2/
cm
(Х10-3)		 %
비교예1 0.920 12 3.81 PE 모노 18 20 5 137 24 20 1.2 25.8 0.76 4.210 90
비교예2 0.967 34 1.74 PE 모노 18 20 5 137 24 20 1.5 31.2 0.81 5.450 84
비교예3 0.955 20 2.43 PE 모노 6 20 5 139 24 20 0.8 27.2 0.58 3.280 94
비교예4 0.955 20 2.43 PE 모노 35 20 5 139 24 20 1.4 28.0 0.53 6.150 94
비교예5 0.955 20 2.43 PE 모노 18 30 5 139 24 20 1.2 20.8 0.64 8.240 94
비교예6 0.955 20 2.43 PE 모노 18 40 5 139 24 20 1.0 19.4 0.69 8.650 94
비교예7 0.955 20 2.43 PE 모노 18 20 2 139 24 20 1.2 20.8 0.72 2.540 94
비교예8 0.955 20 2.43 PE 모노 18 20 10 139 24 20 1.8 34.0 0.29 11.550 94
비교예9 0.955 20 2.43 PE 모노 18 20 5 125 24 20 1.7 27.2 0.58 3.580 94
비교예10 0.955 20 2.43 PE 모노 18 20 5 147 24 20 1.4 28.0 0.51 9.150 94
비교예11 0.955 20 2.43 PE 모노 18 20 5 139 3 20 1.5 28.1 0.53 2.050 94
비교예12 0.955 20 2.43 PE 모노 18 20 5 139 35 20 2.6 48.4 0.24 12.720 94
비교예13 0.955 20 2.43 PE 모노 18 20 5 139 24 5 0.4 7.0 0.94 3.400 94
비교예14 0.955 20 2.43 PE 모노 18 20 5 139 24 220 2.8 45.7 0.31 12.470 94
비교예15 0.955
/0.90		 20/
34 		2.8/
2.39		 PP
/PE		 쉬쓰
/코어		 20 20 6 137 24 20 1.6 26.2 0.57 15.570 50
표 1, 2를 참조하면, 부직포 원료에 따른 효과 비교를 위해 실시예 1~4와 비교예 1~2를 살펴보면, 밀도가 낮고 용융지수가 낮은 바이오매스-유래 폴리에틸렌을 사용한 비교예 1의 경우에는 강력이 낮은 문제가 있고, 밀도가 높고 용유지수가 높은 바이오매스-유래 폴리에틸렌을 사용한 비교예 2의 경우에는 밀도가 높아 섬유의 접착이 잘 이뤄지지 않아 보풀이 많이 발생한다.
섬유 직경에 따른 효과 비교를 위해 실시예 1 및 5~7과 비교예 3~4를 살펴보면, 섬유 직경이 6 ㎛인 비교예 3의 경우에는 섬유가 너무 가늘어 강력이 낮고 마찰에 의해 섬유가 쉽게 파단되어 보풀이 많이 발생하며, 섬유 직경이 35 ㎛인 비교예 4의 경우에는 섬유가 너무 굵기 때문에 결합시 온도가 충분히 전달되지 않아 섬유간의 접착력이 잘 이뤄지지 않아 보풀이 많이 발생하여 제품으로 사용하기 어렵다.
냉각 온도에 따른 효과 비교를 위해 실시예 1 및 8~9와 비교예 5~6을 살펴보면, 냉각온도가 높은 비교예 5와 6의 경우에는 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹의 섬유 표면, 보다 구체적으로는, 장섬유 표면이 충분히 냉각되지 않아 장섬유간에 미끄러짐이 발생하여 접착이 제대로 이뤄지지 않게 되고, 그 결과, 두 겹 이상의 폴리에틸렌 부직웹으로 이루어진 장섬유 부직포에서 분리가 일어나고 파단강력이 저하되며 보풀이 많이 발생하는 단점이 있다.
압착 롤러의 압력에 따른 효과 비교를 위해 실시예 1 및 10~11와 비교예 7~8을 살펴보면, 결합 압력이 2 kgf/cm2인 비교예 7의 경우에는 두 겹의 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹간의 접착이 제대로 이뤄지지 않아 서로 분리가 일어나고 파단강력이 저하되어 보풀이 많이 발생한다. 또한, 결합 압력이 10 kgf/cm2인 비교예 8의 경우에는 가압 압력이 높아 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹의 엠보싱 처리에 의해 섬유의 접착이 잘 되어 보풀이 적게 발생하나 굽힘강성이 증가하여 촉감이 저하된다.
압착 롤러의 온도에 따른 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹간의 접착력 효과를 비교하기 위해 실시예 1 및 12~13과 비교예 9~10을 살펴보면, 온도가 125 ℃인 비교예 9의 경우에는 온도가 너무 낮아 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹 간의 접착이 제대로 이루어지지 않아 보풀이 많이 발생하고, 예열온도가 147 ℃인 비교예 10의 경우에는 온도가 너무 높아 폴리에틸렌 부직포가 서로 용융되어 빳빳해져 굽힘강성이 증가하여 촉감이 저하된다.
장섬유 부직포의 엠보싱율에 따른 실시예 1 및 14~15와 비교예 11 및 12를 보면, 엠보싱율이 3%인 비교예 11의 경우에는 굽힘강성이 낮아 유연성이 우수하지만, 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹간의 접착력이 낮아 제품의 파단강력이 저하되고 보풀이 많이 발생하여 제품으로 사용할 수 없으며, 엠보싱율이 35%인 비교예 12의 경우에는 섬유의 접착이 잘되어 보풀이 적게 발생하나 굽힘강성이 높기 때문에 촉감이 좋지 않아 원하는 제품으로 사용할 수 없다.
단위중량에 따른 효과 비교를 위해 실시예 1 및 16~17과 비교예 13~14를 살펴보면, 단위중량이 5 g/m2인 비교예 13의 경우에는 단위중량이 낮기 때문에 굽힘강성이 낮아 촉감은 우수하나 두께가 얇아 섬유간의 접착된 부분이 감소되어 보풀이 쉽게 일어나고 웹을 구성하는 섬유가 불규칙하게 분포되어 균제도가 나쁘다. 그리고, 단위중량이 220 g/m2인 비교예 14의 경우에는 섬유가 많이 적층되어 있기 때문에 두꺼워 굽힘강성이 높아 촉감이 나빠 제품으로 사용할 수 없다.
한편, 섬유 단면의 형태에 따른 효과 비교를 위해 실시예 1과 비교예 15를 살펴보면, 폴리프로필렌 코어부와 바이오매스-유래 폴리에틸렌 쉬쓰부로 구성된 심초(sheath/core) 구조를 갖는 비교예 15의 경우에는 강도는 우수하나 굽힘강성이 높아 촉감이 저하되고 쉬쓰부와 코어부의 성분이 달라 쉬쓰부와 코어부의 접착력이 낮아 보풀이 많이 발생하는 단점이 있다.
1 및 2: 바이오매스-유래 폴리에틸렌 수지
3a 및 3b: 호퍼
4a 및 4b: 압출기
5a 및 5b: 필터
6a 및 6b: 정량펌프
7a 및 7b: 스핀팩
8a 및 8b: 냉각 및 연신장치
9: Forming Belt
10a 및 10b: Suction 장치
11: 냉각장치
12 및 13: 냉매 분사장치
14: 결합장치
15 및 16: 압착 롤러
17: 와인더
18: 와인더 실린더
19: 언와인더
20: 언와인더 실린더
21: 예열장치
22 및 23: 히팅 플레이트

Claims (12)

  1. 섬유 필라멘트의 90 내지 100 중량%가 바이오매스-유래 폴리에틸렌인 섬유 필라멘트로 이루어진 장섬유 부직포.
  2. 제1항에 있어서,
    0.002 내지 0.01 gf·cm2/cm의 굽힘강성 및 0.1 내지 0.4 mg/cm3 의 보풀지수를 가지는 것을 특징으로 하는 장섬유 부직포.
  3. 제1항에 있어서,
    표면적 기준으로 5 내지 30%의 엠보싱율을 가지는 것을 특징으로 하는 장섬유 부직포.
  4. 제1항에 있어서,
    두 겹 이상의 부직웹으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 장섬유 부직포.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 폴리에틸렌 성분이 0.930 내지 0.965 g/cm3 범위의 밀도, 15 내지 30 g/10min 범위의 용융지수 및 2 내지 3.5 범위의 분자량 분포(Mw/Mn)를 가지는 것을 특징으로 하는 장섬유 부직포.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 필라멘트가 10 내지 30 ㎛ 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 장섬유 부직포.
  7. 제1항에 있어서,
    10 내지 200 g/㎡의 단위중량을 가지는 것을 특징으로 하는 장섬유 부직포.
  8. (S1) 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹을 형성하는 단계;
    (S2) 상기 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹을 두 겹 이상 적층시키는 단계; 및
    (S3) 적층된 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹을 엠보싱 처리하는 단계를 포함하는
    제1항에 기재된 장섬유 부직포의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (S2) 단계와 (S3) 단계 사이에, 적층된 바이오매스-유래 폴리에틸렌 부직웹을 냉각시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 엠보싱 처리가 4 내지 8 kgf/cm2 범위의 압력에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 엠보싱 처리가 130 내지 145℃ 범위의 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 냉각은 15 내지 25 ℃ 범위의 온도에서 실시되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2021206359A1 (ko) * 2020-04-09 2021-10-14 도레이첨단소재 주식회사 친환경 부직포, 복합 부직포 및 이를 포함하는 물품

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