KR20200012577A - 나노실버가 포함된 아라미드 융복합 난연섬유 - Google Patents

나노실버가 포함된 아라미드 융복합 난연섬유 Download PDF

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Abstract

본 발명은 Lenzing FR, 메타 아라미드, 정전사로 구성된 융복합사를 제직 또는 편직한 원단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 아라미드 융복합 난연섬유에 관한 것이다.

Description

나노실버가 포함된 아라미드 융복합 난연섬유 {Aramid Fused Composite Flame Retardant Fiber Containing Nanosilver}
본 발명은 아라미드 나노실버가 포함된 융복합 난연섬유에 관한 것으로 보다 자세하게는 나노실버, Lenzing FR, 메타 아라미드, 정전사로 구성된 융복합 난연섬유에 관한 것이다.
최근 경제가 발달함에 따라 화재의 규모도 점점 커지고 있으며 이에 따라 발생하는 인명, 재산상의 피해도 급격히 증가하여 화재의 위험성에 대한 우려가 높아지고 있으며 관련 법규를 강화하자는 의견이 많이 제시되고 있다. 이러한 화재에 의한 피해 규모를 줄이려면 화재의 위험성이 없는 소재(의복, 건축내장재, 자동차, 비행기 등의 내부 제품 등)의 개발과 또 이러한 소재들을 사용해야 하는 규정의 정립과 그 엄격한 적용이 반드시 필요하다.
이에 따라, 화재로부터 인명을 보호한다는 면에서 최근 난연성 섬유(Flame retardant fiber)가큰 주목을 받고 있다. 이러한 난연 섬유의 시장 구조는 기존의 home textile, 교통수단 및 대중 건물의 내장재 등이 주류를 차지하는 구조에서 유아용 등의 일반용품으로의 확대되는 구조로 변화하고 있다. 과거에 특수한 분야에서의 난연화가 현재에는 화재에 대한 인식의 확산으로 일반적인 섬유제품으로 확대되고 있는 것이다. 이에 덧붙여 난연 관련법의 엄격한 적용 등으로 그 추세는 점점 커지고 있다.
이러한 섬유의 난연화 방법으로는 크게 섬유제품의 난연화와 원사제조공정에서의 난연화가 개발되고 있으나, 섬유제품의 난연화 가공에는 그 특성상 천연섬유의 난연화가 주로 이용되고 있으며 원사제조공정에서의 난연화는 주로 합성섬유가 이용되고 있다. 특히 면 등의 천연소재에 대한 난연화 가공은 난연 섬유(원사)의 개발이 불가능하여 유전자 조작 등의 방법이 이용되지 않는 한 소재 자체에 대한 난연화가 불가능하다. 현재에도 어느 정도의 난연성을 부여하는 기술은 개발되어 있고 그 기술로 천연섬유의 난연화 방법도 실제 이용되고 있으나 세탁 등에 의한 내구성의 저하, 가공 상의 유해물질의 배출 등으로 환경문제를 발생시키는 단점이 있다. 그리고 합성섬유의 생산량 중 최대 규모인 polyester의 경우에는 섬유제품의 난연화가 어렵고 또한 내구성의 측면에서 섬유자체의 난연화가 주된 경향으로 이루어지고 있다.
이와 더불어, 자체 난연성을 갖고 있는 섬유의 소재로 개발되어 있는 소재 및 섬유는 현재 많이 제품으로 나와 있다. 대표적인 예가 방화복 등에 이용되는 KEVLAR, NOMEX 등의 전방향족 Polyamide, Polyimide 등이 있으나 이들 제품은 그 가격이 워낙 고가이어서 일반적인 제품이 아닌 특수 용도에만 이용되고 있다. 또한, 난연성을 갖는 고분자물인 PVC(Poly Vinyl Chloride), Modacryl(Modified Polyacrylo-nitrile) 등이 섬유화가 이루어져 판매가 이루어져 왔으나 이들은 모두 환경문제(연소시의 다이옥신 발생문제 등)로 인하여 사용의 제한이 적용되고 있다. 즉, 대다수의 난연제가 환경규제에서 사용이 금지된 품목도 많아 적절한 난연제의 선택과 이를 이용하여 원사 물성의 저하가 없는 난연 섬유의 생산이 매우 중요하다.
따라서 난연성을 지니는 섬유를 개발함으로써 고열 및 화염에 우수한 방화성능을 지니고 또한 타오르지 않고 열이나 화염을 차단하여 주는 방염재로서의 안전한 의류 분야나 산업자재 분야의 최적의 소재는 신기술의 제조 분야의 하나로서 아직 기술적인 어려움을 지니고 있다.
이와 관련되는 선행특허로는 한국 등록특허공보 제10-0575473호의 "복합 단열 섬유사를 이용한 복합 섬유 및 그 제조 방법", 한국 등록특허공보 제10-0575474호의 "복합 단열 섬유사 및 그 제조 방법" 등이 알려져 있다.
이와 같은 선행특허는 인장력과 연신율이 좋은 아라미드섬유와 내열 내화성이 좋은 탄소섬유를 혼합하여 내열성이 양호한 복합 단열 섬유 및 복합 단열 섬유사에 대하여 기술하고 있지만, 이는 내열성은 어느 정도 있으나 1000℃ 이상의 고온에서 3 ~ 5분이 경과하면 섬유가 완전히 분해되어 그 형상이 소실됨으로 단열 및 난연 효과를 유지하기 어려움 단점이 있다.
상기와 같은 종래의 문제점들을 근본적으로 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 난연성과 내열및 방염성이 우수하고, 고열이나 화염에 의한 변형이 거의 없음은 물론 직접 및 간접적인 열에 의한 수축과 이완이 거의 없어 물리적 성질과 형태 안정성 및 내구성이 우수하며, 대전방지와 전자파 차폐 기능을 동시 발휘하는 초 내열성 아라미드 융복합 난연섬유를 제공하는데 있다.
또한 본 발명은 나노실버가 포함되여 항균성 효과가 있는 아라미드 융복합 난연섬유을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 Lenzing FR, 메타 아라미드, 정전사로 구성된 융복합사를 제직 또는 편직한 원단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 아라미드 융복합 난연섬유를 제공한다.
또한 본 발명은 Lenzing FR 40~60중량비, 메타 아라미드 35~55중량비, 정전사 1~5중량비로 구성된 융복합사를 제직 또는 편직한 원단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 아라미드 융복합 난연섬유를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 Lenzing FR은 1.50~1.55데니어와 48~52mm 섬유장으로 이루어지고, 메타 아라미드는 1.48~1.52데니어와 48~52mm 섬유장으로 이루어지며, 정전사 1.70~2.70데니어와 48~52mm 섬유장으로 이루어진 것을 특징으로 하는 아라미드 융복합 난연섬유를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 융복합 난연섬유는 30~40수, 2가닥으로 이루어진 것을 특징으로 하는융복합 난연섬유를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 실리카 입자의 평균 직경은 100㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 융복합 난연섬유을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 은 입자의 평균 직경은 10㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 융복합 난연섬유을 제공한다.
본 발명은 난연성과 내열및 방염성이 우수하고, 고열이나 화염에 의한 변형이 거의 없음은 물론 직접 및 간접적인 열에 의한 수축과 이완이 거의 없어 물리적 성질과 형태 안정성 및 내구성이 우수하며, 대전방지와 전자파 차폐 기능을 동시 발휘되는 특징이 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 '약', '실질적으로' 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해사용된다.
본 발명은 아라미드 융복합 난연 섬유에 관한 것으로서, 직경 1000㎚ 이하의 실리카 입자에 직경 20㎚ 이하의 은 입자를 부가한 실버 실리카 나노 복합체, Lenzing FR,메타 아라미드, 정전사로 융복합사를 제조하고, 이를 제직 또는 편직한 원단으로 이루어진 난연 섬유를 제공하고자 하는 것이다.
특히, Lenzing FR, 메타 아라미드, 정전사의 최적 혼방율을 구현하여, Lenzing FR 소재의 장점을 최대한 이용하면서 아라미드 섬유의 단점을 보강하여, 고견뢰도, 신축성, 경량성, 보온성, 착용성, 흡한속건성, 항균성, 방투습성, 대전방지성, 난연성 및 항 필링성이 부여된 섬유에 관한 것이다.
나노 섬유'는 나노 스케일의 직경을 갖는 섬유(평균 섬유 직경이 대략 3000㎚ 이하, 바람직하게는 1000㎚ 이하의 섬유)를 가리킨다
실시예에 따른 복합 나노 섬유(1)는 섬유로서의 구조가 잔존하고 있으면, 다양한 형태로 구성할 수 있다 예를 들면, 단독 섬유로 사용되어도 좋으며, 복수의 섬유를 꼬아서 합친 실로서 사용하여도 좋으며, 부직포로 사용하여도 좋다 특히, 후술되는 마스크의 경우와 같이 섬유 제품에 이용하는 경우에는, 실시예에 따른 복합 나노 섬유를 부직포로 제조한 것을 적절히 이용하는 것이 가능하다.
복합 나노 섬유와 관련하여서는, 실버 실리카 나노 복합체(2)의 적어도 일부가 나노 섬유의 내부에 포함되어 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다.
본 발명에 따른 아라미드 융복합 난연 섬유는 Lenzing FR, 메타 아라미드, 정전사로 구성된 융복합사를제직 또는 편직한 원단으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기에서, Lenzing FR(상표, 오스트리아 렌징사)은 셀룰로오스계 섬유로써, 천연 펄프에서 얻어진 천연섬유로서반영구적인 방염 소재이다. 또한, 기존의 소수성 방염 소재와는 달리 친수성으로 뛰어난 흡습성, 좋은 통기성, 자연적인 정전기를 방지함으로서 쾌적한 착용감과 편안함을 증진시키는 소재이며, 다른 섬유와의 혼방도 용이하여 기능 및 비용적으로 효율성이 높은 장점을 가지고 있다.
그리고, 상기 메타 아라미드는, 벤젠환이 메타 위치에서 아미드기와 연결된 중합체로 만든 섬유로서 융점이 320℃이며, 내열성, 난연성, 방염성이 우수한 특징이 있다.
이러한 메타 아라미드 섬유는 강고한 분자구조와 고결정성의 치밀구조 때문에 인장강도는 높지만 탄성력이 떨어져 착용시 활동성에 많은 제약을 받는 문제점이 있으며, 염색이 제대로 되지 않아 디지털무늬의 구현이 어려우며 이에 따른 색상별 적외선 IR 기능을 발휘하지 못해 위장이 되지 않는 단점이 있다.
따라서, Lenzing FR과 메타 아라미드의 최적 비율을 결정하여 난연성 및 인장강도를 최대화하면서, 염색성을 개선하여 디지털무늬의 구현 및 적외선 IR 기능을 최대한 발휘하도록 최적의 혼방율을 결정하는 것이 본 발명의중요 과제이다.
본 발명에서는 상기 융복합사는 Lenzing FR 40~60중량비, 메타 아라미드 35~55중량비, 정전사 1~5중량비로 구성되는 것이 바람직하다.
상기의 혼방율은 Lenzing FR 섬유의 장점을 최대한 이용하면서, 메타 아라미드의 단점을 최소화하여 장점을 최대한 활용할 수 있도록 한 것이다.
즉, Lenzing FR 섬유의 사용으로 난연성, 흡습성, 통기성을 향상시키고 정전기가 방지됨으로써 쾌적한 착용감과편안함을 증진시키게 되며, 메타 아라미드의 사용으로 난연성을 더욱 향상시키고 인장강도를 더욱 향상시키게되는 것이다.
그러나, 상기 혼방율의 범위를 넘어서게 되면, 염색성이 떨어져 디지털 무늬의 구현이나 적외선 IR 기능의 발현이 어렵거나 강도가 떨어져 내구성이 저하되는 단점이 있다.
이러한 Lenzing FR, 메타 아라미드, 정전사를 최적의 혼방율로 슬라이버를 제조하여 연조공정을 거친 후, 상기 슬라이버를 무라다보텍스방적기로 공급하여 드래프트롤러로 이루어진 드래프트부를 통과시켜 연신하게 된다.
그리고, 상기 정전사는 정전기를 방지하기 위한 것으로서, 나일론이나 아크릴, 폴리에스터 종류가 대표적으로 사용될 수 있으며, 탄소 섬유를 심사(core)로 사용하고 외부를 나일론 또는 폴리에스터로 복합 방사한 정전사(MIPAN corona)를 사용하거나, 아크릴 섬유 베이스에 구리(황산동) 코팅을 적용한 정전사(ELEX)를 사용하기도 한다.
한편, 상기 Lenzing FR은 1.50~1.55데니어와 48~52mm 섬유장으로 이루어지고, 메타 아라미드는 1.48~1.52데니어와 48~52mm 섬유장으로 이루어지며, 정전사 1.70~2.70데니어와 48~52mm 섬유장으로 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 상기 융복합사는 30~40수, 2가닥으로 이루어진 것이 바람직하다.
상기에서 서술한 바와 같이 본 발명에 따른 융복합사는 인장강도 및 염색성 향상에 있으며, 강도 보강을 위한 주요 인자는 단사의 섬유장과 번수이다. 단사의 섬유장이 길수록 방적시 꼬임에 의한 결속력이 강해지게 된다.
본 발명의 일실시예로 상기 Lenzing FR은 1.53데니어와 51mm 섬유장으로 이루어지고, 메타 아라미드는 1.50데니어와 51mm 섬유장으로 이루어지며, 정전사 1.80데니어와 51mm 섬유장으로 이루어진 것을 사용하였다.
이러한 융복합사는, 에어젯방적기를 이용하여 방적된 에어젯방적사(Air-jet Spinning)인 것이 바람직하며, 상기에어젯방적사는 30수~40수로 코어파이버와 랩핑파이버로 이루어진 것을 특징으로 한다. 이러한 에어젯방적사의 형태는 항필링성 및 염색성을 향상시키게 된다.
상기 에어젯방적사 2가닥을 합연하여 융복합사를 제조하게 된다. 상기 드래프트부는 4선식으로, 롤러게이지가 54x54x56(mm)이며, 드래프트 150~260이며, 이에 의해 항필링성 및 염색성을 개선시키는 융복합사를 제조하게 된다.
이때 에어젯룸직기는 서브노즐의 간격을 60mm로 조정함으로써, 위사 제어를 조밀하게 하였으며, 저개구각의 실현으로 경사에 물리적 장력을 감소시켰다. 또한, 최적 RPM은 500~550일 때 생산성과 품질의 두가지 요소를 만족시킬 수 있는 결과를 얻었다.
본 발명의 일실시예로는 에어젯룸(Air-jet loom) RPM 550이하로 정폭 및 지정축을 유지하고, 서브 노즐 60mm 이하로 원사를 원활하게 이송하고, 종광 재질은 경량 플라스틱으로 하여 모우를 방지하며, 개구각은 300°로 마모를 줄이고 경사줄을 감소시키고, 장력은 경사가 170kgf로 경사줄의 개선, 위사는 무장력 상태로 위근을 개선시켰다.
이러한 융복합사를 제직 또는 편직하여 상기 원단을 제조하게 되며, 이를 섬유에 사용하게 된다.
그리고, 상기 원단에 근적외선 영역(600nm~1040nm) 반사율이 국방규격을 만족하도록 국방 5도 디지털 무늬로 날염한다.
또한, 디지털 무늬의 색상을 더욱 선명하게 하고, 세탁 후에도 디지털 무늬의 빠짐을 최소화하기 위하여 아라미드 원착사(Dope Dyed fiber)를 적용하여, 그 상층에 그 상층에 상기 국방 5도 디지털 무늬로 날염할 수도 있다.
본 발명에 따른 염가공 공정은 원단을 먼저 전처리하게 되며, 상기 전처리 [0054] 공정은 모소, 정련, 표면, 머서화(mercerizing)로 나누어진다.
먼저, 모소 공정은 원단 표면의 잔털들을 제거하는 목적으로, 원단을 가스 버너의 불꽃 위를 고속 주행시켜 표면의 단섬유를 태워주는 공정이며, 잔털이 많으면 다음 공정인 호발 정련 공정에서 약품의 침투가 방해되어 탈호가 불균일하게 될 수 있기 때문이다. 효소호발제 5g/L을 사용하였다.
그리고, 모소가 완료된 후 정련 공정을 거치게 되는데, 이는 방적 공장에서 부착된 파라핀, 방적유 호제, 기계유, 지방질 등의 불순물을 제거하기 위함이다. 또한 Lenzing FR에 부착된 불순물은 고온의 NaOH로 처리하면 분해된다.
그리고 표백 공정은 Lenzing FR 섬유 중에 함유된 색소를 제거함과 동시에 정련 부족을 보완하기 위한것으로서, H2O2 및 NaOH를 각각 10g/L, 5g/L 사용하였다.
그리고 머서화 공정은 원단에 장력을 주면서 NaOH 수용액으로 처리하면 견과 같은 광택이 얻어지고 염색성의 향상, 치수 안정화, 흡습성의 증가, 강력의 향상 등의 효과를 얻어 제품의 품질이나 성능을 개선시키게 된다.
이와 같이 전처리가 끝난 원단은 프린트 진행을 위한 텐터 폭출 공정을 거쳐 프린트를 시작한다. 프린트는 보통 FLAT 방식와 ROTARY 방식으로 진행되며, 비교적 무늬가 단순하고 컬러 도수가 낮은 군복의 원단은 ROTARY 방식을 사용하고 있다.
프린트가 완료되면 컬러 및 견뢰도 향상을 위해 발색 공정을 거치게 되며,NaOH, 소듐 설파이트(Na2S2O4)를 각각 150g/L, 120g/L을 사용하였다.
이와 같이 제조된 본 발명에 따른 항공 피복류는 투피스 형태로 제작되어, 군 운용환경에 적합하고, 인체공학적 디자인으로 착용성이 우수한 제품으로 제작되게 된다. 섬유로는 조종복, 조종잠바, 동계 조종바지 등으로 제작되게 되며, 조종잠바와 동계 조종바지는 안감(아라미드 원단)이 부착되게 되어 제작된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 섬유의 원단에 대한 물성표를 나타낸 것이다.
일실시예 - Lenzing FR 50중량비, 메타 아라미드 47중량비, 정전사 3중량비로 이루어지며, Lenzing FR은 1.53데니어와 51mm 섬유장으로 이루어지고, 메타 아라미드는 1.50데니어와 51mm 섬유장으로 이루어지며, 정전사 1.80데니어와 51mm 섬유장으로 이루어진 융복합사(에어젯방적사) 30수, 2가닥으로 이루어진 원단이다.
이는 실험실 규모의 기본 성능 검증부터 실험실 규모의 소재, 부품, 시스템 핵심 성능 평가, 확정된 소재,부품, 시스템의 시작품 제작 및 성능 평가, 파일롯 규모 시작품 제작 및 성능 평가, 신뢰성 평가 및 수요기업평가를 수행한 것이며, 우수한 인장강도, 마찰대전압(정전기), 난연성(연소성), 항필링성,인장강도(치수변화율), 일광견뢰도, 세탁견뢰도, 마찰견뢰도, 땀견뢰도(흡한속건성) 특성을 보임을 확인할 수 있었다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

Claims (6)

  1. 직경 1000㎚ 이하의 실리카 입자에 직경 20㎚ 이하의 은 입자를 부가한 실버 실리카 나노 복합체, Lenzing FR, 메타 아라미드, 정전사로 구성된 융복합사를 제직 또는 편직한 원단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 아라미드 융복합 난연섬유.
  2. 제 1항에 있어서,
    Lenzing FR 40~60중량비, 메타 아라미드 35~55중량비, 정전사 1~5중량비로 구성된 융복합사를 제직 또는 편직한 원단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 아라미드 융복합 난연섬유.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 Lenzing FR은 1.50~1.55데니어와 48~52mm 섬유장으로 이루어지고, 메타 아라미드는 1.48~1.52데니어와 48~52mm 섬유장으로 이루어지며, 정전사 1.70~2.70데니어와 48~52mm 섬유장으로 이루어진 것을 특징으로 하는 아라미드 융복합 난연섬유.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 융복합 난연섬유는 30~40수, 2가닥으로 이루어진 것을 특징으로 하는 융복합 난연섬유.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 실리카 입자의 평균 직경은 100㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 융복합 난연섬유.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 은 입자의 평균 직경은 10㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 융복합 난연섬유.

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