KR20230030079A - 원적외선 방사, 항균 및 uv차단 기능을 가지는 섬유 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원적외선 방사, 항균 및 UV차단 기능이 함께 발현되는 복합 기능 섬유 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 원적외선 방사, 항균 및 UV차단의 기능성 물질이 높은 함량으로 균일하게 혼합된 마스터배치를 폴리에틸렌테레프탈레이트에 첨가하여 섬유를 제조함으로써, 다양한 기능이 함께 발현되는 폴리에스테르 섬유를 제공하는 것이 가능해진다.
또한, 폴리에틸렌테레프탈레이트의 유리전이온도보다 높은 온도의 유리전이온도를 가진 수지를 폴리에틸렌테레프탈레이트에 혼합함으로써, 방사공정에서 가열, 연신 및 고속 주행할 때에도 실의 주행 안정성이 향상되어 절사의 발생이 저감되므로 생산성이 향상된다.
본 발명에 따르면 원적외선 방사, 항균 및 UV차단의 기능성 물질이 높은 함량으로 균일하게 혼합된 마스터배치를 폴리에틸렌테레프탈레이트에 첨가하여 섬유를 제조함으로써, 다양한 기능이 함께 발현되는 폴리에스테르 섬유를 제공하는 것이 가능해진다.
또한, 폴리에틸렌테레프탈레이트의 유리전이온도보다 높은 온도의 유리전이온도를 가진 수지를 폴리에틸렌테레프탈레이트에 혼합함으로써, 방사공정에서 가열, 연신 및 고속 주행할 때에도 실의 주행 안정성이 향상되어 절사의 발생이 저감되므로 생산성이 향상된다.
Description
본 발명은 원적외선 방사, 항균 및 UV차단 기능이 함께 발현되는 복합 기능 섬유 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
섬유에서 원적외선 방사, 항균 및 UV차단 등 각종 기능을 부여하기 위해 이러한 기능을 가지는 유기 또는 무기 물질을 마스터 배치 형태로 첨가하여 기능성 섬유를 제조하는 방법이 개발되어 왔다.
그러나 합성섬유에 있어 용융방사를 할 때에 사절이 많이 발생하고 기능성 물질의 분산이 충분히 이루어지지 않아 물성과 기능성이 저하하는 문제가 있다.
한편, 종래 폴리에틸렌테레프탈레이트를 용융 방사할 때에 고속으로 제사하기 위해 안정성을 향상하는 여러 가지 방법이 개발되어 왔다.
그러나 기능성을 부여하기 위해 각종 무기물 첨가제를 첨가한 폴리에틸렌테레프탈레이트를 용융 방사하는 것은, 제사할 때에 고속으로 권취를 하는 것이 실의 흔들림이 커져 절사의 발생이 증대하는 문제점이 있다.
특히 방사 구금에서 토출된 실이 폴리에틸렌테레프탈레이트의 유리전이온도(Tg) 이하의 온도에서 냉각된 후에 가열처리통 내에서 Tg 이상의 온도로 연신·열고정을 하려면, 절사가 증대하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유를 제조할 때에 기능성을 제공하는 무기물의 함량이 높아도 고속 방사가 가능한, 원적외선 방사, 항균 및 UV차단 기능을 가지는 섬유의 제조방법을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 원적외선 방사, 항균 및 UV차단 기능을 가지는 기능성 물질을 포함하여 이루어지는 복합기능 마스터배치, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트보다 유리전이온도가 높은 수지를 혼합하고 가열하여 용융시켜 용융물을 얻는 단계; 상기 용융물을 방사 구금을 통해 토출시키고 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트의 유리전이온도 미만으로 냉각하여 고화된 섬유를 얻는 단계; 상기 고화된 섬유를 상기 유리전이온도 이상의 온도로 가열하여 연신하는 단계; 및 3300m/분 이상의 속도로 권취하는 단계;를 포함한 원적외선 방사, 항균 및 UV차단 기능을 가지는 섬유의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 원적외선 방사, 항균 및 UV차단의 기능성 물질이 높은 함량으로 균일하게 혼합된 마스터배치를 폴리에틸렌테레프탈레이트에 첨가하여 섬유를 제조함으로써, 다양한 기능이 함께 발현되는 폴리에스테르 섬유를 제공하는 것이 가능해진다.
또한, 폴리에틸렌테레프탈레이트의 유리전이온도보다 높은 온도의 유리전이온도를 가진 수지를 폴리에틸렌테레프탈레이트에 혼합함으로써, 방사공정에서 가열, 연신 및 고속 주행할 때에도 실의 주행 안정성이 향상되어 절사의 발생이 저감되므로 생산성이 향상된다.
본원발명은, 원적외선 방사, 항균 및 UV차단 기능을 가지는 기능성 물질을 포함하여 이루어지는 복합기능 마스터배치, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트보다 유리전이온도가 높은 수지로 이루어진 혼합물을 방사 구금을 통해 토출시키고, 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트의 유리전이온도 미만으로 냉각하여 고화된 섬유를 얻고, 상기 고화된 섬유를 상기 유리전이온도 이상의 온도로 가열하여 연신하고, 3300m/분 이상의 속도로 권취하는, 원적외선 방사, 항균 및 UV차단 기능을 가지는 섬유의 제조방법에 관한 것이다.
상기 복합기능 마스터배치는, 폴리에틸렌테레프탈레이트 60~90 중량% 및 기능성 물질 10~40중량%를 포함하여 이루어지고, 상기 기능성 물질은 항균성 제올라이트 15~35중량%, UV차단제 15~35중량% 및 산화알루미늄 30~70중량%를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 항균성 제올라이트는 제올라이트에 항균 물질이 담지된 제올라이트로 항균성을 갖는 금속이 담지되는 것이 좋다.
산화알루미늄은 원적외선을 방사하는 물질이며, UV차단 및 항균 기능도 가지는 무기 물질이다.
상기 복합기능 마스터배치는, 제1구간, 제2구간, 제3구간, 제4구간 및 제5구간으로 구분된 압출기를 이용하여 제조되고, 상기 제1구간에서는 폴리에스테르를 100~150℃로 가열하여 8~15초의 통과시간으로 용융시키는 용융단계; 상기 제2구간은 비중 2.0~3.0의 상기 항균성 제올라이트와 비중 2.0~3.0의 UV차단제가 첨가되어 150~200℃로 가열하여 3~6초의 통과시간으로 통과하는 제1기능성 물질 투입단계; 상기 제3구간은 산화알루미늄을 첨가하고 200~240℃로 가열하여 2~4초의 통과시간으로 통과하는 제2기능성 물질 투입단계; 상기 제4구간은 240~270℃로 가열하여 1~3초의 통과시간으로 통과하여 혼합시키는 혼합단계; 및 상기 제5구간은 240~270℃로 가열하여 압출하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
상기 복합기능 마스터배치는 항균성 제올라이트와 UV 차단제는 비중을 2.0~3.0으로 조절하여 제2구간에 투입되고, 비중이 4.0~4.5인 산화알루미늄은 제3구간에 투입하여 제조되므로 혼합성 및 분산성이 우수해진다. 즉, 기능성 물질의 함량이 균일하면서도 높은 함량의 기능성 물질이 함유된 폴리에스터 마스터 배치가 된다.
상기 기능성 물질은 평균 입경이 0.03~1.0㎛인 것이 섬유를 제조하기에 바람직한데, 0.03㎛ 미만이면 섬유에 첨가되어 후술하는 가열처리통을 통과하여 연신되어 고속방사로 제조된 섬유에서 모우가 발생하고 섬유의 균제도가 저하할 수 있고, 1.0㎛를 초과하면 섬유의 연신성이 저하하여 절사가 발생할 수 있다.
상기 폴리에틸렌테레프탈레이트는 섬유용으로 일반적으로 사용되는 것으로, 고유점도가 0.55~0.65인 것이 바람직하게 사용된다.
상기 폴리에틸렌테레프탈레이트보다 유리전이온도가 높은 수지가 이용됨으로써 용융되어 토출된 실이 3,500m/분 이상의 고속으로 방사가 되어도 실의 흔들림이 억제되어 안정적으로 방사를 할 수 있다.
상기 폴리에틸렌테레프탈레이트보다 유리전이온도가 낮은 수지를 이용하게 되면 고속에서 안정적으로 방사를 하기 어렵다.
이때 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트보다 유리전이온도가 높은 수지는 0.1~1.0 중량%의 함량을 가지는 것이 좋은데, 0.1 중량% 미만이면 용융되어 토출된 실이 흔들림이 억제되지 않아 고속에서 안정적으로 방사를 하기 어렵고, 1.0 중량%를 초과하면 혼화성이 저하되어 오히려 기계적 강도가 저하하고 경제적으로도 바람직하지 못하다.
본 발명에서는 폴리에틸렌테레프탈레이트보다 유리전이온도가 높은 수지로서 폴리에틸렌나프탈레이트를 사용할 수 있다. 상기 폴리에틸렌나프탈레이트는 분자량이 큰 것이 바람직한데, 중량 평균 분자량으로 5만 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 방사는, 방사 구금에서 토출되어 냉각에 의해 고화된 실이 가열처리통을 통과하도록 주행시켜 연신·열고정하고, 유제 부여 장치에 의해 유제를 부여한 이후에, 소정의 권취 속도로 권취롤러에 권취되는 것에 의해 실시할 수 있다.
상기 냉각은 방사 냉각 장치에 의해 불어지는 냉각풍에 의해 고화된 실을 형성할 수 있으며, 이렇게 형성된 고화된 실이 유리 전이 온도 이하의 온도로, 좀 더 바람직하게는 유리 전이 온도보다 10℃ 낮은 온도로 냉각되는 것이 좋다.
상기 가열처리통은 방사 구금에서 0.5~1.5m 떨어진 위치에 있는 것이 좋다.
상기 가열처리통의 온도는 300℃ 이하에서 임의로 최적 조건을 선택하여 조절할 수 있다.
상기 온도가 Tg 미만이면 연신이 되지 않거나 냉연신이 되어 배향은 높지만 비중이 낮은 고배향 저비중의 실이 되고, 균일한 연신이 되지 않으므로 염색 얼룩이 생기기 쉽다. 250℃를 초과하면 연신이 강하게 되므로 상류측의 실질 섬도가 커지고 이로 인해 입구 부근의 방사 장력이 낮아져 실의 흔들림이 발생하기 쉽다.
이로 인해 가열처리통의 온도는 150~220℃인 것이 좋다.
가열처리통을 통과하여도 상기 복합기능 마스터배치를 구성하는 무기물에 의해 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유의 열화가 억제되고 안정적인 주행이 이루어질 수 있다
유제 부여 이후 권취롤러의 권취 속도는 3,500 m/분 이상으로 하는 것이 기계적 특성이 향상되므로 좋다.
상기 권취 속도가 3,500 m/분 미만이면 상기 가열처리통에서의 섬유의 연신이 충분하지 않아 기계적 물성이 저하할 수 있고, 실에서 장력의 변동과 과가열이 생겨 연신이 균일해 지지 않을 수 있다.
또한, 균제도가 저하하고 모우가 발생할 수 있다.
한편, 본 발명은 경도가 15GPa 이상인 고순도(99.99% 이상) 알루미나로 이루어진 가이드를 이용함으로써, 무기물을 1 중량% 이상 고함량으로 함유하고 권취속도 3,500m/분 이상의 고속으로 용융 방사하여도, 방사 공정에서 각종 가이드가 빨리 마모되지 않으므로 사절과 모우의 발생이 억제될 수 있다.
본 발명에 따르면 복합 기능성 무기물을 0.1~10 중량% 함유함으로써 연신·열고정하는 가열처리통에서 섬유가 열화하지 않으면서 고속으로 연신이 가능하고, 폴리에틸렌테레프탈레이트보다 유리전이온도가 높은 수지를 이용함으로써 연신·열고정하는 가열처리통에서 주행할 때에 흔들림이 억제되어 고속으로 연신이 가능해져 생산성이 향상된 원적외선 방사, 항균 및 UV차단 기능을 가지는 섬유를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의거하여 좀 더 상세하게 설명한다.
단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 치환 및 균등한 타 실시예로 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
[제조예 1]
압출기의 제1구간에서 섬유용 폴리에틸렌테레프탈레이트를 투입하고 100~150℃에서 11초간 통과시키고, 제2구간에서 비중이 2.3인 은이 담지된 항균성 제올라이트와 비중인 2.6인 무기계 UV차단제를 투입하고 150~200℃에서 4초간 통과시키고, 제3구간에서 비중이 4.1인 산화알루미늄을 투입하고 200~240℃에서 3초간 통과시키고, 제4구간에서 240~270℃에서 2초간 통과시키고, 제5구간에서 270~290℃의 용융혼합물을 통과시키고 다이를 통해 압출한 이후에 냉각하고 절단하여, 기능성 물질이 20중량% 함유한 복합기능 마스터배치 펠렛을 제조하였다.
이때 사용된 기능성 물질의 평균 입경은 약 500nm였다.
또한, 사용된 기능성 물질의 함량비는 중량비로 항균성 제올라이트 : UV차단제 : 산화알루미늄가 25 : 25 : 50가 되도록 하였다.
[제조예 2]
압출기의 제1구간에서 섬유용 폴리에틸렌테레프탈레이트를 투입하고 100~150℃에서 11초간 통과시키고, 제2구간에서 비중이 2.3인 은이 담지된 항균성 제올라이트, 비중인 2.6인 무기계 UV차단제 및 비중이 4.1인 산화알루미늄을 투입하고 150~200℃에서 4초간 통과시키고, 제3구간에서 200~240℃에서 3초간 통과시키고, 제4구간에서 240~270℃에서 2초간 통과시키고, 제5구간에서 270~290℃의 용융혼합물을 통과시키고 다이를 통해 압출한 이후에 냉각하고 절단하여, 기능성 물질이 20중량% 함유한 복합기능 마스터배치 펠렛을 제조하였다.
이때 사용된 기능성 물질의 평균 입경은 약 500nm였다.
또한, 사용된 기능성 물질의 함량비는 중량비로 항균성 제올라이트 : UV차단제 : 산화알루미늄가 25 : 25 : 50가 되도록 하였다.
[실시예 1]
고유점도가 0.64인 폴리에틸렌 테레프탈레이트 89.5중량%, 상기 제조예 1의 복합기능 마스터배치 10 중량% 및 폴리에틸렌나프탈레이트(Tg=123℃) 0.5 중량%로 이루어지도록 혼합하고 가열하여 용융된 혼합물을, 295℃에서 토출공경 0.2㎜Φ, 랜드길이 0.8㎜, 구멍수 36홀의 방사구금을 통해 토출하고, 온도 25℃, 습도 65RH%의 냉각풍을 0.5m/초의 속도로 불어넣어, 토출되어 고화된 섬유를 65℃까지 냉각하였다.
이후 방사 구금 직하에서 1.5 m의 하부에 위치한 길이 1m, 내경 30㎜의 가열처리통에서 150℃로 가열된 공기 분위기에서 연신을 하고, 가이드 오일링 방식으로 유제를 부여한 다음 4,500m/분의 속도로 권취하여 연신한 폴리에스테르 섬유를 제조하였다.
이때 급유 가이드부에 경도가 15.7 GPa인 순도 99.99%의 알루미나로 이루어진 가이드를 사용하였다.
이렇게 얻어진 75데니어/36필라멘트의 폴리에스테르 섬유에 대해 시험평가를 하기와 같이 하였다.
[비교예 1]
상기 실시예 1에서 제조예 1의 복합기능 마스터배치 대신에 제조예 2의 복합기능 마스터배치를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 폴리에스테르 섬유를 제조하였다.
[비교예 2]
상기 실시예 1에서 상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트 90중량%, 상기 제조예 1의 복합기능 마스터배치 10 중량%를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 폴리에스테르 섬유를 제조하였다.
[비교예 3]
상기 실시예 1에서 상기 권취에서 속도를 2,800m/분으로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 폴리에스테르 섬유를 제조하였다.
[비교예 4]
상기 실시예 1에서 상기 급유 가이드부에 순도 99%의 알루미나로 이루어진 가이드를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 폴리에스테르 섬유를 제조하였다.
상기 실시예 및 비교예에서의 제조 공정 특성과 물성을 하기와 같이 평가하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
1. 방사성
섬유를 100 kg 방사하여, 방사할 때에 사절의 유무를 조사하고, 얻어진 섬유에서 보풀의 발생의 유무를 육안으로 관찰하고, 아래와 같은 평가 기준에 따라 평가했다.
◎：방사할 때에 사절이 발생하지 않고, 얻어진 섬유에서 보풀이 전혀 발생하지 않고, 방사성이 지극히 양호하다.
○：방사할 때에 사절이 발생하지 않고, 얻어진 섬유에서 보풀이 조금 발생하지만, 방사성이 거의 양호하다.
△：방사할 때에, 사절이 3회 이하로 발생하고, 방사성이 불량하다.
×：방사할 때에, 사절이 3회를 초과하여 발생하고, 방사성이 매우 불량하다.
2. 모우 갯수
모우 센서에 의해 107m 이상의 섬유 길이 중에 존재하는 모우의 발생을 감지하여 섬유 길이 106m 당 모우 갯수를 환산하여 표시한다.
3. 급유 가이드 마모성
신규 가이드를 사용하여 1개월 동안 용융 방사를 실시하고 급유 가이드(접실부)에서 가이드 표면의 마모 상태를 확대 관찰(X400배)하여 마모의 진행도를 평가한다.
○ : 마모가 거의 관찰되지 않는다.
△ : 마모가 다소 관찰된다.
× : 마모가 크게 관찰된다.
4. 원적외선 방사성
제조된 폴리에스테르 섬유로 만들어진 평직물을 시료로 사용하고, 시험방법은 KFIA-FI-1005(시료의 적외선 방사율 및 방사에너지를, 37℃에서 적외선 분광광도계(FT-IR spectrometer)를 이용하여 흑체(black body) 대비 측정)로 측정한다.
5. 항균성
제조된 폴리에스테르 섬유로 만들어진 평직물을 시료로 사용하고, KS K 0693에 의거하여 공시균주로 황색포도상구균(Staphylococcus aureus, ATCC 6538)과 폐렴균(Klebsiella pneumococcus, ATCC 4352)을 사용하여 항균도를 정균감소율로 평가한다.
6. UV차단성
KS K 0850:2014 시험법으로 자외선 차단율을 측정한다.
파장범위는 UV-A(315 ~ 400nm), UV-B(290 ~ 315nm)로 한다.
| 실시예 1 | 비교예 1 | 비교예 2 | 비교예 3 | 비교예 4 | ||
| 방사성 | ◎ | △ | △ | ○ | ○ | |
| 모우 갯수 | 0 | 0.3 | 1 | 0.1 | 0.05 | |
| 강도(g/d) | 4.57 | 3.5 | 3.8 | 3.1 | 4.55 | |
| 균제도(U%) | 0.58 | 1.62 | 1.85 | 1.2 | 0.75 | |
| 급유 가이드 마모성 |
○ | ○ | ○ | ○ | △ | |
| 원적외선 방사성 |
원적외선 방사율 (5~20㎛ 파장범위) |
0.902 | 0.870 | - | - | - |
| 방사 에너지 (W/m2·㎛, 37℃) |
3.48 X 102 | 3.27 X 102 | - | - | - | |
| 항균성 | 황색포도상구균 | 99.9% | 99.5% | - | - | - |
| 폐렴균 | 99.9% | 99.5% | - | - | - | |
| UV차단성 | UV-A | 98.2% | 93.8% | - | - | - |
| UV-B | 98.1% | 93.6% | - | - | - | |
상기 표 1의 결과로부터, 실시예 1의 원적외선 방사성, 항균성 및 UV차단성 성능이 비교예 1의 것보다 우수하므로, 본 발명에 따른 복합 기능 마스터배치를 이용한 것이 기능성의 향상을 제공하는 것이 확인된다.
또한, 실시예 1의 방사성, 강도 및 균제도가 비교예 2의 것보다 우수하므로, 본 발명에 따른 폴리에틸렌테레프탈레이트 보다 높은 유리 전이 온도를 가진 수지를 첨가한 것이 방사 작업성의 향상을 제공하는 것이 확인된다.
Claims (5)
- 원적외선 방사, 항균 및 UV차단 기능을 가지는 기능성 물질을 포함하여 이루어지는 복합기능 마스터배치, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트보다 유리전이온도가 높은 수지를 혼합하고 가열하여 용융시켜 용융물을 얻는 단계;
상기 용융물을 방사 구금을 통해 토출시키고 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트의 유리전이온도 미만으로 냉각하여 고화된 섬유를 얻는 단계;
상기 고화된 섬유를 상기 유리전이온도 이상의 온도로 가열하여 연신하는 단계; 및
3300m/분 이상의 속도로 권취하는 단계;를 포함한 원적외선 방사, 항균 및 UV차단 기능을 가지는 섬유의 제조방법. - 상기 복합기능 마스터배치는, 폴리에스테르 60~90 중량% 및 기능성 물질 10~40중량%를 포함하여 이루어지고, 상기 기능성 물질은 항균성 제올라이트 15~35중량%, UV차단제 15~35중량% 및 산화알루미늄 30~70중량%를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원적외선 방사, 항균 및 UV차단 기능을 가지는 섬유의 제조방법.
- 제 2항에 있어서,
상기 복합기능 마스터배치는, 제1구간, 제2구간, 제3구간, 제4구간 및 제5구간으로 구분된 압출기를 이용하여 제조되고,
상기 제1구간에서는 폴리에스테르를 100~150℃로 가열하여 8~15초의 통과시간으로 용융시키는 용융단계;
상기 제2구간은 비중 2.0~3.0의 상기 항균성 제올라이트와 비중 2.0~3.0의 UV차단제가 첨가되어 150~200℃로 가열하여 3~6초의 통과시간으로 통과하는 제1기능성 물질 투입단계;
상기 제3구간은 산화알루미늄을 첨가하고 200~240℃로 가열하여 2~4초의 통과시간으로 통과하는 제2기능성 물질 투입단계;
상기 제4구간은 240~270℃로 가열하여 1~3초의 통과시간으로 통과하여 혼합시키는 혼합단계; 및
상기 제5구간은 240~270℃로 가열하여 압출하는 단계;를 포함한 것을 특징으로 하는 원적외선 방사, 항균 및 UV차단 기능을 가지는 섬유의 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 폴리에틸렌테레프탈레이트보다 유리전이온도가 높은 수지는 폴리에틸렌나프탈레이트인 것을 특징으로 하는 원적외선 방사, 항균 및 UV차단 기능을 가지는 섬유의 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 폴리에틸렌테레프탈레이트보다 유리전이온도가 높은 수지의 함량은 0.1~1.0 중량%인 것을 특징으로 하는 원적외선 방사, 항균 및 UV차단 기능을 가지는 섬유의 제조방법.
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