WO2016163710A1 - 항균성 발열 보온 부직포 및 이를 사용한 다층구조의 원단 - Google Patents

항균성 발열 보온 부직포 및 이를 사용한 다층구조의 원단 Download PDF

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WO2016163710A1
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fiber
fabric
heat
antimicrobial
oxide
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정재헌
손태원
손형진
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주식회사 지클로
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Definitions

  • the present invention relates to an antimicrobial heat-generating nonwoven fabric having an antimicrobial property and having a multi-layer fabric using the same, which can generate heat by light irradiation due to the interaction between a carbon component and an iron oxide compound contained in the fiber. .
  • Antibacterial and deodorant processing is a process for inhibiting the growth and growth of bacteria or fungi on the fiber, it is important to maintain a certain level of antibacterial effect than high antibacterial activity and safety for the human body.
  • organic antimicrobial materials have been used to date because they are easier to process and do not have a significant effect on mechanical properties, transparency, color, etc., but these organic antimicrobial agents are poor in persistence of antimicrobial effects and inferior in heat resistance. The use is limited in this regard, and some organic antimicrobial substances may cause problems such as skin irritation and tearing.
  • Inorganic antimicrobial materials have high heat resistance, high volatility, no volatilization, decomposition, and the like compared to organic antimicrobial materials.
  • the method of improving the heat-retaining effect of a textile product is usually through a method of physically forming an air layer inside the garment by changing the fabric structure of the garment or making the fiber hollow or porous. It keeps warmth by reducing heat dissipation generated in human body.
  • the method has been used to form a lot of air layer in the garment, to thicken the fabric, to make a small gap, or to darken the color, for example, to put the cotton between the outer and lining of the winter sports clothing, cotton air layer It keeps warmth in thickness, but it is not suitable for sports that require easy operation because it is heavy and bulky if cotton is put on the garment.
  • it is a method that can be used universally by applying to a general fiber, a method of blocking heat transfer by coating a breathable resin on the surface of the fabric, trapping the low thermal conductivity air in the multi-layered fabric or fiber, or thermal conductivity How to prevent heat transfer by using low material, how to absorb and accumulate sunlight or convert part of sunlight into heat, and how to absorb heat by generating hydrophilic carboxyl groups, amino or hydroxyl groups that absorb fibers
  • a method of allowing the fiber material to generate heat under specific conditions a method of using a special battery, a method of using heat generated when iron is oxidized by contact with oxygen in the air, but these methods are limited to special purposes. Or may be used only for a limited time and have a low durability.
  • a heat insulating material using a release cross-section material or sesame yarn material manufactured through a technology for controlling the discharge port shape of the molten polymer material in a fiber production process and a stretch control technology for a light heat insulating heat is introduced. Due to the deformation of the controlled cross section and the unevenness of the fineness in the manufacturing process of the fabric, there is a disadvantage in that the sustainability of heat generation and insulation is poor.
  • the fibers and fabrics for imparting various functionalities such as antibacterial, thermal insulation, heat storage, heat generation, etc. to the garment is complicated and mainly depends on the post-processing method, the post-processing method is still insufficient in durability and various fastnesses There are many points that the functionality imparted by this post-processing method is limited in terms of efficacy.
  • Korean Patent Publication No. 1253032 is obtained by dispersing at least one carbon material selected from the group consisting of carbon fibers, carbon nanofibers and carbon nanotubes in water, an organic solvent or a mixture thereof.
  • a method for producing functional fibers and fabrics that provides heat, heat, and heat storage functions to fibers or fabrics by applying the dispersion liquid to the fibers or fabrics by spraying, dipping, spraying or transferring a method, followed by drying.
  • Functional fiber and fabric of the present invention is to coat a very small amount of carbon material on the fiber or fabric so that the fiber or fabric has a heat generation, heat retention and heat storage function in a simple and economic way, using a small amount of carbon material
  • Korean Patent Publication No. 1295045 proposes a method of durablely introducing a component capable of generating moisture absorption and a method of manufacturing a nonwoven fabric having a heat generating function that can be used semi-permanently.
  • Absorption or moisture absorption exothermic acrylic fibers of 30 to 55 mm are used alone, or other types of short fibers (cotton short fibers, tencel short fibers, polyester short fibers, polyamide short fibers, general acrylic ends) Fiber, PP / PE Bicomponent short fibers) is mixed to produce a nonwoven fabric.
  • the nonwoven fabric is a durable introduction of the heating element to solve the problem of lowering the fastness, but the optimum heat generation proceeds in a certain condition of 20 ⁇ 25 °C, relative humidity 80% or more, so there is a limit to give functionality to clothes in this way There is a problem that can not be widely used in the clothing industry.
  • the present invention is to solve the above problems, by producing a fiber that can maintain the antimicrobial heating function durable by mixing and spinning the spinning material and the antimicrobial material to the spinning liquid by using light to produce a nonwoven fabric and fabric using the same
  • a fiber that can maintain the antimicrobial heating function durable by mixing and spinning the spinning material and the antimicrobial material to the spinning liquid by using light to produce a nonwoven fabric and fabric using the same
  • the present invention is carbon black, charcoal powder, carbon powder, graphite powder, carbon fiber powder, carbon nanotubes and at least one carbon compound selected from the group consisting of graphene 25 to 90% by weight; 5 to 70% by weight of at least one iron oxide compound selected from the group consisting of ferrous oxide, ferric oxide, and triiron tetraoxide; And 1 to 50% by weight of at least one metal oxide selected from the group consisting of aluminum oxide, calcium oxide, magnesium oxide, zinc oxide, manganese dioxide, silicon dioxide and titanium dioxide, with a particle size of 10 nm to 100 ⁇ m, frequency
  • an antimicrobial exothermic heat insulating nonwoven fabric composed of a fiber containing 1 to 10% by weight of an iron oxide-carbon composition that generates heat by a long wavelength wave of 300 MHz to 300 Hz.
  • the present invention also provides a multi-layered fabric in which the antimicrobial exothermic thermal insulation nonwoven fabric is laminated at a basis weight of 85 to 425 g / m 2 and a polyester nonwoven fabric having a basis weight of 50 to 60 g / m 2 is integrally bonded thereon.
  • the nonwoven fabric and fabric according to the present invention generates heat by sunlight, so that it is possible to obtain heat and warming effect even without a separate heat generating device, and to maintain heat retention, and that the particles providing the heat generating effect have antibacterial activity. Function is granted.
  • the antimicrobial heating particles are uniformly dispersed in the spinning solution and combined with the resin constituting the fiber, the antimicrobial heating particles are not separated from the fibers by external force such as washing, and thus can provide continuous antibacterial and exothermic effects even after long-term use.
  • Figure 2 is a test report measuring the antimicrobial activity of the antimicrobial exothermic thermal insulation nonwoven fabric according to the present invention by the Korea Apparel Testing and Research Institute.
  • 3 and 4 are graphs showing the temperature change inside the tunnel of the vinyl house type fabricated using a multi-layer fabric and a general polyethylene nonwoven fabric according to the present invention.
  • the present invention is to produce a non-woven fabric using the antimicrobial fiber to generate heat only by irradiation of light by mixing and melting the iron oxide-carbon composition mixed with the carbon oxide and the iron oxide compound that generates heat by light to the resin in the spinning solution.
  • Nonwoven fabrics are used to prepare multi-layer fabrics.
  • the resin used in the present invention is not limited to the kind of polymer resin such as polyester, polyolefin, etc., having a filament forming ability which can be spun from a spinning nozzle in a melt or solution state to produce a fibrous form.
  • the iron oxide-carbon composition generated by the light is carbon black, charcoal powder, carbon powder, graphite powder, carbon fiber powder, carbon nanotube (CNT), graphene (graphene) or a carbon compound of a mixture thereof: stable Iron oxide compounds in the form of ferrous oxide (FeO), ferric oxide (Fe 2 O 3 ), triiron tetraoxide (Fe 3 O 4 ) or mixtures thereof; And aluminum oxide (Al 2 O 3 ), calcium oxide (CaO), magnesium oxide (MgO), zinc oxide (ZnO), manganese dioxide (MnO 2 ), silicon dioxide (SiO 2 ), titanium dioxide (TiO 2 ) or mixtures thereof It includes a metal oxide of, and also has a particle size of a certain size or less and can generate heat uniformly and rapidly by light.
  • the fiber when the fiber is manufactured using the iron oxide-carbon composition, the fiber may heat itself by light without a separate heating device, and the fiber containing the composition also has antibacterial properties because the composition particles providing the heating effect have antibacterial activity. Indicates.
  • the composition is composed of a particle size of 10 nm ⁇ 100 ⁇ m and generates heat by light, and by spinning the spinning solution containing the composition to produce a fiber and then laminating the web to produce a nonwoven fabric.
  • the iron oxide-carbon composition contains a certain amount or more of iron oxide compounds of ferrous oxide, ferric oxide, or triiron tetraoxide, which are stable oxides, and has a particle size of less than a certain size, so that when the light is irradiated, the dipole rotation of the iron oxide compound is performed. It is possible to generate heat uniformly and quickly by heating and absorption heating method.
  • the optimum wavelength range in which the iron oxide-carbon composition can generate heat is electromagnetic waves in the range of 300 MHz to 300 kHz (wavelength 1 m to 1 ⁇ m), and includes infrared rays, far infrared rays, microwaves, and the like.
  • Far-infrared energy is absorbed by the carbon particles of the carbon compound to generate heat
  • microwave energy is absorbed by the iron oxide compound to generate heat.
  • Microwaves with a frequency between 300 MHz and 300 ⁇ generate heat by inducing molecular motion and ion conduction of dielectrics, and in the case of water, the electric field of water molecules (electric dipoles) is slower than the microwave electric field change. It acts as a vibratory heat generating and heating.
  • metal is not used for heating because it reflects most of the microwave, but when the microwave is irradiated to the ferrous oxide, ferric oxide and triiron particles of the polarity present in a stable form as in the present invention, the microwave vibrates the particles While the microwave penetrates into the non-conductive iron oxide compound, it generates heat while being absorbed and heated.
  • the iron oxide-carbon composition of the present invention has the characteristics of an intermediate semiconductor between the conductor and the non-conductor, absorption heating and induction heating are performed, and internal long wavelength waves are transmitted according to the state of charge.
  • the long-wave wave which is widely used in everyday life, is an example of microwaves used in microwave ovens.
  • the microwave has a power of 0.2-3 kHz at a frequency of 2.45 kHz.
  • the temperature may rise to 10 ° C. or more in about 1 minute, and the conditions according to the temperature rising rate and range are specific. It can be changed according to the purpose.
  • the iron oxide compound in the composition is at least 5% by weight or more, preferably 10% by weight or more, and more preferably 10-50% by weight. If the weight percentage is less than the low heat generation efficiency, it is difficult to expect a substantial heat generation effect.
  • the iron oxide compound may be obtained from magnetite powder, hematite powder, iron ore powder, steelmaking slag powder, copper smelting slag powder, zinc smelting slag powder, red mud powder, coal ash powder, loess powder and the like, but is not limited thereto.
  • Polar materials such as ferrous oxide, ferric oxide, and triiron tetraoxide are properly mixed and distributed with the ceramic material of the metal oxide to have a stable structure by the action of each other.
  • microwave energy oscillates polar iron oxide compounds and metal oxide particles while generating microwaves by absorbing and heating the non-conductive ceramic material to generate heat.
  • the metal oxide is heated to a very high temperature when the light emitted from sunlight or fluorescent light, in particular short wavelength light is irradiated to the surface, this high temperature incinerates and decomposes organic matter or bacteria attached to the surface of the metal oxide Eliminates odors, metal oxides themselves act as a catalyst to decompose harmful substances and bacteria to provide an antimicrobial effect to the nonwoven fabric and fabric of the present invention.
  • the particle diameter of the metal oxide particles is also 10 ⁇ 10 ⁇ the same as the particle diameter of the carbon compound, iron oxide compound particles It is preferred to have a range of 100 ⁇ m.
  • the metal oxide may be contained in an amount of 1 wt% or more, but in order to obtain a better effect, it is preferable to contain 5 wt% or more, and more preferably 5 to 30 wt%.
  • the metal oxide may be obtained from powders such as zeolite, illite, bentonite, montmorillonite, ferrite, magnetite, pegmatite, tourmaline, biotite, loess and the like, but is not limited thereto.
  • the penetration depth of the microwave into the metal oxide-containing material is tens of times higher than water, so the energy of the microwave can penetrate deep into the metal oxide-containing material.
  • the thickness of the material is thinner than the depth of penetration, only some of the energy of the supplied microwave is absorbed by the material and the unabsorbed energy is radiated from the material and cannot be used.
  • the material contains ferric oxide, ferric oxide and trioxide particles, The unenergy can be reflected by the metal ions and absorbed back into the metal oxide-containing material.
  • the shape of the iron oxide compound particles is uniform for more uniform reflection of microwaves.
  • a spherical shape is preferred, and sphericity is more preferably 0.5 or more.
  • the sphericity is a measure of how close the sphere is to the shape of the sphere, which means the ratio of the smallest side diameter to the longest side diameter of the particle.
  • a metal alkoxide-based coupling agent may be added to the spinning liquid so that the iron oxide-carbon composition may be combined with the resin in the spinning liquid, and the metal alkoxide coupling agent may be an interface between the resin and the iron oxide-carbon composition. To increase chemical bonding to each other.
  • the metal alkoxide coupling agent may be selected from titanate, aluminate, and silicate, through coordination bond between the resin and the iron oxide-carbon composition, and affinity between the resin-alkoxide. Combine the resin with the iron oxide-carbon composition.
  • the amount of the metal alkoxide coupling agent in the spinning solution is preferably 0.2 to 2.0% by weight. If the amount is less than 0.2% by weight, the bond between the resin and the iron oxide-carbon composition is insufficient, and the iron oxide-carbon composition is separated from the fiber by repeated washing. If the content exceeds 2.0% by weight, the content of the iron oxide-carbon composition may be relatively low, resulting in low heat generation and antibacterial properties.
  • the iron oxide-carbon composition is mixed with the spinning liquid during spinning to provide spinning and antimicrobial effect on the fiber and has a fine particle size, there is no fear of cutting off during spinning, and the composition adheres to the fiber by impregnation and deposition. It is present in a form that is uniformly dispersed and bonded to the resin constituting the fiber rather than in a form that is not in the form, so that it is not separated from the fiber by an external force such as washing, thereby providing continuous heating and antibacterial effects.
  • the antimicrobial heat insulating fiber prepared as described above can be self-heated by light without a separate heating device, and the nonwoven fabric prepared by laminating the fiber can be used in various applications requiring heat generation, heat insulation, and antibacterial effect.
  • the antimicrobial exothermic thermal insulation nonwoven fabric of the present invention is based on the antimicrobial exothermic thermal insulation fiber alone, or mixed with other fibers such as synthetic fiber, natural fiber, and reconstituted fiber, and then, through a carding process, a basis weight of 30 to 50 g in a one-way or random arrangement.
  • / M2 can be produced by entanglement or entanglement between fibers by a known method, such as a spunlace method, needle punching method or quilting method, and by cutting the antimicrobial heat insulating fiber It can also be made into a nonwoven fabric by shortening the fibers to 20 to 60 mm in fiber length.
  • the fiber is 0.5 ⁇ 5.0 denier fineness (denier) is suitable for the production of nonwoven fabrics, it is preferable to produce a filament with a fineness of 0.5 ⁇ 5.0 denier at the time of spinning antimicrobial heat insulating fiber.
  • the present invention provides a multi-layer fabric fabric in which the antimicrobial exothermic thermal insulation nonwoven fabric prepared above is laminated in a basis weight of 85 ⁇ 425 g / m2 and the polyester nonwoven fabric of a basis weight of 50 ⁇ 60 g / m2 integrally above and below,
  • the multi-layered fabric may further add an oxford fabric made of 120 to 180 denier polyester fibers to the outside of the upper and lower polyester nonwoven fabrics, and the surface of any one or both of the added upper and lower oxford fabrics. It may also be coated with aluminum or polyurethane.
  • the multi-layer fabric may be composed of any one or both of the upper and lower polyester nonwoven fabrics of black (black color) polyester fibers, or one or both of the upper and lower polyester nonwoven fabrics of black polyester fibers While constructing, the surface of either or both of the upper and lower polyester nonwoven fabrics may be coated with aluminum or polyurethane.
  • the fabric of the multi-layer structure manufactured as described above has excellent heat generating and insulating effect to effectively control the loss of heat and the movement of temperature.
  • the field of growing crops such as fruits and vegetables requiring a certain temperature, for example, a vinyl house insulation It can be used as a thermal insulation material optimized for the use of the cover.
  • iron oxide-carbon compositions containing metal oxides were mixed with each of the compositions by mixing 3 kg of a metal oxide containing aluminum oxide, calcium oxide, magnesium oxide, zinc oxide, manganese dioxide, silicon dioxide, and titanium dioxide in the same weight ratio. 13 kg were further prepared (see Table 1).
  • Each of the six compositions was added to the spinning stock solution of polyethylene terephthalate resin in an amount of 3% by weight and melt-spun to prepare an antimicrobial exothermic insulating fiber having a fineness of 3 denier.
  • Example 1 Example 2
  • Example 3 Example 4
  • Example 5 Example 6 Carbon compound 6 6 6 6 6 6
  • the antimicrobial exothermic heat insulating fibers of Examples 1 to 6 were cooled to 20 ° C. and irradiated with microwaves (frequency 2.45 Hz, output 2 Hz) for 3 minutes, and then the temperature was measured and the results are shown in Table 2 below.
  • Example 1 For comparative evaluation, the temperature of the iron oxide-carbon composition (carbon compound + ferrous oxide) of Example 1 was used as a control 1 and general fibers of polyethylene terephthalate material on the market were used as a control 2 to measure the temperature in the same manner as described above.
  • Example 1 Example 2
  • Example 3 Example 4
  • Example 5 Example 6 Control group 1 Control 2 Temperature (°C) 41 43 42 44 45 44 154 24
  • control fiber 2 which is a general fiber, did not have a large temperature change even after irradiating microwaves, and the antimicrobial exothermic insulating fiber according to the present invention had a temperature higher than that of the control 1 which irradiated microwaves with the iron oxide-carbon composition itself. Although it is low, it can be seen that the effect of temperature increase is significantly greater than that of conventional fiber.
  • the antimicrobial exothermic heat insulating fiber according to the present invention is irradiated with microwaves to the iron oxide-carbon composition itself which generates heat by light
  • the composition is mixed with a resin and uniformly dispersed in the fiber, thereby increasing the temperature by light. It is understood that the temperature of the fiber rises later than the temperature of the carbon composition itself since the temperature rise to the whole fiber is required by the heat conduction.
  • the desired temperature can be obtained by adjusting the amount and type of the iron oxide-carbon composition according to the present invention, the type of resin, the irradiation time and the output of light, and the like according to the use required.
  • the antimicrobial exothermic heat insulating fiber of Example 1 was cut to a fiber length of 40 mm to obtain short fibers, and then a nonwoven fabric having a basis weight of 40 g / m 2 was manufactured by a known method.
  • Example 7 The nonwoven fabric of Example 7 and the general nonwoven fabric distributed in the market were commissioned by FITI Testing Institute to measure the temperature change of the nonwoven fabric according to absorption.
  • the antimicrobial exothermic thermal insulation nonwoven fabric of the present invention showed a temperature difference of 12.2 °C after a 10-minute irradiation with a large temperature rise compared to the general nonwoven fabric, it was able to confirm the exothermic effect of the antimicrobial exothermic thermal insulation nonwoven fabric according to the present invention.
  • the antimicrobial exothermic thermal insulation nonwoven fabric according to the present invention can efficiently utilize optical energy by complementary and synergistic action of iron oxide compounds and carbon compounds of ferrous oxide, ferric oxide, and triiron tetraoxide contained in the fiber, thereby providing a general nonwoven fabric. It can be seen that it provides an improved heating and warming effect.
  • Example 7 The nonwoven fabric of Example 7 was commissioned by the Korea Apparel Testing Institute to analyze the antimicrobial degree.
  • Staphylococcus aureus ATCC 6538 and pneumococcal Klebsiella pneumoniae ATCC 4352 was measured in accordance with the KS K 0693: 2011 method, and the antimicrobial activity as a result, both strains as shown in Figure 2 99.9% or more The bacteriostatic reduction rate was shown, and from these results, the antimicrobial effect of the antimicrobial exothermic thermal insulation nonwoven fabric can be confirmed.
  • a polyester nonwoven fabric having a basis weight of 55 g / m2 was formed on the lower layer of Oxford fabric of 150 denier polyester, and the antibacterial exothermic insulating nonwoven fabric of Example 7 was formed in three layers below the polylayer having a basis weight of 55 g / m2 on the lower layer.
  • An ester nonwoven fabric was formed, and a lower densitized 150 denier polyester oxford fabric was fabricated to produce a multi-layer fabric having a width of 4 m.
  • Example 8 a multilayer fabric was prepared in the same manner as in Example 8, except that the outermost outer surface of the polyester oxford fabric was coated with aluminum.
  • 8-layer antimicrobial exothermic thermal insulation nonwoven fabric of Example 7 was formed on the lower layer of black polyester nonwoven fabric having a basis weight of 55 g / m 2, and a polyester nonwoven fabric having a basis weight of 55 g / m 2 was formed on the lower layer thereof. Prepared.
  • Example 10 a multilayer fabric was prepared in the same manner as in Example 10, except that the surface of the black polyester nonwoven fabric was coated with polyurethane.
  • Example 8 Using a multi-layered fabric of Example 8 according to the present invention and a general polyethylene nonwoven fabric of the same weight as the fabric, a vinyl house-shaped tunnel was fabricated and the temperature change inside the tunnel was measured and shown in FIG. 3.
  • Figure 3 shows the result of starting the measurement when the outside air temperature of -9.16 °C on January 14, 2014 at -9.16 °C, the average temperature by time inside each tunnel, the lower the outside air temperature is a multi-layer structure according to the present invention It can be seen that the fabric has a smaller temperature drop than the general nonwoven fabric, and a difference of up to 1.7 ° C.
  • Figure 4 is a graph showing a temperature change inside the tunnel fabricated in a vinyl house-type tunnel using a multi-layer fabric of Example 9 according to the present invention and a general polyethylene nonwoven fabric of the same weight as the fabric.
  • Figure 4 shows the result of starting the measurement when the outside temperature of 0.30 °C on February 8, 2014 at 0.39 °C, the average temperature by time inside each tunnel, the result also as the outside air temperature is lower as shown in FIG. It can be seen that the multi-layered fabric according to the present invention has a smaller temperature drop than a general nonwoven fabric.
  • Example 10 using the multi-layered fabric of Example 10 according to the present invention and a general polyethylene nonwoven fabric of the same weight as the fabric to fabricate a vinyl-house-shaped tunnel, planting melon in the tunnel and observed its growth characteristics .
  • the melon grown in the tunnel of Example 10 according to the present invention can be seen that the height of the plant after 40 days compared to the melon grown in the tunnel of the general nonwoven fabric 14.8 cm tall, female flowering rate is 45 % Higher.
  • Example 11 using a multi-layered fabric of Example 11 according to the present invention and a general polyethylene non-woven fabric of the same weight as the fabric to manufacture a tunnel in the form of a vinyl house, and then cultivated by planting melon in the tunnel, melon harvest Thirty weeks of fruit trees were randomly selected to observe the state of fruit and the results are shown in Table 4 below.
  • the melon cultivated in the tunnel of Example 11 according to the present invention compared to the melon cultivated in the tunnel of the general nonwoven fabric was more 41/30 weeks harvesting fruit and the total yield was also increased by 44% Able to know.
  • the multi-layered fabric according to the present invention has a better thermal effect than the general non-woven fabrics, the multi-layered fabric of the present invention, the heat insulation cover of a plastic house for growing fruits, vegetables, etc. If it is used, it can expect to reduce heating cost and increase yield.

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Abstract

본 발명은 섬유에 함유된 탄소성분과 산화철화합물의 상호작용으로 광(光)의 조사(照射)에 의해 자체적으로 발열할 수 있으면서 항균성을 갖는 항균성 발열 보온 부직포와 이를 사용한 다층구조의 원단에 관한 것이다. 본 발명에 따른 부직포 및 원단은 태양광에 의해 발열하므로 별도의 발열장치가 없어도 발열 및 보온 효과를 얻을 수 있고 보온 유지성이 우수하며, 발열효과를 제공하는 입자가 항균력을 가지므로 부직포 및 원단에 항균 기능이 부여되며, 또한 상기 항균 발열 입자가 방사액 중에 균일하게 분산되어 섬유를 구성하는 수지와 결합하고 있어서 세탁 등의 외력에 의해 섬유로부터 이탈되지 않으므로 장기간 사용하여도 지속적으로 항균 및 발열효과를 제공할 수 있다.

Description

항균성 발열 보온 부직포 및 이를 사용한 다층구조의 원단
본 발명은 섬유에 함유된 탄소성분과 산화철화합물의 상호작용으로 광(光)의 조사(照射)에 의해 자체적으로 발열할 수 있으면서 항균성을 갖는 항균성 발열 보온 부직포와 이를 사용한 다층구조의 원단에 관한 것이다.
섬유제품의 항균방취, 보온, 발열 기능에 관한 관심과 기술개발을 위한 연구는 오래전부터 이루어져 왔다.
항균방취 가공은 섬유에 세균이나 곰팡이의 서식 및 증식을 억제하기 위한 가공으로서, 높은 항균력보다는 일정 수준 이상의 항균효과를 지속적으로 유지함과 더불어 인체에 대한 안전성이 중요하다.
일반 유기계 항균물질은 무기계에 비해 가공이 용이하고 기계적 물성, 투명도, 색상 등에 큰 영향을 끼치지 않는다는 점에서 현재까지 많이 사용되고 있으나, 이들 유기계 항균물질은 항균효과의 지속성이 결여되고 특히 내열성이 열등하다는 점에서 용도가 한정되어 있으며, 일부 유기계 항균물질은 피부 자극성, 최루성 등의 문제를 일으키는 것도 있다.
무기계 항균물질은 유기계 항균물질에 비하여 내열성이 높고 휘발, 분해 등을 일으키지 않는 등의 안정성이 높고 인체에 무해하여 안전성이 우수하기 때문에 넓은 용도에 응용될 수 있다.
섬유제품의 보온성에 관한 관심과 기술개발을 위한 연구는 오래전부터 이루어져 왔으며, 종래에는 주로 단열에 의한 보온효과를 얻는 분야에서 최근에는 축열 및 발열소재에 대한 관심이 높아지고 있어서 종래의 보온가공 개념으로부터 좀더 적극적인 발열가공 개념으로의 전환이 진행되고 있다.
섬유제품의 보온(heat-retaining) 효과를 향상시키는 방법은 통상 의복의 직물구조를 변경하거나 섬유를 중공(中空)이나 다공질로 하는 것 등에 의해 의복 내부에 공기층을 물리적으로 많이 형성하는 방법 등을 통하여 인체에서 발생하는 열의 발산을 감소시켜 보온성을 유지한다.
상기 방법은 의복 중에 공기층을 많이 형성시키거나 옷감을 두껍게 하거나 틈새를 작게 하거나 또는 색을 진하게 하는 방법 등이 이용되어 왔으며, 예를 들어 동절기 스포츠용 의복의 겉감과 안감 사이에 솜을 넣어 솜의 공기층 두께로 보온성을 유지하는데, 의복에 솜을 넣으면 무겁고 부피가 커지기 때문에 동작의 용이성이 요구되는 스포츠용으로는 적합하지 않다.
섬유제품의 축열(thermal storage)·발열(heat-generating)효과를 향상시키는 방법으로는 통상 의복을 구성하는 섬유 또는 의복 원단에 화학적·물리적 가공을 가하여 인체에서 발생하는 열을 다시 인체로 반사하거나, 합성섬유 제품에 세라믹 또는 원적외선 등을 응용한 축열 기능을 추가하고 여기에 몇 가지 인자의 조합으로 섬유집합체에 축열기능을 부여하며, 열의 이동 경로인 전도, 대류, 복사 메커니즘을 제어하여 발열기능을 부여하는 방법 등의 적극적인 방법이 제안되고 있다.
또한, 일반 섬유에 적용하여 범용적으로 사용할 수 있는 방안으로서, 원단 표면에 무통기성 수지를 코팅하여 열이동을 차단하는 방법, 열전도도가 낮은 공기를 다겹화된 원단 또는 섬유 내에 가두거나 열전도도가 낮은 소재를 사용하여 열이동을 막는 방법, 태양광을 흡수하여 축열하거나 태양광의 일부를 열로 변환시키는 방법, 섬유를 구성하고 있는 친수성 카르복시기, 아미노기 또는 수산기가 수분을 흡수하면서 열을 발생시키는 흡습발열 방법, 섬유소재를 특정 조건하에서 발열할 수 있도록 하는 방법, 특수 배터리를 이용하는 방법, 철분이 공기 중의 산소와 접촉하여 산화할 때 발생하는 열을 이용하는 방법 등이 이용되고 있으나, 이들 방법들은 특수 목적에 한정되거나 한정된 시간에만 사용할 수 있고 내구성이 낮은 단점이 있다.
또한, 경량 보온 발열을 위해서 섬유생산공정에서 용용 고분자물질의 토출구 형상을 제어하는 기술과 연신제어기술을 통하여 제조되는 이형단면 소재 또는 세섬도사 소재를 활용한 발열 보온 소재가 소개되고 있으나, 상기 방법은 원단 제조과정에서 제어된 단면의 변형과 섬도의 불균일로 인하여 발열·보온의 지속성이 떨어지는 단점이 있다.
상기와 같이, 의류에 항균, 보온, 축열, 발열 등의 여러 기능성을 부여하기 위한 섬유 및 원단은 제조과정이 복잡하고 주로 후가공하는 방식에 의존하고 있으나, 후가공 방식은 내구성과 각종 견뢰도 면에서 아직 부족한 점이 많아서 이러한 후가공 방식으로 부여되는 기능성은 효능 면에서 제한적일 수밖에 없다.
이에 따라, 섬유에 반영구적인 기능성을 발휘하도록 하기 위해서 방사시 원사 내에 기능성 입자를 첨가하여 섬유를 제조하는 방법이 제안되고 있는데, 수지류에 기능성 입자를 용융혼합하고 방사시켜 기능성 입자가 섬유의 수지와 화학적으로 결합되도록 하여 세탁견뢰도 문제를 해결하는 방안이다.
그런데 이러한 기능성 입자는 방사공정에서 실을 끊어지게 하는 요인으로 작용하여 방사 작업성을 떨어뜨리므로 방사액 중 기능성 입자의 함량을 일정 수준 이내로 제한할 수밖에 없어서, 이러한 방식으로 의류에 기능성을 부여하는 데에는 한계가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 한국등록특허공보 제1253032호에는 탄소섬유, 탄소나노섬유 및 탄소나노튜브로 구성된 군에서 선택되는 1 종 이상의 탄소소재를 물, 유기용매 또는 이들의 혼합물에 분산시키고 수득된 분산액을 섬유 또는 직물에 분무, 침지, 살포 또는 전사 방식으로 적용한 후 건조시키는 과정으로 섬유 또는 직물에 발열, 보온 및 축열기능을 부여하는 기능성 섬유 및 직물의 제조방법이 제시되어 있다.
상기 발명의 기능성 섬유 및 직물은 매우 적은 양의 탄소소재를 섬유 또는 직물에 코팅하여 섬유 또는 직물이 간단하고 경제적인 방법으로 발열, 보온 및 축열기능을 갖도록 하는데, 적은 양의 탄소소재를 사용하여 발열, 보온 및 축열기능을 갖출 수 있어서 후가공 방식에 따른 낮은 내구성과 견뢰도 문제를 어느 정도 해소할 수 있으나, 이는 후가공 방식의 문제를 근본적으로 해소하는 방안은 되지 못한다.
이에 따라, 한국등록특허공보 제1295045호에는 흡습 발열할 수 있는 성분을 내구성 있게 도입하는 방법과 반영구적으로 사용할 수 있는 발열기능의 부직포를 제조하는 방법에 제안되어 있으며, 섬도 1.0~2.0 de, 섬유장 30~55 ㎜의 흡수 또는 흡습 발열 아크릴 섬유를 단독으로 사용하거나, 또는 상기 발열 아크릴 섬유와 다른 종류의 단섬유(면 단섬유, 텐셀 단섬유, 폴리에스테르 단섬유, 폴리아미드 단섬유, 일반 아크릴 단섬유, PP/PE Bicomponent 단섬유)를 혼섬하여 부직포를 제조하는 구성으로 이루어진다.
상기의 부직포는 발열성분을 내구성 있게 도입하여 견뢰도 저하문제를 해소하였으나, 섭씨 20~25 ℃, 상대습도 80 % 이상의 일정조건에서 최적의 발열이 진행되므로 이러한 방법으로 의류에 기능성을 부여하는 데에는 한계가 있어서 의류산업에 폭넓게 활용되지 못하는 문제가 있다.
본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 광에 의해 발열하면서 항균성을 가지는 물질을 방사액에 혼합하고 방사하여 항균 발열 기능을 내구성 있게 유지할 수 있는 섬유를 제조하고 이를 사용하여 부직포 및 원단을 제조함으로써, 사용상 제약이 없고 의류산업에 폭넓게 활용할 수 있는 항균성 발열 보온 부직포 및 이를 사용한 다층구조의 원단을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 카본블랙, 숯 분말, 탄소분말, 흑연분말, 탄소섬유분말, 탄소나노튜브 및 그라핀으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 탄소화합물 25~90 중량%; 산화제일철, 산화제이철 및 사산화삼철로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 산화철화합물 5~70 중량%; 및 산화알루미늄, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화아연, 이산화망간, 이산화규소 및 이산화티탄으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 금속산화물 1~50 중량%로 구성되고 입자크기가 10 ㎚~100 ㎛이며 주파수 300 ㎒~300 ㎔의 장파장 파에 의해 발열하는 산화철-탄소 조성물을 1~10 중량% 함유하는 섬유로 이루어진 항균성 발열 보온 부직포를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기의 항균성 발열 보온 부직포를 평량 85~425 g/㎡로 적층하고 그 상하에 평량 50~60 g/㎡의 폴리에스테르 부직포를 일체로 결합한 다층구조의 원단을 제공한다.
본 발명에 따른 부직포 및 원단은 태양광에 의해 발열하므로 별도의 발열장치가 없어도 발열 및 보온 효과를 얻을 수 있고 보온 유지성이 우수하며, 발열효과를 제공하는 입자가 항균력을 가지므로 부직포 및 원단에 항균 기능이 부여된다.
또한, 상기 항균 발열 입자가 방사액 중에 균일하게 분산되어 섬유를 구성하는 수지와 결합하고 있어서 세탁 등의 외력에 의해 섬유로부터 이탈되지 않으므로 장기간 사용하여도 지속적으로 항균 및 발열효과를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 항균성 발열 보온 부직포를 FITI시험연구원에 의뢰하여 광조사에 의한 발열성을 측정한 시험성적서이다.
도 2는 본 발명에 따른 항균성 발열 보온 부직포를 한국의류시험연구원에 의뢰하여 항균성을 측정한 시험성적서이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 다층구조 원단과 일반 폴리에틸렌 부직포 원단을 사용하여 제작된 비닐하우스 형태의 터널 내부의 온도변화를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 방사액 중의 수지에 광에 의해 발열하는 산화철화합물과 탄소화합물이 혼합된 산화철-탄소 조성물을 혼합 용융시켜 방사함으로써 광의 조사만으로 발열하는 항균섬유를 제조한 후 이를 사용하여 부직포를 제조하고 상기 부직포를 사용하여 다층구조의 원단을 제조한다.
본 발명에서 사용되는 수지는 용융액 또는 용액상태에서 방사 노즐로부터 방사되어 섬유상으로 제조할 수 있는 필라멘트 형성능(形性能)을 가지는 폴리에스테르, 폴리올레핀 등의 고분자 수지면 그 종류에 제한되지 않는다.
상기 광에 의해 발열하는 산화철-탄소 조성물은 카본블랙, 숯 분말, 탄소분말, 흑연분말, 탄소섬유분말, 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 그라핀(graphene) 또는 그 혼합물의 탄소화합물: 안정한 형태의 산화제일철(FeO), 산화제이철(Fe2O3), 사산화삼철(Fe3O4) 또는 그 혼합물의 산화철화합물; 및 산화알루미늄(Al2O3), 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO), 산화아연(ZnO), 이산화망간(MnO2), 이산화규소(SiO2), 이산화티탄(TiO2) 또는 그 혼합물의 금속산화물을 포함하며, 또한 일정 크기 이하의 입경을 가지고 있고 빛에 의해 균일하고 급속하게 발열할 수 있다.
따라서 상기의 산화철-탄소 조성물을 사용하여 섬유를 제조할 경우 별도의 발열장치 없이도 섬유가 광에 의해 자체적으로 발열할 수 있으며, 발열효과를 제공하는 조성물 입자가 항균력을 가지므로 이를 함유하는 섬유 또한 항균성을 나타낸다.
구체적으로, 카본블랙, 숯 분말, 탄소분말, 흑연분말, 탄소섬유분말, 탄소나노튜브 및 그라핀 중 하나 이상의 탄소화합물 25~90 중량%; 산화제일철, 산화제이철 및 사산화삼철 중 하나 이상의 산화철화합물 5~70 중량%; 및 산화알루미늄, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화아연, 이산화망간, 이산화규소 및 이산화티탄 중 하나 이상의 금속산화물 1~50 중량%;로 구성되는 산화철-탄소 조성물이 방사액의 총 중량기준 1~10 중량%로 함유되며, 상기 조성물은 입자크기가 10 ㎚~100 ㎛이고 광에 의해 발열하며, 상기 조성물을 함유하는 방사액을 방사하여 섬유를 제조한 후 이를 웹 적층하여 부직포를 제조하는 과정으로 이루어진다.
상기 산화철-탄소 조성물은 안정한 상태의 산화물인 산화제일철, 산화제이철 또는 사산화삼철의 산화철화합물을 일정량 이상 함유하고 일정크기 이하의 입경을 가지기 때문에 광(光)을 조사(照射)하면 산화철화합물의 쌍극자 회전에 의한 가열 및 흡수가열 방식에 의해 균일하고 신속하게 발열할 수 있다.
본 발명에서 산화철-탄소 조성물이 발열할 수 있는 최적의 파장범위는 주파수 300 ㎒~300 ㎔(파장 1 m~1 ㎛)의 범위에 있는 전자파로서, 적외선, 원적외선, 마이크로파 등을 포함하며, 적외선과 원적외선 에너지는 상기 탄소화합물의 탄소입자에 흡수되어서 열을 발생하고 마이크로파 에너지는 산화철화합물에 흡수되어 열을 발생한다.
300 ㎒~300 ㎓ 사이의 주파수를 갖는 마이크로파는 유전체의 분자운동과 이온전도를 유도하여 열을 발생시키며, 물의 경우 마이크로파 전계 변화보다 물 분자(전기쌍극자)의 전계 변화가 늦기 때문에 마이크로파 전계 변화의 저항으로 작용하여 진동 발열이 생성되어 가열된다.
반면에, 금속은 마이크로파의 대부분을 반사하기 때문에 가열에 이용되지 못하나, 본 발명에서와 같이 안정한 형태로 존재하는 극성의 산화제일철, 산화제이철 및 사산화삼철 입자에 마이크로파를 조사하면 마이크로파가 상기 입자를 진동시키면서 비전도성인 산화철화합물에 마이크로파가 침투하여 흡수 가열되면서 발열한다.
본 발명의 산화철-탄소 조성물은 도체와 부도체의 중간적인 반도체의 성격을 가지기 때문에 흡수 가열과 유도 가열이 이루어지며, 충전상태에 따라 내부 장파장 파의 전달이 이루어진다.
즉, 연속되어 있는 구형의 산화철화합물과 탄소화합물 입자에 장파장 파가 가해질 경우 표면효과에 의해 연속된 입자를 따라 장파장 파가 전달되면서 인접한 입자에도 흡수 가열과 유도 가열이 이루어진다.
일상생활에서 널리 사용되고 있는 장파장 파는 전자레인지에서 사용되는 마이크로파를 예로 들 수 있으며, 이 경우의 마이크로파는 2.45 ㎓의 주파수에 일반적으로 0.2~3 ㎾의 출력을 가지고 있다.
상기 산화철-탄소 조성물을 포함하는 섬유를 전자레인지의 주파수에 해당하는 2.45 ㎓로 조사할 경우 약 1 분 만에 10 ℃ 이상으로 온도가 상승할 수 있으며, 이러한 온도상승 속도 및 범위에 따른 조건은 구체적인 용도에 따라 변경할 수 있다.
상기 조성물이 광, 특히 장파장 파에 의해 발열할 수 있도록 하기 위해서는 조성물 중 산화철화합물이 최소 5 중량% 이상인 것이 효과적이고 바람직하게는 10 중량% 이상이며, 더욱 바람직하게는 10~50 중량%인데, 5 중량% 미만이면 발열효율이 낮아 실질적인 발열효과를 기대하기 어렵다.
상기 산화철화합물은 자철광 분말, 적철광 분말, 철광석 분말, 제강슬래그 분말, 동제련 슬래그 분말, 아연제련 슬래그 분말, 레드머드 분말, 석탄회 분말, 황토 분말 등으로부터 얻을 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
산화제일철, 산화제이철 및 사산화삼철과 같은 극성물질은 상기 금속산화물의 세라믹 물질과 적절하게 혼합·분포되어 서로 간의 작용에 의해 안정된 구조를 가진다.
이러한 안정된 형태로 존재하는 입자에 마이크로파가 조사되면 마이크로파 에너지가 극성의 산화철화합물과 금속산화물 입자들을 진동시키면서 비전도성인 세라믹 재료에 마이크로파가 침투하여 흡수 가열되면서 발열한다.
이와 더불어, 상기의 금속산화물은 태양광이나 형광등에서 방사되는 빛, 특히 단파장의 광이 표면에 조사되면 매우 고온으로 가열되는데, 이러한 고온은 금속산화물의 표면에 부착된 유기물이나 세균을 소각·분해시키고 악취를 제거하며, 금속산화물 자체가 유해물과 세균을 분해하는 촉매역할을 수행하여 본 발명의 부직포 및 원단에 항균효과를 제공한다.
이때, 상기 금속산화물 입자의 입경이 작을수록 이들 입자가 광에 의해 신속하고 안정적으로 가열되면서 항균효과가 증대하며, 따라서 상기 금속산화물 입자의 입경 또한 탄소화합물, 산화철화합물 입자의 입경과 같은 10 ㎚~100 ㎛ 범위를 갖는 것이 바람직하다.
금속산화물에 의한 발열 및 항균효과를 얻기 위해서는 금속산화물이 1 중량% 이상 함유되면 가능하나, 좀더 나은 효과를 얻기 위해서는 5 중량% 이상 함유되는 것이 바람직하고 5~30 중량% 함유되는 것이 더욱 바람직하다.
상기 금속산화물은 제올라이트, 일라이트, 벤토나이트, 몬모릴로나이트, 페라이트, 마그네타이트, 페그마타이트, 토르말린, 견운모, 황토 등의 분말로부터 얻을 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
일반적으로 금속산화물 함유 소재에 대한 마이크로파의 침투 깊이는 물보다 수십 배 정도 되기 때문에 마이크로파의 에너지가 금속산화물 함유 소재 내부로 깊이 침투할 수 있다.
그러나 소재의 두께가 침투 깊이보다 얇으면 공급된 마이크로파의 에너지 중 일부만이 재료에 흡수되고 흡수되지 않은 에너지는 소재로부터 방사되어 이용되지 못하나, 소재에 산화제일철, 산화제이철 및 사산화삼철 입자가 존재하면 흡수되지 않은 에너지는 상기의 금속이온에 의해 반사되어 다시 금속산화물 함유 소재에 흡수될 수 있다.
이때, 상기 산화철화합물 입자의 형상이 각형, 침상형, 불규칙형, 판상형, 다각형 등의 형태를 가지면 반사율이 낮아져 에너지 손실이 발생하므로, 마이크로파의 균일하고 보다 많은 반사를 위하여 상기 산화철화합물 입자의 형상은 구형이 바람직하고 구형도(sphericity)가 0.5 이상인 것이 더욱 바람직하다.
상기 구형도는 입자의 형상이 얼마나 구(sphere)에 가까운 가를 표시하는 척도로서 입자의 가장 긴 쪽 지름에 대한 가장 작은 쪽 지름의 비율을 의미하는데, 구형도가 0.5 미만이면 입자가 찌그러진 모양을 하게 되어 마이크로파가 입자 모서리의 첨단부분으로 수렴하여 스파크가 발생할 우려가 있으며, 구형도 0.5 이상에서 마이크로파에 의한 입자의 진동이 활발하여 가열과 흡수 가열의 효과를 나타내게 된다.
또한, 본 발명에서는 산화철-탄소 조성물이 방사액 중의 수지와 결합될 수 있도록 메탈 알콕사이드 계열의 커플링제를 방사액에 첨가할 수 있으며, 메탈 알콕사이드 커플링제는 수지와 산화철-탄소 조성물 사이의 계면 접착성을 높여 서로 화학적으로 결합하도록 한다.
상기 메탈 알콕사이드 커플링제로는 티탄산염(titanate), 알루민산염(aluminate) 및 규산염(silicate) 중에서 선택될 수 있으며, 상기 수지와 산화철-탄소 조성물 사이에서 배위결합 및 수지-알콕사이드 사이의 친화력을 통하여 수지와 산화철-탄소 조성물를 결합시킨다.
방사액 중 메탈 알콕사이드 커플링제의 함량은 0.2~2.0 중량% 함유하는 것이 바람직한데, 0.2 중량% 미만이면 수지와 산화철-탄소 조성물과의 결합이 충분치 않아 반복 세탁 등에 의해 산화철-탄소 조성물이 섬유로부터 이탈될 우려가 있으며, 2.0 중량%를 초과하면 산화철-탄소 조성물의 함량이 상대적으로 적어지게 되어 발열성과 항균성이 낮아지는 문제가 있다.
상기 산화철-탄소 조성물은 섬유제조시 방사액에 혼합되어 방사됨으로써 섬유에 발열 및 항균효과를 제공하고 미세입경을 가지므로 방사시 절사의 우려가 없으며, 또한 상기 조성물이 함침, 증착 등에 의해 섬유와 접착된 형태가 아니라 섬유를 구성하는 수지에 균일하게 분산되어 결합한 형태로 존재하므로 세탁 등의 외력에 의해서 섬유로부터 이탈되지 않으므로 지속적으로 발열 및 항균효과를 제공할 수 있다.
상기와 같이 제조되는 항균성 발열 보온 섬유는 별도의 발열장치 없이도 광에 의해 자체적으로 발열할 수 있고 상기 섬유를 웹 적층하여 제조되는 부직포는 발열, 보온 및 항균효과를 필요로 하는 다양한 용도에 사용될 수 있으며, 특히 적은 에너지 소모량으로도 기존 보온설비를 대체할 수 있을 뿐만 아니라 추위가 심한 경우에도 전기, 석유 등의 에너지 사용을 줄이면서 보온을 유지할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 항균성 발열 보온 부직포는 상기 항균성 발열 보온 섬유를 단독으로, 또는 합성섬유, 천연섬유, 재성섬유 등 타종의 섬유와 혼섬하여 타면, 소면 공정을 거쳐 일방향 또는 무작위의 배열로 평량 30~50 g/㎡로 적층하고 공지의 방법인 스펀레이스(spunlace) 공법, 니들펀칭(niddle punching) 공법 또는 퀼팅(quilting) 공법으로 섬유 간 얽힘 또는 교락에 의해 제조될 수 있으며, 상기 항균성 발열 보온 섬유를 커팅하여 섬유장(fiber length) 20~60 ㎜로 단섬유화하여 부직포로 제조할 수도 있다.
이때, 상기 섬유는 섬도 0.5~5.0 데니어(denier)인 것이 부직포 제조에 적당하므로 항균성 발열 보온 섬유 방사시 섬도 0.5~5.0 데니어로 필라멘트를 제조하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기에서 제조된 항균성 발열 보온 부직포를 평량 85~425 g/㎡로 적층하고 그 상하에 평량 50~60 g/㎡의 폴리에스테르 부직포를 일체로 결합한 다층구조의 원단을 제공하며, 상기 다층구조의 원단은 상하의 폴리에스테르 부직포 외부에 120~180 데니어의 폴리에스테르 섬유로 이루어진 옥스퍼드(oxford) 원단을 각각 더 추가할 수도 있고, 상기 추가된 상하 옥스퍼드 원단 중 어느 하나 또는 둘 모두의 표면을 알루미늄 또는 폴리우레탄으로 코팅할 수도 있다.
또한, 상기 다층구조의 원단은 상하의 폴리에스테르 부직포 중 어느 하나 또는 둘 모두 흑색(black 색상계)의 폴리에스테르 섬유로 구성할 수도 있고, 상하의 폴리에스테르 부직포 중 어느 하나 또는 둘 모두 흑색의 폴리에스테르 섬유로 구성하면서 상하의 폴리에스테르 부직포 중 어느 하나 또는 둘 모두의 표면을 알루미늄 또는 폴리우레탄으로 코팅할 수도 있다.
이와 같이 제조된 다층구조의 원단은 발열·보온효과가 우수하여 열의 유실과 온도의 이동을 효과적으로 제어할 수 있어서, 특히 일정한 온도가 요구되는 과일, 채소 등의 농작물 재배현장, 예를 들어 비닐하우스 보온 덮개 등의 용도에 최적화된 보온재로의 활용이 가능하다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의거하여 좀더 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.
<실시예 1~6> 항균성 발열 보온 섬유 제조
카본블랙, 숯 분말, 탄소분말, 흑연분말, 탄소섬유분말, 탄소나노튜브 및 그라핀이 동일 중량비로 혼합된 탄소화합물 6 ㎏과 구형도 0.7의 산화제일철, 산화제이철 및 사산화삼철의 산화철화합물을 각각 4 ㎏씩 혼합하여 3 종류의 산화철-탄소 조성물 10 ㎏을 제조하였다.
또한, 상기 조성물 각각에 산화알루미늄, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화아연, 이산화망간, 이산화규소 및 이산화티탄이 동일 중량비로 혼합된 금속산화물 3 ㎏씩을 혼합하여 금속산화물이 함유된 3 종류의 산화철-탄소 조성물 13 ㎏을 추가로 제조하였다(표 1 참조).
상기 6 종의 조성물 각각에 대하여 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지의 방사 원액에 3 중량%의 함량으로 첨가하고 용융방사하여 섬도 3 데니어의 항균성 발열 보온 섬유를 제조하였다.
산화철-탄소 조성물의 성분함량(㎏)
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 실시예 6
탄소화합물 6 6 6 6 6 6
산화제일철 4 - - 4 - -
산화제이철 - 4 - - 4 -
사산화삼철 - - 4 - - 4
금속산화물 - - - 3 3 3
<시험예 1> 섬유의 발열효과 측정
상기에서 제조된 실시예 1 내지 6의 항균성 발열 보온 섬유에 광을 조사하고 온도변화를 측정하여 섬유의 발열효과를 확인하였다.
실시예 1~6의 항균성 발열 보온 섬유를 20 ℃로 냉각하고 마이크로파(주파수 2.45 ㎓, 출력 2 ㎾)를 3 분간 조사한 후 온도를 측정하고 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
비교평가를 위하여 상기 실시예 1의 산화철-탄소 조성물(탄소화합물+산화제일철)을 대조군 1로 하고 시중의 폴리에틸렌테레프탈레이트 소재의 일반섬유를 대조군 2로 하여 상기와 동일한 방법으로 온도를 측정하였다.
광에 의한 발열효과 측정결과
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6 대조군1 대조군2
온도(℃) 41 43 42 44 45 44 154 24
상기 결과에서 알 수 있듯이, 일반섬유인 대조군 2는 마이크로파를 조사한 후에도 온도 변화가 크지 않았고, 본 발명에 따른 항균성 발열 보온 섬유는 마이크로파에 의해 발열하는 산화철-탄소 조성물 자체에 마이크로파를 조사한 대조군 1보다는 온도가 낮았으나 종래의 일반섬유보다 온도상승 효과가 현저하게 큰 것을 알 수 있다.
이러한 결과는 항균성 발열 보온 섬유 내부의 마이크로파에 의해 발열하는 산화철-탄소 조성물이 마이크로파의 조사에 의해 가열되어 섬유 내부에서 열을 발생시키는 데서 기인하고, 금속산화물이 함유된 실시예 4~6은 금속이온에 의한 마이크로파의 반사효과로 인해 섬유의 온도가 좀더 증가한 것으로 판단된다.
본 발명에 따른 항균성 발열 보온 섬유는 광에 의해 발열하는 산화철-탄소 조성물 자체에 마이크로파를 조사한 경우와는 달리 상기 조성물이 수지와 혼합되어 섬유 내부에 균일하게 분산되어 있어서 광에 의해 온도가 상승한 탄소 조성물로부터 열전도에 의해 섬유 전체로의 온도상승이 필요하므로, 섬유의 온도는 탄소 조성물 자체의 온도보다 늦게 상승함을 알 수 있다.
상기와 같이, 필요로 하는 용도에 따라 본 발명에 따른 산화철-탄소 조성물의 양과 종류, 수지의 종류, 광의 조사 시간과 출력 등을 조절하여 원하는 온도를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
<실시예 7> 항균성 발열 보온 부직포 제조
상기 실시예 1의 항균성 발열 보온 섬유를 섬유장 40 ㎜ 길이로 커팅하여 단섬유를 얻은 다음, 이를 이용하여 공지의 방법으로 평량 40 g/㎡의 부직포를 제조하였다.
<시험예 2> 광 조사에 의한 부직포의 발열효과 측정
상기 실시예 7의 부직포와 시중에서 유통되는 일반 부직포를 FITI시험연구원에 의뢰하여 흡광에 따른 부직포의 온도변화를 측정하였다.
상기 각각의 시료를 온도 20±2 ℃, 상대습도 65±4 %에서 24 시간 방치한 후, 측정전구 220V, 500 W, 3200 K(IWASAKKI Co.), 광조사 거리 30 ㎝, 광조사 시간 10 분의 조건으로 발열효과를 측정하고 그 결과를 도 1에 도시하였다.
도 1을 보면, 본 발명의 항균성 발열 보온 부직포는 일반 부직포 대비 온도 상승폭이 크고 10 분간의 조사 후에는 12.2 ℃의 온도차이를 나타내어, 본 발명에 따른 항균성 발열 보온 부직포의 발열효과를 확인할 수 있었다.
이와 같이, 본 발명에 따른 항균성 발열 보온 부직포는 섬유에 함유된 산화제일철, 산화제이철 및 사산화삼철의 산화철화합물과 탄소화합물의 상호 보완 및 상승작용에 의하여 광 에너지를 효율적으로 이용할 수 있어서, 일반 부직포에 비하여 향상된 발열 및 보온효과를 제공함을 확인할 수 있다.
<시험예 3> 항균효과 측정
상기 실시예 7의 부직포를 한국의류시험연구원에 의뢰하여 항균도를 분석하였다.
도 2에는 황색포도상구균(Staphylococcus aureus ATCC 6538)과 폐렴균(Klebsiella pneumoniae ATCC 4352)을 대상으로 KS K 0693:2011 방법을 준용하여 항균도를 측정하였으며, 그 결과 도 2와 같이 양 균주 모두 99.9 % 이상의 정균감소율을 보였으며, 이러한 결과로부터 본 발명에 따른 항균성 발열 보온 부직포의 항균효과를 확인할 수 있다.
<실시예 8>
150 데니어의 폴리에스테르 소재 옥스퍼드 원단 하층에 평량 55 g/㎡의 폴리에스테르 부직포를 구성하고 그 하층에 상기 실시예 7의 항균성 발열 보온 부직포를 3 겹으로 구성하고 그 하층에 평량 55 g/㎡의 폴리에스테르 부직포를 구성하고 그 하층에 150 데니어의 폴리에스테르 소재 옥스퍼드 원단을 구성하여 폭 4 m의 다층구조 원단을 제조하였다.
<실시예 9>
상기 실시예 8에서, 최상층의 폴리에스테르 소재 옥스퍼드 원단 외부표면을 알루미늄으로 코팅한 것을 제외하고는, 상기 실시예 8과 동일한 방법으로 다층구조 원단을 제조하였다.
<실시예 10>
평량 55 g/㎡의 흑색 폴리에스테르 부직포 하층에 상기 실시예 7의 항균성 발열 보온 부직포를 8 겹으로 구성하고 그 하층에 평량 55 g/㎡의 폴리에스테르 부직포를 구성하여 폭 4 m의 다층구조 원단을 제조하였다.
<실시예 11>
상기 실시예 10에서, 흑색 폴리에스테르 부직포 표면을 폴리우레탄으로 코팅한 것을 제외하고는, 상기 실시예 10과 동일한 방법으로 다층구조 원단을 제조하였다.
<시험예 4> 다층구조 원단의 보온 효과 측정
본 발명에 따른 실시예 8의 다층구조 원단과 상기 원단과 동일중량의 일반 폴리에틸렌 부직포 원단을 사용하여 비닐하우스 형태의 터널을 제작하고 터널 내부의 온도변화를 측정하여 도 3에 도시하였다.
도 3은 2014년 1월 14일 17:00의 외기온도가 -9.16 ℃일 때 측정을 시작하여 각 터널 내부의 시간별 평균온도를 측정한 결과를 보여주는데, 외기온도가 낮아질수록 본 발명에 따른 다층구조 원단이 일반 부직포 원단보다 온도저하 폭이 작으며, 최대 1.7 ℃의 차이가 나는 것을 알 수 있다.
또한, 도 4는 본 발명에 따른 실시예 9의 다층구조 원단과 상기 원단과 동일중량의 일반 폴리에틸렌 부직포 원단을 사용하여 비닐하우스 형태의 터널을 제작하고 터널 내부의 온도변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 2014년 2월 8일 17:00의 외기온도가 0.39 ℃일 때 측정을 시작하여 각 터널 내부의 시간별 평균온도를 측정한 결과를 보여주는데, 상기 결과 또한 도 3과 같이 외기온도가 낮아질수록 본 발명에 따른 다층구조 원단이 일반 부직포 원단보다 온도저하 폭이 작은 것을 알 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시예 10의 다층구조 원단과 상기 원단과 동일중량의 일반 폴리에틸렌 부직포 원단을 사용하여 비닐하우스 형태의 터널을 제작한 다음, 터널 내부에 참외를 심어서 그 생육특성을 관찰하였다.
무작위로 30 개의 참외표본을 선정하여 정식 후 20 일, 30 일, 40 일 경과시의 참외 생육상태를 관찰하고 그 평균값을 하기 표 3에 나타내었다.
생육단계별 참외의 생육특성
구분 정식 후 일수 실시예 10 일반 폴리에틸렌 부직포 원단
초장(㎝) 20 일 23.8 21.1
30 일 55.9 47.7
40 일 84.3 69.5
마디 수(개) 20 일 10.9 9.0
30 일 18.1 14.6
40 일 23.7 19.5
엽장(㎝) 20 일 8.4 7.9
30 일 11.2 11.3
40 일 12.7 12.5
엽폭(㎝) 20 일 8.3 7.8
30 일 11.3 11.3
40 일 12.6 12.3
암꽃 개화율(%) 70 25
상기 표 3을 보면, 본 발명에 따른 실시예 10의 터널에서 재배한 참외는 일반 부직포 원단의 터널에서 재배한 참외 대비 40 일 후의 식물의 키가 14.8 ㎝ 더 자란 것을 알 수 있고, 암꽃 개화율은 45 % 더 높았다.
또한, 본 발명에 따른 실시예 11의 다층구조 원단과 상기 원단과 동일중량의 일반 폴리에틸렌 부직포 원단을 사용하여 비닐하우스 형태의 터널을 제작한 다음, 터널 내부에 참외를 심어서 재배하였으며, 참외가 수확된 과수 30 주를 무작위로 선정하여 과실의 상태를 관찰하고 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
수확된 참외의 품질특성
구분 실시예 11 일반 PE 부직포 원단
수확 과수(개/30 주) 158 117
기형과율(%) 38 39
발효과율(%) 0 1
상품과율(%) 62 60
총수확량(㎏/30 주) 31.5 21.8
수량지수 144 100
상기 표 4에서, 본 발명에 따른 실시예 11의 터널에서 재배한 참외는 일반 부직포 원단의 터널에서 재배한 참외와 대비하여 수확 과수가 41 개/30 주 더 많이 열렸고 총 수확량 또한 44 % 증가하였음을 알 수 있다.
상기의 시험을 통하여, 본 발명에 따른 다층구조의 원단은 일반 부직포 원단에 비하여 보온효과가 더 우수한 것을 알 수 있으며, 이러한 본 발명의 다층구조 원단을 과일, 채소 등을 재배하는 비닐하우스의 보온덮개로 활용할 경우 난방비의 절감과 수확량의 증대를 기대할 수 있다.

Claims (10)

  1. 카본블랙, 숯 분말, 탄소분말, 흑연분말, 탄소섬유분말, 탄소나노튜브 및 그라핀으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 탄소화합물 25~90 중량%; 산화제일철, 산화제이철 및 사산화삼철로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 산화철화합물 5~70 중량%; 및 산화알루미늄, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화아연, 이산화망간, 이산화규소 및 이산화티탄으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 금속산화물 1~50 중량%로 구성되고 입자크기가 10 ㎚~100 ㎛이며 주파수 300 ㎒~300 ㎔의 장파장 파에 의해 발열하는 산화철-탄소 조성물을 1~10 중량% 함유하는 섬유로 이루어진 항균성 발열 보온 부직포.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화철화합물은 구형도 0.5 이상의 구형입자로 이루어진 것을 특징으로 하는 항균성 발열 보온 부직포.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 섬유는 티탄산염, 알루민산염 및 규산염으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 메탈 알콕사이드 커플링제 0.2~2.0 중량%를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 항균성 발열 보온 부직포.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화철-탄소 조성물은 방사액에 혼합되어 방사되는 과정을 통하여 섬유에 함유되는 것을 특징으로 하는 항균성 발열 보온 부직포.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 섬유는 섬도가 0.5~5.0 데니어이고 섬유장이 20~60 ㎜인 것을 특징으로 하는 항균성 발열 보온 부직포.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항의 항균성 발열 보온 부직포를 평량 85~425 g/㎡로 적층하고 그 상하에 평량 50~60 g/㎡의 폴리에스테르 부직포를 일체로 결합한 다층구조의 원단.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 상하의 폴리에스테르 부직포 외부에 각각 120~180 데니어의 폴리에스테르 섬유로 이루어진 옥스퍼드 원단이 추가되는 것을 특징으로 하는 다층구조의 원단.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 추가된 상하 옥스퍼드 원단 중 어느 하나 또는 둘 모두의 표면은 알루미늄 또는 폴리우레탄으로 코팅된 것을 특징으로 하는 다층구조의 원단.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 상하의 폴리에스테르 부직포 중 어느 하나 또는 둘 모두는 흑색의 폴리에스테르 섬유로 구성되는 것을 특징으로 하는 다층구조의 원단.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 상하의 폴리에스테르 부직포 중 어느 하나 또는 둘 모두는 알루미늄 또는 폴리우레탄으로 코팅된 것을 특징으로 하는 다층구조의 원단.
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