KR100481358B1 - 다기능성 폴리에스터 섬유 및 제조방법 - Google Patents

다기능성 폴리에스터 섬유 및 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 항균 및 소취성을 갖는 1 ∼ 3가의(Ag, Cu, Zn, Ca, Ni, Fe 등) 금속이온을 지닌 제올라이트계 무기입자를 함유하는 마스터 배치 칩(Master Batch chip)을 일반 폴리에스터칩과 일정 비율로 혼합시켜서 제조한 다기능성 폴리에스터 섬유 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 평균입경이 0.01 ~ 5.0㎛인 다기능성 무기입자를 1 ~ 20중량% 함유하는 폴리에스터 마스터 배치 칩을 익스트루더에 투입전에 별도의 계량혼합공급장치를 이용하여 일반 폴리에스터 칩과 균일하게 혼합한 후 용융방사하여 섬유내 에 다기능성 무기입자의 함유량이 0.1 ~ 5중량%가 되도록하여 항균성과 소취성을 발현시키고, 섬유의 단면을 4엽의 크로바 모양으로 제어하여 모세관현상과 표면적 증대에 따른 흡한속건기능도 발휘 되도록 한 다기능성 폴리에스터 섬유 및 그 제조방법에 관한 것이다

Description

다기능성 폴리에스터 섬유 및 제조방법{A multifunctional polyester fiber and its manufacturing process}
본 발명은 항균성과 소취성이 우수하고 흡한속건기능을 가진 다기능성 폴리에스터 섬유 및 그 제조방법에 관한 것이다.
오늘날 사람들은 일조량이 부족한 실내생활을 많이 하게됨에 따라서 각종 세균류, 곰팡이류등의 미생물에 노출되기 쉬워서 그 피해가 늘어가고 있는 실정이다.
특히 합성섬유는 천연섬유에 비해 흡수능력이 적기 때문에 합성섬유제품은 인체에서 분비되는 땀 및 각종유기물로 인하여 세균 및 곰팡이류 등의 미생물 서식에 적합한 환경을 제공하게 되고, 이러한 미생물의 번식으로 인하여 악취를 일으키고 그 색상이 변색 또는 오염되거나 심한 경우에는 인체를 감염시켜서 질병을 일으키기도 한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 후가공공정에서 항균 및 소취가공을 실시하거나 중합물의 개질 또는 항균성이 뛰어난 물질의 혼합, 또는 복합방사를 통하여 항균성과 소취성이 우수한 섬유를 제조하기 위한 연구가 늘어나고 있는 실정이다.
일본 특개소 59-134418, 61-17567 등에서는 범용 폴리에스터 섬유에 금속화합물이나 지르코니아 함유 액상처리제를 스프레이법으로 도포하는 방법이 제시되었으나 이 방법은 세탁내구성에 문제가 있다.
한편, 한국특허 출원번호 제 1992-0008832 호에서는 무기계 항균제를 액상 폴리에스터형 분산제에 혼합하여 방사공정에 투입하는 방법을 시도하였고, 일본특개소 61-234390, 62-101643 및 한국특허 출원번호 제 1991-0014960, 1990-0022031 호등에서는 무기계 제올라이트, 산화물계 세라믹, 다공성 알루미나 실리케이트 및 고온 소성 처리한 실리카(Silica)/알루미나(Alumina) 등을 사용하여 마스터 배치 칩을 제조한 후 혼합방사를 통해 항균성이 우수한 폴리에스터 섬유를 제조하고 있지만, 이 방법들은 무기항균제의 강력한 흡수성 때문에 용융방사시에 방사성 확보가 어렵고, 점도저하에 따른 섬유의 물성저하 및 무기물 미립자에 의한 팩압상승, 그리고 색상불량 및 분산성 불량 등 많은 문제점들이 있었다.
한편, 한국특허 출원번호 제 1998-012949 호에서는 금속산화물이나 세균등 유해물질에 대한 흡착력이 우수하고 유효미네랄이 원적외선을 방출하는 맥반석을 이용하는 방법을 제시하였다.
그러나, 천연광물인 맥반석은 입자간 인력이 강하여 입자의 분산성 조절이 어렵고 2데니어 이하의 세데니어 섬유로 방사시에 방사성 확보가 어려우며 천연광물의 특성상 방사 및 연신작업시 마찰력이 커서 기계를 마모시키는 등 치명적인 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 금속이온을 함유하는 제올라이트로 마스터 배치 칩을 제조한 후 이를 범용 폴리에스터와 혼합방사함으로서 방사성과 물성을 저하시킴이 없이 항균성과 소취성을 발휘시키며, 섬유의 횡단면을 이형단면 형(예;4엽(葉)의 크로바 모양)으로 형성시켜서 섬유표면에 형성시킨 모세관에 의하여 흡한속건기능이 발휘되도록 한 다기능성 폴리에스터 섬유 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는 미립자들의 응집현상과 강력한 수분흡수 특성으로 인한 용융방사시의 점도저하를 개선하기 위하여 다음과 같은 마스터 배치 제조방법 및 혼합용융방사방법을 이용하였다.
본 발명에서 사용하는 항균제, 즉 금속을 함유하는 제올라이트계 무기입자는 합성 또는 천연의 제올라이트에 은, 동, 아연 등과 같은 항균성을 갖는 금속을 나트륨 이온과 이온교환 반응을 시켜 제조한 무기 고체입자로서 식(1)과 같이 표현할 수 있다.
Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y]w.zH2O ---------------------------------식(1)
단, M : 1 ~ 3가의 금속(Ag, Cu, Zn, Ca, Ni, Fe 등)
n : 양이온 M의 원자가
x,y : 단위셀(Unit Cell)당의 전체사면체 (Tetrahedral)의 수
z : 물분자의 몰수
w : 결정수의 계수
위의 식(1)에서 표현된 바와 같이 제올라이트계 무기입자는 천연의 제올라이트나 합성제올라이트에 관계없이 구조내에 수분을 작게는 5중량%에서 많게는 30중량% 이상 함유하고 있고 수분을 흡착, 탈착하는 성능을 갖고 있으므로 폴리에스터 섬유를 제조할 때 수분에 의한 가수분해에 의해 물성저하를 야기시킨다.
이러한 제올라이트계 무기입자에서 수분을 완전히 제거하는 것은 어렵고 또한 수분을 만족할만한 수준으로 제거하더라도 보관할 때, 또는 마스터 배치 제조시, 또는 섬유제조 공정 중 대기의 수분을 급속히 흡착하는 성질 때문에 폴리에스터 섬유제조시의 물성저하를 막기위해서는 주의가 요구된다.
본 발명에서는 마스터 배치 칩 제조시 점도저하에 따른 방사성 및 물성 저하를 개선키 위해 고유점도가 0.70 ∼ 0.95의 칩을 이용하여 크기가 0.01 ~ 5.0㎛이고 제올라이트계 무기입자 함량이 1 ~ 20중량%의 마스터 배치 칩을 제조하였다.
이 때 칩의 점도가 0.70 미만이면 마스터배치 제조시에 폴리에스터의 열분해 및 가수분해에 의하여 점도 저하가 일어나며, 점도가 0.95를 초과하면 폴리에스터 칩이 고점도이므로 마스터배치 제조작업성이 떨어지는 단점이 있다.
일반적으로 무기입자의 크기가 0.01㎛ 보다 작으면 미립자간 응집에 의해 분산성을 확보키 어렵고, 5.0㎛ 보다 크면 방사성에 문제가 발생한다.
또한 미립자들의 응집에 따른 방사성 저하 및 압력상승 문제는 주로 입자의 크기, 형태, 표면적, 전하 및 화학적 성질 등에 의한 것으로, 그중에서도 입자크기의 산포도는 분산성에 직접적인 영향을 미친다.
보통, 평균입도 이하의 분포가 50% 미만인 경우에는 분자간의 인력으로 인해 응집화 현상이 매우 빠르게 발생하고, 이에 따라 방사성을 크게 저하시킨다.
따라서 본 발명에서는 응집현상을 방지하기 위해서 평균입도 이하의 분포가 50% 이상 분포된 제올라이트계 무기입자를 사용하였다.
섬유내 미립자의 함유량은 0.1 ~ 5중량%로 하는 것이 좋으며, 일정 임계함유량 이상으로 투입하면 기능성의 향상은 크지 않고 방사성 및 물성 저하가 크므로 미립자의 함유량을 최적화시킬 필요가 있다.
또한 본 발명에서는 섬유의 횡단면 형태를 이형단면형, 즉 4엽의 크로바잎의 형상을 지니도록 하였다.
이렇게 하면 본 발명의 폴리에스터 섬유는 4개의 모세관을 형성하게 되고 이를 통한 수분의 이동이 자유로우므로 빨리 땀을 흡수하고 빨리 배출하는 기능을 가지게 된다.
상기 섬유로 제조한 직, 편물은 섬유의 횡단면이 크로바형상의 횡단면을 가지므로 일반섬유보다 20% 이상 표면적이 넓어져서 직, 편물의 표면까지 이동한 수분을 재빨리 외부로 증발시키므로 항상 건조하고 쾌적한 느낌을 유지하게 된다.
본 발명은 입경이 0.01 ~ 5.0㎛인 다기능성 무기입자를 1 ~ 20중량% 함유하는 폴리에스터 마스터 배치 칩을 익스트루더 투입하기 전에 별도의 계량혼합공급장치를 이용하여 일반 폴리에스터 칩과 균일하게 혼합한 후 용융방사하여 섬유내 다기능성 무기입자의 함유량이 0.1 ~ 5중량%가 되도록 하여서, 항균성 및 소취성이 매우 우수한 다기능성 폴리에스터 섬유를 제조하는 방법이다.
다기능성 무기입자를 함유하는 폴리에스터 마스터배치 칩을 별도의 계량혼합장치를 이용하여 일반 폴리에스터 칩과 혼합하는데 있어서, 폴리에스터 섬유의 제조시에는 싱글스크류(single screw) 용융압출기를 사용하는 것이 일반적이나 이와 같은 압출기는 혼합 기능이 약하기 때문에 제조된 섬유내에 무기미립자를 균일하게 분산시키기 어렵다.
따라서 본 발명에서는 익스트루더(5)에 투입하기 전에 별도의 계량혼합장치(3)를 이용하여 마스터배치 칩과 일반 폴리에스터 칩을 균일하게 혼합하였다.
섬유의 단면 및 투입된 입자의 입도분포를 측정하기 위해서 이미지 어넬라이져(Image analyzer)가 장착된 전자현미경(SEM)을 이용하였으며 섬유의 인장강도, 신도 및 균제도 확인은 KS규격에 의해 시험하였다.
또한, 섬유의 방사성은 48시간동안 가동하여 권량기준 4kg으로 하여 전체 생산량에 대한 만관량의 비율을 만관율로 하여 측정하였다.
섬유의 기능성을 측정키 위해 직물 및 편물을 제조하여 KS규격에 의거 항균성 및 소취성을 측정하였다.
상기에 설명된 항균제 및 방사장치를 이용하여 항균성 및 소취성이 우수한 폴리에스터를 제조하는 방법을 이하의 실시예로 자세히 설명하고자 한다.
하지만 본 발명이 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
제올라이트계 무기입자의 평균크기가 2.0㎛이고, 0.5㎛ 이하의 크기를 갖는 입자가 50% 이상 분포 되어 있는 미분말을 고점도 폴리에스터(IV 0.79)와 용융혼합하여 마스터 배치 칩(Master Batch ChiP)(이하 MB칩)을 만들고 섬유내 상기 무기입자의 함유량이 1.0중량%를 이룰수 있도록 MB칩을 일반 폴리에스터(IV 0.64)와 혼합하여 통상의 방사장치를 이용하여 283℃에서 3000m/분의 속도로 방사한 다음 통상의 연신설비를 이용하여 연신비1.7로 연신하여 75데니어/36필라멘트로 제조하였다.
방사시 노즐은 섬유의 흡한속건 기능을 증대키위해 크로바 형상을 지닌 노즐을 사용하였고, 도 1과 같이 MB칩의 공급은 MB칩 사일로(2)에서, 폴리에스터칩은 폴리에스터 사일로(1)에서 공급하고 익스트루더(5) 전에 별도의 공급혼합장치(3)를 이용하여 공급하였으며, 물성 평가치는 표 1과 같다.
실시예 2
제올라이트계 무기입자의 평균크기가 2.0㎛ 이고 0.5㎛ 이하의 크기를 갖는 입자가 50% 이상 분포되어 있는 미분말을 고점도 폴리에스터(IV 0.79)와 용융혼합하여 MB칩을 만들고 섬유내 미립자의 함유량이 0.5중량%를 이룰수 있도록 MB칩을 일반 폴리에스터(IV 0.64)와 혼합하여 통상의 방사장치를 이용하여 285℃에서 3800m/분의 속도로 방사하여 75데니어/36필라멘트로 제조하였다.
방사시 노즐은 섬유의 흡한속건 기능을 증대키위해 크로바 형상을 지닌 노즐을 사용하였고, MB칩의 공급은 도 1과 같이 익스트루더(5) 전에 별도의 공급혼합장치(3)를 이용하여 공급하였으며, 물성 평가치는 표 1과 같다.
비교예 1
통상의 폴리에스터 세미덜 칩(Semi dull chip)을 이용하여 3100m/분의 속도로 원형노즐을 통하여 방사한 다음 통상의 연신설비를 이용하여 연신비 1.7로 연신하여 75d/36f를 제조하였으며 물성평가치는 표 1과 같다.
비교예 2
통상의 폴리에스터 세미덜 칩을 이용하여 4100m/분의 속도로 원형노즐을 통하여 방사하였으며 물성평가치는 표 1과 같다.
비교예 3
제올라이트계 무기입자의 평균크기가 2.0㎛이고, 0.5㎛ 이하의 크기를 갖는 입자가 50% 이상 분포한 미분말을 고점도 폴리에스터(IV 0.79)와 용융혼합하여 마스터 배치 칩(Master Batch ChiP)(이하 MB칩)을 만들고 섬유내 상기 무기입자의 함유량이 1.0중량%를 이룰수 있도록 MB칩을 일반 폴리에스터(IV 0.64)와 혼합하여 원형노즐을 가진 통상의 방사장치를 이용하여 285℃에서 3100m/분의 속도로 방사한 다음 통상의 연신설비를 이용하여 연신비 1.7로 연신하여 75데니어/36필라멘트로 제조하였다.
이때 MB칩의 공급은 도 1과 같이 익스트루더(5) 전에 별도의 공급혼합장치(3)를 이용하여 공급하였으며, 물성 평가치는 표 1과 같다.
비교예 4
제올라이트계 무기입자의 평균크기가 2.0㎛이고, 0.5㎛ 이하의 크기를 갖는 입자가 50% 이상 분포한 미분말을 고점도 폴리에스터(IV 0.79)와 용융혼합하여 MB칩을 만들고 섬유내 상기 무기입자의 함유량이 0.5중량%를 이룰수 있도록 MB칩을 일반 폴리에스터(IV 0.64)와 혼합하여 통상의 원형노즐의 방사장치를 이용하여 288℃에서 4100m/분의 속도로 방사하여 75데니어/36필라멘트로 제조하였다.
이때 MB칩의 공급은 도 1과 같이 익스트루더(5) 전에 별도의 공급혼합장치(3)를 이용하여 공급하였으며, 물성 평가치는 표 1과 같다.
< 표 1 >
구 분 실시예1 실시예2 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4
입자평균크기(㎛) 2.0 2.0 - - 2.0 2.0
입자분포도(%)(0.5㎛이하) 60 60 - - 60 60
섬유내 입자량(%) 1.0 0.5 - - 1.0 0.5
MB공급 ○ ○ × × ○ ○
강도(g/den) 3.9 4.0 4.5 4.7 4.0 4.3
10%강도(g/den) 3.2 3.3 3.2 3.3 3.2 3.4
신도(%) 25 26 32 34 23 27
균제도(%) 1.7 1.8 0.9 0.9 1.0 1.0
만관율(%) 90 88 97 98 92 91
항균성(%):(황색포도상구균) 99 99 72 75 99 99
항균성(%)(폐렴구균) 99 99 28 25 99 98
소취성(%)(NH3제거율) 94 92 15 20 88 85
흡한성* 2.20 2.18 1.0 0.99 1.02 1.03
속건성* 2.02 1.98 1.0 0.98 1.04 1.02
단면의 형상 원형 원형 원형 원형
· 흡한성 및 속건성은 비교예 1번을 기준(1.0)으로한 상대 비교치 임.
도면중 미설명 부호는 4와 4'는 모터, 6은 폴리머 멜팅펌프, 7은 스핀블록, 8은 팩이다.
본 발명은 항균성과 소취성을 가지면서 흡한성과 속건성을 갖는 다기능성 폴리에스터 섬유를 팩압을 상승시킴이 방사성이 좋게 제조 할 수 있다.
또 본 발명은 통상의 폴리에스터 섬유에 버금가는 강, 신도를 갖는 다기능성 폴리에스터 섬유를 제조 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 사용되는 제조장치의 개략도

Claims (5)

  1. 횡단면 형상이 4엽(葉)의 크로바 형상으로 되어 있는 이형단면 폴리에스터 섬유로서 식(1)의 제올라이트계 무기입자가 섬유내에 0.1 ~ 5중량% 함유되어 있으며, 강도 3.8g/d 이상, 흡한성이 1.6 이상인 것을 특징으로 하는 다기능성 폴리에스터 섬유.
    (단, 흡한성은 원형 단면사의 흡한성을 1.0으로 하였을 때의 비교값이다.)
    아 래
    Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y]w.zH2O ---------------------------------식(1)
    단, M : 1 ~ 3가의 금속(Ag, Cu, Zn, Ca, Ni, Fe 등)
    n : 양이온 M의 원자가
    x,y : 단위셀(Unit Cell)당의 전체사면체 (Tetrahedral)의 수
    z : 물분자의 몰수
    w : 결정수의 계수
  2. 제 1 항에 있어서, 제올라이트계 무기입자는 평균입경이 0.01 ∼ 5.0㎛이고, 평균입경 이하의 크기를 갖는 입자가 50중량% 이상 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 다기능성 폴리에스터 섬유.
  3. 고유점도 0.70 ~ 0.95의 폴리에스터에 식(1)의 제올라이트계 무기입자를 투입하여 제조한 매스터 배치칩(MB칩)과 통상의 폴리에스터칩을 익스트루더에 공급하기 전에 계량혼합 장치에서 균일하게 정량혼합하여서 섬유내에 상기 무기입자의 함유량이 0.1 ~ 5중량%가 되게 한 다음에 4엽 크로바 형상의 섬유제조용 이형노즐을 이용하여 용융방사하여 제조함을 특징으로 하는 다기능성 폴리에스터 섬유의 제조방법.
    아 래
    Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y]w.zH2O ---------------------------------식(1)
    단, M : 1 ~ 3가의 금속(Ag, Cu, Zn, Ca, Ni, Fe 등)
    n : 양이온 M의 원자가
    x,y : 단위셀(Unit Cell)당의 전체사면체 (Tetrahedral)의 수
    z : 물분자의 몰수
    w : 결정수의 계수
  4. 삭제
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 MB칩은 상기 무기입자의 함유량이 1 ∼ 20중량%임을 특징으로 하는 다기능성 폴리에스터 섬유의 제조방법.
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