본 발명의 비석면 복합섬유는 아라미드섬유 20~70 중량%, 실리카섬유 10~70 중량% 및 탄소섬유 10~20 중량%로 구성된다.
아라미드섬유는 방향족 폴리아미드 섬유로서, 인장강도, 강인성(强靭性)이 뛰어나며 고강력, 고탄성률을 갖는다. 5mm 정도 굵기의 가느다란 실이지만, 2t의 자동차를 들어올릴 정도의 막강한 힘을 가지며, 불에 타거나 녹지 않고 500℃가 넘어야 비로소 검게 탄화하는 특성 때문에 방탄 재킷이나 방탄 헬멧 등 와 골프채, 테니스 라켓 등을 만드는데 유용하게 쓰이며, 보잉 747 등 의 내부 골재도 이 섬유로 보강된 (FRP)를 사용할 정도로 유용한 물성을 갖는다.
또한 실리카 섬유는 연속 사용온도 1,000℃, 순간 사용온도 1,650℃에 견딜 수 있는 내열섬유로서 인체에 해가 없으며 피부 자극이 없고 내약품성이 좋으며 전기 절연성이어서 석면의 대용품으로 사용되어 왔다.
그러나 실리카 섬유는 그 특성상 내열성은 뛰어나지만 섬유의 파괴가 심하고 굴곡강도와 인장강도가 매우 약하여, 실리카 섬유 100%를 카드기(Carding machine)에 투입하면 섬유 모두가 파괴되어 방적이 되지 않을 정도이다.
이러한 방적의 어려움을 극복하기 위해 아라미드 섬유를 혼합하게 되지만, 아라미드 섬유는 단가가 높다는 단점이 있다.
상기 아라미드 섬유와 실리카 섬유만을 혼합하여 복합섬유를 제조할 경우, 혼합비율이 아라미드 섬유가 80%(이하 모두 중량%임) 이상이면 실리카는 20% 미만이 되어야 하는데, 이 경우 제품의 강도는 뛰어나지만 실리카 섬유의 저비율 혼합으로 인해 내열성이 저하되어 내열성 제품으로서는 부적합하게 될 뿐 아니라 제품의 단가 또한 높아지게 된다.
반대로 아라미드 섬유가 20% 미만일 경우 실리카 섬유는 80% 이상이 혼합되어야 하는데, 이 경우 실리카의 혼합비율이 높아지면 실리카 섬유의 파괴로 인해 섬유의 방적이 되지 않는다.
또한, 아라미드 섬유를 40%, 실리카 섬유를 60% 혼합한 복합섬유의 경우는 방적은 되지만 실리카 섬유의 파괴로 인해 로스율이 높아져 제품에 대한 원료의 손 실이 커지게 되어 제품의 경제성이 떨어지게 된다. 그리고 로스율에 비례한 만큼 불에 대한 내염성이 떨어져 이 또한 바람직하지 않다.
하지만, 상기 두가지 섬유에 탄소섬유를 10~20 중량% 혼합하게 되면 상기의 문제점이 해결될 수 있다. 즉, 탄소섬유는 내열성이 우수하고 실리카에 비해서 섬유의 파괴가 심하지 않을 뿐 아니라 섬유의 인장강도 또한 우수한 편이다.
다음 표 1은 탄소섬유를 혼합했을 경우와 혼합하지 않은 경우의 섬유 로스율을 비교 실험한 결과를 나타낸다. 즉, 혼합한 섬유의 총 중량을 50kg으로 하여, 방적시 섬유의 로스(loss)를 비교한 결과 아라미드/실리카 만으로 구성된 혼합섬유에 비하여 아라미드/실리카/탄소섬유의 로스가 확연히 적은 것을 알 수 있었다.
섬유의 혼합 비율 |
총중량(kg) |
로스를 뺀 중량(kg) |
로스율(%) |
아라미드 |
실리카 |
탄소섬유 |
60% |
20% |
20% |
50kg |
49.7kg |
0.7% |
40% |
40% |
20% |
50kg |
49.0kg |
2.0% |
20% |
60% |
20% |
50kg |
48.0kg |
4.0% |
|
|
|
|
|
|
80% |
20% |
|
50kg |
49.7kg |
0.7% |
40% |
60% |
|
50kg |
46.5kg |
7.0% |
20% |
80% |
|
50kg |
방적불가 |
방적불가 |
또, 아래의 표 2는 본 발명의 복합섬유의 방화도를 실험 측정한 결과이다. 혼합섬유의 조성비는 아라미드/실리카/탄소섬유 40/50/10 의 비율로 제조하여 실험하였다. 표 2의 결과를 보면 본 발명의 복합섬유가 한국소방방제청의 방염성 기준을 모두 만족시킴을 알 수 있다.
방염성 실험 결과
잔염시간(s) |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
// 0 |
잔진시간(s) |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
// 0 |
탄화거리(cm) |
0.7 |
0.5 |
0.6 |
0.7 |
0.6 |
// 0.6 |
본 발명의 복합섬유를 제조하는 방법은 다음과 같다.
1. 혼타면 공정
먼저 아라미드섬유 20~70 중량%, 실리카섬유 10~70 중량% 및 탄소섬유 10~20 중량%를 혼합한다.
즉, 방적 공정의 최초 공정인 혼타면 공정(blowing & picking)은 일반적으로 방출하는 목적에 따라 여러 종류의 원면(아라미드/실리카/탄소섬유)을 혼합하는 혼면공정(Mixing process)으로 시작하여, 큰 섬유 뭉치를 풀어헤쳐 작은 뭉치(tuft)상으로 분리하는 개섬공정(Opening process), 잡물, 넵(nep), 단섬유 등의 혼입 불순물을 제거하는 정섬 혹은 제진공정(Cleaning process), 최후에 균일한 두께와 폭을 가진 랩(lap)을 만드는 랩 형성공정(Lap formation process)을 진행한다(Mixing machine RPM : 220 RPM).
2. 소면(carding) 공정
카면공정(carding)으로서 카딩의 목적은 혼타면 공정에서 만들어진 랩이 개섬과 정섬이 되었다 하더라도 완전하게 한 올씩 분리되고 잡물이 제거된 상태는 아니기 때문에 섬유를 빗질하여 완전히 한올 한올로 분리시키고, 섬유속에 포함된 잡물도 철저하게 제거해서 다음 공정에서 연신 조작이 원활하도록 하여 실의 형성이 가능하도록 하기 위한 것이다.
즉, 소면 공정을 통해 섬유를 빗질하여 완전히 개개의 섬유로 분리(빗질, carding), 섬유중의 잡물, 단섬유, 넵을 제거(정섬, cleaning), 섬유를 연신하여 어느 정도 직선화 및 평행화(연신, drafting), 굵기가 어느 정도 균일한 섬유속을 만드는 것(소면 슬라이버 형성)이다(Carding machine RPM : 28 RPM, Gauge : 0.3 mm).
3. 정소면(Combing) 공정
정소면 공정은 소면 공정에서 많은 양의 잡물과 단섬유가 제거되기는 했지만 충분한 제거가 될 수 없으며, 단섬유가 많이 포함되어 있으면 후속공정에서 드래프트시 드래프트 불균제의 원인이 되어 불균제한 실을 만들게 되므로, Combing 공정을 통해 단섬유를 제거하여 균제하고 품질이 좋은 고급사를 방출하기 위한 것이다.
즉, 드래프트 불균제를 유발하여 사반의 원인이 되는 단섬유(noil) 제거, 소면 슬라이버에 잔류한 잡물 및 넵 제거, 섬유를 빗질하여 더욱 더 평행화 상태로 배열(combing)하고, 슬라이버나 정소면 랩을 중합, 연신하여 굵기가 균일한 섬유속을 만드는 공정이다(정소면 슬라이버 형성).
4. 연조공정(Drawing process)
소면이나 정소면 공정을 거쳐 생산된 슬라이버는 혼타면 랩의 중량 변동이나 소면기의 낙면량의 부동 등에 따라 슬라이버 내의 부동이나 슬라이버 간의 부동이 있다. 그리고 소면 슬라이버의 경우 슬라이버 중의 개개의 섬유는 빗질 작용은 받았으나, 완전히 직선화된 상태가 아니고 방향성이 없고 평행하게 배열되어 있지 않은 상태이다. 이와 같이 중량의 부동이 있거나 배열도가 낮은 상태의 슬라이버로 실을 만들 경우 실의 굵기 변동이 커져서 불균제한 실이 되고 잔털이 많이 일어나서 품질이 좋은 실을 만들 수 없다.
따라서 연조 공정은 방적 공정 중에서 이러한 불균제의 원인을 교정할 수 있는 최후의 공정으로서, 그 목적은 보통 6-8가닥의 슬라이버를 합쳐서 균제도를 향상(Doubing)하고, 중합된 슬라이버를 연신하여 섬유를 평행화시켜 배열도를 향상(Drafting)시키며, 필요에 따라 다른 종류의 섬유를 혼합하여 혼방사를 생산(Blended yarn)하고, 더욱 균제한 Drawing 슬라이버를 생산(Drawing 슬라이버 형성)하는데 있다.
5. 조방 공정(Roving process)
연조 공정에서 생산된 슬라이버로 실을 만들기에는 드래프트 기구나 조작상의 문제 및 균제성 등의 품질적인 측면에서 어려운 점이 많으므로 실을 만들 수 있는 굵기로 슬라이버를 연신하여 선밀도를 감소시켜 주어야 한다. 따라서 조방 공정에서 소요의 실로 방출 가능한 굵기까지 슬라이버를 연신하여 굵기를 감소시키고(drafting process), 약간의 꼬임을 부여하며(twisting process), 후속공정으로서 취급이 쉽도록 목관에 조사를 감는다(winding & building process).
6. 정방공정(Spinning process)
정방 공정은 조방 공정에서 생산된 조사나 연조 공정의 슬라이버를 원하는 굵기로 연신하고 적절한 꼬임을 가하여 실을 방출하고 정관목관에 감아주는 공정으로, 조사 또는 슬라이버를 소요의 굵기로 연신하고(drafting), 적절한 꼬임을 주어 소요의 강력이 실로 만들고(twisting), 정방 목관에 실을 감아 cop을 형성하는 것이다(Spinning machine RPM : 8000 RPM, twisting : 10T).
7. 권사공정(Winding process)
권사 공정은 정방에서 생산된 관사를 필요에 따라 10~15본씩 연결하여 길고 연속된 실로 감아 단위 사장을 길게 해주고, 방적 공정이 진행되는 동안 발생된 각종의 결점들을 제거하고, 후속 공정의 용도에 따라 적당한 형태와 경도가 되도록 적절한 장력을 감아주는 공정으로서, 이는 슬러버, 풍면, 딱지, 넵 등 실의 결정을 제거하여 품질을 향상시키고, 수 본의 정방 관사를 연결하여 단위 사장을 길게 해서 후속 공정의 작업 효율을 향상시키고, 귄취시 실의 장력을 일정하게 하여 치즈(cheese) 형태로 감아 취급이 용이하도록 하고, 편성의 실(Knitting yarn)은 잔털의 발생을 억제하고, 잘 풀어질 수 있도록 표면을 매끄럽게 하기 위하여 waxing 이나 oiling 을 하고, 패키지 염색(package dyeing or cheese dyeing)의 경우 권취시 실의 치밀도를 적게 하여 소프트 패키지(soft package)로 하기 위한 것이다(Winding machine RPM : 7000 RPM).
위와 같은 제조방법에 따라 만들어진 섬유는 테이프형, 튜브형(루프형), 원단형으로 제직, 편직하여 공업용 자재, 안전 보호구 및 방재용 비품, 특수 작업복, 기타의 용도에 사용할 수 있다. 상기 공업용 자재로는 관 또는 고무호스에 피복하여 관 또는 고무호스를 보호할 수 있음은 물론 단열효과를 얻을 수 있고, 상기 관은 배관이나 가스, 액체 등의 유체관 또는 벨로우즈관 등의 다양한 관에 피복하여 사용할 수 있다. 또한 용접불꽃 받이 시트(Spatter Sheet), 방화 및 방열 커튼, 커버, 단열재, 보온재, 흡음재, 닥트용 표면재 등에 사용할 수 있다. 상기 안전보호구 및 방재용 비품으로는 내열장갑, 두건, 앞치마, 토시, 각반, 전선(지하케이블) 연소방지용 테이프, 내화매트, 가정용 소화포, 비상용 내화주머니, 피난로프 등에 사용할 수 있다. 상기 특수 작업복으로는 소방복, 방열복, 용접복, 화학복 등에 사용할 수 있다. 상기 기타의 용도로는 선박, 병원, 극장 등의 커튼, 지하철 등의 좌석시트 단열층 등에 사용할 수 있다.
또한 본 발명의 복합섬유는 아래와 같은 내염성 시험 조건을 만족하는 것으로 밝혀졌다.
① 공기 중의 산소농도가 20%~30%에서는 연소가 일어나지 않는다.
② 직접, 강열한 화염에 접촉하여도 융착이나 접착이 일어나지 않는다.
③ 스파크(Spark)에 대한 내성이 우수하다.
본 발명의 복합섬유는 이러한 3가지의 내염성과 내열성을 겸비하고 있기 때문에, 현재의 불연성, 난연성의 합성섬유가 고온에서 폭로된 경우 인체에 점착 및 융착되어 화상 등이 발생하는 문제점을 회피할 수 있게 된다.
또, 본 발명에 따른 복합섬유(아라미드/실리카/탄소섬유 40/40/20의 비율)를 석면섬유, 유리섬유 및 양모와 여러 물성을 비교한 결과는 아래 표 3과 같다. 본 발명의 복합섬유는 방적, 재직 등의 가공성이 우수하고, 석면이나 유리섬유가 지니고 있지 않는 드래이프성과 유연한 촉감을 가지며, 취급이 용이하고 단열성이 우수하여 양모와 동일한 정도의 열전도율을 가지고 있다.
|
복합섬유 |
석면섬유 |
유리섬유 |
양모 |
Denier |
1.1∼2.0 d |
- |
- |
- |
직경 |
10~12μ |
1~2μ |
12μ |
- |
비중 |
2.2 |
2.4~2.6 |
2.54 |
1.32 |
인장강도 |
64g/d |
10~24g/d |
9.6g/d |
1.0~1.7g/d |
파단신도 |
0.9~1.1% |
3~3.5% |
0 |
25~30% |
수분율 (RH65%) |
20% |
2.0% |
3.1% |
16% |
비저항 |
108~1010Ω㎝ |
1015Ω㎝ |
1012Ω㎝ |
- |
색 |
Yellow |
White |
White |
염색가능 |
또한, 본 발명의 복합 섬유를 공기 중에서 고온에서 폭로한 경우의 물성변화를 도 1 내지 도 4로 나타내었다. 도 3은 본 발명의 복합섬유와 레이온, 유리섬유, 석면, 케블라의 각종 직물에 대하여 고온에서 폭로한 경우의 인장강도 변화를 나타내는데, 이를 보면 본 발명의 복합섬유가 우수하다는 것을 알 수 있다.
아래의 표 4는 본 발명에 따른 복합섬유의 내약품성을 알아보기 위하여 대표적인 약품들에 대하여 처리한 결과(30℃, 24시간)를 나타낸다. 강알칼리 중에서 장시간 사용하지 않을 경우의 대략의 저항성을 표시하였다.
|
농도 |
강도유지율 |
신도유지율 |
황산 |
40 |
60 |
90 |
인산 |
40 |
90 |
110 |
초산(硝酸) |
40 |
50 |
20 |
초산(硝酸) |
40 |
90 |
110 |
염산 |
10 |
80 |
130 |
수산화암모늄 |
20 |
80 |
120 |
수산화나트륨 |
10 |
30 |
100 |
디메틸포름아미드 |
100 |
110 |
110 |
벤젠 |
100 |
110 |
110 |
에틸알코올 |
100 |
110 |
110 |
사염화탄소 |
100 |
110 |
100 |
아세톤 |
100 |
110 |
120 |
도 5 내지 7은 인장시험기를 이용하여 시료길이 10mm, 인장속도 10mm/min의 조건으로 3종의 방적사 섬유의 인장강신도 실험을 측정한 결과를 나타낸다.
도 5는 탄소섬유 100%의 방적사에 대한 S-S 곡선을 나타낸 것이다. 강도(Stress, kgf)에 대한 신도(Strain, mm)의 곡선에서 최대 강도인 2.0~2.5kgf 사이에서 평균 2mm 정도를 나타냄을 알 수 있다.
도 6은 탄소/양모 30/70의 방적사에 대한 S-S 곡선을 나타낸 것이다. 강도(Stress, kgf)에 대한 신도(Strain, mm)의 곡선에서 최대 강도인 0.4kgf 사이에서 최대 강도를 유지하다가 서서히 미끄러지는 형태를 지님을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 복합섬유인 실리카/아라미드/탄소섬유 40/50/10 방적사에 대한 S-S 곡선을 나타낸 것이다. 강도(Stress, kgf)에 대한 신도(Strain, mm)의 곡선에서 최대 강도인 4.0~4.5kgf 사이에서 최대 강도를 유지하다가 서서히 미끄러지는 형태를 나타냄을 알 수 있다.
이상의 실험 결과를 보면 본 발명에 따른 복합섬유는 내열성과 인장강도 등 기존의 난연성 섬유에는 없는 기능과 장점들을 알 수 있다.
이상의 실험 결과는 다음 표 5와 같다.
평가항목 |
단위 |
개발 수치 |
난연PET |
복합 |
케블라 |
산소지수 |
LOI |
24.3 |
50.4 |
27.1 |
발수성 |
% |
45∼65 |
95∼110 |
90∼100 |
인장강도 |
N |
789 |
1090 |
1443 |
파열강도 |
Kpa |
2602 |
2788 |
3500 |
공기투과도 |
㎤/㎠/s |
36.4 |
39.6 |
11.4 |