KR102678852B1 - 천연유래 염료를 적용한 생분해성 폴리락트산 고강도 장섬유 및 이의 제조방법 - Google Patents
천연유래 염료를 적용한 생분해성 폴리락트산 고강도 장섬유 및 이의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 천연유래 염료를 폴리락트산(PLA)에 분산시킨 마스터 배치로 컴파운딩하는 1단계, 상기 마스터 배치를 고속용융방사 장치에서 방사시키는 2단계, 및 상기 방사시킨 섬유를 다단연신기에서 열 연신시키는 3단계를 포함하여 제조된 천연유래 염료를 적용한 고강도 장섬유에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 고속 용융 방사 과정에서 천연 유래 염료를 적용하여 폴리락트산 장섬유의 색 발현을 최적화하기 위하여 트윈 스크류 컴파운딩 공정과 고속 용융 방사 공정을 최적화하여 제직 후 프린팅, 염색 과정 등에 소요되는 자원을 최소화할 수 있으며, 기계적 성능을 극대화 시키고자 다단계의 열연신 공정을 통해 섬유의 감도를 향상시킬 수 있었다. 또한, 본 발명에서는 화학성분이 포함되지 않은 천연 유래 염료를 생분해성 소재인 폴리락트산에 포함시켜 섬유를 제조함으로써 인체에 무해하고, 최종 생분해되어 폐기의 문제가 남지 않아 환경적으로 유리한 효과를 가진다.
Description
본 발명은 천연유래 염료를 적용한 생분해성 폴리락트산 고강도 장섬유 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폴리락트산을 고속 용융 방사시키는 공정에서 천연 유래 염료를 첨가하여 원사의 색상 발현이 가능하고 높은 강도를 가지는 환경친화적인 생분해성 폴리락트산 고강도 장섬유 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
섬유는 천연섬유와 화학(인조)섬유로 나뉘고, 천연섬유에는 면, 마, 마닐라삼, 사이잘 등의 식물성 섬유; 견, 모 헤어섬유와 같은 동물성 섬유; 및 석면과 같은 광물성 섬유가 있다. 또한, 화학섬유에는 레이온, 아세테이트와 같은 재생섬유; 나일론, 폴레에스테르, 폴리우레탄, 아크릴과 같은 합성섬유; 및 유기금속, 금속 섬유, 세라믹과 같은 무기섬유가 있다.
염료 또한 천연염료와 합성염료로 나눌 수 있는데, 천연 염료는 자연에서 얻는 것으로 채취하는 방식에 따라 동물성 염료, 식물성 염료, 광물성 염료 등으로 나뉜다.
현재 천연염료를 이용한 염색 기술은 가장 대중적인 소재인 폴리에스터를 사용하여 염착시키는 방법이 주로 연구되고 있는데, 주로 재생 PET 원사를 이용하고 분산염료 대비 저공해 천연염료를 이용한 친환경 기술이기는 하나 업사이클링의 개념으로 최종 폐기의 문제는 여전히 남아 있다.
따라서, 환경적인 문제를 발생시키지 않는 친환경 섬유소재를 이용한 염착 기술 개발의 방향이 추가적으로 고려되고 있는 실정인데, 여기서 말하는 친환경 섬유소재는 환경적으로 위협을 주지 않는 섬유로 바이오매스, 생분해성의 기능을 가지는 섬유로 정의될 수 있다.
예를 들어, 폴리락트산(PLA, Poly lactic acid), 폴리부틸렌석시네이트(PBS, Polybuthylene Succinate) 등의 생분해성 섬유는 퇴비 조건에서 물, 이산화탄소로 6개월 이내 90% 이상으로 생분해되어 자연으로 돌아가는 섬유 소재로, 최근 섬유 패션산업에서 탄소중립 실현을 위한 해결책으로 제시되고 있다. 특히, 최근 미세플라스틱과 관련한 환경 규제 트렌드에 맞추어 전 세계적으로 친환경 생분해성 고분자 (Biodegradable polymer)인 PLA가 많은 주목을 받고 있다.
일반 생분해성 PLA 플라스틱은 6개월에서 24개월 안에 분해가 된다는 장점을 지닌다. 따라서 환경친화적인 식품 포장 산업 및 섭취 가능한 식기류에 많이 사용되며, 농업 필름, 전자 제품, 자동차 부품, 사출 성형 공정으로 제조된 제품과 직물을 만들 때 이용된다. 소비자들의 환경에 대한 인식이 높아짐과 더불어 엄격한 정부의 규제로 인해 녹색 제품에 대한 수요는 계속해서 증가하고 있고 이는 미래에 높은 수요를 이끌 수 있다고 예측된다.
한국등록특허 10-2459991에서는 코어부에 제1 혼합수지 및 시스부에 제2 혼합수지로 구성되는 코어-시스형 복합섬유 제조방법에 있어서,(S1) PCL(Polycaprolactone) 수지 및 생분해성 폴리에스테르계 수지를 포함하는 제1 혼합수지와, 셀룰로오스 지방산 폴리에스테르 수지 및 폴리유산(Poly Lactic Acid) 수지를 포함하는 제2 혼합수지를 각각 별도의 압출기에 투입하여 200 내지 230℃ 온도범위에서 용융하는 단계;(S2) 상기 용융된 제1 혼합수지에 산화방지제를 첨가하고, 상기 용융된 제2 혼합수지에 가소제 및 천연추출물을 첨가하는 단계;(S3) 상기 제1 및 제2 혼합수지를 복합 방사장치를 이용하여 코어-시스형으로 방사하는 단계; 및(S4) 상기 방사된 복합섬유를 연신하는 단계;를 포함하고,상기 (S2) 단계에서 상기 천연추출물은 상기 용융된 제2 혼합수지를 150 내지 180℃로 냉각한 후 PLGA 수지와 혼합되어 첨가되며, 상기 천연추출물은 복령 및 후박나무 추출물인 것을 특징으로 하는 친환경 생분해성 복합섬유 제조방법을 제시하였다.
또한 한국 공개특허 2000-0061141 에서는 폴리아마이드에, 기체상 산화 카아본 블랙이나 다양한 유색 칼라를 나타내는 착색제를 에스테르 결합이나 아마이드 결합을 갖는 수지에 분산시켜 색상을 나타내는 착색수지를 0.1 내지 10wt% 투입하여 균일 혼합, 건조한 후 미연신, 부분연신, 연신사를 제조하는 공정으로 이루어진 폴리아마이드계 원착사의 제조방법으로서, 원단 제조시 염색공정을 거치지 않고서도 원단에 희망하는 색상과 명도를 나타낼 수 있도록 색상을 갖는 입자가 함유된 전착색 칩(Master batch chip)을 방사 중에 투입하여 일반 폴리아마이드사와 물성차이가 없는 폴리아마이드계 원착사의 제조방법을 제시하였다.
본 발명은 친환경 섬유소재인 폴리락트산 섬유와 천연 염료를 이용하여 소정의 색상 구현이 가능한 고강도의 장섬유를 제조함에 있어, 원사 내에 염료의 고른 분산이 가능하여 천연염료가 재응집되는 문제를 방지할 수 있는 다양한 공정 조건을 확립하여 최소 공정으로 원사의 색상 발현이 가능할 뿐만 아니라 염료, 물 및 에너지 사용량을 극소화한 천연 염료를 이용한 생분해성 폴리락트산 고강도 장섬유의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 다양한 공정 조건을 확립하여 친환경 섬유와 천연 유래 염료를 이용하고도 요구되는 물성을 만족할 수 있고 다양한 색상 구현이 가능한 폴리락트산 고강도 장섬유를 제공하는 데에도 있다.
본 발명에 따른 천연 염료를 이용한 생분해성 폴리락트산 고강도 장섬유는 폴리락트산에 천연 유래 염료를 첨가하여 제조된 마스터배치를 방사 과정에서 첨가하여 방사 과정에서 상기 천연 유래 염료에 의해 염색되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 추가적으로 상기 방사 과정에서 순수 폴리락트산을 더 첨가하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 천연유래 염료의 농도는 전체 폴리락트산에 대하여 1 내지 5중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 천연유래 염료의 평균 입도는 3.0㎛ 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 폴리락트산 수지는 마스터배치 내에서 수분율이 100ppm 이하로 유지되도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 천연유래 염료는 바이오 인디고(쪽 추출물), 석류, Bee(가시나무의 중심부), 잎채소 추출물, 가자나무 열매인 카렐, 레닛(오배자), 루비아(갈퀴 꼭두서니의 뿌리 및 땅속 줄기), 님버스(Nimbus), 옐리오나(수국-밝은 노란색) 중에서 선택되는 것을 단독으로, 또는 2종 이상을 혼합 사용하는 것일 수 있다.
또한, 이러한 본 발명에 따른 천연 염료를 이용한 생분해성 폴리락트산 고강도 장섬유의 제조방법은 천연유래 염료를 폴리락트산(PLA)에 분산시킨 마스터 배치로 컴파운딩하는 1단계, 상기 마스터 배치를 고속용융방사 장치에서 방사시키는 2단계, 및 상기 방사시킨 섬유를 다단연신기에서 열 연신시키는 3단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 1단계의 마스터 배치 중 천연유래 염료는 5 내지 15중량%의 농도로 컴파운딩시키는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 1단계 컴파운딩시 트윈스크류 압출기를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 2단계의 방사시에는 순수 폴리락트산을 첨가하여 전체 폴리락트산에 대한 천연 염 염료의 농도가 1 내지 5중량% 되도록 희석시켜 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 3단계 다단연신기에서 연신 조건은 연신율 1.5 내지 3배, 속도 2,000 ~ 5,000 mpm/min, 온도 60 내지 150℃에서 이루어지는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 열 연신 이후에 추가로 90 내지 140℃ 온도에서 어닐링 공정을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 고속 용융 방사 과정에서 천연 유래 염료를 적용하여 폴리락트산 장섬유의 색 발현을 최적화하기 위하여 트윈 스크류 컴파운딩 공정과 고속 용융 방사 공정을 최적화하여 제직 후 프린팅, 염색 과정 등에 소요되는 자원을 최소화할 수 있으며, 기계적 성능을 극대화 시키고자 다단계의 열연신 공정을 통해 섬유의 강도를 향상시킬 수 있었다.
또한, 본 발명에서는 화학성분이 포함되지 않은 천연 유래 염료를 생분해성 소재인 폴리락트산에 포함시켜 섬유를 제조함으로써 인체에 무해하고, 최종 생분해되어 폐기의 문제가 남지 않아 환경적으로 유리한 효과를 가진다.
도 1은 천연유래 염료 컴파운딩 시스템 모식도이고
도 2는 천연유래 염료를 적용한 장섬유 방사시스템 모식도이고,
도 3은 본 발명의 PLA 장섬유 다단계 연신 시스템 모식도이고,
도 4는 본 발명 실시예 1, 실시예 8~11에서 사용된 각 천연 유래 염료의 사진이고,
도 5는 실시예 4에서 제조된 천연유래 염료를 함유한 PLA 장섬유에서 천연유래 염료의 분산성을 확인한 SEM 이미지이고,
도 6과 7은 각각 연신율을 달리하여 제조된 실시예 5~7에서 제조된 PLA 장섬유; 및 실시예 1, 실시예 8~11에서 사용된 각 천연유래 염료를 포함하여 제조된 PLA 장섬유의 인장강신도 변화를 나타낸 결과이고,
도 8은 천연유래 염료가 적용된 PLA 장섬유의 FE-SEM image 분석 결과이고,
도 9는 실시예 1, 실시예 8~11에서 사용된 각 천연유래 염료, 및 PLA 고분자의 TGA 결과이고,
도 10은 실시예 1의 루비아를 천연 염료로 사용한 PLA 장섬유의 사진이다.
도 2는 천연유래 염료를 적용한 장섬유 방사시스템 모식도이고,
도 3은 본 발명의 PLA 장섬유 다단계 연신 시스템 모식도이고,
도 4는 본 발명 실시예 1, 실시예 8~11에서 사용된 각 천연 유래 염료의 사진이고,
도 5는 실시예 4에서 제조된 천연유래 염료를 함유한 PLA 장섬유에서 천연유래 염료의 분산성을 확인한 SEM 이미지이고,
도 6과 7은 각각 연신율을 달리하여 제조된 실시예 5~7에서 제조된 PLA 장섬유; 및 실시예 1, 실시예 8~11에서 사용된 각 천연유래 염료를 포함하여 제조된 PLA 장섬유의 인장강신도 변화를 나타낸 결과이고,
도 8은 천연유래 염료가 적용된 PLA 장섬유의 FE-SEM image 분석 결과이고,
도 9는 실시예 1, 실시예 8~11에서 사용된 각 천연유래 염료, 및 PLA 고분자의 TGA 결과이고,
도 10은 실시예 1의 루비아를 천연 염료로 사용한 PLA 장섬유의 사진이다.
이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 발명은 천연유래 염료를 적용한 생분해성 폴리락트산 고강도 장섬유 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에서 사용한‘천연유래 염료’란 인공 염료와 대비되는 개념으로, 동물성 염료, 식물성 염료, 광물성 염료와 같이 자연에서 유래된 것을 포함하는 의미로 이해될 수 있다.
본 발명에 따른 천연유래 염료를 적용한 생분해성 폴리락트산 고강도 장섬유는 폴리락트산에 천연 유래 염료를 첨가하여 제조된 마스터배치를 방사 과정에서 첨가하여 방사 과정에서 상기 천연 유래 염료에 의해 염색되도록 한 데 특징이 있다.
본 발명에서 사용된 폴리락트산(PLA) 수지는 주로 옥수수와 사탕수수 등의 식물로 만드는 생분해성 수지를 의미하며, 세계적으로 친환경(생분해성) 고분자 화합물 중 가장 많이 생산되고 있다. 폴리락트산 수지는 그 자체 또는 인체에 유해하지 않은 물질을 첨가하여 소재 공학적으로도 많이 연구되고 있으며, 의학적으로도 조직공학(tissue engineering)에서 담체(scaffold)로 사용되는 등 그 용도는 매우 광범위한데, 의학과 같은 특수분야가 아닌 범용의 상업적인 관점에서도 몇 가지 특징을 소유하고 있는 생분해성 수지이다.
본 발명에서 사용하는 폴리락트산은 폴리락트산 단독 중합체 또는 폴리락트산을 주성분으로 하는 공중합체를 사용할 수 있다. 상기 폴리락트산은 진공 건조 과정을 거쳐 수지 내 수분율이 100ppm 이하로 유지하는 것이 원하는 수준의 방사 공정을 원활히 수행할 수 있어 바람직하다.
또한, 본 발명에서는 종래 원사 내에 천연 염료를 고르게 분산시켜 소정의 염색 효과를 낼 수 있고, 천연 염료가 재응집되는 문제를 해결하기 위하여 폴리락트산에 천연유래 염료를 첨가하여 마스터배치(master batch)로 제조하여 일부 사용하고, 최종 천연유래 염료의 농도에 맞추어 순수 폴리락트산을 방사 과정에서 첨가하여 제조하는 방식을 이용하는 것이 바람직하다.
즉, 본 발명에 따른 천연유래 염료를 적용한 생분해성 폴리락트산 고강도 장섬유의 제조방법은 천연유래 염료를 PLA에 분산시킨 마스터 배치로 컴파운딩하는 1단계, 상기 마스터 배치를 고속용융방사 장치에서 방사시키는 2단계, 및 상기 방사시킨 섬유를 다단연신기에서 열 연신시키는 3단계를 포함하는 과정을 거쳐 이루어질 수 있다.
먼저 첫 번째 단계는 천연유래 염료를 PLA에 분산시킨 마스터 배치로 컴파운딩하는 과정을 거치는데, 이때 컴파운딩시 다음 도 1과 같이 폴리락트산(도 1의 Polymer A에 대응됨)과 천연유래 염료(도 1의 Polymer B 또는 Powder에 대응됨)를 각각 다른 투입구를 통하여 투입하여 각각 싱글 스크류를 통과하여 혼합된 다음 트윈 스크류 압출기를 사용함으로써 천연유래 염료가 폴리락트산에 고르게 분산될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이때 본 발명에서 사용되는 천연유래 염료는 바이오 인디고(쪽 추출물, 짙은 블루), 석류(Mallow, 옐로우, 카키, 그레이), Bee(가시나무의 중심부-브라운), 잎채소 추출물(그린색), 가자나무 열매인 카렐(Karrel-옐로우, 카키, 그레이), 레닛(오배자-아이보리, 밝은 옐로우, 그레이), 루비아(Rubia, 갈퀴 꼭두서니의 뿌리 및 땅속 줄기- 레드, 핑크, 오렌지), 님버스(Nimbus, 연지충 묶음-레드, 보라), 옐리오나(수국-밝은 노란색) 중에서 선택되는 것을 단독으로, 또는 2종 이상을 혼합 사용할 수 있다.
본 발명에서는 마스터배치 제조시 상기 천연 염료들의 균일한 분산을 위해 평균 입도가 3.0 ㎛ 이하 수준으로 관리하여 재응집 현상 없이 컴파운딩 공정이 진행되도록 하였으며, 이후 필라멘트 방사 시에도 문제 되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 컴파운딩 단계에서는 마스터배치 내의 천연 유래 염료의 함량이 5~15중량% 되도록 비교적 고농도로 제조하는 것이 바람직하다.
천연유래 염료를 적용한 생분해성 폴리락트산 고강도 장섬유를 제조하는 제2단계는 상기 마스터 배치를 고속용융방사 장치에서 방사시키는 과정이다.
이때 본 발명에서는 상기 1단계에서 제조된 마스터배치에 순수한 폴리락트산 을 첨가하여 방사시키는 것이 방사 수율과 원가 절감 측면에서 바람직하다. 이때 첨가되는 순수 폴리락트산은 천연 유래 염료의 함량이 전체 폴리락트산에 대한 천연염료의 농도가 1 내지 5중량% 되도록 함량이 조절된다. 본 발명에서 사용되는 천연염료의 농도가 전체 폴리락트산에 대하여 1중량% 미만인 경우 소정의 색상 발현이 충분하지 않은 문제가 있고, 5중량%를 초과하는 경우 사용된 염료가 고르게 분산되지 않아 색상 발현에 문제가 있을 수 있어 바람직하지 못하다.
제2단계의 방사는 다음 도 2와 같이 제1단계에서 제조된 PLA-천연 유래 염료로 된 마스터배치와 순수 PLA가 투입구로 투입되어 고속 와인더가 설치된 용융방사 장치에서 방사시킨다.
메인 피더 온도는 190℃, 노즐은 단일 노즐(0.25 mm, 24 hole, L/D 2)을 사용하여 제조되었다. 방사 토출량은 0.46 g/min으로, 초기 권취 속도는 1 ~ 3 km/min 범위, 와인더는 2 ~ 5 km/min의 범위에서 수행되는 것이 바람직하다.
마지막으로 제3단계는 상기 방사된 섬유를 다단연신기에서 열 연신시키는 과정을 거친다. 이때 연신 조건은 연신율 1.5 내지 3배, 속도 2,000 ~ 5,000 mpm/min, 온도 60 내지 150℃에서 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 상기 연신 배율일 1.5배 미만인 경우 제조된 장섬유의 강도 개선이 미흡하고 균일한 두께를 가지거나 장섬유 직경이 두꺼워 바람직하지 못하며, 또한 연신율이 3배를 초과하는 경우에는 장섬유의 강도는 우수하나 직경이 너무 감소하여 바람직하지 못하다.
이는 본 발명에 따라 제조된 폴리락트산 장섬유의 강도는 비강도(무게 대비 강도)로서 4~6g/denier이고, 천연 유래 염료를 적용 후에도 그 강도가 유사한 수준으로 구현될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 연신 단계에서는 다음 도 3과 같이 다단 연신기를 사용하는 것이 바람직한데, 각 단계(G/R1, G/R2, G/R3, G/R4)의 연신구간에서 IR Heater, 접촉식&비접촉식 heater를 복합적으로 활용하여 최적화된 연신비율과 열처리 조건을 가지도록 하면서 연신 조건을 조절하면서 최종 제조되는 섬유가 최적의 강도를 가지면서, 천연 유래 염료를 적용하고 연신 공정 후에도 균일한 두께를 지닌 섬유가 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 각 단에서의 연신비율과 열처리 조건은 상기 열 연신 조건에 맞추어 이루어질 수 있으며, 소정의 목적에 부합하는 조건으로 조절할 수 있음은 당업자에게 자명하다.
또한, 본 발명에서는 상기 열 연신 이후에 추가로 90 내지 140℃ 온도에서 어닐링 공정을 포함하여 제조된 천연유래 염료를 활용한 고강도 장섬유에 강도를 더욱 보강할 수 있다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 이하의 실시예에서는 특정 화합물을 이용하여 예시하였으나, 이들의 균등물을 사용한 경우에 있어서도 동등 유사한 정도의 효과를 발휘할 수 있음은 당업자에게 자명하다.
실시예 1~4 : 천연유래 염료를 적용한 고강도 장섬유 제조
다음 도 1과 같이 폴리락트산(Natureworks사의 PLA 6025D grade, 수분 함유량 10ppm)과 천연유래 염료로서 루비아(꼭두서니, 네덜란드의 콘트롤 유니온 사 제품, 평균입도 2.21㎛)를 각각 서로 다른 투입구로 투입시키고, 트윈스크류 압출기에서 혼합시켜 루비아 농도 10중량%가 되도록 마스터배치를 제조하였다.
상기 제조된 마스터배치와 순수 폴리락트산을 서로 다른 투입구로 투입시켜 루비아 천연 염료의 농도가 각각 1 wt%, 1.5 wt%, 3 wt% 및 5 wt% 함유하도록 혼합하여, 다음과 같은 과정으로 방사시켰다.
PLA 고분자는 고속 와인더가 설치된 용융방사 장치에서 방사하였고, 메인 피더 온도는 190℃, 노즐은 단일 노즐(0.25 mm, 24 hole, L/D 2)을 사용하여 제조되었다. 방사 토출량은 0.46 g/min으로, 초기 권취 속도는 1 ~ 3 km/min 범위, 와인더는 2 ~ 5 km/min의 범위에서 수행되었다.
다음 도 3과 같은 4단 연신기를 이용하여 G/R-1 단계에서의 연신 속도 100mpm, 연신온도 75℃, 연신율 3배, 열고정 온도는 90℃를 기준으로 하여 각 단계별 연신을 실시하여 2 데니어(denier)로 제조하였다.
실시예 5~7 : 연신비율에 따른 고강도 장섬유 제조
상기 실시예 4에 따른 천연유래 염료를 적용한 고강도 장섬유 제조시 연신비를 각각 1.5, 2.0, 2.5배로 실시하여 각 섬유를 제조하였다.
실시예 8~11 : 다양한 천연 유래 염료를 이용한 고강도 장섬유 제조
상기 실시예 1에서 천연 유래 염료로서 루비아(도 7의 3) 대신에 인디고(쪽-실시예 8-도 7의 1), 석류(MALLOW-실시예 9-도 7의 2), 옐리오나(실시예 10-도 7의 4), 및 레닛(실시예 11-도 7의 5)을 사용하는 것을 제외하고는 동일한 과정으로 고강도 장섬유를 제조하였다.
각 실시예에서 사용된 천연 유래 염료는 다음 도 4에 나타낸 사진과 같다.
실험예 1 : PLA 장섬유 내에서 천연유래 염료의 분산성 확인
본 발명 실시예 1~4에서 제조된 PLA 장섬유 중에서 실시예 4에 따른 천연유래 염료가 잘 분산되어 있는지를 확인하기 위하여 원사의 측면 및 단면 사진을 SEM을 측정하여 확인하였으며, 그 결과를 다음 도 5에 나타내었다.
다음 도 5를 참조하면, PLA 장섬유 내부 및 표면에 천연유래 염료가 균일한 상으로 안정되게 분산되어 있음을 확인할 수 있다.
실험예 2 : PLA 장섬유의 연신비, 천연유래 염료 종류에 따른 인장강도 확인
연신율을 달리하여 제조된 실시예 5~7에서 제조된 PLA 장섬유의 인장강도 변화; 및 실시예 8~11의 다양한 천연 유래 염료를 이용한 고강도 장섬유의 인장강도 변화를 측정하기 위해 ASTM D2256에 따라 만능재료시험기 (Textechno, Favimat, Germany)로 단일 섬유의 강도를 측정하였다. 이때의 측정 길이와 속도는 20 mm과 20 mm/min으로 적어도 10개의 시편을 측정하여 결과 값을 확인하였으며, 그 결과를 각각 도 6 내지 7에 나타내었다.
다음 도 6을 참조하면, 연신배율이 증가하면서 강도가 개선되는 모습이 관찰되었다. 또한, 실시예 8~11의 다양한 천연 유래 염료를 이용한 고강도 장섬유의 인장강도 변화를 관찰한 다음 도 7을 참조하면, 우수한 물성을 나타냄을 확인하였다.
실험예 3 : 천연유래 염료가 적용된 PLA 장섬유의 연신율에 따른 섬유 형태 확인
실시예 5~7에서 제조된 PLA 장섬유의 연신율에 따른 FE-SEM image 분석을 실시하였으며, 그 결과를 다음 도 8에 나타내었다.
다음 도 8을 참조하면, 연신배율을 증가시키면서 제조된 천연 유래 염료를 적용한 필라멘트(filament)의 SEM image 분석에서 연신공정 적용 후에도 균일한 두께를 지닌 섬유가 형성되었음을 확인하였고, 연신배율 증가에 의하여 직경이 감소하는 모습도 확인하였다.
실험예 4 : 실시예 1, 8~11에 따른 천연 유래 염료 종류에 따른 TGA 분석
실시예 1, 8~11에 따른 천연유래 종류에 따른 TGA 분석하였으며, 그 결과를 다음 도 9에 나타내었다.
다음 도 9를 참조하면, 30℃~ 100℃에서 발생하는 중량 변화는 수분으로 확인되며, PLA는 chip상, 염료 5종은 파우더 상으로 존재하는데 파우더 상에서는 표면적이 커서 변화폭도 큰 것으로 나타났다.
실시예 1의 루비아(Rubia)의 융점이 285℃로 가장 높으며, 무기물이 함유되어 있어 800℃에서 잔존하는 부분이 확인되었다. 인디고(쪽-실시예 8-도 7의 1), 석류(MALLOW-실시예 9-도 7의 2), 레닛(실시예 11-도 7의 5)은 수분이 증발되는 구간에서 상변화가 1차로 동시에 발생했을 것으로 예상된다.(융점 peak 2구간)
또한, 기본 탄화점이 거의 230℃부터 시작되어 급격히 떨어지는 것을 확인할 수 있으며, 이러한 결과로부터 DOPE DYED 진행시에는 다른 고분자 재료들이나 나일론에서는 천연 염료의 성질을 가지지 못하고 탄화될 것으로 예측할 수 있다.
그러나, 본 발명과 같이 PLA 고분자는 천연 염료를 적용하더라도 탄화되지 않고 그대로 그 특성을 유지할 수 있을 것으로 예상할 수 있다.
실험예 5 : 실시예 1에 따라 제조된 루비아 포함된 PLA 장섬유 사진
상기 실시예 1의 루비아를 천연 염료로 사용하여 제조된 PLA 장섬유의 사진을 다음 도 10에 나타내었다.
다음 도 10에서 확인할 수 있는 바와 같이, 루비아가 가지는 노란 색이 폴리락트산과 잘 혼합되어 마스터배치 형태로 존재하여 여기에 순수 폴리락트산을 첨가하여 방사시켜도 원하는 색상 발현이 효과적으로 이루어졌음을 확인할 수 있다.
Claims (12)
- 수지 내 수분율이 100ppm 이하인 폴리락트산 단독 중합체 수지에 평균 입도 3.0㎛ 이하인 천연 유래 염료를 5 내지 15중량%의 농도로 구성되어 제조된 마스터배치에:
순수 폴리락트산을 첨가하여 전체 폴리락트산 중 천연유래 염료의 농도가 1 내지 5중량%가 되도록 희석시키고; 방사 토출량 0.46 g/min, 초기 권취 속도 1 ~ 3 km/min 범위, 와인더 2 ~ 5 km/min의 범위인 고속 와인더가 설치된 용융방사 장치를 이용하여 방사시켜 방사 과정에서 상기 천연 유래 염료에 의해 폴리락트산에 염색되도록 하는 것을 특징으로 하는 천연유래 염료를 적용한 폴리락트산 장섬유.
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- 제1항에 있어서,
상기 천연유래 염료는 바이오 인디고(쪽 추출물), 석류, Bee(가시나무의 중심부), 잎채소 추출물, 가자나무 열매인 카렐, 레닛(오배자), 루비아(갈퀴 꼭두서니의 뿌리 및 땅속 줄기), 님버스(Nimbus), 옐리오나(수국-밝은 노란색) 중에서 선택되는 것을 단독으로, 또는 2종 이상을 혼합 사용하는 것인 천연유래 염료를 적용한 폴리락트산 장섬유
- 천연유래 염료와 폴리락트산(PLA)을 각각 서로 다른 투입구의 싱글 스크류로 투입시키고, 트윈스크류 압출기를 사용하여 폴리락트산(PLA)에 천연유래 염료를 분산시켜 천연유래 염료가 5 내지 15중량%의 농도를 가지는 마스터 배치로 컴파운딩시키는 1단계,
상기 마스터 배치에 순수 폴리락트산을 첨가하여 전체 폴리락트산에 대한 천연 염료의 농도가 1 내지 5중량% 되도록 희석시키고, 방사 토출량 0.46 g/min, 초기 권취 속도 1 ~ 3 km/min 범위, 와인더 2 ~ 5 km/min의 범위인 고속 와인더가 설치된 고속용융방사 장치에서 방사시켜 방사 과정에서 상기 천연 유래 염료에 의해 폴리락트산에 염색되도록 하는 2단계, 및
상기 방사시킨 섬유를 다단연신기에서 연신율 1.5 내지 3배, 속도 2,000 ~ 5,000 m/min, 온도 60 내지 150℃에서 열 연신시키는 3단계를 포함하는 제1항에 따른 천연유래 염료를 적용한 폴리락트산 장섬유 제조방법.
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- 제 7 항에 있어서,
상기 열 연신 이후에 추가로 90 내지 140℃ 온도에서 어닐링 공정을 포함하는 것인 천연유래 염료를 적용한 폴리락트산 장섬유 제조방법.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020230148447A KR102678852B1 (ko) | 2023-10-31 | 2023-10-31 | 천연유래 염료를 적용한 생분해성 폴리락트산 고강도 장섬유 및 이의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020230148447A KR102678852B1 (ko) | 2023-10-31 | 2023-10-31 | 천연유래 염료를 적용한 생분해성 폴리락트산 고강도 장섬유 및 이의 제조방법 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| KR102678852B1 true KR102678852B1 (ko) | 2024-06-27 |
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ID=91713257
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| KR1020230148447A KR102678852B1 (ko) | 2023-10-31 | 2023-10-31 | 천연유래 염료를 적용한 생분해성 폴리락트산 고강도 장섬유 및 이의 제조방법 |
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|---|---|
| KR (1) | KR102678852B1 (ko) |
Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| JP2009203582A (ja) * | 2008-02-28 | 2009-09-10 | Teijin Fibers Ltd | ポリ乳酸原着繊維、その製造方法及びその製造方法に用いるチップ |
| KR101464496B1 (ko) | 2014-08-12 | 2014-11-26 | 주식회사 디유케이 | 생분해성 섬유의 제조 방법 및 이 제조 방법에 의해 제조된 생분해성 섬유 |
| WO2017099169A1 (ja) * | 2015-12-08 | 2017-06-15 | Ｂｉｏｗｏｒｋｓ株式会社 | ポリ乳酸樹脂繊維、ポリ乳酸長繊維、ポリ乳酸短繊維およびポリ乳酸繊維 |
-
2023
- 2023-10-31 KR KR1020230148447A patent/KR102678852B1/ko active
Patent Citations (3)
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| JP2009203582A (ja) * | 2008-02-28 | 2009-09-10 | Teijin Fibers Ltd | ポリ乳酸原着繊維、その製造方法及びその製造方法に用いるチップ |
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