KR20010068275A - 은계 항균세라믹 분말을 함유한 섬유원사 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기능성 섬유원사의 제조 방법에 관한 것으로 은을 함유한 항균세라믹 분말을 이용하여 항균특성을 갖는 섬유원사를 제조하는 것이다.

기술의 구성은 은을 함유한 인산칼슘계 항균세라믹 분말의 입자크기를 엄밀히 제어하여 폴리에스테르나 나일론 , 폴리프로필렌, 아크릴, 우레탄 등 섬유화 할 수 있는 물질들과 함께 혼합하고 방사하여 항균특성을 갖는 섬유원사를 제조하는 것으로 항균세라믹 분말의 함량이 섬유에 대해 0.3 - 10중량%가 포함된 것을 특징으로 하는 은을 함유한 인산칼슘계 항균세라믹 분말을 함유하는 섬유원사에 관한 것이다.

Description

은계 항균세라믹 분말을 함유한 섬유원사{Fibre Made of Antibiotic Powder}

최근 각종 기능성 섬유가 많이 등장하고 있는데 그 중에도 건강과 관련된 원적외선 , 항균 , 탈취, 소취 기능을 갖는 기능성 섬유들이 주류를 이루고 있으며 그 밖에도 도전성 섬유, 난연성 섬유 등이 신 기능에 대한 기대와 수요에 맞춰 활발히 연구되고 있다.

본 발명은 각종 섬유원사를 제조할 때 은을 함유하는 인산칼슘계 항균세라믹 분말(도면1)을 첨가하여 항균특성을 갖는 기능성 섬유원사를 제조하는 것이다. 본발명의 섬유원사나 섬유원사를 이용한 직물로 의류나 침구류 등을 만들어 사용하면 실생활에 존재하는 많은 유해한 세균들이 인체주위에서 급격히 번식하는 것을 억제함으로서 우리들의 주변을 항상 쾌적한 상태로 유지시킬 수 있게 하고 결국 인체를 건강하게 하고자 함을 목적으로 한다. 이와 함께 인산칼슘계 항균세라믹 분말의 높은 원적외선 방사특성(도면2)으로 인해 인체내의 물분자를 활성화시켜줌으로서 온열작용 등의 유익한 역할도 함께 기대할 수 있다.

본 발명은 은을 함유한 인산칼슘계 항균세라믹 분말이 갖는 항균특성 및 원적외선방사 특성을 이용하여 인체를 건강하고 편안한 상태로 유지하는데 유익한 제품을 만들고자 인체와 항상 접촉하고 있는 섬유제품을 택하여 항균 및 원적외선 특성을 부여코자 한 것이다. 물론 우리들의 주변에는 항균 및 원적외선과 관련된 많은 제품들이 있으며, 고무제품, 플라스틱 용기류 및 판재류, 페인트, 세라믹스 제품, 발포쉬트 등 그 형태 및 종류도 매우 다양하다. 그러나 섬유만큼 폭넓은 용도와 응용성을 갖는 제품은 없다. 따라서 본 발명에서는 섬유원사속에 인산칼슘계 항균세라믹 분말을 넣어줌으로서 목적하는 바를 달성하고자 하였다. 즉 섬유원사의 제조과정에서 항균력이 높고 입자크기가 엄밀하게 제어된 은을 함유한 인산칼슘계 항균제 미분말을 넣어줌으로써 원하는 항균 및 원적외선방사 특성을 갖는 섬유원사를 제조하는 것이다.

기능성 분말을 첨가하여 섬유를 제조하는 것으로 항균성 관련으로는 일본국 특원소 59-134418호, 61-17567호, 대한민국 특허 출원번호 1998-007433호, 1998-012949호 등이 있으며, 원적외선 관련으로는 대한민국특허출원번호 1995-031856,1996-018297, 1997-012093, 1997-012986, 1997-017803, 1998-017749, 1998-012950 등이 있다.

본 발명에서와 같이 무기물질을 혼합하여 섬유원사를 제조할 경우 발생하는 문제점이 몇 가지 있다. 첫 번째로는 첨가되는 무기물의 입자크기에 기인하는 문제이다. 섬유제조공정에 있어서 섬유원사를 방사하는 동안에 출구의 팩은 점차적으로 이물질 등으로 막히게 되어 팩의 압력이 높아지게 된다. 팩의 압력이 어느 한계치를 넘게되면 섬유원사의 방사작업을 더 이상 진행할 수 없게 된다. 이 시점에서 팩을 새것으로 교체해주어야만 방사작업을 다시 진행할 수 있는 것이다. 그런데 섬유방사공정은 장치산업으로서 팩의 교체주기가 짧아진다면 그만큼 작업을 중단하는 횟수가 많아지고 결국 생산성이 낮아지기 때문에 원가가 높아져 경쟁력을 상실하게 된다. 따라서 첨가되는 무기물의 평균입자크기가 크거나 평균입자크기는 작더라도 조대입자가 많거나 또는 작은 입자가 응집된 커다란 2차입자가 많다면 팩은 쉽게 막히게 되고 팩의 압력이 상승하게 되어 섬유원사의 방사작업을 중단해야만 하게된다. 더욱이 팩내에 조대입자나 응집된 커다란 2차입자들이 일단 막히게되면 팩 내부의 통로가 좁아지므로 이후에는 원래는 통과할 수 있던 작은 입자까지도 막히게되므로 팩의 압력은 급격히 상승하게된다. 결국 섬유원사의 방사작업을 원활히 하기위해서는 첨가되는 무기물의 입자의 평균크기를 작게하고 조대입자 및 응집된 2차입자의 함유량을 최소화할 수 있도록 엄밀하게 관리해야만 한다.

두 번째로는 방사과정 이후의 연신공정과 가연공정 및 제직공정에서 일어나는 장치의 마모문제이다. 섬유의 재질은 유기물로서 경도가 매우 낮다 그러나 첨가되는 무기물들은 섬유소재와는 비교할 수 없을 정도로 경도가 높다. 이로 인해 일반섬유를 제조하는 경우에 비해 장치마모율이 작게는 10배에서 많게는 1,000배 이상까지 높아지게 된다. 장치마모율이 높다는 것 역시 장치산업인 섬유산업에 있어서는 매우 심각한 문제이며 더욱 심각한 것은 어느 한가지 공정에 국한된 것이 아니라 연신공정, 가연공정, 제직공정 등 일련의 공정에서 계속하여 동일한 문제를 일으키기 때문에 생산성은 급격하게 낮아지고 제조원가는 대폭적으로 증가하게 된다. 결국 이 같은 문제를 최소화하기 위하여서는 경도가 낮은 물질을 사용해야만 하며 경도가 같은 물질이라면 입자크기를 최소화하여야하고 특히 조대입자의 양을 최소화해야만 한다. 이 같은 문제를 피하기 위하여 경도가 낮은 운모류를 사용하여 원적외선 특성을 나타내는 섬유원사를 제조한 경우도 있다.

따라서 본 발명에서는 섬유원사 방사장치의 팩의 사용시간을 가능한 늘일 수 있도록, 즉 팩 내부의 막힘 현상에 의한 압력상승이 매우 느리게 일어나도록 입자를 엄밀하게 관리하고자 하였다. 대략적인 관리기준은 평균입자크기 0.3㎛, 최대입자크기 1.5㎛, 90%입자크기 1.0㎛ 이었으며 더욱 바람직하게는 평균입자크기 0.2㎛ 이하, 최대입자크기 1.0㎛ 이하, 90%입자크기 0.6㎛ 이하의 입자를 사용하는 것이 좋다.

본 발명에서 사용한 은을 함유한 인산칼슘계 항균세라믹 분말은 모스 경도가 5로서 현재 폴리에스터 섬유에서 일부 사용하고있는 이산화티탄의 경도 7보다 훨씬 낮기 때문에 물질자체의 경도에 기인하는 마모문제는 크지 않다고 할 수 있다. 따라서 입자크기의 관리만 철저히 한다면 마모에 관한 문제는 해결할 수 있다. 결국 은을 포함한 인산칼슘계 항균세라믹 분말의 합성, 열처리, 분쇄 등의 제조공정관리를 철저히 하여 조대입자 및 응집된 커다란 2차 입자가 존재하지 못하도록 하는 것이 중요하다.

도면1. 인산칼슘계 항균세라믹 분말의 제조공정도.

도면2. 인산칼슘계 항균세라믹 분말의 원적외선 방사율을 파장 5㎛ - 20㎛ 범위에서 측정하여 나타낸 도면.

도면3. 인산칼슘계 항균세라믹 분말을 함유한 폴리에스터 섬유원사의 제조공정도.

도면4. 인산칼슘계 항균세라믹 분말을 함유한 아크릴 섬유원사의 제조공정도.

본 발명은 엄격하게 제어된 공정과정을 거쳐 제조된, 은을 함유한 인산칼슘계 항균세라믹스 분말을 폴리에스터, 나일론, 폴리프로필렌, 아크릴, 우레탄 등 섬유화할 수 있는 물질과 함께 혼합하여 방사함으로서 항균특성을 갖는 섬유원사를 제조하는 것이다.

먼저 본 발명에서 사용한 은을 함유한 인산칼슘계 항균세라믹 분말에 대하여 살펴보기로 한다. 섬유원사의 첨가제로 사용하기 위한 주요 평가 항목으로는 항균능력, 입자크기, 안전성등이 있는데 먼저 인산칼슘계 항균세라믹 분말이 항균능력을 충분히 발휘하기 위해서는 은의 함량 및 은의 담지방법이 중요하다. 도면1에 은을 함유한 인산칼슘계 항균세라믹 분말의 제조공정도를 나타내었다. 은의 함량은 1% - 5%가 적당한데 1% 보다 적은 양일 경우 항균력이 낮게 나타나며 5% 이상일 경우는 함유된 은의 량에 비해 항균력이나 항균력의 지속성면에서 뚜렷한 향상효과가 없다. 즉 은의 함량이 증가하여 5%가 될 때까지는 은의 첨가량이 증가함에 따라서 항균력 및 항균력의 지속성이 계속 향상되지만 5% 이상에서는 뚜렷한 변화가 없었다.

은의 담지방법에 의해서도 항균력 및 항균력의 지속성이 크게 차이가 난다.본 발명에서는 도면1에서 보듯이 인산과 소석회를 이용하여 하이드록시 아파타이트계열의 인산칼슘을 합성한 후 은성분으로는 질산은 용액을 원하는 양만큼 첨가하면서 이온교환 및 흡착반응을 시킨다. 이같이 담지반응을 일으킨 하이드록시 아파타이트계 인산칼슘은 은의 양을 많이 첨가할수록 이온교환 및 흡착능력이 떨어지게되어 이온교환 및 흡착속도가 너무 느려져서 용액상에 이온으로 존재하는 은이 많아지게 된다. 이온상으로 존재하는 은이온을 이온교환 및 흡착되도록 할 수 있는 방법으로는 은의 난용성 염을 만들 수 있는 염소이온, 황이온(-2가), 요오드이온 등을 첨가하여 침전상태로 인산칼슘의 표면에 흡착되도록 하는방법이 있다. 그러나 이같은 방법만으로 침전 흡착시킨 은성분은 이후의 열처리과정 이후에서도 난용성분으로 남아 있기 때문에 은의 양에비해 항균력이 낮은 물질형태로 존재하게 된다고 할 수 있다.

따라서 본 발명에서는 은의 이온교환이나 흡착이 잘되도록 도면1에서와 같이 합성한 아파타이트계 인산칼슘중 10%를 분취하여 두고 90%에만 원하는 양의 은을 첨가하여 담지반응을 시킨 후 남아있는 은이온을 분취하여둔 하이드록시 아파타이트계 인산칼슘 10중 9을 첨가하고 볼밀이나 아트리션 밀 등에서 분쇄시킨다. 이같이 하는이유는 은이 담지 않된 신규의 하이드록시 아파타이트계 인산칼슘을 넣어줌으로서 이온상태로 남아있던 은이온을 빠르게 흡착 및 이온교환시켜 용존하는 이온상의 은이온을 줄일 수 있고 분쇄공정을 거치는 이유는 분쇄공정이라는 격렬한 운동에의해 이온교환이나 흡착을 빨리일어나게하고 분쇄를 통한 비표면적의 확대로 이온교환과 흡착이 더 많이 일어날 수 있도록 해주는 것이다. 이와 같은 공정을 거쳐서도 이온상태로 용존되어 있는 은이 소량 남아있을 경우 최종적으로 분취해둔 10중 1을 첨가하여 이온교환 및 흡착에의해 용존 은이온을 제거한다. 이같이 제거해야만 하는 이유중 한가지는 용존상태로 있던 고가의 은이온이 여과과정에서 손실되어 없어지는 것을 방지하자는 것이고 다른 이유는 잔류된 은은 불안정한 상태로 존재하게 되어 이후 열처리과정을 거쳐서 최종제품을 만들어 용도별 제품에 적용되었을 때 변색등의 원인을 제공하게 되므로 반드시 제거해야만 하는 것이다.

항균세라믹스 분말을 섬유원사속에 넣어 방사할 경우는 앞에서 언급한 것처럼 매우 철저한 입자관리가 필요한데 제조공정에서 볼 수 있듯이 인산칼슘을 합성하는 공정이 콜로이드질 제품을 합성하는 것이므로 반응조건을 잘조절하지 못할 경우 조대입자가 생겨나기 쉽고 콜로이드 침전의 특성상 건조 및 열처리 과정에서 응집 및 소결이 일어나서 입자가 커지기 쉽다. 따라서 공정중에 은을 담지시킨 후 분쇄공정을 추가하여 조대 콜로이드입자를 분쇄해줌으로서 합성과정에서의 입자크기를 작게 관리할 수 있으며 이를 여과하고 건조하여 열처리하기 전에 다시 해쇄해줌으로서 열처리과정에서의 소결에 의한 조대입자의 생성을 최소화할수 있는 것이다. 열처리는 1000℃ - 1100℃ 범위의 온도에서 2시간내지 4시간동안 처리해야만 변색문제를 최소화시키고 항균력도 확보할 수 있다. 이보다 낮은 온도와 짧은 시간동안 열처리 하게되면 변색이 심해지고 더높은 온도와 너무 긴시간동안 열처리하게되면 항균력이 낮아진다.

항균제의 안정성면에서는 본발명의 항균제는 급성독성, 피부자극성 및 소핵실험 등에서는 음성을 나타내어 안전성이 확인되었으며 경구독성에서 마우스를 대상으로한 LD₅₀치는 5,000mg/kg 이상으로 매우 안전한 물질임이 확인 되었다.

이와같이 제조한 은을 함유한 인산칼슘계 항균세라믹스 분말을 이용하여 섬유원사를 제조하였을 경우 은의 함량 및 섬유원사의 종류에 따라서 적정사용량이 다르지만 그범위는 0.3% - 10%정도가 적당하다. 그런 항균세라믹스 분말이 적으면 항균력이 불충분한 경우가 있을 수 있으며 너무 많을 경우는 굵기가 작은 섬유원사 일수록 섬유원사의 제조공정이 어려워지고 섬유원사의 물성이 나빠질 수 있다. 따라서 더욱 바람직한 적정사용량의 범위는 0.5% - 5.0% 라고 할 수 있다.

본 발명의 은을 함유한 인산칼슘계 항균세라믹스 분말을 첨가하여 폴리에스터 섬유원사를 만드는 공정을 도면3에, 아크릴섬유원사를 만드는 공정을 도면4에 나타내었다. 공정에서도 알 수 있듯이 아크릴섬유원사의 경우 킬레이트제의 역할을 할 수 있는 소듐티오시아네이트를 사용하기 때문에 항균세라믹스 중의 은 성분이 많이 용출되어 손실될 수 있다. 따라서 아크릴섬유원사의 경우는 다른 섬유원사에 비해 항균세라믹스 분말의 처방이 달라야 한다. 즉 항균세라믹스분말 중의 은의 함량이 높고 첨가량도 많아야 하며 공정중에서의 은의 손실을 최소화하기위해 항균세라믹스 분말의 표면을 실리콘이나 지방산 등으로 코팅처리한 것을 사용하는 것이 좋다.

분말의 입자크기는 앞에서 언급한 것과 같이 평균 0.3㎛ 이하, 최대 1.5㎛ 이하, 90% 입자크기 1.0㎛ 이하의 크기가 되어야 하며 더욱 바람직하게는 평균 0.2㎛ 이하, 최대 1.0㎛ 이하, 90% 입자크기 0.6㎛ 이하가 좋다. 본 발명과 관련된 실시예를 아래에 나타내었다.

[실시 예1]

본 발명에서 사용한 인산칼슘계 항균세라믹스 분말은 도면1의 공정에 의거하여 만들었으며 반응조건 및 특성은 다음과 같다.

[ 실시예 2 ]

실시예 1에서 제조한 인산칼슘계 항균세라믹스 분말을 사용하여 제조한 섬유원사의 특성을 표3에 나타내었다.

본 발명과 같이 항균세라믹분말의 합성과정부터 입자크기를 엄밀하게 제어하여 항균섬유원사를 제조하면 기존의 기능성섬유제조 및 판매 등에 가장 큰 애로사항인 장치마모에 의한 원가상승 문제를 극복할 수 있으며 항균세라믹 분말의 변색문제 및 항균력 지속성 문제를 함께 해결할 수 있으므로 기능성섬유의 새로운 시장을 만들어 나갈 수 있고 결국 인류의 건강에 이바지할 수 있으리라고 본다.

Claims (3)

1. 폴리에스터, 나일론, 아크릴, 폴리프로필렌, 폴리우레탄 등, 섬유화할 수 있는 재료에 은을 함유한 인산칼슘계 항균세라믹 분말 0.3% - 10중량%를 혼합, 방사하여 제조하는 것을 특징으로하는 항균특성을 갖는 합성섬유.
2. 청구항1에 있어서 은을 함유한 인산칼슘계 항균세라믹 분말은 평균 입자크기 0.3㎛ 이하, 최대입자크기 1.5㎛ 이하, 90% 입자크기 1.0㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 항균특성을 갖는 합성섬유.
3. 은을 함유한 인산칼슘계 항균세라믹 분말의 입자를 조대입자가 없도록 하기 위하여, 합성할 때 열처리전에 습식분쇄공정 및 건조후 해쇄공정을 도입하는 것을 특징으로 하는 은을 함유한 인산칼슘계 항균세라믹 분말의 제조방법.