KR20180098164A - 다중코어 상변화 물질 함유 축열 섬유 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축열 기능을 가진 기능성 섬유에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상변화 축열 기능을 가진 물질로 다수의 코어를 형성하고, 이 코어를 접착성 및 신축성을 가진 중간물질로 도포한 후에 최종적으로 섬유소재로 외부를 둘러싸도록 한 축열 섬유를 개시한다.

Description

다중코어 상변화 물질 함유 축열 섬유{Thermal storage fiber containing multicores of phase change material}

본 발명은 축열 기능을 가진 기능성 섬유에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상변화 축열 기능을 가진 물질로 다수의 코어를 형성하고, 이 코어를 접착성 및 신축성을 가진 중간물질로 도포한 후에 최종적으로 섬유소재로 외부를 둘러싸도록 한 축열 섬유를 개시한다.

의료용 합성섬유 소재에 있어서 필요에 따라 기능성이 추가되는 새로운 섬유소재가 끊임없이 개발되어 제공되고 있다. 그 중에서 아웃도어용 섬유소재는 운동성, 심미성, 안전성, 생리학적 쾌적성이 요구되기 때문에, 기술적으로는 보온성, 발수성, 경량성, 흡수성, 투습 방수성, 통기성 등을 종합적으로 동시에 부여해야 하는 하이테크가 필요하며 특히 겨울용 아웃도어 섬유는 보온 기능이 중요하다.

보온섬유는 두 가지로 분류할 수 있는데 첫째는 인체에서 발생하는 열이 스포츠웨어 외부로 방열하는 것을 최대한 막아주는 소극적 보온섬유이고 둘째는 외부로부터 열을 끌어들이는 적극적 보온섬유이다. 소극적 보온섬유 기능만으로는 가볍고, 얇고, 따뜻하고, 움직이기 쉬워야 하는 겨울철 운동복 소재로 그 성능이 불충분하다.

적극적 보온섬유로는 특수 배터리를 이용하는 전기발열섬유, 철분이 공기 중의 산소와 접촉하여 산화할 때 발생하는 열을 이용하는 화학반응발열섬유, 흡습에 의한 흡착열을 이용하는 흡습 발열섬유, 태양광을 열로 변환하는 태양광축열섬유 등이 개발되어 있다. 이 중에서, 전기발열섬유나 화학반응발열섬유 등은 특수 목적에 대해 한정된 시간에만 사용할 수 있고 내구성이 없는 단점이 있다.

또한, 종래에는 축열 물질을 캡슐화하여 이러한 캡슐과 섬유소재를 혼합하여 축열 기능의 섬유를 제조하고 있으나, 이는 축열물질의 함유량을 증대시키는데 어려움이 있어 축열효과를 향상시키는데 제한이 있다.

또한, 시스코어(sheath-core) 형태로 외부에는 일반적인 섬유소재를 사용하고, 심부에 축열물질을 넣는 방법이 제안되었으나 심부의 축열물질과 외층의 섬유소재의 계면간에 접착성이 없어 분리되는 현상이 발생할 뿐만 아니라 축열물질이 열을 흡수하여 액상으로 변할 때 팽창이 이루어져 섬유의 절단면으로 축열물질이 용출되는 문제가 발생하여 사용이 제한되고 있다.

즉, 고분자 재료가 압출기의 스크류 실린더에서 압출되어 외기에 노출됨에 따라 고분자 재료는 팽창하게 된다. 이에 따라 압출된 고분자 재료의 접착력 및 인력에 의하여 중공이 메꾸어져 고분자 재료의 중공 형태가 유지하기 어렵다. 이에 따라 용융압출 후 냉각시 심부의 축열물질이 수축되어 실의 형상 및 굵기가 일정하지 않아 상품성이 낮았다.

이와 같은 심부의 축열물질과 외층의 섬유소재의 융점이 비슷한 경우, 심부의 축열물질의 온도가 외층의 섬유소재가 용융되는 온도에 이르면 비등점에 가까운 온도가 되어 점도가 현저히 낮은 상태로 두 물질간에 상용성이 낮게 된다. 또한 심부의 축열물질의 수축으로 인하여 두 물질의 계면 간에 접착성이 없어 서로 분리되는 성질을 나타내므로 시스코어 형태가 유지되기 어렵다.

공개특허 특2002-0067027 (공개일자 2002년08월21일)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제를 해결코자 제공하는 것으로, 축열물질을 다량 사용하여 축열 기능을 향상시킬 뿐만 아니라 이러한 물질리 용출되거나 섬유소재 간에 분리가 발생하지 않도록 한 기능성 소재를 제공하는 것이다.

본 출원의 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일측면에 따르면, 다중코어 상변화 물질 함유 축열 섬유에 있어서, 축열 기능을 가진 물질로 코어를 형성하고, 상기 형성된 코어를 신축성과 접착성이 있는 중간물질로 둘러싸도록 하며, 상기 중간물질로 둘러싼 화합물의 외부를 최종적으로 섬유물질로 도포하여 이루어진 것을 특징으로 하는 다중코어 상변화 물질 함유 축열 섬유가 제공된다.

상기 코어를 이루는 축열물질은 20 중량%이고, 중간물질은 20 중량%이며, 나머지는 섬유물질로 구성될 수 있다.

상기 축열물질은 파라핀계 수지화합물로 이루어질 수 있다.

상기 중간물질은 폴리카프로락톤 또는 폴리에틸렌을 포함할 수 있다.

상기 섬유물질은 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리아크릴, 나일론, 및 폴리락티드 중 최소한 하나를 포함할 수 있다.

상기 코어의 용융 온도는 상기 중간물질에 비하여 낮고, 상기 중간물질의 용융 온도는 상기 섬유물질에 비하여 낮을 수 있다.

상기 코어의 용융 온도는 20℃ 내지 35℃이고, 상기 중간물질의 용융 온도는 65℃ 내지 110℃이고, 상기 섬유물질의 용융 온도는 170℃ 내지 230℃일 수 있다.

본 발명에 따른 축열 기능을 가진 섬유는 탁월한 축열 성능을 가질 뿐만 아니라 축열물질이 섬유로부터 용출되지 않고 섬유소재와 축열물질 사이에 분리가 발생하지 않기 때문에 인장력 및 내구성을 향상시킬 수가 있다.

본 출원의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 효과는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 축열 기능을 가진 섬유의 단면도, 및
도 2는 변형된 실시예의 단면도이다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.

또한, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 축열기능 가진 화합물, 바람직하게는 파리핀계 수지화합물인 도코산, 아이코산, 옥타데칸, 헥사데칸 등의 상변화물질을 다수의 코어(1)로 형성한 다음, 이들 다수의 코어(1)를 접착력과 신축성을 가진 중간물질(2)로 둘러싸되 이러한 중간물질(2)은 코어(1)를 이루는 축열 기능의 상변화물질보다 높은 융점을 갖도록 하는 것이 바람직하다.

상기 중간물질(2)로 둘러싼 섬유의 외부는 다시 섬유물질(3)로 최종적으로 도포하되, 바람직하게는 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리아크릴, 나일론, 및 폴리락티드 등이 사용된다.

상기 최종적으로 얻어지는 축열 기능을 가진 섬유는 전체 중량비에 있어서, 축열물질은 20 중량%, 중간물질(2) 20 중량%, 및 나머지의 섬유물질(3)로 구성하는 것이 바람직하다.

이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 축열 섬유는 앞서 설명된 기능성 섬유의 제조 어려움을 해결하기 위한 것으로 코어(1)는 용융온도가 20~35℃ 범위의 파라핀계 탄화수소로서 이루어질 수 있으며, 중간물질(2)은 용융온도가 65~110℃ 인 저융점 폴리머인 폴리카프로락톤이 사용될 수 있다. 중간물질(2)은 접착성과 신축성을 갖으며 파라핀계 탄화수소와 유사한 체적팽창률을 지니고 있어 냉각된 파라핀계 탄화수소와 기밀을 유지할 수 있다.

즉, 코어(1) 물질인 파라핀계 탄화수소와, 파라핀계 탄화수소를 둘러싸고 있는 중간물질(2) 고분자간 융점의 차이가 크지 않고, 코어(1) 물질과 중간물질(2)의 계면 영역에서 두 물질 사이의 체적팽창계수의 차이가 크지 않다. 또한 코어(1)를 둘러싸고 있는 중간물질(2)은 접착성과 신축성을 가지고 있다.

이에 따라 코어(1) 물질인 파라핀계 탄화수소의 용융 온도보다 다소 높은 온도가 형성되더라도 파라핀계 탄화수소와 이를 둘러싼 중간물질(2) 사이에 공동을 형성하지 않아 파라핀계 탄화수소로 이루어진 코어(1)의 유동이 발생되지 않는다.

또한 최외곽의 섬유물질(3)은 섬유용 고분자로 용융 온도가 170~230℃ 범위이다. 즉 본 발명의 실시예에 따른 축열 섬유의 경우, 코어(1)를 이루는 파라핀계 탄화수소의 용융 온도가 20~35℃이고, 코어(1)를 둘러싼 중간물질(2)의 용융 온도가 65~110℃이며, 축열 섬유의 표면을 이루는 섬유물질(3)의 용융 온도가 170~230℃로 코어(1)와 중간물질(2) 사이의 계면 및 중간물질(2)과 섬유물질(3) 사이의 계면 각각에서 공동이나 접착력 저하로 인한 상분리 현상이 발생되지 않아 열을 흡수하여도 코어(1) 물질인 파라핀계 탄화수소의 유동이 발생하지 않는다.

한편, 중간물질(2)로 사용될 수 있는 폴리카프로락톤은 분자량 150,000~200,000사이의 이상의 고분자로 용융 온도가 65℃ 내지 110℃의 범위에 있어 용융방사 가능하다. 폴리아미드의 경우 용융 온도가 200℃ 이상으로 본 발명의 중간물질(2)로서 적합하지 않다.

한편, 앞서 설명된 바와 같이 섬유물질(3)로서 폴리락티드가 사용될 수 있는데, 폴리락티드는 일반 범용 합성수지에 비하여 분해 기간이 짧을 수 있다. 즉, 일반 범용 합성수지는 토양 및 대기환경 하에서 분해되는데 50년 이상의 시간이 필요하지만, 폴리락티드의 분해 기간은 1년 내지 2년 사이로 자연 환경에 미치는 영향이 범용 합성수지에 비하여 작을 수 있다.

실시예

축열물질로 옥타데칸을 전체 중량에 대해서 20 중량%를 사용하여 코어(1)를 만든다. 만들어진 코어(1)의 외부를 폴리카프로락톤을 중간물질(2)로 사용하여 둘러싸되 20중량%를 사용한다. 상기 중간물질(2)로 둘러싼 섬유의 외주를 폴리에스터 섬유물질(3)로 최종적으로 에워쌈으로써 축열 기능을 가진 섬유를 얻는다.

상기 얻어진 섬유 100g에 대하여 20 ℃에서 30 ℃로 변화시 흡열용량을 측정하였다.

그 결과 흡열량이 1,556cal/10℃.g으로서 물보다 1.5배 이상의 흡열효과를 갖는 것으로 나타났다.

상기 흡열량은 아래의 그래프로부터 다음과 같이 얻을 수가 있다.

옥타데칸: 20 ℃ -> 28 ℃ : 0.45 * 8 * 20 = 72 cal

28 ℃ : 58.1 cal * 20 = 1162 cal

28 ℃ -> 30 ℃ : 0.55 * 2 * 20 = 22 cal

따라서, 1,256 cal가 계산되고, 이와 같은 방식으로,

카프로락톤: 0.6 × 10 × 20 = 120cal

폴리에스터: 0.30×10 × 60 = 180cal 이 각각 계산되어

합계 = 1556cal이 된다.

파라핀계 상변화 축열물질의 용융잠열 및 물성

옥타데칸 축열물질 열분석 결과

폴리카프로락톤의 열분석 결과

폴리락티드의 열분석 결과

재실자가 입고있는 의복에 의한 착의량은 Clo로 나타내는데 1Clo는 1.555 ㎡℃/W로 의복별 착의량표에 의하여 구할 수 있다.

의복별 착의량

이상과 같이 본 발명에 따른 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

1: 코어
2: 중간물질
3: 섬유물질

Claims (7)

1. 다중코어 상변화 물질 함유 축열 섬유에 있어서,
   축열 기능을 가진 물질로 코어를 형성하고,
   상기 형성된 코어를 신축성과 접착성이 있는 중간물질로 둘러싸도록 하며,
   상기 중간물질로 둘러싼 화합물의 외부를 최종적으로 섬유물질로 도포하여 이루어진 것을 특징으로 하는 다중코어 상변화 물질 함유 축열 섬유.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 코어를 이루는 축열물질은 20 중량%이고,
   중간물질은 20 중량%이며,
   나머지는 섬유물질로 구성된 것을 특징으로 하는 다중코어 상변화 물질 함유 축열 섬유.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 축열물질은 파라핀계 수지화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중코어 상변화 물질 함유 축열 섬유.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 중간물질은 폴리카프로락톤 또는 폴리에틸렌을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중코어 상변화 물질 함유 축열 섬유.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 섬유물질은 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리아크릴, 나일론, 및 폴리락티드 중 최소한 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중코어 상변화 물질 함유 축열 섬유.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 코어의 용융 온도는 상기 중간물질에 비하여 낮고,
   상기 중간물질의 용융 온도는 상기 섬유물질에 비하여 낮은 것을 특징으로 하는 다중코어 상변화 물질 함유 축열 섬유.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 코어의 용융 온도는 20℃ 내지 35℃이고,
   상기 중간물질의 용융 온도는 65℃ 내지 110℃이고,
   상기 섬유물질의 용융 온도는 170℃ 내지 230℃인 것을 특징으로 하는 다중코어 상변화 물질 함유 축열 섬유.

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