5장. 합성 섬유

합성 섬유 - 기초

견은 매끄럽고 광택이 나며 유연한 직물을 만들 수 있기 때문에 항상 높이 평가되어 왔다. 1925년까지 인견이라고 불려진 최초의 합성 섬유인 레이온은 한 모험적인 섬유직공이 절단되고 폐기된 레이온 필라멘트가 스테이플 섬유로 사용될 수 있다는 것을 발견하기 전인 1930년대 초반까지 필라멘트 형태로 제조되었다. 아세테이트와 나일론은 또한 견섬유처럼 사용하기 위해 필라멘트로 제조되었다. 많은 합성 섬유는 20세기 초반에 생산되었고 그때부터 합성 섬유 공업은 눈부신 발전을 하였는데 일차적으로는 섬유를 변형시켜 특정한 최종 용도를 위해 여러 성질을 가장 잘 조합하는 것이었다.

합성 섬유는 화학적 조성에 따라 계통적으로 분류되는데 주로 합성 섬유와 셀룰로오스 섬유(레이온/비스코스, 아세테이트와 같은)로 구분될 수 있다. 둘의 주된 차이는 합성 섬유는 자연에서 순수한 형태로 이용할 수 없는 물질로부터 만들어진다는 것이다.

합성 섬유류는 여러 화학 반응(축합 중합, 부가 중합, 중합)에 의해 원유로부터 제조된다. 섬유를 형성하는 방법은 방사 공정이라고 부른다. 습식 방사, 건식 방사, 용융 방사 공정은 섬유 제조에서 사용되는 가장 일반적인 공정들이다. 이는 또한 섬유 단면이 결정되는 공정이다. 제조된 섬유는 광택, 염색성, 강도와 신도와 같은 성질을 변화시킬 수 있다는 장점을 갖는다. 고분자 배향 또는 소위 결정화도는 필라멘트의 연신이나 위에서 언급된 성질에 영향을 주는 화학 공정에 의해 변화될 수 있다.

합성 섬유의 차트

천연 고분자 합성 고분자

식물성 동물성

셀룰로오스 섬유 단백질 섬유 축합 중합 섬유

레이온 CV 카세인 KA 폴리에스테르 PES

큐프로 레이온 CC 폴리에스테르에테르 PEE

아세테이트 CA+ 폴리아미드 6 PA 6.6

리오셀

셀룰로오스에스테르 섬유 중합 섬유

트리아세테이트 CT 폴리아미드 6 PA6

고무 섬유 LA

아세테이트 CA 폴리올레핀:

종이 섬유 CPP 폴리에틸렌 PE

알기네이트 섬유 AL 폴리프로필렌 PP

엘라소디엔 PB

폴리비닐:

식물 단백질 섬유 폴리아크릴 PAC

제인 ZE 모다크릴 PAM

아르데인 AR 폴리비닐알코올 PVA

글리시닌 GY 폴리베닐벤졸 PST

폴리염화물 섬유:

폴리염화비닐 PVC

폴리염화비닐리덴 PVD

플루오로:

폴리테트라플루오르에틸렌 PTF

클로르트리플루오르에틸렌 PCF

부가 중합 섬유:

-폴리우레탄 PURE

-엘라스탄 PUE

화학 구조

섬유가 만들어지는 기본 단위는 고분자 또는 장사슬 분자이고 때로는 거대 분자라고 불려진다. 대부분의 섬유 고분자는 탄소 원자를 갖는 유기 화합물이다. 예를 들어 C2H4의 화학식을 갖는 유기 물질은 에틸렌이라고 명명된다. 에틸렌은 또다른 에틸렌 분자와 반응할 수 있어서 폴리에틸렌이라고 명명되는 (C2H4)n의 화학식을 갖는 물질을 생성한다. 반응에서 개개의 에틸렌 단위는 단량체이나 폴리에틸렌은 고분자이다.

중합도

고분자에 존재하는 단량체 단위의 개수를 중합도(dp)라고 한다. 글루코오스 단량체는 또 다른 글루코오스 단량체와 결합하여 셀로비오스를 형성하게 되며 이는 고분자인 셀룰로오스를 형성하는 기본 단위이다. 면에 있어서 보고되어진 글루코오스 단위의 개수는 다양성과 사용된 화학 방법에 따라 다양하게 변한다. 3000개의 글루코오스 단위를 갖는 면섬유는 3000의 중합도를 가지며, 15000개일 경우는 중합도가 15000이 된다. 레이온에서 셀룰로오스의 중합도는 250∼650이다. 면과 레이온은 둘 다 셀룰로오스계 섬유이기 때문에 유사한 성질을 갖을 것으로 예측된다. 하지만 이들은 서로 다른 중합도를 갖기 때문에 차이가 있을 것으로 예측된다.

단량체로부터 고분자를 형성하는 섬유 공정상의 화학 반응

1. 축합 중합

단량체로부터 고분자를 형성하면서 부산물(물, 알코올 등)이 생성된다.

* 폴리에스테르

* 폴리아미드 6.6

2. 부가 중합

부가 중합은 다른 조성을 갖는 단일 분자들로부터 사슬 분자가 형성되는 화학 반응이다.

* 폴리우레탄

* 엘라스탄

3. 중합

일정한 단량체로부터 사슬 분자가 형성되며, 부산물이 생성되지 않는다.

* 폴리아미드 6

* 폴리에틸렌

* 폴리프로필렌

고분자 배향

섬유 내에서 고분자의 배열은 또한 섬유의 화학적, 물리적 성질에 영향을 준다. 고분자 사슬의 구조는 결정 구조라고 불려진다. 섬유 내에는 2개의 기본적인 영역이 있다: 규칙 또는 결정 영역과 불규칙 또는 비결정 영역.

미배향된 재료에서 고분자는 랜덤하게 존재한다. 고분자는 서로간에 그리고 섬유축에 대해 이루는 각이 다양하다. 이렇게 섬유에서 덜 규칙적인 부분을 비결정 영역이라고 부른다. 고분자가 서로간에 그리고 섬유축에 대하여 평행할 때 고배향되었다고 한다(결정 영역). 섬유의 강도는 결정 영역으로부터 발현되고, 유연성과 신장성은 비결정 영역으로부터 발현된다. 결정과 비결정 영역의 정확한 구분은 없고, 둘간의 변화가 점진적이다. 천연 섬유의 배향은 화학적 가공에 의해서 변화될 수 있고, 인조 섬유의 배향은 종종 섬유의 화학적, 물리적 성질을 변화시킬 목적으로 하는 신장 또는 연신에 의해 제어될 수 있다.

고배향은 섬유의 고강도와 저신도와 결부된다. 저배향은 더 낮은 강도와 더 높은 신도를 나타내게 하는 경향이 있다. 상대적으로 결정성인 섬유는 더 나은 내화학성과 더 많은 광택을 갖지만 또한 더 브리틀하며 덜 유연하다. 섬유에서 비결정 영역은 흡수성, 염색성, 유연성을 향상시키는 경향이 있다.

섬유 형성과 방사 공정

합성 섬유에서 방사 공정은 다음의 3가지 단계 이루어진다.

* 점성이 있는 방사 용액의 제조

* 섬유 형성을 위해 방사구를 통한 용액의 토출

* 응고, 증발 또는 냉각에 의한 섬유의 고화

원료는 셀룰로오스 또는 단백질 같은 천연 물질 일수도 있고, 수지로 합성되는 화학 물질일 수도 있다. 섬유를 형성하는 기본 공정은 노즐 또는 방사구를 통한 액체 또는 유체 상태의 고분자의 토출, 필라멘트 형성, 재료의 신장 또는 연신 그리고 후속 공정과 판매를 위한 섬유의 수집이다.

다음과 같이 3개의 주요한 방사 또는 토출 공정이 있다:

* 습식 방사

* 건식 또는 용제 방사

* 용융 방사

또한 에멀션과 겔방사도 다른 방법이 비실제적일 때 이용되는 방법이다.

습식 방사

습식 방사에서 섬유 형성 고분자는 방사구를 통하여 화학 반응이 일어나는 액체욕으로 토출되고 응고되어 섬유를 형성한다. 비스코스레이온 제조에서 셀룰로오스 크산테이트 용액은 방사구를 통과하고, 셀룰로오스 섬유는 실제로 액체 방사욕에서 형성된다. 다른 습식 방사 섬유들은 용제에 용해된 섬유 고분자 용액이다. 용제는 습식 방사욕에서 제거되어 응고된 섬유가 제조되며 그 후에 더 공정처리를 받는다. 레이온과 아크릴 섬유는 습식 방사에 의해 제조된다.

<그림 1> 습식 방사 공정

건식 방사

원래 용제 방사로 알려진 건식 방사는 섬유 형성 고분자가 공기 중에서 증발하는 용제에 녹아야 한다. 용액은 방사구를 통해 빠져 나와 용제가 증발하여 섬유 필라멘트가 된다. 이 때 용제는 회수된다. 아세테이트, 트리아세테이트, 비닐론, PBI 그리고 아크릴 섬유는 건식 방사에 의해 제조된다. 어떤 섬유는 섬유가 공기 중에서 방사한 후 습식욕에서 처리해 제조되기도 한다.

<그림 2> 건식 방사 공정

용융 방사

용융 방사는 환경적으로 가장 안전하고 가장 쉽게 제어되는 섬유 성형 공정으로 인식되고 있다. 이 경우 고분자는 화학적 성질이 변하지 않고 제어 가능한 온도에서 용융될 수 있어야 한다. 고분자는 융점까지 승온되어 냉각탑이나, 챔버 내로 토출되어 연속된 섬유 형태로 경화되거나 고화된다. 대부분의 용융 방사 섬유는 공기 중에서 급랭되지만 어떤 경우에는 연신에 앞서서 물에서 급랭되기도 한다. 용융 방사에서 섬유의 단면 형태는 가장 쉽게 제어된다. 나일론, 폴리에스테르, 유리, 올레핀은 용융 방사 공정으로 제조된다.

<그림 3> 용융 방사 공정

겔방사

겔방사는 고강력 올레핀 섬유를 제조하기 위해 1986년 섬유 제조 업체와 설비 제조 업체에 의해 개발된 방법이다. 이는 현재 아크릴 섬유, 올레핀 섬유, 몇몇의 새로운 레이온 섬유에 사용되고 있다. 일반적 공정은 섬유 형성 고분자를 방사구를 통과시켜 냉각욕에서 급랭시키고 겔을 형성하도록 하는 것이다. 그 다음 겔섬유는 독립된 공정에서 연신되어 분자가 배향하고 섬유 성질을 발현하게 된다. 올레핀 섬유의 경우 고분자 혼합물의 압출과 방사구를 통한 방사간에는 계량된 시간차가 존재한다. 겔섬유는 냉각된 물과 용제욕으로 보내져 응고된다. 그리고 나서 예비 연신(신장), 열연신, 장기 수세, 다시 연신의 과정을 거친다.

<그림 4> 겔방사 공정

유화 방사

몇몇 고분자는 매우 높은 온도에서만 용융되지만, 또 어떤 고분자는 융점으로 가열하면 심한 분해가 일어나기도 한다. 어떤 고분자는 공업적으로 사용될 수 있는 용제에 녹지 않는다. 이러한 종류의 고분자들은 유화 방사에 의해 섬유 성형이 가능하다. 이 공정에서 고분자는 액체 내에서 분산되거나 유화되고, 유화액이나 분산액은 방사구를 통해 토출되어 섬유의 형태를 갖추게 된다.

성형되는 섬유에 따라 유화 방사는 스테이플 또는 필라멘트 길이로 제조될 수 있다. 테플론은 유화 방사로 방사된다.