섬유 형성과 방사 공정

방사구의 형태와 방사 방법은 섬유의 단면 형태에 영향을 준다. 여러 다른 모양의 구멍이 방사구로 이용 가능하며, 이에 따라 특별한 특성을 갖는 섬유를 제조할 수 있다.

일반적으로 용융 방사에서 섬유의 단면 형태를 제어하는 것이 더 쉽다. 섬유는 방사구를 통과해 냉각 공기와 접촉하여 고화한다. 이 방법은 용제의 증발이 형성된 섬유의 물리적 성질을 변화시키는 습식 방사와 용액 방사에서 보다 섬유의 외부 형태에서 변화가 덜하다.

섬유 중심부로부터의 용제의 확산 속도가 고분자 표면으로부터의 용제의 증발 속도와 같거나 이보다 더 빠르다면 섬유는 원형 단면을 갖을 것이다. 섬유 표면으로부터의 용제의 증발이 섬유 중심에서 표면까지의 용제의 확산 속도보다 빠르다면 표면에 스킨층이 형성될 것이다. 표면으로부터의 용제의 증발이 중심에서 표면으로의 용제의 확산 속도보다 훨씬 더 빠르다면 도그본(dogbone) 형태의 단면이 형성될 것이다.

압출에 의해 생산되는 필라멘트의 수와 섬도(denier, tex 또는 decitex)는 쉽게 제어할 수 있다. 제조 업체에 의해 사용되는 주요한 기술은 방사구의 변경, 방사구를 통한 고분자 공급 속도의 변경, 그리고 필라멘트의 연신비 또는 권취의 변경이다.

필라멘트가 압출된 후 보통 신장되어나 연신되어 고분자 사슬의 배향이 좋아진다. 필라멘트가 신장되는 정도는 연신비, 즉 미신장시의 길이에 대한 신장시의 섬유 길이의 비로 나타낸다. 1 또는 2의 연신비는 레이온에 보편적이다. 4 또는 6의 연신비는 다른 섬유에는 보편적이지 않다. 어떤 경우에 연신은 한단계 이상을 거칠 수 있다. 어떤 섬유는 미연신되거나 부분적으로 연신된 실로 판매된다. 텍스쳐 가공된 폴리에스테르사는 종종 부분 배향 필라멘트 또는 실(POY)로부터 제조된다. 분자 구조의 배향이 크면 클수록 보통 섬유 강력은 더 크지만 섬유 신도는 더 낮다.

필라멘트는 무한한 길이의 길고 연속적인 섬유이다. 이는 모노필라멘트(한개의 단일 필라멘트) 또는 멀티필라멘트(다수의 필라멘트)가 될 수 있다. 필라멘트는 매끄럽거나 텍스쳐 가공(어떤 방법으로 크림프가 부여된)될 수 있다. 스테이플 섬유는 길이가 약 3/4∼18 인치로 절단된 섬유이다. 견을 제외한 모든 천연 섬유는 스테이플 형태를 갖는다. 합성 섬유는 필라멘트 토우를 짧은 길이로 절단하여(소위 전환) 스테이플로 만든다. 필라멘트 토우는 꼬임없는 수천개의 합성 섬유의 느슨한 가닥들로 이루어져 있다. 토우는 보통 방사 후 크림프가 부여된다.

합성 섬유의 화학적 조성을 설명하기 위해 채택된 일반적 정의 안에는 섬유의 특별한 성질에 따른 많은 변수가 있다.

섬유는 본래 광택이 있다. 그 이유는 섬유 표면으로부터 빛을 반사하기 때문이다. 섬유를 소광하기 위해 이산화티타늄 백색 안료가 섬유가 압출되기 전에 방사액에 첨가된다. 어떤 경우에는 이산화티타늄이 훨씬 더 앞서 고분자 수지가 형성될 때 첨가될 수도 있다. 광택도는 소광제의 양을 변화시킴으로써 조절되어 덜 또는 세미덜 섬유를 제조할 수 있다. 소광된 섬유는 현미경으로 후추 같은 검은점을 관찰함으로써 확인될 수 있다.

방사액이나 고분자 수지에 대한 착색 안료나 염료의 첨가를 용액 염색이라고 한다. 이렇게 제조된 섬유를 용액 염색, 방사 염색 또는 제조물 착색 섬유라고 부른다. 착색은 다른 어떤 방법으로도 얻을 수 없는 색의 내구성을 부여한다. 광안정성과 세탁 견뢰도는 의류의 수명이 다할 때까지 변하지 않는다.

표백제와 증백제는 백색 섬유 또는 황변을 방지하는 섬유를 만들기 위해 방사액에 첨가된다. 사용되는 첨가제는 직물로부터 더 하얀빛이 반사되도록 하는 광표백 염료나 형광 염료이다. 이러한 표백제는 수세와 드라이크리닝에 내구성이 있다.

1 데니어 보다 작은 선밀도로 방사된 섬유는 미세 데니어 섬유로 분류된다. 유럽에서 생산되고 있는 많은 미세 데니어 섬유들은 데니어 보다는 데시텍스(텍스는 선밀도를 나타낸는 단위로, 1km의 실, 필라멘트 섬유 또는 다른 섬유 선형 재료의 무게를 g으로 나타낸 것이다)로 측정되며, 미세 데니어의 의미는 1 dtex 이하인 섬유 재료를 나타낸다.

0.25 데니어의 작은 선밀도를 갖는 폴리에스테르를 방사하는 공정은 견의 태와 광택을 갖는 섬유를 제조하기 위해 1980년대에 일본에서 개발되었다. 필라멘트와 스테이플 형태의 나일론과 폴리에스테르 미세 데니어 섬유는 1991년에 이용할 수 있게 되었고, 미세 데니어 섬유로 판매되는 스테이플 레이온 섬유는 1.1 dpf 정도였다.(필라멘트당 데니어 또는 dpf는 개개의 연속된 또는 스테이플 섬유의 데니어이다. 데니어는 선형 재료의 단위 길이당 무게이다. 이는 450m 길이에 대한 0.05g의 단위 무게의 개수이다. 이는 수치적으로 9000m 재료의 무게를 g으로 나타낸 것과 같다.) 1991년에 미국에서 판매된 대부분의 미세 데니어 섬유는 해외에서 제조되었다. 주된 시장은 의류 부분이고, 여기서 관심을 끄는 특성은 천연 섬유 보다 좋은 태를 갖고 있다는 것이다.

합성 필라멘트는 대부분 직선 형태로 방사 공정 후에 기계적으로 또는 화학적으로 토우나 섬유에 대해 크림프를 부여할 수 있다.(텍스쳐링이라 부르기도 한다)

변화될 수 있는 섬유의 다른 특성들로는 방오성, 인화성, 필링, 흡수성, 대전 방지 거동, 탄성률과 염색성을 포함한다. 섬유를 변화시키는 항목은 무궁무진하다. 사실 앞으로 섬유 회사들은 새로운 종류의 섬유를 개발하기 보다는 현재의 보편적인 섬유의 개질 개발에 더 많은 시간을 들일 것이다.

이성분 섬유는 화학적, 물리적으로 다른 또는 양자 모두 다른 2개의 고분자로 구성되어 있다. 2개의 다른 계열의 그룹이 결합될 때 이성분 제품은 바이제너릭이라 불릴 수 있다. 이성분 아크릴 섬유는 다른 한 성분 보다 열에 더 민감한 고분자를 함유하여 공정중 이 고분자가 수축하여 섬유에 크림프나 텍스쳐가 생성된다.

폴리에스테르 섬유는 한 성분의 고분자가 염료와 반응하고, 다른 성분의 고분자가 다른 종류의 염료와 반응하도록 하여 이색 섬유를 제조할 수 있다. 나일론과 폴리에스테르로부터 방사된 이성분 재료는 물리적, 화학적 성질이 매우 다른 2개의 고분자를 함유한다. 이러한 재료는 기술적으로 이성분 섬유이지만 바이오제너릭이라는 용어는 이러한 재료가 2가지 계열의 그룹의 혼합된 성질을 지닌다는 것을 의미한다.

이성분 섬유의 제조는 특별한 방사구를 사용하고 2개의 고분자 이송의 제어가 필요하다. 코어 섬유의 경우 한 성분은 압출되어 코어라고 불려지는 2번째 성분을 둘러싼 쉬스(겉섬유)를 이룬다. side-by-side 섬유는 서로 접착되는 2개의 상용성 고분자를 압출하여 제조된다. 2개의 서로 비상용성인 고분자는 함께 혼합되어 매트릭스/피브릴 섬유로 방사될 수 있고 한 성분이 다른 성분 내에 박혀있는 피브릴을 갖게 된다.

이성분 섬유는 소비자가 요구하는 성질을 갖는 섬유를 제조하도록 섬유 회사의 능력을 확장하기 위해 도입되어 왔다. 벌크 또는 로프트(loft), 태, 정전기 부착, 인화성 그리고 탄성은 2개의 고분자를 블렌딩함으로써 향상되어온 성질들이다. 매우 미세한 데니어(1.5 데니어 보다 작은) 필라멘트와 미세 섬유는 나일론(폴리아미드)과 폴리에스테르와 같은 2개의 비상용성 고분자를 압출하고 각각의 섬유를 이루도록 고분자를 기계적으로 분리하여 제조될 수 있다.

Fiber	Density [g/cm*3]	65%r.H./70℉에서 함수율
면(CO)	1.50 - 1.54	7 - 11
아마/리닌(LI)	1.43 - 1.52	8 - 10
양모(WO)	1.25(정련된 것)	9 - 11
비스코스/레이온(VI-CU)	1.52	11 - 14
아세테이트(C)	1.29 - 1.33	6 - 7
폴리에스테르(PE)	1.36 - 1.38	0.2 - 0.5
폴리에스테르-코델(PE)	1.22 - 1.24	0.2 - 0.5
폴리아미드/나일론(PA)	1.14	3.5 - 4.5
폴리아미드-퀴아나(PA)	1.03	1.5 - 2
엘라스탄(EA)	1.15 - 1.35	0.5 - 1.5
폴리아크릴(아크릴)(PC)	1.14 - 1.18	1 - 1.5
모다크릴(MA)	1.30 - 1.42	0.5 - 4
폴리프로필렌(PP)	0.90 - 0.92	0.4 - 0.5
폴리에틸렌(PL)	0.92 - 0.96	0
폴리염화비닐 PVC	1.35 - 1.42	0 - 0
비날(PVA)	1.26 - 1.31	3.5 - 5
탄소 섬유(KF)	1.5 - 1.9	?
유리 섬유(GL)	2.45 - 2.6	0
커멜(폴리아미드이미드)	1.34	2.2 - 3.4
키놀(페놀)	1.25	6
노멕스	1.38	4.5 - 5
PTO	1.7 - 1.8	14
테플론	2.1	0

* 합성 섬유의 절단 길이는 최종 용도의 섬유 길이에 의존하고, 이 길이로 천연 섬유와 혼섬된다.

* 방사 구금 직경, 방사 재료의 종류와 조성, 방사압과 이송 속도에 의존한다. 섬유의 섬도는 또한 최종 용도와 블렌딩에 의존한다.

중합도(화학적 사슬이 길이)와 분자 배향에 의존하며, 대부분 합성 섬유는 습한 조건과 같이 건조 상태에서 고강도를 갖는다.