바이메탈 복합섬유

바이메탈 복합섬유

1. 서론

장섬유(필라멘트)나 단섬유(스테이플)사에 양모와 같은 권축(크림프)을 가해 신축성이나 벌키성을 부여하기 위하여 그림 1과 같은 다양한 가공법이 공업화되고 있다.

<벌키가공사 및 제법>

회전성 ⼘ 가연(twist)-열고정-해연법

⼘ 가연법(false twist)

비회전성 ⼘ 스터핑(stuffing)

⼘ 찰과법(edge crimpping)

⼘ 부형법

⼘ 복합권축법

그림1. 가공사의 가공법분류

이러한 방법은, 기본적으로는 섬유에 물리적방법에 의해서 권축크림프를 부여하고, 이 크림프를 적당한 방법으로 고정함으로서 권축을 부여하는 방법으로서 가공방법에 그 특징을 가지는 제조기술이다. 한편, 복합권축법은 단섬유내에서 2종류의 폴리머를 병열(바이메탈)형으로 복합하여 권축발현능을 부여하는 방법으로서 섬유자신의 특징을 가지는 제조기술이다. 본 항에서는 바이메탈복합섬유를 중심으로 한 복합권축사에 대해서 살펴보고자 한다.

2. 복합섬유의 역사, 분류

1936년, Carothers(Du pont)에 의해서 나일론 6이 발견된 이래, 약 60년이 지났으며, 그 사이 합성섬유는 공업적으로 대성공을 이루어 오늘에 이르렀다.

이러한 약 60년의 합성섬유 역사가운데, 오늘날 범용기술로서 활용이 되고 있는 복합방사기술은 약 50년의 역사가 있으며, Sisson등에 의해서 1940년대에 제안되었다¹⁾.

즉, 합성섬유의 발견으로부터 불과 10년 후부터 복합방사기술이 검토되기 시작하였던 것이다. 바이메탈복합으로 대표되는 복합권축사는 양모의 권축형태를 실현하는 것을 목표로 개발되어 왔다. 즉, 양모의 입체적인 나선코일형 권축이 Ortho-cortex와 Para-cortex의 바이메탈 구조에 의한 발현임이 해명된 것이 계기가 되어 바이메탈상으로 복합한 합성섬유의 연구가 시작되었다고 알려져 있다²⁾. 그리고 합성섬유의 복합방사를 적극적으로 연구 개발한 Du Pont에 의해서 1959년 아크릴계복합섬유 "Orlon Saylle"이, 또한 1963년 나일론복합섬유 "Cantrece"이 상업생산되고, 이후 세계의 합섬메이커들에서 연구가 진행되어 현재에 이르고 있다.

복합섬유는 폴리머 종류, 단면형태, 목적·기능 등에 의해서 분류된다. 그림 2에 단면형태에 의한 분류를 나타내었다³⁾. 복합방사기술은 초극세섬유의 제조, 이형단면화, 기능성부여 등 다양한 목적·용도에 따라서 복합형태를 변화시켜 오늘날 각 제조회사에서 공업화되고 있으며, 이러한 복합방사기술은 스킨코어복합, 병렬복합(바이메탈)이라고 하는 단순한 복합형태를 실현하기 위한 다양한 검토가 행해진 기술의 축적에 의해 성립되었다.

<그림 2> 복합섬유의 횡단면에 의한 분류

3. 복합형태와 특징

섬유에 권축발현능을 부여하기 위한 복합형태로서는, 바이메탈복합형 및 스킨코어(skin-core)형이 현재 공업화되어 있으며, 표 1에 각각의 특징을 나타내었다. 이들 은 복합형태에 있어서 수축률이 다른 2성분의 폴리머를 바이메탈형 혹은 스킨코어형으로 복합화한 후, 가열이나 팽윤에 의해서 수축시킨 것도 있다. (그림3에 바이메탈복합섬유 단면사진, 그림4에 그 권축형태를 나타내었다.)

표 1. 자기권축발현형 복합섬유의 기본구조와 특징


	바이메탈섬유	치우친 스킨코어 복합
단면모형도	◑	○
권축발현	·권축발현에는 이상적인 형태 ·복합비율을 변경함으로서 권 축율의 제어용이	·바이메탈복합과 동일한 권축성을 얻기 위해서는 보다 큰 수축차 부여가 필요
복합면의 박리성	·폴리머의 조합에 의한 것은 박리되기 쉬움을 고려할 필요가 있다.	·박리문제는 비교적 완화됨
복합형태의 안정성	·스킨코어형 복합 보다는 안정	·코어성분 위치를 안정화하는 것이 어렵다.
방사구 형태	·비교적 단순	·상당히 복잡

<그림 3> 바이메탈 복합섬유 단면사진

<그림 4> 바이메탈 복합섬유의 입체권축

복합권축사의 물성이나 권축발현능은, 섬유를 구성하는 2성분의 폴리머 물성 뿐 아니라, 복합형태, 복합비율, 권축발현시의 처리조건에 따라 큰 차이를 보이며, 목적·용도에 따라 조합한 폴리머성분의 종류나 복합비율 등을 변화시킴으로서 제어가 가능하다.

복합형태와 권축발현에 대해서는 일반적으로 동일 폴리머성분, 동일 복합비율에서는 스킨코어형 복합보다 바이메탈복합의 경우가 많으며, 복합비율이 1에 가까운 것이 많다, 또한 동일 폴리머성분, 동일 복합비율의 바이메탈 복합섬유인 경우에는 복합계면이 섬유단면에 대해서 직선적으로 되어 있는 경우가 만곡하고 있는 것보다 많다. 이 관계를 모식적으로 나타낸 것이 그림 5이다⁵⁾. 여기에서는 권축반경비가 적을수록 권축발현능이 크다는 것을 의미하고 있다.

<그림 5> 복합상태와 권축발현능

4. 사굽힘현상과 방지기술

바이메탈복합섬유는 수축률이 다른 2성분의 폴리머를 접합하는 방법이 일반적이나, 특히 폴리에스테르섬유에 있어서는 중합도(즉, 점도)가 다른 2성분의 폴리머를 접합하는 방법이 일반적으로 이용되고 있다.³⁾점도가 다른 2성분의 폴리머를 동일한 원형 관내에 병렬하여 흐르게 하면, 유동저항성의 차이에 의해서 유속차가 생기고, 고점도폴리머가 저점도폴리머에 비해 느리게 된다. 이와 같은 유속차에 의한 토출공으로부터의 토출시, 유속이 느린 쪽 즉, 고점도폴리머측으로 실이 굽어지는 현상이 발생한다. 이러한 사굽힘이 크게 되면, 드립(drip)의 원인이 되고 방사성의 저하를 초래함과 동시에 사결점을 유발할 수 있다.

사굽힘을 방지하는 방법으로는 사용되는 2성분 폴리머의 용융 점도차를 없게 하거나 폴리머의 개량도 생각해 볼 수 있으나, 여기에서는 구금 구조를 중심으로 한 여러 가지 검토에 대해서 소개한다.

(1) 폴리머 합류방법

사굽힘은 앞에서 서술한 바와 같이 점도가 다른 폴리머가 원형 관내를 흐를 때, 유속차가 생기는 것에 의해서 발생한다. 이러한 사굽힘을 개선하는 방법으로서 유속차의 발생을 극력 억제하기 위한 폴리머의 합류방법에 대해서 여러 가지 검토가 이루어지고 있다. 기본적으로는 유속차가 발생되지 않게 하기 위해 합류에서 토출까지의 사이에 복합 상태에서의 유로를 최대한 짧게 한다고 하는 방법이 검토가 되고 있으며, 그 대표적인 예를 표 2에 정리하였다.

<표 2> 바이메탈 복합의 합류방법


합류모델	개요	실례
	토출공의 도중에서 2성분을 주입하는 방법	실공 소41-12724(도레이) 특개 소56-148918(제인) 등
	토출공에 대해 평행류로서 공급한다. 합류부에 완충부를 설계하는 등의 연구가 되고 있다.	특공 소41-16124(三菱) 특공 소43-30008(Du Pont) 등
	토출직후에 구금 외에서 접촉 또는 융착에 의해 복합한다.	실공 소42-19536(동양방) 특개 소58-163715(제인) 등

(2) 구금 구조

구금 구조에 대한 검토에서 고려되는 방법은 크게 2가지가 있다. 그 하나는 사굽힙이 발생하여도 드립이 생기지 않도록 하는 방법이며, 다른 하나는 사굽힘 자체를 억제하는 방법이다.

전자의 예로서는 토출공을 구금면에 대해 각도를 부여함으로서 사굽힘이 상쇄되도록 하는 방법이나, 토출공을 구금면보다 더 돌출시켜서 드립을 방지하는 방법, 실이 굽어지는 방향으로부터 기체를 불어넣어 굽힘을 교정하는 방법 등을 들 수 있다.

또한, 후자의 예로서는 토출면에 단차를 부여하여 고점도성분을 저점도성분보다도 먼저 토출시킴으로서 사굽힘을 방지하는 방법, 토출공으로부터 침상물을 튀어나가게 하는 방법 등이 있다. 대표적인 예를 표 3에 정리하였다.

5. 바이메탈 복합섬유의 용도

바이메탈 복합섬유는 현재, 여러 가지 소재로 확대 전개되고 있고, 그 대표적인 용도를 몇 가지 소개한다.

< 표 3> 바이메탈 복합의 구금 구조


구금구조모델	개요	실례
	토출공을 인출방향에 대해서 각도를 갖게 하여 사굽힘을 상쇄시킨다.	B.P. 965.729 (Visco.Swiss) 등
	토출공을 돌출시켜 드립을 방지한다.	특공 소42-2006(종방) 등
	굽힘방향으로부터 기체를 불어넣어 굽힘을 교정한다.	특개 소41-17927(제인) 등
	토출면에 단차를 부여하여 굽힘을 교정한다.	특공 소43-15572(I.C.I) 등
	토출공으로부터 침상물을 날려보내는 구금을 이용한다.	특개 소63-275707(제인) 등

(1) 아크릴계

아크릴계는 입체권축에 의한 벌키성을 활용하여 스웨터 등의 니트류나 카핏 용도를 중심으로 널리 전개되고 있다.

(2) 나일론계

나일론계에서는 1965년에 도레이"타피론", 종방"N-22"가 생산화되었다. 이들은 호모폴리아미드와 코폴리아미드의 바이메탈 복합섬유이고, 신축성을 활용하여 스토킹용도에 널리 전개되고 있다. 바이메탈복합섬유는 가연가공사와 비교하여 투명감, 광택감이 우수하여 고급품으로서 사용되고 있다. 그러나 현재는 고급 스토킹 용도에 그 후에 전개된 폴리우레탄과 폴리아미드를 스킨코어형으로 복합한 권축발현사가 주류가 되고 있다. 또한, 스토킹 용도 이외에서는 거의 실용화되고 있지 않고 있다.

(3) 폴리에스테르계

폴리에스테르계는 스테이플과 필라멘트로서 널리 전개되고 있다. 스테이플에서는 벌키성을 활용하여 후지면에 전개가 진행되고 있고, 또한 최근에는 신축성을 활용한 부직포용도로 전개되고 있다.

한편, 필라멘트분야에서는 가연가공사가 주류이나. 가연가공사에서는 가공시의 단면변형에 의해서 광택감, 투명감이 저하한다. 그러므로 가연가공사에서는 얻을 수 없는 샤리감이나, 광택감을 활용한 고급 편물에 전개되고 있다. (도레이 "스빌") 그러나 최근, 의류용에서는 적당한 스트레치성 부여에 의한 쾌적성이 중요시 되고있고, 이에 수반하여 직물분야에서도 바이메탈복합섬유의 활용이 기대됨에 따라 (도레이"마로", 유니티카 "Z-10" 등) 금후에 전개되어갈 것으로 예상된다.

또한, 신축성이외의 특징을 발현시킨 것으로 벨빗(velvet)조의 심색성을 얻기 위한 바이메탈복합섭유를 이형화한 구라레 "데홀", 드라이터치를 얻기 위해 이형화한 旭化成 "혼다나 μ"등이 개발되고 있다.

6. 마치며

복합섬유는 여러 가지 목적·용도에 맞추어 다양하게 공업화되고 있고, 금후도 발전을 계속하여 갈 것이다. 바이메탈복합섬유는 벌키성, 신축성을 특징으로 발전하여 왔으며, 새로운 기능, 가치를 상상함으로서 금후도 발전하여 갈 것으로 기대된다.

참고문헌

1) U.S.P.2,386,173, 동 2,439,813,동 2,439,815 등

2) 섬유의 형성과 구조의 발현(Ⅲ),화학동인,P41(1971)

3) 松井, 섬기지, 34,P321(1981)

4) F.Fourne, Chemiefasern, 18, 353(1968)

5) 최신의 방사기술, 고분자간행회,P132(1992)