|
기상처리에 의한 아라미드 섬유의 고기능화와 응용
아라미드 섬유는 고강도, 고내열성 등이 우수한 특징을 갖는 반면 기능가공제와의 밀착성이 낮기 때문에 후가공에 의한 기능성 및 내구성을 부여하기 어려운 것이 실용화 면에서 과제가 되고 있다. 본 연구에서는 아라미드섬유에 기능성과 내구성을 부여할 목적으로, 활성가스(불소가스와 이산화황가스)를 각각 처리할 경우 세탁 내구성을 평가하였다. 그 결과 아라미드 섬유에의 기상처리로 기능가공제의 밀착성이 증대하기 때문에 기상처리를 행하지 않은 시료에 비해 반복 세탁에도 기능성 저하가 억제되었다. 기상처리 후에 기능 가공한 아라미드 섬유를 사용해 발수성을 갖는 장갑과 소방복, 대전 방지성을 갖는 작업복, 방오성을 갖는 구드를 제작하였다.
1. 머리말
최근 섬유업계에 있어서 범용합성섬유의 국내 수요가 감소, 비의류 분야의 상품개발이 가속되고 있는 가운데, 고강도 섬유의 하나인 아라미드 섬유가 주목을 받고 있다. 아라미드 섬유는 범용 섬유에 비해 기계적 강도와 내열성, 내약품성 등이 우수하고, 그 특성을 살린 특수용도(산업 자재와 방호복 등)을 중심으로 보급되고 있다. 향후 이 섬유의 용도를 기존의 특수 분야 이 외에도 수요를 넓힘은 물론 어떻게 하면 부가가치를 높일 것인가가 과제라고 생각한다. 그러나 아라미드 섬유는 표면구조가 강고해 치밀하기 때문에 후가공에 의한 기능가공제의 밀착성이 낮고, 기능가공을 했다 해도 내구성이 낮다고 하는 것이 숙제로 남아 있다(1). 따라서 지금까지 기능성을 아라미드 섬유에 부여하기 위한 다양한 방법이 시도되어 왔으나 실용화된 사례는 보이지 않는다.
그 해결방법 중 하나로, 아라미드 섬유의 표면개질을 위해 활성가스(불소가스, 이산화황가스)를 이용한 기상처리 방법을 시도하였다. 그 결과 활성가스의 작용에 의해 아라미드 섬유 표면이 화학적으로 개질되어 기능가공제의 내구성은 향상하는 반면, 섬유의 물성과 표면형태에는 영향을 미치지 않는 것을 확인하였다(2). 본 연구에서는 아라미드 섬유의 기상처리 조건과 처리효과의 상관성, 아라미드 섬유에 기능가공을 행할 경우의 가공제의 내구성에 대해 평가하고, 구체적인 기능성 아라미드 제품에의 응용전개 가능성에 대해 검토하였다.
2. 실험방법
2.1 시료
본 연구에서는 파라계 아라미드 섬유의 평직물 및 횡편니트(모두 폭 1m, 길이 10m)를 사용하였다.
2.2 기상처리
시료를 넣은 밀폐 조에 질소가스로 희석한 활성가스(불소가스, 이산화황 = 3:5)를 충진하고 기상처리를 행하였다. 처리 속도(시료의 되감기 속도)는 5 수준(v1, v2, v4, v6, v8), 처리시간은 4 수준(t1, t2.5, t5, t10)으로 설정하였다. 여기서 v와 t 뒤에 붙이는 숫자는 상대 비를 나타낸다. 기상처리 후, 조 내를 산소와 질소혼합가스로 치환, 시료를 알칼리 액으로 세정하고 수세 후 건조하였다.
2.3 기능가공
2.2절에서 기상 처리한 아라미드 섬유를 각종 가공제 액에 침적한 후 heat setter에 의해 pad cure가공을 행하였다. 가공 온도는 180℃, 가공시간은 2분으로 하였다. 가공제는 하기(1)~(4)의 약제를 5% 수용액으로 조정해 사용하였다. 단 후수하는 3.1절에서 행한 발수시험 만 발수제를 0.5%액으로 하였다.
(1) 발수제(明成화학공업(주) 아사히가드 AG-E082)
(2) 대전방지제(日油(주) Lipidure-CF72)
(3) 방오제(北廣케미칼(주) TF-3800)
(4) 항균제(五大화성(주) 뉴멀티파워)
2.4 세탁시험
반복 세탁시험에 의해 기능가공제의 내구성을 평가하기 위해 JIS L0217 103법으로 세탁(40℃×5분)→헹굼(2분)→탈수(1분)의 공정을 최대 50회 반복하였다. 시험기는 전자동 반복세탁기(辻井(쯔지이)염기공업(주) SAD-135E)를 이용하였다. 세제는 가정용 합성세제(花王 아테꾸)를 사용, 3.3절의 항균가공제품의 경우만 JAFET 표준세제를 사용하였다. 이어 기상처리 후에 기능 가공한 시료(C) 외에 비교용으로 미처리 시료(A)와 기상처리를 하지 않고 2.3 절의 가공을 행한 시료 (B)에 대해서도 세탁시험을 행하였다. 또 세탁 후의 시료표면은 디지털 마이크로스코프(키-엔스(주) VHX-900)으로 관찰하였다.
2.5 기능성 평가
발수성 시험은 JIS L1092 6.2에 준거, spray 후 시료 표면에서의 수적의 잔류상태로 발수도(급)을 구하였다. 또 시험 후 시료의 함수율(%)를 측정, 아래의 식으로 발수율을 도입. 발수성의 정량적 지표로 하였다.
발수율(%) = 100-함수율
대전방지시험은 JIS L1094(반감기법)에 근거, 20℃×40%RH 환경 하에서 Starics Honestmeter(시시드 정전기(주) H-0110)을 사용해 10k 인가 후 포화대전압(kV)와 반감기(s)를 측정하였다.
방오시험은 보켄(boken)(JSIF A 001)(3)을 참고로, 오염액(먹물)에 침적한 시료를 실온에서 약 24시간 건조한 후 JIS L0217 103법에 준해 세정하였다. 오염 전후에 있어서의 색차(ΔE *뮤)를 고속분광광도계(맥배스 MS-2020PL)로 측정하고 오염도의 기준으로 하였다.
항균성 시험은 JIS L1902(균액 흡수법 : 황색 포도상 구균 사용)으로 실시하고, 정균 활성값과 살균 활성값(모두 값이 클수록 항균성이 높음)을 구하였다.
3. 결과와 고찰
3.1 기상처리 조건의 검토
기상처리속도가 다른 아라미드 섬유시료C(v1~v8) 및 B에 대해 발수가공 후의 발수율과 세탁회수와의 관계는 그림 1과 같다. 여기서 C는 모두 B보다 세탁 내구성이 높고, 그 중에서 처리속도가 가장 낮은 C(v1)이 가장 높은 내구성을 나타내었다. 이어 시료를 정치시킨 상태에서(처리시간 v0), 처리시간만을 변화시킨 결과는 그림 2와 같다. 처리시간 t2.5, t5, t10은 모두 B보다 세탁내구성이 높으나, 각각의 값은 거의 차이가 없었다. 따라서 아라미드 섬유에 기상처리를 행할 경우 처리속도가 늦고, 또한 처리시간이 t2.5 이상의 조건에서 가장 효율적인 것으로 생각된다. 이 결과를 토대로 3.2절 이후에서의 기능가공(발수, 대전방지, 방오, 항균)에서는 기상처리를 처리속도 v1, 처리시간 t5 조건에서 행하게 되었다.
그림 1 기상처리 속도와 발수성
 
그림 2 기상처리 시간과 발수성
3.2 발수성 평가
동일 조건에서 발수 가공한 아라미드 니트 B, C의 내구성 시험결과는 그림 3과 같다. B는 세탁회수와 함께 발수성이 서서히 감소하고, 발수도는 초기 4급에서부터 50회 세탁 후에 2급으로 떨어졌다. 이에 대해 C에서는 세탁에 의해 발수율 감소는 근소하고, 세탁 50회 후에도 4급을 유지하였다. 또 세탁 후의 표면 상태를 비교하면 그림 4에서와 같이 B에서는 전체적으로 모우발생이 많은 것에 반해 C에서는 거의 모우가 확인되지 않았다.
아라미드 섬유에 대해 동일한 시험을 행한 결과는 그림 5와 같다. 여기서 B는 세탁과 함께 발수성이 거의 직선적으로 감소하고, 발수도도 초기 5급에서부터 50회에 1급까지 저하하였다. 한편 C는 세탁 10회까지는 발수율이 초기에 가까운 값을 나타낸 반면 20회 이후에는 점차 감소, 발수도는 초기 5급에서 마지막 2급까지 떨어졌다. 그림 6의 표면 상태는 그림 4와 마찬가지로 B에 비해 C 쪽이 모우발생이 어려운 경향을 나타내고 있다. 이러한 결과는 기상 처리한 아라미드 섬유와 발수제와의 밀착성이 증대한데 그 원인이 있는 것으로 생각된다.
.jpg)
그림 3 발수가공 아라미드 니트의 세탁내구성
.jpg)
그림 5 발수가공 아라미드직물의 세탁내구성
그림 4 발수가공 아라미드 니트
(세탁 50회 후)의 표면상태
그림 6 발수가공 아라미드 직물
(세탁50회 후)의 표면상태
한편 직물보다 니트 쪽이 발수내구성이 높은 이유는, 실이 루프상으로 편직되어 기복이 풍부한 니트 쪽이, 직선성의 실이 격자 상으로 조직된 평판한 직물보다 비표면적이 넓어, 기상처리 효과도 크기 때문으로 관찰되었다.
3.3 대전방지성, 방오성, 항균성의 평가
기능가공(대전방지가공, 방오가공, 항균가공)을 각기 실시한 아라미드 섬유의 내구성 시험 결과는 각각 그림 7~9에 있다. 여기서 각 그래프종축의 물성값은 모두 B에 비해 C쪽이 세탁내구성이 우수하다. 이 또한 3.2절의 발수가공과 같이 기상처리에 의한 효과가 아라미드 섬유와 기능가공제와의 밀착성 향상에 기여하기 때문으로 추정된다.
그림 7 대전방지가공 아라미드 니트의 세탁내구성
그림 8 방오가공 아라미드니트의 세탁내구성
그림 10 시험제작 제품 예
3.4 섬유제품에의 응용
기존의 아라미드 섬유제품은 소방복 등의 일부 제품을 제외하고는 기능 가공된 제품은 존재하지 않았으나, 이번에 기상처리 후에 기능 가공한 아라미드 섬유를 이용해 그림 10에서처럼 4종류의 기능성 섬유제품(장갑, 소방복, 작업복, 구두)를 제작하였다. 장갑과 소방복은 각기 발수 가공한 아라미드 니트와 아라미드 직물을 사용하였고, 예를 들면 소방 활동과 수해복구 시 등에 내구성을 발휘함으로써 젖음에 따른 작업성 저해나 착용 시의 불쾌감을 억제할 수 있음을 기대할 수 있다. 작업복은 대전방지 가공한 아라미드 직물을 사용하였기 때문에 공장 내 등에서의 정전기 트러블을 방지한다. 구두는 방오가공 아라미드 니트를 이용해, 안전화로서의 용도가 기대된다. 이들 모두 기존의 아라미드 제품에 비해 내구성이 우수하고 기능성 저하가 거의 없는 것이 최대의 장점이 된다.
4. 결론
본 연구에서 얻어진 성과는 다음과 같다
(1) 아라미드 섬유의 기상처리는 처리 속도가 늦고 처리시간이 일정 이상의 조건에서 기능 가공제(발수제)와의 밀착성이 최대로 높아단다는 것을 알았다.
(2) 이 아라미드 섬유에의 기상처리효과로 발수가공, 대전방지가공, 방오가공, 항균가공 모두 기상처리하지 않은 경우에 비해 내구성이 향상되었다. 향후 관련기업과의 제휴를 통해 기상처리 아라미드 섬유를 이용한 기능성 제품의 용도확대에 기여해 나갈 예정이다.
石川(이시까와)縣공업시험장 섬유 생활부 守田啓輔 외 1인/2010년 연구보고서
|
