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경량, 보온, 속건성이 높은 이너웨어, T 셔츠, 담요 등의 섬유제품을 개발하는 것을 목적으로 지금까지 산업기술센터에서 검토한 염색가능한 폴리프로필렌 섬유의 제조기술을 활용해 방적사를 제조하고, 실의 물성, 염색성 등을 조사 검토하였다. 제조한 원사는 만족할 수 있는 수준의 염색농도와 염색견뢰도를 보였고, 물에 뜨는 경량으로 속건성이 우수하고 산화발열현상도 억제된다는 것을 알았다.
1. 머리말
폴리프로필렌(PP) 섬유는 밀도가 0.91g/㎤로 섬유 중에서 가장 경량의 소재로 열전도율이 낮고 또 공정수분율이 0.0으로 극히 높은 소수성을 나타내기 때문에 경량, 보온, 속건성이 우수한 섬유소재로 기대가 크다. 그러나 PP 섬유는 일반적인 방법으로 염색할 수 없기 때문에 현재 원착에 의한 방법이 행해지고 있고, 염색견뢰도는 우수하나 Black과 Navy 등을 중심으로 소로트 다색 전개가 곤란하다. 특히 패션성이 높이 요구되는 의류분야에서는 원사와 생지의 염색으로 얻어질 수 있는 다색전개 필요성이 요구된다.
한편 PP섬유는 셀룰로오스 계 섬유와의 혼방 시 PP 섬유에 혼합된 산화방지제가 드라이클리닝이나 표백의 반복처리로 손상되고, 텀블러 건조 등에 의해 산화발열현상이 급격히 진행되어, 그 결과 셀룰로오스 계 섬유가 발화해 화재로 이어지는 사례가 1960년도부터 1970년도까지 다수 발생되어 사회문제가 된 적이 있다(1). 이후 특히 셀룰로오스 계 섬유와의 혼방품에 대해서는 제조, 판매 등이 자주 규제되어 시장에는 거의 유통되지 않고 있다.
이런 와중에 2013년 1월「일본 화학섬유협회에 있어서의 PP 산화발화문제에의 대응과 의류 및 침구 용도에의 자주 규제 개정」에서, “안전성이 확보된 PP 섬유”의 확인시험방법이 규정되었다(2). 이 시험방법은 드라이클리닝 또는 표백제를 함유한 세제로 세탁을 반복한 후 섬유를 150℃로 가열하고, 그 후 섬유의 습도변화를 평가한다는 가속시험법으로, 이 시험에서 산화발열이 확인되지 않은 섬유는 “안전성이 확보된 PP 섬유로 셀룰로오스 계 섬유와의 혼용이 자주규제 대상에서 제외되었다(단, 사용에 따라서는 드라이클리닝을 하지 말 것, 표백제를 사용하지 말 것, 기타 거래 선 등에의 주의 철저를 지시하고, 최급라벨을 첨부할 필요가 있다).
이처럼 PP 섬유를 둘러 싼 환경은 최근 크게 변화하고 있고 PP 섬유의 우수한 특성 때문에 향후 의류와 침구류 용도로의 전개보급이 크게 확대될 것으로 예상된다.
이러한 배경을 기반으로 산업기술센터에서는 어느 한 종의 중합나일론을 적절한 점도의 PP 섬유에 브랜딩 해 용융방사 함으로써, 방사성이 좋은 실을 제조할 수 있었고, 섬유는 산성염료를 사용한 일반적인 방법으로 선명색으로 염색할 수 있다는 것을 알게 되었다(3~6). 또 고분자 형의 Hindered-amine계 산화방지제(HALS)를 PP 섬유에 혼합 함으로써 산화방지제의 손상을 억제할 수 있다는 것을 확인(5), PP 섬유의 산화발열을 억제할 수 있다는 가능성도 확인하였다.
여기서 향후 당 센터에서 지금까지 검토를 거듭한 염색 가능한 PP(가염 PP)섬유의 제조기술을 이용해 선명하고 경량이면서 보온성과 속건성을 지닌 이너웨어와 T 셔츠, 담요 등의 개발을 행하는 것을 목적으로 가염 PP 방적사의 제조와 방적사의 물성, 염색성, 염색견뢰도, 속건성 및 산화발열 제어에 대해 조사 검토하였다.
2. 실험
2.1 가염 PP 방적사의 제조
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첨가비율 |
폴리프로필렌 |
94.5% |
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공중합 나일론 |
5.0% |
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산화방지제 |
0.5% |
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단사섬도 |
3.3dtex |
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권축 조건 |
regular |
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섬유 cut 조건 |
79mm |
표 제조한 가염 PP 원면
표 1에 보인바와 같은 조성으로 가염 PP 단섬유 원면을 제조하고, 단사번수 24번수의 방적사를 20kg 제조하였다. 염착성분인 공중합 나일론은 PP에 5% 비율로 혼련하였다. 여기서 사용한 산화방지제는 지금까지 검토해 왔던 드라이클리닝을 반복행한 후에도 적외선 분광분석(IR) 및 인장강도의 결과로부터 산화방지제의 손상이 일어나지 않는다는 것을 확인한 고분자형 Hindered-amine계 산화방지제이다.(5).
2.2 원사의 물성
인장강도 및 신율은 JIS L 1096에 의해 평가하고(n=20), 밀도는 JIS L 1013에 준해 에탄올로 탈유 후 밀도구배관법(물-에탄올 계)에 의해 측정하였다(n=3).
2.3 염색
환편시험기(직경 3.5인치, 20 게이지)로 니트직물을 제조하였다. 정련 후 밀링타입 산성염료를 사용해 염색하고 수세를 행하였다. 그 후 염료농도 5%o.w.f.로 염색한 샘플을 고착처리 하였다. Scarlet FGW염료에 대해서는, 염액 pH를 3으로 낮춘 조건에서도 염색하였다. 다음의 처리조건, 그림 1에는 염색시간 등의 조건을 나타내었다.
●정련조건
정련제 : 센카놀 GL-100(센카, 주) 2g/L
알칼리 : 탄산소다 2g/L
온도, 시간 : 80℃, 30분
●사용염료
Kayanol Milling형 산성염료 3원색(日本化藥,주)
Yellow 5GW
Scalret FGW, RedBW
Blue 2RW, Blue BW
●염색조건
염료농도 : 0.1, 0.25, 0.5% o.w.f.
욕비 : 1 대 50
균염제 : 미그레가놀 N-48(센카, 주) 2g/L
염욕 : pH 4.0(초산 30g/L, 초산암모늄 10g/L)
or pH 3.1(초산 30g/L, 초산암모늄 1g/L)
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그림 1 염색조건(온도, 시간)
●Soaping 조건
세정제 : 센카놀 CW(센카, 주) 2g/L
온도, 시간 : 80℃, 30분
●Fix 처리 조건
Fix 제 : 나일론필스 501(센카, 주) 2%o.w.f.
온도, 시간 : 80℃, 30분
2.4 측색
코니카미놀타(주)의 분광측색기 CM-3600d를 사용해 JIS X 8722:2009에 준해 측정하였다. 최대 흡수파장에 있어서의 염색농도(K/S)로 색농도를 평가하였고, 채색은 JIS Z 8729:2004에 준해 색상과 채도(L*a*b*)로 표시하였다.
2.5 염색견뢰도
다음 항목의 견뢰도를 평가하였다. 첨부백포는 면 및 나일론은 사용하였다.
●내광견뢰도 JIS L 0842:2005 제3로광법(3급)
●세탁견뢰도 JIS L 0844:2005 A-2
●물 견뢰도 JIS L 0846:2004
●땀 견뢰도 JIS L 0848:2004 산, 알칼리
●마찰 견뢰도 JIS L 0849:2004 Ⅱ형, 건, 습
●내광 견뢰도 JIS L 0888:2005 B 법 산, 알칼리
●염소처리 물 견뢰도 JIS L 0884:2005 A 법
2,6 속건성
Tubular knit시험기에서 제조한 편직물을 이용해 JIS L 1096에 준해 20℃, 65RH 조건하에서 건조성을 평가하였다. 생지를 충분히 흡수시킨 후 일정 조건에서 탈수처리를 행해 평가하였다.
2.7 산화발열시험
가염 PP 방적사 및 표 1에 있어서의 산화방지제를 첨가하지 않고 제조한 멀티필라멘트(100dtex/24f)로부터 각각 시료를 제조하고, 日本화학협회가 규정한「폴리플로필렌 섬유의 산화발열시험방법(가속법)」(2)을 행하였다. 섬유의 전처리는 수세처리 및 드라이클리닝처리(퍼 클로로 에틸렌 용액)를 행하였다. 전처리 한 생지를 여려겹 겹쳐서 150℃로 설정된 항온건조기에 넣은 후 시간경과에 대한 섬유의 온도를 평가하였다.
수세 처리 : JIS L 103법 10회 후 텀블러 건조(60℃, 30분)를 10회 반복하였다. 사용세제 아타쿠, 표백제 하이타(2.3ml), 모두 花王(주)
드라이클리닝 처리 : JIS L 1096 J-1 법 후 텀플러 건조(60℃, 30분)을 10회 반복하였다.
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그림 2 가염 PP 방적사
3. 결과 및 고찰
3.1 가염 PP 단섬유 원면 및 방적사의 제조
제조한 방적사의 외관은 그림 2와 같다. 방적공정에 있어서의 정전기 발생이 확인되었기 때문에 정전방지제를 부여한 이 외에는 큰 트러블이 없는 실을 제조할 수 있었다. PP 섬유는 수분율이 0이기 때문에 정전기가 특히 발생하기 쉬워 그 대책이 필요하다.
3.2 가염 PP 방적사의 특성
표 2는 제조된 가염 PP 방적사(24/-), 비교군으로 폴리에스터 방적사(20/-), 면(20/-), TC(폴리에스터 70, 면 30, 20/-)의 인장강도 및 신율을 나타낸 것이다. 가염 PP 방적사의 강도는 이보다 태 번수인 면 및 TC에 비해 커서 실용상 문제가 없는 강도를 갖고 있으나, 변동계수가 큰 균제도가 나쁜 실이었다. 이는 이 등급 번수의 방적사로서는 사용하고 있는 단섬유의 섬유가 3.3 dtex로 상당히 굵고, 일반적인 방적사의 섬유구성본수에 비해 1/2~2/3 정도의 섬유가 함유되어 있지 않다는 것, 또 섬유 장이 79mm로 비교적 길다는 것 등에 기인하기 때문으로 생각된다. 향후 고강도로 균제도가 높은 가염 PP 방적사를 얻기 위해 적어도 2.0 dtex 등급의 가염 PP 원면 제조가 필요할 것으로 생각된다.
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인장 파단강도 |
인장 파단신도 |
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강도(N) |
변동계수(%) |
신도(%) |
변동계수(%) |
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가염 PP 방적사 24/- |
5.0 |
14.1 |
23.7 |
11.4 |
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비교대조군 |
면 20/- |
4.7 |
5.6 |
6.6 |
6.7 |
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PET span 20/- |
11.3 |
5.9 |
12.1 |
4.0 |
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T/C(70/30) 20/- |
3.4 |
7.6 |
11.1 |
6.9 |
표 2 인장강도 및 신율
가염 PP 방적사의 밀도는 0.92g/㎤로, PP 섬유의 자체의 밀도 0.91g/㎤보다 크게 변화가 없어 우수한 경량성을 나타낸다는 것을 알았다. 이것은 나일론이 밀도가 낮은 가벼운 재료 중 하나(밀도 1.14g/㎤)이로 또 첨가량도 5%로 낮게 억제했기 때문이다.
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표 3 염색된 가염 PP 생지의 측색결과
3.3 염색성
표 3은 염색샘플의 측색결과를 나타낸 것이다. 염색한 가염 PP 섬유의 색농도는 동 조건에서 염색한 나일론 염색샘플과 비교하면 담색인데도 거의 만족할 수 있는 색농도로 염색할 수 있었다. 또 가염 PP 섬유의 색상은 나일론 색상과 약간 달랐다. 조색을 행하기에는 가염 PP 섬유 독자의 염색 기초 데이터의 축적이 필요하다.
염료의 흡진성에 관해서는, 이번에 비교적 낮은 염료농도로 염색을 행했음에도 불구하고 모든 조건에 있어서 염색 잔액이 확인되었다. 사용한 공중합 나일론은 나일론 6에 비해 염료흡진율이 높아 농색으로 염색할 수 있으나(3), 공중합 나일론은 섬유 중에 5%만 첨가되어 있기 때문에 실제 염료농도는 염색가능한 수지(공중합 나일론)에 대해 매우 고농도이다. 이 염색조건에 있어서의 염료의 흡진은 거의 포화되어 있다.
염료의 흡진율을 올리기 위해 Scarlet FGW 염료에 대해 염액의 pH를 3.1로 낮추어 염색을 행한 결과 pH 4.0에 비해 비교적 농색으로 염색되었다. 나일론 염색에 있어서 염액의 pH를 낮추면 농색으로 염색되는 것으로 알려져 있으나, 산성염료는 염료의 흡진성이 우수하기 때문에 pH를 필요 이상으로 낮추지 않아도 실용상 만족할 수 있는 색농도로 염색할 수 있어, pH 4 이하에서의 염색은 거의 행하지 않고 있다. 가염 PP 섬유의 염색에 있어서는 염색 pH를 낮게 설정한다는 것으로, 산을 추가하는 등의 방법으로 염료의 흡진율을 올려 농색화하는 방법이 유효하다.
3.4 염색견뢰도
염료농도 0.5% o.w.f로 염색한 샘플의 염색견뢰도를 평가하였다. 그 결과는 표 4, 5와 같다.
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표 4 염색된 가염 PP 섬유의 염색견뢰도(Ⅰ) 표 5 염색된 가염 PP 섬유의 염색견뢰도(Ⅱ)
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그림 3 속건성 시험결과
밀링형 산성염료의 3원색 중 Yellow 5GW, Scarlet FGW(pH 3.1 포함), Blue BW, Blue 2RW에 대해서는 실제로 문제가 없는 견뢰도를 나타냈으나, Red BW에 관해서는 일광견뢰도가 3급 미만으로 나빴다. 향후 자외선 흡수제의 처방 등의 검토가 필요할 것으로 생각된다.
3.5 속건성
그림 3은 가염 PP 방적사, 폴리에스터 방적사, 및 TC로 제작한 3종류 생지의 건소성 시험결과를 나타낸 것이다. 가염 PP 방적사로 제조한 생지는 폴리에스터 생지에 비해 약 1/2, TC 생지에 비해 약 1/4의 시간으로 흡수전의 초기 중량에 도달하고 있어 속건성이 매우 높다는 것을 알 수 있었다.
3.6 산화발열
산화발열 시험결과는 표 6과 같다. 산화방지제 미첨가 섬유(전처리 : 드라이 처리)는 8.5 시간 후에 자기발열현상이 확인되어, 섬유 온도는 165℃까지 상승하였다. 시험 후의 샘플은 다갈색으로 변색하였다. 한편 산화방지제를 첨가한 섬유는 자기발열이 확인되지 않았다.
표 1의 폴리프로필렌 수지에는 이미 범용의 산화방지제가 첨가되어 있다. 그러나 이 산화방지제는 수세(표백 포함), 드라이클리닝 처리 등의 전처리에서 손상을 받아 산화발열한다. 한편 본 검토에서 첨가한 고분자형 Hindered-amine계 산화방지제는 지금까지의 검토에서 예상되는 바와 같이(5) 손상을 받지 않아 산화발열현상이 일어나지 않는다. 시작품 섬유는 “안전성이 확보된 폴리프로필렌 섬유”라는 것을 알았다 이로서 셀룰로오스 계 섬유와의 혼방이 가능하게 되어 PP 섬유와 셀룰로오스 계 섬유의 특징을 살린 흡한, 확산, 증발을 이용한 흡한속건 등의 기능성 섬유의 응용도 가능할 것으로 기대된다.
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산화발열시험 |
자기발열개시까지의 시간(H) |
자기발열 개시 후 최고온도에 도달할 때까지의 시간(H) |
최고온도(℃) |
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가염 PP
산화방지제 첨가 |
수세 후 |
100시간까지 발열 없음 |
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드라이 후 |
100시간까지 발열 없음 |
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가염 PP
산화방지제 미 첨가 |
수세 후 |
51 |
1.2 |
155 |
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드라이 후 |
8.5 |
3.1 |
165 |
표 6 산화발열시험 결과
4. 결론
당 센터의 원천기술인 가염 PP 섬유의 제조기술을 이용해 경량, 보온, 속건 이너웨어 등의 개발을 목표로 조사검토를 행하였다. 제조된 방적사는 거의 만족할 수 있는 수준의 색 농도와 염색견뢰도를 나타내고 있고 물에 뜨고 가벼우며 속건성이 우수한 소재라는 것을 알았다. 또 고분자 형 Hindered-amine계 산화방지제가 산화발열 억제에 효과가 있다는 것도 알았다. 향후에는 보온성과 볼륨감 및 흡한속건성과 방오성 등의 평가검토를 행해 이너웨어와 담요 등의 제품화를 목표로 할 예정이다.
참고문헌
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출처 : 朴 浩司, 奥村和之/ 岐阜県산업기술센터 연구보고 N. 7(2013)
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