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문제 정의
- 니들 펀치 부직포의 강도는 섬유의 두께나 균제도, 섬유 웹의 배열과 무게, 밀도를 비롯하여 니들의 수, 펀치수 등 여러 공정 요인에 영향을 받는데 본 연구에서는 공정 조건을 동일하게 제어 하였으므로 섬유의 혼용율에 따라 섬유의 특성의 차이가 나타난 것을 검토할 수 있다.
- 니들 펀치 부직포의 특성은 섬유의 종류와 섬유의 굵기 뿐 아니라 섬유 웹의 배열과 무게, 밀도를 비롯하여 니들의 수, 펀치수 등 여러 공정 요인에 영향을 받는데 본 연구에서는 공정 조건을 동일하게 제어 하였고 동일한 폴리에스테르 섬유에 어저귀나 칡 섬유를 혼방하였으므로 혼용율에 따라 부직포 특성의 차이를 검토할 수 있었다.
- 본 연구는 부직포나 섬유강화 복합재료의 보강재 등에 주로 사용되는 합성섬유를 대체할 목적으로 식물성 섬유 중 어저귀와 칡섬유를 물을 이용해서 레팅한 후 섬유화하였다. 어저귀, 칡섬유 다발을 비셀룰로오스를 부분적으로 제거하여 세섬화한 후 폴리에스테르 섬유와 무게비로 각각 0:100, 10:90, 20:80으로 혼합하여 P100, IM10, IM20, KV10, KV20 5종류의 부직포를 제조하였다.
제안 방법
- 기름 보유율은 시료를 테트라클로로에틸렌(Tetrachloroethylene) 에 침지 후 건져 약 3분간 방치한 시료의 무게에서 침지 전 시료의 무게를 뺀 값을 침지 전 시료의 무게에 대한 백분율로 하였다(Tao et al., 1995).
- 강연도는 KS K 0539에 따라 캔틸레버(Cantilever)법으로 측정하였다. 니들펀치 부직포는 펀칭 방향에 따라 특성이 달라질 수 있는데, 펀칭 방향의 영향을 받는 인장강도, 인열강도, 강연도는 길이방향 (machine direction과 폭방향(cross direction)을 각각 측정하였다.
- 부직포의 표면의 형태적 특성을 보기 위해 SEM(Scanning Electron Microscope: HITACHI S-2500C)을 이용하여 50배의 배율로 부직포 조직의 표면을 찰영하여 관찰하였다.
- 외부적 특성으로는 색과 표면을 관찰하였고 물리적 특성으로는 인장강도, 신도, 인열강도, 마모강도, 강연도 등을 측정하였다. 수분 특성은 수분율, 흡수성 및 흡유성 , 대전성 등을 측정하였다.
- 식물성 섬유를 합성섬유와 혼방 부직포로 제조하여 혼방에 따른 부직포의 특성 변화를 검토하기 위해 외부적 특성, 물리적 특성, 수분 특성 등을 측정하였다. 외부적 특성으로는 색과 표면을 관찰하였고 물리적 특성으로는 인장강도, 신도, 인열강도, 마모강도, 강연도 등을 측정하였다.
- 식물성 섬유와 폴리에스테르의 혼방 부직포의 특성을 살펴보기 위하여 어저귀(Indian Melow: IM)와 칡(Kuzu Vine: KV)섬유를 얻는 과정, 어저귀와 칡의 세섬화과정, 그리고 식물성 섬유와 폴리에스테르의부직포 제조 비율에 따른 식물성 섬유와 폴리에스테르 부직포의 특성에 대한 실험을 하였다.
- 어저귀(IM)와 폴리에스테르, 칡(KV)과 폴리에스테르의 혼방 비율을 무게 비율로 각각 0:100, 10:90, 20:80으로 혼합하여 니들 펀칭 부직포 생산업체에 의뢰하여 단위당 무게 120±5g/m2^ 조건으로 제조하였다. <Table 1>에 나타낸 바와 같이 P100(P 100%), IM10(IM 10% and P 90%), IM20(IM 20% and P 80%), KV10(KV 10% and P 90%) and KV20(KV 20% and P 80%) 5종류의 부직포를 준비 하였다.
- 후 섬유화하였다. 어저귀, 칡섬유 다발을 비셀룰로오스를 부분적으로 제거하여 세섬화한 후 폴리에스테르 섬유와 무게비로 각각 0:100, 10:90, 20:80으로 혼합하여 P100, IM10, IM20, KV10, KV20 5종류의 부직포를 제조하였다. 제조된 부직포는 부직포의 외부 특성, 물리적 특성과 수분 특성 등을 비교 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 어저귀섬유와 칡섬유는 다발 형태로서 뻣뻣하고 굵어서 이들 섬유만으로는 부직포를 제조할 수 없어서 섬유 다발 상태 KV100)로 색차를 측정하여 비교하였다. 밝기를 나타내는 L 값은 P100과 IM10, M20, KV10, KV20에서 큰 차이가 없으며 a 값은 쪽으로 이동해서 약간 녹색조로를 띠는 것으로 변화되었다.
- 어저귀와 칡의 인피부를 물로 레팅하여 섬유를 얻었으며 얻은 섬유 다발에서 비셀룰로오스를 부분적으로 제거하여 부드럽고 유연한섬유로 제조하였다. 어저귀섬유와 칡섬유는 폴리에스테르 방적 섬유와 혼방하여 니들 펀칭 부직포를 제조하였으며 부직포의 특성을 비교 검토하였다.
- 칡을 이용하였다. 어저귀와 칡의 인피부를 물로 레팅하여 섬유를 얻었으며 얻은 섬유 다발에서 비셀룰로오스를 부분적으로 제거하여 부드럽고 유연한섬유로 제조하였다. 어저귀섬유와 칡섬유는 폴리에스테르 방적 섬유와 혼방하여 니들 펀칭 부직포를 제조하였으며 부직포의 특성을 비교 검토하였다.
- 7%의 아염소산나트륨으로 60분 처리하여 리그닌을 부분 제거하였으며, 다음으로는 헤미셀룰로오스를 제거하기위해서 어저귀와 칡섬유를 10cm 정도로 자른 후 1% 수산화나트륨 용액에서 10분간 처리하였다. 여기서 얻어진 섬유의 길이와 굵기를 측정하였다.
- 외부적 특성으로는 색과 표면을 관찰하였고 물리적 특성으로는 인장강도, 신도, 인열강도, 마모강도, 강연도 등을 측정하였다. 수분 특성은 수분율, 흡수성 및 흡유성 , 대전성 등을 측정하였다.
- 어저귀, 칡섬유 다발을 비셀룰로오스를 부분적으로 제거하여 세섬화한 후 폴리에스테르 섬유와 무게비로 각각 0:100, 10:90, 20:80으로 혼합하여 P100, IM10, IM20, KV10, KV20 5종류의 부직포를 제조하였다. 제조된 부직포는 부직포의 외부 특성, 물리적 특성과 수분 특성 등을 비교 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 폴리에스테르 섬유 100% 부직포, 어저귀섬유와 폴리에스테르 섬유를 10:90, 20:80로 혼방한 부직포 그리고 칡섬유와 폴리에스테르 섬유를의 10:90, 20:80로혼방한 부직포를 각각 P100, IM10, IM20, KV10, KV20 으로 칭 하고 이들의 색을 측정하여에 나타내었다.
- 표준상태에서 24시간 방치한 시료의 무게를 잰 후 시료를 105℃ 오븐에서 3시간 건조 후 무게를 측정하고 건조 전 후의 무게의 차이를 건조 후의 무게로 나눈 후 백분율로 산출하였다.
- 흡수성은 액체 상태 인 물을 흡수하는 성능으로 2.5cm x25cm의 시료를 준비하여 바이래크(Birack)법을 응용하여 모세관 현상에 의해 10분 동안 시료가 물을 흡수되는 높이를 비교하였다. 흡유성은 바이래크법에 준하여 흡수성과 동일한 장치와 방법으로 테트라클로로 에틸렌을 사용하여 시료가 시약을 흡수한 높이를 측정하여 평가하였다.
대상 데이터
- 5m, 잎은 길이 10~15cm이며 황무지나 옥수수재배지에서 잡초로 자라난다. 본 연구를 위해 어저귀는 충북과 경기도 일원에서 5월에 파종하여 재배하였으며 8월에 씨를 맺기 전에 채취하였다. 칡은 장미목 콩과의 덩굴식물로 줄기에 갈색이나 흰색의 퍼진 털이 있으며 야산에서 채취하였다.
- 본 연구에서는 자동차 산업의 여러 내장재 등 산업분야에 환경 친화적으로 사용할 수 있는 새로운 부직포 소재개발을 목표로 하였으며 그 대상은 우리 주변에서 원료를 손쉽게 얻을 있으면서 활용도가 낮은 어저귀와 칡을 이용하였다. 어저귀와 칡의 인피부를 물로 레팅하여 섬유를 얻었으며 얻은 섬유 다발에서 비셀룰로오스를 부분적으로 제거하여 부드럽고 유연한섬유로 제조하였다.
- <Table 1>에 나타낸 바와 같이 P100(P 100%), IM10(IM 10% and P 90%), IM20(IM 20% and P 80%), KV10(KV 10% and P 90%) and KV20(KV 20% and P 80%) 5종류의 부직포를 준비 하였다.
- 혼방에 사용한 폴리에스테르 섬유는 섬유 굵기 2 denier, 길이는 약 50mm인 필라멘트 섬유를 사용하였다.
이론/모형
- 마모강도는 마모강도시험기를 이용하여 KS K 0540에 준하여 측정하였다. 강연도는 KS K 0539에 따라 캔틸레버(Cantilever)법으로 측정하였다. 니들펀치 부직포는 펀칭 방향에 따라 특성이 달라질 수 있는데, 펀칭 방향의 영향을 받는 인장강도, 인열강도, 강연도는 길이방향 (machine direction과 폭방향(cross direction)을 각각 측정하였다.
- 대전성은 KS K 0555에 준하여 2005B법으로 시료를 면포와 마찰시 킨 후 대전압을 측정하여 평가하였다.
- 인열강도는 KS K 0535에 준하여 펜들럼 (Pendulum)법으로 측정하였다. 마모강도는 마모강도시험기를 이용하여 KS K 0540에 준하여 측정하였다. 강연도는 KS K 0539에 따라 캔틸레버(Cantilever)법으로 측정하였다.
- 수분율은 KS K 0221에 준하여 오븐 밸런스(Oven balence)법으로 부직포의 표준수분율을 측정하였다. 표준상태에서 24시간 방치한 시료의 무게를 잰 후 시료를 105℃ 오븐에서 3시간 건조 후 무게를 측정하고 건조 전 후의 무게의 차이를 건조 후의 무게로 나눈 후 백분율로 산출하였다.
- 인강강도와 신도는 2x14cm의 시료를 준비한 뒤 인장 시 험기 (Testometer M350-500 AX, England)를 이용하여 KS K 0520에 따라 측정하였다. 인열강도는 KS K 0535에 준하여 펜들럼 (Pendulum)법으로 측정하였다.
- KS K 0520에 따라 측정하였다. 인열강도는 KS K 0535에 준하여 펜들럼 (Pendulum)법으로 측정하였다. 마모강도는 마모강도시험기를 이용하여 KS K 0540에 준하여 측정하였다.
- 5cm x25cm의 시료를 준비하여 바이래크(Birack)법을 응용하여 모세관 현상에 의해 10분 동안 시료가 물을 흡수되는 높이를 비교하였다. 흡유성은 바이래크법에 준하여 흡수성과 동일한 장치와 방법으로 테트라클로로 에틸렌을 사용하여 시료가 시약을 흡수한 높이를 측정하여 평가하였다.
성능/효과
- 이는 폴리에스테르 부직포에 굵은 섬유가 10% 정도 소량 혼방됨으로서 보강재 역할을 했기 때문이며 20% 정도로 혼방을 증가시키면 섬유 밀도가 저하되어 오히려 섬유 간 결합력이 저하되기 때문으로 판단된다. IM10, KV10이 IM20, KV20보다 인장강도, 인열강도, 마모 강도 모두에서 P100보다 월등히 높아 혼방의 상승효과가 있었으며 방향성 또한 있었다. 특히 10%의 혼방의 경우에서 더 상승효과가 크므로 부직포의 용도에 맞게 혼방 부직포를 제조함이 바람직하다.
- 가장 많이 증가된 시료는.KV10으로 인열강도가 50% 나 향상되었으며 machine direction도 37% 향상되었으므로 폴리에스테르에 칡을 10% 혼방한 부직포의인 열강도 상승효과가 가장 크게 나타났다.
- 7>에 나타내었다. P100에서는 소수성 섬유로서 수분율이 거의 없으며 식물성 섬유 어저귀를 혼방한 IM10은 3.33%, IM20은 3.74%, 칡을 혼방한 KV10은 4.24%, KV20 은 4.72%를 나타내어 수분율이 예상했던 데로 혼방율이 높아지면서 높았으며 칡의 경우가 어저귀보다 높게 나타났다. 이는 어저귀 섬유의 흡습성이 9.
- 소수성 섬유인 폴리에스테르 섬유만으로 이루어진 P100 부직포는 폴리에스테르 섬유의 수분율이 낮으므로 대전압이 높게 나타났다. P100은 2O8V이었던 것이 친수성 섬유인 식물성 섬유를 혼방함으로서 IM10이 50V, IM20이 39V로 대폭 감소하였으며 KV10은 60V, KV20은 51V로 대전압이 감소하였다. 대전압은 합성섬유의 단점으로서 부직포 제조시 10% 정도의 친수성 섬유를 혼방함으로서 줄일 수 있다.
- 9>에 나타내었다. P100의 시료는 100당 1603.8g을 보유하였으나 혼방 부직포인 IM10은 1561.7g, IM20 은 1650.8g을 보유하였고 KV10은 1717.7g, KV20은 1720.5g을 보유하여 혼방 부직포가 기름 보유율이 높았으며 어저귀보다는 칡이 약간 더 높은 경향을 나타내었다. 기름 보유율은 10% 혼방 부직포보다는 20% 혼방 부직포가 더 높은 것으로 나타났다.
- 5g을 보유하여 혼방 부직포가 기름 보유율이 높았으며 어저귀보다는 칡이 약간 더 높은 경향을 나타내었다. 기름 보유율은 10% 혼방 부직포보다는 20% 혼방 부직포가 더 높은 것으로 나타났다. 케나프와 폴리에스테르와 혼방한 부직포에서의 기름 보유율은 케나프의 혼방율이 20%, 40%까지 높은 것으로 나타났으며(이혜자 외, 2006), 면/케나프 혼방 부직포도 케나프 단독 부직포보다 높은 것으로 나타난 것과 일치된 결과를 나타내었다(Tao et al.
- 둘째, 식물성 섬유와 폴리에스테르 섬유를 혼방하여 제조한 혼합 부직포의 색은 폴리 에스테르 100%에 비해 어저귀와 칡섬유의 혼합율이 높아질수록 L 값은 크게 차이나지 않으나 a 값이 blue쪽으로 이동하고 b 값이 증가하면서 yellowness가 나타나 약간의 색 차이가 나타났으며 표면 형태에서 식물성 섬유의 혼방정도를 확인할 수 있었다.
- 어저귀섬유와 칡섬유는 다발 형태로서 뻣뻣하고 굵어서 이들 섬유만으로는 부직포를 제조할 수 없어서 섬유 다발 상태 KV100)로 색차를 측정하여 비교하였다. 밝기를 나타내는 L 값은 P100과 IM10, M20, KV10, KV20에서 큰 차이가 없으며 a 값은 쪽으로 이동해서 약간 녹색조로를 띠는 것으로 변화되었다. b 값은 혼방율이 높아질수록 점차 증가해서 yellowness가 나타났다.
- 부직포의 신도는 P100에서 길이방향이 79.4였던 것이 IM10이 166.5mm, IM20 146.96mm, KV10이 195.72nml KV20이 181.12mm로 크게 증가했으며 특히 칡의 경우 어저귀보다 상승효과가 더 크게 나타났다.
- 측정한 결과이다. 소수성 섬유인 폴리에스테르 섬유만으로 이루어진 P100 부직포는 폴리에스테르 섬유의 수분율이 낮으므로 대전압이 높게 나타났다. P100은 2O8V이었던 것이 친수성 섬유인 식물성 섬유를 혼방함으로서 IM10이 50V, IM20이 39V로 대폭 감소하였으며 KV10은 60V, KV20은 51V로 대전압이 감소하였다.
- 식물성 섬유와 폴리에스테르 섬유 혼방 부직포의 수분 특성은 식물성 섬유의 혼방 비율이 증가할수록 흡습성이 높아졌고 흡수성과 흡유성도 증가하였으며 특히 폴리에스테르 섬유에 식물성 섬유를 10% 혼방한 부직포인 IM10, KV10에서 가장 좋은 결과를 나타냈다. 기름 보유율도 혼방 부직포에서 높았으며 대전성 역시 혼방 비율이 증가함에 비례하여 대전압이 점차 감소하였다.
- 높았다고 보고하였다. 어저귀와 칡을 혼방한 본 연구에서는 어저귀나 칡을 10% 혼방한 IM10, KV10 시료가 인장강도, 인열강도와 마모강도에 대해 모두 우수한 효과를 나타내었다. 이는 폴리에스테르 부직포에 굵은 섬유가 10% 정도 소량 혼방됨으로서 보강재 역할을 했기 때문이며 20% 정도로 혼방을 증가시키면 섬유 밀도가 저하되어 오히려 섬유 간 결합력이 저하되기 때문으로 판단된다.
- 이러한 결과를 종합하여 보면 P100과 같이 단일섬유로 제직된 부직포보다 식물성 섬유를 혼방하면 흡수성 , 흡유성 이 동시에 증가됨을 알 수 있다. 즉 부직포의 흡수, 흡유성에 영향을 주는 인자는 친수성 섬유인 식물성 섬유를 혼방하면서 흡수성은 향상되며 흡유성은 니들 펀치 부직포의 다공성 등 다른 물리적인 구조의 영향이 있음을 나타내는 것이다(Lawrence & Shen, 2000).
- 인장강도, 인열강도, 마모강도 등의 특성에서 식물성 섬유/폴리에스테르 혼방 부직포 IM10, KV10이 폴리에스테르 100%보다 월등히 우수하여 폴리에스테르에 식물성 섬유를 혼방함으로서 물리적 특성의 상승효과가 있었다. 이는 강도가 좋은 식물섬유의 성능 뿐 아니라 두 섬유가 결합되는 웹 구조상의 영향으로 보인다.
- 25mm였다. 전반적으로 어저귀를 혼방한 부직포가 칡을 혼방한 부직포보다 조금 더 높았다. 홉유성의 경우도 같은 패턴으로 IM10이 9.
- 첫째, 어저귀섬유와 칡의 인피부를 레팅하면 비셀룰로오스가 많이 함유되어 거칠어 불규칙한 섬유 다발이 얻어지며 섬유 다발의 리그닌과 헤미셀룰로오스를 부분 제거하여 보다 가늘고 유연하게 한 후 방적하여 폴리에스테르와 혼방 부직포를 제조할 수 있었다.
- hnm를 나타냈다. 칡섬유는 어저귀보다 비셀룰로오스 제거과정에서 섬유의 절단이 더 적게 일어나는 경향을 보였다. 섬유의 굵기의 편차가 컸는데, 이는 식물섬유의 특성상 줄기의 밑등에서 위쪽까지 성장차이가 있어 굵기가 크게 다르기 때문이다.
- 혼방 비율 어저귀/폴리에스테르 10/90에서 가장 우수하였으며 칡/폴리에스테르 10/90에서도 폴리에스테르 100%보다는 우수하였으나 어저귀보다는 떨어진다. 칡/폴리에스테르 20/80에서는 폴리에스테르 1(M)% 보다 약간 떨어졌다.
후속연구
- 이와 같은 결과로 식물성 섬유와 폴리에스테르 혼방 부직포는 어저귀나 칡섬유를 10% 혼방함으로써 좋은 물리적 특성과 수분 특성을 나타내므로 자동차 내장재 및 인테리어제품 등에 100% 합성소재를 주로 사용하던 모든 영역에 천연소재인 식물성 섬유의 이용확대가 기대된다.
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