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문제 정의
- 본 연구에서 형상기억 소재사로 사용한 PP소재와 현재 상업적으로 사용되고 있는 PET와 PTT 형상기억 소재사와 비교하기 위해 물성을 측정하였다. 표 2에 보인 4가지 형상기억소재사 시료의 물성 실험결과를 표 5에 보인다.
- 그러나 PP섬유를 사용한 형상기억섬유에 관한 특허 및 논문은 보이지 않고 있다. 본 연구에서는 폴리프로필렌(PP)원착사를 사용하여 저온ㆍ저장력 가연기술을 적용하고 염 차발생의 문제가 없으면서 치수안정화를 가져 올 수 있는 감성의류용 형상기억 PP소재 직물 개발에 관한 연구를 수행하고자 한다.
- 본 연구에서의 개발 제품인 PP형상기억소재를 스포츠용 소재로의 적용가능성을 알아보기 위해 보온성을 측정하여 기존의 형상 기억소재와 비교하였다. KEB-F7시험기에서 측정한 BT, T 그리고 W 치를 표 6에 보인다.
제안 방법
- 그림 3에 KD03 3-D scanner를 보이며 직물의 경사방향으로 33cm×10cm 크기로 시료를 준비하고 그림 4에 보인바와 같이 직물의 양 끝단을 손으로 잡고 가운데로 이동하면서 구김을 부여한 후 1회 구김을 직물 길이 방향으로 쓸어주면서 구김을 회복시킨 후 KD03의 scanner로 scanning 하고 scan된 3D image 결과와 구김직물을 2분30초까지 30초 간격으로 양 끝단 가장자리를 당겨준 다음 실제 카메라로 찍은 사진 결과와 비교함으로써 형상 기억 특성을 평가하였다. 3D 이미지 스캔 방법은 3회, 5회 직물 길이 방향으로 쓸어주면서 구김을 회복시킨 후 동일하게 관측하였다.
- 4번 시료인 PTT직물 시료는 별도의 발수가공을 하여 실제 마켓에서 판매되고 있는 형태로 시료를 준비 하였고 1, 2, 3번 시료는 발수가공을 하지 않고 시료 자체의 소수성에 의한 직물의 발수성을 평가 하고자 하였다. 1번 PP시료는 발수 처리한 4번 PTT 시료와 동일하게 5급의 우수한 발수성을 보였으며 3번 PET시료와 PET와 PP 혼용 시료인 2번 시료에 비해 우수한 발수성을 보임을 확인할 수 있었다.
- PP 형상기억 소재의 스포츠웨어소재의 적용가능성을 보기위해 발수성 시험을 실시하였다. KSK 0590 스프레이법에 의해 3회 실시한 발수성 결과를 그림 7에 보인다.
- PP 형상기억 직물의 발수성을 PTT 형상기억 직물과 PET 형상기억 직물등과 비교해 보기 위해 KSK 0590 법에 의한 스프레이 테스터를 이용하여 측정하고 표준 replica와 비교 판정하였다.
- PP의 사가공 공정설계중 열처리 온도결정은 중요한 특성으로서 저온가연법과 정장열처리 공법등의 열처리 온도를 설정하기 위해서 열응력과 DSC 측정을 실시하였다. 열응력은 KSM ISO 03884 방법으로 DSC는 KSM ISO 11357 방법에 따라 실시하였다.
- 이 결과에서는 PP소재인 1번 시료와 PTT소재인 4번 시료가 가장 우수한 5급을 나타냄으로써 PP소재의 형상기억 및 메모리 특성이 PTT소재와 같은 정도의 형상기억성을 나타낸다고 할 수 있다. 그러나 이 특성은 본 연구에서 시도해본 KD 03기기의 3-D스캐너와 실측 카메라 사진과 비교해 보는 4절의 형상기억 직물의 형상기억 특성평가에서 다시 논의하기로 한다.
- 따라서 세라믹 가이드의 마찰을 최소화 시킬 수 있는 형태로 가이드를 모두 바꾸고 인터레이스 노즐에서 장력을 최소화 할 수 있는 형태로 노즐을 재설계 하여 교환하였다. 그리고 사속은 PET와 Nylon의 경우 통상 600m/분으로 생산하고 있으나 장력을 최소화시키기 위해 400m/분으로 줄였으며 연신비는 1.6으로 하여 120d를 75d로 만들었으며 가연기구의 벨트의 스피드를 540m/분으로 세팅함으로써 VR(velocity ratio)을 1.35로 설정하였고 노즐 공기압은 2.0kg/m2으로 설정하였다. 한편 정장열처리 공법의 경우 PP75d/36f SDY를 사용하여 연신비는 1.
- 표 3에서 볼 수 있듯이 1번 직물시료는 표 2의 1번 원사를 경사로 사용하고 2번 원사를 위사로 사용하여 제조하였고 2번 직물시료는 경사에 PET, 위사에 PP를 사용하여 PET와 PPT를 사용한 3번과 4번 형상기억메모리 시료와 비교하기 위해 제직하였다. 그리고 이들 2가지 PP소재와 비교하기 위해 PET를 사용한 형상기억소재 직물과 PTT 형상기억소재 직물을 각각 3번 4번 직물 시료로 제직하였다. 4가지 시료 모두 경사밀도 192본, 위사밀도 74본으로 air-jet 직기를 사용하여 평직으로 제직하였다.
- 그림 3에 KD03 3-D scanner를 보이며 직물의 경사방향으로 33cm×10cm 크기로 시료를 준비하고 그림 4에 보인바와 같이 직물의 양 끝단을 손으로 잡고 가운데로 이동하면서 구김을 부여한 후 1회 구김을 직물 길이 방향으로 쓸어주면서 구김을 회복시킨 후 KD03의 scanner로 scanning 하고 scan된 3D image 결과와 구김직물을 2분30초까지 30초 간격으로 양 끝단 가장자리를 당겨준 다음 실제 카메라로 찍은 사진 결과와 비교함으로써 형상 기억 특성을 평가하였다.
- 그리고 형상기억성을 부여하기 위해서는 직물상태에서 잔류신도를 최적화 시켜야 하며 이를 위해서 사가공공정에서의 저장력화 유지와 사와 세라믹 가이드 사이의 마찰계수를 최소화시키는 것은 필수적 기술이 된다. 따라서 세라믹 가이드의 마찰을 최소화 시킬 수 있는 형태로 가이드를 모두 바꾸고 인터레이스 노즐에서 장력을 최소화 할 수 있는 형태로 노즐을 재설계 하여 교환하였다. 그리고 사속은 PET와 Nylon의 경우 통상 600m/분으로 생산하고 있으나 장력을 최소화시키기 위해 400m/분으로 줄였으며 연신비는 1.
- 1절에서 언급하였듯이 PP형상기억 메모리 직물과 PET와 PTT메모리 직물과의 구김 회복정도가 어느 것이 원래의 형상대로 빨리 돌아오는가는 마케팅 현장에서는 형상기억 메모리 직물의 품질의 좋고 나쁨을 결정하는 척도가 되고 있다. 따라서 실험부분 2.3.2절에서 설명한 방법을 본 연구에서 형상기억 메모리 직물의 형상기억 특성 평가의 하나의 방법으로 실험을 실시하였다. 그림8에 4가지 형상기억 메모리 직물의 원직물상태, 구김이 주어진 상태 그리고 이를 1회, 3회 그리고 5회 구김을 제거한 후의 3D이미지와 표면 사진(surface profile)을 보인다.
- 154℃근처에서 onset이 되기 시작하여 158℃ 근처에 peak점을 보였다. 따라서 저온 가연법에서는 PP POY의 최대열응력온도보다 1st 히터는 20℃ 2nd 히터는 40℃낮추어 히터온도를 138℃/120℃로 세팅하였고 정장열처리 공법에서는 160℃로 1st 히터만 작동시켜 열처리 온도를 설정하였다.
- 메모리 직물의 구김성 및 구김회복성을 평가하기 위해 개각도법에 의한 구김회복각도와 일본 Toray사에서 개발되어 일본 규격화(JIS)가 되어 있는 Wrinkle test법에 의해 4가지 메모리 직물의 방추성을 평가하였다.
- 메모리 직물의 보온성은 KES-F7 thermo-LaboⅡ시험기를 이용하여 측정결과에서 얻어지는 BT, T 그리고 W를 사용하여 다음 식에 의해 계산하였다.
- PP 형상기억 직물을 제조하기 위해서는 PP소재의 특성에 맞는 사가공공정설계가 대단히 중요한 기술이 된다. 본 연구에서는 2가지의 사가공 공법 설계를 실시하였다. 첫째 120d/36f POY PP원사를 DTY로 만들기 위한 저온 가연기술의 사가공 공정설계와 둘째 75d/36f PP SDY를 정장 열처리하는 기술의 사가공 공정기술을 실시하였다.
- 표 2에 보인 형상기억 직물 제직용 원사의 물성을 실험하였다. 실의 번수, 인장실험 그리고 습ㆍ건열 수축률 실험을 실시하였다. 표 4에 이들 실험항목과 방법을 보인다.
- , 2008). 이 연구에서는 면직물에 여러 가지 형상기억 가공제를 처리하여 온도 변화에 따른 변형을 shape memory angle과 wrinkle recovery angle을 측정하여 형상기억 특성을 평가하는 기술을 확립하였다. 또한 Hu(2007)는 면, 나일론, 폴리 에스테르, 그리고 나일론과 Lycra 커버얀등을 형상기억 파이바와 혼합 제조하여 이들 직물의 형상기억 회복률을 온도 변화에 따라 측정 분석하고 이러한 회복 특성이 의류의 완벽한 fit 감을 제공함으로써 일반 어패럴과 스포츠웨어 등의 의복착용성능을 높이는데 응용하는 방법을 제시하였다.
- 본 연구에서는 2가지의 사가공 공법 설계를 실시하였다. 첫째 120d/36f POY PP원사를 DTY로 만들기 위한 저온 가연기술의 사가공 공정설계와 둘째 75d/36f PP SDY를 정장 열처리하는 기술의 사가공 공정기술을 실시하였다. 표 1에 설계된 사가공 공정특성을 보인다.
- 표 3에서 볼 수 있듯이 1번 직물시료는 표 2의 1번 원사를 경사로 사용하고 2번 원사를 위사로 사용하여 제조하였고 2번 직물시료는 경사에 PET, 위사에 PP를 사용하여 PET와 PPT를 사용한 3번과 4번 형상기억메모리 시료와 비교하기 위해 제직하였다. 그리고 이들 2가지 PP소재와 비교하기 위해 PET를 사용한 형상기억소재 직물과 PTT 형상기억소재 직물을 각각 3번 4번 직물 시료로 제직하였다.
- 0kg/m2으로 설정하였다. 한편 정장열처리 공법의 경우 PP75d/36f SDY를 사용하여 연신비는 1.05로 정장열처리를 함으로써 히터온도는 POY의 저온가연법의 열처리 온도보다 높은 160℃로 1H에서만 처리하였으며 사속 380m/분, 속도비 1.3, 공기압 1.8로 하여 가연을 실시하였다.
- 형상기억 직물의 형상기억특성을 평가하기 위해 KD03의 3-D Scanner를 이용하여 구김을 주고난 뒤 1회, 3회, 5회 구김을 제거 후 원래 구김을 주지 않았던 형태로 어느정도 되돌아가는가를 확인 해 봄으로써 형상기억 특성을 평가하였다. 그림 3에 KD03 3-D scanner를 보이며 직물의 경사방향으로 33cm×10cm 크기로 시료를 준비하고 그림 4에 보인바와 같이 직물의 양 끝단을 손으로 잡고 가운데로 이동하면서 구김을 부여한 후 1회 구김을 직물 길이 방향으로 쓸어주면서 구김을 회복시킨 후 KD03의 scanner로 scanning 하고 scan된 3D image 결과와 구김직물을 2분30초까지 30초 간격으로 양 끝단 가장자리를 당겨준 다음 실제 카메라로 찍은 사진 결과와 비교함으로써 형상 기억 특성을 평가하였다.
대상 데이터
- 그리고 이들 2가지 PP소재와 비교하기 위해 PET를 사용한 형상기억소재 직물과 PTT 형상기억소재 직물을 각각 3번 4번 직물 시료로 제직하였다. 4가지 시료 모두 경사밀도 192본, 위사밀도 74본으로 air-jet 직기를 사용하여 평직으로 제직하였다.
- 연구에서 사용한 제직용 PP 원사는 2.1에서 사가공된 SDY와 DTY 두종류를 준비하였고 이들과 비교 직물을 제조하기 위해 PET와 PTT사를 각각 준비하였다. 이들 원사를 표 2에 보인다.
- 표 2에 보인 형상기억 직물 제직용 원사의 물성을 실험하였다. 실의 번수, 인장실험 그리고 습ㆍ건열 수축률 실험을 실시하였다.
- 표 2의 4가지 실을 사용하여 4가지 형상기억 직물을 제조하였다. 표 3에 이들 형상기억직물 제조 시료를 보인다.
- 표 2에서 1번과 2번 실은 형상기억 직물 제조용으로 사용된 실이며 표 1의 사가공 조건으로 가공된 실이다. 표 3에서 직물시료 1을 제조하는데 사용되었으며 3번과 4번 실은 PP 형상기억소재 직물과 물성을 비교하기 위해 사용된 실로서 기업에서 현재 형상기억소재용으로 사용되고 있는 PET와 PTT사를 사용하였다.
이론/모형
- PP메모리 소재의 형상기억성을 평가하는 특별한 방법이 정립되어 있지 않기 때문에 방추도 시험을 KSK방법과 JIS방법으로 실시하였다. 이들 물성 결과를 표 6에 보인다.
- PP의 사가공 공정설계중 열처리 온도결정은 중요한 특성으로서 저온가연법과 정장열처리 공법등의 열처리 온도를 설정하기 위해서 열응력과 DSC 측정을 실시하였다. 열응력은 KSM ISO 03884 방법으로 DSC는 KSM ISO 11357 방법에 따라 실시하였다. 그림 1에 PP POY의 열응력 곡선을 보인다.
성능/효과
- 반면에 (b)와 (c)에 보이는 2번과 3번 형상기억 메모리 직물의 경우 5회 까지 구김을 제거시켜도 직물 표면에 구김이 남아 있는 것을 확인할 수 있다. 그리고 (d)의 4번 PTT형상기억메모리 직물의 경우는 1회 제거만 시켜도 구김이 거의 없어지며 5회 반복한후 직물의 구김 제거 정도가 1번 시료인 PP형상기억 메모리 직물과 비슷하게 됨을 확인 할 수 있다. 한편 그림 9는 4가지 형상기억 메모리 직물을 구김을 준 후 30초 간격으로 직물 양 끝단을 당긴 후 2분 30초까지 구김이제거되는 과정을 카메라로 찍은 사진이다.
- 1) PP형상기억 메모리 직물에 사용하기 위해 저온가연법과 정장열처리법에 의해 만든 PP가연사의 물성은 절단강·신도가 제직성에 문제가 없는 값을 가졌으며 특히 열수축율이 습열은 1.5%이하 건열은 3∼5%범위를 가짐으로써 PTT의 5∼8%의 높은 열수축율에 비해 열적 안정성을 가졌다.
- 4번 시료인 PTT직물 시료는 별도의 발수가공을 하여 실제 마켓에서 판매되고 있는 형태로 시료를 준비 하였고 1, 2, 3번 시료는 발수가공을 하지 않고 시료 자체의 소수성에 의한 직물의 발수성을 평가 하고자 하였다. 1번 PP시료는 발수 처리한 4번 PTT 시료와 동일하게 5급의 우수한 발수성을 보였으며 3번 PET시료와 PET와 PP 혼용 시료인 2번 시료에 비해 우수한 발수성을 보임을 확인할 수 있었다.
- 2) PP형상기억 메모리 소재의 변형된 형태를 유지하는 소성적 성능 특성 평가법인 Toray 방추성 평가는 PP소재가 PTT와 같은 5급을 나타냄으로써 우수한 변형 유지특성을 보였다.
- 3) PP형상기억 메모리소재의 보온성은 PTT소재보다 약 56%향상된 결과를 보였으며 스프레이법에 의한 발수성은 PTT소재에 발수처리한 소재와 동일하게 5급의 우수한 발수성을 보였다.
- 4) PP형상기억 메모리소재의 형상기억 특성을 평가할 목적으로 3D 이미지 방법과 카메라 측정결과 PTT 소재와 비슷한 형상기억 특성을 보임을 확인할 수 있었다.
- 4%를 보임으로써 1번 시료 보다 다소 높은 값을 보였다. 그러나 시장에서 메모리 소재로 사용되고 있는 PET와 PTT소재 직물은 각각 66.7%와 81.6%의 높은 구김회복도를 보임으로써 원래 형상으로 복귀 할려고 하는 성능은 PET 와 PTT메모리 소재가 높은 값을 보임을 확인 할수 있었다. 그러나 현장에서의 메모리 소재들의 우수한 제품특성 평가는 직물의 반발성을 낮게 해 줌으로써 변형된 형태를 그대로 유지하려는 소성적 성능도 중요하므로 이러한 메모리 특성에 근접한 시험법이 Toray 법이라고 할 수 있다.
- 그러나 최대 열응력은 1번과 2번 시료가 비슷한 값인 15∼16g을 보이는 것으로 봐서 직물상태에서 형상기억 메모리 특성은 비슷할 것으로 예상되나 PET와 PTT의 최대 열응력치 보다는 낮은 값을 보임을 확인할 수 있었다.
- 5℃로서 PET와 PTT에 비해 낮은 온도를 보이며 열응력도 낮은 값을 보였다. 그리고 저온가연법에 의한 2번 시료와 정장열처리에 의한 1번 PP가연사의 물성은 절단강도는 4.7g/d와 4.9g/d로서 비슷한 값을 보였으나 절단신도는 저온가연법의 DTY의 절단신도 56.6%보다 정장열처리한 SDY의 절단신도가 100.9%로서 훨씬 높은 값을 보였다. 이것은 2번 시료가 120℃∼138℃의 낮은 열처리 온도에서 벨트 마찰에 의한 가연이 주어짐으로써 160℃의 높은 온도에서 가연이 된 1번 시료보다 원사의 손상이 심해져 낮은 절단신도를 보이는 것으로 추정된다.
- 그리고 절단신도는 PET의 38%에 비해 PTT는 2배 정도 높은값을 보이며 PP도 1.5배∼2.5배 정도 높은 값을 보였다.
- 그림 5에서 볼 수 있듯이 KSK 0550 개각도법에 의한 방추성은 PP소재인 1번 시료의 구김회복도가 가장 낮은 44.7%를 보이는 반면 경사에 PET와 위사에 PP 소재를 사용한 2번 시료의 경우는 50.4%를 보임으로써 1번 시료 보다 다소 높은 값을 보였다. 그러나 시장에서 메모리 소재로 사용되고 있는 PET와 PTT소재 직물은 각각 66.
- 그림 6에서 보듯이 기존의 시장에서 판매되고 있는 형상기억 메모리 직물인 PET와 PPT시료 3과 4의 보온성은 각각 23.4%와 22.3%를 나타내고 있으나 PP형상기억 소재인 1번 시료의 경우 34.7%를 보임으로써 보온성이 약 56% 향상됨을 확인 할 수 있었다. 이러한 현상은 PP의 밀도가 1보다 낮은 0.
- 이러한 결과는 제직시 약 95% 이상의 높은 제직효율을 나타내게 하였다. 열수축률은 습열보다 건열이 모든 시료에서 높은값을 보였으며 PET와 PP는 비슷한 열 수축특성을 보였으나 PTT는 습열이 5.38% 건열이 8.33%를 보임으로써 PET와 PP에 비해서 높은 열수축 특성을 보였다. 최대 열응력 온도는 PP는 147.
- 이 방법은 3500g의 하중에서 구김을 20분 동안 주고 하중을 제거 했을 때 방추도 시험기에서 이탈하지 않고 그 형태를 유지하고 있는 정도를 레프리카(replica)와 비교하여 등급을 부여한다. 이 결과에서는 PP소재인 1번 시료와 PTT소재인 4번 시료가 가장 우수한 5급을 나타냄으로써 PP소재의 형상기억 및 메모리 특성이 PTT소재와 같은 정도의 형상기억성을 나타낸다고 할 수 있다. 그러나 이 특성은 본 연구에서 시도해본 KD 03기기의 3-D스캐너와 실측 카메라 사진과 비교해 보는 4절의 형상기억 직물의 형상기억 특성평가에서 다시 논의하기로 한다.
- 반면에 2번과 3번 시료는 2분30초가 되더라도 구김이 남아 있음을 볼 수 있다. 이러한 결과는 본 연구에서 개발된 PP형상기억 메모리소재의 메모리 특성은 PTT 형상기억소재의 메모리수준이라는 것을 보여주는 실험결과이며 시장에서 PTT 대용으로 제품화 되고 있는 PET메모리 직물보다 형상기억 특성이 더 우수하다는 것을 확인할 수 있다.
- 33%를 보임으로써 PET와 PP에 비해서 높은 열수축 특성을 보였다. 최대 열응력 온도는 PP는 147.5℃로서 PET와 PTT에 비해 낮은 온도를 보이며 열응력도 낮은 값을 보였다. 그리고 저온가연법에 의한 2번 시료와 정장열처리에 의한 1번 PP가연사의 물성은 절단강도는 4.
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