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문제 정의
- 그러므로, 본 연구에서는 폐기되는 폴리에스터를 활용하여 기능성 의복이나 자동차 내장재, 인테리어 제품 등의 소재로 사용할 수 있도록 폐페트병을 수거한 뒤, 물질재생 방법을 이용하여 재활용한 4종의 폴리에스터사로 스포츠 웨어 또는 아웃도어 웨어용 소재로 사용량이 증가 추세에 있는 니트 소재를 제작하고, 일반 폴리에스터사로 제편된 니트 소재와의 물리적 성질 및 태를 분석함으로써 리싸이클 폴리에스터 니트 소재의 다양한 활용 방안을 모색하고자 하였다.
- 본 연구에서는 수거된 폐페트병을 물질재생 방법으로 재활용한 4종의 폴리에스터사로 니트 소재를 제작하여 일반 폴리에스터사로 제편된 니트 소재와 물리적 성질 및 태를 비교 분석하였다.
제안 방법
- 드레이프성: KS K 0115:2007, 드레이프성 측정을 위해 먼저 시료를 시험기의 지지대 위에 올려놓고 1분간 방치한뒤, 그 때 시료의 늘어진 상태를 감광지에 투영하고 그 투영 부분의 면적을 측정하여 다음 식에 의해 드레이프 계수를 계산하였다.
- 전단이력(2HG, shear hysteresis)은 직물의 경우, 전단각도 5o 에서 측정하는 2HG5 값을 측정하는 반면, 니트 소재는 직물에 비교하여 전단에 대한 변형이 쉬우므로 전단각도 3o 에서 측정하는 2HG3 값을 측정하였다. 전단이력은 리싸이클 폴리에스터 소재 중 RC2를 제외하고는 나머지 4종 시료에서 웨일 방향과 코스 방향에서 값의 차이가 적었으며, 전단이력은 RC4>RC3>RC1>regular>RC2의 순서로 높게 나타나서 측정시료 중에서는 RC2가 일반 폴리에스터 소재보다 전단변형에 대한 회복성이 약간 증가하였음을 알 수 있으나, 나머지 리싸이클 폴리에스터 소재는 변형이 쉽게 일어남을 알 수 있다.
- 태 분석: KES-FB(Kawabata Evaluation System, Kato. Tech Co. Ltd., Japan) 시험기를 사용하여 5종류 폴리에스터 니트 소재의 16가지 역학적 성질을 측정하였다. 니트 소재의 역학적 특성값을 적용하여 태 평가치를 얻는 변환식으로는 겨울철 외의용 니트 소재를 위한 식 KN-402-KT를 사용하였다.
- 색상 분석: 일반 폴리에스터 니트 소재와 4종류의 리싸이클 폴리에스터 니트 소재의 색상 및 색차를 측정하기 위하여 Color Spectrophotometer(Scinco, Model: Color Mate) 를 사용하였다. 파장은 가시광선 영역인 400~700 nm, 광원은 D65, 관찰자 각도는 10 o 를 측정조건으로 하여 각 소재의 CIE L* a* b*를 측정하였다. 이때, target은 L*: 98.
대상 데이터
- 본 연구에서는 시료로 더블 저지인 인터록 편을 사용하였으며, 이때 사용된 편사의 특성을 Table 1에 나타내었다.
- 시료 편성에 사용한 편성기의 직경은 32 inch, 28 gauge, 총 편침수는 2,640개, 급사구수 84개의 편성기(KTLM-84AV, Keumyoung Machinery)를 사용하였으며, 편성속도는 15.7 rpm이었다.
이론/모형
- , Japan) 시험기를 사용하여 5종류 폴리에스터 니트 소재의 16가지 역학적 성질을 측정하였다. 니트 소재의 역학적 특성값을 적용하여 태 평가치를 얻는 변환식으로는 겨울철 외의용 니트 소재를 위한 식 KN-402-KT를 사용하였다. 이 식을 이용하여 기본 태(Primary Hand Value, HV)는 Koshi 및 Numeri, Fukurami를 산출하였다.
- 색상 분석: 일반 폴리에스터 니트 소재와 4종류의 리싸이클 폴리에스터 니트 소재의 색상 및 색차를 측정하기 위하여 Color Spectrophotometer(Scinco, Model: Color Mate) 를 사용하였다. 파장은 가시광선 영역인 400~700 nm, 광원은 D65, 관찰자 각도는 10 o 를 측정조건으로 하여 각 소재의 CIE L* a* b*를 측정하였다.
- 니트 소재의 역학적 특성값을 적용하여 태 평가치를 얻는 변환식으로는 겨울철 외의용 니트 소재를 위한 식 KN-402-KT를 사용하였다. 이 식을 이용하여 기본 태(Primary Hand Value, HV)는 Koshi 및 Numeri, Fukurami를 산출하였다.
- 파열강도: KS K 0350:2006, 볼 버스팅법으로 편성물의 파열강도를 측정하였다. 이때, 볼 버스팅 장치를 갖춘 인장 시험기를 준비하여 시료가 파열될 때의 하중을 측정하였다.
- 필링성: KS K ISO 12945-1:2009, ICI 박스법으로 편성물의 필링을 측정하였으며, 필링 시험기에서 60 rpm으로 4시간 회전시킨 후 표준 등급표를 보고 필링성을 판정하였다.
성능/효과
- 1. KES-FB를 이용하여 측정한 역학적 특성값 중 인장특성은 리싸이클 폴리에스터 이형단면사로 제편된 소재(RC4) 가 일반 폴리에스터 소재보다 인장 초기 신도 저항이 크고, 신장성 및 회복성이 우수하므로 의복의 치수 안정성도 우수할 것으로 기대된다. 리싸이클 폴리에스터 소재는 일반 폴리에스터 소재와 비교하여 굽힘특성 및 전단 특성의 값이 크게 나타나므로 일반 폴리에스터 소재보다 유연성이 약간 부족하고 굽힘변형 또는 전단변형에 대해 회복력이 감소하는 것을 알 수 있었다.
- 2. 색상 분석 결과 리싸이클 폴리에스터 소재의 경우, 밝기는 일반 폴리에스터 소재보다 낮은 반면, 황색 기운을 나타내는 b* 값은 리싸이클 폴리에스터 이형단면사로 제편된 소재(RC4)를 제외하고는 낮게 나타나서 황변 현상이 적게 나타남을 알 수 있었다. 필링성은 시료에 관계없이 모두 4등급으로 우수하게 나타났으며, 리싸이클 폴리에스터 이형단면사로 제편된 소재(RC4)를 제외하고는 리싸이클 폴리에스터 소재가 일반 폴리에스터 소재보다 파열강도 및 드레이프성이 우수한 것으로 나타났다.
- Figure 3은 전단특성의 결과를 표시한 그림이다. 5종 시료의 전단강성(G, shear stiffness)을 측정한 결과, 모든 시료에서 웨일 방향의 값이 더 높게 나타났으므로 코스 방향보다 웨일 방향이 다소 뻣뻣하다고 할 수 있으며, 일반 폴리에스터 소재보다는 리싸이클 폴리에스터 소재의 전단강성이 좀더 높게 나타났다. 리싸이클 폴리에스터 소재 중에서는 RC4에서 가장 높은 값을 보였다.
- Fukurami(fullness & softness)는 부피감이 있는 풍부하고 좋은 맵시에서 오는 느낌의 혼합으로 압축 탄력성과 따뜻함이 동반된 두께감과 밀접한 관계가 있는 감각평가치이다. 5종류의 니트 소재의 Fukurami는 RC1, RC3, RC2, regular, RC4 순으로 감소하여 RC4를 제외하고는 리싸이클 폴리에스터 소재가 일반 폴리에스터 소재에 비해서는 부피감이 있음을 알 수 있으며, 역학적 특성치 중에서 압축특성인 WC와 유사한 경향을 나타내었다.
- Koshi(stiffness)는 소재를 손에 쥐었을 때 느끼는 반발력및 탄성, 레질리언스를 종합해서 표현한 감각평가치로 역학적 특성치 중에서 전단특성, 굽힘특성, 두께, 무게의 영향을 받는다. 5종류의 폴리에스터 니트 소재의 Koshi 값은 음의 값을 나타내어 소재가 뻣뻣하지 않고 부드러움을 알 수 있으며, 소재 간에는 Koshi가 RC4, RC1, RC3, RC2, regular 순으로 높게 나타나서 일반 폴리에스터 소재보다는 리싸이클 폴리에스터 소재에서 값이 약간 크게 나타났으며, 이와 같은 경향은 굽힘특성에서도 유사하게 나타났다.
- Figure 5는 5종의 니트 소재의 표면특성을 살펴보았다. 5종의 니트 시료의 표면 마찰계수(MIU, coefficient of friction) 및 표면마찰계수의 평균편차(MMD, mean deviation of MIU), 표면 요철편차(SMD, geometrical roughness)를 측정한 결과, 웨일 방향이 코스 방향에 비해 모두 작은 값으로 나타났다. 이는 더블저지인 인터록편이 웨일과 웨일 사이에 요철을 이루고 있기 때문에 웨일 방향으로 더 매끄러운 표면을 가지는 것으로 생각된다.
- Figure 2에서는 각 시료들의 굽힘특성을 그림으로 나타내었다. 5종의 시료에서 굽힘강성(B, bending rigidity)은 웨일 방향이 코스 방향 보다 더 크게 나타났으며, 리싸이클 폴리에스터 니트 소재가 일반 폴리에스터 니트 소재보다 더 높게 나타났다. 리싸이클 폴리에스터 니트 소재 중에서는 RC4의 굽힘강성이 가장 크게 나타났다.
- 인장 에너지(WT, tensile energy)는 모든 시료에서 웨일 방향보다는 코스 방향이 더 큰 값을 나타내고 있으며, 이는 소재가 코스 방향으로 더 쉽게 늘어날 수 있음을 의미한다. 5종의 측정시료 중 일반 폴리에스터사로 제편한 소재의 WT 값이 가장 작게 나타나므로 쉽게 신장되지 않음을 알 수 있다.
- 역학적 특성: Figure 1은 각 시료들의 인장특성을 나타낸 그림이다. 5종의 측정시료에서 인장선형성(LT, linearity) 은 웨일 방향보다는 코스 방향에서의 값이 작으므로 코스 방향으로 더 잘 늘어남을 알 수 있고, 소재의 종류에 따라서는 웨일 방향의 경우, 리싸이클 폴리에스터 이형단면사로 제편한 소재(RC4)가, 코스 방향에서는 리싸이클 폴리에스터 소재 (RC1)의 LT 값이 크게 나타났다. 일반 폴리에스터 소재와 리싸이클 폴리에스터 소재를 비교해 보면 RC1과 RC4 소재가 일반 폴리에스터 소재에 비해서 웨일과 코스 방향에서 모두 LT 값이 높기 때문에 의복의 치수안정성도 높을 것으로 예측할 수 있다.
- 는 청색과 황색 기운을 나타내는 값이다. 5종의 폴리에스터 니트 소재의 밝기를 측정한 결과, 일반 폴리에스터 소재의 밝기가 리싸이클 폴리에스터 소재에 비해서는 밝은 것으로 나타났으며, 리싸이클 폴리에스터 소재 중에서는 RC2 소재가 가장 밝고, 이형단면사로 제편된 리싸이클 소재(RC4)의 밝기가 가장 낮은 것으로 나타났다. a* 값의 경우, 측정된 모든 시료에서 음의 값을 나타내므로 실험에 사용된 시료의 경우, 녹색 기운을 나타냄을 알 수 있으며, 시료 중에서는 RC4 소재의 a* 값이 가장 낮게 나타나서 녹색기운이 가장 강함을 알 수 있다.
- Numeri는 HV 의 세 감각평가치 중에서 가장 큰 값을 나타내어 5종류의 폴리에스터 니트 소재가 유연하고 부드러운 소재임을 알 수 있다. Numeri는 RC2, RC3, RC1, RC4, regular의 순으로 값이 증가하므로 리싸이클 니트 소재보다는 일반 폴리에스터 소재가 좀더 부드럽고 매끄러운 것으로 나타났다. 역학적 특성 중 표면특성 SMD와 압축특성 WC가 Numeri 값과 유사한 경향을 보였는데, 이때 SMD와 WC가 작을수록 Numeri 값은 크게 나타났다.
- 드레이프 계수는 RC4>regular> RC1>RC3>RC2 순으로 높게 나타났다. 드레이프 계수와 상관성이 높은 소재의 무게 및 굽힘강성, 전단강성과 비교해 보면 이형단면사로 제편된 RC4는 일반 폴리에스터 소재보다 무겁고, 굽힘강성 및 전단강성도 크게 나타났으므로 드레이프 계수가 크게 나타났다. 반면, RC1 및 RC2, RC3 소재는 일반 폴리에스터 소재보다 무겁고, 굽힘강성 및 전단강성은 크게 나타났으나, 드레이프 계수는 낮게 나타났으므로 좀더 유연한 소재이며 드레이프성이 향상되었음을 알 수 있다.
- 리싸이클 폴리에스터 이형단면사로 제편된 소재를 제외하고 다른 3종의 리싸이클 폴리에스터 소재는 일반 폴리에스터 소재보다 압축변형은 적은 반면, 압축에 대한 회복률은 리싸이클 폴리에스터 DTY로 제편된 소재(RC1)를 제외하고 일반 폴리에스터 소재보다 감소하는 경향을 보였다. 리싸이클 폴리에스터 소재는 일반 폴리에스터 소재보다 표면 요철은 약간 크나, 표면 마찰계수는 작게 나타나서 표면이 매끄러운 소재임을 알 수 있었으며, 무게는 좀더 무겁고, 두께는 약간 두꺼운 것으로 나타났다.
- KES-FB를 이용하여 측정한 역학적 특성값 중 인장특성은 리싸이클 폴리에스터 이형단면사로 제편된 소재(RC4) 가 일반 폴리에스터 소재보다 인장 초기 신도 저항이 크고, 신장성 및 회복성이 우수하므로 의복의 치수 안정성도 우수할 것으로 기대된다. 리싸이클 폴리에스터 소재는 일반 폴리에스터 소재와 비교하여 굽힘특성 및 전단 특성의 값이 크게 나타나므로 일반 폴리에스터 소재보다 유연성이 약간 부족하고 굽힘변형 또는 전단변형에 대해 회복력이 감소하는 것을 알 수 있었다. 리싸이클 폴리에스터 이형단면사로 제편된 소재를 제외하고 다른 3종의 리싸이클 폴리에스터 소재는 일반 폴리에스터 소재보다 압축변형은 적은 반면, 압축에 대한 회복률은 리싸이클 폴리에스터 DTY로 제편된 소재(RC1)를 제외하고 일반 폴리에스터 소재보다 감소하는 경향을 보였다.
- 리싸이클 폴리에스터 소재는 일반 폴리에스터 소재와 비교하여 굽힘특성 및 전단 특성의 값이 크게 나타나므로 일반 폴리에스터 소재보다 유연성이 약간 부족하고 굽힘변형 또는 전단변형에 대해 회복력이 감소하는 것을 알 수 있었다. 리싸이클 폴리에스터 이형단면사로 제편된 소재를 제외하고 다른 3종의 리싸이클 폴리에스터 소재는 일반 폴리에스터 소재보다 압축변형은 적은 반면, 압축에 대한 회복률은 리싸이클 폴리에스터 DTY로 제편된 소재(RC1)를 제외하고 일반 폴리에스터 소재보다 감소하는 경향을 보였다. 리싸이클 폴리에스터 소재는 일반 폴리에스터 소재보다 표면 요철은 약간 크나, 표면 마찰계수는 작게 나타나서 표면이 매끄러운 소재임을 알 수 있었으며, 무게는 좀더 무겁고, 두께는 약간 두꺼운 것으로 나타났다.
- 시료의 방향에 따른 굽힘이력(2HB, bending hysteresis)은 웨일 방향이 코스 방향에 비해 높게 나타났고, 리싸이클 폴리에스터 니트 소재는 모두 일반 폴리에스터 소재보다 굽힘이력이 높으므로 굽힘에 대한 회복성이 저하되었음을 알 수 있다. 리싸이클 폴리에스터 소재 중 일반 폴리에스터 소재와 가장 유사한 시료는 RC2였다.
- 소재에 필링 현상이 나타나면 소재의 외관과 촉감을 나쁘게 하고, 소재의 수명을 단축시키는 현상을 유발할 수도 있다. 실험 결과 5종의 폴리에스터 니트 소재는 원사의 종류에 관계없이 필링성이 4급으로 필링이 거 발생하지 않으므로 필링성은 모두 우수한 것으로 나타났다.
- 압축 회복성(RC, resilience) 측정에서 RC1 시료는 일반 폴리에스터 소재보다 RC 값이 크게 나타나나므로 변형에 대한 회복성이 증가함을 알 수 있으나, RC2, RC3, RC4는 모두 RC 값이 감소하였다. 리싸이클 폴리에스터 소재의 경우, 굽힘 회복성 및 전단 회복성과 함께 압축 회복성도 감소하는 경향을 나타내므로 압축 회복성을 향상시킬 수 있는 가공이 필요하다고 생각된다.
- Numeri는 RC2, RC3, RC1, RC4, regular의 순으로 값이 증가하므로 리싸이클 니트 소재보다는 일반 폴리에스터 소재가 좀더 부드럽고 매끄러운 것으로 나타났다. 역학적 특성 중 표면특성 SMD와 압축특성 WC가 Numeri 값과 유사한 경향을 보였는데, 이때 SMD와 WC가 작을수록 Numeri 값은 크게 나타났다.
- 인장 레질리언스(RT, resilience)는 측정시료 모두 웨일 방향이 코스 방향보다 RT 값이 높아서 인장 후 회복성이 좋음을 알 수 있다. 리싸이클 폴리에스터 소재 중에서는 RC4가 일반 폴리에스터 소재보다 RT 값이 약간 더 높아서 의복의 치수안정성이 더 높음을 알 수 있다.
- 인장성(EM)은 웨일 방향보다 코스 방향이 훨씬 크게 나타나서 코스 방향으로의 신장성이 우수함을 알 수 있다. 인장성은 RC2에서 가장 높게 나타났으며, 일반 폴리에스터 니트 소재와 가장 유사한 인장성은 리싸이클 폴리에스터 소재 중에서 이형단면사로 제편된 소재(RC4)에서 나타났다.
- 인장특성 측정 결과, 이형단면사로 제조된 리싸이클 폴리에스터 니트 소재(RC4)의 경우, 일반 폴리에스터 니트 소재보다 인장초기 신도 저항이 크고, 신장성은 낮은 반면, 선형성 및 인장회복성은 우수하여 일반 폴리에스터 소재에 비해 의복의 치수 안정성이 우수할 것으로 기대된다.
- Table 2는 실험에 사용된 시료의 무게 및 두께를 측정한 결과이다. 일반 폴리에스터 니트 소재와 리싸이클 폴리에스터 니트 소재의 무게를 측정한 결과, 일반 소재에 비해서 리싸이클 소재가 무겁게 나타났다. 리싸이클 소재 중에서는 이형단면사로 제편된 소재(RC4)가 가장 무겁게 나타났다.
- 전단이력은 리싸이클 폴리에스터 소재 중 RC2를 제외하고는 나머지 4종 시료에서 웨일 방향과 코스 방향에서 값의 차이가 적었으며, 전단이력은 RC4>RC3>RC1>regular>RC2의 순서로 높게 나타나서 측정시료 중에서는 RC2가 일반 폴리에스터 소재보다 전단변형에 대한 회복성이 약간 증가하였음을 알 수 있으나, 나머지 리싸이클 폴리에스터 소재는 변형이 쉽게 일어남을 알 수 있다.
- 측정 결과, 파열강도는 RC1>RC2>RC3>regular>RC4의 순서로 높게 나타났으며, 이로부터 RC4 소재를 제외하고 다른 세 종류의 리싸이클 소재는 일반 폴리에스터 소재보다 파열강도가 우수함을 알수 있다.
- 측정 결과, 파열강도는 RC1>RC2>RC3>regular>RC4의 순서로 높게 나타났으며, 이로부터 RC4 소재를 제외하고 다른 세 종류의 리싸이클 소재는 일반 폴리에스터 소재보다 파열강도가 우수함을 알수 있다. 파열강도는 KES-FB 시험기에서 측정한 역학적 특성 중 인장특성과 전단특성, 압축특성과 관련이 있으므로 이들 측정치와 비교해 보면 RC1, RC2, RC3와는 다르게 RC4는 일반 폴리에스터 소재보다 인장초기에 신도 저항이 크고, 신장성이 낮아서 잘 늘어나지 않는 반면, 선형성 및 인장 회복성은 일반 폴리에스터 소재보다 약간 높아서 의복의 치수 안정성은 좋은 것으로 나타났다. 그러나, 일반 폴리에스터 소재와 비교하여 전단강성이 커서 전단변형이 잘 일어나지 않으며, 전단 회복력 또한 나빠서 일단 변형이 일어나면 회복이 쉽게 일어나지 않는 특성이 있다.
- 황색 기운은 일반 폴리에스터 소재와 RC4 소재에서 강하게 나타나서 다른 소재에 비해 황변이 많이 일어났음을 알 수 있었다. 폐페트병을 이용하여 물질 재생 방법에 의해 리싸이클 원사를 제조할 때, 이물질에 의한 황변을 방지하기 위하여 산화티탄(TiO2)과 같은 소광제를 0.3% 정도 첨가할 뿐 아니라 폐 PET 플레이크를 컴파운드하는 과정에서 다시 한번 용융, 고화 공정을 거치기 때문에 열산화로 인한 변색을 방지하기 위해 안정제를 일정량 첨가하므로 리싸이클 폴리에스터 소재가 일반 폴리에스터 소재에 비해 b* 값이 작게 나타났다. 리싸이클 폴리에스터 소재 중에서 RC3의 b* 값이 가장 작게 나타났는데, 이는 황변 방지와 함께 광택성을 감소시키기 위하여 산화티탄을 0.
- 색상 분석 결과 리싸이클 폴리에스터 소재의 경우, 밝기는 일반 폴리에스터 소재보다 낮은 반면, 황색 기운을 나타내는 b* 값은 리싸이클 폴리에스터 이형단면사로 제편된 소재(RC4)를 제외하고는 낮게 나타나서 황변 현상이 적게 나타남을 알 수 있었다. 필링성은 시료에 관계없이 모두 4등급으로 우수하게 나타났으며, 리싸이클 폴리에스터 이형단면사로 제편된 소재(RC4)를 제외하고는 리싸이클 폴리에스터 소재가 일반 폴리에스터 소재보다 파열강도 및 드레이프성이 우수한 것으로 나타났다.
- b* 값은 5종의 시료 모두 양의 값을 나타낸 것으로부터 시료 모두에서 황색 기운이 나타남을 알 수 있다. 황색 기운은 일반 폴리에스터 소재와 RC4 소재에서 강하게 나타나서 다른 소재에 비해 황변이 많이 일어났음을 알 수 있었다. 폐페트병을 이용하여 물질 재생 방법에 의해 리싸이클 원사를 제조할 때, 이물질에 의한 황변을 방지하기 위하여 산화티탄(TiO2)과 같은 소광제를 0.
후속연구
- 그러나, 이형단면사로 제편된 니트 소재를 제외하면 폐페트병을 재활용한 원사로 제편된 니트 소재는 파열강도 측면에서 보았을 때, 일반 폴리에스터 소재가 사용되는 제품으로의 대체가 가능할 것으로 기대된다. 한편, 리싸이클 폴리에스터 이형단면사로 제편된 니트 소재는 파열강도 저하가 크게 나타나므로 강도 손실을 보완할 수 있는 가공이 필요할 것으로 생각된다.
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