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문제 정의
- 한편 para-aramid와 para-aramid/nylon hybrid 사를 이용하여 ATY로 제조할 경우, 표면에 생기는 루프로 인하여 타 소재와 접착시, 접착제 담지성능이 향상되어 접착력이 상승되는 반면 aramid ATY가 가공되기 전 aramid사의 물성보다 저하되는 약점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 ATY 제조공정에서 주요 공정인자인 워터배스에서 para-aramid와 aramid/nylo-n hybrid ATY에 물을 첨가할 때 이들 사들의 물성변화를 분석하여 방화복과 방검용 보호의류에 적합한 aramid ATY사 개발에 관한 기초연구를 수행하고자 한다.
- 또한 Chand(1995)는 ATY에서의 물의 역할에 대한 논문에서 3가지 관점, 즉 제트노즐 내부에서 공기의 흐름거동, 노즐면과 필라멘트 사이의 마찰과 필라멘트들 간의 마찰특성, 그리고 필라멘트 자체의 물성치에 관해 물의 역할과 관련한 일련의 실험결과들을 발표하였다. 이들 논문에서는 ATY노즐내에서의 물의 공급은 강한 압력의 공기 흐름거동과 필라멘트들 사이의 마찰특성의 변화등 2가지 관점에서 ATY사의 구조와 물성에 미치는 영향에 대한 연구결과를 발표하고 있다. Rengasamy et al.
제안 방법
- 본 연구에 사용한 시료 para-aramid(PA)는 K사에서 생산한 Heracron이며 nylon(N)은 H사에서 생산한 고강도 nylon을 사용하였다. ATY 가공 전 세 가지 원사의 물성을 Table 1에 나타내며 세 가지 원사를 이용하여 ATY 제조공정(AIKI, 日)에서 다른 공정조건은 동일하게 하고 물 첨가의 유무, core만 공급한 경우, core와 effect를 변경하여 투입한 경우로 변화시켜 6가지 ATY 시료를 제조하였다. 제조한 시료의 ATY 공정조건을 Table 2에 나타내며 ATY 기계 모식도를 Fig.
- Aramid/nylon hybrid사의 표면특성을 비디오광학현미경시스템(SV-550 Video microscope system, SOMETECH, Korea)을 이용하여 40배율로 측정하여 루프발현정도를 확인하였다.
- KS K 0215에 따라 습열수축률은 릴(reel)에 시료를 감아 타래상태에서 사에 0.1 g/d의 초하중을 걸어 원장을 구한 후 워터배스내에서 온도 100℃, 30분간 무긴장 아래에서 침지하여 습열처리를 하고 24시간 이상 상온에서 방치한 후 0.1 g/d의 초하중을 시료에 걸고 길이를 측정하여 수축 변화량을 측정하였다. 건열수축률은 습열수축률에서와 같은 방법으로 시료를 준비 후 공기온도가 180℃인 히팅챔버 내에서 30분간 무긴장 열처리를 한 후 24시간 이상 방치하여 0.
- KS K 0416 필라멘트사의 선밀도 측정 방법(타래법)에 의거하여 둘레가 1m인 릴에 90회 시료를 감아 채취된 타래를 히팅챔버 내 온도 50℃에서 30분간 건조시킨 후 허용오차±0.5 mg의 저울을 사용하여 무게를 측정하여 사의 선밀도를 측정하였다.
- 1 g/d의 초하중을 시료에 걸고 길이를 측정하여 수축 변화량을 측정하였다. 건열수축률은 습열수축률에서와 같은 방법으로 시료를 준비 후 공기온도가 180℃인 히팅챔버 내에서 30분간 무긴장 열처리를 한 후 24시간 이상 방치하여 0.1 g/d의 초하중을 걸고 길이를 측정하여 건열수축 변화량을 측정하였다.
- 인장시험기(MICRO 350, Testometric Co., England)를 이용하여 상온에서 24시간 방치한 각각의 시료를 sample 길이100 mm, test speed 100 mm/min의 조건으로 10회 측정하여 절단강도, 절단신도, 초기탄성률을 측정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용한 시료 para-aramid(PA)는 K사에서 생산한 Heracron이며 nylon(N)은 H사에서 생산한 고강도 nylon을 사용하였다. ATY 가공 전 세 가지 원사의 물성을 Table 1에 나타내며 세 가지 원사를 이용하여 ATY 제조공정(AIKI, 日)에서 다른 공정조건은 동일하게 하고 물 첨가의 유무, core만 공급한 경우, core와 effect를 변경하여 투입한 경우로 변화시켜 6가지 ATY 시료를 제조하였다.
성능/효과
- 이는 nylon ATY경우 물의 첨가로 인하여 필라멘트의 팽윤과 가소화가 일어나 모듈러스가 감소한다는 Kothari et al.(1991b)의 연구결과와 동일한 결과를 보이고 있으며 aramid ATY의 1번과 2번 시료에서 no wetting 시료인 2번 시료의 초기탄성률 증가(20.8%)에 비해 aramid/nylon hybrid ATY에서의 no wetting 시료인 4번 시료가 wetting 시료인 3번 시료 대비 2배 이상의 증가는 nylon의 물처리에 의한 초기탄성률의 감소가 원인이라고 사료되며 물 첨가의 유무가 nylon과의 ATY hybrid사의 절단강도와 절단신도보다 초기탄성률에 가장 많은 영향을 주는 것을 확인하였다. 한편 core에 두 가닥을 함께 물을 통과시켜 투입한 5번 시료의 경우 3번 시료와 비슷한 값을 보임으로써 core와 core-effect로 투입하더라도 물을 통과하면 hybrid사의 초기탄성률에는 큰 영향을 주지 않음을 알 수 있다.
- 1. Core부분의 aramid사에 물의 첨가는 core/effect ATY의 선밀도의 증가를 가져오며 aramid와 nylon 두 가닥을 core로 피드시킨 ATY보다 core/effect로 피드시킨 ATY가 높은 선밀도를 보이며 core에 nylon, effect에 aramid를 피드시킨 ATY의 선밀도가 aramid/nylon을 core/effect로 사용한 ATY보다 더 높은 선밀도를 보인다.
- 2. Core부분의 aramid에 물의 첨가는 절단강도의 감소를 가져오며 특히 core에 nylon을 effect에 aramid를 피드시킨 hybrid ATY는 6.2 g/d의 낮은 절단강도를 보임으로써 hybrid ATY의 절단강도는 core 부분의 소재특성에 의해 결정됨을 확인하였다. 그리고 절단신도는 절단강도와는 반대현상을 보이며 특히 core와 effect를 바꾼 hybrid ATY가 aramid/nylon을core/effect로 사용한 ATY보다 약 30% 높은 절단신도를 보임으로써 절단신도 역시 core부분의 소재특성인 nylon에 의해 결정됨을 확인하였다.
- 3. Core부분에 물을 첨가한 ATY는 첨가치 않은 ATY 대비 약 20.8%의 초기탄성률 저하를 가져오며 aramid와 nylon을core와 effect로 한 ATY의 경우 core부분의 물의 첨가는 첨가치 않은 ATY 대비 2배정도 초기탄성률이 감소하는 현상을 보였다. 이는 절단강도와 절단신도 대비 물의 첨가에 가장 큰 변화를 보이는 것이 초기탄성률임을 확인하였다.
- 4. Aramid/nylon hybrid ATY의 건열수축률은 core부분에 물의 첨가가 열수축 특성을 높이며 물을 첨가치 않으면 2%정도의 낮은 건열수축률을 보이며 core에 nylon이 들어가면 건열수축률은 더 높아지며 습열수축률도 건열수축률과 비슷한 경향을 보인다.
- 5. Aramid와 aramid/nylon hybrid ATY의 불안정성은 물을 첨가할 때 더욱 안정성이 높아지며 편차도 낮은 결과를 보임으로써 형성된 루프가 안정된 상태를 유지한다. 그러나 core부분이 aramid에서 nylon으로 바뀌면 hybrid ATY사의 불안정성은 증가한다.
- 6. Hybrid ATY의 bulky성과 절단신도를 높이려면 core에 nylon, effect에 aramid를 피드시킨 ATY를, 절단강도와 모듈러스를 높이려면 aramid와 nylon을 모두 core에 피드시킨 ATY가 요구되며 안정된 열수축 특성을 원하면 물을 통과치 않은core/effect aramid/nylon hybrid ATY가 좋다. 그리고 aramid혹은 hybrid ATY에 물의 통과는 만들어진 ATY의 루프안정성을 높인다.
- 4%의 높은 건열수축률을 보임으로써 hybrid사의 열 수축률은 core part의 nylon에 지배됨을 알 수 있다. ATY 공정조건에서 물첨가 유무에 따른 aramid와 aramid/nylon hybrid ATY의 습열수축률의 결과를 보면 건열수축률에 비해 3~4% 높은 5.2~9.3%의 분포를 보이며 전체적으로 건열수축률과 같은 경향성을 나타내고 있다.
- 4는 ATY 공정조건 중 물 첨가 유무에 따른 aramid와 aramid/nylon hybrid사의 절단신도를 나타낸다. Core와 effect를 변경하여 투입한 6번 시료를 제외한 1번에서 5번 시료의 절단신도는 전체적으로 13~17%의 분포를 보인다. 그리고 aramid 단사필라멘트의 경우 물을 통과하여 텍스쳐링한 1번 시료는 물을 통과하지 않고 텍스쳐링한 2번 시료 대비 10%정도 낮은 절단신도를 보인다.
- 2%정도의 아주 낮은 건열수축률을 보인다. nylon과 hybrid된 ATY의 건열수축률은 전체적으로 2~5.3%의 분포를 보이며 물을 통과하지 않고 core/effect를 텍스쳐링한 4번 시료는 물을 통과하여 텍스쳐링한 3번 시료 대비 2배정도 낮은 2%의 건열 수축률을 나타내었으며 다른 공정조건들에 비하여 뚜렷하게 낮은 건열수축률을 가짐으로써 물 첨가의 유무에 많은 영향을 받는다는 것을 알 수 있다. 이는 물 첨가로 인하여 공정 중 발생하는 필라멘트와 필라멘트 사이의 마찰의 감소가 ATY 노즐내에서 필라멘트의 운동량을 증가시켜 많은 루프를 형성하게 되고 형성된 많은 루프가 무긴장하에 건열을 받아 물을 첨가하지 않은 시료 대비 더 많이 수축한 것으로 사료된다.
- (1991a, b)의 연구결과와 같은 결과를 나타낸다. 그리고 Core로 물을 통과시켜 aramid와 nylon 두 가닥을 함께 투입한 5번 시료의 경우3번 시료에 비하여 5%정도 증가된 절단강도를 보이며 이는core-effect구조의 3번 시료사보다 5번 시료사의 루프형성이 감소되어 인장력을 지지할 수 있는 섬유의 수가 증가된 결과로 보인다. 한편 core에 nylon 420d와 effect에 para-aramid 840d로 변경하여 투입한 6번 시료의 경우 3번 시료에 비해 20%정도 감소한 6.
- 이는 의류용으로 사용되는 ATY사에 수분이 포함되면 일반적으로 사의 강도가 감소한다는 Chand(1995)의 연구결과와 물을 통과하여 텍스쳐링 할 경우 buckled 루프가 증가하여 절단신도는 증가한다는 Dani(2004)의 연구결과와 비슷한 결과를 보였다. 그리고 aramid와 aramid/nylon hybrid ATY가 다른 경향을 보이는데 aramid/nylon hybrid ATY의 경우 aramid보다 상대적으로 굽힘과 비틀림 강성이 낮은 effect part의 nylon이 wetting에 의해 많은 루프와 헝클어짐이 생겨 외부 응력에 대한 변형이 많이 일어남으로써 절단신도가 높은 값을 보이는 것으로 사료된다. 그리고 두 가닥을 물을 통과시켜 core에 동시에 투입한 5번 시료의 경우 3번 시료에 비하여 13%정도 증가한 절단신도를 갖는다.
- 95%정도 높은 선밀도를 보였다. 그리고 물을 통과시켜 텍스쳐링한 aramid/nylon hybrid ATY 3번 시료의 선밀도는 물을 통과하지 않고 텍스쳐링한 4번 시료 대비 높은 선밀도를 보였다. 이는Acar et al.
- 2 g/d의 낮은 절단강도를 보임으로써 hybrid ATY의 절단강도는 core 부분의 소재특성에 의해 결정됨을 확인하였다. 그리고 절단신도는 절단강도와는 반대현상을 보이며 특히 core와 effect를 바꾼 hybrid ATY가 aramid/nylon을core/effect로 사용한 ATY보다 약 30% 높은 절단신도를 보임으로써 절단신도 역시 core부분의 소재특성인 nylon에 의해 결정됨을 확인하였다.
- 한편 core부에 들어가는 aramid에 물을 통과시키지 않고 텍스쳐링한 4번 시료의 경우 물을 통과시켜 텍스쳐링한 3번 시료에 비하여 루프의 형성이 적고 core와 effect의 교락이 효율적으로 이루어지지 않았음을 볼 수 있다. 또한 aramid와 nylon 두 가닥 필라멘트를 동시에 물을 통과시키고 core에 투입시킨 5번 시료의 경우 3번 시료 대비 사의 표면에 루프형성이 적은 것을 볼 수 있으며 core에 nylon 420d를 물을 통과시키고 effect에 aramid840d를 투입한 6번 시료의 경우 3번 시료에 비하여 core의 nylon사가 물에 의해 마찰이 작아지면서 또한 aramid에 비해 상대적으로 굽힘과 비틀림 강성이 작아 공기압에 대한 많은 헝클어짐이 생겨 실이 더 굵어 보이면서 사 표면 effect사의 엉킴이 큰 것을 보인다.
- 이 결과에서 aramid 1가닥이던 aramid와 nylon을 core와 effect로 하여만든 hybrid ATY이던 core part에 물을 통과시킨 ATY가 모두 높은 번수를 보임으로써 ATY의 core부분에 물의 첨가는 고강도·고탄성사인 aramid와 고강도 nylon사에도 모두 영향을 미침을 알 수 있다.
- (2004)의 연구에 의하면 core구조보다 core-effect구조로 된 ATY가 더 높은 수축률을 가진다는 연구결과와는 다소 다른 경향을 나타냈다. 이는 5번 ATY의 경우 열수축률이 높은 nylon이 core part에 위치하면서 상대적으로 aramid보다 열수축이 많이 발생된 결과로 열수축률은effect part보다 core part에 모여 있는 nylon에 더 많은 영향을 받는 다는 것을 알 수 있다. 이러한 현상은 core에 nylon420d와 effect에 aramid 840d를 투입한 6번 시료의 경우 3번 시료에 비해 19%정도 증가한 5.
- 한편 core에 nylon 420d와 effect에 aramid 840d로 core와 effect를 바꾸어 투입한 6번 시료의 경우 다른 시료에 비하여 2배 높은 30%정도의 절단신도를 보이며 가장 큰 값을 나타낸다. 이는 core part가 aramid에서 nylon으로 변경됨으로써 물을 통과하여 마찰이 적어져 많이 헝클어지면서 nylon 자체의 절단신도의 높은 값이 hybrid ATY의 높은 절단신도를 보이게 하는 결과로써 hybrid사의 절단신도도 역시 core part에 지배됨을 보여준다.
- 이는 5번 ATY의 경우 열수축률이 높은 nylon이 core part에 위치하면서 상대적으로 aramid보다 열수축이 많이 발생된 결과로 열수축률은effect part보다 core part에 모여 있는 nylon에 더 많은 영향을 받는 다는 것을 알 수 있다. 이러한 현상은 core에 nylon420d와 effect에 aramid 840d를 투입한 6번 시료의 경우 3번 시료에 비해 19%정도 증가한 5.4%의 높은 건열수축률을 보임으로써 hybrid사의 열 수축률은 core part의 nylon에 지배됨을 알 수 있다. ATY 공정조건에서 물첨가 유무에 따른 aramid와 aramid/nylon hybrid ATY의 습열수축률의 결과를 보면 건열수축률에 비해 3~4% 높은 5.
- 3은 ATY 공정조건 중 물 첨가 유무에 따른 aramid와 aramid/nylon hybrid사의 절단강도를 나타낸다. 전체적으로 절단강도는 6.2~10.6 g/d의 분포를 보이며 물을 통과시킨 1번 시료는 물을 통과하지 않은 2번 시료 대비 19%정도 감소한 절단강도를 나타낸다. 그리고 물을 통과하지 않고 텍스쳐링한 4번 시료의 경우 물을 통과시켜 텍스쳐링한 3번 시료의 절단강도보다 35%정도 높은 값을 보인다.
- 7은 ATY 공정조건중 물 첨가 유무에 따른 aramid와 aramid/nylon hybrid의 불안정성을 나타낸다. 전체적으로0.85~1.15%의 불안정성 분포를 나타내며 물을 통과하여 텍스쳐링한 1번 시료의 경우 물을 통과하지 않고 텍스쳐링한 2번 시료에 비하여 14%정도 낮은 불안정성을 보이며 2번 시료의경 우 큰 편차를 보인다. 그리고 para-aramid 840d에 물을 통과하여 텍스쳐링한 3번 시료의 경우 물을 통과하지 않고 텍스쳐링한 4번 시료에 비하여 10%정도 낮은 불안정성을 가지며 또한 큰 편차를 보인다.
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