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문제 정의
- 그러나 이들 연구들은 padding 방법 혹은 OCVA(Oxidative Chemical Vapor Deposition)방법 등으로 실의 코팅을 실험실에서 연구하여 전기전도성 등의 물성을 향상시키는 것에 연구의 목표를 두었다. 실제 코팅 관련 중소기업에서는 코팅액의 균제한 코팅이 대단히 중요하며 코팅사의 인장 물성 등 실의 길이 방향의 물성균제성이 코팅사 품질에 대단히 중요한 기술로 알려져 있으며 코팅공정기계에서는 extruder의 온도와 core사의 feed speed에 따라 코팅사의 인장특성이 달라진다고 알려져 있으나 이들에 관계된 내용의 연구는 많이 발표된 것이 없다.
- 따라서 본 연구에서는 Sun screen으로 많이 사용되는 PP와 PET 필라멘트의 TPO와 PVC 코팅액과의 코팅공정에서의 최적 공정조건에 관한 연구를 하고자 하였다. 즉 코팅기계에서 중요 공정인자인 extruder 온도와 core사의 feed속도에 따른 코팅사의 물성에 대해 시뮬레이션을 실시하고 실제 코팅공정에서 온도와 속도를 변화시킨 코팅사를 제조, 이들의 물성을 측정하여 시뮬레이션 결과와 비교·분석하여 최적물성을 갖는 최적 사 코팅공정에 관한 연구를 수행하였다.
제안 방법
- 시뮬레이션 결과를 확인해 보기위해 PET core사에 PVC(Polyvinyl chrolide)를 코팅폴리머로 하여 코팅사를 제조하였다. 250d PET core사에 PVC를 코팅제로 하여 코어 원사속도 700m/min, extruder 온도 175℃로 하여 1200d PET/PVC 코팅사를 제조하였다.
- 2gf/cm2(T2)와 100gf/cm2(T100)에서의 코팅사의 압축성을 측정하므로서 코팅성의 균제성을 분석하였다.
- 코팅사의 번수는 KSK 0416에 의거하여 측정하였으며 인장특성치는 Testometric Micro 350(UK)을 사용하여 100mm 시료길이로서 100mm/min의 인장속도로서 각 시료당 20회 실시하였다. CRE type S-S curve에서 절단강도, 절단신도, 인장모듀러스를 측정하였다.
- PET 250d를 core사로 사용하고 PVC 코팅을 실시하여 1200d PET/PVC 코팅사의 시뮬레이션 실험을 실시하였다.
- PP 210d를 core사로 사용하고 TPO 코팅을 실시하여 1000d PP/TPO 코팅사의 시뮬레이션 실험을 실시하였다.
- 건열은 건열 건조기내에 130℃에서 30분 건열처리후 열처리 전·후의 행크 시료길이에서 건열수축률을 측정하였으며, 습열은 습열 bath내에서 100℃에서 30분 습열 처리후 습열처리 전 후의 행크사 길이에서 습열 수축률을 측정하였다.
- 건축용 차양막 직물에 사용되는 PP/TPO 및 PET/PVC 코팅사의 코팅공정 조건인 extruder 온도와 core사 사속에 따른 물성의 변화에 관한 시뮬레이션과 실험연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 5, 2회 이상일 때 0으로 평가하였다. 그리고 2는 진원도로서 25~30회 시험용 코팅사 단면의 광학현미경 사진에서 0.8에서 0.5까지 0.1의 차이를 두면서 4단계로 진원도를 육안평가 하였다.
- 그리고 이들 코팅사와 물성비교를 위해 210d PET core사에 PVC를 코팅제로 하여 1000d 코팅사를 코팅하여 코팅사의 번수에 따른 물성분석을 통해 코팅조건 차이를 비교·분석 하였다.
- 즉 이 조건에서 직물상태에서의 열적 형태안정성이 가장 우수하다는 것을 예측 할 수 있으며 인장특성치도 이 조건에서 최적조건을 보임으로써 제직성과 후가공에서의 열적 안전성을 고려 할 때 이 조건이 최적 조건임을 확인하였다. 그리고 이러한 현상이 코팅사 내부의 진원구조와는 어떠한 관계가 있는지를 코팅사의 압축특성과 광학현미경 사진으로 다음에 확인하였다.
- 코팅사의 진원도를 확인하기 위해 코팅사 단면을 광학현미경(iCamscope-305A)을 사용하여 사진을 측정하였다. 그리고 코팅사의 절단될 때의 절단부위의 SEM(S-4100, Hitachi Co., Japan) 사진을 측정하였다.
- 다이스 직경을 0.75mm, 니플 직경을 0.31mm로 고정한 후 extruder 온도를 140℃v, 150℃, 160℃로 3가지로 바꾸어 주고 코어원사 속도를 400, 500, 600m/min으로 바꾸어 주면서 9가지 시료를 제조하였다. Table 7에 이들 실험조건을 보였다.
- 은 작업성으로 코팅 현장에서 작업성이란 생산성을 의미하며 사절이 생산성에 가장 중요한 인자가 되므로 코팅사의 표면상태, 절단강도와 절단신도 등이 사절에 결정적인 요인이 되는 것으로 알려져 있다. 따라서 코팅사의 강신도특성에 관계되는 코팅중 사절과 실의 표면상태 등을 고려하여 평가하였다. 25~30회 시험용 코팅사 제조중 사절이 없을때 1.
- 시뮬레이션 결과를 확인하기 위하여 polypropylene(PP) 210d를 core사로 하고 TPO(Thermo Plastic Olefine)를 코팅폴리머로 하여 1000d PP/TPO 코팅사를 제조하였다.
- 시뮬레이션 결과를 확인해 보기위해 PET core사에 PVC(Polyvinyl chrolide)를 코팅폴리머로 하여 코팅사를 제조하였다. 250d PET core사에 PVC를 코팅제로 하여 코어 원사속도 700m/min, extruder 온도 175℃로 하여 1200d PET/PVC 코팅사를 제조하였다.
- 인장특성과 열수축특성의 결과에서 예측된 코팅사 물성결과를 간접적으로 확인해 보기 위해 사의 압축특성실험을 실시하였다.
- 즉 코팅기계에서 중요 공정인자인 extruder 온도와 core사의 feed속도에 따른 코팅사의 물성에 대해 시뮬레이션을 실시하고 실제 코팅공정에서 온도와 속도를 변화시킨 코팅사를 제조, 이들의 물성을 측정하여 시뮬레이션 결과와 비교·분석하여 최적물성을 갖는 최적 사 코팅공정에 관한 연구를 수행하였다.
- 진원률을 간접적으로 측정하기 위해 FAST-1 system(Fabric Assurance by Simple Testing, CSIRO, Australia)을 이용하여 코팅사의 측면방향의 압축성을 코팅사의 길이방향으로 100회 반복실험하여 코팅사의 내부 코팅의 균제성을 확인하였다.
- 코팅사의 번수는 KSK 0416에 의거하여 측정하였으며 인장특성치는 Testometric Micro 350(UK)을 사용하여 100mm 시료길이로서 100mm/min의 인장속도로서 각 시료당 20회 실시하였다. CRE type S-S curve에서 절단강도, 절단신도, 인장모듀러스를 측정하였다.
- 코팅사의 번수에 따른 코팅조건과 코팅사의 물성을 확인하기 위해 시뮬레이션에서 보인 PET/PVC 1200d와 1500d 코팅사의 extruder 온도와 core사 feed speed에 대한 사코팅 조건을 포함하여 이들과 비교하기 위해 준비한 1000d 등 3가지 core사의 물성실험을 실시하였다.
- 코팅사의 습·건열 열수축률을 측정하였다.
- 코팅사의 진원도를 확인하기 위해 코팅사 단면을 광학현미경(iCamscope-305A)을 사용하여 사진을 측정하였다. 그리고 코팅사의 절단될 때의 절단부위의 SEM(S-4100, Hitachi Co.
- 을 적용하여 시뮬레이션을 실시하였다. 품질 평가특성은 코팅사의 강신도 그리고 진원율(core사 주위의 coating사의 균제성)을 등급화하여 시뮬레이션을 실시하였다.
대상 데이터
- 한편 420denier PET core사에 PVC를 코팅제로 하여 extruder 온도 178℃, 코어 원사속도 650m/min조건에서 1500d PET/PVC 코팅사를 제조하여 시뮬레이션에서의 최적조건을 생산조건으로 확인하는 시료를 준비하였다. 그리고 이들 코팅사와 물성비교를 위해 210d PET core사에 PVC를 코팅제로 하여 1000d 코팅사를 코팅하여 코팅사의 번수에 따른 물성분석을 통해 코팅조건 차이를 비교·분석 하였다.
이론/모형
- 코팅사의 제조시 품질에 가장 큰 영향을 미칠 것으로 예상되는 인자를 선정하고 이를 2수준 부분완전 배치법14)을 적용하여 시뮬레이션을 실시하였다. 품질 평가특성은 코팅사의 강신도 그리고 진원율(core사 주위의 coating사의 균제성)을 등급화하여 시뮬레이션을 실시하였다.
성능/효과
- 1. PP/TPO 1000d 코팅사는 extruder 온도 150℃, core 사속 400~500m/min에서 최적의 인장특성치와 열적형태안정성을 보였으며 이는 PP core사의 압축 특성실험과 광학현미경사진 결과에서 진원도가 이 조건에서 가장 우수함에 기인됨을 확인하였으며 이는 시뮬레이션 결과와 잘 일치함을 확인하였다.
- 2. PET/PVC 코팅사의 경우 시뮬레이션에서 도출된 조건, 즉 1500d의 경우 extruder 온도 178℃, core사 속도 650m/min, 1200d의 경우 extruder 온도 175℃, core사 속도 700m/min에서 제조한 코팅사의 물성 분석결과 번수에 따른 물성차이는 보이지 않으나 물성의 편차는 1500d가 1200d와 1000d보다 더 큰 값을 보였다.
- 3. PET/PVC 코팅사의 경우 1000d, 1200d, 1500d 코팅사의 번수에 따른 열 수축특성, 인장 특성 등의 물성에는 큰 차이가 없음을 확인 하였으며 코팅사의 압축특성과 광학현미경에 의한 단면사진 분석결과 시뮬레이션 최적조건에서 제조한 코팅사의 진원도가 우수한 것을 확인 하였으며, 시뮬레이션결과를 현장 field에서의 생산에 적용 가능함을 확인하였다.
- 반면 Figure 8(b)에서 보였듯이 절단신도는 일반적인 사의 특성치와 유사하게 절단강도와는 반대의 현상을 보였다. 그리고 초기탄성률은 절단강도와 유사하게 140℃, 400m/min과 160℃, 400m/min에서 최소치를 보였으며 150℃, 400~500m/min에서 최대치를 보였다. 이러한 결과는 Figure 2과 Figure 3에서 보인 시뮬레이션 결과와 유사한 결과를 확인 할 수 있었다.
- Figure 13에 이들 세 가지 코팅사의 인장 특성치를 보인다. 그림에서 볼 수 있듯이 사의 절단강도, 절단 신도, 모듀러스의 번수에 따른 경향성을 볼 수 없었으며 시뮬레이션에서 보인 1200d(extruder 온도 175℃, core사 원사속도 700m/min)의 인장특성치의 편차보다 1500d(extruder 온도 178℃, core사 feed speed 650m/min)의 인장특성치 편차가 더 큰 값을 보임을 알 수 있다. 이는 Figure 14에 보이는 SEM사진에서 확인 할 수 있다.
- Figure 4는 작업성에 대한 인자별 등고선 영역을 보인다. 다이스 직경 0.6mm, 니플 직경 0.3mm로 고정할 때 extruder 온도 174℃~177℃ 그리고 코어 원사 속도 650m/min~750m/min 구간에서 생산성이 약 1에 가까운 것을 확인하였다.
- 따라서 1200d PET/PVC 코팅사의 최적코팅조건은 extruder 온도 174℃~180℃, 코어 원사속도 700m/min~750m/min에서 높은 작업성과 가장 큰 진원률을 보임을 확인하였다.
- 따라서 1200d 사의 코팅조건인 extruder 온도 175℃, core사 원사속도 700m/min과 1500d사의 코팅 조건인 온도 178℃과 사속 650m/min의 시뮬레이션 결과의 실제 코팅공정에서의 적용이 가능함을 확인하였다.
- 이러한 결과에서 150℃, 500m/min의 코팅조건에서 코팅사의 진원율, 즉 PP 코아사를 코팅한 TPO가 사의 길이 방향으로 균일하게 코팅됨으로서 PP코아사가 코팅사내의 중심에 위치함으로서 코팅사의 절단 강도와 모듀러스가 최대치를 보이는 것으로 예측된다. 이러한 예측은 Figure 12에 보이는 광학현미경사진에서도 볼 수 있듯이 150℃, 500m/min 조건(e)에서 PP 코아사의 진원도가 우수함을 확인 할 수 있다.
- 그리고 140℃, 400m/min 또는 160℃, 400m/min에서 최소치를 보였다. 즉 TPO 융점보다 낮거나 높은 온도에서 낮은 사속인 400m/min 조건에서 절단강도가 낮은 값을 보였으며 150℃의 400~500m/min에서 절단강도가 가장 높은 값을 보인 것은 PP 융점인 165℃보다 낮은 TPO 융점근처에서 사속이 400~500 m/min의 조건이 최대강도를 보이는 최적 조건임을 추정할 수 있다.
- 그리고 extruder 온도 150℃, 사속 400~500m/min에서 습·건열 수축률이 최소치를 보였다. 즉 이 조건에서 직물상태에서의 열적 형태안정성이 가장 우수하다는 것을 예측 할 수 있으며 인장특성치도 이 조건에서 최적조건을 보임으로써 제직성과 후가공에서의 열적 안전성을 고려 할 때 이 조건이 최적 조건임을 확인하였다. 그리고 이러한 현상이 코팅사 내부의 진원구조와는 어떠한 관계가 있는지를 코팅사의 압축특성과 광학현미경 사진으로 다음에 확인하였다.
- 그림에서 볼 수 있듯이 3가지 원사의 습·건열 수축률에 큰 차이가 없음을 확인하였다. 즉 최적 실험조건인 1000d 코팅사의 열 수축특성이 1200d와 1500d 코팅사와 큰 차이를 보이지 않음으로서 코팅사의 번수에 따른 열 특성차이가 없음을 확인하였다.
- 그림에서 볼 수 있듯이 1200d, 1500d 사의 압축특성이 1000d 사의 압축특성과 유사한 편차를 보였다. 코팅사의 단면사진에서도 1000d 코팅사와 1200d, 1500d 코팅사들의 진원도가 유사함을 확인하였다.
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