[논문]3성분 섬유 혼용에 의한 Wet-laid 부직포의 구조 및 공학적 성능 평가

차주희; 김북성; 복진선; 전한용

doi:10.12772/tse.2016.53.134

3성분 섬유 혼용에 의한 Wet-laid 부직포의 구조 및 공학적 성능 평가
Evaluation of Engineering Performance of Wet-Laid Nonwoven Fabrics Using Three-Component Fiber Blending

한국섬유공학회지 = Textile science and engineering, v.53 no.2, 2016년, pp.134 - 141

차주희 (인하대학교 대학원 유기응용재료공학과) , 김북성 (한국섬유개발연구원) , 복진선 (한국섬유개발연구원) , 전한용 (인하대학교 유기응용재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, polyarylate nonwoven fabrics were manufactured by a wet-laid process by using viscose rayon and amorphous PET fiber as binding fibers. The engineering performance was evaluated after calendering to obtain a compact structure. From the polyarylate wet-laid nonwoven fabrics, it was confirmed that polyarylate fiber and binding fibers were mixed evenly. Through calendering, the permeability and pore size of the wet-laid nonwoven fabrics were significantly reduced owing to the compact structure. The bending strength and tensile strength increased through calendering, but the tensile elongation decreased. From an analysis of the tensile properties, monolayer wet-laid nonwoven fabrics showed better evenness than multilayer wet-laid nonwoven fabrics. In addition, multilayer wet-laid nonwoven fabrics showed a higher anisotropy than monolayer wet-laid nonwoven fabrics.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

Wet-laid 부직포 내 기공의 크기 및 분포를 알아보기 위해 기공크기를 측정하였다. 기공크기 측정에는 bubble point 측정법을 적용하였으며 pore wick 용액(표면장력: 16 dyne/cm)을 사용하였다.
부직포 제조 조건을 Table 1에 나타내었으며 mono layer 부직포의 경우 중량을 50, 100 g/m², multi layer 부직포는 200, 250, 300 g/m²으로 제조하였다. mono 및 multi layer 부직포를 제조하기 위하여 belt 속도, 폭, 건조온도 등을 차별화하였다.
C에서 캘린더링을 이용한 고밀도화 공정을 진행하였다. 공정 특성상 100 ^oC 이상의 건조과정을 거치더라도 샘플이 수분을 함유하고 있어 고밀도화 전 70 ^oC에서 24시간 동안 충분히 건조시킨 후 고밀도화 공정을 진행하였다.
290%인 viscose rayon(Kelheim Fiber사, Leonardo)을 사용하였다. 그리고 polyarylate 70%, viscose rayon 30% 조성의 웹을 형성하여 각각 50, 100, 200, 250, 300 g/m²의 wet-laid 부직포를 제조하였다. 섬유를 수중분산 시키기 전 polyarylate/viscose rayon 섬유를 70/30의 비율로 혼합해 두었으며 혼합된 섬유를 물 1 l 당 1.
제조된 부직포의 고밀도화 공정 이전, 이후의 표면 및 단면을 비교하기 위해 FE/SEM(field emission scanning electron microscope)으로 표면 및 단면 상태를 확인하였다. 또한 고밀도화로 인한 통기성, 굽힘 강도, 인장특성을 측정하였다. 통기성(KS K ISO 9073-15, ASTM F316:03)은 automater capillary flow porometer(CFP-1200-AEL, PMI, 미국)를 이용하여 측정하였으며, 굽힘 강도(KS K ISO 9073-7) 시험에는 Gurley사의 bending resistance tester를 사용하였다.
본 연구에서는 바인더 섬유인 viscose rayon과 비정질 PET 섬유를 첨가하여 polyarylate wet-laid 부직포를 제조한 다음 고밀도화(캘린더링)를 진행한 이후의 공학적 성능을 평가하였다. 그 결과 제조된 wet-laid 부직포는 중량에 관계없이 polyarylate와 바인더 섬유가 잘 혼재되어 있었으며 고밀도화 이후 용융된 바인더 섬유로 인해 섬유 결속력이 향상됨을 확인할 수 있었다.
비정질 PET 섬유 첨가의 경우 부직포와 mesh간 분리가 용이하지 않아 100 g/m²의 중량에서 각각 5%, 10%씩 첨가하여 부직포를 제조하였다. 부직포 제조 조건을 Table 1에 나타내었으며 mono layer 부직포의 경우 중량을 50, 100 g/m², multi layer 부직포는 200, 250, 300 g/m²으로 제조하였다. mono 및 multi layer 부직포를 제조하기 위하여 belt 속도, 폭, 건조온도 등을 차별화하였다.
0g의 농도로 분산시켰다. 비정질 PET 섬유 첨가의 경우 부직포와 mesh간 분리가 용이하지 않아 100 g/m²의 중량에서 각각 5%, 10%씩 첨가하여 부직포를 제조하였다. 부직포 제조 조건을 Table 1에 나타내었으며 mono layer 부직포의 경우 중량을 50, 100 g/m², multi layer 부직포는 200, 250, 300 g/m²으로 제조하였다.
그리고 polyarylate 70%, viscose rayon 30% 조성의 웹을 형성하여 각각 50, 100, 200, 250, 300 g/m²의 wet-laid 부직포를 제조하였다. 섬유를 수중분산 시키기 전 polyarylate/viscose rayon 섬유를 70/30의 비율로 혼합해 두었으며 혼합된 섬유를 물 1 l 당 1.0g의 농도로 분산시켰다. 비정질 PET 섬유 첨가의 경우 부직포와 mesh간 분리가 용이하지 않아 100 g/m²의 중량에서 각각 5%, 10%씩 첨가하여 부직포를 제조하였다.
이를 감안하여 본 연구에서는 바인더 섬유로 viscose rayon 섬유와 비정질 PET를 첨가하여 polyarylate Wet-laid 부직포를 제조하였으며 물성향상을 위한 고밀도화(캘린더링)를 진행한 이후의 통기도, 기공크기, 굽힘 강도, 인장특성, 균제특성을 평가하였다.
제조된 wet-laid 부직포의 균제특성을 알아보기 위해 1 m² 크기의 시편을 채취해 중량을 측정하고 변동계수(CV, coefficient of variation) 값을 구해 비교하였으며, 그 값을 Figure 7에 나타내었다. mono layer 부직포의 경우 표준편차 0.
제조된 부직포의 고밀도화 공정 이전, 이후의 표면 및 단면을 비교하기 위해 FE/SEM(field emission scanning electron microscope)으로 표면 및 단면 상태를 확인하였다. 또한 고밀도화로 인한 통기성, 굽힘 강도, 인장특성을 측정하였다.
제조한 wet-laid 부직포를 토대로 polyarylate와 viscose rayon의 결합력 및 강도 향상, 두께조절을 위하여 60 kgf/cm²의 압력을 가하여 180 ^oC에서 캘린더링을 이용한 고밀도화 공정을 진행하였다. 공정 특성상 100 ^oC 이상의 건조과정을 거치더라도 샘플이 수분을 함유하고 있어 고밀도화 전 70 ^oC에서 24시간 동안 충분히 건조시킨 후 고밀도화 공정을 진행하였다.

대상 데이터

Polyarylate 섬유는 시판되는 Vectran^TM(펄프형태의 단섬유, 수분함유량: 52.345%)을 사용하였고 바인더 섬유로 수분함유량 12.290%인 viscose rayon(Kelheim Fiber사, Leonardo)을 사용하였다. 그리고 polyarylate 70%, viscose rayon 30% 조성의 웹을 형성하여 각각 50, 100, 200, 250, 300 g/m²의 wet-laid 부직포를 제조하였다.
인장특성(KS K0520) 분석에는 UTM(Tinius Olsen, H100KS, 미국)을 사용하였다[10−13].

이론/모형

Wet-laid 부직포 내 기공의 크기 및 분포를 알아보기 위해 기공크기를 측정하였다. 기공크기 측정에는 bubble point 측정법을 적용하였으며 pore wick 용액(표면장력: 16 dyne/cm)을 사용하였다.
또한 고밀도화로 인한 통기성, 굽힘 강도, 인장특성을 측정하였다. 통기성(KS K ISO 9073-15, ASTM F316:03)은 automater capillary flow porometer(CFP-1200-AEL, PMI, 미국)를 이용하여 측정하였으며, 굽힘 강도(KS K ISO 9073-7) 시험에는 Gurley사의 bending resistance tester를 사용하였다. 인장특성(KS K0520) 분석에는 UTM(Tinius Olsen, H100KS, 미국)을 사용하였다[10−13].

성능/효과

고밀도화 전과 후의 wet-laid 부직포 단면을 Figure 1(b)에 나타내었다. Figure 1(a)에서와 마찬가지로 polyarylate 섬유와 바인더 섬유가 잘 혼재되어 적층되었음을 알 수 있으며, 고밀도화 이후 섬유의 결속력이 증가해 치밀한 구조를 나타냄을 것을 확인할 수 있다. 또한 부직포의 중량이 커질수록 보다 더 치밀한 구조를 가지고 있음을 확인할 수 있으며, 이는 앞서 언급한 바와 같이 mono layer의 경우 캘린더링 효과가 적게 나타나기 때문으로 판단할 수 있다.
57 cm³/cm²/s로 감소했다. 100 g/m² 부직포는 모두 고밀도화 이후 통기성이 측정되지 않았으며, 고밀도화 전의 통기도는 비정질 PET 섬유의 함량이 증가함에 따라 커지는 경향을 나타내었다. 이는 비정질 PET 섬유가 공기가 통과할 수 있는 채널을 형성하기 때문인 것으로 판단되어진다.
그러나 부직포의 중량이 작을 경우(50 g/m²)에는 고밀도화 처리 중 가해진 압력에 의해 바인더 섬유가 제대로 용융되지 못하는 등 고밀도화가 효과적으로 진행되지 않았으며, 비정질 PET 섬유가 첨가된 경우 비정질 PET 섬유의 함량이 증가할수록 고밀도화 이후 더 치밀한 구조를 형성하였다. 고밀도화 이전 통기도는 부직포의 중량이 증가할수록 감소하는 경향을 보였으며, 비정질 PET 섬유의 함량이 증가할수록 고밀도화 전의 통기도가 증가하는 것을 확인하였다. 부직포의 중량이 증가함에 따라 고밀도화 이후 굽힘 강도는 향상되었으며, 고밀도화 이전에 비해 고밀도화 이후 인장강도는 급격하게 증가하였고 인장신도의 경우 대부분 감소하는 경향을 나타내었다.
본 연구에서는 바인더 섬유인 viscose rayon과 비정질 PET 섬유를 첨가하여 polyarylate wet-laid 부직포를 제조한 다음 고밀도화(캘린더링)를 진행한 이후의 공학적 성능을 평가하였다. 그 결과 제조된 wet-laid 부직포는 중량에 관계없이 polyarylate와 바인더 섬유가 잘 혼재되어 있었으며 고밀도화 이후 용융된 바인더 섬유로 인해 섬유 결속력이 향상됨을 확인할 수 있었다. 그러나 부직포의 중량이 작을 경우(50 g/m²)에는 고밀도화 처리 중 가해진 압력에 의해 바인더 섬유가 제대로 용융되지 못하는 등 고밀도화가 효과적으로 진행되지 않았으며, 비정질 PET 섬유가 첨가된 경우 비정질 PET 섬유의 함량이 증가할수록 고밀도화 이후 더 치밀한 구조를 형성하였다.
그 결과 제조된 wet-laid 부직포는 중량에 관계없이 polyarylate와 바인더 섬유가 잘 혼재되어 있었으며 고밀도화 이후 용융된 바인더 섬유로 인해 섬유 결속력이 향상됨을 확인할 수 있었다. 그러나 부직포의 중량이 작을 경우(50 g/m²)에는 고밀도화 처리 중 가해진 압력에 의해 바인더 섬유가 제대로 용융되지 못하는 등 고밀도화가 효과적으로 진행되지 않았으며, 비정질 PET 섬유가 첨가된 경우 비정질 PET 섬유의 함량이 증가할수록 고밀도화 이후 더 치밀한 구조를 형성하였다. 고밀도화 이전 통기도는 부직포의 중량이 증가할수록 감소하는 경향을 보였으며, 비정질 PET 섬유의 함량이 증가할수록 고밀도화 전의 통기도가 증가하는 것을 확인하였다.
특히, 인장특성 분석 결과 multi layer 부직포의 경우 MD 및 CD 방향에서의 차이가 크게 나타났으며, 이로부터 multi layer 부직포의 경우 mono layer 부직포에 비해 이방성이 커짐을 알 수 있었다. 또한 균제특성 분석을 통해 mono layer 부직포의 균제성이 multi layer 부직포에 비해 더 우수한 것을 확인할 수 있었고 multi layer 부직포의 경우 적층수가 커질수록 균제도가 낮아지며 이방성이 증가하는 것을 알 수 있었다.
Wet-laid 부직포의 고밀도화 전, 후 인장강도를 Figure 5에 제시하였다. 모든 시편에서 고밀도화 이전에 비해 고밀도화 이후 급격하게 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 고밀도화 이후 부직포 내 섬유 밀도가 증가함에 따른 섬유간결속력 강화효과에 기인한 결과로 생각된다.
고밀도화 이전 통기도는 부직포의 중량이 증가할수록 감소하는 경향을 보였으며, 비정질 PET 섬유의 함량이 증가할수록 고밀도화 전의 통기도가 증가하는 것을 확인하였다. 부직포의 중량이 증가함에 따라 고밀도화 이후 굽힘 강도는 향상되었으며, 고밀도화 이전에 비해 고밀도화 이후 인장강도는 급격하게 증가하였고 인장신도의 경우 대부분 감소하는 경향을 나타내었다. 특히, 인장특성 분석 결과 multi layer 부직포의 경우 MD 및 CD 방향에서의 차이가 크게 나타났으며, 이로부터 multi layer 부직포의 경우 mono layer 부직포에 비해 이방성이 커짐을 알 수 있었다.
부직포의 중량이 증가함에 따라 고밀도화 후 부직포 표면에 용융되지 않은 viscose rayon 섬유 양이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. viscose rayon 섬유는 바인더 섬유로 고밀도화 과정에서 용융되어 섬유의 결합력을 향상시키기 위해 첨가되었음을 고려했을 때 부직포의 중량이 너무 작을 경우 가해준 압력을 제대로 받지 못해 높은 중량의 부직포에 비해 캘린더링 효과가 적게 나타나는 것으로 사료된다.
Mono layer wet-laid 부직포는 두께가 너무 작아 굽힘 강도 측정이 불가능하여 multi layer wet-laid 부직포만 굽힘강도를 측정하였으며 이를 Figure 4에 나타내었다. 중량에 관계없이 MD(machine direction) 방향에 비해 CD(cross (machine) direction) 방향에서의 값이 높게 측정되었으며 중량이 증가함에 따라 굽힘 강도가 커지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 모든 중량에서 고밀도화 이후 굽힘 강도가 크게 증가하였는데 이는 바인더 섬유가 용융됨에 따라 섬유교차점에서의 결속력이 증가하여 섬유 간 미끄러짐 현상이 감소하게 되어 나타나는 현상으로 해석할 수 있다[14].
Figure 1(a)는 고밀도화 전과 후의 wet-laid 부직포 표면을 관찰한 것으로 split yarn은 viscose rayon, mono filament yarn은 비정질 PET 섬유이다. 중량에 관계없이 polyarylate 섬유와 바인더 섬유가 잘 혼재된 것을 확인할 수 있으며 고밀도화 과정에서 바인더 섬유가 용융되어 고밀도화 이후 표면에서는 바인더 섬유의 용융에 의한 섬유결속효과 및 기공크기가 작아지는 것을 확인할 수 있었다.
부직포의 중량이 증가함에 따라 고밀도화 이후 굽힘 강도는 향상되었으며, 고밀도화 이전에 비해 고밀도화 이후 인장강도는 급격하게 증가하였고 인장신도의 경우 대부분 감소하는 경향을 나타내었다. 특히, 인장특성 분석 결과 multi layer 부직포의 경우 MD 및 CD 방향에서의 차이가 크게 나타났으며, 이로부터 multi layer 부직포의 경우 mono layer 부직포에 비해 이방성이 커짐을 알 수 있었다. 또한 균제특성 분석을 통해 mono layer 부직포의 균제성이 multi layer 부직포에 비해 더 우수한 것을 확인할 수 있었고 multi layer 부직포의 경우 적층수가 커질수록 균제도가 낮아지며 이방성이 증가하는 것을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Wet-laid 기술이란?	Wet-laid 기술은 부직포 제조기술 가운데 섬유를 수중에 분산시켜 결속시키는 방법으로 부직포를 형성하는 기술로 니들펀칭, 스펀레이스, 스펀본드, 멜트블로운 등의 다른 공정에 비해 섬유집합체의 고균제성과 박막 형성이 가능하며, 사용되는 원료섬유에 대한 제한이 없다는 장점이 있다. 일반적으로 wet-laid 공정의 경우 해리→분산→웹 형성→건조→라미네이팅→캘린더링의 순서를 거치게 된다.
	Wet-laid 기술의 장점은?	Wet-laid 기술은 부직포 제조기술 가운데 섬유를 수중에 분산시켜 결속시키는 방법으로 부직포를 형성하는 기술로 니들펀칭, 스펀레이스, 스펀본드, 멜트블로운 등의 다른 공정에 비해 섬유집합체의 고균제성과 박막 형성이 가능하며, 사용되는 원료섬유에 대한 제한이 없다는 장점이 있다. 일반적으로 wet-laid 공정의 경우 해리→분산→웹 형성→건조→라미네이팅→캘린더링의 순서를 거치게 된다.
	Wet-laid 기술의 공정 과정은?	Wet-laid 기술은 부직포 제조기술 가운데 섬유를 수중에 분산시켜 결속시키는 방법으로 부직포를 형성하는 기술로 니들펀칭, 스펀레이스, 스펀본드, 멜트블로운 등의 다른 공정에 비해 섬유집합체의 고균제성과 박막 형성이 가능하며, 사용되는 원료섬유에 대한 제한이 없다는 장점이 있다. 일반적으로 wet-laid 공정의 경우 해리→분산→웹 형성→건조→라미네이팅→캘린더링의 순서를 거치게 된다. 해리과정에서는 원료섬유의 종류와 부직포의 중량을 선정하고, 해리조건을 정하게 되며, 웹 형성 과정에서는 균제한 웹을 효과적으로 회수하기 위하여 screen mesh를 선정하여야 한다. 그리고 라미네이팅을 통하여 평활도를 확보한 후 캘린더링을 거쳐 원하는 기공분포와 두께를 조절한다[1−4]. 고성능 섬유는 강도, 탄성률, 내열성 등의 여러 특성을 극대화시킨 섬유소재로 wet-laid 기술을 응용해 다양한 고기 능성, 경량의 소재를 제조할 수 있다.

참고문헌 (14)

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상세보기
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상세보기
Y.-J. Kang, D.-H. Lee, S.-H. Song, and J.-S. Bae, "Effects of Surfactants on Dispersion Behavior of Vectran $^{(R)}$ in Water(I)", Textile Coloration and Finishing, 2014, 26, 339-346.

원문보기 상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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