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문제 정의
- 본 연구에서는 수평방향 뿐만 아니라, 수직방향으로의 응력파장 분산을 효과적으로 하기 위해 니들펀칭 부직포를 제조하여 저속충격거동에 대한 평가를 실시하고, 다양한 파라미터의 영향에 대하여 고찰하였다.
제안 방법
- 제조된 아라미드 부직포의 인장강도 및 신도는 UTM(Instron 3343)을 이용하여 KS K ISO 9073-3 평가법에 따라 실시하였으며, 각 시험편마다 기계방향(MD), 폭방향(CD)에 대해 실험하였다. 길이 200 mm, 폭 50 mm 크기로 준비된 시험편을 100 mm/min의 속도로 정속 신장시켜 측정하였으며, 이 때 부직포가 벌키하고 압력에 대한 저항성이 낮아 발생할 수 있는 두께 측정의 오차를 최소화하기 위해 KES-FB3(Kawabata Evaluation System, Kato Tech, Japan)을 이용하여 초하중 0.5 gf/cm2 상태에서 두께를 측정하여 적용하였다.
- 니들펀칭 밀도에 따른 부직포의 특성을 확인하기 위해 펀칭밀도를 다르게 하여 8종의 부직포를 제조하였고 기본 물성은 Table 4에 나타내었다. 제조된 니들펀칭 부직포는 연속적이고 반복적인 니들의 상하운동을 통해 섬유들이 기계적으로 얽혀 섬유의 네트워크를 형성한다.
- 또한 니들펀칭으로 물리적 교락이 형성된 아라미드 단섬유 사이의 결합력을 더욱 향상시키기 위하여 저융점 바인더 섬유(LM-PET)를 혼섬한 후 열융착 방법을 적용하여 부직포를 제조하였다. 열융착 방법은 부직포 제조에서 웹의 결합방법으로 널리 이용되는 방법 중 하나로, 열에 의해 용융된 저융점 고분자가 섬유간의 결합력을 부여하게 된다.
- 니들펀칭 밀도는 단위면적 당 가해진 니들펀칭의 횟수를 의미하며, 웹의 이송속도 또는 니들의 펀칭횟수를 달리함으로써 밀도를 조절할 수 있다. 본 연구에서 사용된 니들펀칭기는 m2당 10,000개의 니들로 구성되어 있으며, 부직포 제조시 웹의 이송속도를 2.0 m/min으로 고정하고 단위시간당 펀칭 횟수를 600, 800, 1000, 1200 strokes/min으로 각기 다르게 하였다. 부직포의 상세한 제조 조건은 Table 1에 나타내었다.
- 열융착 방법은 부직포 제조에서 웹의 결합방법으로 널리 이용되는 방법 중 하나로, 열에 의해 용융된 저융점 고분자가 섬유간의 결합력을 부여하게 된다. 본 연구에서는 1 de, 51 mm 아라미드 단섬유와 2 de, 51 mm의 LM-PET를 혼섬하여 니들펀칭 방식과 열융착 방식을 병행한 3종의 부직포를 Table 2와 같이 제조하였다. 적층된 웹은 600 strokes/min의 니들펀칭으로 섬유간 최소의 기계적 결합력을 부여한 후, 200 ℃의 온도에서 열융착시키는 방법으로 제조되었다.
- 본 연구에서는 섬도 1 de, 섬유장 51 mm, 60 mm의 아라미드 단섬유를 이용하여 니들펀칭 및 열융착 방법으로 아라미드 부직포를 제조하고 섬유장, 니들펀칭 밀도 및 바인더 섬유의 혼섬비에 따른 물리적 특성 및 충격흡수 특성을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 저속충격시험: 아라미드 부직포의 저속충격거동을 확인하기 위하여 KITECH에서 자체 제작된 저속충격시험기를 이용하여 평가를 실시하였다(Figure 3). 실제 탄환과 유사한 규격(직경 9 mm, 중량 16.6 g)의 발사체를 사용하여 3, 5, 7 bar의 압력 하에서 저속의 충격을 가한 후 부직포 후 면의 backing material에 남긴 BFS(Backface Signature)의 깊이로 충격정도를 평가측정하였다.
- 아라미드 단섬유 제조: 본 연구에서는 니들펀칭 방식을 적용한 아라미드 부직포를 제조하기 위해 세섬도(모노 필라멘트 1 de)의 파라계 아라미드 필라멘트를 이용하여 섬유장 51 mm, 60 mm로 단섬유를 제조하였다. 아라미드 단섬유를 이용한 부직포 제조 공정 중 카딩 작업시 외력이나 마찰에 의해 정전기, 물성저하, 공정불량 발생을 방지하기 위해 침지식 세척수조를 활용하여 전처리 후, 유제공급 노즐을 통해 고농도 친수성 유제 스프레이를 처리하였다. 니들펀칭 부직포는 크림프가 있는 섬유로 구성된 경우 접촉점 개수의 증가, 접촉점의 변위, 크림프에 의한 미끄러짐 장벽효과로 인하여 전반적으로 물성향상 효과를 가져온다[11].
- 아라미드 단섬유에 바인더 섬유로 LM-PET를 10, 30, 50% 비율로 혼섬하여 3종의 부직포를 제조하였고, 그 기본물성을 Table 5에 나타내었다. 2 de의 바인더 섬유를 혼섬한 경우, 카딩공정에서 균제도 제어가 양호하여 니들펀칭만 실시한 부직포보다 비교적 균일한 중량의 부직포 제조가 가능하였으며, 바인더 섬유의 혼섬 비율이 높아질수록 부직포가 벌키해져 중량 및 두께가 증가하는 경향을 보였다.
- 압축특성: 탄환 등과 같은 외부충격의 반복적인 압축하중에 대한 특성은 KES-FB3을 이용하여 20 ℃, 65%RH의 표준상태에서 50 sec/mm 속도로 최고압력 50 gf/cm2까지 가압 후 압력을 제거하고, 이로부터 압축 에너지(conpression work, WC), 압축회복률(resilience, RC)을 산출하여 평가하였다.
- 적층된 웹은 600 strokes/min의 니들펀칭으로 섬유간 최소의 기계적 결합력을 부여한 후, 200 ℃의 온도에서 열융착시키는 방법으로 제조되었다. 이 때 바인더 섬유의 함량에 따른 물성을 확인하기 위하여 LM-PET의 함량을 10%, 30%, 50% 로 혼섬하여 제조하였으며, 부직포의 제조공정은 Figure 2에 도식적으로 나타내었다.
- 저속충격시험: 아라미드 부직포의 저속충격거동을 확인하기 위하여 KITECH에서 자체 제작된 저속충격시험기를 이용하여 평가를 실시하였다(Figure 3). 실제 탄환과 유사한 규격(직경 9 mm, 중량 16.
- 본 연구에서는 1 de, 51 mm 아라미드 단섬유와 2 de, 51 mm의 LM-PET를 혼섬하여 니들펀칭 방식과 열융착 방식을 병행한 3종의 부직포를 Table 2와 같이 제조하였다. 적층된 웹은 600 strokes/min의 니들펀칭으로 섬유간 최소의 기계적 결합력을 부여한 후, 200 ℃의 온도에서 열융착시키는 방법으로 제조되었다. 이 때 바인더 섬유의 함량에 따른 물성을 확인하기 위하여 LM-PET의 함량을 10%, 30%, 50% 로 혼섬하여 제조하였으며, 부직포의 제조공정은 Figure 2에 도식적으로 나타내었다.
- 본 연구에서는 제조된 부직포의 통기성을 평가하기 위해 Frazier법(TEXTEST FX3300, Switzerland)에 따라 공기투과도를 측정하였다. 측정시 압력은 125 Pa로 실시하였으며, 각 시험편마다 단위시간 및 단위면적당 공기 의 통과량을 측정하였다.
- 표면구조 분석: 니들펀칭에 의한 섬유의 분포 및 교락을 확인하고, 섬유분포 형상이 부직포의 기계적 성질 및 방호 특성에 미치는 영향을 알아보기 위해 주사전자미경(FE- SEM, SU8010, Hitach)을 이용하여 부직포 표면의 구조를 관찰하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 부직포 제조에 적합한 섬유장을 갖도록 51 mm, 60 mm로 단섬유를 제조하였으며, 제조된 아라미드 단섬유는 Figure 4와 같이 7−8 µm 정도의 직경, inch당 10개 내외의 크림프를 가진다.
- 본 연구에서는 아라미드 단섬유의 크림프 수를 inch 당 8−12개로 제어하여 단섬유를 제조하였으며 실험에 적용된 아라미드 단섬유의 제조공정은 Figure 1에 나타내었다.
- 아라미드 단섬유 제조: 본 연구에서는 니들펀칭 방식을 적용한 아라미드 부직포를 제조하기 위해 세섬도(모노 필라멘트 1 de)의 파라계 아라미드 필라멘트를 이용하여 섬유장 51 mm, 60 mm로 단섬유를 제조하였다. 아라미드 단섬유를 이용한 부직포 제조 공정 중 카딩 작업시 외력이나 마찰에 의해 정전기, 물성저하, 공정불량 발생을 방지하기 위해 침지식 세척수조를 활용하여 전처리 후, 유제공급 노즐을 통해 고농도 친수성 유제 스프레이를 처리하였다.
- 아라미드 부직포의 제조: 제조된 1 de 아라미드 단섬유 2종(51 mm, 60 mm)을 이용하여 120 g/m2 내외의 중량을 갖는 100% 아라미드 부직포를 제조하였다. 아라미드 단섬유는 카딩 공정에 의하여 균일한 sheet 상의 웹을 형성하고, 제조된 웹은 중량 및 두께를 제어하면서 기계방향의 수직 방향으로 적층된 후 니들펀칭 공정으로 결합하게 된다.
이론/모형
- 공기투과도 측정: 방호복 착용시 쾌적성은 중요한 요소 중의 하나이다. 본 연구에서는 제조된 부직포의 통기성을 평가하기 위해 Frazier법(TEXTEST FX3300, Switzerland)에 따라 공기투과도를 측정하였다. 측정시 압력은 125 Pa로 실시하였으며, 각 시험편마다 단위시간 및 단위면적당 공기 의 통과량을 측정하였다.
- 인장강도 및 신도 측정: 아라미드 단섬유의 인장강도 및 신도는 Textechno사의 FAVIMAT 장비를 이용하여 ASTM D3822, ASTM D1577의 평가법에 따라 실시하였으며, gauge length 200 mm, test speed 100 mm/min의 조건하에 측정하였다. 제조된 아라미드 부직포의 인장강도 및 신도는 UTM(Instron 3343)을 이용하여 KS K ISO 9073-3 평가법에 따라 실시하였으며, 각 시험편마다 기계방향(MD), 폭방향(CD)에 대해 실험하였다.
- 인장강도 및 신도 측정: 아라미드 단섬유의 인장강도 및 신도는 Textechno사의 FAVIMAT 장비를 이용하여 ASTM D3822, ASTM D1577의 평가법에 따라 실시하였으며, gauge length 200 mm, test speed 100 mm/min의 조건하에 측정하였다. 제조된 아라미드 부직포의 인장강도 및 신도는 UTM(Instron 3343)을 이용하여 KS K ISO 9073-3 평가법에 따라 실시하였으며, 각 시험편마다 기계방향(MD), 폭방향(CD)에 대해 실험하였다. 길이 200 mm, 폭 50 mm 크기로 준비된 시험편을 100 mm/min의 속도로 정속 신장시켜 측정하였으며, 이 때 부직포가 벌키하고 압력에 대한 저항성이 낮아 발생할 수 있는 두께 측정의 오차를 최소화하기 위해 KES-FB3(Kawabata Evaluation System, Kato Tech, Japan)을 이용하여 초하중 0.
성능/효과
- 1. 니들펀칭 밀도가 증가함에 따라 아라미드 부직포의 인장강도가 증가하였으며, 동일 원사를 이용하여 유사한 중량으로 제직된 평직물과 비교하였을 때, 후면변형은 10% 감소하였다. 이는 부직포는 직물에 비해 상대적으로 벌키한 구조로 니들펀칭에 의해 구성섬유 간의 얽힘이 발생하여 결합력이 증가하고, 충격시 구성섬유의 이동 및 미끄러짐에 의해 마찰이 발생하고 에너지 전환과정에서 충격이 흡수된 것으로 보인다.
- 아라미드 단섬유에 바인더 섬유로 LM-PET를 10, 30, 50% 비율로 혼섬하여 3종의 부직포를 제조하였고, 그 기본물성을 Table 5에 나타내었다. 2 de의 바인더 섬유를 혼섬한 경우, 카딩공정에서 균제도 제어가 양호하여 니들펀칭만 실시한 부직포보다 비교적 균일한 중량의 부직포 제조가 가능하였으며, 바인더 섬유의 혼섬 비율이 높아질수록 부직포가 벌키해져 중량 및 두께가 증가하는 경향을 보였다. 또한 LM-PET 섬유의 함량이 많아질수록 공기투과성이 높아지는데 이는 세섬도의 비율이 낮아질수록 섬유 간에 공기 투과 통로가 확보됨에 따른 것으로 생각된다.
- 2. 아라미드 부직포 제조시 바인더 섬유를 혼섬함에 따라 인장강도 및 충격흡수 성능이 증가하였으며, 혼섬 비율이 증가함에 따라 성능은 더욱 향상되었다.
- 3. 본 연구를 통하여 세섬도의 아라미드 단섬유를 적용한 다양한 부직포의 물성, 충격흡수특성 및 공기 투과성 등을 평가함으로써 다른 고강도 방호용 소재와의 하이브리드 설계시 중량을 줄이면서 착용자로 하여금 유연성 및 안전성을 향상시킬 수 있는 가능성을 확인하였다.
- LM-PET 섬유를 혼섬한 부직포의 중량 및 저속충격시험에 대한 후면변형 깊이의 변화를 Table 7에 나타내었다. LM-PET 섬유의 함량이 증가함에 따라 후면변형은 감소하였으며, 50%의 비율로 LM-PET 섬유를 혼섬한 부직포(A5L5)는 동일 원사로 제직된 평직물에 비해 중량이 약 2.08% 감소했음에도 불구하고 후면변형은 10% 감소한 결과를 보였다. 또한 니들펀칭만 실시한 100% 아라미드 부직포(S1200)를 비교해보았을 때, 후면변형은 거의 유사하나 니들펀칭 부직포는 중량이 훨씬 감소하는 결과를 나타내어 본 연구에서 실시한 저속충격시에는 50%의 비율로 LM-PET 섬유를 혼섬하였을 때 중량대비 충격에 대한 저항성이 가장 우수한 것으로 확인되었다.
- Figure 12는 바인더 섬유 함량에 따른 인장 강·신도 결과를 나타내었다. LM-PET의 혼섬 비율에 따라 기계방향의 강도는 큰 차이를 나타내지 않았으나, 폭방향에서는 LM- PET의 혼섬 비율이 높은 경우(50%) 가장 낮게 확인되었는데, 이는 고강도 섬유인 아라미드 섬유의 함량이 낮아짐에 따른 결과인 것으로 판단된다. 또한 LM-PET의 혼섬 비율이 증가함에 따라 기계방향과 폭방향의 강도 및 신도의 편차가 줄어들었으며, LM-PET가 50% 혼섬된 부직포의 경우 신도는 방향에 상관없이 유사한 수준으로 나타났다.
- 최종적으로 120 g/m2 중량으로 부직포를 제조하고자 하였으나, 1 de의 세섬도 아라미드 섬유는 웹 균제도 제어에 어려움이 있어 제조된 부직포의 중량은 10% 내외의 편차범위를 가지며, 섬유장이 길어질수록 편차 범위는 증가하였다. 각 섬유장별로 펀칭밀도가 증가함에 따라 내부 조직이 치밀해져 전반적으로 단위면적당 중량과 밀도가 증가하는 경향을 나타내었으며, 통기성은 부직포 밀도 및 중량의 증가와 반대로 감소하는 경향을 나타내었다. 통기성은 두께(상관계수 r2=0.
- 부직포의 섬유장이나 펀칭밀도에 관계없이 저압(3 bar)의 저속충격을 가한 경우 유사한 수준의 BFS를 나타내었다. 니들펀칭 밀도가 가장 높은 섬유장 51 mm의 부직포 (S1200)와 동일 원사로 제직된 평직물을 7 bar의 압력 하에 저속으로 충격을 가한 결과, 부직포의 BFS는 42.7 mm, 직물은 47 mm로 부직포의 BFS가 약 10% 낮은 수치를 보였다. 외부에서 충격이 가해지면 경사와 위사로 이루어진 평직구조에서는 실들이 교차됨에 따라 당김 파동의 일부가 다시 충격 지점으로 반사되는 반면 니들펀칭 부직포는 불규칙하게 얽혀있는 섬유들은 서로 미끄러지며 마찰이 발생 하게 된다.
- LM-PET의 혼섬 비율에 따라 기계방향의 강도는 큰 차이를 나타내지 않았으나, 폭방향에서는 LM- PET의 혼섬 비율이 높은 경우(50%) 가장 낮게 확인되었는데, 이는 고강도 섬유인 아라미드 섬유의 함량이 낮아짐에 따른 결과인 것으로 판단된다. 또한 LM-PET의 혼섬 비율이 증가함에 따라 기계방향과 폭방향의 강도 및 신도의 편차가 줄어들었으며, LM-PET가 50% 혼섬된 부직포의 경우 신도는 방향에 상관없이 유사한 수준으로 나타났다. 이러한 결과는 니들의 상하 운동에 의해 아라미드 섬유간의 물리적 결합이 형성되고, 바인더 섬유로 인해 웹 간의 결합력이 향상되면서 이방성이 낮아짐에 따른 것으로 판단된다.
- 08% 감소했음에도 불구하고 후면변형은 10% 감소한 결과를 보였다. 또한 니들펀칭만 실시한 100% 아라미드 부직포(S1200)를 비교해보았을 때, 후면변형은 거의 유사하나 니들펀칭 부직포는 중량이 훨씬 감소하는 결과를 나타내어 본 연구에서 실시한 저속충격시에는 50%의 비율로 LM-PET 섬유를 혼섬하였을 때 중량대비 충격에 대한 저항성이 가장 우수한 것으로 확인되었다.
- 이러한 결과는 니들의 상하 운동에 의해 아라미드 섬유간의 물리적 결합이 형성되고, 바인더 섬유로 인해 웹 간의 결합력이 향상되면서 이방성이 낮아짐에 따른 것으로 판단된다. 또한 동일한 섬유장(51 mm) 100% 세섬도 아라미드 니들펀칭 부직포와 비교하였을 때, 강도는 전반적으로 증가하고 신도는 감소하는 것으로 확인되었다. 이 결과는 바인더 섬유로 인해 섬유와 섬유사이의 접착 뿐만 아니라 웹 층간의 접착에 의해 결합력이 향상됨에 따른 것으로 생각된다.
- Figure 7은 펀칭밀도에 따른 부직포의 인장 강·신도 측정 결과를 나타내었다. 일반적으로 부직포의 강도는 기계방향이 폭방향 보다 더 큰 것으로 알려져 있지만, 본 연구에서 제조된 부직포는 카딩 공정에 의한 제조된 웹이 cross로 lapping되어 기계방향보다 폭방향에서의 강도가 더 크고 신도는 작은 것으로 확인되었다. 펀칭밀도가 증가함에 따라 인장강도가 대체적으로 증가하는 경향을 보였으며, 섬유장이 긴 아라미드 부직포의 인장강도가 더 크며, 특히 폭방향 인장강도는 매우 급격한 증가를 나타내었다.
- 최종적으로 120 g/m2 중량으로 부직포를 제조하고자 하였으나, 1 de의 세섬도 아라미드 섬유는 웹 균제도 제어에 어려움이 있어 제조된 부직포의 중량은 10% 내외의 편차범위를 가지며, 섬유장이 길어질수록 편차 범위는 증가하였다.
- 아라미드 부직포 제조시 바인더 섬유를 혼섬함에 따라 인장강도 및 충격흡수 성능이 증가하였으며, 혼섬 비율이 증가함에 따라 성능은 더욱 향상되었다. 특히 바인더 섬유를 50% 혼섬한 부직포의 경우 중량 대비 충격흡수 성능이 가장 우수한 것으로 확인되었다. 니들펀칭에 의한 물리적 교락 및 바인더 섬유에 의한 섬유 및 웹 간의 접착이 증가함에 따라 충격흡수력이 향상된 결과로 판단된다.
- 일반적으로 부직포의 강도는 기계방향이 폭방향 보다 더 큰 것으로 알려져 있지만, 본 연구에서 제조된 부직포는 카딩 공정에 의한 제조된 웹이 cross로 lapping되어 기계방향보다 폭방향에서의 강도가 더 크고 신도는 작은 것으로 확인되었다. 펀칭밀도가 증가함에 따라 인장강도가 대체적으로 증가하는 경향을 보였으며, 섬유장이 긴 아라미드 부직포의 인장강도가 더 크며, 특히 폭방향 인장강도는 매우 급격한 증가를 나타내었다. 이는 니들펀칭에 의해 구성하고 있는 섬유들이 서로 얽히며 부직포의 내부구조가 조밀해짐에 따른 결과이며, Figure 8에서 펀 칭 밀도가 증가함에 따라 섬유간의 결합력은 증가하고 부직포의 내부구조가 조밀해짐을 확인할 수 있다.
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