[논문]방염작업복용 재활용 아라미드/면 혼방 직물의 역학 특성 및 쾌적성

송영경; 백영미; 전설희; 성은지; 장병율; 안승국

doi:10.12772/tse.2017.54.429

방염작업복용 재활용 아라미드/면 혼방 직물의 역학 특성 및 쾌적성
Mechanical and Comfort Properties of Recycling Aramid and Cotton Blended Fabric for Flame Retardant Work Clothes

한국섬유공학회지 = Textile science and engineering, v.54 no.6, 2017년, pp.429 - 436

송영경 (부산대학교 유기소재시스템공학과) , 백영미 (부산대학교 한국전통복식연구소) , 전설희 (부산대학교 유기소재시스템공학과) , 성은지 (부산대학교 유기소재시스템공학과) , 장병율 ((주)도아인더스) , 안승국 (부산대학교 유기소재시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

As the use of high-performance and highly functional industrial fibers has rapidly increased, the amount of the resulting fiber waste has also risen. The purpose of this study was to develop methods for recycling aramid/cotton-blend fabric and characterize its use in flame retardant work clothes. For this purpose, we investigated its properties through Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), X-ray diffraction (XRD), and thermogravimetric analysis (TGA), and performed a comparative analysis of the mechanical properties of the fabric with a KES-FB system. The recycled fabric retained the properties of both the cotton and aramid fibers. When compared with pure aramid fabric, the recycled aramid/cotton-blend fabric was more flexible, had a higher $Q_{max}$ and thermal conductance, and a similar level of water vapor permeability. These results indicate that the recycled aramid/cotton fabric is comfortable to wear. This study also established a database that can be referenced for the utilization of recycled, aramid/cotton-blend fabrics in flame retardant work clothes.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 재활용 아라미드를 사용하여 면과 혼방한 직물을 개발하고 이를 방염작업복용으로 사용하기 위하여 직물의 특성을 알아보고자 하였다. FT-IR과 XRD 분석에서는 방염면, 아라미드 직물과 비교해서 재활용 아라미드/면 혼합직물의 특성 피크를 알 수 있었으며, 시료의 열중량 분석 결과, 아라미드 직물의 인화온도는 654ºC로 나타났으며, 재활용 아라미드/면 혼방직물의 인화온도는 665ºC로 나타났다.
작업복과 관련된 연구는 주로 착의실태 및 착의 성능과 관련된 조사연구, 디자인 개발 연구 등이 주로 이루어지고 있으며 일부 작업복 소재개발과 관련된 연구는 일반 작업복용 소재를 중심으로 이루어지고 있다[7,8]. 본연구에서는 방염작업복용으로 개발된 재활용 아라미드와 면을 혼방한 직물의 역학특성과 쾌적성을 조사함으로써 천연섬유의 특성을 가지며 강도와 착용감, 쾌적성, 활동성이 우수한 산업 안전 보호복 개발을 위한 자료로 제공하고자 한다.

가설 설정

열전도도: 열전도도는 의복을 통한 열의 전달특성이며 인체의 쾌적감에 영향을 미친다. Figure 10은 시료의 열전도도를 나타낸 것으로 재활용 아라미드/면 혼방직물의 열전도도는 면과 아라미드의 중간정도의 값을 나타내어 Q_max와 같은 경향을 나타내었다.

제안 방법

5×5 cm2 크기의 BT-box를 현재 온도보다 10ºC 높게 조정한 다음 3×3 cm2 크기의 T-box를 접촉시켜 안정 화시키고 시료표면에 순간적으로 접촉했을 때의 순간 열흐름의 최대 유속값으로 Qmax를 측정하였다.
FT-IR: 재활용 아라미드/면 혼방직물의 구조 특성을 알아보고자 개발제품과 아라미드 직물, 면방염 직물의 FT-IR 그래프의 특성을 비교하였다(Figure 1). 재활용 아라미드/면혼방직물은 aramid 섬유의 특성 peak와 면섬유의 특성 peak 가 동시에 나타나고 있다[9,10].
또한 BT-box 를 현재 온도보다 10ºC 높게 조정한 다음 시료에 닿게 한후 1분 동안 시료를 통과한 열량을 측정하여 열전도도를 구하였다.
또한 시료의 열적 특성을 알아보기 위해 TGA(STA6000, Perkin Elmer, USA)를 사용하여 상온에서 600ºC까지는 질소기류 하에서, 600−800ºC까지는 산소기류 하에서 승온속 도를 30ºC/min으로 800ºC까지 올려 측정하였다[3].
섬유특성분석: 시료 A, B, C 직물의 섬유특성을 분석하기 위하여 FT-IR(Spectrum GX, Perkin Elmer, USA)을 사용하여 ATR(Attenuated Total Reflection) 방식으로 측정하여 직물의 특성 피크를 확인하였으며, XRD(X'Pert, PANalytical, Netherlands)를 사용하여 각 시료들의 회절 특성을 조사하 였다.
시료는 표준계측조건(온도 20±2ºC, 습도 65±5% R.H)에서 24시간 컨디셔닝한 후 사용하였다.
역학특성: 20×20 cm2크기의 시료를 준비하여 표준계측 조건(온도 20±2ºC, 습도 65±5% R.H)에서 24시간 컨디셔 닝한 후, KES-FB system(Kawabata Evaluation System for Fabric, Kato Tech. Co., Ltd., Japan)으로 직물의 인장특성, 전단특성, 굽힘특성, 표면특성을 측정하였다.
열전달특성: KES-F7(Thermo Labo II, Kato Tech. Co., Ltd., Japan)을 이용하여 순간접촉냉온감(Q_max)과 열전도도(thermal conductance)를 측정하였다. 시료는 표준계측조건(온도 20±2ºC, 습도 65±5% R.
열중량분석: 재활용 아라미드/면 혼방직물의 열분해거동을 확인하기 위하여 TGA(thermogravimetric analysis)와 DTG(differential thermogravimetric) 커브를 확인하였다. Figure 2와 3은 각 시료의 TGA와 DTG 커브이다.
제직을 위한 조직은 신축성은 떨어지나 원단의 강도를 높일 수 있는 평직으로 하고 밀도 설정에서도 불꽃으로부터 강하게 보호하기 위하여 밀도를 높게 설계하여 두께감을 주고 기공을 줄여 신체를 보호할 수 있게 하였다. 제직된 직물은 산화호발, 연속정련, mercerizing 가공, pre-setting 순으로 전처리하였고, vat 염료로 염색하고 THPC(tetrakis hydroxymethyl phosphonium chloride)-urea 방염제에 의한 방염처리 후 ammonia gas cure 방식으로 방염처리 하였다. 또한 개발 제품과의 비교고찰을 위해 면 100% 방염 직물과 아라미드 직물을 구입하여 함께 실험에 사용하였다.
혼섬방적사는 재활용 아라미드와 면을 30:70으로 혼방하여 10수와 20수 혼섬방적사를 개발하고 이를 직조하여 실험에 사용하였다. 제직을 위한 조직은 신축성은 떨어지나 원단의 강도를 높일 수 있는 평직으로 하고 밀도 설정에서도 불꽃으로부터 강하게 보호하기 위하여 밀도를 높게 설계하여 두께감을 주고 기공을 줄여 신체를 보호할 수 있게 하였다. 제직된 직물은 산화호발, 연속정련, mercerizing 가공, pre-setting 순으로 전처리하였고, vat 염료로 염색하고 THPC(tetrakis hydroxymethyl phosphonium chloride)-urea 방염제에 의한 방염처리 후 ammonia gas cure 방식으로 방염처리 하였다.
5 de/38 mm 급)을 사용하였으며 면은 방적성 및 사품질을 감안하여 섬유장이 길고 방적성이 양호한 미국면인 PIMA면을 사용하였다. 혼섬방적사는 재활용 아라미드와 면을 30:70으로 혼방하여 10수와 20수 혼섬방적사를 개발하고 이를 직조하여 실험에 사용하였다. 제직을 위한 조직은 신축성은 떨어지나 원단의 강도를 높일 수 있는 평직으로 하고 밀도 설정에서도 불꽃으로부터 강하게 보호하기 위하여 밀도를 높게 설계하여 두께감을 주고 기공을 줄여 신체를 보호할 수 있게 하였다.

대상 데이터

제직된 직물은 산화호발, 연속정련, mercerizing 가공, pre-setting 순으로 전처리하였고, vat 염료로 염색하고 THPC(tetrakis hydroxymethyl phosphonium chloride)-urea 방염제에 의한 방염처리 후 ammonia gas cure 방식으로 방염처리 하였다. 또한 개발 제품과의 비교고찰을 위해 면 100% 방염 직물과 아라미드 직물을 구입하여 함께 실험에 사용하였다.
본 실험에 사용된 방염면인 시료 A의 경우, 2θ=14.6º, 16.3º, 22.5º, 33.9º에서 전형적인 면직물의 피크를 나타냈으며, 파라 아라미드와 메타 아라미드, 전도사가 혼방된 시료 B의경우, 2θ=23.2º, 27.3º에서 아라미드의 주요 특성 피크를 확인하였다.
재활용 아라미드 혼방직물제직을 위해 혼섬방적사의 소재원료는 ㈜휴비스의 등급외 제품인 재활용 아라미드(MW-009, 1.5 de/38 mm 급)을 사용하였으며 면은 방적성 및 사품질을 감안하여 섬유장이 길고 방적성이 양호한 미국면인 PIMA면을 사용하였다. 혼섬방적사는 재활용 아라미드와 면을 30:70으로 혼방하여 10수와 20수 혼섬방적사를 개발하고 이를 직조하여 실험에 사용하였다.

이론/모형

공기투과도: Air permeability tester(FX3300-IV, TEXTEST instrument, Swiss)로 측정하였으며, KS K ISO 9237:2011에의거하여 100 Pa 조건 하에서 공기투과도를 측정하였다.
투습도: 항온항습기(DW-TH-1510T, Dongwon Scientific Co., Korea)를 이용하여 KS K 0594에 의거하여 워터법으로 측정하였다.

성능/효과

600ºC 이후 산소기류 하에서는 2차 degradation peak가 나타났으며 이는 인화온도(flash point temperature, Tf)로써 방염 면직물은 646.3ºC에서, 아라미드는 654ºC에서, 재활용 아라미드와 면 혼방직물은 665.5ºC에서 나타나 재활용 아라미드/면 방염직물의 인화 온도가 가장 높게 나타났다.
FT-IR과 XRD 분석에서는 방염면, 아라미드 직물과 비교해서 재활용 아라미드/면 혼합직물의 특성 피크를 알 수 있었으며, 시료의 열중량 분석 결과, 아라미드 직물의 인화온도는 654ºC로 나타났으며, 재활용 아라미드/면 혼방직물의 인화온도는 665ºC로 나타났다.
공기투과도: Figure 11은 시료의 공기투과도 결과를 나타낸 것으로 직물의 두께, 밀도, 조직과 관련된 항목이다. 공기투과도는 직물의 두께가 얇은 아라미드 직물시료가 가장 높게 나타났으며 다음으로 20수의 재활용 아라미드/면 혼방직물 순으로 나타났고, 두께가 두껍고 밀도가 치밀한 방염면과 10수의 재활용 아라미드/면 혼방직물은 낮은 값을 나타내었다.
이 특성은 직물을 구성하는 섬유간의 마찰저항에 영향을 받으며 값이 클수록 뻣뻣하고 굽힘에 대한 회복성이 나쁘며, 값이 작으면 잘 구부러지고 유연함을 의미한다. 굽힘특성은 전단특성과 마찬가지로 두께가 두껍고 섬유 굵기가 굵은 10수의 재활용 아라미드/면 혼방직물이 높게 나타났으며 두께가 얇은 아라미드 직물과 20수의 혼방직물이 가장 작은 수치를 나타냈다. 표면특성: 표면특성은 직물의 평활함과 관계되는 성질이며 평균마찰계수(MIU), 마찰계수의 평균편차(MMD), 표면거칠기(SMD) 등으로 나타내며 시료의 표면특성은 Figure 8과 같다.
인장회복도(RT)는 인장 후 회복 정도를 나타내며 값이 크면 인장변형시 인장이 잘 안되고 회복성이 커서 치수안정성이 큰 것을 의미하며, 값이 작은 것은 치수안정성은 적으나 인체를 구속하지 않으며 착용시편안함을 느낄 수 있다[16]. 재활용 아라미드/면 혼방직물은 방염면이나 아라미드 직물에 비해 인장선형도(LT)는 낮고 인장에너지(WT)와 신장성(EM)은 높게 나타났으며 인장회복도(RT)는 낮게 나타나 유연하고 착용감이 좋은 것으로 생각된다.
FT-IR과 XRD 분석에서는 방염면, 아라미드 직물과 비교해서 재활용 아라미드/면 혼합직물의 특성 피크를 알 수 있었으며, 시료의 열중량 분석 결과, 아라미드 직물의 인화온도는 654ºC로 나타났으며, 재활용 아라미드/면 혼방직물의 인화온도는 665ºC로 나타났다. 재활용 아라미드/면 혼방직물의 역학적 특성은 두께가 비슷한 아라미드 직물과 비교해서 20수의 재활용 아라미드/면 혼방직물이 인장에너지(WT)와 신장성(EM)이크고 굽힘강성(B)은 낮아 유연성이 좋으나 전단강성(G)은 아라미드 직물에 비해 더 큰 것을 알 수 있었다. 쾌적성과 관련하여 Q_max와 열전도도는 아라미드 직물과 비교해 높고 투습도와 공기투과도는 방염면에 비해 높게 나타나 면과 아라미드의 중간 특성을 가지며 방염작업복으로써 착용감과 쾌적성이 좋은 특성을 나타냄을 알 수 있었다.
재활용 아라미드/면혼방직물은 aramid 섬유의 특성 peak와 면섬유의 특성 peak 가 동시에 나타나고 있다[9,10]. 즉, 재활용 아라미드/면 혼방직물에서는 면섬유의 특징인 3335 cm^-1에서 O-H stretching peak, 2918과 2884 cm^-1에서 O-H stretching peak, 1033 cm^-1에서 C-O stretching에 의한 강한 peak 등이 나타났으며 aramid 섬유의 특성인 1650 cm^-1에서 amide(-CONH-)의 C=O stretching vibration에 의한 amide I peak와 1524 cm^-1에서 N-H bending vibration에 의한 amide II peak, 1302 cm-1 에서 C-N stretching vibration에 의한 amide III peak 등이 함께 나타났다.
재활용 아라미드/면 혼방직물의 역학적 특성은 두께가 비슷한 아라미드 직물과 비교해서 20수의 재활용 아라미드/면 혼방직물이 인장에너지(WT)와 신장성(EM)이크고 굽힘강성(B)은 낮아 유연성이 좋으나 전단강성(G)은 아라미드 직물에 비해 더 큰 것을 알 수 있었다. 쾌적성과 관련하여 Q_max와 열전도도는 아라미드 직물과 비교해 높고 투습도와 공기투과도는 방염면에 비해 높게 나타나 면과 아라미드의 중간 특성을 가지며 방염작업복으로써 착용감과 쾌적성이 좋은 특성을 나타냄을 알 수 있었다.
표면특성: 표면특성은 직물의 평활함과 관계되는 성질이며 평균마찰계수(MIU), 마찰계수의 평균편차(MMD), 표면거칠기(SMD) 등으로 나타내며 시료의 표면특성은 Figure 8과 같다. 표면의 굴곡과 관련되는 표면거칠기(SMD) 값은 섬유의 굵기가 굵은 10수 재활용 아라미드/면 혼방직물이 높게 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	착용감의 개선을 위해 가장 중요한 것은 무엇인가?	최근 철강, 정유, 조선 등의 산업현장에서는 작업자의 안전과 작업능률개선을 위해서 방염 작업복에 대한 수요가 늘어나고 있으며 디자인 개선과 착용감 개선을 위한 연구 들이 진행되어지고 있다. 착용감의 개선을 위해서는 무엇 보다 소재의 특성이 중요하다. 일반적인 작업복의 소재는 주로 면직물이나 PET/면 혼방직물, 레이온 혼방직을 사용하고 있으며[1] 방염성을 높이기 위해서 후가공 처리하여 사용하거나 방염성이 뛰어난 아라미드 소재를 사용한다.
	최근 방염 작업복의 수요가 늘어난 이유는?	최근 철강, 정유, 조선 등의 산업현장에서는 작업자의 안전과 작업능률개선을 위해서 방염 작업복에 대한 수요가 늘어나고 있으며 디자인 개선과 착용감 개선을 위한 연구 들이 진행되어지고 있다. 착용감의 개선을 위해서는 무엇 보다 소재의 특성이 중요하다.
	아라미드 소재를 사용하여 방염복을 만드는 이유는?	일반적인 작업복의 소재는 주로 면직물이나 PET/면 혼방직물, 레이온 혼방직을 사용하고 있으며[1] 방염성을 높이기 위해서 후가공 처리하여 사용하거나 방염성이 뛰어난 아라미드 소재를 사용한다. 방향족 폴리아미드(aromatic polyamide)로 불리는 아라미드 섬유는 분해온도가 400ºC이고, 160ºC 이상에서 연속적으로 사용이 가능한 고성능 내열 소재이며, 또한 고분자 자체가 우수한 난연성을 갖고 있다[2]. 이러한 장점을 기반으로 아라미드 섬유는 방염복뿐만 아니라 화학 보호복, 작업복이나 군복 등의 소재로 사용되고 있으며 우주복이나 미래형 군복 등으로 그 응용범위가 확대되고 있다.

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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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