[논문]PP 및 PE/PP 시스-코어 부직포의 열융착 거동의 차이에 기인한 접착 특성 및 통기성에 관한 연구

최세진; 이도준; 박충렬; 이현석; 김한성

doi:10.12772/tse.2018.55.425

[국내논문] PP 및 PE/PP 시스-코어 부직포의 열융착 거동의 차이에 기인한 접착 특성 및 통기성에 관한 연구
Adhesion Characteristics and Air Permeability of PP Mono-component and PE/PP Sheath-core Nonwovens Affected by Differences in Thermal Bonding Behavior 원문보기

한국섬유공학회지 = Textile science and engineering, v.55 no.6, 2018년, pp.425 - 431

최세진 (부산대학교 유기소재시스템공학과) , 이도준 (부산대학교 유기소재시스템공학과) , 박충렬 (정산인터내셔널) , 이현석 (한국섬유개발연구원) , 김한성 (부산대학교 유기소재시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Herein, the thermal adhesion behavior of polypropylene (PP) mono-component and polyethylene/PP sheath-core non-wovens was investigated. The materials generally showed good mechanical properties and environmental benefits. The proper bonding temperature was determined because thermal bonding among fiber networks results in adversely affects bonding strength and structural integrity. The morphology of the adhesive interface, thermal shrinkage, wrinkle properties, and compressive properties were also characterized and showed that differences in thermal behaviors due to the material and dimensional variation affected bonding strength and air permeability. It is expected that these results, that also include flexibility and durability measurements, will provide guidance for the manufacturing of products containing these materials.

주제어

표/그림 (8)

그림 Figure 1. Scheme of the materials and bonding process.
그림 Figure 2. Correlation between the bonding strength and air permeability of (a) PP20 and (b) PEPP22 nonwovens prepared with various bonding temperatures.
그림 Figure 4. Microscopy images showing the surface of (a) PET fabric and the bonded interfaces of (b) PEPP16, (c) PEPP22, and (d) PEPP30 after the peel-off test.
그림 Figure 3. (a) Bonding strength and (b) air permeability of the PP and PEPP nonwovens with various weights (bonding temperature: 161 ℃).
그림 Figure 6. Wrinkle images of the PET fabrics bonded with PP and PEPP and corresponding 2D FFT analyses.
그림 Figure 5. (a) Changes in the sample area before and after bonding and (b) shrinkage ratio of the PP and PEPP nonwovens.
그림 Figure 7. Changes in the compressive characteristics of the PP and PEPP nonwovens.
그림 Figure 8. Changes in (a) bending stiffness and (b) bonding strength before and after the MIT fatigue resistance test.

AI 본문요약
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문제 정의

하지만, 고온에서 접착 시 섬유의 완전한 용융으로 다공성 구조가 유지되지 못해 그 이점을 지속하기 어려우며, 섬유 구조를 유지하기 위해 낮은 온도에서 접착 시 접착 강도를 충분히 확보하지 못하게 된다. 따라서, 접착성과 통기성을 모두 발현하기 위한 적절한 접착 온도를 확인하고자 하였다.
본 연구는 PP 15, 20, 30과 PEPP 16, 22, 30 g/m²의 소재와 중량 차이에 의한 접착성 및 통기성 변화를 조사하고 주요 영향 요소를 확인하고자 하였다. 접착 강도와 통기도의 변화에는 접착층의 접착 면적과 구성 섬유의 열융착 거동의 차이가 주요하게 영향을 미쳤으며, 이러한 접착 계면 및 내부의 구조적 차이는 각 소재의 접착 파단면 이미지와 수축률, 구김 특성, 압축 특성의 변화를 통해 규명이 가능하였다.
연구에서는 기계적 물성과 내열, 내구성이 뛰어나고 가공이 용이한 열가소성 폴리올레핀계 고분자인 폴리프로필렌(PP) 단성분 부직포와 폴리에틸렌(PE)/PP 시스-코어 핫멜트 부직포의 열융착 거동의 차이에 따른 접착 특성 및 통기성 변화를 확인하고자 하였다. 접착 시 표피층의 동반 용융에 의한 영향을 최소화 하기 위하여 폴리에스터(PET)를 표피층으로 사용하였다.

가설 설정

Figure 5. (a) Changes in the sample area before and after bonding and (b) shrinkage ratio of the PP and PEPP nonwovens.

제안 방법

압축, 굽힘 특성 및 내피로도: 접착 시료의 압축 특성과 굽힘 특성은 각각 만능재료시험기와 가와바타 평가 시스템을 이용한 굽힘 강성 시험(KES-FB2-S)을 통해 측정하였다. 또한 MIT 내굴곡 시험기(Ocean Science Co., Korea)를 이용하여 접착 시료에 2000회의 굽힘 피로를 가한 후, 피로 전/후의 굽힘 강성 및 접착 강도를 비교하였다.
섬유 네트워크로 구성된 부직포 핫멜트는 구성 섬유의 용융에 따라 접착 강도와 다공성 구조에 기인한 역학적 이점 간에 상반되는 효과가 예상되었기에 적절한 접착 온도 선정이 필요하였다. 또한 접착 소재와 두께 차이에 의한 구성 섬유의 열융착 거동의 차이를 확인하고 접착성 및 통기성으로의 영향을 조사하였으며, 이로 인한 접착 계면 및 내부의 구조적 차이는 각 소재의 접착 파단면 이미지와 수축률, 구김 특성, 압축 특성을 통해 규명하였다. 마지막으로 소재와 중량에 따른 유연성과 내피로도 결과는 실제품화에 대한 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.
구김 특성: 시료의 구김으로 인한 표면의 굴곡의 각도에 따라 시료의 측면에서 조사된 빛을 반사시키는 강도(lightintensity)가 달라진다. 반사광 이미지의 intensity 분포를 이차원 퓨리에 변환(2D Fast Fourier Transform)을 통해 시편의 구김을 복합 파동(wave) 정보로 환산하였다[24]. 복합 파동을 구성하는 성분들의 파장(wavelength), 진폭(amplitude), 주파수(frequency)의 종합적인 정보를 통해 구김 특성을 정량화 하였다.
반사광 이미지의 intensity 분포를 이차원 퓨리에 변환(2D Fast Fourier Transform)을 통해 시편의 구김을 복합 파동(wave) 정보로 환산하였다[24]. 복합 파동을 구성하는 성분들의 파장(wavelength), 진폭(amplitude), 주파수(frequency)의 종합적인 정보를 통해 구김 특성을 정량화 하였다.
, Korea)의 필오프 테스트를 이용하여 폭 25 mm×길이 150 mm로 절단된 PP, PEPP 접착 시편을 3 mm/s 속도로 박리하며 하중을 측정하였다. 시편의 시작과 마지막 부분을 제외한 100 mm 구간의 하중을 평균하여 접착 강도를 계산하였다.
압축, 굽힘 특성 및 내피로도: 접착 시료의 압축 특성과 굽힘 특성은 각각 만능재료시험기와 가와바타 평가 시스템을 이용한 굽힘 강성 시험(KES-FB2-S)을 통해 측정하였다. 또한 MIT 내굴곡 시험기(Ocean Science Co.
열수축: 열수축 전과 후의 시료에 LED 조명판(LV-1000, SEBA Co., Korea)을 이용하여 수직으로 광을 조사하는 동시에 시료의 반대편에서 charge-coupled device(CCD) 카메라(SCC-B2315, Samsung Electronics Co., Ltd., Korea)를 이용하여 광투과 이미지를 촬영하였다. 해당하는 이미지는 시료 부분은 어둡게 시료 이외의 부분은 밝게 나타나며, 이미지 프로세싱을 통해 접착 전 시료 면적에 대한 접착 후 면적 변화를 계산하였다[18].
접착 강도(KS M ISO 11339): 만능재료시험기(TopTac2000, Yeongjin Co., Korea)의 필오프 테스트를 이용하여 폭 25 mm×길이 150 mm로 절단된 PP, PEPP 접착 시편을 3 mm/s 속도로 박리하며 하중을 측정하였다.
접착 온도에 따른 접착 강도와 통기성의 상호 배타적 관계를 확인하기 위하여 PP20과 PEPP22의 접착 온도 조건에서 접착강도 및 통기성을 측정하였다. Figure 2(a)에서 확인할 수 있듯이 PP20은 단일 성분으로 제조 되었기 때문에 융점 근처에서의 160−167 ^oC의 좁은 범위의 유효 접착 온도를 가진다.
즉, 접착성과 통기성을 모두 확보할 수 있는 유효 접착 온도는 PP20은 160−167 oC 그리고 PEPP22는 150−178 oC의 범위로 생각할 수 있으며, 동 조건 하에서 접착 강도와 통기도를 모두 최대화 할 수 있는 161oC를 적정 접착 온도로 선정하여 소재및 중량별 특성을 비교하고자 하였다.
통기도(ASTM D-726-58): 통기도 측정기(Model 4110N GENUINE^TM Densometer, Gurley Precision Instruments, USA)를 이용하여 접착 시료의 9 cm² 면적에 300 ml의 공기가 통과하는 시간을 측정하여 공기 투과도(ml/cm²/s)로 환산하였다.

대상 데이터

두께에 따른 섬유 융착의 차이는 Figure 4와 같이 접착 시료의 박리 후 광학 현미경을 이용한 표면 관찰을 통해 확인할 수 있었다. PP와 PEPP 접착 시료가 모두 동일한 경향을 보였기에 대표 이미지로써 PEPP를 사용하였다. PEPP16(Figure 4(b))의 경우 표피층과의 접착 면적이 가장 작기 때문에 박리에 의한 표피층의 손상은 있으나 Figure 4(a)와 같은 PET 직물 구조가 비교적 명확하게 관찰되었다.
, Korea)로 부터 구매하였으며, 각각 PP15, PP20, PP30, PEPP16, PEPP22, PEPP30으로 명명하였다. 접착 시 표피층은 ㈜정산인터내셔널로부터 제공받은 polyester(PET) 직물이 사용되어, 표피층-접착층-표피층을 동종의 폴리올레핀계 고분자 소재로 구성하였다.
연구에서는 기계적 물성과 내열, 내구성이 뛰어나고 가공이 용이한 열가소성 폴리올레핀계 고분자인 폴리프로필렌(PP) 단성분 부직포와 폴리에틸렌(PE)/PP 시스-코어 핫멜트 부직포의 열융착 거동의 차이에 따른 접착 특성 및 통기성 변화를 확인하고자 하였다. 접착 시 표피층의 동반 용융에 의한 영향을 최소화 하기 위하여 폴리에스터(PET)를 표피층으로 사용하였다. 섬유 네트워크로 구성된 부직포 핫멜트는 구성 섬유의 용융에 따라 접착 강도와 다공성 구조에 기인한 역학적 이점 간에 상반되는 효과가 예상되었기에 적절한 접착 온도 선정이 필요하였다.
1. 소재 및 접착
접착층으로써 중량 별 polypropylene(PP) 부직포 15, 20, 30 g/m² 3종과 polyethylene(PE)/PP 시스-코어 부직포 16, 22, 30 g/m² 3종을 남양부직포(Namyang Nonwoven Fabric Co., Korea)로 부터 구매하였으며, 각각 PP15, PP20, PP30, PEPP16, PEPP22, PEPP30으로 명명하였다. 접착 시 표피층은 ㈜정산인터내셔널로부터 제공받은 polyester(PET) 직물이 사용되어, 표피층-접착층-표피층을 동종의 폴리올레핀계 고분자 소재로 구성하였다.

성능/효과

25%(PEPP16)로 나타났으나, 이미 상당히 낮은 굽힘 강성을 가졌기 때문에 미미한 차이로 판단된다. Figure 8(b)의 접착 강도 감소율 역시 대체로 미미한 수준이나 PEPP30의 경우 가장 높은 28.00%로 나타났으며, 이는 유연성이 가장 낮기 때문에 반폭피로에 대한 접착 성능의 저하가 크게 발생한 것으로 생각된다.
PP15와 20는 구성 섬유 대부분이 융착되어 압축력에 대한 변형이 적게 발생하나 융착되지 않은 섬유 구조가 존재하는 PP30은 압축력에 의해 변형이 비교적 크게 발생하는 것을 Figure 7에서 확인할 수 있다. PEPP30 또한 유사한 16과 22에 비해더 큰 변형을 보여 열융착이 발생하지 않은 섬유 구조를 가지는 것이 확인되었다.
반면 상당히 깊고 파장이 긴 구김이 확인된 PP16, 22, 30의 경우 전환 이미지가 파동의 진행 방향에 해당하는 수직 방향으로 강하게 분포되어 있는 것을 알 수 있다. 또한 중량이 증가 할수록 밝은 부분의 분포 면적과 밝기가 증가한 것으로 미루어 구김이 증가하는 것으로 판단된다. FFT 전환 이미지의 파장과 강도 정보를 모두 합산한 FFT subtotal은 구김특성의 종합적인 정보를 정량화 한 것이다.
Figure 3(a)에 PP와 PEPP의 중량별 평균 접착강도를 나타내었다. 전체적으로 PP에 비해 PEPP의 접착 강도가 낮은 것으로 미루어, PE 시스 소재의 계면 강도가 상대적으로 약한 것으로 생각된다. 한편 중량이 큰 부직포일수록 단위 면적내 더 많은 섬유로 구성되어 있기 때문에 표피층과의 접착 면적이 증가하여 PP15, PEPP16에 비해 PP20, PEPP22의 접착 강도가 더 크게 나타났으나, 의외로 가장 높은 중량을 가진 PP30과 PEPP30의 접착 강도는 다시 낮게 나타난 것을 확인할 수 있다.
의 소재와 중량 차이에 의한 접착성 및 통기성 변화를 조사하고 주요 영향 요소를 확인하고자 하였다. 접착 강도와 통기도의 변화에는 접착층의 접착 면적과 구성 섬유의 열융착 거동의 차이가 주요하게 영향을 미쳤으며, 이러한 접착 계면 및 내부의 구조적 차이는 각 소재의 접착 파단면 이미지와 수축률, 구김 특성, 압축 특성의 변화를 통해 규명이 가능하였다. 또한 소재와 중량에 따른 유연성과 내피로도 결과를 통해 실제품화에 대한 기초자료로 사용 될 것으로 기대된다.
전체적으로 PP에 비해 PEPP의 접착 강도가 낮은 것으로 미루어, PE 시스 소재의 계면 강도가 상대적으로 약한 것으로 생각된다. 한편 중량이 큰 부직포일수록 단위 면적내 더 많은 섬유로 구성되어 있기 때문에 표피층과의 접착 면적이 증가하여 PP15, PEPP16에 비해 PP20, PEPP22의 접착 강도가 더 크게 나타났으나, 의외로 가장 높은 중량을 가진 PP30과 PEPP30의 접착 강도는 다시 낮게 나타난 것을 확인할 수 있다. 이는 PP30과 PEPP30의 두꺼운 두께로 인한 열 전달의 차이인 것으로 생각된다.

후속연구

접착 강도와 통기도의 변화에는 접착층의 접착 면적과 구성 섬유의 열융착 거동의 차이가 주요하게 영향을 미쳤으며, 이러한 접착 계면 및 내부의 구조적 차이는 각 소재의 접착 파단면 이미지와 수축률, 구김 특성, 압축 특성의 변화를 통해 규명이 가능하였다. 또한 소재와 중량에 따른 유연성과 내피로도 결과를 통해 실제품화에 대한 기초자료로 사용 될 것으로 기대된다.
또한 접착 소재와 두께 차이에 의한 구성 섬유의 열융착 거동의 차이를 확인하고 접착성 및 통기성으로의 영향을 조사하였으며, 이로 인한 접착 계면 및 내부의 구조적 차이는 각 소재의 접착 파단면 이미지와 수축률, 구김 특성, 압축 특성을 통해 규명하였다. 마지막으로 소재와 중량에 따른 유연성과 내피로도 결과는 실제품화에 대한 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고분자 접착제의 단점은 무엇인가?	한편, 접착 공정에 따라 화학반응형, 유기용제형, 핫멜트형 등으로 구분되는 고분자 접착제는 그 중 유기용제형이 가장 많이 사용되고 있으나, 공정 중 휘발성 유기물질을 배출하여 인체 유해성과 환경오염에 대한 문제가 발생하고 있다[8−10]. 이에 반해, 핫멜트형 접착제는 용융 압착 후 냉각을 통해 접착하기 때문에 용제의 사용이 없으며[9,11], 공정 단축을 통한 생산성 향상과 같은 환경적 이점을 충족시키기에 적합하여 광범위한 적용이 기대되는 분야이다[12−14].
	소재 단일화의 대표적인 예는 무엇인가?	소재 단일화란 다수의 재질로 구성된 제품을 단일 또는 소수의 소재로 치환 구성하여 기존 성능을 유지하면서 폐기되는 소재의 순환성을 증대시키고 유해 물질 저감 및 효율적인 생산 설계를 고려하는 것을 일컫는다[4]. 대표적으로 물성이 우수하고 저렴하여 다양한 산업 군에서 활용되고 있으나, 유독성 가스 및 환경 호르몬 등의 문제를 야기하는 폴리염화비닐(polyvinyl chloride)을 대체할 수 있는 폴리올레핀계(polyolefins) 소재 개발이 있다[5−7].
	소재 단일화란 무엇인가?	높아진 환경의식으로 인해 전세계적으로 규제가 확대되고 있는 가운데 친환경성과 기능성을 동시에 지향하는 고분자 소재 개발의 일원으로 소재의 단일화에 대한 연구가 진행되고 있다[1−3]. 소재 단일화란 다수의 재질로 구성된 제품을 단일 또는 소수의 소재로 치환 구성하여 기존 성능을 유지하면서 폐기되는 소재의 순환성을 증대시키고 유해 물질 저감 및 효율적인 생산 설계를 고려하는 것을 일컫는다[4]. 대표적으로 물성이 우수하고 저렴하여 다양한 산업 군에서 활용되고 있으나, 유독성 가스 및 환경 호르몬 등의 문제를 야기하는 폴리염화비닐(polyvinyl chloride)을 대체할 수 있는 폴리올레핀계(polyolefins) 소재 개발이 있다[5−7].

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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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