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신규 Polyester 나노섬유

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작성자 화섬협회 작성일06-06-19 15:45 조회3,785회

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Chemical Fibers International

섬유의 구조제어는 마이크로 단위에서 나노 단위에 이르기까지 다양한 방사기술을 토대로 발전해왔다. 나노크기의 섬유 구조제어의 중요성은 다음과 같은 두 가지로 대변될 수 있다.

하나는 결정크기, 분자쇄의 배향 등 물리적 특성향상을 위한 중요모델 혹은 컨셉이 될 수 있다는 점이며, 동 시도는 거시적 특성과 나노구조간의 연관성을 위한 것이다. 이는 폴리머 디자인 및 섬유구조에도 매우 중요하다. 이외에도 나노섬유 자체에 대한 관심에도 중요하다는 점이 있다.

동 연구에서는 나노섬유가 가진 새롭고 우수한 특성에 관해 소개하고 있다.

일례로 폴리에스터 こ堉뗌?직경 10nm)는 200개의 폴리머 고리만으로 구성되어 있다. 반대로 일반 폴리에스터 섬유(직경 약 20㎛)는 870백만개의 폴리머 고리로 구성되어 있다. 한편, 나노섬유의 다양하고 독특한 특성은 나노 섬유제품이 신규시장으로 진출하는데 도움이 되고 있다.

- 개괄 및 목표

부직포용으로 사용되는 나노제품의 생산기술은 멜트블로운 방사, 플래쉬방사, 스펀본드, 전기방사 등으로 잘 알려져 있다. 현재 전기방사가 상업생산 단계에 빠르게 근접하고 있으며, 섞이지 않는 이종의 폴리머를 혼합방사하는 것이 인조피혁을 비롯한 부직포 제품을 만드는 방법으로 널리 알려져 있다.

동 기술은 직경 10-300nm 크기의 나노섬유를 생산하는 데 필수적이지만, 부직포 시트나 SF와의 접착用으로는 제한적이다. 나노크기의 섬유를 생산하기 위한 우선조건으로써 섬유 구조형성 과정이 아직까지 완벽하지 못해 기계적 특성도 상대적으로 불충분한 것으로 보인다.

또한 해도형 컨쥬게이트 방사법은 지난 ‘80년대에 개발되었으나, 이직까지 마이크로 크기에 머물고 있다. 이는 화학용매를 통해 海에 해당하는 폴리머를 용해시켜야 하기 때문이다.

따라서 균일한 직경, 고강도, 다용도에 사용되기 위한 손쉬운 생산공정 등의 특징을 지닌 나노섬유를 생산하기 위한 목표가 설정되었으며, 수용성의 환경친화적 공정으로 생산될 수 있는 방법을 강구하게 되었다.

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- 노즐 디자인기술

일본 Teijin의 Poolyester 나노섬유는 다수의 해도형 컨쥬게이트 섬유로부터 생산되고 있다. 동 나노섬유의 단면을 살펴보면, 85nm의 직경에 섬형태로 약 1천개의 필라멘트가 존재하게 된다.

동 섬유를 생산하기 위해 방사노즐은 모든 島부분의 팔라멘트가 균일하도록 설계되어야 한다. 연구의 초창기에는 단면이 완전한 coaxial형을 갖추지 못한데다 海부분과 島부분의 구성도 불충분하였다. stress-strain 곡선을 살펴보면, 海부분이 끊어지게 될 때 단면전체로 확산됨으로써 絲切시 elongation(신장률)은 감소한다.

연구가 진행되면서 노즐다자인이 향상됨에 따라 이상적인 단면을 갖추게 되었다. 이에 따라 elongation at break(신장률)이 이전대비 2배 이상 증가하게 되었다.

장력인장시 2단계에 걸쳐 절단되며 우선적으로 海부분이 부분적으로 항복점에 도달하게 된다. 이후 島부분이 완전히 신장됨으로써 절단점에 도달한다. 그러므로 이러한 단면구조를 통해 높은 연신비를 얻어낼 수 있다.

- 폴리머의 海부분을 용해시키는 기술

동 나노섬유의 분리를 위해 海/島 복합체로부터 島부분을 알칼리 용액을 이용하여 용해시키는 것이 두 번째로 중요한 문제이다. 폴리머의 海부분이 島부분에 비해 빠르게 용해되어야 하는 것이 관건이다. 만약, 동 용해속도가 빠르지 못하면 중심지역의 海부분은 그대로 남아있기 때문에 나노섬유는 완벽히 분리되지 못한다.

알칼리 용액을 통한 25개 海/島부분의 분리거동을 관찰한 결과, 섬유의 표면에서 중심부방향으로 알칼리 용액이 침투하는 모습을 보였다. 동 분리거동에 따르면, 海부분의 폴리머 개발에 있어서 알칼리 용액의 용해속도 추정이 필수적임을 알 수 있다.

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위의 표와 같이 300개(10겹)의 島부분을 갖추고, 각 필라멘트의 직경이 500nm인 나노섬유의 경우 알킬리에 의한 島부분의 손상없이 완벽히 분리되기 위해서는 海부분의 용해속도가 島부분대비 1000배이상 빨라야 한다는 추정이 가능해진다.

- 나노섬유의 특성

가늘며 고강도이고, 海부분을 통한 skin-core 효과가 전무하며, 연신비가 높고, 연신장력이 우수한 섬유를 생산하기 위해서는 방사 및 연신공정에서 이상적인 섬유구조를 형성할 필요가 있다. 이에 따라 Teijin의 나노섬유는 3-5.5 cN/dtex의 고강도를 지니고 있다.

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- 레이저 주사를 통한 연신

레이저 광선의 주사를 통한 연신방법은 高연신비를 얻기 위해 특히 유용하다. 왜냐하면 레이저 광선의 파워로 섬유를 그 즉시 부드럽게 할 수 있으며, 섬유의 직경을 균일하게 할 수 있기 때문이다.

레이저 광선의 주사시간과 연신비, 응력간의 관계를 살펴보면, 레이저 주사시 응력은 급격히 감소하는 반면, 연신비는 급속히 증가하였다. 지속적인 레이저 주사를 통해 고연신비를 안정적으로 얻을 수 있다. 이를 통해 직경이 36nm인 극세 나노섬유를 생산할 수 있다.

- 나노섬유의 용도

나노섬유의 크기를 다른 물질-먼지, 바이러스, 다양한 분말 등과 비교시 그 크기가 비슷함을 알 수 있다. 특히, 표면적이 대단히 크거나 공극 크기가 대단히 작은 섬유를 얻을 수 있으며, 이러한 나노사이즈 효과를 통해 다양한 용도에서 사용이 가능할 것으로 전망된다.

나노섬유를 사용한 방수/배습用 제직직물과 극세사를 사용한 제직직물과의 차이를 살펴보면, 나노직물의 경우 두께가 매우 얇고 내습성이 좋으며 배기성은 낮음에도 배습성은 매우 좋다. 나노섬유를 적층하여 생성된 공극크기는 배기性의 조절에 사용된다. 동 직물은 스포츠웨어, 재킷, 雨衣/雪衣 등 편안한 느낌을 주는 의복에 사용된다.

이밖에도 부직포 등에 응용되어 기능성 필터로 사용이 가능하다. short-cut 나노섬유를 wet 방식으로 생산한 나노시트는 중공의 크기가 일정하며, 이를 통해 특성을 잘 발휘할 수 있다.

나노섬유는 각 섬유간의 entanglement가 뛰어나 인열강도가 높고, 중공의 크기가 균일하고 평균크기도 거의 일정하다. 이는 매우 작은 크기의 물질을 잡을 수 있다.

- 결론

요약하자면 나노크기의 효과는 특수효과로 재인식될 수 있을 것이다. 이는 의류, 필터, 의학, 기타 등 다양한 기능성 분야에서 각광받을 것으로 생각된다.
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