Journal of Fashion Business Vol. 12, No. 1, pp.120~128(2008) Rayon-like 섬유의최적방사조건 + 안영무한성대학교의류패션산업전공교수 Optimum Condition of Spinning for Rayon-like Yarn Ahn, Young-Moo Prof., Major in Apparel Fashion & Business, Hansung University Abstract Rayon fiber as clothing material has silk-like property which relates to other synthetic fibers. It has many advantages that is required to women's clothes. However rayon has many shortcomings. Therefore this research is to spin rayon-like polyester which has high contraction property to be synthesized by previous research to solve those shortcomings and to maintain advantages of rayon. The contraction ratio of regular polyester is 30% and the contraction ratio of this synthesized polyester is over 60%. The spinning temperature of regular polyester ranges from 285 to 300. However, this copolymer is set range from 270 to 290, which is 10 less than regular polyester due to decreasing melting temperature. The spinning velocity effects the tensile strength and elongation of yarn magnificently. The high velocity of spinning makes yarn highly oriented, increases the tensile strength and decreases the elongation. This research defines the condition as following; draw ratio 2.734, First roller temperature 85, Slit heater temperature 175. Key Words : viscose rayon( 비스코오스레이온 ), rayon-like yarn( 레이온조실 ), high specific gravity polymer( 고비중고분자 ), high contraction polymer( 고수축률고분자 ) I. 서론 의류용소재로서레이온섬유는다른합성섬유와비교하여실크섬유에가장근접하고착용감이뛰어나며아름답다. 높은흡습성, dry 촉감, 깊고밝은 색상, 광택, 드레이프성, 부드러움등레이온은여성용의류분야에서요구하는많은장점을가지고있다. 그럼에도불구하고의류분야에서타섬유소재에비해소비량이적은적은것은다음과같은제약이있기때문이다. 즉, 제품가격이합섬이나면제 + 본연구는 2007 년도한성대학교교내연구비를지원받아작성한것입니다. Corresponding author; Ahn, Young-Moo, Tel.+82-2-760-4141, Fax.+82-2-760-4489 E-mail: ahnyoungmoo@hanmail.net 120
안영무 / Rayon-like 섬유의최적방사조건 품에비해상대적으로높아시장이작고, 정장이나캐주얼의겉감용도로쓰이기에는레이온의섬유가너무여성스럽고형태안정성이취약하다. 높은수준의제편, 제직, 가공및생산관리기술이요구됨으로적절한제품을공급할수있는공급체계를구축하기가불가능하다. 방사과정에서피할수없이나타나는매듭과염착차이로인해균일한레이온섬유제품을만들기가어렵다. 준비에서제직이나제편까지 lot 및층별관리를엄격하게하지않으면물성차이로인한위단이나상하색차, 양변색차등의결점이발생한다. 염색가공공정에서구김이잘들어가고열고정이되지않으며습윤강도와탄성회복률이낮아잔류변형이용이하다. 이러한레이온사의제약때문에비교적매듭이적고균일성이높은연속방사레이온원사를사용하여준비, 제직이나제편과정에서시장이나내외층을엄격히관리하여도 100% 레이온직편물의결점수는일반적인폴리에스터에비해현저히높다. 1)-3) 본논문에서는이러한레이온의장점을살리며결점을해소하기위하여 rayon-like 이수축혼섬폴리에스터직물을만들기위한전단계로, 선행연구를통해합성한고수축폴리에스터와고비중폴리에스터를이용해 chip을제조하여공정수분율을 0.003% 이하로낮추기위한건조조건을설정하고적절한방사온도와방사속도를실험을통해최적의조건을정하였다. II. 이론적고찰 신합섬이라함은합성섬유가천연섬유의감성을모방한것으로, Peach Skin, New-Silk like, Wool-Like, Rayon-Like 로나눌수있으며, 성능별로는초 Bulky, 초 Drape, 초 Soft, Dry Touch, Natural 소재로나누기도한다. 이러한성능은봉제제품의용도에따라맞게부여되었고소재의중합기술, 방사기술, 염색가공기술의성장에따라발전하였다. 이러한장점을지닌신합섬소재들도천연섬유의다양한감성과기능을완벽하게재현할수없었고, 일반적으로 1-2가지정도의특성을부여하고있다. 신합섬소재는 1990년대까지매우각광받 는차세대소재로인정받아일본의화섬업체와국내화섬업체를중심으로발전하였으나, 2000년대들어서면서부터기존신합섬소재들은다음과같은문제점이지적되고있다. 기존신합섬소재기술의일반화 ( 중합, 방사, 제편, 제사, 염색가공 ) 로후개발국과의경쟁력을상실하고있으며, 3~4가지이상의특성을발현시키기가어렵고, 소비자의욕구가상승하고있지만레이온생산의감소로, 다감성, 고가의순수레이온시장의레이온수급이아직원활하지못한실정이다. 4)-6) 국내외의 rayon-like 섬유의이론적배경을살펴보면, 쾌적한촉감, 높은드레이프특성, 우수한흡습성을가진 Rayon 의기능을가진 Rayon-like 소재는무기질미립자를고분자에혼입, 분산시킨후염색가공공정에서섬유표면에미세한요철을형성시키는방법이일반적이다. 7) 사용되는첨가제는기존의소광제로사용되었던 TiO 2 의함량을높이는방법, BaSO 4 와같이고비중세라믹을혼입하는방법, 에어로졸과같은미립자를균일분산하는방법등이있다. 그리고알칼리감량등에의하여사간의전압을감소시키므로드레이프특성을향상시키는기술, 최근에는자외선흡수효과, 보온효과, 청량감등의특성등의기술을부여하고있으며, 단면형상제어기술에의하여삼각단면으로하여견명효과를발현하고있으며, 표면의크레이터구조를방사또는가공시형성시킴으로흡습성을향상시키고있다. 이러한기능을가진특수사들은방사, 제직준비, 제직, 염색가공각공정에서기존의방법과는다른 Know-How 개발이필요하게된다. 원사메이커에서레이온의기능을부여하는수많은원사들이개발되었으나제직, 가공업체와의협력이미진함으로인해그기능을충분히살리지못하는실정이며, 고분자들은중합체의합성이후방사시우수한물성을얻기위해서는기존의방사공정과비교해훨씬더복잡하고고도의방사기술을요구되고있고, 방사기술의개선과제직, 염색가공공정의개발이시급한실정이다. 후가공업체의 complain 에빠르게대응하여원사의문제점을개선하고그개선한원사를다시제직, 염색, 후가공할수있는시스템의개발이필요하다. 8)-11) 121
한국패션비즈니스학회제 12 권 1 호 1. 방사 III. 실험결과및고찰 이때섬유를제조하기위한방사조건을 < 표 1> 에나타내었고, 사용된방사기의구조를 < 그림 1> 에나타내었다. Rayon-like PET를제조하기위해합성한고수축 PET, 고비중 PET를일단 chip을제조하여공정수분율 0.003% 이하로낮추기위한건조조건을설정하고이상적인원사를제조하기위하여적절한방사온도와방사속도를실험을통해최상의조건을찾는다. 1) 방사기기미연신사의제조에사용된방사기는실험실용용융방사기를사용하였으며공정으로는 2가지의고분자를각각다른 hopper에투입하고 extruder를통하여용융압출한다음 gear pump를이용하여일정비율로투입되도록계량하여최종적으로는용융된각성분이서로다른 pack으로유입되면서설계된 nozzle 의형태에따라서단면을형성하면서섬유로제조되도록하였으며이때 pack 내부에압력을측정할수있도록 pack 압검출장치를부착하여 pack 내부의압력을측정하여작업조건설정에참조하였다. 또한냉각효과를향상시키기위해사유도통의상부에유제공급및사집속가이드를설치하여냉각효과를극대화시킴과동시에토출구에서토출된원사의집속성을향상시킴으로써사도를개선하였다. 2) 방사온도에따른물성변화 방사온도를 270, 275, 280, 285, 290 의 5가지조건으로방사하였을때의물성변화를확인하고적절한방사온도를설정함에그목적이있다. (1) 고수축 PET IPA(isophthalic acid) 와 Newpol BPE-20(NPE) 의공중합에따른물성저하를확인할수있다. Reg. PET의방사온도를 285 에서 300 로성정하는데반해 10 가량낮은 275 에서 295 로맞추어설정하였으며이는공중합에따른열적성질중 Tm이낮아지는데기인한다고볼수있다. 12) 기본물성은 Reg. PET에비해차이가없었으며방사온도에따른강신도변화를 < 그림 2> 에나타내었다. (2) 고비중 PET BaSO4 를고분자에분산시켜비중을높힌것으로 Reg. PET의제반물성과차이가없었으며그방사온도와강신도의변화를 < 그림 3> 에나타내었다. < 표 1> 방사조건 조건 고수축 PET 고비중 PET chip 건조조건 140 4hr 160 6hr 1st 260 270 Ext. 온도 ( ) 2nd 280 285 3th 285 295 4th 285 290 Pack 온도 ( ) 5th 285 290 6th 290 290 Filter (mesh) 1,000 1,000 Morundum (g/mesh) 100g 100g 유제 유제명 TF-503 TF-503 농도 12% 12% Godet R/O 속도 (m/min) 750 750 rpm 1,194 1,194 방사속도 (m/min) 800 800 122
안영무 / Rayon-like 섬유의최적방사조건 < 그림 1> 방사기의구조 1.40 330 1.40 330 1.35 1.35 1.30 1.25 1.20 310 300 290 1.30 1.25 1.20 310 300 290 1.15 280 1.15 280 1.10 270 265 270 275 280 285 290 295 Spinning velocity (m/min.) < 그림 2> 고수축 PET 의방사온도에따른강도와신도와의관계 1.10 270 265 270 275 280 285 290 295 Spinning temperature ( o C) < 그림 3> 고비중 PET 의방사온도에따른강도와신도의관계 123
한국패션비즈니스학회제 12 권 1 호 방사온도가증가함에따라 PET 분자유동성이원활해져신도및열수축율은증가하지만강도는감소한다는것을보여주고있으며, 지나치게높은방온설정은방사작업성을저해하거나원사물성저하의영향이수반되므로적정수준을유지할필요가있다는것을보여주고있다. 3) 방사속도변화에따른물성변화 방사속도를 1,250 m/min, 1,300 m/min, 1,365 m/min, 1,420 m/min, 1,500 m/min 의 5가지조건에따라방사를실시하였을때물성변화를확인하고적절한방사속도를설정하고자한다. (1) 고수축 PET 방사속도는특히원사의강신도에큰영향을미치며고속방사시 PET 분자의배향성이높아져강도는증가하는반면신도는감소하게된다. 방속에따른물성을 < 표 > 에나타내고이때의강신도변화를 < 그림 4> 에나타내었다. 1.45 1.40 1.35 1.30 1.25 1.20 1.15 1.10 300 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 Spinning velocity (m/min.) < 그림 4> 고수축 PET 의방사속도에따른강도와신도의관계 (2) 고비중 PET 고비중 PET 역시 Reg. PET와동일한효과를나타내고있으며분자의배향도가고속방사시에높아지는데기인한다고볼수있다. 방사속도에따른강신도의관계를 < 그림 5> 에나타내었다. 420 400 380 360 340 1.45 1.40 1.35 1.30 1.25 1.20 1.15 1.10 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 Spinning velocity (m/min.) < 그림 5> 고비중 PET 의방사속도에따른강도와신도의관계 방사속도가증가함에따라분자간의배향도가증가함으로강도는증가하고신도는감소한다. 방사속도가감소하면신도가증가하며분자간의비결정부가많으므로열수축율은증가한다. 방사속도를낮추고신도를올리면열수축률은증가한다. 단강도가저하되는점을고려하여조건설정을고려한다. 4) 건조 PET 분자의결정화도를높여주는결정화부와건조시키는건조 Hopper 및 chip을풍송하는 Blower 로나누어지며건조공기및 N 2 가스가가열된탈습제, 결정화 Hopper, 건조 Hopper를순환하며건조하는방식으로공정수분율은 0.003% 이하를유지하도록한다. 공중합에따른고분자의 Tm이낮아져특히건조에주의를기울여야하며 low temp. 에서부터 high temp. 까지서서히수분을제거시켜 chip들끼리용융되어응집되는것을막아야한다. 5) 개질원사의경시변화시험 일반적으로 PET는고분자의결정영역이과다하므로저속방사시에비결정부의핵제에의한결정화가촉진되어원사의제반물성을크게떨어뜨리는요인 420 400 380 360 340 124
안영무 / Rayon-like 섬유의최적방사조건 이되고있다. 특히본연구에서는수행된개질고분자의경우그정도가더욱심하므로경시변화가일어나는기간과그에상응하는물성을비교하여대량생산시에필히참고하여야한다. < 그림 6> 과 < 그림 7> 은고수축원사와고비중원사를시일경과에따라강신도변화를나타내었다. 림 8> 에연신기의구조를개괄적으로나타내었다. 335 330 325 1.75 315 310 1.70 305 1.65 1.60 1.55 1.50 300 295 0 2 4 6 8 10 Elapsed time (days) High shrikage PET High specific gravity PET Fitted curve of high shrikage PET Fitted curve of high specific gravity PET 1.45 0 2 4 6 8 10 Elapsed time (days) < 그림 7> 기간경과에따른신도의비교 High shrinkage PET High specific gravity PET Fitted curve of high shrikage PET Fitted curve of high specific gravity PET < 그림 6> 기간경과에따른강도의비교 2. 연신방사하고난미연신사를 Feed R/O와 Nip R/O를통해예비연신하고 1st R/O, Slit Heater 및 2nd R/O를통해적절한연신비와열을부여하며주연신을하여 PET 고유의원사물성을갖도록하는과정으로이단계에서원사의제반물성을부여한다. 1) 연신기기 일정한신도를지니며대기중에경시변화가일어나지않도록연신과열고정을하기위해사용된설비로비접촉식열고정장치가부착되고온도조절과연신비율조절이용이한연신기를이용하였다. < 그 < 그림 8> 연신기의개괄적인모습 125
한국패션비즈니스학회제 12 권 1 호 2) 단사별실험 고수축 PET 25d/18f 와고비중 PET 원사를사용하여연신비, 온도에따른비수수축률 (100W) 의이론적고찰과작업성을검토하였다. (1) 고비중사고비중사의실험은 25d/18f의실로하였다. 1 연신비별열수축율의변화연신비를 3종류로나누어동일한온도조건으로연신한후의열수축결과를 < 그림 9> 에나타내었다. Heat shrinkage (%) 24 22 20 18 16 14 12 10 8 125 o C 170 o C 180 o C 6 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 3.1 3.2 3.3 Draw ratio (times) < 그림 9> 연신비율과온도변화에따른열수축률의관계 연신비가증가함에따라서열수축률은감소함을알수있었으며이는 PET 연신사의내부구조에서분자축방향의배향이거의이루어졌다는점과결정화현상이이루어졌음을알수있다. 연신비는일정하게고정하고 1st R/O의온도를 85 로한다음 slit heater의온도를 125, 170, 180 로올리면열수축률은서서히감소한다. 이것은 slit heater 에서접촉되는원사가온도가높을수록결정화가촉진되어열수축률이낮아지는것이다. 고수축사는 touch하지않고통과하므로고비중사의열수축률이낮아질수록합사시의열수축률은증 가하며, 고비중사의수축률이낮을수록합사수축률에크게영향을미친다고생각된다. 고비중폴리에스터사는유리전이온도인 80 에서미세한증가현상을보이다가이점을지나면열수축률이증가를보이는것은 Tg 이하의온도에서도저분자량의고분자가분자운동을하기때문인것으로보인다. Tg 이상의온도에서는활발한분자운동이일어나기때문에열수축률의급상승을보인다.< 그림 10> Heat shrikage (%) 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Temperature of 2nd heater ( o C) < 그림 10> 2nd heater 에따른열수축률 2nd heater 온도가 180 부근에서 folded chain 결정의급성장에의해열수축곡선의변곡점이나타난다. 그러므로고비중사 ( 저수축사 ) 의최종연신온도는 1st R/O 온도를 85 이하, slit heater temp. 를 180 이하로설정한다. (2) 고수축사고수축사에사용되는실은 25d/18f로한다. 1 IPA의첨가량에따른실험개질고분자의합성시첨가제첨가량에따라제반물성을비교하였으며열수축변화곡선을 < 그림 11> 에나타내었다. 실은 75d 기준이며, 연신조건은 Reg. 단사작업과동일하게해주었다. IPA의첨가량이많으면열수축률은증가하지만강도와신도가떨 126
안영무 / Rayon-like 섬유의최적방사조건 어지므로물성은떨어진다. 특히 10 mole% 가넘으면원사가딱딱하게경화현상이발생한다. 개질고분자의 IPA 첨가량을 5 mole% 로설정하였을때열수축률은약 63% 였다. 반면에 Reg. 폴리에스터는 17% 이다. 하고신도는증가하며 Slit heater 온도가 145 이상이되면거의변화가없다. 이상의조건으로최종연신조건은 1st R/O 온도는 85, Slit heater 온도는 175 로설정한다. 70 80 65 Heat shrikage (%) 75 70 65 Heat shrinkage (%) 60 55 50 60 55 45 1st R/O temp at 85 o C 1st R/O temp at 82 o C 4 6 8 10 12 14 16 Mole ratio < 그림 11> IPA 첨가량에따른열수축률의변화 IPA 5 mole% 와 Newpol 2wt% 를첨가한개질고분자를이용하여방사한다음, NFY 연신기에서고수축단사의온도조건에따른제반물성과작업성을검토하여 1st R/O 온도와 slit heater 온도에따른열수축률의관계를 < 그림 12> 에나타내었다. 단, 이때의원사는 50d/36f FDY를사용하였다. 1st R/O 의온도를 82 로한다음 slit heater 온도를 125 로해주면열수축률은 60% 로증가하고, 165 로해주면열수축률이 54% 로감소되며, 175 로해주면평형상태를이룬다. 또한강도는 slit heater 의온도가증가함에따라서감소하며신도는증가하며 slit heater 온도가 145 이상이되면거의변화가없다. 1st R/O의온도를 85 로하면폴리에스터의 Tg 가 80 이므로급격히열수축이증가한다. slit heater 온도가 125 일때열수축이 66.8% 이며, 이는 1st R/O의온도가 82, slit heater 온도가 15 0 에서와동일한열수축률이발생한다. 또한 175 에서는서서히감소한다. 1st R/O 온도는 82 에서는 Slit heater 온도가증가함에따라서강도는감소 40 120 130 140 150 160 170 180 Slit heater temperature ( o C) < 그림 12> 1st R/O 온도와 slit heater에따른열수축률의관계저수축사의제조방법은 Slit heater 에 touch 하는방식으로고비중폴리에스터 UDY 50d/48f 원사로시험하여연신온도변화에따른물성결과를나타내었으며열수축변화를 < 그림 13> 에나타내었다. 1st R/O 온도 82 와 85 에서수축률이낮아진다. 특히 Slit heater 온도 145 에서급격하게낮아진다음서서히수축률이감소하는경향이나타났다. 저수축사의수축률은 2-4% 의범위를유지해야만합사시수축률효과가증가하고또한 Peach-skin 효과도우수하며저수축사의적정수축률은 4-5% 수준이다. 저수축사의수축률을낮추기위해서 Slit heater 의온도를올리는데이때발생하는문제점은 2g/d 정도강도가낮아진다. 127
한국패션비즈니스학회제 12 권 1 호 참고문헌 Low shrinkage (%) 12 11 10 9 8 7 6 120 130 140 150 160 170 180 Slit heater temperature ( o C) 1st R/O temp at 85 o C 1st R/O temp at 82 o C < 그림 13> 1st R/O 온도와 SH 에따른저수축률의관계 IV. 결론 고수축고분자를이용하여고수축사를제조하면 60% 이상의수축률을얻을수있다. 기존 Reg. PET로저수축사를제조하면수축률은 4-5% 이다. Rayon-like 사개발의최종연신조건은연신비 2.734, 1st R/O temp. 는 85, Slit heater temp. 는 175 로설정하였다. 작업성및물성은양호하였으며현장적용가능함을확인하였다. 1) 안영무 (1994), 섬유학, 학문사, pp. 195-217. 2) 안영무 박영기 (2007), Rayon-like 폴리에스터의合成, 패션비즈니스, 11(5), pp. 155-164. 3) 오영세 한삼숙 정두감 (2002), Lyocell 섬유의새로운가능성, 섬유기술과산업, 6(1/2), pp. 1-16. 4) Marash, S., Dubois, F., & Sakuma, Y. (2001), "CEH Marketing reseach report: rayon and lyocell fibers", SRI international, Tokyo. 5) Tsuda, Y., & Mukoyama, S. (1967), "The formation of cellulose IV in the viscose spinning", Bull. Chem. Soc. Japan, 30, pp. 718-720. 6) Kulshreshtha, A. K. (1979), "2-A Review of the literature on the formation of cellulose IV, its strucure, and its significance in the technology of rayon manufacture", J. Text. Inst., 88, pp. 13-18. 7) 안영무 (2002), 디지털시대의의류신소재, 학문사, pp. 42-43. 8) 김종덕 한민식 (1992), Polyester 신합섬, 고분자과학과기술, 3(2), pp. 107-115. 9) 안태완 조재영 (1992), 폴리에스터소재의현황과전망, 고분자과학과기술, 3(3), pp. 177-184. 10) 김학주 이도묵 (1992), 폴리에스터섬유의연중직방기술, 고분자과학과기술, 3(3), pp. 207-215. 11) 김석수 (1992), PET 공중합제조기술, 고분자과학과기술, 3(3), pp. 227-234. 12) 김익수 안종수 (2002), " 새로운레이온섬유 envix ", 섬유기술과산업, 6(1,2), pp.17-28. (2007 년 9 월 20 일접수, 2007 년 12 월 13 일채택 ) 128