한국염색가공학회지 Vol. 20, No. 1, pp.28 35(2008. 2) 연구논문 ( 학술 ) 가연조건에따른나일론섬유의물성 (Ⅰ) - 가연속도와연신비의영향 - 허종태 중소기업청 Physical Properties of Nylon Textured Yarn according to False Twist Texturing Parameters(Ⅰ) - Effect of Speed and Draw Ratio - Jong Tea Hu Small and Medium Business Administration (Received: November 27, 2007/Revised: January 7, 2008/Accepted: January 30, 2008) Abstract Texturing is the process of including a characteristic of a natural fiber in a synthetic fiber. The most common method of it is the false twist texturing. Nylon textured yarn is primarily manufactured by the disk type. The major process parameters of the disk type false twist machine are speed, draw ratio, disk/yarn, and heater temperature. This study therefore investigated the effects of false twist texturing, especially speed and draw ratio, on the physical properties of nylon textured yarn. The increase of speed was proportional to the increase of unwinding tension, which could reduce the production efficiency by elevating the tension affecting to fiber during the process. In addition, the increase of speed was inversely proportional to the increase of crimp rigidity of nylon textured yarn. Draw ratio was proportionally increased with the increase of tenacity and the reductions of fineness and elongation, showing the influence of draw ratio to the ultimate physical properties of textured yarn. Keywords: nylon, false twist texturing, speed, draw ratio, crimp rigidity 1. 서론 다양한섬유제품에대한소비자요구와천연자원의감소로인해필연적으로탄생된합성섬유는강도, 탄성, 신축성및내마모성이우수하여섬유시장에서차지하는비중이갈수록높아지고있다. 하지만합성섬유는천연섬유가가지고있는광택, 부피감, 보온성및촉감등사용자가중요하게생각하는부분이부족한단점을가지고있다. 초기에는합성섬유의장점이알려지면서각광을받아왔으나이런문제로인해소비자의외면을받기도하였다. 합성섬유는이런단점을극복하여소비자의요구에부응하기위한부단한노력을해왔으며, 합성섬유에천연섬유가가지 고있는특성을부여하기위한여러가지기술이개발되었다. 사가공은합성섬유의규칙적인구조를다소불규칙하게하여천연섬유의우수한특징을부여하기위한공정이다. 이는개개의필라멘트가열, 역학, 화학적으로변형되고, 이로인해실에서의그들의공간적배열이바뀌게하는방법이다. 직선구조인필라멘트의연속성을유지하며직선인필라멘트에영구적인미세한변형, 크림프, 루프, 코일, 주름을부여하는것이란정의도있다 1). 사가공은최종용도에따라열역학적방법, 기계적방법, 화학처리등기타의방법으로구분된다. 이중열역학적방법은합성섬유의열가소성을이용한다. Corresponding author. Tel.: +82-32-450-1117; Fax.: +82-32-818-7469; e-mail: texcolor@hanmail.net Ⅰ28Ⅰ 한국염색가공학회지제 20 권제 1 호
가연조건에따른나일론섬유의물성 (Ⅰ) 열가소성은열또는응력이적용될경우분자간에자유롭게미끄러져변형이일어날수있고, 외력이제거될경우변형된형태로고정되는성질이다 2,3). 열역학적방법의대표적인것이가연가공기술이다. 가연가공의원리는우선가연 ( 加撚 ) 과가연 ( 假撚 ) 의차이를이해하는것이중요하다. Scheme 1 에두가지차이점을이해하기쉽도록나타내었다. 가연 ( 加撚 ) 은한쪽끝을고정하고다른쪽끝에서꼬임을부여하는것으로회전수가늘어날수록꼬임수도증가하게된다. 반면가연 ( 假撚 ) 은양끝을고정한후중간에서꼬임을부여하는것으로꼬임을부여하는장치를중심으로서로반대의꼬임이부여되어실전체적으로꼬임수는 0 이되게된다. 실제공정에서는고정부분이회전을하는롤러이므로진행하면서꼬임이풀어져전체꼬임수가 0 인가연사가생산되는것이다. 이런이유로가연 ( 假撚 ) 또는 false twist 라는명칭이생기게되었다 4). 나일론섬유는구조단위가아미드기 (-CO-NH-) 에의해연결된합성고분자중지방족단량체로이루어진폴리아미드계섬유이다. 나일론섬유개발초기에는폴리아미드를용융방사한후연신을별도공정으로시행하는 2 단계방법이제안되었다 5). 용융방사에서방사속도를고속화함으로써연신공정을생략하여방사공정한단계로실용적인섬유를제조하려고시도하였다 6,7). 1960 년대에는 2 단계로나누어져있던방사 - 연신공정을직결한방사 - 연신공정 (spin-draw process) 이개발되고 8), 1970 년대에들어와가연가공사 (false twisted textured yarn) 의수요가증대되면서, 방사속도를 3,000 3,500 m/min 로하여 POY (Partially Oriented Yarn) 를만들어, 연신 - 가연공정을직결한 POY-DTY(draw tetured yarn) 을생산할수있게되었다 9). 가연방식은핀, 디스크, 벨트방식으로구분된다. 핀방식은가장안정적인품질을발현할수있으나저속으로인해생산성이떨어져최근에는거의사용되지않고있다. 폴리에스터가연에많이사용되는벨트방식은나일론세데니어에는부적합하여나일론가연에는거의사용되지않는다. 디스크방식이나일론섬유의범용방식으로사용되고있다 10,11). 가연공정의개발과함께가연사의특성에대한이론적연구가진행되었으나, 요즘은잘사용하지않는핀방식가연기에대한연구가주로진행되었다 12). 국내에서는벨트방식을사용하는폴리에스터에대한연구가행해졌으나, 디스크방식을적용하는나일론에대한종합적연구는전무한상황이다 13). 최근나일론섬유는천연섬유의광택과유사한 full-dull 제품이꾸준히증가하고있으며, 가연공정역시 85denier/68filament(85d/68f) full-dull 제품에대한요구가있었다. 하지만국내가연공정에서는아직 85d/68f full-dull 에대한경험이없어조건확립및생산과정에서발생하는문제점이전혀파악되어있지못하다. 본연구에서는나일론 6 85d/ 68f full- dull POY 를이용하여가연가공을수행할때디스크방식인 Barmag FK-6 가연기의공정조건중가연속도와연신조건에의한나일론가연사의물성을고찰함으로써나일론가연사의최적조건결정에필요한이론적기초를마련하고자하였다. Scheme 1. Principle of false twist. 2.1 시료및시약 2. 실험 시료는 Table 1 에나타낸 chip 조건으로 POY 공법을적용하여생산된 85d/68f full-dull 나이론 6 부분배향사 (( 주 ) 효성 ) 를사용하였다. 85d/68f fulldull 나이론 6 부분배향사의물성은 Table 2 와같다. Tabl e 1. Conditions of chips Relative Viscosity 2.47 Moisture Content 0.05% Amino End Group Content(-NH 2) 42 mmol/kg TiO 2 Content 1.5 ± 0.05% Tabl e 2. Physical properties of nylon 85d/68f POY Denier Tenacity (g/d) Elongation (%) 5% Entanglement OPU U% Strength(g) (ea/m) (%) 85.3 4.45 68.5 66.0 0.97 1.1 0.53 J. of the Korean Soc. of Dyers and Finishers, Vol. 20, No. 1Ⅰ29Ⅰ
허종태 2.2 가연장치 사용된가연기는 Barmag FK-6 기종으로 Scheme 2 와같다. 실에꼬임을부여하는장치는디스크를이용하며디스크의재질은세라믹과폴리우레탄으로구분되나, 나일론마이크로가연에는세라믹이더좋은품질을보여주므로세라믹디스크를사용하였다. 또한디스크장치는 inlet disk 1 매, 주디스크 6 매, 나이프디스크 1 매를 0.5 mm 간격으로구성하였다. 디스크는직경 52 mm, 두께 9 mm 인세라믹디스크를사용하였다. 히터는 dowtherm 을이용한접촉방식을사용하였으며, 접촉길이를조정할수있는 2 m 길이히터이나본실험에서는 2 m 길이를모두접촉하였다. 2nd 히터가있으나본실험에서는사용하지않았다. Scheme 2. Schematic false twist machine of Barmag FK-6. 2.3 실험방법 2.3.1 가연속도별실험가연조건에서연신비 1.23, D/Y 1.9, 히터온도 18 0 로고정하였으며, 나머지보조적인작업조건역시고정하였다. 반면가연속도는 400, 500, 600, 700, 800 m/min 으로변화시켜가며 5 추에서가연실험을진행하였으며, 가연작업중해사장력, 가연및해연장력등을측정하였다. 2.3.2 연신조건별실험가연조건에서가연속도 500 m/min, D/Y 1.9, 히터온도 180 로고정하였으며, 나머지보조적인작업조건역시고정하였다. 반면연신비는 1.19, 1.21, 1.23, 1.25, 1.27, 1.29 로변화시켜가며 5 추에서가연실험을진행하였으며, 가연작업중해사장력, 가연및해연장력등을측정하였다. 2.4 물성측정 2.4.1 해사장력측정 Barmag FK-6 가연기에서제 1 피드롤러를통과하기바로전에위치한가이드부위에서휴대용장력 측정기를이용하여각조건당 5 추에대해측정하여평균하였다. 2.4.2 가연및해연장력측정가연장력은 Barmag FK-6 가연기에서실이디스크를통과하기전위치에서, 해연장력은실이디스크를통과하여나오는지점에서측정하였으며각조건당 5 추에대해측정하여평균하였다. 2.4.3 섬도측정 25, 65% 상대습도하에서보관한후둘레가 1 m 인전동식랩릴을이용하여 90 회회전한샘플을채취하였으며, 소수점네자리까지측정이가능한전자저울을이용하여각시료당 4 회측정하여평균하였다. 2.4.4 강 신도측정만능인장강도시험기 (Instron, USA) 를사용하여 25, 65% 의상대습도에서인장시험을하였으며, 시료길이 20 cm, 인장속도 20 cm/min 으로각시료당 10 회측정하여평균하였다. 2.4.5 Crimp Rigidity(CR%) 측정 KS-K 0419 에따라 0.1 g/d 의장력하에서권취장치를이용하여가연사타래를만들었다. 이가연사타래에 0.002 g/d 의초하중과 0.1 g/d 의본하중을부여하여 20 물속에서 2 분간방치한후길이를측정하고, 0.1 g/d 의본하중을제거하고 2 분후길이를측정하였고, 시료당 2 회평균하였다 14,15). (1) L 1 : Length after 2 minutes with 0.002 g/d and 0.1 g/d loading L 2 : Length after further 2 minutes with 0.002 g/d loading 2.4.6 Oil Pick-Up(OPU) 측정가연사를 5 g 정도채취하여무게를측정한후드라이오븐에서 2 시간건조한후데시케이터에서 30 분간보관후무게를측정하였다. 그런후 CCl 4 로처리하고드라이오븐에서 2 시간건조한후데시케이터에서 30 분간보관후무게를측정하였으며시료당 2 회평균하였다. (2) W 1 : Sampling weight W 2 : Weight after drying and desiccator treatment W 3 : Weight after CCl 4 treatment Ⅰ30Ⅰ 한국염색가공학회지제 20 권제 1 호
가연조건에따른나일론섬유의물성 (Ⅰ) 3. 결과및고찰 3.1 가연속도가물성에미치는영향 가연공정에서가연속도는품질면에서는가연사크림프의열고정, 생산성면에서는생산량과연관된다. 생산효율을높이기위해서는고속화가필수적이지만, 고속주행시실과히터와의접촉시간이짧아져크림프의열고정이충분히되지않을수있다. 고속주행을위해서는실과히터와의접촉시간을고려해야하며, 가연속도를높이기위해서는고속주행이가능한설비의개발뿐만아니라, 사용되는 POY 의품질향상등추가적인기술의발전이동반되어야가능하다. 최근개발된가연기는 1,500 m/min 을최고속도로하지만나일론의경우고속으로운행시작업성이저하되어생산효율증대가어렵다. 국내에서 85d/24f semi-dull 의경우가연속도는 600 m/min 을최고속도로인식하고있다. 본실험에사용된 85d/68f full-dull 의경우고속으로주행시작업성이크게저하하고가연기의부품교환주기가빨라지는문제가있어 500 m/min 를넘기기어려운상황이다. Fig. 1 은가연속도변화에따른가연장력과해연장력의변화이다. 가연속도가증가함에따라가연장력및해연장력모두조금씩증가하였다. 고속주행에따라실을섬유축방향으로신장시키는효과가있으며, 이는실에걸리는응력의증가를유발하게되어가연장력및해연장력이증가하게되는것이다. 이런이유로고속으로가연시에는사절이발생할가능성도높아지게되어작업성이저하하게된다. Fig. 2 는가연속도변화에따른해사장력의변화이다. 해사장력은실이치즈에서풀려나와가연기에공급되는시점의장력으로해사장력의증가는작업성저하의주요요인이되게된다. Fig. 2 에나타난것과같이가연속도가증가함에따라해사장력역시급속한증가를확인할수있다. 이런해사장력의증가는 POY 의권취상태, 유제등으로다소나마완화할수있다. Fig. 3 은가연속도변화에따른섬도의변화이다. 앞서설명한것과같이가연속도의증가는실을인장하는효과도있기때문에가연속도가증가함에따라섬도는감소하는경향을보여주었다. Fig. 4 는 5% 강력을나타낸것으로현장에서는나일론의 modulus 를대신하는값으로널리이용된다. 5% 강력의증가는가연속도의증가에따라미세하 게배향결정화가이루어지기때문이다. Fig. 5 는신도의변화를나타낸것으로가연속도의증가는인장력의증가를유발하므로신도가감소한경향성을보여주었다. Fig. 6 은가연속도변화에따른 CR% 의변화이다. 가연사의크림프는가연및해연의정도에의해영향을받는인자이다. 즉디스크에의해꼬임이얼마나부여되느냐에달려있다고할수있다. (1) Twist tension (2) Untwist tension Fi g. 1. Twist and untwist tensions as a function of speed. Fi g. 2. Unwinding tension as a function of speed. Fi g. 3. Denier of textured yarn as a function of speed. J. of the Korean Soc. of Dyers and Finishers, Vol. 20, No. 1Ⅰ31Ⅰ
허종태 F i g. 4. 5% strength of textured yarn a function of speed. Fig. 7. Tenacity of textured yarn as a function of speed. Fi g. 5. Elongation of textured yarn as a function of speed. F i g. 6. Crimp rigidity of textured yarn as a function o f s p eed. 본실험에서는나머지가연조건을일정하게고정한관계로가연속도의증가는주행하는실에꼬임을적게부여하게만든다. 따라서가연속도가증가함에따라 CR% 는감소하게된다. 가연속도증가에따라디스크의회전속도도증가시켜동일한꼬임수를부여할경우 CR% 변화는크지않을것으로추정된다. Fig. 7은강도의변화를나타낸것으로가연속도 Fi g. 8. Oil pick up of textured yarn as a function of speed. 증가에따른경향성을보여주지는못했다. 가연공정에서합성섬유는분자배향을방해하는비틀림응력과분자배향을증가시키는인장응력을동시에받게된다. 가연속도의증가는배향결정화를높여주지만크림프형성을어렵게하는 2가지요인이상호작용하기때문에경향성을발견하지못했다. Fig. 8은가연속도변화에따른 OPU의변화이다. 본실험에사용되는가연기는롤러방식으로권취바로전에유제가부여되게된다. 이롤러의회전속도가고정되어있으므로가연속도의증가에따라 OPU가감소하게된다. 즉, 가연속도를높이는경우적정 OPU를유지하기위해롤러의회전속도를높여주어야한다. 3.2 연신조건이물성에미치는영향 최근의가연공정은 POY를사용하여연신-가연공정을동일하게시행하는것이보편화되어있다. POY 는최종용도로사용되기에완벽한물성을갖춘실이아니며, 연신을통해요구되는물성을갖추어야한다. 가연공정에서연신을시행할경우최종가연사의 Ⅰ32Ⅰ 한국염색가공학회지제 20 권제 1 호
가연조건에따른나일론섬유의물성 (Ⅰ) 섬도, 강신도를확인하여최적의연신비를설정해야한다. 본실험에서는연신조건에따라가연사의물성변화를고찰하였다. Fig. 9는연신비에따른가연및해연장력의변화이다. 연신은실을섬유축방향으로신장시키는것으로강신도그래프에서신장이됨에따라실에걸리는응력이증가한다는사실을확인할수있다. 이런이유로연신비가증가하면가연및해연장력도증가하게된다. 하지만연신비가일정수준보다낮은경우실이파동이발생하여품질불균일의원인이되므로요구되는최소장력이상을가질수있는연신비를선정해야한다. 작업성이우수한폴리에스터와달리나일론의경우공정중에장력을최소하해야작업성을확보할수있다. Fig. 10은연신조건변화에따라섬도의변화이다. 섬유축방향으로신장시킬경우섬유축에직각인방향에서는수축하게된다. 이것이연신비가증가하게되면섬도가감소하게되는이유이다. 연신비는최종 가연사의목표섬도를얻기위해가장중요한조건이다. 하지만가연사의섬도는공급되는 POY의섬도에의해좌우되므로 POY의물성설계시최종가연사의섬도를고려하여야한다. Fig. 11~13은연신조건변화에따른강신도의변화이다. Fig. 11은 5% 강력으로연신에의해배향결정화가진행되어연신비에따라증가하게된다. 연신비가증가함에따라강도는증가하고신도는감소하게된다. 이는치밀해진분자구조와배향결정화의영향이다. 실제공정에서는나일론가연사의신도는 30% 이상인경우잔류신도로인해후공정에서가연사의크림프가소멸되게되고, 20% 이하일경우필라멘트가끊어지는불량이발생하는경우가많다. 최적연신비를확인하여이런문제를최소화해야한다. Fig. 14는연신조건변화에따른 CR% 의변화이다. CR% 는연신비에크게영향을받지않으나연신비가과도하게증가하는경우약간떨어지는경향을보여주었다. (1) Twist tension (2) Untwist tension Fi g. 9. Twist and untwist tensions as a function of draw ratio. Fi g. 11. 5% Strength of textured yarn as a function of draw ratio. F i g. 10. Denier of textured yarn as a function of draw ratio. Fi g. 12. Tenacity of textured yarn as a function of draw ratio. J. of the Korean Soc. of Dyers and Finishers, Vol. 20, No. 1Ⅰ33Ⅰ
허종태 과정에가연사의크림프가감소됨을확인하였다. 나일론 85d/68f의경우연신비 1.23에서가장우수한물성을보여주었다. 참고문헌 Fi g. 13. Elongation of textured yarn as a function of draw ratio. Fi g. 14. Crimp rigidity of textured yarn as a function of draw ratio. 4. 결론 나일론 6 85d/68f full-dull 에대한디스크가연방식의가연조건인가연속도와연신조건이가연사의물성에미치는영향에대한연구를통해다음과같은결과를얻을수있었다. 나일론섬유의가연가공에서가연속도는생산성측면에서중요한조건이지만, 가연속도가증가함에따라해사장력이증가하여작업성이떨어질수있는문제점을확인하였다. 나일론 85d/68f full-dull의경우 500 m/min 에서안정적인작업성이확보될것으로추정되었다. 연신조건은목표로하는가연사의최종물성을확보하기위해고려되어야하는조건이었다. 연신비가증가할수록가연사의섬도는낮아지며, 강도는증가하고, 신도는감소함을확인하였다. 연신조건이과도하게높은경우작업성저하또는가연사의필라멘트가끊어지는불량이발생할수있었다. 반면연신조건이과도하게낮은경우가연사를제품화하는 1. M. J. Denton, Textuirng of Continuous Filament Synthetic Yarns, Journal of the Bradford Textile Society, 51-56(1987). 2. D. J. Williams, Polymer Science and Engineering, Prentice Hall, New Jersey, p.36, 1971. 3. J. A. Brydson, Plastics Materials, 6th Ed., pp.23-24, Butterworths, Oxford, 1995. 4. G. Heberlein, Apparatus for Imparting False Twist to Yarn, U. S. Patent, 2,655,781(1953). 5. W. H. Carothers, "Synthetic Fiber", U. S. Patent, 2,130,948(1937). 6. H. H. Hebeler, "Yarn Process", U. S. Patent, 2,604,667(1952). 7. J. F. Bowling, "Process for Producing Crimpable Polyamide Filaments", U. S. Patent, 2,957,747 (1960). 8. J. J. Kilian, "Process of Melt Spinning and Stretching Filaments by Passing Them through Liquid Drag Bath", U. S. Patent, 3,002,804(1961). 9. M, J, Piazza and C, E, Reese, "Polyester Yarn For Draw-Texturing Process", U. S. Patent, 3,772,872 (1973). 10. T. Endo, S. Shintaku and T. Kinari, Mechanics of Disk-type False Twisting.PartⅠ:Yarn Path and Friction Force on a Single Disk, Text. Res. J., 53, 1-8(1983). 11. G. W. Du and J. W. S. Hearle, Mechnics of Friction Twisting. PartⅡ:Application of the Single Disc Model to a Triple-Stack Multi-Disc Spindle, Text. Res. J., 61, 347-357(1991). 12. 奈良久 and 安塚勝三, フィラメント加工技術 マニュアル, vol. 1, 日本纖維機械學會, 大阪, pp.103-121, 1976. 13. M. S. Lee, S. J. Kim and K. S. Park, Effect of False twist Processing Conditions on the Physical Properties of PET DTY, J. Korean Soc. Dyers & Finishers, 15, 391-396(2003). 14. S. Fitton and P. Stacey, Apparatus for the Mea- Ⅰ34Ⅰ 한국염색가공학회지제 20 권제 1 호
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