섬유의 기초이론(제직준비/연사공정)

[쉬메릭]

연사공정의 개요

방적사의 기본연에 다시 꼬임을 주는 것과 합성섬유의 필라멘트사에 꼬임을 주는 조작을 통털어 우리는 연사(撚擡, Twisting)라고 한다. 요즈음 다양한 직물을 선호하는 소비자들의 욕구를 충족시켜 주기 위하여 원사자체가 점점 다양화 되어가고 있는 추세로 고급화, 차별화 및 특수화에 대한 욕구가 점차 높아지고 있기 때문에 여기에 따른 노력이 부단히 이루어지고 있는 추세이다. 연사는 이러한 점에서 그 중요성이 아주 높아지고 있으며 그 동안 직물생산 공정에서 어떻게 보면 조금은 소홀하게 다루어 왔던 기술분야인 것만은 사실이다. 연사공정은 직물생산공정 자체면에서 살펴보면 정규공정에 포함시킬 수 없으며 특수목적 직물에 대하여 필요에 따라 실시하는 공정이라 할 수 있다. 

따라서 이 공정은 직물제직에 있어서 경사용의 가호비중에서 점차로 연사비중 쪽으로 그 중요성이 점차로 높아지고 있기 때문에 제직준비 공정에서 소홀히 다룰 수 없는 공정중의 하나이다. 단섬유는 단사를 가연(加然)하면 실에 집속성과 둥금성을 부여하여 강도증가 및 후 공정 특히 제, 편직 공정에서 모우발생이 억제되어 가동효율이 향상된다. 

필라멘트사의 경우는 100∼300TM이 사용되며 이것은 대량생산형 편직물에 적합하다. 장섬유는 2개 또는 몇 개의 실을 합사, 합연하면 실에 적당한 둥금성, 집속성, 탄성, 강도 토오크효과 등이 부여되므로 특수한 촉감을 가진 직, 편물을 제조하거나 제직효율 및 제편효율을 향상시킬 수 있다. 이 경우는 약연 100∼300TM으로부터 강연 1,000∼3,000TM까지 구분 사용된다.

연사공정의 목적

실의 강도를 증가시키고 집속성을 향상시켜서 후공정 특히 제직공정에서의 작업능율을 향상시킨다. 
이 목적을 달성하는데 꼬임의 정도는 약연, 강연 모두 가능하며 합연사기에 요구되는 가장 중요한 점은 성력화, 고속화, 라아지 패키지화를 만족시킬 수 있어야 한다. 꼬임을 주어서 실에 적당한 등근모양, 탄성, 강성을 부여함으로서 특수한 외관과 촉감을 가진 직물을 제직하는데 있다. 

부가가치가 높은 특수한 태를 가진 제품을 얻기 위한 경우에는 연수는 직물의 품종, 사용할 원사 종류 등에 따라서 다소의 차이는 있으나 일반적으로 1,000∼3,000 TM의 광범위한 꼬임이 쓰이기 때문에 이 때 사용하는 합연사기에는 전술한 성력화, 고속화에 더하여 범용화 및 합연된 실의 고품질화가 요구된다.

가연방식을 분류하여 보면 업 트위스터(Up-twister)방식, 다운 트위스트(Down -twister)방식, 더블 더위스트(Double-twister)방식 등이 있으며 가연범위에도 차이가 많이 있기 때문에 연사기의 성능을 잘 파악하여 사용목적에 맞는 기계를 선택하여야 한다.

연사기의 기술적인 특징

(1)스핀들 회전수

연사기의 스핀들 회전수는 생산과 직접 연관이 있고 합연사기의 성능을 결정하는 중요한 요소가 되기 때문에 회전수에 많은 노력을 기울어야 된다. 요즈음에 와서 연사하는 품목에 따라 생산성을 높이기 위해 회전수를 무조건 많이 올리고 있는데 이것은 연사공정에서 생산은 높일 수 있지만 그에 따른 실에 장력이 많이 걸리게 되어 실을 구성하는 섬유의 물성변화를 일으킬수 있어 후 공정에서 작업하기 곤란하고 또 제품을 완성하였을 때 어느 특정한 방향으로 결점이 생기게 된다. 

이러한 점을 감안하여 제품에 따라 회전수를 조절해주는 것이 연사공정에서 아주 중요한 포인트라 할 수 있다. 정상적인 스핀들 회전수는 8,000∼17,000 rpm인데 업 트위스터는 10,000∼12,000rpm, 다운 트위스트는 8,000∼11,000rpm 정도인데 이 이상의 회전수에 대해서는 급사체, 권취체의 LP화 및 기계제작 비용면에서 큰 문제점이 발생한다는 시각이 많다. 더블 트위스트에 있어서 스핀들 회전수 또는 급사패키지 중량과 관계가 있는 로터리디스크의 지름증가에 따라서 소비전력이 지수 함수적으로 상승하기 때문에 고속화 및 LP화에 의한 소비전력 증가뿐만 아니라 기계제작 비용증가, 바닥면적 증가 등을 고려하면 고속화에도 한계가 있다.

(2)LP(Large Package)

스핀들의 증가에 따라서 생산성증가와 성력화 등에 효과적으로 대응하는 방법으로는 LP화라고 생각된다. 연사기의 LP화는 합연사공정에 있어서 생산성이나 성력화 등의 향상을 도모할 뿐만 아니라 다음공정인 가호, 제직공정에 큰 연관이 있다. 예를 들면 정경이나 가호공정에서 크릴교체 횟수를 감소시켜 생산성을 증가시키고 품질안정화에 기여할 수 있다. 또한 혁신직기에 있어서 위사공급의 LP화에 의한 직기의 연속운전이 가능해져서 직물품질의 향상과 성력화가 동시에 진전되게 된다.

(3)범용성

비교적 소량 다품종의 직물생산을 많이 하는 기업에서 합연사기의 범용성은 아주 중요한 요소라고 
볼 수 있다. 다운 트위스트가 이러한 점에서 범용성이 풍부하다고 할 수 있다. 이것은 급사체가 제한을 받지 않기 때문에 보통가연은 물론이고 합연사기로도 많이 이용되고 있다. 스핀들 회전수 또는 패키지량을 너무 줄이지 않은 범위내에서 범용성을 도모하여야 할 것이다.

(4)실 품질

방적사나 필라멘트사에 적용된 연사기는 실 품질을 손상시키는 일이 거의 없으므로 안정된 작업성을 나타내고 있다. 더블 트위스트는 초기에 잔털이나 사절 등의 장해가 많았으나 벌룬장력 제어방법, 텐서(Tensor)개량, 실 접촉면과의 재질개선, 원사자체의 품질향상 문제점이 통하여 실 품질이나 작업에 영향을 거의 주지 않을 정도까지 개선되었다. 연사기에서는 잔털이나 사절 등이 일어나기 쉽기 때문에 신규로 구입하거나 사용목적에 따라서 그 성능을 고려하지 않으면 안 된다.

연사방법

(1)업 트위스트(Up Twister)

공급패키지를 스핀들로 고속 회전시키면서 일정속도 내지는 속도를 변화시켜 실을 인출하고 스핀들 회전수/사속(=연수)에 상당하는 꼬임을 부여한다. 일반적으로 실의 주행이 아래에서 위로됨으로 
업 트위스트라고 부른다.

(2)다운 트위스트(Down Twister)

권취보빈을 스핀들로 고속 회전시키면서 권취보빈의 바깥주변에 설치된 링(Ring)과 트레버스 캠(Traverse cam)의 작용으로 일정속도 내지는 사속을 변화시켜 데리버리 로울러(Delivery roller)로 송출된 실에서 연수는 스핀들 회전수/데리버리 로울러 사속에 해당하는 권취연을 준다. 일반적으로 실의 주행이 위에서 아래로 됨으로 다운 트위스트 또는 링이 사용되므로 링 트위스트(Ring twister)라고도 부른다.

(3)더블 트위스트(Double Twister)

패키지에서 인출된 실을 그 패키지의 상부에서 중공스핀들 내부로 통과시켜 패키지 하부로 인출하고 
패키지 하부에서 바깥주변(로터리 디스크)을 따라 되돌려서 패키지에 마치 S자 또는 Z자형과 같은 사도(擡道)를 만들고 패키지가 마그네트에 의해 회전하지 않도록 고정해 둔 채, 하부의 되도는 부분에서 스핀들회전에 의해 실에 꼬임을 주면서 일정속도로 실을 인출하여 연수는 (스핀들 회전수/사속)×2에 해당하는 꼬임을 준다. 즉 스핀들 1회전에 2회의 꼬임이 발생하게되어 생산량 증대와 LP화, 고속화가 실현가능하다. 실의 주행은 업 트위스트와 같지만 2중의 꼬임효과가 있으므로 일반적으로 더블 트위스트라고 부른다. 

해사 될 때는 해사 장력이 낮으며 펀(pirn)의 속 부분인 내층의 실이 해사 될 때 특히 펀의 아래 부분일 경우 해사장력은 최고치에 달한다. 따라서 펀의 내층 실이 해사 될 때는 스토라지 디스크 출구에서의 장력은 높아지고 지연각은 작아진다.(지연각 변화) 자연각은 텐셔로서 장력을 조절함으로서 어떤 경우에서라도 30°이하가 되지 않도록 하여야 한다. 이러한 지연각을 관측하는 방법은 스트로보스코브(stroboscope)를 사용하여 비춰보면 용이하다.

펀 와인더(Pirn winder)

실의 패키지는 실의 종류나 패키지의 형성방법 등에 따라 일률적이지 못해 서로 다르며 더블 트위스트에서 작업가능한 형태로써는 부적당한 경우가 있다. 또한 실의 결점이나 해사 불량원인이 내재된 경우 예상되는 결점을 없애고 투포원 연사기에서 작업가능한 형태로 다시 감는 공정이다. 일정한 모양을 만들기 위한 여러 가지 방법에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

(1) 능각도(Taper angle)

LT: 패키지 능선의 길이(mm) L  : 트레버스 길이(시초)(mm) ℓ  : 트레버스 길이(종료)(mm) øD: 패키지 직경(mm) ød: 보빈직경(mm) θ  : 능각도

                  (a)                                  (b)                                                                      

                            <그림3-1>능각도                                                          

       

(2) 능각도의 조정

항 목	증 가	감 소
속도 감소 비율	θ↑	θ↓
트레버스 수축율	θ↓	θ↑
권취 장력	θ↓	θ↑
트레버스 길이	θ↑	θ↓

θ↑:능각도 증가, θ↓:능각도 감소

 권취시간 계산 (와인딩 시간)
  

  

(3) 펀 와인더의 코일피치와 스핀들 회전수 관계

여기에서 플렛트사의 코일피치 : 0.70mm(0.5-0.7)
가연가공사의 코일피치 : 1.05(0.8-1.07)
코일피치(mm)=보빈의 1회전시 ab간의 거리(그림3-1 참조)

예) 펀 와인더에서 경사 권치
스핀들 속도(초기) : 3,400 PM , 스핀들 속도(종료) : 1,500 RPM
코일피치 : 1.05mm(가공사) , 리프팅 속도(mm/sec) : 약 60mm/sec

(4)사층밀도(폴리에스테르)

플렛트 사 : 0.95-1.00g/㎤ 가연가공사 : 0.60-0.75g/㎤ 신합섬사 : 0.35-0.50g/㎤              W 밀도 P=---              V (W : 패키지 무게(g), V : 패키지 체적(㎤))

 <그림3-2>패키지 사층형태                                                                

<체적 계산>

보빈에 권취한 체적은 다음식으로 계산한다.
               체적(㎤)V=
               기본장력=D×0.12 (플렛트사)
                          =D×0.12×2(가연사)

(5)펀 와인더 공정관리

  1)텐션디바이스 장치(Tension Device Position)

원사 치즈(Cheese)의 중심에 텐션디바이스의 위치가 일치하도록 하여야 하며 만약 그렇지 않을 경우는 치즈내층에서 장력불량으로 모우가 발생된다.

  2)1st 얀 가이드위치(Yarn Guide Position)

펀 트레버스(Pirn Traverse) 폭 중심에 위치하여 좌우밸런스 부동을 확인한다.

  3)얀 가이드의 오염

주기적으로 얀 가이드를 청소하여 녹 또는 오염을 깨끗이 닦아준다.

  4)기계청소

특히 사용한 오일배수, 오일링 로울러(Oiling Roller), 금속 부식제거 및 청소를 실시한다.


  5)만권보빈 취급주의

테이퍼(Taper) 부분에는 모우, 실 오염 발생 방지를 위하여 손이 닿지 않고 원통 위를 잡고 취급한다.

  6)펀 사경도 설정

원사경도를 기준으로 하여 설정하며 원사경도 65∼70°로 맞춘다.

  7)장력관리

원사경도를 기준으로 하여 장력을 설정하며 블록(Block) 가이드 사용할 때 마찰계수가 높아 사절 및 실에 손상을 줄 우려가 많으므로 로링 가이드(Rolling guide)를 사용한다. 세라믹 가이드(Ceramic Guide) 조도(粗度)가 낮으면 마찰계수를 낮출 수 있다.

  8)정장관리

스핀들 한 추에 엔코더(Ancoder)를 부착하여 간접적으로 관리하므로 스핀들 회전수 편차를 최소화해야 한다.

  9)유제처리

유제처리는 유연성, 평활성, 대전방지, 비리(Torque)억제 등이 목적이며 균일한 부착량으로 관리 (로울러 회전, 액면높이, 접촉면, 농도)하여야 하며 특히 가이드 이탈을 방지하는데 주의를 하여야 한다.

  10)능각이 무너지지 않도록 관리하여 해사성이 좋도록 한다.

  11)권취상태는 실 종류에 따라 와인딩 방법선택, 와인딩모양을 결정하여야 한다.

  12)펀에 감긴 실 검사를 실시하여 모우, 사층붕괴를 사전에 방지하여야 한다.

(6)펀 와인더 추별관리

<그림3-3>편 와인더 

   ①체크리스트(Check List)로 확인점검을 하며 작업일지를 반드시 기록한다.
   ②와인딩상태를 점검하여 모우, 사층붕괴, 경도, 외관, 부피 등을 점검한다.
   ③검사 완료된 보빈은 펀 카(Pirn Car)에 탑재하며 전용 펀 카만을 사용한다.
   ④다음 연사기 배정 될 때까지 선입선출 방식으로 적재한다.
   ⑤경도는 가능한 경도계로 체크하며 과다권취, 절사권취, 가동중 추별고장수리 등을 관리한다.
   ⑥모우, 사층붕괴(취급 부주의), 등급별 관리는 별도로 관리한다.

연사기의 종류

(1)연사물의 특성

실을 가연(可然)하면 처음 어느 정도는 절단강도가 증가하다가 어느 정도를 초과하면 실의 강력은 점차 감소되다가 급감한다. 연수의 증가에 따라 강도가 증가되는 실을 강연사라 하며 연계수는 10,000정도에 이른다. 한편 실의 꼬임을 증가시켜 섬유가 더 치밀하게 될 수 없는 한계의 정도까지 연을 가한 위사는 연계수가 거의 30.000정도에 이르게 되어 크레이프(Crepe)성을 나타내며 절단강도는 극히 하락한다.

(2)연사방식

(3)주요 연사기의 구조

  1)이태리 연사기

벨트구동에 의해 정속회전하는 스핀들에 급사패키지를 끼워서 원심력을 작용시켜 가연한다.

이 연사기의 특징을 살펴보면

   ①패키지가 소형이기 때문에 소비전력이 적어서 전력비가 적게 든다.
   ②소로트 다품종생산에 적합하다.
   ③원사를 기계에 거는 시간이 적게 소요된다.
   ④기계가격이 싸다.
   ⑤추당 설비면적이 적다.
   ⑥연사의 장력조정이 비교적 용이하다.

단점으로는

   ①패키지가 소형이다(100∼250g)
   ②노동 생산성이 낮다.
   ③고속회전에 어려움이 있다.
   ④연사전후에 보빈와인딩 공정이 필요하기 때문에 합리화를 방해한다.
   ⑤도핑빈도가 많아서 성력화가 곤란하다.
   ⑥약사(弱擡) 및 태사(太擡) 연사시 능률이 낮다.

이태리 연사기의 연사원리를 보면 스핀들에 의해 회전되는 보빈으로부터 실을 인출하여 플라이어를 통하여 위로 올리고 스네일 와이어를 통과시켜 마찰회전하는 권취보빈에 권취되는데 플라이어와 스네일 와이어사이에서 벌룬이 형성되어 꼬임이 들어간다. 플라이어의 작용은 작업 및 연사품질에 중요한 영향을 미치기 때문에 그 형태, 중량, 굵기, 각도 등이 가연조건에 적합한 것을 선택하여야 한다. 원칙적으로 플라이어 무게는 꼬임수와 굵기에 비례하며 스핀들 회전수에 반비례한다.

<그림3-4>이태리 연사기　

  2)더블 트위스터(Double twister)

급사패키지에서 인출된 실은 텐셔헤드를 거쳐서 스핀들 내부를 지나 디스크의 인출구로부터 상방향(上方向)의 스넬가이드에 이른다. 1회의 스핀들 회전으로 2회의 꼬임을 만들고 또 패키지 자체를 직접 돌리지 않고 스핀들을 회전시켜 주행사만 선회시키므로 소모전력도 적으며, 필라멘트사의 가연에 적당하다. 반면 더블 트위스트는 300TM이하의 약연이나 태섬도 실의 연사는 작업부담이 커져 항상 유리하지는 않다. 또 사도가 S자 또는 Z자 형태로 뒤집어져서 가이드와의 마찰저항이 커지고 가연장력이 높아지는 단점이 있으며, 세섬도, 세단사, 모우가 발생하기 쉬운 것, 저장력을 필요로 하는 경우엔 다소 부적합하다.

마그네트에 의해 회전되지 않도록 고정되어 있는 패키지로부터 인출된 실은 스핀들 중공축을 되돌고 벨트구동에 의해 고속회전하는 스핀들 디스크의 사도를 지나 패키지 바깥주변으로 한번 더 돌고, 델리버리 로울러(Delivery roller)에 의해 속도 V로 인출되어 권취실린더에 권취된다. 중공축 부분에 장치되어 있는 장력조정 장치, 스핀들 디스크와의 마찰저항력, 원심력등의 가연장력의 작용으로 가연된다. 연수는 텐션헤드와 디스크아이, 디스크아이와 스넬가이드사이에 각각 1회씩의 비율로 연수=(N/V)×2(N:스핀들 회전수, V:사속(m/min))의 가연이 주어진다. 

더블 트위스트는 고 장력하의 가연이므로 데리버리 로울러를 이용하여 오버피드(Overfeed)하면서 패키지에 감아올리지 않으면 경도가 과도해지고 형상도 나쁘며 내부 비틀림이 남아서 실 번수(연수) 변동의 원인이 된다. 스핀들의 회전수는 8,000∼15,000rpm으로써 고속 수준이며 이 이상의 고속화는 소비전력의 증가, 라이지 패키지가 요구되므로 그다지 의미가 없다. 급사 패키지(Pirn bobbin)에서 인출된 실은 텐셔헤드(Top guide)를 거쳐서 로터리 디스크 인출구(Disk eye)로부터 상방향의 스넬가이드(벌룬가이드)에 이른다. 디스크아이를 기준으로 하여 스핀들이 1회전하면 텐션헤드와 디스크아이 사이에서 1회, 디스크아이와 스넬가이드 사이에서 1회로 합계 2회의  꼬임이 걸린다.

이 연사기의 특징은  ①한층 더 고속화 할 수 있다.  ②벌룬장력을 낮춤과 동시에 소프트 권취를 가능화시킨다.  ③공급패키지를 다시 대형화 할 수 있다.  ④스핀들 1회전에 대하여 2회의 꼬임이 주어지기 때문에 생산성이 높다.  ⑤벌룬장력의 변동이 적다.  ⑥LP화에 의해서 공정 성력화가 된다. 단점으로는  ①실걸기조작이 약간 복잡하다.  ②소비전력이 크다.  ③설비비가 고가이다.

                                                                                          <그림3-5>더블 트위스트  

최근 이 연사기는 피드로울러, 권취튜브 프레스 압력의 점감장치(漸減裝置) 등에 의해서 소프트 권취가 가능하여졌으나 문제점은 실의 굴곡이 많고 또 고속이며 회전 디스크지름이 크기 때문에 필연적으로 벌룬장력이 높아지기 쉽고, 실을 손상시키거나 실에 스트레스를 주기 쉽기 때문에 약연사에는 적용하기 어렵고 또 고가이어서 투자금액이 높다.

  3)링(Ring) 연사기

가연방법은 합연기와 동일하지만 스펀사(spun 絲)에 많이 이용되고 있다. 스핀들에 삽입되어 있는 권취몸체에 실을 권취하면서 가연하는 것으로 링 트위스트라고 하기도 하고 링 트레블러(Ring traveller) 방식에 의한 연사기를 총칭하여 다운 트위스트라고도 한다. 이것의 특징을 보면 ①어떤 급사형태에서도 공급이 가능하다. ②재권사 공정이 불필요하다. ③합연이 가능하다 ④저연수에서는 특히 연반이 적고 실 품질이 양호하다.

                                                                                               <그림3-6>링 연사기

단점으로는 ①트레블러 사용으로 연사장력이 높으며 권취펀의 경도가 높아지기 쉽다. ②링레일(Ring rail)의 상하운동에 의해서 벌룬장력의 변동이 크다. ③트레블러를 사용하고 장력이 높기 때문에 강연에는 부적합하다. ④패키지를 회전시키기 때문에 급사펀에는 권취량의 제한이 없으나 권취펀의 권취량에는 한계가 있다. ⑤회전속도에는 한계가 있다 4)합연기(合撚機) 2개의 급사 패키지로부터 인출된 두가닥의 실이 동시에 딜리버리 로울러를 거쳐 링의 주위를 회전하는 트래블러에의해서 가연된다.

                                                                                                      <그림3-7>합연기