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기타
1. 부직포의 후가공
부직포의 후가공은 기존의 부직포나 제편포 또는 섬유웹을 사용하여 접착제로 웹을 침지, 부착 또는 혼합시킨 다음 잔여접착액을 제거하고 건조 및 열처리하는 복합적인 가공이 있으며, 부직포의 최종용도에 따라 특수한 기능을 부여하기 위한 가공공정이다.
복합포 제조를 위하여 닙(nip)로울러나 진공 흡입장치에 의해 접착제에 침지 후 잔여분 제거에 따라 복합포는 150∼200g/m2의 중량을 가지게 된다. 건조공정의 경제성과 완전 접착 되지 않은 웹이 손상되지 않도록 세심하게 취급하는 것이 중요하며, 복합포 표면에서 접착제 이행(migration)은 제품의 품질을 저하시켜 가능한 한 제품은 가벼운 것이 좋고 접착제의 완전한 결합이 필요하다.
접착제를 사용하고 복합포 제조에서 완전건조까지는 웹의 무게가 변형되지 않도록 웹을 장력상태에서 유지한다. 건조기로는 열풍건조, 실린더 건조, 드럼건조, 적외선 건조 및 고주파 건조까지도 사용되나 실린더와 열풍건조기가 일반적이다.
2. 웹의 섬유 배열
부직포에서 섬유의 구조와 기하학적 배열을 설명하는 인자는 부직포의 물리적·역학적 성질에 영향을 준다. 부직포의 구조의 요소는 원료섬유의 수와 크기에 의존하는 부직포의 질량이다. 부직포의 물리적·역학적 성질은 주어진 시료의 폭에 의해 결정되어지고 관련 무게로 표준화된다.
개개의 섬유는 웹형성 공정에서 조절되어질 수 없다. 이것은 부직포 내의 물리적 성질이나 총체적인 구조상의 특징을 충분히 설명하기 위해서는 많은 시료가 평가되어져야 한다.
배향웹(oriented web)은 섬유가 선택적으로 한 방향으로 배열된 부직포를 설명하기 위해 사용되어진다. 기계방향 또는 길이 방향으로 배향된 웹은 포방향(기계방향)을 따라 주로 섬유방향을 갖고 있으며, 직각 배향은 포 방향과 직각으로 가진 주된 섬유방향에 의해 특정지워진다.
크로스 배열웹(cross-laid web)에서는 대부분의 섬유가 가로 방향이나 세로 방향으로 배향되어 있다.
이러한 웹은 보통 단방향으로 배향된 웹의 "cross-lapping"이나 적층에 의해 만들어진다.
크로스 배열웹은 양 방향에 거의 같은 수의 섬유의 배향으로 균형을 잡을 수도 있고, 다른 방향에 비해 한 방향에 더 많은 섬유로 불균형이 될 수도 있다.
선택적인 배향 방향이 없는 웹을 임의배열웹(random web)이라고 하며, 섬유는 모든 방향으로 랜덤하게 분포되어져 있다. 이상적으로 랜덤웹은 등방성이며 모든 방향에서 포 성질이 같다.
섬유 배향은 배향각을 사용함으로써 설명되어질 수 있다. 배향각은 그림에서 보여지는 것처럼 섬유축과 웹의 중심선에 평행한 선 사이의 각에 의해 정의되어질 수 있다. 부직포에서 섬유배향각은 광학 현미경이나 영상분석(image analysis)을 사용하여 결정될 수 있다.
3. 인조피혁분야
천연피혁의 역사는 유사이전부터 시작되어 일상생활에 널리 이용되어왔다. 기술적인 면에서 초기에는 가죽을 변성시키지 않고 건조 및 기타 간단한 부패처리만으로 사용하다가 식물과 동식물 등의 천연에 존재하는 약제를 사용하여 피혁을 제조하였다. 한편 인조피혁은 2차 대전이후 피혁의 원료인 원피부족을 보충하기 위해 합성화학의 진보로 염화비닐가죽(PVC) 및 합성피혁이 개발 되었으며, 신발용 갑피재의 대체품으로 1963년 듀퐁사가 코르팜(Corfam)을 개발하였고, 1965년부터 일본에서는 글라리노(Clarino) 등의 다양한 인조피혁이 개발되었다.
4. 여과(filter) 분야
일반적으로 물질의 분리는 증류, 재결정, 저온학, 용매추출, 여과 및 멤브레인 등 여러 방법이 이용되고 있다. 이중에서 부직포를 사용한 여과법은 다른 방법과 달리 에너지 소비의 절감, 설치와 관리가 용이함에 따라 소형화 또는 대형화된 화학공정, 컴퓨터 제조의 청결환경, 식품과 의약분야를 비롯하여 대기와 수질에서 오염물질 제거로 인간과 자연보호분야 등 산업전반에 널리 이용되고 있다.
이러한 여과공정에 섬유집합체의 여과포 사용은 양과 질적으로 꾸준히 증가하고 있다.
20여년동안 섬유 여과포의 대부분은 제직물이 사용되었으나 여과효율과 경제적인 측면에서 현재의 시장은 부직포의 여과 매체가 급격히 증가하는 추세이다.
여과부직포의 내부 구조는 제조방법에 따라 차이가 있으나 섬유가 3차원적으로 무질서하게 배열되어 있으므로 이로 인해서 생기는 내부의 기공구조는 각각이 독립된 모세관 튜브의 다발이 아니라, void, pores 또는 capillaries가 3차원적으로 연결된 매우 복잡한 미로(labyrinth system)구조를 형성한다. 이러한 구조로 여과포 내부로 침투하는 물질은 투과 과정에서 섬유와 충돌 또는 섬유 표면에 부착 기회를 훨씬 많이 가지게 된다. 이는 제직포에서 표면 여과와 달리 표면과 침투 여과를 동시에 수반하는 부직포는 여과효율에 있어 제직물보다 아주 우수한 특성을 가진다.
◎ 필터의 분류 및 용도
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구 분 |
용 도 |
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건식여과 |
빌딩 공조용 에어 필터(HEPA/ULPA filter)
가전용 에어 필터(에어컨, 공기청정기, 전기 청소기 등)
마스크(방진마스크, 메디칼용 마스크, 클린 룸용 마스크)
백 필터 |
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습식·건식여과 |
자동차용 필터 |
엔진 회전(에어 클리너, 오일 필터, 연료 필터)
차실내 필터(공기청정기 등) |
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습식여과 |
카트리지 필터 |
표면 여과 타입
심층 여과 타입 |
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백 필터 |
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5. 토목분야
일반적으로 토목섬유는 모래, 흙, 토양과 관련된 섬유재료로서 토목기술과 연관되는 투과성을 가지는 섬유 제품이며, 광범위하게 코팅직물 또는 방수 시트와 같은 비투과성 섬유제품도 포함될 수 있다.
지오테스타일(Geotextile)이란 초기에 직포와 부직포만의 토목섬유를 의미하는 용어였지만, 최근 다양한 토목섬유제품의 출현과 함께 1986년 국제토목섬유 학술회의에서 Geosynthetics란 용어가 토목섬유를 대변하는 통용어로 사용되기 시작하였다.
토목섬유의 사용은 유럽에서 시작하여 현재는 세계전역에서 보편적으로 사용된 1970년대 초기에는 주로 토사의 세굴방지와 여과의 목적으로 이용되었다가 그 후에는 지반의 분리, 보강 또는 배수의 기능으로 널리 이용되어 왔으며, 최근에는 방수, 균열방지, 지반구조물 보호, 충격 흡수 등의 목적으로 사용되고 있다.
1) 토목섬유의 기능과 용도
토목섬유의 주요 4대 기능은 분리, 여과, 보강, 배수의 기능으로 구분할 수 있다.
① 배수기능
세립토, 콘크리트와 같은 투수성이 낮은 토목재료 또는 지오멤브레인 등과 밀착해 설치하여 물이 배수구로 흐르게 하는 기능이다.(그림 (a))
② 방수기능
물의 출입을 차단하는 기능으로 그림(b)에 도식화 되어 있다.
③ 여과기능
조립토와 세립토 또는 부유세립토 사이에 설치하여 물의 흐름에 따른 세립토의 이동을 최소로 방지하면서 물을 여과시키는 기능으로 one-way steady flow와 two-way dynamic flow에 대한 기능이 있으며 전자의 기능은 암거보호용, 후자는 호안의 사면보호용으로 이들에 대한 적용을 각각 그림 (c)와 (d)에 나타내었다.
④ 액체필터기능
물이 흐르는 곳에 설치하여 물이 이동할 때 미립자는 통하지 못하게 하는 기능으로 지표수를 저장한 호수의 기능을 그림(e)에 나타냈다.
⑤ 지지기능
빈 공간을 가진 토목재료와 지오멤브레인 사이에 설치하여 빈공간을 가진 토목재료위의
지오멤브레인이 파괴되는 것을 방지하는 기능으로 포장도로에 있는 낡은 용수로의 경우를
그림(f)에 나타내었다.
⑥ 분리기능
모래, 자갈, 잡석 등의 조립토와 세립토의 혼합을 방지하는 기능으로 철도의 경우를 그림(g)에
나타내었다.
⑦ 표면유지기능
토목섬유를 지반위에 설치하여 평평하고 깨끗한 표면을 유지하는 기능으로 헬기 이착륙장의
예를 그림(h)에 나타내었다.
부직포 제조설비의 고성능화 기술
1. 웹중량 자동제어시스템
웹형성 또는 니들펀칭 과정에서 폭방향의 불균제를 최소화하기 위하여 독일의 Leimer회사는
제조과정인 드래프트에 기인하여 발생하는 웹 수축에 의한 장력변화를 조절시키는 다양한 형태의
웹가이드 장치를 개발하였다. 이들 장치의 특징은 웹 전폭에서 90∼100%가지 정확하게 중량 조절이 가능하며, 제조라인의 특성에 따라 개발된 시스템을 선택적으로 기존 공정에 간단하게 부착할 수 있다.
대표적인 형태로 피봇(pivot)형 장치의 기본시스템을 아래에 나타냈다. 근본 원리는 웹 길이방향의 신장에 따라 폭방향의 수축으로 발생하는 웹의 중심과 변부사이의 장력 불균일을 개발된 장치로 조절하여 중량편차를 최소화하는 것이다. 장력 불균일의 제어 원리는 측정된 장력변화에 따라 로울러의 위치와 회전수를 가변하는 것이고, 제어된 결과는 공정 상에서 실시간의 웹중량 측정 시스템으로 확인 및 피드백이 가능하다. 또한, 측정시스템은 정밀도를 향상시키기 위해 웹에 주사된 빛의 투과 및 반사량을 동시에 영상분석한 결과를 사용하는 것이 특징이다.
2. 공기인젝션소면기
기본 개섬원리는 기존 침포의 기계적 작용에 외부에서 공기기류를 주입시킨 공기역학을 응용한
것으로 공기기류의 형성 방법은 그림에 나타낸 것처럼 하나의 실린더(A)와 워커(C) 그리고 스트리퍼를 제거한 공기흡입판(E)으로 구성되어 있다. 이러한 공기흡입의 도입은 개섬 효과를 증가시키고 워커의 침포에서 섬유의 이탈을 촉진시켜 결과적으로 실린더의 회전속도를 획기적으로 높일 수 있어 소면기의 고속화가 가능하다. 새로이 개발된 인젝션 소면기의 특징을 요약하면 다음과 같다.
1) 개섬작용이 두 볼록한 표면의 접촉점에서 이루어지기 때문에 용이하다.
2) 섬유는 워커 주변에 부착되어 재순환되지 않고 섬유가 단시간 워커에 접촉되기 때문에 압축효과에 의해 개섬율은 증가된다.
3) 스트리퍼가 없어 박면작용이 생략되어 웹이 등방성질을 가지며 실린더와 도퍼사이의 거리가 짧아 섬유의 장력을 감소시키고 넵(nep), 섬유절단 및 고속회전에 따른 섬유의 용융을 감소시킨다.
4) 원료섬유의 처리범위가 다양하여 기존의 범용섬유뿐만 아니라 극세섬유 아라미드 섬유 등의
특수섬유도 가능하다.
3. 비대칭 굴곡형 펀칭기
니들펀칭기의 생산성 향상으로 제조원가의 절감 및 강도증가 목적으로 개발된 오스트리아의 훼러
(Fehrer)회사의 비대칭 굴곡형(asymmertric oblique)펀칭기의 H-1 형 모델이 최근에 제시되고 있다.
핵심기술은 니들펀칭 과정에서 천공각도와 천공위치를 변화시켜 기존의 수직형 천공보다 섬유
상호간의 결합력을 증가시키고 구조를 다양하게 한 것이다. 니들보드의 상하운동은 그림에 나타낸
것처럼 커넥팅로드에 연결된 두 개의 평행 크랭크샤프트로 이루어진다.
이 기계는 웹의 이동구간이 굴곡형으로 천공과정에서 웹의 장력이 최소화되고 천공각도가 다양하여 CD방향의 강도저하 없이 기계방향의 강도를 증가시킬 수 있다. 이러한 기계의 전체적인 특징은 아래와 같다.
1) 펀칭라인의 감소로 생산비용의 절감효과
2) 균제하고 강도가 높은 등방성 부직포제조가능
3) 기존 니들펀칭라인의 변형이 용이하여 투자비용 감소
4) 니들펀칭 부직포의 여과 및 배수기능의 성능향상
4. 삼차원구조 펀칭기(3D web linker)
일반적인 니들펀칭기에서 생산할 수 있는 부직포 두께의 제한성을 극복하기 위하여 프랑스의 라로체(Laroche)회사에서 개발한 높은 벌키성을 갖는 삼차원부직포를 제조 가능한 혁신적인 기계로 기본원리는 니들펀칭기의 변형구조이다. 제조원리는 두 개의 스트리퍼(stripper)와 바(bar) 또는 튜브(tube)로 만들어진 두 개의 스페이서(spacer) 판 사이에 두 개 이상의 섬유웹이 공급된다.
공급된 웹들은 바브(barb)침에 의해 웹사이를 통과하여 섬유 상호간에 결합(link, bridge)이 된다. 기계 구조상 바(bar)사이에는 와이어, 케이블 및 필라멘트 공급이 가능하고, 튜브는 분말, 유체, 거품 등이 공급되어 최종제품의 요구특성에 따라 부수적인 열 또는 화학적인 결합의 후가공이 가능하여 삼차원 내부의 구조를 변화시킬 수 있다. 현재 이 기계는 1∼2.5m 폭, 4∼8cm 두께의 제품 생산이 가능하여 고벌키성이 요구되는 토목합성제품, 필터재, 보온재, 방음재를 비롯하여 복합재료의 구조재 기포로 사용가능하다.
5. 아쿠아젯(Aquajet)시스템에 의한 스펀레이스
독일의 Fleissner 회사에서 새로운 고압유체 결합부직포 제조기계를 상품화하였다. 기본적인 원리는 하니콤 퍼포젯시스템과 유사하며 특징으로는 섬유혼섬 웹형성, 결합공정 및 필요한 후가공과 건조공정이 완전히 하나의 생산라인으로 설치 가능하다. 아쿠아젯시스템이 기존 스펀레이스 시스템보다 성능면에서 향상된 점은 다음과 같다.
1) 저중량웹(20∼350g/cm2)을 고속으로 생산가능하고, 고압 유체결합의 회수를 2 또는 4단계로
선택 가능하여 제품의 물성이 다양함
2) 고압유체 분사장치인 인젝터(injector)와 패턴 와이어(wire)의 교환을 단순화함
3) 극세, 이원구조 등의 특수섬유의 부직포화가 가능하고, 제편포의 벌키성 향상에 이용가능함
6. 아손(Ason)공법에 의한 스펀본드
1996년에 스펀본드부직포의 강도 및 생산성 향상을 위하여 미국의 아손회사는 방사라인의 연신방법을 개선한 고압기류(air gun)의 공급장치를 이용하여 필라멘트의 이동 속도를 증가시킨 기술을 상품화 하고 있다. 그림과 같이 기존의 방사라인에 냉각챔버(cooling chamber)와 적층면 사이의 좁은 공간에 고압기류를 공급하여 필라멘트의 연신효과를 극대화한 점이다. 이로 인하여 필라멘트의 극세화에 따라 강도증가를 비롯하여 생산성을 더욱 증가시키는 효과를 얻었다. 또한 일반적으로 스펀본드 제조라인은 많은 설치공간이 요구되는데 비해 아손 공법은 6m의 방사높이로 제품생산이 가능한 특징을 가지고 있다.
7. 에어레이 부직포 기계
에어레이 부직포 형성기술은 최초로 덴마크의 Karl Kroyer가 발명하여 1970년말 유럽과 북미지역에 상품화된 이래로 계속적으로 개발되어 1980년 초부터 성장하여 최근에 부직포제조의 혁신기술로 각광을 받고 있다. 에어레이웹(airlay web) 제조장치는 일반적으로 소면되지 않는 펄프 및 단섬유를 다루는 기계로, 섬유는 공기 기류속에서 개섬, 분리되어 습식법의 컨베이어(conveyor) 위에 적층되는 원리와 거의 유사하다. 특히, 에어레이웹의 구조는섬유배향이 랜덤 이므이로 등방성과 벌키한 특성을 가지며, 흡수성이 요구되는 와이퍼, 위생용품등에 앞으로 널리 이용될 부직포 제품으로 전망된다.
한편, 에어레이 부직포제조를 위한 전체적인 공정의 개요는 전형적인 열 또는 접착제부직포와 유사하며 단지, 웹형성 공정이 소면기나 제지법과 달리 공기기류를 이용하는 것이다.
기본적인 에어레이웹의 형성원리는 그림과 같이 공기기류에 의해 섬유가 분리되고 적층판에 등방적인 성질을 갖는 웹이 적층되는 것이다. 적층부분의 기계요소별로 분류하면 크게 스크린(screen)형과 피커로터(pecker rotor)형으로 구분된다. 이들의 응용기술은 각 회사에서 독자적으로 개발되어 혼슈(Honshu)법, 블로우(Blower)법, 단웹(Danweb)법이 스크린형이고, 존슨앤존슨(J&J)법, 킴벌리클락(KC)법, 스코트(Scott)법이 피커로터형이다. 현재 이들 중에 상품화되는 기계는 Kroyer/Niro법과 Dan-web법의 두 가지 형태이며, 두 제조장치는 장섬유를 다루는 능력면에서 약간 차이가 있지만 생산성이 높고 원료의 다양한 적용이 가능한 특징을 가지고 있다. Kroyer/Niro법은 원래 단섬유용으로 고안되었으며, Dan-web법은 다소 섬유장이 긴 섬유에 응용되도록 설계되었다.
구체적인 제조 메카니즘은 해머밀(hammer mill) 또는 개섬기에 의해 1차 개섬된 펄프, 단섬유 또는 혼합된 섬유는 공급덕트 헤드(1)을 통과하며, 반대방향으로 회전하는 두 개의 성형드럼(forming drum) (2)의 공기류에 의해 흡입된다.
이 드럼의 구성은 흡입박스(6)의 상단에 위치하며 드럼의 중심축은 바(bar)형태로 상호 교차하는 작은 회전날개 모양의 금속막대가 부착되어 있다. 이들 두 드럼은 드럼케이싱(drum casing) (4) 과 함께 밀폐형으로 하부로 갈수록 면적을 감소시켜 섬유이동을 가속시킨다.
또한, 성형드럼의 내부 회전날개는 표면에 침포가 달려 브러시(brush) 효과를 낸다. 즉, 공급된 펄프, 섬유는 드럼의 회전속도로 2차적인 개섬도 하지만 침포의 브러시효과로 섬유가 내 던져지는 상태로 된다. 한편 일부는 드럼내의 난기류로 랜덤웹 형성에 필요한 조건이 만들어진다.
이 난기류 효과로 섬유는 드럼에 형성된 가늘고 긴 구멍을 통해 드럼케이싱(4)로 방출되어 흡입박스 (scution box)(6)의 압축력에 의해 흡입낙하하며 최종웹이 형성된다. 단웹(Dan-web)에어레이기계의 성형드럼의 회전수는 최대 250rpm, 내부침포 브러시의 회전수는 최대 1,800rpm 으로 각각 공급되는 원료에 따라 여러 단계로 조절가능하다.
단웹(Dan-web)에어레이 웹형성기의 주요특징은 고품질의 웹을 효율적으로 생산하기 위해서 다음과 같은 선행사항이 필요하다.
1) 공급부에서는 섬유의 개섬능력이 없으므로 원료로 사용되는 펄프나 섬유는 충분히 예비개섬이 필요
2) 섬유 공급부에서 섬유가 공기와 더불어 원활이 이동하기 위해서는 공기량, 공기속도와 공급섬유량의 최적조건 설정 및 공기의 온습도
3) 사용원료의 종류, 혼합율 및 생산하는 웹시이트(web sheet)의 폭, 두께, 속도에 따라 성형드럼의 폭, 직경, 개공률, 개공부의 형상 및 케이싱내부의 공기량과 속도의 최적 조건 등이 필요하다.
시장성과 미래전망
부직포 산업은 국가의 경제성장에 따른 산업전반으로 용도확대와 가격 및 성능 향상에 따른 기존 섬유제품의 대체노력과 새로운 용도창출에 크게 의존한다. 현재 부직포의 용도는 전지분리막에서 자동차 내장제에 이르기까지 산업전반에 응용되고 있으며, 앞으로 전환될 것으로 전망된다.
2000년도의 부직포 수요량으로 330만톤으로 120억불 시장으로 예상되고 있다. 이에 부직포 산업의 선진국인 미국, 유럽 및 일본은 2000년도 부직포시장의 우위를 확보하기 위해 중장기 개발전략과 GATT협정에 의한 우루과이 라운드, NAFTA 등의 국제여건 변화에 대응하는 시장확보 계획을
수립하고 있다.
최근 부직포 시장의 판도는 경제개발이 활발한 중국을 중심으로 시장 확대가 이루어지고 있으며,
아울러 부직포 산업의 기술성장도 미국, 일본 및 유럽에서 전 아시아 및 중남미 지역으로 확대,
이동하고 있다. 한편, 우리나라는 대만과 함께 부직포 산업의 중진국으로 도약적인 발전을 위해
노력하고 있는 실정이다.
앞으로 부직포 산업의 선진국이 되기 위해서는 기존의 기술을 토대로 부가가치가 높은 제조기술이
개발되어야 할 것으로 판단된다. 국내에서 임금 상승, 원료섬유의 가격폭 등 어려운 여건을
극복하기 위하여 부직포 선진국의 제조현황 및 개발정보를 기본으로 기업체는 기업체에 알맞는
독자적인 기술개발의 전략이 필요하다.
전세계의 부직포 산업 현황을 지역별로 살펴본 결과, 2000년도에는 400만톤 생산량에 100억불 정도의 시장규모로 예측하고 있으며, 성장률도 지역별에 따라 다소 차이가 있으나 평균 7∼8%로 아주 전망이 밝은 섬유분야이다.
부직포 산업의 발달은 생활수준과 섬유분야의 경제동향에 아주 민감하므로 국내에서도 현재의 기초기술을 토대로 보다 더 고품질·고부가가치 제품생산에 관·학·연·산의 협동노력으로 연구되어야 할 것으로 생각된다.
부직포 제조기술의 향후 전망으로 주 제조공정은 습식, 니들펀칭, 스펀본드, 스펀레이스, 멜트블로운 및 공기적층방법이 계속 이용될 것이고, 부 제조 공정으로는 스티치본드, 열적본드 및 핫멜트방법이 사용될 전망이다. 보다 더 다용도 고품질 부직포 제조를 위하여는 최종용도에 기능에 따라 주·부 제조공정을 혼합하여 사용하는 연구개발이 필요할 것으로 사료된다. 2000년대 부직포 산업의 발전을 위한 연구개발 방향은 아래와 같이 요약정리 될 수 있다.
① 제조공정의 자동화 및 제품의 후가공
② 기존 부직포의 복합화 기술
③ 특수기능 섬유의 부직포화 기술
④ 부직포의 재활용 및 폐기처리 기술
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