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1. 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate) 섬유
(1) 서론
1) 정의 : 2가 알코올(HOROH)과 테레프탈산(ρ-HOOCC 6H 4COOH)의 에스테르를 적어도 85%
함유하는 합성고분자로부터 제조된 섬유
2) 유래
① 1941년:영국의 칼리코 프린터스사(CalicoPrintersAssoc.)의 윈필드(Whinfield) 와
딕슨(Dickson)에 의해 발명
② 1948년:미국의 뒤퐁사는 미국특허 획득. 영국의 I.C.I사는 미국을 제외한 전 세계의 특허권을 획득
③ 1953년:미국에서 첫 상품화됨
④ 1960∼1970년대:생산량이 크게 증대됨
3) 합성섬유 생산량 비율
① 세계 ; 폴리에스터:나일론:아크릴=6:3:2
② 한국 ; 폴리에스터:나일론:아크릴=4:1:1
4) 폴리에스터 섬유의 성장 배경
① 원료가 싸다
② 섬유특성이 범용성을 가지고 있다
③ 의류,비의류 분야로의 광범위한 소재 전개에 기인한다
④ 촉감,염색성,기능성 등에서 천연 섬유화 하는 신합섬의 첨단기술의 발전이다
(2) 섬유의 제조
1) 중합체의 제조
① 주원료:에틸렌 글리콜(ethylene glycol,EG),테레프탈산(terephthalic acid,TPA)
디메틸테레프탈레이트(dimethyl terephthalate,DMT) 등
- EG:에틸렌(CH₂=CH₂) →에틸렌옥시드(EO) →에틸렌글리콜(EG)
- TPA:나프타의 촉매재형성에 의해 얻어지는 파라-크실렌(ｐ-xylene)의 산화에 의해 얻어짐
- TPA는 DMT 보다 공정 간단,취급 용이,생산비 저렴,중합체 질 우수 등
- 순도:99.5% 이상 요구되며,불순물의 유입은 품질에 악영향
② 중합
㉮ DMT법:DMT와 EG와의 반응에 의한 에스테르 교환법
㉯ TPA법:TPA와 EG의 반응에 의한 직접 에스테르화법(直重法)
㉰ 연중직방:연속적으로 2종의 단량체를 넣어 소품종의 중합체를 대량으로 제조하는 데 적합한
연속 중합법이다
- 연속중합:TPA를 이용한 직접 에스테르공법을 이용하여 중합공정이 끝나면 바로 방사하여 섬유로 만들거나 배치에서와 같이 칩 상태로 만들 수 있다
- 직접방사기술:연속중합과정에서 합성된 균일한 중합체를 칩 제조공정을 거치지않고 바로 방사하는 기술로서,인건비 20%,투자비 20∼30%,전력비 10%정도 절약 할 수 있어, 단섬유 제조에 대부분 이용되고, 장섬유는 소품종 대량생산에 널리 적용되고 있다
2) 섬유화 공정
① 방사
㉮ 제조공정의 개요
- 열가소성 고분자인 폴리에스터 중합물을 융점 이상의 온도에서 방사구금을 통하여 압출하여
냉각고화시킨 다음 권취하는 용융방사공정을 한다
- 용융방사된 미연신사를 강도를 부여하기 위하여 배향화와 결정화를 섬유구조에 발현시키는 연신 공정을 거쳐 연신사를 제조한다.
▷ 건조.블렌드공정:건조공정은 중합체의 가수분해에 의한 분자량의 저하 방지, 칩 간의 분자량
차를 균일하게 하기 위하여 실시하고,칩의 건조는 100∼120℃에서 10분
정도의 예비건조와 160∼200℃에서 1∼3시간 건조하는 본건조공정의 2단계
건조공정을 한다
▷ 용융공정:건조된 폴리에스터 칩은 압출기(extruder)를 사용하여 약 290℃에서 용융되어
gear pump에 공급된다
▷ 방사두(spinning head):
▷ 사 냉각공정:토출되는 사속은 냉각기류에 의해 냉각되어 고화된다
▷ 유제 부여공정:미연신사의 권취안정성 부여, 후공정의 취급 용이,유제는 평활제,유화제,
대전방지제, 집속조제등을 조합하여 水性 내지 비수성 유화액 사용
▷ 권취공정:필라멘트용 권취기는 고데트 롤러(godet roller)와 권취기로 구성
<배향에 따른 용융방사의 구분>
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원사 구분 |
속도(m/min) |
비 고 |
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LOY
(low oriented yarn) |
500∼1,500 |
연신-연사공정 필요 |
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MOY
(medium oriented yarn) |
1,500∼2,500 |
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POY
(partially oriented yarn) |
2,500∼4,000 |
연신-가연공정으로 POY-DTY 생산 |
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HOY
(highly oriented yarn) |
4,000∼5,000 |
spin-draw(저속방사방사-연신의 동시공정 |
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6,000 |
HOY(고속방사):연신공정 생략 |
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FOY
(fully oriented yarn) |
6,000 이상 |
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㉯ 방사과정의 기구
- 유동현상:전단흐름(shear flow),신장흐름(extensional flow)
- PET의 적정 방사온도:285∼295℃
㉰ 방사공정에서의 구조발현:배향은 용융중합체가 응력하에서 신장변형을 함
② 연신 및 열고정
㉮ 스핀 드로오(spin-draw):방사공정과 직결된 직접방사 연신방법(재래식 방법은 방사와 연신
공정이 분리)
㉯ 드로오 트위스팅(draw-twisting):POY⇒ 공급롤러(보통 75∼100℃로 가열)
⇒가열판(hot pin)⇒연신롤러⇒링과트레블러(ring＆traveller)권취장치
(권취속도:800∼1,500m/min,꼬임:8∼15tpm)⇒원사
㉰ 드로오 텍스쳐링(draw-texturing):POY를 별도의 연신-가연(false twisting) 공정을 거치지않고
벌키성,신축성,균염성이 양호한 가연사를 제조
㉱ 드로오 방사(draw-spinning):HOY,FOY를 6,000∼8,000m/min의 속도로 방사 만하여 가열하지
않고 권취기에 감는 방식
㉲ 스프 연신(staple-fiber drawing):연신⇒추가연신⇒이완공정⇒권축(crimping) ⇒토우는 짧은
길이(약 51mm)로 절단⇒스테이플 파이버
- 열고정:결정화 공정에서 원사를 160∼180℃ 열고정화 하므로 결정화도가 증가하여 안정된 구조를 형성하여 수축변형이 발생하지 않는다
(3) 섬유의 구조 및 성질
1) 미세구조
①반결정(semi-crystalline) 구조
*결정의 미세구조:결정??결정의 크기,결정의 배향도 등
*비결정의 미세구조:비결정 영역의 배향도
*PET의 결정 단위격자(unit cell):3사정계(三斜晶系,triclinic)
2) 물리 화학적 특성
- 물리적 특성
① 현미경에 의한 외관 : 표면이 매끄럽고 균일한 棒狀
② 섬유장 : 필라멘트 및 스테이플
③ 색 : 白色
④ 광택 : 브라이트도 덜도 가능함.
⑤ 강력 : 우수한 것으로부터 대단히 우수한 것 까지 있음.
⑥ 탄성 : 중정도로부터 우수한 것까지 있으며 나일론보다는 낮고, 綿 , 레이온 보다 높음.
⑦ 인장회복성 : 대단히 우수하며 구김회복성이 우수함.
⑧ 흡습성 : 아주 낮으며 1%이하
⑨ 내열성 : 240℃ 이상에서 乾化돼 粘着性으로 된다. 다림질 및 기타 가공장치의 온도는
아세테이트와 같은 조건에 까지 올려지면 충분하며 폴리에스터 섬유는 히트셋트에
의해서 우수한 안정성을 가지게 됨.
⑩ 가연성 : 천천히 연소한다. 매달아진 경우 불똥이 敵下함.
⑪ 전기특성 : 흡습성이 낮기 때문에 정전기를 일으키기 쉬움.
⑫ 비중 : 대크론 ; 1.38, 코텔 ; 1.22, 바이크론 ; 1.37
- 화학적 특성
① 산에 대한 作用 : 얼룩 제거용 산에 침해되지 않으며 거의 모든 산에 대하여 우수한 저항성을
나타냄.
② 알칼리에 대한 作用 : 얼룩 제거용 알칼리에 침해되지 않으며 PH가 낮은 것이라면 거의 모든
알칼리에 우수한 저항성을 나타냄.
③ 유기용제에 대한 作用 : 드라이크리닝用 용제에 대하여 저항성을 나타냄.
④ 표백제에 대한 作用 : 얼룩 제거용 산화표백제 및 환원표백제에 침해되지 않음.
⑤ 곰팡이에 대한 作用 : 완전한 저항성을 지니나 폴리에스터에 사용되는 수지 가공제는 곰팡이에 침해됨.
⑥ 蟲에 대한 作用 : 통상의 사용조건하에서는 완전한 저항성을 지님.
⑦ 일광, 대기에 대한 作用 : 일광에 대하여 우수한 저항성을 나타냄.
⑧ 염색 : 分散(아세테이트用)染料, 아조익(현색)염료 일부 안료도 사용됨.
(4) 용도
1) 의류용
① PET/면 혼방사:셔츠,파자마,란제리,바지,유니폼,정장,스포츠복,라이닝,넥타이,비옷,캐쥬얼복 등 이용되며 혼용률은 50/50,65/35가 보편적이다
② PET/양모 혼방사:정장,양복,바지,스포츠재킷,치마,유니폼 등 이용되며 혼용률 은 55/45가 보편적이다
③ PET/마,PET/비스코스레이온 혼방사:여름용 의류제품
④ 100% PET사:넥타이,주머니,라이닝,경편물등에 이용되고,필라멘트사는 완전연신사인 FDY 나 POY를 가연(假燃) 기술로 텍스쳐링(texturing)한 것이다
2) 인테리어용
① 마루용 덮게(floor covering)의 기포(基布),커텐,벽지,가구류 등
② 면과 혼방제품은 수지가공과 방오가공을 하여 침대용 시트와 베갯잇에 사용
③ PET솜은 베개와 이불용에 사용
3) 산업용
; 타이어 코드,로프,토목 공사용 부직포,텐트,범포,방제복,바느질용 실,자동차 안전벨트,
전선피복재료 등
4) 의료용
① 인조혈관:PET 가공사 필라멘트를 이용한 환편기로 편성된 튜브형 제품
② 수술용 봉합사: 생체내에서 가수분해 되어 흡수되는 지방족 폴리에스터 사용
(5) 개질 PET 섬유
1) 양이온염색 PET(cationic dyeable PET) 섬유
① PET는 이온성기가 없기 때문에 이온성을 갖는 염료에 대한 염색성이 없다
② 양이온의 염기성염료는 PET 분자쇄에 음이온기를 도입해야 한다
2) 이염성(易染性) PET 섬유
① 분산염료에 의해서만 염색되므로 분산염료로 염색하는 경우
- 염색조제를 캐리어를 사용하는 경우
- 130∼150℃의 고온,고압에서 염색하는 경우:에너지 과다로 염색비용 큼
- 상압(100℃ 미만)에서 염색하는 경우:에너지 절감 효과
3) 항필링성 PET 섬유
- PET 방적사를 천연섬유와 혼방할 때 의복은 착용중에 필의 발생이 심하므로 인장강도와
마모강도를 천연섬유 정도로 저하시켜야 한다
4) 방염 PET 섬유
- 방염성을 부여하기 위해서는 인 또는 브롬화학물을 PET에 단순 첨가하든 지 PET와 공중합체를
형성하게 방사하는 방법이다
5) 대전방지성,친수성 PET 섬유
- 대전방지성을 부여하기 위해서는 대표적인 첨가형 대전방지제로 카본 블랙 (carbon black)을
사용하나 흑색의 제품밖에 생산할 수 없는 단점이 있다
2. 액정 폴리에스터 섬유
(1) 서론
1) 액정(liquid crystal,LC)상태란 광학적 이방성을 갖는 용액 또는 용융의 액체 상태로서 이방성인
고체결정과 등방성인 액체의 중간상태를 말한다
2) 발견:약 100년전 오스트리아의 식물학자인 라이니처(Reiniter)가 콜레스테릴 벤조에이트
(cholesteryl benzoate)에서 액정상태를 발견 하였다
3) 독일의 리먼(Lehmann)은 액정은 보통의 액체와 다르게 복굴절성을 가지며 분자의 배열상태가
이방성인 것으로 관찰되었다
4) 액정의 구조에 의한 분류
- 스멕틱(smectic):분자축이 한쪽방향으로 규칙적으로 위치한 주기적 구조
- 네마틱(nematic):분자축이 단순히 한쪽방향으로 나란히 배향하고 있는 구조
- 콜레스테릭(cholesteric):각층마다 네마틱상과 비슷한 배열을 한 층상구조
5) 액정고분자의 분류
- 유방성(lyotropic):용액상태에서 액정성을 나타냄(케블라)
- 열방성(thermotropic):용융상태에서 액정성을 나타냄(액정 폴리에스터)
(2) 원료
① 분자쇄가 강직한 막대모양의 구조를 가져야 하므로 합성하는데 사용되는 단량체는 대부분 방향족 화합물이다
② 방향족의 디카르복시산, 디올, 히드록시산(hydroxy acid)등이 원료로 사용된다
(3) 제조공정
1) 중합공정
① 메소겐(mesogen)기를 함유한 단량체를 적절히 조합하여 에스테르 교환반응 또는 직접
에스테르화를 저중합도의 올리고머를 제조하여 축합중합 시키는 방법
② 중합온도는 단량체의 융점보다 50∼80℃ 정도 높은 온도에서 반응을 시작하여 점차 승온 시킨다
2) 방사공정
① 고분자를 건조시켜 용융시킨 후에 미세공을 통하여 압출시키는 기존의 용융 방사장치를 이용하여 섬유화 할 수 있다
② 방사구 직경:0.127∼0.254 mm,방사속도:90∼1,800 m/min
③ 액정고분자의 용융방사법
- 비교적 저분자량(저점성도)중합체의 방사:장시간 열처리 필요
- 고분자량 중합체의 융점이상에서의 방사:액정폴리에스터 섬유
- 고분자량 중합체의 융점이하에서의 방사:응고점 이상에서 방사
3) 열처리
; 강도,탄성률의 증가,내열성,내약품성 향상을 위한 170∼320℃ 에서 4∼30시간 정도 처리한다
(4) 섬유의 구조 및 성질
1) 섬유의 구조
; 분자쇄의 높은 배향성에 의존하는 피브릴구조
2) 섬유의 성질
① 역학적 성질
; 분자쇄가 한쪽 방향으로 나란히 배향되어 있어 강도와 탄성률이 크다
② 흡습성
; 온도 20℃,상대습도 65%에서 수분률은 0.05%로서 흡습성은 아주 적다
③ 열적성질
; 열안정성이 우수하나 내알칼리성이 약하다
(5) 용도
1) 산업용 자재:로프,타이어코드,어망,낚싯줄 등
2) 엔지니어링 플라스틱:가격이 비싸다
3) 내열성:전기,전자부품 등
4) 고강력,내약품성:자동차의 브레이크 시스템,배터리,음향기기 부품 등
5) 블렌딩(blending):고분자 합금용 재료
3. 기타 폴리에스터계 섬유
(1) 폴리(1,4-시클로헥실렌디메틸렌 테레프탈레이트,PCHDT)섬유
; 레질리언스(resilience)와 벌키성이 큼:슬리핑 백의 내용물,베개,카핏 등 이용
(2) 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 섬유
① 내열성과 탄성률이 큼:회전기기,변압기,콘덴서 등의 전기절연 재료에 이용
② 내가수분해성의 양호: 오디오,컴퓨터,비디오용 테이프 등의 자기(磁氣))기록 재료에 사용
③ 치수안정성과 내열성이 우수:중착 필름 분야에 사용
(3) 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT) 섬유
① 1.4-부탄디올(1.4-buthandiol,BG)과 TPA 또는 DMT와의 축합중합반응으로 얻어지는
고분자물로서 PET 다음으로 많이 생산된다
② 결정화 속도가 PET 보다 10배 빠르고 내열성과 성형성이 양호하여 전기,전자,자동차 등의
엔지니어링 플라스틱용으로 사용된다
③ 스트레치 가공사로 팬티스타킹,양말,란제리,스포츠웨어,진(jean)등에 사용된다
④ 역학적 성질은 나일론과 PET의 중간정도이다
(4) 폴리에스터에테르(A-Tell) 섬유
① 분자쇄 중에 에스테르기와 에테르결합을 함유하고 있는 중합체
② 견섬유와 비슷하며 이형단면사로 넥타이,양말,고가의 의류 등을 제조한다
(5) 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 섬유
; 내열성과 내약품성이 우수하여 엔지니어링 플라스틱으로 사용된다
(6) 공중합 폴리에스터 섬유
① TPA와 EG 사용은 필수적이고 여기에 제3의 단량체를 사용하여 염색성개선 을 위해서
공중합시키는 방법
② 섬유의 단면이 삼각형으로 의류의 촉감,외관,심미성이 우수하다.
※ Polyester 의 제조 공정
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