스크랩 Polyester 의 고탄성 섬유

[kibo]

폴리에스터계 섬유  

폴리에스터계 고탄성 섬유

1. 서 론

편 안함을 추구하는 패션 경향의 파급에 따라, 최근 고탄성 섬유를 이용한 신축성 제품이 크게 각광을 받고 있다. 이러한 고탄성 섬유를 이용한 신축성 소재는 크게 (표 1)과 같이 분리가 가능하며, 각각에 대한 소재의 차이도 이에 따라 구분할 수 있다.

(표 1) Stretch율에 따르는 신축성 소재의 구분

구분	stretch율	내의	중의	외의
Tight fit	50% 이상	화운데이션	Leotard, 수영복	스케이트 및 스키웨어
Mild fit	20~50%	양말, 기착(肌着), 스타킹	티셔츠, 테니스 셔츠	스웨터, 청바지, 타이트 스커트
Loose fit	10~20%	트렁크	드레스 셔츠, 블라우스	원피스, 코트, 자켓

이 러한 고탄성 섬유는 현재까지 주로 약 50여년 전에 개발, 상품화된 스판덱스가 주종을 차지하고 있다. 하지만 스판덱스는 대부분 유기용매중에서 중합되고 건식 또는 습식 방사로 제조되기 때문에, 제조원가가 비싸고 환경오염을 방지하기 위한 설비투자가 필요하다. 또한 폴리에스터와의 혼용시 고온·고압의 후가공 공정을 거칠 경우 물성의 저하가 크다. 감촉이 고무와 유사하여 제품의 표면에는 드러내지 못하고 커버링 등의 가공을 하여 피부와의 접촉을 회피해야 하는 문제도 있다.

이러한 스판덱스의 문제점들을 보완하고 제조가 보다 용이한 고탄성 섬유에 대한 연구가 진행되고 있으며, 그 일환으로 폴리에스터계 고탄성 섬유가 탄생하게 되었다.
폴 리에스터계 고탄성 섬유는 90년대 초에 일본의 데이진에서 처음 공업화 되었고, 이어 유니치카에서 공업화 되었다. 국내에서는 여러 합섬회사들에서 이에 대한 연구를 활발히 진행하고 있으나, 아직 상업적인 생산과 판매는 이루어지지 않고 있다.

현재 폴리에스터계 고탄성 섬유시장은 스판덱스에 비해 아주 미미하다. 그러나 물성 개량에 대한 연구가 계속 진행되고 있고, 앞에서 설명한 장점들을 이용한 분야로 활발한 전개를 한다면, 그 생산 및 판매량은 증가할 것으로 보인다. 본고에서는 이러한 폴리에스터계 고탄성 섬유의 일반적인 특성 및 제조법에 대해 서술하고자 한다.


2. 탄성 메카니즘

폴 리에스터계 고탄성 섬유는 고온 성형이 가능한 여러가지의 열가소성 엘라스토머중에서 폴리에스터계 엘라스토머로 제조된다. 폴리에스터계 엘라스토머의 탄성 메카니즘은 스판덱스, 즉 폴리우레탄계 엘라스토머와는 차이가 있다. 그 탄성 메카니즘은 다음과 같다.

폴 리에스터계 엘라스토머는 높은 융점을 갖는 결정성 블록인 Hard Segment와 극히 낮은 유리 전이온도를 갖는 유연한 비결정성 블록인 Soft Segment로 구성된 세그먼트화 블록 코폴리에테르에스터로 구성된다. 이렇게 구성된 폴리머내에 Hard Segment인 폴리에스터 블록이 Soft Segment인 폴리에테르 매트릭스내에 분상상으로 존재하며, 물리적인 가교점(crosslinking point) 역할을 하여 고무탄성을 발현한다.

이러한 폴리머에서 이상적인 고무탄성을 얻기 위해서는 Hard Segment와 Soft Segment 사이의 완전한 상분리가 필요하며, 가교점 역할을 하는 폴리에스터 블록은 완전한 결정상을 형성해야 하고, 이러한 결정상은 연속상이 아닌 분산상으로 존재해야 한다. 하지만 이러한 구조는 이상적인 구조이다. 실제로는 결정을 이루어야 하는 Hard Segment들이 Soft Segment 매트릭스내에도 존재하게 되어, 결정상의 변형을 유발하게 된다. 이를 (그림 1)에서 모식적으로 나타내었다.


(그림 1) Hard Segment와 Soft Segment로 구성된 세그먼트화 블록 코폴리에테르에스터의 모식도

굵 은 선으로 되어 결정을 이루는 부분이 폴리에스터로 구성된 Hard Segment이고, 매트릭스를 이루는 부분이 Soft Segment이다. Soft Segment로 구성된 매트릭스내에 굵은 선으로 표시된, 결정을 이루지 못한 폴리에스터 블록이 보인다.
따라서 폴리에스터계 엘라스토머를 이용하여 섬유로 제조할 때는, 이러한 문제점을 고려하여 섬유의 미세구조를 조절해야 한다.


3. 중 합

세 그먼트화 블록 코폴리에테르에스터는 일반적인 폴리에스터의 중합과 유사하다. 하지만 중합시 어떠한 고분자를 Hard Segment와 Soft Segment로 하는가에 대해서는 세심한 주의가 필요하다. 현재 Hard Segment로서 주로 이용되는 것은 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT)이다. 일반적으로 섬유에 많이 이용되는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)보다 PBT가 주로 이용되는 것은 여러 가지 이유가 있으나, PBT가 PET에 비해 결정화가 훨씬 빠르기 때문이다.

이는 앞의 메카니즘에서 본 바와 마찬가지로, Hard Segment의 결정화에 의한 상분리를 증가시키기 위함이다. 또한 Soft Segment로는 주로 폴리에테르계의 폴리올이 주로 이용된다. 폴리에스터계 폴리올을 사용하는 경우 중합시 에스터 교환 반응에 의한 중합물의 랜덤화 문제가 생기기 때문에, 이용되는 경우는 특수한 몇가지 경우 이외에는 없다. 폴리에테르 폴리올중에는 폴리테트라메틸렌 에테르 글라이콜(PTMG)가 주로 이용된다. 폴리에틸렌 에테르 글라이콜이나 폴리프로필렌 글라이콜을 이용하는 특허나 문헌도 있기는 하나, 이를 상업적으로 적용하기에는 문제점들을 안고 있다.

Hard Segment를 이루는 PBT와 Soft Segment를 이루는 PTMG의 중합물내 함량이나 각각의 chain length(분자량)에 따라 섬유의 물성이 크게 바뀌기 때문에, 이의 상세한 내용은 각 사마다 공개를 하지 않고 있다. 중합의 일반적인 과정을 (그림 2)에 나타내었다.


(그림 2) 폴리에스터계 엘라스토머의 일반적인 중합 반응

중합물의 최종 물성은 일반적인 폴리에스터의 관리 항목과 유사하며, 이에 따르는 물성 변화 또한 대단히 크다. 예를 들면, 중합물 점도에 따르는 물성은 고탄성 섬유의 사용가능 여부를 결정할 정도로 크다고 할 수 있다.


4. 방 사

앞 서 설명한 중합물을 이용한 섬유의 제조는 통상의 용융방사 장치를 이용한다. 하지만 중합물 자체가 상당히 연질이고 결정성인 Hard Segment의 함량이 작아 결정화에 불리하므로, 통상의 폴리에스터나 나일론의 방사와는 다른 조건들이 있다. 방사에 관계된 여러 조건, 예를 들면 방사 온도, 유제 등이 일반적인 원사의 방사와 다르고 이의 후처리에 의한 원사 물성의 차이도 크게 변화한다.

이에 대한 문헌이나 특허들은 많이 나와 있으나, 어느 정도 추상적이며 실험실적인 결과를 토대로 한 것이며, 실제 생산에 관계되는 자료들은 각 사마다 아직 공개하지 않는 듯 하다. (주)효성에서 진행중인 연구 결과를, 스판덱스와 비교하여 (표 2)에 간단히 나타내었다.

(표 2) 고탄성 섬유의 기본 물성

비              고	폴리에스터계	스판덱스
파단강도(g/d)	1.0 ~ 1.3	1.3 ~ 1.8
파단신도(%)	650 ~ 800	500 ~ 850
200% 신장시 회복율(%)	80보다 작다	95보다 작다

5. 결 론

이 상에서 폴리에스터계 고탄성 섬유에 대한 일반적인 내용을 서술했다. 하지만 폴리에스터계 고탄성 섬유가 제조된 지 채 10년이 되지 않고, 아직도 그 물성을 향상시키려는 연구가 게속되고 있어, 자세한 내용은 접어둔 채 공지의 사실을 중심으로 서술하였다. 폴리에스터계 고탄성 섬유의 고유의 문제점들을 해결하고, 그 장점에 적절한 새로운 용도를 개척한다면, 향후 이에 대한 전망은 아주 밝다고 예상된다.

출처 섬유상식**폴리에스터계 섬유|작성자 레몬트리