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폴리에스터 섬유의 방사기술  

폴리에스터 의료용 Filamet사는 polymer에 열을 가해 용융상태로 만들어 방사하는 용융방사법으로 제조된다. 폴리에스터의 방사공법별 기술과 제품의 특징을 알아보고, 새로운 기술개발 동향을 소개하겠다.

1. 폴리에스터 방사공법의 구분

폴리에스터는 방사속도가 증가할수록 분자쇄의 배열상태가 섬유축 방향으로 정돈되고, 결정영역이 형성되어 2000m/min의 방사속도로 방사한 미연신사는 저배향, 저결정성인 미세구조 특성을 갖는 반면, 4000m/min로 방사한 미연신사는 고배향, 저결정성으로, 그리고 6000m/min로 방사한 미연신사는 고배향 및 고결정성 구조를 갖는다<그림 1>. 따라서 폴리에스터 Filament사는 방사속도에 따라 제품의 특성이 달라지게 되고 방사공법도 방사속도에 따라 구분된다.



일반적으로 섬유업계에서 방사공법을 방사속도에 따라 1000∼1500m/min를 UDY(Un-Drawn Yarn), 3000∼4000m/min를 POY, 그리고 6000m/min이상을 HOY(또는 FOY) 등으로 분류하고 있다. 이러한 제조공정중 UDY와 POY는 별도의 연신공정이 필요한 2단계 공정이나 6000m/min이상의 HOY의 경우는 방사공정만으로 연신사가 제조되는 1단계 공정이다. 또한 다른 1단계 공정으로 가열롤러를 사용하여 4500m/min정도의 속도로 방사하는 SDY(Spin-Draw Yarn)공법이 있다.

가장 먼저 1960년대에 상업화된 UDY는 1000∼1500m/min의 저속방사공법으로 일정조건 하에서 컨디셔닝한 후, 별도의 연신기(Draw-Twister)로 기계적으로 연신하여 연신사를 제조하는 방식으로 노동력과 코스트가 높아서 지금은 거의 사용되지 않는 공법이다. 1970년대의 POY는 UDY와 비교해서 장기보관이 가능하고, 운반 및 취급이 용이하며, 가공성이 우수하여 연신 뿐만 아니라 가연가공, 그리고 WD, WDS(Warp-Draw-Sizing) 등의 공정과 연결하여 사용할 수 있어서 생산성 및 제조원가 측면 등에서 다소 유리하다.

이러한 2단계 공정에 뒤이어 나온 SDY는 UDY의 방사와 연신공정을 한단계로 줄인 공법으로 방사공정 중 가열롤러를 설치하여 롤러사이에서 1.5∼2.5배로 연신하여 4500m/min전후로 권취하는 공법으로 1단계 공법이다.
6000m/min이상의 방사속도로 방사하는 HOY는 1980년대에서 90년대 초에 걸쳐 공업화되었으며 Pilot설비 수준으로는 8000m/min이상 수준도 달성됐다. 연신사 특성을 갖는 HOY는 높은 방사속도 및 UDY 및 POY와는 달리 별도의 연신공정이 불필요한 1단계 공정으로 생산설비, 인력 완제품 제조에 필요한 시간 등이 크게 절감되는 효과도 있어 생산성 증대효과가 높다<표 1>.



2. 방사속도에 따른 섬유미세구조의 변화

폴리에스터 방사의 경우 방사속도가 증가함에 따라 변하는 섬유의 물성 및 미세구조 특성은 방사속도 4,500∼5,500m/min영역을 기준으로 미연신사 특성을 갖는 일반방사영역과 연신사 특성을 갖는 초고속방사 영역으로 크게 구분되어 진다. 이처럼 방사속도에 따라 폴리에스터 섬유의 물성은 크게 변화한다<그림 2>.




1) 일반방사 영역(UDY & POY)

폴리에스터 미연신사의 파단신도는 방사속도가 증가함에 따라서 감소하나, 배향은 계속 증가한다. 미연신사의 배향은 파단신도와는 반대로 방사속도 증가에 따라서 직선적으로 증가하는데, 이는 방사속도가 증가함에 따라서 방사 중 미연신사에 걸리는 장력이 직선적으로 커져, SDR(Spun Draw Ratio)증가 및 이에 따른 미연신사의 섬유축 배향이 발달하기 때문이라고 생각된다.
또한 미연신사의 방사속도별 무정형(Amorphous)배향의 증가는 DSC에 의한 열분석에 의해서 잘 관찰될 수 있는데, 방사속도가 증가할수록 Tcc(Cold Crystallization Temperature)가 계속 저온부로 Shift함을 볼 수 있다<그림 3>.



폴리에스터의 미세구조를 비배향된 무정형영역(Unoriented Amorphous Phase), 배향된 무정형영역(Oriented Amorphous Phase : Meso-Phase), 그리고 결정영역(Crystal-line Phase)으로 구성된 3 Phase Model을 근거로 하여 미연신사의 WAXD(Wide-Angle X-ray Diffractometer)분석 결과, 결정 Peak는 발견되지 않으나 방사속도가 증가할수록 잘 배향된 무정형영역(Meso-Phase)이 증가함을 볼 수 있는데, 이는 미연신사의 복굴절율 분석 및 DSC의 Tcc분석 결과와 잘 일치한다<그림 4>.



또한 1000∼4000m/min 일반방사 영역에서는 방사속도가 증가할수록 잘 배향된 Meso-Phase가 급격히 증가하여 4000m/min 부근에서 최고치를 보이나, 방사속도 5000m/min이상부터는 결정화가 진행되면서 Crystal-line-Phae와 Meso-Phase의 합은 방사속도에 따라 계속적으로 증가함에도 불구하고 Meso-Phase의 양은 감소한다.


3. 생산성 향상 기술(1단계 공정)1) 초고속 방사 System

초고속 방사 공정의 특징은 방사시 사주행상에서 연신 효과와 같은 Neck-like변형 및 이에 따른 배향, 결정화가 진행되어 최종 연신사의 물성 특성을 나타내나, Necking Point에서의 섬유 변형 속도가 매우 커져 사절 발생가능성이 크게 증가하게 된다. 특히, 방사속도가 증가함에 따라서 방사중의 Neck-like변형은 매우 심화됨을 볼 수 있다. 따라서 초고속방사 기술의 핵심은 방사중에 사절로 생산성이 저하되는 문제점을 해결하는 것이다.

2) Hot Tube System
최근에 개발되고 실용화된 공법으로 냉각고화된 사조를 비접촉 열처리 영역에 도입하여 연신하고 권취하는 방식이다. 이 방법은 최근 국내 화섬메이커에서 개발에 성공하여 생산공정에 적용하고 있다<그림 6>.

이 Hot Tube System은 고속방사에 의한 원사의 방사 장력과 Hot Tube 온도에 의해 자연스럽게 연신효과가 일어남으로써, 배향도 및 결정화도의 증가에 의해 연신사 물성을 발현시킨다. 기계 연신을 하는 SDY공법과 비교해서 결점이 거의 없으며 저렴한 투자비로 경제적이다.


4. 결 론

점점 더 격해지고 있는 있는 세계 섬유시장 경쟁에 뒤떨어 지지 않기 위해서는 폴리에스터 방사기술의 개발이 특히 필요하다. 개발을 향상된 생산 품질을 얻을 수 있으며 높은 생산성을 얻을 수 있는 방사공정의 개선이 요구되고 있다. 이러한 요구사항에 부합하는 기술이 1단계화 기술로 생산성을 향상시킬 수 있는 고속방사 기술개발, Hot Tube 시스템 등으로 급변하는 기술변화에 따라가기 위해서 계속적인 연구개발이 뒤따라야 할 것이다.