스크랩 섬유유제

[kibo]

섬유 유제  


1. 1 소 개

섬유산업은 방적으로부터 후처리(Finishing)까지 모든 공정에 막대한 양의 산업용 계면활성제를 소모한다.
섬유산업에 있어서 계면활성제의 활용은 미가공(raw) wool을 세척하는데 비누가 사용된 것으로부터 오래 전에 시작됐다.

그 러나, 염색보조제로서 비누의 수행 능력을 향상시키는 Sulfated oil (Turkey red oil)의 개발과 함께 Full scale use는 시작되었다. 후에, Fiber에 바람직한 성질을 부여할 뿐만 아니라 Fiber 고유의 성질을 극대화시키는 여러 종류의 계면활성제가 시장에 들어오게 되었다.

계면활성제는 생산성과 경제성 모두를 향상시키며, 많은 응용분야에 중요한 역할을 한다.
figure 1.1은 다양한 제조 공정에 사용되어지는 섬유용 chemical을 보여주며 중요한 chemical에 대해서는
아래에서 논의되어진다.


1. 2 Spin Finishes (방적 마무리)

현재 많은 섬유에 dry chemical (물은 적게 함유한 system에 사용되어지는 윤활유같은 보조제)은 섬유 생 산 공정에 사용되어지
고, 특별히 합섬 섬유 산업에 사용되어진다. 이때 계면활성제는 단순히 공정 보조제로 서 뿐만 아니라 에너지 절약, 공정 합리화,
섬유를 보다 더 가치 있게 만든다. 그러므로 섬유 chemical의 질은 합섬 섬유의 수행능력에 커다란 차이를 만든다.
위에 언급한 것처럼, filament yarn spin finish (실 방적 후처리)는 texturing (직조), knitting, weaving (짜다)등 같은
공정에 보조제로서 쓰인다. 그러므로 방적에 어떻게 적용되어지느냐에 따라 Finishs는 생성되어진다.


1. 2. 1 Filament yarn spin finish

a) classification (분류)

Filament yarn spin findsh(계면활성제)는 undrawn synthetic yarn (늘어진 섬유)를 take-up (감아올 리는 것)은 손쉽게 한다.
자주 이 약품은 coning (원뿔형으로 감는 것)과 twisting oil과 윤활제로서의 역할도 한다.
filament yarn spin finish의 요구사항은 방적 응용 의도에 따라 다양해 질 수 있다.

기존 응용 산업적 응용

Texturing Tire cord
knitting other (finishing net)
weaving
좋은 finish 제에 요구되어지는 사항들
미끄럼성 ,섬유간 접착성, 열저항성, 대전방지성

b) 요구 사항들

ⅰ) 미끄럼성
섬유제조 공정중, Flament는 심각한 마찰과정을 지닌다. (drawing (연신), texturing)
Filament 는 200℃가 넘는 온도에서 마찰되어지고, spinning 과정 중에는 3,000∼4,000 meter/min 의 속도에 이르게 된다. Roder type의 마찰 측정 장치를 사용해 fiber 생산 공정중 마찰 행동을 실험하는 것은 매우 어렵다. 그러므로 우리는 running type의 마찰 측정 장치를 현저한 직물의 다양성을 조사하기 위해 fig.1.2 와 같이 고안했다. 윤활성에 영향을 미치는 요인들은 table 1.1에 있다

- running 속도에 대한 마찰의 의존성
fig.1.3은 friction pin의 마지막 팽창 (Tension) (T2) 와 filament의 Feeding(入)속도와의 관계를 보 여준다. 얻어진 마찰 곡선은 다음 세 part의 고려대상으로 분류된다.

- 윤활유의 점도의 영향
fig.1.4 는 다양한 점도를 갖는 mimeral oil의 마찰 측정을 보여주는데, 낮은 점도의 mineral oil은 hydrodynamic 지역에서 낮은 마찰을 나타낸다. fig.1.5는 일정한 running speed F에서 다양한 점도 를 갖는 여러 종류의 지방산 ester의 마찰 측정을 보여준다.
fig.1.5와 fig.1.3은 유사한 결과를 보여주는데, 낮은 점도로부터 순차적으로, 경계지역, hydrodynamic 지역, solid-like 지역으로 나타난다.

- 초기 팽창(T1)의 효과
fig.1.b 은 T1의 변화에 따라 T2와 filament의 feeding speed와의 관계를 보여주는데, 이것은 T1이 증가함에 따라 T2 대 Log V의 곡선이 오른쪽, 위쪽으로 움직임을 보여준다. 특징적인 모습은 경계 지 역에서 나타난다. T1의 커짐에 따라 stick-slip의 넓이도 더 넓어진다.
이런 면에서 높은 팽창 下에 만들어지는 Tire cord 같은 물질을 위한 윤활유 선택에 깊은 주의가 필요 하다.

- 온도와 마찰의 효과
fig.1.7과 1.8은 friction pin의 온도 변화에 따른 마찰 측정의 예를 보여주며, fig.1.9는 동일한 속도 F에서 friction pin의 온도와 T2와의 관계를 보여준다.

- 마찰에 대한 표면 거침의 효과
마 찰력은 표면 거침 정도에 의해 크게 영향을 받고, 직물의 종류 (평평 아니면 직조)에 따라 다르다. 그러므로 다른 표면 거침을 가진 friction pin을 가지고, friction pin의 T2와 filament의 feeding 속 도와의 관계를 측정했다. (네 가지 윤활유 종류에 대해) fig.1.10(a),(b)에 결과가 있다. 표면 거침을 가 진 friction pin의 마찰 측정에 대해서는 낮은 점도를 가진 윤활유가 좋은 윤활성을 나타내는 것으로 fig.1.10(a)에 보여진다. 30 RMS의 표면 거침을 가진 낮은 점도의 윤활유는 fig.1.10(a)처럼 좋은 윤활 성을 보여주는 반면, 부드러운 표면의 경우, 상황은 fig.1.10(b)처럼 완전히 변화된다. 이 현상에 대한 설명은 fig.1.10(c)가 보여준다.

friction pin이 30 RMS의 표면 거침을 가질 때, 마찰의 형태는 왼쪽으로 나타나고, 표면 거침이
0 RMS일 때 오른쪽에 나타난다. 이것은 어떤 마찰 상황하에서 훌륭한 윤활성을 나타내는 윤활제라고 해서 상황의 변화에 따라 더 낳은 윤활성을 나타내는 것도 아니다라는 것을 의미한다.
윤활성에 대한 다양한 물리적 요소들의 효과는 fig.1.11에 요약되어져 있다.

T2대 Log V에 대한 주곡선은 윤활제의 점도가 증가할 때 오른쪽으로 이동한다는 것을 보여준다. (fig.1.11(a)
같은 결과가 온도의 증가에 따라 fig.1.11(c)와 마찰 물질의 표면 거침의 증가에 따라 fig.1.11(d)처 럼 관찰된다. 그러나 fig.1.11(b)처럼 초기 팽창의 증가에 따라 곡선은 위쪽, 오른쪽로 이동한다.

- 화학적 요소의 효과 (윤활제의 분자구조)
silicone oil 이 aromatic 보다 더 낳은 윤활성을 갖는다는 것을 공표하기 위해 전형적인 다양한 윤 활제들이 한정적인 마찰 상태 下에 윤활성을 check 했다. (단, 50 cps근처 점도는 제외됨)
fig.1.12 는 silicone oil 이 가장 좋은 윤활성을 갖음을 보여주고, aromatic 윤활제의 윤활 능력은 순서대로 보여준다.
mineral oil > monoester ? diester > POE alkylester ? EO / PO condensed alkylether

- dioctylphthalate > EO/PO random copolymer
이것은 측정된 값들이 실험적인 지식에 매우 유사함을 보여준다.

ⅱ) 열 저항성
오늘날의 연신과 직조과정의 높은 속도에 의해 조작 온도는 더 높아지게 됐고, 윤활유의 열 저항성은 더 욱더 요구되어졌다. 열저항성은 Smoking & Tarring에 관계한다.

- spin finish의 Tarring은 잘못된 twisting중의 열판과 연신 과정중의 열판과 roller에 문제를 일으켰다.

- Smokig은 trie cord위에 접착제를 굽는 공정, 잘못된 twisting 공정, 연신과정중에 문제를 일으킨다. 윤활유의 열 저항 능력 & tarring & smoking에 대한 토론은 이어진다.

★ Tarring
열 처리 공정 중 Tarring은 열 전도를 낮추고, 마찰 계수를 높히며, 생산성은 낮게 한다. 열저항에 대 한 연구는 두가지 type으로 나뉘어진다. : 열분해 & non-thermal 분해-윤활유 , 열분해 윤활유는 EO/PO copolymer-type의 chemical이다.

열이 가해졌을 때, 그들은 빨리 휘발성 분해 생성물을 분해하고 이것은 열판 청소를 위한 근로자를 감 소시킨다(?) 그들이 열 저항성을 정말로 가지고 있지 않을 수도 있지만, 실질적으로 그들은 열 저항 윤 활유로 불리워질 수도 있다.

EO/PO copolymer의 장점은 높은 열 분해성, 불순물 안 발생, 분자량의 선택, alkyl group에 의한 종말 hydroxyl group의 capping에 의한 윤활성 등이다. Non-thermal 분해 윤활유 type은 열판위에 아 주 작은 열을 가하는 것만으로도 저하된다. 이런 류의 윤활유에 대한 휘발성 손실과 Tarring에 대한 그 림은 fig.1.13에 있다. Tarring에 대한 실질적인 대책에 있어서 고려할 중요한 요소는 Tarring curve의 안정값 (Vo)와 유도기(to)이다. 말하자면, 유도기가 긴 경우 열판뒤에 떨어지는 윤활유는 tar가 되기전 에 filament에 대해 제거되고, 반면 작은 Vo 값을 갖는 윤활유는 사라질 것 같은 침전물을 덜 생성한다. 따라서 개발 노력은 긴 to와 작은 Vo 값을 갖는 윤활유를 만드는 것으로 집중되어야 한다.

Non-thermal 분해 윤활유는 다음과 같은 공정을 따른다.

Mineral oil, animal, vegetable oil
↓
에스테르 합성
↓
Hindered ester
↓
Aromatic ester

동물류와 식물성유는 일반적으로 짧은 유도기(to)와 큰 안정값(Vo)을 갖는다.
mineral oil은 (정제됐느냐에 상관없이) 적은 smoking 성을 갖는다. ester 합성은 이런 결점을 보완 하기 위해 발전됐다. β position이 수소 원자를 갖지 않는 Hindered ester trimethylolethane tricaprate (Kao′: K-3072) & trimethylol propane trilaurate (K-3052)가 사용되어지는데 일반적 으로 낮은 점성 때문에 tire cord의 윤활유로는 부적절하다.
이런 이유로 aromatic ester가 개발됐다. 현재 가장 유용한 Type은 K-1423이다.

★ Smoking

윤 활유의 smoking성은 작업환경의 질을 낮추기 때문에 낮은 smoking성을 갖는 윤활유는 절대적으로 요구된다. fig. 1.14는 윤활유의 smoking 행동은 관찰하기 위한 smoking tester기이다. 이 실험기에 의 한 윤활유의 somoking성의 산출은 fig. 1.15 에서처럼 smoking성과 분자간 결합력의 뚜렷한 관계를 보 여준다.
윤활유의 smoking성은 산화방지제(antioxidant)의 첨가로 감소되어지고 적은 휘발도를 갖는 원료의 선 택이 가능해진다.
일반적으로 낮은 휘발손실을 갖는 물질은 낮은 smoking성을 갖고 있으며 또한 높은 불포화 결합을 갖 고 있다. 어쨌든 tarring 성은 매우 나쁜 것이다.
aromatic ester는 좋은 smoking & tarring성을 갖는다.

ⅲ) filament 간 결합
최 근의 개발은 섬유간의 높은 결합을 보여주는 윤활유를 요구한다. 높은 속도의 spinning 기계는 꼬이지 않은 직물을 생산하고, fashion 시장의 섬유의 다양화는 섬유간 실간 적은 접촉면적을 갖는 특별한 단면의 섬유를 등장시켰다.
실 생산 공정중 불충분한 실간 결합은 포장성의 부족을 일으키고 보풀을 생성한다.
이것을 일으키는 요소와 대책은 밑에 기술된다.

★ Package ability

문제는 spinning 공정중 감는 조작 중 발생한다. 이것을 야기시키는 요소는 fiber간 정전기 마찰 계수 가 너무 낮기 때문이다. 이것은 fiber간 정전기 마찰 계수가 높은 윤활유를 사용함으로 해결된다.
다 른 원인은 늘어진 섬유의 팽창이나 윤활유에 의한 POY (partially oriented yarn)이나 팽창에 의한 섬유의 신장이 될 수 있다. 이 문제는 각 물질의 독특한 열역학적 용해도변수(solubility parameter)에 의 해 해결된다.
즉 두 물질의 sp값이 가까울수록 그들은 더 잘 용해된다. 즉, 합성 섬유의 값에 가까운 sp를 갖는 윤활유 가 섬유를 더 잘 팽창시킨다. (fig. 1.17)
fig. 1.16은 전형적인 윤활유의 sp값이며, fig. 1.17은 polyester 섬유의 sp값을 나타낸다.

★ Filament 간 접착의 부족

filament간 접착의 부족과 filament의 늘어짐으로 가능한 3가지 mechanism이 fig. 1.18에 있다.

Mechanism (ⅰ)
filament 에 축방향으로 가해지는 마찰력과 정전기의 발생은 filament간 접착력의 부족을 야기한다. 이 장력에 대한 filament의 응집을 위해 윤활유의 표면장력은 임계 표면 장력보다 낮게 만드는 것이 필요하다. 또한 그것은 filament의 임계 표면 장력에 근접해야 한다.

Mechanism (ⅱ)
fiber 묶음이 guide roller나 다른 장치와 접촉했을 때, filament간 접착력의 부족으로 fiber 묶음의 일부분에 변형이 생기기도 한다.
이런 share-stress를 극복하기 위해 fiber간 높은 전기 마찰 계수를 갖는 윤활제가 요구된다.

Mechanism (ⅲ)
Mechanism ⅰ,ⅱ에 의한 팽창과 변형은 조합해서 공동으로 영향을 미치며 커진다.
filament간 접착력 부족을 막기 위해 윤활유나 finish제에 접착성을 부여하는 것이 필요하다.
natural thickener, 수용성 고분자, 열경화성 수지 같은 호제들은 때때로 그들의 결합효과를 이용한다. 어쨌든, 그들은 낮은 윤활성을 나타내고 좋은 접착력과 윤활성 사이에 균형을 이루는 spin finish를 얻는 것은 어렵다.
이 문제를 해결하기 위해 상 분리 type의 spin finish가 개발됐고 이것은 fiber묶음에 fig.1.19처 럼 윤활면과 접착면을 갖는다. binder 역할을 하는 접착분은 fiber 묶음을 뚫거나 응고됨으로 binder의 역할을 한다.
반면에 윤활제는 고유의 윤활성을 나타내기 위해 fiber 묶음 표면에 번진다.
fig. 1.20은 finish A, B, A', B'의 마찰 곡선을 보여주는데, 이것은 접착제 a,b를 A/a, B/b를 70/30 의 비율로 섞은 것으로부터 얻어졌다.
각각의 경우에 접착제의 첨가는 마찰 곡선에 뚜렷한 영향을 미치지 못한다.

ⅳ) 정전기 상황

정전기는 false twist나 낮은 습도 下 조작 또는 높은 온도로 열처리를 할 때 생성된다.
주 문제는 낮은 품질, Yield의 감소, 조작 불가능이다. (보풀, 부품, roller의 감김, filament간 접착력의 부족)
계면활성제는 훌륭한 대전방지제이지만, 그들은 fiber의 종류에 따라 다르다. 따라서 계면활성제의 선택 은 매우 조심스러워야 한다.
Table 1.2. filament yarn에 사용되어지는 대전방지제 특성에 따라 분류했다.

c) 사용처에 따라 분류된 filament yarn spin finish

ⅰ) 직조 섬유를 위한 spin finish

잘 못 꼬인 섬유는 직조 섬유의 큰 부분이 되고, 이런 적용을 위한 spin finish의 주성질은 열저항성이다. 이것과 관련하여 EO/PO의 응축 copolymer type의 윤활유 (열분해성 윤활유)는 열저항성을 크게 향상 시키고, 열처리 중 열판에 찌꺼기를 남기지 않기 때문에 현재 잘못 꼬인 polyester을 위한 윤활유는 꼭 필 요하다.
초기 말기 팽창 비율을 포함하여 고려되야 하는 특성은 꼬이지 않은 섬유의 발생과 마찰로 인한 하얀 잔 여물의 생성이다.
윤 활유는 황변, 마모, 팽창, 손상등 twist machine의 고무 roller 부분의 elastomer에 나쁜 영향을 미치 면 안된다. 이 문제는 filament간 접착성 부분의 용해도 변수에 의해 해결되어진다. 잘못 꼬인 yarn은 knitting에 이용되기 때문에, 직조기의 바늘 보호를 위해 윤활유는 바늘의 녹을 방지해야 한다. 대부분의 경우에 녹은 윤활유의 낮은 pH 에 기인한다. 윤활유는 polyester 직조에 가장 인기가 있다.
Panty 양말(Hose)을 위한 미세한 denier(생사:인조견사) nylon 실은 대부분 DTY(Draw textured yarn)공정을 통해 제조된다. twist 효율의 증가와 untwisting을 방지하기 위해서는 윤활제를 이용하여 fiber와 금속의 마찰계수를 증가 시켜야 한다. 이런 목적을 위한 좋은 열저항성 윤활유를 Kao-K-1423같 은 aromatic ester 타입이 좋다.

ⅱ) knitting 실을 위한 spin finishes.

대부분의 경우 false twisting 공정 직후 또는 knitting 전에 직조된 실은 knitting oil로 처리한다.
완 전히 무딘 실이나 편사의 경우 마모가 drawing pin, guide roller, traveler (고리쇠), knitting needle에서 발생한다. 이것은 보풀, 고리, 실 손상을 일으키는 다량의 titanium dioxide의 함유에 의한 다. 이것을 막기 위해 금속 표면에서 강한 film을 형성하는 결합을 생성하거나, 금속 원소와 화학적 결합 을 할 수 있는 마모 억제제(윤활유)등이 제안된다. (Kao-AL-1195, Mx-2103, K-2438, K-243P)

ⅲ) wearing (짜다) 사를 위한 spin finish

spin finish에는 호사와 non-sizing 사를 위한 것 두가지로 나뉜다.
호 사의 윤활제에 요구되는 특징은 좋은 윤활성, spinning, 연신, twisting, wrapping 중 정전기 조정력, weaving 마모로부터 호의 손실의 최소화, 좋은 호부 능력, oilling roller의 반발력으로부터 자유한 것 등이다.
Non-sizing yarn을 위한 윤활제는 아직도 많은 연구와 개발이 필요하다.
그러나, water jet 직기의 인기와 개발로 이 부분은 계속 팽창되고 있다. 요구되는 특징들은 filament간 높은 접착력, 높은 마모 저항력, 높은 윤활성등이다.
wrap yarn와 금속의 마찰은 습한(wet) 상황 下에서 발생하기 때문에 위에 언급한 성질들은 습한 상황 에서도 유지되어야 한다.

ⅳ) 산업적 yarn을 위한 spin finish

산업적인 사용으로 실질적인 적용분야는 tire cord, finishing net, rope, tent와 BCF(Bulky Continuos Filament)이다.
tire cord 윤활유에게 요구되는 특징은 열저항성 & 고무에 대한 접착력이다.
tire cord yarn은 다른 실보다 높은 온도에서 연신되므로 열저항성은 매우 중요하다. 게다가 생성되어 지는 tar의 양이 증가하므로 drawing pin, 열판, drawing roller를 지나는 윤활유의 양은 크다.
polyester tire cord는 nylon에 비해 분자구조의 관능기가 적으므로 접착력이 더 커야한다.
접 착제안에 계면활성제의 역할은 많이 알려져 있지는 않으나 RFL(Resorcinol Formaline condensate Latex)에 함께 사용되어지는 polyester tire cord을 위한 접착제들은 각 tire maker에게 특별하다. 이 런 상황 下에 접착제와 관계되는 윤활제의 조사는 매우 어렵다. 일반적으로 윤활제가 침적 중에 RFL에 의해 대체되거나 tire cord yarn의 표면으로 녹아들었을 때 윤활제로서의 좋은 능력을 발휘한다.
tire cord yarn의 습윤성은 좋은 접착의 결과로 윤활제에 의해 향상된다.
어쨌든, 매우 복잡한 현상을 갖는 윤활제의 영향으로 윤활제의 친수성, 소수성에 근거한 그들의 기능에 대해 정의하는 것은 매우 힘들다.


1.2.2. staple fiber spin finish

a) 개요

1.2.1에서 논의된 것처럼 filament yarn spin finish는 높은 속도의 연속 공정과 yarn의 수행 능력을 손 ㅤㄲㅚㅅ게 한다.
staple fiber spin finish는 fiber를 잘라서 spun yarn을 만드는 것을 도와주는 윤활제이다. (빗질, 연신, 느슨하게 꼬는 것) fiber가 면, 울, 다른 천연 또는 합성 staple fiber 일찌라도 staple fiber spin finish 는 세 가지 type으로 나뉜다.

1) 합성 fiber 제조를 위한 유제, 윤활제

2) yarn spinning 보조제

3) wet finishing mill에 의한 염색 후에 후처리 중 약품.

가장 좋은 spin finish의 선택은 fiber의 type, spinning 장치, spinning 생산 장치의 상태등 다른 요소 에 의해 좌우된다.
물론 많은 spinning 장치가 있다. (면, worsted(소모사), woolen, hard & bast fiber, silk, open-end, tow -to-yarn...)
각 시스템은 몇 개의 단위 공정으로 구성되고, fig.1.21은 각 단위 공정을 보여준다. fig.1.22( d)까지 전 형적인 spinning system을 보여준다.

b) staple fiber spin finish에게 요구되는 특성과 spinning process와의 관계

fiber와 금속, fiber와 고무, fiber와 fiber간 마찰력은 spun yarn 생성에 응용된다.
finish에 의해 fiber에 부여되는 특성은 섬유 기계와 fiber가 접촉하는 면의 계면 현상과 관계한다.
그 러므로 표면 거침, 표면력(?)등이 고려된다. 일반적으로 spinning 공정 중 모든 요소와 바람직한 spin finish와의 관계에 대해 설명하는 것은 어렵다. 그러나 아래의 table은 다음과 같은 단위 공정에 의해 요약 했다. table 1.3 처럼 윤활성, 대전 방지성, 표면성등은 spin finish의 제 주요 변수이며, 이 요소들은 다 음처럼 토론된다.

c) staple fiber spin finish의 특성

ⅰ) 윤활성

1.2.1 에 기술된 것처럼 spin finish가 제공하는 윤활성은 경계 윤활성, 유체 역학적 윤활성, solid-like 윤활성으로 구별된다. 윤활특성은 fiber sliding 속도, 윤활유의 점도, 농도, 마찰시 계면 온도, fiber와 접 촉하는 물질의 표면 거침에 의해 영향을 받는다. 어떤 type의 윤활성이 가장 중요한가를 결정하는 것은 어렵지만 spinning 전 공정의 관찰도 경계 윤활성이 가장 중요한 것으로 나타났다.
위에 언급한 대로 경계 윤활성은 소량의 윤활제, yarn의 느린 sliding speed, 계면의 (large load) 부하, 높은 마찰 온도에 의해 특성 지어진다. 표면에 안정적이고 강한 윤활제 film이 형성되는 것은 꼭 필요하 다. 특별히 면 spinning 장치에서, 윤활제를 많이 사용하는 것보다 0.1∼0.2% o.w.f로 처리된 staple fiber가 더 나은 spinning 능력을 나타낸다.
다음 차트에서 finish 의 양이 증가함으로 반대로 card passageability (빗질, 통과도)에 미치는 것을 볼 수 있다. table 1.4는 spinning 효율과 윤활성의 관계를 보여준다. 확실하게 이 data는 fiber 종류, fiber 표면, 섬유 기계의 type과 model에 따라 영향을 받는다. 예를 들면 acryliz fiber와 nylon이나 polyeuter fiber를 비교하면 부드러운 계면 때문에 높은 경계 윤활성을 요구한다. 동일한 fiber라도 주름의 type에 따라 spinnablity에 영향을 준다. 다른 말로 말하면, 마찰 특성의 변화는 표면 형태에 따라 영향을 받을 것 이다. 각 단위 공정의 필요를 만족시키는 완벽한 윤활제는 없다. 윤활제 개발 노력은 특성들의 균형 맞 추기에 초점이 맞춰져 있다. fiber 생산자와 spinning mill은 계획과 spinning 장치의 유지로 이 문제를 도울 수 있다.

ⅱ) 대전방지성

전기 전하를 갖는 합성 섬유는 낮은 전기 전도도와 낮은 수분 함유량을 갖고 있으며, 결과적으로 spinnablity가 낮다. 대전방지제 mechanism은 쉽다. fiber표면에 전도성 film을 형성함으로 약품은
전도도를 향상시키고 전기 정전하의 생성을 막는다. nylon, polyester fiber에 사용되는 대전방지제는
지방 alcohol phosphate와 alkyl sulfonate 이다.
POE alkyl ether & POE alkyl ester 는 대전방지성을 갖는 윤활제로 사용된다.
특별히 polyamide fiber의 경우 고려해야 할 점은 높은 습도 F에 보관시 대전방지성의 쇠퇴와 heat settsing에 의해 대전방지 효과의 감소이다. 계면활성제의 안전성은 중요한 요소이다.
다양한 fiber에 따라 적용되는 다양한 surfactaut의 예가 fig.1.24에 있다.

iii) 물리적, 화학적 & 표면 화학적 성질

staple finish 의 Non-수용성 下의 상문제, 녹는 점 hygroscopicity, (흡습성), spinning 능력에 커다 란 영향을 미친다. roller wrapping과 부식 방지에 관한 spin finish의 특성은 다음에 기술된다.
roller wrapping의 문제를 막기 위해 낮은 표면 장력을 갖는 고체 type의 spin finish는 매우 효과적이다.
수분은 흡수를 통한 접착력으로 인하여 finishes의 흡습성 문제로 중요한 요소이다. fiber와 roller 사이 에 생성된 임계열이 finish를 녹일 수 있기 때문에 녹는점 역시 중요하다.
spinning Frame 이 많은 금속 부분으로 이루어지기 때문에 윤활성 중 어떤 것이 우세하게 나타나든지 간에 부식을 나타내지 않는 finish제를 사용하거나 추천하는 것은 어렵다.
일반적으로 nonionic 계면 활성제는 부식 방지 효과가 없고, anionic 이나 amphoteric 류는 좋은 부식 방지 효과가 있다고 얘기한다.
chlorine, sulfate, nitrate, ethosulfate ion 같은 강한 산 radical을 갖는 cation인 경우 금속을 부식시킨다.
부식은 계면활성제의 불순물이나 조성물의 분해로부터 발생한다.

d) staple fiber spin finish 의 조성

staple fiber spin finish의 일반적인 조성은 다음과 같다.
윤활제, 유화제, 대전방지제
물론 형태는 fiber와 조건에 따라 달라질 수 있다.
예 를 틀면 worsted (모직물) 과 woolen spinning을 위한 spin finish 는 식물성 or mineral oil, anioniz 유화제, 대전방지제 같은 불용성 윤활제로 구성된다. 반면에 polyester 인 경우엔 윤활제, 대전방 지제로 alkyl phosphate type의 anionic 계면 활성제를 사용한다. 만약 계면활성제가 수용성이거나 분산 된다면 유화제를 사용할 필요는 없다. 따라서 finish의 성능은 조성물에 따라 결정된다.
table (1.5, 1.6(a), 1.6(b)) 다양한 조성물의 특징을 보여준다.

e) spinning 효과와 다른 요소들

spinning 효율과 관계된 fiber에 치는 spin finish의 양, 습도, 온도 조절의 중요성과 균형잡힌 성질을 가 진 staple fiber spin finish 개발의 중요성은 이미 논의됐다.

ⅰ) 온도와 습도
각 fiber에 대한 적절한 온도와 습도는 table 1.7이 보여준다.
spinning 중 온도와 습도의 조절은 중요하다. 너무 낮은 습도는 정전하 문제를 일으키고 너무 높은 습 도는 roller wrapping에 문제를 일으킬 수 있다.

ⅱ) spin finish 의 양
fiber의 spin finish의 적정량은 각 fiber의 표면 형태에 따라 다르다.
예 를 들면 solvent spinning 에 의해 생산되고, 표면이 거친 acrylic fiber나 wool fiber의 경우 상대 적으로 큰 양이 필요하다. 반면에 표면이 부드러운 nylon이나 polyester는 적은 양이 선호된다.
table 1.8은 각 fiber의 적정 범위를 보여주고 양이 범위를 벗어날 경우 좋은 spinning 효율을 얻기는 힘들다.


1.3. weaving & knitting 유제

유제는 weaving & knitting 전 단계에서 yarn에 이용되는 보조제이다.
filament 와 spun yarn에 이용되는 weaving을 위한 유제는 적당한 윤활성, 대전 방지성, wrap yarn 위 의 호제의 부착성등을 부여한다. 약품은 wearing 효율과 woven fabric의 질을 모두 높인다.
knitting 유제는 filament, spun yarn 모두에게 쓰이고, 윤활성, fiber간 접착성, rewinding(되감기),
knitting 중 높은 속도 F에 fiber와 금속간 마찰을 막는 대전 방지성등을 부여한다.
knitting 중 높은 속도 下에 fiber와 금속간 마찰을 막는 대전 방지성등을 부여한다.
fig.1.25 는 이런 공정중 약품의 적용을 보여준다. 이런 약품은 염색전 yarn의 유제나 coning oil로서 사 용된다. 대개 coning oil은 winding(감기) 전에 false twister를 지난 가소성 직조 filament yarn의 직접 유제로 사용된다. 염색 전 yarn의 유제는 유화에 의해 filament나 spun yarn 에 응용될 수 있다.


1.3.1. 공정과 유제와의 관계

a) weaving (직조)

woven은 날실과 씨실의 교차로 만들어진다. 공정은 다음과 같다.
wearing 중 가장 중요한 요소는 날실 호부 공정이다. 이것은 직기의 마모와 팽창으로부터 실을 보호하 기 위하여 거친 plastic film을 가지고, 날실 yarn을 coating 하는 것이다. 호부가공은 weaving 중 제거 되는 튀어나온 fiber들을 억제함으로 보풀이 인 yarn은 부드럽게 한다. 호제 조성은 호제, binder, 보조제 로 구성된다. 면, viscose rayon, polynosic fiber 같은 친수성 fiber인 경우엔 수용성 전분으로 호부가공한다.
다양한 합성 고분자는 polyacrylate 와 polyvinyl alcohol 같은 천연 섬유와 합섬 섬유가 섞인 yarn의 호부를 위해 사용된다. 현재 polyacryliz ester 유도체는 새로운 water jet 직기의 호제로 활용된다.
weaving oil에 요구되어지는 유화제와 윤활 조성물들은 table 1.9에 있다.

b) knitting

연속적인 loop(활)에 의해 생성된 knit 상품은 두가지로 분류된다.
- 씨실 knitting (circular knitting, hosiery - 메리야스)
- 날실 knitting (tricot)
knitting 유제는 염색 중 상실되는 pre-dyed yarn에 높은 열처리로 인해 상실되는 직조 yarn의 spin finish 강화를 위해 filament 와 spun yarn 모두 fiber간 접착과 윤활성 증진을 위해 필요하다. knitting oil은 non-agueons system에서 직접적 oiling을 한다. knitting oil은 윤활제(mineral oil, 지방산과 monohydric alcohol ester, 지방산과 polyhydric alcohol ester)와 유화제 (POE alkylether 나 POE alkylester 와 유도체, alkylphosphate등)으로 구성된다.
윤활제와 유화제는 두 조성물의 효과를 극대화 시키는 쪽으로 조제된다.
pre-dyed yarn을 위한 knitting oil은 cheese oilig 중 안, 밖 층으로 고른 흡수를 위해 micro 유화상을 가져야 하고, 염색 속도에 해로운 영향을 미치지 말아야 한다.


1.3.2. coning oil

a) 조성

coning oil의 기능은 일정한 package 유지, winding 중 fiber간 접착성 부족 방지, cone으로부터 rewinding을 쉽게 하는 것이다.
coning oil은 직조나 rewinding 공정 중 roll에 직접적으로 (non-aqueous) 응용된다. 좋은 conning oil에 요구되어지는 사항들.

- yarn 위에 적당한 윤활성
- 좋은 대전방지성
- 높은 온도에서 낮은 휘발성
- 세탁에 의한 제거
- 표백과 염색같은 wet-end 공정 중 역효과가 없어야 한다.
- standing 후에 color 변색이 없어야 한다.
- 금속 부분이나 knitting 바늘에 녹이나 부식이 없어야 한다.

coning oil의 조성은 다음과 같다.
윤활제 80∼95% 유화제 10∼15% 대전방지제 5∼10%
coning oil은 균일, 낮은 점도, straight (직접) oiling 중 clear한 액체여야 한다. 조성은 다음과 같다.

★ 윤활성분 (예)

- Mineral oil
liquid paraffin (점도 : 10∼20cst, 응고점 : -10℃ )
식물성 유, 포도 씨 oil (응고점 : 0℃)

- 합성 윤활제
지방산 ester - monohydric alcohol & 지방산 ester
( ex) Isopropyl myristate )

- polyhydric alcohol & 지방산 ester
( ex) sorbitan sesquioleate )
polyalkyleneoxides
silicone 유도체
Fluoro 유도체

★ 유화 성분 (예)

Anionic 계면 활성제
salts of fatty acid, alkylsulfates, alkylsulfonates, sulfated oil, Petroleum sulfonate,
Nonionic 계면 활성제
POE alkyl or Alkylphenyl ether
POE alkyl ester
POE sorbiton fatty acid ester

★ 대전방지제 (예)

POE alkyl ether sulfate, POE alkyl ether phosphate, POE alkylamine

★ 다른 첨가제 (예)

Extreme pressure 첨가제
Higher alkyl fatty acids
fiber 간 접착 증강제 (직조 yarn 위에)
유용성 고분자 조성물
경고 : coning oil 의 조성물로 쓰이는 mimeral oil 의 유화제를 선택할때는 mineral oil에게 요구되 어지는 HLB 값과 같은 HLB값을 갖는 유화제를 선택하고 9:1 or 8:2 비율로 해야 한다.
대전 방지제는 HLB 값을 높이는 경향이 있으므로 약간 낮은 HLB 값을 갖는 유화제를 사용 해야 한다.

b) coning 에의 수행능력

윤활성, 대전방지성, fiber 간 접착성에 영향을 미치는 coning oil 의 점도가 부착되는 양은 다음과 같다.

- coning oil 의 양
coning oil은 fig.1.26 처럼 직조후 rewinding 과정에서 또는 winding 중에 nylon이나 polyester 같은 열가소성 섬유에 straight oiling 으로 사용된다.
coning oil의 양과 kiss roll의 factor들과의 관계식

d = f (γθ× υ/ υ× n·?)

γ= 직경 ? : 침적 깊이 각도 υ= roller의 속도

θ= roller에 닿은 yarn의 접촉 각도 υ= yarn 의 속도

n = oil 제의 점도

이 식은 coning oiling제의 부착량은 oiling roller와 yarn의 접촉 길이에 비례하고, oiling 제의 점 도와 yarn의 속도에 反하는 roller의 표면 속도에 비례한다는 것을 보여준다.
fig.1.27은 oiling 제의 점도 ( n )와 온도 (T)와의 관계를 보여주며 log n은 1/T 에 비례한다.
온 도와 습도를 조절하는데 어려움이 있을 때 fig.1.27의 A,C처럼 온도의 영향을 덜 받는 coning oil을 선택한다. 일반적으로 coning oil의 적정량은 1.5∼2.5% o.w.f 이고, 3% 이상인 경우 부착도 만족스 럽지 못하고, 바닥과 기계 주변에 산재되어 축적된다.

- coning oil 의 점도

yarn이 weaving이나 knitting 하기 위하여 cone 에서부터 벗겨질 때의 팽창과 직접적인 관계가 있 으므로, coning oil의 점도는 매우 중요한 요소이다. cone으로부터 풀어지는 coning oil의 점도와 팽 창과의 관계는 fig.1.28에 있다. fig.1.28은 낮은 점도의 coing oil이 released tension에서 넓게 변화 하는 것을 나타낸다. coning oil 의 점도가 낮을수록 보다 stick slip 이 되며 coning oil의 점도는 filament yarn 의 윤활성 질에 영향을 준다.
1.5∼2.5% o.w.f의 농도의 coining oil로 처리된 filament yarn의 윤활성은 유체 역학적 범위까지 떨어진다. fig.1.29 처럼 이 범위안에서의 마찰 행동은 25∼100 점도를 가진 coning oil이 가장 좋은 윤택성을 보인다.
1.3.3. pre - dyed yarn을 위한 oiling 제

a) pre- dyed yarn을 위한 oiling 제의 조성

oiling 제는 hank-dyed yarn 과 cheese-dyed yarn 의 윤활제와 유연제로 쓰인다.
특별히, cheese-dyed yarn을 위한 미세 유화상의 oiling제는 fig.1.30처럼 in-out & out-in 흐름에 의해 yarn 층에 흡수된다.
pre-dyed yarn을 위한 oiling제는

- 적당한 윤활성을 줄 것
- 좋은 부드러움을 줄 것
- 대전방지성을 줄 것
- 안·밖 층으로 흡수될 것
- 안정된 유화상
- 견뢰도가 감소되지 말 것

이런 요구에 의한 pre-dyed yarn의 윤활제와 oiling 제의 recipe는 다음과 같다.
윤활제 10∼70%, softener(유연제) 10∼70%, 유화제 20∼30%, 대전방지제 5∼10%, 안정제 5%
각 조성의 예는 다음과 같다.

★ 윤활제 조성 - waxes

★ 유연제 조성

- anionic 계면활성제 : salts of fatty acid
: POE alkyl ether sulfate

- nonionic 계면활성제 : POE alkyl ether

★ 대전방지제

POE alkyl ether phosphate, POE alkyl amines, alkylimidazolines, alkyl betaines, Quaternary ammonium salts

★ 안정제 POE alkyl ether

다양한 이온성을 가진 oiling 제는 pre-dyed yarn이나 fiber에 따라 활용된다.
cationiz oiling 제는 acryliz과 pre-dyed yarn과 blend 된데 특별히 효과적이다.
황변과 변색에 강한 anioniz oiling 제는 pre-dyed cotton 과 cotton bend yarn의 optical 표백이나 표 백을 위해 사용된다.
Nonionic oiling 제는 용도가 다양하나, 단순히 nonioniz 계면활성제를 이용하여 높은 m.p를 갖는 wax 의 유화 안정성을 갖기란 매우 힘들다.
이 문제를 위해 nonionic와 anionic 계면활성제를 조제해서 사용한다.

b) pre-dyed yarn을 위한 oiling제의 수행능력
이 약품은 pre-dyed yarn에 윤활성, 부드러움, 대전방지성을 부여하고 wearing 과 knitting 중 작업성 을 늘리며, 최종 제품에 좋은 촉감을 얻게 한다.
oiling 제에 요구되어지는 특성들

- 접착성 fig.1.30처럼 유화된 oil이 cheese-dyeing 기계에 사용될 때,

동일한 양이 바람직하나, fig.1.31처럼 중간측에 약간의 차이가 있다.
內층의 높은 접착력은 유화 filtration 현상이나 약품의 선택적 접착성에 기인할 것이다.
또한, 요구되는 시간에 발생해야 할 효과는 각 약품의 ion 성에 따라 변한다.
acryliz yarn 에 처리한 시간과 이온성과의 관계가 fig.1.32에 있다.
cationiz oiling 제는 시간의 초과에 따라 접착성이 증가한다.
따 라서, cation type이 합성/천연 또는 blended fiber의 pre-dyed yarn에 선호된다. 응용단계에서 pre-dyed yarn을 위한 cation oiling 제는 대개 3∼10% o.w.f 로 처리되나, anionic type 은 cotton
또는 p/c의 light shade dyeing 이나 optical 표백을 위해 7∼15% o.w.f 로 사용된다.
acryliz pre-dyed yarn에 처리된 cationiz oiling 제의 양과 윤활성의 관계는 fig.1.33에 있다.
fiber 에 0.3% 이하로 처리된 경우 윤활성에 큰 차이가 있다. 그러나 0.3% 이상에서는 곡선이 거의 평평하다. 보다 나은 윤활성을 얻기 위한 방법이 있는데 fig.1.25처럼 pre-dyed yarn이 waxing 공정을 통과하면 된다.
waxing 공정을 거친 pre-dyed spun yarn의 경우 fiber 와 금속간 더 나은 윤활성으로 인하여 wearing 과 knitting 중에 작업성이 좋은 것으로 나타난다.
waxing은 knitting 중 feed tension을 줄이고 knit 상품에 고급스러운 촉감을 부여한다.

- 직조성 (knittability)

우리는 oiling 제의 윤활성, 부드러움, knitting을 조합해 pre-dyed yarn을 위한 여섯 종류의 oiling 제를 선택했다. fig.1.34는 이 관계를 보여준다.
knitting 상의 역효과는 fiber-metal 간 낮은 마찰 계수를 갖는 wax의 사용으로 개선될 수 있으나,
이것은 부드러움에 역효과를 나타낼 수도 있다.
낮은 직조성은 loop(활) 생성의 부족과 불규칙적인 knitting에 기인한다.
KAO 는 nonionic 유화제를 갖는 낮은 점도의 정밀 mineral oil 로 구성된 coning oiling 제를 추천 한다. oiling 성분이 liquid paraffin 같은 무극성일 때 HLB 10 근처값을 갖는 POE alkyl ether type 의 nonionic 유화제는 그 성능을 잘 발휘한다.
kao에 의해 추천된 pre-dyed yarn을 위한 oiling제는 paraffin 식물성 wax, polyamide wax, 유화 제 등이 조제된 제품이다. 이들은 일반적으로 anion or cation 이다.
kao의 생산품은 oil 성분과 유화제의 조화로 안정성이 좋다.
예를 들면, EMANON CH 15(POE caster oil)은 glycerine fatty acid ester에 좋은 유화제와 유연 제이다.
table 1.10에 우리의 원칙적인 추천사항들을 요약했다


1.4 세탁제와 soaping 제

cotton,wool, silk 같은 천연섬유들은 심각한 양의 천연 불순물-wax, 지방, 단백질, soil을 함유한다.
반 면에 인공 섬유는 천연 불순물은 적지만, 다양한 공정 중에 부착된 wearing, knitting oil, 호제, spinning oil 등이 남아있다. 이런 천연, 인공 불순물들은 준비 단게 - desizing, 세탁 공정, 표백 - 에서 염색전에 제거된다. Desizing은 말 그대로 호를 제거하는 것이다. scouring은 wax, grease, soil, oiling 제들을 제거한다. 표백공정중 불필요한 coloring 문제는 제거된다. 준비공정은 다양한 기능(침투, 유화, 용해, 분산)을 갖는 계면활성제와 후처리, 염색들을 돕는다. scouring 공정은 계면활성제가 가장 중요한 역 할을 하는 단계이다. table 1.12는 세탁제로 쓰이는 원론적인 계면활성제들이다.
자주 그것들은 고객을 요구에 의해 조제되거나 생성된다. scouring제와 soaping을 구분하는 것은 혼란 스럽다. scouring제는 전처리 관계에서, scouring제는 염색과 나염 후에 waching 공정에서 사용된다. soaping 제는 나염호의 제거나 모조제, 고착되지 않은 염료를 제거함으로 색깔, 촉감, color 견뢰도를 증진 시킨다. soaping제는 ㅤㅃㅛㄵ겨나간 염료나 chemical의 재부착을 막는다.
실질적으로 scouring이나 soaping의 효과는 섬유와 recipe에 의해 변한다.

1.4.1 cotton용 scouring 제

a) Desizing 제와 보조제

scouring 전에 cotton은 5∼9%(wt)의 천연 불순물이나 전처리 단계에서 부가 부착된 4∼8% (wt)의 불순 물을 함유한다. 전통적인 scouring system 에서는 호의 완전 제거가 불가능할 것이고, 이것은 scouring 전 호발 단계에서 제거되야 한다.
최근에 호발 공정은 호발, scouring, 표백의 일련과정이 같은 장치에서 이루어짐으로 인하여 J-Box 안에 pad-steaming 같은 발달된 연속 system을 사용함으로 발전했다.
table 1.13은 cotton을 위한 전형적인 호발 방법과 recipe가 적혀있다.
호발제는 크게 두가지로 나뉜다.

1. 효소계 호발제 ( amulase)
2. 과수계 호발제 (H2O2, sodium brmite, persulfate)

효소계 호발제는 부드러운 촉감이 요구될 때 효과적이다. 그러나 과수계 호발제가 보다 일반적이다

출처 섬유상식***섬유 유제|작성자 레몬트리