인터넷학습자료3회(5강, 6강)
공지사항 * 출석수업대체고사를 신청한 학생들은 강의계획서의 범위를 확인하고 주변에서 출석수업에 참가한 학우들의 노트를 활용하기 바랍니다. * 강의 중 원액착색이라고 설명한 용어는 원액염색과 같은 의미이며, 원액염색이라는 용어가 더 많이 사용됩니다. * 두가지 성분의 원료를 함께 방사하여 제조한 섬유(복합섬유 또는 이성분섬유)는 인공권축제조라는 측면에서 화학적인 권축에 속하며, 열가소성을 이용하는 방법은 물리적인 권축방법이며, 화학적인 방법은 양모섬유가 갖는 권축의 원리를 따른 것이라고 볼 수 있습니다. * 복합섬유 현미경 사진 중의 처음 것은 폴리에스테르와 스판덱스(폴리우레탄)가 아니라 나일론과 폴리우레탄인 것을 잘못 설명한 것입니다. 제 5 강. 인조 섬유의 제조
1. 인조 섬유의 역사
·인류가 섬유를 이용한 역사는 오래지만 인공적으로 섬유를 만들기 시작한 것은 거의 20세기에 들어서면서 부터임 ·초기의 인조섬유는 천연에서 중합체 상태 즉 섬유의 형태를 이루고 있는 것 중 실로 만들기에 부적합한 재료들을 이용하여 약품에 녹이는 등의 과정을 거쳐 섬유를 얻음 => 이것이 바로 재생섬유이며, 초기의 인조섬유임(인조섬유는 화학섬유와 동의어이지만 합성섬유는 화학섬유 즉 인조섬유의 한 종류임. 다시 말하면 화학섬유 안에는 합성섬유 외에 재생섬유, 무기섬유 등이 모두 포함됨)) ·처음의 인조섬유는 천연섬유의 모조(모방)라는 한계를 벗어나지 못했음. 성능도 천연섬유에 뒤떨어지고 원료도 제한되므로 생산량이 한계에 달함 → 큰 발전이 없었음. ⇒20세기에 들어와 과학의 발달과 함께 고분자화학분야도 석유공업의 발전과 더불어 급속히 진전됨. ⇒ 수요 증가 ( 국민 일인당 섬유소비량이 급격히 증가함) : 천연 섬유만 입는 소비자는 없음 → 자원의 제한(섬유 수요 증가), 소비량도 증가하고 소비 구성비에 있어서도 점차 인조 섬유 소비가 더 많아짐 (인조 섬유 시대)
·본격적인 인조섬유 제조에 성공한 사람은 샤르돈네로 공업화도 시도했음 → 구리암모늄레이온 출현(질산 섬유소 섬유 압도) → 비스코스레이온의 출현으로 구리암모늄레이온은 압도됨 ·비스코스레이온은 크로스와 비반에 의해 개발됨 ⇒ 본격적인 의류용 재생섬유 생산 시작 ·합성 섬유의 소비는 급격히 증가하여 면의 생산과 거의 대등. 전 섬유소비의 반을 차지하게 됨. 우리 나라에서도 1963년 나일론 생산이 시작된 후 불과 15년만에 세계 굴지의 합성섬유 생산국으로 성장.
2. 화학방사
·개념 : 전혀 섬유의 형태를 갖지 않는 합성 중합체로부터, 또는 천연에서 섬유형태로 산출되나 그대로는 의복용 섬유에 사용할 수 없는 것을 화학적, 기계적 처리를 거쳐 섬유로 만드는 것(공정). cf. 재생 인조섬유도 천연의 원료를 화학적으로 처리하거나 변형시키므로 성분이 완전히 변하는 것은 아니더라도 제조과정(방사과정)은 동일함.
1) 방사 원액 제조 : 원료가 되는 물질을 액체 상태로 만든다. (천연 또는 합성 중합체 - 선상중합체) ① 가열용융법 ② 유기용매에 용해시키는 법 ③ 물이나 약품 수용액에 용해하는 법 ⇒ 원료가 되는 물질은 액체화가 가능할 것이 기본조건. 아무리 좋은 원료일지라도 액체 상태로 만들 방법이 없으면 섬유로 이용할 수 없음. 예) 가열시 용융되기 전에 변질, 분해되거나 적절한 용매가 없는 것은 어려움. cf. 용융, 용해되어 액체 상태로 된 중합체를 "방사원액"이라 함.
2) 사출 : 방사원액을 방사구를 통해 밀어내는 과정 ·액체 상태로 된 원료중합체를 마치 국수를 뽑듯이 방사구를 통해 밀어내어 선상의 가늘고 긴 섬유를 얻게 됨(물조리개의 원리) cf. 토우 : 굵은 로프 상태의 필라멘트 집합체 ·구멍 형태에 따라 섬유의 단면형이 결정되는 것임(보통 원형, 변형할 수 있음)
3) 사출된 섬유를 고체화시키는 과정 ·고체상의 섬유를 얻는 방법에는 세가지가 있음. 방사원액의 제조방법에 따라 고체화시키는 방법도 달라짐.
① 습식방사(응고) : 방사 원액을 물 또는 약품 수용액 중에 사출하여 중합체를 응고시켜 섬유를 얻는 방사법. 즉 녹여있는 물질을 불용성의 물질로 재생시켜주는 것임. 레이온이 해당됨. → 가장 오래된 방법. 방사에 사용된 약품은 회수해야 함. 섬유에 남아있는 약품 씻는 정제·수세 과정 필요. 건조 과정도 필요. 폐수 처리도 문제됨.
② 건식방사(증발) : 휘발성 유기용매에 용해되어 있는 방사원액을 더운 공기중에 사출하여 유기용매를 다시 증발시켜 섬유상의 중합체를 얻는 방법. 아세테이트, 트리아세테이트가 여기 속함. → 건조, 정제과정은 필요하지 않으나 사용한 유기용매 회수 필요.
③ 용융방사(냉각) : 용융된 방사원액을 찬 공기속에 사출하여 냉각에 의해 고체섬유를 얻는 방법. 나일론, 폴리에스테르가 속함. → 후처리 과정이 필요없는 간단한 방법
4) 연신 : 방사구에서 사출되어 나와 고체화가 된 섬유는 그대로는 섬유 분자의 배향이 좋지 못하므로 분자 배향성을 향상시키기 위해, 방사구를 나올 때의 몇배의 길이로 잡아당겨 늘려준다. → 연신에 의해 섬유는 가늘어지고 강도가 증가하며 신도는 감소. 필요로 하는 섬유의 용도에 맞게 연신의 정도를 조절함.
4. 인조섬유의 변화 ① 무광섬유 인조섬유를 현미경으로 볼 때 많은 반점이 보이는 것이 있는데 이것이 무광섬유에 배합된 이산화티탄의 입자들이다.
② 원액염색 : 인조섬유 중 염색이 아주 어려운 것들에 대해 방사 원액에 착색제를 넣어 방사하면 좋은 효과를 얻을 수 있다. ③ 인공권축 : 열가소성 섬유에 있어서는 열세트에 의해 권축을 갖게 할 수 있으며, 열가소성이 없는 섬유들은 화학적인 방법에 의해 바로 양모와 같은 구조 즉 이성분섬유를 만들어 권축을 가지는 섬유를 만들어 주는 것이다. ④ 이형단면 섬유 : 섬유의 단면 형태가 섬유의 성질에 미치는 영향이 크다. 그래서 인조섬유를 만들 때 방사구의 모양을 변화시켜 특성있는 단면형을 가진 섬유를 만들게 된다.
*** 인조섬유는 제조 공정에서 굵기를 조절할 수 있으나 일반적인 방사법으로 얻을 수 있는 섬유의 가늘기는 보통 1∼3 데니어(직경 12㎛) 정도이다. 따라서 보다 섬세한 섬유를 만들기 위해서는 다음과 같은 특수한 방사법이 쓰여진다.
* 분할법 : 폴리에스테르와 그 주변이 나일론으로 된 복합섬유를 만들고 습윤제로 처리하여 폴리에스테르와 나일론의 팽윤의 차를 이용하여 두 종류의 섬유를 분리, 분할하면 0.1데니어 정도의 극세섬유가 만들어져 초고밀도 직물과 인조스웨이드 제조에 이용된다.
* 매트릭스-피브릴법 : 서로 융합되지 않는 두 종류의 중합체 원료로 해·도형 복합섬유, 즉 피브릴(fibril : 도)과 매트릭스(matrix : 해)로 된 복합섬유를 만들고 매트릭스 성분을 용제로 용해하여 제거하면 피브릴만 남게 되어 극세섬유를 얻을 수 있다. 이 방법에 의해서는 0.001 데니어 이하의 초극세 섬유도 만들 수 있다.
<정리문제> 1. 화학 방사란? 천연, 또는 합성중합체로부터 인조섬유를 만드는 공정 (화학섬유와 인조섬유는 동의어이며, 천연중합체인 펄프로부터는 재생섬유를, 석유를 기본으로 한 합성중합체로부터는 합성섬유를 만드는 것임) 2. 화학 방사의 과정은? 방사원액 제조→ 방사(사출)→ 섬유의 고체화→ 연신 (합성섬유를 만들기 위해 원료칲을 용해하는 것이 바로 방사원액을 제조하는 것임) 3. 습식 방사, 건식 방사, 용융 방사의 차이는? 습식 방사: 물이나 약품에 용해하여 응고 건식 방사: 용매에 녹여 더운 공기로 방사(용매 증발) 용융 방사: 가열 용융하여 찬 공기 중에서 냉각 (방사방법의 구분은 방사원액을 만드는 방법과 여기에 따라 방사된 섬유가 어떻게 고체섬유로 만들어지느냐로 정해지는 것이다. 즉 고체섬유로 되는 것은 응고, 증발, 냉각에 의해 이루어진다.)
4. 인공 권축을 만드는 방법은? 복합섬유 제조 (공지사항 참조) 5. 이형단면섬유란? 방사구 모양을 변화시켜 특성있는 단면을 가진 것 (옷감 특성이 변화함) (견에 가까운 섬유로 만들기 위해 삼각단면 또는 삼각형에 가까운 단면으로 해줌) 6. 극세섬유를 만드는 방법은? 분할법과 매트릭스-피브릴법(극세섬유들의 용도도 정리해두자.) *무광섬유 만드는 법, 섬유소비 추이, 화학방사에서의 연신의 효과 등도 정리해 두자.
제 6 강. 재생인조섬유 - 레이온과 아세테이트
1. 레이온 (1) 비스코스 레이온의 제조공정과 원리 ·레이온 : 면린터, 목재펄프 등 천연셀룰로오스 원료로부터 만든 인조섬유로서 그 성분이 원료와 같은 셀룰로오스로 된 섬유(레이온을 인견이라 하는 것은 인조견 즉 천연단백질 견섬유의 모조라는 의미를 갖는 것임). 즉 레이온은 펄프를 화학적인 공정을 거쳐 재생시켜 만든 섬유를 말함.
1) 방사원액 제조 단계 ① 침지(mercerization) : 알칼리 셀룰로오스를 만드는 과정 목재 펄프를 17.5%의 짙은 수산화나트륨 용액으로 처리하면 불순물은 용해되어 제거되고 양질의 셀룰로오스가 수산화나트륨과 결합하여 알칼리 셀룰로오스가 됨. ② 압착 : 알칼리 셀룰로오스를 눌러짜서 여분의 알칼리와 용해된 불순물을 제거(두개의 롤러 사이를 걸죽한 slurry 형태의 알칼리 셀룰로오스가 통과하면서 짜여짐. 이때 계면활성제를 첨가하여 윤활성을 주도록 함). 압착 후에는 두꺼운 sheet상의 셀룰로오스판이 됨. ③ 분쇄 : sheet상이 된 알칼리 셀룰로오스는 방사원액을 제조하기 위해 덩어리를 분쇄하게 됨(톱니형태의 판사이에서 두들겨짐). 분쇄된 알칼리 셀룰로오스를 크럼(crumb)이라 하며 솜이 조금씩 뭉쳐있는 상태(반응면적, 표면적을 넓게해주어 다음 공정이 균일하게 이뤄지도록 함). ④ 노성 : 분쇄된 알칼리 셀룰로오스는 밀폐용기 중에 일정온도, 일정시간 방치되며 이때 산소, 온도 등에 의해 산화되어 중합도가 떨어진다. (DP 900∼1000 → 300∼350 으로) 1000 내외에서 400 내외로 중합도를 저하시키는 목적은 방사공정을 원활히 하기 위함(중합도가 너무 크면 점도가 커져 방사가 어려워짐) cf. 특수 레이온의 경우 노성의 정도를 조절하기도 함. ⑤ 황화(크산테이션) : 밀폐용기 중에서 이황화탄소(CS2)와 반응됨 → sodium cellulose xanthate 가 됨. ⑥ 용해 : 셀룰로오스 크산테이트를 묽은 NaOH 용액에 용해시킴(미용해물질 용해. 방사를 용이하게 함). → 황색의 끈끈한 용액(viscose). 비스코스 레이온의 이름은 여기서 연유. ⑦ 숙성 : 방사원액을 방사에 앞서 일정온도에서 일정기간 보존함. 비스코스 용액은 균일하지 못하므로 충분히 안정화 시켜주기 위해 숙성. 이 과정에서 셀룰로오스 크산테이트는 완전히 용해되고 점도가 떨어짐. 점도를 수시로 체크해보기 위해 중간과정을 노출시켜두어 sampling하여 조사하게 됨. → 탈포, 필터를 거쳐 방사하기 위한 원액이 됨.
2) 방사 단계
·적절히 숙성된 비스코스는 여과한 후 방사장치에 보내어져 방사구를 통해 응고액 중으로 사출되어 응고되고 셀룰로오스 재생 ·응고액의 조성은 대략 황산(8∼10%), 황산나트륨(13∼28%), 황산아연(0∼2%), 기타성분으로 되어 있는데, 여기서 황산나트륨과 황산아연은 비스코스를 응고시키고, 산은 셀룰로오스를 재생. ·수세 → 탈황(유황분 제거) → 수세 → 표백 → 산처리 → 유제처리 → 건조 → 포장 ·포장시 건조된 후 검사하여 상품화 함(건조된 cake는 winding 통해 상품화 됨)
(2) 비스코스 레이온의 소비과학적 성능
1) 비스코스 레이온의 특성·흡습성이 큼(수분율 : 11%) → 정전기 발생이 적음(위생적, 안감으로 좋음) ·촉감, 광택 우수 ·내열성, 염색성 좋음 ·습윤강도 저하 ·탄성과 리질리언스는 나쁨 ·비중은 면과 비슷하나 무겁게 느낌 ·피부 위생에 좋음 2) 단점 : 습윤강도 약함(crepe사 등으로 보강) 탄성과 리질리언스(가공, 조직 등으로 보강) - 관리시 유의점. 3) 용도 ·의류용 : 안감, 란제리, 여름용 내의, 편물용 혼방사, 한복감 등 → 근래에는 폴리에스테르와 혼방하여 여름용 겉감으로도 널리 쓰임 ·장식 : 매듭사, 완구용, 커텐 ·침구용 : 하절용 덮개, 이불호청, 침대 커버 등으로 수요증가 ·기타 : 파일직으로 행주 , 샤워 타월 등 4) 전망 ① 천연 섬유 선호(위생적인 면에 관심가짐) ② 부직포에 활용(수요는 의류용, 산업용 모두 증가) ③ 특수 인견 제조로 단점 보강 ④ 탄소섬유의 재료로 이용(항공기 부품, 스포츠용 등으로의 용도) ⑤ 환경오염 문제 : 물질순환(부패되어 흙으로 쉽게 돌아감. 합성섬유 문제 해결) cf. 면섬유의 경작 노력 등 문제 해결 가능 → 원료가 충분. 실제로 원면의 가격은 작황과 상관됨. 5) 여러 가지 특수 레이온(CG) ① 구리암모늄레이온 ·독일의 벰베르크사에서 벰베르크라는 이름으로 제조 ·수산화구리를 암모니아수에 녹인 슈바이처 용액에 셀룰로오스가 용해됨 ·비스코스레이온보다 더 섬세하고 부드러워 견에 가까움(생산비 고가) ·우리 나라에서는 큐프라라고 표기 ② 강력레이온 ·질이 좋은 펄프사용 ·방사조건 바꾸어 줌(분자배향 향상) → 방사속도를 느리게, 산의 농도를 낮추어 셀룰로오스 재생속도를 느리게 함) ·강도가 큰 레이온 ③ 폴리노직레이온과 고습강력레이온 ·보통 레이온의 습윤강도 저하와 초기탄성률이 감소하는 단점을 개선 ·폴리노직레이온 : 질이 좋은 원료 사용 노성과 숙성 생략 또는 단축(중합도 저하 방지) 응고액의 산농도를 줄임(셀룰로오스 재생을 늦추어 배향이 향상) 면과 같은 피브릴 구조를 가진 레이온 ·고습강력레이온 : 제법은 강력레이온의 제법에 기초함 섬유의 성질은 폴리노직레이온과 강력레이온의 중간 정도
2. 아세테이트
·초산 섬유소로 만들어진 섬유가 아세테이트. 레이온은 천연셀룰로오스 섬유와 그 성분이 동일한테 비해 아세테이트는 변형된 즉 아세틸화된 셀룰로오스가 그 성분임. ·아세테이트의 역사는 값싸고 좋은 용매의 발전과 함께 이루어졌으며, 레이온은 셀룰로오스 자체를 용해하는 방법을 사용하지만 아세테이트는 일단 셀룰로오스를 쉽게 용해할 수 있는 상태로 변화시켜 용해. 아세톤 이초산셀룰로오스 ---------> 건식방사 ⇒ 아세테이트
·아세테이트의 원료로는 면린터나 질이 좋은 목재펄프가 주로 사용됨. ·원료셀룰로오스를 무수초산과 빙초산의 혼산 용액에 넣으면 셀룰로오스의 각단위 글루코스 내에 있는 알코올성 -OH기 수산기가 모두 에스테르화 되고 이 3초산 셀룰로오스가 트리아세테이트의 제조원료. ·보통 아세테이트는 삼초산 셀룰로오스를 부분 가수분해하여 3개의 아세틸기중 일부를 원래 수산기로 돌아가게 하여 얻어진다. 이 이초산셀룰로오스가 2차 초산셀룰로오스. → 이렇게 얻어진 초산셀룰로오스를 이초산의 경우에는 아세톤에, 삼초산의 경우에는 메틸렌클로라이드에 용해하여 방사원액을 만들고 건식방사하면 용매는 증발되고 고체 섬유를 얻게 됨. cf. 아세테이트에는 2초산 셀룰로오스로 된 보통 아세테이트 즉 디아세테이트와 삼초산 셀룰로오스로 된 트리아세테이트가 있음.
(2) 아세테이트의 특성
아세테이트의 형태(현미경 사진)는 거의 비슷하며 단면은 비스코스 레이온처럼 심하게 주름 잡혀 있지는 않지만 굴곡되어 있다. 강도는 비스코스 레이온과 비슷하지만 습윤강도의 감소는 비스코스만큼 심하지는 않음. ·아세테이트는 셀룰로오스의 활성기인 수산기가 아세틸화 되어 있기 때문에 친수성이 적어 흡습성이 나쁘고 정전기가 발생하는 등의 문제점. 따라서 염색성도 나쁘며 아세테이트 전용 염료라고도 볼 수 있는 분산염료로 염색함. 그런데 분산염료의 경우 공기중의 산성가스 등에 의해 퇴색되는 가스 페이딩 현상이 있다. 또 모섬유와 장시간 접촉하면 모섬유의 산성에 의해 퇴색되기도 함. ·열가소성이 우수하므로 열고정이 가능하며 특히 트리아세테이트는 우수한 히트 세트성을 가짐.
(3) 아세테이트의 용도
·아세테이트는 좋은 드레이프성과 부드러운 촉감을 가지고 있어 여성복, 가운, 잠옷 등에 이용됨. ·최근 일반 여성용 외의에도 널리 쓰임.
3. 텐셀
·텐셀은 인공 조림한 목재에서 얻는 펄프로 제조한 셀룰로오스 섬유로 영국에서 개발됨. ·아민옥사이드를 용매로 하는 건식방사(비스코스 레이온의 습식방사 공정상의 환경오염 문제 등을 해결) ·강하고 습윤강도의 감소도 없음. cf. 우리나라의 코셀도 같은 방법임.
<핵심캐치> 1. 레이온의 종류는? 비스코스, 큐프라, 리오셀, 특수 레이온 (리오셀은 텐셀이 널리 알려져 있고, 특수 레이온으로 모달, 큐프라는 벰베르크로 표기되기도 함- 통일 문자의 표기가 규제 완화로 상품명을 사용하게 되면서부터, 소비자는 혼동하기 쉬우므로 통일 문자와 상품명을 병기하는 것이 바람직함)
2. 비스코스레이온의 특성은? 탄성과 레질리언스는 좋지 않고 습윤 강도가 크게 저하되나, 흡습성, 내열성이 좋으며 매끄럽고 광택이 좋음 (좋은 촉감 때문에 폴리에스테르 등과 혼방하기도 함)
3. 리오셀이란? 건식방사로 얻은 것으로, 강하고 습윤 강도의 감소가 없으며 비스코스레이온의 제조과정 중 환경오염 문제를 해결한 섬유 (텐셀이 널리 알려져 있음. 라이오셀로 표기되기도 함. 레이온 중 면섬유의 특성을 가지면서 부드러운 촉감 때문에 여성복에 널리 쓰임.)
4. 아세테이트와 레이온의 단면 형태의 차이는? 아세테이트는 비스코스레이온에 비하여 굴곡이 완만함 (이러한 단면 형태의 차이로 인해 촉감도 아세테이트가 비스코스레이온보다 좋음.)
5. 큐프라란? 구리암모늄레이온으로, 비스코스보다 섬세하고 부드러움 (독일의 벰베르크사에서 처음 생산하기 시작하였으므로 벰베르크로 부르기도 함. 한때 기모가공, 피치스킨가공한 옷감으로 널리 사용됨.)
6. 아세테이트의 특성은? 유연한 섬유로, 탄성과 레질리언스도 좋으며 부드러움 레이온보다 흡습성은 나쁘며, 안감, 잠옷, 가운 등에 쓰임 (부드러운 촉감 때문에 여성복에 혼방됨.)
7. 재생 섬유에는 셀룰로오스를 성분으로 한 것 외에 어떤 것이 있는가? 재생단백질섬유
8. 레이온과 아세테이트의 올바른 취급 방법은? 물세탁에 의해 광택이나 부드러운 촉감을 잃어버릴 수 있으므로 드라이클리닝 하는 것이 바람직함.
9. 레이온과 아세테이트의 원료는? 목재펄프
|