섬유상식 부직포

[호반의벤취]

부직포  

 부직포란 직물과 같이 실을 이용하여 제,직편하는 것이 아니라, 섬유집합체로서 실의 단계를 거치지 않고 직접 직물과 같은 형태로 제조하는 것이다. 부직포를 넓은 뜻으로 해석하면 “단섬유 또는 필라멘트를 기계적, 열적, 화학적인 수단을 이용하여 접착 또는 교락 시켜 만든 시이트(sheet)상 또는 웹(web)구조로 한 것”이라고 하며, 펠트(felt)또는 종이를 포함하느냐에 따라서 3,4종으로 나눌 수 있다.

이제까지는 직물이나 편물의 대용품으로만 이용되었지만, 오늘날에는 부직포의 특성을 살린 다양한 용도의 제품들이 생산되고 있다. 이들 부직포의 특징은 복합화가 용이하고 생산성이 높으며, 제조공정이 단순하여 제조원가가 낮으며, 다종다양한 재질, 형상의 제품을 생산할 수 있어 새로운 제법들이 개발되고 있어 향후 많은 분야에서 활용될 수 있는 소재이다.

  (1) 부직포의 제조방법

 수십년 전까지는 부직포 제조방법이 몇 가지로 단순하였지만, 오늘날에는 각종 새로운 방법들이 제안되거나 실용화되고 있어 여러 가지 제품들이 생산되고 있다. 현재 실용화되고 있는 부직포의 종류와 그 특징을 살펴보면 <표 2-27>과 같다. 여러 가지 방법으로 부직포가 생산되고 있지만, 기본적인 공정은 web(섬유를 얇은 sheet상으로 한 것)의 형성공정과 웹의 접착공정, 가공공정으로 나눌 수 있다. 또한 웹의 형성과 접착을 한 공정으로 하는 방법도 있다. 웹의 형성이나 접착방법도 여러 가지가 있으며, 다양한 방법들을 혼합하여 새로운 제품들을 생산하고 있다.

<표 2-27> 부직포의 종류와 특징

 

∧ 제 조 공 정 ∨						【제  법】			【특  징】
	┏ ┃┣ ┃┃ ┃┃ ┃ ┃┣ ┃┣ ┃┣ ┃┣ ┃┗	습식부직포		----		섬유와 펄프를 종이제직 방식으로		---	물성을 자유롭게 변화시킬 수 있다.
		건식부직포
		┣ ┃┣ ┃┗	chemical-band		--	섬유 웹을 접착제로 결함		---	유연성과 드레이프성이 풍부
			thermal-bond		--	자기접착 또는 접착섬유로 결합		---	접착제를 사용하지 않으므로 위생적
			air-lay		--	air와 binder로 펄프를 접착		---	경사방향 위사방향의 강도가 큰 차이없다.
		spun-lace		----		고압수류로 섬유를 교락시켜, 기계적으로 결합시킨다.		---	유연하고 드레이프성이 풍부
		spun-bond		----		방사에 의해 직접결합하며, 주로 자기접착으로 결합		---	용도에 적합한 설계가 가능
		melt-blown		----		binder가 없는 초극세섬유		---	유연성, 비투과성 등이 풍부
		needle-punch		----		특수바늘로 웹을 교략		---	벌키성이 풍부
		stitch-bond		----		실로서 재봉		---	벌키성은 없으나, 강도가 우수

    1) 부직포 원료

 부직포에는 천연섬유에서부터 화학섬유까지 다양한 섬유들이 이용되고 있지만, 일반적으로 사용하고 있는 것은 면, 레이온, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 나일론 등이며, 그 외 아크릴, 비닐론, 유리섬유, 펄프, 탄소섬유 등도 사용되고 있다. 면이나 레이온은 니들 펀치(needle punch), 케미컬 본드(chemical bond), 스펀 레이스(spun lace)법 등이 이용되며, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 나일론 필라멘트는 주로 스펀 본드(spun-bond), 폴리에스테르, 폴리프로필렌 스테이플(staple)은 니들 펀치, 나일론 스테이플은 케미컬 본드, 아크릴은 니들 펀치, 비닐론, 유리섬유, 펄프는 주로 습식을 하고 있다.

    2) 웹의 형성방법

 

웹을 형성하는 방법을 크게 나누면 습식, 건식, 및 직접식이 있다. 습식법은 종이를 만드는 공정과 유사하며, 수중에 단섬유를 균일하게 물과의 중량비가 0.01～0.5% 정도로 현탁시켜 이것을 철판 위에 펼치거나 또는 2본의 벨트 사이를 통과시켜 웹을 만든다. 이 상태로는 수분을 많이 함유하고 있기 때문에 이것을 로울러로 압착함과 동시에 건조기에서 수분을 증발시킨다. (그림 2-89 (a))는 습식공정의 개략도를 나타낸 것이다.

이 방법으로 형성된 웹은 섬유가 여러 방향으로 구성되어 있으며, 불규칙한 배항을 하며 의학적으로 등방성을 가진다. 습식공정에서는 웹중의 섬유를 결합시키기 위하여 접착제 또는 접착제의 마이그래이션(migration) 방지, 소포, 증점 등을 목적으로 첨가제를 사용한다. 접착제로는 PVA, 부타디엔 메칠 아크릴레이트 공중합체(MBR), 폴리아크릴산에스테르 등이 있다. 첨가제로는 마이그래이션 방지제로 황산아연, 알긴산소다, 메틸셀룰로오스, 소포제로는 글리콜-2-에틸헥사놀, 비이온금속염, 실리콘 등이 있으며, 습윤제로는 계면활성제, 증점제로 폴리에틸렌옥사이드 등이 사용된다. 그 외 견고성 조정이나 취화방지, 세탁성 향상을 목적으로 파라핀, 에틸렌옥사이드, 페놀류, 열고정 수지등이 첨가된다.

 셀룰로오스 섬유를 원료로 하는 종이도 습식초지법으로 제조되며, 천열셀룰로오스와 유기, 무기, 금속섬유 등과의 혼초품도 습식부직포에 속한다고 할 수 있다. 습식공정에는 에어 레이(air-lay)법과 카-드(card)법이 있다. 이 방법은 수중에 섬유를 현탁시키는 것이 아니라, 섬유를 공기중에 비산시킨 후 철판 위에 펼쳐 sheet상으로 하거나, 섬유 덩어리를 카-드가 즉 회전하는 실린더위에 톱니모양의 와이어(wire)를 감은 기계의 섬유를 평행하게 펼쳐 sheet상으로 한다. 이 방법은 섬유의 종류에 관계없이 사용 할 수 있다. (그림 2-89 (b))는 습식 에어 레이법, (그림 2-89 (c))는 카-드법의 개략도를 나타낸 것이다.

 직접법은 방사직결방식이라고도 하며, 용융고분자 용액에서 방사된 섬유를 직접 웹으로 하는 방식이다. 여기에 속하는 대표적인 방법은 스펀 본드법과 멜트브론(melt-blown)법이 있다. 스펀 본드법은 샤워(shower)의 노즐과 비슷하게 미세한 구멍이 많은 방사구금으로 다량의 필라멘트를 압출하여 이것을 주행하는 벨트(belt) 위에 모아서 웹으로 만들기 때문에 고온상태의 필라멘트가 서로 열 윤착한다. 주로 폴리프로필렌이나 폴리에스테르에 이 방법이 사용된다. 멜트브론법은 스펀 본드법과 비슷하기는 하지만, 용융한 고분자 용액을 성형기에서 압출할 때 고속고온공기를 불어넣고, 중간에 냉풍에 의해 주행되는 벨트 또는 철판위에 모아서 웹으로 하기 때문에 섬유는 벨트위에서 냉각과 동시에 서로 접착하여 웹이 된다.

두 공정 모두 이 단계에서는 웹중의 섬유 상호간의 접착력이 약하기 때문에 별도의 접착공정성이 필요하다. 두 공정의 차이는 제조법에서 보듯이, 스펀 본드법은 웹이 연속 필라멘트로 되어 있지만, 멜트브론법은 비연속 섬유로 구성되어 있다. (그림 2-89 (d)) 는 스펀 본드법, (그림 2-89 (e))는 멜트브론법을 나타낸 것이다. 직접법에 의한 부직포의 사례로는 필름의 피브릴화법이 있다. 이 방법은 필름을 엠보스(emboss)기에 통과시켜 얇게 한 후, 연신하여 필름을 네트(net)상으로 하는 방법이다.

    3) 웹의 접착방법

 각종 방법으로 만들어진 웹은 섬유 상호간 접착성이 약하여 내구성이 없다. 따라서 웹 중 섬유 상호간의 집속성을 좋게 하기 위하여 별도의 방법으로 접착시켜 강도를 향상시킬 필요가 있다. 여기에는 접착제를 사용하기도 하고, 기계적으로 섬유를 결속시키거나 열융착 또는 제봉 등 여러 가지 방법들이 있다. 접착제를 사용하는 방법에는 용제접착, 라텍스(latex)접착 또는 바인더(binder)접착법 등 접착용의 바인더를 웹에 주입하여 섬유 상호간을 접착시키는 방법이다. 접착제를 부여하는 방법에 따라 침지접착법, 그라비아(gravure)인쇄법, 로타리 스크린(rotary screen)법, 스프레이(spray)법, 포말법 등으로 나눌 수 있다. 이 방법들은 웹을 건조시키거나 바인더를 섬유에 집착시키기 위해서는 많은 열이 필요하다. 라텍스접착법의 대표적인 침지접착법의 개략도는 (그림 2-90 (a))과 같다.

 웹의 섬유를 기계적으로 접착시키는 방법에는 니들 펀치법과 스펀 레이스법이 있다. 니들 펀치법은 훅(hook)이 부착된 많은 침(needle)을 수직으로 하여 웹에 넣었다 빼는 것을 반복하여 웹중의 섬유를 서로 교락시키는 것으로서, 침의 형상을 적절하게 설계함으로서 벨루어(velours)調의 부직포를 만들 수 있다. 스펀 레이스법은 침 대신에 고속 제트(jet)의 물을 이용하여 웹의 섬유를 서로 교락시키는 방법으로서 수류교락법 이라고도 한다. 보통 웹을 구멍이 있거나 모양이 있는 철판 또는 플레이트(plate)에 두고, 고속 제트 물로 교락시키면 플레이트와 같은 모양이 부여된다.

이들 방식으로 형성된 부직포는 단순히 섬유끼리 교락시켜 접착시키기 때문에 섬유의 량을 적게하면 부드러운 제품을 만들 수 있다. (그림 2-90 (b))는 니들 펀치법, (그림 2-90 (c))는 스펀 레이스법의 개략도를 나타낸 것이다. 또 하나의 기계적 접착방식은 스티지 본드(stitch-bond)라고 하는 것으로서 웹을 모양에 따라 재봉하는 방법으로서 퀼팅(quilting) 등에 이용된다. (그림 2-90 (d))는 스티치 본드법을 나타낸 것이다.

웹의 섬유를 熱로 접착시키는 방법을 총칭하여 thermal bond라고 하며, 섬유의 표면을 용융하여 섬유의 표면 상호간을 접착시킨다던가 또는 분말상, 입상 혹은 섬유상의 용융첨가제를 웹에 혼입하여 이 첨가제를 용융시켜 웹상의 섬유를 접착시키는 것이다. 따라서 이 방법은 웹을 가열시킬 필요가 있으며, 가열방법에 따라 스루에어 본드법(고온공기에 의한 가열)과 캘린더(calender)법(고온 철판 캘린더에 의한 가열)이 있다. 또한 최근에는 극초단파를 이용한 방법도 제시되고 있다.

용융첨가제(바인더라고도 함)로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 저융점 폴리에스테르 등의 가용성폴리머 단량체나 2성분섬유가 사용되며, 단량체의 경우는 바인더섬유가 용융하여 웹의 섬유들을 접찹시키며, 2성분섬유의 경우는 2좀 섬유중 한쪽 성분을 용융하여 접착지키는 방법으로서 숭고성이 높고 촉감이 유연하다. (그림 2-90 (e))는 thermal bond법의 개략도이다. <표 2-28>은 웹을 구성하는 섬유와 바인더섬유의 조성을 조합한 예이다.

<표2-28> 웹의 구성섬유와 바인더섬유의 조합

 

웹 섬유	바인더 섬유
폴 리 에 스 테 르 폴 리 프 로 필 렌 나   일   론   66 나   일   론    6 아      크      릴 레      이      온	저융점 폴리에스테르    폴리에틸렌, 대부분의 경우 필요 없음    나일론 6    저융점 폴리에스테르    저융점 폴리에스테르    폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 나일론, 폴리에스테르

 부직포의 가공은 접착제를 처리한 웹을 건조, 열처리하는 공정과 용도에 따라 부가가치를 높이기 위한 공정이 있다. 건조, 열처리 공정에서는 웹을 net conveyer를 이용한 방식(vat식 건조기)이 주로 이용되고 있다. 그 이유는 웹의 변형이나 구김, 뜯김 등이 발생하지 않기 때문이다. 그 외 suction식 건조기도 이용되고 있다. 부가가치를 향상시키기 위한 방법에는 여러 가지가 있으며, 대표적인 것을 살펴보면 <표 2-29>와 같다.

<표 2-29> 가공기술의 종류

 

	가 공 방 법	물리화학작용	가 공 결 과	응 용 예
물리적 처리가공	광  택  내  기 엠 보 스 가 공 컴 팩 트 가 공 유  연  가  공 니  들  펀  치 h e a t - s e t	압  축  작  용 변  형  고  정 압  입  작  용 문 지 름 작 용 펠    트    화 열 처 리 작 용	표면구조변화 → 평    활    화 집합구조변화 → 외  관  변  화 집합구조변화 → 방 축 부 형 화 집합구조변화 → 유    연    화 집합구조변화 → 자기결합치밀화 섬유성능변화 → 열가소성결정화	컴팩트 가공 부형, 엠보스 촉감개량직물 수축제어 드레이프성 향상 직물결합 각종 set가공
화학적 처리가공	본  딩  가  공 라미네이트가공 코  팅  가  공 방  오  가  공 발  수  가  공 대 전 방 지 가 공 방  염  가  공 방  충  가  공 위  생  가  공 기 포 수 지 가 공	양 면 성 능 부 여 라이닝물성부여 표 면 성 능 부 여 측쇄에의한 변성 2  차 결 합 부 착 측쇄에의한 변성 흡  착  부  착 흡  착  부  착 흡  착  부  착 발포수지액포충	복합물성변화 → 다 양 화 효 과 복합물성변화 → 보강특수성능효과 복합물성변화 → 외 형 물 성 변 화 처리제결합부착 → 표면성질의변화 처리제결합부착 → 표면성질의변화 처리제결합부착 → 표면성질의변화 처리제결합부착 → 부  착  석  출 처리제결합부착 → 흡  착  효  과 처리제결합부착 → 흡  착  효  과 처리제결합부착 → 일 체, 보 강 화	각종 복합직물 표면파괴 고무가복합직물 표면파괴 고무가복합직물 방오가공 발수가공 대전방지가공 방화방염난연가공 양모 부직포 방충가공 방균방취가공 수지접착부직포의 생산성 향상
하이테크기술 응용가공	마이크로파응용 초음파응용 원적외선응용 자외선응용 저온플라즈마응용	극 초 단 파 조 사 초 음 파 에 너 지 원 적 외 선 방 사 자외선흡수반응 중  합  작  용	순  간  가  열 → 에멀젼파괴습열가교 폰 진 동 가 열 → 섬유융착, 재단 원적외선방사체의 → 세 라 믹 효 과 연입결합부착 자외선감능수지부여 → 가   교   효   과 3 차원망상구조 → 가   교   효   과                 (그라프트중합)	수지, 이염방지건조 효율 향상 부직포 부분융착 방한용 단열재등 접착수지코팅제의 가교 코팅수지 가교직물 표면 개선 등

  (2) 부직포의 구조와 성질

 부직포라고 하는 것은 기본적으로 섬유 상호간의 접착이나 교략에 의하여 하나의 섬유 집합체로 구성되어 있는 것이다. 그러나 앞에서 언급한 바와 같이, 현재는 다종다양한 제조기술이 개발되어 많은 제품들이 생산되고 있으며, 그에 따른 구조나 성질도 다르다. 일반적으로 부직포의 구조나 성질은 사용한 섬유, 접착방식, 섬유의 배열상태나 가공에 따라 많은 차이가 있다. 일반적으로는 부직포는 직물에 비하여 강도가 약하며, 전단강성이나 굴곡 강성이 크며, 신축성이 떨어진다. 그러나 그 중에서도 직물과 거의 유사한 물리적 특징을 지닌 부직포를 생산할 수 있는 것도 있다. (그림 2-91), (그림 2-92)는 각종 medical gown용 부직포의 KES에 의한 측정결과를 나타낸 것이다.

(3) 부직포의 용도

 부직포는 여러 가지 용도로 이용되고 있다. <표 2-30>은 부직포의 용도와 제품명을 요약한 것이다.

 이와 같이 특히 산업용으로 이용되는 것도 많지만, 의류용 안감지로도 많이 이용되고 있다. 최근에는 일회용 기저귀나 부직포 의복으로도 사용되고 있으며, 특히 토목 건축용으로도 그 용도가 확대되고 있다. 따라서 섬유제품 생산량에서도 부직포의 비율이 증가하고 있는 추세이다. 부직포는 그 구조에 따라 다공성, 숭고성, 흡수성, 특수성, 압축탄상회복성, 굽힘성 등이 자유롭게 변화하며, 또한 용도에 따라서 내구성이 있는 제품이나 일회용 제품도 생산할 수 있다. 특히 최근에는 기저귀나 물수건과 같은 일회용 제품들이 더욱 각광을 받고 있다. <표 2-30>과 같이 부직포는 모든 분야에서 폭 넓게 이용되고 있다.

 예를 들면 의료용에서는 일회용 외래수술용품으로 많이 이용되고 있으며, 선진국에서는 수술용으로 부직포가 80% 이상 이용되고 있다. 이것은 외과수술시 감염 위험율이 적으며, 수술비용을 줄일 수 있기 때문이다. 이것은 부직포의 뛰어난 박테리아 내균성과 생산성이 높기 때문이다. 토목용으로는 아스팔트 도로의 수명을 연장하기 위하여 지반과 아스팔트 사이에 부직포를 넣기도 하고, 매립지의 배수나 보강, 고속도로나 철도의 보강제 등에도 부직포가 이용되고 있다. 또한 위생분야에서는 일회용 제품 즉 기저귀나 물수건 등에 많이 사용되고 있으며, 초흡수 폴리머의 개발과 더불어 흡수성이 우수하며 쾌적한 제품들이 생산되고 있다. 성인용 기저귀도 고령화 사회로 접어드는 오늘날의 현상에 비추어 볼 때, 그 수요가 증가할 것이라고 예측된다. 또한 자동차용으로도 많이 쓰이는 추세이며, 따라서 자동차산업의 발전과 더불어 부직포의 사용량도 증가하게될 것이다.

  (4) 펠  트

 펠트(felt)는 獸毛(주로 양모)에 열, 수분, 압력을 가하여 수모섬유 집합체를 펠트화한 것으로 프레스 펠트(press felt)와 니들 펠트(needle felt)가 있으며, 모직물을 축충시킨 펠트 직물도 있다. 펠트화 공정은 웹을 물로 습윤시킨 2매의 면포 사이에 까우고 웹의 내부까지 증기가 충분하도록 가습가온하여 이것을 2매의 가열금속판 사이에 끼워 압력을 가하면서 진동시켜 펠트효과를 부여한다. 니들 펠트는 주로 화학섬유에 적용하며, 바브(bard)가 부착된 침을 사용하여 기계적으로 두꺼운 쪽의 섬유를 교락시키는 것이다. 직물 펠트는 1종 또는 2종 이상의 섬유를 혼방한 실을 사용하여 제직된 직물을 축충가공한 것이다. 펠트의 성질은 사용 섬유의 종류와 구조에 따라 다르며, <표 2-31>은 펠트의 용도와 요구성능을 나타낸 것이다.

<표 2-31> 펠트의 주된 용도와 요구성능

 

용   도	용    도    예	요 구 성 능
여     과	분체보집용 필터, 안료, 시멘트, 식품용 집진용 필터, 에어필터, 에어콘, 자동차용 캬브레터, 상압, 가토여과, 약품, 조제, 에멀죤, 알코올, 식품, 가스방진 마스크, 수영장, 양어용, 필터, 토목, 공사용배수시트, 철도궤도의 토석혼합방지필터	입자의 보집효율이 높다. 보집용량이 크다. 사용시의 압력손실이 적다. 보집효율이 균일하다.
급유, 도유액의 장  심  재	펠트벤선․중심, 수성볼펜의 잉크심 배트, 스템프, 인육등, 인자로울, 자동권매기, 레지스터, 도장용로울, 타이프라이터의 잉크로울, 에어워크, 석유스토브심지, 전동기의 급유심지, 미싱의 급유심지, 기차의 차측급유구, 운반차의 차측급유심지, 철판의 도유로울, 단수용	단열성이 우수하다. 내후성이 뛰어나고 내열성이 있다.
흡음, 차음제	홀, 방송실의 천정벽, 마루, 공장소음 반지벽, 항공기, 자동차, 방음재, 사무기기, 컴퓨터의 흡음제, 사무실의 마루바닥재, 스피커의 내장, 경운기, 불도저의 대좌	소리의 흡음율이 크고, 투과율이 적다.
실 (seal) 박 킹 재	펌프의 플랜지 및 그랜드 실, 함석판의 침하와셔, 슬레이트파관의 물의 실재, 드라이브샤프트, 정밀베어링의실, 안테나실, 먼지실, 사진장치의 실, 브레이크의 이물제거실, 가스메터의 실, 만년필의 피스톤 실, 자동차변속기의 오일실	먼지, 기름의 유지와 투과성이 없다.

 

용   도	용    도    예	요 구 성 능
방진, 완충재	방진재, 각종 중기, 왕충제, 건축물, 철도, 사무용기기빌의 구조, 진동의 규제, 완충제(의자, 시트의 충진물), 구두, 술리퍼의 속창, 다리미대, 깁스, 퍼트, 헬멧의 내장, 각종쿠션, 운동기기 매트	마찰진동의 에너지를 흡수, 완화하는 선능이 있다.
미끄럼 억지재	이동기기의 저장, 선풍기, 타이프라이터, 저노하기, 오디오, 레코드, 회전판커버, 직물권취로울러표면제	접촉면의 마찰계수가 크다. 마찰계수의 경시변화가 적다.
연  마  재	유리연마, 광학렌즈, 안경렌즈의 마무리 연마용 호일귀금속(금속, 돌, 옥석의 마무리연마), 치과용연마펠트, 가구, 목공품의 연마식포	연마조제의 유지성이 좋다. 적강한 탈력성, 유연성, 마모성이 있다.
악  기  용	피아노 헤머, 펠트, 드럼의 발목, 단바펠트, 안다펠트, 베기음펠트, 키 펠트, 백레루, 벡첵크벨트	완충성, 흡음성, 장식성이 있다.