방사: 케블라, 권취, 겔방사

 

이번에는 지난 번 말씀 드린 것처럼 실을 뽑는 공정인 방사와 방적 중에 합성 섬유의 실을 뽑는

과정인 방사 공정에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

 

 

방사 : 케블라, 권취, 겔방사

 

방사는 천연섬유의 방적과는 달리 고분자인 화학칩을 녹여 넣어서 얇게 실을 뽑는 것을 말합니다. 어떤 두께로 어떻게 뽑느냐, 어떤 형태로 뽑느냐, 뽑은 후에 어떻게 실로 만드느냐에 따라서 원료는 같지만 다른 실을 만들어 낼 수 있습니다. 

 

1.    방사 공정(Spinning Process) 이란

 

방사공정 고분자를 녹여서 얇게 뽑아 섬유의 형태로 전환시키는 공정을 말합니다. 공정을 간단히 정리하자면 고분자의 용융액 이나 욕액을 만들어 노즐로 밀어내서 실 형태로 만든 후에 이것을 냉각 또는 탈용매하여 섬유화시키고 권취 할 때까지의 모든 공정을 방사공정이라고 합니다.

 

방사방식은 용융방사, 건식방사, 습식방사의 세가지 있으며 그 외에 특수 목적 소재로 초고속 방사, 액정 방사, 겔 방사등이 사용되고 있습니다. 방사공정은 고분자물질을 bulk상으로부터 filament의 형태로 일차원화시키는 초기공정으로서 polypropylene등과 같은 polyolefin 섬유나, polyamide 및 polyester와 같은 polycondensate 섬유 등의 제조에 사용합니다.

 

2.    방사방식의 종류

 

방사에는 원료를 어떻게 녹이는지에 따라 용융방사, 건식방사, 습식방사가 있습니다. 

 

1)      용융방사

 

① 가열시킨 원료를 스크류 압출기로 용융한 뒤 기아펌프를 써서 균일하게 압출량을 조절하여

    융액을 팩과 방사구(spinneret)부로 내보냅니다. 

② 팩의 역할은 여과 및 방사구에 열려있는 여러개의 각 노즐로 융액을 균일하게 배분하는 것입니다.

    노즐의 직경은 통상 0.2-0.3㎜입니다. 

③ 노즐로부터 압출된 사조는 방사구의 직하에 비치된 방사통(spinning channel) 내에서

    냉각고화됩니다. 

④ 냉각고화 된 사조는 회전롤러의 표면상에서 오일링을 하면서 집속가이드를 지나 권취장치에

    권취됩니다.

 

2)      건식방사

 

① 사용하는 용매에 고분자를 용해해서 여과시키고 탈포하고 방사원액을 만듭니다. 

② 방사원액은 방사구가 있는 방사두에 보내지고 방사구 각각의 노즐로부터 토출됩니다. 

③ 방사원액의 온도는 시간적으로나 공간적으로 방사원액이 균제가 되도록 만드는데 방사원액을

    박층류로 배열하면서 방사구내에서의 열 교환이 잘 행해지도록 만들어져 있습니다.

    노즐직경은 0.05-0.2㎜입니다. 

④ 노즐로부터 토출된 사조는 방사구 직하의 내경이 용매를 증발 건조시키면서 가이드롤을 이용하여

    통외로 꺼내서 오일링을 하고 집속가이드를 지나 권취장치에 권취되게 됩니다.

 

3)      습식방사

 

① 고분자 또는 그외 변성체의 용액을 만들어 숙성, 여과, 탈포하여 방사원액을 만듭니다. 

② 방사원액을 펌프를 이용하여 응고욕중에 넣은 다음 방사구에 보내고 방사구의 각 노즐로부터

    토출된 사조는 응고욕(제일욕)중에서 응고가 되고, 제이욕에서 긴장 방사합니다. 노즐직경은

    일반적으로 적으며 0.01-0.1㎜입니다. 

③ 정련, 세정, 건조 후 오일링을 하여 권취장치에 권취됩니다. 

④ 노즐간의 거리를 꽤 적게 유지 할 수 있기 때문에 여러 가닥의 섬유를 동시에 방사할 수 있습니다. 

⑤ 응고액은 수평방향으로 놓인 것이 보통이지만 수직방향으로 놓아 상인, 하인을 할 경우도 있습니다. 

⑥ 동암모니아레이온(큐프라)은 셀룰로오스의 경우와 같이 방사원액이 노즐로부터 방사 필터 속을

    류하하는 온수(응고액)중에 토출 되어 연신 되면서 응고하고 섬유화하는 젯 연신(jet stretch)

    방사법이 있습니다.

 

3개의 방사방법에서 공통적으로 방사원액의 노즐에서 토출의 선속도 Vo에 대한 권취 속도 VL와의 비 VL/Vo는 토출된 방사원액이 권취 될 때까지 받는 신장의 비율을 표시하고 있는데 이것을 방사드래프트(spinning draft)라 합니다. 

 

4)    초고속 방사법(Ultra-high-speed spinning)

 

초고속방사법은 주로 폴리에스터 필라멘트를 생산하는데 사용됩니다. 폴리에스터 의 경우 6,000 m/min 이상의 빠른 속도로 방사를 하여 제조된 실은 연신을 하지 않더라도 연신사와 동일하게 응용이 가능합니다. 기존의 연신사와 비교해서 열수축이 적고, 염색성이 우수하며, 부드러운 촉감 등 많은 특성을 가집니다. 실제로 폴리에스터가 갖는 특징이 그대로 나타나 있습니다. 그러나 몇몇 의 적용분야에는 적합하지 않다.

 

5)    액정 방사법(Liquid crystal spinning)

 

 

 

 

아라미드와 같은 강직한 구조를 갖는 고분자 물질들은 가열하여도 용매에 용해 되거나 용융되지 않습니다. 그렇기 때문에 강직성 고분자는 일반적으로 방사가 어렵습니다. 일반적으로 용액은 농도가 증가함에 따라 점성이 급격히 증가하다가 어떤 특정 온도나 농도 등의 조건하에서 점성이 오히려 저하되어 액체와 같은 유동성을 갖는 특수한 상태의 용액상태를 나타내는데, 이것은 분자체인이 배열하여 결정을 형성하면서 발생되는 현상입니다. 이러한 상태를 액체 결정이라고 합니다.

 

액정 방사는 방사가 진행될 때 결정부분이 노즐을 통과하면서 섬유축 방향으로 평행하게 배열됩니다. 비록 방사 직후 약간의 일그러진 부분이 발생할 수 있으나, 그 후 가해지는 장력에 의해 다시 평행하게 배열됩니다. 또한 방사과정에서 고분자 사슬을 보다 효과적으로 섬유축 방향으로 배향시키기 위해 방사구금과 응고욕 표면 사이에 작은 기격(air gap)을 두는 방법(기격습식방사, air-gap wet spinning)이 적용됩니다. 그리고 연신은 불필요 하지만, 높은 결정성을 얻기 위해 높은 온도의 열처리가 이뤄지게 됩니다. 이러한 방사과정을 액정방사라고 합니다.

 

듀폰의 연구원인 Stephanie Kwolek박사가 1968년에 발견하였고, 액정방사를 이용하여 제조된 paraaramid 섬유 “케블라(Kevlar)”가 탄생하였습니다. 이러한 섬유들을 슈퍼섬유라고 하며, 고강도, 고탄성률, 내열성, 내화학성 및 난연성 등의 특성을 가집니다. 또한 액정방사를 통해 제조되는 PBO(poly-para-phenylene benzo-bis-oxazole) 섬유와 Polyarylate 섬유는 폴리에스터 섬유와 비교하여 인장강도가 4 ~ 8배 증가하며, 탄성계수는 8 ~ 17배 정도 증가합니다. 두 가지 섬유 모두 산업용 섬유 분야의 신소재로 중요한 역할을 하고 있습니다.

 

6)    겔방사 (Gel spinning)

 

대게 습식방사나 건식방사의 경우, 응고가 섬유의 내부보다는 표면에서 빠르게 진행됩니다. 그러므로 균일한 방사가 이루어지지 않으며, 이 때 연신 공정이 수행되 면, 단면의 형태가 일그러져 계속해서 연신 공정을 진행하기 어렵게 됩니다.

 

겔방사는 용매를 다량 포함하고 있는 겔과 같은 점성이 있는 상태에서 균일한 구조를 가진 미연신사를 방사한 후, 초고배율로 연신하는 방사법입니다. 폴리에틸렌(PE, polyethylene)과 폴리비닐알콜(PVA, polyvinyl alcohol)과 같이 분자쇄가 유연한 고분자는 용액내에서 분자간 사슬의 엉킴에 의해 3차원 그물구조를 형성합니다. 그렇기 때문에 이러한 고분자를 겔방사할 경우 용액내에서 과도하게 높아지는 분자간의 엉킴을 막기 위해 적절히 희석된 고분자 용액을 만들어 응고욕으로 방사하여 섬유화합니다.

 

그물구조로 용해된 고분자 용액을 응고시켜 섬유화하는 겔방사법으로 만든 미연신사는 균일한 구조를 가집니다. 이 때 원형 노즐을 사용하면 섬유의 단면도 거의 원형의 모양을 가지게 됩니다. 고분자량 물질로 미연신사를 만들고, 겔 형태의 구조를 열로 용해시켜 초고배율로 연신하면 극도로 높은 인장강도와 고탄성률을 가진 섬유를 만들 수 있습니다.

이러한 겔방사법은 현재 상업화된 초고강력 폴리에틸렌 섬유(상업명 : Dyneema) 와 비닐론(상업명 : Kuraron K-Ⅱ) 제조시에 사용됩니다.

 

3. 권취 공정

 

방사공정을 거쳐 냉각되어 고화된 filament는 유제 처리를 한 후, Godet roller를 통과하거나 또는 직접 winder에서 bobbin에 감깁니다. 권취 공정 시 filament에 이루어지는 변형 속도 및 온도조건에 따라 UDY(undrawn yarn), POY(partially oriented yarn), 및 FDY(fully drawn yarn) 공법으로 나뉩니다.

 

1)    UDY(undrawn yarn)와 POY(partially oriented yarn)

보통 그 자체로는 물성이 불안정하여 별도의 연신공정을 필요로 합니다.

 

①    UDY(undrawn yarn)

 

POY-DTY 공정 용융방사(melt spinning)는 열에 의해 분해되지 않고 용융하는 고분자에 응용되 는 방사법입니다. 용융방사 후 아직 섬유로서의 물성을 갖추고 있지 못한 것을 미연신사(undrawn yarn)라 하는데, 이것을 다시 가늘게 인장시켜 분자의 배향을 증가 시키는 것을 연신 공정이라 합니다. 보통의 방사속도로 방사하여 얻어진 것은 3 ~ 4 배로 연신을 해주어야 섬유로 사용이 가능합니다.

 

 

②    POY(partially oriented yarn)

 

방사 속도가 높아지면 방사 후에 연신이 될 수 있는 정도가 감소하는데, 이것은 방사하는 동안 분자가 자연적으로 일부분 배향되기 때문입니다. 예를 들어 3,000 ~ 4,000 m/min의 방사속도로 생산된 미연신 폴리에스터사의 경우, 대략적인 연신률은 약 1.4 ~ 1.8배 정도입니다. 이렇게 고속 방사하여 제조된 실을 부분배향사(POY, Partially oriented yarn)라고 부릅니다.

 

③    DTY(draw textured yarn)

 

부분배향사를 이용하여 연신과 가연을 동시에 행하여 제조되는 실을 연신가공사(DTY, Draw textured yarn)라고 합니다. 부분배향사와 연신가공사는 주로 폴리에스터나 나일론을 고속방사하여 얻을 수 있습니다.

 

 

4.    방사 공정 시 주의 사항

 

특정한 캐이스나 공정 중에 주의해야 하는 내용을 정리하였습니다.

 

 

 

 

1)    Polymer chip 의 건조 시간과 온도 관리

 

합섬 섬유 중에 특히 polyamide 6 섬유는 따로 구분해서 알려드려야 하는데요. Nylon 6 즉 Polyamide 6는 그 원료인 ε-caprolactam을 monomer로 사용하여 축합중합하여 만든 polymer chip을 사용해 주로 extruder type의 방사기를 사용하여 용융방사(melt spinning)하는 공정으로 만들어집니다.

 

① 용융된 고분자는 gear pump에 의해 토출량이 조절되어 nozzle을 통해 섬유상으로 외부로 압출되는데요.  일반적으로 polycondensate는 방사 공정 시  polymer 내에 함유된 수분에 의해 작업성이 나빠질 수가 있습니다. 즉, 수분을 다량 포함하고 있는 polymer가 extruder 내부에서 용융되어 screw를 지나면 기포가 형성되고, 이것이 nozzle을 통과하면서 polymer의 연속성이 멈추면서 사절을 일으키게 됩니다.

 

 따라서 방사를 위해 공급되는 polymer chip은 extruder에 투입되기 전에 건조과정을 거칠 필요가 있습니다. 특히, polyamide의 경우, chip의 건조는 산화방지를 위해서 질소내에서 이루어지며 최종 수분률은 보통 500ppm 이하로 제어하도록 해야 합니다.

 

② 이 때 건조 온도는 100℃에서 120℃ 사이에서 이루어집니다. 이 과정에서 적정 건조시간을 설정 해주어야 하는데, 너무 오랜 시간 건조시키면 황변을 일으킬 수 있으며 또한 polymer의 점도 자체가 변할 수 있기 때문입니다.

 

2)    노즐의 표면 온도 관리

 

작업의 안정성과 균일한 섬유물성을 얻기 위해서는 polymer melt가 외부로 처음 나오는 통로인 nozzle의 온도조건부터 관리할 필요가 있습니다. nozzle의 표면온도는 일반적으로 설정된 방사온도와 동일하지 않습니다.

 

즉, 표면 은 외부와 접해있기 때문에 열출입이 크므로 일반적으로 설정온도보다 낮으며, 또한 표면의 위치에 따라 다를 수가 있습니다. 이와 같이 nozzle의 표면온도가 불균일 하면, nozzle에서 빠져 나오는 섬유단면내의 온도차이가 생기며 이로인해 섬유단면상의 점도 구배가 형성되어 섬유물성이 균일하지 못하고 작업성에 나쁜 영향을 줄 수 있습니다.

 

3)    Fume 방지를 위한 관리

 

nozzle을 통해 압출되어 나오는 고온의 고분자에는 monomer나 oligomer 등이 포함되어 있어 fume의 형태로 배출 되므로 이를 제거할 필요가 있습니다. 따라서 polyamide를 방사할 때에는 nozzle 바로 밑에 hood를 설치하여 nozzle 표면온도를 균일하게 유지하며, hood에 steam 장치를 부착하여 저분자 물질을 용해하여 흡입장치로 빨아들입니다. 위와 같은 과정을 거친 고분자는 적절한 속도로 냉각과정을 거치게 되는 데, 이를 위해 hood 하부에 냉각장치를 설치하여 일정한 속도의 냉각풍을 불어줍니다. 냉각거동은 섬유의 구조형성에 큰 영향을 주어 최종적인 섬유의 물 성을 좌우할 수도 있으며, 또한 원활한 권취 작업을 위해서도 반드시 필요합니다.

 

5.    기타 용어 참고

 

 

1) 방사 장치 /  spinning assembly

방사탱크, 기어펌프, 방사노즐, 응고장치, 권취장치, 연신장치 등을 일괄한 총칭합니다.  

2) 방사구 / spinning nozzle, jet, spinneret 

인조섬유의 방사 원액을 응고욕 안에 가늘게 흘려서 분출시키는 기구로서, 재질은 금, 백금의 합금, 스테인리스 스틸, 니켈 합금에 이것을 특별 경화 처리한 것 등이 있습니다. 용도에 따라 형상, 크기가 다르고 구멍 수나 크기도 다릅니다.  

3) 방사기 / Spinning machine

인조 섬유를 제조할 때 방사 원액을 산이나 알칼리 욕속 또는 공기 중에서 세공으로부터 압출시켜 필라멘트를 형성시키고 이것을 보빈(bobbin), 리일(reel), 원심포트(centrifugal pot) 등에 권취하는 기계를 일컫는데 섬유의 종류에 따라 방사기는 다릅니다.  

4) 방사드래프트 / Spinning drafte

화학섬유의 방사에 있어서 방사원액(용융방사에서는 용융물)이 방사금형으로부터 압출되어 수거 장치에 의해 수거되기까지 받는 인장의 정도를 말하며 섬유의 방사속도를 방사원액 (혹은 용융물)의 압출선속도로 나눈 값입니다. 비스코스레이온의 보통방사 드래프트는 1-2정도이지만 큐프라 등의 습식방사, 나일론 등의 용융방사에서는 수십 이상의 높은 값입니다.  

5) 방사성 / spinnability

고분자용액, 고분자 용융체, 콜로이드 용액 등이 섬유를 형성하기에 좋은 조건을 갖추고 있는 성질을 말합니다. 이들 액장에 막대를 넣은 후 이를 빠르게 잡아당기면 가늘고 연속적인 섬유가 만들어집니다.

이때 섬유가 잘 형성되는 것이 방사성이 좋은 것입니다.  

6) 방사액 / Spinning soulution

합성섬유 제조 때 방사기의 가는 구멍으로부터 응고용 속으로 압출되는 원액을 말합니다.

 

 

섬유에 대하여 좀 더 많은 정보를 원하신다면 아래 내용도 도움이 되실 것입니다.

 

 

간단한 섬유 번수법 : 실두께, 데니어(denier), 텍스(Tex), 번수('s)

 

방탄복, 방탄소재, 케블라, 스펙트라