[섬유공학실험]Polyester 직물의 알칼리 감량가공

실험 목적

polyester 섬유의 강직함을 알칼리 감량가공에 의해 강직함이 완화되고 드레이프성이 증가되는지를 알아볼 수 있다.

실험 이론 및 원리

1. 실험 개요

PET섬유는 현재 사용되고 있는 합성섬유 중 가장 많은 비중을 차지하고 있다. 이 섬유는 여러 가지 장점이 있으나 너무 강직하여 착용감이 떨어지는 단점이 있다. 생활수준이 높아진 현대사회의 소비자들은 단순히 실용성을 떠나 디자인이나 착용감을 매우 중시한다. 이러한 점에서 PET섬유는 적합성이 많이 떨어지지만 알칼리 감량가공을 통해 이러한 강직함을 완화하여 착용하기 편하고 태가 좋은 원단으로 거듭달 수 있다.

폴리에스테르 섬유는 알칼리에 의해 그 무게가 감소되는데 이것을 알칼리 감량가공이라고 한다. 직물을 더운 수산화나트륨(NaOH) 용액으로 처리하면 섬유의 표면이 가수분해되면서 용해되어 실과 실 사이의 간격이 커지고 드레이프성이 좋아지게 되어, 천연 견과 유사한 특성을 갖게 된다. 그러므로 폴리에스테르 직물을 NaOH로 처리해 봄으로써 폴리에스테르섬유가 NaOH와 반응할 때 어떠한 화학적, 물리적 특성변화를 갖게 되는지를 실험을 통해 습득한다.

 

2. 실험 배경

PET섬유는 착용할 때의 간편함, easy-care성, 열고정성 등의 장점을 갖고 있는 반면에 표면구조의 강직성으로 태가 천연섬유에 비하여 현저하게 떨어지고, 착용 중 정전기의 발생으로 건성오물이 흡착되어 때가 잘 타는 등의 단점이 있어 이를 개선하기 위한 꾸준한 연구가 이루어져 왔다. 이들 연구 중에서도 PET 섬유의 알칼리 감량가공이 태의 개선이나 드레이프성, 접착성, 다공성, 흡습성 등의 향상을 목적으로 널리 활용되고 있다.

PET섬유의 알칼리 감량가공은 섬유에 알칼리처리를 하면 PET표면에 가수분해가 일어나 표면이 용해되어 PET섬유의 본래의 경직감이 없어진다. 또한, 가수분해에 의해서 실이 가늘어져서 직물조직 자체가 느슨해지며, 드레이프성이 증가되고 견과 같은 태를 주게 되어 외관과 촉감이 전혀 다르게 변화한다.

알칼리 감량가공은 PET섬유의 대표적인 촉감 개선가공으로, 폴리에스테르 섬유의 표면을 알칼리( NaOH 수용액)로 섬유 표면에서부터 폴리에스테르 섬유를 가수분해하여 폴리에스테르 섬유가 가늘어져 5∼40% 감량시켜, 견과 유사한 촉감을 나타내며 부드러운 촉감을 내게하며 드레이프성이 증가하게 하는 가공이다. 또한 알칼리 감량후에는 폴리에스테르가 유연해 질뿐만 아니라 광택이 고급스러워지며, 원래 흡습성이 거의 없었으나 감량 가공후에는 흡습가공이 한결 쉽게 이루어 지며, 감량공정을 거친 후에는 과거에 비해 정련에 의한 사고나 염색 얼룩 등의 사고가 눈에 띄게 줄어들었으며 작업성이 향상되었다. 

폴리에스테르 알칼리 감량 가공은 1949년 영국에서 시작하셔 1970년대 중반부터 일본에서 공업화 되었으며, 지금은 폴리에스테르 가공의 대표적인 기술로 자리잡았다. 현재 일본이나 국내에서 제조되는 폴리에스터의 강연사 직물은 대부분 이 가공이 이루어지고 있으며, 강연사 직물의 염색 가공에 있어 가장 중요한 가공의 하나이다.

 

3. PET

폴리에스테르 섬유는 “2가 알코올(HOROH)과 테레프탈산(p-HOOCC6H4COOH)의 에스테르를 적어도 85% 함유하는 합성고분자로부터 제조된 섬유”로 정의 된다. 

현재 사용되고 있는 대부분의 폴리에스테르 섬유는, 선상고분자인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(poly(ethylene terephthalate), 즉 PET로부터 만들어지기 때문에 보통 폴리에스테르 섬유라 하면 PET섬유를 지칭하는 것으로 인식되고 있다. PET는 다음과 같은 분자 구조식을 가진다.

4. 감량가공의 감량률

위의 그림에서 알 수 있듯이 Poly(ethylen terephthalate)의 repeat unit 하나의 molecular weight는 40g이므로, 이론적 감량률 W(%)는 다음과 같이 구할 수 있다.

 

이론적 감량률(W%) = 192× (NaOH의 사용량(o.w.f %)1)/ 2)×40

 

이러한 방법으로 얻어진 이론적 감량률은 실제 가공사의 감량률과 차이를 보이는데, 그 이유는 크게 구조적인 측면과 가공적 측면으로 나누어 생각할 수 있다.

① 구조적인 측면

- 소중항체로 떨어져 나온 것은 더 이상 침해를 받지 않는다.

- 분자사슬이 절단은 되었지만, 분리되어 나오지 않는다.

 

② 가공적인 측면

- 원단의 상태 또는 전처리 공정의 영향

- 감량가공 후 염색공정에 미치는 영향

 

주 1) o.w.f(%) : 염료 또는 조제의 사용량을 가공 또는 염색의 대상이 되는 시료의 중량 %로나타내는 것.

 

5. 알칼리 처리조건과 감량률

알칼리 감량가공에 영향을 주는 요인은 매우 다양하다. 폴리에스테르 섬유의 실의 형태, 권축처리여부, 직물의 밀도, 조직에 따라 알칼리와 접촉하는 섬유의 표면적이 달라져 감량속도에 차이가 생긴다.

또한, 광택의 정도, 단면의 모양(원형/이형)에 따라서도 다른 감량효과를 보인다. 일반적으로 감량률에 가장 중요한 영향을 미치는 요인은 처리온도, 처리시간 및 NaOH의 농도이다. 또한, 반응촉진제의 병용 또한 매우 중요하다 할 수 있다.

 

6. 강연도

강연성이란 뻣뻣함과 부드러움의 정도를 나타내는 것으로, 드레이프성, 촉감 및 의복의 형태에 영향을 미치며, 의복을 착용하고 세탁을 되풀이함에 따라 강연성이 변해 의복의 외관에 변화를 가져오기도 한다. 강연성은 섬유의 초기탄성률에 일차적으로 여향을 받는데, 마나 견 등은 비교적 초기 탄성률이 큰 강직한 섬유이고 양모, 나일론, 아세테이트 등은 초기탄성률이 작은 유연한 섬유이다. 그러나 경연성은 이외에도 실의 특성과 옷감의 구성방법에도 영향을 받는다. 

즉 섬유와 실이 자유롭게 움직일 수 있으면 부드러워지나, 섬유와 실이 구속되어 움직임이 자유롭지 못하면, 뻣뻣해진다. 그래서 편성물은 직물에 비해 부드러우며 부직포, 펠트, 접착포 등은 뻣뻣하다. 또한 가공에 의해서도 영향을 받는데 수지가공은 직물 내에서의 섬유와 실의 움직임을 구속해 직물을 뻣뻣하게 만드는 반면, 폴리에스테르 직물의 알칼리 감량가공은 직물 내에서의 섬유와 실의 움직임을 자유롭게 해 직물을 부드럽게 만든다. 직물의 강연성 측정에는 컨틸레버법과 하트 루프법이 많이 사용되고 있다.

실험 기구 및 시약

1. 실험 기구

항온수조, 스테인레스 스틸틀, 오븐, 핀셋, 캔틸레버, 비커, 메스실린더

 

2. 실험 시약

Ployester, NaOH용액, 합성세제

실험 방법

1. 알칼리 감량가공

PET 직물을 교반장치를 가진 항온수조에서 500㎖(25g+물475㎖) NaOH용액으로 80℃에서 60분간 처리한 후 0.2% 합성세제로 액비 200:1 로 40℃에서 10분간 alkali soaping 하고 증류스로 충분히 씻어 키친타올로 닦고 10분동안 오븐에 건조 하였다. 이때의 감량율을 계산하여라.

 

감량률(%)=(알칼리 감량가공 전의 무게- 알칼리 감량가공 후의 무게)/알칼리 감량가공전의 무게×100

 

2. 강연도 측정

포의 강연도는 촉감이나 유연성 또는 드레이프성과도 관계가 있는 성질로 옷의 태를 좌우하는 중요한 인자이다. 따라서 옷을 만들 때 옷의 디자인에 따라 적당한 강연도를 갖는 포를 선택할 필요가 있다 구성 섬유에 따라 강연도가 달라지기도 하지만 실이나 포의구성 방법에 더 큰 영향을 받고 가공에 의해서도 달라진다.

 

1) 켄틸레버(Cantilever)법

① 시료는 2.5㎝×15㎝로 준비한다.

② 경사 방향과 위사 방향의 시험편을 각각 준비한다.

③ 시험편의 무게(W)를 측정한다.

④ 시험편의 표면을 위로 하여 시험편의 한쪽 끝과 파지구의 앞 끝이 일치하도록 시험편을 물린다.

⑤ 시험편 파지구는 한쪽 끝을 자의 눈금 0과 일치하도록 상부 평면 위에 놓는다.

⑥ 시험편 파지구를 시험편의 앞, 끝이 경사면에 닿을 때까지 밀어내어 밀어낸 길이(L)를 자의 눈금에서 읽고 기록한다.

⑦ 시험편이면 시험도 동일한 방법으로 행한다.

⑧ 다음의 식을 이용하여 강연도를 계산하다.

Sd = L/2

Sd : 드레이프 강연도(Drape Stiffness)(㎝)

L : 밀어낸 길이(㎝)

 

토의 사항

1. 실험 고찰

우리가 자주 입는 옷에는 폴리에스터가 많이 혼용되어있는데 그 폴레에스터가 원래 단단하고 강직한 직물인 줄은 모르고 있었다. 그래서 이번 실험에 의해서 우리가 현재입고 있는 폴리에스터직물들이 모두 알칼리 감량가공되어 있다는 것을 알게 되었다. 이번 실험은 특별히 어려운 과정들이 없어서 쉽게 진행 할 수 있었다. 

주의 상황으로는 NaOH용액에 PET직물을 60분간 넣어둘 때 80℃로 온도가 유지되어야 했는데 계속 온도계를 체크하고 온도가 내려가거나 올라가지 않도록 신경을 써주었다. 마지막으로 강연도를 측정할 때 아무것도 처리하지 않은 폴리에스터 같은 경우에는 강연도가 알칼리 감량가공한 것보다 더 높게 나왔다. 알칼리 감량가공한 폴리에스터는 강연도가 전보다 떨어지는 것을 알 수 있었다. 

폴리에스터 직물에 알칼리처리를 하면 표면에 가수분해가 일어나서 표면이 용해되어 본래의 경직감이 없어진다. 그럼으로써 강연도가 낮아지고 직물조직이 느슨해지고 드레이프성이 증가된다. 그리고 실제로 폴리에스터를 만져보고 당겨봤을 때 옷의 태나 촉감이 좋아지고 강직함이 적당해 진 것을 알 수 있었다.

 

참고 문헌

1. 의류소재의 이해와 평가-의류시험법, 김은애 외, 교우사, 1997, p.64~67

2. 섬유제품의 품질평가와 이해, 유독환 외, 형설출판사, 2000, p.40~42