부직포공학 전북대학교 유기소재파이버공학과 길명섭 mskhil@jbnu.ac.kr

제3장 Wet-laid web formation - 직경에 대한 길이의 비(L/D)가 300 이상인 섬유가 50% 이상 포함되어 있는 것 또는 직경에 대한 길이의 비가 300 이상인 섬유의 질량이 30% 이상이며 밀도가 0.4 g/cm3 이하인 것(CEN, ISO, EDANA) 2. Wet forming의 이론적인 기초 1) Flat wire machine • 작은 출구를 가지는 Flow box를 가짐 (slice로 불리) - 섬유/물 현탁액의 흐름을 조정

2) Bernoulli Balance(static, kinetic, potential energies balance) - 물의 밀도 ρ, 1과 2에서 압력을 P1과 P2, H는 flow box의 높이라고 가정하고 (이때 1에서 속도는 무시함) - 압력을 함께 묶고 속도 아래첨자를 무시하면, - Flow box를 열어 대기압으로 한다면, P1=P2 이므로 slice - Slice의 속도와 높이와의 관계식이 유도됨 - 여기서, Slice의 분출 속도는 forming wire의 속도와 잘 조합을 해야 함

• P1≠ P2 - 현대의 장비는 닫힌 flow box에 압축공기를 사용하여 P1을 증가시키므로 - 여기서 (P1-P2)를 ∆P로 놓으면 - 위의 방정식은 압축공기를 사용한 slice의 속도를 계산하는데 사용됨

2) 섬유/물 현탁액이 Slice에서 wire로 분출될 때 현탁액에 작용하는 힘 - 물은 배수되고 섬유는 forming wire에 쌓임 3) 섬유의 적층 (filtration과 thickening으로 구성됨) - 균일한 웹 구조를 얻기 위해서는 filtration은 최대로 하고 thickening은 최소로 해야 함

3. Wet-laid 부직포의 원료물질 1) 원료 가. Wet-laid의 중요 원료 - 천연 또는 재생 및 합성 섬유, 물 - 부가적으로 소량의 계면활성제, 바인더, 다양한 첨가제(기능성 부여) 나. 섬유가 갖추어야 할 조건 - 합성섬유는 짧은 섬유 길이(0.3-10 mm)와 섬도(0.1-6 dtex)가 요구됨 - 형태적으로는 섬유의 엉킴을 방지하기 위해서 크림프가 없는 재료가 선호됨

2) 섬유의 종류 가. 천연섬유 ① 나무펄프로부터 얻어진 셀룰로오스섬유가 선호됨 - 값이 싸고 종이생산 장비에 의한 공정 접근이 용이하며 좋은 불투명성과 화학반응을 부여할 수 있음 - 셀룰로오스 섬유는 층상구조를 가지며, 이런 이유로 섬유표면에서 작은 ‘fibril’를 제조할 수 있음 ② 셀룰로오스는 물에 서스펜션되면 쉽게 수소결합을 형성함 - 이러한 결합은 종이의 제조에 기초적인 바탕이 되지만 wet-laid 부직포 제조에서는 주의 깊게 제어하지 않으면 원하지 않는 종이류의 제품이 만들어짐 ③ 셀룰로오스 섬유를 대체할 기타 재료 종자섬유 면, 카폭, milkweed 과실섬유 야자 엽맥섬유 Abaca, sisal, pina 인피섬유 아마, 대마, kenaf, 저마

나. 인조섬유 • 천연섬유에 비해 크기 및 일관성 측면에서 균일성이 큼 - Biopolymer(셀룰로오스, 전분, 당)는 자연적으로 발생하는 고분자로 된 인조섬유임 - 합성섬유는 석유로부터 얻음 - 무기섬유는 실리카 또는 알루미나로부터 유리, 세라믹, 현무암섬유가 만들어짐 • 바이오고분자 섬유는 주로 셀룰로오스로부터 만들어진 재생섬유임 - Viscose rayon, cuprammonium rayon, cellulose acetate, cellulose triacetate - Carboxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, cellulose phosphate 등 - Wet-laid에서는 주로 viscose rayon이 쓰임

① Viscose rayon - Cellulose xanthate를 거쳐서 재생된 셀룰로오스 섬유임 - 용해된 셀룰로오스의 재생이 산성욕에서 일어나는 wet spinning(습식방사)로 알려져 있는 방법을 사용하여 제조하며 표면에 톱니모양을 나타냄 - 6 mm로 절단된 섬유가 적합하며 섬도는 1.7 dtex 정도에서 부직포에 적합한 물성을 나타냄 - Multilobal 횡단면 비스코스레이온이 사용되기도 함 ☞ 섬유가 가늘어지면 단위 부피당 더 많은 섬유를 가지며 부드러워짐 Hydroentanglement의 결합방법에서 가는 섬유는 더 쉽게 엉킴이 생기며 최종적으로 부직포의 강도가 크게 증가함

② Solvent spun cellulose - Wood pulp를 NMMO에 용해하여 제조하는 Lyocell이 해당됨 - 습강도가 비스코스레이온보다 크며 흡수성이 우수함(50%까지 팽윤함) - Lyocell은 물에 잘 분산되며 높은 modulus를 가지는데, wet-laying에서 상대적으로 긴섬유를 사용해서 웹의 강도를 높임 - 원형 단면은 섬유 간의 접촉을 높이기 때문에 젖은 웹의 응집력이 큼 ③ 폴리올레핀 - PP와 PE가 해당됨 - 소수성을 나타내며 0.94의 밀도를 가진 섬유는 표면에 뜨기 때문에 계면활성제 또는 분산제를 사용하여 다른 섬유와 블렌딩을 함

④ Synthetic wood pulp fiber(SWP fiber) - PE와 PP의 단독중합체 또는 공중합체를 사용하여 flash spinning하여 섬유를 제조함 - 길이와 구조, branched configuration이 wood pulp로 제조한 섬유와 유사함 - 길이는 주로 0.75-1.5 mm를 사용함 - SWP fiber는 종종 열적 결합용‘binder fiber’로 사용됨 ⑤ Polyester - 주로 Poly(ethylene terephthalate)(PET)가 쓰이나 Poly(trimethylene terephthalate)(PTT)가 사용이 가능함 - Eight-leg cross-section과 같은 특이한 구조는 높은 표면적을 나타내며 웹 안에서 유체의 자발적인 이동을 일으켜 흡수 부직포 제품으로 인기가 있음 - 폴리에스터는 인장강도와 화학물질에 대한 저항성, 섬유 길이의 분포가 작음 - 분산이 잘되도록 사용 전에 처리함

⑥ High-performance fibers - PEEK[poly(ether ether ketone)], PEI[poly(ether imide)], PPS[poly(phenylene sulphide)], Aramid - Surface veils, 내열성 웹, 난연성 구조재, 고성능이 요구되는 응용 분야에 사용됨 ⑦ Polyamide fibers - 나일론 섬유가 사용됨(인열강도(tear strength)가 요구되는 제품) ⑧ Polyacrylonitrile fibers - 높은 탄성계수와 인장강도를 가진 탄소섬유의 전구체임 - 물리적인 처리에 의해 피브릴화 섬유를 제조할 수 있음표면적이 증가하고 웹의 흡수성이 커짐

(a) 미처리와 (b) 피브릴화된 아크릴섬유

⑨ 무기섬유 - 무기섬유로 균일한 구조의 웹을 형성하는 방법으로 wet-lay 기술을 사용함 - 주로 절단된 glass strand(지붕재), microfiber glass(고효율 여과재), 세라믹(고온 방열재), 실리카, 알루미나, 코팅된 탄소섬유 등이 쓰임

4. 섬유의 준비 공정 [Fibrillation] [swelling] 1) 셀룰로오스 섬유 가. 물-섬유 혼합물의 제조 - 물에 무게비로 3-6%의 섬유를 넣어 서스펜션 상태로 준비됨 나. 혼합물의 특징 - 많은 셀룰로오스 분자 층으로 구성된 셀룰로오스 섬유가 Fibrillation(피브릴화)와 swelling(팽윤)을 일으킴 [Fibrillation] [swelling]

2) 인조섬유 가. 섬유의 선택시 유의점 ① 필라멘트 절단 시 결점이 없는 섬유를 선택하는 것이 중요함 ② 문제를 일으키는 섬유의 결점이 없어야 함 - 통나무 또는 막대기 형태: 분산이 안되고 배열된 절단 말단을 가진 섬유 집합체 - Dumb-bells: 하나 또는 그 이상의 장섬유가 붙은 섬유의 쌍으로 된 덩어리 - 로프: 배열이 안된 말단을 가진 섬유의 집합체

나. 문제를 일으키는 섬유 형태의 발생 원인 ① Log(통나무형태)는 섬유 공급의 문제이거나 초기 분산시 교반에 의해 만들어짐 ② Dumb-bell은 과도하게 긴 섬유와 배관에서의 장애로 발생 ③ Rope는 길이가 같은 섬유들이 소용돌이를 만났을 때 형성됨 다. 물-섬유 혼합물의 제조 - Wet-laid용 인조섬유는 젖은 상태로 절단되고 공급된 것이 적당한데 건조상태에서 절단된 섬유는 거품을 발생하기 때문에 방사유제를 최소화하거나 거품을 깨뜨리기 위하여 소포제를 사용하기 때문임 - 부직포에 남아 있는 소량의 소포제는 일부 제품에서는 바람직하지 못함 (액체필터 기재)

5. 웹 형성 공정 - 초기 wet-laid는 flat wire type과 cylinder mould type 제지용 기계를 사용하였음 1) 초기 장치의 문제점 ① Flat wire type은 wire section의 수압이 너무 낮아서 응집된 웹을 얻기 어려웠음 ② 초기의 wet-laid 제조 방식은 소폭을 가지며 낮은 생산 속도가 문제점임

2) 개선점 ① Flat wire machine은 같은 웹 무게와 생산 속도로 웹을 생산하기 위하여 wire상에 slice 흐름 제어가 중요함을 인식함 ② Wire section을 개선하여 wire에서 증가된 유량을 배출함 ③ Wire의 경사와 vacuum box를 설치하여 wire상의 배출 유량을 증가시킴 ④ Forming angle을 줄이거나 flow box를 확대함

3) 장치 가. Single-layer HydroFormer ① 수압이 닫힌 flow box에 작용하는 것이 특징임 ② 폭이 5.2 m이고 생산속도는 500 m/min 이상임 나. Double-layer HydroFormer ① 기재층을 먼저 만든 후에 상층 sheet를 형성함 ② 상층 sheet는 특별한 flow box에서 섬유-물 혼합물을 분리 공급하여 제조함 ③ 두 층간의 좋은 결합을 가짐 ④ 최종 부직포의 특성은 두 개 층의 조성 조합에 의해 결정됨

다. White-water circuit - White-water(백수) 순환 방법은 최종 제품의 여과 저항과 장치에서 사용할 수 있는 공간에 따라 선택해야 함 ① 열린 white-water 순환방법 - Flow box와 white-water 탱크의 수위가 탈수 챔버에서 최대 진공값을 결정됨 ② 닫힌 white-water 시스템 - White-water 탱크에서의 진공 변화에 따라 탈수 진공이 광범위하게 변화함

4) 다른 wet-lay 형성 기술 가. Cylinder mould machine - Forming wire가 실린더 주변에 감겨져 있음 - 섬유-물 혼합물은 cylinder가 설치된 vat 내부를 흐름 - 물은 실린더 위의 wire를 통해 배출되며 웹은 실린더 위에서 형성됨 - 웹은 진공박스가 설치된 transfer felt를 통과한 후에, 경량 press section과 건조부를 지나 권취됨

나. Rotiformer machine - 웹 형성부에 섬유-물 혼합물의 흐름을 조절하기 위한 특별한 흐름 분배기가 설치된 covered cylinder를 가짐 - 물의 배출 능력을 높이기 위하여 실린더 아래에 vacuum box가 설치되어 있음

다. Radfoam process - 기계적인 개선의 대안으로 첨가제를 사용함 - 첨가제는 suspending medium(물)의 점도에 영향을 미치며 섬유간의 인력과 반발력을 제공함 - 첨가제는 주로 natural gums이 쓰임 - 첨가제의 사용량이 많아지면 배출되는 물에 대한 문제와 기계 속도의 제한이 커짐 - Radfoam시스템은 거품 상태의 60% 공기가 포함된 섬유-물 혼합물을 사용함

라. Lystil OY(now Ahlstrom) process - Multilayer구조의 생산이 가능함 - 웹은 첫 번째 층이 wire에 형성되고 두 번째 층이 첫 번째 층위에 형성되며 세 번째 층은 먼저 형성된 2층 위에 형성됨 - 물의 배출은 forming wire 위에 미리 형성된 섬유 층의 밀도에 의해 좌우됨

6. Wet-laid 부직포의 결합시스템 1) 수소결합 - 셀룰로오스의 주요 결합방법 - 셀룰로오스의 hydroxyl groups사이에서 수소결합이 일어남 - 기타 다른 섬유에서도 충분한 웹 강도를 부여하기 위하여 수소결합이 사용됨

2) 라텍스 결합 가. 일반적인 특징 - Wet-laid에서 라텍스 에멀젼이 일반적인 결합방법으로 사용됨 - 라텍스 바인더 고분자의 선택은 웹의 부드러움, 강직성, 고무와 같이 유연한 특성을 결정함(예, ethyl vinyl acetate, acrylic, butadiene styrene copolymer) 나. 라텍스 결합 공정 - 라텍스 에멀젼이 wire에 공급되기에 앞서 섬유-물 혼합물에 희석하여 투입함 - 라텍스 에멀젼은 섬유-물 혼합물의 이온농도와 pH 조절을 통하여 파괴시켜 라텍스 입자가 섬유와 혼합되어 forming wire위에 쌓이도록 함 - 웹에서 물이 제거된 후, 건조장치인 drier train에서 curing하여 라텍스 입자가 섬유 사이에 가교되고 안정한 결합을 형성하도록 함

3) Thermal bonding 가. 일반적인 특징 - 선택된 온도에서 녹는 첨가제나 섬유를 포함하고 있는 웹에, 열을 가해 흐르게 하여 섬유간의 교차점에서 wet-laid web이 결합되도록 하는 방법 - 냉각 중에 바인더는 섬유 네트워크와 함께 결합함 나. 열적결합에 사용되는 섬유 - SWP(Synthetic wood pulp)와 PE섬유 - Copolyester나 PP/PE, PET/CoPET과 같은 이성분 바인더 섬유가 쓰임 - Side-by-side 또는 sheath/core 구조의 이성분 섬유 - 세라믹 (녹는점 1750 ℃) 또는 높은 녹는점을 가진 웹은 유리섬유 (녹는점 500 ℃)를 쓰기도 함

다. 이성분 열적결합의 장점 - 결합될 때 웹에 ‘hole’을 남기지 않음 - 더 높은 녹는점을 가진 성분이 웹의 전체를 구성하는 부분이 됨 - 젖은 상태에서도 웹의 강도를 유지함 4) Polyvinyl alcohol(PVA) 바인더 섬유에 의한 결합 - 일본에서 이용하며 일부는 다양한 온도에서 물에 녹음 - 웹 형성에 사용된 PVA섬유(80 ℃에서 용해)는 웹이 drying train을 통과하면서 웹에 잔류하는 물의 온도가 상승하여 섬유를 녹임 - 용해된 PVA는 냉각 중에 웹을 구성하는 섬유를 결합시킴

5) Hydroentanglement(spunlacing) 높은 에너지를 가진 수류를 사용하여 엉킴을 주는 방법 - 단독 또는 다른 결합과 조합하기도 함 - 단독 결합은 바인더가 투입되지 않아 웹의 뻣뻣함을 증가시키지 않고 좋은 물리적 강도를 얻을 수 있음 6) 무기바인더에 의한 결합 - 수계에서 섬유-물 혼합물에 무기 바인더를 투입함 - 액체의 pH 조절 및 이온 농도의 조절이 섬유의 분산을 용이하게 함 - 높은 온도 절연제로 사용됨 - 물에 녹은 aluminium sulphate는 산성용액이 되고 세라믹 섬유의 분산에 적합함

7. 가공 가. 가공이 필요한 이유 - 셀룰로오스 섬유를 포함하는 wet-laid 웹은 직접 외과용 랩으로 사용하기에 너무 뻣뻣해서 유연성을 부여할 필요가 있을 경우 - 난연성, 소수성, 친수성을 부여할 필요성이 있는 경우 나. 가공 방법 ① Micrex 공정 - 웹에 마이크로-크레이프(잔주름)을 만들 수 있음 ② Clupak 공정 - 늘림을 부여할 수 있으나 마이크로-크레이프는 아님

8. Wet-laid 기술의 특징 1) Wet-laid 기술의 장점 ① 깨어지기 쉬운 섬유의 가공이 가능 ② 등방성 섬유 배열 ③ 바인더가 최종 목적을 위해 선택될 수 있음 ④ 입자성분이 웹에 포함될 수 있음 ⑤ 소량의 섬유로 웹을 제조할 수 있음 2) Wet-laid에 사용되는 특수 섬유 ① Ceramics, zirconia, alumina ② 섬유 등급의 유리섬유와 마이크로 유리섬유 ③ 피치와 PAN으로 된 탄소섬유 및 nickel과 구리가 코팅된 탄소 ④ Carbon whisker와 silicon carbide ⑤ 아라미드와 페놀 섬유

9. 용도 1) 일반용도

2) Specialty wet-laid web의 용도(5-2000 g/m2) ① 밧데리 분리막 ② 동결 절연재 ③ 고온 절연재 ④ 화재 보호 제품 ⑤ 정전기 표면처리된 베일 ⑥ 전자파 차단 베일