부직포공학 전북대학교 유기소재파이버공학과 길명섭 mskhil@jbnu.ac.kr

제2장 Dry-laid 웹 형성 도입 - 건식 웹은 carding, garnetting, airlaying을 이용하여 단섬유가 단위 면적당 무게가 균일한 웹이나 batt(솜뭉치)를 제조하는 공정임 [찾아보기] Garnetting은? [그림] 소면공정

[그림] Garnetting공정 [그림] Airlay 공정

2. 소면용 원료의 선택 1) 주요 원료 폴리에스터: 많은 제품의 응용에 적합하고 가격이 저렴함 폴리프로필렌  내구성이 요구되는 제품(바닥커버, 토목합성재료)  일회용 위생용품(니들펀칭 여과재, 경량 열적 결합 부직포) 비스코스레이온: 높은 공정 수분율을 가짐  의료 및 위생용품 2) 소면공정의 특징 - 소면 공정은 단섬유의 종류에 영향을 받으며 고분자 외에 유리와 세라믹 재료도 적용 가능함 - 정전기, 낮은 섬유 대 섬유 결합력, 낮은 섬유 신장(최소값은 2-5%) - 소면시 가해진 힘은 섬유의 절단 및 영구적인 섬유 신장을 일으킴

소면에 적합한 섬유의 치수  섬유 선밀도: 1-300 dtex  섬유장: 15-250 mm 섬유를 혼합할 경우에 소면에 사용할 수 있는 섬유장 및 섬도를 확장할 수 있음 인조섬유는 면섬유(<60 mm)와 동일한 크기로 절단하여 단독 또는 혼섬을 통하여 소면을 함 3) 면의 소면 - 표백된 면과 비스코오스레이온으로 구성된 28-45 mm의 단섬유를 이용하여 여성용 위생제품 및 의료용 흡수제를 제조함 4) 재료의 영향 - 섬유의 특성은 부직포의 성질 및 공정에도 영향을 미침 - 섬유 지름, 섬유 길이, 섬유 강력, 섬유 가공과 크림프는 웹의 중요한 품질 인자인 웹의 결합, 섬유 절단, nep 형성, 균일한 웹 무게에 영향을 미침 [찾아보기] Crimp?

- 크림프는 소면공정에서 가해진 힘과 온도에 의해 사라짐 5) 가공제의 처리 - 섬유의 가공제인 정전기방지제는 폴리프로필렌과 같은 소수성 섬유의 소면시에 중요함 - 다양한 섬유 가공제가 다운스트림 공정과 최종 사용자의 요구에 따라 다양하게 도입될 수 있음 - 예를 들어, 표면에너지를 조절하여 젖음성을 개선하던지, hydroentanglement 공정에서 거품 발생을 줄이던지, 일회용 제품에 생분해성 도입할 때 가공제를 사용하기도 함 - 또한 섬유의 수분율을 조정하여 정전기를 낮추거나 흡수성 섬유의 강도 조절을 위하여 가공제를 사용하기도 함

3. 섬유의 개섬  개섬의 이유 - “잘된 개섬은 소면의 절반에 해당한다” 섬유다발을 개개의 섬유로 그리고 균일한 웹으로 만들기 위해서 원재료에 소면을 하면 할수록 섬유의 절단, nep의 형성, 저품질 웹이 만들어짐  개섬의 이유 - “잘된 개섬은 소면의 절반에 해당한다” - 개섬과 혼섬은 소면에 사용된 천연섬유가 계절과 환경요소에 의해 공정에서 제어가 어렵기 대문에 섬유 배치간의 불균일을 해소하기 위하여 도입된 것임 - 천연섬유의 불순물을 제거하기 위함 - 조밀하게 프레스로 묶여진 bale형태로 공급된 섬유들은 소면 공정에 앞서 개섬을 필요로 함

- 하지만 너무 잘된 개섬은 부피가 큰 섬유 다발 형태가 되며, 이렇게 저밀도의 섬유다발은 소면공급기의 최대생산속도를 낮추는 문제를 야기함 - 개섬된 섬유의 부피는 섬도, 크림프, 강성(stiffness)에 달라짐 - 개섬공정은 섬유의 절단을 최소화하면서 개섬의 정도를 최대로 하는 것이 중요하며 이를 위하여 섬유의 종류, 섬유다발의 밀도를 고려하여 최적의 개섬 공정 및 장비를 선택해야 함

Bale breaker - 목적: Bale을 기계처리가 가능한 clump(덩어리)로 파쇄하고 개섬기로 일정한 재료 가 공기에 의해 공급되도록 하는 것 - Bale breaker hopper feeder: 부직포 생산라인에서 섬유투입의 첫 부분

2) Bale pickers - 면방에서 주로 사용되는 것으로 bale breaker와 같은 역할을 함 - Bale열이 이웃하게 일직선상에 놓여지고 픽킹장치가 베일의 상부를 횡단하여 진행하면서 정확한 비율로 균일한 작은 tuft들을 bale에서 떼어냄 - 베일 픽커의 안쪽 축위에 설치된 스파이크 롤러의 회전으로 베일 상부의 tuft가 떼어짐

3) Fiber openers - 부직포 제조에 사용되는 개섬기는 짧은 단섬유 면과 양모 생산에 사용된 것이 발전된 형태임

Single roll opener: 폴리에스터용 Multi-roll opener: tuft들이 더 많이 엉켜있는 면이나 비스코스레이온에 적합함 개섬에서 가장 중요점은 섬유의 엉킴과 tuft 밀도임

- Tuft의 직경의 감소는 다른 섬유의 균일한 혼합을 증가시켜주며 불순물이 쉽게 제거됨

4. Mixing and Blending  혼섬의 목적(배치간의 편차를 줄이기 위한 균질성 확보) - 혼섬은 다른 섬유의 종류, 치수가 다른 섬유를 섞음  물리적인 성질 조절, 원가를 최소화 - 원료염색섬유(stock dyed fibers), 원액착색섬유(spun dyed fibers)를 섞음  특별한 색감과 은은한 효과(shade effect)를 주기 위함 부직포의 최종 물성은 블렌드 조성에 중요한 영향을 미침 - 혼섬 불량은 제조공정과 품질에 영향을 미침

Multi-hopper systems - 호퍼는 섬유의 무게를 재고 컨베이어로 미리 계산된 양의 섬유를 공급함

2) Metal detection - 목적: 철사, 스크류, 기계부품, 스파이크(spike) 등을 섬유에서 제거하기 위함  소면기 내로 금속물질의 유입은 장치의 치명적인 손상을 일으킴 - 방법: 강력한 자석을 이용하는 ‘Magnetic hump’방법에 의해서 제거함 - 설치: 대부분의 호퍼공급기는 spiked apron위에 자석이 가로로 설치되어 있음 또한 card feed apron 또는 card feed roller에도 설치됨 [찾아보기] Apron?

3) Fiber lubrication과 spray systems - 정전기를 방지하는 윤활제 또는 보조제를 섬유에 처리함 - 스프레이 시스템이 적용됨 스프레이 시스템에 의해 물을 뿌려주면 혼섬과 개섬이 용이하도록 도움 4) 수분율의 영향 - 소수성 섬유인 PET나 PP의 경우, 상대습도가 낮을 때에 소면 공정 중에 정전기를 발생함 - 면은 수분율이 증가함에 따라 절단강도가 증가함 - 비스코스레이온 또는 흡습성 섬유는 수분율이 증가하면 절단강도가 낮아짐 - 수분율은 절단신도 및 마찰에도 영향을 미침 - 자동 수분보급은 물을 스프레이 하거나 생산속도를 제어함으로써 이루어짐 - 수분율은 공정 중에서 높은 생산속도와 정전기 발생 억제로 생산성을 높임 - 제품이 무게로 판매될 때 정확한 수분율을 유지하는 것이 거래에 매우 중요함

5) Multimixer - 각각의 사이로(silo)가 교대로 섬유가 공급되도록 합쳐진 장치 silo

6) Buffer zones - 균일하고 연속적인 섬유의 흐름을 위하여 임시로 저장을 하는 곳 - 전송로울러(delivery roller)가 있는 silo형태임 7) Cleaning systems - 섬유로부터 불순물, 탈색섬유, 베일묶음 물질 등을 섬유로부터 제거함 - 중력이나 원심력에 의해 광물질 불순물을 제거함 - 탈색섬유는 칼라 인식카메라와 노즐의 작용에 의해 제거됨

5. 소면: 작동과 제거원리 소면의 목적: 단위면적당 균일한 무게의 균질 웹을 형성하기 위하여 섬유를 혼합하거나 엉킴을 풀어주는 것 소면은 Toothed roller의 상호작용에 의한 섬유의 개섬과 적층을 통해 이루어짐 Carding의 원리는 ‘Working’과 ‘Stripping’임 - Central cylinder, smaller satellite rollers(worker와 stripper로 구성) - Worker와 stripper는 쌍으로 구성되며 cylinder주위에 위치함

- Worker roller의 teeth는 cylinder teeth와 반대로 배열되어 있음 Working의 원리 - Worker roller의 teeth는 cylinder teeth와 반대로 배열되어 있음 - Worker는 cylinder에 반대방향으로 회전함 - Cylinder는 섬유를 분배하고 worker쪽으로 전달함 - 일부 worker teeth에 잡힌 섬유 뭉치(tuft)는 다시 cylinder에 잡히기 때문에 분리와 소면작용이 각 roller가 회전함에 따라 이루어짐 worker cylinder

Worker teeth가 cylinder로부터 섬유를 모으는 효율이 가장 높을 때는 teeth가 비어있을 때임 Worker가 빠르게 회전할 때는 carding의 효율을 높이며 반대로 느리게 회전할 때는 mixing의 효율을 높임 Carding과 mixing은 균형을 이루어야 함 대개 multiple worker-stripper쌍이 이용됨

2. Stripping의 원리 - Worker에 의해 잡힌 섬유는 roller가 회전함에 따라 주위를 회전함 - Worker teeth가 다시 cylinder에 만나기 전에 섬유들이 제거되어야만 함 - ‘Stripper’는 worker로부터 섬유를 제거하여 cylinder로 다시 섬유를 되돌리는 역할을 함 - Stripper의 teeth는 worker위의 teeth ‘badk’과 상호작용해야 함 - 섬유는 Cylinder위에 teeth에 의해 stripper로부터 제거되며 cylinder teeth는 stripper teeth의 ‘back’과 상호작용해야 함

3) 소면기 roller사이의 작용  소면기 roller사이의 ‘working’에 영향을 미치는 요소 - Worker와 stripper의 거리  Worker와 stripper의 pick-up 거리보다 길이가 긴 섬유는 동시에 양쪽 roller에 잡혀 섬유의 절단이나 회전이 일어나 nep을 형성함 - Worker와 stripper의 위치 - Cylinder, Worker, Stripper의 teeth의 회전 방향 - Worker의 회전속도  회전속도가 빨라지면 cylinder에서 제공하는 섬유의 양이 감소함 Carding의 효율은 비어있는 teeth/들어온 섬유의 비가 커지면 증가함 여러 개의 Worker와 cylinder의 계속되는 섬유의 분리와 적층이 효과적인 섬유의 혼합 을 만듬

6. Roller operation Doffer의 기능은 cylinder로부터 섬유를 벗겨내어 연속상 웹을 생산하는 것임  섬유를 웹 구조로 합함 일종의 큰 지름을 가지는 worker와 동일함 Doffer의 속도가 빠르면 더 많은 섬유를 cylinder에서 이송시킬 수 있음 적당한 doffer wire의 디자인, doffer의 회전속도, 섬유의 이송량이 중요함

Multiple doffers - Double doffer가 cylinder로부터 섬유 이송 효율을 증가시켜서 높은 생산 속도를 달성하게 함 - Double doffer가 사용될 때, 두 웹의 구조와 균일함에 차이가 발생하여 최종 부직포의 물리적 성질에 영향을 줌 - 이것을 해결하기 위하여 cylinder와 doffer의 간격을 다르게 설정하고 지름이 다른 doffer를 사용함  Top doffer는 cylinder와 접촉 원호를 적게 함

2) Transfer rollers - 소면기에서 하나 이상의 cylinder를 사용할 때 transfer roller를 사용함 - Stripper와 동일한 작용을 하며 다음 cylinder로 섬유를 이송함 - Transfer roller의 회전속도는 cylinder보다 빠름 - 두 cylinder사이의 표면속도를 점차 증가시켜 엉킨 섬유 tuft가 큰 외력을 받지 않도록 하여 섬유의 절단이나 nep의 형성을 억제함

3) Operation of card feed rollers - 소면공정의 처음 부분으로 기계 안으로 섬유를 공급하는 것이 목적임 - Feed roller와 licker-in 사이에서 섬유의 가장자리를 밀착시켜 licker-in에 의해 섬유의 tuft가 빠르게 빨려 들어가는 것을 방지함 - Licker-in은 teeth를 이용하여 천천히 회전하는 feed roller로부터 섬유를 받음 - Feed roller의 섬유가 쌓이는 것은 막기 위하여 ‘clearer roll이 사용됨

4) Dish feed - Feed roller를 대신하여 사용함 - 짧은 섬유들에 주로 사용됨

5) Web doffing and web structure modification - 다른 roller 배열을 사용해서 웹의 등방성을 증진시켜 인장강도를 높임  Parallel or Parallel-laid web: 이방성 웹을 생산함(MD:CD=5:1이상) - Randomiser or scrambling roller: MD:CD의 비를 거의 1에 가깝게 함  섬유의 배열을 방해하여 randomised 또는 scrambled web을 만듦  웹이 소면기를 떠난 직후 결합되는 경우에 주로 사용함(Thermal calendar bonding)

Condenser roller: condenser roller의 속도가 앞선 doffer의 속도보다 느리므로 doffer를 떠난 섬유가 갑자기 속도가 느려져 condenser roller에 압축되거나 박힘  3차원 압축구조를 만듬  소면기의 생산능력을 낮춤 - Scrambler와 condensing roller는 MD:CD를 1로 만들기 위해 조합해서 사용함

- 부직포 소면기에서 웹을 제거하기 위하여 fly-comb를 사용함 6) Web removal system - 부직포 소면기에서 웹을 제거하기 위하여 fly-comb를 사용함 - 생산속도가 증기하면 ‘roller take-off’가 사용됨 - 때로는 roller와 comb를 조합해서 사용함 - Roller doffing system  Fluted roller와 흡입 시스템을 연결하여 사용함 [fluted roller]