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부직포공학 전북대학교 유기소재파이버공학과 길명섭
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제1장 부직포 산업 7. Carding clothing(침포)
금속 침포가 주로 사용되며 소면공정을 향상시키기 위해 새로운 디자인이 개발됨 - 새로운 섬유의 도입, 소면생산공정 속도 증가, 웹의 품질 향상 등에 따라 침포의 디자인이 다름 - 침포는 섬유의 성질 및 치수, 소면공정 배열, 설정 및 생산속도에 따라 선택함
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Tooth depth - 길이 D(tooth의 working depth)는 point의 팁으로부터 mouth의 바닥까지의 거리이며 와이어의 체류 용량을 결정함 Working depth는 와이어가 감긴 roller의 loading(충진) 용량에 영향을 미침 Tooth depth가 큰 와이어는 섬유의 충진이 많은 roller에 사용됨 예) Worker, doffer 섬유의 충진이 많지 않아 tooth depth가 낮은 roller는 cylinder와 stripper임 Tooth depth는 섬유의 지름과 길이에 따라 선택함 길고 거친 섬유는 더 큰 tooth depth를 필요로 함 - F는 ‘free-blade area’이며 mouth의 바닥에서 shoulder 표면까지의 공간임 이 공간은 와이어에서 섬유 움직임의 자유도 및 공정의 공기역학에 영향을 미침
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Worker가 낮은 각을 가지는 경우, cylinder에서 worker로 더 효과적으로 섬유를 이송함
2) Wire angle - Front(leading angle)과 back(trailing angle)이 있음 Front angle은 tooth가 상호작용하는 roller로부터 섬유를 잡는 양, 섬유의 체류, 이송량 에 영향을 미침 Cylinder의 front angle은 70-80도임 Worker가 낮은 각을 가지는 경우, cylinder에서 worker로 더 효과적으로 섬유를 이송함 worker cylinder
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Back angle: 소면 와이어 충진 성질과 tooth의 전체 강도와 관련됨
높은 back angle는 충진 성능을 높이므로 worker나 doffer에 사용됨 Point density 섬유의 종류나 섬유 치수에 의해 결정됨 단위는 points/in2 섬유의 지름이 감소하면 tooth의 수가 증가함 Point density=pitch(P) x row의 수
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Point profile Tooth point 디자인은 섬유 내로 point의 투과와 금속과 섬유의 마찰, tooth의 강도와 레질리언스에 영향을 줌 Needle-point는 tooth와 섬유사이의 마찰접촉을 최소화해야 함 그림 2.21에서 Y는 tooth의 두께이며 X(land area)는 길이임 Land area는 tooth의 지지하며 강도를 보강하나 금속과 섬유의 접촉 면적에 영향을 미쳐 마찰특성에 관여함
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8. Card와 Garnett machine 배열
- Carding machine은 만족스런 web이 형성될 때 까지 연속적으로 반복함 - 미국에서는 소면기를 ‘Card’보다는 ‘Garnett’로 부름 - Garnetting의 목적은 폐기된 실 또는 직물을 분해하여 어느 정도의 균일한 web을 만드는 것임 - Worker와 stripper는 같은 지름을 가지나 card와 다른 위치에 설치됨
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9. Card feed control, weight measurement and other control systems
□ Cylinder, worker, doffer에서 섬유의 량은 웹의 균일성과 질에 영향을 미침 - Nep formation과 섬유 절단 □ 섬유의 공급량을 조절함으로써 웹 무게의 균일성도 증가시키고 상당한 양의 섬유도 절약하여 생산 가격 효율을 증가시킬 수 있음 □ 무게를 제어하기 위한 시스템 - Microprocessor controlled weigh-pan system - The microweigh XLM system은 수분조절시스템을 갖춤(수분함량이 최종 제품의 무게를 불균일하게 함)
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- Volumetric chute feed systems
- Electromagnetic radiation system - Weigh platform : Chute delivery roller와 card feed roller 사이에 위치 - Weigh-belt system : 장구간 무게 조절기 - Roller weighing system : 단구간 조절과 weigh-belt system의 장단점 보완
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1) On-line basis weight measurement
- 웹의 평량(basis weight)은 gamma backscatter, 근적외선, beta transmission 센서를 이용하여 측정 - 웹과 직물 스캐너가 closed loop weight-control system에 설치됨 - 조정: Card feed roller, card와 cross-lapper의 속도 조절 2) Cross-machine direction(CD) controller - Chute안의 공기흐름(압력)을 조절해서 섬유의 분포를 조절함
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10. Cross-lapping □ 통합 웹 형성 시스템의 연속 웹 이송 장비의 하나
□ 웹은 웹 공급에 수직으로 작동되는 컨베이어 위에 옆으로 적층됨 - 4-15층으로 구성됨 □ Cross-lapped batt의 무게는 g/m2 □ Cross-lapping하는 동안 소면기에 수직으로 기계는 이송하고 있으므로 섬유는 CD에 가까운 배열을 가짐 - 웹의 투입과 송출 표면 속도비에 따라 달라짐 Bottom lattice conveyor
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□ Short web path cross-lapper
- Higher lapping speed와 웹의 방향 전환을 최소화함 □ 구멍이 뚫린 컨베이어 apron의 사용 - 불필요한 공기의 흐름을 줄이기 위하여 공기의 배출을 허용 □ 정전기 방지 apron의 사용 - Lap을 일으키는 apron에 섬유의 부착 방지, 웹의 절단, 생산 정지 및 batt 불균일 최소화
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Profiling cross-lapper
- Cross-lapping으로 발생하는 폭 방향 무게 편차에 대응하기 위하여 사용함 - Density control 이나 contour distribution을 profiling대신 쓰기도 함 - 컨베이어들 간의 drafting이나 condensation, web laydown에 의해 웹을 조절함 - 가장 생산성이 높고 고속인 lapper는 웹이 한번 turn하는 short path를 적용
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11. Batt drafting □ Batt drafter는 cross-lapped batt 형성 후에 기계 방향에서 섬유 배향을 증가시키기 위하여 사용함 □ Geotextile과 같은 등방성 강도와 갑작스런 강도가 요구되는 용도에 특히 중요함 □ Nipped roller drafting unit의 시리즈로 구성됨 - 기계의 전폭 방향에 설치됨 □ 원리적으로는 MD/CD의 강도를 조절하지만 웹의 밀도, 두께, 투과성 등의 구조적 특징 에도 영향을 줌
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12. 수직으로 lapped 웹의 형성 □ 수직으로 lapped 부직포는 자동차의 foam 대체재, depth 여과 매체, 방열소재로 사용됨 □ 아코디언과 같이 수축된 3차원 구조 - 결합된 후에 압축으로부터 높은 회복력을 나타냄 □ 섬유 브렌드의 조성, 접힘 주기, 접힘 배열 등이 최종 부직포에 영향을 줌
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□ 우수한 압축 저항성과 탄성회복력을 보임
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□ Wavemaker system(Santax, 이탈리아)
- 앞선 Struto system보다 생산속도가 빠름
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□ Struto system과 Wavemaker system의 접힘 구조 차이
□ 미리 만들어진 그물망 모양의 직물들을 위아래에 위치시켜 복합직물 구조를 형성함
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13. Airlaid 웹 형성 □ 건식 laid 웹 형성 공정 □ 주요한 특징 ◌ 장점
- Isotropicity(등방성)이 가장 큰 특징: MD/CD≒ 1(random laid로 부르기도 함) - 부피감과 낮은 밀도를 가진 high-loft 구조를 가진 3차원 구조 - 다양한 섬유 종류에 상용성이 좋음 (세라믹, 금속, 탄소섬유, 멜라민, 아라미드 등 기타 고성능 섬유까지 포함) - 부직포의 균일성이 웹 형성 전의 개섬과 단섬유로 분리에 영향을 받음 - 관의 벽에서 공기 흐름의 불균성이 웹 구조에 편차를 줌 - 공기 흐름에서 섬유의 엉킴이 웹의 결점을 만듬
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원료 □ Wood 펄프와 천연섬유 펄프의 성질에 영향을 미치는 주요인자 - 나무 종류 - 펄핑 공정(기계적 도는 화학적 공정) - 섬유 길이, 섬도, 섬유의 뻣뻣함 가는 펄프 섬유: 유연성, 흡습속도, 인쇄성이 좋음 거친고 긴 섬유: 총 흡습도와 높은 기공성을 가지는 벌크한 직물 구조 탄성이 좋음 □ 인조섬유 천연고분자기반 섬유(재생 셀룰로오스 섬유) - 비스코스레이온, 텐셀 - 친수성이고 나무펄프에 해당하는 흡수성을 가짐 합성고분자기반 섬유(PET, PA, PP, PE) - 소수성이 많고, 젖은 상태에서 벌크성을 유지하는데 효과적임 - 높은 젖음 강도, 내구성과 강도를 증가시킴
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□ Superabsorbents polymers(SAPs)
특징 - 파우더, 그래뉼, 비드, 섬유 등으로 사용됨 - 액체를 보유할 능력을 증강하는데 쓰임 - 보통 나무펄프섬유보다 몇 배 정도 액체를 흡수할 수 있음 - 직물이 압축될 때도 저장된 액체를 담고 있는 기능을 가짐 SAPs를 포함하는 웹의 결합은 열적결합 또는 라텍스 결합 방법을 이용 SAPs섬유가 파우더보다 유리한 이점 - 흡수가 빠름 - 구조 안에 잘 합쳐지고 이동하지 않음 - 섬유를 포함하는 부직포는 유연하고 부드러움 - 에어레이드 공정에서 잘 합쳐지고 고정됨
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□ 섬유의 준비 에어레이에서 개섬되고 개별화된 섬유를 에어스트림에 투입하는 것이 중요함 - 개섬(opened fibers): 엉킴 밀도가 높은 clump, tangles, knots 등이 없는 섬유 집합체로 섬유들 사이에는 마찰 상호작용을 함 - 개별화된 섬유(individualized fibers): 섬유와 기계적 또는 마찰 상호작용을 하지 않음 섬유의 개섬과 개별화를 위한 분리는 fine opener, vibration chute feed, open section 으로 구성된 feeding unit을 사용함 - Opening section은 pinned or saw-toothed roller, worker-stripper roller가 있음
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13. Airlaying 기술 □ Air-fiber mixture
□ Opening unit에서 웹 형성 section까지 섬유의 이송 방법 - Free fall - Compressed air - Air suction - Closed air circuit - Compressed air와 air suction시스템의 조합
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□ 원료에 따른 Airlaying 기술의 분류
섬유길이가 >25 mm 이상 섬유길이가 <25 mm 이하나 나무펄프(1.5-6 mm) □ Airlaying은 램덤 섬유 배열을 가진 웹을 형성함 □ Airlaying은 경량이면서 등방성 웹의 고속생산에 매우 유용한 방법 1) Rando-webber - Aerodynamic web-forming method - 3 부분으로 구성: Opening and blending, feeding, web forming - Licker-in에서 transport duct로 개섬된 섬유의 이동은 고속의 에어스트림과 원심력(licker-in의 회전속도)에 의함 - Cylindrical condenser와 상대적으로 작은 폭을 가지(2 m 이내)
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2) 브렌드된 컴포지트 웹 구조용 airlaid 공정
만듬 - 2개의 licker-in과 rotary feed condenser 조합을 가짐
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3) Chicopee system □ 고속으로 매우 균일한 웹 형성 방법 □ 특징 - Feeding unit은 rotating toother roll을 가짐(개섬) - Main toother cylinder는 고정 소면 요소를 가짐(섬유의 개별화) - Transport duct: toother roll에서 개개의 섬유를 떼어냄(원심력, 고속 airflow) - Forming section에는 구멍이 뚫린 스크린 위에 섬유가 압축되어 쌓이고 불규칙하게 배열된 섬유상 웹을 형성함
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4) Fehrer system □ 평량이 g/m2 부직포 제도 □ K12 random web forming machine - Transverse jet stream에 의해 만들어진 laminar airflow 이용하여 섬유를 떼어냄
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□ K-21 high-performance random airlaying machine
g/m2의 경량 airlaid web 제조 - 1개의 cylinder와 4개의 carding cylinder(각각 worker와 stripper쌍을 가짐)로 구성 - Airlaying은 실린더의 빠른 회전에 의한 원심력과 컨베이어 벨트의 흡입의 조합에 의함
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5) Fehrer high-loft system
□ 압축 저항이 큰 두께 방향으로 배열된 저밀도, 3차원 batt 구조 제조
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6) DOA system □ Air blowing 시스템에 의해 우수한 섬유의 랜덤 분포가 되며 이러한 섬유들에 의해 모든 방향에서 균일하게 엉킴이 일어남
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7) Spinnbau hybrid system
□ 고속 생산 속도에서 높은 균일성을 가지는 경량 airlaid 웹을 제조하는 방법 □ Second cylinder를 가짐 - Main cylinder와 second cylinder의 회전에 의해 발생한 부유된 공기흐름에 의해 transport duct로 이동함 - 추가적인 공기가 두 개의 실린더 사이로 유입됨
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8) Thibeau hybrid system
□ 두 섹션 실린더(breast와 main cylinder), 이중 doffer, outlet cylinder, air blower, 구멍이 뚫린 컨베이어 벨트로 구성됨
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9) Flat bed forming(short fiber의 웹 제조법)
□ Perforated bottom wall, inlet, stirring device로 구성된 housing을 가짐 - Inlet은 부유한 섬유를 포함한 air의 stream을 위함 - Stirring device은 회전을 위한 impeller를 가짐
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□ Vibratable screen, cylindrical brush로 구성된 system에서 섬유의 통과는 다음에
의해 영향을 받음 - 브러쉬의 진동 주기와 크기의 제어 - 스크린 위의 브러쉬 롤의 마찰 - 브러쉬 롤의 공기역학적 효과 - Chamber안의 공기 압력 - Suction box
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14. Airlaying의 발전 □ Integrated forming and bonding(IFB)
- 동시에 웹 형성과 결합을 할 수 있도록 한 방법 - High loft 부직포와 높은 횡단면의 인장 강도와 균일한 두께 방향의 결합을 요구하는 제품 생산에 적합 - 건축단열재, 자동차 부품, 가구나 건축 보드 등에 응용됨 □ Star former - Drum-type forming head가 병합된 시스템 - 평량은 g/m2
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□ Combined airlay and hydroentanglement (spunlace) technology
- 일회용 와이프나 위생용품의 수요 증가에 의해 발전됨 - 높은 액체 흡수성과 젖음 강력의 향상이 요구되는 제품 생산에 적용 - Carded web과 airlaid web이 합해지고 다층을 형성하기 위하여 hydroentangle시킴 - Airlaid web이 spunlace와 meltblown에 의해 제조된 웹이 합해짐 □ 3D web preforms and moulds - 균일한 웹의 형성을 증진하기 위한 collection area를 크게하고 airflow 속도를 줄이기 위하여 개발됨
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□ Roller draft airlaying system
- 기계적인 감쇠와 airflow를 이용하여 웹의 무게 균일성과 섬유의 랜덤화를 증가시키기 위하여 개발됨 - Roller drafting device, web collection unit, conveyor, suction box로 구성됨 - 세 쌍의 롤러의 연신에 의해 섬유가 풀어 헤쳐지고 에어 흐름에 의해 suction tube로 섬유가 이동하고 여기서 에어 속도가 감소하여 컨베이어 벨트에 웹이 형성됨
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□ Inverted airlaying systems
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15. Airflow and fiber dynamics in airlaying
Transport chamber내의 공기의 흐름은 turbulent flow와 laminar flow가 있음 Airflow가 웹의 균일성과 섬유의 배향에 미치는 영향 파악이 중요 □ Airlaying of textile fiber - Transport chamber 안에서 평균 airflow의 속도는 섬유의 속도보다 빠름 - 섬유들은 landing area쪽으로 장력 하에 있게 됨 - Turbulent flow는 대개 flat 속도 profile을 가짐 → 기계 폭 방향에서 균일한 웹 형성 에 기여함 - Laminar flow는 더욱 curved velocity profile을 만듬 → 웹의 가장자리보다 중심에 더 많은 섬유가 쌓이게 됨
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□ Airlaying of short fibers and pulp
- Transport chamber에서 airflow 속도는 chamber의 길이와 높이에 따라 변함 - Chamber의 위쪽에 위치한 섬유 분산 섹터에서 rotor의 회전에 의해 airflow의 속도가 증가함 - 속도는 chamber의 위쪽에서 아래쪽으로 증가함 - Airlaying에서 섬유의 엉킴은 중요한 고려 인자임 • 섬유의 길이가 증가할수록 엉킴 가능성이 커짐 → 공기 중에 섬유의 농도를 줄임 ☞ Fiber stacking theory - 섬유들이 엉킴 없이 전달되기 위한 공기의 양은 섬유길이와 같은 지름을 가진 구의 부피와 같음 - 이 가정을 기초로 섬유의 분리에 요구되는 air의 양(Q)은 D는 섬유의 선형 밀도(denier), L은 섬유 길이, P는 생산 속도, K는 상수임
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16. Bonding and web consolidation
Latex or Chemical bonding, thermal bonding, multi-bonding, mechanical bonding(needlepunching and hydroentanglement) - Web의 성질, 무게, 섬유의 치수(주로 길이)등에 따라 결합방법을 선택함 1) Latex bonding airlaying(LBAL) □ Pulp fiber airlaid 제품의 약 85%는 이 방법으로 제조함 - Latex binder는 에멀젼 중합으로 제조한 합성 공중합체임 - 바인더 용액이 웹에 스프레이되고 오븐에서 건조함 □ 라텍스로 결합된 직물은 천과 유사한 외형과 촉감을 가져 일반 티슈와 합성직물을 대신하여 사용됨 □ 바인더가 두꺼운 구조를 통과하기 어려운 단점을 가짐
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2) Thermal bonding airlaying(TBAL)
□ Base fibers와 bonding component의 균일한 airlaid 웹의 형성, bonding element의 연화점까지 웹의 가열, 웹의 냉각으로 구성됨 □ Thermal calendar bonding 중에 다른 패턴으로 embossing이 가능함 □ X, Y, Z 방향으로 우수한 결합을 가진 high-loft 웹의 생산이 가능 - High loft의 두꺼운 airlaid 직물구조는 웹 안에 void 면적을 증가시켜 액체의 보액능력을 높임 □ 장단점 - 에너지를 절약하며 환경 오염을 줄임 - 웹의 재생이 가능 - 고속 생산 중에 발생한 먼지로 청소를 위해 자주 생산라인을 멈추어야 함 - 바인더가 적게 사용되었을 때, 최종 제품은 낮고 불균일한 인장강력을 가짐
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3) Multi-bonding airlaying(MBAL)
□ 낮은 먼지 수준과 높은 강력을 갖는 제품 생산에 적용 □ Thermal과 latex bonding 기술이 조합된 방법 □ High loft, low density, high absorbent capacity, good tensile strength, soft handling low lint or dust level 4) Mechanical bonding □ Needlepunching - Needling, needlepunching의 원리는 기계적으로 섬유의 interlocking을 유도 - Barbed needles □ Hydroentanglement or spunlacing - Airlaid-spunlace combination은 낮은 원료 가격 제품을 만듬
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17. Airlaid 웹의 물리적 성질 및 응용 □ Airlaid 웹은 carded web보다 더 랜덤한 섬유 배열을 가짐
- 실제로 Z방향으로는 등방성이 아님 □ 웹의 밀도는 suction의 수준에 영향을 받으므로 suction의 증가가 웹의 밀도를 증가시키는 경향을 가짐 □ Airlaid 웹의 일반적인 성질 - 높은 등방성 - High loft - 높은 기공도 (95→99%) - 높은 흡수성과 젖음 속도 - 부드러운 태 - 적당한 인장 강도와 좋은 레질리언스 ☞ 부직포의 물리적인 성질 - 구성되는 섬유, 브렌드 비율, 웹의 형태, 결합공정에 의존함
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Airlaid 제품의 응용분야 □ 직물, 가구산업, 의약 및 위생용 직물, 토목섬유, 지붕펠트재, 여과재, 절연 및 차단재, 벽지 및 장판, 와이퍼 등 □ 결합방법에 따른 응용분야 - Chemical bonding: napkins, table cloths and wipes - Thermal bonding: nappies, feminine hygiene, insulation - Spunlacing: wet and dry wipes, medical textile, filter media - Needlepunching: shoe lining, medical and hygiene products, geotextiles, roofing felts, insulation felts, automotive components, filters wipes
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