부직포공학 전북대학교 유기소재파이버공학과 길명섭 mskhil@jbnu.ac.kr.

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1 부직포공학 전북대학교 유기소재파이버공학과 길명섭

2 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

3 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

4 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

5 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

6 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

7 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

8 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)

9 - 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

10 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

11 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

12 □ 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

13 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

14 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

15 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

16 □ 우수한 압축 저항성과 탄성회복력을 보임

17 □ Wavemaker system(Santax, 이탈리아)
- 앞선 Struto system보다 생산속도가 빠름

18 □ Struto system과 Wavemaker system의 접힘 구조 차이
□ 미리 만들어진 그물망 모양의 직물들을 위아래에 위치시켜 복합직물 구조를 형성함

19 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

20 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

21 □ 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

22 □ 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

23 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

24 □ 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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26 2) 브렌드된 컴포지트 웹 구조용 airlaid 공정
만듬 - 2개의 licker-in과 rotary feed condenser 조합을 가짐

27 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

28 4) Fehrer system □ 평량이 g/m2 부직포 제도 □ K12 random web forming machine - Transverse jet stream에 의해 만들어진 laminar airflow 이용하여 섬유를 떼어냄

29 □ 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

30 5) Fehrer high-loft system
□ 압축 저항이 큰 두께 방향으로 배열된 저밀도, 3차원 batt 구조 제조

31 6) DOA system □ Air blowing 시스템에 의해 우수한 섬유의 랜덤 분포가 되며 이러한 섬유들에 의해 모든 방향에서 균일하게 엉킴이 일어남

32 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

33 8) Thibeau hybrid system
□ 두 섹션 실린더(breast와 main cylinder), 이중 doffer, outlet cylinder, air blower, 구멍이 뚫린 컨베이어 벨트로 구성됨

34 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

35 □ 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

36 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

37 □ 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

38 □ 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

39 □ Inverted airlaying systems

40 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

41 □ 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

42 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

43 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

44 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

45 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

46 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