섬유원료-기초이론

출처 : 섬유지식까페 철이색시님 글

 

1. 섬유의 정의

섬유란 가늘고 긴 실모양의 부드러운 물체라고 할 수 있다. 공업용 섬유란 굵기가 몇 십 μm 이하이며 길이는 굵기의 몇 백 배로 육안으로 직접 측정할 수 없을 정도의 고체로서 강도, 방적성, 흡습성, 탄성 등의 화학적인 성질을 가지고 있어야 한다.

섬유는 유기화합물의 일종으로 섬유로서의 적합성을 갖기 위해서는,

  • 길고 가늘어야 할 것
  • 선상(linear) 또는 쇄상(Chain) 고분자(polymer)여야 할 것
  • 비결정성 영역(amorphous)이 존재하여야 할 것
  • 배향성(orientation)을 가져야 할 것
  • 적당한 작용기(Reaction group)를 가질 것

  섬유는 결정성 영역과 비결정성 영역으로 나누는데, 분자들이 모여서 형성된 분자들이 병렬, 밀착하고 있는 부분과 무질서하게 떨어져 있는 부분으로 이루어져 있으며, 밀착된 부분은 섬유의 물리적 성질을 좌우하는 결정성영역(micell, crystal)이라고 하고, 무질서한 부분은 화학적 성질을 좌우하는 비결정성 영역(armorphous)이라고 한다. 천연 섬유에서는 미셀(micell)이나 피브릴(fibril)이 자연성장하여 섬유를 형성하나, 합성 섬유에서는 칩(chip)상태의 중합체(polymer)를 용해 또는 용융시켜 섬유장으로 고화 방사(spinning)시켜 섬유(filament)를 만들게 된다. 방사된 상태의 섬유(filament)를 그대로 사용하는 경우도 있으나, 냉연신(cold drawing, 나일론의 일반적인 연신방법), 또는 열 연신(hot drawing, 폴리에스터, 아크릴의 일반적인 연신방법)하여 원하는 굵기로 연신함과 동시에 분자들을 섬유 축방향으로 재배열(re-orientation)하여 강도를 높여 주거나, 열처리를 하면서 가연하여 섬유에 벌키(bulky)성을 부여하여 섬유 재료로 적합하게 가공하여 사용한다.

 표 1 섬유의 구성 고분자 및 분자량

섬   유 구성 고분자 분자량
셀룰로스 300,000 ~ 500,000
피브로인  350,000 ~ 370,000
양모 케라틴  1,620,000
레이온 셀룰로스  80,000 ~ 100,000
아세테이트 초산 셀룰로스  80,000 ~ 130,000
폴리에스터 폴리에스터  35,000 ~  45,000
나일론 폴리아미드  40,000 ~  60,000
아크릴 폴리아크릴로니트릴  70,000 ~ 130,000

 

표 2 섬유 거시적 구조와 실⋅직물의 특성과의 관계

요    소

특    성

  섬유길이

  연신성(드래프트성), 가방성, 실의 강도, 잔털의 크기

  굵기

  방적성, 가방성, 실의 균제성, 직물의 태

  섬유의 강력

  방적성, 가방성, 혼방물에서의 섬유의 분포, 굴곡 및
굽힘 특성, 실 및 직물의 광택

  섬유의 강성

  방적성, 실의 굴곡 및 굽힘특성, 섬유의 태

  섬유 단면 형상

  굴곡 및 굽힘성, 광택, 섬유 충진성(보온성, 벌키성)

  섬유 축방향 형상

  실 및 직물의 태, 방적성

  섬유 표면 형태

  펠트성, 직물의 태, 방적성

2. 실의 종류

Textile과 Fiber – Fiber는 낱개의 섬유를 지칭하는 좁은 의미의 섬유를 나타내는 용어로 사용되고, Textile은 의복까지도 포함하는 넓은 의미의 섬유를 나타내는 용어로 사용되어 진다.

장섬유사 (Filament yarn) – 매끈하고 이음이나 꼬임이 없는 긴 형태의 실로서 모든 화학 섬유는 처음에는 filament 의 형태로 생산된다. 동일한 굵기일 경우에는 가닥수가 많은 실이 유연하다.

단섬유사 (Staple yarn) 또는 방적사 (Spun yarn) – 면, 모, 마와 같이 섬유장이 짧은 섬유나 필라멘트(filament)와 같은 장섬유를 방적하기에 알맞은 길이로 짧게 절단한 것 등을 모두 단섬유라 하며, 이것을 평행하고 길게 만들어 꼬임을 주어 만든 실을 방적사(spun yarn)라고 한다.

혼방사 (Blended yarn) – 두 종류 이상의 서로 다른 섬유를 섞어서 만든 방적사를 말한다.

단사 (Single yarn) – 실의 가장 단순한 형태로서 좌 또는 우의 어느 한쪽 방향으로만 꼬아서 만든 한 가닥의 실을 말한다.

합연사 (Poly yarn) – 단사를 두 가닥이상 합하여 꼬임을 준 실을 말한다.

합사(Ends) – 편직 시 단사 두 가닥을 한 급사구에 공급하는 경우이며 합연사와는 구별된다.

직사(Weaving yarn)와 편사(Knitting yarn) – 실은 용도에 따라 직물용 원사인 직사(weaving yarn)와 편직용 원사인 편사(knitting yarn)으로 나눌 수 있다.

카드사 (Carded yarn : CD) – 소면사라고도 하며, 방적공정 중 정소면기 (comber)를 거치지 않은 거칠은 원사이며, 태번수사(번수가 큰 것, 굵은실)에 주로 쓰이고 목화딱지 등이 남아 있는 경우도 있으며, 섬유장이 짧은 면이 포함되어 있다.

코마사(Combed yarn ; CM) – 정소면기를 거쳐 짧은 섬유를 제거한 면사로 실이 매끈하고 고르기 때문에 고급 품질이며 세번수사(가는실)에 주로 쓰인다.

방모사(Woolen yarn) – 방모방적 방식에 의하여 만든 모사로 실을 구성하는 모 섬유는 비교적 짧고 재생모를 사용하기도 하며, 실의 겉보기 번수가 굵고 기공율이 큰 것이 특징이다.

소모사 (Worsted yarn) – 소모방적 방식에 의하여 만든 모사로 비교적 가늘고 긴 고급양모를 사용한 것으로 방모사보다 고급사이다.

3. 섬유의 분류

한국 산업 규격 (KSK 0904)의 섬유 분류 방법은 아래와 같다.

 

4. 섬유의 일반적 특성


1) 섬유장 (Fiber length)
섬유는 가늘고 긴 것이 특징이며 섬유의 종류에 따라 그 길이가 다르다. 화학 섬유는 길이를 자유롭게 만들 수 있지만 천연 섬유의 길이는 한계가 있으며 실로서 사용할 경우 긴 것일수록 만들기 편리하고 외관이 좋으며 윤활성이 좋다. 천연 섬유는 그 길이와 굵기가 다양하므로 만들고자 하는 실의 용도에 따라 적당한 것을 골라서 사용하며 화학 섬유 등과 같이 길이가 무한히 긴 것도 용도에 따라 짧게 잘라 방적하여 실을 만들기도 한다.  이러한 실은 단섬유를 집합하여 만든 실에 비하여 촉감, 보온력, 외관 등이 달라지며 이렇게 짧게 자른 섬유를 스테이플 파이버(Staple fiber)라고 한다.

 

2) 굵기
섬유의 굵기는 지름, 단면적 등으로 나타낼 수 있지만 대체로 섬유의 단면이 완전한 원형이 아니므로  정확하지 않다. 따라서 굵기를 표시하는 간접적인 방법으로 일정 길이에 대한 중량의 비 또는 그 역으로 일정 중량에  대한 길이의 비를  나타내는 번수, 예를 들어 데니어(Denier), 텍스(Tex)로서 나타내기도 한다.
1 Denier : 실 9,000m 길이당 무게가 1g(변화치)  →  무게가 2g이면 2denier
1 Tex : 실 1,000m 길이당 무게가 1g(변화치) → 무게가 2g이면 2tex
1 Tex = 9 Denier

 

표 3 각종 섬유의 섬도와 직경

구 분 섬도(Denier) 섬유의 직경(㎛)
천연섬유 인간 모발 50 ∼ 65 60 ∼ 80
12 ∼ 18 12 ∼ 18
양 모 3 ~ 10 20 ~ 40
인견 1 ~ 1.3 12 ~ 13
합성섬유 보통사 1.5 ~ 6 15 ~ 125
극세사 0.5 ~ 1 7 ~ 10
초극세사 0.3 이하 5 이하

3) 섬유의 단면
섬유의 단면을 현미경으로 관찰하면 섬유의 종류에 따라 각각 특징이 있다. 원형단면을 가진 섬유의 종류로는 양모, 나일론, 폴리에스터, 폴리프로필렌 등이며, 촉감이 아주 부드럽고 투명한 특성을 갖고 있으나, 피복성은 나쁘다. 삼각단면을 가진 섬유로는 견, 나일론, 폴리에스터 등이 있으며, 빛의 입, 반사 각도 차이로 섬유에 광택이 아주 우수한 특성을 지닌다.

 

4) 균제도
섬유나 실 등이 가지고 있는 품질이나 외관 등의 균일한 정도를 균제도라고 하며, 특히 섬유의 길이와 굵기가 고르면 방적하는데 유리할 뿐만 아니라 방적사의 균제성과 강도 등의 향상에도 영향을 준다.

 

5) 권축도
섬유가 가진 파상, 나선상의 주름을 권축 (Crimp, Curl)이라 한다. 이것은 방적 공정 중 섬유 간의 엉킴성을 좋게 하여 방적성을 향상시키고 제품에 탄성과 촉감, 보온성을 부여한다.

 

6) 강력과 신도
섬유의 강력과 신장도는 가장 중요한 요소이다. 강력에는 인장에 대한 강력, 굴곡에 대한 강력, 마찰에 대한  강력 등과 같은 역학적 외력에 견디는 힘이 있으며, 이들 중에서 인장에 견디는 힘이 대표적인 것이며 측정도 쉽기 때문에 일반적으로 인장 강도로 섬유의 강력을 나타낸다. 섬유의 강신도는 흡습의 정도에 따라 크게 달라지기 때문에 비교할 때는 반드시 표준 상태인, 온도 20±2℃, 상대 습도(RH) 65±2%로 한다. 일반적으로 온도  70°F 또는 20∼25℃, 상대습도 65%에서의 강신도를 건조시의  값으로 정하고 있다.

표 4 주요 섬유의 강도와 신장도

섬유 강도(gf/d) 강도비(%) 신장도(%)
3.0∼4.9 102∼110 3∼10
아마 5.6∼6.6 105∼116 2.7∼3.3
3.0∼4.0 75∼95 15∼25
양모 1.0∼1.7 76∼97 25∼35
인견(보통) 1.7∼2.3 44∼54 18∼34
아세테이트(보통) 1.2∼1.4 60∼70 24∼35
나일론(보통) 4.8∼6.4 85∼90 28∼42
폴리에스터 4.3∼5.5 100 20∼32
아크릴 2.2∼3.2 80 20∼38
폴리프로필렌 4.5∼75 100 25∼60

7) 흡습성
섬유는 대기 중에서 스스로 수분을 흡수하는 성질이 있으며 흡수하는 수분의 양은 섬유의 종류에 따라 상당한 차이가 있다. 상대 습도 65%와 온도 20℃에서 측정한 값을 사용하며 이 때의 수분율을 표준 수분율이라고 한다.

 

표 5 . 주요 섬유의 표분 수분율과 공정 수분율(KS K 0301)   (단위:%)

섬 유 의 종 류 표준
수분율
공정
수분율
섬 유 의 종 류 표준
수분율
공정

수분율

8 8.5 양모 16 18.25
마류(대마,아마,저마) 9 12 정련견 9 12
레이온계 섬유 12 11 아크릴계 섬유 1.0∼2.5 2
아세테이트섬유 6.5 6.5 폴리비닐알코올계 섬유 5 5
폴리아미드계섬유 4 4.5 올레핀계 섬유 0.01 0.0
폴리에스터계섬유 0.4 0.4 유리 섬유 0.01 0.0

8) 초기 탄성률
초기 탄성률은 신장의 초기, 즉 아주 작은 신장에 필요한 힘의 크기를 나타내는 단위가 되므로 섬유의 강·연성을 나타낸다. 따라서 섬유의 초기 탄성률이 크다는 것은 그 섬유가 뻣뻣하다는 것을  의미한다. 섬유의 초기 탄성률은 섬유의 성질, 그 섬유의 용도에 크게 영향을 미친다.

 

표 6.  주요 섬유의 초기 탄성률

섬 유 초기 탄성률(gf/d) 섬 유 초기 탄성률(gf/d)
42 ∼ 82 레이온 48 ∼ 68
저마 180 ∼ 400 폴리프로필렌 45 ∼ 100
양모 24 ∼ 34 아세테이트 26 ∼ 41
76 ∼ 117 나일론 15 ∼ 30
폴리에스터 50 ∼ 100 아크릴 40 ∼ 60

9) 탄성
섬유를 잡아당기면 늘어났다가 외력이 제거되면 다시 줄어드는데, 섬유가 외력에 의해 늘어났다가 외력이 제거되었을 때 본래의 길이로 돌아가는 능력을 탄성이라 하고 늘어난 길이에 대한 회복된  길이의 백분율을 탄성 회복율이라고 한다.

 

표 7. 섬유의 탄성 회복율(2% 신장 시, 30초간)

섬 유 탄성회복률(%) 섬 유 탄성회복률(%)
74 아세테이트 94
아마 64 나일론 100
저마 52 폴리에스터 97
92 아크릴 99
양모 99 올레핀 90 ∼ 100
레이온 82 비닐론 72

 

10) 레질리언스(resilience)
섬유가 외부 힘의 작용으로 굴곡, 압축 등의 변형을 받았다가 외부 힘을 제거 하였을 때 원래의 상태로 되돌아가는 능력을 레질리언스라고 한다.

11) 비중
섬유의 비중은 그 이용 가치와 밀접한 관계가 있으며 오늘날과 같이 의복을 가볍게 입으려는 경향에  따라 비중이 작은 섬유가 애용된다. 그러나 비중이 너무 작으면 의복의 드레이프성이 좋지 못하고 보온성이 대체로 크다. 섬유마다 고유의 비중을 갖고 있어 비중은 섬유의 감별에 이용되기도 한다.

 

12) 마찰 계수 및 내마찰성
섬유의 마찰 계수 측정은 어려우며 마찰의 대상물에 따라 계수도 달라진다. 섬유의 마찰 계수는 방적 작업과 관계가 있으며 마찰 계수가 작은 것이 방적하기 좋다. 그러나 방적사의 강력면에서 볼 때는 섬유 상호간의 마찰 계수가 클수록 실의 강력이 크다. 내마찰성은 각종 마찰에 대한 저항을 말하며 피복의 내구력을 좌우하는 것이다. 측정법은 용이하며 저항력은 섬유에 따라 다르고 합성 섬유가 현저하게 강하다.

13) 방적성(spinnability)
펠트나 부직포를 제외한 대부분의 직물은 일단 실의 형태로 만들어 직물을 제조하는 것이므로 짧은 섬유를 방적하여 실을 만들며 이와  같이 방적할 수 있는 성질을 방적성 또는 가방성이라 한다.

 

14) 열전도 및 보온성
피복의 주요한 목적 중의 하나가 더위와 추위를 막는 것이다. 따라서 보온성을 높이려면 섬유의 열전도율이 낮아야 하고 체온의 발산을 위해서는 열전도율이 높아야 한다.

 

15) 내열성(heat resistance)
섬유 및 그 제품은 염색 가공, 세탁, 건조, 다림질, 기타 외부로부터 열의 작용을 받는 경우가 많아서  어느 정도의 열에 대해 견디는 성질이 있어야 하며 이것을 내열성이라고 한다.

 

16) 열가소성
고체가 열이나 외부의 힘 또는 수분의 작용에 의해서 형태가 바뀌어지고 열과 힘, 수분을 제거한 후에도 그 형태를 그대로 유지하는 성질을 가소성(plasticity)이라 한다. 이 중에서 특히 열에 의한 가소성을  열가소성이라 한다. 섬유나 섬유 제품을 그 섬유의 융점보다 조금 낮은 온도에서 형태를 잡아주면 그 형태는 거의 영구적이어서 세탁이나 다림질에 의해 변하지 않는다. 이러한 열처리에 의한 형태 고정을 열 고정(heat set)이라고 한다. 폴리에스터 주름 치마, 나일론  스타킹 스트레치사 등은 열가소성을 이용한 열 고정의 좋은 예이다.

 

17) 대전성
섬유는 건조 상태에서 마찰시키면 정전기가 발생하는 성질이 있다. 섬유의 대전성은 섬유 자체의 화학적 조성에도 관계가 있으나 흡습성과 밀접한 관계가 있다. 섬유가 대전하면 제조 공정 중 섬유끼리 반발하기도 하고 기계에 부착하기도 하며 먼지를 흡착하는 등 작업에 장애가 될 뿐만 아니라 이러한 섬유로 된 옷을 입으면 겉옷과 속옷이 들어붙고 옷을 입거나 벗을 때 정전기의 발생으로 불쾌하며 먼지를 흡착하여 옷이 더러워지는 등 불편이 많다.

 

18) 취화(degradation) 및 내후성(weather resistance)
섬유는 오랜 시간 대기 중에 노출되어 햇빛, 공기, 비 등의 작용을 받으면 점차 강도가 떨어져 약해진다. 이것을 섬유의 취화 또는 노화라고 하며 이러한 기후 조건에 견디어 약해지지 않는 성질을 내후성이라 한다.

19) 내약품성
섬유 제품은 제조 공정과 사용 중에 여러 가지 약품과 접할 기회가 많으므로 산, 알칼리, 표백제, 유기용매 등에 대해 충분히 견딜 수 있는 성질을 가져야 하며 화학 약품에 대한 저항성은 화학적 조성에 따라 상당한 차이를 나타낸다.

 

20) 염색성
섬유 제품에 쓰이는 섬유는 섬유의 원색 그대로 사용되는 경우도 있으나 대부분은 염색하여 사용되므로 염색성은 섬유 제품용 섬유의 필요한 조건이라고 할 수 있다. 섬유 제품의 염색에는 섬유 상태, 실 상태, 직물 상태에서의 염색 등이 있으며 화학 섬유 중 염색성이 좋지 못할 때는 원액 염색을 하는 수도 있다. 염색성은 섬유의 종류에 따라 그 화학적 조성이 다르므로 이와 친화성을 가진 염료의 종류도 다양하다. 따라서 각 섬유에 적절한 염료와 염색법이 선택되어져야 한다.

 

 

그림 1  섬유 원료

 

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