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한국섬유공학회지, Vol. 54, No. 1, 22-27https://doi.org/10.12772/TSE.2017.54.022

ISSN 1225-1089 (Print)

ISSN 2288-6419 (Online)

열가공 온도에 따른 TPU 복합직물의 물성 변화 연구

장순호1 · 오태환2 · 김성훈1†

1한양대학교 유기나노공학과, 2영남대학교 나노메디컬유기재료공학과

Effects of Heat Treatment Temperature on Various Properties of Thermoplastic Polyurethane Composite Fabrics

Soon Ho Jang1, Tae Hwan Oh2, and Seong Hun Kim1†

1Department of Organic and Nano Engineering, Hanyang University, Seoul 04763, Korea2Department of Nano, Medical and Polymer Materials, Yeungnam University, Gyeongsan 38541, Korea

1. 서 론

합성섬유 재질 가방의 경우 가방에서 요구하는 내구성과발수성 발현을 위해 나일론, 폴리에스터 재질의 고강도 원사를 이용하여 직물을 제조한 후 불소계 발수제를 후가공으로 처리하고 있다[1]. 이러한 불소계 발수제는 인체와 환경에 유해하여 환경호르몬 물질로 규명된 perfluorooctanoicacid(PFOA)를 발생시킬 수 있다. 이에 유럽에서는 PFOA성분이 잔류하고 있는 원단 및 가방은 수입을 금지하고 있기 때문에 이를 대체할 수 있는 기술 마련이 시급한 실정이다[2].현재 사용하고 있는 PFOA 대체기술은 C6−C0계 발수제의 사용이지만 이 기술의 경우 낮은 염색견뢰도 및 약제비상승 등의 문제로 이어지고 있어 근본적인 문제해결이 되지 못하고 있는 상황이다. 코팅사는 원사의 부족한 물성 보완 또는 자체적으로 발현하기 어려운 기능성을 부여하기 위해 코팅제가 처리된원사로 코팅 액의 제조방법에 따라 건식법과 습식법으로

나뉜다. 특히 건식법은 용매를 사용하지 않기 때문에 친환경적인 공법으로 열가소성을 가지는 다양한 고성능 고분자와 기능성 고분자의 응용이 가능하다. Thermoplasticpolyurethane(TPU)는 우수한 탄성, 투명성, 발수성, 발유성,내마모성 등을 가지는 기능성 고분자이다[3]. 이러한 특징으로 자동차, 전기, 신발, 튜브 등의 다양한 사출, 압출 성형품에 응용되고 있다[4,5]. 최근 섬유산업에서 TPU의 발수성을 이용한 TPU 코팅사의 직물 적용기술이 PFOA free기술의 하나로 많은 관심을 받고 있다. 현재 TPU 코팅사 제조에 관한 연구는 코팅사 제조조건과 물성과의 상관관계 연구[6,7], TPU 코팅사의 기능화에관한 연구 등이 있었다[8−12]. 하지만 실제 섬유산업 현장에서는 상용화된 TPU 코팅사를 직물에 적용하여 원하는수준의 발수성을 발현하기 위한 공정조건에 관한 연구가필요하지만 이에 관한 연구는 많이 진행되지 않았다. 이에본 연구에서는 TPU 코팅사가 적용된 직물에 열 가공공정중에서 온도조건을 달리하여 TPU 복합직물의 인장물성,표면특성, 발수성 변화를 살펴보고자 한다.

†Corresponding Author: Seong Hun KimE-mail: kimsh@hanyang.ac.kr

Received January 6, 2017Revised February 6, 2017Accepted February 7, 2017

ⓒ2017 The Korean Fiber Society

Abstract: In this study, the tensile properties and water repellency of heat-treated thermo-plastic polyurethane (TPU) composite fabric were investigated and compared with thoseof untreated TPU composite fabric. The TPU composite fabric was prepared using a TPUcoated polyester filament (PET FY) with a volume ratio of 33%:67% (PET FY:TPU). The prop-erties of the TPU composite fabric were found to be affected by heat treatment to variousextents depending of the temperature. A maximum tenacity of 34.5 MPa, a contact angleof 130 o (indicative of good water repellency), and an ISO grade of 5 (indicative of highresistance to surface wetting) were obtained at a heat-treating temperature of 190 oC.

Keywords: TPU, water repellency, composite fabrics, coated polyester filament, contact angle

열가공 온도에 따른 TPU 복합직물의 물성 변화 연구 ▐ 23

2. 실 험

2.1. 시 료TPU 복합직물은 TPU 코팅사를 사용하여 평직으로 경사와 위사의 밀도를 40×32/inch로 제직된 직물로 (주)부성텍스텍에서 제공받아 사용하였다. 직물을 구성하는 TPU 코팅사는 사염 된 폴리에스터 원사 420/48의 표면에 용융 압출된 TPU를 코팅하는 건식 사코팅법으로 제조되었다. TPU코팅 후 원사의 섬도는 1,250 데니어이었다. TPU 복합직물을 제조하는 자세한 공정순서는 Figure 1에 나타내었다.

2.2. 열 가공조건

열 가공 전과 후 TPU 복합직물의 물성 변화를 측정하기위해 열 가공온도 조건을 150 oC, 170 oC, 190 oC, 210 oC로달리하여 처리하였다. 열 가공은 TPU 복합직물의 상하부에 이형 필름을 위치하고 열 프레스기(Hot Plate Press, IlshinAutoclave, Korea)를 사용하여 압력조건 약 20 kgf/mm2에서

30초간 처리하였다. 자세한 열 가공조건은 Table 1에 나타내었다.

2.3. 분 석인장특성: TPU 코팅사와 TPU 복합직물의 인장성질은

Instron사의 모델명 UTM Instron 3345를 이용하여 측정하였다. TPU 코팅사의 측정은 시료길이 50 mm로 인장속도100 mm/min의 조건으로 측정하였다. TPU 복합직물의 측정은 시료길이 10 mm×100 mm로 인장속도 100 mm/min의조건으로 측정하였다. 열적특성: TPU 코팅사의 열분해거동은 TA Instrument사의 TG-DTA(모델명 SDT Q600)을 이용하여 온도조건 상온에서 500 oC까지 20 oC/min의 승온속도로 측정하였다. 표면특성: 실체현미경(Xcsource Digital Microscope, Xcsource,

China)을 이용하여 TPU 코팅사와 TPU 복합직물의 표면특성을 관찰하였으며 배율조건은 5배로 하였다.발수성: TPU 복합직물의 발수성은 접촉각과 표면 습윤저항성을 측정하여 평가하였다. 접촉각은 접촉각 시험기(OCA 20, Data Physics Instruments Ltd., Germany)를 사용하여 적하된 물방울이 표면에 닿아 안정화되는 3초 후에측정하였다. 표면 습윤 저항성은 텍스타일 천-표면 습윤 저항성 측정: 스프레이 시험(KS K ISO 4920:2014)의 방법으로 시험하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. TPU 코팅사의 특성분석

Figure 2는 TPU 코팅사의 심사로 사용된 폴리에스터 원사와 TPU 코팅 이후 코팅사의 강도-신도 그래프로 코팅전의 폴리에스터 원사는 전형적인 폴리에스터 원사의 강도-신도 거동을 나타내었고 코팅 후에는 낮은 강도와 높은 신도 특성을 나타내는 TPU의 특성을 나타내었다. Figure 3은TPU 코팅사의 심사로 사용된 폴리에스터 원사와 TPU 코팅에 따른 TPU 코팅사의 인장강도와 절단신도 변화를 나타낸 그림이다. TPU 코팅사 제조에 사용된 폴리에스터 원사는 인장강도 6.33 g/d, 절단신도 0.72%의 인장물성 값을가지는 고강도 저수축사이었다. 하지만 TPU 코팅 후 폴리에스터 원사는 인장강도 0.72 g/d, 절단신도 412.28%로 인장특성이 변화하였다. 이것은 코팅재료로 사용된 TPU가무정형(amorphous) 고분자로서 강도는 낮은 반면에 우수한 탄성을 가지는 엘라스토머(elastomer)이기 때문에 TPU와 폴리에스터 원사가 복합된 TPU 코팅사의 인장강도는

Table 1. Heat treatment temperatures of TPU composite fabric

Sample code Heat treatment temperature (oC)TPU-control −

TPU-150 150TPU-170 170TPU-190 190TPU-210 210

Figure 1. Process for manufacturing TPU composite fabric.

Figure 2. Tenacity-strain curves of raw PET filament and TPU coatedPET filament.

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떨어지게 되었고, 절단신도는 크게 증가했던 것으로 판단된다. Figure 4는 TPU 코팅사의 단면을 촬영한 사진이다. 사진에서 볼 수 있듯이 심사인 폴리에스터 원사가 편심되지 않고 비교적 정 중앙에 위치하고 있으며 코팅된 TPU 스킨

(skin) 층도 균일한 두께를 형성하고 있음을 확인했다. 폴리에스터 원사의 표면에 TPU가 약 190 µm의 두께로 균일

하게 코팅이 되었으며, 폴리에스터 원사 층과 TPU 층이33%:67%의 구성 비율로 형성되어 폴리에스터 원사 층보다는 TPU 코팅 층의 비율이 더 많다는 것을 알 수 있었다.앞에서 TPU 코팅 후 원사의 인장강도가 낮아지게 된 것은낮은 인장강도 값을 가지는 TPU가 복합되었기 때문으로고찰하였는데 이 뿐만 아니라 코팅 전 폴리에스터 원사의두께가 87 µm에서 코팅 후 277 µm로 약 3배 이상 증가하여 비강도는 원사의 섬도로 환산하여 계산하였기 때문에TPU 코팅 전과 후 인장강도의 차이가 더욱 커진 것으로 판단된다.

Figure 3. Tenacity and elongation at break of raw PET filament andTPU coated PET filament.

Figure 4. Cross section of TPU coated PET filament.

Figure 5. Surface images of TPU composite fabric for different heat treatment temperatures.

열가공 온도에 따른 TPU 복합직물의 물성 변화 연구 ▐ 25

3.2. TPU 복합직물의 특성분석

Figure 5는 열 가공온도 조건에 따른 TPU 복합직물의 표면사진이다. 열 가공온도 150 oC와 170 oC에서는 폴리에스터 원사 표면에 코팅된 TPU가 녹아서 직물을 구성하는 원사간의 공극을 메우나 완벽한 용융이 이루어지지 않아 심사로 사용된 폴리에스터 원사가 명확하게 관찰되지는 않으며, 열 가공온도 190 oC 이상에서는 TPU가 완벽히 녹게 되어 녹은 TPU 양 증가로 인해 직물 표면에 필름 층으로 형성되고 그로 인해 심사로 사용된 폴리에스터 원사의 형태도 명확하게 나타나는 것을 관찰할 수 있었다. 이러한 열가공 처리에 따른 TPU 복합직물의 모폴로지 변화에 관한모식도를 Figure 6에 나타내었다. 즉 TPU 코팅사가 적용된복합직물은 열 가공을 통해 TPU 필름 층 형성 확인으로본래 연구 목적으로 설정했던 직물의 발수성 향상을 기대할 수 있었다.

Figure 7은 열 가공온도 조건에 따른 TPU 복합직물의 인장강도 변화를 나타낸 그림이다. 열 가공온도 150 oC 처리후 TPU 복합직물의 인장강도 값은 27.3 MPa로 열 가공 처리 전 5.9 MPa에서 약 4.6배 증가하였다. 열 가공온도 170 oC에서는 26.1 MPa로 열 가공온도 150 oC에 비해 인장강도 증가 폭은 다소 감소하였지만 열 가공 처리 전과 비교해서는온도조건 150 oC 처리 시와 마찬가지로 인장강도가 크게 증

가하였다. 열 가공온도 190 oC에서는 150 oC와 170 oC에 비해 인장강도 증가율이 더욱 커져 열 가공 처리 전의 약 5.8배에 해당하는 34.5 MPa의 인장강도 최대값을 나타내었다.이것은 앞에서 관찰한 열 가공온도 조건에 따른 TPU 복합직물의 모폴로지 변화와 유사한 결과로 열 가공온도 190 oC에 도달해야지만 TPU가 완벽히 녹아서 공극 없이 직물표면에 복합되기 때문으로 생각할 수 있다. 하지만 열 가공온도 210 oC에서는 인장강도 값이 24.7 MPa로 오히려 열 가공온도 150 oC와 170 oC로 처리했을 때보다도 더 떨어졌다.이것은 TPU의 적정 열 가공온도가 190 oC이라는 것을 의미하며 그 이상의 온도에서는 TPU의 열분해로 인한 강도저하를 초래한다고 생각할 수 있었다. 이를 명확히 하기 위해 제조된 TPU 코팅사의 TGA 분석을 하였고, 그 결과

Figure 6. Schematic diagram of heat treatment effect.

Figure 7. Tensile strength of TPU composite fabric for different heattreatment temperatures.

Figure 8. Thermal degradation behaviors of TPU composite fabric.

Figure 9. Elongation at break values of TPU composite fabric fordifferent heat treatment temperatures.

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Figure 8에서 보여주는 것처럼 190 oC와 210 oC 사이의 온도구간에서 약간의 중량감소가 나타나는 것을 확인하였다.

Figure 9는 열 가공온도 조건에 따른 TPU 복합직물의 절단신도 변화를 나타낸 그림이다. 열 가공온도 150 oC와170 oC 처리 후 TPU 복합직물의 절단신도 값은 각각 51.9%와 59.8%로 열 가공 처리 전의 절단신도 값 17.5%와 비교하여 약 3배 이상 증가하였다. 하지만 열 가공온도 190 oC와 210 oC에서는 절단신도 값이 각각 42.7%와 41.3%로 증가율이 떨어졌다. 이것은 열 가공 처리 전 시료는 TPU 코팅된 폴리에스터 원사가 직물형태로 존재해 인장력 부여시 인장력을 코팅사의 중심부인 폴리에스터 원사가 지탱하다가 이 폴리에스터 원사의 절단에 의해 파단이 발생하였으며 이로 인해 가장 낮은 절단신도 값을 나타내었다. 하지만 열 가공에 의해 코팅된 TPU부의 접착으로 인해 직물상에서 시트 상으로 변화되어 TPU 부분이 절단신도의 증가를 가져온 것으로 판단된다. 향상된 접착력으로 인해190 oC에서 절단신도는 이전 열 가공온도 보다 감소하였다.

3.3. TPU 복합직물의 발수성 분석

Figure 10은 열 가공온도 조건에 따른 TPU 복합직물의접촉각을 측정한 사진이다. 열 가공처리 전 TPU 복합직물

의 접촉각은 91도로서 TPU 코팅사의 적용으로 이미 발수성이 좋다는 것을 알 수 있었다. 열 가공온도 150 oC와 170 oC처리 후 TPU 복합직물의 접촉각은 각각 93도와 92도로 열가공처리 전과 거의 유사한 값을 가지는 것으로 보아 유사한 발수성을 가진다는 것을 알 수 있었다. 열 가공온도190 oC 처리 후 TPU 복합직물의 접촉각은 약 103도로 발수성이 크게 향상되었다는 것을 알 수 있었다. 하지만 열가공온도 190 oC 처리와 비교하여 열 가공온도 210 oC 처리후에는 TPU 복합직물의 접촉각은 96도로 다소 감소하였다. 이렇게 열 가공온도 190 oC에서 처리한 복합직물과 비교하여 210 oC에서 처리한 TPU 복합직물의 발수성이 떨어진 원인은 Figure 11의 TPU 복합직물의 단면사진 비교에서 관찰할 수 있는 것처럼 열 가공온도 210 oC가 190 oC에비해 TPU의 흐름성이 좋아져서 코팅 두께가 약간 더 얇아코팅 층 밖으로 폴리에스터 원사의 일부가 노출이 되었으며, 표면의 평활성도 상대적으로 190 oC에서 열 가공처리한 복합직물이 우수하기 때문으로 생각된다. 이러한 경향은 Table 2의 열 가공온도 조건에 따른 TPU 복합직물의 표면 습윤 저항성을 측정한 결과에서도 유사하였다. 열 가공처리 전에는 ISO 4급이었으며, 열 가공 처리 후에는 열 가공온도 190 oC 처리에서만 ISO 5급으로 향상되었으며 나머

Figure 10. Images of water droplets on TPU composite fabric for different heat treatment temperatures.

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지 온도조건에서는 모두 열 가공처리 전과 유사한 ISO 4급으로 판정되었다. 표면 습윤 저항성시험 등급은 시험 후 시험편의 외관을 기준 사진과 비교하여 결정되며, ISO 5급은시험편 표면에 물의 부착 또는 습윤이 전혀 없는 것으로발수성이 매우 우수한 것을 의미한다.

4. 결 론

열 가공조건이 TPU 코팅 폴리에스터 원사 복합직물의물성에 미치는 영향을 살펴보기 위해 열 가공온도를 달리하여 인장물성과 발수성 변화를 열 가공처리 전과 비교하여 살펴보았다. TPU 사코팅 전 폴리에스터 원사 대비 TPU

코팅사는 무정형의 엘라스토머인 TPU의 존재로 인장강도는 떨어졌지만 절단신도는 5.7배 이상 증가하였다. TPU 코팅사를 적용한 TPU 복합직물의 물성은 열 가공온도에 큰영향을 받았으며, 열 가공온도 190 oC에서 최대 인장강도값 34.5 MPa과 ISO 5급의 우수한 발수성을 발현하였다. 이것은 TPU의 완전 융해조건에서 열 가공을 해야 만이 TPU가 직물 표면에서 필름화가 되어 TPU 고유의 특성이 잘나타나는 것으로 판단된다.

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Figure 11. Cross-sectional images of TPU composite fabric fordifferent heat treatment temperatures.

Table 2. Resistance to surface wetting values of TPU composite fabricfor different heat treatment temperatures

Sample code Spray ratingTPU-control ISO 4

TPU-150 ISO 4TPU-170 ISO 4TPU-190 ISO 5TPU-210 ISO 4