스피닝을 통한 섬유, 필라멘트 제조

섬유에 대한 설명

중합체 섬유와 필라멘트 제조는 섬유산업에서 가장 중요한 분야다. 이들은 플라스틱 복합재료에서 강화재료(reinforce material)로서도 중요한 역할을 하지만 섬유산업에 비하면 활용이 아직 미약한 수준이다. 섬유(fiber)는 가늘고 길며 유한한 길이를 갖는 물질의 가닥으로 정의되고, 필라멘트(filament)는 연속적인 길이를 갖는 섬유를 의미한다.

섬유는 천연이거나 합성된 것일 수 있다. 현재 섬유시장의 75% 정도가 합성섬유이고, 그중에서 총생산량의 25%를 차지하는데, 오늘날까지 가장 중요한 재료는 면이다. 모는 면에 비해 상당히 적다.

스피닝

스피닝(spinning)이란 용어는 천연섬유를 뽑아내고 꼬아서 실을 만드는 방법에서 유래되었다. 합성섬유의 경우 스피닝은 용융중합체 또는 용액을 방적돌기(spinneret: 여러 작은 구멍이 있는 다이)를 통과시켜 필라멘트를 만들고 보빈(bobbin: 실패)에 감는 공정을 말한다. 합성섬유의 스피닝은 중합체를 처리하는 방식에 따라 용융체 스피닝, 건식 스피닝, 습식 스피닝 세 가지로 나눈다.

용융체 스피닝

용융체 스피닝(melt spinning)은 전형적인 압출 공정과 유사하게 중합체 재료를 용융상태로 가열해 방적돌기로 압출하는 것이다. 전형적인 방적돌기의 두께는 6mm이고, 직경이 0.25mm인 구멍이 대략 50개 정도 있다. 구멍은 접시형(countersunk)이며 구멍의 L/D 비율은 1/5 이하다. 다이로부터 흘러나오는 필라멘트는 당겨지는 동시에 다음과 같이 보빈에 감기기 이전에 공기로 냉각된다. 중합체가 아직 녹아있는 상태에서 필라멘트는 늘어나고 얇아지게 되어, 최종 직경은 압출될 때 직경의 1/10이 된다. 용융체 스피닝은 폴리에스터와 나일론에 적용된다. 이들이 가장 중요한 합성섬유인 만큼 용융체 스피닝은 합성섬유의 3가지 공정 중에 제일 중요하다.

건식 스피닝과 습식 스피닝

건식 스피닝(dry spinning)에서 초기 중합체는 용융 상태이며 용제는 증발로 제거될 수 있다. 압축물은 용제를 제거하기 위해 가열된 체임버를 통과한다. 이것 외의 공정은 용융체 스피닝과 유사하다. 셀룰로오스 아세테이트와 아크릴 섬유가 이 공정으로 생산된다. 습식 스피닝(wet spinning)에서도 초기 중합체는 용액 상태이거나, 용제는 비휘발성이다. 중합체를 분리시키기 위해 압축물은 중합체를 응고시키거나 침전시키는 화학 용액을 통과시켜 나오는 실을 보빈에 모은다. 이러한 방법은 레이온(재생 셀룰로오스 섬유)을 생산하는 데 사용된다.

 

이러한 3가지 공정 중의 하나로 생산된 필라멘트는 필라멘트의 축 방향으로 결정구조를 맞추기 위해 보통 냉간 인발(cold drawing)을 거치게 된다. 일반적으로 2~8배까지 신장이 이뤄진다. 이는 섬유의 인장강도를 획기적으로 증대시키는 효과가 있다. 인발은 두 스풀에 필라멘트를 걸고, 감는 스풀을 푸는 스풀에 비해 더 빠른 속도로 회전시키는 것으로 이뤄진다.