Study on the Mechanical Properties of PET Fiber and the Adiabatic Properties of PET Fabrics by their Adiabatic Material Contents

단열성 재료 함량에 따른 PET 원사의 기계적 물성 및 직물의 단열성에 관한 연구

Abstract

Recently, the automobile industry is developing as the demand for automo- biles increases due to industrial development and population growth. In addition, many studies are being conducted to reduce heat loss inside the automobiles in order to save energy inside the automobiles due to environmental regulations. In this study, alumina, nanosilicon, and aerogel, which are adiabatic materials, were filled in PET to manufacture yarn, identify physical and mechanical properties, and weave into fabric to confirm adiabatic performance. As the content of the adiabatic material increased, the tensile strength of the fibers filled with alumina and nanosilicon decreased greatly, and the adiabatic property slightly increased. The tensile strength of fibers filled with the aerogel decreased slightly, but the adiabatic properties were greatly increased. Therefore, it is considered to be due to the large volume fraction in the PET yarn due to the low density of the aerogel.

1. 서론

최근 세계적으로 볼 때 인구의 증가, 경제 성장 및 생활 수준의 증가로 자동차의 지속적인 수요상승 등으로 인해 자동차 산업이 성장하면서 세계의 각 정부들은 차량으로부터 배기되어 지는 CO₂의 배출량이 상승함에 따라 지구온난화의 대책과 온실가스의 배출을 지양하며, 석유 의존도를 낮추기 위해 차량 내부의 열손실을 줄이려는 연구들이 많이 진행되고 있다^1,2). 열손실을 줄이기 위한 소재로 단열재가 각광 받고 있어 단열재 산업이 상승세를 띄는 중이다. 여름철 자동차 내부에 실내 온도가 높아짐에 따라 냉방 장치를 사용하게 되면 연료 소비가 20 ~ 30% 증가한다. 그에 따라서 연료 소비를 줄이기 위해 외부로부터 들어오는 열을 차단하고 냉난방 운전 시 에너지 손실을 최소화할 수 있는 단열재의 개발이 시급한 시점이다^3,4).

현재 자동차 내장재용 섬유제품들 중에는 벨트, 타이어코드, 에어백, 선루프 및 기타 필터 등이 있다. 그중 선루프, 블라인드와 같이 외부로부터 열을 막아주는 단열 및 열 차단 소재의 연구들이 많이 이뤄지고 있다⁴⁾. 열 차단에 효과가 우수한 단열 재료로는 폴리우레탄 폼(Polyurethane Foam)⁵⁾, 셀룰로오스(Cellulose)³⁾, 알루미나(Al2O3)^6,7), 실리콘 나노입자(Si-NPs, Nano Particles)^8-10), 에어로겔(Aerogel)^11-15) 등이 있다.

알루미나 같은 단열성 입자의 특징은 구조적으로 내부에 공극이 많은 다공성 구조로 이루어져 있다. 크기에 따라 다르지만 일반적으로 열전도도가 낮아 단열재료로 많이 사용되어지고 있다^6,7). 일반적인 실리콘은 열전도도가 150 W/mK 가량이나 입자 크기가 22 nm인 나노실리콘의 경우는 열전도도가 약 10 W/mK까지 감소되어진다. 입자의 크기가 작아질수록 낮은 열전도도의 성능으로 인해 열 차단성능에 효과적이다^8-10). 실리카 에어로겔/PET 복합 부직포를 제조한 결과 일반적인 PET 부직포에 비해 에어로겔이 함유된 복합 부직포에서는 열확산율이 64 % 감소한 것으로 나타났다¹¹⁾.

에어로겔은 밀도가 매우 낮고 열전도율이 0.01 ~ 0.03 W/mK 정도로 낮으며, 75 ~ 99 %의 높은 기공률로 비표면적(150 m²/g 이상)을 가지기 때문에 공기의 3배의 무게밖에 되지 않아 굉장히 가벼운 단열성능을 가진 소재이다. 에어로겔은 고체 상태의 물질로 내부에 액체 대신 기체로 채워져 있는 형태로 알콕사이드와 waterglass 혼합용액을 고압상태에서 초임계이산화탄소가 알코올 자리를 채운 후 온도와 압력을 상온, 상압으로 만들게되면 이산화탄소가 공기로 치환되며 생성되어진다. 나노 기공이 공기분자를 잡아둠으로써 열 흐름을 저항하는 구조로 이루어져 있다^12-15). 또한 기존 단열성 재료 연구들은 중량비 기준으로 단열성능을 분석한 연구가 대부분이며, 부피비에 따라 단열성 재료가 함유된 섬유의 단열성능을 분석한 연구는 부족한 실정이다.

따라서 본 논문에서는 단열성능이 우수한 재료인 알루미나, 실리콘 나노입자, 에어로겔을 1, 2, 3, 4, 5 wt.%를 PET chip과 컴파운딩 하였으며, 이를 용융방사하여 복합원사를 제조해 그 물리적/기계적 특성을 확인하고, 이를 레피어 직기를 통해 제직하여 직물을 제직해 단열성을 확인하였고, 제직된 직물에 Al 금속입자를 진공 증착시켜 그의 단열성능을 확인하였다.

2. 실험

2.1 재료

PET chip은 효성 T&C 사의 고유점도(Intrinsic Viscosity, I.V)가 0.63 dl/g인 것을 구매하여 사용하였으며, 단열성 재료인 알루미나(Al₂O₃)는 HKK솔루션(주)의 순도 99.9%의 입자 크기 1 µm인 제품을 사용하였고, 나노실리콘은 HKK솔루션(주)의 순도 99.9%의 입자 크기 100 nm의 Si-nano-100을 사용하였고, Aerogel은 JIOS사의 입자 크기 20 µm 미만인 Aerova 제품을 구매하여 사용하였다. 사용된 단열성 재료들의 특성을 Table 1에 나타내었다.

Table 1. Properties of material

2.2 시편제조

2.2.1 용융방사

용융방사를 위하여 각 단열성 재료들과 PET chip을 Twin extruder(TEK-30, SM Platek, Korea)을 이용하여 중량비 기준으로 5 wt.%인 마스터배치로 각각 제조하였다. 각각 제조된 마스터배치를 이용하여 알루미나, 실리콘 나노입자, 에어로겔의 함량이 1, 2, 3, 4, 5 wt.%가 되도록 혼합한 후 MS LAB 방사기(TMT, Japan)를 이용하여 복합원사를 제조하였다. 제조한 방사공정은 Table 2와 같다.

Table 2. Conditions of melt spinning​​​​​​​

방사 구금은 내경 1 mm, 36 hole을 사용하였으며, 사용된 용융방사기는 Figure 1와 같으며, 제조된 PET 복합원사는 Figure 2에 나타내었다. 또한 방사 조건은 Neat-PET의 섬도가 75 de가 되도록 하였으며, 단열성 재료를 함유한 복합원사의 조건도 동일하게 하였다.

Figure 1. Melt spinning machine.

Figure 2. Manufactured filament yarn.

2.2.2 직물 제직

제조된 PET원사를 래피어 직기(HTVS8/S dornier, Germany)를 이용하여, 경위사 밀도가 140 picks/inch, 94 ends/inch로 경사본수는 1,960의 조건으로 2 × 2 평직으로 제직하였다.

2.2.3 직물 Al 금속 진공 증착

제직된 직물을 진공 증착기(VTS-1250S, VACUUM TEC, Korea)를 이용하여 Al 금속을 증착하였다. 진공 증착기 챔버내에는 순도 95.0 ~ 99.99%의 Al 금속 입자를 1 ~ 10 × 10^-5 torr 진공 조건에서 20분간 증착하여 직물 표면에 0.08 ~ 0.1 µm 두께의 박막층을 형성하였다.

2.3 측정 및 분석

조건별로 제조된 PET 원사의 단열성 재료의 함량에 따른 선밀도와 입자의 부피분율을 분석하였으며, 인장강도를 측정하기 위해 만능재료시험기(Universal Testing Machine, OTT-05, Korea)기를 이용하였다. PET 원사내의 단열성 재료를 확인하기 위하여 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM, S4800, HITACHI, Japan)을 이용하였다. 제조된 직물의 중량을 측정하였으며, 단열성 평가는 열 차단 분석기(Heat block test machine, GHP-456 Titan, NETZSCH, Germany)을 이용하였으며, Figure 3는 실험에 사용된 열 차단 분석기를 나타낸다. 열 차단 분석기에 모듈은 자성이 없는 STS304 SUS 소재를 사용하였고, 상단은 강화유리(3T의 두께)로 사용하여 탈부착이 가능하도록 제작하였다. 직물 거치대의 고정을 위한 리벳을 삽입구에 적용하였다.

Figure 3. Adiabatic test machine​​​​​​​.

단열성 평가는 220V, 375W, 3,000 ~ 3,200 K 범위의 색온도 적외선 램프로, 소켓규격 E26, 125 × 180 mm 사이즈, 조도 30 cm 거리에서 10,000 ± 500 Lux의 광원을 사용하였으며, 광원의 장착 높이는 1시간 시험 후 비교군의 온도가 50 °C가 되는 높이로 설정을 하였다. 온도 기록계는 평가 모듈 내부, 하단에서 2/3(60 mm) 지점에 위치시켰으며, 모듈 내부의 환경은 온도 20 ± 2 ℃, R.H. 65 ± 4 %로 설정하였다. 평가 절차는 시험군(Neat-PET 직물)과 비교군을 평가 모듈을 설치대에 거치하여 60분 동안 2초 간격으로 온도 데이터를 측정하였으며, 시험군과 비교군의 온도차이를 기록하여 평가하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 단열성 입자 함량별 PET 원사 특성

Table 3은 단열성 재료의 함량별 PET원사의 선밀도와 PET 원사내의 단열성 입자의 부피분율을 나타낸 것이다. 선밀도의 경우는 단열성 입자의 중량비가 증가할수록 PET-Al과 PET-Si는 미미하게 증가하였으나, PET-Ae는 크게 감소하였다. 이는 단열성 재료의 밀도에 기인한 것이며, PET-Al과 PET-Si의 선밀도가 증가한 것은 PET의 밀도가 1.38 g/cm³에 비해 알루미나와 나노 실리콘의 밀도가 3.97, 2.33 g/cm³으로 더 높기 때문이며, PET-Ae의 선밀도가 감소한 것은 에어로겔의 밀도가 0.1 g/cm³로 낮기 때문인 것으로 판단된다. 또한 단열성 재료의 중량비가 증가할수록 PET원사내의 입자부피분율은 PET-Al과 PET-Si는 증가하였으나, PET-Ae는 크게 증가하였다. 단열성 입자들의 5 wt.%의 함량에서 PET-Al 내의 알루미나의 부피분율은 1.796 vol.% 였으나 PET-Ae내의 에어로겔의 부피분율은 42.073 vol.% 였다. 이는 단열성 재료가 함유된 PET chip에 단열성 재료가 동일 중량비로 함유되어 있더라도 방사공정을 통해 PET 원사를 제조한 후에는 단열성 재료들의 밀도차이에 따라 PET 원사내의 부피함량비가 다르기 때문에 선밀도의 차이가 발생하는 것으로 판단된다.

Table 3. Volume fraction(vol. %) and linear density(tex) of the PET fiber fillers according to filler content(wt. %)​​​​​​​

Figure 4는 내열성 재료가 1 wt.%가 함유된 PET-Al와 PET-Ae의 원사 단면의 SEM 이미지이다. 이미지에서 보듯이, 동일 중량비의 PET chip이더라도 방사 후에 제조된 원사에서는 단열성 입자의 부피함량이 다른 것을 확인할 수 있었다.

Figure 4. SEM image of PET fiber in Al₂O₃ 1% (A) and Aerogel 1% (B).​​​​​​​

3.2 단열성 재료의 함량이 PET원사 인장강도에 미치는 영향

Figure 5은 단열성 재료 함량에 따른 인장강도의 변화를 나타낸 것이다. 단열성 재료의 함량이 1 ~ 5 wt.%까지 증가할수록 모든 복합원사의 인장강도가 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 모든 단열성 재료들이 구형의 등방성 입자이므로 PET 원사의 인장강도가 감소했을 것으로 판단된다. PET-Al의 경우는 3.5 gf/de에서 2.35 gf/de로 크게 감소하였고, 이는 알루미나 입자의 밀도가 3.97 g/cm³로 PET의 밀도 1.38 g/cm³보다 크기 때문에 함량이 증가할수록 선밀도도 증가되었기 때문이라 판단된다.

Figure 5. Tensile strength of PET fiber at various contents.​​​​​​​

하지만 PET-Ae의 경우는 3.50 gf/de에서 3.12 gf/de로 감소폭이 미미하였다. 이는 에어로겔의 밀도가 0.10 g/cm³로 PET에 비해 밀도가 아주 낮으므로, 동일 중량비의 PET chip 이더라도 복합원사로 제조되었을 때는 원사내의 에어로겔의 부피분율이 크기 때문에 선밀도가 감소되었기 때문이라 판단된다. 5 wt.%의 경우, 에어로겔 입자가 PET 원사내의 부피가 42.073%로 파단하중(load) 값은 크게 감소하지만, 에어로겔의 낮은 밀도로 선밀도는 8.056 tex에서 4.911 tex로 크게 감소하기 때문에 인장강도인 gf/de의 감소가 미미한 것으로 판단된다.

3.3 단열성 재료의 함량이 제직 직물 중량에 미치는 영향

Figure 6은 단열성 재료의 함량이 증가함에 따른 직물의 중량을 나타낸 것이다. PET-Al의 경우는 87 g/m²에서 90 g/m²로 증가했고, PET-Si의 경우는 87 g/m²에서 89.1 g/m²로 증가했다. PET-Al와 PET-Si는 Neat-PET보다 선밀도가 높아 함량이 증가할수록 직물의 중량이 증가하는 것으로 판단된다. 하지만 PET-Ae의 경우는 87 g/m²에서 50.46 g/m²로 크게 감소하였다. 이는 PET-Ae 선밀도가 Neat-PET보다 훨씬 낮기 때문에 에어로겔의 함량이 높아질수록 직물의 중량이 감소하는 것으로 판단된다.

Figure 6. Comparison of fabric weight at various contents.​​​​​​​

3.4 단열성 재료 함량의 증가가 단열성능에 미치는 영향

본 연구에서는 단열성 재료의 함량에 따른 직물의 열 차단성능을 확인하였다. Figure 7은 단열성 재료들의 함량이 1, 3, 5 wt.% 일 때, Neat-PET 직물과의 온도 차이를 보여주는 그래프이다. 단열성 재료의 함량이 증가됨에 따라 Neat-PET 직물과의 온도 차이가 증가됨을 확인할 수 있었다. 이는 단열성 재료들이 열 차단 효과가 있기 때문이며, Figure 7(A)에서 보는바와 같이, 단열성능 평가시간이 3,600초로 증가됨에 따라 PET-Al 직물의 내부온도가 44 °C로 45.9 °C인 Neat-PET 직물보다 1.9 °C 낮은 온도를 보였다. PET-Si 직물의 경우 Neat-PET 직물보다 2.7 °C 차이의 단열성능을 보였으나, PET-Ae 직물에서는 6.9 °C로 큰 폭의 차이를 보였다. 이는 동일 중량비인 1 wt.%의 경우, 알루미나와 나노실리콘은 부피분율이 0.349 vol.%와 0.954 vol.%임에 비해, 에어로겔은 낮은 밀도로 원사내에 부피분율이 12.234 vol.%로 상당히 높기 때문인 것으로 사료된다.

Figure 7. Adiabatic properties of PET fabric according to time 1 wt.% (A), 3 wt.% (B), and 5 wt.% (C).​​​​​​​

Figure 7 (B)와 (C)에서도 단열성 재료의 함량이 3 wt.%와 5 wt.%에서도 단열성능 평가시간이 3,600초로 증가됨에 따라 Neat-PET 직물과의 온도차이가 크게 증가됨을 확인할 수 있었다. 내열성 재료의 함량이 5 wt.%인 경우 평가시간이 3,600초로 증가됨에 따라 Neat-PET 직물과 PET-Al 직물의 온도차이는 3.7 °C였으나, PET-Ae 직물의 온도차이는 12.4 °C로 크게 증가하였다. 이는 PET-Ae 직물의 경우는 에어로겔의 함량이 5 wt.%일 경우 원사내의 에어로겔의 부피분율이 42.073 vol.%로 상당히 높기 때문인 것으로 판단된다.

Figure 8은 평가시간이 3,600초의 일 때 내열성 재료들의 함량별 직물의 온도를 나타낸 것이다. 내열성 재료의 함량이 증가됨에 따라 단열성 직물의 온도가 감소함을 확인할 수 있었으며, PET-Ae 직물이 가장 큰 폭으로 감소하였다. 이는 중량비의 증가에 따라 낮은 밀도의 에어로겔이 PET-Ae 원사내에 차지하는 부피가 크기 때문인 것으로 판단된다.

Figure 8. Adiabatic properties at 3,600 sec of PET fabric with various contents​​​​​​​.

3.5 Al 입자의 진공증착이 직물에 미치는 영향

단열성 재료들 중 가장 단열성능이 우수했던 PET-Ae 5 wt.%직물에 Al금속 이온을 진공 증착시켜 단열성능을 테스트하였다. Figure 9의 단열성능 테스트 결과 3,600초에서 PET-Ae 5 wt.% 직물의 내부온도는 34 °C로 12.9 °C의 온도차이를 보였고, Al입자를 증착한 직물인 ePET-Ae 직물의 내부온도는 33.2 °C로 13.6 °C의 온도차이를 보였으나, 내열성능 향상에 대한 진공증착의 효과는 0.7 °C 차이로 미미하였다. 이는 직물 표면에 코팅된 Al 금속 입자가 직물의 방열판(heat sink)역할을 하여 광원의 열을 반사시켜 내부온도를 감소시키는 것으로 판단된다¹⁶⁾.

Figure 9. Adiabatic properties of coated PET fabric according to time.​​​​​​​

4. 결론

본 연구에서는 PET 직물에 단열성능을 높이기 위해 단열성 재료들을 혼입하여 용융방사를 통해 원사를 제조하여 물리적, 기계적 특성을 분석하였으며, 제조된 원사를 직물로 제직하여 단열성을 확인하였다. 또한 직물에 Al 금속 입자를 진공 증착시켜 단열성능을 확인하였으며 결과는 다음과 같다.

용융 방사된 원사의 물리적 특성을 분석한 결과 PET-Al과 PET-Si의 경우 단열성 재료 함유량이 증가함에 따라 원사내의 단열성 재료의 부피분율이 증가하였고, 원사의 선밀도도 증가하였다. PET-Ae의 경우 단열성 재료의 함유량이 증가됨에 따라 원사내의 단열성 재료의 부피분율이 5 wt% 조건에서 42 vol.%로 큰 폭으로 증가하였지만, 원사의 선밀도는 8.056 Tex에서 4.911 Tex로 감소함을 확인할 수 있었다.

인장강도는 단열성 재료의 함유량이 증가함에 따라 PET-Al과 PET-Si는 감소하였으나, PET-Ae의 경우는 선밀도가 감소했기에 인장강도는 3.5 gf/d에서 3.2 gf/d로 작은 폭으로 감소하였다. 제조된 PET 직물들의 단열성능을 확인한 결과 PET-Ae의 직물의 5 wt.% 직물의 단열성능이 가장 우수함을 확인하였다. 또한 가장 단열성능이 우수했던 PET-Ae 5 wt.% 직물에 Al금속 입자를 진공 증착시켜 단열성능을 확인한 결과 단열성이 0.7 °C의 증가폭이 미미하였다.