그 밖의 고분자 가공 (섬유가공, 표면코팅, 발포가공)

 

 

1. 섬유가공

섬유는 고분자 성형품 중에서 가장 중요한 것 중 하나입니다. 고분자를 섬유로 가공하기 위해서는 일반적으로 용액방사법 (solution spinning)과 용융방사법(melt spinnin)을 사용합니다. 용액방사법은 고분자를 용매에 녹여 점도가 높은 용액을 만든 후 주사기와 같은 작은 구멍을 통하여 방사합니다. 용액방사법은 방사된 고분자 용액을 비용매에 통과시킴으로써 용매를 제거하여 섬유를 제조하는 습식법과 열풍으로 용매를 건조 시키는 건식법으로 구분됩니다. 용융방사법에서는 고분자를 압출기를 사용하여 직접 섬유로 가공합니다. 방사가 끝나면 생성된 섬유의 물성을 향상시키기 위하여 섬유를 연신합니다. 연신에 의하여 분자가 일정한 방향으로 배향하게 되고 그 결과 섬유의 물성이 개선됩니다.  

 

 

2. 섬유가공 - 습식방사

습식법은 점도가 높은 고분자 용액을 비용매에 방사하여 섬유를 제조하는 방법입니다. 실험적으로는 주사기를 이용하여 섬유를 제조할 수도 있습니다. 상업적으로는 점성의 용액이 수 많은 작은 구멍이 뚫린 spinneret을 통하여 방사되며 비용매가 채워진 응집조 내부에서 응집하여 섬유를 생성하고 섬유는 연속적으로 감겨집니다. 이 경우 응집조의 온도 및 비용매의 종류는 응집속도에 심각한 영향을 미칩니다. 응집속도가 너무 빠르면 섬유 생성이 불균일하게 되어 강도가 약한 섬유가 생산됩니다. 따라서 응집조에서의 응집속도가 가급적 느려지도록 용매와 비용매의 조성을 조절합니다. 섬유의 굵기는 섬유를 감는 속도, 응집시 수축 정도, 연신도 등에 의하여 결정됩니다. 습식법은 상업적 활용도는 높지만 단면의 형태 및 지름이 균일한 섬유를 제조하기에 적합하지 않고 생산속도가 느리다는 등의 단점이 있습니다.

 

 

3. 섬유가공 - 건식방사

건식법에서는 spinneret을 통하여 방사된 고점도의 고분자 용액을 뜨거운 기체로 건조하여 섬유를 제조하는 방법입니다. 고점도의 고분자 용액은 수지의 관 내부에 방사되고 반대방향으로 뜨거운 기체와 접촉합니다. 고분자 용액은 방사되기 전에 가열하는 경우가 있으며, 이 경우 사용되는 용매의 양이 적어집니다. 사용되는 용매는 acetone 등의 휘발성 용매 또는 dimethylformamide 등의 휘발성이 낮은 용매도 사용됩니다. 이 방법은 polyurethane, poly(vinyl acetate) 섬유 제조에 사용되고 있습니다.

 

 

4. 섬유가공 - 용융방사

용융방사법에서는 고분자를 용융하여 spinneret을 통하여 방사합니다. 방사된 용융물은 즉시 냉각 고화되고 집접 연시되어 실패에 감겨질 수도 있습니다. 용융방사법은 균일한 품질의 섬유를 매우 빠른 속도로 생산할 수 있다는 장점이 있으나 열적으로 불안정한 고분자의 가공에는 적합하지 않다는 단점도 있습니다. 따라서 산화의 위험을 줄이기 위하여 질소 하에서 용융, 방사합니다. 이 방법은 Nylon 6 및 Nylon 66, polyester 섬유 등의 제조에 응용되고 있습니다. 

 

5. 표면코팅

고분자의 큰 응용분야 중이 하나는 표면 코팅 (Coating)입니다. 고분자는 나무, 종이, 천 등에 도포할 수 있습니다. 도포된 고분자 피막은 도료와 같이 방수, 방염, 내부식성 등의 성질을 부여할 수도 있고 접착테이프에서와 같이 접착성을 부여할 수도 있습니다. 이와 같이 고분자 피막이 적용된 예는 도료, 접착테이프, 카세트테이프, 마루 바닥재 등입니다. 고분자의 표면 코팅의 방법은 필름가공법과 매우 비슷합니다. 고분자는 용융하여 도포하든지 용매에 용해하여 코팅 용액으로 만들어 도포하는지, 고분자 latex로 제조하여 도포할 수 있습니다. 고분자를 용융하여 코팅하는 경우 생산성을 높일 수 있습니다. 용융코팅 방법에는 calender 코팅과 압출코팅이 있습니다. 코팅 용액이나 latex를 사용하는 경우는 균일하고 다양한 코팅을 얻을 수 있으나 생산속도가 느리다는 단점이 있습니다. 

 

6. 발포가공

스폰지와 발포고무 등의 발포 가공품은 그 물성 및 가공품 형태의 다양성 때문에 사용이 급격히 증가하고 있습니다. 내장제로 쓰이는 부드러운 연질 발포수지로부터 자동차 범퍼 등에 쓰이는 반경질 발포수지, 주로 구조재 등에 사용되는 경질 발포수지 등 다양한 물성으로 가공할 수 있습니다. 발포수지는 단열, 방음 및 전기 절연성 등의 다양한 장점도 가지고 있습니다. 이러한 다양성은 제조방법에도 적용되어 발포수지는 casting, 압출, 사출, 열성형 등의 다양한 방법에 의해 거의 모든 형태의 성형품으로 제조될 수 있습니다. 모든 열가소성 수지와 열경화성 수지는 발포가공이 가능합니다. 가장 많이 쓰이는 발포법은 발포제를 섞은 수지를 고온에 방치함으로써 발포시키는 방법입니다. 발포제는 보통 분말상으로 액상 수지나 pellet상 수지에 혼합합니다. 발포제는 열에 의해 분해하여 보통 질소가스를 방출합니다. 전형적인 발포제로는 azobisformamide(ABFA)가 있습니다. 분해온도는 110°C에서 280°C 사이 입니다. 발포제의 선정은 사용하는 수지의 용융온도와 가공온도를 충분히 고려하여 선정합니다. 그 밖에 발포법은 용융되거나 액상의 수지에 기체를 높은 압력으로 주입하는 것입니다. 기체는 압력이 낮아졌을 때 기체가 팽창함으로서 발포체를 형성하게 됩니다. 한편 isocyanate 등의 화합물이 물과 고온에서 반응할 때 기체를 생성할 수 있는 성질은 polyurethane 발포성형에 활용되기도 합니다. Freon 등의 휘발성이 낮은 용매들은 발포성형에 자주 활용됩니다. 이들 용매들은 반응열이나 가공열에 의해 증발 팽창하여 발포 수지를 형성합니다.