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- 의류·생활·산업용 합성섬유 생산량의 90% 차지하는‘폴리에스터’

생산성·물성 높이면서 탄소 발생 줄인‘고강도 PET 섬유 제조기술’개발

□ 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene Terephthalate)는 폴리에스터, 또는 PET으로 불리는 고분자 소재로, 1950년대 초반 섬유 소재로 상용화됐다.

ㅇ 나일론, 아크릴과 함께 3대 합성섬유로 꼽혀온 PET 섬유는 열적·기계 적·화학적 물성이 좋아 의류에서부터 생활, 산업용 섬유소재로 널리 쓰 이며 전 세계 합성섬유 생산량의 90%를 차지하고 있다.

ㅇ 최근 들어서는 자동차, 항공운송 등의 경량·고성능 섬유 소재로 쓰임 새가 확대되고 있는데, 우리나라가 글로벌 시장 점유율 50% 이상 차 지하고 있는 자동차용 타이어 코드(Tire Code)의 핵심 소재이기도 하다.

□ PET 섬유 제조의 핵심은 용융방사 공정으로, PET 수지를 280℃ 이상의 고온에서 녹인 후 방사노즐을 통해 압출돼 나온 용융상태의 고분자를 당기고 냉각시켜 원하는 섬유 굵기와 물성을 갖도록 만드는 일련의 과정을 가리킨다.

ㅇ 이때 방사 속도가 PET 섬유 생산량을 좌우하는데, 방사 속도를 올릴

경우 섬유가 끊어지거나 물성이 떨어지는 문제가 발생해 기존 공정기술로는 개선이 어려웠다.

□ 한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원)이 방사 속도를 올려도 안정적인 섬유 생산이 가능할 뿐 아니라, 더욱 우수한 기계적 물성을 갖는 새로운 개념의 고강도 PET 섬유 제조기술을 개발했다.

ㅇ 생기원 섬유연구부문 함완규 박사 연구팀은 용융방사공정 내 방사 노

즐의 구조를 재설계하고, 토출되는 섬유에 순간적으로 고온 가열할

수 있는 새로운 히팅장치를 적용하는 방식으로 생산성을 20% 이상 높이

면서 인장 강도가 15% 이상 향상된 PET 섬유를 제조하는 데 성공했다.

□ 이번 성과는 용융상태의 PET 고분자 사슬의 얽힘 구조(Molecular Chain Entanglement)를 제어해 최적화하는 아이디어에서 출발했다.

ㅇ 연구팀은 용융상태에서 실 뭉치처럼 얽혀있는 고분자 사슬 간 밀도와 간격을 적절하게 제어하면 방사공정에서의 용융 점도가 떨어져 방사장력*이 낮아지고, 방사장력이 낮아지면 연신비**를 높일 수 있을 것으로 예측했다.

* 방사장력: 노즐에서 토출된 섬유가 고체화되는 동안 걸리는 섬유 내부의 응력

** 연신공정에서 섬유를 늘리거나 당길 수 있는 비율

ㅇ 이를 구현하기 위해 고분자 사슬 간 얽힘 구조를 제어할 수 있도록 방사 노즐을 재설계하고, 순간적으로 방사온도 대비 100℃ 이상 섬유를 가열할 수 있는 소형 히팅 장치를 개발했다.

ㅇ PET 섬유는 280~300℃ 이상 온도가 올라가면 열분해*가 일어나는데, 400℃까지 가열해도 열분해 없이 안정적으로 방사 가능한 것이 기술의 핵심이다.

* 높은 온도에서 일어나는 화학물질의 분해 반응

□ 개발된 기술을 적용할 경우 산업용 고분자량 PET 수지(IV* 1.05)의 최

대 방사속도가 분당 약 3㎞에서 3.6㎞로 증가하고, 인장 강도는 1데니

어 당 9~10g에서 11~13g으로 개선되는 것으로 나타났다.

* IV : 점도와 분자량을 나타내며 산업용은 1.0 이상의 값을 갖는 PET 수지를 사용

ㅇ 인장 강도 11~13g/d는 PET 섬유로 구현할 수 있는 세계 최고 수준의 물성으로, 실험실 규모에 머물러 있는 일본 및 해외 경쟁국과 달리 상용화 규모의 대형 방사 노즐이나 공정에도 구현 가능하다.

ㅇ 특히 방사노즐 부분만 변경해 기존 상용화 방사공정에 적용할 수 있어 최소한의 비용과 시간으로 생산성을 높일 수 있다.