스판덱스

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스판덱스는 운동복과 같이 신축성이 있는 의류를 만드는 데 사용되는 가벼운 합성 섬유입니다. 폴리에스터와 다이아이소사이아네이트를 반응시켜 생성되는 폴리우레탄이라고 하는 장쇄 폴리머로 구성되어 있습니다. 폴리머는 건식 방사 기술을 사용하여 섬유로 변환됩니다. 1950년대 초에 처음 생산된 스판덱스는 처음에 고무를 대체하기 위해 개발되었습니다. 스판덱스의 시장은 면이나 나일론과 같은 다른 섬유에 비해 상대적으로 작지만 스판덱스의 새로운 응용 분야가 지속적으로 발견되고 있습니다.

배경

스판덱스는 합성 고분자입니다. 화학적으로 짧은 디이소시아네이트와 결합된 장쇄 폴리글리콜로 구성되며 폴리우레탄을 85% 이상 함유합니다. 엘라스토머로 어느 정도 늘어날 수 있다가 풀릴 때 반동을 일으키게 됩니다. 이 섬유는 더 강하고 가벼우며 다재다능하기 때문에 고무보다 우수합니다. 사실, 스판덱스 섬유는 길이의 거의 500%까지 늘어날 수 있습니다.

스판덱스 섬유의 이러한 독특한 탄성 특성은 재료의 화학적 구성의 직접적인 결과입니다. 섬유는 수많은 폴리머 가닥으로 구성됩니다. 이 가닥은 길고 무정형 세그먼트와 짧고 단단한 세그먼트의 두 가지 유형의 세그먼트로 구성됩니다. 자연 상태에서 비정질 세그먼트는 무작위 분자 구조를 갖습니다. 그들은 혼합되어 섬유를 부드럽게 만듭니다. 폴리머의 단단한 부분 중 일부는 서로 결합하여 섬유 구조를 제공합니다. 섬유를 늘리기 위해 힘이 가해지면 단단한 부분 사이의 결합이 끊어지고 비정질 부분이 곧게 펴집니다. 이것은 비정질 세그먼트를 더 길게 만들어 섬유의 길이를 증가시킵니다. 섬유가 최대 길이로 늘어나면 단단한 부분이 다시 서로 결합됩니다. 비정질 세그먼트는 길쭉한 상태로 유지됩니다. 이것은 섬유를 더 단단하고 강하게 만듭니다. 힘이 제거된 후, 비정질 세그먼트는 반동하고 섬유는 이완된 상태로 돌아갑니다. 과학자들은 스판덱스 섬유의 탄성 특성을 사용하여 원하는 신축성 및 강도 특성을 갖는 직물을 만들 수 있습니다.

스판덱스 섬유의 주요 용도는 직물입니다. 그들은 여러 가지 이유로 유용합니다. 첫째, 반복적으로 늘어날 수 있으며 원래 크기와 모양으로 거의 정확하게 돌아갑니다. 둘째, 가볍고 부드럽고 매끄럽습니다. 또한 쉽게 염색됩니다. 또한 마모 및 바디 오일, 땀 및 세제의 유해한 영향에 강하기 때문에 탄력적입니다. 그들은 다른 재료와 호환되며 다른 유형의 섬유와 방적하여 두 섬유의 특성을 모두 가진 독특한 직물을 생산할 수 있습니다.

스판덱스는 다양한 의류 유형에 사용됩니다. 가볍고 움직임에 제약이 없어 운동복에 가장 많이 사용된다. 여기에는 수영복, 자전거 바지 및 운동복과 같은 의복이 포함됩니다. 스판덱스는 몸에 착 달라붙는 성질을 가지고 있어 속옷에 활용하기 좋습니다. 따라서 허리띠, 지지호스, 브래지어, 브리프 등에 사용된다.

연혁

스판덱스의 개발은 제2차 세계 대전 중에 시작되었습니다. 이때 화학자들은 고무의 합성 대체품 개발에 도전했습니다. 두 가지 주요 동기 요인이 연구를 촉발했습니다. 첫째, 전쟁 노력에는 건설 장비에 사용할 수 있는 대부분의 고무가 필요했습니다. 둘째, 고무 가격이 불안정하고 변동이 잦았다. 고무에 대한 대안을 개발하면 이 두 가지 문제를 모두 해결할 수 있습니다.

처음에 그들의 목표는 합성 고분자 기반의 내구성 있는 탄성 가닥을 개발하는 것이었습니다. 1940년, 최초의 폴리우레탄 엘라스토머가 생산되었습니다. 이러한 폴리머는 고무에 대한 적절한 대안인 밀링 가능한 고무를 생성했습니다. 거의 같은 시기에 Du Pont의 과학자들은 최초의 나일론 폴리머를 생산했습니다. 이 초기 나일론 폴리머는 뻣뻣하고 단단했기 때문에 더 탄력 있게 만들기 위한 노력이 시작되었습니다. 과학자들이 다른 폴리우레탄을 가는 실로 만들 수 있다는 것을 발견했을 때, 그들은 이러한 재료가 더 신축성 있는 나일론을 만들거나 가벼운 의복을 만드는 데 유용할 수 있다고 결정했습니다.

최초의 스판덱스 섬유는 고분자 화학의 초기 개척자 중 한 명인 Farbenfabriken Bayer에 의해 실험 수준에서 생산되었습니다. 그는 1952년 합성에 대한 독일 특허를 획득했습니다. 섬유의 최종 개발은 Du Pont과 U.S. Rubber Company의 과학자들이 독립적으로 수행했습니다. Du Pont은 Lycra라는 브랜드 이름을 사용하고 1962년에 본격적인 생산을 시작했습니다. 현재 그들은 스판덱스 섬유 생산의 세계적인 선두 주자입니다.

원자재

신축성 있는 스판덱스 섬유를 생산하기 위해 다양한 원료가 사용됩니다. 여기에는 섬유의 골격을 생성하는 예비 중합체, 중합체의 무결성을 보호하는 안정제 및 착색제가 포함됩니다.

두 가지 유형의 예비 중합체가 반응하여 스판덱스 섬유 중합체 골격을 생성합니다. 하나는 유연한 마크로글리콜이고 다른 하나는 뻣뻣한 디이소시아네이트입니다. 매크로 글리콜은 폴리에스테르, 폴리에테르, 폴리카보네이트, 폴리카프로락톤 또는 이들의 일부 조합일 수 있습니다. 이들은 양쪽 끝에 수산기(-OH)가 있는 장쇄 중합체입니다. 이 분자의 중요한 특징은 길고 유연하다는 것입니다. 스판덱스 섬유의 이 부분은 스트레칭 특성을 담당합니다. 스판덱스를 생산하는 데 사용되는 다른 예비 중합체는 고분자 디이소시아네이트입니다. 이것은 양 말단에 이소시아네이트(-NCO) 그룹이 있는 더 짧은 사슬 폴리머입니다. 이 분자의 주요 특성은 강성입니다. 섬유에서 이 분자는 강도를 제공합니다.

1890년 뉴욕시의 Jacob Kindliman이 디자인한 코르셋. (미시간 주 디어본에 있는 헨리 포드 박물관 및 그린필드 빌리지 컬렉션에서)

이 코르셋을 입은 몸통은 1890년 뉴욕시의 Jacob Kindliman이 제작했습니다. 코르셋인 Kindliman은 광고할 필요가 거의 없었습니다. 그 당시 여성들은 코르셋을 입어야 한다고 생각했고 20세기 초까지 코르셋 없이는 추잡한 옷을 입었다고 여겼습니다. 코르셋은 올인원 의류의 브래지어-허리-허리 신처 조합으로 패셔너블한 드레스의 기본 형태를 형성했습니다.

스판덱스 이전에 코르셋은 어떻게 몸을 효과적으로 윤곽을 잡았습니까? 18세기에는 옷을 단단히 묶었을 때 코르셋의 두꺼운 퀼팅과 튼튼한 솔기가 몸을 형성했습니다. 19세기 초에 수염고래의 입에서 나온 뼈가 있지만 구부릴 수 있는 물질인 수염이 코르셋의 이음새에 꿰매어졌습니다(따라서 고래뼈 코르셋이라는 용어). 천으로 덮인 강철. 이러한 강철로 덮인 코르셋은 움직임이나 편안함을 허용하지 않았습니다. 제1차 세계 대전이 되자 미국 여성들은 코르셋의 일부를 거들(허리와 엉덩이 성형)과 반도(유방을 지지하고 모양을 만드는 데 사용되는 부드러운 밴드)의 두 가지 의복으로 분리하기 시작했습니다.

낸시 EV 브릭

두 가지 유형의 예비 중합체가 함께 혼합되면 상호 작용하여 스판덱스 섬유를 형성합니다. 이 반응에서 하이드록실 건식 방적 공정. 마크로글리콜의 그룹(-OH)은 이소시아네이트와 반응합니다. 각 분자는 다른 분자의 끝에 추가되고 긴 사슬 폴리머가 형성됩니다. 이것은 단계적 성장 또는 부가 중합으로 알려져 있습니다. 이 반응을 시작하려면 diazobicyclo[2.2.2]octane과 같은 촉매를 사용해야 합니다. 섬유의 분자량을 조절하기 위해 다른 저분자량 아민이 첨가됩니다.

스판덱스 섬유는 열, 가벼운 대기 오염 물질 및 염소를 포함한 다양한 원인으로 인한 손상에 취약합니다. 이러한 이유로 섬유를 보호하기 위해 안정제가 추가됩니다. 항산화제는 안정제의 한 유형입니다.

단량체 및 중합체 장애 페놀을 포함하여 다양한 항산화제가 섬유에 첨가됩니다. 광 분해를 방지하기 위해 하이드록시벤조트리아졸과 같은 자외선(UV) 차단제가 추가됩니다. 대기 오염 물질로 인한 섬유 변색을 억제하는 화합물은 또 다른 유형의 안정제입니다. 이들은 일반적으로 대기 오염에서 질소 산화물과 상호 작용할 수 있는 3차 아민 기능을 가진 화합물입니다. 스판덱스는 수영복에 많이 사용되기 때문에 곰팡이 방지 습식 방사 공정. 첨가제도 추가해야 합니다. 스판덱스 섬유에 첨가되는 모든 안정제는 섬유에 손상을 줄 수 있기 때문에 용매 노출에 저항하도록 설계되었습니다.

스판덱스 섬유는 처음 생산될 때 흰색입니다. 따라서 미적 외관을 향상시키기 위해 착색제가 첨가됩니다. 분산 및 산성 염료가 일반적으로 사용됩니다. 스판덱스 섬유가 나일론이나 폴리에스터와 같은 다른 섬유와 교직되는 경우 특별한 염색 방법이 필요합니다.

제조
프로세스

스판덱스 섬유는 용융 압출, 반응 방사, 용액 건식 방사 및 용액 습식 방사의 4가지 방식으로 생산됩니다. 이러한 각각의 방법은 단량체를 반응시켜 예비 중합체를 생성하는 초기 단계를 포함합니다. 그런 다음 예비 중합체를 다양한 방식으로 추가로 반응시키고 끌어내어 장섬유를 생성합니다. 용액 건식 방적은 세계 스판덱스 섬유의 90% 이상을 생산하는 데 사용되기 때문에 설명되어 있습니다.

고분자 반응

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1 스판덱스 생산의 첫 번째 단계는 프리폴리머 생산이다. 이것은 매크로글리콜을 디이소시아네이트 단량체와 혼합하여 수행됩니다. 화합물은 반응 용기에서 혼합되고 적절한 조건에서 반응하여 예비 중합체를 형성합니다. 구성 재료의 비율은 다양한 특성을 가진 섬유를 생산하기 때문에 엄격하게 제어됩니다. 글리콜 대 디이소시아네이트의 전형적인 비율은 1:2일 수 있습니다.

2 건식 방적 섬유 생산에서 예비 중합체는 동일한 양의 디아민과 추가로 반응합니다. 이것은 사슬 연장 반응으로 알려져 있습니다. 생성된 용액을 용매로 희석하여 방사 용액을 생성합니다. 용매는 용액을 더 묽게 만들고 다루기 쉽게 만드는 데 도움이 됩니다. 그런 다음 섬유 생산 셀로 펌핑될 수 있습니다.

섬유 생산

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3 방사 용액은 원통형 방사 셀로 펌핑되어 경화되고 섬유로 변환됩니다. 이 셀에서 폴리머 용액은 전체에 작은 구멍이 있는 방사구(spinneret)라고 하는 금속판을 통해 강제로 통과됩니다. 이로 인해 용액이 액체 폴리머 가닥으로 정렬됩니다. 가닥이 셀을 통과할 때 질소와 용매 가스가 있는 상태에서 가열됩니다. 이러한 조건은 액체 폴리머가 화학적으로 반응하여 고체 가닥을 형성하도록 합니다.

4 섬유가 셀을 나갈 때 원하는 두께를 만들기 위해 특정 양의 솔리드 스트랜드가 함께 묶입니다. 이것은 섬유를 함께 꼬는 압축 공기 장치로 수행됩니다. 실제로 스판덱스의 각 섬유는 표면의 자연스러운 끈적임으로 인해 서로 부착되는 더 작은 개별 섬유로 구성됩니다.

최종 처리

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5 그런 다음 섬유를 마감제로 처리합니다. 이것은 마그네슘 스테아레이트 또는 폴리(디메틸-실록산)과 같은 다른 중합체일 수 있습니다. 이 마감재는 섬유가 서로 달라붙는 것을 방지하고 직물 제조를 돕습니다. 이 처리 후 섬유는 일련의 롤러를 통해 스풀로 옮겨집니다. 전체 공정의 권취 속도는 섬유의 두께에 따라 분당 300-500마일(482.7-804.5km)이 될 수 있습니다.

6 스풀에 섬유가 채워지면 최종 포장되어 섬유 제조업체 및 기타 고객에게 배송됩니다. 여기서, 섬유는 면 또는 나일론과 같은 다른 섬유와 직조되어 의류 제조에 사용되는 직물을 제조할 수 있다. 이 직물은 또한 원하는 색상을 만들기 위해 염색될 수 있습니다.

품질 관리

스판덱스 섬유의 품질을 보장하기 위해 제조업체는 각 생산 단계에서 제품을 모니터링합니다. 검사는 들어오는 원자재의 평가로 시작됩니다. 다양한 화학적 및 물리적 특성을 테스트합니다. 예를 들어, 디이소시아네이트의 pH, 비중 및 점도를 확인할 수 있다. 또한 외관, 색상 및 냄새도 평가할 수 있습니다. 출발 물질에 대한 엄격한 품질 관리 검사를 통해서만 제조업체가 일관된 최종 제품을 생산할 것이라고 확신할 수 있습니다. 생산 후 스판덱스 섬유도 테스트됩니다. 이러한 테스트에는 섬유 탄성, 탄력성 및 흡수성을 평가하는 테스트가 포함될 수 있습니다.

미래

스판덱스 섬유의 품질은 최초 개발 이후 지속적으로 향상되었습니다. 다양한 연구 영역이 개선을 계속하는 데 도움이 될 것입니다. 예를 들어, 과학자들은 출발 예비 중합체를 변경함으로써 훨씬 더 나은 스트레칭 특성을 갖는 섬유를 개발할 수 있음을 발견했습니다. 다른 특성은 다른 예비 중합체 비율, 더 나은 촉매 및 다양한 충전제를 사용하여 개선할 수 있습니다. 스판덱스 섬유 개선 외에도 스판덱스 섬유를 기존 섬유와 통합하는 고급 직물이 생산될 가능성이 높습니다. 현재 나일론/스판덱스 섬유 혼방을 사용할 수 있습니다. 마지막으로 제조 개선 사항도 발견될 것입니다. 이는 섬유를 더 빠르고 효율적으로 생산하는 데 중점을 둘 것입니다.