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합성섬유
합성섬유는 석유나 석탄에서 추출한 성분을 가공해 제조된 섬유이다.
목차
개요
합성섬유는 인조섬유 중 석유, 석탄, 공기, 물 등을 출발원료로 하여 섬유를 형성하는 일련의 긴 분자를, 화학적으로 합성하여 섬유로 만든 고분자 물질이다. 천연섬유, 재생섬유는 셀룰로스·단백질 등의 천연 고분자로 이루어지며, 아세테이트 섬유는 셀룰로스의 유도체이지만, 합성섬유인 경우에는 저분자물질을 연결하여 사슬 모양으로 이어 소정의 고분자 물질로 조립함으로써 만들어진다. 즉, 합성섬유란 합성고분자 섬유라는 뜻이 된다. 합성된 고분자는 용제로 녹이거나 열로 용융하여 가는 구멍으로부터 압출해서 굳히고 감는다. 방사방법에는 용융·건식·습식의 세 가지가 있다. 실 모양이 될 수 있는 고분자는 많지만, 그 중에서 염색성·내구성·촉감·내수성·내추성·내열성·강도·내마모성 등의 여러 성질이 의료용·공업용 목적에 알맞은 것만이 실용적 가치를 가진 합성섬유가 된다. 합성섬유와 플라스틱은 분자 구조상 엄격한 구별이 없으며, 합성섬유는 플라스틱이 섬유의 형태로 된 것이라고 할 수 있지만, 실 모양이 아닌 분자로 구성되는 플라스틱은 섬유화가 곤란하다.[1] 일반적으로 합성섬유는 천연섬유에 비해 비중이 가볍고 마찰에 강하며 인장강도가 우수하다. 또한 잘 구겨지지 않고 내약품성이 있으며 방충성도 좋다. 그러나 물을 잘 흡수하지 못하고 천연섬유에 비해 염색성이 좋지 않고 열을 잘 견디지 못하는 특징이 있다. 물을 잘 흡수하지 못하기 때문에 정전기 발생이 쉽다는 특징이 있다.[2]
역사
인조섬유가 발명된 것은 누에가 견사를 토하여 내는 것을 보고 인공적으로 섬유를 제조하게 되었기 때문이다. 1674년 영국의 박물학자이며 철학자인 로버트 후크(Robert Hooke)는 저서에서 인조섬유의 가능성을 기술하였고, 1734년 프랑스의 박물학자인 레오뮈르도 점액에서 생사와 같은 섬유를 인공적으로 만들 수 있을 것이라고 예상했다. 그 뒤 화학기술의 진전으로 각종 고분자물질이 제조되었고, 1846년 독일의 크리스티안 쇤바인(Christian Friedrich Schönbein)이 면에서 초화면을 만드는데 성공하였다. 이것이 최초의 인조섬유의 원료이다. 그리고 독일의 알베르트 슈바이처(Albert Schweitzer)가 슈바이처시약에 셀룰로스가 용해되는 것을 발견함으로써 동암모니아 인조견사의 기초가 되었다. 그 뒤 크로스와 에드워드 베반(Edward Bevan) 등에 의하여 셀룰로스를 원료로 하는 동암모니아법·비스코스법·아세테이트법이 연구되었으며, 1892년 비스코스법이 공업화되었다. 1917년 미국에서 아메리칸 비스코스의 공장이 세워졌으며, 대한민국에서도 1966년 흥한비스코스회사가 설립되었다. 1979년 원진레이온이 설립되어 수요를 자급할 뿐만 아니라 수출도 하고 있다. 합성섬유는 이와 같은 인조섬유의 발전에 수반하여 셀룰로스·단백질 등뿐만 아니라 섬유화가 가능한 합성고분자물질로 섬유를 만드는데 착안, 개발되었다. 합성고분자물질을 점액체로 할 수 있는 가능성이 있다면 합성섬유 제조가 가능하다거 기대하게 되었다. 1910년대에 폴리염화비닐에서 합성섬유를 만들게 되었으며, 1913 독일의 헤르만(W.D.Herrman)과 훼넬(Hohnel,W.)이 폴리비닐알코올로부터 폴리비닐알코올섬유를 만드는 데 성공하여 특허신청을 하게 되었다. 그러나 이것은 수용성이었기에 의료용으로는 부적당하였다. 이것을 본격적인 피복용 섬유로 개발한 것은 국내 사람 이승기를 중심으로 한 일본 경도대학의 연구진으로, 1939년 폴리비닐알코올섬유합성 1호를 발표하였고 공업화는 1948년에 시작되었다. 1938년 미국 뒤퐁사 내 캐러더스(Wallace Hume Carothers)의 연구진에 의하여 폴리아미드섬유인 나일론이 개발되었다. 독일에서도 폴리아미드섬유의 연구가 이루어져서 나일론6을 합성하여 퍼얼론 엘(Perlon L)이라 명명하였다. 우리 나라에서는 1963년 한국나일론주식회사에서 나일론을 생산하기 시작하였으며, 그 뒤 여러 회사에서 생산하게 되었다. 1941년에는 폴리에스테르섬유가 영국의 CPA(Calico Printers Association)에서 성공되어 테릴린(Terylene)으로 명명되었다. 국내에서는 1968년 대한화섬에서 생산을 시작하였다. 1931년 독일에서는 아크릴섬유의 연구가 시작되었으며, 미국에서도 1948년 뒤퐁사에서 오올론(Orlon)으로 명명해 발표되었고, 1951년에는 미국의 켐스트랜드사(Chemstrand)에서 아크릴란으로 명명, 발표되었다. 국내에서는 한일합섬에서 한일론, 태광산업에서 에이스란 등을 생산하고 있다.[3]
종류
나일론
나일론은 폴리아마이드 계열의 합성 고분자 화합물을 통칭한다.흔히 볼 수 있는 고분자 화합물의 대표적인 예이다. 나일론은 1935년에 처음 개발되었을 때, 부드러우면서 구김이 잘 가지 않고 가벼운 성질과 더불어 옷감에 손상 없이 잘 늘어나는 성질을 갖고 있어 큰 파란을 불러일으켰다. 나일론은 열가소성의 비단 비슷한 질감을 가진 소재다. 구조적으로는 중합체가 아미드 결합으로 여러 개 연결된 것이다. 나일론은 최초로 상업적 성공을 거둔 합성 고분자로서, 합성섬유의 대명사가 되었다. 최초 생산은 1935년이었지만 본격적으로 보급된 것은 제2차 세계대전으로 이때 군용 소재로 도입이 시작되었다. 낙하산과 방탄복에 쓰이던 비단을 대체하는 용도로 사용되었는데, 이것이 성공적이어서 원래 목적이었던 천 뿐만 아니라 타이어나 로프, 기타 군용 장비에도 사용되었다. 나일론은 질긴 데다가 내유성 및 내마모성이 우수하다는 장점이 있다. 하지만 통풍력이 떨어지고, 기름때 같은 오염과 변색에 취약하다는 단점이 있다.[4][5]
폴리에스터
폴리에스터는 폴리에틸렌 테레프탈레이트로 만든 소재를 의미하며 1940년대 영국에서 처음으로 발명되었다.[6] 폴리에스터는 에스터 화학 작용기를 주쇄에 가지는 고분자를 말한다. 폴리에스터계 합성섬유는 에틸렌글리콜과 테레프탈산으로 구성된다. 또 글리세롤과 프탈산으로 만들어지는 도료용 글립탈수지도 폴리에스터의 일종이다.[7] 널리 사용되는 폴리에스터의 예로 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 들 수 있다. 폴리에스터는 자연계에서도 발견되며 인공적으로도 합성된다. 인공적으로 합성되는 폴리에스터의 경우 페트 이외에도 폴리뷰티레이트 등과 같이 종류가 다양하다. 플라스틱에 의한 생태계 파괴가 심각해지면서 자연 속에서 서서히 분해되는 친환경 폴리에스터의 개발 연구가 활발하다. 폴리에스터는 다양한 분야에서 사용된다. 섬유로서 의류와 가구 덮개, 이불, 컴퓨터용 마우스 패드, 방수 시트, 산업용 밧줄, 벨트 등에 널리 사용된다. 폴리에스터와 천연섬유를 섞어서 의류 제작에 사용하기도 한다. 솜과 폴리에스터의 조합은 기계적 물성이 좋고 주름이 잘 지지 않으며 사용 시 의류가 줄어드는 정도가 작다는 장점이 있다. 합성 폴리에스터는 물과 바람 같은 주변 환경에 저항성이 높다. 열에 취약하여 연소 시 녹으며 변형이 일어난다. 폴리에스터는 의류 이외에도 플라스틱병, 필름, 필터, 절연 필름 등에도 사용된다. 또한, 폴리에스터를 기타, 피아노, 요트 등과 같은 목재 제품의 마감재로 사용하기도 한다. 액정 폴리에스터는 산업적으로 이용된 초기 고분자 종류 중 하나이다. 액정 폴리에스터는 이용한 디스플레이 제작이 이루어졌다.[8]
폴리우레탄
폴리우레탄은 열경화성 수지는 아니지만 유사한 3차원 구조를 가진 플라스틱이다. 질기고 화학약품에 잘 견디는 특성을 가지고 있다. 전기절연체, 구조재, 기포단열재, 기포쿠션, 탄성섬유 등에 사용되며 신축성이 좋아서 고무의 대체물질로도 사용된다. 에폭시, 폴리에스터, 페놀 등은 폴리우레탄이라고 불리는 화합물들이다. 폴리우레탄은 폴리올과 이소사인염 결합체들 간의 반응으로 수산화기 촉매나 자외선 활성화에 의한 조건 하에서 생성된다. 폴리우레탄은 반응물인 이소사인염과 폴리올의 종류에 따라 특성이 좌우되는데, 폴리올에 함유된 긴 결합들은 부드러운 탄성 중합체가 될 수 있게 도와주고, 엄청난 양의 결합은 경질 중합체가 될 수 있게 도와준다. 두 결합의 중간정도 길이를 유지하게 되면 매우 신축성 있으면서도 적당한 단단함을 유지할 수 있다. 폴리우레탄의 3차원 결합은 이 중합체의 분자량이 엄청나다는 것을 의미하는데 어떤 점에서 폴리우레탄 단위체는 하나의 거대한 분자로 간주될 수도 있다. 폴리우레탄의 구성물질인 이소사인화염은 매우 반응성이 좋은 재료이다. 이것은 중합체의 제조에 있어서 좀더 가용성 있는 재료가 되기도 하지만 보관 및 사용에 주의해야한다.[9]
폴리비닐알코올
폴리비닐알코올계 합성섬유는 폴리비닐알코올 또는 그 유도체를 원료로 만든 섬유이다.[10] 아세틸렌, 초산을 200∼250°C로 가열한 촉매 위를 통과시키면, 부가반응으로 초산비닐을 얻게 된다. 초산비닐은 또 에틸렌으로부터도 만들 수 있는데, 이와 같이 해서 얻어진 초산비닐은 상온에서는 액체로, 이를 과산화물의 촉매 속에서 가온하면, 쉽게 부가중합하여 흰 가루의 폴리초산비닐이 생성된다. 이것은 그대로 접착제·껌의 베이스에도 쓰인다. 이 폴리초산비닐을 메틸알코올에 녹여, 소량의 알칼리 또는 산으로 가수분해하면, 아세틸기가 제거되어서 수산기를 지닌 폴리비닐알코올을 얻게 된다. 포바르의 수용액을 황산 가운데로 밀어내면 폴리비닐알코올 섬유가 된다. 그러나 그 물건 자체는 수용성이기 때문에 실용적으로는 적합하지 않다. 물에 녹지 않는 실용적인 섬유로 만들기 위해서는 포르말린 처리와 열처리를 하게 된다. 실제로 폴리비닐알코올 섬유를 잡아당기면서 열처리를 한 후, 황산산성으로 포르말린 처리하면 폴리비닐알코올 수산기의 일부가 화합하고, 분자 안에서 환화하여 불용성으로 된다. 이렇게 해서 생긴 것이 비닐론이다. 비닐론은 일본에서 개발해 발전시킨 섬유이며, 그 성질은 포르말린 처리와 열처리의 정도로 커다란 변화를 일으킬 수가 있다.[11]
폴리염화비닐
폴리염화비닐은 플라스틱으로 널리 쓰이는 고분자인데, 저온에서 중합한 결정성 높은 폴리염화비닐은 섬유가 된다. 이것을 아세톤과 이황화탄소와의 혼합용매로 녹이고 건식방사한다. 프랑스의 로비르, 일본에서의 테비론 등이 그것이다. 열에는 약하기 때문에 특수한 용도에만 쓰인다. 또 염화비닐과 아크릴로니트릴, 염화비닐과 초산비닐과의 공중합물도 섬유로서 사용된다.[11] 폴리염화비닐계 합성섬유는 방수성을 가진다. 우비, 스키용품, 앞치마, 운동용품 가방 등으로 널리 쓰인다. 특히 가죽과 비슷한 외관 표현이 가능하고 고무, 가죽, 라텍스보다 저렴하여 인조 가죽 소재로 쓰인다.[12]
폴리염화비닐리덴
폴리염화비닐리덴은 염화비닐리덴의 중합체로서, 단독 중합체는 열안정성이 나쁘고 일반적인 유기용매에 잘 녹지 않아, 염화비닐과의 혼성중합체로 다양한 비율로 제조하여 사용된다. 폴리염화비닐리덴의 비율이 많으면 강도가 커지고 내약품성이 뛰어나다. 또 얇은 막으로 가공할 수도 있는데, 이것은 셀로판·폴리에틸렌 등보다 수증기·공기 등을 잘 투과·흡수하지 않는다. 이런 특징을 이용해서 가장 무겁고 불연성인 합성섬유 사란이 만들어졌다. 사란은 커튼, 테이블보, 쇠그물의 대용, 가구, 자동차의 시트커버, 신발 등에 쓰인다. 이밖에 식품 포장용 필름 등 방습·방취 제품과 천막·어망 등으로 사용된다.[13][14]
아크릴 섬유
아크릴 섬유는 아크릴로니트릴의 사슬 모양 중합체로 폴리아크릴로니트릴로 만든다. 아크릴로니트릴은 종래 아세틸렌에 시안화수소를 첨가하여 만들었는데, 프로필렌으로 만드는 새로운 제조법이 개발되었다. 양모와 비슷한 촉감의 섬유로 보온성이 많고 가볍고 튼튼하므로, 양모 유사품으로서 수요가 많다.[15] 아크릴 섬유 자체는 부드러우며 구김이 적고, 보온성이 높다. 나일론 다음으로 강도가 높고 양모와 폴리에스터보다 가볍다. 염색성도 좋아서 발색력 또한 뛰어나고, 물을 흡수하지 않기 때문에 세탁 후에 빨리 건조된다는 장점이 있다. 아크릴은 합성섬유의 특성상 곰팡이나 벌레에 강하고 특히 햇빛에 강하다. 다른 섬유들은 햇빛에 강도가 떨어지고 변색 되지만, 아크릴은 변하지 않는다. 아크릴은 울과 비슷한 섬유로 모직물을 대체하는 소재인 만큼 탄력성과 보온성이 특징이다. 하지만 아크릴은 열가소성이 있고 정전기가 쉽게 발생한다. 마찰저항이 다른 섬유에 비해 낮아서 보풀이 쉽게 일어난다.[16]
고어텍스
고어텍스는 방수성과 투습성이라는 상반된 특성을 동시에 지닌 최초의 소재로 등산뿐만 아니라 모든 아웃도어 용품에 널리 쓰이고 있다. 우의, 텐트, 재킷, 등산화, 장갑, 게이터, 침낭커버, 모자, 오버 트라우저 등의 소재로 보편화되어 있고, 우주복의 소재로도 사용되고 있다. 미국의 고어(W.L.Gore) 박사가 발명해 고어텍스라는 이름이 붙은 이 원단은 1976년부터 실용화되기 시작했다. 고어텍스란 테플론계 수지를 가열하여 늘려서 많은 수의 작은 구멍이 생긴 엷은 막이며, 이를 나일론 천에 접착한 것이 고어텍스 원단이다. 1제곱인치당 90억 개 이상의 미세한 구멍이 나 있는 얇은 막(필름)으로, 물 분자는 이 미세한 구멍을 통과하지 못하지만 내부의 땀은 수증기 분자로 빠져나갈 수 있다. 이처럼 신비스러운 기능의 원리는 불소수지 막의 미세한 구멍의 크기에 있다. 이 구멍은 외부에서 침투하는 수분 입자는 통과할 수 없을 정도로 작고, 내부에서 발생하는 땀의 수증기 분자는 충분히 통과할 수 있을 정도로 크다. 나일론 같은 소재에 특수 접착하거나 안감과 겉감 사이에 삽입시켜 사용하는 경우도 있다. 그러나 외부로 수증기를 배출하는 기능은 한계가 있다.[17]
문제점
이산화탄소 배출
합성섬유는 대부분 석유로부터 만들어진다. 그리고 이 과정에서 이산화탄소가 천연섬유보다 더 많이 발생한다. 폴리에스터의 경우 면직물에 비해 이산화탄소 발생량이 두 배가 넘는다. 2015년 섬유용 폴리에스터 생산과정에서 7억 5천 만 톤의 온실가스를 내놨는데 이는 석탄발전소 185개와 맞먹는 양이다. 물론 페트병을 수거하는 등 석유 화학 제품 폐기물을 재활용해서 합성섬유를 만들기도 한다. 특히 21세기 이후 플라스틱 문제가 심각한 환경 문제로 대두되면서 기존 플라스틱 제품의 재활용 정책이 많은 나라에서 강력하게 진행되면서 수거된 플라스틱을 이용해서 합성섬유를 만드는 비율이 점차 늘어나고 있다.[18]
미세 플라스틱
합성섬유로 만든 옷을 세탁기에 넣고 돌리면 미세섬유라 부르는 매우 작은 섬유 가닥이 방출된다. 미세섬유는 현미경으로 봐야만 확인할 수 있는 아주 작은 플라스틱 조각이다. 세탁기를 한 번 돌릴 때마다 수십만 개의 미세섬유가 하수구로 흘러 들어간다. 이 가운데 많은 양이 바다에 도달해 수백 년을 떠돌아 다닌다. 세계자연보호연맹(IUCN)이 최근 발표한 보고서에 다르면 미세플라스틱은 큰 문제를 초래한다. 이 보고서는 전체 해양 플라스틱 오염의 15~31%가 가정 및 산업용 제품에서 방출된 미세한 입자 때문이라고 결론 내렸다. 세계자연보호연맹은 미세 플라스틱 오염의 약 35%는 합성섬유 제품을 세탁하는 과정에서 발생한다고 이야기한다. 유럽과 중앙아시아에서만 한 사람이 매주 54개의 비닐봉지에 해당하는 양의 미세 플라스틱을 바닥에 버리고 있다고 한다. 합성섬유는 너무 광범위하게 사용되고 있고, 면이나 다른 천연섬유만으로는 현재 생산되는 의류를 다 만들 수 없기 때문에 당장 없애버리는 건 현실적으로 불가능하다.[19]
각주
- ↑ 〈합성섬유〉, 《두산백과》
- ↑ 송강아지, 〈합성섬유의 종류 및 특징(나일론/PET/아크릴/스판덱스)〉, 《네이버 블로그》, 2018-09-05
- ↑ 〈합성섬유〉, 《한국민족문화대백과》
- ↑ 〈나일론〉, 《나무위키》
- ↑ SK 에너지, 〈합성섬유, 도대체 넌 누구니?〉, 《티스토리》, 2015-05-13
- ↑ 〈나일론 원단 VS 폴리에스터 원단, 무엇이 다를까요?〉, 《필로스텍스타일》
- ↑ 〈폴리에스터〉, 《두산백과》
- ↑ 〈폴리에스터〉, 《화학백과》
- ↑ 〈폴리우레탄〉, 《위키백과》
- ↑ 심더, 〈(기타 합성섬유) 폴리비닐알코올계 섬유의 합성및 특징〉, 《네이버 블로그》, 2014-05-11
- ↑ 11.0 11.1 〈합성섬유〉, 《위키백과》
- ↑ 〈폴리염화비닐〉, 《화학백과》
- ↑ 〈폴리염화비닐리덴〉, 《두산백과》
- ↑ 〈사란〉, 《두산백과》
- ↑ 〈아크릴 섬유〉, 《위키백과》
- ↑ 데일리 레코드, 〈아크릴 소재의 특징과 장단점에 대해 알아봅시다〉, 《티스토리》, 2021-08-25
- ↑ 〈고어텍스〉, 《등산상식사전》
- ↑ 박재용 과학저술가, 〈천연섬유는 정말 합성섬유보다 환경과 건강에 좋을까〉, 《뉴스톱》, 2019-06-13
- ↑ 커스틴 브로디, 〈당신이 입은 미세섬유, 바다를 죽인다〉, 《그린피스》, 2017-03-09
참고자료
- 〈합성섬유〉, 《두산백과》
- 〈합성섬유〉, 《위키백과》
- 〈합성섬유〉, 《한국민족문화대백과》
- 〈나일론〉, 《나무위키》
- 〈폴리에스터〉, 《두산백과》
- 〈폴리에스터〉, 《화학백과》
- 〈폴리우레탄〉, 《위키백과》
- 〈폴리염화비닐〉, 《화학백과》
- 〈폴리염화비닐리덴〉, 《두산백과》
- 〈사란〉, 《두산백과》
- 〈아크릴 섬유〉, 《위키백과》
- 〈고어텍스〉, 《등산상식사전》
- 〈나일론 원단 VS 폴리에스터 원단, 무엇이 다를까요?〉, 《필로스텍스타일》
- 송강아지, 〈합성섬유의 종류 및 특징(나일론/PET/아크릴/스판덱스)〉, 《네이버 블로그》, 2018-09-05
- SK 에너지, 〈합성섬유, 도대체 넌 누구니?〉, 《티스토리》, 2015-05-13
- 심더, 〈(기타 합성섬유) 폴리비닐알코올계 섬유의 합성및 특징〉, 《네이버 블로그》, 2014-05-11
- 데일리 레코드, 〈아크릴 소재의 특징과 장단점에 대해 알아봅시다〉, 《티스토리》, 2021-08-25
- 박재용 과학저술가, 〈천연섬유는 정말 합성섬유보다 환경과 건강에 좋을까〉, 《뉴스톱》, 2019-06-13
- 커스틴 브로디, 〈당신이 입은 미세섬유, 바다를 죽인다〉, 《그린피스》, 2017-03-09
같이 보기
