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강철처럼 강하고, 거미줄처럼 매끄럽고, 비단처럼 우아한 나일론이 탄생한 지 50년이 되었다. 나일론으로 대표되는 합성섬유의 과거 현재 미래는?

합성성유하면 나일론(Nylon)이 연상될 정도로 나일론섬유는 1938년 그 화려한 등장 이래 50년 동안 합성섬유의 대표주자로 인식되어 왔다. 세계에서 최초로 본격적인 공업화가 완성되었고 또 학술적인 연구의 결과로 탄생되어 그 물성(物性)이 우수하며, 세인의 주목을 받았던 합성섬유가 나일론임에 틀림없다. 그러나 나일론섬유가 갑자기 세상에 나타난 것은 아니며 오랜기간 동안의 시행착오를 통한 인류의 끊임없는 시도의 결과로서 비로소 가능했던 것이다.

인조건(Artificial Silk)이 탄생하기까지

피복은 인간생활에 필수품이 되었으며 천연섬유인 견 마 모 면섬유의 이용은 꽤 오랜 역사를 가지고 있다. 천연자원의 대부분이 그러하듯이 섬유나 그 제품은 분포가 편재돼 있어 옛부터 국제무역에서 차지하는 비중이 막중하였다. 동서교통이 지극히 불편하였던 중세의 유럽에서 견은 황금을 가지고도 구할 수 없는 귀중한 존재였다.

돌을 황금으로 바꾸려 노력하였던 연금술사들의 흐름을 이어받은 화학자들은 귀중한 견섬유를 인간의 손으로 만들려고 시도하였다. 유명한 물리학작이며 생물학자이기도 하였던 '후크(Hooke)는 누에가견사를 토출(吐出)하는 모양을 자세히 관찰하고 이를 모방함으로써 인간의 손으로 섬유를 만들 수 있을 것으로 예언한 바있다. 그러나 이러한 제안은 단지 학술적인 흥미의 대상이었을뿐 인공적으로 섬유를 만들려는 시도는 19세기 중반까지 이루어지지 못했다. 그 이유는 이때까지 점도가 높은 물질이 알려져 있지 않았기 때문이다. '후크'의 제안 이래 약 2백년이란 세월이 지난 후에야 비로소 섬유를 만들 수 있는 점도를 가진 물질이 알려졌다. 1846년 셀룰로스를 질화시켜 얻은 니트로셀룰로스를 에테르와 알콜의 혼합물에 용해시키면 점도가 높은 용액이 얻어진다는 사실이 '쇤바인'(Schőnbein)에 의해 밝혀졌다. 스위스인 '오디머스'는 이 용액을 사용하여 인공적인 견(Artificial Silk)을 만드는 방법을 찾아내고 특허를 얻었다. 이 특허에 의하면 뽕나무의 껍질섬유를 질산으로 처리하여 니트로셀룰로스를 만들고 에테르ㆍ알콜 혼합용액에 용해시켜 점도가 높은 용액을 만든 다음, 이 용액에 침(針)끝을 접촉시켜 끌어올리고 용매를 증발시켜 실을 만든 것이다. 그는7년후 누에가 견을 만드는 모양을 모방하여 오늘날 일반적으로 행해지는 화학섬유의 방사와 원리적으로 동일한, 모세관으로부터 점도가 높은 용액을 압출(押出)하여 실을 만드는 방법을 고안하였다.

오늘날 인조섬유의 시조로 일컬어지는 프랑스의 '샤르돈네'(Chardonnet)백작도 이러한 원리에 입각하여, 1891년 니트로셀룰로스로 된 최초의 인조섬유를 공업화하는데 성공하였다. 뽕나무의 껍질섬유를 이용하여 견을 만든다는 발상은 아무 의미가 없으며, 원료로서 선형고분자화합물(線形高分子化合物)인 셀룰로스를 사용하면 된다는 것은 오늘날에는 잘 알려진 사실. 천연섬유인 면 마는 세룰로스, 모견은 단백질고분자로 되어 있다. 천연섬유이건 인공적으로 만들어진 섬유이건, 섬유는 거의 모두가 유기고분자로 이루어져 있다. 실을 만드는 과정에서 높은 점도를 필요로 하는 것은 분자량이 대단히 높은 고분자이기 때문이다.

섬유의 필요조건

섬유를 만드는 과정(방사공정)이나 완성된 섬유의 성질을 고려할 때 섬유를 구성하는 분자들은 다음과 같은 조건을 구비해야 하는 것으로 알려져 있다.

첫째로 분자는 가늘고 길어 실과 같은 모양을 하고 있어야 한다. 보통의 분자(저분자)는 대체로 공과 같은 모양을 하고 있어 섬유를 구성하는 분자로 만들기 위하여는 공모양의 분자를 여러개 결합(공유결합)시켜 일열로 늘어선 실모양의 형태를 갖도록 하여야 한다. 이러한 화학반응을 중합이라 하며 공에 해당되는 저분자화합물을 반복단위라 하고, 연결된 반복단위의 수를 중합도라 한다. 셀룰로스의 반복단위는 포도당이며 면이나 마섬유의 셀룰로스에는 2천~3천개의 포도당분자가 연결되어 있다. 견이나 모섬유 단백질은 아미노산을반복단위로 하고 있으나 중합도의 값은 아직 알려져 있지 않다.

선형고분자라 해서 모두 섬유를 만드는데 이용될 수는 없다. 고무나 플래스틱을 구성하고 있는 고분자도 선형이다. 그러나 이들 고분자들은 결정을 형성하지 못하기 때문에 섬유제조에 사용하기에는 부적당하다.

두번째 필요조건으로서는 상온에서 섬유를 구성하는 선형고분자들은 분자들의 일부가 부분적으로 결정을 형성하여야 한다는 점이다. 결정부분에서는 분자들이 평행하게 배열된 규칙적인 구조를 가지고 있으며 섬유의 강도는 이부분에 의해 결정된다. 비정(非晶)부분은 분자배열이 불규칙한 부분으로 섬유의 염색성, 흡습성을 부여한다. 이와같이 결정과 비정부분의 미묘한 조합에 의해 섬유의 여러가지 성질이 조절된다.

세번째로 중요한 조건은 선형분자가 섬유의 길이 방향으로 평행하게 배열되어야 된다는 것이다. 분자가 섬유길이방향으로 배열될수록 섬유의 인장강도가 커지게 된다. 그러므로 인조(人造)섬유를 제조할 때는 섬유가 충분히 응고되지 않고 팽윤되어 가소성(可塑性)을 가지고 있는 동안에 섬유를 연신하여 가능한 한 분자를 섬유길이방향으로 배열시킨다. 이때 결정 부분도 증가되어 강도가 높은 섬유를 얻게된다.

석탄 물 공기

천연고분자 및 개질된 천연고분자(셀룰로스 니트로셀룰로스 셀룰로스아세테이트)가 적당한 용매에 용해되어 섬유를 방사하기에 알맞은 점도의 용액이 된다는 사실이 밝혀져, 이들로부터 재생섬유 반합성섬유가 얻어지는 것이 알려진 이후로 천연고분자를 대신하는 합성선형고분자를 얻어 섬유로 만들려는 노력이 끊임없이 시도되었다. 천연고분자를 원료로 하는 재생섬유 및 반합성섬유는 아무리 기술이 발달된다 하여도 성능에 한계가 있기 때문이었다.

사실 최초로 시도된 합성섬유는 폴리염화비닐(1837년)이었다. 이 합성수지가 점도가 높은 용액을 만든다는 사실에 착안하여 섬유화하는 특허가 1913년 독일에서 출원되었다. 그러나 너무도 시대에 앞선 것이었기 때문에 흥미의 대상이 되지 못하였고 공업화가 된 것은 세계제2차대전 때였다. 최초로 공업화에 성공한 합성섬유인 나일론의 발명은 미국 '듀폰'사의 '캐로더즈'(Carothers)에 의해 이루어졌다. 그는 1929년부터 한분자에 2개의 기능성 기를 갖는 화합물에 대한 연구에 착수하였다. 주목적은, 어떠한 2기능성화합물은 적은 수의 분자끼리 반응하여 환상(環狀)화합물을 만들며 또 어떤 2기능성화합물은 많은 수의 분자가 연결되어 실모양의 분자를 만드는가를 명확하게 하기 위한것이었다. 이 연구의 결과 이러한 반응에서 어떤 일정한 법칙이 있음을 발견하였다. 최초에 그는 에스테르결합을 이용한 선형고분자를 합성하였다. 그러나 얻어진 폴리에스텔의 융점이 너무 낮아 이를 포기하고 용융점을 올리기 위하여 아미드 결합을 이용한 선형고분자의 합성으로 연구의 방향을 바꾸었다. 그의 이론에 따라 2기능성아민인 헥사메틸렌디아민과 카복실산인 아디핀산으로부터 오늘날 '나일론66'라고 불리는 선형고리분자를 얻었다. 이것은 원료가 페놀(Phenol)이며 콜타르(coaltar)로부터 쉽게 얻어진다. 물론 유기합성반응에서 석유가 석탄에 대체해서 사용되는 오늘날은 그 합성경로가 크게 달라지긴 하였으나 페놀로부터 출발하여 나일론66을 합성한다면 그 경로는 (표1)과 같다. 최초 듀폰사가 선전한 그대로 '나일론66'섬유의 원료는 석탄과 물, 공기임을 알 수 있다.

미국의 나일론66에 자극을 받아 독일의 '쉴락'(Schlack)에 의해 또다른 '나일론6'이 발명되었고 영국에서는 ICI사에 의해 최초로 폴리에스텔계 합성섬유 테릴렌(Terylene)이 공업화되었으며, 1950년을 전후하여 아크릴계 섬유로 알려진 폴리아크릴로 니트릴계섬유들이 합성섬유시장에 그 모습을 나타냈다. 나일론 폴리에스텔 아크릴은 현재 3대 합성섬유라고 일컬어지고 있다.

3대 합성섬유 이외도 세계적으로 많은 종류의 합성섬유가 현재 생산되고 있다. 합성섬유는 원료나 중간체 또는 중합방법 등에 따라 분류하는 방법이 있으나, 현재 시장에서 상거래되는 중요한 것을 분자구성에 따라분류하면 폴리아미드계 폴리에스텔계 폴리아크릴계 등이 있다. 그러나 합성섬유를 실제로 취급하는 경우에는 단지 우리에게 익숙한 상품명인 나일론 테트론 엑스란 등으로 불리운다.

나일론은 어떻게 만드나

섬유의 제조법은 섬유의 종류에 따라 근본적으로 다르며 같은 종류의 것이라도 제조회사에 따라 다르다. 3대 합성섬유에 대해 제조법을 간단히 설명하기로 한다.

□나일론
나일론이라 함은 아미드기(-CONH-)로 탄화수소가 결합된 것이 선상(線狀)으로 길게 연결된 합성선형고분자에 주어진 이름. -NH-기 사이의 CH₂기의 수에 따라 나일론66, 나일론6, 나일론11, 방향족나일론 등으로 구분된다. 흔히 나일론섬유라 하면 나일론66과 6을 지칭한다. 미국에서는 나일론66이 많이 생산되나 우리나라에서는 아직 생산되지 않으며 국내에서 나일론섬유라 할 때는 나일론6을 가리킨다. 나일론66과 6의 중합과정은 출발원료가 다르므로 크게 차이가 있으나 고분자물로부터 섬유를 만드는 방사공정은 비슷하다. 나일론66은 아디핀산이라는 산과 헥사메틸렌디아민이라는 염기가 교대로 연결된 것이므로 이 두물질을 같은 양 섞어 함께 굳힌다. 이것이 나일론염이며 물에 용해된다. 나일론은 이것을 가열하여 공유결합을 통하여 연결한 것이다. 이를 모델로 나타내면 매우 복잡한 구조다.
 

작은 상자들을 연결하고 있는 것은 아미드결합(-CONH-)이다. 이와 같이 제조된 나일론염은 물에 용해된 채로 '탱크ㆍ카'에 실려 합성섬유공장으로 운반되어(그림1)에서 보인 공정의 흐름에 따라 섬유로 만들어진다.

먼저 나일론염을 6층까지 올리고 물을 증발시켜 5층으로 내려보낸다. 여기서 압력과 열을 주어 구성단위를 일열로 연결시켜 긴 분자로 중합한다. 동시에 2백20~2백30 ℃로 온도를 올려 생성된 나일론을 용융시킨다. 이것을 구멍을 통하여 밀어 내어 4층의 펠레타이저에서 '후레이크'(flake)로 만든다. 이 후레이크를 다시 불활성기체 중에서 용융시키고 이번에는 아주 작은 구멍(Spinnerette)을 통하여 압출하여 적당한 굵기의 섬유로 만든 뒤 보빈에 감는다. 이와 같이 가열된 고분자를 온도가 낮은 곳으로 압출하여 고화시키는 방사법을 용융방사법이라 한다. 이밖에도 습식 및 건식방사법이 있다. 방사를 끝낸 섬유는 단지 섬유의 형상을 하고 있을 뿐이며 아직 섬유로서 충분한 성능을 가지고 있지 않다. 그러므로 연신 열처리등을 거쳐 섬유로 완성된다.

□폴리에스텔섬유
영국의 ICI가 개발한 섬유로 디메틸테레프탈레이트(DMT)와 에틸렌글리콜(EG)과를 감압, 고온에서 축합시켜 얻어지는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 용융 방사하여 얻은 섬유이다. 요사이는 원료로 DMT를 사용하지 않고 고순도의 테레프탈산(TPA)으로 바꾸어 원가를 절감시키고 있다.

□폴리아크릴계섬유
아크릴로니트릴(AN)을 단량체로 하여 중합한 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 디메틸포름아미드에 용해시키고 습식 또는 건식방사법으로 방사한 것이다. '올론'(Orlon)은 이것을 개발한 미국 '듀폰'사의 상품명으로 장섬유 단섬유가 모두 생산된다. '엑스란'(Exlan)은 미국 '시아나미드'사의 기술로 개발된 것으로 AN을 중합시킬 때 염색성을 향상시킨 것이다. 주로 모 면레이온 스프(Staple Fiber)와 혼방용으로 쓰인다. 이 이외에도 '본넬'(Vonnel), '캐시미론'(Cashmilon) 등의 상품명을 가진 제품이 생산되고 있다.

□콘쥬게이트사(Conjugate yarn)
열팽창계수가 다른 2종류의 금속편을 접합시킨 바이메탈은 온도변화에 의해 휘어진다. 이 이론을 응용하여 성질이 다른2가지 합성섬유를 복합방사하여 만든 실을 콘쥬게이트사라 한다. 이 실은 권축성이 있어 신축성과 숭고성(Bulkiness)이 좋다.

□이형단면사
합성섬유의 단면은 보통 원형에 가까우나 직물로 하였을 때의 광택을 좋게 하기 위하여 요사이는 여러가지 모양의 단면을 가진 것들이 개발되었다. 현재 삼각형, Y자형, 다각형의 것들이 있다.

□숭고사(Bulky yarn)
합성섬유의 열가소성(Thermoplasticity)을 이용하여 필라멘트사에 권축성을 주어 포근한 촉감을 갖는 실로 만든 것을 총칭하여 숭고사라 하며 신축성이 좋다. 이 가공법에는 여러가지가 있으나 가연(加撚), 열고정, 역연(逆撚)을 이용한다. 이 작업을 효율적으로 한번에 완성하기 위해 만들어진 기계가 가연기(假撚機, False Twister)이다.

□후랫사(Flat yarn)
테이프사(Tape yarn)라고도 한다. 요사이 갑자기 발전한 것으로 폴리프로필렌, 폴리에틸렌을 섬유로 만들지 않고 폭 2~3㎜정도의 얇은 테이프모양의 실로 만든 것으로 이 실을 마대(麻袋)로 이용한다. 이렇게 만든 마대는 마섬유로 만든 것보다 값이 싸고 또 가벼운 잇점이 있다.

이밖에도 합성섬유를 개질하여 외관 촉감이 견에 가깝도록 한 것으로 '키아나'(Qiana), '씨논'(Chinon) 등이 생산되고 있다.

강하고 가볍다

섬유의 종류에 따라 다르나 모든 합성섬유가 갖는 공통적인 특징은 다음과 같다. 강력이 비스코스레이온에 비해 2~3배 크다. 흡습성이 적고(이것이 방직섬유로서의 결점이 된다) 습윤시의 강력은 건조시의 강력에 비해 비스코스가 30~60%감소하며, 나일론은 9~15%, 폴리에스텔 섬유는 거의 변화가 없다. 내약품성 내부식성 등도 비스코스, 천연섬유 등보다 우수하다. 따라서 내구성이 우수하다. 또한 세탁이 쉬우며 건조가 빠르다. 양모와 같이 벌레에 대한 침해를 받지 않는다. 열가소성이 있으므로 단섬유로 하는 경우에 주름이 쉽게 생기지 않는다.

공통의 결점은 내열성이 적은 것으로, 특히 비닐계의 섬유는 1백℃이하의 온도에서도 연화한다. 또 염색이 천연섬유에 비해 상대적으로 곤란하며 섬유의 종류에 따라 적당한 염료를 선택하여야 한다. 폴리프로필렌섬유는 특히 염색이 곤란하므로 방사 전의 고분자에 안료를 가하여 착색시킨다. 정전기가 발생하며 옷감의 표면에서 섬유가 뭉쳐서 덩어리(pilling)가 생기기 쉽다. 3대 합성섬유에 대한 특징 및 중요용도는 다음과 같다.

나일론은 강하고 가벼우므로 여자용 스타킹, 부인용 드레스지, 셔츠지에도 이용되며 편물류로서는 고급품의 양말, 장갑, 등에 주로 사용된다. 우수한 강력을 이용한 용도로서는 어망 컨베이어벨트 낙하산 등이 있다. 특히 자동차나 항공기 타이어에는 마찰열과 큰 압력에 견디어 낼 필요가 있어 나일론66이 이용된다. 나일론6은 66보다 녹는점이 50℃정도 낮으므로 내열성을 필요로 하는 용도에는 적당치 않으나 염색성은 66보다 양호하다. 나일론단섬유의 이용은 그리 많지 않으며 주로 레이온스프 또는 양모와 혼방한 복지 또는 남자용 양말에 이용되며 이외에 제지용펠트 등에도 보강용으로 혼방된다.

폴리에스텔섬유는 인장 및 마찰에 강하고 잘 늘어나지 않는다. 흡습성은 낮아 25℃, 상대습도 65%의 공기 중에서 0.4%흡습한다. 폴리에스텔단섬유는 외관 촉감이 양모와 비슷하고 또 벌레에 의한 침해가 없으며 세탁하기 쉬운 잇점이 있어, 양모와 혼방하여 양복지 양말 등에 이용된다. 이외에도 면과 혼방하여 의류에도 사용된다. 특히 면 또는 마와 혼방한 와이셔츠지는 세탁한 후 건조하기 쉽고 다림질이 필요없으며 나일론과 같이 황변(黃変)되지 않으므로 수요가 많다.

폴리에스텔필라멘트사는 숭고성을 주어 의류용으로 사용되며 요사이 그 수요가 급증하여 드디어 나일론을제치고 생산량에 있어서 제1의 합성섬유의 위치를 차기하게 되었다. 그 이외에도 강력 내열성 내약품성이 우수하여 타이어코드 등의 공업용자재로도 사용되고 있다.

아크릴계의 올론은 인장강력이 나일론에 필적하고 내광성도 크다. 무기산에는 저항성이 크나 알칼리에는 약하다. 비중은 1.18로 나일론보다 약간 크나 폴리에스텔보다는 적다. 단섬유는 양모혼방에 적합하나 염색이 어렵다. 그러나 캐티온염료의 개발로 이 문제는 거의 해결되었다.

아크릴계 단섬유인 엑스란 본넬 캐시미론 등은 올론의 장점을 살리면서 결점을 개선시킨 섬유로서 그 성질이 양모와 비슷하나 양모보다 가볍다. 올론의 염색성이 나쁜에 반해 이들의 염색성은 양호하며 양모와 일욕염(一浴染)이 가능하다. 섬유가 부드러우므로 면 레이온 등과도 혼방되며 모포 카핏에도 이용되나 공업용 자재로서는 적당치 않다.