일상 속 합성 고분자(2)

아웃도어 웨어

 

사람들의 여가 생활에 대한 중요성이 높아지면서 야외 활동이 늘어났다. 등산, 낚시, 트레킹 등 야외에서 오랜 시간을 보내는 사람들을 위한 특수 소재의 아웃도어 웨어가 유행하고 있다. 이러한 아웃도어 웨어는 방수성과 통기성이 중요시되어 탄성 폴리우레탄 소재가 개발되었고, 그 인기가 높다. 최근에는 고어텍스라는 신소재가 개발되어 인기를 얻고 있다. 고어텍스는 미국의 기술자 고어가 개발한 소재로, 방수성이 완전하고 통기성이 우수하다. 이 제조 기술은 1976년에 개발된 다공성 안감 섬유 소재 기술과 1980년에 개발된 5층 샌드위치 구조의 소재 제조 기술이 결합되어 완성되었다.

 

먼저 다공성 소재 기술을 소개하겠다. 테플론은 통상 분자량이 매우 높아 분자량이 100만을 초과하며, 모든 고분자 중에서 표면 장력, 용해성, 응집성, 소수성이 가장 낮고, 결정성은 가장 높다. 따라서 접착이 매우 어렵고, 그에 따른 가공도 힘들다. 물에 잘 젖지 않으며, 구멍이 크지 않으면 물이 통과하기도 쉽지 않다. 이러한 테플론 재료를 필름으로 만들어 가로, 세로 두 방향으로 천천히 스트레칭하면 이 사슬들은 실타래처럼 모여 힘을 합쳐 외부의 힘에 저항한다. 이 저항력보다 더 강한 힘을 가하면서 계속 스트레칭하면 실타래는 더 가늘어지며, 그 사이에 수많은 작은 구멍이 생긴다. 이렇게 만든 테플론 박막을 자세히 살펴보면 수십억 개의 빈 구멍이 형성된다. 이 구멍은 물방울 크기의 1/20,000 정도로, 물은 전혀 통과하지 못하지만, 기체 상태의 물 분자는 이 구멍을 통과할 수 있다.

 

다음으로 5층 래미네이트 기술을 통한 샌드위치 구조를 설명하겠다. 위에서 설명한 다공성 테플론 필름은 통기성과 방수성이 우수하지만, 기계적 강도가 너무 약해 옷감으로서 사용 가치가 전혀 없다. 이 문제를 5개의 층으로 쌓아 래미네이트 구조를 만드는 것으로 해결했다. 래미네이트란 5개의 층을 한 번에 또는 여러 번에 걸쳐 형성하는 방법이다. 이때 폴리우레탄 접착제를 필름 형태로 만들어 외피층과 테플론 필름 사이, 그리고 테플론 필름과 내피층 사이에 삽입한 후, 가열과 압착을 통해 접착시킨다. 코팅보다는 접착력이 약하지만, 생산 속도를 높일 수 있다는 장점이 있다.

 

외피층은 외부로 노출되기 때문에 내마모성이 우수해야 한다. 이런 특성을 가진 옷감이 보통 나일론이나 폴리에스터 옷감이다. 반면, 내피층은 피부와 접촉하므로 부드러운 촉감을 느낄 수 있는 섬유를 사용해야 한다. 보통 면과 폴리에스터가 섞인 섬유가 사용된다. 나일론이나 폴리에스터 또는 면섬유에 폴리우레탄 수지를 접착하는 것은 어려운 기술은 아니다. 모두 폴리우레탄과 화학반응을 일으킬 수 있는 화학 구조상의 관능 기를 조금씩 가지고 있기 때문이다.

 

5층 구조를 만드는 데 가장 어려운 점은 테플론과 폴리우레탄의 접착 기술이다. 테플론은 화학 구조상 관능기가 없기 때문에 접착이 매우 어렵다. 이를 해결하기 위해 표면에 관능기를 형성하는 처리가 필요하다. 이 처리 방법 중 하나는 테트라하이드로 푸란(THF)에 녹인 나트륨 금속을 사용하는 것이다. 이 용액을 테플론 표면에 분사한 후 물로 세척하면, 탄소와 플루오르 결합 중 일부가 파괴되어 극성기가 생성된다. 이 상태에서 우레탄 접착제의 -NCO기와 반응하면 강력한 접착이 형성된다.

 

하지만 금속 나트륨은 위험하고 가격이 비싸다. 따라서 아웃도어 웨어 시장에 필요한 양만큼 대량 생산하기는 어렵다. 대신 초고압 플라즈마 처리와 같은 표면 부식을 발생시키는 기술이 사용될 것으로 추측된다. 이 기술은 반도체 회로 형성에 사용될 만큼 신뢰성이 높다고 평가받는다. 이 기술로 처리된 테플론 표면은 극성 관능기가 생성되어 화학 결합을 통한 접착이 가능하다.

 

고어텍스의 방수성은 매우 뛰어나다. 소재 자체의 방수성은 우수하지만, 의류를 완성하는 과정에서 발생하는 바느질 부분은 방수성에서 취약할 수 있다. 이 부분은 내피층을 제외한 4개의 층으로 만들어진 테이프를 붙여 보완한다. 다공성 테플론 자체의 방수성은 뛰어나지만, 두 층의 폴리우레탄 소재가 더해져 방수성은 더 강화된다. 다만, 수분이 테플론 층과 두 개의 폴리우레탄 층을 통과해야 하므로 통기성은 다소 떨어지게 된다.