인조섬유의 종류와 성질: 레이온부터 합성섬유까지 완벽 가이드

서론: 당신의 옷장 속 숨은 과학기술

아침에 입는 부드러운 블라우스, 운동할 때 입는 신축성 좋은 레깅스, 겨울에 따뜻한 플리스 재킷. 이 모든 의류에는 한 가지 공통점이 있습니다. 바로 인조섬유로 만들어졌다는 것입니다. 천연섬유만으로는 현대인의 다양한 요구를 충족시키기 어렵습니다. 더 강하고, 더 가볍고, 더 관리하기 쉬운 섬유가 필요했고, 이러한 필요성은 20세기 섬유 산업의 혁명적 발전으로 이어졌습니다.

목재 펄프나 면 린터(cotton linter; 목화의 씨앗으로 부터 목화솜을 거워들인 다음에 남은 짧은 섬유) 등에 함유되어 있는 셀룰로오스는 천연 그대로는 섬유형태를 갖추고 있지 않거나 너무 짧아서 그대로는 사용할 수 없으므로, 이것을 적당한 용제에 녹인 다음 방사하여 섬유 모양으로 재생시킨 섬유가 레이온 섬유입니다. 또한 셀룰로오스의 제조방식에 따라 비스코스 레이온, 폴리노직 레이온, 구리암모늄 레이온 등이 있는데, 우리나라에서는 비스코스 레이온이 생산되고 있습니다.

한편, 석유화학 공업의 발달로 완전히 새로운 고분자 화합물을 만들어낸 다음에 방사하여 가늘고 긴 섬유를 만들게 되는데, 목재펄프를 화학적 처리를 거쳐 용제에 녹인다음 섬유화한 것이 재생셀루로오스 섬유입니다. 이러한 합성섬유는 나일론, 폴리에스테르, 아크릴 등 3대 합성섬유를 중심으로 우리 생활 곳곳에서 사용되고 있습니다. 오늘은 이러한 인조섬유의 종류와 각각의 특성에 대해 상세히 알아보겠습니다.

재생섬유: 레이온과 아세테이트

재생섬유는 천연 고분자인 셀룰로오스를 원료로 하여 화학적 처리를 거쳐 만든 섬유입니다. 천연섬유의 장점과 화학섬유의 기능성을 동시에 가지고 있어 의류용으로 널리 사용되고 있습니다.

레이온 섬유의 종류와 특성

비스코스 레이온은 강도가 면섬유보다 훨씬 작고(2g/d), 특히 젖은 상태에서의 강도는 건조 상태의 절반 강도입니다. 탄성회복율도 다른 합성섬유에 비해 낮은 편이고, 속옷감, 양복의 안감 등의 원료로 쓰이고 있습니다. 비스코스 레이온의 습식 강도가 작은 것을 보완하기 위하여 제조방법을 약간 달리하여 제조한 것이 폴리노직 레이온으로 알칼리에 대한 저항성도 향상됩니다.

견섬유와 같은 태를 가지고 있어 견섬유 직물에 쓰이며, 편성포, 고무 방수포나 가죽의 기포, 면 및 합성섬유와의 혼방직물에 쓰입니다. 구리암모늄 레이온은 긴장 연신 방사라는 방사법에 의해 섬유화 하는데, 비스코스 레이온에 비해 강도가 클 뿐만 아니라 유연하고 광택이 온화하며, 내마모성과 내굴곡성이 크다. 다만, 비스코스 레이온보다 비싼 것이 결점입니다. 양복 안감, 원구, 방석 등에 쓰이는 것은 물론 최근에는 섬유 중심 부근에 공동이 있는 중공섬유도 만들어져 인공신장, 박테리아의 분리, 페수처리 등에도 쓰이고 있습니다.

아세테이트 섬유의 특징

아세테이트 섬유는 목재 펄프나 무명 린터에 아세트산(acetic-acid), 무수 아세트산 및 황산을 작용시켜 만든 것으로 비중이 1.32로서 셀룰로오스보다 가볍습니다. 면이나 비스코스 레이온보다 흡습성이 떨어지고, 강도가 비교적 약하나 신장이나 탄성도는 비스코스 레이온보다 크다. 열을 가하면 연화되어 녹는 열가소성이나 130℃까지는 안전합니다.

아세테이트 섬유는 광택이 아름답고 촉감이 부드러워 여자용 옷감을 비롯하여 스카프, 넥타이, 양복안감 등에 쓰이며, 담배용 필터로도 널리 쓰이고 있습니다. 이러한 특성 때문에 아세테이트는 고급 의류 소재로 인정받고 있으며, 특히 드레이프성(옷감이 자연스럽게 늘어지는 성질)이 우수하여 여성복에 많이 활용됩니다.

나일론 섬유: 최초의 합성섬유

나일론은 축합중합반응을 통해서 생성되는 폴리아미드(polyamide)라는 고분자 화합물을 용융시켜 만들어낸 합성섬유로서 분자 중에 아미드기(-CONH-)를 가지고 있습니다. 나일론에는 여러가지 종류가 있는데, 현재 가장 많이 쓰이고 있는 것은 나일론6과 나일론66으로, 나일론이라고 하면 보통 이들 두 나일론을 가르키는 경우가 많습니다.

나일론의 종류와 명명법

나일론은 고분자가 이루는 반복단위 안에 있는 탄소원자의 수를 나타내어 그 종류를 구분합니다. 예를 들어 나일론 6과 나일론 7은 각각 탄소원자가 6개와 7개인 것을 나타냅니다. 다만 나일론 66과 같이 두개인 숫자인 경우에는 탄소원자가 6개인 화합물과 탄소원자가 6개인 또다른 화합물을 반응시켜 만든 나일론이라는 뜻입니다.

우리나라에서 만들어지고 있는 것은 나일론 6인데, 나일론 6과 나일론 66의 성질은 표 6에 나타낸 것과 같이 나일론 66족이 융점 온도가 높다는 것을 제외하고는 거의 비슷하다. 나일론은 탄성이 커서 직물로 했을 때 잘 구겨지지 않는 특징이 있습니다. 그러나 쓸수 있지만 옷감으로서 전과 같은 느낌을 주지 못하는 것이 있습니다. 나일론은 단순히 의류용 섬유로서 뿐만 아니라 타이어 코드, 어망 등과 같은 산업용으로도 많이 사용되고 있습니다.

나일론 섬유의 다양한 응용

이밖에도 나일론 1, 2, 3, 4, 5, 7, 11, 12 등이 있으나 대부분 연구용으로 공업적으로 거의 생산되지 않아 섬유로 별로 중요하지 않습니다. 최근에는 분자 중에 벤젠 고리와 같은 것을 가진 방향족 폴리아미드가 생산되고 있는데, 이들을 특히 아라미드(aramid)섬유라고 합니다. 이들은 대개 높은 내열성과 초강력을 갖는 섬유로서 노멕스(Nomex)와 케블라(Kevlar)가 대표적인데, 낙하산, 유전 장비, 로프, 닻 로프, 잠수 케이블, 방탄복, 방탄 헬멧 등에 사용됩니다.

• 높은 강도와 내구성: 나일론은 천연섬유에 비해 강도가 매우 높으며, 특히 마모에 강합니다. 이는 스포츠웨어, 등산복, 가방 등에 나일론이 많이 사용되는 이유입니다.
• 우수한 탄성회복성: 표 6에서 볼 수 있듯이 나일론 66과 나일론 6의 탄성회복율은 98~100%로 거의 완벽합니다. 이로 인해 구김이 잘 생기지 않고 형태가 잘 유지됩니다.
• 낮은 흡습성: 수분율이 3.5~5.0%로 낮아 속건성이 뛰어나고 관리가 쉽습니다. 그러나 이로 인해 정전기가 발생하기 쉽고, 여름철 착용감이 떨어질 수 있습니다.
• 가벼운 무게: 비중이 1.14로 가벼워 스포츠 의류나 아웃도어 제품에 적합합니다.
• 열가소성: 용융온도가 250~260℃로 높아 다양한 가공이 가능하지만, 고온에서는 변형될 수 있어 주의가 필요합니다.
• 화학적 안정성: 대부분의 화학약품에 강하여 내구성이 뛰어나지만, 강산에는 약한 편입니다.

폴리에스테르 섬유: 가장 많이 생산되는 합성섬유

폴리에스테르 섬유는 분자 중에 에스테르기(-COO-)를 갖는 고분자 화합물을 원료로 하는 섬유를 총칭하는 것이나 일반적으로 말자 화합물을 원료로 하는 섬유를 총칭하는 것이나 일반적으로 말할 때는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)섬유를 가리킵니다. 폴리에스테르 섬유는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)섬유를 가하는 폴리에스테르 섬유는 오늘날 세계에서 가장 많이 생산되고르킨다. 폴리에스테르 섬유는 오늘날 세계에서 가장 많이 생산되고 있는 합성섬유 중의 하나입니다.

폴리에스테르의 장점과 특성

천연상태에서의 인장강도는 나일론과 있는 합성섬유 중의 하나입니다. 천연상태에서의 인장강도는 나일론이 약간 저하하는데 큰 차이가 없으나 습윤상태의 인장강도는 나일론이 약간 저하하는데 비하여 폴리에스테르는 전혀 변하지 않습니다(표 6). 이는 폴리에스테르 섬유가 소수성이어서 물에 젖지 않기 때문입니다. 또 나일론은 테르 섬유가 소수성이어서 물에 젖지 않기 때문입니다.

오랫동안 사용하면 누르스름하게 변색되나 폴리에스테르 섬유는 변색되지 않습니다. 결정으로는 소수성이므로 염색하기가 어렵고 정전기를 잘 띠며 땀을 흡수하지 못한다는 점입니다. 대표적인 폴리에스테르 섬유인 PET는 광택이 있으므로 이를 없애기 위하여 이산화티타늄을 소량제로 사용합니다. 폴리에스테르 섬유는 여러가지 천연섬유와 교직, 혼방하여 남녀의 옷감으로 널리 사용되고 있으며, 이불솜, 양산, 재봉실 등에 쓰이는 한편 타이어 코드, 거름포, 작업복, 어망, 루프 등과 같은 산업용 자재에도 널리 이용되고 있습니다.

주요 합성섬유의 물리적 성질 비교

성질	나일론66 필라멘트	나일론6 필라멘트	폴리에스테르 필라멘트	아크릴 SF	모다크릴 SF
인장강도 건조상태 (g/d)	5.0 ~ 6.5	4.8 ~ 6.4	4.3 ~ 6.0	2.5 ~ 5.0	2.2 ~ 4.0
인장강도 습윤상태 (g/d)	4.5 ~ 6.0	4.2 ~ 5.9	4.3 ~ 6.0	2.0 ~ 4.5	2.2 ~ 4.0
신도 건조상태 (%)	25 ~ 38	28 ~ 45	20 ~ 32	20 ~ 50	25 ~ 45
신도 습윤상태 (%)	28 ~ 45	36 ~ 52	20 ~ 32	20 ~ 60	25 ~ 45
탄성회복율(%) (3% 신장시)	98 ~ 100	98 ~ 100	95 ~ 100	90 ~ 95	85 ~ 95
비중	1.14	1.14	1.38	1.14 ~ 1.17	1.28
수분율(%)	3.5 ~ 5.0	3.5 ~ 5.0	0.4 ~ 0.5	1.2 ~ 2.0	0.6 ~ 1.0
용융온도(℃)	250 ~ 260	215 ~ 220	255 ~ 260	190 ~ 240*	150*

* 연화온도

위 표에서 알 수 있듯이, 합성섬유들은 각각 고유한 특성을 가지고 있습니다. 나일론은 강도와 탄성이 우수하며, 폴리에스테르는 습윤상태에서도 강도가 유지되고 변색이 없는 것이 장점입니다. 폴리에스테르의 수분율이 0.4~0.5%로 매우 낮아 속건성이 뛰어나지만, 이로 인해 정전기가 발생하기 쉽고 흡습성이 부족한 단점이 있습니다. 아크릴은 비중이 1.14~1.17로 가벼우며, 탄성회복율이 90~95%로 양호하여 양모 대용으로 많이 사용됩니다.

아크릴과 기타 합성섬유

아크릴 섬유를 폴리아크릴로니트릴(PAN)섬유라고도 하는데, 아크릴로니트릴을 주성분으로 하는 고분자 화합물로 만든 합성섬유로 아크릴로니트릴을 85% 이상 함유하고 있습니다. 아크릴로니트릴만으로 섬유를 만드는 경우, 염색성이나 마찰 강도 등이 좋지 않기 때문에 이를 개선하기 위하여 다른 단량체와 혼합하여 공중합함으로써 각각의 성분이 공존하는 고분자 화합물을 만듭니다.

아크릴 섬유의 특성과 용도

아크릴 섬유는 양이온 염료(cationic dye)로 쉽게 염색할 수 있으며, 열에 잘 견디고 햇빛을 오래 쬐어도 거의 영향을 받지 않습니다. 아크릴 섬유의 대부분은 스테이플 섬유로 만들고 방적했을때 양모 실과 같은 특성을 나타내므로 스웨터, 속옷, 담요, 융단 등을 만드는 데 널리 쓰입니다. 한편 아크릴로니트릴의 함량이 35% 이상 85% 미만인 섬유를 모다크릴 섬유라고 하는데, 공중합하는 성분은 염소 인자를 함유하는 염화비닐(vinyl chloride)이나 염화비닐리덴(vinylidene chloride)으로 하면 가장 보편적인 용제인 아세톤에 녹는 섬유를 만들 수 있어 경제성을 가질 뿐만 아니라 불에 잘 타지 않는 성질을 갖게 됩니다. 모다크릴 섬유는 가발, 인조모피 등을 만드는 데 쓰입니다.

폴리우레탄 탄성섬유(스판덱스)

고무와 같이 쉽게 늘어났다 수축하는 인조섬유를 탄성섬유라고하는데, 이들은 주로 우레탄 결합을 갖는 폴리우레탄에 여러가지 가교결합을 도입시킨 섬유로, 오늘날 공업적으로 생산되는 대표적인 것으로는 스판덱스(Spandex)를 들 수 있습니다. 이것은 신장도가 450~800%나 되며, 탄성회복율도 50% 신장시 95~100%입니다. 비중은 1.0~1.3, 수분율은 1.0%, 용융온도는 150~230℃입니다. 탄성이 우수한 성질을 살려 다른 섬유와 혼방하여 부인용 속옷류, 운동복류, 모자, 붕대 등을 만드는 데 이용됩니다.

폴리염화비닐 및 폴리염화비닐리덴 섬유

폴리염화비닐(PVC) 섬유는 합성섬유 중 가장 오래된 것으로 나일론이 나온 것보다 4년 앞섭니다. 강도는 합성섬유 중에서 다소 낮은 편이고, 소수성이어서 젖어도 강력이 저하하지 않습니다. 다만 열에 의해 연화하여 낮은 온도에서 수축하는 결점이 있어 용도가 한정되어 있으며, 생산량도 그리 많지 않습니다. 그러나 불에 잘 타지않고 스스로 꺼지려는 성질이 있습니다.

폴리염화비닐리덴(PVDC) 섬유는 비중이 크고(1.70), 강도가 낮으나 내열성이나 내화성이 PVC섬유보다 우수합니다. 세균이나 곤충에 대한 저항성이 있어 방충망에 쓰이며, 내약품성, 내색탁성이 좋고, 오염이 잘 안되며, 내구성이 있고, 비레지 않아 자동차의 내장재, 차양, 천막, 커튼 등에도 많이 쓰이고 있습니다. 이러한 특수한 기능성 때문에 비록 생산량은 많지 않지만, 특정 용도에서는 대체 불가능한 가치를 가지고 있습니다.

자주 묻는 질문(FAQ)

Q1: 천연섬유와 인조섬유 중 어떤 것을 선택해야 하나요?

천연섬유와 인조섬유는 각각의 장단점이 있어 용도에 따라 선택해야 합니다. 천연섬유(면, 마, 양모, 견)는 흡습성이 뛰어나 피부에 좋고 쾌적하지만, 관리가 어렵고 구김이 쉽게 갑니다. 인조섬유(나일론, 폴리에스테르, 아크릴 등)는 강도와 내구성이 우수하고 관리가 쉬우며 형태안정성이 좋지만, 흡습성이 낮아 여름철 착용감이 떨어질 수 있습니다. 최근에는 천연섬유와 인조섬유를 혼방하여 양쪽의 장점을 살린 제품들이 많이 출시되고 있습니다. 일상복에는 면과 폴리에스테르 혼방, 스포츠웨어에는 나일론이나 폴리에스테르, 겨울 니트류에는 아크릴이나 양모 혼방이 적합합니다.

Q2: 합성섬유가 정전기가 잘 생기는 이유는 무엇인가요?

합성섬유에 정전기가 잘 생기는 이유는 낮은 흡습성 때문입니다. 표 6에서 볼 수 있듯이, 폴리에스테르의 수분율은 0.4~0.5%, 아크릴은 1.2~2.0%로 매우 낮습니다. 반면 천연섬유인 면은 8%, 양모는 16%의 수분율을 가지고 있습니다. 수분은 전기를 전도하는 매개체 역할을 하는데, 합성섬유는 수분 함량이 낮아 마찰로 생긴 정전기가 쉽게 방전되지 못하고 축적됩니다. 이를 방지하기 위해서는 섬유유연제를 사용하거나, 정전기 방지 스프레이를 뿌리거나, 천연섬유와 혼방된 제품을 선택하는 것이 좋습니다. 또한 실내 습도를 40~60% 정도로 유지하면 정전기 발생을 줄일 수 있습니다.

Q3: 나일론과 폴리에스테르의 가장 큰 차이점은 무엇인가요?

나일론과 폴리에스테르는 모두 대표적인 합성섬유이지만 몇 가지 중요한 차이점이 있습니다. 첫째, 화학구조가 다릅니다. 나일론은 아미드기(-CONH-)를 가진 폴리아미드이고, 폴리에스테르는 에스테르기(-COO-)를 가진 고분자입니다. 둘째, 습윤상태에서의 강도 변화가 다릅니다. 나일론은 물에 젖으면 강도가 약간 감소하지만(표 6 참조), 폴리에스테르는 변화가 거의 없습니다. 셋째, 흡습성에서 차이가 있습니다. 나일론의 수분율은 3.5~5.0%인 반면, 폴리에스테르는 0.4~0.5%로 훨씬 낮습니다. 넷째, 나일론은 장기간 사용 시 누렇게 변색될 수 있지만, 폴리에스테르는 변색이 없습니다. 이러한 차이로 인해 나일론은 스타킹, 등산복, 낙하산 등에, 폴리에스테르는 와이셔츠, 운동복, 커튼 등에 주로 사용됩니다.

맺음말

인조섬유의 발전은 20세기 섬유 산업의 가장 큰 혁명이었습니다. 레이온과 아세테이트 같은 재생섬유부터 나일론, 폴리에스테르, 아크릴 같은 합성섬유까지, 각각의 섬유는 고유한 특성과 장점을 가지고 있습니다. 이러한 인조섬유들은 천연섬유만으로는 충족할 수 없었던 현대인의 다양한 요구를 만족시켜왔습니다.

나일론의 뛰어난 강도와 내구성, 폴리에스테르의 형태안정성과 속건성, 아크릴의 양모와 같은 촉감과 보온성 등은 각각의 용도에 최적화되어 우리 생활 곳곳에서 활용되고 있습니다. 표 6에서 볼 수 있듯이, 각 합성섬유는 인장강도, 신도, 탄성회복율, 흡습성 등에서 서로 다른 특성을 보이며, 이는 제품 선택 시 중요한 기준이 됩니다. 앞으로도 인조섬유 기술은 계속 발전하여 더욱 기능성이 뛰어나고 환경 친화적인 새로운 섬유들이 개발될 것입니다. 이 글이 인조섬유에 대한 이해를 높이고, 일상생활에서 섬유 제품을 선택하고 관리하는 데 도움이 되기를 바랍니다.