매트리스 및 가구의 배팅으로서 유용한 내연성 직물

매트리스 및 가구의 배팅으로서 유용한 내연성 직물{FLAME RESISTANT FABRIC USEFUL AS A BATTING IN MATTRESSES AND UPHOLSTERY}

본 발명은 매트리스 및 가구에서 방화성 배팅으로서 특히 유용한 내화성 직물에 관한 것이다.

캘리포니아주는 가정, 호텔 및 공공시설의 화재로 인한 인명 손실을 감소시키기 위해 매트리스 및 매트리스 세트의 인화성을 규제하고 감소시키는 것을 앞장서서 추진해왔다. 특히, 캘리포니아주 소비자 보호국의 실내 의장 및 단열 협회(the Bureau of Home Furnishings and Thermal Insulation of the Department of Consumer Affairs of the State of California)가 2004년 7월에 매트리스 세트의 인화성을 정량하기 위해 문헌[Technical Bulletin 603 "Requirements and Test Procedure for Resistance of a Residential Mattress/Box Spring Set to a Large Open-Flame"]을 출판하였다. 방화재로서의 적합성을 결정하기 위해 직물을 선별하는 척도 중 하나는, 방화 직물을 통과한 열의 양의 선형 양성 함수인 값인, 직물의 열성능온도(TPT: thermal performance temperature)를 측정하는 시험을 사용하는 것이다. 낮은 열성능온도값은, 직물이 화염에 대한 우수한 단열재이고 매트리스와 같은 물품의 내부 영역으로의 열전달이 지연되는 것을 도울 것이라는 것을 의미한 다.

방화재를 매트리스 내에 혼입시키는 여러가지 방법이 존재하지만, 많은 경우에 존재하는 물질층들 중 하나를 방화층으로서 작용할 수 있는 물질층으로 전환시키는 것이 바람직하다. 특히, 대부분의 매트리스는 고-로프트 섬유 배팅을 갖고, 이러한 배팅은 인화성 물질로부터 제조된 경우 추가의 연료를 제공할 수 있다. 이러한 고-로프트 물질을 낮은 열성능온도를 갖는 물질로 대체하는 것이 전형적으로 허용가능한 해법이다.

내화성 셀룰로스 섬유가 매트릭스를 열적으로 보호하는데에 효과적으로 사용될 수 있지만, 이러한 배팅은 전형적으로 조밀하고 감촉이 부드럽지 않다.

PCT 공개 WO 03/023108은 매트릭스 및 천이 덧대어진 가구에서 사용되는 부직조 고-로프트 방화재를 개시한다. 이러한 방화재는 5 내지 50 킬로그램/세제곱미터, 가장 바람직하게는 7.5 내지 15 킬로그램/세제곱미터의 매우 낮은 밀도를 갖는다. 바람직한 부직조 고-로프트 방화재는, 본질적으로 내화성이고 직접 화염에 의해 수축되지 않는 섬유, 및 할로겐화 단량체로써 제조된 중합체로부터 제조된 섬유를 포함하는 섬유의 블렌드를 포함한다.

미국특허출원공개 US 2004/0060119는 방화층 및 단열층을 갖는 방화성 직물을 개시한다. 방화층은 아라미드와 모다크릴 섬유의 블렌드로 이루어질 수 있고, 단열층은 내화성 비스코스 및 모다크릴 섬유로부터 유도될 수 있다.

이러한 특허출원은 많은 유형의 직물을 개시하지만, 직물의 열성능온도와 직물의 밀도와 직물의 요망되는 연성 사이의 임의의 요망되는 관계는 개시하지 않는 다. 따라서, 낮은 열성능온도 및 높은 연성을 갖는, 매트리스 및 가구의 배팅으로서 유용한 직물이 필요하다.

발명의 요약

본 발명은 매트리스 또는 가구와 같은 물품을 화염으로부터 방호하는데 있어서 배팅으로서 유용한 내화성 직물, 및 이러한 직물을 물품에 혼입시키는 방법에 관한 것이다. 직물은 (a) 공기 중에서 20 ℃/min의 속도로 700 ℃로 가열될 때 자신의 중량의 10% 이상을 보유하는 섬유를 함유하는 셀룰로스, 및 (b) (a)와 (b)를기준으로 15 내지 70 중량%로 존재하는 모를 포함한다.

바람직한 모드에서, 직물은 (a) 125 내지 500 ℃의 열성능온도, (b) 24시간째에 변형된 ASTM D6571-01에 따라 측정된 40% 이상의 압축률, (c) 0.3 내지 6.0 파운드/세제곱피트(5 내지 96 킬로그램/세제곱미터)의 밀도, 및 (d) 3 내지 18 온스/제곱야드(102 내지 610 그램/제곱미터)의 기본중량 중 하나 이상을 갖는다.

본 발명은 또는 매트리스 또는 가구의 배팅과 같은 최종 물품에 직물을 혼입시키는 방법에 관한 것이다.

도 1은 열성능온도 대 셀룰로스 섬유 및 모를 기준으로 한 직물 내 모 함량의 그래프이다. 이러한 도면에 도시된 모든 직물은 5.0 온스/제곱야드(169.5 그램/제곱미터)의 공칭 기본중량을 갖는다(이 중 20%는 결합제 섬유임).

본 발명의 첫번째 필수 물질은 공기 중에서 20 ℃/min의 속도로 가열될 때 자신의 중량의 10% 이상을 보유하는 셀룰로스 섬유이다.

바람직한 셀룰로스 섬유는 규산알루미늄 부위를 갖는 규산 형태의 수화된 이산화규소를 함유하는 비스코스 섬유로부터 형성된 것이다. 이러한 섬유 및 이러한 섬유의 제조 방법이 일반적으로 미국특허 제 5,417,752 호 및 PCT 특허출원 WO9217629에 개시되어 있다. 규산을 함유하는 비스코스 섬유는 핀란드의 사테리 오이 캄파니(Sateri Oy Company)에 의해 비실(Visil, 등록상표)이라는 상표명으로서 판매된다.

본 발명에서 두번째 필수 물질은 양 및 염소와 같은 동물로부터 유래된 동물성 모이다. 양모가 이용가능성 및 비용 때문에 바람직하다. 직물 내에 존재하는 모의 양은 셀룰로스 섬유와 모를 기준으로 15 내지 70 중량%일 것이다. 바람직하게는, 모는 동일한 셀룰로스 섬유와 모를 기준으로 20 내지 50 %일 것이다.

본원에서 사용된 중량은 ASTM D6242-98에 따라 측정된 기본중량으로서 표현될 수도 있다.

직물과 부직물 둘 다가 본 발명의 범주에 속하지만, 바람직한 실시양태는 결합제를 함유하는 부직물이다. 바람직한 부직물은 열가소성 결합제를 갖는 고-로프트 배팅이다.

바람직한 결합제는 가열에 의해 활성화된다. 바람직한 결합제는, 섬유, 즉 일본의 유니티카 캄파니(Unitika Co.)에서 상업적으로 입수가능한(예를 들면 멜티(MELTY, 등록상표)로서 판매되는) 것과 같은, 폴리에스테르 단독중합체의 코어 및 코폴리에스테르의 시이드를 갖는 시이드/코어 2성분 섬유이다. 섬유를 웹 내에 결합시키는데 통상적으로 사용되는 열가소성 분말 또는 섬유와 같은 기타 결합제가 사용될 수 있다.

바람직하게는 내화성 직물은 125 내지 500 ℃의 열성능온도를 가질 것이다. 더욱 바람직하게는 열성능온도는 200 내지 400 ℃일 것이다.

본원에서 사용된 바와 같은 열성능온도를, 프로텍티브 안삼블 포 스트럭춰럴 화이어 화이팅 2000 에디션 섹션 6-10(Protective Ensemble for Structural Fire Fighting 2000 Edition Section 6-10)의 NFPA1971 표준에 사용되는 것과 동일한 장치를 사용하여 측정한다. 장치를 데이터 포획 모드로 작동시킨다. 2 cal/㎠/초(8.38 J/㎠/초) 열유속을 90초 동안 직물 상에 부여한다. 그 동안에, 직물의 이면(기저층)과 직접 접촉하게 놓여진 열량계를 사용하여, 물질을 관통하는 열을 측정한다. 이러한 열량계는 피험 물질을 약간 압축시킨다. 90초 노출이 끝날 때, 열량계 열전쌍의 온도는 열성능온도를 나타낸다. 이러한 온도는 시험 견본을 통해 전달되는 열의 양의 선형 양성 함수이고, 따라서 하나의 직물의 단열 성능을 또다른 직물의 것과 비교하는데 사용될 수 있다.

내연성 직물의 바람직한 실시양태에서 추가로 요망되는 성질은 연성 및 안락감으로 인식되는 성질이다. 이러한 안락감을 기술하는 한 가지 방법은 최소의 인가된 하중에서의 압축 능력이다. 이러한 성질을 여러가지 방식으로 측정할 수 있지만, 본 발명의 경우에는, 17.6 파운드(8 킬로그램)의 분동 및 12 × 12 인치(30.4 × 30.4 센티미터)의 직물 샘플 크기를 사용하도록 변형된 ASTM 표준 D6571-01에 따라 압축률을 측정한다.

본 발명의 시험 절차는, 6시간 동안 17.6 파운드(8 킬로그램)의 분동을 사용하여 샘플을 압축시키고, 하중을 제거하고, 샘플이 10분 동안 회복하도록 허용하고, 샘플의 두께를 측정함을 포함한다. 최초 샘플 두께로서 표시된, 이러한 샘플의 두께는, 마침내 % 압축률을 결정할 때 출발 값이 된다. 전술된 바와 같이 최초 두께를 측정한 직후, 24 시간 동안 17.6 파운드(8 킬로그램)의 분동을 사용하여 샘플을 다시 압축시킨 후, 부하되고 압축된 샘플의 두께를 측정한다. 이러한 두께값을 최종 두께로서 표시한다. 이러한 최초 및 최종 두께로부터, % 압축률을 하기 식에 따라 계산한다.

% 압축률 = [(최초 두께 - 최종 두께)/최초 두께] × 100

이러한 시험 절차를 본원에서는 변형된 ASTM D6571-01이라고 한다. 이러한 시험 절차는 6 시간의 압축 및 10 분의 회복을 수행하여 컨디셔닝된 출발 샘플을 수득하고, 이어서 24 시간에 걸쳐 최종 압축 두께를 수득하고, 이로부터 % 압축률을 계산하는 것으로서 기술될 수도 있다.

출발 직물 샘플은, 매트리스, 가구, 슬리핑백, 이불 등과 같은 최종 물질에서 실제로 사용되기 전에 전형적으로 두루마리 형태로서 저장되는 배팅과 같은 직물과 관련 있다. 예를 들면, 매트릭스의 배팅으로서의 직물은, 캘리포니아주 시험 표준 TB603에 따라 시험될 때, 30 분의 시험 시간 동안 200 kW 미만의 피크 열방출속도, 및 시험이 시작된 지 10 분 이내에 25 MJ 미만의 총 열방출을 초래할 수 있다.

본 발명의 직물을 사용하여 수득할 수 있는 중요한 성질은 연성으로 평가되는 직물의 능력이다. 연성은 주관적인 용어이고 개인차가 있다는 것을 이해하도록 한다. 또한 연성인 것으로 인식되는 직물과 그렇지 않은 직물 사이에 분명한 경계가 있는 것은 아니다. 또한 가구에서 사용될 정도로 연성인 것으로 인식되는 직물이 매트릭스의 부품으로서 사용될 만큼 연성은 아닐 수도 있다. 그러나, 본 발명의 취지상, 연성 직물은 전술된 바와 같은 변형된 ASTM D6571-01에 따라 측정될 때 40% 이상의 압축률을 갖는다.

보다 높은 열성능이 요구되는 경우, 셀룰로스 및 모 배팅의 총 기본중량을 증가시킬 수 있다. 내연성 시험 동안 증가된 구조적 일체성과 더불어 보다 높은 열성능이 요구되는 경우, 추가의 물질을 셀룰로스 섬유 및 모에 첨가하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 이러한 물질은 내열성이고, 아라미드, 특히는 파라-아라미드, 폴리벤즈아졸 폴리벤즈이미다졸 및 폴리이미드를 포함한다. 일반적으로, 이러한 물질은 섬유로서 존재할 것이다.

바람직하게는, 내화성 직물은 0.3 내지 6.0 파운드/세제곱피트(5 내지 96 킬로그램/세제곱미터), 더욱 바람직하게는 0.3 내지 4.3 파운드/세제곱피트(5 내지 70 킬로그램/세제곱미터)의 밀도를 가질 것이다.

열성능온도에 영향을 미치는 내화성 직물의 또다른 성질은 단위면적당 중량 또는 기본중량이다. 적합한 기본중량은 3 내지 18 온스/제곱야드(102 내지 610 그램/제곱미터), 더욱 바람직하게는 4 내지 12 온스/제곱야드(136 내지 407 그램/제곱미터)이다. 기본중량을 ASTM D6242-98에 따라 측정할 수 있다.

내연성 직물이 배팅으로서 사용되고 추가의 내구성 또는 강도가 요망되는 경우, 이러한 직물을 직조 또는 부직조 스크림 직물과 같은 또다른 직물과 접촉시키고, 재봉 또는 접착제의 사용을 통해 연결시킬 수 있다.

하기 실시예에서, 모든 부 및 %는 달리 언급이 없는 한 중량 및 섭씨 기준이다. 시험 측정값은 전술된 바와 같았다. 또한, 압축률을 상이한 시간에서 명시된 바와 같이 측정하였다.

하기 실시예에서, 하기 물질을 사용하였다:

결합제: 삼양 코포레이션(Samyang Corporation)에 의해 공급되는, 약 120 ℃의 융점, 4dpf(4.4 dtex)의 개별 필라멘트 데니어, 및 2 인치(51 ㎜)의 평균절단길이를 갖는, 공중합체 폴리에스테르 시이드/폴리에스테르 코어 섬유

내화성 셀룰로스: 사테리 오이에서 입수가능한, 3.5 dpf(3.9 dtex)의 개별 필라멘트 데니어 및 2 인치(51 ㎜)의 평균절단길이를 갖는 33 AP 비실 셀룰로스 섬유

모: 2 인치(51 ㎜)의 평균절단길이를 갖는, 정련되고 소모된 54S 카운트의 양모

아라미드: 2.25 dpf(2.50 dtex)의 개별 필라멘트 데니어 및 2 인치(51 ㎜)의 평균절단길이를 갖는, 이 아이 듀폰 드 네모아즈 앤드 캄파니(EI du Pont de Nemours and Company)에 의해 케블라(Kevlar, 등록상표) 타입 970으로서 공급되는 폴리(파라페닐렌 테레프탈아미드)

본 발명에서 사용되는 섬유는 특정 가열 속도에서 고온으로 가열될 때 섬유 중량의 일부를 보유한다. 이러한 섬유 중량을, 미국 델라웨어주 뉴어크 소재의 TA 인스트루먼츠(TA Instruments)(워터스 코포레이션(Waters Corporation)의 자회사)에서 입수가능한 모델 2950 써모그래비메트릭 애널라이저(Model 2950 Thermogravimetric Analyzer)(TGA)를 사용하여 측정하였다. TGA는 상승하는 온도에 따르는 샘플의 중량손실률에 대한 스캔을 제공한다. TA 유니버셜 애널리시스(TA Universal Analysis) 프로그램을 사용하여, 임의의 기록된 온도에서 % 중량손실률을 측정할 수 있다. 이러한 프로그램 프로필은, 샘플을 50 ℃로 평형시키고, 샘플을 500 마이크로리터 세라믹 컵(PN 952018.910) 샘플 용기에 넣고, 샘플 용기의 상부 가장자리 바로 위에 놓여진 열전쌍으로 측정시, 10 ㎖/min로 제공된 공기를 사용하여, 분당 20 ℃로 50 ℃로부터 1000 ℃로, 공기의 온도를 급상승시킴으로 이루어진다. 시험 절차는 다음과 같다. TA 시스템즈 2900 콘트롤러(TA Systems 2900 Controller) 상의 TGA 스크린을 사용하여 TGA를 프로그래밍하였다. 샘플 ID를 입력하고 분당 20 ℃의 계획된 온도 급상승 프로그램을 선택하였다. 장치의 빈 용기 무게 제거(tare) 기능을 사용하여, 빈 샘플 컵의 무게를 공제하였다. 섬유 샘플을 길이 약 1/16"(0.16 ㎝)로 절단하고 샘플 팬에 샘플을 헐겁게 채웠다. 샘플의 중량은 120 내지 60 ㎎이어야 한다. TGA는 천칭을 가지므로, 정확한 중량을 사전에 결정할 필요는 없다. 이러한 샘플은 모두 팬 내에 있어야 한다. 충전된 샘플 팬을, 팬의 상부 가장자리가 열전쌍과 가까이는 있으되 접촉하지는 않게 하면서, 천칭 와이어 상에 적재하였다. 노를 팬 위로 상승시키고 TGA를 작동개시하였다. 일단 프로그램이 완결되면, TGA가 자동적으로 노를 하강시키고 샘플 팬을 제거하고 냉각 모드로 작동할 것이다. 이어서 TA 시스템즈 2900 유니버셜 애널리시스 프로그램을 사용하여, 일정 범위의 온도에서의 % 중량손실률에 대한 TGA 스캔을 분석하고 생성하였다.

제 I 부

섬유를 열고 블렌딩하는 통상적인 카딩/가넷 기기 및 크로스래퍼를 사용하여, 표 1에 명시된 바와 같은 배팅 형태의 직물을 블렌딩하였다. 통기 오븐을 사용하여 직물을 열경화시킨 후 실온에서 냉각시켰다.

각각의 직물 샘플 A 내지 E, 및 장치 내에 적재된 직물 샘플을 갖지 않는 샘플 F에 대해, 10개의 상이한 측정값을 기록하였다. 평균기본중량 및 평균열성능온도를 계산하였다. 또한 95% 신뢰한계를 기본중량과 열성능온도 둘 다에 대해 계산하였다. 이 값이 표 1에 명시되어 있다.

(1) 모든 중량은 온스/제곱야드(그램/제곱미터)로 표시됨

(2) % 모는 모 및 셀룰로스만을 기준으로 함

(3) (직물을 갖지 않는 샘플 F를 제외하고) 모든 샘플은 결합제 섬유를 총 샘플 기본중량의 20%로 포함함

(4) 밀도는, ASTM D6242-98에 의해 측정된 것으로서, 온스/세제곱피트(그램/세제곱센티미터)로 표시됨

(5) 온도는 ℃로 표시됨

표 1로부터, 하기와 같은 사항들이 관찰되었다:

(a) 샘플 F, 즉 열성능온도의 측정을 위한 직물을 갖지 않는 샘플의 경우, 온도는 셀룰로스를 갖지 않는(즉 모 및 결합제만을 갖는) 샘플 E의 것보다 더 낮았다.

(b) 샘플 A 내지 E를, 모/셀룰로스 직물의 열성능온도가, 모의 중량%와 모의 열성능온도를 곱한 것에 셀룰로스의 중량%와 셀룰로스의 열성능온도를 곱한 것을 더한 것과 같다는 것을 예측하는 것으로 간주되는 "혼합 법칙"으로부터 계산된 예상된 열성능온도와, 비교하였다.

도 1은 직물 내에 존재하는 모와 셀룰로스를 기준으로 %모가 증가함에 따라 "혼합 법칙"으로부터 예상되는 바와 다르게 열성능온도가 개선됨을 보여준다. 직물 샘플은 5 온스/제곱야드(169 그램/제곱미터)의 공칭기본중량을 갖고, 직물 중량의 20%는 결합제였다.

제 II 부

표 2는 전술된 변형된 ASTM D6571-01에 따라 수득된 % 압축률 데이터를 함유한다.

샘플들 중 두 가지는 각각 표 2의 말단에 명시된 아라미드를 함유하지 않았다. 샘플 A 및 D는 제 I 부의 샘플 A 및 D와 동일하였다. 두께값은 인치(센티미터)로 표시된다.

샘플 A는 80%의 셀룰로스 및 20%의 결합제였다(즉 모는 0%임).

샘플 D는 40%의 모, 40%의 셀룰로스 및 20%의 결합제였다(즉 모는 모와 셀룰로스를 기준으로 50%임).

샘플 G는 40%의 셀룰로스, 20%의 결합제 및 40%의 아라미드였다(즉 모는 0%임).

샘플 H는 29%의 모, 29%의 셀룰로스, 13%의 결합제 및 29%의 아라미드였다(즉 모는 모와 셀룰로스를 기준으로 50%임).

(모 또는 아라미드를 함유하지 않은) 샘플 A 및 (모를 함유하지 않지만 아라미드를 함유하는) 샘플 H는 40% 이상의 최소 압축률을 갖지 않았다.

(모를 함유하지만 아라미드를 함유하지 않은) 샘플 D 및 (모와 아라미드 둘 다를 함유하는) 샘플 H는 50%의 압축률을 가졌다.