합성섬유
합성섬유(合成纖維) 또는 인조섬유(人造纖維)는 자연적으로 발생하는 동물과 식물 섬유를 개선하기 위한 과학자들의 막대한 연구의 결과물이다.
재생섬유이든 반합성섬유이든, 원료 셀룰로스나 단백질은 이미 길다란 쇄상고분자(鎖狀高分子)이며, 그 형태를 바꾸거나 필요에 따라 분자를 가공하여 섬유 모양으로 만든 것이다. 이와는 달리 조그만 분자를 처음부터 서로 연결시켜 커다란 고분자로 만들고 섬유가 되게 한 것이 합성섬유이다. 이처럼 진정한 의미로서의 합성섬유는 나일론 합성에서부터 시작되어, 그 후 비닐론 등과 같은 합성섬유가 잇달아 탄생되었다.
그러면 섬유로서 사용되려면 어떤한 성질을 필요로 하는가를 생각해 보자. 플라스틱으로 쓰이는 쇄상고분자는 상온 부근에서는 고체나 액체라고도 할 수 없는 이른바 유리상(glass 狀)으로서, 온도를 올리면 점점 유동화(流動化)하여 변형시킬 수 있는 성질이 요구되는 것은 이미 밝혔다. 섬유가 될 자격으로서 쇄상고분자에 요구되는 점은 용융·용해되고, 가는 구멍으로 밀어내 가는 실의 형(型)으로 가공하기 쉬워야 한다. 또한 만들어진 가는 실은 잡아당겼을 때에 늘어나지 않아야 한다는 점이다. 거기에 흡습성·착색성이 좋을 것 등도 요구된다. 특히 잡아당겼을 때에 알맞은 탄력과 항장력(抗張力)을 지니는 것은 중요하며, 결정성(結晶性)이 좋은 것이 이러한 성질을 가지고 있다. 플라스틱으로 쓰이는 폴리펩티드·폴리염화비닐 화합물 중에서도 특히 결정성이 좋은 것이 섬유로서 쓰인다. 즉 용해해서 가는 구멍으로부터 가는 실로 밀어내어져 응고할 때, 쇄상고분자가 적절하게 배열됨으로써 분자 사이에서 결정을 만들게 됨에 따라 항장력을 갖게 되는 것이 섬유로서 쓰인다. 이것은 이미 폴리에틸렌의 항에서 결정성 폴리에틸렌은 섬유로 만들어지지만 비결정성(非結晶性) 폴리에틸렌은 필름으로 쓰인다고 말한 그대로이다. 나일론이든 테트론이든 그 종류에 따라 플라스틱으로 쓰이냐 섬유로서 쓰이냐는 이들 분자구조와 분자의 결정성을 만들기 쉬운 정도에 따라서 결정되는 것이다. 이것은 천연의 셀룰로스에서도 미셀(micelle)이라고 하는 결정을 만들고 있는 것과 같다. 그러나 섬유의 전체가 한결같이 이와 같은 결정구조를 가졌다고 가정하면 섬유는 너무 굳어서 구부러질 수가 없으며 뻣뻣한 것이 될 것이다. 실제로 사용되고 있는 섬유는 이 같은 결정구조를 가진 부분과 그것이 여러 가닥으로 풀린 유연한 부분이 알맞은 비율로 존재하고 있다. 즉 결정구조에 따라 어느 정도의 섬유로서의 강도를 부여하고 있으며, 유연한 부분이 있음으로써 부드러운 성질이라든가 흡수성·구부러지기 쉬운 성질 등을 갖고 있다.
미국 뒤퐁사의 캐러더스(Carothers, 1896∼1937)는 명주(絹)가 폴리아미드결합을 한 쇄상고분자인 점에 착안했다. 이와 동일한 폴리아미드결합의 쇄상고분자를 만들면, 명주와 동일한 것을 만들 수 있으리라고 확신하고, 1분자 가운데에 2개의 카르보닐기를 갖는 디카르본산과 디아민(아미노기를 2개 갖는 물질)을 중합시켜 갖가지 조직으로 이룩되는 많은 폴리아미드고분자를 연구했다. 그리고 많은 조직 가운데서 디카르본산으로는 아디핀산(HOOC－(CH2)4－COOH)을, 디아민은 헥사메틸렌디아민(NH2－(CH2)6－NH2)을 사용한 것은 섬유로 되는 것을 발견했다. 이것이 최초의 합성섬유인 나일론6.6이다. 6.6이라고 하는 이름은, 구성분자가 각각 탄소수 6인 화합물이라는 것에 유래한다. 나일론6.6은 미국·유럽에서 대표적인 나일론이다. 원료인 아디핀산은 여러 가지 방법에 의해서 얻게 되는데, 대표적으로는 석탄에서 얻어지는 석탄산에다 수소첨가(添加)하여 시클로헥산올로 하고, 질산으로 산화시켜서 만든다. 헥사메틸렌디아민은 아디핀산에 암모니아를 작용시켜서 탈수하고, 수소를 첨가하는 방법, 부타디엔으로부터 합성하는 방법, 푸르푸랄을 원료로 하는 방법 등이 있다. 나일론 섬유의 또 하나의 대표적인 것으로 나일론6이 있다. 이것은 카프롤락탐이라고 하는 아미드결합에서 고리(環)로 돼 있는 화합물을 이용해서 만들어진다. 이 화합물을 소량의 물과 함께 가열하면 분자 내의 아미드결합이 끊어지고, 다른 카프롤락탐분자와 새로이 아미드결합을 고쳐 만듦으로써 쇄상고분자화한다. 〔그림〕－7은 나일론6.6과 나일론6의 구조를 보여 주는데 서로 매우 비슷함을 알 수 있다. 다만 아미드결합의 방향이 거꾸로 되어 있는 차이뿐이다. 이 고분자는 결정하기 쉬운 성질을 지니고 있으며 용융되어 가는 구멍으로부터 실이 되어 나오며 냉각시키면서 서서히 잡아늘이면 쉽게 결정화하여 섬유로서 충분한 강도를 지니게 된다. 나일론 섬유는 매우 뛰어난 성질을 갖고 있다. 우선 가벼운데도 불구하고 큰 인장강도를 지녔고, 물에 적셔도 그 세기는 변치 않는다. 구부림이나 마찰에 대해서도 강하고, 또 매우 가는 섬유로 만들 수도 있다. 이 밖에 천연섬유나 재생섬유에선 볼 수 없는 여러 가지 장점이 있기 때문에 각종 직물과 양말·어망·타이어 코드 등을 비롯하여 공업 용도에까지 널리 쓰인다.
디카르본산과 디아민을 여러 모양으로 조합하면 여러 종류의 폴리아미드분자가 된다. 이와 같이 만들어진 것 중에는 나일론6.6 외에도 유용한 것이 많다. 그와 같은 것의 일례로는 탄수소 12인 폴리아민과 아디핀산으로부터 만들어지는 나일론12가 있다. 이런 종류의 것은 분자사슬 가운데에 －CH2－인 지그재그 사슬이 많기 때문에 결정성이 적어지게 되며, 섬유로서는 쓰여지지 않지만 플라스틱으로서는 좋은 성질을 가지고 있다. 그 밖에 여러 가지의 조합하는 방식에서 나일론3·나일론4·나일론7 등 여러 모양의 폴리아미드화합물이 만들어지고 있다. 그러나 이것들은 모두 플라스틱으로서 쓰이고 있다.
폴리에스테르라고 하는 것은 앞의 고분자 분자구조의 항에서 말한 것과 같이 카르본산과 알코올로부터 물분자가 제거되어 에스테르결합(ester 結合)이라는 것으로 길게 늘여 놓은 화합물이다. 디카르본산인 테레프탈산(terephthalic caid)과 일종의 알코올인 에틸렌글리콜을 에스테르결합으로 연결시키면 결정성이 양호한 폴리에스테르화합물(폴리에틸렌테레프탈레이트)이 생성된다. 이 고분자를 녹여서 실로 만든 것을 영국에서는 테릴렌(terylene), 미국에서는 데이크론(dacron)이라는 상품명으로 시판되고 있다. 원료인 테레프탈산은 석유로부터 얻어지는 p­크실렌을 산화하거나 석탄에서 얻어지는 나프탈렌을 산화시켜서 만든다. 한편 에틸렌글리콜은 에틸렌가스에서 만들어진다. 공업적으로 양자를 축합시키기 위해서는 먼저 테레프탈산을 메틸알코올로 에스테르화한 후, 에틸렌글리콜을 가해서 상압(常壓)에서 가열하고, 에스테르결합을 에틸렌글리콜과 교환케 한다. 유출(油出)돼 나온 메틸알코올을 제거한 후 다시 진공중에서 가열하여 중합시킨다(〔그림〕－8). 테릴렌의 장점은 주름이 쉽사리 잡히지 않고 물을 빨아들이지 않는 점이다. 그렇기 때문에 물로 빨아도 곧 마르며 그대로 입을 수 있는 편리한 점이 있다. 또 무명·모·마와의 혼방성(混紡性)이 좋기 때문에 양복지로도 널리 쓰이고 있다.
에틸렌의 수소원자 1개가 시아노기(－CN)로 치환된 구조의 아크릴로니트릴(acrylonitrile)을 중합시키면 폴리아크릴로니트릴이 생긴다. 이것을 용제로 녹여서 응고욕(凝固浴) 가운데서 방사(紡絲)하거나 나일론처럼 녹여서 실을 만들면 훌륭한 섬유를 만들게 된다. 이것이 아크릴 섬유이다. 뒤퐁사에서 올론(orlon)이라는 상품명으로 판매되고 있다. 강하고 내후성(耐候性)도 훌륭하고 주름도 쉽게 생기지 않는 편리한 점이 있고, 양모와 흡사한 합성섬유로서 공급되며, 양모와 혼방(混紡)하여 스웨터 등을 만드는 데 사용된다. 그 밖의 아크릴계 섬유로서는 아크릴로니트릴과 기타 물질과의 공중합물(共重合物)이 있다. 염화비닐과 공중합한 것(다이넬·카네카론 등)을 비롯하여 아크릴란·엑슬란 등의 상품명으로서 각종 공중합물이 판매된다. 일본에서 상품화한 카시미론(Cashmilon)도 아크릴 섬유이다.
아세틸렌, 초산을 200∼250℃로 가열한 촉매 위를 통과시키면, 부가반응으로 초산비닐을 얻게 된다. 초산비닐은 또 에틸렌으로부터도 만들 수 있는데, 이와 같이 해서 얻어진 초산비닐은 상온에서는 액체로, 이를 과산화물(過山化物)의 촉매 속에서 가온(加溫)하면, 쉽게 부가중합하여 흰 가루의 폴리초산비닐이 생성된다. 이것은 그대로 접착제·껌의 베이스(치클)에도 쓰인다. 이 폴리초산비닐을 메틸알코올에 녹여, 소량의 알칼리 또는 산으로 가수분해하면, 아세틸기가 제거되어서 수산기를 지닌 폴리비닐알코올을 얻게 된다. 포바르의 수용액을 황산(황산나트륨액 또는 황산암모늄 용액) 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, 황산산성(黃酸酸性)으로 포르말린 처리하면 폴리비닐알코올 수산기의 일부가 화합하고, 분자 안에서 환화하여 불용성으로 된다. 이렇게 해서 생긴 것이 비닐론이다(〔그림〕－8). 비닐론은 일본에서 개발·발전시킨 섬유이며, 그 성질은 포르말린 처리와 열처리의 정도로 커다란 변화를 일으킬 수가 있다. 무명과 비슷한 성질이 있으며, 나일론보다는 흡습성이 많고, 속옷을 만드는 데 알맞다. 폴리아미드계(系)의 나일론은 명주와 비슷하고 수산기를 갖고 있는 비닐론이 무명 비슷한 성질과 용도를 가지고 있는 것이 당연하다고는 하겠지만 흥미있는 사실이다.
폴리염화비닐은 플라스틱으로 널리 쓰이는 고분자인데, 저온에서 중합한 결정성 높은 폴리염화비닐은 섬유가 된다. 이것을 아세톤과 이황화탄소와의 혼합용매로 녹이고 건식방사(乾式紡絲)한다. 프랑스의 로비르, 일본에서의 테비론 등이 그것이다. 열에는 약하기 때문에 특수한 용도에만 쓰인다. 또 염화비닐과 아크릴로니트릴, 염화비닐과 초산비닐과의 공중합물도 섬유로서 사용된다.
염화비닐에 다시 염소 1개가 붙은 것을 염화비닐리덴이라고 하는데, 이것과 염화비닐을 공중합시킴으로써 고분자를 얻게 된다. 이를 방사(紡絲)한 것이 사란(saran)이다. 산이나 알칼리에 쉽게 침식되지 않고, 마찰에도 강한 성질이 있기 때문에 시트용(sheet) 천이나 방충망 같은 것을 만드는 데 많이 사용된다.
폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 중에서 알맞은 결정성을 가지고 있는 것은 섬유로 만들 수 있다. 그러나 반응잔기(反應殘基)가 전혀 없기 때문에 염색성이 나쁘고, 옷감용으로서는 쓰여지지 않으며, 공업용과 어망 등을 만드는 데 많이 쓰인다.
1970년 인조섬유의 성장률은 모든 유럽제국이 계획보다 떨어지는 수준을 보였다. 직물섬유사와 같은 잠정적으로 주요성을 띤 분야에 영향을 미치는 과잉생산이 있었다. 영국에서는 모직나일론사의 대다수 표준품의 과잉생산으로 문제가 있었다. 그러나 그러한 요소들은 산업의 전분야에 걸쳐 있었던 계속적이고도 과감한 기술의 적용으로 해소될 문제는 아니었다. 장기계획가들은 1970년대의 중엽에는 폴리에스터 섬유의 세계총생산은 폴리아마이드 섬유 생산을 능가하리라 예측하였으나, 이것은 잘못된 예견인 것 같다. 왜냐하면 여러 가지의 발전된 폴리아마이드 개혁이 상업적으로 이용되어 왔기 때문이다. 예를 들면 최초의 형태에서는 획득할 수 없었던 흡수성으로 인하여 재사용할 수 있는 나일론이 새로운 단계에서 연구되었다. 듀퐁사에 의해 생사와 직접 경쟁하기 위해 개발된 퀴이나는 전통적으로 최고급품의 유행섬유물질로서 몇몇 나라에서 상품화되었다. 퀴이나가 아직도 꽤 중요시되는 것은 최초로 몬산토 회사에 의해 개발되었고, 후에 영국에서 생산된 새로운 나일론이며, 이것이 현재까지 유일하게 보통 나일론보다 비교적 값비싼 고급품이기 때문이다. 절단이나 휘비레이션에 의해 생산된 필름 기반의 실은 황마 대신으로 여러 나라에서 상당한 기반을 굳혔으며, 또한 많은 연구가 의복용 직물에 방사를 사용하는 개발사업에 집중되었다. 화염에 강하고 고온에 견디어 내는 섬유물질이 더욱 광범위하게 사용되었으나, 가발의 급작스런 수요증가로 인한 모다크릴릭스의 세계적 부족현상은 이의 산업이용을 지연시켰다. 인조섬유 폴리아마이드, 폴리에스터 그리고 아크릴의 주요 세 가지 품목의 잠재적인 성장은 상당한 것으로 보인다. 새로운 섬유의 소개보다는 이들 섬유의 개발, 향상에 더욱 역점을 두고 있는 경향을 보였으며, 건조한 것 및 습한 비스코스 섬유의 개발에 밝은 전망이 있었다.