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자기 조직화 단분자막(SAM) 형성기술에 의한 기능성 직물 개발
杉本ｾ貴紀＊ 1、金山賢治＊ 2、村井美保＊ 1、吉村 裕＊ 1
<Takanori SUGIMOTO*1,Kenji KANAYAMA*2,Miho MURAI*1and Hiroshi YOSHIMURA*1>
＊1 尾張繊維技術センター 加工技術室＊2 尾張繊維技術センター 加工技術室（現三河繊維技術センター 開発技術室
<Owari Textile Research Center, AITEC*1*2>
본 연구에서는 나고야 대학 高井(타까이)교수로부터의 기술 요구 “자기 조직화 단분자 막(SAM) 형성기술”(1~3)을 활용해, 직물에의 기능성 나노분자막 형성기술에 관한 개발을 행하였다. 폴리에스터 직물에 전처리로 진공자외광(VUV)을 조사해 표면을 활성화 시켜 SAM 형성재료인 octadecyltrimethylsilane (ODS)옥타데실 트리메톡시 실란 및 불화 알킬실란(FAS)를 열화학 증착(CVD)하였다. 이로서 소수성 관능기로부터 나노성분막을 직물표면에 고정시킴으로서 발수성과 발유성 기능을 부여할 수 있었다. 그 결과 수적 접촉각 130° 이상, n-hexadecane 접촉각 120°가 얻어져 신규가공법의 유효성을 입증할 수 있었다.
1. 머리말
직물에 발수성과 발유성을 부여하는 기능가공은 의류분야에서 시장 요구가 많아 널리 행해지고 있다. 그 중에서 기존의 섬유제품과 차별화를 위해 발수와 방오성 등에 더욱 고기능성을 부여하는 기술 개발이 요구되고 있다.
작년도 당 센터에서는 “초발수성 나노분자 직물의 개발”을 시행, 자기 조직화 단분자막(SAM) 형성기술을 활용해 소수성 관능기로부터 형성되는 나노수준의 분자막을 직물 표면에 결합시켜 내구성과 촉감을 갖는 초 발수성 직물의 개발을 수행하였다. 그 결과 초 발수성에 가까운 수적 접촉각이 얻어져, 새로운 발수가공방법으로 유효성이 확인되었다.
본 연구에서는 작년도의 연구성과를 활용, 발수와 발유기능을 부여하는 새로운 직물가공의 최적 조건 등을 검토, 실용화 가능성에 대해 검토하였다.
2. 실험방법
2.1 진공 자외선(VUV) 조사
SAM을 폴리에스터 직물에 고착시키기 위해 전처리로 xenon excimer lamp(Medel : MEBF-380BQ, 파장 172nm, 광강도 50mW/㎠ 이상(메이커 공칭값, (주)엠디엑시마제)를 탑재한 VUV 조사장치(3)(주)에누공방)을 사용하였다(그림1).시료를 탑재한 스테이즈를 램프 하부에 이동한 후 일정시간 램프를 점등함으로서 시료에 VUV를 조사하였다.
2.2 열화학 증착(CVD) 처리
2.2.1 SAM 형성재료 및 촉매
SAM 형성에 이용한 실란화합물은 하기와 같다.
-Octadecyletrimethoxysilane(ODS : 關東화학)
-Trifluoropropyl trimethoxysilane(FAS3 : 信越화학)
-1H, 1H, 2H, 2H,-perfluoroocthyltrimethoxysilane(FAS13 : 和光화학)
-Heptadecafluoro-1,1,2,2,-tetrahydrodecyltrimethoxysilane(FAS17 : Gelest)
또 ODS를 이용했을 때의 촉매로 titanium trimethylsiloxide(Gelest 사)를 희석해 사용하였다.
2.2.2 열 CVD 처리
VUV 처리한 폴리에스터 직물과 SAM 형성재료를 넣은 용기를 소정의 온도로 가열한 열처리장치에 넣어 일정시간 처리하였다.
2.3 접촉각
접촉각 측정장치(DropMaster-501 協和계면과학(주))에 의해 접촉각을 측정하였다. 발수성은 순수, 발유성은 n-hexadexcane을 이용하였다.
2.4 폴리에스터 섬유의 표면관찰
원자간력 현미경(AFM : XE-100 파-크시스템즈 사)으로 폴리에스터 섬유의 표면을 관찰하였다.
2.5 백색도
분광측색계(CM3600d 코니카미놀타 센싱(주))로 폴리에스터 직물의 백색도를 측정하였다. 백색도는 JIS Z 8715의 WI로 나타냈다.
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재료 |
100% 폴리에스터 |
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면적 |
5cm×5cm |
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VUV 조사시간 |
5, 10, 20, 30분 |
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VUV 조사거리 |
3.5, 13mm |
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CVD 열처리조건 |
150℃ × 50분 |
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접촉각 측정 |
수적4㎕․적하 5초 후 | 3. 실험결과 및 고찰
3.1 VUV 처리조건 검토
전처리 조건을 최적화하기 위해 VUV의 조사거리 및 조사시간을 검토하였다. 폴리에스터 직물에 VUV 처리 후 ODS를 이용하 열 CVD 처리를 행해 처리포의 수적접촉각을 측정하였다. 처리조건은 표1, 결과는 표2에 있다.
조사시간이 길수록, 또 조사거리가 짧을수록 수적 접촉각은 커지는 경향이 보였다. 조사거리가 13mm의 경우 20분 이상 조사하면 수적접촉각이 140° 가까이 된다. 또 조사거리를 3.5mm로 하면 조사시간 10분에서 조사거리 13mm, 조사시간 20분과 거의 동등의 수적접촉각이 얻어지지 때문에 폴리에스터 직물에 조사하는 VUV의 조사조건은 조사거리 3.5mm, 조사시간 10분 이상이 필요하다는 것을 알았다. 이후 VUV 전처리조건을 조사거리 3.5mm, 조사시간 10분으로 실험하였다.
3.2 직물에의 발수성 부여를 위한 가공조건 의 최적화
3.2.1 열(CVD) 처리조건의 검토
폴리에스터 직물에 발수성을 부여하기 위해 ODS를 이용, 열처리시간 및 열처리 온도를 검토하였다. 처리조건은 표2, 결과는 그림 3에 있다.
그 결과 처리시간이 길수록, 또 처리온도가 높을수록 수적 접촉각은 커지는 경향을 보였다. 처리온도 150℃, 처리시간 90분 또는 처리온도 200℃, 처리시간 60분에서 수적 접촉각 130° 이상이 얻어졌다.
역시 처리온도 100℃, 처리시간 60분, 또 처리온도 150℃, 처리시간 10분의 조건에서도 동등의 시험을 행하였으나, 모두 수적이 직물에 침투해 버렸다. 이는 CVD 처리가 불충분해서 SAM이 충분히 형성되지 않았기 때문에 직물표면이 VUV로 친수화된 상태가 된 것으로 생각된다.
3.2.2 촉매에 의한 발수성 향상 검토
ODS의 효율을 높이기 위한 실험으로, 촉매를 사용해 SAM 형성에 촉매가 미치는 영향에 대해 검토하였다. 시험조건은 표3, 결과는 그림4와 같다. 그림4의 spray 법에서는 VUV 처리한 시료에 촉매를 spray로 분무해 CVD 처리를 행한 것이다.
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재료 |
100% 폴리에스터 |
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면적 |
5cm×5cm |
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CVD 열처리온도 |
150, 180, 200℃ |
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CVD 열처리시간 |
30, 60, 90분 |
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접촉각 측정 |
수적4㎕․적하 5초 후 |
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재료 |
100% 폴리에스터 |
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면적 |
5cm×5cm |
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CVD 열처리온도 |
100, 120, 150℃ |
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CVD 열처리시간 |
60분 |
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접촉각 측정 |
수적4㎕․적하 5초 후 |
3.2.3 FAS에 의한 발수성능
SAM 형성 원료에 FAS를 이용해 열 CVD를 행해 처리포의 수적접촉각을 측정, 그 발수성을 평가하였다. 시험조건은 표4, 결과는 그림5와 같다.
그 결과 수적접촉각이 130° 이상 얻어져, 발수기능이 부여되는 것을 확인하였다. 또 FAS13 및 FAS17에서 120℃이상에서 60분간 CVD 처리하면 수적접촉각은 140° 이상으로, ODS보다 높은 효과가 얻어진다는 것을 알았다.
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재료 |
100% 폴리에스터 |
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면적 |
5cm×5cm |
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CVD 열처리온도 |
100, 120, 150℃ |
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CVD 열처리시간 |
60분 |
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접촉각 측정 |
수적4㎕․적하 5초 후 |
3.3 직물에의 발유성 부여를 위한 가공조건의 검토
3.3.1 SAM 형성에 의한 직물에의 발유성 부여
VUV 처리 후 발유기능을 갖는 FAS를 이용해 100℃에서 7시간, 열 CVD를 행한 폴리에스터 직물의 n-hexadecane의 접촉각을 측정하였다.
미처리 폴리에스터 직물에서는 n-hexadecane은 적하 직후 침투해버렸다. 그러나 FAS13 및 FAS17로 처리하면 120° 전후가 되어, 목표로 하는 60°를 대폭 상회하는 결과를 얻었다. FAS 3에 있어서는 100℃에서 7시간 처리해도 발유성은 얻어지지 않았다.
3.3.2 발유성 부여를 위한 열 CVD 조건의 최적화
발유가공의 열 CVD 조건을 검토하기 위해 열증착온도를 100℃, 150℃, 증착시간을 1시간, 3시간, 5시간, 7시간으로 발유성 직물의 n-hexadecane의 접촉각을 측정하였다. 그 결과는 그림6과 같다.
그 결과 접촉각은 FAS13, FAS17 모두 CVD 처리조건이 100℃×3시간 또는 150℃×3시간 이상에서는 차이는 확인되지 않았다. FAS17의 100℃×1시간은 접촉각 측정은 가능하였으나 적하 후 1분 이내에는 침투되어버려, 발유성 효과는 그다지 나타나지 않았다. 또 다른 조건에서도 CVD 처리 1시간에서는 n-hexadecane은 적하 직후에 침투되어버려 발유성 효과는 나타나지 않았다.
또 상기 방법으로 발유 가공한 시료에 n-hexadecane 20㎕ 적하 후 n-hexadecane이 직물에 침투할 때까지의 시간을 측정, 흡유성을 검토하였다.
그 결과 n-hexadecane의 침투시간은 처리조건에 따라 확실한 차이를 보였다. 처리시간이 짧을수록 적하 후 5분 이내에 침투하기 때문에 발유효과는 적은 것으로 생각된다. 30분 이상 지나도 침투하지 않았던 것은 FAS13은 100℃×7시간과 150℃×5시간, FAS17은 100℃×5시간 및 7시간, 150℃×3시간 및 5시간이었다.
이상의 결과로부터 폴리에스터 직물에의 발유가공을 위한 최적의 열 CVD 조건은
(FAS13)100℃×7시간과 150℃×5시간 이상
(FAS17)100℃×5시간 또는 150℃×3시간 이상
이 필요할 것으로 생각된다.
3.4 SAM 형상한 폴리에스터 직물의 표면관찰
SAM 형성한 폴리에스터 직물의 표면처리 상태를 검토하기 위해 AFM을 이용해 미처리포의 표면상태를 관찰하였다. SAM 형성 조건은 FAS17을 사용해 100℃, 7시간으로 처리하였다. 그 결과는 그림 7과 같다.
폴리에스터 직물 1본의 표면 상태를 보면, 미처리에 비해 처리시료는 섬유표면의 요철이 없이 평활하게 되어 섬유 1본의 거칠기가 경감되는 것을 알 수 있다. 이는 폴리에스터 섬유 표면에 FAS의 분자막이 형성되었기 때문으로 생각되어, 표면관찰에 의해서도 SAM의 형성이 확인되었다.
3.5 열처리에 의한 폴리에스터 직물의 황변
폴리에스터 직물의 열처리에 의한 황변이 우려되기 때문에 VUV 처리 후 온도 및 시간을 변화시켜 열 CVD 처리한 직물의 백색도를 측정하였다. 그 결과는 그림 8과 같다. 처리온도가 150℃를 넘으면 WI는 상당히 저하한다. 촉매를 사용하면 WI는 더욱 낮아져, 황변의 정도는 증가한다는 것도 알았다. Spray 법으로, 특히 WI가 낮은 것은 촉매가 균일하게 도포되지 않기 때문에 다량으로 붙어 있는 부분이 보다 황변이 쉽기 때문으로 생각된다. 촉매를 사용한 경우 처리 후의 ODS 잔액이 갈색으로 변하는 것으로 확인되었다. 이로서 ODS와 촉매의 반응에 의해 변색이 일어나, 이것이 폴리에스터 직물의 황변에도 영향을 주는 것으로 생각된다.
또 처리시간의 경과와 함께 WI가 저하한다는 것도 알았다.
4. 결론
SAM 형성기술을 활용해 직물 표면에 기능성을 부여하는 신규가공방법에 대해 연구를 행하였다. 그 연구 성과에 따라 당초 목표로 한 발수성 : 접촉각(순수) 130° 이상, 발유성 : 접촉각(n-hexadecane) 60° 이상을 실현할 수 있었다. 발유성에 관해서는 목표값을 크게 상회하는 접촉각 120°를 얻을 수 있어, SAM 형성기술에 의한 높은 기능성을 부여할 수 있음을 알았다.
본 수법을 실용화하기 위해서는 CVD 처리온도가 비교적 높고 CVD 처리시간이 길다는 것이 하나의 과제이다. 이는 SAM 형성원료를 가열하는 것만으로 기화되기 때문에 필요한 factor이다. 따라서 초음파 가습기 등을 이용해 SAM 형성원료을 적극적으로 기화시키는 방법을 이용하면 CVD 처리의 저온화․단시간화에 기여하는 것으로 생각된다.
*출처: http://www.reseat.re.kr/Monitor1R.do?method=read
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