한국의류산업학회지 Fashion & Text. Res. J. 제15권제3호, 2013 Vol. 15, No. 3, pp.461-466(2013) <연구논문> http://dx.doi.org/10.5805/sfti.2013.15.3.461 저온플라즈마처리한 Nylon/PU 혼방발수직물의편면친수효과 마재혁 1) 손경태 2) 구강 1) 1) 영남대학교융합섬유공학과 2) ( 주 ) 신풍섬유 Effects of the One Hydrophilicity for Nylon/PU Water Repellent Blended Fabric Treated with Low Temperature Plasma Treatment Jae Hyuk Ma 1), Kyoung Tai Son 2), and Kang Koo 1) 1) Dept. of Textile Engineering and Technology, Yeungnam University; Gyenong, Korea 2) Shin Pung Textile Co.,Ltd, Daegu, Korea Abstract : Synthetic fiber materials were developed due the desire of consumers for high-quality, high-performance and comfort. A high functionality of synthetic fiber can be obtained through surface treatment that can improve hydrophilic properties, color depth after dyeing and adhesion properties. These advantages create added-value. Hydrophobic properties are an important feature to create added-value (such as hydrophilic properties). One processing is a method of imparting to contrary function on the front and rear. In this study, fluorine-coated Nylon/PU blended fabric was treated on only one with a low-temperature plasma treatment; subsequently, the contact angles decreased by increasing the time and intensity of the plasma treatment. The contact angle of the untreated surface and the treated surface was different. It a showed a difference in the properties of both surfaces. Tensile strength and stiffness decreased by increasing the time and intensity of the plasma treatment. However, plasma treatment did not significantly change the tensile strength and stiffness on both surfaces of the fabric. SEM photographs showed the surface of fluorine-coated fabric and the etching surface by using plasma treatment on the fabric. Plasma treatment was confirmed not to affect the physical properties of the fabric. Key words: one hydrophilicity( 편면친수 ), low temperature plasma( 저온플리즈마 ), water repellent( 발수 ), fluorine( 불소 ), contact angle( 접촉각 ) 1. 서론 과학의발달로인하여, 인간삶의질이향상되어소비자의욕구는늘어가고있다. 섬유시장에서도이러한욕구가늘어나쾌적성, 인체친화성및고기능성등, 수요자의욕구충족과기술측면에서의환경친화적인기술을이용한첨단기술로전향하고있는추세이다. 이러한첨단기술을이용한기능성섬유가시장에많이출시되고있다. 기능성의복이란특수한조건이나극한환경에서인체를보호해주고그동작기능성을좋게해줄수있는특수복을의미라고정의했다 (Kim & Park, 2011). 일반적으로기능성을부여하는방법으로는 Pad-Dry-Cure(PDC) 법이일반적으로사용된다. 하지만이 PDC법을이용한가공은가공제가편성물전체에부여되기때문에표면과이면이동일한기능성을가진다. 이러한단점을보완하기위해서편면가공 Corresponding author; Jae Hyuk Ma Tel. +82-53-810-3898 E-mail: myboyx@naver.com 이주목을받게되었다. 편면가공이란, 편면가공기술을이용한편발수 / 편흡수 Knit fabric 개발에관한연구에서 (Nam, 2011) 표면과이면에상반되는두가지의기능을부여하는방법으로정의하였다. 편면가공은표면에가공제를처리하여이면에전이되지않게하는방법과섬유전체에기능성을부여하여표면개질을통해이면의성질을변화시키는방법으로크게두방법으로나눈다. 표면에가공제를처리하여이면에전이되지않게하는방법으로는분사노즐에의한스프레이방법이알려져있으나, 스프레이방법은두께가두꺼운직물의경우에만가능하다. 표면개질을통해이면의성질을변화시키는방법은뛰어난기술력이요구되지않으며, 높은생산성을가지고있어현장에적용하기용이한장점을가진다. 이러한표면개질은섬유가이루는경계면에서발생하고, 그경계면을개질함으로써친수, 접착, 인쇄, 도장, 광학적, 자기적, 전기 전자, 생체적합, 대체재료투과, 담색방지등다양한기능성을부여할수있는이점을가진다. 습식공정을통한표면개질은공정시에사용되는다량의물과화학약품으로인하여각종환경문제를일으킨다. 하지만건식공정은물을사용하지않기때 461
462 한국의류산업학회지제 15 권제 3 호, 2013 년 문에용수량과건조시에불필요한에너지를절감할수있다. 건식공정중에대표적인방법으로전기방전가공이있다. 전기방전가공이란, 전기방전을이용하여섬유 고분자에표면개질을하는가공법이다. Roth(2001) 저서에서 1928년 Irving Langmuir 박사에의해명명된플라즈마는 80년이지난현재에우리현실에첨단 IT산업, 의료, 섬유분야까지많은분야에응용되고있다. 플라즈마는기체분자로부터전자를떼내어, 라디칼, 전자, 이온등이혼재한상태를말한다. 전기적에너지를기체에가하여가열보다는전자와이온을만드는데사용되며이온화를통해전자의해리, 기체분자의이온화를거쳐불안정한전자 이온 라디칼등이혼재한상태를말한다. 전기적에너지를기체에가하여가열보다는전자와이온을만드는데사용되며이온화를통해전자의해리, 기체분자의이온화를거쳐불안정한전자 이온 라디칼이생성된다 (Moon, 2003). 저온플라즈마는다른플라즈마장치에비해보다낮은주파수와출력에서도용이하게방전이생성되므로전기적효율이뛰어나다 (Choi, 1995; Bong, 1998). 또극표면반응으로진물의벌크성질에영향을주지않으며가스의종류와처리조건에따라직물표면에다양한기능성을부여할수있다. 예를들면, 표면조면화 ( 심색화, 표면친수화 ), 방축가공 ( 양모의방축가공 ), 접착성 ( 섬유와접착성, 고기능성, 고강력섬유의접착 ) 등을향상시켜제품의고부가가치를창출할수있고, 일부는실용화되고있다. 화학적표면시, 가공제와직물에작용기를가지고있어야만하지만, 저온플라즈마는분자반응에용이하게라디칼, 이온화를통한작용기가존재하므로반응성이우수하다 (Lee, 1995). Nylon은역사상가장오래된합성섬유로서캐로더스 (Carothers) 에의해 1938년미국듀퐁사 ( 社 ) 에서발명되었다. 원래명칭은폴리아미드계합성섬유지만, 개발사듀퐁사의브랜드이름인 nylon 으로더유명하다. 기계적인성질이강하여, 의복에서부터산업용으로이르기까지광범위하게사용되고있다. 하지만강한강도때문에플라즈마처리시, PET 섬유보다에칭효과는떨어진다. 이논문에서는불소계발수코팅된 nylon/pu 혼방직물에산소저온플라즈마를처리하여처리면에서의표면개질로인한친수성, 이면에는발수코팅으로인한소수성으로직물의표면과이면에서로다른두가지기능을부여하여물리적변화를비교하여편면친수효과에대하여알아보았다. 위사 N/ATY 160/136FD로제직된 nylon/pu 발수혼방직물 (( 주 ) 신풍섬유 ) 을사용하였다. 2.2. 발수코팅한 nylon/pu 혼방직물에플라즈마처리불소계수지로발수코팅한 nylon/pu 혼방직물에플라즈마장치를사용하여산소가스존재하에 50 W, 100 W의출력으로처리시간 1분, 3분, 5분, 7분으로변화시켜처리하였다. 플라즈마처리하기전에원단을먼저에탈올로수회세척하여표면의불순물을제거하고실온에서충분히건조한후사용하였다. 플라즈마장치는 13.56 MHz의 RF-generator(Max, Power: 650 W) 가장착된 glow-discharge system으로 Fig. 1에나타낸바와같다. 플라즈마처리에사용된산소가스의순도는 99.99% 이상의초고순도공업용가스를별도의정제없이그대로사용하였다. 에탄올 (Duksan Pure Chemical Co., Ltd.) 은 1급시약을사용하였다. 시료는 10 cm 10 cm로플라즈마내의전극위에놓고하부전극과고정시켜, 처리이면에는플라즈마처리효과를최대한억제시키게했다. 2.3. 접촉각측정플라즈마처리된원단표면의변화를알아보기위하여접촉각을측정하였다. 접촉각측정을위해 OCA system(data Physics Instruments Co. Ltd., Germany) 을사용하였다. 19.4 o C, RH 44% 의조건에서마이크로피펫을이용하여증류수 2 µl를채취한후원단에떨어뜨려 10회를실시하고평균값을구하였다. 2.4. 발수도저온플라즈마의처리에따른 nylon/pu 혼방직물의발수도 2. 실험 2.1. 시료 Nylon/PU 발수혼방직물은경사 N/DTY 70/68FD + PU40과 Fig. 1. Schematic diagram of a low temperature plasma apparatus. Table 1. Properties of nylon/pu water repellent blended fabric Density(In) Width Weight Water Repellent Weft Warp (In) (g/m 2 Weaving Weft Warp ) Coated N/DTY 70/68FD+PU40 N/ATY 160/136 FD 150 65 44 142 Plain Fluorine
저온플라즈마처리한 Nylon/PU 혼방발수직물의편면친수효과 463 는 KS K 0590 직물의발수도시험방법 : 스프레이법에의거하여실험하였다. 2.5. 표면관찰플라즈마처리한원단의표면과미처리시료의표면을비교하기위해, SEM S-4100 (Hitachi Co.Ltd., Japan) 을사용하였다. 시료는 0.03 Torr, 12 ma에서 120 sec동안백금증착을하여, 가속전압 15 kv, 배율 5,000배로표면상태를촬영하였다 2.6. 인장강도인장강도를파악하기위해인장시험기 (Intron, Model Instron 3345, Instron Co., USA) 를사용하여 KS K 0520 강도및신도측정 ( 그래브법 ) 을이용하여경사 위사방향으로각각 5회씩반복측정하여평균값을사용하여인장강도를측정하였다. 2.7. 강연도소재의강연성을측정하기위해 KS K 0538( 하트루프시험법 ) 으로경 위사와플라즈마처리표면과이면의강연도를각각 10회씩반복측정하여평균값을사용하였다. 3. 결과및고찰 3.1. 접촉각측정플라즈마처리에의한표면개질및친수화효과를알아보기위해서접촉각을측정해보았다. 접촉각측정은고분자, 섬유의표면상태변화를간접적으로확인할수있으며, 일반적으로접촉각이작을수록표면의젖음성은우수한것으로알려져있다 (Yu et al., 2005). Fig. 2은플라즈마처리시간에따른접촉각의변화를나타냈다. 처리면과이면의편면친수성 ( 상이성 ) 을알아보기위해양면을측정하였다. 미처리접촉각의경우에는 142 o 를보였다. 이는시료의조직이조밀하며, 다른 nylon섬유들의밀도에비해고밀도이기때문에높은초발수성을보였다. 출력 50 W의경우에플라즈마처리시간이증가할수록접촉각이감소하였다. 플라즈마 1분처리시처리면은 128 o, 이면은변화를보이지않았다. 5분처리시, 처리면의접촉각은측정할수없었다. 이는물방울을처리표면에적하시, 표면에접하는순간바로흡수가일어났기때문에접촉각측정이불가능하여 0 o 로표시하였다. 이면은 113 o 을보여, 처리면과이면의큰접촉각차이를보였다. 7분처리한경우에는모든면에서접촉각을측정할수없었다. 처리출력을 100 W로높여, 처리시간의경과에따른접촉각변화를나타냈다. 50 W로처리한것과유사한경향을나타냈다. Koo et al.(2005), Lee and Kowalczyk(1990) 연구에서산소를사용하여, 플라즈마처리시간과출력이높아질수록플라즈마의물리 화학적개질효과에의해표면이서서히 COOH 작 Fig. 2. The change of contact angles of nylon/pu water repellent blended fabric treated with low temperature plasma at the condition of 50, 100 W power, respectively. 용기와친수성작용기 (-CO-, -COO-, -O-, -OH-, -NH-, -NH 2 -) 가생성되어섬유표면에많이부착해, 서서히친수화되는것을접촉각실험을통해확인하였다. 또한, 처리출력, 시간에따른미처리면도친수화과정을접촉각변화를통해확인하였다. 그러나처리시의기질위치에따라개질을조절할수있는효과를기대할수있을것으로판단된다. 즉플라즈마계내에서는전기적으로중성을나타내므로기질의표리면을동시에처리할수있고, 또여기에서는한쪽전극에기질을부착시켜이면의플라즈마처리효과를최대한억제시킬수있었다. 3.2. 발수도측정발수코팅된 nylon/pu 혼방직물에플라즈마가공을통한플라즈마처리면과이면의발수도를측정하였다. 발수도측정은발수처리된 nylon/pu 혼방직물의발수성능을확인하기위해서측정하였다. 플라즈마미처리시료에서는발수도 5급이나왔다. 플라즈마출력 50 W와 100 W에서는 1분간처리하였을때처리면과이면의발수도차이를볼수있으나, 처리시간 5분이상부터는처리면과이면의큰변화를볼수없었다. 불소로발수코팅을한직물의코팅막이플라즈마에의해코팅막이탈락, 표면의에칭에의하여처리면에 1급이나왔다고추측된다. 플라즈마출력이높아질수록, 높은전계를얻은이온과전자가가속되어가스분자의해리, 전리, 여기가빨라지며보다많은전자와이온을생성한다. 이러한반응으로처리면에에칭이형성된다. 처리시간이길어짐에따라, 이러한에칭이강하게나타나기때문에섬유내부깊숙이영향을받는다. 플라즈마출력과처리시간에의해미처리면에영향을받아서, 표면의발수도와동일한 1급이나왔다고생각한다. 지금까지의결과를종합해보면, 처리조건에서출력 50 W, 시간 1~3분사이가가장우수한것으로판단된다.
464 한국의류산업학회지제 15 권제 3 호, 2013 년 Table 2. Resistance to surface wetting of nylon/pu water repellent blended fabric treated with low temperature plasma at the condition of 50, 100W power (Unit : grade) Treatment Time Treatment Water repellency 50 W 100 W Untreatment Treatment Untreatment Untreated 5 5 5 5 1 min 3 5 3 5 3 min 1 4 1 3 5 min 1 1 1 1 7 min 1 1 1 1 3.4. 표면관찰일반적으로건식방법으로섬유표면에개질을하였을경우, 섬유표면에에칭이일어난다. 그에칭으로인하여, 섬유표면의형태가달라진다. 섬유의표면변화를확인하기위해서 SEM으로표면을관찰하였다. Fig. 3는발수코팅된 nylon/pu 혼방직물 (A) 을플라즈마처리출력 50 W, 100 W로 1, 3, 5, 7분간처리하여표면을관찰한사진이다. 플라즈마처리시간과출력이증가할수록더많은표면변화를보였다. 50 W출력에서는표면에플라즈마처리에의해불소코팅이분해되어, 미처리시료 (A) 에비해섬유표면이평활한것으로추측되며, 100 W출력에서는표면에코팅된불소발수제의분해와동시에섬유표면에에칭현상을볼수있었다. 출력시간이길어질수록표면에에칭의정도가커졌으며플라즈마처리출력 100 W, 7분처리한시료 (D) 에서는에칭의정도는매우컸다. 이는플라즈마처리시출력과처리시간이길어질수록표면에서의에칭으로인한발수코팅의탈락으로표면이개질되어친수성이서서히증가하는효과와동일한결과로생각된다. 3.3. 물성변화측정플라즈마처리를통하여, 섬유표면에에칭으로인한표면의변화가생긴다. 이러한표면변화가섬유전체의물성에대해서영향을미치는지알아보고자인장강도와강연도를검토하였다. Fig. 4는플라즈마처리시간에따른 nylon/pu 혼방발수직물의인장강도의값을나타낸것이다. 플라즈마미처리시료의인장강도는경사방향 57.73 MPa, 위사방향 43.69 MPa을나타났다. 경사 위사방향의사를 10회인장강도를측정후평균값으로나타냈다. 경사 N/ATY 사는 6.6063 MPa, 위사 N/DTY + PU 혼방사는 4.1087 MPa 을나타냈다. 위사방향으로하중을가할경우, PU의신장률때문에 nylon에하중이집중된다. 그래서위사방향의인장강도는직물의밀도보다는위사방향으로사용된 nylon의인장강도에영향을받는다. 출력 50 W로처리하였을때는각각 60.288 MPa, 40.795 MPa로큰차이는보이지않는것을알수있다. 그리고출력 100 W로처리하였을때도출력 50 W로처리하였을때와는전체적으로낮은값을나타나나진술한내용과유사한경향을나타나고있어서플라즈마처 Fig. 3. SEM photographs of nylon/pu water repellent blended fabric treated with low temperature plasma at the condition of 50, 100W power; (a) Untreated, (b) 50W 1min, (c) 50W 3min, (d) 50W 5min, (e) 50W 7min, (f) 100W 1min, (g) 100W 3min, (h) 100W 5min, (i) 100W 7min. 리에의한직물의강도저하에따른우려는하지않아도될것 으로판단된다. 이는플라즈마처리에의해에칭이일어나고그에칭에의한표면의분해반응이극표면에서일어나소재로서의사용에어려움이없는것으로판단된다. Fig. 5, 6에는플라즈마처리시간에따른플라즈마처리면과이면각각의경사 위사에대한강연도변화를나타냈다. Fig. 4는플라즈마출력 50 W 처리한것으로처리시간이증가할수록처리면과이면의경사 위사강연도값이감소하는것을확인하였다. Fig. 5에서도플라즈마 100 W 처리시에강연도의값이감소하는경향을확인하였다. 그리고처리면과이면의강연도값의차이를확인할수있었다. 이는플라즈마처리로
저온플라즈마처리한 Nylon/PU 혼방발수직물의편면친수효과 465 Fig. 4. The change of tensile strength of nylon/pu water repellent blended fabric treated with low temperature plasma at the condition of 50, 100 W power, respectively. Fig. 5. Stiffness of nylon/pu water repellent blended fabric treated with low temperature plasma at the condition of 50 W power. 표면에서의에칭효과로인해다소표면이거칠어져강연도값이감소한다고판단된다. 그러나불소코팅된표면에서불소가에칭에의해서분해되고그다음섬유가분해되는공정을생각해볼때플라즈마처리조건에따른차이가분명하므로후술하는 SEM에의한관찰에서도알수있다. 4. 결론 Nylon/PU 혼방방수직물에산소저온플라즈마로표면개질한후그결과를접촉각, 표면관찰, 물성변화, 발수도결과를해석하여다음과같은결론을얻을수있다. 1. 플라즈마출력과처리시간의증가는플라즈마처리표면과이면의접촉각감소를보였다. 출력 50 W에서는 1, 3, 5분처리와 100 W에서는 1, 3분처리에서의처리면과이면에큰접촉 Fig. 6. Stiffness of nylon/pu water repellent blended fabric treated with low temperature plasma at the condition of 100 W power. 각차이를보였다. 플라즈마처리에의해처리면과이면의편면친수화가확인됐다. 2. 발수도측정결과, 플라즈마처리한시료의처리면에서플라즈마출력 50 W 1, 3분처리와 100 W 1분처리시이면에서 5급, 4급이나왔다. 플라즈마로인한처리면과이면의발수성이다른것을확인하였다. 편면친수성을나타내기위해서는저온플라즈마처리시간과출력등의조절이매우중요하며이연구에서는출력 50 W와 100 W 1분처리에서가장좋은결과를얻을수있었다. 3. 표면관찰에서플라즈마출력과처리시간이증가할수록시료표면의에칭이강하게나타났다. 이는플라즈마처리에의해표면에서의물리 화학적인변화가주원인으로판단된다. 4. 인장강도는큰차이를나타나지않으나, 강연도에서는미미한차이를보였다. 하지만이러한인장강도와강연도로인한직물의전체적인물성에는큰영향을미치지않는다고판단된다. 5. 저온플라즈마처리에의한편면친수성을나타내기위해서는보다높은출력에서단시간처리함으로써현장적응의가능성을추측해볼수있다. 감사의글 이논문은 2012학년도영남대학교학술연구비에의하여연구되었음. Referenses Bong, C. K., Boo, M. J., Kim, J. H., Lee, J. J., & Kim, S. D. (1998). The charateristics of the treatment of pollutants(so 2, NOx) using surface discharge induced plasma chemical process. Journal of Korea Air Pollution Research Association, 14, 333. Choi, K. C., & Kim, S. D. (1995). Exhaust gas treatment using electric power technology trends. Journal of Korea Air Pollution Research
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