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문제 정의
- <Fig. 7>은 UV lamp의 간격을 5cm로 하여 UVC를 5min, 10min, 15min, 20min, 25min, 3Omin, 40min, 5Omin, 60min, 90min 처리하여 심지흡수력 값의 감소가 어느 시점에서부터 발생했는가를 조금 더 상세히 살펴봄으로써 수분율의 증가와 함께 심지흡수력 이 최적인 상태의 UV처리 조건을 살펴보고자하였다. 그 결과 30min 처리시에 최대값을 나타내었다.
- 이를 통해 UV 조사 된.PET의 모세관 효과 변화를 통해 흡수 속건성에는 영향을 주지 않으면서 수분율을 증대시킬 수 있는 효율적인 가공방법을 모색하고자 하였다. 또한 UV 조사로 수반되는 물리적 특성으로 대전압, 황변도, 인장강도, 탄성회복율의 변화정도를 살펴보았다.
- 따라서 본 연구에서는 4-Channel PET knit fabric 에 UVA, UVC를 조사시에 처리시간을 Omin, 30min, 60min, 90min으로 변화를 주고, 처리거리를 5cm, 10cm, 15cm, 20cm로 다르게 처리한 후 수분율의 향상에 어떠한 영향을 미치는지 살펴보았다. 또한 -OH기를 포함하는 용제의 전처리 및 광개시제(안광덕 외, 1982) 첨가가 미치는 영향도 살펴보았다.
- 본 연구에서는 PET섬유에 UV조사가공을 통해 적극적으로 섬유표면을 개질하여 섬유에 친수성증대라 고 하는 기능성 가치를 부여하고자 하였다. 단면을 변화시켜 모세관효과를 증대시킨 PET에 UV를 이용하여 표면을 개질하여 심지효과를 증대사키면서 PET섬유의 친수성을 증대시킬 수 있는 친환경 · 기능성 PET섬유를 개발하고, 동시에 용매전처리 및 광개시제 첨가에 따른 UV처리효과를 살펴봄으로써 보다 효율적인 UV처리/방법을 제안하고자 UV조사에 따른 PET의 물리 · 화학적 변화를 인장강도, 탄성회복율 등을 통하여 분석하고 친수성 변화와의 관계를 살펴본 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- Benzophenone의 농도가 UV처리에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 Benzophenone의 농도를 변화시켜 메탄올에 용해시켜 10분간 침지시킨 후 UV처리를 하여 수분율의 변화를 살펴보았다. 이 결과 <Fig.
- Spectrophotometer(JS-555)를 이용하여 자외선조사를 한 직물의 yellowness index를 검사한다. 황변도는 C광원에서 570nm 파장에서 다음의 식에 의해서 측정하였다(Berns, 2000).
- UV 처리시간을 Omin, 3Omin, 60min, 90min으로 변화시키고, UV광원과 sample간에 간격을 5cm, 10 cm, 15cm, 20cm로 처리간격을 두어 심지흡수력을 측정한 결과를 <Fig. 6>과 같았다.
- UV 처리한 PET의 마찰대전압은 Rotary Static Tester (Daiei)를 사용하여 KS K 0555 B에 준하여 20±2°C, 40±2%RH 조건에서 400rpm으로 측정하였다.
- UV 파장 영역에 따른 차이가 직물의 표면개질에 어떤 변화를 미치는지 알아보기 위해서 조사거리는 5cm로 고정하고 처리시간을 변화시키면서 UVA와 UVC를 조사한 후 수분율의 변화를 살펴보았다. 그 결과 <Fig.
- UV조사에 의하여 PET표면의 화학구조가 개질되어 화학적 성질이 변화된는 것을 FT-IR 및 XPS 분석을 통하여 살펴보았으며, SEM을 통한 UV처리가 섬유의 표면에 버블, 크랙, 에칭과 같은 변화를 일으키는 것을 이미 살펴보았다. UV조사는 직물 내에 구성되어 있는 섬유의 화학결합의 절단 및 생성을 발생시키며, 이러한 화학구조의 변화와 섬유의 표면에서의 물리적 변화는 변화의 정도에 따라 물성변화를 수반하게 된다.
- UV조사에 의하여 직물은 표면이 개질됨과 동시에 일광에 노출되어 황변이 발생할 수 있기 때문에 변퇴색의 정도를 알아보기 위하여 Spectrophotometer(JS-555)를 이용하여 UV가공을 한 직물의 yellowness index를 검사하였다. yellowness index는 CIE color coordinates에 기초하여 C광원에서 570nm 파장에서 측정하였다.
- UV조사에 의하여 직물은 표면이 개질됨과 동시에 일광에 노출되어 황변이 발생할 수 있기 때문에 변퇴색의 정도를 알아보기 위하여 Spectrophotometer(JS-555)를 이용하여 UV가공을 한 직물의 yellowness index를 검사하였다. yellowness index는 CIE color coordinates에 기초하여 C광원에서 570nm 파장에서 측정하였다.
- 용제 전처리는 Methyl alcohol, Ethyl ether에 시료를 10분 동안 침지시킨 후 pick-up율을 최대로 하여 UV 처리하였다. 광개시제로는 Benzophenone을 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13% 농도로 methyl alcohol에 용해시켜 용제 전처리와 동일한 방법으로 pick-up율을 최대로 한 후 UV 처리를 하였다.
- 본 연구에서는 PET섬유에 UV조사가공을 통해 적극적으로 섬유표면을 개질하여 섬유에 친수성증대라 고 하는 기능성 가치를 부여하고자 하였다. 단면을 변화시켜 모세관효과를 증대시킨 PET에 UV를 이용하여 표면을 개질하여 심지효과를 증대사키면서 PET섬유의 친수성을 증대시킬 수 있는 친환경 · 기능성 PET섬유를 개발하고, 동시에 용매전처리 및 광개시제 첨가에 따른 UV처리효과를 살펴봄으로써 보다 효율적인 UV처리/방법을 제안하고자 UV조사에 따른 PET의 물리 · 화학적 변화를 인장강도, 탄성회복율 등을 통하여 분석하고 친수성 변화와의 관계를 살펴본 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 따라서 용제 처리한 시료의 UN조사는 UVC파장에서 5cm거리로 고정시키고 Oinin, 5min, 15min, 30min의 시간간격으로 UVC를 조사하였다. 그 결과 Methanol, Diethyl ether, 용제 미처리 각각에 대한 심지흡수율이 <Fig.
- 따라서 본 연구에서는 4-Channel PET knit fabric 에 UVA, UVC를 조사시에 처리시간을 Omin, 30min, 60min, 90min으로 변화를 주고, 처리거리를 5cm, 10cm, 15cm, 20cm로 다르게 처리한 후 수분율의 향상에 어떠한 영향을 미치는지 살펴보았다. 또한 -OH기를 포함하는 용제의 전처리 및 광개시제(안광덕 외, 1982) 첨가가 미치는 영향도 살펴보았다. 이를 통해 UV 조사 된.
- PET의 모세관 효과 변화를 통해 흡수 속건성에는 영향을 주지 않으면서 수분율을 증대시킬 수 있는 효율적인 가공방법을 모색하고자 하였다. 또한 UV 조사로 수반되는 물리적 특성으로 대전압, 황변도, 인장강도, 탄성회복율의 변화정도를 살펴보았다.
- UV조사는 직물 내에 구성되어 있는 섬유의 화학결합의 절단 및 생성을 발생시키며, 이러한 화학구조의 변화와 섬유의 표면에서의 물리적 변화는 변화의 정도에 따라 물성변화를 수반하게 된다. 물성변화 중에서 옷감을 잡아당기는 힘을 견디는 능력인 강도의 변화를 수반하게 되므로 옷감이 절단될 때의 하중을 견디는 힘을 나타내는 인장강도를 측정하였으며, 의복 옷감으로 사용될 경우 중요시되는 신장과 회복을 고려하여 탄성회복률을 측정 하였다.
- 이 핀에 시험편의 한쪽 끝이 수평이 되도록 하여 매단 다음 수평봉을 밑으로 내려 시험편의 다른 한쪽 끝이 1cm정도 물에 잠기도록 한다. 이 상태로 10분 경과한 후 모세관 현상에 의해 상승한 물의 높이를 측정하였다(Harnett & Mehta, 1984).
- A))를 사용하여 신장거리를 50%로 신장시켜 1분 동안 방치한 후 신장전 위치로 회복하도록 하중을 제거하여 3분 동안 방치한다. 이런 조작을 5회 되풀이하여 하중 신장 곡선을 그리고, 다음 식에 따라 정신장시 신장 회복율을 계산하여 그 평균값을 표시 하였다.
- 전보(최혜영, 이정순, 2005)에서 사용한 시료와 UV조사장치를 이용하여 UVA(400-320nm)와 UVC (290-100nm)광원으로 처리시간을 Omin, 30min, 60 min, 90min으로 변화를 주고, 처리거리를 5cm, 10cm, 15cm, 20cm로 다르게 하여 처리하였다. 용제 전처리는 Methyl alcohol, Ethyl ether에 시료를 10분 동안 침지시킨 후 pick-up율을 최대로 하여 UV 처리하였다.
- 표면개질에 보다 효과적인 UVC 파장영역의 UV lamp를 사용하여 처리시간과 거리를 변화시키면서 수분율의 변화를 살펴보았다. 그 결과 <Fig.
대상 데이터
- UVC 처리거리를 5cm로 하여 Omin, lOmin, 20min, 30min, 60min, 90min으로 처리시간을 변화시킨 시료를 KS K 0901의 조건 하에서 5X30cm로 채취하였다. 탄성회복율은 인장강도시험기(MO-1131, 4204, Instron Co.
데이터처리
- A))를 사용하여 KS K 0815에 기초하여 측정하였다. 인장강도는 각 시료에 대하여 5회 측정 후 최대값과 최소값을 제외한 평균값을 사용하였다.
이론/모형
- UV 조사에 의한 PET의 물성 변화를 알아보기 위하여인장강도시험기(MO-1131, 4204, Instron Co.(U.S.A))를 사용하여 KS K 0815에 기초하여 측정하였다. 인장강도는 각 시료에 대하여 5회 측정 후 최대값과 최소값을 제외한 평균값을 사용하였다.
- KS K 0901의 표준상태에서 최소한 24시간 방치하여 수분평형에 도달한 시료를 0.00 lg단위까지 무게를 측정한 뒤, 시험편을 105~110°C로 유지시킨 오븐 내에서 3시간 건조시켜 오븐건조무게를 측정하여 다음 식으로 수분율을 계산하였다(김경환, 1987; KS K0221).
성능/효과
- 1. UV처리에 따른 수분율의 증가 효과는 자외선 A 보다는 C가 효과적이었으며, 처리시간이 증가할수록, 처리거리가 가까울수록, 수분율의 증가를 나타내어 더 효과적임을 알 수 있었다. 또한, Methanol, Diethyl ether 전처리는 UV가공 효과를 증대시켜 수분율을 더욱 증가시키며, 광개시제 Benzophenone의 경우 농도가 증가하는 것에 비 례하였다.
- 2. 자외선 처리에 따른 심지흡수율의 변화는 자외선 처리 초기에는 증가하나 처리시간이 길어지고 조사거리가 가까워져 자외선 처리효과가 커지면 감소하는 경향을 나타내었다. 이러한 결과는 자외선 처리에 의해서 발생하는 친수성기가 수분율의 증가에 따라 심지흡수율의 증가에 영향을 주지만, 동시에 발생되는 섬유표면의 크랙과 에칭이 심지흡수율에 영향을 주는 것으로 볼 수 있다.
- 그 결과 <Fig. 2>와 같이 UVC 영역에서 처리시간이 증가하는 것에 비례하여 수분율이 증가하는 것을 볼 수 있었으며, UV광원과sample 간격을 5cm, 10cm, 15cm, 20cm로 변화시켜 UV조사를 한 결과 조사거리와 수분율이 반비례하는 것으로 보아 개질정도는 조사시간이 길어질수록 조사거리가 짧을수록, 시료에 도달하는 UV에 의한 개질효과가 크다는 것을 알 수 있었다.
- 3. UV가공이 섬유의 물성에 미치는 영향을 살펴본 결과, 마찰 대전압은 UV조사한 시료의 경우 대전압의 감소를 확인할 수 있었으며, 이를 통하여 섬유의 소수성 특성이 감소됨을 알 수 있었다. 또한, 자외선 처리에 의한 Yellowness Index를 살펴보면, 조사거리가 짧아지고 처리시간이 길어질수록 황변도가 증가하기는 하지만 증가의 정도가 최대를 벗어나지 않아 큰 영향을 주지 않는다는 것을 알 수 있었다.
- <Fig. 5>의 결과에서 보면, 조사시간의 증가에 따라 수분율이 증가하였으며,Benzophenone(7%), Methanol, 용제 미처리의 순으로 수분율이 증가하는 것으로 보아 Benzophenone(7%)이 표면개질 효과가 가장 좋은 것을 알 수 있었다.
- <Fig. 6>의 결과를 살펴보면, 5cm의 거리에서 30ipin동안 처리 할 때 심 지흡수력이 가장 크게 나타났고, 60min, 90min으로 처리시간을 증가시킬 때 심지흡수력 값이 감소하는 것을 볼 수 있었다. 반면에 처리거리를 20cm로 하였을 경우 UVC를 60min 처리하였을 때, 심지흡수력이 가장 크게 나타났다.
- PET의 수분율은 Diethyl ether나 용제처리를 하지 않은 시료와 비교해볼 때 Methan이처리한 것이 더 크게 증가한 것으로 보아 Methanol이 개질 효과가 더 좋다는 것을 알 수 있었다. Mehanol 전처리한 PET의 조사시간에 따른 수분율의 변화를 보면, 15min까지는 크게 증가하다가 그 이후는 완만하게 증가하는 것을 볼 수 있었다.
- 3>에 나타내었다. PET의 수분율은 Diethyl ether나 용제처리를 하지 않은 시료와 비교해볼 때 Methan이처리한 것이 더 크게 증가한 것으로 보아 Methanol이 개질 효과가 더 좋다는 것을 알 수 있었다. Mehanol 전처리한 PET의 조사시간에 따른 수분율의 변화를 보면, 15min까지는 크게 증가하다가 그 이후는 완만하게 증가하는 것을 볼 수 있었다.
- 증가하는 것을 알 수 있었다. UVA와 UVC의 광원의 차이를 보면, yellowness index값이 UVA보다는 UVC에서더 큰 값을 나타내었지만, 전반적으로 미처리 시료와UV조사한 직물과의 yellowness index의 차이가 1-2 정도의 미세한 차이로 육안으로는 거의 구별되지 않을 정도로 색상의 변퇴 정도가 크지 않음을 알 수 있 었다.
- 10>은 5cm거리에서 Omin, 5min, 15min, 30min동안 UVC처리한 심지흡수율의 변화율을 나타내었다. 그 결과 수분율의 변화와는 반대 현상이 나타나 전처리를 하지 않은 용제미처리 시료가 심지흡수율이 가장 크게 나타났다. 용제처리의 결과와 마찬가지로 Benzo- phenone을 첨가할 경우 UV에 의한 표면개질의 효과가 더 좋아 수분율은 상승하나 표면에 발생하는 크랙이나 에칭 등으로 인하여 심지흡수율이 감소한다는 것을 알 수 있었다.
- 자외선 처리를 하게 되면 섬유의 표면에 크랙과 에칭이 발생하게 되고 그에 따라 인장강도와 탄성회복률이 감소하게 된다. 그러나 화학구조의 절단 및 표면의 변화가 마이크로 단위의 미세한 변화이므로 섬유자체의 물리적 특성에는 큰 영향을 미치지는 않는 것을 알 수 있었다.
- 이는 Benzophenone의 농도가 7%가 될 때까지는 수분율의 긍정적인 효과가 더 크게 작용하다가 8-13% 농도에서 UV처리에 의한 부정적 효과인 크랙이나 에칭의 영향이 더 크게 작용하여 심지흡수율이 저하되는 것으로 판단된다. 따라서 수분율과 심지흡수율의 최적점을 고려할 때, Benzophemnone의 농도가 7% 일 때가 적절하다고 판단되었다.
- 그 결과 30min 처리시에 최대값을 나타내었다. 따라서 에너지의 효율성 측면과 심지흡수력을 고려해 볼 때 5cm의 거리에서 30min 처리하는 것이 효율적이라 할 수 있다.
- UV처리에 따른 수분율의 증가 효과는 자외선 A 보다는 C가 효과적이었으며, 처리시간이 증가할수록, 처리거리가 가까울수록, 수분율의 증가를 나타내어 더 효과적임을 알 수 있었다. 또한, Methanol, Diethyl ether 전처리는 UV가공 효과를 증대시켜 수분율을 더욱 증가시키며, 광개시제 Benzophenone의 경우 농도가 증가하는 것에 비 례하였다.
- 또한, 광개시제 전처리 후 자외선 처리의 효과를 살펴보면, 농도가 7%일 때까지 증가하다가 이후부터는 감소하였다. 또한, 모세관 효과를 증진시킨 PET의 광개시제 전처리는 수분율을 크게 증가시켜 자외선 처리에 효과적이었다. 그러나, 심지흡수율은 감소하였으나 Methanol 전처 리와 비교하여 수분율의 증가는 더 크게 발생하고 심지흡수율의 감소는 더 작게 일어나 용제처리와 비교하여 효과적이라고 볼 수 있었다.
- UV가공이 섬유의 물성에 미치는 영향을 살펴본 결과, 마찰 대전압은 UV조사한 시료의 경우 대전압의 감소를 확인할 수 있었으며, 이를 통하여 섬유의 소수성 특성이 감소됨을 알 수 있었다. 또한, 자외선 처리에 의한 Yellowness Index를 살펴보면, 조사거리가 짧아지고 처리시간이 길어질수록 황변도가 증가하기는 하지만 증가의 정도가 최대를 벗어나지 않아 큰 영향을 주지 않는다는 것을 알 수 있었다. 자외선 처리를 하게 되면 섬유의 표면에 크랙과 에칭이 발생하게 되고 그에 따라 인장강도와 탄성회복률이 감소하게 된다.
- 8>과 같았다. 심지흡수율은 용제 미처리 시료의 값이 5cm거리에서 30min동안 UV를 조사하였을 때, 18.5cm인것과 비교하여 용제처리를 한 경우 심지흡수율 값이 크게 줄은 것을 알 수 있었다. 이는 용제처리 이후에 UV를 조사하였을 때, 화학결합 절단과 삽입 등의 변화가 더 많이 발생하고, 시료 표면의 크랙 과 에칭의 수가 더 많이 증가하여 모세관효과에 더 큰 부정적인 효과를 주었기 때문으로 볼 수 있었다.
- 용제처리가 수분율의 향상에 더 큰 영향을 미치는 것으로 보아 표면개질에 더 효과적임을 알 수 있었다.
- 그 결과 수분율의 변화와는 반대 현상이 나타나 전처리를 하지 않은 용제미처리 시료가 심지흡수율이 가장 크게 나타났다. 용제처리의 결과와 마찬가지로 Benzo- phenone을 첨가할 경우 UV에 의한 표면개질의 효과가 더 좋아 수분율은 상승하나 표면에 발생하는 크랙이나 에칭 등으로 인하여 심지흡수율이 감소한다는 것을 알 수 있었다. 그러나 Benzophenone을 첨가한 경우와 Methanol만 전처리한 경우의 수분율과 심지흡수율을 보면 Benzophenone의 수분율과 심지흡수율이 더 크게 나타나는데, 이는 모세관 현상에 영향을 주는 표면의 부정적인 효과보다 Benzophenone을 첨가하여 UV처리 한 시료의 수분율 증가에 의한 효과가 훨씬 크기 때문인 것으로 추정할 수 있었다.
- 그러나 4-Channel PET knit fabric0] wicking을 증대시킨 기능성 섬유라는 점을 감안할 때, 친수성 향상과 더불어 wicking 역시 중요한 요소로 고려하여야 한다. 이러 점을 고려할 때, 짧은 거리에서 짧은 시간 조사를 하는 것이 바람직하였고, 용제전처리 및 광개시제를 사용하지 않는 UV처리방법이 본 연구의 목적에 더 잘 부합되었다. 또한, , 환경보호의 측면에서 약품을 처리하지 않고 건조한 환경에서 가공한다는 점에서 친환경적 측면에서 의의가 있다고 할 수 있을 것이다.
- 반면에 처리거리를 20cm로 하였을 경우 UVC를 60min 처리하였을 때, 심지흡수력이 가장 크게 나타났다. 이러한 결과를 통해 UV를 조사하면 친수성이 향상되기는 하지만, 섬유의 표면에 미세한 크랙과 에칭이 발생하여 섬유의 모세관 현상에 부정적인 영향을 주기 때문에 짧은 거리에서 오랜 시간 처리하는 경우 오히려 심지흡수력이 감소한다는 것을 볼 수 있었다. 그러나 미처리 시료와 비교하여 UV 조사된 PET의 심지흡수력이 모두 크게 나타나 90분 이하의 UV조사 조건에서는 4-Channel PET knit fabric이 갖고 있는 고유의 흡수속건성에는 영향을 주지 않을 것으로 사료된다.
- 이상의 결과를 종합해볼 때, 모세관 효과를 증대시킨 PET는 UV조사를 통하여 조사시간이 길고, 조사거리가 짧을수록 친수성의 향상을 볼 수 있었으며, 용제전처리나 광개시제의 사용은 친수성 향상에 있어서 더 효과적인 결과를 보여주었다. 그러나 4-Channel PET knit fabric0] wicking을 증대시킨 기능성 섬유라는 점을 감안할 때, 친수성 향상과 더불어 wicking 역시 중요한 요소로 고려하여야 한다.
- 12-13>에서와 같이 조사거리가 짧을수록, 조사시간이 길어질수록 yellow index가. 증가하는 것을 알 수 있었다. UVA와 UVC의 광원의 차이를 보면, yellowness index값이 UVA보다는 UVC에서더 큰 값을 나타내었지만, 전반적으로 미처리 시료와UV조사한 직물과의 yellowness index의 차이가 1-2 정도의 미세한 차이로 육안으로는 거의 구별되지 않을 정도로 색상의 변퇴 정도가 크지 않음을 알 수 있 었다.
후속연구
- 그러나 여전히 개선되지 못한 PET섬유 자체의 소수성 특성 때문에 필링성, 대전성, 난염성, 촉감 등의 문제점이 남아 있는 상태이다. 따라서 친수성을 향상시킬 수 있다면, 4-Channel PET knit fabric 이 가지는 모세관 효과와 더불어 소수성 섬유의 문제점을 해결할 수 있을 것으로 여겨진다.
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