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문제 정의
- 고형오구 입자크기가 고형오구의 세척성에 미치는 영향을 살펴보기 위해 기초 환경인 입자의 분산안정성과 입자의 [-potential, 입자와 입자간의 상호작용에너지 등에 관한 입자의 크기의 효과에 대한 보고가 있었다(문미화, 강인숙, 2009). 그리하여 본 연구는 그에 관한 후속연구로 입자와 섬유기질 간의 상호작용 에너지와 고형오구의 세척성을 고찰하고 이들 간의 관련성을 검토하였다. 세척은 오구를 직물로부터 분리하여 세액 중에 분산시키는 과정과 분산된 오구가 재 부착되는 과정을 동시에 포함하기 때문에 부착과 제거현상을 정량적으로 정확하게 분리 규명하기는 어렵지만 부착과 제거현상을 각각 분리하여 세척현상을 검토하였다.
제안 방법
- 40℃ 항온 진탕기에서 0.02% α-Fe2O3이 분산된 계면활성제 용액 50ml에 5x5cm2 직물 1매를 넣고 120rpm 으로 20분간 진탕시켜 직 물에 입자를 부착시 킨 후 α-Fe2O3입자를 정 량하여 직물무게에 대한 부착량을 산출하였다.
- 6N HC1 용액으로 직물 또는 용액내의 α-Fe2O3을 용해시켜 증류수로 희석하고, hydroxylamine hydrochloride 로 환원시킨 후, O-phenanthroline으로 발색시켜, UVVIS spectrophotometer(HP 8452)로 5]0nm에서 흡광도를 측정하여 미리 작성한 검량선에 의하여 α-Fe2O3 량을 산출하였다.
- Zeta potentiaI(ELS-8000)< 측정하기 위해 시료를 평판 셀에 장착한 다음 10mM NaCl용액을 베이스로 한 모니터 용액을 흘려주면서 계면동전위를 측정하였다.
- α-Fe2O3입자와 PET직물 간의 van der Waals 인력에 의한 상호작용에너지 Va를 구하기 위하여 수중에서 α-Fe2O3입자의 Hamaker상수는 4.5x W13erg, PET 직물의 Hamaker상수는 5xlO uerg, 그 결과 수중에 있어서 α-Fe2O3입자 및 PET직물의 Hamaker상수는 1.5x10-13erg로서 imamura결과를 그대로 사용하였고, Ve를 구하기 위하여 실제로 기질과 입자의 표면전하 ψ1,ψ2를 구할 수 없기 때문에 Gpotential로 대신하였다.
- α-Fe2O3입자의 크기를 변화시키기 위하여 l~5x 10-3mol/l HC1 과 O.l&UxIO'mol/e FeCh의 농도를 달리한 혼합용액을 밀폐하여 100℃ 항온조에서 14일간 숙성시켜, α-Fe2O3입자를 제조(Matijevic et al., 1981)하였다. 입자가 분산된 액을 원심분리한 후 수세하는 과정을 10회 반복하여 과잉의 Fe3+와 CI-를 제거하여 80℃에서 12시간 건조하고 200℃에서 1시간 열처리하였다.
- 그리하여 본 연구는 그에 관한 후속연구로 입자와 섬유기질 간의 상호작용 에너지와 고형오구의 세척성을 고찰하고 이들 간의 관련성을 검토하였다. 세척은 오구를 직물로부터 분리하여 세액 중에 분산시키는 과정과 분산된 오구가 재 부착되는 과정을 동시에 포함하기 때문에 부착과 제거현상을 정량적으로 정확하게 분리 규명하기는 어렵지만 부착과 제거현상을 각각 분리하여 세척현상을 검토하였다. 고형오구의 모델로 크기가 다른 5가지 #입자를 제조하여 사용하였다.
- 직물에 α-Fe2O3입자가 0.0025g 함유된 오염액 0.2ml를 점적시켜 오염포를 만들고, 표준상태에서 일주일간 숙성한 후 사용하였다. 40℃ 항온 진탕기에서 계면활성제 용액 50nW에 오염포 1매를 넣고 250rpm으로 1시간 동안 α-Fe2O3입자를 제거한 후 직물에 잔류한 α-Fe2O3입자와 제거된 용액 내의 α-Fe2O3입자를 동시에 정 량하여 다음 식에 의해 제거율을 산출하였다.
- 한국의류시험 검사소에서 제작한 섬유류제품의 염색 견뢰도시험용 폴리에스테르 첨부백포(오염포 KS K 0905)를 아염소산나트륨 0.2%, 포름산 0.2%, 질산 0.1% 용액에 액비 30:1로 60℃에서 60분간 처리하고, 암모니아수로 중화한 후 증류수로 충분히 씻어 자연 건조하고, 이를 benzene:ethanol(2:l)의 공비 혼합물로 8시간 속슬레 추출기로 추출한 후 자연 건조시켜 사용하였다.
대상 데이터
- 세척은 오구를 직물로부터 분리하여 세액 중에 분산시키는 과정과 분산된 오구가 재 부착되는 과정을 동시에 포함하기 때문에 부착과 제거현상을 정량적으로 정확하게 분리 규명하기는 어렵지만 부착과 제거현상을 각각 분리하여 세척현상을 검토하였다. 고형오구의 모델로 크기가 다른 5가지 #입자를 제조하여 사용하였다.
이론/모형
- α-Fe2O3입자와 섬유 간의 상호작용에너지는 구(sphere)-평판(plate)모델의 헤테로 응집이론에 기초를 두어 Imamura(Imamura & Tokiwa, 1973)가 유도한 식으로 계산하였다.
- 계면활성제 용액에 α-Fe2O3입자를 넣은 50ml용액을 5분간 초음파로 α-Fe2O3 입자를 중분히 분산시 켜서 Zeta-meter(Zeta-meter Inc.)를 사용하여 현미경 전기영동법으로 측정하였다(문미화, 강인숙, 2009).
- 인력과 전기이중층의 반발력의 합으로 얻어진다. 본 연구에서 사용된 식은 입자와 섬유와의 관계 모델로 생각될 수 있는 구-평판모델을 위한 것으로, Imamura (Imamura & Tokiwa, 1973)가 헤테로 콜로이드입자와 평행한 평판과의 상호작용에 적용시키기 위하여 상호작용에너지를 kT단위로 취급하고 있는 Hogg 식을 변환시킨 것이다.
성능/효과
- 1%일 때 가장 우수한 결과를 보이는 것은 전보(강인숙, 정선영, 2005)결과와 같다. DBS 0.01%에서 입자의 부착이 용이한 것은 가용화 현상에 의한 입자의 분산안정성도 기대할 수 없고 또한 음이온 계면활성제의 농도가 낮아서 섬유표면에 흡착되는 계면활성제의 양이 적어 입체적 안정화 효과가 제한적으로 나타났으며, 낮은 (-)표면전하에 의해 입자와 기질 간의 반발적 상호작용도 낮아 기질에의 입자부착이 많았을 것으로 생각된다. 계면활성제 농도 1%에서 계면활성제의 흡착량은 많지만 입자 및 기질 주위의 음이온성이 지나치게 증대되어 이중층의 확산 부가압축되어 반발에너지가 감소하고, 반발에너지의 작용범위가 좁아지면서 입자 및 기질표면에 흡착된 전해질 이온이 다른 입자 및 기질표면에 흡착된 전해질 이온과 접촉이 많아 다리놓기가 용이하여 입자의 분산 안정성이 감소하고, 입자와 기질 간은 입자의 부착에 대한 저항성이 감소되어 기질에의 입자부착이 촉진된 것으로 생각된다.
- 이는 섬유 기질 표면에 흡착된 계면활성제가 보호막 역할을 하여 입자의 접근을 막아 직물에의 입자부착을 어렵게 하는데 특히 계면활성제에 이온화하는 원자단이 들어있으면 입자와 섬유기질 간의 전기이중층 반발이 증가되고 기질과 입자 사이의 반데르발스 인력이 약해지기 때문이다. 그리고 NPE용액에서 입자를 부착시킨 결과, 섬유 기질에의 고형오구 입자의 부착량은 많고 고형 오구 입자크기 간의 차이가 많았는데 입자크기가 작을수록 입자와 섬유기질 간의 인력이 증가하므로 섬유 표면에 부착되는 양은 증가하였다.
- 이는 입자의 크기가 작으면 입자와 입자 간에 작용하는 반데르발스 인력이 감소하여 확산과 대류의 영향으로 입자의 유동성이 증가하여 응집이 잘 안되지만, 입자의 크기가 큰 경우는 서로 간에 작용하는 반데르발스 인력도 증가하여 입자 간 회집이 용이해져 입자경은 증가하고 그에 따라 증가된 밀도는 분산매의 밀도와 큰 차이를 보이므로 중력으로 섬유기질에 침강하는 속도가 증가하기 때문이다. 그리고 계면활성제 농도에 따른 섬유기질에의 입자의 부착 정도는 입자의 크기에 관계없이 DBS 0.1%일 때 부착량이 가장 적고, 계면활성제 농도 0.01%에서 섬유기질에 부착되는 입자량이 가장 많았다. 계면활성제 용액 0.
- 때문이다. 그리고 입자와 섬유기질 간의 인력은 입자의 크기가 작을수록 증가하였다.
- 01%에서 가장 많은 결과와 세척효율의 측면에서 계면활성제의 농도에 따른 효과가 동일한 것이다. 따라서 부착현상에 대한 계면활성제의 기질 및 입자에의 흡착에 따른 입체적 안정화와 입자와 기질 간의 상호작용에너지로 설명되는 계면전기적 효과로 섬유기질에서의 입자제거현상에 대한 설명이 가능할 것으로 생각된다. 그리고 계면활성제의 농도에 관계없이 입자의 크기가 작을수록 섬유기질에서 제거되는 입자의 양은 증가하는데, 이 역시 섬유기질에의 부착과 마찬가지로 세척효율의 측면에서 동일한 효과를 나타내고 있다.
- 이는 비이온 계면활성제 용액에서 입자와 기질 간의 표면전하의 부호가 다르기 때문에 앞서 검토된 입자와 기질 간의 상호작용에너지는 인력만 존재하기 때문이다. 또한 고형오구입 자크기에 따른 부착량을 살펴보면 DBS 0.1%에서는 오구의 크기가 클수록 부착되어지는 양도 증가하였으나 NPE 0.1 %에서는 오구의 크기가 작을수록 부착되어지는 입자의 양이 많아져 DBS와 NPE는 서로 상반되는 양상을 보였다. 음이온 계면활성제 용액에서 계면활성제의 농도에 관계없이 입자의 크기가 클수록 기질에 부착되는 양이 증가하는 것은 입자의 크기가 클수록 입자와 기질 간에 작용하는 상호작용에너지가 감소하기 때문이고, 비이온 계면활성제 용액에서 입자의 크기가 클수록 섬유기질에 부착하는 고형오구의양은 감소하는데, 이는 앞서 입자와 기질 간에 존재하는 인력이 입자의 크기가 증가할수록 감소하기 때문으로 생각된다.
- 1% 에서 섬유기질에의 입자부착은 적고 섬유기질에서 제거되는 입자량은 많아 세척효율의 측면에서 부착과 제거 현상은 같은 경향을 가졌다. 음이온 계면활성제 용액에 비하여 비이온 계면활성제 용액에서 입자의 섬유 기질에의 부착량과 섬유기질에서의 입자의 제거량이 많았고, 입자크기에 따른 효과는 음이온 계면활성제와 다소 차이가 있어 입자의 크기가 클수록 섬유에 부착되는 양은 감소하고 섬유에서 제거되는 양도 감소하였다.
- 비이온 계면활성제 NPE 용액에서 epotential값은 입자는 (+), 기질은 (-)이므로 전기 이 중 층에 의한 반발력이 없고, 인력만이 지배적으로 작용하였다. 음이온 계면활성제 용액에서 고형 오구의 입자크기가 커질수록 섬유에의 입자의 부착량은 증가하고, 섬유기질에서의 입자의 제거량은 감소하였다. 그리고 계면활성제 농도 0.
- 5>와 같다. 이에 의하면 PET섬유기질의 지름이 150|im 정도였고, 입자의 크기는 160~760nm로 섬유기질의 굵기가 α-Fe2O3입자의 크기에 비하여 월등히 크기 때문에 입자와 기질 간의 상호작용에너지는 구-평판모델의 헤테로 응집이론의 적용에 무리가 없을 것으로 생각된다.
- 이에 의하면 입자의 크기에 관계없이 음이온 계면활성제보다 비이온 계면활성제 NPE용액에서 섬유기질에서의 α-Fe2O3입자제거율이 높게 나타났다. 그리고 DBS용액과 마찬가지로 입자의 크기가 클수록 섬유 기질에서의 입자의 제거량은 감소하는데, 이는 입자의 크기에 따른 섬유기질에의 입자의 부착경향이 DBS와 NPE용액에서 상호반대의 결과와는 상이한 내용이다.
- 그리고 입자의 크기에 따른 입자와 기질 간의 상호작용에너지는 입자의 크기가 작으면 입자와 섬유기질 간 거리에 따른 상호작용에너지도 크고, 기질에 부착되기 위하여 입자가 극복해야 할 에너지 장벽이 높아서 기질에의 입자접근이 쉽지 않을 것으로 생각된다. 한편 입자가 큰 경우는 입자와 기질 간의 거리가 멀어지면 입자가 작은 경우에 비해 전기적 반발력은 완만하게 감소하고, 입자와 기질 간의 상호작용에너지가 작게 나타났다. 이는 입자크기가 클수록 입자의 표면전하의 (-)값이 감소하여 (-)표면을 가진 섬유기질과의 반발에 따른 상호작용은 감소하기 때문이다.
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