[논문]전기방사 조건이 셀룰로오스 웹 형상에 미치는 영향

정연수; 정영진

doi:10.5764/tcf.2012.24.1.62

전기방사 조건이 셀룰로오스 웹 형상에 미치는 영향
Parametric Study on the Morphology of Electrospun Cellulose Web 원문보기

韓國染色加工學會誌 = Textile coloration and finishing, v.24 no.1, 2012년, pp.62 - 68

정연수 (숭실대학교 유기신소재파이버공학과) , 정영진 (숭실대학교 유기신소재파이버공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Cellulose was electrospun over water collector and the cellulose solution was prepared using N-methyl-morpholine N-oxide/water(nNMMO/$H_2O$). The morphology of electrospun cellulose was investigated by scanning electron microscopy (SEM). SEM images showed that the fiber formation depended on processing parameters such as solution concentration, applied electric field strength, solution feeding rate and temperature of water in coagulation bath. High concentration, low temperature of water bath, and low feeding rate were more favorable to obtain fiber morphology. All the variables affected on the fluidity of the cellulose solution and diffusion of NMMO. Low fluidity and fast diffuision of NMMO was critical for obtaining fiber morphology.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

NMMO monohydrate로 용해된 셀룰로오스 용액은 점도가 높을 뿐만 아니라 용매의 휘발성이 낮아 전기방사가 쉽지 않다. 따라서 본 연구에서는 전기방사조건 중, 물의 온도, 셀룰로오스 용액의 농도, 전기장의 세기 및 feeding rate에 따른 전기방사된 셀룰로오스의 모폴로지 변화를 관찰하였다. 전기방사 후 셀룰로오스 내에 용매가 많이 남아 있는 경우에는 용해된 섬유형상의 모폴로지가 얻어졌다.
본 연구에서는 feeding rate에 따른 셀룰로오스의 모폴로지를 관찰하였다. Feeding rate는 syringe에 연결된 공기압으로 조절되며 30에서 90 kPa 범위에서 전기방사를 하였다.
본 연구에서는 전기장의 세기가 전기방사된 셀룰로오스의 모폴로지에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 전기장의 세기를 15에서 25 kV까지 변화하면서 전기방사를 하였다. 이때 사용한 셀룰로오스의 농도는 5 wt% 였으며, 노즐과 컬렉트 사이의 거리는 15 cm, syringe에 가한 공기압력은 30 kPa, collector 물의 온도는 20 ℃로 하였다.
그러나 Quan은 셀룰로오스의 농도만을 공정변수로하여 전기방사를 연구하여 물 collector가 가지는 장점을 충분히 활용하지 못하였다. 이에 본 연구에서는 NMMO/H2O 시스템에서 여러 가지 전기방사 조건이 셀룰로오스 나노섬유의 모폴로지에 미치는 영향을 연구하였다. 전기방사 시, 섬유를 모으는 콜렉터로서 Quan처럼 금속판이 아닌 물을 사용하였으며, 셀룰로오스의 농도와 응고욕의 온도, 전기장의 세기와 용액의 feeding rate에 따른 셀룰로오스 나노섬유의 모폴로지 변화를 고찰하였다.

제안 방법

NMMO/H₂O는 다른 용매와 비교하여 높은 반수 치사량(Lethal Dose 50, LD50) 값을 갖는 친환경 용매이나 낮은 휘발성과 셀룰로오스 용액의 높은 점도로 인하여 전기방사가 매우 까다로우며, 이로 인하여 셀룰로오스/NMMO 시스템으로 전기방사를 보고한 연구는 많지 않다^8-11). Quan은 물을 collector 로 사용한 셀룰로오스/NMMO 시스템으로 전기방사를 하여 나노섬유를 제조하였으며, NMMO의 낮은 휘발성으로 인한 문제점을 물을 collector로 사용하여 이를 해결하고자 하였다¹⁷⁾. 그러나 Quan은 셀룰로오스의 농도만을 공정변수로하여 전기방사를 연구하여 물 collector가 가지는 장점을 충분히 활용하지 못하였다.
방사용액을 히팅밴드로 감겨진 syringe에 담고, syringe의 온도를 100 ℃로 유지하였다. 가열된 syringe의 입구에 공기압력조절기를 설치하고, 압축공기를 이용하여 방사용액의 토출량을 제어하였다. 사용한 power supply는 최대 60 kV의 고전압을 발생할 수 있는 MATSUSADA Precision Inc.
본 연구에서는 셀룰로오스 유도체가 아닌, 순수 셀룰로오스를 NMMO/H₂O로 용해하여 이를 전기방사 하였다. NMMO/H₂O는 다른 용매와 비교하여 높은 반수 치사량(Lethal Dose 50, LD50) 값을 갖는 친환경 용매이나 낮은 휘발성과 셀룰로오스 용액의 높은 점도로 인하여 전기방사가 매우 까다로우며, 이로 인하여 셀룰로오스/NMMO 시스템으로 전기방사를 보고한 연구는 많지 않다^8-11).
본 연구에서는 셀룰로오스를 NMMO monohydrate로 용해하여 물을 컬렉트(collector)로 사용하여 전기방사 하였다. NMMO monohydrate로 용해된 셀룰로오스 용액은 점도가 높을 뿐만 아니라 용매의 휘발성이 낮아 전기방사가 쉽지 않다.
본 연구에서 전기방사에 사용한 셀룰로오스 (DP:800)와 87 wt% N-methylmorpholine-N-oxide (NMMO) monohydrate, N-propyl gallate를 효성(주)으로부터 공급받아 사용하였다. 셀룰로오스와 NMMO, 그리고 gallate를 혼합하여 100 ℃에서 30 분간 교반하여 셀룰로오스 용액을 제조하였으며, 셀룰로오스의 농도는 2~6 wt%로 조절하였으며, gallate는 항산화제로서 0.5 wt% 첨가하여 방사용액을 제조하였다.
이에 본 연구에서는 NMMO/H2O 시스템에서 여러 가지 전기방사 조건이 셀룰로오스 나노섬유의 모폴로지에 미치는 영향을 연구하였다. 전기방사 시, 섬유를 모으는 콜렉터로서 Quan처럼 금속판이 아닌 물을 사용하였으며, 셀룰로오스의 농도와 응고욕의 온도, 전기장의 세기와 용액의 feeding rate에 따른 셀룰로오스 나노섬유의 모폴로지 변화를 고찰하였다.
전기방사를 통해 제조된 셀룰로오스 웹의 표면과 모폴로지(morphology)는 주사전자현미경(JEOLJSM-6360) 을 이용하여 분석하였다.
21 mm (27 GA)인 모세관 팁(capillary tip)에 연결하고, collector는 접지하여 (-) 전극으로 하였다. 전기방사에 적용한 전압은 15~25 kV 범위에서 설정하였으며, 노즐과 콜렉트 사이의 거리는 15 cm, syringe에 가한 공기압력은 30~90 kPa 범위에서 설정하여 실험하였다. Fig.

대상 데이터

본 연구에서 전기방사에 사용한 셀룰로오스 (DP:800)와 87 wt% N-methylmorpholine-N-oxide (NMMO) monohydrate, N-propyl gallate를 효성(주)으로부터 공급받아 사용하였다. 셀룰로오스와 NMMO, 그리고 gallate를 혼합하여 100 ℃에서 30 분간 교반하여 셀룰로오스 용액을 제조하였으며, 셀룰로오스의 농도는 2~6 wt%로 조절하였으며, gallate는 항산화제로서 0.
사용한 power supply는 최대 60 kV의 고전압을 발생할 수 있는 MATSUSADA Precision Inc.의 AU-50R2-L 모델을 사용하였다. Power supply의 방전용 (+) 전극을 직경이 0.

성능/효과

즉, 물 온도가 높은 경우에는 전기방사된 용액의 유동과 고화가 동시에 일어나면서 섬유와 필름의 중간형태의 모폴로지가 형성되게 한다. 따라서 섬유형상의 셀룰로오스 모폴로지를 얻기위해서는 높은 농도의 셀룰로오스, 낮은 온도의 물, 낮은 전기장과 낮은 feeding rate가 유리함을 알 수 있었다.
이는 낮은 온도에서 NMMO의 물속으로의 확산속도는 낮아졌지만, 낮은 온도로 인하여 셀룰로오스 용액의 점도가 증가하고 NMMO의 용해력을 떨어뜨려 Jet의 원형이 잘 유지되는 것으로 여겨진다. 본 연구에서 용매로 사용한 NMMO monohydrate는 상온에서는 고체로 존재하는 것을 고려하면 합리적인 결과로 여겨진다. 상온에서의 고상으로 존재하는 NMMO monohydrate 성질로 인하여, 전기방사시에 syringe 뿐만 아니라 노즐과 컬렉터 사이에도 적정한 온도가 유지되어야만 cellulose는 전기방사가 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	셀룰로오스는 어떠한 장점을 가지는가?	셀룰로오스는 다당류 중에서 분자량이 가장 큰 물질의 하나로서 열적․기계적 성질이 우수하여 섬유용 재료로 많이 사용되어 왔다5,6). 셀룰로오스는 또한 자연에서 나오는 환경 친화적인 재료로서 생체적합성이 우수하여 나노섬유로 제조하려는 연구가 있어왔다. 그러나 셀룰로오스는 결정화도가 높아서 이를 녹일 수 있는 용매가 많지 않다.
	물의 온도, 셀룰로오스 용액의 농도, 전기장의 세기 및 feeding rate에 따른 전기 방사된 셀룰로오스의 모폴로지는 어떻게 변화하였는가?	따라서 본 연구에서는 전기방사조건 중, 물의 온도, 셀룰로오스 용액의 농도, 전기장의 세기 및 feeding rate에 따른 전기방사된 셀룰로오스의 모폴로지 변화를 관찰하였다. 전기방사 후 셀룰로오스 내에 용매가 많이 남아 있는 경우에는 용해된 섬유형상의 모폴로지가 얻어졌다. 이러한 형상은 낮은 셀룰로오스 농도와 굵은 섬유가 얻어지는 조건에서 주로 나타났다. 이와 함께 높은 물의 온도는 용매의 확산을 촉진시키고 셀룰로오스의 점도를 낮추게 된다. 용매의 확산은 고화를 촉진시키나 낮은 점도는 셀룰로오스의 유동의 원인이 된다. 즉, 물 온도가 높은 경우에는 전기방사된 용액의 유동과 고화가 동시에 일어나면서 섬유와 필름의 중간형태의 모폴로지가 형성되게 한다. 따라서 섬유형상의 셀룰로오스 모폴로지를 얻기위해서는 높은 농도의 셀룰로오스, 낮은 온도의 물, 낮은 전기장과 낮은 feeding rate가 유리함을 알 수 있었다.
	NMMO/H2O는 어떠한 특징을 가지는가?	본 연구에서는 셀룰로오스 유도체가 아닌, 순수 셀룰로오스를 NMMO/H2O로 용해하여 이를 전기방사 하였다. NMMO/H2O는 다른 용매와 비교하여 높은 반수 치사량(Lethal Dose 50, LD50) 값을 갖는 친환경 용매이나 낮은 휘발성과 셀룰로오스 용액의 높은 점도로 인하여 전기방사가 매우 까다로우며, 이로 인하여 셀룰로오스/NMMO 시스템으로 전기방사를 보고한 연구는 많지 않다8-11). Quan은 물을 collector 로 사용한 셀룰로오스/NMMO 시스템으로 전기방사를 하여 나노섬유를 제조하였으며, NMMO의 낮은 휘발성으로 인한 문제점을 물을 collector로 사용하여 이를 해결하고자 하였다17).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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