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문제 정의
- PBO 섬유는 자외선 조사에 의하여 헤테로 환의 절단과 자유라디칼이 생성되면서 섬유 내부의 화학적 결합이 파괴되기 현상이 일어나는 것으로 알려져 있는데[15], 이러한 UV열화 문제점을 해결하기 위해 앞선 연구에서 UV 흡수제 및 안정제 등 UV 차단이 가능한 약제를 코팅하는 표면처리를 통하여 PBO 섬유의 UV 저항성을 향상시킬 수 있음을 보고하였다[16]. 본 연구에서는 앞선 연구에 이어서 PBO 섬유 제품의 UV 안정성을 향상시키기 위하여 다양한 필라멘트사 및 방적사로 제작한 세폭 직물에 UV 흡수제 및 UV 안정제로 표면 처리하는 공정이 PBO 섬유직물의 UV안정성과 물성에 미치는 영향을 고찰하고자 한다.
제안 방법
- PBO 섬유 표면처리용 코팅액은 PU 수지에 UV 흡수제 및 UV 안정제로 사용한 Chigaurd® 234 및 944를 함량 0.25−4.0% 범위로 단독 또는 혼합하여 배합하였다.
- PBO 섬유의 UV 저항성은 UV 조사 전과 후의 PBO 섬유 인장강신도 변화로 평가하였다. 필라멘트 원사와 방적사 시료는 사인장강신도 시험기(Zellweger Uster TR4, 스위스)를 사용하였고, 세폭 직물은 직물인장강신도(Instron 3345R, 미국) 시험기를 사용하였다.
- 또한, 세폭직물은 KS K 0521(직물인장강신도-스트립법)를 규격에 의해 초하중 2N으로 파지거리 200 mm, 20 mm/min의 정속 인하방식으로 5회를 시험하여 그 평균값으로 하였다. UV 조사에 따른 섬유 시료의 표면과 단면의 형태 변화를 비교분석하기 위해 전계방출 주사전자현미경(FESEM, S-3800, Hitachi, 일본)을 사용하였다.
- 6%의 물성을 가지는 일본 Toyobo사에서 구입한 Zylon® AS type 250/166 필라멘트사, 이 필라멘트사를 산업용 연사기(Oerlikon Saurer)로 Z 방향 400 TM 연사한 필라멘트사, 그리고 Zylon® 스테플 단섬유를 사용하여 번수 12’s로 제조한 방적사를 사용하였다. 또한, 상기조건으로 제조한 원사로 경사 총본수 26 본/cm(66 본/in), 위사밀도 각각 30, 35, 40, 45 본/in, 폭 10 mm, 10.8 g/m, matt 조직의 세폭 직물을 제작하여 시험에 사용하였다.
- 234 and 944) 혼합액을 사용하면 효과가 가장 우수함을 보고하였다. 본 연구에서는 PU 수지와 용매인 톨루엔의 비율은 작업성을 고려하여 50:50으로 고정하였으며, UV 흡수제와 안정제 단독 또는 혼합하여 코팅액을 제조하고 연속공정을 통해 필라멘트사, 방적사 그리고 세폭직물 세 가지 시편을 만들어 이 수지혼합 코팅액으로 코팅한 후 UV 저항성 개선효과를 분석하였다.
- 필라멘트 원사와 방적사 시료는 사인장강신도 시험기(Zellweger Uster TR4, 스위스)를 사용하였고, 세폭 직물은 직물인장강신도(Instron 3345R, 미국) 시험기를 사용하였다. 시험방법은 필라멘트사는 KS K 0412(사인장강신도-필라멘트사) 규격에 의해 초하중 10 cN으로 파지거리 250 mm, 300 mm/min의 정속 인하방식(CRE; constant rate of extension)으로 실험하였고, 방적사는 KS K 0475(사인장강신도-방적사) 규격에 의해 초하중 14.7 cN으로 파지거리 250 mm, 300 mm/min의 정속 인하방식으로 각각 10회를 시험하여 그 평균값으로 하였다. 또한, 세폭직물은 KS K 0521(직물인장강신도-스트립법)를 규격에 의해 초하중 2N으로 파지거리 200 mm, 20 mm/min의 정속 인하방식으로 5회를 시험하여 그 평균값으로 하였다.
- 태양광 노광에 의한 UV 저항성 시험: PBO 섬유에 대한 태양광 노광시험은 한국섬유개발연구원 신제품개발센터 옥상에서 조사각도 15 º로 설정하여 2015년 8월 25일부터 10월 23일까지 15일, 30일, 45일, 60일간 노광시켰다.
- PBO 섬유의 UV 저항성은 UV 조사 전과 후의 PBO 섬유 인장강신도 변화로 평가하였다. 필라멘트 원사와 방적사 시료는 사인장강신도 시험기(Zellweger Uster TR4, 스위스)를 사용하였고, 세폭 직물은 직물인장강신도(Instron 3345R, 미국) 시험기를 사용하였다. 시험방법은 필라멘트사는 KS K 0412(사인장강신도-필라멘트사) 규격에 의해 초하중 10 cN으로 파지거리 250 mm, 300 mm/min의 정속 인하방식(CRE; constant rate of extension)으로 실험하였고, 방적사는 KS K 0475(사인장강신도-방적사) 규격에 의해 초하중 14.
- UV 조사시간은 9−36시간, UV 조사 거리는 110 mm로 하였다. 한편, UV box를 사용한 가속시험과 함께 실제 태양광하에서 장시간 조사하는 시험도 병행하였다.
대상 데이터
- Figure 4는 UV 안정성 시험을 위하여 전문업체에 의뢰하여 제작한 UV 조사기로서 광원의 위치를 보여주는 것이다. 광원으로는 Delta(이태리)사의 고광도 UV-M400 램프를 사용하였다. M400 광원은 300−500 nm의 파장범위를 가지고 400 W의 광량을 발휘하는 램프이다.
- 본 연구에서 사용한 PBO 섬유는 인장강도 31.8 g/d, 신도 3.0%, 치수변화율 0.6%의 물성을 가지는 일본 Toyobo사에서 구입한 Zylon® AS type 250/166 필라멘트사, 이 필라멘트사를 산업용 연사기(Oerlikon Saurer)로 Z 방향 400 TM 연사한 필라멘트사, 그리고 Zylon® 스테플 단섬유를 사용하여 번수 12’s로 제조한 방적사를 사용하였다.
- 직물의 표면처리를 위한 코팅용 수지로는 폴리우레탄(PU) 수지를 사용하였고, UV 흡수제로는 Chitec사의 Benzotriazoles type의 Chiguard® 234, UV 안정제로는 Chitec사의 Chiguard® 944를 사용하였다.
이론/모형
- 7 cN으로 파지거리 250 mm, 300 mm/min의 정속 인하방식으로 각각 10회를 시험하여 그 평균값으로 하였다. 또한, 세폭직물은 KS K 0521(직물인장강신도-스트립법)를 규격에 의해 초하중 2N으로 파지거리 200 mm, 20 mm/min의 정속 인하방식으로 5회를 시험하여 그 평균값으로 하였다. UV 조사에 따른 섬유 시료의 표면과 단면의 형태 변화를 비교분석하기 위해 전계방출 주사전자현미경(FESEM, S-3800, Hitachi, 일본)을 사용하였다.
성능/효과
- Chigaurd® 234와 944를 혼용하여 처리한 경우 60일 후 강도저하 개선율이 미처리 대비 각각 15% 및 7.8%로 개선된 결과를 얻을 수 있었다.
- PU 수지만으로도 약간의 개선효과가 있었으나, Chigaurd® 234와 944를 함께 처리한 시료의 인장강도 유지율이 높은 결과를 얻었다.
- UV 인공광원과 태양광하에서 PBO 섬유의 광열화 거동을 고찰해 본 바, PBO 섬유가 UV에 매우 취약하다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 헤테로환이 자외선 하에서 절단되어 HAP 본래의 강직성을 잃어버리기 때문인 것으로 보인다.
- UV 흡수제인 Chigaurd® 234와 UV안정제인 Chigaurd® 944를 단독으로 사용한 경우에는 인장강도가 5−10% 개선된 반면에, 두 약제를 혼합하여 같이 사용한 경우에는 동일한 함량에서 약 14% 물성이 개선되는 것을 확인할 수 있었다.
- 5% 강도개선을 확인할 수 있었다. 결론적으로 본 연구에서 선택한 UV 흡수제와 안정제를 혼합하여 사용한 경우 따라서 원사, 방적사 및 세폭직물 모두 UV 흡수제 및 안정제를 첨가한 시료가 가장 높은 값을 나타내었다.
- 7%의 개선이 이루어졌음을 알 수 있다. 동일 조건에서 방적사는 14.2%, 세폭 직물은 9.5% 강도개선을 확인할 수 있었다. 결론적으로 본 연구에서 선택한 UV 흡수제와 안정제를 혼합하여 사용한 경우 따라서 원사, 방적사 및 세폭직물 모두 UV 흡수제 및 안정제를 첨가한 시료가 가장 높은 값을 나타내었다.
- 이와 같은 자외선 열화거동을 개선하기 위하여 연속코팅법으로 PBO 필라멘트사, 방적사, 직물에 대해 PU 수지에 UV 흡수제인 Chigaurd® 234와 UV 안정제인 Chigaurd® 944를 혼합한 표면처리 약제로 표면 처리하여 PBO 섬유의 자외선 저항성 개선을 체계적으로 평가해본 결과, PBO 섬유의 인장강도 유지율이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
- 하지만 Chigaurd® 234와 944를 혼용하여 처리한 원사는 60일 후 감소율이 약 67%로서 미처리 원사에 비해 21%의 개선 효과를 얻을 수가 있었다.
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