[논문]프로판올 첨가에 따른 PVC 용액의 박막 형성과 표면 특성에 미치는 영향

박재남; 신영식; 이원규

doi:10.14478/ace.2014.1095

[국내논문] 프로판올 첨가에 따른 PVC 용액의 박막 형성과 표면 특성에 미치는 영향
Effect of the Addition of Propanol to PVC Solution on the Structure of Thin Film and its Surface Property 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.26 no.1, 2015년, pp.35 - 39

박재남 (강원대학교 화학공학과) , 신영식 (강원대학교 화학공학과) , 이원규 (강원대학교 화학공학과)

초록
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범용성 고분자인 폴리염화비닐(PVC)의 용매에 대한 용해도 차이를 이용하여 미세다공성 구조의 표면을 갖는 초소수성 박막을 제조하고 박막의 형상에 따른 표면 특성을 분석하였다. 용매로 테트라하이드로퓨란과 비용매인 프로판올로 구성된 PVC 용액을 딥코팅으로 물과의 접촉각이 $150^{\circ}$ 이상인 초소수성 PVC 박막을 얻었다. PVC 박막 제조과정의 표면 건조공정에서 온도가 증가는 표면 거칠기를 상대적으로 감소시켜 표면의 소수성 특성 저하를 가져왔다. PVC 용액에 비용매인 프로판올의 양을 증가시키면 코팅 박막의 표면 거칠기가 균일해지고 접촉각을 증가시키는 효과를 보였다. 초소수성의 PVC 박막 표면을 산소 플라즈마 처리하면 노출시간에 따라 친수성으로 표면특성이 변환됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Polyvinylchloride (PVC) thin films having a microporous structure could be prepared by using the solubility difference in solvents. PVC thin film with a water contact angle of $150^{\circ}$ or more was obtained from the PVC solution consisting of the mixture of tetrahydrofuran as a solvent and propanol as a non-solvent. In the drying process of dip-coated PVC film, the increase of drying temperature reduced the tendency of roughened surface, which led the decrease of surface hydrophobicity. As the addition of propanol in the solution with 1 wt% PVC increased, the uniformity of surface roughness was improved. In the case of oxygen plasma treatments, even though the surface structure of PVC thin film was not notably changed, the surface property of the film was changed from the super-hydrophobicity to hydrophilicity as a function of the plasma exposing time.

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문제 정의

본 연구에서는 범용성 고분자인 폴리염화비닐(PVC)을 사용하여 용매와 비용매 간의 PVC 용해도 차이를 이용하여 미세다공성 구조의 표면을 갖는 박막을 제조하고 표면 형상 변화에 따른 젖음 특성을 조사하였다. 또한 용매의 양과 PVC의 농도에 변화에 따른 표면특성 변화를 분석하였으며, 산소 플라즈마 표면처리에 따른 접촉각의 변화를 조사하였다.

제안 방법

본 연구에서는 범용성 고분자인 폴리염화비닐(PVC)을 사용하여 용매와 비용매 간의 PVC 용해도 차이를 이용하여 미세다공성 구조의 표면을 갖는 박막을 제조하고 표면 형상 변화에 따른 젖음 특성을 조사하였다. 또한 용매의 양과 PVC의 농도에 변화에 따른 표면특성 변화를 분석하였으며, 산소 플라즈마 표면처리에 따른 접촉각의 변화를 조사하였다.
또한 용매-비용매의 PVC 용액에 의한 코팅 박막의 미세다공성 망상구조 형성제어를 위한 영향성을 분석하기 위하여 상압, 저압 및 마이크로웨이브에서의 각각 건조 공정을 진행하였으며 건조 온도는 상온에서 60 ℃까지 변화를 주었다. 형성된 PVC 박막을 저압 플라즈마 장치[18]를 이용하여 표면 처리할 때 플라즈마 노출시간에 따른 젖음 특성의 변화를 분석하였다. 이때 사용된 가스는 산소 50 sccm와 압력은 103 mTorr이며플라즈마 반응기의 인가전력은 각각 100과 300 W이었다.
150° 이상의 초소수성을 갖는 PVC 코팅 박막의 표면을 저압 산소 플라즈마로 표면처리 후 표면 특성의 변화를 분석하였다. 플라즈마처리를 하지 않은 상태에서 초소수성 특성의 접촉각 152°인 코팅 박막을 103 mTorr의 압력에서 50 sccm의 산소를 주입한 저압플라즈마 반응기를 이용하여 인가 전력과 플라즈마 처리시간을 변화시키며 표면처리하였다.

대상 데이터

중량평균분자량이 350,000 g/mol인 범용성 고분자 polyvinylchloride (PVC, Sigma-Aldrich) 분말과 용매로서 tetrahydrofuran (THF, Sigma-Aldrich, 99%)을 혼합하여 상온에서 교반기(magnetic stirrer)로 120 min 이상으로 충분히 교반하여 PVC의 농도가 1∼9 wt%인 용액들을 제조하였다. 비용매 첨가를 통하여 PVC 코팅박막의 망상구조의 형상을 제어하기 위하여 PVC의 비용매인 propanol을 PVC 용액에 첨가하였다.
중량평균분자량이 350,000 g/mol인 범용성 고분자 polyvinylchloride (PVC, Sigma-Aldrich) 분말과 용매로서 tetrahydrofuran (THF, Sigma-Aldrich, 99%)을 혼합하여 상온에서 교반기(magnetic stirrer)로 120 min 이상으로 충분히 교반하여 PVC의 농도가 1∼9 wt%인 용액들을 제조하였다. 비용매 첨가를 통하여 PVC 코팅박막의 망상구조의 형상을 제어하기 위하여 PVC의 비용매인 propanol을 PVC 용액에 첨가하였다. 농도가 다른 PVC 용액 1 mL에 2∼8 mL 범위의 부피비율로 propanol을 첨가하여 비용매 효과를 측정에 사용하며, 박막형성을 위한 코팅 작업 전에 측정된 양의 propanol을 주입하여 상온에서 교반기를 이용하여 60 min 동안 교반하여 용매-비용매의 PVC 용액을 제조하였다.

데이터처리

접촉각 측정에는 탈 이온수 3 µL를 사용하였다. 코팅 박막의 표면형상은 field emission scanning electron microscopy (FESEM, Hitachi, S-4300)을 사용하였으며, 표면 거칠기의 분석은 atomic force microscopy (AFM, Nano Scope, Multimode)를 이용하여 확인하였다.

이론/모형

5 cm² 크기의 slide glass를 코팅 기판으로 사용하였으며 유리 표면에 부착된 오염물을 제거하기 위하여 증류수와 에틸알코올을 사용하여 10 min간 세척하였다. 코팅 방법은 dip-coating 방식을 사용하였으며 모든 코팅은 상온 상압에서 진행하였다. 또한 용매-비용매의 PVC 용액에 의한 코팅 박막의 미세다공성 망상구조 형성제어를 위한 영향성을 분석하기 위하여 상압, 저압 및 마이크로웨이브에서의 각각 건조 공정을 진행하였으며 건조 온도는 상온에서 60 ℃까지 변화를 주었다.
코팅 용액 속에 존재하는 PVC와 THF와 propanol과의 용해도는 미세 다공성 표면을 구현하여 매끈한 PVC 박막이 갖는 82°의 물과의 접촉각을 150°이상의 초소수성 특성을 갖도록 할 수 있었다. 따라서 고분자 용액에서의 용매-비용매 간의 적절한 구성으로 나노크기의 미세 가공성박막을 구성하여 Cassie-Baxter 모델을 적용할 수 있었다. 코팅 박막의 표면 건조과정에서 건조조건으로 압력의 영향성은 용액 내에서의 PVC 함량이 미치는 영향보다 작았으나 건조 온도에는 민감한 영향성을 보여주었다.

성능/효과

용매인 THF에 PVC 수지를 녹인 용액을 비용매인 propanol과의 혼합으로 용해도 차이에 따라 초소수성 표면을 제조하였다. 코팅 용액 속에 존재하는 PVC와 THF와 propanol과의 용해도는 미세 다공성 표면을 구현하여 매끈한 PVC 박막이 갖는 82°의 물과의 접촉각을 150°이상의 초소수성 특성을 갖도록 할 수 있었다. 따라서 고분자 용액에서의 용매-비용매 간의 적절한 구성으로 나노크기의 미세 가공성박막을 구성하여 Cassie-Baxter 모델을 적용할 수 있었다.
따라서 고분자 용액에서의 용매-비용매 간의 적절한 구성으로 나노크기의 미세 가공성박막을 구성하여 Cassie-Baxter 모델을 적용할 수 있었다. 코팅 박막의 표면 건조과정에서 건조조건으로 압력의 영향성은 용액 내에서의 PVC 함량이 미치는 영향보다 작았으나 건조 온도에는 민감한 영향성을 보여주었다. 이때 온도가 증가함에 따라 접촉각의 크기가 작아져 표면에서의 거칠기가 상대적으로 크게 감소함을 보여 주었다.
이때 온도가 증가함에 따라 접촉각의 크기가 작아져 표면에서의 거칠기가 상대적으로 크게 감소함을 보여 주었다. PVC 용액에 propanol를 증가시키면 코팅박막의 표면 거칠기가 균일해지고 접촉각이 증가하는 것을 보여주었다. 한편 산소 플라즈마로 표면을 처리할 경우 초소수성에서 친수성으로 특성변화가 일어남을 보여 플라즈마 처리를 통한 표면개질 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
PVC 용액에 propanol를 증가시키면 코팅박막의 표면 거칠기가 균일해지고 접촉각이 증가하는 것을 보여주었다. 한편 산소 플라즈마로 표면을 처리할 경우 초소수성에서 친수성으로 특성변화가 일어남을 보여 플라즈마 처리를 통한 표면개질 효과가 있음을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Wenzel 이론에 따른 초소수성 표면을 구현하기 위한 필수적인 요건은 무엇인가?	Wenzel 이론에 따른 초소수성 표면을 구현하기 위한 필수적인 요건은 낮은 표면에너지와 표면 거칠기의 증가이며, Cassie-Baxter 모델은 낮은 표면에너지를 갖는 고체의 액체와 접촉하는 표면적을 최대한 작게 하여 초소수성을 구현하는 것이다[10,11]. 이처럼 초소수성 고체 표면을 구현하기 위하여서는 낮은 표면에너지와 복합적인 표면 거칠기의 증가가 필요하게 된다.
	초소수성 표면은 어떠한 효과를 가지는가?	초소수성 표면은 매우 낮은 젖음성과 낮은 표면 에너지로 쉽게 물방울이 굴러 동시에 표면에 있는 오염물질을 제거하는 자가 세정(self-cleaning)효과를 가진다[5,6]. 또한 낮은 표면에너지의 특성은 유리뿐만 아니라 금속의 산화방지, 방오 섬유, 건축물의 오염방지, 안테나와 창문에서의 눈 또는 서리가 맺힘 방지와 페인트산업과 의료 산업, 코팅, 고분자 분야, 박막기술, 표면처리 등에서 쓰이는 등 여러 방면에서 발전 가능성이 높고 유용성이 크다[7-9].
	초소수성 표면을 구현하기 위해서 소재의 낮은 표면 에너지와 소재 표면의 기하학적인 거칠기 증가가 필요한 이유는 무엇인가?	지금까지 많은 연구자들은 이러한 자연 현상을 모사하여 초소수성이나 초친수성 표면을 만들기 위한 연구에 관심을 크게 기울이고 있다. 일반적인 관찰에 의하면 자연계의 초소수성 표면에는 마이크로 또는 나노 스케일의 거친 표면이 존재하는데, 이러한 마이크로/나노 스케일의 구조물이 표면의 거칠기를 증가시키고, 증가된 표면의 거칠기에 의하여 액체와 표면의 접촉 면적이 감소되어 표면 마찰이 줄게 된다. 따라서 초소수성 표면을 구현하기 위해서는 소재의 낮은 표면 에너지와 소재 표면의 기하학적인 거칠기가 필요하다[3,4].

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표제어: PCR

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