선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구는 셀룰로오스계 섬유를 전구체로 한 ACF 제조 시 발생되는 낮은 수율과 물성을 향상시키기 위한 목적으로 실란커플링제인 APTES로 재생셀룰로오스계 리오셀 섬유의 표면개질에 따른 공정 단계별 특성변화를 분석하여 다음의 결과를 얻었다.
- 이와 같은 셀룰로오스계 유래 전구체로 제조된 ACF의 수율과 물성 개선을 위하여 다양한 재료의 표면개질에 사용하는 실란 커플링제를 이용하고자 하였다. 실란 커플링제는 합성수지, 도료, 접착제를 비롯한 각종 복합제의 합성 및 성능 향상을 위한 다양한 분야에 널리 사용되고 있다.
제안 방법
- ACF 제조를 위한 리오셀 전구체의 표면개질, 전처리, 안정화 및 탄화⋅활성화 공정 각 단계별로 대상 섬유시료를 선정하여 다양한 분석을 실시하였다.
- TGA 분석 조건이 탄화공정과정과 동일하므로 KOH에 의한 기공형성보다는 H3PO4에 의한 수율 변화가 기대되어 중점적으로 분석하였다. 전처리용액의 농도 증가에 따른 수율은 A0 시료(35→58 wt%)와 A2 시료(40 →63 wt%)가 23 wt%로 가장 크게 증가하는 경향을 보였다.
- 따라서 탄소함량이 급격히 증가하고 방향족 고리의 성장과 중합이 진행되는 고리화 반응이 일어나는 탄화 과정 이후의 FT-IR 분석결과를 통해 셀룰로오스Ⅰ⋅Ⅱ 구조에 기인하는 C-O결합을 배제하고 표면 개질여부를 객관적으로 판단하였다3). Fig.
- KOH 용액 1~3 M과 KOH 용액의 1/3 농도로 희석한 H3PO4 용액을 제조하여 H3PO4 150 ml에 1시간, KOH 150 ml에 1시간 동안 교대로 연속 침적시킨 후 70℃ dry oven에서 1시간 건조 후 세척하여 후속공정용 시료로 사용하였다. 비교실험용으로 KOH와 H3PO4 용액에 교대로 연속 침전시키는 전처리 공정을 거치지 않은 APTES로 표면개질된 리오셀 섬유시료를 대조군으로 특성을 관찰하였다. 전처리공정 조건에 따라 분류한 시료명을 Table 1에 나타내었다.
- 본 연구에서는 기존 레이온과 같은 재생셀룰로오스계 소재이면서 상대적으로 큰 결정성, 우수한 기계적 물성 및 친환경 공정으로 제조되는 리오셀 섬유를 전구체로 선정하였다. 실란커플링제를 리오셀 섬유표면에 반응시켜 개질한 후 고온제조공정 조건별로 섬유의 열안정성, 물성 및 제조된 ACF의 기공 형성에 미치는 영향을 TGA, UTM, FT-IR, SEM을 통하여 분석하였다.
- 표면개질 및 안정화 공정 이후의 섬유의 열안정성은 TGA(Linseis, L81-Ⅱ)에 의해 분석하였다. 표면개질 공정 후 섬유시료의 분석은 공기분위기에서 5℃/min 승온시켜 280℃에서 1시간 체류 조건이었으며, 안정화 공정을 거친 섬유시료는 N2가스 5 L/min으로 불활성분 위기하에서 탄화조건과 동일한 25℃/min 승온속도로 800℃까지 분석을 실시하였다.
- 표면개질 및 전처리조건이 안정화공정 및 탄화⋅활성화 공정 이후 나타나는 섬유시료의 표면 변화, 기공 형성 및 제어에 미치는 영향은 SEM(Hitachi, S-3000H)에 의해 관찰하여 분석하였다.
- 표면개질, 전처리 및 안정화 공정 단계별 섬유시료의 기계적 물성 변화는 UTM(Instron, E1000)에 의해 인장강도 (tensile strength)를 측정하여 분석하였다. 시험 방법은 미국약전(USP) 규격중 “USP 881” 규격을 인용하여 시험을 진행하였다.
대상 데이터
- 과 KOH 용액에 침적시켰다. KOH 용액 1~3 M과 KOH 용액의 1/3 농도로 희석한 H3PO4 용액을 제조하여 H3PO4 150 ml에 1시간, KOH 150 ml에 1시간 동안 교대로 연속 침적시킨 후 70℃ dry oven에서 1시간 건조 후 세척하여 후속공정용 시료로 사용하였다. 비교실험용으로 KOH와 H3PO4 용액에 교대로 연속 침전시키는 전처리 공정을 거치지 않은 APTES로 표면개질된 리오셀 섬유시료를 대조군으로 특성을 관찰하였다.
- 표면개질용 리오셀 섬유의 시료량에 따른 실험오차를 줄이고 개질공정에 따른 변화를 용이하게 관찰하기 위하여 섬유를 300 mm 길이로 10가닥을 시료 하나 단위로 하여 실험에 사용하였다. 리오셀 섬유 표면 개질 반응용 실란커플링제로는 Aldrich사의 APTES를 사용하였다. APTES 용매로는 에탄올과 증류수를 8:2(v/v%) 비율로 혼합하여 200 ml를 제조한 후, 아세트산을 이용하여 pH를 4.
- 본 연구는 ㈜효성에서 제조된 타이어코드용 1650데니아(Denia), 900필라멘트(Filament) 규격의 리오셀 섬유를 ACF 제조용 전구체로 사용하였다. 전구체 섬유에 실란커플링제와 전처리용액을 이용한 ACF 제조를 위한 전 공정을 3단계로 분류하여 Fig.
- 본 연구에서는 기존 레이온과 같은 재생셀룰로오스계 소재이면서 상대적으로 큰 결정성, 우수한 기계적 물성 및 친환경 공정으로 제조되는 리오셀 섬유를 전구체로 선정하였다. 실란커플링제를 리오셀 섬유표면에 반응시켜 개질한 후 고온제조공정 조건별로 섬유의 열안정성, 물성 및 제조된 ACF의 기공 형성에 미치는 영향을 TGA, UTM, FT-IR, SEM을 통하여 분석하였다.
- 실란커플링제인 APTES와 반응하여 표면개질된 리오셀 섬유는 H3PO4과 KOH 용액에 침적시켰다. KOH 용액 1~3 M과 KOH 용액의 1/3 농도로 희석한 H3PO4 용액을 제조하여 H3PO4 150 ml에 1시간, KOH 150 ml에 1시간 동안 교대로 연속 침적시킨 후 70℃ dry oven에서 1시간 건조 후 세척하여 후속공정용 시료로 사용하였다.
- 안정화 공정은 600℃까지 온도 상승이 가능한 열처리오븐(heat treatment oven)을 사용하여 공기분위기(air condition)하에서 수행하였고, 탄화⋅활성화 공정에는 1200℃까지 온도상승이 가능한 탄화로(carbonization furnace)를 사용하였다. 탄화로는 직경 50 mm, 길이 400 mm의 석영 재질의 반응기와 외부에서 N2가스와 수증기를 유입시킬 수 있는 연결관으로 구성되었다.
- 안정화 공정은 600℃까지 온도 상승이 가능한 열처리오븐(heat treatment oven)을 사용하여 공기분위기(air condition)하에서 수행하였고, 탄화⋅활성화 공정에는 1200℃까지 온도상승이 가능한 탄화로(carbonization furnace)를 사용하였다. 탄화로는 직경 50 mm, 길이 400 mm의 석영 재질의 반응기와 외부에서 N2가스와 수증기를 유입시킬 수 있는 연결관으로 구성되었다. Fig.
- 표면개질용 리오셀 섬유의 시료량에 따른 실험오차를 줄이고 개질공정에 따른 변화를 용이하게 관찰하기 위하여 섬유를 300 mm 길이로 10가닥을 시료 하나 단위로 하여 실험에 사용하였다. 리오셀 섬유 표면 개질 반응용 실란커플링제로는 Aldrich사의 APTES를 사용하였다.
데이터처리
- 리오셀 섬유와 APTES와의 반응에 따른 개질 여부는 FT-IR(Diglab, FTS-3000)에 의해 4,000~650 cm-1파장에서 32회 scan하여 평균값으로 측정하였다.
이론/모형
- 표면개질 및 안정화 공정 이후의 섬유의 열안정성은 TGA(Linseis, L81-Ⅱ)에 의해 분석하였다. 표면개질 공정 후 섬유시료의 분석은 공기분위기에서 5℃/min 승온시켜 280℃에서 1시간 체류 조건이었으며, 안정화 공정을 거친 섬유시료는 N2가스 5 L/min으로 불활성분 위기하에서 탄화조건과 동일한 25℃/min 승온속도로 800℃까지 분석을 실시하였다.
성능/효과
- 1) APTES에 의한 리오셀 섬유의 표면개질 여부 및 정도를 파악하기 위한 FT-IR 분석을 실시한 결과, 셀룰로오스 구조가 가지고 있는 C-O 피크와 오버랩되어 표면개질 이후에는 파악하기 어려웠으나 탄화⋅활성화 이후 Si-O-Si 및 Si-O-C 피크의 존재를 확인하여 표면 개질이 되었음을 확인하였다.
- 2) 표면개질에 따른 열안정성 변화를 측정하기 위한 안정화 및 탄화 조건에서의 TGA 그래프와 활성화 이후 최종 수율을 무게변화로 측정한 결과 Si결합에 의한 열안정성이 향상되었으며, 최적의 표면개질 조건은 A2 시료의 전처리 조건이었다.
- 3) 섬유의 인장강도를 측정한 결과 표면개질 이후에는 섬유표면에 코팅된 Si결합에 의해 강도가 증가하였으나 안정화 공정 이후에는 인장강도가 오히려 감소하여 APTES를 통한 표면개질이 셀룰로오스 구조의 안정화 공정에서의 고리화 반응의 진행을 방해하는 것으로 판단되었다.
- 4) KOH와 H3PO4 전처리 용액이 표면개질한 리오셀 섬유 시료에 미치는 영향을 공정단계별로 TGA에 의해 분석한 결과, 표면개질된 A2 시료와 표면 미개질 A0 시료는 전처리용액 농도 증가에 따라 최종 제품인 ACF 수율이 향상됨을 확인하였다.
- 5) ACF 표면의 기공형성을 SEM으로 관찰한 결과 표면개질 A2 시료로 제조한 ACF가 표면 미개질 A0 시료로 제조한 ACF 표면보다 균일한 기공 크기와 분포를 나타내었다.
- Fig. 9에서 보듯이 탄화조건에서의 TGA그래프의 양상과 달리 활성화공정 진행 후의 수율은 A1(21.1 wt %), A2(19.4 wt%) 및 A4(20.5 wt%)이었으며, 표면개질 하지 않은 리오셀 섬유 A0(15.4 wt%) 시료보다 상대적으로 높은 최종수율을 나타내었다. 탄화조건까지의 수율은 A1 시료의 43 wt%부터 A2 시료 59 wt%까지였음을 고려하면 활성화 공정에서 약 20~30 wt%의 중량감소가 이루어졌다.
- 2%의 중량감소폭을 보였다. APTES 농도 증가에 따라 열안정성이 증가할 것이라는 예상과 달리, 안정화 및 탄화조건에서 모두 A4 시료보다 낮은 중량감소폭을 보여 가장 열안정성이 우수한 것으로 나 타났다. 이는 APTES의 농도가 증가할수록 에톡시기(C2H5O-)가 가수분해되어 실란올기를 형성한 후에 실란올기 사이에 축합반응으로 인한 이량체, 삼량체 등의 올리고머를 형성하게 된다.
- 반면, A1 시료는 증가폭이 미미하였고 A4 시료는 Table 1에 나타냈던 K1~K2 농도 시료가 가장 높은 수율(60 wt%)을 보였으며 고농도 K3(50 wt%)에서는 오히려 감소하였다. 균일하게 구조가 형성된 것으로 판단되는 A2시료와 리오셀 섬유의 경우는 전처리 농도에 따라 반응성이 증가하면서 꾸준한 증가를 보인 것으로 판단되었다. A4 시료의 경우는 올리고머 형태의 불규칙한 개질표면을 형성하므로 전처리 용액과의 반응성보다는 단순한 용액 침적에 의해 높은 수율을 보인 것으로 판단된다.
- 에 의한 수율 변화가 기대되어 중점적으로 분석하였다. 전처리용액의 농도 증가에 따른 수율은 A0 시료(35→58 wt%)와 A2 시료(40 →63 wt%)가 23 wt%로 가장 크게 증가하는 경향을 보였다. 반면, A1 시료는 증가폭이 미미하였고 A4 시료는 Table 1에 나타냈던 K1~K2 농도 시료가 가장 높은 수율(60 wt%)을 보였으며 고농도 K3(50 wt%)에서는 오히려 감소하였다.
- 탄화⋅활성화 공정을 종합한 결과, 탄화공정까지는 APTES를 이용한 표면개질 효과를 보였으나, 활성화 공정에서는 고온 및 활성가스로 인한 높은 반응성으로 표면개질 효과가 감쇄되는 것으로 나타났다. 표면개질 효과를 최종 ACF까지 유지하기 위한 활성화 공정 최적화 연구가 필요할 것으로 판단된다.
후속연구
- 그러나 Fig. 11(c)에서 보듯이 A2 시료로 제조된 ACF의 표면에는 균일한 크 기의 기공이 고르게 분포한 것을 볼 수 있어 전처리 조건에 따라 기공형성과 제어가 가능할 것이므로 후속 연구로 수행할 예정이다.
- 6) 국민보건안전을 위한 특정 유해물질을 고효율로 흡착제거하기 위해서는 ACF 표면에 단순히 많은 기공을 형성시키는 비표면적 상승이 아닌 기공의 수, 크기 및 형태를 정밀 제어하는 기술개발연구에 더 다양하고 체계적 접근이 필요할 것이다.
- 탄화⋅활성화 공정을 종합한 결과, 탄화공정까지는 APTES를 이용한 표면개질 효과를 보였으나, 활성화 공정에서는 고온 및 활성가스로 인한 높은 반응성으로 표면개질 효과가 감쇄되는 것으로 나타났다. 표면개질 효과를 최종 ACF까지 유지하기 위한 활성화 공정 최적화 연구가 필요할 것으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.