[논문]스타이렌 모노머를 이용한 색소 담지 마이크로캡슐의 제조

김지연; 우지윤; 민문홍; 윤석한; 여지애; 김한도; 염정현

doi:10.5764/tcf.2016.28.3.164

스타이렌 모노머를 이용한 색소 담지 마이크로캡슐의 제조
Study of Dye Encapsulated Microcapsule Polymerization Using Styrene Monomer 원문보기

韓國染色加工學會誌 = Textile coloration and finishing, v.28 no.3, 2016년, pp.164 - 174

김지연 (경북대학교 기능물질공학과) , 우지윤 (DYETEC연구원) , 민문홍 (DYETEC연구원) , 윤석한 (DYETEC연구원) , 여지애 (경북대학교 섬유시스템공학과) , 김한도 (경북대학교 섬유시스템공학과) , 염정현 (경북대학교 기능물질공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, dye-encapsulated microcapsules were produced by emulsion polymerization using styrene monomer. The study showed that the average size of microcapsules were $2{\sim}5{\mu}m$ in normal distribution. These microcapsules induced pale yellow(A12) and reddish yellow(B24) color by thermochromic fluoran yellow(dye A) and red(dye B). These microcapsules were changed to dark yellow(A12) and scarlet(B24) color depending on temperature change. The weight of microcapsules decreased by 7% to 11% during the heating ranges from $320^{\circ}C$ to $350^{\circ}C$ implying that the styrene microcapsules had thermal stability upto $300^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 최근 들어 멜라민 기반의 물질에 대한 소비자의 거부감과 섬유제품 인증마크인 KC 검사항목에서 멜라민 물질에서 기인되는 포름알데히드가 기본 유해물질 대상으로 지정됨에 따라 최근 멜라민계 색소담지 캡슐은 인체에 직접 착용하는 의복보다는 팬시제품으로 한정되어 판매되고 있다. 따라서 색소를 비멜라민계 벽체 물질로 담지한 캡슐을 제조하고자 하였다. 이전 연구에서는 프리폴리머법을 이용한 폴리우레탄 벽체 재질의 마이크로캡슐을 제조하여 색소 담지 가능성을 확인하였다¹⁾ .
본 연구에서는 비멜라민계 벽체물질로 스타이렌을 선정하여 가교제인 디비닐벤젠과 함께 색소를 담지하는 마이크로캡슐을 제조하고자 하였다. 스타이렌은 비닐기를 가지고 있는 반응형 모노머로서 다양한 스타이렌 플라스틱으로 활용되고 있다²⁾ .
본 연구에서는 스타이렌을 벽체물질로 하는 색소 담지 마이크로캡슐의 제조 가능성을 검토하기 위하여, 감온변색 색소 2종과 스타이렌 단량체 및 가교제를 투입한 oil phase를 SDS가 포함된 water phase에 투입후 고속교반하여 미세 micelle이 형성된 에멀전을 만들고 개시제 AIBN을 추가하여 스타이렌이 중합되면서 색소를 둘러싸는 방법을 적용하였다. 세부조건별로 캡슐의 형상과 크기가 상이하여 색소를 최대한 담지하면서 섬유가공에 적용이 용이한 최적 조건을 도출하였고, 해당 캡슐의 기본 물성을 분석하여 다음과 같이 정리하였다.
지금까지 스타이렌 기반의 캡슐은 나노급으로 제조하여 약물이나 진단용 형광색소 등을 서서히 방출하는 연구가 활발하였으나³⁾ , 본 연구에서는 의복용 색소를 최대한 담지하기 위하여 마이크로급의 크기를 사용하였고 약물과는 상이한 극성도를 가진 일반 색소를 담지할 수 있는 스타이렌 마이크로캡슐을 제조하기 위한 최적 조건을 도출하고 캡슐의 형태, 크기와 색소 담지 여부 등을 알아보았다.

제안 방법

1. FE-SEM관찰을 통하여 색소를 가능한 많이 담지 하면서 색소별로 응집 발생이 없고 표면이 거칠지 않은 마이크로캡슐을 수득할 수 있는 조건을 A12, B24로 도출하였으며, 이때 색소 A의 투입량은 0.05g, 색소 B의 투입량은 0.1g으로 나타났고 유화분산 속도도 A는 rpm 22,000, B는 rpm 19,000으로 상이하였다.
이와 별도로 색소를 스타이렌 단량체에 투입하고 여기에 계면장력을 낮춰 oil에 용이하게 유화 Textile Coloration and Finishing, Vol. 28, No. 3되도록 하는 공유화제 n-Hexadecane과 가교제인 DVB를 함께 투입하여 상온에서 300rpm으로 1시간 교반시키면서 oil phase를 제조하였다^5,6) .
다음으로 에멀전 용액에 1시간 동안 질소 충진하여 degassing한 다음, 온도를 서서히 올리면서 개시제인 AIBN을 투입하고 60℃에서 300rpm으로 5시간 동안 교반하면서 중합을 실시하였다.
마이크로캡슐 분말을 백금 코팅하여 전계방사형 전자현미경(SU8220, Hitachi, Japan)으로 캡슐의 형상을 관찰하였다.
마이크로캡슐의 열적 안정성을 알아보기 위하여 열 중량분석계(이하 TGA)(Q500, TA Instruments, USA)를 이용하여 상온에서부터 10℃/min의 속도로 승온시키면서 600℃까지의 중량 변화를 관찰함으로써 마이크로캡슐의 분해온도를 알아보았다.
상기 제조조건을 기반으로 하여 스타이렌, SDS, DVB, 색소의 농도와 중합속도를 Table 1, 2와 같이 조절하면서 반응물의 안정성을 육안으로 판별하고 캡슐 형성 여부를 주사전자현미경(FE-SEM)으로 확인하여 색소 A와 B 각각의 최적 합성조건을 도출하였다.
생성된 캡슐의 스타이렌 벽체 합성을 확인하기 위하여 색소, 스타이렌 단량체와 함께 FT-IR(Spectrum GX, Perkin Elmer, USA)장비를 통해 ATR법으로 측정하였다.
본 연구에서는 스타이렌을 벽체물질로 하는 색소 담지 마이크로캡슐의 제조 가능성을 검토하기 위하여, 감온변색 색소 2종과 스타이렌 단량체 및 가교제를 투입한 oil phase를 SDS가 포함된 water phase에 투입후 고속교반하여 미세 micelle이 형성된 에멀전을 만들고 개시제 AIBN을 추가하여 스타이렌이 중합되면서 색소를 둘러싸는 방법을 적용하였다. 세부조건별로 캡슐의 형상과 크기가 상이하여 색소를 최대한 담지하면서 섬유가공에 적용이 용이한 최적 조건을 도출하였고, 해당 캡슐의 기본 물성을 분석하여 다음과 같이 정리하였다.
제조한 마이크로캡슐 분말을 PET필름 사이에 넣어 시편을 만든 다음 측색장비(400, Datacolor, USA)를 이용하여 D65광원, 400~800nm 파장범위에서 10nm 단위로 △L, △a, △b, △E값과 λmax을 측정하였다. 이 때 온도별 변색여부를 알아보기 위하여 상온을 기준으로 하고, 열처리기(LTE, Mathis, Swiss)를 이용하여 60, 80, 130, 160, 180℃ 조건에서 1분간 시편을 방치 후 측색하여 수치의 변화를 나타내었다.
이를 종합하면 색소 A와 B는 스타이렌과 가교제인 DVB를 기본 벽체물질로 하고 미세 micelle 형성을 쉽게 하기 위해 공유화제인 n-Hexadecane을 이용하며, 가교제로는 AIBN을 사용하였다. 이상의 약제들은 색소 종류에 상관없이 동일하게 투입되었으나 캡슐에 색소를 최대한 많이 담지시키되 응집성이나 층 분리 등과 같은 반응성을 동시에 고려하여 최적 조건을 도출한 결과, 색소 A의 투입량은 0.
제조한 마이크로캡슐 분말을 PET필름 사이에 넣어 시편을 만든 다음 측색장비(400, Datacolor, USA)를 이용하여 D65광원, 400~800nm 파장범위에서 10nm 단위로 △L, △a, △b, △E값과 λmax을 측정하였다.
제조한 마이크로캡슐과 색소를 수분산시켜 가시자외선 분광분석기(CARY 5G, Varian, USA)를 이용하여 300~800nm 파장범위에서의 흡광도를 측정한 다음, 가장 높은 흡광도를 나타내는 파장을 최대흡수파장 (λmax)으로 나타내었다.
Figure 9는 입도분석기를 이용하여 측정한 마이크로캡슐의 평균 크기 및 크기별 분포도를 나타낸 것이다. 제조한 마이크로캡슐은 물에 불용성이므로 초음파주사를 통해 침전을 방지하면서 측정하였다.
제조한 마이크로캡슐의 크기와 분포를 알아보기 위하여 건조 전 캡슐용액을 증류수에 희석한 다음 초음파 분산시킨 시료를 입도분석기(MS2000, Malvern, UK)로 측정하여 평균 입도를 알아보았다.

대상 데이터

또한 공유화제로 n-Hexadecane (Alfa Aesar, UK, 특급)과 개시제로 AIBN(N, N’- azo-bisisobutyronitrile, Junsei Chem., Japan, 1급)을 이용하였다.
스타이렌 폴리머를 제조하기 위하여 Styrene(Daejung Chem., Korea, 1급) 시약의 중합금지제를 제거한 다음 단량체 상태로 사용하였다. 스타이렌과 함께 벽체물질을 구성하기 위해서 DVB(Divinylbenzene, Sigma-Aldrich, USA, 특급)를 함께 사용하였다.
, Korea, 1급) 시약의 중합금지제를 제거한 다음 단량체 상태로 사용하였다. 스타이렌과 함께 벽체물질을 구성하기 위해서 DVB(Divinylbenzene, Sigma-Aldrich, USA, 특급)를 함께 사용하였다.
심물질 색소는 엠도흐멘코리아에서 합성하여 제공한 flouran계 yellow색소(이하 색소 A) 및 red 색소(이하 색소 B)를 사용하였으며 화학구조식을 Figure 1에 나타내었다. 유화분산제로는 SDS(Sodium dodecyl sulfate, Daejung Chem.
심물질 색소는 엠도흐멘코리아에서 합성하여 제공한 flouran계 yellow색소(이하 색소 A) 및 red 색소(이하 색소 B)를 사용하였으며 화학구조식을 Figure 1에 나타내었다. 유화분산제로는 SDS(Sodium dodecyl sulfate, Daejung Chem., Korea, 1급)를 정제하지 않고 사용하였다. 또한 공유화제로 n-Hexadecane (Alfa Aesar, UK, 특급)과 개시제로 AIBN(N, N’- azo-bisisobutyronitrile, Junsei Chem.

이론/모형

스타이렌 캡슐 제조는 에멀전 중합법을 기본으로 하여 2단계로 진행하였다. 첫 번째 단계에서 SDS를 증류수(80g)에 투입하고 60℃에서 300rpm으로 1시간 교반시키면서 유화제가 녹아있는 수용액(water phase) 을 제조하였다.

성능/효과

마이크로캡슐 (a) A12와 (b) B24의 피크를 살펴보면 3400cm^-1에서 OH stretch, 1650cm^-1부근에서는 CO 이중결합이 확인되었다. 이를 종합하면 캡슐화 되기 전의 색소 A와 색소 B는 서로 다른 피크를 나타내는데, 합성 후 캡슐 A12와 B24는 전 파장에 걸쳐 동일한 경향을 나타냄으로써 벽체물질에 의해 동일한 구조의 화합물이 생성되었음을 유추할 수 있었다.
2. FT-IR분석을 통해 상이한 피크를 가지던 색소 A와 B가 마이크로캡슐화 된 후에는 동일한 피크를 나타내어 벽체물질에 의해 동일한 화합물이 형성됨을 확인하였으며, 캡슐에서는 OH와 CO 이중결합, 스타 이렌 고유의 피크가 나타났다.
3. 분광 스펙트럼 분석을 통해 색소가 가진 최대흡수파장이 합성한 스타이렌 마이크로캡슐에서도 나타나 색소를 담지함을 유추할 수 있었다. 단, 색소 A는 캡슐화 후에도 최대흡수파장이 363nm로 동일하였으나, 색소 B는 캡슐화 후에 361nm에서 387nm로 이동하여 reddish yellow 색상으로 변화됨을 알 수 있었다.
4. 생성된 마이크로캡슐을 일반적인 섬유가공 온도인 180℃까지 승온하면서 측색하여 색차계에서의 컬러방향 변화를 측정한 결과, A12는 온도가 높아질수록 yellow 컬러가 진해지는 양상이었고, B24는 최대흡수파장이 이동하면서 scarlet 색상으로 컬러 변화가 발생되었다.
5. 생성된 스타이렌 마이크로캡슐의 평균 크기는 색소 별로 상이하나 약 2~5㎛ 범위임을 알 수 있었다.
6. 생성된 마이크로캡슐의 TGA분석결과 A12는 320℃까지 무게감소 7%, B24는 350℃까지 11%감소되는 것으로 나타났으며, 일반적인 섬유가공공정상 온도인 160~200℃ 부근의 온도에서는 열분해가 일어나지 않고 안정함을 알 수 있었다.
부근에서는 CO 이중결합이 확인되었다. 이를 종합하면 캡슐화 되기 전의 색소 A와 색소 B는 서로 다른 피크를 나타내는데, 합성 후 캡슐 A12와 B24는 전 파장에 걸쳐 동일한 경향을 나타냄으로써 벽체물질에 의해 동일한 구조의 화합물이 생성되었음을 유추할 수 있었다.
249㎛이었다. 이상의 결과를 통해, 제조한 마이크로캡슐의 크기가 색소별로 상이하였으며 평균 입도 2~5㎛ 범위임을 알 수 있었다.
이를 종합하면 색소 A와 B는 스타이렌과 가교제인 DVB를 기본 벽체물질로 하고 미세 micelle 형성을 쉽게 하기 위해 공유화제인 n-Hexadecane을 이용하며, 가교제로는 AIBN을 사용하였다. 이상의 약제들은 색소 종류에 상관없이 동일하게 투입되었으나 캡슐에 색소를 최대한 많이 담지시키되 응집성이나 층 분리 등과 같은 반응성을 동시에 고려하여 최적 조건을 도출한 결과, 색소 A의 투입량은 0.05g, 색소 B의 투입량은 0.10g이었으며 이에 따라 유화제인 SDS의 양도 동일 배율로 증감하였고 유화분산 속도도 A는 rpm 22,000, B는 rpm 19,000으로 상이하였다.
Figure 7은 제조한 색소담지 마이크로캡슐과 색소 자체의 분광 스펙트럼을 나타낸 것으로 캡슐화 후에도 최대흡수파장을 나타내어 색소를 담지하고 있음을 알 수 있었다. 최대흡수파장이 363nm인 색소 A는 캡슐화 후에는 357nm로 나타나 캡슐상태에서도 동일한 색상을 나타냄을 확인하였다. 최대흡수파장 361nm인 색소 B는 캡슐화 후에는 387nm로 이동하여 reddish yellow 색상으로 변화됨을 알 수 있었다¹¹⁾ .

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	멜라민계 색소담지 캡슐은 왜 팬시제품으로 한정되어 판매되는가?	섬유에 적용하기 위한 색소 담지 캡슐의 연구는 2000년대에 멜라민, 폴리우레탄, 폴리스타이렌 등의 벽체물질을 사용한 연구가 활발하였으나 대량 생산 체계에 적합하고 제조 과정이 상대적으로 간단한 멜라민 벽체물질 기반의 캡슐만이 상용화되고 있는 실정이다. 그러나 최근 들어 멜라민 기반의 물질에 대한 소비자의 거부감과 섬유제품 인증마크인 KC 검사항목에서 멜라민 물질에서 기인되는 포름알데히드가 기본 유해물질 대상으로 지정됨에 따라 최근 멜라민계 색소담지 캡슐은 인체에 직접 착용하는 의복보다는 팬시제품으로 한정되어 판매되고 있다. 따라서 색소를 비멜라민계 벽체 물질로 담지한 캡슐을 제조하고자 하였다.
	멜라민 벽체물질 기반 캡슐이 상용화된 이유는?	섬유에 적용하기 위한 색소 담지 캡슐의 연구는 2000년대에 멜라민, 폴리우레탄, 폴리스타이렌 등의 벽체물질을 사용한 연구가 활발하였으나 대량 생산 체계에 적합하고 제조 과정이 상대적으로 간단한 멜라민 벽체물질 기반의 캡슐만이 상용화되고 있는 실정이다. 그러나 최근 들어 멜라민 기반의 물질에 대한 소비자의 거부감과 섬유제품 인증마크인 KC 검사항목에서 멜라민 물질에서 기인되는 포름알데히드가 기본 유해물질 대상으로 지정됨에 따라 최근 멜라민계 색소담지 캡슐은 인체에 직접 착용하는 의복보다는 팬시제품으로 한정되어 판매되고 있다.
	비멜라민계 벽체물질로 선정한 스타이렌은 어디에 활용되는 물질인가?	본 연구에서는 비멜라민계 벽체물질로 스타이렌을 선정하여 가교제인 디비닐벤젠과 함께 색소를 담지하는 마이크로캡슐을 제조하고자 하였다. 스타이렌은 비닐기를 가지고 있는 반응형 모노머로서 다양한 스타이렌 플라스틱으로 활용되고 있다2) .

참고문헌 (11)

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원문보기 상세보기
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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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