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문제 정의
- 다양한 공정 변수의 변화를 통해서 형성된 나노섬유의 섬유 직경 변화와 형태를 관찰하였다. 본 연구를 통해 제조된 복합 나노웹은 외과용 보호 직물, 극한환경의 방호기능 소재, 미용 마스크 및 팩 소재, 상처치유 패치 소재 등으로의 활용 가능성이 기대되며, 그 소재개발을 위한 기초자료를 제안하고자 한다.
제안 방법
- 5wt.%로 하여 12시간 교반 후에 1시간 초음파 처리한 다음, 다시 12시간 교반하여 향나무 추출물을 함유하는 PU 복합 방사용액을 제조하였다.
- PU 고분자 용액과 향나무 추출물을 포함하는 복합 방사용액의 농도에 따른 점도 변화, 표면장력의 변화를 관찰하기 위하여 LVDV Ⅱ+ Pro Viscometer(Brookfield), 표면장력측정기(Surface Tensiometer, TK6, KRUSS, Germany)를 이용하여 각각 측정하였다.
- PU/향나무 추출물 복합 방사용액을 이용한 나노섬유를 제조하기 위해 전기방사 시스템을 0∼40kv의 전압공급이 가능한 고전압 공급장치(high voltage DC power supply unit, Matsusada Precision Inc.), 집전판(collector), 주사기 펌프(syringe pump, KDS100), 주사기(gastight and needle lock type 10mL, Hamilton),금속 주사기 바늘(21G), 유체 주입속도 0.5mL/h 등으로 구성하였다.
- 나노섬유 제조조건은 폴리우레탄의 농도와 점도에 따른 방사성의 변화를 알아보고자 8∼14wt%로 용액의 농도를 변화시켜 방사하였고, 방사전압과 방사 거리는 각각 6∼12kV와 10∼25cm로 하였다.
- 5wt%)로 폴리우레탄 방사용액에 용해시켜 복합 방사용액을 만들고 전기방사를 실시하였다. 다양한 공정 변수의 변화를 통해서 형성된 나노섬유의 섬유 직경 변화와 형태를 관찰하였다. 본 연구를 통해 제조된 복합 나노웹은 외과용 보호 직물, 극한환경의 방호기능 소재, 미용 마스크 및 팩 소재, 상처치유 패치 소재 등으로의 활용 가능성이 기대되며, 그 소재개발을 위한 기초자료를 제안하고자 한다.
- 따라서 본 연구에서는 천연 항균물질을 포함하고 있는 향나무 추출물을 일정 비율(0.25, 0.5, 1, 1.5wt%)로 폴리우레탄 방사용액에 용해시켜 복합 방사용액을 만들고 전기방사를 실시하였다. 다양한 공정 변수의 변화를 통해서 형성된 나노섬유의 섬유 직경 변화와 형태를 관찰하였다.
- 전기방사법을 이용하여 천연 항균물질을 포함하는 향나무 추출물을 각각의 비율(0.25, 0.5, 1, 1.5wt%)로 폴리우레탄 방사용액에 혼합하여 나노섬유 웹을 제조하기 위하여 방사용액의 농도, 인가전압, 팁과 콜렉터사이의 거리 등 다양한 전기방사 조건을 고찰하였으며, 향나무 추출물을 함유하는 PU 나노섬유의 방사성의 변화를 살펴보기 위해 표면구조, 직경을 관찰하였다.
- 향나무 추출물은 에탄올을 이용하여 향나무와 용매를 액비 1:10으로 하여 상온에서 48시간 침지한 후, 3회 반복 추출하여 침전물이 없을 때까지 여과지로 3회 여과한 후, 회전증발 농축기(RV10, IKAⓇ, Germany)를 이용하여 온도 40∼60℃, 회전속도 180rpm으로 감압 농축 후 건조하여 gum상태로 추출하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 향나무는 심재인 자단향을 전문업체를 통해 구입하여 사용하였다. 나노섬유 제조를 위한 고분자로 열가소성 폴리우레탄(TPU) KURAMIRONⓇ 3180(Kuraray Co. Ltd.)이 사용되었다. 용매로는 N,Ndimethylformamide(DMF)와 methyl ethyl ketone(MEK)의 1:1 중량비 혼합용매가 사용되었다.
- 본 연구에 사용된 향나무는 심재인 자단향을 전문업체를 통해 구입하여 사용하였다. 나노섬유 제조를 위한 고분자로 열가소성 폴리우레탄(TPU) KURAMIRONⓇ 3180(Kuraray Co.
- )이 사용되었다. 용매로는 N,Ndimethylformamide(DMF)와 methyl ethyl ketone(MEK)의 1:1 중량비 혼합용매가 사용되었다.
이론/모형
- 나노섬유의 형태와 직경을 조사하기 위해 Scanning Electro Microscope(JSM-6010LA, JEOL, Japan)를 이용하였다.
성능/효과
- 1cP로 나타났다. PU 방사용액의 농도가 증가함에 따라 점도가 증가하는 것으로 나타났다. 또한 방사용액의 증가에 따른 나노섬유의 직경 변화를 살펴보면 PU방사용액의 농도 증가에 따라 342∼869nm까지 증가하였다.
- 따라서 PU 방사용액의 농도가 증가함에 따라 점도가 증가하였으며, 점도가 증가함에 따라 나노섬유의 직경도 증가하였다. 이러한 경향은 용액의 점도가 용매 내에서 고분자 사슬의 얽힘 정도가 증가되어 제트의 붕괴를 방해하므로 이로 인해 나노섬유의 직경 증가가 나타나는 것이다(Renekek & Yarin, 2008).
- , 2003)와 일치하는 결과이다. 또한 8kV의 인가전압시 토출된 나노섬유의 평균직경에 대한 표준편차가 가장 작은 것으로 나타나 본 실험 조건의 적정 전기방사 인가전압은 8kV임을 확인하였다.
- 방사거리가 15cm이상∼25cm까지는 매끈한 표면상태의 나노섬유가 얻어졌으며, 방사거리가 증가함에 따라 나노섬유의 평균직경이 다소 증가하는 경향을 나타내었다. 또한 방사거리가 15cm일 때, 나노섬유 평균직경의 표준편차가 가장 작은 것으로 나타나, 본 실험의 전기방사 조건 중 TCD는 15cm가 적절함을 확인하였다.
- 이는 순수한 PU의 방사용액 제조시 용매로 DMF와 MEK의 혼합 용매를 사용하여 용해하고, gum상태의 향나무 추출물을 PU 방사용액에 혼합하기 용이하게 하기 위해 에탄올로 1:1 stock solution을 만들어 혼합 방사용액을 만들었기 때문에 향나무 추출물이 증가됨에 따라 에탄올의 양도 증가하게 되어 방사용액의 점도가 낮아진 것으로 보인다. 또한 향나무 추출물의 첨가량이 증가함에 따른 나노섬유 평균직경의 변화를 Fig. 7에서 살펴보면 향나무 추출물이 0.25wt%일 때, 나노섬유의 직경은 547.2nm로 나타났고, 0.5wt%가 첨가되었을 때에는 483nm, 1wt% 첨가되었을 때 나노섬유의 평균직경은 455.8nm로 나타났으며, 향나무 추출물이 1.5wt% 첨가되었을 때 나노섬유의 평균직경은 435.1nm로 나타나, 향나무 추출물의 양이 증가함에 따라 나노섬유의 평균직경은 감소하는 것으로 나타났다. 이는 향나무 추출물의 첨가량이 증가함에 따라 방사용액의 점도가 낮아져 생기는 결과로서, 방사용액의 농도가 낮으면 상대적으로 가는 섬유를 얻을 수 있으며, 일반적으로 전기방사에서 나노섬유의 직경은 고분자 용액의 농도의 제곱에 비례한다는 선행연구 결과(Demir et al.
- 방사거리가 15cm이상∼25cm까지는 매끈한 표면상태의 나노섬유가 얻어졌으며, 방사거리가 증가함에 따라 나노섬유의 평균직경이 다소 증가하는 경향을 나타내었다.
- 향나무 추출물을 함유하는 폴리우레탄 나노섬유를 제조하기 위한 전기방사의 조건 중, 방사용액의 농도 12wt%, 인가전압 8kV, TCD는 15cm일 때 나노섬유의 표면이 매끄럽고, 평균직경 편차가 가장 작은 균일한 섬유가 얻어졌다. 복합 나노섬유의 직경은 향나무 추출물의 함량이 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났는데, 추출물 함량이 0.25wt%일 때 547nm, 0.5 wt%일 때 438nm, 1 wt%일 때 456nm, 1.5wt% 일 때는 435nm로 나타났다. 향나무 추출물의 함량이 증가함에 따라 방사용액의 점도가 낮아졌으며, 그에 따라 나노섬유의 평균직경도 감소하는 경향을 나타내었다.
- 그림에서 보면 6∼12kV의 실험 인가전압 범위에서 모두 매끄러운 필라멘트상의 나노섬유가 얻어졌다. 전압이 6kV에서 나노섬유의 평균직경은 588.1nm, 표준편차는 182.1로 나타났으며, 8kV에서는 평균직경이 526.7nm, 표준편차가 79.6nm로 나타났고, 10kV에서는 나노섬유의 평균직경이 488.3nm, 표준편차가 154.8로 나타났으며, 12kV에서는 평균직경이 451.1nm, 표준편차가 113.7로 나타나 인가 전압이 커짐에 따라 나노섬유의 평균직경이 줄어드는 경향을 나타내었다. 이는 전압의 증가에 따라 토출되는 jet의 표면에 더 높은 전하밀도를 가지도록 유도하여 jet내의 높은 정전기적인 반발력을 가져와 더 가는 섬유가 얻어지도록 연신력을 크게하기 때문이라는 선행연구(Huang et al.
- 향나무 추출물을 함유한 PU 방사용액의 점도와 나노섬유의 직경을 Table 2에 나타내었다. 향나무 추출물을 각각 0.25, 0.5, 1, 1.5wt% 첨가함에 따라 향나무 추출물을 함유한 PU 방사용액의 점도는 266, 255, 226, 215cP로 낮아지는 결과를 보였다. 이는 순수한 PU의 방사용액 제조시 용매로 DMF와 MEK의 혼합 용매를 사용하여 용해하고, gum상태의 향나무 추출물을 PU 방사용액에 혼합하기 용이하게 하기 위해 에탄올로 1:1 stock solution을 만들어 혼합 방사용액을 만들었기 때문에 향나무 추출물이 증가됨에 따라 에탄올의 양도 증가하게 되어 방사용액의 점도가 낮아진 것으로 보인다.
- 향나무 추출물을 함유하는 폴리우레탄 나노섬유를 제조하기 위한 전기방사의 조건 중, 방사용액의 농도 12wt%, 인가전압 8kV, TCD는 15cm일 때 나노섬유의 표면이 매끄럽고, 평균직경 편차가 가장 작은 균일한 섬유가 얻어졌다. 복합 나노섬유의 직경은 향나무 추출물의 함량이 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났는데, 추출물 함량이 0.
- 5wt% 일 때는 435nm로 나타났다. 향나무 추출물의 함량이 증가함에 따라 방사용액의 점도가 낮아졌으며, 그에 따라 나노섬유의 평균직경도 감소하는 경향을 나타내었다. 이로써 천연 항균 물질을 포함하는 향나무 추출물 함유한 PU 나노섬유가 전기방사를 통해 얻어졌다.
후속연구
- 이로써 천연 항균 물질을 포함하는 향나무 추출물 함유한 PU 나노섬유가 전기방사를 통해 얻어졌다. 본 연구를 통해 제조된 복합 나노웹은 외과용 보호 직물, 극한환경의 방호기능 소재, 미용 마스크 및 팩 소재, 상처치유 패치 소재 1회용 속옷 등으로의 활용 가능성이 기대되며, 이를 위해서는 추후 나노웹의 FT-IR, XRD 등의 다른 특성을 포함하여, 항균성과 같은 기능성 고찰이 더 필요하다.
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