[논문]전자 빔을 이용한 폴리프로필렌 섬유의 PVP 하이드로젤 코팅

이지은; 곽효빈; 이용표; 김경민; 임정혁

doi:10.17702/jai.2019.20.2.66

전자 빔을 이용한 폴리프로필렌 섬유의 PVP 하이드로젤 코팅
PVP Hydrogel Coatings on Polypropylene Fibers using E-beam Irradiation 원문보기

접착 및 계면 = Journal of adhesion and interface, v.20 no.2, 2019년, pp.66 - 70

이지은 (한국교통대학교 나노고분자공학과) , 곽효빈 (한국교통대학교 나노고분자공학과) , 이용표 (한국교통대학교 나노고분자공학과) , 김경민 (한국교통대학교 나노고분자공학과) , 임정혁 (한국교통대학교 나노고분자공학과)

초록
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소수성 폴리프로필렌 섬유의 표면을 상압 플라즈마 공정을 이용하여 표면처리하였다. 친수성으로 개질된 섬유를 수용성 폴리비닐프롤리돈 (poly(N-vinylpyrrolidone, PVP) 코팅액에 딥코팅하여 PVP 막을 형성하였다. 섬유 표면에 코팅된 PVP 막은 15 kGy 선량의 전자 빔 조사를 통해 가교되어, 폴리프로필렌 섬유의 표면이 PVP 하이드로젤로 균일하게 코팅된 것을 확인하였다. PVP 하이드로젤 코팅막의 두께는 코팅액의 농도를 조절하여 제어할 수 있었다. 단계적인 표면처리, PVP 코팅, 그리고 하이드로젤 막의 형성에 따른 특성은 접촉각, 전자현미경, 광학현미경 등을 통해 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The surface of hydrophobic polypropylene (PP) fibers (spun-bonded fabric) was treated by an atmospheric plasma treatment method. These pre-treated hydrophilic PP fabrics were dip-coated in the aqueous poly(N-vinyl pyrrolidone) (PVP) solution. PVP layers on the surface of PP fiber were crosslinked by an irradiation of electron beam. The thickness of PVP hydrogels coated on the surface was easily controlled by changing the concentration of PVP in coating solution. The stepwise surface treatment, PVP coating, and hydrogel formation via electron beam irradiation were analyzed by the measurement of contact angle, scanning electron microscopy, and optical microscopy.

주제어

표/그림 (7)

그림 Figure 1. Comparison of contact angle at various surface-treatment time.
그림 Figure 2. SEM micrographs of PP fiber surface: (a) bare, (b) plasma treated, (c) PVP coated on bare PP, (d) PVP coated on plasma treated PP.
그림 Figure 3. SEM micrographs of PVP-coated PP fibers: (a) bare, (b) 0.5 wt(%) PVP solution, (c) 1 wt(%) PVP solution, (d) 2 wt(%) PVP solution, (e) 3 wt(%) PVP solution.
그림 Figure 4. SEM micrographs of (a) bare and (b) PVP hydrogel coated PP fibers.
그림 Figure 5. Thickness changes of PP fiber with various concentrations of PVP solution.
그림 Figure 6. Photographs of water droplet at 80% relative humidity on (a) bare PP after 1h, (b) bare PP after 14 h, (c) PVP hydrogel coated PP after 1h, (d) PVP hydrogel coated PP after 5h, (e) PVP hydrogel coated PP after 24 h.
그림 Figure 7. Optical microscope images of (a) bare PP fiber and (b) PVP hydrogel coated PP fiber.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 PP섬유의 표면을 상압 플라즈마로 전처리하여 PVP 고분자로 코팅하고, 전자 빔 (electron beam)을 조사하여 PVP 하이드로젤이 균일하게 코팅된 PP섬유를 제조하는 것이다.

제안 방법

30 W에서 각각 10초, 50초, 그리고 100초 동안 플라즈마 처리한 폴리프로필렌 섬유의 접촉각을 측정하고 48 시간 동안의 변화를 관찰한 결과를 Fig. 1에 나타내었다.
30W의 출력에서 100초 동안 플라즈마 전처리된 폴리프로필렌 섬유 시료들을 각각 PVP 0.5, 1, 2, 3 wt(%) 수용액에 넣어 코팅/건조한 후, 15 kGy의 전자 빔에 노출하여 표면에 코팅된 PVP 고분자의 가교반응을 수행 하였다. Fig.
폴리프로필렌 섬유의 PVP 코팅에 따른 표면구조 변화는 현미경 (HRM-300 Series, 휴비츠, 한국)과 주사전자현미경 (scanning electron microscopy, SEM, JSM-6700, JEOL, Japan)을 이용하여 측정하였다. PVP 코팅에 따른 두께 변화를 관찰하기 위해, SEM 이미지의 폴리프로필렌 섬유 10개를 선택 하여 두께를 측정하여 평균값을 취하였다.
플라즈마 처리 전후의 시료에 대한 표면특성은 접촉각 측정기 (Phoenix 150/300, KROMTEK)를 통하여 기초분석을 수행하였다. 또한, 전자 빔 조사를 통하여 가교된 PVP 하이드로젤 코팅막을 형성한 시료의 특성 분석을 위하여, 80% 상대습도 조건에서 시간에 따른 접촉각 변화를 관찰하였다. 폴리프로필렌 섬유의 PVP 코팅에 따른 표면구조 변화는 현미경 (HRM-300 Series, 휴비츠, 한국)과 주사전자현미경 (scanning electron microscopy, SEM, JSM-6700, JEOL, Japan)을 이용하여 측정하였다.
폴리프로필렌 섬유는 전형적인 소수성 표면을 가지 므로 수용성 PVP 물질로 코팅하기 위해서는 표면의 전처리 공정이 필수적이다. 본 연구에서 사용한 상압 플라즈마 표면처리는 플라즈마의 출력과 반응 시간을 조절할 수 있으며, 40 W 이상의 출력에서는 시료의 손상이 관찰되었기 때문에 출력을 30 W로 고정하고 시간의 변화를 통해 표면처리 조건을 결정하였다. 플라즈마 처리를 통해 친수성이 부여된 표면은 시간이 지남에 따라 원래의 소수성 표면으로 되돌아가려는 경향이 있다.
본 연구에서는 플라즈마 처리 시간이 100초인 경우 48 시간이 지나도 접촉각이 70^o 이내로 친수성 표면 특성을 유지하고 있다고 판단하여 플라즈마 처리 조건을 30W, 100초로 고정하였다. 만약 플라즈마 처리 시간을 늘려 접촉각을 더 낮추면 PVP 코팅막의 계면접착력이 다소 증가 되기는 하나, PVP 코팅막의 실제 접착 안정성은 다음 공정의 전자 빔 가교를 통하여 충분히 확보되기 때문이다.
소수성 폴리프로필렌 섬유를 친수성 PVP 하이드로젤 고분자로 코팅하는 과정을 고찰하였다. PVP 코팅액의 접착 특성을 향상시키기 위해 폴리프로필렌 섬유의 표면을 30 W에서 100초 동안 플라즈마 처리한 후 PVP 를 균일하게 코팅할 수 있었다.
또한, 전자 빔 조사를 통하여 가교된 PVP 하이드로젤 코팅막을 형성한 시료의 특성 분석을 위하여, 80% 상대습도 조건에서 시간에 따른 접촉각 변화를 관찰하였다. 폴리프로필렌 섬유의 PVP 코팅에 따른 표면구조 변화는 현미경 (HRM-300 Series, 휴비츠, 한국)과 주사전자현미경 (scanning electron microscopy, SEM, JSM-6700, JEOL, Japan)을 이용하여 측정하였다. PVP 코팅에 따른 두께 변화를 관찰하기 위해, SEM 이미지의 폴리프로필렌 섬유 10개를 선택 하여 두께를 측정하여 평균값을 취하였다.
폴리프로필렌 섬유의 소수성 표면을 친수성으로 개질하기 위하여 최대 출력 300 W, 처리 폭 100 mm ⨯ 250 mm인 상압플라즈마 처리장치 (MYPL 100 ㈜에이 피피)를 사용하였다. 플라즈마 처리를 하기 전에 산소 가스의 유입량은 15 L/min, 질소가스는 5 L/min로 설정한 뒤 30W의 출력량에서 폴리프로필렌 섬유 부직포를 2 cm ⨯ 1 cm로 절단하여 각각 플라즈마 처리시간을 달리하여 실험하였다.
폴리프로필렌 표면에 형성된 PVP 하이드로젤 코팅 막의 스웰링된 모습을 관찰하기 위해 광학현미경(500 magnification, dark field)을 이용하여 섬유 이미지를 측정하였고 그 결과를 Fig. 7에 나타내었다. Bare 섬유 (Fig.
플라즈마 처리 전후의 시료에 대한 표면특성은 접촉각 측정기 (Phoenix 150/300, KROMTEK)를 통하여 기초분석을 수행하였다. 또한, 전자 빔 조사를 통하여 가교된 PVP 하이드로젤 코팅막을 형성한 시료의 특성 분석을 위하여, 80% 상대습도 조건에서 시간에 따른 접촉각 변화를 관찰하였다.
폴리프로필렌 섬유의 소수성 표면을 친수성으로 개질하기 위하여 최대 출력 300 W, 처리 폭 100 mm ⨯ 250 mm인 상압플라즈마 처리장치 (MYPL 100 ㈜에이 피피)를 사용하였다. 플라즈마 처리를 하기 전에 산소 가스의 유입량은 15 L/min, 질소가스는 5 L/min로 설정한 뒤 30W의 출력량에서 폴리프로필렌 섬유 부직포를 2 cm ⨯ 1 cm로 절단하여 각각 플라즈마 처리시간을 달리하여 실험하였다.

대상 데이터

사용된 폴리프로필렌 섬유는 중량 15g/m² , 두께 0.21 mm의 스펀본드 부직포 (spun-bonded fabric) (Item # PPN015H1, ㈜한국부직포테크)를 사용하였다. 폴리프 로필렌 섬유의 코팅제는 전자 빔 조사를 통하여 가교 반응이 가능한 360,000 g/mol의 평균분자량을 갖는 폴리 비닐피롤리돈 (polyvinylpyrrolidone, PVP) (Sigma-aldrich) 을 사용하였다.
21 mm의 스펀본드 부직포 (spun-bonded fabric) (Item # PPN015H1, ㈜한국부직포테크)를 사용하였다. 폴리프 로필렌 섬유의 코팅제는 전자 빔 조사를 통하여 가교 반응이 가능한 360,000 g/mol의 평균분자량을 갖는 폴리 비닐피롤리돈 (polyvinylpyrrolidone, PVP) (Sigma-aldrich) 을 사용하였다. PVP 용액을 제조하기 위한 용매는 3차증류수를 사용하였다.

성능/효과

PVP 코팅액의 접착 특성을 향상시키기 위해 폴리프로필렌 섬유의 표면을 30 W에서 100초 동안 플라즈마 처리한 후 PVP 를 균일하게 코팅할 수 있었다. PVP로 코팅된 폴리프 로필렌 섬유는 15 kGy의 선량으로 전자 빔을 조사하여 PVP를 가교시킬 수 있었으며 PVP 하이드로젤막이 형성된 것을 PVP 코팅막의 스웰링 특성을 관찰하여 확인할 수 있었다. 또한, PVP 코팅액의 농도를 조절하여 폴리프로필렌 표면의 코팅 두께를 나노미터 수준부터 마이크로미터 수준까지 조절할 수 있음을 알 수 있었다.
PVP로 코팅된 폴리프 로필렌 섬유는 15 kGy의 선량으로 전자 빔을 조사하여 PVP를 가교시킬 수 있었으며 PVP 하이드로젤막이 형성된 것을 PVP 코팅막의 스웰링 특성을 관찰하여 확인할 수 있었다. 또한, PVP 코팅액의 농도를 조절하여 폴리프로필렌 표면의 코팅 두께를 나노미터 수준부터 마이크로미터 수준까지 조절할 수 있음을 알 수 있었다. PVP는 전형적인 생체적합 생분해성 고분자로, 본 연구 결과는 의료, 미용, 필터 등의 다양한 산업 및 환경 분야에 활용될 수 있다.
로 낮아지는 결과를 보였다. 또한, 플라즈마 처리 후 각각 5시간, 24시간, 48시간 후에 재측정한 결과 모든 시료에 대하여 접촉각이 다시 빠르게 증가하는 경향이 관찰되었다.
본실험에서 설정한 PVP 코팅액 농도 조건 (∼3 wt(%))에서 모두 폴리프로필렌 개별 섬유의 코팅이 가능하다는 것을 알 수 있다.
플라즈마로 표면을 처리하지 않은 폴리프로필렌 섬유 부직포는 전형적인 소수성 특성을 보이는 130^o 정도의 접촉각을 보였으며, 플라즈마 접촉 시간이 10초와 50초로 증가함에 따라 각각 97^o 와 80^o 로 감소하여 친수 성을 보이기 시작하고, 100초인 경우 초순수성 특성을 보이는 0^o 로 낮아지는 결과를 보였다. 또한, 플라즈마 처리 후 각각 5시간, 24시간, 48시간 후에 재측정한 결과 모든 시료에 대하여 접촉각이 다시 빠르게 증가하는 경향이 관찰되었다.

후속연구

본 연구에서는 PP섬유의 표면을 상압 플라즈마로 전처리하여 PVP 고분자로 코팅하고, 전자 빔 (electron beam)을 조사하여 PVP 하이드로젤이 균일하게 코팅된 PP섬유를 제조하는 것이다. PVP 하이드로젤로 코팅된 PP섬유는 친수성을 가지며 생체적합적인 막으로 인하여, 의료나 미용 산업뿐만 아니라 다양한 환경 산업에 서의 필터나 미세먼지 제거용 마스크 분야 등에도 활용이 가능할 것으로 판단된다.
또한, PVP 코팅액의 농도를 조절하여 폴리프로필렌 표면의 코팅 두께를 나노미터 수준부터 마이크로미터 수준까지 조절할 수 있음을 알 수 있었다. PVP는 전형적인 생체적합 생분해성 고분자로, 본 연구 결과는 의료, 미용, 필터 등의 다양한 산업 및 환경 분야에 활용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폴리프로필렌이란 무엇인가?	대표적 열가소성 수지인 폴리프로필렌 (Polypropylene, PP)은 인장, 충격, 표면 강도가 우수하고 내약품성이 좋아 필름, 섬유, 전기부품, 등의 산업 및 생활 소재의 원료로 폭넓게 사용되고 있다[1,2]. 특히, 멜트블로운 (Melt blown)법이나 스펀본드 (Spun bonded)법 등으로 만들어진 PP섬유 부직포는 유연성, 통기성, 경제성 등이 우수 하여 정밀여과, 흡수, 필터 분야의 산업에서 기본소재로 크게 발전되어 왔다[3,4].
	PP섬유 부직포의 장점은 무엇인가?	대표적 열가소성 수지인 폴리프로필렌 (Polypropylene, PP)은 인장, 충격, 표면 강도가 우수하고 내약품성이 좋아 필름, 섬유, 전기부품, 등의 산업 및 생활 소재의 원료로 폭넓게 사용되고 있다[1,2]. 특히, 멜트블로운 (Melt blown)법이나 스펀본드 (Spun bonded)법 등으로 만들어진 PP섬유 부직포는 유연성, 통기성, 경제성 등이 우수 하여 정밀여과, 흡수, 필터 분야의 산업에서 기본소재로 크게 발전되어 왔다[3,4]. 그러나, 이러한 우수한 물성의 장점 이면에는 섬유 표면의 소수성으로 인하여 공기나 물에 대한 흡수성, 젖음성, 투과성 등이 요구되는 산업 분야에는 본 소재의 적용이 제약을 받아왔다.
	PP섬유 부직포의 우수한 물성에도 불구하고 다른 분야에 제약을 받은 이유는 무엇인가?	특히, 멜트블로운 (Melt blown)법이나 스펀본드 (Spun bonded)법 등으로 만들어진 PP섬유 부직포는 유연성, 통기성, 경제성 등이 우수 하여 정밀여과, 흡수, 필터 분야의 산업에서 기본소재로 크게 발전되어 왔다[3,4]. 그러나, 이러한 우수한 물성의 장점 이면에는 섬유 표면의 소수성으로 인하여 공기나 물에 대한 흡수성, 젖음성, 투과성 등이 요구되는 산업 분야에는 본 소재의 적용이 제약을 받아왔다.

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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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