KR101258907B1 - 탄닌을 이용한 친환경 섬유 처리 방법 및 이에 의해 표면 처리된 섬유 - Google Patents

탄닌을 이용한 친환경 섬유 처리 방법 및 이에 의해 표면 처리된 섬유 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄닌을 이용함으로써, 화학 폐액이 발생하지 않는 친환경 적인 처리 방법이며, 중화 과정이나 세척 과정이 따로 필요하지 않아 처리 공정이 단순해진다. 결국 이러한 단순한 공정에 의해 물성은 종래 방법을 이용하였을 때와 비교하여 동등 이상으로 유지하는 동시에 제조비용은 현저히 절감할 수 있어 매우 경제적인 방법이다.

Description

탄닌을 이용한 친환경 섬유 처리 방법 및 이에 의해 표면 처리된 섬유{Eco-friendly Fabric Treatment Method Using Tannin and the Fabric treated by the same method}
본 발명은 탄닌을 이용한 친환경 천연섬유 처리 방법 및 이에 의해 표면 처리된 섬유에 관한 것이다.
세계적으로 환경문제에 많은 관심이 집중되면서 환경 친화적인 재료에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 플라스틱 산업에 있어서 자연친화적인 재료에 대한 관심은 매우 커지고 있다. 따라서 이 분야에서 많은 연구가 이루어지고 있는데 그 중 천연 섬유를 이용한 복합재료 분야는 이산화탄소 배출 규제로 인해 중요한 산업 분야로 대두되고 있다.
천연 섬유는 밀도가 낮고 친환경적이며 가격적인 면에서 유리한 반면 고분자 수지와의 친화성 문제로 고분자 재료의 물성 개선효과가 적다. 이에 천연 섬유의 표면 처리는 천연 섬유를 이용한 복합 소재에서 중요한 부분을 차지하고 있는 기술 분야이다.
기존의 기술들은 다음과 같은 방법을 통해 천연 섬유를 표면처리 하였다.
먼저 알칼리 처리방법이 있다. 이 방법은 수산화나트륨(NaOH)를 이용하여 적절한 농도(실험마다 다른 농도를 제시)의 수산화나트륨 수용액에 천연 섬유를 넣어 상온 혹은 가열한 상태에서 보통 수 시간 혹은 수십 시간 동안 담궈두었다. 이에 따라 천연섬유에 포함된 헤미셀룰로오즈(hemicellulose)나 리그닌(lignin)을 제거하여 천연 섬유 자체의 물성 개선과 복합화 하였을 때 물성을 개선하였다.
두 번째로 실란(Silane)처리 방법이 있다. 이 방법은 보통 유리섬유 처리법으로 많이 사용되는 방법으로서, 실란 커플링제(Silane Couplinhg Agents) 의 작용으로 셀룰로우즈에 있는 수산화기를 줄여 천연 섬유와 수지와의 친화성을 개선한 방법이다.
세 번째로 아세틸레이션(Acetylation) 처리 방법이 있다. 천연섬유에 있는 수산화기를 아세틸 작용기(CH3COO-)로 치환하여 고분자 수지와 친화성을 높이는 방법이다.
그러나 상기 기존의 방법들은 처리 방법이 비교적 복잡하며, 화학적인 폐액을 발생시키는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서 화학적 폐액 발생을 최소화 시키는 동시에 간단한 공정에 의해 천연섬유를 친환경적으로 표면처리하는 기술을 제공하는 데 그 목적이 있다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 섬유 처리 방법은, 탄닌 수용액 또는 탄닌과 C1 ~ C6 알콜 혼합액에 섬유를 침지하는 침지 단계와, 침지된 상태에서 상기 탄닌 수용액 또는 탄닌과 C1 ~ C6 알콜 혼합액을 초음파 처리 또는 진동 처리하는 단계 및 처리된 상기 섬유를 꺼내어 건조하는 건조 단계를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 탄닌 수용액에 포함된 탄닌의 농도는 0.0005 ~ 0.01 몰/L 이 될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 탄닌 수용액 또는 탄닌과 C1 내지 C6 알콜 혼합액에 섬유를 침지하는 단계는, 0℃ 내지 80℃에서 일정 시간동안 상기 섬유를 상기 탄닌 수용액 또는 탄닌과 C1 내지 C6 알콜 혼합액 내에서 침지할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 침지 내지 건조 단계들을 2회 내지 10 회 반복하여 실시할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 섬유는 양마, 대마, 아마 또는 황마 중의 적어도 하나를 재료로 포함하여 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예들은 탄닌을 이용함으로써, 화학 폐액이 발생하지 않는 친환경적인 처리 방법이며, 중화 과정이나 세척 과정이 따로 필요하지 않아 처리 공정이 단순하다.
또한, 이러한 단순한 공정에 의해 제조된 섬유의 물성은 종래 방법을 이용하였을 때와 비교하여 동등 이상으로 유지하는 동시에 제조비용은 현저히 절감할 수 있어 매우 경제적인 방법이다.
도 1은 실시예 1에서 제조한 탄닌을 처리한 섬유의 주사전자현미경(SEM)이미지이다.
도 2는 실시예 1에서 제조한 탄닌을 처리한 섬유의 주사전자현미경(SEM)이미지이다.
도 3은 비교예 1에서 제조한 알카리를 처리한 섬유의 주사전자현미경(SEM)이미지이다.
도 4는 비교예 2에서 제조한 플라즈마 처리한 섬유의 주사전자현미경(SEM)이미지이다.
도 5는 실험예에서 제조한 시편의 파단면의 주사전자현미경(SEM)이미지이다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따르는 탄닌을 이용한 친환경 천연섬유 처리 방법 및 이에 의해 표면 처리된 섬유에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명의 실시예들은 탄닌을 이용한 섬유 처리 방법에 관한 것이다.
탄닌은 식물계에서 얻을 수 있는 폴리페놀의 일종으로 감의 떫은 맛이나 와인의 떫은 맛을 내는 성분이다. 항산화물질로 알려져 있으며 물과 알콜에 쉽게 녹일 수 있다.
이하, 이러한 탄닌을 이용하여 천연 섬유의 표면을 처리하는 방법을 상세히 설명하고자 한다.
탄닌은 폴리페놀로써 천연 섬유의 대부분을 구성하고 있는 셀룰로우즈와 수소 결합을 할 수 있다.
따라서 적절한 농도의 탄닌 용액 안에서 셀룰로우즈와 결합하는 탄닌 분자는 소수성인 고분자 수지 사이에서 매개체 역할을 하여 천연 섬유와 고분자 수지의 결합력을 높일 수 있다.
즉 천연 섬유에 탄닌을 처리한 후 복합 소재화하였을 때 천연 섬유의 물성을 개선하는 효과를 볼 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 일실시예들은, 탄닌 수용액 또는 탄닌과 C1 ~ C6 알콜 혼합액에 섬유를 침지하는 단계; 침지된 상태에서 초음파 처리 또는 진동 처리 하는 단계; 및 섬유를 꺼내어 건조하는 단계;를 포함하는 섬유 처리 방법을 개시한다.
상기 탄닌 수용액 또는 알콜 혼합액은 농도가 0.0005 ~ 0.01 몰/L 인 것이 바람직하다. 농도가 0.0005 몰/L 미만일 경우 탄닌 처리 효과가 미미할 수 있고, 0.01 몰을 초과하면 천연 섬유와 고분자 수지와 결합력이 감소하는 문제가 있을 수 있다. 더욱 바람직하게는 0.001 ~ 0.005 몰/L가 될 수 있다.
또한, 상기 탄닌 수용액에 섬유를 침지시 온도는 0 ~ 80 ℃인 것이 바람직하다. 상기 범위에서 섬유에 흡착되는 탄닌양이 많아지고 흡착 속도도 빨라지기 때문이다. 더욱 바람직하게는 0 ~ 50 ℃가 될 수 있다.
또한 상기 처리 과정을 2 ~ 10 회 반복하여 실시할 수 있다. 처리 과정을 반복하여 실시하면 천연 섬유의 표면에 고르게 탄닌이 처리되어 고분자 수지와의 결합력이 상승하고 물성이 안정화되는 장점이 있다.
하지만, 상기 범위를 초과하여 실시할 시 탄닌이 너무 많이 붙어 오히려 섬유의 물성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.
상기 탄닌은 일반적으로 식물의 줄기, 잎사귀, 뿌리 등에 함유되어 있거나 과일과 야채류, 미숙한 과실과 야채류, 식물의 종자 등에 함유되어 있는 탄닌을 사용할 수 있다.
하지만, 상기 섬유도 특별히 제한되는 것은 아니나, 셀룰로오즈를 포함하고 있는 식물성 천연 섬유 및 실크와 같은 동물성 천연섬유에도 탄닌처리가 효과적이다.
구체적으로 양마, 대마, 아마, 황마 등의 마종류를 비롯하여 대나무, 파인애플 잎, 목분 등을 원재료로 하는 섬유를 사용할 수 있다.
이하, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 하나, 하기한 실시예는 본 발명을 예증하기 위한 것일 뿐, 본 발명을 제한하는 것은 아님을 이해하여만 할 것이다.
탄닌(sigma aldrich, Tannic acid; YAKURI PURE CHEMICALS, Tannic acid)의 농도가 0.001 몰/L가 되도록 물과 정량하여 혼합하였다.
그리고, 상기 탄닌 수용액에 Jute 섬유(Beximco, Jute twine)를 침지하였다. 초음파에 30분간 노출시킨 후 탄닌 수용액의 온도를 약 4 ℃로 유지시키며, 약 1시간 동안 침지하였다.
이후 섬유를 탄닌 수용액에서 꺼내어 약 90℃의 온도에서 건조하고, 앞선 단계들을 2회 이상 반복적으로 실시하였다.
상기 방법으로 탄닌 처리한 섬유의 SEM 이미지를 도 1 및 도 2에 나타내었다. 도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 천연섬유의 표면에 탄닌이 고르게 코팅되어 있는 것을 확인할 수 있다.
비교예 1 : 알칼리처리
1 몰% 농도의 수산화나트륨 수용액에 Jute 섬유(Beximco, Jute twine)를 침지하였다. 이 때 수산화 나트륨 수용액의 온도를 약 25 ℃로 유지시켰으며, 약 3 시간 동안 침지하였다.
그리고, 섬유를 수산화 나트륨 수용액에서 꺼내어 증류수로 3회 세척후, 아세트산에 침지하여 중화시켰다. 다시 증류수로 3회 세척후, 약 50 ℃의 온도에서 건조하였다. 제조한 섬유를 섬유의 SEM 이미지를 도 3에 나타난 바와 같다.
비교예 2 : 플라즈마 처리
아크릴산을 전기적으로 방전시켜 생성된 저온 플라즈마를 표면에 증착할 수 있는 플라즈마 처리 장치에 Jute 섬유(Beximco, Jute twine)를 통과시켜 섬유의 표면을 처리하였다. 제조한 섬유를 섬유의 SEM 이미지는 도 4에 나타난 바와 같다.
실험예 1 : 섬유를 이용한 복합재료의 물성 평가
상기 실시예, 비교예 1, 2의 섬유를 생분해성 수지 PLA와 블렌딩 후 사출 방법으로 시편을 준비한 후 하기 표 1의 방법으로 물성 평가하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

항목

Spec. No

상세조건

인장강도

ASTM D 638

형상: Type 1
속도 : 50mm/min

신율

굴곡강도

ASTM D 790

두께 : 6.4mmT
속도: 30mm/min

굴곡탄성율

비중

ASTM D 792

침전법

열변형온도

ASTM D 648

두께: 6.4 mmT
하중 : 0.45MPa

Izod 충격강도

ASTM D 256

두께: 6.4mmT
Pendulum: 3J


평가항목


단위


PLA

PLA + 황마 장섬유 10%

무처리

탄닌
(실시예)

알칼리
(비교예 1)

플라즈마
(비교예 2)

인장강도

MPa

59

60

79

77

74

파단신율

%

2.7

2

1.5

1.8

1.6

굴곡강도

MPa

85

90

106

108

99

굴곡탄성율

GPa

2.9

5.8

6.0

5.6

5.3

비중

-

1.2

1.27

1.29

1.28

1.28

열변형온도


56

61

61

60

59

Izod 충격강도

kgfcm/cm

3.4

1.6

3.3

3.4

3.4
상기 표 1에서도 알 수 있듯이 본 발명은 친환경적이고, 공정이 간단하면서도 생분해성 고분자 수지 PLA와 천연섬유사이의 계면 접합력을 높여 인장강도, 인장탄성율, 파단신율 등 물성이 다른 처리방법에 비하여 우수함을 확인 할 수 있어, 매우 효과적인 섬유 처리 방법임을 확인하였다.
또한 실험 후 파단면을 SEM으로 확인하여 이를 도 5에 나타내었다. 도 5에 나타나듯이 천연 섬유와 고분자 수지 간에 가는 연결이 확인되었다. 이를 통해 본 발명에서 사용한 탄닌이 고분자 수지와 천연섬유 계면의 접합력을 높이고 있다는 것을 확인할 수 있다.
상기와 같이 설명된 탄닌을 이용한 친환경 천연섬유 처리 방법 및 이에 의해 표면 처리된 섬유는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (6)

  1. 탄닌 수용액에 천연 섬유를 침지하는 단계;
    침지된 상태에서 상기 탄닌 수용액을 초음파 처리 또는 진동 처리하는 단계;
    처리된 상기 천연 섬유를 꺼내어 건조하는 단계; 및
    건조된 천연 섬유와 고분자 수지를 혼합(블렌딩)한 후 사출하는 단계를 포함하고,
    상기 탄닌 수용액에 포함된 탄닌의 농도는 0.001 몰/L 인 것을 특징으로 하는 천연섬유의 계면 접합력을 향상시킨 복합재료 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 탄닌 수용액에 천연 섬유를 침지하는 단계는,
    0℃ 내지 80℃에서 일정 시간동안 상기 천연 섬유를 상기 탄닌 수용액 내에서 침지하는 것을 특징으로 하는 천연섬유의 계면 접합력을 향상시킨 복합재료 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 침지 내지 건조 단계들을 2회 내지 10 회 반복하여 실시하는 것을 특징으로 하는 천연섬유의 계면 접합력을 향상시킨 복합재료 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 천연 섬유는 양마, 대마, 아마 또는 황마 중의 적어도 하나를 재료로 포함하는 것을 특징으로 하는 천연섬유의 계면 접합력을 향상시킨 복합재료 제조방법.
  6. 삭제
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