KR102015819B1 - Hydrophobic Composition Containing Zinc Oxide Adsorption Layer And Preparation Method Thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산화아연 흡착층을 포함하는 소수성 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상기 복합체는 수열합성법으로 제조되어 비교적 낮은 온도에서도 용이하게 제조가 가능하여 공정성이 향상되고, 초소수성 특성을 만족함으로써 유기용매와 물의 분리 효과가 뛰어나며, 자가 세척 능력이 우수하다.The present invention relates to a hydrophobic composite including a zinc oxide adsorption layer and a method for producing the composite, and the composite is prepared by hydrothermal synthesis, which enables easy manufacture even at a relatively low temperature, thereby improving processability and satisfying superhydrophobic characteristics. Excellent separation effect of solvent and water, excellent self-cleaning ability.
Description
본 발명은 산화아연 흡착층을 포함하는 소수성 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a hydrophobic composite comprising a zinc oxide adsorption layer and a method for producing the same.
현재 유기용매와 물을 분리하기 위한 다양한 초소수성 물질이 개발되고 있는데, 그중 하나인 고밀도 실리콘 나노 필라멘트 층을 갖는 PMIA/SiO2막은 경질유(카놀라유) 및 중유(사염화탄소 CCl4)로부터 물을 분리하는 역할을 한다. 대부분의 초소수성 필터지의 제조는 콜로이드의 증착을 통해 개발되었다. 물로부터 디젤을 분리하기 위해 수열방법을 통해 초소수성 구리 메쉬필터가 제조되었으며, 최근에는 분리막을 제조하기 위해 구리나 스테인리스강 메쉬와 같은 경질 기질을 이용한 연구가 진행되고 있다. Various superhydrophobic materials are currently being developed to separate organic solvents and water, one of which is a PMIA / SiO 2 membrane having a high density silicon nanofilament layer, which separates water from light oil (canola oil) and heavy oil (carbon tetrachloride CCl 4 ). Do it. Most superhydrophobic filter papers have been developed through the deposition of colloids. Superhydrophobic copper mesh filters have been manufactured by hydrothermal methods to separate diesel from water, and recently, studies using hard substrates such as copper or stainless steel mesh have been conducted to prepare membranes.
한편, 면직물(cotton fabric)은 흡수율이 매우 높은 다공성의 거칠고 유연한 친수성 표면으로 잘 알려져 있다. 면직물은 부드럽고, 유연하며 가벼운 특성 때문에 실제로 구리 또는 스테인리스강 같은 단단한 기재에 비해 응용 프로그램의 설계가 용이하지만, 면직물은 물과 다른 유기용매를 강하게 흡수할 수 있기 때문에 유기용매와 물을 분리하는데 사용할 수 없는 문제점이 있다. 따라서, 면직물의 선택성 및 습윤성을 제어하기 위한 신중한 화학적 개질이 요구되고 있다. 섬유의 습윤성에 기반을 둔 cassie- baxter 상태에 따르면, 물방울은 초소수성을 유지하기 위해 섬유 표면의 나노홈을 채우지 않고, 구형을 형성하며 마이크로/나노 구조화된 섬유 표면에 존재한다. Cotton fabrics, on the other hand, are well known for their porous, rough and flexible hydrophilic surfaces with very high absorption. Cotton fabrics are actually easier to design for applications than rigid substrates such as copper or stainless steel because of their soft, flexible, and lightweight properties, but cotton fabrics can be used to separate organic and water solvents because they can strongly absorb water and other organic solvents. There is no problem. Therefore, careful chemical modification is required to control the selectivity and wettability of cotton fabrics. According to the cassie-baxter state, which is based on the wettability of the fibers, water droplets do not fill the nanogrooves of the fiber surface to maintain superhydrophobicity, but form spheres and exist on the micro / nano structured fiber surface.
그러나, 이러한 직물상의 초소수성 물질은 화학적 처리에 시간이 많이 소요되고, 안정성, 선택도 및 재사용 가능성이 낮으며, 대규모 제조가 제한되기 때문에 잠재적인 응용 분야에 제약을 가지고 있어, 초소수성 필터를 제조하기 위한 면직물 또는 면섬유를 이용한 연구는 미미한 실정이다.However, these hydrophobic materials on fabrics have time-consuming chemical treatments, are low in stability, selectivity and reusability, and have limited potential applications because of their large scale manufacturing limitations. Research using cotton fabrics or cotton fibers to the state is insignificant.
다른 한편으로 소수성 표면을 만들기 위한 기능성 물질로서의 산화아연(ZnO)의 사용이 보고되고 있다. 산화아연은 생체 적합성, 생분해성 및 생물 안정성을 지닌 것으로 잘 알려져 있으며, 표면구조 개발의 용이성으로 인해 습윤성의 제어가 더욱 향상될 것으로 예상되고 있다. 산화아연은 또한 6각형(hexagonal) 결정구조, 울츠광(wurtize) 결정구조, 막대(rod) 결정구조, 기둥(pillar) 결정구조, 선형(wire) 결정구조, 벨트 결정구조, 플레이크(flake) 결정구조, 꽃형태(flower-like) 결정구조 등과 같은 유형의 다양한 구조를 가지고 있다. 이러한 잘 알려진 산화아연의 미세구조 또는 나노구조를 사용함으로써, 원래의 표면 거칠기 및 표면 에너지의 변화로 인해 수 접촉각(WCA)이 향상될 수 있다. On the other hand, the use of zinc oxide (ZnO) as a functional material for making hydrophobic surfaces has been reported. Zinc oxide is well known for its biocompatibility, biodegradability and biostability, and it is expected that the control of wettability will be further improved due to the ease of surface structure development. Zinc oxide is also used for hexagonal crystal structure, wurtzize crystal structure, rod crystal structure, pillar crystal structure, wire crystal structure, belt crystal structure, flake crystal It has various types of structures such as structure, flower-like crystal structure. By using such well-known zinc oxide microstructures or nanostructures, the water contact angle (WCA) can be improved due to changes in original surface roughness and surface energy.
그러나, 종래의 산화아연의 합성은 400℃이상의 고온의 조건에서 수행된다는 점에서 공정성이 저하되는 문제점이 있었다.However, the conventional synthesis of zinc oxide has a problem that the processability is lowered in that it is carried out under high temperature conditions of 400 ℃ or more.
따라서, 면직물과 산화아연을 이용하여 비교적 저온의 조건에서도 용이하게 제조되며, 부드럽고 유연하며 초소수성 특성을 갖고, 유기용매와 물을 효과적으로 분리 가능한 복합체의 개발이 요구되고 있다.Therefore, there is a need for the development of a composite using cotton fabric and zinc oxide, which is easily manufactured even under relatively low temperature conditions, has a soft, flexible, superhydrophobic characteristic, and is capable of effectively separating an organic solvent and water.
본 발명의 목적은 유연성 및 경량성이 뛰어나고, 초소수성 특성을 가지며, 유기용매와 물을 효과적으로 분리 가능하고, 자가 세척이 용이한 복합체 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a composite having excellent flexibility and light weight, having a superhydrophobic property, effectively separating an organic solvent and water, and being easy to self-clean, and a preparation method thereof.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 섬유; 및 상기 섬유 표면에 하나 이상의 산화아연 입자를 포함하는 흡착층을 포함하고, 상기 산화아연 입자는 판상형이며 평균 직경이 0.1㎛ 내지 10㎛인 것을 특징으로 하는 복합체를 제공한다.The present invention to solve the above problems, fibers; And an adsorption layer comprising at least one zinc oxide particle on the surface of the fiber, wherein the zinc oxide particle has a plate shape and has an average diameter of 0.1 μm to 10 μm.
또한, 본 발명은 제1 산화아연 전구체 및 아민 화합물을 포함하는 제1 혼합액에 섬유를 담궈 섬유에 제1 산화아연 전구체를 함침시키는 단계; 및 제1 산화아연 전구체가 함침된 섬유를, 제2 산화아연 전구체 및 아민 화합물을 포함하는 제2 혼합액에서 열처리하여 섬유 표면에 하나 이상의 산화아연 입자를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 산화아연 입자는 판상형이며, 평균 직경이 0.1㎛ 내지 10㎛인 것을 특징으로 하는 복합체의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of immersing the fiber in a first liquid mixture containing a first zinc oxide precursor and an amine compound to impregnate the first zinc oxide precursor in the fiber; And heat treating the fiber impregnated with the first zinc oxide precursor in a second liquid mixture including the second zinc oxide precursor and the amine compound to form one or more zinc oxide particles on the surface of the fiber. It is plate-shaped and provides the manufacturing method of the composite characterized by the average diameter being 0.1 micrometer-10 micrometers.
본 발명에 따른 복합체는, 수열합성법으로 제조되어 비교적 낮은 온도에서도 용이하게 제조가 가능하여 공정성이 향상되고, 초소수성 특성을 만족함으로써 유기용매와 물의 분리 효과가 뛰어나며, 자가 세척 능력이 우수하다.The composite according to the present invention is prepared by the hydrothermal synthesis method can be easily manufactured even at a relatively low temperature to improve the processability, by satisfying the superhydrophobic characteristics, excellent separation effect of the organic solvent and water, and excellent self-cleaning ability.
도 1은 실시예 1에 따른 복합체의 제조과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 산화아연 흡착층을 형성하지 않은 면직물(2-a) 및 실시예 1에 따른 복합체(2-b 내지 2-d)의 FE-SEM 사진이다.
도 3은 산화아연 흡착층을 형성하지 않은 면직물(Original cotton)과 실시예 1에 따른 복합체(ZnO-cotton)의 XRD 패턴을 나타낸 것이다.
도 4는 산화아연 흡착층을 형성하지 않은 면직물(Original cotton fabric)과 실시예 1에 따른 복합체(ZnO-coated cotton fabric)의 공초점 분석 결과이다.
도 5는 산화아연 흡착층을 형성하지 않은 면직물(Original cotton)과 실시예 1에 따른 복합체(ZnO-cotton)의 XPS 분석 결과이다.
도 6은 실시예 1에 따른 복합체의 정적 접촉각 측정 결과이다.
도 7은 실시예 1에 따른 복합체 및 비교예 1에 따른 면직물의 메틸렌 오렌지 염료에 대한 자가 세척 특성 평가 결과를 보여주는 사진이다.
도 8는 실시예 1에 따른 복합체 및 비교예 1에 따른 면직물의 친수성 그래핀 산화물(GO) 가루에 대한 자가 세척 특성 평가 결과를 보여주는 사진이다.
도 9은 실시예 1에 따른 복합체 및 비교예 1에 따른 면직물의 헥산과 물 분리 특성 평가 결과를 나타낸 사진이다.
도 10은 실시예 1에 따른 복합체의 유기용매와 물의 분리 횟수에 따른 분리 효율을 보여주는 UV-Vis 분석 결과이다.
도 11는 실시예 1에 따른 복합체의 유기용매와 물의 분리 횟수에 따른 분리 효율을 보여주는 그래프이다.Figure 1 schematically shows the manufacturing process of the composite according to Example 1.
Figure 2 is a FE-SEM picture of the cotton fabric (2-a) does not form a zinc oxide adsorption layer and the composite (2-b to 2-d) according to Example 1.
Figure 3 shows the XRD pattern of the original cotton and the composite (ZnO-cotton) according to Example 1 did not form a zinc oxide adsorption layer.
4 is a result of confocal analysis of a cotton fabric (ZnO-coated cotton fabric) according to Example 1 and an original cotton fabric that does not form a zinc oxide adsorption layer.
FIG. 5 is an XPS analysis result of a cotton fabric (ZnO-cotton) according to Example 1 and an original cotton without forming a zinc oxide adsorption layer.
6 is a result of measuring the static contact angle of the composite according to Example 1.
7 is a photograph showing the results of evaluating the self-cleaning properties of the methylene orange dye of the composite according to Example 1 and cotton fabric according to Comparative Example 1.
8 is a photograph showing the results of evaluating the self-cleaning characteristics of the composite according to Example 1 and the hydrophilic graphene oxide (GO) powder of the cotton fabric according to Comparative Example 1.
9 is a photograph showing the evaluation results of the hexane and water separation characteristics of the composite according to Example 1 and cotton fabric according to Comparative Example 1.
10 is a UV-Vis analysis result showing the separation efficiency according to the number of separation of the organic solvent and water of the composite according to Example 1.
11 is a graph showing the separation efficiency according to the number of separation of the organic solvent and water of the composite according to Example 1.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.As the invention allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the present invention, the terms "comprises" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.
또한, 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.In addition, it is to be understood that the accompanying drawings in the present invention are shown to be enlarged or reduced for convenience of description.
이하, 본 발명에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, and the same or corresponding components will be given the same reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant description thereof will be omitted.
종래의 유기용매와 물을 분리하기 위한 초소수성 필터로 구리 또는 스테인리스강 메쉬와 같은 경질 기질을 이용한 분리막이 개발되고 있는데, 상기 구리 또는 스테인리스강 메쉬와 같은 경질 기질을 이용한 분리막은 단단하고, 유연성이 떨어져 다양한 분야에 응용하기 어려운 문제점이 있었다.As a conventional superhydrophobic filter for separating water from an organic solvent, a separator using a hard substrate such as a copper or stainless steel mesh has been developed. A separator using a hard substrate such as a copper or stainless steel mesh is hard and flexible. There were problems that were difficult to apply to a variety of fields.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유연하고 부드러운 섬유상에 산화아연 입자를 흡착시켜 초소수성 특성을 만족시키면서 다양한 분야에 응용이 가능한 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention is to solve the above problems, and relates to a composite and a method of manufacturing the same that can be applied to a variety of fields while satisfying the superhydrophobic characteristics by adsorbing zinc oxide particles on a flexible and soft fiber.
이하, 본 발명에 따른 복합체를 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the composite according to the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 복합체는 섬유; 및 상기 섬유 표면에 하나 이상의 산화아연 입자를 포함하는 흡착층을 포함하고, 상기 산화아연 입자는 판상형이며 평균 직경이 0.1㎛ 내지 10 ㎛이다.The composite according to the present invention is a fiber; And an adsorption layer comprising one or more zinc oxide particles on the fiber surface, wherein the zinc oxide particles are plate-shaped and have an average diameter of 0.1 μm to 10 μm.
본 발명에서 '흡착층'이란 하나 이상의 산화아연 입자가 섬유 표면에 흡착되어 섬유 표면을 80%이상 덮고 있는 층을 의미할 수 이다. 구체적으로 상기 흡착층은 산화아연 입자가 섬유 표면의 면적을 기준으로 80% 이상, 80% 내지 100%, 90% 내지 100% 혹은 95% 내지 99% 흡착되어 있는 구조일 수 있다.In the present invention, the 'adsorption layer' may mean a layer in which one or more zinc oxide particles are adsorbed on the surface of the fiber to cover the fiber surface by 80% or more. Specifically, the adsorption layer may have a structure in which zinc oxide particles are adsorbed at least 80%, 80% to 100%, 90% to 100%, or 95% to 99% based on the area of the fiber surface.
상기 산화아연 입자는 도 2-d에서 보는 바와 같이 판상형으로 섬유 표면에 흡착되어 있을 수 있다. 구체적으로 상기 산화아연 입자의 평균 직경은 0.2㎛ 내지 8㎛, 0.3㎛ 내지 5㎛, 0.4㎛ 내지 3㎛, 0.5㎛ 내지 2.8㎛, 0.55㎛ 내지 2.5㎛, 0.6㎛ 내지 2.3㎛, 0.65㎛ 내지 2㎛, 혹은 0.8㎛ 내지 1.5㎛일 수 있다. 산화아연 흡착층을 형성하는 산화아연 입자의 평균 직경이 상기 범위일 경우, 복합체가 초소수성 특성을 갖는데 용이하다.The zinc oxide particles may be adsorbed on the surface of the fiber in a plate shape as shown in FIG. Specifically, the average diameter of the zinc oxide particles is 0.2 μm to 8 μm, 0.3 μm to 5 μm, 0.4 μm to 3 μm, 0.5 μm to 2.8 μm, 0.55 μm to 2.5 μm, 0.6 μm to 2.3 μm, 0.65 μm to 2 Μm, or 0.8 μm to 1.5 μm. When the average diameter of the zinc oxide particles forming the zinc oxide adsorption layer is in the above range, it is easy for the composite to have superhydrophobic properties.
상기 섬유는 셀룰로오스계 섬유, 레이온 섬유, 나일론, 아라미드, 폴리에스테르 및 폴리프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으며, 구체적으로 상기 섬유는 셀룰로오스계 섬유일 수 있으며, 더욱 구체적으로 면섬유 일 수 있다. 또한, 상기 섬유는 면직물, 페브릭 또는 텍스타일을 포괄하는 의미일 수 있다.The fiber may include at least one selected from the group consisting of cellulose fiber, rayon fiber, nylon, aramid, polyester, and polypropylene, specifically, the fiber may be a cellulose fiber, and more specifically, cotton fiber. Can be. In addition, the fiber may be meant to encompass cotton, fabric or textiles.
본 발명에 따른 복합체는 수 접촉각이 150°이상일 수 있다. 구체적으로 상기 수 접촉각(water contact angle, WCA)은 정적 접촉각(static contact angle)을 의미하는 것일 수 있다. 하나의 예로서, 5㎕의 물방울을 이용한 스마트 드롭 접촉각 시스템을 이용하여 수행하였을 때, 수 접촙각이 150°내지 170°, 150.5° 내지 165°, 150.8° 내지 160°, 151° 내지 155°, 151±3° 혹은 151°일 수 있다.The composite according to the invention may have a water contact angle of at least 150 °. In more detail, the water contact angle WCA may mean a static contact angle. As an example, when performed using a smart drop contact angle system using 5 μl of water droplets, the water contact angle is 150 ° to 170 °, 150.5 ° to 165 °, 150.8 ° to 160 °, 151 ° to 155 °, It can be 151 ± 3 ° or 151 °.
본 발명에 따른 복합체는 슬라이딩 각이 10°이하일 수 있다. 상기 슬라이딩 각은 슬라이딩 접촉각(sliding contact angle, sliding CA)을 의미하는 것일 수 있다. 하나의 예로서, 5㎕의 물방울을 이용한 스마트 드롭 접촉각 시스템을 이용하여 수행하였을 때, 슬라이딩 접촙각이 1° 내지 10°, 2°내지 9.8°, 3° 내지 9.5°, 4° 내지 9.3°, 5° 내지 9.2°, 6° 내지 9.1°, 9±3°, 9±2°, 9±1° 혹은 9°일 수 있다.The composite according to the present invention may have a sliding angle of 10 ° or less. The sliding angle may mean a sliding contact angle (sliding CA). As an example, when performed using a smart drop contact angle system using 5 μl of water droplets, the sliding approach angles range from 1 ° to 10 °, 2 ° to 9.8 °, 3 ° to 9.5 °, 4 ° to 9.3 °, 5 ° to 9.2 °, 6 ° to 9.1 °, 9 ± 3 °, 9 ± 2 °, 9 ± 1 ° or 9 °.
본 발명에 따른 복합체는 정적 접촉각 및 슬라이딩 접촉각이 상기 범위를 만족함으로써 초소수성 특성을 만족하게 된다.In the composite according to the present invention, the static contact angle and the sliding contact angle satisfy the above range, thereby satisfying the superhydrophobic property.
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본 발명에 따른 흡착층은 평균 두께가 1㎛ 내지 50㎛일 수 있다. 구체적으로 상기 흡착층의 평균 두께는, 1.5㎛ 내지 40㎛, 2㎛ 내지 35㎛, 2.5㎛ 내지 30㎛, 3㎛ 내지 25㎛, 3.5㎛ 내지 20㎛, 4㎛ 내지 15㎛, 4.5㎛ 내지 10㎛, 5㎛ 내지 8㎛, 10㎛ 내지 30㎛ 혹은 15㎛ 내지 25㎛ 일 수 있다.The adsorption layer according to the present invention may have an average thickness of 1 μm to 50 μm. Specifically, the average thickness of the adsorption layer is 1.5 μm to 40 μm, 2 μm to 35 μm, 2.5 μm to 30 μm, 3 μm to 25 μm, 3.5 μm to 20 μm, 4 μm to 15 μm, 4.5 μm to 10 μm. Micrometers, 5 μm to 8 μm, 10 μm to 30 μm, or 15 μm to 25 μm.
상기 복합체는 X선 광전자 분석 시, 532±1 eV, 290.5±1 eV 및 284.0±1 eV의 에너지 결합을 갖는 피크를 포함하고, 하기 식 1의 조건을 만족할 수 있다.The complex may include peaks having energy bonds of 532 ± 1 eV, 290.5 ± 1 eV, and 284.0 ± 1 eV in X-ray photoelectron analysis, and may satisfy the
[식 1][Equation 1]
0.1≤ CC/CO ≤ 10.1≤ CC / CO ≤ 1
식 1에서,In
CC는 탄소(C)-수소(H) 또는 탄소(C)-탄소(C) 간의 결합 에너지를 나타내는 피크의 면적을 나타내고,CC represents the area of the peak representing the binding energy between carbon (C) -hydrogen (H) or carbon (C) -carbon (C),
CO는 탄소(C)-산소(O)간의 결합 에너지를 나타내는 피크의 면적을 나타낸다.CO represents the area of the peak representing the binding energy between carbon (C) and oxygen (O).
X선 광전자 분석 시, 532±1 eV 의 에너지 결합을 갖는 피크는 산소(O)-아연(Zn) 간의 결합 에너지를 나타내는 피크를 의미할 수 있고, 290.5±1 eV 의 에너지 결합을 갖는 피크는 탄소(C)-산소(O)간의 이중결합 에너지를 나타내는 피크를 의미할 수 있으며, 284.0±1 eV의 에너지 결합을 갖는 피크는 탄소(C)-수소(H) 또는 탄소(C)-탄소(C) 간의 결합 에너지를 나타내는 피크를 의미할 수 있다.In X-ray photoelectron analysis, a peak with an energy bond of 532 ± 1 eV may refer to a peak representing a binding energy between oxygen (O) and zinc (Zn), and a peak with an energy bond of 290.5 ± 1 eV is carbon. It may mean a peak representing the double bond energy between (C) -oxygen (O), the peak having an energy bond of 284.0 ± 1 eV is carbon (C) -hydrogen (H) or carbon (C) -carbon (C It may mean a peak representing the binding energy between the).
상기 식 1은 탄소(C)-산소(O)간의 이중결합 에너지를 나타내는 피크의 면적에 대한 탄소(C)-수소(H) 또는 탄소(C)-탄소(C) 간의 결합 에너지를 나타내는 피크의 면적의 비를 나타낸다. 구체적으로 상기 식 1은 0.15≤ CC/CO ≤0.95, 0.2≤ CC/CO ≤0.9, 0.25≤ CC/CO ≤0.85, 0.3≤ CC/CO ≤0.8, 0.35≤ CC/CO ≤0.75, 0.4≤ CC/CO ≤0.7, 0.45≤ CC/CO ≤0.65 혹은 0.5≤ CC/CO ≤0.6일 수 있다. 상기 복합체는 탄소(C)-산소(O)간의 결합 에너지를 나타내는 피크의 면적에 대한 탄소(C)-수소(H) 또는 탄소(C)-탄소(C) 간의 결합 에너지를 나타내는 피크의 면적의 비가 상기 범위를 만족함으로써 소수성 또는 초소수성 특성을 만족할 수 있다.
하나의 예로서, 탄소(C)-수소(H) 또는 탄소(C)-탄소(C) 간의 결합 에너지를 나타내는 피크의 면적(CC)은 6% 내지 50%, 6.5% 내지 45%, 7% 내지 40%, 7.5% 내지 35%. 8% 내지 33%, 8.5% 내지 30%, 9% 내지 28%, 9.5% 내지 25%, 10% 내지 25.5%, 12% 내지 25%, 15% 내지 24.5%, 16% 내지 24%, 16.5% 내지 23.5%, 17% 내지 23%, 17.5% 내지 22.5%, 18% 내지 22.3%, 18.5% 내지 22%, 19% 내지 21.8%, 19.5% 내지 21.5% 혹은 20% 내지 21%일 수 있다. 또한, 탄소(C)-산소(O)간의 결합 에너지를 나타내는 피크의 면적(CO)은 5% 내지 72%, 8% 내지 70%, 10% 내지 65%, 12% 내지 62%, 15% 내지 60%, 18% 내지 58%, 20% 내지 55%, 25% 내지 52%, 28% 내지 50%, 30% 내지 48%, 33% 내지 47%, 35% 내지 45%, 38% 내지 43% 혹은 40% 내지 41%일 수 있다.As an example, the area (CC) of the peak representing the binding energy between carbon (C) -hydrogen (H) or carbon (C) -carbon (C) is 6% to 50%, 6.5% to 45%, 7% To 40%, 7.5% to 35%. 8% to 33%, 8.5% to 30%, 9% to 28%, 9.5% to 25%, 10% to 25.5%, 12% to 25%, 15% to 24.5%, 16% to 24%, 16.5% To 23.5%, 17% to 23%, 17.5% to 22.5%, 18% to 22.3%, 18.5% to 22%, 19% to 21.8%, 19.5% to 21.5%, or 20% to 21%. Further, the area CO of the peak representing the binding energy between carbon (C) and oxygen (O) is 5% to 72%, 8% to 70%, 10% to 65%, 12% to 62%, 15% to 60%, 18% to 58%, 20% to 55%, 25% to 52%, 28% to 50%, 30% to 48%, 33% to 47%, 35% to 45%, 38% to 43% Or 40% to 41%.
이하, 본 발명에 따른 복합체의 제조방법을 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the manufacturing method of the composite according to the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 복합체의 제조방법은, 제1 산화아연 전구체 및 아민 화합물을 포함하는 제1 혼합액에 섬유를 담궈 섬유에 제1 산화아연 전구체를 함침시키는 단계; 및 Method for producing a composite according to the present invention, the step of immersing the fiber in a first liquid mixture containing a first zinc oxide precursor and an amine compound impregnated with a first zinc oxide precursor in the fiber; And
제1 산화아연 전구체가 함침된 섬유를, 제2 산화아연 전구체 및 아민 화합물을 포함하는 제2 혼합액에서 열처리하여 섬유 표면에 하나 이상의 산화아연 입자를 형성하는 단계를 포함하고, Heat-treating the fiber impregnated with the first zinc oxide precursor in a second mixture containing the second zinc oxide precursor and the amine compound to form one or more zinc oxide particles on the surface of the fiber,
상기 산화아연 입자는 판상형이고, 평균 직경이 0.1㎛ 내지 10㎛이다.The zinc oxide particles are plate-shaped, and have an average diameter of 0.1 µm to 10 µm.
상기 제1 산화아연 전구체 및 아민 화합물을 포함하는 제1 혼합액에 섬유를 담궈 섬유에 제1 산화아연 전구체를 함침시키는 단계에서 제1 혼합액은 제1 산화아연 전구체 용액 100중량부를 기준으로 아민 화합물이 50 내지 150중량부, 60 내지 140중량부, 70 내지 130중량부, 80 내지 120중량부, 90 내지 110 중량부 혹은 100중량부로 혼합된 것일 수 있다. 또한, 상기 제1 산화아연 전구체는 용매에 0.005M 내지 0.5M, 0.008M 내지 0.1M, 0.01M 내지 0.05M 혹은 0.03M의 농도로 혼합된 것일 수 있다. 구체적으로 상기 제1 산화아연 전구체 용액은 0.03M 아세트산 아연 수화물(Zn(CH3COO)2·2H2O)일 수 있다. In the step of immersing the fiber in the first mixed solution containing the first zinc oxide precursor and the amine compound to impregnate the first zinc oxide precursor in the fiber, the first mixed solution has a amine compound of 50 based on 100 parts by weight of the first zinc oxide precursor solution To 150 parts by weight, 60 to 140 parts by weight, 70 to 130 parts by weight, 80 to 120 parts by weight, 90 to 110 parts by weight or may be mixed to 100 parts by weight. In addition, the first zinc oxide precursor may be mixed in a solvent at a concentration of 0.005M to 0.5M, 0.008M to 0.1M, 0.01M to 0.05M or 0.03M. Specifically, the first zinc oxide precursor solution may be 0.03M zinc acetate hydrate (Zn (CH 3 COO) 2 · 2H 2 O).
상기 제1 혼합액은 30℃ 내지 100℃, 40℃ 내지 80℃ 혹은 50℃의 온도에서 1 내지 5시간 동안 교반하여 제조된 것일 수 있다. The first mixed solution may be prepared by stirring for 1 to 5 hours at a temperature of 30 ℃ to 100 ℃, 40 ℃ to 80 ℃ or 50 ℃.
또한, 제1 산화아연 전구체를 함침시키는 단계 이후에, 산화아연 입자를 형성하기 전에 제1 산화아연 전구체를 함침된 섬유를 30℃ 내지 100℃, 40℃ 내지 80℃ 혹은 50℃의 온도에서 5 내지 20시간, 8 내지 15시간 혹은 12시간 동안 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다.Further, after the step of impregnating the first zinc oxide precursor, the fibers impregnated with the first zinc oxide precursor before forming the zinc oxide particles are 5 to 5 at a temperature of 30 ℃ to 100 ℃, 40 ℃ to 80 ℃ or 50 ℃ Drying for 20 hours, 8 to 15 hours or 12 hours may be further included.
섬유 표면에 하나 이상의 산화아연 입자를 형성하는 단계에서, 상기 열처리 온도는 80℃ 내지120℃일 수 있다. 구체적으로 열처리 온도는 85℃ 내지 115℃, 90℃ 내지 110℃, 95℃ 내지 105℃ 혹은 100℃일 수 있다. 또한 열처리 시간은 상기 온도 범위로 2 내지 12시간, 3 내지 10시간, 4 내지 8시간 혹은 6시간 동안 수행할 수 있다. In the step of forming one or more zinc oxide particles on the fiber surface, the heat treatment temperature may be 80 ℃ to 120 ℃. Specifically, the heat treatment temperature may be 85 ° C to 115 ° C, 90 ° C to 110 ° C, 95 ° C to 105 ° C, or 100 ° C. In addition, the heat treatment time may be performed for 2 to 12 hours, 3 to 10 hours, 4 to 8 hours or 6 hours in the above temperature range.
또한, 섬유 표면에 하나 이상의 산화아연 입자를 형성하는 단계에서, 제2 산화아연 전구체 및 아민 화합물의 몰 비율은 1:5 내지 5:1, 1:3 내지 3:1 혹은 1:1일 수 있다. 또한, 제2 혼합액은 제2 산화아연 전구체 용액 100중량부를 기준으로 및 아민 화합물이 1 내지 100중량부, 2 내지 80중량부, 3 내지 70중량부, 5 내지 60중량부, 8 내지 55중량부, 10 내지 50중량부, 12 내지 40중량부, 15 내지 35중량부, 16 내지 30중량부, 18 내지 25중량부 혹은 20중량부로 혼합된 것일 수 있다. 구체적으로 상기 제2 산화아연 전구체 용액은 0.025M 질산 아연 수화물(Zn(NO3)2·6H2O)일 수 있다.Further, in the step of forming one or more zinc oxide particles on the fiber surface, the molar ratio of the second zinc oxide precursor and the amine compound may be 1: 5 to 5: 1, 1: 3 to 3: 1 or 1: 1. . In addition, the second mixed solution is based on 100 parts by weight of the second zinc oxide precursor solution and 1 to 100 parts by weight, 2 to 80 parts by weight, 3 to 70 parts by weight, 5 to 60 parts by weight, 8 to 55 parts by weight of the amine compound. , 10 to 50 parts by weight, 12 to 40 parts by weight, 15 to 35 parts by weight, 16 to 30 parts by weight, may be a mixture of 18 to 25 parts by weight or 20 parts by weight. Specifically, the second zinc oxide precursor solution may be 0.025M zinc nitrate hydrate (Zn (NO 3 ) 2 .6H 2 O).
상기 제1 및 제2 혼합액의 pH는 8 내지 12일 수 있다. 구체적으로 제1 및 제2 혼합액의 pH는 8.5 내지 11.5, 9 내지 11 혹은 10 내지 11일 수 있다. 제1 및 제2 혼합액의 pH가 상기 범위일 경우 면직물 상에 산화하연 흡착층이 용이하게 형성되며, 제조된 복합체가 초소수성 특성을 갖게 되고, 이에 따라 상기 복합체는 우수한 자가 세척 능력을 나타낼 수 있다.The pH of the first and second mixed solution may be 8 to 12. Specifically, the pH of the first and second mixed solution may be 8.5 to 11.5, 9 to 11 or 10 to 11. When the pH of the first and the second mixture is within the above range, the zinc oxide adsorbent layer is easily formed on the cotton fabric, and the prepared composite has superhydrophobic characteristics, thereby allowing the composite to exhibit excellent self-cleaning ability. .
상기 제1 및 제2 산화아연 전구체는 각각 아세트산 아연(zinc acetate), 질산 아연 (zinc nitrate) 및 염화 아연(zinc chloride)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 본 발명에서 제1 산화아연 전구체 및 제2 산화아연 전구체는 동일한 전구체를 사용할 수 있고, 서로 다른 것을 사용할 수도 있다. 하나의 예로서, 제1 산화아연 전구체는 아세트산 아연(zinc acetate)을 사용할 수 있으며, 제2 산화아연 전구체는 질산 아연 (zinc nitrate)을 사용할 수 있다.The first and second zinc oxide precursors may be at least one selected from the group consisting of zinc acetate, zinc nitrate and zinc chloride, respectively. In the present invention, the first zinc oxide precursor and the second zinc oxide precursor may use the same precursor, or different ones may be used. As one example, the first zinc oxide precursor may use zinc acetate, and the second zinc oxide precursor may use zinc nitrate.
상기 아민 화합물은 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화암모늄(NH4OH), 헥사메틸렌테트라아민(HMTA), 수산화 리튬(LiOH), 수산화루비듐(RbOH), 수산화세슘(CsOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2) 및 수산화마그네슘(Mg(OH)2)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 아민 화합물은 수산화암모늄(NH4OH) 또는 헥사메틸렌테트라아민(HMTA)을 사용할 수 있으며, 각 단계에서 아민 화합물은 동일한 것을 사용할 수 있고, 서로 다른 것을 사용할 수도 있다. The amine compound is sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), ammonium hydroxide (NH 4 OH), hexamethylenetetraamine (HMTA), lithium hydroxide (LiOH), rubidium hydroxide (RbOH), cesium hydroxide (CsOH), It may include one or more selected from the group consisting of calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ) and magnesium hydroxide (Mg (OH) 2 ). Specifically, the amine compound may be used ammonium hydroxide (NH 4 OH) or hexamethylenetetraamine (HMTA), the amine compound in each step may be used the same, may be different.
상기 섬유 표면에 하나 이상의 산화아연 입자를 형성하는 단계에서, 아민 화합물은 헥사메틸렌테트라아민(HMTA)이 사용될 수 있다. 상기 헥사메틸렌테트라아민은 산화아연 입자가 종래의 온도(400℃)에 비해 비교적 낮은 온도에서도 용이하게 형성될 수 있도록 한다. 또한, 헥사메틸렌테트라아민은 제2 혼합액의 pH를 본 발명에 따른 범위로 용이하게 조절하여 산화아연 입자의 성장 구조의 균일성을 향상시킬 수 있다. In the step of forming one or more zinc oxide particles on the fiber surface, amine methylenetetraamine (HMTA) may be used as the amine compound. The hexamethylenetetraamine allows the zinc oxide particles to be easily formed even at a relatively low temperature compared to a conventional temperature (400 ° C.). In addition, hexamethylenetetraamine can easily adjust the pH of the second mixed solution to the range according to the present invention to improve the uniformity of the growth structure of the zinc oxide particles.
상기 섬유 표면에 하나 이상의 산화아연 입자를 형성하는 단계 이후에, 30℃ 내지 100℃, 40℃ 내지 80℃ 혹은 50℃의 온도에서 12 내지 30시간, 15 내지 28시간 혹은 24시간 동안 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다.After the step of forming at least one zinc oxide particles on the fiber surface, the step of drying for 30 to 100 hours, 15 to 28 hours or 24 hours at a temperature of 30 ℃ to 100 ℃, 40 ℃ to 80 ℃ or 50 ℃ It may further include.
상기 복합체의 제조방법에서 섬유에 제1 산화아연 전구체를 함침시키는 단계 이전에, 섬유를 초음파 처리하여 표면의 불순물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 불순물을 제거하는 단계는 메탄올과 물의 혼합물로 초음파 처리하여 수행될 수 있으며, 수행 시간은 0.5 내지 5시간, 1 내지 3시간 혹은 2시간 수행될 수 있다 In the method of manufacturing the composite, before the impregnation of the first zinc oxide precursor on the fiber, the method may further include the step of removing the impurities on the surface by sonicating the fiber. At this time, the step of removing impurities may be carried out by ultrasonication with a mixture of methanol and water, the execution time may be performed for 0.5 to 5 hours, 1 to 3 hours or 2 hours.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following examples are merely to illustrate the invention, the content of the present invention is not limited by the following examples.
실시예Example 1 One
1) 면직물 전처리 단계1) Cotton fabric pretreatment step
시중에서 구입한 면직물(제품명: 100% cotton, 제조사: Daiso)을 10cm X 10cm 으로 잘라 메탄올 150ml과 물 150ml의 혼합물(메탄올:물=1:1)로 2시간 동안 초음파 처리하였다. 그런 다음 초음파 처리한 면직물을 탈 이온수로 3회 이상 세척한 후 50℃의 공기오븐(air oven)에서 24시간 동안 건조하였다. A commercially available cotton fabric (product name: 100% cotton, manufactured by Daiso) was cut into 10
2) 산화아연 전구체 함침 단계 2) zinc oxide precursor impregnation step
상기 전처리된 면직물을 0.03M 아세트산 아연 수화물(Zn(CH3COO)2·2H2O) 200ml에 담근 후 용액을 교반하면서 25% 수산화암모늄(NH4OH) 20 ml을 천천히 적하하고, 50℃에서 3시간 동안 계속 교반하였다. 그런 다음 면직물을 꺼내어 공기오븐에서 50℃로 12시간 동안 건조하여 산화아연 전구체가 함침된 면직물을 제조하였다.The pretreated cotton fabric was soaked in 200 ml of 0.03 M zinc acetate hydrate (Zn (CH 3 COO) 2 .2H 2 O), and 20 ml of 25% ammonium hydroxide (NH 4 OH) was slowly added dropwise while stirring the solution. Stirring continued for 3 hours. Then, the cotton fabric was taken out and dried for 12 hours at 50 ℃ in an air oven to prepare a cotton fabric impregnated with a zinc oxide precursor.
3) 산화아연 입자 형성 단계3) Zinc Oxide Particle Formation Step
0.025M 질산 아연 수화물(Zn(NO3)2·6H2O) 200ml와 0.025M 헥사메틸렌테트라민(HMTA) 200ml을 섞은 용액 (몰비율 1:1로 만든 용액) 400ml 를 3시간 동안 일정하게 교반한 혼합물 준비하였다. 이때, 상기 혼합물의 pH는 10 내지 11로 유지하였다. 준비된 혼합물을 반응기(테프론 라이닝된 스테인리스 스틸 오토클레이브)에 넣고 상기 산화아연 전구체가 함침된 면직물을 담갔다. 그런 다음 상기 반응기를 100℃로 6시간 동안 가열한 후 실온에서 냉각하고, 면직물을 꺼내어 탈 이온수로 3회 이상 세척한 후 50℃의 공기오븐(air oven)에서 24시간 동안 건조하여, 섬유상에 산화아연 입자를 포함하는 흡착층이 형성된 복합체를 제조하였다. 이때 섬유는 면직물을 의미할 수 있다.200 ml of 0.025 M zinc nitrate hydrate (Zn (NO 3 ) 2 .6H 2 O) and 200 ml of 0.025 M hexamethylenetetramine (HMTA) (400 ml solution with a molar ratio of 1: 1) was constantly stirred for 3 hours. One mixture was prepared. At this time, the pH of the mixture was maintained at 10 to 11. The prepared mixture was placed in a reactor (teflon lined stainless steel autoclave) and the cotton fabric impregnated with the zinc oxide precursor. Then, the reactor was heated to 100 ° C. for 6 hours, cooled to room temperature, the cotton fabric was taken out, washed three times or more with deionized water, and then dried in an air oven at 50 ° C. for 24 hours to be oxidized onto a fiber. A composite with an adsorption layer containing zinc particles was prepared. In this case, the fiber may mean a cotton fabric.
도 1은 상기 실시예 1에 따른 복합체의 제조과정을 개략적으로 나타내었다.Figure 1 schematically shows the manufacturing process of the composite according to Example 1.
도 2는 FE-SEM관찰 사진으로, 도 2-a는 산화아연 흡착층을 형성하지 않은 면직물(하기 비교예 1)이고, 도 2-b 내지 도 2-d는 실시예 1에 따라 제조된 복합체의 결과이다. 도 2-b 내지 도 2-d를 살펴보면, 산화아연 입자가 육각형의 슬라이스 형태 또는 평균직경 0.5 내지 1.5㎛을 갖는 얇은 플레이트형 구조를 가지는 것을 볼 수 있다. Figure 2 is a FE-SEM observation picture, Figure 2-a is a cotton fabric (Comparative Example 1) does not form a zinc oxide adsorption layer, Figure 2-b to 2-d is a composite prepared according to Example 1 Is the result. Referring to Figure 2-b to 2-d, it can be seen that the zinc oxide particles have a thin plate-like structure having a hexagonal slice form or an average diameter of 0.5 to 1.5㎛.
도 3은 산화아연 흡착층을 형성하지 않은 면직물(Original cotton)과 실시예 1에 따른 복합체(ZnO-cotton) 및 JCPDS 표준의 산화아연(ZnO) 구조의 XRD 패턴을 나타내었다. 도 3을 보면, 본 발명에 따른 복합체(ZnO-cotton)는 면직물 표면에 산화아연 결정상이 잘 형성된 것을 확인할 수 있다. 2θ= 14.98°, 16.89° 및 22.86°의 피크는 면직물의 주성분인 셀룰로오스의 피크에 해당한다. 나머지 상대 피크는 JCPDS 표준 (Powder Diffraction Standard의 Jointed Committee - 카드 번호 36-1451)의 ZnO 구조와 비교한 결과 ZnO의 육각형 구조에 상응하며, 2θ= 32.09°, 34.63°, 36.44°, 47.60°, 56.76°, 63.18°, 66.44°, 68.20°, 69.18°, 72.83° 및 76.9l°에서 검출 된 피크는 (100), (002), (101), (102), (110), (103), (200), (112), (201), (004) 및 (202)로 나타났다. 또한 XRD 패턴에는 불순물이 발견되지 않아 면직물 표면에 고순도의 ZnO 결정상이 형성된 것을 알 수 있었다.3 shows an XRD pattern of an original cotton without a zinc oxide adsorption layer and a composite (ZnO-cotton) according to Example 1 and a zinc oxide (ZnO) structure of the JCPDS standard. Referring to Figure 3, the composite according to the present invention (ZnO-cotton) it can be seen that the zinc oxide crystal phase is well formed on the surface of the cotton fabric. The peaks at 2θ = 14.98 °, 16.89 ° and 22.86 ° correspond to the peaks of cellulose which is the main component of the cotton fabric. The remaining relative peaks correspond to the hexagonal structure of ZnO as compared to the ZnO structure of the JCPDS standard (Jointed Committee of the Powder Diffraction Standard-Card No. 36-1451), 2θ = 32.09 °, 34.63 °, 36.44 °, 47.60 °, 56.76 Peaks detected at °, 63.18 °, 66.44 °, 68.20 °, 69.18 °, 72.83 °, and 76.9 l ° are (100), (002), (101), (102), (110), (103), ( 200, 112, 201, 004, and 202. In addition, no impurities were found in the XRD pattern, indicating that a high purity ZnO crystal phase was formed on the surface of the cotton fabric.
도 4는 산화아연 흡착층을 형성하지 않은 면직물(Original cotton fabric, 비교예 1)과 실시예 1에 따른 복합체(ZnO-coated cotton fabric)의 공초점 분석 결과로, 산화아연 흡착층을 형성하지 않은 면직물의 경우 평균 거칠기를 나타내는 표면 조도(Ra)는 0.85이고, 평균 두께는 91.1㎛였으나, 실시예 1에 따른 복합체의 경우 표면 조도(Ra)는2.42 로 나타났으며, 평균 두께는 105.4㎛인 결과를 보여, 산화아연 흡착층을 형성함으로써 표면 조도 및 평균 두께가 효과적으로 증가됨을 확인하였다. 이러한 표면 조도 값에 의해 복합체는 소수성 특성을 가질 수 있다.4 is a confocal analysis result of a cotton fabric (ZnO-coated cotton fabric) according to Example 1 and an original cotton fabric (ZnO-coated cotton fabric) without forming a zinc oxide adsorption layer, and did not form a zinc oxide adsorption layer. In the case of the cotton fabric, the surface roughness (Ra) indicating the average roughness was 0.85 and the average thickness was 91.1 µm, but the surface roughness (Ra) was 2.42 in the composite according to Example 1, and the average thickness was 105.4 µm. It was confirmed that the surface roughness and the average thickness were effectively increased by forming the zinc oxide adsorption layer. Such surface roughness values allow the composite to have hydrophobic properties.
하기 표 1 및 도 5는 산화아연 흡착층을 형성하지 않은 면직물(Original cotton)과 실시예 1에 따른 복합체(ZnO-cotton)의 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)에 따른 원소분석 결과로, 도 5-b를 보면 실시예 1에 따른 복합체(ZnO-cotton)에서 산화아연 피크가 관찰된 것을 확인할 수 있으며, 도 5-c를 보면 산화아연 흡착층을 형성하지 않은 면직물(Original cotton)의 경우 O-H결합의 피크 면적이 45.5%였으나, 실시예 1에 따른 복합체(ZnO-cotton)의 경우 O-H결합의 피크 면적이 35.9%로 감소되어 소수성 성질을 나타냄을 확인할 수 있다. 도 5-d를 보면 산화아연 흡착층을 형성하지 않은 면직물(Original cotton)의 경우 C-H/C-C결합의 피크 면적이 5.7%였으나, 실시예 1에 따른 복합체(ZnO-cotton)의 경우 C-H/C-C결합의 피크 면적이 20.9%로 증가되었다. 전기 음성도(electronegativity)에 기초하면, C-H/C-C결합은 비극성 결합으로 알려져 있고, C=O 및 C-O 결합은 극성 결합으로 알려져 있다. C-H/C-C 결합의 향상과 C=O 및 C-O 결합의 감소로 인해 산화아연 흡착층을 형성한 면직물 표면이 소수성 및 비극성 특성을 갖게 되며, 이에 따라 물은 산화아연 흡착층을 형성한 면직물 표면을 통과할 수 없게 된다. 또한, 산화아연 흡착층을 형성한 면직물 표면은 헥산, 톨루엔, 클로로포름 등과 같은 비극성 용액의 침투가 용이할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 복합체는 비극성 유기용매와 물의 혼합물로부터 물과 유기용매의 효과적인 분리에 용이하게 적용할 수 있다.Table 1 and FIG. 5 shows elemental analysis results of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of a cotton fabric (ZnO-cotton) according to Example 1 and a cotton fabric that does not form a zinc oxide adsorption layer. Looking at -b, the zinc oxide peak was observed in the composite (ZnO-cotton) according to Example 1, and in Fig. 5-c, OH bond was observed in the case of the original cotton which did not form a zinc oxide adsorption layer. Although the peak area of 45.5%, the composite according to Example 1 (ZnO-cotton) it can be seen that the peak area of the OH bond is reduced to 35.9% to exhibit a hydrophobic property. Referring to FIG. 5-d, the peak area of the CH / CC bond was 5.7% in the case of the original cotton which did not form the zinc oxide adsorption layer, but the CH / CC bond was used in the composite according to Example 1 The peak area of is increased to 20.9%. Based on electronegativity, C-H / C-C bonds are known as nonpolar bonds, and C = O and C-O bonds are known as polar bonds. Improved CH / CC bonds and reduced C = O and CO bonds result in hydrophobic and non-polar characteristics of the cotton fabric on which the zinc oxide adsorption layer is formed, so that water passes through the surface of the cotton fabric on which the zinc oxide adsorption layer is formed. You will not be able to. In addition, the surface of the cotton fabric on which the zinc oxide adsorption layer is formed may facilitate the penetration of a nonpolar solution such as hexane, toluene, chloroform, and the like. Therefore, the composite according to the present invention can be easily applied to the effective separation of water and organic solvent from a mixture of nonpolar organic solvent and water.
비교예Comparative example 1 One
실시예 1에서 사용한 것과 동일한 면직물을 10cm X 10cm으로 잘라 준비하였다. The same cotton fabric as used in Example 1 was cut into 10
비교예Comparative example 2 2
수산화암모늄(NH4OH)대신에 트리에틸아민(triethylamine)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조되었다. It was prepared in the same manner as in Example 1 except that triethylamine was used instead of ammonium hydroxide (NH 4 OH).
비교예Comparative example 3 3
질산 아연 수화물(Zn(NO3)2·6H2O) 0.025M 과 헥사메틸렌테트라민(HMTA) 0.025M의 혼합물의 pH를 6인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.A pH of a mixture of zinc nitrate hydrate (Zn (NO 3 ) 2 .6H 2 O) 0.025M and hexamethylenetetramine (HMTA) 0.025M was prepared in the same manner as in Example 1.
실험예Experimental Example 1: One: 초소수성Superhydrophobic 특성 평가 Property evaluation
상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 3에 따른 복합체 및 면직물의 초소수성 특성을 확인하기 위해, 수 접촉각(water contact angle, WCA)을 측정하였다. 수 접촉각 측정은 5㎕의 물방울을 이용한 스마트 드롭 접촉각 시스템을 이용하여 수행되었으며, 정적 접촉각(static contact angle) 및 슬라이딩 각(sliding angle)을 각각 측정하였다. 이때, 정적 접촉각 150°이상 및 슬라이딩 각 10°이하인 조건을 만족할 경우 초소수성 특성을 나타내게 된다. 상기 정적 접촉각은 각 복합체 및 면직물이 수평일 때의 수 접촉각을 측정하였으며, 슬라이딩 각은 1° 단위로 변화하면서 1°에서 10°까지 기울이면서, 물방울의 슬라이딩 각도를 측정하였다. 그 결과 하기 표 2를 참조하면, 실시예 1에 따른 복합체의 정적 접촉각은 151±3°로 나타났으며, 슬라이딩 각은 9±1°으로 나타나 초소수성 특성을 나타냄을 확인하였다. 도 6은 실시예 1에 따른 복합체의 정적 접촉각 측정 사진으로 6-b는 물, 6-c 는 메틸렌 오렌지 염료 혼합물, 6-d는 커피 혼합물에 대한 수 접촉각을 보여주는 사진이다. 이에 따라 본 발명에 따른 복합체는 다양한 물 혼합물에 대해 초소수성 특성을 나타냄을 알 수 있었다. 반면, 산화아연 흡착층을 형성하지 않은 비교예 1에 따른 면직물은 물방울이 바로 흡수되어 수 접촉각을 측정할 수 없었다. 비교예 2에 따른 복합체는 정적 접촉각은 155±2°로 나타났으나, 슬라이딩 각은 15±3°으로 10°보다 크게 나타났고, 비교예 3에 따른 복합체 또한 정적 접촉각은 153±2°로 나타났으나, 슬라이딩 각은 17±2°으로 10°보다 큰 결과를 보여 초소수성 조건을 만족하지 않았다.In order to confirm the superhydrophobic properties of the composite and cotton fabric according to Example 1 and Comparative Examples 1 to 3, the water contact angle (WCA) was measured. The water contact angle measurement was performed using a smart drop contact angle system using 5 μl of water droplets, and the static contact angle and sliding angle were measured, respectively. At this time, when the conditions of the static contact angle of 150 ° or more and the sliding angle of 10 ° or less are satisfied, it shows superhydrophobic characteristics. The static contact angle measured the water contact angle when each composite and the cotton fabric is horizontal, the sliding angle was measured in 1 ° to 10 ° while changing in units of 1 °, the sliding angle of the water droplets was measured. As a result, referring to Table 2 below, the static contact angle of the composite according to Example 1 was found to be 151 ± 3 °, and the sliding angle was 9 ± 1 °, indicating superhydrophobic characteristics. 6 is a photograph of measuring the static contact angle of the composite according to Example 1 6-b is water, 6-c is a methylene orange dye mixture, 6-d is a photograph showing the water contact angle for the coffee mixture. Accordingly, the composite according to the present invention was found to exhibit superhydrophobic properties for various water mixtures. On the other hand, in the cotton fabric according to Comparative Example 1 in which the zinc oxide adsorption layer was not formed, water droplets were immediately absorbed and thus the water contact angle could not be measured. In the composite according to Comparative Example 2, the static contact angle was found to be 155 ± 2 °, but the sliding angle was 15 ± 3 °, which was larger than 10 °, and the composite according to Comparative Example 3 was also shown to have a static contact angle of 153 ± 2 °. However, the sliding angle was 17 ± 2 °, which was larger than 10 °, which did not satisfy the superhydrophobic condition.
실험예Experimental Example 2: 자가세척 특성 평가 2: self-cleaning characteristic evaluation
본 발명에 따른 복합체의 자가세척 특성을 평가하기 위해, 메틸렌 오렌지 염료 및 친수성 그래핀 산화물(GO)에 대한 오염 정도를 확인하였다. In order to evaluate the self-cleaning properties of the composite according to the present invention, the degree of contamination to methylene orange dye and hydrophilic graphene oxide (GO) was confirmed.
첫 번째로 실시예 1에 따른 복합체와 비교예 1에 면직물에 대하여 메틸렌 오렌지 염료가 5x10-4 M농도로 혼합된 물에 3초 동안 침지한 후 꺼내어 건조하는 과정을 1회 내지 4회 수행한 후 착색된 정도를 육안으로 관찰하였다. 그 결과는 도 7에 나타내었으며, 도 7-a는 비교예 1에 따른 면직물의 결과로 침지 횟수가 1회에서 4회로 갈수록 메틸 오렌지 염료가 다량 착색되어 노란 색을 띠는 것을 확인할 수 있다. 도 7-b는 실시예 1에 따른 복합체의 결과로 4회 침지하여도 염료가 거의 착색되지 않은 것을 확인할 수 있었다. First, the methylene orange dye was immersed in water mixed with a concentration of 5x10 -4 M for 3 seconds in a composite according to Example 1 and a cotton fabric in Comparative Example 1, and then removed and dried. The degree of pigmentation was visually observed. The results are shown in Figure 7, Figure 7-a as a result of the cotton fabric according to Comparative Example 1 it can be seen that the number of the immersion methyl orange dye is colored a yellow color as the number of times from one to four times. 7-b was confirmed that the dye is almost no color even after immersion four times as a result of the composite according to Example 1.
두 번째로, 실시예 1에 따른 복합체와 비교예 1에 면직물에 대하여 친수성 그래핀 산화물(GO) 가루를 도포한 후 물을 떨어뜨렸을 때 자가세척 능력을 평가하였다. 그 결과는 도 8에 나타내었다. 비교예 1에 따른 면직물은 도 8-a에 나타낸 바와 같이 친수성 그래핀 산화물 가루를 도포한 후 물을 뿌렸을 때, 물이 면직물에 빠르게 흡수되어 그래핀 산화물 가루의 세척이 잘 이루어지지 않은 것을 볼 수 있다. 반면, 실시예 1에 따른 복합체는 도 8-b에 나타낸 바와 같이 친수성 그래핀 산화물 가루를 도포한 후 물을 뿌렸을 때, 물방울이 그래핀 산화물 가루를 제거하는 것을 확인할 수 있다. Second, after applying the hydrophilic graphene oxide (GO) powder to the cotton fabric in the composite according to Example 1 and Comparative Example 1 was evaluated for self-cleaning ability when water is dropped. The results are shown in FIG. When the cotton fabric according to Comparative Example 1 was sprayed with water after applying the hydrophilic graphene oxide powder as shown in Fig. 8-A, water was quickly absorbed into the cotton fabric, so that the washing of the graphene oxide powder was not performed well. Can be. On the other hand, when the composite according to Example 1 is sprayed with water after applying the hydrophilic graphene oxide powder as shown in Figure 8-b, it can be seen that the water droplets remove the graphene oxide powder.
따라서, 본 발명에 따른 복합체는, 면직물 상에 본 발명에 따른 산화아연 흡착층을 형성함으로써 자가세척 특성이 월등히 향상됨을 알 수 있었다.Therefore, the composite according to the present invention, it was found that the self-cleaning properties are significantly improved by forming the zinc oxide adsorption layer according to the present invention on the cotton fabric.
실험예Experimental Example 3: 물 분리 특성 평가 3: Evaluation of Water Separation Characteristics
본 발명에 따른 복합체의 핵산과 물 분리 특성을 평가하기 위해, 실시예 1에 따른 복합체 및 비교예 1에 따른 면직물에 대하여 물 20ml에 메스 실린더로 헥산 20ml를 혼합한 후, 상기 물-헥산 혼합물을 복합체 및 면직물 상에 통과시켜 헥산과 물의 분리 특성을 평가하였다. In order to evaluate the nucleic acid and water separation characteristics of the complex according to the present invention, 20 ml of water and 20 ml of hexane in a measuring cylinder were mixed with the complex according to Example 1 and the cotton fabric according to Comparative Example 1, and then the water-hexane mixture was mixed. The separation properties of hexane and water were evaluated by passing over the composite and cotton fabrics.
헥산과 물 분리 특성 평가는 도 9-a에 나타낸 것과 같은 방법으로 수행되었으며, 이때, 물은 헥산과 분리된 것을 용이하게 확인하기 위해 메틸렌 오렌지 염료를 혼합하여 사용하였다. 그 결과 비교예 1에 따른 면직물은 도 9-b에서 보는 바와 같이 헥산과 물을 선택적으로 분리하지 못하여 면직물 아래로 메틸렌 오렌지 염료 혼합물이 그대로 통과하여, 비커에 담긴 용액이 오렌지 색을 띠는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 실시예 1에 따른 복합체는 도 9-c에서 보는 바와 같이 헥산과 물을 효과적으로 분리하여, 깔대기 상의 복합체에는 메틸렌 오렌지 염료로 염색된 물이 남아있으나, 아래의 비커에는 헥산만이 분리되어 투명한 것을 확인할 수 있다.Hexane and water separation characteristics evaluation was performed in the same manner as shown in Figure 9-a, wherein water was used by mixing a methylene orange dye to easily confirm that the separation with hexane. As a result, the cotton fabric according to Comparative Example 1 could not selectively separate hexane and water as shown in Fig. 9-b, so that the methylene orange dye mixture passed under the cotton fabric as it is, and the solution contained in the beaker was confirmed to have an orange color. Could. On the other hand, the composite according to Example 1 effectively separates hexane and water as shown in Figure 9-c, the water stained with methylene orange dye remains in the complex on the funnel, but only hexane is separated and transparent in the beaker below You can see that.
따라서, 본 발명에 따른 복합체는 헥산과 물을 효과적으로 분리가능함을 확인하였다. Therefore, it was confirmed that the complex according to the present invention can effectively separate hexane and water.
도 10 및 도 11는 실시예 1에 따른 복합체의 분리 효율을 보여주는 그래프이다. 도 10은 상기 방법으로 1회 내지 9회 헥산과 물을 분리한 후 물의 UV-Vis 분석 결과이며, 9회 동안 분리를 진행하여도 메틸렌 오렌지 염료의 피크 외에는 새로운 불순물의 피크는 관찰되지 않았다. 도 11은 상기 방법으로 1회 내지 9회 헥산과 물을 분리한 후 물의 분리 효율을 나타낸 그래프이며 첫 번째 사이클의 분리 효율은 99.86%로 나타났으며, 아홉 번째 사이클을 진행하여도 분리효율은 97.69%로 높은 결과를 보였다. 이로 인해 본 발명에 따른 복합체는 유기용매(헥산)와 물의 분리를 1회 내지 9회 진행하였을 때, 분리 효율을 95% 내지 99.99%, 구체적으로는 97% 내지 99.9% 유지할 수 있음을 확인하였다.10 and 11 are graphs showing the separation efficiency of the composite according to Example 1. 10 is a result of UV-Vis analysis of water after separating hexane and
따라서, 본 발명에 따른 복합체는 유기용매와 물을 효과적으로 분리 가능하다는 것을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that the composite according to the present invention can effectively separate the organic solvent and water.
Claims (13)
상기 산화아연 입자는 판상형이고 평균 직경이 0.1㎛ 내지 10㎛이며,
산화아연 입자가 섬유 표면에 흡착되어 섬유 표면을 80% 이상 덮고 있고,
복합체는 수 접촉각이 150°이상이며,
복합체는 슬라이딩 각이 10°이하인 것을 특징으로 하는 복합체.
fiber; And an adsorption layer comprising one or more zinc oxide particles formed on the fiber surface,
The zinc oxide particles are plate-like, the average diameter of 0.1㎛ 10㎛,
Zinc oxide particles are adsorbed on the surface of the fiber, covering over 80% of the surface of the fiber,
The composite has a water contact angle of more than 150 °
The composite is characterized in that the sliding angle is less than 10 °.
상기 섬유는 셀룰로오스계 섬유, 레이온 섬유, 나일론, 아라미드, 폴리에스테르 및 폴리프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체.
The method of claim 1,
The fiber is characterized in that it comprises at least one member selected from the group consisting of cellulose fibers, rayon fibers, nylon, aramid, polyester and polypropylene.
흡착층은 평균 두께가 1㎛ 내지 50㎛인 것을 특징으로 하는 복합체.
The method of claim 1,
The adsorption layer is a composite, characterized in that the average thickness is 1㎛ to 50㎛.
복합체는 X선 광전자 분석 시, 532±1 eV, 290.5±1 eV 및 284.0±1 eV의 에너지 결합을 갖는 피크를 포함하고, 하기 식 1의 조건을 만족하는 복합체:
[식 1]
0.1≤ CC/CO ≤ 1
식 1에서,
CC는 탄소(C)-수소(H) 또는 탄소(C)-탄소(C) 간의 결합 에너지를 나타내는 피크의 면적을 나타내고,
CO는 탄소(C)-산소(O)간의 결합 에너지를 나타내는 피크의 면적을 나타낸다.
The method of claim 1,
The complex includes peaks having energy bonds of 532 ± 1 eV, 290.5 ± 1 eV and 284.0 ± 1 eV when X-ray photoelectron analysis, and satisfy the conditions of the following formula 1:
[Equation 1]
0.1≤ CC / CO ≤ 1
In equation 1,
CC represents the area of the peak representing the binding energy between carbon (C) -hydrogen (H) or carbon (C) -carbon (C),
CO represents the area of the peak representing the binding energy between carbon (C) and oxygen (O).
제1 산화아연 전구체가 함침된 섬유를, 제2 산화아연 전구체 및 아민 화합물을 포함하는 제2 혼합액에서 열처리하여 섬유 표면에 하나 이상의 산화아연 입자를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 산화아연 입자는 판상형이고, 평균 직경이 0.1㎛ 내지 10㎛인 것을 특징으로 하는 제1항에 따른 복합체의 제조방법.
Impregnating the fibers in a first mixed solution including a first zinc oxide precursor and an amine compound to impregnate the first zinc oxide precursor in the fibers; And
Heat-treating the fiber impregnated with the first zinc oxide precursor in a second mixture containing the second zinc oxide precursor and the amine compound to form one or more zinc oxide particles on the surface of the fiber,
The zinc oxide particles are plate-shaped, the average diameter is 0.1㎛ to 10㎛ manufacturing method of the composite according to claim 1 characterized in that.
열처리 온도는 80℃ 내지 120℃인 것을 특징으로 하는 복합체의 제조방법.
The method of claim 8,
The heat treatment temperature is 80 ℃ to 120 ℃ manufacturing method of the composite, characterized in that.
제1 및 제2 혼합액은 pH가 8 내지 12 것을 특징으로 하는 복합체의 제조방법.
The method of claim 8,
The first and the second liquid mixture has a pH of 8 to 12 method for producing a composite.
제1 및 제2 산화아연 전구체는 각각 아세트산 아연(zinc acetate), 질산 아연 (zinc nitrate) 및 염화 아연(zinc chloride)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 복합체의 제조방법.
The method of claim 8,
The first and second zinc oxide precursors are each one or more selected from the group consisting of zinc acetate, zinc nitrate and zinc chloride.
섬유에 제1 산화아연 전구체를 함침시키는 단계 이전에,
섬유를 초음파 처리하여 표면의 불순물을 제거하는 단계를 더 포함하는 복합체의 제조방법.
The method of claim 8,
Prior to impregnating the fiber with a first zinc oxide precursor,
Ultrasonically treating the fibers to remove the surface impurities manufacturing method of the composite.
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