KR102085193B1 - 항균성 및 광분해성이 향상된 직물 및 그의 제조 방법 - Google Patents
항균성 및 광분해성이 향상된 직물 및 그의 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 항균성 및 광분해성이 향상된 직물 및 그의 제조 방법을 제공한다. 보다 상세하게는, 항균성 및 광분해성이 향상된 면직물 및 그 제조 방법, 항균성 및 광분해성이 향상된 나일론 직물 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 항균성 및 광분해성이 향상된 면직물은 면직물 원단 및 상기 면직물 원단의 일부 또는 전부에 배치되는 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층은 광촉매인 이산화티타늄(TiO2) 및 바인더인 3-멜캅토프로필트리메톡시실레인(3-MPTMS)을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 면직물 또는 나일론 직물은 우수한 항균 활성 및 오염 분해성을 가질 수 있고, 3-MPTMS 바인더에 의해 상기 향상된 기능을 보다 오래 유지시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 면직물 또는 나일론 직물의 제조 방법은 최적의 공정 시간, 공정 온도 및 광촉매의 농도를 제공하고 이를 이용하여 높은 효율성으로 항균성 및 광분해성이 향상된 직물을 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 항균성 및 광분해성이 향상된 면직물은 면직물 원단 및 상기 면직물 원단의 일부 또는 전부에 배치되는 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층은 광촉매인 이산화티타늄(TiO2) 및 바인더인 3-멜캅토프로필트리메톡시실레인(3-MPTMS)을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 면직물 또는 나일론 직물은 우수한 항균 활성 및 오염 분해성을 가질 수 있고, 3-MPTMS 바인더에 의해 상기 향상된 기능을 보다 오래 유지시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 면직물 또는 나일론 직물의 제조 방법은 최적의 공정 시간, 공정 온도 및 광촉매의 농도를 제공하고 이를 이용하여 높은 효율성으로 항균성 및 광분해성이 향상된 직물을 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 항균성 및 광분해성이 향상된 직물 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
산업화가 급격하게 발달함으로써 각종 세균이나 질병에 대한 현대인들의 관심이 증가되고 있고 이러한 관심으로 섬유 제품에 적용할 수 있는 다양한 항균제와 자가 세정 성능에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.
섬유 고분자 물질은 적절한 환경 조건에서 미생물에 쉽게 오염되어 박테리아 성장에 탁월한 기질을 제공할 수 있기에 더욱 항균 가공이 필요하다. 섬유 고분자에 적용되는 항균제는 세균의 발생을 방지하고 사멸시키는 첨가제로 사용되며, 잘 알려진 것들에는 4급 암모늄염, 금속(구리, 은, 금 등), 키토산, N-할라민(N-Halamine), 광촉매(TiO2 등) 등이 있다.
이들 가운데 이산화티타늄(이하, TiO2)은 대표적인 광촉매 물질로, 항균 성능이 우수하다고 알려져 있다. 이러한 TiO2의 광촉매 반응 메커니즘은 다음과 같다. TiO2를 자외선에 노출시키면 높은 전자 에너지 준위 상태의 가전자대에서 낮은 에너지 준위 상태의 전도대로 전자(e-)의 천이가 일어나게 되고 가전자대에는 정공(hole, h+)이 형성된다. 이렇게 생성된 전자와 정공은 TiO2 나노입자의 표면으로 이동하여 산화·환원반응을 일으키게 된다. 전도대의 전자는 산소를 환원시키고(O2 + H+ + e- → HO2·) 가전자대의 정공은 환원제를 산화시킨다(H2O + h+ → OHㆍ+ H+). 이 과정에서 생성된 정공은 TiO2 표면에 있는 수산화이온(OH-)을 산화시켜 하이드록시 라디칼(OHㆍ)을 만들고 이때 형성된 OHㆍ은 반응성이 매우 크므로 유기물의 분자결합을 끊어 오염 물질을 분해하게 된다.
면직물의 경우, 흡습성이 좋고 강도와 내구성이 우수한 장점을 가지나, 세탁에 의해 수축되고 구김이 잘 생기며 건조 속도가 느려 세균 및 곰팡이가 번식할 우려가 있다. 세탁에 의한 수축과 구김은 가공 방법을 달리하거나 합성 섬유와의 혼방을 통해 보완될 수 있으나, 항균을 위한 보완 방법은 부족하다. TiO2가 다양한 방법으로 섬유에 적용되어 연구가 진행되고 있으나, 항균성과 광촉매에 의한 유기물 분해가 섬유에 동시에 적용되어 검증된 연구는 부족한 실정이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 항균성 및 광분해성이 향상된 면직물 및 그 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 항균성 및 광분해성이 향상된 나일론 직물 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 항균성 및 광분해성이 향상된 면직물은 면직물 원단 및 상기 면직물 원단의 일부 또는 전부에 배치되는 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층은 광촉매인 이산화티타늄(TiO2) 및 바인더인 3-멜캅토프로필트리메톡시실레인(3-MPTMS)을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 항균성 및 광분해성이 향상된 면직물 제조 방법은 이산화티타늄(TiO2) 용액 및 3-멜캅토프로필트리메톡시실레인(3-MPTMS)의 혼합 용액을 제조하는 제1 단계, 상기 혼합 용액에 면직물 원단을 침지시켜 교반하는 제2 단계 및 상기 교반된 면직물 원단을 세척 및 건조하는 제3 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 항균성 및 광분해성이 향상된 나일론 직물은 나일론 직물 원단 및 상기 나일론 직물 원단의 일부 또는 전부에 배치되는 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층은 광촉매인 이산화티타늄(TiO2) 및 바인더인 3-멜캅토프로필트리메톡시실레인(3-MPTMS)을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 항균성 및 광분해성이 향상된 나일론 직물 제조 방법은 이산화티타늄(TiO2) 용액 및 3-멜캅토프로필트리메톡시실레인(3-MPTMS)의 혼합 용액을 제조하는 제1 단계, 상기 혼합 용액에 나일론 직물 원단을 침지시켜 교반하는 제2 단계 및 상기 교반된 나일론 직물 원단을 세척 및 건조하는 제3 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 면직물 또는 나일론 직물은 우수한 항균 활성 및 오염 분해성을 가질 수 있고, 3-멜캅토프로필트리메톡시실레인(3-MPTMS) 바인더에 의해 이러한 향상된 기능을 보다 오래 유지할 수 있다. 또한, 상기 항균성 및 광분해성이 향상된 직물은 다양한 분야의 기능성 직물로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 면직물 또는 나일론 직물의 제조 방법은 최적의 공정 시간, 공정 온도 및 광촉매의 농도를 제공하여 높은 효율성으로 항균성 및 광분해성이 향상된 직물을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 면직물에 부착되는 TiO2 콜로이드의 투과전자현미경(TEM) 이미지이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따른 나일론 직물에 부착되는 TiO2 콜로이드의 투과전자현미경(TEM) 이미지이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 면직물의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 면직물의 원소 분석(SEM-EDS) 결과이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 나일론 직물의 주사전자현미경(SEM-EDS) 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 면직물에 대한 X-선 광전자 분광기(XPS) 스펙트럼이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시예 2에 따른 나일론 직물에 대한 X-선 광전자 분광기(XPS) 스펙트럼이다.
도 10은 본 발명의 실시예 1에 따른 면직물의 2D 및 3D 이미지이다.
도 11은 본 발명의 실시예 2에 따른 나일론 직물의 2D 및 3D 이미지이다.
도 12는 본 발명의 실시예 1에 따른 면직물의 세탁 견뢰도 테스트 결과이다.
도 13은 본 발명의 실시예 2에 따른 나일론 직물의 세탁 견뢰도 테스트 결과이다.
도 14는 본 발명의 실시예 1에 따른 면직물의 광분해성 분석결과이다.
도 15는 본 발명의 실시예 2에 따른 나일론 직물의 광분해성 분석결과이다.
도 16은 본 발명의 실시예 2에 따른 나일론 직물의 접촉각 테스트 결과이다.
도 17은 본 발명의 실시예 2에 따른 나일론 직물의 열적 특성 분석 결과이다.
도 18은 본 발명의 실험예 7에 따른 면직물의 TiO2 콜로이드 농도에 따른 Ti 원자퍼센트(atomic%, at%)를 나타낸 그래프이다.
도 19는 본 발명의 실험예 7에 따른 나일론 직물의 TiO2 콜로이드 농도에 따른 TiO2 원자퍼센트를 나타낸 그래프이다.
도 20은 본 발명의 실험예 8에 따른 면직물의 처리 온도에 따른 Ti 원자퍼센트를 나타낸 그래프이다.
도 21은 본 발명의 실험예 8에 따른 나일론 직물의 처리 온도에 따른 TiO2 원자퍼센트를 나타낸 그래프이다.
도 22는 본 발명의 실험예 9에 따른 면직물의 처리 시간에 따른 Ti 원자퍼센트를 나타낸 그래프이다.
도 23은 본 발명의 실험예 9에 따른 나일론 직물의 처리 시간에 따른 TiO2 원자퍼센트를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따른 나일론 직물에 부착되는 TiO2 콜로이드의 투과전자현미경(TEM) 이미지이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 면직물의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 면직물의 원소 분석(SEM-EDS) 결과이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 나일론 직물의 주사전자현미경(SEM-EDS) 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 면직물에 대한 X-선 광전자 분광기(XPS) 스펙트럼이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시예 2에 따른 나일론 직물에 대한 X-선 광전자 분광기(XPS) 스펙트럼이다.
도 10은 본 발명의 실시예 1에 따른 면직물의 2D 및 3D 이미지이다.
도 11은 본 발명의 실시예 2에 따른 나일론 직물의 2D 및 3D 이미지이다.
도 12는 본 발명의 실시예 1에 따른 면직물의 세탁 견뢰도 테스트 결과이다.
도 13은 본 발명의 실시예 2에 따른 나일론 직물의 세탁 견뢰도 테스트 결과이다.
도 14는 본 발명의 실시예 1에 따른 면직물의 광분해성 분석결과이다.
도 15는 본 발명의 실시예 2에 따른 나일론 직물의 광분해성 분석결과이다.
도 16은 본 발명의 실시예 2에 따른 나일론 직물의 접촉각 테스트 결과이다.
도 17은 본 발명의 실시예 2에 따른 나일론 직물의 열적 특성 분석 결과이다.
도 18은 본 발명의 실험예 7에 따른 면직물의 TiO2 콜로이드 농도에 따른 Ti 원자퍼센트(atomic%, at%)를 나타낸 그래프이다.
도 19는 본 발명의 실험예 7에 따른 나일론 직물의 TiO2 콜로이드 농도에 따른 TiO2 원자퍼센트를 나타낸 그래프이다.
도 20은 본 발명의 실험예 8에 따른 면직물의 처리 온도에 따른 Ti 원자퍼센트를 나타낸 그래프이다.
도 21은 본 발명의 실험예 8에 따른 나일론 직물의 처리 온도에 따른 TiO2 원자퍼센트를 나타낸 그래프이다.
도 22는 본 발명의 실험예 9에 따른 면직물의 처리 시간에 따른 Ti 원자퍼센트를 나타낸 그래프이다.
도 23은 본 발명의 실험예 9에 따른 나일론 직물의 처리 시간에 따른 TiO2 원자퍼센트를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 명세서에서, "면직물"은 목화에서 얻어낸 솜으로부터 만들어진 식물성 섬유 또는 상기 섬유로 만들어진 직물을 포함할 수 있고, 상기 면직물과 면섬유, 면, 코튼(cotton) 등은 동일한 의미로 사용될 수 있다.
본 명세서에서, "면직물 원단"은 상기 면직물을 기본 소재로 한 섬유 또는 직물로, 광촉매나 바인더 처리를 하지 않은 순수한 원 상태의 면직물을 의미한다.
본 명세서에서, "나일론 직물"은 폴리아미드계에 속하는 합성 고분자로, 1938년 미국 뒤퐁사의 캐로더스(Carothers)에 의해 발명된 합성 섬유 또는 상기 섬유로 만들어진 직물을 포함할 수 있고, 상기 나일론 직물과 나일론(nylon), 나일론 섬유 등은 동일한 의미로 사용될 수 있다.
본 명세서에서, "나일론 직물 원단"은 상기 나일론을 기본 소재로 한 섬유 또는 직물로, 광촉매나 바인더 처리를 하지 않은 순수한 원 상태의 나일론 직물을 의미한다.
본 명세서에서, "3-MPTMS/TiO2 처리된" 또는 "3-MPTMS/TiO2 부착된"이란, 상기 면직물 원단 또는 상기 나일론 직물 원단에 바인더인 3-MPTMS와 광촉매인 TiO2가 처리되거나 또는 부착된 것으로, 3-MPTMS 바인더에 의해 상기 직물의 표면에 TiO2가 결합되거나 부착, 또는 코팅된 것을 의미한다.
본 명세서에서, "TiO2 원자퍼센트" 또는 "Ti 원자퍼센트"는 상기 직물에 부착된 물질의 성분 중 Ti 원자수의 백분율(atomic %, at%)로 Ti의 함량을 나타내고, 이를 통해 TiO2 나노입자의 부착량을 알 수 있다.
본 발명은 항균성 및 광분해성이 향상된 면직물을 제공한다.
본 발명에 따른 항균성 및 광분해성이 향상된 면직물은 면직물 원단 및 코팅층을 포함할 수 있다.
상기 면직물 원단은 목화의 종류에 따라 섬유 색깔, 강도, 광택, 짜임 등이 달라질 수 있고 여러 공정 과정에 따라 다양한 종류로 분류될 수 있다. 예를 들어, 정련, 표백 등 가공 처리되지 않은 면 평직물인 광목(sheeting)을 비롯하여, 카드사를 사용한 능직물인 데님(denim), 카드사 또는 코머사를 사용한 45˚, 63˚의 능선각을 가진 능직물인 면 개버딘(gaberdine), 60수 이상의 얇은 코머사를 사용한 수자직물인 면 새틴(sateen), 직물 또는 편성물로 된 경파일 소재인 벨루어(velour), 벨베틴(velveteen), 옥스퍼드(oxford), 시어서커(seersucker), 코듀로이(corduroy), 테리(terry), 플란넬(flannel) 및 그 밖의 다른 합성 섬유와의 혼방 소재 등이 포함될 수 있고, 이에 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 항균성 및 광분해성이 향상된 면직물에 있어서, 상기 코팅층은 상기 면직물 원단의 일부 또는 전부에 배치될 수 있다. 상기 코팅층은 상기 면직물 원단의 일면 또는 양면에 배치될 수 있고, 상기 일면 또는 양면의 일부, 또는 전부에 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 항균성 및 광분해성이 향상된 면직물에 있어서, 상기 코팅층은 광촉매와 바인더를 포함할 수 있다.
상기 광촉매는 자외선 또는 가시광선 등의 광원에 반응성을 갖는 물질로, 빛을 흡수하여 화학 반응을 촉진시키며, 상기 반응에 의해 유해 물질을 분해시킬 수 있다. 상기 광촉매는 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO) 등을 포함할 수 있고, 바람직하게는 이산화티타늄일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 광촉매의 직경은 10nm 내지 900nm, 바람직하게는 10nm 내지 500nm가 적당하며, 보다 바람직한 것은 10nm 내지 100nm의 범위일 수 있다.
상기 이산화티타늄(Titanium dioxide, 이하, TiO2)은 이산화티탄이라고도 하고, 안정하고 산화력이 크다. 상기 TiO2는 주로 380nm 이하의 자외선에 해당하는 빛 에너지를 받아 촉매 역할을 수행함으로써 항균 활성을 부여할 수 있다. 상기 TiO2의 결정상은 크게 3가지, 아나타제(anatase), 루타일(rutile), 브루카이트(brookite)로 분류되는데, 이 중 아나타제의 항균 성능과 광촉매 반응의 활성이 높아, 아나타제 결정상을 가지는 TiO2를 사용하는 것이 바람직하다. 아나타제 TiO2를 사용함으로써 자외선에 노출시켰을 때 화학 반응을 통해 유기물을 분해하고, 동시에 곰팡이 및 세균 증식에 대한 저항성을 가지는 항균 성능을 보다 효과적으로 부여할 수 있다.
본 발명에 따른 항균성 및 광분해성이 향상된 면직물에 있어서, 상기 코팅층은 0.5 내지 4 원자퍼센트(atomic%), 바람직하게는 1 내지 3.5 원자퍼센트의 티타늄(Ti)을 함유할 수 있다.
상기 바인더(binder)는 상기 광촉매를 직물 원단에 고정시키는 역할을 하는 것으로, 상기 바인더에 의해 상기 광촉매와 상기 직물 원단 사이의 내구성이 강해질 수 있고, 이에 따라 상기 직물 원단 상에서 상기 광촉매의 기능이 보다 효과적으로 구현될 수 있다. 상기 바인더는 3-멜캅토프로필트리메톡시실레인(Mercaptopropyltrimethoxysilane; 이하, 3-MPTMS)을 포함할 수 있다. 별도의 바인더를 없이 광촉매만을 직물 상에 코팅하는 경우는 물론, 일반적으로 사용되던 TiO2 계열의 바인더를 이용하는 경우에도 부착력이 좋지 못하거나 광촉매 코팅에 크랙(crack)을 발생시키는 등의 내구성 저하의 문제가 있다. 하지만, 상기 3-MPTMS는 상기 면직물 원단과 상기 TiO2 광촉매 사이에 우수한 내구성을 구현할 수 있고, 상기 광촉매의 부착성 향상에 기여할 수 있다. 보다 상세한 내용은 하기 실시예를 통해 후술될 것이다.
본 발명은 항균성 및 광분해성이 향상된 면직물 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 면직물 제조 방법은 광촉매 및 바인더의 혼합 용액을 제조하는 제1 단계, 상기 혼합 용액에 면직물 원단을 침지시켜 교반하는 제2 단계 및 상기 교반된 면직물 원단을 세척 및 건조하는 제3 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 면직물 제조 방법에 있어서, 제1 단계인 혼합 용액 제조 단계는 유기 용제에 상기 광촉매 및 상기 바인더를 넣고 혼합시켜 혼합 용액을 제조할 수 있다. 상기 광촉매로 TiO2, 상기 바인더로 3-MPTMS를 선택하여 상기 유기 용제, 예를 들어, 이소프로판올에 첨가하여 상기 혼합 용액을 제조할 수 있다. 상기 광촉매 TiO2는 용액 형태로 제공될 수 있고, 예를 들어, 물을 베이스로 한 TiO2 콜로이드 용액일 수 있다. 상기 TiO2 콜로이드 용액은 상기 용액 내 TiO2 함량, 즉 TiO2 농도가 50,000 내지 120,000ppm, 바람직하게는 80,000 내지 100,000ppm 일 수 있다. 상기 TiO2의 농도가 높아질수록 상기 바인더와 결합할 수 있는 Ti 원소의 수가 증가하게 되고, 이로써 더 많은 Ti 원소가 상기 면직물 원단 상에 부착될 수 있다.
본 발명에 따른 면직물 제조 방법에 있어서, 제2 단계는 제1 단계에서 만들어진 상기 혼합 용액에 면직물 원단을 넣고 상기 혼합 용액과 상기 면직물 원단이 충분히 결합을 할 수 있도록 일정 온도에서 일정 시간 동안 침지시키고 교반시킬 수 있다.
제2 단계가 수행되는 온도는 15 내지 45℃, 바람직하게는 20 내지 40℃, 보다 바람직하게는 25 내지 35℃일 수 있다. 상기 온도가 증가함에 따라 Ti 원자의 운동 에너지가 증가하여 상기 범위 이상의 온도가 되면 상기 면직물 원단에 부착된 TiO2 나노입자가 오히려 떨어질 수 있기에, 상기 범위 내 온도에서 제2 단계를 수행하는 것이 바람직할 것이다.
제2 단계가 수행되는 시간은 40 내지 80분, 바람직하게는 50 내지 70분, 보다 바람직하게는 55 내지 65분일 수 있다. 초기에는 상기 수행 시간이 증가할수록 상기 면직물 원단에 부착되는 Ti 함량 또한 증가하는 것으로 나타났으나, 상기 수행 시간이 일정 시간 이상으로 증가하게 되면 상기 광촉매가 균일하고 적절하게 처리되지 못하여, 상기 면직물 표면에서 Ti 함량이 오히려 감소될 수 있다. 또한, 상기 시간 미만으로 제2 단계를 수행하는 경우에는 상기 광촉매가 상기 면직물 원단에 충분히 부착되지 못하므로, 상기 범위 내의 시간 동안 수행되는 것이 바람직할 것이다.
본 발명에 따른 면직물 제조 방법에 있어서, 제3 단계인 세척 및 건조 단계는 상기 교반된 면직물 원단을 유기 용매 또는 증류수로 세척하여, 상기 면직물 원단에 미부착된 광촉매, 바인더 등의 잔여물 및 이물질을 제거할 수 있다. 상기 세척은 1회 이상 시행될 수 있다. 상기 세척이 끝난 다음, 상기 광촉매 및 바인더로 코팅된 면직물을 건조시킴으로써 항균성 및 광분해성이 향상된 면직물을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 항균성 및 광분해성이 향상된 나일론 직물을 제공한다.
본 발명에 따른 항균성 및 광분해성이 향상된 나일론 직물은 나일론 직물 원단 및 코팅층을 포함할 수 있다.
상기 나일론 직물 원단은 나일론실의 굵기에 따라 타피타(taffeta), 립스탑(ripstop), 옥스퍼드(oxford) 등 다양한 종류를 포함할 수 있다. 상기 타피타는 70 데니어 굵기의 나일론 실로 짠 얇고 가벼운 원단으로, 텐트 몸체나 의류의 원단으로 사용한다. D(denier)로 표기하는 데니어는 실의 굵기를 나타내는 단위로, 수가 클수록 실도 굵어진다. 립스탑은 타피타와 똑같은 굵기의 실로 직조한 원단이지만 직조 방법에 차이가 있다. 립스탑은 타피타의 잘 찢어지는 단점을 보완하기 위하여 격자무늬를 넣어 짠 나일론으로 어느 한 부분이 찢기거나 뜯어지더라도 한 격자를 넘어서 미어지지 못하도록 직조한 천이다. 타피타 및 립스탑보다 두껍고 튼튼한 것이 옥스퍼드이다.
상기 나일론 직물 원단은 가볍고 질기며 탄성력이 크고 산성 물질과 충해에도 잘 견디는 특징으로 인해 소형 텐트와 의류뿐 아니라 낙하산, 낚싯줄, 어망, 배드민턴 라켓 줄 등 산업 전반에 활용되고 있다.
본 발명에 따른 항균성 및 광분해성이 향상된 나일론 직물에 있어서, 상기 코팅층은 상기 나일론 직물 원단의 일부 또는 전부에 배치될 수 있다. 상기 코팅층은 상기 나일론 직물 원단의 일면 또는 양면에 배치될 수 있고, 상기 일면 또는 양면의 일부, 또는 전부에 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 항균성 및 광분해성이 향상된 나일론 직물에 있어서, 상기 코팅층은 광촉매와 바인더를 포함할 수 있다. 상기 광촉매 및 상기 바인더는 상술한 항균성 및 광분해성이 향상된 면직물의 광촉매 및 바인더를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 항균성 및 광분해성이 향상된 나일론 직물에 있어서, 상기 코팅층은 0.5 내지 3 원자퍼센트(atomic%), 바람직하게는 1 내지 2.5 원자퍼센트의 티타늄(Ti)을 함유할 수 있다.
본 발명은 항균성 및 광분해성이 향상된 나일론 직물 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 나일론 직물 제조 방법은 광촉매 및 바인더의 혼합 용액을 제조하는 제1 단계, 상기 혼합 용액에 나일론 직물 원단을 침지시켜 교반하는 제2 단계 및 상기 교반된 나일론 직물 원단을 세척 및 건조하는 제3 단계를 포함할 수 있다. 상기 제조 방법은 상술한 면직물 제조 방법과 다소 유사할 수 있지만, 제조 공정의 최적 온도 및 시간을 달리한다.
본 발명에 따른 나일론 직물 제조 방법에 있어서, 제1 단계인 혼합 용액 제조 단계는 유기 용제에 상기 광촉매 및 상기 바인더를 넣고 혼합시킨다. 상기 광촉매로 TiO2, 상기 바인더로 3-MPTMS를 선택하여 상기 유기 용제, 예를 들어, 이소프로판올에 첨가하여 상기 혼합 용액을 제조할 수 있다. 상기 광촉매 TiO2는 용액 형태, 예를 들어, 물을 베이스로 한 TiO2 콜로이드 용액으로 제공될 수 있다. 상기 TiO2 콜로이드 용액은 상기 용액 내 TiO2 함량이, 즉 TiO2 농도가 50,000 내지 120,000ppm, 바람직하게는 80,000 내지 100,000ppm 일 수 있다. 상기 TiO2의 농도가 높아질수록 상기 바인더와 결합할 수 있는 Ti원소의 수가 증가하게 되고, 이로써 더 많은 Ti 원소가 상기 나일론 직물 원단 상에 부착될 수 있다.
본 발명에 따른 나일론 직물 제조 방법에 있어서, 제2 단계는 제1 단계에서 만들어진 상기 혼합 용액에 나일론 직물 원단을 넣어 상기 혼합 용액과 상기 나일론 직물 원단이 충분히 결합을 할 수 있도록 일정 온도에서 일정 시간 동안 침지시키고 교반시킬 수 있다.
제2 단계가 수행되는 온도는 30 내지 90℃, 바람직하게는 60 내지 90℃일 수 있다. 상기 온도 범위에서 제2 단계가 수행될 때, 상기 나일론 직물 원단 상에 TiO2가 가장 효과적으로 부착될 수 있다.
제2 단계가 수행되는 시간은 90 내지 180분, 바람직하게는 100 내지 150분, 보다 바람직하게는 110 내지 130분일 수 있다. 초기에는 상기 수행 시간이 증가할수록 상기 나일론 직물 원단에 부착되는 Ti 함량 또한 증가하는 것으로 나타났으나, 상기 수행 시간이 일정 시간 이상으로 증가하게 되면 상기 나일론 직물 원단에 손상을 일으켜 TiO2의 탈착을 일으킬 수 있고, 상기 수행 시간이 상기 시간 범위 미만으로 제2 단계를 수행하는 경우에는 상기 광촉매가 상기 나일론 직물 원단에 충분히 부착되지 못하므로, 상기 범위 내의 시간 동안 수행되는 것이 바람직할 것이다.
본 발명에 따른 나일론 직물 제조 방법에서, 제3 단계인 세척 및 건조시키는 단계는 상기 교반된 나일론 직물 원단을 유기 용매 또는 증류수로 세척하여, 상기 나일론 직물 원단에 미부착된 광촉매 및 바인더 등의 잔여물 및 이물질을 제거할 수 있다. 상기 세척은 1회 이상 시행될 수 있다. 상기 세척이 끝난 다음, 상기 광촉매 및 바인더로 코팅된 나일론 직물을 건조시킴으로써 항균성 및 광분해성이 향상된 나일론 직물을 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
[실시예 1] 면직물
1. 시료 및 시약
실험에 사용한 직물은 ISO 105-F02에 의해 규정된 면직물을 사용하였으며 그 특성을 하기 표 1에 나타내었다. 이산화티타늄 나노콜로이드(TiO2 nanocolloid, Ti 함량 : 100,000ppm)는 나노믹스(Nanomix. Goyang, Korea)에서 구매하였고 3-멜캅토프로필트리메톡시실레인(Mercaptopropyltrimethoxysilane; 이하, 3-MPTMS)는 시그마 알드리치(sigma Aldrich, Yungin, Korea)에서 구매하였으며, 이소프로판올(Isopropanol)은 대정(Daejung, Gyeonggi, Korea)에서 구매하여 사용하였다.
| 직물 | 직물의 특징 |
| 면(Cotton) |
단위 중량, 115 ± 5 g/m2 백색도 80 ± 3 직물이 탈색 및 표백됨 |
2. 제조 방법
95% 이소프로판올 10mL에 95% 3-MPTMS 0.1mL를 첨가한 후, 2mL의 TiO2 나노콜로이드(100,000ppm, 물 베이스, 나노믹스)를 첨가하여 용액을 제조하였다. 제조된 용액에 면직물(Cotton fabric, 115g/m2, ISO 105-F02, 5cm×5cm)을 침지 후, 45℃ 항온 수조에서 90분간 상기 제조된 용액과 직물이 충분히 결합을 할 수 있도록 120rpm으로 교반하였다. 교반 후, 상기 면직물은 이소프로판올과 증류수에 각각 2회 수세하여 미부착된 TiO2 나노입자 및 3-MPTMS를 제거하였고 상온에서 24시간 건조시켰다.
[실시예 2] 나일론 직물
1. 시료 및 시약
아나타제(Anatase)형 이산화티타늄 콜로이드 졸(TiO2 함량: 100,000 ppm)을 나노폴리(Nanopoly, Yongin, Korea)에서 구매하여 사용하였고, 95% 3-MPTMS를 시그마 알드리치(Yongin, Korea)에서 구매하여 사용하였다. 95% 이소프로판올은 덕한 화학(Korea)에서 구매하였으며, 모든 화학물질은 추가 정제 없이 시약 그대로 사용하였다. 나일론 직물은 테스트패브릭스(Testfabrics,inc)에서 판매되고 있는 스펀 나일론 6.6(Spun Nylon 6.6 dupont type 200 ISO 105F03, Style 361 Nylon)을 사용하였다.
2. 제조 방법
1) 3-MPTMS와 TiO2 콜로이드 졸 교반 법
10mL의 이소프로판올 용액에 2mL 100,000 ppm TiO2 콜로이드 졸, 0.1mL의 3-MPTMS을 넣어 용액을 제조한 후, 비커에 5cm×5cm 크기로 자른 나일론 직물을 상온에서 30분 침지시켰다. 45℃의 항온 수조(Shaking water bath, JISICO, Seoul, Korea)에서 90분간 상기 용액과 직물이 충분히 결합을 할 수 있도록 90rpm으로 교반 시켰다. 교반이 끝난 직물을 이소프로판올과 증류수로 각각 2회씩 수세를 시켜 미부착된 TiO2 나노입자 및 3-MPTMS를 제거하였고 상온에서 24시간 건조시켰다.
2) TiO2 콜로이드 졸 패드-드라이-큐어(Pad-Dry-Cure)법
30cm×30cm 크기로 자른 나일론 직물을 20mL의 100,000 ppm TiO2 콜로이드가 있는 500mL의 증류수에 30분 침지 시킨 후, 2nip-2pad를 거친 후 45℃에서 30분간 건조시켰다. 건조를 마친 나일론 직물은 125℃의 텐터(Tenter)에서 3분간 열처리되었다.
상기 실시예 1 및 실시예 2를 통해 제조된 면직물 및 나일론 직물을 이용하여 하기의 실험을 진행하였다. 상기 실험은 면직물 및 나일론 직물 각각 따로 수행되어 상기 실험에 이용된 기기 등의 실험 조건이 서로 다를 수 있고, 각각의 다른 실험 조건에 대해서는 구별하여 기재하였다.
[실험예 1] 분석 실험
1. 콜로이드 특성 분석
1) 실험방법 : 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope, TEM)
상기 실시예들에 따른 면직물 또는 나일론 직물 제조에 사용되는 TiO2 콜로이드의 분산 상태 및 나노입자 크기를 확인하기 위해 투과전자현미경(H-7600, Hitachi, Japan)을 사용하여 관찰하였다. 가속전압 100.0kV 하에서 100.0k 배의 배율로 진행하였으며, 0.32nm의 투과 분해능으로 관찰하였다.
2) 실험결과
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 면직물에 부착되는 TiO2 콜로이드의 투과전자현미경(TEM) 이미지이다. 도 1을 참조하면, 면직물에 부착된 TiO2 나노입자의 크기는 대부분 3-6nm의 넓은 범위로 분포되어 있으며 평균 크기는 ±4.18nm로 확인되었다.
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따른 나일론 직물에 부착되는 TiO2 콜로이드의 투과전자현미경(TEM) 이미지이다. 도 2를 참조하면, 나일론 직물에 부착된 TiO2 나노입자의 크기는 대략 4-5nm의 범위로 분포되어 있으며, 평균 크기는 4.9±0.5nm로 확인되었다.
이를 통해, 면직물 및 나일론 직물 표면의 부착에 사용된 TiO2 입자들은 응집되거나 침전되지 않고, 콜로이드 내에 고르게 분포되어 있는 것으로 보여진다.
2. 섬유 표면 특성 분석
1) 실험방법 : 주사전자현미경 - 에너지분산형분광기((Scanning electron microscopy(SEM)-Energy dispersive spectroscopy(EDS))
3-MPTMS/TiO2 처리한 면직물 또는 나일론 직물과 아무 처리하지 않은 면직물 또는 나일론 직물의 섬유 표면 형상을 비교 관찰하고 원소를 분석하기 위해 주사전자현미경(S-4100(면직물), S-4800(나일론 직물), Hitachi Co. Ltd, Japan)과 에너지분산형분광기(EX-250, Horiba, Tokyo, Japan)를 사용하여 분석하였다. 상기 분석을 위해 관찰 전, 백금으로 상기 직물들을 코팅한 후, 15.0kV의 가속 전압 하에서 면직물은 2.0k배의 배율로, 나일론 직물은 5.0k배의 배율로 촬영하여 관찰하였다.
2) 실험결과
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 면직물의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다. 도 3을 참조하면, (a)는 처리 전의 순수한 면섬유 표면이고, (b)는 3-MPTMS/TiO2 처리된 면섬유의 표면으로, 상기 (a)는 비교적 평활한 표면 상태를 보이나, 상기 (b)는 상대적으로 거칠어진 표면 상태를 보이는 것으로 나타났다. 이를 통해, TiO2 나노입자로 추정되는 물질이 면섬유 표면에 코팅되어 표면이 개질되었음을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 면직물의 원소 분석(SEM-EDS) 결과이다. 도 4를 참조하면, (a)는 처리 전의 순수한 면섬유의 표면이고, (b)는 3-MPTMS/TiO2 처리된 면섬유의 표면으로, 상기 (b)의 3-MPTMS/TiO2가 부착된 섬유 표면에 Si 및 Ti 원소가 존재하는 것으로 나타났다. Si는 3-MPTMS에 포함된 원소이고 Ti는 TiO2 콜로이드에 포함된 원소로 볼 수 있어, 이를 통해 면섬유 표면에 3-MPTMS 및 TiO2가 부착되었음을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 나일론 직물의 주사전자현미경(SEM-EDS) 이미지이다. 도 5를 참조하면, (a)는 처리 전의 순수한 나일론 섬유의 표면이고, (b)는 3-MPTMS/TiO2 처리된 나일론 섬유의 표면으로, 상기 (a)는 비교적 매끈한 표면과 일정한 두께의 고른 단면을 가지고 있으나, 상기 (b)는 (a)의 표면에서 코팅층이 한 겹 더 생긴 것으로 확인되었다.
또한, EDS 스펙트럼을 참조하면 Ti뿐만 아니라 S, Si도 증가되었음을 확인할 수 있는데, 이는 3-MPTMS에 존재하는 S, Si에 기인한 것으로 판단된다. 따라서, 3-MPTMS 및 TiO2가 나일론 섬유에 부착되었음을 확인할 수 있다.
3. 직물 표면의 원자 조성 및 원자의 화학적 결합 상태 분석
1) 실험방법 : 광전자 분광기(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)
3-MPTMS/TiO2 처리된 면직물 또는 나일론 직물의 심층적 조성 원소 분석을 위하여 X-선 광전자 분광기(면직물:Quantera SXM, ULVAC-PHI., Japan, 나일론 직물:K-Alpha, Thermoscientific, UK)를 사용하여 스펙트럼을 측정하였다. 상기 기기를 이용하여 직물 표면에 X선을 입사하여 방출하는 광전자의 에너지를 측정함으로써 면직물 또는 나일론 직물 표면의 조성 및 원자의 화학적 결합 상태를 확인하였다.
2) 실험결과
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 면직물에 대한 X-선 광전자 분광기(이하, XPS) 스펙트럼이다. 도 6을 참조하면, (a)는 처리 전의 순수한 면직물의 XPS 스펙트럼이고 (b)는 3-MPTMS/TiO2 처리된 면직물의 XPS 스펙트럼으로, 상기 (a)의 XPS 스펙트럼에서는 확인할 수 없는 462eV의 피크가 상기 (b)의 XPS 스펙트럼에서 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 448.18eV 과 474.98 eV 사이에서 나타난 피크는 Ti의 결합 에너지(Binding energy)로, 462eV의 피크 역시 Ti의 피크로 판단될 수 있다. 즉, XPS 스펙트럼 분석을 통해 면직물의 화학 구조에서는 존재하지 않는 Ti를 확인함으로써, TiO2 나노입자가 면직물 표면에 부착되어졌음을 확인할 수 있다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시예 2에 따른 나일론 직물에 대한 X-선 광전자 분광기(XPS) 스펙트럼이다. 도 7 및 도 8을 참조하면, (a)는 처리 전의 순수한 나일론 직물의 XPS 스펙트럼이고 (b)는 3-MPTMS/TiO2 처리된 나일론 직물의 XPS 스펙트럼으로, 상기 (a)의 XPS 스펙트럼에서는 확인할 수 없는 459.35 eV 지점의 피크가 상기 (b)의 XPS 스펙트럼에서 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 상기 피크 역시 Ti의 피크로 판단될 수 있다.
또한, 도 9를 참조하면, 도 9는 2p 영역에서의 황(S)에 대한 XPS 스펙트럼으로, 3-MPTMS/TiO2 나노입자가 부착된 나일론 직물(b)의 163.76 eV 지점에서 S의 피크를 볼 수 있는 것이 특징적인데, 이는 3-MPTMS에 있는 S의 부착임을 유추해 볼 수 있다.
4. 직물 표면 변화 입체적 분석
1) 실험방법 : 원자간력 현미경(Atomic Force Microscope, AFM)
3-MPTMS/TiO2 처리 전후의 면직물 또는 나일론 직물의 표면 변화 및 미세구조와 표면 거칠기(Roughness)를 확인하기 위해 AFM 캔틸레버(cantilever) 끝부분의 탐침을 표면에 접근시켜 탐침과 직물간의 원자간력에 의한 캔틸레버의 휨 정도를 검출하여 직물의 굴곡을 측정하는 방식으로 진행되었다.
면직물은 원자력간 현미경(NanoScopeⅢa, Digital Instruments, Cambridge, UK)을 사용하여 공전 주파수 300kHz 하에서 약 5.0μm 스캔 사이즈(scan size)로 측정하였고, 나일론 직물은 원자력간 현미경(DVID-H-09751-700h, DAEIL SYSTEM, Yongin, Korea)을 사용하여, 공전 주파수 0.7016Hz 하에서 5.0μm의 스캔 사이즈로 측정하여, TiO2 나노입자가 부착된 면직물 표면 변화를 입체적으로 관찰하였다.
2) 실험결과
도 10은 본 발명의 실시예 1에 따른 면직물의 2D 및 3D 이미지이다. 도 10을 참조하면, (a)는 처리 전의 순수한 면직물 표면이고, (b)는 3-MPTMS/TiO2 처리된 면직물의 표면으로, 상기 (a)는 비교적 평활하게 나타났으나, 상기 (b)는 상기 (a)와 비교하였을 때 시각적으로 현저히 굴곡진 형상으로 나타났다. 이를 통해, 면직물 표면에 부착된 3-MPTMS/TiO2가 표면의 굴곡을 만들어 표면의 거칠기가 증가하였음을 확인할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예 2에 따른 나일론 직물의 2D 및 3D 이미지이다. 도 11을 참조하면, (a)는 처리 전의 순수한 나일론 직물 표면이고, (b)는 3-MPTMS/TiO2 처리된 나일론 직물의 표면으로, 상기 (a)는 상대적으로 평활한 것으로 나타났고, 상기 (b)는 상기 (a)보다 더 많고 높은 표면 굴곡이 나타났다. 상기 (a)의 표면 거칠기 Ra는 7.05 nm, 상기 (b)의 표면 거칠기 Ra는 10.084 nm, 표면의 경사 중 최대 높이는 88.614 nm로 나타났다. 이를 통해, 나일론 직물의 표면에 부착된 3-MPTMS/TiO2가 표면의 굴곡을 만들었음을 확인할 수 있다.
[실험예 2] 세탁 견뢰도 측정
1. 실험방법
직물을 가공함에 있어 고려해야 할 중요한 요소 중 하나인 세탁 견뢰도는 여러 번의 반복 세탁 후에도 가공의 효과가 있는가를 알 수 있는 내구성의 척도이다.
면직물 또는 나일론 직물에 코팅된 TiO2 나노입자의 부착 내구성을 확인하기 위하여 KS K ISO 105-C10:2006의 방법으로 견뢰도 시험기(D7-0850, Dong Yang Lab, Seoul, Korea)를 사용하여 세탁 견뢰도 테스트를 실시하였다. 세제는 AATCC 1993을 사용하였으며, 세제 농도는 5g/L, 세탁 온도는 40℃±1에서 세탁되었다. 세탁은 30분씩 총 10회 실시하였다. 세탁 후 SEM-EDS를 통하여 TiO2(Ti)의 원자퍼센트(Atomic %, at%)를 확인하였다.
2. 실험결과
도 12는 본 발명의 실시예 1에 따른 면직물의 세탁 견뢰도 테스트 결과이다. 도 12를 참조하면, (a)는 면직물 표면에 Ti 처리만 한 것이고, (b)는 3-MPTMS/TiO2 처리를 한 것으로, 세탁 횟수가 증가함에 따라 Ti 원소 비율이 감소하는 것으로 나타났다. 세탁 전과 5회 세탁 후의 Ti 원자퍼센트가 3.39 에서 0.37(at%)로 현저하게 감소하였으며, 이후 10회까지의 감소량은 상대적으로 미미한 것으로 나타났다. 이러한 경향을 근거로 볼 때, 3-MPTMS에 의해 면직물에 부착된 TiO2 나노입자의 결합력은 크지 않음을 알 수 있다. 이는 세탁 도중 발생한 섬유 간 마찰로 인해 TiO2 나노입자가 떨어진 것으로 사료된다.
다만, 3-MPTMS를 적용하지 않고 단순히 TiO2 콜로이드 입자만 적용하여 처리할 경우 내구성이 없으므로, 이와 비교하였을 때, 3-MPTMS에 의해 부착된 TiO2 나노입자의 원소 비율은 세탁 횟수 증가에 따라 감소하였으나 Ti가 완전히 미고착된 상태는 아닌 것으로 여겨진다.
도 13은 본 발명의 실시예 2에 따른 나일론 직물의 세탁 견뢰도 테스트 결과이고, 하기 표 2는 상기 세탁 견뢰도 테스트 결과 값이다. 도 13 및 표 2를 참조하면, (a)는 패드-드라이-큐어의 방법으로 TiO2를 부착시킨 나일론 직물이고, (b)는 3-MPTMS를 포함한 교반 법에 의해 TiO2를 부착시킨 나일론 직물의 그래프로, 세탁 횟수에 따라 TiO2 원자퍼센트가 감소하는 경향을 보였다.
상기 (a)의 경우, TiO2 원자퍼센트는 1, 2, 3회 세탁 시 각각 0.3%, 0.275%, 0.03%를 나타냈으며, 4회 이상 세탁 시 TiO2가 전부 탈착이 되어 더 이상 확인하지 못하였다. 세탁 횟수(Washing cycle) 2회까지는 원자퍼센트 변화가 크게 나타나지 않았으나 3회 이상 세탁을 시행하였을 경우, 눈에 띄게 TiO2가 탈착되는 것을 확인할 수 있었다.
상기 (b)의 경우, 항온 수조에서 90분 교반 시킨 후 세탁을 위와 동일하게 시행하였으나 10회의 세탁에서 다소 부착량의 감소를 보이긴 하였으나, 5회까지의 세탁 동안 큰 변화를 보이지 않는 것으로 나타났다. 1, 2, 3, 4, 5회의 세탁 동안 각각 0.42, 0.38, 0.4, 0.4, 0.38 원자퍼센트(at%)를 보여주었으며 10회 세탁 후에도 70%의 TiO2가 남아있는 것으로 나타났다.
| 세탁 횟수 (Washing cycle) |
잔존한 TiO2 (Atomic %) | |
| 패드-드라이-큐어 | 교반 | |
| 0 | 0.38 | 0.43 |
| 1 | 0.30 | 0.42 |
| 2 | 0.27 | 0.38 |
| 3 | 0.03 | 0.40 |
| 4 | 0 | 0.40 |
| 5 | 0 | 0.38 |
| 10 | 0 | 0.3 |
상기 결과를 근거로 패드-드라이-큐어법으로 TiO2만을 처리한 경우(10회 세탁 시 잔존 TiO2 0%) 보다 3-MPTMS를 사용하여 TiO2를 나일론 직물에 부착하였을 때, TiO2와 나일론 직물이 더 강하게 결합한다는 것을 확인할 수 있었다.
[실험예 3] 항균 테스트 (Antimicrobial Test)
1. 실험방법
1) 면직물 항균성 테스트
3-MPTMS/TiO2 처리된 면직물의 항균성 테스트를 위한 방법으로 정량 시험법인 AATCC 테스트 방법 100(액체에서의 접촉 분석)을 이용하여 항균성을 측정하였다. 사용된 균주는 그람 음성(Gram-negative) 박테리아인 대장균 O157:H7 (Escherichia coli O157:H7, ATCC 43895, 이하 E. coli)를 사용하였으며, 그람 양성(Gram-positive) 박테리아로는 황색포도상 구균(Staphylococcus aureus MRSA, ATCC BAA-1707, 이하 S.aureus)를 사용하였다. 생균수는 E. coli 1.36×107cfu/ml, S. aureus 2.90×107cfu/ml로 조제하여 접종액으로 사용하였다.
각각의 균들을 루리아-베르타니(Luria-Bertani, 이하, LB; BD biosciences, NJ, USA) 배지에 접종 후 37℃에서 24시간 동안 활성화시켰다. 활성화된 1mL의 접종액을 0.1g의 시료에 접종하여 24시간 동안 상온에서 방치한 뒤, 0.85% 생리식염수에 넣고 볼텍스(voltex)를 사용하여 강하게 교반시켜 부착되어 있는 균을 생리식염수에 분산시켰다. 이 분산액을 희석충란계산법(decimal dilution method)으로 희석 후, LB 한천(agar) 고체 배지에 도말하였다. 37℃에서 24시간 동안 배양시킨 뒤, 생존 박테리아의 수를 세어 콜로니-형성 단위(colony-forming units, 이하, CFUs)를 계산하였다.
2) 나일론 직물의 항균성 테스트
3-MPTMS/TiO2 처리된 나일론 직물의 항균성 테스트를 위해, 상기 면직물 항균성 테스트에 사용된 것과 동일한 두 균주(E. coli, S. aureus)를 나일론 직물 시료에 적용시켜 균 저항성을 측정하였다. 생균수는 E. coli 1.68×104cfu/ml, S. aureus 2.90×107cfu/ml로 조제하여 접종액으로 사용하였다.
80℃에 동결된 글리세롤 스톡 1mL를 LB 액체 배지(1:50, 배지:증류수)에 넣고 37℃에서 200rpm으로 E.coli 17시간, S.aureus 20시간 동안 활성화시켰다. 활성화된 LB 액체 배지를 시료에 0.1 mL 접종하고 24시간 동안 상온에서 방치시킨 후, 방치된 시료를 0.85% 생리식염수에 넣고 볼텍스를 통하여 충분히 희석 시킨 후, LB 고체 배지에 도말하고 37℃에서 20시간 배양시킨 뒤, 생존 박테리아의 수를 세어 CFUs를 계산하였다.
2. 실험결과
하기 표 3은 3-MPTMS/TiO2 처리된 면직물을 E. coli, S. aureus를 사용하여 균수 감소법을 통해 확인한 박테리아수의 변화이다.
| sample | Bacterial no. (cfu/sample) | |
| E. Coli | S. aureus | |
| 무처리 면직물 | 3.0 ×106 | 5.16 ×106 |
| UV + 무처리 면직물 | 2.4 ×105 | 1.44 ×106 |
| 3-MPTMS/TiO2 면직물 | 6.0 ×103 | 3.37 ×103 |
| UV + 3-MPTMS/TiO2 면직물 | 9.0 ×102 | 1.56 ×102 |
※ 전체 E. coli 1.36×107cfu/ml, S. aureus 2.90×107cfu/ml
상기 표 3을 참조하면, 3-MPTMS/TiO2가 부착된 면직물은 E. coli와 S. aureus에서 완벽하게 불활성화 시키진 못하였으나 자외선 노출된 3-MPTMS/TiO2 면직물과 자외선 노출되지 않은 무처리 면직물를 비교하였을 때, 자외선 노출된 3-MPTMS/TiO2 면직물이 E. coli, S. aureus에 대하여 상대적으로 증가된 항균 활성을 보이는 것으로 나타났다. 이는 TiO2 처리된 표면이 자외선에 노출되어 생성된 OH 라디칼의 반응성에 의해 유기물을 산화·분해하여, 현저하지는 않으나 TiO2 나노입자에 대한 항균성을 나타내는 것으로 생각된다.
하기 표 4는 3-MPTMS/TiO2가 처리된 나일론 직물을 E. coli, S. aureus를 사용하여 균수 감소법을 통해 확인한 박테리아수의 변화이다.
| sample | Bacterial no. (cfu/sample) | |
| E. Coli | S. aureus | |
| 무처리 나일론 | 9.50 ×103 | 2.96 ×106 |
| UV + 무처리 나일론 | 7.80 ×102 | 1.12 ×105 |
| 3-MPTMS/TiO2 나일론 | 10 | 2.10 ×102 |
| UV + 3-MPTMS/TiO2 나일론 | 0 | 6 |
※ 전체 E. coli 1.68×104cfu/ml, S. aureus 2.90×107cfu/ml
상기 표 4를 참조하면, TiO2 처리된 나일론 직물은 E. Coli에 대해 강력한 항균성을 보였고, S. Aureus에 대해서는 균수는 감소시켰으나 완벽하게 균을 죽이지 못하는 것으로 나타났다. 또한, 어두운 암실에서 처리한 시료보다 자외선에 30분간 노출된 시료가 더 효과적인 항균 활성을 보여주는데, 이는 광화학반응에 의해 라디칼을 만들어 균을 감소시키는 TiO2의 역할에 의한 것으로 추정된다. 단순히 나일론 직물에 3-MPTMS/TiO2를 처리함으로도 항균성을 보였으나, 380 nm 이하의 광을 추가로 조사함으로써 TiO2의 광화학반응으로 항균 작용이 더욱 활성됨을 확인하였다.
[실험예 4] 광분해 특성(오염 분해성)
1. 실험방법
직물 표면에 처리된 TiO2의 유기물 분해 성능을 평가해보기 위해서, 면직물 또는 나일론 직물을 메틸렌블루로 오염시킨 후, 오염된 직물에 대한 광분해 성능을 분석하였다.
면직물의 경우, 5cm×5cm 크기의 TiO2 처리된 면직물 및 처리되지 않은 면직물을 0.1 g/L의 메틸렌블루 용액 400mL에 30분간 침지시켰다. 빛을 차단한 상태(암막 조건)에서 24시간 동안 자연 건조시킨 후 0, 1, 2, 3, 4, 5, 24시간 동안 2개의 자외선 램프(BLB lamp, λmax=365 nm, 20W, Sankyo Co., Japan)에 노출시켰다. 색차계를 이용하여 조사 시간에 따른 색의 변화를 측정하였다. 시료의 광분해 성능 평가는 시료의 표면 반사율을 측정하여 K/S 값으로 환산한 후 광분해율을 산출하였다.
나일론 직물의 경우, 4cm×4cm 크기의 TiO2 처리된 나일론 직물 및 TiO2 처리되지 않은 나일론 직물을 메틸렌블루 2 mL를 1L 증류수로 희석한 수용액에 각각 1시간 침지시켰다. 암막 조건에서 24시간 동안 건조시킨 후, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 24 시간 동안 상기 직물과 50cm 떨어져 있는 40W의 두 개의 자외선 램프에 노출시켰다.광에 노출된 시간에 따라 처리 전, 후 직물의 오염 분해성의 차이를 보기 위하여 컴퓨터 컬러 매칭(Computer Color Matching, CCM, Color Eye 3100, Macbeth., U.S.A)을 사용하여 색차 변화, 반사율, 및 흡광도를 이용하여 K/S 값을 계산하였다.
[식]
K : 흡광계수, S : 산란계수, R : 최대 흡수파장에서의 표면 반사율
2. 실험결과
자외선의 강도, 오염 물질의 농도, 오염을 분해할 수 있는 TiO2의 함량과 시간, 온도 등은 오염 분해성 측정에 중요하게 고려되는 요소이다.
도 14는 본 발명의 실시예 1에 따른 면직물의 광분해성 분석결과이다. 도 14를 참조하면, (a)는 메틸렌블루 용액으로 오염시킨 미처리 면직물을 1시간 간격으로 자외선 조사 후의 K/S값을 나타낸 그래프로, 염착량은 일정하게 나타나지 않았다. 즉, 순수한 면직물에서는 메틸렌블루 염료의 분해가 거의 나타나지 않은 것으로 확인할 수 있다.
반면, (b)는 3-MPTMS/TiO2 처리한 면직물의 광분해성 그래프로, 자외선 조사 시간이 증가함에 따라 메틸렌블루 염료의 분해가 증가하는 것으로 나타났다. 이는 TiO2가 380nm 이하에서 활발하게 반응하여 빛 에너지를 흡수하여 상기 염료가 분해된 것으로 볼 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시예 2에 따른 나일론 직물의 광분해성 분석결과이다.도 15를 참조하면, (a)는 메틸렌블루 용액으로 오염시킨 미처리 나일론 직물을 1시간 간격으로 자외선 조사 후 측색기로 측정하여 계산한 K/S 그래프로, 자외선을 조사하지 않았을 경우에 가장 높은 피크가 나타나는 것으로 보아, 분해가 일어나지 않음을 알 수 있다. 시간이 지날수록 K/S 값이 낮아지는 것을 확인할 수 있는데 시간 경과함에 따라 미세하게 오염이 분해되었음을 유추할 수 있으나, 큰 경향성이 없는 것으로 확인되었다.
반면, (b)는 3-MPTMS/TiO2 처리한 나일론 직물의 광분해성 그래프로, 상기 (a)에 비해 시간에 따른 직물의 반사율이 확연하게 달라지는 것을 확인할 수 있다. 시간이 지남에 따라 메틸렌블루 용액의 분해가 일어나 K/S 값이 작아지는 것을 확인 할 수 있다.
[실험예 5] 접촉각 테스트(Contact angle test)
1. 실험방법
나일론 직물에서 TiO2 부착에 의해 변하게 되는 물과 오염으로부터의 직물의 발수, 발오 성능을 확인하기 위하여 접촉각 시험기(contact angle system, SCA 20, Dataphysics, Filderstadt, Germany)를 통하여 접촉각 테스트를 시행하였다. 물방울의 포착 방식에 따라 정적 접촉각의 비디오 기반 측정을 통하여 접촉각 및 표면장력을 측정하였다.
2. 실험결과
도 16은 본 발명의 실시예 2에 따른 나일론 직물의 접촉각 테스트 결과이다. 도 16을 참조하면, 미처리 나일론 직물 (a)와 UV 처리한 나일론 직물 (b)의 접촉각의 차이는 뚜렷한 차이를 나타내지 않았으나, 3-MPTMS가 부착된 나일론 직물 (c)의 접촉각은 상기 (a) 및 (b) 보다 7-8°가 높아진 것을 확인할 수 있다. 이는 3-MPTMS의 Si로부터 물을 밀어내는 발수성을 얻은 것으로 볼 수 있다.
3-MPTMS/TiO2를 함께 처리한 나일론 직물 (d)는 기존 시료보다 접촉각이 15-16°정도 증가함을 볼 수 있는데, 이는 TiO2의 Ti가 소광제 역할을 함으로써 표면에 작은 돌기를 만들어 물과의 접촉 표면을 줄이고, 3-MPTMS의 Si의 소수성기가 물을 밀어내는 복합 작용에 의한 것으로 유추할 수 있다. 상기 (d)에서 자외선을 30분 조사한 섬유 (e)의 경우에는 기존 시료보다 30°, 자외선 조사하지 않은 섬유보다 10°이상 증가한 것을 확인할 수 있는데, 이는 광촉매인 TiO2의 성질에 의해 자외선을 조사함으로 TiO2의 초소수성 성질이 나타난 것으로 보여진다.
[실험예 6] 열적 안정성 분석
1. 실험방법
열분석기 TG-DTA(SDT Q600, TA Instrument, New castle, USA) 장치로 질소(N2) 가스 상태에서 나일론 직물의 온도를 600℃까지 10℃/min으로 상승시키면서 나일론 직물의 무게 변화를 측정하여 3-MPTMS/TiO2 부착 전, 후의 열적 특성을 파악하였다.
2. 실험결과
도 17은 본 발명의 실시예 2에 따른 나일론 직물의 열적 특성 분석 결과이다. 도 17을 참조하면, (a)는 미처리 나일론 직물이고, (b)는 3-MPTMS/TiO2 처리된 나일론 직물로, 상기 직물들의 열적 안정성을 보기 위하여 열중량 분석(Thermogravimetric analysis, TGA)을 이용하여 600℃까지 올렸을 때의 질량 변화를 확인해 보았다. 상기 (a)와 (b)의 질량 변화가 크지 않았다. 초기 분해온도(Initial Decomposition Temperature)는 상기 (a), (b) 직물 각각 394.25℃, 388.44℃였으며, 상기 (a)의 10% 질량 손실(Weight loss)의 온도는 406.63℃, 상기 (b)는 2℃ 가량 낮은 404.06℃ 인 것으로 나타났다. 이를 통해, 3-MPTMS/TiO2 처리된 나일론 직물의 초기 분해 온도가 낮아, 열적 안정성이 다소 낮음을 확인할 수 있다.
600℃까지 열을 준 후 남은 잔류물을 확인하였을 때, 상기 (b)는 상기 (a)보다 4.09% 더 많은 양을 확인할 수 있는데, 이 질량 차이는 상기 나일론 직물에 처리된 3-MPTMS/TiO2이 기여한 것으로 분석할 수 있다.
[실험예 7] TiO
2
콜로이드 농도에 따른 영향
1. 실험방법
TiO2 콜로이드를 증류수에 희석시켜 0, 25,000, 50,000, 75,000, 100,000ppm으로 농도를 달리하여 면직물 또는 나일론 직물을 제조하고, 상기 직물에 부착된 TiO2(Ti) 원자퍼센트(atomic%, at%)를 측정하였다.
2. 실험결과
도 18은 본 발명의 실험예 7에 따른 면직물의 TiO2 콜로이드 농도에 따른 Ti 원자퍼센트(atomic%, at%)를 나타낸 그래프이다. 도 18을 참조하면, TiO2 콜로이드 농도가 0, 25,000, 50,000, 75,000, 100,000ppm으로 증가할수록 면직물에 부착된 Ti 원자퍼센트는 각각 0, 0.2, 0.32, 0.97, 2.0으로 현저하게 증가하는 것으로 나타났다. 특히, 75,000ppm과 100,000ppm의 농도에서 Ti 원자퍼센트가 0.97에서 2.0으로 변화의 폭이 크게 상승하였고, 상대적으로 낮은 농도에서 처리된 시료의 Ti 원자퍼센트는 소폭 상승하였다.
이러한 결과를 바탕으로, TiO2 농도가 높아질수록 TiO2와 면직물의 가교제(crosslinking agent)로 여겨지는 3-MPTMS와 결합할 수 있는 TiO2가 증가하게 되어 면직물 표면에 더 많은 Ti가 부착된 것으로 보인다.
도 19는 본 발명의 실험예 7에 따른 나일론 직물의 TiO2 콜로이드 농도에 따른 TiO2 원자퍼센트를 나타낸 그래프이고, 하기 표 5는 그 값을 나타낸 표이다.
| 용액 내 TiO2 농도(ppm) | 샘플 내 부착된 TiO2 원자퍼센트(atomic%) | |
| 3-MPTMS 포함 | 3-MPTMS 불포함 | |
| 0 | 0 | 0 |
| 25,000 | 0.66 | 0 |
| 50,000 | 1.25 | 0 |
| 75,000 | 1.50 | 0 |
| 100,000 | 2.23 | 0 |
도 19 및 표 5를 참조하면, 25,000ppm부터 3-MPTMS/TiO2를 처리하지 않은 시료에서 볼 수 없었던 Ti 원소를 확인할 수 있으며, TiO2 함량이 높아질수록 TiO2 원자퍼센트가 증가하는 것으로 나타났다. TiO2 농도가 100,000ppm일 때, 2.2±0.15 원자퍼센트로 가장 높은 부착량이 나타났다.
[실험예 8] 처리 온도에 따른 영향
1. 면직물
상기 실시예 1에 따라 면직물을 제조할 때, 3-MPTMS를 첨가한 100,000ppm의 TiO2 콜로이드 용액에 면직물을 침지시켜 각각 0, 15, 30, 45, 60℃로 온도를 달리하여 처리·제조하고, 상기 직물에 부착된 TiO2(Ti) 원자퍼센트(atomic%, at%)를 측정하였다.
도 20은 본 발명의 실험예 8에 따른 면직물의 처리 온도에 따른 Ti 원자퍼센트를 나타낸 그래프이다. 도 20을 참조하면, 초기에 온도가 증가할수록 Ti 원자퍼센트는 점차적으로 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 30℃에서 처리된 면직물의 표면에서 Ti 원자퍼센트가 3.39(at%)로 가장 높게 나타나는 반면, 그 이상의 온도에서는 감소하는 경향을 보였다. 이는 온도가 증가함에 따라 Ti 원자의 운동에너지가 활발해지면서 일정 온도 이상이 되면, 상기 직물 표면에 부착된 TiO2 나노입자가 활발한 운동에너지에 의해 떨어진 것으로 해석된다.
2. 나일론 직물
상기 실시예 2에 따라 나일론 직물을 제조할 때, 나일론 직물을 용액에 침지시킨 후, 0, 15, 30, 45, 60, 90℃로 온도를 달리하여 교반시켜 제조하고 상기 직물에 부착된 TiO2(Ti) 원자퍼센트(atomic%, at%)를 측정하였다.
도 21은 본 발명의 실험예 8에 따른 나일론 직물의 처리 온도에 따른 TiO2 원자퍼센트를 나타낸 그래프이다. 도 21을 참조하면, 교반 온도가 0℃일 때는 상대적으로 소량 부착되었고, 교반 온도가 높아질수록 TiO2 원자퍼센트가 증가하는 것으로 나타났다. 특히, 60℃에서 90℃로 높아질 때 TiO2의 부착량이 크게 증가하는 것으로 나타나, 교반시 TiO2 원자퍼센트가 가장 높을 수 있는 효과적인 온도는 90℃임을 알 수 있다. 하지만 온도가 높아질수록 부분적으로 부착이 제대로 되지 않고, 0℃에서도 TiO2가 부착되는 것으로 보아 낮은 온도에서도 반응이 일어난다는 것을 알 수 있다.
[실험예 9] 처리 시간에 따른 영향
1. 면직물
상기 실시예 1에 따라 면직물을 제조할 때, 3-MPTMS를 첨가한 100,000ppm의 TiO2 콜로이드 용액에 면직물을 침시시킬 때, 시간을 달리하여 처리·제조하고, 상기 직물에 부착된 TiO2(Ti) 원자퍼센트(atomic%, at%)를 측정하였다.
도 22는 본 발명의 실험예 9에 따른 면직물의 처리 시간에 따른 Ti 원자퍼센트를 나타낸 그래프이다. 도 22를 참조하면, 60분 동안 처리한 경우에 면직물 표면에서 Ti 원자퍼센트가 3.34(at%)로 가장 높게 나타났으며 이후 처리 시간이 증가할수록 Ti 원자퍼센트는 감소하는 것으로 나타났다. 이는 처리 시간의 증가에 따라 반드시 Ti 원자퍼센트가 높아지는 것이 아님을 확인할 수 있다. 한편, 30분(0.27 at%)동안 처리된 면직물보다 90분(1.73 at%), 120분(0.71 at%)동안 처리된 면직물의 Ti 원자퍼센트가 상대적으로 높은 것을 보았을 때 오래 처리될수록 TiO2 나노입자가 비교적 견고하게 부착되는 것을 알 수 있었다.
2. 나일론 직물
상기 실시예 2에 따라 나일론 직물을 제조할 때, 나일론 직물을 용액에 침지시킨 후, 시간을 달리하여 교반시켜 제조하고 상기 직물에 부착된 TiO2(Ti) 원자퍼센트(atomic%, at%)를 측정하였다.
도 23은 본 발명의 실험예 9에 따른 나일론 직물의 처리 시간에 따른 TiO2 원자퍼센트를 나타낸 그래프이다. 도 23을 참조하면, 시간이 90분에서 120분까지로 증가시켰을 때 부착량은 급격하게 증가하였으며 이후의 시간에서는 오히려 감소함을 확인할 수 있었다. 120분 이상의 교반은 직물의 손상을 일으켜 탈착을 일으킨 것으로 유추된다.
이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에 서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (12)
- 면직물 원단; 및
상기 면직물 원단의 일부 또는 전부에 배치되는 코팅층;을 포함하고,
상기 코팅층은 광촉매인 이산화티타늄(TiO2) 및 바인더인 3-멜캅토프로필트리메톡시실레인(Mercaptopropyltrimethoxysilane; 3-MPTMS)의 혼합 용액에 상기 면직물 원단을 침지시켜 25 내지 35℃에서 50 내지 70분 동안 교반하여 형성된 것을 특징으로 하는, 항균성 및 광분해성이 향상된 면직물. - 제 1 항에 있어서,
상기 코팅층은,
0.5 내지 4 원자퍼센트(atomic%)의 티타늄(Ti)을 함유하는 것을 특징으로 하는, 항균성 및 광분해성이 향상된 면직물. - 이산화티타늄(TiO2) 용액 및 3-멜캅토프로필트리메톡시실레인(3-MPTMS)의 혼합 용액을 제조하는 제1 단계;
상기 혼합 용액에 면직물 원단을 침지시켜 25 내지 35℃에서 50 내지 70분 동안 교반하는 제2 단계; 및
상기 교반된 면직물 원단을 세척 및 건조하는 제3 단계를 포함하는, 항균성 및 광분해성이 향상된 면직물 제조 방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 이산화티타늄 용액은,
농도가 50,000 내지 120,000ppm인 것을 특징으로 하는, 항균성 및 광분해성이 향상된 면직물 제조 방법. - 삭제
- 삭제
- 나일론 직물 원단; 및
상기 나일론 직물 원단의 일부 또는 전부에 배치되는 코팅층;을 포함하고,
상기 코팅층은 광촉매인 이산화티타늄(TiO2) 및 바인더인 3-멜캅토프로필트리메톡시실레인(Mercaptopropyltrimethoxysilane; 3-MPTMS)의 혼합 용액에 상기 나일론 직물 원단을 침지시켜 60 내지 90℃에서 100 내지 130분 동안 교반하여 형성된 것을 특징으로 하는, 항균성 및 광분해성이 향상된 나일론 직물. - 제 7 항에 있어서,
상기 코팅층은,
0.5 내지 3 원자퍼센트(atomic%)의 티타늄(Ti)을 함유하는 것을 특징으로 하는, 항균성 및 광분해성이 향상된 나일론 직물. - 이산화티타늄(TiO2) 용액 및 3-멜캅토프로필트리메톡시실레인(3-MPTMS)의 혼합 용액을 제조하는 제1 단계;
상기 혼합 용액에 나일론 직물 원단을 침지시켜 60 내지 90℃에서 100 내지 130분 동안 교반하는 제2 단계; 및
상기 교반된 나일론 직물 원단을 세척 및 건조하는 제3 단계를 포함하는, 항균성 및 광분해성이 향상된 나일론 직물 제조 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 이산화티타늄 용액은,
농도가 50,000 내지 120,000ppm인 것을 특징으로 하는, 항균성 및 광분해성이 향상된 나일론 직물 제조 방법. - 삭제
- 삭제
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|---|---|---|---|---|
| KR20220168139A (ko) | 2021-06-15 | 2022-12-22 | 주식회사 빅엔빅 | 위생성이 향상된 흡습패드 |
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