KR102140368B1

KR102140368B1 - 섬유의 접촉각 측정방법

Info

Publication number: KR102140368B1
Application number: KR1020180027415A
Authority: KR
Inventors: 김병주; 한웅; 김동규; 안계혁
Original assignee: 재단법인 한국탄소융합기술원
Priority date: 2018-03-08
Filing date: 2018-03-08
Publication date: 2020-07-31
Also published as: KR20180029013A

Abstract

본 발명은 섬유의 접촉각 측정방법에 관한 것으로, 본 발명은 접촉각 측정셀에 소정의 공극율을 유지하도록 복수의 섬유를 패킹하는 단계, 패킹된 복수의 섬유를 표면장력계에 수직으로 설치하는 단계 및 표면장력계에 사용되는 젖음액의 밀도, 점도, 표면장력, 시간에 따른 상기 젖음액의 질량의 변화와 모세관 상수(capillary constant) 값을 이용하여 접촉각을 계산하는 단계를 포함하는 섬유의 접촉각 측정방법을 제공할 수 있다.

Description

섬유의 접촉각 측정방법{MEASURING METHOD FOR CONTACT ANGLE OF FIBER}

본 발명은 섬유의 접촉각 측정 시 섬유다발을 일방향으로 정렬시켜 패킹하여 섬유의 접촉각을 측정하는 섬유의 접촉각 측정방법에 관한 것이다.

탄소섬유는 고강도 고탄성 재료로써 기존의 철강산업 및 전기/전자 및 다양한 분야의 소재를 대체 할 수 있는 신소재이다. 이러한 탄소섬유는 섬유 독립적으로 사용되기 힘들고, 고분자나, 금속 등의 기지재료들과 복합재의 형태로 주로 사용되고 있다. 복합재의 형태로 사용될 때, 물성을 결정하는 가장 큰 요인은 탄소섬유와 기지재료들과의 계면 결합특성에 있다. 이에 탄소섬유의 계면분석은 중요한 요소이다. 탄소섬유의 계면을 분석하는 여러 가지 방법들 중에 접촉각 측정을 통한 표면자유에너지 분석은 크게 단섬유 접촉각 측정방법, 습윤 측정방법이 있다. 그 중에서도 습윤 측정방법은 파우더 접촉각 측정방법을 이용해 일정 길이로 절단된 탄소섬유를 샘플 측정셀에 패킹한 후 접촉각 측정 액체를 시간에 따라 습윤되는 속도로 측정되어져 왔다. 하지만 파우더가 아닌 섬유의 형태에서는 일정한 공극율이 나오지 않아 접촉각 측정오차가 크다는 문제가 있다.

또한, 단섬유 접촉각 측정방법은 직경이 10um 미만인 탄소섬유의 접촉각 측정시 일정한 단면적이 너무작아 접촉각 측정시 측정오차가 큰 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 일방향 패킹방법으로 섬유의 접촉각을 측정함으로써 기존의 접촉각 측정방법에 비하여 높은 정밀도를 확보할 수 있는 섬유의 접촉각 측정방법을 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 (a) 접촉각 측정셀에 소정의 공극율을 유지하도록 복수의 섬유를 패킹하는 단계; (b) 패킹된 복수의 섬유를 표면장력계에 수직으로 설치하는 단계; 및 (c) 상기 표면장력계에 사용되는 젖음액의 밀도, 점도, 표면장력, 시간에 따른 상기 젖음액의 질량의 변화와 모세관 상수(capillary constant) 값을 이용하여 접촉각을 계산하는 단계;를 포함하는 섬유의 접촉각 측정방법을 제공할 수 있다.

상기 단계 (a) 이후, 상기 패킹된 섬유의 일단을 평탄하게 절단하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 단계 (c) 는 상기 테스트 액체 중 노말 헥산(normal Hexane)을 이용하여 상기 접촉각이 0인 상태에서 상기 모세관 상수를 계산한 이후, 증류수(distilled water)인 극성 젖음액 또는 diiodonethane인 비극성 젖음액의 접촉각을 계산할 수 있다.

상기 접촉각은

으로 계산될 수 있다. (여기서, m은 상기 섬유를 적시는 젖음액의 질량, t는 접촉각 측정시간(초), c는 상기 모세관 상수, η는 젖음액의 점도,

은 상기 젖음액의 표면장력, ρ는 상기 젖음액의 밀도, θ는 상기 섬유와 젖음액의 접촉각 임)

상기 단계 (c) 이후에 상기 접촉각계산 결과를 통해 상기 섬유의 표면자유에너지(Γ_S)를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 섬유의 표면자유에너지(

)는

으로 계산될 수 있다. (여기서,

는 상기 섬유의 표면자유에너지 중 극성에너지이며,

는 상기 탄소섬유의 표면자유에너지 중 비극성에너지임)

본 발명은 기존의 탄소섬유 접촉각 측정방법에 비교하여 정밀도를 크게 향상시켜 신뢰성 있는 섬유의 접촉각 및 표면자유에너지 분석이 가능하다.

또한 높은 정밀도를 바탕으로 탄소섬유 표면처리나 사이징 여부에 따른 접촉각 및 표면자유에너지 변화에 따라서 기계적 계면물성 예측 할 수 있는 효과가 기대된다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 섬유의 접촉각 측정방법을 순차적으로 도시한 흐름도.
도 2는 도 1에 도시된 탄소섬유의 접촉각을 측정하기 위한 표면장력계를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 도 2에 도시된 접촉각 측정셀에 패킹된 탄소섬유의 단면을 도시한 단면도.
도 4는 도 3에 도시된 탄소섬유의 직경을 촬영한 사진.
도 5 내지 도 7은 본 발명에서 측정된 시간에 따른 각각의 젖음액 무게의 제곱에 관한 그래프.
도 8 및 도 9는 단일 탄소섬유의 접촉각을 측정한 결과와 본 발명의 실시 예에 따른 접촉각 측정방법으로 측정된 결과를 각각 도시한 그래프들.

이하, 도면을 참조한 본 발명의 설명은 특정한 실시 형태에 대해 한정되지 않으며, 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있다. 또한, 이하에서 설명하는 내용은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하의 설명에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되는 용어로서, 그 자체에 의미가 한정되지 아니하며, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 이하에서 기재되는 "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로 해석되어야 하며, 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.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도 1 내지 도 9를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 섬유의 접촉각 측정방법은 탄소섬유 패킹 단계(S100), 탄소섬유를 표면장력계에 설치하는 단계(S200), 접촉각 계산 단계(S300) 및 표면자유에너지 계산 단계(S400)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 탄소섬유 패킹 단계(S100)는 지름의 1/4인치(inch)인 원통형의 접촉각 측정셀(20)에 약 30%의 공극율을 유지하도록 복수의 탄소섬유를 패킹한다. 이때, 도 2에 도시된 접촉각 측정셀(20)에 약 576,000가닥의 탄소섬유를 일방향으로 패킹한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 접촉각 측정셀(20)에 탄소섬유가 패킹될 때, 서로 인접한 세 개의 탄소섬유에 의해 공극이 형성되며, 이러한 공극은 탄소섬유의 직경에 의해 가변될 수 있다.

여기서, 탄소섬유의 직경은 도 4에 촬영된 사진과 같이, 7 ㎛정도의 샘플을 이용한다.

이어서, 이어서 측정셀안에 패킹 후 패킹 된 끝단의 탄소섬유는 절단면이 일정하도록 잘라주며 샘플 측정 준비를 마친다. 이때, 탄소섬유의 절단면의 균일도가 접촉각 측정에 영향을 주기 때문에 절단면을 평탄하게 만드는 것이 중요하다.

다음으로, 탄소섬유를 표면장력계에 설치하는 단계(S200)는 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 탄소섬유(10)이 패킹된 접촉각 측정셀(20)을 로드셀(30)에 수직으로 설치한다.

이어서, 접촉각 계산 단계(S300)는 표면장력계(100)의 승강장치(50)를 탄소섬유(10)까지 상승시켜 승강장치(50)의 상부에 설치된 젖음액(40)이 상기 탄소섬유(10)에 접촉하도록 한다. 접촉시간은 300초로 한다. 이때, 표면장력계(Surface tensiometer, K-100, Kruss, Germany)를 이용한다. 표면장력계(100)의 측정부(60)는 시간에 따른 젖음액의 질량의 변화를 측정한다.

이후, 사용된 젖음액의 밀도, 점도, 표면장력, 시간에 따른 젖음액의 질량의 변화와 모세관 상수(capillary constant) 값을 이용하여 접촉각을 계산한다.

탄소섬유의 접촉각을 계산하기 위하여 젖음액은 노말 헥산(normal Hexane), diiodomethane, 증류수(distilled water)을 이용한다.

참고로, 표면장력계를 이용한 습윤 접촉각 측정은 기본적으로 충전된 입자들의 빈 공간(공극)을 통하여 상승하는 젖음액의 젖음 속도를 결정함으로써 충전된 입자와 젖음액의 접촉각을 측정하는 방법이다. 이 때, 사용되는 식은 수학식 1과 같다.

여기서, h는 시간에 따라 상승하는 액체의 높이 (cm), R은 충전입자 사이의 세공평균반경 (cm),

은 액체의 표면장력 (mN/m), θ는 고체와 액체의 접촉각, t는 접촉각 측정시간 (sec), η는 액체의 점도 (mPa·sec)이다. 수학식 1로부터 고체와 노말헥산(normal Hexane)과 같은 완전 적심 젖음액의 접촉각이 θ=0인 조건에서 시간에 (t)에 따른 액체의 젖음 높이(h)를 측정하여 충전관 내의 공극의 평균반경 (R)을 계산할 수 있다.

상기 수학식 1부터 접촉각 측정셀 내의 탄소섬유와 젖음액의 접촉각을 측정할 때, 다음과 같은 가정을 한다. 즉, 입자 크기와 채움 정도는 일정하며 접촉각 측정셀에 설치된 복수의 탄소섬유간 공극을 통과하는 젖음액은 난류흐름이며, 중력은 무시한다. 시간에 따른 충전층의 입자를 적시는 젖음액의 질량 (m)을 측정하는 수정된 수학식 2와 같다.

여기서, c는 capillary constant, ρ는 젖음액의 밀도,

은 젖음액의 표면장력 값, η는 젖음액의 점도, m은 접촉각 측정셀내의 탄소섬유를 적시는 젖음액의 질량, t는 시간이다.

먼저, c값을 결정하기 위해 노말 헥산(normal Hexane)을 사용하여 점도, 밀도, 표면장력 값과 시간에 따라 입자를 적시는 적심질량과 기울기를 결정하여 수학식 2로부터 모세관 상수(capillary constant) 값을 계산한다.

이렇게 계산된 모세관 상수(capillary constant) 값과 접촉각 측정에 사용되는 증류수(distilled water)인 극성 젖음액 또는 diiodonethane인 비극성 젖음액의 밀도, 점도, 표면장력 값을 알고 시간에 따른 젖음액의 적심질량의 변화를 측정하면 증류수(distilled water)인 극성 젖음액 또는 diiodonethane인 비극성 젖음액액과 탄소섬유의 접촉각을 구할 수 있다.

다음으로, 표면자유에너지 계산 단계(S400)는 탄소섬유의 접촉각이 계산되면, 수학식 3 내지 5를 이용하여 표면자유에너지를 계산한다.

상기 수학식 3 및 4는 Owens Wendt Rabel and Kaelble (OWRK)식과 Young식으로 표면자유에너지를 계산하기 위하여, 수학식 3 및 4를 연립하면 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

은 고체와 액체사이의 표면자유에너지,

는 고체의 표면자유에너지,

는 액체의 표면자유에너지이다.

수학식 5에서 표면자유에너지(

)는 극성표면에너지(

)와 비극성 표면에너지(

)의 합으로 계산될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 탄소섬유 접촉각 측정 방법을 위하여 각각의 탄소섬유의 습윤 그래프들은 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이 시간에 따른 젖음액 무게의 제곱에 관한 그래프로 나타내었다.

도 5에 도시된 바와 같이, 모세관 상수(capillary constant)를 구하기 위한 노말 헥산(normal Hexane)의 측정 그래프는 0~0.35초 구간을 liner fit을 이용하였다.

또한, 비극성 젖음액인 diiodomethane 측정 그래프도 도 7에 도시된 바와 같이 0~0.35초 구간에 대하여 분석하였다. 그러나, 증류수(distilled water)로 측정된 데이터는 비극성인 탄소섬유와 극성인 증류수(distilled water)의 특성 때문에 초반 구간이 불안정하므로 도 6에 도시된 바와 같이 안정된 구간인 1초~2초 구간에 대하여 분석하였다.

도 8 및 도 9는 단일 탄소섬유의 접촉각을 측정한 결과와 본 발명의 실시 예에 따른 접촉각 측정방법으로 측정된 결과를 각각 도시한 그래프이다.

도 8는 단일 탄소섬유의 접촉각을 측정한 그래프로, 측정 오차가 약 16%이다.

이에 반하여, 본 발명의 실시 예에 따른 탄소섬유의 접촉각 측정방법으로 측정한 탄소섬유의 접촉각 측정 오차는 도 9에 도시된 그래프와 같이 약 2%로 단일 탄소섬유의 접촉각 측정방법에 의한 측정오차를 크게 줄일 수 있다.

상기에서는 탄소섬유를 예를 들어 설명하였으나, 탄소섬유 대신 가는 섬유들의 접촉각을 측정할 수 있음은 통상의 기술자가 용이하게 대체할 수 있다.

이상, 본 발명의 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

10: 탄소섬유
20: 접촉각 측정셀
30: 로드셀
40: 젖음액
50: 승강장치
60: 측정부

Claims

(a) 지름의 1/4인치(inch)인 원통형의 접촉각 측정셀에 30%의 공극율을 유지하도록 직경이 7 μm인 576000개의 섬유를 일방향으로 패킹하여 상기 섬유 상단이 상기 접촉각 측정셀에 고정되는 단계;
(b) 패킹된 복수의 섬유를 표면장력계에 수직으로 설치하는 단계; 및
(c) 상기 표면장력계에 사용되는 젖음액의 밀도, 점도, 표면장력, 시간에 따른 상기 젖음액의 질량의 변화와 모세관 상수(capillary constant) 값을 이용하여 접촉각을 계산하는 단계;를 포함하고,
상기 단계 (c)는,
표면장력계의 승강장치를 섬유까지 상승시켜 승강장치의 상부에 설치된 젖음액이 섬유에 300초 동안 접촉하도록 하고,
상기 표면장력계의 측정부는 시간에 따른 젖음액의 질량 변화를 측정하며,
상기 단계 (a) 이후,
상기 패킹된 섬유의 일단을 평탄하게 절단하는 단계를 더 포함하고,
상기 단계 (c) 는,
상기 젖음액 중 노말 헥산(normal Hexane)을 이용하여 상기 접촉각이 0인 상태에서 노말 헥산(normal Hexane)의 점도, 밀도, 표면장력 값과 시간에 따라 입자를 적시는 적심질량과 기울기를 결정하여 상기 모세관 상수를 계산한 이후,
증류수(distilled water)인 극성 젖음액 또는 diiodonethane인 비극성 젖음액의 접촉각을 계산하고,
상기 접촉각은,

으로 계산되며,
(여기서, m은 상기 섬유를 적시는 젖음액의 질량, t는 접촉각 측정시간(초), c는 상기 모세관 상수, η는 젖음액의 점도,
은 상기 젖음액의 표면장력, ρ는 상기 젖음액의 밀도, θ는 상기 섬유와 젖음액의 접촉각 임)
상기 접촉각 측정시간(t)은,
증류수(distilled water)인 극성 젖음액일 경우 1~2초 구간이고, diiodonethane인 비극성 젖음액일 경우 0~0.35초 구간이고,
상기 단계 (c) 이후에,
상기 접촉각계산 결과를 통해 상기 섬유의 표면자유에너지(
)를 계산하는 단계를 더 포함하고,
상기 섬유의 표면자유에너지(
)는,

으로 계산되고,
상기
는,

및

을 연립하여 구해지는 것을 특징으로 하는 섬유의 접촉각 측정방법.
(여기서,
는 상기 섬유의 표면자유에너지 중 극성에너지이며,
는 상기 섬유의 표면자유에너지 중 비극성에너지임)