KR102392616B1 - 친수성 케이폭 섬유의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 친수성 케이폭 섬유 - Google Patents

Abstract

본 출원은 섬유의 손상과 황변이 일어나지 않으면서, 표면의 습윤, 흡수성이 우수한 친수성 케이폭 섬유의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 친수성 케이폭 섬유를 제공한다.

Description

친수성 케이폭 섬유의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 친수성 케이폭 섬유 {Method for manufacturing hydrophilic kapok fiber and hydrophilic kapok fiber produced therby}

본 출원은 친수성 케이폭 섬유의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 친수성 케이폭 섬유에 관한 것이다.

생분해성이 있는 셀룰로오스는 재생 가능, 친환경적, 저렴한 가격 등의 장점으로 인해 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다. 그 중 케이폭 섬유는 셀룰로오스를 기반으로 하는 친환경 천연 자원으로서 동남아사아, 말레이시아, 스리랑카 등에서 주로 자생하고 있다.

케이폭 섬유는 케이폭 나무의 씨앗에 해당하는 광택을 가진 황갈색의 미세한 섬유로, 크고 균일한 최대 90%의 다공성을 부여하는 거대한 중공(lumen)을 가지고 있으며, 이로 인해 면 섬유 대비 초경량성과 소수성의 특징이 있다. 통기성과 보온성, 탄성회복력 또한 우수하며, 베개나 쿠션 등의 침장구류, 오일 흡착재, 선박, 자동차, 비행기 등 수송 수단의 흡음재, 형태 안전성을 갖는 구명 조끼의 충진재 등으로 사용되고 있으나, 그 활용 범위는 대체로 좁은 편이다. 이와 같이 케이폭 섬유는 왁스 같은 표면을 가진 셀룰로오스 섬유이지만 물을 기반으로 이루어지는 제지 공정이나 섬유 및 의류 산업에 적용하기 위해서는 소수성을 낮추는 공정이 반드시 필요하다.

한편, 케이폭 섬유의 소수성을 낮추는데 가장 일반적으로 쓰이는 방법은 알칼리 처리이며, 그 중에서도 수산화나트륨(NaOH)을 이용하는 방법이 대표적으로 알려져 있다. 알칼리 처리는 결정 셀룰로오스를 감소시키고 비결정 셀룰로오스를 증가시킨다. 알칼리 처리로 인해 케이폭 섬유는 팽윤하면서 매끄러움을 부여하는 왁스가 제거됨에 따라, 표면의 손상과 중공의 물리적 변형이 일어나게 되며, 이에 따라, 아세틸기가 제거되고 수산기(OH^-)가 드러나게 되어 흡수성이 향상되는 것으로 알려져 있다. 그러나, 수산화나트륨은 섬유의 손상과 황변을 일으키는 문제가 있었다. 이외에 산화, 산, 용매 처리가 있지만 흡수성이 알칼리에 비해 떨어지는 것으로 알려져 있다.

본 출원은 섬유의 손상과 황변이 일어나지 않으면서, 표면의 습윤, 흡수성이 우수한 친수성 케이폭 섬유의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 친수성 케이폭 섬유를 제공한다.

본 출원은 친수성 케이폭 섬유의 제조 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 출원에 따른 제조 방법의 순서도이다.

구체적으로, 본 출원에 따른 친수성 케이폭 섬유의 제조 방법은, 미처리된 케이폭 섬유를 준비하는 단계를 포함하고, 상기 미처리된 케이폭 섬유와 상기 케이폭 섬유의 소수성기를 제거하는 전처리 물질을 포함하는 제1 전처리 수용액을 혼합하여 제1 혼합액을 제조하는 단계를 포함하며, 상기 제1 혼합액을 열처리하여 케이폭 섬유의 소수성기를 제거하는 단계를 포함한다. 그리고, 상기 소수성기가 제거된 케이폭 섬유와 상기 케이폭 섬유에 친수성기를 부여하는 전처리 물질을 포함하는 제2 전처리 수용액을 혼합하여 제2 혼합액을 제조하는 단계 및 제2 혼합액을 상온 반응시켜 케이폭 섬유에 친수성기를 부여하는 단계를 포함한다.

본 출원에 따른 제조 방법은, 제1 전처리 수용액을 이용하여 케이폭 섬유의 소수성기를 제거하고, 제2 전처리 수용액을 이용하여 케이폭 섬유에 친수성기를 부여함으로써, 섬유의 손상과 황변 문제를 방지하고, 표면의 습윤, 흡수성이 우수한 친수성 케이폭 섬유를 제공할 수 있다.

구체적으로, 상기 미처리 케이폭 섬유를 준비하는 단계는, 물리 화학적 가공을 하지 않은 순수한 케이폭 섬유를 준비하는 단계이다. 예를 들어, 상기 미처리된 케이폭 섬유는 64%의 셀룰로스, 13%의 리그닌, 8.6%의 물, 1.4~1.5%의 애쉬, 4.7~9.7%의 수용성 물질, 2.3~2.5%의 자일란, 0.8%의 왁스의 화학 조성을 가진다. 또한, 미처리된 케이폭 섬유는 리그닌, 지방, 오일, 왁스 등에 포함된 약 13% 정도의 아세틸기로 인해 높은 소수성을 나타낸다. 그리고, 상기 미처리 케이폭 섬유는 평균 길이가 18 내지 27nm 이고, 50 내지 80%의 중공률을 가진 단섬유일 수 있다. 상기 평균 길이는 미처리 케이폰 섬유 0.1g을 채취한 후 1가닥의 길이를 3회 반복 측정한 평균 값일 수 있다. 그리고, 상기 중공률은 중공의 직경(s)/섬유의 직경(S)의 백분율로 계산할 수 있다.

상기 제1 혼합액을 제조하는 단계는, 미처리된 케이폭 섬유 수용액을 제조하는 과정이 선행된다. 미처리된 케이폭 섬유 수용액은 예를 들어, 액비가 1:100이 되도록 비이커에 케이폭 섬유와 물을 혼합하여 제조된다. 그리고, 상기에서 제조된 미처리된 케이폭 섬유 수용액과 제1 전처리 수용액을 소정 시간 교반함으로써, 제1 혼합액이 제조된다.

상기 케이폭 섬유의 소수성기를 제거하는 단계는, 제1 혼합액을 열처리하여 케이폭 섬유의 리그닌, 지방, 오일, 왁스 등에 포함된 아세틸기를 제거하는 단계이다. 상기 열처리 동안, 제1 전처리 수용액의 전처리 물질은 케이폭 섬유의 아세틸기를 분해할 수 있다. 상기 제1 전처리 수용액에 의해 소수성기가 제거된 케이폭 섬유는 섬유 손상이 최소화되며, 백색도가 향상되어 황변 문제가 방지될 수 있다.

또한, 열처리 과정에서, 상기 제1 전처리 수용액의 전처리 물질은 케이폭 섬유의 표면과 중공에 물리적 변형을 가하게 되는데, 물리적 변형이 가해진 케이폭 섬유의 표면은 크랙 및 주름이 형성되고, 중공은 줄어들게 된다. 상기 표면에 형성된 크랙 및 주름은 케이폭 섬유의 습윤성을 향상시키는데 기여하고, 상기 줄어든 중공은 케이폭 섬유의 용해도를 향상시키는데 기여한다.

그리고, 상기 제2 혼합액을 제조하는 단계는, 상기 열처리된 제1 혼합액을 수세 및 건조하여 소수성기가 제거된 케이폭 섬유를 수득하는 과정이 선행된다. 상기 건조는 예를 들어, 40℃로 예열된 데시케이터 안에서 24 시간 이상 수행된다.

상기 케이폭 섬유에 친수성기를 부여하는 단계는, 제2 혼합액을 24시간 이상, 36시간 이상 또는 48시간 이상 상온 반응시켜 케이폭 섬유에 친수성기를 부여할 수 있다.

이 후, 본 출원에 따른 제조 방법은 상온 반응시킨 제2 혼합액을 수세 및 건조하여 친수성 케이폭 섬유를 수득할 수 있다. 상기 제2 혼합액을 수세하는 것은 젤라틴으로 인해 부여된 미끈한 촉감을 없애기 위함이다. 상기 건조는 예를 들어, 40℃로 예열된 데시케이터 안에서 6 시간 이상 수행된다.

하나의 예시에서, 제1 전처리 수용액의 전처리 물질은 수용액 상태에서 염기성 또는 산성을 나타내며, 케이폭 섬유의 손상을 최소화하면서 소수성기를 제거하는 물질이며, 구체적으로, 제1 전처리 수용액의 전처리 물질은 과아이오딘산나트륨, 탄산나트륨, 황산철, 염산, 클로로포름, 에탄올, 차아염소산 나트륨, 아염소산나트륨, 과산화수소, 과붕산나트륨, 과탄산나트륨, 과산화아세트산, 과망간산칼륨, 아이티온산나트륨, 이산화황, 아황산수소나트륨, 하이드로설파이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 제1 전처리 수용액의 전처리 물질은 차아염소산 나트륨일 수 있다.

다른 예시에서, 상기 제1 전처리 수용액의 전처리 물질은 수산화 나트륨을 포함하지 않을 수 있다. 수산화 나트륨의 경우 케이폭 섬유의 과도한 손상과 황변을 유발하기 때문에 적절하지 않다.

제2 전처리 수용액의 전처리 물질은 식물성 다당류계 천연고분자, 해양 유래 천연 고분자 또는 동물성 단백질계 천연고분자를 포함할 수 있다.

상기 식물성 다당류계 천연고분자로는 구아검, 아라비아검, 전분 등을 예로 들 수 있으며, 해양 유래 천연 고분자는 알긴산, 잔탄검, 키틴/키토산, 히알루론산 등을 예로 들수 있고, 동물성 단백질계 천연고분자는 젤라틴, 카제인, 콜라겐 등을 예로 들 수 있다.

바람직하게는, 상기 제2 전처리 수용액의 전처리 물질은 젤라틴일 수 있다. 상기 젤라틴은 콜라겐이 부분적으로 가수분해하여 얻어지는 유도 단백질로 트립토판, 시스틴을 제외한 필수 아미노산을 포함한다. 젤라틴은 1000개 정도의 아미노산이 펩타이드 결합한 것으로, 특히, 젤라틴 수용액과 혼합하여 상온 반응시킨 케이폭 섬유는 표면에 아미노산이 펩티드 결합할 수 있고, 케이폭 섬유의 표면에는 아미드기가 부여될 수 있다. 전술한 친수성기는 예를 들어, 아미드기일 수 있다. 아미드기가 부여된 케이폭 섬유는 친수성이 크게 향상되고, 또한 우수한 염색성 및 수분 흡수성을 갖는다.

그리고, 제2 전처리 수용액은 가열 조건에서 천연 고분자 물질 을 물에 용해시켜 제조되며, 예를 들어, 40℃ 내지 80℃의 범위 내의 온도로 가열하여 용해시킨 후, 상온에서 방치하여 제조할 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 제1 전처리 수용액의 농도는 1 내지 20%, 1 내지 15%, 1 내지 10%, 1 내지 9%, 1 내지 8%, 1 내지 7%, 1 내지 6% 또는 1 내지 5% 범위 내이 일 수 있다. 상기 농도 범위 내의 제1 전처리 수용액과 혼합된 제1 혼합액을 열처리하여 수득된 케이폭 섬유는 낮은 중량 감소율을 나타내며, 이에 따라, 수득된 케이폭 섬유의 강도 저하가 낮게 구현된다.

다른 예시에서, 상기 농도 범위 내의 제1 전처리 수용액의 pH는 9 내지 13 범위 내일 수 있다. 상기 pH 범위 내의 제1 전처리 수용액은 염기성을 나타낼 수 있다. 수용액의 pH가 염기성일 때, 케이폭 섬유는 팽윤되고, 표면의 왁스가 제거되면서 표면 및 중공에 손상이 가해져 물리적 변형이 일어날 수 있다. 이러한 물리적 변형에 의해 리그닌, 헤미셀룰로오스, 지방 등의 아세틸기가 제거되는 반면, 수산기(OH-)는 노출되어 케이폭 섬유의 흡수성이 향상될 수 있다.

일 구체예에서, 상기 케이폭 섬유의 소수성기를 제거하는 단계는, 열 처리된 제1 혼합액의 pH를 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 pH를 조절하는 단계는 약 산성 물질을 첨가하여 제1 혼합액의 pH를 중성으로 조절할 수 있다. 상기 pH를 조절하는 단계는, 제1 혼합액의 pH를 중성으로 조절함으로써, 케이폭 섬유의 과도한 손상을 방지하기 위함이다. 그리고, pH가 중성으로 조절된 제1 혼합액을 수세 및 건조하여 소수성기가 제거된 케이폭 섬유를 수득할 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 제1 혼합액의 열처리는 50 내지 150℃, 60 내지 120℃ 또는 80 내지 100℃ 온도 범위 내에서 5 내지 30분, 10 내지 25분, 또는 15분 내지 20분 동안 수행될 수 있다. 상기 온도 및 시간 범위 내로 열 처리함으로써, 케이폭 섬유의 소수성기는 효과적으로 제거될 수 있다.

한편, 제2 전처리 수용액은 천연 고분자에 의해 케이폭 섬유의 백색도를 떨어뜨리기 때문에, 적절한 농도를 선택하여 사용하는 것이 바람직하고, 예를 들어, 상기 제2 전처리 수용액의 농도는 0.01 내지 5%, 0.01 내지 4%, 0.01 내지 3%, 0.01 내지 2%, 0.01 내지 1.5%, 0.01 내지 1.0%, 0.01 내지 0.5%, 0.05 내지 2%, 0.05 내지 1.5%, 0.05 내지 1%, 0.05 내지 0.5%, 0.1 내지 2%, 0.1 내지 1.5%, 0.1 내지 1% 또는 0.1 내지 0.5% 범위 내일 수 있다.

또 하나의 예시에서, 본 출원에 따른 제조 방법은 하기 일반식 1에 따른 중량 감소율이 10% 미만, 9% 미만, 8% 미만, 7% 미만, 6% 미만, 또는 5% 미만일 수 있다.

[일반식 1]

상기 일반식 1에서, W_a는 미처리된 케이폭 섬유의 중량이고, W_b는 친수성기가 부여된 케이폭 섬유의 중량을 나타낸다.

상기 일반식 1에 따른 중량 감소율의 수치가 낮을수록, 제조된 친수성 케이폭 섬유는 낮은 강도 저하를 나타낼 수 있다.

본 출원은 또한 전술한 방법에 따라 제조된 친수성 케이폭 섬유에 관한 것이다. 상기 케이폭 섬유는 섬유 손상, 강도 저하 및 황변 문제가 발생하지 않으며, 우수한 백색도를 갖고, 친수성 및 수분 흡수성(습윤성) 이 우수한 장점을 갖는다.

본 출원은 섬유의 손상과 황변이 일어나지 않으면서, 표면의 습윤, 흡수성이 우수한 친수성 케이폭 섬유의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 친수성 케이폭 섬유를 제공한다.

도 1은 본 출원에 따른 제조 방법의 순서도이다.
도 2 내지 16은 실시예 조성들의 다양한 물성을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.

이하 실시예 및 비교예를 통하여 상기 기술한 내용을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 출원의 범위가 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

제조예 1- 케이폭 섬유 수용액 제조

하기 표 1의 물성을 만족하는 미처리된 케이폭 섬유 3g을 1 L 비이커에 액비 1:100이 되도록 케이폭 섬유 수용액을 제조하였다.

상기 표 1에서, 케이폭 섬유의 길이(length)는 섬유 0.1g을 채취한 후 1가닥을 3회 재 평균 및 표준편차를 구했다. 그리고, 무게(weight)는 3g을 정량한 후 껍질과 불순물을 모두 제거한 섬유의 무게이며 이는 3회 측정하여 평균 및 표준편차를 나타냈다. 중공률(Hollow rate)은 케이폭 섬유의 중공 길이(s)에 케이폭 섬유의 총 직경(S)을 나눠 백분율로 계산한 값으로, 상기 미처리된 케이폭 섬유의 S의 길이는 4.8um이고, s의 길이 3.6um이였으며, 중공률은 75%로 계산되었다.

제조예 2- 차아염소산 나트륨 수용액 제조

증류수 100ml와 1g, 2g, 3g, 4g, 5g의 차아염소산 나트륨을 각각 혼합하여 1%, 2%, 3%, 4%, 5%의 차아염소산 나트륨 수용액(이하, 편의상 NaClO라고도 함) 샘플들을 제조하였다.

하기 표 2는 각 농도 별 NaClO의 pH를 나타낸다.

NaClO 원액은 pH 14로 강 알칼리성을 띠고 NaClO 1%를 증류수에 가하였을 때는 pH가 10으로 떨어져 약 29% 정도 낮아진 값을 보였다. NaClO 3%부터 5%까진 pH가 12로 원액에 비해 약 14% 낮은 값을 보였다.

제조예 3- 젤라틴 수용액 제조

60°C온도 조건에서, 증류수 100ml에 0.1g, 0.2g, 0.3g, 0.4g, 0.5g의 젤라틴을 용해시킨 후, 상온에서 24시간 방치하여 0.1%, 0.2%, 0.3%, 0.4%, 0.5%의 젤라틴 수용액 샘플들을 제조하였다.

하기 표 3은 각 농도 별 젤라틴 수용액의 pH를 나타낸다.

모든 젤라틴 수용액은 중성의 값을 보이며 젤라틴 첨가량이 많아질수록 pH가 감소하는 경향을 보였다.

실시예

제조예에서 제조된 케이폭 섬유 수용액과 NaClO 1%을 혼합하고 교반한 후 80°C의 온도에서 15분간 가열하였다. 그리고, 1% 초산 수용액을 이용해 중성의 pH로 맞춘 후 수세하여 40°C로 예열된 데시케이터 안에 24시간 동안 건조하여 소수성기가 제거된 케이폭 섬유를 수득하였다.

소수성기가 제거된 케이폭 섬유 1g을 0.1 내지 0.5% 젤라틴 수용액과 1시간 동안 상온에서 반응시켰다. 이후 젤라틴으로 인해 부여된 미끈한 촉감을 없애기 위해 5분간 수세했으며 40°C로 예열된 데시케이터 안에 6시간 이상 건조하여 친수성 케이폭 섬유를 수득하였다.

이하에서는, 실시예 조성들의 다양한 물성을 측정하였다.

실험예 1 -차아염소산 나트륨 수용액 및 젤라틴 수용액 처리에 따른 케이폭 섬유의 백색도 변화

차아염소산 나트륨 수용액을 케이폭 섬유에 적용했을 때 백색도를 향상시킬 수 있을 것으로 예상해 케이폭 섬유의 백색도 변화를 관찰하였다. 구체적으로, 1 내지 5%의 차아염소산 나트륨 수용액 및 0.1 내지 0.5% 젤라틴 수용액 처리한 후 원시료와 비교하여 변화를 색차계 (Color Reader, CR-10, Konica Minolta, USA)를 이용한 L*값으로 비교하였고, 그 결과는 도 2에 도시하였다.

차아염소산 나트륨 수용액 및 젤라틴 수용액 처리에 따른 케이폭 섬유의 백색도 변화 고찰

도 2를 참조하면, NaClO 1% 처리 케이폭에 젤라틴 수용액을 처리했기 때문에 백색도가 전반적으로 미처리 케이폭 섬유에 비해 높은 편임을 확인할 수 있었다. 0.1%의 젤라틴 수용액 처리된 케이폭의 L*값인 86.18을 제외하곤 백색도가 다소 낮아지는 경향이 있었다. 0.3 내지 0.5% 젤라틴 수용액 처리 케이폭은 82~81의 L*값으로 백색도가 낮아졌지만 미처리 케이폭 보다 백색도가 높았다.

실험예 2- 차아염소산 나트륨 수용액 및 젤라틴 수용액 처리에 따른 중량감소율

케이폭 3g을 정량한 뒤 각 농도 별 차아염소산 나트륨 수용액을 처리하여 40°C로 예열된 데시케이터 안에 24시간 동안 건조했다. 중량감소율은 건조 전과 후의 무게를 비교하여 아래의 식에 대입해 백분율로 나타냈다. 그 후 NaClO 1%을 처리한 케이폭에 젤라틴 수용액을 처리하여 40°C로 예열된 데시케이터 안에 6시간 이상 건조했다. 젤라틴 수용액 처리한 케이폭 섬유 또한 아래의 식에 대입하여 중량감소율을 구했다. 본 실험은 3번 반복하여 평균 및 표준편차를 구했고, 그 결과는 도 3 및 4에 각각 도시하였다.

차아염소산 나트륨 수용액 처리에 따른 중량 감소율 고찰

도 3은 케이폭 섬유의 NaClO 농도에 따른 중량감소율을 나타낸 표 및 그림이다. 원시료 케이폭은 3g이며 이를 기준으로 중량감소율을 구했다. NaClO농도가 높아질수록 중량감소율이 증가했으며 5%의 농도에선 중량 감소가 3g에서 2.43g으로 줄어 약 18%의 중량감소율이 나타났다. 본 연구에서 가장 중량감소율이 적은 시료는 1%의 농도였으며 0.3g이 줄어들어 약 10%의 중량감소율을 보였다.

젤라틴 수용액 처리에 따른 중량 감소율 고찰

도 4는 젤라틴 수용액 처리에 따른 중량감소율을 나타낸 표와 그림이다. NaClO 1% 처리한 케이폭 1g을 기준으로 중량감소율을 구했다. 젤라틴 수용액 처리 후의 케이폭 무게 또한 소폭 감소했지만 크게 차이가 나진 않았다. 가장 감소율이 적은 시료는 0.1%, 0.4% 젤라틴 수용액이며 0.04g의 소폭 감소가 일어났다. 가장 농도가 높은 0.5%가 중량 감소가 제일 컸지만 6%, 0.06g 정도로 미미했다. 이에 따라 젤라틴 수용액 처리는 NaClO 처리와 같이 열처리를 하지 않았기 때문에 중량감소율이 적은 것으로 판단되며 강도 저하 또한 적을 것으로 사료된다.

실험예 3-차아염소산 나트륨 수용액 및 젤라틴 수용액 처리에 따른 형태학적 분석

NaClO을 각 농도 별로 처리한 케이폭 섬유와 NaClO 1%와 젤라틴 수용액 처리한 케이폭 섬유, 미처리 케이폭 섬유의 표면, 중공 구조 변화를 보기 위해 Ion sputter coater(E-1030, Hitachi, Japan)를 사용하여 시료를 진공 증착하였다. 시료를 전처리 한 후 FE-SEM/EDS(Field emission Scanning Electron Microscope, S-4200, Hitachi, Japan)을 이용해 15kV의 전압을 걸어 시료의 100배, 3000배, 3500배의 표면 및 중공을 관찰하였다.

차아염소산 나트륨 수용액 처리에 따른 형태학적 분석 고찰

1, 3, 5% NaClO 처리한 케이폭 섬유와 미처리 케이폭 섬유의 형태를 100배 확대한 결과는 도 5와 같다. (a)의 미처리 케이폭 섬유의 경우 절단되지 않은 긴 섬유장을 유지하고 있다. 1% 처리한 (b)의 경우 알칼리 처리로 인해 전체적으로 섬유의 굽힘이 증가했지만 섬유의 손상 정도는 3%와 5%에 비해 적은 편이었다. 3% 처리한 (c)의 경우 굽힘이 증가하고 절단되어 섬유장이 짧아졌다. 5% 처리한 (d)의 경우 섬유가 대부분 절단 되어 미처리 케이폭 섬유와 같은 긴 섬유장이 관찰되지 않았다. 또한 강 알칼리성으로 인해 중공이 물리적으로 손상되어 섬유의 형상이 납작해진 것으로 사료된다.

도 6은 미처리 케이폭 섬유와 처리 후 케이폭 섬유의 3000배 확대한 표면의 결과다. 도 6의 (a)와 같이 미처리 케이폭의 경우 처리 후와 마찬가지로 약간의 주름을 가지고 있지만 처리 후 보단 적은 것을 관찰할 수 있었다. 미처리 케이폭 섬유는 NaClO 처리 케이폭 섬유보단 손상이 없다. NaClO 처리 후 케이폭 섬유는 표면에 변형이 일어나 모두 크랙과 주름이 더 형성된 것을 확인 할 수 있으며 알칼리 처리로 인해 섬유가 팽윤한 것을 확인하였다. 도 6 (b)의 1%에선 도 6 (c)의 3%와 도 6 (d)의 5%에 비해 가장 손상이 적어 긴 섬유에 거친 표면이 가장 적은 모습을 확인할 수 있었다. 도 6 (c)와 (d)에선 팽윤한 모습을 볼 수 있었지만 표면의 손상이 심해 거칠기가 증가된 것을 확인하였다. 이로 인한 강도 저하가 예상되며 도 6 (d)의 경우 홈(Furrow)이 파인 모습이 관찰 되었다. 이런 경향성은 도 7에서도 관찰할 수 있었으며 농도가 높아질수록 강도 저하로 인해 절단되는 것을 확인했다.

도 7은 미처리 케이폭 섬유와 처리 케이폭 섬유의 3500배 확대하여 중공 구조를 살펴본 결과다. 미처리 케이폭 섬유의 경우 중공이 큰 형태로 선행연구들과 일치하는 모습이다. 도 7 (a)와 같이 중공이 크고 원형에 가까운 형태를 띤다. 도 7 (b)는 1% 처리 후의 중공 결과로 세로로 길어진 모습, 즉 중공이 줄어든 모습을 관찰할 수 있다. 이로 인해 물 위로 뜨는 특성을 감소시킬 수 있을 것으로 사료된다. 도 7 (c)와 도 7 (d)는 3%, 5% 처리한 결과로 1%와 같이 중공 부분의 손상을 관찰할 수 있었지만 오히려 1%에서 중공의 변형이 뚜렷하게 관찰됐다. 이에 따라 NaClO 1%가 가장 물에 용해도가 뛰어나고 적절한 처리 기준인 것을 확인하였다.

젤라틴 수용액 처리에 따른 형태학적 변화 고찰

도 8은 NaClO 1%와 제라틴 수용액 0.1%, 0.5% 처리한 케이폭 섬유의 100배 확대한 결과다. 두 결과 모두 NaClO 1%처리함으로써 섬유의 손상 정도가 적었다. 하지만 젤라틴 수용액을 처리함으로써 섬유 폭이 NaClO 처리한 결과보다 전체적으로 증가된 모습을 확인할 수 있었다. 이는 공통적으로 젤라틴 수용액을 상온에서 처리하여 젤라틴이 가지는 팽윤성의 특징이 케이폭 섬유에 작용된 결과로 사료된다. 따라서 NaClO 1% 처리한 케이폭 섬유에 젤라틴 수용액을 처리함으로써 섬유의 폭이 팽창하기 때문에 습윤성을 향상시킴과 동시에 강도 저하를 방지할 수 있는 것을 확인하였다.

도 9는 NaClO 1% 처리한 케이폭 섬유에 0.1, 0.5% 젤라틴 수용액을 처리하여 3000배 확대한 모습이다. 두 시료 모두 젤라틴 수용액을 처리함으로써 젤라틴이 부착된 모습을 관찰할 수 있었다. 0.1% 젤라틴 수용액 처리가 더 농도가 낮지만 0.5% 젤라틴 수용액 처리 케이폭 섬유보다 표면이 팽창하였다. 이는 젤라틴 수용액 제조 시 0.5% 젤라틴의 경우에 물에 용해가 되지 않아 상온에 교반했을 때 표면에 고착되지 않았던 것이다.

도 10은 NaClO 1% 처리한 케이폭 섬유에 0.1%, 0.5% 젤라틴 수용액을 처리한 케이폭 섬유의 중공 구조를 3500배 확대한 살펴본 결과다. (a)와 (b)에서 NaClO 1%를 처리했기 때문에 도 9 (b)와 같이 중공의 형태가 변형된 것을 확인할 수 있었다. 젤라틴 수용액을 상온에서 교반 시킨 후 수세하였음에도 표면에 젤라틴 수용액이 고착됨에 따라 불균일한 표면이 형성된 것을 확인할 수 있었다.

실험예 4-차아염소산 나트륨 수용액 및 젤라틴 수용액 처리에 따른 FT-IR 분석

케이폭 섬유의 NaClO, 젤라틴 수용액 처리에 따른 화학 성분의 변화, 소수성기인 아세틸기 제거 여부를 확인하기 위해 FT-IR(Spectrum 100, Perkin Elemer, USA)을 질소 분위기 하에 600~4000cm^-1의 파장 범위에서 측정하였다.

차아염소산 나트륨 수용액 처리에 따른 FT-IR 분석 고찰

도 11과 표 4는 케이폭 섬유의 NaClO 처리에 의한 소수성기 제거 여부를 확인하기 위한 FT-IR 분석 결과이다.

미처리 케이폭 섬유는 3343cm^-1 -OH 신축, 2917cm^-1의 식물성 왁스인 C-H 진동, 1736cm^-1의 리그닌, 지방족 알데히드, 에스테르, 케톤에 해당하는 C=O 신축, 1594cm^-1은 리그닌 및 지방 C=C 신축, 1423cm^-1, 1371cm^-1, 1319cm^-1의 리그닌에 해당하는 C-H 굽힘, 1239cm^-1에 해당하는 헤미셀룰로스의 C-H 굽힘, 1035cm^-1의 탄수화물, 898cm^-1의 β-글리코시드 결합의 C-H 신축, 607cm^-1의 -OH 등의 소수성을 부여하는 피크들과 일부 친수성 피크들을 확인할 수 있었다. NaClO와 같은 알칼리를 처리하면 리그닌, 왁스, 오일 성분 등의 소수성기인 아세틸기를 제거할 수 있으며 FT-IR 결과에서도 소수성기가 사라졌음을 알 수 있었다. NaClO를 처리한 시료에선 2917cm^-1의 식물성 왁스, 리그닌에 해당하는 1594cm^-1인 지방의 C=C 관능기 1423cm^-1, 1319cm^-1에 해당하는 C-H 굽힘의 리그닌과 898cm^-1의 β-글리코시드 결합의 C-H 신축의 피크가 1, 3, 5%의 세 가지 농도에서 모두 사라졌다. 따라서, NaClO와 같은 알칼리 처리로 표면의 왁스와 지방이 완전히 사라지며 다수의 리그닌이 제거되지만 알칼리로 대표적인 NaOH가 케이폭의 헤미셀룰로스를 제거할 수 있는 것으로 알려져 있는 것과 달리 NaClO는 헤미셀룰로스에는 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다. NaClO를 처리한 시료들 중 3% 처리한 시료만이 607.83cm^-1와 같은 친수성기가 사라졌으며 NaClO를 5% 처리한 시료만이 1371cm^-1인 리그닌의 C-H 굽힘의 피크가 사라져 5%와 같이 NaClO의 농도가 높아질수록 더 많은 리그닌을 제거할 수 있지만 -OH 신축과 같은 친수성 피크가 가장 많이 줄어들어 3%와 5%는 1%에 비해 친수성기의 제거 또한 일어남을 확인했다. 따라서, NaClO를 처리함으로써 일부 리그닌, 헤미셀룰로스가 존재하지만 소수성의 피크, 특히 왁스와 지방이 줄어들어 친수성이 높아졌음을 알 수 있었으며 3%와 5%의 NaClO의 경우 친수성 피크가 제거되거나 줄어들어 1%에서 가장 친수성기가 유지되면서 소수성 피크가 사라지는 적합한 처리 농도인 것을 확인하였다.

젤라틴 수용액 처리에 따른 FT-IR 분석 고찰

도 12와 표 5는 NaClO 1% 처리한 케이폭 섬유에 각각 0.1%, 0.5% 젤라틴 수용액을 상온에서 교반하여 처리하였을 때 아미드기의 피크가 형성되었는지 확인한 결과이다.

젤라틴은 콜라겐이 부분적으로 가수분해하여 얻어지는 유도 단백질로 트립토판, 시스틴을 제외한 필수 아미노산을 모두 함유하고 있다. 콜라겐은 1000개 정도의 아미노산이 펩타이드 결합한 것으로 젤라틴 수용액을 처리하면 케이폭 표면에 펩티드 결합이 적용될 수 있으며 결과와 일치했다. 젤라틴은 선행연구에서 1646cm^-1, C=O Stretching의 아미드기 피크를 가졌다. 0.1% 젤라틴 수용액을 처리한 케이폭에서 1646.31cm^-1의 피크가 형성된 것을 확인하였으며 이를 통해 0.1% 젤라틴 수용액이 케이폭 표면에 펩티드 결합이 형성되었음을 유추할 수 있었다. SEM에서 일정하게 보인 0.5% 젤라틴 수용액보다 0.1% 젤라틴 수용액이 섬유 표면이 불균일, 두꺼워지는 경향성을 보인 것을 뒷받침할 수 있다. 이에 따라, 젤라틴 수용액을 제조하였을 때 0.5%의 경우 물에 분산이 어려워 처리 효과 또한 미비한 것을 알 수 있었다. 0.1% 젤라틴 수용액이 케이폭 섬유에 아미드기를 부여하여 염색성, 흡수성능 등 증가할 수 있음을 예상할 수 있었다.

실험예 4-차아염소산 나트륨 수용액 및 젤라틴 수용액 처리에 따른 건조속도 시험법

건조속도 시험법은 KS K 0815 : 2008. 6. 28. 1 B법[24]을 활용하여 미처리 케이폭 섬유, NaClO 처리 케이폭 섬유, NaClO 1%와 젤라틴 수용액 처리한 케이폭의 섬유 내 수분 함량 변화를 확인했다. 본 시험법은 각각 시료 0.5g을 증류수에 3시간 이상 침지시킨 후 꺼내어 10분 동안 자연 건조한 무게를 측정하고 그 값에서 침지 전의 시료 무게를 뺀 차이 값을 결과 값(g)으로 나타낸다. 결과 값이 작을수록 건조속도가 빠른 시료고 섬유 내 수분 함유량이 적은 것으로 판단했다. 위 실험은 3번 반복하여 평균 및 표준편차 값을 구했다.

차아염소산 나트륨 수용액 처리에 따른 섬유 내 수분함량 변화 고찰

도 13은 각각 미처리 케이폭 섬유, NaClO를 농도 별로 처리한 케이폭 섬유의 건조속도 시험법 후의 무게다. 건조속도 시험법에 따라 물에 3시간 동안 침지 후 10분간 건조하였을 때 무게가 무거울수록 섬유 내 수분이 빠져나가지 못해 함유량이 많은 것으로 판단했다. 미처리 케이폭이 소수성의 성질로 인해 물에 침지되지 않아 건조 후의 무게가 가장 가벼웠다. 이는 섬유 내로 수분이 전혀 스며들지 못함을 보여준다. 하지만, NaClO의 처리에 따라 물에 침지되어 무게가 10g이상 급격히 증가했다. 이는 NaClO와 열처리로 인한 리그닌, 지방 등의 알킬기를 가지고 있는 소수성기의 분해와 케이폭 표면의 왁스 성분이 없어져 오일 흡착력이 떨어져 수분 함유량이 커진 것으로 사료된다. 모든 농도에서 미처리보단 처리 후의 무게가 급격히 증가하지만 1% NaClO의 농도를 넘기면 무게가 점차 줄어들고 5%에서 가장 감소한다. 이는 NaClO의 농도가 높아질수록 섬유 내 수분 함유량이 적어짐을 뜻하며 과농도의 5%의 경우 소수성기뿐만 아니라 친수성기의 감소 또한 이루어져 수분 함유량이 적어진 것을 확인하였다.

젤라틴 수용액 처리에 따른 섬유 내 수분함량 변화

NaClO를 처리한 뒤 젤라틴 수용액을 처리했을 때의 결과는 도 14와 같다. 젤라틴 수용액 처리는 NaClO 처리 후와 달리 농도와는 큰 상관이 없는 것으로 보이며 0.2%와 0.5%, 0.1%에서 가장 많은 수분 함유를 보였다. 0.2%, 0.5% 젤라틴 수용액 처리의 경우 NaClO 1% 처리보다 약 10% 정도 높은 수분 함유량을 가진다. 하지만 이를 제외한 0.3%, 0.4% 젤라틴 수용액 처리에선 더 적은 수분 함유량을 보였다. NaClO 처리 후의 적합한 젤라틴 수용액의 처리 조건은 0.1%, 0.2%와 0.5%임을 확인하였다.

실험예 5-염색에 의한 케이폭 파이버의 친수성 평가

미처리 케이폭 섬유, NaClO 처리 케이폭 섬유, NaClO 1%와 젤라틴 수용액 처리 케이폭 섬유를 천연 추출물로 염색하여 친수성 여부를 평가했다. 각 미처리 케이폭 섬유, 처리 케이폭 섬유 1g을 치자 추출물에 40~60°C의 저온에서 Hotplate Stirrer(JSHS-18D, JSR, Korea)를 이용하여 20분간 염색하였으며 염색과정은 도 15와 같다. 염색 후 상온의 조건에서 수세한 뒤 40°C로 예열된 데시케이터 안에 6시간 이상 건조했다. 측색은 각 시료를 약 1.5cm 의 두께를 유지하여 색상 값을 측정하였다. 색상 값은 명도 L^*, 색좌표 지수 a^*, b^*값, C, h값과 염착량 K/S값을 400nm 아래 CCM(Macbeth, Color-Eye 3100, USA)를 이용해 D65광원, 시야각 10°의 조건에서 5회 측정한 평균값을 통해 친수성 여부를 평가했다. 그 후 측정된 데이터에 Munsell 8.0에 의해 H/VC값을 구했으며 아래 일반식 1을 대입해 ΔE 값을 구했다.

[일반식 1]

ΔE = [(ΔL^*)² + (Δa^*)² + (Δb^*)²]^1/2

ΔL = L₁-L₂, Δa = a₁-a₂, Δb = b₁-b₂

염색에 의한 케이폭 파이버의 친수성 고찰

도 16 및 표 6은 케이폭 원시료 (미처리 케이폭 섬유), NaClO를 1% 처리, NaClO 1% 처리 후 젤라틴 수용액 처리한 케이폭 섬유를 저온에서 천연 추출인 치자를 적용한 결과이다.

염색 결과, 70-80℃와 같은 고온에서는 미처리 케이폭 섬유가 염료와 함께 녹아 강도 저하가 심화하였기 때문에 저온인 40-60℃의 온도에서 실험을 실시했다. 표 6에 의하면 알칼리 처리한 케이폭 섬유의 색상이 가장 밝았으며 젤라틴 수용액을 처리하게 되면 명도가 낮아져 색상이 어두워졌다. 케이폭 원시료의 경우 K/S 값이 가장 낮고 a*값, b*값도 모두 낮아 연한 노란빛을 띠고 있었다. 하지만 섬유 내로 염액이 고착되지 않아 균염 되지 않았다. 이를 통해 원시료 케이폭의 경우 일부 소수성기가 남아 있는 것으로 사료된다. 알칼리 처리 및 젤라틴 수용액 처리 케이폭의 경우 b*값, C값이 20정도 향상되어 진한 노란색으로 모두 친수성으로 개질 되었음을 확인하였다. b*값이 가장 높은 시료는 NaClO 1% 처리, 0.1% 젤라틴 수용액, 0.5% 젤라틴 수용액 처리 순서였으며 이는 C값 및 h값 또한 동일한 경향을 보였다. 전체적으로 젤라틴 수용액 처리 케이폭이 알칼리 처리 케이폭 보다 색상 값이 소폭 감소하는 이유는 젤라틴 수용액을 처리함으로써 섬유 색상이 어두워지는 현상 때문으로 사료된다. 가장 색상이 어두운 시료는 0.3% 젤라틴 수용액 처리 케이폭이며 가장 낮은 색상 값을 보인다. K/S값은 원시료 케이폭이 가장 낮은 값을 보였지만 0.3% 젤라틴 수용액 처리 케이폭을 제외한 모든 시료에서 K/S값이 3이상 향상됨을 관찰하였고 특히 0.1% 젤라틴 수용액 처리 시 가장 높은 K/S값을 나타냈다. 이는 SEM과 FT-IR에서 확인한 불균일한 표면, 아미드기의 증가로 인한 것이었다.

Claims (10)

1. 미처리된 케이폭 섬유를 준비하는 단계;
   상기 미처리된 케이폭 섬유와 상기 케이폭 섬유의 소수성기를 제거하는 전처리 물질을 포함하는 제1 전처리 수용액을 혼합하여 제1 혼합액을 제조하는 단계;
   상기 제1 혼합액을 열처리하여 케이폭 섬유의 소수성기를 제거하는 단계;
   상기 소수성기가 제거된 케이폭 섬유와 상기 케이폭 섬유에 친수성기를 부여하는 전처리 물질을 포함하는 제2 전처리 수용액을 혼합하여 제2 혼합액을 제조하는 단계; 및
   상기 제2 혼합액을 상온 반응시켜 케이폭 섬유에 친수성기를 부여하는 단계를 포함하고,
   상기 제2 전처리 수용액의 전처리 물질은 젤라틴이며,
   상기 제2 전처리 수용액의 농도는 0.01 내지 5% 범위 내인, 친수성 케이폭 섬유의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 제1 전처리 수용액의 전처리 물질은 과아이오딘산나트륨, 탄산나트륨, 황산철, 염산, 클로로포름, 에탄올, 차아염소산 나트륨, 아염소산나트륨, 과산화수소, 과붕산나트륨, 과탄산나트륨, 과산화아세트산, 과망간산칼륨, 아이티온산나트륨, 이산화황, 아황산수소나트륨, 하이드로설파이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는, 친수성 케이폭 섬유의 제조 방법.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 전처리 수용액의 농도는 0.1 내지 20% 범위 내인, 친수성 케이폭 섬유의 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 전처리 수용액의 pH는 9 내지 13 범위 내인, 친수성 케이폭 섬유의 제조 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 케이폭 섬유의 소수성기를 제거하는 단계는,
   열처리된 제1 혼합액의 pH를 조절하는 단계를 포함하는, 친수성 케이폭 섬유의 제조 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 제1 혼합액의 열처리는 50 내지 150℃ 온도 범위 내에서 5 내지 20분 동안 수행되는, 친수성 케이폭 섬유의 제조 방법.
8. 삭제
9. 제 1 항에 있어서, 하기 일반식 1에 따른 중량 감소율이 10% 미만인, 친수성 케이폭 섬유의 제조 방법:
   [일반식 1]
   

   

   
   상기 일반식 1에서, W_a는 미처리된 케이폭 섬유의 중량이고, W_b는 친수성기가 부여된 케이폭 섬유의 중량을 나타낸다.
10. 제 1 항에 따른 제조 방법으로 제조된 친수성 케이폭 섬유.

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