Preparation of superhydrophobic cotton fabric from waterborne Octadecylamine / alkyl silane coating

Abstract

최근 초소수성 표면은 광범위한 적용성 및 다기능성 덕에 고급 직물 처리를 비롯한 직물과 비직물 분야 모두에서 주목 받는 연구분야이다. 그에 따라 초소수성 표면을 구현하기 위해 일반적인 물질들을 사용하여 표면 거칠기와 표면 에너지를 조절하는 많은 방법이 적용되고 있다. 하지만 많은 경우, 매우 유독한 유기 용매가 사용되고 있으며, 기능의 낮은 내구성, 가격, 복잡한 공정 등의 문제가 있어 초소수성 직물이 일상 생활까지 적용되기 까지는 아직 무리가 있다. 그렇기에, 초소수성 표면 구현시 제작이 쉽고, 내구성이 있으며, 자가회복이 가능한 방법을 개발하는 것이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 물을 용매로 하여 알킬 아민 마이크로-나노 구조를 형성하는데에 HDTMS의 가수분해 다중축합(hydrolytic polycondensation)에 의한 꽃잎 혹은 그물망 형태 나노구조의 형성을 위해 자기조립된 ODA 단분자층을 촉매로 활용하여 내구성 다기능성 초소수성 표면을 구현하는 간단한 공정을 개발하는데에 목적을 두었다. 직물에서 널리 사용되는 셀룰로오스 면 직물을 시료로 선정했으며, 많은 수산화기를 가지는 면의 특성을 활용하여 뭉쳐진 ODA/HDTMS 마이크로-나노 피브릴과 Si-O-Si의 강력한 공유 결합을 형성하여 이어지도록 하였다.

ODA와 HDTMS의 농도에 따른 영향을 알아보기 위해, 표면구조와 화학적 조성을 각기 다른 몰비율에 따라 알아보았다. 표면 구조는 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM)을 고배율(nm단위)로 확인하였다. 화학적 조성은 푸리에 변환 적외분광법 분광광도계(FT-IR)와 X-선 광전자 분광법(XPS)를 사용하여 코팅된 물질이 섬유 표면에 성공적으로 코팅 되었는지 확인하였다. 표면 젖음성은 증류수의 정적 접촉각과 기울임각(shedding angle)을 통해 측정하였다. 기능의 내구성과 자가회복 성능, 투습도, 공기투과도 역시 검사하였다. 면직물을 ODA로만 코팅하였을 경우 ODA가 양쪽 친매성(amphiphilic) 물질이기 때문에 마이크로-나노 거칠기는 생기지 않았다. 하지만 면직물을 HDTMS로만 코팅하였을 때에는, 거칠기는 나타나지 않았지만 소수성 표면이 구현되었다. 이는 HDTMS가 면의 셀룰로오스의 수산화기와 그래프트 하여 미끄러운(slippery) 표면을 만들기 때문이다. 흥미롭게도, 면직물이 ODA/HDTMS혼합액에 딥코팅 되었을 때 마이크로-나노 단위의 거칠기가 형성되었다. ODA/HDTMS의 몰비율이 3:1에서 1:2 비율로 갈수록 표면은 더 거칠어졌으며, 정적 접촉각 150° 이상과 물의 기울임각 10° 미만이 얻어졌다. 초소수성의 최적조건은 ODA/HDTMS의 몰비율이 1:2일 때 얻어졌는데, 가장 낮은 물의 정적 접촉각 161.4±1.6도와 가장 낮은 물의 기울임각 8.5±0.7°가 얻어졌다.

본 연구는 간단한 일 단계 딥 코팅 방법으로 biosilicificaition 용매 시스템을 통해 표면에너지를 낮추고 마이크로-나노 거칠기를 구현하여 초소수성을 얻었다는 기여점을 가진다.

In this study, it was aimed to develop a simple way to design durable multifunctional superhydrophobic cotton surface by using self-assembled ODA layer to support formation of nanostructure with HDTMS in using aqueous dispersion.

To examine the effect of ODA and HDTMS concentration, the morphology and the chemical composition were investigated according to molar ratios. The surface morphology was investigated by Field Emission Scanning microscope (FE-SEM) with high magnification (nanometer scale). The Chemical compositions were examined by Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR) and X-ray photoelectron spectrophotomer (XPS) to confirm coating materials were successfully coated on the fiber surface. Surface wettability was evaluated by static contact angle and shedding angle using distilled water. Functional durability, self-healing properties and breathability were also investigated.

When cotton fabric was coated by only ODA micro-nano roughness was not formed (CA=0º) because ODA dissolved in water. But when cotton fabric was coated by HDTMS, surface become hydrophobic (CA=148º, SA=17º) and micro-nano roughness was formed. Interestingly, when cotton fabric dipped into ODA/HDTMS mixed solution micro-nano scale roughness was formed. At concentration ranging ODA/HDTMS 3:1 to 1:2 molar ratio surface became rougher thus changing water contact angle higher than 150º and water shedding angle below 10° was achieved respectively. The best superhydrophobicity was recorded at 1:2 ODA/HDTMS molar ratio as highest static contact angle, WCA 161.4± 1.6° and water shedding angle, WSA lowest as WSA 8.5± 0.7°.

The contribution of this study is that superhydrophobic coating was applied via simple one step dip coating method of reducing surface energy and forming micro-nano scale roughness at the same time in aqueous system.