나노거칠기 구현 및 열에이징을 활용한 초소수성 텍스타일

Abstract

Superhydrophobic technologies have been developed only by focusing on industrial materials and with little consideration for clothing materials. Therefore, the methods using nanoparticles and perfluorinated compounds (PFCs) have numerous problems such as surface color change, decrease of breathability and handle, and environmental and health problems. In this study, we suggest thermal aging as the substitute method. Thus, in order to understand factors affecting thermal aging, specimens having different chemical and microscopic structures, Polyamide 6 film (PA6), biaxial PET film (B-PET), Polypropylene (PP) and Polytetrafluoroethylene film (PTFE) were used. Thermal aging temperatures were chosen above glass transistion temperature for each specimens. Accordinging to oxygen plasma etching durations, static contact angles of thermal aged specimens increased. However, Polyamide 6 film (PA6) and biaxial PET film (B-PET) having relatively high surface energy showed no difference on hydrophobic recovery rate regardless of oxygen plasma etching durations while Polypropylene film (PP) and Polytetrafluoroethylene film (PTFE) having relativle low surface 둑energy exhibited high hydrophobic recovery rate depending on oxygen plasma etching durations.

Additionally, we investgated factors with specimens having same chemical structure but different microscopic or macroscopic structures, amorphous PET film (A-PET), biaxial PET film (B-PET) and PET fabric (F-PET). For oxygen plasma etching, low crystallinity delayed etching rate, but during thermal aging, it enhaced hydrophobic recovery rate. Furthermore, the more roughned or microstructured surface showed superhydrophobicity quickly after thermal aging.

Moreover, from now on the developed white or dark colored superhydrophobic textiles have limitation to be used as fashion textiles. Therefore, superhydrophobic technologies considering not only superhydrophobicity but also aesthetic aspects and human-friendliness are necessary. In order to display superhydrophobicity, extra coating process with hydrophobic chemicals necessarily need for colorful polyester fabrics dyed with conventional disperse dyeing process. Thus, in this study, without adding any process to conventional disperse dyeing process, we fabricated colorful fluorine-free superhydrophobic polyester fabric via controlling the conditions of conventional disperse dyeing process.

After alkaline hydrolysis, the pre-treatment of conventional dyeing processing, the surface of polyester kept its nanocraters. Furthermore, owing to thermal aging during drying, the developed polyester fabric showed superhydrophobicity exhibiting the static contact angle of 163.7°±2.6° and shedding angle of 9.3°±1.1°. Regardless of chemical structures of dyestuffs, color strength was reinforced after alkaline hydrolysis and thermal aging compared to the untreated fabric. Not only color fastness but also water vapor transmission rate and air permeability of the superhydrophobic polyester fabric were improved. Lastly, handle property of alkaline hydrolyzed polyester fabric did not change after dyeing and thermal aging.

Therefore, we successfully made the colorful fluorine-free superhydrophobic polyester fabric through disperse dyeing process. The fact that, without any additional process, the colorful superhydrophobic polyester can be fabricated by modifying the conventional dyeing process is of great importance. Additionally, technologies that take not only superhydrophobicity into account, but also aesthetic aspects and human-friendly have very important academic and industrial significance. Therefore, the developed colorful fluorine-free superhydrophobic polyester fabric has the potential for commercial production and could be extensively applied in indoor or outdoor clothing and many other fields.

본 논문에서는 표면에너지, 분자 사슬 모빌리티 또는 결정화도와 같은 성질이 산소 플라즈마 에칭과 열에이징 시 표면거칠기 형성과 소수성 회복에 미치는 영향을 분석하고, 각 재료 별 초소수성 구현 최적 조건을 제시하고자 하였다. 이를 위해 표면에너지와 분자 사슬 모빌리티가 다른 나일론 6 필름(PA6), 이축연신 폴리에스터 필름(B-PET), 폴리프로필렌 필름(PP) 그리고 폴리테트라플루오로에틸렌 필름(PTFE)을 사용하였고, 결정화도가 다른 비결정성 폴리에스터 필름(A-PET), 이축연신 폴리에스터 필름(B-PET) 그리고 폴리에스터 직물(F-PET)을 비교하였다.

그 결과, PA6, B-PET, PP 그리고 PTFE에 산소 플라즈마 에칭 후 열에이징 시 최적 열에이징 온도는 분자 사슬이 재배열될 수 있는 모든 시료의 유리전이온도 이상으로 선정되었다. 이 때, 높은 표면에너지와 낮은 분자 사슬 모빌리티를 가지는 PA6와 B-PET는 산소 플라즈마 에칭 후 열에이징을 거쳐야지만 초소수성을 나타내었으나, PTFE는 낮은 표면에너지와 높은 분자 사슬 모빌리티에 의해 산소 플라즈마 에칭 후 열에이징 없이 상온에이징만으로도 초소수성을 보였다.

A-PET, B-PET 그리고 F-PET에 산소 플라즈마 에칭한 결과, 결정성을 가지지 않는 A-PET보다 결정화도가 큰 B-PET에서 표면거칠기가 효과적으로 구현되었다. 하지만 열에이징 시에는 이와 반대로, 결정화도가 낮은 A-PET가 더 낮은 온도에서 초소수성을 구현하였다. 또한 이중거칠기를 가지는 F-PET는 더 짧은 에칭 처리로도 초소수성을 나타내었다.

앞서 개발된 표면거칠기 구현과 열에이징 공정을 의류 생산 공정으로 응용하기 위해 범용의 폴리에스터 분산 염색 공정을 활용하였다. 따라서 전처리 공정인 알칼리 감량가공을 통해 폴리에스터 직물(F-PET)에 표면거칠기를 구현하고 분산 염료(C.I. disperse dye Blue 56과 C.I. disperse dye Red 277)로 염색 후 건조 공정으로 열에이징하여, 색상을 가지며 초소수성을 구현할 수 있는 폴리에스터 직물의 최적 조건을 모색하고, 의류소재로의 적합성을 평가하였다.

그 결과, 폴리에스터 직물은 다양한 액체에 대한 반발성과 우수한 자가세정능력으로 초소수성을 나타내었고 공기투과도, 투습도 그리고 염색성은 미처리 폴리에스터 직물과 유사하거나 증가하였다. 또한, 세탁 및 일광에 대한 염색 견뢰도도 열에이징 후 향상됨을 보였으며, 염색 및 열에이징은 알칼리 감량가공으로 향상된 폴리에스터 직물의 태에 영향을 미치지 않음을 확인하였다.