섬유공학 - 필름 및 직물의 접촉각 측정 및 습윤성 측정

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목차

없음

본문내용

대한 힘의 균형
젖음성(습윤성) 측정
1)젖음의 정의
젖음이란 고체표면 분자와 액체분자 사이의 상호작용인데 젖는 현상은 고체표면이 소실되고 새로운 고체와 액체의 계면이 형성됨을 의미한다.
고분자의 표면에너지는 특성상 재료가 점성과 탄성을 갖고 있기 때문에 직접 측정할 수 없다고 알려져 있는데, 특별하게 낮은 표면에너지를 갖고 있을 경우 접촉각 측정을 통한 간접적인 방법으로 표면에너지를 계산하게 된다.
접촉각을 통해서 표면에너지를 계산해 내는 몇 가지 준 경험적인 모델들이 있는데, 한 개의 측정용액이 필요한 ⓛGirifalco-Good-Fowkes-Young 모델, 두 개의 측정용액을 필요로 하는 ② Owens-Wendt-기하평균, ③Wu-조화평균 모델, 세 개의 측정용액을 필요로 하는 ④ Lewis Acid/Base 모델이 있다.
사용자는 측정하고자 하는 표면에 따라 필요한 모델을 잘 선택해야 된다. 예를 들면 낮은 소수성 특징을 가진 박막의 경우에는 Lewis Acid/Base 모델을 택하게 된다.
이와 같은 방법으로 얻은 표면 에너지는 표면의 상태를 짐작하게 하는 중요한 지수인데 표면의 화학적인 특성 정보를 제공한다. 즉 표면에너지를 계산하면 재료의 특성을 어느 정도 평가할 수 있다.
에너지적 개념으로 생각하면 젖음 전·후의 에너지 차 ()로 나타낼 수 있기 때문에 다음과 같이 표현할 수 있다.
여기서 는 고체의 표면장력, 은 액체의 표면장력, 은 고체-액체의 계면장력이다.
액체의 표면장력인 과 물의 접촉각은 쉽게 구할 수 있기 때문에 젖음성도 위 식을 이용해서 정량화할 수 있다.
또 젖음성이란 고체표면의 분자와 액체표면의 분자 사이에 작용하는 힘이라고 정의한다. 따라서 젖음성, 즉 고체와 액체 표면의 상호작용 은 다음과 같이 표현할 수 있다.
여기서 는 고체 표면분자 사이의 상호작용, 은 액체 표면분자 사이의 상호작용, 는 물질의 종류에 따라서 결정되는 상수(0.8~1.0)이다.
은 동일분자 사이의 상호작용으로서 각각 분자의 응집력에 대응한다. 따라서 젖음성은 고체 및 액체분자의 응집력에 대한 기하평균과 비례한다고 생각할 수 있다. 또 물질의 응집력과 표면장력 사이에는 대체적으로 다음과 같은 관계가 성립한다.
다시 표면장력을 분산성분과 극성성분으로 나눈다면 다음과 같이 표시할 수 있다.
위 식들을 정리하면 다음 식이 얻어진다.
단 =1로 정한다. 즉 젖음성은 분산력에 기인하는 상호작용과 극성력에 기인하는 상호작용의 힘으로 표시된다.
이제 간단한 예로서 상호작용이 분산력에 만 존재한다고 생각해 보면 다음 식을 얻을 수 있다.
결국 와 사이에 직선관계가 성립한다. 이처럼 상호작용이 분산력일 경우에는 이론식과 실험식이 잘 들어맞는다. 그런데 위 식을 다시 다음과 같이 표현할 수 있다.
이 식에서 이미 와 를 알고 있는 2종류 이상의 액체를 이용하여 만 측정할 수 있다면 고체의 표면장력 및 그 성분값은 구할 수 있다. 각종 고분자의 분산력 성분은 그다지 변하지 않는데 반해서 극성력 성분은 크게 변한다.
2) 임계 표면장력
젖음성은 를 이용해서 정량화 할 수 있지만 가 0에 접근하면 정량성을 잃게 된다. 따라서 Zisman은 고분자와 액체의 상호작용, 즉 젖음성을 더 광범하게 정량적으로 표시할 수 있는 한가지 지표로서 임계표면장력 를 제안했다.
Zisman에 의하먀면 이 는 고체의 표면장력과 대체적으로 동등한 지표가 된다. 따라서 물질을 구성하고 있는 분자의 교호작용으로서 극성적 상호작용과 분산적 상호작용이 포함되어 있다. 또 는 응집에너지 밀도와 강한 상관성을 갖고 있다. 극성기를 갖고 있는 고분자의 경우 분자간의 상호작용이 강할 뿐만 아니라 이에 대응해서 극성기와 액체의 상호작용도 커지게 된다. 이와 같이 란 젖음성을 나타내는 중요한 인자이다. 즉 액체의 가 고분자의 보다 작을 경우에는 고분자 표면을 자유롭게 젖도록 할 수 있지만, 반대로 이 값이 클 때는 액적을 형성하기 때문에 고분자의 표면위에서 확장되지 않는다. 따라서 가 높은 고분자일 수록 각종 액체를 더 잘 젖게 한다.
이 는 실험적으로 다음과 같이 알아낼 수 있다. 1개의 고체에 대해서 여러 가지 액체를 이용한 cos를 구하고 이 값을 여러 가지 액체의 표면장력()과 대응해서 플로트한다. 다음에 cos가 1(0)일 때까지 외삽하여 값을 취하면 고체의 값이 된다. Zisman에 의하면 PE등 무극성 고분자는 과 cos 사이에 직선성이 성립하지만 표면처리에 의해서 고분자 표면을 극성화 시켜주면 곡선성이 얻어진다. 결국 후자와 같이 액체와 고체사이에 수소결합이 형성될 경우에는 직선성으로부터 벗어나는 경향이 강하게 일어난다.
3) 와 고분자의 구조
Wu에 의하면 는 이론적으로도 구할 수 있는데 용해성 파라미터(solubility parameter:)와 관계가 있다.
젖음특성을 더 정량화 할 수 있는 를 이론적으로나 실험적으로 구할 수 있다.
다음에 와 고분자 분자의 구조관계를 개략적으로 설명해 보자. 우선 대표적인 무극성 고분자인 PE는 전형적인 탄화수소로 구성되어 있는데, PE의 는 31(이하 dyne/cm 생략), 수소를 할로겐으로 치환했을 때, 즉 염소를 치환시킴에 따라 가 증가하여 PVC는 39, PVNC는 39~40의 높은 값을 나타내고, 100% 염소로 치환시킨 가정적 PTCE의 표면은 가 42의 값을 갖게 된다. 그러나 불소원자로 치환시키면 고꾸로 가 감소하여 PTFE이 18, 표면이 CF로 피복되면 6으로 매우 낮다.
한편 탄화수소계 표면의 를 보면 CH기는 31이고 대표적인 무극성 고분자인 PE의 는 31로 낮다. 그러나 표면이 n-핵사트리아콘탄처럼 더 고차적인 파라핀과 같은 CH기로 치밀하게 구성되어 있으면 다시 낮아져서 22의 값을 나타낸다.
그런데 벤젠기 등은 전자 때문에 값이 증가한다. 따라서 PS는 33, PET는 43으로 PE의 에 비해서 매우 높다. 전자를 갖는 기처럼 질소화 된 탄화수소 표면의 가 커서 43정도의 값을 나타낸다.
3.참고문헌
섬유가공학, 형설출판사, 2000, 장지민, p283-313
섬유 고분자의 표면개질, 한국염색기술연구소, 2003, 박병기, p418-452

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섬유공학,   필름,   직물,   잡척각측정,   습윤성측정