섬유공학 - 필름 및 직물의 접촉각 측정 및 습윤성 측정

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목차

없음

본문내용

에 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