전자빔을 이용한 면 섬유에 아크릴아마이드의 그래프팅

김병남, 이홍승, S.E. Petrov, 한도흥*

영남대학교 응용화학공학부

Grafting of Acrylamide on cotton fabrics by Electron Beam

Byung Nam Kim, Hong Seung Lee, S.E. Petrov, Do Hung Han*

School of Chemical Engineering and Technology Yeungnam University

* E-Mail : dhhan@ynucc.yeungnam.ac.kr

서론

이온방사를 이용한 그래프팅 기술은 지난 20년간 매우 관심을 끌어온 분야 중의 하나임에도 불구하고 선진 각국들의 활발한 연구에 비해 우리나라는 아직 초기단계에 불구하다. 이온 방사에 의한 그래프팅은 기존의 기술과는 달리 화학첨가제가 거의 필요치 않고 상온에서 정밀하게 그래프팅 율을 조절할 수가 있다. 현재 가장 매력적인 응용분야 중의 하나는 섬유나 직물에 적절한 모노마를 그래프팅하여 섬유의 품질을 향상시키는 기술이다. 전자빔에 의해 생성된 섬유상의 프리라디칼은 모노마를 용이하게 결합시킬 수 있기 때문에 다양한 특성을 지닌 모노마를 이용하여 우수한 고기능성 섬유를 제조할 수 있다. 또한 복잡한 염색 공정들을 단순화 하여 원가를 절감할수 있고 견뢰도를 향상 시킬수 있다.

현재 개발되고 있는 전자빔의 방사에 의한 섬유개질의 분야는 다음과 같이 다양하다.

·염료의 염착성 및 견뢰도 향상  ·합성섬유의 저 수축성

·고 흡수성 섬유  ·항균성 섬유 ·고 신축성 섬유

·내열성 및 내염성 섬유  ·대전 방지성 섬유

·세척시 얼룩 및 때를 용이하게 제거할 수 있는 섬유

·내화학성 및 내구성이 우수한 섬유

·주름이 잘지지 않거나 만든 주름이 잘 펴지지 않은 섬유

본 연구에서는 cotton에 수용성 모노마인 아크릴아마이드(acrylamide)의 그래프팅을 위한 실험변수들로서, 전자빔의 조사선량, 모노마 농도, 모노마담지 시간 및 온도, 전자빔조사 후 시간, 공기 및 질소 분위기 등이 그래프팅에 미치는 영향을 조사하였으며, 단일 중합반응(homopolymerization)의 억제 및 그래프팅된 모노마의 견뢰도 증진방법도 검토하였다.

실험

장치 및 방법

0.7MeV의 에너지, 40mA의 최대 빔전류 및 출력 25kW의 고전압 형 전자빔 가속기를 사용하였다. 전자빔의 조사선량(dose)은 빔전류와 컨베이어의 이동 속도로 조절하였다.

전자빔을 조사하기 전에 cotton(60x110x0.1 mm)을 NaOH에서 약 30분간 전처리 하고 다시 microwave로 5분간 건조시킨 후 무게(Wo)를 정량하였다. 전조사법(pre-irradiation method)을 택하여, 전자빔을 조사시킨 천을 모노마 수용액에 일정시간 담지하여 그래프팅 반응이 일어나게 하였고 마지막으로 찬물로 여러번 세척하여 미반응 모노마를 제거시켰다. 이를 다시 microwave에서 완전히 건조시킨 후 무게(W)를 정량하였다. 그래프팅 율(degree of grafting)은 그래프팅 전.후에서 천의 무게로부터 다음의 식을 이용하여 계산하였다.

[eqn: rm 그래프팅율 (%){} ={} { W- W_o } over {W_o }{}x{}100]

그래프팅된 아크릴 아마이드의 견뢰도는 2단계 과정에서 시험하였다. 1단계에서는 아크릴아마이드로 그래프팅된 cotton을 앞에서와 같이 찬물로 세척한 후  70℃의 물에서 30분 동안 담군 후 무게변화를 측정하였고 2단계에서는 70℃, 5000ppm의 비눗물에서 30분 동안 soaping후 무게변화를 측정하여 각각의 단계에서 견뢰도를 비교하였다.

결과 및 토의

방사선에의한 모노마의 그래프팅방법은 크게 두 가지 방법, 즉 전조사법(preirradiation)과 후조사법(postirradiation)이 있다. 일반적으로 필름이나 섬유에 모노마를 그래프팅시킬때는 단일중합반응이 억제되는 전조사법을 많이 사용한다. Fig.1은 공기중에서 cotton을 전자빔으로 조사한 후, 20%아크릴아마이드 수용액에 30분간 담지하여 그래프팅율이 조사선량과 수용액 온도에 따른 영향을 나타낸 결과이다. 그림에서 보듯이 전자빔이 조사되지 않은 천은 아크릴아마이드가 전혀 그래프팅이 일어나지 않은 반면에, 전자빔이 조사된 cotton은 전자빔의 조사선량이 증가함에 따라 그래프팅율은 증가하였다. 수용액의 온도에 따른 그래프팅의 영향은 100kGy미만에서는 낮은 온도에서 약간 높은 그래프팅율을 나타내고 높은 전자빔의 흡수선량에서는 높은 온도의 수용액에서 그래프팅율이 증가하는 경향을 보였다. 이와같은 결과는 높은 온도에서 고분자상에 생성된 자유라디칼들과 아크릴아미이드의 강한 화학적 결합으로부터 세척시 높은 견뢰도를 나타내기 때문인 것으로 판단된다.

Fig.2는 전자빔으로 전처리된 cotton이 공기중과 질소분위기 그리고 모노마 농도에 따른 그래프팅율 변화를 보여주고 있다. 20%이하의 아크릴아마이드 수용액에서는 공기와 질소분위기 모두 크게 차이는 나지 않으나 20%이상 부터는 질소 분위기에서 높은 그래프팅율을 나타낸다.

Fig. 3은 전자빔으로 조사된 cotton이 아크릴아마이드 수용액에서 담지시간에 따른 그래프팅율의 변화를 나타낸 결과이다. 담지시간이 약 10 ~ 20분까지는 급격히 증가하다가 이 후부터는 거의 증가 폭이 매우 적었다. 이는 비교적 짧은 시간에 그래프팅이 일어난다고 볼수 있다.

Fig. 4는 50kGy선량으로 조사된 cotton을 25℃에서 일정시간 방치한 후 20%아크릴아마이드 수용에서 방치시간에 따른 그래프팅율을 나타낸 그림이다. 방치시간이 3분에서는 17.9%의 그래프팅율이 시간이 경과함에 따라 급격히 감소하여 30분 이후에는 1%이하의 그래프팅율을 나타낸다. 이로부터 전자빔에의해 생성된 cotton상의 라디칼이 매우 짧은 시간에 소멸되거나 그래프팅반응에 관여할 수 있는 에너지 상태로 변환 되지 않느다고 판단된다.

Fig. 5는 공기중에서 아크릴아마이드로 그래프팅된 샘플에 대한 견뢰도를 테스트를 나타내고 Fig.6은 FT-IR상에서 견뢰도 테스트 후에 cotton 상에 남아있는 아크릴아마이드의 C-N기의 존재 여부를 확인한 결과이다. 공기중에서 cotton에 그래프팅된 아크릴아마이드의 견뢰도는 매우 우수함을 알 수 있다.

결론

- 조사선량에 따라 아크릴아마이드의 cotton에 그래프팅율은 증가하며, 높은 전자빔의 흡수선량에서는 높은 온도의 수용액에서 높은 그래프팅율을 나타내었다.

- 공기중에서 조사된 cotton을 아크릴아마이드 수용액에서 그래프팅율은 담지시간이 약 10 ~ 20분 사이에 거의 최대치의 그래프팅율을 나타내며 이후에는 거의 증가하지 않았다.

- 아크릴아마이드 농도가 증가함에 따라 그래프팅율은 선형적으로 증가하다가 어느농도 이상에서는 공기중인 경우에는 거의 평형상태를 이루고 질소중에서는 계속해서 증가한다.

- 전자빔이 조사된 cotton상에서 생성된 자유라디칼은 초기에 매우 빠른 속도로 비활성이 일어나며 30분 이상 공기중에 방치했을때는 거의 그래프팅에 관여하지 않았다.

- 공기중에서 cotton에 그래프팅된 아크릴아마이드의 견뢰도는 매우 우수하였다.

Reference

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2. Zohdy MH, Sahar SM, HPassan MS, Khalil Em, El-Hossamy M, El-Naggar     AM, Thermal behaviour stability of polyester and cotton/polyester graft       copolymers obtained by direct radiation grafting of individual and mixed      vinyl monomers, polymer Degradation & Stability, V.63 N.2 (1999)

3. Zohdy MH, Sahar SM, HPassan MS, Khalil Em, El-Hossamy M, El-Naggar     AM, Selective properties of polyester and cotton polyester fabrics gamma      radiation grafted with different binary mixtures of vinyl monomers,           polymer international, V.48 N.6 (1999)

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Fig. 2. Degree of grafting of irradiated cotton in various concentrations of AAm solution in air and N2.

Fig. 1. Effect of grafting of irradiated cotton on solution temperature.

Fig. 4. Effect of interval time on grafting of irradiated cotton.

Fig. 3. Effect of immersion time on grafting of irradiated cotton.

Fig. 6. FT-IR Spectra of C-N on cotton grafted by AAm after soap-washing (a, b, c, d : grafted to 16.3%, 18.8%, 2.6%, and 5.1% AAm, respectively)

Fig. 5. Testing of fastness of cotton grafted with AAm in air.