Improving Hydrophilic and Finishing Performance of Dyeable PP through Atmospheric Pressure Plasma Treatment

플라즈마 처리를 통한 가염PP의 친수화도 및 가공성능 향상

Abstract

Polypropylene(PP) is a textile material with various functions such as eco-friendliness, lightness, and elasticity. Although most synthetic fibers can be dyed and finished, but original PP is difficult to dye or finish due to its extremely hydrophobic properties, so its application expansion is limited. In order to solve this problem, dyeable PP was developed, and various researches on textiles for clothing such as mass production technology, fine fiberization and performance improvement are in progress. Plasma treatment is a processing method for modifying the surface of fabrics, and has effects such as hydrophilization, deepening color, improving adhesion, and surface polymerization. In this study, plasma treatment was applied to study changes in hydrophilization properties of dyeable PP, surface changes before and after plasma treatment and performance according to hydrophilization.

1. 서론

21세기의 스포츠는 특정 계층에 국한되지 않고 광범위하게 확산되고 있으며, 전통적인 남성 활동으로 인식되던 스포츠 종목에서의 성구분이 점차 사라지는 것은 물론, 관람 위주에서 참여하는 스타일로 변화하고 있고, 실용주의에 바탕을 둔 스포츠웨어는 개인의 라이프 스타일(Life-Style)을 표현하는 중요한 표현방식으로 인식되고 있다¹⁾. 아웃도어(Out-Door)는 ‘집 밖의’, ‘옥외’라는 뜻으로, 집에서 밖으로 나가는 행위를 아웃팅(Outing)이라고 하고, 아웃팅은 야영과 등산 이외에 외출, 산책, 소풍, 낚시, 스키, 요트, 수영, 달리기, 골프 등의 모든 야외 레저 스포츠 활동을 포함하고 있다.

주 5일 근무제의 도입으로 연간 140일의 휴일로 Out-Door 섬유제품의 전망을 밝게 하는 요인이며, 여가시간이 늘어나면서 스포츠 웨어 시장은 섬유산업의 전반적인 경기침체에도 불구하고 꾸준한 상승세를 이어가는 Blue Ocean 분야로 성장하고 있다²⁾.

스포츠웨어는 소비자의 극한 성능에 대한 요구에 따라 쾌적/경량성, 감성 기능이 일상화되고 있다.

Polypropylene(이하 PP)은 친환경성, 경량성, 신축성 등 다양한 기능을 보유한 섬유 소재로 미국, 일본 등 많은 나라에서 의류 및 인테리어용으로 채택하여 널리 사용되고 있다. PP는 비중이 0.91로 가볍고, 열전도도가 낮아 보온성이 우수하며, 속건성, 항균성, 내오염성 등이 우수하여 쾌적 섬유로 각광을 받고 있다³⁾.

EU에서는 2005년부터 환경보호를 위해 벽지, 파티션 등 홈인테리어용 주요 소재였던 PET(Polyethylene terephthalate) 대체재로 PP를 사용하고 있으며, PP 강제 사용 법안을 마련하고 있을 정도로 용도전개가 보편화 되고 있다. 선진국 시장 공략을 위해서는 PP는 필수 소재로 부각되고 있다.

대부분의 합성섬유는 염색 및 가공이 가능하지만, 원착 PP의 경우 극소수성 특성 때문에 염색 또는 후가공이 어려워 의류용 등 용도 확대가 제한적으로 기존의 원착 PP섬유의 문제점들을 어느 정도 해소시킨 가염성 PP섬유(가염PP)를 출시하였으며, 양산화 기술과 세섬화 및 성능 향상 등 의류용 섬유에 대한 다양한 연구를 진행하고 있다^4,5).

플라즈마(Plasma) 가공은 섬유와 원단 표면을 개질하는 가공법으로 비활성가스 종류나 조건에 따라 표면의 조면화(친수화), 심색화, 접착성 향상 및 표면중합 등의 효과가 있으며, 섬유 표면층에만 이루어지는 반응으로 섬유 자체의 강도, 벌키성 등에는 영향을 주지 않는 특성이 있다⁶⁾.

연속생산 설비에 대한 기술 발전으로 대기압 하에서 플라즈마 가공처리 성능이 향상되면서 그동안 의류용으로 활용이 적었던 섬유 표면개질에 대한 연구개발이 진행되고 있다^7,8).

본 연구에서는 대기압 플라즈마 가공처리를 통한 가염PP 원단의 표면 개질로 인하여 표면의 변화(조면화 등), 플라즈마 처리 조건에 따른 친수화도 및 친수화도 증가에 따른 가공성에 대한 연구를 진행하였다⁹⁾.

2. 실험

2.1 시약 및 재료

플라즈마 처리에 대한 친수화도 평가를 위해 가염PP(Huvis, 150de, Circular knit, Single, Korea)을 사용하였다. 표면형상 변화 확인을 위해 ㈜이주에서 플라즈마 처리(가공조건 20m/min, 8.0A) 가염PP 환편물을 시용하였다.

플라즈마 처리된 가염PP의 가공성을 알아보기 위하여 대전방지제(POONGLIM OIL CHEMICAL CO., LTD., HEXA STATSA conc, Korea)를 사용하여 대전방지성을 평가하였다.

2.2 플라즈마 처리

2.2.1 플라즈마 설비

플라즈마 처리를 위하여 속도, 전류량, 반복횟수에 변화를 줄 수 있도록 자체 제작한 실험실용 플라즈마 표면개질 장치를 사용하였다.

Figure 1은 플라즈마 시스템, Table 1은 플라즈마 표면처리기의 세부 사양을 나타내고 있다.

Figure 1. Plasma discharge part.

Table 1. Detailed specifications of plasma surface modification device

2.2.2 플라즈마 처리

플라즈마 처리시, 전류세기가 친수화도에 미치는 영향을 알아보기 위하여 플라즈마 처리 속도 각각 200rpm과 600rpm에서 전류세기를 0.5A, 1.0A, 1.5A, 2.0A로 변화시켜 1회 가공 처리하였다. 또한 플라즈마 처리 횟수에 따른 친수화도를 알아보기 위하여 플라즈마 처리 속도 200rpm, 전류세기 0.5A의 조건에서 1회, 2회, 3회 가공 처리하였다.

2.2.3 대전방지 가공

플라즈마 처리 가염PP와 미처리 가염PP에 대전방지제를 각각 5g/l, 10g/l, 20g/l, 40g/l, 60g/l, 80g/l 농도에서 패딩법(수평식 패더, Daelim starlet, DL-2005H, Korea)으로 처리하여 가공제 농도에 따른 플라즈마 처리 가염PP의 대전방지 성능을 알아보았다. 또한 플라즈마 처리된 가염PP와 미처리 가염PP에 대전방지제를 20g/l 사용하여 가공(Curing) 온도를 110℃, 120℃, 130℃, 140℃, 150℃로 변화시켜 원단의 성능을 비교평가하였다. 패딩조건은 다음 식(1)과 같다.

Padding(1 bar) → Drying(110℃ × 2 min) → Curing(110 ~ 150℃ × 2 min) (1)

2.3 평가 및 분석

2.3.1 친수화도 평가 : Wicking 테스트

플라즈마 처리된 가염PP의 표면개질 효과를 확인하기 위하여 Wicking 테스트를 진행하였다. 샘플(2cm x 15cm)을 상온의 물에 약 2.5cm 침지하고 10분 동안 흡수된 물의 높이를 측정하였다.

2.3.2 섬유표면 : SEM 측정

플라즈마 처리 유/무에 따른 가염PP 표면형태 변화를 관찰하기 위하여 SEM(ZEOL, JSM-5510, Japan)을 활용하여 2,000 ~ 50,000배로 확대하여 표면을 측정하였다.

2.3.3 대전방지성

대전방지 성능은 마찰대전압 B법(KS K 0555:2010)으로 평가하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 플라즈마 처리된 가염PP의 친수화

3.1.1 플라즈마 전류 세기 조건에 따른 가염PP 원단의 친수화

플라즈마 처리 시 전류의 세기 변화에 따른 가염PP 친수화 정도를 알아보기 위하여 처리 속도를 200rpm과 600rpm으로 처리회수를 1회로 고정하고 전류세기를 0.5A, 1.0A, 1.5A, 2.0A로 변화시키면서 실험을 진행하였다. 친수화 정도는 원단의 흡습성을 나타내는 Wicking test 방법으로 평가하였다.

Figure 2에서는 플라즈마 전류 세기 조건에 따른 Wicking test 결과를 나타내었다^10,11)

Figure 2. Height of absorbed water according to plasma current intensity.

플라즈마 처리 속도를 200rpm으로 처리한 경우 전류 세기 0.5A에서 가염PP 원단의 흡습 높이는 3.00cm, 1.0A에서 원단의 흡습 높이는 4.95cm, 1.5A에서 원단의 흡습 높이는 4.75 cm, 2.0A에서 원단의 흡습 높이는 3.42cm로 전류세기 1.0 ~ 1.5A 조건에서 높은 흡습성을 보였으며, 전류세기 2.0A 조건에서는 흡습성이 약간 떨어지는 것을 알 수 있었다. 플라즈마 처리 속도를 600rpm으로 처리한 경우 전류 세기 0.5A에서 가염PP 원단의 흡습 높이는 2.95cm, 1.0A에서 원단의 흡습 높이는 2.65cm, 1.5A에서 원단의 흡습 높이는 3.75cm로 약간 상승하는 결과를 보였으나, 2.0A에서 원단의 흡습 높이는 5.27 cm로 급격히 상승하는 경향을 보였다. 플라즈마 처리 시 200 rpm의 느린 속도에서는 1.0A의 비교적 낮은 전류 세기 조건에서 높은 친수화도를 보이고 2.0A 이상의 전류 세기에서는 친수화도가 낮아지는 반면 600rpm의 빠른 속도에서는 2.0A 이상의 높은 전류 세기 조건에서 친수화도가 높아지는 경향을 보였다.

Table 2는 플라즈마 전류 세기 조건별로 처리된 가염PP의 Wicking 테스트 사진이다.

Table 2. Wicking test on fabrics treated according to plasma current intensity

3.1.2 플라즈마 처리 횟수에 따른 친수화

플라즈마 처리 회수에 따른 가염PP 친수화 정도를 알아보기 위하여 처리 속도를 200rpm, 전류세기 0.5A로 고정하고 처리 회수를 1~3회로 변화시키면서 실험을 진행하였고, 친수화 정도는 원단의 Wicking test 방법으로 평가하였다.

Table 3에서 플라즈마 처리 회수에 따른 Wicking test 결과를 나타내었다. 플라즈마 1회 처리한 가염PP 원단의 흡습 높이는 2.90cm, 2회 처리한 원단의 흡습 높이는 4.37cm, 3회 처리한 원단의 흡습 높이는 4.00cm으로 플라즈마 처리를 통하여 가염PP 원단의 흡습성이 높아짐을 알 수 있었으며, 또한 2번 이상 처리하면 가염PP 원단의 흡습성은 미처리 대비하여 약 2배 상승한 값을 보였다.

Table 3. Height of absorbed water according to the number of plasma processing treatments

Table 4는 플라즈마 처리 횟수 변화별로 처리된 가염PP의 Wicking 테스트 사진이다.

Table 4. Wicking test on fabrics according to the number of plasma treatments

3.2 플라즈마 처리 가염PP의 표면 분석

일반적으로 플라즈마 설비는 섬유 표면에 활성기를 부여하여 표면 에너지를 증가시켜 표면 개질 및 물성을 변화시키는 것으로 알려져 있다. 플라즈마 처리 조건 변화에 따른 원단의 친수화도 실험을 통하여 가염PP는 친수화도 증가로 물성이 변하는 것을 확인하였다. 플라즈마 처리를 통하여 친수화된 가염PP의 표면 변화를 알아보기 위하여 SEM으로 2,000 ~ 50,000배로 확대하여 표면의 변화를 알아보았다.

Figure 3은 플라즈마 처리 전/후 가염PP의 SEM(Scanning Electrone Microscope) 측정 결과로, 표면 형상 변화를 나타내고 있다. 플라즈마 미처리 가염PP와 플라즈마 처리 가염PP를 2,000배, 5,000배, 25,000배, 50,000배 확대하여 촬영하였다. 플라즈마 처리 가염PP 표면은 미처리 가염PP 표면에 비해 형태가 거칠며, 표면에 요철이 생긴 것을 확인할 수 있었고, 표면적이 증가되는 것으로 예상된다^12,13). 대기압 플라즈마 처리에 의하여 표면의 조면화로 젖음성이 향상된 것으로 보인다^14,15).

Figure 3. Change of surface shape by before/after plasma treatment of dyeable PP.

3.3 플라즈마 처리 가염PP의 가공성

앞의 실험을 통하여 플라즈마 처리된 가염PP의 친수화도가 상승하는 것을 확인하였고, 플라즈마 처리를 통한 친수화가 가염PP의 가공성에 미치는 영향을 알아보기 위하여 플라즈마 처리된 가염PP와 미처리 가염PP에 각각 대전방지제 농도변화(5 ~ 80g/l)에 따른 대전방지 성능과 가공(Curing) 온도 변화(110 ~ 150℃)에 따른 대전방지 성능을 비교하는 실험을 진행하였다¹⁶⁾.

3.3.1 가공제 농도에 따른 플라즈마 처리 가염PP의 대전방지 성능

플라즈마 처리된 가염PP와 미처리 가염PP에 대전방지제 농도를 5, 10, 20, 40, 60, 80g/l으로 변화시켜 Curing 온도 130℃에서 2분간 처리한 후, 원단의 가공성을 평가하였으며, Figure 4는 가염PP 원단의 마찰대전압 측정결과이다.

Figure 4. Frictional electrification voltage(V) of dyeable PP knit treated by antistatic agent.

대전방지 가공한 가염PP의 마찰대전압은 미처리 가염PP의 마찰대전압(면포 270V, 모포 340V) 대비 낮은 값을 보였으며, 대전방지 가공으로 인하여 대전방지 성능이 부여된 것을 알 수 있었다.

대전방지제를 5g/l의 농도로 가공 처리한 가염PP의 마찰대전압은 면포 140V, 모포 86V 이었으며 10g/l 처리한 경우 마찰대전압은 면포 76V, 모포 102V, 20g/l 처리 후 마찰대전압은 면포 31V, 모포 59V, 40g/l 처리한 원단의 마찰대전압은 면포 28V, 모포 19V, 60g/l 처리한 원단의 마찰대전압은 면포 15V, 모포 17V, 80g/l 처리한 원단의 마찰대전압은 면포 4V, 모포 12V로 대전방지제 사용농도가 증가함에 따라 마찰대전압이 낮아졌으며, 대전방지제 사용농도 60g/l 이상에서 면포와 모포 마찰대전압은 20V 이하의 값을 보였다.

플라즈마 처리 후 대전방지제 5g/l 농도로 가공 처리한 가염 PP의 마찰대전압은 면포 9V, 모포 18V 이었으며 10g/l 처리한 경우 마찰대전압은 면포 3V, 모포 3V, 20g/l 처리 후 마찰대전압은 면포 1V, 모포 2V, 40g/l 이상 처리한 원단의 마찰대전압은 면포 0V, 모포 0V로, 플라즈마 처리 가염PP는 대전방지제 사용농도 5g/l에서 면포와 모포 마찰대전압은 20V 이하의 값을 보였으며, 40g/l 이상에서는 0V의 값을 나타냈다.

3.3.2 가공 온도에 따른 플라즈마 처리 가염PP의 대전방지 성능

플라즈마 처리된 가염PP와 미처리 가염PP에 대전방지제를 20g/l 사용하여 가공 온도를 110℃, 120℃, 130℃, 140℃, 150℃로 변화시켜 원단의 가공성을 평가하였으며, Figure 5에서 가염PP 원단의 마찰대전압 측정결과를 나타내었다.

Figure 5. Frictional electrification voltage(V) of dyeable PP knit treated by antistatic agent.

대전방지 가공한 가염PP의 마찰대전압은 미처리 가염PP의 마찰대전압(면포 270V, 모포 340V) 대비 낮은 값을 보였으며, 대전방지 가공으로 인하여 대전방지 성능이 부여된 것을 알 수 있었다.

110℃의 온도로 2분간 가공 처리한 가염PP의 마찰대전압은 면포 46V, 모포 49V의 값을 보였으며 120℃ 온도로 처리한 경우의 마찰대전압은 면포 41V, 모포 46V, 130℃ 온도로 처리 후 마찰대전압은 면포 36V, 모포 89V, 140℃ 온도로 처리한 원단의 마찰대전압은 면포 44V, 모포 59V로 비슷한 값을 나타냈다. 150℃ 온도로 처리한 원단의 마찰대전압은 면포 210V, 모포 130V로 성능이 저하되는 경향을 보였고, 이는 열에 약한 PP의 특성상 150℃의 고온에서 손상된 것으로 보인다.

플라즈마 처리 후 110℃의 온도로 2분간 가공 처리한 가염PP의 마찰대전압은 면포 1.2V, 모포 1.0V의 값을 보였고, 120℃ 온도로 처리후 마찰대전압은 면포 1.0V, 모포 1.2V, 130℃ 온도로 처리 후 마찰대전압은 면포 1.3V, 모포 1.2V, 140℃ 온도로 처리한 원단의 마찰대전압은 면포 1.3V, 모포 1.2V로 플라즈마 미처리 가염PP 대비하여 상당히 낮은 값을 보였다. 150℃ 온도로 처리한 원단의 마찰대전압은 면포 5.8V, 모포 14V로 성능이 저하되었다.

4. 결론

본 연구에서 가염PP에 플라즈마 처리를 통하여 친수화도를 알아보기 위하여 Wicking 테스트를 통한 흡습성을 평가하였고, SEM을 활용하여 친수화된 섬유표면 변화를 확인하였고, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1. 표면개질을 통한 친수화 효과를 확인하기 위하여 흡습성을 확인한 결과 플라즈마 처리 시, 200rpm의 느린 속도에서는 1.0A의 비교적 낮은 전류 세기 조건에서 높은 친수화도를 보였으나, 2.0A 이상의 전류 세기에서는 친수화도가 낮아지는 결과를 보였다. 반면 600rpm의 빠른 속도에서는 2.0A의 높은 전류 세기 조건에서 친수화도가 높아지는 경향을 보였다. 특히 전류세기가 강해질수록 높은 열의 발생으로 짧은 가공시간에도 가염PP 원단의 표면이 경화되는 현상이 나타났다. 따라서 가염PP의 플라즈마 처리 시, 적정한 전류세기와 가공시간, 가공속도 등의 가공조건을 선정하는 것이 중요한 것을 알 수 있었다.

2. SEM 측정으로 플라즈마 처리 전후 가염PP 표면의 형태 변화를 알아보았다. 플라즈마 처리 가염PP 표면은 미처리 가염PP 표면에 비해 형태가 거칠며, 표면에 요철이 생긴 것을 확인할 수 있었다.

3. 플라즈마 처리를 통한 친수화가 가염PP의 가공성에 미치는 영향을 알아보기 위하여 플라즈마 처리된 가염PP와 미처리 가염PP에 각각 대전방지제 농도변화에 따른 대전방지 성능과 가공온도 변화에 따른 대전방지 성능을 비교하였다. 대전방지 가공을 통하여 가염PP의 마찰대전압은 미처리 가염PP의 마찰대전압(면포 270V, 모포 340V) 대비 값이 크게 떨어져 가염PP 원단에 대전방지 성능이 부여된 것을 알 수 있었다. 플라즈마 미처리 가염PP는 20V 이하의 마찰대전압 성능을 부여하기 위하여 대전방지제를 60g/l 이상 사용해야 했으며, 플라즈마 처리 가염PP는 5g/l에서의 마찰대전압은 20V 이하의 값을 보였고, 40g/l 이상에서는 0V의 값을 나타냈다. 가염PP의 적정 가공온도는 140℃ 이하로 보이며, 가공온도 110℃ ~ 140℃에서 플라즈마 처리 가염PP는 플라즈마 미처리 가염PP 대비하여 우수한 가공 성능을 나타냈다.

플라즈마 처리를 통하여 친수화도가 상승한 가염PP는 가공액이 원단 표면에 더 많이 부착되어 대전방지성이 향상된 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 중소벤처기업부의 연구비 지원에 의한 연구입니다(과제번호 SA113292).