나노합성기술을 이용한 폴리에스테르 섬유용 유·무기 복합가공제 연구 = A study on organic-inorganic hybrid nanomaterial for polyester fiber

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, Synthesis of nano-composite materials and their applications technologies for polyester fiber were studied.

In chapter 1, The preparations of deodorizing and UV protecting fibers using TiO2 nanosol have been investigated. The TiO2 nanosol were made by sol-gel nano synthesis method, using TTIP as a precursor. According to the TTIP dosage, acid dosage, alkali dosage, agitation speed, nano sol synthesis was studied. In case of basic catalysts, 300nm-1000nm nano-sol were synthesized, while with acid catalyst, 50nm-230nm nano-sol was obtained. In case of using ammonia as a catalyst, with the amount of added ammonia, the size of nano-sol particles increased. In case of using nitric acid as a catalyst, with added nitric acid, particle size tended to decrease.
Deodorizing rate of polyester fibers increased with the concentration of applied TiO2 nano-sol. and UV protection of cotton fibers increased with concentration of applied TiO2 nano-sol. In washing tests, laundering durability over 20 times was observed. In addition, when TiO2 nano-sol treated on polyester, damage in tensile strength and tear strength of PET were negligible by the TiO2 nanosol treatment.

In chapter 2, Inorganic sols were made from TEOS by using sol-gel nano synthesis method. These nano-sols were successfully coated to polyester substrates transparent and durable superhydrophobic silica-surface at low temperature. In the coating of 5% o.w.s mixture solution of SiO2 dual nano sol(558.2nm : 965.4nm = 7 : 3) and UNIDYNE TG-5521 (SiO2 dual nano sol : UNIDYNE TG-5521 = 1 : 9) were used. The hydrophobic properties of the nano coatings were determined using contact-angle, FE-SEM and AFM measurements.
By the this dual scale nano structure on fiber surface, water contact angle increased to 150°, which is vary high value when compared with the contact angle 120°, when treated with fluorine water repellent only.

In chapter 3, For improved physical properties of water borne polyurethane coating layer, modified nano particles are incorporated to water borne polyurethane coating formation in stead of conventional micro-sized filler. Modified nano particle were made by using a novel technique for synthesis of silica nanostructures with flat plate shape. The synthetic method consisted of following main steps: the preparation of nano size template and the preparation silica coated template.
It successfully prepared that transparent durable WBPU-coating films and coating layers on polyester substrates at low temperatures. This films and coating layers were produced with 7% o.w.s coating solution a mixture of modified SiO2 nano sol(980nm) and WBPU. The properties of the nanocomposite coating films and layers were examined using tensile strength, elongation, water permeability, hydrostactic pressure, and FE-SEM measurements. In case of 0.30mm film prepared with mixture of WBPU and modified SiO2 nano sol, 62kgf/cm2 of the tensile strength and elongation at break of this film was 1.5 times high than that of WBPU film. which is much higher level than solvent-based PU films.

In chapter 4, SiO2 nano sols were synthesized by using sodium silicate instead of alkoxides or organo metallic compound of high cost. Particle size of SiO2 nano sols were controlled by the dosage of sodium silicate and hydrochloric acid. The properties of the SiO2 nano sols were characterized using particle analysis, elongation and TEM measurements. The lower the concentration of sodium silicate and hydrochloric acid, the smaller the sizes of silica particle and uniformity of particle size decreased. While, as the concentration of sodium silicate goes up higher than 50%, particles size and uniformity increased dramatically, because of cohesion. Synthesis of SiO2 nano sol by using sodium silicate is greatly affordable technology than using TEOS and could used in various textile functional finishing process.

In chapter 5, Composite nanoparticles composed of low molecular weight poly(vinyl alcohol) (LMW-PVA) and montmorillonite (MMT) were prepared using electrospraying technique by regulating PVA solution concentration. FE-SEM, TEM, FT-IR, XRD and TGA were utilized to characterize morphologies and properties the LMW-PVA/MMT composite nanoparticles. MMT particles were exfoliated and well distributed within the obtained composite nanoparticles. It was showed that PVA/MMT nanocomposite particles could be used for improve durability and heat resistance of polyester and nylon coating fabrics. PVA/MMT nanocomposites particles were readily prepared by electric spray.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 연구배경 1
• Ⅱ. 졸-겔법 및 전기분사에 의한 나노입자의 제조 및 기능성 기공현황 9
• 1. 졸-겔 화학과 기술 9
• 1.1 가수분해 12
• 11.1 pH의 영향 12
• 1.1.2 촉매 성질과 농도의 영향 13
• 1.1.2.1 산성촉매의 작용 14
• 1.1.2.2 염기성촉매의 작용 14
• 1.1.3 H20/Si molar ratio(R)의 영향 14
• 1.2 축합 15
• 1.2.1 pH의 영향 15
• 1.3 나노졸의 화학적 개질 17
• 1.4 나노졸의 물리적 개질 18
• 2. 전기분사 나노입자의 제조 18
• 2.1 서언 18
• 2.2 마이크로 나노입자 제조 20
• 2.4 분사 성형 22
• 2.5 결언 22
• Ⅲ. 연구결과 23
• 제 1 장. 졸-겔법에 의한 구형 TiO2 나노졸 합성 및 응용 23
• 1.1 서론 23
• 1.2 실험 27
• 1.2.1 시효, 시약 및 장치 27
• 1.2.2 TiO2 나노졸 합성 27
• 1.2.2.1 TTIP 투입량에 따른 입자 크기 30
• 1.2.2.2 암모니아 투입량에 따른 입자 크기 32
• 1.2.2.3 질산투입량에 따른 입자 크기 33
• 1.2.2.4 교반속도에 따른 입자 크기 34
• 1.2.3 입도 및 입도분포분석 측정 35
• 1.2.4 투과전자현미경 측정 35
• 1.2.5 XRD 측정 35
• 1.2.6 졸-겔 구형 TiO2 나노졸을 이용한 폴리에스테르 섬유의 소취 및 면 직물의 자외선 차단가공 35
• 1.2.6.1 소취가공 35
• 1.2.6.2 자외선차단가공 36
• 1.2.7 소취성 시험방법 37
• 1.2.8 자외선 차단가공 시험방법 37
• 1.2.9 인장강도 시험방법 37
• 1.2.10 인열강도 시험방법 38
• 1.2.11 세탁내구성 시험방법 38
• 1.3 결과 및 고찰 39
• 1.3.1 TiO2 나노졸 합성 39
• 1.3.1.1 TTIP 투입량에 따른 입자 크기 39
• 1.3.1.2 암모니아 투입량에 따른 입자 크기 50
• 1.3.1.3 질산투입량에 따른 입자 크기 52
• 1.3.1.4 교반속도에 따른 입자 크기 55
• 1.3.2 XRD 57
• 1.3.3 졸-겔 구형 TiO2 나노졸을 이용한 폴리에스테르 섬유의 소취 및 자외선 차단가공 59
• 1.3.3.1 소취가공 가공 59
• 1.3.3.2 자외선차단가공 62
• 1.3.4 인장강도 67
• 1.35 인열강도 69
• 1.3.6 세탁내구성 71
• 1.4 요약 72
• 제 2 장 TEOS를 이용한 졸-겔 구형 SiO2 나노졸의 합성 및 응용 74
• 2.1 서론 74
• 2.2 실험 77
• 2.2.1 시료, 시약 및 장치 77
• 2.2.2 SiO2 나노졸 합성 77
• 2.2.2.1 TEOS 투입량에 따른 입자 크기 80
• 2.2.2.2 암모니아 투입량에 따른 입자 크기 82
• 2.2.2.3 질산투입량에 따른 입자 크기 83
• 2.2.2.4 교반속도에 따른 입자 크기 84
• 2.2.3 입도 및 입도분포분석 86
• 2.2.4 투과전자현미경 측정 86
• 2.2.5 SiO2 나노졸 및 PFOA Free 발수제를 이용한 나노발수제 제조 86
• 2.2.6 나노발수제를 이용한 Self-cleaning 가공 87
• 2.2.7 투과전자현미경 측정 87
• 2.2.8 전계방사전자현미경 측정 87
• 2.2.9 발수도 측정 87
• 2.2.10 발유도 측정 87
• 2.2.11 접촉각 측정 88
• 2.2.12 AFM 측정 88
• 2.2.13 세탁 내구성 측정 88
• 2.2.14 염색견뢰도 측정 89
• 2.3 결과 및 고찰 90
• 2.3.1 SiO2 나노졸 합성 90
• 2.3.1.1 TEOS 투입량에 따른 입자 크기 90
• 2.3.1.2 암모니아 투입량에 따른 입자 크기 97
• 2.3.1.3 질산투입량에 따른 입자 크기 102
• 2.3.1.4 교반속도에 따른 입자 크기 104
• 2.3.2 전계방사전자현미경 107
• 2.3.3 발유도 110
• 2.3.4 접촉각 112
• 2.3.5 AFM 124
• 2.3.6 세탁 내구성 130
• 2.3.7 염색견뢰도 131
• 2.4 요약 132
• 제 3 장 TEOS를 이용한 졸-겔 이형 SiO2 나노졸 합성 및 코팅공정에의 응용 135
• 3.1 서론 135
• 3.2 실험 138
• 3.2.1 시료, 시약 및 장치 138
• 3.2.2 이형 SiO2 나노졸 합성 138
• 3.2.2.1 주형의 제조 138
• 3.2.2.2 주형을 이용한 SiO2 나노졸의 제조 140
• 3.2.3 입도 및 입도분포분석 측정 141
• 3.2.4 투과전자현미경 측정 141
• 3.2.5 전계방사전자현미경 측정 141
• 3.2.6 SiO2 나노졸 함유 수분산폴리우레탄코팅액 제조 141
• 3.2.7 나노졸을 포함한 필름의 제조 141
• 3.2.8 폴리에스테르의 코팅가공 142
• 3.2.9 인장강신도 측정(필름) 142
• 3.2.10 투습도 측정(원단) 142
• 3.2.11 내수압 측정(원단) 142
• 3.2.12 박리강도(원단) 142
• 3.3 결과 및 고찰 144
• 3.3.1 이형 SiO2 나노졸 합성 144
• 3.3.2 코팅표면의 전계방사전자현미경 149
• 3.3.3 인장강신도 측정결과 154
• 3.3.4 투습도 및 내수압 158
• 3.3.5 박리강도 160
• 3.4 요약 162
• 제 4장 규산나트륨(sodium silicate)을 이용한 졸-겔 구형 SiO2나노졸의 합성 164
• 4.1 서론 164
• 4.2 실험 166
• 4.2.1 시료 및 시약 166
• 4.2.2 규산나트륨을 이용한 SiO2 나노졸 합성 166
• 4.2.2.1 규산나트륨 투입량에 따른 입자 크기 169
• 4.2.2.2 교반속도에 따른 입자 크기 170
• 4.2.3 입도 및 입도분포분석 측정 171
• 4.2.4 전계방사전자현미경 측정 171
• 4.3 결과 및 고찰 172
• 4.3.1 규산나트륨을 이용한 SiO2 나노졸 합성 172
• 4.3.1.1 규산나트륨 및 염산 투입량에 따른 입자 크기 172
• 4.3.1.2 교반속도에 따른 입자 크기 175
• 4.3.2 입도 및 입도분포 177
• 4.3.3 투과전자현미경 측정 179
• 4.4 요약 182
• 제 5 장 전기분사 장치를 이용한 LMW-PVA / MMT 합성 및 응용 184
• 5.1 서론 184
• 5.2 실험 188
• 5.2.1 시료, 시약 및 장치 188
• 5.2.2 LMW-PVA/MMT 나노입자 합성 188
• 5.2.3 전계방사전자현미경 측정 188
• 5.2.4 투과전자현미경 측정 188
• 5.2.5 FT-IR 189
• 5.2.6 XRD 측정 189
• 5.2.7 열적특성측정 189
• 5.3 결과 및 고찰 190
• 5.3.1 LMW-PVA/MMT나노 입자 합성 190
• 5.3.2 FT-IR 193
• 5.3.3 XRD 195
• 5.3.4 TGA 197
• 5.4 요약 198
• Ⅲ. 결론 199
• Ⅳ. 참고문헌 204
• Abstract 217
• List of Publication 221