J. of Advanced Engineering and Technology Vol. 9, No. 1 (2016) pp. 9~12
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UV 조사 시간에 따른 친수 처리된 SMS 부직포의 특성에 관한 연구
이 승 준
††한국과학기술원 생명화학공학과
The Properties of Hydrophilic Treated-SMS Nonwoven as the UV Irradiation Time Lee Seung-Jun†
†Department of Chemical & Biomolecular Eng., KAIST, Daejeon, Republic of Korea (Received : Feb. 20, 2016, Revised : Mar. 20, 2016, Accepted : Mar. 25, 2016)
Abstract : A diaper or nappy is an absorbent garment worn by babies until is potty trained. The disposable baby diapers are multi-layer structures consisting of layers of different materials. The disposable diapers are comprised of a polypropylene top cover stock, an absorbent layer, a polyethylene back sheet and elastic bands. In this study, the residual contents (%) of OPE(octyl phenol ethoxylate) on the UV irradiation time was investigated with SMS(Sunbond-Meltblown-Spunbond) treated with OPE of polypropylene materials(top cover of diaper). Also, the effect of UV irradiation time on water contact angle of OPE-treated SMS was investigated. This paper presents the comparison between OPE-treated SMS and non-treated-SMS as the UV irradiation time.
Keyword : Diaper, Triton X-100, Polypropylene, UV irradiation
1. 서론
2)
최근 현대사회는 사회활동 증가 및 편리성을 추구하 는 경향에 따라 아기기저귀(diaper) 및 위생용품 (sanitary napkin)의 사용이 보편화되고 있으며 품질에 대한 소비자의 요구도 점점 더 까다로워지고 있다. 이 처럼 아기기저귀에 대한 소비자 인식의 변화로 국내외 아기기저귀(Diaper) 및 위생용품(sanitary napkin) 시장 은 지속적인 성장을 거듭하여 국내외 많은 기업들로부 터 관심이 증가되고 있다. 이에 고흡수성수지에 대한 관심과 성장이 중가 하고 있다. 이러한 관심은 더욱 증가할 것으로 예상됨에 따라 아기기저귀(diaper) 및 위생용품(sanitary napkin)에 사용되는 고흡수성수지를
†Corresponding Author (current address) 성 명 : 이 승 준
소 속 : 삼성전자 (Samsung Electronics, Samsung-Ro, Suwon 16677, Republic of Korea)
전 화 : +82-70-8699-6720 E-mail : juni21@kaist.ac.kr
* This research was conducted while Lee Seung-Jun was working at department of chemical &
biomolecular Eng., KAIST.
비롯한 각종 원자재 수요도 증가추세를 보일 것으로 예상되고 있다[1, 2]. 특히, 유아들이 사용하는 아기기 저귀는 품질의 작은 결점일지라도 엄마들로부터 심한 불만을 사기도 하므로 항상 균일하고 일정한 품질이 유지되어야 소비자로부터 만족을 얻을 수 있다. 하지 만 아기기저귀에 사용되는 원료의 대부분이 화학제품 으로 구성되므로 기간이 경과하면 처음 생산된 품질과 는 어느 정도 변화가 초래될 수 있을 것으로 예상된다.
아기기저귀의 구성은 크게 라이너, 흡수층, 플랩, 허리 탄성체, 방수커버 구조로 되어있으며, 라이너를 통해 흡수층으로 전달 되는 구조이다[1]. 특히, 라이너와 플 랩은 품질에 영향을 미치는 중요한 소재이므로 시간의 경과에 따라 친수성 기능이 변화되는 것은 품질기능을 저하시킬 수 있으므로 이러한 경시현상에 의한 품질기 능의 변화가 생기지 않도록 하는 것이 바람직하다. 일 반적으로 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 수지가 섬유 상으로 용융방사되어 제조된 스펀본드 부직포는 소수 성을 갖고 있기 때문에 아기기저귀 및 위생용품에 사 용되기 위해서는 통상적으로 친수성 계면활성제를 별 도의 추가적인 침적 또는 스프레이 공정으로 부직포에 처리하여 사용한다[1, 2, 3]. 하지만 아기기저귀 및 위 생용품의 유통과정은 제조 후 소비자가 사용하기까지 오랜 시간이 경과되므로 친수성 계면활성제가 처리된 부직포를 아기기저귀 및 위생용품에 사용할 경우, 시 간의 경과에 따라 발생되는 친수성 기능의 감소율을
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파악하여 위생용품의 품질저하에 대비하는 것은 품질 안정화에 필요한 부분이다.
본 연구에서는 친수성 계면활성제가 처리된 부직포 가 외부 환경에 따라 시간이 경과하면서 계면활성제 성분이 감소되어 친수성 기능의 저하가 초래될 수 있 다는 가정하에 이러한 가정이 실제 발생되는지 여부를 실험적으로 확인하고 이러한 경시현상에 대하여 연구 를 수행 하였다.
2. 실험방법
본 연구에서는 생활용품 산업분야에서 많이 사용되 고 있는 계면활성제 Triton X-100 (Sigma-Aldrich, octyl phenol ethoxylate, CH3(CH2)7C6H4-(OC2H4)n-OH 표준 n=9, 이하 OPE)이[4, 5] 소량 농도로 처리된 폴리프로 필렌(polypropylene, PP) 재질인 소수성 SMS 부직포 (spunbond-meltblown-spunbond, LG생활건강, 이하 부 직포)의 표면 특성 변화에 관한 연구로서 계면활성제 비처리시와 계면활성제로 처리된 부직포에 자외선(UV) 를 시간에 따라 주사하여 UV 주사 시간에 따른 부직 포 표면의 계면활성제의 잔존량을 HPLC(HP-1050, 휴 렉페커드사)로 분석하여 OPE의 잔존량을 비교 분석한 다. 또한, 부직포 표면 위에 계면활성제 처리를 하여 처리 전과 처리 후의 접촉각(contact angle)을 통한 표 면 분석에 관한 연구를 진행한다. 이 때 부직포 표면 위에 계면활성제를 처리 후, 계면활성제가 처리된 부 직포에 자외선(UV)을 시간에 따라 주사하여 UV 주사 시간에 따른 부직포 표면의 젖음(wetting) 효과를 분석 분석한다.
2.1 UV 조사 시간에 따른 계면활성제 잔존량 분석 폴리프로필렌(PP) 재질인 소수성 SMS(Spunbond- Meltblown-Spunbond)부직포를 계면활성제 OPE 소량 농도로 표면 처리(OPE 1g을 정제수(DDI water) 100ml 에 용해(1 wt%)하여 10분 동안 침적 후, 100 oC에서 1 시간동안 열풍 건조하여 건조 전후의 무게를 측정 0.5 wt%)하여, UV (Q-Panel사, QUV Weather-O-Meter)를 시간(0hr, 8hr, 16hr, 24hr, 48hr, 72hr)에 따라 조사한 다. UV의 강도는 0.77 W/M2,340nm(UV-A340), 수분 (Moisture) 없이 광(Light)만을 조사한다. 또한, 미국 아 리조나 일조량이 280MJ/year(0.77MJ/day), 플로리다 일 조량이 330MJ/year(0.90MJ/day)인 것을 기준으로 하여 본 연구 분석의 UV 시간에 대한 인자(parameter)는 기 계 보정상수를 고려하여 Calculation(0.77 X 4.49(f) = 3.46 MJ/m2-day)하면 Ohr은 0 MJ/m2,8hr은 1.15 MJ/m2,16hr은 2.31 MJ/m2,24hr은 3.46 MJ/m2,48hr은 6.92 MJ/m2,72hr은 10.38 MJ/m2이다그러나, 아리조나와 플로리다의 일조량에 경우 본 연구을 위해 주사된 UV 강도와는 직간접적 일광 주사와 주위 환경의 차이가 있으므로 본 연구에서의 UV주사강도에 대한 일일 환 산량은 실제 보다 높을 것이라 사료된다.
UV 조사된 부직포 0.1g을 0.5cm X 0.5cm 정도로 재 단하여 정확히 평량한 후, 메탄올 5ml에 넣은 뒤, 약 24시간 동안 추출하여 추출된 용액을 필터 후 HPLC에
주입 분석한다. 이 때 HPLC의 분석조건은 YMC pak C18 Column을 사용하였고, 용리액(eluent)은 메탄올 : 물 = 85 : 15, 주입량은 20 ul, Flow rate는 0.8 ml/min 의 조건에서 분석되었다.
2.2 접촉각(Water Contact Angle)을 통한 표면 젖 음(Wetting) 효과
상기 2.1.에서 UV 시간에 따라 주사된 OPE 처리한 부직포와 비처리한 부직포의 표면특성을 접촉각 (contact angle) 측정 장치인 Phoenix 300 (S.E.O. Co., Ltd)를 이용하여 접촉각을 측정하여 비교 분석 하였다.
분석시 접촉각의 조건은 상온에서 정제수로 측정 하였 다. 또한, 같은 조건으로 처리된 부직포 표면에 4회이 상 접촉각을 측정 분석하여 평균값을 비교하였다[6, 7].
3. 결과 및 고찰
추출된 시료를 HPLC를 통해 분석 한 결과 부직포에 계면활성제를 처리하지 않은 즉, 비처리된 샘플에서는 계면활성제가 검출 되지 않았으며, 또한, 부직포 표면 에 계면활성제 처리한 이후 UV를 시간(0hr, 8hr, 16hr, 24hr, 48hr, 72hr)에 따라 주사 후 부직포 표면의 UV 주사시간에 따른 계면활성제 잔존량은 UV 주사시간이 길어질수록 잔존량이 감소함을 확인하였다. 특히, 48hr 과 72hr의 경우 초기 0hr에 비해 잔존량이 현격히 감 소되었으며 이는 UV 주사시간에 따라 계면활성제 Octylphenol polyethoxylate의 구조가 UV에 의해 Photochemical oxidation되어 Photochemical degradation 에 의해 전이됨으로서 UV 주사시간이 길어 질수록 계 면활성제가 손실되어 잔존량이 감소된 것으로 판단된 다[8]. Figure 1에 계면활성제 처리된 부직포 표면에 UV 주사시간에 따른 부직포 표면의 계면활성제 잔존 량 분석결과를 나타내었다.
0hr 8hr 16hr 24hr 48hr 72hr
Residual Content of OPE (%)
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Figure 1. Residual content (%) of OPE on the UV irradiation time.
이승준
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부직포 표면에 계면활성제 OPE 소량 농도로 표면 처리하여 계면활성제 처리 후와 비처리 한 부직포 표 면의 특성을 접촉각 측정 장치인 Phoenix 300 (S.E.O.
Co., Ltd)를 이용하여 접촉각을 측정하여 비교 분석한 결과 계면활성제 처리 전, 즉, 비처리된 부직포 표면에 는 높은 접촉각 값을 가지며, 젖음(wetting) 효과가 일 어나지를 않았다. 이는 비처리된 부직포 표면의 소수 성이 강하여 높은 접촉각 값을 가지므로 젖음이 잘 일 어나지 못 한 것으로 판단된다. 반면에 부직포 표면에 계면활성제 OPE 소량 농도로 표면 처리한 경우 우수 한 젖음 효과를 나타내었다. 이는 계면활성제가 부직 포 표면에 처리 됨으로서 계면활성제의 친수성기 영향 으로 부직포 표면의 친수 성능을 증가시켜 우수한 젖 음 효과를 나타내는 것으로 판단된다. Figure 2에 계면 활성제 처리된 부직포 표면과 계면활성제 비처리된 부 직포 표면간의 물젖음(water wetting) 효과 비교 분석 결과를 나타내었다.
Figure 2. The effect of water contact angle on the non-treated SMS(a) and the SMS treated
with OPE(b)
또한, 계면활성제 OPE 소량을 부직포 표면에 처리 한 이후 UV를 시간(0hr, 8hr, 16hr, 24hr, 48hr, 72hr)에 따라 주사한다. 주사 후 부직포 표면의 특성을 접촉각 측정 장치인 Phoenix 300 (S.E.O. Co., Ltd)를 이용하여 접촉각을 측정하여 비교 분석한 결과, 계면활성제 OPE 가 처리된 샘플은 UV 주사 48시간 이후부터 젖음 효 과가 상실되어짐을 확인 하였다. Figure 3에는 계면활 성제 처리된 부직포 표면에 UV 주사 시간에 따른 부 직포 표면의 젖음 효과에 관한 결과를 나타내었다. 이 는 초기의 계면활성제의 친수성기 영향으로 우수한 젖 음 효과를 나타내지만, 계면활성제가 부직포 표면에 처리된 후, UV 조사 시간에 따라 계면활성제 OPE의 화학적 구조가 UV에 의해 Photochemical oxidation되어 Photochemical degradation에 의해 전이됨으로서 초기
의 계면활성제의 농도와 친수성능이 Photochemical degradation 의해 분해되어 표면 계면활성제의 농도가 손실되어 전체적인 친수성능이 저하되므로 젖음 효과 가 점차 낮아져 초기의 낮은 접촉각 값에서 높은 접촉 각 값을 가지게 된 것으로 사료된다. 본 연구에 사용 된 계면활성제는 OPE로 Alkylphenol polyethoxylate의 일종으로 Alkylphenol polyethoxylate는 미생물과 일광 에 의해 화학구조가 변화를 일으켜 계면활성제가 손실 되어 전체적인 친수성능이 저하 된다는 기존의 연구 보고가 있으며, 분해 메카니즘도 문헌에 소개 되어 있 다[8, 9, 10, 11]. 하지만 일광에 의한 화학적 구조의 변 화 검증은 다양한 추가 실험 및 반복 실험이 필요하며, 화학적 구조 변화로 계면활성제 특성의 손실에 대한 사항은 추가 연구가 필요하다.
Figure 3. Water contact angle (°) of the SMS treated with OPE on the UV irradiation time.
4. 결론
본 연구 수행을 통해 친수성 계면활성제가 처리된 부직포를 UV주사 장치인Weather-O-Meter로서 경시현 상을 인위적으로 가한 후, 계면활성제의 함량과 친수 성 성능의 변화를 조사한 결과, 시간의 경과에 따라 비례적으로 계면활성제의 함량이 감소되고 또한 친수 성 성능이 저하됨을 확인하였다. 즉, 부직포 표면에 계 면활성제 처리한 이후 UV를 시간(0hr, 8hr, 16hr, 24hr, 48hr, 72hr)에 따라 조사 후 부직포 표면의 UV 조사 시간에 따른 계면활성제 잔존량은 UV 조사 시간이 길 어 질수록 잔존량이 감소함을 확인 하였고 특히, 48hr 과 72hr의 경우 초기 0hr에 비해 잔존량이 현격히 감 소되었으며 이는 UV 조사 시간에 따라 계면활성제 Octylphenol polyethoxylate의 구조가 UV에 의해 Photochemical oxidation되어 Photochemical degradation
UV 조사 시간에 따른 친수 처리된 SMS 부직포의 특성에 관한 연구
공학기술논문지 제9권 1호 (2016) 12
에 의해 전이됨으로서 UV 조사 시간이 길어질수록 계 면활성제가 손실되어 잔존량이 감소된 것으로 판단된 다. 본 연구의 실험적 평가를 통해 외부 환경에 따라 친수성의 성질이 변질 될 수 있어, 이와 관련한 추가 실험 및 연구 진행이 필요하다.
감 사
본 연구에 도움을 주신 LG 생활건강 및 한국과학기 술원 김종득교수님께 감사드립니다.
참고문헌
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