폴리피롤 증착 및 소수화 코팅에 따른 정적 접촉각

1.3. 표면젖음성

UC A100 AF72 AF55 AF27 F100 Polypyrrole deposited

cotton samples

(P) - 45.7±49.1〫 49.2±5.5〫 104.9±9.1〫 128.6±13.9〫 132.4±12.2〫

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Polypyrrole deposited + Hydrophobic coated

cotton samples (H)

146.9±2.8〫 160.5±2.5〫 161.9±2.3〫 165.2±1.8〫 161.6±2.1〫 161.6±2.2〫

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Table 10. Water contact angles of samples after treatment with polypyrrole deposition and hydrophobic coating

면직물 표면에 폴리피롤을 증착한 후 접촉각을 측정한 결과, 산화제 조건에 따라 서로 다른 젖음성을 보여주었다. A100_P는 45.7±49.1°, AF72_P는 49.2±5.5°, AF55_P는 104.9±9.1°로 친수성을 나타냈고, AF27_P는 128.6±13.9°, F100_P는 132.4±12.2°로 소수성을 나타냈다. 반면 폴리피롤 증착 시료에 소수화 코팅으로 표면에너지를 감소시킨 후 접촉 각을 측정한 결과, A100_H는 160.5±2.5°, AF72_H는 161.9±2.3°, AF55_H 는 165.2±1.8°, AF27_H는 161.6±2.1°, F100_H는 161.6±2.2°로 나타나 모 든 시료가 접촉각 150° 이상의 초소수성을 나타내었다.

산화제 조건에 따라 젖음성이 다른 이유는 2가지로 살펴볼 수 있다.

하나는 폴리피롤의 화학적 성분변화에 따른 표면에너지의 차이 때문이 고, 다른 하나는 폴리피롤 증착에 따라 물리적으로 형성된 이중구조의 표면 거칠기 때문이다.

전도성 고분자인 폴리피롤은 양이온으로 하전된 컨쥬게이트 백본과 음으로 하전된 카운터이온(counter-ion)으로 구성되어 있으며, 도핑수준 및 카운터이온의 특성에 따라 친수성에서 소수성까지 다양한 범위의 젖 음성을 가진다[8, 94]. 일반적으로 도핑되지 않은 중성의 폴리피롤 고분 자는 약 32.1mJ/m²의 낮은 표면에너지를 갖는 반면, 도핑된 고분자는 라 디칼 양이온과 음이온의 존재로 인하여 중성상태보다 높은 표면에너지를 갖는다[95-97]. 또한 도핑된 폴리피롤 고분자의 표면에너지는 PPy-Cl이 42mJ/m², PPy-dodecyl sulfate가 53mJ/m², PPy-SO4가 57.8mJ/m², PPy-NO3가 61.2mJ/m²로 도핑 되는 분자의 수분특성이나 농도, 라디칼 양이온과 음이온에 의한 전기적 특성에 따라 다르게 나타난다[96].

본 연구에서는 산화제 조건에 따라 폴리피롤의 카운터이온이 달라지 는데, AQSA-Na의 술폰산 도판트와 FeCl3의 Cl^-가 카운터 이온으로 작 용한다. 이때 Cl^-가 도핑된 조건이 보다 낮은 표면에너지의 폴리피롤을

형성함에 따라 FeCl3의 함량이 증가할수록 폴리피롤의 표면에너지는 낮 아지며, 결과적으로 소수성을 띈다고 추론할 수 있다. 이러한 이유로 산 화제 조건에 따라 폴리피롤이 증착된 면섬유의 접촉각은 Table 10에서 와 같이 A100_P에서 F100_P 방향으로 FeCl3의 함량이 증가할수록 점차 증가하였다. 또한 앞서 FT-IR 및 XPS 분석 결과와 같이 APS가 포함된 산화제 조건에서는 고분자 컨쥬게이션 주쇄의 과산화로 인하여 카르보닐 그룹이 형성됨으로써 물에 대한 친수성이 커져 접촉각이 낮게 나타난 것 으로 풀이된다[71, 86].

하지만 이후, 소수화 코팅으로 표면에너지를 일괄적으로 낮추게 되면 폴리피롤이 가지는 화학적 특성의 차이는 접촉각에 영향을 미치지 못한 다. 따라서 소수화 코팅으로 인한 접촉각의 변화는 면섬유 표면에 물리 적으로 형성된 표면 거칠기로 인한 것으로 판단된다. 앞서 살펴본 바와 같이 산화제 조건에 따라 A100이 254±71nm, AF72가 77±10nm, AF55는 86±14nm, AF27은 81±11nm, F100은 167±27nm로 약 81～254nm 수준의 폴리피롤 입자가 면직물 표면에 형성되었다. 면직물은 경·위사가 교차하 면서 반복적인 조직점을 보유하고 있고, 직물을 구성하는 실은 여러 다 발의 스테이플 사로 구성되어 있으므로 직물 특유의 마이크로 수준의 표 면 거칠기를 가지고 있다[60]. 따라서 면직물에 의하여 자연스럽게 형성 된 마이크로 거칠기 위에 폴리피롤 중합에 따른 나노 수준의 거칠기가 만들어지면서, 초소수성 표면을 위한 물리적인 이중구조가 형성됨에 따 라 물방울과의 접촉면을 줄여 접촉각을 향상시킨 것으로 풀이된다.

결과적으로 폴리피롤 증착을 통해 만들어진 이중 거칠기의 표면 구조 와 소수화 코팅을 통하여 낮은 표면에너지가 조합되면서 모든 시료가 접 촉각 150° 이상을 기록하였다. 또한 Figure 49에서와 같이 시료에 전류 를 흘려 발열성능을 구현하는 가운데에서도 표면은 초소수성을 유지하는 것을 확인하였다.

Figure 49. Electrical heating effect and superhydrophobicity of polypyrrole deposited cotton fabric(F100_H).