대기압 플라즈마 기술에 의한 Twaron 아라미드 섬유의 표면 개질

••••정보의 장

요 약대기압 유전체 장벽 방전(dielectric barrier

discharge, DBD) 플라즈마에 의하여 Twaron 아라

미드섬유(AFs) 는 개질되며, 플라즈마 처리된 아라

미드섬유의 젖음성은 접촉각 및 표면 자유에너지 측

정에 의해 관찰된다. 섬유 표면의 거칠기는 주사전

자현미경 (SEM)을 통해 관찰하였으며, 에너지 분산

형 X-선 분석법 (EDX)를 통하여 직경이 마이크로

미터인 아라미드섬유의 화학적 성분을 분석하였다.

아라미드섬유 로빙 인장실험을 통하여 플라즈마 표

면처리가 섬유의 기계적 물성에 미치는 영향을 확인

하였다. 풀-아웃 포스 시험(Pull-out foce test)를

통해 매트릭스와 섬유간의 접착력을 확인 하였다.

대기압 플라즈마 처리 후 낮은 접촉각, 섬유표면에

서 산소농도의 증가, 섬유표면의 거칠기와 고무매트

릭스와의 계면 접착력이 증가하는 결과를 관찰할 수

있다.

키워드아라미드섬유, 유전체 장벽 방전 플라즈마,

표면개질, 젖음성, 접착력

고성능 복합재료 생산 산업에 있어서 아라미드

섬유재료들은 아라미드섬유가 가진 우수한 기계적

물성으로 인하여 가장 중요한 보강재중 하나로

알려져 있다. 아라미드섬유는 강철보다 가볍지만

강철보다 강하다. 아라미드섬유는 낮은 비중으로

인하여 높은 비강도와 비강성을 가지며, 또한 우수한

열적 안정성과 내화학성, 낮은 전기전도성을 가지고

있다. 이러한 특성으로 인하여 우수한 고분자 복합

재료의 강화재료로 널리 사용되고 있다. 섬유

강화복합재료의 우수한 기계적 물성은 섬유와 매트

릭스간의 상호작용에 의존한다. 아라미드섬유

표면의 높은 결정화도와 아라미드 고분자사슬의

극성 작용기 부족으로 인하여 아라미드섬유의

표면은 화학적으로 불활성이며, 매끄럽기 때문에

아라미드섬유와 레진매트릭스 간의 계면 접착력은

매우 약하다. 따라서 섬유와 매트릭스 사이의 계면

접착력을 최적화 하기 위해서는 섬유 표면개질을

통한 젖음성 향상이 필수적으로 요구된다. 매트릭스가

섬유표면에 쉽게 젖을 수 있도록 하는, 표면개질은

미세기공형성 또는 섬유표면을 거칠게 함을 통해

섬유-매트릭스간의 결합을 위한 접촉점을 많이

제공함으로 매트릭스와 섬유표면의 접촉면적을

증가시키고 계면간의 결합을 제공할 수 있다.

기계적, 화학적, 플라즈마 처리와 같은 아라미드

섬유 표면 처리 기술은 복합재료에서 섬유와 레진의

최적화된 계면접착을 위해 연구되어 왔다.

일반섬유의 직경은 마이크로미터이기 때문에

기계적인 방법으로 섬유의 표면을 개질하는 것은

불가능하다. 기존에 물과 유기용매를 사용한 화학적

개질은 몇 가지 단점을 가지고 있다. 내부식성을

가진 기계장비 사용과 더불어 섬유 표면에 잔류하는

용매들의 제거가 용이해야 된다는 점이다. 또한 높은

에너지 사용률과 많은 양의 물과 시간이 소비되고,

폐수처리문제, 유기용매의 재활용, 환경오염

등의 문제와 함께 대부분의 경우 화학적 처리는

아라미드섬유의 기계적 물성 저하를 초래한다. 반면

플라즈마 표면개질 기술은 매우 간단하고, 가격

면에서도 효율적이며, 실온에서도 작동할 수 있는

장점을 가지고 있다. 플라즈마 표면개질 기술은

독성화학물질이나 용매를 필요로 하지 않는다.

따라서 이 기술은 친환경적인 공정이며, 또한 섬유의

10 DYETEC VISION

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물성에 영향을 거의 미치지 않는다. 대기압 공기

유전체 장벽 방전 (DBD)플라즈마는 아라미드섬유의

표 면 을 개 질 하 는 데 에 있 어 서 진 공 장 치 나

크기가 큰 기계장치와 같은 연속처리생산 라인을

필요로 하지 않는다. 플라즈마를 처리 하는 동안

탄소원자와 인접해 있는 산소원자가 반응을

통하여, 고분자표면이 에칭(etching) 된다. 또한

섬유표면에서 플라즈마의 활성종과 표면원자사이의

반응을 통해 C-OH, C=O, -COOH 와 같은 산소를

포함한 극성 작용기가 형성되며, 이를 통하여 섬유

표면에너지를 증가시켜 섬유의 젖음성을 향상

시킨다. 반면에 활성 라디칼들은 상호결합 하여

플라즈마 처리된 아라미드섬유의 인장강도를 증가

시킨다.

실험계획재료

Twaron 2040 (1680 dtex, f1000) 아라미드

섬유-(Akozo Nobel Co. Ltd, Arnhem, the

Netherlands)

호발처리재료

대기압 유전체 장벽 방전 플라즈마 처리 전 섬유

표면의 이물질을 제거하기 위하여 상온에서 20분간

아세톤으로 섬유를 세척하였다.

그림 1. (a) 섬유 표면에서의 유도되는 극성작용기 그룹

(C-OH, -COOH) 메커니즘 (b) 섬유 내에서의

활성라디칼의 가교 메커니즘

매트릭스 재료Twaron 아라미드섬유의 젖음 거동을 관찰하기

위하여 고무매트릭스를 사용하였다. 고무 화합물은

Therban C 3446, Stearicacid, ZnO, Coupsil

8113, Perkadox 1440 ,Perkalink 301 (제조방법

출처- ContiTech AG)을 혼합하여 준비하였다.

에폭시 레진(LARIT RIM 135)은 경화제(RIMH

137) 100:30의 비율로 혼합하여 사용하였다.

플라즈마 처리플라즈마 처리는 대기압플라즈마(APP) 시스템-

코로나 전처리 시스템-AS Coat ing star,

Ahlbrandt, Germany(그림 2)을 사용하였다.

이 플라즈마시스템은 유전체 장벽 방전 시스템에

근거하여 작동하였다. 이 실험에 실험매개변수는

(표 1)에 제시 하였다. 아라미드섬유 로빙은 방전

갭을 통하여 접지롤러에 감겨있고 섬유의 표면은

플라즈마 반응으로 인하여 산화된다. 공기 중의

산소는 이 산화반응을 위한 물질로 제공된다. 이

반응은 방전 갭에 존재하는 높은 에너지의 전자에

의해 개시되며, 이는 아라미드섬유 표면의 결합을

해리 시키는 역할을 한다. 산화반응을 통하여 산소를

포함한 극성 그룹이 섬유의 표면에 생성되며,

그 결과 섬유표면의 젖음성이 개선되는 결과를

가져온다.

그림 2. 실제 세팅된 코로나 전처리 시스템-AS Coating

star(ASCS) 플라즈마 시스템 (a) 정면; (b)뒷면

11

표 1. 코로나 전처리-ASCS 플라즈마시스템의 매개변수

젖음성 분석접촉각 측정. 접촉각 측정법은 플라즈마 처리된

물질의 젖음성을 평가하는데 사용된다. Twaron

아라미드섬유의 동적 접촉각은 개선된 빌헬

기술을 근거하여 K100 장력계(Kruss Company

Ltd, Germany)를 통해 측정한다. 고무 화합물의

정적접촉각은 DSA-100(Kruss Company Ltd,

Germany) 광학 접촉각 측정기를 사용하여 Sessile

drop 법으로 측정한다. 모든 실험은 상온(20°C)에서

측정하였으며, 무작위로 선택된 10개의 시료를

측정하여 평균값을 계산하였다.

표면에너지 계산표면에너지는 Owens, Wendt, Rabel, Kaelble

법에 따라 아래의 식을 통하여 계산하였다.

D와 P는 분산 및 극성상호작용을 의미하고 rs와 rl

은 각각 고체상과 액체상의 표면장력을 나타낸다. rsl

은 액체와 고체의 계면장력을 의미하며 θ는 실험적

접촉각을 나타낸다.

섬유의 표면 자유에너지를 결정하기 위해 물(극성

용매 : 표면장력 72.3mN/m)과 다이아이오도

매테인(Diiodomethane, 비극성용매: 표면장력

50.8mN/m)의 초기 접촉각을 측정하였다. 식 (2)에

따라서 소프트웨어를 이용하여 전체 표면에너지를

계산하였다.

그림 3. (a) 실제 세팅된 고주파 병렬전극;

(b) 병렬 및 롤러전극의 도식도

응력-변형 거동 조사호발처리 및 플라즈마 표면처리의 효과가 섬유의

기계적 물성에 미치는 영향을 규명하기 위해 ISO

3341에 따라 상온에서 Zwick-Z100 재료시험기를

사용하여 호발 및 플라즈마 처리된 아라미드섬유의

인장시험을 수행하였다. 호발처리 및 플라즈마

처리된 아라미드섬유의 인장강도, 응력-변형과

E-모듈을 측정하였다. 아래의 두 식을 이용하여

샘플의 응력-변형 값을 계산하였다.

Fmax은 파단력(N), ρ은 아라미드섬유의 비중 (1.44

g/cm3), Tex는 아라미드섬유 로빙(g/1000 m)의

섬도를 나타낸다.

△은 응력에(mm)에 의한 로빙길이의 변화, l은

아라미드섬유로빙(mm)의 초기 길이를 나타낸다.

전자 현미경(SEM)과 에너지 분산 스캐닝 X선

분석(EDX)

12 DYETEC VISION

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플라즈마 처리로 인한 섬유표면의 변화로 인하여,

변화된 섬유표면의 형태학적 특성을 관찰하는

것이 필요하다. 호발처리 및 플라즈마 처리를

통해 표면의 변화를 가진 Twaron 아라미드섬유는

전자 현미경 (SEM; Zeiss DSM Gemini 982,

Germany)에 의해 분석이 가능하다. 샘플이 분석에

필요한 전기전도도를 가지기 위해 금과 팔라듐으로

코팅하였다. EDX 분석을 사용하여 섬유 표면의

원소를 분석하는데, SEM 장비의 추가적인 검출기가

사용되었다. X선이 방출되었을 경우 섬유표면의

각기 다른 원소로 인하여, 각기 다른 에너지와

주파수를 가진 광이 반사되기 때문에 원소를 분석할

수 있으며, 표면의 농도를 결정할 수 있다. X선

검출기로는 실리콘 결정이 사용되었다.

아라미드섬유 로빙의 Pull-out force 시험Pul l-out force 시험에서 수소화 니트릴

부타디엔 고무(HNBR )를 사용하여 섬유와

매 트 릭 스 사 이 의 접 착 력 을 평 가 하 였 으 며 ,

고무화합물의 아라미드섬유 코드 보강재는

트랜스미션 또는 컨베이어 벨트와 타이어에

있어 중요한 역할을 한다. T-Pull-out 측정은

표준 ASTM D 4776-98에 따라 Testometric

(Goodbrand, UK) 장비를 사용하여 상온에서

수행하였다. 표 2에 제시된 제조방법에 의해 고무

화합물을 만들었다.

표 2. 표준 접착 시험을 위한 고무화합물 성분

고무화합물을 혼합하기 위하여 Haake Poly

Lab Rheomix 600p (ThermoScientific,

Japan) 장비를 사용하였다. 두께 3mm의 균일한

엘라스토머 층을 제작하기 위해서는 실험실

롤 밀(type110L)을 사용하였다. Vulkameter

Scarabaeus SIS 50 장치를 사용하여 가황공정을

실시하였으며, T-Pull-out 값은 10번 측정한

값의 평균으로 사용하였다. 각 처리된 조건에

따라 선택된 아라미드섬유 로빙 10개 샘플을

고무화합물(HNBR)과 함께 테스트 블록에 넣고

180°C 에서 가황공정을 거쳤다. Pull-out forces는

Pull-out test의 최대값으로 정하였다. 가황공정을

거친 엘라스토머 테스트 블록의 길이는 170mm,

두께는 7mm(아라미드섬유 로빙길이포함),

넓이는 11mm 이다. 고무가 포함된 부분 밖의

아라미드 로빙의 길이는 15cm 정도이다. 로빙의

아랫부분과 블록의 바깥부분은 Pull-out test 전

면도칼로 절단하였다. 엘라스토머 재료에 내장된

아라미드섬유 로빙은 Pull-out test 전 셀 크기에

맞게 절단하였으며, 절단 후 Pull-out 장비의

클램프에 고정 시켰다. 테스트하는 고무에 포함된

아라미드로빙을 당기는데 필요한 힘은 뉴턴(N)

단위로 측정된다.

Win-test 소프트웨어를 사용하여 섬유의 Pull-

out force를 계산하였고, test 속도는 분당 20mm

로 하였다.

복합재료의 인장특성 결정인장실험은 표준 DIN ISO 527-5 법에 따라

Zwick-Z100 재료시험기를 통하여 측정하였으며,

준비된 복합재료 샘플의 응력-변형 거동을

분석하였다. 복합재료 샘플(30cm×30cm×1mm)은

진공 인퓨전 공법에 의하여 제작되었으며,

아라미드섬유 로빙의 14개(7개-호발처리/7-

호발 및 플라즈마처리) 샘플을 20mm의 간격으로

배열하였다. 먼저 에폭시 수지 (LARIT RIM 135)를

경화제(RIMH 137)와 100:30의 비울로 혼합하여,

낮은 점도를 가지는 수지혼합물을 준비하였다.

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몰드는 2개의 금속 평판을 사용하여 복합재 판넬을

제작하였다. 금속 평판 표면에는 모래 페이스트

왁스 코팅을 하여 복합재와 몰드를 쉽게 분리하도록

하였다. Twaron 아라미드섬유 로빙은 두 금속

평판과의 접촉 없이 텐션을 주도록 배치하였다.

평판의 간격은 1mm로 유지하였다. 밀폐된 공간을

만들기 위하여 플라스틱 진공 백을 금속 평판 위에

배치하였다. 금속 평판에는 액상 수지혼합물과

진공펌프가 연결되었으며, 진공펌프를 통해

공기를 차단하였다. 액상 수지는 금속 몰드 평판을

통하여 진공에 의해 강화섬유 안으로 침투된다.

액상수지가 지나가는 통로에 기포가 더 이상 없을

때까지 진공펌프를 통하여 진공을 유지하였다. 몰드

평판은 85°C에서 2시간동안 유지하였으며, 그 후

50°C 에서 15시간동안 완전경화 과정을 거친 후

평판을 분리하였다. 아라미드섬유 로빙이 샘플의

중간에 위치하도록, 25cm x1.5cm 의 크기로 실험

샘플을 제작하였다. testXpertⓇ 테스트 프로그램을

사용하여 실험을 제어하고 모니터 하였다. 인장응력

(MPa) 대 연신율(%)은 테스트하는 동안 기록 되었

으며 각 샘플당 5회 측정하여 평균값을 구하였다.

결과 및 고찰

접촉각 및 표면 에너지 결과

호발처리 또는 호발 및 플라즈마 처리된 아라미드

섬유와 미처리된 샘플들에 대하여 물과 디아오오도

메테인의 전진접촉각 평균값과 표면자유에너지를 표

3에 나타내었다.

호발 처리만 했을 경우, 물에 대한 전진 접촉각과 표

면자유에너지는 거의 미처리된 아라미드섬유와 동일

한 값을 가진다. 호발 처리된 아라미드섬유를 30초 플

라즈마 처리 했을 경우, 물에 대한 접촉각은 55.84°

에서 27.91°로 급격하게 감소하였으며, 극성 영역

의 표면자유에너지와 전체 표면자유에너지는 14.5와

51.1mN/m에서 27.8와 71.5mN/m 로 현저하게 증

가되었다. 접촉각의 감소는 아라미드섬유표면에 친

수기가 많이 형성되어 젖음 특성이 증가된 것을 의미

한다. 1분 동안 플라즈마 처리 했을 경우 30초동안

처리한 경우에 비해 물에 대한 접촉각은 27.91°에서

35.10°로 증가하였으며 전체 표면자유에너지는 71.5

에서 65.5mN/m로 감소하였다. 플라즈마 처리시간

이 증가할수록 물에 대한 전진 접촉각은 점차적으로

증가하고, 전체표면자유에너지는 점진적으로 감소하

는 경향을 보인다. 아라미드섬유를 각각 2분 또는 3

분 동안 플라즈마 처리한 샘플의 물에 대한 전진 접촉

각은 각각 40.42°와 41.22°이었으며, 전체 표면자유에

표 3. 호발 및 플라즈마 처리된 시간에 따른 아라미드섬유의 접촉각과 표면 자유에너지

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너지는 각각 62.5mN/m 와 61.2mN/m 로 측정되었

다. 이러한 결과를 통해 젖음성을 최적화 하기위해서

는 가능한 짧은 시간동안 플라즈마처리를 해야 한다

는 결론을 내렸다. 비교적 오랜 시간동안 플라즈마 처

리를 했을 경우 섬유가 손상을 받을 수 있다. 특정시

간이 지난 후에는 섬유의 표면에서 산소와의 화학적

결합이 더 이상 일어나지 않기 때문에 표면에너지는

증가하지 않는다. 플라즈마 처리시간의 증가시 표면

의 산소양이 감소하는 것을 EDX를 통해 분석하였으

며 결과를 표 4에 나타내었다. 섬유표면의 산소감소

에 의하여 표면자유에너지 또한 점차적으로 감소하였

다. 호발 처리된 아라미드섬유를 30초 동안 플라즈마

처리를 했을 경우 가장 우수한 젖음 특성을 나타낸다.

표 4. 호발 및 플라즈마 처리된 시간에 따른

아라미드섬유의 에너지 분산 X선(EDX) 결과

플라즈마에 의한 아라미드섬유 표면의 활성효과

안정성을 관찰하기 위해, 30초 동안 플라즈마 처리

된 호발 아라미드섬유를 1시간, 1주, 2주, 4주의 간

격을 두고 접촉각과 표면자유에너지 측정을 실시하

였다. 30초 동안 플라즈마 처리된 Twaron 아라미드

섬유의 시간경과에 따른 전진접촉각과 표면자유에너

지 값을 표 5에 나타내었다.

표 5. 30초 동안 플라즈마 처리된 Twaron 아라미드섬유의 시간경과에 따른 전진접촉각과 표면자유에너지

1주후, 물에 대한 전진접촉각은 27.91°에서 54.6°로

증가하였으며, 극성부분 자유에너지와 전체 자유에너

지는 27.8와 71.5mN/m에서 15.6와 54.7mN/m 로

각각 감소하였다. 4주후, 물에 대한 접촉각은 57.98°

전체 자유 에너지는 52.4mN/m로 미처리된 아라미드

섬유의 전체 표면자유에너지 값(51.6mN/m)에 가까워

졌다. 이는 극성분자가 서로서로 재배향을 이룬 결과

라 생각된다. 비극성 그룹이 표면에 위치하는 것이 에

너지 적으로 안정한 상태를 가지며, 이에 따라 극성분

자는 안으로 이동하여 섬유 표면이 비활성으로 변하게

된다. 또한 플라즈마 개질은 매우 얇은 단분자의 바깥

층에 영향을 주기 때문에, 마찰이나 마모에 의해 개질

의 효과를 잃을 수 있다. 플라즈마 처리된 아라미드섬

유의 Pull-out force와 함께 젖음 효과를 실험하기 위

해 고무화합물과 같이 사용되었다. 따라서, 고무화합

물의 접촉각과 표면자유에너지를 아는 것이 필요하다.

엘라스토머 고무 화합물의 접촉각과 표면자유에너지는

표 6에 나타내었다. 고무 화합물의 물에 대한 접촉각은

15

99.1° 이며 전체 표면자유에너지는 35.76mN/m 이다.

극성부분은 0.15mN/m로 측정 되었다. 아라미드섬

유와 고무화합물의 극성에너지 차이에 의해 플라즈마

처리된 아라미드섬유의 표면과 고무 화합물의 극성결

합은 이루어지지 않는다.

표 6. 고무 화합물의 접촉각과 표면자유에너지

표면의 형태학적 분석SEM 결과 분석. SEM을 통하여 플라즈마

처리된 섬유의 표면의 형태학적 특성을 분석하는데

사용하였다. 그림 4(a)는 깨끗하고, 미끈하며,

표면이 균일한 Twaron 아라미드섬유의 SEM

이미지를 보여준다. 아무런 홈이나 자국이 관찰되지

않는다. 이는 아라미드섬유 로빙의 생산단계 중

사이징 물질이 결합되어 취급 또는 공정단계 동안

손상으로부터 보호된 것으로 보인다. 그림 4(b)는

호발 처리된 아라미드섬유의 SEM 이미지를

나타내는데 역시 아무런 홈이나 자국이 관찰되지

않고 깨끗하고, 미끈하며, 균일한 표면을 가진다.

어떤 입자와 같은 물질이 섬유표면위에 붙어

있는데, 이것은 사이징 물질이 용해되었다가 다시

섬유 표면에 붙은 것으로 보인다. 그림 4(c)는 30초

동안 플라즈마 처리된 Twaron 아라미드섬유의

표면을 보여준다. 이는 미처리 섬유의 표면과는

약간 다르게 미세기공과 적은 수의 홈이 생성

되었으나, 큰 자국이나 홈과 같은 큰 표면적 변화는

아니다. 섬유 표면의 호발처리를 통하여 대부분의

부착된 입자들은 제거되었으며, 플라즈마 또한 자체

호발처리의 역할을 한다. 그림 4(d)는 1분 동안

플라즈마 처리된 Twaron 아라미드섬유의 SEM

이미지를 보여주는데, 이는 미처리된 샘플과는

다르게 자국이 존재하며, 고르지 못한 표면이

관찰된다. 그림 4(e)는 2분 동안 플라즈마 처리된

Twaron 아라미드섬유의 SEM 이미지 보여주는데,

분명하게 부풀어 올라 불규칙한 표면이 관찰된다.

2분 동안 플라즈마 처리 한 경우 표면이 현저하게

거칠어 졌다. 그림 4(f)는 3분 동안 플라즈마 처리된

Twaron 아라미드섬유의 SEM 이미지 보여주는데,

작은 홈들로 인하여 표면이 특히 많이 거칠다.

결론적으로 플라즈마 처리 시간이 증가할수록

표면의 거칠기 또한 증가한다. 이러한 변화의 주요

원인은 플라즈마 공정에 의한 에칭효과와 산화반응

때문이다.

그림 4. Twaron 아라미드섬유의 SEM 이미지(x5000):

（a) 미처리된 아라미드섬유; (b) 호발 처리된 아라미드섬유;

(c) 30초 동안 플라즈마 처리된 아라미드섬유;

(d) 1분 동안 플라즈마 처리된 아라미드섬유;

(d) 2분 동안 플라즈마 처리된 아라미드섬유;

(f) 3분 동안 플라즈마 처리된 아라미드섬유

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정보의 장┃대기압 플라즈마 기술에 의한 Twaron 아라미드 섬유의 표면 개질

EDX 결과 분석. EDX 분석은 마이크로미터의

직경을 가지는 아라미드섬유의 화학적 조석을

측정하는데 사용된다. 표 4에는 Twa r o n

아라미드섬유 표면의 원소 함유량을 나타내었다.

EDX 분석을 통해 아세톤으로 호발처리 후

아라미드섬유 표면의 화학적 조성 변화를 관찰할

수 있다. 산소(O)의 농도는 5.32%에서 4.89%로

감소하였고, 탄소(C)의 농도는 86.19%에서

87.53%으로 증가하였으며, 질소(N)의 농도는

8.49%에서 7.57%로 감소하였다. 이러한 각 원소의

농도변화는 공업용 아라미드섬유표면에 있는 잔여

오일이 제거되었기 때문이다. 또한 호발 처리된

아라미드섬유를 30초 동안 플라즈마를 처리하였을

경우 섬유표면의 화학적 조성이 변화된 것을

관찰할 수 있다. 산소(O)의 농도는 4.89%에서

5.18%로 증가하고, 탄소(C)의 농도는 87.53%에서

84.95%으로 감소하였으며, 질소(N)의 농도는

7.57%에서 9.88%로 증가하였다. 플라즈마 처리

시간이 30초에서 1분으로 증가하였을 경우에는,

산소(O)의 농도는 5.18%에서 4.98% 로 감소하였고,

탄소(C)의 농도는 84.95%에서 86.34%으로

증가하였으며, 질소(N)의 농도는 9.88%에서

8.68%로 감소하였다. 플라즈마 처리 시간이

증가할수록 탄소(C)의 농도는 증가하고 질소(N)의

농도는 서서히 감소한다. 그러나 산소(O)의 농도는

약간 증가하다가 일정하게 유지된다. 섬유표면에

산소를 포함한 극성 작용기의 도입과 플라즈마-

에칭 활성으로 인해 섬유표면에 화학적 조성변화가

나타난다. 산소(O )농도가 증가한다는 것은

섬유표면에 산소를 포함한 극성작용기가 많이

생성되었다는 의미이며, 질소(N)농도의 감소는

섬유 표면이 플라즈마의 효과에 의하여 에칭 되었기

때문이다.

인장 실험 결과처리 조건이 다른 아라미드섬유 로빙의 인장특성

결과를 표 7에 요약했다.

표를 통하여 호발 처리된 아라미드섬유는

인장강도가 2460 MPa에서 2280MPa로 감소한

것을 볼 수 있다. 이는 아라미드섬유의 표면으로부터

사이징 물질이 제거되었고, 또한 섬유표면의

부분적인 손상으로 인한 결과이다. 그러나 호발

처리된 샘플과 플라즈마 처리된 샘플사이에는

인장강도가 크게 차이나지 않는다. 3분 동안

플라즈마 처리한 샘플에는 인장강도가 2443

MPa로 증가하였는데, 이는 큰 표준편차가 발생한

것이다. 인장강도가 증가하는 현상은 고분자

사슬간의 가교결합으로 인하여 나타나는데, 이러한

가교결합은 플라즈마 처리하는 동안 섬유표면층의

수백 옹스트롬 안의 고분자 사슬에서 발생한다.

하지만 이 실험에서는 플라즈마 처리로 인한

인장특성의 뚜렷한 변화는 없는 것으로 판단된다.

표 7. 처리 조건이 다른 아라미드섬유 로빙의 인장특성

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T-Pullout 측정의 결과고무 화합물과 혼합된 미처리, 호발처리, 호발 및

플라즈마 처리한 아라미드섬유의 Pull-out force

시험 결과를 표 8에 나타내었다.

(동일한 날에 실험진행)

표 8. 처리 조건이 다른 아라미드섬유로빙 고무매트릭스의

Pull-out 데이터

위의 결과로부터 호발처리 및 30초 동안 플라즈마

처리된 아라미드섬유 로빙 고무 매트릭스 복합체의

Pul l-out force는 미처리된 아라미드섬유

고무매트릭스보다 약간 개선되었음을 알 수 있다.

특히 3분 동안 플라즈마 처리된 아라미드섬유의

Pull-out force는 미처리된 아라미드섬유 로빙과

비교하였을 때 9.6% 증가 하였다. 플라즈마 처리한

아라미드섬유 두 샘플 모두 충분한 극성 부분을

가지고 있었지만, 고무 화합물의 극성부분(0.15mN/

m)이 약하기 때문에 고무 매트릭스 내의 극성

그룹들 간의 상호작용은 극히 약할 것으로 생각된다.

2주경과 후 미처리, 호발처리, 호발 및 플라즈마

처리된 아라미드섬유를 함유하는 고무 매트릭스의

Pull-out force의 결과를 표 9에 나타내었다.

표 9. 처리 조건이 다른 아라미드섬유로빙

고무매트릭스의 Pull-out force 데이터 (2주 후)

2주 후 미처리, 호발처리, 호발처리 및 30초

플라즈마 처리된 아라미드섬유를 함유하는 고무

매트릭스의 Pull-out force 값은 거의 변화가

없었다. 그러나 3분 동안 플라즈마 처리한 샘플의

Pull-out force 값은 미처리 샘플에 비하여

32.12% 증가 하였다. Pull-out force 값의 증가는,

플라즈마 처리 2주 후에 섬유의 표면에 있는 화학적

극성 그룹의 환원에 의한 결과이다. 이는 앞의 표

5에 있는 시간에 따른 표면 자유 에너지 변화의

결과로부터 알 수 있다. 그림 4(f)를 SEM 사진을

통하여, 극성그룹들이 환원되었을 때 섬유표면은

고무 화합물과 잘 접촉할 수 있는 상태가 되고,

물리적 효과로 인하여 보다 많은 면적에 접착됨을 알

수 있다.

힘에 따른 연신율 특성힘에 따른 연신율 곡선(그림 5, 6)으로부터

플라즈마 처리된 아라미드섬유로빙은 미처리한

아라미드섬유로빙 보다 더 높은 수치를 가지는

것을 알 수 있다. 플라즈마 처리 여부에 따른 두

가지 샘플 비교를 통해 플라즈마 처리된 샘플의

곡선이 미처리한 샘플의 곡선보다 더 선형적임을

알 수 있다. 3분 동안 플라즈마 처리된 샘플은 특히

힘에 대한 우수한 연신율 특성을 나타낸다. 이때의

연신율의 범위는 5.24~6.23mm이다.

그림 5. 처리 조건이 다른 아라미드섬유로빙

고무매트릭스의 힘에 따른 연신율 곡선

18 DYETEC VISION

정보의 장┃대기압 플라즈마 기술에 의한 Twaron 아라미드 섬유의 표면 개질

그림 6. 처리 조건이 다른 아라미드섬유로빙

고무매트릭스의 힘에 따른 연신율 곡선 (2주 후)

아라미드섬유 로빙 복합재료의 응력-변형 특성표 10은 호발처리, 호발 및 플라즈마 처리(3분)된

아라미드섬유로빙 복합재료 샘플의 인장실험에 따른

결과를 나타낸다.

표 10. 호발처리, 호발 및 플라즈마 처리(3분)된

아라미드섬유로빙 복합재료 샘플의 인장실험에 따른 결과

응력-변형 곡선(그림 7)으로부터 호발 처리된

샘플에 비하여 플라즈마 처리된(3분) 샘플이 더

선형적인 곡선을 가지는 것을 통해 플라즈마 처리된

샘플이 보다 우수한 물성을 가지는 것을 알 수

있다. 플라즈마 처리된 아라미드섬유로빙 복합재료

샘플은 호발 처리된 샘플에 비하여 인장 강도는

79 MPa에서 89.8 MPa로 E-module(0.1~0.5%

범위 내의 길이변화)는 3.15 GPa에서 3.92 GPa로

각각 증가하였다. 이러한 물성향상은 섬유표면의

거칠기와 플라즈마에 의해 생성된 극성 그룹 때문이며,

섬유표면의 거칠기와 극성그룹으로 인해 섬유표면의

젖음성이 향상되고 에폭시수지 매트릭스와 섬유사이의

우수한 계면 접착력을 가지는 원인이 된다.

그림 7. 호발 및 플라즈마 처리된 아라미드섬유로빙

복합재료 샘플의 응력-변형 곡선

결 론이 연구의 실험결과를 통하여 대기압 유전체

장벽 방전(dielectric barrier discharge, DBD)

플라즈마가 Twaron 아라미드섬유의 표면개질에

효율적이며, 이를 통해 젖음성과 접착 특성이 증가

하는 것을 알 수 있다. SEM, EDX 분석, 접촉각,

표면에너지 분석의 결과는 미처리 샘플과 플라즈마

처리된 샘플의 형태학적 물리학적 특성의 뚜렷한

차이를 보여준다. 플라즈마 처리후 접촉각은 크게

감소하였으며, 전체 표면자유에너지는 51.1mN/m

에서 71 .5mN/m로 증가하였다. 플라즈마

처리시간이 증가함에 따라 표면의 거칠기 또한

증가하는 것을 SEM분석을 통하여 증명하였다.

플라즈마 처리된 아라미드섬유와 고무화합물

매트릭스 사이의 접착력은 2주후 미처리샘플과

비교하였을 때에 32.12%나 증가하였다. 플라즈마

처리된 아라미드섬유와 에폭시 매트릭스 사이의

접착력 또한 개선되었으며, 인장강도는 호발 처리만

된 아라미드섬유에 비하여 13.8% 강화되었다.

출처 : Textile Research Journal Vol. 83 Issue 3 (2013)

제공 : 김 경 민

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