키토산/나노실버 복합섬유의 제조 및 특성에 관한 연구

Abstract

Recently, antibacterial textile materials treated with chitosan have been studied and used with two methods. First method is that chitosan fibers were used on conjugated spinning processwith other fibers. Secondly, chitosan was applied to post-finish process as a finishing agent. Although conjugated chitosan yarns have excellent durability, its mechanical properties except durability were worse than other spun yarns such as cotton. On the other hand, chitosan yarns using post-finish process have good mechanicalproperties but their durability was poor. Therefore we concentrated on developing chitosan yarns with good durability and mechanical properties. In this study, chitosan/nanosilver fibers were made by wet-spinning process and conjugated yarns with chitosan/nanosilver fibers and cotton were prepared. Chitosan/nanosilver fibers were spun with chitosan (800,000~1,000,000 Mw) and nanosilver colloids with various concentrations (0, 25, 50, 100, 200, 1,000, and 10,000 ppm). After preparation of chitosan conjugated yarns, the strength, elongation and antibacterial property of the chitosan yarn were investigated. The strength test of chitosan conjugated yarns containing 200 ppm of nanosilver colloids showed good antibacterial property. However the strengthand elongation of the yarn containing more than 10,000 ppm of nanosilver colloids decreased. To confirm the durability of antibacterial property, the antibacterial test was also investigated. The results showed that the antibacterial property of the chitosan conjugated yarns didn’t decrease after 30 times of washing. For manufacturing commercial spun yarn, 0, 3, 5, 10% of chitosan/nanosilver fiber were added on cotton during spinning process and then chitosan conjugated yarns were prepared as 20, 30, 40, 60'S. After preparationof the chitosan conjugated yarns, quality and fault of yarnwere examined. The result showed that the prepared yarns were manufactured uniformly and had excellent quality. The result also showed the possibility of various applications of the chitosan conjugated yarns as a socks, bedding and apparel. In order to certify an effect of alkali and bleaching agent on pretreatment of chitosan, alkali and bleaching were treated on chitosan/nanosilver fibers, chitosan conjugated yarns and chitosan nonwoven. In our experiment, the chitosan/nanosilver fibers, chitosan conjugated yarns and chitosan nonwoven were defected when the concentration of alkali and beaching agent increased. Also the result of antibacterial test indicated that the antibacterial property of the chitosan/nanosilver fibers, chitosan conjugated yarns and chitosan nonwoven was influenced with pretreatment conditions. The chitosan conjugated yarn was dyed with 4 colors (Yellow, Red, Blue and Navy Blue) of MCT, VS, Bifunctional types as a reactive dyes and a dyeing property of the chitosan conjugated yarn was investigated. The result showed that the primary rate of exhaustion of the chitosan conjugated yarn was fast and it wasn’t influenced with the structure and color of dyes. The rate of exhaustion of the conjugated yarns containing 3 % of chitosan/nanosilver was also faster than cotton. The color yield and washing fastness of the dyed chitosan conjugated yarn were similar with cotton. In this study, the chitosan conjugated yarns could be natural materials with excellent antibacterial and mechanical properties.; 최근에는 천연물계 항균제로 가공한 천연기능성 항균소재 제품이 증가하고 있다. 그리고 천연물계 항균제로는 아미노 화합물, 리소짐, 삼백초 추출물, 천연유황, 천연광석/세라믹, 천연방사성 희귀광물 및 키틴/키토산 등이 섬유소재에 다양하게 적용되고 있다. 이 중 새우나 게의 껍질로부터 얻어지는 키틴은 천연자원 중 셀룰로오스 다음으로 풍부하고 재활용이 가능하고 유용한 천연고분자 물질이며, 키틴을 탈아세틸화하여 생산되는 키토산은 친수성기인 히드록시기 (-OH)와 아민기 (-NH2)를 갖는 양이온성 고분자로서 생분해성, 생체적합성, 항균성 등의 특징을 갖고 있으며, 응용범위가 점차 넓어지고 있다. 현재 키토산을 적용한 항균성 섬유소재는 키토산을 직접 섬유화하여 다른 섬유와 함께 방적과정에서 혼합하여 제조하는 방식과, 키토산용액을 후 가공 공정에서 처리하는 후 가공기술 방식으로 크게 2가지 분야로 연구되고 있으며 일부 상용화되어지고 있다. 본 연구에서는 항균성과 기능의 내구성이 우수한 키토산/나노실버 복합섬유를 제조하고 일반 면섬유와 3, 5, 10% 비율로 혼방한 후 20, 30, 40, 60’s로 방적하여 항균성과 기능의 내구성이 우수한 키토산/나노실버 복합섬유의 제조 및 특성에 대하여 고찰해 보고자 하였다. 키토산 (분자량 800,000～1,000,000) 용액과 은 용액을 혼합하여 습식방사 방식으로 키토산/나노실버 복합섬유를 제조하였고, 은 함량을 0, 25, 50, 100, 200, 1,000, 10,000ppm으로 변화시켜 다양한 은 함량을 갖는 키토산/나노실버 복합섬유를 제조하였다. ICP-AES로 은의 함량을 측정한 결과 이론치와 실측치가 평균 13% 유의차를 보였으며 단섬유 강신도기를 사용하여 섬유의 강도, 신도를 측정한 결과 평균 강도 1.67gf/denier 평균 신도 10.6%로 비교적 우수하게 나타났다. Staphylococcus aureus (ATCC 6538)과 Klebsiella pneumoniae (ATCC4352)을 균주로 사용하여 키토산/나노실버 복합섬유의 항균성을 고찰한 결과 은의 함량이 200ppm 이상에서 99.9% 이상의 우수한 항균성을 나타내었고, 세탁 30회 후에도 항균성이 99.9% 이상 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 키토산/나노실버 복합섬유를 3, 5, 10%로 혼용하여 방적사를 제조한 후 가장 일반적으로 사용되고 있는 20, 30, 40, 60’s 번수로 제조하여 번수에 따라 사번수, 사품질 및 사결점에 대해 실험을 진행하여 다양한 번수의 혼방사를 균일한 품질로 방적함으로써 양말, 침장, 어패럴 등 다양한 용도로 적용할 수 있음을 확인하였다. 키토산/나노실버 복합섬유 (CSF), 키토산/나노실버 복합섬유 혼방사 (CSY) 및 키토산/나노실버 복합섬유 혼성 편성물 (CSK)에 대해 알칼리 (수산화나트륨, 탄산나트륨) 및 표백제 (과산화수소)에 대한 전처리 특성실험을 진행한 결과 알칼리 및 과산화수소의 농도가 높은 경우 키토산의 분자쇄 절단에 의한 키토산/나노실버 복합섬유의 상해가 확인되었으며 전처리 조건에 따른 항균성의 차이를 나타내었다. 키토산/나노실버 복합섬유의 염색성은 반응성염료로 가장 많이 사용되는 3가지 (Monochlorotriazine, Vinylsulfone, Bifunctional) Type의 염료그룹을 선정하여 각각 3원색(Yellow, Red, Blue) 염료와 Navy Blue를 포함하여 12개 염료에 대해 염색특성을 고찰하였다. 키토산/나노실버 복합섬유는 염료의 구조 및 색상에 관계없이 초기 흡진율이 매우 높은 것을 확인할 수 있었으며 키토산/나노실버 복합섬유가 3% 혼방된 경우에도 일반 면섬유에 비해 높은 흡진율 나타내었다. 각 염료에 대한 겉보기 농도는 일반 면섬유에 비하여 다소 낮게 나타났으며 세탁견뢰도에서는 큰 차이를 보이지 않았다.