KR101682892B1 - 표면장력 저감 물질을 이용한 김서림 방지 조성물 제조방법 및 그 원단 - Google Patents

표면장력 저감 물질을 이용한 김서림 방지 조성물 제조방법 및 그 원단 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 위와 같은 종래의 문제점을 개선하고 김서림 방지효과를 개선하고 장기간 효과를 지속하기 위한 김서림 방지 조성물 제조방법 및 그 원단에 관한것으로, 용매로 표면장력을 저감하는 알콜계 순수 물질은 이소프로필알콜 5 ~ 20용량%과 1-옥탄올 1 ~ 5용량%을 이용하고, 이와 같이 혼합되는 계면활성제의 농도는 플루오르 계면활성제는 5~10용량%로 조성되고, 실리콘 계면활성제를 이용할 때는 5~15용량%로 조성되는 표면장력 저감물질을 이용한 김서림 방지용 조성물 제조방법 및 그 원단을 제공함으로써 김서림 방지 효과가 닦는 즉시 바로 나타나고 명시성이 우수하며 건조후 에 잔흔감이 없으며, 더불어 장시간 보관 후 여러번 사용후에도 그 효과가 유지되도록 하는 것이다.

Description

표면장력 저감 물질을 이용한 김서림 방지 조성물 제조방법 및 그 원단{Anti-Fogging mixture preparing method by using the surface tension reducing and thereof clothes}
본 발명은 표면장력 저감 물질을 이용한 김서림방지 조성물 제조방법 및 그 원단에 관한 것이다. 보다 상세하게는 순수 알콜계 용매로 이소프로필알콜과 1-옥탄올을 사용하고, 여기에 실리콘 계면활성제 또는 플루오르 계면활성제를 소정농도로 교반, 혼합함으로써, 조성물의 표면장력을 25 mN/m 이하로 낮추어주고, 접촉각은 5~10°로 유지되게 하여, 유리 고체면을 닦는 즉시 김서림 방지효과를 나타내고 또 장시간 그 효과를 유지할 수 있는 김서림 방지용 조성물 제조방법과 그것으로 처리한 김서림 방지용 원단에 관한 것이다.
안경, 거울, 자동차 유리, 창유리 표면의 김서림 현상은 시야를 가리는 위험 요인이 되어 사고를 유발할 수 있다. 김서림 현상은 표면 특성, 표면과 공기의 온도차, 대기의 습도 및 표면에 부착되어 있는 각종 미세 물질과의 복합적인 요인으로 인해 발생한다. 온도가 높아 수증기를 많이 머금은 공기는 온도가 낮은 표면에 쉽게 응축하여 규칙적인 미세 물방울을 형성한다. 이러한 미세 물방울을 형성을 김서림이라 한다. 표면에서 발생되는 김서림은 공기 중의 수분이 표면에 순간적으로 응결되어 액상으로 부착되는 것이 원인이다.
이렇게 형성된 물방울은 부착습윤(adhesional wetting)의 일종이다. 부착습윤으로 표면에 부착된 미세 물방울들 사이에 작용하는 정전기적 반발력에 의하여 표면에 규칙적으로 배열하게 되어 시야를 가리게 된다.
김서림을 방지할 수 있는 방법은 미세 물방울과 표면 사이에 작용하는 표면장력을 낮추어 물방울을 표면에 골고루 퍼지게 하는 것이다. 표면 장력이 낮은 물질을 표면에 도포하여 표면에 응결되는 미세 물방울의 표면장력을 줄일 수 있다면, 미세 물방울이 표면에 골고루 퍼져 김서림을 방지할 수 있다.
표면장력이 낮은 물질로는 이소프로필 알콜, 옥탄올, 플루오르계 계면활성제, 실리콘계 계면활성제가 있다. 이들 물질 미량을 표면에 도포하면 표면의 미세 물방울은 이들을 접촉하여 급격히 표면장력이 낮아지며, 물방울이 표면에 골고루 퍼져 김서림을 방지할 수 있다. 이와 같이 물방울이 표면에 골고루 퍼지는 현상을 확장습윤(spreading wetting)이라 하며, 김서림을 방지할 수 있는 방법중의 하나이다.
이런 김서림 방지방법은 시야를 확보하여 각종 사고를 미연에 방지할 수 있다.
종래의 김서림 방지제는 사용 방법에 따라, 용기로부터 천에 묻혀서 닦는 방식, 수동 스프레이식, 에어졸식 등으로 분류할 수 있고, 성분에 따라, 알코올 및 글리콜류를 주로 한 액상 타입과 계면활성제 타입이 있다.
계면활성제는 친수성 부분과 친유성 부분을 갖는 화합물이며, 용액 중에 소량 첨가하여 계면에 친수(hydrophilic)부와 친유(hydrophobic)부가 배향하여 계면에너지를 현저히 감소시켜 습윤, 침투, 유연 등과 같은 기능을 발휘한다.
김서림 방지는 이들 계면활성제만으로는 부족하고 작은 분자량의 표면장력을 낮출 수 있는 물질이 필요한데, 이들 물질이 알코올류와 글리콜류 물질이다.
본 연구에서는 대상 표면에 표면장력을 낮추어 확장습윤성이 우수하고, 표면에 대한 부착력이 좋은 성분을 선택하여 표면에 장시간 지속시킬 수 있으며, 건조시에도 얼룩이 남기지 않는 항상 양호한 시야를 유지할 수 있는 김서림 방지제를 만드는 것이다.
본 발명과 유사한 특허로는 국내 등록특허 제 100263094 호의 김서림 방지 조성물이 있고, 조성물은 분무 후 바로 닦아주어야 하는 불편이 상존하며, 등록특허 제100909034호 김서림 방지용 원단이 제시된 바 있으나 조성물의 차이가 있으며 특히 그 김서림 방지 효과가 유리 시편에 닦은 후 26초 내지 33초가 지난 후에야 나타나며 조성물이며, 김서림 방지효능의 지속력에도 문제점이 있었다.
즉 안경 렌즈나, 차량유리에 닦는 즉시 김서림 방지 효과가 바로 나타나고, 잔흔감이 없고, 명시성이 좋으며, 원단을 장시간 보관한 후 사용할 때에도 김서림 방지기능이 유효하게 지속하는 휴대가 간편한 김서림 방지 효과를 지니는 김서림 방지 조성물 및 김서림 방지용 원단의 개발이 절실히 요구된다.
1. 국내 등록특허 제 100263094 호 (2000.05.12 )의 김서림 방지 조성물. 2. 국내 등록특허 제 100909034 호 (2009.7.16)의 김서림 방지용 원단.
본 발명의 목적은 위와 같은 종래의 문제점을 개선하고 김서림 방지효과를 개선, 장기간 지속하기 위한 것으로, 용매로 표면장력을 저감하는 알콜계 순수 물질은 이소프로필알콜과 1-옥탄올을 이용하고 이와 같이 혼합되는 계면활성제의 농도는 플루오르 계면활성제 5~10용량%로 조성되고, 실리콘 계면활성제 5~15용량%로 조성되는 표면장력 저감 물질을 이용한 김서림 방지용 조성물 제조방법 및 그 원단을 제공함으로써 김서림 방지 효과가 닦는 즉시 바로 나타나고 명시성이 우수하고 건조후 에 잔흔감이 없는, 더불어 장시간 여러번 사용후에도 그 효과가 유지되도록 하는 것이다.
위와 같은 목적으로 달성하기 위해 본 발명의 표면장력 저감물질을 이용한 김서림 방지 조성물 제조방법 및 그 원단은
저분자 물질의 용매로 사용하는 표면장력이 낮고 비등점이 높은 순수 알콜계 물질을 준비하는 제 1단계; 플루오르 계면활성제 또는 실리콘 계면활성제를 준비하는 제 2단계; 위와 같이 준비된 물질을 정제수와 적정비율로 혼합, 교반하여 김서림 방지용 조성물을 제조하는 제 3단계로 구성한다.
위 제 1단계의 순수 알콜계 물질은 이소프로필알콜과 1-옥탄올이며, 그 혼합농도는 각각 5 내지 20용량% 와 1 내지 5용량% 로 혼합하여 제조되는 것이 특징이다.
위 2종의 순수 알콜계 물질과 같이 혼합되는 계면활성제의 농도는 플루오르 계면활성제일때는 3~10 용량%로 혼합되고, 실리콘 계면활성제 일때는 5~15 용량%로 혼합하여 제조되는 것으로 구성한다.
한편, 위의 단계를 통해 제조된 김서림 방지용 조성물을 원단과 함침할때, 물과 혼합 희석되는 조성물의 농도는 1~3 용량% 로 하며, 위 원단을 김서림 방지용 조성물에 함침 처리한 후 120~140℃에서 2~3분간 건조, 가공하여 구성한다.
여기서 위 김서림 방지용 원단에 함유된 최종 계면 활성제의 농도는, 실리콘계 계면활성제를 혼합하는 경우에는, 2000 내지 2500ppm을 유지하고, 플루오르계 계면활성제는 1000 내지 1500ppm을 유지하여, 위와 같은 농도로 함침 처리된 원단의 고체 표면 마찰시에 응결되는 미세 물방울의 접촉각은 5~10°이고, 그 표면장력은 19 내지 24 mN/m를 가 유지됨으로써 김서림 방지 효과가 충분히 유지되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 표면장력을 저감하는 알콜계 순수 물질을 이용한 계면활성제 조성물로 함침한 원단은 CR-39와 같은 고체면의 표면장력을 낮추어 확장습윤성이 우수하여, 대상표면에 닦는 즉시 김서림 방지 효과가 나타나고, 명시성이 우수하며, 건조 후에 얼룩이 없을 뿐만 아니라, 장시간 여러번 사용 후에도 그 효과가 유지되는 우수한 김서림 방지용 조성물 제조 방법 및 그 원단이다.
도 1은 액체와 고체 사이의 접촉각 형성 이론을 나타낸 그림.
도 2는 액체 표면장력 측정용 DuNouy 링 ring 을 나타낸 사진.
도 3은 자동 접촉각 측정기 사진.
도 4는 half angle 방식 접촉각 측정을 나타낸 그림.
도 5는 김서림 방지 원단의 효과를 나타낸 사진.
도 6은 농도에 따른 실리콘 계면활성제와 플루오르 계면활성제의 표면장력 변화.
도 7은 안경 렌즈소재인 CR-39(allyl diglycol carbonate) 표면의 계면활성제의 농도에 따른 접촉각 변화.
본 발명의 김서림 방지 조성물을 제조함에 있어서,
저분자 물질의 용매로 사용하는 표면장력이 낮고 비등점이 높은 순수 알콜계 물질을 준비하는 제 1단계; 플루오르 계면활성제 또는 실리콘 계면활성제를 준비하는 제 2단계; 위와 같이 준비된 물질을 정제수와 적정비율로 혼합, 교반하여 김서림 방지용 조성물을 제조하는 제 3단계로 구성한다.
위 제 1단계의 순수 알콜계 물질은 이소프로필알콜과 1-옥탄올이며, 그 혼합농도는 각각 5 내지 20용량% 와 1 내지 5용량% 로 혼합하여 제조되는 것이 특징이다.
위 순수 알콜계 물질과 같이 혼합되는 계면활성제의 농도는 플루오르 계면활성제일때는 3~10 용량%로 혼합되고, 실리콘 계면활성제 일때는 5~15 용량%로 혼합하여 제조되는 것으로 구성한다.
한편, 위 김서림 방지용 조성물을 처리할 원단과 함침할때, 물과 혼합 희석되는 조성물의 농도는 1~3 용량%로 형성하며, 위 원단을 김서림 방지용 혼합 조성물에 함침한 후 120~140℃에서 2~3분간 건조, 가공하여 이루어지는 것이 특징이다.
여기서 위 김서림 방지용 원단에 함침된 계면 활성제의 농도는 실리콘 계면활성제를 혼합하는 경우에는, 2000 내지 2500ppm을 유지하고, 플루오르 계면활성제는 1000 내지 1500ppm을 유지하여, 위 원단의 고체 표면과 마찰시 응결되는 물방울의 접촉각은 5~10°를 이루고, 그 표면장력은 19 내지 24 mN/m가 됨으로써 김서림 방지 효과가 충분히 유지되도록 하는 것을 특징이다.
위 제조 1단계에서 준비되는 이소프로필알콜과 1- 옥탄올은 다른 어느 알콜성 용매보다 표면장력은 낮으면서 비등점이 높은 물질로서 이를 이용해 계면 활성제를 용해 후 원단에 처리시에 효과가 장시간 유지되어, 여러번을 반복 사용하면서, 장기간 지속적으로 사용할 수 있는 김서림 방지용 원단 제조에 적합한 물질이 된다.(도 6 참조)
즉 60일 이상 장기간에 걸쳐 여러번 닦을 경우에도 위의 2종의 알콜이 계면활성제를 일정농도 이상으로 함유하게 되어, 김서림 방지 효과도 유지되는 것이다.
위 제조 3단계에서 혼합되는 이소프로필알콜은 10~15용량%를 사용하는 것이 더욱 바람직하며, 1-옥탄올은 2~4용량%를 혼합, 용해하는 것이 더욱 바람직하다.
여기서, 1-옥탄올을 5용량% 이상 다량 첨가하여 계면 활성제와 혼합시 그 용액이 약간 흐리고, 원단제조 후 유리 고체 표면에 사용시에 잔흔감이 유발될 수 있다.
위의 이소프로필알콜 및 1-옥탄올을 선택된 계면 활성제와 함께 용해시, 혼합 농도에 따라서 용해도를 높이기 위해 간접 가온할 수도 있다.
그러나 여기서 사용한 순수한 이소프로필알콜은 용해성이 우수하여 상온에서도 교반 하는것 만으로도 충분히 용해가 가능하였다.
위 제조 3단계에서 계면 활성제의 용해를 돕기 위해 추가로 표면장력이 상대적으로 낮은 에탄올을 소량( 2~4 용량% )추가하여 조성물을 제조할 수도 있다.
에탄올 첨가로 초기 용해속도를 증가시킬 수는 있으나 첨가량에 따른 김서림 방지 효과가 증가하는 것은 알 수 없었다.
위 제조 3단계에서 순수 알콜계 물질과 같이 혼합되는 계면활성제의 농도는 플루오르 계면활성제를 사용하여 김서림방지 조성물을 제조할때는 3~10 용량%로 혼합하되, 더욱 바람직하게는 10~15 용량%를 사용하는 것이다.
따라서 완성된 위의 조성물을 산업 현장에서 원단이 함침처리 조건에 따라 정제수로 30배 내지 80배로 희석하여 사용하는바, 제조 공정중에 휘발 손실율을 감안하더라도, 접촉각이 10°이하로 형성할 수 있으며, 플루오르 계면활성제인 경우는 1000ppm 이상의 농도를 유지하고, 실리콘 계면활성제인 경우는 2000ppm 이상의 농도를 유지하게되어 충분한 확장습윤을 갖는 김서림 방지 원단이 제조 될수 있는 것이다.
또한, 위 제조 3단계에서 실리콘 계면활성제를 사용할 때는 10~15 용량%로 혼합하여 김서림 방지 조성물을 제조하는 것이 더욱 바람직하다.
여기서 용매로 이용하는 순수 이소프로필알콜은 15~20용량% 를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
한편, 위 김서림 방지용 조성물을 처리할 원단과 함침할때, 물과 혼합 희석되는 조성물의 농도는 1~3 용량%로 형성하며, 위 원단을 김서림 방지용 혼합 조성물에 함침한 후, 가공하여 이루어지는 것이 특징이다.
위의 물과 혼합 희석되는 조성물의 농도는 바람직하게는 2~3 용량%를 사용하며, 함침후 건조 온도 및 시간은 이 조건에 한정하지 않는다.
김서림 방지 원단의 공정 순서는 먼저 소정의 색과 재질로 염색,가공된 원단이 로라에 감겨 준비되고, 소정농도로 희석 용해된 본 발명의 계면활성제 조성물 용해조를 연속적으로 지나며 함침처리 된다.
이어서 롤러를 이동하며 수분을 어느 정도 제거하고 난 후, 열풍 온도조절 장치가 부착된 통상적인 텐터기를 연속통과 하면서, 열풍 건조 온도 120~140℃에서 2~3분간 연속건조되어 가공함으로써 만들어진다.
여기서 위 김서림 방지용 원단에 함침된 계면 활성제의 농도는 실리콘 계면활성제를 혼합하는 경우(1)에는, 2000 내지 2500ppm을 유지하고, 플루오르 계면활성제(2)는 1000 내지 1500ppm을 유지하여, 위 원단의 렌즈 등의 유리 고체 표면과 마찰시 응결되는 물방울의 접촉각은 바람직하게는 6~9°를 이루고, 그 표면장력은 바림직하게는 19 내지 22 mN/m가 됨으로써 확장습윤이 형성되어 김서림 방지 효과가 충분히 유지되도록 하는 것을 특징이다.
본 발명의 김서림 방지 조성물 제조 방법 및 그 원단은 표면장력 저감물질을 이용하여 고체 표면의 접촉각을 10°이하로 낮추어 줌으로써 유리표면의 미세 물방물의 확장 습윤(spreading wetting)이 효과적으로 이루어지고 김서림 방지 효과가 즉시 일어나고 명시성도 뛰어나다.
또한, 본 발명의 김서림 방지원단은 최장 60일까지도 김서림 기능을 나타내는 계면활성제의 1000ppm(1) 또는 2000ppm(2) 이상으로 그 농도가 유지됨으로써 장기간 지속적으로 사용 가능하다.
이하 본 발명의 김서림 방지가 가능한 조성물 제조 및 그 조성물로 함침 처리한 원단(천)의 보다 상세한 이론적 근거는 아래와 같다.
2.이 론
2.1 고체와 액체의 접촉각
고체의 표면특성을 예측하는데 사용되는 접촉각(θ)은 고체-액체-기체 상에서 고체 표면과 액체가 접촉하였을 때 일어나게 된다. 액체상이 기체상, 고체상과 평형 상태에 있을때는 도 1과 같이 나타낼 수 있으며, 이로부터 식 (1)을 얻을 수 있다
γLV cosθ = γSV -γSL (1)
cosθ= γSV -γSL /γLV (2)
로 나타낼 수 있다. 여기서, γSV 은 고체-기체 계면장력(m N m -1), γLV 는 액체- 기체 계면 장력이며( m N m -1), γSL는 고체- 액체간의 계면장력(m N m -1 ) 이다. 일반적으로 이식을 Young식 이라 하며, γLV cosθ를 점착장력(adhesion tension ) 이라 한다.
이 계에서 기체, 액체상과 평행 상태에 있는 고체 -기체의 계면장력 γSV 는 진공상태에서 고체 단위 면적당 자유 에너지 γS 와는 다르며, γS - Π 값을 지닌다.
여기서 Π는 액체상의 기체 흡착으로 야기되는 고체상의 단위 면적당 계면자유에너지의 감소치이다. 즉, Π는 γS - γSV 이며, 접촉각이 0보다 큰 균일한 고체 표면에서는 무시된다.
2.2 표면 과잉농도
고체와 액체의 접촉각은 고체- 액체 계면에서 계면활성제의 표면 과잉농도(ΓSL )를 결정하는데 사용되어 진다. Young식으로부터 식 (3)을 얻을 수 있다.
d(γLV cosθ )/dln C = d(γSV )/dln C - d( γSL) /dln C (3)
여기서, C는 계면 활성제 수용액의 농도(mole/l ) 이며, γSV 은 계면활성제의 농도에 따라 변하지 않는다고 가정하면 d(γSV )/dln C =0이다, 따라서 식(3)은 식( 4)와 같이 나타낼 수 있다.
d(γLV cosθ )/dln C = d( γSL) /dln C (4)
2.3 습윤(wetting)
도 1 에서 γSV 값이 γSL 값보다 커지는 경우에 액체가 고체표면으로 퍼져나가게 된다. 이것이 확장습윤이다. 식(1)과 식(2)에서와 같이 접촉각을 측정함으로써, γSV - γSL 값을 측정할 수 있고, 고체 표면에서 액체가 얼마나 퍼지는지를 알 수 있다.
3. 실험 시약 및 측정 방법
3.1 시약
연구에 사용된 시료는 다음과 같다. 1-propanol, 1-octanol, anionic fluorochemical surfactant, silicone surfactant이다. 이들은 모두 시약급으로 구입하여 사용하였다.
3.2 측정장치 및 측정 방법
표면장력 측정은 DuNouy ring 방법을 이용하였다. 각각 25℃에서 측정하였다. 사용하는 ring은 백금-이리듐 합금으로 시험에 앞서 아세톤, 증류수 순으로 2～3회 잘 씻고, 알코올버너로 태우고 다시 증류수로 씻은 후 건조시켜 사용하였다.
김서림 정도는 측정 시료를 천(원단)에 묻힌 후, 천을 이용하여 시료를 렌즈표면에 도포하고 수증기를 시료 도포면에 닿게 하여 흐림 또는 이슬 맺힘이 생길 때까지의 “반복횟수”를 측정하였다. 김서림 정도의 구별하기 위하여 렌즈의 반쪽을 천으로 5회 눌러 닦은 후에 측정하였다. 렌즈 밑에는 글자를 구별하기 위한 font 크기별 글을 써놓고 읽을 수 있는 font 크기로 명시성을 측정하였다.
접촉각 측정은 contact angle meter(Tantec Inc.)를 사용하였으며, 도 3의 실험장치와 같은 형태이다. 접촉각은 측정에 사용된 고체 표면은 안경렌즈의 고분자 물질과 같은 CR-39 (allyl diglycol carbonate)를 사용하여 측정하였다.
접촉각은 도 4에 있는 방법인 half angle 방법으로 측정하였다. 측정방법은 측정하고자 하는 액체를 표면(CR-39) 위에 미세 주사기를 사용하여 액체 액적을 떨어뜨려 contact angle meter에 부착된 각도계로 측정하였다. 오차를 최소화하기 위해 각각 20번 이상 측정하여 평균치를 취하였다.
또한, 표면위에 액적을 떨어뜨린 후, 정상상태에 도달한 1분 후에 측정하였다.
김서림 정도는 측정 시료를 천에 묻힌 후, 천을 이용하여 시료를 렌즈표면에 도포하고 수증기를 시료 도포면에 닿게 하여 흐림 또는 이슬 맺힘이 생길 때까지의 “반복횟수”를 측정하였다. 김서림 정도의 구별하기 위하여 렌즈의 반쪽을 천으로 5회 눌러 닦은 후에 측정하였다. 렌즈 밑에는 글자를 구별하기 위한 font 크기별 글을 써놓고 읽을 수 있는 font 크기로 명시성을 측정하였다.
결과 및 고찰
표 1은 순수 화학물질의 공기에 대한 표면 장력을 나타낸 것이다. 글리세롤과 물은 비등점도 높고 표면장력도 큰 물질로 안경표면에 김서림 현상을 일으키는 물질이다. 1-옥탄올은 비등점이 높지만 표면장력이 낮아 안경렌즈 표면에 오랫동안 존재하여 물이 묻었을 때에도 표면장력을 낮출 것이다.
그 이외의 물질들은 표면장력이 낮지만, 비등점이 낮아 표면에 오래 남아있지 못하고 공기로 빨리 날아가 김서림 방지 물질로 부적합하다. 이들 중에서 이소프로필알콜은 표면장력이 낮으며, 화장품의 향수로 쓰이고, 계면활성제의 용매로 쓰인다. 따라서 본 연구에서는 순수 화학물질 중에서 1-옥탄올과 이소프로필알콜을 선택하였다.
Figure 112015120917088-pat00001
4-2. 계면활성제 농도에 따른 표면장력
그림 6을 참조하여 2종의 계면활성제 농도에 따른 표면장력을 설명하면 아래와 같다.
그림 6은 물 중의 Fluoro-surfactant와 Silane-surfactant의 농도에 따른 표면장력을 보여준다. Fluoro-surfactant는 1000 ppm 보다 높은 용액이 될 때에 표면장력이 25.0 mN/m 이 된다.
Silane-surfactant는 2000 ppm 보다 높은 용액이 될 때에 표면장력이 25.0 mN/m 이 된다.
여기에서 보는 바와 같이 Fluoro-surfactant가 Silane-surfactant보다 표면장력을 효과적으로 낮추는 역할을 하지만, Fluoro-surfactant의 가격이 Silane-surfactant보다 3배 이상으로 가격이 비싸다. Fluoro-surfactant는 고급형 김서림 방지 원단(천)에 적합하다.
Fluoro-surfactant와 Silane-surfactant는 2500 ppm 이상에서는 농도가 아무리 높아도 표면장력이 줄지 않는다. 즉, 2500 ppm 이상의 농도는 항상 동일한 표면장력을 유지한다.
실제로 김서림 방지 천을 제작할 때에도 Fluoro-surfactant와 Silane-surfactant의 농도가 2500ppm 이상이 되도록 하는 것은 표면장력을 낮추는 데 아무런 역할을 못할 것이다.
이렇게 표면장력을 감소시키는 역할을 하는 Fluoro-surfactant와 Silane-surfactant는 안경 표면에 수증기가 응축될 때 수증기의 표면장력을 72.4 mN/m 에서 25 mN/m 이하로 낮추어 습윤확장이 가능하게 한다.
이러한 습윤확장은 김서림 방지를 가능하게 한다.
4-3 접촉각 측정
도 7은 안경 렌즈소재 CR-39(allyl diglycol carbonate)표면 위에서 계면활성제의 농도에 따른 접촉각을 보여준다. 1200 ppm 보다 높은 용액이 될 때에 표면에 용액이 퍼져 나가 접촉각은 10°이하로 되고 더 이상 측정이 불가능하다. 초기농도에서 1200 ppm 농도까지는 지속적으로 접촉각이 감소하다가 1200 ppm 이상이 되면 접촉각은 더 이상 줄어들지 않는다.
즉 1200 ppm 이상의 농도에서는 접촉각이 10° 이하가 되고, 표면에 형성된 물방울의 완전 확장(퍼짐) 현상이 일어난다. 따라서 최소 계면활성제의 농도가 1200 ppm 이상으로 유지시키는 것이 우수한 김서림 방지 천을 제조하는데 중요한 역할을 한다.
5. 결론
1-옥탄올과 이소프로필알콜은 김서림 방지 물질로 적합하며, Fluoro-surfactant와 Silane-surfactant의 용매로 쓰인다. Fluoro-surfactant와 Silane-surfactant는 김서림 방지제로 적절하며 Fluoro-surfactant는 1000 ppm 보다 높은 용액에서 그리고 Silane-surfactant는 2000 ppm 보다 높은 용액에서 표면장력을 25 mN/m 이하로 낮출 수 있다. 안경렌즈로 쓰이는 CR-39(allyl diglycol carbonate)표면 위에서 surfactant의 농도가 1200 ppm 이상이 되면 완전 퍼짐 현상이 일어난다.하게 한다.
아래와 같은 실시예를 들어서 본 발명의 내용을 구체화하고자 한다.
실시예
위와 같은 목적을 달성하기 위해서 전체 혼합 조성물의 용량이 100(v/v)%가 되도록 실시예1 내지 5의 김서림 방지 조성물을 1000ml 씩을 제조하였다.
우선 상온의 정제수를 비이커에 정량 채우고 그 위에 순수 알코올류 2 종류(순도:98% 이소프로필알콜과 1-옥탄올)를 일정량씩 채취하고 차례로 혼합한 다음 플루오르 계면활성제는 3, 5, 10용량%를 첨가하고, 실리카 계면활성제는 10용량% 와 15용량%를 채취하고 첨가한 다음, 소형 교반날개가 부착된 교반기로 200rpm 속도로 3~4분간 교반하여 계면활성제를 충분히 용해 시킨다.
계면 활성제의 용해 시에 용해 시간을 줄이기 위해 조건에 따라 약간씩 간접 가온처리할 수도 있다.
실시예는 아래 표 2와 같이 5가지로 조성물을 구성하고, 실시예 1,2,3은 플루오르 계면활성제의 양을 3, 5, 10 용량%로 차례로 증가하면서 그 특성을 보기 위한 것이고, 실시예 4와 5는 실리콘 계면활성제의 농도를 10 에서 15 용량%로 증가하며 농도별 특성을 보기 위한 것이다.
실시예의 김서림 방지 조성물
조성비 (용량%) 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5
이소
프로필알콜		 10 15 20 10 20
옥탄올
 2 2 2 4 4
플루오르
계면활성제		 3 5 10 0 0
실리콘
계면활성제		 0 0 0 10 15
에탄올 0 0 2 4 2
정제수 85 78 66 72 59
비교예
실시예와 김서림 방지 효과를 비교하기 위해서 전체 혼합 조성물의 용량이 100(v/v)%가 되도록 비교예 1 내지 2의 각 조성물을 1000ml 씩을 제조하였다.
비교예에서 보는 바와 같이 표면장력이 상대적으로 낮은 에탄올을 소량( 2~4용량% )추가하여 조성물을 제조하였다.
비교예는 실리콘 계면활성제에 에탄올을 첨가하여 2가지로 조성물을 제조하여 각 조성물의 김서림 방지효과를 살펴 보았다.
비교예는 표 3과 같이 조성하며, 비교예 1은 이소프로필알콜을 15 용량%와 1-옥탄올 4용량%, 에탄올 2용량%를 혼합하고 여기에 실리카 계면활성제 2 용량%와 정제수를 넣고 교반, 혼합하여 제조하고, 비교예 2는 이소프로필알콜을 20 용량%와 1-옥탄올 5용량%, 에탄올 4용량%를 혼합하고 여기에 실리콘 계면활성제 4용량%와 정제수를 넣고 충분히 교반, 혼합하여 제조하였다.
비교예의 김서림 방지 조성물
조성비(용량%) 비교예 1 비교예 2
이소프로필알콜 15 15
1-옥탄올 4 5
플루오르
계면활성제		 0
실리콘
계면활성제		 2 4
에탄올 2 4
정제수 77 72
측정실험 예
위에서 준비된 각 실시예와 비교예로 구성된 조성물 각 20ml을 채취해 일정비율로 희석한 후 유리 비이커에 담고, 무색의 사각형 극세사 천(원단 절단한 것)을 3~4분간 충분히 함침시킨 뒤 핀셋트로 꺼집어 내어 물기를 제거하고, 드라이기로 말려서 실험용 김서림 방지 천을 준비하고 실험하였다.
별도로 깨끗한 안경렌즈 CR-39 6개를 준비하여 위의 실시예 및 비교예의 희석된 조성물을 함침 처리한 김서림 방지천을 이용해서 4~5회 문지른 다음, 인위적으로 렌즈 1면에 스팀을 분사시켜 표면장력과 접촉각, 김서림 방지효과와 명시성, 잔흔감을 측정하였다.
실시예와 비교예의 각 측정 항목별 실험결과는 아래 표 4에 나타내었다.
실시예 및 비교예의 각 측정 항목별 검사 결과
조성비 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 비교예1 비교예2
표면장력(mN/m) 24.2 22.5 21.0 23.4 21.6 26.8 27.5
접촉각(°) 10.1 8.5 7.2 10.2 8.8 12.2 12.5
김서림 방지효과 ++ +++ ++++ ++ +++ ++ ++
잔흔감
 * - - - - ** **
명시성
(font크기)		 6 4 3 8 3 20 30
김서림 방지효과는 (++++ :최우수), (+++:우수), (++: 보통), (+ : 미약)의기준으로 각각 표시하였으며, 위 조성물이 함침 처리된 김서림 방지천을 유리 고체(렌즈) 표면에 닦고 시간이 경과후 건조가 된 상태에서 고체면에 남아있는 잔흔감은 (-: 없음), (*: 약간), (**: 보통), (***: 많음)으로 표시하였다.
표 4에서 나타낸 바와 같이 플루오르 계면활성제를 사용한 실시예 2와 실시예 3의 조성물은 표면장력이 대폭 저감되어, 표면장력이 22.5 와 21.0으로 측정되었고, 접촉각도 8.5° 와 7.2°로 측정되어 10°도 아래로 떨어졌음을 알 수 있었다.
또한, 김서림 방지 효과가 닦는 즉시 바로 나타나고 명시성이 아주 우수하게 나타났다.
표 4에서 나타난 대로 김서림 방지 효과도 우수(+++)와 최우수(++++)로 양호한 결과를 보였다.
실리카 계면활성제를 사용한 실시예 4와 실시예 5의 조성물은 표 4에서 보는 바와같이 표면장력이 대폭 저감되어 표면장력이 23.4 와 21.6으로 측정되었고, 접촉각도 10.2°와 8.8°로 측정되어 플루오르 계면활성제 첨가한 것보다 다소 높은 수치를 보여 김서림 방지는 약간 낮음을 알 수 있었다. 이에 따라 김서림 방지 효과도 보통(++)와 우수(+++)로 측정되었다.
수증기가 마른 후 유리 고체 표면에 잔흔감은 실시예 1에서 약간(*)으로 측정되었다.
비교예 1과 비교예 2는 실리카 계면활성제를 3종의 알콜 용매와 혼합한 것으로 실시예와 비교할 때 표면장력과 접촉각이 다소 높았으며, 명시성이 상대적으로 크게 떨어지고, 잔흔감도 보통(**)으로 측정되었다. 김서림 방지 효과도 보통(++)으로 나타났다.
실시예 3과 5의 조성물의 김서림 방지효과 지속력 측정
우수한 김서림 방지 효과를 나타내는 것으로 나타난 실시예 3과 실시예 5의 조성물을 처리한 원단을 포장용 비닐에 밀봉한 뒤, 위의 2종의 조성물의 김서림 방지효과 지속력 측정하기 위해 김서림 방지 원단을 각각 30일과 60일이 지난 후에 안경 렌즈와 같은 유리소재의 표면을 5회 마찰 후 표면장력과 접촉각, 김서림 방지효과를 측정한 결과는 아래 표 5과 같다.
보관 기간 경과별 측정 항목 검사결과
조성비 실시예3 실시예5
표면장력(mN/m) 23.2 23.5 22.5 23.6
접촉각(° ) 9.4 10.2 9.8 10.1
김서림 방지효과 +++ ++ +++ +++
경과일수 30일 60일 30일 60일
즉 실시예 3은 30일, 60일 경과후에도 표면장력과 접촉각이 각각 23.2와 23.5로 측정되어 25 이하를 유지하였고, 접촉각도 다소 증가는 하였으나 확장습윤이 효과적으로 이루어지는 접촉 각도인 9.4 °와 10.2°로 측정되었고 김서림 방지효과도 유지됨을 알 수 있었다.
김서림 방지효과는 30일 지난 시점에서도 우수(+++)를 보였으나, 60일 경과시에는 김서림 방지효과가 다소 저하되어 보통(++)으로 측정되었다.
즉, 위 실시예 3과 5의 조성물이 함유된 원단은 보관 후 30일과 60일이 지나도 여전히 김서림 제거 및 방지 효과가 바로 나타났고 유지되었다고 판단된다.
실시예 5의 경우 각각 30일과 60일 경과 후에 표면장력과 접촉각이 각각 22.5와 23.6로 측정되어 김서림 방지효과가 우수(+++)하게 측정되어 그 효과가 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 접촉각은 30일 경과 후 9.8°로 측정되어 10°보다 낮은 양호한 값으로 측정되어 렌즈같은 고체 표면위에서 미세 물방울의 완전확장 (퍼짐) 현상이 가능한 것으로 나타났다.

Claims (5)

  1. 김서림 방지 조성물을 제조함에 있어서,
    저분자 물질의 용매로 사용하는 표면장력이 낮고 비등점이 높은 순수 알콜계 물질을 준비하는 제 1단계;
    플루오르 계면활성제 또는 실리콘 계면활성제를 준비하는 제 2단계; 및
    위와 같이 준비된 물질을 정제수와 적정비율로 혼합, 교반하여 김서림 방지용 조성물을 제조하는 제 3단계로 구성되고,
    위의 순수 알콜계 물질은 이소프로필알콜과 1-옥탄올이며, 그 혼합농도는 각각 5 내지 20용량% 와 1 내지 5용량% 로 혼합하여 제조되며,
    위 순수 알콜계 물질과 혼합되는 각 계면활성제의 농도는, 플루오르 계면활성제일때는 3~10용량%로 혼합되고, 실리콘 계면활성제 일때는 5~15 용량%로 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 표면장력 저감물질을 이용한 김서림 방지용 조성물 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    위의 김서림 방지용 조성물에 처리할 원단을 함침할 때 물과 혼합되는 조성물의 농도는 1~3 용량%을 사용하며,
    위의 원단을 김서림 방지용 위의 조성물에 처리한 후 120~140℃에서 2~3분간 건조, 가공하여 형성하는 것을 특징으로 하는 표면장력 저감물질을 이용한 김서림 방지용 조성물 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    위 김서림 방지용 원단에 함유된 계면 활성제의 농도는 플루오르 계면활성제를 이용한 경우에는 1000 내지 1500ppm을 유지하고 실리콘 계면활성제를 이용한 경우에는 2000 내지 2500ppm을 유지하도록 형성하며,
    위의 원단의 고체 표면과 마찰시 응결되는 물방울의 접촉각은 5~10°를 이루고, 그 표면장력은 19 내지 24 mN/m가 됨으로써 김서림 방지 효과가 충분히 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 표면장력 저감물질을 이용한 김서림 방지용 조성물 제조방법.
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