KR20180008384A - 비-불소화된 수계 초소수성 표면 - Google Patents

비-불소화된 수계 초소수성 표면 Download PDF

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Abstract

초소수성 표면은 비-불소화된 수계 조성물로 처리된 기재를 포함하되, 조성물은, 불소가 없는 소수성 성분, 친수성 필러 입자, 및 물을 포함하고, 여기서 필러 입자는 금속 산화물 나노입자이고, 여기서 소수성 성분은 수성 분산액 내에 있다. 또한, 초소수성 표면은 비-불소화된 조성물로 처리된 기재를 포함하되, 조성물은, 불소가 없는 소수성 중합체, 필러로서의 이산화티탄 나노입자, 및 물을 포함한다. 추가적으로, 초소수성 표면은 비-불소화된 조성물로 처리된 기재를 포함하되, 조성물은, 불소가 없는 소수성 중합체; 필러로서의 이산화티탄 나노입자, 및 물을 포함하고, 여기서 소수성 중합체는 폴리올레핀을 포함하고, 여기서 이산화티탄 나노입자는 루틸 이산화티탄, 아나타제 이산화티탄, 또는 루틸 이산화티탄과 아나타제 이산화티탄의 혼합물이다.

Description

비-불소화된 수계 초소수성 표면
본 발명은, 수계 비-유기(water-based, non-organic) 용제를 가한 조성물로 처리하는 경우 초소수성을 나타내는 표면에 관한 것이다.
초소수성 표면은 150°를 초과하는 부동 수접촉각을 나타낸다. 또한, 그 표면이 10° 미만의 수적(water droplet) 롤-오프(슬라이딩) 각을 나타내면, 표면은 "자기세정(self-cleaning)"되는 것으로 간주한다. 성질상, 연잎(lotus leaf)이 이러한 특성을 나타낸다(소위 연잎 효과). 직물, 부직포, 셀룰로오스 티슈, 중합체 필름 등의 대부분의 인조 물질들은 이러한 특성이 있는 표면을 갖지 않는다. 현재, 비-초소수성 표면을 개질해서 연잎 효과를 달성하는 데에는 여러 가지 방법이 있다. 한 가지 방법은 (단량체, 공-단량체 등을 사용하여) 비-초소수성 물질의 모든 노출된 표면 상에 소수성 중합체(들)을 그래프트하는 것이다. 이러한 방법은 물질을 그 물질의 두께 전체에 걸쳐 초소수성으로 만드는데, 이는 대부분의 경우 바람직하지 않을 수 있다. 또한, 이는 비용 효과적이지 않아서, 연속 생산에 이용될 수 없으며, 바람직하지 않은 환경 문제를 야기할 수 있다.
생체-모방형(bio-inspired) 초소수성 표면 처리를 위한 수계 비-불소화된 제형의 개발 및 구현은 통상적으로 그들의 합성과 관련된 나쁜 환경 영향을 크게 감소시킬 수 있다. 과거 수십년 동안, 이러한 초소수성 표면에 대한 많은 접근법이 개발되어 왔는데, 이는 일반적으로 강력한 유기 용제, 복잡한 처리 방법, 및/또는 환경적으로 바람직하지 않은 불소화된 화학물질을 필요로 한다. 또한, 다수의 입증된 방법은, 환경에 대한 부정적인 결과뿐만 아니라, 충분히 낮은 비용으로 대면적의 유체 발수성 표면을 경제적으로 제조하는 것이 불가능하다는 것 때문에, 실제로 상업적인 응용분야에서는 대규모로 관련되어 있지 않다. 스프레이-캐스팅(spray-casting) 또는 사이즈 프레스 코팅(size press coating)과 같은 대면적 접근법을 통해 발액성을 부여하는 것은 저비용 및 기재-독립적 유체 관리에 실용적인 것으로 보여져 왔다. 이전에, 마찬가지의 수계 및 비-불소화된 초소수성 제형은 박리된 그래파이트 나노플라트렛(GNP, 다층 그래핀이라고도 알려짐)을 통해 나노미터-규모의 거칠기를 달성하는 것으로 나타났고; 불행하게도, 이 제형은 불투명하고 어두운 색상을 가지고 있어, 많은 상업적인 응용분야에서 그의 다목적성을 제한하고 있다. 더욱 중요하게는, 이러한 접근법은 현탁 안정성(suspension stability)을 개선하기 위해 pH 조절이 필요했다.
표준 접근법은 특정하게 제형된 액체 분산액을 표면 상에 코팅하는 것이다. 후속 건조시, 나노 구조의 초소수성 필름이 형성된다. 이러한 방안을 이용하려면, 증착된 필름이 초소수성 표면의 화학적 및 물리적 형태 특징을 나타내야 한다. 첫째, 상기 제형은 적어도 한 개의 저 표면 에너지(즉, 소수성) 성분을 필요로 하고, 둘째, 처리된 표면은 바람직하게는, 수 길이-규모인 마이크로-거칠기와 나노-거칠기 특성에 걸쳐 연장되는, 거친 표면 질감을 가져야 한다. 초소수성 표면을 달성할 수 있는 다양한 제형된 분산액이 존재하지만, 순수하게 수계는 거의 없으며 일반적으로 표면 에너지를 감소시키기 위해 유해한 불소화 화합물을 함유한다.
저가 대면적 초소수성 코팅 처리는, 효율적인 발액성(liquid repellency)을 얻기 위해 수동적 수단을 필요로 하는 많은 응용분야들에 있어서 대단한 가치가 있다. 많은 응용분야들을 고려할 수 있지만, 이러한 처리의 고 비용 또는 저 내구성으로 인해 단지 몇 가지만 실현가능하다. 최근에는, 중합체 입자 분산액의 스프레이 증착이 저가 대면적의 내구성 있는 초소수성 복합 코팅을 생산하기 위한 뛰어난 수단으로서 입증되었지만, 초소수성 코팅의 스프레이 증착에 사용되는 분산액은 일반적으로 강력한 용제 또는 휘발성 용제를 함유한다. 용제는 중합체의 중합체의 습식 처리 및 소수성 나노입자의 분산에 필요하며, 따라서, 화학적 취급 비용 증가와 안전성 문제로 인해 대량 사용을 막고 있다. 이 문제점은 용제를 물로 교체함으로써 극복될 수 있지만, 이러한 상황은, 수성 분산액으로부터 고 발수성 코팅을 생산한다는 점에서 역설적이다.
또한, 이러한 코팅은 일반적으로 불소중합체(fluoropolymer)를 함유한다. 저 표면 에너지 불소중합체 (예, 플루오로아크릴 공중합체, 폴리(테트라플루오로에틸렌) 등)가 통상적으로 제형 내로 혼입되어서 발액성을 달성하게 된다. 그러나, 이들의 생체-지속성에 대한 우려로 인해 이러한 화학 물질을 제거하도록 추진되었다. 불소중합체 열화의 부산물, 예를 들어, 생체축적되는 기록된 능력을 갖는 장쇄 과불소화산(perfluorinated acid; PFA)의 문제점, 및 모계 농도의 PFA가 인간 자손에 끼칠 수 있는 잠재적 악영향으로 인해, 불소중합체의 사용과 제조에 있어서 변화가 발생하게 되었다. 특정한 관심을 갖는 한 가지 흔한 PFA는 과불소화옥탄산(perfluorooctanoic acid; PFOA)이다. 2006년에, EPA는, PFOA(과불소화옥탄산) 관리 프로그램을 도입하였으며, PFOA로 분해될 수 있는 전구체 화학 물질을 제거하는 데 동참할 것을 8개의 주요 불소중합체 및 텔로머 제조사에 요청하였으며; 한 경우에, DuPont은 소위 단쇄 화학제를 소개하였으며, 이에 의해, PFOA의 열화를 피하기 위해 중합체 내의 과불소화 사슬의 길이가 임계값 미만으로 유지된다. 다른 응용분야에서는, 인간 신체와 지속적으로 접촉한 상태로 되는 산물에서든지 또는 소모 후 매립될 일회용 아이템에서 불소중합체 사용을 최소화해야 한다.
수인성 수계 접근법을 사용하여 불소화 화합물에 대한 필요성을 없애고, 산화티탄 (TiO2) 나노입자를 혼입함으로써 차후의 pH-조절을 필요로 하지 않는 반투명-백색 초소수성 표면 처리를 가능하게 했다. 이 새롭고 환경 친화적인 복합물은 본원에서 그 단순성, 효율성 및 다양성 덕분에 수많은 유체 관리 응용분야에서 잠재적 가능성이 있는 것으로 특징지어진다.
많은 안전, 건강, 경제, 및 환경 이슈들을 위해서는, 상업적 규모 생산에 관한 경우 분산액이 완전히 수성-계인 것이 중요한데, 이는 유기 용제 및 불소중합체의 사용에 연관된 우려를 줄이기 때문이다.
대 면적 표면 개질이 가능한 반투명-백색, 수계 및 전적으로 불소-미함유인 초소수성 제형의 존재는 문헌 및 상업적 응용분야에서 부족했으며, 이러한 이유 때문에 개발되어 본원에서 특징지워진다.
본 발명은, 비-불소화된 수계 조성물로 처리된 기재를 포함하는 초소수성 표면에 관한 것으로서, 상기 조성물은, 불소가 없는 소수성 성분; 친수성 필러 입자; 및 물을 포함하고, 여기서 상기 필러 입자는 금속 산화물 나노입자이고, 여기서 상기 소수성 성분은 수계 분산액 내에 있다.
또한 본 발명은, 비-불소화된 조성물로 처리된 기재를 포함하는 초소수성 표면에 관한 것으로서, 상기 조성물은, 불소가 없는 소수성 중합체, 필러로서의 이산화티탄 나노입자, 및 물을 포함한다.
또한 본 발명은, 비-불소화된 조성물로 처리된 기재를 포함하는 초소수성 표면에 관한 것으로서, 상기 조성물은, 불소가 없는 소수성 중합체; 필러로서의 이산화티탄 나노입자; 및 물을 포함하고, 여기서 상기 소수성 중합체는 폴리올레핀을 포함하고, 여기서 이산화티탄 나노입자는 루틸 이산화티탄, 아나타제 이산화티탄, 또는 루틸 이산화티탄과 아나타제 이산화티탄의 혼합물이다.
본 발명의 전술한 및 다른 특징들 및 측면들과 그것들을 얻는 방식은 보다 명백해질 것이고, 그 발명 자체는 다음의 설명, 첨부된 청구범위 및 수반되는 도면을 참조로 하여 더 잘 이해될 것이며, 여기에서:
도 1a은 21nm 혼합-상(mixed-phase) TiO2(루틸 및 아나타제)의 고배율 투과 전자 현미경(TEM) 이미지를 도시하고;
도 1b는 10nm를 나타내는 스케일 바(scale bar)를 가지는 아나타제 TiO2의 고배율 TEM 이미지를 도시하고;
도 2는 1개월 보관 후 물 속의 음파처리된(sonicated) TiO2 입자의 20ml 바이알을 도시하는 것으로, 좌측 바이얼은 21nm 평균 입자 크기를 가지는 혼합-상 TiO2를 포함하는 한편, 우측 바이얼은 25nm 평균 입자 크기를 가지는 주로 아나타제-상 TiO2를 포함하고;
도 3a는 아나타제 TiO2를 함유하는 TiO2 복합물의 저배율 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 도시하고;
도 3b는 아나타제 TiO2를 함유하는 TiO2 복합물의 고배율 SEM 이미지를 도시하고;
도 3c는 21nm 평균 입자 크기를 가지는 혼합-상 TiO2를 사용하는 TiO2 복합물의 저배율 SEM 이미지를 도시하고;
도 3d는 21nm 평균 입자 크기를 가지는 혼합-상 TiO2를 사용하는 TiO2 복합물의 고배율 SEM 이미지를 도시하고;
도 3e는 100nm 평균 입자 크기를 가지는 루틸과 아나타제 TiO2의 혼합물을 사용하는 TiO2 복합물의 저배율 SEM 이미지를 도시하고;
도 3f는 100nm 평균 입자 크기를 가지는 루틸과 아나타제 TiO2의 혼합물을 사용하는 TiO2 복합물의 고배율 SEM 이미지를 도시하고;
도 4a는 최적의 비율을 결정하기 위한 나노입자 하중의 범위를 가지는 아나타제 TiO2 복합물의 표면에 도입된 수적(water droplet)의 거동(접촉각의 관점에서)을 도시하고;
도 4b는 최적의 비율을 결정하기 위한 나노입자 하중의 범위를 가지는 혼합-상 TiO2 복합물의 표면에 도입된 수적의 거동(접촉각의 관점에서)을 도시하고;
도 4c는 최적의 비율을 결정하기 위한 나노입자 하중의 범위를 가지는 혼합된 아나타제와 루틸 TiO2 복합물의 표면에 도입된 수적의 거동(접촉각의 관점에서)을 도시하고;
도 5는 시카고 일리노이 대학(UIC) 엔지니어링 로고가 코팅된 슬라이드 아래에 보이고 그 코팅이 초소수성 코팅의 수적 비딩(water droplet beading)(물이 시각화를 위해 염색됨) 특징을 유도하는 것으로 보이는 유리 슬라이드 상의 코팅의 반투명-백색 성질을 도시하고 있다.
본 명세서 및 도면에서 참조 문자의 반복적인 사용은 본 개시의 동일하거나 유사한 특징 또는 요소를 나타내기 위해 의도된다. 도면은 대표적인 것이고 반드시 일정 축척으로 도시되어야 하는 것은 아니다. 도면의 특정 비율은 과장될 수 있는 반면, 다른 부분은 최소화될 수 있다.
모든 퍼센트는 특별히 달리 언급하지 않는 한 총 고형 조성물의 중량 기준이다. 모든 비는 특별히 달리 언급하지 않는 한 중량비이다.
"초소수성(superhydrophobic)"이라는 용어는 매우 효과적으로 발수하는 표면의 특성을 가리킨다. 이 특성은 150°를 초과하는 수접촉각에 의해 정량화된다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "소수성"이라는 용어는, 약 90° 내지 약 120°의 수접촉각으로 발수하는 표면의 특성을 가리킨다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "친수성"이라는 용어는, 약 90° 미만의 수접촉각을 갖는 표면을 가리킨다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "자기세정"이라는 용어는, 경사면 상의 물 롤-오프 각이 10° 미만인 발수 특성을 가리킨다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "혼합-상"이라는 용어는, 루틸 및 아나타제 TiO2 나노입자의 혼합물을 의미한다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "부직포 웹" 또는 "부직포"이라는 용어는, 인터레이드되지만 편직물에서와 같이 식별가능한 방식은 아닌 개별적인 섬유들 또는 스레드들(threads)의 구조를 갖는 웹을 의미한다. 부직포 웹은, 예를 들어, 멜트블로잉 공정, 스펀본딩 공정, 에어-레잉 공정, 코포밍 공정, 및 본디드 카디드 웹 공정 등의 많은 공정들로부터 형성되었다. 부직포 웹의 평량은 일반적으로 제곱야드당 물질의 온스(osy) 또는 제곱미터당 그램(gsm)으로 표현되며, 섬유 직경은 일반적으로 마이크로미터(μm)로 표현되고, 또는 스테이플 섬유의 경우엔 데니어(denier)로 표현된다. osy로부터 gsm으로 변환하려면 osy를 33.91로 승산한다는 점에 유의한다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "스펀본드 섬유"라는 용어는 분자 배향 중합체 물질의 소직경 섬유를 가리킨다. 스펀본드 섬유는, 용융된 열가소성 물질을, 압출된 섬유의 직경을 갖는 스피너렛(spinneret)의 복수의 미세한 일반적으로 원형인 모세관으로부터 섬유로서 압출한 후 빠르게 감소시킴으로써 형성될 수 있으며, 예를 들어, Appel 등의 미국특허 4,340,563, Dorschner 등의 미국특허 3,692,618, Matsuki 등의 미국특허 3,802,817, Kinney의 미국특허 3,338,992와3,341,394, Hartman의 미국특허 3,502,763, Dobo 등의 미국특허 3,542,615, 및 Pike 등의 미국특허 5,382,400에서 알 수 있다. 스펀본드 섬유는 수집면 상에 증착되는 경우 일반적으로 끈적거리지 않으며 일반적으로 연속적이다. 스펀본드 섬유의 직경은 흔히 약 10μm 이상이다. 그러나, (약 10μm 미만의 평균 섬유 직경을 갖는) 미세한 섬유 스펀본드 웹은, 일반 양도된 Marmon 등의 미국특허 6,200,669와 Pike 등의 미국특허 5,759,926에 개시되어 있는 방법들을 포함하는 다양한 방법들에 의해 달성될 수 있지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다.
멜트블로운 부직포 웹은 멜트블로운 섬유로부터 제조된다. 본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "멜트블로운 섬유'라는 용어는, 용융된 열가소성 물질을, 복수의 미세한 일반적으로 원형의 다이 모세관을 통해, 그 용융된 열가소성 물질의 필라멘트를 감쇠시켜 필라멘트의 직경을 마이크로섬유 직경까지 감소시킬 수 있는 일반적으로 고속 고온의 수렴 가스(예를 들어, 공기) 스트림 내에 스레드 또는 필라멘트로서 압출함으로써, 형성되는 섬유를 의미한다. 그런 다음 멜트블로운 섬유는 고속 가스 스트림에 의해 운반되고 수집 표면 위에 쌓여서 무작위 분산된 멜트블로운 섬유 웹이 형성된다. 이러한 공정은, 예를 들어, Buntin의 미국 특허번호 제3,849,241호에 개시되어 있다. 멜트블로운 섬유들은, 연속적 또는 비연속적일 수 있으며, (적어도 10의 샘플 크기를 사용하는) 평균 직경이 일반적으로 10μm 미만이며, 수집면 상에 증착되는 경우 일반적으로 끈적이는 마이크로섬유들이다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "중합체"라는 용어는, 일반적으로, 호모중합체, 공중합체, 예를 들어, 블록, 그래프트, 랜덤 및 교번 공중합체, 테르중합체 등, 및 이들의 블렌드와 개질물을 포함하지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다. 게다가, 특별히 달리 언급하지 않는 한, "중합체"라는 용어는 분자의 모든 가능한 기하학적 구성을 포함한다. 이러한 구성들은 동일배열, 교대배열 및 랜덤 대칭성을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "다성분 섬유"라는 용어는, 개별적인 압출기들로부터 압출되었지만 이러한 섬유를 형성하도록 함께 스핀된 적어도 두 개의 중합체로 형성된 섬유나 필라멘트를 가리킨다. 또한, 다성분 섬유는 때때로 "컨쥬게이트" 또는 "이성분" 섬유나 필라멘트라 한다. "이성분"이라는 용어는, 섬유를 구성하는 두 개의 중합체 성분이 있음을 의미한다. 비록 동일한 중합체로부터 컨쥬게이트 섬유들을 제조할 수 있지만, 예를 들어, 용융점, 유리 전이 온도 또는 연화점 등의 일부 물성에 있어서 각 상태에서의 중합체가 서로 다르다면, 중합체들은 일반적으로 서로 다르다. 모든 경우에, 중합체들은 다성분 섬유들 또는 필라멘트들의 단면에 걸쳐 실질적으로 일정하게 위치하는 별개의 구역들에 배열되며, 다성분 섬유들 또는 필라멘트들의 길이를 따라 연속적으로 연장된다. 이러한 다성분 섬유의 구성은, 예를 들어, 하나의 중합체가 다른 하나의 중합체에 의해 둘러싸이는 시스/코어 배열, 나란한 배열, 파이 배열, 또는 "바다 속 섬들"(islands-in-the-sea) 배열일 수 있다. 다성분 섬유들은, Kaneko 등의 미국특허 제5,108,820호, Strack 등의 미국특허 제5,336,552호, 및 Pike 등의 미국특허 제5,382,400호에 교시되어 있다. 이성분 섬유 또는 필라멘트에 대하여, 중합체들은 75/25, 50/50, 25/75의 비로 또는 다른 임의의 원하는 비로 존재할 수 있다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "다구성성분 섬유들(multiconstituent fibers)”이라는 용어는, 동일한 압출기로부터 블렌드 또는 혼합물로서 압출된 적어도 두 개의 중합체로 형성된 섬유들을 가리킨다. 다구성성분 섬유들은, 섬유의 단면적에 걸쳐 비교적 일정하게 위치하는 별개의 구역들에 배열되는 다양한 중합체 성분들을 갖지 않으며, 다양한 중합체들은, 섬유의 전체 길이를 따라 일반적으로 연속적이지 않으며, 대신에 일반적으로 랜덤하게 시작 및 종료되는 피브릴이나 프로토피브릴을 형성한다. 이러한 일반적인 유형의 섬유는, 예를 들어, Gessner의 미국특허 제5,108,827호 및 제5,294,482호에 개시되어 있다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "실질적으로 연속적인 섬유"라는 용어는, 스테이플 섬유의 길이보다 긴 길이를 갖는 섬유를 의미하려는 것이다. 이 용어는, 스펀본드 섬유 등의 연속적인 섬유들 및 연속적이지는 않지만 약 150mm를 초과하는 정의된 길이를 갖는 섬유들을 포함하려는 것이다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "스테이플 섬유"라는 용어는 일반적으로 약 0.5 내지 약 150mm 범위의 섬유 길이를 갖는 섬유를 의미한다. 스테이플 섬유는 셀룰로오스 섬유 또는 비-셀룰로오스 섬유일 수 있다. 사용할 수 있는 적절한 비-셀룰로오스 섬유의 일부 예는, 폴리올레핀 섬유, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유, 폴리비닐 아세테이트 섬유, 및 이들의 혼합물을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 셀룰로오스 스테이플 섬유는, 예를 들어, 펄프, 열기계적 펄프, 합성 셀룰로오스 섬유, 개질된 셀룰로오스 섬유 등을 포함한다. 셀룰로오스 섬유는 이차 공급원 또는 재활용 공급원으로부터 얻을 수 있다. 적절한 셀룰로오스 섬유 공급원의 일부 예는, 열기계적, 표백된 및 미표백된 침엽수 펄프 및 활엽수 펄프 등의 천연 목재 섬유를 포함한다. 이차 또는 재활용 셀룰로오스 섬유는, 사무실 폐기물, 신문인쇄용지, 브라운 페이퍼 스톡, 페이퍼보드 스크랩 등에서 얻을 수 있고, 또한 사용될 수 있다. 또한, 마닐라삼, 아마, 밀크위드, 면, 개질된 면, 면 린터 등의 식물 섬유도 셀룰로오스 섬유로서 사용될 수 있다. 또한, 예를 들어, 레이온 및 비스코스 레이온 등의 합성 셀룰로오스 섬유를 사용할 수 있다. 개질된 셀룰로오스 섬유는, 일반적으로 탄소 사슬을 따라 히드록실기를 적절한 라디칼(예컨대, 카르복실, 알킬, 아세테이트, 질산염 등)로 대체함으로써 형성되는 셀룰로오스의 유도체로 구성된다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "펄프"라는 용어는 목질 및 비목질 식물 같은 천연 공급원으로부터의 섬유를 가리킨다. 목질 식물은, 예를 들어, 낙엽수와 침엽수를 포함한다. 비목질 식물은, 예를 들어, 면, 아마, 에스파르토 풀, 밀크위드, 짚, 황마, 대마, 및 바가스를 포함한다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "티슈 제품"은, 페이셜 티슈, 욕실 티슈, 타월, 타래(hank), 냅킨 등을 포함하는 것을 의미한다. 본 발명은, 일반적으로, 종래의 펠트-프레스(felt-press) 티슈 페이퍼, 고 벌크 패턴 고밀도 티슈 페이퍼, 및 고 벌크 미압축 티슈 페이퍼를 포함하는 티슈 제품과 티슈 페이퍼에 유용하지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다.
초소수성을 입증하도록 기재를 형성하는 데 사용되는 현재 제형들에서는, 유해한 휘발성 유기 화합물(VOC)을 포함하는 용제와 함께 위험한 불소화 중합체를 필요로 한다. 본 발명은, 유해한 VOC의 사용을 최소화하도록 폴리올레핀(예를 들어, 폴리에틸렌(PE)) 등의 더욱 바람직한 중합체와, 수계 용제를 사용함으로써 이러한 응용분야들의 문제점들, 및 증착시 초소수성을 얻기 위한 코팅에 대한 일반적이지 않은 흔한 문제점을 해결한다. 본 개시물은 본 명세서와 상충하지 않는 범위에서 본 명세서에 참고로 인용된 계류중인 미국 특허 출원 번호 제13/873614호 및 제13/873663호에 기술된 작업에 기초한다.
본 발명은, 스프레이로부터나 임의의 기타 적절한 방법으로부터 초소수성 복합물 코팅을 형성하기 위한 수계 비-불소화된 분산액을 설명한다. 중합체 복합물 코팅의 스프레이 증착은, 설명의 목적으로만 기술되어 있으며 표면의 젖음성(예, 초소수성, 초친유성), 도전성, 및 EMI 차폐 능력을 개질하기 위한 저가 대면적 공정으로서 입증되었다. 코팅을 전달하는 임의의 기타 적절한 방법이 본원에서 사용 가능하다.
본 발명의 초소수성 표면은, 기재를 불소가 없는 소수성 성분, 필러 입자, 및 물을 포함하는 비-불소화된 조성물로 처리함으로써, 그 기재 상에 형성될 수 있다. 조성물은, 또한, 안정화 화합물을 포함할 수 있다. 소수성 성분은 바람직하게 수성 분산액 내에 있다. 그 결과, 조성물에는 휘발성 유기 화합물(VOC)이 없을 수 있다.
기능성 나노입자-중합체 복합물의 연구는 중합체에 대한 합성 방법의 진보뿐만 아니라 나노입자 치수 및 순도에 대한 더 큰 제어에 의해 아주 많이 도움을 받아 왔다. 이들 복합물은 향상된 열 전달, 낮은 전기 저항, 및 방사선 흡수와 같은 광범위한 응용분야세서 사용되어 왔다. 특히 물에 대한 발액 기능에 대해, 표면은 액체-대-고체 계면 접촉 면적을 감소시키기 위해 낮은 표면 에너지 및 적절한 정도의 거칠기가 필요하므로, 표면 젖음성의 척도로서 사용되는 수액의 접촉각을 증가시킨다. 공기 환경에서의 매끄러운 비-질감화 표면의 젖음성은 도입되는 액체 및 고체의 자유 표면 에너지에 의해 결정되고; 그 표면이 소수성 또는 친수성인지의 여부에 상관없이, 물과의 반응은 나노물질의 첨가에 의해 부여된 표면 거칠기를 통해 조율 가능하다. 고도의 표면 거칠기는 표면의 고유 젖음성을, 150° 초과 또는 10° 미만의 물에 대한 접촉각을 각각 가지는 초소수성 또는 초친수성이라고 지칭되는 2가지의 극한의 경우로 개질시킨다. 중합체는 주어진 표면에 액체(들)의 친화력을 결정할 뿐만 아니라, 내부의 임의의 안치된 나노물질에 대한 매트릭스를 형성하는 적용된 복합물에서 직접적인 역할을 한다.
실제로 최근까지, 충분히 낮은 표면 에너지(즉, 발수를 위해, γ << 72 mN/m)를 가지는 중합체를 필요로 하는 초발수 복합물의 제조는 습식 처리를 위해 강력한 용제의 사용을 요구하였고, 이에 따라 전체적으로 수계 시스템의 개발을 방해하고 있다. 낮은 표면 에너지를 전달할 수 있는 불소-비함유 및 수-혼화성(water-compatible) 중합체 시스템은 진실로 환경적으로 무해한 초소수성 코팅의 개발을 위해 주요 과제로 되어 왔다. 낮은 표면 에너지의 수인성 불소중합체 분산액(DuPont Capstone ST-100)이 수계 초소수성 스프레이에서 사용되었고, 여기서 접촉각과 내수도(hydrostatic resistance) 간의 상관관계가 연구되었지만, 재차 복합물 내의 불소화 화합물의 존재가 여전히 환경적인 우려를 야기하였다. 한때, EPA는 많은 위험한 불소중합체 화합물의 제조의 감축을 시작했고; 이러한 화합물은 과불소화옥탄산(perfluorooctanoic acid; PFOA)으로 분해될 위험이 높고 매우 나쁜 환경 영향을 미칠 수 있다. 선천적 결함의 알려진 원인인 PFOA는 지하수로 유입되어, 저수지 및 수생 야상 생물을 오염시킬 수 있고, 결국에는 사람이 섭취하여 해로운 수준까지 축적될 수 있다. DuPont의 Capstone ST-100과 같은, EPA 발의에 대응하여 제조된 단쇄 불소중합체가 입수 가능하고 적은 환경 위험을 야기하지만; 초발수성을 위해 불소의 필요성을 완전히 제거하는 것이 이 작업의 주요 목표이었고; 언젠가 이러한 불소화 복합물이 더 이상 쓸모없게 되어, 더욱 환경-친화적인, 소위 “그린(green)” 대체물로 대체될 것으로 기대된다.
나노-규모 치수를 가지는 입자를 선택하는 것은 표면 거칠기에 대한 미세 제어 및 액체-대-고체 계면 접촉 면적의 더욱 큰 감소를 가능하게 하며; 소수성, 또는 저-표면 에너지의 표면에 대해, 이것은, 고체 표면이 액체/고체 접촉을 제한하는 증기의 포켓을 유지할 수 있게 함으로써 유체 젖음에 대한 내성 증가로 바꾼다. 문헌에서 제조된 많은 초소수성 표면은 비-수성 현탁액 또는 다른 첨가제의 사용을 필요로 하는 소수성 입자 필러를 사용해 왔다. 이들 소수성 입자는 발수성 거칠기를 생성하는데 도움을 주었지만, 이들은 전하-안정화 또는 계면활성제의 사용없이 수계 시스템에서 실용적이지 못하다. 친수성 나노입자 TiO2는 적절한 양의 표면 거칠기를 제공하는 것으로 입증되어 있고, 수인성 폴리올레핀 중합체 왁스 블렌드와 혼화성이 있으며; 중합체는 분산되었을 때 현탁된 TiO2 입자의 친수성을 감추는 역할을 하므로, 일단 최종 복합 필름이 적용되고 잔류하는 물이 제거되면 유지되는 약한 소수성 쉘로 나노입자를 피복한다. 매우 작은 치수(<25nm)의 나노입자를 사용하면, 최종 복합물의 접촉각을 초소수성 영역 내로 상향으로 나아가게 하는 표면 거칠기가 달성된다. 또한, TiO2는 식품, 스킨 로션, 및 페인트 안료에 무독성 첨가제인 것으로 나타났으며, 이에 따라 복합물 성분으로부터 환경적으로 또는 다른 방법으로 영향을 줄여야 한다는 주장을 더욱 강화하고 있다.
소수성 성분은, 본 발명의 초소수성 특성의 기본 요소들을 형성하도록 물에서 분산가능한 소수성 중합체다. 소수성 성분은, 중합체, 나노입자, 다른 임의의 적절한 물질, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 예를 들어, 소수성 성분은 폴리올레핀일 수 있다. 또한, 소수성 성분은, 올레핀과 아크릴산의 공중합체, 또는 올레핀과 아크릴산의 공중합체와 폴리올레핀의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 고형 성분들(즉, 중합체, 나노 구조 입자)은 용액의 중량 기준 약 1.0% 내지 약 3.0%의 양으로 존재할 수 있다. 이러한 양은, 분산액의 중합체 및/또는 나노입자의 더욱 높은 농도로 인해 점탄성 거동이 야기될 수 있어서, 스프레이 노즐의 막힘이나 불완전한 원자화와 섬유 형성, 또는 분산액 점성의 급격한 증가 및 이로 인한 노즐 막힘이 발생할 수 있는 스프레이 응용분야에 있어서 적절하다. 다른 표면 코팅 기술, 예를 들어 침지를 이용하는 경우, 그 범위는 다를 수 있다. 예를 들어, 사이즈 프레스 코팅을 이용하는 경우, 더욱 높은 퍼센트의 고형 성분들을 사용하는 것이 바람직하다. 양의 범위는, 약 1.0% 내지 약 10%일 수 있다. 이 범위는 고정된 것이 아니며 분산액을 제조하는 데 사용되는 절차와 이용되는 물질들의 함수이라는 점에 주목한다. 더 많은 양의 중합체를 사용하면, 초소수성으로 되기에 적절한 질감이 부족하기 때문에 표면 구조가 덜 바람직하다. 더 적은 양의 중합체를 사용하면, 코팅이 더욱 제거가능한 분말 코팅으로 거동하기 때문에 결합이 덜 바람직하다.
또한, 중합체 대 입자의 중량비는, 저 표면 에너지와 바람직한 표면 질감 간의 균형을 최적화하도록 약 4:1 또는 약 3:2, 또는 약 1:1, 또는 약 2:3, 또는 약 1:4가 바람직하다.
본 발명의 조성물은, 초소수성 특징을 부여하기 위한 요소들의 적절한 조합을 신중하게 선택함으로써, 유기 용제의 사용을 제거한다. 바람직하게, 비-유기 용제는 물이다. 임의의 유형의 물을 사용할 수 있지만; 향상된 능력 및 코팅 성능을 변경할 수 있는 가능한 오염원의 감소를 위해 제조 공정 동안 사용하기 위해 탈염수 또는 증류수를 선택할 수 있다. 물을 사용함으로써, 유기 용제를 포함한 상업용 규모의 제조에 연관된 안전성 우려를 줄이는 데 일조한다. 예를 들어, 대부분의 유기 용제의 고 휘발성과 인화성으로 인해, 조성물에 있어서 이러한 사용을 제거함으로써 생산 안전성 위험을 줄인다.
또한, 유기 용제로 인해 필요했던 환기와 화재 예방 장비가 없으므로 생산 비용을 낮출 수 있다. 본 발명에 따라 비-유기 용제 제형을 이용하는 추가 장점으로서, 이러한 물질의 수송에 더하여 원재료 비용을 줄일 수 있다.
또한, 물은 천연 자원으로 간주되기 때문에, 베이스로서 물을 포함한 용제로 처리되는 표면은 환경을 위해 더욱 건강하고 우수한 것으로 간주할 수 있다. 본 발명의 표면을 처리하는 데 사용되는 제형은, 분산액 조성물의 중량 기준 약 95% 초과, 약 98% 초과, 또는 약 99%초과의 물을 포함한다.
본 발명의 조성물은 하나 이상의 필러 입자를 포함한다. 이러한 필러 물질은, 사용되는 경우, 친수성인 것이 바람직하다. 필러 물질은 금속 산화물 나노입자 및 예컨대 박리된 그래파이트, 그래핀 등과 같은 고 종횡비 나노물질을 포함할 수 있다. 특정 측면들에서, 금속 산화물 나노입자는 루틸 이산화티탄, 아나타제 이산화티탄, 또는 루틸 이산화티탄 및 아나타제 이산화티탄의 혼합물일 수 있다
본 발명의 일부 측면에 있어서, 조성물은 안정화 화합물을 포함한다. 중합체와 나노입자 등의 소수성 성분들은, 산 작용기(예를 들어, 아크릴산, 카르복실산)를 포함하고 적절한 pH 제어(pH >7) 하에서 물에서 이온화될 수 있는 화학 물질을 사용함으로써 물에서 안정화될 수 있다. 안정화 화합물은, KOH, NH3(aq), 다른 임의의 적절한 물질, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 이러한 중합체를 소수성 성분으로 사용하는 것은, 분산 매질(물)의 pH를 증가시켜 전하 안정화될 수 있는 펜던트 카르복실산 작용기를 도입함으로써 가능하며; 간략하게, 산 작용기는 음의 카르복실산염 이온을 형성하며, 이에 따라 전하 반발과 최종적으로 안정화를 생성하게 된다. 카르복실산기는, 또한, 극성 표면과의 부착성을 촉진하도록 기능한다.
수성 성분으로 기재 위에 스프레이-침착함으로써 건조 또는 열 경화를 통해 증발되거나 제거될 수 있었다면, 성분은 물에 불용성이 되어, 발수성을 촉진시킨다. 이러한 코팅은, 무해한 처리 성질 때문에 넓은 범위의 응용분야들 및 증착될 수 있는 넓은 범위의 기재들에서 찾을 수 있다.
본 명세서에서 설명하는 구체적인 예는, 분무가능 폴리에틸렌 공중합체 및 이산화티탄 분산액으로부터의 완전한 수계 비-불소화된 초소수성 표면 처리이다. 발수성 코팅에 관한 이러한 방안은, 간단하면서 저가, 대면적, 환경적으로 무해한 초소수성 처리를 달성하고자 하는 소비자 제품 내에서 넓은 응용분야를 찾을 것으로 예상된다. 물에서의 분산성과 폴리올레핀 화학물질과의 상용성을 위해 TiO2가 사용되지만, 비슷한 흡착성 화학물질을 가진 고 종횡비의 필러도 사용할 수 있다는 점이 강조된다.
본 발명은, 소수성 성분, 필러 입자, 및 물을 포함하는 제형으로 처리되는 경우 초소수성 특징을 나타내는, 기재의 표면 또는 기재 자체에 관한 것이다. 초소수성은, 전체 표면에 대하여 적용될 수 있고, 기재 물질 상에 또는 전체적으로 패턴화될 수 있고, 및/또는 기재 물질의 z 방향 두께를 통해 직접 침투될 수 있다.
본 발명의 일부 측면에서, 처리되는 기재는 부직포 웹이다. 다른 측면에서, 기재는 티슈 제품이다.
본 발명의 기재는, 물질의 z 방향 두께 전체에 걸쳐 초소수성을 갖고 그 물질의 일부 영역들만이 초소수성을 갖는 식으로 제어되도록 처리될 수 있다. 이러한 처리는 재료의 공간 젖음성을 제어하여 재료의 습윤 및 액체 침투를 유도하도록 설계될 수 있으며; 이러한 설계는 액체 수송 및 흐름 정류를 제어하는데 이용될 수 있다.
본 발명의 적절한 기재는, 부직포, 직물, 편직물, 또는 이러한 물질들의 적층체를 포함할 수 있다. 또한, 기재는, 본 명세서에서 설명하는 바와 같이, 티슈 또는 타월일 수 있다. 이러한 기재를 형성하는 데 적절한 물질과 공정은 일반적으로 통상의 기술자에게 공지되어 있다. 예를 들어, 본 발명에서 사용될 수 있는 부직포의 일부 예는, 스펀본디드 웹, 멜트블로운 웹, 본디드 카디드 웹, 에어-레이드 웹, 코폼 웹, 스펀레이스 부직포 웹, 수력으로 엉킨 웹 등을 포함하지만, 이러한 예들로 한정되지 않는다. 각 경우에, 부직포를 제조하는 데 사용되는 섬유들 중 적어도 하나는 열가소성 물질 함유 섬유이다. 또한, 부직포는, 열가소성 섬유들과 천연 섬유들, 예를 들어, 셀룰로오스 섬유들(침엽수 펄프, 활엽수 펄프, 열기계적 펄프 등)의 조합일 수 있다. 일반적으로, 비용과 원하는 특성의 관점에서 볼 때, 본 발명의 기재는 부직포다.
필요하다면, 부직포는, 또한, 당업계에 공지되어 있는 기술들을 이용하여 결합되어서 내구성, 강도, 핸드, 심미감, 질감, 및/또는 부직포의 다른 특성들을 개선할 수 있다. 예를 들어, 부직포는, 열적으로 결합(예를 들어, 패턴 결합, 통기 건조), 초음파 결합, 접착제 결합 및/또는 기계적으로(예를 들어, 바늘) 결합될 수 있다. 예를 들어, 다양한 패턴 결합 기술들은, Hansen의 미국특허 제3,855,046호; Levy 등의 미국특허 제5,620,779호; Haynes 등의 미국특허 제5,962,112호; Sayovitz 등의 미국특허 제6,093,665호; Romano 등의 미국 디자인 특허 제428,267호; 및 Brown의 미국 디자인 특허 제390,708호에 기재되어 있다.
부직포는 연속 심(seam) 또는 패턴에 의해 결합될 수 있다. 추가 예로, 부직포는, 시트의 둘레를 따라 또는 에지들에 인접하는 웹의 폭이나 교차 방향(CD)에 걸쳐 간단히 결합될 수 있다. 열적 결합과 라텍스 함침의 조합 등의 다른 결합 기술들을 사용할 수도 있다. 대안으로 및/또는 추가적으로, 예를 들어, 분무나 인쇄에 의해 수지, 라텍스, 또는 접착제를 부직포에 적용할 수 있고, 원하는 결합을 제공하도록 건조시킬 수 있다. 다른 적절한 결합 기술들은, Everhart 등의 미국특허 제5,284,703호, Anderson 등의 미국특허 제6,103,061호, 및 Varona의 미국특허 제6,197,404호에서 알 수 있다.
또 다른 측면에서, 본 발명의 기재는, 단성분 섬유 및/또는 다성분 섬유를 함유하는 스펀본디드 웹으로부터 형성된다. 다성분 섬유들은 적어도 두 개의 중합체 성분으로부터 형성된 섬유들이다. 이러한 섬유들은, 일반적으로 개별적인 압출기들로부터 압출되지만 하나의 섬유를 형성하도록 함께 스핀된다. 각 성분의 중합체는 일반적으로 서로 다르지만, 다성분 섬유들은 유사한 또는 동일한 중합체 물질들의 개별적인 성분들을 포함할 수 있다. 개별적인 성분들은, 통상적으로 섬유의 단면에 걸쳐 별개의 구역들에 배열되며, 섬유의 전체 길이를 따라 실질적으로 연장된다. 이러한 섬유들의 구성은, 예를 들어, 나란한 배열, 파이 배열, 또는 다른 임의의 배열일 수 있다.
다성분 섬유들은, 또한, 이용되는 경우, 스플릿될 수 있다. 스플릿가능한 다성분 섬유들을 제조하는 경우, 단일 다성분 섬유를 함께 형성하는 개별적인 세그먼트들은, 하나 이상의 세그먼트가 단일 다성분 섬유의 외면의 일부를 형성하는 방식으로 다성분 섬유의 길이 방향을 따라 인접해 있다. 다시 말하면, 하나 이상의 세그먼트는 다성분 섬유의 외주를 따라 노출된다. 예를 들어, 스플릿가능한 다성분 섬유들을 제조하기 위한 방법들 및 이러한 섬유들은 Pike의 미국특허 제5,935,883호 및 Marmon 등의 미국특허 제6,200,669호에 개시되어 있다.
본 발명의 기재는 또한 코폼 물질을 함유할 수 있다. "코폼 물질"이라는 용어는, 일반적으로 제2 비-열가소성 물질과 열가소성 섬유들의 안정화된 매트릭스 또는 혼합물을 포함하는 복합 물질을 가리킨다. 일례로, 코폼 물질은, 형성되는 동안 다른 물질들이 웹에 첨가되는 슈트 근처에 적어도 하나의 멜트블로운 다이 헤드가 배치되는 공정에 의해 제조될 수 있다. 이러한 다른 물질들은, 면, 레이온, 재활용 종이, 펄프 플러프 등의 목재 펄프 또는 비목재 펄프, 및 또한 초소수성 입자, 무기 흡수 물질, 처리된 중합체 스테이플 섬유 등의 섬유상 유기 물질을 포함할 수 있지만, 이러한 예들로 한정되지 않는다. 이러한 코폼 물질의 일부 예는, Anderson 등의 미국특허 제4,100,324호, Everhart 등의 미국특허 제5,284,703호, 및 Georger 등의 미국특허 제5,350,624호에 개시되어 있다.
또한, 기재는 하나 이상의 표면 상에 질감이 부여되어 있는 물질로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 일부 측면에 있어서, 기재는, 이중-질감 스펀본드 또는 멜트블로운 물질로 형성될 수 있는데, 예를 들어, Lamers 등의 미국특허 제4,659,609호 및 Win 등의 미국특허 제4,833,003호에 개시되어 있다.
본 발명의 구체적인 일 측면에 있어서, 기재는 수력으로 엉킨 부직포로 형성된다. 수력엉킴 공정 및 서로 다른 섬유들의 다양한 조합을 함유하는 수력으로 엉킨 복합 웹은 당업계에 알려져 있다. 통상적인 수력엉킴 공정은 물의 고압 제트 스트림을 이용해서, 섬유들 및/또는 필라멘트들이 엉키게 하여 고 엉킴 통합 섬유 구조, 예를 들어, 부직포를 형성하도록 한다. 스테이플 길이 섬유들과 연속 필라멘트들의 수력으로 엉킨 부직포들은, 예를 들어, Evans의 미국특허 제3,494,821호 및 Boulton의 미국특허 제4,144,370호에 개시되어 있다. 연속 필라멘트 부직포 웹과 펄프 층의 수력으로 엉킨 복합물 부직포는, 예를 들어, Everhart 등의 미국특허 제5,284,703호 및 Anderson 등의 미국특허 제6,315,864호에 개시되어 있다.
이러한 부직포들 중에서, 열가소성 섬유와 엉킨 스테이플 섬유와 함께 수력으로 엉킨 부직포 웹이 기재로서 특히 적합하다. 수력으로 엉킨 부직포 웹의 구체적인 일례로, 스테이플 섬유는 실질적으로 연속적인 열가소성 섬유와 수력으로 엉킨다. 스테이플 섬유는, 셀룰로오스 스테이플 섬유, 비-셀룰로오스 스테이플 섬유, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 적절한 비-셀룰로오스 스테이플 섬유는, 폴리올레핀 스테이플 섬유, 폴리에스테르 스테이플 섬유, 나일론 스테이플 섬유, 폴리비닐 아세테이트 스테이플 섬유 등의 열가소성 스테이플 섬유, 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 적절한 셀룰로오스 스테이플 섬유는, 예를 들어, 펄프, 열기계적 펄프, 합성 셀룰로오스 섬유, 개질된 셀룰로오스 섬유 등을 포함한다. 셀룰로오스 섬유는 이차 공급원 또는 재활용 공급원으로부터 얻을 수 있다. 적절한 셀룰로오스 섬유 공급원의 일부 예는, 열기계적, 표백된 및 미표백된 침엽수 펄프 및 활엽수 펄프 등의 천연 목재 섬유를 포함한다. 사무실 폐기물, 신문인쇄용지, 브라운 페이퍼 스톡, 페이퍼보드 스크랩 등에서 얻을 수 있는 이차 또는 재활용 셀룰로오스 섬유도 사용할 수 있다. 또한, 마닐라삼, 아마, 밀크위드, 면, 개질된 면, 면 린터 등의 식물 섬유도 셀룰로오스 섬유로서 사용될 수 있다. 또한, 예를 들어, 레이온 및 비스코스 레이온 등의 합성 셀룰로오스 섬유를 사용할 수 있다. 개질된 셀룰로오스 섬유는, 일반적으로 탄소 사슬을 따라 히드록실기를 적절한 라디칼(예컨대, 카르복실, 알킬, 아세테이트, 질산염 등)로 대체함으로써 형성되는 셀룰로오스의 유도체로 구성된다.
특히 적절한 한 가지 수력엉킴 부직포 웹은, 스펀본드 섬유들과 수력으로 엉킨 펄프 섬유들을 갖는 실질적으로 연속적인 섬유들인 폴리프로필렌 스펀본드 섬유들의 부직포 웹 복합물이다. 특히 적절한 다른 한 가지 수력엉킴 부직포 웹은, 스펀본드 섬유들과 수력으로 엉킨 셀룰로오스 및 비-셀룰로오스 스테이플 섬유들의 혼합물을 갖는 폴리프로필렌 스펀본드 섬유들의 부직포 웹 복합물이다.
본 발명의 기재는, 열가소성 섬유들로만 제조될 수 있고 또는 열가소성 섬유들과 비-열가소성 섬유들 모두를 함유할 수 있다. 일반적으로, 기재가 열가소성 섬유들과 비-열가소성 섬유들 모두를 함유하는 경우, 열가소성 섬유들은 기재의 중량 기준 약 10% 내지 약 90%를 차지한다. 구체적인 일 측면에서, 기재는 중량 기준 열가소성 섬유들을 약 10% 내지 약 30% 함유한다.
일반적으로, 부직포 기재는, 약 17gsm 내지 약 200gsm, 더욱 바람직하게는, 약 33gsm 내지 약 200gsm 범위의 평량을 갖는다. 실제 평량은, 200gsm보다 클 수 있지만, 많은 응용분야에서, 평량은 33gsm 내지 150gsm 범위에 있다.
기재의 적어도 일부를 구성하는 열가소성 물질 또는 섬유는 본질적으로 임의의 열가소성 중합체일 수 있다. 적절한 열가소성 중합체는, 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리우레탄, 폴리비닐염화물, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리스티렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리락트산 등의 생분해성 중합체, 및 이들의 공중합체와 블렌드를 포함한다. 적절한 폴리올레핀은, 폴리에틸렌, 예를 들어, 고 밀도 폴리에틸렌, 중간 밀도 폴리에틸렌, 저 밀도 폴리에틸렌과 선형 저 밀도 폴리에틸렌; 폴리프로필렌, 예를 들어, 동일배열 폴리프로필렌, 교대배열 폴리프로필렌, 동일배열 폴리프로필렌과 혼성배열 폴리프로필렌의 블렌드, 및 이들의 블렌드; 폴리부틸렌, 예를 들어, 폴리(1-부텐)과 폴리(2-부텐); 폴리펜텐, 예를 들어, 폴리(1-펜텐)과 폴리(2-펜텐); 폴리(3-메틸-1펜텐); 폴리(4-메틸 1-펜텐); 및 이들의 공중합체와 블렌드를 포함한다. 적절한 공중합체는, 에틸렌/프로필렌 및 에틸렌/부틸렌 공중합체 등의 두 개 이상의 서로 다른 불포화 올레핀 단량체들로부터 제조되는 랜덤 및 블록 공중합체들을 포함한다. 적절한 폴리아미드는, 나일론 6, 나일론 6/6, 나일론 4/6, 나일론 11, 나일론 12, 나일론 6/10, 나일론 6/12, 나일론 12/12, 카프로락탐과 알킬렌 산화물 디아민의 공중합체 등, 및 이들의 블렌드와 공중합체를 포함한다. 적절한 폴리에스테르는, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리테트라메틸렌 테레프탈레이트, 폴리시클로헥실렌-1,4-디메틸렌 테레프탈레이트, 및 이들의 이소프탈레이트 공중합체, 및 이들의 블렌드를 포함한다. 이러한 열가소성 중합체는, 본 발명에 따라 실질적으로 연속적인 섬유들과 스테이플 섬유들 모두를 제조하는 데 사용될 수 있다.
또 다른 일 측면에서, 기재는 티슈 제품일 수 있다. 티슈 제품은 균질성 또는 다층 구성일 수 있고, 이러한 것으로 제조된 티슈 제품은 한 겹 또는 다 겹 구성일 수 있다. 티슈 제품은, 바람직하게, 약 10g/m2 내지 약 65g/m2의 평량 및 약 0.6g/cc 이하의 밀도를 갖는다. 더욱 바람직하게, 평량은 40g/m2 이하이고, 밀도는 약 0.3g/cc 이하이다. 가장 바람직하게, 밀도는 약 0.04g/cc 내지 약 0.2g/cc이다. 달리 언급하지 않는 한, 종이에 대한 모든 양과 중량은 건조 기준에 따른 것이다. 기계 방향으로의 인장 강도의 범위는, 약 100 내지 약 5,000g/폭(인치)이다. 교차 기계 방향으로의 인장 강도의 범위는 약 50 내지 약 2,500g/폭(인치)이다. 흡수성은, 통상적으로 섬유 g 당 약 5g 물 내지 섬유 g 당 약 9g 물이다.
이러한 제품을 제조하기 위한 종래의 프레스된 티슈 제품과 방법은 본 기술분야에 공지되어 있다. 티슈 제품은, 통상적으로, 당업계에서 흔히 포드리니어 와이어라 칭하는 구멍 형성 와이어 상에 제지 지료를 증착함으로써 제조된다. 일단 지료가 형성 와이어 상에 증착되면, 이것을 웹이라 칭한다. 웹은, 웹을 프레스하고 상승 온도에서 건조시킴으로써 탈수된다. 전술한 공정에 따라 웹을 제조하기 위한 통상적인 장비와 구체적인 기술은 통상의 기술자에게 공지되어 있다. 통상적인 공정에서는, 가압된 헤드박스로부터 저 일관성 펄프 지료를 제공하며, 이러한 헤드박스는 습윤 웹을 형성하도록 펄프 지료의 얇은 증착물을 포드리니어 와이어 상으로 전달하기 위한 개구를 갖는다. 이어서, 웹은, 통상적으로 진공 탈수에 의해 약 7% 내지 약 25%의 섬유 일관성(총 웹 중량 기준)으로 탈수되고, 웹이 대향하는 기계적 부재들, 예를 들어, 원통형 롤들에 의해 전개되는 압력을 받게 되는 프레싱 동작에 의해 추가로 건조된다. 이어서, 탈수된 웹은, 양키 드라이어(Yankee dryer)라고 당업계에 알려져 있는 스팀 드럼 장치에 의해 추가로 프레싱 및 건조된다. 압력은, 웹에 대하여 프레싱을 행하는 대향 원통형 드럼 등의 기계적 수단에 의해 양키 드라이어에서 전개될 수 있다. 다수의 양키 드라이어 드럼을 채택할 수 있고, 이에 의해 추가 프레싱이 드럼들 간에 선택적으로 발생한다. 형성된 시트들은, 섬유들이 촉촉하고 이어서 압축 상태에서 건조되는 동안 전체 웹이 상당한 기계적 압축력을 받기 때문에, 컴팩트화되는 것으로 간주된다.
본 발명의 구체적인 일 측면은, 언크레이프된(uncreped) 통기 건조 기술을 이용해서 티슈 제품을 형성한다. 통기 건조는 웹의 벌크와 연성을 증가시킬 수 있다. 이러한 기술의 예들은, Cook 등의 미국특허 제5,048,589호, Sudall 등의 미국특허 제5,399,412호, Hermans 등의 미국특허 제5, 510,001호, Ruqowski 등의 미국특허 제5,591,309호, Wendt 등의 미국특허 제6,017,417호, 및 Liu 등의 미국특허 제6,432,270호에 개시되어 있다. 언크레이프된 통기 건조는, 일반적으로 하기 단계들을 포함한다: (1) 셀룰로오스 섬유들, 물, 및 선택사항으로 기타 첨가제의 지료를 형성하는 단계; (2) 주행중인 구멍난 벨트(foraminous belt) 상에 지료를 증착하고 이에 따라 상기 주행중인 구멍난 벨트의 상부에 섬유상 웹을 형성하는 단계; (3) 상기 섬유상 웹을 통기 건조를 거치게 하여 물을 상기 섬유상 웹으로부터 제거하는 단계; 및 (4) 상기 건조된 섬유상 웹을 상기 주행중인 구멍난 벨트로부터 제거하는 단계.
분무 등의 종래의 규모 있는 방법들은 초소수성 코팅을 표면 상에 적용하도록 사용될 수 있다. 수계 분산액을 분무하는 경우 일부 기술적 어려움이 통상적으로 발생한다. 제1 주요 문제점은, 미립자화 동안 유체의 불충분한 증발 및 코팅된 기재 상의 분산액의 고 젖음성이며, 이에 따라 물이 최종적으로 증발하는 경우 접촉 선 피닝(pinning)과 소위 "커피-얼룩 효과"(coffe-stain effect)로 인해 비균일한 코팅이 발생한다는 점이다. 제2 주요 문제점은, 스프레이 코팅에 사용되는 기타 용제에 비해 물의 비교적 큰 표면 장력이다. 물은, 물의 높은 표면 장력으로 인해, 스프레이 응용분야에 있어서 비균일한 필름을 형성하는 경향이 있고, 이에 따라 균일한 코팅을 얻는 것을 보장하도록 신중해야 한다. 이는, 물이 구슬처럼 흐르는 경향이 있는 소수성 기재에 있어서 특히 중요하다. 본 발명의 수성 분산액을 적용하기 위한 최상의 방안은 미립자화 동안 극히 미세한 액적을 형성하고, 매우 얇은 코팅만을 부착해서, 기재를 포화시키지 않도록 하고, 건조 후 셀룰로오스 기재(예, 페이퍼 타월)가 딱딱해지게 하는 기재 내의 수소 결합을 재배향하는 것임을 관찰하였다.
또 다른 일 측면에서, 코팅은, 먼저 기재 상에, 예컨대 표준 페이퍼보드 또는 기타 셀룰로오스 기재 상에 스프레이 주조되고, 다수의 스프레이 패스를 사용하여 서로 다른 코팅 두께를 달성한다. 이어서, 분무된 필름들을 약 80℃의 오븐에서 약 30분 동안 건조시켜 모든 잉여 물을 제거한다. 일단 건조되면, 코팅은 젖음성으로 특징화된다(즉, 소수성 대 친수성). 기재는, 초소수성을 유도하는 데 필요한 코팅의 최소 수준을 결정하기 위해서 코팅과 건조의 전과 후에 마이크로밸런스(Sartorius® LE26P)에서 계량될 수 있다. 이 "최소 코팅"은, 샘플이 액체에 의한 침투에 저항함을 엄격하게 의미하지는 않고, 오히려 수적이 표면 상에 구슬로서 방해 없이 굴러나감을 의미한다. 코팅 전과 후의 기재의 발액성은, 액체 침투 압력(액체의 cm)을 결정하는 유체역학적 압력 설정에 의해 특징화될 수 있다.
실시예
다음에 따르는 것은, 본 발명을 용이하게 이해하도록 예시를 위한 것이며 본 발명을 그 예들로 한정하는 것으로 해석해서는 안 된다.
물질
산화티탄(IV)(TiO2) 나노입자(아나타제, 루틸, 및 루틸과 아나타제의 혼합물)를 Sigma-Aldrich로부터 구했다. 분산액을 안정화하기 위한 폴리에틸렌-아크릴산 공중합체(~40%) 및 폴리에틸렌-옥텐 공중합체(~ 60%)로 이루어지는 폴리올레핀 (PE) 블렌드 분산액을 DOW Chemical로부터 구했다(물 속 42 중량%, HYPOD 8510). 접촉 및 롤-오프각 측정을 위한 프로브 액체로서 탈이온수를 사용하였다.
절차
분무가능 분산액을 제조하기 위해 다음 절차가 개발되었다. 임의의 분무가능 분산액 내의 고체 함량은, 너무 적 으면 불필요한 추가 코팅과 물의 낭비가 요구되고, 너무 많으면 고점도 및/또는 막힘을 유발하여 스프레이 미립자화를 방지할 수 없게 하는 중요한 성분이다. 물 속 5 중량%의 고체 함량을 스프레이 패스당 적절한 코팅 증착을 위해 충분히 높게, 그리고 스프레이 문제가 발생되는 고체 함량보다 훨씬 아래로(> 10-15 중량%) 결정하였다. 그런 다음, 고체 함량을 나노입자-대-중합체 비율로 나누어 증가된 입자 함량의 효과를 평가하였다. 테스트한 비율은 0:100, 25:75, 50:50, 60:40, 75:25, 80:20, 및 85:15이었다. 50:50 입자-대-중합체 조성 이하의 비율은 단지 약한 소수성인 PE 블렌드로 인해 고도의 발수성을 달성하기에 적절한 거칠기를 갖지 않지만, 매끄러운 비질감화된 전체-중합체 코팅(0:100)으로부터의 거칠기 함수로서 증가된 물 접촉각의 전개를 나타내도록 포함되고 특징지어진다. 입자 함량의 한계를 85:15로 설정하였고, 그를 초과하면 중합체 함량은 입자 부착성이 심각하게 저하되는 이러한 낮은 수준으로 감소된다. 예로서 50:50 비율로 20g 분산액을 제조하기 위해, 처음에 0.5g TiO2를 20mL 바이알로 계량한다. 다음으로, 18.3g의 탈이온수를 건조 입자에 첨가하고 1분 동안 프로브-음파처리하였다. 수용된 중합체 블렌드가 물 속에 42 중량%이기 때문에, 중합체 현탁액으로부터 물의 일부는 첨가된 초기 물 평형(water balance)으로부터 공제되고; 최종 분산액 속의 물 함량은 다음 및 최종 단계 후에 95 중량%일 것이다. 프로브-음파처리 후, 1.19g의 PE 중합체(42 중량% 고체 = 0.5g PE, 50:50 TiO2:PE) 현탁액을 분산액에 첨가한 다음 5분 동안 교반 막대(stir-bar)를 사용하여 기계적으로 혼합하였다. 에어 브러시 분무기(Paasche, VL 사이폰 피드(siphon feed), 0.55mm 스프레이 노즐)를 사용하여 20cm의 거리에서 유리 슬라이드 상에 분무하였다. 수계 스프레이 분산액은 물의 느린 증발에 의해 복합물에서 필요한 거칠기 특징부의 형성이 억제되기 때문에 수가지의 과제를 야기한다. 이를 위해, 보다 미세한 스프레이 미립자화를 위해 작은 스프레이 노즐을 선택하여 적용 동안에 물 증발을 향상시켰다. 스프레이 거리는 형태 및 증착에 영향을 줄 수 있어, 각 스프레이 패스 동안 과도한 물 축적이 너무 가까워지는 것을 회피하고, 더 먼 거리에서 감소될 수 있는 코팅 증착을 최대화하기 위해 선택되었다. 스프레이 패스들 사이에, 핸드 드라이어를 사용하여 복합물 내의 잔류 물을 증발시켰다. 코팅 두께에 대한 스프레이 균일성 및 제어를 보장하기 위해 주의를 기울였다. 코팅 중량을 결정하고 균일성을 결정하기 위해서, 코팅 공정 전후에 유리 슬라이드를 계량하여 코팅 중량을 gsm으로 결정하였다.
코팅 특징화
테스트한 각 비율마다 3개의 유리 슬라이드를 분무하고, 이들 모두는 스프레이 파라미터의 불확실성을 포함하는 보다 정확한 평균을 형성하기 위해 수적 접촉/슬라이딩각을 특징지었다. 접촉각(CA) 히스테리시스를 결정할 때, 수적을 주사기-분배하고, 프로브 액적 직경이 1mm 내지 4mm 크기의 범위가 되도록 1mm 바늘-팁을 사용하여 마찬가지로 인출하였다. 이는, 전진 및 후퇴 접촉각의 동적 측정을 용이하게 한다. 슬라이딩각에 대해, 10μL 수적이 평평한 유리 슬라이드 상의 초기 위치로부터 롤링하는 것이 보일 때까지 작은 각도 증가를 통해 정밀하게 제어할 수 있게 하는 작은 VXM 모터에 의해 작동되는 각도계 상에 유리 슬라이드를 배치하였다. 수적이 롤링하지 않는 경우, 코팅된 기재를 “끈적거리는(sticky)” 것으로 간주하였다.
SEM 관찰을 위해, 코팅된 알루미늄 호일로부터 작은 면적(대략 0.25cm2)을 절단하였다. 전자 현미경 검사를 용이하게 하기 위해서 유리 슬라이드 대신에 알루미늄 호일을 그의 전도성을 위해 사용하였지만, 똑같은 방식으로 준비하였다. 그런 다음, 준비된 샘플을 SEM 이미징을 용이하게 하기 위해 5nm Pt-Pd 코팅으로 스퍼터-코팅하였다.
결과와 토론
TiO2의 아나타제상와 루틸상 간의 결정 차이가 잘 이해되지만; 금속 산화물 표면의 흡착 메카니즘, 및 그들의 상 전이는 문헌에서 일부 논란 및 의견 불일치의 근원이 되어 왔다. 이들 나노 입자의 큰 클러스터로의 응집은, 결국 입자 크기, 온도, 및 pH에 민감한 상(phase)에 직접적으로 의존한다. 일반적으로, 더 작은 나노 TiO2 입자는 해리성 대 분자 흡착의 비율에 기초하여 더욱 반응적이다. 투과 전자 현미경(TEM)을 사용하여 각 형태의 TiO2 나노입자를 분석하였고; 도 1a 및 도 1b에 나타낸 것은 각각 21nm 혼합-상 및 아나타제 입자 양쪽의 대표적인 샘플이다. 21nm TiO2 혼합 블렌드의 입자는 예상대로 직경이 ~ 21nm이지만, 표면 대전 메커니즘(즉, 수소첨가(hydrogenation))을 통해 쉽게 응집되는 경향이 있는 것을 밝혀졌다. 진공에서도, 물 흡착은 이들 입자의 표면 상에 유지될 가능성이 있고, 루틸 상(rutile phase)의 존재로 인해 혼합-상 입자에서 관찰된 응집에 기여할 수도 있다. 아나타제 TiO2는 루틸보다 낮은 표면 에너지로 설명되는 응집의 경향이 더 낮았다. 아나타제 입자는 이미징을 위해 TEM 진공에서 쉽게 격리되었고, 입자 크기가 <60nm 직경인 것으로 관찰되었으며; 그들은 <25nm의 구매한 인용 크기에 비해 더 커서, 나노입자의 대규모 일괄 처리에서 일반적인 불일치가 있었다.
큰 입자 크기에 기인한 아나타제의 더 큰 밀도는, 도 2에 도시된 바와 같이, 수성 현탁액 속에 놓였을 때 입자가 얼마나 빠르게 침전(settle)되는지에 의해 분명해졌다. 두 유형의 TiO2를 5 중량% 농도로 물 속에서 프로브-음파처리하고, 침전시킨지 1개월 후에 사진을 촬영하였다. 21nm 혼합-상의 미세한 치수는 이들 입자가 큰 입자 및 응집체의 통계적 불가피한 존재로 인해 약간의 침전으로 무기한으로 현탁된 상태로 유지될 수 있게 하였고; 반면에, 아나타제 침전된 상은 훨씬 더 조밀하고, 혼합-상에 비해 바이알 내에 더 작은 체적을 차지하며, 놀랍지 않게도 훨씬 더 빠르게 침전하는 것으로 관찰되었다.
나노입자를 물 속에 현탁시키고 음파처리를 통해 완전히 분산시킨 후, PE 중합체를 첨가하였고; 그런 다음 분산액을 SEM 이미징을 위해 호일 상에 분무 하였다. 도 3a 내지 도 3f는 나노입자 대 중합체의 75:25 질량비로 테스트한 세 유형의 TiO2의 SEM 이미징을 도시하며; 도 3a 및 도 3b에는 아나타제를, 도 3c 및 도 3d에는 21nm 혼합-상을, 그리고 도 3e 및 도 3f에는 100nm 혼합-상을 도시하고 있다. 도 3a/3c/3e 행 및 도 3b/3d/3f 행은 각각 더 낮은 배율 및 더 큰 배율을 나타낸다(50μm 및 5μm 스케일 바 참조). 놀랍게도, 아나타제 형태는 다른 2개에 비해 최종 복합물에서 더 큰 특징부를 응집시키는 것으로 보여진다. 이는, 전형적으로 아나타제가 수성 현탁액 속에 놓였을 때 이웃하는 입자들 사이에서 훨씬 더 쉽게 격리되었다는 사실 때문에 놀라운 것이다. 분명히, 중합체의 첨가는 혼합-상에 비해 최종 분산액에서 더 큰 입자 군집(clumping)을 허용한다. 아나타제도 최종 분산액에서 불안정한 것으로 보였고, 그의 높은 밀도에 기인하여 더 빨리 침전되었다. 21nm 혼합-상 복합물에 대해, 중합체는 과도한 응집을 방지하는 안정제로서 작용한다. 21nm 혼합-상에 대한 최종 분산은 방치시킨지 1 주일 후에 약간만 분리되고, 바이알의 최상부에 물의 얇은 층을 형성하지만 흔들었을 때 안정한 현탁 상태로 쉽게 되돌아가는 것으로 관찰되었으며; 분무 후 최종 복합물의 성능은 현저하게 영향을 받지 않았다.
복합물의 더 큰 응집체 크기, 또는 표면 특징부는 최종 복합물에서 액적 이동성에 직접적인 영향을 미친다. 아나타제 입자 및 노출된 중합체의 큰 군집은 도 3a 및 도 3b에서 관찰될 수 있다. 도 3b를 참조하면, 개개의 TiO2는 중합체 표면을 점 표시한 것으로 보일 수 있다. 이들 응집체의 단위 크기는 다른 코팅에서 관찰된 단위 크기와 잘 부합하며 모두 균일하게 1 마이크론 미만(< 1μm)의 치수이지만; 아나타제에 대해서, 이들 단위 응집체는 스프레이-캐스팅 동안 훨씬 더 큰 군집으로 더욱 응축되어, 일부는 그 크기가 50μm에 근접한다(도 3a). 이러한 계층적인 거칠기 특징부는 전체적으로는 바람직하지 않으나 초-발수성 생성에 도움을 줄 수 있으며; 불행하게도, 노출된 중합체의 약하게 소수성인 매끄러운 패치는 액적 이동성을 손상시켜서, 거칠기 대비로 인해 액적이 부착되어 고정될 수 있는 표면 상에 '끈적거리는' 패치를 초래할 수있다. 대조적으로, 21nm 혼합-상의 경우에 1 마이크론 미만의 응집체는 스프레이-캐스팅 동안 일정하게 유지되어, 표면을 따라 매우 균일한 나노미터-규모의 거칠기를 형성한다. 매끄러운 노출된 PE의 패치는 나노입자에 의해 잘 흡수되고, 아나타제에 대해 관찰된 중합체의 매끄러운 영역이 부족한 것으로 보인다. 100nm 혼합-상 복합물은 20nm 범위와는 반대로 100nm에 더 가까운 통상적인 입자 크기를 가지지만, 단위 응집체 크기는 크기 차의 순서에도 불구하고 다른 2개와 매우 잘 부합한다. 복합물은 예상한 대로 21nm 혼합-상 코팅과 매우 유사하다. 그러나, 100nm 혼합-상 복합물은 전체-아나타제 복합물과 마찬가지로, 아마도 입자 크기로 인해 PE가 부적절하게 나노입자 덩어리를 완전히 덮을 수 있게 하는 것으로 보이며; 매끄러운 노출된 중합체의 작은 영역이 확대도에서 보였다(도 3f의 회색 패치). 복합물은 2개의 격리된 복합물 이미지에서 관찰된 특징부의 고유한 블렌드를 형성하며, 매끄러운 중합체의 간헐적인 작은 패치와 더 넓은 범위의 응집체 크기를 가지는 양쪽의 측면을 포함한다.
입자 크기, 유형 및 중합체 커버리지의 역할을 더 잘 이해하기 위해 유리 슬라이드 상의 모든 코팅에 대해 동적 접촉각을 측정하였다. 임의의 초소수성 표면에 대해, 부동의 접촉각은 일반적으로 이동성 액적이 표면에 도입될 때 어떻게 될 것으로 예상되는지를 이해하는데 제한된 것으로 간주된다. 전진 및 후퇴 접촉각은 자기-세정 표면을 특징화하려고 시도할 때 더욱 적합하며, 여기서 액적의 이동성은 표면 오염 물질을 멀리 운반하는데 중요하다. 전진 및 후퇴 CA의 차이는 CA 히스테리시스로 알려져 있고, 이상적으로는 자기-세정 및 이에 따라 초-발수성에 관한 최상의 성능을 위해 가능한 한 0(zero)에 가깝다.
도 4a 내지 도 4c는 최적의 비율을 결정하기 위한 나노입자 하중 범위를 가지는 복합물의 표면에 도입 된 수적의 거동을 도시하고 있다. 도 4a 내지 도 4c는 모든 나노입자 질량 분율에 대해 테스트한 TiO2의 모든 세 유형에 대한 동적 젖음성 측정값을 포함한다. 모든 3개의 TiO2 샘플에 대해, 50 중량% 초과의 질량 분율 증가는 전진 접촉각(녹색)을 150º 이상으로 증가시키면서 또한 접촉각 히스테리시스(청색, 전진 접촉각에서 적색으로 나타낸 후퇴 접촉각을 뺀 것으로 정의됨)를 감소시킨다. 각 플롯의 녹색선은 후퇴 CA의 적색과 반대로, 전진 CA를 나타내고 있다. 감소 CA 히스테리시스, 또는 전진 CA와 후퇴 CA 간의 차이는, 전진 및 후퇴 CA 각도가 더욱 정렬됨에 따라, 더 높은 성능을 위한 척도이며; 이는 표면에 대한 수적의 부착 감소와 상관되어 있고, 결과적으로 수적 이동성을 용이하게 한다. 순수 PE 중합체(즉, 0:100 비율, 거칠기 없음)에 대한 ~95°의 CA는 모든 3개의 플롯에 대한 y-절편으로 도시되어 있고; 전체-PE 코팅에 대한 0(zero) 후퇴 CA가 중요한 것이며; 중합체 자체는 수적에 매우 끈적거리고 약하게만 소수성이다. 나노입자 하중이 증가됨에 따라, 모든 3개의 복합물은 CA 히스테리시스의 감소뿐만 아니라 더 높은 전진 접촉각을 달성하고; 후퇴각은 전진각에 가까워진다. 혼합-상 복합물에 대한 CA 히스테리시스는, 주로 도 3 a 내지 도 3f에서 논의한 바와 같이 노출된 중합체의 감소 및 나노-거칠기의 더 많은 출현으로 인해, 증가된 입자 하중으로 매우 빠르게 약화된다. 아나타제 코팅 내의 중합체의 노출된 패치는 액적 정착을 위한 표면 상의 영역을 허용하고, 이에 따라 후퇴 접촉선을 고정하여 후퇴하는 것을 방지한다. 혼합 복합물 내의 나노질감화된 매끄러운 중합체의 혼성 영역은, 루틸 경우에서의 성능의 꾸준하고 반복 가능한 증가에 비해, 입자 하중이 증가함에 따라 예상되는 성능의 작은 변화를 생성한다.
전반적인 분산 안정성 및 성능의 관점에서, 21nm 혼합-상 TiO2 복합물은 더욱 균일하고 반복 가능한 초소수성 코팅이었다. 현탁액은 무기한으로 유지될 수 있어 대면적의 산업 규모의 표면 처리에 이상적이며, 제형이 현탁액 밖으로 나올 위험 없이 낭비적인 비용 및 빈약한 효율 발생을 회피한다. 모든 3개의 복합물은 60:40 비율 초과의 초소수성을 달성하는 것으로 나타났지만; 입자 함량을 감소시키는 것은 75:25 비율 초과의 나노입자 부착을 심각하게 억제한다. 초 소수성을 달성하기 위해 60 내지 75 중량 %의 나노입자 대 중합체 비율의 바람직한 복합물 블렌드가 존재하는 것으로 보여진다.
대면적 표면 처리에 적용할 수 있는 반투명-백색 초소수성 복합 코팅을 달성하기 위해 안정적이고 완전히 수계이며 비-불소화된 스프레이 분산액이 도 5에 도시되어 있다. TiO2 및 수인성 왁스 폴리올레핀 중합체로 구성되면, 제형 부분의 이상적인 비율은 임계 성능 요건으로서 목표 액적 이동성에 대한 접촉각 히스테리시스의 감소를 강조하는 동적 접촉각 측정에 의해 결정되었다. SEM 및 TEM 이미지의 분석은 친수성 TiO2 나노입자 상 변이 및 코팅 성능에 대한 입자 크기의 영향을 더 잘 이해할 수 있게 하였다. 아나타제는 물 속에 현탁될 때 응집체의 형성을 방지하는 것으로 관찰된 반면에, 21nm 혼합-상은 아마도 루틸 입자 상의 표면 전하의 존재로 인해 입자 군을 빠르게 형성하였다. 이 표면 대전은 알칼리 중합체 블렌드와 결합할 때 스프레이-캐스트 21nm 혼합-상 복합물의 균일성을 설명하며, 이러한 극성 상호 작용은 소수성 중합체 쉘 내에 친수성 입자를 보다 완전하게 피복하는 역할을 한다. 한편, 보다 본질적으로 비활성인 아나타제는 복합물의 부피-대-표면적 비율을 줄임으로써 평형을 찾는 약간 대전된 자유 중합체 가닥으로 인해 더 큰 응집체 크기를 형성할 것이다. 따라서, 고유의 수인성 중합체 블렌드의 포함은 친수성 산화티탄의 나노미터 규모 거칠기의 조율을 통해 달성된 낮은 환경 영향의 초소수성 복합물에 효과적인 것으로 보여진다.
제1 특정 측면에서, 초소수성 표면은 비-불소화된 수계 조성물로 처리된 기재를 포함하는 초소수성 표면으로, 상기 조성물은, 불소가 없는 소수성 성분; 친수성 필러 입자; 및 물을 포함하고, 여기서 상기 필러 입자는 금속 산화물 나노입자이고, 여기서 상기 소수성 성분은 수성 분산액 내에 있다.
제2 특정 측면은 제1 특정 측면을 포함하며, 상기 금속 산화물 나노입자는 이산화티탄이다.
제3 특정 측면은 제1 및/또는 제2 측면을 포함하며, 상기 금속 산화물 나노입자는 루틸 이산화티탄, 아나타제 이산화티탄, 또는 루틸 이산화티탄과 아나타제 이산화티탄의 혼합물이다.
제4 특정 측면은 제1 내지 제3 측면 중 하나 이상을 포함하며, 상기 금속 산화물 나노입자는 혼합-상 이산화티탄이다.
제5 특정 측면은 제1 내지 제4 측면 중 하나 이상을 포함하며, 상기 혼합-상 이산화티탄은 21nm의 평균 입자 크기를 가진다.
제6 특정 측면은 제1 내지 제5 측면 중 하나 이상을 포함하며, 상기 필러 입자는 소수성 성분과 보호성 결합을 형성하도록 구성된다.
제7 특정 측면은 제1 내지 제6 측면 중 하나 이상을 포함하며, 상기 필러 입자 대 소수성 성분의 비율은 적어도 1이다.
제8 특정 측면은 제1 내지 제7 측면 중 하나 이상을 포함하며, 상기 소수성 성분은 중합체이다.
제9 특정 측면은 제1 내지 제8 측면 중 하나 이상을 포함하며, 상기 소수성 성분은 폴리올레핀을 포함한다.
제10 특정 측면은 제1 내지 제9 측면 중 하나 이상을 포함하며, 상기 소수성 성분은 올레핀과 아크릴산의 공중합체를 포함한다.
제11 특정 측면은 제1 내지 제10 측면 중 하나 이상을 포함하며, 상기 조성물은 휘발성 유기 화합물이 없다.
제12 특정 측면은 제1 내지 제11 측면 중 하나 이상을 포함하며, 상기 조성물은 스프레이에 의해 분산되도록 구성된다.
제13 특정 측면은 제1 내지 제12 측면 중 하나 이상을 포함하며, 상기 기재는 부직포 웹이다.
제14 특정 측면은 제1 내지 제13 측면 중 하나 이상을 포함하며, 상기 기재는 티슈 제품이다.
제15 특정 측면에서, 초소수성 표면은 비-불소화된 조성물로 처리된 기재를 포함하는 초소수성 표면으로, 상기 조성물은, 불소가 없는 소수성 중합체; 필러로서의 이산화티탄 나노입자; 및 물을 포함한다.
제16 특정 측면은 제15 특정 측면을 포함하며, 상기 소수성 중합체는 폴리올레핀을 포함한다.
제17 특정 측면은 제15 및/또는 제16 측면을 포함하며, 상기 이산화티탄 나노입자는 루틸 이산화티탄, 아나타제 이산화티탄, 또는 루틸 이산화티탄과 아나타제 이산화티탄의 혼합물이다.
제18 특정 측면은 제15 내지 제17 측면 중 하나 이상을 포함하며, 상기 이산화티탄 나노입자 필러는 혼합-상 이산화티탄이다.
제19 특정 측면은 제15 내지 제18 측면 중 하나 이상을 포함하며, 상기 혼합-상 이산화티탄은 21nm의 평균 입자 크기를 가진다.
제20 특정 측면에서, 초소수성 표면은 비-불소화된 조성물로 처리된 기재를 포함하는 초소수성 표면으로, 상기 조성물은, 불소가 없는 소수성 중합체; 필러로서의 이산화티탄 나노입자; 및 물을 포함하고, 여기서 상기 소수성 중합체는 폴리올레핀을 포함하고, 여기서 상기 이산화티탄 나노입자는 루틸 이산화티탄, 아나타제 이산화티탄, 또는 루틸 이산화티탄과 아나타제 이산화티탄의 혼합물이다.
본 명세서에서 언급하는 모든 문헌들은, 관련 부분에서 참고로 원용되며, 임의의 문헌을 언급하는 것을 그 문헌이 본 발명에 관한 종래 기술임을 인정하는 것으로 해석해서는 안 된다. 본 명세서의 용어의 임의의 의미나 정의가 참고로 원용되는 문헌에서의 동일한 용어의 임의의 의미나 정의와 충돌하는 경우, 본 명세서에서 그 용어에 지정된 의미나 정의가 지배한다.
본 개시물의 특정 측면들이 예시되고 기술되었지만, 본 개시의 다양한 사상과 범위로부터 벗어나지 않고서 다른 변경과 수정이 행해질 수 있다는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위에서 본 발명의 범위 내에 있는 이러한 모든 변경과 수정을 포괄하도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 비-불소화된 수계 조성물로 처리된 기재를 포함하는 초소수성 표면으로, 상기 조성물은,
    불소가 없는 소수성 성분;
    친수성 필러 입자; 및
    물을 포함하고, 여기서 상기 필러 입자는 금속 산화물 나노입자이고, 여기서 상기 소수성 성분은 수성 분산액 내에 있는, 초소수성 표면.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속 산화물 나노입자는 이산화티탄인, 초소수성 표면.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속 산화물 나노입자는 루틸 이산화티탄, 아나타제 이산화티탄, 또는 루틸 이산화티탄과 아나타제 이산화티탄의 혼합물인, 초소수성 표면.
  4. 제1항에 있어서, 상기 금속 산화물 나노입자는 혼합-상 이산화티탄인, 초소수성 표면.
  5. 제4항에 있어서, 상기 혼합-상 이산화티탄은 21nm의 평균 입자 크기를 가지는, 초소수성 표면.
  6. 제1항에 있어서, 상기 필러 입자는 상기 소수성 성분과 보호성 결합을 형성하도록 구성되는, 초소수성 표면.
  7. 제1항에 있어서, 상기 필러 입자 대 상기 소수성 성분의 비율은 적어도 1인, 초소수성 표면.
  8. 제1항에 있어서, 상기 소수성 성분은 중합체인, 초소수성 표면.
  9. 제1항에 있어서, 상기 소수성 성분은 폴리올레핀을 포함하는, 초소수성 표면.
  10. 제1항에 있어서, 상기 소수성 성분은 올레핀과 아크릴산의 공중합체를 포함하는, 초소수성 표면.
  11. 제1항에 있어서, 상기 조성물에는 휘발성 유기 화합물이 없는, 초소수성 표면.
  12. 제1항에 있어서, 상기 조성물은 스프레이에 의해 분산되도록 구성된, 초소수성 표면.
  13. 제1항에 있어서, 상기 기재는 부직포 웹인, 초소수성 표면.
  14. 제1항에 있어서, 상기 기재는 티슈 제품인, 초소수성 표면.
  15. 비-불소화된 조성물로 처리된 기재를 포함하는 초소수성 표면으로, 상기 조성물은,
    불소가 없는 소수성 중합체;
    필러로서의 이산화티탄 나노입자; 및
    물을 포함하는, 초소수성 표면.
  16. 제15항에 있어서, 상기 소수성 중합체는 폴리올레핀을 포함하는, 초소수성 표면.
  17. 제15항에 있어서, 상기 이산화티탄 나노입자는 루틸 이산화티탄, 아나타제 이산화티탄, 또는 루틸 이산화티탄과 아나타제 이산화티탄의 혼합물인, 초소수성 표면.
  18. 제15항에 있어서, 상기 이산화티탄 나노입자 필러는 혼합-상 이산화티탄인, 초소수성 표면.
  19. 제18항에 있어서, 상기 혼합-상 이산화티탄은 21nm의 평균 입자 크기를 가지는, 초소수성 표면.
  20. 비-불소화된 조성물로 처리된 기재를 포함하는 초소수성 표면으로, 상기 조성물은,
    불소가 없는 소수성 중합체;
    필러로서의 이산화티탄 나노입자; 및
    물을 포함하고, 여기서 상기 소수성 중합체는 폴리올레핀을 포함하고, 여기서 상기 이산화티탄 나노입자는 루틸 이산화티탄, 아나타제 이산화티탄, 또는 루틸 이산화티탄과 아나타제 이산화티탄의 혼합물인, 초소수성 표면.
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