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[섬유공학]면섬유의 미세구조

면섬유의 미세구조1. 면의 구조면은 모든 식물성 섬유의 근간인 셀룰로오스로 구성되어 있다. 섬유는 면화 꼬투리 안에서 성장하는 동안 원형의 단면을 보인다. 면화 꼬투리가 열리고 섬유가 건조되기 시작하면 섬유가 납작해지면서 단면이 콩팥모양이 된다. 전자현미경을 사용하여 고배율로 관찰하면 나무의 나이테와 같은 일일 성장환이 나타난다. 이것은 새로운 셀룰로오스 층이 밖에서 안으로 매일 축적되어 생기는 것이다. 처음에 생기는 외피층은 특히 견고한 형태의 셀룰로오스이다. 성장 말기에는 중심에 구멍이 남는데 이를 중공이라 한다. 섬유는 건조하면서 앞뒤로 길이 방향의 축을 따라 꼬이며 편평한 튜브같이 보인다. 표면은 천연의 왁스층으로 덮여있다.각각의 셀룰로오스 층은 피브릴이 모여 있는 피브릴 번들로 되어있다. 피브릴은 셀룰로오스 고분자로 구성되어 있다. 계속 이어지는 셀룰로오스 층의 피브릴 번들은 섬유장축에 대해 일정 각도로 기울어져 있고, 섬유중심의 중공뿐만 아니라 피브릴구조의 정돈된 부분사이의 빈 공간에는 물이 쉽게 침투할 수 있다. 이러한 빈 공간에 수분이 저장되므로 땀을 흡수해 세탁시에는 헹구어 제거할 수 있다. 면은 물에 의해 팽윤되면 더 강해진다. 이는 셀룰로오스 층을 따라서 또는 엇갈리어 존재하는 응력이 물의 존재로 인해 좀더 균일하게 분포되기 때문이다.섬유내부에서 셀룰로오스 사슬분자가 규칙적으로 놓여있기 때문에 면섬유는 매우 높은 강도를 나타낸다. 면섬유의 신도가 낮은 결정영역간의 미끄러짐 때문이다.2. 면섬유의 거시구조면섬유의 단면 - 중공 면섬유의 측면 - 리본모양의 꼬임면섬유는 길이가 0.3~5.5cm이며 현미경으로 관찰하면 축을 따라 불규칙하게 고인 리본상의 구조를 나타내고 있다.이 꼬임은 convolution이라 불리우며, 강한 방적사를 만들기 위하여 섬유와 섬유사이의 필요한 마찰을 증가시키는 역할을 한다. 면섬유는 색과 광택으로 등급을 나타내지만 대부분의 면은 광택이 없다. 면섬유의 광택을 보면 중앙에 루멘이라 알려져 있는 빈 구멍이 있으며 강낭콩찰이나 손상으로부터 섬유를 보호하는 역할을 한다.보통 방직섬유로서의 면의 내마모성은 외피에 의해 결정되며 1차벽은 피브릴이라 알려져 있는 얇은 세포의 격자망 구조를 하고 있다. 외피는 피브릴에 의해 지지되며 피브릴 구조가 섬유의 강도 및 강력을 결정해 준다. 2차벽은 제일 늦게 생성된 부분이며 이 역시 피브릴로 되어 있으나 1차벽같이 치밀하게 짜여있지는 않다.이 2차벽에 의해 섬유의 유연성이 결정된다. 또 1차벽과 2차벽 사이의 적은 양의 윤활층은 섬유의 탄성을 결정해 준다.3. 면섬유의 미시구조면섬유는 거의 100%의 셀룰로오스이며 - 셀룰로오스는 탄소, 수소, 산소원자로 이루어진 분자량이 큰 고분자로 그 기본단위는 반복단위인 셀로비오스다.셀로비오스 반복단위는 산소원자에 의해 연결된 2개의 b- 글루코오스 단량체로 이루어져 있다. 이 셀룰로오스는 다당류이다. 셀룰로오스는 녹말과 같은 다른 다당류와는 글루코오스의 결합형태로서 구별된다.즉 녹말에 있어서는 글루코오스를 연결하는 산소원자의 결합이 글루코오스 링과 같은 평면상에 있지 않으므로 여러 고분자 쇄들이 질서정연하게 잘 배열될 수 없도록 되어 있다.한편 셀룰로오스는 산소원자에 의한 글루코오스의 결합이 글루코오스링과 같은 평면상에 존재하는 구조를 가지므로 여러 분자쇄가 함께 정연하게 배열할 수 있게 된다.따라서 셀룰로오스는 잘 배열된 구조를 형성할 수 있기 때문에 물에 녹지 않으나 녹말은 잘 배열된 구조를 형성하지 못하므로 물에 녹는다.셀룰로오스의 쇄가 정연하게 배열된 부분은 결정부분을 이룬다. 면섬유는 85~95%가 이 결정부분으로 되어있으므로 가력이 높고 비교적 강성도 크다. 면섬유의 결정영역에서 셀룰로오스 쇄의 배열방법은 방상미셀 모델과 아주 흡사하다.4. 셀룰로오스의 수소결합한 개의 산소와 다섯 개의 탄소로 형성된 한 개의 링에는 세 개의 수산기가 있는데, 이 기들은 극성을 나타낸다. 즉 이 원자들 주위에 있는 전자들은 균일하게 분포되어 있지 않다. 이 기들은 수소원자는 북극으로 산소원자는 남극으로 하는며 셀룰로오스 속에 있는 수소결합은 대단히 복잡하다.면의 흡습성이 높은 이유는 물속에 있는 산소원자가 남극으로 작용하여 셀룰로오스의 수산기의 북극에 끌리기 때문이다. 이 높은 흡습성이 면에 쾌적성을 부여하는데 공헌하는 중요한 인자의 하나이다.5. 셀룰로오스()의 종류α - 셀룰로오스 : 중합도가 크고 결정성이 높으며 17.5%NaOH 용액에 용해되지 않는다. 거의 순수한 셀룰로오스β - 셀룰로오스 : 17.5%NaOH 용액에 용해, 희박한 산에 의해 침전γ - 셀룰로오스 : 17.5%NaOH 용액에 용해, 희박한 산에 의해 침전X※ 강산이나 약품에 대한 저항성 : α > β > 감마셀룰로오스는 섬유소(纖維素)라고도 한다. 화학식(C6H10O5)n으로, 냄새가 없는 백색 무정형 고체이며 열에 대한 저항성이 크고 물, 알코올, 에테르 등의 보통 용제에는 녹지 않으나, 산화구리암모니아 용액, 염화아연과 인산 등의 용액에 용해된다. 이들 용제는 셀룰로오스를 분해하지 않음으로 이 용액에 산을 가하면 셀룰로오스는 침전된다. 이와 같은 셀룰로오스를 재생 셀룰로오스라 한다.6. 셀룰로오스()의 특징① 셀룰로오스의 비중은 20℃에서 1.50~1.60 정도 되지만 면, 마류, 레이온 등의 겉보기 비중은 1.50~1.55 이다. => 결정 비결정 부분을 여러 가지 비율로 포함하고 있지 때문이다.② 비열 : 0.319③ 열전도도 : 0.014④ 복굴절을 나타내며 자외선을 쏘아주면 형광을 발산⑤ 가열하면 150℃에서 분해를 시작 230℃ 정도에서 발화⑥ 표준상태에서 6~12% 수분을 흡수(면, 마 , 레이온은 6~8%, 머서화면, 셀로판은 8~12% 흡수)=> OH기의 원인⑴ 셀룰로오스 분자가 서로 평행하게 접근하여 가까운 분자 간에 인력이 강하게 작용=> 수분과의 친화력 작다.⑵ 셀룰로오스 분자의 배열이 난잡하여 OH기가 서로 충분하게 결합되어 있지 않은 것=> 물을 흡수하는 힘이 커진다.7. 구조식에서 알 수 있는 셀룰로오스()의 성질“OH는 에스테르화, 에테르화 및 산화가 일어있어 다른 수산기와 결합하는 능력을 갖고 있으며, 또한 물과도 결합할 수 있고 이것을 수소결합이라고 한다.① 팽윤성- 셀룰로오스의 주쇄는 줄어들지 않고 직경방향으로 팽윤하는 즉, 주쇄에 존재하는 원자단의 화학적인 변화가 아니라⑴ 시약의 침투에 의한 변화 현상과⑵ 시약과의 화학적 결합에서 일어나는 팽윤현상즉, NaOH 용액에 셀룰로오스를 침지 시키면 알칼리 셀룰로오스를 형성하여 현저한 팽윤이 일어난다.팽윤의 정도는 알칼리의 농도, 온도 및 섬유의 종류에 따라 다르며 순수한 셀룰로오스로 구성된 면섬유는 상온에서 17.5% NaOH 용액에 의해 최대의 팽윤이 일어난다.=> 이 때의 섬유 단면은 거의 원형에 가까워지고, 긴장 상태하에서는 표면이 평활해져서 광택이 증가 한다.=> 이러한 현상을 이용한 가공을 머서화 가공 또는 머서라이제이션이라 한다.(J.Mercer 발견 1884) ② 분해현상- 셀룰로오스는 분해 또는 파괴가 일어난다.⑴ 가수분해 ( -O- 결합의 가수 분해 )셀룰로오스를 dil - HCl, dil - H2SO4등의 무기산으로 처리하면 일단 팽윤되었다가 글루코시드 결합점에서 가수 분해되어 성질이 변화된다. 이리하여 최종생성물은 글루코오스가 된다. 가수분해 초기생성물을 하이드로셀룰로오스라 하며, 성질의 변화 정도는 처리시간과 온도 및 용액의 농도에 따라 정상 셀룰로오스에 비해 점도, 중합도 및 강도가 낮고 환원성을 나타내며 동가가 증가하고 알칼리가용성이 된다.⑵ 산화 ( 산화제에 의한 산화 반응 )셀룰로오스를 산화제로써 처리하면 강도가 저하되고 염기성 염료의 흡착량 및 산소함량이 증가되는 옥시 셀룰로오스가 생성된다. 이 때 반응조건에 따라 환원성 및 알칼리 용해성이 증가하는 알데하이드형 옥시 셀룰로오스와 카르복시기가 증가하여 환원성은 증가하지 않으나 염기성 염료의 흡착성이 증가하는 애시드형 옥시 셀룰로오스가 된다. 이 때 옥시 셀룰로오스는 산화반응의 초기 생성물이며, 최종 생성물은 CO2 와 H2O가 된다.옥시 셀루로오스는 강도의 감소, 점도의 감소, 염 생겨서 환원성을 나타낸다. 이러한 환원성을 측정하는 데에서 섬유소를 펠링 용액으로 처리하여 환원, 석출되는 동량을 측정해서 셀룰로오스 100 g 에 대한 g 수를 환산한 값을 동가라 한다. 이 값은 사상분자의 분열도와 반드시 비례하는 것은 아니다.③ OH기의 변환셀룰로오스에 있는 OH기는 알코올성 OH 이지만 각 주쇄의 사이에서 2차 결합력이 형성되어 일반적인 알코올 반응이 일어나기는 힘들다. 또, 시약의 종류 및 반응 조건에 따라서는 반응효과를 증진 시킬 수는 있으나 OH기 전체를 다른 형태로 변환시킨다는 것은 실제로는 대단히 힘들다.⑴ 에스테르화셀룰로오스에 존재하는 OH기의 H와 산의 HO를 제외한 군의 생성물로서 이 때 반응한 OH기의 수만큼 H2O 분자가 생성된다.이와 같이 셀룰로오스 분자 중의 OH기가 에스테르화하면 상대하는 OH기 사이의 수소 결합이 파괴됨으로써 반응이 진행될수록 각 주쇄 사이의 결합력이 저하되어 주쇄 단위로 분산현상을 일으켜 셀룰로오스 에스테르는 용해성이 증가되어 에스테르화 또는 용해성에 지접적인 영향을 미치게 된다.㈀ 질산 셀룰로오스a. 질산 + 셀룰로오스 => ( 에스테르화 반응 ) => 질산 셀룰로오스C6H9O4 ? OH + HONO2 ====> C6H9O4 ? ONO2 + H2O생성b. 탈수제를 첨가하면서 반응을 진행 ( H2O의 존재로 인한 반응의 평형에 영향 감소 )c. 면화학, 셀룰로이드, 투석막 및 감광막의 재료인 콜로디온으로 쓰인다.㈁ 초산 셀룰로오스a. 아세트산 + 셀룰로오스 => ( 에스테르화 반응 ) => 제1차 아세트산 셀룰로오스C6H7O2(OH)3 + 3CH3COOH ====> C6H7O2(O?CH3CO)3 + 3H2O< 저온에서 탈수제를 사용하여 반응시키면 3개의 OH기가 완전히 아세틸기로 변화되어 셀룰로오스가 용해..=> but, 강력이 작아 섬유로서는 부적당함 >b. 제1차 아세트산 셀룰로오스 => ( 묽은 무기산의 존재하에 가수 분해 )=> 제2차 아세트산 셀룰로오스C6H7O2(CH3CO)3 + H는다.

공학/기술| 2005.12.21| 10페이지| 1,500원| 조회(1,972)

셀룰로오스, 면, 섬유, 미세구조, 거시구조

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