Preparation and application of durable flame retardant antimicrobial finishing agent for cotton fabrics
본 연구는 면 직물의 기계적 물성을 유지하면서도 50회 이상의 세탁에도 견디며 화재 안전성과 미생물 저항성을 크게 향상시키는 내구성이 있는 공유 결합형 난연 및 항균 가공제(FRA-PHMG)의 합성을 보고한다.
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면은 부드러움, 통기성, 그리고 수분 흡수 능력 덕분에 전 세계에서 가장 사랑받는 소재 중 하나입니다. 여름용 셔츠부터 병원용 가운에 이르기까지 모든 것에 사용되는 선택받는 직물입니다. 그러나 이 천연 섬유에는 그 용도를 고위험 환경으로 제한하는 두 가지 중대한 약점이 있습니다. 첫째, 불에 잘 타는 것입니다. 불에 노출되면 면은 빠르게 점화되어 계속 타오르며, 불길을 키우는 가연성 가스를 방출합니다. 둘째, 물을 머금는 능력은 박테리아와 곰팡이가 번식하기 좋은 따뜻하고 습한 환경을 조성하여 의료 현장이나 공공장소에서 건강상의 위험을 초래할 수 있습니다. 수십 년 동안 과학자들은 불을 막거나 세균을 죽이는 화학 물질로 면을 코팅하여 이러한 문제들을 해결하려고 노력해 왔습니다. 하지만 큰 장애물이 남아 있었습니다. 대부분의 처리가 세탁 시 씻겨 나간다는 점입니다. 만약 화학 물질이 섬유에 결합하지 않고 표면에만 머물러 있다면, 세탁기를 몇 번 돌리는 것만으로도 그것을 벗겨내어 면을 다시 취약한 상태로 만듭니다.
상하이 기술 연구소(Shanghai Institute of Technology)의 연구진은 이 두 가지 문제를 동시에 해결하면서 세탁 문제까지 해결하는 새로운 접근 방식을 개발했습니다. 그들은 불에 저항성을 갖게 하고 미생물에 적대적인 환경을 만들면서도 세탁 시 씻겨 나가지 않도록 면 섬유에 화학적으로 결합하는 단일 마감제를 만들었습니다. 연구팀은 박테리아의 세포벽을 파괴하여 박테리아를 죽이는 능력으로 알려진 흔한 항균 폴리머에서 시작했습니다. 그들은 이 폴리머에 면 자체와 반응할 수 있는 화학 그룹을 부착하여 이를 변형했습니다. 그런 다음 연소 과정을 방해하는 것으로 알려진 원소인 인과 질소를 추가했습니다. 그 결과, 면에 적용하고 열을 가하면 영구적이고 보이지 않는 보호막을 형성하는 새로운 화합물이 탄생했습니다. 이 보호막은 단순히 섬유 위에 놓여 있는 것이 아니라, 섬유와 융합되어 반복적인 세탁에도 견딜 수 있는 내구성 있는 장벽을 만듭니다.
연구진은 이 새로운 처리를 일반 면직물에 테스트하기 위해 에이전트 용액에 담근 후 이를 고온에서 구워 고정하는 방식을 사용했습니다. 결과는 놀라웠습니다. 처리되지 않은 면은 거의 잔여물을 남기지 않고 몇 초 만에 불이 붙으며 격렬하게 탑니다. 그러나 처리된 직물은 완전히 다르게 행동했습니다. 불꽃에 노출되었을 때, 지속적인 연소를 일으키지 않았습니다. 타서 없어지는 대신, 아래쪽의 재료를 보호하는 두꺼운 탄화층을 형성했습니다. 직물이 타오르기 위해 얼마나 많은 산소를 필요로 하는지 측정하는 테스트에서, 처리된 면은 처리되지 않은 면보다 불이 붙기 위해 두 배 이상의 산소를 필요로 했습니다. 불꽃이 제거되자 직물은 즉시 타는 것을 멈추었으며, 남은 불씨도 없었습니다. 연소 과정 중 발생하는 열량은 처리되지 않은 대조군에 비해 정점 강도가 90% 이상 급격히 감소했습니다.
불을 막는 것 외에도, 이 직물은 세균을 죽이는 데 매우 효과적임이 입증되었습니다. 연구진은 처리된 면을 세 가지 흔한 미생물, 즉 두 종류의 박테리아와 감염에서 자주 발견되는 효모에 노출시켰습니다. 이 직물은 이들을 거의 모두 사멸시켰으며, 효모에 대해서는 100%, 박테리아에 대해서는 99%의 효과에 도달했습니다. 결정적으로, 이 처리는 세균을 죽이기 위해 공기나 물로 화학 물질을 방출하는 방식에 의존하지 않았습니다. 대신 항균제가 직물 표면에 고정되어 있어, 미생물이 재료에 닿았을 때만 살균 작용을 했습니다. 이러한 접촉 기반의 작용은 더 안전하며 환경에 독성 물질을 방출하는 것을 방지합니다.
이 새로운 기술의 진정한 시험대는 일상생활의 혹독함을 견뎌내는 능력이었습니다. 연구진은 수년간의 사용을 시뮬레이션하기 위해 설계된 과정인 세탁기를 통해 처리된 직물을 50회 세탁했습니다. 이 과정을 거친 후에도 직물은 대부분의 보호 특성을 유지했습니다. 여전히 불에 효과적으로 저항하며, 처리되지 않은 면보다 타기 위해 훨씬 더 많은 산소를 필요로 했고, 접촉한 미생물의 85% 이상을 계속해서 죽였습니다. 처리를 면에 고정하는 화학 결합은 에이전트가 유출되는 것을 방지할 만큼 강력하여 보호 기능이 온전하게 유지되었습니다. 또한 이 처리는 직물의 물리적 촉감과 강도에 미치는 영향이 최소적이어서, 면이 가진 매력인 부드러움과 내구성을 보존했습니다.
이 연구는 면의 자연스러운 특성을 훼면서도 화재와 감염에 대한 영구적인 이중 방어 체계를 부여하는 것이 가능하다는 것을 보여줍니다. 보호제를 섬유에 직접 화학적으로 결합함으로써, 연구진은 광범위한 세탁 후에도 안전하고 깨끗하게 유지되는 직물을 만들어냈습니다. 이 접근 방식은 편안하면서도 본질적으로 더 안전한 직물을 만들기 위한 유망한 경로를 제시하며, 화재 안전과 위생이 매우 중요한 병원, 공공 건물 및 가정에서 사용하기에 적합합니다. 이 직물은 내구성 있는 솔루션으로서, 적절한 화학적 설계를 통해 면이 오랫동안 그 잠재력을 제한해 온 위협으로부터 스스로를 보호할 수 있음을 증명하고 있습니다.
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