가죽 방수의 기본 개념 및 방수 메커니즘

가죽 제품은 고대부터 널리 사용되어 왔습니다. 가죽의 사용 역사는 구석기 시대까지 거슬러 올라가는데, 당시 우리 조상들은 동물의 가죽을 이용하여 옷을 만들어 입었습니다. 기술이 끊임없이 발전함에 따라 가죽 제품에 대한 사람들의 요구 또한 지속적으로 향상되었습니다. 단순한 "가죽"에서 "가공 가죽"을 거쳐 방수, 방유, 난연성 등 뛰어난 성능을 갖춘 다기능 가죽 생산에 이르기까지 발전해 왔습니다. 동시에, 탁월한 성능을 지닌 인조 가죽이 등장하여 천연 가죽에 도전장을 내밀었습니다.

방수 기능은 현대 가죽에 필수적인 특징입니다. 가장 널리 사용되는 의류용 가죽과 갑피 가죽은 방수 기능을 요구합니다.방수가죽 제품의 수요는 날이 갈수록 증가하고 있으며, 소비자들은 가죽 제품 구매 시 '방수'라는 조건을 중요하게 고려하고 있습니다. 방수 기술의 확산으로 방수는 가죽 자체의 특성 중 하나로 여겨지게 되었습니다. 오늘날 다양한 방수 가공 기술이 개발되었으며, 본 시리즈에서는 가죽 방수 연구의 개념, 메커니즘, 가공 기술의 세 가지 측면에서 관련 내용을 체계적으로 정리했습니다. 특히 본 글에서는 방수의 개념과 메커니즘을 중점적으로 다룹니다.

1. 가죽 방수의 기본 개념

가죽 방수의 핵심은 가죽 표면을 통해 물이 반대편으로 스며드는 것을 막는 것입니다. 가죽 자체는 친수성이기 때문에, 천연 가죽은 일반적으로 무두질 과정을 거치는데, 이 과정에서 친수성을 완전히 막을 수는 없습니다. 가죽의 친수성은 3차원 공간으로 엮인 콜라겐 섬유와 섬유 사이에 다양한 반경을 가진 수많은 모세관 구조에서 비롯됩니다. 무두질 과정에서 화학 물질을 첨가하면 하이드록실기, 카르복실기, 아미노기 등의 극성기가 더 많이 도입됩니다. 이러한 극성기는 유사성 원리에 따라 물과 결합하여 친수성을 형성합니다.

가죽이 물과 접촉하면, 가죽 표면에 존재하는 다수의 극성 작용기로 인해 가죽이 친수성을 띠게 되어 습기를 흡수하게 됩니다. 동시에 가죽에 존재하는 미세한 관 구조로 인해 가죽은 수분을 흡수합니다. 방수란 이러한 과정이 발생하는 것을 막는 것이므로, 방수는 다음 세 가지로 요약할 수 있습니다.

(1) 보습 없음: 물 표면이 젖는 상피 섬유소 표면의 특성을 방지하고 물을 기준으로 합니다.

(2) 수분 흡수 없음: 가죽이 물을 흡수하고 내부로 침투하는 것을 방지하는 성능, 즉 수분 분해능.

(3) 정밀 방수: 가죽 측면에서 반대쪽으로 물이 들어가는 것을 방지하는 성능, 즉 방수.

위에서 언급한 세 가지 측면이 방수 성능의 핵심입니다. 방수 성능은 가죽의 수분 흡수, 수분 투과, 그리고 물에 젖지 않는 능력을 모두 포함해야 합니다. 그러나 시중에 나와 있는 방수 가죽은 이 세 가지를 모두 갖추지 못한 경우가 많습니다. 예를 들어, 어떤 방수 가죽은 표면은 젖어도 물이 스며들지 않지만, 표면은 젖지 않더라도 방수성이 떨어집니다. 이러한 현상 때문에 방수 가죽에 대한 인식이 혼란스러워지고 있습니다. 고급 방수 가죽을 만들기 위해서는 정적 방수와 동적 방수를 모두 갖춰야 합니다. 그래야 천연 가죽의 뛰어난 성능, 특히 위생적인 ​​성능을 유지하면서 기능성을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

둘째, 가죽 방수 메커니즘

외관적인 관점에서 보면 코팅층과 가죽층, 이렇게 두 층으로 나눌 수 있습니다. 청마(Cheng Demon)에서는 이를 레비 리그(Levy League)라고 부릅니다. 앞서 설명했듯이 방수란 가죽이 물을 흡수하거나 투과하지 않고 물에 젖지 않는 능력을 말합니다. 방수의 첫 번째 단계는 가죽 표면이 젖지 않도록 하는 것인데, 이는 고체 표면의 습기 문제를 해결하는 것입니다. 젖음 현상은 액체와 고체 사이의 상호작용으로, 액체, 기체, 고체의 접촉을 포함합니다. 삼상 접촉면은 표면 장력을 가지고 있습니다. 젖음 현상이 발생하는지 여부는 표면 장력으로 판단할 수 있습니다. 액체의 표면 장력이 고체의 표면 장력보다 낮으면 액체는 고체 표면에 평평하게 퍼져 고체를 적실 수 있습니다. 반대로 표면 장력이 약하면 액체는 고체 표면에서 물방울 형태로 수축하여 퍼지지 않고 젖지 않습니다. 즉, 표면 장력이 높은 물질은 표면 장력이 낮은 물질을 적시지 못합니다. 따라서 가죽이 물에 젖는 것을 방지하려면 가죽의 표면 장력이 물의 표면 장력보다 낮아야 합니다.

고체의 습윤 정도는 일반적으로 접촉각으로 나타냅니다. 영국의 과학자 토마스 영은 유명한 영 방정식을 제시하여 이 문제를 설명했습니다. 액체가 고체 표면에 부착될 때, 고체 표면의 습윤 정도는 접촉각 θ(또는 습윤각)로 나타낼 수 있습니다. cosθ = vs -g-vl-g vs-l

공식 1에서 θ는 기(氣)-액체-고체 삼상 접합면 사이의 각도, 기-액체와 기체-고체 계면 사이의 장력 각도, 액체-기 사이의 표면 장력, 기체-고체-액체 사이의 표면 장력을 나타냅니다. 자세한 내용은 아래를 참조하십시오.

그림 1은 접촉각과 표면장력의 관계를 나타낸 그림입니다. A는 액체가 고체를 적시는 상태이고, B는 액체가 고체를 적시지 않는 상태입니다. 접촉각의 크기를 측정함으로써 고체 표면의 젖음성을 판단할 수 있으며, 일반적으로 젖음성은 90°입니다. 그림 1 A에서 볼 수 있듯이, 접촉각 θ < 90°인 경우 액체가 고체 표면에 닿으면 액체가 고체를 쉽게 적시는 것을 나타냅니다. 고체 표면에서 액체 방울이 수축하여 구형을 형성하는 경향이 있습니다. 접촉각 θ > 90°인 경우 액체가 고체를 쉽게 적시지 않는 것을 나타내며, 이는 소수성 고체 표면과 액체 사이의 상호작용을 의미합니다. 접촉각이 작을수록 젖음성이 좋습니다. θ = 0°일 때는 고체 표면이 완전히 젖었고, θ = 180°일 때는 전혀 젖지 않았습니다. 따라서 가죽 표면이 젖지 않고 물을 거부하도록 하려면 직관적으로 접촉각 θ > 90°가 필요하며, 이는 가죽 표면의 표면 장력을 감소시킴으로써 달성할 수 있습니다. 가죽 표면이 젖지 않도록 접촉각을 조정하는 것 외에도, 가죽 자체가 콜라겐 섬유로 구성되어 있어 무수히 많은 다양한 반경을 가지고 있다는 점에 유의해야 합니다. 모세관 현상이 매우 쉽게 발생하여 가죽의 수분 흡수율을 더욱 증가시킵니다. 따라서 가죽을 방수 처리하는 것이 중요하며, 가죽 섬유의 소수성 성능 향상 또한 고려해야 합니다.

모세관 현상은 분자 접착층의 접착력과 응축력으로 인해 액체 표면이 휘어지기 때문에 발생합니다. 동시에 표면 장력으로 인해 휘어진 액체 표면에 추가적인 압력이 가해지고, 이로 인해 휘어진 액체 표면과 수평인 액체 표면 사이의 압력 차이가 발생합니다. 이 압력 차이는 모세관 내부의 액체를 상승시키거나 하강시켜 추가적인 압력을 상쇄하고, 결과적으로 압력 차이를 균형 있게 유지합니다. 모세관 내부의 액체는 영-라플라스 방정식으로 판단할 수 있습니다. 영-라플라스 방정식은 휘어진 액체의 추가적인 압력과 액체의 표면 장력 및 곡률 반경 사이의 관계를 다음과 같이 나타냅니다. △P = γ(1/R1 + 1/R2) 여기서 △P는 액체 표면 안쪽과 바깥쪽 사이의 압력 차이, γ는 표면 장력 계수, R1과 R2는 액체의 주 곡률 반경입니다. 자세한 내용은 아래를 참조하십시오.

그림 2에서 보는 바와 같이 모세관 내에서 α, β, σ 삼상 공존 시스템이 존재한다. 반지름 R인 모세관 내에서 삼상 평형이 이루어지면 α의 접촉각은 θ이다. 영-라플라스 방정식의 개략도에서 θ < 90°이면 △P < 0이므로 모세관 내 액체 표면은 오목하고, 액체 아래에 가해지는 힘은 액체를 끌어당겨 모세관 안으로 들어가 고체를 적시게 한다. θ > 90°이면 △P > 0이므로 모세관 내 액체 표면은 볼록하다. 따라서 모세관 현상이 발생하지 않도록 하려면 접촉각을 90° 미만으로 만들어야 하는데, 이는 모세관 내벽의 면적을 줄여 표면장력을 변화시킴으로써 달성할 수 있다.

셋째, 가죽 코팅 방수 메커니즘

가죽 표면은 물에 가장 먼저 노출되는 부분입니다. 습기로부터 물을 막기 위해 가죽 표면을 바꾸는 것 외에도, 가죽 표면에 방수 코팅층을 추가하여 1차 방수 방어막을 만들 수 있습니다. 이 코팅을 적용하는 핵심은 가죽의 습도, 코팅의 접착력, 그리고 펄프의 침투력에 있습니다. 하부 코팅은 전체 코팅의 기초가 되며, 접착력은 하부 코팅에 매우 중요하므로 코팅의 접착력이 필수적입니다. 코팅에 미치는 영향은 물리적, 화학적 측면 모두에서 논의될 수 있습니다. 매끄러운 표면은 마모되는 표면보다 코팅의 접착력이 떨어집니다. 마모되는 표면에는 주름, 작은 돌출부, 불규칙한 부분이 많아 접착력이 더 좋기 때문입니다. 화학적 가교제를 사용하면 코팅의 방수성과 접착력을 향상시킬 수 있습니다. 하부 슬러리의 침투력 또한 중요한 영향 요인입니다. 가죽 자체는 섬유 구조를 가진 다공성 물질입니다. 습윤 및 접착 법칙에 따르면, 가죽 본체에 펄프가 침투하는 속도는 여러 요인과 관련이 있습니다.

샌드마이어 공식은 침투 속도와 표면 장력, 점도 및 접촉각 사이의 관계를 설명합니다.

공식 4: 침투 속도 = 기공 크기 × 표면 장력 × cosθ 점도

방정식 4에서 다음과 같은 사실을 알 수 있습니다.

(1) 습각(COSθ)의 기능값(COSθ)은 펄프의 침투 속도에 비례하며, 이는 습윤이 바닥 펄프의 침투에 핵심적인 역할을 한다는 것을 나타냅니다.

(2) 기공 증가, 표면 장력 증가, 접촉각의 스트링 값(COSθ) 증가, 액체의 점도 감소는 액체의 습윤 속도 증가에 도움이 됩니다. 동시에, 바닥면 침투도 고려해야 할 사항 중 하나는 침투 깊이입니다. 침투 깊이에 영향을 미치는 요인은 기본적으로 침투 속도에 영향을 미치는 요인과 동일하지만, 펄프의 침투 깊이를 증가시키기 위해서는 점도를 낮추고, 습윤각을 줄이고, 펄프의 표면 장력을 높여야 합니다. 습윤각을 줄이면서 표면 장력을 높이는 것은 상반되는 현상입니다. 따라서 펄프가 더 깊이 침투하도록 표면 장력을 적절히 조절해야 합니다. 침투 속도는 표면 장력에 비례하지만, 표면 장력이 클수록 침투 속도도 커집니다.

위에서 언급한 요인 외에도 가죽 표면 하단으로의 침투는 농도, 가죽의 상태(수분 함량, 기공 정도, 전하 극성 등) 및 코팅 방법과도 관련이 있습니다.