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부직포의 구조 및 항균능력연구

2013.11.10 지도교사 : 김영익 연구자 : 고은설, 노정민, 위재연, 정선주

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<목 차> Ⅰ.탐구주제 Ⅱ.탐구동기 Ⅲ.탐구실행 방법(절차와 방법) ⅰ. 부직포 구조에 따른 성능 비교 ⅱ. 생활 속 액체의 항균 작용에 따른 부직포 성능 향상

Ⅳ.탐구내용과 결과 정리 및 해석 Ⅴ.결론 ⅰ. 실험의 결과 및 토의 ⅱ. 기대효과

Ⅵ.참고문헌

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Ⅰ.탐구주제 부직포 종류에 따른 구조의 차이점을 이용하여 성능을 비교하며 생활 속 액체의 항균작용을 파악해 부직포의 성능을 향상시킨다.

Ⅱ.탐구동기 서울대학교에서 고분자와 관련해 나일론 합성 실험에 관해 실험을 한 적이 있다. 이 실험을 통해 우리 주변에 섬유의 종류와 특징 등에 대해 알아보고 싶은 호기심 이 일었다. 섬유의 종류에 대해 인터넷에 검색해보던 도중 우리 생활에 널리 쓰이 고 주변에서 구하기가 쉬워 실험을 하기 용이한 부직포를 알게 되었다. 또한, 엄마 께서 ‘이 부직포는 왜 이렇게 안 닦이지’라는 말씀을 듣고 ‘부직포의 성능을 높일 수 있는 방법은 없을까?’하는 궁금증이 떠올랐다. 그래서, 각 종류별 부직포를 구입 해 현미경으로 구조를 관찰해 차이가 있다면 그 구조의 차이가 성능의 차이에도 영 향을 미치는지 알고 싶었다. 어느 날 부직포를 다 사용한 후 물에 젖어 있는 채로 방치되어 있는 것을 보았다. 습한 상태에서 세균의 번식이 활발하다는 내용을 배운 적이 있어 ‘이 부직포가 다 시 재사용될 때 과연 청결된 상태를 유지할 수 있을까?’ 라는 호기심이 생겼다. 이 호기심을 풀기 위해 생활 속에서 쉽게 구할 수 있는 액체들의 항균 능력을 검사하 여 보고 항균 능력이 좋은 액체를 부직포에 적용해 부직포의 성능을 향상시키고 싶 었다.

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Ⅲ.탐구실행 방법(절차와 방법) ㄱ) 부직포 구조에 따른 성능 비교 1.전자현미경으로 본 부직포 구조와 구성성분

준비물)전자현미경(서울특별시 과학전시관 소장, 종류별 부직포의 구조를 관찰하기 위해 일주일 전 서울특별시과학전시관 openLab에 예약하여 전자현미경을 이용하게 되었다.), 종류별 부직포, 이온코팅기 실험방법) ① 관찰하고자 하는 부직포를 이온 코팅한다. ② 위에서 만든 표본을 전자현미경을 통해 관찰한 후 컴퓨터 프로그램을 통해 부직 포의 성분과 구조를 파악한다.

2.습식, 건식 부직포와 부직포 종류에 따라 붙는 먼지량 비교

실험준비물) 부직포, 테이프, 추, 마이크로 피펫, 비닐장갑, 가위

① 서로 다른 종류의 부직포를 동일한 크기로 자른다. ②구조 차이에 따른 성분을 비교하기 위해 완전 건조된 부직포와 물에 적실 부직포 로 나눈다. ③물에 적실 부직포에 각각 마이크로 피펫을 이용하여 물을 500µ씩 넣는다. ④완전 건조된 부직포를 띠 형태로 추에 말아 일정한 먼지가 있는 곳에 돌린다.(일 정한 힘을 주어 동일한 조건에 실험을 하기 위해서다.) ⑤물에 적신 부직포를 일정한 먼지가 있는 곳에 설치하여 추를 그 위에 굴린다. ⑥한 종류의 부직포 당 이 과정을 4번 반복한다.

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ㄴ)생활 속 액체의 항균 작용에 따른 부직포 성능 향상 준비물) LB고체배지, 대장균, 항생제, 부직포, 생활 속 액체(녹차, 커피, 홍차, 매실, 식초 등), 증류수, 에탄올, 삼각스프레더, 디스크

매실

솔잎

커피

녹차 홍초

커피 농축

인목

목련

옥수

식초

은행

오디

실험방법) ① LB고체배지를 만든다. 1)LB가루7.5g, Agar6.0g, 증류수300ml를 500ml삼각플라스크에 넣는다. 2)알루미늄 호일로 뚜껑을 만들어 고온고압증류기에 넣는다. 3)클린벤치에서 페트리접시에 배지를 부은다. ② 고체배지에 희석한 대장균액을 100ℳ만큼 배지에 골고루 도말한다. 1)LB가루1.45g, 증류수50ml를 삼각플라스크에 넣는다. 2)뚜껑을 만들어 고온고압증류기에 넣는다. 3)클린벤치에서 미리 고체LB배지에 배양해둔 대장균을 멸균된 이쑤시개로 10clone따서 삼각플라스크에 넣는다. 4)37℃배양기에 넣어 1일간 배양한다. 5)4)의 액체를 마이크로 피펫을 이용해 100ℳ만큼 배지에 붓는다. 6)삼각스프레더를 이용하여 대장균액을 배지에 도말한다. 7)배지 뚜껑을 닫고 3~5분간 습기가 흡수되도록 한다. ③15분이내에 우리가 실생활에서 자주 볼 수 있는 용액의 농축액을 넣은 원판을 배지위에 올린다. ④16시간동안 37℃ 배양기에서 배양 후, 원판 주위의 세균증식억제대의 직경을 자를 측정하고, 기록한다.

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Ⅳ.탐구내용과 결과 정리 및 해석 ⅰ.부직포 구조에 따른 성능 비교 <구조>-전자현미경 종류

배율

x30

A

B

C

D

표 1 부직포 종류별 구조

섬유실의 두께-A>B>C>D 섬유실 간의 간격-A>B>C>D

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x100


종류

성분graph Quantitative results

A

Weight%

60 50 40 30 20 10 0 C

O

Quantitative results

B

Weight%

60 50 40 30 20 10 0 C

O

Quantitative results

C

Weight%

80 60 40 20 0 C

O

Quantitative results 50

D (Nb는 이물질이다.)

Weight%

40 30 20 10 0 C

표 2 부직포 종류별 성분비율

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O

Nb


<성분> 종류

성분

A B C D

C

O

Nb

60%

40%

0%

55%

45%

0%

40%

60%

0%

45%

55%

5%

표 3 부직포 종류별 성분 비율

부직포는 평행 또는 부정방향으로 배열하고 합성수지 접착제로 결합하여 펠트 모양 으로 만든 것이다. 원료 섬유로는, 처음에는 솜 ·비스코스레이온이 주로 사용되었으나, 1950년대 중반 부터는 나일론 등의 합성섬유도 사용되었다. 그리고 이 이후에 섬유가 얽혀 있어서 종횡의 방향성이 없으며, 자른 가장자리가 풀리는 일도 없기 때문에 여러 가지 용도에 쓰이는데, 근년에는 공업용으로서도 널 리 쓰이고 있다.1) 이러한 구조의 차이가 성능의 차이를 불러일으킬지의 의문을 가지고 성능 비교 검 사를 해보았다.

종류

상태

건식

습식

A

매우우수

보통

B

우수

우수

C

우수

우수

D

보통

매우 우수

1) [네이버 지식백과] 부직포 [non-woven fabric, 不織布] (두산백과)

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ⅱ. 생활 속 액체의 항균 작용에 따른 부직포 성능 향상 각 생활 속 액체의 항균 능력측정위해 측정한 세균증식억제대직경은 이러하다. 액체

항생제 (대조군)

목련

식초

커피 농축액

홍차

오디 0.785

반지름(cm)

0.6

0.48

0.605

0.115

0.44

액체

은행

옥수수

녹차

매실

반지름(cm)

0.165

0.47

0.455

0.65

0.72

⇒오디>매실>녹차>식초>목련>은행>옥수수>홍차>꿀>커피 농축액

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항생제 앞

오디

매실

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녹차 앞

식초

목련

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은행 앞

옥수수

홍차(사진의 홍초는 홍차를 잘못 쓴 것이다.) 앞

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꿀 앞

커피 농축액

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Ⅴ.결론 ⅰ. 실험의 결과 및 토의 (1) 부직포 구조 정전기력은 거리 r만큼 떨어져 있는 두 대전입자(점 전하)

사이에

작용하는

인력이나

척력이다.

        으로 나타낼 수 있는데 q와 Q는    

대전입자의 전하량, r은 두 대전입자 사이의 거리,  은 유전상수이다. 따라서, 정전기력은 대전입자의 전 하량에 비례하고 두 대전입자 거리의 제곱에 반비례한 

다. 즉, q∝F, Q∝F,  ∝F 로 나타낼 수 있다.  부직포가 건조된 경우 두 물체간의 정전기력이 발생하 며 이 힘에 의해 부직포에 먼지가 달라붙는다. 이 때, 정전기력은 전하량에 비례하는데 A의 경우 실의 두께 그림 41 쿨롱법칙 실험

가 두꺼워 다른 대조군보다 전하량이 커 건조된 상태

의 경우 A의 성능이 제일 좋았다. 그러나, 습식의 경우 D의 성능이 제일 좋았는데 이는 물의 표면장력과 극성과 연관 이 있다. 물 분자는 수소원자 2개, 산소원자 1개로 이루어져 있는데 물 분자 한 개를 놓고 보면 수소원자들은 부분적으로 양 전하를 띠며, 산소원자는 부분적으로 음 전하를 띤다. 왜냐하면 산소의 전기 음성도가 수소보다 크기 때문에 산소 원자가 전자를 잘 끌어 당기는 특성이 있어서 상대적으로 산소원자 주위에 전자가 더 많이 쏠려 있게 된다. 한 개의 분자 안에 부분적으로 양전하, 음전하를 가진 물 분자를 극성을 띤 분자라고 한다. 따라서, 분자 간 전자기력으로 인해 먼지가 흡수된다.

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그림 42 물 분자의 극성

또, 물의 표면은 공기에 노출되어있는데 이 경우 공기와 접촉하는 물 분자의 에너 지와 물방울 내부에 있어서 온통 물 분자로 둘러싸인 물 분자의 에너지와 다르다. 액체 내부에 있는 물 분자들은 모든 방향에서 서로 균등한 힘이 작용해 안정한데에 비해, 공기에 노출되어있는 물에 경우 액체 내부에서 같은 분자들이 끄는 힘은 일 정하지만, 공기 방향에서는 그런 힘을 작용 받지 않는다. 왜냐하면, 기체 상태의 분 자 간의 힘은 액체 상태의 분자 간의 힘보다 작기 때문이다. 이러한 이유로, 공기에 노출되어 있는 물이 기체와 접촉하는 물 분자의 수를 최소로 하여 안정화

되기 위

해 구의 모양을 유지하려하는데 이 때 표면장력이 발생한다. 이러한 물의 특성으로 물에 먼지가 흡수되었을 때 쉽게 먼지가 빠져 나오지 않는다. D의 경우 다른 대조군보다 실 간의 간격이 짧고 표면적이 넓은데 이는 표면장력을 증가시키는 원인이 된다.

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(2) 생활 속 액체의 항균 작용에 따른 부직포 성능 향상 여러 생활 액체들 중 주변에서 구하기 쉬우며 항균 작용이 뛰어난 물질은 오디, 매 실, 식초 그리고 녹차가 있다. 오디는 오디 안에 있는 C3G색소가 항균작용 효과가 있다. 매실은 피크린산이라는 물질이 소량 들어있어 독소를 분해하는 역할을 한다. 피크 린산은 강산성이며 염기와 염을 형성하고 많은 방향족 탄화수소와 부가 화합물을 형성한다. 분석용 시약, 의약 그리고 폭약으로 사용되기도 한다.

그림 43 물의 표면 장력

식초의 항균작용은 pH와 연관이 깊다. 미생물 세포 내의 pH는 중성에 가까운데 이 상태를 유지하기 위해 H+를 제지하거나 밖으로 배출한다. 이 때 식초는 아세트산 으로 산성을 유지해 미생물의 작용을 방지할 수 있다.

마지막으로, 녹차는 쌉싸름한 맛을 내며 항상화작용을 하는 카테킨이라 불리는 탄 닌 성분이 있다. 이 카테킨의 성분인 ‘EGCG’는 비타민C보다 항산화 효능이 20배나 높다. 또한, 카테킨의 항산화 작용과 노화의 근본적 요소인 자유라디컬 제거기능은 비타 민C와 비타민E에 비해 강력한 활성산소 제거효과를 가지고 있으며, 항산화작용으 로 인하여 저밀도지단백 산화와 같은 심혈관계 보호효과가 보고되었다. 카테킨은 바람직하지 않은 세포군집의 생산과 개시를 멈추거나 느리게 하며, DNA 손상을 경 험적으로 야기하는 것들을 저지하는 것으로 나타났다.

ⅱ. 기대효과 부직포 구조에 따른 성능 차이가 있었으며 생활 속 액체 중 대조군인 항생제보다

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그림 44 여러 액체의 pH

항균능력이 좋은 실험군도 있었다. 따라서, 이 실험 결과를 통해 부직포의 섬유실을 두껍게 하고 섬유실 간의 간격을 좁게 하며 항균 능력이 좋은 생활 속 액체를 첨가 해 시중에 판매되고 있는 부직포보다 성능이 좋고 환경 친화적인 부직포의 판매를 기대한다. 또한, 부직포뿐만 아니라 칫솔이나 걸레 등 우리의 생활용품의 구조나 항균 능력을 실험해 이들의 성능을 높이고 싶다.

Ⅵ. 참고문헌 『화섬편람』(한국화섬협회, 1998) Nylon Plastics(Kohan, M. I., John Wiley & Sons, 1973)

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부직포의 구조 및 항균 능력 연구 - 경희여고 영재학급