[논문]액체암모니아 처리 면직물의 염색성 - 저온형과 고온형 반응성 염료에 의한 염색물의 색상강도 -

전성기; 이창수; 임용진; 김태경

문제 정의

본 연구에서는 이러한 기초자료를 면직물의 현장 염색에 적용시키기 위하여 저온형의 반응성 염료 삼원색과 고온형의 반응성 염료삼원색을 선정하여 실제 현장 염색 조건으로 염색을 실시한 후 각각의 염색물에 대하여 색상강도를 측정하고 비교함으로써 액체암모니아 처리공정의 실제 응용에 도움이 되고자 한다.
앞에서도 언급한 바와 같이 액체암모니아 처리 면직물의 경우 일반 머어서 화 면직물에 비해 염착성이 저하하는 것으로 알려져 있는데, 이러한 현상에 대해 보다 자세히 검토하기 위해 염색 속도에 대해 조사한 바 있다. 40℃, 60℃, 80℃, 100℃에서 충분한 양의 직접 염료를 사용하여 욕비 5,000:1의 무한 염욕에 가까운 조건으로 실시한 결과, 머어서 화만한 면직물과 머어서 화한 후 다시 액체암모니아 처리한 면직물 사이에 다소 특이한 현상이 나타났다.
액체암모니아 처리면 직물의 실용적 적용을 위해 저온형 및 고온형 반응성 염료삼원색들에 대한 염착성을 검토하였다.
이러한 현상을 액체암모니아 처리면직물의 결정화도의 변화와 염료의 확산활성화 에너지의 측면에서 검토하였다. Table 2에 의하면 액체암모니아 처리 후에 면직물의 결정화도는 감소했으나 염료의 확산활성화 에너지는 오히려 증가하는 것을 알 수 있다.

제안 방법

그러므로 온도별 염색속 도 곡선으로부터 머어 서화만한 면직물과 액체암모니아 처리까지 한 면직물의 염착량이 서로 역전되는 시간을 온도에 따라 나타내어 보았다. Fig.
액체암모니아 처리는 최근 한국염색기술연구소에서 실용화된 액체암모니아 처리기를 사용하여, 액체암모니아 내에서 약 1초간 침지한 후 표면 온도 110℃의 drum der를 약 15초간 통과하고, 약 3분간 steamer내에서 체류한 후 수세건조되었다. 수산화나트륨/액체암모니아 두 가공의 병용처리는 먼저 수산화나트륨에 의한 머서화 처리를 한 후 액체암모니아로 처리하였다.
시료면직물 각 0.02g을 5g/L의 염화나트륨이 가해진 Zxltrtnol/L 농도의 C. I. Direct Red 28 염료용액을 사용하여 욕비 5,000:1의 조건으로 40, 60, 80, KXTC에서 일정 시간 간격으로 염색하여 각각의 염색 속도를 조사하였다. 염색기는 고압pot형의 Auto Textile Dyeing Machine(고려과학산업, 한국)을 사용하였다.
시료면직물들의 X-선 회 절곡선은 GuKα선을 사용하여 X'pert PRO-MNR(Philips, Netherlands] 의해 0.02° 씩 step scanning하여 얻었다. 결정화도는 각각 분리된 결정면의 X-선 회절 강도곡선으로 부터 전체적 분강도에 대한 결정회절의 적분 강도 의 비로 아래식을 사용하여 계산하였다.
머어서화 처리는 고온 처리법으로 80℃, 25 Be 농도의 수산화나트륨 용액에 약 20초간 침지한 후 수세, 중화하였다. 액체암모니아 처리는 최근 한국염색기술연구소에서 실용화된 액체암모니아 처리기를 사용하여, 액체암모니아 내에서 약 1초간 침지한 후 표면 온도 110℃의 drum der를 약 15초간 통과하고, 약 3분간 steamer내에서 체류한 후 수세건조되었다. 수산화나트륨/액체암모니아 두 가공의 병용처리는 먼저 수산화나트륨에 의한 머서화 처리를 한 후 액체암모니아로 처리하였다.
염색 속도로부터 얻어진 온도별 확산 계수를 아래의 Arrhenius식을 이용하여 InDr를 1/7에 대해 플롯함으로써 직선을 얻을 수 있는데, 이 직선의 기울기로부터 확산 활성 화에너지를 구하였다.
염색물의 색상 강도는 datacolor SF 600 plus를 사용하여 360~700nm의 파장범위 내에서 K/S로 측정하여 나타내었으며, total K/S는 각 파장별 K/S를 전파장범위에서 합한 값으로 하여 나타내었다.
앞에서 언급한 바와 같이 액체암모니아 처리한 면직물의 경우 염색온도에 따라 역전 현상이 다르게 나타나는데, 염색 온도가 낮은 경우 역전현상이 느리게 나타나므로 실용적인 염색 시간의 범위에서 는 액체암모니아 처리한 면직물의 염착량이 낮게 나타날 것이고, 반대로 염색온도가 높은 경우에는 역전현상이 빨리 나타나므로 실용적인 염색시간의 범위에서도 액체암모니아 처리한 면직물의 염착량이 높게 나타날 것이다. 이를 확인하기 위해 반응 성 염료중 약 50℃ 정도에서 염색하는 저온형 반 응성 염료와 약 80℃ 정도에서 염색하는 고온형 반응성 염료를 사용하여 염색물의 색상강도를 조사하였다. 여기서 CPB법은 염색 시간을 침염법에 비해 아주 길게 해야 하기 때문에 절대적으로 비교할 수 없으므로 제외시켰다.

대상 데이터

시료는 정련호발된 100% 면직물(CM4CTS/2X CM4CTS/2)을 사용하였다.
염료는 실제 현장에서 많이 사용하고 있는 저온형의 반응성 염료와 고온형의 반응성 염료들을 선별하여 정제하지 않고 그대로 사용하였다.
Direct Red 28 염료용액을 사용하여 욕비 5,000:1의 조건으로 40, 60, 80, KXTC에서 일정 시간 간격으로 염색하여 각각의 염색 속도를 조사하였다. 염색기는 고압pot형의 Auto Textile Dyeing Machine(고려과학산업, 한국)을 사용하였다.
면직물 시료 5g을 각각의 반응성 염료 1% owf 를 사용하여 욕비 20:1의 조건에서 염색하였다. 중성염으로서 황산나트륨을 40g/L, 알칼리로서 탄산나트륨을 15g/L 사용하였다. 황산나트륨은 염색 초 기에 바로 투입하고, 탄산나트륨은 염색이 시작된 후 30분 후에 투입하였으며, 이로부터 다시 1시간 동안 염색하고 소핑하여 건조하였다.

성능/효과

앞에서도 언급한 바와 같이 액체암모니아 처리 면직물의 경우 일반 머어서 화 면직물에 비해 염착성이 저하하는 것으로 알려져 있는데, 이러한 현상에 대해 보다 자세히 검토하기 위해 염색 속도에 대해 조사한 바 있다. 40℃, 60℃, 80℃, 100℃에서 충분한 양의 직접 염료를 사용하여 욕비 5,000:1의 무한 염욕에 가까운 조건으로 실시한 결과, 머어서 화만한 면직물과 머어서 화한 후 다시 액체암모니아 처리한 면직물 사이에 다소 특이한 현상이 나타났다. 예로서 60℃에서의 염색속 도 곡선을 Fig.
액체암모니아 처리에 의해 결정영역이 감소하여 비결정영역이 증가하므로 결정화도는 감소하나 형성된 비결정영역의 경우에 크기가 큰 pore가 생성 되기보다는, 분자량이 큰 직접염료의 침투가 용이 하지 않은 아주 작은 pore가 많이 형성되고, 또 기 존에 존재하던 비결정영역의 큰 pore도 작은 pore 의 형태로 전환되기 때문에 결정화도 자체는 감소 한다고 하더라도 비결정영역으로의 염료의 침투는 오히려 어려워지므로 염료의 확산이 느려지고 확 산활성화에너지도 증가하는 것으로 생각된다. 그러므로 Fig. 1의 염색속도 곡선에서도 알 수 있는 바와 같이 액체암모니아 처리시료의 경우 초기의 염색 속도는 느리므로 머어서화만 한 직물에 비해 염착량이 낮지만 전체적인 비결정 영역의 양은 많으므로 시간이 경과할수록 서서히 염착량이 증가하여 머어서화만 한 직물보다 염착량이 더 높아지는 역전 현상이 나타났다.
한편 확산활성화 에너지는 염료가 섬유 내부로 침투해 들어가기 위해 넘어야 하는 에너지장벽을 의미하므로 확산활성화 에너지가 크다는 것은 그만큼 염료의 확산이 어렵기 때문에 염착량도 감소하는 것이 일반적이다. 따라서 결정화도가 감소하면 확산활성화 에너지도 같이 감소하는 것이 일반적이나 본 실험의 경우에는 액체암모니 아 처리 직물의 경우 결정화도는 감소하는데도 불구하고 확산활성화에너지는 오히려 증가하는 것으로 나타났다. 이는 다음과 같이 설명할 수 있다.
세 가지 염료 모두 머어서화만 한 직물에 비해 액체암모니아 처리까지 한 직물의 색상 강도가 약하게 나타남을 알 수 있다. K/S를 스펙트럼의 형태로 나타낸 그래프에서 두 가지 곡선의 차이가 크지는 않다고 하더라도 total K/S는 약 2~7%까지 차이가 발생하고 색차로 나타내면 1~3 정도의 값을 나타냄으로써 시각적으로 충분히 인지될 수 있는 정도의 색상강도 저하가 발생함을 알 수 있다.
직접 염료를 이용한 염색 속도의 결과를 바탕으로 머어서화만 한 면직물과 액체암모니아 처리까지 한 면직물의 염색 속도에서 서로의 염착량이 역전되는 역전시간을 조사한 결과, 저온의 염색 온도 에서는 액체암모니아 처리한 면직물의 염착량이 많아지는 역전시간이 늦게 나타난 반면 고온의 염색시간에서는 역전시간이 아주 빠르게 나타났다. 이러한 사실을 저온형 및 고온형 반응성 염료의 염색에 적용시켜 본 결과 예상대로 저온형 반응성 염료에서는 액체암모니아 처리한 면직물의 염착량이 다소 낮게 나타났으며, 고온형 반응성 염료로 염색한 면직물의 경우에는 액체암모니아 처리한 면직물의 염착량이 다소 높게 나타났다.
이상의 결과는 직접 염료를 사용한 염색속도와 역전시간의 결과와 일치하는 것으로서, 상대적으로 저온에서 염색을 하는 저온형 반응성 염료의 경우에는 실용적인 염색시간 범위 내에서 액체암모 니아 처리한 면직물에서 색상강도가 낮게 나타났 으나 고온형 반응성 염료에서와 같이 상대적으로 염색온도가 높은 경우에는 역전현상이 빨리 나타 나므로 액 체암모니아 처리한 면직물의 색상강도가 더 높게 나타나는 것으로 생각할 수 있다. 다만, 직접 염료를 사용한 실험에서는 80℃의 경우 2시간 정도에서 역전 현상이 나타났으나, 반응성 염료의 실험에서는 총 염색 시간이 1시간 30분인데도 역전 현상이 나타나 염착량이 높아진 것은, 직접 염료의 경우에는 거의 무한대에 가까운 욕비에서 염욕의 농도 변화를 무시할 수 있을 정도의 고농도의 염욕을 사용했으므로 염착 평형에 늦게 도달했기 때문이며, 반응성 염료를 사용한 실험에서는 1% owf의 염료를 사용하여 욕비도 20:1로서 제한된 범위 내에서 염색했 기 때문에 염착 평형에 빨리 도달했기 때문으로 생각된다.
이상의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이 액체 암모니아 처리에 의해 면직물의 염착성이 무조건 저하하는 것은 아니며, 염색온도가 낮을 경우에만 염착성이 저하하고 염색온도가 높을 때에는 오히려 염착성이 증가한다는 것을 알 수 있다. 따라서 저온형 반응형 염료의 경우에도 흡착시에 온도를 높인 후 이를 고착온도로 냉각시켜서 고착공정을 행하는 방식의 염색공정을 설계하고 적용시키면 저온형 반응성 염료의 경우에도 염착성의 저하를 방지할 수도 있을 것으로 생각되나 이 부분에 대해서는 보다 면밀히 연구를 진행할 계획이며, 또한 액체암모니아 처리의 주된 목적이 촉감과 형태 안정성과 같은 태의 향상에 있으므로 약간의 염착성 저하는 염료 사용량을 증가시킴으로써 보완할 수 있을 것으로 생각된다.
직접 염료를 이용한 염색 속도의 결과를 바탕으로 머어서화만 한 면직물과 액체암모니아 처리까지 한 면직물의 염색 속도에서 서로의 염착량이 역전되는 역전시간을 조사한 결과, 저온의 염색 온도 에서는 액체암모니아 처리한 면직물의 염착량이 많아지는 역전시간이 늦게 나타난 반면 고온의 염색시간에서는 역전시간이 아주 빠르게 나타났다. 이러한 사실을 저온형 및 고온형 반응성 염료의 염색에 적용시켜 본 결과 예상대로 저온형 반응성 염료에서는 액체암모니아 처리한 면직물의 염착량이 다소 낮게 나타났으며, 고온형 반응성 염료로 염색한 면직물의 경우에는 액체암모니아 처리한 면직물의 염착량이 다소 높게 나타났다.

후속연구

이상의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이 액체 암모니아 처리에 의해 면직물의 염착성이 무조건 저하하는 것은 아니며, 염색온도가 낮을 경우에만 염착성이 저하하고 염색온도가 높을 때에는 오히려 염착성이 증가한다는 것을 알 수 있다. 따라서 저온형 반응형 염료의 경우에도 흡착시에 온도를 높인 후 이를 고착온도로 냉각시켜서 고착공정을 행하는 방식의 염색공정을 설계하고 적용시키면 저온형 반응성 염료의 경우에도 염착성의 저하를 방지할 수도 있을 것으로 생각되나 이 부분에 대해서는 보다 면밀히 연구를 진행할 계획이며, 또한 액체암모니아 처리의 주된 목적이 촉감과 형태 안정성과 같은 태의 향상에 있으므로 약간의 염착성 저하는 염료 사용량을 증가시킴으로써 보완할 수 있을 것으로 생각된다.

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