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문제 정의
- 본 연구에서 해도형 초극세 나일론사의 알칼리 용출, 염색성 및 견뢰도 특성을 파악하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 해도형 초극세 나일론 섬유의 알칼리 용출 거동, 산성염료의 타입에 따른 염착량, 겉보기 색농도 및 세탁견뢰도 등을 고찰함으로써 제품화에 필요한 감량 및 염색기술의 기초를 마련하고자 한다.
제안 방법
- 염색은 액비 1:20로 하여 염욕을 조성하고 30℃에서 시작하여 1℃/min의 속도로 최고염색온도인 100℃까지 상승시켜 40분간 유지하는 일반적인 나일론 염색방법에 준하여 행하였으며, IR 염색기(Starlet DL-6000, 대림)를 사용하였다. pH 변화에 따른 각 염료 타입별 염색성을 알아보기 위해 3가지 타입의 염료를 농도 2% o.w.f.의 조건에서 pH를 3, 4, 5, 6, 7로 변화시켜가며 해도형 초극세 나일론사와 일반 나일론사 각각 염색하였다.
- 염색한 모든 샘플들은 동일 1:20의 액비에서 고착제 2g/l, 초산 0.3g/l로 고착처리를 하였고, 이후 피염물의 겉보기 농도를 평가하기 위해 측색기(Color-Eye 3100, Macbeth)를 사용하여 400~700nm 영역의 각 흡수파장의 K/S 값에 시감각의 감도를 고려한 가중함수를 곱한 값의 총합(fk)을 구하였다(ISO 7724/1-1984).
- 이러한 용출 실험을 통해 해도형 초극세 나일론사를 목표 감량율에 가까운 값으로 감량하기 위해서 20g/l의 수산화나트륨 용액으로 30분간 유지하는 것이 적절하다고 판단된다. 이후의 염색실험에 필요한 시료 제조 시 이 조건을 사용하여 해도형 나일론사를 초극세화 시켰다. 알칼리로 용출 전후의 나일론사의 굵기 변화를 전자현미경으로 촬영하여 Fig.
- 초기 염욕과 염색 완료후 잔욕의 염액의 흡광도를 UV-visible spectrophotometer(UV mini, Shimadzu)를 이용해 측정한 후 다음의 식을 통해 염착율을 산출하였다.
- 해도형 나일론 초극세사 및 일반 나일론사의 시간에 따른 염착속도를 비교하기 위하여, 앞서 실시한 결과를 바탕으로 얻은 각 염료별 적정 pH 조건에서의 승온 염착곡선을 구하였다. 피염물은 1% o.w.f.의 농도로 30℃에서 100℃까지 염색을 진행시키는 동안 10분 간격으로 시료를 꺼내어 각 피염물의 fk 값을 산출하는 방법으로 실시하였다.
- 해도형 나일론 초극세사 및 일반 나일론사의 시간에 따른 염착속도를 비교하기 위하여, 앞서 실시한 결과를 바탕으로 얻은 각 염료별 적정 pH 조건에서의 승온 염착곡선을 구하였다. 피염물은 1% o.
- 해도형 초극세 나일론 경편물을 3가지 알칼리 농도 조건(5g/l, 10g/l, 20g/l NaOH)에서 2℃/min의 속도로 80℃까지 승온 후 40분간 유지하였으며 80℃가 된 시점에서 10분 간격으로 시료를 채취하여 감량률을 확인하였다.
대상 데이터
- 염료는 Red 색상을 띠는 산성염료를 염색에 사용하였다. 타입별로 레벨링, 밀링, 금속착염염료 등 3가지를 사용하였고 그들의 화학구조를 Fig.
- 피염물로는 해도형 초극세 나일론사로 만든 경편물을 정련 및 기모된 상태로 (주)KMF로부터 제공받아 사용하였다. 이와 비교하기 위한 일반 나일론 직물은 실험 실습용 원단을 사용하였으며, 구성 원사의 조성 및 특성은 Table 1에 나타내었다.
- 염료는 Red 색상을 띠는 산성염료를 염색에 사용하였다. 타입별로 레벨링, 밀링, 금속착염염료 등 3가지를 사용하였고 그들의 화학구조를 Fig. 1에 나타내었다. 그 외 감량 및 염색시 필요한 수산화나트륨, 초산, 균염제, 고착제 등은 1급 시약을 사용하였다.
- 피염물로는 해도형 초극세 나일론사로 만든 경편물을 정련 및 기모된 상태로 (주)KMF로부터 제공받아 사용하였다. 이와 비교하기 위한 일반 나일론 직물은 실험 실습용 원단을 사용하였으며, 구성 원사의 조성 및 특성은 Table 1에 나타내었다.
이론/모형
- 염색은 액비 1:20로 하여 염욕을 조성하고 30℃에서 시작하여 1℃/min의 속도로 최고염색온도인 100℃까지 상승시켜 40분간 유지하는 일반적인 나일론 염색방법에 준하여 행하였으며, IR 염색기(Starlet DL-6000, 대림)를 사용하였다. pH 변화에 따른 각 염료 타입별 염색성을 알아보기 위해 3가지 타입의 염료를 농도 2% o.
- 조건을 다르게 하여 염색된 시료들의 세탁견뢰도는 ISO-105-C01 규격에 준해 측정하였다.
성능/효과
- 1. 해도형 초극세 나일론사의 알칼리 용출거동은 해도형 초극세 PET사와 유사하게 알칼리의 농도와 처리시간의 증가에 따라 감량율이 증가하였으며, 목표 감량율과 가까운 값을 얻기 위해서는 20g/l의 알칼리 용액으로 80℃에서 30분간 처리하는 것이 적절하였다.
- 2. 세 염료들의 일반 나일론사와 해도형 초극세 나일론사에 대한 염착율은 pH가 낮을수록 증가하였고, 일반 나일론사에 비해 해도형 초극세 나일론사가 중량당 표면적이 넓기 때문에 더 높은 염착율을 나타내었지만, 해도형 초극세 나일론사의 겉보기 색 농도는 저하하여 일반 나일론사보다 옅은 색상을 띠었다.
- 3. 두 시료의 승온 염착곡선을 분석하여 해도형 초극세 나일론사가 일반 나일론사보다 염료들의 염착 속도가 빠른 것을 확인하였고, 염료별로는 레벨링 타입의 산성염료의 염착속도가 밀링 타입 및 금속착염염료보다 더 빨랐다.
- 4. 섬도가 가는 해도형 초극세사가 보다 많은 양의 염료를 흡진하기 때문에 세탁 시 염료가 탈락하는 경향이 높으므로 일반 나일론사보다 세탁견뢰도는 나쁘게 나타났다.
- 이는 염착율이 밀링 타입의 염료가 가장 높았던 것과는 상반되는 결과이다. pH에 따른 염착율과 겉보기 색 농도의 결과를 고려할 때, 레벨링 타입의 경우 pH 3은 두 결과값이 모두 높지만 섬유 취화의 우려가 있으므로, 비교적 높은 염착율을 유지하면서 겉보기 색 농도의 저하가 크지 않은 pH 4~5, 밀링 및 금속착염 염료는 불균염의 우려가 없는 pH 6~7사이가 적합한 것으로 판단된다.
- 또한 염색의 주요 메카니즘인 이온결합에서 염료의 염착좌석으로 작용하는 아미노기가 나일론 섬유에는 말단기에만 존재하기 때문에 그러한 염착좌석의 개수가 많지 않아 염착율에 비해 겉보기 색 농도의 저하가 크지 않다는 것을 예상할 수 있다. 각 염료에 따른 겉보기 색 농도를 비교하면 레벨링 타입의 염료와 금속착염 염료에 비해 밀링 타입의 값이 더 작게 나타났다. 이는 염착율이 밀링 타입의 염료가 가장 높았던 것과는 상반되는 결과이다.
- 해도사를 이용하여 경편물을 만드는 경우 표면은 해도사 그리고 이면은 일반사가 주가 되도록 제편하고 있다. 본 실험에서 사용한 시료도 이와 같은 구조로 되어 있기 때문에, 실제 염색 시 표면적이 넓어 저온에서 염착이 시작되는 해도사에 염료들이 우선적으로 빠르게 염착을 하고, 이후 온도가 상승함에 따라 염료의 이염성이 증가하면 점차적으로 염료의 농도가 상대적으로 낮은 일반사로 이염되는 현상에 기인하는 결과이다. 이런 이유로 해도사로 이루어진 표면의 겉보기 색 농도가 감소하게 되는 것이므로, 양면의 조성이 다른 해도형 초극세사의 염색을 진행할 경우 더 낮은 온도에서 염색을 하는 것이 색 농도를 높이면서 생산비용 또한 절감할 수 있을 것으로 판단된다.
- 알칼리 농도가 5g/l와 10g/l인 경우 처리시간에 따라 감량율이 거의 직선적으로 증가하나 최종 감량율은 목표치에 도달하지 못하였다. 알칼리 농도가 20g/l로 처리하면 초기에 용출이 빠르게 진행되면서 30분 처리부터는 더 이상 감량이 진행되지 않는 것으로 나타났고, 최종감량율은 목표치보다 다소 높은 23%였다. 이러한 용출 실험을 통해 해도형 초극세 나일론사를 목표 감량율에 가까운 값으로 감량하기 위해서 20g/l의 수산화나트륨 용액으로 30분간 유지하는 것이 적절하다고 판단된다.
- 2에 나타내었다. 알칼리의 양과 감량시간이 증가할수록 감량율이 증가하는 일반적인 경향을 보였다.
- 알칼리 농도가 20g/l로 처리하면 초기에 용출이 빠르게 진행되면서 30분 처리부터는 더 이상 감량이 진행되지 않는 것으로 나타났고, 최종감량율은 목표치보다 다소 높은 23%였다. 이러한 용출 실험을 통해 해도형 초극세 나일론사를 목표 감량율에 가까운 값으로 감량하기 위해서 20g/l의 수산화나트륨 용액으로 30분간 유지하는 것이 적절하다고 판단된다. 이후의 염색실험에 필요한 시료 제조 시 이 조건을 사용하여 해도형 나일론사를 초극세화 시켰다.
- 한편, 염료의 타입에 따른 견뢰도 특성은 레벨링 타입의 염료가 밀링 타입이나 금속착염 염료에 비해 낮은 견뢰도 등급을 나타내었다. 이는 염료의 분자량 및 분자크기가 작아 염료와 섬유간의 결합력이 밀링 타입이나 금속착염 염료에 비해 감소하기 때문이다.
- 이는 나일론 고분자의 말단에 위치하는 아미노기가 낮은 pH 조건에서 양이온화 되어 염료상의 음이온성인 술폰산기와 이온결합하게 되는 염색 메카니즘을 고려하였을 때, 이러한 경향은 예상과 일치한다. 해도형 나일론사의 경우 일반 나일론사에 비해 모든 pH 조건에서 더 높은 염착율을 나타내며, pH의 영향을 일반 나일론사에 비해서 비교적 덜 받는 것을 확인할 수 있다. 이는 단위중량당 표면적이 넓으므로 염료와 섬유가 결합할 수 있는 표면이 많은 특징으로 인해 더 많은 양의 염료를 흡진하기 때문이다9).
후속연구
- 반면, 밀링 타입과 금속착염 염료는 초기 염착이 상대적으로 느리게 나타나지만 온도의 상승에 따라 염착이 빠른 속도로 진행된다. 밀링 타입과 금속착염 염료는 염착속도에 따라 피염물의 균염성이 변화하게 되므로 앞서 실험한 pH의 조건별 염착율 및 겉보기 색농도를 함께 고려하여 최적 염색 조건을 설정해야 할 것이다.
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