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문제 정의
- 본 연구를 통해 향상된 meta-aramid 섬유의 염색성을 통한 경제적 효과를 고찰하기 위하여 기존의 원착사 제품과 후염제품을 비교해 보았다. Fig.
- 본 연구에서는 메타계 아라미드 섬유를 캐치온 염료로 염색 시, 섬유의 치밀구조를 이완시켜 섬유 내부로 염료의 침투력을 증가시켜주는 팽윤제의 종류에 따른 염색성 및 견뢰도 특성을 평가해 보고, 원착사 및 후염제품의 경제적 측면을 고찰해 보았다.
제안 방법
- meta-aramid 섬유의 캐치온 염료 염색 시, 팽윤제에 따른 염색성을 다양한 조건을 통해 비교 고찰해 보았다.
- pH에 따른 염색성은 욕비 1:10, 팽윤제(S2) 40g/L, 염료농도 1% o.w.f.의 조건에서 염욕 pH를 acetic acid 및 NaOH를 사용하여 pH 3, 4, 5, 7, 9, 10, 11로 조정하고 130℃ × 60min간 염색하였다.
- 견뢰도 평가를 위해 100% meta-aramid 섬유를 욕비 1:10, pH 7, NaNO3 7g/L, 팽윤제(S2) 40g/L, 염료 농도 1% o.w.f.의 조건으로 130℃ × 60min간 염색 후, 80℃ hot water washing 2회 및 180℃ × 60sec간 heat setting을 거쳐 견뢰도 실험을 실시하였다.
- 염색 시 섬유 내부로 침투하여 섬유를 팽윤 이완시킴으로서 염색성을 높여주는 팽윤제는 다음 두 가지를 사용하여 각각의 염색특성을 비교하였으며 화학적 주성분은 Table 2에 나타내었다. 모든 염색 실험에서 공통적으로 NaNO3를 염색 시 염욕에 대해 7g/L 첨가하여 실험하였다.
- 세탁 견뢰도는 M&S C4A법에 의거하여 ECE detergent 4g/L, sodium perborate 1g/L를 사용하여 steel ball 10개를 넣고, 80℃에서 30분간 실험하여 시료의 변퇴색 및 다섬교직포의 오염도를 평가하였다.
- 로 130℃ × 60min 간 염색하였다. 승온에 따른 염착거동을 고찰하기 위해, 욕비 1:10, pH 7, 팽윤제(S2) 40g/L, 염료농도 1% o.w.f.의 조건으로 50℃에서 승온을 시작하여 염욕의 온도가 80, 90, 100, 110, 120, 130℃에 도달하면 즉시 각각의 염색물을 꺼냈다. 최적 염색온도의 고찰을 위해, 상기와 같은 염색조건으로 110℃ × 60min, 120℃ × 60min, 130℃ × 60min간 염색하였다.
- 염색 시 섬유 내부로 침투하여 섬유를 팽윤 이완시킴으로서 염색성을 높여주는 팽윤제는 다음 두 가지를 사용하여 각각의 염색특성을 비교하였으며 화학적 주성분은 Table 2에 나타내었다. 모든 염색 실험에서 공통적으로 NaNO3를 염색 시 염욕에 대해 7g/L 첨가하여 실험하였다.
- 최적 염색온도의 고찰을 위해, 상기와 같은 염색조건으로 110℃ × 60min, 120℃ × 60min, 130℃ × 60min간 염색하였다.
- 팽윤제의 종류 및 3원색 염료의 농도증가에 따른 염색성을 비교하기 위해 욕비 1:10, pH 7의 조건에서 2종의 팽윤제 S1 혹은 S2를 40g/L 넣고, 염료농도 0.5∼7.0% o.w.f.로 130℃ × 60min 간 염색하였다.
대상 데이터
- 10은 meta-aramid 섬유를 적용한 작업복 2종의 실사이다. 가격 경쟁력 부분을 고찰해 보면, Coverall A 의 경우 현재 미국에서 판매되는 작업복으로 원착사로 제직한 원단을 사용하였으며 시판가격은 $300이다. 반면 Coverall B의 경우 본 연구를 통해 개발 된 후염공정을 통해 직물을 염색하여 시제품을 제작하였고 제작 총 비용은 약 $130가 소요되었으며(Table 5), 시제품 제작이라는 것을 감안하면 Coverall B의 생산단가는 양산화 시 더욱 낮아질 수 있을 것이다.
- 실험에 사용된 모든 시료는 100% meta-aramid 섬유이며, 염료는 캐치온 염료를 사용하였으며 각각을 Table 1에 정리하였다.
이론/모형
- 세탁 견뢰도는 M&S C4A법에 의거하여 ECE detergent 4g/L, sodium perborate 1g/L를 사용하여 steel ball 10개를 넣고, 80℃에서 30분간 실험하여 시료의 변퇴색 및 다섬교직포의 오염도를 평가하였다. 마찰견뢰도는 AATCC 8-1989법에 의거하여 표준면백포의 건, 습 각각 10회 마찰을 통해 등급을 평가하였다. 일광견뢰도는 AATCC 16E-1987법에 의거하여 Watercooled xenon-arc lamp를 사용하여 63℃ 20시간 동안광 조사 한 후 변퇴색을 기준으로 평가하였다.
- 일광견뢰도는 AATCC 16E-1987법에 의거하여 Watercooled xenon-arc lamp를 사용하여 63℃ 20시간 동안광 조사 한 후 변퇴색을 기준으로 평가하였다. 모든 견뢰도의 등급은 Gray scale에 의해 평가하였다.
- 마찰견뢰도는 AATCC 8-1989법에 의거하여 표준면백포의 건, 습 각각 10회 마찰을 통해 등급을 평가하였다. 일광견뢰도는 AATCC 16E-1987법에 의거하여 Watercooled xenon-arc lamp를 사용하여 63℃ 20시간 동안광 조사 한 후 변퇴색을 기준으로 평가하였다. 모든 견뢰도의 등급은 Gray scale에 의해 평가하였다.
성능/효과
- 또한 원착사의 경우 원사 제조 시 혼합하는 안료의 색상 제한으로 인해 대부분 원색계열의 제품만이 나오는데 반해 후염의 경우 Coverall B에서와 같이 염료간의 색배합을 통해 원색 이외의 다양한 색상을 표현 할 수 있으며, 연속공정 시에는 대전방지 및 유연가공 등의 가공단가에 대한 절감효과도 기대할 수 있다. 더욱이 본 연구에서 고찰된 염색법에 따라 기존의 캐치온 염료의 염색성이 염착율의 경우 평균 15%, 표면색농도(K/S)는 평균 43% 향상됨으로서, 종전에 얻기 힘든 심색계의 제품을 보다 효율적으로 생산할 수 있을 것으로 고찰된다.
- 한편 K/S값을 고찰해 보면, 3종의 염료 모두에서 염료 농도가 높아질수록 K/S값이 증가하며, 황색〉 적색〉청색 순으로 농도증가에 따른 염색성이 우수하였다. 또한 S1에 비해 S2가 평균 43% 높은 K/S값을 보이며, 황색은 농색일 때, 적색과 청색은 담색일 때 S1과 S2의 K/S 값 차이가 큰 것을 알 수 있었다.
- 가격 경쟁력 부분을 고찰해 보면, Coverall A 의 경우 현재 미국에서 판매되는 작업복으로 원착사로 제직한 원단을 사용하였으며 시판가격은 $300이다. 반면 Coverall B의 경우 본 연구를 통해 개발 된 후염공정을 통해 직물을 염색하여 시제품을 제작하였고 제작 총 비용은 약 $130가 소요되었으며(Table 5), 시제품 제작이라는 것을 감안하면 Coverall B의 생산단가는 양산화 시 더욱 낮아질 수 있을 것이다. 여기에 기타비용 및 판매마진을 고려해 보더라도 제품 당 판매가격은 Coverall A에 비해 $50~100정도 가격 경쟁력을 가질 수 있을 것으로 예측된다.
- 이상 S2를 사용하였을 때 다소 높은 염착율을 보였다. 반면 K/S값의 비교에서는 S2에서 평균 43% 높아, S1와 비교하여 S2가 섬유에 좀 더 효율적인 팽윤제임을 알 수 있었다. 온도별 염착거동을 살펴본 결과, 상당부분의 염료가 80℃에서 부터 섬유에 염착되며, 최적 염색온도는 130℃× 60min으로 고찰되었다.
- 마찰견뢰도 역시 건 · 습 모두 3원색 평균 4급 이상을 보였다. 반면 캐치온 염료의 특성상 일광에 취약하여, 3원색 평균 2급 정도의 낮은 일광견뢰도를 보였다(Table 4).
- 청색의 경우 pH 7에서 L값과 C값이 가장 높았으며, 청색 정도를 나타내는 b*값 역시 pH7에서 가장 높았다. 반면, 3원색 모두에서 욕중 pH가 산성에서 알칼리로 변하면 a*값이 증가하는 것을 알 수 있었으며, 청색의 경우 편차가 가장 컸다. 이러한 결과를 바탕으로 황색의 경우 산성욕일 때, 청색의 경우 알칼리욕일 때 염색 시 색상의 변화가 있을 수 있음으로 color matching 염색에서 염욕의 pH를 신중하게 고려하는 것이 중요함을 알 수 있었다.
- 이러한 결과를 통해 캐치온 염료는 낮은 에너지에서도 섬유로의 이동이 잘 이루어짐을 알 수 있었다. 반면, K/S값은 100℃까지 서서히 증가하다가 110℃에서 부터 다소 증가율이 높아지는 데, 이는 염욕으로부터 섬유로의 염료분자 이동은 비교적 낮은 온도에서부터 시작하지만, 섬유 표면에 흡진된 염료분자가 섬유 내부로 이동하여 고착되는 것은 110℃에서부터 시작됨을 알 수 있었다(Fig. 6).
- 청색 염료는 pH 4에서 가장 높은 K/S값을 보였으며, 알칼리욕에서 색상이 reddish해졌다. 세탁견뢰도 및 마찰견뢰도는 비교적 우수하였으나, 캐치온염료의 특성상 일광견뢰도는 취약하였다. 한편 후염제품 전개 시 원착사 제품에 비해 색상의 제한이 없어 다양한 소비자의 욕구를 충족할 수 있으며, 가격 면에서도 30%정도 경쟁력을 가질 수 있을 것으로 고찰되었다.
- 세탁견뢰도는 변퇴색을 기준으로 3원색 모두 4-5급으로 우수하였으며, nylon 오염도는 3원색 평균 3급, PET 오염도는 4-5급으로 비교적 우수하였다. 마찰견뢰도 역시 건 · 습 모두 3원색 평균 4급 이상을 보였다.
- 염료의 농도증가에 따른 염색특성을 팽윤제 종류에 따라 비교해 보면, 황색 및 청색 염료의 염료농도 0.5∼3.0% o.w.f.에서 93.4∼99.6%의 우수한 염착율을 보였으며, 팽윤제에 따른 유의한 차이는 없었다.
- 염욕의 pH에 따른 염착특성을 살펴보면, 3원색 모두 pH 3에서 가장 낮은 염착율을 보이며, 염료에 따라 최대 염착율은 황색, 적색, 청색 각각 pH 10, pH 10∼11, 및 pH 5∼7로 다르게 나타났다.
- 온도별 염착거동을 살펴본 결과, 상당부분의 염료가 80℃에서 부터 섬유에 염착되며, 최적 염색온도는 130℃× 60min으로 고찰되었다.
- 반면, 3원색 모두에서 욕중 pH가 산성에서 알칼리로 변하면 a*값이 증가하는 것을 알 수 있었으며, 청색의 경우 편차가 가장 컸다. 이러한 결과를 바탕으로 황색의 경우 산성욕일 때, 청색의 경우 알칼리욕일 때 염색 시 색상의 변화가 있을 수 있음으로 color matching 염색에서 염욕의 pH를 신중하게 고려하는 것이 중요함을 알 수 있었다.
- 5). 이러한 결과를 통해 캐치온 염료는 낮은 에너지에서도 섬유로의 이동이 잘 이루어짐을 알 수 있었다. 반면, K/S값은 100℃까지 서서히 증가하다가 110℃에서 부터 다소 증가율이 높아지는 데, 이는 염욕으로부터 섬유로의 염료분자 이동은 비교적 낮은 온도에서부터 시작하지만, 섬유 표면에 흡진된 염료분자가 섬유 내부로 이동하여 고착되는 것은 110℃에서부터 시작됨을 알 수 있었다(Fig.
- 이러한 온도별 염색거동을 살펴봄으로서 meta-aramid 섬유를 캐치온 염료로 염색할 때에는 저온에서 시작하여 서서히 승온하는 것이 균염을 위해 중요하며 최적 염색 온도는 130℃ × 60min임이 고찰되었다.
- K/S 값은 황색의 경우 pH 영향이 적었으나 적색 및 청색의 경우 각각 pH 5와 pH 4에서 가장 높은 K/S 값을 보였다. 적색은 염욕의 pH가 알칼리 영역으로 갈수록 염착율은 증가하였으나 반대로 K/S값의 경우 pH 5에서 가장 높아 욕중의 pH가 수세안정성에 영양을 주는 것으로 고찰 되었다. 염욕의 pH에 따른 염착율과 K/S 값은 Fig.
- 황색의 경우 염욕의 pH가 산성에서 알칼리로 변하면서 L값, C값 및 b*값이 큰 폭으로 증가하는데, 모든 pH조건에서 거의 비슷한 K/S 값을 보이지만 pH가 높아질수록 색상이 선명하게 염색되는 것을 알 수 있었다. 적색의 경우 염욕의 pH 변화에 따른 큰 차이는 없었지만, pH 5와 7에서 적색의 정도를 나타낼 수 있는 a*값 및 채도의 C값이 가장 높았다. 청색의 경우 pH 7에서 L값과 C값이 가장 높았으며, 청색 정도를 나타내는 b*값 역시 pH7에서 가장 높았다.
- meta-aramid 섬유의 캐치온 염료 염색 시, 팽윤제에 따른 염색성을 다양한 조건을 통해 비교 고찰해 보았다. 팽윤제 S1 및 S2에 따른 염료 농도별 염착율은 비교적 비슷한 거동을 보였으나, 적색 염료의 경우 3% o.w.f. 이상 S2를 사용하였을 때 다소 높은 염착율을 보였다. 반면 K/S값의 비교에서는 S2에서 평균 43% 높아, S1와 비교하여 S2가 섬유에 좀 더 효율적인 팽윤제임을 알 수 있었다.
- 한편 K/S값을 고찰해 보면, 3종의 염료 모두에서 염료 농도가 높아질수록 K/S값이 증가하며, 황색〉 적색〉청색 순으로 농도증가에 따른 염색성이 우수하였다. 또한 S1에 비해 S2가 평균 43% 높은 K/S값을 보이며, 황색은 농색일 때, 적색과 청색은 담색일 때 S1과 S2의 K/S 값 차이가 큰 것을 알 수 있었다.
- 세탁견뢰도 및 마찰견뢰도는 비교적 우수하였으나, 캐치온염료의 특성상 일광견뢰도는 취약하였다. 한편 후염제품 전개 시 원착사 제품에 비해 색상의 제한이 없어 다양한 소비자의 욕구를 충족할 수 있으며, 가격 면에서도 30%정도 경쟁력을 가질 수 있을 것으로 고찰되었다.
- 한편, 최적 염색온도의 실험에서는 황색, 적색, 청색의 염료에서 각각 9.2, 17, 18의 K/S값을 보이는 130℃ × 60min간 염색한 결과가 가장 우수하였다(Fig. 7).
- , C 값을한 것이다. 황색의 경우 염욕의 pH가 산성에서 알칼리로 변하면서 L값, C값 및 b*값이 큰 폭으로 증가하는데, 모든 pH조건에서 거의 비슷한 K/S 값을 보이지만 pH가 높아질수록 색상이 선명하게 염색되는 것을 알 수 있었다. 적색의 경우 염욕의 pH 변화에 따른 큰 차이는 없었지만, pH 5와 7에서 적색의 정도를 나타낼 수 있는 a*값 및 채도의 C값이 가장 높았다.
후속연구
- 300도 이상의 온도에서 고내열성 및 극한의 환경에서도 우수한 물성을 가짐에도 불구하고 상품전개의 한계를 보이는 이유는, 가공기술이 확립되어 있지 않은 이유가 가장 크다. 섬유로서 우수한 물성과 함께 색상발현이 자유로우며 기타 가공기술이 확립된다면 상품전개의 저변확대를 기대해 볼 수 있을 것이다.
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