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문제 정의
- Zn(아연)은 현재 많이 알려져 있는 매염제인 Al, Fe, Cu, Cr, Co, Sn 중에서 Al과 Sn을 제외한 매염제와 주기율표 상 동일한 주기에 속해 있고 매염 메커니즘이 다른 금속화합물과 유사하며 매염 시 배수의 오염 허용 농도도 Fe(철)와 더불어 높은 수준이여서 매염제로 활용 가치가 높을 것으로 판단하여, Zn을 매염제6-8) 로 사용하는 천연염색에 대한 연구를 진행하였다. 또한 Zn 은 친환경적인 매염제9,10)가 될 조건을 모두 훌륭하게 갖추었음은 물론, 인체에 필요한 필수 식용 미네랄 성분으로서, 인체에 활성산소를 억제하고, 특히 아세트산아연(Zn(CH3CO2)2)은 감기약11)으로 활용되기도 하며, 당뇨병 치료제12)로도 개발이 되었다.
- 본 연구에서는 다색성 염료 중에서 플라보노이드계의 뽕잎(Mulberry Leaf)13)과 타닌계의 커피(Coffee Powder) 염재14)를 대상으로 일반적으로 많이 사용되어지는 매염제(Al, Fe, Cu)와 Zn 매염제를 사용하여 염색한 후 색상의 특성 및 염색견뢰도 비교분석을 통해 Zn 화합물의 매염제로서 가치를 알아보고자 한다.
- 본 연구에서는 뽕잎과 커피 염재를 사용하여 Zn 매염제의 활용가능성을 검토하였다. 뽕잎 염재를 사용했을 때 색상과 일광견뢰도에서 Al 매염제와 유사한 성능을 나타내었고, 세탁견뢰도는 일반적으로 사용되는 다른 매염제와 비교하여 우수하게 나타났다.
제안 방법
- CCM(Color-Eye 7000A, Macbath, Germany)을 사용하여 D65 광원 10도 시야조건에서 400-700nm 사이의 반사율로부터 산출된 K/S값과 측정된 CIE Lab 값으로 천연 염색 원단의 색 특성을 평가하였다. K/S 값을 산출 한 Kubelka-Munk식(1)은 다음과 같다.
- 선매염 처리(매염-수세-건조-염색-수세-건조)는 5가지 매염제에 대해 농도 3% o.w.f., 50℃, 30분, 액비 1:100에서 매염 후 수세, 건조하였다. 염색은 IR 염색기(DL-6000, 대림스타릿)를 사용하여 염색온도 60℃, 30분, 액비 1:50으로 하였다.
- , 50℃, 30분, 액비 1:100에서 매염 후 수세, 건조하였다. 염색은 IR 염색기(DL-6000, 대림스타릿)를 사용하여 염색온도 60℃, 30분, 액비 1:50으로 하였다. 염색 후 중성세제를 사용하여 상온에서 수회 세정 후 건조 하였다.
- 마른 뽕잎 20g/L에 탄산나트륨 1g/L를 더하고 100℃에서 30분간 끓여 1회 추출액을 얻었다. 추출액을 다른 용기에 담고 동일한 농도로 2차 추출 후 1, 2회 추출액을 혼합하여 염액을 제조하였다. 커피 염재는 20g/L의 농도로 녹여 염액을 제조하였다.
- 커피 염재를 사용했을 때 색상, 일광견뢰도, 세탁견뢰도에서 Al 매염제와 유사한 성능을 나타내었다. 커피 염재를 사용했을 때는 Cu 매염제가 우수한 K/S, 견뢰도를 나타냈는데 Cu 매염제는 환경 부하가 높은 금속염으로 환경 부하가 낮은 금속인 Fe와 Zn과의 혼합 매염제의 사용을 검토하였다.
대상 데이터
- 뽕 염재는 북한산에서 2015년 3월에 채취하여 서늘한 곳에 2일 건조 후 가지, 뿌리, 잎 중에서 잎만을 분류하여 사용하였다.
- 실험에 사용한 직물은 100% 실크(쉬폰, 두께0.11mm, 중량 48g/m2)를 사용하였다.
- 염재 추출에 사용한 탄산나트륨(Na2CO3)과 pH 조절에 사용한 수산화나트륨(NaOH)과 아세트산(CH3COOH)은 시약 1급 그대로 사용하였다.
- 커피 염재는 추출되어 정제되어 있는 콜롬비아산 수프리모 원두 파우더(Nescafe)를 상온에서 건조 후 사용하였다. 사용한 매염제의 종류는 5종이며 Table1과 같다.
이론/모형
- 세탁견뢰도는 ISO 105 C06, 마찰견뢰도는 ISO 105 X12, 일광견뢰도는 ISO 105 B02(Xenon-arc-lamp, blue scale), 땀 견뢰도는 ISO 105 E04 방법에 의거하여 FITI에서 측정하였다.
성능/효과
- 또한 3급 이상의 우수한 세탁견뢰도를 얻기 위해서는 매염제의 사용량을 줄이고 염색직물의 겉보기 농도를 3이하로 제어해야 함을 알 수 있었다. Cu 매염제와의 혼합 사용은 견뢰도를 감소시킴과 더불어 색상 측면에서도 크게 향상효과가 없었다.
- Cu(CH3CO2)2와 Zn(CH3CO2)2 혼합 매염제를 사용한 염색 시 사용한 매염제의 양은 약 33% 증가하였으나 최대흡수파장에서의 겉보기 농도는 Cu 매염제를 단독으로 사용했을 때 보다 10.5% 진하게 나타나 Fe와 Zn과의 혼합 매염제 사용이 Cu 매염제 혼합사용 보다 색상의 농도 측면에서 유리함을 알 수 있었다. 선 매염이기 때문에 염재의 사용량 대비 겉보기 색상이 낮은 수치를 나타낸 것은 실제 염착좌석이 부족하게 형성되어 나타난 현상으로 판단된다.
- FeSO4와 Zn(CH3CO2)2 혼합 매염제를 사용한 염색시 매염제의 양은 단독으로 매염제를 사용했을 경우와 비교하여 약 33% 증가하였고 최대흡수파장에서의 겉보기 농도는 2.5에서 3.5로 Fe 매염제를 단독으로 사용했을 때보다 약 40% 진하게 나타났다.
- Fe를 제외한 매염제의 선매염시 세탁견뢰도가 우수하게 나타났는데 특히 Cu(CH3CO2)·2H2O의 경우 세탁견뢰도 4급으로 염색이 미미하게 된 무매염 시료와 비교하여도 1등급 이상의 우수한 결과를 나타내었다.
- Zn 선매염시 세탁견뢰도가 매우 우수하게 나타났는데 특히 ZnSO4·7H2O의 경우 세탁견뢰도 3-4급으로 염색이 미미하게 된 무매염 시료와 비교하여도 반등급 이상의 우수한 결과를 나타내었다. Zn 매염제 사용 시 일반적으로 사용되는 Al 매염제와 비교하여도 동등수준의 일광견뢰도를 나타내었다.
- 커피 염재의 경우 다색성 염료15) 임에도 불구하고 bathochromic shift 현상은 나타나지 않았고 전체적으로 유사한 색조를 나타내었다. 다만 Fe 화합물과 Cu 화합물을 매염제로 사용 시 전 파장영역에서 흡수가 일어나 색상의 채도는 저하되고 복합적인 색상이 나타남을 알 수 있었다.
- 특히 Cu 화합물을 매염제로 사용 시 최대 흡수파장이 bathochromic shift(심색효과) 하여 주 색상의 변화가 발생하였음을 알 수 있었다. 또한 Fe 화합물을 매염제로 사용 시 최대 흡수 파장은 변하지 않았으나 700nm 까지 흡수가 일어나 색상의 채도는 저하되고 복합적인 색상이 나타남을 알 수 있었다.
- Table 4는 커피 염재를 사용하여 염색 시 매염제에 따른 실크 직물의 견뢰도를 나타낸 것으로 무매염이 우수한 결과를 나타낸 것으로 보이나 Figure 2에 나타난 바와 같이 무매염은 실제 염착량이 매우 적어 견뢰도 결과가 크게 의미가 없는 것으로 판단된다. 또한 뽕잎 염재와 마찬가지로 마찰견뢰도는 매염제의 종류와 상관없이 모두 우수하게 나타났고 땀 견뢰도는 모두 낮은 수준의 견뢰도를 나타내었다.
- 마찰견뢰도는 매염제의 종류와 상관없이 건, 습 모두 우수하게 나타났고 땀 견뢰도는 산성땀, 알칼리땀 모두 낮은 수준의 견뢰도를 나타내었다. 뽕잎 염재를 사용하여 실크 직물 매염시 땀 견뢰도의 향상은 기대하기 어려울 것으로 판단된다.
- 본 연구를 통해 뽕잎 염재를 사용한 천연염색 시 Zn 화합물이 염색성과 견뢰도 측면에서 볼 때 우수한 매염제로 활용될 수 있음을 확인하였다.
- 본 연구에서는 뽕잎과 커피 염재를 사용하여 Zn 매염제의 활용가능성을 검토하였다. 뽕잎 염재를 사용했을 때 색상과 일광견뢰도에서 Al 매염제와 유사한 성능을 나타내었고, 세탁견뢰도는 일반적으로 사용되는 다른 매염제와 비교하여 우수하게 나타났다.
- 전체적으로 500nm 이상까지 흡수가 일어나 뽕잎 염재와 비교하여 red 색상이 섞인 전형적인 커피 색상을 나타내었다. 뽕잎 염재와 마찬가지로 매염 시 전파장 영역에서의 흡수는 무매염 시료보다 많이 발생하여 색상을 발현하는데 매염이 효과가 있음을 알 수 있었다. 커피 염재의 경우 다색성 염료15) 임에도 불구하고 bathochromic shift 현상은 나타나지 않았고 전체적으로 유사한 색조를 나타내었다.
- Figure 2는 커피 염재를 사용하여 염색 시 매염제에 따른 실크 직물의 K/S를 파장별로 나타낸 것으로 Fe와 Cu 화합물을 매염제로 사용한 경우에 겉보기 농도가 높음을 알 수 있었다. 전체적으로 500nm 이상까지 흡수가 일어나 뽕잎 염재와 비교하여 red 색상이 섞인 전형적인 커피 색상을 나타내었다. 뽕잎 염재와 마찬가지로 매염 시 전파장 영역에서의 흡수는 무매염 시료보다 많이 발생하여 색상을 발현하는데 매염이 효과가 있음을 알 수 있었다.
- Figure 1은 뽕잎 염재를 사용하여 염색 시 매염제에 따른 실크 직물의 K/S를 파장별로 나타낸 것으로 Fe와 Cu 화합물을 매염제로 사용한 경우에 겉보기 농도가 높음을 알 수 있었다. 주로 400-450nm의 파장대에서 흡수가 발생하여 green-yellow 색상을 나타내었고 매염 시 400-450nm의 파장대에서 흡수는 무매염 시료보다 많이 발생하여 색상을 발현하는데 매염이 효과가 있음을 알 수 있었다. 특히 Cu 화합물을 매염제로 사용 시 최대 흡수파장이 bathochromic shift(심색효과) 하여 주 색상의 변화가 발생하였음을 알 수 있었다.
- 커피 염재를 사용하여 매염 시 우수한 견뢰도를 얻기 위해서는 Cu계 매염제를 사용하는 것이 적합하나, 환경문제를 고려한다면 짙은 색상을 요구할 시에는 Fe계 매염제, 우수한 세탁견뢰도를 요구할 시에는 Zn계 매 염제를 사용하는 것이 적합할 것으로 판단된다.
- 주로 400-450nm의 파장대에서 흡수가 발생하여 green-yellow 색상을 나타내었고 매염 시 400-450nm의 파장대에서 흡수는 무매염 시료보다 많이 발생하여 색상을 발현하는데 매염이 효과가 있음을 알 수 있었다. 특히 Cu 화합물을 매염제로 사용 시 최대 흡수파장이 bathochromic shift(심색효과) 하여 주 색상의 변화가 발생하였음을 알 수 있었다. 또한 Fe 화합물을 매염제로 사용 시 최대 흡수 파장은 변하지 않았으나 700nm 까지 흡수가 일어나 색상의 채도는 저하되고 복합적인 색상이 나타남을 알 수 있었다.
- 특히 ZnSO4 사용 시 3-4급 수준의 우수한 세탁견뢰도를 나타내어 Zn이 매염제로 충분히 사용 될 수 있음을 확인하였다.
후속연구
- Fe와 Zn과의 혼합 매염제 사용은 Zn 매염제를 사용했을 때의 단점인 낮은 염색 yield, 일광견뢰도와 Fe 매염제를 사용했을 때의 낮은 세탁견뢰도 문제를 상호 보완하여 커피 염재로 염색 시 효과적일 것으로 기대된다.
- Zn 금속염과 Cu 금속염이 경쟁적으로 실크에 반응하여 피염물에 염착좌석이 부족하게 형성되어진 것으로 추정되나 정확한 원인 분석을 위해서는 각각 매염제의 매염속도에 대한 추가연구가 필요하다.
- 본 연구에서 수행된 천연염색에 대한 매염제로서의 적합성 및 견뢰도 연구결과는 추후 천연염색 분야 발전에 크게 기여할 것으로 본다.
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