[논문]면직물의 음이온화에 관한 연구

배도규; 이태정

doi:10.5764/tcf.2018.30.1.29

면직물의 음이온화에 관한 연구
A Study on the Anionisation of Cotton Fabric 원문보기

韓國染色加工學會誌 = Textile coloration and finishing, v.30 no.1, 2018년, pp.29 - 37

배도규 (경북대학교 바이오섬유소재학과) , 이태정 (경북대학교 바이오섬유소재학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Cotton has no adsorption ability for the cationic dye and heavy metal but, if anionized cotton can be made, it will be possible. In this study, to enable the anionisation of cotton fabric, it was modified using sodium vinylsolfonate(SV) as the anionisation reagent, employing a pad-dry-cure(PDC) technique. The effects of curing time, treatment concentrations of urea, sodium hydroxide and SV on the weight increase were experimented and then, the physical characterizations of sulfoethyl cotton(SEC) depending on the finishing conditions were estimated, thus the application possibility of SV as anionisation reagent was investigated. It was not much changed by anionisation except wrinkle recovery. And the structure of SEC was elucidated by Raman and NMR spectoscopy. The feasibility of using Raman and NMR spectroscopy with the band at $1,043cm^{-1}$, and 50.5ppm, respectively as marker band to determine sulfoethyl group of SEC was reported. The total degree of SV substitution(DSV) was determined via elemental analysis. SEC with diverse total DSV up to 0.066 was obtained. In the thermal decomposition(pyrolysis) by DSC, it can be found that the pyrolysis temperature was about $30^{\circ}C$ lower than that of non-treated cotton fabric.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 양이온성 염료나 중금속의 흡착을 기대할 수 있는 음이온화 면직물을 제조하기 위해 monomer형 음이온화제로 비교적 간단하고 경제적인 공정인 pad-dry-cure 법으로 면섬유에 처리함에 있어서, curing 시간과 가공 촉매, 첨가제와 가공제 농도에 따른 적정 처리조건을 구하고자 하였으며, 가공된 면직물의 강·신도와 방추도 및 수분율 등의 물리적인 특성과 DSC 분석을 통한 열적 성질의 변화를 조사·분석하여 산업적 응용 가능성에 대해 고찰하였다.

가설 설정

한편 SV 처리효율(면직물의 무게 증가분/투입된 SV 무게)은 최고 40% 정도로 비교적 낮게 나타났다. SV와 셀룰로오스와의 반응에서는 부가반응식(4) 뿐만 아니라 다음과 같이 가수분해에 의한 부반응(식5, 식6)도 동시에 일어난다고 고려되며, 가수분해 반응이 많을수록 주반응인 SV와 셀룰로오스와의 반응은 적어질 것이다.
면섬유의 화학 구조는 β-glucose 2개의 분자가 1:4 탄소원자로 연결된 cellobiose가 반복되는 고분자로 되어 있다²⁾. 분자구조 중의 -OH기는 일반적으로는 이온화가 어렵기 때문에 이온결합에 의한 염착은 일어나지 않는다. 이러한 사실은 여러 가지 특징을 가지고 있는 각각의 염료의 사용을 제한한다.

제안 방법

음이온화 면직물을 제조하기 위해서 monomer형 음이온화제인 sodium vinylsulfonate(SV)를 사용하여 PDC 방식으로 처리하였다. Curing 시간과 여러 가지 조건이 무게증가율에 미치는 영향을 구하고, 가공조건에 따른 면직물의 물리적 특성과 DSC 분석을 통한 열적 성질의 변화를 조사하여 가공제로서의 가능성과 특성을 검토하였다. 그리고 Raman 분광분석, NMR과 원소분석으로 가공제와 면직물의 반응양식을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
가공에 의한 면직물과 SV의 반응을 규명하기 위해, Raman 분광분석기(Raman Spectrometer, Almega XR, Thermo scientific, France)로 3,200~600 cm^-1 범위에서 측정되었으며, 500MHz liquid-state NMR(AVANCE Ⅲ HD 400, Bruker, Germany)과 600MHz 13C solid-state NMR(DS101, SS-NMR system) 측정이 이루어졌으며, 반응정도(치환도)의 정량적 분석을 위해서 원소분석(Elemental Analyzer, Flash 2000, Thermofisher, Italy)이 이루어졌으며, 치환도 값으로 구한 이론적 무게증가율은 식 (2), 식(3)과 같은 방법으로 구하였다.
Curing 시간과 여러 가지 조건이 무게증가율에 미치는 영향을 구하고, 가공조건에 따른 면직물의 물리적 특성과 DSC 분석을 통한 열적 성질의 변화를 조사하여 가공제로서의 가능성과 특성을 검토하였다. 그리고 Raman 분광분석, NMR과 원소분석으로 가공제와 면직물의 반응양식을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
면직물의 음이온화 처리는 pad-dry-curing(PDC) 공정에 의하여 이루어졌으며, padding은 mangle(Hwa Sung engineering Co., HS-9563, Korea)로 100% pick up율이 되도록 하였으며 건조는 70℃에서 5분간 처리하였다.
염기성 염료인 베르베린을 포함하고 있는 황련을 액비 1:50의 증류수에서 추출온도 및 시간을 각각 60℃와 3시간으로 하여 추출한 후, 염색조건을 액비 1:50, 염색온도 및 시간을 40℃와 1시간으로 하여 적외선 염색기(Hanwan)로 염색한 후, 색차계(Minolta Chroma CR-300, Japan)를 사용하여 최대흡수파장에서의 표면반사율을 측정하여 K/S값을 구하여 염착량을 평가하였다.
위와 같은 방법으로 sodium hydroxide 2%(w/v) 용액에 SV 농도를 각각 5, 10, 15, 20%(v/v)로 하여 처리한 후 무게증가율을 구하여 SV 처리 농도가 무게 증가율에 미치는 영향을 구하였다.
위와 같은 방법으로 urea의 농도를 20g/L하고 반응 촉매인 sodium hydroxide 농도를 각각 1, 2, 3, 4, 5%(w/v)로 하여 처리한 후 무게증가율을 구하였다.
위와 같은 조건에서 hydrotrope제로 주로 사용되는 urea를 처리 용액에 각각 10, 20, 30, 40, 50g/L로 첨가하고 150℃에서 7분 curing후 무게증가율을 측정하여 첨가효과를 구하였다.
음이온화 면직물을 제조하기 위해서 monomer형 음이온화제인 sodium vinylsulfonate(SV)를 사용하여 PDC 방식으로 처리하였다. Curing 시간과 여러 가지 조건이 무게증가율에 미치는 영향을 구하고, 가공조건에 따른 면직물의 물리적 특성과 DSC 분석을 통한 열적 성질의 변화를 조사하여 가공제로서의 가능성과 특성을 검토하였다.
음이온화제 SV 10%(V/V)와 sodium hydroxide 2%(w/v)농도의 혼합용액으로 2.2와 같은 방법으로 pad-dry하여 150℃에서 각각 1, 3, 5, 7, 9분간 curing한 후, 여러 번 수세하여 상온에서 건조시켜 20℃, 65% R.H.에서 24시간 이상 컨디셔닝한 후 무게를 측정하여 식(1)과 같은 방법으로 무게 증가율 (weight increase)을 구하여 적정 큐어링 조건을 구하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용한 직물시료는 Table 1과 같은 시험용 표준면백포를 사용하였으며, 실험에 사용된 시약은 sodium vinylsulfonate(SV)(CH₂CHSO₃Na)(Alfa Aesar, Korea), sodium hydroxide(NaOH)(Ducksan pure chemical Co., LTD, Korea), urea(NH₂CONH₂)(Yakuri pure chemical Co., LTD, Korea)로 1급 시약 그대로 사용하였다.

이론/모형

SV 도입에 따른 수분율은 KS K 0520, 인장강도와 신도의 변화는 만능 재료 시험기(OTT-003, Oriental TM, Korea)로 KS K 0220에 준하여 측정하였으며, 방추도는 KS K 0550에 준하여 몬산토 시험기(Monsanto wrinkle recovery tester, Han Won Testing Machine Co., Korea)를 사용하여 측정하였다.

성능/효과

1. 면직물과 SV와의 처리에서 curing 시간의 경과에 따라 무게증가율도 증가하였지만 curing 시간 7분 이상에서는 더 이상의 무게 증가는 거의 보이지 않아 반응이 완성된 것으로 나타났다.
2. 처리에 있어서 무게증가율에 미치는 요인 중, 요소 첨가량은 20g/L까지는 무게 증가율도 증가하여 요소 첨가의 효과가 인정되었으며, sodium hydroxide 농도는 2% 농도까지는 급격히 증가하지만 그 이상의 농도에서는 오히려 약간 감소하는 경향을 보여주고 있었으며, SV 처리 농도가 높을수록 무게증가율도 증가하였지만, 고농도가 될수록 무게증가율은 둔화되었다.
3. SV 처리농도에 따른 물리적 특성 변화에 있어서, 처리농도가 높을수록 수분율과 신도는 높게 나타났으며, 강력과 방추도는 낮게 나타났다.
4. SV 처리농도에 따른 K/S값은, 처리농도가 높을수록 K/S값도 증가하는 것으로 나타났다.
5. SV 처리된 면직물의 Raman spectrum에서는 SV의 도입에 따른 S-O bond의 streching에 의한 peak이 1,043㎝^-1에서 약하게 나타났으며, ¹³C NMR spectrum에서는 -CHSO₃-의 결합에 기인한 peak이 50.5ppm에서 나타났다.
6. SV 처리농도에 따른 면직물의 원소분석으로부터 구한 SV의 치환도는 처리농도 15%까지는 치환도가 거의 비례적으로 증가하였다.
7로 크게 증가되었으나 그 이상의 처리농도에서는 증가 폭은 크지 않았다. SV 처리에 의한 면섬유의 음이온화는 양이온성 염료의 친화력을 크게 증가시켜 K/S값을 증가시키는 것으로 고려되며, 낮은 SV 처리농도에서도 효과는 크게 나타났다.
이상의 결과로부터 PDC 공정으로 음이온화 면직물의 제조가 가능하며, 음이온화 정도도 조절할 수 있어, 염기성 염료로도 염색이 가능할 것으로 판단된다. 다만 가공에 의한 방추도의 감소와 가공제의 효율 향상에 대해서는 방안이 강구되어야 할 것으로 고려된다.

후속연구

이상의 결과로부터 PDC 공정으로 음이온화 면직물의 제조가 가능하며, 음이온화 정도도 조절할 수 있어, 염기성 염료로도 염색이 가능할 것으로 판단된다. 다만 가공에 의한 방추도의 감소와 가공제의 효율 향상에 대해서는 방안이 강구되어야 할 것으로 고려된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	면섬유의 화학 구조는 무엇인가?	섬유의 염색성은 주로 섬유의 내부 구조와 조직 등 물리적인 것과 섬유고분자를 구성하고 있는 화학적 구조에 따라 달라지며, 섬유의 염색 가능성 유무는 주로 후자에 의해 지배된다. 면섬유의 화학 구조는 β-glucose 2개의 분자가 1:4 탄소원자로 연결된 cellobiose가 반복되는 고분자로 되어 있다2) . 분자구조 중의 -OH기는 일반적으로는 이온화가 어렵기 때문에 이온결합에 의한 염착은 일어나지 않는다.
	면섬유의 음이온화 방법을 완전히 적용하지 않는 이유는 무엇인가?	그러나 위와 같이 많은 연구 보고가 있지만, 가공에 따른 물성 저하, 가공 공정의 복잡성 그리고 가공제의 효율성 및 고가로 인하여 아직 산업적으로는 완전하게 적용되지는 않고 있는 실정이다.
	면섬유의 특징은 무엇인가?	아마도 몇몇 면직물은 상대적으로 아주 낮은 가격이거나 대부분의 의류용 면직물은 중간 정도의 가격으로 많은 인조섬유와 비교해서도 경쟁력이 있다. 면섬유는 조직, 무게, 질감 등이 다른 다양한 직물을 만들 수 있는 거의 유일한 섬유로 인정되고 있으며, 면직물은 좋은 착용감, 높은 흡수성, 보온성, 유연성 및 열 저항성과 좋은 염색성과 착용감 등의 특징으로 인하여 계절에 한정되지 않고 생산되고 있다1) . 섬유의 염색성은 주로 섬유의 내부 구조와 조직 등 물리적인 것과 섬유고분자를 구성하고 있는 화학적 구조에 따라 달라지며, 섬유의 염색 가능성 유무는 주로 후자에 의해 지배된다.

참고문헌 (16)

M. L. Joseph, "Introductory Textile Science", Sauders College Publishing, New York, pp.38-39, 1981.
E. R. Trotman, "Dyeing and Chemical Technology of Textile Fibers", Charles Griffin and Company Ltd, London, pp.48-51, 1975.
M. Rym, M. Farouk, and E. M. Bechir, Dyeing Properties of Cationized and Noncationized Cotton Fabrics Dyed with Vitis vinifera L. leaves Extract, The J. of the Textile Institute, 107(4), 525(2016).

상세보기
J. Borsa, V. Ravichandran, and S. K. Obendorf, Distribution of Carboxyl Groups in Carboxymethylated Cotton Fibers, J. of Applied Polymer Science, 72(2), 203(1999).

상세보기
E. S. Lee and H. J. Kim, Durable Press Finish of Cotton/polyester Fabricswith 1,2,3,4-butanetetracarboxylic Acid and Sodium Propionate, J. of Applied Polymer Science, 81(3), 7(2001).
S. Fu, M. J. Farrell, and P. J. Hauser, Optimising the Anionisation of Cottonwith 3-chloro-2-hydroxy-1-propanesulphonic Acid Sodium Salt for Dyeingwith Basic Dyes, Coloration Technology, 133, 194(2017).

상세보기
C. Chen and C. C. Chen, Crosslinking of Sulfonated Cotton Cellulose Part II: Dyeing Kinetics of a Basic Dye on Crosslinked Fabrics from a Finite Bath, Textile Research J., 70(4), 311(2000).

상세보기
L. Fang, X. Zhang, and D. Sun, Chemical Modification of Cotton Fabrics for Improving Utilizatio of Reactive Dyes, Carbohydrate Polymers, 91, 363(2013).

상세보기
P. Ghosh and D. Das, Modification of Cotton by Acrylic acid(AA) in the Presence of $Na_{2}H_{2}PO_{4}\;and\;K_{2}S_{2}O_{8}$ as Catalysts under Thermal Treatment, European Polymer J., 36, 2505(2000).

상세보기
C. Pisuntornsug, N. Yanumet, and E. A. O'Rear, Surface Modification to Improve Dyeing of Cotton Fabric with a Cationic Dye, Coloration Technology, 118, 64(2002).

상세보기
M. K. Kim, S. H. Yoon, T. K. Kim, and Y. J. Lim, The Adsorption Properties of Heavy Metal Ions on to Cotton Fabrics Treated with Reactive Anionic Agent, Textile Coloration and Finishing, 17(1), 20(2005).
H. T. Zhou, H. Xing, B. W. Wu, A. Q. Cao, and J. X. Xiao, Hydrotrope-Induced Enhancement of Room Temperature Surface Activity for High Krafft Point Fluorinated Surfactants, J. of Surface and Detergent, 19, 1199(2016).

상세보기
D. Myers, "Surfactant Science and Techlogy 3rd. ed.", John Wiley and Sons, Inc., New Jersey, pp. 307-308, 2006.
H. G. Houlton and H. V. Tartar, Raman Spectra of Sodium Alkyl Sulfonates and Sulfinates, J. of the American Chemical Society, 60(3), 544(1938).

상세보기
K. Zhang, E. Brendler, K. Gebauer, M. Grunder, and S. Fischer, Synthesis and Characterization of Low Sulfoethylated Cellulose, Carbohydrate Polymers, 83, 616(2011).

상세보기
P. Zhu, S. Sui, B. Wang, K. Sun, and G. Sun, A Study of Pyrolysis and Pyrolysis Products of Flame-retardant Cotton Fabrics by DSC, TGA, and PY-GC-MS, J. of Analytical and Applied Pyrolysis, 71, 645(2004).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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