[논문]메리골드 안료를 이용한 친환경 텍스타일 프린팅(1): 바인더의 종류와 혼합비율의 효과

여영미; 신윤숙

doi:10.5764/tcf.2019.31.4.233

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Dyeing is an essential process for improving the value of textile products, but it is considered as one of industries causing pollution because of producing wastewater containing hazardous chemicals as well as using a large amount of water and energy. Global demand for greener technologies in textil...

Dyeing is an essential process for improving the value of textile products, but it is considered as one of industries causing pollution because of producing wastewater containing hazardous chemicals as well as using a large amount of water and energy. Global demand for greener technologies in textile field is getting much more attention and accordingly, the use of eco-friendly natural dyes is growing much larger. In textile printing, both dyes and pigments can be used. Pigment printing is more simple process and requires less water and less energy, compared to dye printing. In this study, the organic pigment was prepared from the marigold colorant. Samples were stencil printed, pressed(70℃, 3min) and then heat treated(150℃, 5min). The uptake of polyacrylic acid as a chemical binder was the lowest. In particular, marigold pigments were excellent in color and texture when Guar Gum and Sodium Alginate were used as binders. In addition, the light and washing fastness was rated very high as 4, 4/5 grades, and the rubbing fastness was also excellent as 3 and 4 grades.

주제어

표/그림 (7)

그림 Figure 1. Chemical structure of (a) Lutein and (b) Zeaxanthin.
표 Table 1. Characteristics of cotton fabric
그림 Figure 2. FT-IR spectrum of marigold colorant and marigold pigment.
그림 Figure 3. Particle number distribution of marigold pigment.
그림 Figure 4.Particle volume distribution of marigold pigment.
표 Table 2. Color characteristics of printed sample by using various binders
표 Table 3. Colorfastness of printed sample by using various binders

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문제 정의

이에 본 연구에서는 폐기되어지는 메리골드 꽃에서 색소를 추출한 후 안료화(lake pigment)하여 수세과정이 없는 날염공정으로 환경적·경제적으로 더 지속가능한 날염방법을 연구하고자 한다. 메리골드 색소와 안료를 FT-IR과 입도분석을 통해 특성을 알아보고 친환경적인 아교(소가죽 젤라틴)와 식품원료로 사용하는 한천(해조류), 구아검(콩과 식물), 카제인 나트륨(우유단백질), 알긴산 나트륨(해조류)을 바인더로 사용하여 날염(Stencil Printing)하고 열처리하여 그 날염성과 일광·세탁·마찰견뢰도를 평가한 후 그 결과를 일반적으로 화학 바인더로 많이 사용하는 폴리 아크릴산 날염과 비교하였다.
메리골드 색소와 안료를 FT-IR과 입도분석을 통해 특성을 알아보고 친환경적인 아교(소가죽 젤라틴)와 식품원료로 사용하는 한천(해조류), 구아검(콩과 식물), 카제인 나트륨(우유단백질), 알긴산 나트륨(해조류)을 바인더로 사용하여 날염(Stencil Printing)하고 열처리하여 그 날염성과 일광·세탁·마찰견뢰도를 평가한 후 그 결과를 일반적으로 화학 바인더로 많이 사용하는 폴리 아크릴산 날염과 비교하였다. 그리하여 친환경적인 메리골드 안료 날염에 효과적인 바인더의 종류와 적정비율을 알아보았다.
본 연구에서는 보통 폐기되는 메리골드 꽃을 사용하여 면직물에 매염제의 사용과 수세과정이 없는 환경적 · 경제적으로 더 지속가능한 날염방법을 알아보고자 하였다.

가설 설정

또한 카제인 나트륨 바인더 날염호는 시료에 고르게 분산되지 않았음에도 불구하고 세탁 후 변화가 거의 없어 모두 4/5등급을 높게 평가되었는데 카제인 나트륨의 분산성을 높일 수 있는 방법을 모색해 볼 필요가 있음을 알 수 있었다. 안료를 고르게 분산한다면 마찰견뢰도 등급도 향상될 것이라 생각된다.

제안 방법

제조한 안료를 시료표면에 고착시키기 위해 사용한 바인더는 아교(소가죽 젤라틴), 한천(해조류), 구아검(콩과 식물), 카제인 나트륨(우유 단백질), 알긴산 나트륨(해조류) 그리고 폴리 아크릴산을 사용하였으며, 폴리 아크릴산은 액상형이고 나머지 5가지는 분말형태이었다. 6가지 바인더의 점도가 상이하여 예비실험을 통해, 바인더를 증류수로 용해할 때 적정 혼합비율을 3가지씩 선정하여 1시간동안 교반하고 12시간 팽윤하여 18가지의 원호를 만들었다. 18가지 각각의 원호들에 메리골드 안료를 7(g) :1(g) 비율로 혼합하여 형지 날염에 사용할 날염호 18가지를 조제하였다.
실험을 통해 메리골드 꽃에서 추출한 수용성의 색소분말을 사용하여 불용성의 안료(Lake Pigment)를 제조할 수 있었다. 제조한 메리골드 안료를 시료에 고착하기 위해 한천, 구아검, 카제인 나트륨, 알긴산 나트륨, 폴리 아크릴산을 각각 바인더로 사용하여 형지날염하고 70℃에서 3분 프레스한 후 150℃에서 5분 열처리하였다. 그 결과 노란색(Y), 주황색(YR)계열의 색상을 얻을 수 있었고 염착량(K/S)은 한천 아교 1(g):12(g) 비율에서 5.
이에 본 연구에서는 폐기되어지는 메리골드 꽃에서 색소를 추출한 후 안료화(lake pigment)하여 수세과정이 없는 날염공정으로 환경적·경제적으로 더 지속가능한 날염방법을 연구하고자 한다. 메리골드 색소와 안료를 FT-IR과 입도분석을 통해 특성을 알아보고 친환경적인 아교(소가죽 젤라틴)와 식품원료로 사용하는 한천(해조류), 구아검(콩과 식물), 카제인 나트륨(우유단백질), 알긴산 나트륨(해조류)을 바인더로 사용하여 날염(Stencil Printing)하고 열처리하여 그 날염성과 일광·세탁·마찰견뢰도를 평가한 후 그 결과를 일반적으로 화학 바인더로 많이 사용하는 폴리 아크릴산 날염과 비교하였다. 그리하여 친환경적인 메리골드 안료 날염에 효과적인 바인더의 종류와 적정비율을 알아보았다.

대상 데이터

본 연구에 사용한 직물 시료는 정련, 표백된 100% 면직물을 사용하였고 그 특성은 Table 1과 같다. 메리골드 색소의 안료화를 위하여 황산알루미늄암모늄(Aluminium Ammonium Sulfate, Al₂(SO₄)₃(NH₄) SO₄·24H₂O)과 수산화나트륨(NaOH)를 사용하였으며 날염용 바인더로는 아교(Glue, Japan), 한천(Agar Power, Korea), 구아검(Guar Gum, India), 카제인 나 트 륨 (Sodium Caseinate, Frieslan-campina Dmv B.
본 연구에 사용한 직물 시료는 정련, 표백된 100% 면직물을 사용하였고 그 특성은 Table 1과 같다. 메리골드 색소의 안료화를 위하여 황산알루미늄암모늄(Aluminium Ammonium Sulfate, Al₂(SO₄)₃(NH₄) SO₄·24H₂O)과 수산화나트륨(NaOH)를 사용하였으며 날염용 바인더로는 아교(Glue, Japan), 한천(Agar Power, Korea), 구아검(Guar Gum, India), 카제인 나 트 륨 (Sodium Caseinate, Frieslan-campina Dmv B.V., Netherlands), 알긴산 나트륨(Sodium Alginate, China), 폴리 아크릴산(Polyacrylic Acid 25wt% solution, (C₃H₄O₂)₇)을 사용하였다.
실험에 사용한 메리골드는 국내산으로 액비 1:30, 100℃에서 30분 2회 열수 추출한 후 혼합한 염액을 120±5rpm, 50℃ 조건에서 감압 농축하고 -80℃에서 급냉 시킨 후 동결건조기로 -50℃에서 건조, 분말화한 후 실험에 사용하였다. 수율은 27.
제조한 안료를 시료표면에 고착시키기 위해 사용한 바인더는 아교(소가죽 젤라틴), 한천(해조류), 구아검(콩과 식물), 카제인 나트륨(우유 단백질), 알긴산 나트륨(해조류) 그리고 폴리 아크릴산을 사용하였으며, 폴리 아크릴산은 액상형이고 나머지 5가지는 분말형태이었다. 6가지 바인더의 점도가 상이하여 예비실험을 통해, 바인더를 증류수로 용해할 때 적정 혼합비율을 3가지씩 선정하여 1시간동안 교반하고 12시간 팽윤하여 18가지의 원호를 만들었다.
실험을 통해 메리골드 꽃에서 추출한 수용성의 색소분말을 사용하여 불용성의 안료(Lake Pigment)를 제조할 수 있었다. 제조한 메리골드 안료를 시료에 고착하기 위해 한천, 구아검, 카제인 나트륨, 알긴산 나트륨, 폴리 아크릴산을 각각 바인더로 사용하여 형지날염하고 70℃에서 3분 프레스한 후 150℃에서 5분 열처리하였다.
O)의 양을 1(g) : 3(g) 비율로 투입하여 증류수에 교반하고 수산화나트륨(NaOH)을 사용하여 pH 7로 중성화하였다. 8시간 경과 뒤 층 분리되면 상등액은 버리고 침전된 안료 입자를 filter paper를 이용하여 여과한 다음, 50℃ 오븐에서 건조 후 미세하게 분쇄하여 불용성의 메리골드 안료를 제조하였다.

데이터처리

추출한 메리골드 색소 분자와 제조한 안료(lake pigment) 분자 내에 존재하는 기능기(Functional group)에 관한 정보를 알기 위해 적외선 분광광도계(FTIR, Fourier Transform Infrared, Spectrophoto Spectrum 400, UK)를 이용하여 흡수스펙트럼에 의한 분광분석을 하였다.

이론/모형

제조한 메리골드 안료의 입자크기 및 입도분포를 측정하기 위하여 안료를 증류수에 용해하고 입도분포측정기(Surface Zeta Potential and Particle Size Analyzer, ELS-8000, Japan)를 사용하였다. 기본적인 산란강도를 이용하는 DLS(Dynamic Light Scattering) 원리로 분산 상태의 입자크기 및 분포를 측정하였다.
형지 날염한 18가지 각 시료들의 표면 염착량은 색차계(Color-Eye 3100, Macbeth, Germany)를 사용하여 최대 흡수 파장인 440nm에서 염색포의 표면 반사율(R)을 측정한 후 Kubelka-Munk식(1)에 의해 염착량 K/S값을 산출하였다. 또한 표면색은 CLE L*, a*,b*를 측정하고 Munsell의 색상(H), 명도(V), 채도(C)값을 측정하였다.
일광견뢰도는 내광시험기(Xenon Test Chamber, Q-Sun Xe-1-b, USA)를 사용하여 카본아크 전류 15~17A, 아크전압 125~140V, 기계 내 온도는 블랙 패널(black panel) 온도계로 측정하여 AATCC 16에 의거 63℃, 기내습도 30%의 조건에서 20시간 광조사하여 KS K 0218의 방법에 따라 등급을 평가하였다.
세탁견뢰도는 세탁기(Hanwon Soway Co., Korea)를 사용하여 AATCC Test Method 61-1989의 1A법에 준하여 200ml에 0.37% 세제를 넣고 40℃에서 45분간 세탁한 후 변퇴색 판정용 그레이 스케일(gray scale)과 오염 판정용 스케일(chromatic transference scale)을 사용하여 측정 하였다.
마찰견뢰도는 마찰견뢰도 측정기(DL-2007, Daclim Engineering, Korea)를 사용하여 AATCC Test Method 116-1989에 준하여 건조와 습윤 상태에서 각각 10회 마찰 시킨 후 변퇴색 판정용 그레이 스케일과 오염판정용 스케일로 평가하였다.

성능/효과

Table 2의 결과를 종합적으로 보았을 때 메리골드 안료를 각각 구아검(1:100)과 알긴산 나트륨(1:100) 바인더로 혼합하여 날염하였을 때 안료가 가장 고르게 분산되고 색감과 촉감이 매우 우수하였다.
결과적으로 메리골드 안료를 각각 구아검과 알긴산 나트륨 바인더로 혼합하여 날염하였을 때 일광·세탁·마찰견뢰도가 종합적으로 매우 우수하게 평가되어 그 실효성을 확인 할 수 있었다.
메리골드 안료는 특히 구아검과 알긴산 나트륨을 바인더로 사용하였을 때 고르게 분산되어 색감, 유연성, 촉감이 매우 우수하였다. 또한 일광·세탁 견뢰도가 4, 4/5등급으로 매우 높게 평가되었으며 마찰견뢰도 또한 3, 4등급으로 우수하여 그 실효성을 확인할 수 있었다.

후속연구

메리골드는 국화과 타게테스(Tagetes)속의 춘파성 1년생 화훼로 우리나라에서는 더위에 강하고 개화기간이 길어서 여름철 화단용으로 많이 이용되고 있고, 관상식물로서의 가치뿐만 아니라 항균활성, 방부효과, 혈압강하효과, 세포 손상 방어기능, 상처 및 궤양을 치료하는 기능 등으로 유명해 서양에서는 민간요법으로 활용되고 있다. 이에 더 나아가 메리골드를 천연색소로 재활용한다면 자원 절약과 함께 부가가치를 창출할 수 있을 것이다. 이러한 메리골드에는 색소체(plastid)의 일종인 잔토필(xanthophyll)류 카로티노이드계(Carotinoid)계에 속하는 노란색을 띠는 색소인 루테인(Lutein)과 제아잔틴(Zeaxanthin) 색소가 다량 함유되어 있으며 구조식은 Figure 1과 같다⁶⁾.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	메리골드는 무엇인가?	메리골드는 국화과 타게테스(Tagetes)속의 춘파성 1년생 화훼로 우리나라에서는 더위에 강하고 개화기간이 길어서 여름철 화단용으로 많이 이용되고 있고, 관상식물로서의 가치뿐만 아니라 항균활성, 방부효과, 혈압강하효과, 세포 손상 방어기능, 상처 및 궤양을 치료하는 기능 등으로 유명해 서양에서는 민간요법으로 활용되고 있다. 이에 더 나아가 메리골드를 천연색소로 재활용한다면 자원 절약과 함께 부가가치를 창출할 수 있을 것이다.
	안료의 사용에 바인더가 필요한 이유는 무엇인가?	이에 높은 내구성과 내열성을 가지는 유기안료의 개발 및 적용이 요구되고 있다4,5). 한편 안료는 불용성 색소로 직물에 대한 친화력이 전혀 없어 직물 표면에 염착시키기 위해 안료를 고정시키기 위한 바인더가 필요하다. 그 바인더의 종류에 따라 날염물의 감촉이 딱딱하고 마찰견뢰도가 낮은 단점이 있다.
	내구성과 내열성이 높은 유기안료의 개발, 적용이 요구되는 배경은 무엇인가?	안료는 화학구조에 따라서 무기안료와 유기안료로 구분된다. 무기안료는 유기안료에 비해 상대적으로 내열성, 내광성이 뛰어난 특성을 가지나 납, 크롬, 카드뮴 등의 중금속을 함유하고 있어서 사용 범위를 제한하고 있고 중금속과 관련된 환경규제의 강화로 점차적으로 유기안료로 대체되고 있는 실정이다. 이에 높은 내구성과 내열성을 가지는 유기안료의 개발 및 적용이 요구되고 있다4,5).

참고문헌 (16)

S. G. Son, Is Dyeing Technology without Water Sustainable?, Fiber Technology and Industry, 19 (4), 296(2015).
http://www.ktenews.co.kr/bbs/board.php?bo_tablepower_interview&wr_id809,2019.11.7.
http://www.koteri.re.kr/board/content.asp?board_idkoteri_tecinfo&ref1652&step1&re_level1&page1, 2019.11.20.
S. H. Kim, J. H. Kim, S. W. Yang, Y. E. Jin, and S. S. Park, A Study on Synthesis and Crystallization of a Benzimidazolone Pigment, Applied Chemistry for Engineering, 26(2), 159(2015).

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S. H. Kim, J. H. Kim, S. W. Yang, Y. E. Jin, and S. S. Park, Synthesis of Diarylide Pigments and Their Dispersion Behavior by Dispersion Precursors, Applied Chemistry for Engineering, 25(6), 586(2014).

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J. S. Shin, M. H. Jung, S. J. Park, T. Koshiba, and T. Tamura, Improvement of Comfortability and Ability on Non-woven Fabric for Disposable Work Clothing Using Yellow Soil Printing, The Research Journal of the Costume Culture, 15(2), 276(2007).
J. S. Shin, S. J. Park, M. H. Jung, T. Tamura, and T. Koshiba, Characteristic Changes on Non-woven Fabric by Charcoal Printing, Journal of the Korean Society of Clothing and Textiles, 28(2), 303(2004).
C. Y. Kim and Y. S. Shin, Eco-printing Using Chitosan and Natural Colorants, M.S. Thesis, Chonnam National University, 2011.
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