[논문]Bromophenol blue를 이용한 나일론 직물의 염색 및 산 조건에 따른 색 변화

이소현; 강채린; 박진희; 이정진

doi:10.12772/tse.2019.56.235

Bromophenol blue를 이용한 나일론 직물의 염색 및 산 조건에 따른 색 변화
Dyeing of Nylon 66 Woven Fabric Using Bromophenol Blue and Color Change in Acidic Solution

한국섬유공학회지 = Textile science and engineering, v.56 no.4, 2019년, pp.235 - 241

이소현 (단국대학교 파이버시스템공학과) , 강채린 (단국대학교 파이버시스템공학과) , 박진희 (단국대학교 파이버시스템공학과) , 이정진 (단국대학교 파이버시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Acid compounds, which are widely used in industry, are colorless and have difficulty in detecting when leaked by accident. In order to solve this problem, several researches on acid gas detection have been carried out, but there have been few studies on acid liquid (or solvent) detection with chemosensors. A chemosensor using halochromic dye can provide a simple and easy detecting method by exhibiting different color when it is exposed by acid liquid. In this study, bromophenol blue was selected as a pH-indicating dye for detecting acid liquid. Nylon 66 woven fabric was dyed with bromophenol blue and dyeing properties were investigated. pH sensing property was also investigated by dipping the dyed nylon fabric in acidic solution. At pH 2, bromophenol blue in aqueous solution showed maximum absorption at 437 nm with yellow color while, at the pH above 5, maximum absorption was changed to 591 nm with blue color. Bromophenol blue showed good color yield (K/S) on nylon 66 and dyeing property was dependent on dyeing pH as well as dye concentration. When the dyed sample was immersed at pH 2.5-4.0 acidic solution, its original blue color was maintained. However, its color markedly turned to green and yellow when immersed at pH 2.0 and 1.5 solution, respectively. Wash and water fastness of the dyed fabric was moderate to very good. Fixing agent treatment only resulted in adverse effects such as wide pH range for color changing and poor fastness properties.

주제어

표/그림 (10)

그림 Figure 1. Structure of phenol sulfonephthalein; (a) general formula (X,Y=H or halogen; Z=H or alkyl group) and (b) bromophenol blue.
그림 Figure 2. Dyeing process of nylon 66 woven fabric with bromophenol blue.
그림 Figure 3. Effect of pH on the absorbance of bromophenol blue solution.
그림 Figure 4. Structural change of bromophenol blue in aqueous media; (a) univalent anion and (b) bivalent anion.
그림 Figure 5. Color yield (K/S) of nylon 66 woven fabric dyed with bromophenol blue of various dye concentrations (dyeing pH condition: pH 4).
그림 Figure 6. Color yield (K/S) of nylon 66 woven fabric dyed with bromophenol blue of various pH concentrations (dyeing concentration 0.5 % o.w.f.).
그림 Figure 7. Change of color yield of nylon 66 woven fabric dyed with bromophenol blue when dipping in various pH solution (dyeing concentration: 0.5 % o.w.f./dyeing pH 3).
표 Table 1. Color change of nylon 66 woven fabric dyed with bromophenol blue in acidic solution and the effect of fixing agent treatment (dyeing concentration: 0.5 % o.w.f./dyeing pH 3)
표 Table 2. Wash fastness of nylon 66 woven fabric dyed with bromophenol blue and with (or without) fixing agent treatment (dyeing concentration: 0.5 % o.w.f./dyeing pH 3)
표 Table 3. Water fastness of nylon 66 woven fabric dyed with bromophenol blue and with (or without) fixing agent treatment (dyeing concentration: 0.5 % o.w.f./dyeing pH 3)

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 bromophenol blue 염료를 나일론 직물에 적용하여 텍스타일 센서로의 응용가능성을 살펴보고자 하였다. 이를 위해 염료 농도, 염색시 염욕의 pH 조건 등의 공정변수가 염색성에 미치는 영향을 고찰하고, pH 1.

제안 방법

Bromophenol blue로 염색한 nylon 66 직물에 일반적인 나일론 섬유용 고착제를 처리한 후, 산용액에 대한 변색특성을 조사하였다(Table 1). 고착제를 처리하지 않은 경우와 비교하였을 때, 고착제 처리한 control 시료는 a* 값이 음(−)이 되면서 green 계통의 색이 가미되었고, b* 값은 증가하여 blue color가 감소함에 따라 전체적으로 채도가 낮아졌다.
Bromophenol blue를 나일론 섬유에 염색한 후 고착제 후 처리를 실시하였다. 실험실용 IR 염색기에서 고착제 농도 2 %(v/v), 70 °C에서 20분간 처리한 다음, 실험실용 미니텐터(DL-2015, DaeLim, Korea)를 이용하여 130 °C에서 90초간 열처리하였다.
Bromophenol blue를 염색하기 전에, 용액 상태에서 pH에 따른 색상변화 거동을 조사하였다. 분말 상태의 bromophenol blue 0.
pH 2에서 부터 pH 10까지의 완충용액을 제조한 다음, 상기 염료용액을 적당량 추가하고, 자외-가시광선 분광광도계(Lambda 25,PERKIN ELMER)를 사용하여 가시광선 파장별 흡광도를 측정하였다.
결과적으로 pH 3에서 염색한 시료가 가장 높은 K/S 값을 나타내었으므로, 이후 염색은 pH 3, 염료농도 0.5 %owf의 조건으로 진행하였으며, 산성용액에서의 pH 변색거동을 조사할 때, 이 조건에서 염색한 염색물을 기준이 되는 control 시료로 정했다.
5−4 사이의 산성 용액에 대한 염색물의 색상변화를 관찰하여 pH 변색 특성을 조사하였다. 또한 염색물의 물, 세탁견뢰도를 평가하여 텍스타일 센서로서의 내구성을 평가하였다.
실험실용 IR 염색기에서 고착제 농도 2 %(v/v), 70 °C에서 20분간 처리한 다음, 실험실용 미니텐터(DL-2015, DaeLim, Korea)를 이용하여 130 °C에서 90초간 열처리하였다.
염색 및 고착제 처리한 시료는 측색기(COLOR EYE 3100,Gretag Macbeth, USA)를 사용하여 광원 D65, 관측시야 10°의 조건에서 각 파장대의 분광반사율과 CIE L*a*b*를 측정 하였다.
염색 및 고착제 처리한 시료의 변색특성을 조사하기 위해, pH 1.5에서 4까지 0.5 간격으로 6개의 산성 완충용액 (buffer solution)을 제조한 후, 염색한 직물을 침지하여 색변화를 조사하였다.
용액 상태에서 bromophenol blue의 변색 거동을 확인하기 위하여 pH에 따른 용액의 색상변화를 관찰하였다. Figure 3은 bromophenol blue 용액의 pH를 2−10까지 변화시켰을 때의 흡광도 변화를 나타낸 것이다.
이 연구에서는 bromophenol blue 염료를 나일론 섬유에 염색할 경우 염색특성, 염색한 시료를 산성용액에 침지하였을 때의 변색거동, 그리고 견뢰도 특성을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
이를 위해 염료 농도, 염색시 염욕의 pH 조건 등의 공정변수가 염색성에 미치는 영향을 고찰하고, pH 1.5−4 사이의 산성 용액에 대한 염색물의 색상변화를 관찰하여 pH 변색 특성을 조사하였다.

대상 데이터

나일론용 고착제는 에스엠제이(주)에서 제공받았다. 나일론 시료는 ISO 105 F03 규격에 해당하는 nylon 66 직물(평직)을 사용하였다.
산성용액을 만들기 위한 아세트산, 염산 등 기타시약은 모두 순도 95% 이상을 사용하였다. 나일론용 고착제는 에스엠제이(주)에서 제공받았다. 나일론 시료는 ISO 105 F03 규격에 해당하는 nylon 66 직물(평직)을 사용하였다.
염색을 위해 사용된 지시약은 bromophenol blue를 ㈜덕산과학에서 제공받아 사용하였다. 산성용액을 만들기 위한 아세트산, 염산 등 기타시약은 모두 순도 95% 이상을 사용하였다.

이론/모형

Bromophenol blue는 물에 녹았을 때 산성염료의 성질을 띠므로, 일반적인 나일론-산성염료 염색방법을 사용하여 염색을 진행하였다. 나일론 직물 2 g, 액비 50:1, 염료농도 0.
염색 및 고착제 처리한 시료에 대해 세탁견뢰도(KS KISO 105-C06/A1S)와 물견뢰도(KS K 0650)를 평가하였다.
염색 및 고착제 처리한 시료는 측색기(COLOR EYE 3100,Gretag Macbeth, USA)를 사용하여 광원 D65, 관측시야 10°의 조건에서 각 파장대의 분광반사율과 CIE L*a*b*를 측정 하였다. 최대 흡수파장에서의 표면 반사율(R)로 부터 겉보기 색농도인 K/S 값을 다음의 Kubelka-Munk 식[11]에 의해 구하였다.

성능/효과

1. Bromophenol blue 용액은 pH 2 조건에서는 최대흡수파장이 437 nm로 yellow color를 나타내었으며, pH가 3과 4에서는 437 nm와 591 nm의 흡수 피크가 혼재하여 green계통의 color였으며, pH 5 이상에서는 591 nm의 흡수피크만 존재하며 blue color를 나타내었다.
2. Nylon 66 직물을 bromophenol blue로 염색할 때, 염욕의 pH를 4로 고정하고 염료농도를 변화시켜 염색한 결과0.5 %owf의 저농도에서도 양호한 염색성을 나타내었으며 1 %owf에서 포화치에 도달하였다. 또한 염료농도를 0.
3. 염색한 직물의 산에 대한 변색거동을 조사한 결과, blue를 띠는 기준 시료를 pH 2.5−4.0의 산성용액에 침지할경우 blue color가 유지되었고, pH 2.0 용액에서는 어두운 green으로 변했으며, pH 1.5 용액에서는 yellow color를 나타내었다.
4. 고착제 처리를 한 경우, 산용액에 대한 변색범위가 넓어져 변색이 상대적으로 민감하지 않는 단점을 나타내었다. 고착제를 처리하지 않은 염색시료의 세탁 및 물견뢰도는 오염등급이 4급 이상으로 우수하였고, 변색은 3−4급 이상으로 양호한 편이었다.
5. Bromophenol blue로 염색된 나일론 시료는 강산성 조건에서 blue-green-yellow로 뚜렷한 색변화를 나타내어 텍스타일 센서로 응용이 가능함을 알 수 있다.
Figure 3은 bromophenol blue 용액의 pH를 2−10까지 변화시켰을 때의 흡광도 변화를 나타낸 것이다. pH 2의 강산성 조건에서는 최대흡수파장이 437 nm로 yellow color를 나타내었으며, pH가 3과 4로 증가하면 437 nm 피크의 흡광도가 감소함과 동시에 591 nm 부근에 흡수 피크가 증가하였다. 육안으로 관찰한 용액의 색은 pH 3일 때 greenish yellow, pH4는 yellow와 blue가 섞인 green 계통의 color를 나타내었다.
고착제를 처리하지 않은 경우와 비교하였을 때, 고착제 처리한 control 시료는 a* 값이 음(−)이 되면서 green 계통의 색이 가미되었고, b* 값은 증가하여 blue color가 감소함에 따라 전체적으로 채도가 낮아졌다.
고착제를 처리하지 않은 시료의 세탁견뢰도는 오염의 경우 모든 오염포에 대해 4-5급으로 매우 우수하였으며 변색은 3−4급으로 보통/양호수준이었다.
그리고 가시광선 영역에서의 K/S 값을 통한 최대흡수파장을 통해 알 수 있듯이, 염색된 시료의 color는 0.5 및 1 %owf의 경우 blue, 2−3 %owf의 경우 green을 나타내었다.
5 %owf의 저농도에서도 양호한 염색성을 나타내었으며 1 %owf에서 포화치에 도달하였다. 또한 염료농도를 0.5 %owf로 고정하고 염욕의 pH를 변화시킬 경우, 전반적으로 양호한 염색성을 나타내었으며, pH에 따라 염색성 및 color의 차이를 보였다.
5 %owf의 저농도에서도 비교적 높은 K/S 값으로 양호한 염색성을 나타냄을 알 수 있다. 또한 염료농도를 1 %owf로 증가시키면 K/S 값이 약간 증가하였으며 그 이상 염료농도를 증가시켜도 K/S 값이 더 이상 증가하지 않는 것으로 보아, 이 염색조건에서는 1 %owf에서 포화치에 도달함을 알 수 있다. 그리고 가시광선 영역에서의 K/S 값을 통한 최대흡수파장을 통해 알 수 있듯이, 염색된 시료의 color는 0.
약 산성에서 강산성 쪽으로 pH 가 낮아짐에 따라 처음의 blue color에서 green을 거쳐 yellow로 변색할 때 green에 해당하는 pH를 변색범위라고 한다면, 염료용액의 경우 변색범위는 pH 3−4이었는데(Figure 3), 나일론에 염색된 시료의 경우 pH 2 정도로 변색범위가 더 낮은 pH로 이동함을 알 수 있었다.
5 %owf로 고정하고, 염욕의 pH를 2−5로 변화시켜 염색한 염색물의 염색성 결과이다. 염색 pH에 따라 염색성이 차이를 나타내었으며, 모든 경우 K/S 값이 12 이상으로 중색 이상으로 염색이 가능함을 알수 있었다. 염색물의 color는 pH 2에서 염색한 경우 yellow와 blue 피크가 모두 나타나 결과적으로 green을 나타낸 반면, pH 3 이상에서는 모두 blue를 나타내었다.
즉, 고착제를 처리하지 않은 시료의 물견뢰도는 오염의 경우 나일론 오염이 4급으로 우수한 편이었고, 기타 오염포에 대해 4−5급으로 매우 우수하였으며, 변색은 4급으로 우수한 편이었다.

후속연구

한편, 이와 같은 결과로 부터 bromophenol blue로 염색된 나일론 섬유는 pH 1.5−2.5의 강산용액을 뚜렷한 색변화로 판별할 수 있는 텍스타일 센서로 응용이 가능함을 알수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	chemosensor는 무엇인가?	최근 외부자극에 의해 색상이 변화하는 유기색소를 이용하여 화학물질을 센싱하는 chemosensor의 연구 사례가 보고되고 있다[1,2]. 관련하여, 산의 누출이 발생할 수 있는 파이프라인에 가시광선 영역에서 자동 감지 기능을 가진화합물을 도포하여 산 누출에 화합물이 반응하여 색이 발현되는 시스템, 필름 센서를 강산 저장 탱크와 이송 파이프에 부착해 강산성 액체가 누출되면 즉시 알려주는 시스템이 개발되었다[3].
	bromophenol blue의 특징은 무엇인가?	페놀 술폰프탈레인(phenol sulfonephthaleine)계 염료(Figure 1)는 2개의 수소이온을 생성할 수 있는 이염기산 (dibasic acid)으로서, 특정 pH에서 뚜렷하면서도 가역적인 색상변화를 나타내기 때문에 수용액 상에서 산-염기 지시약(indicator)으로 널리 사용되고 있다. 이 연구에 사용된 bromophenol blue는 Figure 1(b)의 구조에서 볼 수 있듯이 페놀 술폰프탈레인 구조에 브롬기(Br)를 치환기로 가지고 있어 섬유-염료 간 상호작용이 우수하며, 분자 크기가 작고 산성에서 색상변화를 나타낸다[2,10]. 따라서 산성에서의 색상 변화를 육안으로 뚜렷하게 인지할 수 있기 때문에 산을 감지하는 텍스타일 센서로 사용될 가능성이 있다.
	텍스타일 센서가 가진 장점에는 어떤 것이 있는가?	기존의 센서 체계와 비교하여 텍스타일 센서는 유연하기 때문에 다양한 적용범위를 제공한다. 더불어 자극에 의한 기질의 변형없이 우수한 신호전달 특성을 나타내며 간단한 공정으로 국부적 신호 표시가 가능하다[4−9].

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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