초임계이산화탄소내에서의 고분자섬유의 염착평형

김철훈, 이광희, 박진열, 심재진

영남대학교 응용화학공학과

Dyeing Equilibrium of Polymeric Textile in Supercritical

Carbon Dioxide

Chul-Hun Kim, Kwang-Hee Lee, Jin-Yeol Park, Jae-Jin Shim

School of Chemical Engineering and Technology

Yeungnam University

서론

오늘날 세계의 섬유산업이 당면한 문제는 우수한 성능을 가진 섬유제품의 생산과 그 제조공정을 환경친화적으로 전환하는 것이다. 독일과 미국에서는 염색폐수의 처리기술 뿐만 아니라 그 양을 획기적으로 줄일 수 있는 기술개발에 지난 십여 년 동안 많은 투자를 하여 왔다. 그 중 대표적인 것이 초임계염색기술로서 환경오염을 전혀 유발하지 않으므로[1,2,3] 머지않아 상업화될 것으로 예측된다.이산탄소는 저렴하고 인체 및 환경에 독성이 없으며, 임계점 이상에서 밀도와 용해도가 액체에 가까운 특성을 나타내고 있는 반면에 빠른 확산 속도와 작은 점도는 기체와 유사한 특성을 가진다. 본 실험에서는 실제 공정에서 많이 사용되는 폴리에스테르(PET)와 폴리아미드(nylon 6)등의 합성섬유를 사용하여 초임계유체내에서의 분산염료의 염착평형을 측정함으로써 초임계염색공정의 설계 및 조작에 필요한 기초자료를 제공하고자 한다.

실험

본 실험에서는 순수한 이산화탄소(99.99%)를 사용하였다. 염료로는  antraqui-

none계 C. I. Disperse Blue 60을 (주)LG화학으로부터 공급받아 사용하였다. 고분자 섬유시료는 (주)효성생활염직으로부터 제공받은 정련 및 감량처리가 된 염색직전 단계의 polyester와 (주)동양나이론에서 제공받은 nylon 6를 사용하였다. 고분자섬유의 평형염착량을 측정하기 위해 batch method [1]를 사용하였다. 강제순환 항온조를 사용하여 온도 60, 90, 120, 150℃에서 압력을 변화시켜 가면서 평형염착량을 측정하였다.

염색조는 15 cm의 고압용 tubing(3/8 inch)에 약 0.2 g의 분산염료를 넣고 양쪽에 glass wool을 2 cm 두께로 채워 넣어 분산염료의 비산을 방지하였고 고분자시료는 1.5×10 cm 크기로 잘라서 얇은 wire screen으로 말아서 섬유시료가 내벽과 닿는 것을 막았다. 먼저 Pressure generater(HIP, model 87-6-5) 외부의 jacket으로 2.5℃의 냉각수를 공급하여 이산화탄소를 액화시킨 후 염착평형장치에 액체 이산화탄소를 공급시켰다. 염착평형장치의 내부 압력을 측정하기 위한 장치로는 ±0.03 MPa의 정확도로 약 33 MPa 이상 측정할 수 있는 pressure transducer(Sensotec, model TJE)를 사용하였다. 공급된 이산화탄소의 온도와 압력이 일정하게된 후 고압의 유체를 이송할 수 있도록 설계된 magnetic pump로 염료가 녹아 있는 초임계이산화탄소를 순환시켰다. 염착평형시간은 약 900 min정도로 충분히 평형에 도달될 수 있도록 하였다. 고분자시료의 염착량을 측정하기 위하여 chlorobenzene(Yakuri Pure Chemical: 99.5 %)으로 녹인 후 UV/Vis spectrometer(PERKIN ELMER, model Lamda 40)로 흡광도를 측정하여 C. I. Disperse Blue 60의 최대흡수 peak 675.8 nm를 이용하여 만든 검량선으로 염착량을 측정하였다.

결과 및 고찰

온도와 압력에 따른 C. I. Disperse Blue 60의 polyester와 nylon 6에서 염착량의 변화를 측정하여 압력에 대하여 나타냈다(Figure 1, 2). 같은 온도에서 압력이 증가하면서 염착량이 증가하였으며 같은 압력에서는 온도가 높을수록 염착량이 큰 것으로 나타났다. 이것은 온도와 압력의 증가에 따라 염료의 용해도가 크게 증가하며, 고분자의 Tg가 현저하게 감소되고 swelling에 의해 free volume이 증대되어 고분자 내부 구조로의 물질이동속도가 증가되고 염료의 수착량이 증가되기 때문이다[2,3]. 압력이 높아질수록 그 증가율이 낮아지는 현상은 압력이 증가할수록 고분자 내부가 염료로 채워지면서 free volume이 감소하기 때문으로 생각된다.

Figure 3, 4는 밀도에 대한 polyester 와 nylon6 의 열역학적 특성치인 평형분배계수 K를 나타낸 것이다[1].

[eqn: {K}~ CONG ~ { S CDOT { rho } ^{p } } over {w CDOT { rho }`^{f } } ~=~ { S CDOT { M}_{ { CO}_{2 } }CDOT { rho}^{p } } over { y CDOT { M}_{ dye }CDOT { rho}^{f } }]

여기서 S는 염료의 수착량[g/g polymer], w는 fluid상에서의 염료의 질량분율, M은 분자량, 그리고 y는 fluid상에서의 염료의 용해도(mole fraction)이다. 이 그림에서 이산화탄소의 밀도가 증가함에 따라 K값이 감소하는 경향을 볼 수 있다.

초임계이산화탄소의 낮은 점도와 swelling효과로 인하여 기존의 습식염색보다 더 빠른 염색이 가능하다고 할 수 있다. 120℃, 3500 psi에서 초임계유체를 이용하여 염색한 섬유sample과 130℃에서 기존의 습식염색장치를 이용하여 염색한 섬유sample을 가지고 한국원사직물연구원에서 세탁, 땀, 물, 드라이클리닝, 일광 견뢰도를 AATCC(American Association of Textile Chemists and Colorists)규격으로 측정하였다. Table 1에 이 견뢰도실험 결과를 나타냈는데 초임계염색공정과 기존의 습식염색공정이 같은 등급의 견뢰도를 가지고 있음을 알 수 있다.

Table . Results of the color fastness test for the polyester textile samples    dyed with C. I. Disperse Blue 60 by supercritical fluid dyeing and conventional wet dyeing

Fastness Sample	Supercritical fluid dyeing	Conventional wet dyeing
Washing	4	4
Sweat	4	4
Water	4	4
Dry cleaning	4	4
Sun Light	4	4

*Each fastness has a scale of 5 to 1 where 5 means excellent and 1 means    poor.

Figure . Experimental data for the sorption of C. I. Disperse Blue 60 dye into polyester textile in the presence of supercritical carbon dioxide.

Figure . Experimental data for the sorption of C. I. Disperse Blue 60 dye into nylon 6 textile in the presence of supercritical carbon dioxide.

Figure 3. Distribution coefficient of C. I. Disperse Blue 60 dye between polyester textile and carbon dioxide versus density.

Figure 4. Distribution coefficient of C. I. Disperse Blue 60 dye between nylon 6 textile and carbon dioxide  versus density.

감사

본 연구는 에너지관리공단의 에너지자원 기술개발사업인 □Polyester 직물의 초임계염색기술 개발□김철훈에 의해 수행되었으며 이에 감사드립니다. 아울러 실험재료를 제공해 준 (주)LG화학, (주)효성생활염직, (주)동양나일론에 감사드립니다.

참고문헌

[1] 박상철, □초임계이산화탄소-고분자계에서의 분산염료 수착평형□, 석사학위논     문, 영남대학교 (1998).

[2] Schnitzler, J. V., R. Eggers, "Mass transfer in polymers in a supercritical      CO□-atmosphere", J. Supercrit. Fluids, 16, 81-92 (1999).

[3] Sicardi, S., L. Manna, M, Banchero, "Diffusion of disperse dyes in  PET       films during impergnation with supercritical fluid", J. Supercrit. Fluids,        17, 187-194(2000).