초임계이산화탄소내에서의 아조계 분산염료의 용해도

백종국, 이광희, 박진열, 최준혁, 심재진

영남대학교 응용화학공학부

Solubility of Azo-Derivative Disperse Dyes in Supercritical

Carbon Dioxide

Jong-Kook Baek, Kwang-Hee Lee, Jin-Yeol Park, Jun-Hyuck Choi,

Jae-Jin Shim

School of Chemical Engineering and Technology

Yeungnam University

서론

최근 섬유생산업을 대상으로 환경규격(ECOTEX Standard Series)을 적용하려는 움직임이 점점 활발히 진행되고 있다. 또한 우수한 섬유제품의 생산과 환경친화적인 제조공정이 요구되고 있다. 현재 염색가공업체들의 습식염색방법은 고욕비에서 저욕비로 낮아지는 추세다. 그러나 염색전후, R/C공정, 수세공정에서는 아직도 다량의 물이 사용되고 있다. Polyester 섬유 등과 같은 소수성 합성섬유에 사용되는 분산염료는 물에 난용성일 뿐 아니라 분산제가 50-70%정도 포함되어 있으며 염색시 각종 계면활성제가 사용된다. 그로 인해 폐수처리에 많은 비용이 소요되고 있다. 이러한 염색폐수의 양을 줄일 수 있는 초임계염색기술이  90년대 초부터 독일,미국,한국에서 연구되어 왔다[1,2,3].

초임계유체를 이용한 염색법은 용해도가 압력과 온도에 따라 연속적으로 변하는 특성을 이용한 것으로 분산염료를 용해시켜 섬유에 침투시키는 방법이다. 이 방법은 염색 후 건조공정과 수세공정이 필요하지 않으며 염색시간이 짧고 균염성도 우수하다고 알려져 있다[2].

초임계염색기술 개발을 위해서는 분산염료의 용해도에 관한 연구가 필요하며 이를 Tuma[4,5], Muthukumaran et al.[6], Sung and Shim[7]이 수행하였다. 본 연구에서는 아조계 분산염료인 C. I. Disperse Orange 30과 C. I. Disperse Blue 291의 초임계이산화탄소에서의 용해도를 측정함으로써 초임계염색공정의 설계에 필요한 기초자료를 제공하고자 한다.

실험

본 연구에 사용한 염료는 분산제가 포함되지 않은 분산염료인 azo계 C. I. Disperse Orange 30과 C. I. Disperse Blue 291로서 ㏇LG화학으로부터 제공되었다. 용매로는 순도가 99% 이상인 이산화탄소를 사용하였다. 실험장치는 Figure 1에 나타냈다.

Fig 1. Schematic diagram of dye solubility measuring equipment

이 장치는 ±0.1℃로 조절되는 항온조(강제순환건조기 Model FO-600M, Jeio Tech)속에 설치해 놓은 염료저장조와 magnetic pump가 부착된 평형조로 구성되며, 염료의 비산을 막기 위해 아래부분을 유리섬유로 막았다. 먼저 pressure generater(HIP, Model 87-6-5) 외부의 jacket으로 2.5℃의 냉각수를 공급하여 이산화탄소를 액화시킨 후 장치에 액체 이산화탄소를 공급시켰다. 장치의 내부 압력을 측정하기 위한 장치로는 pressure transducer(Model TJE, Sensotec)를 사용하였다. 공급된 이산화탄소의 온도와 압력이 일정하게 된 후 고압의 유체를 이송할 수 있도록 설계된 magnetic pump로 염료가 녹아 있는 초임계이산화탄소를 순환시켜 평형에 도달시킨 후 UV/Vis spectrometer(Model Lamda 40, Perkin-Elmer)로 흡광도를 측정하였다.  C. I. Disperse Orange 30 경우 최대 peak인 414.0 nm에서, C. I. Disperse Blue 291 경우 610.8 nm에서 흡광도를 측정해서 용해도를 구하였다.

결과 및 고찰

정확한 염료 데이터를 얻기 위해 온도 313.15∼393.15K와 압력 11∼35 MPa의 범위 내의 임의의 조건에서 각각의 염료에 대하여 상평형에 도달시킨 후 용해도를 측정하였다. 초임계이산화탄소에 대한 염료의 용해도를 압력과 온도에 대해서 각각 Figure 2, 4에 나타냈다. 또한 염료의 용해도를 유체의 밀도에 대해서 각각 Figure 3, 5에 나타냈다.

실험에서 구한 용해도등온선은 모두 압력에 따라 증가하는 경향을 보였으며, C. I. Disperse Orange 30, C. I. Disperse  Blue 291 모두 18 MPa 이하에서는 온도에 따라 용해도 역전현상을 보이고 있다. 이 현상을 임계점근처에서 온도의 변화에 따른 초임계이산화탄소의 밀도의 변화에 의해 나타나는 현상으로 여겨진다. 고압에서는 유체의 밀도가 높아지며, 분자간의 인력이 증가하여 염료분자가 보다 안정화되고 밀도의 변화가 비교적 작아 용해도 역전현상이 나타나지 않는 것으로 여겨진다. 밀도에 대해서는 유체의 밀도가 25 gmol/L보다 낮은 범위에서는 밀도에 따라 지수함수로 증가하였다. 분산염료의 용해도는 압력보다는 밀도에 대하여 보다 직접적인 영향을 받는 것을 알 수 있었다.

감사

이 연구는 에너지관리공단의 에너지자원 기술개발사업(1999-절약-96)으로 수행되었습니다. 분산염료 sample을 제공해 주신 LG화학 염료연구소에 감사드립니다.

참고문헌

1. Knittel, D., W. Saus, and E. Schoollmeyer, "Application of supercritical carbon dioxide in finishing process," J. Text. Inst., 84(4), 534-552(1993).

2. Saus, W., Knittel, D., and Shollmeyer, E.□"Dyeing of Textiles in Supercritical Carbon Dioxide," Textile Res. J., 63(3), 135 (1993).

3. Chang, K.-H., Bae, H.-K., and Shim, J.-J. "Dyeing of PET Textile Fibers and Films in Supercritical Carbon Dioxide," Korean J. Chem. Eng., 13(3), 310 (1996).

4. Tuma, D., Schneider, G. M. "High-Pressure Solubility of Disperse Dyes in Near-and Supercritical Fluids: Measurements up to 100 MPa by a Static Method,"  J. supercrit. Fluids, 13, 37-42 (1998).

5. Tuma, D., Schneider, G. M. "Determination of the solubilities of dyestuffs in near- and Supercritical Fluids by a Static Method up to 180 MPa," Fluid Phase Equilib., 158-160, 743-757 (1998).

6. Muthukumaran, P., Gupta, R. B., Sung, H.-D., Shim, J.-J., and Bae, H.-K., □Dye Solubility in Supercritical Carbon Dioxide. Effect of Hydrogen Bonding with Cosolvents,□ Korean J. Chem. Eng., 16(1), 111 (1999).

7. Sung, H.-D., and Shim, J.-J.,□Solubility of C. I. Disperse Red 60 and C. I. Disperse Blue 60 in Supercritical Carbon Dioxide,□ J. Chem. Eng. Data, 44, (1999).