초임계이산화탄소를 이용한 고분자섬유에서의

C. I. Disperse Yellow 54 수착평형 및 확산

최준혁, 김병희, 안재명, 이건호, 손보국, 주재호, 김선욱1, 심재진*

영남대학교 공과대학 응용화학공학부; 1울산대학교 공과대학 생명화학공학부

(jjshim@yu.ac.kr*)

Sorption equilibria and diffusion of C. I. Disperse Yellow 54

at polymer textiles in supercritical carbon dioxide

Jun-Hyuck Choi, Byung-Hee Kim, Jae-Myoung Ahn, Gun-Ho Lee, Bo-Kook Son,

Jae-Ho Joo, Sunwook Kim1 and Jae-Jin Shim*

School of Chemical Engineering and Technology, Yeungnam University;

1School of BioChemical Engineering and Technology, Ulsan University

(jjshim@yu.ac.kr*)

서론

전세계적으로 고부가치 산업으로 발전하고 있는 섬유산업에서 염색공정은 섬유나 의류의 제조에 필수적으로 수반되는 공정이며 이에 대한 연구가 계속 진행되고 있다. 기존의 습식염색법은 에너지다소비 문제와 합성섬유의 염색성을 높이기 위해 분산염료에 첨가되는 계면활성제, 균염제 등의 조제 사용으로 인해 유발되는 난분해성 폐수에 의한 환경오염 문제를 가지고 있다. 이들 문제점을 개선하기 위해 초임계이산화탄소를 이용한 새로운 건식염색기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

초임계유체는 임계점 이상의 상태에 있는 유체로써 압력과 온도의 변화에 따라 용해도가 변화하는 독특한 특성과 액체와 유사한 밀도와 기체와 유사한 점도, 확산계수를 가지고 있어 작은 압력변화로 큰 밀도변화를 얻을 수 있다는 특성을 가지고 있다［1］. 이산화탄소는 비교적 낮은 임계점(Pc = 7.3 MPa, Tc = 60C)을 가지며, 독성이 없고 인체 및 환경에 무해한 장점 때문에 많이 사용되고 있다. 이러한 초임계유체를 이용한 염색법은 초임계유체에 분산염료를 용해시켜 염료를 섬유에 침투시키는 방법으로 폐수처리와 하수처리공정이 필요 없는 혁신적인 새로운 공정이며, 이 방법은 염색 후에 섬유가 건조한 상태로 있기 때문에 에너지 소비가 많이 되는 건조공정을 거치지 않아 염색시간이 짧고 균염성도 뛰어나다고 알려져 있다［2］. 이러한 초임계염색법이 1991년 독일의 Schollmeyer 교수팀에 의해 보고된 이후, 한국, 미국, 독일 등에서 이에 관한 활발한 연구가 이루어지고 있어 많은 연구 결과를 얻고 있다［2-4］.

본 연구에서는 초임계이산화탄소 내에서 PTT(poly trimethylene terephthalate)와   PET(polyethylene terephthalate) 직물의 온도와 압력에 따른 C. I. Disperse Yellow 54의 수착량 변화와 시간에 따른 수착량 변화를 측정하여 염료의 확산속도를 구하여 초임계염색공정 개발과 상용화에 필요한 기초자료를 제공하고자 한다.

실험

본 연구에 사용한 염료는 분산제가 포함되지 않은 분산염료인 C. I. Disperse Yellow 54를 ㈜LG화학으로부터 제공받았고 염료구조식을 Figure1에 나타냈다.

Figure 1. Molecular Structure of  C. I. Disperse Yellow 54

PTT는 남승시직으로부터 제공받아 2 g/l의 정련제(ULTRAVON, Ciba)로 65℃에서 40 min 동안 정련한 후 일정 장력 하에서 건조기에 넣어 180℃에서 40초 동안 열처리하여 실험하였고 PET는 정련 및 감량처리가 된 상태로 ㈜효성생활염직으로부터 제공 받았다. 용매로는 순도가 99% 이상인 이산화탄소를 사용하였다. 실험장치는 Figure 2에 나타냈다.

Figure 2. Schematic Diagram of the Experiment Dyeing Equipment.

이 장치는 0.1C로 조절되는 항온조(Model FO-600M, Jeio Tech)속에 염색조, 염료조와 항온조 외부에 설치된 morter에 의한 자석의 상·하 운동으로 장치 내의 고압의 이산화탄소를 순환시키는 피스톤이 내장되어 있는 pump로 구성되어있다. 염료의 비산을 방지하기 위해 염료조의 위·아래 부분을 유리섬유로 막았고 염색의 균염도를 높이기 위해 고분자섬유를 철망(100 mesh)으로 둘러싼 뒤 염색조에서 실험을 하였다. 먼저 pressure generator(Model 87-6-5, HIP)의 실린더 외부에 2.5C의 냉각수를 흐르게 하여 이산화탄소를 액화시킨 후 장치에 주입시켰다. 이때 장치 내에 잔류하고 있는 공기를 제거하기 위해 1분가량 이산화탄소를 주입 후 바로 장치 외부로 배출시켰다. 장치 내부의 압력을 측정하기 위해 pressure transducer(Model 710A, HEISE)를 사용하였다. 공급된 이산화탄소의 온도와 압력이 일정하게 된 후 pump를 이용하여 염료가 녹아 있는 초임계이산화탄소를 순환시켜 수착평형에 도달한 후 장치 외부로 배출시켰다. 실험 후 섬유 표면에 남아 있는 염료를 제거하기 위해 40 ㎖의 acetone으로 5초간 세척하고 항온조에서 건조한 후, monochlorobenzene에 녹여 UV/Vis spectrometer(Model Lamda 40, Perkin-Elmer)를 사용하여 448.7 nm에서 흡광도를 측정해서 염료 수착량을 구하였다.

결과 및 고찰

Monochlorobenzene에 분산염료인 C. I. Disperse Yellow 54를 녹여 농도에 따라UV/Vis spectrometer(Model Lamda 40, Perkin-Elmer)를 이용해 흡광도를 측정하여 검량선을 작성하였다.

60℃, 10 MPa에서 실험한 PTT, PET의 C. I. Disperse Yellow 54에 대한 수착평형 시간 측정 결과는 Figure 3에 나타냈다. 수착량이 20 hr 이전에서는 급격히 증가하다가 30 hr 이후에서는 거의 수착량 변화가 없었다. 따라서 수착평형에 도달하는 시간을 30 hr로 결정하였다.

Figure 3. Equilibrium Sorption of C. I. Disperse Yellow 54 Dye in Poly    Trimethylene Terephthalate and Polyester Textiles.

C. I. Disperse Yellow 54 염료의 PTT와 PET에서의 온도와 압력의 변화에 따른 수착량 변화는 Figure 4와 같다. 온도와 압력이 증가함에 따라 수착량이 증가함을 보였는데 이것은 온도와 압력이 증가함에 따라서 초임계유체 내에서의 염 료의 용해도가 증가하였기 때문이다. 또한 PTT의 수착량이 PET보다 더 큰 것은 PTT의 고분자 구조가 PET에 비해 염료의 침투가 용이하기 때문이다. 시간변화에 따른 수착량 변화 데이터로부터 계산된 유효확산속도는 온도와 압력이 증가할수록 증가하였다.

Figure 4. Experimental Data of C. I. Disperse Yellow 54 Dye

in (a) PTT and (b) PET.

결론

PTT와 PET에 대한 C. I. Disperse Yellow 54의 수착평형에 도달하는 시간을 측정한 결과로부터 일정시간 이상에서 섬유에 수착되는 염료량의 변화율이 거의 없다는 것을 알았다. 또한 온도와 압력이 상승함에 따라 수착량이 증가하였고, 같은 온도에서 고압에서보다 저압에서의 수착량 증가율이 높게 나타났다. 특히 낮은 온도와 압력에서  PET보다 PTT에서 높은 수착량이 나타났다.

같은 온도와 압력에서 시간변화에 따른 수착량 변화량으로 계산된 유효확산속도는 온도와 압력이 증가할수록 증가함을 보였다.

참고문헌

［1］ Ven Wasen, U., I. Swaid., and G. M. Schneider.; Angew. Chem. Int. Ed. Engl.,        19, 575(1980)

［2］ Saus, W.; Knittel, D.; Schollmeyer, E. "Dyeing of Textiles in Supercritical         Carbon Dioxide," Textile Res. J., 63(3), 135-142 (1993).

［3］ Gebert, B.; Saus, W.; Knittel, D.; Buschmann, Hans-Jurgen; Schollmeyer, E.         "Dyeing Natural Fiberswith Disperse Dyes in Supercritical Carbon Dioxide,"         Textile Res. J., 64(7), 371-374 (1994).

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