| 학회 | 한국화학공학회 |
| 학술대회 | 1999년 봄 (04/23 ~ 04/24, 성균관대학교) |
| 권호 | 5권 1호, p.853 |
| 발표분야 | 열역학 |
| 제목 | 초임계이산화탄소-고분자계에서의 분산염료 수착평형 |
| 초록 | 초임계이산화탄소내에서의 염료의 용해도는 초임계염색공정의 실용화를 위한 중요한 관건으로 여겨지고 있다. Shim 등[1]은 조용매(cosolvent)를 사용할 경우 초임계유체내에서의 용해도가 더욱 높아지는 현상에 관한 연구를 수행하여 보고하였다. 이러한 자료를 바탕으로 본 연구에서는 PS, PMMA의 film형태로 된 고분자에 용질로서 염료를 사용하여 그 수착량을 계산함으로써 고분자-용질-초임계유체의 삼성분계의 상평형관계를 이해할 수 있고, 모델링을 통하여 다른 조건에서의 상평형을 쉽게 예측할 수 있도록 하고자 한다. 일반적으로 유리상 고분자에 대한 용질의 수착은 dual-mode sorption model을 따르는 것으로 알 려져 있으므로 본 연구에서는 분자량이 큰 염료를 용질로 사용한 경우에도 같은 경향을 갖는지 알 아보고자 한다. 또한 실제 공정에서 많이 사용되는 폴리에스테르(PET)섬유와 폴리아미드(nylon 6) 섬유 같은 합성섬유 실험재료를 사용함으로써 기존 공정의 문제점(다량의 폐수발생 등)을 발생시 키지 않으면서도 섬유를 염색시킬 수 있는 초임계염색공정의 설계 및 조작에 필요한 기초자료를 제공하고자 한다. 본 연구에서는 antraquinone계 염료 중 분산제가 첨가되지 않은 순수한 분산염료, C. I. Disperse Red 60(M.W. 331)을 사용하였고, 용매인 초임계유체로는 순수한 이산화탄소(99.99%)를 사용하였 다. 분자실험재료는 유리상고분자인 polystyrene (PS, Mw: 280, 000, ρ: 1.05)와 polymethyl methacrylate (PMMA, Mw: 120, 000, ρ: 1.17)를 구입하여 사용하였으며, 이를 solvent casting법으 로 두께 0.024mm(1mil)의 film으로 만들고, 이를 여러개의 strip(0.4×10 cm)으로 만들어 염료분자 의 전달을 용이하게 함으로써 좀더 쉽게 평형에 도달하도록 하였다. 섬유시료에 대한 실험에서는 (주)신라섬유로부터 제공받은 정련 및 감량처리가 된 염색직전 단계의 polyester와 (주)동양나이론 에서 제공받은 nylon 6을 비눗물로 깨끗이 세척하고, 상온에서 건조한 후 1.5×10 cm정도의 크기 로 잘라서 사용하였다. 염료의 수착량을 측정하기 위하여 batch method 실험장치를 사용하였다. Figure 1의 batch method 실험장치도 세부분으로 나뉘어져 있다. 첫째부분은 pressure generator(HIP, Model 87-6-5)를 사용하여 액체 이산화탄소를 장치내에 공급함으로써 필요한 압력을 얻도록 되어있다.둘째부분의 염료와 고분자시료의 배치는 flow method 실험장치와 동일하게 되어 있으나 염료가 포화된 유체는 고분자시료를 통과한 후에 다시 염료조를 순환되도록 되어있다. 셋째는 이산화탄소 의 배출장치로서 염료회수를 위한 trap과 tubing등으로 구성되어 있다. 장치의 항온유지를 위하여 dry oven을 사용하였다. Pressure transducer로는 ±0.03 MPa의 정확도 로 33 MPa까지 측정할 수 있는 Sensotec model TJE를 사용하였으며, 고온을 견디지 못하므로 일 정온도(50℃)로 유지된 외부 항온조에 넣어서 외부온도 변화에 따른 실험오차를 최소화시켰다. 고분자시료의 수착량을 측정하기 위하여 먼저 염료추출 용매인 chlorobenzene에 일정량의 C. I. Disperse Red 60 dye를 녹이고 다시 chlorobenzene으로 희석하여 요구되는 영역에서 흡광도를 UV/Vis Spectrometer(PERKIN ELMER, Lamda 40)를 사용하여 측정하여 검량선 (concentration[PPM]=23.46×absorbance)을 작성하였다. 순수한 초임계이산화탄소에서 PS film과 PMMA film에 대한 분산염료 C. I. Disperse Red 60 dye 의 수착량을 온도와 압력에 따라 측정하였다. 고분자에 대한 순수한 이산화탄소만의 수착량이 온도가 증가함에 따라 감소하는 반면 분자량이 큰 염료의 경우에는 반대로 온도에 따라 그 수착 량이 증가하는 경향을 보였다[2]. 이는 초임계이산환탄소에 대한 염료의 용해도가 온도의 증가 에 따라 초임계이산화탄소에 대한 염료의 용해도가 증가하여 고분자 내부로 침투하는 염료의 양이 증가하기 때문으로 볼 수 있다[1]. 또 압력이 높아질수록 그 증가율이 낮아지는 현상은 압 력이 증가할수록 고분자 내부가 염료로 채워지면서 그 free volume이 감소하기 때문이다. 이렇듯 압력증가에 따라 수착량이 증가하고, 그 증가율이 감소하는 거동은 압력이 증가할수록 용 질이 고분자 분자 사이로 들어가서 수착량이 증가하는 Henry’s sorption과 유리상고분자의 미세기 공 내부에 용질이 흡착하여 수착이 일어나는 Langmuir isotherm이 동시에 일어나는 dual-mode sorption model로서 설명할 수 있다[1]. Polyester 섬유와 nylon 6 섬유의 압력에 대한 수착거동은 고분자 film과 동일하였고, 이 또한 dual-mode sorption model로서 잘 표현할 수 있었으며 임의의 온도와 압력에서의 수착량을 예측 할 수 있었다(Figure 2). 그러나, Polyester에 대해서는 35℃, nylon 6에 대해서는 35℃, 60℃의 결 과를 보면 그 수착량이 거의 없는 것으로 나타났는데, 이러한 현상은 저온에서는 압력이 높은 영 역에서 도 섬유의 팽윤이 분자량이 큰 염료가 침투하기에는 부족하기 때문인 것으로 볼 수 있다. 참고문헌 1. Shim, J. -J., and H. -D. Sung, "Effect of cosolvents on dye solubility in supercritical carbon dioxide, " Proceedings of the 4th Int’l symposium on SCFs, 467-470(1997). 2. Chang, S. -H., S. -C. Park, and J. -J. Shim, "Phase equilibria of supercritical fluid-polymer systems", J. Supercritical Fluids, 13, 133-119(1998). |
| 저자 | 박상철, 김철훈, 백종국, 심재진, 배효광 |
| 소속 | 영남대 |
| 키워드 | Supercritical Carbon Dioxide; Sorption Equilibrium; Dye |
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| 원문파일 | 초록 보기 |
