[섬유 가공] 머서화 가공 (Mercerization)

머서화 가공(Mercerization)

1. Mercerization

면 또는 셀룰로오스로 이루어진 천연섬유 제품에 보통 상온에서 장력을 가하거나(tension) 또는 장력 없이(slack) 일정 농도의 가성소다(수산화나트륨 NaOH) 용액(300g/L)으로 처리하는 것을 말한다.

머서화의 목적은 섬유를 팽윤 시키고 동시에 길이 방향의 수축이 일어나 섬유의 형태학적 구조를 변형시키고 광택을 갖는 표면과 형태의 안정을 가져오는 것이다. (NaOH 5% 이상에서 팽윤이 발생하고, 18% 이상에서 최대 팽윤이 됨)

면섬유의 머서화 가공 전과 후의 표면 모습

면섬유의 머서화 가공 전과 후의 단면 모습

 

2. 머서화의 원리

천연 셀룰로오스(Cellolose I)가 농도 높은 수산화나트륨에 의해 알칼리 셀룰로오스 I이 형성되었다가 수세 및 중화에 의해 셀룰로오스 II가 된다. 결정격자 내로 알칼리가 침투하여 내부 수소 결합이 깨지며 그 결과로 생성된 셀룰로오스 II는 반응성이 큰 하이드록실 기 (-OH)가 25% 증가한다. 이로 인해 염색성이 향상된다.

 

머서화시 셀룰로오스 구조의 변화

 

3. 머서화로 인한 변화

1) 섬유 수준

- 팽윤: 세포 벽이 팽윤하여 표면적이 증가함으로써 반사율이 증가하여 시각적으로 부드러운 질감을 느끼게 한다.

- 단면 형태가 기본형태에서 둥근 형태로 변화

- 길이 방향으로의 수축

 

2) 분자 수준

- 수소 결합의 재배열

- 비결정 영역의 분자 사슬들이 섬유 길이 방향으로 배향

- 결정 영역 또한 섬유 길이 방향으로 배향

- 결정화도 증가

 

3) 화학적 변화

- 가수분해 및 산화속도 증가

- NaOH에 의한 흡수열과 반응열로 열 발생

- 알칼리 흡수도 증가

- 요오드 흡수도 증가

 

* 섬유의 구조가 알파 셀룰로오스에서 열역학적으로 안정된 베타 셀룰로오스로 바뀜

 

4. 머서화의 종류

1) Tension Mercerization

- 면 섬유의 광택 증진이 목적

- 섬유의 꼬임이 풀리고 팽윤, 단면의 중공(lumen)이 더 둥글게 되며 광택을 얻게 된다. 염료에 대한 친화성이 증가하고 마찬가지로 화학적 반응성이 커진다.

- 직물의 강력, 초기 탄성률이 커지며 더 부드러워진다.

 

2) Slack Mercerization

- 탄성, 신축성 향상: 장력 없이 머서화를 진행하여 늘어날 가능성이 증가하기 때문

- 염색성 향상 및 형태 안정성 향상

- 장력을 가했을 때만큼의 광택을 얻지 못함: 난반사 유지율이 증가하기 때문

- 신장회복력이 증진되어 편안하고 탄성 있는 의복이나 사람 몸의 모양을 안정되기 감싸주는 용도로 사용

 

3) Hot Mercerization

- 장력 하에 50도에서 80도 사이에서 진행하는 머서화 방법

- 알칼리 액의 침투가 빠름: 기존의 머서화는 급격한 팽윤으로 표면 처리가 되기 쉬운 반면 온도를 높일 경우 팽윤도가 낮아 NaOH의 신속 균일한 침투가 가능. 시간이 50% 정도 단축됨

- 섬유 속까지 균일한 머서화가 일어남

- 처리 시간이 20초에서 30초 사이로 단축 가능

- 생지의 경우 호발(desizing)과 정련(scouring)과 같이 행할 수 있음

- 광택을 제외한 전반적인 머서화 효과가 좋음

- 광택이 약하며 에너지 소비가 커 공정비가 많이 필요하다는 단점 존재

 

5. 머서화시 고려해야 하는 요소

1) Concentration of NaOH (NaOH의 농도)

NaOH 농도가 25% 이상이 되면 광택이 증진되나 21% 이하에서는 감소한다.

 

2) Temperature

최적 온도는 21도~38도이다. 18도에서 20도 사이의 온도에서는 광택은 크게 증진되고, 온도가 증가하면서 광택이 감소한다. 하지만 온도를 낮출경우 광택의 증진이 이루어지지 않는다.

 

3) Tension

면 제품이 광택을 가지게 하기 위해서는 머서화 가공 중 처음 길이를 유지할 수 있도록 장력을 부여해주어야 한다. 제품이 머서화 처리 중 수축하게 되면 광택 증진이 크지 않으며 반면 처음 길이 이상을 늘려도 광택이 더 증진되진 않는다.

 

4) Time

머서화 공정의 최적 시간은 30초에서 60초 사이이며 처리 시간을 더 늘려도 머서화 품질의 뚜렷한 증진은 없다. 머서화 시간이 30초 미만이더라도 머서화 품질은 증진된다.

 

6. 머서화의 장점

1) 광택의 증진

- 장력-광택의 관계: 장력이 증가하면 광택도 증가한다. 

- 농도-광택의 관계: 180g/L ~ 260 to 300g/L까지 농도가 증가할 경우 광택이 증가한다. 300g/L 이상에서는 광택이 감소한다.

- 단면의 변화, 천연 꼬임 감소, 섬유 내 빛 산란 감소 및 섬유 배향 증가로 난반사가 감소하며 광택이 증진된다.

 

2) 기계적 물성

- 물리적/화학적 특성 변화: 꼬임 감소, 배향도 증가. weak point 강화

- 기계적 물성의 변화: 강도 및 신도, 초기 탄성률 모두 증가

- 온도가 낮은 상태에서 진행될 경우 강도가 증가한다. yarn, fabric의 경우 단섬유 또는 섬유 bundle의 경우보다 온도의 영향이 적음(다른 변수가 개입하기 때문)

- [NaOH]가 300g/L까지 강도와 탄성률이 증가한다. 200g/L 이상에서 성능 개선율이 감소하게 된다.

 

3) 염색성 향상

- 결정구조 변화로 인해 accessible 영역이 증가한다. 따라서 수분 흡수의 증가로 수용성 약제 침투가 용이해져 염색성이 행상된다. 동일 조건하의 머서화되지 않은 면보다 심색을 보인다.

- 부여되는 장력이 작을 경우 염색성이 향상됨 (작은 결정들이 형성되며 염료 침투가 용이해지기 때문)

- 온도의 영향이 적음

- NaOH의 농도가 250g/L일 경우까지 염색성이 증가

- 염색성 개선이 머서화의 주목적일 경우 slack mercerization을 150 ~ 190g/L에서 진행하는 것이 유리

- 면의 성숙도에 따라 dyeing unevenness (불균일)이 감소하여 15%에서 최대 50%까지 염료 절약이 가능

- 머서화를 하면 원형단면이 되어 표면이 매끈해지고 light scattering factor가 감소하여 염색성이 향상됨. 

 

염색성 향상을 보여주기 위한 공식

 

4) 기타

- 형태 안정성이 증가하여 주름 회복성이 향상됨

- easy care finish (세탁 후 다림질을 하지 않도록 하는 가공)를 할 경우 강도가 감소

- 미성숙면 감소

- 촉감 증진

 

7. Wetting agent for mercerization

- NaOH 침투 향상을 위해 사용

- 공정 시간을 단축시키고 균일하게 처리될 수 있도록 함

- NaOH 용액에 가용성과 안정성을 가져야 함

- 섬유에 친화력이 없어 쉽게 제거가 되어야 함

- 형태를 만들기 쉬워야 함 (low foaming power)

- NaOH 회수 공정에 대한 안정성을 가져야 함

- 현재 사용되는 wetting agent에는 alkylarysulfonates, organophosphonates 등이 있음

 

8. 머서화 단계

머서화는 대부분의 단계에서 가능하다고 볼 수 있다. 생지상태, 호발 (먹인 풀을 제거하는 과정) 후, 호발 정련(섬유 불순물 제거) 후, 표백(색소 불순물 제거) 후, 염색 후 단계에서 가능하다.

 

머서화의 일반적인 3단계

- 릴렉스한 상태(장력 없이)로 면제품을 상온의 NaOH 액에 담금

- 제품이 NaOH 액에 담긴 상태에서 장력을 가해 늘림

- 제품에 장력이 가해진 상태에서 NaOH 액을 수세하고 중화

 

9. Liquid Ammonia Treatment effect

- NaOH 처리에 비해 침투가 빠르기 때문에 균일한 처리가 가능하고, 수축력이 큼, 팽윤도가 낮음

- Cellulose I이 Cellulose III이 되는 반응이며 가역적인 반응으로 다시 되돌아갈 수 있음

- 사람의 조직을 얼릴 수 있어 사용 시 동상을 조심해야 함

- 15~28%의 암모니아가 공기 중에 있으면 650도에서 발화

- Hg/NH3는 폭발성 화합물

- 흠습성을 가져 수분을 흡수하면 Cu, Ag, zinc 및 이들의 합금을 부식시킴

 

장점

- NaOH 액보다 공해가 적음 (암모니아는 회수)

- 생산성이 높음 (공정 시간이 짧기 때문)

- 마섬유 제품에도 머서화 가공이 잘 이루어짐

- 팽윤이 균일하며 머서화 가공 효과가 균일

 

단점

- 장치비가 고가

- 암모니아 회수 시 새는 곳이 있을 경우 작업자에게 위험