[섬유 염색] 반응성 염료 (reactive dye)

반응성 염료(reactive dye)

반응성 염료의 특징

 

reactive dye (반응성 염료)

- 물에 녹는 염료는 섬유와 화학적 결합(공유결합)을 형성할 수 있다. 이렇게 섬유와 화학 결합을 통해 염색이 진행되는 염료를 반응성 염료라고 한다.

- 셀룰로오스 계 섬유뿐만 아니라 양모, 실크, 나일론 등을 염색할 때도 사용한다.

- 섬유와 염료는 공유결합, 반데르발스 결합, 수소 결합을 한다.

- 반응성 염료는 밝은 색과 훌륭한 세탁 견뢰도를 가진다. (크기가 작아 염료의 흡수 peak가 좁아져 밝은 색상을 가짐)

- 분자의 크기는 직접 염료보다 작다.

 

반응성 염료의 종류

- Triazinyl type: MCT, DCT

Triazinyl type

- heterocyclic halogen containing type

 

heterocyclic halogen containing type

- Vinylsulfone type (VS type)

전구체로 B(베타)-Sulfatoethylsulfone이 있다.

Vinylsulfone type

 

반응성 염료의 메커니즘

- 친핵성 치환반응: 면 섬유에 알칼리를 투입하면 Cell-OH가 Cell-O- 으로 바뀌고 친핵성을 띈다. 이 후 탈리기(할로겐)를 포함한 electron-deficient carbon( δ+ )을 공격한다.  δ+ 탄소는 전자가 부족해 친핵체와 쉽게 결합하므로 이중결합이 끊기게 되며 Cl와 Cell-O- 모두와 결합하고 있는 Meisenheimer complex 중간체를 거친 후 Cl기가 이탈하며 그 자리에 Cell-O-가 치환되어 화학결합을 진행한다.

친핵성 치환반응

 

- 친핵성 부가반응: Cell-OH에 알칼리를 투입하면 Cell-OH가 Cell-O- 으로 바뀌고 친핵성을 띈다. 이 후 -기가 친핵체로 작용하여 탄소의 이중결합을 공격하면 결합 하나가 끊어지며 Cell-O-와 결합하여 새로운 화학결합을 한다. B(베타)-Sulfatoethylsulfone기가 염색 도중 Vinyl sulfone으로 바뀌었다가 Cell-O-와 부가반응을 통해 최종적인 결합이 진행되며 염색이 진행된다.

친핵성 부가반응

 

반응성 염료의 직접성

 

반응성 염료의 직접성과 확산

- 직접성이란 섬유가 염료를 흡착시키는 힘이다.

- 직접성 비는 Df / Ds이다.

- 직접성이 너무 클 경우 흡착 후 섬유 내부로의 확산이 잘 일어나지 않는다. 

 

직접성에 영향을 주는 요인

- pH가 증가하면 직접성 비는 감소한다. 그 이유는 o-기가 많아져 반발력이 증가하기 때문이다. 그래서 salt를 투입하여 반발력을 줄여준다. (염색 과정에서 알칼리를 투입하므로 pH는 항상 증가함)

- 염료 농도가 증가하면 직접성 비는 감소한다. 그 이유는 섬유 내부로 들어가는 염료의 비율이 감소하기 때문이다.

- 온도가 증가하면 직접성 비는 감소한다. 그 이유는 염색이 발열반응이기 때문이다.

- Salt의 양이 증가하면 직접성은 증가한다. 그 이유는 salt의 Na+가 반발력을 감소시켜 주기 때문이다.

 

반응성 염료의 반응 속도, 반응성

반응성 염료의 반응 속도

- 반응속도를 알기 위해 KH가 사용된다. KH는 rate constant for hydrolysis이고 반응성 염료의 반응성을 나타내는 속도이다. 섬유와 염료의 반응속도의 측정이 어려워 가수분해를 이용한다. 가수분해가 빠르다면 염료와 섬유의 반응이 빠르다고 예측하는 것이다.

 

반응성에 영향을 주는 요인

- 염료의 구조: 염료 안의 반응성기, 발색단, 탈리기의 종류에 따라 염료의 반응성이 달라진다. 

 

염료의 탈리기 종류에 따른 반응성 차이

 

예시로 염료의 탈리기가 다를 경우 반응성의 차이이다. 그림을 보면 왼쪽 염료(MCT)에는 Cl 탈리기가 있고, 오른쪽 염료 (MFT)에는 F 탈리기가 있다. 여기서 차이가 발생하는데 F의 전기음성도가 Cl보다 크다. 따라서 F에 붙어있는 탄소의 δ+ 성향이 더 강하다. 그래서 Cell-O - 와 더 빠르게 반응할 수 있다. 그리고 F의 원자 크기가 Cl보다 작기 때문에 입체 장애가 더 작다. 따라서 반응성이 더 커진다. 이러한 경우를 통해 탈리기의 차이로 반응성이 달라짐을 알 수 있다.

 

- pH가 증가하면 반응성은 증가한다.

- 온도가 증가하면 반응성은 증가한다. 하지만 온도가 너무 많이 증가하면 가수분해가 더 많이 일어나기 때문에 너무 높은 온도에서 진행하면 안 된다. (염료의 가수분해가 진행되면 염료가 섬유와의 결합이 불가능해진다.)

- Salt의 양이 증가하면 반응성은 증가한다. 그 이유는 섬유와 염료의 반발력을 줄여주기 때문이다.

 

반응성 염료의 선택성

반응성 염료의 선택성

- 염료는 섬유와 반응하여 고착이 될 수 있고, 물과 반응하여 가수분해가 일어날 수 있다. 이러한 것을 선택성이라고 한다. 

 

선택성 공식

선택성에 영향을 주는 요인

- 직접성이 증가하면 선택성은 증가한다.

- pH가 증가하면 선택성은 감소한다. 그 이유는 pH가 너무 높아지게 되면 [Cell-O -]의 증가폭이 줄어들게 되어 가수분해 확률이 높아져 선택성이 감소한다.

 

pH에 따른 증가

 

- 온도가 증가하면 선택성은 감소한다. 그 이유는 온도가 증가하면 가수분해가 증가하기 때문이다. 그리고 온도를 증가시켜 주면 운동에너지가 증가하여 직접성이 감소하고, 확산이 증가하여 고착량이 증가하게 된다. 그래서 적절한 온도에서 진행하여야 한다.

 

온도에 따른 고착