[섬유 염색] 분산염료(disperse dye)와 PET 섬유(소수성 섬유) 염색

분산염료(Disperse dye)

분산염료 특징

- 물에 대한 용해도가 매우 낮다 (0.001g/L 수준).

- 작은 분자사이즈

- 물에 잘 녹지 않기 때문에 염료의 응집과 회합이 발생하므로 분산제를 넣어주어 분쇄시킨다. ( 분산염료 제조 시와 염색 시 총 2번 분산제를 넣어줌)

- 분산제의 경우 염료보다 크기가 커서 섬유안에 들어가지는 않음

 

분산염료 염색 매커니즘

 

분산염료가 염색이 되는 기본 매커니즘

 

분산제와 염료가 결합되어 대부분의 분자의 상태는 마이셀 형태로 존재한다. 이 중 극히 일부가 물에 용해되어 섬유 안으로 흡착된다. 섬유 안으로 흡착되면 또 다시 극히 일부가 수용액 상태(물에 용해)가 된다. 이러한 매커니즘이 반복되며 염색이 된다.

 

염색 후 표면에 느슨하게 붙어있는 염료 제거를 위해 환원 세정(reduction clearing R/C)를 진행한다. -> 세탁 견뢰도 상승

NaOH, Na2S2O4를 넣고 80도에서 20분간 처리해주면 N=N 결합이 끊어지며 공액 이중 결합이 짧아져 색이 없어지고 염료 분자의 크기가 작아져 물에 잘 씻겨 나온다.

 

환원 세정

 

분산염료의 70%는 Azo dye이고 20~25% 정도는 anthraquinone dye이다.

Azo 염료는 다양한 범위의 색을 만들 수 있고, 합성이 쉽다는 장점이 있다. 파란색의 경우 치환기를 많이 도입해서 분자의 크기가 커지기 때문에 원하는 성능을 내기 어려울 수 있다. (일반견뢰도 감소) 따라서 파란색 계열의 염료는 안트라퀴논계 염료를 사용한다.

안트라퀴논계열 염료는 violet and blue 계열에 사용하고 높은 일반견뢰도를 가진다. 하지만 과정이 어렵고 가격이 비싸다.

 

염료는 에너지타입(크기)에 따라 3가지로 분류할 수 있다.

1) S type: 400이상의 분자량, 높은 소수성, 130도 이상에서 흡착, 높은 세탁.승화견뢰도, 진한색

2) E type: 300이하의 분자량, 낮은 소수성, 110도 이상에서 흡착, 낮은 세탁.승화(다림질)견뢰도 (크기가 작아서), 연한색

3) SE type: 300~400 분자량, E와 S 타입 중간

 

 

분산염료와 PET 섬유 염색의 특징

 

- PET와 disperse dye는 Nernst type의 흡착등온곡선을 보임

-> 특정한 염착좌석이 없고, 평형염착량이 물 속 염료의 증가에 따라 증가한다.

- Dye mixture: 한 분산 염료의 염색 거동은 다른 분산 염료에 영향을 받지 않고 독립적으로 수행됨

 

- PET 섬유는 결정성과 방향성이 높아 염색이 어렵다.

-> 열처리를 통해 내부 구조( 결정영역, 비결정영역, 배향)을 변화시킬 수 있다. 연신이 많이 되는 경우 결정성과 배향이 발달하여 확산계수가 감소한다. (염색이 잘 되지 않음) 결정성이 높은 경우 TG가 증가한다. 열처리를 할수록 결정성이 발달하며 염색이 잘되지 않지만 일정 온도 이상에서는 다시 섬유 내부 구조의 변화로 비결정영역이 늘어나며 염착량이 증가한다.

- TG이상의 온도에서 염색이 진행된다.

- 염료를 섬유 표면에 먼저 흡착시킨 후 섬유 내부로 확산시킨다. (비정질영역)

- 분산염료와 PET 섬유 간에는 반데르발스 결합과 수소 결합이 이루어진다.

- 분산염료의 확산은 염색에서 속도를 결정하는 단계이다.

 

분산염료로 PET 섬유를 염색하는 방법

 

- High temperature high pressure (HTHP) dyeing: 120~130도에서 진행. 뚜껑을 닫고 진행하여 압력 상승

- Carrier dyeing: 100도에서 진행. 캐리어를 사용할 경우 염색 온도가 낮아져 경제적

- Thermofixation (Thermosol dyeing): 190~220도, 30~60초에서 진행. 분산염료의 승화성을 이용하는 방식

 

* carrier의 역할

carrier: 분산염료보다 작은 사이즈, 소수성 (섬유와 친화력이 있음), 색이 없음

 

- PET의 운동성을 증가시킴

- 비결정 영역의 섬유 내부 구조를 팽윤시킴 (carrier가 들어가 공간을 넓혀줌)

- 분산염료의 용해도를 증가시킴 (분산염료가 carrier와 섞여 carrier에 염료가 용해됨)

- 섬유 표면에 carrier 층을 형성하여 염료의 농도를 증가시킴 (염색 속도 증가)

- 섬유의 Tg를 감소시킴 (운동성이 증가하므로)

 

단점: 염료보다 독성이 강하다. 사용에 제한이 있다. 일광견뢰도를 저하시키거나 제거가 곤란할 수 있다.