[섬유 염색] 염료의 흡착등온곡선 (Adsorption Isotherm)

염료의 흡착등온곡선 (Adsorption Isotherm)

등온흡착곡선: 일정 온도에서 2개의 상 사이에서 물질이 평형상태로 분배될 때 각 상의 물질의 농도에 대한 관계식을 나타내는 곡선

 

대표적인 흡착등온곡선

 

1.  Nernst adsorption isotherm (Henry type, C type)

Henry type 식

 

- [D] s는 물속 (용액) 염료 농도, [D] f는 섬유 안의 염료 농도를 의미한다.

- 식을 해석하여 보면 물속 염료 농도가 증가함에 따라 평형 염착량도 비례하게 증가함을 나타낸다. (직선형태)

- K(분배계수)가 커질수록 염료가 섬유로 많이 이동

 

Nernst 흡착의 특징

- 특정 염착좌석이 없음

- 염료의 회합으로 인한 다층흡착은 일어나지 않음

- 농도가 너무 진할경우 제대로 묘사되지 않아 직선 관계를 벗어날 수 있으므로 묽은 용액에 한함

- Solid solution (분산염료와 소수성 섬유) 반응의 흡착 (PET 섬유 혹은 Acetate 섬유)

- Van der Waals bonding 혹은 H-bonding 등의 힘을 통해 결합됨

 

 

그래프를 통해 알 수 있는 점

- 온도가 높을수록 K 분배계수(기울기)가 감소함을 알 수 있음 -> 염색은 발열반응, 온도가 높아지면 엔트로피의 영향이 커지며 탈착이 더 잘 일어남

- 온도가 높을수록 포화염착량이 증가함 -> 온도가 높으면 염료의 용해도 증가, 온도가 높으면 섬유내부로의 확산이 쉬워짐

 

2. Freundlich adsorption isotherm (F type)

F type

- 0.1<n<1 범위임. n=1일 경우 C type

- 섬유의 표면이 균일하지 못한 경우 유도되는 타입 (heterogeneous)

- 표면이 불균일하기 때문에 높은 에너지의 염착좌석(불안정함)이 먼저 점유되고 낮은 에너지의 염착좌석(안정함)이 나중에 점유

- 높은 에너지의 염착좌석이 먼저 점유됨에 따라 흡착등온곡선의 초기 기울기가 Langmuir type보다 가파름

 

Freundlich 흡착의 특징

- 특정한 염착좌석이 없고 염착좌석이 무제한이다. (H-bonding or hydrophobic bonding)

- 덩치가 커서 자기들끼리 결합이 가능해 여러 겹으로 다층흡착이 이루어짐

- Direct dye로 cellulose fiber를 염색할 때 적용

 

F type 식 변형

변형식 그래프

 

식을 변형하여 K와 n의 값을 구할 수 있다. F type인지 L type인지 헷갈릴 때 유형을 다시 체크할 수 있음

 

3. Langmuir type (L type)

L type

 

- S: 포화치

- 염착좌석이 제한되어 있어 포화치가 유지됨

 

Langmuir 흡착의 특징 

- 염착좌석이 제한되어 있음

- 단분자 흡착을 함 (분자 간의 힘이 거리가 증가함에 따라 감소하므로 다층흡착이 되지 않음)

- Ionic fiber와 Ionic dye에서 적용 (Acrylics/Basic dye system, Wool Silk Nylon/Acid dye system)

 

나일론 6 흡착곡선

 

나일론 6의 염색 곡선(langmuir type)과 포화 치를 나타낸 그래프이다. 그래프를 보면 1과 3의 그래프가 포화 치를 넘어서는 것을 볼 수 있는데 그 이유는 이온결합뿐만 아니라 소수성 결합 (반데르발스 결합)으로도 염색이 가능하기 때문에 이 경우 포화 치를 넘어서게 된다.

 

섬유 2: 나프탈렌 기에 SO3Na (수용성기)가 있어 소수성이 심하게 일어나지 못하게 된다. 

섬유 1: 벤젠링에 수용성기가 있어 수용성기와 소수성 성질의 나프탈렌의 거리가 떨어져 있다. 그래서 소수성 결합을 하게 된다.

섬유 3: 나프탈렌이 두 쪽 모두 있고 왼쪽에 수용성기가 붙어있다. 이 경우 소수성 나프탈렌이 많아져 소수성 결합을 더 많이 할 수 있는 경우이다.

 

식을 변형하여 구체적인 값을 구할 수도 있다.

 

변형식 유도

변형식 그래프