폴리에스테르 섬유의 염착 메카니즘

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폴리에스테르 섬유의 염착 메카니즘

dyeing mechanism of polyester fiber

폴리에스테르 섬유의 대표격인 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET)섬유는 치밀한 섬유구조와 높은 소수성(疏水性) 때문에, 직접염료와 산성염료 및 카티온 염료 등의 이른바 이온성 염료들에 대한 염착좌석(染着座席)을 가지지 않는다. 따라서 일반적으로는 이온기를 가지지 않는 분산염료로 염색한다. 과거에는 설폰산기를 가진 분산염료(Solacet Dyes)도 사용되었으나, 이 염료를 사용할 특별한 이점이 없어서 지금은 거의 사용되지 않는다. 일반 분산염료는 물에 용해하지 않기 때문에, 분산제(주로 음이온 계면활성제)로 분산시켜서 사용한다. 염료는 분산제로 이루어진 미셀(micelle)로 부터 단분자(單分子)로 떨어져 나온 것만이 섬유표면에 붙어서 섬유내부에 확산(擴散), 흡착(吸着)되는 것으로 생각된다.

염착등온곡선(染着等溫曲線)은 거의 대부분의 경우 분배형(分配型)이다. 그러나 엄밀하게는 철(凸)형의 곡선을 그리는 것도 있고, 이원흡착기구(二元吸着機構)로 설명해야만 되는 계(系)도 발견되고 있다. 이와 같은 계는 분배형과 Langmuir 형의 두 가지 원리로 흡착하는 것으로 설명되고 있다. 분배형 흡착에서는 평형에 이르기까지 염색한 경우 염욕(染浴)의 농도와 염착량(染着量)과의 사이에는 직선관계가 성립한다. 분산염료는 섬유의 비결정영역(非結晶領域)에 ‘용해(溶解)’하는 것처럼 염착(染着)한다. 그러나, 폴리에스테르 섬유는 구조가 치밀하여 고분자 사슬의 세그멘트(segment) 운동이 시작되는 온도(Tg)가 약 80 ℃ 로 높기 때문에 이 온도보다 충분히 높은 온도(적어도 100 ℃ 이상)가 아니면 염료분자의 확산에 충분한 공극(空隙)이 형성되지 않으므로 염착하지 않는다. 따라서 염색방법으로서는 Tg 이상의 충분히 높은 온도에서 염색하거나, 캐리어(carrier)를 사용하여 섬유의 Tg 가 낮아지도록 하기도 하고 섬유 내에서의 확산이 용이(容易)한 작은 분자를 섬유 내에 확산시켜, 섬유 내부에서 염료를 조립(組立)하는 등의 방법이 알려져 있다.

일반적인 방법은 고온고압 염색방법인데, 써모졸(thermosol) 염색방법과 패드 스팀(pad-steam) 염색방법 등이 있다. 이에 속하는 염색방법은 어느 방법이나 고온에서 염색을 하기 때문에 고분자의 세그멘트의 열운동(熱運動)이 활발해져서 자유체적(自由體積)이 증가함으로써 섬유내부에 염료분자를 받아들이기에 충분한 크기의 구멍이 형성된다. 그러나 이 구멍은 곧 없어진다. 염료분자는 이렇게 생긴 구멍을 차례 차례로 들락날락하면서, 염료의 농도구배(濃度勾配)를 소멸(消滅)하는 방향으로 내부에서 확산한다. 섬유를 구성하는 고분자의 에스테르기와 염료분자내의 수산기(水酸基)나 아미노기 등의 극성기(極性基)와의 사이에는 수소결합(水素結合)이 생기고, 소수부(疎水部)끼리는 반데르발스력(van der Waal’s force)에 의하여 염료분자는 염착된다.

캐리어 염색에서는 PET 섬유에 대해서 친화성(親和性)이 있는 비교적 작은 분자인 캐리어가 염료보다 먼저 섬유 내에 침투해서,섬유의 구조를 이완(弛緩)시키고, 더 나아가 섬유를 가소화(可塑化)시켜서 Tg 를 저하시키기 때문에, 100 ℃ 정도의 온도에서도 염색된다. 의 경우는 현색염료(顯色染料)에 의한 아조익(azoic) 염색방법이다. 디아조(diazo) 성분인 아민(amine)류와 커플링(coupling) 성분인 나프톨(naphthol)류를 섬유에 흡진(吸盡)시켜, 아질산나트륨(sodium nitrite, NaNO2)로 디아조화시키면서 커플링 반응을 동시에 진행시켜서 섬유 내에서 불용성(不溶性)인 염료분자를 생성시킨다. 디아조 및 커플링 성분은 비교적 분자량은 작으나, 흡진에 의해서는 비교적 높은 온도에서까지 캐리어로 작용한다. 설폰기를 도입한 카티온 가염형 폴리에스테르 섬유는 설폰기에 대해서 카티온 염료가 이온 결합으로 염착하다.

By | 2014-12-13T15:57:01+00:00 12월 13th, 2014|섬유산업동향|0 Comments

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