ContentsAbstract1. Introduction2. Experimental3. Conclusion & consideration4. Conclusion5. etc6. ReferenceAbstract섬유의 OH기나 NH2기와 화학결합(공유결합)을 할 수 있는 반응기를 갖는 수용성 염료인 반응성 염료 중에서 VS type 저온 반응성 염료를 이용하여 면섬유를 염색시키는 실험이다. 반응성 염료로 염색시 알칼리를 넣어 줌으로써 친핵성 부가반응(Nucleophilic addition reaction)을 유도한다. 따라서 반응성염료의 농도 및 salt의 농도를 점차 올려 실험한 뒤, 측색기를 이용하여 그에 따른 염색성을 측정을 하고 이를 통해 반응성 염료의 농도 및 Salt()농도가 면섬유의 염색성에 미치는 영향을 알아본다.1. Introduction1) 원리: 반응성 염료는 선명한 색상을 나타내는 특징이 있으며, 면섬유와 염료가 화학적으로도 반응(공유결합을 형성) 함에 의해 염색된다. 따라서 직접염료보다 우수한 세탁견뢰도를 나타낸다. 반응성 염료를 분류하면 반응기에 따라MCT(monochlorotriazine), DCT(dichlorotriazine), VS(vinylsulfone) type 등으로 나뉘며 이에 따라 반응온도(염색 온도)도 달라진다. MCT 80 (고온 반응성), VS 60, DCT 40 (저온 반응성), 반응 메커니즘(mechanism)은, MCT와 DCT type은 친핵성 치환 반응(nucleophilic substitution reaction)에 의해 반응이 일어나며 VS type은 친핵성 부가 반응 (nucleophilic addition reaction)에 의해 반응이 일어난다.2) 실험목적: 반응성 염료의 농도 및 알칼리(alkali) 농도가 면섬유의 염색성에 미치는 영향 을 알아본다. 반응성 염료가 cellulose 섬유에 염색되는 원리와 반응성 염료의 특징반응성 염료 정의 및 특징섬유의 OH기나 NH2기와 화학결합(공유결합)을 할 type- trichloropyrimidine- difluorochloropyrimidine- dichloroquinoxaline③ Vinylsulfone type- ?-Sulfatoethylsulfone : sulfuric acid ester of ?-hydroxyethylsulfone, precursor of vinylsulfone group또한 반응성염료의 반응기구는 2가지가 있는데, 이는 다음과 같다.① Nucleophilic substitution reaction(친핵성 치환반응)- Nuclephile 이 good leaving group을 가진 탄소를 공격하여 치환됨② Nuclephilic addition reaction(친핵성 부가반응)- Nucleophile 이 이중결합을 가진 탄소를 공격하여 이중결합을 끊고 부가됨-> 반응성 염료와 면 섬유 사이의 공유결합은 그 염료의 종류에 따라 친핵성 치환반응 (Nucleophilic substitution reaction)이나 친핵성 부가반응(Nucleophilic addition reaction)의 두가지 반응 기구로 일어난다.첫번째로 Triazinyl type이나 Heterocyclic halogen containing type의 반응성 염료는 친핵성 치환반응에 의해 일어나는데, Alkali에 의해 cellulose는의 친핵체가 되고 triazinyl이나 pyrimidine의 Cl이나 F가 달린 탄소는 전기 음성도가 큰 질소에 의해를 띄게 된다. 따라서 친핵체인는 Cl이나 F가 달린 탄소를 공격하게 되고 good leaving group인 Cl과 F는 탄소에서 떨어져 나가고 그렇게 탄소에가 치환되면서 반응성 염료와 결합하게 된다.두 번째로 Vinylsulfone type의 반응성 염료는 친핵성 부가반응이 일어나는데, 친핵성 치환반응과 마찬가지로 Alkali에 의해 cellulose는형태로 되고, 친핵체인은 이중결합을 가진 탄소를 공격하여 이중결합을 끊고 부가가 된다. 이렇게 Vinylsulfone ty크에 증류수 400 mL를 넣은 후20 g을 넣 으면서 교반하여 완전히 용해시킨다. → 50 g/L의 stock solution 준비한다.3) 실험용액 준비 (모든 액비는 50:1로 한다.)-염료농도 변화에 따른 염색성 실험 (3조, 4조):염료농도를 0.2, 0.5, 1, 2 % o.w.f.로 하여 염액을 준비.:의 농도는 10 g/L로 하고.의 농도는 20 g/L로 한다.-Alkali 농도의 변화에 따른 염색성 실험 (1조, 2조):의 농도를 0, 5, 10, 20 g/L 로 하여 염액을 준비.:염료농도는 1 % o.w.f,의 농도는 20 g/L로 한다.1조의 조건은 다음과 같다.염료농도(o.w.f.)(%)1111염료 stock sol. 의 양(mL)5555농도(g/L)20202020salt stock sol. 의 양(mL)20202020농도(g/L)051020알칼리 stock sol. 의 양(mL)0102040증류수의 양 (mL)756555354)Starlet 염색기를 이용하여 염색(조건은 다음과 같다.)40℃40’10’상온5) 염색한 시료는 수세 후 건조6) 측색기를 이용하여 측색 및 색차 비교염색물의 Color 측정(1)분광광도계를 이용한 색 측정1)첫번째 시료를 Standard, 나머지 시료를 Trial 1, 2, 3으로 각각 정한다.2)Instrument에서 Mode로 들어가 Reflectance를 K/S로 설정한다.3)Calibrate를 산화마그네슘을 통해 시킨다.4)Measure standard에서 sample의 이름을 정하고 Standard sample을 2번 접어 측정한다. 이때 위사와 경사를 구분하여 2번 측정한다. (이번 실험에서는 3번 측정)5)위의 방법으로 Trial 1, 2, 3을 모두 측정하고 View에서 Color deference에서 D65에서의 결과 값을 얻는다① 가시관성(380-780) 영역의 파장별 K/S값② 각 시료의 L*, a*, b* 값③ Standard 시료와 trial 1,2,3 시료들간의 색차3. Conclus80.6064200.0780.4020.4710.5124400.0790.4450.5190.5684600.090.6180.7160.7984800.1210.9661.1131.2695000.1621.4061.621.8725200.1961.7412.002.3365400.2031.7992.062.4115600.151.1571.3361.5245800.0840.4890.5730.636000.0580.2270.2660.2856200.050.1460.1690.1796400.0480.1130.1290.1366600.0450.090.1010.1066800.0430.0730.0790.0837000.0390.060.0650.0697200.0360.0520.0560.067400.0330.0470.050.054⑵그래프③3조 - 염료의 농도의 영향(Procion Blue MX-R)⑴최대흡수파장에서의 K/S값3조파장1번시료(K/S)2번시료(K/S)3번시료(K/S)4번시료(K/S)3600.1710.2970.4780.8543800.1620.2960.4910.884000.1320.2470.4170.7414200.0830.1510.2560.4554400.0480.080.1310.234600.0350.0550.0890.1574800.0420.0720.1250.2265000.0610.1140.2080.3775200.0950.1880.3430.6185400.1440.2860.5150.9275600.20.40.7121.285800.260.5190.9151.6556000.3070.611.0681.946200.3160.6271.0941.9846400.3080.6121.0641.9116600.250.4980.8681.556800.1450.2920.520.937000.0630.1250.2330.4247200.0250.0440.080.1477400.0140.0190.0280.047⑵그래프④4조 - 염료의 농도의 영향(Procion Rubine MX-B)⑴최대흡수파장에서의 K/S값4조파장1번시료(K/S)2번시료(K/2-6.12230.352Trial 2-3D6560.96036.023-5.87332.114Trial 2-4D6559.50237.964-6.04434.538Standard 3-1D6580.478-7.545-14.077-Trial 3-2D6574.144-8.700-19.6418.510Trial 3-3D6567.704-8.575-24.33416.415Trial 3-4D6560.244-8.468-28.36024.784Standard 4-1D6575.28223.454-5.769-Trial 4-2D6568.60130.485-6.4409.722Trial 4-3D6561.74235.389-6.24718.056Trial 4-4D6556.96938.048-5.91923.417[실험 결과 및 고찰]-> Blue 염료로 실험을 했던 1조와 3조는 최대 흡수 파장이 620이었고, Red 염료로 실험을 했던 2조와 4조는 최대흡수 파장이 540을 나타내었다. 1조의 alkali 농도 변화에 따른 K/S를 보면 alkali의 농도가 증가할수록 K/S값이 증가함을 볼 수 있다. 2조 alkali 농도 변화 역시 농도에 증가에 따라 K/S값이 증가하는 경향을 보였지만 1, 2조의 그래프를 보았을 때 10%까지는 급격히 증가하지만 그 이후에서는 큰 변화를 보이지 않았다. 3조는 염료의 농도 변화에 따른 Blue염료의 염색성을 비교해 본 결과 일정 염료 농도가 증가함에 따라 직선적으로 K/S값도 증가함을 보였다. 4조 역시 염료 농도 변화에 따른 Red염료의 염색성을 비교한 결과 3조와 마찬가지로 염료 농도의 증가에 비례하여 증가하는 그래프를 보였다. 이를 통해 alkali는 반응성 염색이 반드시 첨가해 주는 게 좋으며, 적정수준의 alkali 농도만을 투입시켜주면 될 것으로 예상된다. 또한 염료의 농도는 높을수록 그 농도에 비례하여 염색이 잘될 것으로 예상된다.,,값을 비교해 보면값은 염료의 농도와 alkali의 농도의 증가에 따라 감소하였으며, alkali 농도가 증가함에 따라와가 감소하였고니다.
Abstract디아조화 반응과 커플링 반응을 이용하여 아조계 분산염료를 합성해 보고 합성한 염료를 이용하여 PET섬유를 염색하여 분산염료의 염색시 아세톤과 분산제가 미치는 영향에 대해 알아본다.1. Introduction(1) 아조계 분산염료아조염료는 하나 이상의 아조기(-N=N-)를 가지는 염료를 말하며 아조기를 포함한 발색공명제에 여러가지 치환기를 도입함으로써 Greenish Yellow에서 Bluish Green 범위의 넓은 색상영역을 얻을 수 있다. 아조계 염료는 안트라퀴논계 염료에 비해 색상영역이 넓고 견뢰도가 우수하며 생산 비용이 저렴한 염료로서 전체 염료의 약 50%를 차지하고 있다.분산염료는 소수성섬유에 친화력을 가지는 구조가 간단한 비이온, 비수용성 염료로서 아세테이트나 폴리에스터 등의 소수성 섬유를 염색하는데 이용된다.(2) 아조 염료의 제조 원리대부분의 아조 화합물은 디아조화 반응(diazotization)과 커플링 반응(coupling)을 이용하여 제조.① 디아조화반응1860년 J.Peter Griess에 의해 발견된 반응으로서 방향족 1차 아민으로부터 디아조화물을 만드는 반응이다. 가장 보편적인 방법으로 방향족 1차아민을 염산(HCL)에 용해시키고 냉각시킨 후 아질산나트륨(NaNO2)수용액을 가하는 직접법이 이용되고 있다.② 커플링 반응디아조화물과 활성방향족 화합물 또는 홀성수소를 갖는 화합물이 결합하여 아조 화합물을 형성하는 반응을 커플링 반응이라고 한다.◎ 폴리에스테르 섬유를 분산염료로 염색하는 방법에 대하여 조사폴리에스터 섬유에 대한 염착기구분산염료는 물에 난용성이며, 물속에 분산시켜 아세테이트섬유 및 폴리에스터섬유 등 소수성 섬유의 염색에 이용되는 염료로 1923년에 처음으로 아세테이트 섬유용으로 공업화된 염료이다. 제2차 세계대전 이후 폴리에스터 섬유의 급격한 신장에 의하여 현재는 모든 염료중에서 생산량이 최대이고 분산염료의 약 90%가 폴리에스터 섬유 염색에 사용된다.폴리에스터 섬유는 분자배열이 매우 치밀하고 높은 결정성 및 향성을 가져 염색이 어렵다. 분산염료에 의한 폴리에스터 섬유의 염색은 미립자 분산염료가 Tg(유리전이온도) 이상의 고온에서 섬유의 열운동으로 느슨해진 비결정 영역의 내부로 침투, 확산, 흡착되는 방법에 의해 염색되고 결합은 주로 Van der Waals 결합과 수소결합에 의해 이루어진다.폴리에스터 섬유는 특별한 염착좌석이 없기 때문에 염료의 섬유내부로의 확산 (diffusion)이 염색의 가장 중요한 인자가 된다. 염색은 비결정영역의 구조에 좌우 되고 일반적으로 높은 결정성(crystalinity) 및 배향성(orientation)은 염료 흡착량을 감소시킨다.열가소성 섬유인 폴리에스터 섬유는 열처리(heat treatment)에 의해 섬유 내부 구조 변화로 염색성이 변한다. 즉, 열처리(열고정) 온도에 따라 염착량이 달라진다.분산염료는 염색성에 따라 E, SE, S type로 분류되며, E형 염료는 저활성화 에너지형으로 균염력은 우수하나 승화견뢰도가 다소 떨어지기 때문에 담, 중색에 사용하고, SE형 염료는 중활성화 에너지형으로 주로 중색 이상의 색상에 사용이 적합하며, S형은 염료는 고활성화 에너지형 염료로서 균염성은 미흡하나 승화 및 습윤견뢰도가 우수함으로 농색 및 날염용에 적합하다. 또한 분산염료는 가용성기가 존재하지 않으며 수용액 속에서 안정한 분산 상태를 유지하기 위해서는 다량의(60∼70%) 분산제를 포함하고 있다.S type(High energy dye)SE type(Medium energy dye)E type(low energy dye)-확산에너지 높음-고온에서 염착(균염성 불량)-높은 습윤 견뢰도 및 승화견뢰도-주로 농색염색용-확산에너지 중간-분자량 300~400-성질은 E type과 Stype의 중간이며 중색염색용-확산에너지 낮다-분자량 300이하, 비교wjr 높은 친수성-저온에서도 염착(균염성 양호)-낮은 습윤 및 승화견뢰도-주로 담색염색용분산염료에 의한 폴리에스터 염색법은 크게 고온 고압 염색법, carrier 염색법, thermosol 색법으로 나눌 수 있다.▶분산제분산염료는 수용액 중에서 안정된 분산 상태를 유지하기 위해서는 다량(약 60~70%)의 분산제를 포함하고 있다. 분산염료 임자는 분산제에 의해 둘러싸여 균일한 분산계를 이룬다. 분산제는 일종의 계면활성제(surfactant)이다.분산염료에 의한 염색① carrier 염색법난염성인 polyester 섬유에 대하여 염착을 촉진시키는 약제 즉 carrier(팽윤제)를 사용하여 저온에서 염색하는 방법으로서 고압설비가 필요 없으며, 직물의 촉감이 좋으며, 양모와의 혼방품에 적합하다.그러나 color yield, 균염성, covering성 등이 떨어지며, carrier가 섬유상에 잔존하면 내광성이 저하되고, carrier spot, 독성, 취기 등의 결점이 있으며, 불균염이 일어나기 쉽다.② 고온 고압 염색법염색온도를 상승시킴으로서 일어나는 염색현상의 변화는 온도와 상대염색속도와의 관계가 깊다. polyester섬유는 온도가 높아지면 섬유 내부구조는 이완하고, 중합분자쇄의 열적교란을 증대시킨다. 그 결과 염료분자가 통과할 수 있는 공극은 순간적으로 만들어지고, 공극 통과의 통계적 기회가 증가하게 되며, 동시에 확산 거리도 증대한다. 고온염색의 또 다른 효과는 분산염료의 수상(水相)에의 용해속도의 증대이며, 용해속도의 증가는 염색에 적당한 단분자에 가까은 염료농도를 증가하며, 염색속도의 증가에 기여한다.③ thermosol 염색법일반적으로 polyester 혼방 또는 교직물 염색을 할 때 사용되는 염색법으로서 직물에 분산염료 또는 그 외 섬유에 적용되는 염료를 padding하여 건조 후 염료를 섬유표면에 부착시킨 후 180∼220℃ 정도의 고온 건열처리에 의해 염료를 단시간 내에 섬유내부에 확산시켜 염색하는 방법으로서 동일 색상을 대량생산하는데 적합한 염색법이다.PET(polyethyleneterephthalate 섬유)PET섬유는 소수성 섬유이며, 분자구조가 매우 치밀하여 일반적인 수용성염료로는 염색이 안된다. 다라서 비수용성이며, 분자크기 작은 분산염료가 현재 가장 많이 사용되어 진다. 분산염료는 비수요성이므로, 분산제(dispersing agent, dispersant)라는 게면활성제를 이용하여, 물속에 분산시킨 후 염색한다. 일반적으로 고온고압염색법(12~130℃ 염색)을 많이 사용하며, 기타 carrier 염색법, thermosol 염색법 등이 있다.실험목적합성한 두 종류의 분산염료를 이용하여 PET 섬유를 염색함에 있어서, 분산제의 영향과 유기용매(아세톤)의 영향을 알아본다.2.Experimental시약 및 시료- Diazo component : p-nitroaniline 1.38g (0.01mol)- Couplong component : N,N - dimethylaniline 1.28 ml (0.01 mol)N, N - diethylaniline 1.60 ml (0.01 mol)- NaNO2 1.04g (0.015mol)- HCl(35%)- Sodium carbonate실험 기구- Erlenmeyer flask, stirrer bar, hot plate- Buchner funnel, filter paper, vacuum filter flask- pH meter- Filtering 장치실험 과정[diazotization]① 300~500ml 삼각 플라스크(또는 둥근바닥 플라스크)에 p-nitroaniline 1.38g을 증류수 60ml와 35%HCl 10ml과 함께 넣고 교반하면서 완전히 용해시킨 후 (잘 안녹을 경우 80~90도로 승온) 실온으로 천천히 냉각 시킨다.② Ice bath를 설치하여 0~5도로 냉각시킨 후 (플라스크 안에도 얼음을 몇조각 넣는다), NaNO2 1.04g (0.015mol)을 증류수 20ml 에 녹여서 첨가하고 약 30분동안 교반한다.[coupling]① 증류수 50ml에 35% HCl 3.0ml를 첨가하고 충분히 교반한다.② 위 용액에 Coupling component 를 첨가하고 교반하여 용해시킨다.1-2조 : 1.28ml N,N-dimethlanilin3-4조 : 1.60ml N,N-diethylaniline③ 디아조화 완료액에 준비한 커플링 컴포넌트액을 서서히 dropping한다. (ice bath 유지)→ → dropping 전 용액 (Green) dropping dropping 후 용액 (Red)-> 서서히 dropping 시키면서 유리막대를 이용해 합성염료를한방울 찍어 여과지에 떨어뜨려 석출되는 양을 확인한다.④ 커플링 완료는 H-acid solution으로 확인하고 커플링이 완료되면 Sodium carbonate로 pH를 3-8로 조절한 후 여과 및 건조한다.→ →완료된 합성 염료 여과 장치 여과 후 합성 염료시약 및 시료- 시료 : PET섬유- 시약 : 분산염료 2종, 분산제, 유기용매(아세톤)- 장치 : Starlet 염색기(DRC-6000, DaeLim, Korea)- 염색조건① PET 섬유 : 2g② 액비 20:1③ 염료농도 : 1% o.w.f.(on weight of fiber)④ 분산제 : 2g/L⑤ pH : 증류수 (pH 약 5.5)실험 방법(1) 직물 준비 : 2g 의 PET 직물을 4개씩 준비한다. (총 8 sample) 이때 조견별 표시는직물에 가위로 cut 하여 표시(2) 염료 Stock solution은 준비하지 않는다.(염료가 물에 녹지 않기 때문)(3) 분산제 stock 준비 : 400mL 증류수에 분산제 0.8g을 녹인다.시료 이름ABCD염료의 농도(% o.w.f)1111염료무게(g)0.020.020.020.02아세톤(mL)0022분산제 농도(g/L)0112분산제 stock solution(mL)0202040추가 증류수 투입량(mL)4020200- 투입 순서 : 염료 → 아세톤 → 분산제 또는 증류수(4) Starlet 염색기를 이용하여 염색130℃30′15℃/min상온70℃10‘환원세정80℃(5) 환원세정 (NaOH, Na2S2O4, 분산제 각 1g/L)(6) 수세 후 건조(7) 측색3. Conclusion & consideration◎ 실험 결과⑴최대흡수파장에서의 K/값
Abstract수소 결합 및 비극성 상호작용에 의한 내부 기공에 흡착, 염착하는 성질을 지닌 직접염료를 이용하여 면섬유를 염색시키는 실험이다. 직접염료의 농도 및 염 농도를 점차 올려 실험한 뒤, 측색기를 이용하여 그에 따른 염색성을 측정한다.이를 통해 직접염료의 농도 및 염(salt, NA2SO4)농도가 면섬유의 염색성에 미치는 영향을 알아본다.1. Introduction직접염법에 의한 면섬유의 염색 원리 및 실험 목적(1)원리 : 염료가 섬유에 친화력이 있어 수소결합 및 비극성 상호작용에 의해 면섬유의 내부 기공에 흡착하거나 회합체를 형성하여 염착된다. 섬유와 염료의 화학결합이 아닌 분자간 상호작용에 의해서만 염착이 일어나므로 염색견뢰도가 낮아 종종 후처리가 요구된다. 즉 염색견뢰도가 낮아지면 염색된 섬유의 색상농도가 낮아진다.(2)실험목적 : 직접염료의 농도 및 염(salt) 농도가 면섬유의 염색성에 미치는 영향을 본다.염색물의 Color 측정(1)실험목적 : 색을 인지하는 과정의 이해와 분광반사율과 표면색채강도(K/S)의 의미 그리고 CIELAB 색차식에서값의 의미와 색차의 의미를 이해한다.(2)색을 인지하는 과정 : 색을 인지하기 위해서는 광원, 물체, 눈 이 필요하다. 이때 광원에서 가시광선 영역의 빛이 물체를 통과하게 되면, 색이 있는 물체는 특정한 파장의빛을 흡수하고, 나머지 빛은 반사시킨다. 이때 반사되는 빛이 우리 눈으로 들어와색을 인지하게 된다. 이것을 기계적으로 측정하는 기기가 분광광도계이다.(3)분광반사율과 표면색채농도(K/S)와의 관계 : 염색된 시료의 분광반사율 곡선으로 염색성을 평가하기 힘들다. 따라서 반사율과 반대되는 개념의 표면색채농도(K/S)값을 많이 사용하게 된다. 아래의 식은 Kubelka-Munk equation 이다.여기서 K는 염색물의 흡수계수를 S는 염색물의 확산계수를 R은 특정파장에서의 반사율을 나타낸다. 여기서 R은 0-1의 값을 나타내며 R이커지면 K/S값은 작아진다. 하지만 염색이 많이 되어 색이 진해지면, 에 염료 분자의 침투가 어려우나, 재생 셀룰로오스 섬유는 제조 공정 중에 중합도가 저하하고 결정 생성이 불충분할 뿐 아니라 배향도도 낮기 때문에 천연 셀룰로오스 섬유에 비하여 염색하기 쉽다. 셀룰로오스 분자 사슬의 길이는 수천의 글루코오스 단위를 함유한다고 생각되고 있으나, 그 평균 중합도는 원료에 따라 다르며, 또 표백과 같은 처리에 의해서 분자 사슬의 길이가 짧아진다는 것도 알려져 있다. 재생 셀룰로오스의 평균 중합도가 낮은 것도 화학 처리의 결과이다.염색에 관여하는 작용기는 글루코오스 단위당 3개씩 있는 -OH기로서, 그 중 1개는 1차 알코올(-CH2OH)이고, 나머지 2개는 2차 알코올(=CHOH)이다. 염착은 이들 알코올기와 염료 분자 사이의 수소결합(반응성 염료는 공유결합), 방향족환과 셀룰로오스 고분자 사이의 Van der Waals 힘에 의해 이루어진다. 셀룰로오스의 결정 영역을 형성하는 미셀 구조 부분의 섬유 비결정 부분에는 염료 분자가 들어가지 못하기 때문에, 염착이 일어나는 부분은 주로 비결정 영역의 비교적 흐트러진 부분이라고 생각된다. 실제 염색에 있어서 염색 속도를 좌우하는 섬유의 미셀 구조는 같은 셀룰로오스 섬유라도 아주 달라서 결정 영역 량이 적고 배향도가 낮은 것일수록 염착되기 쉬우므로, 재생 셀룰로오스의 경우에는 특히 염색 조건의 조정이 필요하다.②직접염료가 Cellulose 섬유에 염색 되는 원리직접염료는 Cellulose 섬유에 대하여 중성 내지 약 알칼리성에서 매염제 없이 친화성을 갖는 성질인 직접성을 가진다. 직접염료는 수용액 중에서 해리되어 염료음이온을 형성하고 Cellulose계 섬유도 수용액 중에서 섬유표면이 음전하를 띄므로 염료음이온에 대해 전기적으로 반발하게 된다.이때 가열하면 염료 이온의 격렬한 열 운동에 의해 섬유표면에 접근하게 되며 따라서 가열하면 시간이 지남에 따라 염착이 진행된다. 또한 망초 등 중성염을 가하면 이것이 섬유표면의 음전위를 낮추어 염료의 접근을 쉽게 하여 염착량을 증가 시킬 수 있다.염색 학적으로는거의아조계화합물이고, sulfone기를 가지며 의 일반식으로 나타낸다. 일반적으로 합성섬유를 제외하면 대부분 천연, 재생섬유에 촉염제에 의해 직접 염착이 가능하다.직접염료는직접성이높아야하며이를위한염료의구조적특징은직선성, 선형성(linearity), 평면성(planarity), 공액 이중결합(conjugate double bond)이 길어야 하며 수소결합형성기(-NH2,-OH,-N=N-)가 많아야 하며 물에 녹는 수용성기(SO3Na)가 꼭 있어야 하나, 너무 많으면 직접성이 감소한다.2.Experimental직접염법에 의한 면섬유의 염색(1) 시약 및 시료시료 : 정련 표백된 면(KS K 0905, 한국의류시험연구원), 2g시약 : 염료 1 (Rifa Direct Fast Red F, RIFA), 염료 2 (Sirius Supra Orange 7GL,BAYER), salt(Na2SO4)장치 : Starlet 염색기(DTC-6000, Daelim, Korea)(2) 실험방법1) 직물 준비 : 각 조별로 2g 의 면직물을 4개씩 준비한다 (총 16 sample)이때 조건별 표시는 직물에 가위로 cut 하여 표시한다ex> 1조 1번 sample .2) Stock solution 준비염료 : 300 mL 플라스크에 증류수 100 mL(또는 50mL)를 넣은 후 염료 0.4g(또는 0.2g)을 넣으면서 교반하여 완전히 용해시킨다. → 4 g/L의 stock solution 준비한다.Salt : 300 mL 플라스크에 증류수 200 mL를 넣은 후 40 g을 넣으면서 교반하여 완전히 용해시킨다. → 200 g/L의 stock solution 준비한다.3) 실험용액 준비 (모든 액비는 50:1로 한다.)1조와 3조는 염료1 사용하고 2조와 4조는 염료2를 사용한다.염료농도 변화에 따른 염색성 실험 (1조, 2조)염료농도를 0.2, 0.5, 1, 2 % o.w.f.로 하여 염액을 준비. 의 농도는 20 g/L로 한다.염 농도의 변화에 따른 염색성 실험 (3조, 4조) 파장별 K/S값② 각 시료의 L*, a*, b* 값③ Standard 시료와 trial 1,2,3 시료들간의 색차3. Conclusion & consideration실험 결과①1조⑴최대흡수파장에서의 K/S값1조파장1번시료(K/S)2번시료(K/S)3번시료(K/S)4번시료(K/S)3600.7361.5172.694.4043800.631.2962.3243.9034000.5371.1192.0213.4474200.4731.0071.8343.1514400.5111.1032.033.4974600.6561.4422.684.6274800.9512.1524.0386.9315001.4053.2776.14810.1585201.9894.6158.29812.8815402.1874.8218.39612.6925602.1694.5187.63511.5625801.5863.2225.5018.5446000.4290.8961.6022.6086200.1020.210.3870.646400.0450.0740.1270.2126600.0330.0440.0660.1046800.030.0350.0470.077000.0270.030.0390.0547200.0240.0260.0310.0417400.0220.0230.0260.033⑵그래프②2조⑴최대흡수파장에서의 K/S값2조파장1번시료(K/S)2번시료(K/S)3번시료(K/S)4번시료(K/S)3601.5874.0655.8187.9413802.8857.3410.2513.444004.59210.93514.52818.2444205.67812.85616.68219.9324405.49912.58116.25619.5324604.34810.68614.21417.3514802.8527.88811.0514.0475001.233.925.777.9835200.3911.4481.9962.95400.1420.6060.7671.125600.0640.2580.3140.4735800.0390.1090.1360.2126000.030.0520.0650.0996200.0270.0330.0380.0517400.0190.0260.0270.028⑵그래프④4조⑴최대흡수파장에서의 K/S값4조파장1번시료(K/S)2번시료(K/S)3번시료(K/S)4번시료(K/S)3601.7745.2875.9496.4673803.2729.45510.44611.2654005.17613.5114.5615.5174206.3315.44516.39617.2844406.07814.95615.96416.854604.77112.69213.73714.7064803.1029.47710.44611.3055001.3234.7455.3955.9335200.4411.7251.9782.1345400.1720.7070.8050.8535600.0760.3040.3430.3635800.0420.1350.1490.1596000.0290.0650.070.0746200.0240.0370.0390.046400.0220.0270.0280.0286600.0210.0230.0240.0246800.020.0220.0230.0227000.020.0210.0210.0217200.0190.020.020.027400.0190.020.020.02⑵그래프 각 시료의값 및 Standard 시료와 Trial 1,2,3 시료간의 색차값IllumStandard 1-1D6558.26139.439-11.888-Trial 1-2D6548.80146.235-9.34111.92327Trial 1-3D6541.86947.977-5.50519.55346Trial 1-4D6536.40147.183-1.12225.56826Standard 2-1D6580.4849.69373.12-Trial 2-2D6571.33526.63178.65320.03033Trial 2-3D6569.21729.72281.04924.30998Trial 2-4D6565.62233.58279.09928.76303Standard 3-1D6565.98631.212-9.68-Trial 3-2D6543.19647.608-6.2828.28026Trial 3-3D6541.66147.966-5.23329.869다.
Abstract섬유들의 사용은 오랜 역사를 가지고, 전통적으로 의류에 사용되었다. 실크, 모, 면과 같은 천연섬유들은 그런 사용들이 적당한 성질이라는 것을 증명해준다. 그런 천연섬유의 고유한 직경은 면양의 모가 15-40㎛, 면은 대략 20㎛, 그리고 가잠견은 대략 20㎛정도이다. 이러한 사용분야에서 천연섬유는 합성섬유와 경쟁을 했다. 인조섬유는 거의 용융방사로 제조되었고, 용융방사는 일반적으로 섬유의 직경이 대략 5~70㎛ 범위이었으며 천연섬유의 고유직경이 포함되었다. 이러한 섬유들을 제작하기 위해 고분자용융물은 방사구를 통해 뿜어진다. 섬유의 신축성은 확실히 직경을 줄이는 것을 얻는 것뿐만 아니라 동시에 체인의 방향성과 기계적 성질을 강화시킨다.1. 서론1 차원(One-dimensional structure) 나노재료는 벌크(bulk)재료와는 다르게 물리적, 화학적으로 독특한 성질을 가지고 있어 학문적으로나 실용적으로 많은 관심을 끌고 있다. 최근 이러한 나노 재료의 제조법, 분석법 그리고 상업적으로 적용하기 위한 연구가 학계와 산업 전반적으로 이루어 지고 있다. 현재까지 다양한 구조와 기공분포를 갖는 나노재료를 제조하기 위해 다양한 제조방법들이 제시되었으며, 그 중에서 전기방사 기술은 1차원 나노구조 소재를 효율적이면서도, 저렴한 비용으로 구현 할 수 있는 매우 실용적인 기술로 인식되어 오고 있다. 전기방사 기법을 이용하여 나노섬유 또는 나노로드, 나노튜브 형상의 소재를 손쉽고, 저렴하게 할 수 있으며, 고분자나 금속산화물 나노섬유 그리고 효소나 약물 또는 기능성 나노입자가 봉입된 고분자 나노섬유 등과 같은 복합체들을 성공적으로 제조할 수 있기 때문에 화학 및 바이오 센서, 조직공학 지지체, 약물전달 시스템 및 에너지 저장 및 변환 소지 등의 응용분야에서 활발히 연구되고 있다.전기방사 기술의 연구영역이 최근 고분자 나노섬유에서 무기나노섬유로 확장됨에 따라 전기방사에 의한 나노 섬유 제조 기술은 고분자, 세라믹, 금속을 포함하여 전소재분야로 급속히 확장되고 형성하고 있으므로, 높은 비표면적과 기공도를 지니고 있어 빠른 응답특성과 고감도를 지니는 센서 및 전기화학 소자에 적용되고 있다. 또한 전기방사에 의한 나노구조 섬유상 전극구조체에 대한 최근의 연구결과는 신 에너지원들을 위한 에너지 저장 및 변환 소자 개발의 새로운 기회를 제공하고 있다.2. 나노 섬유1)나노 섬유세계 시대에 앞서 최근 섬유산업에서는 첨단 기술 산업으로의 전환을 목표로, 섬유에 나노 기술(Nano-Technology)을 접목시킨 나노 섬유 연구 및 제품개발이 활발히 진행되고 있다. 이러한 나노 섬유 기술은 ‘하나의 고분자사슬이 집합하여 나노 섬유(Nano-Fiber)가 되고, 최종형태가 섬유, 박막, 부직포가 되는 매우 광범위한 가공기술’로 정의할 수 있다. 최근 회자되고 있는 나노섬유는 주로 전기방사나 이를 개선한 방법으로 제조된 섬유를 말하는 경향이 있으나, 나노섬유의 의미를 좀더 넓혀서 봤을 때 제조방법에 따라 크게 나노방사 분야와 나노구조섬유 분야로 나누어 볼 수 있다. 나노는 나노 미터(nanometer)의 줄임 말로써 10억분의 1을 나타내는 단위로, 난쟁이를 뜻하는 고대 그리스어 나노스(nanos)에서 유래되었으며 아주 작다는 의미이다. 1나노미터(nm)는 10억분의 1m로, 머리카락의 굵기의 약 5만분의 1크기이고, 또한 수소 원자 지름의 10배에 해당하는 길이이며 전형적인 박테리아 크기의 1/1,000이다.2)나노섬유 방사나노 방사 분야는 섬유직경이 나노 크기인 섬유를 직접 제조하는 것으로 복합방사, 부직포방사 및 직접방사 등의 방법을 통하여 제조할 수 있다. 섬유의 크기를 나노 크기로 제어함으로써 기존의 기능을 크게 향상시킬 수 있고, 의류용뿐만이 아니라 필터, 에너지 저장소재 및 의료용까지 그 용도를 넓혀가고 있다.① 복합방사법 (Top-Down 방식)나노미터 수준의 가공을 통해 나노미터크기의 구조체를 인공적으로 형성하는 기술로써 일본이 최고의 기술 수준을 보유하고 있는 분야이다.- 해도형 방사 (전기방사나 멜트블로운(me하는 기술로써, 주로 미국, 유럽에서 연구 개발 중인 분야로, 한국의 경우 중소기업의 독자 기술 개발로 인하여 제조기술이 이미 상업화 단계에 있으며, 이 분야에서 세계 최고의 기술수준을 보유하고 있다.- Electro-Spinning : 전하 차이를 이용하여 제조하는 방법으로 단섬유로 이루어진 부직포 형태의 나노 웹(지름 약 15nm~2μ)을 제조한다.- 스펀본드(Spunbond) 법 : 용해방사를 통해 섬유를 공기에 의해 고속으로 처리하여 분산하면서 제조한다.- 멜트블로운(Meltblown) 법 : 용해된 고분자를 열풍으로 날려 제조한다. (크기 : 1μ~수μ)③ 직접방사법원하는 섬도의 섬유를 직접 방사하는 방법으로, 극세화 후공정을 거치지 않으므로 제조원가가 절감되는 장점이 있으나, 나노단위의 극세섬도에는 설비상 한계를 지닌다.3. 전기방사의 원리 및 고분자 나노섬유 제조Fig.1은 전기방사 장치의 모식도를 보여주고 있다. 연속적인 유기/무기(Organaic/Inorganic) 나노섬유가 높은 전기장 하에서 연신이 되어 접지된 하부 기판 위에 형성이 되는 것이 기본 원리이다. Fig.1에서 보여지듯이 전기방사 장치는 액상의 점성을 지닌 전구체를 밀어 낼 수 있는 실린지 펌프(Syringe pump), DC 고전압 발생기(Power supply), 나노섬유를 뽑아 내기 위한 바늘(needle) 및 접지된 하부 기판으로 구성된다. 약 1~200poise 정도의 충분한 점도를 지닌 고분자 용액이나 용융체가 정전기력을 부여 받을 때 섬유가 형성되는 현상은 110년 전부터 알려져 왔다. 수직으로 위치한 모세관 끝에 분포된 고분자 용액은 중력과 표면장력 사이에 평형을 이루며 반구형 방울을 형성하며 매달려 있게 되는데, 전기장이 부여될 때 이 반구형 방울 표면에 전하 또는 쌍극자 배향이 공기 층과 용액의 계면에 유도되고, 전하 또는 쌍극자 반발로 표면장력과 반대되는 힘을 발생시킨다. 따라서 모세관 끝에 매달려 있는 용액의 반구형 표면은 테일러 콘(Taylor Cone)표면장력 때문에 미세 방울로 붕괴된다. 그러나 점도가 높은 용액의 경우, 제트는 붕괴되지 않고 집전판을 향하며 공기 중을 날아가면서 용매가 증발하게 되고 집전판에는 하전된 고분자 연속상 섬유가 쌓이게 된다. 제트가 집전판을 향해 날아가는 과정에서 제트의 탄도는 굽어지거나 방향이 바뀌기도 한다.(Fig.2(c)참조). 또한 제트는 비행 중에 가늘어지게 되고 표면에 전하가 밀집되면서 전하 반발력에 의해 초기 하나의 제트는 더욱 작은 여러 필라멘트로 분열된다(Fig.2(d). 이러한 과정은 스플레잉(Splaying)이라 불리운다. 이렇게 해서 전기 방사를 이용한 고분자 나노 섬유가 만들어진다. 전기 방사에서 주 공정 변수는 용액특성(농도, 점도, 표면장력), 모세관 끝에서 집전판까지의 거리, 전기장의 세기, 방사시간, 방사환경 등이다. 이러한 공정변수의 변화에 따라 형성된 섬유의 형태가 달라진다. 전기 방사에서 용액의 농도가 낮으면 고분자는 방울 형태로 축적되고, 점차 농도가 높아짐에 따라 방추형 방울들이 서로 얇은 실에 의해 연결된 형태를 거쳐 안정된 섬유상을 형성한다. 용액의 점도가 높아질수록 용매 내에서 고분자 사슬의 얽힘 정도가 증가되어 제트의 붕괴를 방해하므로 제트는 섬유상으로 늘어나게 된다. 모세관 끝에서 집전판까지의 거리가 너무 짧을 경우 용매가 함유된 섬유가 집전판에 도달되기 때문에 건조되는 과정에서 서로간에 접착이 일어난다. 이러한 효과는 부직포의 열 또는 용제 결합과 비슷하므로 전기방사에 의해 제조된 wep에서 섬유간, 층간 결합력을 강화시키는 역할을 한다. 또한 전기장의 세기를 증대시키면 제트의 전체 전하밀도가 증대되어 가는 섬유가 얻어진다. 구슬 형태의 나노섬유는 전기장하에서 변형된 표면 장력에 의해 제트가 붕괴된 결과이며, 이와 같은 구슬 형태의 나노 섬유 형성에 미치는 주된 인자는 용액점도, 제트가 지닌 전체 전하밀도, 그리고 용액의 표면장력이다. 고분자 용액의 점도가 높으면 구슬 형태가 없는 섬유가 제조된다. 점도가 높을수록 구슬상의 거리는 전기방사를 필요로 하였다. 중합체 섬유의 전기방사에 간행된 종이의 대부분은 용매에서 회전시키는 것을 고려한다. 전기방사의 1개의 이점은 물이 용매로 이용될 수 있다는 것이다. PEO 또는 PVA와 같은 수용성 중합체는 이렇게 전기방사사일 수 있다. PEO와 PVA외에 나노섬유에 수많은 중합체의 전기방사는 polyacrylonitrile 의 PLA, 폴리스티렌, polymethylmethacrylate, 폴리아미드, polyimides, polycaprolactone 및 polyvinylidenefluoride를 포함한다고 보고되었다.혼합 합성물의 전기방사는 상당히 섬유 특성과 적용의 범위를 확장하고 새로운 기능을 이끌어 낼 것이다. 중합체 나노섬유는 약 또는 다른 생물학으로 활동적인 분자로 시약을 포함하는 3진의 용매에서 중합체의 회전시켜서 적재될 수 있다. 그러나 그는 다른 목적을 가지고 PVA-Pt/TiO2의 전기방사 그리고 PVA 나노섬유의 연속적인 photocatalytic 강직을 조사했다. 농도의 동심 변이를 가진 중핵 포탄 섬유는 다른 체계까지 또한 미칠 수 있는 팔라듐 아세테이트 (중핵)와 PEO (포탄)의 해결책의 동심에게 coelectrospinning에 의하여 얻어졌다.5.전기방사사 나노섬유의 적용전기방사사 나노 섬유에 대한 몇 개의 예를 들자면, 전문 필터 분야, 조직 공학, 상처 치료, 보강, 방호복, 약품 유통, 감지기, 촉매제 그리고 주형등과 같은 다양한 응용물질들이 있다. 현재, 전기 방사에 관한 대부분의 특허는 새로운 물질이나 새로운 과정보다 응용성에 초점되어 있다. 상업화된 응용성은 시장의 증가와 함께 세계의 전문 필터 분야 (공기 필터링, 유착 필터링) 몇 회사에 의해 이루어 졌다. 조직 공학은 줄기 세포를 포함한 세포들이 이런 나노 섬유에서 잘 자라기 때문에 전기방사사 생물분해성이 있는 나노 섬유의 또 다른 성공적인 응용분야가 될 것이다. (예. PLA) 또다른 이점은 생물학적으로, 소금으로부터 약과 단백질의 범주에 이르기.
합성 섬유 발표 (2) 32071687 김동욱 구리암모늄레이온 ( Cuprammonium Rayon)What is Cuprammonium Rayon? 구리 암모늄 레이온 섬유 ( Cuprammonium Rayon) 구리 암모늄법 ( 큐프라 암모늄 프로세스 ) 에 의한 재생섬유 구리 암모늄 레이온은 벰베르그 ( Bemberg ) 라고도 불림 린터 ( 단섬유 ) 를 구리암모니아 용액에 용해시켜 이것을 방사하여 셀룰 로오스로 응고시켜 제조 구리 암모늄 레이온의 역사 산화구리가 용해된 암모니아용액에 셀룰로오즈가 용해되는 현상 이용 (1857 년 , Schweizer ) Bemberg 공장에서 생산시작 (1859 ) 필라멘트를 스트레치시켜 적당한 강도를 갖게 한뒤 섬유로서 사용 (1901 년 , Thiele )Processing of Cuprammonium Rayon(1) ① 방사 원액의 제조 비스코스레이온과 유사한 공정 목재펄프 ( α -cellulose) 보다 면린터 (cotton linter) 선호 - α -cellulose 함유량 따라 색상 및 강도 Cu(OH) 2 +4NH 3 ⇄[Cu(NH 3 ) 4 ](OH) 2 ⇄[Cu(NH 3 )] +2 2OH Ⅰ. 가성소다가 들어 있는 고압 반응기 or 정련솥에 끓인다 . Ⅱ. 차아염소산소다로 표백 처리 , 정제한다 . Ⅲ. 황산구리 , 암모니아 , 가성소다를 혼합하여 반죽한다 . - 9~10% 의 셀룰로오즈 용액을 제조 Ⅳ . 용액이 될때까지 희석 후 , 탈포 , 여과하여 제조한다 . Cf ) 산소가 제거되면 구리암모늄용액은 계속 사용가능 ( 안정용액 )Processing of Cuprammonium Rayon(2) ② 방사 공정 - 물에 의한 신장방사법 사용 - 비스코스레이온과 제조 공정의 차이로 인해 몇가지 다른 물성을 띠게 됨 - 방사노즐로부터 나온 실모양의 원액을 신 장방사 펀넬 중의 흐르는 물에 의해 신장 - 가늘어지고 분자배향도 좋아짐 - 물에 의해 암모니아구리는 용해 , 제거되고 셀룰로오스가 응고 - 섬유로 재생Processing of Cuprammonium Rayon(3) 약 0.06mm 전후의 노즐을 사용하여 방사욕의 유하 방향으로 고연신을 걸면서 방사하는 방법 사용 - 세 데니어와 멀티필라멘트의 생산에 적합 필라멘트끼리 자기 접착성이 있음 유연의 Cake 에 권취Morphology of polynosic fibers 섬유 표면이 균일하고 매끈하며 , 단면은 둥글거나 타원형으로 불규칙하다 . 보통 1.3D 정도의 섬세한 섬유를 얻을 수 있다 . 스킨 Core XProperties of Cuprammonium Rayon(1) 레이온보다 신도가 높다 ( 건조상태 :11%, 습윤상태 : 25%) 수분함유율은 표준상태에서 11% 제조공정 중 노성과 숙성과정이 X - 평균 중합도 : 500~600 - 실이나 직물로서의 물성 우수 , 마모 강도 우수 물에 쉽게 팽윤 , 강알칼리에 약하고 약알칼리에는 안정 염료에 대한 친화력 우수 용제인 구리와 암모니아의 회수 용이 - 경제적 고분자 용액의 예사성이 좋고 섬세한 단사 섬도의 실 가능 방사시 단사간의 상호접착을 제어 - 무연사 생성 가능 흡습성과 제전성이 우수 , Drape 성 우수 견과같은광택과 촉감 - 고급 의류 소재로 사용Properties of Cuprammonium Rayon(2)Properties of Cuprammonium Rayon(3) 청량감 - 레이온 계 섬유는 필라멘트를 사용한 포백의 경우 피부에 접촉되면산뜻한 청량감을 준다 . ( 체온 냉감 효과 )Properties of Cuprammonium Rayon(4) 내열성과 연소물의 독성 고온도하에서도 연화와 용융되지 않으며 , 연소시켜도 유해가스는 발생되지 않는다 . 생분해성 - 토양 및 물속에 존재하는 박테리아에 의해 쉽게 분해되며 , 또한 분해에 의한 생성물이 토양의 생태계에 나쁜 영향을 미치지 않는다 .Using of Cuprammonium Rayon(1) 섬도가 가늘어서 주로 내의 및 스타킹 등 , 의류용으로 사용 촉감과 광택이 견과 흡사하여 고급직물을 만드는 원료로 사용 섬도가 가늘어 드레이프 성이 좋기 때문에 얇은 양말 , 속옷용 경편직물과 같은 고품질이 요구되는 곳에 사용 제품이 균일하고 균염이 가능한 필라멘트 섬유는 여자용 스타킹에 주로 사용 Staple fiber( Cupama ) 는 양모와의 혼방 , 니트웨어 , 트리코트 제조 등에 사용 트리코트로 직조하여 란제리 , 블라우스 , 레인코트 , 스카프 , 넥타이 , 커튼 , 침구등 다양한 용도로 사용Using of Cuprammonium Rayon(2)Using of Cuprammonium Rayon(3)참고 문헌 섬유재료학 ( 형성 출판사 , 김수창 외 4 명 저 ) 피복재료 ( 신광 출판사 , 김희숙 외 2 명 편저 ) http://kotiti.re.kr ( 한국섬유기술연구소 ) http://www.katri.re.kr / www.riss.kr 최신합성섬유 ( 형성 출판사 , 한국섬유공학회 편 ){nameOfApplication=Show}
전기 방사와 나노 방사
구리암모늄레이온 발표자료
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