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근영 팽
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1 한국섬유공학회지, Vol. 54, No. 5, ISSN (Print) ISSN (Online) 분산염료에의한폴리에스터편평사의염착특성. I. 이범훈 신한대학교섬유소재공학과 Disperse Dyeing Properties on PET Flat Yarns. I. Bum Hoon Lee Department of Textile Materials Engineering, Shinhan University, Gyeongi 11340, Korea Corresponding Author: Bum Hoon Lee Received September 1, 2017 Revised October 16, 2017 Accepted October 20, 2017 c 2017 The Korean Fiber Society Abstract: Dyeing properties of disperse dyes of different energy types were investigated for application with poly(ethylene terephthalate) flat yarn (FY). The maximum exhaustions of low-energy type disperse yellow 54, blue 56, and red 60 were 96%, 94%, and 99%, respectively, and high-energy type disperse orange 30, blue 79, and red 167 were 97%, 98% and 98%, respectively. The exhaustion values of high-energy type disperse dyes on flat polyester yarns were higher than those on normal polyester yarn, while the low-energy type disperse dyes showed no significant differences in dyeability between flat and regular yarns. The build-up properties of various disperse dyes on flat polyester yarn were superior to that of regular polyester. The K/S values of flat polyester yarn linearly increased with the increase in dye concentration in the range of wt.%. The half dyeing times of the flat yarns were approximately 5 min shorter than those of general polyester due to their larger surface area and lower crystallinity. The surface area of flat polyester yarn is larger, which directly results in lower crystallinity. Uneven dyeing properties were observed in the same fabric due to cold crystallization, which was also confirmed using DSC. Keywords: polyester flat yarn, dyeability, crystallinity, thermal properties, DSC 1. 서론 이형단면소재는섬유의단면모양이원이아닌다른형태의단면 ( 중공, 클로버형, W형, M형, Y형, 편평등 ) 을가지는것으로합성섬유의방사기술의발전과함께최근의류소재의기능성이강조되면서사용빈도가확대되고있다. 이형단면소재가많이사용되는스포츠레저의류의시장규모는약 2조원으로추정되며아웃도어용품및의류시장은꾸준히증가하고있는것으로나타났다 [1]. 특히폴리에스터이형단면소재는특유의흡한속건특성으로스포츠레저섬유소재로단독으로사용되기도하지만기능성을높이고착용감및패션성까지고려하여일반합성섬유나천연섬유와같이사가공을통하여복합화하여사용한다 [2]. 이러한흡한속건소재는원사부분에서는다양한형태의단면개발과 PCM, TiO 2 등다양한첨가제혼입을통한개발 이진행되고있으며, 사가공부분에서단섬유와장섬유, 천연섬유와합성섬유및서로다른성질의합성섬유의조합등으로개발되고있다. 또한흡한속건성을갖는원사를포함하여표면과이면의조직이나밀도및성분을달리한원단조직개발및염색후흡한속건제를처리하는후가공부분까지연계되어개발되고있다 [1]. 이러한개발과정중흡한속건원사에대한염색특성에대한연구는상대적으로미흡한실정이다. 대표적인흡한속건소재인폴리에스터이형단면소재는원형을가진일반적인섬유에비하여표면적이넓고열처리공정에제한이있기때문에배향도와결정화도가낮은것으로알려져있다. 따라서, 기존의폴리에스터원사와물성및염색성에서도차이를보이게되므로기능성뿐만아니라염색성까지함께연구되어야할필요가있다. 아웃도어용에적합한 PET와가염 PP 복합편물소재에 370

2 분산염료에의한폴리에스터편평사의염착특성. I. 371 대하여복합사비율에따른염색특성연구가수행되었고 [3], 폴리에스터냉감니트소재에대한특성연구에서이형단면친수계폴리에스터냉감사 (75 d/36 f) 와소수계폴리에스터냉감사 (75d/72f) 와일반폴리에스터섬유 (75 d/ 72 f) 에대한염색온도에따른염착거동을일부연구하였다 [4]. 그러나이전에수행된연구에서사용한이형단면사는흡한속건성을갖는클로버형, W형, M형이대부분이었다. 특유의광택과차가운촉감을가지고있어서하절기용여성용니트의류에다양하게사용되고있는편평사의염색특성에대한연구는거의수행되지않았다. Park 등이폴리에스터편평사의제조공정이물성에미치는영향을연구하였고, 편평사의중심부분과가장자리부분이방사공정에서배향성과결정성이다른것으로확인하였다. 배향이낮은중심부분은수축성이크고배향이잘된가장자리부분은수축성이낮은것을확인하였다 [5]. 편평사의염색성에대한연구는폴리에스터편평사의선염공정개발에관한연구등이이루어졌으나후염특성에대한연구는미흡한실정이다 [6]. 따라서본연구에서는폴리에스터편평사를이용하여고온염색공정조건에서분산염료의승화에너지가낮은저에너지타입 (low energy type) 과높은고에너지타입 (high energy type) 에따른염색특성및수축성에대하여고찰하였다. 2. 실험 2.1. 시료및시약폴리에스터편평사는국내 H사원사 (80d/12f) 를열처리공정없이그대로 25게이지실험실용원형편기 ( 신우공업사 ) 를이용하여싱글조직으로제조하여사용하였다. 분산염료의에너지타입별염색성을확인하기위하여사용한염료는 Table 1에나타내었으며기타 acetic acid, sodium hydroxide, sodium hydrosulfite 등은 1급시약을정제없이그대로사용하였다 염색염색이되는과정에서분산염료가피염물에흡진되는거동을실시간으로확인하기위하여 Dye-O-meter(ATI Unicam Figure 1. Dyeing profile of PET flat yarn. UV/VIS Spectrometer) 를사용하여염료의농도를 2%owf 로고정하고액비 1:20에서 40 o C부터 130 o C까지 2.0 o C/ 분의속도로 130 o C까지승온한후 130 o C에서 40분간유지하면서 5분간격으로염욕을측정하여염료의에너지타입에따른흡착거동을고찰하여반염색시간 (half-dyeing time), 염색속도 (dyeing velocity) 및최대흡진율 (max. exhaustion) 을확인하였다. Figure 1과같이실제현장에서적용하고있는염색조건과유사한승온속도와액비에서분산염료가피염물에염착되는거동을확인하기위하여 IR 염색기 ( 대림스타릿, DL- 6000) 를사용하여염료의농도를 2%owf로고정하고액비 1:10에서 40 o C부터 90 o C까지는 2.0 o C/ 분의속도로승온하고 130 o C까지는 1.5 o C/ 분의속도로승온한후 130 o C에서 40분간유지한후 2.0 o C/ 분속도로 110 o C까지냉각하며 10분간격으로원단을꺼내어건조한후측색기 (X-rite, Premier 8200) 로원단의반사율을측색하여 K/S 값을통하여피염물에염착되는거동을확인하였다. 또한, 같은염색조건에서염료의농도를 0.5, 1.0, 2.0, 4.0, 8.0 %owf로증가시켜염색한후 sodium hydroxide 1g/L, sodium hydrosulfite 1g/l로 80 o C에서 20분간환원세정하여수세건조한후빌드업성을확인하였다 세탁견뢰도분석분산염료의에너지타입별염색견뢰도를확인하기위하여에너지타입별 2.0 %owf로염색한후환원세정한염색물을사용하여 KS K ISO 105-C06(A1S) 으로진행하였다. Table 1. List of disperse dyes used in the experiments Low energy type High energy type Commercial name C.I. No. Molecular weight(g/mol) Suncron Yellow 3GE 200% C.I. Disperse Yellow 54 (DY-54) Suncron Blue FBL C.I. Disperse Blue 56 (DB-56) Suncron Red FB 200% C.I. Disperse Red 60 (DR-60) Suncron Y/Brown S-2RFL 150% C.I. Disperse Orange 30 (DO-30) Suncron Navy Blue 2GLS 220% C.I. Disperse Blue 79 (DB-79) Suncron Rubine 2GFL 150% C.I. Disperse Red 167 (DR-167)

3 372 이범훈 Textile Science and Engineering, 2017, 54, 표면분석편평사가염색과정중받게되는열에의한변화를확인하기위하여미처리원사, 염색공정중 90 o C에서꺼낸원사와 130 o C에서염색이완료된원단의루프밀도와원사의표면을전자현미경 (Hitach, S-3000N/EMAX) 및영상현미경 (Olympus, SZ61) 을통하여확인하였다 열분석염색과정중열수축에의한미세구조변화를확인하기위하여 DSC(TA, Q200) 를사용하여질소분위기하에서 10 o C/min의속도로 30 o C부터 300 o C까지승온하고, 이어서 30 o C까지 10 o C/min의속도로냉각하며승온과냉각시열용량의변화를분석하였다. 3. 결과및고찰 3.1. 염색성에너지타입이다른분산염료의편평사에대한염색속도, 반염색시간및최대흡진율을확인하기위하여 Dye-Ometer(ATI Unicam UV/VIS Spectrometer) 를사용하여염료의농도를 2%owf로고정하고액비 1:20에서 40 o C부터 130 o C 까지 2.0 o C/ 분의속도로 130 o C까지승온한후 130 o C에서 40분간유지하면서염료의최대흡수파장에서 5분간격으로염욕을흡광도를측정하여다음의식 (1) 으로흡진율 (Exhaustion(%)) 을측정한결과이다 (Figure 2). A Exhaustion (%) = i A t 100 (%) (1) A i A i : absorbance (λ max ) values of initial dyebath A t : absorbance (λ max ) values of dyebath at dyeing time t Kim 등 [7] 이보고한바에따르면염료의약 80% 가염착되는온도범위인평균임계온도영역은일반폴리에스터섬유 ( 표준백포 ) 의경우에너지타입별염료의평균임계온도영역은 low energy type인 DY-54 는 130 o C 이상, DB-56은 o C, DR-60은 o C였고, high energy type인 DO-30은 o C, DB-79는 130 o C 이상, DR-167은 o C로나타난것에비하여 T g 값이 10 o C 정도낮은 60 o C 인 rayon-mimetic 폴리에스터의경우보다약 10 o C 정도낮은온도에서평균임계온도영역이관찰되었다고보고되었으나, 본연구에서진행한폴리에스터편평사의경우 low energy type인 DY-54 는 130 o C 이상, DB-56은 o C, DR-60은 o C였고, high energy type인 DO-30은 o C, DB-79는 o C, DR-167은 o C으로일반폴리에스터섬유와유사하게확인되었다. 그러나편평사의최대흡진율을확인한결과 low energy type인 DY-54 는 96%, DB-56은 94%, DR-60은 99% 였고, high energy type Figure 2. Exhaustion curves of different energy type disperse dyes on flat PET fabrics; (a) low energy type and (b) high energy type. 인 DO-30은 97%, DB-79는 98%, DR-167은 98% 이었다. Low energy type의경우최대흡진율이일반폴리에스터와유사하였으나 high energy type의경우약 90% 를보인일반폴리에스터에비하여월등히높은흡진율을보이는것으로나타났으며 high energy type 염료의상용성이 low energy type에비하여우수한것으로나타났다. 또한, 염료별로다소의차이는있으나반염색시간이일반폴리에스터에비하여약 5분정도빠른것으로나타나고있는것으로보아일반폴리에스터에비하여초기흡진이빠른것으로추정된다. DSC를통하여염색에사용한편평사의유리전이온도 (T g, glass transition temperature) 를확인한결과 o C로일반폴리에스터와유사한것으로확인되어 T g 의차이보다는편평사의표면적과배향도나결정화도등미세구조의차이에기인한것으로판단된다. 온도의증가에따라에너지타입이다른분산염료가폴리에스터편평사에염착되는것을확인하기위하여염료의

4 분산염료에의한폴리에스터편평사의염착특성. I. 373 농도를 2%owf로고정하고액비 1:10에서 40 o C부터 90 o C 까지는 2.0 o C/ 분의속도로, 이어 130 o C까지는 1.5 o C/ 분의속도로승온한후 130 o C에서 40분간유지하고 2.0 o C/ 분속도로 110 o C까지냉각하며 10분간격으로원단을꺼내어건조한후측색기 (X-rite, Premier 8200) 로원단의반사율을측색하여 K/S 값을측정하였다 (Figure 3). Low energy type과 high energy type 모두 90 o C에서 110 o C 사이에서급격한염착이되는것을확인할수있었고 110 o C 이후 K/S 값의증가가확인되지않는것으로보아일반폴리에스터에비하여낮은온도에서도충분히염색이가능할것으로생각된다. Low energy type의경우 130 o C 고온에서유지될때 K/S 값의변동폭이컸고 high energy type의경우에는비교적균일하게유지되었으며일반폴리에스터섬유에서보다낮은온도에서염착이시작되었다. 이는이형단면을가진편평사가일반폴리에스터섬유에비하여단면적이넓고결정성이낮아상대적으로분자량이작은 low energy type의염료는고온에서섬유로부터의흡착과탈착이용이하고비교적분자량이큰 high energy type의염료는빠르게염착되고고온에서흡착과탈착이적게일어나는것으로판단된다. 따라서폴리에스터편평사의경우 o C 온도범위에서승온속도를낮추거나레벨링시간을부여하는것이 130 o C까지승온시켜염색하는것보다균염성및에너지절감에도유리할것으로판단된다. Figure 4는에너지타입이다른분산염료로염색한폴리에스터편평사의빌드업성결과이다. 0.5, 1.0, 2.0, 4.0, 8.0 %owf로염색하고환원세정한후측색한결과 low energy type의염료의경우염료의농도가증가함에따라전반적으로 K/S 값이증가하는것으로보이는반면 DY-54 의경우 4%owf에서거의포화되는것으로나타났다. High energy type의경우에는 DR-167의증가곡선이다소완만한것을제외하고는빌드업성이우수하였다. 일반적인폴리에스터가 4%owf에서거의 K/S 값이완만해지는특징을보이는것이비하여 4%owf 이상의고농도에서도염료의흡진이많이일어나는것으로확인되었으며이는전술한바와같이편평사의표면적이넓고비결정영역이상대적으로크기때문으로판단된다. 염액잔액으로부터확인한염료의흡진율, 온도가상승함에따른염착성및빌드업성을종합하여볼때폴리에스터편평사를염색할경우 low energy type보다 high energy type이더상용성이있을것으로판단된다. 3.2 염색견뢰도 Table 2에는에너지타입이다른분산염료 6종에대한편 Figure 3. Disperse dyeing behavior of PET flat yarns; (a) low energy type and (b) high energy type. Figure 4. Build-up properties of different energy type disperse dyes on PET flat yarns; (a) low energy type and (b) high energy type.

374 이범훈 Textile Science and Engineering, 2017, 54, 370-376 Table 2.

5 4 4 4 5 DO-30 4 5 4 5 4 5 4 4 5 4 5 DO-167 4 5 4 5 4 5 4 5 4 5 4 5 DB-79 4 5 4 5 4 5 4 5 4 4 5 평사편성물의세탁견뢰도를나타내었다. 대부분 4등급이상으로우수하게나타났으며 low energy type의염료에비하여 high energy type의염료가동등하거나일부 0.

5 374 이범훈 Textile Science and Engineering, 2017, 54, Table 2. Washing fastness of knit fabric dyed at 2 %owf Low energy type High energy type Dye Staining Wool Acryl PET Nylon Cotton Acetate DY DR DB DO DO DB 평사편성물의세탁견뢰도를나타내었다. 대부분 4등급이상으로우수하게나타났으며 low energy type의염료에비하여 high energy type의염료가동등하거나일부 0.5등급정도높은것으로일반폴리에스터와유사한경향을보였다. High energy type의염착이일반폴리에스터에비하여우수하였지만견뢰도는유사한것으로보아표면적과미세구조의차이가견뢰도에는크게영향을미치지않는것으로판단된다 표면특성 Figure 5는염색공정중편평사편물의염색현상을확인하기위하여영상현미경을사용하여관찰한결과이다. 타섬유와달리동일한원사에서멜란지현상이관찰되었고, 에너지타입에관계없이사용된모든염료에서관찰되었다. 측색결과의데이터가비교적오차가큰것은이러한멜란지현상에기인한것으로판단된다. 심색부위와담색부위를물리적으로구분하여열분석을실시하여그원인을 3.4에서확인하였다. Figure 5. Optical microscopy images ( 20) of PET flat fabrics at different temperatures; (a) FY-90 o C and (b) FY-130 o C. Figure 6, 7은염색공정중편평사편물의표면의변화를 SEM으로관찰한결과이다. Figure 7에서나타난바와같이온도가증가함에따라루프밀도가높아지는것을확인할수있었다. 고배율로편평사의표면을관찰한결과미처리원사의표면이매끄러웠던반면 90 o C 이상의온도에서원사내부의수축이발생하는것을관찰할수있었으며특히온도가올라갈수록수축에기인한주름이많고깊은것을확인할수있었으며담색부위에비하여심색부위에서그정도가심한것으로확인되었다. 앞서언급한바와같이편평사는방사공정에서균일하게열처리하기어렵기때문에편평사의내부는배향도와결정화도가낮고가장자리부분은상대적으로배향도과결정화도가높다고보고된바와같이염색공정중열에의하여배향이미흡한중심부분에서수축이심한것을확인할수있었다 열적특성폴리에스터편평사를 step-dyeing 하는과정에서단일소재임에도멜란지효과가나타났다. 이를확인하기위하여미처리원사 (FY-Org.), 90 o C에서채취한원사중심색부위 (FY-90(D)) 와담색부위 (FY-90(L)), 그리고 130 o C에서염색이완료된원사의심색부위 (FY-130(D)) 와담색부위 (FY- 130(L)) 를구분하여전자현미경을통한표면분석과 DSC를통한편평사의미세구조변화를분석하였다. 5종의시료를 DSC(TA, Q200) 를사용하여질소분위기하에서 10 o C/min 의속도로 30 o C에서 300 o C까지승온하며유리전이온도 (T g ) 와융점 (T m ) 의변화를관찰하였고, 용융된시료를 30 o C까지서냉하며결정화온도 (T c ) 의변화를확인한결과를 Figure 8에나타내었다. 유리전이온도와냉각결정화의변화는뚜 Figure 6. SEM images ( 30) of PET flat fabrics at different temperatures; (a) FY-Org., (b) FY-90, and (c) FY-130.

6 분산염료에의한폴리에스터편평사의염착특성. I. 375 Figure 7. SEM images ( 500) of light (L) and dark (D) positions at 90 o C and 130 o C; (a) FY-Org, (b) FY-90 o C (L), (c) FY-90 o C (D), (d) FY-130 o C (L), and (e) FY-130 o C (D). Table 3. Crystallization of various PET flat yarn at different dyeing temperature and positions at first heating FY-Org. FY-130(D) FY-130(L) FY-90(D) FY-90(L) T m ( o C) ΔH m (J/g) a ΔH c (J/g) b % crystallinity a Heat of 1st melting and b heat of cold crystallization. 렷하게관찰되지않았으나 o C 부근에서타시료에서는나타나지않았던저온결정화피크가미처리원사인 FY-Org. 와 90 o C에서심색부위원사인 FY-90(D) 에서확인되었다. 폴리에스터섬유방사기술에대한연구에따르면방사속도가증가함에따라 o C 부근에서관찰된저온결정화피크가감소한다는것을확인하였다. 저온결정화피크가관찰되는이유는냉각공정중완전한배향을이루지못한것으로방사속도가증가하면배향결정이증가하기때문이것으로보고되었다 [8,9]. 또한, 폴리에스터는 o C 온도영역에서 50% 수준은수초내빠른결정화가진행되는것으로보고된것을종합할때저온결정화피크가관찰된부위는상대적으로결정성이낮은것을의미하는것으로동일한원사지만염색공정중에부분적으로결정성이변하였다는것을의미한다고볼수있다. Table 3은각시료에대한열적특성을분석하여 100% 폴리에스터가모두결정화되는용융열을 J/g으로보았을때식 (2) 와같이결정화도를계산한결과를나타내었다 [10]. 담색부위인 FY-90(L), FY-130(L) 에비하여심색부위인 FY-90(D), FY-130(D) 의결정화도가낮은것으로확인되었으므로동일원사에서상대적으로결정화도가낮은부분에우선적으로염료가침투된결과로동일원사지만멜란지현상이나타난것으로판단된다. ( ΔH m ΔH c ) % Crystallinity = (2) ΔH m 0 또융점의경우 o C 부근에서 FY-Org. 은단일피크로관찰되었으나염색과정을거침에따라멀티피크로 Figure 8. DSC thermograms of PET flat fabrics at different temperatures and positions; (a) 1st heating and (b) 1st cooling.

7 376 이범훈 Textile Science and Engineering, 2017, 54, 분리되어나타났다. 이러한현상은 Kim 등 [11] 의폴리에스터의결정성연구에서도확인된바와같이배향결정화가미흡한미처리원사가재용융되면서나타나는현상과유사하였다. 따라서일반폴리에스터섬유에비하여배향과결정이어려운편평사의경우염색공정중저온결정화가일어났기때문인것으로판단된다. 4. 결론 에너지타입이다른분산염료에대한폴리에스터편평사의염색성을확인하기위하여 Dye-O-meter를사용하여흡진율과 step-dyeing을통하여염색시간에따른염착성을실험하여다음과같은결론을얻었다. 일반폴리에스터섬유에대한분산염료의흡진은 low energy type이 high energy type에비하여높게나타나는것에비하여폴리에스터편평사의경우 high energy type이더높게나타났다. High energy type 3원색염료의염색시간에따른염착곡선이 low energy type에비하여상용성이우수한것으로확인되었으며 o C에서대부분염착되는것으로나타났다. 빌드업특성도일반폴리에스터에비하여우수한것으로나타났다. 폴리에스터편평사의세탁견뢰도는 4등급이상으로 low energy type에비하여 high energy type이동등하거나 0.5등급우수한것으로확인되었다. 분산염료를사용한고온염색과정에서폴리에스터편평사내부에서불균일한염착현상이발생하였고 DSC와 SEM 을통하여고온염색과정중발생하는저온결정화의차이와편평사단면중심과가장자리의배향성차이에의한것으로확인하였다. 감사의글 : 본논문은 2017년도신한대학교학술연구비지원으로연구되었음. References 1. H. S. Park, Y. H. Rho, G. W. Yang, and K. C. Go, Study on Fiber Structure with Ideal Moisture Control Functionality, Text. Sci. Eng., 2014, 51, H. A. Kim, H. Son, and S. J. Kim, Effect of Hybrid Yarn Structure Composed of PP/Tencel/Quick Dry PET on the Physical Property of Fabric for High Emotional Garment, Fashion Text. Res. J., 2015, 17, H. S. Cho, B. S. Lee, and J. S. Koh, Disperse Dyeing Properties of PET/Dyeable PP Blend Knit, Text. Sci. Eng., 2011, 48, H. A. Kim, J. Y. Woo, and S. J. Kim, The Physical Property of PET Coolness Knitted Fabric for High Emotional Garment, Textile Coloration and Finishing, 2014, 26, J. W. Park and H. Y. Kim, Effects of Spinning Conditions on the Fiber Aspect Ratio of Melt Spun PET Flat Yarns, J. Korean Fiber Soc., 1997, 34, S. H. Lee, B. D. Jeon, J. H. Kim, and Y. G. Kim, Development of High-Tech Polyester Filament Flat Yarn, Proceedings of Korean Fiber Society Spring Conference, p.371, E. M. Kim and J. H. Choi, Dyeing and Color Fastness Properties of Rayon-mimetic Fiber Dyed with Disperse Dyes, Text. Sci. Eng., 2008, 45, J. B. Park, H. H. Cho, and T. Kikutani, Fiber Structure Formation and Properties in High-Speed Melt Spinning of Sheath-Corelow energy type PET Bicomponent Fibers(II), J. Korean Fiber Soc., 1998, 35, K. S. Kim, Spinning Technology of PET Filments, Polym. Sci. Technol., 1992, 3, W. J. Sichina, DSC as Problem Solving Tool: Measurement of Percet Crystallinity of Thermoplastics, Perkin Elmer Analysis Note, Y. H. Kim, K. J. Kim, and K. M. Lee, Melting and Nonisothermal Crystallization Behaviors of Poly(trimethylene Terephhalate), J. Korean Fiber Soc., 1997, 34,

000-목차26-2.hwp

000-목차26-2.hwp ISSN(Print) 1229-00 ISSN(Online) 22-06X http://dx.doi.org/10.576/tcf.201.26.2.79 Textile Coloration and Finishing Vol.26,No.2 연구논문 ( 기술 ) 수분반응형자기조절섬유의복합조직편물에대한염색성고찰 김은미노용환 1 양광웅 1 최재홍 경북대학교섬유시스템공학과, 1