ISSN(Print) 1229-0033 한국염색가공학회지제23권제4호 2011 년 ISSN(Online) 2234-036X Textile Coloration and Finishing http://dx.doi.org/10.5764/tcf.2011.23.4.298 Vol. 23, No. 4, 2011 연구논문( 학술) 아라미드소재의침염및날염 홍진표 김미경 윤석한 최우혁 한국염색기술연구소첨단소재연구팀 Dyeing and Printing on Aramid Materials Jinpyo Hong, Mikyung Kim, Seokhan Yoon and Woohyuk Choi Korea Dyeing Technology Center, Daegu, Korea (Received: November 17, 2011/Revised: December 13, 2011/Accepted: December 14, 2011) Abstract Aramid fibers have been widely used as the reinforcement for composites due to their high modulus and strength. Nowadays the safety measures is required to improve the personal protection. The dyeing of aramid fibers is considered to be very difficult and their dyeing mechanism is not well illucidated. Therefore, this study is to establish the dyeing & printing technology for aramid fibers. The effects of swelling agent and neutral salt in the dye bath on the obtained colors were studied. Also dyeing method of aramid fibers depending on dyeing temperature and dye concentration were established. Color fastness of the dyed aramid fabric with cationic dyes were acceptable excluding light fastness. Keywords: aramid fiber, cationic dyes, swelling agent, neutral salt, fastness 1. 서 론 슈퍼섬유는나일론, 폴리에스테르등일반의류용섬유와비교하여물성이월등히강하며고열에견딜수있는고성능섬유를말하며주로산업용소재의보강재로적용되고있다 1). 하지만치밀한분자구조로인한염색및기능성후가공이까다로워다양한용도전개에어려움이있다. 최근에는슈퍼섬유소재의고기능성을요구하면서다양한색상을원하는시장의요구가증대되는추세이며이에따른소재의개질, 염색성, 후가공에대한연구가많이진행되고있으며 1-5), 특히메타아라미드소재의경우안전복, 군복, 소방복등특수의류제품에적용이되고있다. 아라미드소재염색에대한연구로는초임계염색, 고온고압염색, 팽윤제적용캐치온염색등이이루어지고있으나 1-11), 명확한염색메카니즘의규명이없으며, 상용화에가장가까운방법으로캐치온염료에의한염색공정은국내외소수선진업체에서만진행하고있는실정이다. 본연구에서는팽윤제를이용한아라미드소재의캐치온염색공정으로염색특성에대한연구를하였으며, 팽윤제종류및사용농도, 중성염효과, 염색온도조건등에따른염색성을살펴보았다. 또한캐치온염료및안료를이용한날염적용가능성을검토하여아라미드소재에대한침염및날염에대한기초연구를진행하였다. 2.1 2. 시료및시약 실 험 2.1.1 시료아라미드소재침염및날염공정에서의염색성을조사하기위해 Dupont사의 m-aramid (Nomex) 직물과코오롱헤라클론 p-aramid 소재를준비하였다. 2.1.2 시약및염료아라미드소재의팽윤및염료침투를위하여시약급의팽윤조제와상업용팽윤제( 니카코리아) 를 9 종입수하여실험에사용하였다. Corresponding author. Tel.: +82-53-350-3911; Fax.: +82-53-350-3736; e-mail: romancehong@dyetec.or.kr c2011 The Korean Society of Dyers and Finishers 1229-0033/2011-12/298-303 Ⅰ298Ⅰ
아라미드소재의침염및날염 Ⅰ299Ⅰ 염색에사용된염료는국내외메이커에서상업용으로사용되는캐치온염료를적용하여발색성및견뢰도에따른최적염료를선별하였다. 3.1 3. 팽윤제선정 결과및고찰 2.2 염색성평가 염색성평가를위해 Mathis사의 IR 염색기 LABOMAT 를이용하였으며, 염조제종류및사용량, 염색온도등을달리하여 40분간염색하였다. 염색물의색상강도는 Computer Color Matching system인 Color-7X (Kurabo, Japan) 로반사율을측정, Kubelka-Munk식에따라 K/S 값으로산출하였다. 2.3 침염및날염공정 침염테스트의기본염색공정은 Fig. 1과같이 50 승온후, 팽윤제를투입하여아라미드직물에처리하고 15 분후염료투입, 25분후중성염투입으로진행하였다. 날염테스트는선정된 Huntsman사의캐치온염료와안료를적용하였으며기존날염조제( 상업용) 에적용되는알지네이트계, 셀룰로스계, 아크릴계호제를적용, 습윤제및고착제를첨가하여날염페이스트를준비하였다. 2.4 견뢰도평가 각조건에따라염색한시료에대해서염색견뢰도를조사하였으며, 이때염색물의세탁, 마찰, 일광에대한견뢰도측정은각각 KS K 0430 A-1, KS K 0650 ; 크로크미터법, ISO 105 B02 (63, 20hrs, water-cooled xenon-arc lamp, continuous light) 의규격에따라평가되었다. 아라미드소재와캐치온염색은강산조건하에서양이온화된염료가아라미드소재의아미드결합에이온성결합을하여염착이이루어지는것으로설명되고있으며, 이때색상발현수율을올리기위하여분자구조가치밀하고소수성인아라미드섬유에팽윤 / 캐리어적용이요구된다. 이에따라본연구에서는팽윤제를종류별로입수 / 적용하여팽윤제종류에따른염색성을살펴보았다. 팽윤제는친수성및소수성팽윤제, 상업용캐리어를이용하여적용하였으며, 메타아라미드소재(Nomex) 에대한캐치온염색실험을진행하였으며, 직물시료 5g, 염료(D사 -Red color) 5% o.w. f., 욕비 1:20 으로 ph 4의조건으로 120 에서 40 분간실시하였다. Fig. 2은메타아라미드소재에대한팽윤제종류별염색시료의색상강도를비교한것으로벤질알코올계팽윤제적용시가장높은색상강도를얻을수있었으며, 페녹시프로판올이그다음순으로높은색상강도를보였다. 메타아라미드소재염색에서주로많이사용되는방향족알코올계팽윤제가색상발현수율에서가장유리하며이들은소수성팽윤제로섬유염착및침투에효과가있음을알수있다. 3.2 팽윤제농도에따른염색성 팽윤제사용량에따른염색물의색상강도를측정하여염색성비교테스트를진행하였다. 염료는선정된 H 사의캐치온염료(Red) 1종을사용 Fig. 1. Dyeing process on aramid fabric. Textile Coloration and Finishing, Vol. 23, No. 4
Ⅰ300Ⅰ 홍진표 김미경 윤석한 최우혁 A Benzyl alcohol F Butyl diglycol B Dimethyl acetamide G Butyl triglycol C Dimethyl sulfoxide H 1-Phenoxy-2-propanol D N-Methyl pyrrolidone I 2-Ethoxy benzyl alcohol Fig. 3. Color strength depending on the concentration of swelling agent(dye ; 5.0% o.w.f., Liq. ratio ; 1:20, ph4, Time ; 40min). E DH-09(Commercial carrier) Fig. 2. The effect of swelling agent on the dyeability of m-aramid fabrics to cationic dyes. 하였으며염색조건은앞의실험에서와같다. 벤질알코올계팽윤제사용량은 10, 30, 50, 70, 100 ml/l 로달리하였으며, Fig. 3에서보는바와같이팽윤제 50ml/L 이상의적용에서충분한색상강도가나옴을알수있다. 1:20의욕비에서직물 5g에대하여충분한침투가이루어지는팽윤제농도가 50ml/L 이상이며더많은직물이적용될경우욕비와팽윤제의농도변화가검토되어야한다. 3.3 중성염효과 염색공정중에첨가되는중성염은염욕에있으려는염료의용해도를줄임으로써염료와섬유간의친화력을향상시키는효과가있으며다시염욕으로빠져나오는염료의성향을줄임으로최종염색물의색상강도증진에도움이된다. 중성염첨가에따른염색테스트역시앞의염색공정과같은조건으로진행하였으나사용되는중성염의농도를 5, 10, 20, 30 g/l로달리하여진행하였다. Fig. 4에중성염첨가에따른효과를색상강도비교를통하여나타내었다. 아라미드소재의캐치온염색에서중성염인 NaNO 3 첨가는보다높은색상발현수율을보였으며 10g/L 이상의사용을통하여중성염효과를나타내었다. Fig. 4. The effect of NaNO 3 on the dyeability of m-aramid fabrics to cationic dyes(dye ; 5.0% o.w.f., liquor ratio ; 1:20, ph 4, 40min). 3.4 염색온도및염료농도에따른색상강도비교 앞의실험에서팽윤제적용에따라염색강도가증진함을볼수있었으며팽윤제사용농도가 50ml/L 이상에서충분한효과를보였다. 또한염색공정중첨가되는중성염농도는 10g/L 이상적용하였을때색상강도가증가되었다. 이에염색온도및염료농도조건에따른염색성테스트에서는팽윤제 50ml/L와중성염 10g/L 를적용하였으며, 온도90, 100, 110, 120, 130 조건에서선정된캐치온염료(H사 Maxilon series) 의염색공정을진행, 염색물의색상강도를측정하였다. Fig. 5에염색온도조건에따른색상강도를비교하였으며, 고온의염색조건일수록색상발현수율이높아짐을알수있다. 120 이상의조건에서는염색시료의색상강도차이가미미하며 120 의조건으로충분한염착이이루어졌다. 한국염색가공학회지제 23권제 4호
아라미드소재의침염및날염 Ⅰ301Ⅰ 120 의온도조건으로사용염료량을달리하여염색테스트를진행하였다. 염료농도는 0.5, 1, 3, 5, 10% o.w.f. 로조정하였으며,Fig.6에서보듯이염료사용량이증가함에따라색상강도가증가하였지만 5% o.w.f. 이상의조건에서는색상강도증가정도가크지않음을알수있었으며, 3% o.w.f. 이상의염료농도적용시, 일반 PET 분산염색에서중농색수준인 K/S 15 20(Red : 540nm, Blue : 610nm), K/S 7 8(Yellow : 470nm) 의염색결과물을얻을수있었다. 파라계아라미드직물의경우, 염색온도에따른테스트결과를 Fig. 7에나타내었으며염색온도조건이고온일수록염착이많이이루어짐을알수있다. 이는파라아라미드소재가메타아라미드의경우보다치밀한분자구조로염료의침투가어려워상대적으로고온고압의조건이요구되기때문이다. 3.5 아라미드염색물견뢰도 Table 1은팽윤제적용메타아라미드소재염색물의세탁, 마찰, 일광에대한견뢰도를나타낸것으로세탁, 마찰의경우 4-5급으로양호하나일광에대한견뢰도의경우캐치온염료의특성으로 3 급이하의결과를보였다. 3.6 아라미드소재날염테스트 캐치온염료를적용한아라미드소재의날염공정에서사용된호제는알지네이트계호제와셀룰로오스계호제이며, 단독호제적용에서알지네이트계호제의경우발색성이우수하나증열시날염호의번짐현상이있었으며, 셀룰로오스계호제의경우발색성은상대적으로약했으나염료번짐이거의없음을확인하였다. Fig. 5. The effect of dyeing temperature on the dyeability of m-aramid fabrics to cationic dyes(dye ; 5.0% o.w.f., liquor ratio; 1:20, ph 4, 40min). Fig. 6. The effect of dyeconcentrationonthe dyeability of m-aramid fabrics to cationic dyes(liquor ratio; 1:20, ph 4, 120, 40min). Fig. 7. The effect of dyeing temperature on the dyeability of m-aramid fabrics to cationic dyes(dye ; 5.0% o.w.f., liquor ratio; 1:20, ph 4, 40min). Table 1. Color fastness of the m-aramid fabrics dyed with cationic dyes(dye ; 5.0% o.w.f., liquor ratio ; 1:25, ph4at120 for40min) Washing Color fastness Cationic dyes Red Blue Yellow Shade change 4-5 4-5 4-5 Staining Acetate 4-5 4-5 4-5 Cotton 4 4-5 4-5 Nylon 4-5 4-5 4-5 PET 4-5 4-5 4-5 Acrylic 4-5 4-5 4-5 Wool 4-5 4-5 4-5 Dry 4-5 4-5 4-5 Rubbing Staining Wet 4 4-5 4-5 Light Shade change 2 3 3-4 Textile Coloration and Finishing, Vol. 23, No. 4
Ⅰ302Ⅰ 홍진표 김미경 윤석한 최우혁 따라서캐치온염료날염에적용된호제는알지네이트 2 wt%, 셀룰로오스 3 wt% 를혼합하였으며산성고착제 2 wt% 로하여습윤제농도를조정하였다. 습윤제사용농도는 1, 3, 5, 10, 20 wt% 로조정하였으며각각의스크린날염후, CCM system 을이용하여색상강도를측정하였다. Figs. 8, 9에메타아라미드와파라아라미드직물의날염테스트결과를나타내었으며, 습윤제의사용량에따라큰변화는없으나 5wt% 이상적용할경우염색시료의색상강도가약간증가함을볼수있었다. 색상강도는기존 PET 분산염색에서의담색수준이하로높은발색성을보이지는않았지만난염성인아라미드소재에담색의날염이가능함을알수있었다. 반면안료를이용한날염의경우, Fig. 10에서보는바와같이캐치온염료적용날염공정과비교하여높은발색의날염물을얻을수있었으며, 안료농도가증가함에따라발색성이높아짐을확인하였다. Fig. 8. Color strength depending on the concentration of swelling agent(dye conc. ; 1 wt%, m-aramid, screen print). Fig. 10. Color strength of the printed m-aramid samples by pigment printing. 4. 결 론 난염성의아라미드소재에대한염색방법으로캐치온염료를이용한팽윤제적용침염테스트를진행하였다. 팽윤제종류에따른염색성을살펴본결과벤질알코올계, 페녹시프로판올계팽윤제에서높은색상강도를보이는염색결과를얻을수있었으며, 팽윤제사용농도는충분한색상강도의염색물을얻기위하여직물 5g 기준 1:20의욕비의염색에서 50ml/L 이상의팽윤제가요구되었다. 염색공정중중성염 (NaNO 3 ) 의투입은염액의용해도를낮게함으로써염료가섬유밖으로탈리되는현상을줄임으로발색성향상에효과가있었으며, 염색온도조건은메타아라미드의경우 120 이상에서충분한염색성을보였고파라아라미드의경우치밀한분자구조에의해보다높은염색온도조건(140 이상) 을요구하였다. 캐치온염료로염색된메타아라미드직물의견뢰도는세탁, 마찰에대하여 4-5급이상으로양호함을알수있었다. 아라미드소재의날염공정에서캐치온염료를적용할경우낮은발색으로담색의날염물을얻을수있으나, 안료날염을적용할경우충분한발색성의날염공정을진행할수있었다. 감사의글 Fig. 9. Color strength depending on the concentration of swelling agent(dye conc. ; 1 wt%, p-aramid, screen print). 본연구는지식경제부슈퍼소재융합제품산업화사업의지원으로수행되었으며, 이에감사를드립니다. 한국염색가공학회지제 23권제 4호
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