김태경 윤석한 임용진 * 1 손영아 ** 한국염색기술연구소염색연구팀경북대학교공과대학염색공학과충남대학교신소재공학부섬유공학과접수채택 서 론 셀룰로오스는풍부한천연의고분자물질로서해마다전세계적으로수십억톤이생산되고있으며이로부터제조된면이나마섬유와같은천연섬유를비롯하여화학적인공정으로일부변형을가한재생섬유를포함하면셀룰로오스섬유는전세계섬유총생산량의를차지하고있다이들셀룰로오스섬유는흡습성이나염색성등이우수하고일상적인환경에서의물성과안정성도충분 하므로가장보편적인섬유로사용되고있다셀룰로오스섬유중에서도특히면섬유의경우응용성을향상시키기위해여러가지가공이많이행해지고있으며대표적인머어서화가공을비롯하여방추가공이나방오가공방염가공발수가공등도필요에따라선별적으로실시한다이외에반응성염료나직접염료산성염료등과같은음이온성염료들의경우에는흡착속도와흡착량을높이기위해면직물을양이온화하는연구도지금까지많이이루어졌다이에비하여면섬유를음이온화하기위한연구는상대적으로적으며또한면섬유자체의화학적개질이주를이루고있고그방법에있어서도실용성이낮으며섬유
의황변이나물성저하등의문제점도있다본연구에서는면섬유의음이온화를시도하기위해반응성염료의반응성기로서많이사용되고있는디클로로트리아진환을가지는음이온화제를합성하였다이러한시도는면섬유자체의화학적개질에비해실용성이우수하므로몇몇연구자들에의해시도된바있으나다양한응용분야로확대되기위한지속적인연구결과가보고되고있지는않다디클로로트리아진환은실온에서도셀룰로오스섬유와쉽게공유결합을형성하므로셀룰로오스섬유에견고한음이온기를부여할수있으며따라서양이온성의물질들을강하게흡착할수있을것으로생각된다양이온성의물질들로는카티온염료를비롯하여급암모늄염계의항균제등을들수있으며또한자체가양이온성은아니더라도에따라서양이온성이될수있는키토산이나실크의정제에서나오는세리신과같은아미노산성분들도잠재적인양이온성물질로고려할수있다그리고응용분야에따라서는중금속이온을흡착할수있는섬유상또는직물상의흡착포로의사용도가능할것으로생각된다본실험에서는이러한저온반응형음이온화제응용의기초연구로서효율적인합성공정을설계하고음이온화제를합성한후이를면직물에처리함으로써면직물을음이온화시키고카티온염료를사용하여양이온성화합물의흡착성을검토하였다 시료및시약 실 험 실험에사용한면직물은시험용표준백포를사용하였다음이온화제의합성에사용한를비롯한각종시약들은급시약을정제하지않고그대로사용하였으며카티온염료로는을정제하여사용하였다 반응형음이온화제의합성 의탄산나트륨을 의증류수 에먼저용해시키고여기에 의 를용해시킨다 이용액용액 을 로냉각시킨다 의 를 의아 세톤에용해시키고이용액을 의분쇄된얼음 이들어있는 의증류수에첨가한다 의염 산수용액를첨가하여를로조절하고로냉각유지시킨다용액교반하면서용액을용액로천천히첨가한후탄산나트륨수용액을적하하여를으로조절한다반응이진행되면백색의고체가석출되기시작하며로유지하면서분간교반하여반응을종결한다얻어진백색의고체생성물을흡인여과하고여과지상에남은백색생성물을소량의증류수를사용하여차수세하고다시아세톤으로수회세척하여미반응물을완전히제거한다여과수세된생성물을실온에서감압건조하였으며이때얻어진생성물은으로써수율은였다 합성음이온화제의 분석 음이온화제의합성여부를확인하기위해분석을실시하였다사의을사용하였으며합성음이온화제소량을물에용해시키고이를의인을사용하여물과메탄올을으로한이동상으로의속도로분리하였으며조건은로를로하여분석하였다 합성음이온화제의면직물에대한처리및고착량계산 합성음이온화제가저온반응형인지를확인하기위한온도별처리실험에서는의면직물에대해욕비를으로고정하고음이온화제는탄산나트륨과황산나트륨의농도는각각와를사용하여처리온도를으로변화시켜가며분간처리하였다음이온화제의빌드업성을알아보는실험에서는처리온도는음이온화제의농도는로조절하고다른조건은위와동일하게하였다처리가끝난면직물은의증류수로회수세하여미고착음이온화제를완전히제거하였다음이온화제의고착량은초기사용량으로부터처리후잔욕에남은음이온화제와섬유상에단순히흡착한음이온화제의양을뺀값으로계산하였으며이때용액상의음이온화제의농도는최대흡수파장인에서미리작성해둔검량선으로부터계산하였다
김태경윤석한임용진손영아 카티온염료염색 합성음이온화제로처리된면직물을욕비의조건으로를사용하여염색하였다이때초산을사용하여염욕의를로조절하였으며에서시간염색하였다염색이끝난후냉수로회수세하여건조하였다 시료의측색 측색기인 를사용하여색채 와색차를측정하였으며 의파장영역 에서 간격으로측정된 를합하여 로나타내었다 결과및고찰 에디클로로트리아진계반응형음이온화제의합성경로와이합성음이온화제의셀룰로오스섬유에대한반응메카니즘을나타내었다같은몰수의와를저온에서반응시켜백색고체의음이온화제를합성하였다 a 2 CO 3 H 2 SO 3 H H 2 SO 3 a H Synthesized anionic agent Cellulose -H SO 3 a Cellulose O -H H SO 3 a 음이온화제의 합성여부를 확인하기 위하여 분석을실시하였다 는합성음이 온화제의 분석결과를나타낸것으로 에서주피크가나타나고 에서작 은피크가나타났다이들두성분은 를지 나 로주입되면서각각의질량분석스펙트럼이 얻어졌다 은먼저 에서나타난주 피크의질량분석결과를나타낸것으로 의세가지질량분석피크가크게나 타났다합성음이온화제의 가 이므 로이중가장큰피크인 는합성음이온 화제에서 원자원자량 가빠진형태로서 예상대로음이온화제가합성되었음을확인할수 있다추가적으로 와 의두가지피 크가더나타나는데이는합성음이온화제내에포 함되어있는두개의염소원자의동위원소에주로 기인하는것이다 자연계의염소원자는 이 의비율로존재할때동위원소인 이 의비율로존재하므로만약분자구조내에염소원 자가두개존재한다면이들의확률적존재가능성 을고려할때 가 로존재한다면질 량수가가큰 는 질량수가가큰 는 의확률로존재해야한다그러나정 확히는화학구조내에는산소원자나황원자의동위 원소도함께고려해야하므로이들을종합하여확 률적으로계산하면이론적인동위원소피크를계 산할수있다이렇게이론적으로계산한동위원 소피크의강도와실제 분석을통해얻은동 위원소피크의강도를 에나타내었다 에서도알수있는바와같이이론적으로 계산한값과실제얻은결과가거의일치함으로써 예상대로염소원자가두개포함된디클로로트리 아진계의반응형음이온화제가합성되었음을확인 하였다 는앞의 의 분리성분중 의성분이 로도입되면서분석된것 으로서 의피크가강하게나타났으며 에서와같은동위원소피크는보이지않았 다 은그림에서도알수있는바와같이 합성음이온화제가합성과정중에소량가수분해 되어생성된가수분해물임을확인할수있다가 수분해물에서는동위원소피크에주로기여하는 염소원자가존재하지않으므로동위원소피크는 의미있는수준으로나타나지는않는다 디클로로 트리아진환의반응기는셀룰로오스섬유와저온에 서도쉽게공유결합을형성하지만한편으로는물 에의해가수분해도일어나기쉬운것은잘알려
Absorbance (at 278nm) Intensity Intensity 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 2 4 6 8 10 12 Retention time (min) 100 80 60 40 20 H 318.9 320.9 - SO 3 322.9 0 240 260 280 300 320 340 360 380 400 m/z 100 80 60 40 OH - SO 3 HO H 283.0 20 0 160 200 240 280 320 360 400 m/z 져있으므로합성과정중에소량의가수분해물이 발생된것으로보인다 그러나디클로로트리아진 계음이온화제가절대적으로많은양으로합성되 었음을 에서확인할수있다 본연구에서합성된음이온화제의반응기인디클로로트리아진환은일반적인반응성염료에서도흔히사용되고있는반응기로서저온에서도셀룰로오스섬유에반응성을가지므로상온에서일반적인반응성염료에의한염색과동일한공정으로쉽게섬유에처리가가능할것으로생각된다음이온화제가셀룰로오스섬유에결합함으로써셀룰로오스섬유는표면에견고한음이온기를가지게되며이로인해양이온성의물질들을결합할수있을것이다이때결합된음이온화제는반응형으로서셀룰로오스섬유와공유결합을형성하여가혹한수세등의조건에서도탈락되지않고셀룰로오스섬유의영구적인음이온화가가능하게된다본합성음이온화제는디클로로트리아진계의저온반응형으로설계되었으므로이를확인하기위해온도별고착량을조사하였다는의온도구간에서의면직물에대한고착량을조사한것으로그림에서도알수있는바와같이온도가낮아질수록음이온화제의고착량이증가하여실험구간에서는에서의고착량이가장큰것으로나타나예상대로저온반응형의거동을보임을확인하였다이는트리아진환에전기음성도가큰염소원자가두개치환되는경우염소원자가직접결합되어있는각각의탄소원자의양성도가커질뿐아니라이들에대해각각위치에있는탄소원자의양성도도증가하여서로가상승효과를일으키므로이반응기의반응성이더욱커지기때문으로이미잘알려진사실이다따라서이후의실험에서는음이온화제의처리온도를로하였다 Fixed amount (mg/g fiber) 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 20 30 40 50 60 70 80 90 Temperature ( o C)
김태경윤석한임용진손영아 음이온화제의빌드업성을알아보기위해최대까지사용량을변화시켜가며고착량을조사하였다그결과에서도알수있는바와같이정도까지지속적으로고착량이증가하였으나그이상의농도에서는음이온화제의농도를증가시켜도더이상섬유에고착이일어나지않으므로포화고착량은약임을확인하였다 Fixed amount (mg/g fiber) 2 15.0 1 5.0 0 10 20 30 40 50 60 Conc. of anionic agent (% owf) Absorbance 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 200 300 400 500 600 700 Wavelength (nm) 본연구는반응형음이온화제로섬유를음이온화시키고음이온화된셀룰로오스섬유에양이온성의물질을결합시키기위한것으로바람직하게는합성음이온화제의색상이없어야한다기존의섬유가공제는무색인경우도있으나많은경우에유백색이나담황색등의색상을다소가지는경우가많다물론이들이섬유에처리되었을때실용적인수준에서섬유의변색을가져오는것은아니지만가공제가완전무색이라면더욱바람직할것이다따라서본연구에서합성된음이온화제가색상을가지는지를확인하기위하여음이온화제의을측정하였다그결과에서와같이영역인에서최대흡수파장을가지며약이상의영역에서는전혀흡수를가지지않으므로색상이전혀없는완전백색의음이온화제임을확인하였다또한에서와같이합성음이온화제로처리한면직물과미처리면직물의색상을측정하고이들간의색차를측정해본결과에서도색상은미처리면직물의백색과거의동일하며색차도로서이는동일시료에대해서도발생할수있는수준으로서사실상음이온화제처리에의해섬유의색상이전혀변화하지않음을의미한다 음이온화제로처리된셀룰로오스섬유에는다수의음이온기가부여되었으며여기에많은양이온성의물질을결합시킬수있다양이온성의물질로는카티온염료를비롯하여급암모늄염계의항균제등을들수있으며또한자체가양이온성은아니더라도에따라서양이온성이될수있는키토산이나실크의정제에서나오는세리신과같은아미노산성분들도잠재적인양이온성물질로볼수있다그리고응용분야에따라서는중금속이온을흡착할수있는섬유상또는직물상의흡착포로의사용도가능할것으로생각된다본실험에서는음이온화된면직물에대한양이온성물질의흡착가능성을확인하기위한선행연구로서카티온염료를사용하였다을사용하여음이온화처리면직물에대한흡착성을미처리시료와비교하여검토하였다음이온화제의사용량은로하였으며결과를에나타내었다미처리시료에는카티온염료가아주소량흡착하여가아주낮게나타났으나합성음이온화제로처리한면직물의경우에는미처리시료에비해서값이아주크게증가한것을알수있다이로부터합성음이온화제로처리한면직물에다수의강한음이온
성기가부여됨으로써양이온성물질의흡착성이크게높아졌음을확인할수있다 500 가진행될것이다 참고문헌 400 Total K/S 300 200 treated untreated 100 0 0 1 2 3 4 5 6 Conc. of dye (% owf) 결 론 디클로로트리아진계의반응성음이온화제를합성하였으며이를면직물에처리하여면직물을음이온화하였다본연구에서합성된음이온화제는저온반응형으로서정도에서도면직물에고착이가능하여에너지의사용을줄일수있을뿐아니라방식으로도처리가가능하고셀룰로오스섬유와공유결합을형성함으로써견고하고영구적인음이온기를부여할수있다또한본음이온화제는가시광선영역에서전혀흡수를하지않으므로색상을띠지않아후공정에서의양이온성물질의흡착시의도하지않은색상의변화를일으키지않는다면직물에부여된음이온기의성능을확인하기위하여카티온염료로염색한결과미처리직물에비해음이온화제처리면의경우에값이아주크게증가함으로써양이온성물질의흡착성이우수함을확인하였다본연구의목적은실용적인방법으로면직물을음이온화하여여기에양이온성의물질을흡착시키기위한것이다실험결과일반반응성염료의염색과거의동일한방법으로처리가가능하여실용적으로도충분히사용이가능함을확인하였다일반적으로면직물은카티온염료로염색할필요성이있는것은아니지만카티온염료의흡착성이크게향상된다는점을기초로앞으로는다른양이온성의기능성물질들을면직물에처리하는연구 조광제셀룰로오스의아니온화서울대학교공학석사학위논문
김태경윤석한임용진손영아 남성우서보영이대수 염료화학 보성문화 사