9. 섬유제품의일광견뢰도 9.1 서언 염색물이일광등에노출되었을때퇴색되지않고견디는성질 ( 저항성 ) 을일광견뢰도 (colorfastness to light) 라고함. ( 예, 햇빛에의해바래지거나매장에서전시해놓은제품이스포트라이트빛등에의해변색되는현상 ) 평가법의효시 : 1939년프랑스의 Dufay에의해처음으로실시 - 태양광시험법 : 맑은날오전 9시부터오후 3시까지태양광에직접노출시켜퇴색정도를판정 - 주광시험법 : 시험편을 24시간동안실외에노출시켜퇴색정도를판정 최근에는짧은시간내정확하게시험할수있고, 태양광과유사한스펙트럼을 갖는인공광원을사용하는방법이일반적으로사용되고있음. 일광견뢰도시험의일반적인방법 - 시험편과표준청색염포 * 또는시험편만을적당한광원하에서눈에띌수있는정도의퇴색 ( 표준퇴색 ** ) 에이르기까지퇴색시켜시험편과표준청색염포의시험전후의퇴색정도를비교 - 시험편이표준퇴색될때까지소요되는표준퇴색시간을측정하여등급을결정하는방법 [ 참고 ] * 표준청색염포 : 일광견뢰도시험에서광을조사하는시간을결정하기위해사용하는표준물질로서 1 급부터 8급까지있으며, 수치가클수록광에대한저항성이강하고, 표준퇴색에필요한시간이오래걸린다. ** 표준퇴색 : 조광된시험편과조광되지않은시험편을비교하여변퇴색용표준회색색표 4급과동일 하거나표준청색염포를 20 표준퇴색시간조광하였을때의 L4 와같은정도를말한다. 9.2 염료의퇴색메커니즘 KOTITI 연구개발본부정보교육지원팀 1
염색물에빛이도달하면굴절, 반사및흡수등이일어나는데, 흡수된빛은염료 에여러반응을일으켜염료를퇴색시킨다. 빛에의한염료의퇴색은광이성화, 광 산화및광환원반응으로분류됨. 광이성화염료의분자구조는안정적인트랜스형으로존재하지만, 빛을흡수하면시스형으로변한다. 시스형염료는트랜스형염료에비해흡수가단파장쪽으로이동할수록흡수에너지가커져이성화에의한변색이발생한다. ( 예, 스틸벤형형광증백제 ) 광산화광퇴색의많은부분은대기중산화에의한것으로, 빛을흡수하여여기된염료분자의에너지가산소분자로이동하여활성산소및과산화수소를생성하며, 이것에의해염료가산화퇴색한다. ( 예, 아조염료 ) 광환원 빛을흡수하여여기된염료분자가다른물질과의반응으로환원되어퇴색됨. 9.3 일광견뢰도에영향을미치는요인 섬유내에서염료의존재상태 - 일광견뢰도는염료의집합상태와밀접한관계가있음. - 섬유내부에염료집합체가형성될경우일반적으로일광견뢰도는우수함. - 일광견뢰도의증진은염료집합체의형성으로빛의흡수, 에너지분산등이일어나서광화학반응에영향을주기때문임. - 섬유내부에염료집합체가크게형성되면, 집합체안쪽에위치한염료분자는직접빛에노출되지않음. 염료농도 - 염료농도가증가하면, 일광견뢰도가향상되는것은염료가섬유내에서집합 체를형성하기때문임. KOTITI 연구개발본부정보교육지원팀 2
- 퇴색이빛, 공기및수분에노출되는염료입자의표면부분에서만일어난다고가정하면, 퇴색속도는이들과접하는표면적에좌우됨. - 염료농도가한계농도이상이되면, 섬유집합체표면에존재하는염료에비해안쪽에존재하는염료의농도가높아짐. - 퇴색되는염료비율이감소하게되면일광견뢰도가향상됨. - 염료농도가증가하더라도일광견뢰도가나빠지는경우는소수성섬유에적용되는분산염료, 분산성형광증백제등에서나타남. 염료의물리적인상태 - 염료의흡수스펙트럼은단분자형태염료 ( 장파장쪽 ) 와집합형태의염료 ( 단파장쪽 ) 의 2개의파장대가나타남. - 수용성염료의경우장파장쪽에서빛을흡수하는단분자상염료가집합체염료보다빨리퇴색한다면, 장파장쪽의광학밀도는단파장쪽보다빨리감소하게됨. - 비수용성나프톨염료에서는정반대효과를나타내는경우가있는데이는램프의열로인해집합형태의염료가붕괴됨으로써, 단분자형태의염료비율이증가하기때문임. 염료의화학구조 - 산화에대한저항력이강한치환기를가진염료는일광견뢰도가높음. - 동일한치환기를갖는염료일지라도단백질계섬유에서는이와반대로산화저항도가증가함에따라일광견뢰도가감소함 < 표 1>. - 수용성염료의경우짧은알킬기로치환하여계면활성을약간증가시키면, 일광견뢰도를개선시킬수있으나, 계면활성이현저히증가되면, 오히려낮아질수도있음. - 술폰기의위치도일광견뢰도에영향을미치는데, 염료분자의술폰화도가증가하거나술폰기의위치가대칭적으로위치할수록견뢰도는향상됨. - 직접염료의경우에는염료중에아미노기나수산기가존재하면, 견뢰도가저하됨. - 아조기가 3개이상인아조염료는비교적일광견뢰도가높음. KOTITI 연구개발본부정보교육지원팀 3
< 표 1> 염료분자의치환기가일광견뢰도에미치는영향 기질염료의종류치환기 셀룰로스및셀룰로스유도체섬유 음이온성및비이온성 monoazo 계염료 -Cl, -NO 2 등 -CH 3, -OCH 3 등 견뢰도에미치는영향 향상저하 젤라틴, 실크, 양모 음이온성 monoazo계염료 -Cl, -NO 2 등저하 -CH 3, -OCH 3 등향상 아크릴섬유 양이온성 triphenylmethane계염료등 -NR 1R 2 저하 젤라틴, 양모 음이온성 monoazo계염료 -SO 3Na 향상 셀룰로스섬유 직접염료 ( 유리 )-OH, -NH 2 저하 >3(-N 2-) 또는불연속공유결합 향상 염료와섬유간결합력 - 공유결합은강한결합력을갖지만, 오히려공유결합비율이많을수록일광견뢰도가저하됨. - 공유결합한염료는단량체인데반하여, 이온결합한염료는미셀상태로존재하여염료집합체를형성함. - 섬유에이온상태로고착된염료는고착비율이감소할수록견뢰도가떨어지며, 공유결합을형성하는염료는공유결합비율이증가할수록견뢰도가떨어짐. 아크릴섬유의염기성염료염색 - 염기성염료의일광견뢰도는섬유와이온결합을형성하려는경향이커질수록향상됨. - 비단백질성기질에서는염료분자의산화에대한저항도가증가할수록일광견뢰도는향상됨. 셀룰로스섬유의직접염료염색 - 양이온성계면활성제로후처리할경우, 일광견뢰도가저하되는이유는반데르발스힘에의해셀룰로스분자쇄에정상적으로부착된염료분자는양이온성계면활성제와착염을형성함으로써섬유분자와밀접한결합을잃게됨. 착염을형성한염료분자는흡수된광에너지를열의형태로셀룰로스섬유에전달할수없기때문에광분해되기쉽게됨. KOTITI 연구개발본부정보교육지원팀 4
단백질계섬유의산성염료염색 - 양모섬유의경우, 일반적으로산성염료분자의술폰기수가증가하면일광견뢰도가향상되는데, 이는염료의대부분이섬유와직접적으로결합하는것이아니라집합상태로존재하여산란을일으키기때문에염료의계면활성이감소하여물리적상태에변화가생기기때문임. 9.4 기질구조 공정수분율이큰섬유 - 친수성섬유의일광견뢰도를비교해보면비결정영역이큰섬유, 즉공정수분율이큰섬유일수록높은일광견뢰도를나타냄. - 이는섬유의비결정영역이크면, 염료입자가큰미셀을형성할수있기때문이다. 또한섬유의다공성이일광견뢰도에미치는영향을관찰한결과, 작은미셀을형성하는염료라도섬유의비결정영역이크면평균적으로큰입자로성장할수있음. 공정수분율이작은섬유 - 대부분의염료는섬유의공정수분율이크면, 일반적으로일광견뢰도가개선된됨. 그러나공정수분율이아주작은섬유에서는염료에따라서서로상이한현상을나타내는경우도있는데, 분산염료의경우아세테이트섬유보다폴리에스터섬유와아크릴섬유에대해일광견뢰도가더좋고, 염기성염료는면이나양모보다아크릴섬유에대해일광견뢰도가더우수함. 9.5 첨가제 섬유내에염료이외의첨가제가존재하는경우 - 대다수염료의일광견뢰도는일반적으로저하되는경향이있음. - 이는섬유의비결정영역에염료이외의물질이존재함으로써염료집합체의성장이제한을받기때문인것으로추정됨. KOTITI 연구개발본부정보교육지원팀 5
이산화티타늄 - 이산화티타늄이일광견뢰도를저하시키는것은과산화수소발생으로인한촉 매효과등에의한것으로추정됨. 방추가공용수지 - 방추가공용수지가일광견뢰도에역효과를가져오는것으로알려져있는데, 그원인에대해서는아직정확한메커니즘이밝혀지진않았고, 수지와염료간의반응에기인되는것이아니라, 광산란과같은물리적인요인에의한것으로보고된연구결과가있음. 양이온성후처리제 - 직접염료로염색된셀룰로스섬유의습윤견뢰도를증진시키기위한약제중일부는일광견뢰도를저하시킴. - 이는색상이담색일때는처리제에의해염료집합이촉진되며, 색상이짙어짐에따라염료와양이온활성제집합이촉진되어염료입자보다빛에불안정한혼합미셀이형성되기때문임. 수소결합형성제 - 페놀은염료와함께존재할때일광견뢰도를저하시킨. - 이러한효과는분산염료로염색된폴리에스터섬유의경우, 수소결합형성제인 4-hydroxydiphenyl을캐리어로사용할때, 견뢰도가저하되나수소결합형성력이없는 diphenyl을사용할경우에는저하되지않음. 자외선흡수제 - 일광견뢰도에서대부분퇴색은자외선에기인하는것이므로무색의자외선흡수물질을섬유내부에또는투명한피막상태로사용하면퇴색이지연되는것으로알려져있음. - 자외선흡수제는비수용성이므로친수성섬유에응용할수가없고, 폴리에스터섬유와같은소수성섬유에는응용할수있음. - 자외선흡수제는광화학반응의발단이되는자외선 (300 400nm) 을흡수하 KOTITI 연구개발본부정보교육지원팀 6
여자외선차단효과에의해일광견뢰도를향상시킴 - 자외선흡수제 : benzophenone, salicylate,benzotriazole, benzotriazine 9.6 기타요인 퇴색의진행속도를결정하는요인 - 대기의조성, 온도및상대습도 - 대기중의산성불순물 : 가스퇴색 - 대기중의오존농도 - 온도변화 : 친수성섬유의수분함유량에영향을미치며, 수분함유량의증가는염료의퇴색속도를크게증가시키는원인이됨. 9.7 일광견뢰도저하원인과대책 < 표 2> 일광견뢰도저하에영향을미치는원인과대책방안 구분일광견뢰도저하원인대책 원단 염료 조제 염색및가공 천연협잡물 : 내광성저하 원단자신의내광성이나쁜경우내광성이우수한염료를사용해도일광견뢰도는저하됨. 배합된염료중하나라도내광성이나쁘면일광견뢰도는저하됨. 특히자주색 (purple) 및남색 (blue) 에서구조적으로약한염료가있음. 태를개선시키기위해양이온계유연제등을다량사용하면일광견뢰도를저하시키는경향이있음. 염색법의부적합또는소핑불량으로표면염착, 미고착및가수분해염료가발생할수있음. 수지가공제가영향을미칠수있다. 정련, 표백 일광견뢰도가좋은염료를배합하여사용한다. 비이온, 음이온계유연제는상대적으로일광견뢰도저하가적다. 충분히소핑을하여미고착염료를제거함. 락트산등을이용하여수지를탈락시킴. ( 변색이발생할수있으므로예비시험필요 ) 산업자재에서높은일광견뢰도가요구되는제품에는자외선흡수제등을사용함. ( 면, 폴리에스터, 아세테이트등 ). 무기금속염을사용하여섬유상에콤플렉스를생성시키거나합금속염료를사용하면향상됨. ( 단, 처리농도를높게하면변색을일으킬수있음 ). KOTITI 연구개발본부정보교육지원팀 7
9.8. 시험방법 인공광원의종류 1 카본아크 - 카본아크는공기의결합이제한되어탄소의연소속도가느리고, 사용중에거의주의를요하지않기때문에보편적으로사용되고있음. - 일반적으로상하로위치한음양의 2개의탄소봉에고전압을걸을때전기에너지가빛에너지로바뀌는데, 이때발하는빛 (365nm) 이태양광선의자외선과거의같은효과를나타냄. 2 제논아크 - 한쌍의전극을봉입한발광관내에제논가스를넣은후, 방전시키면백색광을방사함. - 1 기압가스를넣은 ( 장 ) 아크방전등과 20 30기압가스를봉입한고압 ( 단 ) 아크방전등의 2 종류가있는데, 후자가표준광으로특성이우수함. - 제논광원은단아크용제논램프를적당한필터와조합시킨인공광원으로자연광과유사한분광분포를가짐. - 복사계로측정한추천조사량 ( 단위면적당조사량 ) 은공냉식의경우파장범위 300 400nm에서 42W/ m2 파장 (nm) 이고, 수냉식의경우 420nm에서 1.1W/ m2 파장 (nm) 임. 시험법 1 시험장치는 Fade-O-meter를사용한다 < 그림 1>. 내부에는시험편을끼우는홀더와 2 4 rpm으로회전하는원통형샘플랙이있으며중앙에는광원이있다. 온도조절을위한통풍장치가있으며습도조절을위해챔버의바닥에는물이채워져있다. 이시험장치는주기적으로점검을실시하여빛의강도, 습도및기계성능을확인해야함.. 2 시험편은약 6.9cm 12cm 또는 3cm 6.9cm 정도의크기로준비하고, 시험기 내부에있는샘플랙에시험편을걸고작동시켜빛에노출시킨다. 이때블랙 KOTITI 연구개발본부정보교육지원팀 8
패널의온도는 63±3, 상대습도는 30±5% 를유지함. 3 시험이끝난시료는검은색표지를씌운채로컨디셔닝룸에서최소 2 4 시간 동안방치한후판정함. (a) Xenon-arc type < 그림 1> Fade-O-meter (b) Carbon-arc type 판정방법 1 표준시료를사용하는경우구매자가제시한표준시료와생산자가생산한시료를동일한조건에서노광시킨후, 생산자시료가표준시료보다일광에견뢰하면합격, 그렇지못하면불합격으로판정함. 2 일정일광견뢰도급수를갖는 L1 L8의표준청색염포를사용하는경우시험편과 L1 L8의 8종류의표준청색염포를준비하여일광시험기에규정된조건에서조사시킨후시험편이표준퇴색에도달될때표준청색염포와비교하여일광급수를판정하는방법임. 3 표준퇴색시간 (S.F.H : Standard Fading Hour) 에의한방법 시험편이표준퇴색되는데걸리는표준퇴색시간 (5, 10, 20, 40, 80, 160, 320 시간 ) 을확인하여일광급수를판정하는방법임. KOTITI 연구개발본부정보교육지원팀 9
4 제품용도나특성에따라규정시간동안시험편을노광시킨후변퇴색을판정하는방법 - 최근에많은구매자가채택하고있는데, 이방법은시험장치의조건을정확하게유지, 작동시키는것이무엇보다우선되어야함. - 일반적으로미국, 유럽및국내바이어의경우 20 AFU(AATCC Fading Unit) 와 10 AFU 만큼조사한후각각의시료에대해변퇴정도를변퇴색용그레이스케일로판정하며, 일본바이어의경우 4급과 3급조사시료를각각의표준청색염포와비교판정함. 조사부 조사부 시험전시료 시험후시료 시험전시료 시험후시료 시험전시료시험후시료시험전시료시험후시료 [A] [B] A: 광조사에의한표준청색염포의색상변화정도, B: 광조사에의한시료의색상변화정도 < 그림 2> 시험시료의급수판정개념도 - 표준청색염포 (AATTC : L2, JIS : 3급 ) 와생지를비교한경우, 바이어별시험결과판정 < 그림 2>. 1) 미국및국내바이어의경우 ( 예 : 3급 (10 AFU)) 시료 (B) 의색상변화정도를변퇴색용그레이스케일로판정한다 2) 일본바이어의경우 ( 예 : 3급 (10 AFU)) KOTITI 연구개발본부정보교육지원팀 10
A 보다 B 가색상변화정도가작은경우, 3 급이상, A 와 B 가색상변화정 도가동일한경우, 3급, A보다 B가색상변화정도가큰경우, 3급미만 으로판정함. 바이어별일광견뢰도품질기준 1 GAP 구분품질기준시험법 @10AFU - Colors - White & Neon @20AFU - Colors - White & Neon - Leather - Suede @40AFU - Indigo - Swimwear 3.5 3.0 3.5 3.0 3.5 3.0 4.0 2.0 AATCC 16 (Option 3) *Neon : 형광염료를사용한염색물의총칭 2 TARGET 구분 5 AFU 10 AFU 20 AFU 시험법 Woven Non-Garment washed Bulk & Early Reads Woven Garment washed Bulk & Early Reads Knit Non-Garment washed Bulk & Early Reads Knit Garment washed Bulk & Early Reads Outer wear Bulk & Early Reads Sweater Bulk & Early Reads Swim wear Bulk & Early Reads Silk 3.0 3.0 Ultimates 4.0 Silk 3.0 3.0 Ultimates 4.0 Silk 3.0 3.0 Ultimates 4.0 Silk 3.0 3.0 Ultimates 4.0 Standard Colors 3.5 3.0 Sweater 3.5 3.0 (Except for Neons) Swim wear 3.5 3.0 AATCC 16 (Option 3) KOTITI 연구개발본부정보교육지원팀 11
3 KAKEN [ 시험법 : JIS L 0842] 구분 재킷, 직물 코트류 Bottom류 셔츠류 니트 피혁 셔츠류스웨터류속옷류모자류 모피제품 안감류 급수 4(3) 4(3) 3 3 3 3 4(3) 4(3) 3 ( ) : 담색등에적용 4 국내바이어 A 사 [ 시험법 : KS K 0700] 구분 드레스셔츠류 바지류스웨터류 T- 셔츠류 재킷, 코트류 수영복모자, 스카프 장갑류양말가방류 급수 3-4(3) 3-4(3) 3-4(3) 3-4(3) 3-4(3) 3-4(3) 3-4(3) 3-4(3) 3 *After 20 AFU, ( ) : 담색등에적용 KOTITI 연구개발본부정보교육지원팀 12