섬유염료 1 : 직접염료, 반응성염료, Vat염료

 

이번에는 섬유를 염색하는 염료에 대하여 알아볼까 합니다.

염색에 있어서는 염료의 단가, 염색성, 발색성, 균염성 그리고 견뢰도가 가장 중요하다고 볼 수 있지만 요즘은 염색의 환경적인 요인도 매우 중요하게 보고  있습니다.

 

유럽이나 미주에서는 친환경적인 소재를 많이 요구하는 추세입니다. 친환경적인 소재는 나중에 좀더 다뤄보겠지만 섬유 제조 공정이친환경적이거나 섬유의 재료가 친환경적인  것으로 나뉘어 공급되는 추세입니다.

 

그럼 여기서는 직접 염료, 반응성 염료, Vat 염료의 특징에 대하여 간단히 알아보도록 하겠습니다. 나머지 염료에 대해서는 다음 포스팅에서 다루도록 하겠습니다.

 

1. 직접 염료 (Direct dyes )

황산나트륨이나 염화나트륨 등의 중성염 하에서 직접 염착되는 염료를 말합니다. 1884년 P. Böttiger에 의해 Benzidine과 naphthion산을 커플링시켜서 만든 Congo Red(C. I. Direct Red 28)라는 염료가 최초로 발명된 직접 염료이며 이후 많은 염료가 개발되었습니다.

1) 주요 염색 소재

면, 마, 레이온 등의 셀룰로오스계 섬유를 염색 할 때 사용 됩니다. Nylon 이나 단백질계 섬유에도 염색은 가능하나 색깔이 선명하지 못하기 때문에 잘 사용하지는 않습니다.

2) 염료의 주요 화합물

화학적으로는 거의가 아조계 화합물로 이루어져 있으며 대부분이 디아조, 트리아조계로 이루어져 있습니다. 수용성을 가지기 위하여 술폰산나트륨이 결합되어 있으며 이를 간단한 화학식으로 나타내면D-SO3Na로 표시할 수 있습니다. 여기서 D는 염료모체로서 색을 발현하는 부분이고, -SO3Na는 염료에 수용성을 부여하는 부분이 됩니다. 염료분자는 벤젠, 나트프렌 등의 방향족환이 직선상으로 길게 연결되어 있으며, 긴 공액이중결합과 수소결합 가능기를 가지고 있고 이것이  색이나 셀룰로오스섬유에 대한 염착성과 관계를 나타냅니다. 

3) 직접염료의 종류

직접염료의 종류는 일반 직접염료, 고견뢰 직접염료, 후처리 직접염료로 분류됩니다. 
일반 직접염료는 일광이나 습윤에 대한 견뢰도가 낮기 때문에 의류용으로는 거의 사용되지 않습니다.  고견뢰 직접염료는 일광견뢰도가 비교적 높은 염료로서 시리우스염료로 불려지는데 일광견뢰도가 우수하고 색상도 선명합니다. 
후처리 직접염료는 염색 후 특수한 후처리를 하여
견뢰도를 향상시키는 염료입니다. 후처리로는 금속염 후처리, 현색 후처리, 커플링 후처리, 포르말린 후처리, 고착법 등이 있습니다. 

4) 직접염료의 성질

①  직접염료는 물에 잘 녹으며, 위에서 설명한 바와 같이 용해되면 음이온성을 나타내게 됩니다.

                 nD-SO3Na [<-->] (D-SO3)-n + nNa+

② 직접염료 수용액은 염료의 여러 분자가 회합된 콜로이드용액으로서 중성염 등의 전해질을 첨가 하면 염료의 물에 대한 용해도가 감소하며, 많은 양을 첨가하면 염료입자가 석출하게 됩니다. 이렇게 생긴 염석은 염료를 정제하기 위하여 사용하는 방법이며 또 염색에서는 이들 중성염이 염료의 용해도를 감소시켜 셀룰로오스섬유에 대한 염착을 증대시키는 촉염작용을 하므로 촉염제로 사용하기도 합니다.

  
 염료의 진한 수용액에 무기산을 가하면 색소산으로 되어 침전하는데 이를 산석(酸析)이라 부르며, 알칼리를 가하면 나트륨염으로 되어 용해 합니다.

  HCl  D-SO3Na ◀ 〓 ▶ D-SO3H + Na+
                            NaOH

④ 아조기를 가진 직접염료는 하이드로설파이트(환원제)로 처리하면 대부분 색소가 파괴되어 탈색됩니다. 이것을 이용하여 백색발염을 하기도 합니다.

          D-N=N-D′   +   4H →    D-NH2 + D′-NH2
           (아조염료)    (환원제)    (아미노화합물, 무색)

⑤ 직접염료의 수용액에 염기성염료나 양이온 계면활성제를 가하면 이들이 결합하여 난용성의 색소가 됩니다. 이것을 이용하여 직접염료 염색물의 습윤견뢰도를 증진시킬 수 있습니다.

⑥ 직접염료의 염색법은 간단해서 셀룰로오스계 섬유의 염색에는 많이 이용되지만, 일반적으로 일광견뢰도와 세탁 견뢰도가 약하고 색상도 선명하지 않기 때문에 반드시 후처리를 하여 각종 견뢰도를 향상시키고 있으나 이때 주의 할 점은 색상의 변화가 일어날 수 있으므로 염색 시 각별한 주의를 요합니다.
또한 산성욕에서는 염색물의 색상이 더더욱 선명하지가 못해서 단백질계 섬유나 나일론의 염색에는 많이 사용되지는 않습니다.

⑦ 가격이 저렴하고 사용이 간편합니다..

2. 반응성 염료 (reactive dyes)

섬유중의 관능기와 반응하여 공유결합으로 염착하는 염료이며, 1956년 영국의 ICI회사에서 최초로 반응성염료인 Procion M을 개발한 이후 여러개의 반응기를 가진 각종 반응성염료가 개발되었습니다. 

1) 염색 주요 소재

주로 면, 마, 레이온 등 셀룰로오즈계의 소재를 염색하는데 사용 됩니다. 양모나 Nylon 등의 소재에도 사용 가능합니다.

2) 염료의 화학 반응 

반응성염료는 염료분자 내에 아미노기나 수산기와 반응할 수 있는 활성반응기를 가지며, 이것이 섬유의 아미노기나 수산기와 반응하여 공유결합을 형성함으로서 염착됩니다. 반응성염료의 화학구조는 염료에 따라 다르나 일반적으로 다음과 같은 일반식으로 나타내고 있습니다. 

                                               
 D ─ T ─ X

여기서 D는 가용성기를 함유한 색소모체이고 T는 연결기이며, X는 섬유와 반응하는 반응기입니다.
반응성염료의 반응기로서는 균염성과 재현성을 얻을 수 있는 반응성을 가지고 있어야 하며, 흡진법이나 날염법 등의 각종 염색법에 적합하여야 합니다. 또 섬유-염료간 결합의 안정성이 비교적 양호하여야 합니다. 이러한 이유로 현재 사용되고 있는 반응기의 대부분은 비닐술폰계, 트리아진계, 피리미딘계 등이며, 이들 반응기의 개량형 염료도 속속 개발되고 있습니다.

이들 염료는 섬유소계 섬유의 수산기와 에테르결합을 하지만, 화학반응의 견지에서 구분하면 부가반응에 의한 것과 치환반응에 의한 것으로 구분됩니다. 또 반응성염료는 알칼리성 용액 속에서는 이러한 수산기와의 반응과 동시에 염료의 가수분해도 같이 진행됩니다. 그러나 중성욕에서는 부착이 서서히 일어나므로 중성염을 함유시킨 염액에서 섬유를 처리한 다음 약알칼리액으로 처리하여 반응을 완결시키도록 합니다. 

3) 반응성염료의 성질

① 반응성염료는 물에 용해하며, 염욕에 중성염과 같은 전해질을 첨가하면 용해도가 저하하여 촉염제의 역할을 할 수 있습니다.

② 반응성염료는 주로 셀룰로오스계 섬유에 사용되는데, 직접성은 낮고 염료는 셀룰로오스의 수산기와 반응합니다. 

③ 반응성염료 염색물의 색상은 선명하며 습윤견뢰도도 양호합니다. 셀룰로오스 염색물은 장기간 경과 후에는 열, 산성가스, 땀, 일광, 수돗물 속의 활성염소 등에 의하여 색상이 변화될 수가 있습니다.

④ 반응성염료는 주로 셀룰로오스섬유에 사용되지만, 양모나 나일론 등에도 응용할 수 있습니다.

⑤ 반응성염료 모체에 아조기가 있으면 환원제에 의하여 아미노화합물이 되므로 탈색에 이용할 수 있습니다.  

⑥ 냉욕에서도 염색이 가능 합니다.

⑦ 견뢰도가 우수합니다.

 

3.   Vat dyes

 

천연염료 쪽의 주성분인 인디고는 예로부터 중요한 염료로 여기어져 왔는데, 1897년에 합성 인디고 염료가 공업화되었습니다. 이것이 최초의 합성배트염료입니다. 최근 반응성염료의 보급으로 배트염료의 생산량이 감소되고 있지만, 견뢰도가 높기 때문에 셀룰로오스섬유의 염색에는 여전히 사용 되고 있습니다.

 

1)  염색되는 소재

 

주로 셀룰로오스계, 면 섬유를 염색 합니다.

양모 염색도 가능하며 견뢰도가 우수하지만 고가의

염료입니다.

 

2)  염료의 화학 반응

 

화학적으로 염료분자 내에 카르보닐기(＞C=O)를 가진 물에 불용성의 염료이지만 알칼리성 환원제에 의하여 환원되어 수용성의 류코화합물로 됩니다. 셀룰로오스섬유에 염착 하기 때문에 염색한 후 공기 중에서 산화시키든가 산화제를 가하여 산화발색 시킵니다. 배트염료는 화학구조적으로 인디고계와 안트라퀴논계로 크게 분류할 수 있습니다.

 

3)   염료의 성질

 

①   배트염료는 물에 불용성이지만 수산화나트륨으로 알칼리성으로 하고, 환원제로서 하이드로설파이트를 사용하여 환원하면 물에 가용성인 류코화합물로 됩니다. 이 현상을 건화(vatting)라고 하므로 배트 염료라고 부릅니다.

 

②   류코염에 안정한 분산제를 가하고 초산이나 개미산으로 중화하면 배트산으로 되고, 이 배트산은 류코염보다 소수성으로 양모나 합성섬유를 염색할 수 있습니다.

 

③   배트염료를 환원시켜 용해한 염욕의 색은 염료자체의 색과 다르며, 염색에 적합한 염욕의 온도가 염료의 종류에 따라 다르릅니다.

 

④   배트염료의 류코염은 일반적으로 셀룰로오스섬유에 대한 친화력이 커서 불균염이 되기 쉬우므로 침투제, 균염제를 가하여 염색하거나, 미 환원상태에서 미립자 그대로 피염물에 패드하고, 섬유상에서 환원시켜 염착 시키는 등의 방법을 사용하여 염색합니다.

 

⑤   염색할 때 염욕중에 중성염을 첨가하면 염착이 촉진되며, 로드유 등의 보호콜로이드제를 첨가하면 침투작용이 조장되든가 혹은 완염작용을 하게 됩니다.

 

⑥   염색 후 소핑에 의하여 견뢰도가 증진되며 또한 색상이 선명해 집니다. 일반적으로 배트염료 염색물은 일광, 세탁, 산, 알칼리 등에 견뢰도 높으며, 특히 안트라퀴논계 배트염료는 표백에도 강합니다.