염색가공공정에서 염료 이외의 여러 가지 목적하에 보조적으로 사용되는 약제를 총칭하여 조제라 한다. 염색공장에서의 주재료인 염료에 대해서는 염료 메이커로부터 많은 자료나 정보를 제공받기 때문에 어느 정도 알 고 있으나, 호발제, 정련제, 표백제, 침투제, 분산제, 균염제, 각종 가공제 등 많은 조제들에 대해서는 각 유지, 조제메이커가 각사 제품의 사용법 정도의 정보만 제공할 뿐 그 기본적인 조성이나 이론에 관한 자료는 거의 제시하지 않고 있는 실정이다. 오늘날의 염색공장에서는 생산공정이나 제품이 급격하게 변화하고, 그에 따른 새로운 방법들이 모색되고 있는 상황에서는 개별 메이커의 설명만으로는 각 조제간의 연관성에 관하여 소홀해지는 경향이 있기 때문에 염색공장 자체에서 그 실태를 파악하지 않을 수 없다. 염색공장에 있어서 품질향상과 안정화, 또 독자적인 신기술 개발에 이들 약제의 주성분인 계면활성제의 기본 지식을 알아둘 필요가 있다. 계면활성제의 이용은 단지 염색공장에만 그치지 않고 모든 공업에서 그 이용 범위가 확대되어 그에 관련된 모든 것들을 습득할 수는 없다. 그러나 염색에 종사하는 사람들이 필수적으로 알아두어야 할 것과 계면활성제에 관한 설명을 하고자 한다.
2. 염색가공공정과 조제염색가공용 조제에는 산, 알칼리, 염, 산화제, 환원제 외에 탄소화합물(유기화합물)이나 고분자화합물 등이 있으며, 그 수는 헤아릴 수 없이 많다. 염색가공용 조제를 공정별로 분류하면 표 1과 같다.s
표 1. 염색가공용 조제의 공정별 분류| 공 정 | 주된 염색가공용 조제 |
|---|---|
| 정 련 | 무기정련제, 계면활성제, 호발제, 유기용제 |
| 표 백 | 산화표백제, 환원표백제, 형광증백제 |
| 염 색 | 용해제, 분산제, 침투제, 균염제, 완염제, 촉염제, 캐리어, 고착제, 매염제, 후처리제, 견뢰도증진제 등 |
| 날 염 | 호제, 발염제, 방염제 등 |
| 가 공 | 수지가공제, 발수제, 방수제, 유연제, 대전방지제, 방충제 등 |
염색가공용 조제중에는 독극물이나 화재의 위험성이나 인체에 해로운 것들도 있다. 따라서 별도의 보관 창고를 설치하고, 관리를 철저히 하는 등 그 사용에 있어서도 세심한 주의가 필요하다.
(1) 취급상의 주의조제중에는 공기중의 산소나 이산화탄소, 습기나 수분, 약품의 증기, 직사광선, 고온 등에 의해서 분해 또는 변질되어 그 효력이 저하하는 경우가 많다. 또 때로는 유독, 유해성가스 발생이나 발화, 폭발 등을 일으키는 수가 있다. 따라서 사용에 있어서도 그 성상을 충분히 이해하고 취급하는 것이 중요하다. 사용후에도 그 조제의 특성에 맞도록 용기를 밀폐하거나 건조한 곳에 보관하여야 한다.
(2) 독극물의 취급독극물은 사람이나 동물의 부주의로 인하여 마시거나 가스의 증기를 흡입하거나 피부나 접막에 접촉되면 생리기능에 여러 가지 장해를 일으킨다.
표 2. 생리장해를 일으키는 주된 유해물질| 생리장해 | 염색공정에 사용되는 유해물질 |
|---|---|
| 피부장해 | 산, 알칼리, 질산은, 포르말린, 옥소, 불소 등 |
| 점막장해 | 알칼리성분진, 염화수소, 크롬산, 이산화염소, 이산화질소, 염소 |
| 질식성 | 일산화탄소, 시안화수소, 니트릴, 황화수소 |
| 마취성 | 유기용제 |
| 신경장해 | 이황화탄소, 할로겐화탄화수소, 수은, methanol 등 |
| 간장장해 | 사염화탄소, 카드늄, toluene, urea, trinitro |
| 혈액장해 | 벤젠, phosfin, allucin |
| 경조직장해 | 산먼지, 황인, 불소 |
| 발암성 | benzidine, β-naphthyl amine, auramine, tar, carbon black |
일반적으로 기체와 액체, 상호 불용성의 두 액체, 고체와 액체의 접촉면(이것을 계면이라 함)에서 쌍방의 표면을 잘 결합시켜 주는 역할을 하는 약제를 계면활성제라고 한다. 즉 서로 반발하여 혼합되기 어려운 2종의 액체, 또 연꽃잎과 같이 액체를 흘러내리게 하는 고체의 표면, 기체와 액체 또는 고체와의 계면에 작용하여 습윤, 침투, 유화, 분산, 소포 등의 현상을 나타내는 약제를 계면활성제라 칭한다. 계면활성제를 염색가공에 사용하면 작업을 용이하게 하고, 가공시간을 단축시키며 동시에 품질을 향상시킬 수 있다. 따라서 계면활성제는 섬유공업에서는 불가결한 물질일뿐 만 아니라 일상생활이나 다른 공업에서도 널리 이용되고 있으나 환경을 오염시키는 주범이 되고 있다.
2. 계면활성제의 화학구조계면활성제는 그림 1과 같이 친수기와 소수기로 되어있다. 친수기는 물에 녹기 쉬운 성질을 지니고 있으나, 기름에는 녹기 어려운 성질을 부여한다. 이에 반해 소수기는 물에 녹기 어려운 성질을 지니고 있으나, 기름에는 녹기 쉬운 성질을 부여한다. 주된 친수기, 소수기를 나타내면 표 3과 같다.
그림 1. 비누의 분자모형
| 소 수 기 | 친 수 기 |
|---|---|
| CnH2n＋1- alkyl기 | -COONa 카르본산나트륨 |
| CnH2n＋1-?- alkyl phenyl기 | -SO3Na 술폰산나트륨 |
| -OH 수산기 | |
| -N·HCl amine염 |
비누는 물의 계면장력을 현저하게 감소시키는 성질이 있다. 이것은 물에 녹아 있는 비누분자가 물과 공기의 계면에 집합되어 용액의 계면근처에 있는 농도가 내부의 농도와 다르기 때문이다. 이 때 비누분자의 친수기는 수중(水中)을 향해 배열하고, 소수기는 물에서 멀어지려는 성질 때문에 공기측으로 배열하여 수면(공기와의 계면)에 흡착한다. 이와 같이 계면에 흡착되어 계면장력을 저하시키는 성질을 계면활성이라 한다. (그림 2 참조)
그림 2. 계면활성제의 수용액표면과 내부에서의 모형도
계면활성제가 어느 농도 이상으로 용해하면 수십개의 분자가 모여서 집합체를 만들고 colloid 성질을 나타낸다. 이 집합체를 미셀이라고 한다. 미셀의 형태는 여러 가지가 있으며, 미셀을 만들기 시작하는 농도를 임계미셀농도(c.m.c)라고 한다. 임계미셀농도를 경계시점으로 하여 용액의 계면장력, 전기전도도, 침투압, 가용화력, 세정력 등이 현저하게 변한다. 이 임계미셀농도는 0.01∼0.4%(10-5∼10-2mol/ℓ) 정도의 극히 묽은 농도이다.
(3) 유화하나의 물질(분산매)중에 다른 물질(분산질)이 미분상으로 산재하는 것을 분산이라 한다. 또 서로 섞이지 않는 두 액체를 격렬하게 휘저으면 하나의 액체중에 다른 액체가 분산하게 되는데, 이 상태를 에멀젼(emulsion)이라 하고 에멀젼을 만드는 것을 유화라 한다. 이 때 소량의 계면활성제를 가하면 유화하기 쉽고, 더구나 안정한 에멀젼이 얻어진다. 이같은 작용을 하는 물질을 유화제라 한다. 에멀젼에는 우유같이 수중에 유적을 분산시킨 O/W형과 버터와 같이 지방중에 수적분산된 W/O형이 있으며, O/W형이나 W/O형으로 되는 것은 유화제의 종류에 의해 결정되며, 유화제가 친수성인 것을 O/W형, 소수성인 것이 W/O형이다. 계면활성제의 유화작용은 분자중의 친수기와 소수기 양자의 작용에 의한 것으로 이 두가지 기(基)의 균형을 나타내는 값을 HLB라 한다. HLB는 1∼20 사이의 값을 가지며, 값이 클수록 친수성을 강하게 나타낸다. HLB값과 계면활성제의 성질과의 관계는 그림 3과 같다.
그림 3. 계면 활성제의 성질과 HLB와의 관계
벤젠같이 물에 녹기 어려운 물질이라도 고농도 비누 수용액에 녹는 것이 있다. 이것은 수용액중 비누분자의 micell 내부로, 물에 불용성인 물질을 애워싸서 용해하여 들어가기 때문이다. 분산염료 염욕에 분산제를 가하는 것은 물에 불용성인 염료를 가용화하여 분산용해 시키기 때문이다. 또 합성수지나 합성고무를 제조할 때 행하는 유화중합은 유화제의 가용화작용을 이용한 것이다.
(5) 계면활성제의 분류계면활성제는 그 수용액의 전리상태에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.
음이온 활성제는 수용액 중에서 전리하여 활성부분이 음이온이 되는 친수기를 갖는 계면활성제이다. 종류가 많고 정련제 또는 세정제를 비롯하여 침투제, 분산제, 유화제 등 염색가공에 널리 이용되고 있다. 주된 음이온 활성제를 화학구조별로 분류하면 표 4와 같으며 다음과 같은 특징이 있다.
표 4. 음이온 계면활성제의 분류| 화학구조 | 화학식 |
|---|---|
| 카르본산염(비누) | R-COONa |
| 황산에스테르염 | R-OSO3Na |
| 술폰산염 | R-SO3Na |
| 인산에스테르염 | R-OPO3Na |
양이온 활성제는 수용액 중에서 전리하여 활성부분이 양이온이 되는 친수기를 갖인 계면활성제이다. 양이온 활성제는 어느 것이나 질소를 함유한 화합물로 화학구조별로 분류하면 표 5와 같으며 다음과 같은 특징이 있다.
| 화학구조 | 화학식 |
|---|---|
| 아민염 |  |
| 제4급 암모늄염 | |
| pyridinium 염 |
비이온 활성제는 활성부분이 이온으로 해리하지 않는 친수기를 갖는 계면활성제이다. 즉 친수기로서 수산기(-OH)와 에테르결합(-O-)을 갖는다. 그러나 이러한 친수성은 극히 약하기 때문에 이러한 것들이 몇 개가 모여 분자전체가 수용성을 갖게 된다. 비이온 활성제는 친수기의 종류에 따라 크게polyethylene oxide 부가물과 다가알코올의 지방산에스테르로 나눌 수 있다. polyethylene oxide 부가물형이 대표적인 비이온 활성제로 고급알코올, 알킬페놀, 지방산, 지방족아민 등에 에틸렌옥사이드를 반응시켜 만들어지며 다음과 같은 특징이 있다.
양성 활성제는 1개의 분자내에 음이온성 카르복실기와 양이온성 아미노기 또는 제4급 암모늄염의 질소원자를 갖는 계면활성제를 말한다. 또 넓은 의미로는 동일분자 내에 이온성기와 비이온성기를 갖는 것을 양성 계면활성제라 하는 것도 있다. 화학구조적으로 아미노산형과 betain형으로 나눌 수 있다. 양성 활성제는 음이온 활성제와 양이온 활성제를 혼합시킨 것 같은 특성을 갖고 있다.
침염을 효과적이고, 얼룩이 일어나지 않도록 하기 위해서 적당한 조제를 사용한다. 여기에는 침염의 전후처리에 사용하는 것과 염욕에 염료와 같이 첨가하는 것이 있다. 사용목적은 다종다양하며 또 동일한 조제라도 사용되는 염료나 섬유에 따라서 그 작용이 달라지는 경우가 있다.
1. 염욕조정제염욕의 조정에 있어서는 그 염료의 용해성에 따라서 염욕을 안정 또는 균일한 상태로 유지하기 위하여 필요한 조제가 사용된다.
(1) 염료용해제일반적으로 염료는 물에 용해된 상태에서 염색이 이루어진다. 따라서 불용성 염료는 용해제를 사용하여 물에 가용성의 것으로 한다.
분산염료나 Vat염료 등의 불용성염료가 염욕에 균일하게 분산용해하는 작용을 돕는 조제를 분산제라고 한다. 주로 계면활성제가 사용된다. 염료가 염욕중에 분산용해하는 것은 계면활성제의 미셀내부에 소수성염료가 가용화되기 때문이다. 즉 염료입자 표면에 계면활성제가 흡착되어 염료입자에 전하와 보호 콜로이드성을 부여함으로써, 입자상호간의 응집을 막는 것이다. 계면활성제 중 분산작용을 나타내는 것에는 다음과 같은 것들이 있다.
표 5. 분산제의 종류| 이온성 | 종류 |
|---|---|
| 음이온 계면활성제 | 비누, 황산화유, 고급알코올 황산에스테르염, 알킬나프타린술폰산염, 지방산아미드술폰산염, 나프탈렌술폰산, 포름알데히드축합물 |
| 비이온 계면활성제 | 폴리에틸렌옥사이드 부가물 |
섬유에 대한 염료의 염착속도나 섬유표면에서 내부로 이동하는 속도를 조절하는 조제로서 다음과 같은 것이 있다.
(1) 습윤, 침투제염료가 염착하기 위해서는 섬유의 표면이 염액에 잘 젖게 되고(습윤), 더욱이 그 염액이 충분히 섬유내부로 침입하는(침투) 것이 필요하다. 이 작용을 돕는 것이 습윤, 침투제이다. 습윤, 침투제에는 계면활성제가 이용되지만 염욕에 가했을 때, 액의 계면장력의 저하작용이 크고 또한 저점도 용액을 만드는 것이 바람직하다. 습윤, 침투제는 균염제의 성질도 갖고 있는 것이 많다. 음이온이나 비이온 활성제가 습윤, 침투제로 사용되는 것이 많다. 그 중에서도 분자구조 중 소수기 중앙에 친수기를 갖는 것은 우수한 침투력이 있다.
(2) 균염제염료를 섬유에 균일하게 흡수시키는 작용을 가진 계면활성제를 균염제라고 한다. 염색얼룩이 일어나기 쉬운 염료의 염욕에 첨가함으로서 염료의 염착속도를 적당히 가감시켜 서서히, 균일하게 염착 되도록 한다. 균염제에는 크게 다음과 같이 나눌 수 있다.
염착속도를 느리게 하는 조제로서, 초기염착량을 적게 함에 따라 결과적으로는 균염효과를 부여한다. 예를들면 탄산나트륨은 직접염료의 용해도를 크게하는 작용이 있기 때문에 염욕중에서 염료의 염착속도를 낮출수가 있으며, 황산나트륨은 균염성 산성염료에 사용하며, 초산암모늄은 불균염성 산성염료의 염색에 사용한다.
(4) 촉염제염료의 염착속도 또는 염착량을 증진시키는 조제로서, 이것에는 중성염과 산(acid)이 있다
합성섬유 중 폴리에스터는 그 분자배열이 극히 치밀하기 때문에 보통의 염색조건(100℃ 이하)에서는 담색밖에 염색되지 않는다. 이러한 난염성 섬유의 섬유내부로 염료 확산을 촉진시켜 염착되기 쉽도록 하는 조제를 캐리어라고 한다. 이것도 촉염제의 일종이라 할 수 있다. 이 촉염작용은 캐리어분자가 작기 때문에 쉽게 섬유내부로 확산하여 섬유 미셀가격을 넓혀 염료의 확산을 용이하게 한다.
(6) 반응성염료 고착제섬유내부에 흡수된 반응성염료를 섬유의 염착좌석에 공유결합을 시키기 위하여 사용하는 조제로서, 탄산나트륨, 탄산수소나트륨, 규산나트륨 등이 있다.
(7) 후처리제염료의 종류에 따라 염색 후 염료 원래의 색상을 발현시키기 위하여 사용되는 것과 염색물의 견뢰도를 증진시키기 위하여 사용되는 것이 있다.
1) 발색용 후처리제염색물은 염색후의 가공공정이나 우리들이 일상 사용하고 있는 중에 변퇴색이나 탈색 등의 변화를 받을 수 있다. 이를 방지하기 위하여 염색 후 견뢰도증진제를 함유하는 욕중에서 처리해 줌으로서 어느정도 견뢰도를 향상시킬 수 있다.
(8) 매염제매염제는 섬유와 염료를 매개로하여 염착을 돕는 조제로서 중크롬산칼륨, 염기성염화크롬, 명반, 크롬명반 등이 있다.
