KR100269697B1 - 완충 시스템을 이용한 가먼트의 인디고 염색방법 및 그 염색장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인디고 염료를 이용한 가먼트 염색시, 탄산나트륨/포름산으로 구성된 완충액을 사용하여 pH가 조절된 인디고 환원염액으로 가먼트를 염색한 후, 동일염색기에서 산화, 수세 및 워싱공정을 일괄처리하는 인디고 가먼트 염색방법 및 염색장치에 관한 것으로, 본 발명에서는 인디고 가먼트 염색을 위해 기존 드럼염색기의 설계를 개조하여 급배수 장치를 신속화하고 스톡 염액 공급장치, 염액 저장조 및 염액농도 감지장치, 질소가스퍼지 및 공기배기장치와 질소포화상태(saturation) 감지장치를 설치 구성하였다. 또한, 인디고 가먼트 염색시 염욕의 pH를 조절하기 위해 탄산나트륨/포름산으로 구성된 새로운 완충시스템을 개발하였으며, 염색방법으로는 인디고 염액의 pH가 일정하게 유지되는 염액을 구성한 다음, 스톡염액(사용되는 만큼의 염료를 미리 환원시켜 놓음)을 이용한 스톡염색법과 염료를 피염물에 분산시켜 놓은 다음 후에 환원제만을 투입하는 피그먼트염색법에 대한 최적조건을 확립하고 균일한 염색효과를 얻기 위한 산화방법으로서 산화전 환원상태에서 질소를 퍼징하면서 원심탈수에 의한 미고착염료의 제거 및 그 후, 공기산화에 의한 산화방법과, 염색 후 산화제가 함유된 물을 단시간에 염색조에 채운 후, 균일산화시켜 염착성과 견뢰도가 우수하며 염색에 소요되는 에너지 소비량이 적고 염색시간을 단축시킬 수 있어 생산성이 우수한 효과를 거둘 수 있다.

Description

완충 시스템을 이용한 가먼트의 인디고 염색방법 및 그 염색장치

본 발명은 완충 시스템을 이용한 가먼트의 인디고 염색방법 및 인디고 염료의 염색장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 pH조절된 인디고 환원 염액으로 가먼트를 염색한 후 동일 염색장치에서 산화, 수세 및 워싱 공정을 일괄적으로 처리하는 인디고 염색에 관한 것이다.

기존의 인디고 염색방법은 데님용 실을 여러가닥 합하여 로프 형태로 만든 다음 정련조를 거쳐 미리 환원시켜 놓은 인디고 염액 박스 5∼6개조를 빠른 시간에 통과시키면서 침지-공기산화를 반복해 실을 링염색시키는 방법을 사용하고 있다. 따라서 이러한 방법은 대규모의 염색장치가 필요하며, 처음과 끝부분에서 염색차가 발생할 우려가 있다.

또한, 생산자 입장에서 소비자의 요구에 신속히 대처하기가 어려우며, 소로트 다품종제품 생산에는 부적합한 염색방법이다. 그 밖에도 선염시 과다재고나 불량에 의한 배상비용 및 투자비용이 매우 큰 결점이 있다.

일반적으로 대부분의 청바지제품은 실 형태로 염색하여 링 염색시킨 인디고 선염사와 미염색사를 이용하여 제직하고, 가먼트로 만든 후, 별도의 워싱가공을 행하여 색상이 점차적으로 흐리게 되는 (fade-out)효과를 내는 제품으로 생산되고 있다. 이때, 인디고 염색사의 링 염색성은 청바지의 페이드 아웃(fade-out) 효과를 내기 위해서는 필수적인 요건이 되고 있다.

한편, 진한 청색의 청바지 가먼트는 소비자의 기호에 따라 발호 및 워싱가공의 정도에 의해 탈색 및 페이드 아웃 효과에 따른 색상을 맞추고 있으며, 특히 하절용 청바지의 경우, 소비자가 거의 70∼80%이상 탈색된 연한색을 선호하므로 이를 위해서는 탈색제의 사용이나 워싱가공에 따른 노동력, 시간, 가공 용수, 고가의 효소사용, 워싱가공에 의한 탈색폐수 부하 등 경제적 손실과 환경에 미치는 영향이 크다.

청바지용 면 데님 염색에 주로 사용되는 인디고 염료 그 자체는 물에 불용이고, 면섬유에 대한 친화력도 거의 없는 산화형(케토형) 구조를 갖고 있다. 이것이 환원제와 알칼리의 존재하에 환원되면, 알칼리 류우코(alkali leuco) 화합물이 되면서, 물에 녹고 면섬유에 친화력을 갖게 된다.

면섬유에 친화력을 갖는 알칼리 류우코 화합물은 노란색으로 염액의 pH에 따라 모노이온(Mono ion), 혹은 디이온(di-ion)형태로 면섬유에 흡진되는데, 그 생성과정을 살펴보면, 첫번째 해리단계에서는 산 류우코 화합물이 이온화되어 모노이온 류우코 화합물이 되고, 두번째 해리단계에서는 모노이온 류우코 화합물이 다시 이온화되어 디이온 류우코 화합물이 생성된다. 이 세 종류의 양은 염액의 pH에 의해 좌우되며, 이온화상수를 대입한 이론적 계산에 의하면, 모노이온 류우코 화합물의 비율은 pH 10.5∼11.5범위에서 최대로 되고, pH가 증가할수록 줄어드는 반면, 디이온 류우코 화합물은 pH 10.5∼11.5사이에서는 그 양이 10%도 안되다가 pH 13이상에서는 70%이상이 된다.

그러므로 pH에 따라 존재하는 인디고의 이온 형태의 분포가 달라지고 따라서 면섬유에 대한 친화력의 차이가 발생하기 때문에 칼러일드와 링염색성 등이 달라지게 된다. 즉, 모노이온의 염료가 많이 존재하면 친화력이 증가하여 스트라이크성이 커 링염색이 일어날 가능성이 더 크고, 염료가 면섬유 표면에 주로 분포하게 되므로, 겉보기 칼러일드도 증가하게 된다.

이와 같이 pH와 염색성과의 관계 즉, pH가 칼러일드 및 링염색성에 미치는 영향은 이론적으로 이미 밝혀졌으나, 문제는 대량생산시 pH를 어떻게 경제적이고 효율적으로 조절하느냐 하는 것이 중요하다.

인디고 염액의 pH 조절을 위해 많은 연구가 행해진 결과 가성소다와 탄산나트륨을 사용한 완충액이 효율적이라고 알려져 있으며, 이 두 알칼리를 같이 사용할 때 칼러일드가 높아지고 원하는 링염색성을 얻을 수 있는 것으로 보고되고 있다.

그러나 가성소다와 탄산나트륨을 이용한 알칼리시스템은 불안정하여 pH의 변동이 심하고 색조차이가 많이 나는 폐단이 있다.

이에 본 발명자는 인디고 가먼트 염색시 염욕의 pH를 조절하기 위해 탄산나트륨/포름산으로 구성된 새로운 완충액을 개발하였으며, 염색방법으로 인디고 염액의 pH가 일정하게 유지되는 환원염액을 만든 다음, 스톡염액(사용되는 만큼의 염료를 미리환원시켜 놓음)을 이용한 스톡염색 방법과 염료를 피염물에 먼저 분산시켜 놓은 다음 후에 환원제만을 투입하는 피그먼트 염색방법에 의해 본 발명을 완성하게 된 것이다.

본 발명자는 균일한 염색효과를 얻기 위한 산화방법으로서 산화전 환원상태에서 질소를 퍼징하면서 원심탈수에 의한 미고착 염료의 제거 및 공기 산화에 의한 산화방식과, 염색 후 산화제가 함유된 물을 단시간에 염색조에 채운 후 균일 산화시키는 공정을 거쳐 인디고 염색의 균염효과를 개선하였다.

도 1은 본 발명 염색장치의 공정 개략도.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

1: 로터리드럼 염색기 2: 스톡 염액용 탱크

3: 보조 탱크 4: 염액저장 탱크

5: 질소 가스 퍼지 장치

본 발명에 의한 인디고 가먼트 염색기 장치는 제1도에 도시된 바와 같이 완전 밀폐형, 회전식 로터리 드럼염색기(1)와 염색기내의 무산소 환경설정을 위해 질소가스를 퍼지할 수 있는 질소가스 퍼지장치(5) 및 염액을 재활용하기 위한 염액저장탱크(4)(염액의 산화방지를 위해 질소가스기류하에서 염액저장)와 염액농도자동감지장치, 원심탈수기능(탈수속도의 조절가능)과 회전속도 조절장치, 밀폐된 상태로 미리 염료를 환원시켜 놓았다가 염색기내로 주입할 수 있는 스톡염액용탱크(2) 및 스톡염액공급장치, 조제용 보조탱크(3) 및 급수탱크 등을 구비하고 있다.

또한 본 발명에서는 인디고 염색시 pH를 조절하여 주기 위한 완충제로서, 탄산나트륨/포름산으로 구성된 새로운 완충액을 사용한다. 완충액의 조성은 아래와 같다.

〈완충액의 조성 및 사용량〉

1ℓ당	pH9	pH10	pH11
탄산나트륨 (Na2CO3)	10.7g	10.7g	10.7g
포름산 (HCOOH, 85%)	4㎖	2㎖	0.5㎖

기존의 완충액 제조에 사용되는 약제 가운데 질소나 인을 함유하고 있는 약제들은 하천이나 호수에 유입시, 각종 미생물의 부영양화로 인한 수질오염 및 환경오염의 원인이 된다. 본 발명에서 사용하는 완충제는 질소나 인을 함유치 않으므로 환경친화적이면서도 가격이 저렴하고 완충액을 미리 만들어 둘 필요없이 해당량을 직접 투입함으로서 완충액 제조에 따른 제반작업 및 소요공간이 필요없게 된다.

본 발명에 의한 스톡염색법은 인디고 염료를 미리 환원시켜 저장해 두고, 염색시 필요한 양만 사용하게 되며 사용후에도 환원상태로 별도의 저장탱크에 저장한 후 농도보정을 하여 재사용이 가능하다. 그러므로 본 시스템은 염액저장 및 재활용으로 에너지 및 염료의 절감이 가능한 환경친화적 공정으로서 동일 염색장치에서 피염물의 이동없이 염색, 산화, 워싱공정을 수행할 수 있다. 또한 스톡염색법에 의한 상온염색(온도가 높을수록 칼러일드가 감소됨)은 염욕의 승온에 대한 에너지의 소비가 최소가 되며, 염색시간도 짧아 생산성이 우수하고, 대량작업시 유리하다. 뿐만 아니라 소비자가 요구하는 색상을 자유자재로 조절할 수 있으므로 염색후, 색상조절을 위한 워싱공정에 대한 부하를 감소시킬 수 있다.

이하, 본 발명 완충시스템을 이용한 인디고 가먼트의 스톡 염색법을 공정별로 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

(1) 전처리

염색할 가먼트를 회전식 드럼 염색기에 채우고 액비 20∼30:1 의 비율로 물을 채운다음, 80∼95℃에서 10∼20분간 전처리한 다음 물을 빼준다.

＜처방예＞

* 가성소다(50%) 2.0∼5.0 g/ℓ,

* 정련제 1.0∼2.0 g/ℓ,

* 침투제 0.5 g/ℓ,

* 금속이온봉쇄제 0.5 g/ℓ

(2) 스톡 배팅액의 준비

스톡염액용탱크(2)에 70∼80℃의 물을 채운 후, 염색농도(owf)에 해당하는 염료를 넣고 가성소다, 탄산나트륨, 환원제 등 해당량을 넣어 염료를 환원시킨다. 스톡 배팅 탱크는 완전 밀폐형으로 무산소 환경으로 만들어 둔다.

＜처방예＞

* 인디고 염료 X g(owf)

* 가성소다(50%) 0.8㎖/g

* 탄산나트륨(Na₂CO₃) 0.26g/g

* 환원제(Na₂S₂O₄) 0.80g/g

* 스톡배팅액에 사용되는 물의 양 : 인디고 염료의 용해도(100g/ℓ)를 고려하여 사용한다.

(3) 가먼트 염색

전처리후, 먼저 보조탱크(3)에 분산제, 침투제, 소포제, 금속이온봉쇄제, 염, 환원제 및 탄산나트륨과 포름산으로 이루어지는 새로히 개발한 완충제 등의 해당량을 넣고 물을 받아 교반 후, 염색기에 투입시키고, 나머지 액비만큼 물을 더 채운 후, 20∼40℃에서 10분간 회전시킨다. pH를 확인한 후, 염색기내를 무산소 환경으로 만들어 주기 위해 질소가스를 퍼지한다. 준비된 스톡배팅액을 서서히 투입(5∼10분)한 후, 20∼40℃에서 10∼30분간 염색한다.

＜처방예＞

* 분산제 1.0∼2.0 g/ℓ

* 침투제 1.0 g/ℓ

* 소포제 1.0 g/ℓ

* 금속이온봉쇄제 0.5 g/ℓ

* 탄산나트륨 10∼12 g/ℓ

* 포름산(85%) 0.5∼2 ㎖/ℓ

* 환원제(Na₂S₂O₄) 5.0∼7.0 g/ℓ

* NaCl 60∼80 g/ℓ

(4) 염액의 탈수 및 저장

염색 후, 질소를 퍼지하면서 환원상태의 염액을 염액저장 탱크(4)로 보내고, 피염물에 적셔있는 환원염액은 원심 탈수하여 제거한다. 이때 원심탈수 속도가 너무 빠르면, 산화시 불균염이 되므로 탈수속도를 잘 조절해 주어야 한다. 저장된 염액은 염료농도, 환원제농도, pH등을 측정하여 재사용할 수 있다.

(5) 산화

환원상태에서 원심탈수 후, 공기중에서 5∼10분간 산화시키는 방법, 환원상태에서 원심탈수 후, 급수탱크로부터 과량의 물을 일시에 공급하여(배수도 동시에 진행) 중간수세를 실시한 후, 산화제를 투입하여 산화시키는 방법, 염색 후, 곧바로 급수탱크로부터 과량의 물을 일시에 투입하여 염욕을 희석시켜가면서 (배수도 동시에 진행) 중간수세를 실시하고, 산화제를 투입하여 산화시키는 방법

(6) 수세

산화 후, 냉수로 수세액이 맑아질 때까지 반복한 후, 다시 온수(50∼60℃)로 수세하여 잔류알칼리를 충분히 제거해 준다. 소우핑을 한 후, 염색을 종료하거나 필요에 따라 워싱공정으로 들어간다.

또한, 본 발명에 의한 피그멘테이션염색법은 염색욕에 환원제를 제외한 나머지 조제를 미리 넣어 회전시켜준 다음, 환원제를 서서히 분할 투입하여 환원과 동시에 염색되도록 하며 염료를 미리 환원시켜두지 않고, 필요에 따라 염액을 구성하여 염색하므로 주로 담색염색에 유리하며, 염색후 페이드 아웃 효과를 위한 워싱공정을 추가로 할 필요가 없어 워싱공정에 대한 부하를 감소시킬 수 있고 스톡염색법에 비해 염색방법이 간단하고 후가공 공정이 필요없게 되고, 소비자 요구에 보다 신속히 대응할 수 있는 잇점이 있다.

본 발명 완충시스템을 이용하는 인디고 가먼트의 피그멘테이션 염색법을 각 공정별로 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

(1) 전처리

염색할 가먼트를 회전식 드럼 염색기에 채우고 액비 20∼30:1 의 비율로 물을 채운 다음, 80∼95℃에서 10∼20분간 전처리한 다음 물을 빼준다.

＜처방예＞

* 가성소다(50%) 2.0∼5.0 g/ℓ

* 정련제 1.0∼2.0 g/ℓ

* 침투제 0.5 g/ℓ

* 금속이온봉쇄제 0.5 g/ℓ

(2) 가먼트 염색

전처리가 끝난 염색욕에 액비만큼 물을 채운 후, 염료, 분산제, 침투제, 소포제, 금속이온봉쇄제, 염, 가성소다 및 탄산나트륨과 포름산을 이루어지는 새로이 개발한 완충제 등의 해당량을 넣고 물을 받아 교반 후, 염색기에 투입시키고 pH를 확인한 다음, 40∼60℃에서 10분간 회전시켜 피염물에 염료를 충분히 분산시켜 놓는다. 이때 염색기내를 무산소 환경으로 만들어 주기 위해 질소가스를 퍼징할 수 있다. 염색온도에서 환원제를 분할 투입하면서 40∼60℃에서 20∼40분간 염색한다.

＜처방예＞

* 인디고 염료 Xg (owf)

* 분산제 1.0∼2.0 g/ℓ

* 침투제 1.0 g/ℓ

* 소포제 1.0 g/ℓ

* 금속이온봉쇄제 0.5 g/ℓ

* 탄산나트륨 10∼12 g/ℓ

* 포름산(85%) 0.5∼2 ㎖/ℓ

* 가성소다(50%) 1.0∼1.5 g/ℓ

* 환원제(Na₂S₂O₄) 5.0∼7.0 g/ℓ

* NaCl 60∼80 g/ℓ

(3) 염색후 공정은 (1)항의 공정과 같다.

이하, 실시예에 의거 본 발명을 구체적으로 설명한다.

실시예 1.

본 발명의 탄산나트륨/포름산으로 구성된 완충제(Buffer system)와 스톡염색법에 따라 염색온도 25℃, 40℃ 및 60℃에서 100% 면 데님의 가먼트를 인디고 염료로 염색한 결과 효과는 표 1과 같다.

표 1＜온도 및 염료농도에 따른 염착성 및 견뢰도 시험결과＞

실시예 2.

본 발명의 탄산나트륨/포름산으로 구성된 완충제(Buffer system)와 피그멘테이션염색법에 따라 60℃에서 100%면 데님의 가먼트를 인디고 염료로 염색한 결과 표2와 같은 효과를 얻었다.

표2

본 발명은 탄산나트륨/포름산으로 구성된 완충액을 사용하여 인디고 환원염액의 pH를 일정하게 조절하므로 pH의 변동에 따른 색조 차이의 발생을 없앨수 있고, 피염물(가먼트)을 염색기내에 투입하여 염색한 후 동일 염색장치에서 산화수세 및 위싱처리를 하게되어 균염효과를 기할 수 있고 염색에 소요되는 시간을 단축시키고 생산성이 우수하여 대량작업이 유리한 효과를 가진다.

Claims (4)

1. 완전 밀폐형, 회전식 로터리 드럼염색기(1)와 염색기내에 무산소 환경설정을 위한 질소가스 퍼지장치(5), 염액을 재활용하기 위한 염액 저장탱크(4), 밀폐된 상태로 미리 염료를 환원시켜 놓았다가 염색기 내로 주입할 수 있는 스톡염액용 탱크(2) 및 스톡염액공급장치, 염액농도감지장치, 원심탈수기능과 회전속도조절장치, 및 조제용 보조탱크(3)로 구성됨을 특징으로 하는 완충 시스템을 이용한 인디고 염색장치
2. 환원제를 제외한 인디고 염료, 완충제 및 기타조제를 염색기내에 투입한 후 염료를 피염물에 균일하게 분산시켜 준 다음, 염색기(1)내의 무산소환경을 만들어 주기 위해 질소가스를 퍼지하면서 환원제를 분할 투입하는 염색방법으로 염료농도를 조절함으로서, 염색후 추가적인 워싱가공을 하지 않아도 페이드아웃효과를 얻을수 있는 것을 특징으로 하는 피그멘테이션 염색법에 의한 가먼트의 인디고 염색방법
3. 제2항에 있어서, 환원 염액의 pH조절을 위한 완충액이 탄산나트륨/포름산으로 구성됨을 특징으로 하는 가먼트의 인디고 염색방법
4. 제1항의 염색기를 이용하고, 제2항의 염색에 있어서, 제3항의 완충액으로 pH를 조절한 다음 염색 후, 질소가스를 퍼지하면서 원심탈수 후 공기중에서 자연 산화시키거나, 환원상태에서 원심탈수 후 급수 탱크로부터 과량의 물을 일시에 공급하여 중간수세를 하고 산화제를 투입하여 산화시키거나 염색 후 곧바로 급수탱크로부터 과량의 물을 투입하여 염욕을 희석시키면서 중간수세를 실시하고 산화제를 투입하여 산화시켜 균일한 염색효과를 가지게 함을 특징으로 하는 가먼트의 인디고 염색방법