KR101083930B1

KR101083930B1 - Ｐｌａ섬유의 사염방법

Info

Publication number: KR101083930B1
Application number: KR1020090135037A
Authority: KR
Inventors: 류중재; 김의화; 김영운
Original assignee: 한국니트산업연구원
Priority date: 2009-12-31
Filing date: 2009-12-31
Publication date: 2011-11-15
Also published as: KR20110078272A

Abstract

본 발명은 PLA섬유의 사염방법에 관한 것으로서, 구체적으로 PLA섬유의 염색시 인장강도 등의 물성을 저하시키지 않고 높은 중량보유율을 가지며 염착율이 우수하여 PLA섬유의 사염방법에 관한 것이다.

PLA, 사염, 정련

Description

ＰＬＡ섬유의 사염방법{Yarn dyeing method of Polylactic acid fiber}

웰빙(Well-being)트랜드 및 포스트 웰빙의 개념인 로하스(LOHAS; Lifestyle of Health and Sustainability)트랜드의 확대에 따라 최근 들어 환경보전에 대한 관심이 증폭되고 있으며, 이에 따라 옥수수의 전분을 발효시켜 생산되는 유산(Latic acid)을 축중합하여 제조된 생분해성 폴리유산(Poly Lactic Acid, 이하 'PLA'라 한다) 섬유 또한 최근 각광을 받고 있다.

PLA는 PA(Poly Amide)와 PET(Poly Ethylene Terephthalate)의 중간정도의 성질을 가지며, 천연재료를 이용한 생분해성 섬유로 다양한 분야에서 이용이 가능하다.

하지만 PLA 섬유는 염색가공분야에의 적용에 있어 열수축율이 높고, 내열성이 낮으며, 알칼리에 약하고, 염색에 필요한 다양한 염료가 개발되어 있지 않은 점 등 실용화에 앞서 해결되어야할 문제점이 있다.

종래의 PLA 섬유의 염색은 정련공정에서 가성소다(NaOH)를 사용함에 따라,내화학성이 취약한 PLA 섬유의 물성을 크게 저하시키고 있어 보다 새로운 정련처리 방법이 요구되고 있다.

이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 PLA섬유의 염색시 인장강도 등의 물성을 저하시키지 않고 높은 중량보유율을 가지며 염착율이 우수한 PLA섬유의 사염방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은

PLA섬유를 95~105℃로 15~20분간 열처리하는 열처리단계와;

상기 열처리된 PLA섬유를 정련하는 정련단계와;

상기 정련된 PLA섬유를 분산염료를 이용하여 염색하는 염색단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 PLA섬유의 사염방법을 제공한다.

특히, 상기 열처리단계는 상기 PLA섬유를 소프트와인딩한 상태에서 열처리하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 정련단계는 상기 열처리된 PLA섬유를 소다회를 이용하여 처리하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 소다회의 농도는 1.0~2.0%인 것이 좋다.

상기 염색단계는 상기 정련된 PLA섬유를 소프트와인딩한 상태에서 분산염료를 이용하여 염색하는 것이 좋다.

특히, 상기 염색단계는 pH 4.5의 조건에서 110℃로 30분간 염색하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 염색단계 후 알칼리제로서 소다회를 사용하여 환원세정하는 환원세정단계가 포함되어 이루어지는 것이 바람직하다.

이하 본 발명의 PLA섬유의 사염방법에 대해 상세히 설명한다.

본 발명의 PLA섬유의 사염방법은 크게 열처리단계, 정련단계 및 염색단계를 포함하여 이루어진다.

상기 열처리단계는 PLA섬유의 형태안전성 및 염색성을 향상시키기 위한 것으로서, PLA섬유를 95~105℃에서 15~20분간 열처리한다.

열처리방법으로는 습열고정방법, 건열고정방법 및 증기열고정방법을 모두 이용할 수 있다. PLA섬유를 95~105℃에서 열처리를 행하고, 이는 95℃ 미만으로 열처리하는 경우 열수축이 미비하게 발생하여 염색시 열수축이 일어나 염색성이 저하되는 문제가 있고, 105℃ 초과로 열처리하는 경우 과도한 열수축에 의해 염색시 분산염료가 비결정부분에 침투하기 어려워 염색성이 좋지 못하는 문제가 있기 때문이다.

특히 상기 열처리단계에서 PLA섬유의 열처리시 PLA섬유를 유장력 조건의 소프트와인딩한 상태에서 열처리하는 것이 바람직하다. 소프트와인딩한 상태에서 열처리한 경우 PLA섬유의 광택을 크개 개선시킬 수 있는 이점이 있다.

다음으로 상기 정련단계는 PLA섬유 내에 존재하는 불순물이 염색에 방해하지 않도록 불순물을 제거하기 위한 단계이다. 상기 정련단계는 상기 열처리된 PLA섬유 를 소다회(Na₂CO₃)를 이용하여 처리하는 것이 바람직하다. 종래에 일반적으로 정련시 사용되는 가성소다(NaOH)를 사용하여 정련처리할 경우 가성소다의 농도의 증가에 따라 PLA 섬유의 중량감소율이 증가하였고 인장강도 등의 물성이 크게 저하되는 문제가 있으나, 소다회를 이용하여 정련처리하는 경우 가성소다에 비하여 상대적으로 낮은 중량감소율과 인장강도 등의 물성이 우수하다.

또한, 소다회는 농도가 1.0~2.0%인 것을 이용하는 것이 좋고, 농도가 1.0% 미만인 소다회를 사용할 경우 정련효과가 미비하고, 2.0% 초과인 소다회를 사용할 경우 2.0% 초과인 소다회를 사용할 경우 사용량 증가로 인한 정련효과의 증가가 거의 없어 염색비용이 증가한다.

그리고 상기 염색단계는 상기 정련된 PLA섬유를 분산염료를 이용하여 염색하는 단계이다. 이때 PLA섬유 특성상 염색시 열에 의해 수축이 발생할 우려가 있기 때문에 염색성을 향상시키기 위해 상기 정련된 PLA섬유를 소프트와인딩한 상태에서 분산염료를 이용하여 염색하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 정련된 PLA섬유를 pH 4.5로 조정한 상태에서 100~110℃로 30분간 염색하는 것이 좋다. 100℃ 미만인 때에는 분산염료의 염착율이 저조하고, 110℃ 초과인 때에는 PLA섬유가 뻣뻣해지고 강도 등의 물성이 저하되어 100~110℃에서 염색하는 것이 좋다. 또한 pH 4.5이고, 염색을 30분간 행할 때 K/S값 및 염착성이 우수하고 염색비용을 줄 일 수 있다.

상기 분산염료의 경우 크게 한정되는 것은 아니나 염착성이 우수한 Lumacron Red EFB, Lumacel Yellow HCA, Synolon Blue KRD-SE, Suncron Black S-SFO 300%, Lumacel Black HEF, Lumacel Orange SC, Lumacel Red S3BS을 이용하는 것이 좋다.

그리고 상기 염색단계에 의해 염색이 이루어진 PLA섬유를 환원세정한다. 이때 환원세정시 알칼리제로서 소다회를 사용하는 것이 좋다. 알칼리제로서 소다회를 사용함에 따라 PLA섬유의 중량감소율을 최소화할 수 있고 높은 인장강도 등을 얻을 수 있다. 환원세정시 소다회와 함께 하이드로 설파이드 및 소핑제가 첨가되고, 첨가량은 하이드로 설파이드 2.0g/ℓ, 소다회 1.0g/ℓ인 것이 바람직하다.

본 발명의 PLA섬유의 사염방법은 PLA섬유의 염색시 인장강도 등의 물성을 저하시키지 않고 높은 중량보유율을 가지며 염착율이 우수한 효과가 있다.

이하, 본 발명의 PLA섬유의 사염방법을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하고, 본 발명의 권리범위는 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[ PLA 원사 준비]

PLA원사는 시중에서 시판되는 H사의 PLA 원사를 사용하였고, H사의 PLA 원사 의 특성은 하기의 표 1과 같다.

[표 1] PLA원사의 특성

사종	섬도	강도	신도	불균제도	BWS%
PLA DTY 150/144	150d	3.6g/d	30%	0.8%	15

[열처리 조건 선정]

PLA원사를 하기의 표 2와 같은 조건으로 열처리를 하였고, 열처리된 PLA원사의 수축율 및 광택개선정도를 육안으로 확인하였다.

[표 2] 열처리 조건에 대한 수축율 및 광택개선도

	장력	온도 (℃)	시간 (min)	기타	수축율 (%)	광택개선도
실시예 1-1	무장력	100	20	-	6.3	×
실시예 1-2	유장력	100	20	소프트와인딩	6.2	○
실시예 1-3	무장력	100	20	25℃물에 20분간 침지후 열처리	5.9	×
실시예 1-4	유장력	95	15	소프트와인딩	5.7	○
실시예 1-5	유장력	105	20	소프트와인딩	6.3	○
비교예 1-1	무장력	90	20	-	4.2	×
비교예 1-2	무장력	110	20	-	6.5	×

실시예 1-1 내지 1-5의 경우 수축율이 5.7%이상이어 염색시 열수축이 일어나는 것을 방지할 수 있으나, 비교예 1-1의 경우 수축율이 4.2% 정도로 낮어 염색시 열수축이 일어날 개연성이 높다. 그리고 비교예 1-2의 경우 수축율이 6.5%로 높았으나 염색 후의 K/S 값이 낮고 염착성이 좋지 못하며 광택의 개선도 미비했다.

그리고 유장력으로 소프트와인딩한 상태에서 열처리한 실시예 1-2, 1-4 및 1-5의 경우 광택이 크게 개선된 것이 육안으로 확연히 구분되었다.

[정련처리조건 선정]

상기 실시예 1-2의 열처리된 PLA원사를 이용하여 하기의 표 3과 같은 조건으로 정련을 하였고, 정련처리된 후의 PLA원사에 대한 중량보유율과 인장강도보유율을 측정하였다. 중량보유율 및 인장강도보유율을 하기의 수학식 1 및 2에 의해 계산하였다.

[수학식 1]

[수학식 2]

[표 3] 정련처리 조건에 대한 중량보유율 및 인장강도보유율

	정련제	농도	중량보유율 (%)	인장강도보유율 (%)
실시예 2-1	소다회	0.5	99.1	82.1
실시예 2-2	〃	1.0	98.7	79.7
실시예 2-3	〃	1.5	98.3	81.9
실시예 2-4	〃	2.0	98.0	80.6
실시예 2-5	〃	2.5	97.6	79.6
비교예 2	가성소다	1.5	65.3	37.4

표 3과 같이 정련시 소다회를 사용한 실시예 2-1 내지 2-5는 모두 중량보유율이 97.6% 이상, 인장강도보유율이 79.6% 이상으로 높게 측정된 반면, 가성소다를 사용한 비교예 2의 경우 중량보유율이 65.3%, 인장강도보유율이 37.4%로서 매우 낮았다. 한편, 실시예 2-1의 경우 정련효과가 미비하였다.

[염색조건 선정]

상기 실시예 2-3의 정련처리된 PLA섬유와 PET용 분산염료를 사용하여 염색온도, 염색시간 및 PH의 영향성을 평가하였다.

(1) 염색온도에 따른 영향성

PLA섬유의 염색온도에 따른 염착성을 평가하기 위하여 염료는 욕비 1:20으로 PET용 일반 분산염료(BLUE EFBL, RED FB, YELLOW E3G, BLUE EFBL+YELLOW E3G)를 사용하였고, 분산제 1.0g/ℓ, 빙초산(CH₃COOH) 0.5g/ℓ를 첨가하였다. 위 염료를 이용하여 PLA섬유를 90℃, 100℃, 110℃ 및 120℃에서 각각 30분간 염색하여 육안으로 비교 관찰하였으며, 염색된 PLA섬유의 사진을 도 1 및 도 2로 나타냈다.

한편, 120℃에서 염색한 PLA섬유의 경우 원사의 태가 뻣뻣해져 강도가 약해져 그 결과는 배제하였다.

도 1 및 도 2와 같이 PLA섬유의 경우 110℃에서 염착율이 가장 우수한 것으로 육안으로 판단되었다.

(2) 염색시간에 따른 영향성

PLA섬유의 염색시간에 따른 염착성을 평가하기 위해 염료는 욕비 1:20으로 N/Blue SSFO 0.5%, Red S3BS 0.25%, Yellow 0.25%를 혼합하여 Violet 계열로 사용하였고, 분산제 0.5g/ℓ, 빙초산(CH₃COOH) 0.5g/ℓ를 첨가하였다. 위 염료를 이용하여 110℃에서 10분~70분간 변화를 주어 염색시간에 따른 염착성을 비교 평가하였 다. 염색된 PLA섬유의 사진을 도 3으로 나타냈다.

육안으로 평가 시 110℃ 20분 이후는 염착성 증가를 구별하기 힘들었다. 정확한 측정을 위해 처리시간에 따른 각각의 PLA섬유를 측색기를 이용하여 광원 D65, 10Deg. 조건에서 측정한 샘플을 측정한 후 가시광선 파장별 최대 반사율(R)을 측정하였다. 측정된 반사율을 이용하여 쿠베르크-뭉크 등식(수학식 3) 에 의해 K/S값으로 산출하였으며 그 결과를 도 4의 그래프로 나타내었다.

[수학식 3]

도 4에서 Violet 계열의 대표적인 흡수파장인 550nm 부근을 비교해 보면 110℃ 20분 까지는 염색 시간에 따라 K/S값이 증가하는 경향을 보였고 110℃ 30~70분의 샘플의 경우 K/S값이 각각 10.59, 10.43, 10.92, 10.30, 9.06으로 측정되었으나 약간의 측정 오차를 감안하고 실제 염색공정의 효율성을 고려하여 볼 때, 110℃에서 30분정도가 최적 염색 온도 및 염색시간이라고 판단된다.

(3) pH에 따른 영향성

PLA섬유의 pH에 따른 염착성을 평가하기 위해 욕비 1:20, 분산제 0.5g/l, 염색온도 110℃, 30분 조건으로 고정시킨 후 빙초산(CH₃COOH)의 농도를 0.25g/l, 0.5g/l, 0.75g/l, 1.0g/l의 조건에서 염색하여 pH에 따른 염착성을 비교를 위해 K/S값을 구한 결과를 도 5의 그래프로 나타냈다. 염료로는 RED EFB, YELLOW E3G, BLUE EFBL를 사용하였다.

염료에 따라 약간의 편차를 보이나 0.5g/l을 첨가하였을 때 K/S값이 높게 측정되었고 이때 pH는 4.5를 보임에 따라 PLA 섬유 염색의 적정 빙초산 첨가양은 0.5g/l, pH는 4.5정도가 적절한 조건이라 판단된다.

도 1 및 도 2는 염색온도별 염색된 PLA섬유를 나타내는 사진이다.

도 3은 염색시간별 염색된 PLA섬유를 나타내는 사진이다.

도 4는 염색시간별 염색된 PLA섬유의 K/S값의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 5는 pH별 염색된 PLA섬유의 K/S값의 변화를 나타내는 그래프이다.

Claims

PLA섬유를 95~105℃로 15~20분간 열처리하는 열처리단계와;

상기 열처리된 PLA섬유를 정련하는 정련단계와;

상기 정련된 PLA섬유를 분산염료를 이용하여 염색하는 염색단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 PLA섬유의 사염방법.
제1항에 있어서,

상기 열처리단계는 상기 PLA섬유를 소프트와인딩한 상태에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 PLA섬유의 사염방법.
제1항에 있어서,

상기 정련단계는 상기 열처리된 PLA섬유를 소다회를 이용하여 처리하는 것을 특징으로 하는 PLA섬유의 사염방법.
제3항에 있어서,

상기 정련단계에서 처리하는 소다회의 농도는 1.0~2.0%인 것을 특징으로 하 는 PLA섬유의 사염방법.
제1항에 있어서,

상기 염색단계는 상기 정련된 PLA섬유를 소프트와인딩한 상태에서 분산염료를 이용하여 염색하는 것을 특징으로 하는 PLA섬유의 사염방법.
제5항에 있어서,

상기 염색단계는 pH 4.5의 조건에서 110℃로 30분간 염색하는 것을 특징으로 하는 PLA섬유의 사염방법.
제1항에 있어서,

상기 염색단계 후 알칼리제로서 소다회를 사용하여 환원세정하는 환원세정단계가 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 PLA섬유의 사염방법.