KR200185913Y1 - 염색기에서의 실시간 염색 제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 고안은 염색기의 염액조와 염액 측정부가 순환 파이프로 접속되고, 상기 염색기의 염액조에 담겨진 염액이 상기 염색기의 염액조와 염액 측정부 사이를 강제 순환되도록 상기 순환 파이프에 순환펌프가 설치된 염액 샘플링부와, 상기 순환 파이프를 통해 강제 순환되는 염액에 빛을 투과하여 염액에 포함된 혼합염료의 스펙트럼을 측정하고, 상기 혼합염료의 스펙트럼을 중앙처리 및 제어부에 전송하는 염액 측정부와, 흡진율을 조절하기 위한 각종 색상의 염료, 조제의 첨가량과 첨가방법, 염색온도, 승온속도 등의 제어인자와 소정 흡진율에 대한 각 제어인자의 조절량이 저장된 데이터 베이스와, 상기 염액 측정부로부터 전송되는 혼합염료의 스펙트럼을 각 염료별 스펙트럼으로 분해하여 임의의 시간(t)에서의 각 염료별 농도및 총 염액의 농도 및 흡진율

Description

염색기에서의 실시간 염색 제어장치{The real time dyeing control apparatus}
본 고안은 염액기에서의 실시간 염색 제어장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 염색중인 염액조의 염액을 소정시간마다 분석하여 여러 종류의 혼합염료에 대한 실시간 흡진율과 목표치 흡진율과 차이 값에 대한 보정값을 구하고, 이에 대응되게 염색온도, 승온속도, 조제의 첨가량, 첨가방법 중 하나 이상의 제어인자를 실시간으로 변화시켜 정확한 염색이 이루어지도록 하는 염색기에서의 실시간 염색 제어장치에 관한 것이다.
염색산업은 지난 20년 동안 컴퓨터의 발전과 더불어 염료, 알칼리, 산 등의 정량 주입장치와 새로운 기술을 이용한 염색기의 개발 등 염색공장의 자동화가 크게 이루어졌다. 그러나 아직 염색공정 자체를 목표치와 실시간에 제어하는 기술은 실용화되지 못하고 있는 실정이다. 이를 위해서는 염색과정을 실시간에 모니터링하고, 염착거동·조제의 작용·염색공정의 조건변화에 따른 분석과 이를 기초로 하여 염색공정을 최적화 하는 기술개발이 우선적으로 이루어져야 한다.
또한, 염색공장에서의 보편적인 불량 원인들은 기계별 염색차이, 조건변화에 의한 염색차이, 염료의 로트 차이에 의한 염색차이 등의 로트 차이에 따른 색차와 불균염인데 이러한 문제들은 염색이 어느 정도 완료되면 샘플링 하여 색상을 비교하고 색차판정한 후 염색기에 추가할 염료의 양을 결정한 후에 다시 추가 염색을 실시하게 되고 재염 단계로 보내어진다. 이 중 염색직물이 색차나 불균염이 심할 때는 블랙(black) 재염으로 전용해야 한다.
특히 염색공업은 장치산업임에도 불구하고 염색의 색차수정과 염색사고에 의한 원가부담이 매우 높으며, 이를 해결하는데 있어서는 기능자의 노하우에 의존하는 경우가 많다. 그 실례로서 반응성 염료를 사용하여 면직물을 염색하는 경우 색차 수정에 드는 비용은 염료 1회 추가할 때 20%의 제조비용의 상승과 22%의 공정시간이 연장되고, 불균염일 경우 각각 100%의 제조비용 상승과 공정시간이 연장되는 것을 알 수 있다. 따라서 경험에 의한 염료 추가 투입이나, 공정조건의 변화는 기계가동의 비생산 시간으로 염색의 제조 원가상승과 생산성 향상을 저해하는 결점이 있다.
이러한 염색에서의 로트간 색차와 불균염 문제를 해결하기 위해서는 상용성있는 염료의 혼합사용, 초기 염착속도의 저하를 위한 염색온도, 승온속도, 조제의 사용 등을 엄격하게 관리하여야 하나, 상기의 여러 조건의 변화에 대한 염착거동의 변화를 쉽게 측정할 수 있는 방법이 보급되고 있지 않다. 상기 문제의 해결을 위해 여러 염액조건 변화에 대한 흡진율의 변화를 단일 염료별로 시간별로 염액을 샘플링하여 측정하는 방법이 일반적으로 쓰이나, 일반적으로 염색은 2가지 이상의 혼합염료로 하므로 단일 염료별로 상기의 측정방법은 시간이 많이 소요될 뿐 아니라 염료 개별의 측정은 실제 혼합시에는 그 거동이 단독일 경우와 다르게 될 때가 많다.
혼합염료의 흡진율 분석을 위하여 분광광도계의 플로우 셀을 이용하여 염액을 샘플링하고, 혼합염료 용액 전체의 스펙트럼변화로부터 염료의 평균적인 흡진율을 측정하거나, 3원색의 필터를 이용하여 염액 스펙트럼의 3파장(황, 적, 청)에서 염료용액의 흡광도 변화로부터 3파장의 흡진율 변화를 나타내는 방법이 개발되어 있으나, 이러한 것들은 모두 염액을 구성하는 다수의 염료별 농도변화를 정확히 산출하지 못하므로 피염물을 염색을 하는 동안 정확한 혼합염료의 흡진율, 즉 염료의 염착상태를 실시간으로 모니터링 할 수 없어 염색이 이루어지는 동안에는 염료의 염색 상태를 확인할 수 없다는 결점이 있다. 또한 이러한 기술들은 염료별 염착거동을 정확히 산출하지 못함으로 해서 염색이 원만하게 이루지도록 제어하는 기능은 전혀 갖추지 못하고 있다.
상기한 바와 같은 염색공정에서의 재염과 색차문제를 해결하기 위해서 제안된 본 고안이 이루고자 하는 기술적 내용은 염색중인 염액조의 염액을 소정시간마다 실시간으로 분석하여 여러 종류의 혼합염료에 대한 실시간 흡진율과 목표치 흡진율과의 차이 값에 대한 보정값을 구하고, 이에 대응되게 조제의 첨가량과 첨가방법, 염색온도, 승온속도 중 하나이상의 제어인자를 실시간으로 변화시켜 정확한 염색이 이루어지도록 하는 염색기에서의 실시간 염색 제어장치를 제공하는 데 있다.
도1은 본 고안에 따른 염색기에서의 실시간 염색 제어장치 중에서 순환펌프를 이용하여 플로우 셀(flow cell)로 염액을 샘플링하는 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도2는 본 고안에 따른 염색기에서의 실시간 염색 제어장치 중에서 딥 프루버(dip prove)를 이용하여 염액을 샘플링하는 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도3은 본 고안에 따른 염색기에서의 실시간 염색 제어장치의 동작상태를 나타내는 순서도이다.
도4는 본 고안을 사용하여 반응염료의 흡진단계에서 중성염의 첨가량 조절을 통한 염료의 흡진율 곡선의 변화를 나타낸 것이다.
도5는 본 고안에서 도4의 결과로부터 수학식9를 이용하여 중성염 첨가량에 따른 염착속도상수 값(Kd))을 구하여 나타낸 것이다 .
도6은 본 고안을 사용하여 면섬유의 반응염색의 반응단계에서 알칼리의 첨가량에 따른 흡진율 곡선의 변화를 나타낸 것이다.
도7은 본 고안을 사용하여 반응염료 염색에서 중성염의 투입을 분할투입으로 변화시킬 때 흡진거동의 변화를 나타낸 것이다.
도8은 본 고안을 사용하여 면섬유의 반응염색에서 염색 제어인자를 이용한 염색의 실시간 제어결과의 예를 나타낸 것이다.
도9의 (a)는 중성염을 일시에 투입하면서 염색한 염색물의 불균염지수(염색물의 부위간 색상차)를, (b)는 본 고안에 따라 도4 ∼ 도7의 데이터를 이용하여 반응염료 염색에서 중성염의 량과 투입방법을 제어하면서 염색된 염색물의 불균염지수를 각각 나타낸 것이다.
도10은 본 고안을 사용하여 나일론을 산성염료로 염색시 (a)는 염액의 pH를 제어하지 않고 염색한 결과이며, (b)는 본 고안에 따라 염료간의 흡진율 변화가 같도록 염액의 pH를 염색시간에 따라 변화시키면서 염색한 결과이다.
도11은 도10의 방법에 따라 기존의 염색법과 본 고안에 따른 제어염색의 결과를 배치간 색상차로 나타낸 것이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
1 : 염색기 2 : 염액조
3 : 제어인자 조절부 4 : 염색기 컨트롤러
5 : 순환펌프 6 : 플로우 셀을 내장하는 염액 측정부
7 : 중앙처리 및 제어부 8 : 표시부
9 : 데이터 베이스 10 : 딥 프루버(dip prove)
11 : 딥 프루버가 광섬유로 연결된 염액 측정부
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안에 따른 염색기에서의 실시간 염색 제어장치는, 염색기의 염액조와 염액 측정부가 순환 파이프로 접속되고, 상기 염색기의 염액조에 담겨진 염액이 상기 염색기의 염액조와 염액 측정부 사이를 강제 순환되도록 상기 순환 파이프에 순환펌프가 설치된 염액 샘플링부와, 상기 순환 파이프를 통해 강제 순환되는 염액에 빛을 투과하여 염액에 포함된 혼합염료의 스펙트럼을 측정하고, 상기 혼합염료의 스펙트럼을 중앙처리 및 제어부에 전송하는 염액 측정부와, 흡진율을 조절하기 위한 각종 색상의 염료, 조제의 첨가량과 첨가방법, 염색온도, 승온속도 등의 제어인자와 소정 흡진율에 대한 각 제어인자의 조절량이 저장된 데이터 베이스와, 상기 염액 측정부로부터 전송되는 혼합염료의 스펙트럼을 각 염료별 스펙트럼으로 분해하여 임의의 시간(t)에서의 각 염료별 농도및 총 염액의 농도 및 흡진율을 연산하여 목표치 흡진율과의 차이값을 구하고, 상기 데이터 베이스를 검색하여 해당 차이값을 보정하기 위한 제어인자와 그의 조절량을 독출하는 중앙처리 및 제어부 및 실시간으로 측정되는 상기 흡진율과 목표치 흡진율이 일치하도록 상기 중앙처리 및 제어부의 제어로 상기 하나 이상의 제어인자를 자동 혹은 수동으로 조절하는 제어인자 조절부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 염액 측정부에는 투과거리가 가변적인 플로우 셀 및 딥 프로버가 구비될 수 있으며, 상기 염액 측정부 및 상기 염액 측정부의 딥 프로버가 원격 측정이 가능하도록 광섬유로 연결될 수 있으며, 상기 중앙처리 및 제어부는 천연섬유, 합성섬유, 천연섬유간 또는 합성섬유간 교직/혼방섬유, 천연 및 합성섬유의 교직/혼방섬유를 하나 이상의 염료로 염색하면서 조제의 첨가량 및 첨가방법, 염색온도, 승온속도 등의 제어인자를 변화시켜 실시간으로 흡진율을 조절하도록 구성될 수 있다.
상기한 바와 같은 염색기에서의 실시간 염색 제어장치의 동작 예는, 피염물을 염색중인 염액의 스펙트럼으로부터 여러 종류의 혼합염료에 대한 농도를 실시간으로 구하고 이로부터 임의의 시간에서의 각 염료별 및 총 염액의 흡진율을 구하는 단계와, 상기 임의의 시간에서의 실시간 흡진율과 목표치 흡진율을 대비하여 차이 값을 구하는 단계와, 상기 실시간 흡진율을 조절하기 위하여 조제의 첨가량과 첨가방법, 염색온도, 승온속도 등의 제어인자 중 상기 차이값을 보정할 수 있는 하나 이상의 제어인자와 그의 조절량을 데이터 베이스로부터 검색하는 단계 및 상기 검색된 하나 이상의 제어인자를 자동 혹은 수동으로 조절하여 상기 실시간 흡진율과 목표치 흡진율이 같은 상태에서 염색공정이 이루어지도록 염색기 컨트롤러를 제어하는 단계를 수행한다.
상기한 바와 같은 염색기에서의 실시간 염색 제어장치의 다른 동작 예는, 피염물을 염색중인 염액의 스펙트럼으로부터 여러 종류의 혼합염료에 대한 농도를 실시간으로 구하고 이로부터 임의의 시간에서의 각 염료별 및 총 염액의 흡진율을 구하는 단계와, 상기 임의의 시간에서의 실시간 흡진율과 목표치 흡진율을 대비하여 차이 값을 구하는 단계와, 상기 실시간 흡진율을 조절하기 위하여 조제의 첨가량, 염색온도, 승온속도 등의 제어인자 중 상기 차이 값을 보정할 수 있는 하나 이상 제어인자와 그의 조절량을 데이터 베이스로부터 검색하는 단계 및 상기 하나 이상의 제어인자와 그의 조절량을 염색기 컨트롤러를 통해 조절하고 조절의 결과를 표시부에 디스플레이 하는 단계를 수행한다.
상기 염색기에서의 실시간 염색 제어장치는, 천연섬유, 합성섬유, 천연섬유간 또는 합성섬유간 교직/혼방섬유, 천연 및 합성섬유의 교직/혼방섬유를 하나 이상의 염료로 염색하면서 조제의 첨가량 및 첨가방법, 염색온도, 승온속도 등의 제어인자를 변화시켜 실시간으로 흡진율을 조절하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 고안의 바람직한 실시 예를 예시도면과 함께 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도1은 본 고안에 따른 염색기에서의 실시간 염색 제어장치 중에서 순환펌프를 이용하여 염액을 플로우 셀로 보내어 샘플링 및 측정하는 타입을 나타내는 블록 구성도로서, 염색을 수행하기 위한 각기 다른 색상의 여러 염료의 혼합액인 염액이 채워져 있는 염액조(2)를 구비한 염색기(1)에는 염액조(2)에 투입된 염액을 교반하고, 염액조(2)에 채워진 염액을 소정온도로 가열하거나 소정의 승온속도로 가열하는 히터를 제어하며, 추가되는 조제의 공급을 조절하는 염색기 컨트롤러(4) 및 염색에 영향을 미치는 조제의 첨가량 등의 각종 제어인자를 조절하기 위한 제어인자 조절부(3) 등이 갖추어져 있다.
그리고 염색기(1)의 염액조(2)에 연결되어 있는 염액 측정부(6)는 플로우 셀을 내장하고 있어, 염액조(2)로부터 공급받는 염액의 스펙트럼을 측정하여 중앙처리 및 제어부(7)에 전송할 수 있도록 연결되어 있다.
이렇게 염액 측정부(6)로부터 염액의 스펙트럼을 전송 받은 중앙처리 및 제어부(7)에서는 염액 스펙트럼을 각 염료별 스펙트럼으로 분해하고, 이를 기초로 각 염료별 및 총 염액의 농도를 구한 후 이로부터 흡진율을 실시간으로 구할 수 있도록 알고리즘이 내장되어 있을 뿐만 아니라 염액의 농도와 흡진율 등을 표시부(8)로 디스플레이 할 수 있도록 구성되어 있다. 또한, 중앙처리 및 제어부(7)에는 임의의 시간에서의 실시간 흡진율을 목표치 흡진율로 보정하기 위한 조제의 첨가량, 염색온도와 그의 조절량에 대한 데이터가 저장되어 있는 데이터 베이스(9)가 연결되어 있으며, 중앙처리 및 제어부(7)는 실시간 흡진율과 목표치 흡진율과의 차이 값을 보정할 수 있는 조제의 첨가량, 염색온도와 그의 조절량을 데이터 베이스(9)로부터 검색하도록 구성되어 있으며, 목표치 흡진율과 실시간 흡진율이 같게 되도록 조제의 첨가량과 첨가방법, 염색온도, 승온속도 등의 제어인자 중 하나이상의 제어인자를 조절하게 되는 제어인자 조절부(3)가 중앙처리 및 제어부(7)의 제어로 구동되도록 연결되어 있다. 마지막으로, 중앙처리 및 제어부(7)는 효율적인 염색과 염액의 농도와 흡진율 등을 분석할 수 있도록 순환펌프(5)의 구동을 제어하는 역할도 동시에 수행하도록 구성되어 있다.
물론, 이전에 염액 측정부(6)에 전송되었던 염액은 순환라인을 통해 다시 염색기(1)의 염액조(2)로 피이드백(feed-back) 되어진다. 여기서, 염색시의 염액의 농도가 고농도임을 고려하여 투과거리가 가변적인 플로우셀(flow cell)에 의해 염액 측정부(6)를 구성하는 것이 적절하며, 이 염액 측정부(5)는 염액의 스펙트럼 측정을 위한 커맨드(command)가 분석 알고리즘 내에서 편집이 가능한 타임-베이스드 스캐닝(time-based scanning) 기능을 통해 일정시간 간격으로 염액의 스펙트럼을 측정할 수 있는 자외-가시 분광광도계(UV/Visible Specrophotometer)를 사용한다.
도2는 본 고안에 따른 염색기에서의 실시간 염색 제어장치 중에서 염액의 샘플링을 염액조에서 직접 염액을 샘플링하는 딥프루버(dip prove)를 사용하는 장치의 개략도이며, 실시간 염액의 측정과 분석, 염색의 제어의 원리와 기능은 도1에서의 설명과 같고, 딥 프루버(10)와 염액 측정부(11)는 광섬유로 연결되어 있으며, 딥프루버는 투과거리가 가변적이어서 넓은 범위의 염료농도에 대해 사용이 가능하도록 구성되어 있다.
본 고안에서 염색의 제어를 위하여 혼합염료의 염료별 흡진율과 흡진속도를 구하는 원리는 다음과 같다. 일반적으로 면직물을 염색중인 염료가 단독염료인 경우 단독염료 용액의 농도는 염액의 흡광도를 측정함으로써 알 수 있는데, 흡광도와 염료농도간에는 아래의 수학식1과 같은 비어(Beer)의 법칙이 성립된다.
여기서, A는 흡광도, C는 염료농도는 염료농도,는 염료의 분자흡광계수,은 측정액의 투과길이이다.
위의 수학식1에 의해서는 염료별로 ε 또는이 미리 측정되어져 있으면 염액 측정부에 의한 흡광도(A)의 측정으로 바로 염료농도(C)가 산출 가능하다. 혼합염료에 대해서는 염료 흡광도의 가성성을 고려하면 아래의 수학식2와 같이 되고 수학식2는 혼합염료의 흡광도가 여러 농도(C1, C2, C3, ····)에 대해 선형이므로 여러 파장(λ)에 대한 혼합염료의 흡광도를 측정함으로써 각 염료의 농도를 연산할 수 있다. 예로서 3가지 염료를 사용한 경우는 수학식3과 같이 연산되어진다.
단,
단, kij는 i염료의 j파장에서의 k값
그러나 위의 수학식2에 의해 혼합염료의 각 염료별 농도를 연산하는 방법은 대부분의 실용염료 농도범위가 비어(Beer)의 법칙을 벗어나는 고농도의 범위이고, 계산을 위해 선택해야 하는 파장에 따라 계산의 결과가 크게 달라질 수 있으므로 본 고안에 적용하기에는 적절하지 못하다.
염료의 농도가 진한 경우에는 이에 대한 보정으로 여러 방법이 제시되고 있으나, 가장 실용적인 보정으로 흡광도(A)와 농도(C)와의 관계를 아래의 수학식4와 같이 가정을 하였다.
수학식4의 양변에 대수를 취하면와가 비례하는 것으로 고 농도의 염액에 있어서는 비교적 잘 적용이 되나, 저 농도의 경우에는 흡광도(A)와 농도(C)가 직선관계에 있으므로 다소 오차가 발생된다. 수학식4의 이용에서 가장 어려운 점은 혼합염료의 경우 수학식2와 같이 흡광도(A)와 농도(C1, C2, C3, ····)와의 관계가 선형이 아니므로 이 관계를 이용하는 혼합염료에서 각 염료농도의 분석에는 어려움이 많을 뿐 아니라 흡수대가 유사한 염료의 혼합일 경우에는 정확한 농도의 산출이 불가능할 경우가 많다.
혼합염료의 스펙트럼은 염료간에 상호작용이 없는 경우에는 염료별로 각 농도에 해당하는 스펙트럼의 합으로 주어진다. 따라서 측정되는 혼합염료의 스펙트럼을 각 성분염료의 스펙트럼으로 분리한 후 개별 스펙트럼의 농도를 산출하면 위에서 언급한 문제를 해결할 수 있어서 혼합염료의 종류나 갯수에 관계없이 정확한 농도의 산출이 가능하다.
즉, 염액 측정부(6)에 의해 측정되는 초기(t)의 염액 스펙트럼을 중앙처리 및 제어부(7)에 공급하면 중앙처리 및 제어부(7)는 n개 염료의 개별 스펙트럼을 아래의 수학식5에 의해 구한다.
위의 수학식5에서 [k1,λ, k2,λ, k3,λ,···· kn,λ]를 성분염료의 계수값으로 두면 각 성분염료의 농도는 아래의 수학식6으로 계산된다.
수학식6에서 성분염료의 농도을 계산하기 위해서는 성분 염료의 계수 값을 미리 측정해 두어야 한다.
성분염료의 계수값은 염료가 저 농도일 경우에는 흡광도(A)와 농도(C)의 직선 관계식으로부터 쉽게 구할 수 있으나, 고 농도일 경우에는 비어(Beer)의 법칙으로부터 벗어나므로 수학식4를 수학식5에 대입하여 수치해석법으로 농도(C)를 구할 수 있으므로 중앙처리 및 제어부(7)는 수학식6에 의해 초기염액의 농도를 구한다.
이어서, 염액 측정부(6)에 의해 측정되는 임의의 시간(t)에서의 염액 스펙트럼이 중앙처리 및 제어부(7)에 공급되면, 중앙처리 및 제어부(7)는 위에서와 같이 n개 염료의 개별 스펙트럼을 위의 수학식5에 적용하여 구한 후 이를 위의 수학식6에 적용하여 각 성분 염료의 임의의 시간에서의 염액의 농도를 계산한다.
그리고 나서, 중앙처리 및 제어부(7)는 초기염액의 농도와 임의의 시간에서의 염액의 농도를 아래의 수학식7에 적용하여 각 염료별 및 총 염액의 흡진율()을 구한다.
여기서,는 염료의 초기 농도를 나타낸다.
실시간으로 염료의 흡진율을 측정한 결과로부터 염색의 속도상수 즉, 염착속도를 나타내는 방법은 염료의 확산속도와 염색속도 상수를 구하는 방법이 있는 데 확산속도의 경우 평형 염착량(무한 시간에서의 염료 흡착량)을 구해야 하므로 실제 응용이 어렵고 수학식8과 같은 빅커스타프(Vickerstaff)의 경험적 흡착식을 이용하는 것이 편리하다.
단, Et는 시간(t)에서의 흡진율, E∞는 평형 흡진율, Kd는 염색속도 상수이다.
위의 수학식8을 다시 쓰면, 아래의 수학식9와 같이 되고, 1/Et을 1/t에 대해 도시하면 직선의 절편과 기울기에 평형 흡진율(E∞)과 염색속도 상수(Kd)가 얻어지므로 반응성 염료의 흡진율을 분석하는 데 유용하게 쓸 수 있다.
이렇게 실시간으로 염액의 흡진율을 측정하고(S21) 이로부터 염액의 농도와 흡진율을 구하는 과정을 도3에 의해 설명을 한다. 염색중인 염색기(1)의 흡진율을 실시간으로 구한 중앙처리 및 제어부(7)는 이를 목표치 흡진율과 대비하여 차이값을 연산하게 된다.(S22) 다시 말하면, 중앙 처리 및 제어부(7)는 염색기(1)의 염색이 목표치 흡진율 상태에서 이루어 질 수 있도록 보정값을 구한다.
그리고, 중앙처리 및 제어부(7)는 데이터 베이스(9)를 검색하여 차이값, 즉 보정값에 대응하는 제어인자와 그 조절량을 읽어내게 된다.(S23) 즉, 중앙처리 및 제어부(7)는 염색중인 염색기(1)의 흡진율을 조절할 수 있는 다른 색상의 염료, 조제의 첨가량과 첨가방법, 염색온도 등의 제어인자 중 흡진율을 조절할 수 있는 최적의 제어인자 하나 이상과 그의 조절량을 결정한다.
그리고 나서, 중앙처리 및 제어부(7)는 최적의 제어인자와 그의 조절량을 표시부(8)에 디스플레이(S24)하는 한편 제어인자 조절부(3)에 구동신호를 출력하여 해당 제어인자를 자동으로 조절하여 염색중인 염액의 흡진율을 조절하게 된다.(S25)
물론, 제어인자의 조절량을 중앙처리 및 제어부(7)에 의해 자동으로 조절할 수도 있지만 해당 제어인자의 조절량을 수동으로 조절하여 염색중인 염액의 흡진율을 목표치 흡진율로 조절할 수도 있다.
도4는 본 고안을 사용하여 반응염료의 흡진단계에서 중성염의 첨가량에 따른 흡진율 곡선의 변화를 나타낸 것이다. 반응염료는 일반적으로 염료 흡착단계와 반응 단계로 염색이 진행된다. 흡착단계는 면직물에 염료분자의 흡착이 일어나는 단계로 중성염을 첨가하여 섬유와 염료간의 직접성을 향상시켜 섬유 내 염료의 흡착을 높인다. 이 단계를 1차 흡진(Primary exhaustion)이라고 한다. 반응단계에서는 알칼리를 첨가해 흡진된 염료분자와 섬유가 화학반응에 의한 공유결합으로 고착됨과 동시에 용액 중에 있는 염료분자가 섬유에 대한 흡착도 나타나고 새롭게 흡진된 염료분자도 공유결합으로 고착이 되는데 이를 2차 흡진(Secondary exhaustion)이라고 부른다. 이와 같이 반응성염료의 염색에서는 염료분자와 섬유사이에 분자간 인력에 의한 염료의 흡진과 양자의 화학결합에 의한 고착이 동시에 진행되기 때문에 현상해석을 2단계로 이해하고 반응염색의 제어인자 분석을 위해서 우선 흡착단계에 주된 영향을 미치는 인자를 중성염 첨가에 따라 알아보았다.
특히, 중앙처리 및 제어부(7)는 흡진단계와 반응단계로 이루어지는 염색공정에서 다수개의 제어인자 중 흡진율의 조절폭이 가장 큰 제어인자, 즉 흡진단계에서는 중성염의 첨가량을 그리고 반응단계에서는 알칼리의 첨가량을 조절하여 실시간 흡진율을 목표치 흡진율로 조절할 수 있다.
중성염 첨가량의 증가에 따라 청색 반응염료의 흡진율이 증가함을 알 수 있다. 흡착단계에서 염착속도가 빠르게 진행될 경우 초기 불균염이 일어나고 반응단계에서는 이것을 컨트롤할 수가 없기 때문에 초기 염착속도를 컨트롤하는 것은 섬유와 염료간의 불균염성을 조절하는데 중요한 역할을 한다. 그러므로 초기 염착속도를 제어하게 되면 초기 흡착에 따른 불균염성 뿐만 아니라 최종 염착량도 조절이 가능함을 알 수 있다.
도5는 도4의 결과로부터 수학식9를 이용하여 중성염 첨가량에 따른 염착속도상수 값(Kd))과 평형흡착량(E∞)을 나타탠 것이다. 이 값은 데이터베이스에 보관되어 원하는 흡진율곡선이 되도록 염색을 진행하는데 필요한 중성염의 투입농도를 산출하는데 이용된다.
도6은 본 고안을 사용하여 면섬유의 반응염색의 반응단계에서 알칼리의 첨가량에 따른 흡진율 곡선의 변화를 나타낸 것이다. 반응염색에서 알칼리를 첨가하면 섬유와 염료간의 직접성이 현저하게 떨어지고, 초기 중성염의 첨가에 의해 흡착된 염료분자와 섬유가 화학반응에 의한 고착이 일어난다. 즉, 알칼리 하에서는 염료의 반응기와 섬유내의 이온화된 염착좌석 사이의 화학반응으로 초기 중성염의 첨가에 따른 급격한 흡진은 일어나지 않는다. 알칼리의 첨가량이 증가하면 섬유내 반응성도 빠르게 증가하지만 가수분해도 촉진된다.
알칼리의 첨가량을 0, 5, 10, 15, 20g/l로 증가함에 따라 흡진이 약간 증가하지만 중성염의 첨가에 따른 급격한 증가는 알칼리에서는 나타나지 않는다. 실질적으로 최종 염색된 염료량은 알칼리 투입 직전 중성염의 첨가량에 더 크게 의존하고 알칼리는 염료와 섬유간의 반응속도에만 영향을 미친다. 따라서 알칼리의 투입량으로는 흡진속도의 조절이 불가능하므로 여기에서는 알칼리 투입량을 일정하게 유지하여야 할것으로 판단하게 된다.
도7은 본 고안을 사용하여 반응염료 염색에서 중성염의 투입을 분할투입으로 변화시킴으로서 흡진거동에 미치는 영향을 측정한 것이다. 도4에서 보면 중성염의 투입량은 흡진속도를 낮추나, 최종 흡진율을 동시에 낮추므로 균염을 위해 흡진속도를 낮추면서 최종 원하는 흡진율에 도달하기 위해서는 다수 개의 제어인자 중 중성염 첨가량의경우에는 이를 일시에 투입하면 흡진율 변화속도가 급격히 가변된다는 점을 감안하여 중앙처리 및 제어부(7)는 염색중인 염색기(1)에 중성염이 분할 투입되도록 제어할 수 있다. 도7은 이러한 인자를 수학식9에 의해 구하며, 이 값들은 염색의 제어를 위해 데이터 베이스에 저장하게 된다.
도8은 본 고안을 사용하여 제어인자를 이용한 염색의 실시간 제어결과의 예를 나타낸 것이다. 중성염의 첨가량을 10, 50g/l로 변화를 시키고 알칼리의 첨가량도 5, 10, 15, 20g/l로 변화시킬 때 흡진곡선인데 중성염의 첨가량을 10g/l일 경우 1차 흡진율이 낮고 알칼리의 첨가량에 의해 급격한 염료 흡진이 일어나기 때문에 불균염이 나타나기 쉽다. 또한 중성염 30g/l을 첨가한 경우는 1차 흡진율은 중성염 50g/l을 첨가할 경우에 비해 낮지만 알칼리를 첨가할 경우 결국 최종흡진율은 중성염 50g/l을 넣은 경우와 큰 차이를 보이지 않음을 알 수 있다. 중성염의 첨가량이 적을 경우 알칼리 첨가량의 증가함에 따라 섬유에 대한 염료의 흡진율이 증가하지만 중성염의 첨가량이 증가할수록 알칼리에 대한 영향이 줄어드는 것을 알 수 있다. 이러한 기초 데이터가 데이터 베이스에 입력되어 있으면 반응염색에서 중성염의 첨가량이 증가할수록 흡진속도와 흡착량이 증가하나, 초기 흡진속도의 증가는 불균염을 줄 수 있으므로 중앙 처리 및 제어수단(7)은 흡진율 변화속도가 급격히 변화하는 것을 방지하면서도 염색공정 중 흡진단계에서의 흡진율을 목표치 흡진율로 조절할 수 있는 것이다.
또한, 중앙처리 및 제어부(7)는 염색기(1)에 투입되는 각기 다른 색상을 갖는 염료와 액비 등을 조절하여 염색되는 피염물의 염색농도를 조절 할 수도 있다.
도9의 (a)는 중성염을 일시에 투입하면서 염색한 염색물의 불균염지수(염색물의 부위간 색상차)를 각각 나타낸 것이다. (b)는 본 고안에 따라 도4 ∼ 도7의 데이터를 이용하여 반응염료 염색에서 중성염의 량과 투입방법을 제어하면서 염색된 염색물의 불균염지수를 본 고안에 의해 제어를 통한 염색의 결과가 불균염지수가 훨씬 낮음을 알 수 있다.
도10은 본 고안을 사용하여 나일론을 산성염료로 염색시 (a)는 염액의 pH를 제어하지 않고 염색한 결과이며, (b)는 본 고안에 따라 염료간의 흡진율 변화가 같도록 염액의 pH를 염색시간에 따라 변화시키면서 염색한 결과이다. 두 경우에서 보면 적색염료가 (a)에서는 청색 및 황색염료에 비해 빠르게 흡착되어 불균염 및 배치간 색차의 위험성이 크나, (b)에서는 3가지 염료가 흡진율이 유사하도록 조절되고, 초기의 흡진속도도 낮아서 불균염의 위험성이 최소화되고 있다.
도11은 도10의 방법에 따라 기존의 염색법과 본 고안에 따른 제어염색의 결과를 배치간 색상차로 나타낸 것이다. 본 고안에 의한 염색의 결과 배치간 색차는 거의 나타나지 않으나, 기존의 방법에 의해서는 많은 색차가 발생되고 있음을 알수 있다.
본 고안에 의하면 실시간에 일정시간별로 샘플링 되는 염액의 스펙트럼측정하고, 구성염료의 염액농도, 흡진율을 지속적으로 측정하여 목표로 하는 흡진속도와 흡진율이 되도록 염액조건과 조제의 투입량, 투입방법 등을 실시간으로 제어함으로써 염색물의 로트간 또는 배치간 색상차이를 줄이고 불균염을 막아 색수정과 재염으로 인한 제조원가의 상승을 막을 수 있으며, 피염물의 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 고안은 염착농도를 실시간으로 제어하여 반복 염색공정시 염색농도 차에서 오는 색상 차를 줄이고, 필요한 경우 염료의 추가 투입으로 인한 색수정이 가능하다는 효과가 있다.
이상에 본 고안은 기재된 구체 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 고안의 기술 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 실용신안등록청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (4)

  1. 염색기의 염액조와 염액 측정부가 순환 파이프로 접속되고, 상기 염색기의 염액조에 담겨진 염액이 상기 염색기의 염액조와 염액 측정부 사이를 강제 순환되도록 상기 순환 파이프에 순환펌프가 설치된 염액 샘플링부;
    상기 순환 파이프를 통해 강제 순환되는 염액에 빛을 투과하여 염액에 포함된 혼합염료의 스펙트럼을 측정하고, 상기 혼합염료의 스펙트럼을 중앙처리 및 제어부에 전송하는 염액 측정부;
    흡진율을 조절하기 위한 각종 색상의 염료, 조제의 첨가량과 첨가방법, 염색온도, 승온속도 등의 제어인자와 소정 흡진율에 대한 각 제어인자의 조절량이 저장된 데이터 베이스;
    상기 염액 측정부로부터 전송되는 혼합염료의 스펙트럼을 각 염료별 스펙트럼으로 분해하여 임의의 시간(t)에서의 각 염료별 농도및 총 염액의 농도 및 흡진율을 연산하여 목표치 흡진율과의 차이값을 구하고, 상기 데이터 베이스를 검색하여 해당 차이값을 보정하기 위한 제어인자와 그의 조절량을 독출하는 중앙처리 및 제어부; 및
    실시간으로 측정되는 상기 흡진율과 목표치 흡진율이 일치하도록 상기 중앙처리 및 제어부의 제어로 상기 하나 이상의 제어인자를 자동 혹은 수동으로 조절하는 제어인자 조절부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 염색기에서의 실시간 염색 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 염액 측정부에는 투과거리가 가변적인 플로우 셀 및 딥 프로버가 구비되는 것을 특징으로 하는 상기 염색기에서의 실시간 염색 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 염액 측정부 및 상기 염액 측정부의 딥 프로버가 원격 측정이 가능하도록 광섬유로 연결되는 것을 특징으로 하는 상기 염색기에서의 실시간 염색 제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중앙처리 및 제어부는, 천연섬유, 합성섬유, 천연섬유간 또는 합성섬유간 교직/혼방섬유, 천연 및 합성섬유의 교직/혼방섬유를 하나 이상의 염료로 염색하면서 조제의 첨가량 및 첨가방법, 염색온도, 승온속도 등의 제어인자를 변화시켜 실시간으로 흡진율을 조절하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 상기 염색기에서의 실시간 염색 제어장치.
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