산성 염료, 직접 염료, 반응성 염료는 모두 수용성 염료입니다. 2001년 생산량은 각각 3만 톤, 2만 톤, 4만 5천 톤이었습니다. 그러나 오랫동안 우리나라 염료 기업들은 신구조 염료 개발 및 연구에 집중해 왔지만, 염료 후처리 연구는 상대적으로 미흡했습니다. 수용성 염료에 일반적으로 사용되는 표준화 시약으로는 황산나트륨, 덱스트린, 전분 유도체, 수크로오스, 요소, 나프탈렌포름알데히드술폰산염 등이 있습니다. 이러한 표준화 시약은 원료 염료와 비율에 맞춰 혼합하여 원하는 농도의 제품을 만들지만, 인쇄 및 염색 산업의 다양한 인쇄 및 염색 공정의 요구를 충족시키지 못합니다. 앞서 언급한 염료 희석제는 비용이 비교적 저렴하지만, 습윤성과 수용성이 떨어져 국제 시장의 요구에 부응하기 어렵고 원료 염료 형태로만 수출될 수밖에 없습니다. 따라서 수용성 염료의 상용화에 있어서는 염료의 습윤성과 수용성 문제를 시급히 해결해야 하며, 이에 상응하는 첨가제를 활용해야 합니다.

염료 습윤성 처리
넓게 말하면, 습윤이란 표면의 유체(기체여야 함)가 다른 유체로 치환되는 현상입니다. 특히 분말이나 과립의 계면은 기체/고체 계면이어야 하며, 습윤 과정은 입자 표면의 기체가 액체(물)로 치환되는 것입니다. 즉, 습윤은 표면의 물질들 사이에서 일어나는 물리적 과정입니다. 염료 후처리에서 습윤은 매우 중요한 역할을 합니다. 일반적으로 염료는 분말이나 과립과 같은 고체 형태로 가공되는데, 사용 과정에서 습윤이 필요합니다. 따라서 염료의 습윤성은 적용 효과에 직접적인 영향을 미칩니다. 예를 들어, 용해 과정에서 염료가 잘 젖지 않아 물 위에 뜨는 것은 바람직하지 않습니다. 오늘날 염료 품질에 대한 요구 사항이 지속적으로 높아짐에 따라, 습윤 성능은 염료 품질을 측정하는 중요한 지표 중 하나가 되었습니다. 물의 표면 에너지는 20℃에서 72.75mN/m이며, 온도가 증가함에 따라 감소합니다. 반면 고체의 표면 에너지는 기본적으로 100mN/m 미만으로 거의 변화가 없습니다. 일반적으로 금속 및 금속 산화물, 무기염 등은 표면 에너지가 높아 젖음성이 좋습니다. 고체 유기물과 고분자의 표면 에너지는 일반 액체와 유사하여 낮은 표면 에너지라고 하지만, 고체 입자의 크기와 다공성에 따라 달라집니다. 입자 크기가 작을수록, 다공성이 클수록 표면 에너지가 높아지며, 그 크기는 기질에 따라 다릅니다. 따라서 염료의 입자 크기는 작아야 합니다. 염석이나 다양한 매체에서의 분쇄와 같은 상업적 가공 과정을 거치면 염료 입자가 미세해지고 결정성이 감소하며 결정상이 변화하여 염료의 표면 에너지가 향상되고 젖음성이 좋아집니다.

산성 염료의 용해도 처리
소량의 염료를 사용하는 염색조 비율과 연속 염색 기술의 도입으로 염색 및 인쇄 공정의 자동화 수준이 지속적으로 향상되었습니다. 자동 충전제와 페이스트의 등장, 그리고 액상 염료의 도입으로 고농도, 고안정성 염료액과 염색 페이스트의 제조가 요구되고 있습니다. 그러나 국내 염료 제품에 사용되는 산성, 반응성, 직접 염료의 용해도는 약 100g/L에 불과하며, 특히 산성 염료의 경우 일부 종류는 20g/L 정도밖에 되지 않습니다. 염료의 용해도는 염료의 분자 구조와 관련이 있습니다. 분자량이 크고 설폰산기가 적을수록 용해도가 낮아지고, 그렇지 않은 경우에는 용해도가 높아집니다. 또한 염료의 결정화 방법, 분쇄 정도, 입자 크기, 첨가제 첨가 등 염료의 상업적 가공 과정 역시 염료의 용해도에 매우 중요한 영향을 미칩니다. 염료가 이온화되기 쉬울수록 물에 대한 용해도가 높아집니다. 그러나 기존 염료의 상용화 및 표준화는 황산나트륨이나 소금과 같은 다량의 전해질을 기반으로 합니다. 물에 다량의 Na+ 이온이 존재하면 염료의 수용성이 저하됩니다. 따라서 수용성 염료의 용해도를 향상시키기 위해서는 우선 상용 염료에 전해질을 첨가하지 않는 것이 중요합니다.

첨가제 및 용해도
⑴ 알코올 화합물 및 요소 공용매
수용성 염료는 일정량의 설폰산기와 카르복실산기를 함유하고 있어 염료 입자가 수용액에서 쉽게 해리되고 일정량의 음전하를 띠게 됩니다. 수소 결합 형성기를 포함하는 보조 용매를 첨가하면 염료 이온 표면에 수화 이온 보호층이 형성되어 염료 분자의 이온화 및 용해를 촉진하여 용해도를 향상시킵니다. 디에틸렌 글리콜 에테르, 티오디에탄올, 폴리에틸렌 글리콜 등의 폴리올은 일반적으로 수용성 염료의 보조 용매로 사용됩니다. 이러한 폴리올은 염료와 수소 결합을 형성할 수 있기 때문에 염료 이온 표면에 수화 이온 보호층을 형성하여 염료 분자의 응집 및 분자간 상호작용을 방지하고 염료의 이온화 및 해리를 촉진합니다.
⑵비이온성 계면활성제
염료에 특정 비이온성 계면활성제를 첨가하면 염료 분자 간 및 분자 간 결합력을 약화시키고 이온화를 촉진하여 염료 분자가 물에서 미셀을 형성하게 하여 분산성을 향상시킬 수 있습니다. 극성 염료는 미셀을 형성합니다. 용해 촉진 분자는 분자 간 상용화 네트워크를 형성하여 용해도를 향상시키는데, 예를 들어 폴리옥시에틸렌 에테르 또는 에스테르가 있습니다. 그러나 공용매 분자에 강한 소수성기가 부족하면 염료가 형성하는 미셀에 대한 분산 및 용해 효과가 약해져 용해도가 크게 증가하지 않습니다. 따라서 염료와 소수성 결합을 형성할 수 있는 방향족 고리를 포함하는 용매를 선택하는 것이 좋습니다. 예를 들어 알킬페놀 폴리옥시에틸렌 에테르, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 에스테르 유화제, 폴리알킬페닐페놀 폴리옥시에틸렌 에테르 등이 있습니다.
⑶ 리그노설포네이트 분산제
분산제는 염료의 용해도에 큰 영향을 미칩니다. 염료의 구조에 맞는 적절한 분산제를 선택하면 염료의 용해도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 수용성 염료의 경우, 분산제는 염료 분자 간의 상호 흡착(반 데르 발스 힘) 및 응집을 방지하는 역할을 합니다. 리그노설포네이트는 가장 효과적인 분산제이며, 중국에서 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
분산 염료의 분자 구조는 강한 친수성 그룹을 포함하지 않고 약한 극성 그룹만 포함하고 있으므로 친수성이 약하고 실제 용해도는 매우 낮습니다. 대부분의 분산 염료는 25℃에서 물에 1~10mg/L 정도만 용해됩니다.
분산 염료의 용해도는 다음과 같은 요인들과 관련이 있습니다.
분자 구조
분산 염료의 수용해도는 염료 분자의 소수성 부분이 감소하고 친수성 부분(극성기의 종류와 양)이 증가함에 따라 증가합니다. 즉, 상대적으로 분자량이 작고 -OH, -NH2와 같은 약한 극성기가 많은 염료일수록 용해도가 높습니다. 반대로 상대적으로 분자량이 크고 약한 극성기가 적은 염료는 용해도가 낮습니다. 예를 들어, 분산 레드(I)의 경우 분자량은 321이며, 25℃에서의 용해도는 0.1mg/L 미만이고 80℃에서의 용해도는 1.2mg/L입니다. 분산 레드(II)의 경우 분자량은 352이며, 25℃에서의 용해도는 7.1mg/L이고 80℃에서의 용해도는 240mg/L입니다.
분산제
분말 분산 염료에서 순수 염료의 함량은 일반적으로 40~60%이며, 나머지는 분산제, 방진제, 보호제, 황산나트륨 등으로 구성됩니다. 그중 분산제가 차지하는 비율이 더 높습니다.
분산제(확산제)는 염료의 미세 결정립을 친수성 콜로이드 입자로 코팅하여 물에 안정적으로 분산시킬 수 있습니다. 임계 미셀 농도를 초과하면 미셀이 형성되어 미세한 염료 결정립의 일부가 분해됩니다. 미셀에 용해된 염료는 소위 "가용화" 현상을 일으켜 용해도가 증가합니다. 또한, 분산제의 품질이 좋을수록, 그리고 농도가 높을수록 용해화 및 용해 효과는 더욱 커집니다.
분산제가 구조가 다른 분산 염료에 미치는 용해 효과는 서로 다르며, 그 차이가 매우 크다는 점에 주목해야 합니다. 분산제가 분산 염료에 미치는 용해 효과는 물의 온도가 증가함에 따라 감소하는데, 이는 물의 온도가 분산 염료의 용해도에 미치는 영향과 정확히 일치합니다.
분산 염료의 소수성 결정 입자와 분산제가 친수성 콜로이드 입자를 형성하면 분산 안정성이 크게 향상됩니다. 더욱이, 이러한 염료 콜로이드 입자는 염색 과정에서 염료를 "공급"하는 역할을 합니다. 용해된 상태의 염료 분자가 섬유에 흡수된 후, 콜로이드 입자에 "저장된" 염료가 적시에 방출되어 염료의 용해 평형을 유지하기 때문입니다.
분산액 내 분산 염료의 상태
1-분산제 분자
2-염료 결정체(용해)
3-분산제 미셀
4-염료 단일 분자(용해됨)
5-염료 입자
6-분산제 친유성 염기
7-분산제 친수성 염기
8-나트륨 이온(Na+)
9-염료 결정체 응집체
하지만 염료와 분산제 사이의 "응집력"이 지나치게 크면 염료 단일 분자의 "공급"이 부족하거나 "공급이 수요를 초과하는" 현상이 발생합니다. 따라서 염색 속도가 직접적으로 저하되고 염색 비율이 불균형해져 염색 속도가 느려지고 색상이 옅어집니다.
분산제를 선택하고 사용할 때에는 염료의 분산 안정성뿐만 아니라 염료의 색상에 미치는 영향도 고려해야 한다는 것을 알 수 있다.
(3) 염색 용액 온도
분산 염료의 수용성은 물의 온도가 높아질수록 증가합니다. 예를 들어, 80°C의 물에서 분산 황색의 용해도는 25°C에서보다 18배 높습니다. 분산 적색의 용해도는 80°C의 물에서 25°C에서보다 33배 높으며, 분산 청색의 용해도는 25°C에서보다 37배 높습니다. 물의 온도가 100°C를 넘으면 분산 염료의 용해도는 더욱 증가합니다.
여기서 특별히 주의해야 할 점은 분산 염료의 이러한 용해 특성이 실제 적용에 숨겨진 위험을 초래할 수 있다는 것입니다. 예를 들어, 염료 용액이 고르지 않게 가열될 경우, 고온의 염료 용액은 저온의 용액으로 이동합니다. 물의 온도가 낮아짐에 따라 염료 용액은 과포화 상태가 되고, 용해된 염료가 침전되어 염료 결정립이 성장하고 용해도가 감소하게 됩니다. 결과적으로 염료 흡수율이 저하됩니다.
(넷) 염료 결정 형태
일부 분산 염료는 "동형성" 현상을 나타냅니다. 즉, 동일한 분산 염료라도 제조 공정에서 사용된 분산 기술의 차이로 인해 바늘 모양, 막대 모양, 플레이크 모양, 과립 모양, 블록 모양 등 여러 가지 결정 형태를 가질 수 있습니다. 염색 과정, 특히 130°C에서 염색할 때, 불안정한 결정 형태가 안정적인 결정 형태로 변환됩니다.
결정 형태가 안정할수록 용해도가 높고, 불안정할수록 용해도가 상대적으로 낮다는 점에 주목할 필요가 있습니다. 이는 염료 흡수율과 염료 흡수율에 직접적인 영향을 미칩니다.
(5) 입자 크기
일반적으로 입자가 작은 염료는 용해도가 높고 분산 안정성이 우수합니다. 입자가 큰 염료는 용해도가 낮고 분산 안정성이 상대적으로 떨어집니다.
현재 국내산 분산 염료의 입자 크기는 일반적으로 0.5~2.0μm입니다(참고: 침지 염색에는 0.5~1.0μm의 입자 크기가 필요합니다).