반응성 염료는 선명한 색상과 완벽한 크로마토그램을 나타냅니다. 사용이 간편하고 가격이 저렴하며 견뢰도가 우수한 것으로 알려져 있습니다. 특히 최근 셀룰로오스 섬유의 개발이 활발해짐에 따라 반응성 염료는 셀룰로오스 섬유 직물 염색에 있어 가장 중요한 염료 유형으로 자리 잡았습니다.

하지만 반응성 염료의 가장 두드러진 문제점은 낮은 흡수율과 고착률입니다. 셀룰로오스 섬유의 전통적인 염색 공정에서는 반응성 염료의 흡수율과 고착률을 높이기 위해 다량의 무기염(염화나트륨 또는 황산나트륨)을 첨가해야 합니다. 염료의 구조와 색상에 따라 사용되는 염의 양은 일반적으로 30~150g/L입니다. 인쇄 및 염색 폐수 중 유기 화합물 처리 분야에서는 상당한 진전이 있었지만, 염색 공정에서 다량 첨가되는 무기염은 단순한 물리적, 생화학적 방법으로는 처리할 수 없습니다.

반응성 염료 및 무염 염료 기술에 대한 연구

생태학적 관점에서 볼 때, 염도가 높은 인쇄 및 염색 폐수의 방류는 강과 호수의 수질을 직접적으로 변화시키고 생태 환경을 파괴합니다.
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염분의 높은 투수성은 강과 호수 주변 토양의 염류화를 유발하여 작물 수확량을 감소시킵니다. 간단히 말해, 다량의 무기염은 분해되거나 재활용될 수 없으며, 동시에 수질과 토양에 심각한 악영향을 미칩니다. 이러한 배경을 바탕으로, 본 논문은 무염 염색 기술의 최근 연구 동향을 검토하고, 저염 반응성 염료의 구조 변화, 접합 기술 및 가교 기술에 대해 체계적으로 논의합니다.

무염 염색용 반응성 염료

반응성 염료의 뛰어난 특징은 작은 분자 구조, 우수한 친수성, 그리고 고착 후 부유물이 쉽게 씻겨 나가는 점입니다. 이는 염료 분자 설계에 있어 중요한 혁신입니다. 그러나 이러한 특징은 염료 소모율과 고착률을 낮추고 염색 과정에서 많은 양의 염을 첨가해야 한다는 단점을 야기합니다. 결과적으로 다량의 염수 폐수와 염료 손실이 발생하여 폐수 처리 비용이 증가하고 환경 오염이 심각해집니다. 이에 일부 염료 회사들은 염료 전구체 및 반응기 선별 및 개선에 주목하여 저염 염색용 반응성 염료 개발에 나서고 있습니다. 시바(Ciba)에서 출시한 시바크론Ls(CibacronLs)는 서로 다른 활성기를 결합하여 만든 저염 염색용 염료입니다. 이 염료의 특징은 일반 반응성 염료 대비 염색 시 사용되는 염의 양이 1/4에서 1/2 수준이라는 점입니다. 또한, 조도 변화에 민감하지 않고 재현성이 우수합니다. 이러한 종류의 염료는 주로 침지 염색에 사용되며, 폴리에스터/면 혼방 직물의 빠른 원테이스 염색을 위해 분산 염료와 함께 사용할 수 있습니다.

일본의 스미토모 주식회사는 스미푹스 수프라(Sumifux Supra) 시리즈 염료에 적합한 염색 방법인 LETfS 염색법을 제안했습니다. 이 방법은 기존 공정에 비해 무기염 사용량이 1/2~1/3에 불과하고, 용액비는 1:10까지 가능합니다. 또한, 이 공정에 적합한 반응성 염료 시리즈를 출시했습니다. 이 염료 시리즈는 모노클로로트리아진과 β-에틸설폰황산염으로 구성된 헤테로바이반응성 염료입니다. 이 염료 시리즈의 염색 폐수 잔류 염료량은 일반 반응성 염색 폐수의 25~30% 수준에 불과합니다. 텐셀 섬유 염색에 적합하며, 고착률, 세탁 용이성, 다양한 견뢰도 등 우수한 성능을 보여줍니다.

DyStar사는 무염 염색에 적합한 RemazolEF 시리즈 염료를 출시했습니다. 주 활성기는 B-하이드록시에틸 설폰 설페이트이며, 환경 친화적인 무염 염색 공정을 개발했습니다. 이 공정에서는 무기염 사용량이 기존 공정의 1/3로 줄어들고 염색 공정 시간이 단축됩니다. 또한, 이 시스템은 광범위한 색상을 구현할 수 있으며, 다양한 삼원색을 조합하여 선명한 색상을 얻을 수 있습니다. Clariant사는 DrimareneHF 시리즈 반응성 염료를 출시했습니다. DrimareneBlueHF-RL, 戡ownHF-2RL, NavyHF-G, RedHF-G의 네 가지 종류가 있으며, 셀룰로오스 섬유의 전착 염색 및 연속 염색에 사용됩니다. 우수한 적용성과 견뢰도를 자랑하며, 고착률이 높고 염분과 액비가 낮습니다. 중성 고착으로 우수한 세탁성을 제공합니다.

일부 새롭게 개발된 반응성 염료는 염료 분자의 부피를 증가시켜 염료의 직접성을 높이고 무기염의 양을 줄일 수 있습니다. 예를 들어, 우레아기를 도입하면 활성기의 직접성을 높이고 무기염의 양을 줄일 수 있습니다. 또한 고착률을 향상시킬 수 있으며, 트리아조, 테트라아조와 같은 폴리아조 염료 전구체를 사용하여 염료의 직접성을 높이고 무염 염색을 구현할 수도 있습니다. 일부 염료의 구조 내 높은 입체 장애 효과는 반응성 염료의 반응기의 반응성과 염색에 사용되는 염의 양을 크게 변화시킬 수 있습니다. 이러한 입체 장애 효과는 일반적으로 염료 매트릭스의 여러 위치에 알킬 치환기를 도입함으로써 나타납니다. 학자들은 이러한 염료의 기본적인 구조적 특징을 다음과 같이 요약했습니다.

활성기 1 SO: CH2CH: oS03Na는 벤젠 고리의 메타 또는 파라 위치에 있을 수 있습니다.

R3는 벤젠 고리의 오르토, 인터 또는 파라 위치에 있을 수 있습니다. 구조식은 비닐 설폰 반응성 염료입니다.

염료의 치환기 또는 치환 위치가 다르면 동일한 염색 조건에서 동일한 염색값을 얻을 수 있지만, 염색염의 양은 상당히 다를 수 있습니다.

우수한 저염 반응성 염료는 다음과 같은 특징을 가져야 합니다. 1) 염색에 사용되는 염의 양이 크게 감소해야 합니다. 2) 낮은 조농도의 염색액에서 염색이 가능하고 염색액이 안정적이어야 합니다. 3) 우수한 세척성으로 후처리 시간을 단축할 수 있어야 합니다. 4) 재현성이 우수해야 합니다. 염료 개선 측면에서, 앞서 언급한 염료 매트릭스 구조 개선 및 활성기 조합의 적절한 배치 외에도, 염을 첨가하지 않고 염색할 수 있는 양이온 반응성 염료가 합성되었습니다. 예를 들어, 다음과 같은 구조의 양이온 반응성 염료가 있습니다.

위의 화학식에서 알 수 있듯이, 염료 분자는 모노클로로트리아진의 활성기에 연결되어 있습니다. 또한, s-트리아진 고리에는 피리딘 4차 암모늄기가 결합되어 있습니다. 염료는 양전하를 띠고 있으며, 4차 암모늄기는 수용성 작용기입니다. 따라서 염료 분자와 섬유 사이에는 전하 반발력이 없을 뿐만 아니라 양전하와 음전하 사이의 인력이 작용하여 염료가 섬유 표면에 쉽게 접근하고 흡착됩니다. 염색 용액에 전해질이 존재하면 염색 촉진 효과가 나타나지 않을 뿐 아니라 염료와 섬유 사이의 인력도 약화되므로, 이러한 종류의 염료는 전해질을 첨가하지 않고도 무염 염색이 가능합니다. 염색 과정은 일반적인 반응성 염료와 유사합니다. 모노클로로트리아진 반응성 염료의 경우, 고정제로 탄산나트륨을 첨가합니다. 고정 온도는 약 85℃입니다. 염색 흡수율은 90~94%에 달하고, 고정률은 80~90%입니다. 내광성 및 내세탁성이 우수합니다. 모노플루오로-s-트리아진을 활성기로 사용하는 유사한 양이온 반응성 염료도 보고된 바 있습니다. 모노플루오로-s-트리아진의 활성은 모노클로로-s-트리아진보다 높습니다.

이 염료들은 면/아크릴 혼방 섬유에도 염색이 가능하며, 염료의 다른 특성(예: 균일성 및 상용성 등)에 대해서는 추가적인 연구가 필요합니다. 하지만 이는 셀룰로오스 섬유를 무염 염색하는 새로운 방법을 제시합니다.