폴리에스테르 섬유의 친환경적인 정련방법

1. 서론

오늘날의 경쟁적인 세계시장에서 각각의 사업의 성 공을 위해서는 환경문제에 대한 인식은 반드시 필요하 다. 또한 이러한 환경문제에 대한 인식은 원료 물질의 선택에서부터 최종 제품이 생산될 때까지 공정상에 낭 비되는 부분을 관리하는 것과 매우 밀접한 관련이 있 다. 이러한 문제는 섬유의 습식공정 분야에서 발생되 고 있으며, 발암성 물질을 포함하지 않는 염료, 생물공 학의 적용, 포름알데하이드를 포함하지 않는 가공제, 생분해성 물질의 적용 등의 섬유의 습식공정에서 환경 문제를 고려하고 있 다 . APEO(alkylphenol ethxylates)를 기초로 한 화합물의 적용 분야와 같이 우리의 관심이 요구되지만 여전히 미개척 분야로 남아 있다.

APEO화합물중에서 NPEO(nonylphonol ethxylates)와 OPEO(octlphenol ethxylates)는 정련력 이 우수하여 섬유 산업에 있어서 가장 중요한 물질들 중 의 하나이다. APEO화합물의 90%는 사실상 NPEO가 차지한다. 세척제, 청소용 세제 또는 기타 조제로 섬유 및 가죽 제조업에 널리 사용되어 왔다. 그러나 이와 같은 물질은 호르몬 분비에 이상을 유발하는 것과 수중 유기 체에 유해한 영향을 미치는 등의 독성을 가지고 있다. 게다가 APEO화합물은 자연 상태에서 분해되기가 매우 어렵고 반영구적인 상태로 존재한다. 이러한 특 성은 폐수를 처리하고 자연으로 방출하는데 있어 큰 문 제점으로 작용한다. 또한 시판되고 있는 대부분의 정 련제의 주요성분은 nonylphonol ethxylates 축합물 과 유기용제로 구성하고 있다.

제조업자들은 수많은 화학 조제를 혼합하여 다양한 조성의 제품을 만들어내 지만 균일하고 안정석인 성능을 발휘하는 제조물은 극 소수에 불과하다. Sodium hydrosulphite 또한 폴리 에스테르 정련공정에 엄청난 양이 사용되고 있다. Sodium hydrosulphite와 관련된 환경문제를 최소화 하기 위하여 환경 친화적인 대체품의 개발이 필요하 다.

본고에서는 폴리에스테르 직물을 정련하는데 있어 APEO와 Sodium hydrosulphite를 사용하지 않는 최 적 레시피를 도출하고자 한다.

새로운 정련제 조성을 이용하여 정련하였을 때 기존 공정에 상당하는 정련효과를 기대할 수 있으며 화학약 품의 사용량 또한 상당히 절약할 수 있다. 본 공정은 nonylphonol ethxylates와 유해한 염화 용매를 사용하 지 않기 때문에, 친환경적인 공법이라고 할 수 있다. 또 한 매우 낮은 농도의 화학약품을 사용하기 때문에 사용 량을 절감할 수 있으며, 폐수의 농도 또한 줄일 수 있다.

2. 관련연구 검토

최근 특정한 섬유를 전처리하는데 사용되는 조제를 최적화하는 것은 조제와 기계 제조업자에게 있어 주요 관심분야이다. 섬유에 필수적인 처리 공정에 사용되는 시판되고 있는 조제에 대하여 몇 가지 소개한다.

• Zschimmer와 Schwarz는 hydrocarbon을 사용하지 않는 효과가 우수한 정련제인 Tiscocyl RCg를 생산한다.
• Sarex는 저렴한 가격의 성능이 우수한 습윤 정련제인 Celldet-R를 출시하였다. 이 제품은 APEO와 NPEO를 사용하지 않았으며 기포발생이 적은 우수한 제품이다.
• Richter, Ludwigshafen 등에서 APEO와 할로겐을 포함하지 않는 레벨링제를 출시하였다. 이 제품은 친환경적이며, 자연에서 스스로 분해하는 생분해성을 가지고 있다. 새로운 레벨링제는 100℃정도에서는 분산염료가 염착되는 것을 지연시키고, 고온에서는 염착을 촉진시켜서 3원색 염료의조합이 동시에 염착되도록 하는 역할을 한다. 이러한 동시효과는 125~130℃의 고온에서 나타나며 우수한 레벨링 효과를 얻을 수 있다.
• phenol을 함유하고 있어 신진대사에 영향을 미치는 APEO와 같은 독성이 없으며, 생분해성이 있는 제품을 사용하기를 추천한다. 한 가지 예로는 긴 사슬 형태의 alkanol ethoxylates이며, 에톡실화된 정도는 10이하여야 한다. formamidine sulphinic acid로 알려져 있는 Thiourea dioxide 는 백색 결정상의 파우더 형태이며 sodium hydrosulphite보다 안정하다. Thiourea dioxide 는 중성과 산성조건에서 활성을 가진다.

3. 재료 및 실험방법

최근 특정한 섬유를 전처리하는데 사용되는 조제를 최적화하는 것은 조제와 기계 제조업자에게 있어 주요 관심분야이다. 섬유에 필수적인 처리 공정에 사용되는 시판되고 있는 조제에 대하여 몇 가지 소개한다.

3.1 재료 선정 및 수집

섬유산업 각 분야에서 폴리에스테르 섬유의 정련과 표백에 주로 사용하고 있는 각종 화학 약품 및 조제를 선정하고 샘플을 수집하였다. 샘플의 품질 저하 또는 분해를 방지하기 위하여 밀폐용기에 보관하였다.

3.2 분류

각종 화학약품과 제조를 COD와 TSS를 기준으로 분류하였다.

3.3 재료

호발된 84×84 폴리에스테르 직물을 준비하였다.

3.4 화학약품/조제

본 실험에 사용한 화학약품과 조제 리스트는 Table.1에 나타내었다.

3.5 실험방법

정련, 표백, 염색에 친환경적인 화학약품 및 조제를 이용하여 처리하였으며, 정련과 표백된 시료의 황도 및 백도, 염색 시료의 색상강도와 K/S를 측정 및 분석 하였다. 사용된 용수량을 측정하고 COD, BOD, TSS 측정을 통하여 오염정도 비교 분석하였다. 모든 테스 트는 IS규격에 따라 측정하였다.

4. 결과 및 고찰

4.1 폴리에스테르섬유의 정련 및 얼룩제거를 위한 친환경 다기능성 약제 개발에 대한 연구 

폴리에스테르섬유의 정련, 표백, 가공 등의 공정에 서 사용하는 다양한 조제와 화학약품의 COD, pH, TSS 등을 실험실에서 분석하여 그 결과를 Table. 2에 나타내었다. 

염색 공장에서 가호하지 않은 폴리에스테 르 섬유의 공정에 제트염색기(액류염색기)를 주로 사용 한다. 연속적인 공정에 있어 각 단계의 레시피를 Fig. 1 에 나타내었다.

수세 및 정련 공정은 오염부하가 큰 공정이다. 정련 공정에 의한 오염물은 대부분 기름, 왁스와 같은 섬유 에 포함된 불순물과 이러한 불순물을 제거하기 위하여 투입한 하이드로, 가성소다, 정련제 등이다. 일반적으 로 비이온성 정련제(Nonylphenol ethoxylate 베이 스)는 용매베이스의 얼룩제거제와 소디움 하이드로설 파이트 등과 함께 사용한다. 이러한 물질은 분해될 때 신진대사에 영향을 미치는 독성물질을 배출하여 폐수 의 독성을 증가시킨다. 일반적으로 조제로 사용되고 있는 용매베이스의 정 련제와 얼룩제거제로 사용되는 물질은 다음과 같다.

1. ⅰ) TRO (Turkey Red Oil)
2. ⅱ) CTC (Carbon Tetra Chloride)
3. ⅲ) TCE (Tetra Chloro Ethylene)
4. ⅳ) Non-ionic detergent
5. ⅴ) Pine oil
6. ⅵ) Isopropyl alcohol

비이온성 정련제와 용매베이스의 얼룩 제거제는 COD수치가 높다. 시중에 사용되고 있는 정련제의 경 우 BOD와 COD의 실험적인 수치는 각각 1.216kg/kg, 3.867kg/kg이다. 폴리에스테르 섬유의 정련, 표백, 염 색에 사용되어지는 화학약품 및 조제의 COD 수치를 분석하고, 그 결과를 Table. 3에 나타내었다.

1. (Ethoxylated) alkoxylated fatty alcohol
2. Sodium loryl sulphate
3. Sodium perborate
4. AOS (∞-Olefin sulphonate)

상기 화학조성물의 성능을 평가하기 위하여, 84× 84 호발된 폴리에스테르 섬유의 정련을 수행하였다. 

기 존의 전통적인 방식의 전처리 공정을 실험실 규모에서 HT/HP장치를 이용하여 수행하였다. 또한 새로운 다기 능성 복합 정련제와 새로운 공정으로 동일한 시료를 처 리하여 기존의 용매 베이스 공정과 비교하였다. 모든 화학약품은 섬유 무게대비 비율(% owf)로 사용하였고 액비는 실험실 규모에서는 1:10, 현장규모에서는 1:2로 처리하였다. 정련은 95℃에서 30분간 처리하였다. Table. 4와 5에 기존 정련제와 새로운 다기능성 정 련제의 환경에 대한 오염부하를 pH, BOD, COD, TDS, TSS 등을 이용하여 분석하고 비교하여 나타내 었다. 또한 각 공정에서 배수되는 폐수의 COD를 분석 하였다.

정련된 시료의 백도와 황도를 분석하여 각 정련제의 성능을 평가하였다. 또한 각각의 방법으로 정련된 시료를 증백 처리하여 성능을 비교 평가하였다. 백도를 증가시키기 위하여 시료를 과산화수소와 함께 끓는 물에서 처리하였다. 

결과는 Table. 6, 7, 8에 나타내었다. Table. 6의 결과를 두 가지 방법에 의하여 제거된 섬유 불순물량이 크게 다르지 않으며, 용매를 사용하 지 않은 새로운 정련제의 성능이 우수함을 알 수 있다. 가호된 폴리에스테르 섬유를 새로운 다기능성 정련 제를 이용하여 정련하는 경우에는, 세정욕의 오염부하 가 50% 감소하는 결과를 얻었다.

Table. 6 처리공정에 따른 COD조사

구분	처리내용	A.기존의 조제_COD(mg/L)	B. 신규조제 _COD(mg/L)	비고
a)	화학약품만을 이용한 공정 (대조군)	21,750	6,618
b)	정련공정 이후에 고온에서 배수 (실험실 규모)	30,503	30,503
	섬유에 포함된 불순물에 의한 COD 증가	8,753	8,420

시료 : 84×84 호발된 폴리에스테르 섬유, 공정 : 표백,  욕비 : 1:10
분석 : 1. 화학물질과 정련제를 사용한 공정에서 배출되는 폐수의 COD 분석
       2. 정련 표백된 섬유의 백도 분석

Table. 6에 나타낸 데이터를 보면, 기존의 정련제는 COD 21,750mg/L 인 것에 비하여, 새로운 다기능성 정련제의 경우 COD가 6,618mg/L 으로 환경적 오염부하를 감소시킬 수 있다. 동시에 섬유 불순물에 의한 COD수지는 8,753mg/L, 8,420mg/L으로 큰 변화가 없는 것을 보아, 기존 정련제와 정련 성능에 있어 상응하는 성능을 가진 것으로 판단된다. 

섬유의 백도 또한 기존방법에 비교할만한 결과를 얻었으며, 반면에 환경오염 부하는 획 기적으로 절감할 수 있는 것으로 여겨진다. 용매가 없 는 정련 및 얼룩제거제는 기존의 정련제 대비 Lab. 규 모 및 대량생산 규모에서 모두 환경부하가 적게 나타났 다. 섬유의 백도 또한 기존의 방법으로 처리한 것에 상응한 결과를 얻었다. 

Table 7. 공정별 백도

	처리규모	정련 후	White R(a) 처리 후	과산화수소(b) 처리 후
1	전통적인 방법 (Lab. 규모)	50.630	83.932	86.646
2	새로운 방법 (Lab. 규모)	52.067	85.211	86.296
3	전통적인 방법 (대량생산)	53.312	90.627	92.242
4	새로운 방법 (대량생산)	54.132	90.286	93.245

a) White R 처리 : White R 0.2% owf , 빙초산 2g/L
b) 과산화수소 처리 : 과산화수소 3g/L, 규산나트륨 0.3g/L, 100℃×30min

Table. 8 공정별 황변도(ASTM E 313)

	처리규모	정련 후	White R(a) 처리 후	과산화수소(b) 처리 후
1	전통적인 방법 (Lab. 규모)	8.013	- 11.297	- 16.278
2	새로운 방법 (Lab. 규모)	7.678	- 11.579	- 15.159
3	전통적인 방법 (대량생산)	8.345	- 12.297	- 16.398
4	새로운 방법 (대량생산)	8.367	- 12.456	- 15.786

a) White R 처리 : White R 0.2% owf , 빙초산 2g/L
b) 과산화수소 처리 : 과산화수소 3g/L, 규산나트륨 0.3g/L, 100℃×30min

상기의 결과로 미루어보아 새로 운 다기능성 정련제는 성능의 저하 없이 환경오염 부하 를 저감할 수 있음을 확인하였다.

5. 결론

환경 친화적인 대체물의 가장 중요한 요구조건은 우 수한 성능을 발휘하며 환경에 대한 위험요소가 없고 적 절한 가격을 가지는 것이다. 가격대비 성능이 적절한 비율을 이루어야 한다. 가능한한 환경에 대한 오염부 하가 적고 생산 공정중에 폐수발생량이 최소화하는 친 환경적인 조제 및 화학약품을 용도에 맞게 현명하게 선 택해야한다.

International Dyer April 2011