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세계의 섬유산업은 소비자들의 고급화추 세에 따라 점차 고부가가치 섬유제품에 대한 수요가 급격하게 늘어나고 있다. 섬유제품은 염색가공을 거치면서 부가가치가 높아지기 때문에 염색가공에 대한 중요성은 계속 커지 고 있다. 그러나 기존의 물을 이용한 습식 염 색공정에는 심각한 문제점이 존재한다. 첫째,
기존의 습식염색공정은 물을 염색매체로 사용하기 때문 에 염색에 필요한 온도로 올리고 그 온도를 유지하기 위하 여, 그리고 염색된 직물을 다시 건조시키기 위해 많은 에 너지가 필요하다. 둘째, 기존 염색공정에서는 균염제 및 분산제화 화학물질을 포함한 염료를 사용하고, 물을 염색 매체로 이용하기 때문에 염색 후 많은 양의 폐수가 발생한 다. 이로 인해 환경문제뿐만이 아니라 폐수 처리 공정이 따로 존재해 에너지소모가 증가하게 된다. 이러한 문제점 을 해결하기 위해 염색가공에 물을 사용하지 않는 기술로 초임계 유체 염색기술이 주목을 받고 있다.
초임계 유체의 정의와 특징
초임계 유체는 온도와 압력이 임계점을 넘는 비응축성 (非凝縮性) 유체라고 정의되는데, 기상-액상-고상처럼 온 도-압력조건에 따라 결정되는 제4의 물질의 상(相)이다.
임계온도를 넘어서기 때문에 분자의 운동에너지가 매우 크며 상변화를 동반하지 않기 때문에 밀도를 기체에 가까 운 희박한 상태로부터 액체에 가까운 고밀도 상태까지 연
속적으로 변화시키는 것이 가능하다. 이것은 밀도의 함수 로 표현되는 용해력, 이온곱 등의 평형물성이나 확산계수 등의 수송물성으로 대표되는 용매특성의 제어가 가능하 다는 것을 의미하며, 반응이나 분리, 재료제조에 적용할 경우에는 액체에 상당하는 용해력과 기체에 상당하는 확 산성이라는 특성을 가지므로 액체용매에서는 볼 수 없던 효과를 기대할 수 있다. 초임계 유체의 대표적인 물성을 기체・액체와 비교하면 기체와 액체의 중간에 있음을 알 수 있다(표 1). 그러나 동점도만은 초임계 유체 쪽이 양쪽 보다 낮음을 알 수 있다. 동점도는 흐름을 지배하는 물성 으로 초임계 유체가 외부환경에 의해 유동하기 쉽고, 온 도차에 의한 자연대류가 생기기 쉬운 유체임을 알 수 있 다.
이산화탄소의 임계온도는 31.1℃, 임계압력은 7.4MPa 이며, 임계온도-임계압력 이상에서 초임계 이산화탄소가 되며, 커다란 특징은 실온부근의 임계온도를 갖는다는 점, 불연성이라는 점, 무극성으로 분해력을 거의 갖지 않 는다는 점, 미생물을 살균하는 힘을 갖는다는 점이다. 이 러한 성질로 인해 현재 다양한 분야에서 이용되고 있는
초임계 유체 염색 기술
이 윤 우 서울대학교 화학생물공학부 교수 ㅣ e-mail : [email protected]
이 글에서는 초임계 유체 염색기술에서 염색 매체로 사용되는 초임계 이산화탄소의 정의와 특징에 대해 간단히 기술 하고 초임계 유체 염색 기술의 국내외 기술 동향을 소개하고 향후 개선해야 할 문제점에 대해 제안하고자 한다.
밀도 (㎏/㎥) 0.6~2 300~900 700~1600
확산계수 (10-9㎡/s) 1000~4000 20~700 0.2~2
점도 (10-5Pa・s) 1~3 1~9 200~300
열전도도 (10-3W/m・K) 1 1~100 100
동점도 (10-7㎡/s) 100 1~10 10
표 1
기체, 액체, 초임계 유체의 거시적 물성 비교
물성 기체 초임계 유체 액체
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초임계 유체 염색 기술
52 ● 기계저널
벤젠이나 헥산과 같은 유해하고 가연성인 유 기용매의 대체물로서 사용할 수 있다. 이산 화탄소는 임계온도가 실온 근처이므로 추출 ㆍ유기합성ㆍ재료합성 반응에서 유기용매를 대체하면 에너지를 절약할 수 있다. 추출공 정에서는 고압에서 추출한 후, 저압으로 되돌 림으로써 이산화탄소가 기체로 되어 날아가 기 때문에, 건조공정이 생략되어 에너지가 적 게 소모되고, 의약품이나 식품분야 등 잔존용
매가 없는 안전성이 요구되는 분야에 적용되고 있다. 또 초임계 유체의 높은 확산성과 낮은 점도 때문에, 미세구 조에 대한 침투성이 뛰어나고, 반응전구체 등을 미세구조 에 침투시켜 기능성재료를 만드는 데 유리하며, 또 이산 화탄소 자신도 고분자 속에 침투하기 때문에 고분자를 팽 윤시키는 것도 가능하다.
초임계 유체 염색 원리
초임계 유체는 기체보다 용해력이 높고 액체보다 확산 속도가 빠르다. 또한 고분자를 용해하면서 팽윤(swelling) 시키는 특성을 가지고 있다. 이로 인해 합성섬유는 초임 계 유체 내에서 쉽게 팽윤되어 분자량이 큰 염료가 침투 하기 쉬워진다. 초임계 유체를 이용한 염색기술은 이러한 특성과 아울러 용해도가 압력과 온도에 따라 연속적으로 변화하는 특성을 이용해 분산염료를 초임계 유체에 용해 시켜 섬유에 침투시키는 방법이다. 즉, 초임계 유체의 기 체보다 높은 용해력을 통해 분산 염료를 용해시킨 후, 전 달능력이 뛰어난 점을 이용해 팽윤된 섬유의 내부로 분자 량이 큰 염료를 침투시키는 것이다. 일정한 시간이 경과 하여 염료가 섬유와 유체 사이에서 평형에 도달한 후 감 압시키면 분자량이 작은 이산화탄소는 섬유로부터 쉽게 빠져 나오고 분자량이 큰 염료분자는 이산화탄소에 비하 여 섬유 내부에서 서서히 확산하기 때문에 섬유 내에 영 구히 갇히게 되어 염색이 이루어지는 것이다.(그림 1)
초임계 CO
2염색 공정
초임계 유체 염색공정의 기본 개념은 다음과 같다. 우 선 가압 펌프를 이용하여 기체 이산화탄소를 임계 압력 이상으로 가압하거나 응축기를 이용하여 액화하여 액체 이산화탄소로 상을 변화시킨 후 가열기를 이용하여 임계 온도 이상으로 유지시키면 이산화탄소는 초임계 이산화 탄소 상태로 머물게 된다. 이때 초임계 이산화탄소는 폐 쇄 순환계 내에 존재하게 되며 이 고압의 초임계 이산화 탄소를 압력 강하 밸브를 통해서 낮은 압력으로 감압함으 로써 다시 기상의 이산화탄소로 자연스럽게 전환된다. 고 압의 초임계 이산화탄소는 밀도가 높고, 용해력이 높아서 염료를 충분히 용해시키고 초임계 이산화탄소와 섬유 계 면에 염료의 농도구배로 인하여 염료가 섬유 속으로 확산 되며, 압력 및 온도를 낮추면서 이산화탄소는 기체로 변 환되고 용해력이 없어져서 초임계 이산화탄소에서 용해 되었던 염료들은 완전 분리된다. 분리된 염료와 이산화탄 소는 다시 염색 공정에 순환시킴으로써 순환 사이클을 반 복한다.
초임계 유체 염색공정은 그림 2와 같다. 우선 염색하고 자 하는 섬유를 dyeing beam에 말아서 고압용기(dyeing autoclave)에 넣는다. 염료를 dye receiver 안에 넣고 압력 용 기를 닫는다. 액체 이산화탄소 탱크(liquid CO
2tank)에 있는 포화액체 이산화탄소는 고압 펌프(pump)에 의해서 초임계 상태인 운전 압력까지 압축되고, 가열기(heater)에 의해서 초임계 상태인 운전 온도까지 가열되어 초임계 상태가 된
그림 1
초임계염색의 원리
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다. 초임계 이산화탄소는 염료를 용해시키고 dye beam으 로 흘러간다. 초임계 이산화탄소에 녹아 있는 염료는 섬유 를 통과하면서 섬유 내에 염착된다. 압력조절밸브를 통과 한 이산화탄소는 분리기(separator)에서 압력이 감소되고 이산화탄소는 기체 상태로 변해 염료를 녹일 수 있는 능력 을 상실한다. 여착되지 않고 남은 잔여 염료는 분리기 안에 서 석출된다. 염료가 제거된 기체 상태의 이산화탄소는 응 축기(condenser)로 보내지며 거기서 액화되고 순수한 이산 화탄소는 액체 이산화탄소 탱크에 모이게 된다. 염색 과정 이 끝나면 이산화탄소 순환이 정지되고 고압용기가 감압된 다. 그 후 염색된 재료는 감압된 고압용기로부터 제거된다.
초임계 염색의 특징
초임계 이산화탄소 염색기술의 장점을 살펴보기 위해 서 우선 기존의 습식 염색기술과 비교해서 살펴보자. 우 선 가장 큰 차이점은 염료를 녹이고 확산시키는 용매인 염색 매체로서 물과 이산화탄소의 사용이다. 이산화탄소 에 비해서 물은 표면장력이 크고 확산계수가 작아서 섬유 의 팽윤속도 및 염료의 침투속도가 느려 평형에 도달하는 데 시간이 많이 걸리게 됨으로써 총 염색시간이 길어지게 된다. 또한 염색 후 섬유의 건조공정이 필요하다. 그리고 물에 난용성 염료를 사용할 경우 염료를 용해시키기 위해
분산제가 필요하다는 단점을 가지고 있다. 반면 초임계 유체 염색기술은 염색매체로 초임계 유체를 사용한다. 초 임계 유체의 높은 확산도와 낮은 점도, 그리고 표면장력 이 없다는 특성으로 인해 염료가 섬유로 침투하는 것이 용이하여 물에 비해 염색시간이 매우 짧다. 물을 사용하 지 않는 공정이기 때문에 염색 후 섬유의 건조공정이 필 요 없어 에너지 절약이 된다. 또한 물에 비해 초임계 이산 화탄소의 비열이 낮아 염색 공정온도까지 상승시키는 데 소비되는 에너지 소비량을 절감할 수 있다. 그리고 초임 계 염색기술은 염료 이외의 분산제나 계면활성제와 같은 어떠한 첨가제도 필요 없을 뿐만 아니라, 용매로 사용하 는 초임계 유체도 완전히 회수할 수 있어 폐수를 전혀 발 생시키지 않는다. 또한 용매뿐만이 아니라 잔류 염료도 완전히 회수할 수 있어 경제적으로나 환경적인 측면에 있 어서 매우 유리한 염색 방법이다. 초임계 이산화탄소 염 색의 장점을 요약하면 표 2와 같다.
표 2
초임계 이산화탄소 염색의 장점
기술 개발 동향
독일의 Schollmeyer 교수 연구팀이 1988년 최초로 초임 계 염색기법을 개발하면서부터 이에 대한 관심이 집중되 었다. 1990년에는 미국 Battelle Pacific Lab에서 초임계 염
- 용수 전처리가 필요치 않다.
- 폐수발생이 없다.
- 염색매체의 승온시 에너지 소비량이 적다.
- 건조공정이 생략되므로 에너지가 절감된다.
- 이산화탄소의 회수 등을 포함한 전 공정에서 유독가 스가 발생하지 않는다.
- 염색시간이 매우 짧다.
- 분산제 등과 같은 조제가 불필요하므로 환경에 친화 적이다.
- 염착되지 않은 염료는 분말상으로 회수 가능하다.
그림 2
