초임계 1,1,1,2-Tetrafluoroethane에 대한 PET내에 분산염료의 흡착량 측정

박민우, 전정호, 배효광

영남대학교 응용화학공학부

경산시 대동 214-1

Uptake Measurement of Disperse Dye for PET fiber

in Supercritical 1,1,1,2-Tetrafluoroethane

Min-Woo Park, Jeong-Ho Jeon and Hyo-Kwang Bae

School of Chemical Engineering and Technology, Yeungnam Univ.

214-1 Dae-Dong, Kyongsan 714-719, KOREA

서론

기존의 염색산업에 있어서 다량의 염색폐수 처리 문제, 염료의 낮은 이용률 및 에너지의 과다소모등과 같은 어려운 문제들을 해결하기 위하여 초임계유체를 사용하는 염색공정이 개발되고 있다. 1990년대 초부터 독일 DTNW의 Schollmeyer 교수팀[1-4]은 여러 종류의 합성섬유 및 천연섬유에까지 초임계 이산화탄소에 의한 염색을 시도하였고, 지금도 Pilot plant규모의 실험을 계속하고 있다. 이와 같은 공정이 상업화가 되기 위해서는 초임계유체중의 염료의 용해도, 섬유의 팽윤현상 및 내부확산속도, 고밀도 기체중의 염료농도와 평형염착량간의 관계, 염착속도등의 기초데이터가 필요하다. 본 연구에서는 냉매로 사용되는 CFC의 대체물질 중 하나인 1,1,1,2-Tetrafluoroethane(HFC-134a)를 사용하여, 기초물성 중의 하나인 PET에의 염착량을 측정하고 열역학적 관계를 검토하였다.

실험방법

이미 보고[5]되어진 반유통식 초임계유체평형실험장치를 사용하여 고압의 HFC-134a에 대해 분산염료인 C. I. disperse Red 60의 염착량을 측정하였다. 초임계유체평형실험장치는 크게 압축부, 평형부 그리고 팽창부로 이루어져있다. 평형조는 길이 300□, 직경 17□의 원통형으로 이루어져 있고, 염료와 유리솜으로 교대로 채워 염료의 비산을 막았으며, 그 총길이는 약 150□정도이고, 충전된 염료의 양은 약 5∼6g 이다. 평형조의 염료층위에 다공성 금속망에 감아둔 PET 섬유를 얹어두고 초임계상태의 HFC-134a를 150ml (STP)/min의 유속으로 흘려보낸다. 시간에 흐름에 따라 염착정도의 변화를 알아보기 위해 각 시간에 따라 염색을 시도한 후 평형조를 해체하고 섬유시료를 꺼낸다. 비눗물로 세척·건조한 후 무게를 달고 이것을 끓는 mono-Chlorobenzene에 넣어 염료를 모두 추출한 후 UV-Spectrometer에 의하여 추출액의 흡광도를 측정하면 염착량을 알 수 있다. 실린더 속의 HFC-134a를 액체상태로 액체펌프에 공급하기 위하여 냉각장치를 사용하여 HFC-134a를 액화하였다. 액체펌프는 고압용 액체정량펌프(Milton Roy, NSI-33R)이며 실험압력은 정밀도가 ±6psia인 Bourdon형 압력계(3D Instrument, 25517-36621)를 사용해서 압력을 측정하였고 압력을 조절하기 위해 배압조절기로써 ±1bar 이내로 압력을 조절하였다. 평형조 외부에 ±0.5℃ 이내로 조절되는 가열기를 부착하여 실험온도를 조절하였다. 팽창부엔 팽창으로 인한 냉각을 방지하게 위해 열선으로 가열한 미량조절밸브에서 유체를 감압 팽창시키고 HFC-134a에 용해되어 나온 염료는 트랩에 포집되고 HFC-134a는 습식가스미터에서 그 양이 측정된 후 대기중으로 방출되었다. 사용된 염료는 분산제나 다른 기타 화학첨가제가 전혀 포함되어 있지 않은 순수한 C. I. disperse red 60이며, HFC-134a는 순도가 99.9% 이상의 것을 사용하였다. 염료의 염착량을 측정하기 위해 용매로 mono-Chlorobenzene을 사용하였으며, 특급시약을 사용하였다. 실험에 사용된 HFC-134a의 물성을 Table 1.에 나타내었다.

Table 1. Properties of 1,1,1,2-Tetrafluoroethane (HFC-134a)

M.W	Tc [K]	Pc [bar]	Zc	□c [Kg/cm-3]	□
102.03	374.2	40.59	0.26	511.9	0.327

장치의 온도를 원하는 온도로 일정하게 한 후 약 500-600□의 HFC-134a를 천천히 흘려보내 장치내부의 공기를 완전히 제거한 다음 액체펌프를 사용하여 원하는 압력으로 가압을 한다. 압력이 유지가 되면 HFC-134a의 평균유량을 150- 200ml(STP)/min으로 하여 팽창밸브를 통해 배출되도록 하였다. 이 유량에서는 염료와 초임계유체중에 완전히 포화된다는 것은 배와 허[5] 의 보고에서 알 수 있다. HFC-134a와 분리된 염료는 트랩에서 포집되어지고, HFC-134a는 로터미터와 습식가스미터를 통해서 그 양이 측정된 후 대기중으로 방출된다. 이러한 방법으로 383.15K과 413.15K의 온도에서, 압력은 50bar에서 160bar까지 변화시켜 가면서 PET섬유에 대한 염료의 염착량을 측정하였다.

Chlorobenzene중의 염료의 염착량 분석방법은 미리 검량선을 작성하여 해결하였다. 용매인 Chlorobenzene에 일정량의 염료를 녹이고 UV-Spectrometer를 사용하여 흡광도를 측정하였다. Chlorobenzene중의 C.I disperse red 60의 특성 peak의 파장은 각각 516.9nm이다.

Fig. 1 Calibration Curve of C.I disperse red 60 for mono-Chlorobenzene

결과 및 검토

각각의 염료에 대하여 온도와 압력을 변화시켜 가며 흡착량을 측정하였다. 그 결과를 다음의 Table 2.에 나타내었다. 이것을 도시하면 Fig. 2, 3과 같다. PET섬유에 대한 염료의 염착량은 동일온도에서는 압력이 증가할수록 염착량이 증가하며, 동일압력에서는 온도가 증가할수록 염착량이 증가함을 알수 있었다.

Table 2. Dyestuff Uptake vs. dyeing time for PET fiber

Time [hr]	Dyestuff uptake [mg/g] at 383.15K
	51.4 [bar]	70.4 [bar]	100.1 [bar]	130.1 [bar]	160.8 [bar]
1	1.28	1.70	1.84	1.93	2.32
2	2.29	3.09	3.95	4.53	5.13
3	4.47	5.46	6.31	7.23	7.97
4	7.77	8.01	8.52	8.69	8.91
5	8.09	8.47	8.93	9.19	9.57
Time [hr]	Dyestuff uptake [mg/g] at 413.15K
	51.8 [bar]	70.6 [bar]	100.1 [bar]	130.0 [bar]	160.5 [bar]
1	4.60	10.83	11.32	12.53	13.38
2	7.14	13.93	14.30	15.08	15.67
3	9.52	15.62	16.06	16.55	17.11
4	11.77	17.26	17.93	18.56	18.81
5	12.54	18.21	18.76	19.48	20.14

Fig. 2. Uptake vs. dyeing time for of C.I. disperse red 60 at 383.15K

Fig. 3. Uptake vs. dyeing time for of C.I. disperse red 60 at 413.15K

참고문헌

1. Saus, W., Knittel, D. and Schollmeyer, E. : Textile Res. J., 63,  135-142

(1993).

2. Gebert, B., Saus, W., Knittel, D., Bushmann, H.-J. and Schollmeyer, K. :

Textile Res. J., 64(7), 371-374(1994).

3. Bach, E., Cleve, E. and Schollmeyer, E. : Part 1, Melliand, 3, 192-194(1998).

4. Bach, E., Cleve, E. and Schollmeyer, E. : Part 2, Melliand International, 2,

165-168(1999).

5. Bae, H. K. and Hur, B. K. : J. KIChE, 34(3), 379-382(1996).

6. Lee, J. W., Min, J. M. and Bae, H. K. : J. Ind. Eng. Chem. Data, 44,

684-687(1999).

7. Lee, J. W., Park, M. W. and Bae, H. K. : Fluid Phase Equilibria 173,

277-284(2000).

8. Park, M. W., Bae, H. K. : J. Supercritical Fluid, inprint.(2001).