양이온화 처리에 따른 대나무-면 복합직물의 코치닐 염색 거동 및 색상 특성

2.1. 시료 및 시약

본 연구의 시료인 대나무-면 복합직물은 평직이며, 경사 방향이 Bamboo rayon, 위사 방향이 Cotton으로 이루어져 있다. KS K 0210에 따라 섬유 혼용률을 분석한 결과 Bamboo rayon 65%, Cotton 35%로 나타났다. 다만, KS K 0210은 섬유의 화학적 유형에 따른 혼용률을 분석하는 표준 방법으로, 해당 분석만으로 Bamboo rayon 여부를 특정하는 데에는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 공급자의 제시 사양에 기반하여 Bamboo rayon으로 구분하였다. 시료의 물리적 특성은 Table 1에 나타내었다.

Table 1.

Characteristics of bamboo-cotton blended fabric

본 실험에 사용된 시약은 CHPTAC[3-chloro 2-hydroxypropyl trimethyl ammonium chloride(Sigma-aldrich,USA)], NaOH[sodium hydroxide(Duksan pure chemica)] Co. LTD, Korea)], acetic acid(Duksan pure chemical Co. LTD, Korea)등은 1급 시약으로 정제 없이 사용하였다.

2.2. 코치닐 염액의 제조

본 연구에서는 인터넷을 통해 연지충(dactylopius coccus)을 건조한 형태로 구입하여 사용하였다. 사용된 코치닐은 페루산 건조 코치닐(제조사: Lost Lane Crafts)이며, 코치닐 염료를 0.5 g/100 ㎖로 계량한 후 욕비 20 : 1로 물이 들어 있는 용기에 서 80^oC에서 60분 동안 추출하여 염액으로 사용하였다. 이때 염액의 전체 양은 끊이는 중간에 물을 보충해 최종 욕비가 20 : 1이 되도록 유지하였다. 추출한 염액은 여과하여 고형물을 제거한 후, 염색에 사용하였다. 제조한 코치닐 염액의 pH는 약 5.0 내외로 측정되었으며, 이는 약산성 조건에서 염색이 이루어졌음을 의미한다. Fig. 1은 코치닐의 주 색소성분인 카민산의 화학구조를 나타낸 것이다.

Fig. 1.

Structure of carminic acid.

2.3. 양이온화

CHPTAC는 60% 수용액으로 이루어진 것을 0, 25, 50, 100, 125, 150 g/ℓ로 나누고, CHPTAC 대비 NaOH를 2.2 : 1의 mol ratio로 구성된 용액으로 혼합하여 사용하였다. 각 농도에서 양이온화시킨 대나무-면 복합직물을 각각 CHPTAC-0, CHPTAC-25, CHPTAC-50, CHPTAC-75, CHPTAC-100, CHPTAC-125, CHPTAC-150이라 하였다. 양이온의 균일한 침투를 유도하기 위해 시료를 증류수에 30분간 침지한 후, 서로 다른 농도의 CHPTAC 용액에 30분간 침지하여 사용하였다. 양이온화의 과정은 PDC(pad-dry-cure) 공정으로 진행하였으며, mangle(Heung Shin Tester Co. HS-126, Korea)을 사용하여 padding 하고, CHPTAC 용액이 pick up율 100%가 되도록 진행하였다. padding 된 대나무-면 복합직물은 자연 상태에서 약 5분간 pre-drying한 뒤, tenter(Hyunmin machine co., Korea)를 사용하여 115^oC에서 4분간 curing 하였다. Curing 후 1~2 g/ℓ 아세트산 수용액에 1분 간 침지하여 중화시키고 수세·건조하였다.

대나무/면 복합직물의 양이온화는 면과 대나무를 구성하는 셀룰로오스 분자의 양이온화 과정으로, 여러 반응이 동시에 진행되며 그 반응 메커니즘은 Scheme 1에 제시하였다. 셀룰로오스의 양이온화 반응은 2단계 메커니즘으로 진행된다. 우선 CHPTAC로부터 Epoxypropyl trimethyl ammonium chloride가 생성되며, 이후 이 물질이 cellulose와 반응하여 Epoxy 고리의 개환 반응을 통해 양이온성 셀룰로오스(cationic cellulose)를 생성한다.

Scheme 1.

Reactions of CHPTAC showing cationization of bamboo-cotton blended fabric(Khatri et al., 2013).

2.4. 염색

양이온화 처리된 대나무-면 복합직물을 염색 전 증류수에 30분 침지한 후 꺼내어 코치닐 염액과 함께 염색 실린더에 넣고 시작 온도 30^oC에서 1분에 2^oC씩 승온시켜 양이온화 처리 농도별, 염색 온도별, 염색 시간별로 IR-염색기(Korea Science, KS-W24, Korea)로 염색하였다. 양이온화 처리 농도에 따른 실헙은 CHPTAC를 각각 0, 25, 50, 75, 100, 125, 150 g/ℓ로 처리 농도를 달리해, 욕비 30:1, 염색 온도 90^oC, 염색 시간 80분의 조건에서 염색하였다. 염색 온도에 따른 실험은 욕비 30:1의 조건에서 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100^oC로 온도를 달리하여 80분의 조건에서 염색하였다. 염색 시간에 따른 실험은 욕비 30:1의 조건에서 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100분으로 시간을 달리하여 염색 온도 90^oC로 염색하였다.

Fig. 2는 연구 진행 절차를 나타낸 것이다.

Fig. 2.

Scheme diagram of process.

2.5. 측색 및 표면 염색 농도(K/S)

염색된 시료의 색상 측정은 Computer Color Matching System(CCM)을 사용하였으며, 국제조명위원회[Commission Internationale de l’Eclairage(CIE)]의 Specular Component Excluded (SCE) 모드에서 표준광원 D65와 10° 표준 관측자 조건하에 K/S 값 및 CIE Lab 색도계의 L^*(lightness), a^*(redness-greenness), b^*(yellowness-blueness), C^*(chroma), h°(hue angle) 값으로 변환되었다.

CIE Lab은 색상을 3차원 좌표계로 나타내는 체계로, 각 시료 간의 색차(ΔE^*)는 이 좌표계 상 두 점 사이의 거리로 계산된다. 본 연구에서는 Color-view spectrophotometer(BYK-Gardner, Model CG-9005, U.S.A)를 사용하여 시료를 동일 조건에서 5회 반복 측정한 후 평균값을 분석에 사용하였으며, 본 연구에서의 결과 해석은 통계적 유의성보다는 염색 거동의 전반적인 경향성을 중심으로 수행하였다. ΔE^*는 Hunter 식에 따라 다음과 같이 정의된다.

겉보기 염착량은 최대 흡수 파장에서의 표면 반사율을 측정한 후, Kubelka-Munk 식을 이용하여 K/S 값을 계산하고 이를 바탕으로 피염물의 염착 농도를 구하였다. Kubelka-Munk식의 함수식은 다음과 같다.

2.6. 염색견뢰도

세탁견뢰도는 KS K ISO 105-C10:2006에 따라 Launder-O-meter(SDL ATLAS)를 사용, 세제량 5 g/L(Standard Soap)로 40^oC, 30분 동안 세탁하여 측정하였으며, 세탁 후 시료를 변퇴색 정도와 오염 정도를 각각 판정하였다. 견뢰도 평가는 KS K ISO 105-A02에 따라 표준 회색 색표(grey scale)를 사용하여 변퇴색 정도를 판정하였으며, KS K ISO 105-A03에 따라 다섬교직포[DW(디아세테이트(diacetate), 면(cotton), 나일론(nylon), 폴리에스터(polyester), 아크릴(acrylic), 모(wool)]와 함께 세탁한 후 오염 정도를 등급으로 평가하였다.

일광견뢰도는 KS K ISO 105-B02:2014에 따라 Weather-O-meter(ATLAS)를 이용하고 water-cooled xenon arc lamp를 광원으로 하여, 규정 복사에너지량 3456 kJ/㎡(20h)의 표준 퇴색 시간 동안 광조사한 후 측정하였다. 이후 KS K ISO 105-A02 규격에 따른 표준 회색 색표를 사용하여 평가하였다.

3.1. 양이온화 처리 농도에 따른 염색 특성

선행연구(Noh & Lee, 2022)에서 동일 계열의 복합직물에 대해 FT-IR, X-ray 회절 및 열중량분석(TGA)을 수행한 결과, 해당 직물은 셀룰로오스계 재생섬유와 면섬유가 혼합된 복합구조를 갖는 것으로 보고된 바 있다. 따라서 본 연구에서 나타난 염색 거동은 특정 Bamboo 섬유의 고유 특성에 국한되기보다는, 셀룰로오스계 복합직물의 구조적 특성에 기인한 것으로 해석하는 것이 타당하다.

Fig. 3은 양이온화 처리 농도에 따른 대나무-면 복합직물의 파장별 K/S 값을 나타낸 것이다. 각 시료는 400~700 nm 범위에서 유사한 곡선 형태를 보였으며, 약 520~540 nm 부근에서 최대 K/S 값을 나타냈다. 이는 코치닐 염료의 주요 색소 성분인 카민산(carmine acid)의 특성에 기인한 것으로, 해당 파장 영역에서 색강도가 가장 크게 발현된 것으로 해석될 수 있다. 양이온화 처리 농도가 증가함에 따라 전반적인 K/S 값이 증가하는 경향을 보였으며, 특히 CHPTAC-125 조건에서 가장 높은 값을 나타냈다. 이는 섬유 표면의 양전하가 증가함에 따라 음전하를 띠는 염료 분자와의 정전기적 결합이 강화된 결과로 해석될 수 있다.

Fig. 3.

K/S values of cochineal-dyed bamboo–cotton blended fabrics as a function of wavelength at different CHPTAC concentrations (dyeing conditions: 90oC, 80 min).

반면 CHPTAC-150에서는 K/S 값이 다소 감소하는 경향을 보였는데, 이는 과도한 양이온화 처리로 인해 섬유 표면의 전하 밀도가 증가하면서 염료 분자의 접근 또는 결합이 일부 저해되었을 가능성을 시사한다. 또한 모든 시료에서 최대 K/S 값이 나타나는 파장 영역은 큰 차이를 보이지 않았으며, 이는 양이온화 처리 농도 변화가 색상의 색조(hue)보다는 색강도(color strength)에 더 큰 영향을 미쳤음을 시사한다. 즉, 염색된 직물의 색상은 동일한 적색 계열을 유지하면서, 양이온화 처리에 따라 색의 농도 및 선명도가 변화하는 경향을 보인 것으로 판단된다.

한편, Fig. 3에서 나타난 최대 K/S 값이 관찰된 파장을 기준으로 각 시료의 색강도를 비교한 결과를 Fig. 4에 제시하였다. 이를 통해 양이온화 처리 농도에 따른 염착 특성의 차이를 보다 명확히 확인할 수 있다.

Fig. 4.

Effect of CHPTAC concentration on the K/S value of bamboocotton blended fabric dyed with cochineal(dyeing conditions : 90oC, 80 min).

Fig. 4는 양이온화 처리 농도에 따른 K/S 값을 나타낸 것으로, 코치닐을 이용한 대나무-면 복합직물 염색에서 CHPTAC 농도가 CHPTAC-75까지는 K/S 값이 서서히 증가하다가, CHPTAC-100 이후 급격한 상승세를 보이며 CHPTAC-125에서 최대값을 나타냈다. 그러나 CHPTAC 농도를 CHPTAC-150로 증가시킨 경우에는 오히려 K/S 값이 감소하는 경향을 보였다. 이러한 현상은 CHPTAC-125 수준에서 섬유와 염료 간의 결합이 일정 수준에 도달한 이후에는 추가적인 증가가 제한되는 경향을 나타낸 것으로 해석될 수 있다. 이후 양이온화 농도를 추가로 증가시키더라도 염착은 더 이상 증가하지 않고, 오히려 과도한 처리로 인해 염료의 탈락이나 섬유 표면에서의 재배향이 유발되었을 가능성을 시사한다.

특히 섬유 표면에 도입된 양전하가 일정 수준 이상 축적될 경우, 코치닐 염료 분자와의 결합에 오히려 부정적인 영향을 미칠 가능성이 있으며, 이는 과도한 양이온화에 의해 섬유 표면의 전하 분포가 불균일해지거나, 염료 분자의 접근성이 저해되어 염착 효율이 감소할 수 있음을 시사한다(Montazer et al., 2007).

더불어, 높은 농도의 CHPTAC는 섬유 표면에 과도한 화학적 변화를 일으켜 염료 결합에 필요한 구조적 안정성을 저해했을 가능성을 배제할 수 없다. 따라서 CHPTAC 농도는 일정 수준까지는 염착성을 효과적으로 향상시키지만, 그 이상으로는 오히려 염착성 저하를 유발할 수 있으므로, 적절한 농도 범위 설정이 필요할 것으로 판단된다.

이 결과는 Fig. 3에서 최대 K/S 값이 나타난 약 530 nm 파장에서 측정된 결과로, 특히 CHPTAC-125에서 가장 높은 K/S 값을 보인다는 점은, 해당 조건에서 염료가 섬유 내로 가장 효과적으로 확산·흡착되었을 가능성을 시사하며, 염착력과 색상 강도가 최대치에 도달한 것으로 해석될 수 있다. 따라서 경제성과 염색 효율을 고려할 때, 최적의 양이온화 처리 농도는 CHPTAC-125로 판단된다.

또한, Table 1에 제시된 바와 같이, 염색 후 시료의 표면을 확대하여 관찰한 결과, 직물의 평직 구조가 뚜렷하게 확인되었다. 본 시료는 경사 방향이 Bamboo rayon, 위사 방향이 Cotton으로 구성되어 있어 섬유 간 염색성 차이에 따른 멜란지 효과가 나타날 수 있다. 실제로 직물 표면에서는 경사와 위사 방향에 따라 미세한 색상 차이가 나타나는 경향이 확인되었으며, 이는 두 섬유의 구조적 특성 차이에 따른 염착 거동의 차이에 기인한 것으로 판단된다. 다만, 직물의 표면 구조에 의한 시각적 효과도 일부 영향을 미친 것으로 사료되며, 이러한 차이는 전반적으로 크지 않아 시료는 비교적 균일한 염색 상태를 유지하는 것으로 나타났다.

한편, 대나무-면 혼방직물은 동일한 셀룰로오스 기반 섬유라 하더라도, 구성 섬유 간 미세구조 및 물리적 특성 차이에 의해 염료의 확산 및 결합 거동에 영향을 받을 수 있다. 특히 혼방 구조에서는 염료의 분포 및 염착 균일성이 단일 섬유에 비해 다르게 나타날 가능성이 있으며, 이는 색상 발현 특성에도 영향을 미칠 수 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 혼방 구조적 특성을 고려하여 양이온화 처리 및 염색 조건 변화에 따른 염색 거동을 분석하였다. Table 2는 양이온화 처리 농도에 따른 표면색 변화 및 색도 특성을 나타낸 것이다. 그 결과 양이온화 처리를 하지 않은 시료(CHPTAC-0)의 경우 L^* 값이 69.98, a^* 값이 3.40, b^* 값이 2.12, ℎ° 값이 31.91로 나타나 밝고 옅은 붉은빛을 띠는 시료임을 알 수 있다. CHPTAC-0에서 색강도(K/S)가 전반적으로 낮고, 시각적으로도 비교적 연한 색상을 나타내었는데, 이는 코치닐 염료와 같은 천연염료가 일반적으로 셀룰로오스 섬유에 대한 친화력이 낮다는 기존 연구 결과와 일치하는 경향을 보인다. 선행연구에 따르면, 코치닐 염료의 주성분인 카민산은 음이온성 특성을 가지며, 셀룰로오스 섬유 또한 수용액 내에서 음전하를 띠기 때문에 염료와 섬유 간 정전기적 반발이 발생하여 염착량이 제한되는 것으로 보고된 바 있다 (Samanta & Konar, 2011). 따라서 별도의 전처리를 적용하지 않은 경우, 색강도가 낮고 색상 발현이 제한되는 경향이 나타나는 것으로 해석된다.

Table 2.

Color change of the dyed fabrics with cochineal according to CHPTAC concentration(dyeing conditions : 90℃, 80min).

L^* 값은 CHPTAC-125까지 점차 감소하여 직물이 어두워지는 경향을 보였으나, CHPTAC-150에서는 다시 증가하였다. 이러한 결과는 CHPTAC-150 수준에서는 섬유 표면의 과도한 양전하 밀도가 오히려 염료 분자와의 결합 효율을 저해할 수 있기 때문이다(Montazer et al. 2007). 따라서 CHPTAC-125까지는 염착량 증가로 인해 L^* 값이 낮아져 어두워지고, CHPTAC-150에서는 염착 효율 저하로 인해 L^* 값이 다시 상승하여 밝아진 것으로 판단된다.

a^* 값은 양이온화 처리 농도가 증가할수록 점차 상승하여 CHPTAC-125에서 최대치인 22.66을 나타낸 후 CHPTAC-150에서 감소하였다. 이러한 결과는 붉은 색 염료인 코치닐 염색에 기인하여 붉은색 정도가 증가한 것이며, 특히 a^* 값의 증가는 코치닐 염료의 주색소인 카민산이 섬유에 고착되면서 적색 계열의 색상이 강화된 것으로, 이는 섬유 표면의 양전하 증가에 따라 음이온 염료 분자와의 정전기적 결합이 촉진된 결과로 판단된다. 실제로 코치닐 염색 시 K/S가 가장 높게 나타난 CHPTAC-125 처리 조건에서 a^* 값 역시 가장 높게 나타나 두 변수 간의 밀접한 상관성을 보여준다.

한편, b^* 값은 CHPTAC-0에서 2.12였으나, 양이온화 처리 농도가 증가할수록 점차 감소하여 CHPTAC-125에서 -0.23, CHPTAC-150에서는 -0.91로 나타났다. 이는 황색 성분이 감소하고 청색 성분이 증가한 것을 의미하며, 코치닐 분자의 염기 조건에서의 탈색 메커니즘과 염색 온도 및 시간에 따른 염료 구조 변화 가능성 또한 영향을 준 것으로 판단된다. 이러한 결과는 염료의 분자 구조와 섬유 표면 전하 간의 상호작용을 반영하며, 단순 색도 변화 이상의 염료와 섬유 간 결합 특성에 대한 기초 데이터를 제공한다.

채도를 나타내는 C^* 값은 CHPTAC-0에서 4.00을 나타낸 후 양이온화 처리 농도가 증가할수록 증가하여 CHPTAC-125에서 최대값을 나타내었다. 이후 CHPTAC-150에서 다시 감소하였다. 이는 CHPTAC-125에서 색상이 가장 뚜렷하고 채도가 높게 발현되었음을 나타낸다. 한편, 색상각 ℎ° 값은 CHPTAC 농도가 증가함에 따라 점차 0°에 가까워지는 경향을 나타냈으며, CHPTAC-125 처리 시 359.41°로 가장 순수한 적색 계열의 색조를 나타냈다. 이는 CIE Lab 색공간상에서 색상이 붉은색 계열로 수렴하고 있음을 의미하며, 코치닐 염료의 주요 색소 성분인 카민산이 양이온화 처리된 섬유 표면과의 정전기적 결합에 의해 보다 안정된 발색 구조를 형성한 결과로 판단된다. 이후 CHPTAC-150에서는 색상각이 357.38°로 유지되었으나, 채도 C^* 값 및 a^* 값의 감소와 함께 색상의 선명도가 다소 낮아지는 경향을 나타냈다.

염색 시료의 표면색상은 양이온화 처리 농도가 증가할수록 시료의 색상강도(K/S)가 뚜렷하게 증가하고, 밝은 분홍에서 붉은 색을 띤 진한 자주색 계열로 색상 발현이 강화됨을 확인할 수 있다.

Table 3은 염색 온도에 따른 대나무-면 복합직물의 L^*, a^*, b^*, C^*, ℎ° 값을 나타낸 것으로, 염색 조건이 직물의 색도에 미치는 영향을 분석하기 위해 제시되었다.

Table 3.

Colorimetric properties of dyed fabrics with cochineal according to dyeing temperature (dyeing conditions: CHPTAC-125, 80 min)

L^* 값은 염색 온도 30℃에서 51.49로 가장 높았으며, 온도가 증가함에 따라 점차 감소하여 90℃에서 43.17로 가장 낮은 명도를 나타냈다. 이는 염색 온도의 상승에 따라 염료의 침투 및 흡착이 활발해지며, 결과적으로 색상이 어두운지는 경향을 보였음을 의미한다. 그러나 100℃에서는 L^* 값이 다시 증가하여 45.14로 나타났는데, 이는 고온에서 염료의 탈착이나 분해, 또는 섬유 표면의 구조 변화로 인해 염착 안정성이 저하되었을 가능성을 시사한다(Bechtold et al., 2003).

a^* 값은 30℃에서 22.14로 시작하여 온도 증가에 따라 점차 증가하였으며, 90℃에서 최고치인 26.40을 나타내었다. 이는 코치닐 염료의 주성분인 카민산이 적색 계열을 띠는 안트라퀴논계 색소로서, 높은 온도에서 분자 운동성이 증가하고 섬유 표면으로의 확산이 촉진되어 붉은 색 발색이 강화되었기 때문이다(Samanta & Konar, 2011). 그러나 100℃에서는 오히려 a^* 값이 다소 감소하여, 과도한 온도가 염료와 섬유간 결합에 부정적 영향을 미쳤을 것으로 판단된다.

b^* 값은 전반적으로 감소하는 경향을 보였으며, 80℃에서 -1.46으로 가장 낮은 수치를 기록하여 색상이 CIE Lab 색공간 상에서 황색 계열(+b)에서 청색 계열(-b)로 이동했음을 나타낸다. 이후 90℃와 100℃에서 각각 -1.04, 0.72로 다시 증가하며 황색 계열 성분이 점차 회복되었다. 이와 같은 흐름은 염색 온도 증가에 따라 염료의 분해 혹은 재배향 등의 열역학적 변화가 일어났음을 의미한다.

C^* 값은 90℃에서 26.42로 가장 높게 나타나, 이 조건에서 색상이 가장 선명하고 강하게 발현되었음을 보여준다. ℎ° 값은 30℃에서 4.58°였던 것이 70~90℃ 구간에서 358~357°대로 유지되다가 100℃에서는 1.64°로 변화하며 색조의 이동이 발생하였다. ℎ° 값이 거의 0°에 가깝다는 점은 본 시료가 붉은 계열 색상을 중심으로 하며, 약간의 청색 기운이 포함된 색조임을 보여준다. Table 3에서 ℎ° 값은 염색 온도에 따라 큰 수치 변화를 나타내는 것으로 보이나, 이는 색상환(hue circle)의 특성에 기인한 것이다. 즉, ℎ° 값은 0°와 360°가 동일한 적색 영역을 의미하므로, 30~60℃ 구간에서 약 1~4° 범위에 위치하던 값이 70~90℃에서 358~356°로 변화한 것은 실제 색상의 급격한 변화라기보다는 동일한 적색 계열 내에서의 미세한 색상 이동을 나타낸다.

또한 ℎ° 값이 360° 부근에서 소폭 변화하는 것은 적색 영역 내에서의 색조(hue)의 방향성 변화로 해석할 수 있으며, 이는 a^* 값의 증가 경향과 함께 적색도가 강화되면서 색상이 보다 선명한 적자색 계열로 이동하는 경향을 나타낸다.

이러한 색도 변화는 코치닐 염료의 분자 구조적 특성과 섬유 표면의 양이온화 상태 간의 상호작용 결과로 해석되며, 이는 실험 전반에 걸쳐 코치닐 염료의 특성이 유지되었음을 시사한다.

특히 90℃에서 a^* 값이 최대, b^* 값이 최소로 나타난 것은 코치닐 염료가 해당 온도에서 가장 활발히 섬유에 결합했음을 의미한다. 이는 카민산의 카복실기와 섬유 표면의 양전하 간의 정전기적 인력이 온도 상승에 따라 강화되었기 때문으로 판단된다. 한편, 90℃ 이상에서는 K/S 및 a^* 값이 다시 감소하는데, 이는 고온 조건에서 염료의 분해, 탈색 또는 섬유 구조 변화로 인한 염착 저해 가능성을 보여준다. 따라서 Fig. 5와 Table 3의 결과로 볼 때, 양이온화 처리한 대나무-면 복합직물의 코치닐 염색 시 적정 염색 온도는 90℃로 판단된다. 최적 조건의 선정은 통계적 유의성보다는 색강도(K/S), 색도 값 및 견뢰도 결과를 종합적으로 고려하여 도출하였다.

Fig. 5.

Effect of dyeing temperature on the K/S value of bamboo-cotton blended fabric dyed with cochineal(dyeing conditions : CHPTAC-125, 80 min).

또한, 코치닐 염료는 염욕의 pH 조건에 따라 색조가 달라지는 특성이 있으며, 주요 색소인 카민산은 pH에 따라 이온화 상태가 달라진다. 본 연구에서 사용된 염액의 pH는 약 5.0로, 이러한 약산성 환경은 붉은 계열 색상의 안정적 발현을 돕는 조건으로 작용했을 가능성이 크다. 따라서 본 연구에서 관찰된 높은 a^* 값은 염색 온도 및 양이온화 처리에 따른 섬유 표면 전하 변화뿐 아니라, 염욕의 화학적 환경(pH)의 복합적 작용에 기인한 결과로 판단된다.

Table 4는 염색 시간에 따른 색도 변화를 나타낸 것이다. L^* 값은 염색 시간이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내어 색상이 점차 어두워지는 것으로 확인되었다. 반면, a^* 값은 전반적으로 증가하는 경향을 보여 적색도가 강화되는 것으로 나타났으며, C^* 값 또한 증가하여 색의 선명도가 향상되는 경향을 보였다.

Table 4.

Colorimetric properties of dyed fabrics with cochineal according to dyeing time (dyeing conditions: CHPTAC-125, 90oC)

이는 염색 시간이 증가함에 따라 섬유 내 염료의 흡착량이 증가하고, 이에 따라 색의 깊이와 선명도가 함께 증가한 결과로 판단된다. 한편, 색상각(h°) 값은 전반적으로 큰 변화를 보이지 않아, 염색 시간이 증가하더라도 색상의 계열은 유지되는 것으로 나타났다.

이러한 결과는 염색 시간에 따른 K/S 값의 변화 경향과 유사한 결과로, 염착량 증가가 색도 특성 변화에 직접적인 영향을 미치는 것으로 해석된다. 따라서 염색 시간은 색상의 농도 및 선명도 조절에 중요한 공정 변수로 작용하는 것으로 판단된다.

3.2. 염색 조건 변화에 따른 염착 특성

염색 조건 변화에 따른 염착 특성을 규명하기 위하여 CHPTAC-125 농도로 양이온화 처리된 시료를 사용하였으며, 염색 온도 및 시간 변화에 따른 염료의 염착 거동을 분석하였다.

Fig. 5는 염색 온도에 따른 K/S를 나타낸 것이다. 온도가 증가함에 따라 전반적으로 K/S 값이 증가하는 경향을 보였으며, 이는 염료 분자의 확산이 촉진되기 때문으로 해석된다. 그러나 저온 구간에서는 일부 시료에서 K/S 값이 불규칙하게 변동하는 경향이 관찰되었다. 이러한 결과는 저온에서 염료 분자의 확산이 제한되어 섬유 내부로의 침투가 충분히 이루어지지 않기 때문으로 판단된다. 일반적으로 염색 공정에서 온도는 염료의 확산 및 섬유와의 상호작용에 중요한 영향을 미치며, 온도가 증가할수록 염료 분자의 이동성이 증가하여 섬유 내부로의 확산이 촉진되는 것으로 보고된 바 있다(Broadbent, 2001; Shore, 2002). 따라서 저온 조건에서는 염료의 확산 및 분포가 불균일해져 염착 거동의 변동성이 증가한 것으로 사료된다.

이후 온도가 증가함에 따라 염료의 섬유 내부 확산이 원활해지면서 보다 안정적인 염착 거동을 나타내는 것으로 확인되었다.

또한, 염색 온도 90℃에서 4.61로 최대를 나타낸 후 100℃에서는 다소 감소하는 경향을 보였다. 이는 견섬유와 레이온 섬유의 코치닐 염색에서 견은 60℃, 레이온은 90℃에서 각각 최적 염색 온도를 나타낸 선행 연구(Bae et al, 2006; Kim, 2005)와 유사한 경향이다. 코치닐 염료는 벌키한 구조를 갖는 안트라퀴논계 염료로서, 레이온 등의 셀룰로오스 섬유와의 염색 시 양이온 개질이 이루어지더라도 염료의 충분한 확산을 위해서는 상대적으로 높은 에너지(높은 온도 및 많은 염색 시간) 조건이 요구되는 것으로 판단된다. 따라서 대나무-면 복합직물에 대한 코치닐의 적정 염색 온도는 90℃로 사료된다.

본 연구에서 사용된 대나무-면 복합직물의 혼용률은 공급자의 제시 사양에 기반하여 설정되었으며, KS K 0210 분석법만으로는 Bamboo rayon과 면섬유를 명확히 구분하는 데 일정한 한계가 있다. 그러나 선행연구(Noh & Lee, 2022)에서 확인된 바와 같이, 해당 복합직물은 FT-IR 및 XRD 분석을 통해 전형적인 셀룰로오스 구조를 나타내며, 본 연구의 염색 거동 역시 이러한 셀룰로오스 기반 구조에 기인한 것으로 해석할 수 있다. 따라서 본 연구 결과는 특정 Bamboo 섬유 고유 특성에 국한되기보다는, 셀룰로오스계 재생섬유와 면섬유가 혼합된 복합 구조에서 나타나는 일반적인 염색 거동으로 이해하는 것이 타당하다.

Fig. 6은 염색 시간에 따른 K/S 값을 나타낸 것이다. 염색 시간이 증가함에 따라 K/S 값도 점차 상승하였고, 80분에서 가장 높은 값을 나타낸 후 다시 감소하였다. 이는 염료의 확산과 흡착이 일정 시간까지는 지속되다가, 섬유 표면 및 내부가 염료로 포화되면서 염착이 한계에 도달했기 때문으로 해석된다. 특히 코치닐 염료의 주요 색소 성분인 카민산은 섬유 표면의 양전하와 정전기적 결합을 통해 섬유에 고착된다. 염색 초기에는 이러한 결합이 활발히 진행되나, 일정 시간이 지나면 염료의 탈착이나 섬유 표면에서의 재배향으로 인해 반사율이 증가하고, K/S 값이 감소하는 현상이 나타날 수 있다. 한편, 셀룰로오스 섬유는 음이온성 염료에 대한 염착성이 낮으나, 본 연구에서는 CHPTAC를 활용한 양이온화 처리를 통해 섬유 표면에 양전하를 도입함으로써 염료 분자와의 정전기적 결합력을 향상시켰다. 그 결과, 염료의 흡착 및 고착이 촉진되어 높은 K/S 값과 선명한 색상 발현으로 이어졌다.

Fig. 6.

Effect of dyeing time on the K/S value of bamboo-cotton blended fabric dyed with cochineal(dyeing conditions : CHPTAC-125, 90oC).

염색 시간 80분 이후 K/S 값이 감소한 것은 이러한 염료 탈착 또는 분해, 혹은 고온 장시간 노출로 인한 염료 구조 변화에 따른 것으로 판단되며, 이는 천연염료가 일정한 결합 에너지를 초과하면 동적 평형에 도달한다는 점을 시사한다. 따라서 본 실험에서는 80분이 코치닐 염색의 적정 염색 시간으로 판단되며, 이는 염료 분자와 섬유 표면 간 결합 메커니즘의 특성을 반영한 결과로 볼 수 있다.

또한, 염색 시간 변화에 따른 최대 흡수 파장 역시 일정하여 약 530 nm에서 동일한 값을 나타냈다.

3.3. 염색 성능 및 견뢰도 평가

대나무-면 복합직물에 양이온을 농도별로 처리하여 염색한 시료의 세탁 및 일광견뢰도를 비교, 분석하였다.

3.3.1. 양이온화 처리 농도에 따른 세탁견뢰도

Table 5는 양이온화 처리 농도에 따른 세탁견뢰도를 변퇴색과 오염으로 구분하여 나타낸 것이다. CHPTAC-0에서는 1등급, 그보다 높은 농도로 양이온화 처리한 시료는 모두 2등급으로 나타났다. 해당 시료는 세탁 후 염료의 손실이 커 K/S 값이 0.43으로 낮게 나타났으며, 이는 세탁 과정 중 염료의 탈락으로 인해 표면에 잔류한 염료량이 크게 줄어들었음을 의미한다.

Table 5.

Fastness to washing of dyed fabric with cochineal according to CHPTAC concentration(dyeing conditions : 90oC, 80 min).

천연염색 직물은 일반적으로 세탁 시 염료가 섬유 표면에서 쉽게 탈락하여 낮은 견뢰도를 보이는 것으로 보고된 바 있다(Kwak & Lee, 2010). 그러나 본 연구에서와 같이 섬유 표면을 양이온화 처리하면, 음이온성을 띠는 천연염료와 섬유 간의 정전기적 인력이 강화되어 염료의 고착력이 향상된다(Montazer et al., 2007). 따라서 CHPTAC-25 이상으로 처리한 시료에서는 변퇴색 견뢰도가 CHPTAC-0 시료보다 소폭 상승한 것으로 나타났다.

오염 견뢰도는 양이온화 처리를 하지 않은 시료와 처리한 시료 모두에서 4-5등급으로 나타나, 양이온화 처리 유무에 따른 차이는 확인되지 않았다.

한편, 양이온화 처리에 따라 염착량은 증가하였으나, 세탁견뢰도의 변퇴색은 1급에서 2급으로 소폭 향상되는 데 그쳤으며, 이는 양이온화 처리가 염료와 섬유 간의 정전기적 결합을 증가시켜 염착성을 향상시키는 데에는 효과적이지만, 염료의 고착력 또는 내광 안정성 향상에는 제한적인 영향을 미치기 때문으로 판단된다. 따라서 실질적인 견뢰도 향상을 위해서는 매염제 처리, 고착제 도입 또는 후처리 공정과 같은 추가적인 공정이 병행될 필요가 있으며, 이러한 보완 공정을 통해 천연염료 염색 직물의 실용적 적용 가능성을 보다 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

3.3.2. 양이온화 처리 농도에 따른 일광견뢰도

Table 6은 양이온화 처리 농도에 따른 일광견뢰도를 나타낸 것이다. 농도별로 양이온화 처리하여 염색한 모든 시료에서 일광 견뢰도는 3-4등급으로 나타났으며, 양이온화 처리 농도에 따른 뚜렷한 차이는 나타나지 않았다. 이는 양이온화 처리가 염료와 섬유 간의 정전기적 결합을 통해 염착량을 증가시키는 데에는 기여하였으나, 일광견뢰도에는 큰 영향을 미치지 못한 것으로 해석된다.

Table 6.

Fastness to light of dyed fabric with cochineal according to CHPTAC concentration(dyeing conditions : 90oC, 80min).