키토산ᆞ나노실버 복합섬유 혼방 부직포의 소방 천연염색 (1) : 색채발현을 중심으로

Ⅰ. 서론

인류 역사에서 화려하고, 건강하고, 안전한 ‘화학의 시대’를 살고 있는 인간은 많은 혜택을 누리고 있으나 이와 함께 많은 화학물질들을 직간접적으로 접촉하며 유해물질에 노출되어 있는 현실은 역설적이다(Lee, 2017). 보다 간편하고 위생적인 생활환경을 추구하게 되면서 일회용 위생ㆍ의료재와 비의료재에 대한 수요가 증대되고 있다. 일회용 위생ㆍ의료재는 유아용 기저귀, 여성용 위생제품, 성인 요실금 기저귀, 마스크, 대여용 유모차 일회용 시트 같은 단순한 일회용 제품에서 수술실이나 병원에서 환자와 의료진을 오염원으로부터 분리시켜 안전성을 확보하기 위해 사용되는 의료용 가운, 마스크, 모자, 신발커버, 베드시트, 베개, 수건, 랩 등이 있으며, 환자 및 의료진의 안전성 측면 뿐 만 아니라 경제적 이유로 그 수요가 점차 증가하고 있다. 위생용, 의료용 섬유는 과거 직물형태의 제품이 대부분이었지만 점차 부직포 제품이 증가하고 있는 추세이다(Lim & Lim, 2009). 의료용 부직포 시장은 2013년 16억 달러 규모였고, 2018년엔 20억 달러에 이를 것으로 예측되었다(Smithers Pira, 2014). 세계 의료용 부직포 일회용품 시장은 2017~2021년 사이에 연평균 7.79%로 성장할 것으로 전망하였다(Korea Chemical Fibera Association [KCFA], 2017). 일회용 기저귀에 쓰이는 위생용 탑시트 부직포는 장시간 피부에 직접 닿기 때문에 마찰, 분비물, 화학물질, 세균 번식 등에 노출되어 있는데, 제품 자체의 화학물질 독성보다는 연쇄포도상구균 증식에 의한 ‘독성쇼크증후군’(TSS)의 위험성이 훨씬 심각하다고 보고되었다(Bae, 2010; Lee et al., 2017). 따라서 위생용, 의료용 뿐 아니라 생활관련 자재로서 광범위하게 이용되어 소비수요가 증가하고 있는 부직포에 세균억제 기능성, 인체친화성과 색채 감성적인 측면을 더한다면 부직포의 부가가치는 높아질 것이다.

섬유제품에 항미생물 기능을 부여하는 방법은 은을 대표로 하는 금속 미립자, 제4급 암모늄염 등이 일반적이며, 천연추출물 혹은 키틴/키토산과 같은 천연계 항균제를 사용하여 환경친화적인 요소를 적용시키고 있다(Lee, Lee, & Jeong, 2008). 은은 식품에 사용할 정도로 해가 없는 천연 무기금속으로서 다른 가공제와 달리 소량으로도 우수한 항균성을 나타낸다(Hong, Kim, & Choi, 1998). 키토산은 지구 생태계의 천연 양이온(+)물질로 분자 중 아미노기와 수산화기는 점성, 보습성이 강해서 세포 면역의 활성화 등 생태계를 보전하는 생물 기능을 나타낸다. 아미노기에 기인한 항 미생물성, 금속이온 흡착성 등 특성을 지니고 있으며, 양이온화제로서의 조건을 갖추고 있어 산성 및 반응성 염료에 대한 셀룰로오스 섬유의 염색성 증진효과가 있다고 한다(Kim & Shin, 2009; Kim & Jeon, 2007; Jung & Kim, 2009).

천연염재로 사용되는 소방은 콩과에 속하며 학명은 Caesalpinia sappan. L. 이다. 원산지는 동인도, 말레이반도이고 아시아의 온대지방에서 생육하고 있다. 우리나라에는 삼국시대에 소방전이라는 염색기관이 있었던 것으로 기록되고 있으며 조선시대에는 단목이라고도 하였고, 지방에 따라 소방목, 홍목, 적목 등 다른 이름으로 불리어졌다. 소방의 색소성분은 브라질레인(brazilein)으로 심재인 적황색 목재 부분을 홍색계 염료로 쓰며, 목재 속의 적황색 부분에 포함된 브라질린이 산화하여 생긴 것이다(Cho, 2000). 염색 이외에 소방 추출물은 생리활성분야에서 연구가 이루어지고 있어 혈관 이완, 면역강화, 항염증, 항균, 항암작용, 항바이러스, 자외선 차단, 소취효과 등의 작용이 보고되었다(Ha, 2002; Kwon, Kim, & Nam, 2010; Lee, Kim, & Nam, 2002; Lee & Min, 2011). 소방은 일광과 땀에 의해 퇴색되기 쉬우나 색소함량이 많아 5~6회 정도 우려 쓸 수 있고, 붉은색이 진하고 고와서 견염색에 많이 사용되어 왔고, 비교적 염법이 쉽고 매염제의 종류에 따라 다양한 색을 얻을 수 있는 장점이 있다고 하였다(Chu, 2005a; Chu, 2005b; Chu, 2005c; Jeon, Kim, & Kang, 2003). 키토산 섬유에 대한 선행연구는 키토산 수용액으로 사전 처리된 상태에서의 염색효율이 주로 보고되었고(Jeon et al., 2003) 그 외 키토산 수용액으로 전처리나 후가공이 아닌 키토산 섬유나 키토산 섬유가 혼방된 직물에서 적용할 수 있는 천연염색의 염착특성이 보고되고 있다(Chu, 2010; Hong, Chu, & Lee, 2010; Jeon, Kim, & Kwon, 2004; Seo & Song, 2011).

이상의 특성과 같이 천연 항균물질이 있는 키토산ㆍ나노실버 복합섬유와 기능성 및 약리작용이 보고된 소방으로 염색함으로써 다양한 색상발현과 동시에 약리효과도 함께 얻을 수 있을 것이며, 다양한 분야에서 사용되고 있는 부직포의 부가가치를 높일 수 있을 것으로 기대한다.

따라서 본 연구는 환경친화적이며, 항균 및 염착량 증진 등의 기능성을 갖춘 면과 혼방한 키토산ㆍ나노실버 복합섬유 혼방 부직포에 천연염색하여 키토산ㆍ나노실버 혼방 부직포의 염착특성에 관한 기초자료를 얻고자 한다. 염재는 전통적으로 많이 사용되어온 적색계열의 소방을 면 100% 부직포와 면과 혼방한 키토산ㆍ나노실버 복합섬유혼방 부직포에 실험하여 키토산ㆍ나노실버 복합섬유의 유무와 함량, 매염처리의 유무, 매염방법, 매염제(Al, Fe)에 따른 색상발현과 색차를 중심으로 비교 고찰하였다.

Ⅱ. 실험

1. 시료 및 시약

본 실험에 사용된 시료는 (주)텍산메드테크에서 제공한 면 100% 부직포, 면섬유 95%와 키토산ㆍ나노실버 복합섬유 5% 혼방 부직포, 면섬유 90%와 키토산ㆍ나노실버 복합섬유 10% 혼방 부직포, 면섬유 70%와 키토산ㆍ나노실버 복합섬유 30% 혼방 부직포를 사용하였다. 시료의 특성은 <Table 1>과 같다. 염재는 심재를 잘게 쪼갠 소방을 시중 약재상에서 구입하여 사용하였다. 매염제는 Aluminium Potassium Sulfate(AlK(SO₄)₂ㆍ12H₂O, Duksan Pure Chemical Co., Ltd), Iron(Ⅱ) Sulfate(FeSO₄ㆍ7H₂O, Duksan Pure Chemical Co., Ltd) 1급 시약으로 정제 없이 사용하였다.

<Table 1>

Characteristics of Fiber

Ⅲ. 결과 및 고찰

1. 면 100% 염색포와 면/키토산ㆍ나노실버 복합섬유 혼방 염색포의 L*, a*, b*

<Table 2>는 면 100% 부직포, 면섬유 95%와 키토산ㆍ나노실버 복합섬유 5% 혼방 부직포, 면섬유 90%와 키토산ㆍ나노실버 복합섬유 10% 혼방 부직포, 면섬유 70%와 키토산ㆍ나노실버 복합섬유 30% 혼방 부직포의 미염색원포 및 소방 추출액으로 매염처리 없이 염색만으로 얻은 무매염 염색포, Al 선매염과 후매염, Fe 선매염과 후매염 처리하여 얻은 염색포의 L*, a*, b*,⊿E 측색치 이다. L* 값이 작아지고 ⊿E값이 커질수록 농색으로 염색되었음을 의미한다. 미염색 원포(백포)에서 키토산ㆍ나노실버 함량이 높아지면서(5%, 10%, 30%) L* 값 감소, a* 값 증가, b* 값이 증가하여 어둡고 붉은 기운이 돌면서 황색기미가 증가하였다. 무매염 염색포에서 키토산ㆍ나노실버 복합섬유 혼방 염색포는 면 100% 염색포에 비해 농색으로 나타났으며, 키토산ㆍ나노실버 함량이 높아지면서(5%, 10%, 30%) L* 값 크게 감소, a* 값 증가, b* 값 감소, ⊿E 값 증가로 농색으로 염색되고 붉은 기미가 증가한 반면 황색 기미는 저하되었다. 무매염 염색포와 매염 염색포를 비교하면 매염 염색포에서 L* 값 감소, ⊿E 값이 크게 증가하였고 키토산ㆍ나노실버 복합섬유 혼방 염색포는 무매염 염색 상태에서도 ⊿E 값이 높게 나타났다. 즉 키토산ㆍ나노실버 복합섬유의 함량이 높은 염색포와 매염염색포에서 진한 농도의 색상이 나타나고 있음을 시사하는 것이다. 이는 키토산 섬유가 –NH₂기 형태를 유지하고 있어 천연염료 색소성분과의 반응성이 높아 염색 효율이 증가하고, 매염제가 섬유와 염료 간에 작용하여 염료의 염착과정에 크게 관여한 것으로 추측되며 선행연구와 일치한다(Jeon et al., 2004; Seo et al., 2011). 전반적으로 염색이 잘된 순서는 면섬유 70%/키토산ㆍ나노실버 복합섬유 30% 혼방 부직포 > 면섬유 90%/키토산ㆍ나노실버 복합섬유 10% 혼방 부직포 > 면섬유 95%/키토산ㆍ나노실버 복합섬유 5% 혼방 부직포 > 면섬유 100% 부직포 순으로 나타났다. 후매염보다는 선매염에서 L* 값이 작아지고 ⊿E 값이 크게 나타나 농색으로 염색되었음을 알 수 있다.

<Table 2>

L*, a*, b*, ⊿E Values of Cotton Non-Woven Fabrics and Chitosan-Nano Silver Composite Non-Woven Fabrics Dyed with Caesalpinia sappan. L.

<Fig. 1>은 <Table 2>에 제시된 각 각 염색포의 ⊿E 값을 나타낸 그래프로 Al과 Fe 매염처리에 의해 염색포의 색차가 증가하였고, 색상이 각 각 붉은 계열과 보라계열로 발색하여 Al과 Fe 매염제가 섬유와 염료 간에 작용하여 염료의 염착과정 뿐 아니라 색상 발현에 작용하였음을 알 수 있다.

<Fig. 1>

⊿E Values of Cotton Non-Woven Fabrics and Cotton/Chitosan-Nano Silver Composite Non-Woven Fabrics Dyed with Caesalpinia sappan. L.(□ : 100% Cotton, ■ : 95% Cotton/5% Chitosan-Nano Silver, : 90% Cotton/10% Chitosan-Nano Silver, : 70% Cotton/30% Chitosan-Nano Silver)

2. 면 100% 염색포와 면/키토산ㆍ나노실버 복합섬유 혼방 염색포의 H V/C

소방으로 염색한 면 100% 염색포와 면/키토산ㆍ나노실버 복합 혼방섬유 염색포의 색상, 명도채도를 <Table 3>에 제시하였다.

<Table 3>

H V/C Values of Cotton Non-Woven Fabrics and Chitosan-Nano Silver Composite Non-Woven Fabrics Dyed with Caesalpinia sappan. L.

키토산ㆍ나노실버 복합섬유의 함량이 높아질수록 전반적으로 명도가 낮아지고 채도는 높아져 어둡고 선명한 쪽으로 이동하여 발색되었다. 매염처리에 의해 전반적으로 명도가 낮아져 색상이 어두워졌다. 매염방법에 있어서는 선매염이 선명하고 어둡고 농색으로 발색되었다. 무매염 염색포와 Al 매염염색포는 R~YR계열의 붉은 계열로, Fe 매염 염색포는 RP계열의 보라~회색계열로 발색되었다.

3. 면 100% 염색포의 L*, a*, b* 분석

<Fig. 2>는 면 100% 무매염 염색포와 매염처리 염색포의 L*, a*, b*,⊿E 값을 나타낸 그래프로 무매염 염색포에 비해 매염처리 염색포의 ⊿E 값이 증가하여 매염처리가 색차를 증가시켜 농색으로 염색되었음을 알 수 있다. 이는 매염제가 섬유에 대한 염료의 염착에 작용하고 있는 것 이외에 특정 색소의 색상발현에 작용하여 소방 염색의 Al 매염으로 붉은 계열, Fe매염으로 회색~보라계열로 발색된 것으로 추측된다. 무매염 염색포와 Al 처리 염색포에서 L* 값 감소, a* 값 증가하여 어둡고 붉은 기미가 증가하였다. Fe 매염처리로 L* 값 감소, a* 값 크게 감소하였다.

<Fig. 2>

Color Values of 100% Cotton Non-Woven Fabrics Dyed with Caesalpinia sappan. L.(□ : L*, ■ : a*, : b*, : ΔE)

무매염처리 염색포가 yR에 가까운 맑은 레드색상인데 반해 Al 선매염은 명도가 낮아지고 채도가 낮아져 pR에 가까운 어둡고 선명한 강한 레드계열로 발색하였고, 후매염은 채도가 낮아 흐린 YR로 발색되었다. Fe 선매염포의 색상은 밝고 선명한 RP계열로 발색되었고, Fe 후매염은 노란빛이 도는 은은한 YR계열로 발색되었다.

4. 면 95%/키토산ㆍ나노실버 복합섬유 5% 혼방 염색포의 L*, a*, b* 분석

<Fig. 3>은 면 95%/키토산ㆍ나노실버 복합섬유 5% 혼방 염색포의 L*, a*, b*,⊿E 값을 나타낸 그래프로 무매염 염색포에 비해 매염처리 염색포의 ⊿E 값이 증가하여 매염처리가 색차를 증가시켜 농색으로 염색되었음을 알 수 있다. 무매염 염색포에 비해 Al 매염처리로 a* 값이 증가하여 붉은 기미가 증가하였고, Fe 매염처리로 L* 값과 a* 값이 크게 감소하여 회색~보라계열로 발색되었다. Al매염의 경우 선매염이 후매염보다 붉은 기미가 더 증가하고 농색으로 발색되었다. Fe매염의 경우 선매염이 후매염보다 ⊿E 값이 높게 나타나 진한 회색계열로 발색되었다.

<Fig. 3>

Color Values of 95% Cotton/5% Chitosan-Nano Silver Composite Non-Woven Fabrics Dyed with Caesalpinia sappan. L(□ : L*, ■ : a*, : b*, : ΔE)

무매염 염색포는 순색에 가까운 강한 레드계열로 발색하였으며 Al 선매염에 의해 pR에 가까운 선명한 레드계열로, Al 후매염에 의해 붉은 기미가 낮아져 흐릿한 YR계열로 발색되었다. Fe 선매염에 의해 선명한 RP계열로 발색하였고 Fe 후매염에 의해 어둡고 선명한 RP계열로 발색되었다.

5. 면 90%/키토산ㆍ나노실버 복합섬유 10% 혼방 염색포의 L*, a*, b* 분석

<Fig. 4>는 면 90%/키토산ㆍ나노실버 복합섬유 10% 혼방 염색포의 L*, a*, b*,⊿E 값을 나타낸 그래프이다.

<Fig. 4>

Color Values of 90% Cotton/10% Chitosan-Nano Silver Composite Non-Woven Fabrics Dyed with Caesalpinia sappan. L.(□ : L*, ■ : a*, : b*, : ΔE)

무매염 염색포에 비해 매염처리 염색포의 L* 값 감소, ⊿E 값 증가로 매염처리에 의해 농색으로 염색되었음을 알 수 있다. 매염방법에서 선매염 염색포가 후매염 염색포에 비해 약간 높은 ⊿E 값을 나타내었다. 무매염 염색포와 Al처리 염색포에서는 Al처리 염색포의 L* 값 감소, a* 값 증가, b* 값이 감소하여 붉은 기운이 더 가미되어 발색되었다. 무매염 염색포는 강한 레드계열로 명도와 채도는 중간 정도이며 Al 선매염에 의해 어둡고 진한 레드계열로, Al 후매염에 의해 명도와 채도가 낮아져 어둡고 탁한 YR계열로 발색되었다. Fe 선매염에 의해 붉은 기운을 많이 포함한 짙은 RP계열로 발색되었고 Fe 후매염에 의해 명도와 채도가 더 낮아져 rp에 가까운 짙은 RP계열로 발색되었다.

6. 면 70%/키토산ㆍ나노실버 복합섬유 30% 혼방 염색포의 L*, a*, b* 분석

<Fig. 5>는 면 70%/키토산ㆍ나노실버 복합섬유 30% 혼방 염색포의 L*, a*, b*, ⊿E 값을 나타낸 그래프로 면/키토산ㆍ나노실버 복합섬유 혼방 염색포 중 가장 높은 ⊿E 값을 나타내어 매우 진한 색상으로 발색되었다. 무매염 염색포보다 매염 처리한 염색포가 ⊿E 값이 증가하여 매염처리에 의해 색차가 증가하여 농색으로 발색되었다. 매염방법에서 선매염이 후매염에 비해 ⊿E값이 증가하여 농색으로 발색되었다. Al처리 염색포가 무매염 염색포에 비해 L* 값 감소, a* 값 증가, b* 값 증가로 어두워지고 붉은 기미가 더 증가하여 매우 진하게 발색되었다. Fe처리 염색포는 L* 값 감소, a* 값 감소, b* 값 감소로 RP계열로 발색되었다.

<Fig. 5>

Color Values of 70% Cotton/30% Chitosan-Nano Silver Composite Non-Woven Fabrics Dyed with Caesalpinia sappan. L.(□ : L*, ■ : a*, : b*, : ΔE)

무매염 염색포는 순색에 가까운 강한 레드계열로 명도와 채도는 중간 정도이다. Al 선매염 처리에 의해 pR쪽으로 가까워진 진한 레드계열로 발색하였고, Al 후매염 처리에 의해 명도와 채도가 낮아져 어두운 YR계열로 발색되었다. Fe선매염 처리에 의해 붉은 기운을 많이 포함한 선명한 RP 계열로 발색되었고 Fe 후매염 처리에 의해 명도와 채도가 낮은 진한 RP계열로 발색되었다

<Fig. 3~5>의 논의를 종합해 볼 때 소방염색에서 면/키토산ㆍ나노실버 복합섬유 혼방 부직포 자체만으로도 염색효과가 비교적 뚜렷이 나타나며, 매염처리에 의해 좀 더 강한 색상을 발현케 하였다. 또한 키토산ㆍ나노실버 함량이 높아지면서(5%, 10%, 30%) 무매염 염색포와 Al매염 염색포의 L* 값 감소, a* 값 증가로 어둡고 붉은 기미가 증가하였고 ⊿E 값이 크게 증가하여 농색으로 나타났고, Fe매염 염색포는 L*, a* 값이 크게 감소하여 진한 RP계열로 발색되었다.

이상의 결과에서 소방 염색은 면 100% 부직포에 비해 면/키토산ㆍ나노실버 복합섬유 혼방 부직포의 색차가 증가하여 농색으로 발색되었고, 키토산ㆍ나노실버 복합섬유의 함량이 증가 할수록 색차가 크게 나타났다. 이는 면 100% 부직포는 매염제(Al, Fe)가 작용함으로써 셀룰로오스 분자쇄와 매염제(Al, Fe), 그리고 소방 염료 간에 복합체가 형성되면서 염착이 촉진되는 반면 키토산ㆍ나노실버 복합섬유에서는 셀룰로오스 분자쇄와 매염제(Al, Fe), 그리고 소방 염료 간에 복합체 형성에 부가하여 매염제(Al, Fe)와 소방 염료, 키토산 간에 부수적인 복합체가 형성된다. 키토산이 관여된 복합체의 형성은 염착에 관여함으로써 염착능을 상승시켜서 ⊿E 값이 증가하여 농색으로 발색되었을 것으로 추측한다. 무매염 염색포와 매염처리 한 염색포에서 매염처리 염색포의 색차가 증가하여 농색으로 발색되었으며, 키토산ㆍ나노실버 복합섬유의 함량이 증가할수록 색차도 증가하였다. 무매염 염색에서는 Al, Fe이 존재하지 않으므로 키토산, 매염제(Al, Fe), 소방 염료 간에 배위결합 형성이 이루어지지 않지만, 매염염색에서는 Al, Fe이 존재하게 되고 키토산, 매염제(Al, Fe), 소방 염료 간에 배위결합 형성이 촉진되는 결과 염착능이 상승된 것으로 볼 수 있다(Jeon et al., 2003). 또한 Al, Fe 매염처리에 의해 붉은 계열과 보라계열로 발색하여 소방이 다색성 염료임을 알 수 있다. 면/키토산ㆍ나노실버 복합섬유 혼방 부직포 자체만으로도 염색효과가 비교적 뚜렷이 나타나며, 매염처리에 의해 색차가 증가하여 좀 더 강한 색상을 발현케 하였다.

Ⅳ. 결론

1. 면 100% 부직포(백포)와 면/키토산ㆍ나노실버 복합섬유 혼방 부직포(백포)의 L*, a*, b*, ⊿E 값 비교하였을 때 키토산ㆍ나노실버 복합섬유의 함량이 증가할수록 L* 값 감소, a* 값 증가, b* 값이 증가하여 어둡고 붉은 기운이 돌면서 황색기미가 증가하였다.

2. 무매염 염색포에서는 키토산ㆍ나노실버 복합섬유의 함량이 증가할수록 L* 값 감소, a* 값 증가, b* 값 감소, ⊿E 값 증가하여 농색으로 발색되었고, 붉은 색소의 흡착은 촉진되는 반면 황색 색소의 흡착은 저하되었다.

3. 매염처리에 의해 무매염 염색포보다 L* 값 감소, ⊿E 값 증가하여 농색으로 발색되었다. Al 매염에서 L* 값 감소, a* 값 증가하였는데, b* 값은 선매염에서는 증가하였으나 후매염에서는 감소로 나타났다. Fe 매염에서는 L* 값 감소, a* 값 감소하였는데, b* 값은 선매염에서는 증가하였으나 후매염에서는 비슷하거나 감소로 나타났다.

4. 매염 염색포에서 키토산ㆍ나노실버 복합섬유의 함량이 증가할수록 염색포의 명도와 채도는 낮아지고 색차가 증가하여 농색으로 발색되었다. 무매염 염색포와 Al 매염처리 염색포는 R~YR계열의 붉은 계열로, Fe 매염처리 염색포는 RP계열의 보라~회색계열로 발색되었다.

5. 키토산ㆍ나노실버 복합섬유의 함량이 증가할수록 무매염 및 Al 매염처리 염색포에서 어두워지고 reddish 증가, blueish 증가하여 yR에서 PR로 이동하는 경향을 나타냈으며, Fe 매염처리에서는 L* 값 감소, a* 값 감소, b* 값 감소하여 RP로 발색되었다.

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