염색용수와 계면 활성제
물에는 연수(단물)와 경수(센물)가 있으며, 천연수 중에서 지하수는 보통 경수나 경수에 가까운 물이 많고, 지표수는 흔히 연수가 많다.
경수에는 칼슘 이온(calcium ion)과 마그네슘 이온(magnesium ion)의 광물질이 많이 들어 있으며, 연수에는 광물질이 적게 들어 있다. 이들 광물질이나 불순물이 전혀 들어 있지 않은 물은 증류수뿐이며, 빗물은 일반적으로 광물질은 적지만 계절이나 환경 등의 차이에 따라 상당한 불순물이 들어 있다.
물은 함유한 광물질의 양으로 물의 경도(hardness of water)를 나타내는데, 경도는 물속에 들어 있는 칼슘 이온 및 마그네슘 이온의 양을 이에 상당하는 탄산칼슘의 양으로 환산하여 ppm으로 표시한 것이 미국 경도이며, 독일 경도(dH)는 미국 경도에 0.056을 곱해주면 된다. 다시 말하면 미국 경도로 100ppm은 독일 경도로 100×0.56=5.6dH이 된다. 이러한 관계를 반대로 보면 1dH=17.8ppm이 된다.
여러 가지 학설에 의하면 80ppm 정도를 연수와 경수와의 경계선으로 보기도 하고, 연수, 중간수, 경수로 분류하기도 한다.
염색 공정에서 염색 후의 세정은 염색 견뢰도를 유지하는 데 중요하다. 소핑제로 스테아르산소다(sodium stearate)를 사용할 경우 경수중에서는 2(R-COONa) + CaCO3 → (R-COO)2Ca + Na2CO3와 같이 반응한다. 탄산칼슘의 분자량을 100이라고 하면 스테아르산소다의 분자량은 306.5가 되므로, 1g의 탄산칼슘이 있다고 하면 1/100=0.01mol의 CaCO3가 0.02mol 스테아르산소다와 결합하게 된다. 다시 말해서 0.02×306.5=6.13g의 탄산칼슘의 무게의 6배의 무게와 맞먹는 스테아르산소다를 칼슘염으로 만든다.
이와 같은 계산결과는 염색용수로 경수를 사용할 경우 계면활성제 등을 다량으로 사용하게 되는데 그 대부분이 금속과의 상호작용에 의한 금속비누(metallic soap)와 같은 반응물이 생성됨을 알 수 있다. 이러한 경우 물에 잘 녹지 않는 비누 찌꺼기 같은 것이 염색물에 잔류할 경우 염색물의 품질에 영향을 미치게 된다.
요컨대 염색 공정에서 물 처리를 하여도 염색 후의 수세나 소핑 공정에서 경수를 사용하고 있으면 계면 활성제의 낭비가 크며, 염색물의 색상이 탁해지는 문제가 생길 수 있다. 뿐만 아니라 심한 상황에서는 천의 촉감에도 영향을 주어 천이 경화되는 문제도 생길 수 있다.실례를 들어보면, 흰색 제품의 태가 뻣뻣해지면서 회색을 띄게 된 문제가 생겨 그 원인을 조사한 결과, 용수 중에 들어있던 아연이 원인이었다. 자연수에는 경도가 높아도 아연이 들어 있지 않는 것이 보통이다.
그런데 아연과 동(銅)과의 합금은 황동(黃銅)으로서 여러 가지 기계부품으로 많이 사용되고 있는데, 황동이 부식될 때에는 아연이 먼저 녹는 성질이 있다. 따라서 부식된 황동에서 유출된 아연이 용수 중에 녹아들어가 사고의 원인이 되었음을 알 수 있다. 공장에는 흔히 물탱크나 배관, 조인트에는 아연으로 도금하였거나 아연ㆍ동계의 합금인 황동을 사용하고 있는데, 이들이 부식할 때에는 아연의 이온수가 발생하면서 문제가 발생할 수 있다.
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계면활성제 분자는 친수성 부분과 소수성 부분으로 나뉘어져 있다. |
물에 계면활성제 분자가 일정 농도가 되면, 친수성인 계면활성제의 머리 부분이 물 쪽으로 노출되는 둥근 형태를 띠게 되는데, 이를 마이셀이라고 한다. 기름에 계면활성분자가 들어가면 이와는 반대모양의 역 마이셀이 만들어진다. |
염색 후처리에서 계면 활성제 1등의 약품이 기준이상으로 사용될 때에는 먼저 수질을 조사해 보는 것이 바람직하다.
- 기름과 물은 서로 섞이지 않는다는 것을 우리 모두 경험으로 잘 알고 있다. 기름과 물은 화학적으로 서로 친하지 않다. 그것은 물은 극성의 성질을, 기름은 비극성의 성질을 띠기 때문이다. 일반적으로 화학물질은, 극성 용매에는 극성 분자들이 잘 녹고, 비극성 용매에는 비극성 분자들이 잘 녹는 성질을 지니고 있다. 사람과 마찬가지로 분자들도 서로 끼리끼리 상호작용을 잘하는 것이다. 계면활성제 분자는 하나의 분자 안에 물을 좋아하는 부분(친수성, hydrophilic)과 물을 싫어하는 부분(소수성, hydrophobic)을 동시에 지니고 있다. 또한 계면활성제의 친수성 부분은 기름을 싫어하고(lipophobic), 소수성 부분은 기름을 좋아하는 특성(친유성, lipophilic)을 가진다. 계면활성제를 영어로 surfactant라 하는데, 이것은 표면(surface) 활성(active) 물질(substance 혹은 agent)을 조합해서 만든 단어이다. 계면활성제의 소수성 부분은 탄소 원자가 여러 개 연결된 구조이며, 비극성이다. 반면에 비극성 부분에 같이 결합되어 있는 친수성 부분은 극성이다. 일반적으로 극성 부분의 크기는 비극성 부분의 크기에 비해서 작은 편이다. 그래서 편의상 극성부분을 머리(head)라고 부르며, 비극성 부분을 꼬리(tail)라고 부른다. 계면활성제 분자를 생각할 때는, 콩나물을 연상하면 이해가 쉽다. 콩나물 대가리를 머리, 콩나물 줄기를 꼬리라고 생각하면 된다. 그러므로 꼬리부분은 비극성인 기름과 상호작용을 잘하며, 머리 부분은 극성인 물과 상호작용을 잘한다. 계면활성제 분자는 친수성 부분과 소수성 부분으로 나뉘어져 있다. 계면활성제의 머리 부분이 어떤 모습을 하고 있냐에 따라 음이온, 양이온, 중성, 주피터 이온형(zwitter ionic) 계면활성제로 분류를 한다. 물과 상호 작용하는 머리 부분이 음이온(예:-COO-)이면 음이온 계면활성제, 양이온(예: -N((CH3)n)4+)이면 양이온 계면활성제, 극성을 띠지만 전하는 중성인 그룹(예: 폴리에틸렌 옥사이드)이 붙어 있으면 중성 계면활성제, 양이온과 음이온이 모두 포함된 경우에는 주피터 이온형 계면활성제라고 한다. 우리가 잘 알고 있는 비누나 샴푸는 모두 계면활성제의 한 종류이며, 머리와 꼬리 부분을 변형하면 기능과 활용도가 다른 수 많은 종류의 계면활성제를 만들 수 있다. [본문으로]
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