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친환경 기능성 섬유가공제로서 키토산을 이용한 섬유제품에 관한 연구

Title
친환경 기능성 섬유가공제로서 키토산을 이용한 섬유제품에 관한 연구
Other Titles
Developing Environment-Friendly Textile Products Using Chitosan as a Natural Finishing Agent
Authors
김경선
Issue Date
2009
Department/Major
대학원 의류직물학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Doctor
Abstract
One purpose of textile processing is making high value textiles by adding a new functionality or modifying some functions with keeping their original features of the textile. In recent years, using natural substances as a processing agents has formed a new trend because this can minimize a harmful substance generated during the textile processing. This trend has led to a desirable development accompanying with the environment-friendly move occurred in Europe. In this study, the functional textile processing was developed using chitosan, an environment-friendly, harmless, and non-toxic natural cationic polymer. Various functionalities were exerted by applying chitosan onto textiles and the treatment conditions for the respective textiles processing by chitosan were investigated. The experiments were conducted by 4 themes (from Part 1 to 4) as shown below; Part 1; chitosan was used with CA and BTCA, wrinkle resistance agents of cellulose, onto cotton fabrics to conserve dyeing characteristics of the original cotton. Three different types of winkle finishing conditions were studied. 1) chitosan was treated to the cotton fabric, 2) chitosan and CA(citric acid) were treated as a mixed processing liquid, 3) chitosan and BTCA(butanetetracarboxylic acid) were treated as the mixed processing liquid. The effects on the dyeing properties upon the above treatment studied and the change in physical properties of the treated samples were evaluated. Part 2; Chitosan was treated onto cotton fabrics to improve the cochineal dye affinity to cotton fabrics. Bath dyeing and printing were tried to evaluate the functionality of chitosan in this study. Cochineal was used as a model dye because cochineal shows a beautiful color when dyed and it is a natural substance. Metal mordants also co-used to compare the efficiency of dyeing between chitosan and metal ions. Metal mordanted and cochineal dyed cotton was also treated with chitosan to see the blocking effect of metal ions from the treated cotton by chitosan, which would satisfy the environmental safety criteria in Europe. Part 3; Chitosan can be used as a possible hair cosmetic additive. Moisture and elasticity the hair fiber would improve upon the chitosan treatment. Relatively-thick hair and thin hair, and healthy hair and damaged hair were experimented. Two types of chitosan samples were used, an acid-soluble chitosan type and a water-soluble chitosan type. pH of the water-soluble chitosan was changed to observe the pH effect on the treated hair fiber. Part 4; Various chitosan treated textiles were used in developing an environment-friendly clothings through the dyeing, finishing, and design development processes. The drapes and silhouettes were evaluated according to the finishing and dyeing conditions. This attempt is a example of applying the lab. developed textiles having a new aesthetics to the real garment construction. The following results and conclusions were made by the experiments conducted; 1. chitosan-treated cotton fabric and chitosan and BTCA-treated fabric showed a high increase in crease resistance because resilience (RT) and compressive resilience (RC) were more increased. chitosan and CA-treated sample showed a less increase in RT and RC. As the amount of CA/BTCA increased, a crosslinking degree was also increased . All treated samples became stiffer, less elastic, and less strong. In addition, a surface toughness was increased and the crease recovery was decreased. CA/BTCA 15~20g/ℓ with chitosan was thought as the optimum condition in developing winkle resistant cotton without losing its original property. 2. In terms of dyeing properties of the reactive dyes on chitosan-treated cotton, the chitosan-treated cotton showed a similar color to the raw cotton fabric, but a lower brightness. Also, it had an equal excellent dye fastness to the raw cotton fabric. When CA or BTCA was added into chitosan, the dye uptake, color fastness to light, and color fastness to washing of CA-treated cotton were more excellent than those of treated BTCA. When CA was used as the alternative crosslinking agent to BTCA, the CA would minimize the decrease in the dyeing efficiency with disturbing wrinkle resistance. It was confirmed that the concentration of 15~20g/ℓ, which showed the positive change in the previous studies, was the proper condition for this purpose. 3. The cotton fabric which is known as the impossible Cochineal dye and direct dye uptake. chitosan treated cotton could be dyed without using the mordanting agent. Pre-mordanting was more effective than the post-mordanting in the mordanting processes. chitosan treatment increased 'a*' (redness) and 'b*' (yellowness) but more facilitated the increase in 'b*'. chitosan-treated cochineal dyed cotton showed more excellent color fastness to light and washing than the chitosan non-treated cochineal dyed cotton. Post-mordanting sample showed a higher fastness than that of the pre-mordanting sample. 4. In the cochineal dye of cotton without the mordanting process, the color got dark by the treatment of chitosan. In case of the chitosan-mixed crosslinking agents, the color was dark when CA adding amount was smaller than BTCA. In relation to the color fastness to washing, CA/BTCA-mixing sample showed higher color residual effect than chitosan-treated sample. In general, CA and BTCA showed the good color fastness to washing at the concentration of 20~25g/ℓ. CA had the higher color fastness to perspiration than BTCA by the post mordanting condition. In the tin mordanting sample, the increase effect of color fastness to light was maximized at the low concentration treatment of chitosan and CA. 5. There was more excellent sequestering effect of copper ion in the pre-mordanting sample on the condition of treating chitosan and CA in the silk fabric through the metal ion experiment of cochineal dyed fabric by Eco Label certification test criteria. Accordingly, it could make the mordanting dye meet the criteria of environment-friendly fabric products by chitosan treatment. 6. In the cochineal printing, the dye uptake was increased and the color was dark by chitosan treatment. In the silk fabric, the concentration of chitosan was more effective on 1.0% treatment condition than 0.5% treatment condition. The thickness and weight of chitosan-treated printing fabric was a little increased than the raw printing fabric. Also, an air permeability was considerably increased. When chitosan was treated to the high concentration, the wrinkle resistance of printing fabric was increased so that the fabric became stiff. When chitosan was treated to the high concentration, the sharpness of printed lineal pattern's edge line was excellent so it could be confirmed that the dye's spread could be controlled by chitosan treatment. It was the most proper that the small molecule chitosan was singly treated to 1% concentration to gain the sequestering effect of metal ion by chitosan treatment. On the above condition, AI metal ion leakage was decreased by more than 72% all in the cotton and silk fabrics. 7. As the effect of chitosan treatment by thickness of hair, there was the high increase rate of weight in the damaged hair and the thick hair. Static electricity was reduced in the healthy hair, but was a little increased in the decolored hair. In the hair treated by chitosan, the angle of scale end was softly changed into the obtuse angle so that the coating effect of chitosan was observed. Also, a friction force was reduced. A cutting strength was a little increased by chitosan treatment, and it was more effective for the damaged hair. 8. The surface reflectance and gloss of hair was reduced by chitosan treatment, but the degree of reduction was small on the condition of water soluble chitosan's pH4.5 and 6.8. When chitosan was treated to virgin hair as the healthy hair, the tensile strength and tensile elongation were increased and the wrinkle resistance. Hence, chitosan could change the hair into the elastic and soft hair. It was the most effective that the water soluble chitosan which was adjusted to the Neutral(pH6.8) or Acid(pH4.5) was treated. When the water soluble chitosan was treated to pH4.5, the tensile strength, tensile elongation and elasticity of decolored hair were all increased, so this hair was changed into the elastic and soft hair. The effect of chitosan treatment was bigger in the healthy hair than the damaged hair. It was effective to use chitosan to pH6.8 or Acid pH4.5. 9. Through chitosan treatment, the silk taffeta fabric could be changed into the fabric which had the new functionality with the draft angle keeping a rustle crispness and soft gloss. The cloth produced by chitosan-treated taffeta is a tight evening dress. It could create the body-friendly luxury cloth. 10. As the pattern effect by chitosan treatment, the fabric could be changed into the natural and beautiful fabric as the pattern of 'tone on tone' coloring was created. The cloth with the gradation dyeing which was steadily changed to the light purple from the middle tone's purple color by applying the different immersion time to the dye of the fabric, could be suggested as the womanly and elegant cloth. 11. As the result of conducting DTP by pre-treating chitosan to the silk organza, the pattern was darkly and clearly printed. It could change into the showy and luxury cloth by patching to the cloth. 12. The combination dyeing of clove and marigold with cochineal as the basic dyeing could change the fabric into diverse colors. The color fastness was improved. The cloth design applying the combination dyeing showed the gradation effect between two colors. It could be beautifully expressed with the arrangement of non-heterogeneous colors.;섬유가공의 목적은 섬유 본래의 특성을 유지하면서 새로운 기능성을 부가시키거나 단점을 개선하여 고부가가치화 하는데 있다. 최근에는 가공제로 천연물질을 이용하거나 섬유가공 공정에서 발생되는 유해물질을 최소화 하고자 하는 노력이 유럽에서 유발된 친환경바람과 맞물려 새로운 트랜드를 형성하고 바람직한 발전방향으로 제시되고 있다. 본 연구에서는 친환경적이며 인체에 무해무독한 천연 양이온성 고분자인 키토산을 이용하여 기능성 섬유가공을 유도하여 기능성 및 가공효과를 검토하였다. 1부에서 4부로 나누어 실험과 주제를 설정하여 실험하고 결과를 고찰하였다. 실험결과를 토대로 가공과 염색기법을 개발하여 의상디자인에 적용하여 친환경, 고부가가치 섬유제품을 추가적으로 제시하였다. 연구는 다음과 같은 4가지 큰 방향으로 진행되었다. 제 1 부; 면섬유에 방추성을 부여하고 가공제 처리에 의한 염색성의 저하를 최소화하기 위해 CA와 BTCA를 가교제로 사용하는 직물에 키토산을 처리하여 효과를 검토하였다. 면 원포에 키토산만 처리한 경우, 키토산과 CA(citric acid)를 혼합 가공액으로 처리한 경우, 키토산과 BTCA(butanetetracarboxylic acid)를 혼합 가공액을 처리한 경우를 비교하여 면직물의 물리적 특성 변화를 검토하고 반응성 염료에 대한 염색성 변화를 검토하였다. 제 2 부; 천연염료 코치닐의 침염과 날염분야에 키토산 전처리 하여 면섬유에 대한 염색성을 개선하고, 매염제로 사용되는 금속이온의 땀에 의한 용출 정도를 감소시켜 천연염색의 유럽의 친환경 제품규격의 기준에 부합할 수 있는지 가능성을 검토하였다. 제 3 부; 모발화장품 첨가제로서의 사용가능성을 검토하였다. 키토산 처리에 의해 모발섬유에 보습과 유연성을 제공하고 손상모발의 강신도에 미치는 영향을 검토하였다. 상대적으로 굵은 모발과 가는 모발, 건강모발과 손상모발을 상대로 실험하였으며 산 수용성 키토산과 수용성 키토산을 사용하여 결과를 비교하였다. 수용성키토산은 pH를 다양하게 변화시켜 모발에 처리하고 특성을 비교하였다. 제 4 부; 천연물질인 키토산을 이용한 섬유가공과 천연염색의 기술이 융합되어 적용된 직물을 사용하여 섬유산업의 최종 결과물인 기능성과 심미성을 겸비한 의상을 디자인하고 작품화하여 친환경 트랜드의 새로운 비전과 가능성을 제시하고자 하였다. 위와 같은 목적으로 실험하고 결과를 고찰한 바 중요한 몇 가지 사실들을 확인할 수 있었다. 결과를 요약하면 다음과 같다. 1. 키토산처리 면포의 역학적 특성변화에 있어서는, 키토산과 BTCA를 처리한 경우가 키토산과 CA를 처리한 경우보다 레질리언스(RT)와 압축 레질리언스(RC)값이 증가되어 방추가공효과가 크게 나타났다. CA/BTCA 첨가량이 증가될수록 가교정도가 커져서 뻣뻣하고 탄성 있는 직물로 변화되고 강도가 저하되었으며 표면 거칠기가 증가되고, 굽힘 회복성이 낮아졌다. 따라서 CA/BTCA 15~20g/ℓ 농도로 사용할 때 직물 태의 변화가 의류용 용도로 유의한 효과를 나타내는 전환점으로서 가장 이상적인 조건으로 평가되었다. 2. 키토산처리 면포의 반응성 염료의 염색특성에 있어서는, 키토산만 처리한 포는 미가공포와 색상경향은 유사하나 명도가 약간 낮아졌으며 염색견뢰도는 미가공포와 동일하게 우수하였다. 키토산에 CA 또는 BTCA를 첨가하여 가교시킨 경우, CA처리포의 염착량과 일광 및 세탁견뢰도가 BTCA보다 우수한 것으로 나타났다. 따라서 CA를 BTCA의 대체가교제로 사용하면 방추기능성을 유지하면서 염색성 저하를 최소화할 수 있으며 비용을 절감할 수 있는 것으로 평가되었다. 가교제 농도는 선행연구에서 긍정적 태의 변화의 전환점이 되는 15~20g/ℓ 농도가 염색성에 있어서도 염색성이 크게 저하되지 않는 적절한 조건으로 확인되었다. 3. 키토산처리 직물의 코치닐 침염에서 코치닐 염료와 직접염착이 불가능한 것으로 알려진 면섬유는 키토산처리에 의해 염색이 가능해졌으며 매염제를 사용하지 않은 조건에서 키토산 처리의 효과가 크게 나타났다. 매염처리 조건에서는 후매염보다 선매염에서 효과가 더 컸으며, 키토산처리에 의해 a*값(redness)과 b*값(yellowness)을 모두 상승시키지만 b*값의 상승을 더욱 촉진시키는 결과를 나타냈다. 키토산처리포가 미처리보다 세탁 및 일광견뢰도가 우수하였으며 후매염 시료가 선매염 시료보다 견뢰도가 우수하였다. 4. 면포의 매염과정이 도입되는 않은 코치닐 염색에서는 키토산 단독처리에 의해 색상이 짙어졌으며, 키토산혼합 가교제에 있어서 BTCA보다 CA의 첨가량이 작을수록 색상이 짙었다. 세탁견뢰도는 키토산을 단독으로 처리한 경우보다 CA/BTCA를 혼합하여 처리한 경우 색소 잔존 효과가 높았다. 대체로 CA와 BTCA 모두 20~25g/ℓ의 조건에서 세탁견뢰도가 우수한 것으로 나타났다. 땀견뢰도는 선매염보다 후매염 조건에 의해서, CA가 BTCA보다 우수하였다. 주석매염의 경우엔 키토산과 CA의 저농도 처리조건에서 일광견뢰도 상승효과가 극대화 되었다. 5. 코치닐 염색포의 에코라벨 인증시험 기준에 의한 금속이온 용출실험에서 구리이온의 봉쇄효과는 면포보다는 견포에서, 키토산만 처리한 조건보다는 키토산과 CA를 함께 처리한 조건에서, 후매염 보다는 선매염에서 그 효과 더 컸다. 따라서 매염염색이라 할지라도 키토산처리에 의해 친환경 섬유제품의 기준에 부합시킬 수 있었다. 6. 코치닐 날염에서 키토산처리에 의해 염착량이 상승되고 색상이 짙어졌다. 면보다 견에서, 키토산 농도는 0.5%보다 1.0% 처리조건에서 효과가 더 컸다. 키토산처리 날염포는 미처리 날염포보다 두께와 무게가 소폭 증가되었고 공기투과도가 상당히 증가되었다. 날염직물의 굽힘 저항력은 키토산이 고농도로 처리될수록 증가되어 태가 뻣뻣해졌다. 키토산이 고농도로 처리될수록 날염된 직선문양의 edge line의 선예도가 우수하여 염료의 번짐 현상을 키토산처리로 충분히 제어할 수 있음을 확인할 수 있었다. 키토산처리에 의한 금속이온의 봉쇄효과를 얻기 위해서는 저분자 키토산을 단독으로 1%농도로 처리하는 것이 가장 바람직한 것으로 나타났다. 상기 조건에서 면과 견포 모두 72%이상 Al 금속이온의 용출이 감소되었다. 7. 모발의 굵기에 따라 키토산을 처리한 결과는 건강모발보다는 손상모발에서, 가는 모발보다는 굵은 모발에서 무게증가율이 컸으며, 정전기 발생은 건강모발에서는 저하되지만 탈색모발에서는 오히려 약간 상승되었다. 키토산으로 처리된 모발은 스케일 말단부의 각이 둔각으로 부드럽게 변화되어 키토산의 코팅효과가 관찰되었으며 마찰력이 감소되었다. 절단강도는 키토산처리에 의해 약간 증가되었으며, 손상모발에서 효과가 컸다. 8. 모발은 키토산처리에 의해 표면반사율과 광택이 감소되었으나 수용성 키토산의 pH4.5와 6.8의 조건에서 감소정도가 작았다. 건강모발인 버진헤어의 경우 키토산을 처리하면 인장강도와 신도가 증가되고 굽힘 저항력이 감소되어 탄력 있고 부드러운 모발로 변화시킬 수 있었으며 중성(pH6.8), 또는 산성(pH4.5)으로 조절된 수용성 키토산을 처리할 때 가장 효과적이었다. 탈색모발은 수용성키토산을 pH4.5로 처리할 때 강도와 신도, 유연도가 모두 증가되어 탄력 있고 부드러운 모발로 변화되었다. 키토산처리 효과는 손상모발보다 건강한 모발에서 더 크며 수용성 키토산을 그대로 사용하거나(pH6.8) 산성(pH4.5)으로 조절하여 사용하는 것이 효과적인 것으로 평가되었다. 9. 실크 타프타 직물은 키토산 처리에 의해 바삭바삭한 감촉(crispness)과 은은한 광택을 유지하면서 드레이프 각도가 풍부해진 새로운 기능성을 가진 직물로 변화시킬 수 있었다. 키토산이 처리된 타프타로 제작된 의상은 신체에 밀착되는 이브닝 드레스로서 인체친화적인 고급 의상을 창출할 수 있었다. 10. 키토산 인날에 의한 문양효과는 색상의 농담차가 분명한 tone on tone 배색의 문양이 형성되어 자연스럽고 아름다운 직물로 변화시킬 수 있었다. 직물의 염액에 침지시간을 다르게 적용하여 중간 톤의 보라색에서 은은한 연보라로 서서히 변화되는 그라데이션 염색이 함께 적용된 의상은 여성스러우면서 엘레강스한 느낌의 작품성이 강한 의상으로 제시될 수 있었다. 11. 실크 오간자에 키토산을 전처리하여 DTP를 실시한 결과 문양이 짙고 선명하게 printing되었으며 의상에 patch하여 화려하고 고급스러운 의상으로 변화시킬 수 있었다. 12. 코치닐을 기본염으로한 정향(clove)과 매리골드(marigold)의 복합염색에 의해 직물을 다양한 색상으로 변화시킬 수 있었으며 염색견뢰도가 향상되었다. 복합염색을 적용한 의상디자인은 두 색상 간의 gradation 효과를 나타낼 수 있었으며 이질적이지 않은 배색으로 아름답게 표현될 수 있었다.
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