환원조건에 따른 천연 쪽의 직물별 염색성

Abstract

쪽 색소를 함유하는 식물은 세계 각지에 22과 100종류 이상이 확인되고 있다. 대표적인 것에는 중국과 일본을 포함한 우리나라에서 많이 재배되는 마디풀과의 일년생 식물인 쪽(Polygonum tinctorium)과 콩과 식물로 인도로부터 동남아의 열대, 아열대 지방에 널리 분포하는 인디고페라(Indigofera tinctoria)가 있다. 쪽은 우리나라에서 쪽풀이라고도 불리며 중국이나 일본에서는 요람(蓼藍)으로도 불린다. 영어 이름은 Polygonum Indigo 또는 Indigo로 불리며, 독일어로는 Indigo Pflanze이다. 인디고페라는 콩과식물로 염료함유량이 많으며 인도에서 수입이 되고 있기 때문에 인도람이라고도 한다. 인디고 색소를 갖는 식물들의 잎은 모두 녹색으로 잎에는 인디칸(indican; C14H17O6N∙3H2O)이라는 물질이 있다. 인디칸은 식물체 내에서 배당체의 일종으로 무색의 수용성 물질이며, 물로 추출하면 자연가수분해 되어 인독실(indoxyl; C8H7ON)이 되고, 이것이 산화되면 푸른색의 불용성 인디고(indigo =indigotin; C16H10O2N2) 및 인디루빈(indirubin, indigo의 이성체) 성분을 많이 생성한다. 결과적으로 잎 중에 있는 인디칸(indoxyl-3-β-glucoside)을 활용해 인디고라는 색소를 만들어 낼 수 있는 식물이 인디고 식물이다. 인디고 식물을 염료식물로 사용하기 위해서는 인디고 성분의 추출량이 많아야 되기 때문에 염료식물로 이용되는 인디고 식물은 일곱 가지 종류에 불과하다. 그 중 우리나라에서 쉽게 재배할 수 있는 종류는 쪽(Polygonum tinctorium), 대청(Isatis tinctoria) 및 인디고페라 틴토리아(Indigofera tinctoria)이다. 염료 측면에서 쪽(인디고)색소는 불용성이므로 알칼리 액에서 환원시켜 염색해야 한다. 그런데 알칼리성의 염액은 면, 마 등의 식물성 섬유의 염색에는 문제가 없지만 견, 모 등의 동물성 섬유의 염색에서는 섬유가 탈색과 변색 등의 견뢰도 저하와 섬유의 축융, 취화현상 등의 손상을 입게 된다. 대부분의 천연염색에서는 염색 후 수세 과정을 거쳐 건조하고 마무리를 해서 사용하는데 비해 쪽색소로 동물성 섬유를 염색할 때는 염색 후 중화 처리를 거쳐야 한다. 알칼리 염액은 섬유의 취화현상을 야기하는 문제점과 함께 염착성도 저하된다. 그러므로 동물성 섬유를 염색할 때는 중성이나 약산성을 유지해야 하지만 쪽 염료는 중성이나 산성조건에서는 물에 잘 용해되지 않는 특성이 있다. 따라서 동물성 섬유를 염색할 때는 쪽 색소의 용해도를 높이면서도 중성이나 약산성을 유지할 수 있는 첨가제 등이 요구된다. 에탄올을 쪽 염액에 첨가하면 염액을 중성으로 유지하면서도 쪽 색소의 용해도를 높이는데 도움이 되는 것으로 알려져 있으나 쪽과 환원제 종류 및 직물에 따른 적정 첨가량에 대한 연구는 거의 없는 실정이다. 한편, 쪽 색소에는 하이드로설파이트(hydrosulfite, sodidum dithionite)를 환원제로 가장 많이 사용되고 있다. 하이드로설파이트는 환원 효과는 좋으나 염색과정에서 가스발생 등으로 건강에 악영향을 미치며, 폐수로 환경오염을 일으키는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 보완하기위해 유기환원제인 글루코오스의 적용도 하나의 대안이 될 수 있을 것으로 판단되지만 이 부분에 대한 연구 또한 거의 없는 실정이다. 이와 같은 배경에서 본 연구에서는 우리 전통 쪽인 니람과 인도람 분말을 이용하여 환원 조건(염액의 pH, 환원제 종류, 에탄올 첨가량)에 따른 견, 면, 레이온, 모 및 나일론 시료의 염색성을 연구 분석하였다. 본 연구의 목적은 첫째, 우리나라 전통 쪽의 계승과 활용성 증대 측면에서 니람의 최적 염색 조건을 규명하였다. 둘째, 친환경과 지속가능한 생산(Sustainable production)에 대한 관심을 반영하여 하이드로설파이트의 대체 환원제로서 글루코오스의 환원성과 적용성을 조사하였다. 셋째, 쪽 염료 염색 후 직물의 중화처리를 최소화하고, 섬유의 견뢰도 향상을 위해 NaOH와 같은 알칼리성 물질 대신 염액의 중성을 유지하면서 색소의 용해도를 높일 수 있는 첨가제 에탄올에 대한 연구를 시도하였다. 이러한 목적을 달성하기 위해 에탄올의 첨가량은 0%, 10%, 20%, 30%, 40%로 구분하여 실시하였으며, 염액의 pH는 7.5, 12.0 으로 각각 조정하였다. 염색 온도는 각각 25℃, 35℃, 50℃에서 5분간 염색 하였다. 연구결과 견직물은 니람과 인도람 염액을 하이드로설파이트로 환원시켜 pH 7.5로 염색 시 색상은 PB계열을 나타냈다. 염색성은 50℃, 에탄올 함유량 10% 및 20%에서 우수하였으며, 글루코오스 환원 시 pH 7.5에서 니람 염색의 색상은 P계열을 나타냈다. 니람 염액을 하이드로설파이트 환원 시 pH 12.0에서 염색의 색상은 PB계열을, 글루코오스에서는 P계열을 나타냈다. 인도람 염색 시는 B계열을 나타냈으며, 그 외는 대부분 PB계열의 색상을 나타냈다. 면직물은 쪽의 종류 및 염액의 pH에 관계없이 글루코오스 환원 시에는 염색성이 낮아 실용성이 없는 것으로 나타났다. pH 7.5에서는 하이드로설파이트 환원 시 염색성이 낮았으나, 염액 온도를 35℃로 조정하고 에탄올함유량 20%에서는 염색성이 나타났다. pH를 12.0으로 조정 후 하이드로설파이트로 환원한 것은 니람 및 인도람으로 염색한 것 모두 색상이 PB로 나타났으며, 우수한 염색성을 나타내었다. 레이온직물은 글루코오스로 환원 시 염액의 pH 및 온도에 관계없이 염색성이 크게 낮았다. pH 12에서 니람과 인도람을 하이드로설파이트로 환원 시 염색성이 우수하였으며, pH 7.5 염액에서는 에탄올 함유량 20%, 35℃에서 염색성이 좋았다. 모직물은 하이드로설파이트로 환원한 니람염액 pH 7.5, 50℃에서 에탄올함유량 10%, 20%일 때 색상은 PB로 나타났으며 L값이 38.43 이하로 염색성이 우수하였다. 동일조건에서 글루코오스로 환원 시 직물의 표면색 색상은 R 및 YR을 나타냈다. pH 12에서는 하이드로설파이트 환원제에서는 니람과 인도람 염색 모두 염색성이 높게 나타났다. 나일론직물은 니람을 글루코오스로 환원 시 pH 7.5 및 12.0에서 에탄올의 첨가량에 관계없이 직물의 표면색은 P를 나타냈으며, 하이드로설파이트 환원 시 염액 pH 7.5, 에탄올 함유량 10% 및 20%에서는 모든 온도 조건에서 염색성이 우수했다. 인도람은 염액의 pH에 관계없이 직물의 색상은 모두 PB를 나타냈다. 하이드로설파이트를 환원제로 사용 시, 염액 온도 50℃, 에탄올 함유량 20%, 30%, 40%에서 높은 염색성을 나타냈다. 쪽 염액의 pH를 달리한 다음 하이드로설파이트로 환원 시킨 니람과 인도람 염액 35℃에서 염색한 견직물의 세탁 견뢰도는 니람에서 오염은 모두 4-5급을 나타냈다. 일광견뢰도는 pH 7.5에서 3-4급을, pH 12에서 2-3급을 나타냈으며, pH 7.5에서 일광견뢰도가 더 높게 나타났다. 인도람의 견직물 세탁 견뢰도 높았으나 변퇴색은 pH 7.5는 2급을, 12는 2-3급으로 낮았으며 일광견뢰도는 모두 3-4급이었다. 글루코오스로 환원의 니람 염액에서는 pH 7.5에서 견뢰도가 더 높게 나타났다. 인도람 염액은 세탁 견뢰도는 오염(견, 면)은 4-5급으로, 변퇴색은 2-3급으로 나타났으며, 일광견뢰도는 pH 12는 3급 이하를, pH 7.5에서는 3-4급이었다. 하이드로설파이트로 환원 시 35℃에서 니람과 인도람으로 염색한 면직물은 모두 견뢰도에서는 문제가 없는 것으로 나타났다. 쪽 염액의 pH를 12로 조정하여 35℃에서 염색한 면직물의 폐렴간균(Klebsiella pneumoniae) 및 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)에 대한 항균 활성을 조사한 결과 글루우코스에서 염색했을 경우 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)은 97.1%이상의 정균율을 나타냈으며, 폐렴간균(Klebsiella pneumoniae)은 니람에서 97.0%, 인도람에서는 97.5%의 정균율을 나타냈다. 황색포도상구균은 하이드로설파이트로 환원시켜 염색했을 경우 니람염액으로 염색시킨 것은 57.9%, 인도람86.6%을 나타냈다. 폐렴간균은 니람염액 처리구는 33.8%, 인도람염액 처리구는 39.0%의 정균율을 나타냈다.;Indigo is identified to have more than 100 species and 22 families around the world. This results in many several countries using indigo as their main ingredient for dyeing. In China and Japan it is known as “Yo-ram,(蓼藍)” while in German it is called Ingifopflanze. It is widely known as indigo or Polygonum india in English. Another name to identify Indigo is Indigofera since it is largely found in and imported from India. Typical plants that contain indigo are the leguminous plant, Indigofera Tinctoria and the knotgrass, Polygonum Tinctorium. Indigofera Tinctoria has rich dyeing contents and is widely found in India and in the tropical and subtropical region of Southeast Asia. The knotgrass is largely cultivated in China, Japan, and Korea. All the indigo plants have green leaves that contain the compound of indican (C14H17O6N3H2O.), which is one of the glycosides in the plant, is colorless, is water soluble, and it’s hydrolysis yields indoxyl (C8H7ON.) Then the oxidation of indoxyl yields a lot of indigo(=indigotin;C16H10O2N2), which is blue and insoluble, as well as indirubin(C16H10O2N2,anisomerofindigo). Therefore, an indigo plant is a plant in which indigo pigment can be generated by utilizing indican(indoxyl-3-β-glucoside) from the leaves. In order to actually use such plant for dyeing, a massive amount of indigo is needed. Thus, 7 species of indigo plants and their subspecies are used in reality. Polygonum tinctorium, Isatis tinctoria, and Indigofera tinctoria are among those which are easily cultivated in Korea. As for dyeing, indigo has to be reduced in an alkali solution since it is insoluble in water. It should be noted that while an alkali solution does not cause any problem for cotton, linen, and other vegetable fabrics, it damages silk, wool, and other animal fabrics. In most cases of natural dyeing, the dyed fabric has to be washed and dried. Yet when it comes to indigo dyeing, the dyed fabric must be neutralized because it uses an alkali solution. Dyeing with the alkali solution causes the color fastness to be lower in the form of bleaching or discoloration, not to mention brominating of fabric. Thus, in order to dye with animal fibers, the solution needs to be maintained neutral or slightly acidic. However, indigo does not dissolve well in water when the solution is neutral or slightly acid. For this reason, it requires an additional agent to increase solubility in water while maintaining the solution at neutral or slightly acidic. Using ethanol as an additional agent in the dyeing solution is a method known to maintain the solution to be neutral and increases the solubility of the indigo pigment, but it has not been researched much in the past regarding the adequate amount of ethanol for indigo depending on the origination or textile. As for a reducing agent in indigo dyeing, hydrosulfite is often used. Although it is good as a reducing agent, it is bad for the environment because it contains a substance that pollutes water. It also adversely affects human health because it generates gas during the course of dyeing. Taking into account the main purpose of natural dyeing is to protect the environment, using hydrosulfite is quite against the purpose. To resolve this problem, using glucose, an organic reducing agent, could be one of the alternatives but there has not been much research on it. Hence, under various conditions, this research was focused on examining the dyeing property of Korean traditional indigo "Niram" and the coloring powder of Indigofera which is being utilized more and more these days. Furthermore, in order to increase solubility of indigo during the dyeing process, ethanol was used as an additional agent and glucose was used as a reducing agent. All this was applied to six different fabrics-cotton, silk, rayon, wool, acrylic, and nylon-to analyze their dyeing property. Specifically, the purpose of this research is as follows: First, to compare the dyeing property between Niram and Indigofera. Niram was chosen for the purpose of inheriting the Korean traditional dyeing and Indigofera was selected based on the fact that recently it is being imported actively. Second, to compare the dyeing properties between hydrosulfite and glucose as reducing agents, while aiming to pursue environmental friendliness and sustainable production. Third, to attempt to study the effects of ethanol as an additional agent for the process of indigo dying in order to minimize the neutralization process and improve the fabric's color fastness. Ethanol was used to replace the alkali solution like NaOH for research. In the procedure, the amount of ethanol was controlled to 0%,10%, 20%, 30%, and 40%; pH of each dyeing solutions was controlled to 7.5 and 12.0; the temperature was each 25℃, 35℃, and 50℃; all trials were 5 minutes. In the case of silk, both Niram and Indigofera showed PB color when they were dyed after the reduction in hydrosulfite and with the pH of the solution adjusted to 7.5. The dyeing property of this case was excellent when 10 % and 20% of ethanol were added. However, when Niram was dyed in pH 7.5 using glucose as the reducing agent, it turned into P color. In pH 12.0, Niram's color was PB in hydrosulfite and P in glucose. The color of Indigofera displayed B. The rest of the cases mostly resulted in PB color. In the case of cotton, regardless of the dyes (Niram and Indigofera) and pH, all the cotton fabrics that used glucose as the reducing agent had low dyeing property which means there is no practicality. In pH 7.5, when hydrosulfite was used as the reducing agent, only the case in which ethanol was added 20% with the solution's temperature at 35℃ showed some dyeing property. When the pH was adjusted to 12.0 in hydrosulfite, both Niram and Indigofera had excellent dyeing property with PB color. In the case of rayon, when glucose was used as the reducing agent, the dyeing property was significantly low irrespective of the pH and temperatures. When the pH was adjusted to 12.0, Niram and Indigofera turned out to have great dyeing property when hydrosulfite was used for reduction. The dyeing property was good in a case where the pH was 7.5 with 20% of ethanol at 35℃. In the case of wool, Niram showed PB color when ethanol was added 10 % and 20% in pH 7.5 at 50℃ with the solution reduced in hydrosulfite. Under this condition, the dyeing property was excellent with the value L 38.43 and below. The color of the fabric's surface was R and YR when the solution was reduced in glucose with everything else remaining the same. In pH 12, both Niram and Indigofera had high dyeing property when the reducing agent was hydrosulfite. In the case of nylon, whether ethanol was added or not, the color of the fabric's surface was P when Niram was dyed in pH 7.5 and 12 with glucose as the reducing agent. When hydrosulfite was used as the reducing agent in pH 7.5 and 10% and 20% of ethanol added, the dyeing property was excellent regardless of the temperatures. When Indigofera was used for dyeing, all the surface colors turned out to be PB regardless of the pH. When the reducing agent was hydrosulfite, the dyeing property was high at 50℃ with 20%, 30%, and 40% of ethanol added. When the reducing agent was hydrosulfite, the dyeing property was high at 50℃ with 20%, 30%, and 40% of ethanol added. When Niram and Indigofera are at 35℃, changing the pH level and using the reducing agent, hydrosulfite, color fastness to washing grade for Niram was 4-5. Color fastness for light in pH 7.5 was grade 3-4, pH 12 was grade 2-3. Higher color fastness for light was shown when neutral dyeing solution is pH 7.5. Indigofera had higher color fastness to washing, but showed low change in color; grade 2 for pH 7.5, grade 2-3 for pH 12. color fastness for light showed grade 3-4. In the case of nylon, whether ethanol was added or not, the color of the fabric's surface was P when Niram was dyed in pH 7.5 and 12 with glucose as the reducing agent. When hydrosulfite was used as the reducing agent in pH 7.5 and 10% and 20% of ethanol added, the dyeing property was excellent regardless of the temperatures. When Indigofera was used for dyeing, all the surface colors turned out to be PB regardless of the pH. When glucose was used for reducing, niram shows higher color fastness in pH 7.5. Indigofera showed color fastness for silk and cotton grade 4-5, change in color grade 2. color fastness to light in pH 12 was lower then grade 3, grade 3-4 for pH 7.5. There was no problem in color fastness when Niram and Indigofera was reduced at 35℃ with hydrosulfite. When cotton was dyed with Niram at 35℃ after reduction in hydrosulfite with the pH of indigo solution changed, the color fastness to washing recorded grade 4 or 4-5 regardless of the pH. The color fastness to light recorded grade 4 when the pH was 12. Therefore, the higher the pH was, the higher the grade was. The study was conducted on antibacterial vitality of Klebsiella pnueumoniae and Staphylococcus aureus for cotton dyed at 35℃ after adjusting the pH of indigo solution to 12. When glucose was used as the reducing agent, Staphylococcus aureus had fungistatic rate of 97.1% and above. Klebsiella pneumoniae had fungistatic rate of 97.0% for Niram and 97.5% for Indigofera. For hydrosulfite, Staphylococcus aureus had fungistatic rate of 57.9% for Niram and 86.6% for Indigofera. Fungistatic rate of Pneumobacillus was 33.8% for Niram, 39.0% for Indigofera.