대중 과학 | 제지용 염료의 분류 및 특징

제지 과정에서 종이에 원하는 색상을 부여하기 위해 다양한 착색제가 일반적으로 사용됩니다. 목표 색상의 종이를 생산하기 위해 착색제는 펄프에 혼합되거나 종이 표면에 코팅되는데, 이 과정을 제지 염색 또는 토닝이라고 합니다. 이 글에서는 제지 산업에서 널리 사용되는 대표적인 염료의 기본 특성과 적용 특성에 대해 자세히 설명합니다.

현재 제지 산업에서 전통적으로 사용되는 염료는 크게 직접 염료, 염기성 염료, 산성 염료의 세 가지 범주로 나뉩니다. 여기에 더해, 표백 목적으로 사용되는 형광 증백제와 최근 사용이 증가하고 있는 기능성 염료도 포함됩니다.

1. 직접 염료

직접 염료는 수용성 염료의 한 종류로, 수소 결합을 형성할 수 있는 하이드록실기 또는 아미노기와 함께 수용성 작용기(술폰기 또는 카르복실기)를 포함합니다. 이러한 염료는 섬유에 대한 친화력이 뛰어나 매염제 없이 섬유를 직접 염색할 수 있습니다. 셀룰로오스 섬유, 단백질 섬유 및 혼방 직물 염색에 널리 사용됩니다.

셀룰로오스 섬유에 대한 친화력이 뛰어난 직접 염료는 섬유에 직접 염색할 수 있도록 해줍니다. 펄프와의 혼합이 고르지 않으면 염색이 고르지 않게 되고 얼룩이 생길 수 있습니다. 일반적으로 직접 염료는 분쇄목 펄프 염색에는 적합하지 않습니다. 분쇄목 펄프의 리그닌 함량이 높으면 염료 흡착력이 떨어져 염색 색상이 옅어지기 때문입니다.

특정 선명한 파란색 직접 염료는 특정한 조건에서 종이 표백제로 사용될 수 있으며, 다이렉트 바이올렛이 대표적인 예입니다. 일반적인 상업용 등급으로는 다이렉트 브릴리언트 블루, 다이렉트 스카이 블루, 다이렉트 레드디시 브라운, 다이렉트 스칼렛, 다이렉트 프리징 옐로우, 다이렉트 다크 브라운 MM, 다이렉트 블랙 EX 등이 있습니다.

2. 기본 염료

염기성 염료는 수용액에서 양이온으로 해리되거나 산성화 시 양이온성 염을 형성합니다. 이들은 염기성 아미노 작용기를 가진 유기 화합물입니다. 물에 잘 녹는 염기성 염료는 뛰어난 착색력과 선명한 색상을 제공하여 제지 산업에서 가장 인기 있는 염료 중 하나입니다. 그러나 내광성, 내열성이 약하고 산, 알칼리 및 염화 이온에 대한 저항성도 떨어져 완성된 종이가 쉽게 변색될 수 있습니다.

이들은 표백하지 않은 펄프와 분쇄목재 펄프에 대해 높은 친화성을 보여 송진이나 명반을 첨가하지 않고도 만족스러운 염색 결과를 얻지만, 표백 펄프에 대해서는 인성성이 약하여 매염제를 추가해야 합니다.

불용성 색소 레이크 생성 및 종이 반점 발생을 방지하기 위해 적용 온도는 70°C 이하로 조절해야 하며, 최적의 염색 pH 범위는 4.5~6.5입니다.

표백 펄프와 분쇄 펄프를 혼합하여 염색할 때는 색상이 고르지 않게 되는 것을 방지하기 위해 특별한 주의가 필요합니다. 두 가지 실행 가능한 방법은 분쇄 펄프를 혼합하기 전에 표백 펄프를 미리 염색하거나, 염료를 투입하기 전에 혼합 펄프에 송진과 명반을 첨가하는 것입니다.

염기성 염료는 침전 과정을 통해 펄프 섬유에 결합하며, 일반적으로 원래 염료 분말의 고유 색상보다 더 밝은 색조를 나타냅니다.

3. 산성 염료

산성 염료는 산성 수용액 조건에서 염색하도록 제조됩니다. 대부분은 설폰산기를 함유하고 있으며, 일부는 카르복실기를 함유하고 있습니다. 화학 구조에 따라 아조, 안트라퀴논, 트리아릴메탄, 니트로 염료로 분류되며, 사용 방법에 따라 강산성, 약산성, 산성 매염제, 산성 복합 염료로 구분됩니다.

산성 염료는 물에 매우 잘 녹으며, 물의 경도나 펄프 온도 변화의 영향을 거의 받지 않습니다. 염기성 염료에 비해 착색력이 약하고 색상이 덜 선명하지만, 내광성 및 내열성이 뛰어나며 산, 알칼리 및 염화 이온에 대한 내성도 중간 정도입니다.

단백질 섬유에 대한 친화력이 매우 뛰어나 주로 가죽 염색에 사용됩니다. 리그닌에 대한 친화력이 없어 혼합 펄프에서 반점 발생 위험이 없습니다.

온도는 산성 염료의 성능에 미미한 영향을 미치며, 최적의 염색 pH는 4.5에서 5.0 사이입니다.

일반적인 제지용 산성 염료에는 산성 라이트 옐로우 G, 산성 안트라퀴논 블루, 산성 스카이 블루, 산성 스칼렛 G, 산성 스칼렛 GR 및 산성 골든 옐로우 G가 있습니다.

4. 백색 염료 – 형광증백제(FWA)

형광 증백제(백색 염료라고도 함)는 디아미노스틸벤의 유도체 또는 염입니다. 이들의 분자 구조는 일반적으로 형광 여기를 위한 설파메이트기, 자외선 흡수를 위한 방향족/지방족 아민기, 그리고 결합 내구성을 향상시키는 시아누르산염화물기로 구성됩니다.

FWA는 실제 펄프 표백이 아닌 광학적 효과를 통해 표백 펄프를 밝게 하고 종이의 백색도를 향상시킵니다. 하지만 저휘도 펄프(휘도 65% 미만) 또는 고리그닌 펄프의 경우, FWA의 백색화 성능은 미미하거나 효과가 없습니다. 스틸벤계 FWA(디설포네이트, 테트라설포네이트 및 헥사설포네이트 유형)가 종이 백색화 분야에서 주로 사용됩니다.

5. 기타 염료 종류

위에서 언급한 범주 외에도 제지 산업에서는 바트 염료, 매염 염료, 아조 염료, 황 염료, 반응성 염료 및 분산 염료를 사용합니다. 최근 수십 년 동안 감압식 및 감열식 기록 용지의 사용이 급증하면서 흑색 형성 감압/감열 변색 염료로 대표되는 기능성 염료가 산업계에서 널리 주목받고 있습니다.