스크랩 Polyester 염색

[kibo]

폴리에스터 염색  

폴리에스터 염색의 일발률 향상을 위한  염색공정 관리기술

개요

일 발률이란, 모든 염색공장이 운영해야 할 경영지표로서의 접근이다. 엄격한 색상규정, 높은 품질기준, 보다 짧은 납기에 직면한 염색공장의 성공과 실패의 차이를 의미하는 것이다. 연구예를 들면, 80%의 일발률(Right first time) 수준을 지닌 공장에서 20%의 수정율(Wrong first time)은 폴리에스터 염색가동시간과 생산비용의 30~50% 정도의 비용이 더 소요된다.

염색공정관리(Controlled coloration)는, 현재의 수준에 대한 전체적 분석과 모니터링 시스템의 확립과 함께 시작된다. 이것은염색작업에서부터 염색할 용수, 생지, 염료, 조제까지 모든 원부자재의 엄격한 관리의 도입을 포함한다. 또한 최근에 제공되는 기계들의 자동제어 그리고 온라인 모니터링 시스템의 개발을 필요로 한다. 염색공정관리를 성공하는 주요점은 분산염료의 폴리에스터 염색 사이클의 각 단계에서 어떻게 거동하는 지를 알아야 하며, 그 결과 색상의 재현성을 최대화 하고 균염과 견뢰도가 충족되도록 염색공법을 최적화 해야 한다.

Ⅰ. 서론
염 색공정관리기법은 염색공장에서의 품질경영관리기법과 과학적인 접근법을 통해 경쟁력을 개선하는 방법이며, 일발률(Right first time)을 최대화 하는 것이 목표인 것이다. 일발률 향상의 실질적 이익은 배치당 낮은 제조원가비와 생산성 향상을 통한 경영수지의 개선이다. 그러나 일발률 향상을 통한 다른 잇점도 간과해서는 안된다. 향상된 일발률은 짧은 납기를 통한 서비스의 개선이며, 납기에 대한 신뢰성을 높이는 것이다. 재가공이 줄어드는 것은 직물의 외관품위를 향상시키며, 원사의 손상을 작게 하며, 품질을 향상시킨다.

환경적인 이익도 점점 중요해진다. 일발률을 개선하는 염색공장은 염색공정관리를 통해 용수·화학약품의 사용량, 폐수 부하의 절감 등, 실질적으로 환경규준을 준수한다는 것을 소비자나 행정당국에 입증하는 것이다. 이와 같이 염색공정관리기법을 통한 이익은 실질적이고 다양하다.
본 논문에서는 합성섬유의 불량에 대한 생산성, 원가비용 등을 염색공정관리기법을 통해 사례를 들어 살펴 보고자 한다.

Ⅱ. 본론

1. 불량발생에 대한 원가비용

침 염공정에서의 보편적인 불량원인들은 색차와 불균염이다. 사실 이러한 문제들은 재가공의 단계를 거쳐야 한다. 예를 들면 색합(色合)에 한두번의 염료추가가 필요하다는 것은 일반적인 사실이다. 염색직물의 색차나 불균염이 심할 때(예컨대 원단중량 측정의 실수, 염색기에서의 천걸림)는 Black재염으로 전용해야 할 것이다. 불균염의 결과는 건조후에만 알 수 있으며, 재가공으로 보내어진다. 고온에서의 Levelling처리는 색상의 변화도 초래해서, 추가적인 염료추가도 이루어진다.폴리에스터 염색에서의 불량에 대한 영향을 분석하기 위해 컴퓨터 모델링 기술을 사용해 왔다.
제조비용과 생산성 계산은 보다 이해가 쉽게 상대적 비용으로 표시하였다. 염색공장의 생산형태는 폴리에스터섬유를 130℃온도에 염색하는 염색공장이며, 수세나 세정전에 색상확인을 위해 샘플링하고, 텐터에 의해 건조 Set하며, 최종검사를 실시한다. 폴리에스터 염색에 있어 전형적인 재가공 단계를 설명하면, 여섯 형태의 단계로 생각할 수 있다.

• 초기 최초생산
• 색차 : 한 번의 염료추가 필요
• 색차 : 두 번의 염료추가 필요
• 전체적인 색차 혹은 불균염 : Black으로 재염
• 색상은 일치하나 불균염 : 고온 Levelling처리 및 색수정
• 색차 및 불균염 : 고온 Levelling처리 및 색수정


<그림1> 불량발생에 따른 원가 비용"

<그림2> 불량발생에 따른 공정시간

<그림 1>과 <그림 2>는 폴리에스터 염색의 불량들이 공정비용과 시간에 미치는 영향들을 보여주며, 불균염과 색차를 빨리 해결하지 않으면 제조원가 상승에 대한 재가공의 위험부담을 강조한다. 결과를 살펴보면 염료 1회 추가는 18%의 제조비용 상승과 50%의 공정시간 연장을 가져온다는 것을 알 수 있다. 반면 불균염은 80%의 제조비용 상승과 135%의 공정시간이 연장되는 것을 알 수 있다.
색차와 불균염 수정은 폴리에스터와 비슷한 각각 20%, 100%이지만 공정시간은 추가에는 22%, 불균염에는 100%로 <그림 2>에서처럼 폴리에스터만큼 길지않다.
일발률과 생산성의 연관관계를 살펴보기 위해서는, 모델을 래피드 염색기 한 대에서 주당 144시간의 생산량을 검토하고, 전형적인 색상범위는 연색과 중색이 70% 수준이며 30%가 농색(환원세정이 필요한 것)인 것으로 본다.
일 발률의 수준은 60%에서 최고 100% 수준이다. 한주간에 걸친 재가공 단계에서의 가정은 70%의 불이행이 염료추가(평균 1.5회/배치)이며, 20%의 불이행은 Levelling처리이고, 10%의 불이행은 색차와 불균염 처리인 것이다.


<그림3> 불량발생과 생산성
모델결과는 <그림 3> 주당 생산배치수와 기계 가동시간과의 관계에서 실생산시간과 재가공시간을 나누어 분석한것으로, 70%의 일발률 수준에서는 기계 가동시간과 재가공 시간이 거의 50% 정도이다.
비 록 일발률이 80%수준이어도 염료추가가 1.5에서 2회로 증가되면, 공장에서 기계 가동시간의 반이 비생산활동시간으로로 차지한다. 이러한 수정율에 관한 연구는 생산일발률의 수준을 향상시킬 뿐만 아니라, 전체적인 염색품위도 향상시키는 값어치 있는 연구활동일 것이다.

2. 염색공장의 문제점 파악

염색공정관리를 향한 첫 번째의 주요단계는, 염색공장의 모든 공정의 상세한 문제파악을 현재 일어나고 있는 그대로 상세하게 파악해야 한다는 것이다.
문 제파악의 첫 번째 단계는 개선할동의 수립이며, 적절한 모니터링 시스템이 문제파악 단계에 있어야 한다. 주장하는 바와 같이 일발률에 공헌하는 가장 중요한 것은 그 공장에서 사용되는 염색시스템이다. 이에 한가지 더 보탠다면 원료물질(생지, 화학약품, 용수 등)에 대한 일관성을 보장해야 하며, 공장에서의 모든 분야 즉 실험실, 약품보관창고, 준비에서의 각각의 업무영역을 재검토해야 한다.

1) 생지와 준비공정

폴리에스터는 면이나 울 등의 천염섬유에서와 유사한 불량을 나타내지 않지만, 생지변수는 불량의 주된 원인중의 하나이다. 또다른 변수의 한가지는 원사의 품질수준이다.
폴리에스터 직물의 수직계열 작업조건하에서 생지의 염색성을 시험하는 절차가 확립되어야 하며, 제직이나 편직배치에서의 작업변수로 인해 생기는 문제점들을 찾아 내어야 한다.
정련단계의 불성실한 준비는 또다른 변수이다. 생지의 pH, 오일 혹은 호제의 제거 등 염색성을 포함한 준비단계의 효율적인 일상체크는 매우 중요하다.
만 약 색차가 발생한는 경우는 실험실에서 이들 조건을 확인해야 한다. 준비단계에서는 중량감소의 변수가 다양하기 때문에, 배치중량은 세심한 주의를 필요로 한다. 염색시 염료소요량의 계산은, 이론적 중량보다 실배치의 중량을 근거로 계산해야 한다.

2) 수질

실 험실에서 매일 용수의 pH, 경도(硬度), 중금속 농도를 확인하는 것은 좋은 생각이다. 수질문제가 발생하는 결정적인 시기는 주말이나 공장 휴무일의 다음날이다. 몇몇 분산염료의 색상은 아주 적은 양의 구리, 철이온에 매우 민감하다.
칼슘과 마그네슘 이온은 염색시 염료의 분산능력에 영향을 끼친다. 경도가 50ppm을 초과하거나 구리나 철이온이 용수에서 검출되면, 금속이온봉쇄제가 사용되어야 한다. 염색공장에서의 염욕의 일정 pH를 유지하기 위해서는 용수의 급격한 pH변화가 있을 시 즉각적인 조치를 취해야 할 것이다.

3) 실험실 운영

실험실은 염색공정관리의 중추신경적인 역할을 하는 곳이다. 실험실은 생지, 용수 등을 분석하는 이외에 제반 불량요인을 분석해야 한다.
실험실에서 영향을 미치는 일반적 요소들을 개선하기 위해서는 자동피페팅, 자동평량, 자동배송시스탬 등이 필요하다.
폴리에스터염색에서 특히 중요한 것은 실험실에서의 승온조건, 조제, pH가 현장과 같아야 하는 것이다. 실험실에서 준비된 생지가 현장에서 염색할 생지와 같아야 하며, 용수도 또한 동일해야 하는 것은 반드시 주의해야 할 사항이다.
염 색공장에서 일어나는 보편적인 사고원인의 하나는, 부적절한 염료 콤비네이션이다. 이것은 칼라예측을 매우 어렵게 한다. 컴퓨터를 이용해 여러 경우의 수를 나열하여 최적의 Recipe 선정을 해야 한다. 염료선택은 색상공간(Color space)내 특정지역 범위 내에 있어야 하며, 색상 재현성을 최대화하는데 적절해야 한다. 실험실 책임자는 염색공정관리를 돕기 위해 Spectrophotometer를 이용하는 것도 중요하다.

4) 염료 및 약품보관

보통 불량이 되는 원인은 염료평량, 액체조제의 취급실수, 보관 등의 잘못이다. 염료평량실수는 자동 확인 시스템을 통하여 실수를 줄이거나, 최소한 염료전표의 기록 보관 등을 통해, 사고시는 쌍방의 확인을 통해 이를 해결해야 한다.
염색조제중 빙초산이나 분산제의 평량실수는 색상재현성에 상당한 영향을 미친다. 액체분산염료의 취급실수를 피하기 위해서는 평량전 고속으로 젖어야 한다.
평량시 염료드럼에서의 입자날림 등으로 인한오염, 습기흡수 등은 치명적인 실수이기 때문에 보관취급시 주의를 요하며, 고온다습(高溫多濕)시에는 습도 및 온도조절이 필요하다.

5) 염색공정

문제파악의 단계에서 세심한 주의가 필요한 분야는 기계인자, 염색 사이클 시간, pH조절, 기계고장, 염료추가, 샘플링 등을 포함한다.
기 계인자로서는 가동전 모든 게이지가 다르다 생각하고 실제온도, 용량, 온도구배, 운전속도, 유속 등을 확인해 보아야 한다. 모든 염색기에 걸쳐 기계마다의 로프속도나, 유속(流速)변화가 다르기 때문에 염색 사이클 시간을 기계의 특성에 맞게 조정해 놓아야 한다.
pH가 규정범위를 초과하였을 경우에는, pH를 보정하는 즉각적인 조처가 취해져야 한다. 모든 pH측정기는 정기적인 교정과 확인이 필요하다.
특 히 염색기가 고압상태에서 천걸림이 생겼을 경우에는 폴리에스터 염색에서는 치명적이다. 천걸림과 같은 치명적사고는 작업카드에 반드시 기재하여야 한다. 염색추가시는 작업자는 염색기의 승온속도가 빠르기 때문에 Cutting구간을 잘 알아 불균염을 방지하도록 해야 할 것이다.
샘플링은 한 장소에서 색합전 적절한 수세와 건조후 일관적인 방법으로 이루어져야 한다.

6) 가공과 검사

폴리에스터 염색에서는 최종가공후의 색상이 실험실과 현장생산분이 같아야 한다.이는 고객은 최종가공된 제품의 색상에 관심이 있기 때문이다.
가공약품 및 사용조건이 분산염료의 견뢰도에 영향을 미치는지 조사되어야 하고, 최적조건을 설정해야 한다. 가공공정에서의 발견되는 불량들은 앞 공정과 반드시 확인을 하여 원인을 파악하여야 한다.

3. 염색공정 관리를 위한 분산염료의 선택 및 염색조제의 이해

염 색공장에서 일발향상을 최대화 하기 위해서는, 염료품질의 일관성을 기하는 것이 필수적이다. 분산염료 품질의 두가지 요소는 물리적 성상 및 색상과 색상농도(Color strength)의 일정성이다. 시판 분산염료의 대부분이 10~60%가 색소이고, 분산염료 제조의 진정한 기술은 염료가 최적의 분산이 되도록 하는 마감가공기술이다. CI 번호가 동일하다고 해서 동일한 염료라 생각하면 잘못된 생각이다. 이것은 염료의 화학구조가 동일한 것이지, 배합이나 물리적 성질은 다른 것이다.
대개 분산시험이 염료의 분산성을 측정하는 가장 좋은 방법이라 생각하지만, 염색기의 작동시 전단응력에서의 안전성 및 고온에서의 안전성을 모두 밝혀내지는 못한다. 작동중의 필터효과는 조밀한 원사 패키지나 단단히 감은 빔에서 진행해야 한다.
분산염료의 불량의 원인이 되는 물리적 성질은 염료 spot, 표면얼룩(surface cloudiness), 분산효과(filtration effect), 마찰견뢰도 문제 등이다. 염료배치사이에서 색상 및 색상농도의 차이는 생산일발률에 막대한 지장을 준다. 염료제조업자들도 시각적인 방법으로 품질관리를 하기 때문에 색상과 색의강도 변수를 없애기란 어렵다. 엄격한 제품관리기준을 적용하여도 색상농도 편차는 2%이고 색차는 0.3 정도이다.
이 정도의 기준도 염색공장에서 색상변수에 아주 제한적인 영향을 미친다. 많은 시판염료들이 이 기준보다 훨씬 높은 수치에서 생산되어 진다.
분 산염료의 상용성이란 무엇인가? 의견은 다양하다. 예를 들면 Etters는 조제와 염색시간이 마이그레이션을 이루는데 충분한 시간이며, 사용염료의 조합은 중요하지 않은 것이라 주장한다. 사실 폴리에스터 염색에서의 분산염료는, 폴리아마이드의 산성염료처럼 염착좌석의 경쟁이나 염료입자의 상호작용에 영향을 끼치지 않는다.
염색기술자들은 염색생산성을 최대화 하기 위해서, 염색공정시간을 최소화 하려고 노력할 것이다.현재의 폴리에스터 래피드 염색의 사이클은 염료의 흡수가 빨라야 하며, 균염성이 좋아야 하고, 염료의 확산이 빨라야 하기 때문에, 염료의 상용성이 매우 중요하다.
최대의 생산성으로 염색일발률을 최대화 하기 위해, 바스프는 전 염색시간에서 비슷한 거동을 하는 ‘Compact Dispersol’이라는 중급에너지 타입의 염료를 개발하였다.
흡 착, 확산, 세정의 3가지 단계를 통하여 염료의 상용성을 나타내어야 하는데, <그림 4>를 보면, Dispersol C-VS 3 Combi의 흡착곡선이 일치하는 것을 발견할 수 있다. 염료배합은 온도와 염색시간이 가장 큰 변수이기 때문에, 위에서 언급한 것은 일발률을 높이는데 중요한 요소이다.중농의 브라운 색상의 염색에서 Compact trichromat 염료를 사용한 것과 일반 3콤비에서의 염색을, 온도와 시간을 변수로 하여 비교해 보았다.


<그림4> 상용성이 좋은 Compact형 시판염료의 흡착곡선


<표1> 시간/온도 변수에 따른 색상 재현성

구분	124°C	130°C	135°C
15분	dE 0.5	dE 0.2	dE 0.1
30분	dE 0.4	표준	dE 0.2
45분	dE 0.3	dE 0.1	dE 0.1

▷ 상용성이 좋은 Compact형 3콤비의 선택시 (Mid Brown생삭)

구분	124°C	130°C	135°C
15분	dE 2.6	dE 0.8	dE 0.5
30분	dE 1.2	표준	dE 0.3
45분	dE 0.6	dE 0.3	dE 0.2

▷ 일반 3콤비의 사용시
CI Disperse Orange 30, Red 167.1, Blue 79
색차 dE : CMC(2:1) 색차 단위

< 표1> 염색공정 관리를 위해서는 분산염료는 Color space상에서 상용성이 있는 염료를 사용하여야 한다. 염료선택의 일관성이란, 각 염색에서 모험을 거는 것이 아니라, 예측가능한 일관성 있는 염색을 하는 것이다. 생산된 제품의 염색 Recipe에 대한 자료축적은 중요하다. 만약 일정 직물에서 현장염색한 자료가 축적이 되면, Datacolor international의 Smart Match System을 통해, 실험실에서 직접염색을 하지 않아도 실제 생산데이터를 이용해 새로운 Recipe를 예측할 수 있다.
폴리에스터 염색에서 중요한 것은 염욕에 투입하는 조제의 성질을 파악하는 것이다. 조제는 빙초산, 분산제, 금속이온봉쇄제, 균염제, 욕중유연제 등을 예로 들 수 있다.
산 의 경우 대부분의 분산염료는 pH 4.5에서 안정하기 때문에, 상하한선인 4와 5를 벗어나서는 안된다. 아세트산 단독이나 완충용액 어느 것을 사용하든 지간에, 염색 전과 후에 곧바로 pH를 확인해야 한다. 분산제는 음이온 제품이어야, 임계온도 이상에서 효과적으로 분산된다. 또한 올리고머의 분산이나 기계 세정에도 충분한 역할을 할 수 있다.
킬레이트 분산제는 물의 경도가 50PPM을 초과하거나 구리, 철이온이 검출되면 사용을 권장할 만하다. 이 킬레이트 분산제는 구리나 철이온 뿐만 아니라, 칼슘이나 마그네슘 이온에도 효과적이어야 하며, 고온에서도 활성이어야 한다. 유기인산염계를 모체로 한 제품이 특별히 효과적이다.균염제는 염색억제 작용을 통하여 칼라수율을 축소시키며, 재현성에 악영향을 미친다. 비이온 균염제는 개별염료를 선별적으로 억제하며 분산능력을 저하시킨다. 가장 효과적인 균염제는 고온에서 염료의 분산을 증진시켜야 한다(예를 들면 방향족 음이온 에스테르 화합물). 그러나 이는 필요한 경우에만 사용해야 한다.
특히 블루계통의 아조분산염료는 화학적으로 환원에 민감하며 브롬, 요오드계의 무기산화제를 사용하여 안정화시킬 수 있다. 또한 비이온계 욕중유연제, 실리콘계 소포제는 분산염료의 분산안정성이나 색상재현성에 영향을 끼친다.

4. 염색공정 설계

염 료업자들이 공급하는 염료 취급설명서는 분당 1~2℃ 승온 130℃에서 30~60분, 필요하면 환원세정과 같이 공정에 대한 설명이 불분명하여 실무자들을 실망시킨다. 따라서 실질적 조건하에서 균염과 색상재현성을 이루도록하는 기술정보가 필요한 것이다. 다음의 자료는 실질적 공정을 설계하는데 유용한 조건들이다.

• 용수의 특성 : pH, 경도 등 (조제의 선택을 최적화 해야 함)
• 각각의 농도에서의 염료의 흡착곡선과 임계온도범위 (구간별 승온시 최적의 온도범위 선정)
• 기계유속과 회전수 (온도조절 범위내에서 승온속도 최적화)
• 염료의 확산속도 (고온에서의 시간 최적화)
• 염료의 마이그레이션 특성 파악 (염색시 마이그레이션 조제가 필요한 지에 대한 평가)
• 각 염료의 세정조건에 대한 방법 : 예를 들면 각각의 농도에서 환원세정을 하지 않았을 시, 견뢰도 수준 (적절한 세정처리 조건을 결정한다)

이러한 염색공정설계가 복잡해 보이지만, Micro process controller의 사용은 이러한 혼돈을 제거할 수 있다.
이 컴퓨터 장치는 온라인상의 pH, 유속, 유량의 정확한 확인은 물론, 염색공정제어를 보다 일관성 있게 해준다. 염색기계업자와 염료공급업자의 긴밀한 협조는 염색공정관리를 최적화 하는데 상당한 도움이 될 것이다.


Ⅲ. 결론

일발률 향상을 평가하기 위해서는 당 생산을 모델로 이익을 분석해 보아야 한다. 예를 들어 80%의 일발률 수준으로 생산하고 있는 염색공장의 이익은 100단위이다.


<그림 5> 일발률에 따른 이익

<그림 5>에서처럼 일발률이 70%, 60%로 각각 떨어지면, 총이익은 35%, 63%로 떨어진다.
그러나 일발률을 90% 혹은 100%로 올리면, 주당 생산에 대한 이익은 28%, 57%로 증가할 것이다. 게다가 재가공의 감소로 인한 생산캐퍼의 여유는 새로운 오더를 수행할 기회가 되며, 총이익은 더 증가할 것이다.
일발률 수준이 높은 단계로 안정이 되면 Blind dyeing(무수정 염색)을 통해 더욱 더 원가를 줄일 기회가 창출되는 것이다(염색에서의 샘플링이 생략되고 최종검사에서 색상확인이 이루어지는 시스템).
모 델에서 일발률 수준이 96%를 초과하면 Blind dyeing(무수정 염색)을 통해 전반적 원가비용을 줄일 수 있는 것으로 계산되어진다. 실질적인 이익을 한가지 들면, 고도의 전문적인 염색기술자가 수정작업을 위해 24시간 없어도 된다는 것이다.
사 실 무수정 염색의 한계수준은 일발률이 90%에서 95%수준이다. 회사의 일발률 수준이 90%이상 계속 유지된다면, 이 회사는 자신감을 가지고 노력할 경우 이 수준에 도달할 것이다. 일발률의 향상을 통한 서비스, 품질, 폐수 등의 절감을 통해 얻는 이익은 폴리에스터 염색의 채산성 개선에 중요한 역할을 할 것이다.

출처 섬유상식 ** 폴리에스터 염색|작성자 레몬트리