실리콘계 용제(Decamethylcyclopentasiloxane, D₅)와 실리콘계 계면활성제에 의한 면직물과 Polyester/Cotton(65/35)직물의 친환경 드라이클리닝 효과 향상

1. 시료 및 시약

시험용 면오염포 EMPA101과 EMPA118, 시험용 면원포 EMPA211과 EMPA221, 시험용 polyester/cotton(P/C, 65/35)오염포 EMPA104와 EMPA119, 시험용 P/C(65/35) 원포 EMPA213은 Testfabrics, Inc. USA 에서 구입하여 사용하였으며, 시험포의 특성은 <Table 1>과 같다. 오염포는 원포에 비해 무게와 두께가 증가한 것을 알 수 있다. EMPA104는 두께가 약 19% 증가하였고 반사율은 매우 낮으므로 다량의 carbon black으로 착색된 경우로 생각할 수 있는데, 이는 원포인 EMPA213의 밀도가 낮아 직물의 구조가 헐겁기 때문으로 생각된다.

<Table 1>

Physical properties of EMPA test fabrics

드라이클리닝 용제로는 석유계용제, 염소계 용제(perchloroethylene), 실리콘계 용제(decamethylcyclopentasiloxane, D₅)를 사용하였다. 석유계 용제는 대전세탁협회, perchloroethylene은 삼성화공약품(대전), D₅는 한국신에츠실리콘(주)에서 구입하였다. D₅의 화학구조는 [Scheme 1]과 같고, 화학구조와 물리적 특성은 전보에 자세히 보고되었다(Kim, 2012). PubChem에 의하면 용제의 수용성은 perchloroethylene이 0.15g/L(20℃), decane(C₁₀)은 0.009mg/L(20℃), D₅는 0.017mg/L(25℃)이다. 석유계 용제(stoddard solvent, Agency for Toxic Substances and Disease Registry)는 다양한 탄소길이(C₇-C₁₂)를 갖는 탄화수소의 혼합물로 알려져 있으므로 decane의 수용성을 대표로 하여 비교하였다. 따라서 용제의 극성을 살펴보면 물>perchloroethylene>D₅>석유계 용제 순으로 예측할 수 있다.

[Scheme 1]

Chemical Structure of Decamethylcyclopentasiloxane (D5)

습식세탁용 세제는 KS 합성세제(KS M 2715)를 사용하였고, 드라이클리닝용 시판세제는 석유계용 2종(시판세제 1 & 2), perchloroethylene용 2종(시판세제 3 & 4), D₅용 1종(시판세제 5)을 사용하였다. 시판세제 1 과 시판세제 3은 화인 TnC(대전), 시판세제 2와 시판세제 4는 크린스타상사(고양)에서 구입하였고, 시판세제 5는 금호세탁소(김해)에서 제공받아 사용하였다. 시판세제의 정확한 조성은 알려져 있지 않으나 주 계면활성제는 비이온계 계면활성제이고, 보조 계면활성제로 소량의 양이온계 또는 음이온계 계면활성제와 저분자량의 알코올이 첨가된 것으로 알려져 있다.

D₅ 드라이클리닝 성능 향상을 위해 4종의 계면활성제(계면활성제 1-4)를 선정하여 실험하였으며, 이들의 화학구조([Scheme 2-4])와 물리적 특성(<Table 2>)은 전보에 자세히 보고되었다(Kim, 2014). 계면활성제 1은 일반 비이온계 계면활성제로 금호세탁소(김해)에서 제공받았고, 계면활성제 2-4는 실리콘계 계면활성제로 Dow Corning Korea에서 제공받아 사용하였다. 계면활성제 1은 C_12-14 secondary alcohol, 계면활성제 2는 PEG/PPG-19/19 dimethicone(고분자량), 계면활성제 3은 PEG/PPG-18/18 dimethicone(저분자량), 계면활성제 4는 Lauryl PEG/PPG-18/18 methicone이고, 계면활성제 2와 계면활성제 3은 water in silicone(W/Si) 유화력이 있다. 이 중에서도 계면활성제 2는 고분자량 계면활성제로 3D HLB 이론에 의해 친실리콘성이 특히 강할 것으로 예측할 수 있다.

<Table 2>

Characteristics of surfactants: SOFTANOL30 and DOW CORNING® Silicone surfactants

[Scheme 2]

Chemical Structure of Surfactant 1: m + n = 9-11, x = 3

[Scheme 3]

Chemical Structure of Surfactants 2 and 3 surfactant 2 (high molecular weight): x = y = average 19 surfactant 3 (low molecular weight): x = y = average 18 *m and n: not known

[Scheme 4]

Chemical Structure of Surfactant 4: x = y = average 18, R = lauryl (C12)

2 세탁시험과 재오염성 시험

습식 세탁성과 습식세탁 재오염성은 Terg-O-Tometer를 사용하였고, 드라이클리닝 세탁성과 드라이클리닝 재오염성은 Launder-O-meter를 사용하였다.

습식 세탁성 시험은 1.0g/L 계면활성제 수용액 1000ml에 5cmX10cm 크기의 오염포 4매씩 넣고 40℃ 40cpm으로 20분간 세탁하고, 같은 조건에서 증류수 1000ml 로 3분간 2회 헹군 후 자연 건조한다. 습식세탁 재오염성 시험은 1.0g/L 계면활성제 수용액 1000ml에 5cmX10cm 크기의 원포 4매, carbon black 0.1g/L를 넣고 40℃ 40cpm으로 20분간 작동하고, 같은 조건에서 증류수 1000ml 로 3분간 2회 헹군 후 자연 건조한다.

드라이클리닝 세탁성 시험은 3개의 표준병에 각각 1.0g/dL 계면활성제 용제용액 100ml, 5cmX10cm 크기의 오염포 1매, 10개의 강철구를 넣고 실온에서 20분간 세탁하고, 깨끗한 용제로 3분간 1회 헹군 후 공기 중에서 자연건조 한다. 드라이클리닝 재오염성 시험은 3개의 표준병에 각각 1.0g/dL 계면활성제 용제용액 100ml, 5cmX10cm 크기의 원포 1매, carbon black 0.01g/dL, 10개의 강철구를 넣고 실온에서 20분간 회전하고, 깨끗한 용제로 3분간 1회 헹군 후 자연건조 한다.

색차계(Color and Color Difference Meter, Model TC-3600, Tokyo Denshoku Co., Ltd.)로 표면반사율을 측정하여 아래 식(2)에 의해 세탁률을 계산하였고, 식(3)에 의해 재오염률을 계산하였다(Kim, 1999; Kim & Park, 1999; Kim, 2012; Kim, 2014)

R: surface reflectance
D: detergency
(K/S)o : K/S value for original cloth
(K/S)s : K/S value for soiled cloth
(K/S)w : K/S value for washed cloth

Ro: surface reflectance for original cloth
Rsr: surface reflectance for soil redeposited cloth

1. 시판세제가 드라이클리닝 세탁성에 미치는 효과

<Table 3>은 면오염포 EMPA101(olive oil/carbon black)의 세탁성을 나타낸 것이다. 습식 세탁률은 KS 합성세제가 첨가되었을 때 35.8%에서 87.0%로 현저히 향상되었으나, 드라이클리닝 세탁성의 경우에는 세척 조건에 관계없이 전체적으로 매우 낮은 세탁률을 보여준다. 석유계 용제의 경우, 시판세제 1과 2가 첨가되면 세탁률이 8.7%에서 20.1% 와 15.0%로 각각 향상되었고, perchloroethylene 드라이클리닝 세탁률은 시판세제 3과 4가 첨가되었을 때 9.4%에서 22.3% 와 13.7% 로 각각 향상되었다. 그러나 D₅ 드라이클리닝 세탁성은 시판세제 5가 첨가되어도 거의 변화가 없었다. 드라이클리닝 용제에 1% 물이 첨가된 경우는 용제나 세제의 종류에 관계없이 전체적으로 드라이클리닝 세탁성이 약간 향상되었다. <Table 4>는 면오염포 EMPA118(sebum/pigment)의 세탁성을 나타낸 것으로 <Table 3>과 유사한 경향을 나타내며, 드라이클리닝 세탁률은 <Table 3>에 비해 전체적으로 높은 수치를 보인다. Kim(1999)는 합성 피그먼트와 합성 피지로 제작된 오염포가 EMPA 보다 더 높은 드라이클리닝 세탁성을 나타낸다는 이와 유사한 결과를 보고하였다. 이는 EMPA118의 피그먼트의 종류는 알려져 있지 않으나, EMPA101의 carbon black이 EMPA118의 피그먼트 보다 강하게 부착되어 있기 때문이라 추측된다.

<Table 3>

Detergency of soiled cotton fabric (EMPA101)

<Table 4>

Detergency of soiled cotton fabric (EMPA118)

<Table 5>는 polyester/cotton(P/C, 65/35)오염포 EMPA104(olive oil/carbon black)의 세탁성을 보여주고 있다. <Table 5>와 <Table 3>을 비교해 보면 EMPA104의 세탁성도 EMPA101과 유사한 경향을 보여주나 EMPA104의 세탁률은 EMPA101의 세탁률보다 전체적으로 낮으며 물이 첨가되었을 때 특히 낮게 나타난다. 이는 P/C(65/35)가 면에 비해 소수성 carbon black 과의 친화력이 크기 때문으로 생각되며, 물이 첨가되고 세제가 첨가되지 않은 경우 perchloroethylene의 세척성이 매우 낮게 나타나는 것은 물 분자가 면오염포의 경우처럼 기질에 부착되기 보다는 극성이 큰 용액 내에서 계면활성제가 없는 조건 하에서 안정적인 에멀젼이 이루어지지 않기 때문으로 생각된다. 이는 또한 섬유 조성의 차이 때문만이 아니라 EMPA104의 낮은 밀도와 틈이 많은 표면구조에도 기인한다고 생각된다. 물 첨가 시, 석유계 용제+시판세제 2의 경우는 특히 낮은 세탁률을 나타내는데, 이에 대한 명확한 이론적 이유를 밝히긴 어렵고 복합적 요인이 작용했으리라 예측된다. Tagawa와 Gotoh(2010)에 의하면 carbon black 세탁성은 기질의 기하학적 구조에 영향을 받아서, 평탄한 필름보다 섬유물질에서 세탁성이 낮게 나타난다고 보고하였다.

<Table 5>

Detergency of soiled polyester/cotton (65/35) fabric (EMPA104)

<Table 3-5>의 결과를 종합해 보면 면오염포와 P/C(65/35)오염포의 경우 습식세탁은 우수하나 드라이클리닝 세탁성은 매우 낮아서 드라이클리닝으로는 효과적인 오염제거가 어려울 것으로 생각된다. 따라서 옷의 변형 문제가 없다면 면이나 P/C의 경우는 물세탁이 더 효과적이라 생각할 수 있다. 이는 모직물 오염포를 사용한 이전 연구(Kim, 2014)와 매우 다른 결과로, 모직물 오염포의 경우 드라이클리닝 세탁성이 전체적으로 우수하고 세제 첨가 시 드라이클리닝 세탁성이 더욱 향상되어 66%-81%의 우수한 세탁률을 보여주었다. Kim(1999)은 이와 유사한 결과를 보고하며, 이는 양모가 cellulose에 비해 유기 용제에 젖기 쉽고, polyester/면 혼방섬유에 비해 유성 오구 및 고형 오구와의 친화력이 낮기 때문이라고 설명하였다. D₅의 세탁성이 우수한 것은 아니지만 석유계 용제나 perchloroethylene의 세탁성과 비교했을 때 유사하게 나타나므로 상용 드라이클리닝 시스템에의 적용은 가능하다고 생각된다.

2. 시판세제가 드라이클리닝 재오염성에 미치는 효과

면원포 EMPA211(percale)의 재오염성 결과가 <Table 6>에 제시되었다. 세제가 첨가되지 않았을 경우의 재오염률은 perchloroethylene이 가장 높게 나타났고, 석유계 용제가 가장 낮게 나타났다. Fowkes's study(as cited in Kim 1999)에 따르면 이는perchloroethylene에서 고형입자가 적당히 작은 크기로 잘 분산이 되어 있고 섬유에 부착하기 쉬운 크기나 형태로 존재하기 때문이라고 설명하였다. KS 합성세제 첨가 시 습식세탁 재오염률은 10.9%로 급격히 저하되었고, 석유계 용제에 시판세제 1과 2가 첨가되었을 때에도 8.7%와 18.1%로 낮아졌다. Perchloroethylene의 경우는 시판세제 3이 첨가되면 12.0%로 급격히 낮아졌으나 시판세제 4가 첨가되면 58.6%로 큰 변화가 없었다. D₅의 경우도 시판세제 5가 첨가되면 27.7%로 저하된 것을 알 수 있다. 물 첨가 시에는 용제의 종류에 따라 재오염률은 달라진다. 석유계 용제와 perchloroethylene의 경우 시판세제 1-4가 첨가되면 면직물의 재오염방지 효과가 급격히 향상되나, D₅의 경우는 시판세제 5 첨가 시 재오염률이 42.1%에서 71.9%로 높아져서 세제 첨가가 도리어 역효과임을 알 수 있었다. 시판세제 5는 일반 비이온계 계면활성제를 주성분으로 하는데, 이는 친유성 계면활성제로 친실리콘성이 없어서 D₅에서 안정적인 역미셀을 형성하지 못하고 소수성 입자인 carbon black에 대한 분산력도 낮기 때문으로 생각된다.

<Table 6>

Soil redeposition of cotton fabric (EMPA211)

P/C(65/35)원포 EMPA213의 재오염성(<Table 7>)은 면원포의 재오염성과 유사한 경향을 보여주지만 재오염률은 더 크게 나타났다. 물 첨가 시에는 석유계 용제에 세제를 첨가해도 재오염률이 크게 나타났으며, 특히 D₅의 경우는 면원포에서와 같이 세제가 첨가되면 재오염률이 77.4%로 매우 높게 나타나므로 재오염을 방지하기 위한 세제개발이 시급하다고 생각된다. 특히 현재 D₅의 경우 흰색 웨딩드레스의 상업적 드라이클리닝에 많이 사용되므로 재오염 방지 효과가 특히 중요하다고 생각된다.

<Table 7>

Soil redeposition of polyester/cotton (65/35) fabric (EMPA213)

<Table 6-7>의 결과를 종합해 보면, D₅ 의 경우 물 첨가 시 시판세제를 첨가하면 재오염률이 석유계 용제 및 perchloroethylene에 비해 매우 높아서 실제 드라이클리닝 시 심각한 문제가 발생하리라 생각된다. 따라서 면원포 및 P/C(65/35)원포의 D₅에서의 재오염을 방지할 수 있는 계면활성제를 찾는 것이 매우 중요하다고 생각된다.

3. 실리콘계 계면활성제를 이용한 D5 용제의 드라이 클리닝 세탁성 향상 효과

[Figure 1]은 D₅에서 면오염포 EMPA101(olive oil/carbon black)의 드라이클리닝 세탁성에 미치는 계면활성제 효과를 보여준다. 계면활성제 1은 D₅용 시판세제 5의 주 계면활성제이므로, 계면활성제 1보다 세척력이 우수한 계면활성제를 찾는 것이 중요하다 하겠다. 용제에 물 무첨가/계면활성제 무첨가의 경우와 비교했을 때, 계면활성제 1의 세탁률은 큰 변화가 없고, 계면활성제 2는 향상된 것을 알 수 있다. 반면 계면활성제 3과 4는 세탁률이 저하되었고 특히 계면활성제 4는 세탁률이 현저히 저하되어 음의 세탁성을 나타내었다. 용제에 물 첨가/계면활성제 무첨가 시와 비교해 보면 계면활성제 1, 2, 3 모두 드라이클리닝 세탁률 향상 효과가 거의 없었고, 계면활성제 4는 드라이클리닝 세탁률이 향상되었으나 여전히 음의 세탁성을 나타냈다. [Figure 2]는 면오염포 EMPA118 (sebum/pigment)의 드라이클리닝 세탁성을 나타내고 있는데 전체적인 경향은 [Figure 1]과 유사하나, 세탁률은 전체적으로 약간 높게 나타났다. 이는 <Table 4>와 같은 이유로 생각할 수 있는데, 용제에 오염포를 침지하면 지용성 성분이 용해되고 고형오구의 탈락/재오염이 일어나는데 olive oil/carbon black이 더 견고하게 부착되어 있기 때문이라 생각된다.

[Figure 1]

Detergency of soiled cotton fabric (EMPA101) in D5 with/without water.

[Figure 2]

Detergency of soiled cotton fabric (EMPA118) in D5 with/without water.

[Figure 3]은 P/C(65/35)오염포 EMPA104(olive oil/carbon black)의 드라이클리닝 세탁성을 보여준다. 물이 첨가되지 않았을 경우는 계면활성제 2의 효과가 가장 좋았고, 물이 첨가되었을 경우는 계면활성제 1 의 효과가 가장 좋게 나타났다. 면오염포의 경우와 마찬가지로 계면활성제 4 첨가 시 역효과로 세탁률이 매우 나빠진 것을 알 수 있다. P/C(65/35)오염포 EMPA119(sebum/pigment)의 경우([Figure 4])는 계면활성제 2의 효과가 가장 좋게 나타났고, 면오염포에서와 마찬가지로 피지오염포인 EMPA119의 세탁률이 EMPA104보다 더 높게 나타났다.

[Figure 3]

Detergency of soiled P/C(65/35) fabric (EMPA104) in D5 with/without water.

[Figure 4]

Detergency of soiled P/C(65/35) fabric (EMPA119) in D5 with/without water.

[Figure 1-4]의 결과를 종합해 보면, 면오염포와 P/C(65/35)오염포, 용제에 물이 첨가된 경우와 첨가되지 않은 경우 등을 전체적으로 고려했을 때 계면활성제 2의 세탁성은 상업용 계면활성제인 계면활성제 1과 유사하거나 조건에 따라 약간 우수한 것을 알 수 있었다.

4. D₅ 용제에서 실리콘계 계면활성제의 재오염방지 효과

재오염방지 효과도 앞에서와 같은 이유로 계면활성제 1보다 성능이 우수한 계면활성제를 찾는 것이 연구의 목적이라 하겠다. 계면활성제를 첨가하지 않은 경우, 4종의 계면활성제의 면원포(EMPA211)에 대한 재오염성이 [Figure 5]에 나타나 있다. 용제에 물 무첨가 시 계면활성제 1, 2, 3은 재오염률이 감소하였고, 특히 계면활성제 2의 재오염률은 매우 낮게 나타나서 재오염방지 효과가 매우 우수하였다. 반면 계면활성제 4는 계면활성제 첨가 시 재오염률이 급격히 높아져서 재오염방지에 역효과를 보였다. 용제에 물 첨가 시 계면활성제를 첨가하지 않은 경우와 비교하면, 계면활성제 1과 4 의 경우 재오염률이 증가하였고, 계면활성제 2와 계면활성제 3 경우에는 재오염률이 감소하여 재오염방지 효과가 좋았다. 특히 계면활성제 2의 재오염방지 효과는 매우 우수하였다. 계면활성제 1은 <Table 6>에서 설명했듯이 친실리콘성이 없기 때문이며, 계면활성제 2와 3은 친실리콘성을 갖고 있어서 water in silicone(W/Si)이 가능하여 D₅에서 안정적인 역미셀을 형성하기 때문이라 생각된다. 특히 계면활성제 2는 가장 친실리콘성이 강한 계면활성제이기 때문에 재오염방지 효과가 우수하였다. P/C(65/35)원포 EMPA213의 재오염성([Figure 6])은 면원포 EMPA211과 전체적으로 유사한 경향을 나타낸다. 즉, 계면활성제 2의 재오염방지 효과가 다른 계면활성제들에 비해 월등히 우수하였다. 상업용 D₅ 드라이클리닝 시스템에서 사용되었던 시판세제 5의 주 계면활성제인 계면활성제 1의 경우 드라이클리닝 용제에 물이 존재할 경우에는 재오염률이 매우 높아서 실제 드라이클리닝 시 문제가 크게 발생했으리라 예측된다. [Figure 5-6]의 결과를 종합해 보면, 면오염포와 P/C(65/35)오염포 모두에서 계면활성제 2의 재오염방지 효과가 월등히 우수하였다.

[Figure 5]

Soil redeposition of cotton fabric (EMPA211) in D5 with/without water.

[Figure 6]

Soil redeposition of P/C(65/35)fabric (EMPA213) in D5 with/without water.

이제까지의 결과를 종합해 볼 때 면오염포 및 P/C(65/35)오염포의 드라이클리닝 세탁성은 모오염포의 경우(Kim, 2014)에 비해 낮아서 드라이클리닝이 용이하지 않으나 실제 의복착용 중에는 실험에 사용된 오염포처럼 옷 전체에 오염이 심한 경우가 드물며, 오염이 심한 부분은 부분세탁을 한 후에 드라이클리닝을 하므로 실제로는 큰 문제없이 드라이클리닝이 가능하다고 생각된다. 또한 밝은 색의 경우에는 드라이클리닝 세탁성 보다는 재오염방지 효과가 더 중요하므로 D₅와 계면활성제 2 시스템은 현재의 상용 D₅ 드라이클리닝 시스템인 D₅와 시판세제 5(계면활성제 1)보다 월등히 우수한 성능을 나타내리라 생각된다.