폐섬유 혼합물로부터 폴리에스터를 화학적으로 선별하는 방법

Abstract

폴리에스터는 화학적 결합을 통해 염색되는 다른 상용 섬유와 달리 염료가 고분자 구조에 물리적 상호작용을 통해 결합하고 있다. 본 연구에서는 이러한 섬유의 특성 차이를 이용하여 폐섬유 혼합물로부터 폴리에스터에 도입된 분산염료만을 추출하고 섬유의 색상분석을 통해 염료가 제거된 폴리에스터를 선별하였다. 추출제로써 알콕시기를 가지는 방향족 유기용매(e.g., 아니솔)를 사용했을 때 폴리에스터로부터 염료를 제거하는 효과가 가장 우수한(> 99 %) 것으로 나타났다. 탈염료 시간 및 온도 조건의 영향을 알아보았으며 그 결과 탈염료 온도가 증가함에 따라 염료 제거율이 향상되었으나 130 ℃ 이상의 온도 범위에서는 임계수준에 도달한 후 일정한 수준으로(> 99 %) 유지되는 것을 확인하였다. 130 ℃에서 탈염료를 진행하는 경우, 접촉 1분 후에 98 % 이상의 효율로 염료가 제거되었으며, 10분 후에 K/S값이 임계값에(K/S값 0.14, 염료 제거율 99.39 %)에 도달하는 것을 알 수 있었다. 분산염료의 화학구조에 따른 염료 제거 효과를 조사한 결과 모든 원료에 대해 99 % 이상의 염료 제거율을 나타내는 것을 통해 분산염료의 구조에 관계없이 탈염료 할 수 있음을 확인하였다. 반면 동일한 조건에서 폴리에스터 이외의 섬유 6종에 대해 탈염료 처리하였을 때, 탈염료 전과 후 K/S값의 차이가 1 미만으로, 폴리에스터 이외의 섬유에 대해서는 염료 제거 효과가 나타나지 않는 것을 알 수 있다. 이후 실험에 사용된 상용 섬유를 모두 혼합한 조건에서 탈염료를 수행하고 염료 제거 효과를 가지는 섬유를 선별하였다. 해당 섬유의 Near-IR 스펙트럼을 분석한 결과 선별된 섬유는 모두 폴리에스터임을 밝힐 수 있었으며 이는 폐섬유 혼합물로부터 폴리에스터의 선택적 탈염료 및 이에 따른 선별이 가능함을 의미한다. 무색의 섬유에 대해서는 선택적 염색을 통한 폴리에스터 선별 가능성을 검토하였다. 무색 폐섬유 원료를 분산염료와 아니솔이 혼합된 염욕과 130 ℃에서 1분간 접촉하여 염색하였다. 폴리에스터의 색상 값이 L* 50.92, a* 52.32, b* 31.39로 측정되며 염료가 도입된 것을 알 수 있었으며, 기타 상용 섬유 6종 중 나일론을 제외한 섬유에 대해서는 염색효과가 저조했으나, 나일론의 경우 L*, a*, b* 값이 각각 56.77, 35.83, 16.06으로 폴리에스터와 유사한 수준으로 염색되는 것이 확인되었다. 염색과정에서 제거가 어려운 나일론의 처리 방법으로써 재탈염료 방법을 검토하였다. 그 결과 폴리에스터에서는 대부분의 염료가 제거되었으나, 나일론에는 많은 양의 염료가 잔류하는 것이 확인되었다. 이에 따라 염색과정에서 배제되지 못하는 나일론의 경우 재탈염료를 통해 최종적으로 제거할 수 있음을 증명하였다. 또한, 탈염료 과정에서 발생하는 폐추출제를 적용하여 무색 폴리에스터를 염색하였을 때 우수한 염색 성능을 보였으며, 재탈염료를 후 염색 전 원료의 색과 동일한 수준까지 염료가 제거되는 것을 통해 폐추출제의 재사용이 가능성을 입증하였다.|Polyester achieves coloration through the physical interaction of dyes with its polymer structure, in contrast to dyeing methods in other commercially used fibers, which rely on chemical bonding. In this study, We focus on selectively extracting disperse dyes from polyester within mixed waste fibers and distinguishing those decolorized polyesters through color analysis on the fibers. The aromatic organic solvents with alkoxy groups(e.g., anisole) as extractants proved highly effective(> 99 %) in dye removal from polyesters. We investigated the effects of dyeing time and temperature conditions. As the decolorization temperature increased, the dye removal rate improved but reached a critical level in the temperature range above 130 ℃, stabilizing at a constant level(> 99 %). After 1 minute of decolorization at 130 ℃, the dye removal rate exceeded 98 %, ultimately reaching the critical value(K/S value 0.14, dye removal rate 99.39 %) after 10 minutes. Under optimal conditions(130 ℃, 10 min), we observed that the dye removal rate surpassed 99 % for all polyester samples dyed with various types of disperse dye. This indicates that the chemical structure of the disperse dye did not influence the dye removal rate. On the other hand, under identical conditions, the six types of fibers, excluding polyester, did not exhibit a significant dye removal effect indicating a difference between the K/S values before and after decolorization of less than 1. Subsequently, decolorization was performed on the mixture of all the commercial fibers used in the experiment. Among the mixed fibers, the dye-removed fibers were selected and analyzed using Near-IR spectroscopy. It was determined that all the chosen fibers were polyester, indicating the possibility of selectively decolorizing polyester from waste fiber mixtures and subsequent sorting. Furthermore, We explored the possibility of selective dyeing for colorless fibers. Colorless waste fibers were treated with an anisole(an aromatic organic solvent with alkoxy groups) containing a disperse dye at 130 ℃ for 1 minute. Afterward, the color values of the polyester were measured as L* 50.92, a* 52.32, and b* 31.39, confirming successful dye introduction. Among the other six commercial fibers, dyeing effects were limited for fibers other than nylon. In contrast, nylon exhibited a dyeing performance similar to polyester which means that the dyed nylon can be sorted with polyester. To remove the nylon from the polyester, re-extraction was considered. Consequently, although most of the dye was successfully removed from the polyester, a significant amount remained in the nylon. This approach facilitates the elimination of nylon through the “chemical sorting" method we propose. Furthermore, utilizing the waste extractant recovered from the initial decolorization process resulted in excellent dyeing performance for colorless polyester, and subsequent re-decolorization successfully removed the dye to the same level as the color of the raw material before the dyeing process. These results demonstrate the feasibility and practicality of integrating a waste extractant recycling approach into our processes.