인디고

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배경

인디고(indigo) 또는 인디고틴(indigotin)은 원래 인디고와 우드 식물의 품종에서 추출한 염료입니다. 인디고는 직물을 짙은 파란색으로 염색하는 능력으로 고대 세계에 알려졌습니다. 이집트 유물은 인디고가 기원전 1600년 <작은> 정도에 사용되었음을 시사합니다. 그리고 아프리카, 인도, 인도네시아, 중국에서 발견되었습니다.

염료는 직물에 밝은 파란색 색조를 부여합니다. 염색 과정에서 면 그리고 아마 실은 일반적으로 15-20 번 담그고 말립니다. 이에 비해 비단실은 40번 이상 죽어야 합니다. 염색 후 실을 햇볕에 말리면 색상이 진해질 수 있습니다. 인디고는 섬유를 부분적으로만 투과하면서 표면 색상을 부여하는 능력이 독특합니다. 인디고로 염색한 실을 풀었을 때 안쪽 층이 무색으로 남아있는 것을 볼 수 있다. 또한 염료는 퇴색하여 여성스러운 느낌을 주기 때문에 데님을 염색할 때 많이 사용됩니다. 원래 식물에서 추출한 인디고는 오늘날 산업적 규모로 합성 생산됩니다. 그것은 가장 일반적으로 100% 분말 또는 20% 용액으로 판매됩니다. 1990년대 초반까지 인디고 가격은 $44/lb($20/kg)에 달했습니다.

연혁

인디고라는 이름은 인도의 제품을 의미하는 로마어 indicum에서 유래했습니다. 이 식물은 아시아, 자바, 일본 및 중앙 아메리카를 포함하여 세계의 많은 지역에서 재배되기 때문에 이것은 다소 잘못된 이름입니다. 염료에 대한 또 다른 고대 용어는 nil 입니다. 파란색에 대한 아랍어 용어 al-nil, 파생. 영어 단어 aniline은 같은 출처에서 왔습니다.

염료는 여러 식물에서 추출할 수 있지만 역사적으로 쪽이 더 널리 이용 가능했기 때문에 가장 일반적으로 사용되었습니다. 콩과에 속하며 300종이 넘는 종이 확인되었습니다. 인디고 틴토리아 및 I. 수이프루티코사 가장 일반적입니다. 고대에 쪽은 식물의 잎에 들어 있는 염료의 양(약 2-4%) 정도에 불과했기 때문에 귀중한 상품이었습니다. 따라서 상당한 양의 염료를 생산하기 위해서는 많은 수의 식물이 필요합니다. 인디고 농장은 통제된 공급을 보장하기 위해 세계 여러 지역에 설립되었습니다.

부분적으로 Levi Strauss의 블루 데님 청바지의 인기로 인해 산업 혁명 동안 인디고에 대한 수요가 급격히 증가했습니다. 자연 추출 공정은 비용이 많이 들고 급성장하는 의류 산업에 필요한 대량 생산을 할 수 없었습니다. 그래서 화학자들은 염료를 생산하는 합성 방법을 찾기 시작했습니다. 1883년 Adolf von Baeyer(Baeyer 아스피린으로 유명함)는 남색의 화학 구조를 연구했습니다. 그는 오메가-브로모아세트아닐리드를 알칼리(pH가 높은 물질)로 처리하여 옥시인돌을 생성할 수 있음을 발견했습니다. 나중에 K. Heumann은 이 관찰을 바탕으로 쪽을 생산하는 합성 경로를 확인했습니다. 14년 이내에 그들의 작업은 합성 염료의 첫 번째 상업적 생산으로 이어졌습니다. 1905년 바이어는 그의 발견으로 노벨상을 수상했습니다.

1990년대 말, 독일에 기반을 둔 BASF AG는 판매된 모든 남색 염료의 거의 50%를 차지하는 세계 최고의 생산업체였습니다. 최근 몇 년 동안 인디고를 생산하는 데 사용되는 합성 공정은 관련된 가혹한 화학 물질 때문에 정밀 조사를 받았습니다. 제조업체는 새롭고 보다 환경적으로 책임 있는 방법을 찾고 있습니다.

원자재

쪽의 천연 생산에 사용되는 원료는 쪽, 우드, 폴리곤 등 다양한 식물 종의 잎입니다. 염료 분자의 농도가 가장 높기 때문에 잎만 사용합니다. 합성 과정에서 아래와 같이 많은 화학 물질이 사용됩니다.

제조 공정

자연 추출

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1 인디고의 식물 추출은 염료 자체가 실제로 존재하지 않기 때문에 여러 단계를 거쳐야 합니다. 식물 잎에서 발견되는 화학 물질은 인디고의 전구체인 인디칸입니다. 식물 잎에서 인디칸을 추출하여 인디고로 변환하는 고대의 과정은 수천 년 동안 변하지 않았습니다. 이 과정에서 일련의 탱크가 단계적으로 배열됩니다. 최상단의 탱크는 갓 자른 식물을 담는 발효 용기입니다. indimulsin으로 알려진 효소는 indoxyl과 포도당으로 indican을 가수분해하거나 분해하기 위해 추가됩니다. 이 과정에서 이산화탄소가 배출되고 탱크의 국물이 탁한 노란색으로 바뀝니다.

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2 약 14시간 후 생성된 액체를 두 번째 탱크로 배출합니다. 여기에서 인독실이 풍부한 혼합물을 패들로 저어 공기와 혼합합니다. 이것은 공기가 indoxyl을 indigotin으로 산화시켜 탱크 바닥에 가라앉게 합니다. 액체의 상층은 사이펀으로 제거되고 침전된 안료는 발효 과정을 중지하기 위해 가열되는 세 번째 탱크로 옮겨집니다. 생성된 혼합물을 여과하여 불순물을 제거하고 건조하여 두꺼운 페이스트를 형성합니다.

역사적으로 일본인은 폴리곤 식물에서 쪽을 추출하는 다른 방법을 사용해 왔습니다. 이 과정에서 식물은 밀 껍질 분말, 석회석 분말, 잿물 및 사케와 혼합됩니다. 혼합물을 약 1주일 동안 발효시켜 스쿠모(sukumo)라고 하는 염료 안료를 형성합니다.

합성 생산

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3 인디고를 생산하기 위해 다양한 합성 화학 공정이 사용되었습니다. 이러한 모든 공정에는 제어된 조건에서 일련의 화학 반응물을 결합하는 작업이 포함됩니다. 반응물은 인디고 분자의 형성을 초래하는 일련의 반응을 겪습니다. 이 반응에서 많은 다른 화학 부산물도 생성됩니다.

4 이러한 합성 반응은 대형 스테인리스 스틸 또는 유리 반응 용기에서 수행됩니다. 이러한 용기에는 반응이 진행됨에 따라 배치 주위로 증기 또는 냉수가 흐를 수 있도록 재킷이 장착되어 있습니다. 이러한 화학 공정의 복잡성으로 인해 염료는 일반적으로 배치 수량으로 만들어집니다. 그러나 연속 공정 제조를 위해 독일인이 발명한 몇 가지 방법이 있습니다.

반응 유형

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5 최초의 상업적인 인디고 생산 방법은 Heumann의 작업을 기반으로 했습니다. 이 방법에서 N-페닐글리신은 알칼리로 처리되어 인독실을 생성하며, 이는 공기와 접촉하여 인디고틴으로 전환될 수 있습니다. 그러나 이 공정으로 얻을 수 있는 염료의 양은 매우 적다. 더 효율적인 또 다른 합성 경로는 안트라닐산을 사용합니다. 이 프로세스는 30년 넘게 BASF 및 Hoechst와 같은 주요 제조업체에서 인기가 있었습니다. 널리 사용되는 이 방법의 변형은 아닐린, 포름알데히드 및 ​​시안화수소의 반응을 포함하여 페닐글리시노니트릴을 형성합니다. 그런 다음 이 물질을 가수분해하여 페닐글리신을 생성한 다음 인디고틴으로 전환합니다. 현재, 페닐글리신을 인독실로 전환시키기 위해 알칼리와 함께 소다미드를 사용하는 방법. 소다미드는 과량의 물과 반응하여 전체 반응 온도를 거의 570°F(300°C)에서 392°F(200°C)로 낮춥니다. 이것은 훨씬 더 효율적인 반응 과정을 초래합니다.

작업 완료

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6 화학 반응 과정이 완료된 후 완성된 염료를 세척하여 불순물을 제거한 다음 건조해야 합니다. 건조된 분말은 드럼에 포장하거나 물로 재구성하여 20% 용액을 형성하고 통에 채울 수 있습니다.

쪽빛 염료를 만드는 데 사용되는 쪽빛 식물의 잎에서 발견되는 화합물인 인디칸의 화학 기호 .

품질 관리

인디고를 제조하는 동안 화학 물질이 적절한 비율로 결합되도록 반응 공정을 지속적으로 모니터링합니다. 제어해야 하는 핵심 요소에는 pH(또는 배치의 산/염기 품질), 온도(반응 속도를 제어함) 및 반응 시간(완료 정도를 결정함)이 포함됩니다. 이러한 변수 중 하나라도 사양에서 벗어나면 생성된 반응 생성물이 영향을 받을 수 있습니다. 일반적으로 품질 관리가 불량하면 염료 수율이 낮아져 제조업체의 비용이 증가합니다.

제조업체가 동일한 색조의 염료를 지속적으로 구매할 수 있도록 인디고에는 색조를 정의하는 색상 인덱스 번호가 할당됩니다. "CI 내츄럴 블루 CI 75780"으로 지정되어 있습니다.

부산물/폐기물

인디고 생산은 신중하게 처리해야 하는 다양한 폐기물을 생산합니다. 위에서 설명한 반응물 외에도 인디고와 함께 생성되는 다른 반응 부산물이 있습니다. 이러한 물질 중 일부는 위험한 것으로 간주되며 지역 및 연방 화학 폐기물 처리 지침에 따라 폐기해야 합니다. 이러한 폐화학물질은 최소한 세 가지 다른 방식으로 환경에 유입될 수 있습니다. 첫 번째는 분자의 실제 제조 중입니다. 두 번째는 원사에 염료를 바르는 경우이고, 세 번째는 원단의 초기 스톤워싱 또는 습식가공 시 염료가 세탁수에 용출되는 경우입니다. 이 마지막 경로는 일반적으로 데님 원단을 생산하는 동안 발생합니다.

미래

인디고에 대한 수요의 대부분은 다른 유형의 청색 염료로 충족되고 있으며 오늘날 세계에서 사용되는 대부분의 인디고는 미국 이외의 지역에서 제조됩니다. 연구원들은 보다 환경 친화적인 인디고 제조의 새로운 방법에 집중하고 있습니다. 한 가지 유망한 미래 방법은 염료 반응 과정에서 생체 촉매를 사용하는 것입니다. 남색 염료는 생물학적 경로를 통해 만들어진 최초의 대량 화학 물질 중 하나일 수 있습니다. Rochester New York의 Genencor International은 생명공학을 사용하여 인디고를 생산하는 공정을 평가하고 있습니다. Genencor의 프로그램 책임자/생촉매 연구 개발 담당인 Charles T. Goodhue에 따르면 이 방법으로 생산된 인디고는 화학적으로 일반 합성 염료와 동일하며 염색 테스트에서 동일하게 작용합니다. 그러나 현재로서는 기술이 비싸고 생산 비용이 엄청나게 높을 수 있습니다. Genencor는 이 새로운 기술의 개발에서 그들과 함께 일할 주요 시장 파트너를 찾고 있습니다.

염색 작업에 인디고를 사용하는 제조업체도 염료 사용을 개선하기 위해 노력하고 있습니다. 예를 들어, Burlington의 Denim Division은 1994년에 "Stone Free"라고 하는 기술을 도입했습니다. 이 기술은 스톤워시 사이클에서 직물의 인디고 염료가 50% 더 빨리 분해되도록 합니다. 인디고로 염색한 천을 스톤워싱하는 전통적인 방법과 비교할 때, 그들의 새로운 공정은 천에 바랜 느낌을 주는 데 도움이 되는 부석을 거의 사용하지 않습니다. 따라서 부석 취급 및 보관 비용이 절감되고, 세탁 후 부석을 의류에서 분리하는 데 필요한 시간이 감소합니다. 또한 표백제를 훨씬 적게 사용합니다. 따라서 이 새로운 공정은 의복 손상을 줄일 뿐만 아니라 돌과 표백제로 인해 발생하는 폐기물도 줄입니다.