색소 (화합물) [色素, pigment]
안료顔料라고도 함.
진한 색을 띠고 있어 다른 물질을 착색시키는 데 이용되는 불용성 화합물.
색소는 용액이 아니라 미세한 분말로 사용되며, 페인트와 인쇄용 잉크 및 플라스틱에 사용된다. 색소는 유기 또는 무기 물질로 유기색소는 일반적으로 무기색소에 비해 색이 선명하고 수명이 길다. 천연원료에서 추출한 색소는 수세기 동안 사용되어왔지만, 오늘날 사용되는 대부분의 색소는 합성된 것이다. 합성 유기 색소는 콜타르와 여러 석유화학물질로부터 만들어진다. 무기색소는 주로 산화반응과 같은 비교적 단순한 화학반응을 통해 만들어지거나 토류(土類)로 천연에서 산출된다.
무기색소는 흰색의 불투명색소를 포함하는데 이중 가장 대표적인 것은 이산화티탄이며, 색소에 불투명성을 부여하고 다른 색깔을 선명하게 하기 위해 사용된다. 흰색을 띤 체질안료(體質顔料)용 색소는 페인트의 가격을 낮추거나 성질을 개선시키기 위해 첨가되며 탄산칼슘·황산칼슘·규조질실리카(해양생물의 유해)와 도토(陶土) 등이 있다. 검은색 색소는 주로 탄소 입자로 만들어진다. 산화철은 검은색 프린트용 잉크로 사용된다. 철과 산소 화합물들은 일반적으로 갈색·밤색·적색·황색·오렌지색을 낸다. 합성 색소는 더욱 선명하고 강한 색을 낸다. 특정 크롬 화합물들은 황색·오렌지색·적색·녹색을 낸다. 다양한 카드뮴 화합물들은 오렌지색·적색·황색·밤색을 띠는 경향이 있다. 청색을 띤 무기색소인 청철(iron blue) 또는 프러시안 피랑은 철이 탄소·질소·수소와 결합하여 만들어진다.
유기색소는 주로 방향족 탄화수소로부터 합성된다. 이들은 탄소 원자에 수소 원자가 붙어 있는 고리형 구조를 포함하는 화합물이다. 유기색소에는 질소기를 포함하고 있는 아조색소가 있으며, 주홍색·오렌지색·황색 색소의 대부분이 이들로 되어 있다. 프탈로시아닌구리는 유기색소의 색이 바래지 않는 화려하고 강한 색상을 띠기 때문에 매우 중요한 색소이다. 형광색소와 같은 몇몇 색소들은 침전 염료색소로 분류되며, 화학반응에 의해 불용성이 되는 간단한 염료이다.
안료 (顔料 pigment) / 염료 (染料 dye
염료와 안료는 둘다 염색에 사용하는 복잡한 유기화합물이지만 염색할 때 염료는 매질에 녹는 반면 안료는 녹지 않는다. 또한 염료에 의한 염색은 대부분 수용액 중에서 행해지지만, 안료는 고체 미립자를 기름이나 합성고분자 물질 등에 분산시켜서 사용한다. 안료의 예로는 도료, 인쇄용 잉크, 합성수지 등이 있다. 분산염료는 계면활성제를 가해 현탁액으로 만들어서 아세테이트나 폴리에스테르 등을 염색할 때 사용한다. 많은 색소는 가용성 형태로는 염료로, 불용성 형태로는 안료로 사용되기 때문에 염료와 안료의 경계가 아주 명확한 것은 아니다.
안료 (顔料 pigment)
물질에 색을 내기 위한 색소. 염료는 물에 녹는 색소로서 섬유나 종이에 스며들게 해서 고착시키는데, 이에 비하여 안료는 물이나 기름 등에 녹지 않는 미세한 분말의 고체로서 도료·그림물감·인쇄잉크·플라스틱·고무 등에 섞어서 쓴다. 무기안료는 열이나 햇볕에 안정이고 색이 변하지 않는 특징이 있으며, 유기안료는 염료를 물에 녹지 않는 형태로 만든 것으로, 색도 선명하고 종류가 많다. 그리고 황산바륨이나 탄산칼슘과 같이 증량을 위하여 종이나 치약에 넣는 것도 일종의 안료.
물·기름·알코올 등에 녹지 않는 유색·불투명의 분말로서, 분말의 분산상태에서 물건에 착색하는 채료(彩料)의 총칭. 물·기름·알코올 등에 녹는 염료라 총칭하며 안료와 염료를 합해서 색소라고 한다. 염료 중에는 불용성인 것도 있는데 안료로 사용되며 이것들을 색소안료라고 한다.
역사
유사 이전부터 인류는 유색 광물을 분쇄하여 안료로 사용해 왔다. 그 중에서도 산화철을 주성분으로 하는 어떤 종류의 흙은 황색·갈색·적색계의 색조를 나타내므로 가장 많이 사용되었던 것으로 짐작된다. 그 밖에도 〔표 1〕과 같은 것이 알려져 있다. 고대 중국에서는 진사(辰砂), 고대 이집트에서는 남동광(藍銅鑛)이 사용되었고 이집트블루라고 하는 CaCuSi
O
의 조성을 지닌 청색 안료가 이미 만들어져 있었다. 또한 밀타승(密陀僧；일산화납 PbO의 별칭, 황색), 연단(鉛丹；사산화삼납 Pb
O
의 별칭, 등적색), 연백(鉛白；염기성탄산납), 녹청(綠靑；염기성아세트산구리)도 조제되었다. 이것들 이외에 이탈리아에서는 녹색의 점토물질인 녹토(綠土), 철을 함유한 어두운 카키색을 나타내는 시에나, 철 이외에 망간 등을 함유하고 갈색을 나타내는 엄버를 생산하였으며 아프가니스탄산의 천연군청은 값진 안료로 진귀하게 취급되었다. 중세 후기의 독일에서는 CoO-K
O-SiO
계의 청색유리가 스몰트라고 불려 사용되었다. 18세기에는 화학의 급속한 진보와 더불어 새로운 안료가 잇따라 만들어졌다. 주요한 것을 〔표 2〕에 나타냈다. 또한 1779년에 발견된 크롬은, 그 화합물이 지닌 색의 다양성에서 색을 의미하는 그리스어의 chromos에 연유하여 명명된 것으로도 알 수 있듯이 안료사상 획기적인 발견이었다. 현재 실용화되어 있는 무기안료는 20세기에 들어서면서 공업적인 생산으로 이행되고 있다.
세라믹안료의 역사
도자기 분야에서도 그 개발에 따라 여러 가지 안료가 만들어졌다. 예로부터 사용되어 왔던 유약(釉藥)의 착색제는 철·망간·코발트·안티몬의 화합물(주로 산화물)이었다. 18세기말부터 19세기초에 걸쳐 근대화학의 진보에 따라 새로 발견된 화합물로 도자기의 착색이 시도되었다. 도자기(세라믹) 안료의 원료로서 가장 중요한 산화크롬·산화아연 등이 이 시기에 등장하여 세라믹안료의 걸작이라고 할 수 있는 빅토리아그린 및 크롬주석핑크가 만들어졌다. 20세기에 접어들어 지르콘계의 안료 및 유탁제(乳濁劑)가 개발되었다. 지르콘계 안료에는 청·황·회색·새먼핑크 등이 있으며 각종 유약으로 쓰이고 혼색이 가능하기 때문에 목적으로 하는 중간색을 낼 수 있게 되어 타일류의 색조가 풍부하게 되었다.
분류와 용도
안료의 종류는 대단히 많으며 단순한 분류로는 모든 것을 포괄하기 어렵다. 일반적으로 천연안료와 합성안료, 무기안료와 유기안료로 크게 나누는데 색별에 의한 분류 쪽이 실제적이다. 여기서는 주로 무기안료에 대해서 서술한다. 무기안료를 색별 및 기능별로 분류하면 〔표 3〕과 같다. 안료의 용도는 다방면에 걸쳐 있으며 도료·인쇄잉크·플라스틱·고무·합성섬유·제지·문방구·도자기·화장품·건축용재·피혁의 착색제로 사용되며, 또한 플라스틱·고무 분야에서는 충전제·보강제로서 사용된다.
성질
무기안료·유기안료 등 안료 일반에 요구되는 성질은 다음과 같다.
안료의 입자
안료는 염료와 달라서 어떤 형상과 크기, 어떤 입도분포(粒度分布)를 지닌 상태에서 사용한다. 똑같은 화학조성(化學組成)이라도 입자의 크기·형상에 따라 색·착색력·은폐력(隱蔽力)·흡유량(吸油量) 등의 물성(物性)이 크게 변화한다. 입자의 형상은 현미경 또는 전자현미경을 이용해 관찰할 수 있다.
은폐력·투명성·착색력
도료가 밑바탕을 완전히 은폐할 수 있는 능력을 은폐력이라 한다. 똑같은 안료라도 입도에 따라 은폐력이 다르며 일반적으로 입자가 작을수록 은폐력이 크다. 그러나 입경(粒徑)이 가시광선 파장의 반(약 300∼400㎚) 이하가 되면 빛은 안료를 투과하게 되고 투명해진다. α-Fe
O
이나 α-FeOOH를 주체로 하는 투명산화철안료에서는 100㎚ 이하의 입경으로 되어 있다. 은폐력은 일반적으로 큰 것이 요구되지만 금속도료에서는 도리어 투명성이 요구된다. 은폐력 및 투명성은 안료와 전색제(비이클)의 굴절률 차이에 따라 결정된다. 이 차이가 클수록 은폐력은 커지고 이 차이가 작아짐에 따라 점점 투명해진다. 착색력은 입자가 작을수록 증가한다.
내구성(耐久性)
내구성에는 내광성·내후성(耐候性)·내열성·내약품성·내유성(耐油性)·내수성 등이 있다.
내광성
내광성시험은 안료단독으로 실시하지 않고 반드시 안료·전색제계로 실시한다. 일광폭로(日光暴露)는 수개월 내지는 1년 이상 걸리기 때문에 페이드오미터(Fade-Ometer；퇴색시험기의 대표적인 것)를 이용한 촉진시험이 실시된다.
내후성
내광성과 구별하지만 내광성이 낮은 것은 내후성도 좋지 않다. 내후성의 촉진시험에는 웨더오미터(weatherometer)나 염수분무시험기(鹽水噴霧試驗機)가 사용된다.
내열성
무기안료에서는 100℃에서 1000℃ 이상까지 안정한 것이있으며 유기안료의 내열성이 300℃인 것에 비하면 훨씬 우수하다.
내약품성
사용 목적에 따라 내산성·내알칼리성, 또는 다른 약품에 대한 내성(耐性)이 요구된다. 예를 들어 컬러시멘트용이나 콘크리트에 칠하는 안료에서는 내알칼리성이 요구된다.
내유성·내용제성(耐溶劑性)
플라스틱이나 도료에 사용할 때 필요하며 무기안료의 경우 대부분의 안료는 용제·기름·수지(樹脂)에 불용성이다.
내수성
대부분의 안료는 물에 불용성이지만 방청 또는 방오(防汚) 안료 등 특수한 용도의 것은 안료가 조금 용해됨으로써 효과가 생긴다.
비중
무기안료의 비중은 감청(紺靑), 카본블랙의 약 2부터 연단의 약 9까지 있으며 대부분의 것은 3∼6 사이에 있다. 유기안료는 무기안료에 비해 비중이 몹시 낮으며 약 1.2∼2.9 사이에 있다. 일반적으로 부피는 비중과는 반대로 유기 안료가 크다.
반응성과 pH
목적하는 색조를 내기 위해 2종류 이상의 안료를 혼합한다. 그러기 위해서는 각 안료의 성질을 이해할 필요가 있다. 일반적으로 황화물계의 안료와 납을 함유한 안료를 혼합하면 흑변(黑變)하고 연백과 같은 염기성안료에 산값이 높은 기름을 섞으면 겔화된다.
흡유량
안료 입자 사이의 모든 공극(空隙)을 전색제로 메꿀 때 그 양을 말한다. 안료의 비중·입경·형상, 표면의 상태, 응집상태 및 전색제의 종류와 점성도에 의해 좌우된다.
안료의 표면처리
안료 표면의 성질을 바꾸고 다른 성능 또는 더 고도의 성능을 주기 위해 실시한다. 표면처리에 따라 분산성·습윤성·내구성·내광성·내후성·내열성·내약품성·내백악화성(耐白堊化性)·흡습성·색채안정성·저장안정성·도막광택(塗幕光澤)·은폐력·착색력·홉유량 등이 개선되고 또한 안료의 비활성화가 가능해진다. 안료에는 친수성의 것과 친유성의 것이 있으며 표면처리에 의해 그 친수성·친유성을 조절할 수 있고 또한 전혀 반대성질로 바꿀 수도 있다. 안료의 표면처리는 분산성 또는 습윤성의 개선을 목적으로 하는 경우가 가장 많고 그 결과 작업성이 향상되어 적은 노력으로도 안료를 분산시킬 수 있다. 다음으로 많은 것이 내구성·내후성 등의 향상을 목적으로 한 것이다. 그 밖에 대전(帶電)·산화·분진화·응집·고결 등의 방지, 금속분말안료에서는 내식성(耐蝕性)의 향상 등 여러 가지 목적에 맞춘 표면처리가 실용되고 있다. 가장 널리 알려진 예가 산화티탄의 경우인데 알루미늄이나 규소의 함수산화물로 표면을 피복하거나 소성(燒成) 때 소량의 산화아연을 첨가하여 분산성과 내후성의 개선을 도모하고 있다. 이상과 같은 표면처리는 안료 표면의 물성을 변화시키는 일이며, 따라서 시안료의 응집상태·비표면적(比表面積)·정전특성(靜電持性)·부착성·충전특성·유동성 등 분체(粉體)로서의 특성도 당연히 변한다. 그러므로 저장·수송·혼합·집진(集塵) 등의 단위조작에서는 플러스 또는 마이너스로 작용하는 수도 있기 때문에 실제로 안료를 취급할 때는 주의해야 한다. 앞서 말한 바와 같이 안료는 한 종류만으로 사용하는 경우가 적고 두 종류 이상의 다성분계(多成分系)로 사용하는 경우가 많으므로 표면처리제에서 예기치 않은 문제가 생길 수 있다. 즉 안료의 표면처리에는 보편성이 없다.
안료의 분산
안료의 분산상태가 좋고 나쁜 것은 도료·인쇄잉크·플라스틱·그림물감, 기타 색깔·광택·은폐력 및 그 밖의 물성이 좌우한다. 안료의 분산에는 분산장치의 진보 이외에 표면처리·계면활성제, 기타 보제(補劑)의 이용이 크게 이바지하고 있다.
무기안료의 새로운 흐름
무기안료의 용도는 단순히 물건을 채색하는 것 이외에 방청용·방오용(주로 船底塗料)·형광안료(야광도료)·도자기용·시온용(示溫用；측온용) 등 여러 방면에 걸쳐 있으며 최근에는 화이트카본을 충전제로서 접착제에 사용하여 그 접착효과를 향상시키고 있으며, 또한 안료·충전제로서 종이에 첨가하여 그 경량화를 꾀하는 일이 검토되고 있다. 또한 가시광선의 흡수를 이용하여 텔레비전의 브라운관 형광체에 안료를 코팅하여 색조의 대비를 이루게 하는 목적으로 사용되는 것에 철단(鐵丹；청색·녹색 부분을 흡수하여 적색 대비를 이루게 한다), 코발트블루(녹색에서 적색의 일부를 흡수하여 청색 대비를 이루게 한다) 등이 있다. 그 밖에 주위와 동일하게 적외선을 반사하여 적외선 사진에서 그 존재를 감추는 은폐용 안료도 개발되어 있다. 일반적으로 무기안료의 사용 조건은 점점 까다로워져 내열성·내구성이 좋은 세라믹안료가 일반적인 무기안료의 분야에서 사용되는 예도 나타나고 있다.-야후사전-
안료의 개념
안료란 염료, 도료 등처럼 착색을 위해 쓰이는 화합물로서 일반적으로 물이나 기름 그리고 용제(溶劑) 등 매체(媒體)에 녹지 않는 백색 또는 유색의 무기 화합물( 無機化合物) 및 유기 화합물(有機化合物)을 말합니다. 미립자 상태의 분말로 되어 있고, 분말 상태로는 물체에 염착(染着)하는 성능이 없지만 전색제(vehicle)의 도움으로 물체에 고착되거나 또는 물체에 미세하게 분산되어 착색(着色)이 이루어지는 것입니다.
안료의 분류
- 색에 의한 분류: (1)유색 안료 (2)무색 안료
- 화학구조에 의한 분류: (1)무기안료 (2)유기안료
- 형태에 따른 분류: (1)분말안료 (2)가공안료(페이스트 안료, 그래뉼 안료 등)
- 용도에 따른 분류: 도료용, 프라스틱용, 제지용, 시멘트 콘크리트용 등
무기안료는 철 또는 비철금속 등의 무기재료를 산화시켜 만드는데, 일반적으로 내후성, 불용성 등의 점에서 유기안료보다 뛰어나며, 인체에 무해한 친환경적인 무기안료를 사용하는 추세이다.
유기안료는 고유의 색상을 가진 유기화합물의 성질을 이용하여 만들어지는 착색용 재료로서, 그 용도면에서 무기안료(無機顔料)와 비교되지만 본질적으로는 염료에 가까운 물질이며 염료의 일부라고 볼 수 있습니다.
유기 안료는 탄화수소 화합물로 구성되는 환식의 유기화합물. 유기안료의 가장 큰 특징은 선명한 색조와 높은 착색력의 2가지 특성이 있다.
유기안료는 분체 공학적으로 사용되기 때문에 화학적 구조, 결정형 물리적 상태에 따라 색상, 투명성, 착색, 선명도 등, 많은 변화가 있어 메이커마다 성질을 조금씩 달리하고 있다. 은폐, 내광, 내용제, 내열성은 무기안료보다 약하나 착색력이 크고 선명하며 색의 종류가 다양하다.
무기안료 (無機顔料 inorganic pigment)
무기화합물로 만든 안료의 총칭. 광물성 안료라고도 한다. 천연광물을 그대로 이용하거나 금속화합물을 원료로 하여 만든다. 유기안료에 비해 대체로 안정하며 색이 변하지 않고 내광성(耐光性)·내열성(耐熱性)이 좋으나, 불투명하고 농도가 불충분하다. 황색·녹색·하늘색·청색·자색 등의 색을 내는 코발트화합물, 황색·적갈색·감청색 등의 색을 내는 철화합물, 녹색·황색 등의 색을 내는 크롬화합물, 황색·적색·군청색 등의 색을 내는 황화합물이 있으며, 그밖에 백색안료 등이 있다. 도료·인쇄잉크·크레용·고무·합성수지 등에 사용된다. 금속 화합물을 이용한 것이 많으며, 유기 안료에 비하여 선명함이 떨어지나 내구성이 있다.
- 무기안료
① 산화물 : 이산화티탄, 아연화(산화아연), 산화철, 산화크롬, 鐵黑(철흑),
코발트블루
② 수산화물 : 알루미나白(백), 산화철황, 빌리디안
③ 황화물 : 황화아연, 리더폰, 카드뮴옐로우, 朱(주), 카드뮴레드
④ 크롬산염 : 황염, 몰리브데이트오렌지, 징크크로메이트, 스트론튬크로메이트
⑤ 규산염 : 화이트카본, 클레이, 탈크, 군청
⑥ 황산염 : 침강성 황산바륨, 베어라이트粉(분)
⑦ 탄산염 : 탄산칼슘,鉛白(연백)
⑧ 기타 : 페로시안화물(감청), 인산염(망간바이올렛), 탄소(카본블랙)
【참고】무기안료의 예.
흰색 : 아연화 ZnO, 리토폰 ZnS + BaSO4, 티탄백 TiO2, 연백 2PbCO3·Pb(OH)2, 탄산칼슘 CaCO3,
황색 : 크롬황 PbCrO4, 아연황 ZnCrO4, 카드뮴황 CdS,
붉은색 : 벵가라 Fe2O3, 연단 Pb3O4, 주홍색 HgS.
청색 : 군청(황을 함유하는 알루미노 규산), 감청 Fe4[Fe(CN)6]3, 코발트 청 CoO·Al2O3.
녹색 : 크롬록(크롬황 + 감청 + BaSO4), 산화크롬 Cr2O3
유기안료 (有機顔料 organic pigment)
유기 화합물로 만드는 물감. 색상이 풍부하고 선명하며 착색력과 투명성이 크다. 인쇄 잉크 따위에 쓴다.
유기안료는 탄화수소 화합물로 구성되는 환식의 유기화합물, 유기안료의 가장 큰 특징은 선명높은 착색력의 2가지 특성이 있다.
유기안료는 분체 공학적으로 사용되기 때문에 화학적구조, 결정형 물리적 상태 에 따라 색상, 착색, 선명도 등 많은 변화가 있어 메이커마다 성질을 조금씩 달리하고 있다.
은폐, 내광, 내용제, 내열성은 무기안료보다 약하나 착색력이 크고 선명하며 색의 종류가 다양하다.
물 또는 기름 등의 용매에 불용성이며 매체에 분산된 상태로 사용하는 유기계 착색제의 총칭. 인쇄잉크, 도료, 고무 및 플라스틱의 착색, 안료의 날염(捺染), 합성섬유의 원액착색, 잡화류의 착색 등 넓은 범위에 걸쳐 착색제로 이용된다. 색조가 선명하고 착색력도 크며 투명성에서도 뛰어난 것이 많다. 내광성도 뛰어난 것이 많으나 무기안료보다는 뒤떨어진다. 유기안료는 크게 다음 두 가지로 나뉜다.
⑴ 용매불용성 색소가 안료로 사용되는 경우로서 ① 니트로계색소 ② 아조계색소 ③ 인단트렌계·티오인디고계·페릴렌계 등의 배트염료, 분산염료 ④ 디옥사진계색소·퀴나크리돈계색소·프탈로시아닌계색소·퀴노프탈론계색소가 있다.
⑵ 수용성의 염기성염료 또는 산성염료를 적당한 방법으로 불용성으로 만든 것인데 레이크(lake)라고 한다. 수용성염료의 침전제로는 다음과 같은 것이 있다. 염기성염료와 같은 양이온성 색소에 대해서는 인몰리브덴산·인텅스텐산·인몰리브덴텅스텐산·타닌산·타르타르산안티모닐칼륨·지방산 등이 사용된다. 한편, 산성염료와 같은 음이온성 색소에 대해서는 염화바륨·염화칼슘·염화알루미늄 등이 사용된다. 일반적으로 레이크를 만드는 경우 체질안료(體質顔料)를 가하는데, 체질안료를 사용하지 않고 불용화시킨 것은 견뢰도도 좋고 착색력도 높아서 특히 토너(toner)라고 불린다.
- 유기안료
① 염료계 안료
。염기성안료 : 로더민레이크, 메틸바이올렛레이크
。산성염료 : 키놀린옐로우레이크
。건염염료 : 말라카이트그린레이크
。매염연료 : 알리자린레이크
② 아조계 안료
。용성아조 : 카민6B, 레이크레드C
。불용성아조 : 디스아조옐로우, 레이크레드4R
。축합아조 : 크로모프탈 예로우3G, 크로모프탈 스카레드RN
。아조착염 : 니켈아조옐로우
。벤즈이미다졸론아조 : 퍼머넌트오렌지 HL
③ 프탈로시아닌안료 : 프탈로시아닌블루, 프탈로시아닌그린
④ 축합다환안료 : 플라반스론옐로우, 지오인디고볼드, 페리논오렌지, 페릴렌
레드, 디옥사딘바이올렛, 키나크리든레드, 이소인돌린옐로우
⑤ 니트로계안료 : 내프톨옐로우S
⑥ 니트로소계안료 : 퍼그먼트그린B
⑦ 주야형광안료 : 루모겐 옐로우, 시그널레드
⑧ 기타 : 알칼리블루, 아닐라블랙
염료 (染料 dye)
섬유를 염색하는 데 사용하며 일광·세탁·마찰·땀·가스 등에 대해 안정한 색소. 본래는 수용액에서 천연섬유·합성섬유·화학섬유를 염색할 목적으로 사용되어 왔으나 유기용매를 사용한 용제염색법도 고안되었다. 또 착색의 대상재료도 섬유뿐만 아니라 고무·종이·피혁·플라스틱·식품·의약품·화장품 등 다양하다. 또한 착색의 목적 이외에도 임상검사용색소·사진용색소·색소레이저 등 염료의 이용 가능성은 무한하다. 한편 염료에 대해 안료(顔料)라는 것이 있다. 안료란 물이나 기름에 불용성이며 물체의 표면에 유색막(有色幕)을 만드는 것을 말하는데, 같은 물질이라도 염료로 이용되는 경우도 있고 안료로서 이용되는 경우도 있다. 염료는 식물이나 일부의 동물에서 채취되는 천연염료와 방향족 원료로부터 화학합성되는 합성염료로 나뉜다. 19세기 중엽까지는 천연염료의 시대였다. 당시 타르화학을 연구하던 영국의 W.H. 퍼킨이 불순한 아닐린의 산화에 의해 적자색(赤紫色) 견(絹)을 염색하는 염료를 1856년에 발견하고 모브라고 이름붙여 1857년에 판매한 이래 합성염료의 화학 및 공업이 급속히 발전하였다. 따라서 오늘날은 합성염료의 시대이다.
분류
염료의 분류에는 화학구조에 의한 것과 염색적 성질(염색법)에 의한 것이 있으며 각각 〔표 1〕과 〔표 2〕에 나타냈다. 실용적으로는 〔표 2〕의 것이 편리하지만 양자를 혼합하여 사용하는 경우도 있다. 염색법에 따라 분류하면 다음과 같다.
직접염료(substantive dyes)
중성염수용액에서 셀룰로오스를 염색하는 수용성염료이다.
산성염료
산성수용액에서 견·양모 등의 동물성섬유와 나일론 등의 폴리아미드 섬유를 염색하는 수용성염료이다.
염기성염료
중성 또는 약한 산성수용액에서는 동물성섬유나 나일론을 염색하는 수용성염료이다. 염기성염료는 색조가 선명하고 착색성이 높은 반면 일광에 대해 약한 결점이 있다. 아크릴섬유용 염료로 개발된 것에는 선명하고도 내광성이 좋은 것이 있다. 이것을 양이온성염료(카티온염료)라고 한다.
산성매염염료
산성염료와 똑같은 염색성을 가지며 분자내에 금속이온(주로 크롬이온)과 착염(錯鹽)을 형성할 수 있는 원자단을 가지는 염료이다. 견이나 양모를 산성염료와 같은 방법으로 염색한 다음 이 크롬산염으로 처리하면 물에 불용성인 착염을 형성하므로 세탁견뢰도(堅牢度)가 좋아진다. 염료와 크롬염을 동시에 사용하여 염색하는 경우도 있다. 금속이온으로서 크롬이 쓰이는 경우가 많으므로 크롬염료라고도 한다.
황화염료
물에 불용성이지만 황화나트륨에 의해 환원되어 수용성이 되며 셀룰로오스나 비닐론에 염색된다. 공기산화에 의해 섬유에 염료가 재생된다. 아미노페놀이나 인도페놀을 황 또는 다중황화염기와 함께 가열시켜 얻을 수 있는 복잡한 구조의 염료이다.
환원염료(vat color)
짝디케톤의 구조이며 물에 불용성이지만 염기성하이드로술파이트 용액에 의해 환원되어 수용성인 류코화합물이 되어 셀룰로오스에 직접 염색된다. 공기에 의해 산화되어 본래의 염료가 섬유상에서 재생된다. 인디고계와 안트라퀴논계가 있다.
아조익염료
섬유에 염색되는 무색의 커플링성분을 염기성수용액으로 염색한 뒤 각종의 방향족 일차아민의 디아조늄염액에 담그면 섬유상에서 물에 불용성인 아조익염료가 생성되어 발색한다. 커플링 성분을 나프톨 애벌담금제[下漬劑(하지제)], 방향족 아민을 아조익베이스라고 한다. 안정화된 디아조늄염을 현색제(顯色劑)로 사용하는 경우도 있다. 이것을 아조익염이라고 한다. 아조익염료는 일반적으로 세탁에는 강하지만 마찰에는 약간 약하다.
분산염료
물에 난용성이지만 분산제(分散劑)를 사용하여 물 속에서 분산시켜 소수성인 아세테이트·폴리에스테르·나일론 등의 합성섬유에 염착한다. 아세테이트섬유용으로 개발되었으므로 이전에는 아세테이트염료라고 했다.
반응성염료
분자 중에 클로로트리아진이나 비닐술폰 등의 반응성기를 갖는 산성염료계가 대부분이다. 섬유가 지니는 작용기(셀룰로오스의 히드록시기, 견·양모의 아미노기·메르캅토기·카르복시산아미드기 등)와 반응성기가 공유결합하여 염착한다.
산화염료
방향족 아민이나 아미노페놀을 섬유에 흡수시켜 산화제로 처리하여 발색시켜 염색하는 염료이다. 아닐린블랙이 그 대표적인 예이며, 흰머리 염색염료·헤어다이가 있다.
형광증백염료
형광증백제(螢光增白劑)라고도 한다. 섬유에 대해 친화력이 있으며, 그 자체는 무색 또는 담황색이지만 보라의 형광을 가지고 있으므로 황화된 섬유를 증백할 수 있다. 셀룰로오스섬유용의 직접염료형과 합성섬유용의 분산염료형이 있다.
유용염료
물에는 불용성이고 유지나 유기용제에는 녹는 염료를 말한다. 이러한 용도를 위한 특별한 염료가 있는 것은 아니지만 유지·가솔린 등의 착색에 사용된다.
화학구조에 의한 분류
염료를 화학구조에 따라 분류하는 경우도 있다. 아조염료는 분자 중에 아조기 －N=N－를 가진 것, 안트라퀴논염료는 안트라퀴논 골격을 가진 것, 인디고이드염료는 인디고·티오인디고와 이것들의 유도체이다. 카르보늄이온염료는 디페닐메탄·트리페닐메탄·크산텐·티아진 등 카르보늄이온을 가진 것이다. 그 밖에 프탈로시아닌염료·니트로염료·퀴놀린염료·시아닌염료·폴리메틴염료 등이 있다.
염료의 명칭
염료의 명칭은 다양하며, 같은 염료라도 제조회사에 따라 다른 명칭이 쓰이고 있다. 또 이러한 상품명에 근거한 관용명(慣用名)도 쓰이고 있다. 일반적으로 명칭은 관칭(冠稱)-색명-염색의 기호로 이루어져 있다. 공통의 염료명을 사용하기 위해 1971년 영국의 SDC(The Society Dyers and Colourists)와 미국의 AATCC(American Associations of Textile Chemists and Colorists)가 공동편집한 《컬러인덱스(제3판)》에서 채용된 컬러인덱스명(Colour Index Name；C.I. 명)을 사용하는 것이 좋다.
염료에 요구되는 성질
염료가 실용성을 갖기 위해서는 일광·세탁·마찰 등 외부의 작용에 대해 안정할 필요가 있다. 따라서 염료의 평가에는 내광견뢰도(耐光堅牢度)·세탁견뢰도·마찰견뢰도·땀견뢰도·가스퇴색견뢰도 등이 이용된다. 염료의 대표적 기능은 색과 섬유에 대한 염착성(染着性)이다. 이것들은 매우 복잡한 요인을 갖고 있으므로 간단히 말하기는 곤란하다. 염료의 분자구조는 몇 개의 벤젠고리가 결합된 비교적 큰 짝2중결합계를 가지고 있다. 이 짝2중결합의 범위가 클수록 장파장의 빛을 흡수하여 진한 색이 된다〔표 4〕. 또 분자 중에는 이중결합을 가진 원자단(原子團)인 발색단(發色團)과 비공유전자쌍(고립전자쌍)인 조색단(助色團)이 있다. 일반적으로 발색단은 전자구인성(電子求引性)이며, 조색단에서 발색단으로 전자가 쉽게 전이될수록 장파장의 빛을 흡수하게 되어 염료의 색은 진해진다. 이것을 아닐린옐로와 디스퍼스스칼릿B에 대해서 나타냈다. 〔그림 1〕과 같이 아닐린옐로는 2개의 벤젠고리를 아조기로 연결한 짝2중결합계를 가진다. 조색단인 아미노기에서 발색단인 아조기의 방향으로 전자의 유입이 있으므로 가시광선을 흡수할 수 있다. 디스퍼스스칼릿B에서는 조색단이 에틸과 옥시에틸아미노기로 구성되어, 이것은 아미노기보다는 전자를 밀어내는 힘이 약간 강하다. 또 발색단으로서 니트로기(基)가 아조벤젠의 4위치에 연결하고 있으므로, 아미노기로부터 아조기 및 니트로기의 발색단에 대한 전자의 유입이 더욱 숴워져 아닐린옐로보다도 장파장의 빛을 더 흡수하므로 색은 진해진다고 할 수 있다.
염색의 메커니즘
염색계(系)는 이론적으로는 매우 복삽한 계로 ＜염료인 고체-염료 및 각종의 조제(助劑)를 포함하는 용액-섬유＞의 계를 염료가 이동하여 섬유에 흡착되는 계이다. 염료·조제·용매(주로 물)·섬유간의 복잡하게 얽힌 계라고 생각할 수 있다. 염료의 염착성은 염료가 얼마나 빨리 섬유에 염색되는가 하는 염착속도와 염료가 얼마나 진하게 섬유에 포화될 수있는가 하는 염착평형의 양면에서 볼 수 있다. 염착속도는 섬유내의 확산속도에 지배되며 염료의 양, 염료-섬유분자 사이의 상호작용의 세기, 섬유구조의 치밀함에 의존한다. 염착평형(染着平衡)은 염료의 섬유에 대한 친화력으로 결정된다. 염료-섬유 사이의 상호작용에는 이온결합, 쌍극자(雙極子)-쌍극자결합, 쌍극자-유발쌍극자결합 등의 쿨롱힘, 수소결합, 무극성반데르발스결합, 배위결합(配位結合), 공유결합 등을 들 수 있다. 견·양모 등을 염기성염료나 산성염료 등의 이온염료로 염색할 경우 이온 사이의 쿨롱힘이 작용하지만, 수소결합이나 반데르발스힘의 작용도 중요하다. 셀룰로오스에 대한 직접염료나 환원염료에서는 수소결합이나 반데르발스힘에 의해 친화력이 생긴다.
염료의 제조 방법
염료는 벤젠·나프탈렌·안트라센 등의 방향족화합물을 출발원료로 하여 이것들로부터 중간물을 합성하고 중간물에서 염료를 만든 후 이것을 분말화, 또는 조제와의 혼합 등에 의한 마무리 가공으로 제품화한다. 원료인 방향족화합물은 옛날부터 석탄타르에서 분리한 것이 이용되어 왔으므로 합성염료를 타르염료(또는 타르색소)라고도 한다. 그러나 석유화학의 발달로 벤젠계의 원료는 오히려 석유화학공업으로부터 공급되는 일이 많으므로 타르염료라는 호칭은 타당하지 않다. 염료중간물 및 염료의 합성에는 여러 반응제(대부분은 무기화합물)가 쓰이며 또 여러 종류의 유기합성반응이 이용된다. 한 예로서, 가장 단순한 아닐린옐로의 합성을 〔그림 2〕에 나타냈다. 벤젠이 출발원료이며 니트로벤젠·아닐린·염화벤젠디아조늄을 거쳐 4-아미노아조벤젠(아닐린옐로)이 합성된다. 이러한 단계 과정에는 니트로화·환원·디아조화·커플링의 반응이 이용된다.
천연염료
1856년 합성염료가 출현한 이래, 천연염료는 급속히 쇠퇴하여, 오늘날에는 동남아시아나 아프리카 등의 원시염색 또는 전통염색에서 이어져 오고 있을 뿐이다. 천연염료에는 식물성·동물성·광물성 등의 3가지가 있으며 특히 식물성염료로는 울금·잇꽃·꼭두서니·소방목·쪽[藍]·지치·신나무 등이, 동물성염료로는 코치닐(cochineal)·패자(貝紫) 등이 잘 알려져 있다. 한국 고대의 전통염색에는 주로 식물성염료가 쓰여왔다. 이러한 천연염료는 안료가 물이나 기름에 불용인 채 직접 피염물의 표면에 불투명한 유색막을 만드는 것과는 달리, 물이나 기름에 녹아 피염물에 염색되며, 또는 조제나 매염제의 도움으로 비로소 아름다운 색조로 발색하여 염착한다. 따라서 천연염료를 각각의 특성에 따라 다음의 3가지로 분류할 수 있다.
직접염료
염료가 물에 녹아 직접 피염물에 염착되는 것을 말한다. 다만 이런 종류의 천연염료는 매우 드물며, 울금이나 잇꽃, 그 밖에 몇 가지의 선태류에 한정된다. 울금은 뿌리줄기에 노랑색소가 함유되어 있고, 잇꽃은 꽃잎에 노랑과 빨강의 2가지 색소가 함유되어 있다. 잇꽃을 물에 담그면 먼저 노랑색소가 추출되며, 황색소가 충분히 빠지고 난 뒤에 염기로 처리하면 빨간 염료를 얻을 수 있다. 이것들은 모두 퇴색하기 쉬운 불안정한 염료이며, 산성물질을 가하면 안정도가 높아진다.
환원염료
이것은 쪽으로 대표되는 염료를 말한다. 즉 매염제를 필요로 하지 않고 염기성용액에 용해되며 피염물에 부착된 색소는 공기 속에서 산화함으로써 발색하고 정착한다. 쪽으로 염색하는 것은 아시아 전역(극단의 북쪽은 제외)에 걸쳐 널리 행해지고 있으며, 특히 인디고를 함유한 식물은 오늘날 50종 이상이 알려져 있다. 또 패자도 이 종류의 염료로, 권패(卷貝)의 흰 우유 상태의 분비물을 천에 문질러 묻히면, 산화(酸化)함에 따라 아름다운 보라를 얻을 수 있다.
매염염료(mordant dyes)
이것은 철이나 백반과 같은 매염제의 작용으로 색소가 발색하고 정착하는 염료를 말하며, 천연염료의 대부분이 여기에 속한다. 매염염색의 가장 보편적인 형태는 타닌을 함유한 섬유나 천을 철분이 있는 진흙에 담그고 흑색으로 염색하는 ＜이염(泥染)＞이다. 알루미늄(백반)을 매염제로 하면 꼭두서니·소방목·코치닐에서 선명한 빨강이 얻어지고, 또 이들에 매염제로 백반과 철을 함께 사용하면 보라에서 검붉은색에 이르기까지 미묘한 색조를 얻을 수 있다.