NIR 분광학을 이용한 직물 재활용

소개

오늘날의 환경 문제는 전 세계적으로 특히 중요한 관심사입니다. 그리고 가장 큰 국제적 문제 중 하나는 섬유 폐기물입니다. 미국 환경보호국은 매년 1,500만 톤 이상의 섬유 폐기물이 매립지로 보내지는 것으로 추산합니다.

수명 주기의 어느 시점에서 섬유 제품은 마모되거나 더러워져 더 이상 재사용이 적합하지 않게 됩니다. 이 경우 재활용을 통해 재료에 새로운 생명을 불어넣을 수 있습니다. 재활용 재료에 가치를 높이고 다음 재활용 과정을 위한 입력원자재로서 충분한 품질을 보장하려면 재료 함량에 따라 품목을 식별하고 분류할 수 있어야 합니다.

현재 재활용을 위해 직물을 분류하는 많은 방법에는 번거로운 수동 처리가 요구하지만, 그럼에도 불구하고 재활용되는 직물의 비율은 매년 증가하고 있습니다. 직물 재활용에서 전통적인 수동 분류는 기존 재료를 식별하는 완전히 신뢰할 수 있는 방법이 아니며 결국 효과적이지 않습니다. Circle Economy의 연구에 따르면 혼합 재료 라벨의 최대 41%에 잘못된 정보가 포함되어 있습니다. 다양한 용해 특성에 기반한 ISO 표준화된 정량 방법(ISO 1833-1 등), 현미경으로 감지한 형태학적 차이, DNA 식별, 시차 주사 열량 측정법으로 감지한 열 특성의 차이, 열중량 분석법, 그리고 기체 크로마토그래피 분석법 등 직물을 식별하는 데 사용할 수 있는 방법이 있습니다. 이러한 방법은 정확하지만 샘플 준비가 필요하므로 재활용에 필요한 직물을 자동으로 식별하고 분류하기에는 속도가 너무 느립니다. 따라서 재활용 소재의 사용을 늘리려면 직물을 식별하고 분류하는 실현 가능하고 비용 효율적인 방법이 필요합니다.

근적외선(NIR) 분광법은 직물 재활용 공정의 효율성과 정확성을 향상시킬 수 있는 강력한 도구로 부상했습니다. 이 애플리케이션 노트에서는 섬유 재활용 산업에서 NIR 분광법의 사용을 탐구하고 그 장점, 방법 및 실제 응용 분야를 강조합니다 .

방법 및 결과

일반적으로 700~2500nm 사이의 파장을 갖는 NIR 빛은 분자 진동, 특히 기본 분자 진동의 배음 및 조합과 상호 작용합니다. 이러한 상호 작용은 재료의 화학적 구성과 구조에 대한 귀중한 정보를 제공합니다. 직물 재활용 용도의 경우 재료의 흡수 스펙트럼이 사용됩니다. NIR 스펙트럼에 포함된 지문을 기반으로 면, 폴리에스터(PET), 폴리면과 같은 다양한 직물 섬유를 식별할 수 있습니다.

또한, 참고정보로 활용하기 위해 다양한 직물에 대한 정보를 수집하는 데이터 라이브러리 구축이 필요할 것이다. 이는 적절한 알고리즘을 사용하여 적외선 스펙트럼의 자동 분석을 수행하여 기준 스펙트럼과 일치할 가능성을 결정한 다음 예상되는 구성을 계산할 수 있음을 의미합니다. 따라서 NIR 분광법은 직물 제품의 상대적 구성 백분율을 결정하는 데 사용할 수 있는 정성적 및 정량적 기술로 간주됩니다.

섬유 재활용에서 NIR 분광학의 이점

• 빠르고 비파괴적인 분석: NIR 분광법을 사용하면 직물을 빠르고 비파괴적으로 분석할 수 있습니다. 이는 직물을 손상시키지 않고 재료를 분류해야 하는 재활용 작업에 중요합니다.
• 고출력: NIR 분광법은 여러 샘플을 신속하게 분석할 수 있으므로 대량의 직물 폐기물을 효율적으로 처리해야 하는 고출력 재활용 공정에 적합합니다.
• 유연성: NIR 분광법은 천연 섬유(면, 양모, 실크), 합성 섬유(폴리에스테르, 나일론, 아크릴) 및 혼합 섬유를 포함한 다양한 직물 재료를 식별할 수 있습니다. 이러한 유연성은 효율적인 분류 및 재활용을 위해 필수적입니다. 
• 비용 효율성: 다른 분석 기술에 비해 NIR 분광법은 최소한의 샘플 준비와 낮은 운영 비용으로 비용 효율적인 솔루션을 제공합니다.

그림 1: 0/100% PET/CO에서 0/100% CO/PET까지의 NIR 스펙트럼

그림 1은 100% PET와 0% 면부터 0% PET와 100% 면까지 다양한 조성을 지닌 30개 샘플의 스펙트럼 개요를 보여줍니다. PET와 CO의 특징적인 피크는 다음과 같이 관찰됩니다.

방법론

분광학은 형광 다이아몬드의 특성을 분석하기 위한 강력한 도구입니다. 광과 다이아몬드의 상호 작용을 연구함으로써 연구자들은 다이아몬드의 구성, 형광 특성 및 기타 관련 매개변수에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 다음은 가장 많이 사용되는 분광 기법 중 일부입니다.

폴리에스테르는 에틸렌 글리콜 단량체와 테레프탈산을 중합하여 만들어집니다. 폴리에스터의 NIR 스펙트럼의 특징적인 피크는 1100nm~1150nm와 약 1630nm~1680nm에서 볼 수 있습니다. 에틸렌글리콜과 같은 2차 알코올의 CO 결합은 두 번째 배음 진동을 발생시켜 1087nm - 1124nm 사이에서 피크를 발생시킬 수 있습니다. 또한 1130 nm 파장에서의 흡수는 CH2 결합의 세 번째 배음 진동으로 인해 발생할 수 있습니다. 약1648nm 의 피크는 폴리에스테르의 테레프탈산 방향족 고리에 있는 C=C 이중 결합 및/또는 중합체에 있는 C=O 결합에서  유래할 수 있습니다. 두 결합 모두 1648 nm ~ 1680 nm 부근에서 흡수를 일으킬 수도 있습니다. 더욱이, 1650nm에서 1800nm 사이의 파장 범위에서 C-H 결합의 첫 번째 배음 진동이 흡수를 일으킬 수 있습니다. 면은 주로 글리코오스 단위로 구성된 셀룰로오스로 구성됩니다. 면 스펙트럼의 가장 특징적인 피크는 1355nm, 1416nm, 1470nm 및 1605nm에 있습니다. 1400 nm ~ 1500 nm의 파장 범위에서 포도당의 O-H 결합의 첫 번째 배음 진동이 흡수를 일으킬 수 있습니다. 원시 스펙트럼의 피크는 약 1550nm에 있으며, 이는 1416nm의 낮은 지점과 1605nm의 높은 지점 사이의 전이가 위치하는 곳입니다. 면에 포함된 O-H 결합의 첫 번째 배음 진동은 1550nm에서 흡수를 증가시키는 원인입니다 .

이로부터 제제 간의 흡수 강도에 상관관계가 있음을 분명히 알 수 있습니다. 평균 절대 오차(MAE)로 얻은 결과는 측정값과 설정점의 차이가 약 4.0%임을 나타내며 예측 및 실제 면 점유율의 ±4.0% 편차가 있습니다. 현재 값 R 2 가 0.975에서 0.99 사이인 것은 선형 회귀 모델이 데이터를 설명하는 데 매우 적합할 뿐만 아니라 데이터 간 상관 관계가 매우 높다는 것을 나타냅니다. 낮은 MAE(4%)와 높은 R 2 점수를 바탕으로 NIR 스펙트럼을 기반으로 다양한 폴리면 혼합물에 따른 직물의 차별화가 높은 정확도로 가능하다고 확신할 수 있습니다.

그림 2: (a) 천연 섬유. (b) 인조섬유

그림 2의 조사는 더 깊은 NIR 파장 영역에 초점을 맞추고 있습니다. 그림 2a는 천연 섬유(예: 면, 린넨, 양모, 실크)의 NIR 스펙트럼을 보여주고, 합성 섬유는 그림 2b에 표시됩니다. 이러한 샘플 간의 유사점과 차이점은 다양한 NIR 스펙트럼 범위에서 관찰할 수 있습니다(즉, 면과 리넨의 유사성은 높고 둘 다 비스코스와 유사하지만 합성 섬유는 매우 다릅니다). 1942nm와 2100nm 부근의 스펙트럼 영역은 면의 특징이며 리넨과 비스코스 모두 셀룰로오스 기반 섬유이므로 동일한 현상이 관찰되었습니다. Polyamide의 경우, 1713 nm 파장에서 특수한 밴드가 관찰되며, 이는 아미드 작용기의 NH 결합의 음의 합성 배음에 해당합니다. 이 밴드는 양모와 실크에서도 관찰되었습니다(단백질의 아미드 작용기로 인해). 이는 NIR의 분류 기능이 매우 효과적이라는 것을 보여줍니다.

그림 3: 분석된 직물 샘플의 평균 원시 반사율 스펙트럼

그림 3은 동물성 직물에 대한 스펙트럼 정보를 보여주며, NH 작용기와 관련된 흥미로운 밴드가 1540~1580nm 사이에서 보입니다. 1900 nm 범위에서, 수분의 하이드록실 그룹에서 O–H 신축 진동과 H–OH 굽힘 진동의 결합이 나타납니다. 단백질과 지질의 CH 측면의 조화가 1730 nm에서 관찰되며, 2000에서 2500 nm 범위는 아미노산 성분과 동물 케라틴 섬유의 특성화된 범위에 대한 정보를 제공합니다. 화학 성분 측면에서, 합성 섬유(예: 폴리에스터, 아세테이트, 비스코스, 나일론 등)의 결합 밴드는 C–H 그룹, 메틸 결합 (CH3), 및 에스터 (CO–O)와 연관될 수 있습니다. 동물성 직물은 더 큰 파장 범위에서 광학적 정보를 집중시킵니다.

위의 조사에서는 모두 0.97~0.99 범위의 매우 높은 R 2 값이 산출되었으며, 이는 NIR 분광법이 이 응용 분야에 매우 신뢰할 수 있는 선택임을 입증하기에 충분합니다.

응용

• 분류 : NIR 분광법은 섬유 유형 및 구성에 따라 직물을 다양한 범주로 분류하는 데 사용됩니다. 이는 재료가 올바르게 식별되고 처리되도록 보장함으로써 재활용 프로세스의 효율성을 향상시킵니다.
• 품질 관리 : 재활용 과정에서 NIR 분광법은 재활용된 재료의 품질을 모니터링하여 원하는 사양과 표준을 충족하는지 확인할 수 있습니다.
• 재료 회수 : NIR 분광법은 다양한 섬유 유형을 식별하고 정량화함으로써 직물 폐기물에서 귀중한 재료를 회수하고 순환 경제에 기여하며 직물 폐기로 인한 환경 영향을 줄이는 데 도움이 됩니다.

권장 장비

근적외선 분광법(NIRS)을 사용하는 응용 분야의 경우 INTINS는 2.8nm ~ 6.48nm의 높은 감도와 우수한 분해능을 갖춘 Ocean Optics NIRQuest+ 분광계 제품 라인을 제공합니다. NIRQuest+는 900~2500nm의 다양한 파장을 포괄하는 세 가지 버전으로 제공됩니다.

NIRQuest+는 NIR의 고조파 배음의 전형적인 특징인  흡수된 신호의 매우 작은 변화를 측정할 수 있습니다. 감도가 높아 특히 저조도 조건에서 측정 정확도가 향상됩니다. 또한, 더 긴 파장에서 NIRQuest+는 낮은 노이즈 수준에서 확산 반사를 측정하여 뚜렷한 스펙트럼 특징을 포착하기 어려울 수 있는 파장에서 더 깨끗한 스펙트럼을 생성합니다. 컴팩트한 휴대용 디자인의 NIRQuest+는 제조 공장의 산업 시스템에 쉽고 편리하게 통합되어 생산 라인에서 직접 스펙트럼을 수집할 수 있습니다. 따라서 이는 우리 시스템의 장점이기도 합니다.

동시에 우리는 고객의 응용 요구 사항에 따라 적합한 광섬유, 광원 등의 기타 광학 장치를 함께 제공할 수 있습니다.

결론

NIR 분광법은 섬유 재활용을 위한 강력하고 효율적인 솔루션을 제공하여 신속하고 비파괴적인 분석과 정확한 재료 분류를 가능하게 합니다. 다양한 직물 구성과 높은 처리량 분석을 처리하는 능력은 지속 가능한 직물 재활용 발전시키는 데 귀중한 도구입니다. NIR 분광법을 재활용 공정에 통합함으로써 업계에서는 재료 회수율을 높이고 재활용 효율성을 향상시키며 환경 지속 가능성에 기여할 수 있습니다.