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문제 정의
- 케냐프 섬유는 이러한 섬유 자원의 개발 요구에 부합될 수 있는 21세기의 친 환경적이면서 경제적인 속성 섬유 소재이다. 따라서 천연소재의 우수성을 재현하여 피복 소재로서의 이용을 확대하고고 부가가치 섬유 소재를 개발하기 위한 기초 연구로서 첫째, 케냐프를 직접 재배하고 재배에 따른 성장 특성을 관찰하여 국내의 지리 및 기후적 여건에 적합한 섬유 작물로서 국내 생산 가능성을 확인하고자 하였다. 둘째, 천연 인피 섬유가 함유한 리그닌 등 목질부를 제거하는 레팅 공정을 실시하여 레팅 방식과 조건에 따른 효과를 관찰하고 섬유 추출 가능성을 알아보았다.
- 둘째, 천연 인피 섬유가 함유한 리그닌 등 목질부를 제거하는 레팅 공정을 실시하여 레팅 방식과 조건에 따른 효과를 관찰하고 섬유 추출 가능성을 알아보았다. 셋째, 이상의 공정을 거쳐 얻은 섬유의 외관과 물성을 측정하여 피복소재로서의 이용 가능성을 알아보았다.
- 경제적이고 특히 친 환경적인 작물로 평가되며 다양한 산업 분야에서 연구 개발되고 있는 케냐프의 의류 소재로서 사용을 확대하고 고 부가가치 섬유를 얻기 위한 시도로서 본 연구를 실시하였다. 케냐프를직접 재배 생산하고 수확하였으며 인피부 분리와 레팅 과정을 거쳐 섬유를 얻었고 추출된 섬유의 물리적인 특성을 시험한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 따라서 천연소재의 우수성을 재현하여 피복 소재로서의 이용을 확대하고고 부가가치 섬유 소재를 개발하기 위한 기초 연구로서 첫째, 케냐프를 직접 재배하고 재배에 따른 성장 특성을 관찰하여 국내의 지리 및 기후적 여건에 적합한 섬유 작물로서 국내 생산 가능성을 확인하고자 하였다. 둘째, 천연 인피 섬유가 함유한 리그닌 등 목질부를 제거하는 레팅 공정을 실시하여 레팅 방식과 조건에 따른 효과를 관찰하고 섬유 추출 가능성을 알아보았다. 셋째, 이상의 공정을 거쳐 얻은 섬유의 외관과 물성을 측정하여 피복소재로서의 이용 가능성을 알아보았다.
- 삼양동 소재 밭에서 재배하였다. 2002년 5월 23일 파종하여 물성 실험에 사용할 시료는 9월7일 105 DAP(Days after planting. 이하 DAP라 칭함)에 일부 수확하였고 이후 채종과 2차 수확을 실시할 때까지 식물의 성장 특징을 계속 관찰하였다. 수확은 수작업으로 진행되었으며 줄기 밑등을 자르고 잔가지를 제거한 뒤 다시 상하 약 20cm를 제거하고 남은 약 2m 정도의 줄기를 인피 섬유를 추출하기 위한 재료로 이용하였다.
- 수확은 수작업으로 진행되었으며 줄기 밑등을 자르고 잔가지를 제거한 뒤 다시 상하 약 20cm를 제거하고 남은 약 2m 정도의 줄기를 인피 섬유를 추출하기 위한 재료로 이용하였다. 수확된 각 재료를 줄기 방향에 수직으로 절단하여 단면의 특성을 살펴보았다.
- 벗겨내었다. 뿌리로 부터 수직으로 일정한 간격으로 떨어진 각각 다른 거리에 있는 8군데 인피부 두께를 측정하였다. 동일 수직거리 상에서 각각 10곳을 선택하여 측정하고 평균값을 구하였다.
- 수확하여 분리한 케냐프 인피부를 물에 침지 시켜 자연 상태에서 생물적 레팅(biological retting)을 진행시켰다. 레팅하는 동안 수온이 15~25℃ 유지되도록 하였다.
- 레팅하는 동안 수온이 15~25℃ 유지되도록 하였다. 레팅기간은 5일에서 20일까지 실시하여 시간에 따른 생물적 레팅의 진행 상태를 살펴보았다. 레팅이 종료된 시점에서 흐르는 물에 수회 세척하여 가용 물질을 제거한 뒤 수용액에서 100℃로 5분간 가열한 뒤 자연 건조하였다.
- 본 실험에서 화학적 레팅 (chemical retting)은 케냐프를 40℃의 0.85% Triton X-100 수용액에 10 분간 침지한 후 냉각기가 설치된 플라스크에서 1%, 4% 그리고 7% NaOH 수용액으로 90℃로 60분간 각각 처리하였다. 1% 초산 용액으로 중화시킨 후 뜨거운 물과 찬물로 수차례 수세 한 후 자연 건조하였다.
- 레팅하지 않은 시료(NR)와 생물적 레팅만 실시한 시료(BR), 화학적 레팅 만 실시한 시료(CR), 생물적레팅 후 화학적 레팅을 실시한 시료(BR/CR), 이들 시료를 다시 정련(S)한 시료 등 총 12종의 시료 중 선택하여 섬유의 특성을 측정하였다. 시료 종류 및 레팅조건은<Table 1>과 같다.
- SEM(Scanning Electron Microscope, Hitachi S- 2500, Japan)을 통해 추출된 케냐프 섬유의 단면과 측면을 측정하여 섬유의 미세구조를 확인하였다.
- X-Ray 회절분석기 (XD-S-2000, Scintact)# 이용하여 각 시료의 결정화도를 측정하였다.
- 단위무거〕(g)를 사용하였다. 각각 10회 측정된 시료 무게의 평균 값을 구하고 절단시 하중의 평균값을 구한 뒤 다음의 식(A)와 같이 단위무거)(g)당 절단하중(gf)의 평균 값으로 환산하여 케냐프 섬유의 번들 강도를 비교하였다.
- 105 DAP의 키가 220cm 인 케냐프 줄기를 절단하고 단면 특징과 직경을 관측하였다. 케냐프 줄기 단면을 보면 저밀도로 스폰지 형상의 내부인 목질부 (core)와 고밀도 층을 이루는 외부인 인 피부(bast)가 육안으로도 쉽게 구분되었다<Fig.
- 케냐프 수확 방식은 수작업, 기계작업이 가능한데 본 실험에서는 수작업으로 진행되었으며 장섬유를 얻기 위해 가능한 줄기 전체를 긴 상태로 수확하는 시도를 하였다. 낫을 이용한 줄기의 절단이 어렵지 않았고 뿌리째 뽑는 과정도 비교적 용이하였다.
- 생물적 레팅은 식물체에 고유하게 존재하는 미생물에 의해 리그닌을 분해하는 경제적이고 간단한 전통적 방식이며 화학적 레팅방식은 알카리 등의 약품을 처리하여 섬유를 추출하며 처리 속도가 빠르나 강도 저하가 야기되며 환경 친화성이 떨어지는 단점이 있다. 본 실험에서는 두 가지 레팅 방식으로 섬유를 추출하면서 그 특징을 관찰하였다.
- 105 DAP의 케냐프 인피부를 물에 침지하여 온도와 시간 변화에 따른 레팅의 진행 상태를 관찰하였다. 동일 시간에서도 40℃에서 레팅한 경우가 상온에서 방치하여 온도가 15~25℃로 유지한 경우에 비해 불순물의 용해 효과가 떨어지는 것으로 나타났다.
- 케냐프를직접 재배 생산하고 수확하였으며 인피부 분리와 레팅 과정을 거쳐 섬유를 얻었고 추출된 섬유의 물리적인 특성을 시험한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 카딩 후 분광측색계 (JS555 Co., Color Techno System, Japan)를 이용하여 각 케냐프 섬유의 L*, a*, b* 값 측정 하고 Lightness 와 Yellowness를 평 가하였다.
- 케냐프 줄기의 인피부 단 . 측면을 전자현미경으로 관찰하였다. 레팅 전의 인피부 단.
대상 데이터
- 진주 (농업기술원)에서 분양받은 케냐프 씨를 제주시 삼양동 소재 밭에서 재배하였다. 2002년 5월 23일 파종하여 물성 실험에 사용할 시료는 9월7일 105 DAP(Days after planting.
- 뿌리로 부터 수직으로 일정한 간격으로 떨어진 각각 다른 거리에 있는 8군데 인피부 두께를 측정하였다. 동일 수직거리 상에서 각각 10곳을 선택하여 측정하고 평균값을 구하였다.
- 본 실험에서 강도 측정에 사용된 각 시료는 I5cm 로 일정하게 채취가 가능하였으나 섬유번들 상태의 굵기가 불균일함을 고려하여 단위섬도(d)를 대신하여 단위무거〕(g)를 사용하였다. 각각 10회 측정된 시료 무게의 평균 값을 구하고 절단시 하중의 평균값을 구한 뒤 다음의 식(A)와 같이 단위무거)(g)당 절단하중(gf)의 평균 값으로 환산하여 케냐프 섬유의 번들 강도를 비교하였다.
- Mass, 1990)이 개발되었다. 품종이 섬유 품질에 영향을 준다는 확인된 보고는 없으므로 본 실험에서 품종을 구별하지 않고 진주 농업 기술 센타로부터 케냐프 씨를 분양받아 재배 하였다
이론/모형
- 단섬유 상태의 수집이 어려운 경우 플랫번들테스트를 시행하므로(Ramaswamy, et al., 1994) 본 실험에서도 케냐프 섬유는 단사를 사용하지 않고 섬유번들 상태에서 인장시험기(lastron 사302 CRE type, USA)를이용하여 Load cell: 10 Newton, Speed: 20mm/min, Gauge Length: 100mm의 조건에서 KS K 0409 Test Method에 따라 강신도(Fiber Bundle Strength and Elongation)를 측정하였다.
성능/효과
- 5℃를 기록하는 온대에서 아열대 전이지대로서 무상기간이 275일(제주지방기상청, 2002)로 국내에서 가장 길어서케냐프 재배지로 매우 적합한 기후 조건을 가지고 있었다. 이 러 기후 조건이 케냐프의 성 장을 높이는 요인으로 작용하여 국내에서 속성 천연 섬유 소재 자원으로 재배가 가능함을 확인할 수 있었다.
- 꽃은 기부에 짙은 붉은색의 반점이 있는 5매 크림색 꽃잎으로 75 DAP에 이미 개화되었고 10월 이후 채종이가능하였으며 씨는 짙은 회갈색의 삼각형으로 확인되었다. 케냐프 채종 실패가 농가의 케냐프 섬유 작물의 지속적인 재배를 어렵게 만드는 원인임을 감안할 때 희망적인 결과였다.
- 생물적 레팅을 실시하여 줄기를 침수할 경우 수온이 20℃ 이하에서는 침수 기간이 길어지고 분리가 어려워지므로 국내에서 9월 상, 중순경을 적기로 본다(김희태 외, 1976). 이러한 점을 고려하여 본 실험에서 개화 시기인 9월 상순 105 DAP 에 1차 수확을 시도하여 길이 200-250cm 정도의 케냐프를 수확할 수 있었다. 그러나 5월 23일 파종한 본 실험에서 수확 적기로 여겨지는 90일-120일 사이인 7-8월에 수 차례의 태풍이 지나가면서 태풍으로 인한 피해가 우려되었다.
- , 1994). 본 실험에서 레팅시간 약 10일까지 거품이 생기고 미끈한 물질이 생성되었으며 악취가 매우 심해서 미생물에 의한 분해가 진행됨을 알 수 있었다. 10일 이후 이러한 현상이 완화되어 15~25℃에서 5~10일이면 레팅이 완료된다고 결론지을 수 있었다.
- 본 실험에서 레팅시간 약 10일까지 거품이 생기고 미끈한 물질이 생성되었으며 악취가 매우 심해서 미생물에 의한 분해가 진행됨을 알 수 있었다. 10일 이후 이러한 현상이 완화되어 15~25℃에서 5~10일이면 레팅이 완료된다고 결론지을 수 있었다. 레팅 종료 후 물로 수세하여 가용성 분해 물질을 제거할 수 있었고 탈수 자연 건조한케냐프 인피부<Fig.
- 본 실험의 색도 측정 결과를 보면 생물적 레팅이 화학적 레팅 섬유에 비해 밝았으며 화학적 레팅은 yellowness를 증가시켰음을 알 수 있었다.
- 10, 11>. 섬유 다발 내부에 크기가 불균일한 단섬유들이 결합되어 있고 측면에 나타난 가는 선은 단섬유를 구분하는 것임을 알 수 있었다. 대체로 섬유직경이 15~25|im의 범위에 드는 것으로 확인되었고 약 으로 조사된 Ramaswmy, Boyd(1995) 등의 실험결과와 유사했다.
- 본 SEM 사진에서 흥미있는 결과는 레팅 전에는 납작한 상태의 눌려있는 불규칙한 형상으로 확인이 어려웠던 중공이 생물적 레팅으로 둥글고 크게 발달했으나 화학적 레팅을 한 시료에서는 중공을 관찰할 수 없었고 알칼리의 농도를 1, 4, 7% 모두에서 중공이 사라졌고 정련 과정에서 유연제나 추가적인 알칼리 처리에 의해서도 동일한 현상이 나타났다는 점이다<Fig. 12>.
- 12>. 뿐만 아니라 알칼리의 농도 증가와 정련에 의해 섬유다발 간 간격이 넓어지면서 섬유 다발의 세분화되며 굵기가 더욱 감소한 것이 나타났으며 검은 빈 공간의 크기로 확인할 수 있었다. 알칼리 처리로 섬유가 섬세해지고 화학적 레팅에서 탈검화 효과가 증가한다는 주장(Tao, et al.
- 실험에서 관측된 SEM 측정 결과를 고려할 때 레팅 방식의 차이가 불순물의 제거, 섬유의 팽윤, 단면 형에 영향을 주며 이러한 변화가 섬유의 굵기, 광택, 강도, 촉감, 부피감 등의 차이를 유도할 수 있다고 판단된다. 따라서 케냐프 섬유를 추출하기 위해서 레팅은 필수적인 단계이며 원하는 특성을 소유한 섬유를 생산하기 위해 섬유의 특성에 영향을 미치는 레팅 방식과 조건을 확립하기 위한 후속적인 연구가 필요하다고 생각된다.
- SEM 측정 결과와 의 결정화도, 의 절단강도의 결과를 종합적으로 고찰할 때 레팅을 위한 알칼리 처리는 리그닌 등의 불순물 고분자주쇄를 급속히 절단 분해시켜 용출시켰다.
- 측정 결과는<Table 4>와 같다. 생물적 레팅 만을 실시한 후의 케냐프 섬유의 결정화도는 약 92~96%로서 화학적 레팅을 만을 실시한 경우인 약 85~90%에 비해 높게 나타났다. 생물적 레팅을 실시한 후 추가로 화학적 레팅을 실시하거나 알칼리로 정련 처리한 경우 85~88% 까지 결정화도가 감소하였다.
- 생물적 레팅 만을 실시한 후의 케냐프 섬유의 결정화도는 약 92~96%로서 화학적 레팅을 만을 실시한 경우인 약 85~90%에 비해 높게 나타났다. 생물적 레팅을 실시한 후 추가로 화학적 레팅을 실시하거나 알칼리로 정련 처리한 경우 85~88% 까지 결정화도가 감소하였다. 이러한 결과를 볼 때 알칼리를 이용한 화학적 레팅이나 정련은 결정화도를 저하시킬 수 있다고 고찰된다.
- , (1996)의 결과와 유사하게 알칼리 처리에 의해 강도가 저하됨을 확인할 수 있었다. 신도에서는 화학적 레팅을 한 경우 생물적 레팅보다 우수했고 NaOH 처리 농도가 증가할수록 더욱 증가하였다. 섬유의 강도와 신도 모두 레팅의 영향을 받았음을 확인할 수 있었으며 특히 레팅 방식의 변화로 섬유 번들의 강신도 조절이 가능하였다.
- 신도에서는 화학적 레팅을 한 경우 생물적 레팅보다 우수했고 NaOH 처리 농도가 증가할수록 더욱 증가하였다. 섬유의 강도와 신도 모두 레팅의 영향을 받았음을 확인할 수 있었으며 특히 레팅 방식의 변화로 섬유 번들의 강신도 조절이 가능하였다. 피복소재의 용도에 적합한 재료의 창출을 위해서 레팅 방식은 매우 중요한 요인이 될 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 1. 제주는 케냐프 재배가 용이하였고 성장 속도도 매우 빨라 105 DAP에서 220cm 이상의 줄기를 수확하였으며 145 DAP에 최대 360cm 까지 성장하였다. 채종도 가능하여 지속적으로 섬유 원료를 생산할 수 있을 것으로 생각된다.
- 3. 생물적 레팅과 화학적 레팅으로 추출된 케냐프섬유는 형태의 차이를 나타냈으며, 특히 화학적 레팅의 경우 알칼리 작용으로 단면의 중공이 감소하거나 소멸하였다.
- 4. 생물적 레팅으로 얻은 섬유의 색은 밝은 크림색이었고 화학적 레팅에 의해 yelloweness가 증가하였다. 추출된 섬유의 결정화도는 약 80% 이상으로 면보다 우수하였고 생물적 레팅에서는 최대 약 95%로 화학적레팅보다 높았다.
- 생물적 레팅으로 얻은 섬유의 색은 밝은 크림색이었고 화학적 레팅에 의해 yelloweness가 증가하였다. 추출된 섬유의 결정화도는 약 80% 이상으로 면보다 우수하였고 생물적 레팅에서는 최대 약 95%로 화학적레팅보다 높았다. 케냐프 섬유 다발의 강도는 생물적레팅에서 최대 98100.
후속연구
- 그러나 5월 23일 파종한 본 실험에서 수확 적기로 여겨지는 90일-120일 사이인 7-8월에 수 차례의 태풍이 지나가면서 태풍으로 인한 피해가 우려되었다. 따라서 파종 시기및 수확 시기 조절이 필요하며 파종 일수에 따른 줄기의 성장 특징과 화학적 성분 변화 그리고 그에 따른 섬유물성의 변화 등을 비교하여 최적의 케냐프 섬유를 얻기 위한 수확 시기를 규명할 필요가 있었다. 국내 재배에서 파종 시기와 수확시기에 따른 케냐프 섬유 특성 연구가 이루어진다면 경제적이고 우수한 품질의 섬유 재료가 확보될 수 있을 것으로 본다.
- 따라서 파종 시기및 수확 시기 조절이 필요하며 파종 일수에 따른 줄기의 성장 특징과 화학적 성분 변화 그리고 그에 따른 섬유물성의 변화 등을 비교하여 최적의 케냐프 섬유를 얻기 위한 수확 시기를 규명할 필요가 있었다. 국내 재배에서 파종 시기와 수확시기에 따른 케냐프 섬유 특성 연구가 이루어진다면 경제적이고 우수한 품질의 섬유 재료가 확보될 수 있을 것으로 본다.
- 따라서 케냐프 섬유를 추출하기 위해서 레팅은 필수적인 단계이며 원하는 특성을 소유한 섬유를 생산하기 위해 섬유의 특성에 영향을 미치는 레팅 방식과 조건을 확립하기 위한 후속적인 연구가 필요하다고 생각된다.
- 본 실험의 색도 측정 결과<Table 3>를 보면 생물적 레팅이 화학적 레팅 섬유에 비해 밝았으며 화학적 레팅은 yellowness를 증가시켰음을 알 수 있었다. 생물적 레팅을 거친 케냐프 섬유는 whitness가 높게 나타나 표백제 등을 처리하지 않고도 천연 상태에서 별다른 조작 없이 사용할 수 있을 것으로 사료되며 경제 적이 고친 환경적 공정에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
- 제주는 케냐프 재배가 용이하였고 성장 속도도 매우 빨라 105 DAP에서 220cm 이상의 줄기를 수확하였으며 145 DAP에 최대 360cm 까지 성장하였다. 채종도 가능하여 지속적으로 섬유 원료를 생산할 수 있을 것으로 생각된다.
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