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문제 정의
- 비셀룰로오스를 제거하는 정도에 따라 펄프화 비율과 펄프의 평균 길이를 측정하였으며 식물섬유 펄프로 제조한 수초지에 대한 물성을 측정하였다. 그리고 식물섬유와 닥의 혼합지에 대한 물성을 측정하여 식물섬유의 수초 지로의 활용성을 살펴보았다.
- 또한 이러한 연구를 통해 비 셀롤로오스가 많은 식물섬유는 직접 의류소재로 사용하는 것보다는 종이를 만들어 새로운 소재를 개발하는 것이 닥나무 대체 자원의 개발이라는 면에서 의의가 있을 뿐 아니라 새로운 종이 섬유사를 제조하는 전 단계라는 점에서 의미가 있음을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 어저귀, 뉴질랜드마, 칡, 실유카 등의 4종의 식물섬유를 섬유화하고 펄프 화하여 수초지를 제조한 뒤 제반 물성을 살펴보았다. 식물섬유를 펄프화 하는데 있어 펄프화 과정에 따라 펙틴, 리그닌, 헤미 셀룰로오스와 같은 비셀룰로오스의 함량을 측정하였다.
- 헤미셀룰로오스는 수산화나트륨 17.5%에서 45분간 제거하는 것으로 보고되었으므로(이혜자 외, 2003; Abou-Zeid et al., 1984) 본 연구에서는 이보다 낮은농도에서 처리함으로서 헤미셀룰로오스를 부분 제거하고자 하였다. 그러나 <Fig.
가설 설정
- 아염소산나트륨을 120분 처리하였을 때 리그닌이 대부분 제거된다고 가정하고(이혜자 외, 2003; Abou-Zeid et al., 1984) 이에 대비하여60분 처리하였을 때 어느 정도 제거되는지를 조사하여에 나타내었다.
제안 방법
- 0g을 250ml 비커에 물과 함께 담아 충분히 풀어 준 후 핀셋을 이용하여 10mm 이상되는 길이의 섬유를 분리해 냈으며 이를 여러 번 반복하였다. 10mm 미만의 섬유를 고운 망에 걸러 물기를 꼭 짜낸 후 건조시켜 무게를 재고 전체에 대한 무게비율을 계산하여 펄프의 비율로 하였다.
- 따라서 수초지를 제조할 펄프의 조건은 어저귀IM-120와 뉴질랜드마 NZ-120는 수산화나트륨 1, 5, 10% 농도로 5분 처리로 하고 칡은 KV-60 실유카 YC-60는 수산화나트륨 1, 5, 10% 농도로 15분 처리한 시료로 하였다.
- 0%의 리그닌이 제거되었다. 따라서 어저귀와 신서란의 리그닌 처리조건은 아염소산나트륨으로 120분 처리 하는 조건인 각각 IM-120, NZ-120으로 하였다.
- 식물섬유를 펄프화 하는데 있어 펄프화 과정에 따라 펙틴, 리그닌, 헤미 셀룰로오스와 같은 비셀룰로오스의 함량을 측정하였다. 비셀룰로오스를 제거하는 정도에 따라 펄프화 비율과 펄프의 평균 길이를 측정하였으며 식물섬유 펄프로 제조한 수초지에 대한 물성을 측정하였다. 그리고 식물섬유와 닥의 혼합지에 대한 물성을 측정하여 식물섬유의 수초 지로의 활용성을 살펴보았다.
- 이를 다시 수산화나트륨 1, 5, 10% 수산화나트륨 용액에서 5, 10, 15분간 침지하여 헤미셀룰로오스를부분 제거하여 펄프를 제조하였다. 상대적으로 리그닌이 많아 뻣뻣한 뉴질랜드마와 어저귀는 아염소산 나트륨 용액으로 120분 처리하여 리그닌을 제거한 후 수산화나트륨 1, 5, 10% 수산화나트륨 용액에서 5, 10, 15분간 침지하여 헤미셀룰로오스를 부분 제거하여 펄프를 제조하였다.
- 식물섬유 수초지 제조를 위한 펄프는 펄프의 비율과 펄프의 평균길이를 고려하여 칡과 실유카는 아염소산 나트륨 용액으로 60분 처리 하고 수산화나트륨 1, 5, 10% 수산화나트륨 용액에서 15분간 침지하여 제조하였다. 어저귀와 뉴질랜드마는 아염소산 나트륨 용액으로 120분 처리한 후 수산화나트륨 1, 5, 10% 수산화나트륨 용액에서 5분간 침지하여 펄프를 제조하였다.
- 식물섬유 수초지의 형태적 특성은 SEM(Scanning Electron Microscope: HITACHI S-2500C)을 이용하여100배의 배율로 부직포 조직의 표면을 측정하였다.
- 식물섬유 펄프로 제조한 수초지에 대한 물성을 측정하였고 식물섬유와 닥의 혼합지에 대한 물성도 측정하여 식물섬유의 수초지로의 활용성을 살펴본 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 식물섬유 펄프로 초지한 수초지 및 식물섬유/닥의혼합 펄프로 초지한 수초지의 겉보기 밀도, 흡수도, 인장강도, 인열강도, 강연도를 측정하였다.
- 따라서 본 연구에서는 어저귀, 뉴질랜드마, 칡, 실유카 등의 4종의 식물섬유를 섬유화하고 펄프 화하여 수초지를 제조한 뒤 제반 물성을 살펴보았다. 식물섬유를 펄프화 하는데 있어 펄프화 과정에 따라 펙틴, 리그닌, 헤미 셀룰로오스와 같은 비셀룰로오스의 함량을 측정하였다. 비셀룰로오스를 제거하는 정도에 따라 펄프화 비율과 펄프의 평균 길이를 측정하였으며 식물섬유 펄프로 제조한 수초지에 대한 물성을 측정하였다.
- 어저귀 IM-120와 뉴질랜드마 NZ-120는 수산화나트륨 1, 5, 10% 농도로 5분 처리로 하고 칡 KV-60와실유카 YC-60는 수산화나트륨 1, 5, 10% 농도로 15분 처리한 펄프로 초지하여 수초지를 제조하였다. 이들의 겉보기 밀도, 흡수도, 인장강도, 인열강도, 강연 도를 측정 하여<Table 4>에 나타내었다.
- 어저귀, 뉴질랜드마, 칡, 실유카 등 4종의 식물섬유모두 수산화나트륨 5% 농도로 처리하여 얻은 펄프IM-120-5, NZ-120-5, KV-60-5, YC-60-5 을 닥과 혼합하여 식물섬유/닥 혼합 수초지를 제조하고 그 물리적 특성을에 나타내었다.
- 어저귀, 뉴질랜드마, 칡, 실유카의 식물섬유를 레팅을 하고 비셀룰로오스를 제거하는 정도에 따라 펄프화비율과 펄프의 평균길이를 측정하였다. 식물섬유 펄프로 제조한 수초지에 대한 물성을 측정하였고 식물섬유와 닥의 혼합지에 대한 물성도 측정하여 식물섬유의 수초지로의 활용성을 살펴본 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 어저귀와 뉴질랜드마는 아염소산 나트륨 용액으로 120분 처리한 후 수산화나트륨 1, 5, 10% 수산화나트륨 용액에서 5분간 침지하여 펄프를 제조하였다.
- 20초간 분쇄하여 사용하였다. 위의 펄프 액에 풀을 첨가하여 수초지액을 만들었으며 이때 사용되는 풀은 현재 전통 수초지 제조에 많이 쓰이는 PAM (polyacrylamide)였고 펄프의 섬유길이와 펄프의 피브릴화에 따른 물성의 차이를 비교하고자 농도를 적게 하였다. 풀의 농도는 0.
- 펙틴이 제거된 시료의리그닌의 제거는 칡과 실유카의 경우 아염소산 나트륨 용액으로 60분 처리하여 리그닌을 부분 제거하였다. 이를 다시 수산화나트륨 1, 5, 10% 수산화나트륨 용액에서 5, 10, 15분간 침지하여 헤미셀룰로오스를부분 제거하여 펄프를 제조하였다. 상대적으로 리그닌이 많아 뻣뻣한 뉴질랜드마와 어저귀는 아염소산 나트륨 용액으로 120분 처리하여 리그닌을 제거한 후 수산화나트륨 1, 5, 10% 수산화나트륨 용액에서 5, 10, 15분간 침지하여 헤미셀룰로오스를 부분 제거하여 펄프를 제조하였다.
- 펄프의 비율은 건조시료 1.0g을 250ml 비커에 물과 함께 담아 충분히 풀어 준 후 핀셋을 이용하여 10mm 이상되는 길이의 섬유를 분리해 냈으며 이를 여러 번 반복하였다. 10mm 미만의 섬유를 고운 망에 걸러 물기를 꼭 짜낸 후 건조시켜 무게를 재고 전체에 대한 무게비율을 계산하여 펄프의 비율로 하였다.
- 펄프의 섬유길이는 펄프의 비율과 10mm 이하의 길이 0.1g, 10mm 이상 길이의 섬유 0.1g 각각의 평균 길이를 종합하여 평균길이를 측정하였다.
- 5% 암모니움 옥살레이트 용액에 85℃에서 24시간 처리하여 레팅으로서 제거되지 않았던 펙틴을 제거하였다. 펙틴을 제거한 다음 아염소산 나트륨 용액으로 120분 처리하여 리그닌을 제거하였으며 리그닌을 제거한 후 수산화나트륨 17.5% 용액에서 45분간 침지하여 헤미셀룰로오스를 제거였으며 제거율(%)은 무게비율로 계산하였다(이혜자 외,2003; Abou-Zeid et al., 1984). 펙틴이 제거된 시료의리그닌의 제거는 칡과 실유카의 경우 아염소산 나트륨 용액으로 60분 처리하여 리그닌을 부분 제거하였다.
- 헤미셀룰로오스를 부분 제거하기 위해 수산화나트륨 농도를 1, 5, 10%에서 5, 10, 15분 처리하여 펄프 화의 비율과 펄프의 길이를 측정하였고 그 결과를 에 나타냈다.
- 헤미셀룰로오스의 양; 펄프의 비율과 섬유의 길이를 고려하여 수초지를 제조하기 위해 IM-120, NZ- 120의 시료를 수산화나트륨 농도 1, 5, 10%에서 5분 처리하였을 때와 KV-60, YC-60의 시료를 수산화나트륨 농도 1, 5, 10%에서 15분 처리한 펄프의 헤미셀룰로오스의 함량을 측정한 뒤 헤미셀룰로오스의 제거율을 계산하여 <Fig. 1>에 나타내었다.
대상 데이터
- 닥(Paper mulberry; 이하 PM이라 칭함) 펄프는 닥의 겉껍질을 벗긴 피닥(신풍한지)을 약 30분간 물에 불린 다음 12%의 수산화나트륨 수용액에서 95℃로 5시간 이상 가열처 리하고 2시간 동안 방치 한 후 수세하여 제조하였다.
- 어저귀 (Indian mallow; 이하 IM이라 칭함)는 2007년 10월말 충북 청원군 내에서 재배하고 채취하여 사용하였으며 뉴질랜드마(New Zealand flax; 이하 NZ라 칭함)는 제주에서 잘 자란 잎을 밑등을 잘라 채취하여 시료로 사용하였다. 칡(Kuzu vines; 이하 KV라 칭함)은 7월~10월 충북의 야산에서 덩굴을 채취하였으며 실유카(Yucca; 이하 YC라 칭함)는 충북일원의 정원에서 잘 자란 잎을 밑둥까지 잘라내어 채취하였다.
- 사용하였다. 칡(Kuzu vines; 이하 KV라 칭함)은 7월~10월 충북의 야산에서 덩굴을 채취하였으며 실유카(Yucca; 이하 YC라 칭함)는 충북일원의 정원에서 잘 자란 잎을 밑둥까지 잘라내어 채취하였다.
이론/모형
- 인열강도는 엘멘도프형인열강도시험기로 펜듈러법(Pendulum Method)법으로 측정하여 ‘g'으로 나타냈다. 강연도는 칸틸레버 (Cantilever)법으로 측정하여 플렉스 강연도로 계산하여으로 나타냈다.
- 인장강도는 인장도시험기를 이용하여 측정하여 'gf'로 나타냈다. 인열강도는 엘멘도프형인열강도시험기로 펜듈러법(Pendulum Method)법으로 측정하여 ‘g'으로 나타냈다. 강연도는 칸틸레버 (Cantilever)법으로 측정하여 플렉스 강연도로 계산하여으로 나타냈다.
- 으로 나타내었다. 홉수도는 바이레크(Birack) 법을 이용하였다. 인장강도는 인장도시험기를 이용하여 측정하여 'gf'로 나타냈다.
성능/효과
- 1. 식물섬유 어저귀, 뉴질랜드마, 칡, 실유카는 비셀룰로오스 함량이 약 30~40%를 지녀 수초지를 제조하기 위해서는 닥섬유와 같이 8% 정도로 낮출 필요가 있다.
- 2. 수초지를 초지할 펄프는 리그닌이 대부분 제거되어야 할 필요가 있으며 헤미셀룰로오스를 부분 제거하면서 일정한 펄프비율과 펄프의 섬유길이를 조절할 필요가 있다.
- 2> 를 보면 어저귀, 뉴질랜드마, 칡, 실유카 등 모든 시료에서 헤미셀룰로오스가 40% 정도 제거된 수산화나트륨 1% 처리농도에서 섬유굵기가 굵었으며 5% 처리에서는 좀 더 가늘어진 것을 볼 수 있으며 헤미셀룰로오스가 거의 100% 제거된 수산화나트륨 처리 10%에서는 섬유길이가 매우 가늘어진 것을 볼 수 있다. 이는 헤미셀룰로오스가 제거되면서 셀룰로오스의 사슬이 끊어지기 때문이다.
- 3. 어저귀, 뉴질랜드마, 칡, 실유카 수초지의 형태학적 특성에서도 헤미셀룰로오스가 많이 제거될수록 섬유의 굵기가 가늘어진 것으로 나타났으며 이에 따라 인장강도가 급격히 저하된 것이라는 것을 보여주었다. 어저귀 , 뉴질랜드마의 인장강도는 헤미셀룰로오스의제거 정도에 따라 영향을 많이 받는 것으로 나타나 헤미셀룰로오스는 펄프강도를 유지하는 근간이 된다고 할 수 있다.
- 헤미셀룰로오스를 부분 제거하기 위해 수산화나트륨 농도를 1, 5, 10%에서 5, 10, 15분 처리하여 펄프 화의 비율과 펄프의 길이를 측정하였고 그 결과를 <Table 3>에 나타냈다. 4종류 모두 수산화나트륨 농도가 높아지고 처리시간을 늘릴수록 펄프화비율은높아지고 동시에 펄프의 길이는 매우 짧아지는 경향을 나타내었다.
- 6%를 나타내어 약 40~50%가 제거되었다. 5% 농도에서는 어저귀가 80.4%, 뉴질랜드마가 78.8%, 칡이 82.5%, 실유카가 84.2%가 제거되어 약 80% 정도가 제거되었으며 10% 농도에서는 모든 섬유에서 100% 로의 헤 미 셀룰로오스가 제거 되었다.
- 강연도는 어저귀, 뉴질랜드마가 높았고 그 다음으로 칡, 실유카 순이었으며 수초지에서 수산화나트륨 농도가 높아질수록 유연지는 것으로 나타났는데 이것 또한 펄프 평균길이가 짧아지는데서 원인을 찾을 수 있다. 수초지가 강연성이 높은 것은 피브릴이 적고 펄프화가 덜 된 섬유가 많이 남아 있다는 증거로 생각된다.
- 섬유의 섬도에 따라 흡수도도 증가하였는데 이는 모세관현상에 기인한다고 할 수 있다. 닥 수초지는 섬 도가 전체적으로 균일하였으며 식물섬유 수초지와 유사한 조건을 본다면 어저귀와 칡은 수산화나트륨 5% 처리와 유사하며 뉴질랜드마와 실유카는 닥 수초 지보다 더 가는 것으로 나타났다.
- 선행연구에서 식물섬유를 레팅을하여 섬유를 얻었을 경우 뉴질랜드마, 어저귀 그리고 칡의 물성은 모시와 유사하였으며 실유카는 닥과 같이 부드러운 성능을 지니는 결과를 얻었다. 또한 이러한 연구를 통해 비 셀롤로오스가 많은 식물섬유는 직접 의류소재로 사용하는 것보다는 종이를 만들어 새로운 소재를 개발하는 것이 닥나무 대체 자원의 개발이라는 면에서 의의가 있을 뿐 아니라 새로운 종이 섬유사를 제조하는 전 단계라는 점에서 의미가 있음을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 어저귀, 뉴질랜드마, 칡, 실유카 등의 4종의 식물섬유를 섬유화하고 펄프 화하여 수초지를 제조한 뒤 제반 물성을 살펴보았다.
- 칡과 실유카의 경우도 거의 같은 결과를 나타내었다. 본 실험 결과에서 가장 중요하고 긍정적 인 현상은 닥 수초 지에 비해 거의 모든 식물섬유의 강도가 높게 나타났다는 점이다. 이는 닥의 경우 리그닌이나 헤미셀룰로오스가 매우 적은 원료이면서 제조과정 상 12% 이상의 수산화나트륨 용액에서 장시간 끓이는 과정에서비셀룰로오스의 성분이 대부분 제거되었기 때문이다.
- 낮았다. 수초지의 강도는 서로 엉기는 피브릴화가 매우 중요한데 1%에서는 모든 섬유에서 헤미셀룰로오스가 약 40-50% 정도만이 제거되어 피브릴 발생은 적으나 펄프의 평균길이가 길고 이들 섬유와의 응집성이 있어 인장강도가 높았다. 그러나 수산화나트륨 농도가 5%에서는 약 70-80% 정도 제거되었으며 수산화나트륨 농도가 10%로 높아질수록 헤미셀룰로오스가 모든 섬유에서 100% 제거되면서 섬유가 짧아져 강도는 매우 낮아졌다.
- 그러나 인열강도는 헤미셀룰로오스제거에 따라 급격히 저하되지 않아 종이에서 필요한 특성으로서 바람직하였다. 식물섬유 모두는 인장강도, 인열강도에서 모두 대조군인 닥 수초지보다 높았다. 닥과의 혼합지에서는 식물섬유를 30% 혼합하는 혼합지에서 혼합효과가 두드러지게 나타났다.
- 칡과 실유카는 아염소산나트륨을 60분 처리하였기 때문에 리그닌이 적은 양이지만 남아있어 점진적으로 낮아졌을 것으로 보이며 따라서 수산화나트륨을 저 농도로 처리하는 것이 바람직하다고 생각된다. 식물섬유 중에서는 뉴질랜드마가 가장 강도가 높고 질기며 실유카가 가장 부드럽고 약한 펄프임을 알 수 있었다. 칡과 실유카의 경우도 거의 같은 결과를 나타내었다.
- 그러나 식물 섬유들은 비셀룰로오스가 많고, 피브릴이 적은 반면 닥섬유는 비셀룰로오스가 적고 피브릴이 많아 혼방효과가 있었다. 식물섬유/닥 혼합지의 인장강도와 인열강도를 비교해보면 닥을 30% 혼합했을 때 혼합효과가 나타나 IM70/PM30, KV70/PM30, YC70/PM30 혼합지에서 강도가 높아졌다. 뉴질랜드마/닥 혼합지의 경우는 이러한 경향과 다소 다르게 닥의 혼합비가 높을수록 강도가 점진적으로 감소하여 닥 수초지에 근접하였으므로 상대적으로 혼합효과는 없었다.
- 어저귀 IM-120, 뉴질랜드마 NZ-120에서는 처리 시간이 10, 15분으로 길어질수록 섬유 평균길이가 4.7mm까지 너무 짧아졌다. 펄프의 평균길이는 펄프화 되지 않은 섬유와의 평균값이므로 펄프 비율이 10 mm 이하인 경우가 많고 섬유의 길이를 고려한다면 수초지 제조조건을 20mm 전후의 길이가 합당하다고 보았다.
- 이러한 결과에서 식물섬유 어저귀, 뉴질랜드마, 칡, 실유카 수초지는 모두 닥 수초지보다 모든 물성에서 높은 값을 나타내었으므로 닥섬유를 대체할 수 있는 소재로서 충분히 활용가능성이 높은 섬유라 할 수 있다고 본다.
- 이와 같은 결과를 통해 식물섬유 어저귀, 뉴질랜드마, 칡, 실유카 수초지는 모두 닥 수초지보다 인장강도, 인열강도, 강연도 등 모든 물성에서 높은 값을 나타냈으므로 식물섬유는 닥섬유를 대체할 수 있는 소재로서 충분히 활용가능성이 높은 섬유라 할 수 있다.
- 인장강도는 어저귀, 뉴질랜드마, 칡 , 실유카 수초 지 모두에서 수산화나트륨 농도가 1, 5, 10%로 높아질수록 낮았다. 수초지의 강도는 서로 엉기는 피브릴화가 매우 중요한데 1%에서는 모든 섬유에서 헤미셀룰로오스가 약 40-50% 정도만이 제거되어 피브릴 발생은 적으나 펄프의 평균길이가 길고 이들 섬유와의 응집성이 있어 인장강도가 높았다.
- 19%를 나타내었다. 잎섬유인 실유카와 뉴질랜드마는 리그닌이 8.81, 9.10%를 나타내어 낮은 반면 헤미셀룰로오스가 어저귀와 칡섬유보다 상대적으로 많아 25.84, 24.40.을 나타냈으며 펙틴, 리그닌, 헤미셀룰로오스를 제외한 셀룰로오스의 함량은 닥을제외하고 어저귀, 뉴질랜드마, 칡섬유, 실유카가 60.15 -66.17%를 나타내었다. 뉴질랜드마와 실유카는 잎섬유의 하나인 헤네켄이 리그닌 8%, 헤미셀룰로오스가 28%로 보고된 것과 비교할 때 유사한 결과를 나타내어 잎 섬유들이 유사한 섬유조성을 하고 있음을 알 수있다(Cszaurang-Martinez et al.
- 그러나 수산화나트륨 농도가 5%에서는 약 70-80% 정도 제거되었으며 수산화나트륨 농도가 10%로 높아질수록 헤미셀룰로오스가 모든 섬유에서 100% 제거되면서 섬유가 짧아져 강도는 매우 낮아졌다. 특히 뉴질랜드마와 어저귀는 리그닌이 거의 없는 상태에서 헤미셀룰로오스가 100% 제거되었기 때문에 급격한 강도 저하가 나타났다. 칡과 실유카는 아염소산나트륨을 60분 처리하였기 때문에 리그닌이 적은 양이지만 남아있어 점진적으로 낮아졌을 것으로 보이며 따라서 수산화나트륨을 저 농도로 처리하는 것이 바람직하다고 생각된다.
후속연구
- 뉴질랜드마가 가장 높으며 어저귀, 칡 그리고 실유카의 순서로 나타났다. 헤미셀룰로오스의 제거에 따른 인열강도의 저하 정도가 완만하여 수초지의 강도를 보완할 수 있는 요소가 될 수 있을 것으로 보인다.
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