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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 손상된 지류문화재의 장기보관을 위한 강도보강의 방법으로 13종의 수용성 고분자를 한지, 열화한지 및 탈랍지에 처리하여 재열화에 따른 기계적 강도, 형태적 및 화학적 특성을 비교‧분석하여 열화 안정성을 평가하였다.
- 본 연구는 한지, 열화한지 및 탈랍지에 대한 보강처리를 실시하였다. 각각의 열화방법은 Fig.
제안 방법
- 3. 시간 경과에 따라 코팅된 보강처리재료들이 한지에서 찢어지거나 탈리되는 현상을 관찰하였다.
- 손상된 지류문화재의 강도보강 방법으로 13종의 수용성 고분자를 한지, 열화한지 및 탈랍지에 처리하여 재열화에 따른 기계적 강도, 형태적 및 화학적 특성을 비교‧분석하여 열화 안정성을 평가한 결과는 다음과 같다.
- 2와 같다. 한지의 열화 시, 150℃에서 48시간 열화를 실시하면 인장강도는 열화 전에 비해 약 50%가 감소하지만 내절도에서 측정할 수 없을 정도로 한지가 손상되기 때문에 기준 온도와 시간으로 선택하였으며 밀랍지의 열화에서는 24시간만 경과하여도 내절도 측정이 불가능하여 24시간의 열화를 기준으로 본 연구에 적용하였다.
- 강도보강처리 시료들의 기계적 강도는 TAPPI T494, TAPPI T511 및 TAPPI T414에 의거하여 인장지수, 내절도 및 인열지수를 측정하였다. 형태적 특성은 주사전자현미경(FE-SEM, S-4300, Hitachi, Japan)로 열화된 시료의 표면을 500 및 5000배율로 관찰하였으며 화학적 특성으로는 ATR-IR 스펙트로미터(AlphaP, Brucker, Germany)로 측정한 스펙트라를 이용하여 산화지수(oxidation index)를 계산하였다.8,11,12)
대상 데이터
- 밀랍은 전남 담양에 있는 빈도림 꿀초 공방에서 지리산 토종벌의 벌집을 정제한 천연 밀랍을 사용하였으며 밀랍지는 Kim 등8)의 논문과 같은 방법으로 제조하였다.
- 본 연구에 사용된 수용성 강도보강재료는 문헌4-6,9,10)에 따라 천연고분자 6종과 합성고분자 7종을 사용하였으며 Table 2에 제반사항들을 열거하였다. 합성고분자 중, polyethylene glycol(PEG)과 polyvinyl alcohol(PVA)는 분자량에 따라 각각 선택하여 사용하였다.
- 본 연구에 사용한 한지는 경남 의령에 위치한 신현세 한지공방에서 초지한 것으로 분산제인 황촉규에 해리된 닥섬유를 풀어 외발뜨기로 초지하여 목판건조하였으며 Table 1에 그 제조인자를 나타내었다.
- 이상의 결과에서 천연고분자 셀룰로오스 유도체와 합성고분자 PVA 1500, 2000 및 PEG 1500이 다른 고분자보다 우수한 보강 효과를 보였기 때문에 한지의 보강 처리 후 열화시험에 6종의 보강 처리 재료를 선택하였다.
- 키토산(chitosan)을 제외한 12종의 보강처리재료는 증류수와 혼합하여 3% 용액으로 제조하였다. 셀룰로오스 유도체(CMC, MC, ethyl cellulose)는 60℃의 증류수에 소량씩 첨가하며 천천히 용해하였다.
- 에 따라 천연고분자 6종과 합성고분자 7종을 사용하였으며 Table 2에 제반사항들을 열거하였다. 합성고분자 중, polyethylene glycol(PEG)과 polyvinyl alcohol(PVA)는 분자량에 따라 각각 선택하여 사용하였다.
이론/모형
- 강도보강처리 시료들의 기계적 강도는 TAPPI T494, TAPPI T511 및 TAPPI T414에 의거하여 인장지수, 내절도 및 인열지수를 측정하였다. 형태적 특성은 주사전자현미경(FE-SEM, S-4300, Hitachi, Japan)로 열화된 시료의 표면을 500 및 5000배율로 관찰하였으며 화학적 특성으로는 ATR-IR 스펙트로미터(AlphaP, Brucker, Germany)로 측정한 스펙트라를 이용하여 산화지수(oxidation index)를 계산하였다.
성능/효과
- 1. 보강처리재료 중 천연고분자는 셀룰로오스 유도체(CMC, EC, MC)가, 합성고분자는 PVA 1500, 2000 및 PEG 1500이 강도 개선에 효과적이었다.
- 2. MC와 PVA 1500, 2000 및 PEG 1500의 산화가 가장 적게 일어나 내열화성에 우수하였다.
- 열화 한지에 천연고분자인 EC와 MC로 보강 처리를 하면 무처리 한지보다 높은 강도를 보이고 있으며 CMC 처리한지는 무처리 한지와 거의 유사한 값을 보였다. 3종류의 보강 재료 모두 보강 처리 전 열화한지의 값보다 높은 값을 보였다. 하지만 열화가 진행됨에 따라 EC의 강도는 급격히 감소하며 48시간 후에는 60 N·m/g 이하의 값을 보였고 CMC도 거의 비슷한 결과를 보였다.
- 4. 열화한지의 강도는 MC만이 48시간 열화 후에도 초기 열화한지와 유사한 강도를 유지하고 있었다.
- 5. 열화가 진행된 밀랍지를 탈랍하여 MC로 강도보강을 한 결과, 강도 개선 및 유지 효과가 우수하였다.
- 6종의 고분자 보강 재료 모두 초기에는 한지 이상의 강도를 보였으나 MC를 제외한 5종의 고분자는 급격한 강도 감소가 일어나 48시간 후에는 0.4-0.6 mN·m2/g로 상당히 낮은 인열강도를 보였다.
- 이러한 산화지수의 상승과 더불어 강도의 감소도 급격히 나타나 보강 재료로 적합지 못할 것으로 판단된다. CMC, EC와는 달리 MC는 보강 초기 산화지수가 0.12로 상당히 낮아졌으며 48시간의 열화 후에도 0.17 정도로 산화가 많이 진행되지 않았음을 알 수 있었다. PVA 1500과 PVA 2000은 48시간의 열화에도 큰 변화가 나타나지 않고 산화지수가 잘 유지되는 것을 볼 수 있었다.
- 따라서, 수용성 고분자 중에서 MC를 처리하는 것이 손상된 한지의 강도를 보강하여 오랫동안 보존하는데 가장 효과적일 것으로 판단된다.
- 8은 한지와 48시간 열화한지 표면 형태를 관찰하기 위해 FE-SEM을 이용하여 관찰한 것이다. 무처리한지 A와 B에서 도침의 흔적으로 보이는 눌린 자국이 보였으며 특히, B에서 닥섬유의 전형적인 특성인 섬유 주변의 피막이 관찰되었다. 그러나 48시간 열화된 한지(C)는 닥섬유 피막이 여러 곳에서 관찰되었는데 이 손상은 열화에 의한 손상이라고 판단된다.
- 하지만 열화가 진행됨에 따라 EC의 강도는 급격히 감소하며 48시간 후에는 60 N·m/g 이하의 값을 보였고 CMC도 거의 비슷한 결과를 보였다. 반면, MC는 48시간이 경과해도 강도 감소는 거의 보이지 않았으며 그 값이 무처리 한지 강도와 거의 비슷할 정도로 오랫동안 강도를 유지시키는 것으로 나타났다. 합성고분자인 PVA 1500과 2000은 보강 초기 무처리 한지 이상의 강도를 보였으며 48시간의 열화 후 무처리 한지 강도와 유사하였다.
- 보강처리재료별로 강도를 비교하였을 때, 내절도는 셀룰로오스 유도체를 처리함으로써 약 30%의 내절도 증가를 보였으며 PVA와 PEG에서도 10% 이상의 내절도 증가 효과를 관찰할 수 있었다. 인장지수와 인열지수는 셀룰로오스 유도체와 PVAl 및 PEG가 무처리 한지에 비해 상당히 높은 강도를 보이고 있었다.
- 선별된 6종의 수용성 고분자를 이용한 열화 특성에서 강도 유지 효과가 우수하며 내열화성이 우수한 보강 재료는 MC라는 것을 확인하였다. 따라서, 밀랍지의 열화 후 탈랍한 한지에의 적용에 MC를 최적의 보강재료로 판단하여 사용하였다.
- 굵은 점선은 한지의 인장지수이고 가는 점선은 열화한지의 인장지수이다. 열화 한지에 천연고분자인 EC와 MC로 보강 처리를 하면 무처리 한지보다 높은 강도를 보이고 있으며 CMC 처리한지는 무처리 한지와 거의 유사한 값을 보였다. 3종류의 보강 재료 모두 보강 처리 전 열화한지의 값보다 높은 값을 보였다.
- Table 3은 보강 처리 한지의 기계적 강도를 정리한 것이다. 인장지수와 인열지수는 보강처리를 한 것이 무처리 한지보다 높은 강도를 보였으나 내절도는 무처리 한지와 비교하여 비슷하거나 조금 낮았다. 이는 한지의 표면에 보강처리를 하면서 한지의 유연성이 감소되었기 때문으로 판단된다.
- 보강처리재료별로 강도를 비교하였을 때, 내절도는 셀룰로오스 유도체를 처리함으로써 약 30%의 내절도 증가를 보였으며 PVA와 PEG에서도 10% 이상의 내절도 증가 효과를 관찰할 수 있었다. 인장지수와 인열지수는 셀룰로오스 유도체와 PVAl 및 PEG가 무처리 한지에 비해 상당히 높은 강도를 보이고 있었다. CMC는 한지에의 도입량(8.
- 10-12는 최적보강재료로 선발된 MC를 탈랍지에 처리한 후 재열화시켰을 때 강도의 변화를 나타낸 것이다. 인장지수와 인열지수의 경우, 무처리 탈랍지(점선)의 초기 강도 및 열화에 따른 강도 감소율보다 MC를 처리한 탈랍지에서 더 높은 강도를 보였으며 강도 유지 효과도 뛰어났다. 내절도에서 한지는 초기 강도는 높게 나타났으나 열화가 진행됨에 따라 급격히 감소하여 48시간 후에는 내절도 측정이 어려웠다.
- 4는 고분자 보강 재료를 처리한 열화한지의 열화 시간에 따른 내절도 변화를 나타낸 것이다. 종이 열화에서 가장 중요한 내절도는 고분자 보강 재료 처리에도 불구하고 열화한지보다 조금 더 높은 강도 보강효과만 나타나 인장강도나 인열강도에 비해 강도 보강 효과가 낮았다. 이러한 보강 열화한지를 재열화시키면 내절도는 더욱 감소하여 10회 이하의 낮은 내절 횟수를 보였다.
- 최종적으로 훼손된 한지의 강도보강을 위한 방법으로 수용성 고분자 중 셀룰로오스 유도체인 메틸셀룰로오스를 3%용액으로 용해하여 코팅하는 것이 효과적일 것으로 판단된다.
- 이러한 보강 열화한지를 재열화시키면 내절도는 더욱 감소하여 10회 이하의 낮은 내절 횟수를 보였다. 하지만 MC만 약 13회 정도의 내절 횟수를 보여 다른 보강 재료에 비해 비교적 우수한 것으로 나타났다. 이는 다른 셀룰로오스 유도체계 보강재료에 비해 높은 점도를 보여 닥섬유의 표면에 정착이 잘 이루어졌기 때문으로 보이며 합성고분자는 시간이 경과하면서 고분자의 경화가 일어나 더욱 뻣뻣해졌기 때문에 48시간 후 내절도가 급격히 저하된 것으로 판단된다.
후속연구
- 24의 높은 값을 나타내었다. 이러한 산화지수의 상승과 더불어 강도의 감소도 급격히 나타나 보강 재료로 적합지 못할 것으로 판단된다. CMC, EC와는 달리 MC는 보강 초기 산화지수가 0.
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