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문제 정의
- 천연재료를 이용한 접착제의 개발은 산업뿐만 아니라 문화재의 합리적인 보존처리 측면에서도 필수적이다[8]. 이에 본 연구는 합성수지 접착제를 대체할 수 있는 천연 접착제를 개발하기 위해 진행되었으며 2011년에 시작된 선행연구를 바탕으로 하였다[9,10]. 선행연구에서는 생칠에 아교 혹은 어교를 배합함으로써 생칠에 비해 점도 및 접착강도가 증가한다는 것과 고습(70∼80%)⋅고온(100∼120°C)의 환경조건에서만 건조하는 생칠이 아교와의 배합을 통해 상온 저습한 환경에서도 건조가 가능하다는 것을 확인하였다.
제안 방법
- 석고 시편을 상온 저습한 환경의 데시게이터에서 건조시키면서 KS M 5000 (도료의 건조시간 시험방법)에 따라 표면의 경화 상태를 확인하며 건조시간을 측정하였다. 경화등급은 손가락 끝을 도막 표면에 대었을 때 접착성은 있으나 도료가 손끝에 묻어나지 않는 지촉건조(set to touch)와 도막면에 손끝이 닿는 부분이 약 1.5 cm가 되도록 가볍게 눌렀을 때 도막면에 지문 자국이 남지 않는 고착건조(tack free)를 기준으로 측정하였다.
- 구조분석을 위해 준비한 석고 시편을 이용하여 건조시간을 측정하였다. 석고 시편을 상온 저습한 환경의 데시게이터에서 건조시키면서 KS M 5000 (도료의 건조시간 시험방법)에 따라 표면의 경화 상태를 확인하며 건조시간을 측정하였다.
- 딱딱한 고체 상태의 아교를 활용하기 위해서는 물에 용해하여 사용해야 하지만 아교는 그 쓰임에 따라 물과 계량하는 비율이 다르기 때문에 적정 기준이 제시되어 있지 않다. 때문에 본 실험에서는 아교가 접착제로서의 적정한 점도를 갖게 하기 위해 물과 아교를 1 : 1로 계량하였다. KS M ISO 9665 (접착제-아교-시료 채취 및 시험 방법)에 의거하여 적당한 크기로 파쇄한 아교를 물과 1 : 1로 계량하여 하루 동안 냉장보관한 후 60∼70°C 에서 중탕하여 용액으로 제조하여 사용하였다.
- 생칠과 아교를 배합한 천연접착제의 구조를 파악하기 위해 원형의 석고틀에 천연접착제 시료를 약 0.1 (± 0.05) g 씩 얇게 도포한 후 상온상습(25 ± 2°C, 30 ±5%)의 환경에서 완전건조 하였다(Figure 1).
- 선행연구에서는 생칠에 아교 혹은 어교를 배합함으로써 생칠에 비해 점도 및 접착강도가 증가한다는 것과 고습(70∼80%)⋅고온(100∼120°C)의 환경조건에서만 건조하는 생칠이 아교와의 배합을 통해 상온 저습한 환경에서도 건조가 가능하다는 것을 확인하였다. 이를 바탕으로 본 연구에서는 생칠과 아교의 배합 범위를 넓게 확장하여 시료를 제조한 후 구조 및 접착 특성을 파악하고 토기 복원에 주로 사용되는 합성수지 접착제와 비교분석하였다.
- 02 g의 시료를 접착 부위에 도포하여 서로 접착시킨 후 상온 상습 조건의 데시게이터에서 일주일간 완전히 건조하였다. 정밀한 데이터 측정을 위해 한 시료에 각각 7개의 시편을 제작한 후 한국고분자시험연구소에 의뢰하여 분석하였다.
- 제조한 천연접착제와 합성수지 접착제의 원활한 비교 분석을 위해 토기 시편에 적용하기 전 금속판을 이용하여 인장전단접착강도를 측정하였다. 생칠의 접착강도는 0.
- 천연재료인 생칠과 아교를 배합하여 접착제를 제조하였고 구조 및 접착특성을 파악하여 기존의 합성수지 접착제와 비교분석하였다. FT-IR을 통해 시료의 구조를 분석한 결과 생칠에 첨가하는 아교의 비율이 증가할수록 carbonyl (C=O), amines (N-H), aromatic (C=C), ethers (C-O)의 그룹의 결합들이 증가하는 것을 확인하였다.
- 천연접착제의 특성범위를 알아보기 위해 생칠과 아교의 배합비율을 무게비로 9 : 1부터 1 : 9까지 조절하여 시료를 제작하였다(Table 2).
- 측정범위별로 L (0.0004∼10 Pa⋅s), M (0.01∼5 Pa⋅s), MH (0.5∼30 Pa⋅s), H (10∼500 Pa⋅s) 단계로 나눌 수 있으며 그중 본 실험에서는 M과 MH 단계의 기기를 사용하여 시료의 점도를 각각 5회씩 측정한 후 평균값으로 분석하였다.
대상 데이터
- 시료의 접착강도를 파악하기 위해 KS M 3734 (접착제의 인장전단접착강도 시험방법)에 의거하여 금속판(SUS 304)을 피착재로 한 시편을 제작하였다. 약 0.
이론/모형
- KS M ISO 9665 (접착제-아교-시료 채취 및 시험 방법)에 의거하여 적당한 크기로 파쇄한 아교를 물과 1 : 1로 계량하여 하루 동안 냉장보관한 후 60∼70°C 에서 중탕하여 용액으로 제조하여 사용하였다.
- 구조분석을 위해 준비한 석고 시편을 이용하여 건조시간을 측정하였다. 석고 시편을 상온 저습한 환경의 데시게이터에서 건조시키면서 KS M 5000 (도료의 건조시간 시험방법)에 따라 표면의 경화 상태를 확인하며 건조시간을 측정하였다. 경화등급은 손가락 끝을 도막 표면에 대었을 때 접착성은 있으나 도료가 손끝에 묻어나지 않는 지촉건조(set to touch)와 도막면에 손끝이 닿는 부분이 약 1.
- 05) g 씩 얇게 도포한 후 상온상습(25 ± 2°C, 30 ±5%)의 환경에서 완전건조 하였다(Figure 1). 완전 건조한 시편은 푸리에 변환 적외분광법(FT-IR; fourier transform infrared spectroscopy) 중 전반사 측정법(ATR; attenuated total reflection)을 이용하여 분석하였고 이때 사용한 기기는 국립문화재연구소에서 보유하고 있는 Hyperion 3000 (Bruker, Germany)이다.
성능/효과
- 천연재료인 생칠과 아교를 배합하여 접착제를 제조하였고 구조 및 접착특성을 파악하여 기존의 합성수지 접착제와 비교분석하였다. FT-IR을 통해 시료의 구조를 분석한 결과 생칠에 첨가하는 아교의 비율이 증가할수록 carbonyl (C=O), amines (N-H), aromatic (C=C), ethers (C-O)의 그룹의 결합들이 증가하는 것을 확인하였다. 하지만 생칠은 경화과정에서 3차원적 고분자화하고 아교는 아직 정확한 구조 이론이 정립되어 있지 않다.
- 본 실험에서 제조한 천연접착제는 2∼13 Pa⋅s의 점도를 가지며 모두 순수한 생칠과 아교에 비해 높은 점도를 나타냈다.
- 81 Pa⋅s이다. 생칠과 아교를 배합한 시료들은 모두 생칠과 아교보다 높은 점도를 나타냈고 생칠에 첨가되는 아교의 양이 증가할수록 시료의 점도 역시 증가하다 일정 비율 이상에서 다시 감소하는 경향을 나타내었다. 생칠과 아교의 배합비율이 7 : 3인 시료가 12.
- 생칠과 아교를 배합한 천연접착제 시료들은 토기 접착에 있어 강한 접착력을 가진 Devcon 5 minute, Araldite rapid type과 유사한 접착강도를 보이며 천연접착제가 합성수지 못지않은 접착력을 가지고 있음을 나타냈다. 생칠과 아교의 배합비율이 3 : 7, 2 : 8, 1 : 9인 시료들은 낮은 점도로 인해 접착강도 역시 낮게 측정되었으나 배합비율이 9 : 1인 시료는 낮은 점도에도 불구하고 높은 접착강도를 나타냈다.
- 접착제의 건조시간은 토기 접합에서 접합시간과 관련되는 중요한 요인이다. 순수한 생칠은 고습 혹은 고온에서만 건조하는 특성이 있으나 생칠에 아교를 배합한 시료들은 모두 하루 이내에 건조됨에 따라 접착제로서 적정한 건조시간을 가지고 있음을 확인하였다.
- 때문에 화학적 분자 작용기의 증감을 통하여 구조를 분석하는 FT-IR로는 정밀한 구조 분석을 하기엔 어려움이 있어 추후 다양한 분석을 통한 시료의 구조 해석이 필요할 것으로 생각된다. 제조한 천연접착제는 배합비율에 따라 0.3∼5 N/mm2의 접착강도를 가지며 이는 합성수지 접착제의 접착강도와 유사하여 접착제의 용도에 따라 재료의 적정 배합비율을 자유로이 선택하고 활용할 수 있다는 점에서 합성수지 접착제를 대체⋅활용할 수 있는 가능성을 보여준다. 아직 천연 접착제를 활용하기에는 합성수지 접착제에 비해 품질의 불균일성이나 편리성에서 부족한 면이 많으나 천연 접착제에 관한 연구는 천연재료를 통한 자연친화적 산업화의 지속 및 우리 고유의 전통문화산업을 계승한다는 점에서도 그 의의가 높다.
후속연구
- 하지만 생칠은 경화과정에서 3차원적 고분자화하고 아교는 아직 정확한 구조 이론이 정립되어 있지 않다. 때문에 화학적 분자 작용기의 증감을 통하여 구조를 분석하는 FT-IR로는 정밀한 구조 분석을 하기엔 어려움이 있어 추후 다양한 분석을 통한 시료의 구조 해석이 필요할 것으로 생각된다. 제조한 천연접착제는 배합비율에 따라 0.
- 이는 시료에서의 옻의 비중이 높아 생칠 자체의 접착력이 작용한 것으로 생각되며 이와는 반대로 아교의 비중이 높은 시료들은 아교의 낮은 점도와 접착력으로 인해 접착강도가 낮게 측정된 것으로 판단된다. 하지만 피착재의 계면이 시료의 접착력에 영향을 주는 것을 고려할 때 기공이 있는 토기에서는 본 실험 결과와 오차가 있을 것으로 예상되며 이를 토대로 향후 토기 시편을 통한 접착강도 실험을 수행할 예정이다.
- 아직 천연 접착제를 활용하기에는 합성수지 접착제에 비해 품질의 불균일성이나 편리성에서 부족한 면이 많으나 천연 접착제에 관한 연구는 천연재료를 통한 자연친화적 산업화의 지속 및 우리 고유의 전통문화산업을 계승한다는 점에서도 그 의의가 높다. 향후 생칠과 아교의 배합에 따른 면밀한 구조 분석과 시료의 품질 및 노화 특성 연구를 통해 천연접착제를 개량한다면 천연재료를 통한 친환경접착제의 실용화가 가능할 것으로 기대된다.
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