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죽 섬유의 특징과 용도
-(SEN'I GAKKAISHI Vol.65, No.1(2009)-
池田(이께다)善光/동경도립 산업기술연구센터
1. 머리말
인류가 오래전부터 이용하고 현재에도 여전히 사용하고 있는 섬유가 식물섬유이다. 식물섬유에는 면과 같이 열매에 생기는 모를 이용하는 종자섬유와 마와 같이 표피 아래에 있는 인피섬유가 대표적이다. 최근 의류용 신소재료 화제가 되고 있는 죽섬유는 보리와 볏짚, bagasse(사탕수수 잔사)와 마찬가지로 볏짚이라고 부르는 중공의 줄기에 있는 섬유를 이용하기 때문에 줄기섬유라고도 한다. 대나무는 온대와 열대 지방을 중심으로 수천 종의 있는 것으로 알려져 있으나, 섬유원료로서는 수세가 강하고 굵은 줄기를 갖는 孟宗竹(맹종죽)을 주로 이용하고 있다. 일반적인 목재자원으로는 벌채하면 재생까지 수십 년이 필요한 것에 반해 대나무는 줄기가 2~3년 만에 재생한다는 이점이 있어 성장을 마친 것부터 계획적으로 벌채하면 영속적인 자원공급이 가능해 환경 친화적인 재생 가능한 식물자원으로 큰 기대를 모으고 있다.
2. 죽섬유의 추출
면과 마는 섬유가 식물체의 특정 부위에 모여 있는 형태로 존재하기 때문에 섬유 추출은 비교적 용이하나 죽섬유는 그림 1과 같이 단섬유가 수백본이 모인 섬유속의 형태로 줄기(중공의 줄기) 전체에 분산되어 존재하기 때문에 식물체로부터 섬유만을 분리하는 것은 쉽지 않다. 그러나 표 1의 공정을 이용하면 무르고 작은 죽섬유를 추출할 수 있다. 죽섬유 추출 포인트는, 원료로서 건조시키지 않는 생 죽을 이용한다는 것, 추출 최종 공정까지 습한 상태를 유지해야 한다는 것이다.
표 1 죽섬유의 추출공정
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①관절 부위를 제외한 생 원료 죽을 적당한 크기로 가르고, 섬유를 분리할 때 장애가 되는 내, 외피를 제거한다. |
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②프레스 기에 의해 압착해 부드러운 세포조직을 파괴시킨다. |
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③2~3%의 수산화나트륨 수용액에서 2시간 비등 |
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④수세 후에 대시 프레스에서 압착해 부드러워진 세포조직을 파괴, 섬유속과의 분리를 쉽게 한다. |
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⑤수조 중에서 충분히 수세, 섬유속과 유연세포를 분리시킨다. 그대로 건조하면 섬유속이 얻어지며, 수조 하부에는 유연세포가 침전된다. |
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⑥물과 함께 믹서에서 2~3분 교반하으로서 섬유속은 단섬유로 분리한다. 이 처리에서 섬유는 짧게 절단되지는 않는다. |
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⑦이것을 성긴 금속망으로 여과함으로서 펄프상의 죽섬유가 얻어진다. 이것을 건조 후에 믹서에서 단시간 교반하면 면 상의 단섬유로 개섬된다. |
3. 섬유소재로서의 죽섬유
죽섬유 단면을 관찰해 보면, 어린 대나무에서는 섬유 중앙에 면이나 마와 같은 킨 기공(lumen)이 보인다. 대나무 본체는 외관상 수개월 만에 성장을 마치고 그 이후에는 신장생장도 비대생장도 하지 않으나, 대나무 성숙에 대해 죽섬유의 루멘 내벽에는 셀룰로오스가 침착하고 2~3년에 흔적정도로 축소한다(그림 2). 따라서 원료 죽의 성숙도 차이에 따라 얻어진 죽섬유의 형태는 크기가 다르다. 어린 죽을 원료로 하면 섬유는 큰 루멘이기 때문에 편평하고 굴곡진 형상이 되어 상호 얽혀 단단히 끼워진 하연 섬유괴(죽 펄프)가 얻어진다. 상장한 죽을 원료로 하면 섬유는 루멘이 미세하기 때문에 원형단면의 강직한 형상이 되어 섬유끼리의 얽힘이 적어 유연하고 얇은 갈색의 섬유괴가 된다 맹종죽의 성죽으로부터 얻어진 준 단섬유의 굵기는 평균 15㎛로 면섬유보다 약간 가늘어, 5~25㎛의 넓은 범위로 분포되어 있는 것이 특징이다(그림 3). 또 섬유장은 평균 2mm로 면섬유의 약 1/20밖에 되지 않아 방적사용 원료로는 적당하지 않다.
4. 죽섬유의 현미경에 의한 감별
일본 국내에서 유통되고 있는 죽섬유 관련제품은 그 원료 대부분을 해외로부터의 수입에 의존하가 있는 것이 현실로, 표시 차이가 지적되는 예도 많다. 이 때문에 죽섬유의 감별기술은 매우 중요하게 되고 있다. 감별에 도움이 되는 죽섬유의 외관적 특징으로 다음과 같은 점을 들 수 있다.
①짧은 섬유 장(평균 2mm)
②날카로운 침상의 양 끝(그림 4)
③직선형상
④섬유 중앙의 루멘(성숙하면 흔적 정도로 축소)
⑤루멘을 기점으로 하는 갈라짐 구조(그림 5)
⑥나이에 따라 볼록 형태를 갖는 원형 단면
⑦굵기가 고르지 못함. 굴곡이 심함
이러한 외관적 특징을 갖는 식물섬유는 달리 없기 때문에 현미경에 의한 외관관찰은 아주 유효한 죽섬유 감별법이 된다. 단 원료 죽이 미성숙인 경우나 추출 시에 섬유가 손상을 받은 경우에는 다른 외관을 갖기 때문에 주의할 필요가 있다.
5. 죽섬유의 적외선 분광분석에 의한 감별
죽섬유의 적외선 흡수스펙트럼은 그림 6과 같다. 셀 룰로오스를 주성분으로 하는 식물섬유의 스펙트럼은 모두 근사값을 보이나, 1740, 1600, 1505, 1460, 1250 부근의 흡수 스펙트럼을 비교하는 것으로, 레이온, 면, 목재펄프, 아마, 저마, 마닐라 마, 사이잘마, 케나프, 바나나 등의 식물섬유와 죽섬유를 구분할 수 있다. 모두 불순물을 포함하는 천연섬유로, 추출 방법과 정제도에 따라 스펙트럼이 변화할 가능성도 고려되고 있으나, 현미경에 의한 감별을 보조하면 유효한 감별수단이 될 수 있다.
6. 의료용 소재로서의 죽섬유
6.1 죽섬유의 자외선 흡수성능
죽섬유는 그 원료죽의 성숙도에 따라 다소 차가 있으 나 모두 자외선 영역(280~ 400nm)의 광을 흡수한다는 특징을 갖고 있다(그림 7). 이들 죽 펄프를 원료로 한 죽 레이온에도 공통의 성질이 있다. 또 자외선을 흡수해 약한 형광을 발하기 때문에 블랙라이트 조사 시의 형광 유무를 확인하는 것도 간단한 죽섬유 및 죽 레이온의 감별 방법이 된다.
6.2 죽섬유의 항균성
시판되고 있는 죽 레이온을 소재로 한 제품 대부분에 항균성이 나타나는 것으로 알려져 있다. 그런데 죽 레이온의 원료인 죽섬유(죽 펄프)에 대해 조사한 결과 정균 활성값은 -0.2로 항균성은 나타나지 않았다. 시판되고 있는 죽 레이온을 조사해 보면, 제조공정에서 사용한 약품에 의한 것으로 추정되는 유황성분이 확인되었다. 이처럼 대나무의 본래 성분 이외의 것이 갖는 항균성의 원인물질에 의할 가능성도 있다는 점에 주의를 기울일 필요가 있다.
6.3 죽섬유의 품질표시
대나무를 원료로 한 섬유에는 죽섬유를 비스코스 법으로 용해한 후 재생섬유화 한 죽 레이온과 대나무의 섬유를 용해하지 않고 줄기로부터 그대로 추출한 개섬죽섬유가 있다. 품질표시법상 전자는 레이온으로 죽섬유라고 표기할 수 없으나, 시판 제품 중에는 죽섬유라고 표시해 판매하고 있는 예와 헛갈리게 표시해 판매하고 있는 예가 다수 목격되고 있다. 또 현재 기술로서는 그 원료가 되는 식물을 특정할 수는 없으나, 앞서 언급한 바와 같이 죽 레이온에는 자외선 흡수능과 블랙라이트 조사 하에서 발하는 형광, 유황분의 존재 등의 특징이 보여 판단을 쉽게 할 수 있다.
대나무로부터 비스코스를 통하지 않고 직접 추출한 개섬죽섬유에 대해서는 지정 외 섬유(죽섬유)로 표시할 수 있기 때문에 최근 많은 화제가 되고 있다. 그런데, 죽 단섬유는 2mm 정도로 길이가 그다지 크지 않기 때문에 단섬유 까지 개섬한 것으로는 너무 짧아 방적할 수 없다. 또 죽단섬유가 수백본 다발로 집합한 섬유속으로는 굵고 딱딱해 의류용으로는 부적합하다. 다시 말하면 개섬 죽섬유를 의류용으로 이용하기 위해서는 섬유의 굵기를 제어한다는 매우 어려운 과제를 극복하지 않으면 안 된다. 이런 현상에 따라 지정외 섬유(죽섬유)로 표시되어 판매하고 있는 섬유제품에 대해서는 최근 신중한 섬유감별을 행할 필요가 있지 않을까.
7. 죽섬유의 용도개발
7.1 죽섬유와 열가소성 수지와의 복합화
죽섬유는 강도가 크고, 다른 식물섬유에는 볼 수 없는 직 선형상으로, 섬유장은 짧으나 aspect 비(섬유의 길이와 직경의 비)는 100을 넘는다는 특징을 갖고 있다. 이 특징을 FRP(섬유강화 플라스틱)의 섬유재료로 활용할 수 있지 않을까 시험해 보았다. 열가소성 수지와의 복합화에 있어서는, 수지의 융점 이상의 내열성이 요구된다. 불순물을 함유하는 죽섬유로는 160℃에서부터 열감량이 시작되나, 불순물을 제거한 죽섬유의 내열성은 면과 거의 동일한 240℃로 생각되어, 폴리유산수지(PLA), 폴리프로필렌 수지 등의 열가소성 수지와의 복합화에는 문제가 없는 내열성을 갖고 있다고 생각된다. 그림 8은 죽섬유를 첨가한 PLA 수지를 2축 압출기에서 혼련해 제조한 pellet을 현미경 관찰한 것이다. 섬유는 수지중에 양호하게 분산되어 있으나, 섬유장은 평균 0.15mm로 원료로 사용한 죽섬유의 약 1/10 이하까지 짧아져, 죽섬유의 특징인 양 끝이 테이퍼 상의 부위도 보이지 않는다. 이는 수지와의 혼련공정에서 섬유의 절단이 일어났기 때문으로 생각된다.
7.2 죽섬유와 불포화 폴리에스터 수지와의 복합화
열가소성 수지와의 복합화에서는 죽섬유에 절단이 생겼다. 여기서 혼련공정을 필요하지 않는 불포화 폴리에스터 수지(UP 수지)와 복합화해 보았다. 복합화는 부직포(지)로 한 죽섬유를 경화제첨가의 UP 수지로 함침하고 이것을 적층하는 방법으로 행하였다. 그림 9와 같이 수지중의 죽섬유에는 섬유장의 저하는 보이지 않고, 수지 중에서 직선형상으로 배치되어 있어, FRP용 수지에서는 얻을 수 없는 형상이 되었다. 또 복합화수지에는 인장강도(그림 10)와 굴곡응력(그림 11)의 증가가 확인되었다.
7.3 죽섬유속과 불포화 폴리에스터 수지와의 복합화
이어 죽섬유속과 UP 수지와의 복합화를 검토 해 보았다. 죽섬유속을 길이방향으로 정렬한 후 UP 수지를 흘러 들여보내 두께 2mm의 판상으로 성형하였다. 유리섬유는 부직포 상의 것을 사용 죽섬유속과 동일한 판상으로 하였다. 죽섬유속은 한 방향, 유리섬유는 랜덤한 多방향으로 서로 다르기 때문에 일율적으로 비교할 수 없으나, 그림 12에서 보듯이 복합소재의 굴곡응력은 죽섬유속 첨가량에 비례해 증가하고 있다. 죽섬유속은 굵고 딱딱하기 때문에 죽 단섬유와 유리섬유와 같이 간단히 부직포 상으로 성형하는 것은 곤란하나, 성능적으로는 유리섬유 대체소재로 기대할 수 있을 것으로 보인다.
7.4 죽섬유를 이용한 FRP 소재의 내수성
죽섬유(단섬유, 섬유속)과 복합화 한 UP 수지소재의 내구성에 대해 검토해 보았다. 논이온계 계면활성제를 0.5% 첨가한 60℃의 수중에 5시간 방치 후 건조하면 FRP 표층부의 섬유에 백화가 확인되었다. 이것은 수지표면에 노출된 섬유로부터 침투된 수분에 의해 섬유의 팽윤이 생기고, 섬유와 수지와의 접착면에 격리를 발생시킨 것이다. 섬유속을 이용한 것에서는 섬유표면에 부드러운 세포가 부착되어 있는 곳에서 백화가 현저히 일어났다. 이것은 중공의 유연세포를 통해 수지 내부까지 빠르게 침투한 수분이 이동했기 때문으로 생각된다. 이 결과로부터 물에 젖는 용도에 사용하는 경우는 섬유가 수지표면에 노출되지 않도록 하지 않으면 안 된다.
8. 끝으로
대나무는 미사용 자원으로 국내에도 풍부하게 존재하고 있고, 해외로부터의 수입에 비해 벌채, 수송에 걸리는 에너지도 적기 때문에 환경 친화적 소재로 유망한 소재이다. 그런데 섬유원료로 볼 경우 항균성을 시작으로 대나무에 대한 우리들이 알고 있는 좋은 이미지에 선행해서 죽섬유 본래의 성질을 간과해서는 안 된다. 이에 따라 시장에 출시된 죽섬유 상품도 다시 한 번 확실히 재검토 해 둘 필요가 있지 않을까.
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