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-Discoloration and Strength Reduction of plant fiber by heat degradation-
1. 서언
산업혁명 이후의 사회에 있어서의 자원이 대량소비와 화석자원 의존의 증가로 자원고갈과 지구온난화로 인한 사회문제화가 생겨났다. 이러한 문제에의 대응책 중 하나로 재생 가능한, 화석지원 대체 자원으로서의 바이오매스(현생 생물체 구성물 자원유래 자원)의 이용에 관점을 두려는 시도가 점차 증가하고 있다. 그 중에서도 셀룰로오스는 주로 식물에 의해 지구상에서 가장 다량으로 생산되고 있는 다당류 고분자로, carbon neutral 성, 생분해성을 겸비한, 우리 생활에 밀착되어 있는 기본적인 소재이다. 섬유상의 식물 셀룰로오스는 목재, 면, 마 등으로부터 널리 얻어져, 종이, 의류제품, 단열재, 차음재, 복합재료의 강화재, 전기절연재 등 다양한 용도로 널리 사용되고 있다[1-8].
그러나 셀룰로오스와 같은 고분자 재료는 광, 열, 흡기, 기후, 화학약품, 미생물 활동 등의 외적인 요인에 따라 물리적, 화학적 성질이 변화를 일으키기 쉬워, 많은 경우 외관이 변화하고 변색하며, 성능저하 등의 열화(劣化)가 일어난다[9-13]. 고분자 재료의 안정적인 이용을 고려해, 열화의 원인과 거동에 대해 상세한 조사가 필요해, 지금까지 화학약품, 미생물에 의한 분자량 저하나 광산화에 의한 변색 등 고분자재료의 열화에 대해 많은 연구가 진행되고 있다[14-16]. 특히 고분자의 열에 의한 특성저하에 관한 연구에서는 강도변화, 분자구조의 변화, 함유 원소량 변화 등으로부터 특성저하 현상을 분석한 연구가 있다[17-19]. 또 변색에 관해서는, 열 열화에 의한 화학주고의 관계에 관한 연구가 몇 개 보고되어 있다[20, 21]. 여기서 열에 의한 특성 변화로 강도변화와 변색이 일어나는 것으로부터 이들 특성은 상호 관련되어 있을 가능성이 높다. 셀룰로오스 섬유에 한정하면, 열 부하를 부여함으로써 셀룰로오스 섬유의 결정영역과 비 결정 영역의 변성과 고분자의 분해에 의한 탈수, 가스 방출, 타르 상 물질 생성, 탄화로 이어지는 등의 변화가 연속적으로 진행되어, 그에 따라 섬유의 강도는 저하해 간다[22-24]. 또 이상의 과정에서 고분자의 일차구조가 변화할 때 소분자의 탈리반응에 따르는 고분자 골격 중에 공역 2중 결합이 생성되어 가시광 영역의 에너지를 흡수하게 됨으로써, 결과적으로 셀룰로오스의 변색이 발생한다. 이처럼 셀룰로오스의 열 변화에 이한 강도저하와 변색은 동일한 원인에서 유리하기 때문에 이 두 가지에는 높은 상관성이 있을 것으로 생각된다. 그러나 셀룰로오스의 열 변화에 의한 강도변화와 변색의 관계에 대해 상세하게 검토한 연구는 보이지 않는다. 이 두 가지 요인의 상관성관계를 밝히고 열 변화에 의한 변색의 정도로부터 재료 강도가 어느 정도 저하하고 있는가를 판단할 수 있다면, 예를 들면, 셀룰로오스 섬유 강화복합재료의 성형가공 공정 중의 제품의 강도관리, 재료의 물성평가와 셀룰로오스 제품의 수명추측의 일환으로 이용할 수 있다는 것을 생각할 수 있다.
여기서 본 연구에서는, 셀룰로오스 섬유에 열 부하를 부여할 경우의 강도변화와 변색에 대해 고찰함으로써 양 자의 관계에 대해 밝히는 것을 목적으로 하였다. 셀룰로오스 섬유로서는, 일반적으로 널리 이용하고 있는 섬유소재인 cotton과 저마(ramie), 케나프를 시료로 이용, 이들에 열 부하를 부하한 경우의 물성을 평가하였다. 열 부하로서는 가열시간과 가열온도를 변화시켜 섬유의 변색과 단섬유의 인장강도 변화를 조사함으로써 변색과 인장강도의 상관관계를 고찰하였다.
2. 실험방법
2.1 사용재료와 가열방법
섬유의 조성과 그 성분비는 열 부하에 의한 강도변화 및 변색에 크게 영향을 미치는 것으로 생각된다. 여기 본 연구에서는 천연식물섬유 중에서 셀룰로오스 함유율이 극히 높은 섬유로 cotton(Gossypium hirsutum L.)의 면화섬유를, 또 천연섬유의 착색성분으로 리그닌 함유율이 다른 그 외의 성분함유율이 동일한 정도의 ramie(Boehmeria nivea var. candicans) 및 Kenaf(Hibiscus cannabinus)의 인피섬유를 사용하였다. 이번에 사용한 각 섬유의 평균 섬유 장 및 평균 섬유경은 cotton은 27.1mm 및 19.5㎛, ramie의 경우에는 45.5mm 및 48.5㎛, kenaf 섬유는 43.0, 및 41.2㎛ 이었다.
열 부하로서는 각종 섬유를 온도 25~240℃, 시간 0~120분으로 가열해 열 부하를 부여한 후의 강도변화와 변색의 정도를 조사하였다.
2.2 사용섬유의 성분분석
식물섬유는 품종과 산지, 육성조건, 식물 중의 채취 부위 등에 따라 조성과 구조 등이 다르다. Cotton, ramie, kenaf의 주성분은 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌으로, 이들이 90% 이상을 점하고 있다. 그 외에는 무기성분(회분), 함 질소화합물(단백질 등), 지방족 화합물(지질) 등이 함유되어 있다. 본 연구에서는 각 섬유의 조성이 열 열화에 미치는 영향을 고려하기 위해 사전에 사용대상의 섬유조성을 조사하였다. 즉 셀룰로오스, 헤미 셀룰로오스, 리그닌을 Van Soest 법, 지질을 soxhlet 추출법, 단백질의 함유율을 Kjedahl법에 의해 각기 측정하였다.
2.3 주사형 전자현미경(SEM)에 의한 표면관찰
열 부하를 부여하기 전 후의 cotton, ramie, kenaf 섬유의 외관 상태를 조사하였다. 각 섬유의 표면 상태를 SEM으로 관찰하였다. SEM용 시료는 ion coater (E-1010 히다찌)를 이용해 증착전류 20mA로 5분간 금 증착하였다. SEM의 관찰에는 S-3000(히다찌제작소)를 이용해 가속전압 25kV, 작동거리 26.5mm로 측정하였다.
2.4 단섬유의 인장시험
Cotton, ramie, kenaf 섬유에 대해 각 조건에서 열 부하를 부여, 실온에 방치한 후 단섬유의 인장시험을 행해 섬유의 열 부하에 의한 강도변화를 평가하였다.
즉 JIS L 1069(천연섬유의 인장강도 시험방법)[25]에 준해, 탁상형 정밀 만능시험기(AGS-J, 島津제작소)를 이용해 단섬유의 인장시험을 행하였다. 섬유시료는 길이 20mm, 폭 5mm로 자른 두꺼운 종이 판 중앙에 길이 20mm의 시로 1 본을 충분히 당긴 상태로 양 끝을 접착제로 고정하였다. 또 시험 전에 마이크로스코프(VHX-100, 키-엔스)를 이용해 섬유 경을 측정하였다. 다음에 시험기의 치구에 종이 판 마다 10mm 간격으로 고정한 후 종이 판 중앙 부분을 잘라 인장시험 속도 20mm/min으로 파단 할 때까지의 하중 변화를 기록하였다.
2.5 변색평가시험
열 부하 전후의 셀룰로오스 섬유의 변색 정도를 다음 방법에 의해 측정하였다.
일본 공업 분야에서의 색채관리에 있어서의 색차 측정에는 L*a*b* 표색계가 널리 이용되고 있다. 그에 따르면, L*, a*, b*는 각기(L1, a1, b1)과 (L2, a2, b2)인 색에 대해 두 색 간의 색차는 다음의 식으로 계산하는 색차 값 ΔE에 의해 나타내고 있다.
ΔE =.jpg) ………… (1)
본 연구에서는 JIS L 8729[26]에 준해 분광 측정계(CM-3600d, 코니카미놀타)를 사용해 시료의 L*a*b* 값을 측정하였다. 즉 열 부하 전후의 cotton, ramie, kenaf 섬유에 대해 실온에서 분광측색계로 측색, 열 부하 전의 각 섬유의 색을 기준으로 열 부하 후의 차색 ΔE를 산출하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 성분분석
각 섬유의 조성을 조사한 결과는 Table 1과 같다. 표에서 알 수 있는 바와 같이, cotton은 셀룰로오스 함유율이 91.1%로 높고, 헤미 셀룰로오스와 리그닌 함유율은 총 1wt% 이하이다. Ramie와 kenaf에서는 셀룰로오스 함유율이 약 69%, 헤미 셀룰로오스 함유율이 약 16%로 거의 동량이나, 리그닌 함유율은 ramie가 4.5%인 것에 반해 kenaf 섬유는 3.8%로 조금 낮았다. 한편 단백질에 대해서는, kenaf 섬유는 cotton 및 ramie에 비해 약 2배의 함유율을 나타냈다. 본 연구 목적인 섬유의 열 부하에 의한 강도변화 및 변색을 고려한 후에 이들 성분의 열에 대한 특성의 차이를 명확히 할 필요가 있다. 즉 셀룰로오스는 다수의 β-글루코오스 분자가 글리코사이드 결합으로 직쇄 상으로 중합된 천연고분자로, 이번에 이용한 섬유에 있어서는 함유성분의 대부분을 점하고 있어 재료 강도를 유지하는 주체가 된다고 생각된다. 또 가시 광 영역에서 보이는 흡수 피크가 없기 때문에 무채색이나, 가열에 의해 변성해 공역 이중결합이 생성되면 가시 광을 흡수하게 되어 변색이 일어난다.
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헤미 셀룰로오스는 세포벽 구성 다당류 중 셀룰로오스 이 외의 성분의 총칭으로 수종의 당으로 구성되어 있어, 식물섬유 중에서는 셀룰로오스와 리그닌을 결합하는 역할을 담당하고 있다. 헤미 셀룰로오스는 가열하면 분자구조의 변화가 일어나 소재의 강도저하를 일으킨다[27]. 또 헤미 셀룰로오스는 셀룰로오스와 마찬가지로 대부분 무채색이나, 이 역시 셀룰로오스와 마찬가지로 열을 가하면 변색한다.
리그닌은 페놀성 고분자화합물로 복잡한 3차원 망목구조를 갖고 있다. 식물 중에서는 셀룰로오스와 헤미 셀룰로오스에 결합되어 있어 세포를 고정하는 접착제로 거동하고 있다. 리그닌은 본래 백색에서 옅은 황색이나 리그닌 중에는 페놀성 수산기, 카르복실기, 이중결합 등이 존재해 이것들의 각종 조합으로 잠재적 발색단을 구성하고 있다[28]. 가열하면 페놀기 성분이 공기 중의 산소와 반응해 열분해를 일으켜 변색한다.
단백질은 아미노산이 쇄 상으로 중합한 고분자화합물로 가열하면 쉽게 열분해해 변색하는 것 외에, 환원당과 함께 maillard 반응을 일으켜 갈색물질(melanoidine)을 생성한다.
지질은 공기 중의 산소에 의해 산화반응이 진행되어 hydroperoxide 등의 과산화물질과 공역 diene-hydroperoxide가 생성된다. 또 약 180℃ 이상에서는 과산화물의 생성 및 분해반응이 빠르게 진행되어 분해생성물인 카르보닐 화합물과 카르본산이 생성되어 변색한다[29].
이처럼 각 성분에서 강도 및 변색에의 영향을 주기 때문에 성분비율이 다른 3 종의 천연섬유의 열부하에 의한 물성변화도 달리 측정된다. 즉 cotton는 셀룰로오스의 함유율이 높고 리그닌을 거의 함유하고 있지 않기 때문에 셀룰로오스 성분의 열 부하에 대한 특성이 강하게 나타나는 반면, ramie와 kenaf섬유에서는 리그닌 이외의 조성성분의 함유율이 거의 동일하기 때문에 열 부하에 의한 리그닌 함유율의 영향을 검토해야한다고 생각된다.
3.2 SEM에 의한 표면관찰
Fig.1에 열 부하를 부여하기 전 및 가열온도 240℃, 가열시간 15분간 열 부하를 부여한 후의 cotton, ramie, kenaf 섬유의 각 표면 SEM 사진을 나타내었다. 그림으로부터 알 수 있는 바와 같이 각 섬유에 있어서 가열 전 후의 섬유의 표면상태에는 변화가 거의 없다. 이 결과는 본 연구에 있어서의 모든 가열온도, 가열시간에 대해 동일하였다. 이것으로 이번의 열 부하 조건의 범위에서는 가열에 의한 섬유의 물성변화가 일어날 경우 그 요인은 섬유 내부의 마이크로 수준에서의 구조변화에 의한 것으로 생각된다.
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3.3 열 부하에 의한 섬유의 강도변화
Fig.2은 cotton, ramie, kenaf 섬유에 대해 가열시간 15분, 가열온도 25~240℃로 열 부하를 부여한 후에 실온까지 식힌 시료의 가열온도와 인장강도의 관계를 나타낸 것이다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이, 3 종 섬유의 열 부하를 부여하기 전의 강도는 달라 높은 순으로 ramie>kenaf>cotton이 된다. 이처럼 강도가 다른 이유는, 각각의 섬유의 성분과 구조가 다르기 때문이라고 생각된다. 식물섬유에 있어서의 리그닌은 셀룰로오스 등의 성분을 접착시키는 효과를 나타내기 때문에 일정한 리그닌 함유율까지는 함유율이 높을수록 섬유의 강도는 향상하는 것으로 알려져 있다[30]. 이것이 리그닌을 거의 포함하지 않는 cotton이 ramie와 kenaf에 비해 강도가 낮은 원인 중 하나라고 생각된다. 또 ramie 섬유는 고도로 발달한 미세구조를 갖고 있어서 cotton과 kenaf에 비해 중합도와 결정화도, 섬유배향도가 높기 때문에 강도 또한 높아지는 것으로 생각할 수 있다[31].
3 종 섬유의 열 부하에 의한 강도에의 영향을 보면, 모든 섬유에서 가열온도가 높을수록, 또 가열 시간이 길수록 인장강도는 저하한다. Fig.2로부터 강도저하는 가열온도 약 160℃까지는 완만하게 나타난 것에 반해 180℃ 이상에서는 현저하게 나타나고 있다.
본 연구의 온도범위에서는, 셀룰로오스 결정영역의 변성에 따르는 배향성의 저하와 수소결합의 절단, 분자 내 탈수에 의한 강도저하현상으로 생각할 수 있으나, 가열온도 약 180℃ 이상에서는 특히 분자 내 탈수반응이 격하게 일어나 강도저하가 현저하게 나타나는 것으로 생각된다. 여기서 Fig.3은 3 종 섬유에 대한 가열온도를, 강도저하가 현저하게 나타나는 180℃에서 가열시간을 0~120분으로 한 시료의 가열시간과 인장강도와의 관계를 나타낸 것이다. Fig.3에서, 가열온도 180℃에서는 가열시간의 증가에 따라 강도는 지수 관수적으로 저하함을 알 수 있다. 이는 180℃에 있어서의 셀룰로오스의 열분해반응이 1차 반응이라는 것을 의미한다. 또 그림에서 알 수 있는 바와 같이, 3종의 섬유에 있어서의 강도의 고저 순위는 동일한 조건의 열 부하에서는 변화가 없다는 것을 알 수 있다.
여기에서 열 부하가 각기 섬유 강도의 변화비율에 미치는 영향을 검토하기 위해 다음의 식(2)으로 정의하는 강도보존율을 검토하였다.
강도 보존 율(%) = 열부하를 부여한 후의 강도/열부하를 부여하기 전의 강도 x 10 ……… (2)
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Fig.4 및 Fig.5은 각각의 가열온도와 가열시간, 강도 보존율의 관계를 나타낸 것이다. 두 그림에서 알 수 있는 바와 같이, 3종의 섬유에서는 가열온도와 가열시간에 대한 강도 보존 율은 거의 동일한 경향을 나타냄을 알 수 있다. 모든 섬유에서 셀룰로오스, 헤미 셀룰로오스, 리그닌의 3가지 성분에서 89% 이상을 점하고 있고, 주로 이들 성분이 재료의 강도를 담당한다고 생각되나, 이번 연구 결과로부터는 3가지 성분 간의 함유율의 차이와 섬유 중의 미세구조의 차이는 열 부하에 의한 강도 보존 율에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 볼 수 있다.
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3.4 각 열 부하 조건에 대한 변색에 대하여
Fig.6에 3 종의 셀룰로오스 섬유에 대해 25~240℃에서 15분 동안 가열했을 대의 색차에 대한 가열온도와 가열 전후와의 관계를 나타낸 것이다. 또 Fig.7은 3종의 섬유를 온도 180℃, 시간 0~120분으로 가열했을 대의 가열시간과 가열 전 후의 섬유의 색차와의 관계를 나타낸 것이다. 두 그림으로부터 알 수 있는 바와 같이, 가열온도가 높고, 가열시간이 길수록 각 섬유의 색차는 커지게 된다. Fig.6 및 7에서는 열 부하 전의 각 섬유의 색차를 기준으로 열 부하 후의 색차 ΔE를 산출하고 있으나, 상기의 경향은 표준 백색판 등의 색에 대한 색차에서도 동일하였다.
이러한 색차 변화를 나타내는 이유로서는, 모든 섬유에 있어서, 3.1 절에 기술한 바와 같이, 섬유의 각 성분이 열 부하에 의해 변성함으로써 색차가 발생하기 때문으로 생각된다. 또 각 열 부하 조건에 있어서의 ramie 및 kenaf에 비해 cotton에서는 가열 전후의 색차가 특히 크다는 것을 알 수 있다. Cotton이 성분에 있어서 다른 2종 섬유와 크게 다른 점으로 헤미 셀룰로오스 및 리그닌 함유율이 극히 낮고 셀룰로오스의 함유율이 높다는 것이다.
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3.1 절에서 기술한 바와 같이 셀룰로오스와 헤미 셀룰로오스 모두 다당류 고분자로 열 부하에 의한 변색거동은 유사하다고 생각된다는 점을 고려하면, 식물섬유에 있어서는 리그닌이 아닌 셀룰로오스 및 헤미 셀룰로오스의 함유율이 높을수록 열 부하에 의한 색차가 크게 일어난다고 생각할 수 있다. 일반적으로 식물재료의 열분해에 있어서는 헤미 셀룰로오스, 셀룰로오스, 리그닌의 순으로 반응이 진행된다[32]. 또 셀룰로오스와 헤미 셀룰로오스는 고분자 중의 환원성 말단기가 빠르게 반응해 착색물질을 생성한다[33]. 이 때문에 동일한 열 부하에 대해서는 셀룰로오스 및 헤미 셀룰로오스 쪽이 리그닌보다 변색이 쉬워 상기와 같은 관계가 된다고 생각된다. 한편 table 1에서는 단백질 함유율이 높은 순으로 kenaf>cotton>ramie가 되어 섬유 종에 따른 색차의 크기 경향과는 일치하지 않는다. 또 지질의 함유율이 높은 순으로 ramie>kenaf>cotton이나 ramie와 kenaf의 함유율 차는 0.6 포인트인 것에 반해 kenaf와 cotton의 함유율 차이는 0.2 포인트로 작아, ramie와 kenaf가 가까운 색차를 나타내고 cotton이 보다 큰 색차를 나타낸다는 것에 관련성은 낮은 것으로 생각된다. 단백질 및 지질은 많은 화합물의 총칭이기 때문에, 섬유 종마다 상세한 조성을 검토하지 않고는 단언할 수 없으나, 단백질 및 지질이 열 부하에 의한 변색에 미치는 영향은 적은 것으로 생각된다.
다음에, 변색에 대해 보다 상세한 분석을 위해 명도와 채도로 나누어 검토하였다. Fig8(a). (b)는 각기 가열온도 및 가열시간과 명도의 관계를 나타낸 것이다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이 열 부하를 부여함으로써 모든 섬유에서 명도는 저하한다. 또 모든 열 부하 조건에 있어서도 cotton은 ramie 및 kenaf에 비해 명도가 높다. 이어 Fig9(a), (b)는 각기 가열온도 및 가열시간과 채도의 관계를 나타낸 것이다. 그림으로부터는 열 부하를 받음에 따라 모든 섬유에서 채도가 상승한다는 것을 알 수 있다. 열 부하를 주기 전에는 ramie>kenaf>cotton의 순으로 채도가 높으나, 열 부하를 받음에 따라 그 순서는 바뀐다. 그러나 열 부하가 높아짐에 따라 섬유 종 간 채도의 차이는 작아진다. 이로써 Fig.6과 fig.7에 보인 바와 같이 셀룰로오스 함유율이 높은 cotton 쪽이 리그닌 함유율이 높은 다른 2종의 섬유보다 열 부하에 의한 변색이 크지 않다는 결과가 되었다고 생각된다.
명도 및 채도는 약 180℃ 이상에서 변화량이 커지나, 이것은 상기에 기술한 강도변화와 마찬가지로 180℃ 이상에서는 분자 내 탈수반응이 격하게 일어나기 때문으로 생각된다.
3.5 열 부하에 의한 강도변화와 변색관계
섬유에 열 부하를 줄 경우의 강도변화와 색차의 상관관계를 검토하기 위해 fig.10에 가열온도 25~240℃ 및 가열시간 0~120분의 범위에 있어서의 열 부하 전후의 섬유의 색차와 열 부하에 의한 강도 보존율의 관계를 나타내었다.
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그림에서 알 수 있는 바와 같이, Cotton에서는 색차가 약 20 이하, ramie 및 kenaf에서는 색차가 약 10 이하의 영역에서는 강도 보존 율은 색차의 증가에 때해 거의 직선적으로 감소한다. 이것은 열 부하가 낮고 색차가 작을 경우 섬유의 열 부하에 의한 강도변화와 변색은 모든 섬유가 열 열화 할 때에 생기는 결정변성과 탈수로부터의 분자구조 변화에 유래하기 때문으로, 분자구조 변화의 강도 및 변색에 미치는 기여율이 동일한 정도이기 때문으로 생각된다. 떠 cotton에 있어서는 ramie 및 kenaf에 비해 직선 기울기가 완만하고, 동일한 색차에서는 강도가 보다 많이 유지된다는 것을 알 수 있다. 여기서 3종 섬유성분의 비교에서, 리그닌 함유율이 클수록 직선 기울기가 급한 것으로 생각된다.
한편 fig.6과 fig.7로부터 가열온도 200℃, 가열시간 60분의 열 부하를 주면 cotton은 색차가 약 20이 되고, 강도 보존 율은 약 30%까지 저하한다. 또 ramie 및 kenaf는 동일한 열 부하에서 색차가 10이 되고, 강도 보존 율은 약 30%가지 저하한다. 그 이상의 색차를 나타내는 영역에서는 강도 보존율과 색차의 상관관계가 보이지 않는다. 이것은 열 부하가 커지면 가스 방출, 타르 상 물질 생성, 탄화 등의 열 열화현상이 주로 나타나기 때문으로 생각된다. 일반적으로 셀룰로오스를 공업제품의 재료로 사용할 경우 강도 보존 율이 30% 이하까지 열화 한 상태에서는 이용에 적합하지 않을 것으로 생각된다. 따라서 이상의 결과로부터 실용 영역에서는 섬유의 열 열화에 있어서의 섬유의 강도변화의 평가지수가 되어야 할 것으로 생각된다.
또 본 연구에서는 건조 상태에서의 식물섬유의 열 열화에 대해 검토하고 있으나, 가열조건 하에 있어서는 셀룰로오스의 가수분해 반응이 일어나기 때문에 수분의 유무는 반응 기구에 크게 영향을 줄 것으로 생각된다[32]. 따라서 이번에 제시한 관계는 건조 상태에 한정한 것으로 생각된다. 또한 식물섬유는 광과 화학약품, 미생물 활동 등에 따라서도 변색하나, 화학약품과 미생물 반응에 있어서는 다양한 조건이 있어 반응 메커니즘도 다양하기 때문에 일반적인 관계를 나타내기에는 어렵다고 생각된다.
한편 광 열화는 열 열화와 마찬가지로 높은 에너지에 의해 일어나는 화학반응으로 셀룰로오스 고분자 구조변화가 일어나 강도저하와 변색을 일으키기 때문에, 열 열화의 경우와 마찬가지로 강도저하와 변색이 무언가의 상관성을 갖고 있을 가능성이 있다. 그러나 광과 열에서는 양자적인 기려 메커니즘이 달라, 고분자 중의 활성화되기 쉬운 부위도 다르기 때문에 고분자 중에 활성화되기 쉬운 부위도 다르기 때문에 이번에 얻어진 관계를 그대로 적용할 수 있기에는 한계가 있어, 향후 실험에 의한 검증이 요구되고 있다.
4. 결론
본 연구에서는 cotton, ramie, kenaf라는 3종의 식물섬유에 대해 가열온도 25~240℃, 가열시간 0~120 분의 열 부하를 부여한 경우의 강도변화 및 변색에 대해 검토하였다.
단섬유의 인장섬유의 결과로부터 3종 섬유도 가열온도가 높고, 또 가열시간이 길수록 강도가 저하한다는 것을 알았다. 또 강도 보존 율로 비교하면 각 섬유는 같은 열 부하 조건에서는 거의 동일한 강도 보존 율을 나타낸다는 것이 밝혀졌다.
변색 평가시험 결과로부터는, 모든 섬유에서 가열온도가 높고 또 가열시간이 길수록 열 부하를 주기 전과의 색차가 커진다는 점을 알 수 있었다. 또 cotton은 ramie 및 kenaf에 비해 열 부하에 의한 색차가 커진다는 것도 밝혀졌다.
또한 3종 섬유에 대한 열 부하를 줄 때의 강도변화와 변색의 상관을 검토한 결과, 가열에 의해 색차가 클수록 강도는 저하하는 것으로 나타났다. 특히 cotton은 색차가 약 20 이하, ramie 및 kenaf에서는 색차가 약 10 이하의 범위에 있어서는 섬유 종마다 색차와 강도 보존 율이 직선관계로 대응한다는 사실이 밝혀졌다. 또 이상의 결과로부터 식물섬유에 열 부하를 줄 경우 강도 보존율이 크고 실용적인 범위에 들기 위해서는 색차를 강도변화의 평가지수에 포함시켜야 한다는 점도 확인할 수 있었다.
[참고문헌]
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출처 : 일본 섬유공학회지(SEN'I KAKKAISHI) Vol.70, No.5(2014)/井野晴洋(이노 하루히로) 외 2인
- 손성군 통섭섬유 연구소
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