본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 뽕나무 내피에 과산화수소, 황산나트륨과 과황산나트륨 혼합물, 규산나트륨 또는 규산나트륨과 과산화수소 혼합물 중에서 선택되는 적어도 하나 또는 그 이상의 물질을 가하여 뽕나무 내피를 섬유화 및 표백하는 단계; 및 상기 섬유화된 뽕나무 내피를 분섬하는 단계;를 포함하여 구성되는 뽕나무 내피의 섬유화 및 이를 포함하는 실크종이를 제조하는 방법을 제공한다.
여기서, 상기 과산화수소의 농도는 2 vol% 이하이며, 상기 황산나트륨과 과황산나트륨 혼합물의 농도는 각각 황산나트륨 1 중량%이하와 과황산나트륨 2 중량%이하로 하여 혼합하였고, 상기 규산나트륨의 농도는 2 중량% 이하이며, 상기 규산나트륨과 과산화수소 혼합물의 농도는 각각 규산나트륨 1 중량% 이하와 과산화수소 1.5 vol%이하로 하여 혼합하는 것 바람직하다.
또한, 상기 뽕나무 내피를 섬유화하는 단계는, 70 ~ 100℃의 온도범위에서 30 ~ 120분간 이루어지며, 욕비는 1:50 ~ 1:150의 비율의 범위내인 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 뽕나무 내피에 과산화수소, 황산나트륨과 과황산나트륨 혼합물, 규산나트륨 또는 규산나트륨과 과산화수소 혼합물 중에서 선택되는 적어도 하나 또는 그 이상의 물질을 가하여 뽕나무 내피를 표백하는 동시에 약화시키는 단계와; 상기 섬유화된 뽕나무 내피를 분섬하는 단계; 및 상기 분섬된 뽕나무 내피에 실크 단섬유를 혼합하고, 건조하는 단계;를 포함하여 구성되는 뽕나무 섬유가 함유된 실크 종이의 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 과산화수소의 농도는 2 vol% 이하이며, 상기 황산나트륨과 과황산나트륨 혼합물의 농도는 각각 황산나트륨 1 중량%이하와 과황산나트륨 2 중량%이하로 하여 혼합하였고, 상기 규산나트륨의 농도는 2 중량% 이하이며, 상기 규산나트륨과 과산화수소 혼합물의 농도는 각각 규산나트륨 1 중량% 이하와 과산화수소 1.5 vol%이하로 하여 혼합하는 것 바람직하다.
또한, 상기 뽕나무 내피를 섬유화하는 단계는, 70 ~ 100℃의 온도범위에서 30 ~ 120분간 이루어지며, 욕비는 1:50 ~ 1:150의 비율의 범위내인 것이 바람직하다.
또한, 상기 실크 단섬유는 수산화나트륨과 탄산나트륨의 혼합용액으로 피브릴화하여 제조되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 수산화나트륨은 0.2 ~ 2 vol%의 농도이고, 탄산나트륨은 2 ~ 5 vol%의 농도인 것이 바람직하다.
또한, 상기 피브릴화하는 단계는 70 ~ 100℃의 온도범위에서 20 ~ 80분간 행해지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 분섬된 뽕나무 내피와 실크 단섬유의 혼합비는 1:1 ~ 5:1의 범위인 것이 바람직하다.
또한, 상기 피브릴화하는 단계 이후, 0.5 ~ 3 vol% 농도의 아세트산으로 중화하여 수세하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 뽕나무 섬유와 실크 단섬유를 1:1 ~ 5:1의 비율로 함유하고 있는 뽕나무 섬유가 함유된 실크 종이를 제공한다.
이하, 본 발명을 아래와 같은 실시례를 기초로 보다 상세히 설명하기로 한 다.
1) 뽕나무 가지의 섬유화
뽕나무 가지를 섬유화하여 종이의 원료로 이용하기 위해서는 우선 뽕나무의 표피로부터 내피를 분리하고 표백하는 과정이 중요하다. 본 발명에서는 다년생 뽕나무의 가지를 채취하여 가지의 껍질을 분리하였다. 분리된 껍질은 물에 팽윤시켜 표피와 내피를 분리하였으며 분리된 내피를 이용하여 이후의 실험에 이용하였다.
분리된 내피를 섬유화하기 위해서는 여러 가지 약제를 처리하여 섬유를 약화시켜야 한다. 본 발명에서는 이 과정에서 동시에 표백이 일어나도록 하였으며 이를 위하여 과산화수소를 첨가하였다. 본 발명의 일 실시례에 의하여 약화, 탈색된 뽕나무 내피섬유는 전통적인 고해방법으로 분섬하여 종이 제조에 이용하였다.
이를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
본 발명에서는, 전통 한지의 공정과 현대 제지 공정에 관한 문헌 조사를 토대로 뽕나무 종이의 제조공정을 체계화하였다. 일반적인 한지의 제조공정은 닥나무의 외피를 채취하여 내피를 분리하고 섬유화를 위하여 섬유를 약화시키고 탈색하여 한지를 제조하는 바, 본 발명에서도 이와 유사한 방법을 사용한 결과, 뽕나무 섬유를 얻을 수 있었다.
2004년 7월에 채취한 7년생 뽕나무로부터 가지를 채취하여 뽕나무 가지의 외피를 벗겨내고 이를 보관하여 필요할 때 이용하였다. 채취 즉시 뽕나무 가지의 외피를 벗겨내지 않으면 이후에 뽕나무 가지로부터 외피를 분리하기가 용이하지 않으 므로, 뽕나무 가지 채취 후 즉시 분리하는 것이 바람직하였다.
이후, 뽕나무의 외피는 다시 표피와 내피로 분리되는데 표피는 짙은 갈색으로 뽕나무 종이의 제조에 적합하지 않다. 따라서 분리된 외피로부터 다시 표피와 내피를 분리하여 내피만을 이용하여 뽕나무 섬유를 얻었다.
뽕나무 내피 섬유는 뽕나무의 외피를 하루 정도 물에 침잠한 후 분리하였다. 그러나 얻어진 내피는 옅은 갈색을 나타내므로 종이로 활용되기 위해서는 표백공정을 필요로 한다. 동시에 뽕나무 섬유를 얻기 위해서는 내피를 쉽게 분섬할 수 있어야하므로 표백과 더불어 섬유를 어느 정도 약화시켜야 할 필요가 있다.
본 발명의 일실시예에서는 이러한 약화공정 및 표백공정을 하나의 단계에서 달성하기 위하여 표 1에서 나타낸 바와 같은 방법을 시도하였다.
[표 1] 뽕나무 내피의 처리조건
구분 |
처리 조건 |
방법1 |
35% 과산화수소 20ml 증류수 1L, 욕비 1:100, 100℃, 1시간 |
방법2 |
Sodium sulfate 4g, Sodium bisulfate 10g 증류수 1L, 욕비 1:100, 100℃, 1시간 |
방법3 |
Sodium silicate 10g 증류수 1L, 욕비 1:100, 100℃, 1시간 |
방법4 |
Sodium silicate 4g, 35% 과산화수소 10ml 증류수 1L, 욕비 1:100, 100℃, 1시간 |
위의 각 처리 조건 결과 얻어진 뽕나무 내피 섬유의 사진을 도 1에서와 같이 나타내었다.
일반적으로 과산화수소는 우수한 표백효과를 나타내는 것으로 알려져 있으며 특히 규산나트륨(sodium silicate)를 첨가할 경우 과산화수소의 효과는 배가된다고 알려져 있다. 본 연구에서도 과산화수소 단독 또는 규산나트륨 단독으로 사용하였을 경우 (방법 1, 3)에는 표백이 덜 되거나(그림 b) 지나치게 섬유화되는(그림 d) 현상이 발생하였다. 그러나 과산화수소와 규산나트륨을 적절히 혼합하였을 경우(그림 e)에는 분섬에 적합한 섬유 강도를 유지하면서 동시에 표백도 만족스러운 정도로 가능하여 방법 4의 조건으로 뽕나무 가지 내피의 섬유화를 실시하였다.
한편 방법 2에서와 같이, 일반 단백질 섬유의 표백에 이용되는 과황산나트륨(sodium bisulfate)을 첨가하였을 경우에는 특별한 효과가 나타나지 않았다.
2) 뽕나무 종이의 제조
뽕나무 종이의 경우 실크 종이를 제조하는 과정에서 필요한 호제를 필요로 하지 않기 때문에 분섬된 뽕나무 섬유만을 이용하여 종이의 제조가 가능하였다. 일정량의 뽕나무 섬유를 채반에 분산시킨 후 물을 빼내어 종이를 제조하였다. 건조 후 압착기를 이용하여 종이를 압착시켰다.
3) 뽕나무 섬유와 실크를 혼합한 종이의 제조
뽕나무 섬유와 분섬된 실크 섬유를 각각 본 발명의 일실시례에 의하여 2:1, 3:1로 혼합하거나, 뽕나무 섬유 또는 실크 섬유만으로 종이를 제작하였다.
이를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
상견지를 만들기 위해서는 우선 재료를 분섬시켰다. 뽕나무 내피 섬유는 물 리적 힘을 가해서 분섬시키고(고해), 실크 피브로인은 수산화나트륨(NaOH)과 탄산나트륨(Na2CO3)을 이용하여 화학적으로 분섬한 후 다음과 같은 조건으로 종이를 제조하였다.
[표 2] 뽕나무 섬유를 함유하는 실크종이, 뽕나무종이, 실크종이의 제조예
구분 |
처리조건 |
방법1 |
상백피 100%를 36.61g./m2의 밀도로 종이를 제작 |
방법2 |
상백피 75%와 실크 피브로인 25%를 36.61g./m2의 밀도로 종이를 제작 |
방법3 |
상백피 66.6%와 실크 피브로인 33.3%를 36.61g./m2의 밀도로 종이를 제작 |
방법4 |
실크 피브로인 100%를 36.61g./m2의 밀도로 종이를 제작 |
도 2는 상기와 같은 처리조건에 따라 제조된 종이를 각각 나타낸 것이다.
도시된 바와 같이, (d)와 같이, 뽕나무 100% 섬유는 고해 공정을 수작업으로 진행한 관계로 종이내 섬유의 굵기가 불균일하였으나, (a)의 100% 실크 종이에 비하여 작업이 용이하고 또한 별도의 호제(접착제)가 요구되지 않았다. 뽕나무와 실크를 혼합하여 제조하는 경우에 가장 큰 문제점은 두 섬유를 고루 분산시키는 것이다. 뽕나무의 함량이 실크에 비하여 적을 경우에는 섬유간 뭉침현상이 발생하여 균질의 종이를 얻지 못하였다. 그러나 뽕나무 섬유가 50%이상 함유하는 경우에는 균 질의 종이를 제조할 수 있었으며 이에 따라 본 발명에서는 (b), (c)에서와 같이 뽕나무 섬유가 75%, 67% 함유된 종이를 제조하여 실험하였다.
4) 뽕나무 섬유 함유 실크종이의 물성 측정
이러한 결과를 토대로 제조된 뽕나무를 함유하는 실크종이의 기계적 강도와 포름알데히드 제거능을 다음과 같이 측정하였다. 실제 종이의 기계적 물성과 관련된 자료는 주로 Index로 나타내는데 이는 각 기계적 특성을 평량 (grammage)으로 나누어 준 값을 의미한다.
① 인장강도(Tensile Strength)
표 3은 뽕나무 섬유와 실크 섬유의 혼합비에 따른 인장강도의 차이를 보여주고 있다. 뽕나무 종이의 인장강도는 실크 종이에 비하여 10배 정도의 강한 인장강도를 나타내었다. 이는 뽕나무 섬유의 경우 실크 섬유에 비하여 섬유길이가 길어 섬유간 결합력이 크기 때문으로 생각된다.
한편 두 섬유를 혼합한 경우에는 뽕나무 종이에 비하여 인장강도는 떨어지지만, 여전히 실크 종이에 비하여 높은 인장강도를 나타내었다. 특이한 것은 실크 섬유의 함량이 25%일 때보다 33%일때 인장강도가 더 강한 것으로 나타났다. 이는 앞서 언급한 섬유간의 뭉침현상에 기인한 것으로 판단된다. 즉, 뽕나무와 실크를 혼합한 종이를 제조하는 경우 어느 한 성분의 양이 많은 경우 두 섬유가 고르게 분산되지 않고 자기 자신끼리 뭉치는 현상이 발생하였다. 거시적으로는 두 섬유의 분리는 뽕나무 섬유의 함량이 50%이상일 때 나타나지 않았지만 인장강도의 실험결과 뽕 나무 섬유의 함량이 많을 경우에도 미시적으로는 어느 정도의 뭉침현상이 발생하는 것으로 판단할 수 있다.
[표 3] 뽕나무 섬유를 함유하는 실크종이의 인장강도
|
Grammage (g/m2) |
Strain (%) |
Stress (kPa) |
Stress/ Grammage |
Silk 100% |
153 |
2.8 |
610 |
4.0 |
Silk/Mulberry 1/2 |
147 |
3.8 |
2500 |
17.0 |
Silk/Mulberry 1/3 |
167 |
3.3 |
1960 |
11.7 |
Mulberry 100% |
187 |
4.04 |
5340 |
28.6 |
② 굽힘강도(Bending Strength)
굽힘강도는 일정한 각도로 시편을 굽히는 데 소요되는 힘을 측정하는 것으로 종이의 유연성 또는 반대로 형태안정성을 나타내는 척도이다. 본 발명에 따른 뽕나무 섬유를 함유하는 실크종이의 굽힘강도 측정결과는 인장강도 측정결과와 유사한 것으로 나타났다. 즉, 실크 종이의 굽힘강도가 가장 낮았으며 뽕나무 종이의 경우가 가장 높았다. 여기에서도 실크의 함량이 33%일때 가장 강한 굽힘강도를 나타낸 것으로 보아 앞서 언급한 섬유간의 뭉침현상이 원인인 것으로 판단된다. 이러한 굽힘강도의 증가는 종이의 형태안정성을 향상시켜 포장재 및 벽지 등에 적합한 물성을 갖게 한다.
[표 4] 상견지의 굽힘강도
|
Thickness (㎛) |
Grammage (g/m2) |
Bending Strength (mNm) |
Bending Strength/ Grammage |
Silk 100% |
512 |
164 |
2.78 |
0.0169 |
Silk/Mulberry 1/2 |
438 |
146 |
4.88 |
0.0334 |
Silk/Mulberry 1/3 |
442 |
150 |
3.68 |
0.0245 |
Mulberry 100% |
425 |
145 |
5.83 |
0.0402 |
③ 포름알데히드 제거능
포름알데히드는 접착제 또는 제지 과정에서 호제로 사용되는 전분의 부패를 방지하기 위하여 종이에 포함된다. 물론 엄격한 규제를 받고 있지만 최근 사회적으로 문제가 되고 있는 새집증후군과 관련이 깊은 물질이다.
일반적으로 벽지로 사용되는 종이에서 포름알데히드의 문제는 벽지를 벽에 접착하기 위한 접착제와 벽지를 제조하는 데 소요되는 각종 접착제에서 기인하는 경우가 많다. 뽕나무를 함유한 실크종이는 뽕나무 자체에 함유된 천연의 접착성분을 이용하고 제조과정에서 별도의 호제를 첨가하지 않으므로 종이 자체에 포름알데히드가 포함되지 않는다.
게다가 본 발명에 의한 뽕나무를 함유한 실크종이는 벽에 부착하기 위해 사용되는 접착제에서 발생하는 포름알데히드를 흡수할 수 있는 장점이 있음이 실험적으로 확인되었다. 그 흡수기작은 명확하지는 않으나 뽕나무 섬유에 실크가 혼용되면 실크만으로 구성되었을 때보다 자유단이 많은 실크구성단백질의 아민기와 포름알데히드가 화학적 반응을 할 것으로 예상된다.
본 발명에 의하여 제조된 뽕나무 섬유를 함유하는 실크종이의 포름알데히드 제거능을 시험한 결과 순수한 뽕나무 종이보다 포름알데히드의 제거능이 더 우수하였다. 특히 실크가 33% 함유된 경우 제거능은 100% 실크 종이보다 향상된 결과를 보였다. 이는 실크 섬유가 고르게 뽕나무 섬유 사이에 존재하여 섬유간 뭉침현상이 발생할 때 보다 표면적이 증가하였기 때문으로 판단된다. 특히 사용된 시편의 면적당 제거효율(Removal Index)은 일반 종이에 비하여 4배 정도로 매우 우수한 성질을 갖는다.
상견지의 포름알데히드 제거능을 아래의 표 5에서와 같이 나타내었다.
[표 5] 상견지의 포름알데히드 제거능
|
A415 |
Removal Efficiency (%) |
Removal Index |
Control |
0.70 |
- |
- |
Silk 100% |
0.28 |
65.3 |
3.60 |
Silk/Mulberry 1/2 |
0.27 |
67.3 |
4.40 |
Silk/Mulberry 1/3 |
0.33 |
58.1 |
2.83 |
Mulberry 100% |
0.35 |
55.8 |
3.12 |
Commercial Paper |
0.39 |
50.6 |
1.43 |
이상으로부터 볼 때, 본 발명에 의해 제조된 뽕나무 섬유를 함유하는 실크 종이는 실크 단섬유의 함량이 뽕나무 섬유의 함량보다 더 적게 포함되는 경우가 바람직하다고 할 것이며, 특히 본 발명의 일 실시례에 의하면 실크 단섬유의 함량이 뽕나무 섬유의 25%, 33% 등인 경우에 인장강도, 굽힘강도, 포름알데히드 제거능 등이 우수한 것으로 나타났고, 이는 실크 단섬유가 종이내에서 균일하게 분산된 상태 를 이루기 때문인 것으로 판단된다.
이상과 같이 본 발명을 실시례를 기초로 설명하였으나, 본 발명의 권리범위가 상기 실시례에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 권리범위는 특허청구범위의 해석에 의하여야 할 것이다.