KR20080036758A - 실크의 화학적 단섬유화 방법 및 그 방법에 의하여 제조된실크 종이 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실크의 화학적 단섬유화 방법 및 그 방법에 의하여 제조된 실크 종이에 관한 것으로서, 실크 피브로인을 수산화나트륨과 탄산나트륨에 의해 처리하여 단섬유화 및 피브릴화 하고, 이와 같이 처리된 실크 피브로인을 다시 전분과 폴리에틸린옥사이드로 구성된 호제에 첨가하여 실제 사용가능한 실크종이를 제조함으로써 폐실크의 재활용 가능성을 높일 수 있도록 한다.

실크, 피브로인, 단섬유화, 피브릴화, 전분, 폴리에틸렌옥사이드, 수산화나트륨, 탄산나트륨

Description

실크의 화학적 단섬유화 방법 및 그 방법에 의하여 제조된 실크 종이{Fibrillation of silk fiber by chemical treatment and silk paper manufactured by the same}

도 1은 본 발명의 일실시례인 화학적 방법에 의해 처리한 실크의 단섬유화 및 피브릴화를 광학 현미경을 통하여 관찰한 사진이다.

도 2는 본 발명에 의해 제조된 실크 종이의 현미경 사진을 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전분을 호제로 사용하여 제조한 실크 종이를 나타내는 도면이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 폴리에틸렌옥사이드를 호제로 사용하여 제조한 실크 종이를 나타내는 도면이다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전분과 폴리에틸렌옥사이드 혼합물을 호제로 사용하여 제조한 실크 종이를 나타내는 도면이다.

본 발명은 실크의 화학적 단섬유화 방법 및 그 방법에 의하여 제조된 실크 종이에 관한 것으로서, 실크 피브로인을 수산화나트륨과 탄산나트륨에 의해 처리하 여 단섬유화 및 피브릴화 하고, 이와 같이 처리된 실크 피브로인을 다시 전분과 폴리에틸린옥사이드로 구성된 호제에 첨가하여 실제 사용가능한 실크 종이를 제조함으로써 폐실크의 재활용 가능성을 높일 수 있도록 한다.

견사(silk yarn)를 이용하여 직물이 되기까지는 여러단계의 제조공정을 거치게 되며, 누에고치에서 실을 켜는 공정에서부터 많은 부산물이 발생하게 되는데, 이러한 견 부산물(부잠사)이 발생하게 되는 주요공정은 제사공정, 준비공정, 정련염색공정, 제직공정, 봉제공정 등을 들 수 있다.

즉, 국내외 견사, 또는 직물 관련 공장에서 이와 같이 연간 수백 톤의 부잠사가 배출되며, 이러한 부잠사들은 재활용 가치가 높은 소재이면서도 의류용 섬유 또는 직물에 직접 사용할 수 없기 때문에 전량 폐기되고 있다.

다만, 이러한 부잠사가 이불솜 또는 부직포 등의 제작에 이용되고는 있으나, 위와 같이 제조된 이불솜 또는 부직포 등이 상품으로 출시된다고 하더라도 소비자들에게 크게 호응을 얻지 못하고 있다.

또한, 실크 폐기물을 그대로 폐기하는 경우, 부유물에 의한 수질오염 등 환경오염에 노출될 위험이 크며, 따라서 환경 오염 방지와 연동하여 실크 폐기물의 재활용 방안의 폭을 더욱 확대해야 할 필요가 있다.

이러한 필요성에 따라 실크 부잠사를 재활용하는 기술이 개발되는 경우 실크 부잠사로부터 생산된 단백질을 이용하여 식용이나, 축산사료, 화장품 원료 등의 실크 분말이나 산업용 부직포 등으로 충분히 재활용할 수 있으며, 높은 부가가치 상품을 개발할 수 있고, 이에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.

하지만, 폐지를 재활용하여 종이를 제작하는 기술에 관하여서는 여러 연구결과가 나와있으나, 실크 부잠사로부터 실크 종이를 제작하는 기술에 대해서는 현재 어떠한 결과도 발표되고 있지 아니하며, 따라서 이에 관한 연구개발이 필요한 실정이다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 의류용 섬유로 사용될 수 없는 폐실크를 화학적으로 처리하고, 이러한 처리를 기반으로 실크 종이를 제작함으로써 새로운 부가가치 상품을 창출하여 농가의 경제적 안정에 기여하고 이러한 기술 및 제품이 산업적으로 중요한 기반을 형성하여 소비자들이 선호하는 안정적인 소득원이 될 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 실크 피브로인을 수산화나트륨과 탄산나트륨 혼합용액에서 피브릴화하는 실크의 화학적 단섬유화 방법을 제공한다.

여기서, 상기 수산화나트륨은 0.2 ~ 2 vol%의 농도이고, 탄산나트륨은 2 ~ 5 vol%의 농도인 것이 바람직하다.

또한, 상기 피브릴화는 70 ~ 100℃의 온도범위에서 20 ~ 80분간 행해지는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 실크 피브로인을 수산 화나트륨과 탄산나트륨 혼합용액에서 피브릴화하는 단계; 및 상기 피브릴화된 실크 피브로인에 전분과 폴리에틸렌옥사이드로 구성된 호제를 첨가하는 단계;를 포함하여 구성되는 실크 종이의 제조방법을 제공한다.

여기서, 상기 전분은 6 vol% 이하의 농도이고, 상기 폴리에틸렌옥사이드는 7 vol% 이하의 농도이되, 폴리에틸렌옥사이드의 농도가 전분의 농도보다 더 높도록 하여 혼합되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 수산화나트륨은 0.2 ~ 2 vol%의 농도이고, 탄산나트륨은 2 ~ 5 vol%의 농도인 것이 바람직하다.

또한, 상기 폴리에틸렌옥사이드와 전분의 혼합비는 6 : 4 내지 8 : 2의 농도비인 것이 바람직하다.

또한, 상기 폴리에틸렌옥사이드와 전분을 혼합하는 경우 그 농도범위가 1 ~ 2 vol%가 되도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 피브릴화하는 단계 이후, 0.5 ~ 3 vol% 농도의 아세트산으로 중화하여 수세하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 전분과 폴리에틸렌옥사이드 성분을 함유하고 있는 실크 종이를 제공한다.

이하, 본 발명을 첨부된 실시례를 기초로 보다 상세히 설명하도록 한다.

1) 실크 피브로인의 단섬유화 및 피브릴화

① 기계적 방법에 의한 단섬유화

정련하여 얻은 실크 피브로인을 견절단기 및 가위를 이용하여 일정한 길이로 절단하였다. 그러나 피브로인의 기계적 성질이 우수하여 견절단기로는 단섬유화가 불가능하였으며, 또한 가위를 이용해서 소량 절단하였으나 수중에서 고르게 분산되지 않고 여러 곳에서 뭉쳐있는 상태로 존재하였으며 어떠한 방법으로도 분산시킬 수 없었다. 따라서, 기계적 방법에 의한 완전한 단섬유화는 일정정도 한계가 있는 것으로 판단되었다.

② 화학적 방법을 이용한 단섬유화 및 피브릴화

기계적 방법을 이용하여 얻은 단섬유 피브로인은 위와 같이 뭉침현상을 나타내고 있어 무늬를 함유하는 등 특정한 용도로 사용되는 종이가 아닌 일반적인 종이 용도로서는 일정한 한계가 있다. 따라서 단섬유화를 보다 더 진행시키기 위하여 수산화나트륨과 탄산나트륨을 이용하여 화학적으로 단섬유화 및 피브릴화를 실행하였다. 이와 같은 화학적 방법에 의한 피브로인의 단섬유화 및 피브릴화는 별도로 진행될 수도 있으나, 처리조건에 따라 동시에 이루어질 수 있다. 도 1은 화학적 방법에 의해 처리한 실크의 단섬유화 및 피브릴화를 광학 현미경을 통하여 얻은 사진이다. 좌측도는 피브릴화가 완전히 되지 않은 상태를 보여 주고 우측도는 완전히 피브릴화가 일어난 상태를 보여준다.

위와 같이 처리된 실크는 수중에서 잘 분산되고 뭉침 현상이 발생하지 않았다. 그 이유는 충분한 단섬유화가 일어나 섬유간의 엉킴이 발생하지 않을 뿐만 아니라 실크 표면이 개질되어 친수성기가 강한 카르보닐기 (-C=O)나 아민기 (=N-H) 또는 수산화기 (-OH)가 많이 형성됨으로써 섬유간 뭉침현상이 억제되기 때문이다. 이렇게 화학적으로 전처리된 실크를 가지고 실크 종이를 제조했을 때 도 2와 같이 두께 및 표면이 고른 실크 종이를 얻을 수 있었다.

2) 실크 종이의 제조

피브릴화된 실크는 수중에서 실크 섬유간의 자체 결합력이 매우 미약하기 때문에 호제를 첨가하여 사용해야 한다. 호제를 첨가함으로써 건조 시 피브릴화 실크사이의 결합력을 강화시켜 좋은 물성의 실크 종이를 얻을 수 있다. 따라서 본 발명에서는 호제로서 전분(corn starch)과 폴리에틸렌옥사이드(Poly Ethylene Oxide, PEO)를 사용하였다.

본 발명에서는 전분만을 호제로 사용하는 경우와 폴리에틸렌옥사이드만을 호제로 사용하는 경우, 전분과 폴리에틸렌옥사이드 모두를 호제로 사용하는 경우에 관하여 각각 실험을 행하였다.

먼저, 전분만을 호제로 사용할 경우 가장 우수한 강도를 지니고 있으나 도 3의 우측도에서 나타난 것처럼 접었을 때 접히지 않고 부러지는 현상이 나타났다. 이는 전분을 구성하고 있는 성분에 따른 특징으로 설명될 수 있다. 전분은 수용성 선형 다당류인 아밀로오스(amylose)와 불용성 가지형 다당류인 아밀로펙틴(amylopectin)으로 구성되어 있는데 주로 아밀로펙틴(amylopectin)에 의한 현상이라 설명할 수 있다. 즉, 전분을 수중에서 가열하면 아밀로오스(amylose)가 빠져 나와서 피브릴화된 실크를 상호 결합시켜주는 역할을 하게 되고 아밀로펙틴(amylopectin)은 강도를 유지하는 역할을 하게 된다. 그러나 아밀로펙틴(amylopectin)은 가지형 다당류로서 삼차원적 구조를 가지고 있어 유연성이 거의 없는 특성을 가진다. 따라서 전분만을 호제로 사용할 경우 아밀로펙틴(amylopectin)에 의해 기계적 강도는 매우 우수하지만 유연성이 결여되어 실크 종이를 접었을 때 접히지 않고 부러지는 현상이 발생하는 것이다.

도 4의 우측도는 폴리에틸렌옥사이드(PEO)를 호제로 사용하여 제조한 실크 종이를 접었을 때의 사진이다. 전분을 사용했을 때와는 달리 접었을 때의 부러짐 현상은 나타나지 않았다. 그러나 기계적 강도가 매우 약할 뿐만 아니라 접힌 상태로 유지되지 않았으며, 이로부터 볼 때, 폴리에틸렌옥사이드를 호제로 사용하여 제조한 실크 종이는 종이라기 보다는 직물의 성격이 더 강하다고 볼 수 있다.

도 5는 폴리에틸렌옥사이드(PEO)와 전분을 혼용하여 사용했을 때의 실크 종이를 나타낸 사진이다. 도 5의 우측도에서 볼 수 있듯이 접었을 때 접힌 형태를 유지하면서 부러짐 현상도 나타나지 않았다.

3) 실크 종이의 물성

이러한 결과를 토대로 제조된 실크 종이의 기계적 강도를 다음과 같이 측정하였다. 실제 종이의 기계적 물성과 관련된 자료는 주로 Index로 나타내는데 이는 각 기계적 특성을 평량 (grammage)으로 나누어 준 값을 의미한다.

① 실크 종이의 인장강도 (Tensile strength)

표 1은 호제로 사용된 폴리에틸렌옥사이드(PEO)의 분자량에 따른 인장강도를 나타낸 것으로서 폴리에틸렌옥사이드와 전분 혼합용액의 농도는 5 vol%를 유지하였다. 평량에 따른 인장강도 값(Strass/Grammage)을 비교해 보면 분자량이 높은 폴리 에틸렌옥사이드(PEO)를 사용했을 때 높게 나타났다. 이러한 결과를 토대로 이후로는 분자량 200,000 이상의 폴리에틸렌(PEO)이 바람직하다고 판단되어 이를 사용하여 실험하였다.

표 1. PEO의 분자량에 따른 인장강도

	Thickness (㎛)	Grammage (g/m2)	Density (g/m3)	Force (N)	Stress (kPa)	Stress/ Grammage
PEO 100,000	337	59.40	177331.44	1.38	506.77	8.79
PEO 200,000	308	53.90	176580.89	1.64	1438.47	25.61

시료 크기 : 3 cm × 1 cm

또한 수용액의 농도가 5vol% 인 경우 접착력은 매우 우수하나 소모되는 폴리에틸렌옥사이드(PEO)와 전분의 양이 매우 많기 때문에 호제의 농도를 조절할 필요가 있었던 바, 호제의 양은 최소한으로 유지하면서 제조되는 어느 정도 강도를 유지할 수 있는 실크 종이를 제조할 수 있는 호제의 최적 농도를 찾아낸 결과 호제의 농도는 1vol%가 되는 것이 가장 바람직한 것으로 나타났으므로 이후 실험은 호제의 농도를 1vol%로 하여 실험하였다.

표 2는 PEO와 starch를 혼용하여 사용했을 때의 인장강도를 나타낸 것이다. 평량에 따른 인장강도 값(Strass/Grammage)을 비교해보면 호제로서 전분만을 사용했을 때의 실크 종이의 인장강도가 가장 우수하게 나타났고 폴리에틸렌옥사이드(PEO)만을 사용한 실크 종이의 인장강도가 가장 낮게 나타났다. 또한 폴리에틸렌 옥사이드(PEO)와 전분을 혼합하여 사용했을 때는 전분의 양이 많을수록 인장강도가 증가하였다. 그러나 사용되는 폴리에틸렌옥사이드(PEO)와 전분의 양이 동비를 이루었을 때에는 도 3에서 보여주는 바와 같이, 접었을 때 부러짐 현상이 발생하여 종이로서의 기능이 상실되거나 부족하기 때문에 전분의 양은 폴리에틸렌옥사이드(PEO)의 양보다 적어야 하며 그 적정 비율은 6 : 4 내지 8 : 2 정도라 할 수 있다.

표 2. PEO/Starch 혼합비율에 따른 실크 종이의 인장강도

	Thickness (㎛)	Grammage (g/m2)	Density (g/m3)	Force (N)	Stress (kPa)	Stress/ Grammage
PEO	388	63.10	163377.78	1.56	406.66	6.62
Starch	387	54.37	141055.01	8.38	2186.50	40.32
P:S=7:3	507	79.80	157312.27	8.19	1623.38	20.91
P:S=8:2	398	52.27	131691.34	3.48	883.79	17.17

시료 크기 : 3 cm × 1 cm

② 실크 종이의 인열강도 (Tearing strength)

실크 종이의 인열강도를 측정한 결과, 실크 종이의 인열강도는 인장강도의 결과와 상반되게 나타났다. 표 3의 평량에 따른 인열강도값(Tearing/Grammage)을 비교해 보면 호제로서 폴리에틸렌옥사이드(PEO)만을 사용한 실크 종이의 경우 인열강도는 가장 높았고 전분만을 사용한 경우 인열강도는 측정할 수 없었다. 그 이 유는 호제로서 전분만을 사용할 경우 찢어지지 않고 부서지는 경향이 있기 때문이다. 그러나 두 호제를 혼용할 경우 전분의 함량이 많을수록 인열강도는 증가하였다.

표 3. PEO/Starch 혼합비율에 따른 실크 종이의 인열강도

	Thickness (㎛)	Weight (mg)	Grammage (g/m2)	Density (g/m3)	Tearing (mNm)	Tearing/ Grammage
PEO	363	0.26	62.20	171592.78	178	2.86
Starch	472	0.31	73.15	154824.89	-	-
P:S=7:3	430	0.28	67.18	156007.75	121	1.80
P:S=8:2	435	0.26	61.79	142036.12	34	0.55

시료 크기 : 7 cm × 6 cm

③ 실크 종이의 굽힘강도 (Bending Strength)

표 4는 각각의 호제를 사용하여 제조한 실크 종이의 굽힘강도를 나타낸 것이다. 굽힘저항성(Bending resistance)은 시료가 5° 굽힐 때의 강도로서 평량에 따른 굽힘강도값(Bending/Grammage)을 비교하면 폴리에틸렌옥사이드(PEO)와 전분의 비율이 7:3일 때 가장 높게 나타났다.

표 4. PEO/Starch 혼합비율에 따른 실크 종이의 굽힘강도

	Thickness (㎛)	Weight (g)	Grammage (g/m2)	Density (g/m3)	Bending (mNm)	Bending/ Grammage
PEO	346	0.12	60.54	176336	1.38	0.0227
Starch	354	0.09	49.53	141979	1.64	0.0331
P:S=7:3	382	0.12	64.4	169322	2.46	0.0379
P:S=8:2	482	0.13	70.37	147080	2.16	0.0304

시료 크기 : 5 cm × 3.8 cm

이상으로부터 볼 때, 단섬유화 및 피브릴화된 실크 피브로인에는 호제로서 폴리에틸렌옥사이드와 전분을 모두 사용하여야 하며, 폴리에틸렌옥사이드의 양이 전분의 양보다 많을 경우 실크 피브로인이 실크 종이로 제조되어 사용될 수 있음을 알 수 있었으며, 또한 최적의 비율은 폴리에틸렌옥사이드와 전분의 비율이 7 : 3을 이루는 경우이고, 이 때 실크 종이의 강도가 가장 높게 나타남을 알 수 있었다.

이상과 같이 본 발명을 실시례를 기초로 설명하였으나, 본 발명의 권리범위가 상기 실시례에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 권리범위는 특허청구범위의 해석에 의하여야 할 것이다.

이상과 같이 본 발명에 의하면,의류용 섬유로 사용될 수 없는 폐실크를 화학 적으로 처리하고, 이러한 처리를 기반으로 실크 종이를 제작함으로써 새로운 부가가치 상품을 창출하여 농가의 경제적 안정에 기여하도록 하는 효과가 있다.

또한, 위와 같은 기술 및 제품이 산업적으로 중요한 기반을 형성하여 소비자들이 선호하는 안정적인 소득원으로 자리매김할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (10)

1. 실크 피브로인을 수산화나트륨과 탄산나트륨 혼합용액에서 처리하는 것을 특징으로 하는 실크의 화학적 단섬유화 및 피브릴화 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 수산화나트륨은 0.2 ~ 2 vol%의 농도이고, 탄산나트륨은 2 ~ 5 vol%의 농도인 것을 특징으로 하는 실크의 화학적 단섬유화 및 피브릴화 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 단섬유화 및 피브릴화는 70 ~ 100℃의 온도범위에서 20 ~ 80분간 행해지는 것을 특징으로 하는 실크의 화학적 단섬유화 및 피브릴화 방법.
4. 실크 피브로인을 수산화나트륨과 탄산나트륨 혼합용액에서 단섬유와 및 피브릴화하는 단계; 및

   상기 단섬유화 및 피브릴화된 실크 피브로인에 전분과 폴리에틸렌옥사이드 혼합물로 구성된 호제를 첨가하는 단계;

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 실크 종이의 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 전분은 6 vol% 이하의 농도이고, 상기 폴리에틸렌옥사이드는 7 vol% 이하의 농도이되, 폴리에틸렌옥사이드의 농도가 전분의 농도보다 더 높도록 하여 혼합되는 것을 특징으로 하는 실크 종이의 제조방법.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 수산화나트륨은 0.2 ~ 2 vol%의 농도이고, 탄산나트륨은 2 ~ 5 vol%의 농도인 것을 특징으로 하는 실크 종이의 제조방법.
7. 제 4 항에 있어서,

   상기 폴리에틸렌옥사이드와 전분의 혼합비는 6 : 4 내지 8 : 2의 농도비인 것을 특징으로 하는 실크 종이의 제조방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 폴리에틸렌옥사이드와 전분을 혼합하는 경우 그 농도범위가 1 ~ 2 vol%가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 실크 종이의 제조방법.
9. 제 4 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 단섬유화 및 피브릴화하는 단계 이후, 0.5 ~ 3 vol% 농도의 아세트산으로 중화하여 수세하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실크 종이의 제조방법.
10. 전분과 폴리에틸렌옥사이드 성분을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 실크 종이.

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