비스코스 레이온을 이용한 수용성 섬유제조에 관한 연구

장정현, 박진원, 梶內俊夫*, 新屋義□*

연세대학교 화학공학과 환경공학연구실, 동경공업대학 국제개발공학과*

Characteristics of water soluble fiber using viscose rayon

Jung-Hyun Chang, Jin-Won Park, Kajiuchi, T*, Shinya, Y*

Environmental Eng. Lab., Dept. Chem. Eng., Yonsei University

Dept. of int. Development Eng., Tokyo institute Tech., Japan

서론

셀룰로오스는 바이오매스 자원 중 지구상에 가장 많이 존재하며, 오래 전부터 종이, 의류 및 셀룰로오스 유도체의 제조 등 수많은 부문에서 이용되어왔으나, 세계 2차 대전 이후 합성 고분자 공업에 밀려 침체상태에 있었다. 그러나 근래에 유한자원인 화석자원 즉 석유, 석탄을 대체할 수 있으며 또한 영속적으로 재생산 가능한 자원으로서 다시 각광을 받기 시작하였다.[1][2]

한편 이러한 셀룰로오스 바이오매스 자원을 이용한 섬유공업에서는 제품생산 시 발생되는 폐기물이 약 25% 이상이나 발생되어 중요한 자원의 막대한 손실 요인 중의 하나로 되어 왔었다.[2] 또한 1회 용품의 사용 증가로 발생한 폐 섬유의 처리비용이 증가하였다.

부직포는 다용도 포장용지, 농업용 멀취, 병원폐기물 수거용 포대, 파스자재, 지혈붕대 등의 위생제품 및 각종 1회 용품에 다량 사용되나 재활용이 불가능하고 매립 및 소각 시에 환경오염의 원인이 될 수 있다. 그래서 개발되어진 것이 수용성 부직포이다. 수용성 부직포는 현재 기술적으로 일본에서 재일 앞서가고 있으며 국내 및 중국에서 일부 기술을 보유하고 있으나 이들은 95℃의 고온에서 녹는 것으로 고가의 제조원가와 원료 선정의 제한 등의 문제가 있다. 그러나 상온에서 물에 녹는 부직포는 폐기 처리 시 95℃의 고온 욕 처리 공정 생략에 의한 원가 절감과 환경 오염 완화의 효과를 가져올 수 있다.

본 연구에서는 셀룰로오스 성분의 비스코스 레이온을 이용하여 Carboxymethyl cellulose(CMC)를 제조하고 제조된 섬유에 대한 수용성 실험을 하였다. 본 연구의 목적은 제조된 CMC를 이용하여 상온에서 물에 녹는 특수섬유 제조기술 개발 및 용해시간을 조절할 수 있는 특수섬유 개발을 위한 연구이다.

이론

비스코스 레이온의 제조공정을 [그림 1.] 에 나타내었다. 목재 펄프등의 셀룰로오스를 적당한 용매에 용해시켜 방사액을 만든 다음 긴 필라멘트를 방사를 통해 제조한다.[3]

Fig. 1 Viscose rayon preparation process

Carboxymethylcellulose(CMC)는 셀룰로오스의 가장 잘 알려진 수용성 유도체이다. 알칼리셀룰로오스에 모노클로로아세트산을 가하면 얻어진다.[4]

C6H7O2(OH)2ONa  +  ClCH2COOH  →  C6H7O2(OH)2OCH2COOH  + NaCl

Fig. 2 Carboxymethylcellulose(CMC)[5]

CMC 는 셀룰로오스글리콜산에테르(cellulose glycolate)라고도 불리고 그 나트륨염 C6H7O2(OH)OCH2COONa(에테르화도 = 0.3∼0.8몰)은 수용성으로 pH에 의하여 그 수용액의 점도가 달라지게 된다. CMC는 DS(Degree of Substitution)가 0.4부터 1.4에 이르는 범위 내에서 합성된다. CMC 의 물에 대한 용해도는 DS가 증가할 때 따라서 증가한다. DS의 값이 0.6∼0.8 범위에서 물에 대한 용해성은 우수하지만 DS가 0.05∼0.25 의 범위에서는 단지 알칼리성 내에서만이 용해한다. CMC의 카르복시기 때문에 CMC는 복전해질이다. 그것의 pKa 값은 DS에 따라서 4에서 5까지 변화한다.

CMC 는 세제, 식품(보호콜로이드와 높은 수결합도를 요구하는 경우, 안정제 등), 아이스크림, 종이 코오팅, 유제도료, 윤활제, 도자기, 제약 그리고 화장품과 같은 다양한 제품을 제조하기 위한 원료로 사용된다.[6]

실험 방법

시료는 텍스테크(주)에서 제공한 비스코스 레이온을 사용하였으며 시료는 2g(24□ × 24□)의 시편을 사용하였다.

NaOH 수용액을 에탄올에 첨가한 후 용액을 150 □ 삼각플라스크에 넣은 다음 시편을 용액에 넣고 45℃ 항온조에서 3시간동안 머서화 반응을 시켰다. Monochloroacetic Acid(MCA)를 에탄올에 녹여 28	w/v%의 혼합 용액을 만들어 머서화 반응이 끝난 삼각플라스크에 혼합하고 70℃의 항온조에서 1.5 시간 동안 에테르화 반응을 시켰다. 에테르화 반응이 끝난 시편을 5 V/V% 염산 용액(용매 에탄올)에 세척 / 중화 시켰다. 세척 / 중화 후 70℃의 건조기에서 15분 ∼ 30분 건조 시켰다. 건조가 끝난 시편은 5□ × 5□ 의 크기로 100□의 물에 넣고 60 rpm으로 교반 시킨 후 filter paper를 이용해 여과 시켜 용해도를 측정하였다.

NaOH 수용액 농도변화

머서화 반응에서 NaOH를 증류수에 녹여 20 w/v%, 30 w/v%, 40 w/v%, 50 w/v% 의 수용액을 만들어 각각 2 □를 취하여 15 □의 에탄올에 혼합하였다. 에테르화 반응에서는 MCA와 에탄올 혼합용액 8.4 □를 머서화 반응이 끝난 삼각플라스크에 첨가하였으며 중화 / 세척, 건조 그리고 수용성 테스트는 위의 실험 조건에 의해 실험하였다.

Monochloroacetic Acid와 에탄올 혼합액량 변화

40 w/v% NaOH 수용액 6 □를 에탄올 30 □에 혼합하여 머서화 반응을 실험하였다. 에테르화 반응에서는 28 w/v% MCA·에탄올 혼합 용액을 4 □, 6 □, 8 □, 10 □, 12 □를 첨가하였으며 중화 / 세척, 건조 그리고 수용성 테스트는 위의 실험 조건에 의해 실험하였다.

실험 결과

NaOH 수용액 농도변화

[그림 3]는 NaOH 수용액 농도에 따른 CMC의 수용성 실험에 대한 결과를 나타낸 것이다. 각 점 위의 직선들은 반복 실험에 대한 오차 범위를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 농도가 증가할수록 더 많이 용해되어 진다는 것을 볼 수 있었다. 50 w/v% 이상에서는 다시 감소하는 경향이 보였다. 50 w/v%이상은  NaOH가 증류수에 용해가 잘 되지 않았다. 그리고 NaOH 수용액을 에탄올과 혼합할 때 혼합액에서 재결정이 이루어지기 때문에 넓은 시편에 고루 반응을 일으키지 못했다고 사료된다. 이 실험에서는 40 w/v%에서 가장 많은 양이 녹았으므로 최적점을 40 w/v%를 최적점으로 결정하고 다음 실험을 계속 진행 하였다.

Monochloroacetic Acid와 에탄올 혼합액량 변화

[그림 4]는 에탄올을 용매로 사용한 28 w/v% MCA 용액량을 변화에 따른 CMC의 수용성 실험에 대한 결과를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 MCA의 양이 많아질수록 더 많이 용해되어 지는 것을 볼 수 있다. 8 □까지는 녹는 양의 급속한 증가량을 보여주었으나 8 □에서 12□사이에서는 녹은 양이 크게 증가하지는 않는 경향을 보여주고 있다. 그리고 10□와 12 □의 실험에서는 에테르화 반응과정 중에 시편이 녹는 것이 관찰되었기 때문에 이 실험에서는 최적점을 8 □로 결정하였다.

Fig. 3 Change of NaOH concentration	Fig. 4 Change of MCA solution amount

결론

머서화 반응에서 NaOH의 농도나 에테르화 반응에서 MCA의 양이 수용성 셀룰로오스인 CMC를 만드는데 큰 영향 인자라는 것을 알 수 있었다. 본 연구는 수용성 특수섬유의 반응메카니즘 규명을 위한 초기 단계에 있으며 반응농도, 반응온도, 반응시간, pH등을 고려한 실험이 계속 진행 중에 있으며 치환도(The Degree of Substitution)결정에 의한 카르복실 산출량[7]으로 더욱 명확하게 규명 할 계획이다.

참고문헌

[1]  石津敦, 木材工學, 1992, 20(30), 61

[2] 김병석, 문성필, 나기권, 이종문, 조순채, Journal of the Korean Fiber Society, 1994, 31(2), 96-101

[3]  김수창, 섬유재료학, 2001, 209

[4]  이정민, 섬유가공학, 1998, 32

[5] L. Merle, D. Charpentier, G. Mocanu, S. Chapelle, European Polymer Journal, 1999, 35, 1-7

[6]  이병한, 木材化學, 1986, 230

[7] I. Racz, A. Deak, J. Borsa, Textile Research Journal, 1995, 65(6), 348-354