서
론
케나프는 서아프리카에서 자라며 학명은 Hisbiscus cannabinus L.이며, 성장이 빠르고 섬유질이 풍부하여 1960년대에 미국에서는 목재를 대신한 종이의 원료로 선택되었으며 이산화탄소에 의한 지구 온난화 문제로 다시 한 번 주목받고 있으며, 최근 들어 부직포의 원료 와 기타 산업용 섬유의 원료는 물론 의류용 섬유에까지 그 활용이 확대되고 있다 (Rymsza 1999). 케나프와 같은 식물 섬유의 기본 구조는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌, 펙틴과 함께 약간의 왁스로 이 루어져 있다. 이들의 구조는 세포벽 속에서 마이크로 피 브릴을 형성하는 셀룰로오스를 가운데에 두고 리그닌과 헤미셀룰로오스에 매몰되어 있는 것처럼 보인다(Iwamoto et al. 2007). 일반적으로 인피 섬유의 줄기로부터 섬유를 분리하기 위해서는 펙틴을 제거하고 비셀룰로오스 층인 헤미셀룰로오스와 리그닌을 제거해야 하는데 이는 비결 정 영역을 제거해야만 레팅된 섬유를 얻을수 있으며 이 러한 레팅을 통하여 종이 원료인 펄프라든지 복합재의 보강재, 그리고 의류용 섬유로 활용될 수 있다 (Seo et al. 2008). 인피 섬유의 외피에서 섬유를 분리하기 위해 듀 (dew) 레팅이라는 섬유 분리법을 사용하는데 이는 넓은 면적이 소요되고 기후에 따라 섬유의 질이 달라지고 인건비가 많이 드는 문제점을 가지고 있으며(Henriksson et al. 1997),Journal of Radiation Industry 4 (2) : 139~142 (2010)
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전자선 처리된 케나프 외피의 레팅 효과
신혜경∙강효경∙전준표∙강필현*
한국원자력연구원 정읍방사선과학연구소 공업환경연구부
Retting Effect of Kenaf Bast Fiber by Electron Beam Irradiation
Hye-Kyoung Shin, Hyo-Kyoun Kang, Joon-Pyo Jeun and Phil Hyun Kang*Advanced Radiation Technology Institute, Korea Atomic Energy Research Institute, Jeongeup 580-185, Korea
Abstract-- Kenaf (Hibiscus cannabinus) retting were separated from a kenaf bast fiber by a combina-tion of Electron beam irradiacombina-tion (EBI) and NaOH solucombina-tion treatment. The methods were based on a 6% NaOH solution treatment after various doses of EBI. FT-IR spectroscopy demonstrated that the content of lignin and hemicellulose in the retted kenaf fibers decreased as the EBI dose increased. Specifically, the lignin in the retted kenaf fiber treated with 300 kGy of EBI was almost completely removed. The morphology of retted kenaf fibers were characterized by SEM image, and the studies showed that the fibrillated degree of retted kenaf fibers treated with various EBI doses and was increased as EBI dose increased. The retted kenaf fibers treated with the EBI at 300 kGy was uniformly fibrillated with 10~~30μμm diameters.
Key words : Kenaf, Electron beam, Retting, Fibrillation
* Corresponding authors: Phil-Hyun Kang, Tel. +82-63-570-3061, Fax. +82-63-570-3068, E-mail. [email protected]
효소에 의한 섬유 분리는 기후에 무관하고 생분해성이 어서 수질오염을 일으키지 않으며 품질이 좋은 섬유를 얻지만 가격이 비싸므로 아직까지는 상업적으로 이루어 지지 않고 있다 (Henriksson et al. 1997). 일반적 레팅 방법 으로 화학적인 레팅을 많이 사용하는데 수산화나트륨과 같은 약품을 사용한다. 이는 헤미셀룰로오스와 리그닌을 제거하는 데 효과적으로 물레팅보다 레팅 시간이 단축 되어 경제적인 효과 및 양호한 섬유의 해섬도를 얻을 수 있으나 섬유다발의 분리 효과의 한계에 의하여 기계 적인 도움을 얻어야만 한다. 최근, 식물의 세포벽 성분에 존재하는 왁스나 펙틴성 분을 감소시키거나 탈리그닌화 및 중합체를 단량체로 하는 데에 전자선을 이용한 많은 연구가 이루어지고 있 으나 섬유 분리나 펄프화에 대한 연구는 거의 없는 실정 이다 (Sandev et al. 1977). 따라서 본 연구에서는 케나프 섬유다발을 레팅하기 위 해 케나프 외피 섬유에 전자선을 다양한 선량별로 조사 한 다음 NaOH 수용액으로 처리하여 기계적인 도움 없이 섬유다발의 분리 효과에 대한 연구를 검토하고자 하였다.
재료 및 방법
1. 시험재료 케나프 섬유는 정읍방사선과학연구소에서 제공받아 사용하였으며, 제공받은 케나프는 심과 외피를 분리한 후 외피부분만 자연 건조하여 사용하였다. 2. 케나프 섬유의 전자선 조사 자연 건조된 케나프 외피는 1 cm 길이의 칩으로 만든 후 전자 가속기 (ELV-8 Accelerator)로 전자선을 조사하 였다. 이때, 전자선 가속기는 1 MeV를 이용하고 10 kGy scan-1으로 설정한 후 스캔하여 총 조사량을 10, 20, 50. 100, 200 kGy가 되도록 하였다. 3. 전자선이 조사된 케나프 섬유의 NaOH 수용액 처리에 의한 세섬화 다양한 선량으로 조사된 케나프 외피 섬유를 6% NaOH 수용액으로 100�C에서 1시간 동안 각각 처리하였 다. 처리가 끝난 케나프 섬유는 1% 초산 용액으로 중화 후 차가운 물로 수차례 수세하여 자연 건조하였다. 4. 분 석 화학적 조성은 전자선이 조사된 케나프 섬유의 화학 적 처리 전과 후의 셀룰로오스, 리그닌, 헤미셀룰로오스 의 변화량을 조사하기 위해, 모든 시료들은 0.5 mm 입자 로 분쇄하였다. 분쇄된 시료는 1시간 동안 로릴황산나트 륨 수용액에서 환류하여 중성세제 섬유(Neutral detergent fiber, NDF) 값을 구하였다. 헤미셀룰로오스 함유량은 산 성세제에서 처리하여 NDF 잔류의 손실 값으로 결정하였 다. 셀룰로오스와 리그닌 값은 72% H2SO4 처리와 550�C 회화 처리에 따라 계산되었다. 전자선이 조사된 케나프 섬유의 화학적 처리 후 야기 될 수 있는 관능기의 변화를 적외선 분광기 (Fourier trans-form infrared spectroscopy, FT-IR, BRUKER, TENSOR 37) 를 이용하여 각각 분석하였다. 그리고 전자선 조사량에 따른 케나프 섬유 레팅 정도의 표면 상태를 관찰하기 위하여 주사현미경 (SEM, Jeol JSM 5910LV microscope) 을 사용하였다.결과 및 논의
1. 전자선 조사된 케나프 섬유의 NaOH 처리 후 화학적 조성의 변화 다양한 선량에서 전자선이 조사된 케나프 섬유의 가 성소다 처리 후 화학 조성의 변화를 Table 1에 나타냈 다. 일반적으로 섬유를 레팅을 하기 위해서는 섬유 속 리그닌이나 헤미셀룰로오스의 제거가 필수적이며, 리그 닌이나 헤미셀룰로오스의 제거량이 증가할수록 섬유 레 팅이 가늘게 분리할 수 있고 결정영역의 셀룰로오스 부 분을 얻는 데 효과적이다. Table 1에서 보는 바와 같이 NaOH 수용액으로 처리된 케나프는 전자선 조사량이 더 해질수록 리그닌과 헤미셀룰로오스를 제거하는 데 효과 적임을 확인할 수 있었다. NaOH 수용액으로 처리된 비 조사 케나프 섬유는 원료에 비하여 셀룰로오스 함량이 대략 61%에서 80%까지 증가되고, 헤미셀룰로오스는 19%에서 9%까지 리그닌은 15%에서 7%까지 감소하였 신혜경∙강효경∙전준표∙강필현 140Table 1. Chemical composition of irradiated kenaf fiber after 6%
NaOH solution treatment
Dose Cellulose Hemicellulose Lignin
(kGy) (%) (%) (%) Raw kenaf 61.23 19.34 15.25 0 79.85 8.93 7.25 10 82.41 6.98 6.12 20 83.59 6.12 5.85 50 87.38 5.01 4.42 100 90.77 3.54 2.79 200 93.43 2.96 1.24 300 95.24 1.95 0.61
으며, 조사된 케나프 섬유는 비조사 케나프 섬유에 비하 여 조사선량이 높아짐에 따라 셀룰로오스 함량이 증가 되고 리그닌과 헤미셀룰로오스 함량이 감소함을 나타내 었다. 300 kGy에서 조사된 케나프 섬유는 6% NaOH 용액 으로 처리했을 때 셀룰로오스 함량이 대략 95%까지 증 가되었고, 헤미셀룰로오스는 1.95%, 리그닌은 0.6%까지 감소하였는데, 이는 헤미셀룰오스와 리그닌이 대부분 제 거되었음을 의미한다. 2. FT-IR 분석 케나프 섬유의 물리적 구조와 관능기의 변화를 입증 하기 위하여 원료 케나프 섬유와 전자선 및 NaOH 수용 액으로 병합 처리된 케나프 섬유를 FT-IR을 사용하여 Fig. 1에 나타냈다. 3,400~3,300 cm-1의 흡수 피크는 O-H 그룹의 stretching 에 의한 것이고, 반면 2,900~2,800 cm-1은 C-H strethcing 에 의한 결과로 볼 수 있다 (khalil et al. 2001). 1,731 cm-1 에 위치한 피크는 원료 케나프 섬유에 존재하는 헤미셀 룰로오스의 acetyl group인 C==O와 리그닌, 헤미셀룰로오 스의 p-coumeric acid, ferulic acid에 있는 carboxylic group 의 ester기에 의한 결과로 볼 수 있으며, 이 피크는 NaOH 수용액으로 처리된 모든 샘플에서 사라졌다 (Sgriccia et al. 2008). 또한 1,242 cm-1에서의 피크는 원료 케나프 섬
유의 리그닌에 존재하는 aryl group인 C-O의 stretching에 의한 peak로 NaOH 수용액으로만 처리된 케나프 섬유에 서는 약하게 나타났으나, NaOH 처리와 전자선 조사량이 증가하면서 peak가 점점 상쇄됨을 나타내었다 (Troedec et al. 2008). 이는 리그닌과 헤미셀룰로오스를 제거하는 데 화학적인 방법뿐만 아니라 전자선의 처리에 의해서 도 영향이 미침을 알 수 있었다. 마지막으로, 원료 케나 프에 나타나는 899 cm-1에서의 peak는 다당류의 대칭을 나타내는 글리코시드로서 전자선의 조사량이 증가할수 록 NaOH 수용액 처리 후의 케나프 섬유에서는 peak가 점점 감소됨을 확인할 수 있었다 (Troedec et al. 2008). 3. 세섬화된 케나프 섬유의 표면 관찰 일반적으로 케나프 섬유다발의 분리 효과를 크게 하 기 위하여 화학적인 방법과 기계적인 방법을 병행시키 지만 본 연구에서는 케나프 섬유에 전자선과 화학적인 방법을 병합하여 처리한 후 섬유를 분리하는 세섬화에 전자선 처리된 케나프 외피의 레팅 효과 141
Fig. 1. Infrared spectra of the raw kenaf fiber and retted kenaf fibers
by a combination of various EBI doses and 6% NaOH solu-tion treatment.
Fig. 2. SEM images of (a) The raw kenaf, (b)-(h) Retted kenaf fibers by a combination of various EBI doses and 6% NaOH solution treatment.
Transmittance (a.u) 4000 3000 2000 1000 Wavenumber (cm-1) Raw kenaf 0 kGy 10 kGy 20 kGy 50 kGy 100 kGy 200 kGy 300 kGy
(a) Raw kenaf (b) 0 kGy (c) 10 kGy (d) 20 kGy
대한 효과를 검토하였다. Fig. 2는 원료 케나프 섬유와 여러 조사량에 따른 케 나프 섬유를 고온에서 NaOH 수용액으로 처리한 후 섬 유 다발의 레팅 상태를 SEM을 통하여 관찰하였다. Fig. 2의 (a)는 원료 케나프로 리그닌이 세포벽에 충진되어 셀룰로오스/헤미셀룰로오스 등을 둘러싸 다발형태를 이 루고 있어 레팅이 전혀 이루어지지 않음을 알 수 있었 으며, 그 외에 케나프 섬유를 전자선 처리한 후 6% NaOH 수용액으로 처리했을 경우 좀 더 분리가 잘 일어났음을 알 수 있었다. 특히, 케나프 섬유에 전자선 처리했을 경 우 조사량이 증가할수록 NaOH 수용액 처리 후 케나프 섬유의 분리가 세섬하게 일어남을 관찰할 수 있었으며, 300 kGy로 조사 처리된 케나프 섬유는 10~30μm 정도의 직경을 가진 섬유가 고르게 분포되어 있다는 것을 관찰 할 수 있었다.
결
론
본 연구에서는 비목재 섬유인 케나프 다발을 레팅하 기 위하여 케나프를 전자선 조사별로 조사한 후 NaOH 수용액을 처리하여 케나프 섬유를 레팅하고 다음과 같 은 연구 결과를 얻었다. 1. 전자선의 조사량이 증가할수록 화학 처리 후 케나프 섬유의 셀룰로오스 함량이 증가하고 리그닌과 헤미셀 룰로오스를 제거하는 데 효과적임을 알 수 있었다. 2. 300 kGy에서 조사된 케나프 섬유는 화학처리 후 셀 룰로오스 함량이 61.23%에서 95.24%로 현저하게 증가 되었고, 리그닌과 헤미셀룰오스가 대부분 제거됨을 확 인할 수 있었다. 3. FT-IR 결과에서 전자선과 NaOH 수용액을 병합하여 레팅된 케나프 섬유는 전자선 조사량이 증가할수록 1,731 cm-1, 1,242 cm-1에서의 피크 크기가 감소되거나 사라짐을 통하여 리그닌과 헤미셀룰로오스의 대부분 이 성공적으로 제거되었음을 확인할 수 있었다. 4. SEM 이미지에서 전자선과 NaOH 수용액 처리를 병합 하여 레팅된 케나프 섬유는 전자선 조사량이 클수록 케나프 섬유의 분리가 세섬하게 효과적으로 이루어졌 으며, 특히, 300 kGy에서는 대체로 10~30μm 정도의 직경을 가진 섬유가 고르게 분포되었다. 이상의 결과로부터 케나프 섬유다발을 레팅할 때 물 이나 효소에 의한 방법보다 전자선을 이용한 방법으로 빠르고 쉽게 섬유를 세섬화하면서 고른 섬유를 얻을 수 있었다.사
사
본 연구는 교육과학기술부 지원 원자력연구개발사업 에 의하여 수행되었으며 이에 감사드립니다.참 고 문 헌
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Manuscript Received: May 24, 2010 Revision Accepted: June 10, 2010 신혜경∙강효경∙전준표∙강필현
