섬유원료-천연섬유

1.  셀룰로스 섬유

셀룰로스 섬유에는 면 섬유, 마 섬유 등이 여기 포함되며, 셀룰로스는 C6H10O5의 실험식을 가진 탄수화물이다. 강우량, 일조량, 온습도, 영양분 등의 성장 환경 조건과 유전인자 및 추수방법과 조건에 따라 길이, 섬도, 단면구조, 천연꼬임, 성숙도 등이 다양하게 변화한다. 이들 변화에 따라 물리, 화학적 성이 다르게 된다. 염색은 일반적으로, 직접, Vat 염료, 반응성 염료가 사용된다. Vat 염료로 염색한 것은 일광 견뢰도 및 세탁 견뢰도가 극히 우수하다.

1) 면 섬유

면은 식물로부터 가는 섬유를 채취한  종자모 섬유이며, 면의 주성분은 탄소, 수소, 산소의 화합물인 셀룰로스(cellulose)이며 전체 중량의 90%를 차지하고 나머지 10%는 수분, 밀납, 지방분, 회분, 색소 등이다. 면 식물의 종류는 40종이 넘지만 재배종은 1년생 초목이 많으며, 인도의 인더스강 유역과 남미 페루 에서 재배가 시작 되었으며, 야생종은 다년생 수목으로 오스트레일리아, 아시아. 아프리카, 미대륙 지역에서 발견되었다.

면 섬유의 구조는 시작부분은 가늘고, 점점 폭이 넓어지면서 리본상의 천연꼬임이 있으며, 끝에서는 다시 가늘어진다. 그리고 가운데 중공에는 공기가 들어 있어 보온성이 좋다.

 

그림 1. 목화, 아마, 저마, 황마, 대마

 

2) 마 섬유

아마(Linen) – 셀룰로스 70∼85%로 구성되며, 나머지 천연 불순물로 존재한다. 측면은 대나무와 유사하며, 면보다 강하고 흡습성도 우수하다.

황마(Jute) – 튼튼하지만, 거칠어 의류용으로 사용하기는 어려우며, 면, 아마와 다르고 리그노셀룰로스라 불려지는 1종의 셀룰로스 치환체로 구성되어 있다.

저마(Ramie) – 모시라고 불려지며, 주성분은 셀룰로스, 불순물의 함유율은 면에 가깝다. 광택이 견에 가까운 특성이 있다.

대마(Hemp) – 삼베라고 불려지며, 주성분은 셀룰로스와 다른 소량의 리그닌(lignin)을 포함한다.

 

2. 양모 섬유

양모 섬유는 케라틴(keratin)이라는 단백질로 되어 있다. 섬유 표면에 치밀한 층(스케일)이 있고, 실의 함기성이 양호하여 보온성이 우수한 섬유이나, 알칼리에 매우 약한 단점이 있다.

양모 섬유의 구조

큐티클(Cuticle) : 섬유의 표피로 다소 불규칙한 스케일을 가지고 있어 펠팅 현상이 발생한다.

코르텍스(Cortex) : O-코르텍스는 염기성 염료에 의해 염착이 쉬우며, 분자 내 가교결합을 하고 있다. microfibril이 많아 흡수성이 크다. P-코르텍스는 산성염료에 의해 염착이 쉬우며 분자 간 결합을 하고 있다.

메듈라(Medulla) : 모근의 중심 조직을 말한다.

양모 섬유의 화학적 특성

양모 섬유는 18가지의 아미노산이 결합한 케라틴이라는 단백질 물질로 구성되어 있다.

산성기와 염기성기가 동시에 존재하기 때문에 양성 특성을 가진다.

그림 2  양모 섬유의 측면 현미경 사진(좌)와 견 섬유 원료 누에고치(우)

3. 견 섬유

 

견 섬유란, 누에의 내분비선에서 필라멘트상태로 스며 나오는 단백질로 된 분비물을 말하는 것으로 피브로인(약 72~81%를 차지)과 이를 감싸고 있는 세리신 또는 검(약 19~28%를 차지)으로 구성되어 있는 양 겹속의 연속 필라멘트이다.

견 섬유의 주성분은, 피브로인이라는 단백질로 양모와 같이, 가수 분해에 의해 α-아미노산을 생성한다. 피브로인의 기본 분자는, 글리신(glycine), 알라닌(alanine) 등의 소분자량의 아민산이 탈수 축합한 폴리펩티드이다. 양모에 비교하여 아민기나 카르복실기의 수가 적으나, 적용되는 염료의 종류․염착 기구 등은, 양모의 경우와 기본적으로는 같다. 그러나 염착 온도는 80~90℃가 최적이며, 피브로인(fibroin)의 배열 상태 등 섬유 구조상의 차이에서, 양모 염색과는 그 방법이 다르다. 

견 섬유의 염색거동은 양모, 합성 폴리아미드 섬유와 매우 유사하므로 같은 종류의 염료로 매우 유사한 방법으로 염색할 수 있다.

아래의 2가지 성질들이 견 섬유의 염색거동을 결정짓는 중요한 요소이다.

  • 매우 미세한 섬유(fibrils)
  • 매우 높은 섬유 결정 배열도

나일론(2~4denier)이나 양모(2~8denier)에 비해 미세한 견 섬유는 1.0denier 정도이므로 동일한 중량, 직물 구조에서 섬유 표면적이 크다. 이는 양모나 나일론에 비해 아래와 같은 차이점을 나타낸다.

평균 50% 정도의 표면 color yield가 낮으므로 같은 농도를 얻기 위해서는 약 2배 정도의 염료가 사용 되어져야 한다.

약 2배 정도의 염료가 더 필요하므로 같은 농도에서 습 견뢰도 성질이 떨어진다.

섬유 표면적이 크다는 것은 급격한 흡착율을 나타내므로 심지어 낮은 온도인 20~30°C 에서도 많은 염료량이 흡착하게 된다. 이러한 초기 흡착은 섬유 표면에 있는 아미노기와의 빠른 반응에 의해 일어난다.

 

1) 견 섬유의 구조

세리신 : 피브로인을 감싸고 있으며, 비결정성 영역으로 이루어져 있다. 더운물에 잘 용해하며, 아미노산으로 구성되어있다.

피브로인 : 결정성 영역으로 구성되어 있으며, 미세한 가는 섬유 다발로 이루어진 불용성 아미노산으로 되어 있다

 

2) 견 섬유의 염착구조

견 섬유는 천연 폴리아미드 또는 폴리펩티드 섬유이며 중성, 산성, 그리고 염기성 아미노산으로 구성되어 있어, 히드록시 그룹(-OH기)외에 아미노 그룹(-NH2)과 카르복시 그룹(-COOH)을 섬유의 옆 분자쇄 및 각각의 분자쇄 끝에 아미노기와 카르복실기를 갖고 있다. 이러한 구조로 인해 견 섬유가 pH 조건에 따라 각기 다른 염료들을 흡수하게 된다.

R-COOH기 : 염기성 염료, 크롬 염료로 염착 될 수 있다.

R-NH2기 : 반응성 염료, 산성 염료로 염착 될 수 있다.

R-OH기 : 산성, 반응성, 크롬 염료로 염착 될 수 있다.

견의 염색 특성은 기본적으로 양모와 동일하다. 따라서 염료, 염법도 동일하지만, 섬세한 섬유이기 때문에 피브릴화와 필라멘트가 끊어지는 손상을 피하기 위해서, 보다 한층 주의 깊은 취급이 요구된다.

음이온성 산성과 함금속 염료의 고착은 주로 3가지 형태의 결합에 의해 이루어진다. 산성용액에서 견 피브로인은 수소이온을 흡수하여 양이온성을 띄게 된다.

이렇게 하여 생긴 전기이온에 의해 반대이온과 상호 반응하게 된다. 염액 내 염료의 색깔을 갖고 있는 음이온들이 염결합과 같은 정전기 이온 반응 결합을 하게 된다.
이온 결합 이 외에 또 다른 결합력이 작용한다는 사실은 균염을 얻기 위해서 염료의 종류에 따라 등전점(pH 5)이상의 영역에서 견 염색을 해야 한다는 점에서 알 수 있다. 이러한 힘이란 대개,수소결합, 반데르발스 힘에 의한 결합을 말한다.

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