천연섬유
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1. 개요
천연 섬유는 식물, 동물, 광물에서 얻는 섬유를 총칭한다. 식물 섬유는 씨앗, 잎, 줄기, 열매 등에서 얻으며, 면, 바나나, 아마, 황마 등이 대표적이다. 동물 섬유는 콜라겐, 케라틴, 피브로인 등 단백질로 구성되며, 실크, 양모, 알파카 등이 있다. 광물 섬유는 석면이 유일하며, 건축 자재로 사용되었으나 유해성으로 인해 사용이 금지되었다. 천연 섬유는 합성 섬유에 비해 강성이 낮지만, 생분해성, 재생 가능성 등의 장점을 가지며, 복합 재료, 나노복합재료, 생체 재료 등 다양한 분야에서 활용된다.
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| 천연섬유 |
|---|
2. 분류
천연섬유는 크게 식물 섬유, 동물 섬유, 광물 섬유로 나뉜다.
2. 1. 식물 섬유
| 분류 | 종류 | 그림 |
|---|---|---|
| 씨앗 섬유 | 다양한 식물의 씨앗에서 채취한 섬유를 씨앗 섬유라고 한다. 가장 대표적인 예는 면이다. |  |
| 잎 섬유 | 잎의 세포에서 채취한 섬유로, 예를 들어 바나나[7], 파인애플 (PALF) 등이 있다.[8] |  |
| 인피 섬유 | 인피 섬유는 식물의 줄기 바깥쪽 세포층에서 채취한다. 이 섬유는 내구성이 강한 실, 직물, 포장재 및 종이에 사용된다. 아마, 황마, 케나프, 산업용 대마, 모시풀, 등나무, 덩굴 섬유 등이 그 예이다.[9] |  |
| 열매 섬유 | 식물의 열매에서 채취한 섬유로, 코코넛 섬유 (코이어)가 있다. |  |
| 줄기 섬유 | 식물의 줄기에서 얻은 섬유로, 밀, 쌀, 보리, 대나무, 짚 등이 있다.[7] |  |
2. 2. 동물 섬유
동물 섬유는 일반적으로 콜라겐, 케라틴, 피브로인과 같은 단백질로 구성되며, 실크, 힘줄, 양모, 고양이 꼬리, 앙고라, 모헤어, 알파카 등이 있다.- 동물 털 (양모 또는 털): 동물 또는 털이 있는 포유류에서 채취한 섬유 또는 양모. 예를 들어 양모, 염소 털 (캐시미어, 모헤어), 알파카 털, 말 털 등이 있다.
- 실크 섬유: 고치를 준비하는 동안 곤충의 샘(주로 입 근처에 위치)에서 분비되는 섬유.
동물 섬유에 분류되는 것으로는 수모와 견이 있다.[23]
- 수모
- * 양모
- * 캐시미어
- 견
2. 3. 광물 섬유
석면(石綿, asbestos)은 사문석이나 각섬석이 변해서 섬유 모양으로 된 광물로서, 보통 모암(母岩) 사이에서 층상으로 산출된다. 대부분은 40mm 이하의 짧은 것이지만, 드물게는 각섬석면(角閃石綿)처럼 180mm에 이르는 것도 있다. 모암으로부터 섬유를 빼내기 위해서는 모암을 부수어 층상인 석면 덩어리를 풀어낸다. 섬유는 매우 가늘고 솜과 같은 상태로 채취된다. 주성분은 복잡한 규산염이며 내열성이 좋다. 이 섬유를 시멘트와 혼합하고, 종이를 뜨는 것처럼 얇은 층상으로 한 것을 여러 장 겹쳐서 압착한 것이 석면 슬레이트로서, 방화·단열재로서 건축에 쓰인다. 또 실로 뽑은 것은 방직하고, 보온·단열용 직물로 쓰인다.대한민국은 2009년 1월 1일부터 <산업안전보건법>에 의해 석면이 0.1% 이상 함유된 건축자재 등의 제품은 제조, 수입, 사용이 금지되었다.[23] 광물 섬유로 분류되는 것은 석면뿐이다.[23]
3. 주요 천연 섬유
주요 천연 섬유에는 식물 섬유, 동물 섬유, 광물 섬유가 있다.
석면은 사문석이나 각섬석이 섬유 모양으로 변한 광물이다. 주로 40mm 이하의 짧은 섬유지만, 드물게는 180mm에 이르는 각섬석면도 있다. 석면은 모암(母岩) 사이에서 층상으로 산출되며, 모암을 부수어 층상 석면 덩어리를 풀어 채취한다. 매우 가늘고 솜과 같은 석면 섬유는 복잡한 규산염이 주성분으로 내열성이 뛰어나다. 시멘트와 혼합하여 얇은 층으로 만든 석면 슬레이트는 방화·단열재로 건축에 사용되며, 실로 뽑은 것은 방직하여 보온·단열용 직물로 사용된다.
대한민국에서는 2009년 1월 1일부터 <산업안전보건법>에 의해 석면이 0.1% 이상 함유된 제품의 제조, 수입, 사용이 금지되었다.
3. 1. 키틴
키틴은 콜라겐 다음으로 세상에서 두 번째로 풍부한 천연 고분자이다. 키틴은 "β-(1-4)-2-아세트아미도-2-데옥시-D-글루코스"의 "선형 다당류"이다.[13] 고결정성이며 일반적으로 β 시트 형태로 배열된 사슬로 구성된다. 높은 결정성과 화학 구조로 인해 많은 용매에 녹지 않는다. 또한 체내 독성이 낮고 장에서 불활성이다. 키틴은 항균성을 가지고 있다.[10]
키틴은 단백질에 둘러싸이는 섬유를 만드는 결정을 형성한다. 이러한 섬유는 묶여서 많은 생물학적 재료의 계층적 구조에 기여하는 더 큰 섬유를 만들 수 있다.[11] 이러한 섬유는 무작위로 배향된 네트워크를 형성하여 다양한 생물학적 재료의 유기층에 기계적 강도를 제공할 수 있다.[12]
키틴은 많은 생물체에 보호와 구조적 지지를 제공한다. 곰팡이와 효모의 세포벽, 연체동물의 껍질, 곤충과 절지동물의 외골격을 구성한다. 껍질과 외골격에서 키틴 섬유는 그들의 계층적 구조에 기여한다.[13]
자연에서 순수한 키틴(100% 아세틸화)은 존재하지 않는다. 대신 키틴의 탈아세틸화 유도체인 키토산과 공중합체로 존재한다. 공중합체의 아세틸화된 조성이 50% 이상 아세틸화되면 키틴이다.[11] 키틴과 키토산의 이러한 공중합체는 무작위 또는 블록 공중합체이다.[13]
3. 2. 키토산
키토산은 키틴을 탈아세틸화하여 얻는 유도체이다. 공중합체의 아세틸화 구성 비율이 50% 미만일 때 키토산이라고 부른다.[11] 키토산은 반결정성 "β-(1-4)-2-아미노-2-데옥시-D-글루코스" 중합체이다.[13] 키틴과 키토산의 차이점 중 하나는 키토산이 산성 수용액에 녹는다는 것이다. 키토산은 키틴보다 가공이 쉽지만, 친수성이 높고 pH 변화에 민감하여 안정성은 떨어진다. 이러한 가공 용이성 덕분에 키토산은 생물의학 분야에서 활용된다.[10]
3. 3. 콜라겐
콜라겐은 구조 단백질로, 종종 "생체 재료의 강철"이라고 불린다.[14] 콜라겐은 여러 유형으로 나뉘는데, I형은 피부, 힘줄, 인대, 혈관 및 장기, 치아, 뼈, 동맥벽을 구성하고, II형은 연골의 구성 요소이며, III형은 종종 세망 섬유에서 발견된다. 콜라겐은 삼중 나선, 섬유아세포 및 섬유를 형성하는 계층적 구조를 가지며, 신체의 많은 조직을 지지하고 강화하는 단백질군이다.3. 4. 케라틴
케라틴은 많은 척추동물의 딱딱한 표면에 위치한 구조 단백질이다. 케라틴은 α-케라틴과 β-케라틴의 두 가지 형태가 있으며, 이들은 척삭동물의 서로 다른 계통에서 발견된다. 이 케라틴의 명명법은 단백질 구조의 명명법을 따른다. 즉, 알파 케라틴은 나선형이고, 베타 케라틴은 시트형이다. 알파 케라틴은 포유류의 머리카락, 피부, 손톱, 뿔, 깃털에 존재하며, 베타 케라틴은 조류와 파충류에서 비늘, 깃털, 부리에서 발견된다. 케라틴의 두 가지 다른 구조는 서로 다른 기계적 특성을 가지며, 이는 서로 다른 적용 분야에서 나타난다. 케라틴 섬유의 상대적인 정렬은 기계적 특성에 상당한 영향을 미친다. 사람의 머리카락에서 알파 케라틴의 필라멘트는 고도로 정렬되어 있어 인장 강도가 약 200MPa이다. 이러한 인장 강도는 사람의 손톱(20MPa)보다 한 자릿수 더 높은데, 이는 사람의 머리카락의 케라틴 필라멘트가 더 잘 정렬되어 있기 때문이다.[13]
4. 천연 섬유의 특성
천연 섬유는 합성 섬유에 비해 강성과 강도가 감소하는 경향이 있다.[13]
| 재료 | 섬유 | 탄성 계수 (GPa) | 강도 (MPa) |
|---|---|---|---|
| 힘줄 | 콜라겐 | 1.50 | 150 |
| 뼈 | 콜라겐 | 20.0 | 160 |
| 갯벌 게 껍질 (습윤) | 키틴 | 0.48 | 30 |
| 새우 껍질 (습윤) | 키틴 | 0.55 | 28 |
| 소 발굽 | 케라틴 | 0.40 | 16 |
| 양모 | 케라틴 | 0.50 | 200 |
섬유의 나이가 들수록 특성 또한 감소한다. 젊은 섬유는 늙은 섬유보다 더 강하고 탄성이 있는 경향이 있다.[13] 많은 천연 섬유는 점탄성 특성으로 인해 변형률 속도 민감성을 나타낸다.[15] 뼈는 콜라겐을 함유하고 있으며 변형률 속도가 증가함에 따라 강성이 증가하는 변형률 속도 민감성을 나타내며, 이는 변형 경화라고도 한다. 거미줄은 단단하고 탄성이 있는 영역을 가지고 있으며, 이들이 함께 작용하여 변형률 속도 민감성에 기여하며, 이는 거미줄이 변형 경화를 나타내게 한다.[11] 천연 섬유의 특성은 섬유 내 수분 함량에도 영향을 받는다.[13]
5. 응용 분야
천연섬유는 합성 섬유나 유리 섬유와 마찬가지로 복합 재료에도 사용된다. 천연섬유는 생분해성이며 재생 가능하다는 점, 그리고 합성 재료보다 밀도가 낮고 가공 비용이 저렴하다는 장점이 있다. 그러나 강도가 낮고 섬유와 매트릭스 간의 결합이 어렵다는 설계상의 문제가 있다.[17][18]
나노복합재료는 그 기계적 특성 때문에 선호된다. 나노 크기 요소는 구성 요소의 벌크(bulk) 특성과 상당히 다르며, 복합재료 전체 특성에 더 큰 영향을 미친다. 하지만 천연 섬유 나노복합재료는 작은 섬유가 매트릭스에 응집되는 경향 때문에 분산에 어려움이 있다.[20]
천연 섬유는 의료 분야에서 생체 재료로도 자주 사용되며, 특히 키틴이 다양한 용도로 활용되어 주목받고 있다. 키틴 기반 재료는 산업 오염 물질을 물에서 제거하거나, 섬유 및 필름으로 가공될 수 있으며, 식품 산업에서는 바이오센서로도 사용된다.[21]
5. 1. 산업적 이용
석면(石綿, asbestos)은 사문석이나 각섬석이 변해서 섬유 모양으로 된 광물로, 보통 모암(母岩) 사이에서 층상으로 산출된다. 대부분 40mm 이하로 짧지만, 드물게는 각섬석면(角閃石綿)처럼 180mm에 이르는 것도 있다. 모암에서 섬유를 빼내려면 모암을 부수어 층상인 석면 덩어리를 풀어낸다. 섬유는 매우 가늘고 솜과 같은 상태로 채취된다. 주성분은 복잡한 규산염이며 내열성이 좋다. 이 섬유를 시멘트와 혼합하고, 종이를 뜨듯이 얇은 층상으로 만든 것을 여러 장 겹쳐 압착한 것이 석면 슬레이트이며, 방화·단열재로 건축에 쓰인다. 또 실로 뽑은 것은 방직하여 보온·단열용 직물로 쓰인다.[16]대한민국은 2009년 1월 1일부터 〈산업안전보건법〉에 따라 석면이 0.1% 이상 함유된 건축자재 등의 제품은 제조, 수입, 사용이 금지되었다.
산업적 가치가 있는 동물 섬유에는 양모, 실크, 낙타 털, 앙고라가 있으며, 식물 섬유에는 면, 아마, 삼, 황마가 있다. 생산 규모와 사용 면에서 가장 우세한 것은 섬유용 면이다.[16]
5. 2. 천연 섬유 복합재료
천연 섬유는 합성 섬유나 유리 섬유와 마찬가지로 복합 재료에도 사용된다. 이러한 복합 재료는 바이오복합재료라고 불리며, 합성 고분자 매트릭스 내의 천연 섬유이다.[1] 1908년에 사용된 최초의 바이오 섬유 강화 플라스틱 중 하나는 페놀 수지에 들어간 셀룰로스 섬유였다.[1] 사용처로는 단열재, 소음 흡수 패널 또는 자동차의 충돌 시 변형 영역과 같이 에너지 흡수가 중요한 응용 분야가 있다.[17]천연 섬유는 합성 강화 섬유보다 여러 가지 장점을 가질 수 있다. 특히 생분해성이며 재생 가능하다는 점이 두드러진다. 또한, 합성 재료보다 밀도가 낮고 가공 비용이 저렴한 경우가 많다.[17][18] 천연 섬유 강화 복합 재료의 설계 문제로는 낮은 강도(천연 섬유는 유리 섬유만큼 강하지 않음)와 섬유와 매트릭스의 실제 결합의 어려움이 있다. 소수성 고분자 매트릭스는 친수성 섬유에 대한 부착력이 불충분하다.[17]
5. 3. 나노복합재료
나노복합재료는 기계적 특성 때문에 선호된다. 복합재료 내 충전재의 크기가 나노미터 크기일 때, 충전재의 표면 대 부피 비율이 높으며, 이는 기존 복합재료에 비해 복합재료의 전체적인 특성에 더 큰 영향을 미친다. 이러한 나노 크기 요소의 특성은 구성 요소의 벌크(bulk) 특성과 현저하게 다르다.천연 섬유와 관련하여, 나노복합재료의 가장 좋은 예는 생물학에서 나타난다. 뼈, 전복 껍질, 진주층, 치아 에나멜은 모두 나노복합재료이다. 2010년 현재, 대부분의 합성 고분자 나노복합재료는 생물학적 나노복합재료에 비해 인성 및 기계적 특성이 떨어진다.[19] 완전히 합성된 나노복합재료도 존재하지만, 나노 크기의 생체 고분자도 합성 매트릭스에서 시험되고 있다. 콜라겐, 셀룰로오스, 키틴 및 투니칸을 포함한 여러 종류의 단백질 기반 나노 크기 섬유가 나노복합재료에 사용되고 있다.[20] 이러한 구조 단백질은 복합재료에 사용하기 전에 가공해야 한다.
셀룰로오스를 예로 들면, 반결정질 미세 섬유는 비정질 영역에서 전단되어 미세 결정 셀룰로오스(MCC)가 생성된다. 이 작은 결정질 셀룰로오스 섬유는 이 시점에서 위스커로 재분류되며, 직경이 2nm~20nm이고 모양은 구형에서 원통형까지 다양하다. 콜라겐, 키틴, 셀룰로오스 위스커는 모두 생물학적 나노복합재료를 만드는 데 사용되었다. 이러한 복합재료의 매트릭스는 일반적으로 폴리에틸렌, 폴리염화비닐 및 폴리스티렌과 폴리아크릴레이트의 공중합체와 같은 소수성 합성 고분자이다.[20][19]
전통적으로 복합재료 과학에서는 유리한 기계적 특성을 얻기 위해 매트릭스와 충전재 간의 강력한 계면이 필요하다. 그렇지 않으면, 상이 약한 계면을 따라 분리되는 경향이 있으며, 이는 매우 불량한 기계적 특성을 초래한다. 그러나 MCC 복합재료의 경우, 충전재와 매트릭스 간의 상호 작용이 충전재-충전재 상호 작용보다 강하면 복합재료의 기계적 강도가 눈에 띄게 감소한다.[20]
천연 섬유 나노복합재료의 어려움은 분산성 및 작은 섬유가 매트릭스에 응집되는 경향에서 비롯된다. 표면 대 부피 비율이 높기 때문에 섬유는 미세 규모 복합재료보다 응집되는 경향이 있다. 또한, 충분한 순도의 콜라겐 미세 섬유를 얻기 위한 콜라겐 원료의 2차 가공은 하중 지지 셀룰로오스 또는 기타 충전재 기반 나노복합재료를 만드는 데 비용과 어려움을 더한다.[20]
5. 4. 생체 재료 및 생체 적합성
천연 섬유는 의료 분야에서 생체 재료로 자주 쓰이며, 특히 키틴이 주목받아 다양한 용도로 활용된다. 키틴 기반 재료는 산업 오염 물질을 물에서 제거하고, 섬유 및 필름으로 가공되며, 식품 산업에서 바이오센서로 사용되기도 한다.[21] 키틴은 또한 여러 의학적 응용 분야에 사용되어 왔다. 이는 조직 재생을 위한 뼈 충전재, 약물 전달체 및 부형제로 사용되었다.[22] 이물질을 체내에 삽입하면 면역 반응이 유발되는 경우가 많으며, 이는 신체가 재료에 어떻게 반응하느냐에 따라 다양한 긍정적 또는 부정적 결과를 초래할 수 있다. 케라틴 기반 임플란트와 같이 자연적으로 합성된 단백질로 만들어진 것을 이식하면 신체가 이를 자연 조직으로 인식할 가능성이 있다. 이는 임플란트의 구조가 임플란트가 슈퍼 구조를 형성하면서 조직 재생을 촉진하는 드문 경우에 통합을 유도하거나, 단백질의 백본이 신체에 의해 절단되도록 인식되는 임플란트의 분해를 유발할 수 있다.[21][22]참조
[1]
논문
Biofibres and biocomposites
2008-02-08
[2]
서적
Natural fibres : advances in science and technology towards industrial applications: from science to market
Springer
2016-02-11
[3]
웹사이트
New Manufacturing Method for Paper Filler and Fiber Material
https://digital.libr[...]
2013-08-25
[4]
논문
Natural and Synthetic Fiber Felts
1959-08-01
[5]
논문
Clothes Make the (Hu) Man
[6]
논문
30,000-Year-Old Wild Flax Fibers
http://nrs.harvard.e[...]
[7]
논문
Natural Fiber Reinforced Composites
2012-07-01
[8]
논문
Review on mechanical properties evaluation of pineapple leaf fibre (PALF) reinforced polymer composites
2019-10-01
[9]
논문
A review of bast fibres and their composites. Part 1 – Fibres as reinforcements
https://pearl.plymou[...]
2010-10-01
[10]
논문
Chitin and chitosan: Properties and applications
2006-07-01
[11]
논문
Biological materials: Structure and mechanical properties
2008-01-01
[12]
논문
Biological materials: A materials science approach
2011-07-01
[13]
서적
Biological Materials Science
Cambridge University Press
[14]
서적
BIOMECHANICS: mechanical properties of living tissues (1).
SPRINGER
1981-01-01
[15]
논문
Nature's hierarchical materials
2007-11-01
[16]
간행물
Wiley-VCH
[17]
논문
Methods to determine surface energies of natural fibres: a review
2007-01-01
[18]
논문
Mechanical Properties of Natural Fiber Braided Yarn Woven Composite: Comparison with Conventional Yarn Woven Composite
[19]
논문
Mechanical Principles of Biological Nanocomposites
2010-07-02
[20]
논문
Review of Recent Research into Cellulosic Whiskers, Their Properties and Their Application in Nanocomposite Field
2005-03
[21]
논문
Biofibres, biodegradable polymers and biocomposites:An overview
2000-03
[22]
서적
Biomaterials: The Intersection of Biology and Materials Science
Pearson/Prentice Hall
[23]
논문
繊維の分類
https://doi.org/10.1[...]
2020-06-21
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