섬유

섬유(纖維, fiber)는 대단히 길고 가늘며 연하게 굽힐 수 있는 천연 또는 인조의 선상(線狀) 물체이다. 직물의 원료가 될 뿐만 아니라 편물·로프·그물·펠트 등 섬유제품의 원료 및 제지(製紙)의 원료로 쓰이는 것을 말한다.

개요

공업재료로서의 물성은 불휘발성(不揮發性)이고, 물이나 그 외 다른 용제에 녹지 않거나 또는 잘 녹지 않아야 하며 열에 대하여 안정되고, 화합물로서의 안정성을 가져야 한다. 또 어느 정도의 강도 및 신도(伸度)를 가져야 하고 적당한 탄성(彈性) 및 가소성(可塑性) 등의 성질도 가져야 한다. 용도에 따라 방직용·제강용·제지용·펄프용 섬유 등으로 분류할 수 있다. 이 중 가장 많이 쓰이는 것이 방직용 섬유이다. 섬유제품의 원료에 쓰이는 섬유를 그 생성과정에 따라 크게 나누면 천연섬유와 인조섬유로 나누어진다. 천연섬유에는 식물섬유·동물섬유·광물섬유가 있으며, 식물섬유에는 면화(棉花)·케이폭 면(kapok 棉)·코이어(coier) 등의 종자섬유(種子纖維)와 마닐라삼·사이잘삼 등의 엽맥섬유(葉脈纖維), 그리고 아마·모시풀·황마·삼 등의 인피섬유(靭皮纖維)가 있고, 동물섬유에는 양모·산양모·낙타털·캐시미어 등의 수모섬유(獸毛纖維)와 가잠견(家蠶絹)·야잠견(野蠶絹) 등의 견섬유(絹纖維)가 있다. 그리고 광물섬유에는 석면(石綿: 아스베스토스) 등이 있다. 인조섬유는 무기섬유(無機纖維)와 유기섬유(有機纖維)로 대별할 수 있는데, 무기섬유에는 금박사(金箔絲)·은박사 등의 금속섬유가 있고, 유리섬유·암석섬유·광재섬유(鑛滓纖維) 등의 규산염섬유가 있다. 유기섬유에는 재생섬유·반합성섬유·합성섬유로 나누어진다. 재생섬유로는 비스코스 레이온, 큐프라 레이온 등의 섬유소섬유와 단백질섬유가 있고, 반합성섬유에는 아세테이트·트라이아세테이트 등이 있으며, 합성섬유에는 폴리아마이드계로서 나일론섬유, 폴리에스터계로서 폴리에스터 섬유·폴리우레탄계·폴리우레어계·폴리에틸렌계·폴리염화비닐계·폴리비닐리덴계·폴리테트라플루오로에틸렌계·폴리비닐알코올계·폴리아크릴로나이트릴계·폴리프로필렌계 등이 있다. 천연섬유는 인류 역사에서 가장 오래전부터 사용되어 왔으며, 인조섬유가 공업화된 것은 1890년 이후이지만 해마다 품질이 비약적으로 개선되었기 때문에 오늘날 급속히 발전된 인조섬유의 사용량은 천연섬유와 비슷한 수량에 이르고 있다. 인조섬유 중 합성섬유는 폴리아마이드계·아크릴계 및 폴리에스터계를 3대 합섬이라 하여 주종을 이루고 있으며, 그 구성비는 폴리아마이드계 49%, 아크릴계 20%, 폴리에스터계 31%이다.

천연섬유

식물섬유

식물섬유(植物纖維)는 식물로 만든 섬유를 가리킨다. 전통적으로는 종이, 옷, 밧줄을 만드는 데 쓰였다.

면

면은 아욱과(科) 식물의 종자의 털에서 취한 것으로 거의 순수한 셀룰로스만으로 되어 있다. 셀룰로스·글루코스 분자가 β­결합으로 수천 개 이상 일렬로 나란히 계속되어서 생긴 쇄상고분자(鎖狀高分子)이다. 이 같은 쇄상고분자가 수많은 다발로 모이고, 군데군데에는 질서정연하게 줄을 지어서 미셸(micelle)이라고 하는 미결정(微結晶) 부분을 만들고 있다. 미셸을 구성하는 셀룰로스 분자 다발은, 다시 몇 개씩 모여서 겨우 전자현미경으로 보일 정도의 다발로 된다. 이처럼 많은 수의 분자 사슬이 집합을 되풀이함으로써 우리가 보게 되는 면섬유가 형성되는 것이다. 면은 종자모(種子毛)로 있을 때는 원통상이지만, 시들고 마르면 편평하게 되고 비틀어지고 구부러진다. 이 종자모를 알칼리 액에 담가서 충분히 팽윤(膨潤)시킨 뒤에 유리판 위에서 눌러 으깨어 현미경으로 보면 나선상의 갈라진 금이 보인다. 그리고 피브릴(fibril)이라 불리는 셀룰로스의 집합체인 가는 줄이 나선상으로 칭칭 감겨 있는 것도 볼 수 있다.

마류

마류는 한마디로 삼이라고 불리고 있으며, 대마(大麻)·아마(亞麻)·황마(黃麻)·래미(ramie：모시풀, 紵麻) 등 여러 가지 종류가 재배되고 있다. 이들 식물의 줄기에 있는 섬유세포의 다발은 길고 강하기 때문에, 이를 섬유로 사용할 수 있다. 이들 섬유는 면의 경우와는 달리 펙틴(pectin)질과 강고하게 결합해 있기 때문에, 우선 펙틴질을 녹여내지 않으면 안 된다. 그렇게 하기 위해서는 줄기를 물에 담그기도 하고 노적(露積)하여 발효시키기도 하며 또 나무재나 소다회로 삶는다든지 함으로써 펙틴질을 제거한 후에 줄기를 잘게 부숴서 섬유를 빼낸다. 아마나 래미는 펙틴을 함유하고 있으나 대마·황마는 팩틴 대신에 리그닌(lignin)을 함유하고 있다. 이들 섬유는 그 성질에 따라 적절히 쓰이며, 대마의 경우는 내수성이 강하고 견뢰(堅牢)하기 때문에 어망·끈 등에, 래미는 모기장·레이스 등에, 황마는 인도 등에서 쌀·설탕·비료 등의 자루로 쓰이고 있다.

동물섬유

동물섬유(動物纖維)는 대개가 동물의 특정한 단백질로 만든 천연섬유를 가리킨다. 이를테면 비단, 털(양모 포함), 깃털을 들 수 있다.

비단

누에가 고치를 다 만들었을 때 이를 가열하여 속에 들어 있는 번데기를 죽이고, 건조해 오랫동안 저장할 수 있도록 한다. 그리하여 집하(集荷)된 고치에서 실을 빼내기 위해 고치를 삶아서 생사를 부착(附著)되어 있는 세리신(sericin)을 일부 녹여, 섬유가 풀려나가기 쉽도록 한다. 다음에 누에가 고치를 만들기 시작한 실마리를 찾아 여러 개의 고치로부터 다발로 실을 감아 생사(生絲)를 만든다. 이 조작(操作)을 조사(操絲)라고 한다. 생사는 70∼80%의 피브로인(fibroin)과 20∼30%의 세리신(sericin)을 주성분으로 한 2종류의 단백질로 되어 있다. 2줄의 피브로인 섬유의 둘레를 세리신이 뒤덮고 있어서 섬유에 거침성과 점착성을 가져다주고 있다. 이 때문에 광택이 나쁘나 조사(操絲) 후에 탄산나트륨액이라든가 더운물로 씻고, 최후에 묽은 초산(醋酸)에 담갔다가 말리면 세리신의 대부분이 녹아 아름다운 광택을 지닌 견사가 된다. 세리신을 제외한 이 조작을 견련(絹練)이라 하고, 만들어진 견사를 연견(練絹)이라고 부른다. 비단을 구성하고, 그 성질을 부여하고 있는 것은 피브로인이다. 이 단백질은 글리신·알라신을 주체로 하고, 기타 타이로신·류신·세린·페닐알라닌 등의 아미노산으로 되어 있다. 견을 X선으로 조사해 보면 아름다운 간섭무늬가 발견되며 견의 섬유가 고운 결정구조(結晶構造)를 하고 있는 것을 보게 된다. 사실 피브로인 분자는 1줄의 폴리펩드타이드 사슬이 일직선으로 연장된 상태로서, 서로 이웃한 분자 사슬과 수소결합으로 결합한 구조를 하고 있다. 생사는 강하고 길어지며 또 염색성도 뛰어나며, 특히 그 아름다움 때문에 옛날부터 귀중한 섬유로 여겨져 왔다.

양모

양을 쳐서 그 털로 옷감을 만드는 것은 오랜 옛날부터 있었다. 1년에 1회, 날씨가 따뜻해지기 시작할 즈음에 털을 깎아 내어 비눗물로 씻어서 더러워진 때를 없애고, 방직(紡織)함으로써 의료로 사용한다. 양모는 양(羊)의 종류에 따라서 굵기·길이가 각양각색이며, 털의 표면은 인편(鱗片)으로 뒤덮여 그 단면은 원, 또는 타원형을 이루고 있으며, 전체로서는 오그라져 있다. 양모를 구성하는 물질은, 이미 말한 것처럼 케라틴(keratin)이라고 하는 단백질로서 시스테인·류신·아르지닌·타이로신·알라닌·프로린 등 많은 아미노산이 쇠사슬 모양으로 길게 줄지어서 이룩된 쇄상고분자(鎖狀高分子)이다. 이 단백질의 특징은 시스테인(cysteine)이 단백질 분자쇄(分子鎖)의 교량 역할을 하고 있다. 또 단백질에는 아미노기(基)·카복실기와 같은 산성이라든가 알칼리성 기가 많이 남아 있기 때문에 산성 염료나 염기성 염료에 의해 염색이 잘 되며, 또 흡수성(吸水性)도 매우 크다.

광물섬유

광물섬유의 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.

인조섬유

무기섬유

무기물질로 구성된 섬유를 의미한다. 주로 건축 단열재나 통신 자재로 이용된다.

탄소섬유

탄소섬유는 많은 유기(有機) 고분자 섬유를 약 1,000~3,000℃로 소성하면 생성되는데, 현재 아크릴(폴리아크리로니트릴, PAN) 섬유, 피치 섬유, 액정 피치 섬유로부터 생산되고 있다. 탄소섬유는 주로 탄소원자 6각망 평면으로 구성되어 있지만 이 망평면(網平面)이 섬유축에 평행에 가깝게 배열된 것(고배향, 이방성)과 난잡하게 집합한 것(등방성)이 있다. PAN 계, 액정(液晶) 피치 계는 전자의 전형(典型)이고, 피치계는 후자의 전형이다. 비중이 낮고 산, 알칼리에 침해당하는 일이 없으며, 불활성(不活性) 분위기 속에서 내열성이 높다. 전기 전도성, 내마모성이 있다. 고배향(高配向) 탄소섬유는 인장강도, 탄성률이 높아 고성능(하이그레이드) 탄소섬유로 취급되며, 선팽창계수가 낮다. 그리고 수지와의 접착성을 높이기 위해 표면 처리가 되어 있다. 레이용, PAN, 페놀 섬유에서 제조되는 활성 탄소섬유는 입상(粒狀) 활성탄과 같은 정도의 흡착 성능과 훨씬 높은 흡탈착(吸脫着) 속도를 나타낸다. 이 밖에 벤젠 등을 1,000℃ 전후로 가열하여 10㎝ 정도까지 성장시킬 수 있는 탄소섬유가 있다. 탄소 섬유는 대부분이 구조재료용 복합재료 강화재(强化材)로 사용된다. 특히 고성능 탄소섬유는 에폭시 수지 모재(母材) 복합재료(CFRP)로 가장 많이 사용된다. 그밖에 열가소성 수지, 구리, 알루미계, 마그네슘계 합금, 탄소(CC콤포지트), 시멘트 콘크리트 등을 모재로 하는 복합재료의 강화재로 사용된다. 각종 탄소섬유 강화 복합재료로 응용이 폭넓게 전개되기 때문에, 탄소섬유의 시장 규모는 해마다 증가할 것으로 기대된다. 활성(活性) 탄소섬유는 공기 정화 등에 사용된다.

유리섬유

유리섬유는 유리를 녹여 가늘고 길게 섬유 모양으로 만든 것을 말한다. 최근에 서로 다른 밀도를 가지는 두 개의 유리섬유를 이용하여 광섬유를 만들어 광통신에 많이 사용하고 있다. 유리섬유는 유리막대의 한끝을 가열하고, 이를 잡아당겨 회전 드럼에 감아서 섬유처럼 만든다. 이처럼 녹인 유리를 기계적으로 잡아 늘이는 방법 외에도 작은 구멍 속으로 녹인 유리를 고속으로 뽑아내는 방법, 원심력에 의해 주위에 날려 붙이는 방법 등을 사용한다. 유리섬유의 성질은 다음과 같다. 고온에 잘 견디고 불에 타지 않는다. 흡수성은 없고 흡습성은 적다. 화학적 내구성이 있으므로 부식하지 않는다. 강도, 특히 인장강도가 강하고, 신장률이 낮으며, 전기 절연성이 크다. 내마모성이 적고, 쉽게 부서지며, 부러지는 성질이 있다. 비중은 나일론의 2.2배이고 무명의 1.7배이다. 매트로 만든 유리섬유는 단열·방음성이 좋다. 광섬유 최근에는 가늘게 만든 유리섬유가 광통신에 중요하게 사용되고 있다. 빛을 전송하는 관(管)으로서는 보통 고굴절률(高屈折率)의 유리를 코어로 하여 그 둘레에 저 굴절률의 유리를 씌운 것(클래딩)을 쓰는데, 이것은 입사한 빛을 손실 없이 다른 쪽 끝으로 전송하기 위한 것이다. 이처럼 외부 물질의 굴절률이 낮은 경우 내부 전반사가 가능한 조건이 된다. 약 42도 이하의 각도로 유리 벽에 입사되면 거울처럼 반사된다. 이렇게 빛은 광섬유의 내부 벽에서 반복적으로 반사되면서 광섬유 케이블을 따라 이동한다.

금속섬유

금속섬유는 금속으로 만든 섬유를 말한다. 장식용 금사(金絲)나 은사(銀絲) 등은 옛날부터 사용됐고, 현재는 철·알루미늄박(箔) 등의 여러 가지 금속사(金屬絲)가 생산되고 있으며, 철·알루미늄 등의 용융체(溶融體)로부터 금속섬유를 만드는 방법도 개발되고 있다. 제법은 용융방사법(溶融紡絲法), 다이스로 뽑아내는 방법, 선상(線狀)으로 결정성장(結晶成長)시키는 방법 등이 있다. 의류용으로는 유기화합물로 되어 있는 일반 섬유에 비하여 너무 무거우며, 열전도가 너무 쉽게 되어 적합하지 않으나, 불연성(不燃性)을 이용한 소화(消火) 및 내화(耐火) 용품이나, 비중이 큰 점을 이용한 가라앉기 쉬운 어망, 전기전도성이 좋은 점을 이용한 대전방지의류(帶電防止衣類), 강도와 탄성을 살린 타이어 코드, 복합재료(複合材料), 기타 공업용 자재 등이 개발되고 있다.

유기섬유

탄소를 기본 뼈대로 한 유기 물질로 구성된 섬유를 의미한다.

재생섬유

재생섬유는 천연 또는 인조의 섬유상 고분자물질을 용해·융해 등에 의하여 균일한 상태로 만들고, 이것을 다시 섬유로 형성한 것이다.

• 셀룰로스계 재생섬유: 목재펄프 중에서도 α-셀룰로스 성분이 많은 용해펄프나 린터펄프를 원료로 한다. 비스코스법은 용해펄프에 가성소다와 이황화탄소를 작용시켜 물에 녹는 비스코스로 만들고, 이것을 가는 구멍으로부터 황산 속에 압출하는 방법이다. 큐프라법은 린터펄프를 구리 암모니아 수용액에 녹인 다음 물속에 압출하여 섬유 모양으로 만든다. 이들 셀룰로스계 재생섬유를 레이온이라고 총칭하며, 여기에는 짧게 자른 스테이플(스프)과 긴 필라멘트(인견)가 있다. 또 셀룰로스아세테이트(아세트산 섬유, 이른바 아세테이트)도 셀룰로스계이나, 거기에 아세트산이 붙어 있으므로 반합성섬유라 하고, 재생섬유와 구별하는 경우가 많다.
• 단백질계 재생섬유: 우유의 카세인, 콩의 단백질, 옥수수나 땅콩의 단백질 등 여러 가지 단백질을 가성소다나 암모니아 수용액에 녹이고, 황산성의 액 속에 압출하여 섬유상(纖維狀)으로 만든 것, 또는 견(絹) 부스러기나 누에고치 찌꺼기 등을 원료로 한 재생견사이다. 일반적으로 약하나 부드러워 양털·레이온·면 등과 혼방하기도 한다.

합성섬유

합성섬유는 자연적으로 발생하는 동물과 식물 섬유를 개선하기 위한 과학자들의 연구 결과물이다. 재생섬유이든 반합성섬유이든, 원료 셀룰로스나 단백질은 이미 기다란 쇄상고분자(鎖狀高分子)이며, 그 형태를 바꾸거나 필요에 따라 분자를 가공하여 섬유 모양으로 만든 것이다. 이와는 달리 조그만 분자를 처음부터 서로 연결해 커다란 고분자로 만들고 섬유가 되게 한 것이 합성섬유이다. 이처럼 진정한 의미로서의 합성섬유는 나일론 합성에서부터 시작되어, 그 후 비닐론 등과 같은 합성섬유가 잇달아 탄생하였다. 그러면 섬유로써 사용되려면 어떠한 성질이 있어야 하는가를 생각해 보자. 플라스틱으로 쓰이는 쇄상고분자는 상온 부근에서는 고체나 액체라고도 할 수 없는 이른바 유리 상(glass 狀)으로서, 온도를 올리면 점점 유동화(流動化)하여 변형시킬 수 있는 성질이 요구되는 것은 이미 밝혔다. 섬유가 될 자격으로서 쇄상고분자에 요구되는 점은 용융·용해되고, 가는 구멍으로 밀어내 가는 실의 형(型)으로 가공하기 쉬워야 한다. 또한 만들어진 가는 실은 잡아당겼을 때 늘어나지 않아야 한다는 점이다. 거기에 흡습성·착색성이 좋을 것 등도 요구된다. 특히 잡아당겼을 때 알맞은 탄력과 항장력(抗張力)을 지니는 것은 중요하며, 결정성(結晶性)이 좋은 것이 이러한 성질을 가지고 있다. 플라스틱으로 쓰이는 폴리펩타이드·폴리염화비닐 화합물 중에서도 특히 결정성이 좋은 것이 섬유로서 쓰인다. 즉 용해해서 가는 구멍으로부터 가는 실로 밀어내어져 응고할 때, 쇄상고분자가 적절하게 배열됨으로써 분자 사이에서 결정을 만들게 됨에 따라 항장력을 갖게 되는 것이 섬유로써 쓰인다. 이것은 이미 폴리에틸렌의 항에서 결정성 폴리에틸렌은 섬유로 만들어지지만, 비결정성(非結晶性) 폴리에틸렌은 필름으로 쓰인다고 말한 그대로이다. 나일론이든 테트론이든 그 종류에 따라 플라스틱으로 쓰이냐 섬유로서 쓰이냐는 이들 분자구조와 분자의 결정성을 만들기 쉬운 정도에 따라서 결정되는 것이다. 이것은 천연의 셀룰로스에서도 미셸(micelle)이라고 하는 결정을 만들고 있는 것과 같다. 그러나 섬유의 전체가 한결같이 이와 같은 결정구조를 가졌다고 가정하면 섬유는 너무 굳어서 구부러질 수가 없으며 뻣뻣한 것이 될 것이다. 실제로 사용되고 있는 섬유는 이 같은 결정구조를 가진 부분과 그것이 여러 가닥으로 풀린 유연한 부분이 알맞은 비율로 존재하고 있다. 즉 결정구조에 따라 어느 정도의 섬유로서의 강도를 부여하고 있으며, 유연한 부분이 있음으로써 부드러운 성질이라든가 흡수성·구부러지기 쉬운 성질 등을 갖고 있다.

참고자료

• 〈섬유〉, 《네이버 지식백과》
• 〈식물섬유〉, 《위키피디아》
• 〈동물섬유〉, 《위키피디아》
• 〈광물섬유〉, 《위키피디아》
• 〈탄소섬유〉, 《네이버 지식백과》
• 〈유리섬유〉, 《네이버 지식백과》
• 〈금속섬유〉, 《네이버 지식백과》
• 〈재생섬유〉, 《네이버 지식백과》
• 〈합성섬유〉, 《위키피디아》

같이 보기

• 직물
• 셀룰로스
• 원료

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