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1. 고차구조의 개념(Concept of fineness
structure)
2. 모발의 어원 및 구조 개념(Etymology of hair concept of structure) 작은 분자들이 사슬모양으로 서로 연결되어서 커다란 크기의 분자를 형성하는 경우 이러한 물질을
고분자(polymer) 또는 거대분자(macromolecule)라 부르나, 자연계에 존재하는 이런 물질은 섬유소(cellulose),
천연고무(cis-polyisoprene), 키틴(chitin, 곤충, 갑각류의 표면을 덮고 있는 껍질)과 단백질이 주성분인 말발굽(hoof)과
소뿔(horn)과 같은 각질 등이 있으며 합성에 의한 고분자는 플라스틱(plastics), 합성섬유, 합성피혁, 합성고무 등을 들 수 있다.
고분자를 이루는 데 기본이 되는 작고 단순한 구성물질(building block)을 단위체(monomer)라 부른다.
이러한 단위체의 성질이나 고분자의 구조 그리고 고분자 상호간의 작용 등에 따라 여러 가지 다른 성질을 갖는 변화 무쌍한 고분자 물질이
생겨나는 것이다.
모발은 일반적으로 macro structure(거시적 구조)와 micro structure(미시적 구조)로서 구성되어 있으며, macro
structure는 모섬유 길이(length), 굵기, 단면형상, 표면상태(shape), 모발 형상인 권축(crimp) 등을 나타낸다.
단위로서는 μ, ㎜, ㎝로 표시하며 비교적 가시적인 구조인 거시적 분자구조로서 고차구조인 외부 형태를 말한다.
micro structure는 모섬유(모속)를 형성하는 선상 고분자(linear polymer) 집합상태의(분자 집합의 결정(규칙)성,
배향(방향)성을 가지고 있는 분자 집합) 양상인 미결정(微結晶)에 따른 섬유 특유의 구조를 나타낸다. 이는 형상, 크기, 분포, 장주기 등으로서
단위는 , ㎛로 표시하며 비가시적인 섬유의 내부 구조로서 미세구조(fine structure)라 한다. 1. 고차구조의 개념(Concept of fineness structure) 분자 하나 하나의 화학결합 단위인 1차 구조와 이 화학결합 단위가 수천 수 만 개 반복 연결된 긴
분자 사슬(高分子)의 집합상태 구조를 미세구조 또는 고차구조라 했었다. 따라서 고분자 집합 상태의 내용을 구조적으로 구별하고 규정짓는 것은
고분자(高分子, macromolecule) 재료의 구조와 물질에 대한 성질 관계인 물성(物性)을 연구하는 데 꼭 필요한 것이다. 분자의 고차구조
내용을 규정짓는 개념 및 척도(尺度)를 아래와 같이 나타낼 수 있다.
첫째, 결정성(結晶性)을 가진다. 고분자쇄가 분자간력(分子間力, intermolecular)에 의해 서로를 구속하여 규칙적인 배열을 하고
있다. 이는 분자를 형성하고 있는 원자가 원자 서로 간의 위치관계에서 규칙적으로 질서정연하게 이루어져 있는 부분을 말한다.
둘째, 배향성(配向性)을 가진다. 분자 집합 상태의 방향성을 뜻하는 것으로 분자의 주쇄(主鎖)가 어느 방향으로 향하고 있는 가에 의해 이
배향의 정도를 배향도(degree of orientation)라 한다.
셋째, 결정입자(結晶粒子)의 크기, 즉 미결정(微結晶)의 크기로서 하나의 결정역(結晶域)의 크기를 말한다. 금속은 100% 결정으로 전체가
하나의 거대한 결정으로 형성되어 있으나, 고분자의 결정은 대단히 작아 현재까지 조사된 많은 결정성 고분자의 미결정의 크기는 주쇄방향으로 100
을 넘는 경우는 드물며, 주쇄와 직각 방향에서는 이보다 작은 50 내외이며 이보다 적은 경우가 더 많다.
그 외 고분자 고차구조를 규정짓는 장주기(長週期) 미결정의 형상 및 비결정(amorphous)영역 등에 관한 것으로서 척도를 나타낼 수
있다. 예로서 모표피 세포 두께는 약 0.5∼1.0μ, 길이 80∼100μ, 모피질 세포는 길이 100μ, 두께 1∼6μ, 직경 2∼6μ,
색소과립은 직경 약 0.2∼0.8μ이다. 미세구조의 관찰은 전자 현미경, X선 회절(回折, x-ray diffraction) 등의 진보와 응용
기술의 발달에 의해 해명되고 있지만, 그러나 세부구조에 대해서는 학자마다 견해의 차이가 있으며, 아직 완전하게 밝혀지지는 않고 있다.
1. 천연섬유의 구조(Structure of natural fiber)
섬유(fibril)는 그 성능상 길고 가늘어야 한다는 전제를 가진다. 이와 같은 고분자적(미세구조, 거시적)인 기하학적 이방(배향)성을
충족시키기 위해서는 저분자(subunit, 소단위)로서 불가능하며 긴 분자쇄를 가진 쇄상고분자라야 하는 특이한 분자응징구조가 요구된다. 즉
강도(tenacity, strength), 탄성률(elastic modulus) 등 섬유재료로서 요구되는 길게 연결된 고분자(polymer)
사슬을 섬유축 방향으로 배향된 강대한 화학결합(chemical bond)을 최대한 이용한다.
섬유축 방향의 강도 등을 보강시킨 배향성 구조는 역학적 성질을 충족시킨다. 섬유구조에서 분자간에 미끄럼(Slip, 풀리다)이 생기면 섬유는
쉽게 절단된다. 섬유의 결정영역은 분자간 미끄러짐의 방지인 '쐐기'의 역할을 담당하며 섬유구조 중 강한 분자간 응집력을 가진 영역이다.
보편적으로 섬유형성 물질은 결정영역을 가지는 결정성 고분자임이 필요하다는 것을 말하나 금속과 같이 딱딱한 것으로서 결정성이 너무 좋아도
섬유재료로서는 부적당하다. 그러므로 변형이 어느 정도는 가역적이어야 한다. 반면 섬유의 성능으로서 필수조건인 염색성이나
친수성(hydrophilic)의 면에서 생각할 때 비결정영역의 존재가 요구된다. 특히 섬유구조는 결정화, 배양화 되어야 한다.
결정이란, 원자가 3차원의 공간에서 질서정연하게 규칙적인 위치배열 관계를 갖는 것을 말하며 결정화된 하나의 단위를
미결정(crystallize, 결정화시키다)이라 한다. 분자들은 분자간력(inter-molecular attractive force)에 의하여
서로 구속되어 질서 정연하게 규칙적인 위치관계를 취하고 있다. 분자간력은 수소결합, Van dar Waals힘 및 극성기에 의한 것을 말하며
배향이란, 규칙적인 원자의 상호 위치 관계가 어떤 방향성을 뜻하며, 천연섬유에서 배향결정화의 대표적인 섬유는 견섬유인 누에이다. '누에'는
토출한 실을 당기면서 꼬치를 만드는 것으로 전단(剪斷, 층 밀리기, shear) 혹은 신장에 의하여 섬유가 응고 및 배향결정화 된다. 이와 같이
섬유구조 형성의 필요조건은 쇄상고분자로서 배향성, 결정성에 따른 미결정성 영역의 특징 등을 말한다. 이러한 천연섬유 특징과 성질 때문에 또한
섬유재료로서 사용되고 있다.
1) 섬유구조와 물리적 성질
섬유 고분자의 광범위한 구조와 물리적 성질간의 관계가 아닌 성질변화의 본질적인 요소로서 이에 상응하는 구조가 존재한다는 것을 융점과 탄성
계수와 강도 등 몇 가지 대표적인 예로서 설명할 수 있다.
① 융점(Melting Point): 물질의 융점은 결정과 액체가 열역학적으로 평행 상태에 있는 온도, 즉 그 이상의 온도에서는 결정영역이
존재하지 않는 온도로서 융해열(fusion enthalpt, ΔΗ)과 융해엔트로피(fusion entropy, ΔS)와 융점(Tm)간에 식이
성립된다. 융해열은 분자간 작용력에 기인하나 주로 고분자의 1차구조인 화학구조에 관계하며 융해 엔트로피는 분자의 집합상태, 즉 고차구조에
관계되는 것으로 통계역학에 의한 열역학적 확률, 즉 그 상태에 있어서 분자가 취할 수 있는 배위수에 비례하는 것으로 결정 즉, 고체에서 액체로
될 때 배위수 증가에 관계한다. 따라서 융점은 분자간 작용력이 클수록 또 액체 상태와 결정 상태의 분자배열의 차가 작을수록 높아진다.
② 탄성 계수와 강도(Elasticity coefficient and tenacity): 탄성 계수와 강도는 결정 라멜라(lamella
structure, 고분자 사슬 polymer chain의 중첩으로 생긴 널빤지 모양 결정, 판상)간을 연결하는 연결사슬(tie chain)의
수와 긴장된 상태에 관계한다. 견섬유를 신장시켰을 때 응력이 피브릴(fibril) 간 연결사슬과 피브릴 내 연결사슬에 작용하여 그 결과 탄성
계수는 주로 이들 연결사슬의 수와 긴장되어 있는 상태에 관계된다. 그러므로 강도 또한 이들 연결사슬의 절단응력에 관계한다.
2) 고차구조의 조사방법(Survey process of fineness sturucture)
섬유구조의 조사방법은 분자량, 길이, 폭, 단면구조 및 결정화도, 배향도 등이 있다.
(1) 결정화도(Crystallization degree)
최외각 전자의 궤도가 서로 겹쳐질 정도로 원자 간격이 더욱 가까워지면 원자와 원자 사이의 힘은 대단히 강해진다. 이때 원자 상호간의
결합력이 강해져서 액체 상태 혹은 고체 상태가 되나 대부분의 경우 고체를 형성하고 있는 원자들은 결정(crystal)을 이루고 있다. 결정이란
원자 원자단 혹은 이온이 공간적으로 규칙적인 배열을 이루고 있는 것을 말하며 결정이 형성하는 입체적인 공간격자(space lattice)를
결정격자(crystal lattice)라 한다. 결정화도란 모발섬유 내에서 결정과 비결정 영역을 정량적으로 나타내는 방법이다. 즉 섬유 물질
전체에 대한 결정영역의 분율로서 이의 측정에는 밀도법, X선 회절법, 융해열법과 적외선법 등이 있다.
① 밀도법: 결정영역은 원자와 원자의 배열이 규칙적인 위치관계에 있으므로 원자의 충전효과가 좋으며 비결정영역은 원자가 규칙적이지 못하다.
그러므로 결정영역은 원자의 충전효과가 크다.
② X선 회절법(X線 回折, X-ray diffraction): 1930년대 초 X선 회절에 의하여 처음 셀룰로오스의 구조가 밝혀졌다.
결정영역은 어떤 하나의 작은 반복 입방체단위(규칙적인 원자배열의 최소단위)가 가로, 세로 및 길이 방향으로 수 개로부터 수십 개가
적집(積集)되어 형성되어 있다. 이러한 원자배열의 규칙적인 최소단위를 단위격자(unit cell or unit lattice)라 하며,
단위격자가 모여 있는 상태를 공간격자(space lattice)라고 한다. 따라서 금속을 포함한 모든 결정성 물질인 결정성 고분자는 그 자체
특유의 크기와 모양의 단위격자를 가지며 각각 고유의 격자상수(lattice constant)를 가진다. X선 회절을 이용 격자 상수는 물론 모든
결정성 물질의 정성분석(定性分析)에 대해 조사할 수 있다. 이와 같이 고분자 결정은 다음과 같은 특성을 가졌다.
a. 고분자결정은 아주 작다. 특히 격자상수 b, c로 표시되는 분자 사슬과 직각 방향의 크기는 수십Å에서 수백십Å으로 이 크기는 전체가
거의 결정으로서 금속에 비해 아주 작다. X선 회절법이 섬유구조 조사에 이용되는 것은 원자위치의 규칙성에 따라 회절현상을 생기게 하기 때문이다. 두 개의 물체에다 평면파를 발생시켜
진행시키면 평면파는 직진하다 부딪쳐 파의 에너지의 일부는 산란되어 산란파가 원형으로 전파되어 간다. 또한 산란파는 서로 부딪히고 겹쳐지면서 모든
방향으로 전파된다. 이와 같이 2개 이상의 파가 겹쳐져서 그 진폭의 합성파가 되는 것은 간섭(interference)이라 하며, 전파되는 것을
회절(diffraction)이라 한다.
이는 서로 위치관계에 어떤 규칙성이 있을 때만 규칙성의 성질에 따라 정해진 방향으로 합성파가 생기게 되어 간섭하여 회절하게 된다. 반면
서로 불규칙적인 위치관계에 있다면 많은 막대에서 생성되는 산란파는 서로 상쇄되어 합성파는 어느 방향으로도 생기지 않을 것이다. 이와는 반대로
많은 막대기가 서로 위치 관계에서 어떤 규칙성이 있다면 이 규칙성의 성질에 따라 정하여진 방향으로 합성파가 생기게 되어 간섭하여 회절하게 된다.
X선 회절을 이용하여 결정성 고분자의 결정화도를 구하는 방법에 대하여서는 Hermans 등이 처음 발표하였으며, X선 회절에 의한
결정화도는 결정역 내의 분자의 질서가 좋지 않을 경우 또는 결정입자가 아주 작은 경우는 일부가 비결정 회절에 포함되어 결정화도가 적어질 가능성이
생긴다.
③ 융해열법: 어떤 물질에 있어서 결정영역의 융해열(ΔΗc)은 비결정영역의 융해열(ΔΗa)보다 크며 ΔΗc는 결정영역이 많으면 많을수록
커진다. 즉 결정영역은 비결정영역에 비하여 수소결합 등의 강한 분자 사슬간 인력에 의하여 결합되어 있으므로 이를 융해시키는 데는 비결정 영역보다
큰 융해열이 필요하며 결정영역을 융해시키는 데 필요한 ΔΗc의 크기는 결정영역의 분율이 크면 클수록 커진다. 따라서
주사열량(differential scanning calorimeter) 등을 사용하여 결정영역의 융해열(ΔΗc)을 측정하고 이 물질의 단위 질량
결정역에 대한 융해열 ΔΗμ를 안다면 다음 식으로 결정화도를 계산할 수 있다.
④ 적외선법: 적당한 적외선 흡수대가 고분자 물질의 결정화도의 주요한 척도로 사용될 수 있다. 흡수대가 고분자의 결정영역의 특성을 간단
명료하게 표시하면 이 흡수데이터에서 순수한 결정성 고분자와 부정형 고분자를 추정할 수 있다.
(2) 배향의 조사
섬유 물질을 조성하고 있는 분자구조에서 분자의 배열을 조사 측정하는 것으로 복굴절(double refraction), X선 회절법 등이
주로 사용된다.
① 복굴절법: 물질을 형성하고 있는 분자의 조성이 무정형물이나 무배향의 결정물 같이 등방성(무배향)이면 빛이 물질을 통과할 때 어느
방향으로 통과시켜도 굴절률이 동일하여 그 전파속도는 같다. 분자배열에 방향성을 지닌 배향된 결정물질이나 어느 정도 배향된 비결정성 물질에서와
같이 분극률의 크기가 방향에 따라 다른 물질에 빛이 통과하면 빛의 진동방향에 따라 전파속도가 달라지며 다른 굴절률(refraction
index, RI)을 나타내게 된다. 즉 아래와 같이 α와 β의 2개 서로 수직인 편광을 섬유 물질에 통과시키면 이 양방향에서 서로 다른 굴절률
nα와 nγ를 나타내는데 (nα-nγ) 이를 복굴절(birefringence)이라고 하며 복굴절의 크기는 분자배열의 방향성(배향성)의 정도와
비례하게 된다.
이와 같이 복굴절은 분자구조, 특히 그 배향상태에 따라 예민하게 변화하며 또한 비교적 간단한 장치로 측정 가능하므로 옛날부터 X선 회절과
더불어 배향성 조사에 넓게 이용되어 왔다.
② X선 회절법: X선 회절 현상은 원자가 규칙적으로 배치된 부분, 즉 결정영역에서의 회절 때문에 생기는 것으로 X선 회절에서 측정되는
배향은 결정영역의 분자배향에 관한 정보이다.
2. 천연섬유의 분류(Sort of natural fiber)
세포구조를 가진 천연섬유를 분류하면 단세포, 다세포로 구분할 수 있다. 단세포 섬유는 면, 마, 목재섬유 등이며, 다세포를 구성하는 섬유는
양모, 동물모, 모발 등을 포함한다. 모발의 고차구조는 길이, 굵기, 표면형태, 단면형상 및 권축 등으로서 표시되며 모발에 있어서 다음과 같은
성질을 나타낸다.
ㄱ. 모발 길이 : 연신성(draft, 드래프트성), 강도(intensity) 1) 단세포 섬유(Single cell fiber)
(1) 마(linen)
마(麻)는 아마(亞麻) 줄기의 섬유성분으로부터 만들어진다. 가장 오래된 섬유로서 고대이집트의 미이라를 싸는 데 사용되기도 하였다.
1700∼1800년대에는 주로 농부나 노역자들이 일할 때 사용하는 작업복으로 사용되었으며 아주 강하고 질기면서 쉽게 세척할 수 있는 장점이
있으나 여러 번 비틀거나 굽히면 접힌 부분의 끝이 쉽게 닳아 뜯어지는 것을 볼 수 있다. 흡수성이 좋은 마는 천연적인 왁스성분에 의해 수분이 마
표면에만 있게 되어 아주 빨리 건조된다.
줄기섬유로 이루어진 마는 대마(hemp), 저마(ramie), 아마(flax), 황마(jute) 등 주성분은 70% 내외를 이루고 있는
셀룰로오스 분자로서 분자 배열에 의한 결정영역이 70%를 차지한다. 이와 같이 높은 결정화도와 분자 사슬의 배열은 탄성 계수 및 절단 강도에서는
천연섬유 중 최대이나, 신도(伸度)는 그리 크지 않다. 또한 줄기섬유로서 cross mark라고 불리는 섬유축에 대하여 직각인 짧은 선상의
흔적을 가졌으며 저마를 제외하고는 아주 짧아 방적할 때는 단세포가 몇 개씩 연결되면서 이루어진다.
(2) 면(Cotton)
면은 목면(木棉)의 씨를 둘러싸고 있는 보호층으로부터 얻어진다. 면은 그 자체로 또는 다른 것과 혼용으로 쓰여져 우리 생활에 가장 애용되는
옷감 재료로 쓰인다. 면은 젖었을 때 더 강해지기 때문에 여러 번 빨래를 하여도 헤어지지 않고 오래 입을 수 있다. 면의 질은 섬유의 길이와
가는 정도 그리고 색깔과 광택에 따라 결정되는데 아주 고운 손수건에서부터 청바지까지 여러 종류의 면직물을 만들 수 있다.
이와 같은 면 섬유는 다층구조를 하고 있는 비틀어진 1개의 긴세포의 돌기물에서 나와 있고, 내부는 중공(中空)으로 되어 있다. 세포벽이
두껍고 카포크가 얇은 종자섬유로서 주성분은 마와 같이 셀룰로오스 분자로서 분자 사슬간의 수소결합에 의해 쉽게 결정영역이 형성되어 마섬유보다는
작은 결정분율을 가졌다. 분자는 섬유축에 대하여 약 30° 경사된 나선상으로서 신도(伸度)는 크나 강도(强度)와 탄성 계수는 작다.
면의 최외층은 극히 얇은 표피로서 자외선 등으로부터 내부를 보호하고 표피 안쪽의 제1차 층(제1차 세포벽)은 약 0.1∼0.2μ로서 3개의
층 구조로 이루어져 있다. 3개 층 가운데 외층은 micro fibril이 섬유축 방향으로 배열되어 있으며 중간층은 약 70° 경사의 나선상으로
배열되고 내층은 가로 방향으로 배열되어 있다. 제2차 층(제2차 세포벽)은 주로 셀룰로오스 층으로서 면 섬유 무게의 약 90%를 차지하는
라멜라(lamella, 얇은 판) 구조를 이루며 라멜라 내에서 micro fibril이 섬유축에 약 30 나선상 배열을 하여 도중에서 그 방향을
바꾸고 있다. 제3차 층인 최내층은 루멘(lumen)의 벽으로 이루어져 있다. 셀룰로오스는 β글루코오스(β-Glucose)가 서로 탈수결합하여
생긴 쇄상고분자로서 결합된 β글루코오스는 글루코오스 잔기라고 불리우며 셀룰로오스의 기본 단위를 이룬다. 하나의 셀룰로오스 분자구조는 2개의
글루코오스 잔기가 반복 단위로서 이것을 셀룰비오스(cellobiose)라 한다.
2) 다세포 섬유(Poly-cell fiber)
주로 양모와 인모로서 포유동물의 체표면에서 발생하는 복잡한 다수세포 집합체로서의 조직을 갖고 있기 때문에 다른 천연섬유나
인조섬유(人造纖維)에 비하여 연구하는 데 많은 기술적인 어려움을 갖고 있다. 양모나 인모(모발)는 keratin으로 되어 있다. 아미노산의 분석
기술에 의하면 이러한 keratin의 완전가수분해물 속에 약 18종류의 아미노산이 있음을 알았다. 이 장에서 특히 강조하고자 하는 바는
양모섬유에 대한 이론적 해설 자체가 모발섬유를 이해시키는 데 밑거름이 될 것이라고 생각한다. 우리들의 학문이 이제 펼쳐지는 단계에서 새로운
학문에 대한 학제간의 정립에 따른 학문의 근간을 정리하는 것이 더 시급하므로 여기서 모발의 근원을 살펴보고자 한다.
(1) 양모(Wool)
양모(毛)는 양털로부터 만들어지는 섬유로서 천연적으로 꼬불한 모양(corrugation, 파형)을 하고 있다. 천이나 직물의 형태로 짜져도
서로 가까이 접촉되는 것이 힘들게 되어 있으며. 양모의 모수질은 공기가 절연체로 작용하므로 아주 따뜻한 모직물의 특성을 갖게 한다.
모섬유는 2만 번 이상 굽히거나 비틀어도 끊어지지 않는 강하고 좋은 탄력성을 가지고 있기 때문에 양탄자를 만드는 재료로 많이 쓰인다.
양모섬유의 특징으로서 많은 양의 수분을 공기로부터 또는 땀으로부터 흡수할 수 있는 수분 흡수는 섬유의 팽창을 가져다주며 다시 건조되면 원래의
형태로 되돌아간다. 양모섬유는 특유의 좋은 감촉(handling)이 변하지 않으면서도 최고 자신의 무게 35%에 해당하는 수분을 함유한다.
양모섬유의 표피층은 물고기 비늘(scale)과 같이 모선단 방향으로 돌출되어 겹쳐져 있으며, 최외표피(epicuticle),
외표피(exocuticle), 내표피(subcuticle), 최내표피(endocuticle)의 4개의 층으로 이루어져 있다. 최외표피는 최외층의
얇은 층으로 물을 밀어내는 것과 같은 발수성(撥水性, water repellency)이 있으나 미세입자인 수증기는 통과시키며 이 막에다
물리적으로 비비거나 역마찰 시키면 박리현상(剝離現象)이 일어나며 부분적 박리라 해도 점차적으로 박리는 커진다. 그러므로 손상이 가해지면 광택
또한 나빠진다.
피질부는 양모섬유의 90%를 차지하며 길이 100μ이나 폭 4μ 정도의 방추상으로서 축방향으로 배열되어 있다. 양모섬유는 micro
fibril(섬유세포, 결정영역)과 matrix(간충물질, 비결정영역)로 이루어져 micro fibril은 9+2의 protofibril을
형성하며 이러한 protofibril은 11개의 α-helix(직경 10 )로서 구성되어 있으며 1개의 α-helix는 3개의
polypeptide의 묶음으로 구성된 33올의 α-helix상의 polypeptide 고분자가 합쳐져 있다고 볼 수 있다. 그러므로 피질섬유의
기초 단위는 polypeptide이다.
Ortho cortex에 속하는 피질세포에는 micro fibril(직경 약 20 , 길이 200 )이 동심원상으로 배열하여 macro
fibril(직경 0.2∼0.5μ)을 구성하고 있으나 para cortex의 피질세포는 micro fibril이 균등하게 축방향으로 배열되어
있다. 양모는 crimp(권축, 주름잡다)라는 파상의 굴곡을 가진다.
습윤 양모에 있어서 모체(matrix)는 탄성 계수가 적고 최대신도가 50∼100%을 가진 결합된 고무상 고분자와 같은 움직임을 가진
것으로서 이는 결정성 fibril을 변형시키지 않고 이루어질 수 있기 때문이다. 건조 섬유에 있어서 모체(matrix)는 수소결합이 더 조밀하게
결합되어 탄성 계수는 습도가 낮을수록 급격히 증가한다. 습윤 양모의 초기 탄성 계수는 fibril에 있는 결정격자에 의한 것으로 상당히 크다고
볼 수 있다. 왜냐하면 양모섬유의 구조가 나선 사슬형으로서 나선 둘레에 수소결합이 있기 때문이다.
① 양모의 모낭(Follicle)
양(羊)의 피부는 표피(表皮, epidermis)와 진피(眞皮, dermis)의 두 층으로 되어 있다. 진피는 모(毛)의 담백 케라틴과
다른 담백 collagen 섬유가 함유된 거칠고 연속된 조직으로 되어 있다. 그리고 피부의 작은 모낭(毛囊)이라는 구조에서 털이 생겨난다.
모낭은 표피의 한 점에서 세포가 모여 세포의 응집이 생기고 세포가 증식되어 표피의 배포(胚胞)가 생기며 다음에 앞 유두(乳頭)가 자라나
유두돌기(papilla)를 이루면서 만들어진다.
양모 follicle의 발생에서 살펴보면 모의 원뿔(毛圓錐, hair cone)이 모낭의 밑부분에 형성되고 원뿔 속에서
각질화(角質化)한다. 섬유의 첨단이 내측의 집에서 나와 피부의 표면레벨에 이르며 표피를 뚫고 각질화된 털이 밖으로 나온다. 이때 양모가 완성되면
3개의 부속기관, 즉 sebaceous gland(脂腺), sweat gland(汗腺), arrector muscle(立毛筋)이 생겨난다.
이렇게 3개의 기관이 완비된 것을 제1차 모근(primary follicle)이라 하고 P.F로 표시한다.
처음에 중앙의 P.F가 생기고 다음에 그 양쪽에 side P.F가 생겨서 세 개가 하나의 그룹이 되어 소위 '트리오'를 형성한다.
시기적으로 늦게 제2차 모근(secondary follice)이 나오게 되는데 이것도 앞서 나오는 것과 뒤에 나오는 것이 있으며, 이 2차
모근을 S.F.라는 기호로 표시한다. 이 2차 모근은 부속기관으로서 지선(脂腺)만을 갖고 있다. 제2차 모근에서 나온 양모가 제1차 모근에서
나온 양모보다 가늘다. 그러나 양모를 위시한 수모(animal hair)가 갖고 있는 독특한 scale이 언제, 어디서, 왜 생겨나는지는 아직도
밝혀지지 않고 있다.
흔히 태내(胎內)에서 발생하는 양모는 P.F 섬유가 많고 태어나서 나온 양모는 S.F.에는 한 모근에서 두 개 이상의 양모가 발생하는
경우가 있기 때문에 한 마리의 양에서 깍아낼 수 있는 양모의 양을 늘이기 위해서는 어떻게 S.F.를 늘이느냐 하는 것이 문제가 된다.
② 양모섬유의 조성과 구조(組成과 構造)
keratin으로 구성된 양모섬유는 표피 또는 외피(cuticle), 피질부(cortex), 모수질(medulla)의 3부분으로 되어
있다. 일반적으로 개량된 양모에는 모수가 거의 없어졌으며 들어 있다고 해도 극히 일부에 있다. 모수(毛髓, medulla)가 들어있는 섬유를
헤어와 같은 섬유(hair fiber)라고 하며 모수가 없는 양모섬유를 진양모(眞羊毛, true wool)라고도 하는데 헤어(hair),
켐프(kemp), 게어(gare) 등에는 모두 모수가 들어있다.
a. 표피(表皮, Cuticle): 표피는 외피(外皮, cuticle)라고도 불리는데 동물의 종류에 따라 표피의 모양이 모두 다르다.
양모의 표피는 마치 기와를 이어놓은 것처럼 또는 생선비늘의 배열같이 겹겹이 포개어져 털끝(tip) 방향으로 돌출되어 있어 길이 방향의 단면은
마치 톱날 같은 모양으로 돌기된 serration형을 이루고 있다. 이러한 scale의 모양도 양(羊)의 종류와 양모의 발생위치에 따라 그리고
울(wool)과 헤어(hair)에 따라 그외의 여러 가지 원인에 따라 달라진다. 전자 현미경(electron microscope)에 의해
scale은 epicuticle, exocuticle, endocuticle의 세 가지가 겹쳐서 이루어졌다는 것이 밝혀졌다.
epicuticle은 가장 바깥층으로서 한 가닥 양모섬유 전체를 감싸고 있는 극히 얇은 막으로 그 두께가 0.1∼0.5μ, 양모 두께의
0.5% 정도이며, 알칼리나 산에 대해서 저항력이 강하며 또한 발수성(撥水性)도 강하고 염료의 침입을 방해하는 작용도 한다. 에피큐티클은 원래
세포막이었다고 생각되던 섬유가 모혈(毛穴)의 위에 도달한 것으로 이러한 막이 녹아서 어떤 물질과 결합하여 껍질이 되는 것이 아닌가 생각되고
있다.
에피큐티클의 바로 밑층인 exocuticle은 양모부피의 약 10%가 되는데 화학적으로는 cystine chain으로 안정된
각질화(角質化)가 이루어진 굳은 부분이다. 엑소큐티클 바로 하층에 endocuticle이 있는데 이 부분은 cystine chain이 불안정하여
각질화가 진행되지 않았으며 exocuticle과 접(接)하는 부분이 주름처럼 되어 있다. exocuticle은 trypsin(단백질 가수분해
효소) 같은 산에는 잘 녹지 않지만 endocuticle은 잘 녹는다.
scale의 tip은 털끝쪽을 향하고 있기 때문에 양모섬유를 평면에 놓고 털끝부분(tip)을 잡고 잡아 늘릴 때는 모근 부분을 쥐고 잡아
늘릴 때보다도 큰 마찰 저항을 느끼게 된다. 이것을 지향성마찰효과(指向性摩擦效果, directional friction effect)라고 하며
이것이 모섬유의 특성으로서 양모의 결합, 방적성 등에 커다란 물리적인 영향을 미친다. 즉 양모섬유의 scale의 현상이나 scale의 돌기 등은
양모의 광택에도 관계가 있다고 한다.
b. 피질부(cortex): 표피부분으로 싸여진 내부인 피질부는 양모섬유 중량의 90% 정도를 차지하며 양모의 주체(主體)부분이다. 이것은
방추형(紡錐形)의 가느다란 피질부세포(cortical cell)의 결합으로 되어 있다. 이 세포는 길이가 약 100μ, 폭이 4μ으로 결합된
상태의 단면이 마치 돌을 적당히 쌓아 놓은 모양을 하고 있다. 이 피질부는 크게 나누면 orther-cortex(B코텍스)와
para-cortex(A코텍스)라고 불리는 두 부분으로서 이 형의 단면구조인 bilateral structure을 이루고 세포의 구성 또한 서로
다르게 이루고 있다.
A코텍스는 macrofibril을 형성하지 않고 microfibril이 밀집하여 세포를 구성하므로 세포간의 간격이 없고 조직이 치밀한 반면
세포자체의 저항성은 크다. B코텍스는 직경이 60∼70Å인 microfibril이 많이 모여서 된 macrofibril로 되어 있고,
macrofibril 사이에는 간격이 있어 밀도가 적은 무정형(無定型)의 성분이 들어있다. 그러므로 세포내 간격이 크므로 외부의 영향과 반응성이
크다.
ortho cortex와 para cortex 부위의 겉보기 등전점(等電點, Isoelectric point)을 측정하면 오쏘 코텍스
부분이 파라코텍스 부분보다 낮은 값을 나타낸다. 이러한 등전점의 차이는 amino acid의 분포도가 다르다는 뜻으로 ortho cortex는
글루탐산, 아스파라트산 등 산성아미노산의 함유량이 많고 para cortex 부분에는 아르기닌, 라이신, 트립토판 등의 염기성아미노산이 많다는
것이다. 또한 화학적으로 다른 차이의 하나는 para cortex는 친산성(親酸性, acidophilic)이며, ortho cortex는
친염기성(親鹽基性, basophilic)이다. 예를 들어 pH7 부근의 염액(染液)에서 염색하면 ortho cortex 부분은 염기성 염료로
염색이 되지만 para cortex 부분은 염색이 되지 않고 산성염료(酸性染料)로 염색하면 para cortex 부분만 염색이 되고 ortho
cortex 부분은 염색이 되지 않는다.
c. 모수(Medulla): 제대로 된 양모(眞羊毛)에는 모수가 없으나 양모섬유의 중심부에 수세포(髓細胞)를 갖고 있던가 속이 빈(中空)
부분이 있을 때가 있는데 이것을 모수라고 한다. 모수가 있으면 신축성이 떨어지고 부드러운 감이 없어져 딱딱하며 광택이 둔탁해져서
백묵색(白墨色)이 된다. 또한 염료의 흡수력이 떨어져서 염색이 잘되지 않는다.
③ 양모의 단면(斷面)
양모의 단면은 흔히 원형이나 다소 타원형으로 된 경우가 많다. 가는 섬유일수록 원형이며, 최근의 연구결과에 따르면 모직물이 더러워지는 것은
섬유 단면의 모양에 따라 그 차이가 생긴다고 했다. 단면이 원형이 가까울수록 잘 더러워지지 않는다고 한다.
④ 양모의 여러 가지 특성 a. 양모의 권축(捲縮, crimp): 양모섬유의 독특한 물결모양의 권축을 크림프(crimp)라고 하며 wave
또는 curl이라고도 한다. 이는 ortho cortex와 para cortex의 서로 다른 성질인 bilateral structure에
의한다고 했었다.
양모(羊毛)는 모근에서부터 피부를 뚫고 나오는 털의 방향은 각기 다르다. 이는 나선형으로 권축되어 나오지만 양의 모낭에 있는 피지선에서는
털이 모간인 제3의 영역으로 돌출될 때 지방(sebum)을 동시에 분출시켜 양모섬유를 매끄럽게 해준다. 이때 양모섬유 전체의 합력(合力)의
방향으로 crimp의 형태가 생긴다. 이 crimp는 조직적으로 생겨난 것이기 때문에, 즉 인위적인 외력에 의하여 이루어진 것이 아니므로 조직을
변동시키지 않는 한 영구적이다. crimp의 폭과 길이와의 관계는 양종(羊種)에 따라 다르지만 일반적으로는 섬도(纖度, fineness)가 가는
양모일수록 crimp 수가 많다. 그러나 근래에는 양의 털보다도 양의 고기(羊肉)에 중심을 두는 경향도 있기 때문에 crimp 수만 가지고
섬도를 짐작한다는 것은 잘못될 수도 있다.
crimp의 차이는 양의 몸에 발생하고 있는 털의 밀도에 따라, 그리고 양지방(羊脂肪) 분비의 다소에 따라 생긴다고 생각된다. 또한 이
crimp는 사료의 종류에 의하여 차이가 생기는데 예로서 Cu와 Co가 부족하면 권축이 적은 강철과 같은 양모(steel ubol)가 생겨난다.
이와 같이 crimp가 많고 적음은 사료, 즉 목장의 토양(土壤)에도 관계된다. crimp 수가 규칙적으로 바르게 섬유전체에 갖추어져 있는 것은
그 직경이 균일하게 갖추어진 것이며 bilateral structure가 균일한 양은 발육이 좋은 건강한 양모이다. 따라서 권축의 모양은
양모섬유 감정(鑑定)상 중요한 항목의 하나로서 양이 갑자기 병이 난다든가 영양상태가 나쁠 때 또는 목초에 이상이 생겼을 때에는 crimp 모양이
즉시 변한다.
crimp와 방적성과는 밀접한 관계가 있으며 crimp가 많을수록 가방성(可紡性)이 좋으며 보온성(保溫性, warmth)이 크다. 양모
중에도 헤어(hair)와 같이 직선으로 되어 있는 것과 모헤어처럼 거의 크림프가 없는 것이 있다. 메리노 양모는 A코텍스와 B코텍스가 뚜렷하며
이들은 양모섬유 단면을 분할하고 있으며 이는 동심원(同心圓) 또는 한쪽으로 편심(偏心)된 편심원으로 되어 있다.
모헤어(Mohair, 앙고라 산양의 털을 말함. 원산지인 터키어의 최고의 털(Mukhyar)이라는 말에서 유래)는 섬유의 단면 전체가
ortho cortex로 되어 있다. 거의 직선적인 모양을 하고 있다.
b. 양모의 보온성(保溫性, Warmth): 양모제품이 뛰어난 보온성을 갖고 있는 이유인 높은 흡습성(吸濕性)은 온도의 갑작스런 변화에도
피부에다 직접 전달되지 못하도록 막아주며 동시에 제품표면의 습윤(濕潤, wetting) 상태를 느끼지 않게 해준다. crimp는 양모제품의
표면과 사람의 피부와의 접촉면을 적게 하여 주며 동시에 제품의 volum을 크게 하여 다공성(多孔性)이 되고 양모섬유와 섬유간에 많은 공기를
함유하게 된다(공기는 무엇보다도 열 전도도가 나쁘기 때문에 보온효과는 가장 커진다). 또한 압축에 대해 반발성의 크기는 간접적으로 중요한
보온성을 만들어준다.
c. 양모의 흡습성(吸濕性, Miosture absorbancy): 모든 섬유는 자연상태에서 공기 중의 수분을 흡수한다. 그 흡습정도는
물질의 성격이나 환경에 따라 차이가 있다. 수분의 흡수량을 백분율로 표시하여 이것을 수분율(水分率, moisture rehain)이라 하며
피질세포(皮質細胞)의 움직임에 따라 현저한 흡습작용을 가져온다. 특히 흡습작용은 다른 섬유에 비해 양모섬유가 월등히 많으며 또한 양모섬유의
특성이기도 하다.
즉 관계습도가 70∼80%일 때 함수율은 15∼18%로서 인체(人體)의 피부(皮膚)와 비슷한 수증기 흡수성을 지니고 있으며 습도
100%에서는 양모 건조중량의 30% 이상의 수분을 흡수함으로써 양모와 인체 사이에 존재하는 공기를 적정한 상태로 유지하여 피부로부터의 수증기
발산을 돕는다. 따라서 수분은 양모섬유의 세포 속에 포함되어 섬유를 팽윤(澎潤)시키며 동시에 탄력이나 신장률을 증가시킨다.
양모와 수분과의 관계에서 수분에 대한 양모의 움직임이란 것은 대단히 복잡하다. 즉 습기를 빨아들이는 성질과 방출하는 성질의 두 가지
상반되는 성질을 갖고 있다. 습도 65%일 때 양모의 방습상태(防濕狀態)에서는 17.8%의 수분율을 갖고 있으며 흡습상태에서는 14.0%의
수분을 갖고 있다. 이와 같이 양모는 습도에 대하여 민감하며 그 조직은 습도 변화에 따라 흡습에서 방습으로, 방습에서 흡습으로 움직인다.
d. 양모의 발수성(撥水性, Water repellency): 양모섬유는 습기를 잘 빨아들이기도 하고 또한 방출도 잘하지만 동시에 상반되는
성질로서 물을 싫어하는 기능도 같이 갖고 있다. 양모의 scale에서 epicuticle은 엷은 막으로 소수성(疏水性)이기 때문에 물을
밀어낸다. 면이나 합성섬유는 젖기 쉽고 모세관 전도도(毛細管 傳導度)가 친수성(+)으로서 섬유틈새로 물이 빨려 들어간다. 그러므로 섬유에 물만
닿아도 곧 흡수되고 따라서 잘 젖는다. 그러나 양모는 표준상태에서 모세관 전도도가 소수성(-)이므로 흡수성이 없다. 따라서 방적된 옷에 빗방울이
떨어지면 즉시 젖지 않고 이슬방울처럼 옷 위를 구른다. 그러므로 웬만큼 비를 맞았을 때는 털어 버리면 된다. 그러나 이러한 성질도 한계가 있다.
아무리 발수성이 좋은 양모일지라도 함수율이 20%(습도 90%)를 넘어서 그 이상의 흡수성이 필요하게 되면 양모섬유 표피의 가장 외측부인
epicutilde이(상대 습도 90% 때의 함수율 20%가 한계로서 이 수분이 초과되면) 습윤에 의하여 팽창되어 층이 벌어지면서 친수성인 그
밑의 cuticle이 노출되어 친수성의 활동이 시작된다. 따라서 필요한 저항이 지나면 젖어들기 시작한다.
섬유에 대한 투과성(透過性)은 수증기의 투과로서 수증기는 섬유내부, 섬유와 섬유사이 또는 실사이의 미세공간(微細空間)을 통하여 외부로
발산된다. 이러한 수증기 이동의 난이도를 '확산 저항 인자'라고 하는데 이 값이 크면 수증기의 통과가 어렵다. 예로서 나일론은 직물함수량의
변화에 따라 이 값이 급격히 증가하여 수증기 이동이 어려워지지만 특히, 양모는 확산저항이 낮아서 함수율이 50%를 넘어도 수증기 통과에 거의
지장이 없다. 이는 신체에서 분비되는 땀을 계속적으로 흡수하여 순조롭게 방습이 진행된다는 것을 말한다.
e. 양모의 강력(强力, Strength): 양모섬유를 외력을 가해 잡아당기면(引張) 절단된다. 감각적인 사운드니스(soundness,
방적원료라는 측면에서 일정한 강도유지는 지부(脂付), greasy 양모의 적정한 강도를 판단하기 위하여 구분시키는 과정 중 절단되지 않고 무사히
기계공정을 통과하는 양모) 검사방법으로서 양손의 엄지손가락과 인지 사이에 길이 1∼2cm 정도로 메리노 양모 스테이플(staple)을
잡아당기면서 오른손 중지로 양모 스테이플의 가운데를 약 4㎏의 힘으로 퉁겨 보아서 끊어지지 않으면 그 양모는 사운드라고 하며 절단되면
텐더(tender)라고 하고, 마치 가위로 잘라낸 것처럼 일직선으로 갈라지는 것을 브레이크 인 텐더(break-in tender)라고 한다.
양모검사에서는 관습적으로 이런 동작이 시행되고 있다. 그러나 이와 같이 관습적으로 분류하던 것을 양모섬유의 물리적 강도를 과학적으로 측정하여
방적 이전에 그 수치를 알려주는 방식이 근래에 채택되고 있다.
양모섬유의 강도를 시험한다 해도 양모섬유 한올을 시험했을 때의 강도는 별 차이가 없기 때문에 일정한 무게의 양모 다발(束)을 가지고
시험하는 방법이 고안되었다. 양모가 가늘수록 약하고 굵을수록 강도가 크다는 것을 알 수 있었다. 또한 상식적으로 양모는 약하다고 생각할 수
있으나 실제는 상당히 강도가 있다.
f. 양모의 탄성과 신도(彈性, 伸度, Elasticity and stress): 양모는 잡아늘인 다음 외력을 제거하면 원상태로
되돌아가려는 성질이 다른 어떤 섬유보다도 우수하다. 동시에 옆으로 구부렸다가 놓아도 원상태로 돌아가려는 반발력이 크다. 건전한 양모는
표준상태에서 원형의 30∼40%까지 늘려도 외력만 제거하면 원형으로 복원된다. 수분 흡수시 최대 70%까지의 복원율을 가진다. 반대로 수분이
없어지면 복원율의 비율은 낮아진다. 예로서 30% 늘렸던 양모가 복원된 다음 24시간 경과한 후에 다시 30%까지 늘리려면 처음에 늘렸던 힘의
99%가 소요된다. 즉 거의 완전하게 회복되었다는 뜻으로서 강한 복원력(restoring force)을 갖고 있다는 것은 섬유가 집단으로 이루고
있을 때도 나타나는 현상으로서 직물이 되어 압축을 받아도 원래의 부피로 되돌아가려는 힘이 크다는 것이다.
양모 특징으로서의 탄력성은 모직물이 쉽게 구겨지지 않는 성질이며 이의 예로서 뜨거운 열과 습기에다가 압력으로 눌러서 만든 set인 주름은
일정시간이 지나면 없어지기도 한다. 이는 양모의 복원력의 크기를 설명할 수 있다.
양모섬유의 항장력(인장 강도)은 관계습도에 거의 직선적으로 반비례하여 증감하며, 관계습도 100%때의 항장력은 건조시의 약 85%로서
양모는 plastic한 성질의 섬유이다. 이는 온도에 예민하게 영향을 받으며 100℃에서 2.5%, 180℃에서 30% 강력이 저하된다.
100℃ 이상에서는 시간과 함께 감소되고 175℃ 이상에서는 급히 감소한다. 저온에서의 항장력(抗張力)은 온도에 거의 직선적으로 반비례하여
증가하고 -60℃에서는 상온시의 약 90%나 된다. 동시에 양모의 신도(伸度)는 천연섬유 중에서는 가장 잘 늘어나는 특성이 있다. 수분이
탄력성에 미치는 영향이 크기 때문에 방적공정에서 실내습도의 조절은 필수적이며 또한 신축성이 크다는 것은 양모제품이 볼륨성, 내구성, 보온성 등이
풍부하게 되는 원인이 되기도 한다.
g. 양모의 난연성(難燃性, Fire retardancy): 양모가 천연적으로 난연성 섬유라는 것은 오랜 경험으로 잘 알려져 있다. 예로서
불 속에서 뛰어나올 때 순모담요를 덮어쓴다거나 소방관의 순모 유니폼과 비행기나 호화여객선 내장재가 모두 순모로 되어 있다는 것을 아래에서 살펴
볼 수 있다.
·높은 질소에 따른 수분함유량: 양모섬유는 단백질섬유로서 화학구조상 불연성인 질소(N)가 16% 포함되어 연소에 대한 저항성이 크며, 섬유
중에서 가장 많은 수분을 함유하기 때문에 난연성을 나타낸다. h. 양모의 수축(收縮, Shrink): 양모섬유는 수축하여 펠트(filt)화하는 성질이 있다. 이는 양모 scale의 모양으로서 양모의
톱니모양 스케일이 늘어져 있는 것을 serration이라 했듯이 serration의 많은 수와 겹쳐진 끝(先端, tip)이 유리되어 마치 죽순의
껍질과 비슷하게 모근 쪽에서 끝(tip)쪽으로 향하여 겹쳐져 있다. 그래서 모근 쪽을 쥐고 잡아당기면 아무런 저항 없이 이동하지만, 모의
끝(tip)쪽을 잡고 잡아당기면 세레이션이 고리작용을 하기 때문에 이동하기가 어려워진다.
양모섬유가 서로 엉키는 움직임을 보이며 펠트화 하는 것은 이 때문이다. 즉, 양모섬유는 모근 쪽으로는 움직이지만 모의 끝 쪽으로는 이동을
하지 않기 때문이다. 양모는 탄력성이 크고 복원력(復元力)이 좋다. 이는 흡습에 의한 신장율의 증가에 따른 복원력과 세레이션에 의한 양모섬유
상호간의 긴밀한 결합이라는 세 가지 특성이 동시에 작동하여 수축이 일어나는 것이다. 가령 양모섬유 집합체인 양모제품에 수분을 급습하고 압력을
가한 후에 놓아두면 점차 줄어들어 펠트상태가 된다. 즉 수분에 의하여 신장된 양모는 압력으로 말미암아 한계값 부근까지 신장된다. 이때 다른
양모섬유와 서로 밀착되어 scale과 scale이 맞걸리는 데에서 압력을 제거하면 가습된 양모는 그 복원성을 발휘하면서 한쪽 방향으로 진행하여
결국 수축이 일어나며 수축이 끝나면서 펠트가 되는 특성을 가졌다.
⑤ 양모의 화학적 성질
양모는 수분도 많이 포함하고 있지만 분비물인(지방이나 땀) 지부양모(脂付羊毛, greasy wool)에 섞여 있는 이 불순물들은 양모를
가공하기 전에 제거한다. 이때 양모에 붙어 있는 지방은 추출 정제되어 라놀린(lanolin)을 만든다. 이는 사람의 피부샘에서 분비하는 분비물과
비슷하여 인간의 피부를 매끄럽게 해줄 뿐만 아니라 머리카락도 보호하는 성질이 있어 화장품, 정발제, 샴푸 등의 원료로 널리 쓰인다.
a. 양모의 화학적 조성(化學的 組成): 양모는 유황이 포함된 단백케라틴으로 되어 있다. keratin은 여러 가지 아미노산(18종)이
복잡하게 결합하여 이루어졌다고 했었다. 양모의 keratin은 여러 가지 α-amino acid으로서 peptide chain을 만들며 여러
개가 결합하여 polypeptide chain을 형성 이를 가수분해하면 이를 구성하는 아미노산으로 분해된다. 이들 아마노산의 함유비율은
양모섬유의 표피, 피질부, 모수(毛髓)의 각부, 양의 종류, 양체의 부분, 사육법, 목장의 풍토나 기후, 계절에 따라 차이가 생긴다. 이 중에
중요한 것이 cystine으로서 유황(S)의 두 분자를 굳게 결합하여 양모섬유의 polypeptide chain의 side chain결합을
이룬다. glutamic acid(산)와 lysine(염기), asparatic acid(산)과 arginine(염기)과는 salt(ionic)
bond 한다. 근래 cystine(-S-S-) bond 사이에 다른 물질을 강하고 확실하게 결합시켜 개질(改質)시키려는 연구가 세계 곳곳에
진행되고 있지만 아직 공업적으로 성공하지 못하고 있다.
·α-keratin, β-keratin: 1933년 영국인 아스트버리(Astbury) 박사는 긴장하지 않은 양모와 긴장한 양모를 X-선
사진 쵤영을 한 결과 근본적으로 서로 다른 X-선 간섭도를 발견했다. 즉 분자의 결합상태가 늘였을 때 결정(結晶)의 해석 격자가 다르다는
것으로서 무긴장 상태를 α-keratin(e), 긴장상태를 β-keratin(e)이라 이름 붙였다. X-선 그림에서 α-keratin은
항등주기(恒等週期)가 5.1Å∼5.4Å(1Å은 1/100억m) 수중(水中)에서 70% 늘였을 때 β-keratin은 10.2∼10.8Å의
항등주기를 나타내었다. 이와 같이 양모의 탄성력 세기는 이런 분자구조가 원인이 된다는 것이 밝혀졌다.
·α-Helix: Astbury 박사에 의해 α-keratin 구조는 신장수축에 의한 양모구조를 설명할 수 있었다. 미국의
코리(Corey), 포울링(Pauling), 일본 도쿄대학의 미스시마(水島), 시마우찌(島內)씨는 X-선 및 적외선 흡수
스펙터(spector)에 의한 공동연구 결과, 양모섬유 내의 나선형으로 결합하고 있음을 확인하고 이것을 α-헬릭스라고 이름 붙였다. 이같은
결합은 다른 섬유에서는 찾아볼 수 없는 특질로서 오늘날의 첨단기술을 가지고서도 이것을 합성할 수는 없었다.
b. 양모에 대한 물의 작용: 양모는 물에 젖는 것에 대하여 저항력이 대단히 크다. 이는 epicuticle의 소수성 때문으로서 이 층이
파괴되면 쉽게 젖는다. 그렇지만 양모가 물에 젖으면 양모섬유는 팽윤한다. 정도차이는 양모섬유가 받는 긴장외력 및 온도에 좌우된다. 이 팽윤상태는
양모섬유가 건조하면 원상태로 돌아간다.
양모는 물에 녹지 않는다고 하지만 3일 이상 연속적으로 냉수로 추출하면 양모의 gelatin질(質)이 추출되고 전체 0.4% 정도의
중량손실이 생긴다. 또한 증류수로 약 2시간 끓이면 약 1%의 중량손실이 생기고 또한 섬유는 약화된다. 끓는 물에서 장시간 처리하면
disulfide bond이 많이 파괴되며 이 끓는 물 처리(염색처리) 중에서 pH를 3.5∼4.0로 유지할 때 양모섬유의 강신도 저하를
최소화시킬 수 있다. 마찬가지로 섬유 내의 pH를 적당히 유지시킴으로써 수증기에 의한 증열처리(蒸熱處理), 즉 디커타이징(decatizing)
중에 받는 약화작용을 거의 없앨 수가 있다. 양모섬유를 늘어난 신장상태에서 뜨거운 물 또는 증기 중에서 일정한 시간 고정시키면 외력을 제거하여도
원상태로 돌아가지 않는다. 이것을 set라고 한다. 다만 어떤 주어진 온도에서 set된 모양은 그 이상 온도의 수중(水中)에 침지할 때 완화
현상(緩和現象)을 일으켜 원형으로 되돌아가려고 한다.
c. 양모에 대한 일광의 영향(日光의 影響): 지부(脂付, greasy) 상태의 양모는 끝부분이 변질되는 경우를 이따금 본다. 비가 적은
땅에서 자라는 메리노종의 양모는 태양의 자외선에 의한 풍화작용으로 화학적 변화를 일으켜 약화되기 때문에 세모(洗毛) 공정 중에 알칼리에 의한
파손을 입기 쉽다. 또한 풍화된 양모는 펠트화가 쉽고 불균일한 염색효과가 나온다.
양모를 구성하는 아미노산에 변화를 주는 풍화작용은 특히 유황(S)분을 포함하는 cystine을 파손하여 황화염이 되고, 심할 때는 황색으로
변하여 섬유를 약하게 만든다.
d. 양모에 대한 열작용(熱作用): 양모를 100℃의 건조한 공기 중에서 오랜 시간 가열하면 수분이 없어지기 때문에 손에 닿는 감촉이
딱딱해지고 강력이 떨어진다. 그러나 습기가 있는 외기(外氣)속으로 되돌려 놓으면 급속히 수분을 흡수하여 본래의 유연성과 강력으로 회복된다. 또한
105℃ 이상의 고온이 되면 양모는 분해되어 황변(黃變)하고 암모니아와 황화수소(黃化水素)를 발생한다. 난연성(難練性)과 내염성(耐炎性)을 갖고
있으므로 섬유표면의 화염에 닿았던 부분이 방화벽 역할을 하여 내부까지 연소가 되지 않는다. 양모는 저온에서는 화학변화를 일으키지 않으므로 추위나
더위 때문에 변질되는 경우는 없다.
e. 양모에 대한 산의 영향(酸의 影響): 양모는 산에 대하여 비교적 강하여 양모표면에 황산을 사용 식물성 협작물을 탄화하여 제거하기도
한다. 그러나 때로는 이러한 방법이 염색성에 영향을 미치기도 한다. 과산화수소, 과망간산칼리, 중크롬산칼리의 용액은 그 농도, 온도, pH에
따라 다소 양모섬유를 손상시킨다. 즉 섬유의 중량감소 또는 알칼리에 대한 용해성 증가 및 강력의 저하, 유황(S)의 함유량 감소 등을 가져온다.
실험에 의하면 가열된 황산()에 양모가 닿으면 양모의 조직은 분해된다. 그러나 황산 이외의 다른 강산, 즉 염산 또는 초산, 개미산 등은 상당한
저항력을 갖고 있다.
f. 양모에 대한 알칼리의 영향(鹽의 影響): 알칼리 용액에서는 양모가 쉽게 용해된다. 특히 가열시 이 현상은 급속히 일어난다. 예로서
비등점(沸騰點)에서 5%의 가성소다(NaOH) 용액 중에서는 수 분 안에 완전히 용해된다. 이는 keratin 섬유의 특성으로서 가장 두드러진
화학적 성질이다. 탄산염이나 보통 비누와 같은 약 알칼리염은 적당한 온도에서 단시간 사용시 큰 유해는 없지만 사용 후에는 잘 씻어내야 한다.
섬유에 반점 또는 변색이 따를 수도 있다. 소다회(soda Ash), 칼리, 암모니아에 양모를 10분 이상 담궈 놓으면 양모가 황변한다. 50℃
물의 온도가 가장 적당하며, 희석된 알칼리에 대한 양모섬유의 용해도(0.1N 가성소다 65℃ 1시간 처리)는 양모섬유의 습식공정(濕式工程) 중에
받는 양모 손상평가법으로 널리 사용된다.
g. 양모에 대한 염류의 영향(鹽類의 影響): 염화마그네슘(MgCl2, magnesum chloride)은 흡습성이 크므로 직물의 중량을
증가시키기 위해 사용한다. 황화마그네슘(MgS)이나 염화아연()도 이와 비슷한 목적으로 사용된다. 농도가 높은 칼슘, 바륨, 차아시안산염의
용액으로 모직물을 처리하고 증기를 쏘이면 수축하기 때문에 축면효과(縮綿效果)에 사용된다. 염화석, 염화아연, 황화아연(ZnS),
염화칼륨(KCl)도 마찬가지이다. 중금속염, 특히 알미늄, 철, 크롬, 석염(錫鹽)은 양모에 커다란 반응을 준다. 이러한 용액에 양모를 넣고
끓이면 비용해성 화합물을 형성하여 금속오염이 생긴다.
h. 양모에 대한 산화제의 영향(酸化劑의 影響): 산화제에 민감한 양모는 과산화수소(H2O2),
과망간산칼리(KMnO4), 중크롬산칼리(K2Cr2O2) 용액에
넣으면 온도, 농도, pH에 관계없이 양모는 중량이 저하되고, 알칼리에서의 용해성이 증가되며 강력이 저하되고 유황함유량이 적어진다. 이러한
산화제는 양모의 화학결합의 중요한 핵심부를 침해하여 손상시킨다. 표백을 하기 위해 쓰이는 과산화수소용액인 산화제는 손상력이 크다. 표백된 양모는
처리전 양모보다 강력이 떨어진다.
g. 양모에 대한 세균류의 영향(細菌類의 影響): 원모(原毛)는 요크나 먼지에 휩싸여서 자라기 때문에 대개 불순물이 붙어 있으며 곰팡이나
세균도 이 불순물 중에 끼어 있다. 보통 상태에서는 곰팡이나 세균이 그렇게 쉽게 발육되지 않지만 물에 젖든가 습기를 흡수했을 때 급속히
발육한다.
원모가 가공 공정에 들어가기 전까지 곰팡이나 세균이 자라면 발육되는 부근의 섬유의 강도가 떨어짐은 물론 여러 가지 점에서 품질이 떨어진다.
세균이 양모에서 작용하기 위한 조건은 양모가 40% 이상의 수분을 유지하면서 그때의 pH가 중성 또는 약알칼리성일 때다. 곰팡이는 양모 수분이
24% 이상, 즉 상대 습도 85% 이상일 때 생긴다. 따라서 이를 방지하기 위해서 각종 습윤처리를 행한 다음에는 그 처리된 양모를 알칼리
상태에서 방치하지 말아야 하며 컨디셔닝할 경우에 필요 이상의 수분을 양모에 함축시키지 말아야 한다.
h. 양모에 대한 충해(蟲害): 모직물의 최대의 적은 옷좀나방(衣蛾, tineola diselliella)이다. 모직물에 산란(産卵)한
옷좀나방의 알은 부화하여 애벌레(좀벌레, silverfish)가 되어 예리한 이빨로 양모섬유를 절단, 올에 치명적인 손해를 준다.
(2) 견(Silk)
천연비단은 누에로부터 얻어지며 고치를 이루는 물질은 78%의 비단단백질과 22%의 비단접착제로 되어 있다. 이 접착성분을 더운물에 녹여서
비단실을 풀어지게 할 수 있다. 보통 3,000∼4,000m 실이 하나의 고치로부터 얻어지는데, 이중 약 900m만 유용하게 쓸 수 있고
바깥쪽의 꼬여진 부분과 제일 속부분을 불량 고치들과 함께 견방(絹紡)을 만드는 데 쓰인다. 천연비단은 처리하지 않은 누에고치로부터 직접 만들고,
가공 비단은 금속염을 포함시켜 멋진 주름이 더 잘 생기도록 한 것으로서 주름이 잘 가는 단점도 있다. 비단은 햇빛이나 땀에 의해 약해지고, 강한
염기성비누나 햇빛에 의해 누렇게 변색될 수도 있다.
견섬유는 고치로부터 풀어져 나올 때 여러 가닥의 섬유가 합쳐지면서 꼬여서 남아 있는 접착성분에 의해 뭉쳐지면 직물을 짜는 데 사용되는
비단섬유가 된다. 비단의 찢어짐에 견디는 힘은 약 600MPa로서 양모의 200MPa보다 훨씬 크다. 면의 경우는 견섬유와 비슷하지만 신축성은
훨씬 떨어진다(견섬유 25%인데 비해 면은 8%의 신축성을 갖는다).
면, 마, 양모 및 견 등의 대표적인 천연섬유 중에서 유일하게 세포구조를 갖지 않은 견섬유는 누에의 분비물이 계상으로 응고된 것이다.
누에가 가진 방사의 중요한 메카니즘은 견(絹) 고분자의 분자내 수소결합이 분자간 수소결합으로 옮겨지는 과정으로서 성장된 누에 체내에 견사선이
발생하여 견성분 물질로 채워지고 난 후 토사구를 통하여 방사, 연신, 응고되어 견섬유가 형성된다. 견성분인 견섬유가 토사긴장(吐絲緊張)에 의하여
쇄상분자가 길이 방향으로 연신되면서 수소결합에 의하여 부분적으로 결정영역이 형성, 응고되는 것이라 생각된다. 이와 같이 형성된 견섬유는 내부에
견섬유의 본질인 2올로 구성된 피브로인(fibroin, β-keratin의 하나) 섬유와 그 외부는 이를 보호하는 세리신(sericin)에
의하여 피복(감싸여져 있는)되어 있다. 따라서 견섬유의 특성을 살리기 위해서는 피브로인을 덮고 있는 세리신질을 제거하여야 하나 세리신질을
과도하게 제거하면 견이 약하여 지는 것으로 견섬유의 기계적 성질은 세리신질을 제거하는 정련 정도에 따라 달라진다.
① 견의 구조: 견섬유는 양모섬유와 같이 amino acid으로부터 만들어진 단백질결합으로서 그 강도는 훨씬 크다. 이와 같이 견섬유는
고분자 사슬중 일부가 아주 단순한 구조를 가지고 여러 사슬이 서로 가깝게 겹쳐질 수 있으므로 밀도가 높은 결정구조에 의해 높은 강도를 갖게
되며, 이와 동시에 다른 부분은 아주 복잡하게 꼬여있는 형태를 갖고 있으므로 좋은 신축성 또한 동시에 갖고 있다.
견을 구성하는 분자는 2종의 세그멘트가 서로 교호(交互, 붙일 수 있는)로 연결 글리신(glycine), 알라닌(alanine),
세린(serine)이 3:2:1의 비율로 구성(사람은 아르기닌 8.9∼10.8, 히스티딘 0.6∼1.2, 라이신 1.9∼3.1), 즉 gly,
ser, gly, ala, gly, ala와 같은 배열순서를 가지며 결정영역을 형성하고 tyrosine, arginine, valine 등의
벌키(bulky)한 측쇄를 이루는 비결정영역을 형성하며 그 배열순서는 명확하지 않다.
(3) 인모(모발, Hair)
견, 양모, 인모로서 대표되는 단백질 섬유는 peptide bond으로 연결된 amino acid 잔기로서 많은 종류의 다른 측쇄(side
group)를 가지며 근접 분자간을 연결(cross link)하는 메커니즘을 갖고 있다. a. -CO기, -NH기에 의한 펩타이드결합(peptide bond CO-NH) 2. 모발의 어원 및 구조 개념(Etymology of hair concept of structure) Hair란 말은 언제부터 사용되었을까? hair란 무엇이며 우리는 미용(美容)을 헤어미용이라고
대변한다. 여기서 어원을 엿볼 수 있다. 즉, 영어로 양모를 울(wool)이라 하는데 넓은 뜻으로서 울은 양모만을 뜻하는 것이 아니라
모방(毛紡)산업에 관련된 원료로서 모든 '동물의 털'을 말한다. 여기에서 원모(原毛), 수모(獸毛)와 양모(羊毛)로 나누어서 설명된다.
원모의 굵기에서 섬유 굵기를 섬도(纖度, Fineness)라고 하는데 원모의 굵기는 단섬유의 직경으로 나타내는 경우, 로서
가방성(可紡性)에 의한 수치로 표시하는 경우가 있다. 이는 육안에 의한 것으로 비과학적이라 취급되어 점차 과학적 측정에 의한 μ표시방법으로
바꾸었지만 단섬유 직경의 굵기라는 점에서 μ로 표시한다.
울(wool)이란 원래 면양(緬羊, sheep)으로부터 채취된 섬유를 말하지만 예를 들면 알파카(alpaca), 라마(Lama),
바이큐나(vicuna), 낙타(camel), 모헤어(mohair), 캐시미어(cashmere) 등의 털도 울로서 취급하기도 한다. 양모만
하더라도 종류가 3,000여종이나 되기 때문에 이것을 엄밀히 분류하기란 어렵지만, 엄밀한 뜻에서 이야기하면 양모() 이외의 섬유는 수모(獸毛,
hair)라고 하는 것이 정확한 표현으로 볼 수 있다.
모발을 이루는 물질은 분자로 이루어져 있다. 작은 분자(단량체)가 여러 개 연결되어 큰 분자(polymer, 천연의 단백질로서 중합된)로서
분자량이 수천에서 수백만에 이르는 거대한 고분자를 이룬다. 즉 신체를 이루는 중요한 소재 중의 하나인 피부, 혈관, 근육, 세포막뿐만 아니라
유전인자를 가지고 있는 DNA도 고분자의 사슬형태로서, 모발 생체 고분자는 천연 고분자의 대표적이라 할 수 있다.
1. 모발의 어원(Ethmology of hair)
미개량(未改良) 양(羊)은 천연적인 보호색으로서 검은색, 다갈색, 회색이나 백색 등으로 되어 있으며 또한 그 털의 형성이 울(wool)만이
아닌 헤어(hair)와 켐프(kemp, 공간) 등으로 나눌 수 있다.
(1) 울과 헤어(Wool and hair)
집에서 기르는 강아지나 고양이를 주의 깊게 관찰하면 보드라운 털, 뻣뻣한 털 그리고 희끗희끗한 털의 세 가지로 형성되어 있음을 알 수
있다. 봄이 되면 보드라운 털은 모두 빠져버리고(흔히 털갈이를 한다고 함) 뻣뻣한 털만 남아있게 마련이다. 가을이 되어 추위가 오면 다시 그
뻣뻣한 털 사이사이로 보드라운 털이 빽빽하게 자라난다. 자연적인 미개량 양모의 털도 이와 똑같으며 이때 보드라운 털은 그 직경이 가늘고 뻣뻣한
털은 직경이 굵게 마련인데 이 때의 가느다란 털, 즉 보드라운 털이 울(wool)이고, 여름 내내 몸에 붙어 있는 뻣뻣한 털이 곧
헤어(hair)인 자모(刺毛, beard hair 또는 outer coat)이다. 미국의 A.S.T.M(American Society for
Testing Material)에서는 캐시미어 울(산양과)이란 30μ보다 가는 것이라 규정하며 30μ보다 굵으면 hair라고 규정하고 있다.
(2) 켐프헤어(kemp hair)
개, 고양이에게도 볼 수 있는 짧고 희끗희끗한 색의 털로서 미개량 양모와 똑같이 털이 생성되어 자라다가 그 성장이 중간에서 정지하여 버리는
일종의 변질적인 털로서 시간이 흐르면 빠져버리나. kemp hair는 특히 모수(毛髓)가 크고 그 섬유장이 짧다. 대개의 경우 백회색(白灰色,
붉은 red kemp도 있기는 하지만)으로서 주로 유전에 의하여 생겨나지만 영양상태가 좋지 않을 때 많이 나타난다.
이와 같이 오랜 세월에 걸쳐 개량의 노력으로 kemp와 hair와 wool로 되어 있는 원시적인 양(原始羊)들의 털은 점차 kemp를
hair로 대체시키고 다시 이것을 wool로 대체시키는 개량이 진행되었고 또한 wool의 길이가 보다 더 긴 것이 되도록 개량되어 갔다. 그래서
8,000년에 걸친 인간의 노력이 결실을 맺어 오늘날 백색이면서도 가느다란 울(wool)만이 남아 있는 양모를 만들어 내기에 이르렀기 때문에
양모를 인개섬유(人改纖維)라고 하기도 한다. 헤어(hair)나 켐프(kemp)는 모두 모수가 있는 섬유(medullated fiber)이다.
2. 모발의 미시적 구조
원소들의 화학적 결합을 지배하는 간단한 법칙들은 물질이 원자로 구성되어 있다는 것이며, 원자와 원자 사이에는 인력이 작용, 이 인력의 힘에
의해서 2개 이상의 동종 또는 이종원자가 분자 또는 결정을 이루고 있다. 즉 원자는 단독으로 존재할 때는 불안정한 상태를 유지하지만 원자상호간
결합에 의하여 안정한 상태를 유지한다.
1) 모발 고분자(Hair high molecule)
모발 고분자는 중합으로서 고분자를 만드는 화학 반응을 거쳐 중합된 단량체의 개수 단위인 고분자의 길이(사슬형태)를 나타내는 중합도를
가진다.
2) 모발 분자의 결합(Hair molecule of bond)
원자간 결합에 의해 분자는 생성된다. 분자는 분자내 결합과 분자간 인력으로 나눌 수 있다. 분자내 결합은 원자들의 결합으로서 이온결합,
공유결합이며, 분자간 인력은 수소결합, 극성결합, 론돈힘 등을 말한다.
(1) 분자내 결합
모발 원자는 작고 밀집된 원자핵과 그 주위를 돌고 있는 전자로 구성되어 각각의 전자껍질 내에서 돌고 있으며 화학결합에 주로 관여하는 맨
바깥쪽 전자의 수를(8개) 만들어서 안정된 전자배치로 되려고 하는 성질로서 원자와 원자 사이에 전자를 공유하여 안정된 전자배치로서 완전한
화학결합이 형성된 가교결합을 한다. 즉 분자내 결합으로서 이는 모발성질에 있어서 탄성에 관여한다.
① 이온결합(Ionic bond): 양·음의 전하를 가진 이온끼리의 정전기 인력에 의해 형성되는 화학결합으로서 모발 아미노산 중
lysine 또는 arginine 잔기 로 하전된 암모니움 이온과 aspartic acid, glutamic acid 잔기의 로 하전된
carboxyl 이온간의 염결합(salt bond)으로서 한 원자에서 다른 원자로 맨 바깥쪽 껍질에 있는 전자(H+)가 이동함으로써 이루어진다.
한 원자가 전자를 잃으면 전하로 하전되어 양이온이 되고, 다른 원자가 그 전자를 받으면 전하로 하전되어 음이온이 된다. 즉 산과 염기가 중화하여
염을 형성하듯 모발 내에 산성원자단과 염기성 원자단 사이에 염을 형성하여 결합력이 생기게 된다.
② 공유결합(共有結合, Covalent bond): 전자쌍 2개의 원자에 공유되어 형성하는 화학결합으로서 전자쌍결합이라고도 한다. 결합에
관여하는 전자쌍을 결합전자쌍 또는 공유전자쌍(shared electron pair)이라 하며 원자의 맨 바깥쪽 껍질에 있는 전자의 수를 8개로
만들기 위하여 전자의 이동 대신 각각의 전자를 원자와 원자 사이에 공유함으로써 형성되는 결합이다. 모발 아미노산에서의 공유결합은 황함아미노산인
14∼18%를 차지하는 cystine bond이다. 이는 cysteine(-SH) 두 분자 사이의 산화반응 결합에 의한 것으로
cystine(S-S) disulfide의 화학적 가교결합을 가진다. 이 공유결합은 모발의 성질을 특징지으며 안정성과 가소성(可塑性,
plasticity)을 구사한다.
(2) 분자간 인력(Affinity intermolecular)
분자간 인력은 분자 사이에 작용하는 힘으로써 분자내 결합력보다 훨씬 약하다. 분자간 인력의 세기에 따라 그 분자가 특정온도에서 상태(기체,
액체, 고체)가 결정되며 융점, 강도, 신도 등의 여러 물리적인 성질이 결정된다.
① 수소결합(水素結合, Hydrogen bond): 수소결합력은 분자내 결합력의 10분의 1 정도의 세기로서 분자간의 인력을 나타낸다.
원자에서 전자를 끌어들이는 성질을 전기음성(음이온, electronegative)도라 한다. 종류가 다른 원자간에 공유결합을 한 분자에서는 각
원자의 전기음성도가 서로 다르므로 공유한 전자쌍은 균등하게 공유되지 않고 한쪽으로 치우치게 된다. 그 결과 분자 내에서 원자들이 부분적인
전하(δ+)와 부분적인 전하(δ+)를 띄게 되어 양극성을 갖게 된다.
수소결합(hydrogen bond, C=O……HN)은 질소, 산소, 할로젠 원자 등과 같이 전기음성도가 큰 원자 사이에 수소 원자가 있을
때 생긴다. -O-H결합에서 보면 O원자가 H원자 사이에 부분적인 전하와 부분적인 전하로 크게 양극성을 띄게 된다. 이때 H원자는 크기가
작으면서 비교적 큰 부분인 전하 때문에 전기음성도가 큰 다른 원자가 옆에 있으면 그들 사이에 인력이 작용한다. 모발에서 수소결합은 염기성기인
amide기(RCONH2)와 그것에 인접한 carboxyl기(-COOH) 사이의 결합으로서 물에 젖은 keratin 섬유는
건조 상태에 비해서 쉽게 늘어난다. 이는 모발을 구성하는 결합수에 자유수가 결합하여 흡습 또는 탈습작용에 관여하는 결합력이 약한 분자간
결합이므로 변형되기 쉽고 또한 수분이 접촉하게 되면 효력을 상실하는 일시적인 효력을 갖는다. 그러므로 모발은 건조해 있을 때 탄성 회복률이
크다.
② 극성결합(Polar bond): 분자 상호간에 생긴 미약한 와 극성에 의해 생기는 결합으로서 수소결합과 다른 점은 분자 상호간에
수소원자가 관여되어 있지 않으므로 그 결합력이 약하다는 것이다.
③ 론돈힘: 원자는 전하를 띈 원자핵 주위에 전하의 전자가 항상 움직이고 있기 때문에 저온에서 분자간에 작용하는 미약한 힘을 론돈힘이라
말한다.
3) 결정성의 크기(Size of crystalization)
모발의 강도를 나타내는 긴 polypeptide쇄가 규칙적으로 치밀하게 배열되어 쇄상간의 수소결합이 강하게 되어 있는 화학 반응을 일으키기
쉬운 영역인 결정영역과 불규칙적인 tandom coil상인 짧은 polypeptide쇄의 고분자로서 측쇄의 염결합이 많은 유연하고 화학작용을
받기 쉬운 구조와 이 둘의 영역인 결정과 비결정 조합이 모발고분자로서 결정성의 크기를 이룬다. 특히 모발의 비결정영역인 측쇄결합 내에서는
부분적으로 중합체의 결정이 존재하고 있으며 비결정영역의 간충물질은 손상을 받기 쉽기 때문에 탄성과 약함을 줄 수 있는 모질 손상의 최대 원인이
된다.
4) 배향성
모발은 모근 속의 모낭에서 제2의 영역인 탈축합 반응에 의해 keratin 가교가 형성되면서 각화하여 위로(두피 밖) 밀어 올리는 배향성을
가진다. 즉 고분자들이 평행으로 잘 정돈되어 있는 정도로서 배향이 잘 되어 있는 분자간의 결합력을 증가시키고 있다. 배향성에 따른 모발성질
변화에의 강도(g/d), 신도(%), 수분율(%) 등을 가진다.
3. 모발의 거시적 구조
1) 모발 길이와 굵기(Length of hair and thickness)
모발의 피질세포는 길이 약 100μ, 두께 1∼6μ, 직경 2∼6μ로 소량의 melanin 색소를 함유하고 중앙에 매크로필라멘트라 불리는
방추형을 한 섬유상 구조와 핵의 잔사, 색소과립으로 되어 있다.
① Macrofilament: 기본적(baxically) macrofilament는 단일 기제단위로서 직경(폭) 0.2∼0.5μ로
keratin 섬유가 다발로 되어 있으며, 세포가 장축방향으로 나열되어 있다. 이 다발과 다발간에는 간충물질에 의해 접착되어 있고, 이
macrofilament는 더욱 가는 조직화되어 있는 섬유상 성분으로 microfilament와 이들을 둘러싸고 있는 간충물질(matrix)로
이루어져 있다.
② Microfilament: macrofilament는 microfilament라는 보조섬유 구조로 되어 있으며 나선상으로 늘어서 있다.
각 나선, 즉 microfilament의 반경은 약 1,000∼4,000Å이며 직경은 약 70Å로서 조직화된 α-Helical 물질을 포함하며
이는 모발섬유 전체의 물수착(흡착)에 관여하며, microfibrils는 α-β전위관계가 일어나는 부분이다.
③ Protofilament: 마이크로 필라멘트의 내부 구조에 대해서는 확실히 밝혀지지 않았지만, 2개의 핵으로 그 주변은 9개인 9+2의
배열의 프록토 필라멘트가 둘러싸고 있다고 추측하고 있다.
④ α-Helix: α-Helix라는 의미는 아미노산 잔기당 1.5 만큼 나아갈 때 3.6 잔기에서 1회전하는 나선형을 말하며, 그
바깥지름이나 피치(ψ)는 수소결합이나 반데르발스 힘에 의해 좌우된다. 9+2의 배열 중에서 1개의 배열에는 3중 coil의
polypepttide이다. 다시 말해 1회전당 약 3.6개의 amino acid이 들어가서 peptide사슬이 나선모양으로 꼬여진 구조이다.
이는 구상단백질에 많으며 α-나선은 사슬 내의 -NH와 C=O간의 수소결합으로 고정되어 있다. 같은 잔기가 반복, 결합되어 만들어진 사슬
고분자인 경우 각 결합의 각도가 동일하면 고분자는 나선형으로 된다(helix형). 내부회전이 허용되면(C=-45°, P=-60° 합 100°
돌아간다. 피선각 φ-움직임 360°까지) 분자는 임의로 꺾임이 생기고, 전체 형태도 통계적으로 난잡하게 된다(random coil model,
랜덤코일형은 용매와의 상호작용 및 전체의 형을 여러 모양으로 변하게 함으로써 생기는 엔트로피 양에 따라 안정화된다). 헬릭스형은 내부회전
퍼텐셜(친화력) 외에 분자 내에 생기는 수소·소수성·반데르발스 결합 등에 따라 안정화된다.
⑤ Polypeptide: 단백질을 형성하기 위하여 아미노산들이 peptide결합에 의해 계속적으로 결합된다. 하나의 amino acid은
아미노기(-NH2)와 다음 아미노산의 카복실기(COOH)가 물을 잃고 결합하여 peptide bond를 형성한다. 2개의
amino acid이 결합된 peptide를 dipeptide라하고 3개는 tripeptide, 4개인 경우 tetrapeptide라 부른다.
다수의 아미노산이 결합된 것을 polypeptide라고 하며 subunit로서 생체를 이루는 고분자의 기본 단위이다.
a. Peptide: 동종 또는 이종의 α-아미노산이 2개 또는 그 이상에서, 서로 한쪽 카복실기와 다른 쪽 아미노기와의 사이에서 탈수하여
산아마이드결합(aminde bond), 즉 펩타이드결합(-CONH-)을 형성하여 생기는 화합물의 총칭, 일반적으로 다음과 같은 식이 성립된다.
amide는 NH3(암모니아) 또는 RNH2(아민)의 수소(H)가 금속원자 또는
아실원자단(RCO)에 의해 치환된 구조를 가진 화합물의 총칭이다. 금속 아마이드, 나트륨 아마이드(NaNH2), 칼륨
아마이드(KNH2), 리튬다이에틸아마이드((C2H5)2NLi)
등이 대표적인 것으로 NH-이온염이라고 볼 수 있다. 강력한 탈(脫) 프로톤(Proton)제는 액체 암모니아 중에서는
강염기로서 작용한다. 물과 접촉하면 다음과 같이 반응한다.
NH2+H2O→NH3+OH
산아마이드, 암모니아의 수소 1개를 아실기로 치환한 형태의 화합물을 제1아마이드 RCONH2, 2∼3개 치환한 형태의
것을 각각 제2아마이드 (RCO)2NH, 제3아미드 (RCO)3NH라고 한다. 제2아마이드의 구조를 가진
것을 이미드(imide, 이미노기=NH를 가진 amide를 말한다. 보통은 고리 이미드만을 imide 또는 acid amide라고 한다.
imide는 2염산인 카복실산에서 -OH 하이드록시기 2개를 제거한 잔기에 이미노기가결합하여 고리를 형성한 것으로 산무수물과 암모니아의 작용으로
생성한다. 가열만으로 산무수물을 생성하는 산일 때는 그 암모늄을 가열해도 imide를 생성한다. 산이미드의 예로서 숙신이미드, 프탈이미드 등이
있다. 이미노기의 수소는 금속이나 탄화수소기 등으로 치환할 수 있다)라고도 한다. 특히 고리모양 구조를 가진 것은 프탈이미드, 숙신이미드 등으로
부른다. 제1아마이드(amide) 중에서 고리모양 구조를 가진 것을 락탐(lactam, 고리 안에 원자당 -NH-CO-를 함유하는 고리화합물의
총칭. 아미노산이 카복실기 -COOH와 아미노기 -NH2 사이에서 amide를 만들어 고리화한 분자 내의 amide로 간주한
것을 가리킬 때가 많다. γ-, δ-, ε-…인 아미노산은 5, 6, 7…원자고리의 γ-, δ-, ε-…락탐을 만드나, α-아미노산과
β-아미노산의 대부분은 락탐을 만들지 않는다)이라고 한다.
b. Amino acid: 한 분자 속에 아미노기(-NH2: 염기성)와 카복실기(-COOH: 산성)을 모두 갖고 있어
산, 염기와 모두 반응할 수 있는 양쪽성 물질이다.
2) 모발의 밀도(Density of hair)
벤진4염화탄소 혼합액 중에서 모발의 밀도를 측정했다. 암갈색의 미처리모의 60% RH에 있어서 밀도는 rod의 종류에 따라 다르지만
1,320에서 1,327의 범위였다. 비교하기 위해 사용한 양모의 밀도는 1,320이고 모발의 rod와 동일했다. perm 처리에서는 밀도는
변화하지 않았지만 bleach 처리모에서는 약 25% cystine bond가 파괴되어 밀도가 0.45% 증가했다.
습도를 변화시켜 양모섬유의 밀도를 측정하면 15∼85% RH에서는 밀도의 변화는 거의 없다. 또 60% RH에 있어서 모발의 양모의 밀도,
상대 습도와 수분율의 관계가 거의 동일한 양에 의해 양모 및 모발의 상대 습도와 밀도의 관계는 같다고 예상된다. 상대 습도 0의 섬유를 15%
RH에 흡습시켰을 때의 밀도의 증가는 예상과는 반대였는데 그 이유는 명확히 밝히지 못하였다. 실험의 목적은 모발 절대 밀도의 측정이 아닌
모발이나 양모섬유의 상대밀도 및 perm 처리나 bleach 처리의 영향을 조사하고자 했으며 실험 결과는 다른 연구자의 결론과 함께 모발과
양모섬유의 밀도는 거의 같았으며, perm 처리 또는 bleach 처리에 의한 모발 밀도의 변화는 그다지 크지 않았다는 것을 나타내었다.
(1) 모발섬유측정 변화에 따른 처리의 영향(팽윤)
보통 섬유에서 측정될 수 있는 것은 길이 및 직경이다. 모발을 원주형으로 가정할 때 체적(V), 단면적(A), 반경 및 표면적(Su)을
직경(D) 및 길이(L)를 이용하면 아래의 식을 얻을 수 있다. V=0.7854D2L, A=0.7854D2, Su=DπL로서 모발 횡단면의
형상은 거의 원에 가까운 것으로부터 타원형까지 있지만 탄성 특성 등의 성질을 섬유직경 혹은 단면적으로 분활한다면 실험상의 오차를 좀더 적게 줄
수 있다고 본다.
모발섬유 측정법은 기본적인 탄성특성의 계산으로서, 모발에 대한 각종 반응에 대한 모발 측정 변화를 추정할 수 있다. 1㎜ 이하 범위의
길이를 측정하는 데는 현미경이 사용되고 수㎝ 이상 길이의 측정에는 전자 현미경이 사용된다. 섬유직경은 현미경으로 직접 또는 대충
마이크로미터(micrometer: 측미기라고도 하며 길이 또는 변위를 고정밀도로 측정하기 위한 장치)로 측정되지만 다른 방법인 횡단면의 측정
방법을 이용하기도 한다.
① 모발섬유의 측정법: 횡단면의 측량법 또는 그 변화의 측정에는 단섬유 및 섬유다발의 양방 모두 사용 가능하다. 단섬유법에는 선밀도,
현미경, 진동계, 마이크로미터, 레이저선 회절 등이 사용되고 섬유다발의 측정에는 원심분리법이 사용된다.
a. 선밀도법 : 모발 직경의 측정에는 선밀도법이 최적의 방법이라고 생각하고 있다. 1가닥의 모발을 일정 길이로 절단하고(10㎝ 정도),
55∼60% RH로 습윤시키고 감도가 2㎍ 이상에 있는 화학천평(天枰)으로 중량을 측정한다. 이 측정에서 단위 길이당 무게(g/㎝)가 얻어지고
이것을 섬유밀도 1.32g/㎤로 분할하면 단면적 A(㎠)가 얻어진다. 이같이 하여 계산된 단면적은 단면의 형태에 영향을 준다. 단면의 형태를
원형이라고 가정하면 섬유의 직경 (D)은 다음 식에서 계산된다.
D=/A/0.7854
무게 M(g)의 모발 체적 V(㎤)는 섬유 밀도에서 다음 식에 의해 계산된다.
M/1.32=V
체적 V 및 반경 r의 섬유길이 L은 L=V/r2으로 나타나고 표면적 Su의 계산에 사용 가능하다. Su=2πrL 이
방법에는 전체의 모발의 밀도가 동일하다고 가정하고 있지만 조작이 간단하고, 건조 상태의 모발 측정에는 뛰어난 [평균화법]이라고 한다. 원형이나
타원형 섬유 단면적 및 체적의 계산은 원형 섬유의 직경이나 반경의 측정과 같이 비교적 정확하다. 이 방법에서는 타원율의 지표는 얻지 못하지만
단면과 길이 방향에 평균하는 직경이 얻어진다. 타원율이 늘어날 때 섬유 직경차를 나타내고 있다. 또 인종에 의한 단면 형태에 따른 원형과의
차이를 나타내고 있다.
b. 현미경법: 현미경에 의한 모발 직경을 분석하면 반경, 단면적, 체적 및 표면적은 앞에서와 마찬가지로 계산 가능하다. 현미경은 모발이
액체 혹은 기체(공기중의 수분을 포함) 가운데 반응할 때 변화되는 것을 측정하는 데 적당하다. 현미경은 원형에서의 차를 측정하기 위해서도 사용
가능하지만 정확하게 측정하기 위해서는 각 섬유의 축에 따라 10∼20회 반복 측정이 필요하다.
c. 진동법: 진동계는 장력(張力)을 건 섬유에 대해 이미 알고 있는 주파수의 진동력을 부여한 장치이고, 섬유 단면적 A(㎠)은 기계적
공조를 일으키는 가장 낮은 주파수 f(cycle/sec)에서 계산 가능하다. 섬유에 건 장력을 T(dyn), 섬유의 길이를 L(㎝), 섬유밀도를
1.32로 하면 다음의 관계가 있다.
따라서 앞선 기록과 같이 섬유의 직경, 반경, 체적 및 표면적이 계산된다. 이 방법에서는 섬유가 균질한 것으로 평균한 직경을 갖는다고
가정하고 있지만 나일론 섬유에 대해서는 현미경에 의한 측정과 잘 일치하는 것이 나타난다. 선밀도법과 마찬가지로 이 방법은 훌륭한 평균화법이고
현미경법에 비교하여 단 시간에 측정 가능하다.
d. 마이크로미터법: 이 방법은 강철, 텅스텐이나 가나스 같은 딱딱한 섬유의 측정에는 좋지만 모발 같은 부드러운 섬유에는 적합하지 않다.
이 방법은 또한 모발의 직경 측정법으로서는 조잡하지만 신속한 방법이다. 그러나 마이크로미터로는 모발섬유에 압축력이 걸린 섬유가 변형하지만 이것을
조정하는 것이 어렵기 때문에 측정치에 큰 오차가 있다.
e. 레이저선 회절도: Brancik와 Daytner는 액체 중의 양 모단섬유의 직경을 측정하는데 레이저 단색광의 회절을 이용했다. 이
방법은 간단하고 다른 방법에 의한 값과 잘 일치할 수 있는 결과의 가능성이 크다고 볼 수 있다.
f. 원심분리법: 원심법은 약 20㎝ 길이, 400∼800㎎ 중량을 가진 섬유는 액체에 가라앉히고 섬유간의 여분은 액체를 원심분리로
제거하여 중량을 재 측정하는 것이다. 이것은 섬유다발을 측정하는 데 좋은 평균화법이고, 섬유에 흡수된 액체의 양을 측정, 섬유 반응 정도를
조사하는데 적당하다. 또한 각종 상대 습도에 있어서 중량 증가율과 체적의 증가율과는 거의 같은 값이므로 상대 습도에 있어서 중량 증가율과 체적의
증가율과는 거의 같은 값이므로 이 방법은 수용액계로의 섬유 체적변화를 개산(槪算)하는데 이용 가능하다.
② 섬유곡율, 단면 형태 및 단면 측정의 변화: 섬유곡율 및 단면 형태는 인종에 의해 달라지며 이는 유전의 영향이 크다.
Randebrook 모발 직경을 40∼120μ 범위에 있는 것으로 나타내고 있다. 백인 모발 직경은 가장 가는 헤어로서 50∼90μ 범위에 있고
Yin 등의 결과와 같다. 백인계 어른이나 어린이 모발을 비교한 Bogaty의 총설에서도 이것과 같은 결과이지만 2세 유아 15인에 대해 평균
직경은 31μ이었다. 여전히 이들 값은 평균치이므로 이것보다 가는 모발도 있다고 볼 수 있으며, Steggarda와 Seibert 3인종의 두발
특성이 비교한 이들의 데이터는 인종보다 모발 특성이 서로 다른 차이에 관한 결론으로서 백인계의 모발은 몽골계 또는 흑인계 모발보다도 평균적으로
25% 가늘다.
흑인계 모발은 장경/단경의 비가 1.75이고 다른 2인종보다 꽤 편평하고, 또 몽골계의 모발은 장경/단경비가 1.25이고, 가장 원형에
가깝다. 원형이라 가정하고 계산된 몽골계 및 백인계 모발의 직경과 실제 모발의 장경 및 단경에서의 차이는 각각 약 11% 및 15%이고, 이것은
거의 허용될 수 있는 근사치라 할 수 있다. 그러나 흑인계 모발에 관한 그 차이가 약 38%로서 그다지 좋은 근사치는 아니다. 모발섬유의 크기,
단면 형태는 모축에 따라 변화하므로 모발섬유 단면 평균측정법과 측정하는 방법 등이 편리하다. 이들의 변동은 환경 요인 외에 성장 패턴에 의한
것으로서 Mercer는 성장과정에 따라 불 균일한 keratin화가 일어나고 양모에서의 축모 현상과 마찬가지로 모발에서도 이와 같은 현상이
일어날지도 모른다고 하였다. |
출처: 아름다운 헤어세상*히트* 원문보기 글쓴이: 히트
