1.2  抄紙의 과학적 원리

 마르크스가 技術史 筆記에서 말한 것처럼 製紙라는 것은 사실상 화학과정과 기계과정의 결합이다. 때문에 제지술의 발명은 中國 古代化學과 機械工程 이 두방면에서 거둔 성과라고 할 수 있다. 우리는 제지기술사를 논하기 앞서 우리는 과연 이러한 위대한 발명이 어떤 과학적인 원리에 의해 실현되는가 하는 것을 먼저 밝혀 둘 필요가 있다. 이것은 섬유소화학과 紙漿에 의한 製紙工藝學적인 기본원리에 상관되는 것이다. 제지기술의 발명과 발전도 역시 이러한 기본적인 원리에 입각한 것이다.
 製紙學의 原理는 근 백년래, 특히 최근 50년에 와서야 충분히 해명되었다. 하지만 중국의 근로인민들이 2千年前에 종이생산의 실천경험을 토대로 만들어 놓은 一連의 製紙工藝, 操作方法, 設備原理 등은 현대제지학의 기본적 원리와 완전히 부합되며 또한 현대제지학의 기나긴 역사의 원천으로 된다.
 周知하는바 종이의 주요원료는 식물섬유에서 取한다. 그런데 중국은 세계적으로도 식물섬유의 자원이 가장 풍부한 나라가운데 하나이다. 各地마다 製紙에 공급되는 식물섬유의 원료종류도 아주 많다. 과거 手工으로 종이를 만드는 과정에서 사용되던 破布같은 原料나 麻類 그리고 제지에 적합한 木本靭皮(桑皮, 藤皮. 楮皮, 檀皮 等)에서부터 竹, 벼짚(稻草), 밀대와 기타 종류가 다양한 野生植物 등은 제지에 공급되는 무궁무진한 섬유원료 자원으로 된다.
植物學에서 "섬유"는 靭皮섬유와 被子섬유中 兩端이 紡錘狀으로 된 가늘고 긴(細長) 細胞를 가리킨다. 그러나 製紙學에서는 식물에서 細長의 세포로 紙漿의 주요성분에 속하면 모두 섬유로 통칭한다. 중국 고대의 製紙用 원료로 사용되는 식물섬유는 古紙에 대한 顯微鏡분석을 진행한 결과, 기본상 아래의 두가지 부류로 크게 나누어 진다. 하나는 靭皮纖維인데 주로 식물의 靭皮부분의 섬유를 말한다. 인피섬유는 또 草本괴 木本으로 細分할 수 있다. 그중 草本은 麻類같은 것으로 一年生식물이 많고 木本은 대부분이 多年生식물들로 예를 들면 桑, 藤. 楮, 靑檀같은 것들이 있다. 다음 하나는 莖杆纖維인데 이런 섬유는 거의 單子葉植物에 속한다. 또 그의 維管束(즉, 섬유와 導管이 결합하여 형성된 束狀組織을 말한다.)는 基本組織속에 散生하고 있어 機械的인 방법으로는 쉽게 維管束을 分離해 낼 수 없으므로 그의 莖杆全部를 사용하고 있다. 莖杆纖維도 一年生(예를 들면 벼짚이나 밀대)과 多年生(竹類 등)으로 다시 細分하기도 한다.
상술한 각종 섬유는 그 질에 있어서, 보통 종이를 만드는데는 長纖維가 短纖維보다 낫고 細纖維가 粗纖維보다 낫다고 한다. 이것은 바로 여러 가지 섬유가운데서 單個纖維의 평균길이가 길면 길수록 좋고 섬유의 평균 길이와 넓이(長寬)비율이 큭면 클수록 좋다는 것이다. 왜냐하면 打漿(용도)과정에 섬유는 짧게 절단되어야 하는데 長섬유는 짧린 다음에도 일정한 길이(長度)를 유지할 수 있고 兩端이 추化되어 抄紙時 조직을 緊密하여 주어 종이의 拉力强度를 높여준다. 또한 細長섬유는 表面積에 대한 비율이 커서 서로 엉키는 효과가 좋지만 短섬유는 짤리면 그 長度가 더욱 작아져 兩端을 추化할 수는 있지만 너무 짧아서 종이의 拉力이 작아진다. 고로 섬유는 가늘면서도 긴 것이 가장 좋다. 중국에서는 종이를 발명한 최초부터 지금까지 良質의 원료로 판정되는 麻類섬유를 선택하여 사용했다. 다음 도표는 중국에서 常用되는 제지원료의 섬유가 현미경아래 觀測되는 長寬度를 표시하는 수치이다. 14)
 (도표1 p.9)

표에서 나타내는 제지섬유의 길이와 너비 비율에서 우리는 중국 고대의 製紙에 공급되는 원료의 順位는 麻類가 첫째이고 다음은 樹皮, 셋째는 竹類, 네번째가 草類임을 살펴볼 수 있다. 또한 만들어진 종이가운에 질이 좋은 것은 거의 마류나 樹皮를 원료로 하였고 草類따위는 迷信用 "火紙"를 만드는데 원료로 많이 쓰였다. 相對的으로 말해서 竹類의 섬유는 마류와 비해 짧기는 하지만 竹紙의 原價가 낮으므로 이것 또한 優勢로 취급되기도 한다. 제5장에서 상세히 해석하겠지만, 중국 고대인은 竹紙의 기능을 높이기 위해 의도적으로 竹漿에 마류나 樹皮등 細長섬유 원료를 섞기도 하였는데 이로서 종이의 拉力을 강화하는 효과를 보려 했는데 이는 과학적인 원리에 맞는 紙漿技術인 것이다.
 製紙用 섬유는 주로 纖維素로 구성되는데 이 섬유소는 바로 식물세포벽의 基礎物質이다. 현대적인 섬유화학적 시각에서 보면 纖維素는 허다한 d-葡萄糖基(C6H10O5)가 소로 1-4-β(?)鍵으로 결합된 高分子 多糖體이므로 섬유소를 葡萄糖基의 高聚物로 볼 수 있다. 이는 보통 (C6H10O5)n의 분자식으로 표시한다. 분자식에서 n置의 大小로 聚合度를 나타내고 이에 따라 分子鍵의 길이를 설명한다. 예를 들면, 녕麻섬유소 分子重合度는 8580이라고 하면 이것은 바로 녕麻섬유의 분자크기가 8580개의 葡萄糖基로 重合하여 형성되었음을 말한다. 제지원료가 서로 다름에 따라 平均重合度는 큰 것이 있고 작은 것이 있다. 그러나 많이는 만개좌우(成千上萬)에 달한다. 重合度가 크면 클수록 섬유는 더욱 길다.  
섬유소의 化學構造를 다음과 같이 표시할 수 있다.
 (構造表. p. 10)

 상기 構造式에서 알수 있는 바, 섬유소는 하나의 기다란 고리 형태(련狀)의 高分子化合物이다. 섬유소분자는 또 매개 構造單位의 葡萄糖基에는 3個의 간基 OH가 있다. 하여 섬유소분자마다 重合度의 세배나 되는 간基가 있어 그 총 수는 萬이상에 달한다. (圖 O-1-A) 이러한 간基는 親水性이 크기 때문에 無數한 섬유소는 分散되어 溶媒(水介質)에 있을 때 그속에 내포되어 있는 간基는 물을 흡수하여 섬유로 하여금 불어나게(潤脹?) 한다.(圖O-1-B)
 (圖0-1  纖維抄紙過程機理表示圖 p.10)

   纖維素의 分子들이 서로 가까이 붙어 있을 때 서로 인접애 있는 두 분자구조중의 酸素原子O는 水分子 H-O-H를 끌어 당겨 함께 하는데 이때 水分子는 마치 연결띠(紐帶)처럼 두가닥의 섬유소를 이어서 纖維素사이에 "水橋"역할을 한다. (圖O-1-C) 이러한 상태는 발(렴)로서 紙漿을 건지거나 濾過하거나 혹은 과다한 물을 빼내고 나면 濕紙膜이 형성될 때 나타난다. "水橋"에 의해 연결된 섬유소분자는 그리 견고하지 않으므로 濕紙膜의 物理强度도 크지 않다.
그러나 濕紙膜은 건조과정을 거쳐 수분을 蒸發시킨 후에는 강도 높은 表面張力의 작용을 받아서 纖維素之間의 거리를 크게 縮小시킨다. 섬유소사이의 거리가 2.75埃(一埃(?)는 1억분의1미리미터에 해당된다.)이하로 될 때면, 섬유소 相互間의 連結은 더는 "水橋"에 의거하지 않고 자체 分子내의 水酸基OH사이에 형성되는 수소결합(경鍵)에 의해 결합된다. (圖O-1-D) 여기서 말하는 수소결합"경鍵"이라는 것은 極性간基속의 산소원자 O가 다른 간基 中에 있는 수소(경)원자H를 吸引하여 형성되는 一種의 화학결합(化學鍵)이다. 수소결합의 結合能力은 5-8千카/g分子인데 이것은 分子間力(??)보다 에너지(能量)가 2-3배 크다. 수소결합은 纖維素사이에서 가장 주요한 역할을 하는 形式이다. 원칙적으로 말해 섬유소에 있는 간基는 모두 수소결합을 이룰수 있다. 섬유분자들은 바로 이런 수소결합에 의해 한층 緊密되어 결합되며 一定한 기계강도가 있는 纖維素들로 구성된 薄膜을 형성한다. 종이는 바로 이렇게 만들어 진다.
수소결합(경鍵)은 抄紙機理(?)의 關鍵이다. 그의 존재는 이미 光譜分析에 의해 實證되었다.앞서 말한 絲質纖維는 화학적으로 보면, 사실상 가종 암모니아酸으로 구성된 蛋白質類型의 動物性 高分子化合物이다. 소絲(?)과정중 蠶충을 물에 넣고 끓여 絲膠(?)를 脫去한 후에 비교적 순수한 絲素섬유를 얻는다. 그러나 이런 絲素분자들은 섬유소처럼 수소결합에 의해 重合되어 종이로 되지 못한다. 所謂 "絮紙"나 "蠶충紙" 등 說法은 抄紙化學機理의 각도에서 보면 과학적인 근거가 力不足하다. 古書에서 "蠶충紙"라 적어 놓은 종이는 바로 식물섬유로 만들어진 종이를 이르는 것이다.
물론 누에가 吐絲하여 충(?)을 만들 때 그것을 平板에 놓아 두고 움직이게 하면 혹시 絲纖維로 충(종이의 薄膜과 類似한)을 만들어 질 것이다. 또 그것으로 글자를 쓰고 포장할 수도  있을 것이다. 그것은 아직 處理되기전의 生絲에는 絲膠성분이 함유하고 있어서 可能하며 또 이 絲膠成分의 粘聯작용에 의해 平面으로 펼쳐진 蠶충으로 되기 때문이다. 그러나 이것은 종이가 아니다. 이런 "종이"는 原價가 높고 강도 충분히 크지 못하므로 글 쓰거나 포장하는 도구도 大量으로 공급될 수도 없다. 또한 이러한 "가짜종이"는 물에 끓이거나 뜨거운 물을 접하면 脫膠되어 하나의 결합능력을 완전히 상실한 絲纖維뭉치로 밖에 남지 않는다.
진정한 의미에서의 종이는 뜨거운 물에 잠기더라도 건조시키면 역시 종이로 남는다. 뿐만아니라 원료자체도 반드시 脫膠과정을 경과시킨 다음에 抄紙가 된다. 그것은 앞서도 말한 바와 같이 植物纖維는 脫膠한 다음 수소결합에 의거하여 纖維素間의 重合을 완성하기 때문이다. 종이는 물을 접한 다음, 섬유간에 다시 "水橋"가 다시 형성되면서 原來의 수소결합 구조를 상실한다. 따라서 濕紙는 마른 종이(干紙)보다 그 强度가 약하다. 만약 이때 종이를 乾燥시키면 "水橋"는 없어지고  다시 수소결합을 회복하게 되므로 종이의 强度도 잇달아 增加된다.

 

                   <목 차 >