중국제지사

1.3 식물섬유(植物纖維)의 화학적 提純, 提漿이론 및 가공원리

우리는 이미 植物纖維 종이에 대한 인식을 얻었다. 즉, 纖維素가 수소결합(경鍵)에 의해 薄片狀의 물질로 重合되는데 이것이 바로 종이라는 점이다. 그렇다면 이제 종이를 만들기 위해서는 먼저 純度가 높은 섬유소를 얻어야 한다. 그러나 실제로 製紙用 식물원료가운데는 섬유소 外 다른 화학성분도 존재한다. 제지원료에 대한 화학적인 분석을 거친 결과, 그 주요성분으로 섬유소가 되겠지만 그밖에 灰分, 果膠質, 木素, 蛋白質과 반섬유소(多縮戊糖) 그리고 色素등이 존재하고 있다는 것을 발견하였다.
(圖表 p. 12) 中國古代若干常用製紙原料化學成分
           (상게서)

위의 표에 분석한 화학성분으로 보면, 섬유소가 많으면 많을수록, 가타 성분이 적으면 적을수록 좋다. 化學成分으로 보면, 麻料가 가장 좋고 다음으로 皮料, 竹料, 草料 등의 순서로 그 優劣이 나타난다. 섬유홯가성분의 우열순서는 그의 物理指標(長幅度와 帳幅比)와 일치하며   만들어진 종이質의 優劣과도 서로 일치하다.
제지원료가운데서 섬유소 外의 화학성분( 灰分, 果膠質, 木素, 蛋白質과 반섬유소(多縮戊糖) ,色素)들은 종이질에 불량한 영향을 주는 성분들이다. 그중, 서로 다른 半糖基로 조성된 半纖維素는 주로 β필남式木糖基의 重合物인데 紙漿속에서 이런 물질이 증가되면 종이의 기계강도를 低下시킨다.
반섬유소의 화학구조는 다음과 같다.(p. 12)
果膠는 부분적으로 혹은 완전히 甲양氣化한 乳糖尾酸을 말하는데 일명 果膠酸이라 한다.
그 구조는 다음 포와 같다. (p. 13)

제지과정에서 果膠를 제거하지 않으면 섬유로 하여금 거칠고 단단하여 종이로 뜨기가 쉽지 않는 동시에 삶는 과정에서 소다액을 소모가 크다. 果膠는 소다액에 의해 신속히 분해될 수 있고 또 생물화학작용에 의해 絲모양의 菌類 미생물도 같이 분해(降解)된다. 果膠의 ?鍵으로 破裂되면 반유당, 아랍교당, 전산 등으로 분해된다. 다음 발효되어 물속에 丁酸, 乙酸, 내지 2산화탄소로 용해된다.
紡織을 하거나 종이를 만들 때, 반드시 섬유원료에 대한 脫膠處理를 먼저 해야 한다. 중국 고대의 보편적으로 사용된 脫膠處理 방법은 구制(즉, 生物發酵)이다. 예를 들면, 製紙用으로 쓰이는 破布가 바로 麻布인데 이 麻布는 生麻를 물속에 넣고 生物發酵(구制)과정을 거쳐 완성된다. 또한 生物發酵과정에서 單寧, 色素, 蛋白質, 半纖維素 등 잡물질을 同時에 제거한다. 때문에 麻紙용으로 쓰이는 麻縷(갈기?)는 果膠함량이 매우 적다. 만약 나무껍질(樹皮)와 같은 生纖維로 종이를 만든다면, 반드시 벗겨놓은 나무껍질을 물속에 넣어 일정한 시간을 경과함으로써 有色의 外表皮와 섬유속의 果膠가 덜어져 나가게 해야 한다. 그래야만 그 다음에 이어지는 소다溶液속에서 蒸煮할 때의 효과를 높여 종이의 질을 改善해 준다.
목소(リクニン?)는 종이를 만드는데 가장 해로운 雜物質이다. 그런데 樹皮나 莖杆纖維(예를 들면 竹材料 같은 것)에는 만만치 않은 수량의 木素가 들어 있다. 목소는 종이의 强度를 약화하고 쉽게 色素로 산화되어 색갈을 띠므로 潔白한 종이를 만들 수 없다. 이런 목소를 제거하지 않으면 抄紙가 쉽게 老化되고 종이를 變色시키며 또 脆弱하게 한다. 목소의 減成物에 대한 연구와 모의실험을 에 의하면 대체로 목소는 芳香性의 大分子인데 그 구조는 다음 분자식과 같다. (목소의 화학구조 분자식 p. 13)
製紙用 식물원료를 소다溶液으로 蒸煮하면 목소가 산생되는 것을 파괴하면서 減成작용을 하며 목소를 제거하는 목적에 달할 수 있다.
製紙過程을 化學過程이라고 하는 것은 바로 중국 漢代로부터 줄곧 소다溶液과 같은 화학적으로 만들어진 약품으로 식물원료에 대한 化學處理 방법을 사용하여 왔기 때문이다. 이런 처리과정을 거친 후 원료중의 油脂를 溶解하거나 그것으로 하여금 조化(油脂와 소다와 작용하여 비누나 甘油가 되는 현상)하며 천연색소를 파괴하고 單寧, 蛋白質, 澱粉 등을 溶解시킨다. 가장 중요한 것은 化學減成法으로 목소를 제거하여 비교적 순수한 섬유소를 얻는 것이다.
  중국 고대에 사용되던 소다 溶液은 草木灰와 石灰水이다. 각종 초목회는 모두 소다質을 함유하고 있으며 뜨거운 물에 沈積시켜 소다 溶液을 얻을 수 있다. 草木灰중 벼짚 灰水를 一例로 분석한 결과 그 성분들을 보면 다음과 같다. 총소다量(K₂O로 계산하여) 59.7 g/ℓ, 수산화물(KOH로 계산하여) 36.6 g/ℓ, 炭酸鹽(K₂CO₃으로 계산하여) 42.5 g/ℓ이다.¹⁵⁾ 石灰水는 石灰石(靑石)을 부수어 불에 구워 얻은 石灰에 적당한 量의 淸水로 消化시켜 만든 것인데 수산화칼슘C_a(OH)₂을 함유하고 있다. 위에서 말한 바와 같이 草木灰水의 성분은 수산화물(주로 KOH와 少量의 NaOH)밖에 炭酸鹽 K₂CO₃도 함유하고 있다. 만약 草木의 灰水를 다시 한번 石灰로 알칼리化한다면 소다量을 얻을 확율을 높여준다. 다음의 분자式이 表明하는 바와 같다.
                 K₂CO₃+C_a(OH)₂→2KOH+C_aCO₃중국 在來의 (土方法) 製紙生産에서 보통 草木灰水와 石灰를 倂用하는 방법을 사용하였는데 그 妙處는 바로 여기에 있다.
소다法으로 液을 만드(制漿)는 것은 중국에서 2천년래 전통적인 製紙技術方法이다. 옛날에 草木灰水혹은 石灰水로 제지 원료를 蒸煮할 때는 소다液이 근대에 들어서 사용한 苛性소다(NaOH)의 작용보다 劇烈하지 못하였기에, 삶을 때 섬유소가 많이 파괴되는 현상은 일으키지 않았다. 소다 처리를 한 다음 雜物質은 모두 黑褐色의 煮液속에 남아 있으므로 원료는 다시 반복적으로 漂洗해야만 백색의 순수한 섬유소를 얻을 수 있다. 이러한 과정은 제지생산과정에서 가장 關鍵的인 과정이다. 2천여년전, 漢代의 勞動人들이 이러한 화학방법으로 纖維素高分子를 純粹化하는 것을 발명하고 그것으로 종이를 만들었다는 것은 참으로 대단한 과학적 성과가 아닐 수 없다.
소다 溶液의 蒸煮는 심각한 과학적 원리를 가지고 있다. 그것은 이 때 일련의 화학적인 변화를 일으키기 때문이다. 이런한 화학적 변화를 연구하는 資料는 지금까지도 많이 부족하다. 가장 많이 연구된 脫木素反應을 놓고 말하면, 다만 木素와 소다液은 可溶性 소다木素가 生成된다는 것밖에 모른다. 소다液의 蒸煮에 대한 化學적 理論(機理)에 대한 연구는 의연히 적지 않은 연구를 요청하는 과제로 남아 있다.
蒸煮를 거친 섬유원료는 아직 分散되지 않은 纖維의 束이 남아 있다.분산되어 있는 섬유라 하더라도 光硬한 外皮가 있고 纖維素中의 수산基가 束縛되어 그 안에 남아 충분히 나타나지 않는다. 이렇게 되면 抄紙할 때 거칠고 多孔하여 表面이 조잡하게 되므로 종이의 强度가 약하게 된다. 균일하고 세련(勻細)되며 또 긴밀한 종이를 만들기 위하여 반드시 섬유를 切斷하거나 "分絲"하여 純粹하게 된 섬유는 물에 불궈서 기계적인 강력으로 섬유의 세포벽과 纖維束을 粉碎하여 細纖維化시키는데 이것을 叩解(打漿)過程이라 한다. 중국 고대에 많이는 杆臼, 踏確이나 水確 및 石년 등을 叩解도구로 사용하였다. 그중 水確은 水力을 動力으로, 石년은 畜力을 동력으로 하는 것이다. 기계(道具)를 사용하여 섬유의 柔軟性과 可塑性을 提高하여 外表에 많은 絨毛를 산생시켜 分絲하고 추狀으로 되게 하며(圖O-2) 섬유의 表面積에 대한 비율을 높이고 더욱 많은 極性水酸基를 노출하여 수소결합을 형성하는데 이롭게 한다. 다음, 섬유는 물에 불궈서 潤脹하게 하며, 分絲하여 추狀으로 되게 할 뿐만 아니라 또 크고 긴 섬유는 切斷되거나 짧게 끊어진다. 이런 것 들은 모두 매끄럽고 세련되며 긴밀한 종이를 만드는데 有利하다.
  ( 圖O-2, p. 15)

섬유소는 원래 물에 잘 溶解되지 않는다. 섬유소와 물이 配合되어 漿液이 된다는 것은 사실상 일종의 浮遊(懸浮)液이라 할 수 있다. 篩狀의 抄紙器로 이런 浮遊液을 건져낸 다음 물을 一部濾過시키면 곧 一層의 濕紙膜이 형성된다. 이 때 섬유송의 無數한 分子사이에는 모두 水橋가 만들어(架)져 있다. 다시 水分을 건조시키면 섬유소 분자사이에는 수소결합이 결성되어 지는데, 이런 과정을 거친 섬유소들은 서로 응집되어 한 장의 얇은 종이로 된다.
   顯微鏡으로 보는 형태의 종이는 大小와 形이 不規則的인 孔隙으로 構成된 毛細管體系로 보여진다. 좀 形象的으로 말해서 종이의 섬유사이에 무수한 "골목(小路)"들이 있다는 것이다. 이러한 종이는 加工處理를 하지 않으면 글을 쓸 때 墨이 새어 흐르거나 퍼지는 현상이 발생한다. 중국 고대인들은 종이의 그자 쓰는 效果를 높여 주기 위하여 여러 가지 기술조치를 취하였다. 그중 가장 간단한 방법으로 매끄러운 細石으로 종이 表面을 갈아서(아) 반들반들하게 하는데 이렇게 하면 일부 毛細管과 섬유사이 간격을 막아 주는 작용을 한다. 후에 와서 종이에 阿膠를 먹여 종이의 液體透過性을 저항능력을 강화하는 방법을 발명하였다.
  종이에 膠類를 먹이는 것은 表面에 하는 것(表面施膠)과 內部에 하는 것(內部施膠) 두가지 가 있다. 最初로 종이에 膠劑로 사용한 것은 澱粉풀(糊劑)이다. 후에 膠나 明礬을 이용하였다.
  表面施膠는 바로 膠劑를 毛로 된 솔(毛刷)이나 排筆로 균일하게 종이 표면에 바르는 것이다. 아직 종이를 발명하기 전에 簡牘으로 글자를 쓸 때 이런 表面施膠의 방법을 채용하였는데 甘肅省武威에서 출토한 漢代의 簡牘이 그 例다.¹⁶⁾ 調査하고 실험한 결과, 宋代이후의 古紙中에도 表面施膠(明礬을 膠로 사용)한 것이 있다. 그러나 晉, 南北朝, 隨唐시기의 古紙는 澱粉劑를 표면에 발라서 사용하였다. 이렇게 하면 종이 표면에 한층의 皮膜이 형성되는데 이 것을 다시 갈아서 매끄럽게 하면 글을 쓸 때 走筆이 流暢하고 자연스럽다. 그러나 하나의 缺點이 있는데 즉, 시간이 지나면 皮膜이 破裂되면서 조각조각으로 탈락하여 字迹을 破損한다.
  內部施膠는 위에서 예기한 缺點을 극복할 수 있다. 通常적으로 抄紙前에, 動物의 膠나 植物의 膠 혹은 膠의 沈澱物인 明礬을 紙漿에 첨거하여 혼합(攪拌)하거나, 澱粉汁을 직접 紙漿속에 넣어 혼합하는 것이다. 종이가 된 다음 섬유에 沈澱되어 있던 膠의 粒子과 澱粉粒子는 섬유의 틈속에 들어감으로 종이의 '不透水性'을 높여 준다. 內部에 澱粉汁를 혼합하면 또 하나의 역할을 하는 데 곧 섬유가 紙料液에서 浮遊하는 性質을 강화하여 紙漿의 粘滑시켜 섬유사이의 結合力을 증가시켜 준다. 內部施膠에 관하여 중국 고대 書籍에 벌써 記載가 되어 있고 또 이런 종류의 古紙遺物도 있다. 이런 처리과정을 거친 종이는 고대에 "熟紙" 또는 "生紙"라고 불렀다. (圖0-3)
(圖0-3, p. 16)

종이의 平滑度, 白度, 不透明度, 均一度를 제고하고 吸收性을 低下하기 위하여, 古代中國人들은 鑛物의 紛을 澱粉劑나 기타 膠粘劑를 균일하게 종이 表面에 塗布는 기술을 쓰기도 하였다. 일반적으로 高嶺土(Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O), 滑石紛{H₂Mg₂(SiO₃)₄), 燒石膏(CaSO₄), 白堊(CaCO₃) 등의 細紛를 사용한다 우리는 근래에 新疆애서 出土한 紀元 3세기에서 6세기(晉, 南北朝시기) 경의 古文書 그리고 寫本의 종이를 調査 실험할 때 이런 塗布紙를 발견하였다. 塗布紙를 현미경으로 본 구조(微觀結構)는 다음 圖11-5와 같다.
종이의 美觀을 높이고 종이의 어떤 性能을 改善하기 위하여, 고대 중국인은 각종 식물의 染料로 여러 가지 色調의 彩色紙를 만들었다. 그런 가운데 臘箋, 金銀箋, 아花紙, 水紋紙 등 여러 가지 藝術적으로 加工된 종이를 만들었다. 이 方面의 이로적 원리와 실제 操作技術은 本書의 각장마다에서 상세하게 서술하였으므로 여기서는 加筆하지 않겠다.
  총적으로, 중국 고대의 노동인민들이 발명한 製紙技術, 加工技術, 製紙設備은 일찍부터 完整한 技術體系를 형성하였다. 이것은 역시 近代 유럽에서 機械製紙法이 출현하기 전에 세계 각국에서 약 천여년 동안 중국의 전통적인 제지기술을 사용하여 종이를 만들었었다. 여기서 지적하고 싶은 것은, 중국 옛날의 製紙技術 체계는 사실상 近代 제지기술의 일련의 주요한 기술의 원시형태로 되고 있다는 점이다. 다시 말해서 근대 製紙體系에서 주요한 一連의 技術은 모두가 중국 고대의 제지기술에서 그 역사적인 淵源을 찾을 수 있다는 것이다.
  중국 고대의 제지기술에서 얻은 성과를 總結하려는 目的은 우리가 지금 세계의 先進諸國의 수준을 따라잡거나 초월하는 信心을 불어주는데 있지 낙후한 현실에 대한 自我安慰를 하려는 것은 결코 아니다. 지금, 각국의 인민들 모두가 제지기술의 발전에 나름대로의 공헌을 하고 있다. 제지기술을 改善하고 새로운 發明과 창조를 하고 있다. 중국도 過去에 외국의 제지기술과 경험을 배운 적이 있다. 특히 近代에 들어서 중국은 機械로 펄프를 생산하는 제지기술은 유럽과 아메리카, 日本으로부터 導入하였다. 과학기술은 인류의 共同財富이다. 우리는 네가지(四個) 현대화를 실현하는 過程中, 製紙術 측면에서 외국의 선진기술을 배워야 하며 또 그것을 초월하여야 한다. 중국은 멀지 않은 시간에 强大한 國家로 부상할 것이며 인류를 위해 더욱 큰 공헌을 할 것이다. 중국인민은 이러한 결심과 신심을 갖고 있다.
   1) 마르크스, 「機械·自然力 및 科學的應用」, P. 69 (1978년, 中國人民出版社).
   2)전게서, p. 57
   3)마르크스, 『資本論』卷一(上), p. 419, (1975년, 人民出版社).
   4)엥겔스, 『自然辨證法』, p. 169-171, (1971년, 인민출판사).
   5)『毛澤東選集』卷二, p. 616-617.
   6) (러시아어?)
   7)The Encyclopaedia Americana, V.21, pp. 258-259, (1963, New York).
   8)Webster's world University, p. 702 (1966, Washington).
   9)D. Hunter, Papermaking·The history and Techniquc of an Ancient Craft, 2d ed, pp. 4-5 (1957, London).
10)上村六郞, 支那古代の製紙原料, 『和紙硏究』, p. 2 (1950년 제14호).
11)A. Renker, Papier und Druck in fernen Osten, p. 9 (1936년, Mainz).
12) Henri Alibaux, L'Invention du papier, 『Gutenberg Jahrbuch』, p. 24 (1939년).
13)T. F. Carter,『中國印刷術的發明和타的西傳』(中文譯本), p. 114 (1957, 商務印術館).
14) 이 數値表는 장영혜, 이명고의 「중국제지원료섬유적관찰」(『製紙技術』, 1957年12期, p. 9)과
    「중국제지원료섬유도표」, (1956年輕工業出版社, p. 8)에 의거한 것이다.
15) 河北輕工業學院化學工業科制漿製紙硏究室; [制漿製紙工藝學] 上, p. 255 (1961년, 輕工業出版社).
16)甘肅省박물과화고구연구소편, 『武威漢簡』 p. 57, (1954년, 文物出版社).

<목 차 >