Research Article

Journal of Korea TAPPI. 30 December 2023. 41-47
https://doi.org/10.7584/JKTAPPI.2023.12.55.6.41

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 재료 및 방법

  •   2.1 공시재료

  •   2.2 접착제의 제조 및 배접

  •   2.3 인공열화

  •   2.4 시료의 특성 분석

  • 3. 결과 및 고찰

  •   3.1 건조 박리 강도

  •   3.2 물리적 특성

  •   3.3 광학적 특성

  •   3.4 표면 pH

  • 4. 결 론

1. 서 론

우리나라 기록 문화재의 대다수는 닥나무 섬유로 만들어진 종이로 이루어져 있다. 그러나 1907년 일본을 통해 목재펄프로 만들어진 종이가 들어온 이후 근․현대 기록물 대부분을 차지하였다. 이러한 근‧현대 기록물의 보존처리 시 결실부 복원에 사용되는 재료는 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫 번째 재료는 결실부에 채워 넣어 형태를 복원하기 위해 사용하는 보강용 종이이다. 보존처리 시 결실부의 복원에는 원재료와 유사한 재료를 사용하여 복원하는 것이 원칙이지만 근현대 기록물의 경우, 목재펄프 종이로의 복원은 차후 손상의 원인이 되기 때문에, 근현대 기록물의 결실부 복원에도 셀룰로오스 함량이 높은 종이를 혼입해서 복원하는 것이 보통이며, 한지 등의 장섬유를 활용하여 기계적으로 복원하는 방법도 연구되고 있다.1,2) 두 번째 재료는 이 복원재를 고정하기 위한 접착제로 기존에 사용된 접착제로는 전통적으로 전분풀이나 현대에 와서 하이드록시프로필셀룰로오스 등의 셀룰로오스 유도체가 있다.

종이 자체의 열화로 인해 약해진 기록물은 형태 복원뿐만 아니라 약화된 종이 자체의 보존을 위한 처리가 필요하다. 목재펄프로 제작된 종이도 강도 보강을 위한 보강제로 메틸셀룰로오스(methylcellulose, MC)와 카복시메틸셀룰로오스(sodium carboxymethylcellulose, CMC), 하이드록시프로필셀룰로오스(hydroxypropylcellulose, HPC), 에틸셀룰로오스(ethyl cellulose, EC), 양성전분 (Cationic starch. CS), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVOH) 및 산화전분(oxidized starch, OS)3,4,5,6,7,8)을 사용하여 노화 종이 표면에 도포함으로써 지력 증강 효과를 얻은 바 있다. 특히, 메틸셀룰로오스는 셀룰로오스 유도체를 이용하여 코팅하는 방법 중에서도 강도 보강 효과와 노화 안정성에서 우수하여 주로 사용되고 있다.8)

본 연구에서는 목재펄프로 제조된 1920년대의 신문 기록물의 결실부 복원 시 접착제로써 기존에 사용되던 전분풀과 하이드록시프로필셀룰로오스를 지력보강제로 사용되는 메틸셀룰로오스와 비교 연구하고, 열화에 따른 기계적 강도와 광학적 특성을 비교·분석하였다. 이를 통해 목재펄프로 이루어진 기록물의 강도 보강과 함께 접착제로써 메틸셀룰로오스의 효과와 열화에 대한 보존성을 평가하였다.

2. 재료 및 방법

2.1 공시재료

본 연구에서 사용한 목재펄프 종이는 1920년 제작된 신문지로, 평량 51.45 g/㎡, 두께 120 μm이며, 배접지로 사용한 한지는 쌍발지로 평량 24 g/㎡, 두께 90 μm이다. 신문지는 하이드록시프로필셀룰로오스, 전분풀, 메틸셀룰로오스를 사용하여 한지로 배접하였으며, 배접 시 사용한 접착제의 제반사항은 Table 1과 같다.

Table 1.

Type of adhesive

No. Name Manufacturer pH
1 Hydroxypropylcellulose (K) Talas 6.5
2 Wheat starch (S) Self-produced 5.3
3 Methylcellulose (M) Talas 6.7

2.2 접착제의 제조 및 배접

하이드록시프로필셀룰로오스와 메틸셀룰로오스는 탈이온수에 완전히 용해될 때까지 교반하고, 전분풀은 물에 12개월 이상 침적시켜 단백질 등의 불순물을 제거한 전분을 탈이온수와 1:3의 비율로 섞은 후 70℃에서 15분 이상 끓여주었다. 그 후 세 종류의 접착제 모두 배접이 가능한 농도로 탈이온수를 추가로 첨가하여 접착제를 제조하였다.

신문지와의 접착은 배접지에 각 접착제를 붓으로 도포하고 신문지 한쪽 면에 부착한 후 건조판에 부착하여 평판화 작업 및 건조를 진행하였다. 접착제의 점도는 점도계(Brookfield, US/DV2TLV)로 20℃에서 측정하였다. 배접지에 접착제를 도포하였을때의 도포율은 접착제 도포 전(A)과 후(B) 한지의 무게를 측정하고 아래의 식으로 산출하였다.

Coating Ratio(%) = B-AA×100

2.3 인공열화

접착제를 도포한 배접지와 접착된 신문지의 보존성 평가를 위해 ISO 5630-3에 의거하여 항온항습기(TH-G, JEIO TECH, KR)에 80℃, 65% 조건으로 습식열화를 실시하였다. 24 h, 48 h, 72 h 경과 후 23±1℃, RH 50±2%에서 조습처리하고 각 시료의 특성을 측정하였다.

2.4 시료의 특성 분석

2.4.1 건조 박리 강도

배접된 시료의 접착 강도를 측정하기 위해 접착 후 건조된 종이 시험편을 50×50 ㎜의 크기로 재단하여 인장시험기용 블록에 양면 테이프로 접착 후 인장시험기의 집게 사이에 시험편 블록을 설치하였다. 인장강도 측정 조건은 10 ㎜/min. 속도로 측정하여 박리 시 최고 힘(N)을 측정하였다.9)

2.4.2 물리적 특성

배접된 시료의 물리적 특성 변화 측정을 위해 인장강도 및 내절강도를 측정하였다. 인장강도는 KS M ISO 1942-23(3365, Instron, US), 내절도는 KS M ISO 5626(MIT-5, TOYOSEIKI, JP)에 의거하여 측정하였다.

2.4.3 광학적 특성

배접된 시료의 광학적 특성 변화를 측정하기 위해 색도(L*, a*, b*/CM-700d, Konica Minolta, JP)를 측정하였다.

2.4.4 표면 pH

열화 정도에 따른 각 시료의 산성도 변화 측정을 위해 종이 표면에 탈이온수를 떨어트린 후 평판 glass 전극을 위치시켜 표면 pH를 측정하였다.(LAQUA pH/ION METER F-72, Horiba, JP). 시료의 중앙부와 가장자리를 각 1회씩 측정하고, 각 열화 시간이(24 h, 48 h, 72 h) 지난 후 동일한 위치에서 다시 표면 pH를 측정하여 열화 전 값과 열화 후의 값을 비교하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 건조 박리 강도

각 접착제의 점도와 한지에 도포했을 때 접착제의 도포율을 Table 2에 나타내었다. 접착제의 점도가 높을수록 한지에 도포되는 도포량은 증가하는 양상을 보인다. Fig. 1의 건조박리강도는 도포량이 증가하는 것과 반대로 점도가 가장 낮았던 메틸셀룰로오스가 우수한 강도를 나타냈다. 이는 점도가 낮은 접착제가 섬유 공극에 좀 더 깊게 침투하여 접착강도가 높게 나타난 것으로 판단된다. 하이드록시프로필셀룰로오스는 건조 후 접착은 되어 있으나 박리 강도 측정을 위한 양면테이프 접착 시 한지와 신문지가 분리되어 측정이 불가능하였다.

Table 2.

The viscosity and the coating ratio of adhesives for this study

No. Name Viscosity (cPs) Coating ratio (%)
1 Hydroxypropylcellulose (K) 30.2 18.2
2 Wheat starch (S) 28.4 16.7
3 Methylcellulose (M) 16.6 8.3

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Fig. 1.

Dry bonding strength of each adhesive on newspaper that has been lined.

3.2 물리적 특성

각 접착제로 한지와 접착한 신문지의 물리적 특성 분석을 위하여 측정한 인장강도와 내절도를 Fig. 2Fig. 3에 나타내었다. 인장지수는 메틸셀룰로오스로 접착한 시료에서 MD, CD 모두 가장 높은 인장지수를 나타내었다. 또한, Fig. 3에 나타낸 내절강도에서도 메틸셀룰로오스로 한지를 배접한 신문지에서 가장 높게 나타났다. 신문지에 한지를 접착한 행위만으로도 모든 시료에서 강도가 높아졌으며, 그 중에서도 메틸셀룰로오스의 강도 향상이 우수한 것으로 확인되었다.

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Fig. 2.

Tensile index of each adhesive on newspaper that has been lined.

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Fig. 3.

Folding endurance of each adhesive on newspaper that has been lined.

신문지와 한지 접착 시 신문지의 CD 방향과 쌍발 초지방식으로 제조된 한지의 발끈방향(Chain direction)이 겹쳐지도록 배접하였다. 쌍발지의 발끈방향으로의 섬유배향 때문에 CD의 강도가 MD보다 높게 나타난 것으로 판단되었으며, 내절강도에서의 MD와 CD의 차이가 크게 나타나는데 이 또한 쌍발지의 강도적 특성으로 판단된다. 쌍발초지된 한지의 섬유배향성이 신문지의 물리적 특성에 영향을 미친 것으로 판단된다.

인공열화에 따른 물리적 강도의 변화는 Fig. 4, 5에 나타내었다. Fig. 4는 인공열화에 따른 각 시료의 인장지수 변화정도를 나타낸 것으로 인장지수의 절대치는 메틸셀룰로오스가 가장 높고, 변화 정도는 전분풀이 가장 큰 변화를 보인다. Fig. 5은 인공열화에 따른 내절강도의 변화를 나타내고 있으며, 하이드록시프로필셀룰로오스의 MD 방향은 열화가 진행됨에 따라 내절강도가 증가하는 것으로 보인다. 그러나 내절강도 측정 시 하이드록시프로필셀룰로오스의 접착력이 떨어져 보강재료인 한지와 신문지가 분리된 상태로 측정되어, 측정값은 보강지로 사용된 한지의 내절강도로 판단하는 것이 타당한 것으로 보인다. 전분풀과 메틸셀룰로오스의 내절강도는 열화가 진행됨에 따라 감소되는 경향을 보이나 전분풀의 내절강도의 횟수가 20∼100회 사이인데 비해 메틸셀룰로오스의 내절강도의 횟수는 300∼700회 사이로 월등히 높은 것이 확인된다.

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Fig. 4.

Changes in the tensile index of newspapers lined with each adhesive: (a) MD (b) CD.

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Fig. 5.

Changes in the folding endurance of newspapers lined with each adhesive: (a) MD (b) CD.

3.3 광학적 특성

촉진 열화 시험의 광학적 특성을 Table 3에 나타내었다. Fig. 6에 열화에 따른 색차를 나타냈다. 24 h이후부터 확인되는 색차는 세 시료 모두 시간이 누적될수록 색차가 증가하는 것이 확인된다. 메틸셀룰로오스의 경우 세 시료 중 가장 큰 변화를 보이지만 다른 두 시료와 큰 차이를 보이지 않는다.

Table 3.

The color changes due to deterioration of newspapers distributed by adhesive

Aging method Adhesive material Aging time L* a* b*
Accelerated aging
(80℃, 65%)
Hydroxypropyl cellulose (K) Blank 79.50 3.83 21.31
24 h 78.40 4.23 21.80
48 h 77.92 4.34 22.08
72 h 77.73 4.57 22.55
Wheat starch (S) Blank 79.59 3.75 21.49
24 h 78.57 4.37 21.90
48 h 78.14 4.32 21.91
72 h 77.84 4.52 22.07
Methylcellulose (M) Blank 80.59 4.57 22.89
24 h 79.65 4.75 23.10
48 h 78.67 4.94 22.74
72 h 78.28 5.22 23.17

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Fig. 6.

The color changes due to deterioration of newspapers distributed by adhesive.

3.4 표면 pH

표면 pH 측정 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 각 접착제로 신문지에 한지를 부착했을 때 기존 신문지 pH 4에서 pH 6 가까이 상승하는 것이 확인된다. 이는 앞서 Table 1에서 각 접착제의 pH가 5.3∼6.7이며, 이들 접착제를 중성에 가까운 탈이온수에 희석하여 사용함으로써 영향을 미쳤을 것으로 판단된다. 하이드록시프로필셀룰로오스와 전분풀은 열화 시간이 지남에 따라 24 h 열화 시 가장 낮은 pH를 나타냈으며 시간이 지날수록 pH가 미세하게 상승되거나 유지되면서 pH 6에 가까운 수치를 나타낸다. 메틸셀룰로오스의 경우 신문지에 부착했을 당시에는 pH 6 가까이 상승했다가 열화가 진행되면서 pH 5까지 떨어지고 열화 72 h이 지난 후에는 다시 상승하였다. 이러한 결과는 신문지보다 pH가 높은 접착제를 사용하여 한지를 접착하는 것이 pH의 산도를 개선시키는데 도움이 되고, 열화 시에도 pH 유지에 기여함을 확인할 수 있다.

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Fig. 7.

pH change due to deterioration of newspapers distributed by adhesive.

4. 결 론

본 연구에서는 1920년대 신문지와 닥나무 섬유로 제조된 한지를 각각 하이드록시프로필셀룰로오스, 전분풀, 메틸셀룰로오스로 접착하고 건조한 후 물리적 강도와 광학적 특성을 측정하였으며, 보존성을 확인하기 위해 배접한 신문지를 80℃, 65% 조건으로 습식열화시켜 열화 안정성을 평가하였다.

연구에 사용한 접착제의 점도는 하이드록시프로필셀룰로오스 > 전분풀 > 메틸셀룰로오스 순이었으며, 도포율도 동일한 양상이었으나 접착력은 메틸셀룰로오스 > 전분풀 > 하이드록시프로필셀룰로오스로 나타났다. 접착제로 한지를 배접한 신문지에서 인장지수와 내절도는 모두 메틸셀룰로오스 > 전분풀 > 하이드록시프로필셀룰로오스의 순으로 높게 나타났으며, 특히 내절도는 메틸셀룰로오스가 다른 접착제에 비해 월등히 높아 신문지의 보강에 우수한 효과를 나타냈다. 열화 이후의 인장지수와 내절강도에서도 메틸셀룰로오스의 수치가 가장 높은 것이 확인되어 열화 안정성에서도 우수함이 확인되었다. 광학적 특성에서는 모든 접착제의 열화에 따른 색차는 증가하는 경향을 보였으며, 메틸셀룰로오스의 변화정도가 가장 컸으나 세 시료 간의 격차는 크지 않은 것으로 확인되었다. 표면 pH는 접착 직후 세 시료 모두 pH 6 가까이 상승하고 열화 이후에도 pH 5∼6 사이를 유지하여 신문지의 산도 개선에 효과를 나타내었다.

결론적으로 기존에 목재펄프 종이의 보강에 사용된 접착제인 전분풀과 하이드록시프로필셀룰로오스에 비해 메틸셀룰로오스를 적용했을 때 물리적 특성이 크게 개선되고 열화 안정성에서 우수하여 표면 도포로 강화 처리하는 용도뿐만 아니라 접착제로서의 활용도 적합할 것으로 사료된다. 다만, 메틸셀룰로오스의 pH 개선 효과를 보충하기 위해 탈산제와 함께 사용하거나, 향후 메틸셀룰로오스의 중합도와 접착성의 상관관계 등에 대한 연구가 진행될 필요가 있다.

Acknowledgements

본 연구는 문화재청 국립문화재연구원 문화유산 조사연구(R&D) 「유기질 문화재 보존처리 및 디지털 기술 연구」 연구과제 일환으로 수행되었습니다.

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