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Journal of Korea Technical Association of the Pulp and Paper Industry - Vol. 53 , No. 5

[ Article ]
Journal of Korea Technical Association of the Pulp and Paper Industry - Vol. 53, No. 4, pp.124-131
Abbreviation: J. Korea TAPPI
ISSN: 0253-3200 (Print)
Print publication date 30 Aug 2021
Received 03 Aug 2021 Revised 12 Aug 2021 Accepted 13 Aug 2021
DOI: https://doi.org/10.7584/JKTAPPI.2021.08.53.4.124

과일봉지용 착색지 원지의 원료에 따른 강도 평가
이지영1 ; 조해민2 ; 이연희2 ; 성용주3,
1경상국립대학교 환경재료과학과/농업생명과학연구원, 교수
2경상국립대학교 임산공학과, 학생
3충남대학교 농업생명과학대학 환경소재공학과, 교수

Effect of Pulp on the Strength of Coloring Paper Used for the Production of Fruit Bags
Ji Young Lee1 ; Hae Min Jo2 ; Yeon Hui Lee2 ; Yong Joo Sung3,
1Department of Environmental Materials Science/IALS, Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Republic of Korea
2Department of Forest Products, Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Republic of Korea
3Department of Biobased Materials, College of Agriculture and Life Science, Chungnam National University, Daejeon, 34134, Republic of Korea
Correspondence to : E-mail: yosung17@cnu.ac.kr (Address: Department of Biobased Materials, College of Agriculture and Life Science, Chungnam National University, Daejeon, 34134, Republic of Korea)

Funding Information ▼

Abstract

In the present study, we explored an eco-friendly method for improving the strength of base paper for fruit bags. We determined the fibers characteristics of hardwood bleached kraft pulp (HwBKP), recycled liquid crystal display glass interleaf (LCD), and old news-print (ONP), which are raw materials used to produce coloring paper. Using various types and mixing ratios of pulp, we produced coloring paper handsheets and determined their strengths. The HwBKP had the highest initial freeness, and as the freeness decreased, the strength of the handsheet increased. The ONP had the lowest initial freeness and paper strength owing to a high recycling rate. The LCD interleaf comprised softwood fibers and was stronger than a handsheet with a Canadian Standard Freeness (CSF) value of 450 mL made from HwBKP. However, when the freeness of HwBKP was 350 mL CSF, the handsheet strength decreased as the mixing ratio of LCD interleaf increased. Therefore, we concluded that it was necessary to decrease the freeness of HwBKP or increase the mixing ratio of LCD interleaf while maintaining the freeness of HwBKP at 400-450 mL CSF to enhance the strength of coloring paper.


Keywords: Fruit bag, coloring paper, strength, eco-friendly method, freeness, mixing ratio

1. 서 론

과일봉지(fruit bag)는 과수봉지, 과대지 등으로 일컫는 종이 제품으로 과실의 상품성과 품질향상 및 생산량 증대를 위해 사용되는 부자재이다.1) 과일봉지는 해충, 새, 병균과 같은 생물적 요인이나 기후에 의한 온도 및 습도와 물리적 충격으로부터 과일을 보호하기 위해 사용되고 있는데,1-3) 아시아권에서 먼저 포도, 배의 재배과정에서 사용되기 시작하였고 현재는 호주, 미국을 포함한 여러 국가에서 복숭아, 사과, 망고와 같은 다양한 과일의 안전성을 확보하기 위해 널리 적용하고 있다.3-5)

이처럼 과일봉지는 과일을 보호하고 품질을 향상시키기 위해 다양한 유형으로 제작되고 있는데, 종이를 비롯하여 셀로판, 폴리에틸렌, 나일론, 부직포와 같은 소재로 생산된다.4) 과일봉지의 색상, 빛의 투과율, 투기도와 같은 물성에 따라서 과일의 색상이나 숙성도가 달라지기 때문에6) 과일의 종류와 기후 조건에 따라 적합한 물성을 갖는 것이 중요하다. 종이 소재의 과일봉지를 사용할 경우 과일의 고른 착색과 표면 질감을 개선하는 효과가 있었고,4,7) 과일봉지의 색상도 중요한 요인으로 작용하는 것으로 알려져 있다.8,9) 특히 국내에서 생산량이 높은 사과나 배의 경우 해충에 의한 문제를 방지하기 위해 대부분의 농가에서 과일봉지를 사용하면서 농약의 사용량을 줄이는 추세에 있다. 과일봉지는 수확 전 짧게는 30일, 길게는 120일 이상 외부에 노출되기 때문에4,10) 온도변화, 비, 바람에도 잘 찢어지지 않는 높은 강도와 수분에 대한 내구성이 요구된다.11) 또한 과일봉지 제조에 사용되는 원지의 평량은 일반적으로 30-60 g/m2 수준으로 평량이 낮기 때문에,11) 고강도 종이를 제조하기 위해서는 다양한 방안이 제시되어야 한다.

선행연구에서는 배 봉지에 사용되는 원지인 착색지(coloring paper)의 친환경적인 강도 향상 방안으로 비목질계 펄프인 대나무 크라프트 펄프 적용 기술에 대해 보고하였는데12) 착색지의 생산공정에서 현장테스트를 통해 대나무 크라프트 펄프가 활엽수 크라프트 펄프를 20% 대체하였을 때 인장강도 27.8%, 파열강도 20.0%가 상승함을 확인할 수 있었다. 그러나 국내에서는 대나무 크라프트 펄프를 생산하는 업체가 부재하기 때문에 해외에서 수입해야 하고 이로 인해 대나무 크라프트 펄프의 가격 상승으로 인한 과일봉지 원지의 원가부담이 증가하는 문제가 있다. 특히 선행연구를 통해12) 상대적으로 강도가 높은 펄프의 배합비를 상향했을 때 최종 종이의 강도가 개선됨을 확인할 수 있었다. 따라서 착색지 생산에 사용되는 펄프 종류별 물성과 강도를 분석하고 펄프의 배합비 조정을 통해 종이의 강도 변화를 파악하는 것이 중요하다고 판단된다.

본 연구에서는 과일봉지 원지인 착색지 원지 생산공정에서 사용되는 주원료인 천연펄프와 재생펄프를 수집하여 이들의 주요 물성을 측정하였고 실험실적으로 수초지를 제조하여 강도적 특성을 평가하여 과일봉지 원지의 강도 개선을 위한 기초자료를 마련하고자 하였다.


2. 재료 및 방법
2.1 공시재료

본 연구에서는 진주 소재 과일봉지 원지 전문업체인 N사에서 과일봉지 원지인 착색지 생산에 사용되는 활엽수 표백 크라프트 펄프(hardwood bleached kraft pulp; HwBKP), LCD 유리 간지(recycled liquid crystal display glass interleaf; LCD), 폐신문지(old newsprint; ONP)를 분양받아 사용하였다.

2.2 실험방법
2.2.1 천연펄프와 재생펄프를 이용한 지료 조성

천연펄프와 재생펄프의 주요 물성을 분석하고 수초지를 제조하기 위해 각 펄프 종류별로 지료조성을 달리 실시하였다. 천연펄프인 HwBKP는 1.57% 농도 조건에서 실험실용 밸리비터(Valley beater)를 이용하여 15분간 해리하여 초기 물성 측정에 사용하였고 수초지 제조를 위해 여수도 450, 350 mL CSF로 고해를 추가로 실시하였다. 재생펄프인 LCD 간지와 ONP는 각각 2.0% 농도 조건에서 실험실용 해리기(Disintegrator, Daeil Machinery Co., Ltd. South Korea)를 이용하여 해리하였다. N사에서 제조되는 착색지는 Fig. 1에서 볼 수 있듯이 HwBKP 및 LCD 간지로 구성된 층과 ONP 및 염료로 구성된 층이 합지된 형태로 제조되기 때문에 ONP는 특별히 탈묵공정을 거치지 않고 해리만 실시하므로, 본 연구에서 ONP의 탈묵은 실시하지 않았다.


Fig. 1. 
Image of the coloring paper.

2.2.2 펄프 종류별 주요 물성 측정

펄프의 탈수성과 관련이 있는 초기 여수도(initial freeness)는 TAPPI T 227에 의거하여 캐나다 여수도측정기(Canadian Standard Freeness tester)를 이용하여 측정하였고 섬유장 측정기(FQA-360, OpTest Equipment Inc., Canada)를 이용하여 길이 평균 섬유장(length weighted average fiber length)과 평균 섬유폭(average fiber width)을 측정하였다. 섬유 형태 분석을 위해 광학현미경(BX51, Olympus, Japan)을 이용하여 펄프 섬유의 현미경 이미지를 촬영하였다. 회분함량 측정은 TAPPI T 211에 의거하여 525±25℃ 조건으로 6시간 탄화시킨 후 시료와 도가니의 무게를 정량하였다. 세 종류의 펄프 종류별 강도 특성을 분석하기 위해 0.5% 농도로 준비된 지료를 이용하여 평량 100 g/m2의 습지필을 제조한 후 410±10 kPa에서 5분간 압착하고 실린더 드라이어로 120℃ 조건에서 건조시켰다. 제조된 수초지는 23℃, 50% RH 조건에서 24시간 조습처리한 후, TAPPI standard method에 의거하여 벌크(TAPPI T 411), 인장강도(TAPPI T 494), 파열강도(TAPPI T403)를 측정하였다.

2.2.3 원료 배합비에 따른 과일봉지 원지의 물성 평가

2.2.1에서 준비된 HwBKP와 LCD 간지 지료를 80:20, 60:40, 50:50로 혼합한 후 0.5% 농도로 희석하여 지료를 준비하였다. 이후 혼합 지료를 이용하여 평량 100 g/m2의 습지필을 제조한 후 410±10 kPa에서 5분간 압착하고 실린더 드라이어로 120℃ 조건에서 건조시켰다. 제조된 수초지는 23℃, 50% RH 조건에서 24시간 조습처리한 후, TAPPI standard method에 의거하여 벌크(TAPPI T 411), 인장강도(TAPPI T 494), 파열강도(TAPPI T403)를 측정하였다.


3. 결과 및 고찰
3.1 펄프 종류별 주요 물성 측정

착색지 생산에 사용되는 HwBKP, LCD 간지, ONP의 초기 물성을 Table 1에 나타냈다. 초기 여수도의 경우 천연펄프인 HwBKP가 가장 높게 나타났고 재생펄프의 경우 LCD 간지와 ONP 순으로 초기 여수도가 감소하였다. 단순 해리된 HwBKP는 고해공정을 거치지 않았기 때문에 초기 여수도가 가장 높았고 재활용 횟수가 가장 높은 것으로 예상되는 ONP가 가장 낮은 초기 여수도를 나타낸 것으로 판단된다. 평균 섬유장은 재생펄프 중 하나인 LCD 간지가 가장 높게 나타났고 ONP, HwBKP 순으로 평균 섬유장이 길게 나타났다. 평균 섬유폭의 경우 LCD 간지가 가장 높았고 평균 섬유장과 동일하게 ONP, HwBKP 순으로 감소하였다. 회분함량은 HwBKP와 LCD 간지가 1% 미만으로 낮았으나 ONP는 약 5% 수준의 회분함량을 나타냈다.

Table 1. 
Characteristics of pulps used for producing coloring paper
Pulp Initial freeness
(mL CSF)
Average fiber
length (mm)
Average fiber
width (μm)
Ash content
(%)
HwBKP 560 0.68 19.9 0.21
LCD interleaf 410 1.82 30.7 0.52
ONP 290 0.94 21.9 5.51

펄프 종류별 섬유 형태를 분석하기 위해 촬영한 광학현미경 이미지를 Figs. 2-4에 도시하였다. HwBKP는 활엽수의 구성성분인 도관과 목섬유가 관찰되었고 LCD 간지는 침엽수의 구성성분인 가도관으로 구성되어 있는 것으로 볼 때 침엽수 펄프로 제조된 것을 확인할 수 있었다. 또한 ONP는 열기계펄프(TMP)를 근간으로 재활용 공정을 다수 거치면서 미세섬유가 많이 발생한 것을 볼 수 있었다.


Fig. 2. 
Microscopic images of HwBKP fibers (left: ×40, right: ×100).


Fig. 3. 
Microscopic images of LCD interleaf fibers (left: ×40, right: ×100).


Fig. 4. 
Microscopic images of ONP fibers (left: ×40, right: ×100).

종합해 보면, HwBKP는 고해처리되지 않은 천연펄프이기 때문에 초기 여수도가 가장 높았으나 재생펄프 중 하나인 LCD 간지가 섬유장이 높은 것으로 볼 때 LCD 간지는 침엽수 표백 크라프트 펄프로 제조되었고 재활용률은 매우 낮은 것으로 판단된다. 또한 ONP의 재활용률은 LCD 간지에 비해 높은 편이고 미세섬유와 회분함량이 높아 초기 여수도가 가장 낮은 것으로 사료된다.

3.2 펄프 종류별로 제조된 수초지의 강도 평가

HwBKP의 여수도 변화 및 원료별 수초지의 벌크를 Fig. 5에 도시하였는데 HwBKP의 여수도가 감소할수록 벌크는 감소하였다. 원료별로 살펴보면 ONP의 여수도가 가장 낮음에도 불구하고 벌크는 상대적으로 높았다. LCD 간지의 경우에는 450 mL CSF를 가지는 HwBKP로 제조된 수초지의 벌크보다는 다소 낮지만 350 mL CSF HwBKP로 제조한 수초지보다는 높게 나타났다. 따라서 HwBKP와 LCD 간지로 제조된 수초지는 여수도 수치와 벌크는 반비례 관계에 있고 ONP의 벌크가 높은 이유는 회분 함량과 관련이 있는 것으로 판단되었다.


Fig. 5. 
Bulk of handsheets depending on the type and freeness of pulps.

수초지의 인장강도와 파열강도를 Figs. 6-7에 나타냈는데 HwBKP로 제조된 수초지의 인장강도와 파열강도는 여수도가 감소함에 따라 증가하였고 LCD 간지의 경우 450 mL CSF의 HwBKP로 제조된 수초지보다 높게 나타났다. 전체적으로 보면 ONP가 가장 낮은 인장강도와 파열강도를 보여주었고 HwBKP가 고해됨에 따라 수초지의 강도는 증가하였다. 따라서 착색지의 강도 향상을 위해서는 HwBKP의 여수도에 따라 LCD 간지의 배합을 조절하는 것이 필요한 것으로 생각되었다.


Fig. 6. 
Tensile index of handsheets depending on the type and freeness of pulps.


Fig. 7. 
Burst strength of handsheets depending on the type and freeness of pulps.

3.3 원료 배합비에 따른 과일봉지 원지의 물성 평가

HwBKP와 LCD 간지의 배합비에 따른 수초지의 벌크 변화를 Fig. 8에 도시하였다. HwBKP의 여수도가 450 mL CSF일 때, HwBKP에 대한 LCD 간지의 배합비율이 증가함에 따라 수초지의 벌크가 지속적으로 감소하였다. 그러나 HwBKP의 여수도가 350 mL CSF로 감소하면 LCD 간지의 비율이 증가할 때 벌크는 증가하였다.


Fig. 8. 
Bulk of handsheets depending on the freeness of HwBKP and mixing ratio of HwBKP and LCD interleaf.

배합비에 따른 수초지의 인장강도와 파열강도를 Figs. 9-10에 도시하였다. HwBKP의 여수도가 450 mL CSF일 때를 살펴보면 LCD 간지의 배합비율이 증가할수록 인장강도와 파열강도는 직선적으로 증가하였으나 HwBKP의 여수도가 350 mL CSF일 경우 LCD 간지의 배합비율이 80:20에서 50:50로 증가하면 수초지의 인장강도와 파열강도가 감소하였다.


Fig. 9. 
Tensile index of handsheets depending on the freeness of HwBKP and mixing ratio of HwBKP and LCD interleaf.


Fig. 10. 
Burst strength of handsheets depending on the freeness of HwBKP and mixing ratio of HwBKP and LCD interleaf.

앞선 원료별 강도 측정결과를 살펴보면 450 mL CSF의 HwBKP로 제조된 수초지의 인장강도와 파열강도가 LCD 간지로 제조된 수초지보다 더 낮았고 350 mL CSF의 HwBKP로 제조된 수초지의 인장강도와 파열강도는 LCD 간지로 제조된 수초지보다 더 높았다. 이러한 결과로 볼 때 착색지의 강도를 극대화하기 위해서는 HwBKP의 고해수준을 높이고 LCD 간지의 배합비율을 낮추거나, HwBKP의 여수도는 400-450 mL CSF 수준으로 유지하고 해리된 LCD 간지의 배합비율을 높이는 것이 필요한 것으로 판단되었다.


4. 결 론

본 연구에서는 배 봉지의 원지인 착색지 생산공정에서 사용되고 있는 원료인 HwBKP, LCD 간지, ONP의 물성을 측정하고 실험실적으로 수초지 실험을 통해 착색지의 강도 개선을 위한 원료 조건을 도출하고자 하였다. 이를 위해 원료별 초기 여수도, 섬유장, 섬유폭, 회분 함량, 섬유 형태를 분석하였고 착색지 생산공정 조건에 맞게 해리와 고해를 실시하여 제조한 수초지의 벌크와 강도를 측정하였다. 이후 HwBKP의 여수도와 LCD 간지의 배합비를 조절하여 동일하게 수초지 실험을 실시하였다.

HwBKP는 천연펄프이기 때문에 초기 여수도가 가장 높았으나 재생펄프 중 하나인 LCD 간지가 섬유장이 높은 것으로 볼 때 LCD 간지는 침엽수 표백 크라프트 펄프로 구성되어 있고 재활용 횟수도 매우 낮은 것으로 생각된다. ONP의 재활용률은 LCD 간지에 비해 높은 편이고 미세섬유와 회분의 함량이 높아 초기 여수도가 가장 낮은 것으로 사료되었다.

HwBKP로 제조된 수초지의 인장강도와 파열강도는 여수도가 감소함에 따라 증가하였고 LCD 간지로 제조된 수초지와 비교하면 여수도가 350 mL CSF로 고해되었을 때 더 높은 강도를 나타냈다. 그리고 전반적으로 ONP로 제조된 수초지의 강도가 가장 낮았다. HwBKP의 여수도와 펄프 배합비에 따른 수초지의 강도를 측정한 결과 HwBKP의 여수도가 450 mL CSF일 때에는 LCD 간지의 배합 비율이 증가할수록 인장강도와 파열강도는 직선적으로 증가하였으나, HwBKP의 여수도가 350 mL CSF일 경우에는 LCD 간지의 배합비율이 80:20에서 50:50로 증가할 때 수초지의 인장강도와 파열강도가 감소하였다.

따라서 착색지의 강도를 개선하기 위해서는 HwBKP의 고해 수준을 높이고 LCD 간지의 배합비율을 낮추거나 HwBKP의 여수도는 400-450 mL CSF 수준으로 유지하고 해리된 LCD 간지의 배합비율을 높이는 것이 필요한 것으로 판단되었다.


Acknowledgments

이 논문은 농림축산식품부의 재원으로 농림식품기술기획평가원의 농생명산업기술개발사업의 지원을 받아 수행된 연구임(118040-3).


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