1. 서 론
백판지는 천연펄프와 재생펄프로 제조되는 여러 층의 종이를 합지한 형태로 제조된다.1) 천연펄프는 백판지 표면이나 이면에 주로 사용되고 중간층으로 갈수록 재생펄프가 사용되고 전체 평량에서 차지하는 비율이 재생펄프가 천연펄프보다 높다. 재생펄프로는 신문고지(ONP), 백상고지(white ledger), 폐골판지(OCC) 등이 있으나2) 일반적으로 폐골판지의 사용량이 가장 높다. 폐골판지는 재활용 횟수가 높아 미세분 함량이 높고 섬유의 각질화 때문에 탈수성과 강도가 떨어지고 건조에너지 소비가 증가하게 된다.3,4) 특히 폐골판지의 사용량이 증가하게 되면 종이의 두께가 감소하게 되기 때문에 기준 평량 대비 두께를 보상하기 위해서는 기준 평량보다 더 많이 사용하여야 하는 문제가 발생된다. 따라서 백판지의 생산원가와 품질향상을 위해서는 재생펄프의 사용량을 줄이는 것이 가장 중요하다고 할 수 있다.5)
제지산업에서 펄프의 사용량을 줄이기 위해서 많은 연구들이 보고되었는데6-9) 최근 국내 백판지 생산공정에서는 목분(wood powder)을 대체 원료로 사용하고 있다.5) 목분은 목질계 섬유보다 크고 리그닌을 함유하고 있어 소수성을 띠고 있기 때문에 백판지의 벌크 향상과 건조에너지 절감에 유리하다.10) 또한 벌크 상승에 따라 원료 사용량을 낮출 수 있기 때문에 생산 현장의 오염성이나 작업성을 향상시키는데 도움이 되고 있다. 이러한 이유로 국내에서는 다양한 종류의 목분이 백판지 산업에서 사용되고 있다.
목분은 일반적으로 목재를 그라인딩에 의해 발생되는 미세한 목재 가루로 등급에 따라 다양한 산업에서 사용되고 있다. 백판지용 목분은 최대 크기가 0.3 mm 이하로 정의되고10) 있지만 목분의 주요 기능성인 벌크 상승과 건조에너지 절감을 위한 백판지용 목분의 주요 물성에 대해 체계적으로 조사된 연구결과가 보고된 적이 없다.
본 연구에서는 국내에서 사용되고 있는 3종류의 백판지용 목분을 수집하여 목분의 주요 물성을 체계적으로 조사하였다. 그리고 목분을 적용한 수초지를 제조한 후 벌크, 인장강도, 파열강도, 압축강도를 측정하였고 건조에너지 절감에 대해 조사를 진행하였다. 이를 통해 벌크 상승과 건조에너지 절감을 최대화하기 위해 조절해야 할 목분의 주요 물성을 도출하고자 하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
국내 백판지용 목분을 수집한 후 60 mesh 스크린 잔류량이 관찰되지 않는 세종류의 목분를 선정하여 사용하였고 목분 크기가 작은 순서대로 샘플 A, B, C로 구분하였다. 수초지 제조를 통한 물리적 특성과 건조에너지 감소율을 측정하기 위해 D사에 분양받은 국산 폐골판지(KOCC, Korean old corrugated container)를 사용하였다. 목분을 수초지에 잔류시키기 위해 C사에서 분양받은 양이온성 폴리아크릴아미드(C-PAM)를 사용하였다.
2.2 실험방법
2.2.1 목분의 화학조성 및 물리적 특성 분석 방법
목분의 화학조성인 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 합인 홀로셀룰로오스(Holo-cellulose), 리그닌, 회분, 추출물 함량을 분석하였다. 추출물은 에탄올(95%)·벤젠혼합액(1:2, v/v)으로 용매가 약 10분간 1회 사이펀관을 통과하여 환류하는 정도로 6시간 가열하여 추출하였다. 홀로셀룰로오스는 탈지된 시료로 아염소산염법(Wise법)으로 분석하였다. 홀로셀룰로오스는 식을 산출하여 리그닌 및 회분을 보정하였으며, 셀룰로오스는 17.5% NaOH에 용해하여 정량하였다. 회분은 TAPPI 211에 의거하여 105°C 드라이오븐에 전건하여 얻은 유기충전제 1 g을 도가니에 담아 525±25°C의 전기 회화로에서 6시간 완전 탄화 시킨 후 0.1 mg까지 무게를 측정하였다.
목분의 크기를 분석하기 위해 입도분석기(1090LD, CILAS, FRANCE)를 사용하여 평균 입도와 입도 분포를 측정하였고 목분 입자들이 형태를 파악하기 위해 주사전자현미경(JSM-5600LV, JEOL, Japan)을 이용하여 50배, 100배, 400배 이미지를 촬영하였다. 정전기적 특성인 제타전위(zeta-potential)를 측정하기 위해 제타전위측정기(Zetasizer Nano, Malvern, UK)를 사용하여 목분의 평균제타전위를 측정하였다.
2.2.2 목분을 적용한 수초지 제조 및 물리적 특성 측정 방법
KOCC를 18시간 동안 물에 침전시켰다가 10% 농도로 고속해리기를 이용하여 약 30분간 해리시킨 후 섬유가 뭉침 없이 완전히 분산된 것을 확인하고 지료로 사용하였다. 해리가 된 지료는 농도 0.5%로 희석을 실시한 후 사용하였다. 벌크와 강도 측정을 위해 TAPPI Standard Method T 205에 의거하여 100±4 g/m2의 수초지를 제작하였다. 목분을 전건섬유 대비 3, 6, 9%로 펄프슬러리에 투입한 후 600 rpm 조건으로 교반을 실시하면서 보류제로 C-PAM을 전건섬유 대비 0.1% 투입하였다. 보류제를 투입하고 600 rpm 조건으로 2분간 교반을 실시한 후 수초지를 제조하였다. 제조된 습지필은 3.5 kgf/cm2의 압력조건에서 5분간 압착한 후 실험실용 실린더 건조기로 건조시켰고 물리적 특성 측정 이전에 조습처리를 실시하였다. 이 후 23°C, 50% RH에서 24시간 조습처리된 수초지의 두께를 측정한 후 TAPPI Standard method에 의거하여 평량, 벌크(TAPPI T 411), 회분함량(TAPPI T 211)을 측정하였으며, 인장압축강도 시험기(Tensile & Compression Tester, FRANK-PTI, Germany)와 파열강도시험기(Mullen type bursting tester, Daeill Machinery, Korea)를 사용하여 인장강도(TAPPI T 494), 압축강도(TAPPI T 818) 및 파열강도(TAPPI T 403)를 측정하였다.
2.2.3 목분을 적용한 수초지의 건조에너지 감소율 측정 방법
습지필의 수분함량 측정을 위해 0.5% 로 희석된 KOCC 지료를 이용하여 평량 100±4 g/m2의 습지필을 제작하였다. 목분을 전건섬유 대비 3, 6, 9%로 펄프슬러리에 투입한 후 600 rpm 조건으로 교반을 실시하면서 보류제로 C-PAM을 전건섬유 대비 0.1% 투입하였다. 보류제를 투입하고 600 rpm 조건으로 2분간 교반을 실시한 후 습지필을 제조하였다. 제조된 습지필은 3.5 kgf/cm2의 압력조건에서 5분간 압착한 후 최종적으로 수분함량 측정용 습지필을 제조하였다. 이후 항온건조기(WiseVen, Daihan Scientific, Korea)를 사용하여 105°C 조건으로 전건시켜 습지필의 수분함량을 측정하였다.11) 측정된 습지필 수분함량을 이용하여 식 1과 같이 건조에너지 감소율을 계산하였다.11)
3. 결과 및 고찰
3.1 목분 종류별 주요 물성 평가
목분의 화학조성을 Table 1에 도시하였는데 문헌조사를 통해 침엽수(softwood)와 활엽수(hardwood)의 화학조성을 같이 나타냈다. 목분 A는 다른 두 종류의 목분보다 회분함량이 높은 것으로 나타났고 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 합으로 나타나는 홀로셀룰로오스 함량이 낮게 나타났다. 목분 B와 C를 비교해 보면 홀로셀룰로오스는 60% 이상, 회분 함량은 3% 이하, 리그닌은 30% 수준을 보여주었다. 일반적인 침엽수와 활엽수의 화학조성과 비교해 보면 회분함량만 제외하면 전체적으로 모든 항목들이 일반적인 침엽수와 활엽수의 화학조성 범위에 부합하였다. 백판지용 목분은 분쇄공정과 분급공정 등 여러 단계를 거쳐 제조되기 때문에 외부로 무기계 이물질 혼입이 쉽게 일어날 수 있다. 무기계 이물질은 제지공정에 혼입될 경우 정선공정에 부하를 높이고 판지의 회분함량 상승에 따른 수율과 강도가 저하되기 때문에 목분 제조업체에서는 회분함량을 줄일 수 있는 방안을 모색하고 백판지 제조업체에서는 목분의 수입검사 항목에서 회분함량을 주로 관찰할 필요가 있다. 마지막으로 화학조성으로는 백판지용 목분 제조에 사용된 수종파악은 어려웠으나 일반적으로 잡목(mixed wood)로 제조되는 것으로 알려져 있다.
Table 1.
Chemical compositions of wood powder samples
| Content, % | Sample A | Sample B | Sample C | Softwood12) | Hardwood12) | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Holocellulose | Alpha-cellulose | 35.5 | 41.1 | 37.2 | 40-42 | 43-47 |
| Hemicellulose | 17.3 | 20.1 | 28.3 | 25-29 | 25-35 | |
| Lignin | 27.1 | 30.7 | 29.1 | 25-31 | 16-24 | |
| Extractive | 3.1 | 6.3 | 2.5 | 1-5 | 2-8 | |
| Ash | 16.5 | 1.9 | 2.8 | <1 | <1 |
목분의 입자 크기와 분포를 Table 2와 Fig. 1에 도시하였다. 목분 A, B, C 순서대로 평균입도는 증가하였고 목분 C는 목분 A에 비해 평균입도가 2배 이상 큰 것을 알 수 있었다. 입도 분포를 비교해 보면 목분 A가 크기가 낮은 입자들로 구성되어 있고 분포가 가장 넓게 나타났고 목분 C는 크기가 큰 입자들로 구성되어 있고 분포가 가장 좁게 나타났다. 이러한 특성을 목분 입자의 SEM 이미지를 나타내는 Figs. 2-4에서 볼 수 있는데 목분 A는 입자 크기가 다른 다양한 입자들로 구성되어 있었고 목분 B에서 목분 C로 갈수록 입자 크기가 커지면서 입자 형태의 균일성이 높아짐을 확인할 수 있었다.
Table 2.
Particle diameter of wood powder samples
| Wood powder | Sample A | Sample B | Sample C |
|---|---|---|---|
| Diameter at 10% | 5.1 μm | 10.9 μm | 21.3 μm |
| Diameter at 50% | 39.8 μm | 65.9 μm | 147.9 μm |
| Diameter at 90% | 154.0 μm | 189.3 μm | 255.6 μm |
| Mean diameter | 61.8 μm | 85.5 μm | 145.4 μm |
목분의 제타전위의 평균값과 편차를 Table 3에 나타냈다. 세 종류의 목분 모두 음의 제타전위를 나타냈고 평균값은 목분 A와 C가 가장 낮게 나타났다. 또한 제타전위의 편차를 살펴보면 앞선 입도분포와 유사한 결과를 나타냈는데 목분 A가 가장 높은 편차를 나타냈고 목분 C가 가장 낮은 편차를 보여주었다. 전체적으로 목분은 음의 제타전위를 나타내는 것으로 볼 때 이들의 보류도를 높이기 위해서는 양이온성 고분자 전해질이 효과적인 것으로 판단된다.
3.2 목분 적용에 따른 수초지의 물리적 특성 및 건조에너지 감소율 평가
목분의 투입에 따른 수초지의 벌크를 Fig. 5에 도시하였다. 목분의 투입량이 증가함에 따라 수초지의 벌크가 상승함을 볼 수 있었고 동일한 투입량에서 비교해 보면 목분 C가 가장 높은 벌크를 나타냈다. 이는 목분 C가 평균입도와 입도분포의 균일성이 가장 높기 때문에 수초지의 벌크 향상에 가장 효과적이라고 판단된다. 목분 A와 B를 비교해 보면 낮은 투입 수준에서는 목분 A가 B보다 높은 벌크를 나타냈으나 투입량 9% 수준에서는 목분 A와 B는 거의 유사한 벌크를 나타냈다. 그러나 전반적으로 볼 때 목분 A와 B는 유사한 벌크 수준을 보여주는 것으로 판단된다.
Figs. 6-8에서는 목분 투입에 따른 수초지의 인장강도, 압축강도, 파열강도를 나타냈다. 목분의 투입량이 증가함에 따라 모든 강도들이 감소하는 경향을 나타냈다. 인장강도의 경우 목분 C가 가장 낮은 수치를 나타냈고 목분 A와 B는 전반적으로 큰 차이를 보이지 않았다. 목분 종류에 따른 압축강도와 파열강도를 비교해 보면 투입량에 따라 모두 다른 경향을 보여주고 있어 판단하기 어려웠다. 따라서 일반적으로 종이의 강도를 대표하는 인장강도를 기준으로 판단해 보면 높은 벌크를 나타내는 목분은 강도를 하락시키는데 이는 섬유와 섬유사이에 목분 입자가 분포하여 섬유간 거리를 넓혀 두께는 향상시키나 종이의 강도는 저하하기 때문이라고 판단된다.
Fig. 9에서는 목분 투입에 따른 수초지의 건조에너지 감소율을 나타냈다. 목분의 투입량이 증가함에 따라 건조에너지 감소율이 증가하였고 이는 건조에너지가 감소함을 나타낸다. 목분은 KOCC를 구성하고 있는 재생섬유에 비해 리그닌 함량이 높기 때문에 소수성을 띠기 때문에 목분의 투입량이 증가하게 되면 수초지에 소수성 물질의 함량이 높아져서 프레스 이후 수초지의 수분함량이 감소하게 되고 이로 인해 건조에너지가 감소된다. 또한 목분의 투입에 따라 수초지의 벌크가 상승하면서 탈수 공간이 확보되어 건조에너지가 감소하게 되는 것으로 판단된다. 목분 종류별로 살펴보면 목분 C에 의해 건조에너지가 가장 많이 감소하였고 목분 A에 의해 상대적으로 건조에너지를 낮게 감소하였다. 또한 목분 A와 B를 비교해 보면 벌크와 동일하게 평균입도가 높은 목분 B가 A보다 더 높은 건조에너지 감소율을 나타냈다.
따라서 백판지의 벌크와 건조에너지 절감을 위해서는 평균 입도와 균일성이 높은 목분을 사용하는 것이 가장 효과적이나 강도 하락이 예상되기 때문에 적절한 투입량을 선정하는 것이 중요하다고 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 국내에서 사용되는 백판지용 목분을 수집하여 주요 물성을 측정하였고 이들을 투입하여 제조된 수초지의 물리적 특성과 건조에너지 감소율을 평가하였다.
본 연구에서 수집된 목분의 화학조성을 측정한 결과 회분 함량을 제외하고 일반적인 침엽수와 활엽수의 구성비율을 나타냈고 주로 잡목으로 제조되는 것으로 판단된다. 입도 측정결과 평균입도 뿐만 아니라 입도분포가 균일한 것이 중요하다고 판단하였고 정전기적 특성인 제타전위인 경우 목분 모두 음이온성을 나타냈다. 목분 투입에 따른 벌크와 건조에너지 감소율을 측정한 결과 평균입도가 높을수록 높은 벌크와 건조에너지 감소율을 나타냈으나 벌크 상승으로 인해 판지의 강도하락은 피할 수 없는 것으로 판단된다.
결론적으로 백판지용 목분을 선택할 때 회분 함량에 대한 검토가 필요하고 평균입도와 균일성이 높은 제품을 선택하는 것이 벌크와 건조에너지 절감에 가장 유리한 것으로 판단된다.
