1. 서 론
오일팜(oil palm)은 자웅동수의 식물로 가지사이에 20 kg 정도의 덩어리 열매가 열리는데, 다 익은 열매의 과육 부분에서 추출한 액체가 바로 팜오일이고 오일팜을 재배하는 목적이기도 하다1). 그런데 오일팜을 재배할 경우 팜오일 뿐만 아니라 다양한 부산물이 발생한다. 주요 연구에 따르면 1 ha의 오일팜을 재배할 경우 연간 5.5 톤의 오일이 생산되고 55 톤의 섬유상 물질이 생산된다고 보고되었다2). 오일팜에서 발생되는 주요 부산물은 빈열매송이(EFB, empty fruit bunch), 팜줄기(OPT, oil palm trunk), 팜잎(OPF, oil palm frond), 섬유(fiber), 껍질(shell)이 있다3).
오일팜의 주요국가인 말레이시아에서 발생하는 오일팜 부산물의 발생비율을 살펴보면 빈열매송이(EFB)가 가장 높은 비중을 차지하고 있고 팜잎(OPF), 팜줄기(OPT)가 그 뒤를 잇고 있다1). EFB는 가축용 사료나 퇴비로 사용되고 OPF는 별 쓸모가 없어 그냥 적당히 잘라낸 후 폐기되고 있다. OPT는 다시 제재하여 저급의 합판이나 판재 등으로 만드는데 사용되고 있다4). 이러한 오일팜 부산물들은 중요한 섬유자원임에도 불구하고 명확한 활용처가 부재하여 저급한 용도로 활용되거나 버려지고 있기 때문에 오일팜 부산물의 자원화 기술개발이 매우 필요하다고 판단된다.
선행연구에서는 EFB를 이용하여 백판지용 유기충전제를 제조하였고 이를 투입하여 수초지를 제조한 결과 목분 수준 이상의 벌크 상승을 나타냈다4). 이는 오일팜 부산물의 제지원료로써의 활용가능성을 보여주는 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 OPT를 입수하여 판지의 유기충전제로서의 활용성에 대해 조사를 진행하였다. 두 종류의 OPT를 분쇄기로 유기충전제를 제조하고 판지의 벌크와 건조에너지 요구량을 중심으로 조사를 진행하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
OPT는 두 종류를 입수하였다. 한 종류는 심재와 표피부분이 분리되어 있는 OPT이고 나머지 종류는 심재와 표피부분이 분리되지 않는 것이었다. 이들을 분말로 제조하기 위해 105±3°C 조건에서 3-4일 동안 전건 시킨 후 사용하였다. 대조군으로 왕겨로 제조된 유기충전제(rice husk)를 사용하였다. 수초지 제조를 위해 D사에 분양받은 국산폐골판지(KOCC, Korean old corrugated container)를 사용하였다. 미세한 유기충전제 입자를 수초지에 잔류시키기 위해 C사에서 분양받은 양이온성 폴리아크릴아미드(C-PAM)를 사용하였다.
2.2 실험방법
2.2.1 오일팜줄기 유기충전제 제조방법
유기충전제를 제조하기 위해 실험실용 분쇄기(Wonder blender, WB-01, Sanplatec, Japan)를 사용하였다. 분쇄된 시료는 60 mesh 표준체가 설치되어 있는 전동식 체진동기(J-VSS, Jisico, Korea)를 이용하여 분급을 실시하였고 분급된 분말을 유기충전제로 사용하였다. 제조된 유기충전제의 종류를 Table 1과 같이 명명하였다.
2.2.2 오일팜줄기 유기충전제를 함유하는 수초지 제조 및 물성 측정
KOCC를 18시간동안 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.
본 연구에서는 평량 100±4 g/m2의 수초지를 제작하였다. OPT와 왕겨 유기충전제를 각각 전건섬유대비 3, 6, 9%로 펄프슬러리에 투입한 후 600 rpm 조건으로 교반을 실시하면서 보류제로 C-PAM을 전건섬유대비 0.1% 투입하였다. 보류제를 투입하고 600 rpm 조건으로 2분간 교반을 실시한 후 수초지를 제조하였다. 제조된 수초지는 345 kPa의 압력조건에서 5분간 압착한 후 실험실용 실린더 건조기로 건조시켰다.
제조된 수초지를 조습처리한 후 실험실용 캘린더에서 소프트 롤, 0.15×100 kN의 압력으로 캘린더 처리 후 TAPPI Test Methods에 의거하여 평량, 두께, 압축강도, 파열강도를 각각 측정하였다.
2.2.3 오일팜줄기 유기충전제를 함유하는 수초지의 건조에너지 요구량 측정
지료조성방법은 2.2.2에서 진행한 방법과 동일하게 실시하였고 최종농도가 0.5%가 되도록 지료를 준비하였다. 건조가 되지 않은 습지필 100±4 g/m2를 제조하기 위해 OPT와 왕겨 분말을 전건섬유 대비 3, 6, 9%로 펄프슬러리에 투입한 후 600 rpm 조건으로 교반을 실시하면서 양이온성 PAM을 전건섬유 대비 0.1% 투입하였다. 이 후 600 rpm 조건에서 2분간 교반을 실시한 후 습지필을 제조하였고 345 kPa의 압력조건에서 5분간 습지필을 압착하였다.
건조에너지 요구량을 평가하기 위해 일정한 온도에서 수분 증발량을 측정하였고 이를 바탕으로 하여 습지필이 전건상태에 도달할 때까지 증발해야 할 수분함량과 건조에너지 요구량의 감소율을 Fig. 1에서 도시된 식에 대입하여 계산하였다5). 수분 측정방법으로는 우선 제조된 습지필의 중앙부위를 4×4 cm로 절단한 후 내열성 양면테이프(VHB, 3M, USA)를 이용하여 알루미늄 접시에 붙여 측정시료를 준비하였다. 습지필의 함수율 변화를 측정하기 위해 수분측정기(MB-35, CAS, Korea)를 사용하여 110°C의 조건으로 가열하여 1초 간격으로 습지필의 수분증발량을 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 오일팜줄기 유기충전제의 투입에 따른 수초지의 물리적 특성
Fig. 2에서는 본 연구에서 사용한 유기충전제 이미지를 나타냈다. 심재와 표피부가 분리되어 있는 OPT 유기충전제는 다소 어두운 색상을 나타내었으나 두 번째 종류의 OPT 유기충전제는 밝은 색을 나타내고 있음을 볼 수 있었다. 이는 생산되는 지역에 따라 OPT의 색상이 다름을 나타내고 있는 것이다. 특히 두 번째 종류의 OPT는 왕겨 유기충전제에 비해서도 색상이 더 밝은 것으로 나타났다.
OPT과 왕겨 유기충전제가 투입됨에 따른 수초지의 벌크 변화를 Fig. 3에 나타냈다. OPT1의 심재와 표피부분으로 제조된 분말은 투입량이 증가함에 따라 수초지의 벌크가 증가하였고 전체적으로 심재부로 제조된 유기충전제가 더 높은 벌크를 나타냈다. 그러나 OPT2 유기충전제를 포함하는 수초지 벌크는 유의하게 증가하지 않는 것으로 나타났다. 두 종류의 OPT 유기충전제는 왕겨 유기충전제가 투입된 수초지에 비해 상대적으로 낮은 수초지의 벌크를 나타났다.
Fig. 3.
Effect of the addition of organic fillers made from oil palm trunks on the bulk of handsheet.
Fig. 4에서는 OPT와 왕겨 유기충전제를 투입함에 따른 압축강도를 도시하였는데 OPT2 유기충전제를 함유하는 수초지가 가장 높은 압축강도를 나타냈고 왕겨 유기충전제는 OPT1의 심재와 표피부보다 더 높은 압축강도를 나타냈다. 이는 벌크 상승에 따라 강도가 감소하기 때문이라고 판단되나 왕겨 유기충전제는 가장 높은 벌크를 가지면서도 압축강도가 우수하게 나타낸 것은 눈여겨 볼만한 결과이다.
Fig. 4.
Effect of the addition of organic fillersmade from oil palm trunks on the compressive strength of handsheets.
Fig. 5에서는 파열강도를 도시하였는데 OPT1과 왕겨 유기충전제가 거의 비슷한 결과와 함께 상대적으로 낮은 파열강도를 나타냈고 OPT2가 가장 높은 파열강도를 나타냈는데 이는 결국 벌크 변화가 없었기 때문에 가장 높은 파열강도를 나타낸 것으로 판단된다.
Fig. 5.
Effect of the addition of organic fillers made from oil palm trunks on the burst strength of handsheets.
따라서 왕겨 유기충전제에 비해서는 벌크 상승이 낮았지만 OPT1로 제조된 유기충전제는 모두 벌크를 향상시켰다. 또한 OPT1과 왕겨유기충전제 모두 벌크 상승에 따라 압축강도와 파열강도는 감소하는 경향을 보여주었는데 파열강도의 경우에는 OPT1 유기충전제가 왕겨와 거의 유사한 결과를 나타냈다.
3.2 오일팜줄기 유기충전제의 투입에 따른 건조에너지 요구량 평가
Fig. 6에서는 110°C에서 열을 가열할 때 증발되는 수분 함량을 나타냈다. 무첨가는 유기충전제가 전혀 투입되지 않는 수초지의 수분 함량을 측정한 것으로 유기충전제가 투입된 경우에 비해 높은 증발 수분함량을 나타냈다. OPT와 왕겨 유기충전제가 투입됨에 따라 증발 수분함량은 전체적으로 감소하고 있음을 볼 수 있었다. 특히 OPT1의 심재부가 가장 낮은 증발 수분함량을 나타냈고 OPT1의 표피부와 왕겨가 비슷한 수준의 증발 수분함량을 보여주었다. 그리고 OPT2는 무첨가에 비해서는 낮은 증발 수분함량을 보여주었으나 다른 유기충전제에 비해서는 높은 증발 수분함량을 나타냈다. 이 결과를 토대로 건조에너지 감소율을 평가해 보면 Fig. 7과 같이 도시할 수 있는데 OPT1의 심재부가 가장 높은 감소율을 나타내었고 OPT1의 표피부와 왕겨 유기충전제는 거의 유사한 수준의 감소율을 보여주었다. 그리고 OPT2 유기충전제가 투입되었을 때는 벌크는 거의 변화가 없었으나 건조에너지 감소율은 약 5% 수준을 나타냈다. 이로 볼 때 OPT 유기충전제는 재생펄프인 KOCC에 비해서는 건조에너지에 유리한 것으로 판단되나6) 벌크와 기타 물리적 특성을 고려해서 OPT를 선정해야 할 것으로 생각된다. 벌크, 강도, 건조에너지 측면에서 살펴보면 OPT의 심재부로 제조된 유기충전제의 기능성이 가장 우수한 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 오일팜 바이오매스 중에서 OPT를 이용하여 유기충전제를 제조하였고 판지의 벌크상승과 건조에너지 절감에 대해 조사를 진행하였다. 두 종류의 OPT를 수집하였고 이 중에서 한 종류의 OPT는 심재부와 표피부를 분리하여 각각의 유기충전제를 제조하였고 다른 한 종류의 OPT는 두 부분을 모두 합쳐서 유기충전제를 제조하였다. 이렇게 제조된 유기충전제를 적용하여 실험실적으로 수초지를 제조하였고 수초지의 벌크와 강도를 측정함과 동시에 건조에너지 요구량 감소율을 평가하였다.
심재부와 표피부를 분리하여 제조된 유기충전제는 모두 수초지의 벌크를 높였으나 다른 OPT로 제조된 유기충전제의 경우에는 수초지의 벌크 상승효과가 낮은 것으로 나타났다. 벌크가 상승함과 동시에 압축강도와 파열강도는 감소하는 경향을 보여주었다. 건조에너지 요구량 감소율을 측정한 결과 OPT1의 경우에는 심재부와 표피부 모두 우수한 감소율을 보여주었다. 그런데 OPT2는 수초지의 벌크를 높이지 못함에도 불구하고 5%의 건조에너지 요구량 감소율을 보여주었다.
따라서 OPT는 왕겨 유기충전제에 비해 낮은 벌크상승효과를 보여주지만 강도와 건조에너지 절감 측면에서 더 유리한 결과를 보여주었다.
