1. 서 론
제지 및 관련 산업에서는 초지할 때 종이의 품질을 높이고, 가공과 인쇄를 통해 최고의 품질을 얻고자 노력하고 있다. 조건에 맞는 최고의 품질을 유지한다는 가정하에서, 제조원가를 절감하고 생산성을 높이는 것이 최고의 목표이다. 생산성을 높이기 위해서는 생산, 가공, 인쇄 공정의 속도를 높여야 한다. 그러나 속도를 높이면 동반하여 지절이 증가하여 결국 생산효율을 떨어뜨린다. 따라서 지절을 줄이거나 방지하는 조건에서 속도를 증가시켜야 생산성을 높일 수 있다.
지절은 종이의 생산, 가공, 인쇄 공정 중에 견딜 수 있는 강도의 한계를 넘었을 때 종이가 찢어지는 현상이다. 지절이 발생하지 않기 위해서는 (1) 종이 자체의 강도를 향상시키거나, (2) 공정의 안정화로 지필에 가해지는 힘의 균일성을 확보하거나, (3) 환경적 요인 즉 온도, 습도, 보관, 유통 등의 조건을 유리하게 관리할 필요가 있다. 종이를 생산하는 입장에서는 종이 자체의 강도 향상에 직접적 노력을 행할 수 있다. 그러한 노력의 일환으로 종이의 강도와 지절의 관계에 대하여 많은 연구를 수행해 왔는데, 인열강도, 파열강도 등은 거의 관계가 없고, 인장강도가 어느 정도의 관련성이 있지만, 상호관계가 크지 않았다고 발표하였다.1) 그리하여 재료와 구조를 연구 분석하는 파괴역학을 종이에 적용하기 시작하였고, 파괴인성이 지절과 상관관계가 있었다고 알려져 있다.2) 파괴역학의 이론과 종이의 파괴인성 측정 방법에 대해 총괄적인 리뷰를 발표한 바 있었다.3) 따라서 본 논문에서는 파괴인성 개념을 통해 지절을 줄이고 초지 운전율을 향상시키기 위한 방안을 리뷰하고자 한다.
초지 운전율과 관련된 종이의 파괴인성의 세부 영향인자는 매우 다양하며, (1) 지료 구성분, (2) 초지공정, (3) 주변 환경으로 대별할 수 있다. 즉 원료 펄프의 특성, 재생펄프 배합비, 충전제 배합비, 섬유의 컬 특성, 습윤 압착, 칼렌더링, 종이의 함수율, 습도 조건 등을 포함한다. 본 논문에서는 초지 운전율을 향상시키기 위해, 종이의 파괴인성과 관련하여, 실제 초지 생산 현장에서 적용하고 관리할 수 있는 방안에 대하여 중점적으로 리뷰하고자 한다.
2. 본 론
파괴역학에 관련된 이론에는 선형 탄성 파괴역학(LEFM, linear elastic fracture mechanics), 비선형 탄성 파괴역학(NLFM, non-linear fracture mechanics) 등이 있다. 종이의 지절과 관련된 파괴역학은 비선형 탄성 파괴역학을 적용하는 것이 유리하다. 그 이유는 종이가 딱딱하며 부서지기 쉬운(brittle) 특성보다는 연성(ductile)이 있어서 탄성-소성 특성을 가지기 때문에 응력집중계수(stress intensity factor)인 KI보다 J-적분값(J-integral)을 평가하는 것이 적절하기 때문이다.4,5) 따라서 종이에 대한 파괴역학과 J-적분값에 의한 파괴인성(fracture toughness)에 대해 많은 연구들이 수행되어 왔다.1,3,5-7) 여기서 파괴인성이란 어떤 물체에 외부에서 잡아당기는 힘을 가했을 때 파괴되는 현상에 견디는 저항 정도를 말한다. 어떤 종이의 파괴인성이 높으면 외부의 힘에 의해 파괴 또는 지절되는 현상에 저항하여 지절을 줄일 수 있을 것이다. 인쇄 공정 중에도 파괴인성이 지절과 관련이 있으며, 파괴인성이 증가하면 지절이 직선적으로 감소한다고 하였다.2,8) 지절을 좀 더 자세히 분석할 때 파괴인성에 추가하여 한계 하중(critical load)과 한계 신장(critical elongation)을 측정할 필요가 있다고 하였다.9) 파괴인성을 측정하는 방법은 여러 가지가 있는데, 국가 차원의 표준방법으로는 KS M ISO 17958과 ASTM E 1820-01 방법이 있다.3) 비교적 복잡한 파괴역학의 이론이 프로그램으로 내장되어 종이의 파괴인성을 측정하는 기기가 시중에 상용화되어 있다.
이러한 배경을 기초로 하여 지절을 최소화하고 운전율을 최대화하기 위하여, 종이의 특성과 파괴인성의 이해를 바탕으로, 운전율을 향상시키는 방안에 대해 중점적으로 리뷰하고자 한다.
2.1 섬유 특성
2.1.1 섬유장과 섬유 자체 강도
파괴인성에 대한 섬유장의 영향을 Sw-UBKP와 Sw-BKP로 실험한 결과, 섬유장이 증가할 때, 그리고 종이의 밀도가 증가할 때, 파괴인성(J·m/kg)이 비례적으로 증가하였다.10) 한편 종이의 밀도가 증가할 때 인열강도는 초기에 증가하다가 감소하였지만, 파괴인성은 지속적으로 증가하였다. 섬유 자체의 강도를 제로 스팬으로 측정한 결과에서도, 섬유 자체 강도가 증가할 때 파괴인성이 비례적으로 증가하였다.
이와 유사한 결과를 다른 연구자들도 보고하였는데,11) Sw-UBKP의 경우에서 섬유장이 약 2배로 증가할 때 파괴인성도 약 2배 정도 증가하였다. 즉, 섬유장이 약 1.3 mm에서 약 2.7 mm로 증가할 때, 파괴인성(J·m/kg)이 약 9 J·m/kg에서 약 18 J·m/kg으로 증가하였다. 그리고 섬유 자체의 강도를 제로 스팬 인장강도로 측정해서 파괴인성과 함께 분석한 결과, 제로 스팬 인장지수(zero-span tensile index)가 약 87 N·m/g에서 약 123 N·m/g으로 증가할 때 파괴인성이 약 11 J·m/kg에서 약 16 J·m/kg으로 증가하였다.11) 따라서 섬유장과 섬유 자체 강도가 파괴인성에 큰 영향을 끼치는 것을 알 수 있었다.
2.1.2 섬유의 직진성과 컬
지절을 감소시키려면 파괴인성을 높여야 하는데, 좀 더 세분화하여 파괴 시의 한계 하중과 한계 변형으로 나누어 생각할 수 있다. 한계 하중과 한계 변형에 대해 섬유의 직진성과 컬의 영향을 분석하였다. 섬유의 컬(curl)과 관련하여 지절이 발생하는 한계 하중을 높이려면 직진(linear)성의 섬유가 유리하고, 지절이 발생하는 한계 변형이 높으려면 컬(curl)이 있는 섬유가 더 유리하다고 하였다.9) 섬유의 직진성과 컬을 조절하기 위해서는 고해 공정의 농도가 중요한데, 컬이 최소화되고 직진성의 섬유로 고해하기 위해서는 저농도 고해가 유리하고12-14) 반면에 고농도로 고해하면 컬의 발생이 증가했다15)고 보고하였다.
2.1.3 섬유의 거칠음도(coarseness)
일반적으로 말해서, 섬유 자체의 강도가 강하고, 섬유간 결합이 높은 펄프 섬유를 얻을 수 있는 수종으로 펄프화하는 것이 종이의 강도적 특성을 구현하는 데 유리하다고 할 수 있다. 마찬가지로 섬유장이 길며, 거칠음도가 낮고, 유연성이 높은 펄프 섬유로 초지할 때 높은 파괴인성을 얻을 수 있었다.16) 세포벽의 두께가 증가하면 섬유의 거칠음도가 증가하면서, 섬유의 유연성이 감소하기 때문에 섬유 간 결합강도가 떨어지고 강도가 약하게 된다. 거칠음도가 125 μg/m로 낮은 섬유는 거칠음도가 241 μg/m로 높은 섬유보다 동일한 인장강도에서 더 강한 파괴인성을 가진다고 보고하였다.10)
2.2 고해
생산 공정에서 허용할 수 있는 정도의 탈수가 된다면 되도록이면 고해를 더 많이 진행하여 인장강도의 향상은 물론 파괴인성의 증가도 구현하는 것이 유리할 것으로 판단되었다. 그 이유는 앞선 연구의 결과에서 볼 수 있듯이, TMP와 KP의 혼합지료에서, KP의 고해를 증가하였을 때 파괴인성이 증가하였기 때문이다.9) TMP, GW의 혼합지료로 생산한 원지에 도공하고, 구멍(holes)과 찢어짐(cuts)의 영향을 분석한 결과, 더 많이 고해한 KP로 제조한 종이의 한계 하중이 증가하였다.9) Sw-BKP, Sw-UBKP, 표백 아황산펄프는 고해를 증가시키면 상당히 많이 고해할 때까지 파괴인성이 최대로 증가하다가 하락하였으나, Hw-BKP는 고해할 때 지속적으로 파괴인성이 증가하였다.17) 따라서 제지공정에서 통상적으로 수행하는 고해 조건에서는 고해를 지나치게 하는 경우가 없으므로, 고해를 증가시킬 때 파괴인성이 계속 증가한다고 판단해도 좋겠다.
SGW에 강도 보강용으로 Sw-BKP를 혼합하여 종이를 생산하되, KP를 20, 25 및 30 °SR로 점진적으로 고해했을 때 파괴인성이 약간 증가하였다.18) 이때 파괴인성이 증가하는 추세를 보면 고해를 증가할 때 파괴인성이 약간 증가했지만, KP의 배합비를 0에서 100%로 점차 증가시켰을 때 파괴인성이 크게 증가하여 고해 효과보다는 배합비 증가 효과가 매우 컸다.18)
TMP와 KP의 혼합 지료에서도 고해를 증가했을 때 파괴가 일어나는 한계 하중과 한계 변형이 증가하지 않아서19) 파괴인성에 끼치는 영향이 미약한 것으로 판단되었다. 한편 Sw-BKP를 730 mL CSF에서 250 mL CSF로 고해를 진행하며 파괴인성을 측정하였을 때에도 이와 유사한 결과를 얻었다.20) 여수도를 730 mL CSF에서 650 mL CSF로 고해하는 초기에는 파괴인성이 급격히 상승하나, 일반적인 조건에서의 초지 여수도인 650 mL CSF에서 450 mL CSF로 고해를 진행했을 때 파괴인성에 대한 고해의 효과가 크지 않았다.20) 따라서 파괴인성에 대한 고해의 영향보다는 뒤에서 언급할 배합비 증가의 영향이 크다고 판단할 수 있었다.
2.3 펄프 배합비
2.3.1 강도 보강용 KP
파괴인성에 대한 고해의 효과는 상대적으로 작았으나, 강도 보강용 펄프 배합비의 영향은 매우 컸다고 보고하였다.11,21)
KP와 TMP의 혼합지료에서 KP의 배합비를 증가할 때, 파괴인성, 한계 하중과 한계 변형이 상당히 크게 증가하였고, KP 배합비가 처음 0%에서 10%로 증가할 때 가장 크게 증가하였다.9) Sw-BKP, Sw-UBKP와 GW 혼합 지료의 경우에도 처음 0%에서 20%로 KP의 배합비가 증가할 때 가장 뚜렷한 상승이 일어났다.22) 강도 보강용 펄프의 배합비를 증가시켰을 때 파괴인성이 증가하는 데 있어서 직선적 또는 그것에 약간 상회하는 직선 효과가 있었다. 반면에 배합비를 소량 증가시켰을 때에는 인장강도의 증가 효과가 거의 없었다.22) Sw-BKP와 MP를 혼합해서 수초지를 제조했을 때, Sw-BKP의 배합비를 0%에서 50%로 증가할 경우 파괴인성이 약 3배 정도 증가했다고 하였다.11) 따라서 파괴인성에 대한 강도 보강용 펄프의 배합비의 영향이 매우 컸다.
2.3.2 재생펄프 배합비
산림자원이 충분치 않고 인구밀집도가 높은 우리나라에서는 천연 펄프 절감과 자원 재활용을 위해 폐지를 활용하는 것은 매우 중요하며, 도시쓰레기를 줄인다는 측면에서도 매우 긍정적인 역할을 하고 있다.
우리나라에서는 재생펄프의 배합비가 매우 높은 편이므로, 그 배합비가 파괴인성에 어떤 영향을 끼칠 것인지가 중요하다. 재생펄프에서 일어나는 열화현상을 분석하기 위해, Sw-BKP, Hw-BKP를 고해한 후 105℃에서 24시간 건조해서 열화시킨 후 물에 침지한 후 초지하여 분석하였다.23) 이러한 조건에서 열화시킨 후 재생한 펄프로 초지한 경우 파괴인성이 50% 정도 감소하였다. 따라서 파괴인성 측면에서는 재생펄프의 배합비를 감소시키는 것이 유리한데, 적정한 파괴인성을 확보한 상태에서 최대한 재생펄프 배합비를 증가시킴으로써 원가절감, 지절 감소와 운전율 향상에 주의를 기울여야 할 것으로 판단되었다.
2.4 충전제 배합비
지료 중에 충전제 함량이 증가하면 섬유 간 결합을 감소시켜 종이의 강도가 감소하며 파괴인성도 하락할 것으로 예측할 수 있다. Sw-BKP와 GW 펄프를 배합하여 초지했을 때, 탄산칼슘 배합비를 1% 증가할 때 파괴인성은 1.5% 정도 하락하였다.18) 따라서 파괴인성은 충전제의 배합비를 증가시켰을 때 급격히 하락한다고 판단하였다.
2.5 습윤 압착(pressing)
침엽수, 활엽수의 UBKP와 BKP 모두에서 습윤 압착 압력을 증가시켰을 때 파괴인성이 증가하였다.22) 좀 더 세분화한 실험에서 고해도를 변화시키면서 습윤 압착 압력을 증가시켜 습지필의 건조도를 증가시켰을 때 파괴인성을 분석하기도 했다. 즉 Sw-BKP를 730 mL CSF에서 250 mL CSF로 점진적으로 고해하고, 롤 프레스를 이용하여 습지필의 건조도를 25%, 30%, 35%로 증가하며 습윤 압착시켰을 때 파괴인성이 증가하였다.20) 이것은 습윤 압착에 의해 섬유 간 결합이 증가하여 파괴인성이 증가하는 것으로 판단하였다.
2.6 칼렌더링
고해하지 않은 침엽수 크라프트 펄프로 만든 종이를 칼렌더링 압력을 증가시키면서 종이의 밀도를 증가시켰을 때, 밀도가 0.5-0.6 g/cm3에서는 거의 변화가 없었으나, 0.7 g/cm3을 초과할 때 칼렌더링에 의해 파괴인성이 급격히 하락했다고 하였다.22) 이 때 인장강도가 하락하는 경향보다 파괴인성이 훨씬 뚜렷하고 급격하게 하락하였다. 이것은 습윤 압착과 달리 칼렌더링에 의해 종이의 밀도가 증가하면서 결점 끝에 응력이 집중하기 때문이라고 판단되었다. 따라서 종이의 밀도를 증가시킬 필요가 있을 때는 칼렌더링 공정보다는 습윤 압착을 이용하는 것이 파괴인성의 유지 또는 향상에 유리할 것으로 판단하였다.
2.7 함수율
종이의 주변 조건 즉 상대습도에 의해 종이의 함수율이 증가할 때 파괴인성이 증가한다고 하였다.22,24,25) 종이의 함수율이 5%에서 11%로 증가하였을 때 거의 직선적으로 파괴인성이 증가하였는데, 이런 현상도 종이의 함수율이 증가하면서 결점 끝에 응력집중이 완화되고 신장률이 증가하면서 파괴현상이 지연되기 때문으로 판단되었다. 계절적으로 볼 때, 우리나라에서 겨울보다 여름에 상대습도가 높아 지절 횟수가 줄어드는 현상을 많이 경험하는데, 상대습도가 증가하여 종이의 함수율이 증가하게 되고 그에 따라 파괴인성이 증가하기 때문이라고 판단하였다.
2.8 결점의 크기와 존재의 횟수
전통적으로 공정 중에 미해리 섬유다발인 샤이브, 스티키, 슬라임, 이물질, 축적물 등을 스크린 등의 설비로 최대한 제거하는 기술을 적용해 왔다.
파괴인성과 관련하여, 종이에 존재하는 결점의 크기와 존재의 횟수가 지절에 크게 영향을 끼치는데, 파괴인성을 증가시키기 위해서는, 종이에 존재하는 결점의 크기를 최소화하고 존재의 횟수를 최소화해야 한다. 이와 관련하여 미해리 섬유다발인 샤이브에 따른 지절현상이 보고되었다.26)
2.9 향후 방향
파괴역학의 이해를 통해 지절을 좌우하는 중요한 3가지 영향인자로 종이의 (1) 파괴인성, (2) 결점(defects), (3) 지필에 가해지는 장력(web tension)에 더욱 관심을 가져야 되겠다. 물론 지절은 자주 일어나는 현상이 아니고 드물게 일어나며 평균 지필에 가해지는 장력의 평균값을 구하기 매우 어려워 지절 현상을 분석하기 어려운 것도 현실이다.
그렇지만 설비 측면에서는 (1) 종이의 파괴인성을 높이고, 한계 하중과 한계 신장을 증가시키기 위한 지료의 처리 설비, (2) 종이의 결점 크기와 존재 횟수를 감소시키기 위한 설비, (3) 지필 장력 프로파일을 균일하게 유지하기 위한 설비 등에서 어느 것에 우선적으로 투자하는 것이 더 유리한지 설비 투자의 경제성을 분석할 필요가 있다. 또한 제지, 가공, 인쇄 공정에서 운전율을 최대로 높이기 위한 관련 분야 모두에 종사하는 기술자들의 상호 협조가 더욱 절실하다.
최신 기술 즉, 각종 기술을 활용한 설비와 빅 데이터의 수집, 분석 기술 등을 이용할 필요가 있다. 이제는 고속 화상 처리 기술을 접목한 디지털 카메라를 이용하여 결점의 크기와 빈도 등을 측정하고, 지필의 장력 분포를 측정하는 시스템이 개발되고 있으므로, 이와 관련시켜 파괴인성을 측정하여 서로 종합적으로 분석, 관리한다면 파괴인성을 높이고 지절을 획기적으로 낮출 수 있을 것이라고 판단되었다.
전통적으로 이해하고 있는 인장강도에 비해서는 파괴인성을 통해 지절 현상을 더욱 직접적으로 이해할 수 있게 되었지만, 지절 현상을 완전히 해석하는 데에는 아직도 부족한 점이 있다. 특히 초지기 설비의 구성요소인 롤과 롤 사이에서의 지필의 펄럭임과 롤에서 종이가 분리될 때의 이륙 각도 등과 같은 동역학적 영향을 추가적으로 연구할 필요가 있을 것으로 판단되었다.
3. 결 론
제지기술자들은 종이를 생산할 때 원가 절감, 품질 향상에 노력하면서, 지절을 감소시켜 운전율을 최대로 높이는 것이 생산성 향상에 유리하다. 지절은 종이를 생산, 가공, 인쇄할 때 견딜 수 있는 장력 이상의 힘이 가해져 종이가 찢어지는 현상이다. 종이의 파괴인성을 증가시키면 지절이 감소하는 것이 일반적인 현상이다. 지절을 최소화하기 위해서 종이의 파괴인성을 증가시키는 방안으로 여러 가지를 고려할 수 있다. 섬유의 특성으로 섬유장 증가, 섬유 자체의 강도 증가, 섬유의 거칠음도 감소가 파괴인성 증가에 유리하였다. 섬유가 곧으면 파괴 시의 한계 하중이 증가하고, 섬유의 컬은 한계 변형이 증가하였다. 섬유의 고해도 증가, KP와 같은 강도 보강용 펄프의 배합비 증가가 파괴인성 증가에 유리하였지만, 고해도 증가에 의한 효과보다 보강용 펄프 배합비 증가의 효과가 컸다.
재생펄프와 충전제의 배합비를 감소시키는 것이 파괴인성 증가에 유리하였다. 습윤 압착을 증가시키면 파괴인성이 증가하였지만, 칼렌더링 압력을 감소시키는 것이 파괴인성 증가에 유리하였다. 높은 상대습도에 의해 종이의 함수율이 증가하면 파괴인성이 증가하였으며, 종이 내에 존재하는 결점의 크기가 작을수록, 존재 횟수가 적을수록 파괴인성이 증가하였다.
인장강도보다는 파괴인성이 지절 현상에 직접적으로 영향을 끼치지만, 현재에는 지절 현상을 완전히 해석하는 데 부족한 것이 사실이다. 따라서 향후 지필의 펄럭임과 롤에서 분리될 때의 이륙 각도 등의 파괴인성에 대한 동역학적 영향 등을 추가적으로 연구할 필요가 있을 것으로 판단되었다.
