1. 서 론
2. 재료 및 방법
2.1 펄프 시료
2.2 실험방법
3. 결과 및 고찰
3.1 지료 농도에 따른 종이 특성
3.2 헤드박스에서의 지료 사출 속도에 따른 종이 특성
4. 결 론
1. 서 론
환경 보존 및 탄소 중립을 위해 EU 등 주요 선진국들을 중심으로 많은 나라들이 非친환경적 소재 및 부품의 시장 접근을 제한하는 정책을 시도하고 있다[1]. 이러한 차원에서 주요 환경 오염 물질인 플라스틱을 대체할 수 있는 친환경 소재로서 지속 생산가능한 리그노 셀룰로오스 섬유를 원료로 하는 종이 소재의 개발이 가시화되고 있다[2,3,4]. 특히 환경 보존 및 자원 저감 측면에서 목재 섬유에 비해 상대적으로 짧은 생육 기간을 가지는 비목재 섬유를 이용하고자 하는 시도가 일어나고 있다[5]. 한지는 일년생 닥나무의 인피섬유를 원료로 제조되는 우리나라의 전통 종이로서 내구성이 우수하고 보존성, 통기성 등이 우수한 장점을 가지고 있다[6]. 닥나무 인피섬유는 목재 섬유에 비해 중합도가 높고 섬유장이 길며 리그닌 함량이 낮아 내구성 및 강도적 특성이 우수한 종이를 제조하기 위한 원료로 사용가능하기에[7,8,9,10], 목재 종이보다 높은 강도 특성을 요구하는 플라스틱 부직포의 대체 소재 원료로서 그 사용이 기대된다. 그러나 기계 한지의 경우 수록한지와 달리 비교적 빠른 운전속도로 인하여 섬유가 기계 방향으로 배향하는 경향이 있어 종이의 방향별 강도 차이와 컬 등의 치수 안정성 문제가 발생한다[11,12,13,14]. 따라서 한지가 방향별 균일한 강도 특성을 요구하는 플라스틱 부직포 소재를 대체하기위해서는 기계 한지 제조 시 발생하는 섬유의 배향을 조절하는 기술의 개발이 선행되어야 한다.
닥나무 인피섬유와 같은 긴 섬유를 혼합하여 한지를 기계로 초지하는 경우에는 오픈 헤드박스가 장착된 저속의 단망 혹은 환망 초지기를 주로 활용한다. 장섬유인 닥나무 인피섬유를 혼합한 고강도 종이 제조 시 종이의 섬유 배향을 조절할 수 있는 운전조건을 탐색하기 위해 본 연구에서는 오픈 헤드박스가 장착된 장망식 파일럿 습지 제조설비를 구축하였다. 종이 제조 시 지료의 농도나 사출 속도와 같은 헤드 박스에서 웹 포밍 영역으로 지료가 공급되는 조건은 제조되는 종이의 물성이나 섬유 배향성에 영향을 미칠 수 있다[15,16]. 이에 본 연구에서는 닥나무 인피섬유를 혼합한 고강도 기계 한지 제조 시 종이의 섬유 배향을 조절할 수 있는 운전 조건을 탐색하기 위한 기초 연구 연구로써, 지료 농도와 헤드박스의 슬라이스 출구에서의 지료 사출 속도 등의 운전조건을 제어하여 종이의 섬유 배향성 조절이 가능한지 탐색하고자 하였다. 본 연구는 닥섬유보다 수급 및 취급이 용이하며, 목재섬유 중 상대적으로 섬유장이 긴 침엽수 표백 크라프트 펄프 섬유를 사용하여 수행하였다.
이를 위해 지료 농도를 변화시키고, 지료 공급 유량을 조절하여 헤드박스의 슬라이스 출구에서의 지료 사출 속도를 달리하며 종이 시료를 초지한 후, 각 조건별 습지필의 고형분 함량, 평량, 두께, 밀도, 지합, 인장강도 등의 특성을 비교하여 헤드박스 내 지료 농도 및 사출 속도가 종이 물성 및 섬유 배향성에 미치는 영향을 분석하고자 하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 펄프 시료
본 연구에서는 이전 연구[17]에 사용한 것과 동일한 J사의 침엽수 표백 크라프트 펄프(softwood bleached kraft pulp, SwBKP)를 사용하였으며, 실험실용 Valley Beater로 여수도 550 mL CSF로 고해하였다. 고해한 SwBKP의 평균 섬유장은 2.17 mm, 평균 섬유폭은 30.05 µm였다.
2.2 실험방법
2.2.1 종이 시료의 제조
지료의 농도와 사출 속도 등의 지료 공급 조건이 섬유 배향성 및 종이의 물성에 미치는 영향을 평가하기 위해 먼저 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 오픈 헤드박스형 파일럿 습지 제조장비(Duco, Korea)를 이용하여 습지를 제조하고, 유압 프레스(V-03, Victory Industry, Korea)로 압착 탈수한 후 실험실용 드럼 건조기(GDD 400, GIST Co., Ltd., Korea)로 건조하여 종이 시편을 제작하였다. 지료 농도에 따른 형향을 평가하기 위해 지료 농도를 달리하여 종이 시편을 제작하였는데, 지료가 0.2%로 저농도인 경우 낮은 지료 농도에 기인하여 습지필이 제대로 형성되지 않았기에 0.4% 이상의 지료 농도 조건의 경우와 달리 습지필의 원활한 형성을 위해 지료의 공급량을 6.3 L/min만큼 늘려 초지를 수행하였다(Table 1). 또한 헤드박스 출구 지료의 사출 속도 즉 사출량에 따른 영향을 평가하기 위해 헤드박스 출구 지료의 사출 속도를 지료의 펌핑 속도 조절을 통해 변화시켜 종이 시편을 제작하였다(Table 2).
Table 1.
Manufacturing conditions of paper specimens as a function of stock concentration
| Items | Conditions | ||
| Concentration of pulp slurry (%) | 0.2 | 0.4 | 0.6 |
| Pumping speed of pulp slurry1) (rpm) | 249 | 211 | |
| Feeding amount of pulp slurry1) (L/min) | 47.2 | 40.9 | |
| Vacuum pumping speed for drainage (rpm) | 800 | ||
| Wire speed (m/min) | 15.6 | ||
Table 2.
Manufacturing conditions of paper specimens based on the feeding speed of the stock from the headbox to the wire section
| Items | Conditions | |||
| Concentration of pulp slurry (%) | 0.6 | |||
| Pumping speed of pulp slurry1) (rpm) | 153 | 172 | 192 | 211 |
| Feeding speed of pulp slurry2) (m/min) | 29.3 | 33.4 | 37.3 | 40.9 |
| Feeding amount of pulp slurry1) (L/min) | 29.3 | 33.4 | 37.3 | 40.9 |
| Vacuum pumping speed for drainage (rpm) | 700 | |||
| Wire speed (m/min) | 15.6 | |||
2.2.2 종이 시료의 물성 분석
초지 시 지료의 농도와 사출 속도가 습지의 고형분 함량 및 종이의 물성에 미치는 영향을 평가하기 위해 각 종이 시료 제조 조건별 습지의 고형분 함량(KS M ISO 638-1) 및 종이의 평량(KS M ISO 536), 두께(KS M ISO 534), 벌크(KS M ISO 534), 지합(Paper PerFect Formation Analyzer, Op Test Equipment Inc., Canada), 기계 방향(machine direction, MD) 및 기계 폭 방향(cross direction, CD)의 인장강도(KS M ISO 1924-3, L&W Tensile tester, Lorentzen & Wettre, Sweden) 등을 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 지료 농도에 따른 종이 특성
웹 포밍 시 지료 농도가 종이의 섬유 배향 및 지합 등에 미치는 영향을 평가하기 위해 초지 시 지료 농도를 0.2%에서 0.6%까지 변화시켜 종이 시편을 제작한 후 각 조건별 습지의 고형분 함량 및 종이의 특성을 비교 분석한 결과를 Figs. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8에 나타내었다. Fig. 2에서 볼 수 있듯이 지료 농도가 증가할수록 습지의 고형분 함량이 증가하였다. 동일한 탈수압이 적용되는 경우 지료 농도가 높을수록 지필 형성량이 증가한 것으로 판단된다. 한편, 종이의 평량과 두께 또한 오픈 헤드박스에 공급되는 지료 농도가 0.2%에서 0.6%로 증가할수록 비례적으로 증가하였다(Figs. 3 and 4). 이는 와이어 속도가 동일한 조건에서는 공급되는 지료의 농도가 증가하면서 단위 면적당 와이어에 사출되는 지료의 양이 증가하고, 이에 따라 지필 형성 용량이 증가한 것에 기인한 결과로 판단된다. 특히 평량의 증가폭보다 두께의 증가폭이 낮았으며, 이에 상응하여 Fig. 5에서 보는 바와 같이 종이의 벌크가 감소하였다. 이러한 결과로 볼 때, 오픈 헤드박스에 공급되는 지료의 농도가 증가할수록 평량이 증가하여 감압탈수 시 핀홀이 줄어드는 등의 영향 때문에 상대적으로 치밀한 지필을 형성하였다고 판단된다.
종이의 지합은 Fig. 6에서 보는 바와 같이 지료의 농도가 증가할수록 나빠졌다. 일반적으로 초지 시 지료의 농도가 증가할수록 섬유의 응집 특성 또한 증가하는 경향이 있어 종이의 지합은 저하된다[12]. 이러한 경향은 섬유장이 길수록 더욱 두드러지므로 목재 섬유에 비해 섬유장이 긴 닥나무 인피섬유의 경우 지료의 농도가 미치는 영향이 더욱 클 것으로 예상된다[18].
Fig. 7에서 보는 바와 같이 지료 농도가 0.2%에서 0.6%로 증가할 때 종이의 기계 방향(MD) 인장지수는 24.2 N‧m/g에서 23.8 N‧m/g으로 거의 변화가 없었으나, 반면 기계 반대 방향(CD) 인강지수는 6.9 N‧m/g에서 20.0 N‧m/g으로 크게 증가하였다. 이러한 결과는 지료 농도가 증가함에 따라 CD 방향에서의 종이 결점(weak point)이 감소한 것을 의미한다. 즉, 지료 농도가 높을수록 지료의 고화(consolidation)가 빠르게 진행되어 섬유의 MD 방향 배향으로 인한 지합 개선 효과 및 결점 저감 효과는 다소 감소하였으나, 반대로 섬유 폭 방향의 불균일성이 완화된 것으로 판단된다. 이러한 경향은 MD 대비 CD 인장지수 비율을 분석한 결과에서도 확인된다. Fig. 8에서 보는 바와 같이 지료 농도가 0.2%에서 0.6%로 증가함에 따라 CD/MD 인장지수 비율이 28.8%에서 84.1%로 증가하였다. 따라서 초지 과정에서 과도한 섬유 응집이 발생하지 않는 범위 내에서 지료의 농도를 증가시킴으로써 섬유의 배향성을 효과적으로 제어할 수 있을 것으로 판단된다.
3.2 헤드박스에서의 지료 사출 속도에 따른 종이 특성
웹 포밍 시 지료의 사출 속도가 종이의 섬유 배향 및 지합 등에 미치는 영향을 평가하기 위해 Fig. 1에서 보는 바와 같이 오픈 헤드박스형 습지 제조 파일럿 장치의 지료 펌핑 양을 조절하여 헤드박스에서의 지료의 사출 속도(사출량)를 29.3 m/min (29.3 L/min)에서 40.9 m/min (40.9 L/min)까지 변화시키면서 종이 시편을 제작한 후, 각 조건별 종이 시료들의 물성을 비교 분석하고 그 결과를 Figs. 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15에 나타내었다. 지료의 사출 속도 즉 사출량을 29.3 L/min에서 40.9 L/min으로 증가함에 따라 종이 평량과 두께가 증가하였는데 평량은 약 81%, 두께는 약 71% 정도 증가하였다(Figs. 9 and 10). 와이어 속도가 동일한 조건에서 헤드박스의 지료 사출량이 증가하게 되면 단위면적당 와이어에 사출되는 지료의 속도와 양이 증가하게 되고, 이에 따라 지필을 형성하는 섬유의 양이 증가하여 최종적으로 종이의 평량과 두께가 증가한 것으로 판단된다. 그러나 지료의 사출량 증가에 따른 종이의 두께 대비 평량 증가폭이 더 높아 종이의 밀도가 증가하고 반대로 벌크는 감소하였으나 그 변화는 미미하였다(Figs. 11 and 12).
한편, 지료의 사출 속도 즉 사출량이 증가함에 따라 종이의 지합은 소폭 개선되었다(Fig. 13). 헤드박스에서 지료의 사출 속도가 증가하게 되면 지료가 헤드박스 내 난류판과 보다 강하게 충돌하면서 섬유의 응집이 일부 깨지게 되어 지합이 소폭 증가한 것으로 판단된다. Fig. 14에서 보는 바와 같이 종이의 기계 방향 및 기계 반대 방향의 인강지수는 지료의 사출 속도가 증가할수록 MD 인장지수 변화는 거의 없었으며 CD 인장지수는 증가하여 사출 속도가 증가함에 따라 섬유의 배열이 폭 방향으로 배열되는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 MD 대비 CD 인장지수 비율을 분석한 결과에서도 확인된다.
Fig. 15에서 보는 바와 같이 CD/MD 인장지수 비율은 지료의 사출 속도(사출량)가 29.3 m/min (29.3 L/min)에서 40.9 m/min (40.9 L/min)으로 증가함에 따라 56.7%에서 101.1%로 증가하였다. 특히 40.9 L/min의 조건에서는 CD 인장지수가 오히려 MD 인장지수보다 높게 나타났다. 이는 와이어 속도(wire velocity)가 일정한 조건에서 지료의 사출 속도가 증가함에 따라 제트 속도(jet velocity)가 와이어 속도를 초과(J/W 비율 > 1)하게 되어, 지료가 와이어 방향으로 상대적으로 더 강하게 충돌하는 “돌진 효과”가 발생하여 섬유가 CD 방향으로 재배열됨으로써 CD 방향의 인장지수가 증가한 것으로 판단된다. 또한 지료의 사출 속도가 증가하면 지료와 헤드박스 내 난류 판과의 충돌이 강해져 난류(turbulence)가 증가하게 되는데, 난류의 증가는 섬유 응집을 해체시키고 섬유의 폭 방향 배열을 촉진하여, 결과적으로 CD 방향 강도 향상에 기여할 수 있다. 이전 연구에서도 적정 수준의 난류가 섬유의 배향성 및 시트 균일성을 개선시킨다고 보고한 바 있다[17].
4. 결 론
본 연구에서는 장섬유의 기계 초지 시 섬유의 배향성을 조절할 수 있는 방안을 탐색하기 위해 오픈 헤드박스형 습지 제조 파일럿 초지 장비를 구축하고, 초지 시 지료의 농도와 사출 속도(사출량) 등 지료의 공급 조건을 변화시켜 종이 시편을 제작하였다. 이후 각 조건에 따른 종이 시편의 CD 및 MD 인장강도, 지합 등의 특성을 측정하여 섬유 배향성 및 종이 특성 개선에 미치는 영향을 비교 분석하였다.
실험 결과, 지료의 농도 및 지료의 사출 속도가 증가할수록 단위면적당 와이어에 공급되는 지료량이 증가함에 따라 지필 형성 용량이 높아져 종이의 평량과 두께가 모두 증가하였으며, CD 방향의 인장지수가 증가하여 CD/MD 인장지수 비율이 개선되는 것으로 나타났다. 따라서 초지 공정에서 지료 농도 및 사출 속도의 적절한 제어를 통해 종이의 섬유 배향성 제어가 가능할 것으로 기대된다.
