1. 서 론
국내 백판지 생산공정에서는 두께 상승과 건조에너지 절감을 위해서 목분(wood powder)을 사용하고 있다.1) 목분은 재생펄프에 비해 크기가 커서 종이의 두께 상승에 효과적이고 리그닌을 함유하고 있어 소수성을 띠고 있기 때문에 건조에너지 절감에도 유리하다.2) 또한 해리공정이나 리파이닝공정을 거쳐야 하는 다른 부원료와는 달리 청수에 분산시킨 후 혼합 체스트나 머신 체스트에 바로 투입할 수 있기 때문에 백판지의 부원료로 목분은 유용한 원료로 평가되고 있다.3) 하지만 목질계 자원이 부족한 국내 여건상 향후 목분의 지속적인 공급을 기대하기는 어려울 것으로 예상된다. 이러한 상황을 고려하여 목분을 대체할 수 있는 대체 자원에 대한 연구들이 보고되었다.3-6) 목분을 대체하기 위해서는 다른 산업분야에서 활발하게 사용되는 자원이 아니면서 친환경적이지만 활용처가 불명확한 자원을 활용하는 것이 유리하다고 판단된다.7) 이러한 측면에서 농업부산물 중에 하나인 왕겨를 유기충전제로 활용하는 것이 바람직할 것으로 예상되나8) 그 발생량이 많지 않아 목분을 완전히 대체하기는 어렵지만 일정부분 대체할 수 있을 것으로 판단된다. 이를 위해서는 왕겨 유기충전제와 목분의 효과를 비교, 분석하는 것이 필요할 것으로 예상된다.
본 연구에서는 국내에서 생산되는 왕겨 유기충전제와 목분을 입수하여 국내 백판지 생산공정에서 채취한 지료에 이들을 투입하여 수초지를 제조한 후 벌크, 강도적 특성, 건조에너지 감소율을 평가하였다. 이를 통해 목분 대비 왕겨 유기충전제의 기능성 수준을 분석하고 왕겨 유기충전제가 목분을 대체할 수 있을지를 파악하고자 하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
백판지 생산공정에서는 표백화학펄프(BKP), 백상고지(W/L), 신문고지(ONP), 고책지, 저급 골판지(OCC)가 사용되는데 일반적으로 목분이 투입되는 곳은 OCC 지료이다. 따라서 본 연구에서는 OCC가 충분히 해리된 상태에서 사용하기 위해 국내 K사의 OCC 라인에 설치되어 있는 머신 체스트(machine chest)에서 OCC 지료를 채취하여 사용하였다. 기본 물성 측정시 대조군으로 W/L과 ONP 지료를 각 라인의 머신 체스트에서 채취하여 사용하였다.
본 실험에 사용된 유기충전제는 국내 D사에서 제조한 왕겨 유기충전제(Rice husk organic filler; RH)와 두 종류의 상업용 목분(Wood powder; WP1, WP2)을 사용하였다. 수초지 제조시 크기가 작은 유기충전제 입자를 수초지에 보류하기 위해 C사에서 분양받은 양이온성 PAM(C-PAM)을 사용하였다.
2.2 실험방법
2.2.1 OCC 원료와 유기충전제의 기본 물성 측정 방법
백판지 3종류의 머신체스트에서 채취된 W/L, ONP, OCC 지료를 이용하여 펄프의 탈수성과 관련이 있는 여수도(freeness)를 TAPPI T 227에 의거하여 캐나다 여수도 측정기(canadian freeness tester)를 이용하여 측정하였고 섬유장분석기(Kajaani fiber lab, Metso, Finland)를 이용하여 평균 섬유장과 평균 섬유폭을 측정하였다. 미세분 함량과 회분함량은 각각 TAPPI T 261, 211에 의거하여 측정하였다.
왕겨 유기충전제와 목분의 물성을 평가하기 위해 섬유와 마찬가지로 섬유장분석기(Fiberlab, L&W, Sweden)를 이용하여 평균 섬유장과 섬유폭을 측정하였고 주사전자현미경(JSM-5600LV, JEOL, Japan)을 이용하여 형태를 분석하였다.
2.2.2 왕겨 유기충전제와 목분을 적용한 수초지 제조 및 물리적 특성 평가 방법
생산라인에서 채취한 OCC 지료는 3%-4% 농도이므로 실험실적으로 수초지를 제조하기에 농도가 높았다. 청수를 이용하여 machine chest에서 채취한 OCC 지료를 0.5% 농도로 희석을 실시한 후 사용하였다. 벌크와 강도 측정을 위해 TAPPI Standard Method T 205에 의거하여 100±4 g/m2의 수초지를 제작하였다. 왕겨 유기충전제와 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 건조시켰다. 수초지를 조습처리한 후 TAPPI Standard Test Methods에 의거하여 벌크(TAPPI T 411), 인장강도(TAPPI T 494), 파열강도(TAPPI T 403), 압축강도(TAPPI T 818)를 각각 측정하였다.
2.2.3 건조에너지 감소율 평가를 위한 수초지의 건조에너지 감소율 평가 방법
습지필의 수분함량 측정을 위해 2.2.2에서 제조된 수초지를 건조시키기 전에 취하여 최종적으로 수분함량 측정용 습지필을 제조하였다. 이후 항온건조기(WiseVen, Daihan Scientific, Korea)를 사용하여 105°C 조건으로 전건시켜 습지필의 수분함량을 측정하였다.3,9) Peel은 프레스 이후 1% 건조도를 높이면 건조공정에서 4%의 에너지를 절감할 수 있다고 보고하였다.10) 따라서 본 연구에서는 프레스 공정이후 습지필의 수분함량을 측정하여 건조공정에서 건조에너지 절감 가능성을 상대적으로 비교하였고 습지필 수분함량을 이용하여 식 1과 같이 건조에너지 감소율을 계산하였다.3)
3. 결과 및 고찰
3.1 OCC 지료와 유기충전제의 기본 물성 측정 결과
Table 1에서는 재생펄프인 W/L, ONP, OCC 지료의 여수도, 평균 섬유장, 미세분 함량, 회분함량을 도시하였다. 탈수성과 관련이 있는 여수도는 OCC가 가장 높았고 ONP가 가장 낮게 나타났으나 평균 섬유장을 살펴보면 ONP와 OCC는 거의 유사하였으나 W/L이 가장 낮았다. 미세분 함량은 세 종류의 지류가 30% 수준을 보여주었고 ONP가 가장 높게 나타났다. 회분 함량은 OCC가 가장 높았고 W/L과 ONP가 유사한 수준을 나타냈다. 재생펄프는 재활용과정을 통해서 섬유가 절단되거나 피브릴화가 진행되고 충전제, 안료, 무기 이물질 등이 혼입되기 때문에 미세분 함량과 회분 함량이 상승하게 되는 것으로 판단된다. 특히 OCC는 재생펄프 중에서 미세분 함량과 회분 함량이 상대적으로 높기 때문에 OCC의 함량이 높아질수록 탈수성은 떨어지고 건조에너지가 증가할 뿐만 아니라 종이의 강도가 저하될 것으로 판단된다.
Table 1.
Properties of the stocks obtained from duplex board mill
| Stock | Freeness (mL CSF) | Average fiber length (mm) | Fines content (%) | Ash content (%) |
|---|---|---|---|---|
| W/L | 345 | 0.70 | 31.0 | 5.0 |
| ONP | 280 | 1.10 | 35.5 | 5.8 |
| OCC | 360 | 1.09 | 34.9 | 22.7 |
왕겨 유기충전제와 목분의 평균 섬유장과 섬유폭의 상관관계를 Table 2와 Figs. 1-2에 나타냈다. 왕겨 유기충전제의 길이는 목분보다 짧았으나 섬유폭의 균일성은 목분보다는 높게 나타났다. 또한 Figs. 3-4에 도시한 유기충전제의 형태를 살펴보면 왕겨 유기충전제와 목분은 큰 차이를 보이지 않았다. 두 종류의 목분은 실제 백판지 생산공정에서 사용되기 때문에 왕겨 유기충전제를 사용할 경우 백판지 표면 결합 중에 하나인 표면돌출을 피할 수 있을 것으로 판단되고 왕겨 유기충전제의 입자 균일성이 목분에 비해 높아 유기충전제에 의한 벌크와 건조에너지 절감에 유리할 것으로 판단된다.
3.2 유기충전제 적용에 따른 수초지의 벌크와 강도적 특성 평가
유기충전제의 투입에 따른 수초지의 벌크변화를 Fig. 5에 도시하였다. 왕겨 유기충전제가 두 종류의 목분 보다 더 높은 벌크를 나타냈다. 앞선 왕겨 유기충전제의 평균 섬유장이 두 종류의 목분 보다 낮았으나 입자의 균일성이 더 높았기 때문에 수초지의 벌크가 더 높게 나타난 것으로 판단된다. 또한 목분 중에서 WP2가 더 길기 나타냈기 때문에 더 높은 벌크를 나타낸 것으로 판단된다.
Figs. 6-8에서는 유기충전제의 투입에 따른 수초지의 인장강도, 파열강도, 압축강도를 나타냈다. 전체적으로 유기충전제가 투입됨에 따라 인장강도, 파열강도, 압축강도가 감소하였는데 이는 수초지의 벌크 상승에 따른 섬유 간 결합이 낮아지기 때문이라고 판단된다.1) 인장강도는 투입량에 따라 다소 차이를 보이나 왕겨 유기충전제가 두 종류의 목분에 비해 더 높은 인장강도를 나타냈다. 파열강도는 3% 투입수준에서는 왕겨 유기충전제가 두 종류의 목분 중간 수준을 나타내나 투입량이 증가함에 따라 모든 종류의 유기충전제가 거의 유사한 강도를 보여주었다. 파열강도는 인장강도와 동일한 경향을 보여주었다.
전체적으로 살펴보면 왕겨 유기충전제가 목분에 비해 더 높은 벌크를 나타냈고 인장강도, 파열강도, 압축강도는 목분보다 낮지 않았다. 이로 볼 때 왕겨 유기충전제는 현장지료 조건에서 목분 이상의 기능성을 나타내는 것으로 판단된다.
3.3 유기충전제 적용에 따른 수초지의 건조에너지 평가
왕겨 유기충전제와 목분의 투입에 따른 습지필의 수분함량을 측정하였고 이를 이용하여 건조에너지 감소율을 계산하였고 Fig. 9에 도시하였다. 낮은 투입량에서는 평균 섬유장이 가장 높은 WP2가 가장 높은 건조에너지 감소를 나타냈고 왕겨 유기충전제는 중간 수준을 나타냈다. 투입량이 증가함에 따라 왕겨 유기충전제와 평균 섬유장이 더 높은 WP2와 거의 동등한 수준의 건조에너지 감소율을 보여주었다. 이로 볼 때 백판지 생산공정에서 사용되는 목분의 투입수준이 전건섬유 9%에서는 왕겨 유기충전제가 목분 이상의 건조에너지 감소율을 나타내는 것으로 판단된다. 따라 실제 백판지 생산공정에서 왕겨 유기충전제가 적용되면 목분 수준의 건조에너지 절감을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 왕겨 유기충전제와 목분의 기능성을 비교, 평가하여 왕겨 유기충전제의 목분 대체 가능성을 평가하고자 하였다. 이를 위해 백판지 생산공정에 적용되는 왕겨 유기충전제와 두 종류의 목분을 입수하여 국내 백판지 생산공정에서 채취한 OCC 지료에 투입하여 수초지를 제조하고 벌크, 강도, 건조에너지 감소율을 평가하였다. 또한 생산공정에서 목분이 투입되는 OCC 지료의 기본 물성과 왕겨 유기충전제와 목분의 주요 물성을 측정하였다.
OCC 지료는 다른 주요 폐지보다 미세분과 회분함량이 높기 때문에 탈수성이 낮고 건조에너지가 많이 소비될 것으로 판단되고 왕겨 유기충전제는 두 종류의 목분보다 평균 섬유장이 낮으나 전체적으로 입자 균일성이 높은 것으로 나타났다.
유기충전제에 의한 벌크 상승 효과를 비교해 보면 왕겨 유기충전제가 두 종류의 목분보다 높게 나타났으나 인장강도, 파열강도, 압축강도는 목분 수준 이상을 보여주었다. 유기충전제에 의한 건조에너지 감소율을 비교해 보면 낮은 투입수준에서는 왕겨 유기충전제보다 목분이 더 효율적이었으나 투입수준이 증가함에 따라 왕겨 유기충전제에 의한 건조에너지 감소율을 목분 수준을 보여주었다.
종합적으로 볼 때 왕겨 유기충전제의 기능성은 목분 수준을 나타냈기 때문에 왕겨 유기충전제는 목분을 충분히 대체할 수 있을 것으로 판단된다.
