1. 서 론
일반적으로 인쇄용지보다 상대적으로 평량이 높은 판지(paperboard)는 천연펄프와 재생펄프를 이용하여 여러 층의 종이를 합지한 형태로 제조된다. 특히 폐지의 재활용률이 높은 국내 판지산업에서는 다양한 종류의 재생펄프를 사용하여 원가 및 품질경쟁력을 확보하기 위한 많은 노력들을 진행하고 있다.1) 그러나 재생펄프는 천연펄프에 비해 단섬유와 회분 비율이 높아 제지공정에서 탈수성을 악화시키고 판지의 강도를 저하시키는 문제를 야기한다.2,3) 따라서 이를 보완하기 위한 방안으로 백판지 공정 중심으로 목분을 기반으로 하는 유기충전제가 사용되고 있다.4)
선행연구에서 목분뿐만 아니라 다양한 비목질계 섬유자원을 이용하여 분쇄 및 분급을 통해 분말상 유기충전제를 적용하게 되면 판지의 벌크 및 건조에너지가 절감되는 효과가 보고되었다.5,6) 유기충전제를 적용할 경우 펄프 섬유 간의 거리를 증가시켜 판지의 두께가 증가하게 됨으로써 얻어지는 효과로 설명될 수 있다.7,8) 그러나 섬유 사이의 간격이 넓어짐에 따라 섬유 간의 결합면적이 감소하면서 강도적 특성들이 감소하는 현상이 발생한다.9,10) 따라서 유기충전제를 더욱 효과적으로 적용하기 위해서는 벌크 상승효과와 더불어 강도를 보완할 수 있는 기술 개발이 추가적으로 진행되어야 한다.
본 연구에서는 주요 농업부산물인 왕겨를 이용하여 제조된 유기충전제 적용에 따른 판지의 벌크 및 강도를 포함하는 판지의 물리적 특성을 분석하고 국내 주요 업체에서 분양받은 지력증강제를 적용하여 왕겨 유기충전제 적용에 따른 주요 강도의 보완 효과를 분석하고자 하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
본 연구에서는 경남지역에 위치하고 있는 미곡처리장에서 왕겨를 수집하여 사용하였다. 왕겨 유기충전제의 대조군으로 오일팜에서 발생되는 주요 부산물인 빈열매송이(empty fruit bunch, EFB) 유기충전제를 S사에서 분양받아 사용하였는데 본 연구에서는 크기가 다른 유기충전제를 대조군으로 사용하기 위해 EFB 유기충전제를 사용하였다. 수초지 제조를 위해 D사에서 분양받은 국산 폐골판지(KOCC, Korean old corrugated container)를 사용하였고 유기충전제를 수초지에 보류하기 위해 C사에서 분양받은 양이온성 PAM(Percol 175)을 사용하였다. 지력증강제는 두 종류를 사용하였는데 양이온성 PAM(C-PAM)은 H사에서 분양받아 사용하였고 양쪽성 PAM(amphoteric PAM)은 다른 H사에서 분양받아 사용하였다.
2.2 실험방법
2.2.1 왕겨 유기충전제 제조
수집된 왕겨에서 이물질을 제거하기 위해 청수로 1차 세척을 실시한 후 항온건조기를 이용하여 105℃에서 24시간 이상 충분히 건조하였다. 이후 실험용 분쇄기인 블렌더(Wonder Blender, WB-01, Sanplatec, Japan)를 이용하여 유기충전제를 산업용지에 적용 가능한 크기로 분쇄하였다.11) 분쇄된 왕겨의 분말을 첨가하여 수초지를 제작하였을 때, 표면 돌출을 고려하여6) 가장 큰 사이즈를 약 420 μm인 60 mesh로 선정하여 60 mesh가 설치된 vibratory sieve shaker(J-VSS, Jisico, Korea)를 통과한 입자들만 수집하여 사용하였다. 두 종류의 유기충전제 크기를 비교하기 위해 입도 분석기(1090LD, CILAS, France)를 사용하여 평균 입도를 측정하였다.
2.2.2 지료 조성 및 수초지 제조
KOCC를 18시간 동안 물에 침지시켰다가 10% 농도로 고속해리기를 이용하여 약 30분간 해리시킨 후 섬유가 뭉침 없이 완전히 분산된 것을 확인하고 지료로 사용하였다. 본 연구에서는 우선적으로 왕겨 유기충전제와 EFB 유기충전제 투입에 따른 수초지의 물성 변화를 파악하기 위해 평량 100±4 g/m2의 수초지를 제작하였다. 왕겨 유기충전제와 EFB 유기충전제를 각각 전건섬유대비 3, 6, 9%씩 지료에 투입한 후 600 rpm 조건으로 교반을 실시하면서 보류제로 양이온성 PAM을 전건섬유대비 0.1% 투입하였다. 교반속도를 유지한 상태에서 1분간 교반을 실시한 후 수초지를 제조하였다. 제조된 수초지는 3.5 kgf/cm2에서 5분간 압착한 후 실험실용 실린더 건조기로 120℃ 조건에서 건조시켰다.
이후 왕겨 유기충전제가 투입된 조건에서 두 종류의 지력증강제 효과를 비교하기 위해 평량 100±4 g/m2의 수초지를 제작하였다. 왕겨 유기충전제를 전건섬유대비 9%로 지료에 투입한 후 600 rpm 조건으로 교반을 실시하면서 보류제로 양이온성 PAM을 전건섬유대비 0.1% 투입하였다. 보류제를 투입하고 600 rpm 조건으로 1분간 교반을 실시하고 지력증강제를 전건섬유대비 0.1, 0.2, 0.3% 투입하고 교반속도를 유지한 상태에서 2분간 추가적으로 교반을 실시한 후 수초지를 제조하였다. 압착과 건조과정은 앞선 수초지 제조과정과 동일하게 진행되었다.
3. 결과 및 고찰
3.1 유기충전제 투입에 따른 수초지의 주요물성 변화
두 종류의 유기충전제의 투입에 따른 수초지의 벌크 변화를 Fig. 1에 도시하였다. 왕겨 유기충전제가 투입되면 수초지의 벌크가 직선적으로 증가하였다. EFB 유기충전제와 비교했을 때 동일한 투입수준에서 왕겨 유기충전제가 더 낮은 수초지 벌크를 나타냈는데 이는 Table 1에서 볼 수 있듯이 EFB 유기충전제가 더 큰 평균 입도를 가지고 있기 때문에 동일한 투입량에서 EFB 유기충전제가 왕겨보다 더 많이 벌크를 향상시킬 수 있는 것으로 판단된다.12)
Table 1.
Average particle size of organic fillers
| Organic filler | Average particle size |
|---|---|
| Rice husk organic filler | 100 μm |
| EFB organic filler | 125 μm |
Figs. 2-4에서는 왕겨 유기충전제의 투입에 따른 수초지의 열단장, 압축강도, 파열강도를 나타냈다. 전체적으로 왕겨 유기충전제가 투입됨에 따라 열단장, 압축강도, 파열강도가 감소하였는데 이는 수초지의 벌크 상승에 따른 섬유 간 결합이 낮아지기 때문이라고 판단된다.7) 유기충전제 종류별로 살펴보면 열단장은 투입량에 따라 다소 차이를 보이나 왕겨 유기충전제가 EFB에 비해 상대적으로 높은 열단장을 나타냈다. 압축강도와 파열강도의 경우에도 왕겨 유기충전제가 더 높은 강도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. Fig. 5에서는 스티프니스를 나타냈는데 투입량에 따른 스티프니스 감소는 다른 강도들보다는 완만하게 나타났으나 투입량이 증가함에 따라 지속적으로 감소하는 현상을 확인할 수 있었다.
따라서 왕겨 유기충전제가 투입됨에 따라 벌크는 직선적으로 상승하였지만 판지의 주요 강도인 열단장, 압축강도, 파열강도, 스티프니스는 벌크와 반대로 감소하는 것을 볼 수 있었다. 입도가 큰 유기충전제가 사용될수록 종이의 벌크는 더 크게 향상되나 판지의 강도는 더 많이 저하되는 것으로 나타났다. 따라서 유기충전제는 목표로 하는 펄프와 강도를 고려하여 평균 입도를 적절한 수준으로 조절하는 것이 중요하다고 판단된다.
3.2 왕겨 유기충전제와 지력증강제 투입에 따른 수초지의 주요물성 변화
왕겨 유기충전제를 전건섬유대비 9%를 투입한 조건에서 두 종류의 지력증강제를 투입하여 수초지를 제조한 후 물성을 측정하였다. Fig. 6에서는 지력증강제 투입에 따른 수초지의 벌크 변화를 나타냈는데 굵은 점선은 유기충전제가 첨가되지 않은 수초지의 벌크를 나타낸다. 왕겨 유기충전제가 투입됨에 따라 무첨가된 수초지에 비해 높은 벌크를 가지고 있었고 지력증강제가 투입됨에 따라 벌크는 소량 상승하는 경향을 보였으나 그 차이가 유의하지 않은 것으로 판단된다. 지력증강제 종류별로 살펴보면 두 종류의 지력증강제 간의 차이는 크지 않았다. Fig. 7에서는 지력증강제가 투입됨에 따른 열단장의 변화를 나타냈다. 이 때 왕겨 유기충전제는 전건섬유대비 9% 투입되었고 지력증강제는 전건섬유대비 0.1, 0.2, 0.3% 투입하였다. 지력증강제가 투입되지 않은 조건에서 왕겨 유기충전제의 무첨가 조건과 비교하면 약 20% 이상 열단장이 감소하였다. 그러나 지력증강제가 투입됨에 따라 열단장은 지속적으로 증가하였고 0.3% 투입수준에서 왕겨 유기충전제를 무첨가한 수초지의 열단장에 비해 약 10% 수준의 감소를 보여주었다. 지력증강제 간의 차이를 비교해 보면 0.1% 투입수준에서는 다소 차이를 보여주었지만 그 이상의 투입수준에서는 차이가 거의 나지 않음을 볼 수 있었다.
Fig. 6.
Bulk of handsheets as a function of the addition of dry strength agent (rice husk organic filler=9% on o.d. fibers).
Fig. 7.
Breaking length of handsheets as a function of the addition of dry strength agent (rice husk organic filler=9% on o.d. fibers).
Fig. 8에서는 지력증강제의 투입에 따른 수초지의 압축강도를 도시하였다. 지력증강제가 투입됨에 따라 압축강도는 거의 직선적으로 증가하였고 0.3% 투입수준에서는 EFB가 무첨가된 수초지의 압축강도보다 약 4% 수준의 낮은 압축강도를 나타냈다. 지력증강제가 투입되지 않은 조건에서 EFB의 무첨가와 9% 투입된 수초지의 압축강도차가 약 12% 수준임을 감안할 때 지력증강제에 의해 압축강도가 매우 높은 수준으로 증가하였음을 볼 수 있었다. 압축강도의 경우에는 양이온성 PAM이 더 높은 강도를 나타냈으나 0.3% 투입수준에서는 두 지력증강제 간의 차이는 거의 나타나지 않았다. Fig. 9에서는 지력증강제의 투입에 따른 파열강도를 나타냈는데 앞선 열단장과 압축강도에 비해 더 높은 강도 향상을 보여주었다. 지력증강제가 투입됨에 따라 거의 일차함수 수준으로 파열강도가 상승하였고 0.2% 투입수준 이상에서는 왕겨 유기충전제가 무첨가된 수초지의 파열강도보다 더 높은 파열강도를 나타내었다. 두 종류의 지력증강제를 비교해 보면 C-PAM이 다소 더 높은 파열강도를 나타내고 있음을 볼 수 있었다. Fig. 10에서는 스티프니스를 나타냈는데 지력증강제가 투입됨에 따라 지속적으로 스티프니스는 증가하는 것으로 판단된다.
Fig. 8.
Specific ring crush of handsheets as a function of the addition of dry strength agent (rice husk organic filler=9% on o.d. fibers).
Fig. 9.
Specific burst strength of handsheets as a function of the addition of dry strength agent (rice husk organic filler=9% on o.d. fibers).
Fig. 10.
Gurley stiffness of handsheets as a function of the addition of dry strength agent (rice husk organic filler=9% on o.d. fibers).
지력증강제가 투입됨에 따라 벌크는 거의 변화가 없고 열단장, 압축강도, 파열강도, 스티프니스는 개선되었다. 강도 중에서도 파열강도가 가장 높은 개선을 나타냈는데 왕겨 유기충전제가 첨가되지 않은 수초지보다도 더 높은 파열강도를 나타냈다. 그러나 다른 강도들은 왕겨 유기충전제 무첨가 수초지의 강도 수준 이상으로 개선되지는 않았다. 지력증강제 종류별로 비교해 보면 낮은 투입수준에서는 C-PAM이 다소 우수한 성능을 보여 주었으나 투입수준이 높아지면서 그 차이는 거의 나타나지 않았다. 따라서 유기충전제와 지력증강제를 병행하여 사용할 경우 유기충전제에 의한 벌크 상승효과는 유지한 채 강도를 개선할 수 있는 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 농업부산물인 왕겨를 이용하여 제조된 왕겨 유기충전제 적용에 따른 판지의 물리적 특성을 파악하고 강도 보완을 위한 지력증강제 적용 효과를 분석하고자 하였다. 왕겨 유기충전제가 투입됨에 따라 벌크는 직선적으로 상승하였지만 판지의 주요 강도인 열단장, 압축강도, 파열강도, 스티프니스는 벌크와 반비례한 경향으로 감소하는 것을 볼 수 있었다. 입도가 큰 유기충전제가 사용될수록 종이의 벌크는 더 크게 향상되나 이와 반대로 강도는 더 많이 저하되는 것으로 나타났다.
왕겨 유기충전제가 9% 투입된 조건에서 지력증강제가 투입됨에 따라 벌크는 거의 변화가 없고 열단장, 압축강도, 파열강도, 스티프니스는 개선되었다. 이들 강도 중에서도 특히 파열강도가 가장 높은 개선을 나타냈는데 왕겨 유기충전제가 첨가되지 않은 수초지보다도 더 높은 파열강도를 나타냈다. 그러나 나머지 강도들은 왕겨 유기충전제 무첨가 수초지의 강도 수준 이상으로 개선되지는 않았다. 양이온성 PAM과 양쪽성 PAM을 비교해 보면 낮은 투입수준에서는 양이온성 PAM이 상대적으로 우수한 성능을 나타냈으나 투입수준이 0.3%로 증가함에 따라 지력증강제 종류별 성능차이는 거의 나타나지 않았다.
