1. 서 론
과일봉지(fruit bag)는 종이 제품으로 과실의 상품성과 품질향상을 위해 사용되는 부자재이다. 과일봉지의 역할은 과실의 착색 방지, 해충과 조수에 의한 피해 보호, 수분에 의해 감열될 수 있는 병균 차단, 농약 사용으로부터 안전성 확보 등이고1,2) 주로 포도, 배, 사과, 복숭아, 망고 등의 과실 재배에 사용된다.3) 과일봉지는 불확실한 외부 환경에서 과실을 보호해야 하기 때문에 우수한 물리적 특성이 필요한데 특히 고강도와 고내수성이 요구된다. 과일봉지를 제조하는 원지는 일반 종이제품에 비해 평량이 낮은 지종이기 때문에 강도와 내수성을 부여하기 위해서는 다양한 기술이 필요하다. 일반적으로 종이의 강도와 내수성을 향상시키기 위해서는 합성고분자를 포함한 석유화학계 약품을 적용하는데4) 과일봉지는 과일과 바로 접촉하기 때문에 친환경적인 강도 향상 방안이 요구된다. 과일봉지 원지는 과일의 종류와 소비자의 요구에 따라 원료와 구조는 다소 차이가 있으나 본 연구에서는 배봉지로 사용되는 착색지(coloring paper)를 목표로 하였다. 착색지는 2겹의 박엽지가 합지형태로 생산되는데 윗층(top)은 활엽수 표백화학펄프와 유리간지의 혼합층으로 구성되어 있고 아랫층(bottom)은 검은색 염료가 투입된 폐신문지로 구성되어 있다. 착색지 또한 배를 보호하기 위한 고강도 특성이 요구되고 착색지 구조상 활엽수 화학펄프로 구성된 윗층에 의해 종이의 강도가 결정된다. 따라서 활엽수 화학펄프보다 상대적으로 높은 강도를 가지는 화학펄프를 함께 첨가하여 사용한다면 강도를 추가적으로 높일 수 있을 것으로 판단된다. 펄프 선정에 있어서 지속적인 자원의 공급 및 순환과 국내의 낮은 목재 자급률을 고려했을 때, 펄프 시장에서 활엽수 화학펄프를 대체할 수 있는 펄프자원 발굴이 요구되고 이에 따라 다양한 비목질계 자원의 적용 가능성을 평가할 필요가 있다.
여러 연구에서 목질계 자원을 대체하기 위해 짚, 사탕수수, 인피섬유, 대나무와 같은 비목질계 자원을 이용하여 펄프화 가능성을 평가해 온 바 있다.5,6) 이러한 비목질계 섬유를 실제 산업에 적용하기 위해서는 발생량이 보장되어야 하고 수급이 용이해야 하는데, 대나무는 아시아 권역에서 크게 분포하고 있으며7) 속성수이기 때문에 목재 펄프의 대체 원료로 수급 가능성이 높다.8) 또한 대나무 펄프는 다른 비목질계 섬유에 비하여 활엽수와 화학적 성분이 유사하고 섬유장이 길어 강도 향상에 유리한 것으로 알려져 있다.9) 최근 이러한 대나무 섬유의 기계적 특성을 활용하여 고분자 복합재의 강도 향상을 유도하거나10,11) 제지분야의 종이 강도 향상을 위한 연구가 진행된 바 있어,12) 대나무 섬유는 착색지의 강도 상승을 위한 적절한 비목질계 자원이 될 것으로 사료된다.
본 연구에서는 배봉지 원지로 사용되는 착색지의 강도를 향상시키기 위해 활엽수 화학펄프를 대체할 수 있는 비목질계 화학펄프의 적용 가능성을 평가하고자 하였다. 이를 위해 실험실적으로 대나무 화학펄프와 활엽수 화학펄프의 혼합비율에 따른 강도 변화를 분석하였고 이를 통해 도출된 배합비를 적용하여 박엽지 생산공정에서 현장 테스트를 진행하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
본 연구에서는 대나무 표백 화학펄프(bamboo bleached kraft pulp; Ba-BKP)를 중국 C사에서 구입하여 사용하였고 착색지의 원료로 사용되는 활엽수 표백 화학펄프(hardwood bleached kraft pulp; Hw-BKP)는 M사에서 분양받아 사용하였다. 대조군으로 침엽수 표백 화학펄프(softwood bleached kraft pulp; Sw-BKP)도 M사에서 분양받아 사용하였다. 3종류의 펄프 이미지를 Fig. 1에 도시하였다.
2.2 실험방법
2.2.1 대나무 화학펄프의 주요 특성 분석
대나무 화학펄프의 주요 특성을 분석하고 목질계 펄프와 비교하기 위해 대나무 화학펄프, 활엽수 화학펄프, 침엽수 화학펄프를 실험실용 밸리비터(Valley beater, Daeil Machinery Co.Ltd, South Korea)를 이용하여 각각 15분간 해리하였다. 3종류의 초기 여수도를 측정하기 위해 캐나다 여수도 측정기(Canadian Freeness Tester)를 사용하였고 섬유장 측정기(FQA-360, OpTest Equipment Inc., Canada)를 이용하여 평균 섬유장(length weighted average fiber length), 평균 섬유폭(average fiber width), 컬(curl)을 측정하였다. 섬유 형태 분석을 위해 광학현미경(BX51, Olympus, Japan)을 이용하여 펄프 섬유의 현미경 이미지를 촬영하였다.
2.2.2 대나무 화학펄프 적용 실험실 테스트 방법
본 연구에서는 착색지 윗층의 강도를 높이기 위한 방안으로 대나무 화학펄프를 적용하고자 하였기 때문에 착색지 원료인 활엽수 화학펄프와 배합비를 달리하여 수초지를 제조한 후 강도 변화를 분석하였다. 두 종류의 화학펄프를 실험실용 밸리비터(Valley beater, Daeil Machinery Co. Ltd, South Korea)를 이용하여 여수도 575 mL CSF 조건으로 고해하였고 이후 0.7% 농도로 희석하였다. 고해처리된 대나무 화학펄프와 활엽수 화학펄프의 전건무게를 기준으로 하여 배합비를 5:5, 3:7, 1:9로 혼합하여 수초지 제조를 위한 최종 지료를 준비하였다. 이 지료를 이용하여 평량 60 g/m2의 습지필을 제조한 후 410±10 kPa에서 5분간 압착하고 실린더드라이어로 120℃ 조건에서 건조시켰다. 제조된 수초지는 23℃, 50% RH 조건에서 24시간 조습처리한 후, TAPPI standard method에 의거하여 벌크(TAPPI T 411), 인장강도(TAPPI T 494), 파열강도(TAPPI T403)를 측정하였고, 섬유간 결합 여부를 파악하기 위해 분광광도계(Elrepho spectrophotometer, L&W, Sweden)를 이용하여 광산란계수를 측정하였다. 광산란계수의 공식은 Eq. 1과 같다.
2.2.3 대나무 화학펄프 적용 현장 테스트 방법
실험실 테스트를 통해 대나무 화학펄프 적용에 따른 강도 변화를 분석하였고 이를 바탕으로 경남소재 박엽지 전문생산업체인 N사에서 대나무 화학펄프 적용에 따른 착색지의 강도 상승효과를 현장 테스트를 통해 확인하고자 하였다. N사 생산공정은 크게 지료 조성공정과 초지공정으로 구분되는데 지료 조성공정은 천연펄프나 재생펄프를 펄퍼에 해리한 다음 정선공정과 고해공정을 통해 지료가 준비된다. 그 다음 지종에 따라 필요한 약품이 투입된 후 머신 체스트(machine chest)에 최종 지료가 저장되고 이후 초지공정으로 이송되게 된다. 따라서 본 연구에서는 신규 대나무 화학펄프 적용을 통한 착색지의 강도 변화를 평가하기 위해서 초지공정은 기존 착색지 생산 조건으로 유지하고 지료 조성공정을 중심으로 테스트 조건을 적용하였다. 착색지에 사용되는 활엽수 화학펄프, 폐신문지 등의 재생펄프, 염료, 기타 첨가제는 동일하게 투입하였고 대나무 화학펄프와 활엽수 화학펄프를 각각 고해한 후 믹싱 체스트(mixing chest)에서 대나무 화학펄프와 활엽수 화학펄프의 배합비를 전건섬유 대비 2:8로 조절하여 최종 지료를 조성하였다. 이후 48 g/m2의 착색지를 생산하였는데 테스트 초기에 대나무 화학펄프가 혼합된 착색지를 생산하였고 대나무 화학펄프가 완전히 소진된 후 기존 원료 조건으로 대나무 화학펄프가 혼합되지 않은 대조군 착색지를 생산하였다. 현장 테스트를 통해 생산된 두 종류의 착색지는 23℃, 50% RH 조건에서 24시간 조습처리한 후, TAPPI standard method에 의거하여 평량(TAPPI T 410), 인장강도(TAPPI T 494), 파열강도(TAPPI T403)를 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 대나무 화학펄프의 주요 물성 평가
본 연구에서 사용한 표백 화학펄프들의 주요 물성을 Table 1에 나타냈다. 펄프 자체의 탈수성을 나타내는 초기 여수도(initial freeness)는 펄프 선정에 중요한 특성으로 대나무 화학펄프는 654 mL CSF를 나타냈고 활엽수 화학펄프와 침엽수 화학펄프는 각각 615, 730 mL CSF를 나타냈다. 여수도 차이는 있지만 대나무 화학펄프는 침엽수 화학펄프에 비하여 활엽수 화학펄프와 더 유사한 탈수성을 가지는 것으로 판단되었다. 평균 섬유장은 침엽수 화학펄프가 가장 길었고 대나무 화학펄프는 1.13 mm로 활엽수 화학펄프보다는 긴 것으로 나타났다. 평균 섬유폭 또한 침엽수 화학펄프가 가장 크게 나타났고 활엽수 화학펄프와 대나무 화학펄프는 큰 차이를 보이지 않았다. 섬유의 curl은 종이 물성에 큰 영향은 미치지 않지만 신장률이나 탈수에 영향을 줄 수 있는 인자 중 하나로13) 대나무 화학펄프가 가장 높은 것으로 나타났다.
Table 1.
Charactersitics of BKPs
| Pulp | Initial freeness (mL CSF) | Average fiber length (mm) | Average fiber width (μm) | Curl (%) |
|---|---|---|---|---|
| Ba-BKP | 653 | 1.13 | 17.8 | 0.261 |
| Hw-BKP | 615 | 0.67 | 18.9 | 0.130 |
| Sw-BKP | 734 | 2.07 | 33.8 | 0.151 |
화학펄프의 형태를 분석하기 위해 광학현미경으로 이미지를 촬영하였고 Figs. 2-4에 나타냈다. 대나무 화학펄프와 침엽수 화학펄프, 활엽수 화학펄프를 비교했을 때, 침엽수 화학펄프는 다른 두 펄프에 비해 상대적으로 길고 대나무 화학펄프와 전혀 다른 형태를 가지고 있었으며 대나무 화학펄프는 활엽수 화학펄프에 비해 상대적으로 길지만 형태는 유사한 것으로 판단되었다. 고해를 진행한 이후 대나무와 활엽수 화학펄프의 이미지를 Fig. 5에 나타냈는데 두 수종 모두 섬유의 절단과 피브릴화가 발생하였고 섬유 형태 또한 큰 차이를 나타내지 않았다.
따라서 대나무 화학펄프는 침엽수와 활엽수 화학펄프의 중간 수준의 여수도와 섬유장 특성을 가지면서 활엽수 화학펄프와 유사한 것으로 나타났기 때문에, 착색지 공정에서 활엽수 화학펄프를 일부 대체 적용이 가능할 것으로 판단되며 섬유장이 상대적으로 길어 강도 향상에도 유리할 것으로 판단된다.
3.2 대나무 화학펄프 적용에 따른 수초지의 강도 평가
대나무 화학펄프와 활엽수 화학펄프를 각각 575 mL CSF로 고해한 후 최종 지료 조성과정에서 배합비를 전건섬유 대비 5:5, 3:7, 1:9로 조정하여 수초지를 제조하였고 벌크, 인장강도, 파열강도를 측정하였다. Fig. 6에 575 mL CSF로 고해된 대나무 화학펄프와 활엽수 화학펄프로 제조된 수초지의 벌크를 나타냈다. 대나무 화학펄프가 활엽수 화학펄프에 비해 더 낮은 벌크를 나타냈으며 대나무 화학펄프의 배합비가 증가함에 따라 수초지의 벌크는 감소함을 확인할 수 있었다. Fig. 7에 대나무 화학펄프와 활엽수 화학펄프로 제조된 수초지의 인장강도를 도시하였다. 대나무 화학펄프가 활엽수 화학펄프보다 더 높은 인장강도를 나타냈고 대나무 화학펄프의 배합비가 증가함에 따라 인장강도는 증가하였다. 대나무 화학펄프와 활엽수 화학펄프로 제조된 수초지의 파열강도를 비교해 보면 Fig. 8에서 확인할 수 있듯이 대나무 화학펄프가 활엽수 화학펄프보다 더 높은 파열강도를 나타냈고 대나무 화학펄프의 배합비가 증가함에 따라 파열강도는 증가하였다. 일반적으로 종이의 강도는 지료로 사용되는 섬유 자체 강도 또는 섬유 간 결합면적으로 평가할 수 있는데, 이때 광산란계수의 경우 섬유간 결합면적의 직접적인 영향을 받기 때문에 섬유간 결합면적에 대한 지표로 활용된다. 대나무 화학펄프와 활엽수 화학펄프로 제조된 수초지의 광산란계수를 Fig. 9에서 나타냈는데 강도가 더 높은 대나무 화학펄프가 더 낮은 광산란계수를 나타내고 대나무 화학펄프의 혼합비율이 증가할수록 광산란계수가 증가하였다. 이러한 결과는 대나무 화학펄프의 혼합에 따라 섬유 간의 결합이 증가한 것을 나타내며 이에 따라 수초지의 강도가 효과적으로 상승한 것으로 판단된다. 따라서 활엽수 화학펄프의 일부를 비목질계 대나무 화학펄프로 대체할 경우 착색지의 강도 향상을 기대할 수 있을 것으로 판단하였고 현장 테스트를 통해 그 효과를 확인하고자 하였다.
3.3 대나무 화학펄프 적용에 따른 착색지 시제품의 강도 평가
대나무 화학펄프 투입에 따른 테스트 제품의 이미지를 Fig. 10에 도시하였다. 윗면은 활엽수 표백 화학펄프와 혼합하여 제조되었기 때문에 백색을 띠고, 뒷면은 폐신문지와 검정 염료를 사용하여 제조되었기 때문에 흑색을 띠고 있었다. 공정에 따라 합지된 상태로 시제품을 생산하였으며 해당 시료를 수집하여 강도를 측정하였다. Fig. 11에 테스트 제품과 대조군의 평량을 나타냈는데 대나무 화학펄프 미투입 착색지와 대나무 화학펄프가 투입된 테스트 제품의 평량을 살펴보면 현장 테스트 시 평량은 47~49 g/m2 수준으로 나타나, 목표 평량인 48 g/m2 에 유사한 것으로 나타났다. 인장강도의 경우 Fig. 12에서 볼 수 있듯이 대나무 화학펄프가 투입됨에 따라 인장강도는 MD, CD 방향 모두 상승하였고 MD 방향 기준으로 2.80 kN/m에서 3.58 kN/m으로 27.8% 상승효과가 나타났다. 파열강도는 Fig. 13과 같이 대나무 화학펄프 투입에 따라 157 kPa에서 188 kPa로 20.0% 상승하여, 수초지의 강도 평가 결과와 동일한 경향으로 대나무 화학펄프를 적용함에 따라 인장강도 및 파열강도가 상승하는 것으로 나타났다. 결과적으로 비목질계 대나무 화학펄프가 활엽수 화학펄프를 20% 대체할 경우 인장강도는 최대 27.8%, 파열강도는 최대 20.0% 상승하는 것을 확인할 수 있었다.
4. 결 론
본 연구에서는 배봉지 원지인 착색지의 강도 향상을 위해 비목질계 자원인 대나무 표백 화학펄프의 특성을 분석하고 대나무 화학펄프로 활엽수 화학펄프를 일부 대체함에 따른 착색지의 강도 향상 효과를 평가하고자 하였다. 이를 위해 대나무 화학펄프, 활엽수 화학펄프, 침엽수 화학펄프의 주요 물성을 분석하고 실험실적으로 대나무 화학펄프와 활엽수 화학펄프의 혼합비율을 달리하여 수초지의 강도를 분석하였다. 이후 대나무 화학펄프를 적용하여 박엽지 생산공정에서 현장 테스트를 통해 착색지 시제품을 생산하고 강도를 측정하여 강도 향상 효과를 확인하고자 하였다.
대나무 화학펄프와 상업용 화학펄프의 초기 여수도, 섬유장, 섬유폭, 섬유 형태를 분석한 결과 대나무 화학펄프는 활엽수 화학펄프와 초기 여수도와 섬유 형태는 유사하지만 섬유장은 다소 긴 것으로 나타났고, 이는 활엽수 화학펄프의 일부 대체와 강도 개선 가능성을 제시하는 것으로 판단된다. 이를 확인하기 위해 대나무 화학펄프와 활엽수 화학펄프의 혼합비율을 조절하여 수초지의 강도를 분석한 결과, 대나무 화학펄프의 혼합비율이 증가할수록 인장강도와 파열강도는 증가하였고 박엽지 생산공정에서 착색지의 현장테스트 결과 대나무 화학펄프가 활엽수 화학펄프를 20% 대체할 경우 인장강도는 27.8%, 파열강도는 20.0% 상승하는 것으로 나타났다. 따라서 대나무 표백 화학펄프를 적용할 경우 착색지에 사용되는 활엽수 표백 화학펄프를 대체함과 동시에 강도 개선도 기대할 수 있는 것으로 판단된다.
