1. 서 론
종이의 용도에 따라 요구되는 물리적 특성이 다르다. 종이의 강도적 특성은 매우 중요한 품질기준으로서 생산현장에서는 주-부원료 종류, 배합, 원료 해리성, 고해정도, 보류특성 등의 실시간 관리를 통해서 균일한 강도 품질을 유지하고자 많은 노력을 기울이고 있다. 그러나 종이의 강도는 계절에 따라 달라지는데 온도가 낮은 동절기에 생산되는 종이의 강도가 온도가 높은 하절기에 생산된 경우보다 우수한 경향을 보인다. 버진펄프를 고해 처리하여 종이의 강도를 증가시켜 주는 경우 무더운 하절기 지료온도가 상승하게 되면 섬유가 수축되고 강직하게 되어 같은 동일 고해 동력조건에서 지료 고해능력이 떨어짐에 따라 공정수 온도가 높은 하절기에 종이의 강도가 떨어질 수 있지만,1) 조성공정 중 별도의 고해처리를 하지 않는 재생 골판지 원지가 하절기에 강도가 떨어지는 것은 고해 조건 측면에서 이해되지 않는 부분이다. 또한, 재활용 골판지 원지의 생산조건 측면에서 볼 때 동절기 보다 하절기에 공정수 온도가 높아 공정수 점도가 낮은 만큼 습부에서의 탈수가 용이한 장점이 있다. 따라서 헤드박스에서 사출되는 지료를 더 희석할 수 있고 이에 습부공정에서 지합개선을 유도할 수 있으므로 종이의 강도는 하절기에 더 우수해야 하는데 실제 폐지 재활용 현장의 경우 동절기에 종이 강도가 더 우수하다. 그러므로 계절에 따른 골판지 원지의 강도변화 원인을 초지나 고해 이외에서 찾아야 하며, 계절변화에 따른 골판지 원지강도의 변동요인으로서 일차적으로 공정수 해리 온도에 따른 해리공정의 영향을 전보2)에서 고찰한 바 있다. OCC(old corrugated containers)의 해리온도에 따른 해섬정도를 분석하고 수초지 후 강도를 평가한 결과, 해리 온도의 차이가 재생 섬유의 표면 개질에 영향하는 결과를 확인함에 따라 해리 온도에 따른 섬유표면의 개질정도가 OCC 재활용 현장에서 발생하는 계절별 종이 강도변화의 원인 중 하나임을 알 수 있었다.2)
또한 다른 영향인자로서 재활용 골판지를 생산하는 원료 측면에서 검토하고자 하였다. 국내에서 생산되는 골판지 원지는 대부분 골판지 제조에 재사용되고 있다. 골판지 원지 생산에 주원료로 사용되는 OCC는 압축베일 형태로 펄퍼 투입되어 슬러리로 분산된다. 해리공정에서 OCC 원료에 포함되어 있는 용해성 물질은 지료상에 분산되어 스크린 등의 정선과정에서 걸러지지 않고 종이에 다시 보류될 수 있다.
골판지 제조 시 가장 많이 사용되는 부원료로서 전분을 들 수 있다. 전분은 천연고분자 물질이기에 가격이 저렴하여 제지산업에서 보류향상과 지력증강을 목적으로 내첨하거나 표면개질을 위해서 사이즈프레스용으로 적용되고 있고 다층판지 제조 시 층간결합용 강도개선제로 다양하게 사용되고 있다. 또한, 골판지 제조 시 라이너지와 골심지의 접착제로도 적용되고 있다. 골판지 제조 시 접착용으로 사용되는 전분은 팽윤 전분과 미팽윤 전분을 혼합하여 골심지와 라이너지를 결합하는 공정에서 적용되며 습윤-확산-흡수-겔화-접착-건조과정을 통하여 접착층을 형성하고 골심지와 라이너지를 결합시키는 역할을 수행한다.3,4) 이때, 접착작용을 하는 미팽윤 전분이 겔화점까지 온도가 상승하지 않으면 라이너지와 골심지 사이에 미팽윤 미립자 형상으로 잔류하기도 한다. 이러한 Stein-Hall 방식의 전분 접착제가 라이너지 제조공정의 탈수성 악화요인으로 작용한다는 사례 보고도 있다.3) 성형된 골판지가 해리되는 과정에서 전분 접착층도 미분화되는데 이 때 잘게 부서진 전분 접착층이 팽윤하여 습지필의 공극(pore)을 막아 탈수가 더디어지는 문제가 유발된다고 한다. 이와 같이 전분 접착제가 종이 제조 시 탈수 등에 영향을 미치는 만큼 온도에 따라 팽윤 또는 용해되는 정도에 차이가 있어 종이의 강도에도 영향을 미칠 수 있다. 따라서 Stein-Hall 방식으로 제호된 전분이 재활용 공정상에 팽윤된 혹은 완전히 호화, 용해된 상태로 다르게 존재함에 따른 종이 물성의 변화를 분석한다면 계절에 따른 공정수 온도의 변동이 초래하는 종이 강도변화를 이해할 수 있을 것으로 기대된다.
이에 본 연구에서는 재생 골판지 원지의 강도에 미치는 계절적 요인을 분석하기 위하여 Stein-Hall 방식의 전분 접착제를 적용할 때 공정수 온도에 따른 전분 접착제의 형태 변화가 전분 접착제의 보류와 종이의 강도에 영향하는 바를 파악하고자 수초지 후 종이에 잔존하는 전분 접착제 양을 정량하고 종이의 강도를 측정, 비교하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
본 실험의 시료로 실제 OCC를 대신하여 태림페이퍼(주)에서 국산 OCC 100%를 원료로 하여 생산된 골판지 원지(라이너지, 180 g/m2)를 분양받아 사용하였고 전분은 Stein-Hall 방식으로 제호된 전분 접착제(농도 20%)로서 태림포장(주)에서 분양받아 사용하였다.
2.2 실험방법
2.2.1 Stain-Hall 방식의 전분 접착제 분말제조
성형된 골판지가 해리되는 과정에서 미분화되는 전분 접착층을 임의로 구현하기 위해서 태림포장(주)에 분양받은 제호된 전분 접착제를 105°C에서 2시간 동안 건조시킨 후 건조된 전분을 고속교반기(Wonder blender, Osaka Chemical Co., Japan)를 사용하여 15초 동안 건식으로 분쇄하여 분말형태로 조제하였다. 각각의 제조된 형상을 Fig. 1과 Fig. 2에 나타내었다.
2.2.2 원료의 해리
본 실험에서는 OCC 재활용 현장의 해리 및 정선처리를 실험실적으로 최대한 재현하기 위하여 프랑스 국립펄프제지연구소 CTP(Centre Technique Du Paper)에서 고안한 스크린 시스템인 LAM’RCF를 활용하였다(Fig. 3). 골판지 원지의 해리농도는 10%, 교반속도를 500 rpm으로 고정하고 30분간 해리하였다.
2.2.3 침지처리
2.2.2항의 방법으로 해리된 농도 10%의 OCC 펄프 원료에 건조된 Stein-Hall 전분 접착제 분말 0, 1, 2, 4, 8% 투입하고 지퍼팩에 담은 후 항온수조에서 온도를 15, 30, 45, 60°C로 달리하면서 3시간 동안 침지처리 하였다. 재활용 제지 원료의 해리 단계부터 성형된 골판지와 공정수 온도를 달리하면서 지료를 조성할 수 있었으나 이미 보고한 바와 같이2) 해리온도에 따른 지료의 여수도 변화가 일어나기에 전분 접착제 형태 변화에 따른 재생지의 강도 변화만을 평가하기에는 적합하지 못하였다. 따라서 전분 접착제의 변화에 의한 평가를 위해서 골판지가 아닌 골판지 원지를 동일한 조건에서 한 번에 해리하고 건조 후 분말화한 Stein-Hall 전분 접착제를 투입량별로 배합하여 3시간 동안 숙성온도를 달리한 조건에서 침지처리를 실시하였다.
2.2.4 수초지 제조
RDA(retention and drainage analyzer, GIST, Korea)를 이용하여 0.3%의 지료농도로 평량 150±3 g/m2의 수초지를 제작한 후 종이 강도를 분석하였다. 상기한 바와 같이 Stein-Hall 방식으로 제조된 전분 접착제를 첨가하여 온도에 따른 침지실시 후 수초지 제작 및 분석한 모식도를 Fig. 4에 나타내었다.
2.2.5 수초지의 강도적 특성 분석
2.2.4에 따라 초지된 종이를 온도 23±1°C, 상대습도 50±2%의 항온항습조건에서 24시간 동안 조습 처리한 후 KS 표준 시험에 따라 파열강도(KS M ISO 2758, L&W bursting strength tester, Lorentzen & Wettre, Sweden), 압축강도(KS M ISO 12192, Lorentzen & Wettre, Sweden)를 분석하였다.
2.2.6 분광분석법을 이용한 전분의 검량선 작성
수초지에 보류되어 잔류하는 전분 접착제의 양을 정량하기 전에 Stein-Hall 방식으로 제호된 전분의 농도를 50-200 ppm까지 50 ppm씩 조절하고 각각에 0.01 N 요오드 용액을 반응시킨 후 UV/VIS(DR-2010, Spectrophotmeter, HACH, USA) 분광분석기를 이용하여 최대 흡광도를 분석하였다. 분광분석법을 이용한 전분 함량의 분석은 빛을 이용하여 화합물의 농도를 측정하는 방법으로서 가시광선 흡수를 기초로 한 Beer의 법칙을 따른다.5) Stein-Hall 방식으로 제호된 전분과 요오드의 비색반응으로 청남색이 발색되고 Fig. 5에서 보는 바와 같이 전분량의 차이에 따른 발색에 대한 흡광도 값을 얻을 수 있었다. Beer의 법칙에 근거하여 추세선을 작성하고 기울기에 대한 검량식을 Fig. 6에 나타내었다. Stein-Hall 방식에 의해 제호된 전분은 660-680 nm 파장범위에서 최대 흡광도를 나타내었다.
2.2.7 분광분석법을 이용한 전분접착제의 잔류량 측정
수초지에 잔류하는 전분 접착제의 양을 정량하기 위해 수초지 시편 2 g을 95°C, 30분 조건에서 열수 추출한 후 원심분리기를 사용하여 2,100 rpm의 속도로 30분간 원심분리한 상등액을 채취하여 0.01 N 요오드 용액을 반응시켜 UV/VIS 분광분석기(DR-2010, Spectrophotometer, HACH, USA)를 사용해 660 nm에서의 흡광도를 분석하였다. 측정한 흡광도값을 Fig. 6의 Stein-Hall 전분 접착제의 검량식에 대입하여 온도별 수초지에 잔존하는 전분 접착제 함량을 분석하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 종이에 잔류한 전분 접착제의 측정
Fig. 7은 공정수 온도별 Stain-Hall 전분의 투입량을 달리하여 수초한 종이의 잔존 전분 접착제 함량을 나타낸 결과이다. 열수 추출한 후 0.01 N 요오드와 반응시킨 후 발색된 최대 흡광도값을 Fig. 6의 전분 검량식에 대입하여 전분 접착제의 함량을 환산한 결과, 공정수 온도가 낮을수록 종이에 잔류하는 전분의 함량이 감소하고 전분 접착제 투입량이 많을수록 종이에 잔류된 전분양이 증가한 것을 확인할 수 있었다. 공정수 온도 30°C까지는 종이에 잔류하는 전분 함량이 투입량에 따라 비례적으로 증가하다가 45°C 이상에서는 전분 접착제 투입량이 증가하여도 종이에 잔류된 전분이 큰 변화가 없었다. 즉, 공정수 온도가 낮을수록 종이에 보류되는 전분함량이 증가하였음을 알 수 있었다.
전분은 물에는 불용성이나 가온하면 팽윤하여 호액이 된다. 전분의 호화과정은 가열에 의해 4단계의 단계적 변화가 나타나는데 가역적 수화단계, 비가역적 팽윤단계, 호화단계, 붕괴단계이다. 가역적인 수화단계는 30°C 이하에서 나타나는 현상으로 전분입자 형태를 그대로 유지하는 단계이며 이후 약 50°C 정도까지 전분입자가 형태를 유지하면서 계속적으로 팽윤하다가 70°C 이상에서 비가역적 단계에 들어서면서 전분 입자에서 무정형 영역이 급속한 평윤으로 반투명의 유백색 콜로이드 상태로 변하게 된다.6,7) 성형된 골판지에서 미분화된 전분 접착제 입자는 공정수 온도에 따라 팽윤된 정도를 달리하면서 분산된 상태로 존재한다. 공정수 온도가 낮을 경우 초지 시 습부공정에서 충분히 보류될 만큼 팽윤되지 못한 상태로 전분 접착제 입자 형태를 그대로 유지하는 것으로 판단된다. 반면에 공정수 온도가 높을 경우 전분 접착제 입자가 팽윤, 용해되어 무정형에 가까워지면서 습부과정에서 보류되지 못하고 물과 함께 탈수되어 손실되면서 최종 종이에서의 잔류된 전분의 양이 감소된 것으로 판단된다.
3.2 골판지 원지의 강도분석
Figs. 8-11은 Stein-Hall 방식으로 제호된 전분 접착제의 투입량을 달리해 공정수 온도별로 RDA를 이용하여 초지한 종이의 압축강도와 파열강도 결과를 나타내었다. Figs. 8과 9는 전분 접착제 투입량에 따른 강도결과를 나타낸 결과이고 Fig. 10과 Fig. 11은 종이에 잔류된 전분 접착제 함량과 강도와의 관계를 분석한 결과이다.
Fig. 8과 Fig. 9에 나타낸 바와 같이 압축강도의 경우 공정수 온도 15, 30°C까지 전분 접착제의 투입량에 따라 강도가 증가하다가 전분 접착제 투입량 4% 이상의 조건에서 강도 증가가 둔화된 반면, 공정수 온도가 45, 60°C인 경우는 접착제 투입량 증가에도 강도가 완만하게 증가되는 경향을 보였다. 파열강도의 경우, 전분 접착제 함량이 0-2%일 때 강도 증가가 뚜렷하지 못하였지만 전분 접착제 투입량이 2-4%에서 강도가 빠르게 증가하였음을 알 수 있다. 강도 특성에 따라 경향은 조끔씩 다르지만 전분 접착제 투입량이 많고 온도가 낮을수록 압축강도와 파열강도가 증가하였다. 특히, 전분 접착제 투입량이 많을 때 온도가 높을수록 압축강도와 파열강도 감소폭이 커지는 결과를 볼 때, 공정수 온도가 높은 하절기에 강도가 감소하는 골판지 재활용 공정의 사례와 연관이 있음을 알 수 있었다.
종이에 실제로 잔류하는 전분함량이 많을수록 종이 강도가 증가되는 것을 Fig. 10과 Fig. 11의 결과로부터 확인할 수 있었다. 공정수 온도에 따른 종이에 잔류하는 전분 접착제 함량 분석 결과를 통하여 온도가 낮을수록 종이에 잔류되는 전분량이 증가된 것을 확인하였던 바, 하절기처럼 공정수 온도가 높을 때에는 Stein-Hall 전분 접착제의 과도한 팽윤, 용해로 인해 종이에 보류될 전분 접착제 입자가 줄어드는 반면 동절기처럼 공정수 온도가 낮을 때에는 종이에 전분이 많이 잔류하여 강도가 우수함을 확인하였다. 따라서 골판지 원지의 강도가 동절기보다 하절기에 저하되는 문제점을 극복하기 위해서는 OCC 재활용 공정의 공정수 온도가 지나치게 상승하지 않도록 조정하는 방안이 강구되어야 한다고 판단된다.
4. 결 론
재생 골판지 원지의 강도에 미치는 계절적 요인을 분석하기 위하여 골판지 성형에 사용되는 전분 접착제의 함량을 달리해 공정수 온도별로 침지처리하고 강도변화를 알아본 결과 공정수 온도에 따른 전분 접착제의 존재 형태가 골판지 원지의 전분 접착제 보류도와 강도변화를 유발하는 것으로 밝혀졌다. 제지 현장에서는 하절기에 종이 강도가 약 10% 감소하는 현상이 발생하는 데 본 실험에서도 이와 같이 60°C의 하절기 조건에서 압축강도 및 파열강도가 저하되는 경향을 보였다. Stein-Hall 방식으로 제호된 전분 접착제가 OCC의 재활용 공정 중에 계절에 따른 공정수 온도의 변동으로 팽윤-용해 상태로 존재함에 따라 종이 강도에 영향을 미친 것으로 판단되었다. 따라서 공정수 온도에 따른 전분 접착제의 존재 형태가 계절에 따른 종이 강도 변화의 주요 인자 중 하나인 것으로 확인되었다.
