1. 서 론
온라인 쇼핑 중심의 사회경제 시스템의 변화와 편의성을 중시하고 개인화되는 사회문화의 변화로 개별포장과 일회용 포장, 개별 용기 포장 등 다양한 용도의 플라스틱 포장과 용기 사용이 크게 증가하고 있다. 특히, 최근 들어 코로나 팬데믹의 영향으로 이러한 포장 배송과 일회용 용기 사용이 더욱 가속화되었다. 플라스틱 기반의 포장재와 용기 등의 사용증가에 따른 관련 폐기물의 발생량 증가는 이를 처리하기 위한 비용부담과 매립 또는 소각처리를 위한 부담을 크게 증가시키고, 이에 따른 환경오염이 가중됨에 따라 플라스틱 기반 폐기물의 감량을 위한 다양한 노력들이 전 세계 주요 국가에서 이루어지고 있는 실정이다.
기존 석유화학 기반 플라스틱 소재를 대체할 수 있는 주요한 대체 소재로 목재펄프 기반의 종이제품에 대한 관심과 수요가 지속적으로 증가하고 있고, 특히 다양한 모양과 구조를 가지는 포장재 및 용기 등의 제조가 용이한 펄프몰드 제품은 기존의 플라스틱 일회용 용기나 포장재를 대체할 수 있는 방안으로 수요가 더욱 증가되고 있는 추세이다. 시트상 종이를 연속적으로 빠른 속도로 생산하고 이를 후가공으로 구조화하는 일반적인 제지공정 기반 포장제품이나 일회용 용기 등의 경우 대량생산 시스템을 기반으로 하기 때문에 경제성이 우수하고 규격화되어 효율성이 높은 제품의 공급이 가능한 장점이 있다. 그러나 적용 용도에 따라 높은 평량과 고벌크의 완충성 등을 요구하게 되는 경우 이를 충족하기 위한 제품의 제조가 어려운 단점이 있으며, 3차원 구조의 복잡한 구조물의 경우 이음매 없이 제조하는데 한계가 있다. 이와 달리 펄프몰드 제조방식의 경우 종이기반 제품보다 고벌크, 고평량의 제품을 생산할 수 있고 제품성형 과정에서 다양한 3차원 구조의 금형을 적용하여 각각의 제품을 성형하기 때문에 제품의 구조적 다양성이 보장되는 장점을 가지고 있어 다양한 용도의 완충포장재 또는 용기 등으로 활용되고 있다.
목질펄프 섬유 또는 재활용 폐지 섬유 등을 해리하여 성형하는 방식의 펄프몰드 제조방식은 성형 후 건조되는 방법에 따라 크게 습식 펄프몰드 방식과 건식 펄프몰드 방식으로 나눌 수 있다. 습식 펄프몰드방식은 해리된 펄프섬유 지료탱크속에서 금형을 투입하고 진공성형을 실시함으로써 금형표면에 습지매트 구조를 형성한 후 압착탈수 하여 몰드제품을 성형한다. 이렇게 성형된 몰드제품을 연속식 열풍건조 방식을 통해 제품을 제조함으로써 대량 연속생산이 가능한 것이 특징이다. 이러한 습식 펄프몰드 제품은 표면구조의 특성이나 일정 정도의 구조변화가 주요한 품질특성이 되지 않고 제품의 완충성과 경제성이 중요한 요소가 되는 농축산 제품의 완충포장재 등으로 널리 활용되고 있다. 이와 달리 표면평활성, 제품강성, 치수안정성 등 높은 수준의 구조적, 기계적 품질의 균일성이 요구되는 포장소재 또는 일회용품 등의 제품을 위해서는 성형 이후의 습윤 펄프몰드를 상하의 고온의 금형으로 압착하여 건조하는 건식 펄프몰드 제조방식이 적용되고 있다. 이러한 건식 펄프몰드 건조방식에서는 펄프몰드의 건조과정 중 나타날 수 있는 뒤틀리거나 수축하는 등의 구조적 변화가 억제되고 강성과 표면평활도가 우수한 제품특성을 나타내게 된다.
현재 다양한 플라스틱 포장소재 등을 대체하기 위한 펄프몰드 기반 제품 수요 및 관심의 증가로 이와 관련하여 품질과 공정을 개선하기 위한 다양한 연구개발이 지속적으로 진행되어왔는데, 습식 펄프몰드 제조 시 공정조건에 따른 영향,1,2) 펄프몰드 원료변화에 따른 펄프몰드 특성변화,3) 펄프몰드 제조 시 성형 조건에 따른 건조 영향,4) 첨가제 적용에 의한 펄프몰드 품질변화5) 등의 연구들이 보고된 바 있다.
이러한 기존의 연구들은 주로 대량 생산방식의 습식 펄프몰드 공정을 기반으로 제조되는 제품들에 관한 것으로 고품질의 펄프몰드 제품을 생산할 수 있는 건식 펄프몰드의 공정과 그 영향에 관한 연구들은 상대적으로 부족한 상황이다. 이에 본 연구에서는 펄프섬유 종류 및 건식 펄프몰드 공정변화에 의한 건식 펄프몰드 물성을 평가하고 분석함으로써 향후 다양한 펄프원료들을 적용한 건식 펄프몰드의 공정효율 개선 및 품질향상을 위한 기반자료를 확보하고자 하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
본 연구에서는 주요 펄프몰드 원료로 침엽수 화학열기계펄프(soft wood chemi-thermo mechanical pulp, CTMP), 활엽수 표백 크라프트 펄프(hardwood bleached kraft pulp, BKP)와 신문고지(old news paper, ONP)를 분양받아 사용하였다. 각각의 펄프원료를 실험실용 밸리비터(valley beater)로 30분간 해리하였고 이때 각 해리펄프지료의 여수도는 CSF 250±10 mL, CSF 655±10 mL, CSF 410±10 mL 수준으로 조성하여 본 실험에 사용하였다.
2.2 건식 펄프몰드 시료 제조
건식 펄프몰드 시편의 제조를 위해 실험실용 건식 펄프몰드 성형기를 이용하여 평량 250±10 g/m2의 펄프몰드 시편을 제조하였다. 습식성형 시 성형 와이어는 60 mesh 와이어를 적용하였으며, 성형 진공압력은 0.04 MPa로 설정하여 진공 성형하였다. 성형된 펄프몰드 성형체는 각각의 다른 온도 및 시간 조건에서 각각 압착건조를 실시함으로써 그 영향을 비교평가하기 위한 펄프몰드 시료로 제조하였다(Table 1).
2.3 펄프종류별 섬유특성 및 펄프몰드 시료의 표면흡수성 평가
본 실험에 사용된 펄프섬유 종류별 구조적 특성은 섬유장 분석기(L&W Fiber Tester Plus)를 사용하여 평가하였다. 또한 각각의 펄프섬유로 제조된 건식 펄프몰드 시편의 표면흡수성은 SEO사의 접촉각 측정기(Phoenix 150, contact angle: 0-180±0.1°, frame: 70 frame/sec, CCD Camera resolution: 640×480 pixels)를 이용하여 증류수와 건성유의 적용시 표면접촉각을 측정하여 평가하였다. 이때 각각의 시료의 표면 약 1 cm 이내의 높이에서 0.1 mL 증류수 또는 건성유를 시료표면에 낙하시키고 접촉각을 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 펄프 종류별 특성 평가
본 연구에서 사용된 침엽수 화학열기계펄프(CTMP), 활엽수 표백펄프(BKP), 신문고지(ONP)의 형태적 특성을 섬유장 분석기로 분석하여 Table 2에 나타내었다. 평균섬유장 길이는 원료별로 유의한 차이를 나타내지 않았지만 대체로 침엽수 화학열기계펄프의 평균 섬유장과 평균 섬유폭이 상대적으로 컸으며, 미세분의 함량도 높게 나타났다. 활엽수 표백펄프에서는 상대적으로 미세분의 함량이 낮은 것을 확인할 수 있었다.
Table 2.
The fiber properties of the pulp stocks
| Mean Length (mm) | Mean Width (μm) | Fines (%) | |
|---|---|---|---|
| CTMP | 1.29 | 35.1 | 13.3 |
| BKP | 0.67 | 15.4 | 9.6 |
| ONP | 0.87 | 20.4 | 12.9 |
Fig. 1은 각 펄프섬유들의 섬유장 분포를 보여주고 있는데, 침엽수 화학열기계펄프의 경우 침엽수를 원료로 제조되기 때문에 섬유장 1.5 mm 이상인 섬유의 분포가 높게 나타났으며, 기계적 처리로 인해 상대적으로 넓은 섬유장 분포를 나타내는 것으로 확인할 수 있었다. 활엽수 표백펄프는 섬유장이 0.5~1.5 mm 범위에 대부분 분포하였으며, 신문고지도 유사한 섬유 분포를 보이나 1.5 mm 이상의 섬유들이 일부 포함되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
Table 3은 각 펄프섬유를 적용하여 제조한 건식 펄프몰드의 수분 및 유분에 의한 표면 접촉각 측정결과를 나타냈다. 증류수에 의한 접촉각을 확인한 결과, 모든 펄프종류에서 90° 이하의 친수성을 갖는 것으로 나타났으며, 활엽수 표백펄프로 제조한 펄프몰드의 경우 수분흡수속도가 매우 빨라서 적용된 물방울이 바로 흡수되기 때문에 접촉각의 측정이 불가능하였다. 건성유에 의한 접촉각을 확인한 결과, 모든 펄프 종류에서 90° 이하의 값을 갖는 것을 확인하였다. 종이제품과는 달리 표면구조가 벌크한 특성을 가지는 펄프몰드의 표면구조적 특성에 의해 수분과 유분의 흡수가 표면에서 빠르게 이루어지는 것이 확인되었다.
3.2 펄프 종류별 건식 펄프몰드의 특성 변화
3.2.1 펄프 종류에 의한 건식 펄프몰드 진공성형 시 탈수도 변화
건식 펄프몰드 제조 시 적용 펄프원료 종류에 따른 진공성형 시 탈수도 변화를 비교평가 하였다. Fig 2에서 나타난 바와 신문고지를 사용한 경우 진공성형 시에서 가장 높은 탈수도를 나타내는 것을 알 수 있었다. 이는 신문고지 섬유 내 미세분이 많으며 유연한 섬유들로 이루어짐에 따라 진공성형 시 진공압에 의한 압착탈수 효과가 상대적으로 크게 나타난 이유로 판단되었다. 미세분 함량이 가장 높은 침엽수 화학열기계펄프의 경우 장섬유 등이 상대적으로 많이 포함되고 섬유의 강직도가 높아 벌크한 구조를 가지게 되고 이에 따라 섬유장이 상대적으로 짧고 유연한 신문고지 섬유6)에 비해 진공탈수도가 낮은 것으로 판단되었다. 활엽수 표백펄프의 경우 침엽수 화학열기계펄프 및 신문고지에 비해 미세분 함량이 낮아 진공성형 시 진공압의 효과가 낮게 나타나면서 탈수도가 가장 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 2.
The changes in the solid contents of hot pressing pulp molded product samples after forming and couching process depending on the pulp types.
건식 펄프몰드 성형 후 지필의 쿠칭처리(couching)에 따른 지필의 탈수도 변화를 비교 평가하였다. 가장 낮은 탈수도를 보인 활엽수 표백펄프가 쿠칭 후 침엽수 화학열기계펄프에 비해 높은 탈수도를 보이는 것을 확인할 수 있었는데, 침엽수 화학열기계펄프는 활엽수 표백펄프에 비해 리그닌을 많이 포함하고 있으며, 섬유의 강직한 특성7)으로 인해 쿠칭에 의한 탈수 효율이 감소하는 것으로 판단되었다.
3.2.2 펄프 종류에 의한 건식 펄프몰드 벌크 및 인장강도 변화
적용 펄프의 종류에 따른 건식 펄프몰드 시험편의 벌크 특성을 평가하여 Fig. 3에 나타내었다. 침엽수 화학열기계펄프를 사용한 경우에서 가장 높은 벌크가 나타났으며, 활엽수 표백펄프, 신문고지 순으로 벌크가 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 침엽수 펄프의 특성상 섬유장이 길고 강직한 특성으로 미세분 함량이 높음에도 고벌크의 펄프몰드 구조를 형성하는 것을 확인할 수 있었다. 신문고지의 경우 활엽수 표백펄프와 유사한 섬유장 분포를 가지지만 상대적으로 미세분의 함량이 많아서 활엽수 표백펄프에 비해 벌크가 낮은 것으로 판단되었다.
각각의 건식 펄프몰드 시험편의 인장강도를 평가하여 Fig. 4에 나타내었다. 침엽수 화학열기계펄프로 제조한 건식 펄프몰드의 인장강도가 가장 높게 나타났으며, 활엽수 표백펄프, 신문고지 순으로 인장강도 값이 낮게 나타났다. 침엽수 화학열기계펄프로 제조한 건식 펄프몰드에서 벌크 및 강도가 모두 높게 나타난 것은 침엽수 화학열기계펄프의 강직한 섬유의 특징과 함께 활엽수 표백펄프 및 신문고지에 비해 섬유장이 길기 때문에 벌크와 함께 강도가 가장 높게 나타난 것으로 판단되었다. 신문고지로 제조한 건식 펄프몰드는 인장강도도 가장 낮게 나타났는데, 이는 재활용섬유의 특성상 상대적으로 섬유 간 결합력이 약한 영향으로 판단되었다.
3.2.3 펄프 종류에 의한 건식 펄프몰드 강직도 변화
건식 펄프몰드의 강직성은 펄프몰드 제품 사용 중 발생될 수 있는 구조의 변화 등에 대한 저항성을 평가하는 중요한 품질인자라고 할 수 있다. 각각의 펄프 종류별로 제조한 건식 펄프몰드 시험편의 강직도를 측정하여 Fig. 5에 나타내었다. 침엽수 화학열기계펄프로 제조한 건식 펄프몰드의 높은 강직도를 나타내는 것을 확인할 수 있는데 실제 강직도는 주로 종이의 두께에 의해 큰 영향을 받게 됨에 따라8) 상대적으로 벌크 특성이 우수한 침엽수 화학열기계펄프의 경우 높은 강직도를 가져오는 것으로 판단되었다. 신문고지는 재활용되면서 섬유의 강직도가 낮을 뿐만 아니라, 미세분 함량이 높고, 벌크가 낮아 침엽수 화학열기계펄프 및 표백화학펄프로 제조한 건식 펄프몰드에 비해 강직도가 크게 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
3.3 압착건조 시 건조온도에 의한 건식 펄프몰드 특성 변화
3.3.1 압착건조 시 건조온도에 의한 건식 펄프몰드의 벌크 및 강도 변화
침엽수 화학열기계펄프 및 활엽수 표백펄프로 각각 제조한 건식 펄프몰드 시험편 제조 시 압착건조 공정에서 건조온도의 변화에 따른 제품 강도의 변화를 평가하여 Fig. 6에 나타내었다. 두 종류 펄프원료에서 모두 압착 건조온도가 상승함에 따라 펄프섬유의 유연성이 증가하면서 압착이 더욱 강하게 일어나 벌크가 비례적으로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 벌크의 감소는 밀도의 증가를 가져오고 이는 섬유 간 결합력의 증가를 가져오기 때문에 Fig. 7에서 보여주는 것과 같이 건조온도가 증가함에 따라 강도의 상승이 나타나는 것으로 확인할 수 있었다. 그러나 압착건조온도가 250℃에서는 오히려 강도가 감소하는 것을 확인할 수 있었는데 이는 높은 온도의 적용으로 인해 펄프 섬유성분의 일부가 열분해 되는 등의 영향에서 기인한 것으로 판단되었다.9,10)
3.3.2 압착건조 시 건조온도에 의한 건식 펄프몰드 강직도 변화
압착건조 시 건조온도에 따른 펄프몰드 시제품의 강직도 변화를 평가하여 그 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 인장강도 평가와 유사하게 건조온도의 상승으로 인하여 강직도도 건조온도가 200℃ 이내에서는 증가하다가 250℃에서는 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 건조온도 증가에 따라 벌크의 감소가 나타나지만 이와 함께 인장강도의 증가가 함께 나타나면서 200℃ 조건에서 강직도의 증가가 나타나는 것으로 판단되었다. 이후 250℃ 조건에서의 강도 및 벌크의 감소는 강직도의 저하를 가져오는 것으로 판단되었다.
3.4 압착건조 시 건조시간에 의한 건식 펄프몰드 특성 변화
3.4.1 압착건조 시 건조시간에 의한 건식 펄프몰드 인장강도 변화
침엽수 화학열기계펄프 및 활엽수 표백펄프를 이용하여 제조한 건식 펄프몰드 시험편 제조시 압착건조 건조시간 변화에 따른 영향을 평가하여 Fig. 9에 나타내었다. 건조시간이 증가할수록 시험편의 벌크가 감소하는 것으로 확인할 수 있었다.
Fig. 9.
The bulk of hot pressing pulp molded product samples depending on the conditions of the press drying times.
이러한 압착건조시간에 따른 강도의 변화를 측정하여 Fig. 10에 나타내었다. 건식 펄프몰드의 압착건조시간이 증가할수록 강도도 비례적으로 증가하였으나, 압착건조시간이 3 분인 경우 강도의 감소가 나타나는 것을 확인할 수 있었는데 고온, 고압에서의 과건조가 진행되는 경우 섬유 간 결합력 등의 저하로 인한 펄프몰드 강도 저하가 발생할 수 있음을 확인할 수 있었다.
3.4.2 압착건조 시 건조시간에 의한 건식 펄프몰드 강직도 변화
압착건조 건조시간에 의한 펄프몰드 시험편의 강직도 변화를 측정하여 Fig. 11에 나타내었다. 인장강도 평가와 유사하게 건조시간이 2 분 이내에서는 침엽수 화학열기계펄프 및 활엽수 표백펄프로 제조한 건식 펄프몰드 모두 강직도가 상승하지만, 건조시간이 3 분인 조건에서는 강직도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 건조시간이 증가함에 따라 제품강도가 증가함으로써 강직도가 상승되나 3분 동안 과건조되는 조건에서는 섬유간 결합 강도의 감소와 벌크의 감소가 발생됨에 따라 강직도가 저하되는 것으로 판단되었다.
4. 결 론
본 연구에서는 건식 펄프몰드의 제품특성에 영향을 미치는 펄프원료의 종류 및 제조 시 공정조건변화에 따른 영향을 비교 평가하여 알아보았다. 이를 위해 침엽수 화학열기계펄프, 활엽수 표백펄프 및 신문고지 재활용섬유를 각각 적용하여 건식 펄프몰드 시험편을 제조하여 그 특성변화를 평가하였으며 건식 펄프몰드의 압착건조 공정에서 건조온도 및 건조시간에 따른 영향을 평가하였다. 침엽수 화학열기계펄프로 제조되는 건식 펄프몰드의 경우 성형시 탈수도는 상대적으로 낮게 나타났지만 섬유장이 크고 섬유의 강직도가 높은 영향으로 가장 높은 벌크 특성과 강도적 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 신문고지 섬유로 제조되는 경우 벌크와 강도 및 강직도의 특성이 상대적으로 가장 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
건식 펄프몰드 제조 시 압착건조온도 및 건조시간의 영향을 평가한 결과 건조온도이 높아질수록, 건조시간이 늘어날수록 펄프몰드 지필의 벌크는 감소하지만 강도의 증가가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 250℃의 고온에서 건조는 강도의 감소를 가져오는 것을 확인할 수 있었고, 건조시간도 3분 이상의 조건에서는 과건조에 따른 영향으로 펄프몰드 제품의 강도 감소가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
