1. 서 론
현재 지속적인 경제성장으로 높아진 생활 수준에 따라 생활편의성 향상 제품 특히, 일회용 제품들의 사용이 크게 증가되고 있으며, 이와 함께 인터넷과 택배를 기반으로 한 유통산업의 지속적 발전과 확대 및 일인가구 증대에 따른 포장규모의 소단위화1) 등은 다양한 포장소재들의 지속적 수요증가를 가져오고 있다. 주로 합성섬유를 사용하여 제조되는 부직포를 기반으로 한 물티슈, 기저귀, 흡수패드 등 다양한 일회용 위생용품들과 스티로폼 등의 완충성 소재들을 사용하여 만들어지는 다양한 포장재료 등은 사용의 편이성과 높은 기능성으로 그 활용이 점차 늘어가고 있는 실정이다. 이러한 난분해성 합성물질 기반의 일회용 제품들의 사용양이 지속적으로 증가됨에 따라 이러한 소재들의 폐기 및 재활용도 현재 중요한 관심의 대상이 되고 있다. 최근 들어 전 세계적으로 더욱 심각해진 각국의 폐기물 처리 및 재활용 이슈들로 인해 다양한 합성물질 기반 일회용 소재들의 사용에 있어서 환경친환성에 대한 각종 규제와 관리기준이 더욱 엄격해지고 있어 이를 대체하기 위한 친환경적 물질기반의 생분해성과 재활용성이 우수한 소재들에 관심과 수요는 지속적으로 증가하고 있다.2)
식물성 섬유, 특히 목재섬유를 기반으로 하여 제조되는 다양한 지류 제품들은 현재 친환경적인 제품으로 골판지, 펄프몰드와 같은 포장용 소재를 포함하여 화장지, 위생용지 등의 일회용 위생용품 소재 등으로 널리 활용되고 있으며 그 용도 및 활용 분야는 더욱 넓어지고 있는 실정이다. 종이제품과는 달리 고평량의 시트 상 구조체를 특정한 형태로 한 번에 제조할 수 있는 펄프몰드의 경우 제지공정과는 달리 강한 압착탈수 공정을 거치지 않아 상대적으로 높은 벌크와 이로 인한 완충성과 제조공정에서 원하는 형태로 직접 제조되는 성형성을 가지며, 계란, 과일, 기계부품이나 핸드폰과 같은 다양한 제품들의 완충포장소재로 널리 활용되고 있다. 상대적으로 저렴한 친환경 원료를 바탕으로 제조되는 펄프몰드는 제품생산과정이 상대적으로 간단하여 다양한 특성과 형태를 가지는 제품의 생산이 용이한 장점이 있기 때문에 향후 기존의 다양한 일회용품들을 대체할 수 있는 소재로서의 활용성이 더욱 커질 것으로 기대되고 있다.3)
펄프몰드는 종이제품에 비해 상대적으로 높은 평량과 벌크특성을 가지고 있기 때문에 그 활용성을 증대시키기 위한 다양한 기술개발이 지속적으로 이루어져 왔다. 특히 대량생산이 가능한 습식성형방식의 펄프몰드 공정에서 원료의 특성에 의한 영향,4,5) 품질개선을 위한 표면개질 방법6,7) 습식펄프몰드 공정효율화,8,9) 다양한 원료의 적용10) 등 다양한 연구개발들이 소개된 바 있다. 이러한 다양한 연구들로 습식펄프몰드의 생산효율과 제품품질 개선들이 이루어지고 있으나 현재 기존 합성물질 기반의 일회용 제품들의 적절한 대체를 위해서는 이러한 친환경적 펄프몰드의 품질이나 기능을 지금보다 현격히 증가시킬 수 있는 새로운 기술들이 필요한 상황이다.
식물성 펄프섬유를 원료로 사용하는 펄프몰드의 품질특성에 주요한 영향을 미치는 것은 펄프섬유들이 습식성형된 이후 건조되는 과정 중에 발생하는 섬유 사이의 강한 수소결합이라고 할 수 있다. 이러한 섬유 사이의 수소결합은 제품의 물리적 특성을 부여하는 매우 중요한 요소이지만 섬유들 사이의 밀접한 결합을 가져와서 제품의 벌크를 감소시키고 강직성을 부여해서 유연성 및 부드러움(softness)을 감소시키고 완충성과 수분흡수성에도 제한적인 요소로 작용하게 된다. 물보다 극성인 낮은 저극성 용매를 사용하여 이러한 물에 의한 바이오매스 섬유의 응축과 셀룰로오스의 분자끼리의 강한 수소결합 발생을 최소화하기 위한 방법은 셀룰로오스 또는 나노셀룰로오스를 기반으로 한 다공성 나노종이11) 또는 셀룰로오스 에어로겔12) 등의 소재 제조를 위해 적용되고 있는데 물속에 분산된 셀룰로오스를 저극성 용매로 치환하고 이를 냉동건조하여 제조하는 방법을 사용하고 있다.
따라서 본 연구에서는 습식성형되는 펄프몰드의 벌크특성을 증가시키기 위한 방법으로 저극성 용매의 적용조건에 의한 펄프몰드 구조특성 변화를 시도하고 그 영향을 평가하였다. 특히 압착탈수 공정이 존재하지 않아 성형공정에서만 독립적으로 용수의 순환이 가능한 습식펄프몰드 제조공정의 공정특성을 고려하여 성형 시 직접적인 저극성 용매 적용과 성형 후 분무처리를 통한 저극성 용매 후처리 공정의 효과들을 비교분석하여 새로운 방식의 고벌크 펄프몰드 제조를 위한 기반자료를 확보하고자 하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
본 연구에서 습식성형 펄프몰드의 시험제조를 위하여 활엽수 표백펄프(Hw-BKP)를 해리하여 사용하였으며 이때 여수도(CSF) 600±5 mL의 상태로 해리시켜 습식성형 펄프몰드 제조에 사용하였다. 습식성형몰드의 구조적 특성변화를 위하여 적용된 저극성 용매는 물의 극성지수(polarity index)는 9.0에 비해 낮은 극성지수를 가지며 상대적으로 저독성인 에탄올(극성지수:5.2)을 적용하였다.
2.2 습식펄프몰드 제조 및 저극성 용매처리
2.2.1 습식펄프몰드 제조
본 연구에서 습식펄프몰드 시험편 제조는 실제 습식펄프몰드 제조공정을 모사한 실험실용 습식펄프몰드 파일롯 성형기를 사용하여 평량 250-300 g/m2로 제조하였다.13) 습식펄프몰드 파일롯 성형기의 시험편 제조 시 지료탱크에 농도 0.5%의 지료를 투입하고 진공성형기의 진공성형 시 진공도를 0.06 MPa로 3초간 진공성형하여 몰드에 습지를 형성시킨 후 성형탱크 바깥쪽으로 성형기를 이동시켜 같은 진공압으로 20초간 진공탈수를 진행하였다. 성형된 펄프몰드의 추가적인 쿠칭공정은 수초지용 30 kg 쿠치롤을 사용하여 수초지 제조와 같은 조건으로 성형펄프몰드의 와이어 반대쪽 면에서 진행하였으며 이후 성형몰드 위에 만들어진 습식성형몰드 습지를 원형의 틀로 고정한 후 건조기로 이송하여 160℃에서 열풍건조하여 시험편을 제조하였다.
2.2.2 저극성 용매처리
2.2.2.1 지료성형 시 저극성 용매 혼합 성형
습식몰드 성형은 일정한 크기의 성형탱크에서 이루어지고 성형과정 중 탈수된 백수는 성형탱크로 다시 유입되는 공정이 가능하기 때문에 본 실험에서는 성형탱크의 지료 백수를 저극성 용매인 에탄올로 혼합적용함으로써 습식몰드 성형특성 변화를 평가하였다. 백수 내 물과 에탄올의 비율은 각각 물 100%, 물 75%/에탄올 25%, 물 50%/에탄올 50%, 물 25%/에탄올 75%로 준비하고 여기에 준비된 활엽수표백펄프를 해리하여 습식성형하면서 그 영향을 평가하였다.
2.2.2.2 습식몰드 성형 후 저극성 용매 혼합 분무처리
습식성형을 통해 몰드가 성형된 이후 진공탈수 과정을 거쳐 건조되어 제품이 형성되는데 진공탈수 직후 저극성 용매로 분무처리를 실시하여 다시 진공탈수를 실시하여 그 영향을 평가하였다. 분무처리하는 에탄올의 농도를 25%, 50%, 75%, 99.5%로 준비하여 각각 진공탈수된 시료 무게의 80% 수준의 무게비로 분무처리하고 2차 진공탈수를 성형 시 진공탈수와 같은 조건으로 진행한 후 그 영향을 평가하였다.
2.3 저극성 용매처리에 의한 공정특성 및 구조변화 평가
2.3.2 건조속도 변화 평가
습식성형 및 진공탈수 이후 각각의 습지필을 2×2 cm로 절삭한 후 함수율 측정기(MAC 50, RADWAG, Poland) 를 이용하여 건조속도 변화를 평가하였다. 본 방법에서는 120℃의 건조조건에서 각 시료를 건조하여 더 이상 용매의 증발이 발생하지 않는 시점을 종말점으로 하여 30초 간격으로 무게변화를 측정하여 건조속도를 평가하였다. 건조처리 전 함수율을 100%로 하였을 때 각각의 함수율을 건조처리 전 함수율에 상대적 값으로 환산하여 나타내었다.
3. 결과 및 고찰
3.1 저극성 용매 혼합 성형에 의한 영향
습식몰드 성형 시 지료의 배수를 저극성 용매와 혼합하여 조성하는 경우 공정특성변화와 지필구조의 변화를 평가하였다. Fig. 1에서 보여지는 것과 같이 저극성 용매를 혼합하여 성형하는 경우에는 저극성 용매의 혼합비가 증가할수록 진공탈수 이후 습지의 고형분 함량이 감소하는 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이는 저극성 용매의 혼합비가 커질수록 지필의 구조가 벌크화되면서 상대적으로 진공압에 의한 수분탈수 효율이 낮아지는 영향에 의한 것으로 판단되었다. 쿠치 처리를 실시하는 경우에도 초기의 진공압에 의한 수분탈수의 정도가 같은 수준에서 달라지는 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 1.
The changes in the solid content of the wet pulp mold after the forming process depending on the mixing ratios of the forming water and the organic solvent.
저극성 용매의 혼합에 의한 건조속도 변화를 평가하여 Fig. 2에 나타내었다. 일정시간 동안 건조된 지필 내 용액의 양을 비교하여 건조속도를 평가하였을 때 저극성 용매의 혼합비가 높을수록 건조속도가 높게 나타나는 것을 볼 수 있었고 이러한 영향으로 전체 건조시간도 크게 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 본 실험에 적용된 에탄올의 경우 끓는점이 78℃로서 물보다 낮기 때문에 건조속도가 빠르게 나타나며 섬유와의 친화도가 낮고 지필의 조직이 벌크함에 따라 뚜렷한 건조속도의 증가를 보여주는 것으로 판단되었다.
Fig. 2.
The changes in the drying speed of the wet pulp mold samples after couching process depending on the mixing ratios of the forming water and the organic solvent.
Fig. 3에서는 저극성 용매의 혼합비에 따른 펄프몰드 제품의 벌크변화를 나타내었다. 저극성 용매의 혼합량이 증가할수록 제조된 펄프몰드의 벌크가 크게 증가하는데이는 앞서 설명한 것과 같이 표면장력이 물보다 낮은 저극성 용매의 혼합으로 섬유 간 존재하는 용액의 표면장력이 상대적으로 감소하고14) 이에 따라 의한 섬유 사이의 강한 인력이 감소하면서 섬유 간 수소결합 역시 감소함에 따라 나타난 결과로 판단되었다.
Fig. 3.
The changes in the bulk of the pulp mold samples after couching process depending on the mixing ratio of the forming water and the organic solvent.
저극성 용매 혼합에 의한 최종 건조 후 시료의 구조변화를 면밀히 살펴보기 위하여 전자현미경으로 저극성 용매를 혼합하지 않고 제조된 펄프몰드 시험편과 저극성 용매를 75% 혼합하여 제조된 펄프몰드 시험편의 단면을 관찰하여 Fig. 4에 나타내었다. 습식펄프몰드 공정에서는 고평량의 구조를 한 번에 성형하여 진공탈수시켜 쿠칭하는 공정이 이루어지기 때문에 구조 내에 섬유들이 층을 이루며 밀집되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 반면에 저극성 용매를 혼합하여 제조되는 경우에는 각각의 섬유들이 결합을 이루어지 않고 분리되어 존재하는 구조를 가지는 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 4.
The cross section images of the pulp mold samples depending on the mixing ratio of the forming water and the organic solvent.
(a) the pulp mold samples formed at water 100% condition.
(b) the pulp mold samples formed at water 25%/organic solvent 75% condition.Fig. 5에서는 용매 혼합에 의해 발생된 구조변화에 의한 수분흡수량 변화를 평가한 결과이다. 저극성 용매의 혼합비율이 증가함에 따라 펄프몰드 구조가 더욱 벌크한 상태로 되고 이에 따라 수분흡수량도 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
3.2 저극성 용매 분무처리에 의한 영향
저극성 용매의 혼합성형으로 펄프몰드 구조의 벌크화가 이루어지는 것을 확인할 수 있었고 이를 기반으로 저극성 용매의 적용을 상대적으로 용이하게 실시하기 위한 방안으로 펄프몰드의 성형 및 진공탈수공정 후 습지의 고형분 함량이 약 20% 정도인 수준에서 습지 무게의 80% 정도의 양으로 저극성 용매 혼합액을 분무처리함으로써 습지 내 물을 혼합액과 치환시키는 분무처리 방법의 효과를 알아보았다. 진공탈수공정은 성형몰드 위에서 진행되는데 분무처리 방법에서는 성형몰드 위에 존치된 진공탈수 후 습지필 표면에 대하여 분무처리를 진행하고 이후 2차 진공탈수공정을 실시하여 표면에 분무된 용액이 습지필의 구조를 통과하여 아래쪽 성형몰드로 진공탈수되도록 한 이후 이를 건조하여 시제품을 제조하였다.
Fig. 6은 분무처리 시 적용한 용액의 물과 저극성 용매 혼합비율에 따른 습지의 건조속도 변화를 평가하여 나타낸 것이다. 습지에 분무처리 시 저극성 용매의 혼합비율이 높은 용액을 적용할수록 건조속도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 앞에서 설명된 바와 같이 지필 내의 물이 상대적으로 끓는점이 낮고 표면장력이 약한 저극성 용매로 치환되면서 발생되는 효과인 것으로 판단되었다.
Fig. 6.
The changes in the drying speed of the wet pulp mold samples after the mixing solution spraying treatment depending on the mixing ratio of the water and the organic solvent.
분무처리 방법으로 저극성 용매를 처리한 펄프몰드 시제품의 벌크특성 변화를 Fig. 7에 나타내었다. 펄프몰드의 벌크는 분무처리 방법의 적용에 의해 증가되는 것을 확인할 수 있었고 분무처리되는 용액 중 저극성 용매의 함량이 높아질수록 벌크증대 효과가 증가되는 것을 볼 수 있었다. Fig. 3에서 나타난 혼합용매 적용 시 벌크증대 효과와 비교하면 상대적으로 같은 용매 혼합비에서 그 효과가 낮게 나타나지만 적용되는 용매의 양을 고려할 때 분무처리 방법에 의해서도 용이하게 펄프몰드의 벌크를 상승시킬 수 있음을 알 수 있었다.
Fig. 7.
The changes in the bulk of the wet pulp mold samples after the mixing solution spraying treatment depending on the mixing ratios of the water and the organic solvent.
분무처리를 실시한 펄프몰드의 수분흡수성 변화를 평가하여 Fig. 8에 나타내었다. 용매 혼합적용에서와 유사하게 저극성 용매의 적용비율이 증가할수록 수분흡수량이 증가하는 것을 확인할 수 있는데 이는 건조공정 전 처리된 저극성 용매에 의한 펄프몰드 구조의 벌크화에서 기인된 것으로 판단되었다. 이를 통해 물의 건조에 의해 조직이 치밀해지는 고평량 펄프몰드의 제조에 있어서 저극성 용매의 분무처리를 건조공정 전에 실시함으로써 펄프몰드의 고벌크화와 이에 따른 수분흡수량 증가가 가능한 것을 확인할 수 있었다.
4. 결 론
친환경 식물섬유로 제조되는 펄프몰드 제품은 합성수지 기반의 다양한 시트상 소재들을 대체할 수 있는 구조체로서 많은 관심의 대상이 되고 있다. 완충포장소재 및 흡수성 매트 소재 등으로 더욱 폭넓은 활용을 위해서는 펄프몰드의 벌크 특성을 현격히 증가시킬 수 있는 방안이 요구되고 있다. 본 연구에서는 대량생산이 가능한 습식펄프몰드 제조공정에서 건조공정 중 펄프몰드의 밀도향상에 영향을 미치는 수분증발에 의한 과밀화 효과를 최소화하기 위한 방안으로 극성과 표면장력이 높은 물을 저극성 용매로 치환하여 펄프몰드를 제조하는 방법을 고안 및 적용하여 그 영향을 알아보았다. 펄프몰드 성형 시 성형용액을 저극성 용매로 치환하여 성형단계부터 저극성 용매를 적용하여 생산하는 방법에 의한 효과와 용매성형에 상대적으로 간단한 방법인 진공탈수 후 습지에 대한 저극성 용매 분무처리 방법의 효과를 비교평가하였다. 본 실험 결과들을 통해 저극성 용매의 적용으로 펄프몰드 구조의 벌크화를 크게 상승시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었고 이로 인해 건조효율도 크게 증가시킬 수 있는 것을 확인하였다. 성형 시 용액 전부에 대한 저극성 용매 혼합적용을 통한 방법에 비해 벌크향상 효과가 다소 낮지만 상대적으로 용이하게 적용할 수 있는 저극성 용매의 분무처리 방법 적용으로 벌크의 향상 및 이로 인한 수분흡수량 증가가 뚜렷하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과들을 통해 저극성 용매 적용기술이 향후 제지공정에 비해 백수의 순환경로가 단순하고 휘발되는 저극성 용매의 회수가 용이한 습식펄프몰드 공정에서 벌크향상을 위한 주요한 방법으로 적용가능성이 높을 것으로 판단되었다.
