1. 서 론
전 세계로 확산된 바이러스성 질병으로 인한 소비 형태의 변화는 온라인 쇼핑을 통한 생필품, 배달음식 등 서비스 시장의 확대로 이어지고 있다.1) 최근 통계청이 발표한 ‘2021년 8월 온라인쇼핑 동향’에서는 배달음식 등 음식 서비스 결제액이 2조 4억 원대로서 전년 같은 기간과 비교하면 44.3% 증가하였으며 역대 최대 규모로 나타났다.2) 이러한 소비 형태의 변화로 인해 식품 포장용으로 사용되는 밀폐용기, 가정용 비닐 용품 등 플라스틱류 폐기물의 급증은 폐기물 대란으로 이어져 환경 및 사회적 문제를 초래하였으며, 이를 해결하기 위한 사회적 논의도 활발히 전개되고 있다.
이에 따라 플라스틱 재질을 대체할 수 있는 재활용률이 높은 지류 포장재에 대한 소비자의 인식과 선호도가 높아지고 있으며, 전 세계적으로 재활용 가능한 셀룰로오스 기반의 고차단성 지류 포장재에 대한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다.3-7)
지류 폐기물은 수거되어 제지 생산공정 중 해리공정에서 수분에 의한 섬유 간 수소결합의 약화 및 펄퍼(pulper)에서 발생하는 전단력에 의해 해섬되어 개개의 섬유로 분리되며, 재활용 가능한 지료8)로 전환된다. 그러나 식음료 포장을 목적으로 하는 지류 포장재의 경우 수분 및 산소 차단에 대한 취약성9,10)을 보완하기 위하여 라미네이팅 또는 표면도공 처리가 요구된다. 라미네이팅은 내수성, 내기성, 내유성 등의 차단 특성 부여를 위해 주로 고분자 물질을 필름상으로 종이 표면에 온도와 압력을 가하여 종이와 필름을 강하게 점착시키는 방법을 말한다.11) 따라서 고차단성 지류 포장재는 고분자 필름과 종이가 결합된 형태의 종이 복합재 형태이므로 폐기 후 재활용 공정에서 재펄프화 효율에 악영향을 미칠 수 있다.11) 국내의 경우 별도의 분리수거 체계가 존재하지 않아 라미네이팅 처리된 고차단성 지류 포장재 역시 일반 폐지와 동일한 방식으로 수거된다.12) 이러한 고분자 필름이 점착된 포장재가 혼합되어 해리공정에 유입될 경우 공정 효율을 저하시키거나 지료에 뒤섞여 최종 제품의 품질에 영향을 미칠 수 있다.11) 이러한 문제를 해결하기 위해 최근에는 아크릴 에멀션 등과 같은 수용성 배리어 코팅제를 적용하는 연구13)가 보고되고 있으나, 아크릴 에멀션 코팅된 종이 또한 코팅 필름이 해리 공정에서 완전히 제거되지 않고 미분화 되어 해리된 섬유에 부착되어 다시 최종 제품으로 배출되고 있는 것으로 조사되었다.11) 따라서 기존 해리 공정으로는 고분자 필름 라미네이팅 처리된 지류 포장재의 해리 및 고분자 물질의 선별이 매우 어려우며,14) 이러한 포장재만을 따로 수집하는 분리수거 체계가 확립되지 않는 한 고분자 필름의 파괴 및 미세화를 발생시킴으로써 이후 공정오염과 제품의 품질 저하를 야기하는 문제점이 지속될 수 있다.15)
한편 식품의 안전한 운반 및 보관이 요구되는 고차단성 지류 포장재는 코팅 및 라미네이팅 공정 이전에 습윤강도를 향상시키기 위하여 지료조성 공정에서 습강제 및 사이즈제가 첨가된다. 습강제는 섬유와 섬유 사이에서 공유결합을 형성하기 때문에 해리 공정에서의 효율을 저하시키게 된다. 특히 화장지 제조 공정에 습강 처리된 종이 포장재가 일반 폐지와 함께 혼입될 경우 다른 원료와의 해리 속도 차이 및 최종 제품의 색상 차이 등의 문제를 야기할 수 있다고 보고된 바 있다.15) 따라서 재활용성이 우수함과 동시에 고차단성을 보유한 상호보완적 소재가 필요할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 고차단성 지류 포장재의 차단 특성 및 습윤강도를 측정하여 차단 특성 및 습윤 강도에 따른 수해리 특성을 분석하였으며, 또한 재펄프화 지료를 통해 수초지를 제작하여 고차단성 지류 포장재의 재활용 특성을 분석하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
2.1.1 지류 포장재
본 연구에서는 식품포장용, 종이컵 등의 재료로 사용되는 표면 코팅 또는 고분자 라미네이팅 처리된 지류 포장재를 분양받아 사용하였으며, 분양받은 시료의 정보는 Table 1과 같다.
2.2 실험방법
2.2.1 지류포장재의 차단 특성 및 습윤강도 분석
지류포장재의 차단 특성을 분석하기 위하여 투기성, 흡수성, 투습성 및 내유성 특성을 분석하였다. 투기도 측정(Air permeance tester, L&W, Sweden)은 KS M ISO5636-3에 따라 분석하였으며, 흡수도는 KS M ISO 535에 따라 상온에서 300초 동안의 흡수도를 측정하였다. 투습도는 KS T 1305에 따라 염화칼슘법으로 실시하였으며, 40℃, 90% RH 조건에서 시편을 24시간 동안 방치한 후 Equation 1에 따라 결과값을 계산하였다.
WVTR: water vapor transmission rate [g/(m2·day)
ΔW: weight change of cup with sample after incubation (g/day)
A: exposed area of sample (m2)
내유도 특성은 TAPPI T 559에 따라 Kit test를 수행하였다. 또한 습강 처리 및 사이징에 따른 습윤 지필의 강도를 평가하기 위하여 인장강도 시험기(Tensile strength tester, L&W, Sweden)를 이용하여 습윤지필의 인장에너지흡수(TEA, tensile energy absorption)를 측정하였다.
2.2.2 지류 포장재의 수해리 특성 분석
지류 포장재의 수해리 특성을 분석하기 위하여 전건 24 g에 해당하는 지류 포장재 시료를 취하여 3 cm×3 cm로 재단 후 수산화나트륨 수용액 1%에 4시간 이상 침지시킨 후 실험실용 표준 해리기(L&W, Sweden)를 이용하여 해리하였다. 해리된 지료는 Somerville screen(0.15 mm slit)을 사용하여 정선 처리하였으며, 해리 및 정선 처리 조건을 Table 2에 나타냈다. 정선 처리 후 슬릿을 통과하지 못한 미해리분과 슬릿을 통과한 섬유 및 미세분으로 분급하였다. Fig. 1에 지류 포장재의 차단 특성 및 습윤강도에 따른 재활용성 분석 모식도를 나타냈다.
3. 결과 및 고찰
3.1 지류 포장재의 차단 특성 분석
고차단성 지류포장재 시료에 대해 투기도, 흡수도, 내유도, 투습도 및 wet-TEA index 측정 결과를 Table 3에 나타냈다. 시험에 사용한 4종의 고차단성 지류포장재의 투기도 특성을 측정한 결과 4종 모두 최고 측정값으로 분석되었다. 또한 내유도도 최고 측정값인 12를 나타냈다. Kit 번호가 12에 가까울수록 높은 내유성을 가지며 0일 경우 내유성이 없음을 의미한다. 지류포장재의 흡수 특성 및 투습 특성을 분석한 결과 A 시료와 D 시료가 우수한 특성을 나타냈다. Wet-TEA index는 B 시료에서 1.72로 가장 우수한 특성을 나타냈다. 이와 같이 4종의 지류포장재에 대한 차단 특성을 분석한 결과 모두 고차단성을 지니고 있다고 판단되며, 4종의 시료 모두 내수성, 내기성, 내유성 향상을 위해 제조과정에서 고차단 특성을 지니는 필름이 점착되어 있으며, 포장지 원지에도 습강 및 사이징 처리를 수반하였을 것으로 파악된다.
3.2 고차단성 지류 포장재의 수해리 특성
Fig. 2는 지류 포장재를 해리한 다음 지료를 섬머빌 스크린을 이용하여 미해리분과 섬유 및 미세분으로 분급한 결과이다. 또한 Fig. 3은 정선 처리 이후의 스크린 리젝트 물질의 이미지를 나타낸 것이다. Fig. 2의 결과와 같이 A 시료의 경우 스크린 억셉트 비율은 65-70%였으며, Fig. 3의 이미지에서와 같이 A 시료는 정선 처리 이후 섬유층과 코팅층이 완전하게 분리되지 않음을 확인할 수 있었다. A 시료의 경우 Table 3에서와 투기성, 내유성 및 수분 차단 특성 등은 매우 우수하였으나, 해리 및 스크리닝 과정에서 코팅층과 섬유층의 분리는 다소 어려움이 있으며 재활용에 영향을 미칠 것으로 판단된다. B 시료의 해리에 따른 스크린 억셉트 비율은 65-75% 수준이었으며, 섬유층과 코팅층이 비교적 잘 분리된 것을 확인할 수 있었다. A 시료는 섬유층과 코팅층의 분리가 양호하지 않았고, B 시료는 섬유층과 코팅층의 분리가 양호했음에도 불구하고 스크린 억셉트의 비율은 큰 차이가 나타나지 않았다. 이러한 결과는 코팅 평량에 의한 것으로 사료되며, B 시료의 경우, 코팅층이 차지하는 비율이 상대적으로 높기 때문에 해리 및 스크리닝 과정에서 섬유층과 코팅층이 분리되면서 스크린 리젝트 비율이 높았기 때문인 것으로 판단된다.
C 시료의 경우, 스크린 억셉트는 95%로서 가장 높은 비율을 나타냈다. 또한 Fig. 3의 결과에서와 같이 섬유층과 코팅층의 분리가 비교적 잘 이루어진 것을 확인할 수 있었다. 따라서 Table 3에 나타낸 바와 같이 C 시료는 4종의 시료 중 차단 특성에서는 비교적 낮은 특성을 보이며, 코팅층과 섬유층의 우수한 분리 특성과 낮은 코팅 평량으로 인해 스크린 억셉트의 비율이 높게 나타낸 것으로 사료된다. D 시료의 경우 수해리성이 비교적 낮은 것으로 나타났다. Fig. 3에 나타낸 바와 같이 D 시료의 미해리분은 섬유층과 분리되지 못하고 잔존되었음을 확인할 수 있었다. Table 3에서와 같이 D 시료의 경우 차단 특성 및 wet-TEA index 값은 높았으며, 이에 따라 수해리성은 낮은 특성을 나타냈다.
3.3 지류 포장재의 지료 특성
Table 4는 4종의 지류 포장재에 대한 해리 후의 지료 상태를 나타낸 결과이다. 각 결과값은 각각의 시료에 대해 3회의 반복 실험을 통해 평균하여 얻었다. 해리 직후의 지료 pH는 각각의 시료에 있어 차이는 거의 없었으며, 회분 함량은 C 시료에서 4.8-5.3%로 가장 높은 것으로 분석되었다. 공정수 내에 배출된 음이온은 공정 수질 오염을 유발할 수 있다고 보고된 바 있으며,16) 칼슘 경도와 양이온 요구량이 높을 경우 공정 효율 개선 및 최종 생산 품질을 향상시키기 위하여 투입되는 각종 기능성 첨가제의 효율을 떨어뜨릴 수 있다고 보고된 바 있다.17) 또한 Lee 등18)은 종이의 재활용 과정에서 공정수의 오염은 코팅 종류와 무관하게 기본적인 원지의 특성에 좌우된다고 보고하였다. Table 4에 나타낸 바와 같이 B 시료는 분석 대상 4종의 포장재 중 상대적으로 높은 칼슘 경도와 양이온 요구량을 나타냈다. 따라서 B 시료의 경우 지료조성 공정의 오염도를 높일 수 있을 것으로 사료된다. 한편 A, C, D 시료의 경우 해리에 따른 공정수 오염에 미치는 영향은 낮을 것으로 분석되었다.
Table 4.
Characterizations of high barrier coated paper slurry by disintegration
Table 5는 지류 포장재의 정선 처리 전, 후의 여수도를 비교한 결과이다. Table 5의 결과에서와 같이 정선 처리 전, 후의 여수도 값을 비교했을 때, 정선 처리 이후에 A 시료와 D 시료에서 여수도는 감소하였으나 B 시료와 C 시료에서는 증가하였다. A 시료와 D 시료의 경우, 해리 과정에서 로터의 전단력으로 인해 코팅층이 미분화되어 지료에 혼입되어 섬유 간 결합거리를 증가시켰고, 정선 처리 이후 유입된 코팅층이 일부 제거됨에 따라 여수도 값이 감소한 것으로 판단된다. 반면 B 시료와 C 시료의 경우, 해리 과정에서 코팅 필름이 섬유층과 잘 분리되어 A 시료와 D 시료에서와 같이 상대적으로 미분화되지 않고 필름상으로 존재함으로써 정선 처리 이후 탈수를 방해하던 코팅 필름이 제거되어 여수도 값은 상승한 것으로 사료된다. 따라서 지류 포장재 제품에 따라 해리 후의 코팅 필름의 크기 및 미분화 정도가 상이하므로 여수도 변화를 통한 지료의 특성 평가도 유의미한 결과 해석이 가능할 것으로 판단된다.
3.4 지류 포장재 재펄프화 특성 이미지 분석
Fig. 4는 지류포장재의 재펄프화에 따라 수초지를 제조한 후 미분화된 이물질의 상태를 식별하기 위해 표면 광학 이미지, Optitopo 이미지 및 Image J 를 이용하여 비교한 결과이다. 표면 이미지 및 Optitopo 이미지 상에서 확인이 어려웠던 필름의 미분화 형상을 확인하기 위해 Image J 기법을 활용하였으며 Window/level을 초기값 135에서 200~250으로 조절함으로써 코팅층에 의한 이물질을 관찰할 수 있었다. A 시료와 D 시료의 경우, 해리 및 스크리닝 과정에서 섬유층과 완벽히 분리되지 못한 코팅 필름이 미분화되어 스크린 통과분 내에 유입되었으며 반점의 형태로 잔류함을 확인할 수 있었다. A 시료에서 코팅 필름의 사이즈는 약 1 cm 정도로 확인되었으며 D 시료의 경우 2-3 mm 내외로 매우 잘게 잘려 스크린 통과분 내로 유입되는 것으로 분석되었다. C 시료는 표면 이미지 상으로는 미분화된 코팅 필름이 관찰되지 않았으나, Optitopo와 Image J로 촬영한 이미지에서 코팅 필름이 소량 유입되었음을 확인할 수 있었다. B 시료에서도 Optitopo 이미지를 분석한 결과 미분화된 코팅 필름이 유입된 것을 확인할 수 있었으나, 그 비율은 매우 소량임을 확인할 수 있었다. Fig. 4에서의 미분화 물질은 Fig. 2와 Fig. 3에서 분석되었던 결과와도 일치하였다. A 시료와 D 시료는 코팅층에 의한 높은 차단 특성이 부여되어 해리 과정에서 로터의 전단력으로 인하여 코팅층과 섬유층의 분리가 아닌 코팅 필름의 미분화 현상이 발생하여 스크린 통과분 내로 유입된 것으로 추정된다. 특히 D 시료의 경우, 강한 차단 특성과 습강 처리가 동반됨에 따라 코팅층과 섬유층의 분리가 원활히 이루어지지 않으면서 더욱 미분화된 코팅 필름 층이 유입되는 것으로 판단된다. B 시료와 C 시료의 경우 차단 특성이 상대적으로 낮았고, 수산화나트륨 수용액 침지 및 해리, 정선과정에서 코팅층과 섬유층의 분리 효과가 높았을 것으로 사료된다. 따라서 A 시료 및 D 시료의 특성과 유사한 차단 특성의 포장재의 경우 미분화된 코팅층으로 인하여 재활용성은 다소 낮을 것으로 추정되며, B 시료 및 C 시료와 유사한 차단 특성을 갖는 제품은 필름이 미분화되지 않고 정선 과정에서 적절히 분리되어 공정 내에 유입되는 것을 방지할 수 있을 것으로 사료되며 재활용성은 다소 우수할 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 고차단 특성을 지닌 지류 포장재 시료 4종에 대해 수해리 특성, 지료의 상태, 수초지의 이미지 평가를 통한 재펄프화에 따른 품질 변화를 분석하였다.
차단 특성은 코팅 평량, 원지의 내, 외첨 처리 등에 따른 지류 포장재의 물리적 특성의 차이에 영향하는 것으로 분석되었다. 수해리성은 고차단 특성을 지닐수록 감소하였으며, 해리 후 지료가 공정수의 품질에 영향을 미치는 인자를 확인하기 위한 양이온 요구량과 칼슘 경도 분석에서 지류 포장재의 원지 특성에 따라 서로 상이함을 확인하였다.
스크린 억셉트로 초지한 수초지의 이미지 분석 결과, 미분화된 코팅 필름의 유입 정도는 습윤강도가 높은 경우보다 높은 차단 특성을 보유할수록 증가하였으며, 고차단 특성과 강한 습윤강도가 동반될 경우 코팅 필름이 더 작은 크기로 미분화되는 것으로 분석되었다.
지류포장재의 시료에 따라 차단 특성 및 습윤강도 차이가 확인되었으며 수해리성, 해리 지료의 성상, 코팅 필름의 미분화 정도 및 스크린 억셉트 내로의 미분화 물질의 유입 정도가 서로 상이하였다.
현재까지 수해리성은 차단 특성 및 습윤 강도가 증가할수록 감소하는 것이 일반적인 개념이지만, 제품 개발 시 재활용성을 고려하여 차단 특성과 습윤 강도, 코팅 필름과 섬유층의 점착 방법 등이 개선된 제품 개발이 필요할 것으로 판단된다.
