1. 서 론
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
2.2 실험방법
3. 결과 및 고찰
3.1 펄프 종류별 기본 물성 분석
3.2 펄프 종류별 건조효율 평가 결과
3.3 펄프 종류별 수초지 주요 특성 분석 결과
4. 결 론
1. 서 론
제지산업은 대표적인 에너지 및 용수 다소비 산업이기 때문에 환경보호와 더불어 탄소중립을 위해 온실가스 감축의 필요성이 시급하다.1) 제지공정에서 사용되는 열에너지는 대부분 건조공정에서 소비되는데 이때 배출되는 온실가스는 제지산업 전체 배출량의 64.2%로 가장 높은 비중을 차지하고 향후 제지 생산량이 늘어나면서 2030년 온실가스 배출량은 2018년 대비 3.4-6.0% 추가 증가할 전망으로 보고되었다.1,2,3) 점차 상승하는 온실가스 배출량을 줄이기 위해서는 건조공정에 사용되는 건조에너지를 절감할 수 있는 새로운 제지기술 개발이 필요하다고 판단된다. 건조에너지 절감에 대한 방안으로 높은 투자가 필요한 여러 가지 공정개선 기술들이 있지만,1) 본 연구에서는 새로운 투자 비용이 발생하지 않고 생산에 바로 적용이 가능한 원료의 효율적인 활용을 통해 건조에너지를 절감하고자 하였다. 종이는 펄프 원료가 70% 이상으로 대부분을 차지하고 충전제나 기타 첨가제가 나머지를 구성하고 있기 때문에4,5) 펄프 원료의 자체의 특성 분석을 통한 건조에너지 절감의 기술 개발이 필요하다고 판단된다.
국내에서 생산되는 박엽지는 주로 과일봉지 원지, 기능성 산업용지, 포장용지 등으로 사용된다. 박엽지는 홀겹 뿐만 아니라 두겹으로 합지하는 형태로 생산할 수 있다.6) 특히 합지 형태로 생산할 경우 다양한 펄프를 사용할 수 있는 장점이 있기 때문에 각 원료별로 주요 물성과 건조효율을 평가한다면 최종 박엽지 생산에 있어 중요한 자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
본 연구에서는 과일봉지 원지를 주로 생산하는 박엽지 생산공정에서 가장 많이 사용되는 천연펄프와 재생펄프의 물성과 건조효율을 분석하고자 하였다. 펄프의 사용량을 기준으로 천연펄프는 활엽수 표백 화학펄프와 침엽수 표백 화학펄프, 재생펄프로는 LCD간지와 철판간지를 선정하여 이들의 섬유 특성, 건조효율, 수초지의 주요 물성을 분석하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
본 연구에서는 N사에서 박엽지 생산에 사용하는 천연펄프 2종류인 활엽수 표백 크라프트 펄프(Hardwood bleached kraft pulp, HwBKP), 침엽수 표백 크라프트 펄프(Softwood bleached kraft pulp, HwBKP)와 재생펄프 2종류인 LCD간지(recycled liquid crystal display interleaf), 철판간지(recycled steel interleaf)를 제공받아 사용하였다.
2.2 실험방법
2.2.1 천연펄프, 재생펄프의 지료 조성 및 기본 물성 측정
천연펄프인 HwBKP와 SwBKP는 농도 약 1.5%로 Valley beater를 이용하여 해리 및 고해를 진행해 여수도 600, 500, 400 mL CSF의 지료를 조성하였다. 재생펄프인 LCD간지와 철판간지는 농도 약 2.0%로 실험실용 고속해리기(Laboratory pulp disintegrator, Daeil Machinery co., Ltd., Korea)를 이용하여 충분히 해리를 진행한 후 지료를 조성하였다. 준비된 지료의 여수도(freeness)를 측정하기 위해 캐나다 표준 여수도 측정기(Canadian Standard Freeness tester)를 이용하였다. 섬유장측정기(FQA-360, OpTest Equipment, Canada)를 이용하여 펄프 섬유의 평균 섬유장(length weight average fiber length), 평균 섬유폭(average fiber width), 미세분 함량을 분석하였고 광학현미경(BX-51, OLYMPUS, Japan)을 이용하여 40배, 100배, 200배 배율로 섬유 이미지를 촬영하여 각각의 섬유 형태를 관찰하였다. 재생펄프의 WRV (Water retention value) 측정을 위해 TAPPI standard UM 256에 의거하여 21±3℃에서 중력가속도 900 G 조건으로 30분간 원심분리기(LaboGene 1248, Gyrozen Co., Ltd., Korea)를 이용하여 탈수시킨 후 펄프의 무게 W1과 105℃ 건조기에서 전건 시킨 후 펄프의 무게 W0를 측정하여 Eq. 1에 대입하여 계산하였다.
2.2.2 천연펄프, 재생펄프를 이용한 수초지 제조 및 건조효율 평가
준비된 각각의 지료 농도를 0.5-0.7%로 희석한 후 실험실용 사각수초지기를 이용하여 평량 60±1 g/m2의 습지필을 제조하였다. 제조한 습지필을 345 kPa의 압력 조건에서 5분간 압착하고 실험실용 실린더 드라이어로 건조하여 수초지를 제조하였다. 제조된 수초지는 23℃, 50% 상대습도(relative humidity, RH) 조건의 항온항습기에서 24시간 조습처리를 진행하였다. 건조효율 평가를 위해 평량 60±1 g/m2으로 제조되어 압착까지 진행된 습지필을 수분측정기(XC63, CAS, Korea)를 이용하여 120℃ 조건으로 전건 상태에 도달할 때까지 증발되는 수분함량의 변화를 측정하였고 건조시간에 따른 수분함량 변화를 곡선으로 평가하였다.
2.2.3 천연펄프, 재생펄프로 제조한 수초지의 주요 특성 평가
조습처리된 수초지의 물리적 특성과 광학적 특성을 평가하기 위해 TAPPI 표준시험법에 의거하여 벌크(TAPPI T 411), 인장강도(TAPPI T 494)를 측정하였고 광학적 특성 및 섬유 간 결합의 정도를 평가하기 위해 분광광도계(Elrepho spectrophotometer, L&W, Sweden)를 이용하여 불투명도와 광산란계수를 측정하였다. 광산란계수는 Eq. 2에 대입하여 계산하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 펄프 종류별 기본 물성 분석
재생펄프인 LCD간지, 철판간지와 천연펄프인 HwBKP, SwBKP의 여수도, 평균 섬유장, 평균 섬유폭, 미세분 함량, WRV 측정 결과를 Table 1에 도시하였다. 펄프의 탈수성에 영향을 미치는 여수도 측정 결과, LCD 간지와 철판간지는 각각 450 mL CSF와 320 mL CSF로 철판간지가 더 낮은 여수도 값으로 나타났다. Zhang 등7)에 따르면 기계적 처리에 의해 섬유의 비표면적이 증가할수록 수분 보유력이 증가하는 것으로 나타나 본 연구에서 사용된 철판간지의 고해 수준이 LCD간지보다 더 높은 것으로 판단된다. 평균 섬유장과 섬유폭 측정 결과, LCD간지가 철판간지보다 상대적으로 더 길고 폭이 큰 섬유로 나타났다. HwBKP의 경우, 해리만을 진행하여 측정한 초기 여수도(Initial freeness)가 600 mL CSF 이하인 580 mL CSF로 나타나 580 mL CSF, 500 mL CSF, 400 mL CSF의 지료를 준비하여 실험을 진행하였다. HwBKP와 SwBKP의 여수도가 감소할수록 각 펄프의 섬유장은 감소하였고 섬유폭의 차이는 거의 나타나지 않았다. 기계적 처리에 의해 HwBKP와 SwBKP의 여수도와 섬유장이 감소할수록 미세분 함량은 점차 증가하는 경향으로 나타났다. 섬유의 형태를 관찰하기 위해 광학현미경으로 촬영한 섬유 이미지를 Figs. 1, 2, 3, 4에 도시하였다. LCD간지와 철판간지의 섬유 이미지 관찰 결과, 모두 고해가 진행되어 섬유의 끝이 절단되고 섬유 표면에 피브릴들이 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 철판간지의 섬유 이미지에서 비교적 작은 크기의 섬유들이 분포하는 것을 확인하였지만 LCD간지의 섬유와 비슷한 크기의 큰 섬유들도 함께 존재하는 것을 확인하였다. 철판간지에서는 활엽수에서 관찰할 수 있는 고유 특성인 도관을 관찰할 수 있었고 LCD간지에서는 대부분 길고 두꺼운 섬유들이 분포하고 도관은 존재하지 않는 것을 확인하였다. 해리만을 진행한 여수도 580 mL CSF의 HwBKP 섬유 이미지에서는 섬유의 끝이 뾰족하고 섬유의 표면이 매끈한 것을 관찰하였고 여수도 500 mL CSF, 400 mL CSF의 HwBKP의 섬유 이미지에서는 기계적 처리에 의해 섬유의 끝이 절단되고 피브릴화가 일어난 것을 확인하였다. SwBKP의 섬유 이미지에서 기계적 처리에 의해 여수도가 감소할수록 섬유가 절단되어 짧아진 섬유장과 섬유 표면에 피브릴들이 노출된 것을 확인할 수 있었다.
Table 1.
Characteristic of pulp fibers
3.2 펄프 종류별 건조효율 평가 결과
LCD간지와 철판간지의 습지필을 이용하여 측정한 건조시간에 따른 수분 증발량 변화 그래프를 Fig. 5에 도시하였다. LCD간지와 철판간지의 습지필이 전건상태에 도달할 때까지 최대로 증발되는 수분함량은 각각 55.6%, 59.8%로 나타나 LCD간지보다 철판간지로 제조된 습지필이 더 많은 수분을 함유하는 것을 확인하였다. LCD간지와 철판간지의 습지필이 전건상태에 도달할 때까지 소요되는 건조시간은 LCD간지는 12분, 철판간지는 16분으로 나타났다. 이는 3.1의 결과와 같이 철판간지의 WRV가 LCD간지보다 높고 더 낮은 여수도를 나타냈기 때문에 고해에 따라 높아진 섬유의 비표면적에 더 많은 물 분자가 수소결합을 형성하여 나타난 결과로 판단된다.8,9,10) 본 그래프에서는 최대로 증발되는 수분함량과 전건상태에 도달할 때까지의 최소 건조시간이 적을수록 건조효율이 높다는 것을 나타낸다. 따라서 재생펄프의 건조효율을 비교하였을 때 철판간지보다 LCD간지의 건조효율이 더 높은 것으로 판단된다.
HwBKP와 SwBKP의 여수도별 건조시간에 따른 수분 증발량 변화 그래프를 Figs. 6, 7에 도시하였다. HwBKP와 SwBKP의 경우 기계적 처리에 따라 여수도가 증가할수록 습지필에서 증발되는 최대 수분함량과 전건상태에 도달하는 최소 건조시간은 점차 증가하는 경향으로 나타났다. 이는 고해가 진행될수록 외부 피브릴화에 의해 섬유의 세포벽 내부의 표면이 외부로 노출되어 물 분자와의 수소결합을 증가시키고 내부 피브릴화에 의해 세포벽이 손상되어 섬유가 여러 층으로 분리되면서 나타나는 현상으로 판단된다.8) HwBKP의 경우 증발되는 최대 수분함량은 여수도 580 mL CSF, 500 mL CSF, 400 mL CSF 순으로 52.2%, 58.8%, 64.4%로 나타났고 전건상태에 도달하는 최소 건조시간은 12분, 14분, 18분으로 나타났다. SwBKP의 경우 증발되는 최대 수분함량은 600 mL CSF, 500 mL CSF, 400 mL CSF 순으로 60.3% 62.8% 64.7%로 나타났고 건조시간은 28분, 30분, 32분으로 나타났다. HwBKP보다 SwBKP의 최대 수분함량이 상대적으로 더 높고 건조시간 또한 비교적 많이 소요되는 것으로 나타났다. 따라서 동일한 여수도 조건에서 습지필을 건조할 경우 SwBKP보다 HwBKP로 제조된 습지필이 상대적으로 건조효율이 높은 것으로 판단된다.
3.3 펄프 종류별 수초지 주요 특성 분석 결과
LCD간지와 철판간지를 이용하여 제조한 수초지의 인장강도, 불투명도, 광산란계수 측정 결과를 Figs. 8, 9, 10에 도시하였다. LCD간지에 비해 철판간지의 수초지가 높은 인장강도를 나타냈다. 철판간지와 LCD간지는 재활용되어 제조된 재생펄프임을 고려하여 고해도를 파악할 수 있는 여수도 측정 결과를 비교하였을 때 더 낮은 여수도의 철판간지가 고해로 인한 섬유의 높은 비표면적으로 섬유간의 수소결합이 상대적으로 많이 형성되어 강도가 높게 나타난 것으로 판단된다.10) 불투명도, 광산란계수 측정 결과, 철판간지가 LCD간지보다 더 높은 값으로 나타났다. 이는 긴 섬유만으로 이루어진 LCD간지와 달리 철판간지는 짧은 섬유장과 긴 섬유장이 혼합된 섬유들로 구성되어 있기 때문에 나타난 결과로 판단된다.11)
여수도별 HwBKP와 SwBKP를 이용하여 제조한 수초지의 주요 특성 결과를 Figs. 11, 12, 13, 14, 15, 16에 도시하였다.
HwBKP와 SwBKP의 경우 여수도가 감소할수록 인장강도는 증가하였고 불투명도와 광산란계수는 소폭 감소하였다. 이는 고해를 진행할수록 섬유의 비표면적이 증가하고 미세분이 발생하여 섬유간의 결합력이 증가해 나타난 결과로 판단되고10) 이로 인해 수초지 내부의 섬유 사이 공간이 적어 빛이 비교적 적게 산란되는 것으로 판단된다.12) 동일한 여수도 조건에서의 HwBKP와 SwBKP의 수초지 주요 특성 분석 결과, SwBKP의 인장강도가 더 높은 값으로 불투명도와 광산란계수는 더 낮은 값으로 나타났다. 이는 3.1의 섬유의 물성 분석 결과에 따라 SwBKP가 HwBKP보다 더 긴 섬유장을 지니고 있기 때문에 나타난 결과로 판단된다.11,12,13)
4. 결 론
본 연구에서는 박엽지 생산에 사용하는 재생펄프 2종과 천연펄프 2종의 여수도, 섬유 특성, WRV, 형태 및 건조효율을 분석하였고 수초지를 제조하여 인장강도, 불투명도 및 광산란계수를 측정하여 건조에너지 절감을 위한 기초연구를 진행하였다.
철판간지의 여수도가 LCD간지보다 더 낮은 여수도를 나타냈고 WRV는 철판간지가 더 높은 값으로 측정되어 LCD간지와 비교하여 철판간지의 고해 수준이 더 높은 것으로 판단된다. 섬유 특성 분석 결과, LCD간지가 철판간지보다 더 길고 폭이 큰 섬유로 구성되어 있었고 도관이 관찰되지 않는 것으로 볼 때 침엽수 섬유로 구성되어 있는 것으로 판단된다. 천연펄프는 기계적 처리에 의해 여수도가 감소할수록 섬유장이 점차 감소하였고 미세분은 증가하는 경향으로 나타났다. 건조효율 평가 결과, 동일한 수초 조건에서 LCD간지가 철판간지보다 습지필에서 증발되는 최대 수분함량과 전건상태에 도달하는 최소 건조시간이 낮게 나타나 건조효율이 더 높은 것으로 나타났으며 천연펄프의 경우 동일한 여수도 조건에서 SwBKP보다 HwBKP의 건조효율이 더 높은 것으로 확인되었다.
수초지 주요 특성 분석 결과, LCD간지보다 더 낮은 여수도의 철판간지가 더 높은 인장강도를 나타냈고 긴 섬유로 구성된 LCD간지 수초지와 달리 짧은 섬유와 긴 섬유가 혼합된 철판간지의 수초지가 더 높은 불투명도와 광산란계수를 나타냈다. 천연펄프의 경우, 동일한 여수도 조건에서 HwBKP보다 SwBKP로 제조된 수초지가 더 높은 인장강도와 낮은 불투명도 및 광산란계수를 나타냈다.
본 연구의 결과에 따라 건조효율이 우수한 펄프로는 LCD간지와 HwBKP, 강도가 우수한 펄프로는 철판간지와 SwBKP로 구분할 수 있었다. 따라서 박엽지 합지 생산 시 이러한 결과를 활용하여 건조효율이 우수한 펄프의 배합비를 높이고 강도가 우수한 펄프는 기계적 처리 소요시간을 감소시켜 건조효율을 높이는 방안으로 최적의 건조효율과 강도를 갖는 펄프 원료의 조합을 통해 건조에너지 절감을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
