1. 서 론
OCC(old corrugated containers)를 주원료로 사용하는 재생 골판지 원지의 경우 계절에 따른 공정수의 온도 변화로 종이의 강도 차이가 발생하는데, 온도가 높은 하절기에 생산된 종이의 강도가 온도가 낮은 동절기의 경우와 비교하여 감소하는 경향을 보인다. 이에 대한 원인을 분석한 이전 연구1,2)에 의하면 계절별 공정수의 온도차에 의해 OCC 해리 특성이 달라지는 것에 기인하여 재생 골판지 원지의 강도 변화가 발생되는 것으로 보고되었다.1) 그리고 골판지 성형 시 접착제로 사용하는 Stein-Hall 방식으로 제조된 전분 접착제가 공정수 온도에 따라 전분 팽윤 정도에 영향을 주어 수초지에 잔류하는 전분 접착제의 보류도가 달라짐에 따라 최종적으로 골판지 원지의 강도 변화를 유발하는 주요 인자 중 하나인 것을 확인하였다.2)
상기의 연구 결과를 바탕으로 골판지 원지의 강도가 동절기보다 하절기에 저하되는 문제점을 극복하기 위해서는 OCC 재활용 공정의 공정수 온도가 과도하게 상승하지 않도록 조정하는 방안을 강구하여야 하지만 공정수 및 지료를 냉각시킬 수 있는 설비를 갖추는 것은 제조 공정 여건상 많은 어려움이 존재한다. 따라서 보다 용이한 대처 방안은 원료인 재활용 펄프의 해리 정도를 조절하는 것이다. 재활용 펄프의 해리에 영향하는 인자로는 펄퍼 형태, 온도, 농도, 소요 동력 및 체류 시간 등3)이 있는데 바로 조절 가능한 주요 인자는 로터 속도, 해리 시간 및 해리 농도이다.
재활용 펄프의 해리 특성을 개선하고자 해리 속도 및 해리 시간을 증가시킬 경우 펄핑 에너지가 증가하고 미세분 발생이 조장됨에 따라 탈수 속도를 저하시키는 문제가 발생된다.4) 또한, 해리 시간을 증가시킬 때에는 지료 공급이 원활하지 않아 원지 생산 속도를 줄일 수밖에 없어 생산성 저하를 가져올 수 있다. 반면, 펄퍼에서 해리 조절 인자 중 해리 농도의 경우 원료의 해리 농도가 높으면 원료의 해리를 촉진시킨다고 보고된 바 있으며5,6) 생산적인 측면에서 고려할 때 동일한 시간에 더 많은 원료의 해리가 가능하기 때문에 품질적인 부분이 용인된다면 생산성 향상에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대된다. 그러나 해리 농도에 따른 해리성에 대한 연구 결과는 보고된 바 있지만 골판지 원지와 같은 재생종이의 강도와의 상관성에 대해서는 그 연구가 아직 미흡한 실정이다.
이에 본 연구에서는 하절기·동절기의 계절별 해리 온도 차이를 감안하여 OCC 해리 농도가 강도에 영향하는 바를 분석하고 펄퍼에서의 해리 농도를 조절함으로써 하절기 공정수 온도 증가에 따른 재생 골판지 원지의 강도 저하를 보완할 수 있는 방안을 탐색하고자 하였다.
2. 재료 및 방법
2.2 실험방법
2.2.1 OCC의 해리 및 정선
본 실험에서는 OCC 제지 재활용 공장에서의 해리 및 정선 처리를 실험실적으로 재현하기 위하여 Fig.1에 나타낸 모식도와 같이 프랑스 국립펄프제지연구소 CTP (centre technique du paper)에서 개발한 LAM’RCF를 이용하였다. 해리 시간과 로터 속도를 20 min과 1,200 rpm으로 고정하여 OCC의 저농도 해리를 실시하였다. 하절기 OCC 해리 시 해리 농도에 따른 재생지의 강도 변화 등을 분석하기 위하여 52℃의 온도에서 해리 농도를 5-7% 범위로 조절하여 해리를 실시하였다. 한편, 대조군으로 동절기 해리 온도 및 농도인 19℃, 5%에서 해리를 실시하였다. 자세한 실험 조건은 Table 1에 나타내었다. 이후 해리된 OCC 지료를 0.5±0.05%로 희석한 후 3 mm 직경의 홀 스크린(hole screen)과 0.3 mm 폭의 슬롯 스크린(slot screen)을 통과시켜 스크린 리젝트(screen reject)가 제거된 억셉트 지료(accept)를 얻었다. Fig. 2는 각각 홀-슬롯 스크린에 의해 여과된 리젝트물을 보여주고 있다. 상기한 실험 방법을 통해 해리 온도와 농도가 서로 다르게 조성된 지료의 수초지 분석을 실시함에 따라 실제 현장과 달리 종이에 미해리물이 포함됨으로 인해 결과가 왜곡되는 문제점을 피할 수 있었다.
2.2.2 Somerville screen을 이용한 해리 특성 분석
해리 농도 및 온도 변화에 따른 골판지 원지의 해리 특성을 알아보기 위해 Fig. 3에서 보는 바와 같이 상기 2.2.1항에서 얻어진 LAM’RCF 스크린 억셉트 지료를 썸머빌 스크린(Somerville screen)을 이용 분급하여 미해리분(flake), 섬유분(fiber), 미세분(fines)으로 분리하였다. LAM’RCF 스크린 억셉트 지료를 150 μm의 썸머빌 스크린으로 걸러 미해리분을 분리하였고, 200 mesh 스크린을 이용하여 썸머빌 스크린을 통과한 지료를 섬유분과 미세분으로 분급하였다. 이후 미해리분과 섬유분을 105℃ 열풍 건조기에서 24 hr 건조시켜 미해리분 및 섬유분의 전건량을 칭량하고 3가지 성분의 구성비를 계산하였다. 미세분 함량은 다음 Eq. 1에 의거하여 계산하였다.
2.2.3 여수도 측정
LAM’RCF 스크린 억셉트 지료의 탈수도를 간접적으로 분석하기 위해 TAPPI standard method T227 om-94에 의거하여 OCC 해리 후 LAM’RCF 스크린 억셉트 지료의 여수도(canadian standard freeness, CSF)를 측정하였다.
2.2.4 수초지 제조
해리 농도 및 온도 변화에 따른 골판지 원지의 강도 변화를 분석하기 위해 각 해리 조건으로 조성된 LAM’RCF 스크린 억셉트 지료를 이용하여 수초지를 실시하였다. 각 해리 조건에 따른 LAM’RCF 스크린 억셉트 지료를 0.3%의 농도로 희석한 후, RDA(Retention & Drainage Analyzer, GIST, Korea)를 이용하여 평량 80±2 g/m2으로 초지하였다.
2.2.5 탈수도 및 보류도 측정
RDA를 이용하여 초지하는 경우 감압 탱크를 활용하여 진공 탈수가 이루어지는데, 감압 탱크에 모인 백수의 탁도를 기준으로 탈수 시의 보류도를 평가할 수 있다.7) 이에 본 연구에서는 RDA를 이용하여 진공 탈수 시 탈수성과 보류도를 분석하였다.
2.2.6 수초지의 강도 특성 분석
2.2.4항에서 제조된 수초지 시료의 강도 특성을 분석하기 위해 먼저 KS M ISO 187에 의거하여 온도 23±1℃, 상대 습도 52±2%의 항온·항습 조건에서 24시간 이상 조습 처리하였다. 이후 KS 표준 시험법에 따라 파열 강도(KS M ISO 2758, L&W bursting strength tester, Lorentzen & Wetter, Sweden), 인장 강도(KS M ISO 1924-2, L&W bursting strength tester, Lorentzen & Wetter, Sweden), 압축 강도(KS M ISO 12192, L&W crush tester, Lorentzen & Wetter, Sweden)를 평가하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 원료의 해리 특성 분석
LAM’RCF 시스템을 이용하여 OCC를 해리 및 정선한 후 LAM’RCF 스크린 억셉트 지료와 리젝트 함량을 분석한 결과를 Table 2에 나타내었다. 표에서 보는 바와 같이 해리 온도 및 펄프 농도에 따른 LAM’RCF 스크린 리젝트 발생량은 0.1% 이하로 미해리분이 거의 없이 섬유상으로 해리된 상태였다. 그리고 LAM’RCF 스크린 억셉트 지료를 썸머빌 스크린으로 미해리분, 섬유분, 미세분으로 분급하여 온도 및 농도에 따른 해리 특성을 평가한 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 해리 농도 5%에서 해리 온도가 높을 경우(52℃) 해리 온도가 낮은 경우(19℃)보다 미세분 함량이 약 2% 낮았으나 52℃에서 농도를 5%에서 7%까지 증가시킬 경우 19℃, 5%와 비교하여 미세분 함량은 감소하고 섬유분이 약 5-7%가 증가되었다. 이는 해리 농도가 증가함에 따라 섬유들 간의 마찰력이 증가하여 섬유의 해섬 특성을 개선시킨 것에 기인한 결과로 판단되며, 이러한 섬유 간 마찰의 증가는 해리가 어려운 미해리분의 해리에 영향을 미쳐 미세분을 조장하기보다는 섬유로의 해섬을 촉진시키는 것으로 판단된다.
3.2 탈수성 및 보류특성
해리 온도 및 해리 농도에 따른 OCC 지료의 여수도 분석 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 여수도는 지료의 탈수 정도를 손쉽게 측정이 가능하기에 원료의 해리 정도 및 고해 정도의 평가에 보편적으로 사용되고 있는 방법으로서, CSF 값이 높을수록 그 지료의 탈수가 양호한 것으로 생각할 수 있다. Fig. 5에서 보는 바와 같이 동일 농도(5%)에서의 해리 온도별 여수도는 유사하였으나, 해리 온도 52℃에서 해리 농도가 증가할수록 여수도가 감소되어 탈수 저항성이 증가함을 알 수 있었다. 해리 농도 증가에 따른 미세분의 감소에도 불구하고 탈수 저항성의 증가하는 것은 섬유의 표면개질 효과에 의한 것으로 판단된다. 그리고 Fig. 6의 RDA 백수의 탁도 결과에서 보는 바와 같이 해리 농도가 증가함에 따라 탁도도 증가하여 보류 특성이 떨어지는 경향이 보이나 그 차이는 크지 않았고 보류 향상제를 적용할 경우 충분히 제어할 수 있을 것으로 판단되었다.
3.3 수초지의 강도 특성
해리 온도 및 해리 농도가 수초지의 강도에 미치는 영향을 분석하기 위해 인장 강도, 압축 강도, 파열 강도를 측정하고 그 결과를 Figs. 7-9에 나타냈다. 그림에서 보는 바와 같이 동일한 농도(5%) 하절기 공정수 온도인 52℃의 조건으로 해리한 경우 수초지의 압축 강도가 동절기 공정수 온도인 19℃의 조건으로 해리한 경우보다 12.4% 만큼 낮았다. 이는 전보1)인 “OCC의 해리 온도가 강도에 미치는 영향”의 경우와 동일한 결과로, 실제 골판지 제조 현장에서 하절기에 종이 강도가 약 10% 감소되는 현상과도 유사한 결과이다.2) 그러나 이와 같은 하절기 공정수 온도인 52℃에서 해리된 종이 강도의 저하는 해리 농도를 증가시킴으로써 개선이 가능하였다. Fig. 9에서 보는 바와 같이 농도가 5%에서 6%로 1% 증가 시 압축 강도가 15.7% 증가하였고, 해리 농도를 7%까지 높이면 압축 강도가 20.3%로 약 20% 이상 증가하였다. 펄퍼의 해리 농도 증가는 섬유 간 마찰력을 증가시켜 미세분의 형성보다는 미해리분을 해섬하여 섬유분을 증가시키고, 섬유의 표면 개질을 촉진할 뿐만 아니라 재활용 섬유의 수화(hydration)를 도와 섬유 간의 수소 결합을 향상시킴에 따라 종이의 강도가 개선되는 것으로 판단되었다.
4. 결 론
OCC를 주원료로 사용하는 재활용 골판지 제조 현장에서는 하절기에 초지한 골판지 원지의 강도가 동절기와 비교하여 취약한 경향이 있는 바, 이전 연구1)에서 하절기와 동절기의 해리 온도로 각각 52℃와 19℃로 설정하고 5%의 동일 농도로 해리, 수초한 종이의 강도를 비교한 결과 인장 강도, 파열 강도, 압축 강도 모두 골판지 제조 현장의 결과와 마찬가지로 해리 온도가 높을 때 종이 강도가 낮은 것을 확인하였다. 본 연구에서는 상대적으로 강도가 떨어지는 하절기에 생산되는 골판지 원지의 강도를 향상시키는 방안으로 해리 농도를 7%까지 상향 조절하여 재생 섬유 간 결합력을 개선시키고자 하였다. 그 결과 해리 온도 52℃, 해리 농도 6%의 경우 19℃, 5%의 경우와 종이 강도가 유사하였고, 6.5%와 7%로 농도를 더 높여 해리하였을 경우 압축 강도 기준 최대 20% 이상 강도가 증가하는 것으로 확인되었다.
따라서 동절기 대비 하절기에 생산된 골판지 원지의 강도 저하 현상을 해결하기 위한 방안으로 펄퍼에서의 OCC 해리 농도를 증가시키는 것을 고려해볼 수 있다고 판단되며, 계절별로 펄퍼의 적정 해리 농도를 탐색 및 선정하는 것이 균일한 재생지 강도를 유지하는 방안 중의 하나라고 제안한다.
