1. 서 론
펄프몰드는 목재펄프를 포함한 다양한 목재 및 비목재 펄프들을 사용하여 습식 또는 건식의 성형방법으로 제조되는 고평량의 시트상 구조체이다. 이러한 펄프몰드는 종이제품에 비하여 높은 평량과 상대적으로 높은 벌크 특성을 가지면서 다양한 형태의 제품을 생산할 수 있기 때문에 과일 또는 계란 등의 농축산물뿐만 아니라 기계류나 핸드폰, 화장품 등의 제품포장용 소재로 널리 활용되고 있다. 이러한 펄프몰드는 주로 목재펄프와 재생펄프 그리고 다양한 종류의 비목질 펄프 등을 원료로 제조되기 때문에 재활용성과 생분해성이 우수한 대표적인 친환경 소재라 할 수 있다. 현재 더욱 심각해지는 환경오염 문제에 대한 적극적인 대처방안들이 모색되면서 기존의 플라스틱과 비닐과 같은 합성물질 기반의 포장소재들의 사용제한과 규제가 확대되면서 대체소재들의 수요는 더욱 증가되고 있다. 펄프몰드는 기존의 합성수지 기반의 포장용 완충소재들을 대체하는 친환경 소재로서의 활용뿐만 아니라 고벌크의 특성을 기반으로 위생용 패드제품 등 다양한 일회용들의 대체제로서 관심이 높아지고 있다.1) 기존 합성수지 제품 대체소재가 가지는 문제들은 상대적으로 높은 가격과 낮은 품질이라고 할 수 있다. 따라서 친환경 소재의 활용성을 증대시키기 위해서는 지속적인 기술개발과 공정효율화를 통해 생산원가를 절감하여 가격경쟁력을 증대시키고 벌크성과 완충성을 개선하는 등 지속적인 품질향상이 시급히 요구되고 있는 상황이다.
다양한 펄프몰드 생산을 위하여 주로 활용되는 건식 펄프몰드 제조방법은 제품 생산효율이 낮고 추가적인 바인더의 적용 등이 필요하지만 습식 성형방식을 적용하는 경우에는 상대적으로 높은 생산성을 가지기 때문에 펄프몰드 제품의 가격경쟁력을 향상시킬 수 펄프몰드의 생산방식이라고 할 수 있다. 이러한 습식 성형방식을 통한 펄프몰드 제품의 제조는 건식 방법에 비해 제품의 성형과 공정의 효율적 관리가 건식 공정에 비하여 어렵기 때문에 펄프몰드의 품질개선과 효율적인 생산을 위한 다양한 연구들이 진행되어 왔다.2)
습식 펄프몰드 공정은 제지 공정에 비하여 다양한 특성과 종류의 펄프섬유 원료들을 적용하기가 용이하기 때문에 비목질 섬유 및 농산부산물 섬유 등 다양한 원료들을 적용하여 습식 펄프몰드의 제조 및 품질특성을 평가한 연구들이 진행되었다.3-6) 또한 펄프몰드의 기능성 강화 및 제조특성에 관한 연구들이 지속적으로 이루어져 왔다. 펄프몰드의 품질을 개선하기 위하여 표면에 코팅제 등을 적용하여 포장상품의 보관성을 증대시키는 연구 등 펄프몰드의 품질개선 연구들이 보고된 바 있다.7-9)
또한 습식 펄프몰드 제조공정 인자들에 따른 구조 및 품질특성의 변화들에 대한 연구들도 진행되었다.10,11) 이러한 선행연구에서는 원료 및 습식 성형조건에 따른 습식 펄프몰드의 구조 및 품질에 대한 연구에 초점이 맞추어져 있었으나 습식 펄프몰드 공정에서 중요한 역할을 차지하는 건조공정에서의 건조효율에 대한 기반연구들이 소개된 바가 없는 실정이다.
습식 펄프몰드 제조공정에서 건조효율은 펄프몰드의 전체 생산성에 주요한 역할을 미치는 공정으로서 일반적인 제지공정과는 달리 습식 펄프몰드 제조공정에서는 고벌크의 제품생산을 위하여 강한 압착탈수 공정을 실시하지 않고 건조공정을 실시하게 되므로 건조공정 에너지 비용은 전체 공정의 생산비에 매우 큰 영향을 미치게 된다. 습식 펄프몰드 성형공정으로 성형된 습지는 표면과 이면의 두 쌍으로 이루어진 메쉬망 몰드 내에서 진공탈수공정과 쿠칭공정을 거쳐 열풍 건조되어 제품이 제조된다. 이러한 습식 펄프몰드의 건조에 있어서 습식 펄프몰드 성형조건과 쿠칭공정 등에 의한 습지필의 구조변화에 이에 따른 건조효율 변화 등은 실제 습식 펄프몰드 공정의 건조효율성 증대 및 신제품 개발에 따른 전체 공정의 효율적 관리를 위한 중요한 기반자료라고 할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 현재 친환경 소재로서 많은 관심의 대상이 되고 있는 펄프몰드의 습식제조공정에서 습식성형조건에 따라 건조공정에서의 건조효율변화를 각 성형조건에서 제조된 습지의 건조속도를 평가하여 알아보았다. 특히, 성형 후 탈수증대를 위한 쿠치공정의 적용 여부에 따라 건조특성변화를 평가함으로써 향후 펄프몰드 신제품개발과 제조공정의 효율적 운용을 위한 기반자료를 확보하고자 하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
본 연구에서 습식 성형 펄프몰드의 시험제조를 위하여 활엽수 표백펄프(Hw-BKP)를 해리하여 사용하였으며 이때 해리 후 여수도(CSF) 600±5 mL의 상태에서 습식성형 펄프몰드 제조에 사용하였다.
2.2 습식 성형조건별 영향평가
2.2.1 성형조건별 습식펄프몰드 제조
2.2.1.1 습식 성형몰드 제조 장치
시험편 제조는 실제 습식펄프몰드 제조공정을 모사한 실험실용 습식펄프몰드 파일롯 성형기를 사용하여 제조하였다. 본 실험에서 사용한 습식펄프몰드 성형기는 상하로 움직이는 구조로, 성형 시 성형몰드를 지료탱크 속으로 투입하고, 일정 시간 동안 지료를 흡입하여 성형몰드 위에 지층을 형성시킨 후 성형탱크 외부로 성형몰드를 이동시켜 추가적인 진공 탈수를 실시하는 방식으로 성형공정이 진행되었다. 펄프몰드 성형을 위한 진공 흡입시간은 총 진공 흡입시간과 지료탱크 내부에서 지료를 흡입하여 지층을 형성시키는 진공 성형시간을 각각 설정하여 진공성형이 이루어진 이후 진공 탈수공정이 모두 정해진 시간 동안 이루어지게 실험을 진행하였다.
2.2.1.2 성형조건에 따른 습식 펄프몰드 시험편 제조
습식펄프몰드 성형 시 지료의 농도에 의한 영향을 평가하고자 지료농도를 0.5%, 1.5%로 각각 조정하여 적용하였고, 성형 시 진공도 압력도 0.045, 0.060, 0.075 Mpa로 각각 다른 압력조건에서 성형을 실시하였다. 성형 중 진공탈수는 일정 시간 이상, 본 장치의 경우 20초 이상이 되는 경우 탈수량에 큰 영향을 미치지 않았기 때문에 총 진공 흡입시간은 20초로 설정하여 충분한 진공탈수가 이루어지게 실험을 실시하였으며, 지료탱크 속에서 실제 지층이 형성되는 진공성형시간을 0.1-3.2초 내로 조절하여 각각의 상이한 습식펄프몰드 제조조건에서 조건별로 일정한 평량(400±20 g/m2)을 가지도록 시험편을 제조하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 성형 조건변화가 미쿠칭처리 펄프몰드의 건조특성에 미치는 영향
습식 펄프몰드 성형 시 지료 농도 및 성형 진공도에 의한 구조 변화 및 이에 따른 건조속도 변화를 쿠칭을 실시하지 않은 경우에서 평가하였다. 탈수속도의 개선 및 표면구조의 균일성 증대를 위하여 대개의 경우 쿠칭공정을 적용하여 펄프몰드를 생산하지만 제품의 벌크특성을 극대화하기 위한 방안으로 쿠칭을 실시하지 않은 경우에서 벌크가 상대적으로 높게 유지되는 시료의 건조효율 변화가 쿠칭처리 미실시에 의한 탈수효율 감소를 줄일 수 있는지 여부 등을 알아보았다. 지료 농도 0.5%, 1.5%의 조건에서 펄프몰드를 성형하였고 각각의 경우에서 성형 시 진공도를 0.045 Mpa, 0.06 Mpa, 0.075 Mpa로 각각 다르게 조절하였다. 각 시료가 동일한 평량을 가지도록 각각의 경우에서 진공성형시간을 조정하여 펄프몰드 시편을 제조하였다. 지료탱크에서 각각의 시료를 성형하고 진공탈수를 진행한 후 각 조건에서 진공탈수 정도를 알아보기 위하여 펄프몰드 습지의 고형분 함량을 평가하였다.
Fig. 3에서 볼 수 있듯이 습식펄프몰드 제조 시 성형진공도가 높아질수록 모든 조건에서 진공탈수 후 고형분의 함량이 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 동일한 성형진공도에서는 지료농도가 1.5%일 때 성형된 지필의 고형분 함량은 지료농도가 0.5%일 때 성형된 지필의 고형분 함량보다 높게 나타났다.
Fig. 3.
Solid contents of non-couched wet pulp molds at the varied forming pressures and stock concentrations.
지료 농도가 고농도인 경우에 습지필의 고형분의 함량이 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었고 이러한 성형지료 농도에 의한 습지필 고형분 차이는 진공도가 클수록 더욱 크게 나타나는 것을 알 수 있었다. 이를 통해 동일한 평량의 펄프몰드를 제조하는 경우 고농도 지료조건에서 진공탈수 후 습지필의 고형분이 높게 나타날 수 있음을 확인할 수 있었다.
습식 펄프몰드 성형 후 각 시편의 건조속도 변화를 평가하여 Fig. 4에 나타내었다. 건조속도는 성형 시 지료 농도가 낮은 경우에서 높게 나타나는 것을 볼 수 있었다. 이는 지료농도가 높은 경우에 섬유 간 응집과 엉킴이 심해져 불균일한 지필이 형성되는 것에 기인한 것으로 판단되었다. 실제 건조는 전체 시편에서 고르게 이루어져야 하는데 고농도 성형 펄프몰드 시료의 경우 습지필 내 섬유응집체의 건조가 상대적으로 오래 걸리면서 전체 건조시간이 길어진 영향으로 판단되었다. 또한 성형 시 성형 진공압이 높은 조건에서 제조된 펄프몰드의 건조속도가 낮아지는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 성형 시 높은 진공도에 의해 전체 지필의 구조가 급격히 조밀해지는 영향으로 판단되었다.
Fig. 4.
Drying speed of non-couched wet pulp molds at the varied forming pressures and stock concentrations.
각 성형조건에서 습식 펄프몰드 시편의 벌크 특성을 Fig. 5에 나타내었다. 고농도에서 제조된 시료의 경우 모든 진공 압력조건에서 모두 벌크가 높게 나타나는 것을 알 수 있었다. 이는 앞에서 언급된 것과 같이 고농도에서 성형하는 경우 지필 내에 상대적으로 많은 섬유 간 응집체의 존재로 인해 지필의 두께가 상대적으로 높게 형성되고 이로 인해 인해 높은 벌크 값을 가지는 것으로 판단되었다. 성형진공도가 높아질수록 지필이 압착되어 벌크가 낮아지는 것을 확인할 수 있었고 농도조건에 의한 시료 간 벌크의 차이는 높은 성형진공도를 적용하는 경우에서 더욱 크게 나타나는 것을 볼 수 있었다.
3.2 성형조건변화가 쿠칭처리 펄프몰드의 건조특성에 미치는 영향
습식 펄프몰드 성형 시 진공탈수공정 이후 쿠칭처리를 실시한 경우에서 지료농도 및 성형진공도에 의한 영향을 평가하였다. 쿠칭처리 이후 습지필 시료의 고형분 함량을 Fig. 6에 나타내었는데 미쿠칭 조건에서와 유사하게 고농도조건에서 제조된 습지의 고형분 함량이 다소 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 미쿠칭 조건과 비교하여 쿠칭처리에 의한 탈수정도는 고형분 함량에서 약 1-2% 내외의 차이를 각각 나타내는 것을 보아 쿠칭에 의한 수분탈수 효과는 크지 않은 것으로 판단되었다. 또한 성형진공도의 크기가 클수록 습지필의 고형분 함량도 높게 나타나는 것을 볼 수 있었다.
Fig. 6.
Solid content of couched wet pulp molds at the varied forming pressures and stock concentrations.
쿠칭 처리 후 건조속도를 평가하여 Fig. 7에 나타내었는데 쿠칭을 실시하지 않은 조건에서의 결과를 나타낸 Fig. 4에서와 같이 저농도에서 성형된 펄프몰드의 수분건조속도가 상대적으로 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 미쿠칭 조건과 비교할 때 쿠칭 이후 고농도 제조시편의 건조속도가 증가함에 따라 성형 시 지료농도에 의한 구조변화로 건조속도의 차이가 발생하는 정도가 크게 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 쿠칭처리에 의해 건조공정 중 건조속도가 상대적으로 느리게 나타나는 섬유 응집체들이 다른 부분들에 비해 상대적으로 크게 압착되어 건조 시 시편 내 부분별 불균일성이 일정 정도 감소되었기 때문으로 판단되었다.
Fig. 7.
Drying speed of couched wet pulp molds at the varied forming pressures and stock concentrations.
쿠칭 처리 후 벌크를 평가하여 나타낸 Fig. 8에서 볼 수 있듯이 미쿠칭 조건의 벌크를 나타낸 Fig. 5에서와는 달리 쿠칭 처리는 최종제품의 벌크에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났는데 고농도에서 성형된 시료에서 벌크의 감소가 더욱 크게 나타남으로써 지료농도 조건에 의해 발생되는 벌크변화가 크게 상쇄되는 것을 볼 수 있었다. 쿠칭처리를 하지 않은 경우와 비교할 경우 쿠칭처리를 실시한 경우 건조속도의 상승효과가 나타나는 것을 볼 수 있는데 건조속도가 상대적으로 낮게 나타나는 고농도 지료 성형 펄프몰드 시료에서 이러한 경향이 더욱 뚜렷하게 나타나는 것을 볼 수 있었다. 본 연구에서 제조된 펄프몰드 시료의 경우 일반적인 종이제품에 비해 고평량의 상대적으로 높은 벌크특성을 가지고 있는데 이러한 고평량 고벌크 펄프몰드에서 건조효율은 구조의 불균일성에 상대적으로 크게 영향을 받는 것으로 판단되었다.
4. 결 론
본 연구에서는 습식 펄프몰드 공정의 공정특성 평가를 위하여 습식 펄프몰드 제조 시 지료농도 및 성형진공도 조건 변화에 따른 제품특성 변화와 건조특성 변화를 알아보았다. 지료농도가 높을 때 동일한 성형 진공도 조건에서 초기 성형된 습지필의 진공 탈수효율이 높아 지필의 고형분이 높게 나타나는 것을 볼 수 있었지만 이후 건조속도는 지료농도가 낮은 조건에서 제조된 펄프몰드에서 더욱 높게 나타나는 것을 확인하였다. 지료농도가 높을 때 펄프몰드의 벌크도 높게 나타나지만, 건조속도는 오히려 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 지료농도가 높은 경우 성형 시 섬유 간 엉킴에 의한 응집체형성으로 인해 지필에서 균일한 건조가 이루어지지 않기 때문인 것으로 판단되었다. 쿠칭처리를 실시하는 경우 이러한 응집체의 영향이 크게 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 성형진공도를 높여서 펄프몰드를 제조하는 경우 지필의 고밀화로 벌크가 낮은 지필이 형성되며 이에 따라 건조속도도 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통하여 향후 벌크특성의 조절과 건조효율성 증대를 위한 공정조건의 조절을 위한 기반자료를 확보함으로써 펄프몰드 생산시스템의 효율화에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
