1. 서 론
종이는 비팅을 통해 만들어진다라는 말이 있다. 이 말이 암시하는 바는 제지공정 전체에 걸쳐 비팅이 갖는 중요성을 강조하는 것이다. 비팅과 리파이닝은 거의 동의어로 사용되지만 비팅은 비터(Hollander beater)의 회전하는 롤과 그 하단에 위치한 고정자 사이로 펄프 지료가 순환하면서 기계적인 처리를 받는 단속식 과정을 의미하고, 리파이닝은 원추형 리파이너(conical refiner)나 디스크형 리파이너(disk refiner)에서 이루어지는 기계적 작용으로 회전자와 동일한 패턴을 갖는 고정자 사이에서 연속적으로 지료가 통과하면서 섬유의 형태적 변화가 발생하는 기계적 처리를 의미한다. 본 연구에서는 Hollader beater와 디스크 리파이너에 따른 비팅의 효과 차이를 편의상 나누기 위해 Hollander beater에 의한 처리를 비터와 비팅으로, 그리고 디스크 리파이너에 의한 처리를 리파이너와 리파이닝으로 표기하였다. 비터에서는 지료가 비터 바에 수직으로 이동하고, 리파이너에서는 회전자와 고정자가 교차할 때 지료가 리파이너 바와 평행하게 이동하여 지료 유동 방식에 차이가 있다.
만약 펄프 섬유가 리파이닝 처리를 받지 않은 상태에서 종이로 만들어진다면 강도, 지합, 표면 성질 등에서 부정적인 효과가 나타난다. 하지만 펄프 섬유가 리파이닝 과정을 거치면서 강도, 지합, 표면 성질, 작업성 등에서 매우 긍정적인 효과가 발현되어 종이의 품질 향상에 큰 기여를 할 수 있게 된다.1,2)
현재까지 리파이닝 혹은 비팅이 종이의 물성에 미치는 영향과 관련된 많은 연구들이 발표되었다. 하지만 동일한 펄프 섬유에 대해 리파이닝 처리와 비팅 처리를 하였을 때 종이 물성에 미치는 각각의 효과에 대한 연구는 많이 이루어지지 않았다. 보통 지료조성단계에서 리파이닝 효과를 예측하기 위하여 실험실 차원에서 단속식 비터를 이용하고 있다. 이 때 실험실용 비터를 이용한 비팅 처리가 리파이너를 이용한 비팅 처리와 어떠한 차이가 있는지 밝혀낼 수 있어야만 제지공정에서 적용되는 리파이닝 효과를 비교적 정확히 예측할 수 있을 것이다.3,4)
일반적으로 단속식으로 이루어지는 비팅 처리는 약 1.57±0.04% 농도에서 이루어지고, 리파이닝은 3-5% 농도에서 이루어진다. 리파이닝 혹은 비팅은 농도에 따라 영향을 크게 받을 수 있기 때문에 농도에 따른 효과 발현 차이가 나타날 수 있다.5,6) 장섬유로 이루어진 침엽수 펄프의 경우 농도가 3% 미만이 될 경우 리파이너 바 선단에서 섬유들의 절단이 많이 일어나려는 경향이 있다. 짧은 섬유들로 구성된 활엽수 펄프의 경우 리파이닝 농도가 낮아지면 섬유 플록(floc)이 해체되면서 리파이닝 홈을 그대로 통과하여 리파이닝 처리를 받지 못할 가능성이 커지게 된다.7-9) 따라서 침엽수 펄프와 활엽수 펄프를 리파이닝할 때에는 각 펄프 섬유들의 리파이닝 거동이 다르기 때문에 해당 펼프에 적합한 리파이너 바 패턴을 선택할 필요가 있다.10,11) 펄프 특성에 적합한 리파이너 바 패턴을 적용하지 않는다면 리파이닝이 과도하게 일어나거나 리파이닝이 제대로 되지 않은 상태로 통과하기 때문에 에너지 낭비, 지합 불량, 지절 발생, 품질 기준 미달 등과 같은 심각한 문제가 발생할 수 있다.1-3,12) 하지만 단속식 비터는 비터 바, 홈, 홈 깊이 등이 펄프 섬유의 종류와 상관없이 동일하게 적용해야 하기 때문에 펄프 종류에 따라 바 패턴을 선택하는 리파이너와는 다른 결과를 초래할 수 있다.
따라서 침엽수 펄프와 활엽수 펄프를 사용하여 비팅 및 리파이닝을 할 때 비팅 방식에 따른 펄프 섬유들의 거동을 분석할 필요가 있다. 이를 통해 실험실용 비터를 이용한 비팅 효과 분석을 통해 지료조성단계에서의 리파이닝 효과를 비교적 정확히 예측할 수 있는 기초 자료로 활용하고자 한다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
비팅 및 리파이닝 효과 분석을 위해 사용된 펄프는 진주에 소재한 M제지업체에서 사용하는 침엽수 표백크라프트 펄프와 활엽수 표백크라프트 펄프를 사용하였다. 이들 펄프는 비팅 및 리파이닝 전에 약 25 cm2 면적으로 찢은 후 증류수에 적어도 4시간 이상 침지시켰다.
2.2 비팅 및 리파이닝
펄프 섬유의 비팅을 위해서는 증류수에 침지시켜 놓은 펄프의 농도를 약 1.57%로 조정한 후 실험실용 Valley beater로 옮겼다. 해리 단계에서는 5.5 kg의 금속 추를 달지 않은 상태에서 20분간 처리한 후 해리된 펄프의 여수도 (mL CSF)를 측정하였다. 해리된 펄프는 5.5 kg의 추를 달고 10분 간격으로 60분 동안 비팅을 실시한 후 각 시간 간격별 여수도를 측정하였고, 또한 Fiber Quality Analyzer(OpTest Equipment Inc., Canada)를 이용하여 길이가중치 평균섬유장과 미세분(≤0.2 mm)을 측정하였다.
리파이닝을 위해서는 증류수에 침지시켜 놓은 펄프의 농도를 약 1.57%로 조정한 후 Valley beater에서 20분간 해리시켰다. 해리된 펄프는 지료 농도를 리파이닝에 적합한 약 5% 수준으로 조절한 후 Fig. 1에 보는 바와 같이 각 펄프에 적합한 바 패턴을 갖는 플레이트가 장착된 실험실용 single disk refiner(금남기계, 한국, Fig. 2 참조)의 원료 투입구에 투입하여 리파이닝을 실시하였다. 각 리파이닝 단계마다 여수도를 측정하여 리파이닝된 정도를 비교하였고, 최종 여수도가 Valley beater에서 비팅된 여수도와 유사해질 때까지 리파이닝하였다. 침엽수 펄프와 활엽수 펄프의 리파이닝을 위해 사용된 리파이너 플레이트는 반지름이 151 mm로 본 연구진에 의해 설계된 후 국내업체인 ㈜코스원을 통해 주문 제작되었다.
3. 결과 및 고찰
3.1 비팅과 리파이닝 따른 여수도 변화
Fig. 3은 동일한 펄프에 대하여 디스크 리파이너와 Valley beater를 통해 리파이닝과 비팅을 하였을 때 여수도 변화를 나타내었다. Valley beating의 경우 비팅 시간에 따라 침엽수 펄프와 활엽수 펄프를 비팅하였을 때 여수도가 감소하였고, 여수도 감소 속도는 침엽수 펄프가 조금 더 빠르게 일어나면서 비팅 시간 60분에 활엽수 펄프보다 더 낮은 여수도를 나타내었다. 침엽수 펄프와 활엽수 펄프에 대한 비팅 처리 결과는 침엽수 펄프와 활엽수 펄프가 갖는 일반적인 여수도 감소 경향과 유사하게 이루어졌다.
하지만 각각의 펄프 섬유에 따라 상이한 바 패턴(bar pattern)을 적용한 리파이닝의 경우에는 Valley beater에서와는 달리 침엽수 펄프의 여수도가 활엽수 펄프의 여수도보다 더 빠르게 감소하기 시작하였고, 활엽수 펄프는 여수도 감소가 매우 느리게 이루어지면서 더 많은 리파이닝 에너지를 소모하였다. 활엽수 펄프에 적용한 플레이트 바 폭과 홈 폭의 치수보다 두 배 큰 치수를 적용한 침엽수 리파이닝에서는 고강도 리파이닝이 적용되면서 여수도 감소에 결정적인 영향을 미치는 섬유 절단이 많이 일어난 것으로 보였다. 활엽수 펄프용 리파이닝에서는 바 폭과 홈 폭이 작기 때문에 펄프 섬유에 대한 저강도 리파이닝이 주로 일어나면서 섬유 절단보다는 피브릴화 쪽으로 많이 일어나 여수도 감소가 느리게 진행된 것으로 보인다.
Fig. 4는 리파이너와 Valley beater를 이용하여 리파이닝과 비팅을 할 때 침엽수 표백크라프트 펄프와 활엽수 표백 크라프트 펄프의 섬유장 변화를 나타낸 것이다. Fig. 4의 (a)에서 보는 바와 같이 침엽수 표백크라프트 펄프를 침엽수 펄프용 리파이너 플레이트와 Valley beater에서 각각 기계적 개질 처리를 리파이닝을 시키면 동일 여수도 수준에서 비교하였을 때 리파이너에서 처리된 펄프의 평균 섬유장이 더 짧은 것을 알 수 있다. 즉, 침엽수 펄프는 Valley beater에서보다 리파이너에서 섬유의 절단 현상이 더 많이 일어나는 것으로 짐작할 수 있고, 이는 Fig. (5)의 (a)에서 보는 바와 같이 미세분도 함께 증가하게 한 원인이 되었다.
Fig. 4의 (b)에서는 활엽수 펄프를 리파이너와 Valley beater로 처리하였을 때 평균 섬유장 변화를 보여주는데 리파이너에서 처리된 펄프가 비팅처리된 것보다 동일 여수도 수준에서 더 긴 섬유장을 나타내는 것을 보여준다. 평균 섬유장이 짧게 되면 미세분도 더 많이 발생되는 것으로 짐작할 수 있는데, Fig. 5의 (b)에서 보는 바와 같이 비팅 처리된 활엽수 펄프가 여수도 감소에 따라 더 많은 미세분이 발생하고 있음을 확인할 수 있다. 결론적으로 활엽수 펄프에 적합한 바 패턴을 갖는 리파이너에서 처리를 하면 동일 여수도 수준에서 평균 섬유장이 더 길면서 미세분 발생을 줄일 수 있을 것으로 판단되었다.
비팅과 리파이닝 단계에서 발생하는 거동은 펄프의 종류, 리파이너의 바 패턴, 지료 농도 등에 따라 달라진다.3,10) 따라서 Fig. 4와 Fig. 5에 나타난 섬유장의 결과는 특정 펄프와 특정한 바 패턴에 대해 나타난 결과이기 때문에 일반화의 오류를 범해서는 안 된다.
Fig. 6은 동일한 펄프에 대하여 디스크 리파이너와 Valley beater를 통하여 리파이닝과 비팅을 하였을 때 여수도 변화에 따른 인장강도의 변화를 보여준다. 리파이닝과 비팅 처리를 했을 때 침엽수 펄프와 활엽수 펄프의 인장강도 발현은 차이가 있었다. 침엽수 펄프의 경우 리파이닝이 진행되면서 500 mL CSF보다 큰 조건에서는 비팅 처리된 펄프가 리파이닝된 펄프보다 동일 여수도 수준에서 더 큰 인장강도를 나타내었다. 하지만 500 mL CSF보다 작은 조건에서는 침엽수 펄프의 리파이닝시 펄프가 바의 폭과 홈의 폭이 3 mm인 플레이트의 바 모서리에 섬유들이 얹혀 지고, 이 때 반대편 바 선단의 모서리와의 충격으로 섬유들의 절단이 많이 발생한 것으로 보인다. 결국 비팅 처리보다 리파이닝 동안 섬유 절단이 더 많이 발생하여 Fig. 4의 (a)에서 살펴본 바와 같이 동일 여수도 수준에서 섬유장이 더 짧은 펄프로 제조된 리파이닝된 펄프의 인장강도가 더 작아지게 된다. 하지만 활엽수 펄프의 경우 비팅의 경우와는 달리 고강도 리파이닝된 펄프의 인장강도가 비팅 처리된 펄프의 인장강도보다 동일 여수도에서 더 큰 값을 나타내었다. 활엽수 펄프의 경우 리파이닝시 바의 폭과 홈의 폭이 1.5 mm인 플레이트에서 리파이닝되기 때문에 Fig. 4의 (b)에서 살펴본 바와 같이 저강도 리파이닝을 통해 피브릴화가 더 많이 진행되어 섬유들의 결합에 더 큰 기여를 하게 된다. 따라서 동일 여수도에서 저강도 리파이닝된 펄프의 인장강도가 비팅 처리된 펄프의 인장강도보다 더 큰 값을 갖게 된 것으로 보인다. 하지만 리파이닝이 보다 더 진행이 되면서 섬유의 피브릴화와 미세분이 더 많이 발생하여 비팅된 펄프보다 리파이닝된 펄프보다 강도 발현에 더 긍정적으로 작용한 것으로 보인다.
Fig. 7은 동일한 펄프에 대하여 디스크 리파이너와 Valley beater를 통하여 리파이닝과 비팅을 하였을 때 여수도의 변화에 따른 파열강도의 변화를 보여준다. 침엽수 펄프의 경우 인장강도에서 살펴본 바와 같이 비팅 처리가 리파이닝 처리에 비하여 파열강도의 발현이 더 빠르게 일어난다. 하지만 활엽수 펄프의 경우에는 여수도가 400 mL CSF 이하로 감소하면서 비팅 처리된 펄프가 리파이닝 처리된 펄프보다 더 큰 파열강도를 나타내었다. 종이의 파열강도는 펄프의 인장강도와 신장력과 관련이 있는 물리적 성질 중의 하나이다. 하지만 리파이닝 처리와 비팅 처리에 따른 파열강도의 발현 특성이 인장강도와는 차이가 나타났다. 리파이닝 혹은 비팅 처리에 따른 펄프 섬유들의 구조적 변이는 섬유들의 결합력을 향상시킴에 따라 인장강도와 파열강도의 향상에 기여한다. 하지만 섬유들의 구조적 변이가 주로 섬유 절단에 따라 발생하는 것인지 아니면 섬유의 피브릴화에 따른 것인지에 따라 강도 발현에 차이를 보이게 된다.13) 앞서 살펴본 바와 같이 침엽수 펄프에 있어서는 리파이닝과 비팅에 따른 인장강도와 파열강도의 발현 특성이 유사한 거동을 보였지만 활엽수 펄프의 경우에는 리파이닝과 비팅에 따른 인장강도와 파열강도의 발현 특성에 차이가 발생하였다. 이러한 차이는 상이한 기계적 개질 처리에 따른 활엽수 펄프의 미세분 함량 차이에 그 원인을 찾을 수 있을 것으로 판단된다. Fig. 5의 (b)에서 본 바와 같이 비팅 처리된 펄프가 리파이닝된 펄프보다 동일 여수도 수준에서 더 많은 미세분 함량이 만들어 졌고, 이들 미세분이 파열강도 발현에 있어서 차이를 나타내게 한 원인으로 보인다.14,15) 비팅 처리된 펄프에서 존재하는 더 많은 미세분이 펄프의 파열강도 발현에 보다 더 긍정적인 기여를 하였기 때문에 리파이닝된 펄프보다 더 우수한 파열강도를 갖게 한 것으로 보인다.
Fig. 8은 동일한 펄프에 대하여 디스크 리파이너와 Valley beater를 통하여 리파이닝과 비팅을 하였을 때 여수도의 변화에 따른 인열강도의 변화를 보여준다. 인열강도는 섬유장 변화와 밀접한 연관이 있고, 대체로 동일 여수도에서 펄프 섬유의 평균 섬유장이 길수록 인열시 적용되는 응력을 더 많은 섬유들과 더 많은 결합들 위로 분산시킬 수 있기 때문에 인열강도는 커지게 된다. 반면에 더 짧은 섬유들은 인열시 적용되는 응력이 보다 더 작은 영역에 집중되어 더 낮은 인열강도를 갖게 된다. 침엽수 펄프의 경우 450 mL CSF보다 큰 여수도에서 리파이닝이 된 섬유들의 인장강도가 비팅 처리된 펄프의 인장강도에 비하여 더 크게 나타났다. 초기 여수도에서는 침엽수 펄프용 리파이너 플레이트에서 처리된 펄프가 섬유 절단과 함께 피브릴화가 같이 일어나면서 인열강도에 긍정적인 영향을 미치지만 기계적 처리가 보다 더 진행되면 비팅보다 리파이닝에 의한 섬유장 감소가 더 많이 일어나 인열강도에 부정적 요인으로 작용한 것으로 보인다.13)
활엽수 펄프의 경우 여수도 400 mL CSF를 기준으로 리파이닝과 비팅 처리가 다른 거동을 나타내었다. 리파이닝의 초기에는 플레이트의 선단에 가해지는 충격이 비팅보다 작기 때문에 동일 여수도라 하더라도 펄프 섬유의 절단이 덜 일어나 더 높은 인열강도를 갖지만, 여수도가 더 작아지면서 비팅 처리된 펄프보다 리파이닝된 펄프가 더 낮은 인열강도를 나타내었다. 활엽수 펄프는 리파이닝보다 비팅 처리가 되었을 때 평균 섬유장이 조금 더 짧고 더 많은 미세분이 발생하였음에도 불구하고 인열강도의 발현에 있어서는 보다 더 효과적이었다. 일반적으로 섬유장 감소와 미세분의 발생은 인열강도에 부정적인 것으로 알려져 있다.16) 따라서 동일 여수도 수준에서 비팅 처리된 펄프 섬유들이 리파이닝된 펄프 섬유들보다 인열강도가 더 큰 것은 섬유장의 감소와 함께 내·외부 피브릴화가 보다 더 일어나면서 인열강도의 향상에 기여하였기 때문인 것으로 판단된다.
결론적으로 동일한 펄프에 대하여 비팅과 리파이닝을 각각 할 때 펄프 섬유들이 겪게 되는 구조적 변화와 그에 따른 종이의 강도적 성질 변화는 사용하는 고해 장치에 따라 달라질 수 있기 때문에 각 원료에 대한 비팅과 리파이닝의 결과는 해당 펄프에 한정된 예측을 할 때에만 사용하여야 한다.
4. 결 론
실험실용 Valley beater와 실험실용 single disk refiner를 이용하여 침엽수 표백크라프트 펄프와 활엽수 표백크라프트 펄프를 비팅 및 리파이닝 처리하여 그 효과를 비교하였다. 침엽수 펄프와 활엽수 펄프는 펄프가 갖는 특성에 따라 비팅과 리파이닝 처리에 각각 상이한 거동을 나타내었다. 평균 섬유장과 미세분 함량에 있어서는 침엽수 펄프에 적용된 리파이너 처리가 비팅 처리에 비해서 섬유 절단과 미세분 발생을 촉진하였고, 활엽수 펄프에 있어서는 비팅 처리가 섬유 절단과 미세분 발생에 있어서 리파이너 처리보다 더 많이 기여하였다. 펄프의 강도적 성질에 있어서는 펄프의 종류에 관계없이 비팅처리 된 펄프가 리파이너 처리된 것보다 강도 발현에 더 긍정적인 영향을 끼쳤다. 따라서 특정 펄프에 대한 리파이닝의 효과를 예측할 때 비팅 처리와 리파이닝 처리가 유사한 거동을 나타내기는 하지만 최종 효과에 있어서는 차이가 있음을 인지하고 있어야 한다. 이러한 차이는 펄프의 종류, 사용된 리파이너 플레이트의 바 패턴 등에 따라 언제든지 변할 수 있기 때문에 현장에서 적용될 리파이너의 바 특성을 먼저 이해하여야 한다.
