1. 서 론
전 세계적으로 코로나19 팬데믹으로 인해 택배 배송 및 배달 수요가 급격히 증가하면서 포장 시장은 지속적으로 증가하고 있다.1) 국내 포장 시장도 매년 지속적으로 증가하고 있으며 2017년 기준 국내 포장 시장 현황을 살펴보면 플라스틱 소재가 60%, 종이 포장재가 21%를 차지하고 있는데 최근 종이 소재가 플라스틱, 금속, 유리 포장재보다 가격이 저렴하고 재활용이 가능하기 때문에 생산량이 증가하고 있다.2,3) 또한 한국제지공업연합회 자료에서도 종이 포장용지의 생산량은 매년 증가하고 있는 것을 확인할 수 있다.4) 특히 가족구조가 대 가구에서 1인 가구로 이동하면서 포장의 규격이 대포장에서 소포장으로 변화하고 있고 식품의 안정성과 품질을 향상시킬 수 있는 포장 기술이나 소재에 대한 대중의 관심이 증가하고 있다.2) 이에 따라 최근 종이 소재의 포장용 완충재에 대한 연구들이 활발하게 진행되고 있다.5,6)
종이 포장 완충재는 다른 포장 완충재와 비교했을 때 많은 장점들을 가지고 있다. 특히 친환경성이 강조되는 현시점에서 종이 포장 소재는 생분해와 재활용이 가능한 점이 큰 장점으로 부각되고 있다.7) 그러나 종이 포장 소재는 강도, 완충성, 가스 및 수분 제어 능력 면에서 플라스틱 포장 소재에 비해 열악한 단점을 가지고 있다.8) 따라서 종이 포장 완충재의 사용을 확대하기 위해서는 기존 플라스틱 소재의 기능성을 보완할 수 있는 종이 포장 완충재의 물성 확보 기술이 필요하다.
종이 포장 완충재는 플라스틱 포장소재와 비교하여 부족한 강도를 보완하기 위해 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 여러 형태로 제조되어 사용되고 있다. 크라프트지의 커트판, 롤에서부터 가공기계 또는 수작업에 의해 주름 모양으로 가공해 부피를 키우는 주름형 완충재와 슈레더(shredder)로 폐골판지 등을 슬릿(slit) 모양으로 잘라 그물처럼 만들어 부피를 키운 슬릿형 완충재, 파우치 형태의 종이 내부에 공기를 채워서 사용하는 낱개형 완충재 등이 있다.9) 또한 종이의 완충성을 향상시키고 제품의 원가 절감을 위해서는 벌크 향상이 중요하다고 판단되며 현재 기계펄프를 사용하거나 충전제를 투입하는 등의 벌크를 향상시키는 기술이 보고되고 있다.10-12)
Fig. 1.
Type of paper cushioning for packaging. (a: Ranpak’s voidfill, b: REPAC’s Owrap, c: Moorim’s air-cushion)
본 연구에서는 벌크향상제로 온도별로 팽창하는 캡슐 발포제를 적용하여 실험실적으로 포장 완충재의 모델 수초지를 제조하고 이들의 벌크와 주요 강도를 측정하였다. 또한 쇠구슬과 프리스케일 필름을 이용한 낙하 실험을 통해 벌크향상제 적용에 따른 포장 완충재의 완충성을 평가하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
본 연구에서는 종이 포장 완충재의 모델 수초지 제조를 위해 M사에서 분양받은 UKP(Unbleached kraft pulp)와 D사에서 분양받은 KOCC(Korean old corrugated container)를 사용하였다. 벌크향상제로는 K사에서 공급받은 아크릴로니트릴 공중합체로 제조된 캡슐 발포제를 사용하였고 팽창온도는 Table 1에 도시하였다.
2.2 실험방법
2.2.1 지료 조성
본 연구에서는 수초지를 제조하기 위해 UKP와 KOCC를 각각 사용하였고 원료별로 다르게 지료를 준비하였다. UKP는 1.5% 농도로 물에 분산시킨 후 실험실용 밸리 비터(Valley beater)를 이용하여 충분히 해리가 될 수 있도록 30분간 해리를 실시한 후 여수도 450±5 mL CSF 수준으로 고해를 진행하였다. KOCC는 18시간 동안 물에 침전시켰다가 10% 농도로 고속 해리기를 이용하여 약 30분간 해리시킨 후 섬유가 뭉침 없이 완전히 분산된 것을 확인한 후 사용하였다. 해리와 고해가 충분히 진행된 두 지료는 농도 0.5%가 되도록 희석을 실시한 후 사용하였다.
2.2.2 지료 및 벌크향상제의 물성 측정
최종 준비된 UKP와 KOCC의 물성을 측정하기 위해 섬유장 측정기(FQA-360, OpTest Equipment Inc., Canada)를 이용하여 섬유장(length weighted average fiber length), 섬유폭(average fiber width) 미세분 함량(fines content)을 측정하였다.
본 연구에서 벌크향상제로 사용된 캡슐 발포제의 습지필 잔류 가능성을 간접적으로 파악하기 위해 캡슐 발포제의 입도와 제타 전위를 측정하였다. 벌크향상제는 증류수를 이용하여 농도 0.5%로 분산시킨 후 입도분석기(1090LD, CILAS, France)를 이용해 평균입도를 측정하였고, 캡슐 발포제의 정전기적 특성을 파악하기 위해 제타 전위 분석기(Zetasizer Nano ZS, Malvern, UK)를 이용하여 제타 전위를 측정하였다.
2.2.3 실험실용 포장 완충재의 제조 및 물성 측정
본 연구에서는 포장 완충재로 평량 100±4 g/m2의 수초지를 제작하였다. 벌크향상제를 전건 섬유량 대비 3, 6, 9%로 희석 지료에 투입하고 600 rpm 조건으로 2분간 교반을 실시한 후 수초지를 제조하였다. 제조된 수초지는 345 kPa의 압력조건에서 5분간 압착한 후 실험실용 실린더 건조기로 건조하였다. 제조된 수초지를 온도 23±1℃, 상대습도 50±2%로 조습 처리한 후 TAPPI Test Methods에 의거하여 벌크(TAPPI T 411), 인장강도(TAPPI T 494), 파열강도(TAPPI T 403), 압축강도(TAPPI T 818)를 각각 측정하였다.
2.2.4 포장 완충재의 완충성 측정
포장 완충재의 완충성은 낙하실험을 통해 평가하였다.13,14) 우선 수초지의 완충성을 향상시키기 위해 Fig. 2와 같은 프리스케일 필름(Prescale film, FUJIFILM Corporation, Japan) 위에 10장씩 적층하였으며 무게 200 g의 쇠구슬을 30 cm 높이에서 수직으로 떨어뜨렸다. 프리스케일 필름은 압력이 가해지면 필름의 미세 입자가 터지면서 무색 염료가 현상액 내로 흡수되어 압력이 가해진 부분이 붉은색을 나타내기 때문에 완충성에 따른 붉은색 변화를 육안으로 평가하여 종이의 완충성을 평가하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 지료 및 벌크향상제의 물성 평가
본 연구에서는 UKP와 KOCC를 원료로 사용하여 포장 완충재를 제조하고자 하였다. 이를 위해 두 원료의 물성을 평가하였고 그 결과를 Table 2에 도시하였다. 여수도 450 mL CSF로 고해된 UKP의 섬유장과 섬유폭은 각각 2.21 mm와 35.40 μm를 나타냈고 KOCC는 0.96 mm와 21.13 μm를 나타냈다. 이는 UKP가 침엽수로 제조된 크라프트 펄프이고 KOCC는 다수의 재활용 과정에서 섬유의 절단이 많이 발생했기 때문인 것으로 판단된다. 또한 재활용 공정에서는 다수의 물리적 처리 과정에서 섬유의 절단과 피브릴화에 따른 미세분 발생이 높기 때문에 KOCC의 미세분 함량이 UKP에 비해 더 높게 나타났다.15) 이러한 섬유의 물성은 수초지의 벌크, 강도에 많은 영향을 주는 것으로 판단된다.
Table 2.
Fiber properties of UKP and KOCC
| Pulp type | Average fiber length (mm) | Average fiber width (μm) | Fines content (%) |
|---|---|---|---|
| UKP | 2.21 (±0.06) | 35.40 (±0.10) | 5.13 (±0.81) |
| KOCC | 0.96 (±0.04) | 21.13 (±0.15) | 9.30 (±0.89) |
캡슐 발포제는 미세한 구형의 열가소성 플라스틱 shell 구조 속에 발포제가 들어있는 형태로 열을 받으면 내부 발포제가 기화하여 내부압력이 높아져서 전체 마이크로 캡슐이 팽창하는 가온팽창형 물리 발포제이다.16) PVC 샌들, 스크린 벽지, 잉크 등에 사용되며 고탄력성, 보온, 방음, 비중저하, 충격 흡수 등의 효과가 높은 것으로 보고되고 있다.16) 이에 따라 캡슐 발포제는 종이 내부에서 건조온도에 따라 섬유 간 거리를 넓혀 전체적으로 종이의 두께가 증가함과 동시에 포장완충재의 완충성을 보완할 수 있을 것으로 생각된다. 본 연구에서는 건조공정에서 열팽창이 가능한 제품을 선택하였고 농도 0.5%로 수분산된 캡슐 발포제의 평균 입도와 제타전위를 Table 3에 나타냈다. 평균입도는 27.56 μm를 나타냈기 때문에 중질 탄산칼슘이나 탈크와 같은 충전제에 비해 큰 것으로 나타났고 정전기적으로는 음이온성을 띠고 있었다.17) 이러한 결과로 볼 때 음이온성을 띠기 때문에 섬유와 응집체를 형성하거나 섬유표면에 흡착은 하지 않지만 크기 때문에 습지필 형성과정에서 물리적으로 잔류할 것으로 판단하였다.
3.2 벌크향상제 적용에 따른 수초지의 물성 평가
벌크향상제인 캡슐 발포제 투입량에 따른 수초지의 벌크 변화를 Fig. 3에 도시하였다. 벌크향상제가 투입됨에 따라 수초지의 벌크는 증가하였고 전체적으로 KOCC로 제조된 수초지의 벌크가 높게 나타났다. 이는 캡슐 발포제의 투입량이 증가함에 따라 습지필에 잔류하는 발포제의 함량이 증가하면서 건조공정에서 발포제가 팽창되어 섬유 간의 거리를 증가시키기 때문이라고 판단된다. 펄프 종류별로 살펴보면 UKP로 제조된 수초지의 벌크가 KOCC에 비해 낮게 나타났는데 UKP는 고해 처리를 실시함에 따라 섬유의 유연성이 증가하여 수초지 제조 시 섬유 간의 결합면적이 더 높아 밀도가 증가하기 때문에 벌크는 상대적으로 더 낮은 것으로 판단된다.18)
Fig. 4에서는 벌크향상제 투입에 따른 수초지의 인장강도를 도시하였는데 투입량이 증가함에 따라 인장강도는 감소하는 경향을 나타냈다. 이는 벌크향상제가 투입된 후 열에 의해 팽창함에 따라 섬유와 섬유 사이의 거리가 증가하여 섬유 결합면적이 감소함으로써 종이의 인장강도가 감소한 것으로 판단된다. 펄프 종류별로 살펴보면 UKP로 제조된 수초지가 KOCC로 제조된 수초지에 비해 더 높은 인장강도를 나타냈다. UKP는 KOCC에 비해 섬유장이 길며 상대적으로 결합면적 증가에 따른 낮은 벌크를 나타냈고 KOCC는 재활용 공정을 반복함에 따라 섬유 간 결합이 감소하기 때문에 낮은 인장강도를 나타낸 것이라고 판단된다.19)Figs. 5, 6에서는 수초지의 파열강도와 압축강도를 각각 도시하였는데 벌크향상제의 투입량과 펄프 종류별로 나타내는 결과가 인장강도와 동일한 경향을 보여주었다.
Fig. 6.
Compressive index of handsheets made of UKP and KOCC depending on the addition of bulking agent.
따라서 벌크향상제인 캡슐 발포제를 적용하면 UKP나 KOCC로 제조된 수초지의 벌크 향상 효과를 확인할 수 있었고 KOCC가 상대적으로 높게 나타났으나 수초지의 강도 측면에서는 UKP가 유리한 것을 확인할 수 있었다.
3.3 벌크향상제 적용에 따른 수초지의 완충성 평가
벌크향상제 투입에 따른 UKP 및 KOCC 수초지의 완충성을 평가하여 Fig. 7에 도시하였다. 벌크향상제의 투입량이 증가할수록 프리스케일 필름의 빨간색 농도가 감소하였고 이는 수초지의 완충성이 향상된 것을 나타낸다. 펄프 종류별로 살펴보면 벌크향상제 9% 투입 수준에서 KOCC로 제조된 수초지가 UKP로 제조된 수초지보다 더 개선된 완충성을 나타냈는데 이는 KOCC가 더 높은 수초지 벌크를 나타냈으며 이에 따라 수초지 내부 공극이 증가하였기 때문이라고 판단된다. 따라서 캡슐 발포제를 벌크향상제로 활용할 경우 완충성이 개선된 포장 완충재 제조가 가능할 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 종이 포장용 완충재를 제조하고자 UKP와 KOCC에 벌크향상제로서 캡슐 발포제를 적용하였고 이에 따라 나타나는 벌크 향상 효과와 판지의 물성 변화를 분석하였으며 완충 실험을 통해 캡슐 발포제의 투입량에 따른 완충 성능을 분석하였다. 해리 및 고해를 진행한 UKP와 KOCC 펄프 및 벌크향상제의 물성을 분석하였으며 제조된 두 펄프에 벌크향상제를 달리 투입하여 평량 100±4 g/m2의 수초지를 제조하였고 벌크 및 강도적 특성을 분석하였다. 이후 낙하 시험을 통해 펄프의 종류 및 벌크향상제의 투입에 따른 수초지의 완충 성능을 비교 분석하여 종이 완충재로서의 적용 가능성을 평가하고자 하였다.
UKP와 KOCC의 물성 평가 결과, UKP가 KOCC에 비해 섬유장 및 섬유폭이 큰 것으로 나타났으며 미세분 함량은 KOCC가 더 높게 나타났다. 캡슐 발포제의 평균 입도는 제지공정에서 사용되는 충전제보다 큰 값을 나타냈고 제타전위 측정 결과 정전기적으로 음이온성을 띠기 때문에 섬유와 응집체를 형성하거나 섬유 표면에 흡착은 하지 않지만 입자 크기가 크기 때문에 물리적으로 습지필에 잔류할 것으로 판단되었다. 벌크향상제가 투입됨에 따라 수초지의 벌크는 증가하였고 UKP와 비교하여 KOCC의 벌크가 높게 나타났다. 하지만 수초지의 강도 측면에서 UKP가 KOCC에 비해 우수한 것을 확인할 수 있었다. 포장 완충재의 완충성 평가 결과, UKP와 비교하여 벌크가 높은 KOCC가 상대적으로 우수한 완충성을 나타냈다. 따라서 캡슐 발포제를 벌크향상제로 활용할 경우 포장용지의 벌크가 향상하게 되고 완충성이 개선되는 효과를 얻을 수 있으나 포장 완충재의 강도도 중요하기 때문에 두 물성을 동시에 고려하여 최적 펄프와 벌크향상제 투입량을 선정하여야 할 것으로 판단된다.
