1. 서 론
2. 재료 및 방법
2.1 공시 재료
2.2 지료조성 및 수초지 제조
2.3 수초지의 기계적 특성 평가
2.4 접힘터짐 저항성 평가
3. 결과 및 고찰
3.1 지료조성 단계의 접힘터짐 영향인자별 기계적 특성 변화
3.2 지료조성 단계의 접힘터짐 영향인자 복합적 적용에 의한 접힘터짐 저항성 평가
4. 결 론
1. 서 론
전 지구적 위기인 코로나19에 의해 비대면 생활의 일상화로 온라인 소비활동이 활성화되어1) 개인 화물의 운송을 위한 포장용지의 종류 및 특성이 다양하게 요구되고 있다. 식품, 전자제품 등 다양한 제품을 운송하기 위한 완충, 구조 유지와 같은 기본적인 물리적 성능과 식품안정성, 정전기 차폐, 미관 등 기능성을 부여한 포장용지의 개발을 위한 노력이 지속되고 있다.2,3,4)또한 지속적인 경제순환 구조 측면에서 재활용이 가능한 종이 유래 포장용지를 사용하여 자원순환 시스템을 구축하는 것이 장기적인 안목에서 경제가치를 유지하는 방법이라는 의견5,6)으로 인해 포장용지 산업은 보다 활성화될 것으로 예상된다.
상자, 종이가방 등 3차원적 구조 형태로 사용하거나, 연하장, 소책자 등 미관적 형태로 사용되는 제품들은 접힘가공(folding process) 처리하여 사용되며, 이러한 접힘가공 중 지필구조에 가해지는 인장 및 압축응력에 의해 접힘 터짐(fold crushing) 불량이 발생된다. 접힘(folding)은 90 - 360° 등 각도로 굽혀지며 이 때 지필구조에 가해지는 극단적인 굽힘응력에 의해 외측 인장응력과 내측 압축응력이 동시에 가해져 발생되는 파괴 유형이 다양하기 때문에 단순한 강도의 개선을 통해서 접힘터짐을 방지하기 어렵다. 이에 따라 접힘터짐을 방지하기 위해 원지, 도공지, 표면처리지 등 다양한 측면에서의 연구가 진행되었다.7,8,9,10,11) 특히, 접힘터짐은 원지의 물리적 특성과 습도, 온도와 같은 환경요인에 의해 영향7)을 받기 때문에, 물리적 특성을 개선하여 유연한 지필구조를 형성하였어도, 접힘가공 현장 상황에 따라 발생될 수 있다. 이에 따라, 낮은 수분조건이나 괘선 미처리, 강한 접힘처리 압력과 같이 보다 극단적인 상황에서의 접힘터짐 제어를 위한 연구가 수행되어야 한다. 또한 동일한 접힘가공 상황에서의 종이 물성에 영향을 미치는 펄프 섬유의 배합, 강도 증진제 및 무기충진제의 첨가량 등과 같은 원질 조성 조건이 원지의 접힘가공 처리에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.10,11) 실제, 도공원지의 침엽수 함량을 증가시키거나, 조도가 높은 기계펄프, 각질화된 재생펄프의 혼합비를 증가시킬 때, 종이의 내부 층구조가 압축응력에 의해 박리(delamination)에 되어 표면에 가해지는 인장응력이 감소하면서 접힘터짐이 완화된다고 보고되었다.12,13) 또한 원지의 두께 증가가 접힘가공 시 표면에 가해지는 인장응력을 증가시키기 때문에 압착가공 등을 통해 두께를 감소시켜 접힘터짐을 완화할 수 있다고 보고되었다.14) 인쇄품질을 요구하는 도공지에서는 원지층보다 도공층에서 발생되는 접힘터짐이 큰 영향을 미치며, 도공층을 형성하는 무기 충진제(클레이, 탄산칼슘 등)의 형태나 입도분포, 도공 바인더의 종류 등 도공층의 유연성에 영향을 미치는 인자들에 의해 결정된다고 보고되었다.15,16,17) 이에 따라, 나노물질 및 다양한 바이오폴리머(다당류, 단백질, 폴리에스테르 등)의 적용을 통해 도공층의 유연성 및 기계적 특성을 개선하여 여러 유형의 코팅구조에서 접힘터짐 저항성을 개선하는 노력이 수행되었으며,18,19,20) 이와 달리 원지 측면에서 천연물인 펄프섬유의 특성 제어는 한계가 명확하기 때문에 실질적으로는 지료 조성(stock preparation)에서의 제어를 통한 원지의 접힘터짐 저항성을 개선하는 방법이 가장 우선된다고 판단된다.
본 연구에서는 200 g/m2 이상의 고평량지의 접힘터짐을 개선하기 위해 지료조성 단계에서 사용되는 펄프 섬유의 배합비, 고해도와 같은 원료 조건과 PCC, 양성전분(cationic starch)과 같은 첨가제의 적용 조건이 종이의 기계적 특성이 미치는 영향과 접힘터짐 저항성과의 연관성을 비교분석하였다. 이를 통해 각 최적조건을 탐색하고 복합적으로 적용하여 극단적인 환경조건에서의 접힘터짐 저항성을 평가하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시 재료
수초지 제조를 위해 활엽수 펄프 및 침엽펄프를 사용하였다. 활엽수 펄프는 eucalyptus 수종의 표백 크라프트 펄프를 사용하였으며, 침엽수 펄프는 혼합수종(Lodgepole pine, White spruce, Sub-alpine fir)의 표백 크라프트 펄프를 사용하였다. 수초지의 기계적 특성 제어를 위해 물리적 특성에 영향을 미치는 양성전분 및 침강형 탄산칼슘(Precipitated calcium carbonate, PCC)을 첨가제로 사용하여 시험편 제조에 사용하였다.
2.2 지료조성 및 수초지 제조
2.2.1 지료조성 제어의 단일조건 적용 수초지 제조
지료조성 단계의 조건에 따른 수초지의 특성을 평가하기 위하여, 펄프의 고해도와 활엽수 및 침엽수의 배합비, 양성전분과 PCC의 첨가량을 각각 달리하여 지료를 조성하였다. 각 세부 조건은 다음 Table 1에 나타내었다.
Table 1.
Stock preparation conditions for independent impact assessment
각각의 활엽수 및 침엽수 펄프를 valley beater를 이용하여 해리 및 고해하여, 600, 425, 300 mL CSF으로 조성하였다. C-Starch와 PCC는 지료의 펄프함량(전건 기준) 대비 비율로 첨가하고, 교반기를 통해 400 rpm에서 5분간 충분히 교반하여 200 g/m2의 수초지 제조에 사용하였다.
2.2.2 지료조성 제어의 영향인자 복합적 적용 수초지 제조
펄프배합비, 고해도, 양성전분 및 PCC 첨가량을 복합적으로 적용하여 접힘터짐 저항성을 최적으로 조성한 조건의 수초지를 제조하였다. 각 지료조성 조건은 Table 2에 나타내었으며, 각 고해된 펄프섬유를 혼합하고 5분간 교반한 후, C-starch를 첨가하고 5분 교반, PCC 첨가하고 5분 교반하여 최종적으로 영향인자의 복합적 적용을 통한 지료를 조성하였다. 이후 원형수초지기를 이용하여 평량 200 g/m2으로 수초지를 제조하였다.
Table 2.
Stock preparation conditions for complex impact assessment
2.3 수초지의 기계적 특성 평가
제조된 각 조건의 고평량지의 기계적 특성을 평가하였다. 두께는 마이크로미터(L&W micrometer, USA)를 통해 측정하여 KS M ISO 534:2022에 의거하여 밀도 및 벌크로 산출하였다. 폭 15 mm의 시험편을 준비하여 인장강도 측정기(L&W tensile tester, USA)를 통해 KS M ISO 5270:2022에 의거하여 인장계수와 파괴 신장률을 산출하였다. 내부결합강도는 KS T 1329:2017을 기준으로 Scott bond 측정기(Zwick Roel Z-direction tensile tester, Swiss)를 통해 측정하였다.
2.4 접힘터짐 저항성 평가
2.4.1 접힘(Folding) 가공
접힘 터짐 저항성 평가는 극단적인 접힘응력을 모사하기 위하여 각각의 시험편을 180℃의 건조오븐에서 5분 간 존치하여 함수율 2 % 미만으로 조성하고, 각 시험편을 접은 상태로 압력 20 kg/cm2의 롤프레스에 20 m/min의 속도로 통과시켜 선형압력이 동시에 가해지는 방식으로 접힘 압력을 부여하여 접힘 가공을 진행하였다.
2.4.2 접힘터짐 저항성 평가
접힘가공 이후, 접힘응력이 가해진 시험편 접힘부의 파괴된 정도를 육안적으로 평가하여 접힘터짐 여부를 “Normal”과 “Crushing”으로 구분하였다(Fig. 1). 특성의 상관관계를 확인하기 위해 각 시험편의 기계적 특성(인장계수, 밀도, 파괴 신장률, 내부결합강도)를 변화율(Rate of change)로 환산하여 접힘터짐 여부와 비교분석하였다. 변화율은 각각의 지료조성 단계의 제어조건(Tables 1 and 2)에 따른 기계적 특성(인장계수, 파괴 신장률, 밀도, 내부결합강도)의 최대값(Vmax)과 최소값(Vmin)의 범위 내에서의 해당 값의 변화 정도를 나타낸 것으로써, 다음 식(Eq. 1)을 통해 산출하였다.
R = Rate of change
D = Data value (Density, Tensile strength, Internal bond strength, Breaking length)
Vmin = Minimum value of all condition(total) data
Vmax = Maximum value of all condition(total) data
3. 결과 및 고찰
3.1 지료조성 단계의 접힘터짐 영향인자별 기계적 특성 변화
3.1.1 펄프원료의 고해도 및 배합비에 따른 기계적 특성 변화
수초지 사용에 사용된 활엽수 및 침엽수 펄프의 고해도 증가에 따른 기계적 특성 변화를 Fig. 2에 나타내었다. 활엽수 펄프는 고해도의 증가에 따라 모든 기계적 특성이 개선되었고 특히 파괴 신장률이 큰 폭으로 개선되었다. 반면, 침엽수 펄프는 밀도, 인장계수, 내부결합강도가 증가하였으나, 이로 인해 지필구조가 강성을 띄면서 파괴 신장률의 소폭 증감하여 유의한 차이를 나타내지 않았다. 이는 활엽수 펄프가 접힘터짐 저항성을 개선하기 위해서 고해적용이 반드시 요구될 것으로 판단되며, 침엽수 펄프의 과도한 고해는 높은 기계적 특성으로 인해 파괴 신장률이 낮아 접힘터짐 발생이 우려되어 적절한 수준으로 고해를 진행해야할 것으로 판단된다.
이러한 활엽수 및 침엽수 펄프섬유를 혼합하여 지료를 조성할 경우(Fig. 3), 침엽수 펄프의 첨가량의 증가에 따라서 밀도 및 인장계수가 소폭 증가되며, 내부결합 강도는 소폭 감소하였다. 반면 파괴 신장률이 10% 첨가조건에서 증가하고 첨가량의 증가에 따라 감소하였는데, 침엽수 펄프의 적정한 첨가는 파괴 신장률을 증가시키나, 과도한 첨가로 인해 지필구조의 균일성이 감소하여 나타난 결과로 판단된다.21) 이에 따라, 침엽수 펄프는 10-20% 이하의 범위에서 첨가될 경우, 기계적 특성의 개선을 통한 접힘터짐을 개선할 수 있을 것으로 판단된다.
3.1.2 첨가제의 적용 조건에 따른 기계적 특성 변화 변화
양성전분의 첨가에 따른 기계적 특성을 Fig. 4에 도시하였다. 양성전분의 첨가는 밀도 특성을 변화시키지 않으나, 인장계수와 내부결합강도, 파괴 신장률이 크게 상승하였다. 침엽수 펄프는 양성전분 1% 첨가량 이상에서 인장계수와 파괴 신장률의 상승 효과가 크게 둔화되는 경향을 보였으며, 인장계수와 내부결합강도의 증가에 따른 높은 강성의 지필구조를 형성하면서 파괴 신장률이 다소 감소하였다. 활엽수 펄프의 경우, 인장계수와 파괴 신장률이 양성전분 첨가량 증가에 따라 비례적 상승하였으나, 내부결합강도의 상승 폭이 미비하게 나타났다. 활엽수 펄프는 섬유간 결합면적이 적어 양성전분에 의한 섬유간 결합력 증대 효과가 침엽수에 비해 낮게 나타난 것으로 판단된다.
PCC의 첨가량 증가에 따라 활엽수 및 침엽수 펄프 모두 유사한 경향을 보였다(Fig. 5). 밀도 특성의 유의한 차이점은 확인되지 않았고 전반적인 기계적 특성이 감소하였으며, PCC 10% 첨가 조건에서의 파괴 신장률 상승이 확인되었다. PCC 20% 첨가 시, 파괴 신장률은 감소하였는데, 인장계수 및 기계적 특성의 감소로 인한 결과로 보여진다.
지료조성 단계에서의 양성전분과 PCC 첨가는 서로 상반되는 결과를 보였다. 양성전분은 기계적 특성을 상승시켜 지필구조의 강성을 높이는 영향을 보였으며, PCC는 섬유간 결합력을 감소시키는 등 전반적인 기계적 특성 저하를 야기하였으나, 지필구조를 유연하게 만드는 효과를 보일 것으로 예상된다. 두 종류 첨가제의 효과를 적절히 복합적으로 적용하여 기계적 특성을 상승시키면서 유연한 지필구조를 갖는 형태로 접힘터짐 저항성을 개선할 수 있을 것으로 예상된다.
3.2 지료조성 단계의 접힘터짐 영향인자 복합적 적용에 의한 접힘터짐 저항성 평가
앞서 확인한 지료조성 단계에서의 펄프섬유 종류, 고해도, 양성전분 및 PCC 첨가량을 복합적으로 적용하여 최종적으로 접힘터짐 저항성을 평가하였다. 기계적 특성이 우수한 고해도 425 mL CSF 조건과 별도로 500 mL CSF 조건으로 조성하였으며, 침엽수 펄프를 동일하게 10% 첨가하였다. 이후 PCC 10와 20% 조건에서의 양성전분의 첨가량 증가에 따른 기계적 특성을 방사형 그래프를 통해 도시하였다(Figs. 6 and 7). 425 mL CSF 의 고해도 조건에서 PCC 10% 적용하였을 때, 양성전분 1.0% 이상 첨가하여 인장계수 및 내부결합강도가 개선되고 파괴 신장률은 다소 감소하면서 접힘터짐 저항성이 개선되었다. PCC 20% 첨가 조건에서는 양성전분을 1.5% 이상 첨가하였을 때, 내부결합강도와 파괴 신장률이 크게 개선되면서 접힘터짐 저항성이 개선되었다. PCC 첨가량에 따라 기계적 특성의 변화 유형이 상이하게 나타났는데, 이는 저밀도 종이가 갖는 기계적 특성과 유사한 파괴유형을 나타내었다.22) 섬유 간 공극에 PCC가 과도하게 충전될 경우, PCC가 섬유 간 결합 사이에 존재하게 되면서 내부결합강도를 감소시켜 인장응력에 의한 지필구조의 변형이 보다 쉬워지고, 섬유자체강도보다 기계적 특성이 낮을 때 발생되는 파괴유형으로 판단된다.
고해도를 500 mL CSF 조건으로 형성(Fig. 7)하였을 때, PCC 10% 조건에서는 425 mL CSF 조건의 10% PCC 조건과 유사한 기계적 특성 변화로 접힘터짐 저항성이 개선되었다. 그러나, PCC 20% 조건에서는 양성전분 함량이 증가하면서 내부결합강도와 인장계수, 밀도특성이 유사하게 유지되면서 파괴 신장률이 감소하는 형태로 접힘터짐이 개선되었다. 접힘터짐을 개선하기 위해 지필구조를 유연하게 만드는 것이 기계적 특성 제어에 있어서 가장 주요점이라고 판단되어져 왔으나, 이러한 결과는 과도하게 유연한 지필구조가 오히려 접힘터짐을 유발할 수 있다는 결과를 시사한다.
4. 결 론
200 g/m2 이상 지류제품의 접힘터짐 개선을 위해 지료조성 단계에서의 펄프 종류, 배합비, 양성전분과 PCC 첨가량을 제어하여 기계적 특성과 접힘터짐 저항성 변화를 관찰하였다. 활엽수 펄프는 고해를 통한 기계적 특성의 개선이 요구되며, 침엽수 펄프의 과도한 고해는 높은 기계적 특성으로 인해 접힘터짐 개선에는 적절하지 못하였다. 활엽수 펄프에 침엽수 펄프를 10%, 20% 수준에서 혼합하였을 때, 접힘터짐에 영향력이 높은 기계적 특성을 개선할 수 있었으며, PCC 첨가는 유연한 지필구조를 형성하고 양성전분은 강성이 높은 지필구조를 형성하여 각 제어인자를 적절히 조합하여 적용해야 할 것으로 판단된다. 이에, 각각 제어인자를 복합적으로 적용한 결과, 425 mL CSF에서 PCC 10% 적용하였을 때, 양성전분 1.0% 이상 첨가하여 인장계수 및 내부결합강도가 개선되고 파괴 신장률은 다소 감소하였으며, PCC 20% 첨가 조건에서는 양성전분을 1.5% 이상 첨가하였을 때, 내부결합강도와 파괴 신장률이 크게 개선되면서 접힘터짐 저항성이 개선되었다. 고해도를 500 mL CSF로 형성할 경우, PCC 20% 조건에서는 양성전분 함량이 증가하면서 내부결합강도와 인장계수, 밀도특성이 유사하게 유지되면서 파괴 신장률이 감소하는 형태로 접힘터짐이 개선되었는데, 이는 접힘터짐을 개선하기 위한 지필구조 형성에 있어서 과도하게 유연한 구조는 오히려 접힘터짐을 유발할 수 있다는 결과를 도출하였다. 이러한 연구결과를 통해 높은 벌크특성을 요구하는 포장용지의 접힘터짐 개선을 위한 지료조성 단계의 제어 조건을 탐색하였으며, 향후 제지사의 접힘특성을 요구하는 제품의 품질제어를 위한 자료로써 활용이 기대된다.
