1. 서 론
2. 재료 및 방법
2.1 펄프 시료
2.2 실험방법
3. 결과 및 고찰
3.1 웹 포밍 테이블의 탈수 진공압에 따른 종이 특성
3.2 와이어 속도(초지 속도)에 따른 종이 특성
4. 결 론
1. 서 론
정보통신 기술과 교통수단의 발전, 자유무역과 국가 간 자본이동의 확대에 따라 각 국가 경제가 세계화되면서 세계 산업 규제 정책은 국내 산업환경 및 기술개발 동향에 큰 영향을 미치고 있다. 환경오염 및 이상기후 문제가 심각해지면서 EU 등 세계 주요국들은 비친환경적 소재 및 부품의 시장 접근을 제한하는 기후 환경정책으로 기존 공급망의 재편을 시도하고 있다.1) 이와 같은 세계 산업 공급망의 친환경 정책에 대응하여 국내 산업 또한 친환경적인 소재 개발에 힘쓰고 있다. 생분해성 천연 리그노셀룰로오스 섬유를 원료로 하는 종이는 대표적인 친환경 소재인데, 이런 종이를 환경오염의 주범인 플라스틱의 대체 소재로서 활용하기 위한 연구가 다방면으로 진행되고 있다.2,3,4) 그러나 종이가 플라스틱을 대체하기 위해서는 다양한 물리적, 기능적 특성의 보완이 요구된다. 포장 소재나 생활용품 등 다양한 용도로 사용되는 플라스틱 부직포를 대체하기 위해서는 비교적 높은 강도 특성이 요구되는데, 종이의 경우 플라스틱 부직포에 비해 강도가 낮고 방향별 강도 편차가 큰 문제가 있다. 종이의 제조 시 헤드박스에서 사출된 섬유 지료가 웹(web)을 형성하는 동안 지료 내 섬유들이 고속 운전 중인 사출 방향으로 배향하는 경향을 가지고 있어 종이의 방향별 강도 차이와 컬 등의 치수 안정성 문제가 발생한다.5,6,7,8) 따라서 플라스틱 부직포 대체 소재로 사용가능한 방향별 강도 편차가 적은 고강도 종이 개발을 위해 섬유 배향성을 조절하는 기술의 개발이 요구되고 있다. 탈수압 및 와이어 속도 등 초지 조건은 종이의 섬유 배향에 큰 영향을 미칠 수 있다.5,6,7,8)초지 시 습지필(wet web)을 형성할 때의 탈수 속도와 운전 속도는 섬유 배향에 영향을 미칠 수 있다.5,6) 따라서 습지 제조 시 탈수압과 와이어 속도 조건을 효과적으로 제어한다면 섬유 배향성의 조정도 가능하다고 기대된다.
우리나라 전통 종이인 한지의 주원료인 닥나무 인피섬유는 목재 섬유에 비해 분자량이 높고 섬유장이 길며, 리그닌 함량이 낮아 목재 섬유 종이에 비해 고품질의 섬유 원료로서 고강도 종이를 제조하기 위한 원료로 사용 가능하다.9,10,11,12) 일반적으로 장섬유인 닥나무 인피 섬유를 혼합한 종이를 기계로 초지할 때에는 오픈 헤드박스가 장착된 저속의 단망 혹은 환망 초지기가 활용된다.
본 연구에서는 장섬유를 혼합한 고강도 종이 제조 시 종이의 섬유 배향을 조절할 수 있는 운전조건을 탐색하기 위한 기초 연구로써, 오픈 헤드박스가 장착된 장망식 파일럿 습지 제조설비를 구축하고, 장망식 파일럿 습지 제조 설비의 운전 조건를 제어하여 고강도 닥섬유 혼합 종이의 섬유 원료로 사용되는 목재 섬유 중 상대적으로 섬유장이 긴 침염수 표백 크라프트 펄프 섬유 종이의 섬유 배향성 조절이 가능한지를 탐색하고자 하였다. 이를 위해 웹 포밍 테이블(web-forming table)의 진공압을 조절하여 탈수 속도를 제어하고, 와이어 속도를 조절하여 생산 속도를 제어하여 종이를 초지한 후 각 조건별 CD 및 MD 인장강도, 지합 등의 특성을 측정하여 웹 포밍 시 탈수 및 생산 속도 등의 초지 조건이 섬유의 배향과 종이의 물성에 미치는 영향을 비교 분석하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 펄프 시료
본 연구에서는 이전 연구13)에서 사용한 것과 동일하게 J사에서 제공한 침엽수 표백 크라프트 펄프(softwood bleached kraft pulp, SwBKP)를 사용하였으며, 실험실용 Valley Beater로 고해하여 여수도 550 mL CSF로 조정하였다. 고해한 SwBKP의 평균 섬유장은 2.17 mm, 평균 섬유폭은 30.05 μm였다.
2.2 실험방법
본 연구에서는 웹 포밍 시 탈수 속도와 초지 속도 등 초지 조건이 종이의 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 이전 연구13)에서 사용한 오픈 헤드박스형 파일럿 습지 제조장비(Duco, Korea)의 웹 포밍 테이블(web-forming table)에 연결된 진공 펌프의 진공압 조절을 통해 탈수 속도를 달리하였으며, 와이어 속도를 제어하여 초지 속도를 달리한 습지를 제조한 후, 유압 프레스(V-03, Victory Industry, Korea)로 14 Kgf/cm2의 조건으로 압착 탈수하고, 실험실용 드럼 건조기(GDD 400, GIST Co., Ltd, Korea)로 120°C, 0.3 m/min의 건조 속도로 건조하여 종이 시편을 제작하였다(Fig. 1 & Fig. 2).
Fig. 1.
Manufacturing of different paper specimens by using the pilot wet-web forming machine having open headbox.13)
2.2.1 웹 포밍 테이블의 탈수 진공압 조절에 따른 종이 시료 제조
본 연구에서는 서론에 기술한 바와 같이 웹 포밍 시 탈수 특성이 종이의 섬유 배향 및 지합에 미치는 영향을 평가하기 위해 웹 포밍 테이블의 진공압을 달리하여 종이를 제조하였다. Fig. 2(A)에서 보는 바와 웹 포밍 테이블(web- forming table)에 진공 펌프를 연결하여 Table 1의 조건으로 진공 펌프의 회전 속도를 조절함으로써 탈수 진공압을 달리한 종이 시편을 제작하였다.
Table 1.
Manufacturing conditions of paper specimens according to the vacuum pumping speed for drainage of the web-forming table
| Items | Conditions |
| Consistency of pulp slurry (%) | 0.6 |
| Pumping speed of pulp slurry1) (rpm) | 172 |
| Feeding amount of pulp slurry1) (L/min) | 33.4 |
| Vacuum pumping speed for drainage (rpm) |
600/700/750/ 800/850/900 |
| Wire speed (m/min) | 15.6 |
Table 2.
Manufacturing conditions of paper specimens according to the wire speed
| Items | Conditions |
| Consistency of pulp slurry (%) | 0.6 |
| Pumping speed of pulp slurry1) (rpm) | 153 |
| Feeding amount of pulp slurry1) (L/min) | 29.3 |
| Vacuum pumping speed for drainage (rpm) | 700 |
| Wire speed (m/min) | 15.6/20.8/25.8/31.2 |
2.2.2 와이어 속도 조절에 따른 종이 시료 제조
본 연구에서는 웹 포밍 테이블의 탈수 특성 조절 이외에, Fig. 2(B)에서 보는 바와 같이 와이어 속도를 조절하여 종이 시편을 제작하였다(Table 2).
2.2.3 종이 시료의 물성 분석
웹 포밍 시 탈수 속도와 초지 속도에 따른 습지의 고형분 함량 및 종이의 물성 변화를 평가하기 위해 각 초지 조건별 습지의 고형분 함량(KS M ISO 638-1) 및 종이의 평량(KS M ISO 536), 두께(KS M ISO 534, L&W micrometer, Lorentzen & Wettre, Sweden), 지합(Paper PerFect Formation Analyzer, Op Test Equipment Inc, Canada), 기계 방향(Machine direction, MD) 및 기계 폭 방향(Cross direction, CD)의 인장강도(KS M ISO 1924-3, L&W Tensile tester, Lorentzen & Wettre, Sweden) 등을 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 웹 포밍 테이블의 탈수 진공압에 따른 종이 특성
웹 포밍 시 탈수 특성이 종이의 섬유 배향 및 지합 등에 미치는 영향을 평가하기 위해 Fig. 2(A)에서 보는 바와 같이 오픈 헤드박스형 습지 제조 파일럿 장치의 웹 포밍 테이블에 연결된 진공 펌프의 회전수, 즉 탈수 진공압을 조절하여 웹 포밍 시 탈수 특성을 변화시켜 종이 시편을 제작한 후 각 습지의 고형분 함량 및 종이의 특성을 분석한 결과를 Figs. 3, 4, 5, 6, 7, 8에 나타내었다.
Fig. 3에서 보는 바와 같이 탈수 진공 펌프 속도가 600 rpm에서 900 rpm으로 증가할수록, 즉 탈수 진공압이 증가할수록 탈수 속도가 빨라져 습지의 고형분이 6.2%에서 10.9% 증가하였다. 반면, 종이의 평량은 습지의 고형분 함량이 증가하는 경우 이에 상응하여 감소하는 경향을 보였다(Fig. 4). 진공 탈수는 자연 탈수와 달리 진공 흡입 방식으로 강제적으로 수분을 제거하는 과정으로 진공 탈수 시 종이 원료의 미세한 성분이 유동하는 현상과 함께 종이 두께가 얇아지면서 고화(consolidation)된다.14)일반적으로 종이의 두께는 평량의 변화에 비례하는데,15) 가혹한 탈수에 의해 발생할 수 있는 미세분의 보류 저하 또한 이와 같은 평량 감소의 원인이 된 것으로 판단된다.
종이의 지합은 Fig. 5에서 보는 바와 같이 탈수 진공압이 700 rpm에서 900 rpm까지 증가할수록 즉, 탈수 속도가 빨라질수록 감소하였다. 이는 탈수 진공압이 높아짐에 따라 습지필이 형성되는 과정에서 백수가 빠르게 탈수되어 습지필의 고화(consolidation)가 빨라졌고, 이로 인해 응집된 섬유가 미처 분산되지 못한 채로 지필이 형성되어 종이의 지합을 감소시킨 것으로 판단된다. Fig. 6에서 보는 바와 같이 종이의 기계 방향 및 기계 반대 방향의 인장지수 또한 탈수 진공압 증가와 함께 감소하였는데, MD의 인장강도 감소폭이 CD의 인장강도 감소폭보다 상대적으로 높았다. 탈수 진공압의 증가에 따라 종이의 강도가 감소한 원인은 다음 두 가지의 원인으로 추정할 수 있다. 먼저 상기 언급한 바와 같이 탈수 진공압 증가는 종이의 지합 특성 감소를 초래하는데 결국 이러한 지합 특성의 감소로 인해 종이의 weak point가 증가하여 종이의 강도가 감소한 것으로 생각할 수 있다. 또한 탈수 진공압이 증가할수록 습지필의 탈수가 가혹하게 발생하면서 미세분의 보류가 저하되어 섬유 간 결합이 저하된 것에 기인한 결과로도 추정할 수 있다.
MD에 대한 CD의 인장지수 비율을 분석한 결과(Fig. 7)를 살펴보면, 웹 포밍 테이블의 탈수 진공압이 증가함에 따라 섬유 배향성은 감소하였다. 즉 종이의 기계 방향(MD)으로의 섬유 배향은 감소하고 기계 반대 방향(CD)으로의 배향이 증가한 것으로 판단된다. 탈수 진공압이 증가하면서 백수가 빠르게 탈수되고, 섬유가 유동하면서 기계 방향으로 배향하기 전에 습지필이 고화(consolidation)되어 종이의 섬유 배향성이 완화된 것으로 추정된다. 이러한 결과는 습지필의 고형분 농도와 CD/MD 인장지수 비율의 상관관계로부터 확인할 수 있는데, Fig. 8에서 볼 수 있듯이 습지필의 고형분 농도가 증가하는 800 rpm 이상의 조건에서 CD/MD 인장지수 비율도 증가한 것을 확인할 수 있다. Niskane5)은 섬유의 빠른 탈수는 섬유가 MD 방향으로 배향하는 특성을 감소시킬 수 있다고 보고한바 있다. 이와 같은 결과로 보아 습지필을 형성할 때의 탈수 속도를 조절함으로써 섬유 배향성 제어가 가능할 것으로 판단된다.
3.2 와이어 속도(초지 속도)에 따른 종이 특성
웹 포밍 시 초지 속도가 종이의 섬유 배향 및 지합 등에 미치는 영향을 평가하기 위해 Fig. 2(B)에서 보는 바와 같이 오픈 헤드박스형 습지 제조 파일럿 장치의 와이어 속도를 조절하여 습지의 초지 속도를 변화시켜 종이 시편을 제작한 후 각 습지의 고형분 함량 및 종이의 특성을 분석한 결과를 Figs. 9, 10, 11, 12, 13, 14에 나타내었다. 먼저 와이어 속도에 따른 습지필의 고형분 함량은 15.6 m/min에서 25.8 m/min까지는 변화폭이 미미하였으나, 25.8 m/min 이상에서 와이어 속도가 증가할수록 고형분 함량이 현저히 감소하였다(Fig. 9). 동일 탈수 조건에서 와이어 속도가 증가하게 되면 와이어 단위면적당 지필 용량이 감소하여 탈수가 빠르게 진행되어 습지필의 고형분 함량이 증가하는 효과가 발생할 수 있다. 그러나 고속의 와이어 속도로 운전할 경우 지필 용량에 따른 빠른 탈수보다 와이어 운전속도 증가에 따른 탈수 영역(drainage part)에 대한 접촉 시간이 짧아져 탈수 용량 감소 효과가 더 커질 수 있다.16) 따라서 25.8 m/mn 이상의 고속 운전 시 습지필의 고형분 함량이 높게 감소한 것으로 판단된다.
와이어 속도가 증가할수록 종이의 평량과 두께가 감소하였는데, 와이어 속도가 15.6에서 31.2 m/min로 약 15 m/min 증가 시 종이 평량은 약 47%, 두께는 약 30% 감소하였다(Fig. 10 & Fig. 11). 이는 헤드박스의 지료 사출 용량 및 속도가 동일한 조건에서 와이어 운전속도가 증가하면서 단위 면적당 와이어에 사출되는 지료의 양이 감소한 것 때문으로 판단된다. 반면 Fig. 12에서 보는 바와 같이 와이어 속도 변화에 따른 종이의 지합 특성 변화는 거의 발생하지 않았다.
Fig. 13에서 보는 바와 같이 종이의 기계 방향 및 기계 반대 방향의 인강지수는 와이어 운전속도가 증가할수록 감소하였는데, 특히 25.8 m/min 이상의 속도에서 현저하게 강도가 감소하였다. 이는 종이의 평량과 두께 감소 경향에 상응하는 결과로 판단된다. 종이의 평량은 종이의 강도에 반비례하여 평량이 감소하게 되면 일반적으로 종이의 강도는 약화된다.17) 또한 Fig. 10과 11에서 보는 바와 같이 와이어 속도 증가에 따라 평량과 두께의 감소가 발생하였는데 두께 감소율이 평량의 감소율보다 높았다. 즉 와이어 속도에 따라 보다 벌크한 종이가 제조되었다. 일반적으로 종이의 벌크 특성은 강도와 반비례하므로 와이어 속도 증가에 따른 종이의 벌크 특성 증가 또한 강도 저하에 영향을 미쳤을 것으로 판단된다.18)
와이어 속도 증가에 따른 MD에 대한 CD의 인장지수 비율을 분석한 결과(Fig. 14), 와이어 속도 15.6 m/min에서 31.2 m/min으로 증가하면 CD/MD 인장지수 비율이 약 32% 감소하여 와이어 속도의 증가에 따라 종이의 기계 방향으로의 섬유 배향이 증가한 것으로 나타났다. 일반적으로 초지 속도는 섬유 배향성에 영향을 미치는 주요 인자로 와이어 속도가 증가하게 되면 섬유가 기계 방향으로 배열되는 반면, 폭 방향으로의 배열은 감소한다.5,6)
4. 결 론
본 연구에서는 장섬유의 기계 초지 시 섬유의 배향성을 조절할 수 있는 방안을 탐색하기 위해 오픈 헤드박스형 습지 제조 파일럿 초지 장비를 구축하고, 웹 포밍 시 탈수 및 생산 속도 등의 초지 조건을 변화시켜 종이 시편을 제작하였다. 각 초지 조건에 따른 종이 시편의 CD 및 MD 인장강도, 지합 등의 특성을 측정하여 섬유 배향성 및 종이 특성 개선에 미치는 영향을 비교 분석하였다. 실험 결과, 와이어 속도가 증가함에 따라 종이의 평량, 두께, 강도적 특성이 감소하였으며, 섬유 배향성이 현저하게 증가하였다. 반면 웹 포밍 테이블의 탈수 진공압이 증가함에 따라, 즉 탈수 속도가 증가하면 종이의 섬유 배향성이 감소하였다. 그러므로 초지 시 탈수 조건을 제어하여 고속 운전으로 인해 발생하는 종이의 섬유 배향성을 개선할 수 있을 것으로 기대된다.
