1. 서 론
국내외 산업발전과 함께 유통산업은 지속적으로 발전하고 있는데, 특히 인터넷과 스마트폰을 기반으로 한 온라인 마켓의 급속한 확대와 일인가구 증대에 따른 포장규모의 소단위화 등은 현재 유통산업의 주요한 트랜드이다.1) 이러한 유통산업의 발전과 함께 다양한 제품들의 포장을 위한 포장소재의 수요도 지속적으로 증대되고 있으며 이와 함께 포장소재의 폐기 및 재활용도 현재 중요한 관심의 대상이 되고 있다. 최근 들어 중국의 재활용 폐기물 수입금지 조치 등으로 더욱 심각해진 각국의 폐기물 처리 및 재활용 이슈들은 다양한 포장재의 친환경성에 대한 각종 규제와 관리기준을 더욱 엄격하게 만들어가고 있고 이에 따라 친환경 포장재에 대한 수요도 급격히 증가하고 있다.
대표적인 친환경 소재인 종이는 생분해성과 재활용성이 매우 우수한 대표적인 포장소재라고 할 수 있는데 골판지 상자 등의 다양한 지류 포장재가 널리 활용되고 있다. 종이와 같은 원료로 제조되어 넓은 의미의 지류제품으로 포함되는 펄프몰드 역시 뛰어난 친환경성을 가지는 소재로서 종이보다 우수한 완충성과 기계적 성질, 성형성 등을 가지고 있다. 이러한 펄프몰드는 계란, 과일과 같은 농축산제품의 포장용 완충소재나 전자장비, 차량부품, 가구 등의 산업용제품 및 부품 등의 완충소재로 널리 활용되고 있다. 상대적으로 저렴한 친환경 원료를 바탕으로 제조되는 펄프몰드는 다양한 기능성을 부여함으로써 더욱 다양한 용도로의 적용이 가능한 소재로서 향후 그 수요가 더욱 커질 것으로 예상되고 있다.
펄프몰드의 생산성과 품질향상을 위하여 고지배합 비율을 달리하거나, 원료 조성, 배합 및 첨가제 처리에 의한 영향에 대한 연구들,2,3) 습식펄프몰드 공정개선4) 및, 건조에너지를 절감을 통해 생산성을 개선하기 위한 연구,5) 펄프몰드의 품질과 기능성을 개선하기 위한 표면 개질처리 연구,6,7) 친환경 바이오매스 원료를 적용하는 연구8) 등이 지속적으로 이루어져 왔다. 그러나 펄프몰드 생산효율성과 다양한 제품개발을 위한 기반연구들은 여전히 부족한 상황으로 향후 플라스틱 제품을 대체하여 다양한 적용제품을 개발하기 위한 공정과 품질에 대한 기초적인 연구들이 절실히 요구되고 있다.
펄프몰드의 제조방식은 성형조건과 원리에 따라 크게 건식성형 펄프몰드와 습식성형 펄프몰드로 나눌 수 있다. 목재섬유 및 바이오매스 분말 등과 접착제를 혼합하여 고온압축 방식으로 한 개씩 성형하여 제조되는 건식펄프몰드의 경우 주로 식품포장용 몰드로 적용되고 있는데 치수 정밀도가 높고 표면이 매끄럽고 기계적 특성이 우수한 장점이 있지만 생산효율이 낮고 생산비가 높은 단점을 가지고 있다. 한 번에 여러 장을 연속적으로 생산 가능하여 상대적으로 생산성과 경제성이 우수한 습식성형 펄프몰드 제조방식의 경우 주로 계란판이나 산업용 펄프몰드와 같은 대량생산 제품의 생산방식으로 활용되고 있다. 습식펄프몰드 제품의 생산성과 품질의 균일성 등은 공정적인 한계로 인하여 판지 등의 지류제품에 비하여 다소 낮은 상황이지만 적용 원료의 다양성, 후처리 가능성 및 다양한 형태와 구조의 제품개발 가능성 등 향후 발전 가능성 및 활용성은 매우 높다고 할 수 있다.
본 연구에서는 향후 다양한 용도의 친환경 포장소재 또는 일회용 지류소재 등으로 적용가능한 습식성형 펄프몰드 제조공정의 성형조건에 따른 몰드의 특성변화를 실험실용 펄프몰드 성형기를 제작하여 다양한 공정 조건에서 평가하여 보았다. 습식펄프몰드의 경우 평량과 지필구조의 조절이 종이의 성형과는 전혀 다른 방식으로 이루어지고 있는데 이러한 몰드 지필의 형성과 구조에 영향을 미치는 성형조건에 대한 기반연구를 통하여 펄프몰드의 공정품질관리 및 신제품 개발하기 위한 기반자료를 확보하고자 하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
본 연구에서는 몰드용 표준섬유로서 활엽수 표백펄프(Hw-BKP)를 해리하여 사용하였으며 고해처리를 실시하지 않고 실험실용 고해기를 활용하여 해리하여 여수도(CSF) 700±5 mL의 상태로 실험에 사용하였다.
2.2 습식펄프몰드 제조
2.2.1 습식펄프몰드 파일롯 성형기
본 연구에서는 습식펄프몰드 공정을 모사한 실험실용 습식펄프몰드 파일롯 성형기를 제조하여 성형조건을 변화시키며 그 영향을 평가하였다. 습식펄프몰드 성형기는 Fig. 1의 모식도에서 나타낸 바와 같이 2단계의 진공탱크(④)를 구성하여 습식몰드 성형 시 흡수되는 백수를 확인하고 채취할 수 있게 제작되었다. 지료탱크(⑤)로 일정하게 표시된 레벨까지 진공성형기(①)를 담근 후에 일정시간동안 진공으로 지료를 빨아들이면 80 mesh 와이어 위에 형성되게 하고 성형탱크 이동장치(⑥)가 성형탱크를 위쪽으로 이동시켜 회전시키면서 일정시간 동안 진공탈수를 진행한다. 이때 탈수시간 등은 솔레노이드 밸브(②)를 적용하여 주어진 시간 동안만 진공이 공급되도록 제작되었다.
2.2.2 습식펄프몰드 제조
습식펄프몰드는 지료탱크 속에 포밍와이어가 표면에 장착된 몰드 성형기를 담그고 진공압을 걸어 지료를 빨아들이며 성형기 표면에 지필을 형성시켜서 몰드성형을 완료하고 이후 쿠칭하고 건조하여 제조된다. 이러한 습식펄프몰드 제조공정을 모사하여 습식펄프몰드 시료를 제작하였고 본 실험에서 적용한 펄프몰드 성형 및 제조단계를 Fig. 2에 나타내었다.
본 연구에서는 습식펄프몰드 제조 시 지료의 농도를 0.46%, 0.66%, 0.86%로 각각 조정하여 지료농도 변화에 따른 영향을 평가하였고, 지필형성 시 진공성형시간을 0.5초, 1초, 1.5초, 2초로 각각 적용하여 그 영향을 평가하였다. 전체 진공탈수시간은 진공성형시간을 포함하여 10초로 균일하게 유지하였으며 진공압은 0.04 MPa, 0.055 MPa, 0.07 MPa, 0.085 MPa로 각각 조정하여 그 영향을 알아보았다. 성형된 습식펄프몰드의 쿠칭방법에서는 30 kg 롤 프레스를 사용하여 성형와이어 반대쪽 면으로 탈수를 진행한 쿠칭횟수를 2, 4, 6, 8회로 각각 적용하여 그 영향을 평가하였다. 쿠칭 된 펄프몰드는 열풍건조기를 이용하여 160℃의 조건에서 건조되었으며, 전체 습식펄프몰드 시험편 제조 시 적용된 공정조건을 다음의 Table 1에 정리하여 나타내었다.
Table 1.
The process conditions for the wet pulp mold samples made with wet pulp mold pilot machine
3. 결과 및 고찰
3.1 지료농도에 의한 영향
습식펄프몰드 제조 시 지료의 농도에 따른 습식몰드 성형특성을 평가하여 보았다. 지료 농도를 0.46%, 0.66%, 0.86%로 각각 조정하고 진공성형 시간은 1초, 진공탈수시간 9초, 진공압은 0.07 MPa, 쿠칭횟수는 2회를 실시하여 각각의 몰드 시료특성을 평가하였다. Fig. 3에서 나타난 바와 같이 지료농도가 증가할수록 같은 공정조건에서 성형되는 펄프몰드의 평량이 비례적으로 증가하는 것을 볼 수 있다. 이러한 결과는 습식펄프몰드의 성형에 있어서 제품 평량이 조절에 있어서 지료 농도의 조절이 매우 중요한 영향을 미치는 것을 보여주는 결과라고 할 수 있다. 지료 농도 증가에 따른 펄프몰드 시편 평량의 증가와 함께 시편들의 평량 변이정도도 같이 증가하는 추세를 나타내고 있는 것을 확인할 수 있다.
성형 시 지료의 농도에 따라 형성된 펄프몰드 지필의 고형분 함량을 성형 직후와 쿠치공정 직후 각각 측정하여 Fig. 4에 나타내었다. 지료의 농도가 높을수록 지필의 평량과 함께 성형 후 고형분과 쿠치공정 후 고형분도 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 성형 진공탈수 과정에서 지필의 평량이 높을수록 진공압의 효과가 크게 나타남에 따라 탈수효율 증대로 인한 영향으로 판단되었다. 쿠치공정에서는 유입되는 몰드지필의 수분량에 크게 영향을 받지 않고 일정한 정도로 수분이 탈수되면서 쿠치공정 후의 고형분 함량은 일정한 비율로 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
3.2 진공성형 시간에 의한 영향평가
습식펄프몰드의 성형 시 일정 진공압 조건에서 진공성형 시간에 따른 펄프몰드성형 특성을 평가하였다. 지료농도 0.46%, 진공압은 0.07 MPa, 쿠치횟수는 2회의 조건으로 일정하게 유지하면서 진공성형 시간을 0.5초, 1초, 1.5초, 2초로 각각 다르게 적용하여 이때 제조되는 펄프몰드의 특성변화를 비교 평가하였다. Fig. 5에서 보여지는 것과 같이 습식펄프몰드 성형 시 진공성형 시간이 늘어날수록 성형되는 습식몰드의 평량도 비례적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 진공성형 시간의 증가는 성형 이후 펄프몰드 습지필의 함수율에도 영향을 미치게 됨에 따라 Fig. 6에서 나타난 것과 같이 진공성형 시간이 증가할수록 탈수도의 증가로 성형 이후 고형분의 함량이 증가하는 것을 볼 수 있었다. 진공성형 과정 중 나타나는 펄프몰드 습지필의 함수율 차이는 쿠치공정에 의해 추가적인 탈수가 진행되면서 상쇄되는 것을 확인할 수 있었다.
3.3 진공성형 진공압력에 의한 영향평가
습식펄프몰드의 성형공정에서 진공성형 진공압은 지필의 형성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 그 영향을 알아보기 위하여 지료농도 0.46%, 진공성형시간 1초, 진공탈수시간 9초, 쿠치횟수는 2회의 조건에서 진공압을 변화시키며 습식펄프몰드를 제조하였다. 실제로 진공압력이 높아질수록 Fig. 7에서 보이는 바와 같이 성형되는 펄프몰드 지필의 평량이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 Fig. 8에서와 같이 진공압 상승에 따라 성형 시 탈수효율증가로 성형 후 지필의 고형분이 비례적으로 증가하는 것으로 나타났다. 쿠치공정에 의해 지필의 수분차이가 다소 상쇄되지만 전체적으로 성형 시 진공압의 증가는 쿠치 후 탈수에 의한 고형분 증가 효율의 차이를 발생시키는 것으로 판단되었다.
Fig. 8.
The changes in the solid contents of wet pulp mold after forming and couching process depending the vacuum pressure.
Fig. 9에서는 진공성형 진공압의 변화가 최종 펄프몰드 구조에 미치는 영향을 보여주고 있다. 펄프몰드는 성형시 진공압이 커질수록 벌크가 감소하는 경향을 나타내고 있는데 강한 진공압에 의한 지필구조의 고밀도화가 성형 시 발생됨에 따른 영향으로 판단되었다. 진공성형 및 진공탈수 이후 같은 수준의 압착 쿠치공정을 적용함에도 불구하고 성형 시 형성된 지필구조의 차이가 최종 제품의 구조적 차이를 가져오는 것을 확인할 수 있었다.
3.4 쿠치공정에 의한 영향평가
습식펄프몰드 제조 시 진공성형 이후 종이제조공정의 쿠치 공정과 유사한 진공압착탈수 공정을 거치게 된다. 이러한 진공압착탈수는 종이제조공정의 프레스 공정 보다 약한 압력에서 진공압착탈수를 진행함으로써 성형면 반대쪽으로 일부탈수를 진행하고 표면구조를 좀더 매끄럽게 만드는 작용을 하게 된다. 본 연구에서는 성형면 반대쪽으로 흡수지를 적용하여 쿠치공정을 실시함으로써 진공압착탈수 공정의 영향을 모사하였다. 지료농도 0.46%, 진공성형시간 1초, 진공압은 0.07 MPa에서 펄프몰드 시료를 제조하고 쿠치롤 적용 횟수를 변화시켜 그 영향을 평가하였다. Fig. 10은 쿠칭회수에 따른 펄프몰드 지필의 쿠치 후 고형분 함량의 변화와 최종 제품의 벌크변화를 나타낸 그래프이다. 쿠칭횟수가 증가함에 따라 수분의 탈수가 추가적으로 발생되고 이에 따라 지필의 고형분 함량도 함께 증가하는 것을 확인할 수 있었고 펄프몰드의 벌크도 지속적으로 감소는 것을 확인할 수 있었다. 6회 이상의 쿠칭 시에는 벌크의 추가적인 감소가 유의적으로 나타나지 않았다.
4. 결 론
본 연구에서는 습식펄프몰드 제조공정에서의 공정조건에 의한 펄프몰드 제조특성과 구조의 변화를 비교평가함으로써 습식펄프몰드 제조를 위한 기반 자료를 확보하고자 하였다. 펄프몰드의 평량의 조절을 위해서는 적용 지료의 농도를 높이거나 진공성형 시 진공성형시간 또는 진공성형압력을 증가시킴으로써 가능한 것을 확인할 수 있었다. 특히 지료농도의 변화에 의한 평량 및 성형 시 탈수도의 차이가 크게 나타날 수 있음을 확인할 수 있었고 진공시간과 진공성형압력도 평량변화에 큰 영향을 미칠 수 있음을 확인할 수 있었다. 진공시간과 진공성형압력 증가는 펄프몰드 지필의 구조를 고밀화시킴으로써 최종 제품의 벌크의 감소를 가져올 수 있음을 볼 수 있었고 특히 쿠치공정에 의한 벌크의 감소가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 다양한 원료를 적용하고 기능성을 부여함으로써 친환경 소재로 그 활용성이 더욱 커질 수 있는 펄프몰드 제품의 균일하고 효율적인 생산을 위한 공정요소들에 의한 영향을 살펴보았다. 이러한 연구결과들은 펄프몰드 제조공정의 효율적 관리 및 신제품 개발의 기반자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
