1. 서 론
펄프를 펄퍼에 투입하고 해리하는 공정에서부터 시작하여 완제품인 종이가 되어 시중에 유통되기까지 수많은 공정을 통과하게 된다. 소비자의 요구에 부합시키기 위하여 펄프 원료 선택, 고해 등의 기계적 처리, 충전제 및 지력제 등 첨가제의 투입, 지필 형성, 압착, 건조, 캘린더링, 도공 등 다양한 공정 조건의 선택이 이루어진다.
종이 물성은 펄프 섬유 특성에 의해 크게 영향 받는다.1-3) 섬유 특성은 수종, 펄프화법 등에 의해 영향받으며, 고해와 같은 기계적 처리에 의해서도 그 특성이 달라진다. 일반적으로 고해와 같은 기계적 처리는 섬유의 유연성을 증가시키고, 섬유의 내·외부 피브릴화 및 단섬유화를 발생시켜 섬유의 비표면적을 증가시킴으로써 종이의 강도 개선을 가져온다. 또한 섬유폭, 섬유장, curl, kink 등 다양한 섬유의 형태학적 특성에 영향을 미친다. Jang 등4)은 Valley beater를 이용한 섬유 고해 시 섬유의 섬유장, curl, kink 등은 감소되는 반면 WRV(water retention value)는 증가되며, 수초지의 겉보기 밀도, 지합, 강도 등이 향상된다고 보고하였다. Kim 등5)은 PFI mill을 이용한 고해 처리에 의해 수초지의 강도적 특성이 증가하고 그 정도는 고해부하가 증가할수록 보다 크다고 보고하였다. 또한 Han 등6)은 Hobart mixer를 이용한 중·고농도 기계적 처리는 섬유의 손상을 적게 발생시키면서 내부 피브릴화를 발생시켜 여수도, WRV, 내부 결합강도가 증가하고, 처리 농도가 높아질수록 인장강도와 인열강도가 증가한다고 보고하였다. Kim 등7)은 니딩 처리에 의해 섬유의 피브릴화가 발생될 뿐만 curl 및 kink 등 섬유의 변형(deformation)이 발생된다고 보고하였으며, 특히 섬유 특성 변화가 침엽수 섬유가 활엽수 섬유보다 높게 나타났고 기계펄프보다 화학펄프에서 크게 나타난다고 보고하였다.
니딩 처리는 주로 재생펄프의 탈묵을 위해 사용되는데 니더 내부의 스크류에서 생성되는 전단력으로 잉크 입자와 같은 점착성 물질을 섬유 표면에서 탈착시켜 잉크의 제거를 용이하게 한다. 또한 니딩처리는 섬유의 휘어짐이나 비틀림을 증가시키는데 펄프의 종류에 따라 그 정도가 다르다.7,8) 하지만 니딩 처리 시 지료 농도 및 온도 등 니딩 처리 조건이 화학펄프 섬유의 특성에 미치는 연구는 아직 미비한 실정이다.
본 연구에서는 활엽수 표백 크라프트펄프(HwBKP)의 니딩 처리 시 지료 농도 및 니딩 처리 횟수가 펄프 섬유의 특성 변화에 미치는 영향을 평가하고자 하였다. 니더에 투입하는 지료의 농도를 15%, 20%, 30%로 조절하고, 니딩 처리 횟수를 달리하여 니딩처리를 실시한 후 형태학적 특성(섬유장, 섬유폭, curl 등), 이미지 특성(광학현미경 및 주사전자현미경), WRV 등을 분석하여 펄프 섬유의 특성 변화를 비교 분석하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 실험재료
본 연구에서는 국내 S사에서 분양받은 브라질산 유칼립투스 활엽수 표백 크라프트펄프(hardwood bleached Kraft pulp, HwBKP) 시료를 사용하였다. L&W Fiber Tester(Lorentzen & Wettre, Sweden)를 이용하여 펄프 특성을 분석한 결과는 Table 1과 같다.
Table 1.
Dimensional characteristics of pulp fibers used in experiment
| Coarseness (㎍/m) | Fiber length1) (mm) | Fiber width (㎛) | |
|---|---|---|---|
| HwBKP | 65.4 | 0.774 | 17.9 |
2.2 실험방법
2.2.1 Kneading 처리
실험실용 표준해리기를 이용하여 펄프 농도 4%, 해리속도 300 rpm, 해리 시간 10 min의 조건으로 펄프를 해리하였으며, 해리한 펄프를 진공 여과시켜 각각 15%, 20%, 30%로 농축하였다. 농축된 각 펄프 시료들을 주문 제작한 실험실용 twin shaft kneader를 사용하여 니딩 처리하였다. 니딩 처리 시 70℃의 온수 팩을 이용하여 kneader를 감싸 니딩 처리 온도를 70℃로 일정하게 유지시켜 주었으며, 펄프 페이스트의 kneader 통과 횟수를 0-6회로 조절하였다.
2.2.2 섬유의 형태학적 특성 분석
섬유장, 섬유폭, curl, 미세분 함량 등 섬유의 형태학적 특성은 L&W Fiber Tester(Lorentzen & Wettre, Sweden)를 사용하여 측정하였다.
2.2.3 섬유의 이미지 분석
니딩 처리 유무 및 처리 시 지료 농도에 따른 섬유의 형태 변화를 관찰하기 위해 광학현미경(GX51, Olympus, Japan) 및 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM, Hitachi, Japan)을 사용하였다. 광학현미경 분석을 위한 펄프 시료는 acetocarmine 용액으로 염색하였고, SEM 분석을 위한 펄프 시료는 동결건조기(Freeze Dryer, Operon, Korea)로 동결 건조하여 준비하였다.
2.2.4 섬유의 여수도 및 WRV 분석
펄프 섬유의 여수도는 Canadian Standard Freeness Tester(Frank-pti, Germany)를 사용하여 TAPPI Standard Useful Method 227 om-09에 의거하여 측정하였다. 또한 섬유의 WRV는 TAPPI Standard Useful Method 256과 Yiannos9)의 연구에 의거하여 분석하였으며, 자세한 과정은 다음과 같다. 2 g의 펄프 시료를 정량한 후 250 mL 광구병에 넣고 증류수 100 mL를 첨가하여 20분 간 팽윤시킨 후, 글라스 필터(1G2)를 사용하여 펄프 슬러리를 여과시켜 주었다. 글라스 필터 내 펄프 패드를 원심분리기에 넣고 1250 G로 40분간 원심 분리시킨 후, 105℃의 건조기에서 12시간 동안 건조시켜 주었으며, 건조 전후 펄프 패드의 무게를 측정하여 다음 Eq. 1에 의해 WRV값을 계산하였다.
여기서, A: 펄프 패드 건조 전 무게, B: 펄프 패드 건조 후 무게.
3. 결과 및 고찰
3.1 니딩 처리에 의한 펄프 섬유의 형태학적 특성 변화
3.1.1 섬유장 및 섬유폭
각 펄프 지료 농도 별 니딩 처리 횟수에 따른 섬유장 변화는 Fig. 1에 나타내었다. Fig. 1에서 보는 바와 같이 지료 농도 15%의 조건에서는 니딩 처리 횟수 증가에 따라 섬유장이 아주 소폭 증가하였다. 반면에 지료농도 20% 및 30%에서는 니딩 처리 횟수가 증가함에 따라 섬유장이 감소되었다. 30% 조건에서는 니딩 처리 횟수가 증가할수록 서서히 섬유장이 감소하는 경향을 보였지만 20% 조건에서는 처리횟수 1회 이후로의 변화는 발생하지 않았다. 이와 같은 결과는 섬유 타입별 니딩 처리(지료 농도 30%)에 따른 각 섬유의 형태학적 특성 변화에 관한 이전 연구8)결과와도 일치한다. 이전 연구에 의하면 30%에서 니딩 처리할 경우 니딩 횟수 증가에 따라 섬유장이 감소한다고 보고하였다.
상기 기술된 바와 같이 고해 등과 같은 물리적 처리에 의해 펄프섬유는 단섬유화가 되어 섬유장이 감소되는데, 20% 이상의 고농도 펄프 지료를 니딩 처리할 경우에도 섬유장의 감소가 소폭 발생되는 것으로 나타났다. 니딩처리 횟수가 증가할수록 미세분 함량은 증가하였으나, 니딩 농도에 따른 미세분 함량은 큰 차이가 관찰되지 않았다(Fig. 2). 이 결과는 기계적 처리에 의한 섬유의 절단 또는 피브릴의 절단이 발생하였다는 것을 의미한다. 섬유장의 감소에는 섬유의 절단에 의한 단섬유화에 의해서만 아니라, curl과 kink 같은 섬유의 변형도 영향을 미쳤으리라 판단된다. 니딩 농도 15% 경우에, 니딩 처리 횟수가 증가 시 미세분 함량이 증가함에도 섬유장이 변화가 없는 것은, 미세분이 섬유의 절단 보다는 외부 피브릴의 절단에 의해서 발생하였고, 섬유의 curl 또는 kink같은 변형이 적게 발생하였기 때문으로 사료된다.
니딩 처리 시 섬유폭 변화는 펄프 지료 농도에 따라 각각 다른 경향을 보였다(Fig. 3). 니딩 농도 15%의 경우에, 니딩 처리 횟수 증가에 따라 섬유폭이 소폭 감소되는 것으로 나타났으며, 20% 조건에서는 니딩 처리에 의한 섬유폭 변화가 발생되지 않는 것으로 나타났다. 반면에 30% 조건에서는 니딩 처리 횟수에 따라 섬유폭이 소폭 증가되어 이전 연구결과7)와 일치하였다. 이는 고해에 의한 섬유의 붕괴(collapse) 및 curl 발생에 기인된 결과로 판단된다. Allender 등10)의 연구결과에 따르면 고해 시고해도를 증가시킴에 따라 유칼리와 소나무 펄프의 섬유 폭이 모두 증가되었으며, 그들은 이와 같은 섬유폭의 증가를 섬유의 붕괴(collapse)의 신호라고 고찰하였다.
3.1.2 Curl
니딩 농도 15%에서는 니딩 처리 횟수가 증가함에 따라 섬유의 curl 정도는 거의 영향을 받지 않았다. 오히려 다소 감소되었다(Fig. 4). 이러한 결과로 볼 때 니딩 농도 15%에서는 섬유의 straightening이 발생되는 것으로 보이며, 이는 니딩 농도 15%에서 니딩 처리 횟수 증가에 따라 섬유장이 소폭 증가한 것과 관련이 있는 것으로 판단된다. 반면에 20% 및 30%에서는 니딩 처리 횟수가 증가함에 따라 curl이 증가되는 경향을 나타냈다. 니딩 농도 20%와 30%에서의 니딩 횟수에 따른 curl의 변화 경향은 섬유장의 변화 경향과 유사하였다. 즉, 니딩 농도 20%의 경우, 1회 처리에서 curl이 증가한 이후에 6회까지 니딩 처리를 하여도 curl 정도에 큰 영향은 없었다. 니딩 농도 30%의 경우에는 니딩 처리 횟수를 증가시킴에 따라 curl이 꾸준히 증가하는 것으로 나타났다.
3.1.3 섬유 형태 관찰
펄프 지료 농도별 니딩 처리에 따른 섬유의 형태학적 특성 변화를 분석하기 위해 주사전자현미경(SEM)과 광학 현미경을 분석한 결과는 Figs. 5와 6에 나타내었다. 지료 농도별 니딩 처리에 따른 SEM 이미지를 보면 20% 이상의 고농도에서 curl이 발생된 것을 확인할 수 있으며, 특히 30%에서의 curl이 보다 많이 발생되었음이 관찰되어 전술한 curl 분석결과와 일치하였다. 또한 Fig. 6의 광학현미경 이미지들을 살펴보면, 니딩 처리 횟수가 증가할수록 섬유 피브릴화와 curl이 발생되는 것을 확인할 수 있었으며, 30%에서의 변화가 가장 두드러졌다. 이러한 결과는 여수도 및 WRV 분석결과와 상응한다. 또한 30% 조건에서는 섬유의 뭉침이 일어난 것을 확인하였는데, 이는 물의 양이 적어 유동할 공간이 적은 상태에서 섬유가 니더의 날과 날사이에서 비벼주는 힘을 받아 섬유들이 서로 엉켜서 뭉쳐진 것으로 판단된다.
3.2 니딩 처리에 의한 펄프 섬유의 여수도 및 WRV 변화
캐나다 표준 여수도(CSF)는 니딩 처리 횟수가 증가함에 따라 감소하였고, 니딩 농도를 감소시킬수록 여수도 감소폭이 더 크게 나타났다(Fig. 7). 니딩 농도가 높을수록 여수도 값이 높게 나타난 것은 섬유의 curl과 관계된 것으로 판단된다. Curl화된 섬유는 CSF 측정 시 섬유매트에서 물이 통과할 공간을 제공할 수 있어서 CSF 값이 높게 나타난 것으로 사료된다. 니딩 농도가 15%인 경우에 섬유의 curl은 많이 발생하지 않았다(Fig. 4). 따라서 생성된 미세분과 소섬유화 때문에 탈수 저항이 증가하여 가장 낮은 CSF 값이 나타낸 것으로 사료된다.
니딩 처리 횟수 증가와 함께 섬유의 WRV는 증가되었다(Fig. 8). 니딩 농도 30%에서 니딩 횟수 증가와 함께 WRV는 직선적으로 증가하였으나, 그 증가폭은 가장 작았다. 니딩 횟수 3회까지 니딩 농도가 낮을수록 WRV 값은 더 높게 나타났다. 니딩 처리 6회에서는 농도에 따른 차이가 거의 없었다. WRV는 섬유벽의 층분리(delamination) 정도 및 섬유의 비표면적에 의해서 영향을 받는다. 니딩에 의해서 WRV가 증가되었다는 것은 니딩 처리 시 외부 및 내부 소섬유화가 발생하였거나, 미세분이 발생하였다는 것을 의미한다. 미세분 함량은 니딩 처리 횟수가 증가할수록 커졌으나, 니딩 농도에 따른 차이는 관찰되지 않았다(Fig. 2). 이는 니딩 농도에 의한 WRV 값의 차이는 섬유의 소섬유화 정도에 의해서 영향을 받았다는 것을 의미한다.
4. 결 론
니딩 처리 시 지료 농도에 따라 HwBKP 섬유의 특성 변화는 다르게 나타났다. 상대적으로 낮은 지료 농도인 15%에서는 니딩 처리에 의해 섬유장은 아주 소폭 증가하였고, 섬유폭과 curl은 소폭 감소하였고, 섬유의 straightening이 발생되는 것으로 판단된다. CSF값의 감소폭이 크고 WRV 값 증가는 가장 큰 것으로 보아, 15% 니딩 농도에서는 소섬유화가 주로 발생하는 것으로 판단된다. 반면에 20% 이상으로 니딩 농도를 높일수록 curl 같은 섬유의 변형이 많이 발생하였다. 고농도에서는 니딩 처리 횟수가 증가함에 따라 섬유장은 감소하였고, 섬유폭, WRV 값 등은 증가하였고, CSF 감소폭은 낮았다. 니딩 농도 30%의 고농도에서의 처리는 섬유 뭉침 현상이 발생되는 것으로 나타났다.
