1. 서 론
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
2.2 실험방법
3. 결과 및 고찰
3.1 펄프 종류별 섬유 특성 분석
3.2 카본 블랙의 주요 물성 분석
3.3 카본블랙의 투입량과 투입조건에 따른 섬유와의 보류 수준 평가
3.4 펄프 종류별로 제조된 수초지의 L* 값 변화 분석
4. 결 론
1. 서 론
과일봉지(fruit bag)는 과일봉지 원지(base paper)로 제조된 제품으로 과일의 상품성과 품질향상을 위해 사용되는 중요한 부자재이다.1,2,3) 과일은 성장 및 발달 과정에서 벌레, 새, 각종 병원균 및 물리적 충격에 취약하며 이러한 현상이 발생하게 되면 과일의 상업적 가치가 심각하게 떨어지고 상당한 수확량과 경제적 손실이 발생하기 때문에 이를 방지하기 위해 수확 전, 과일봉지를 씌어 피해를 예방하고 있다.4,5,6) 과일봉지는 일본에서 처음으로 포도, 배 등의 재배에 사용되었고 현재는 일본뿐만 아니라 주요 과일 생산국에서 사과, 복숭아, 망고 등 다양한 과일의 재배에도 사용되고 있다.7,8)
열대·아열대성 과수인 망고는 과도한 태양광, 높은 온도 및 상대습도, 우기 등과 같이 가혹한 외부환경에서 재배되고 있으며9,10) 대만이나 동남아시아에서 생산하는 수출용 고급 망고는 재배, 검역, 수출과정에서 과일의 품질을 유지해야 하므로 망고 재배에 사용되는 과일봉지는 우수한 물성 및 기능성을 갖춰야 한다. 본 연구팀 자체 조사 결과, 현재 대만, 동남아시아에서 망고 재배에 사용되는 과일봉지는 주로 중국산 제품으로 고급 망고의 품질을 유지할 수 있는 기능성 측면에서 많은 문제가 있는 것으로 평가받고 있다. 고급 망고에 사용되는 과일봉지 시장은 약 500억 원 이상으로 평가되고 있으며 전 세계적으로 망고 소비량이 증가함에 따라 시장 규모 또한 증가할 것으로 판단되기 때문에 국내 제지 산업에서도 대만이나 동남아시아를 대상으로 한 과일봉지를 수출할 필요가 있다고 판단된다.
현재 국내에서 생산되고 있는 망고 재배용 과일봉지는 2겹의 박엽지가 합지형태로 생산되고 있으며11) 위층(top)은 황색층, 아래층(bottom)은 흑색층으로 구성되어 있다. 황색층은 침엽수 미표백펄프(unbleached kraft pulp; UKP)와 유리 간지(LCD interleaf)가 혼합된 혼합층으로 구성되어 있고 흑색층은 폐신문지(old newsprint; ONP)와 사료지(feed bag; FB), 크라프트지(kraft paper; KP)가 혼합된 혼합층으로 구성되어 있다. 황색층은 외부에 노출되어 있으므로 비, 바람 등의 기후적 요인으로부터 과일을 보호하기 위해 습윤지력증강제를 투입하여 강도를 높이고 흑색층은 과도한 태양광으로 인한 과일의 착색을 방지하기 위해 흑색 염료인 카본블랙(carbon black)을 투입하여 광차단성을 높이고 있다.
카본블랙은 대표적인 흑색 염료로12,13) 잉크, 페인트, 코팅, 플라스틱 및 고무 제품 제조 시 안료로 사용되며13-22) UV 저항성과 내구성을 향상시킨다.23,24,25) 카본블랙은 매우 작은 입자로 구성되어 있으며 서로 응집체를 형성하는 경향이 있어26) 많은 양의 카본블랙이 첨가되는 경우 카본블랙 간의 응집 현상이 발생해 균일한 분산이 어려워져 제품의 색상이 균일하지 못할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 흑색층의 주원료인 폐신문지, 사료지, 크라프트지와 흑색 염료인 카본블랙의 주요 물성을 분석하고 각 펄프 종류별로 카본블랙 투입량과 교반시간을 달리하여 수초지를 제조한 후 L* 값의 변화를 분석하여 카본블랙의 보류특성과 고정착 조건을 파악하고자 하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
본 연구에서는 흑색층의 주원료로 사용되는 재생펄프인 ONP(old newspaper; ONP), FB(feed bag; FB), KP(kraft paper; KP)를 진주 소재 과일봉지 원지 생산 전문업체인 N사에서 분양받아 사용하였다. 카본블랙(carbon black)은 대구 소재 과일봉지용 약품 전문업체인 D사에서 분양받아 사용하였다.
2.2 실험방법
2.2.1 재생펄프의 지료 조성 및 주요 물성 측정
흑색층의 주원료인 폐신문지, 사료지, 크라프트지의 주요 물성을 측정하고 이후 카본블랙을 투입하여 수초지를 제조하기 위해 지료 조성을 실시하였다. 폐신문지, 사료지, 크라프트지는 농도 약 2.0%로 실험실용 고속해리기(Laboratory pulp disintegrator, Daeil Machinery co. Ltd, South Korea)를 이용하여 충분히 해리를 진행한 후 지료를 조성하였다. 준비된 지료의 여수도(freeness)를 측정하기 위해 캐나다 표준 여수도 측정기(Canadian Standard Freeness tester)를 이용하였다. 섬유장측정기(FQA-360, Optest Equipment, Canada)를 이용하여 펄프 섬유의 평균 섬유장(average fiber length), 평균 섬유폭(average fiber width), 미세분 함량을 측정하였고 광학 현미경(BX-51, Olympus, Japan)을 이용하여 40, 100, 200배 배율로 섬유 이미지를 촬영하여 각각의 섬유 형태를 관찰하였다.
2.2.2 카본블랙의 주요 물성 측정
본 연구에서는 카본블랙의 습지필 잔류 가능성을 간접적으로 파악하기 위해 카본블랙의 평균 입도와 제타 전위를 측정하고 전계방사주사전자현미경(FE-SEM, Field Emission Scanning Electron Microscope, JSAM-7610F, JEOL. Japan)을 이용하여 이미지를 촬영하였다. 카본블랙은 증류수를 이용하여 농도 0.5%로 분산시킨 후 입도 분석기(1090LD, CILAS, France)를 이용해 평균 입도를 측정하였고, 카본블랙의 정전기적 특성을 파악하기 위해 제타 전위 분석기(Zetasizer Nano ZS, Malvern, UK)를 이용하여 제타 전위를 측정하였다. SEM 이미지 촬영을 위한 시료를 준비하기 위해 카본블랙을 항온 건조기에 24시간 동안 건조하여 전건 상태로 만든 후 가루 형태로 제조하여 시료를 제작하였다.
2.2.3 카본블랙의 투입량과 교반시간에 따른 섬유와의 보류 수준 측정
카본블랙의 투입량과 교반시간에 따른 섬유와의 보류 수준을 평가하여 고 정착 조건을 도출하기 위해 폐신문지, 사료지, 크라프트지 지료에 카본블랙을 투입하여 평량 60±1 g/m2 수초지를 제작하였다. 카본블랙의 투입량에 따른 보류 특성을 분석하기 위해 전건 섬유량 대비 8, 12, 16, 20%로 투입한 후 이때 600 rpm 조건으로 2분간 교반하여 수초지를 제조하였고 교반시간에 따른 카본블랙의 보류 특성을 분석하기 위해 카본블랙을 전건 섬유량 대비 16%를 투입한 후 600 rpm으로 교반을 2, 10, 30분간 진행하여 수초지를 제조하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 펄프 종류별 섬유 특성 분석
본 연구에서 사용한 재생펄프의 섬유 특성을 Table 1에 나타냈다. 평균 섬유장은 크라프트지가 1.89 mm로 가장 길었으며 사료지, 폐신문지 순으로 평균 섬유장이 길게 나타났다. 평균 섬유폭은 크라프트지가 29.6 μm로 가장 컸고 사료지, 폐신문지 순으로 평균 섬유폭이 크게 나타났다. 미세분 함량은 사료지가 51.1%로 가장 컸는데 크라프트지와 거의 차이가 없었으며 폐신문지의 미세분 함량이 가장 낮았다. 여수도 측정 결과, 재생펄프인 폐신문지와 사료지, 크라프트지는 각각 322 mL CSF, 437 mL CSF, 640 mL CSF로 나타났다. 폐신문지의 경우 다수의 재활용 과정에서 섬유의 절단이 많이 발생했기 때문에 여수도가 가장 낮게 나타난 것으로 판단된다.27,28,29) 펄프 종류별 섬유 형태를 분석하기 위해 촬영한 광학현미경 이미지를 Figs. 1, 2, 3에 나타냈다. 재생펄프 및 천연펄프의 섬유 이미지 관찰 결과, 폐신문지, 사료지는 고해가 일정 수준 이상으로 진행되어 섬유의 끝이 절단되고 섬유 표면에 피브릴들이 존재하는 것을 확인할 수 있었지만, 크라프트지는 섬유가 온전한 형태를 유지하고 있었으며 섬유 표면에 피브릴들이 거의 존재하지 않았다.
Table 1.
Fiber properties of ONP, FB, KP
| Pulp type |
Freeness (mL CSF) |
Average fiber length (mm) |
Average fiber width (µm) |
Fines content (%) |
| ONP | 322 | 0.84 | 19.9 | 37.9 |
| FB | 437 | 1.49 | 26.2 | 51.1 |
| KP | 640 | 1.89 | 29.6 | 50.1 |
3.2 카본 블랙의 주요 물성 분석
본 연구에서 사용한 카본블랙의 입자 형태를 분석하기 위해 촬영한 SEM 이미지를 Fig. 4에 나타냈다. 카본블랙의 입자 형태 관찰 결과, 카본블랙 입자가 분산되어 있지 않고 응집체를 형성하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 이는 카본블랙 개별 입자들이 강한 반 데르 발스(Van der waals) 인력으로 인해 입자 간 인력이 발생하여 카본블랙 응집체를 형성하기 때문이며30) 카본블랙 응집체의 직경은 5-500 nm로26) 다양한 크기 분포를 나타내는 것으로 알려져 있다. 카본블랙 응집체를 분산시키지 않고 종이에 내첨하는 경우, 카본블랙이 수초지에 균일하게 분포하지 않아 광차단성 향상에 큰 효과를 미치지 못할 것으로 판단되므로 사용하기 이전에 충분한 분산이 요구된다.
카본블랙을 농도 0.5%로 희석하고 600 rpm으로 10분간 교반한 후 평균 입도와 제타전위를 측정하였다. 충분히 분산시킨 카본블랙의 입도와 제타전위를 Table 2에 나타냈다. 분산된 카본블랙의 평균 입도는 0.48 µm로 간접적으로 비교해 보면 선행연구에서 보고된 탄산칼슘이나 탈크와 같은 충전제에 비해 작은 것으로 나타났다.31,32) 제타전위는 –28.3 mV로 정전기적으로 음이온성을 띠는 것으로 나타났다. 종합해 보면 카본블랙은 정전기적으로 음이온성을 띠며 분산된 카본블랙의 평균 입도가 탄산칼슘이나 탈크와 같은 충전제에 비해 작기 때문에 섬유와 응집체를 형성하거나 섬유 표면에 보류되기 어려울 것으로 판단된다. 따라서 카본블랙에 의한 광차단 효과를 높이기 위해서는 카본블랙 입자의 균일한 분산과 동시에 종이에 보류할 수 있는 방안이 추가되어야 할 것으로 판단된다.
Table 2.
Characteristics of carbon black
|
Average particle size (µm) |
Average zeta-potential (mV) |
| 0. 48 (± 0.16) | -28.3 (± 0.1) |
3.3 카본블랙의 투입량과 투입조건에 따른 섬유와의 보류 수준 평가
펄프 종류별로 카본블랙을 투입한 후, 수초지의 L* 값 변화를 Figs. 5, 6, 7에 나타냈다. 카본블랙이 투입됨에 따라 전체적으로 L* 값이 감소한 것을 확인할 수 있었다. 카본블랙이 8% 투입된 수초지 L* 값이 폐신문지, 사료지, 크라프트지 중 가장 크게 낮아졌고 이후로는 L* 값의 감소 폭이 점차 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 카본블랙 투입량이 증가하더라도 습지필에 물리적으로 잔류할 수 있는 양의 한계가 있기 때문이라고 판단된다.
카본블랙 투입 이후 교반시간에 따른 수초지 L* 값의 변화를 Figs. 8, 9, 10에 나타냈다. 교반이 진행됨에 따라 L* 값이 감소하는 것을 확인할 수 있었는데 카본블랙을 2분간 교반했을 때, 수초지 L* 값이 가장 많이 감소했으며 이후로는 L* 값의 감소 폭이 점차 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 교반이 진행되는 동안 비교적 크기가 큰 카본블랙 응집체에 전단력이 가해져 카본블랙 응집체가 분산되어 지료 내에서 더욱 균일하게 분산되기 때문이라고 판단되며33,34)교반시간을 조절하여 분산시킬 수 있는 카본블랙 응집체의 양에 한계가 있어 수초지 L* 값의 감소 폭이 점차 낮아지는 것으로 보인다. 따라서 교반시간과 더불어 교반 속도를 조절하여 펄프 종류별 흑색층 모델 수초지를 제조하고 L* 값의 변화를 분석할 필요가 있는 것으로 판단된다.
3.4 펄프 종류별로 제조된 수초지의 L* 값 변화 분석
카본블랙 투입량과 교반시간을 달리하여 제조된 펄프 종류별 수초지 L* 값의 변화를 Figs. 11, 12에 나타냈다. 펄프 종류별로 제조된 수초지 L* 값을 비교한 결과, 사료지를 이용하여 제조된 수초지 L* 값이 가장 크게 감소한 것을 확인할 수 있었다. 고해 수준을 간접적으로 파악할 수 있는 여수도 측정 결과, 폐신문지는 322 mL CSF, 사료지는 437 mL CSF로 폐신문지가 더 낮게 나타났고 미세분 함량은 폐신문지가 37.9%, 사료지가 51.1%로 사료지가 더 높게 나타났다. 이를 통해 미세분 함량이 습지필 형성과정에서 카본블랙이 물리적으로 잔류하는데 영향을 미치는 것으로 판단된다. 사료지와 크라프트지의 평균 섬유장, 섬유폭 그리고 미세분 함량은 거의 유사했으나 여수도는 사료지가 437 mL CSF, 크라프트지가 640 mL CSF로 사료지가 더 낮게 나타났는데 이는 미세분 함량이 유사할지라도 섬유의 고해 수준이 낮으면 카본블랙이 습지필 형성과정에서 물리적으로 잔류하기 어려운 것으로 판단된다. 따라서 카본블랙을 습지필 형성과정에서 물리적으로 잔류시키기 위해서는 카본블랙이 투입되는 펄프 섬유의 일정 수준 이상의 고해와 미세분 함량이 요구된다.
4. 결 론
본 연구에서는 과일봉지에 사용되는 주원료인 폐신문지, 사료지, 크라프트지에 카본블랙을 투입하여 흑색층 모델 수초지를 제조한 후 L* 값을 분석하여 카본블랙의 보류특성과 고정착 조건을 파악하고자 하였다. 이를 위해 펄프 종류별 여수도, 섬유장, 섬유폭, 미세분 함량과 카본블랙의 평균 입도 및 제타전위를 측정하였고 각 펄프 종류별로 카본블랙 투입량과 투입 이후 교반시간을 달리하여 제조한 수초지 L* 값의 변화를 분석하였다. 폐신문지, 사료지, 크라프트지의 주요 물성 평가 결과, 폐신문지의 여수도, 평균 섬유장, 평균 섬유폭, 미세분 함량이 가장 낮게 나타났다. 여수도, 평균 섬유장, 평균 섬유폭은 크라프트지가 가장 높게 나타났고 미세분 함량은 사료지가 가장 높게 나타났다. SEM 이미지를 통해 카본블랙이 응집체를 형성하는 것을 확인할 수 있었다. 카본블랙을 분산시키지 않고 종이에 그대로 내첨하는 경우, 광차단성 향상에 큰 효과를 미치지 못할 것으로 판단되기 때문에 사용하기 이전에 충분한 분산이 요구된다. 분산된 카본블랙의 주요 물성 측정 결과, 평균 입도가 탄산칼슘이나 탈크와 같은 충전제에 비해 작고 정전기적으로 음이온성을 띠기 때문에 섬유와 응집체를 형성하거나 섬유 표면에 보류되기 어려울 것을 판단되므로 카본블랙 입자의 균일한 분산과 동시에 종이에 보류할 수 있는 방안이 추가되어야 한다. 카본블랙의 투입량과 교반시간이 증가함에 따라 수초지 L* 값이 전체적으로 감소하였으나 일정 수준 이상에서는 L* 값의 감소 폭이 점차 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 펄프 종류별로 제조된 수초지 L* 값의 변화를 비교하였을 때 사료지로 제조된 수초지 L* 값이 가장 많이 감소했는데 이를 통해 카본블랙을 습지필 형성 과정에서 물리적으로 잔류시키기 위해서는 카본블랙이 투입되는 펄프 섬유의 일정 수준 이상의 고해와 미세분 함량이 요구되는 것으로 판단된다.
