1. 서 론
포장지 및 박스 제조용 라이너, 골심지 및 다층판지와 같은 산업용지를 제조하고 있는 우리나라 산업용지 제조업체에서는 KOCC(Korean old corrugated container)를 주원료로 사용하고 있는데 워낙 여러 번 재활용을 하다 보니 각질화 현상이 심할 뿐만 아니라 섬유가 약화되고, 미세분 함량이 많으며, 섬유간 결합력이 약하여 이를 원료로 사용하여 제품을 생산할 경우 강도가 너무 약해지는 문제를 지니고 있다.1-7) 물론 이러한 문제 개선의 일환으로 버진펄프를 보강용 펄프로 사용하면 상당 부분 해결될 수는 있겠지만 공정거래위원회의 지나친 간섭과 제재로 말미암아 원가 상승에 따른 가격 인상을 하는 것이 거의 불가능하다. 따라서 가격이 버진펄프보다 다소 낮은 AOCC(American old corrugated container)를 보강용으로 일부 섞어서 사용하고 있기는 하지만 이 경우에도 가격 부담 때문에 제한적으로 사용하다 보니 국내에서 제조된 박스의 대부분이 GR(재활용 우수제품) 인증 기준을 만족시키기 어려워 다수의 회사가 취득한 인증서를 반납한 상태이다.
특히 우리나라의 경우 펄프 생산량이 매우 적을 뿐만 아니라 버진펄프의 가격이 비싸기 때문에 전 세계에서 가장 폐지 사용률이 높을 뿐만 아니라 사용 기술도 가장 뛰어나다고 할 수 있다. Table 1에 예시된 바와 같이 한국제지연합회의 통계자료에 의하면 우리나라 제지업계의 연간 폐지 사용량은 2017년 현재 10,024,678톤에 달한다. 그 중에서도 OCC(old corrugated container)의 사용량이 압도적으로 많으며, 그 중 약 97.5%에 해당하는 KOCC를 원료로 사용하고 있으며, 수입 OCC는 단지 약 2.5%를 사용하고 있다.
Table 1.
Annual waste paper use of domestic paper industry
| | Unit : ton |
|---|
| 2012 | 2013 | 2014 | 2015 | 2016 | 2017 |
|---|
| ONP | Domestic | 1,257,665 | 1,181,423 | 1,110,348 | 1,178,213 | 1,141,241 | 973,385 |
| Imported | 979,016 | 1,031,503 | 928,673 | 926,463 | 969,238 | 773,229 |
| Subtotal | 2,236,681 | 2,212,926 | 2,039,021 | 2,104,676 | 2,110,479 | 1,746,614 |
| OCC | Domestic | 5,612,950 | 6,269,343 | 6,411,097 | 6,135,389 | 6,260,733 | 6,917,591 |
| Imported | 236,013 | 257,544 | 198,377 | 153,388 | 148,223 | 179,049 |
| Subtotal | 5,848,963 | 8,482,269 | 8,450,118 | 6,288,777 | 6,408,956 | 7,096,640 |
| Others | Domestic | 1,173,401 | 1,195,534 | 1,201,321 | 1,018,910 | 938,074 | 953,840 |
| Imported | 233,808 | 221,863 | 283,677 | 238,558 | 273,335 | 227,584 |
| Subtotal | 1,407,209 | 1,417,397 | 1,484,998 | 1,257,468 | 1,211,409 | 1,181,424 |
| Total | Domestic | 8,044,016 | 8,646,300 | 8,722,766 | 8,332,512 | 8,340,048 | 8,844,816 |
| Imported | 1,448,837 | 1,510,910 | 1,410,727 | 1,318,409 | 1,390,796 | 1,179,862 |
| Total | 9,492,853 | 10,157,210 | 10,133,493 | 9,650,921 | 9,730,844 | 10,024,678 |
이와 같이 품질이 열악한 원료를 주로 사용하고 있기 때문에 이러한 문제 해결을 위하여 백상지 업계에 비하여 매우 많은 양의 제지약품을 사용하거나, 평량을 높이는 방법으로 보완을 하고는 있지만 그럼에도 불구하고 산업용 포장지 또는 박스의 강도가 선진국에서 제조 공급되는 제품에 비하여 현저히 낮으며, 결국 그 피해는 소비자들의 몫이 될 수밖에 없는 상황이다. 특히 많은 양의 제지약품을 사용하는 것은 최근 지구온난화 문제를 최소화하기 위한 온실가스 배출 감축에 역행하는 행위에 해당되며, 결국 제조업체에 부담이 될 수밖에 없다.
이와 같이 폐지를 재활용할 경우 버진펄프에 비하여 불리한 특성을 지니는 원료를 사용하다 보니 재생지의 품질 및 공정 향상을 위한 다양한 연구가 세계 각국에서 이루어져 왔다. 몇 가지 대표적인 예를 들면 Bhat 등은 고전단 처리(high shear field treatment)와 같이 기계적 처리를 통해 미세분 발생을 최소화하면서 고해와 유사한 효과를 나타내어 강도 개선 효과가 고해보다 유리하다고 보고하였다.8) Freeland 등은 2% 가성소다 용액에 침지를 할 경우 최대 11%의 압축강도를 향상시킬 수 있고 했으며,9) Nazhad는 5회 리사이클에 의해 종이 강도의 10-30%의 강도가 손실되는데, 이는 주로 비섬유결합강도(specific fiber bonding strength)의 감소에서 비롯됨으로 결합강도를 개선할 수 있는 약품을 사용함으로서 회복될 수 있다고 주장하였다.10) 이외에도 다양한 고분자11) 및 효소12,13)를 이용한 재생섬유의 개선을 시도한 연구도 다수 있다.
본 연구에서는 가능한 한 친환경적이면서도 저렴한 비용으로 OCC의 품질을 개선할 수 있는 방법을 찾기 위한 일환으로 고해 후 물에 침지하여 팽윤시키는 방법을 시도하였다. 팽윤에 대한 연구는 Olejnik가 시도한 바 있는데, 그는 미표백 크라프트 소나무 펄프를 35 °SR로 고해한 후 팽윤 처리를 실시하였고, 70분 정도의 팽윤 처리로 WRV가 약 4% 증가하였고, 인장지수는 82.5 Nm/g에서 88 Nm/g으로 개선되는 효과를 얻었다고 보고하였다.14) 본 연구에서 적용하고자 하는 KOCC의 경우 버진펄프와 달리 각질화 현상뿐만 아니라 섬유가 약해지고, 미세분을 다량 함유하고 있어서 매우 다른 특성을 지니고 있지만 적용 가능성을 평가하기 위하여 3수준으로 고해하여 침지시간에 따른 WRV와 같은 펄프의 특성과 수초지의 특성 변화를 조사하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
원료(KOCC)의 균일성을 확보하기 위하여 A사에서 분양받은 라이너를 공시재료로 사용하였다. 또한 비교 실험을 위하여 시판용 UKP(unbleached kraft pulp)를 사용하였다.
2.2 실험 방법
KOCC와 UKP를 각각 잘게 찢어 물에 불린 후 실험실용 해리기(L&W, Sweden)로 해리한 후 1% 농도로 조절하여 실험실용 고해기를 이용하여 3수준으로 고해를 실시하였다. 고해를 실시한 KOCC의 여수도는 443, 400 및 347 mL CSF이었고, 고해한 UKP의 여수도는 540, 460 및 370 mL CSF를 나타내었다. 이와 같이 고해를 실시한 KOCC와 UKP를 30, 60, 90, 120 및 150분간 방치하여 팽윤이 이루어지도록 하였다. 각 시간 별로 침지가 끝난 펄프의 WRV와 여수도를 측정하고, 평량 80 g/m2의 수초지를 제조하였다. 제조된 수초지는 TAPPI standard methods에 의거 조습처리를 실시하고, 불투명도, 벌크, 투기도, 인장지수, 인열지수 및 휨강도를 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
KOCC와 UKP를 고해한 후 침지를 시킨 후 각각 WRV를 측정한 결과 Fig. 1에서 보는 바와 같이 KOCC와 UKP 모두 침지 시간이 길어짐에 따라 증가되는 경향을 나타내었는데 KOCC의 경우 특히 347 mL CSF로 고해했을 때 더 많은 개선 효과를 나타내었다. Olejnik14)는 미표백 소나무 크라프트펄프를 35 °SR로 고해하여 70분간 침지시켰을 때 약 4%의 WRV가 증가되었다고 하였는데, 본 연구에서 실시한 KOCC의 경우 60분 침지만으로도 15-26.6%의 개선 효과를 나타내었다. 여수도는 Fig. 2에서 보는 바와 같이 KOCC와 UKP 모두 침지 시간이 길어짐에 따라 완만하게 감소하는 경향을 나타내어 침지에 의하여 물의 흡착이 증가됨을 확인할 수 있었다.
Fig. 1.
Effect of soaking time on the WRV of beaten KOCC and UKP.
Fig. 2.
Effect of soaking time on the Freeness of beaten KOCC and UKP.
고해 후 침지 처리한 KOCC와 UKP로 제조한 수초지의 물성은 Figs. 3-8에 도시되었다. 종이의 구조적 특성과 매우 밀접한 관계를 지니는 투기도의 경우 Fig. 3에서 보는 바와 같이 KOCC의 경우 침지 시간이 길어짐에 따라 투기도가 감소하는 경향을 나타내었다. 이를 통하여 침지에 의해 WRV가 증가하여 종이 구조가 더욱 치밀하게 만들어졌음을 예상할 수 있다. 그러나 347 mL CSF로 고해된 UKP로 제조한 수초지의 경우는 이미 상당히 치밀한 구조가 형성되어 침지에 의한 팽윤 효과를 관찰하기 어려웠다. Fig. 4는 수초지의 불투명도를 정리한 것으로 침지시간에 따른 변화가 너무 미미하여 차이를 확인하기 어려웠으며, KOCC로 제조한 수초지의 불투명도가 UKP로 제조한 수초지보다 높은 불투명도를 나타내었는데 이는 Fig. 5에서 보는 바와 같이 상대적으로 종이 구조가 벌키하고, 미세분 함량이 더 많기 때문에 빛의 산란이 많이 일어나기 때문인 것으로 사료된다. Fig. 5에 요약된 수초지의 벌크도 불투명도와 마찬가지로 침지 시간의 영향이 나타나지 않았으며, KOCC로 제조한 수초지의 벌크가 UKP로 제조한 수초지의 벌크보다 높게 나왔다. 이는 KOCC를 고해하고, 침지에 의하여 팽윤을 시킨다고 할지라도 버진펄프의 수준으로 섬유간 결합을 회복하는 것이 어렵다는 것을 보여주는 예라 할 수 있다. 인장지수는 Fig. 6에서 보는 바와 같이 침지 처리에 의하여 UKP 및 KOCC로 제조한 수초지 모두 증가되는 경향을 나타내었으며, KOCC의 경우 침지에 의하여 펄프를 팽윤시킨다 할지라도 UKP로 제조한 수초지보다 현저히 낮은 값을 나타내었다. 인장지수의 침지에 의한 개선 효과는 60분 침지 시는 매우 미미하여 KOCC의 경우 0.56-1.71 Nm/g, UKP의 경우 0.49-1.41 Nm/g를 나타내었고, UKP의 경우 Olejnik의 연구 결과14)와 달리 인장지수의 절대값도 낮았고(370 mL CSF일 때 75.08~78.59 Nm/g), 침지 팽윤에 의한 개선 효과도 현저히 낮게 나왔는데, 이는 Olejnik의 경우 펄프를 직접 제조하여 한 번도 건조되지 않은 펄프를 사용한 반면 본 연구에서는 이미 한 번 건조한 펄프를 사용했기 때문인 것으로 사료되며, 또한 KOCC의 고유 특성이라 할 수 있는 높은 미세분 함량도 강도 개선 효과를 낮춘 원인으로 평가된다. 인열지수와 휨강도는 Figs. 7과 8에서 보는 바와 같이 침지에 의한 팽윤 효과가 뚜렷하게 나타나지 않았는데, 이는 펄프의 WRV 증가에도 불구하고 실제로 종이의 섬유간 결합을 통한 강도적 성질 개선 효과가 미미하였기 때문인 것으로 사료된다.
Fig. 3.
Effect of soaking time of beaten KOCC and UKP on the opacity of handsheet.
Fig. 4.
Effect of soaking time of beaten KOCC and UKP on the air permeability of handsheet.
Fig. 5.
Effect of soaking time of beaten KOCC and UKP on the bulk of handsheet.
Fig. 6.
Effect of soaking time of beaten KOCC and UKP on the tensile index of handsheet.
Fig. 7.
Effect of soaking time of beaten KOCC and UKP on the tear index of handsheet.
Fig. 8.
Effect of soaking time of beaten KOCC and UKP on the Taber stiffness of handsheet.
4. 결 론
KOCC는 우리나라 산업용지 제조산업에 있어서 매우 중요한 원료로 사용되고 있다. 그러나 KOCC를 반복하여 원료로 재사용함에 따라 펄프의 노화 및 각질화가 심화되어 우수한 강도의 산업용지를 제조하는 데 어려움을 겪고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 일환으로 버진펄프의 첨가, 효소처리, 기계적 처리 및 고분자 첨가제 등 다양한 방법이 적용되고 있다. 본 연구는 열악한 KOCC의 품질을 친환경적인 방법으로 개선하기 위한 방법으로 고해 후 침지에 의한 팽윤 처리의 적용 가능성을 평가하기 위하여 수행하였다. 본 연구 결과 KOCC 및 UKP의 WRV는 침지시간이 증가됨에 따라 증가되었으며, 여수도는 감소되는 경향을 나타내었다. KOCC 수초지의 투기도는 침지에 의한 팽윤으로 감소하는 경향을 나타내었으나, 불투명도와 벌크는 뚜렷한 변화를 나타내지 않았다. 인장지수는 침지 팽윤에 의하여 다소 개선되었으나 인열지수와 휨강도의 경우에는 뚜렷한 변화가 관찰되지 않았다. 이상의 결과를 감안할 때 침지에 의한 팽윤이 물성 개선에 다소 도움이 되기는 하지만 단독 처리만으로 종이 물성의 큰 개선을 기대하기는 어렵다. 따라서 팽윤 효과를 높이기 위해서는 장섬유분과 미세분을 분리하여 처리하고, 기계적 처리 및 화학적 처리를 병용하는 것이 바람직한 것으로 사료된다.
Acknowledgements
본 연구는 2017년도 강원대학교 대학회계 학술연구조성비로 연구하였음(관리번호-520170365).
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