[논문]습식 펄프몰드 생산공정의 탈수성 향상을 위한 연구

성용주; 류정용; 김형진; 김태근; 송봉근

문제 정의

따라서 탈수성 및 공정에너지 감소를 위한 가장 최선의 방법은 해리시간을 최대한 단축하는 것인데 이러한 경우에 그 물성의 변화를 알아보았다.
습식 펄프 몰드의 제조공정에서의 생산성 향상과 원가절감을 위한 한 방안으로 다양한 공정변수의 조절에 의한 몰드성형 시 탈수성 향상 방법을 모색해 보았다. 몰드성형에서의 진공탈수를 모사한 RDA의 감압탈수도를 평가하여 각 조건별로 탈수성을 평가하였다.
단점이 있을 수 있음으로 여러 가지 조건을 고려한 최적의 금망을 선택하여야 한다. 이러한 목적으로 각각의 금망의 메쉬사이즈가 탈수 및 기타 공정 특성에 미치는 영향을 알아보았다.
수 있다. 이러한 성형기의 탈수속도를 향상시키기 위한 방안으로 성형 시 펄프원료의 온도를 높이는 방안과 고분자 전해질의 첨가를 통해 탈수속도를 향상시키는 방안을 적용해 보았다.
이러한 몰드제조공정에서의 다양한 공정 변수에 따른 변화 등은 실제로 거의 연구가 된 바가 없고 실제 공정에서의 공정조건 등은 시행착오를 거듭하며 조절되는 현실이다. 전 세계적으로 그 수요가 점차 커져가고 있는 소재로서 그 생산방식의 효율화 및 표준화를 통한 생산비용 절감 및 품질개선은 필수적인데, 본 연구에서는 실제 습식방식으로 계랸포장용 펄프몰드를 생산하는 공정에서의 탈수성 개선을 위한 방안을 모색하여 생산성을 최적화함으로써 물성의 개선을 유도할 수 있는 근간을 이루고자 하였다.

제안 방법

이 때 사용된 방법은 각 펄핑 단계별 고지원료의 미해리분(Flake), 섬유분(Fiber) 그리고 미세섬유분(Fines)의 3F 조성을 측정하여 해리정도를 정량화하는 것이었다.(Fig. 3) 특히 본 실험에서는 상대적으로 해리가 용이한 상급신문고지를 사용하였기 때문에 Somerville screening시 세척수의 shear에 의한 미해리분의 해리가 발생하는 것을 확인한 후 실제 3F 측정시 이러한 영향을 최소화하는 마일드한 바이브레이션을 적용하여 미해리분을 걸러내었다.
각 펄핑 시간별로 지료성분별 함량 (3F; Flake, Fiber, Fines)을 분석하였고 여수도(CSF) 의 변화를 알아 보았다. Fig.
금망의 종류에 따른 성형기에서의 탈수도 및 보류도의 변화를 알아보았다. 금망의 메쉬수가 낮을수록 탈수도가 증가하나 보류도에서의 큰 차이는 보이지 않았다.
또한 이때 탈수된 백수의 농도를 측정함으로써 실제 보류도를 평가하였다. 특히, 탈수도의 변화를 좀더 정확히 평가하기 위하여 다단탈수 방법을 적용하여 진공탈수 시의 미세한 차이를 알아보았다.
7에 나타난 바와 같이 지료의 온도가 상승하면서 물의 점도가 감소되어 탈수가 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 저분자량의 다분지형 고분자 전해질 첨가에 의한 탈수성 변화를 RDA를 사용하여 평가하여 보았다. 이러한 고분자 전해질은 미세분의 응집을 유도하여 성형된 몰드의 미세구멍이 막히는 것을 막아줌으로써 탈수를 용이하게 할 뿐만 아니라 건조를 촉진시키는 역할을 하여준다.
본 연구원에서 개발한 RDA(Retention Drainage Analyser)을 사용한 감압탈수측정법을 적용하여 펄프의 진공탈수에서의 탈수특성을 평가한 결과 펄프몰드의 탈수특성을 평가할 수 있었다. 또한 형성된 몰드를 건조하여 몰드의 물리적 성질 또한 측정하였다. Fig.
보았다. 몰드성형에서의 진공탈수를 모사한 RDA의 감압탈수도를 평가하여 각 조건별로 탈수성을 평가하였다. 현장에서 사용되는 저농도 펄퍼의 최적 운용조건을 각각 펄핑시간별로 지료를 채취하여 그 섬유특성을 평가하고 또 실제 공정라인별로 지료의 변화를 평가함으로써 최적 펄핑 시간을 제시할 수 있었다.
본 실험에서는 현장에서 사용되는 50 mesh의 금망 이외에 각기 다른 mesh를 가진 4종류의 금망을 사용하여 RDA에서의 탈수도 측정 시험을 행하였다. 또한 이때 탈수된 백수의 농도를 측정함으로써 실제 보류도를 평가하였다.
실제 현장에서 사용되는 저농도 펄퍼에서 현 현장조건이 3%의 농도 조건으로 각각 3, 4, 5, 6분 해리하여 각 단계별로 원료를 채취하여 그 특성을 알아보았다. 각 펄핑 시간별로 지료성분별 함량 (3F; Flake, Fiber, Fines)을 분석하였고 여수도(CSF) 의 변화를 알아 보았다.
사용하여 평가하였다. 이 때 사용된 지료의양을 실제 생산되는 펄프몰드의 조건을 모사하기 위해 평량 300g/m² 로 맞추어 그 탈수특성을 알아보았다.
9%의 농도로 조절된 후 성형기로 공급된다. 이러한 원료의 이송과정은 원료의 해리정도에 영향을 미칠 수 있기 때문에 최적의 원료조건을 파악하기 위해서 이송 중 발생할 수 있는 전단력 등에 의해 지료의 성질이 어떻게 변화되는지를 분석하였다.
결정지어진다. 최적의 탈수성을 확보하고 또한 상대적으로 에너지 소비가 많은 저농도 펄퍼의 효율을 극대화하기 위해 최적 펄핑 시간을 평가하였다. 펄핑 시간이 너무 긴 경우에는 미세분 등의 발생이 심화되어 탈수가 저하될 뿐만 아니라 몰드의 구조가 치밀해져서 열풍건조 시에 수분의 제거가 효과적으로 일어나지 않는 문제점을 유발시킬 수 있다.
또한 이때 탈수된 백수의 농도를 측정함으로써 실제 보류도를 평가하였다. 특히, 탈수도의 변화를 좀더 정확히 평가하기 위하여 다단탈수 방법을 적용하여 진공탈수 시의 미세한 차이를 알아보았다.
펄프몰드의 원료로서 고지의 해리 정도를 최적화기 위한 방법으로 각 펄핑 단계에서 적절한 해리가 이루어졌는지 평가하였다. 이 때 사용된 방법은 각 펄핑 단계별 고지원료의 미해리분(Flake), 섬유분(Fiber) 그리고 미세섬유분(Fines)의 3F 조성을 측정하여 해리정도를 정량화하는 것이었다.
현장 성형기에서 채취한 지료의 온도를 변화시키면서 탈수 특성을 평가하였다. Fig.
몰드성형에서의 진공탈수를 모사한 RDA의 감압탈수도를 평가하여 각 조건별로 탈수성을 평가하였다. 현장에서 사용되는 저농도 펄퍼의 최적 운용조건을 각각 펄핑시간별로 지료를 채취하여 그 섬유특성을 평가하고 또 실제 공정라인별로 지료의 변화를 평가함으로써 최적 펄핑 시간을 제시할 수 있었다.

대상 데이터

경질원료로 사용되는 골판지고지는 박스 제조 시 발생하는 파지가 주를 이루는 국내산 골판고지를 사용하였다.
본 연구에서 사용된 신문고지는 실제 습식 펄프몰드 제조에 사용되는 국내산 신문고지로서 인쇄 후 저장기간이 3일 이하인 양질의 신문고지였다. 경질원료로 사용되는 골판지고지는 박스 제조 시 발생하는 파지가 주를 이루는 국내산 골판고지를 사용하였다.

이론/모형

각각의 해리시간별로 생산된 지료를 수초지하여 압축강도, 인장강도, 신장도 등을 TAPPI Standard 방법을 따라 평가하였다. Table 1에서 나타난 바와 같이 펄핑 시간이 증가할수록 강도가 증가하는 경향을 나타내었지만 그 증가폭은 크지 않은 것으로 확인되었다.
이러한 각 해리시간별로 지료의 진공탈수특성을 RDA를 사용하여 평가하였다. 이 때 사용된 지료의양을 실제 생산되는 펄프몰드의 조건을 모사하기 위해 평량 300g/m² 로 맞추어 그 탈수특성을 알아보았다.

성능/효과

이러한 고분자 전해질은 미세분의 응집을 유도하여 성형된 몰드의 미세구멍이 막히는 것을 막아줌으로써 탈수를 용이하게 할 뿐만 아니라 건조를 촉진시키는 역할을 하여준다.⁴⁾ 상급의 신문 고지만을 원료로 사용하고 특별한 약품의 첨가가 없는 공정이기 때문에 백수의 칼슘경도 (Calcium Hardness)가 280 ppm 정도로 상대적으로 낮고 정전기적인 중화를 위해 소요되는 양이온성 고분자전해질 요구량도 2.0 (mL of 0.001N DADMAC / 10 mL of white water) 정도로 낮아 고분자 전해질의 효과가 뛰어난 것을 알 수 있었다. (Fig.
Fig 10.에서 보는 바와 같이 금망이 성길수록 즉, 실제 금망의 구멍이 커질수록 탈수도가 다소 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 보류도의 경우에는 반대로 메쉬수가 커질수록 보류도가 증가하는 것을 알 수 있는데 그러나 그 차이는 크지 않은 것을 확인하였다.
RDA의 진공 탈수도는 각 샘플의 진공 탈수성이 좋을수록 탈수 후 RDA 진공탱크의 감압된 정도가 크게, 즉 잔존하는 진공압이 낮게 나타나는데 Fig.5에서 보는 바와 같이 펄핑시간이 증가할수록 탈수성이 나빠지는 경향을 확인할 수 있었다.
3%의 지료가 펌프를 통해 이송될 때 지료에가해지는 전단력에 의해 해리가 발생하기 때문으로 생각되고 그 후의 공정에서는 지료의 농도가 낮기 때문에 해리효과가 적은 것으로 생각된다. 따라서 비록 3분간의 펄핑시간에서는 원료의 해리가 완전히 이루어지지 않지만 그 후의 이송공정에 의해 충분한 원료의 해리가 이루어지며 성형기로 도입될 수 있음을 확인하였다.
Table 1에서 나타난 바와 같이 펄핑 시간이 증가할수록 강도가 증가하는 경향을 나타내었지만 그 증가폭은 크지 않은 것으로 확인되었다. 또한 얻어진 지필의 밀도가 펄핑 시간이 증가함에 따라 증가하는 양상을 보이는 것으로 보아 치밀한 구조가 형성되고 있는 것을 확인할 수 있었고 이러한 치밀한 구조는 몰드의 완충성이나 통기성에 악영향을 미칠 것으로 예상되었다.
에서 보는 바와 같이 금망이 성길수록 즉, 실제 금망의 구멍이 커질수록 탈수도가 다소 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 보류도의 경우에는 반대로 메쉬수가 커질수록 보류도가 증가하는 것을 알 수 있는데 그러나 그 차이는 크지 않은 것을 확인하였다. 상대적으로 두꺼운 지필을 형성하는 펄프몰드의 성형과정에서는 금망의 메쉬 종류가 탈수나 보류도에 영향을 미치기는 하지만 그 영향은 크지 않았다.
따라서 습식 펄프몰드의 탈수 특성은 진공이 적용된 조건에서의 탈수정도에 의해 좌우된다. 본 연구원에서 개발한 RDA(Retention Drainage Analyser)을 사용한 감압탈수측정법을 적용하여 펄프의 진공탈수에서의 탈수특성을 평가한 결과 펄프몰드의 탈수특성을 평가할 수 있었다. 또한 형성된 몰드를 건조하여 몰드의 물리적 성질 또한 측정하였다.
4에서 나타난 바와 같이 해리시간이 길어짐에 따라 미세분의 함량이 늘어나고 여수도도 감소되는 것을 알 수 있다. 특히 플레이크의 함량으로 미루어 보아 실제 현장조건에서는 약 5분에서 6분 사이에 해리가 완전히 이루어짐을 확인할 수 있었다.

후속연구

국내에서는 2003년 1월 1일부터 자원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률개정으로 인해 생산자 책임 재활용 제도(EPR, Extended Producer Responsibility)가 시행되고 국제적으로는 상업포장 및 포장폐기물에 관한 규제가 더욱 심해짐에 따라 이러한 친환경 포장소재인 펄프몰드에 대한 관심이 더욱 커져가는 실정이다.²⁾ 특히 전 세계적으로 증가하고 있는 물류의 유통과 더불어 현재 널리 사용되고 있는 스티로폼 계열의 포장소재를 대체할 수 있는 차세대 친환경 포장소재로서의 가능성이 제시되는 펄프몰드는, 상대적으로 부족한 구조적 물성, 즉 완중성, 표면성, 또 균일성 등을 극복하고 공정개선을 통한 생산비용을 절감한다면 앞으로 더욱 각광 받는 소재로 사용될 것이다.
성형기에서의 지료의 온도증가는 탈수속도의 향상뿐만 아니라 실제 건조기로 유입되는 습펄프몰드의 온도를 증가시켜 건조에너지를 절감시키는 효과를 기대할 수 있다 특히, 현장에서 열풍건조기에서 발생하는 폐열의 재이용과 높은 온도로 배출되는 진공펌프의 실링수 등을 분할관리 할 때 얻게 되는 열을 이용하게 되면 더욱 큰 효과를 볼 수 있을 것으로 생각된다.
금망의 메쉬수가 낮을수록 탈수도가 증가하나 보류도에서의 큰 차이는 보이지 않았다. 이러한 낮은 메쉬수의 금망은 세척을 통한 오염물질의 제거가 상대적으로 용이할 것으로 기대된다.

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