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문제 정의
- 결국 현실적으로 골판지의 괘선터짐을 평가할 수 있는 방법이 거의 없다고 해도 과언이 아니다. 따라서 본 연구에서는 골판지의 괘선터짐을 평가할 수 있는 적절한 방법을 고안하고자, 골판지의 접힘 저항을 평가하는 설비를 구축하고 실험적으로 골판지의 괘선터짐을 평가하였다.
제안 방법
- 1)를 이용하여 공시 재료에 괘선작업을 실시하였다. 0.4, 0.7, 1.0, 1.4, 2.4 mm의 괘선 rule로 괘선너비를 조절하였고, 괘선압력은 5 ~ 40 kgf/cm2로 달리하였다. 괘선시간은 1 ~ 10초로 변화를 주었다.
- 따라서 본 설비에서는 이중양면 (double wall) 골판지까지 측정할 수 있는 범위인 최대 2cm까지 클램프 유격을 조절할 수 있도록 하였다. 구부림 각도 및 속도는 stepping 모터로 조절하였다. 또한 클램프에 물린 시편을 구부릴 수 있도록 stepping 모터와 클램프를 지지대로 연결하여 동력을 전달할 수 있게 하였다.
- 구부림 각도는 90°로 하였고 구부림 속도는 25°/sec로 유지하였다. 구부림 이후 골판지 표면의 괘선터짐 여부를 육안으로 관찰하였다.
- 이를 극복하여 다양한 두께의 판지에 범용적으로 적용할 수 있도록 시편을 고정시키는 클램프의 간격을 자유롭게 조절할 필요가 있다. 따라서 본 설비에서는 이중양면 (double wall) 골판지까지 측정할 수 있는 범위인 최대 2cm까지 클램프 유격을 조절할 수 있도록 하였다. 구부림 각도 및 속도는 stepping 모터로 조절하였다.
- 구부림 각도 및 속도는 stepping 모터로 조절하였다. 또한 클램프에 물린 시편을 구부릴 수 있도록 stepping 모터와 클램프를 지지대로 연결하여 동력을 전달할 수 있게 하였다. 클램프가 시편을 물고 stepping 모터에 의해 회전할 때 발생하는 접힘 저항을 로드셀로 측정하여 이를 접힘저항으로 나타내었다.
- 모터 컨트롤러는 구부림 각도를 0°에서 150°까지 1°단위로 조절할 수 있도록 하였으며, 구부림 속도 역시 20단계(5°/sec ~ 120°/sec)로 나누어 조절할 수 있도록 하였다.
- 상대습도 변화에 따른 골판지의 이력현상2)을 배제하기 위하여 수거한 공시 재료를 105℃ 오븐에 넣고 2시간 이상 건조시킨 후 꺼내어 38% RH, 25% RH로 설정된 습도조절 챔버에 6시간 동안 조습처리 한 후 함수율을 측정하였다.
- 실험용 괘선강도 측정기를 이용하여 38% RH 및 25% RH의 저습도 조건으로 조습처리한 공시 재료를 클램프에 끼우고 구부림 각도와 속도를 조절하며 구부림 작업을 실시하였다. 구부림 각도는 90°로 하였고 구부림 속도는 25°/sec로 유지하였다.
- 실험용 접힘저항 측정기를 이용하여 각각의 상대 습도에서 조습처리된 A, B 골 골판지의 괘선터짐을 평가하였다. 기존 골판지의 괘선터짐은 시험자에 의해 시편을 구부린 후 표면의 균열을 관찰하는 것이기 때문에 매우 주관적인 부분이 많다.
- 실험용 접힘저항 측정기를 이용하여 구부림 각도를 15°에서 120°까지 조절하고 구부림 속도는 5°/sec로 유지하여 벤딩모멘트 구부림 공정을 실시하였다.
- 또한 클램프에 물린 시편을 구부릴 수 있도록 stepping 모터와 클램프를 지지대로 연결하여 동력을 전달할 수 있게 하였다. 클램프가 시편을 물고 stepping 모터에 의해 회전할 때 발생하는 접힘 저항을 로드셀로 측정하여 이를 접힘저항으로 나타내었다.
대상 데이터
- 공시 재료의 접힘저항과 괘선 전, 후의 괘선터짐을 평가할 수 있도록 공시 재료를 10 cm × 5 cm (MD×CD) 의 크기로 재단하였다.
- 국내 E 판지회사에서 분양받은 A골, B골 양면골판지를 공시 재료로 사용하였다. Table 1은 골판지 구성지종을 나타내고 있다.
- 압축파괴가 발생하는 최대벤딩모멘트 지점을 정확하게 파악하기 위해서는 실시간으로 많은 양의 데이 터를 수집하여야 했다. 이를 위해 구부림 공정 시 로드셀에 감지되는 아날로그 저항 데이터를 디지털 접힘 모멘트로 변환할 수 있는 LabView 프로그램 (Ver. 8.2, National Instrument Co.)을 이용하여 초당 100~300개의 데이터를 수집하였다.
성능/효과
- 일반적으로 습도가 낮거나 골판지의 수분이 낮은 경우 터짐 현상이 더 자주 나타나며, 괘선기의 상, 하부 요철기의 잘못된 배치 및 괘선기 헤드 간격, 오염된 괘선헤드 등에 의해서도 괘선터짐이 발생된다.1) 그러나 골판지 제조 및 지함 제조업체의 다양한 생산 환경을 일정하게 맞추어 관리하기란 매우 어렵고 또한 대부분 국내 지함업체의 영세성으로 인해 발생되는 클레임의 상당량은 원지 탓으로 돌리는 것이 다반사이다. 골판지 원지 또는 제조사에 접수되는 품질 불만 건수 중 괘선터짐 및 이와 관련된 클레임이 약 30% 이상이 될 정도로 매우 큰 문제이다.
- 이는 6%이하의 낮은 습도에서 종이의 신장률이 급격히 저하되기 때문에 괘선터짐이 발생할 가능성이 커진 것으로 판단된다.2) 1.0 mm의 rule 너비에서는 괘선시간 및 괘선압력과 큰 상관성 없이 대체로 터짐이 발생하였다. 동일한 괘선압력에서는 0.
- 7) 그러나 Fig. 4의 A골 골판지는 약 5° 부근까지 접힘모멘트가 5 kN·mm 이상으로 선형적으로 증가하다가 최대 접힘모멘트 지점을 지나면 60%이상의 급격한 모멘트 감소가 나타나고 40°의 구부림 이후부터는 완만하게 다시 증가하는 경향을 나타내었다.
- 괘선너비 및 괘선압력을 조절하여도 유사한 접힘 모멘트 곡선을 얻을 수 있었으며 최종적인 최대 접힘 모멘트는 괘선이 없는 골판지의 약 1/10 수준임을 알 수 있었다.
- 단, 최대 접힘모멘트가 발생하는 각도는 판지에 비해 작은 5°근처였다. 구부림 속도를 달리한 경우 속도의 증가에 따라 접힘모멘트가 증가하였으며, 일정 속도 이상에서는 모멘트 값이 일정해짐을 알 수 있었다. 괘선이 들어간 골판지의 경우 괘선에 의한 골 무너짐 현상과 파괴되지 않은 골 사이의 구조적 역학관계에 의하여 구부림 각도에 대한 접힘모멘트 곡선에서 여러 차례의 극대피크가 발견되었다.
- 또한 함수율과 괘선공정 변수 중 괘선터짐에 영향하는 주요 인자를 판단하는 것이 중요하다. 따라서 공시 재료를 상대습도 38% 및 25%의 습도조절 챔버에서 6시간 이상 조습처리한 후 함수율을 측정한 결과 Table 2와 같이 골판지의 종류와 처리 습도에 따라 4% - 6%의 함수율을 나타내었다.
- 뿐만 아니라 실제 골판지의 괘선터짐여부를 평가한 결과 두께가 두꺼운 A골 골판지가 매우 낮은 상대 습도에서 5% 미만의 함수율을 갖는 경우 괘선터짐이 발생하였으며 괘선공정 시 괘선 룰의 너비가 좁을수록 그 경향이 심화되었다. 실험용 괘선기와 접힘저항 측정기를 이용한 괘선터짐 측정은 골판지 원지 특성, 함수율 및 괘선공정 인자의 영향을 객관적으로 평가하는데 매우 유용하게 이용될 수 있을 것이다.
- 자체 제작한 접힘저항 측정기를 이용하여 골판지의 접힘 특성을 평가한 결과 판지의 접힘 특성 결과처럼 특정 각도에서 최대 접힘모멘트가 나타나고 이후 급격하게 모멘트가 감소하는 경향을 보였다. 단, 최대 접힘모멘트가 발생하는 각도는 판지에 비해 작은 5°근처였다.
- 판지의 접힘 특성 결과처럼 구부림 속도가 빨라질수록 데이터 외란이 심하였으며 최대 접힘모멘트 지점을 지난 후 모멘트가 급격히 감소하였다. 판지의 구부림 특성 경향과 같이 최대 접힘모멘트는 구부림 속도가 빨라질수록 증가하였다. 하지만 900°/sec 의 구부림 속도까지 접힘모멘트가 선형적으로 증가하던 판지의 접힘특성7)과는 달리 25°/sec 이상의 속도에서 최대 접힘모멘트는 5800 N·mm 정도로 거의 일정한 값을 유지하였다 (Fig.
- 구부림 각도는 90°로 동일하게 하였다. 판지의 접힘 특성 결과처럼 구부림 속도가 빨라질수록 데이터 외란이 심하였으며 최대 접힘모멘트 지점을 지난 후 모멘트가 급격히 감소하였다. 판지의 구부림 특성 경향과 같이 최대 접힘모멘트는 구부림 속도가 빨라질수록 증가하였다.
후속연구
- 기존 골판지의 괘선터짐은 시험자에 의해 시편을 구부린 후 표면의 균열을 관찰하는 것이기 때문에 매우 주관적인 부분이 많다. 그러나 본 연구에서 개발한 설비는 골판지를 stepping motor에 의해 일정한 속도로 구부리기 때문에 객관적인 평가가 가능한 장점을 지니고 있다. 골판지를 25°/sec의 구부림 속도와 90°의 구부림 각도로 구부렸을 때 발생한 괘선터짐이 Tables 3-5에 정리되어 있다.
- 또한 최대 접힘모멘트는 괘선이 없는 골판지에 대해 약 1/10정도의 수치를 나타냈다. 본 연구를 통해 제작된 실험용 접힘저항 측정기는 접힘 각도 및 속도를 자유롭게 조절할 수 있고 시편의 두께에 대한 한계를 확장시킴으로써 라이너지와 같은 다층판지 뿐만 아니라 다양한 골판지의 접힘저항 및 괘선터짐 측정에 범용적으로 사용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 즉, 재료의 두께와 상대습도를 괘선터짐에 영향하는 주요인자로 관리해야 하며, 더불어 괘선터짐을 줄이기 위해서는 적절한 괘선공정인자를 선정하여 작업해야 한다. 실험용 괘선기와 접힘저항 측정기를 이용한 괘선터짐 측정은 골판지 원지 특성, 함수율 및 괘선공정 인자의 영향을 객관적으로 평가하는데 매우 유용하게 사용될 것으로 기대된다.
- 뿐만 아니라 실제 골판지의 괘선터짐여부를 평가한 결과 두께가 두꺼운 A골 골판지가 매우 낮은 상대 습도에서 5% 미만의 함수율을 갖는 경우 괘선터짐이 발생하였으며 괘선공정 시 괘선 룰의 너비가 좁을수록 그 경향이 심화되었다. 실험용 괘선기와 접힘저항 측정기를 이용한 괘선터짐 측정은 골판지 원지 특성, 함수율 및 괘선공정 인자의 영향을 객관적으로 평가하는데 매우 유용하게 이용될 수 있을 것이다.
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