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문제 정의
- 현재까지 이렇게 수입된 유칼리투스 등을 기반으로 한 활엽수의 표백펄프 제조공정은 대부분 크라프트 공정으로 이루어지게 되는데 황화수소로부터 발생되는 악취 및 흑액 가스화의 어려움 등으로 인해 기존의 크라프트 공정을 대체할 수 있는 펄핑공정에 대한 관심이 점차 커지는 실정이다. 특히, 실제 비목재펄핑에 주로 활용되어 온 소다-안트라퀴논 공정이4,5) 활엽수 화학 펄핑의 경우에도 효과적으로 크라프트 공정을 대체할 수 있다고 보고되어 왔기에6) 본 연구에서는 국내에서 생산된 백합나무 칩과 수입산 혼합 유칼립투스 칩의 소다-안트라퀴논 펄핑 펄프특성을 평가함으로써 크라프트 펄핑 대체공정인 소다-안트라퀴논 펄핑공정에서 국내산 원료의 적용성 및 수입산 칩의 펄핑특성을 평가하고자 하였다.
제안 방법
- TAPPI standard T205 sp-95에 의거하여 Soda-AQ pulp를 평량 60g/m2으로 초지하였다. TAPPI standard T402 sp-98에 따라 23±1℃, 상대습도 50±2%로 조습 처리한 소다-안트라퀴논 펄프의 수초지의 인장강도는 Hounsfield tensile tester를 이용하여 측정하였으며, 인열강도는 TAPPI T414 om-98에 따라 Elmendorf type tearing tester를 이용하여 측정하였다.
- 증해 처리 후 칩을 충분하게 세척하여 흑액을 제거한 후 해섬, 정선 과정을 걸친 후 15% 정도 농도로 탈수시켰다. 그 후 탈수된 펄프섬유를 냉장 보관하면서 섬유의 특성 등을 평가하였다.
- 섬유 특성은 Bauer-McNett 섬유 분급기를 이용하여 섬유장별 섬유 분포를 측정하였고, Morfi Labo (LB-01)을 이용하여 섬유의 크기, 폭, 조도, 컬, 킹크 등의 섬유특성을 평가하였다.
- 실제 펄핑조건에 따라 각각의 원료에서 셀룰로오스와 자일란의 성분변화를 평가하였다. Table 2 에서 나타난 바와 같이 백합나무의 경우 다당류의 함량이 유칼립투스보다 다소 높은 것을 알 수 있다.
- 실험실용 Valley beater를 적용하여TAPPI Standard T 200 sp96에 따라 각각의 펄프를 고해하면서 고해처리에 의한 펄프특성의 변화정도를 평가하였다.
- O)를 사용하여 황산 농도를 3%로 희석한 후 2차 가수분해를 실시하였다. 여과 후 액상 부분을 회수하여 1H-NMR 분석에 의하여 anomoeric hydrogen 피크의 부분의 면적을 적분하여 각 단당의 조성을 분석하였다7).
- 충북대학교 구내에 식재된 20년생 백합나무를벌목하여 박피한 후 칩을 제조하였다. 제조한 칩을 공기 중에서 충분하게 건조 시킨 후 펄핑에 적합한 크기의 칩을 선별하여 본 실험에 적용하였다. 유칼립투스 칩은 울산 온산공단에 위치한 A사 에서 실제 크라프트 펄프 생산을 위해 동남아에서 수입된 칩을 제공받아 적용하였다.
- 카파값과 Klason 리그닌 함량을 Tappi 표준 분석법으로분석하였고, 목재와 펄프내 당 조성을 분석하기 위하여 72% 황산으로 1차 가수분해 후, 물 대신 중수(deuterium oxide D2O)를 사용하여 황산 농도를 3%로 희석한 후 2차 가수분해를 실시하였다. 여과 후 액상 부분을 회수하여 1H-NMR 분석에 의하여 anomoeric hydrogen 피크의 부분의 면적을 적분하여 각 단당의 조성을 분석하였다7).
- 특히, 증해시간을 30분, 40분으로 하여 반응시간이 증해에 미치는 영향도 비교 분석하였다.
대상 데이터
- 제조한 칩을 공기 중에서 충분하게 건조 시킨 후 펄핑에 적합한 크기의 칩을 선별하여 본 실험에 적용하였다. 유칼립투스 칩은 울산 온산공단에 위치한 A사 에서 실제 크라프트 펄프 생산을 위해 동남아에서 수입된 칩을 제공받아 적용하였다.
- 충북대학교 구내에 식재된 20년생 백합나무를벌목하여 박피한 후 칩을 제조하였다. 제조한 칩을 공기 중에서 충분하게 건조 시킨 후 펄핑에 적합한 크기의 칩을 선별하여 본 실험에 적용하였다.
이론/모형
- TAPPI standard T402 sp-98에 따라 23±1℃, 상대습도 50±2%로 조습 처리한 소다-안트라퀴논 펄프의 수초지의 인장강도는 Hounsfield tensile tester를 이용하여 측정하였으며, 인열강도는 TAPPI T414 om-98에 따라 Elmendorf type tearing tester를 이용하여 측정하였다.
성능/효과
- 국내산 백합나무 칩을 원료로 소다-안트라퀴논 펄핑처리하여 펄프를 생산한 결과 수입산 유칼립투스 칩에 비하여 높은 펄프 수율을 보였을 뿐만 아니라 제조된 섬유의 고해적성도 더 우수한 것으로나타났다. 이러한 펄프특성의 차이는 백합나무 펄프에 존재하는 높은 자일란의함량과 더불어 섬유장이 길고 굵은 이화학적 및 형태적 차이에서 기인한 것으로 판단된다.
- 백합나무와 유칼립투스 칩을 목분으로 만들어서 화학 조성 분석 결과 백합나무에서 열수추출물 함량이 높았고 유칼립투스에서는 리그닌 함량이 상대적으로 높게 나타났다(Table 2). 열수추출물과 리그닌 성분은 알칼리 증해 과정에서 대부분 제거 되기 때문에 이들 함량이 높은 유칼리 (36.
- 5%) 보다 펄프 수율이 낮을 것으로 판단되었다. 실제 소다-안트라퀴논 증해 결과 백합나무가 유칼립투스 보다 약 0.5-0.6 % 높은 수율을 나타내었다 (Table 3). 증해시간이 길어질수록 두 수종 모두에서 수율이 다소 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
- 실제 현미경으로 관찰하였을 때 백합나무 세포벽두께가 3.45μm로 유칼립투스 세포벽 두께 2.9μm보다 크고 세포 내강도 백합나무에서 더 크게 나타나는 데, 이러한 섬유의 구조적 특성들이 백합나무 펄프의 팽윤을 더 용이하게 하여주며 그 결과로 고해에 대한 반응성도 커지는 것으로 판단된다.
- 백합나무와 유칼립투스 칩을 목분으로 만들어서 화학 조성 분석 결과 백합나무에서 열수추출물 함량이 높았고 유칼립투스에서는 리그닌 함량이 상대적으로 높게 나타났다(Table 2). 열수추출물과 리그닌 성분은 알칼리 증해 과정에서 대부분 제거 되기 때문에 이들 함량이 높은 유칼리 (36.3%)가 백합나무 (31.5%) 보다 펄프 수율이 낮을 것으로 판단되었다. 실제 소다-안트라퀴논 증해 결과 백합나무가 유칼립투스 보다 약 0.
- 이러한 펄프특성의 차이는 백합나무 펄프에 존재하는 높은 자일란의함량과 더불어 섬유장이 길고 굵은 이화학적 및 형태적 차이에서 기인한 것으로 판단된다. 이러한 펄프 원료 별 펄프섬유의 특성 및 적용특성 등을 고려할 때 기존의 수입산 유칼립투스와의 상호 보완 대체 원료로서 국내산 백합나무의 적용 가능성을 확인할 수 있었다.
- 0 (N·/g) 수준에서 고해에 의한 인열강도의 급속한 감소가 발생하는 것을 알 수 있다. 즉, 실제 백합나무 펄프의 물리적 특성이 더 우수하지만 고해에 대한 반응성이 유칼립투스 펄프보다 뛰어나서, 과도한 고해가 진행될 경우 섬유자체의 강도적 특성이 빨리 저하되어 인열강도가 급격히 감소되는 것으로 판단된다.
- 6 % 높은 수율을 나타내었다 (Table 3). 증해시간이 길어질수록 두 수종 모두에서 수율이 다소 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 상대적으로 잔류 리그닌의 양은 감소하는 것을 알 수 있다.
- Table 5의 섬유길이 분포 측정 결과 유칼립투스 펄프는 주로 200~733 μm 분급에 주로 분포하는데 비하여 백합나무 펄프는 733~1267 μm 분급에 주로 분포하고 있는 것으로 나타났다. 평균 섬유장의 길이에서도 평균 길이가 0.67~0.67 mm인 유칼립투스 펄프에 비하여 0.83~0.90 mm로 백합나무 펄프의 섬유가 더 큰 섬유장을 가지고 있는 것으로 확인할 수 있었다.
- 평균 섬유폭 측정 결과 유칼립투스 펄프는 16.0 ~ 16.5μm인데 비하여 백합나무 펄프는 18.3 ~ 18.4 μm로 보다 넓은 폭을 가진 섬유로 구성되어 있는 것을 알 수 있다.
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