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문제 정의
- 매년 1000톤 이상의 칡뿌리 생산량 중 잔사가 600톤 이상에 달한다.4) 그러므로 폐기되는 식물성 섬유인 칡뿌리 잔사를 이용해 제지산업에서 사용할 수 있는 방안에 대한 기초연구를 진행하였다.
- 본 연구를 통해 비목질계 섬유자원 중 칡 섬유의 특성을 분석함으로써 칡펄프 수초지의 벌크향상에 대한 가능성을 확인하였다. 그러나 초기여수도 시작점 자체가 낮아 절단이 쉽게 일어나는 단점이 있지만 초기여수도가 500 mL CSF 수준이기 때문에 생산 후 물리적 처리할 필요 없이 바로 적용이 가능 할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 칡 섬유의 펄프화 적성을 판단하기 위해 칡 섬유의 화학적 조성을 분석하고 펄핑 조건에 따른 수율을 탐색하였다. 또한, 칡 섬유의 특성을 연구하였으며 수초지를 제조하여 물리적 특성을 분석하였다.
제안 방법
- 10) 따라서 본실험에서는 칡뿌리뿐만 아니라 칡 줄기도 함께 알파-셀룰로오스와 헤미셀룰로오스 함량을 분석하였으며, 다른 비목질계 섬유의 화학적 성분은 비교를 위해 문헌을 참고하였다.11) 화학적 성분 조성과 회분 결과는 Table 2와 같다.
- 고해된 펄프를 농도가 0.5%가 되도록 희석한 후 평량 100 ± 5 g/m2의 수초지를 제작하였다.
- 그리고 해리된 섬유는 메틸렌 블루용액(Methylene blue)으로 염색하여 광학 현미경으로 관찰하고 촬영 하였다.
- 초지된 수초지의 물성을 평가하기 위해 조습처리한 후 TAPPI Test Methods에 의거하여 수초지의 두께, 벌크, 인장강도, 스티프니스를 측정하였다. 또한 수초지의 섬유 관찰을 위해 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope, JSM-6701F)을 사용하여 관찰하였다.
- 본 연구에서는 칡 섬유의 펄프화 적성을 판단하기 위해 칡 섬유의 화학적 조성을 분석하고 펄핑 조건에 따른 수율을 탐색하였다. 또한, 칡 섬유의 특성을 연구하였으며 수초지를 제조하여 물리적 특성을 분석하였다.
- 목재섬유와 칡섬유의 형태를 비교하기 위하여 활엽수 BKP, 침엽수 BKP, 미표백 칡섬유와 표백된 칡섬유를 광학 현미경으로 동일 4배율로 촬영하였고 Fig. 2에 도시하였다. 칡섬유와 다른 목재섬유를 비교했을 때 섬유폭이 더 작은 것을 볼 수 있었다.
- 비목질계 섬유자원 중 칡 섬유의 신규원료로서의 가치를 분석하기 위하여 칡 섬유의 화학적 구성과 펄핑 조건에 따른 펄프의 수율을 탐색하였고, 표백 및 칡 섬유의 특성을 연구, 최종적으로 수초지를 제조하여 물성을 비교·분석하였다.
- 지료 조성은 칡 섬유, 침엽수 BKP와 활엽수 BKP를 각각 450±10 mL CSF의 여수도 수준을 갖도록 실험실용 밸리비터를 이용하여 고해를 실시하였다.
- 초지된 수초지의 물성을 평가하기 위해 조습처리한 후 TAPPI Test Methods에 의거하여 수초지의 두께, 벌크, 인장강도, 스티프니스를 측정하였다. 또한 수초지의 섬유 관찰을 위해 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope, JSM-6701F)을 사용하여 관찰하였다.
- 칡 섬유의 펄프화 특성을 알아보기 위하여 크라프트 펄핑(kraft pulping)을 조건을 달리하여 실시하였다. 그 결과 Table 3과 같은 수율을 알 수 있었다.
- 칡 펄프에 의해 제조된 종이의 물리적·강도적 특성을 파악하기 위하여 수초지를 제작하였고 대조군으로 활엽수 BKP와 침엽수 BKP를 이용하여 동일한 평량의 수초지를 제작하였다.
- 5) 유기용매로 에탄올(95%)을 사용하여 탈지하였다. 탈지 후 아염소산염법(Wise법)으로 홀로셀룰로오스(holocellulose)를 측정하고 17.5% 알칼리로 알파-셀룰로오스를 용해하여 정량하였다.
- 펄프화 후 칡 섬유는 이산화염소(ClO2)와 과산화수소(H2O2)를 이용한 2단 표백(bleaching)을 하였다.8-9)
대상 데이터
- 본 연구에서는 칡 섬유의 펄프화 특성을 알아보기 위하여 칡 줄기와 칡즙을 짜고 남은 잔사를 건조하여 시료로 준비하였고 화학 조성 분석은 건조된 칡 줄기와 뿌리를 블렌더로 분쇄하여 세분화하고 60~80 mesh 크기의 분말을 사용하였다. 섬유장과 수초지의 물성 측정시 대조군 공시펄프로 활엽수 BKP (Bleached Kraft Pulp)와 침엽수 BKP를 사용하였다.
- 섬유의 길이를 알아보기 위해 표백된 칡 섬유, 활엽수 BKP와 침엽수 BKP를 실험실용 밸리비터를 이용하여 20분 해리 후 첫 번째 시료를 채취하고, 여수도 450±10 mL CSF의 수준으로 고해한 후 두 번째 시료를 채취하였다.
- 본 연구에서는 칡 섬유의 펄프화 특성을 알아보기 위하여 칡 줄기와 칡즙을 짜고 남은 잔사를 건조하여 시료로 준비하였고 화학 조성 분석은 건조된 칡 줄기와 뿌리를 블렌더로 분쇄하여 세분화하고 60~80 mesh 크기의 분말을 사용하였다. 섬유장과 수초지의 물성 측정시 대조군 공시펄프로 활엽수 BKP (Bleached Kraft Pulp)와 침엽수 BKP를 사용하였다.
- 펄프의 원료로는 목재, 대나무, 에스파르토, 린터, 인피 펄프 등이 있고 그러나 현재 공업으로 생산되는 펄프의 약 90% 이상이 목질계 재료를 원료로 한다.
이론/모형
- 섬유의 길이를 알아보기 위해 표백된 칡 섬유, 활엽수 BKP와 침엽수 BKP를 실험실용 밸리비터를 이용하여 20분 해리 후 첫 번째 시료를 채취하고, 여수도 450±10 mL CSF의 수준으로 고해한 후 두 번째 시료를 채취하였다. 시료는 약 300배 희석하여 Metso사의 FiberLab을 이용하여 섬유장(fiber length)을 측정하였고 TAPPI Test Methods에 의거하여 회분함량을 측정 하였다.
성능/효과
- 칡 펄프로 제조된 수초지의 벌크는 다른 목재 펄프의 수초지에 비해 더 높게 나타났고, 강도는 다소 감소하는 경향을 나타냈다. SEM 이미지의 결과에서 칡섬유의 형태 변화가 낮게 나타난 것으로 판단되어 종이의 벌크를 높이는데 유리할 것으로 사료된다. 이러한 칡펄프는 높은 벌크를 요구하는 지종에 대체원료 및 첨가제로 유용하게 사용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 반면 매우 강한 펄핑 조건인 AA 30%, Sulfidity 30%, 액비 4:1이고 증해 시간이 3시간 일 때는 펄프의 과도한 증해로 인해 16%의 매우 낮은 수율을 나타내었으며 소량의 이물질을 볼 수 있었다. 각각의 펄프화 조건에서 펄프화 조건이 AA 30%, Sulfidity 20%, 액비 4:1이고 증해시간이 3시간일 때 수율이 30~35%대 이었는데 이는 칡 섬유의 비셀룰로오스를 제거하는 정도에 따른 가장 적합한 펄프화 조건으로 판단된다.
- 칡 섬유장은 활엽수 BKP와 침엽수 BKP 중간 길이이지만 활엽수 BKP 수준의 길이였다. 섬유의 고해시 칡 섬유는 목재 섬유에 비해 비교적 짧은 기계적 처리에 상대적으로 높은 여수도 감소와 섬유장 감소가 나타났다. 광학현미경을 통해 섬유의 형태를 비교했을 때 칡 섬유의 길이는 활엽수 BKP와 비숫하지만 섬유폭은 매우 가늘었다.
- 그 결과 Table 3과 같은 수율을 알 수 있었다. 우선 기존의 다른 비목재 펄핑 조건과 유사한 조건인 AA 20%, Sulfidity 25%, 35%, 액비 6:1이고 2시간 증해하였을때 세척 후 얻어진 칡 펄프에서 외부 수피로부터 기인되는 미증해물질 덩어리 및 흑색 오염물질과 같은 눈으로도 현저하게 확인되는 이물질이 다량 포함되어 있었다. 반면 매우 강한 펄핑 조건인 AA 30%, Sulfidity 30%, 액비 4:1이고 증해 시간이 3시간 일 때는 펄프의 과도한 증해로 인해 16%의 매우 낮은 수율을 나타내었으며 소량의 이물질을 볼 수 있었다.
- 이러한 결과들을 종합했을 때 섬유폭이 상대적으로 작은 칡섬유는 다소 낮은 500 mL CSF 수준의 초기여수도를 나타내었고 섬유절단에 의한 여수도 감소폭이 상대적으로 크기 때문에 만약 제지공정에서 사용된다면 해리만 진행하여 공정에 바로 투입하는 방법으로 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 이러한 결과들을 통해 칡 섬유에 의해 발현되는 종이의 물성을 요약하면 강도는 다소 감소하는 경향을 나타내었으나 외부의 압력에 의해 나타나는 섬유의 형태변화가 칡 섬유의 경우 상대적으로 낮게 나타나기 때문에 종이의 벌크를 높이는데 유리하고 강도가 다소 낮더라도 두께를 높이는 효과가 있기 때문에 스티프니스는 침엽수 BKP와 활엽수 BKP의 중간수준을 유지할 수 있다고 판단된다.
- 6에 나타내었다. 이미지에서 살펴보면 수 초지가 제조된 후 섬유의 형태유지여부를 살펴보면 습부압착과 건조공정에서 활엽수 BKP와 침엽수 BKP의 섬유는 눌러진 형태로 변형된 것을 볼 수 있었으나 칡섬유의 경우에는 그 형태를 유지하고 있는 것을 볼 수 있었다. 이러한 결과들을 통해 칡 섬유에 의해 발현되는 종이의 물성을 요약하면 강도는 다소 감소하는 경향을 나타내었으나 외부의 압력에 의해 나타나는 섬유의 형태변화가 칡 섬유의 경우 상대적으로 낮게 나타나기 때문에 종이의 벌크를 높이는데 유리하고 강도가 다소 낮더라도 두께를 높이는 효과가 있기 때문에 스티프니스는 침엽수 BKP와 활엽수 BKP의 중간수준을 유지할 수 있다고 판단된다.
- 그러나 칡 섬유를 약 3분 정도만 고해를 했을 때 여수도가 510 mL CSF에서 200 mL CSF로 크게 떨어졌다. 칡 섬유를 활엽수 BKP와 침엽수 BKP의 섬유와 비교했을 때 짧은 기계적 처리에도 더 높은 섬유장 감소와 여수도 감소가 나타났다. 이러한 결과는 칡 섬유는 다른 목재섬유에 비해 기계적 처리에 의한 섬유절단이 더 용이하게 일어나는 것을 나타낸다고 생각된다.
- 섬유폭이 작은 칡 섬유는 다소 낮은 수준의 초기여수도와 섬유절단에 의한 여수도의 감소폭이 상대적으로 크기 때문에 제지공정에서 해리만 진행하여 바로 투입하여 사용해야 할 것으로 판단된다. 칡 펄프로 제조된 수초지의 벌크는 다른 목재 펄프의 수초지에 비해 더 높게 나타났고, 강도는 다소 감소하는 경향을 나타냈다. SEM 이미지의 결과에서 칡섬유의 형태 변화가 낮게 나타난 것으로 판단되어 종이의 벌크를 높이는데 유리할 것으로 사료된다.
- 칡 펄프를 이산화염소로 1단 표백한 후에는 진한 갈색을 띄던칡 펄프가 연한 갈색으로 표백 되었고 과산화수소로 2 단 표백한 후에는 연한 살색을 띄었다. 칡 펄프에서 볼 수 있었던 미증해 이물질들이 2단 표백을 거치는 동안 일부 제거 되는 것을 알 수 있었고, 2단 표백 과정 동안 펄프 수율은 약 15%대 까지 낮아지는 것을 알 수 있었다. 표백된 펄프의 백색도(ISO brightness)는 58.
- 칡 줄기의 경우는 1~2일 정도 물레팅(water retting) 과정을 거쳐 목질부를 제거하여 화학적 구성 함량을 분석해보았지만 목질부를 제거하지 않은 것 보다 더 낮은 함량을 나타내었다. 회분함량의 경우 활엽수 BKP와 침엽수 BKP는 1%미만의 낮은 회분 함량을 나타내었는데 칡 섬유의 회분함량은 약 7% 수준으로 높은 것을 볼 수 있었다. 이는 비목재 섬유의 특징으로 다른 비목재 섬유의 경우에도 목재섬유에 대해 상대적으로 높은 회분함량을 나타내는 것을 볼 수 있다.
후속연구
- 반면에 비목질계 섬유자원은 다른 비목질계 섬유자원에 비하여 생육기간이 짧고 단기간에 비약적인 성장이 가능하기 때문에 생산성이 높은 장점이 있고 목재와는 다른 화학 구성을 가지고 있다.2) 비록 대부분의 비목질계 섬유자원들이 목재 섬유보다 수율과 품질면에서 다소 낮은 특성을 지니고 있지만 목재펄프를 대체할 신규 원료로서의 특성을 탐색하는 연구가 필요하다고 판단된다.
- 본 연구를 통해 비목질계 섬유자원 중 칡 섬유의 특성을 분석함으로써 칡펄프 수초지의 벌크향상에 대한 가능성을 확인하였다. 그러나 초기여수도 시작점 자체가 낮아 절단이 쉽게 일어나는 단점이 있지만 초기여수도가 500 mL CSF 수준이기 때문에 생산 후 물리적 처리할 필요 없이 바로 적용이 가능 할 것으로 판단된다.
- SEM 이미지의 결과에서 칡섬유의 형태 변화가 낮게 나타난 것으로 판단되어 종이의 벌크를 높이는데 유리할 것으로 사료된다. 이러한 칡펄프는 높은 벌크를 요구하는 지종에 대체원료 및 첨가제로 유용하게 사용할 수 있을 것으로 기대된다.
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