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문제 정의
- 수입산 닥나무 펄프를 대체하기 위한 국내산 닥나무 인피섬유의 펄프 자동화 공정의 일환으로 흑피 제거 자동화 공정의 기초연구로서 개발 장치에 따른 박피된 인피섬유의 화학적 특성 및 닥나무 펄프 자동화공정의 가능성을 평가하였다.
- 이러한 문제점을 해결하고자 본 연구는 국내산 닥나무를 이용해 수작업의 비중이 높은 박피공정을 자동화 시스템으로 개발하여 수입에 의존하고 있는 닥나무 인피섬유 펄프를 대체할 수 있는 자동화 박피 기초연구를 수행하였다.
제안 방법
- 1 m 단위로 준비된 닥나무를 고온 스티머(Vision tec, high temp steamer)를 사용하여 1, 2, 4시간으로 증자 처리하였으며, 바닷모래를 직경 1, 2, 3 ㎜ 단위로 채에 쳐서 분리한 후 물에 세척하여 잡티를 제거한 후 건조하여 사용하였다. 압축공기압은 5 kg, 물의 소비량은 1 ℓ 소비량을 기준으로 증자시간과 모래의 직경을 변화시키며 흑피가 제거된 면적을 측정하였다.
- 3가지 타입으로 제작된 드럼박피기에 10 ㎝길이로 자른 닥나무를 4 ㎏ 투입하여 드럼내부온도 80℃, 회전 RPM 50, 60, 70, 80, 90, 100/min으로 변화시켜 60분간 실험진행 후 박피효율 분석하고 30분 동안 추가적인 박피공정을 실시한 후 각각의 조건에 따른 박피효율을 측정하였다. 실험의 결과 드럼별 회전 RPM 50/min의 결과가 제일 좋은 것으로 판단되어 드럼별 닥나무 4 ㎏, 온도 80℃, 처리시간 90분의 동일조건에서 회전 RPM을달리하여 박피된 섬유시료의 lignin 함량은 Tappi Standard T222 om-83(Klason lignin법)5)에 의거 하여 측정하였다.
- 2와 같은 드럼타입 닥나무 박피 및 속대분리기(특허출원:10-2011-0066642)를 제작하였다. 드럼내부에 각각의 길이 10, 20, 30 ㎜ 내부돌기를 드럼당 100개를 부착하였고 제거된 흑피가 배출될 수 있도록 슬릿을 내주었다.
- 또한 박피된 각 섬유시료들은 활성알칼리 농도 20%의 가성소다로 액비 1:10으로 100℃에서 90분간 증해하고 Sympatec사의 Qicpic image analyzer를 사용하여 이미지를 분석하였다(30초간 입자들을 측정한 평균 값을 나타냄). 또한 국내산 닥섬유와 비교하기 위해 대조군으로 태국산 수입닥(Control)을 비교 분석하였으며, 적외선 분광기(Thermo-Nicolet, FT-IR Avatar 370) 분석을 통하여 lignin의 잔류여부를 확인하였다.
- 또한 박피된 각 섬유시료들은 활성알칼리 농도 20%의 가성소다로 액비 1:10으로 100℃에서 90분간 증해하고 Sympatec사의 Qicpic image analyzer를 사용하여 이미지를 분석하였다(30초간 입자들을 측정한 평균 값을 나타냄). 또한 국내산 닥섬유와 비교하기 위해 대조군으로 태국산 수입닥(Control)을 비교 분석하였으며, 적외선 분광기(Thermo-Nicolet, FT-IR Avatar 370) 분석을 통하여 lignin의 잔류여부를 확인하였다.
- 1 m 단위로 준비된 닥나무를 고온 스티머(Vision tec, high temp steamer)를 사용하여 1, 2, 4시간으로 증자 처리하였으며, 바닷모래를 직경 1, 2, 3 ㎜ 단위로 채에 쳐서 분리한 후 물에 세척하여 잡티를 제거한 후 건조하여 사용하였다. 압축공기압은 5 kg, 물의 소비량은 1 ℓ 소비량을 기준으로 증자시간과 모래의 직경을 변화시키며 흑피가 제거된 면적을 측정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 닥나무는 전북 임실 닥나무 재배단지에서 수확된 1~3년생 닥나무를 벌채하여 가지의 중아부분을 모래 분사를 이용한 흑피제거 실험용으로 1 m, 드럼타입 박피 및 속대 분리기 재료로써 닥나무를 10 ㎝로 잘라서 사용하였다.
- 본 연구에서는 닥나무 인피부의 물리적 결합강도의 차이에 의한 흑피부분을 제거하기 위하여 Fig. 1과 같이 모래, 물, 압축공기를 동시에 분사할 수 있는 노즐(특허출원: 10-2011 -0029531)을 제작하였다.
- 증자된 닥나무 인피섬유의 흑피부분은 충격에 약한 특성을 가지고 있어서 물리적인 충격에 의해 인피부에서 흑피가 제거되는 성질을 가지고 있다. 이에 따라 Fig. 2와 같은 드럼타입 닥나무 박피 및 속대분리기(특허출원:10-2011-0066642)를 제작하였다. 드럼내부에 각각의 길이 10, 20, 30 ㎜ 내부돌기를 드럼당 100개를 부착하였고 제거된 흑피가 배출될 수 있도록 슬릿을 내주었다.
이론/모형
- 실험의 결과 드럼별 회전 RPM 50/min의 결과가 제일 좋은 것으로 판단되어 드럼별 닥나무 4 ㎏, 온도 80℃, 처리시간 90분의 동일조건에서 회전 RPM을달리하여 박피된 섬유시료의 lignin 함량은 Tappi Standard T222 om-83(Klason lignin법)5)에 의거 하여 측정하였다. 또한 유기용매에 의한 추출물 함량은 KS M 7039에 의거하여 알콜-벤젠 가용분을 분석하였고 Holocellulose함량은 Wise법 5)에 의해 분석하였으며 회분 함량 분석은 ISO 1762에 의거하여 525℃에서 완전 연소된 회분의 중량을 측정하였다.
- 3가지 타입으로 제작된 드럼박피기에 10 ㎝길이로 자른 닥나무를 4 ㎏ 투입하여 드럼내부온도 80℃, 회전 RPM 50, 60, 70, 80, 90, 100/min으로 변화시켜 60분간 실험진행 후 박피효율 분석하고 30분 동안 추가적인 박피공정을 실시한 후 각각의 조건에 따른 박피효율을 측정하였다. 실험의 결과 드럼별 회전 RPM 50/min의 결과가 제일 좋은 것으로 판단되어 드럼별 닥나무 4 ㎏, 온도 80℃, 처리시간 90분의 동일조건에서 회전 RPM을달리하여 박피된 섬유시료의 lignin 함량은 Tappi Standard T222 om-83(Klason lignin법)5)에 의거 하여 측정하였다. 또한 유기용매에 의한 추출물 함량은 KS M 7039에 의거하여 알콜-벤젠 가용분을 분석하였고 Holocellulose함량은 Wise법 5)에 의해 분석하였으며 회분 함량 분석은 ISO 1762에 의거하여 525℃에서 완전 연소된 회분의 중량을 측정하였다.
성능/효과
- 1. 분사노즐장치에 의한 박피공정은 닥나무 증자시간이 길어질수록 모래분사에 의한 흑피부분의 제거면적은 늘어나며 모래입자의 크기는 박피제거에 큰 영향을 미치지 않았다.
- 2. 증자된 닥나무 및 생재상태의 닥나무의 흑피도 압축공기, 물, 모래에 의한 분사로 제거가 가능함을 관찰할 수 있었다.
- 3. 드럼 박피기에서는 30 ㎜ 드럼 박피기로 흑피를 제거한 펄프의 Holocellulose의 함량이 95.08%로 태국산 닥펄프의 95.55%와 가까운 수치를 나타내었다.
- 4. 태국산 닥펄프의 lignin의 함량은 1.4%이며, 30 ㎜ 드럼 박피기로 흑피를 제거한 펄프의 lignin의 함량은 1.7%로써 가장 유사한 값을 나타내었다.
- 5. 드럼박피기 처리에 의해 60분 경과 후 닥인피부의 흑피는 50% 이상이 제거되었고, 90분 처리 시 90% 이상의 흑피가 제거되었으며 인피부와 목질부의 100% 분리로 향후 자동화 공정이 단축 될 것으로 예상된다.
- 6. 해부학적 성질로서 섬유장은 태국산 닥펄프의 섬유장이 가장 짧았고, 펄프액내에서도 국산닥보다 조금 높은 Straightness를 나타내었다.
- 7. 적외선 분광기(FT-IR)분석을 통한 잔류 lignin 확인 결과 10, 20 ㎜ 드럼박피기로 흑피를 제거한 펄프의 lignin peak는 유사하였고 30 ㎜ 드럼박피기로 흑피를 제거한 펄프가 태국산 펄프와 lignin peak가 유사하였다.
- 셀룰로오스의 길이가 길수록 셀룰로오스의 중합도가 높기 때문에 물리적 및 화학적 안정성은 높으나 너무 길면 초지성능을 저하시키기2) 때문에 국산 닥의 섬유장 제어기술 연구가 필수적이라 판단된다. Elongation을 통해 나타나는 fiber입자의 길이와 직경의 비율은 태국산 닥섬유와 10㎜ 처리 시 유사하였으며 20, 30 ㎜ 처리한 닥섬유는 높은 수치를 보였다.
- 대조군에 비해 10, 20 ㎜ 경우 조금 높은 수치를 나타내었으며 30㎜의 경우 더 낮은 수치를 나타내었다. 드럼 내에서 증해 되면서 추출물이 제거되었고 30 ㎜에서의 흑피제거율이 더 높은 수치를 나타내어 낮은 추출물의 함량으로 초지기의 오염을 방지하고 건조 과정에서 수지장애를 줄일 수 있을 것으로 예상된다. 서 등3)의 연구에 의하면 XRF에 의한 무기분석 특성 분석의 결과 흑피부 회분의 원소조성은 칼슘이 약 56%, 납이 약 37%로써 전체회분의 90% 이상을 차지하고 있다.
- 닥나무의 직경의 크기별로 인피섬유의 중량이 다르다. 따라서 닥나무의 흑피부의 중량 통계수치(흑피중량:닥나무의 8%)1)를 기준으로 박피실험 진행 처리 후 제거되어진 흑피의 중량을 측정하여 박피효율을 비교분석한 결과 각각의 드럼별 50 RPM/min에서 높은 박피효율을 나타내었다. 가장 높은 박피효율을 나타낸 드럼별 50 RPM/min조건으로 박피된 닥펄프의 Holocellulose 함량분석을 Fig.
- 모래, 물, 압축공기를 동시에 분사노즐 장치에 의해 통해 증자된 닥나무뿐만 아니라 증자하지 않은 생재도 흑피가 고르게 제거되는 것을 관찰할 수 있었다. 생재의 경우 흑피의 강도가 높아 제거범위는 증자된 닥나무 인피섬유보다 좁았지만 분사된 모래 알갱이가 섬유 표면에 달라붙지 않아 깨끗한 상태의 인피섬유를 확인할 수 있었으며 결과를 Fig.
- 9에 나타내었다. 잔존시료 내 화학적 조성분은 흑피제거 효율이 높은 30 ㎜에서 10, 20 ㎜ 보다 상대적으로 낮은 lignin 값과 높은 Holocellulose값을 나타내었다.
- 증자된 닥나무는 증자 시간의 증가에 따라 제거 면적이 증가하는 것으로 나타났다. 닥나무 증자시간이 1시간에서 2시간의 제거면적의 차이는 2시간에서 4시간의 제거면적의 차이보다 컸다.
- 초고속 섬유입자 측정기 결과를 Table 3에 나타내었으며, 섬유장은 태국산이 가장 낮은 수치를 보였고 드럼박피기로 처리한 국산닥의 섬유장이 태국산보다 조금 높은 수치를 보였다. 직경은 모두 0.04 ㎜로 같은 값을 나타내어 직진성은 섬유장의 길이가 짧은 태국산 닥이 가장 높았으며 국산닥은 직진성이 낮은 수치를 보였다. 평균섬유장이 3 ㎜이상인 장섬유들은 조롱이 생기거나 결절이 일어나서 제지적성을 불량하게 만드는 원인이 된다2).
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