[논문]닥나무 자동 흑피 및 목질부 제거 장치의 공정 조건 연구

최시혁; 권오훈; 김현철

doi:10.7584/ktappi.2013.45.3.036

닥나무 자동 흑피 및 목질부 제거 장치의 공정 조건 연구
Study on Process Conditions for Automatic Debarking and Xylem Separator for Paper Mulberry 원문보기

펄프 종이기술 = Journal of Korea TAPPI, v.45 no.3 = no.152, 2013년, pp.36 - 44

최시혁 (한국니트산업연구원) , 권오훈 (한국니트산업연구원) , 김현철 (청운대학교 패션디자인섬유공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study is focused on the debarking and xylem separation yield of Paper Mulberry. We investigated the most efficient manual on the automatic debarking and xylem separator machine. The bast tissues of Paper Mulberry were separated in three layers including black outer layer, green inner layer, and white inner layer. A target is to save the white inner layer of these three layers as much as possible. The experimental machine most characterize xylem separation and debarking by frictional force between the bulges and Paper Mulberry by the drum rotation. It is possible automatically to operate the machine by controlling the temperature sensor and the time. Debarking process can be know that removed black outer layer has beem accumulate and measured the weight. The content of the extract, holocellulose, lignin and ashes of the white inner layer was analyzed. It is result that conditions of optimum process of the experimental machine is 45 RPM, temperature at $60^{\circ}C$(60 min.) and $80^{\circ}C$(60 min.), mixing bulge of 10 mm(120ea) and 30 mm(120ea) and capacity of Paper Mulberry 10 kg.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 사용한 장치는 최대 RPM이 45, 최대온도는 80℃이며 돌기의 종류는 10, 30㎜ 두 종류로 한정되어 있어 장치의 가동시간을 120분 이하로 줄이지 못하였으나, 추후 새로운 장치 제작 시 개선하여 RPM, 내부온도 그리고 돌기의 조건들과 흑피제거 및 목질부 분리와의 상관관계를 확립시키고자 한다.
본 연구에서는 현재 수작업으로 이루어지는 목질부분리와 흑피제거 공정을 닥나무 투입 10 kg 이상이 가능한 자동 흑피 및 목질부 제거 장치를 이용하여 효율적인 자동화 공정 조건 설정을 목표로 하였다.
이와 같은 문제점을 극복하고자 본 연구에서는 현재 수작업으로 이루어지는 목질부 분리와 흑피제거 공정을 1회 닥나무 투입이 10 kg 이상이 가능한 드럼타입의 자동 흑피 및 목질부 제거 장치(특허출원 : 10-2012-0027971)를 제작하여 장치의 공정 조건에 따른 인피섬유 특성에 대하여 고찰하였다.

제안 방법

Fig. 1의 장치를 활용하여 10 cm로 절단된 닥나무 10 kg을 투입하고 가동시간을 120분으로 고정하고 드럼의 RPM, 내부온도, 돌기 크기 및 돌기 수를 변화시키며 투입된 닥나무의 흑피 제거 및 목질부 분리 상태를 고찰하였다. Table 1에 자동 흑피 및 목질부 제거 장치의 가동조건을 나타내었다.
Fig. 8은 드럼내부 온도와 장치의 가동시간의 변화에 따른 시료의 인피부와 목질부 분리상태를 관찰한 사진으로, 드럼내부 온도 80℃, 가동시간 60분에서 인피부에서 흑피가 제거되기 전에 목질부와 인피부가 먼저 분리되는 현상을 관찰하였다. 투입된 닥나무에서 흑피가 제거되기 이전에 목질부가 먼저 분리되면 흑피 제거율이 저하되는 것을 Fig.
닥 인피부와 목질부 분리율은 각 실험 조건별로 처리된 100개의 시료를 무작위로 채취하여 분리여부를 육안으로 확인하였다. Fig.
드럼 내부의 돌기 크기는 10, 30 ㎜ 두 종류로 구성되어 있고 너트 방식으로 0∼240개까지 부착이 가능하고, 드럼내부에는 슬릿을 내어 닥나무에서 제거된 흑피의 배출이 용이 하도록 제작하였다.
또한 닥 인피부와 목질부 분리율(%)은 각 실험 조건별로 처리된 100개의 시료를 무작위로 채취하여 드럼 내부 온도(50, 60, 70, 80℃)와 가동시간(60, 90, 120분)의 변화에 따른 분리여부를 육안으로 확인하였다.
자동 흑피 및 목질부 제거 장치로 닥나무에서 제거된 흑피는 Fig. 2와 같이 장치의 배출수에서 제거된 흑피를 회수하여 중량을 측정하였다. 흑피 제거율 BPP는 투입한 닥나무 무게의 8%(닥나무 흑피부 중량 통계 수치)¹²⁾를 기준으로 아래와 식 (1)과 같이 나타내었다.
자동 흑피 및 목질부 제거 장치로 처리된 닥 인피섬유의 화학적 조성분을 분석하기 위하여 분리된 인피부를 건조한 후 미분쇄(40~60mesh)하여 추출물 (TAPPI T 204),¹³⁾ 리그닌 (클라손 리그닌 정량법),¹⁴⁾ 홀로셀룰로오스 (Wise법)¹⁴⁾ 및 회분(ISO 1762)¹³⁾ 함량 등을 분석하였다.
자동 흑피 및 목질부 제거 장치에서 닥나무 투입량 10 kg, 가동시간 120분, 온도 80℃ 그리고 돌기 사이즈 30 mm 및 돌기수 120개로 고정하고, RPM을 15, 30 그리고 45로 변화시키며 흑피 제거율 및 인피부 특성을 고찰하였다. Fig.

대상 데이터

본 실험에 사용한 닥나무는 전북 임실 닥나무 재배 단지에서 수확된 1∼3년생 닥나무로, 벌채 후 잔가지를 제거한 뒤 10 ㎝로 절단하여 실험하였다.

성능/효과

10은 자동 흑피 및 목질부 제거 장치에서 닥나무 투입량 10 kg, 가동시간 120분, RPM 45, 온도 60℃에서 80℃로의 2단계 공정을 고정시키고, 돌기 사이즈 및 돌기수를 변화시켜 닥나무의 흑피 제거율을 나타내었다. 120개의 돌기 개수의 실험 결과에서는 돌기 사이즈가 10 mm와 30 mm 혼합, 30 mm 그리고 10 mm 순으로 흑피 제거율이 우수한 것을 확인 할 수 있었다. 또한 돌기 사이즈 10 mm와 30 mm 혼합에서는 돌기수 120개 보다는 240개의 돌기에서 흑피 제거율이 우수함을 확인하였다.
7) 한지의 제조공정은 원료, 목질부 분리, 박피, 증해, 세척, 표백, 고해, 초지, 탈수, 건조 공정^7-8)으로 이루어지며, 닥나무 박피공정은 한지 제조에서 가장 많은 노동력을 필요로 하는 공정으로 닥나무 채취, 증자, 피닥 제조, 흑피 및 청피 제거, 백피공정 등으로 세분화 할 수 있다.⁹⁾
자동 흑피 및 목질부 제거 장치에서 닥나무 투입량 10 kg, 가동시간 120분, 온도 80℃ 그리고 돌기 사이즈 30 mm 및 돌기수 120개로 고정하고, RPM을 15, 30 그리고 45로 변화시키며 흑피 제거율 및 인피부 특성을 고찰하였다. Fig. 3은 자동 흑피 및 목질부 제거 장치의 회전수 변화에 따른 흑피 제거율을 나타내었고, 회전수가 증가할수록 투입된 닥나무의 흑피 제거율이 증가하였다.
Fig. 9는 자동 흑피 및 목질부 제거 장치의 120분간 가동시간에 따른 최적의 온도 변환 조건을 나타낸 것으로 닥나무 투입량 10 kg, RPM 45 그리고 돌기 사이즈 30 mm 및 돌기수 120개로 고정하였을 때 닥나무 흑피 제거율이 87.88% 그리고 인피부와 목질부가 100% 분리되는 성능을 보였다. 따라서 드럼내부 온도 60℃에서 80℃로의 2단계 공정을 통하여 하나의 자동화 설비로 흑피 및 목질부 제거가 가능하다.
Table 4는 돌기 사이즈 및 돌기수 변화에 따른 인피부의 조성분 함량을 나타내었고 흑피 제거율이 증가할수록 추출물, 리그닌 그리고 회분 함량이 감소하며, 홀로셀룰로오스 함량은 증가함을 확인하였다.
Table 3은 자동 흑피 및 목질부 제거 장치의 온도 변화에 따른 인피부의 조성분 함량을 나타내었다. 드럼 내부의 온도 60℃에서 추출물, 리그닌 그리고 회분 함량이 가장 감소하고 반면에 홀로셀룰로오스 함량이 가장 증가함을 확인하였다.
5는 자동 흑피 및 목질부 제거 장치에서 닥나무 투입량 10 kg, 가동시간 120분, 회전수를 45, 그리고 돌기 사이즈 30 mm 및 돌기수 120개로 고정하고 온도를 50~80℃로 변화시키며 흑피 제거율을 나타내었다. 드럼내부의 온도가 60℃에서 90% 수준의 흑피 제거율 보이다 그 이상의 온도에서는 흑피 제거율이 80% 수준임을 알 수 있었다.
120개의 돌기 개수의 실험 결과에서는 돌기 사이즈가 10 mm와 30 mm 혼합, 30 mm 그리고 10 mm 순으로 흑피 제거율이 우수한 것을 확인 할 수 있었다. 또한 돌기 사이즈 10 mm와 30 mm 혼합에서는 돌기수 120개 보다는 240개의 돌기에서 흑피 제거율이 우수함을 확인하였다.
자동 흑피 및 목질부 제거 장치에서 돌기 사이즈가 크고 개수가 많을수록 흑피 제거율이 우수하며, 10 mm와 30 mm 두 가지 타입의 돌기를 조합하였을 때에도 흑피 제거율이 증가하였다. 본 연구결과, 10 kg 이상의 닥나무 투입이 가능한 자동 흑피 및 목질부 제거 장치의 최적 공정조건은 드럼 회전속도 45 RPM, 가동시간 120분, 드럼내부 온도 60℃에서 80℃로의 2단계 공정, 그리고 돌기 사이즈 10 mm 및 30 mm 혼합과 돌기수 240개를 이용하는 공정이 최적의 흑피 제거와 목질부 분리가 가능하였다.
등의 연구결과에 의하면 닥나무의 백피부에 비해 흑피부는 추출물 3배, 리그닌 58배, 회분은 4배정도이고, 그리고 홀로셀룰로오스 함량은 1/3로 분석되었다. 이 연구결과로 닥나무에서 흑피 제거가 높은 인피부의 조성분에서 추출물, 리그닌 그리고 회분 함량이 감소하고 홀로셀룰로오스 함량은 증가하는 것을 볼 수 있다.
자동 흑피 및 목질부 제거 장치에서 돌기 사이즈가 크고 개수가 많을수록 흑피 제거율이 우수하며, 10 mm와 30 mm 두 가지 타입의 돌기를 조합하였을 때에도 흑피 제거율이 증가하였다. 본 연구결과, 10 kg 이상의 닥나무 투입이 가능한 자동 흑피 및 목질부 제거 장치의 최적 공정조건은 드럼 회전속도 45 RPM, 가동시간 120분, 드럼내부 온도 60℃에서 80℃로의 2단계 공정, 그리고 돌기 사이즈 10 mm 및 30 mm 혼합과 돌기수 240개를 이용하는 공정이 최적의 흑피 제거와 목질부 분리가 가능하였다.
자동 흑피 및 목질부 제거 장치의 120분간 가동시간에 따른 최적의 온도 변환 조건은 드럼내부 온도 60℃에서 80℃로의 2단계 공정을 통하여 흑피 제거 및 인피부와 목질부 분리의 두 공정이 하나의 자동화 설비로 흑피 및 목질부 제거가 가능하였다.
자동 흑피 및 목질부 제거 장치의 회전수 변화에 따른 시료의 흑피 제거 상태를 Fig. 4에 나타내었고, 45 RPM에서 가장 많은 흑피가 제거되어 드럼이 저속보다는 고속으로 회전 시 흑피 제거가 증가함을 확인하였다.
자동 흑피 및 목질부 제거 장치의 회전수(15, 30, 45 RPM) 변화에 따른 흑피 제거율에서는 회전수가 증가할수록 보다 우수한 흑피 제거율을 보였고, 45 RPM(최대 RPM)에서 흑피 제거율이 가장 높았다.
8은 드럼내부 온도와 장치의 가동시간의 변화에 따른 시료의 인피부와 목질부 분리상태를 관찰한 사진으로, 드럼내부 온도 80℃, 가동시간 60분에서 인피부에서 흑피가 제거되기 전에 목질부와 인피부가 먼저 분리되는 현상을 관찰하였다. 투입된 닥나무에서 흑피가 제거되기 이전에 목질부가 먼저 분리되면 흑피 제거율이 저하되는 것을 Fig. 9에서 확인 할 수 있었고 따라서 드럼내부 온도 60℃는 흑피 제거에 유리하고, 80℃의 경우는 목질부 분리에 적합하므로 자동 흑피 및 목질부 제거 장치의 내부 온도조건을 일차적으로 60℃에서 흑피 제거 후 80℃에서 인피부와 목질부를 분리하는 2단계 공정으로 가동이 가장 효과적인 공정조건이라고 사료된다.
Table 2는 자동 흑피 및 목질부 제거 장치의 회전수 변화에 따른 인피부의 조성분 함량을 나타내었다. 회전수가 증가 할수록 추출물, 리그닌 그리고 회분 함량이 감소하며, 홀로셀룰로오스 함량이 증가하는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	닥나무란 무엇인가?	닥나무는 천연의 다년생 식물로서 친환경적이며 지속적인 생산과 재활용이 가능하고 미생물에 의해 완전히 분해될 수 있는 재료이다. 예로부터 닥나무는 주로 종이의 용도로 한지제조에 이용되었고 닥나무 인피섬유를 이용해 제조되는 전통 수록한지는 중성지로서 보존 특성이 매우 뛰어나 무구정광대다라니경, 조선왕조실록 등 기록유산 뿐 아니라 기록물 보존수복 등으로 다양하게 사용되어 왔다.
	전통한지를 만드는 과정은 어떻게 이루어지는가?	우리 조상의 지혜와 겨레의 얼이 담긴 전통한지를 만드는 과정은 매우 복잡하고 노동 집약적이며 시간이 많이 소요되는 공정이다.7) 한지의 제조공정은 원료, 목질부 분리, 박피, 증해, 세척, 표백, 고해, 초지, 탈수, 건조 공정7-8)으로 이루어지며, 닥나무 박피공정은 한지 제조에서 가장 많은 노동력을 필요로 하는 공정으로 닥나무 채취, 증자, 피닥 제조, 흑피 및 청피 제거, 백피공정 등으로 세분화 할 수 있다.9)
	예로부터 닥나무는 어디에 이용되었는가?	닥나무는 천연의 다년생 식물로서 친환경적이며 지속적인 생산과 재활용이 가능하고 미생물에 의해 완전히 분해될 수 있는 재료이다. 예로부터 닥나무는 주로 종이의 용도로 한지제조에 이용되었고 닥나무 인피섬유를 이용해 제조되는 전통 수록한지는 중성지로서 보존 특성이 매우 뛰어나 무구정광대다라니경, 조선왕조실록 등 기록유산 뿐 아니라 기록물 보존수복 등으로 다양하게 사용되어 왔다.2) 정 등3)의 연구결과에 의하면 조선왕조실록에 사용된 한지는 현재까지도 높은 분자량을 유지하고 있어 종이의 내구성과 보존성이 입증되고 있다.

참고문헌 (14)

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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