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문제 정의
- 다양한 기능성 소재들의 원료로서 활용성이 높아지고 있는 침엽수 잎 및 잔가지 등은 숲 가꾸기 사업이나 간벌 등의 사업장에서 임지부산물로서, 별로 이용되지 않고 방치되거나 버려지는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 이러한 국내 임지에서 버려지는 침엽수 잎의 활용성을 증대하기 위한 방안으로서 침엽수 잎의 제지 적용 가능성을 알아보고자 하였다. 침엽수 잎에 존재하는 기능성 유기화합물은 다양한 추출방법을 통해 분리, 정제되어 고부가가치 기능성 소재로서 활용이 가능하며 이러한 과정 중에 발생되는 잔사들의 경우 특별한 활용방안이 제시된 바가 없다.
- 침엽수 잎에 존재하는 기능성 유기화합물은 다양한 추출방법을 통해 분리, 정제되어 고부가가치 기능성 소재로서 활용이 가능하며 이러한 과정 중에 발생되는 잔사들의 경우 특별한 활용방안이 제시된 바가 없다. 따라서 본 연구에서는 침엽수 잎의 부가가치 향상을 위한 추출물이 분리된 잔사의 특성을 분석하고 이의 제지 적용성을 알아보고자 하였다. 특히, 침엽수 잎의 직접적인 제지원료로서의 적용은 이러한 유기화합물이 피치트러블 등을 일으킬 수 있기 때문에 실제 유기화합물이 제거된 잔사의 경우 상대적으로 안전한 유기충전제 활용이 가능할 것으로 판단되었다.
- 본 연구에서는 기능성 정유 성분을 추출한 후 잔사 침엽수 잎의 활용방안을 모색하고자 산업용지 제조 시 벌크향상효과를 가져올 수 있는 유기충전제로서의 적용성을 평가하여 보았다. 침엽수 잎 분말의 경우 대조구로 적용된 목분에 비해 상대적으로 큰 입자크기를 가지고 있음에 따라 압착탈수 시 탈수개선 효과 등이 다소 증가되는 특성을 나타내었다.
- 본 연구에서는 현재 특별한 활용성을 가지고 있지 않은 침엽수 잎 추출 잔사의 특성을 평가하고 초지공정 적용성을 알아보았다. 특히 임지·임목 부산물에서 나오는 침엽수 잎의 증류과정 후 발생되는 침엽수 잎 잔사의 이화학적 특성과 기존 벌크 향상제로 적용되는 목분과 비교하여 제지 적용성을 평가하여 향후 기능성 유기첨가제로서의 침엽수 잎 잔사의 기본특성을 알아보았다.
제안 방법
- OCC 지료에 유기충전제로서 침엽수 잎 분말과 목분을 첨가하면서 이에 따른 압착탈수 후 건조도 변화를 비교 평가하였다. Fig.
- 침엽수 잎 분말의 제지용 유기충전제 적용성을 평가하기 위하여 골판지 지료에 첨가하면서 그 영향 정도를 비교분석하였다. OCC 지료에 침엽수 분말을 첨가하여 수초지를 제조하였다. 골판지 고지를 실험실용 Valley beater로 해리 20분, 고해 3분을 실시하여 여수도 406 ml CSF 지료를 준비하고 각각 평량 80 g/m2의 수초지를 제조하였다.
- 각각의 조건에서 제조된 수초지를 TAPPI Standard T402 om-83에 따라 온도 23±1℃, 상대습도 50±2%로 조습처리 한 후, 조건별 각각 TAPPI Standard T220 om-88에 따라 강도측정용 시편을 제작하여 인장강도(T489 om-88, T403 om-85)를 측정하였다.
- 여기에 추출처리 후 침엽수 잎 분말과 목분을 OCC 지료 전건무게에 대해 각각 5, 10, 20 % 무게비로 첨가 및 균일하게 혼합하여 수초하였다. 그 후 고압프레스를 이용하여 압력 800, 1000, 1200 kg/cm2,의 압착탈수 압력과 70 mm/s의 압착탈수 조건에서 각각 압착탈수를 실시하여 탈수 후 건조도 변화를 비교분석하였다. 압착탈수 후 드럼 드라이어를 이용하여 건조하여 수초지를 제조한 후 각각의 종이물성을 평가하였다.
- 채집한 솔잎은 휘발성 성분의 건조로 인한 성분변화를 최소화하기 위해 채집 후 12 시간 이내에 실험에 적용하였으며, 불순물을 제거한 솔잎시료를 증류수를 적용하여 액비 1:10의 조건으로 1 시간동안 증류시켜 정유성분을 제거한 후 실험실용 햄머밀을 적용하여 분말화하여 사용하였다. 분말화한 시료는 40~100 mesh로 분급하여 제지 적용성을 평가하였다. 대조용 목분으로는 실제 백판지 제조공정 등에 적용되고 있는 제품을 H사에서 분양받아 적용하였고 침엽수 분말과 같이 40~100 mesh로 분급하여 본 실험에서는 사용하였다.
- 그 후 고압프레스를 이용하여 압력 800, 1000, 1200 kg/cm2,의 압착탈수 압력과 70 mm/s의 압착탈수 조건에서 각각 압착탈수를 실시하여 탈수 후 건조도 변화를 비교분석하였다. 압착탈수 후 드럼 드라이어를 이용하여 건조하여 수초지를 제조한 후 각각의 종이물성을 평가하였다.
- 골판지 고지를 실험실용 Valley beater로 해리 20분, 고해 3분을 실시하여 여수도 406 ml CSF 지료를 준비하고 각각 평량 80 g/m2의 수초지를 제조하였다. 여기에 추출처리 후 침엽수 잎 분말과 목분을 OCC 지료 전건무게에 대해 각각 5, 10, 20 % 무게비로 첨가 및 균일하게 혼합하여 수초하였다. 그 후 고압프레스를 이용하여 압력 800, 1000, 1200 kg/cm2,의 압착탈수 압력과 70 mm/s의 압착탈수 조건에서 각각 압착탈수를 실시하여 탈수 후 건조도 변화를 비교분석하였다.
- 제지용 충전제로 적용한 침엽수 잎의 입자 크기를 파악하기 위하여 입도 분석기를 이용한 입도분포를 측정하였다. 입도 분석기는 Sympatec GmbH(Germany)사의 레이저회절 입도 분석기(HELOS(H1433) & RODOS)로, 측정범위는 0.
- 본 연구에서 적용된 침엽수 잎은 충남대학교 학내의 소나무에서 직접 채집하여 사용하였다. 채집한 솔잎은 휘발성 성분의 건조로 인한 성분변화를 최소화하기 위해 채집 후 12 시간 이내에 실험에 적용하였으며, 불순물을 제거한 솔잎시료를 증류수를 적용하여 액비 1:10의 조건으로 1 시간동안 증류시켜 정유성분을 제거한 후 실험실용 햄머밀을 적용하여 분말화하여 사용하였다. 분말화한 시료는 40~100 mesh로 분급하여 제지 적용성을 평가하였다.
- 침엽수 잎 분말의 제지용 유기충전제 적용성을 평가하기 위하여 골판지 지료에 첨가하면서 그 영향 정도를 비교분석하였다. OCC 지료에 침엽수 분말을 첨가하여 수초지를 제조하였다.
- 침엽수의 잎의 표면과 단면, 수초지의 구조를 관찰하기 위하여 전계방사형주사현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, FESEM)을 이용하여 사용하였다. 침엽수 잎의 단면을 관찰하기 위하여 동결건조 후 잎을 횡단면 등으로 절단하여 측정하였다.
- 침엽수의 잎의 구조적 특성을 평가하고자 세척 및 동결건조를 실시하여 잎의 단면을 촬영하였다. Fig.
- 특히 임지·임목 부산물에서 나오는 침엽수 잎의 증류과정 후 발생되는 침엽수 잎 잔사의 이화학적 특성과 기존 벌크 향상제로 적용되는 목분과 비교하여 제지 적용성을 평가하여 향후 기능성 유기첨가제로서의 침엽수 잎 잔사의 기본특성을 알아보았다.
대상 데이터
- OCC 지료에 침엽수 분말을 첨가하여 수초지를 제조하였다. 골판지 고지를 실험실용 Valley beater로 해리 20분, 고해 3분을 실시하여 여수도 406 ml CSF 지료를 준비하고 각각 평량 80 g/m2의 수초지를 제조하였다. 여기에 추출처리 후 침엽수 잎 분말과 목분을 OCC 지료 전건무게에 대해 각각 5, 10, 20 % 무게비로 첨가 및 균일하게 혼합하여 수초하였다.
- 분말화한 시료는 40~100 mesh로 분급하여 제지 적용성을 평가하였다. 대조용 목분으로는 실제 백판지 제조공정 등에 적용되고 있는 제품을 H사에서 분양받아 적용하였고 침엽수 분말과 같이 40~100 mesh로 분급하여 본 실험에서는 사용하였다. 제지적용성 평가를 위한 수초지 제조원료는 산업용지를 생산하는 D사에서 생산되된 골심지 원지를 분양받아 재 해리하여 사용하였다.
- 본 연구에서 적용된 침엽수 잎은 충남대학교 학내의 소나무에서 직접 채집하여 사용하였다. 채집한 솔잎은 휘발성 성분의 건조로 인한 성분변화를 최소화하기 위해 채집 후 12 시간 이내에 실험에 적용하였으며, 불순물을 제거한 솔잎시료를 증류수를 적용하여 액비 1:10의 조건으로 1 시간동안 증류시켜 정유성분을 제거한 후 실험실용 햄머밀을 적용하여 분말화하여 사용하였다.
- 입도 분석기는 Sympatec GmbH(Germany)사의 레이저회절 입도 분석기(HELOS(H1433) & RODOS)로, 측정범위는 0.1~3500 µm까지 가능한 기기를 사용하였다.
- 대조용 목분으로는 실제 백판지 제조공정 등에 적용되고 있는 제품을 H사에서 분양받아 적용하였고 침엽수 분말과 같이 40~100 mesh로 분급하여 본 실험에서는 사용하였다. 제지적용성 평가를 위한 수초지 제조원료는 산업용지를 생산하는 D사에서 생산되된 골심지 원지를 분양받아 재 해리하여 사용하였다.
이론/모형
- 침엽수의 잎의 표면과 단면, 수초지의 구조를 관찰하기 위하여 전계방사형주사현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, FESEM)을 이용하여 사용하였다. 침엽수 잎의 단면을 관찰하기 위하여 동결건조 후 잎을 횡단면 등으로 절단하여 측정하였다.
성능/효과
- 침엽수의 잎의 구조적 특성을 평가하고자 세척 및 동결건조를 실시하여 잎의 단면을 촬영하였다. Fig. 1에서 볼 수 있듯이 잎의 겉 층은 큐티클 층이 전체를 감싸고 있었으며, 그 안쪽에는 겉피(epidermis)안에 내표피(hypodermis)까지 자리 잡고 있어 일반 넓은 잎들에 비하여 수분의 증발이 억제 시키는 구조를 가지고 있음을 확인할 수 있었다.19) 그리고 수지구(resin duct), 엽육조직(chlorenchyma)이 분포하였고, 그 안쪽에는 사부(phloem)와 목부(xylem)을 감싸고 있는 내피(dedodermis)를 확인 할 수 있었다.
- 침엽수 잎 분말의 경우 대조구로 적용된 목분에 비해 상대적으로 큰 입자크기를 가지고 있음에 따라 압착탈수 시 탈수개선 효과 등이 다소 증가되는 특성을 나타내었다. 다양한 압착탈수 조건에서 실시한 실험결과 실제 유기충전제에 의한 압착탈수 효율증대 효과는 압착탈수 압력이 클수록 더욱 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 충전제의 첨가에 따라 탈수성은 크게 개선되었으나 상대적으로 지필이 벌크한 구조를 가짐에 따라 종이의 인장강도는 감소하는 특성을 나타내었다.
- 충전제 첨가가 압착탈수성 개선효과에 미치는 영향을 목분과 침엽수 분말을 적용하여 비교평가 하였을 때 침엽수 분말 적용시 상대적으로 압착탈수성이 다소 개선됨을 볼 수 있으나 인장강도의 비교평가 시에는 상대적으로 침엽수 분말에서 감소폭이 큰 것을 확인할 수 있었다. 실제 침엽수 잎 분말과 목분의 영향성을 서로 비교하였을 때 탈수성 및 물성의 변화정도가 투입량 자체에 의한 영향에 비해 유의할 정도로 크지 않고 유사한 특성을 나타내는 것을 알 수 있었다. 따라서 침엽수 잎 분말의 경우 종이의 벌크향상을 위한 유기충전제로서 목분을 대체하여 적용할 수 있을 것으로 판단되었고, 추가적인 기능성을 부여하고 최적의 분말화 조건 등을 확보한다면 그 활용가치는 클 것으로 판단되었다.
- 4에서 볼 수 있듯이 1차 및 2차 압착 후 탈수 건조도를 비교한 결과 1차 압착탈수 공정에서 상대적으로 탈수정도가 큰 것을 알 수 있다. 유기 충전제를 첨가하였을 때는 첨가량이 증가할수록 압착탈수 후 고형분 함량이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 유기충전제가 지필 내에 공극의 증가를 가져와 압착탈수 시 탈수효율 증대를 가져오는 것으로 판단되었다.
- 이는 유기충전제가 지필 내에 공극의 증가를 가져와 압착탈수 시 탈수효율 증대를 가져오는 것으로 판단되었다. 유기충전제에 의한 압착탈수 효율증대 효과는 압착탈수 압력이 클수록 더욱 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 충전제의 종류별 압착탈수성 개선효과의 비교 시 두 충전제의 효과에서 유의한 차이는 나타나지 않았으나, 목분에 비하여 침엽수 잎 분말의 경우 모든 조건에서 상대적으로 다소 증가된 고형분 함량을 확인할 수 있었다.
- 충전제의 첨가에 따라 탈수성은 크게 개선되었으나 상대적으로 지필이 벌크한 구조를 가짐에 따라 종이의 인장강도는 감소하는 특성을 나타내었다. 충전제 첨가가 압착탈수성 개선효과에 미치는 영향을 목분과 침엽수 분말을 적용하여 비교평가 하였을 때 침엽수 분말 적용시 상대적으로 압착탈수성이 다소 개선됨을 볼 수 있으나 인장강도의 비교평가 시에는 상대적으로 침엽수 분말에서 감소폭이 큰 것을 확인할 수 있었다. 실제 침엽수 잎 분말과 목분의 영향성을 서로 비교하였을 때 탈수성 및 물성의 변화정도가 투입량 자체에 의한 영향에 비해 유의할 정도로 크지 않고 유사한 특성을 나타내는 것을 알 수 있었다.
- 충전제의 첨가량이 증가할수록 종이의 벌크는 크게 상승하는 것을 볼 수 있었고 고압 조건에서도 벌크의 상승효과는 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 충전제 첨가량이 작은 조건에서는 압착탈수 압력이 커지는 경우 벌크 향상효과 감소하였지만 충전체 첨가량이 큰 경우에는 고압의 압착탈수 조건에서도 벌크 증대효과가 지속되고 있음을 볼 수 있었다. 침엽수 잎 분말을 적용하였을 때 상대적으로 벌크의 향상 효과가 다소 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
- 유기충전제에 의한 압착탈수 효율증대 효과는 압착탈수 압력이 클수록 더욱 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 충전제의 종류별 압착탈수성 개선효과의 비교 시 두 충전제의 효과에서 유의한 차이는 나타나지 않았으나, 목분에 비하여 침엽수 잎 분말의 경우 모든 조건에서 상대적으로 다소 증가된 고형분 함량을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 침엽수 잎 분말의 입자크기가 목분에 비하여 다소 큰 것에 기인한 것으로 판단되었다.
- 6에서는 충전제 첨가 등에 의한 수초지의 구조적 특성을 나타내었다. 충전제의 첨가량이 증가할수록 종이의 벌크는 크게 상승하는 것을 볼 수 있었고 고압 조건에서도 벌크의 상승효과는 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 충전제 첨가량이 작은 조건에서는 압착탈수 압력이 커지는 경우 벌크 향상효과 감소하였지만 충전체 첨가량이 큰 경우에는 고압의 압착탈수 조건에서도 벌크 증대효과가 지속되고 있음을 볼 수 있었다.
- 다양한 압착탈수 조건에서 실시한 실험결과 실제 유기충전제에 의한 압착탈수 효율증대 효과는 압착탈수 압력이 클수록 더욱 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 충전제의 첨가에 따라 탈수성은 크게 개선되었으나 상대적으로 지필이 벌크한 구조를 가짐에 따라 종이의 인장강도는 감소하는 특성을 나타내었다. 충전제 첨가가 압착탈수성 개선효과에 미치는 영향을 목분과 침엽수 분말을 적용하여 비교평가 하였을 때 침엽수 분말 적용시 상대적으로 압착탈수성이 다소 개선됨을 볼 수 있으나 인장강도의 비교평가 시에는 상대적으로 침엽수 분말에서 감소폭이 큰 것을 확인할 수 있었다.
- 5에 나타내었다. 충전제의 투입량이 증가될수록 수초지의 강도는 감소하는 경향을 나타내었고 압착탈수 압력이 높은 경우에 감소폭이 상대적으로 크게 나타나는 것으로 확인되었다. 침엽수 잎 분말과 목분의 경우 강도적 특성의 변화는 유사하게 나타나는 것을 볼 수 있었고 상대적으로 침엽수 잎 분말의 경우에 강도가 다소 낮게 나타나는 것을 볼 수 있었다.
- 충전제의 투입량이 증가될수록 수초지의 강도는 감소하는 경향을 나타내었고 압착탈수 압력이 높은 경우에 감소폭이 상대적으로 크게 나타나는 것으로 확인되었다. 침엽수 잎 분말과 목분의 경우 강도적 특성의 변화는 유사하게 나타나는 것을 볼 수 있었고 상대적으로 침엽수 잎 분말의 경우에 강도가 다소 낮게 나타나는 것을 볼 수 있었다. 이러한 경향은 침엽수 잎 분말의 크기에 의한 영향으로 판단되나 실제 첨가량에 따른 변화 정도 등을 고려할 때 침엽수 분말로 기존의 목분을 대체할 경우 종이물성의 큰 차이는 나타나지 않을 것으로 판단되었다.
- 2에 나타내었다. 침엽수 잎 분말은 목분에 비하여 입도의 분포가 넓게 나타나는 것을 확인할 수 있었고 상대적으로 큰 입자의 분포가 많은 것을 확인할 수 있었다. 침엽수 잎의 구조적 특성으로 침엽수 잎의 크기가 100 µm이상으로 구성된 것으로 판단되었다.
- 충전제 첨가량이 작은 조건에서는 압착탈수 압력이 커지는 경우 벌크 향상효과 감소하였지만 충전체 첨가량이 큰 경우에는 고압의 압착탈수 조건에서도 벌크 증대효과가 지속되고 있음을 볼 수 있었다. 침엽수 잎 분말을 적용하였을 때 상대적으로 벌크의 향상 효과가 다소 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
- 침엽수 잎의 구조적 특성으로 침엽수 잎의 크기가 100 µm이상으로 구성된 것으로 판단되었다.
후속연구
- 실제 침엽수 잎 분말과 목분의 영향성을 서로 비교하였을 때 탈수성 및 물성의 변화정도가 투입량 자체에 의한 영향에 비해 유의할 정도로 크지 않고 유사한 특성을 나타내는 것을 알 수 있었다. 따라서 침엽수 잎 분말의 경우 종이의 벌크향상을 위한 유기충전제로서 목분을 대체하여 적용할 수 있을 것으로 판단되었고, 추가적인 기능성을 부여하고 최적의 분말화 조건 등을 확보한다면 그 활용가치는 클 것으로 판단되었다.
- 따라서 본 연구에서는 침엽수 잎의 부가가치 향상을 위한 추출물이 분리된 잔사의 특성을 분석하고 이의 제지 적용성을 알아보고자 하였다. 특히, 침엽수 잎의 직접적인 제지원료로서의 적용은 이러한 유기화합물이 피치트러블 등을 일으킬 수 있기 때문에 실제 유기화합물이 제거된 잔사의 경우 상대적으로 안전한 유기충전제 활용이 가능할 것으로 판단되었다.
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