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문제 정의
- 본 연구에서는 대나무 자원의 펄프화 특성을 확인하고자 맹종죽, 왕대, 솜대 3가지 종을 소다 및 소다-안트라퀴논 펄프를 제조하여 펄프의 화학적 특성과 섬유 특성을 분석하였다.
가설 설정
- 5) 이 섬유자원은 단기간에 재생산이 가능하며 이로 인해 생산성이 높고 대부분 가격이 저렴하다는 장점이 있다.6,7) 대나무를 화학펄프로 만들 때 소다 펄핑 공정보다는 크라프트 펄핑 공정을 선호한다. 대나무에 존재하는 리그닌의 제거가 용이할 뿐만 아니라 수율과 펄프의 강도를 만족시키기 때문이다.
제안 방법
- 2차 가수분해는 중수(D20)를 넣어 희석한 후 온도를 100℃에서 한 시간 동안 2차 가수분해를 실시하여 단당의 손실을 최소화 하도록 하였다. 2차 가수분해가 끝난 시료에 Rhamnose를 표준물질로 첨가 후 여과과정을 거쳐 얻은 여과액을 모아 Bruker AVANCE NMR spectrometer(500 M㎐) 기기를 이용하여 분석하였다. 분석된 NMR 스펙트럼 상에서 아노머성 수소 피크를 적분하여 탄수화물 조성을 측정하였다.
- 안트라퀴논 첨가 펄핑 시 소다펄핑과 비교하여 왕대, 맹종죽, 솜대 모두 수율이 증가하였고, 카파값도 낮은 것을 확인할 수 있었다. 같은 H-factor 조건에서 솜대는 맹종죽, 왕대보다 12.9-14.9%의 낮은 카파값을 보였고, 16.6-20.1의 카파값까지 H-factor를 조절하여 펄핑 후 특성을 비교하였다. 왕대와 맹종죽의 펄프 수율은 29.
- 공시 재료의 탄수화물 조성을 확인하기 위하여 1H-NMR 분석을 실시하였다.
- 목재의 화학적 조성 분석을 위하여 아세톤 추출물 함량 측정(Tappi 204 om-88), 열수 추출물 함량 측정(Tappi 207 om-93), Klason 리그닌 분석(Tappi 222 om-88)을 실시하였다.
- 2차 가수분해가 끝난 시료에 Rhamnose를 표준물질로 첨가 후 여과과정을 거쳐 얻은 여과액을 모아 Bruker AVANCE NMR spectrometer(500 M㎐) 기기를 이용하여 분석하였다. 분석된 NMR 스펙트럼 상에서 아노머성 수소 피크를 적분하여 탄수화물 조성을 측정하였다.
- 제조된 펄프의 특성은 섬유분석기(Kajaani Fiber Lab Fiber Analyze, Metso, Finland)를 사용하여 섬유의 길이, 폭을 측정하였다.
- 충분하게 건조시킨 후 펄핑에 적합한 크기(0.2 cm×0.2 cm×3 cm)의 칩을 제조하여 실험에 적용하였다.
대상 데이터
- 국립산림과학원 남부산림연구소 죽종림에서 채취한 맹종죽(Phyllostachys pubescens), 왕대(Phyllostachys bambusoides), 솜대(Phyllostachys nigra var. henonis)를 공시재료로 사용하였다. 충분하게 건조시킨 후 펄핑에 적합한 크기(0.
성능/효과
- 1) 대나무는 벼목 (Graminales)에 속하는 화본과 (Gramineae), 대나무아과 (Bambusoidease)에 속하는 식물로 분류된다.
- 0 mm이지만 길이 1-3 mm 펄프가 소다 펄프에 더 많이 존재하여 (Fig. 1) 섬유길이 가중치 섬유 평균길이가 0.07 mm 더 길었다 (Table 5). 이런 경향은 왕대에서 더욱 뚜렷하여 (Fig.
- 이런 경향은 왕대에서 더욱 뚜렷하여 (Fig. 2) 소다 펄핑 공정으로 만들어진 섬유 길이 가중치 섬유 평균 길이가 0.18 mm가 더 길었다. 솜대는 소다 펄프와 소다-안트라퀴논 펄프에서 가장 많이 존재하는 펄프의 길이는 1-2 mm이고, 맹종죽과 왕대와 다르게 소다 안트라퀴논 펄프의 섬유길이 가중치 섬유 평균 길이가 0.
- 5%)보다 높은 값이며, 이를 보아 자일란 함량 감소에 의한 펄프 수율 저하가 나타난 것으로 판단된다.22) 맹종죽, 왕대, 솜대에서 다른 목재 원료보다 높은 자일란 손실이 나타나는 것은 맹종죽, 왕대, 솜대의 자일란은 다른 목질계 자원과 비교하여 낮은 4-O-methylglucuronic acid 함량을 가지고 있어 (1.20%) 펄핑 과정 중 자일란의 필링반응 억제가 어렵기 때문이다.23) 솜대는 최대 수율 43.
- 3으로 보고되었다.22) 솜대를 원료로 사용한 펄핑 펄프 수율(40.6-43.2%)과 카파값 (16.6-20.1)은 왕대와 맹종죽보다 높은 수율과 낮은 카파값을 확인하였다. 솜대가 맹종죽과 왕대보다 펄프, 제지 산업의 원료로 더 적합한 것으로 생각된다.
- 20%) 펄핑 과정 중 자일란의 필링반응 억제가 어렵기 때문이다.23) 솜대는 최대 수율 43.2%로 맹종죽, 왕대 (31.7-39.2%)보다 높은 수율을 보인다. 이는 펄핑 과정중 맹종죽, 왕대보다 솜대가 글루칸, 자일란의 감소율이 낮은 것으로 확인된다.
- 4) 섬유 평균 길이가 1.5-4.4mm로 침엽수 펄프와 비견될 만한 섬유적 특성을 지니고 있고 제지용 펄프로 적합하다.5) 이 섬유자원은 단기간에 재생산이 가능하며 이로 인해 생산성이 높고 대부분 가격이 저렴하다는 장점이 있다.
- 4mm로 침엽수 펄프와 비견될 만한 섬유적 특성을 지니고 있고 제지용 펄프로 적합하다.5) 이 섬유자원은 단기간에 재생산이 가능하며 이로 인해 생산성이 높고 대부분 가격이 저렴하다는 장점이 있다.6,7) 대나무를 화학펄프로 만들 때 소다 펄핑 공정보다는 크라프트 펄핑 공정을 선호한다.
- 대나무의 소다, 소다 안트라퀴논 펄프의 탄수화물 조성 분석 결과 소다, 소다 안트라퀴논 펄프의 자일로스 함량이 맹종죽, 왕대, 솜대 원료의 자일로스 함량보다 약 19.5-22.0% 감소한 것을 확인할 수 있다. 이는 백합 나무의 자일로스 함량 감소(5.
- 0% 높은 것을 볼 수 있다. 대나무의 탄수화물 조성은 셀룰로오스를 구성하는 글루칸이 많은 양을 차지하며, 헤미셀룰로오스 중 자일란이 그 다음으로 많은 것을 확인하였다. 맹종죽, 왕대, 솜대는 백합나무와 비교하여 상대적인 자일로스 함량이 높고 글루코오스 함량이 낮았다.
- 맹종죽, 왕대, 솜대(1.18-1.46 mm)는 활엽수의 백합나무(0.68 mm)보다 섬유길이가 약 2배정도 긴 것을 확인할 수 있고, 섬유두께는 백합나무(16.5 μm)보다 맹종 죽과 솜대가(14.3-15.5 μm) 얇고 왕대(16.9 μm)와 유사하다(Table 5).
- 대나무의 탄수화물 조성은 셀룰로오스를 구성하는 글루칸이 많은 양을 차지하며, 헤미셀룰로오스 중 자일란이 그 다음으로 많은 것을 확인하였다. 맹종죽, 왕대, 솜대는 백합나무와 비교하여 상대적인 자일로스 함량이 높고 글루코오스 함량이 낮았다. 위 결과로 볼 때 펄핑과정에서 쉽게 제거되는 자일로스 함량이 높은 맹종죽과 왕대는 펄핑 후 백합 나무보다 낮은 수율을 나타낼 것으로 예상한다.
- 본 연구에 사용한 맹종죽, 왕대, 솜대의 화학적 조성을 비교해 보면(Table 1), 3가지 종의 대나무 추출물 함량 (11.2-13.1%)은 활엽수의 백합나무(16.5%)보다 낮고 리그닌 함량(21.6-27.0%)도 활엽수 수종인 백합나무와 비교하여 4.1-9.5% 높았다. 솜대의 추출물(13.
- 9 μm)와 유사하다(Table 5). 소다펄프에서 솜대가 가장 짧으며 왕대가 가장 긴 것을 확인하였다.(Figure 1,2,3).
- 5% 높았다. 솜대의 추출물(13.1%)은 맹종죽의 추출물(11.2%)과 왕대의 추출물(13.1%)보다 높은 함량을 보였으며, 리그닌 함량은 맹종죽(27.0%)이 왕대 (21.6%)와 솜대(21.6%)보다 많은 함량을 보였다. 열수 추출물과 리그닌 성분은 알칼리 증해 과정 과정에서 대부분 제거되기 때문에 함량이 높은 맹종죽(37.
- 안트라퀴논 첨가 펄핑 시 소다펄핑과 비교하여 왕대, 맹종죽, 솜대 모두 수율이 증가하였고, 카파값도 낮은 것을 확인할 수 있었다. 같은 H-factor 조건에서 솜대는 맹종죽, 왕대보다 12.
- 왕대의 소다 펄프의 섬유장 길이는 1.46 mm로 맹종죽과 솜대보다 0.07-0.27 mm 더 길고, 섬유폭은 16.5 μm로 맹종죽, 솜대보다 1.2-2.2 μm 더 두꺼운 것을 확인하였다.
- 맹종죽, 왕대, 솜대는 백합나무와 비교하여 상대적인 자일로스 함량이 높고 글루코오스 함량이 낮았다. 위 결과로 볼 때 펄핑과정에서 쉽게 제거되는 자일로스 함량이 높은 맹종죽과 왕대는 펄핑 후 백합 나무보다 낮은 수율을 나타낼 것으로 예상한다.
후속연구
- 9 μm)은 5 μm 얇다. 이를 보아 유칼립투스 펄프를 대체하여 특정 제지공정에 사용 할 수 있을 것이라 생각된다. 대나무 중 조릿대의 평균 섬유길이는 0.
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