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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 현재 저급한 용도로 활용되고 있는 왕겨를 새로운 포장 소재 원료로 포장 완충재인 펄프몰드의 원료로 적용하여 그 활용성 증대를 위한 방안을 모색하여 보았다. 특히, 실제 펄프몰드 제조 시 왕겨섬유의 적용에 따른 영향을 평가하고 분석함으로써 향후 친환경적 포장소재인 펄프몰드 제조를 위한 기반 자료를 확보하고자 하였다.
- 본 연구에서는 왕겨를 알칼리 증해 공정을 통해 섬유화하여 대표적 완충포장재인 펄프몰드의 친환경 원료로써 활용하기 위한 적용성을 알아보고자 하였다. 왕겨섬유 적용에 따른 영향을 알아보고자 왕겨섬유 적용에 따른 펄프몰드 제조 특성변화 및 물성 변화 등을 비교 평가하였다.
- 따라서 본 연구에서는 현재 저급한 용도로 활용되고 있는 왕겨를 새로운 포장 소재 원료로 포장 완충재인 펄프몰드의 원료로 적용하여 그 활용성 증대를 위한 방안을 모색하여 보았다. 특히, 실제 펄프몰드 제조 시 왕겨섬유의 적용에 따른 영향을 평가하고 분석함으로써 향후 친환경적 포장소재인 펄프몰드 제조를 위한 기반 자료를 확보하고자 하였다.
제안 방법
- 이때 Crucible filter를 이용하여 침지 된 시료를 21±3℃, 900 G로 30분간 원심 분리 후 펄프의 무게(W1)를 측정 한 후 105℃에서 건조시켜 섬유의 전건무게(W2)를 다시 측정하여 Eq. 1에 의해서 WRV(%)를 도출하였다.
- 왕겨섬유 적용에 따른 영향을 알아보고자 왕겨섬유 적용에 따른 펄프몰드 제조 특성변화 및 물성 변화 등을 비교 평가하였다. OCC, UBKP, 왕겨섬유의 특성을 파악하기 위해 무기물 함량, 보수도를 측정 하였고 OCC와 UBKP에 왕겨섬유를 10, 20, 30% 첨가하여 펄프몰드 시험편을 제조하여 제조 시 공정에 영향을 미치는 탈수성 및 건조도를 측정하였고 제조된 시험편의 벌크 및 단면과 표면의 구조적 특성을 평가 하였다.
- 5% 조건으로 액비 5 : 1 가 되도록 투입하고 170℃ 온도에서 120분 증해를 실시하였다. 또한 펄핑효율 증대를 위하여 Anthraquinone 0.3%를 첨가하여 증해 한 뒤 섬유분에 잔류 흑액 성분이 남아있지 않도록 충분히 세척을 실시하였다.
- 왕겨섬유 배합비에 따른 펄프몰드의 벌크특성 변화를 비교평가하기 위하여 각각의 조성비로 제조된 펄프몰드 시험편을 24시간 항온항습(23±1℃, RH 50%)처리한 후 벌크 특성을 평가하였다.
- 에 물 1300 mL의 탈수시 탈수 시간 및 최종 함수율을 측정하여 비교 평가하였다. 왕겨섬유 적용에 따른 성형된 펄프몰드 건조효율성을 비교 평가하기 위하여 탈수 성형 후 건조 전 몰드를 지름 62 mm의 원형의 시료로 준비하고 이를 가열건조식수분계 (RADWAG MAC50)를 사용하여 120℃로 가열 건조하면서 건조도 변화 및 최종 건조시간을 측정하여 각 조건효율 변화를 비교 평가 하였다.
- 본 연구에서는 왕겨를 알칼리 증해 공정을 통해 섬유화하여 대표적 완충포장재인 펄프몰드의 친환경 원료로써 활용하기 위한 적용성을 알아보고자 하였다. 왕겨섬유 적용에 따른 영향을 알아보고자 왕겨섬유 적용에 따른 펄프몰드 제조 특성변화 및 물성 변화 등을 비교 평가하였다. OCC, UBKP, 왕겨섬유의 특성을 파악하기 위해 무기물 함량, 보수도를 측정 하였고 OCC와 UBKP에 왕겨섬유를 10, 20, 30% 첨가하여 펄프몰드 시험편을 제조하여 제조 시 공정에 영향을 미치는 탈수성 및 건조도를 측정하였고 제조된 시험편의 벌크 및 단면과 표면의 구조적 특성을 평가 하였다.
- 왕겨섬유 첨가가 탈수 후 건조공정에 미치는 영향을 측정하기 위해 성형 진공탈수 직후 함수율과 건조 시간을 측정하여 건조도를 평가 하였다. Fig.
- 왕겨섬유 첨가량에 따른 펄프몰드의 특성 변화를 평가하기 위하여 실험실용 습식몰드 성형기를 적용하여 펄프몰드 시험편을 제조하였다. 펄프몰드 기반원료로는 OCC, UBKP를 사용하였으며 해리된 각각의 펄프를 평량 200±10 g/m2의 조건으로 압착탈수 공정을 거치지 않고 190℃의 열판에서 건조하여 펄프몰드를 제조하고 각각의 지료에서 왕겨섬유의 배합비를 10%, 20%, 30%하여 펄프몰드를 제조하였다.
- 왕겨섬유 첨가에 따라 습식펄프몰드 성형 탈수성에 미치는 영향을 평가하기 위해 300 mmHg의 진공압력으로 탈수되는 시간을 측정 하였다. Fig.
- 왕겨섬유 첨가에 따른 습식펄프몰드 제조시 성형 탈수성을 평가 하기 위해 펄프몰드 성형 시 300 mmHg의 진공압력으로 면적 95 cm2에 물 1300 mL의 탈수시 탈수 시간 및 최종 함수율을 측정하여 비교 평가하였다. 왕겨섬유 적용에 따른 성형된 펄프몰드 건조효율성을 비교 평가하기 위하여 탈수 성형 후 건조 전 몰드를 지름 62 mm의 원형의 시료로 준비하고 이를 가열건조식수분계 (RADWAG MAC50)를 사용하여 120℃로 가열 건조하면서 건조도 변화 및 최종 건조시간을 측정하여 각 조건효율 변화를 비교 평가 하였다.
- 왕겨섬유 첨가에 따른 펄프몰드의 표면 구조 변화를 비교 평가하고자 벌크의 변화폭이 큰 OCC 펄프몰드 시험편의 표면을 전자현미경으로 관찰하였다. Fig.
- 왕겨섬유와 펄프원료의 수분 흡수 정도를 비교평가하기 위해 섬유의 보수도(WRV, Water Retention Value)를 측정하였다. 보수도는 일정시간동안 물에 침지시켜 포수 시킨 후 TAPPI UM 256에 의거하여 평가하였다.
- 이렇게 제조된 펄프몰드는 24시간 항온항습(23±1℃, RH 50%)처리한 후 그 특성변화를 비교분석 하였다.
- 증해 공정을 통해 제조된 왕겨섬유의 섬유화도를 측정하기 위해 40 mesh와 200 mesh를 이용해 미해섬된 부분과 미세분 부분을 분리하여 섬유분 수율을 측정하였다. Table 2의 왕겨 섬유의 섬유화도를 측정한 결과 섬유화가 되지 않은 플레이크가 7.
- 증해 전 왕겨 내에는 10~20%의 무기질을 포함하고 있고 이는 대체로 95% 이상의 실리카 로 구성되어 있다. 증해공정에서 이러한 왕겨내 무기물은 대부분 용해되어 제거되는데 증해 후 왕겨섬유의 잔류하는 무기물의 양을 525℃, 4시간 조건으로 회분을 측정하여 하여 증해 정도및 왕겨섬유의 특성을 평가하였다.
- 증해공정을 통해 제조된 왕겨섬유의 섬유화도를 평가하기 위해 40, 200 mesh를 이용해 40 mesh 이상 잔여분인 미해섬된 부분과 200 mesh 이하 미세분 분리를 통해 flake, fiber, fine 분 으로 나누어 섬유분의 수율을 평가하였다.
- 펄프몰드 기반원료로는 OCC, UBKP를 사용하였으며 해리된 각각의 펄프를 평량 200±10 g/m2의 조건으로 압착탈수 공정을 거치지 않고 190℃의 열판에서 건조하여 펄프몰드를 제조하고 각각의 지료에서 왕겨섬유의 배합비를 10%, 20%, 30%하여 펄프몰드를 제조하였다.
대상 데이터
- 펄프몰드의 제조를 위하여 D사에서 분양받은 K-OC-C(Korea old corrugated container), UBKP(침엽수, 칠레산)을 사용하였고, 각각의 원료를 실험실용 Vally beater를 사용하여 20분간 해리하여 지료를 조성하였다.
데이터처리
- 각각 제조된 펄프몰드 시료의 두께를 측정하여 벌크특성을 평가하였고, 제조된 시험편의 표면 및 단면의 구조 특성은 전계방사형 주사전자현미경 (Field Emission Scanning Electron Microscope, FE SEM, Philips XL30 ESEM TMP)을 이용하여 관찰 하였다.
이론/모형
- 왕겨섬유와 펄프원료의 수분 흡수 정도를 비교평가하기 위해 섬유의 보수도(WRV, Water Retention Value)를 측정하였다. 보수도는 일정시간동안 물에 침지시켜 포수 시킨 후 TAPPI UM 256에 의거하여 평가하였다. 이때 Crucible filter를 이용하여 침지 된 시료를 21±3℃, 900 G로 30분간 원심 분리 후 펄프의 무게(W1)를 측정 한 후 105℃에서 건조시켜 섬유의 전건무게(W2)를 다시 측정하여 Eq.
성능/효과
- 1은 왕겨섬유 배합비 변화에 따른 탈수시간 변화를 나타낸 것이다. OCC 와 UBKP 지료 각각에서 왕겨 섬유 첨가량 증가에 따라 탈수시간 감소로 탈수성이 증가 하는 것을 확인하였다. OCC의 경우 4.
- 증해 공정을 통해 제조된 왕겨섬유의 섬유화도를 측정하기 위해 40 mesh와 200 mesh를 이용해 미해섬된 부분과 미세분 부분을 분리하여 섬유분 수율을 측정하였다. Table 2의 왕겨 섬유의 섬유화도를 측정한 결과 섬유화가 되지 않은 플레이크가 7.5%, 미세분이 8.7%이었으며 최종 섬유화도는 83.8%로 나타났다.
- 왕겨 내에는 10~20%의 무기질을 포함하고 있는데 이러한 무기물의 제거정도를 평가하였다. Table 3의 왕겨섬유와 펄프원료의 회분 및 수분 흡수 특성 분석 결과 왕겨섬유의 잔여 회분량은 1.42%로 증해 공정을 통해 실리카 등의 무기물이 대부분 제거 된 것으로 확인 되었고 OCC의 경우 15.45%의 무기물 함량을 가지는 것으로 나타났다. 섬유 보수도 측정결과 왕겨섬유의 보수성이 가장 높게 나타나는 것을 확인 할 수 있었다.
- 이는 OCC에 비해 상대적으로 잔류 무기물이 적고 보수도가 높은 왕겨섬유의 증가로 인해 탈수 후 함수율이 증가하면서 건조시간이 늘어나는 것으로 판단되었다. UBKP의 경우는 OCC와는 반대로 왕겨섬유 첨가에 따라 탈수 후 함수율이 감소하였고 이에 따라 건조시간 또한 감소하는 것을 확인 하였다.
- 45%의 무기물 함량을 가지는 것으로 나타났다. 섬유 보수도 측정결과 왕겨섬유의 보수성이 가장 높게 나타나는 것을 확인 할 수 있었다.
- 왕겨섬유 첨가가 제조 공정에 미치는 영향을 평가하기 위해 탈수성과 건조도를 평가한 결과 탈수성은 OCC와 UBKP 모두에서 첨가량 증가에 따라 성형 공정에서 탈수 시간이 감소하는 것을 확인 할 수 있었으며 OCC의 경우에는 감소폭이 상대적으로 크게 나타났다. 성형 후 열풍건조에 있어서 OCC 기반 펄프몰드의 경우 왕겨섬유 첨가량에 따라 건조속도는 감소하는 경향을 나타내었는데 이는 왕겨섬유의 상대적으로 높은 보수성 때문으로 판단되었다. UBKP 기반 펄프몰드의 경우에는 OCC와 반대로 왕겨섬유의 첨가에 따라 건조시간이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
- 왕겨섬유 첨가가 제조 공정에 미치는 영향을 평가하기 위해 탈수성과 건조도를 평가한 결과 탈수성은 OCC와 UBKP 모두에서 첨가량 증가에 따라 성형 공정에서 탈수 시간이 감소하는 것을 확인 할 수 있었으며 OCC의 경우에는 감소폭이 상대적으로 크게 나타났다. 성형 후 열풍건조에 있어서 OCC 기반 펄프몰드의 경우 왕겨섬유 첨가량에 따라 건조속도는 감소하는 경향을 나타내었는데 이는 왕겨섬유의 상대적으로 높은 보수성 때문으로 판단되었다.
- 6의 좌측은 OCC 100%로 제조된 펄프몰드 시험편의 표면이고 우측은 왕겨섬유 30%를 첨가하여 제조한 시험편의 표면이다. 왕겨섬유를 첨가하지 않은 OCC 100%의 시험편의 경우보다 왕겨섬유를 첨가한 경우에 있어서 펄프몰드 표면에 많은 공극이 형성되어 있는 것을 볼 수 있었고 특히 톱니형의 왕겨섬유들을 펄프몰드 표면에서 확인할 수 있었다.
- 왕겨섬유의 펄프몰드 적용성을 평가한 결과를 종합해 볼 때 적용 펄프몰드에 따라 성형 탈수성이나 건조도와 같은 공정 효율을 개선할 수 있을 것으로 판단되었고, 특히, 포장 완충재로써 특성인 벌크특성의 개선이 가능할 수 있을 것으로 판단되었다.
- 제조된 시험편의 벌크 및 구조특성을 평가한 결과 왕겨섬유 첨가 시 벌크 특성이 향상됨을 확인 하였고 전자현미경을 이용한 표면분석을 통해 표면공극성이 증가하는 것으로 볼 수 있었다.
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