[논문]산업용지 생산을 위한 UKP 중요 특성 선정과 분석 - 섬유의 화학적 특성과 산업용지 특성과의 관계 -

박창순; 박종문; 채희재; 임종혁

문제 정의

본 연구에서는 국내에 유통되는 UKP(Unbleached Kraft Pulp)의 화학적, 구조적 특성에 따라 변하는 수초지의 강도적 성질에 대해 살펴보았다.
그러나 문명 및 산업의 급격한 발전과 더불어 종이의 용도가 매우 다양해졌을 뿐만 아니라 요구되는 종이 품질도 매우 까다로워지게 되어 단순한 품질관리로만으로는 소비자의 욕구를 채워줄 수 없을 뿐만 아니라 국제 경쟁을 하기 어렵게 되었다. 진정한 종이 물성학의 목적은 펄프의 원료인 목재의 성질, 각종 펄프화법 및 조건에 따른 펄프의 해부학적, 물리적, 화학적, 열적 및 전기적 특성, 고해처리에 따른 펄프 및 종이의 특성변화, 각종 첨가제에 의한 섬유간결합 특성 및 기타 물성의 변화, 초지기로부터 최종적으로 건조되어 시트 상으로 나올 때까지의 제반 공정조건에 따른 종이의 성질 변화, 도공을 포함한 지류가공과 관련된 상호작용 및 종이의 품질이 가공적성 및 인쇄적성에 미치는 영향 등을 분석하고, 응용할 수 있도록 능력을 부여하는 것이다. 종이의 성질에 영향을 미치는 주요 인자로는 펄프섬유의 구조적, 화학적 성질, 섬유 간 결합정도, 섬유배향, 건조하는 동안 수축 억제정도 등을 들을 수 있다.

제안 방법

H-NMR : 각각의 공시펄프를(전건기준)40 mg으로 정량 한 뒤, 72% H₂ SO₄에 1 h 동안 반응 시켜 1차 가수 분해를 실시하고, D₂O 2 mL를 첨가하고 120℃에서 2 h동안 2차 가수분해를 실시하고 filtering 된 여액을 의뢰하였다. 실험방법을 다음과 같이모식화(Fig.
각 펄프 4종에 대하여 Klason lignin, Kappa 가, H-NMR(Nuclear Magnetic Resonance)을 측정하였다.
각 펄프 4종을 물에 해섬 시킨 후, 염색하여 Olympus SZX 12로 관찰 한 뒤, U-TVO-63℃를 이용하여 사진촬영을 실시하였다. 그리고 Morfi Labo(LB-01)를 이용하여 섬유의 특성을 파악하였다.
각각의 공시 펄프(전건 기준) 2.0 g ± 0.1 g를 72% H2 SO4 40 mL에 2시간동안 침지 하고, 증류수를 이용하여 3%로 희석한 뒤, Auto clave를 이용하여 100℃, 4 h으로 가열하고, 하루 동안 정치한 뒤, 1G3 Glass filter를 사용하여 정량하였다.
국내에 유통되는 UKP의 리그닌 함량, hemicellulose의 함량, 섬유의 특성, 강도적 성질에 대해 실험하였다. 리그닌의 함량은 D펄프가 제일 많았으며, 그에 따라 좋은 투기성을 보이지만 인장강도와 신장률, 그리고 파괴인성에서는 리그닌의 영향으로 인한 섬유 간 결합의 방해로 fiber bonding strength의 감소를 가져다 주었으며 다른 펄프보다 강도적 성질이 떨어졌다.
각 펄프 4종을 물에 해섬 시킨 후, 염색하여 Olympus SZX 12로 관찰 한 뒤, U-TVO-63℃를 이용하여 사진촬영을 실시하였다. 그리고 Morfi Labo(LB-01)를 이용하여 섬유의 특성을 파악하였다.
실험실용 원형 수초지기를 이용하여 TAPPI standard T205 om-88에 의거하여 평량 80g/m²으로 수초하였다,
정확한 Kappa 가를 측정하기 위해 KMnO4의 용액을 25 mL, Na2 S2 O3를 12.5 mL로 고정한 뒤 필요한 펄프의 무게를 구하였다.
제조된 수초지는 TAPPI standard T402 om-83에 따라 온도 23±1℃, 상대습도 50±2%로 조습처리 한 후 SCAN-P67/P77 에 의거하여 L&W사의 tensile tester with fracture toughness를 이용하여 측정하였다.

대상 데이터

Klason lignin : TAPPI standard T 222 om-88에 의거하여 실험하였다. 각각의 공시 펄프(전건 기준) 2.
국내에 유통되는 UKP 4종을 분양받아 사용하였다.

성능/효과

각 펄프를 사용한 수초지의 물리적 강도 특성을 그림에 나타냈다. A펄프수초지가 가장 좋은 인장강도를 보였으며, 신장률은 B펄프수초지, 투기도는 D펄프수초지, 파괴인성은 B펄프수초지로 나타났다. Xylan의 함량은 C펄프가 다른 펄프에 비해 많은 함량비율을 보여 강도적 성질이 우수할 것으로 보였으나, 펄핑 시 활엽수재의 혼합으로 인한 xylan의 증가로 보이며, 그에 따라 강도적인 측면에서의 선전을 보이지 않았다.
리그닌의 함량은 D펄프가 제일 많았으며, 그에 따라 좋은 투기성을 보이지만 인장강도와 신장률, 그리고 파괴인성에서는 리그닌의 영향으로 인한 섬유 간 결합의 방해로 fiber bonding strength의 감소를 가져다 주었으며 다른 펄프보다 강도적 성질이 떨어졌다. H-NMR 분석결과 hemicellulose의 함량은 C펄프가 제일 높아 강도적 성질이 우수할 것으로 보였으나, 섬유장 및 현미경 분석을 통해 C펄프는 펄핑 시 침엽수외의 활엽수재의 혼합으로 인해 기인한 것이다른 펄프보다 높은 hemicellulose의 함량을 보인 것이며, hemicellulose의 함량에 따른 강도적 성질의 향상여부판단은 다소 난해한 경향으로 보인다. 하지만 H-NMR도 펄프의 특성을 알아보는 좋은 방법이 될 수도 있다고 생각되며, 각 펄프의 리그닌 함량, 섬유의 특성, 현미경적 분석, H-NMR를 통해 펄프를 선정하는데 도움이 될 것이다.
A펄프수초지가 가장 좋은 인장강도를 보였으며, 신장률은 B펄프수초지, 투기도는 D펄프수초지, 파괴인성은 B펄프수초지로 나타났다. Xylan의 함량은 C펄프가 다른 펄프에 비해 많은 함량비율을 보여 강도적 성질이 우수할 것으로 보였으나, 펄핑 시 활엽수재의 혼합으로 인한 xylan의 증가로 보이며, 그에 따라 강도적인 측면에서의 선전을 보이지 않았다. C펄프와 D펄프의 신장률이 낮은 이유는 각각 활엽수의 성분과 리그닌의 함량으로 설명할 수 있다.
국내에 유통되는 UKP의 리그닌 함량, hemicellulose의 함량, 섬유의 특성, 강도적 성질에 대해 실험하였다. 리그닌의 함량은 D펄프가 제일 많았으며, 그에 따라 좋은 투기성을 보이지만 인장강도와 신장률, 그리고 파괴인성에서는 리그닌의 영향으로 인한 섬유 간 결합의 방해로 fiber bonding strength의 감소를 가져다 주었으며 다른 펄프보다 강도적 성질이 떨어졌다. H-NMR 분석결과 hemicellulose의 함량은 C펄프가 제일 높아 강도적 성질이 우수할 것으로 보였으나, 섬유장 및 현미경 분석을 통해 C펄프는 펄핑 시 침엽수외의 활엽수재의 혼합으로 인해 기인한 것이다른 펄프보다 높은 hemicellulose의 함량을 보인 것이며, hemicellulose의 함량에 따른 강도적 성질의 향상여부판단은 다소 난해한 경향으로 보인다.
B펄프의 낮은 투기성의 이유는 고해를 하면서 다른 펄프보다 장시간의 시간이 필요했으며 그에 따라 미세분의 함량이 증가하여 투기성이 낮은 것으로 판단된다. 신장률이 좋은 A, B펄프가 파괴인성이 높았고, 신장률이 떨어진 C, D펄프는 다소 낮은 값의 파괴인성이 측정되었다.
일반적으로 펄프의 수율이 30%까지는 리그닌의 제거와 섬유의 유연성 증가, 섬유 결합의 증가로 각 강도 값이 증가하지만 30%미만으로는 급격하게 감소한다. 실험결과로 A펄프와 B펄프의 Kappa가는 각각 23.27, 25.03으로 다른 펄프보다 낮게 나왔는데 이는 펄핑 시 과도한 증해로 인한 것으로 보이며, 강도 값이 다른 펄프 보다는 작게 나올 것으로 예상된다.
여기서 주목할 점은 C펄프의 섬유이다. 앞서 화학분석(H-NMR)과 섬유특성에서 예견된 펄핑 시 활엽수재의 혼합가능성을 확인할 수 있었다. 다른 펄프는 침엽수재에서 발견되는 가도관이 주성분이지만, C펄프는 침엽수의 가도관과 활엽수재의 도관 및 기타성분을 볼 수 있다.
Hemicellulose는 물에 대한 친화성이 크기 때문에 섬유의 팽윤과 피브릴화를 증진시킨다. 위의 사실을 미루어 볼 때 C펄프는 2가지의 가설이 생기는데 첫째, hemicellulose의 함량이 높은 활엽수펄프일 가능성과 둘째, 높은 hemicellulose의 함량으로 인한 초지 시 높은 강도적 성질을 나타내리라 예상할 수 있다.
다른 펄프는 침엽수재에서 발견되는 가도관이 주성분이지만, C펄프는 침엽수의 가도관과 활엽수재의 도관 및 기타성분을 볼 수 있다. 이 결과로 C펄프는 펄핑 시 활엽수재의 혼합으로 인해 xylan의 함량과 섬유장의 분포가 다른 펄프와 다른 양상을 보인다는 것을 알 수 있다.

후속연구

H-NMR 분석결과 hemicellulose의 함량은 C펄프가 제일 높아 강도적 성질이 우수할 것으로 보였으나, 섬유장 및 현미경 분석을 통해 C펄프는 펄핑 시 침엽수외의 활엽수재의 혼합으로 인해 기인한 것이다른 펄프보다 높은 hemicellulose의 함량을 보인 것이며, hemicellulose의 함량에 따른 강도적 성질의 향상여부판단은 다소 난해한 경향으로 보인다. 하지만 H-NMR도 펄프의 특성을 알아보는 좋은 방법이 될 수도 있다고 생각되며, 각 펄프의 리그닌 함량, 섬유의 특성, 현미경적 분석, H-NMR를 통해 펄프를 선정하는데 도움이 될 것이다.

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