KR100710876B1

KR100710876B1 - 진공성형 원리를 이용한 폐지 완충소재의 제조방법 및 이에따른 폐지 완충소재

Info

Publication number: KR100710876B1
Application number: KR20060030201A
Authority: KR
Inventors: 김철환; 이영민; 송대빈
Original assignee: 경상대학교산학협력단
Priority date: 2006-04-03
Filing date: 2006-04-03
Publication date: 2007-04-27
Also published as: US20070227680A1; US7591927B2

Abstract

본 발명은 진공성형 원리를 이용한 폐지 완충소재의 제조방법 및 이에 따른 폐지 완충소재에 관한 것으로, 골판지 고지(Korea Old Corrugated Container, KOCC), 신문지 고지(Korea Old Newspaper, KONP) 및 우유팩 시편(milk carton) 중 적어도 하나 이상이 선택된 폐지시료(wastepaper)를 건식해섬기(Blender)를 이용하여 해섬(Disintegrating)하는 단계; 상기 해섬된 폐지시료를 희석하여 펄프 혼탁액(pulp suspension)을 제조하는 단계; 상기 펄프 혼탁액을 양이온성 전분(cationic starch)과 혼합하는 단계; 상기 양이온성 전분이 혼합된 펄프 혼탁액을 양방향진공처리(dual vacuuming)가 가능한 진공성형장치를 이용하여 상하 양방향으로 진공탈수 시켜서 완충소재(shock absorbing material)를 제조하는 단계; 상기 완충소재를 건조(Drying)시키는 단계; 및 상기 건조된 완충소재의 표면에 표면사이징(surface sizing) 처리를 하는 단계;를 포함하여 이루어지는 진공성형 원리를 이용한 폐지 완충소재의 제조방법에 의하는 경우, 종래와 같이 압착 플레이트에 의한 압착과정이 있는 경우와는 달리 탄성계수와 밀도가 현저히 낮은 완충소재를 더욱 효과적으로 생산해 낼 수 있는 효과가 있다.

진공성형, 폐지, 완충소재

Description

진공성형 원리를 이용한 폐지 완충소재의 제조방법 및 이에 따른 폐지 완충소재{Manufacturing Method of Wastepaper Shock-Absorbing Materials Using The Vacuum Forming Principal and Wastepaper Shock Absorbing Material Using The Same}

도 1은 종래기술에 따른 펄프 몰드가 이용된 계란 트라이 등을 나타낸 사진이고,

도 2는 종래기술에 따른 펄프 몰드 제조장치를 나타내는 단면도이고,

도 3은 종래기술에 따른 펄프 몰드의 사시도 및 내부 단면도이고,

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 진공성형 원리를 이용한 폐지 완충소재의 제조방법을 나타내는 흐름도이고,

도 5는 본 발명에서 폐지시료로 사용되는 KOCC, KONP 그리고 우유팩 시편의 폐지 섬유 및 이것이 건식해섬된 상태를 보여주는 사진이고,

도 6은 본 발명에 따라 상하 양방향으로 진공 탈수시키는 원리로 작동하는 진공성형장치를 나타내는 단면도이고,

도 7은 본 발명에 따른 폐지 완충소재의 사시도 및 내부 단면도이고,

도 8은 본 발명에서 사용되는 펄프 혼탁액 및 본 발명에 따라 진공성형단계 를 거친 후의 폐지 완충소재 사이의 체적 변화를 보여주는 모식도이고,

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 양방향진공처리가 가능한 진공성형장치의 정면사진이고,

도 10은 도 9의 진공성형장치의 측면 및 후면 사진이고,

도 11은 도 9의 진공성형장치의 사각 완충소재 성형상자 및 원형 성형장치 성형부를 나타내는 사진이고,

도 12a와 도 12b는 본 발명에 따라 염색된 완충소재의 박편 시편과 이진화 처리된 박편 시편을 나타내는 사진이고,

도 13은 종래의 펄프 몰드와 본 발명에 따른 완충소재의 단면 사진이고,

도 14는 종래의 펄프 몰드와 본 발명에 따른 완충소재에 가해진 외부 힘이 흡수 제거되는 기작을 나타내는 모식도이고,

도 15는 본 발명에 따른 완충소재의 진공시간에 따른 밀도 변화를 나타낸 그래프이고,

도 16은 본 발명에 따른 완충소재를 구성하는 섬유들 사이에서 섬유의 마이크로피브릴들(microfibrils)에 의한 섬유간 결합을 보여주는 전자현미경 사진(×1000)이고,

도 17은 본 발명에 따라 진공성형기의 진공시간에 따른 완충소재의 탄성계수 변화를 나타낸 그래프이고,

도 18a와 도 18b은 본 발명에 따라 우유팩 폐지(milk carton)의 혼합비율과 진공탈수 시간에 따른 완충소재의 겉보기밀도 변화를 나타낸 그래프이고,

도 19a와 도 19b는 본 발명에 따라 우유팩 폐지(milk carton)의 혼합비율과 진공탈수 시간에 따른 완충소재의 탄성계수 변화를 나타낸 그래프이고,

도 20a와 도 20b은 본 발명에 따라 전분 첨가량과 완충소재 재활용에 따른 완충소재의 겉보기밀도 변화를 나타낸 그래프이고,

도 21a와 도 21b은 본 발명에 따라 전분 첨가량과 완충소재 재활용에 따른 완충소재의 탄성계수 변화를 나타낸 그래프이고,

도 22a와 도 22b은 본 발명에 따라 KOCC와 KONP로 제조한 완충소재의 표면 사진이고,

도 23a와 도 23b은 본 발명에 따른 완충소재의 단면 사진(×40)이고,

도 24는 본 발명에 따라 전분 첨가량에 따른 완충소재의 공극률 변화를 나타낸 그래프이고,

도 25a 내지 도 25c는 본 발명에 따라 펄프 몰드와, KOCC 및 KONP로 제조된 완충소재의 단면 사진(×40)이고,

도 26은 본 발명에 따라 진공탈수시간에 따른 완충소재의 함수율 변화를 나타낸 그래프이고,

도 27은 본 발명에 따라 폐지의 재생횟수에 따른 완충소재의 함수율 변화를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 폐지를 이용하여 완충소재를 제조하는 방법에 관한 것으로, 특히 진공성형 원리를 이용한 폐지 완충소재의 제조방법 및 이에 따른 폐지 완충소재에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 양이온성 전분(cationic starch)이 혼합된 펄프 혼탁액(pulp suspension)을 양방향진공처리(dual vacuuming)가 가능한 진공성형장치를 이용하여 상하 양방향으로 진공탈수 시켜서 완충소재(shock absorbing material)를 제조하는 것을 특징으로 한다.

종래에 시중에서 사용되고 있는 포장용 완충소재의 종류는 스티로폼, 펄프 몰드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등이 있다. 여기서 펄프 몰드를 제외하고는 자연상태에서 분해가 어려운 난분해성 포장소재들이다. 스티로폼은 거품폴리스티렌, 스티로폼(styrofoam), 발포스티렌, 스티로폴 등 여러 이름으로 불리며, 영문 머리글자를 따서 EPS (Expanded Polystyrene)로 약칭하기도 한다. 스티로폴은 독일의 종합화학회사인 바스프(BASF AG)의 상표명이고, 스티로폼은 미국 다우케미컬사(社)의 단열재 상표명으로, 한국에서는 스티로폴로 널리 알려져 있다. 스티로폼은 폴리스티렌 수지에 펜탄이나 부탄 등 탄화수소가스를 주입시킨 뒤 이를 증기로 팽연시킨 발포제품으로, 체적의 98%가 공기이고, 나머지 2%가 수지인 자원 절약형 소재이다.

그러나, 상기한 난분해성 포장소재들은 화석원료로부터 만들어지고, 자연 상태에서 분해가 어렵다는 단점으로 인해서 선진국을 중심으로 스티로폼의 사용을 금지하려는 움직임이 강하게 대두되고 있다. 이와 같이 포장재로 인한 환경오염의 문제의식은 곧 자국의 환경규제 뿐만 아니라 국가간 무역에서도 직접적인 영향을 끼치고 있다.

EU의 경우, 포장폐기물의 감량과 재활용을 촉진하기 위해 94년‘포장 및 포장폐기물 지침’을 제정하여 회원국들은 2001년까지 포장폐기물의 50∼60%를 회수하고, 25∼45%는 재활용해야 하며, 재활용 가능한 품목들은 각 소재별로 최소한 15%를 감량시키도록 하였다. 또한 수출용 가전제품 포장재와 관련해 수은, 납 등 환경유해 요소를 함유하고 있는 소재사용을 금지했으며 발생되는 포장폐기물 총량의 50% 이상을 수거, 재생하고 25% 이상을 재활용해야 한다는 규정을 시행중이다.

미국, 스위스, 스웨덴, 이탈리아 등에서는 스티로폼 용기와 PVC 포장재의 사용을 제한하고 있으며 독일, 프랑스, 스웨덴 등은 제조, 유통, 수입업자가 소비후의 포장재를 책임지고 회수할 것을 규정한 이른바 ‘포괄적 생산자 책임주의(Extended Producer Responsibility)’를 시행하고 있다. 특히 독일은 포장법령에 의해 제조업자나 소매업자에게 회수 목표를 시기별로 각각 수송포장, 2차 포장, 판매포장의 3단계에 걸쳐 제시하여 큰 성과를 거두었다. 1단계는 제조업자와 판매업자들로 하여금 수송용 포장을 회수하도록 의무화하였고, 2단계는 소매업자들에게 광고용이나 도난방지용으로 판매포장 위에 추가된 2차포장을 회수하도록 하였다. 이때 소매 점포는 판매장소 가까이에 수거 컨테이너를 설치해야 한다. 마지막 3단계는 소매점포가 판매지점에서 판매포장을 회수하도록 하였다. 이와 같이 난분해성 포장재에 대한 규제가 강화되면서 친환경 포장재의 수요가 급증할 것으로 전망되어 폐지 섬유로 제조되는 완충소재의 수요가 급속히 증가할 것으로 전망되는 시점이다.

근래에는 폐지 섬유를 이용하여 제조되는 완충소재가 펄프 몰드(pulp mold)라는 이름으로 생산되어 포장용 스티로폼의 대용으로 사용되고 있다. 도 1에 나타나 있는 것과 같이 펄프 몰드가 가장 처음 사용된 용도는 계란 트레이였고 이 후 산업재 및 소비재 제품 포장에 널리 사용되고 있다. 이러한 펄프 몰드는 도 2에 나타나 있는 바와 같은 펄프 몰드 제조 장치를 이용하여, 포장 물품 혹은 용도에 따라 금형을 제작한 뒤 해리된 일정량의 폐지 현탁액을 성형상자(forming box)에 부은 후 펄프 현탁액에 함유되어 있는 과량의 물을 가압과 함께 한 방향으로 진공 탈수 및 건조시켜 만든 성형품을 말한다.

이렇게 제조된 펄프 몰드 자체는 도 3에 나타난 바와 같이 매우 치밀한 섬유 조직(dense structure)으로 되어 있어서 완충력이 없고, 금형을 통하여 펄프 몰드에 일정한 크기의 유리 공간(free space)을 형성하여 외부 충격이나 진동이 포장 물품에 직접 전달되는 것을 방지하는 기능을 하도록 해야 한다.

이와 더불어, 폐지 섬유를 팽연압출시켜 완충소재를 제조하는 방식 또한 팽연보조 제로 사용된 전분이 갖는 특성으로 인하여, 완충소재 자체의 함수율을 일정 수준 이상 유지하지 않는다면 완충소재의 완충력을 유지하기가 매우 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 양이온성 전분(cationic starch)이 혼합된 펄프 혼탁액(pulp suspension)을 양방향진공처리(dual vacuuming)가 가능한 진공성형장치를 이용하여 상하 양방향으로 진공탈수 시켜서 완충소재(shock absorbing material)를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공성형 원리를 이용한 폐지 완충소재의 제조방법 및 이에 따른 폐지 완충소재를 제공하기 위한 것이다.

이러한 본 발명에 의하여, 종래와 같이 압착 플레이트에 의한 압착과정 없이도 탄성계수와 밀도가 현저히 낮은 완충소재를 더욱 효과적으로 생산해 내고자 한다. 본 발명에 따른 완충소재의 제조 원리는 성형박스에 폐지 시료 현탁액을 투입한 후 상단 압착 플레이트(hot press plate)에 의한 압착 과정이 필요없다는 점에서 종래의 펄프 몰드 제조방법과 큰 차이를 가짐으로써, 본 발명은 상하 양방향으로 진공 탈수시켜 완충소재의 구조가 비용적(bulk)이 큰 상태(밀도가 낮은 상태)가 되도록 성형하는 것을 목적으로 한다. 양방향으로 진공 성형된 완충소재의 조직에서는 펄프 몰드와는 달리 양 방향 진공처리(dual vacuuming)를 통하여 완충소재의 내부 조 직으로부터 물이 제거되면 이곳에서 섬유간 수소결합(interfiber bonding)이 일어나는 것을 최대한 억제할 수 있어서, 많은 수의 빈 공간을 만들 수 있기 때문이다.

이렇게 섬유간 수소결합이 억제된 곳들은 느슨한 섬유 네트워크를 형성하기 때문에 완충소재의 조직 내부에 많은 작은 공간(void)으로 남게 되고, 이것은 완충소재의 수분증발율(drying rate), 백색도(brightness), 겉보기밀도(apparent density), 압축강도(compressive strength), 복원율(restoring ratio), 탄성계수, 그리고 공극률(porosity)과 같은 물성 특징을 현저히 우수하게 하여, 이것으로부터 외부 충격, 진동, 혹은 소음 등을 흡수하는 기능을 효과적으로 달성하고자 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 골판지 고지(Korea Old Corrugated Container, KOCC), 신문지 고지(Korea Old Newspaper, KONP) 및 우유팩 시편(milk carton) 중 적어도 하나 이상이 선택된 폐지시료(wastepaper)를 건식해섬기(Blender)를 이용하여 해섬(Disintegrating)하는 단계; 상기 해섬된 폐지시료를 희석하여 펄프 혼탁액(pulp suspension)을 제조하는 단계; 상기 펄프 혼탁액을 양이온성 전분(cationic starch)과 혼합하는 단계; 상기 양이온성 전분이 혼합된 펄프 혼탁액을 양방향진공처리(dual vacuuming)가 가능한 진공성형장치를 이용하여 상하 양방향으로 진공탈수 시켜서 완충소재(shock absorbing material)를 제조하는 단계; 상기 완충소재를 건조(Drying)시키는 단계; 및 상기 건조된 완충소재의 표면에 표면사이징(surface sizing) 처리를 하는 단계;를 포함하여 이루어지는 진공성형 원리를 이용한 폐지 완충소재의 제조방법이다.

여기서, 상기 양이온성 전분은 양이온성 전분을 80℃ 내지 85℃ 범위 내의 온도로 호화(gelatinization)시킨 후, 1%로 희석시킨 양이온성 전분인 것이 바람직하다.

그리고, 상기 진공성형장치는 사각형 완충소재 성형부, 원통형 완충소재 성형부, 탈수용 진공 펌프, 제어박스(control box) 및 배수장치를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 진공성형 원리를 이용한 폐지 완충소재의 제조방법이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 진공탈수는 10초 내지 60초 범위 내의 시간으로 수행되거나, 상기 폐지시료에는 우유팩 시편이 20% 내지 80% 범위 내로 첨가되거나, 상기 양이온성 전분은 폐지시료의 전건중량에 대하여 4% 내지 5% 범위 내로 첨가되어 혼합되거나, 상기 골판지 고지(KOCC) 또는 신문지 고지(KONP)는 1회 이상 재활용된 것임을 특징으로 하는 것이 가능하다.

이와 더불어, 본 발명은 상술한 바와 같은 진공성형 원리를 이용한 폐지 완충소재의 제조방법에 의하여 제조된 것으로써, 탄성계수가 150kPa 내지 700kPa 범위 내이 거나, 밀도가 0.12g/cm³ 내지 0.17g/cm³ 범위 내인 것을 특징으로 하는 폐지 완충소재일 수 있다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 하나의 실시형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해 될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 진공성형 원리를 이용한 폐지 완충소재의 제조방법을 나타내는 흐름도이다. 여기에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 폐지 완충소재의 제조방법은 골판지 고지(Korea Old Corrugated Container, KOCC), 신문지 고지(Korea Old Newspaper, KONP) 및 우유팩 시편(milk carton) 중 적어도 하나 이상이 선택된 폐지시료(wastepaper)를 건식해섬기(Blender)를 이용하여 해섬(Disintegrating)하는 단계(S10); 상기 해섬된 폐지시료를 희석하여 펄프 혼탁액(pulp suspension)을 제조하는 단계(S20); 상기 펄프 혼탁액을 양이온성 전분(cationic starch)과 혼합하는 단계(S30); 상기 양이온성 전분이 혼합된 펄프 혼탁액을 양방향진공처리(dual vacuuming)가 가능한 진공성형장치를 이용하여 상하 양방향으로 진공탈수 시켜서 완충소재(shock absorbing material)를 제조하는 단계(S40); 상기 완충소재를 건조(Drying)시키는 단계(S50); 및 상기 건조된 완충소재의 표면에 표면사이징(surface sizing) 처리를 하는 단계(S60);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그 중에서도 본 발명은 상기 펄프 혼탁액을 양이온성 전분과 혼합하는 단계(S30)를 거치고, 상기 양이온성 전분이 혼합된 펄프 혼탁액을 양방향진공처리가 가능한 진공성형장치를 이용하여 상하 양방향으로 진공탈수 시켜서 완충소재를 제조하는 것(S40)이 특징이다.

종래에 폐지 섬유를 팽연압출시켜 완충소재를 제조하는 방식은 팽연보조제로 사용된 전분이 갖는 특성으로 인하여 완충소재 자체의 함수율을 일정 수준 이상 유지하지 않는다면 완충소재의 완충력을 유지하기가 매우 어려웠다. 이에 따라, 본 발명자들은 이러한 단점을 극복하기 위하여 완충소재의 제조 방식을 팽연압출 방식에서 진공성형 방식으로 전환한 것이다.

구체적으로, 본 발명은 먼저 도 4에 나타난 바와 같이, 골판지 고지(Korea Old Corrugated Container, KOCC), 신문지 고지(Korea Old Newspaper, KONP) 및 우유팩 시편(milk carton) 중 적어도 하나 이상이 선택된 폐지시료(wastepaper)를 건식해섬기(Blender)를 이용하여 해섬(Disintegrating)하는 단계(S10)를 거친다.

여기서, 본 발명에 따라 진공성형방식을 이용한 완충소재의 제조를 위하여 사용한 상기 골판지 고지와 신문지 고지는 국내산 골판지 고지(Korea Old Corrugated Container, KOCC)와 국내산 신문지 고지(Korea Old Newspaper, KONP)이다. 바람직하게는 국내산 골판지 고지(KOCC)와 국내산 신문지 고지(KONP)가 적합하지만, 본 발명은 여기에 제한되는 일이 없이 국내외의 모든 골판지 고지나 신문지 고지를 사용할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게는 명백하다. 이에 따라, 본 발명에 있어서, KOCC와 KONP는 국내산 골판지 고지와 국내산 신문지 고지를 포함하여 당업자에게 알려진 공지의 모든 골판지 고지와 신문지 고지를 포함하는 것으로 해석된다.

본 발명에서 사용되는 폐지시료는 상기한 KOCC와 KONP 이외에 우유팩 시편(milk carton)를 더 포함할 수 있다. 상기 우유팩 시편은 KOCC 및 KONP와 함께 본 발명에 따른 폐지시료를 구성할 수 있고, 이것은 KOCC와 KONP 섬유에 이종 폐지를 혼합하였을 때 완충소재의 물성에 어떤 영향을 미치는지를 알아보기 위하여 사용할 수도 있다. 도 5는 본 발명에서 사용되는 KOCC, KONP 그리고 우유팩 시편의 폐지 섬유 및 이것이 건식해섬된 상태를 보여준다.

또한, 본 발명에서는 상기한 폐지시료에 잔류하고 있는 잉크가 완충소재의 물성에 미치는 영향을 알아보기 위하여 실험실용 부상부유셀(flotation cell)에서 폐지시료에 고착되어 있는 잉크를 제거한 후 표백하여 완충소재를 제조하는데 사용하였다. 이러한 폐지시료의 탈묵 및 표백 조건은 하기의 표 1에 나타난 바와 같다.

[표 1: 폐지시료의 탈묵 및 표백 조건]

본 발명에 따른 진공성형 원리를 이용한 폐지 완충소재의 제조방법의 첫단계(S10)는 상기한 바와 같은 폐지시료를 건식해섬기를 이용하여 해섬(Disintegrating)하는 것이다. 여기서, 해섬이라 함은 화학약품을 처리하여 끓이는 과정을 말하는 것으로, 도 5에 나타난 바와 같은 KOCC, KONP 그리고 우유팩 시편의 폐지 섬유를 하단의 건식해섬된 상태로 만들기 위한 과정이다. 이것은 폐지 시료를 잘게 부수어 재활용하기 위한 첫 과정이다.

그리고, 상기와 같이 폐지시료를 해섬한 이후에는 상기 해섬된 폐지시료를 희석하여 펄프 혼탁액(pulp suspension)을 제조하는 단계(S20)를 거친다. 해섬된 폐지시료에 대하여 양이온성 전분을 첨가하고 진공성형으로 원하는 모양을 제조하기 위해 선행되어야 하는 과정이다. 해섬된 폐지시료를 희석하는 농도는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 3% 농도로 희석하여 현탁액 상태로 제조하는 것이 바람직하다.

다음으로는, 상기한 펄프 혼탁액을 양이온성 전분(cationic starch)과 혼합하는 단계(S30)를 거친다. 이렇게 양이온성 전분을 혼합하는 것은 해섬된 폐지 섬유의 결합력 강화를 위한 것으로, 치환도(DS) 0.06인 양이온성 전분(삼양제넥스)을 해리 섬유의 전건중량에 대하여 0%, 1%, 2%, 3%, 4%, 그리고 5% 배합하는 것이 바람직하다. 또한, 여기서 사용되는 상기 양이온성 전분은 성형상자에 투입되기에 앞서서 약 80-85℃ 온도에서 호화(gelatinization)시킨 후(S21), 1%로 희석된 것(S22)이 더욱 바람직하다.

이어서, 상기 양이온성 전분이 혼합된 펄프 혼탁액을 양방향진공처리(dual vacuuming)가 가능한 진공성형장치를 이용하여 상하 양방향으로 진공탈수 시켜서 완충소재(shock absorbing material)를 제조하는 단계(S40)를 수행하는 것이 본 발명의 특징이다.

본 발명에 있어서, 상기한 진공성형 방식은 전분의 사용으로 인하여 압축강도가 과도하게 증가하는 것을 방지하기 위하여, 폐지 현탁액을 일정한 형상으로 성형한 후 5-10초 정도 진공을 가하여 섬유 현탁액에 포함된 과량의 수분을 제거하는 방식으로 완충소재를 제조하는 원리를 이용한 것이다. 물론 소재의 결합력을 향상시키기 위하여 팽연완충소재와 마찬가지로 성형 보조제로서 전분(starch)을 사용할 수도 있지만, 이러한 전분은 단순한 성형 보조제 혹은 결합 향상제의 역할만 하기 때문에 과도한 압축강도의 상승을 초래하지 않는다. 압축강도의 상승은 완충소재의 고밀화(densification)를 촉진시켜 압축강도 및 탄성계수의 상승을 유도하여 소재의 완충성능을 떨어뜨리는 역할을 하게 된다.

본 발명에 따른 완충소재의 제조 원리는 성형박스에 폐지 시료 현탁액을 투입한 후 상단 압착 플레이트(hot press plate)에 의한 압착 과정이 필요없다는 점에서 종래의 펄프 몰드 제조방법과 큰 차이가 있다. 본 발명은 도 6에 나타난 바와 같은 진공성형장치의 원리를 이용하여 상하 양방향으로 진공 탈수시켜 완충소재의 구조가 비용적(bulk)이 큰 상태(밀도가 낮은 상태)가 되도록 성형하는 방법이다. 도 6은 본 발명에 따라 상하 양방향으로 진공 탈수시키는 원리로 작동하는 진공성형장치를 나타내는 단면도이다. 이와 같은 원리의 진공성형장치에 대한 구체적인 일 실시예는 후술하도록 한다.

본 발명에 따라 양방향으로 진공 성형된 완충소재의 조직에서는 펄프 몰드와는 달리 양 방향 진공처리(dual vacuuming)를 통하여 완충소재의 내부 조직으로부터 물이 제거되면 이곳에서 섬유간 수소결합(interfiber bonding)이 일어나는 것을 최대 한 억제할 수 있어서, 많은 수의 빈 공간을 만들 수 있는 효과가 있다.

이렇게 섬유간 수소결합이 억제된 곳들은 도 7에 나타난 바와 같이 느슨한 섬유 네트워크를 형성하기 때문에 완충소재의 조직 내부에 많은 작은 공간(void)으로 남게 되고, 이것은 완충소재의 수분증발율(drying rate), 백색도(brightness), 겉보기밀도(apparent density), 압축강도(compressive strength), 복원율(restoring ratio), 탄성계수, 그리고 공극률(porosity)과 같은 물성 특징을 현저히 우수하게 하여, 이것으로부터 외부 충격, 진동, 혹은 소음 등을 흡수하는 기능을 효과적으로 달성할 수 있게 되는 것이다.

도 8은 본 발명에서 사용되는 펄프 혼탁액 및 본 발명에 따라 진공성형단계를 거친 후의 폐지 완충소재 사이의 체적 변화를 보여주는 모식도이고, 이것은 성형상자에서 3% 폐지 지료 현탁액을 넣은 후 탈수 및 건조시켰을 때 체적이 감소된 사각 완충소재를 보여준다. 전체적인 크기(가로×세로)는 감소하지 않고 전체적으로 두께 감소가 일어나면서 체적이 줄어들게 된다. 이러한 상태에서 종래와 같이, 과도한 진공 혹은 압착(press) 과정이 적용되면 큰 고밀화(densification) 현상이 일어나 완충소재의 조직 내부로부터 공극(또는 유리 공간)이 폐쇄됨으로써 완충 능력(shock-absorbing ability)이 사라지게 된다.

본 발명은 탈수 및 건조 동안에 불가피한 두께 감소로 인한 체적 변화를 피할 수는 없지만 진공 적용 시간의 적절한 조절을 통하여 완충소재의 조직 내부에서 공극이 사라지게 않게 하는 것, 즉 밀도를 최소한으로 유지하는 것이 완충소재의 핵심 제조 기법이 된다. 본 발명에 따라 두께가 작은 완충소재를 제조할 때에는 성형박스에 투입되는 폐지 지료 현탁액의 투입량을 줄여서 제조하는 것이 바람직하다.

계속해서, 상기한 바와 같이 제조된 완충소재를 건조(Drying)시키는 단계(S50)와 상기 건조된 완충소재의 표면에 표면사이징(surface sizing) 처리를 하는 단계(S60)를 거침으로서 본 발명에 따른 폐지 완충소재는 완성되는 것이다. 상기 완충소재를 건조시키는 것은 완충소재에 잔류되어 있는 과량의 수분을 제거하기 위한 것이고, 상기 표면사이징은 완충소재의 표면에서 미세섬유가 떨어지는 것을 방지하기 위한 것이다.

상술한 바와 같은 본 발명에 비추어 보면, 수집된 KOCC와 KONP 섬유는 Blender에서 해섬시킨 후 바로 완충소재를 제조하면 섬유가 갖는 특성상 매우 물성이 열악한 완충소재가 제조되었다. 그러나, 폐지 섬유의 재활용(recycling)이 반복되면 각질화(hornification)가 진행되어 섬유 자체의 유연성이 떨어지면서 섬유의 결합력이 약화된다. 만약 폐지 섬유가 종이로 다시 만들어진다면 이러한 각질화가 종이의 물성을 떨어뜨리는 결정적인 요인으로 작용하지만. 완충소재로 만들어질 경우에는 오히려 완충소재의 충격흡수성(완충성능)을 향상시키는데 큰 기여를 하게 된다.

즉, 폐지 섬유의 각질화가 반복되면서 섬유간 결합력이 약화되어 고밀화(consolidation)가 줄어들면서 완충소재의 비용적(bulk)을 증가시키는 것이다. 이로 인해 완충소재 내부 구조에 많은 수의 유리 공간 혹은 공극(void)을 남김으로써 외부에서 물리적 충격이 가해졌을 때 그 충격을 흡수, 해소하는 역할을 하게 될 것이다. 따라서 각질화가 많이 진행될수록 충격 흡수능이 향상되기 때문에 완충소재가 폐지 섬유의 재활용 극대화를 위한 중요한 수단이 될 수 있을 것으로 기대된다.

완충소재의 완충성능 극대화를 위해서는 수집된 폐지를 바로 해섬하여 완충소재를 제조하는 것보다 습식해섬→성형→건조→건식해섬→성형 과정을 반복하는 것이 더욱 효과적일 것으로 판단되었다. 그러므로, 본 발명에서는 폐지 섬유의 재활용에 따라 완충소재의 물성이 상당히 개선될 것으로 판단되어, 수집된 KOCC와 KONP 섬유를 바로 사용하지 않고 습식해섬 및 건조 과정을 2-3회 반복한 후 완충소재를 제조하는 것이 더욱 바람직한 것으로 판명되었다.

아래에서는 본 발명에 따라 양이온성 전분이 혼합된 펄프 혼탁액을 상하 양방향으로 진공탈수 시켜서 완충소재(shock absorbing material)를 제조할 수 있는 양방향진공처리(dual vacuuming)가 가능한 진공성형장치의 구체적인 일 실시예를 설명한다.

도 9와 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 양방향진공처리가 가능한 진공성형장치의 정면사진과 측면 및 후면 사진이다. 여기에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 제작 및 사용된 진공성형장치는 사각 완충소재 성형부, 원통형 완충소재 성형부, 탈수용 진공 펌프, 제어박스(control box), 배수장치 등으로 이루어져 있다.

완충소재의 성형부 형상은 도 9와 도 10에 나타낸 것과 같이 사각 및 원형으로 이루어져 있다. 사각 성형부의 상, 하부에는 도 11에 나타난 바와 같이 40 mesh 크기의 탈수용 와이어가 배치되어 있어 진공이 가해졌을 때 탈수가 빠르게 이루어지도록 하였고, 송풍장치에서 가해지는 바람이 쉽게 통과하여 수분 증발이 빠르게 일어나도록 설계하였다. 완충소재 성형부 하부에는 300℃까지 가열할 수 있는 열선과, 이들 열선에서 가열된 뜨거운 공기를 성형부쪽으로 수분 증발을 가속화시킬 수 있는 송풍장치가 내장되어 있다. 즉, 열선을 통해 가열된 공기가 송풍장치를 통하여 탈수 성형된 완충소재 쪽으로 이동함으로써 수분의 증발을 가속화시켜 완충소재를 건조시키는데 소요되는 시간을 줄일 수 있게 한다. 이러한 과정은 완충소재의 건조 시간 감소를 유도함으로써 완충소재 제조단가를 줄이는데 기여할 것이다.

이와 같은 진공성형장치의 각 부위 명칭과 제원, 그리고 각 부위의 용도를 하기의 표 2에 자세하게 기술하였다.

[표 2: 진공성형장치의 구성 장치 및 세부 제원]

실시예 1: 진공성형 원리를 이용한 폐지 완충소재의 제조

먼저 국내에서 수집된 KOCC와 KONP, 그리고 우유팩 시편을 건식해섬기(Blender)를 이용하여 해섬시킨 후 3% 농도로 희석하였다. 해섬된 폐지 섬유의 결합력 강화를 위하여 치환도(DS) 0.06인 양이온성 전분(삼양제넥스)을 해리 섬유의 전건중량에 대하여 0%, 1%, 2%, 3%, 4%, 그리고 5% 배합하였다. 전분은 성형상자에 투입하기에 앞서서 약 80-85℃ 온도에서 호화(gelatinization)시킨 후 1%로 희석하여 사용하였다.

양이온성 전분이 배합된 3%의 펄프 혼탁액 지료를 전건중량이 약 50 g 내지 100 g이 되도록 1,700 mL와 3,400 mL를 취하여, 양방향진공처리가 가능한 진공성형장치에 넣은 후 사각완충소재를 제작하였고, 원형완충소재는 3%의 펄프 혼탁액 지료 현탁액을 약 100-130 mL(전건중량 3-4 g) 취하여 원형 성형부에 투입하여 제작하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 진공 시간에 따른 완충소재의 물성 변화를 알아보기 위하여 진공 시간을 10-60 초 범위(10초 간격)에서 변화시켜서 완충소재를 제조하였다.

성형된 완충소재는 약 150℃의 온도로 가열된 공기를 송풍기를 통하여 완충소재 쪽으로 10분간 강제 송풍시켜 완충소재에 잔류되어 있는 과량의 수분을 제거한 후 건조 오븐(drying oven)에서 대기상태의 함수율(5-8%)까지 건조시켰다.

건조된 완충소재의 표면은 약한 수소결합에 의하여 결합된 미세섬유들로 구성되어 있기 때문에 사용 중 접촉 혹은 마찰로 인하여 쉽게 떨어지는 경향이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 호환된 1% 전분용액으로 완충소재의 표면을 표면사이징(surface sizing) 처리를 하였다.

실시예 2: 완충소재의 제조를 위한 진공성형장치의 조건

본 발명에 따라 사각 완충소재 제조에 사용된 폐지 종류별 제조 조건을 하기 의 표 3에 정리하였다. 진공 지속 시간(vacuuming time)에 따른 완충소재의 물성 변화를 알아보기 위하여 각각 100% KOCC 및 KONP로 구성된 3% 펄프 현탁액에 대하여 10-60초의 범위(10초 간격)에서 진공 시간을 달리하여 완충소재를 제조하였다.

KOCC와 KONP 각각에 백상지 폐지(woodfree wastepaper)를 첨가하였을 때 완충소재의 물성 변화도 알아보았다. KOCC와 KONP 섬유에 해섬된 백상지 폐지를 일정 비율로 혼합하여 제조한 후 완충소재의 물성 변화를 조사하였다. 백상지 폐지를 혼합하였을 때 진공탈수 시간(vacuuming time)은 10초로 고정하였다.

KOCC와 KONP 현탁액에 첨가량을 달리한 양이온성 전분(cationic starch)을 첨가하여 완충소재를 제조하였을 때 완충소재의 물성이 어떻게 벼나는지도 분석하였다. 양이온성 전분이 첨가될 때 진공탈수 시간은 10초로 고정하였다.

또한, 완충소재 제조에 KOCC와 KONP를 재활용할 때 완충소재의 물성이 어떻게 변하는지를 알아보기 위하여 KOCC와 KONP를 각각 1회, 2회, 그리고 3회 재활용하여 각각의 완충소재를 제조한 후 물성을 측정, 비교하였다.

[표 3: 완충소재 제조에 사용된 폐지 종류별 제조 조건]

실시예 3: 진공성형된 완충소재의 물성 측정

본 발명에 따라 폐지 섬유로 제조된 완충소재의 물성을 측정하기 위하여 수분증발율(drying rate), 백색도(brightness), 겉보기밀도(apparent density), 압축강도(compressive strength), 복원율(restoring ratio), 탄성계수, 그리고 공극률(porosity)을 측정하였다.

수분 증발율은 스위스 Ohaus사의 자동함수율 측정기(MB45)를 RS232 케이블을 통하여 PC의 하이퍼터미널에 연결하여 진공성형장치에 제조된 완충소재의 수분 제거속도를 측정하였다. 완충소재의 백색도는 미국 Technidyne사의 Brighterimeter Micro S-5/BOC를 이용하였다. 완충소재의 겉보기밀도를 계산하기 위해서 버니어캘 리퍼스를 이용하여 완충소재의 두께를 측정한 후 완충소재의 상하 면적의 평균값을 계산하였다. 그 후 아래의 계산식에 의하여 겉보기밀도를 계산하였다.

(5-1)

(W = Weight (g) of a shock-absorbing material

T = Thickness(m) of a shock-absorbing material

A _t = Area(m²) of a top side of a shock-absorbing material

A _b =Area(m²) of a bottom side of a shock-absorbing material.)

폐지 섬유를 진공성형시킨 후 압출물의 물성을 측정하기 위하여 물성 분석기(TA-XT2i, Stable Micro Systems Ltd.)를 사용하였다. 만약 완충소재가 포장 물품을 보호하기 위해서는 외부 충격을 흡수하는 뛰어난 완충력을 가져야 하므로 매우 낮은 압축강도를 지녀야 한다. 또한 충격 흡수 후 완충소재의 완충 효능을 어느 정도 유지하기 위해서는 자체 복원력도 우수해야 하기 때문에 적정 범위의 탄성계수도 가져야 할 것으로 보인다. 따라서 팽연소재의 물성 분석에 사용된 항목들은 복원율, 압축강도(kgf), 탄성계수(kPa)였다. 압축강도 측정은 평판 압축실험으로 수행하였으며, 하중 재하속도(loading speed)는 ASAES368.3에서 규정하고 있는 2.530 mm/min의 범위 내인 30 mm/min으로 하였다. 탄성계수를 산출하기 위하여 적용된 공식은 아래와 같다.

(5-2)

여기서 P = 압축강도(N), A = 면적(m²), △l = 변위(m), l = 직경(m)을 의미한다. 완충소재의 복원율(restoring ratio)은 아래의 공식으로 계산하였다.

(5-3)

(Δl ₁ = Distance of a load cell applied (=5 mm)

Δl ₂ = Distance when compressive strength is zero.)

실시예 4: 완충소재의 공극률 계산

본 발명에 따른 완충소재의 공극률을 계산하기 위해서 완충소재를 다음과 같은 방법으로 먼저 완충소재를 포매(embedding)시켰다. 에폭시의 일종인 에폰 812 (Epon 812, Polysciences, Inc.)의 경우 경화제는 무수도데세닐숙신산(DDSA, Dodecenyl Succinic Anhydride, Polysciences, Inc)과 무수메틸나딕(MNA, Methyl Nadic Anhydride, Polysciences, Inc.)이 사용 되고 경화가속제로는 DMP-30 (bis-Dimethylaminomethyl phenol, Polysciences, Inc.)이 사용된다.

에폰 812 100 g에 무수도데세닐숙신산 112 g을 혼합한 A액과 에폰 812 100 g에 무수메틸나딕 75 g을 혼합한 B액을 만들어 서로 혼합하여 사용하였다. A액이 많이 들어가면 경화에폭시가 부드럽게 되고 B액이 많이 들어가면 에폭시가 단단히 경화한다. 두 액을 그 혼합비대로 조절한 후 경화반응(중합반응)을 촉진시키기 위하여 두 혼합액의 1.5-2%에 해당하는 가속화제 DMP-30을 첨가하여 균일하게 혼합하였다. 가속화제를 첨가한 후 진공오븐을 사용하여 차례로 35℃에서 12시간, 45℃에서 12시간, 마지막으로 60℃에서 48시간동안 각각 중합이 일어나도록 방치하였다(UV광을 조사하여 중합시켜도 된다).

포매된 완충소재는 미국 Reichert사에서 제조한 회전형 마이크로톰(HistoSTAT-820)을 이용하여 약 20 ㎛ 두께의 미세 박편을 만든 후 1% Toludine Blue 용액에서 염색시켰고, 염색된 박편을 Olympus의 광학현미경을 이용하여 단면 사진을 촬영하였다(도 12a). 완충소재의 단면 사진 영상은 Carl Zeiss사(Germany)의 Axiovision 4.4 화상분석프로그램에 의하여 이진화 영상(도 12b)으로 전환된 후 검은색 영역에 해당하는 면적이 공극(voids)에 해당되므로 화상분석 프로그램에 의하여 이들 면적을 구한 후 완충소재의 공극률을 계산하였다. 도 12b와 같이 섬유(흰색 부분) 외의 공간을 섬유가 채워지지 않은 공극으로 간주할 때 완충소재의 공극률(porosity)은 전체 면적으로부터 섬유가 채워지지 않은 공간(공극)의 면적으로 나누어 아래의 식 (5-4)와 같이 계산할 수 있다:

(5-4)

여기서, V _t - V _s = Volume of voids이고, V _t = Total volume 이다.

실제의 공극률은 부피 개념이지만, 20 ㎛ 두께의 단면이 갖는 공극률을 계산하여 완충소재 전체가 갖는 공극의 수를 예측하고자 하였다.

실시예 5: 완충소재의 단면 형상

완충소재는 외부로부터 충격이 가해졌을 때 그 충격을 흡수하여 포장된 물품에 손상이 가해지지 않도록 해야 한다. 충격 흡수를 위해서는 완충소재의 내부 구조가 매우 큰 다공성 구조(porous structure)를 지녀야 하고, 결국 밀도가 낮은 구조(bulky structure)가 되어야 한다.

보통 계란판과 같이 몰드 형태로 만들어진 완충소재의 경우 그 조직이 매우 규칙적이면서도 치밀하여 외부 충격을 흡수하는 것이 매우 어렵다(도 13a). 즉, 펄프 몰드는 도 14a와 같이 외부 충격이 그대로 포장물품에 전달되는 중간 매개체 역할을 하게 된다. 펄프 몰드형 완충소재는 도 1에서 본 바와 같이 포장 물품의 형상과 유사하게 굴곡(凹凸)을 주면서 펄프 몰드와 포장 물품 사이에 공간이 형성되도록 하여야만 충격 흡수가 가능하게 되는 것이다.

반면에, 본 발명에 따라 폐지 섬유로 제조된 완충소재는 도 13b에서 보는 바와 같이 펄프 몰드의 단면 조직과는 달리 내부 구조가 무질서하면서도 느슨하게 형성되어 수많은 틈(voids)들이 존재하고 있다. 진공 성형된 완충소재에는 외부로부터 완충소재에 충격이 가해지더라도 그 충격을 흡수할 수 있는 여유 공간들이 형성되어 있기 때문에 도 14b와 같이 충격의 대부분이 완충소재 내부에서 제거되어 버린다. 따라서 완충소재가 외부 충격으로부터 포장 물품을 보호하는 역할을 하게 된다.

도 13은 종래의 펄프 몰드와 본 발명에 따른 완충소재의 단면 사진이고, 도 14는 펄프 몰드와 완충소재에 가해진 외부 힘이 흡수 제거되는 기작을 나타내는 모식도이다. 도 14a에서는 외부 힘 F가 매우 치밀하게 형성된 펄프 몰드를 통과하면서 힘 F가 조금 줄어들거나 그대로 전이된다. 도 14b에서는 외부 힘 F가 매우 느슨하게 형성된 완충소재를 통과하면서 힘 F의 대부분이 완충소재의 내부에서 흡수되어 매우 작은 힘(F')만이 완충소재를 통과하게 되어 충격으로부터 포장 물품을 보호할 수 있는 것이다.

실시예 6: 진공탈수 시간에 따른 완충소재의 물성 변화

사각 완충소재의 제조시 3% 농도의 펄프 현탁액을 성형상자(forming box)에 넣은 후 진공을 가하면 탈수(drainage)가 이루어진다.

진공을 통하여 펄프 현탁액에 포함된 수분이 많이 제거될수록 성형 후 건조시간을 줄일 수 있게 되고, 결국은 완충소재의 제조단가를 낮추는데 기여한다. 하지만 과도한 진공으로 인하여 완충소재의 표층이 치밀해 지면서 충격 흡수 능력이 현저히 줄어들게 된다. 적절한 진공 시간을 정하여 건조부하를 줄이는 것이 무엇보다 중요하다. 따라서 진공 시간과 제조단가와는 밀접한 관련이 있는 매우 중요한 공정의 일부이므로 세심한 주의가 요구된다. 또한 일정한 체적의 완충소재를 구성하는 폐지 섬유의 양이 가능한 적어야 한다. 즉 밀도가 낮아야만 완충소재의 조직을 구성하는 폐지 섬유의 양도 줄일 수 있어 결국 제조단가의 감소에도 기여하게 되는 것이다. 따라서 완충소재의 건조시간과 밀도는 완충소재의 경제성을 평가하는데 있어서 매우 중요하다.

물리적 측면에서 완충소재로서의 기능을 평가하는데 있어서 가장 중요한 요소는 완충소재의 탄성계수(kPa)와 밀도(g/cm³)이다. 표 4는 KOCC와 KONP 섬유를 일차로 재생하여 완충소재를 제조할 때 진공시간(suction time)을 달리하여 제조한 후 각각의 완충소재가 갖는 탄성계수와 겉보기밀도(apparent density)를 스티로폼(styrofoam)과 펄프 몰드(pulp mold)의 값들과 비교한 결과를 나타낸 것이다.

[표 4: 진공시간에 따른 완충소재의 물성 변화]

도 15는 진공성형기의 진공시간 변화에 따른 완충소재의 겉보기밀도 변화를 상기한 표 4에 나타낸 결과에 근거하여 펄프 몰드와 스티로폼의 값과 비교하여 나타낸 것이다.

도 15에서 보는 바와 같이 진공 탈수 시간이 길어질수록 KOCC와 KONP로 만들어진 완충소재의 겉보기밀도가 조금씩 증가하는 것을 쉽게 확인할 수 있다. 밀도가 증가한다는 것은 완충소재의 조직이 보다 더 치밀해진다는 것을 의미하기 때문에 완 충성능의 감소를 유발하게 된다. 또한 일정한 두께를 갖는 완충소재를 제조하기 위해서는 더 많은 폐지 섬유를 필요로 하기 때문에 제조단가의 상승을 초래하기도 한다. 따라서 완충소재를 제조할 때 적은 폐지 섬유를 사용하여 짧은 진공 탈수 시간 하에서 완충소재의 비용적이 큰 상태(bulky state)를 유지하는 것이 무엇보다 중요하다.

도 15에서 볼 수 있듯이 스티로폼의 밀도는 약 0.03 g/cm³ 정도로 펄프 몰드의 0.3 g/cm³에 비하여 10 배 정도 작은 값을 보이고 있다. 반면에 KONP와 KOCC로 만든 완충소재는 진공 시간의 변화에 따라 0.12-0.17 g/cm³의 밀도를 가짐으로써 스티로폼의 밀도에 비하여 3-5 배정도 더 크지만 펄프 몰드에 비해서는 훨씬 더 작은 상태로 제조된다.

KOCC와 KONP로 만들어진 완충소재 간에도 밀도의 차이가 있다. KOCC와 KONP로 제조한 동일 평량의 완충소재들이 갖는 겉보기밀도는 KONP로 제조한 완충소재의 겉보기밀도가 진공 탈수 시간에 관계없이 KOCC로 제조한 완충소재의 겉보기밀도보다 더 크게 나타났다. 이는 KONP를 구성하는 폐지의 등급(지종, paper grade)이 KOCC와 다르기 때문에 이와 같은 결과가 나타나는 것으로 보인다. 국내산 신문용지를 제조할 때에는 열기계펄프(thermomechanical pulp, TMP)를 사용하는 구미 선진국과는 달리 잡지 폐지(old magazine paper, OMP)와 신문지 폐지(ONP)를 거의 100% 사용하 고 있다. 신문지 폐지만을 사용하여 종이를 제조하게 되면 단섬유와 미세분의 증가로 매우 높은 밀도를 갖기 때문에 두께가 작고 처녀 펄프(virgin pulp)로 제조된 종이에 비해 마찰계수가 낮은 종이가 만들어진다.

반면에 골판지는 라이너(liner)와 골심지(corrugated medium)로 이루어져 있는데, 라이너는 미표백 크라프트 펄프(unbleached kraft pulp)로 제조(kraft liner)되거나 100% OCC로 제조(test liner)되고 골심지는 100% 골심지로 만들어 진다. 국내에서 유통되는 대부분의 골판지 상자의 라이너는 AOCC(American Old Corrugated Container)로 만들어지고 있지만 일부 미표백 크라프트 펄프를 혼용하여 제조하기도 한다. 따라서 골판지에는 신문지에 비하여 상당히 많은 양의 리그닌이 존재하고 있기 때문에 리그닌이 제거된 섬유에 비하여 더 강직한 섬유들로 구성되어 있다.

도 15에서 보는 바와 같이 ONP로 제조된 완충소재가 OCC로 제조된 완충소재에 비하여 더 큰 밀도를 갖는 것은 ONP로 제조된 완충소재가 리그닌이 보다 많이 제거된 섬유들로 구성되어 있기 때문이다. 이는 OCC로 제조한 완충소재가 외부 충격을 흡수할 수 있는 더 많은 공극을 가짐을 의미한다.

펄프 섬유를 해부학적으로 분석하여 보면 펄프 섬유(tracheid)는 일차벽(primary wall), 이차벽(secondary wall with S1, S2 and S3 layer) 및 섬유 내강 (lumen)으로 구성되어 있다. 지료 조성 과정, 특히 리파이닝 단계에서 일차벽과 이차벽 중의 S1층은 기계적 충격 및 마찰로 인하여 제거되고 이차벽 중의 S2층에서 내부피브릴화(층간 분리, internal fibrillation) 및 외부피브릴화(external fibrillation) 현상이 발생한다. 이러한 셀룰로오스 사슬(cellulose chain)로 이루어진 미세 피브릴(microfibril)들은 이웃한 섬유들과의 결합에 있어서 매우 중요한 역할을 하기 때문에 완충소재의 비용적을 개선하는데 있어서 매우 중요한 핵심 결합체(primary bonding media) 역할을 하는 것으로 알려져 있다(도 16 참조). 완충소재 내부에 많은 공간을 형성하면서도 동시에 완충소재의 형상을 유지하는데 필요한 결합력은 이웃한 섬유들 사이의 결합과 그 사이에 존재하는 마이크로피브릴들의 결합에 기인하는 것으로 보인다.

도 17은 KOCC와 KONP로 제조된 완충소재의 탄성계수를 스티로폼의 탄성계수와 비교하여 나타낸 그래프이다. 완충성능을 평가하는데 있어서 탄성계수가 지나치게 높게 나타나면 외부 충격을 포장 물품 쪽으로 전이하는 힘이 커지는 것을 의미하기 때문에 포장 물품의 파손을 초래할 수 있다. 따라서 완충소재로 사용되기 위해서는 가능하면 탄성계수가 낮은 것이 유리하다. 스티로폼의 탄성계수가 약 941 kPa로 KOCC와 KONP로 제조된 완충소재에 비하여 더 높은 값을 보였다. 이것은 두 종류의 폐지로 만들어진 완충소재가 스티로폼보다 더 우수한 완충성능을 보유하고 있음을 의미하는 것이다. 그렇다고 해서 완충소재의 탄성계수가 너무 낮게 되면 외부 충격에 의하여 완충소재의 구조 자체가 파괴되는 현상이 발생하여 포장물 품에 손상을 초래할 가능성이 매우 높아진다. 따라서 최소한의 탄성계수를 유지하는 내부 구조가 되도록 성형이 이루어져야 한다.

진공시간에 따른 완충소재의 탄성계수 변화를 보면 진공탈수 시간 10초와 20초를 제외하고는 KOCC로 만든 완충소재가 KONP로 만든 완충소재보다 다소 큰 탄성계수를 나타내었다. 그러나 두 탄성계수 사이의 차이가 크지 않고 경제적인 탈수 시간이 20초 이하가 되는 것이 이상적이기 때문에 그 이상의 진공탈수시간은 완충소재의 조직만 더욱 치밀하게 할 뿐이다. 따라서 20초 이하의 진공탈수 시간에서 KOCC와 KONP의 탄성계수를 비교했을 때 KOCC가 훨씬 더 낮은 탄성계수를 나타낸 것으로 판단해 볼 때 KOCC 섬유가 완충소재를 만드는데 있어서 보다 더 나은 원료로 간주될 수 있다. 이러한 결과는 도 15의 겉보기밀도 결과에서도 본 바와 같이 KOCC로 제조한 완충소재의 밀도가 KONP로 제조한 완충소재의 밀도보다 더 낮은 것도 완충소재의 탄성계수가 더 낮을 것이라는 사실이 쉽게 예측하게 하는 부분이다. KOCC를 구성하는 원료의 종류가 리그닌을 다량 함유한 강직한 미표백크라프트 펄프로 이루어져 있기 때문에 매우 짧은 진공탈수 시간 동안에는 섬유간 결합에 필요한 Campbell력(Campbell force)이 강하게 작용하지 못하였을 것으로 판단된다. 따라서 느슨한 결합 조직을 갖는 완충소재가 만들어져서 KONP보다 낮은 탄성계수를 갖는 완충소재가 만들어 진 것으로 보인다.

실시예 7: 우유팩 폐지 혼합 비율과 진공탈수 시간에 따른 완충소재의 물성 변화

하기의 표 5는 KOCC와 KONP를 이용하여 완충소재를 제조할 때 우유팩 폐지(milk carton 또는 cartonboard)를 일정 비율로 혼합하였을 경우 완충소재의 겉보기밀도와 탄성계수가 어떻게 변하는지를 알아본 결과이다. 우유팩 폐지는 고품질의 표백크라프트 펄프로 우유팩을 만들어진 후 우유나 기타 음료가 담기는 내부를 폴리에틸렌(polyethylene)으로 코팅된 상태로 수집된다. 우유팩 폐지는 내부에 담긴 음료 잔량을 세척하면서 폴리에틸렌 필름막을 제거한 후 화장지를 제조하는데 주로 사용된다.

[표 5: 우유팩 폐지 혼합과 진공탈수 시간에 따른 완충소재의 물성 변화 ]

도 18은 표 5에 나타난 겉보기밀도의 결과에 기초하여 우유팩 폐지의 혼합비율과 진공성형시의 진공탈수시간 변화에 따른 겉보기밀도 변화를 KOCC와 KONP에 대하여 그래프로 나타낸 것이다. 여기서 우유팩 폐지를 KOCC와 KONP에 혼합하였을 때 이들로부터 제조된 완충소재의 겉보기 밀도는 각각 다른 거동을 나타내었다. 특히 KOCC 섬유에 우유팩 폐지를 첨가하였을 때는 유연성(flexibility)이 뛰어난 고품질의 표백크라프트펄프로 만들어지기 때문에 KOCC 섬유(길이가중치 평균섬유장 1.86 mm)에 우유팩 폐지 섬유가 첨가되면 섬유간 수소결합의 증가로 도 18a에서 보는 바와 같이 KOCC(길이가중치 평균섬유장 1.28 mm)로만 제조된 완충소재에 비하여 조직의 밀도가 증가하게 된다. 그러나 KOCC 섬유에 비하여 우유팩 폐지의 양이 더 적게 첨가되면 KOCC 섬유에 포함된 많은 단섬유들에 의하여 완충소재 조직의 치밀성이 더 증가된다. 결국 100% KOCC 섬유들로만 제조된 완충소재를 제외하고는 우유팩 폐지 섬유가 더 많이 첨가될수록 조직의 고밀화(densification)가 더욱 촉진되어 겉보기밀도 상승에 영향을 미치게 된다.

반면에 KONP 섬유는 우유팩 폐지 섬유가 30% 첨가되었을 때를 제외하고는 KONP 섬유(길이가중치 평균섬유장 1.01 mm)로만 제조된 완충소재의 밀도와 큰 차이를 보이지는 않았다. 이는 KONP 섬유가 재활용이 반복된 폐지 섬유를 다량 사용하기 때문에 단섬유와 미세섬유들이 반복적으로 만들어지면서 완충소재 성형시 섬유들 사이의 빈 공간을 채우기 때문에 우유팩 폐지 섬유 첨가에 따른 영향을 크게 받지 않는 것으로 보인다. 반면에 매우 미세한 섬유들로 구성된 KONP에 장섬유로 구성된 우유팩 폐지 섬유가 소량(30%) 첨가되었을 경우에는 진공탈수시간이 30초 이상 지속되지 않는 한 우유팩 폐지 섬유의 첨가량에 따른 겉보기밀도의 차이는 크게 나지 않았다. 진공탈수 시간이 30초 이상 지속되면 장섬유로 구성된 우유팩 섬유들과 KONP 섬유들 사이에 긴밀한 접촉이 이루어지면서 섬유간 결합력이 더욱 향상된 것으로 보인다.

결론적으로 장섬유로 구성된 우유팩 폐지 섬유의 첨가로 KOCC와 KONP로 제조된 완충소재의 비용적(bulk)을 일부 개선하고자 하였으나 100% KOCC나 KONP로 제조된 완충소재에 비하여 크게 향상된 결과를 기대할 수가 없었다. 저가의 KOCC나 KONP 섬유만으로도 밀도가 낮은, 즉 비용적이 양호한 완충소재를 제조는 것이 오히려 더 유리하다는 사실을 확인할 수 있었다.

도 19a와 도 19b는 각각 KOCC와 KONP 섬유에 우유팩 폐지 섬유를 일정 비율 혼합한 후 진공탈수 시간을 달리하여 완충소재를 제조하였을 때 일어나는 완충소재의 탄성계수 변화를 나타낸 그래프이다.

도 19a에서 보는 바와 같이 KOCC 섬유와 장섬유의 우유팩 폐지 섬유를 혼합하여 완충소재를 성형하면 길이가 긴 우유팩 폐지 섬유들이 KOCC 섬유들과 결합할 수 있는 가능성이 매우 크기 때문에 완충소재의 탄성계수가 향상될 것이다. 진공탈수시간 이 길어지면서 단섬유가 상대적으로 많이 함유된 KOCC가 완충소재 내부 구조에 치밀하게 결합되면서 탄성계수의 가파른 상승을 초래하게 된다. 그러나 진공탈수시간이 10초 정도 주어졌을 때 KOCC로만 제조된 완충소재의 탄성계수가 우유팩 폐지 섬유가 일정 비율 이상 포함된 완충소재의 탄성계수에 비하여 작은 값을 나타내었다. 리그닌이 상당량 함유된 미표백크라프트 펄프로 만들어 진 KOCC 섬유들은 결합력이 우유팩 폐지 섬유들보다 현저히 떨어지기 때문에 보다 작은 밀도와 낮은 탄성계수를 갖는 완충소재가 만들어진 것으로 보인다. 결국 진공탈수 시간이 짧을수록 이상적인 완충소재가 제조된다고 가정할 때 KOCC로만 완충소재를 제조하는 것이 바람직할 것으로 판단되었다.

KONP의 경우에는 KOCC와는 다른 거동을 보였는데, 도 19b에서 보는 바와 같이 장섬유로 구성된 우유팩 고지를 많이 첨가할수록 낮은 탄성계수를 나타내었다. 도 18b에서 살펴본 겉보기밀도의 결과에서 본 바와 같이 우유팩 폐지의 첨가량이 70% 첨가되었을 때 가장 낮은 탄성계수를 나타내었다. KOCC와는 달리 KONP는 단섬유와 미세섬유의 양이 많기 때문에 장섬유로 이루어진 섬유 네트워크의 공극 사이를 KONP 섬유들이 채우면서 밀도 및 탄성계수의 상승을 초래하는 것으로 보인다. 따라서 KONP 섬유가 가장 적게 함유된 완충소재가 가장 낮은 탄성계수를 보임으로써 신문지 폐지를 이용할 때에는 장섬유로 이루어진 폐지 섬유가 많이 첨가되는 것이 유리한 것으로 나타났다.

결론적으로 KOCC와 KONP 섬유로 완충소재를 제조할 때 KOCC의 경우에는 KOCC만을 단독으로 이용하는 것이 바람직하고, KONP의 경우에는 장섬유로 이루어진 폐지 섬유를 다량 혼합하는 것이 이상적인 것으로 나타났다.

실시예 8: 전분 혼합량 및 폐지 재생 횟수에 따른 완충소재의 물성변화

전분(starch)은 제지 분야에서 가장 오랫동안, 그리고 가장 광범위하게 사용되어 온 건조지력증강제들(dry-strength additives) 중의 하나이다. 천연 전분은 섬유와 마찬가지로 음이온을 띠고 있기 때문에 보류 효율이 매우 떨어지기 때문에 사용이 빠르게 격감하였다. 따라서 전분에 양이온기가 도입된 새로운 변성전분의 필요성이 강하게 대두되었고, 그 대안으로 개발된 것이 양이온성 전분(cationic starch)이다. 양이온성 전분은 4가 암모늄기(quaternary ammonium group)를 갖는 에폭시 계통 약품을 사용하여 pH와 온도를 높여가면서 에테르화 반응을 일으켜 제조한다. 이러한 양이온성 전분이 지료 현탁액(fiber suspension)에 투입되면 양이온성 전분 분자들이 섬유들 사이에 정착하여 섬유간 수소결합(interfiber bonding)을 증진시켜 종이의 강도를 향상시켜 주는 역할을 한다.

완충소재는 일반 종이류와는 달리 비용적(bulk)이 큰 상태로 제조되기 때문에 이웃한 섬유들 사이의 결합이 매우 약하게 이루어진다. 만약 이러한 상태로 완충소재가 제조된다면 완충성능은 상당히 개선될 것으로 기대할 수 있지만 완충소재의 형상이 쉽게 파괴되는 현상이 일어날 개연성이 매우 높다. 따라서 이러한 부분을 개 선하기 위해서는 섬유간 수소결합을 향상시킬 수 있도록 건조지력증가제의 첨가가 필요하다. 그러나 적정 수준 이상의 건조지력증강제를 첨가하게 된다면 완충소재 조직의 과도한 고밀화(excessive consolidation)를 촉진시켜 완충성능의 손실을 초래하게 된다. 따라서 적정 첨가 수준을 결정하기 위한 연구가 필요할 것으로 판단되어 양이온성 전분 첨가량에 따른 완충소재의 물성 변화를 알아보고자 하였다.

또한, 폐지로 제조된 완충소재는 스티로폼과는 달리 재활용이 무한정 가능해야 한다는 친환경적 측면을 가져야 하기 때문에 제조된 완충소재를 재활용하여 완충소재를 새로이 제조하였을 때 그에 따른 완충소재의 물성이 어떻게 변하는지를 알아보았다.

하기의 표 6에는 건조지력증강제인 양이온성 전분을 사용함에 따른 KOCC와 KONP 섬유로 제조된 완충소재의 겉보기밀도와 탄성계수 값을 나타내었고, 또한 KONP와 KOCC로 제조된 완충소재의 재활용에 따른 겉보기밀도와 탄성계수 값의 변화를 나타내었다.

[표 6: 전분 혼합량과 폐지 재생 횟수에 따른 완충소재의 물성 변화]

도 20은 표 6에 나타나 있는 값들에 근거하여 KOCC와 KONP로 제조된 완충소재의 겉보기밀도 변화를 그래프로 나타낸 것이다. 리사이클링 횟수에 관계없이 폐지 섬유의 전건중량에 대하여 4% 미만의 양이온성 전분이 첨가될 때 완충소재의 겉보기밀도는 큰 변화를 보이지 않았고, 4% 이상 첨가되어야만 겉보기밀도가 상승하는 경향 을 나타내었다. 그러나 그 상승폭이 미비하기 때문에 4-5% 수준에서 전분을 첨가한다면 완충소재 조직의 치밀성(혹은 고밀화)에 큰 영향을 미치지 않고서도 결합 보조제로서의 역할을 통하여 완충소재의 형상 유지에 긍정적인 기여를 할 수 있을 것으로 판단되었다. 특히 KOCC나 KONP와 같이 폐지 종류에 상관없이 재활용 횟수에 따른 전분 첨가량의 효과는 거의 미미한 것으로 나타났다.

여기서 한 가지 중요한 사실이 발견되었는데, 일차적으로 수집된 KOCC와 KONP를 이용하여 완충소재를 제조했을 때 완충소재의 겉보기밀도가 약 0.2 g/cm³으로 나타나 매우 치밀하게 형성되는 것을 볼 수 있다. 이러한 수준의 겉보기밀도를 나타낸다면 완충소재로서 사용하기에는 매우 부적합한 수준이어서 별도의 기술적 처리를 가해야만 완충소재로서의 기능을 할 수 있다. 그러나 도 19a와 도 19b에서 볼 수 있듯이 이것을 다시 건식해섬(dry defiberation)하여 완충소재를 제조했을 때, 즉 재활용했을 때는 최초 겉보기밀도의 약 50-75% 이하 수준까지 감소하는 것을 볼 수 있다. 재활용된 완충소재를 다시 건식해섬하여 이차 및 삼차로 재활용했을 때는 최초 재활용했을 때의 겉보기밀도와는 큰 차이가 나타나지 않았다. 화학펄프로 제조된 종이를 반복적으로 재활용할 때에 나타날 수 있는 섬유 열화현상(각질화, fiber hornification)으로 인하여 섬유의 강직화가 진행되면서 단섬유와 미세분이 지속적으로 증가하는 현상이 발생하는 것으로 알려져 있다. 이러한 섬유 열화 현상은 재활용된 종이 섬유를 지속적으로 재활용할 수 있는 가능성을 감소시킴으로써 종이의 물리적 성질 감소에 절대적인 영향을 미치게 된다.

그러나 완충소재 제조 시에는 종이와는 다른 경향을 나타내는 것으로 드러났다. 즉, 완충소재 제조 시에는 섬유의 각질화(열화)가 긍정적인 영향을 미치는 것으로 드러났다. 섬유의 재활용이 반복되면서 섬유의 각질화가 반복적으로 일어나면서 섬유의 결합능력을 심각하게 떨어뜨리게 된다. 특히 완충소재 제조 동안에는 종이 제조 공정에 필수적인 압착(press) 공정이 생략되고 진공 탈수 후 바로 건조 공정으로 이어지기 때문에 bulk 상태(bulky state)에서 완충소재의 건조가 이루어지게 된다. 반복된 재활용으로 섬유의 열화가 진행되어 개별 섬유의 결합 능력이 떨어진 상태 하에서 건조가 진행되므로 완충소재의 비용적(bulk)이 큰 상태, 즉 밀도가 작은 상태를 유지하는 것으로 보인다. 앞서 언급한 바와 같이 밀도가 작은 것일수록 동일 체적 내에 매우 많은 공극들(voids)을 형성하므로 완충소재가 완충성능을 발현하는데 있어 훨씬 더 유리하게 작용한다.

따라서 본 발명을 통하여 재활용이 반복된 폐지 섬유로 물리적 성질이 양호한 상태의 종이를 지속적으로 제조하기에는 상당한 어려움이 있지만 완충소재 제조에는 오히려 상당히 긍정적인 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. 이러한 폐지 섬유의 성질은 폐지 자원의 경제적 재활용에 매우 바람직한 기여를 할 수 있을 것으로 기대되고, 또한 본 발명의 목적인 스티로폼 대체 소재로서 친환경적 원료로 폐지 자원을 무한정 이용할 수 있는 계기를 마련하게 되었다.

결론적으로 KOCC와 KONP를 이용하여 완충소재를 제조할 때 결합보조제로서 첨가되는 전분의 양이 폐지 섬유의 전건 중량에 대하여 4-5% 수준에서 첨가되면 완충소재의 밀도에 큰 영향을 미치지 않으면서 완충소재의 형상 유지에 긍정적 효과를 기대할 수 있다. 또한 KOCC와 KONP 폐지 섬유를 회수한 후 바로 완충소재를 제조한 것에 비하여 습식 해리와 건조과정을 한 번 거친 후 건심해섬하여 완충소재를 제조하는 것이 보다 나은 비용적을 갖는 완충소재를 제조할 수 있다. 또한 사용된 완충소재를 회수 후 다시 완충소재를 제조하면 완충소재 내부의 완충 공간(shock-absorbing voids) 형성에 보다 긍정적 영향을 미치는 것으로 나타났다.

도 21a와 도 21b는 KOCC와 KONP로 양이온성 전분 첨가량과 완충소재의 재활용 횟수에 따른 완충소재의 탄성계수 변화를 나타낸 것이다. 도 20에서 살펴본 겉보기밀도 그래프를 통해서도 예측이 가능하였지만 폐지 섬유의 전건중량에 대하여 4% 이상의 전분이 첨가되어야만 완충소재의 탄성계수가 약간의 차이를 나타내기 시작하였다. 4% 미만의 첨가량에서는 재활용 횟수와 상관없이 의미 있는 차이를 확인하기가 어려웠다. 이는 양이온성 전분의 첨가가 완충소재의 탄성계수에 큰 영향을 미치지 않으면서 내부 결합력만 상승시킴으로써 완충소재의 형상 유지에 긍정적인 효과를 미침을 의미한다. 도 21b에서 보는 바와 같이 재활용이 전혀 되지 않은 KONP로 제조된 완충소재의 탄성계수 변화와 같이 양이온성 전분의 첨가로 인하여 탄성계수의 가파른 상승이 초래된다면 완충소재 내부 조직의 고밀화와 함께 완충성 능이 급격히 감소하기 때문에 완충소재로 사용하기에는 부적합한 물성을 나타나게 된다. 따라서 양이온성 전분을 첨가하더라도 겉보기밀도나 탄성계수의 가파른 상승을 초래하지 않은 상태에서 내부 결합력만 상승시킬 수 있어야 한다.

여기서 주목해야 할 가장 흥미로운 결과는 도 21a에서 보는 바와 같이 겉보기밀도의 결과와는 달리 KOCC로 만들어진 완충소재의 경우 재활용 횟수가 3회가 되었을 때 재활용을 2회 미만하였을 때보다 탄성계수가 감소하는 정도가 매우 크게 나타나는 것이다. 일반적으로 재활용이 반복될수록 각질화(hornification)가 반복적으로 일어나면서 섬유의 강직화를 초래하고, 이로 인해 섬유의 결합력이 감소하게 된다. 화학펄프의 경우 섬유의 재활용이 반복될수록 섬유의 결합력이 약화되면서 종이의 인장강도(tensile strength), 파열강도(burst strength), 광산란계수(light scattering coefficient), 내절도(folding endurance) 등이 감소하는 것으로 알려져 있다. 미표백크라프트 펄프로 주로 구성되어 있는 KOCC의 경우 재활용이 반복되면서 이러한 원리에 매우 적합한 원리를 따르는 것으로 보인다. 완충소재의 탄성계수가 낮을수록 외부 충격을 흡수하여 포장 물품을 보호하는 효과가 우수한 것으로 나타났기 때문에 완충소재의 재활용이 탄성계수와 같은 완충성능을 저하시키는 것이 아니라 오히려 개선하는 것으로 밝혀진 것은 매우 재미있는 결과라 할 수 있다.

도 21b에서 보는 바와 같이 KONP의 경우에는 재활용 횟수에 따른 탄성계수의 변화 가 KOCC의 경우와는 다른 경향을 보였다. 재활용이 반복되면서 완충소재의 탄성계수가 재활용을 하지 않았을 때보다 약 50% 이하 수준까지 떨어지는 경향을 보였다. KOCC와 마찬가지로 재활용이 반복되면서 섬유의 각질화(hornification)가 진행되면서 섬유가 빳빳(brittle)해지고 강직(stiff)해진다. 즉, 건조(drying) 및 젖음(wetting)이 반복되면서 섬유 내부의 결정영역이 증가되면서 섬유의 유연성(flexibility)이 떨어지게 된다. 그러나 KONP 섬유들은 기계펄프와 화학펄프가 혼합되어 있는 잡지 폐지(magazine newspaper)와 ONP 섬유들로 구성되어 있기 때문에 도 21b에서 보는 것처럼 KOCC 섬유들과 다른 경향을 보이게 한다. 보통 기계펄프 섬유의 경우에는 리그닌이 함유되어 있기 때문에 건조 및 젖음 과정이 반복되더라도 물을 취할 수 있는 공간이 만들어진다. 이것은 섬유의 유연성을 증진시켜 KOCC 섬유와는 달리 섬유 각질화가 느리게 진행되어 오히려 섬유의 물성을 증진시키는 효과가 나타난다. 이것이 KOCC로 만든 완충소재와 KONP로 만든 완충소재의 탄성계수가 다른 경향을 보이는 이유가 된다.

결론적으로 KOCC와 KONP로 제조된 완충소재의 탄성계수는 폐지 섬유의 전건중량에 대하여 4% 미만의 양이온성 전분을 첨가하였을 때 큰 변화를 보이지 않고 완충소재의 내부 결합력만 향상시키는 나타났다. 또한 재활용을 반복할수록 재활용을 시키지 않는 폐지 섬유에 비하여 완충소재의 완충성능이 오히려 향상되는 것으로 나타났다.

실시예 9: 진공성형 공정에 의해 만들어진 완충소재의 공극률

완충소재는 충격 흡수를 위해서 내부 구조가 수많은 공극(voids)들에 의한 다공성 구조를 지녀야 한다. 따라서 폐지로 만들어지는 완충소재가 몰드 성형과 차이를 갖기 위해서는 진공 성형 공정 후에 압착 공정을 생략하고 바로 건조 단계로 넘어가도록 해야 한다. 현재 시중에 시판되고 있는 펄프 몰드 형태로 만들어진 완충소재는 압착 성형에 의해 매우 치밀한 구조를 갖기 때문에 다공성 구조를 갖지 못하여 외부 충격을 흡수하는 것이 매우 어렵다. 그러나 KOCC와 KONP 섬유를 원료로 하여 진공성형에 의해 제조되어진 각각의 완충소재의 경우 이웃한 섬유들 사이의 결합이 매우 느슨하게 되도록 하기 때문에 비용적(bulk)이 매우 큰 상태로 제조되어 외부 충격을 흡수 하는 능력이 매우 향상된다.

공극률이란 물질의 특성을 설명하는 여러 개념의 하나로써 공극률의 정도에 따라 물질은 다양한 형태적, 기능적 특성을 갖게 된다. 완충소재의 공극률에 영향을 미치는 변수로는 진공탈수 시간, 폐지 섬유의 종류, 폐지 섬유의 길이, 섬유의 배열방법 등이 있으나 가장 큰 변수는 섬유의 결합 형태라 판단되어진다. 이는 진공성형 동안 가해진 진공탈수시간과 완충소재의 결합보조제로 이용되어진 양이온성 전분의 첨가량과 밀접한 관련이 있다고 판단되어진다. 진공탈수 시간이 많이 적용되면 섬유들이 진공이 가해지는 방향으로 섬유들이 매우 고밀화(consolidation)되면서 섬유간 결합이 상당히 강하게 형성된다. 또한 종이의 건조지력증강제로 사용되는 양이온성 전분이 진공성형 전에 과량 첨가되면 섬유간 결합력을 향상시켜 완충 소재 조직이 치밀해지게 한다. 따라서 앞서 언급한 바와 같이 최적 진공탈수 시간과 양이온성 전분의 적정 첨가량을 결정하여 완충소재 제조에 이용할 필요가 있다. 적정 비율의 공극이 형성되었는지를 확인하기 위하여 먼저 제조된 완충소재의 공극률을 측정할 필요가 있다.

그러나 도 22a와 도 22b에서 보는 바와 같이 완충소재의 표면 조직만을 관찰해서는 공극률을 예측하기 어렵기 때문에 별도의 장치를 사용하여야 한다. 더군다나 사람의 눈으로 완충소재 조직 내부에 형성된 공극의 형상을 구분하기가 매우 힘들기 때문에 현미경과 화상분석장치를 이용하여 공극률을 측정하여야 한다. 현미경을 통한 완충소재의 공극을 관찰하기 위해서는 먼저 완충소재 조직의 일부를 절단한 후 에폭시 수지(epoxy resin)로 포매(embedding)시키고, 포매된 조직을 마이크로톰을 사용하여 약 20 ㎛ 두께로 절편을 만든 후 1% 농도의 Toludine Blue로 섬유만을 염색하여 도 23a와 도 23b와 같이 현미경(×4 대물렌즈)으로 영상을 촬영하였다. 완충소재의 단면이 촬영된 영상을 화상분석 프로그램에 입력하여 일정 면적 내 섬유 외의 공간이 차지하는 비율을 자동으로 계산하여 공극률을 계산하였다.

하기의 표 7에는 도 23a와 도 23b와 같은 단면 사진을 이용하여 KOCC와 KONP 폐지 섬유로 제조한 완충소재와 펄프 몰드가 갖는 공극률을 계산한 후 그 결과를 양이온성 전분의 첨가량에 따른 공극률 변화로 나타낸 것이다. 도 24는 양이온성 전분의 첨가량 변화에 따른 공극률 변화를 KOCC, KONP, 그리고 펄프 몰드에 대해서 나타낸 것이다.

[표 7: 전분 첨가량에 따른 완충소재의 공극률 변화]

앞에서 설명한 도 20에서 살펴본 바와 같이 폐지 섬유의 전건중량에 대하여 5% 이하의 양이온성 전분을 첨가하였을 때 완충소재의 밀도는 큰 변화를 보이지 않았다. 이것은 양이온성 전분의 첨가가 완충소재의 내부 구조에 큰 영향을 미치지 않음을 의미한다. 이것을 정량적으로 확인할 수 있는 지표가 바로 공극률(porosity) 계산이다. 즉, 완충소재의 겉보기밀도와 공극률은 밀접한 관련이 있다. 도 24에서 보는 것처럼 5% 이하의 양이온성 전분이 첨가되었을 때 KOCC 및 KONP로 제조된 완충소재의 공극률은 큰 변화를 보이지 않았다. 겉보기밀도 결과에서 언급한 바와 같이 양이온성 전분의 첨가가 완충소재의 내부 구조를 고밀화시키는데 거의 영향을 미치지 않기 때문에 공극률에도 별다른 영향을 미치지 않는 것으로 보인다. 건조지력증강제로 사용된 양이온성 전분은 완충소재를 구성하는 섬유들 사이의 수소결합(interfiber hydrogen bonding)을 보완하는 역할만 하는 것으로 보인다.

도 24의 공극률 변화 그래프에서 한 가지 흥미로운 사실을 발견할 수 있다. KOCC와 KONP로 제조한 완충소재의 공극률을 비교해 보면 KOCC로 제조한 완충소재가 KONP로 제조한 완충소재에 비하여 훨씬 더 많은 공극을 함유하고 있다. 이는 KOCC로 만든 완충소재의 완충성능이 더 우수함을 보여주는 결과이다. KOCC는 미표백크라프트 펄프로 제조되기 때문에 개별 섬유에 상당량의 리그닌이 함유되어 있어 섬유간 결합에 부정적 영향을 미친다. 더군다나 섬유의 재활용이 반복되면서 섬유의 각질화가 수반되고 이로 인해 섬유 결합력이 감소하게 된다. 완충소재를 제조할 때 섬유 결합력이 손실되면 완충소재의 조직 내부에 상당수의 유리 공간(free space)을 남김으로써 공극률의 증가에 기여한다. 반면에 KONP는 잡지 폐지(Old Magazine Wastepaper)와 ONP로 구성되어 있고, 이들 폐지의 대부분은 완전히 표백된 화학 및 기계펄프와 약하게 표백된 신문폐지들로 이루어져 있다. 즉, 표백 단계에서 리그닌이 대부분 제거되었음을 의미하는 것이다. 따라서 KONP 섬유들은 KOCC 섬유들보다 더 유연하고 훨씬 더 큰 섬유 결합능력을 지닌다. KONP 섬유들이 갖는 우수한 결합능력으로 인하여 완충소재 제조 과정 동안에 섬유들 사이에 결합하려는 성질이 강해지고, 결국 KOCC로 제조된 완충소재에 비하여 더 적은 공극을 갖는 완충소재가 만들어진다. 도 24의 그래프에서도 이와 같은 결과를 확인할 수 있다.

폐지 섬유로 친환경적 완충소재를 제조하였을 때 이들 완충소재는 펄프 몰드와는 다른 물성을 나타내어야 한다. 특히 공극률에 있어서 펄프 몰드가 갖는 공극률보다 훨씬 더 큰 공극률을 갖지 않는다면 폐지로 만든 완충소재와 펄프 몰드와의 차별성이 자연스럽게 사라지게 된다. 도 24의 그래프에서 보는 바와 같이 KOCC와 KONP로 제조한 완충소재의 공극률은 펄프 몰드의 공극률에 비해서 3-4배까지 더 크게 나타났다. 폐지로 만든 완충소재는 압착 공정이 생략된 진공탈수 방식이 적용되지만 펄프 몰드를 제조할 때 강한 진공 하에서 물리적 압착까지 가해지기 때문에 펄프 몰드를 구성하는 섬유들은 이 단계에서 매우 강하게 밀착되게 된다. 동시에 매우 높은 온도에서 섬유 내 수분을 빠른 시간 안에 건조시키기 때문에 매우 높은 결합력을 발현하게 된다. 결국 도 25a에서 보는 바와 같이 매우 치밀하게 형성된 펄프 몰드의 단면을 갖는 펄프 몰드가 만들어진다. 펄프 몰드의 단면은 섬유들 사이에 형성된 넓은 영역의 유리 공간(free space)이 거의 존재하지 않기 때문에 밀도가 매우 큰 소재로 탄생하게 된다. 펄프 몰드의 공극률은 약 26%로서 주변에서 흔히 볼 수 있는 골재(공극률: 30-40%)보다도 더 낮다. 이러한 펄프 몰드가 완충효과를 가지기 위해서는 성형 금형을 이용하여 인위적인 거대 공간(완충 공간)을 형성시켜 주어야만 한다.

그러나 도 25b와 도 25c에서는 KOCC와 KONP로 만들어진 완충소재의 단면 사진들을 보여준다. 펄프 몰드와는 달리 결합된 섬유들 사이에 매우 큰 영역의 유리 공간들이 형성되어 있는 것을 쉽게 관찰할 수 있다. 이러한 유리 공간들은 외부 충격이 가해질 때 충격을 완화(alleviation) 혹은 흡수(absorption)하는 역할을 하게 된 다. KOCC와 KONP 완충소재의 단면을 비교하여 보면 도 24의 그래프에서도 확인한 바와 같이 KONP 완충소재가 KOCC 완충소재에 비하여 유리 공간이 더 적은 상태, 즉 보다 더 치밀하게 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이것은 KONP 완충소재가 완충성능 면에서 KOCC 완충소재보다 더 떨어진다는 사실을 가시적으로 확인시켜 주는 결과이다.

공극률이 높으면 진공탈수할 때 탈수 속도가 높아지게 되며 이는 건조비용에도 큰 영향을 미친다. 완충소재의 조직 내부에 공극이 많으면 진공탈수시 수분의 이동 속도가 빠르게 되어 짧은 시간의 감압으로도 많은 양의 수분을 제거 할 수 있게 된다. 건조시간의 단축으로 완충소재의 제조단가도 낮출 수 있기 때문에 물리적 측면이나 경제적 측면에서 완충소재의 공극 형성은 완충소재의 제조 공정에서 매우 중요한 요소(key factor)이다.

실시예 10: 진공성형 공정에 의해 만들어진 완충소재의 백색도

현재 가장 널리 사용되는 포장완충소재인 스티로폼은 원료가 가지고 있는 고유 특성으로 인하여 하얀 색의 제품으로 만들어진다. 그러나 이러한 스티로폼은 제조공정에서 부피가 팽창되어 공간을 많이 차지하게 되고 난분해성 소재라는 오명을 안고 있기 때문에 향후 가장 기피되는 포장소재 중의 하나가 될 수도 있다.

장, 단기적으로는 OECD 국가를 중심으로 자국으로 수입되는 모든 제품에 대하여 제 품 보호를 위해 내장되어 있는 포장소재가 난분해성 소재로 만들어져 있을 경우에는 난분해성 소재가 함유되어 있는 중량만큼 환경부담금이 제품 수입 가격에 포함되게 함으로써 해당 수출국에서는 상당한 부담을 안게 될 것이다. 따라서 스티로폼을 대체할 수 있는 뛰어난 완충성능을 갖는 친환경적 완충소재를 신속히 개발하여 수출 제품의 포장에 이용할 수 있어야 한다. 소비자들도 제품을 포장하기 사용되어 오고 있는 완충소재의 색상이나 재질에 큰 의미를 두는 시각을 바뀌어야 한다. 하얀 색만을 선호하는 고정 관념에서 탈피하여 환경적 측면을 접목시킨 새로운 패러다임이 포장완충소재에 적용되어야 한다.

보통 스티로폼의 경우 백색도(brightness)가 95 이상으로 KOCC나 KONP로 제조한 완충소재에 비하여 훨씬 더 높다. 하기의 표 8에서 보는 바와 같이 KOCC로 만든 완충소재의 경우 백색도가 13-16이고, KONP로 만들어진 완충소재는 31-33 수준의 백색도를 갖는다.

[표 8: 폐지로 제조된 완충소재의 백색도]

KOCC로 만들어지는 완충소재는 리그닌이 함유되어 있는 미표백크라프트 펄프로 구성되어 있기 때문에 OMP와 ONP로 만들어지는 완충소재에 비하여 훨씬 더 낮은 백색도를 갖는다. 백색도가 약 67 수준인 우유팩 폐지를 KOCC와 KONP에 혼합하여 완충소재를 제조하더라도 스티로폼에 준하는 백색도를 얻기가 매우 어렵다. 만약 KOCC나 KONP 섬유에 고도의 표백 처리를 통하여 스티로폼에 준하는 백색도를 얻기 위해서는 유독한 표백약품(NaOH, ClO₂, Cl₂, H₂O₂, O₃ 등)을 사용해야 하고, 이들 표백약품의 사용으로 인한 폐수 처리 부담까지 떠안게 된다. 이러한 조건에서 만들어진 완충소재가 토양이나 하천에 폐기되었을 때 자연분해가 가능하다는 셀룰로오스 섬 유를 주원료로 하였다는 측면만을 강조하여 “환경친화적 완충소재”라는 점을 부각한다면 논리적 비약이라 할 수 있다. 환경친화적 완충소재를 제조하기 위해서 강한 표백처리가 가해지기 때문에 완충소재가 떠난 자리에 수질오염이 남겨지는 이율배반적 결과가 초래되기 때문이다.

따라서 환경편익적 측면을 고려한다면 친환경적 완충소재에는 화학약품을 사용을 최대한 억제하고 기계적 공정만으로 제조하여야 한다. KOCC와 KONP로 제조한 완충소재는 환경편익적 관점을 충분히 고려한 진정한 의미의 「환경친화적 완충소재」라 할 수 있겠다.

실시예 11: 진공성형 공정에 의해 제조된 완충소재의 건조속도

진공탈수 직후 완충소재가 함유하고 있는 수분의 양은 건조 시간에 결정적 영향을 미친다. 건조시간이 길어진다면 결국 제조비용의 상승을 초래함으로써 완충소재를 사용하는 소비자들에게 물류비용 상승이라는 부담으로 돌아가게 될 것이다. 따라서 가능하다면 제조비용을 절감을 위해서 진공탈수 단계에서 많은 양의 수분이 제거되도록 해야 하지만 이를 위해서는 진공탈수 시간을 길게 하여야만 한다. 진공탈수시간이 길어지면 완충소재 조직의 고밀화 현상이 더욱 진행되어 완충성능을 떨어뜨리는 원인이 된다. 적절한 진공탈수시간을 결정하여 제조 단가를 최대한 낮추는 것이 매우 중요하다.

하기의 표 9와 도 26은 KOCC 및 KONP를 이용하여 완충소재를 제조할 때 적용된 진공탈수시간이 건조 직전의 완충소재 함수율에 미치는 영향을 보여준다.

[표 9: 진공탈수시간에 따른 완충소재의 함수율 변화]

도 26에서 바와 같이 진공탈수 단계에서 진공탈수시간이 길어질수록 KOCC와 KONP로 제조한 완충소재 모두가 함유하는 수준의 양이 감소하였다. 그러나 폐지 종류별 함유 수분의 양은 KONP가 KOCC가 더 많은 수분을 함유하는 것으로 나타났다. 이는 KONP를 구성하는 폐지의 종류가 리그닌이 제거된 표백 OMP와 ONP로 구성되어 있기 때문에 물 분자의 수산기(-OH)와의 반응이 매우 크다. 반면에 KOCC는 리그닌이 상당량 함유된 미표백크라프트 펄프로 구성되어 있기 때문에 셀룰로오스 섬유를 둘러싸고 있는 리그닌 성분에 의해 물 분자와 결합할 가능성이 KONP에 비하여 훨씬 더 낮다. 따라서 동일한 진공탈수 시간이 적용되더라도 KONP가 KOCC에 비하여 훨씬 더 많은 수분을 함유하게 된다. 도 26의 결과를 통해 경제적인 측면에서 볼 때 KOCC로 완충소재를 제조하는 것이 건조비용을 줄이는데 보다 더 효과적임을 확인할 수 있었다.

하기의 표 10과 도 27에는 KOCC와 KONP로 제조된 완충소재가 진공성형 단계를 거친 후 건조 단계로 들어가기 전에 이들 완충소재가 함유한 함수율(%)을 측정한 결과를 보여주고 있다. 여기서 반복적인 재활용이 함수율에 어떠한 영향을 미치는 지도 함께 알아보았다.

[표 10: 재활용 횟수에 따른 완충소재의 함수율 변화]

앞서 살펴본 바와 같이 재활용을 전혀 하지 않았을 때는 KOCC가 KONP에 비하여 훨씬 더 적은 수분을 함유하였다. 이들 폐지들을 이용하여 완충소재로 제조한 뒤 재활용을 반복하여 완충소재를 제조하였을 때 이들 완충소재가 갖는 함유 수분은 재활용에 따라 큰 변화를 보였다. KOCC와 KONP 모두 재활용을 반복함에 따라서 함유 수분의 양이 감소하는 것을 볼 수 있다. 감소의 폭은 KONP가 KOCC에 비하여 더 크게 나타났고, 재활용 횟수에 관계없이 완충소재의 함유 수분은 KONP가 훨씬 더 많았다. 앞서 살펴본 바와 같이 KONP의 경우에는 표백 펄프로 주로 구성되어 있어 재활용에 따른 각질화의 영향을 크게 받는다. 각질화가 많이 진행될수록 물과의 결합능력이 떨어지고 이로 인해 완충소재가 함유하는 수분의 양도 줄어들게 된다. 반면에 미표백크라프트 펄프로 구성되어 있는 KOCC의 경우에는 리그닌으로 인해 각질화가 KONP에 비하여 천천히 진행되면서 수분과의 결합력이 조금씩 잃게 된다. 따라서 재활용 횟수에 따른 함수율 변화 그래프의 곡선이 KOCC의 것이 KONP보다 더 완만한 이유는 이러한 이유에서 찾을 수 있다.

결론적으로 건조 직전에 만들어진 완충소재의 함수율을 비교하였을 때 KOCC 완충소재가 KONP 완충소재에 비해서 더 적은 수분을 함유하였다. 이것은 KOCC 완충소재가 건조 단계에 들어갔을 때 KONP 완충소재에 비해서 더 짧은 시간에 건조가 가능함을 의미한다. 따라서 전체적인 제조비용 측면에서 KOCC가 더 유리한 원료로 사용될 수 있음을 확인할 수 있었다.

실시예 12: 잉크를 제거한 탈묵 펄프를 이용한 완충소재 제조

완충소재를 제조하기 위하여 사용한 폐지 지종은 KOCC와 KONP 두 종류였다. KOCC의 경우에는 볼록판 평판 그라비어 스크린 방식으로 인쇄되는 면적이 일반 인쇄용지에 비하여 매우 작기 때문에 큰 문제가 되지 않지만 KONP의 경우는 종이의 양면 모두 잉크로 덮여 있는 상태이기 때문에 잉크가 제거되지 않은 상태에서 완충소재를 제조하게 되면 완충소재의 물성에도 영향을 미칠 수 있다. 따라서 인쇄잉크에 의한 영향을 알아보기 위하여 수집된 KOCC를 부상부유방식으로 탈묵 (deinking, 잉크 제거)한 후 완충소재를 제조하고자 하였다. 탈묵은 KONP 현탁액을 약알칼리 상태로 만든 후 계면활성제를 첨가하여 해리시키고, 이것을 부상부유기(flotation cell)에서 잉크가 거품에 달라붙어 떠오르게 하는 방식으로 제거하였다.

탈묵 처리 후 KONP 섬유의 섬유장(fiber length)과 0.2 mm 이하의 미세분 함량(fines content)을 측정한 결과가 하기의 표 11에 나와 있다. 미세분에 의한 영향을 배제한 길이가중치 평균섬유장(length-weighted mean fiber length)을 비교하여 보았을 때 탈묵된 폐지 섬유(deinked pulp, DIP)의 평균섬유장이 0.71 mm로 KOCC의 1.28 mm, KONP의 1.01 mm보다 낮게 나왔다. 뿐만 아니라 미세분의 함량도 약 31%나 포함되어 있어 KOCC의 23%, KONP의 21%보다도 훨씬 많은 양을 나타내었다. 보통 폐지를 이용하여 종이를 제조할 때 섬유장, 섬유조도(fiber coarseness), 그리고 섬유장 분포에 관한 리사이클링의 효과는 큰 의미를 두지 않고 있다. 그러나 이와는 달리 짧은 섬유장과 많은 미세분을 함유한 DIP로 완충소재를 제조한다면 진공탈수에 있어서 많은 문제점을 나타낼 것이다.

[표 11: 폐지 섬유의 섬유장 분포]

실제로 DIP 현탁액을 진공성형상자에 넣은 후 진공 탈수를 시켰을 때 KOCC와 KONP와는 달리 탈수에 많은 시간(약 300초)이 소요되었다. KOCC와 KONP의 경우 약 10초 정도면 펄프 현탁액에 들어 있던 과량의 물이 제거되어 성형이 되었지만 DIP는 그 수준까지 탈수 성형을 시키려면 30배 이상의 시간이 소요되었다. 따라서 KONP를 DIP로 만든 후 진공성형시킨다면 제조공정이 길어지고 진공탈수에 소요되는 동력 소모도 매우 커질 것으로 판단된다. 뿐만 아니라 단섬유(short fiber)와 미세분도 상당량도 함유되어 있어서 완충소재 제조단가의 상승에도 지대한 영향을 미칠 것으로 예상되었다.

결론적으로 완충소재를 제조하기 위하여 DIP를 제조한다면 탈묵(deinking), 탈수, 그리고 건조에 소요되는 추가적인 비용이 발생하기 때문에 결국 완충소재 제조비용이 상승하는 중대한 요인으로 된다. 뿐만 아니라 탈묵에 필요한 약품의 사용으로 폐수 처리 비용까지 발생하기 때문에 스티로폼을 대체할 환경친화적 완충소재를 만 든다는 일차적 목적에 반하게 된다. 결국 DIP는 공정상의 부하 가중과 추가 비용 발생으로 완충소재로 제조하기에는 적합하지 않은 것으로 판단된다.

한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 기술적 특징이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진에게 명백한 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하는 경우 골판지 고지(Korea Old Corrugated Container, KOCC), 신문지 고지(Korea Old Newspaper, KONP) 및 우유팩 시편(milk carton) 중 적어도 하나 이상이 선택된 폐지시료(wastepaper)를 건식해섬기(Blender)를 이용하여 해섬(Disintegrating)하는 단계; 상기 해섬된 폐지시료를 희석하여 펄프 혼탁액(pulp suspension)을 제조하는 단계; 상기 펄프 혼탁액을 양이온성 전분(cationic starch)과 혼합하는 단계; 상기 양이온성 전분이 혼합된 펄프 혼탁액을 양방향진공처리(dual vacuuming)가 가능한 진공성형장치를 이용하여 상하 양방향으로 진공탈수 시켜서 완충소재(shock absorbing material)를 제조하는 단계; 상기 완충소재를 건조(Drying)시키는 단계; 및 상기 건조된 완충소재의 표면에 표면사이징(surface sizing) 처리를 하는 단계;를 포함하여 이루어지는 진공성형 원리를 이용한 폐지 완충소재의 제조방법을 제공할 수 있다.

이러한 본 발명에 의하는 경우, 종래와 같이 압착 플레이트에 의한 압착과정 없이도 탄성계수와 밀도가 현저히 낮은 완충소재를 더욱 효과적으로 생산해 낼 수 있는 효과가 있다. 본 발명에 따른 완충소재의 제조 원리는 성형박스에 폐지 시료 현탁액을 투입한 후 상단 압착 플레이트(hot press plate)에 의한 압착 과정이 필요없다는 점에서 종래의 펄프 몰드 제조방법과 큰 차이가 있다. 본 발명은 상하 양방향으로 진공 탈수시켜 완충소재의 구조가 비용적(bulk)이 큰 상태(밀도가 낮은 상태)가 되도록 성형하는 방법이다. 양방향으로 진공 성형된 완충소재의 조직에서는 펄프 몰드와는 달리 양 방향 진공처리(dual vacuuming)를 통하여 완충소재의 내부 조직으로부터 물이 제거되면 이곳에서 섬유간 수소결합(interfiber bonding)이 일어나는 것을 최대한 억제할 수 있어서, 많은 수의 빈 공간을 만들 수 있는 효과가 있다.

이렇게 섬유간 수소결합이 억제된 곳들은 느슨한 섬유 네트워크를 형성하기 때문에 완충소재의 조직 내부에 많은 작은 공간(void)으로 남게 되고, 이것은 완충소재의 수분증발율(drying rate), 백색도(brightness), 겉보기밀도(apparent density), 압축강도(compressive strength), 복원율(restoring ratio), 탄성계수, 그리고 공극률(porosity)과 같은 물성 특징을 현저히 우수하게 하여, 이것으로부터 외부 충격, 진동, 혹은 소음 등을 흡수하는 기능을 효과적으로 달성할 수 있게 되는 것이다.

Claims

골판지 고지(Korea Old Corrugated Container, KOCC), 신문지 고지(Korea Old Newspaper, KONP) 및 우유팩 시편(milk carton) 중 적어도 하나 이상이 선택된 폐지시료(wastepaper)를 건식해섬기(Blender)를 이용하여 해섬(Disintegrating)하는 단계;

상기 해섬된 폐지시료를 희석하여 펄프 혼탁액(pulp suspension)을 제조하는 단계;

상기 펄프 혼탁액을 양이온성 전분(cationic starch)과 혼합하는 단계;

상기 양이온성 전분이 혼합된 펄프 혼탁액을 양방향진공처리(dual vacuuming)가 가능한 진공성형장치를 이용하여 상하 양방향으로 진공탈수 시켜서 완충소재(shock absorbing material)를 제조하는 단계;

상기 완충소재를 건조(Drying)시키는 단계; 및

상기 건조된 완충소재의 표면에 표면사이징(surface sizing) 처리를 하는 단계;를 포함하여 이루어지는 진공성형 원리를 이용한 폐지 완충소재의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 양이온성 전분은 양이온성 전분을 80℃ 내지 85℃ 범위 내의 온도로 호화(gelatinization)시킨 후, 1%로 희석시킨 양이온성 전분임을 특징으로 하는 진공성형 원리를 이용한 폐지 완충소재의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 진공성형장치는 사각형 완충소재 성형부, 원통형 완충소재 성형부, 탈수용 진공 펌프, 제어박스(control box) 및 배수장치를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 진공성형 원리를 이용한 폐지 완충소재의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 진공탈수는 10초 내지 60초 범위 내의 시간으로 수행되거나, 상기 폐지시료에는 우유팩 시편이 20% 내지 80% 범위 내로 첨가되거나, 상기 양이온성 전분은 폐지시료의 전건중량에 대하여 4% 내지 5% 범위 내로 첨가되어 혼합되거나, 상기 골판지 고지(KOCC) 또는 신문지 고지(KONP)는 1회 이상 재활용된 것임을 특징으로 하는 진공성형 원리를 이용한 폐지 완충소재의 제조방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 진공성형 원리를 이용한 폐지 완충소재의 제조방법에 의하여 제조된 것으로써, 탄성계수가 150kPa 내지 700kPa 범위 내이거나, 밀도가 0.12g/cm³ 내지 0.17g/cm³ 범위 내인 것을 특징으로 하는 폐지 완충소재.