KR100750875B1 - 개질된 목질섬유분을 이용한 벌크 및 휨강도가 증가된종이판지의 제조방법 - Google Patents

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충남대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 목재 칩에서 물리적인 힘으로 섬유 혹은 섬유다발들로 분리한 목질섬유분을 이차적으로 물리화학적인 가공 처리를 실시하여 종이판지의 중간층 원료에 첨가함으로서 종이판지의 벌크를 올리고 휨강도(bending stiffness)를 증대시키면서 종이판지의 기타 물성 즉, 인장강도, 내부결합강도, 지합 등을 유지 및 향상시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 종이판지에서 가장 중요한 특성인 판지의 벌크와 휨강도가 벌크의 경우 5% 이상, 휨강도의 경우 10% 이상 손쉽게 달성할 수 있으며, 같은 벌크와 휨강도을 유지한 상태에서 종이판지의 평량 절감을 3% 이상 달성할 수 있음으로 원료절감과 생산비 절감 및 품질향상을 얻을 수 있다.
목질섬유분, 벌크(벌크), 휨강도(stiffness), 약품처리, 섬유장, 섬유 거치름도

Description

개질된 목질섬유분을 이용한 벌크 및 휨강도가 증가된 종이판지의 제조방법{Manufacturing Method for Increasing bulk and Stiffness of Paperboard by Using Mechanically and Chemically Modified Wood Particles into Paperboard Middle Layers}
도 1은 목질섬유분을 제조하는 방법과 종이판지의 중간층 지료와 혼합하여 종이판지의 중간층을 구성하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 종이판지의 단면도이다.
** 도면 주요부에 대한 부호의 설명**
100 : 코팅층 110 : Top 층
120 : Under top 층 130 : Filler 층 혹은 중간층
140 : Back 층
본 발명은 종이판지의 중간층에 물리적으로 개질된 목질섬유분을 첨가하여 사용함으로서 벌크와 휨강도가 높은 종이판지를 만드는 제조방법과, 상기 목질섬유 분의 화학적 개질방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 목재 칩을 디파이브레이타로 처리한 다음 고해기로 일정범위의 길이와 거치름도를 가진 목질섬유분으로 개질시키고, 종이판지 제조시 중간층의 지료에 1 ~ 50% 첨가하여 제조함으로써 종이판지의 벌크와 휨강도를 높이는 방법이다. 이 때 목질섬유분을 사용한 종이판지의 인장강도나 내부결합강도의 저하가 예상되는데, 인장강도와 내부결합강도의 증대를 위해 목질섬유분에 오존반응을 실시함으로서 인장강도와 내부결합강도가 높이며, 벌크와 휨강도도 동시에 증대시키는 방법을 제시한다.
목질섬유분을 사용한 종이판지 중간층의 인장강도와 내부결합강도를 높이기 위한 다른 방법은 목질섬유분 이외의 종이판지 중간층의 성분 즉 펄프나 고지를 추가적으로 고해하여 목질섬유분에 섞는 방식을 제시한다. 종이판지의 중간층에 사용되는 지료와 상기 목질섬유분과 혼합하여 함께 고해하는 혼합고해도 가능하다. 본 발명에 의해 개질된 목질섬유분을 종이판지에 적용함으로서 지료의 탈수성과 지합을 동시에 개선하는 방법도 함께 제시한다.
종이판지에 있어서 가장 중요한 성질 중의 하나인 판지의 벌크 및 휨강도의 증대를 위하여 다양한 연구가 이루어져 왔다. 먼저 종이의 원료인 펄프의 성질이 판지의 휨강도를 변화시킬 수 있다고 알려져 왔다. 즉 표백펄프보다는 미표백펄프가, 화학펄프보다는 기계펄프가 벌크를 증대시키고, 휨강도을 높이는 것으로 알려졌다. 하지만 판지의 인장강도나 내부결합강도를 현저히 떨어뜨리는 단점을 가지고 있다.
종이제조공정의 습부에서 첨가제를 이용하여 판지의 인장강도를 높임으로서 판지의 휨강도를 높일 수도 있다. 이러한 경우 경제성과 휨강도의 증대를 고려해야 하며, 경제적인 고려를 하지 않는 특수한 경우를 제외하고는 휨강도가 획기적으로 증대되는 경우가 보고된 바 없다. 첨가제로서는 전분이나 PAM 등이 이용되고 있다.
섬유고해를 적게 함으로서 판지의 벌크를 향상시키려는 노력은 종이판지의 기본적인 성질, 즉 내부결합강도 등을 현저히 저하시킴으로써 상업적으로 유용한 종이판지의 제조법이 될 수 없다. 단 내부첨가약품을 병용함으로써 섬유간의 결합은 첨가약품이, 벌크는 섬유가 담당하는 구조를 만들 수 있으며, 이 때 휨강도의 증대를 다소 얻을 수 있다.
판지제조시 지료의 지합을 향상시킴으로서 판지에 가해지는 칼렌다 압력을 줄이면서 목표 평활도에 도달하는 방법을 많은 연구자들이 시도한 바 있다. 이러한 경우 칼렌다의 압력이 줄일 수 있음으로 판지의 벌크가 증대될 수 있다. 하지만 판지의 지합을 향상시키려는 노력이 사실상 판지의 휨강도을 높이는 기술의 개발보다 더 어려울 수 있는 점을 감안 할 때, 앞으로 더 많은 연구가 이루어져야 할 분야로 볼 수 있다.
판지의 건조시 억제건조를 실시함으로서 판지의 인장강도와 탄성율을 증대시켜 판지의 휨강도를 늘릴 수 있다. 이러한 기술은 실험실에서 자주 시도되었으며, 실제적인 성공을 거두고 있다. 하지만 공장에서 시도하기에는 아직 기계적인 장치개발의 미흡으로 현실화되지 못하고 있다.
표면사이징에 있어서 판지의 표면에 접착제를 부착하는 방법을 사용할 수 있다. 이러한 방법은 인쇄용지와 같은 저평량 종이에 유효한 것으로 알려져 있으며, 고평량 판지에 있어서는 경제적인 문제와 인쇄를 위한 코팅층과 상호작용을 고려해야하는 문제가 있다. 접착제로는 산화전분 혹은 전분과 고분자 폴리머의 혼합물이 많이 쓰이고 있다.
종이판지를 다층으로 제조하는 방식은 휨강도 증대에 가장 유용한 방식으로서 바깥층은 탄성율과 인장강도가 높은 지료를 사용하고 내부에는 벌크가 높은 지료를 사용함으로서 휨강도의 증대를 이룰 수 있게 된다. 종이판지의 휨강도는 바깥층의 탄성계수와 판지의 두께가 가장 중요하다. 휨강도는 종이판지 두께의 삼 제곱에 비례하는 것으로 알려져 있으며, 다층판지의 경우 두께중심에서 먼 바깥층의 탄성계수에 종이판지의 휨강도가 크게 영향한다. 종이판지의 다층화는 이미 대부분의 판지공장에서 실시하고 있으며, 본 발명에서는 특별히 내부의 중간층의 벌크와 지합을 높이면서 다른 필요한 강도적, 물리적 특성을 유지하는 방법을 제시하고 있다.
본 발명은 종래에는 사용된 바 없는 물리화학적으로 개질된 목질섬유분을 종이판지의 중간층에 섞어 사용함으로서 종이판지의 벌크와 휨강도를 높이며, 종이판지의 인장강도와 내부결합강도를 유지시키는 것을 목적으로 한다. 보다 구체적으로 본 발명은 목재 칩을 디파이브레이터로 처리하여 목질섬유분으로 만든 다음 리파이너나 비터를 이용하여 추가적으로 그 크기를 1.0 mm 이하가 되도록 고해한 후, 종이판지의 중간층 또는 필러층에 지료와 혼합하여 사용함으로서 종이판지의 중간층 의 벌크를 증대시키고, 탈수를 향상시키며, 지합을 개선시킨 종이판지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다. 이 때 발생하는 내부결합과 인장강도의 저하는 종이판지의 중간층에 사용하는 지료를 약간 고해하고 그 지료에 크기가 조절된 개질 목질섬유분과 섞어 사용하거나, 중간층 지료와 목질섬유분을 함께 섞어서 고해해 줌으로서 내부결합과 인장강도를 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명은 목질섬유분을 종이판지의 벌크와 휨강도 증대에 적합하도록 물리화학적으로 개질시키는 방법을 제시하며, 동일수준의 탈수성과 지합, 인장강도와 내부결합하에서 종이판지의 벌크와 휨강도를 높이는 방법들을 제공하는 것을 그 목적으로 한다. 즉, 내부결합과 인장강도를 높이는 다른 방법으로는 목질섬유분에 오존처리나 알칼리처리를 고해전이나 후에 실시하는 것이다. 이러한 경우 벌크와 탈수에 있어서 향상효과가 약간 저하되기는 하지만 내부결합강도와 인장강도가 현저히 높아지는 특징이 있다.
본 발명에 의해 제조된 종이판지의 중간층은 벌크와 휨강도가 기존의 중간층보다 각각 5-30% 와 5-50% 이상씩 높아지며, 탈수가 우수하고, 지합이 크게 개선된다. 중간층의 벌크와 휨강도의 증대로 종이판지 전체의 휨강도를 높일 수 있는 면 이외에도, 중간층의 지합을 크게 향상시킴으로서 얻을 수 있는 효과는 칼렌다링 압력의 감소이다. 칼렌다링 압력의 감소는 다시 종이판지의 벌크를 증대시키며, 휨강도를 늘릴 수 있게 된다. 본 발명은 상기와 같은 방법들로 종이판지의 중간층의 벌크와 휨강도 및 지합, 탈수의 개선을 통해 종이판지의 휨강도 증대 및 평량감소를 달성하고자 하였다.
본 발명은 목재 칩에서 물리적인 힘으로 섬유 혹은 섬유다발들로 분리한 목질섬유분을 이차적으로 물리화학적인 가공 처리를 실시하여 종이판지의 중간층 원료에 첨가함으로서 종이판지의 벌크를 올리고 휨강도(bending stiffness)를 증대시키면서 종이판지의 기타 물성 즉, 인장강도, 내부결합강도, 지합 등을 유지 및 향상시키는 방법에 관한 것이다.
본 발명과 같이 개질된 목질섬유분을 사용하여 종이판지의 중간층에 사용하는 것은 본 발명자가 최초로 시도한 것이며, 개질한 목질섬유분과 OCC(골판지 고지)펄프를 사용하여 종이판지의 중간층으로 사용하는 경우 종래 종이판지에 비하여 벌크와 휨강도가 크게 증가하는 것을 발견하여 본 발명을 완성하게 되었다.
보다 구체적으로 본 발명은
(a) 목재칩을 디파이브레이타로 고해하여 길이 가중치 평균섬유장이 1.0 ~ 3.0 mm, 거치름도가 0.9 mg/m 이하인 목질섬유분을 제조하는 물리적 처리 단계;
(b) 상기 (a)단계를 거친 목질섬유분을 화학적처리 없이 그대로 사용하는 경우를 포함하여 산화제, 산, 또는 알칼리로 화학적 처리하는 단계;
(c) 상기 (b)단계 처리를 실시한 목질섬유분을 비터나 리파이너, 또는 디파이브레이타를 이용하여 추가적인 물리적 처리를 실시하여 길이 가중치 평균섬유장이 1.0 mm 이하이고, 거치름도가 0.9mg/m 이하인 목질섬유분을 제조하는 단계;
를 가지는 것을 특징으로 하는 개질 목질섬유분의 제조방법에 관한 것이다.
이때 상기 (c) 단계에서는 처리된 목질섬유분과 종이판지의 중간층 지료를 함께 고해할 수도 있다. 또한 상기 (c) 단계 후 (d) 제조된 개질 목재섬유분을 종이판지의 중간층 지료에 혼합하여 사용하는 단계를 더 추가하여 사용할 수 있다.
또한 상기(d)단계에서 지료와 개질 목질섬유분을 혼합 시 상기 지료는 분급하여 장섬유분을 모으고, 장섬유분만 고해하여 일정한 처리를 실시한 후 개질 목질섬유분과 혼합하는 것도 본 발명의 범위에 포함된다.
본 발명에 있어서 목재칩은 침엽수나 활엽수 모두 사용이 가능하지만 일반적으로 침엽수가 활엽수보다 재질이 연하여 기계적으로 섬유화가 쉽고 섬유의 길이가 길므로 더 우수한 품질을 만들 수 있는 것으로 판단된다. 또 밝은 색의 목질섬유분을 얻기 위해서는 수피가 깨끗이 제거된 목재를 사용하는 것이 유리하다. 디파이브레이터를 통과한 목질섬유분은 디파이브레이터의 종류와 운전조건에 따라 그 크기가 달라진다. 본 발명에서는 MDF (Medium Density Fiberboard) 의 제조에 쓰이는 디파이브레이터를 사용한 경우, 본 발명의 목적에 가까운 목질섬유분을 만드는 것을 발견하였다.
본 발명에 사용되는 목질섬유분은 일반적으로 기계펄프로 사용되는 TMP 나, CTMP, 혹은 RMP 보다 더 거친 것을 사용하며, MDF(medium density fiber board) 제조에 사용되는 MDF 원료 섬유정도의 거친 수준의 목질원료를 가공하게 된다. MDF 섬유는 일반 목재를 칩상태로 만든 다음 디파이버레이터(defiberator)를 사용하여 칩상태의 목재를 섬유 혹은 섬유다발 상태로 만든다. 이렇게 만들어진 MDF 섬유는 MDF 제조공정을 위해 사용되지만 본 발명에서는 이러한 목질섬유분을 추가적으로 가공하게 된다. 즉, 고해기를 이용하여 일정한 범위의 길이와 거치름도을 가진 섬 유분으로 가공하여 종이판지의 중간층 지료에 일정량을 혼합하여 사용함으로써 종이판지의 벌크와 휨강도을 높이는 것이며, 고해 전과 후에 약품을 사용하여 목질섬유분의 내부 및 표면적 성질을 화학적으로 변화시켜 종이판지 제조시 섬유간의 결합을 높이도록 처리하기도 한다.
본 발명 상기 (b) 단계에서 화학적 처리를 실시하는 경우 사용되는 것으로, 오존과 산소, 과산화수소(H2O2), 과망간산 칼륨(KMnO4), 중크롬산 나트륨(K2Cr2O7)에서 선택되는 어느 하나의 산화제, 또는 염산 (HCl), 초산(CH3COOH)에서 선택되는 어느 하나의 산, 또는 수산화나트륨 (NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화마그네슘(Mg(OH)2)에서 선택되는 어느 하나의 알칼리에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있다. 이러한 약품의 처리의 목적은 섬유의 표면을 변화시켜서 물과의 친화력을 높이며, 목질섬유분을 유연하게 만들어 섬유간의 결합을 높이는 것이다. 이러한 경우 종이의 강도가 높아지지만 벌크는 약품처리전보다 약간 저하하게 된다.
본 발명에서 목질섬유분에 오존을 사용하는 경우는 섬유간의 결합을 높여서 내부결합강도나, 열단장을 높이고자 할 경우이다. 오존을 처리하는 방법은 밀폐된 장치에서 목질섬유분의 고형분을 20-50% 로 만들고 오존가스를 주입함으로서 실시할 수 있다. 처리정도는 오존가스의 농도와 통과속도, 목질섬유분의 pH, 처리시간 및 고형분의 농도를 들 수 있다.
본 발명은 상기 화학적 처리를 한 후, 목질섬유분들을 사용목적에 맞도록 그 크기를 비터기나 리파이너를 이용하여 추가적으로 고해하여 조절하였다. 즉 길이가 중치 평균섬유장 (length weighted mean fiber length)을 Morfi 섬유측정기의 경우 0.3 ~ 0.9mm 로 조절하여 사용하였다. 고해방식은 주로 섬유의 절단이 많이 일어나는 유리상 고해를 한다. 종이판지의 벌크가 더 중시될 때에는 0.9mm 에 가까운 섬유장을 사용하며, 종이판지 중간층의 지합과 내부결합강도의 개선을 위해서는 짧은 섬유장인 0.3mm 에 가까운 길이가중치 평균섬유장이 되도록 조절하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 종이판지에서 가장 중요한 판지의 벌크와 휨강도가 벌크의 경우 5% 이상, 휨강도의 경우 10% 이상 손쉽게 달성할 수 있으며, 같은 벌크와 휨강도를 유지한 상태에서 종이판지의 평량 절감을 3% 이상 달성할 수 있음으로 원료절감과 생산비 절감 및 품질향상을 얻을 수 있다.
본 발명의 개질된 목질섬유분과 Lignocell®을 비교하면, Lignocell®은 벌크의 향상에 매우 효과적이지만 열단장을 심하게 떨어뜨리며, 결국 휨강도의 향상에는 크게 기여하지 못하였다. 더구나 지합을 더 악화시킴으로서 OCC 층의 균일성에 문제를 일으키며, 실제 사용에 있어서는 종이판지 절단시에 접착이 약한 Lignocell®들이 떨어져 나와 지분을 형성함으로서 기계를 오염시키는 것으로 알려져 있다. 반면에 본 발명에 의해 생산된 목질섬유분을 OCC 층 혹은 종이판지 중간층에 중량기준으로 1 ~ 50%, 보다 바람직하게는 10 ~ 20% 사용하는 경우, 항상 지합이 개선되며, 휨강도가 약 30% 이상 증대되는 것을 볼 수 있었다.
또한 본 발명의 개질 목질섬유분 제조시, 비터나 리파이너를 사용한 추가고해 시 고해 시간은 섬유장을 기준으로 하는 것이 좋으며, 고해를 오래 할수록 열단장과 내부결합을 상당히 보완하는 역할을 하는 것을 알 수 있었으며, 지합향상에 매우 유리한 점을 발견할 수 있었다. 상기 Morfi 섬유장측정기의 길이가중치 평균섬유장이 0.9mm 이상일 때에는 판지의 bulk 는 크지만 섬유간의 결합이 매우 저하되고, 지합이 나빠지며, 상기 평균섬유장이 0.3mm 이하일 때에는 보류가 떨어지며, 탈수속도의 개선이 미약해질 수 있다.
본 발명에 따른 목질섬유분의 섬유길이와 Lignocell®의 길이를 고려할 때, 본 발명에 따른 목질섬유분은 약 1.5 ~ 2.5배의 평균섬유장을 가지고 있음을 알 수 있었으며, OCC 지료에 같은 조건하에서 10% 씩 첨가하였을 때에, 목질섬유분의 열단장이 Lignocell®의 열단장보다 확실히 크게 측정되었다. 이는 목질섬유분이 섬유간 결합을 더 많이 만들고 있다는 것을 증거하고 있다. 따라서 목질섬유분의 경우 Lignocell®에 비해 지분발생에 있어서 훨씬 문제가 적을 것을 예상할 수 있다.
또한 본 발명의 목질섬유분을 제조함에 있어서, 오존 처리 등의 화학적 처리를 하지 않는 경우 내부결합강도가 떨어지게 되므로 이를 개선하기 위하여 산화제, 산, 및 알칼리를 사용하여 화학적 처리함으로써 열단장, 내부결합강도를 증가시킬 수 있었다. 또한, 화학적 처리를 하는 경우에도 벌크와 휨강도 모두 월등히 우수한 결과를 나타낸다. 목질섬유분에 오존처리를 실시하게 되면 탈수와 지합의 우수성을 그대로 유지하며, 벌크와 휨강도를 크게 높일 수 있다. 이러한 특성은 두 가지 방 향에서 휨강도를 증대시키는데 이용될 수 있다. 일반적으로 종이판지는 코팅과 제품의 품질향상을 위하여 칼렌다링을 실시하게 되는데, 지합이 우수하면, 칼렌다링의 압력이 줄어들을 수 있다. 칼렌다링의 압력이 줄어들면, 판지의 벌크를 보호하게 되고, 높은 벌크는 판지의 휨강도를 높이는데 중요한 역할을 하게 된다.
본 발명에서는 목질섬유분을 고해하여 사용하는 것뿐만 아니라, 종이판지의 중간층에 사용될 지료인 고지(OCC, old corrugated container)도 고해를 하여 혼합하며, 이때 도 1에서 보이는 바와 같이, 목질섬유분을 고해하여 화학처리한 후 고해된 종이판지의 중간층 지료와 혼합하여 종이판지의 중간층으로 사용할 수 있다.
이밖에도 목질섬유분의 고해시에 OCC와 함께 혼합하여 고해하는 것도 가능하며, 필요에 따라 선택적으로 사용할 수 있다.
OCC 지료의 고해는 섬유간의 결합을 증진시키며, 휨강도의 성질도 크게 개선한다. OCC 지료와 목질섬유분을 미리 혼합하여 함께 고해를 하는 경우, 그 효과가 섬유간의 결합에 있어서 매우 우수하기는 하지만 지합이 저하됨을 보였다. 분급된 OCC의 장섬유만 고해하여 일정한 처리를 받은 목질섬유분을 혼합하는 경우 섬유간 결합과 휨강도의 증대에 있어서 모두 뛰어난 특성을 보이는 것을 알 수 있었다. 따라서 종이판지의 중간층 지료로서 OCC를 사용하는 경우, OCC를 분급하여 장섬유만을 고해하고 그 지료에 처리된 목질섬유분을 혼합하여 종이를 만드는 경우 열단장, 내부결합강도, 탈수속도, 휨강도 및 지합이 모두 우수해지는 결과를 얻었다.
이하는 도면을 참조하여 본 발명의 종이판지를 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 목질섬유분을 제조하는 방법과 종이판지의 중간층 지료와 혼합하여 종이판지의 중간층을 구성하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 1에서 보이는 바와 같이, 본 발명의 종이판지 제조방법은 디파이브레이타에서 제조된 목질섬유분을 고해하여 화학처리한 후 고해된 종이판지의 중간층 지료와 혼합하여 종이판지의 중간층으로 사용할 수 있다. 이때 개질 목질섬유분을 종이판지의 중간층을 구성하는 OCC 층에 혼합하여 사용하는 방식으로는 먼저 고해를 하지 않은 OCC 지료에 일정한 처리를 실시한 개질 목질섬유분을 혼합하는 경우 (경우 a); OCC 지료를 일정시간 고해한 후에 일정한 처리를 실시한 개질 목질섬유분을 혼합하는 경우 (경우 b); OCC 지료에 개질처리를 실시하지 않은 목질섬유분을 혼합하여 함께 고해하는 경우 (경우 c); OCC 지료를 분급하여 장섬유분을 모으고 장섬유분만 고해하여 일정한 처리를 실시한 목질섬유분과 나머지 단섬유분을 함께 혼합하는 경우 (경우 d)를 들 수 있으며, 원하는 물성에 따라 선택적으로 사용한다.
도 2는 본 발명에 따른 종이판지의 단면도이다. 본 발명에 따른 개질 목질섬유분을 사용하여 종이판지를 제조하는 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 종이판지의 중간층(130), 또는 필러층(130)에 사용하는 것이 바람직하다.
이하는 본 발명의 구체적인 설명을 위하여 일실시예를 들어 설명하는 바, 본 발명이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
이하 물성은 다음과 같이 측정하였다.
길이가중치 평균섬유장 (length weighted mean fiber length)은 섬유장 측정기 (Morfi Analyzer, Techpop 사, France)를 이용하여 측정하였다.
미세섬유는 상기 섬유장측정기를 사용하여 상기 길이가중치 평균섬유장에서 0.2mm 이하인 섬유들의 면적% 를 나타낸 것이다.
거치름도는 상기 섬유장측정기에서 섬유장측정시 동시에 측정 및 계산되어 나오는 수치로서 정의로서는 섬유를 길이방향으로 일렬로 세웠을 때, 단위길이당 무게를 나타낸다. 여기서는 단위길이를 1m 로 나타내었다. 따라서 거치름도가 높으면 섬유가 두껍거나, 섬유벽이 두꺼운 종류로 파악할 수 있다.
벌크는 종이나 판지의 밀도의 역수로서 벌크가 클수록 밀도가 낮아지게 된다. 밀도는 단위부피당 질량이며, 벌크는 밀도의 역수이므로, 단위 질량당 부피로 나타나게 된다.
열단장은 인장강도 측정시 평량이 다른 종이들을 서로 비교하기 위한 수치로서 종이가 자체 중량에 의해 끊어지는 길이를 나타낸다. 즉 열단장이 클수록 인장강도는 높아진다. 보통 km 로 나타낸다.
내부결합강도는 종이의 두께방향의 강도로서 종이의 양면에 양면테이프를 붙이고 다시 인장강도 측정기에 양면테이프를 붙여 종이를 연결시킨 후, 인장강도를 측정한 값이다. 내부결합강도가 크면 종이가 두께방향으로 뜯겨지는 일이 적어지게 된다.
탈수속도는 초지기에서 종이를 제조할 때, 와이어에서 물이 빠지는 속도를 의미하며, 이러한 현상을 실험실적으로 구현하기 위해 국제표준 실험실 초지기에서 평량 60g/m2 의 종이를 만들 때, 물이 빠지는 속도를 의미한다. 탈수 속도가 적어야 초지기에서 종이의 생산속도가 높아질 수 있다.
휨강성은 종이나 판지의 휘는 성질, 즉 bending stiffness 을 나타내며, Taber stiffness tester 로 측정하였다. 휨강성은 그 값이 클수록 잘 휘어지지 않으므로 판지의 성질로서 매우 중요한 것이다.
지합은 종이의 평량이 종이의 부분 부분에 따라 얼마나 다른지를 나타내는 방식이다. 지합이 우수하다는 것은 종이가 균일하게 형성되었다는 의미이며, 지합이 나쁘다는 것은 종이가 고르지 못하여 불균일하게 형성되었다는 것을 의미한다. 베타선을 이용한 측정기구를 사용하였으며, 그 측정값이 작을수록 지합이 우수함을 나타낸다.
표 1은 실시예에서 사용된 목질섬유분의 물성을 측정한 데이터를 나타낸 것으로, 목재칩을 디파이브레이터로 처리하여 고해한 MDF 제조회사 A사의 목질섬유분을 사용하였다.
표 1. MDF 목질섬유분 크기분포의 예
Figure 112006016875018-pat00001
본 발명에서는 Lignocell®을 비교예로 사용하였다. Lignocell®은 보통 판지의 벌크 향상에 쓰이는 상업용 섬유이다. 특징적으로 개질 목질섬유분과 다른 점은 섬유장이 매우 짧고, 거치름도가 3-5 배 크다는 것이다. 본 발명에서 사용되는 목질섬유분의 평균 거치름도는 0.4-0.8 mg/m 로 사용하였지만, Lignocell®의 경우 2.5 mg/m 정도에 이른다. 이러한 특징은 본 발명에 사용되는 목질섬유분의 경우 길고 폭이 좁은데 비해, Lignocell®는 짧고 폭이 넓다는 것이다.
표 1에 나타난 목질섬유분들은 종이판지의 중간층의 지료에 혼합하여 쓰기에는 아직 너무 거친 경향이 있다.
본 발명에서는 표 1의 목질섬유분들을 사용목적에 맞도록 그 크기를 비터기나 리파이너를 이용하여 추가적으로 고해하여 조절하였다. 즉 Morfi 섬유장 측정기를 사용한 길이가중치 평균섬유장(length weighted mean fiber length)을 0.3 ~ 0.9mm 로 조절하여 사용하였다.
고해방식은 주로 섬유의 절단이 많이 일어나는 유리상 고해를 실시하였다.
[제조예 1]
상기 표 1의 A를 실험실 밸리비터기를 이용하여 7분간 고해를 한 결과, Morfi 섬유장 측정기를 사용하여 측정한 길이가중치 평균섬유장이 0.82mm, 미세섬유가 8.75%, 거치름도가 0.603mg/m인 목질섬유를 제조하였다.
[제조예 2]
상기 표 1의 A를 밀폐된 공간에서 목질섬유분의 pH 를 3으로 맞춘 후, 1시간동안 오존처리를 실시하고, 실험실 밸리비터기를 이용하여 5 분간 고해를 한 결과, Morfi 섬유장 측정기를 사용하여 측정한 길이가중치 평균섬유장이 0.73mm, 미세섬 유가 6.93%, 거치름도가 0.568 mg/m인 목질섬유를 제조하였다.
[실시예 1]
상기 제조예 1에서 제조된 목질섬유분을 10 중량% 사용하여 미고해된 OCC(old corrugated container)펄프와 혼합하여 평량 200g/m2 의 종이를 제조하였다.
[실시예 2]
상기 제조예 1에서 제조된 목질섬유분을 20 중량% 사용하여 미고해된 OCC(old corrugated container)펄프와 혼합하여 상기 실시예 1과 동일한 평량 200g/m2 의 종이를 제조하였다.
[실시예 3]
상기 제조예 1에서 제조된 목질섬유분을 30 중량% 사용하여 미고해된 OCC(old corrugated container)펄프와 혼합하여 상기 실시예 1과 동일한 평량 200g/m2 의 종이를 제조하였다.
[실시예 4]
상기 제조예 1에서 제조된 목질섬유분을 10 중량% 사용하여 3분간 실험실 밸리비터기로 고해된 OCC(old corrugated container)펄프와 혼합하여 상기 실시예 1과 동일한 평량 200g/m2 의 종이를 제조하였다.
[실시예 5]
상기 제조예 1에서 제조된 목질섬유분을 20 중량% 사용하여 3분간 고해된 OCC(old corrugated container)펄프와 혼합하여 상기 실시예 1과 동일한 평량 200g/m2 의 종이를 제조하였다.
[실시예 6]
상기 제조예 1에서 제조된 목질섬유분을 30 중량% 사용하여 실험실 밸리비터기로 3분간 고해된 OCC(old corrugated container)펄프와 혼합하여 상기 실시예 1과 동일한 평량 200g/m2 의 종이를 제조하였다.
[실시예 7]
상기 제조예 2에서 제조된 목질섬유분을 10 중량%와 미고해된 OCC(old corrugated container)펄프를 혼합하여 상기 실시예 1과 동일한 평량 200g/m2 의 종이를 제조하였다.
[실시예 8]
상기 제조예 2에서 제조된 목질섬유분을 20 중량%와 미고해된 OCC(old corrugated container)펄프를 혼합하여 상기 실시예 1과 동일한 평량 200g/m2 의 종이를 제조하였다.
[실시예 9]
상기 제조예 2에서 제조된 목질섬유분을 30 중량%와 미고해된 OCC(old corrugated container)펄프를 혼합하여 상기 실시예 1과 동일한 평량 200g/m2 의 종이를 제조하였다.
[실시예 10]
OCC(old corrugated container)펄프의 장섬유를 분리하여 실험실 밸리비터기로 장섬유분만 3분간 고해를 한 후, 제조예 1에서 제조된 목질섬유분을 10 중량% 혼합하여 상기 실시예 1과 동일한 평량 200g/m2 의 종이를 제조하였다.
[실시예 11]
OCC(old corrugated container)펄프의 장섬유를 분리하여 실험실 밸리비터기로 장섬유분만 3분간 고해를 한 후, 제조예 1에서 제조된 목질섬유분을 20 중량% 혼합하여 상기 실시예 1과 동일한 평량 200g/m2 의 종이를 제조하였다.
[실시예 12]
OCC(old corrugated container)펄프의 장섬유를 분리하여 실험실 밸리비터기로 장섬유분만 3분간 고해를 한 후, 제조예 1에서 제조된 목질섬유분을 30 중량% 혼합하여 상기 실시예 1과 동일한 평량 200g/m2 의 종이를 제조하였다.
[비교예 1]
미고해된 OCC(old corrugated container)펄프만을 사용하여 상기 실시예 1과 동일한 평량 200g/m2 의 종이를 제조하였다. 실제 판지공장의 중간층과 같은 물리적 성질을 나타낸다.
[비교예 2]
미고해된 OCC(old corrugated container)펄프와 상기 표 1의 Lignocell®을 10 중량% 혼합하여 상기 실시예 1과 동일한 평량 200g/m2 의 종이를 제조하였다.
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 지료를 이용하여 물성을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
[표 2]
Figure 112006016875018-pat00002
상기 표에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따른 종이판지 제조 시 실시예 1 내지 실시예 12와 같이 종래 사용되던 비교예 1과 비교하는 경우, 벌크의 경우 5% 이상, 휨강도의 경우 10% 이상 손쉽게 달성할 수 있으며, 같은 벌크와 휨강도을 유지한 상태에서 종이판지의 평량 절감을 3% 이상 달성할 수 있었다.
또한 OCC 지료에 같은 조건하에서 10% 씩 첨가한 실시예 1과 비교예 2를 비 교해본 결과 Lignocell®을 혼합하여 사용한 경우, Lignocell®은 벌크의 향상에 매우 효과적이지만 열단장을 심하게 떨어뜨리며, 결국 휨강도의 향상에는 크게 기여하지 못하였다. 본 발명에 따른 목질섬유분은 약 1.5 ~ 2.5배의 평균섬유장을 가지고 있음을 알 수 있었으며, 목질섬유분의 열단장이 Lignocell®의 열단장보다 확실히 크게 측정되었다. 이는 목질섬유분이 섬유간 결합을 더 많이 만들고 있다는 것을 증거하고 있다. 따라서 목질섬유분의 경우 Lignocell®에 비해 지분발생에 있어서 훨씬 문제가 적을 것을 예상할 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 목질섬유분을 종이판지의 중간층에 사용하는 경우 중간층의 현저한 벌크 증대와 휨강도의 증대가 예상된다. 하지만 섬유간의 결합에 있어서 약화될 수가 있어서 종이판지의 열단장과 내부결합강도가 낮아질 수 있는데, 이러한 점은 다양한 물리적, 화학적 처리에 의해 보완될 수 있다. 즉 오존처리를 실시하는 경우, 열단장과 내부결합강도가 쉽게 회복되며, 여전히 높은 벌크와 휨강도을 만들 수 있다. 더 나아가 본 발명의 개질 목질섬유분을 사용함으로서 탈수시간이 줄어들고, 종이판지의 지합이 크게 개선됨으로서 동일 평활도 달성을 위해서는 칼렌다링의 압력을 줄일 수 있는 이점을 가지고 있다. 칼렌다링 압력의 저하는 추가적인 벌크와 휨강도의 향상과 열단장, 내부결합강도의 증대를 가져올 수 있다.
이외에 종이판지의 지료가 OCC 인 경우 OCC를 적절히 고해해줌으로서 개질 목질섬유분의 첨가로 야기될 수 있는 섬유간 결합의 부족을 보충할 수 있다. OCC의 고해는 OCC 전체를 고해하거나 OCC의 장섬유분만을 분리하여 고해하는 방식을 취할 수 있다. OCC의 장섬유분만을 고해하게 되면, 탈수속도가 빨라지며, 고해동력의 감소가 예상된다. 다른 한 가지 방식은 OCC와 목질섬유분을 섞어서 함께 고해하는 방식을 취할 수 있다. 다만 이때에는 목질섬유분을 사용하는 모든 이점을 그대로 예상할 수 있지만 지합이 떨어지는 경향을 볼 수 있었다.

Claims (5)

  1. 개질 목질섬유분의 제조방법에 있어서,
    (a) 목재칩을 디파이브레이타로 고해하여 길이 가중치 평균섬유장이 1.0 ~ 3.0 mm, 거치름도가 0.9 mg/m 이하인 목질섬유분을 제조하는 물리적 처리 단계;
    (b) 상기 (a)단계를 거친 목질섬유분을 산화제, 산, 또는 알칼리로 화학적 처리하는 단계;
    (c) 상기 화학적 처리를 실시한 목질섬유분이나 (b)단계를 거치지 않은 목질섬유분을 비터나 리파이너, 또는 디파이브레이타를 이용하여 추가적인 물리적 처리를 실시하여 길이 가중치 평균섬유장이 1.0 mm 이하이고, 거치름도가 0.9mg/m 이하인 목질섬유분을 제조하는 단계;
    를 가지는 것을 특징으로 하는 개질 목질섬유분의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 (c)단계는 종이판지의 중간층 지료를 더 첨가하여 고해를 실시하는 것을 특징으로 하는 개질 목질섬유분의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 오존과 산소, 과산화수소(H2O2), 과망간산 칼륨(KMnO4), 중크롬산 나트륨(K2Cr2O7)에서 선택되는 어느 하나의 산화제, 또는 염산 (HCl), 초산(CH3COOH)에서 선택되는 어느 하나의 산, 또는 수산화나트륨 (NaOH), 수산화칼륨(KOH), 수산화마그네슘(Mg(OH)2)에서 선택되는 어느 하나의 알칼리에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용하는 것을 특징으로 하는 개질 목질섬유분의 제조방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항에서 선택되는 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된 개질 목질섬유분 1 ~ 50 중량%와 지료를 혼합하여 종이판지 중간층 또는 필러층으로 사용함으로서 벌크와 휨강도를 증대시킨 종이판지.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 지료는 분급하여 장섬유분을 모으고, 장섬유분만 고해하여 일정한 처리를 실시한 후 목질섬유분과 혼합한 것을 특징으로 하는 벌크와 휨강도를 증대시킨 종이판지.
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