KR100954846B1

KR100954846B1 - 펄라이트를 이용하여 벌크가 증가된 종이판지 및 이의제조방법

Info

Publication number: KR100954846B1
Application number: KR1020070115135A
Authority: KR
Inventors: 이영준; 윤경태; 이지영
Original assignee: 한솔제지주식회사
Priority date: 2007-11-12
Filing date: 2007-11-12
Publication date: 2010-04-28
Also published as: KR20090048990A

Abstract

본 발명은 펄라이트를 이용하여 벌크가 증가된 종이판지 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 주로 건축, 원예 등의 소재산업에 사용되고, 제지산업에서 사용된 적이 없는 무기질인 펄라이트(perlite)를 판지 제조공정에서 펄프를 대체하는 부원료로 사용함으로써 기존의 종이판지에 비해 벌크가 월등히 향상됨과 동시에 펄프와 스팀에너지 사용량을 절감시킬 수 있어 경제적으로도 매우 효율적인 종이판지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

펄라이트, 벌크, 종이판지

Description

펄라이트를 이용하여 벌크가 증가된 종이판지 및 이의 제조방법{Manufacturing Method for Increasing Bulk of Paperboard by Using Perlite}

본 발명은 펄라이트를 이용하여 벌크가 증가된 종이판지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 판지는 원료 사용의 효율화와 초지공정의 탈수성 때문에 여러 층의 종이의 합지 형태로 제조된다. 판지에 사용되는 원료는 크게 천연펄프와 재생펄프로 구별되고 재생펄프의 종류로는 OCC(Old corrugated container), DIP(Deinking Pulp), OMG(Old Magazine) 등으로 다양하게 구성되어 있다. 이러한 재생펄프들은 천연펄프에 비해 미세분이 많아 탈수성을 저하시킬 뿐만 아니라 팽윤성이 떨어져 종이의 벌크와 강도를 감소하게 한다. 특히, 벌크의 하락은 판지 제조공정에서 펄프의 사용량을 증가시켜 생산 원가에 악영향을 주게 된다.

판지는 일반적으로 여러 층으로 구성된다. 우선, 천연펄프와 재생펄프를 물에 희석한 후, 천연펄프는 종이의 강도를 높이기 위해 리파이닝(refining)이라는 멧돌과 같이 기계적으로 가는 공정을 거친다. 재생펄프는 리파이닝을 거치지 않는 것이 일반적이나 공정에 따라 리파이닝을 거치기도 하고 디스퍼 징(dispersing)을 거치게 되기도 한다. 기계적 처리를 거친 천연펄프와 재생펄프에는 각각 보류제나 사이즈제와 같은 첨가제들이 투입되게 되고 초지기라는 종이를 형성하는 공정에 투입되게 된다. 이때, 천연펄프와 재생펄프는 혼합되지 않고 판지의 각 층의 원료로 사용되게 된다. 판지를 제조하는 초지기는 인쇄용지 제조하는 초지기와는 달리 여러 층의 종이를 제조하여 쿠치롤(couch roll)에서 합지를 하게 된다. 합지된 습지필은 압착, 건조 공정을 거쳐 판지가 만들어지게 되고 이러한 초지공정을 거쳐 형성된 원지는 사이즈프레스라고 하는 도공기를 거치면서, 표면 처리되거나 도공기에서 피그먼트 코팅이 이루어지게 된다.

일반적으로 여러 층의 종이가 합지되어 판지가 제조되고 각 층마다 사용되는 원료의 종류도 다르다. 판지에 사용되는 원료는 크게 천연펄프와 재생펄프로 구별할 수 있다. 특히, 판지 제조시 재생펄프의 사용비율이 높기 때문에 두께나 물리적 특성이 인쇄용지류에 비해 낮은 문제가 있다. 따라서, 펄프의 수급이나 가격이 불안정한 문제가 있기 때문에 재생펄프나 천연펄프를 대체할 수 있는 부원료의 개발이 시급하다고 할 수 있다.

이에, 본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 비중이 낮은 펄라이트를 펄프에 혼합 사용함으로써 종이 벌크 향상에 기여함과 동시에 펄프 및 스팀에너지 절감 효과를 얻을 수 있게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명은 건축산업이나 원예산업 등에서 사용되는 소재인 펄라이트를 판지 생산 공정에서 펄프의 부원료로 적용하여 벌크가 향상된 종이 판지 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은

펄프 원료를 판지용 초지기에서 합지, 성형, 압착탈수, 건조, 가공 및 광택 처리하여 종이 판지를 제조하는 방법에 있어서,

상기 펄프에 전체 원료 중량 대비 펄라이트(Perlite) 1 ~ 10 중량%를 혼합하여 종이 판지를 제조하는 방법 및 이로부터 제조된 종이 판지를 그 특징으로 한다.

본 발명을 통해 판지 생산공정에서 부원료로 펄라이트를 적용하여 판지의 벌크를 향상시키는 결과를 기대할 수 있다. 펄라이트는 다공성 입자로 비중이 낮기 때문에 펄프를 대체하는 부원료로 사용될 경우 판지의 벌크를 높임으로써 판지에 사용되는 천연펄프나 재생펄프의 사용량을 절감함과 동시에 생산시 건조에 사용되는 스팀에너지를 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 주로 건축, 원예 등의 소재산업에 사용되고, 제지산업에서 사용된 적이 없는 무기질인 펄라이트(perlite)를 판지 제조공정에서 펄프를 대체하는 부원료로 사용함으로써 기존의 종이판지에 비해 벌크가 월등히 향상됨과 동시에 펄프와 스팀에너지 사용량을 절감시킬 수 있어 경제적으로도 매우 효율적인 종이판지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에서는 제지산업에서 사용된 적이 없는 무기질인 펄라이트(perlite)를 종이판지 제조공정에서 충전제로 사용하고자 한다. 펄라이트는 화산석인 진주암을 약 700 ~ 1200 ℃의 고온에서 본래의 부피를 10 ~ 20배 팽창시킨 것으로 단열성, 방음성, 통기성, 보습성 등이 우수한 첨단소재이다. 팽창의 원리는 화산암 내에는 휘발성분(대체로 수분)을 일반적으로 3~4% 함유하고 있고, 휘발분을 많이 함유하게 된 이유는 펄라이트가 호수의 침전시 연속적인 응고와 함께 휘발분이 함유되기 때문이다. 이러한 성질을 가진 원석을 미세하게 분세하여 갑자기 열을 가하면(700 ~ 1200 ℃) 함유된 휘발성분이 가스화하여 연화된 입자의 내부에서 팽창하여 내부기공이 형성되며, 입자의 표면에 형성된 것은 밖으로 분출되면서 본래 부피의 약 10~20배 정도로 팽창하게 된다.

지금까지 펄라이트는 주로 건축, 원예 등 소재산업에 사용되었으나 제지산업에서는 한번도 사용된 적이 없는 소재이다. 특히, 겉비중이 0.1 ~ 0.2 g/cm³수준으로 낮기 때문에 펄프의 부원료로 사용시 펄프를 대체함과 동시에 벌크향상에 도움이 되는 것으로 나타났다.

기존 제지 공정 상에 알루미노 실리케이트를 적용한 예도 있으나, 본 발명과 같이 펄라이트를 사용할 경우 벌크 향상이 더욱 우수하였음을 확인할 수 있었다.

같은 동량인 10 중량%를 투입하였을 때에도, 벌크의 향상이 알루미노 실리케 이트의 경우에는 4.9%의 향상을 보였으나 펄라이트의 경우 21.2%의 향상을 보여 현저한 차이가 있음을 확인할 수 있었다.

좀 더 구체적으로 설명하기 위하여, 펄라이트(Perlite)와 알루미노 실리케이트(Alumino silicate)의 물리적 특성을 다음 표 1로 정리하였다.

구분	펄라이트 (Perlite)	알루미노 실리케이트 (Alumino silicate)
화학 조성 (Chemical composition)	SiO₂ : 71-75% Al₂O₃ : 12-18% Na₂O : 3-4% K₂O : 4-5% Fe₂O₃ : 0.5-1.5% MgO : 0.1-1.5%	SiO₂ : 66-71% Al₂O₃: 9-13% Na₂O : 6-8% Fe₂O₃ : 0.1-0.25% MgO : 1.5-2.5% Na₂SO₄ : 5%
진비중(specific gravity), g/cm³	1.2-2.4	2.1
겉비중, g/cm ³	0.15	0.67
굴절율	1.50	1.55
강열감량(ignition loss), %	1.5	8-11
입자 형태	불규칙적인 조각형태	구형입자의 응집체 형태
제조 방법	소성팽창 (800∼1,200℃)	규산염 반응(siliceous reaction)후 침전

상기 표 1에서 알 수 있듯이, 겉비중의 경우 펄라이트가 알루미노 실리케이트에 비해 비중이 낮아 벌크 향상이 월등히 우수한 것을 본 발명자들에 의해 확인되었다.

본 발명에 따른 종이 판지의 제조방법을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

1) 펄라이트를 물에 균일하게 분산시킨다.

상기 펄라이트는 너무 고농도일 경우 분산 및 이송에 문제가 있을 수 있으므로 5 ~ 15 중량%의 농도로 물에 분산시키는 것이 바람직하다.

2) 펄프 90 ~ 99 중량%에 펄라이트를 펄라이트만 기준으로 1 ~ 10 중량%(전체 원료 100 중량% 기준) 배합하고 균일하게 혼합한다.

상기 펄프로는 HW-BKP(Hard Wood Bleached Kraft Pulp), SW-BKP(Soft Wood Bleached Kraft Pulp), BCTMP(Bleached Chemi Thermo Mechanical Pulp), OCC(Old corrugated container), DIP(Deinking Pulp), OMG(Old Magazine) 등이 바람직하다.

이때, 펄라이트 1 중량% 미만으로 사용할 경우에는 목적하는 벌크 향상의 효과가 거의 없고, 10 중량%를 초과하면 내부결합강도의 강도특성이 하락하는 문제점이 있어 바람직하지 못하다.

3) 균일하게 혼합된 원료를 이용하여 기존 판지용 초지기로 이송하여 성형부(Forming)를 거치고 합지 후, 압착탈수부(Pressing), 건조부(Drying), 가공부(Coating), 광택처리(Calendering)를 거쳐 종이판지를 생산한다.

상기와 같이 제지산업에서 사용된 적이 없는 신규 소재인 펄라이트는 비중이 낮기 때문에 판지 생산공정에서 부원료로 사용될 경우 펄프를 대체함과 동시에 판지의 벌크를 향상시키고 부가적으로 스팀 사용량 또한 5 ~ 10% 절감시킬 수 있다.

이하, 본 발명은 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 다음 실시예에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시예 1: 펄라이트 1 중량%를 사용한 종이 판지 제조

펄라이트를 10 중량% 농도로 물에 균일하게 분산시켰다.

주원료인 OCC(Old Corrugated Container) 펄프 99 중량%에 총 원료 중량 대비 펄라이트를 펄라이트만 기준으로 1 중량% 원료라인에 혼합시키고 Kumagai사의 수초지기를 이용하여 TAPPI Test Method T205 sp-02에 의거, 습지필을 형성하고 3.5 kgf로 압착탈수 후 건조과정을 거쳐 평량 120 g/m²의 종이 판지를 제조하였다.

실시예 2: 펄라이트 5 중량%를 사용한 종이 판지 제조

상기 실시예 1의 제조과정과 동일하게 실시하되, 전체 원료 중량 대비 펄라이트 5 중량%(펄라이트만을 기준으로)를 OCC(Old Corrugated Container) 펄프 95 중량%와 혼합하여 평량 120 g/m²의 종이 판지를 제조하였다.

실시예 3: 펄라이트 10 중량%를 사용한 종이 판지 제조

상기 실시예 1의 제조과정과 동일하게 실시하되, 전체 원료 중량 대비 펄라이트 10 중량%(펄라이트만을 기준으로)를 OCC(Old Corrugated Container) 펄프 90 중량%와 혼합하여 평량 120 g/m²의 종이 판지를 제조하였다.

비교예 1: 펄라이트를 사용하지 않은 종이 판지 제조

상기 실시예 1의 제조과정과 동일하게 실시하되, OCC(Old Corrugated Container) 펄프만을 사용하여 평량 120 g/m²의 종이 판지를 제조하였다.

비교예 2: 알루미노 실리케이트를 사용한 종이판지 제조

상기 실시예 1의 제조과정과 동일하게 실시하되, 전체 원료 중량 대비 알루미노 실리케이트 10 중량%를 OCC(Old Corrugated Container) 펄프 90 중량%와 혼합하여 상기 실시예1과 동일한 평량 120 g/m²의 종이 판지를 제조하였다.

비교예 3: 펄라이트 20 중량%를 사용한 종이판지 제조

상기 실시예 1의 제조과정과 동일하게 실시하되, 전체 원료 중량 대비 펄라이트 20 중량%(펄라이트만을 기준으로)를 OCC(Old Corrugated Container) 펄프 80 중량%와 혼합하여 평량 120 g/m²의 종이 판지를 제조하였다.

시험예 1: 물성 확인

실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 2의 종이를 23℃, 50% RH에서 조습처리 후 평량, 두께를 측정하여 벌크를 계산하고(벌크=두께/평량), 내부결합 강도를 측정하였다.

구분	벌크 (cm³/g)	벌크향상율(%)	내부결합강도
실시예 1	1.95	1.0%	-0.6%
실시예 2	2.22	15.0%	-8.6%
실시예 3	2.35	21.8%	-15.2%
비교예 1	1.93	0%	0%
비교예 2	2.03	5.2%	-20.2%
비교예 3	2.48	28.5%	-21.6%

상기 표 2에서 알 수 있듯이, 실시예 1 ~ 3은 펄라이트를 적용하지 않은 비교예 1에 비해 1.0% ~ 21.8%의 벌크 향상을 확인할 수 있었고, 알루미노 실리케이트를 적용한 비교예 2는 동량(10%)의 펄라이트를 적용한 실시예 3에 비해 1/4배 정도의 낮은 벌크 향상 및 과도한 내부결합 강도의 하락을 확인할 수 있었다.

또한, 펄라이트를 너무 많이 적용한 비교예 3은 추가적인 벌크향상은 기대할 수 있으나 내부결합강도의 과도한 하락으로 10%를 초과하는 펄라이트의 투입은 바람직하지 않음을 확인할 수 있었다.

실시예 4: 판지 내의 OCC층에 펄라이트 5.3 중량%를 사용한 종이 판지 제조

백판지를 생산하는 일반 다층 초지기에서 펄라이트를 적용하여 백판지를 생산하였다.

원료는 100% OCC(Old Corrugated Container)이고 기존 원료라인에서 고해되어 오는 원료에 펄라이트를 10 중량%의 농도로 분산하여 원료라인에 균일하게 혼합하였다.

혼합된 원료에 대하여 보류제 등의 약품을 투입하고 Voith사의 다층초지기로 이송하여 여러 층의 종이를 제조하여 쿠치롤(couch roll)에서 합지를 한 후 ,3개의 프레스 공정을 통과하면서 압착 탈수하고, 100 ℃ 이상의 드라이어 실린더(Dryer cylinder)를 단계적으로 거쳐 건조하였다. 이후 가공(Coating) 및 광택 처리(Calendering) 공정으로 거쳐 평량 400 g/m²의 종이 판지를 제조하였다.

종이 판지 생산 시 OCC 원료 중량 대비 5.3 중량%의 펄라이트를 혼합하였다.

실시예 5: 판지 내의 OCC층에 펄라이트 3.6 중량%를 사용한 종이 판지 제조

상기 실시예 4의 제조과정과 같이 실시하되, 전체 OCC 원료 중량 대비 3.6 중량%의 펄라이트를 혼합하여 전체 평량 250 g/m²의 종이 판지를 제조하였다.

실시예 6: 판지 내의 OCC층에 펄라이트 2.8 중량%를 사용한 종이 판지 제조

상기 실시예 4의 제조과정과 같이 실시하되, 전체 OCC 원료 중량 대비 2.8 중량%의 펄라이트를 혼합하여 전체 평량 400 g/m²의 종이 판지를 제조하였다.

비교예 4: 펄라이트를 사용하지 않은 종이 판지 제조

상기 실시예 4의 제조과정과 같이 실시하되, OCC(Old Corrugated Container) 펄프만을 사용하여 전체 평량 400 g/m²의 종이 판지를 제조하였다.

비교예 5: 펄라이트를 사용하지 않은 종이 판지 제조

상기 실시예 4의 제조과정과 같이 실시하되, OCC(Old Corrugated Container) 펄프만을 사용하여 전체 평량 250 g/m²의 종이 판지를 제조하였다.

시험예 2: 현장 적용 결과

실시예 4 ~ 6 및 비교예 1 ~ 2의 다층으로 구성된 판지 내의 OCC(Old Corrugated Container)층에 펄라이트를 혼합하여 초지기에서 종이를 제조하고 두께, 평량을 측정하여 벌크를 계산하고 내부결합강도, 스팀변화를 측정하였다.

구분	벌크(cm³/g)	벌크향상율(%)	내부결합강도	스팀절감율
실시예 4	1.35	5.5	-3.7%	8.9%
실시예 5	1.23	3.4	-6.8%	4.6%
실시예 6	1.32	3.1	-5.7%	6.6%
비교예 4	1.28	-	-	-
비교예 5	1.19	-	-	-

상기 표 3에서 알 수 있듯이, 실시예 4 ~ 6은 펄라이트를 적용하지 않은 비교예 4 ~ 5에 비해 3.1% ~ 5.5%의 벌크 향상을 확인할 수 있었고, 내부결합강도의 경우 -3.7% ~ -6.8%로 과도한 하락은 없음을 확인하였다.

이는 수십만톤의 원료를 사용하는 제지공장에서 2~5%의 원료 절감이라면 수천~수만톤의 원료를 절감할 수 있는 효과이고 이는 경제적 효과뿐만 아니라 원료의 수급이나 가격이 불안정한 상황에서 괄목한 만한 효과라고 할 수 있겠다.

또한, 펄라이트를 사용한 경우 벌크향상의 효과뿐만 아니라 스팀의 사용량이 절감되어 총 스팀사용량의 4.6% ~ 8.9%의 감소를 나타내어 추가적인 경제효과도 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.

도 1은 본 발명에 따른 종이 판지의 제조과정을 나타낸 간략도이다.

Claims

펄프 원료를 판지용 초지기에서 성형, 합지, 압착탈수, 건조, 가공 및 광택 처리하여 종이 판지를 제조하는 방법에 있어서,

상기 펄프를 포함하는 종이 판지 원료에, 전체 원료 중량 대비 펄라이트(Perlite) 1 ~ 10 중량%를 혼합한 것을 특징으로 하는 종이 판지의 제조방법.
청구항 1의 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 벌크가 향상된 종이 판지.