KR20090107181A - 옥수수대 펄프의 제조방법 및 이를 포함하는 종이제품의생산방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고효율의 옥수수대 전처리 공정을 포함하는 옥수수대 펄프의 제조방법 및 이로부터 제조되는 옥수수대 펄프를 이용한 종이 제품의 생산방법에 관한 것이다. 본 발명은 고품질의 제지용 펄프를 대량 생산하기 위하여 가장 중요한 과제로 대두되었던 외피, 속 및 부스러기의 분리기술을 제공하며, 품질의 저하 없이 종래 기술의 공정을 단축시킴으로써 생산성 및 경제성을 개선하였다.

옥수수대, 펄프, 종이

Description

옥수수대 펄프의 제조방법 및 이를 포함하는 종이제품의 생산방법 {Method of manufacturing paper products comprising preparation method of corn stalk pulp}

본 발명은 고효율의 옥수수대 전처리 공정을 포함하는 옥수수대 펄프의 제조방법 및 이로부터 제조되는 옥수수대 펄프를 이용한 종이제품의 생산방법에 관한 것이다.

목재자원이 부족한 나라에서는 오래전부터 볏짚, 바가스, 갈대 등 초본류를 이용하여 펄프를 생산하는 방법이 알려져 있지만, 이는 소규모 가내공업의 수준으로 이루어지기 때문에 펄프 품질이 매우 열등하며, 탈수가 잘되지 않는 등 종이 제조 과정에서 많은 어려움이 따르고 있다.

이러한 현실은 고급 종이는 당연히 목재펄프로 만들어야 한다는 편견을 갖게 하였다. 그러나 문명이 급격히 발달되고, 도시화가 진행됨에 따라 환경 파괴가 심화되어 최근 오존층 파괴, 기후 온난화 등의 부작용으로 생태계 변화, 기후 급변화 등 인류의 생존을 위협하는 심각한 문제가 야기되고 있다. 이러한 환경의 변화는 탄소 배출이 많은 주요 선진국들이 기후변화협약에 동참하지 않을 수 없게 만들었고, 심지어는 탄소배출권을 거래하는 시장이 형성되어 에너지를 사용하는 산업계에서는 탄소배출권 및 바이오 에너지 확보를 위한 다각도의 노력을 기울이고 있다.

그동안 목재 주생산국으로 알려져 있던 인도네시아의 경우 오랜 벌채로 말미암아 이제는 목재자원이 고갈되어 더 이상 목재펄프를 생산할 수 없는 지경에 이르렀고, 지구의 허파라고 할 수 있는 브라질에서도 벌채를 억제하고 있는 실정이다. 이러한 변화는 목재펄프의 가격 상승뿐만 아니라 종이 제조를 위한 펄프 확보 전쟁으로 이어지고 있다.

이러한 세계적인 추세는 비교적 생육주기가 짧은 섬유자원의 확보에 관심을 갖게 하였다. 그 대표적인 예로 생육이 비교적 빠른 kenaf의 재배를 통한 펄프 자원화를 시도한 바 있으며, 성장이 빠른 열대 활엽수를 조림하여 펄프용재로 사용하고자하는 시도가 이루어지고 있다. 그러나 이러한 노력에도 불구하고 아직까지 근본적인 해결책을 찾지 못하고 있다. 따라서 매년 재생산이 가능한 초본류 및 농산 폐기물의 펄프 자원화에 관심을 갖게 되었다.

일반적으로 초본류는 형태학적 및 화학적으로 목재와 매우 다른 특성을 지니고 있다. 비록 인피섬유의 경우와 일부 초본류의 경우 목재펄프 섬유보다 긴 것도 있지만 대부분의 초본류는 목재펄프에 비하여 가늘거나 짧은 섬유 형태를 지니고 있어 그동안 관심을 끌지 못하고 있었다. 화학적 성질은 침엽수와 비슷한 성질을 지니는 것도 있지만 일반적으로 리그닌 함량이 낮은 반면 헤미셀룰로오스 함량이 높은 경향을 나타내고 있다.

본 발명에 속하는 옥수수대는 볏짚 다음으로 많이 발생되는 농산 폐기물이다. 이들은 일부가 사료로 사용되는 것을 제외하고는 특별한 용도가 없어서 버려지고 있는 실정이다. 따라서 옥수수대의 펄프자원화 시도는 폐기물의 섬유 자원화를 통하여 환경 보호 측면뿐만 아니라 농가 소득 향상에도 크게 도움을 줄 수 있다.

옥수수대의 섬유 길이가 활엽수보다 다소 길고, 가는 특성을 지니고 있어서 종이의 벌크 확보에 어려움이 있을 것으로 예상되지만, 목재에 비하여 리그닌 함량이 매우 낮고, 헤미셀룰로오스 함량이 높아 제지용으로 적합한 화학적 특성을 지니고 있다.

그러나 옥수수대의 속 부분은 매우 미세한 유세포로 구성되어 있으며, 다량의 실리카를 함유하고 있어서 속 부분을 분리해내지 않으면 제지용 펄프로 사용하는데 많은 문제를 야기할 수 있다. 특히 섬유크기가 매우 작은 유세포가 많이 존재할 경우 탈수가 잘 되지 않기 때문에 종이 제조 시 생산속도를 높일 수가 없고 지절이 많이 발생된다. 이러한 이유로 옥수수대의 경우 저급 포장지의 생산에 국한되어 일부 사용되고 있을 뿐이다.

공개특허 2001-0001550는 옥수수대를 이용한 펄프의 제조방법을 개시하고 있으나, 이는 옥수수대의 펄프 자원화에 있어서 가장 핵심이 되는 속 제거에 대한 부분이 전혀 다루어지지 않았을 뿐만 아니라 단지 실험실적으로 여러 가지 목재 펄프화에 사용되는 펄프화법을 적용하여 얻어진 결과를 나열하였다. 또한 제지특성을 조사하기 위하여 침엽수 표백 화학펄프 60%에 옥수수대 펄프 40%를 혼합하여 종이 를 제조하고 그 물성을 평가하였다. 이는 현재 생산 판매되고 있는 인쇄용지의 특성을 만족시키는 것과는 매우 거리가 먼 시도이기 때문에 고급 백상지 제조를 위한 시도로 보기 어렵다.

또한 공개특허 10-2006-0008222의 경우 특정 부위의 옥수수대를 사용하며, 잘게 절단된 잎과 속을 공기를 이용하여 분리한다고 하였으나 이 방법으로는 속이 잘 분리 제거되지 않으며, 대량 생산에 적용하기 어려운 문제가 있다. 또한 옥수수대 칩을 세척 압축하고, 증해하기 전에 옥수수대 칩을 약품으로 전처리하며, 제조된 펄프는 장섬유 부분과 단섬유 부분을 분리한 후 펄프를 고해하여 종이를 제조하는 과정을 거치는 등 많은 단계를 거치기 때문에 경제성 및 생산성 측면을 만족시키기 어렵다.

본 발명은 고품질의 옥수수대의 펄프의 대량 생산에 있어서 가장 중요한 옥수수대로부터 속(pith) 부분을 분리해내는 기술을 제공한다.

또한, 본 발명은 펄프 품질을 저하시키지 않으면서 펄프 제조 공정을 단축시킬 수 있는 기술을 제공한다.

또한, 본 발명은 옥수수대 펄프의 장점을 극대화하고 단점인 벌크를 향상시켜 용도에 따라 다양한 특성을 지니는 종이제품의 제조 방법을 제공한다.

상기 목적을 달성하기 위하여,

본 발명의 일 측면에 따르면

옥수수대 펄프의 제조방법에 있어서,

i) 옥수수 대의 길이를 10~30 mm로 절단하는 단계;

ii) 절단된 옥수수대를 회전 타격기를 이용하여 타격하는 단계; 및

iii) 스크린을 이용하여 외피, 속 및 외피의 잔 부스러기를 걸러내는 단계를 포함하는 옥수수대 전처리 공정을 포함하는, 옥수수대 펄프의 제조방법을 제시할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기한 옥수수대 펄프의 제조방법 을 포함하는 종이 제품의 생산방법을 제시할 수 있다.

아울러, 본 발명의 또다른 일 측면에 따르면, 상기 방법에 의하여 제조된 옥수수대 펄프 및 이를 이용하여 생산된 종이 제품을 제시할 수 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

고품질의 펄프를 옥수수대로부터 경제적으로 제조하는데 있어서 가장 중요한 것은 비교적 섬유길이가 짧은 유세포와 실리카 함량이 높은 속 부분을 효율적으로 분리 제거하는 것이다. 이 속 부분이 충분히 제거되지 못할 경우 이후의 펄프화 공정에서 약품의 소비가 증가될 뿐만 아니라 수율이 떨어지고 제조된 펄프 내에 미세분에 해당되는 유세포가 다량 함유되어 탈수가 잘 되지 않아 종이 제조 공정 속도를 높일 수 없게 되고, 종이의 강도가 떨어지는 문제를 발생시킨다. 또한 종이에 여러 가지 기능을 부여하기 위하여 투입되는 첨가제들이 유세포에 의하여 선택적으로 흡착되는 문제가 발생하여 첨가제의 효율성이 떨어지게 된다.

본 발명자 등은 이러한 문제에 착안하여 옥수수대로부터 외피와 속을 효율 높게 분리하여 대량생산에 기여할 수 있는 기술을 개발하였다.

즉, 옥수수대 외피로부터 속 부분을 효율적으로 제거하기 위해서는 우선 옥수수대의 절단 길이가 매우 중요한 것으로 나타났다. 도 1에서 확인되는 바와 같이, 절단된 옥수수대의 길이가 길어지면 속 부분이 잘 떨어져 나오지 않기 때문에 분리 제거하기가 어려워진다.

본 발명에서는 드럼형 절단기 등의 이용 가능한 절단기를 이용하여 10-30 mm, 바람직하게는 10 내지 25 mm의 길이로 절단한 후 타격 장치를 이용하여 컨베이어로부터 공급되는 옥수수대를 타격하여 외피와 속을 효율 높게 분리하였다. 본 발명의 타격장치는 긴 원통형 실린더 내에 길이가 다양한 타격용 바아를 서로 엇갈리게 설치하여 고마력 모터로 회전시켜 작동하는데, 상기 장치를 이용하여 옥수수대 외피로부터 속을 떼어내고(도 3a 및 3b 참조), 메시 수(4-80 메시)가 다른 진동 스크린을 이용하여 2-3단 스크리닝 과정을 통하여 외피, 속 및 부스러기를 분리한다. 이때 너무 잘게 부서진 것은 연료로 사용하며, 분리된 속은 연료나 가축용 사료로 사용한다.

상기 속 및 옥수수대의 잔 부스러기를 분리해 낸 외피를 원료로 하여 펄프를 제조한다. 본 발명의 옥수수대 칩은 충분한 속 제거와 스크리닝 과정을 거쳤기 때문에 종래기술과 같은 옥수수대 칩의 세척 및 압축과정이 필요하지 않다. 옥수수대는 목재와 달리 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이 리그닌 함량이 낮은 반면 헤미셀룰로오스의 함량이 높기 때문에 펄프화가 훨씬 용이하다.

본 발명에 있어서는, 목재펄프 제조에 사용될 수 있는 다양한 펄프화법, 즉, 크라프트법, 아황산법(알칼리, 중성, 산), 소다-AQ법 등이 적용될 수 있기는 하지만, 소다법 만으로도 충분히 탈리그닌이 가능하다. 따라서 증해에 사용되는 화학약품은 NaOH를 사용하며 필요에 따라 Na₂CO₃를 혼합 사용할 수 있다. 상기 화학약품의 투입량은 Na₂O로 환산하여 활성알칼리 12-16%를 적용함으로써 온화한 조건으로 증해 를 실시하여 보다 우수한 특성의 펄프를 얻는 것이 가능하다.

이와 같이 온화한 조건의 증해 조건을 적용함으로써 MgCl₂ 또는 MgCO₃와 같은 셀룰로오스 보호제를 이용한 종래의 전처리 과정이 생략될 수 있다. 이 과정의 생략을 통하여 약품과 에너지 비용을 절감할 수 있으며, 생산 시간을 단축할 수 있다. 액비는 3:1 ~ 6:1 범위에서 얻고자 하는 펄프의 특성에 따라 조절될 수 있다. 액비가 6:1 이상 너무 높아지면 증해 약액의 농도가 낮아져 화학반응이 현저히 떨어지는 문제가 생길 수 있고, 액비가 3:1 이하로 낮아지면 셀룰로오스 성분이 녹아나와 수율이 떨어지고 펄프의 강도가 약해지는 문제가 발생할 수 있다. 증해 온도는 120-150℃ 범위 내에서 조절하며, 증해 시간은 60-150분의 범위 내에서 적용한 약품의 투입량, 온도 및 제조하고자 하는 펄프의 특성에 따라 조절한다.

원 료	셀룰로오스 (%)	펜토산 (%)	리그닌 (%)
침엽수	40-50	10-14	24-30
활엽수	40-50	16-24	18-28
옥수수대	42-51	26-28	16-18

증해가 완료된 펄프는 세척하여 잔류하고 있는 약액을 제거하고, 목재 펄프 제조 시와 마찬가지로 스크리닝을 통하여 증해가 덜 된 옥수수대 칩이나 큰 이물질을 제거하고, 제진기를 이용하여 비중이 큰 이물질을 제거해준다. 스크린에서 걸러진 부분은 진동스크린으로 한 번 더 걸러서 이물질을 제거하고 섬유덩어리는 다시 다이제스터로 보내어진다.

세척 및 이물질 제거가 완료된 미표백 옥수수대 펄프는 단독으로 또는 미표백 침엽수 크라프트 펄프나 미표백 활엽수 크라프트 펄프와 배합하여 산업용 포장지 또는 판지 제조용 원료로 사용될 수 있다. 이때 충분한 강도를 얻기 위하여 디플레이킹 공정을 거치게 되는데, 옥수수대 펄프는 목재 펄프에 비하여 약한 세기(0.2-1.0 Ws/m)를 적용하여 준다.

한편, 상기와 같이 제조된 옥수수대 펄프를 백상지 제조용 원료로 사용하기 위해서는 표백 공정을 거쳐야 한다. 옥수수 대는 표 1에서 나타낸 바와 같이 리그닌 함량이 낮기 때문에 탈리그닌이 매우 용이하다. 따라서 목재펄프와 달리 표백단 수를 3단계로 제한해도 충분히 높은 명도(brightness)를 얻을 수 있다. 또한 최근 원소 형태의 염소를 표백제를 사용할 경우 다이옥신이 발생될 위험이 있기 때문에 표백단은 ECF(elemental chlorine free) 또는 TCF(totally chlorine free) 방법을 적용할 수 있다. 이러한 표백방법 들은 이미 목재 펄프의 표백에 적용되고 있는 방법으로 단지 옥수수대 펄프의 표백이 용이한 점을 감안하여 명도 80-90%의 펄프를 제조할 경우에는 3단 표백을 적용한다. 단 90% 이상의 특별히 높은 명도가 요구되는 경우에는 4단 표백을 적용할 수 있다. ECF 표백 방법으로는 DED, DEP, DEO, DEZ, PED, PEP, DEDP, DEOZ, DEDZ, DEOP, DEPD 등 다양한 표백단이 적용될 수 있다. 여기에서 D는 이산화염소(chlorine dioxide), E는 알칼리 추출(alkaline extraction), P는 과산화물(peroxide), O는 산소(oxygen), Z는 오존(ozone)의 약칭이다.

일반적으로 백상지 또는 도공용 원지를 제조하고자 할 경우 각 용도에 따라 필요한 성질을 부여하기 위하여 고해, 펄프의 배합, 사이징, 충전 등의 지료 조성 공정이 필요하다. 이 공정은 목재펄프뿐만 아니라 이용 가능한 모든 펄프를 사용할 때 동일하게 적용된다. 단지 생산하고자 하는 종이의 특성과 이를 위하여 사용되는 펄프, 충전제, 사이즈제, 보류제 등 각기 지니는 고유 특성에 따라 적용 방법을 최적화하는 것이 핵심이라 할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 기존 목재 펄프를 이용하는 경우와 다르거나 기존 옥수수대 펄프 관련 발명과 다른 점을 중심으로 기술하고자 한다.

옥수수대 펄프 섬유는 표 2에서 보는 바와 같이 목재펄프에 비하여 섬유가 매우 가는 특성을 지니고 있다. 또한 표 1과 같이 헤미셀룰로오스 함량이 높아서 표백 옥수수대 펄프만으로 종이를 제조할 경우 밀도가 너무 높아져 불투명도가 낮아지는 문제가 생길 수 있다.

원 료	평균 섬유장 (mm)	평균 섬유 직경 (㎛)
침엽수	2.7-4.6	32-43
활엽수	0.7-1.6	20-40
옥수수대	1.0-1.5	18-22

제지공정에서는 건조 공정 다음으로 고해 공정에서 많은 에너지를 필요로 한다. 목재펄프의 경우 고해를 통하여 여수도 100 ㎖ CSF를 낮추는데 소요되는 동력은 펄프 톤당 약 71 kW/t(활엽수) ~ 84 kW/t(침엽수)에 달한다. 본 발명의 옥수수대 펄프는 섬유가 가늘기 때문에 유연성이 좋고, 헤미셀룰로오스 함량이 높아 섬유 간 결합이 다른 펄프 섬유에 비하여 잘 이루어지기 때문에 고해를 하지 않고 단지 디플레이커를 통과시키는 정도만으로도 충분히 강도를 얻을 수 있다.

만약 하루에 1,000톤의 펄프를 고해한다고 가정하고 활엽수 고해 에너지를 적용하여 환산하면 71,000 kW의 전기 에너지 절감이 가능하고, 년간 300일 가동할 경우 21,300,000kW의 전기 에너지 절감이 가능하다. 이와 같이 옥수수대 펄프를 제지용 원료로 사용할 경우 고해를 생략함으로써 제조비용을 크게 절감할 수 있다.

한편, 제조하고자 하는 종이의 용도에 따라 다른 특성을 요구하기 때문에 제조 방법의 변형이 일어날 수 있다. 화장지와 같은 박엽지를 생산할 경우에는 섬유량이 적기 때문에 강도 확보를 위하여 충전제를 사용하지 않으며, 특히 화장지를 제조하고자 할 경우에는 흡수성, 물풀림성 및 부드러운 성질이 매우 중요하다. 옥수수대 펄프의 경우 섬유장이 활엽수보다 다소 길고, 가늘어 목재펄프와 달리 100% 옥수수대 펄프만으로도 충분히 원하는 강도를 얻을 수 있다. 화장지의 종류에 따라서는 요구되는 성질을 만족시켜 주기 위하여 침엽수 표백 화학펄프를 일부(5-20%) 섞어줄 수 있다.

인쇄 필기용지를 제조하기 위해서는 벌크, 불투명도, 평활도 등이 중요한 인자로 고려된다. 그러나 옥수수대 펄프 고유의 특성으로 말미암아 벌크와 불투명도가 낮은 단점을 지니고 있기 때문에 이를 보완하기 위하여 침엽수 펄프, 활엽수 펄프, BCTMP, 볏짚펄프를 포함한 초본류 펄프를 혼합하여 사용할 수 있다. 혼합비는 제조하고자 하는 종이의 성질에 따라 건조 중량 기준으로 침엽수 펄프 1-5%, 활엽수 펄프 20-50%, 옥수수대 펄프 20-50%, BCTMP 5-10%, 볏짚펄프 2-5%의 범위 내에서 조절할 수 있다.

충전제로는 PCC(침강형 탄산칼슘), GCC(중질 탄산칼슘), 활석(talc), 백토(clay)가 사용될 수 있으며, 투입량은 펄프 중량의 5-25 중량%의 범위 내에서 제조하고자 하는 종이의 용도에 따라 조절될 수 있다.

사이즈제로는 AKD(alkyl ketene dimer), ASA(alkenyl succinic anhydride), 강화로진에멀젼 등이 사용될 수 있으며, 투입량은 펄프 중량의 0.05-6 중량%의 범위 내에서 조절할 수 있다.

충전제와 사이즈제는 자체적으로 펄프 섬유에 정착될 수 없기 때문에 보류제의 사용이 필요하다. 이러한 보류제로는 양이온성 전분, 양성 전분, 양이온성 및 음이온성 폴리아크릴아마이드, 폴리에틸렌이민, 콜로이드 실리카, 벤토나이트, 유기 마이크로 파티클 등이 사용될 수 있으며 사용량은 펄프 중량의 0.2~8.0 중량%의 범위에서 조절할 수 있다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면 농산 폐기물인 옥수수대로부터 고효율로 외피와 속을 분리할 수 있으며, 펄프 제조기술을 접목하여 고품질의 제지용 펄프의 대량 생산이 가능하다. 본 발명의 방법에 따라 제조된 옥수수대 펄프는 미표백 펄프의 상태로 산업용지 생산용 원료로 사용하거나, 표백된 상태로 다양한 특성을 지니는 침엽수 펄프, 활엽수 펄프, BCTMP, 볏짚펄프를 포함한 초본류 펄프 등을 배합하여 박엽지뿐만 아니라 인쇄필기용지로 사용할 수 있는 고급 종이를 생산하는데 이용될 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며, 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

실시예 1: 미표백 옥수수대 펄프를 이용한 수초지 제조

옥수수대를 길이 1.5 cm 길이로 절단하여 고속 회전기를 이용하여 10분간 타격처리를 실시한 후 메시 수가 5, 10 및 20의 망을 이용하여 옥수수대 외피로부터 떨어져 나가고 부서진 속을 분리하였다. 이 과정에서 지나치게 부서진 외피의 잔 부스러기도 망으로 걸러내었다.

분리된 외피를 다이제스터(용량 4리터)에 400g을 취하여 넣고, 활성알칼리 13%와 15%에 해당하는, 가성소오다를 물에 녹여 투입하였다. 이때 활성알칼리의 량은 불순물을 배제한 순수한 가성소오다의 량을 나타내는 것이기 때문에 가성소오다를 물해 용해시킨 뒤 적정을 통하여 농도를 측정하고, 이를 근거로 각각 활성알칼리에 해당되는 량을 취하여 투입한다.액비는 5:1로 하였으며, 약액에 옥수수대 칩이 충분히 잠길 수 있도록 금속 추를 사용하여 위에서 눌러주고 150℃에서 70분, 90분, 120분간 증해를 실시하였다.

증해 결과 얻어진 펄프의 특성은 표 3과 같다. 증해가 완료된 후 세척을 실시하고, 진동스크린을 이용하여 리젝트를 제거하였다. 정선이 완료된 펄프는 수율, 카파가, 명도를 측정하고, 실험실용 고해기를 이용하여 1.2 Ws/m의 세기로 고해를 실시한 후(미표백 펄프는 표백펄프에 비하여 유연성과 결합력이 떨어지기 때문에 고해가 필요하다) 수초지기를 이용하여 평량 60 g/m²의 수초지를 제지하였다. 수초지는 항온항습실에서 1일간 조습시킨 후 TAPPI Standard에 의거 밀도, 인장지수 및 파열지수를 측정하였다. 표 3에 나타낸 바와 같이 크라프트 봉지의 인장지수 및 파열지수보다 높은 강도가 얻어져 미표백 옥수수대 펄프의 품질이 산업용지 제조용 원료로 충분히 사용될 수 있을 정도로 우수함을 확인할 수 있었다.

활성알칼리 (%)	증해시간 (분)	정선수율 (%)	카파가	명도 (%)	밀도 (g/cm3)	인장지수 (Nm/g)	파열지수 (kPam2/g)
13	70	42	14.6	31.4	0.49	85	5.87
	90	46.3	13.4	33.1	0.54	105	6.98
	120	47.1	11.5	35.8	0.58	114	7.67
15	70	44.5	12.2	35.4	0.53	96	6.54
	90	45.8	10.7	36.2	0.62	118	7.85
	120	43.2	9.6	37.1	0.56	108	7.23

* 평량 90 g/m²인 크라프트 봉지의 인장지수는 95.4 Nm/g, 파열지수는 3.98 kPam²/g.

실시예 2: 표백 옥수수대 펄프를 이용한 수초지 제조

실시예 1과 동일하게 펄프를 제조한 후 DED 3단 표백을 실시하여 표백 옥수수대 펄프를 제조하였다. 이와 같이 제조된 표백 옥수수대 펄프는 디플레이킹에 따른 물성의 변화를 확인하기 위하여 종래의 고해 공정 대신 디플레이킹 처리를 한 후 실험실용 초지기를 이용하여 평량 60 g/m²의 수초지를 제조하였다. 상기 제조된 수초지는 실시예 1과 같이 조습처리를 한 후 벌크, 인장지수 및 파열지수를 측정하였다.

그 결과, 표 4에서 보는 바와 같이 디플레이킹 처리만 하여 제조된 수초지(실시예 2)와 고해를 하여 제조한 수초지(비교예 1)의 물성에 있어서 큰 차이를 나타내지 않았다. 반면에 고해를 한 경우 벌크가 현저히 낮은 값을 나타내어 인쇄용지 제조 시 심각한 문제를 발생시킬 수 있는 소지를 보여주었다.

활성알칼리 (%)	증해시간 (분)	벌크(cm3/g)		인장지수(Nm/g)		파열지수(kPam2/g)
		디플레이킹 (실시예 2)	고해 (비교예 1)	디플레이킹 (실시예 2)	고해 (비교예 1)	디플레이킹 (실시예 2)	고해 (비교예 1)
13	70	1.85	1.54	56.9	57.9	3.52	3.54
	90	1.69	1.45	58.1	58.3	3.61	3.69
	120	1.52	1.33	61.8	62.5	3.78	3.82
15	70	1.72	1.56	57.1	57.6	3.59	3.61
	90	1.54	1.38	61.3	62.1	3.72	3.74
	120	1.47	1.28	65.8	67.3	3.81	3.85

실시예 3 : 표백 옥수수대 펄프를 이용한 화장지 제조

실시예 2와 동일하게 펄프를 제조하고 표백을 실시하였다. 이 중 활성알칼리 15%, 증해시간 90분의 조건으로 제조된 펄프를 선택하여 화장지 제조 실험용으로 사용하였다. 화장지는 필기 인쇄용지와 달리 평량이 매우 낮으면서 강도적 성질보다는 오히려 벌크, 흡수성, 부드러운 성질 등을 필요로 하기 때문에 첨가제를 투입하지 않았으며 단지 펄프를 디플레이커를 이용하여 약간의 기계적 충격만 주어 원료로 사용하였다. 제조된 표백 옥수수대 펄프의 화장지 특성을 평가하기 위하여 옥수수대 단독 및 목재화학펄프와의 혼합 초지를 하여 KS 규격 및 시제품(비교예 2)과의 비교를 실시하였다. 이때 목재펄프는 실험실용 고해기를 이용하여 650 ml CSF의 수준으로 고해를 하여 사용하였다. 옥수수대 펄프로 제조한 화장지의 파열강도, 인장강도 및 흡수도가 활엽수 펄프와 혼합하여 제조한 것보다 우수하였고, 모두 KS 규격을 만족시켰으며, 파열강도는 시판용 화장지보다 우수하였다.

	옥수수대 펄프	옥수수대 펄프 50 활엽수 표백 크라프트 50	KS 규격		시판용(비교예 2)
			두루마리	미용	대한(미용)	유한(미용)
평량(g/m2)	18	18	18 이상	12.5 이상	24 이상	24이상
파열강도(kPa)	136	105	78이상	-	50 이상	50 이상
인장강도(N)	1.2	0.9	-	0.78 이상	-	-
흡수도(mm)	48	32	20 이상	-	-	-

실시예 4: 표백 옥수수대 펄프를 이용한 인쇄용지 제조

실시예 3에서 사용한 표백 옥수수대 펄프를 인쇄용지 제조용 원료로 사용하였다. 인쇄용지는 특히 벌크, 불투명도 및 인쇄적성을 필요로 하기 때문에 충전제와 사이즈제와 같은 첨가제와 이를 보류시키기 위한 보류제가 사용된다. 표백 옥수수대 펄프가 지니는 고유의 특성을 살리면서 단점을 보완하기 위하여 표백 옥수수대 펄프에 침엽수 펄프, 활엽수 펄프, BCTMP 또는 볏집 펄프를 혼합하여 각 펄프의 함량을 달리하여 종이를 제조하였다.

충전제로는 중질탄산칼슘을(오미아코리아) 18 중량% 사용하였으며, 보류제로는 벤토나이트(한국수드케미칼) 0.3 중량%와 양이온성 폴리아크릴 아마이드(태광화학공업) 0.2 중량%를 이용한 마이크로 파티클 시스템을 적용하였다. 표 6에 나타난 바와 같이, 펄프의 배합을 통하여 옥수수대 펄프의 가장 큰 단점인 벌크와 불투명도의 개선이 가능함을 알 수 있었다. 특히 순수하게 목재펄프로만 제조된 국내산 백상지(비교예 3)와 비교할 경우 표백 옥수수대 펄프와 다른 펄프의 배합을 통하여 오히려 우수한 물성이 얻어질 수 있음이 확인되었다.

펄프 배합비 (중량 % 기준)	옥수수대 펄프 100	옥수수대 펄프 50 침엽수 펄프 5 활엽수 펄프 40 BCTMP 5	옥수수대 펄프 40 활엽수 펄프 55 볏집펄프 5	옥수수대 펄프 40 침엽수 펄프 10 활엽수 펄프 50	국내산 백상지 (비교예 3)
평량(g/m2)	70.1	70	69.8	71.2	76.7
벌크(cm3/g)	1.05	1.32	1.28	1.16	1.28
인장지수(Nm/g)	49.5	52.1	50.4	51.7	49.4
파열지수(kPam2/g)	1.92	1.89	1.86	1.78	1.89
불투명도(%)	81.6	92.8	89.6	91.5	92.1
회분(%)	15	14.9	15.1	15	8.8

비교예 1

실시예 1과 동일하게 펄프를 제조한 후 DED 3단 표백을 실시하여 표백 옥수수대 펄프를 제조하였다. 디플레이킹 대신 고해기(한국특수기계, 10L)를 이용하여 0.8Ws/m의 조건으로 고해한 것을 제외하고 실시예 2와 동일하게 수초지를 제조하여 물성을 비교하였다(표 4).

비교예 2

시판되는 화장지 1(대한제지) 및 2(유한킴벌리)를 이용하여 평량, 파열강도, 인장강도 및 흡수도 등의 물성을 측정하여 실시예 3과 비교하였다(표 5).

비교예 3

국내산 백상지(무림제지)를 이용하여 평량, 벌크, 인장지수, 파열지수 등의 물성을 측정하여 실시예 4와 비교하였다(표 6).

상기에서 살펴본 바와 같이, 옥수수대를 이용하여 고품질의 제지용 펄프를 제조하고, 이를 산업용 포장재 제조 원료로 사용하거나 표백 후 다양한 특성을 지니는 침엽수 펄프, 활엽수 펄프 BCTMP, 볏짚펄프를 포함한 초본류 펄프와의 배합을 통하여 박엽지를 생산할 수 있음을 확인하였다. 또한, 기존 옥수수대 펄프로 제조한 종이가 지니는 인쇄 필기용지의 품질상의 문제를 개선하여 고품질의 인쇄필기용지를 제조할 수 있다.

이상 첨부된 표를 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.

도 1은 길이를 각각 1.5 ㎝, 3 cm, 6 cm 및 10 cm로 절단한 옥수수대를 나타내는 사진이다.

도 2는 옥수수대의 외피와 내피를 분리하기 위한 타격장치로서, 긴 원통 실린더 내(도 2a)에 길이가 다양한 타격용 바아(도 2b)를 서로 엇갈리게 설치하여 고마력 모타로 회전시켜 작동하는, 본 발명의 타격장치의 모식도를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 타격장치로 타격 처리한 생 옥수수대(도 3a) 및 건조 옥수수대(도 3b) 칩의 상태를 나타내는 사진이다.

Claims (8)

1. 옥수수대 펄프의 제조방법에 있어서,

   i) 옥수수 대의 길이를 10~30 mm로 절단하는 단계;

   ii) 절단된 옥수수대를 회전 타격기를 이용하여 타격하는 단계; 및

   iii) 스크린을 이용하여 외피, 속 및 외피의 잔 부스러기를 걸러내는 단계를포함하는 옥수수대 전처리 공정을 포함하는, 옥수수대 펄프의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 옥수수대 전처리 공정에 의하여 얻어지는 옥수수대 칩을 가성소오다 및 탄산나트륨을 이용하여 증해하는 단계를 포함하는, 옥수수대 펄프의 제조방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 증해 단계는 12~16%의 활성 알칼리 농도, 3:1~6:1의 액비, 120~150℃의 온도 및 60~150분의 시간 범위 내에서 수행되는, 옥수수대 펄프의 제조방법.
4. 제1항의 제조방법으로 얻어지는 옥수수대 펄프를 고해 공정 대신 디플레이킹 공정을 이용하여 강도를 보강하는 단계를 포함하는 종이 제품의 제조방법.
5. 제4항에 있어서, 침엽수 펄프, 활엽수 펄프, BCTMP 및 초본류 펄프로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 혼합하는 단계를 추가로 포함하는 종이 제품의 제조방법.
6. 제1항의 방법에 의해 제조된 옥수수대 펄프.
7. 제4항의 방법에 의해 제조된 종이 제품.
8. 제7항에 있어서, 상기 종이 제품은 산업용 포장재, 화장지, 박엽지, 인쇄필기용지, 서적용지 및 특수지를 포함하는 종이 제품.

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