KR20150059758A - 하이브리드 섬유 조성물 및 골판지 패키징에서의 사용 - Google Patents

하이브리드 섬유 조성물 및 골판지 패키징에서의 사용 Download PDF

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KR20150059758A
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Abstract

본 발명은, 적어도 하나의 비-목재 대체 펄프 물질을 포함하는 골판지 패키징 물질에 관한 것으로서, 비-목재 대체 펄프 물질은 약 5% 내지 약 100%의 양으로 존재하고, 물질은 종래의 섬유 물질의 적어도 일부분을 대신한다.

Description

하이브리드 섬유 조성물 및 골판지 패키징에서의 사용{HYBRID FIBER COMPOSITIONS AND USES IN CONTAINERBOARD PACKAGING}
본 발명은 골판지 패키징을 위해 골이 진 매질(corrugated medium)에 있어서 비-목재 대체 천연 섬유(non-wood alternative natural fibers)의 사용에 관한 것이다. 골판지 패키징 응용예를 위한 충분한 기계적 강도를 제공하는 하이브리드 섬유 조성물에 의해 종래의 견목재 섬유를 대신한다.
통상적으로, 소나무 등의 빠르게 성장하는 나무로부터 유래되는 펄프가, 골판지 패키징을 위한 원료로서 사용되어 왔다. 골판지는 골판 원지와 매질로 이루어진다. 골판 원지는, 일반적으로, 가장 긴 섬유를 갖고 가장 강력한 골판지를 생산하게 되는 연목재로 제조된다. 반면, 매질은, 연목재 섬유보다 짧고 딱딱한 경향이 있는 견목재 섬유로 제조된다. 근년에, 재활용되는 폐골판지(old corrugated container; OCC) 물질을 골판 원지 또는 골이 진 매질로서 사용하는 것이, 환경 지속성에 관한 관심 때문에 인기를 얻고 있다. 그러나, OCC는 종종 재펄프화(repulping)와 디잉킹(de-inking) 처리를 필요로 한다.이처럼, 재활용되는 섬유는, 재활용 횟수가 증가함에 따라, 짧아지고, 약해지고, 오염된다. 많은 골판지 생산자에 의해 재활용되는 섬유의 이용과 요구가 증가함에 따라, 재활용되는 섬유의 비용도 증가하였다. 단일 스트림 재활용을 향한 운동으로 인해, 기존의 회수된 섬유 스트림의 오염(스테이플, 플라스틱 테이프, 고온 용융된 접착제)이 증가한다. 강도(압축, 에지 크러시(edge crush), 인열(burst), 인장(tensile) 강도), 강성도, 경직도, 내습성, 내유지성, 및/또는 내동결성/내해동성 등의 중요 성능 요건들을 재활용지 또는 페이퍼보드(paperboard)로 달성하기엔 더욱 어려울 수 있다.
조류(algae), 옥수수 대, 밀짚, 볏짚 등으로부터 유래되는 것 등의 비-목재 대체 천연 섬유를 포함하는 하이브리드 섬유 조성물은 이러한 전술한 사항들을 해결하기 위한 옵션일 것이다. 골이 진 매질 내의 섬유를 밀짚 등의 육상계 비-목재 대체 섬유로 대체하는 것은, 그 포함 수준에 있어서 매우 큰 도전과제일 수 있다. 인자들 중 하나는 펄프 섬유에 연관된 핀(fines)에 관한 것이다. 밀짚 섬유는 견목재(약 20 내지 약 40%) 또는 OCC 섬유(약 20 내지 약 25%)보다 많은 핀(약 38 내지 약 50%)을 함유한다. 이에 따라, 밀짚 섬유 치수(섬유 길이와 직경)는, 단풍나무와 오크 나무로부터 펄프화된 것 등의 견목재 섬유에 비교할만하지만, 재활용된 골판지 물질 내에 연목재 섬유가 존재함으로 인해 OCC 섬유보다 짧다. 핀들은 필러(filler)로서 보일 수 있지만, 밀짚 펄프로부터 핀을 다른 것들보다 많이 갖는 것은 강도에 기여하지 못한다.
홍조류는 해조류들 중 하나로서, 우뭇가사리과 중 일부인 홍조 식물 문에 속한다.이것의 한천 또는 바이오에탄올 추출로 얻은 섬유는, 큰 종횡비를 갖고, 놀랍게도, 하이브리드 섬유 조성물 내의 인장 지수, 링 크러시(ring crush), 파열(tear) 지수, 인열 지수 등의 골이 진 매질의 기계적 특성을 향상시킨다. 홍조류 섬유가 존재함으로써, 골이 진 매질이 주요 기계적 특성 요건들을 충족하거나 초과할 수 있으며, 이러한 요건들은 밀짚 등의 비-목재 섬유의 고 비율이 효과적으로 이용될 수 있게 하지만, 제품 성능 요구들을 더욱 완전하게 충족해야 한다. 따라서, 비-목재 대체 섬유를 사용하는 것은 환경 친화적이며, 종래의 원료(견목재 펄프 또는 OCC) 사용으로부터 상당한 이동을 나타내며, 다양한 제조사들이 잠재적인 비용 절약을 할 수 있게 한다.
따라서, 골판지 패키징에서 사용되는 종래의 섬유 물질의 일부분을 대체하도록 목재 대체 펄프 물질을 제공할 필요가 있다. 또한, 패키징 중량을 감소시킬 수 있는 더욱 강력하고 경량의 골이 진 물질이 더욱 필요하다. 종래에는 대체 섬유를 사용하여 건축재와 가구에 적용되는 복합체 보드를 생산하려는 시도가 있었지만, 골판지 패키징 응용예들에서 사용될 비-목재 천연 섬유 기반 골이 진 매질을 생산하려는 지속 가능한 시도가 부족하다. 그 결과, 본 발명은, 환경적으로 지속 가능한 골판지 패키징에 사용될 수 있는 목재 대체 물질을 제공함으로써, 이러한 갭을 채운다.
본 발명은, 적어도 하나의 비-목재 대체 펄프 물질을 포함하는 골판지 패키징 물질에 관한 것으로서, 상기 비-목재 대체 펄프 물질은 약 5% 내지 약 100%의 양으로 존재하고, 상기 물질은 종래의 섬유 물질의 적어도 일부분을 대신한다. 하이브리드 섬유 조성물은, 강성 패키징 응용예들을 위해 기존의 제지, 플루트화(fluting), 및 케이스 전환 기계에 의해 처리될 수 있다.
도1은 300배 배율에서의 수초지 면 SEM의 반화학적 펄프화 견목재 단 섬유(semi-chemical pulped hardwood short fiber)의 100% 혼합물의 마이크로그래프.
도2는 300 배율에서의 수초지 면 SEM의 100% 밀짚 섬유의 마이크로그래프.
도3은 수초지 면을 위한 하이브리드 섬유 조성물을 도시하며, 여기서, 조성물은, 300배 배율에서의, 견목재, 밀짚, 및 홍조류 섬유 SEM의 조합을 함유하는, 마이크로그래프.
명세서는 본 발명을 특별히 나타내고 명백하게 청구하는 청구 범위로 종결되지만, 본 발명은 하기 상세한 설명으로부터 더욱 잘 이해될 것이다.
모든 퍼센트, 부, 및 비율은, 달리 명시되지 않는 한, 본 발명의 조성물의 총 중량을 기초로 한다. 이러한 모든 중량은, 기재된 성분에 관련될 때 활성 수준을 기초로 하며, 따라서, 달리 명시되지 않는 한, 통상적으로 입수가능한 물질에 포함될 수 있는 용매 또는 부산물을 포함하지 않는다. "중량 퍼센트"라는 용어는 본 명세서에서 "wt.%"로 나타낼 수 있다. 실제로 측정된 값들의 특정 예들이 제시되는 경우를 제외하고, 본 명세서에서 언급되는 수치는 "약"이라는 단어로 수식되어야 한다고 여겨야 한다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "포함하는"은, 최종 결과에 영향을 끼치지 않는 다른 단계 및 다른 성분이 추가될 수 있음을 의미한다. 이 용어는, "이루어지는" 및 "본질적으로 이루어지는"이라는 용어들을 포함한다. 본 발명의 조성물 및 방법/공정은, 본 명세서에서 설명하는 본 발명의 제한 사항들과 필수 요소들, 및 추가 또는 선택적 성분들, 구성요소들, 단계들, 또는 본 명세서에서 설명하는 제한사항들 중 임의의 것을 포함할 수 있고, 이루어질 수 있고, 본질적으로 이루어질 수 있다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "비-목재"(non-wood) 또는 "목재 대체"(wood alternative)라는 용어는, 일반적으로, 밀짚 등의 농작물, 부들 등의 습지 비목 식물, 부레옥잠 등의 수생 식물, 스피룰리나 등의 미세 조류, 홍조류 또는 갈조류 등의 거대 해조류로부터의 처리 잔여물을 가리킨다. 본 발명의 비-목재 천연 물질의 예로는, 밀짚, 볏짚, 아마, 대나무, 목화, 황마, 삼, 사이잘, 버개스, 헤스퍼알로에, 스위치그래스, 억새, 해양 또는 담수 해조류/해초, 및 이들의 조합이 있지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "홍조류 섬유"라는 용어는, 홍조 식물로부터 유래되는 임의의 셀룰로스 섬유 물질을 가리킨다. 특히 바람직한 홍조류 섬유로는, 겔리디움아만시(Gelidiumamansii), 겔리디움코르늄(Gelidiumcorneum), 겔리디움애스페룸(Gelidiumasperum), 겔리디움칠렌스(Gelidiumchilense), 및 겔리디움로버스텀(Gelidiumrobustum)으로부터 유래되는 셀룰로스 섬유 물질이 있다. 홍조류 섬유는, 일반적으로, (평균 섬유 폭에 의해 나누어지는 평균 섬유 길이로서 측정된) 적어도 약 80의 종횡비를 갖는다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "OCC"라는 용어는, 플루트화 내층과 함께 접착된 종이의 층들을 갖는 폐골판지를 가리킨다. 이것은, 골이 진 카드보드 박스(업계에서 가장 많이 재활용되는 제품)를 제조하는 데 사용되는 물질이다. OCC 펄프의 4개의 주요 구성요소는, (주로 골판 원지로부터의) 미표백 연목재 크래프트 펄프, (플루트화 매질로부터의) 반화학적 견목재 펄프, (접착제로서의) 전분, 및 물(흔히 8% 이상)이다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "펄프" 또는 "펄프 섬유"라는 용어는 당업계에 알려져 있는 종래의 펄프화 처리를 통해 얻어지는 섬유 물질을 가리킨다. 이는 목재성 물질 및 비-목질계 물질을 위한 것일 수 있다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "핀"(fines)라는 용어는 200 메시 스크린(75㎛)을 통과하는 부분을 가리킨다. 핀들의 중간 크기는 수 마이크로미터이다. 핀들은 셀룰로스, 헤미셀룰로스, 리그닌, 및 추출물로 이루어진다. 핀에는 두 가지 유형이 있는데, 일차 핀과 이차 핀이다.일차 핀 함량은 식물의 유전적 특징으로 보인다.견목재 펄프에 대해서는, 그 함량이 약 20% 내지 약 40%인 반면, 밀짚에 대해서는, 그 함량이 약 38% 내지 약 50%이다. 이차 핀은 정제 동안 파괴되는 섬유들의 외층들로부터의 소섬유들이다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "평량"이라는 용어는, 일반적으로, 골판 원지 또는 매질의 단위 면적당 중량을 가리킨다. 평량은, 본 명세서에서, TAPPI 시험 방법 T-220을 이용하여 측정된다. 흔히 30cm x 30cm 또는 다른 편리한 치수로 된 펄프 시트는 칭량된 후 건조되어 고체 함량을 결정하게 된다. 이어서, 시트의 면적을 결정하고, 건조된 중량 대 시트 면적의 비율을 제곱미터당 그램(gsm)인 평량으로서 보고한다. 골판 원지평량은 적어도 약 130gsm 이상이며, 매질 평량은 약 90gsm 이상이다. 골판 원지와 매질의 수분 함량은 약 10퍼센트 미만이다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "골판지"라는 용어는, 골판 원지를 대향하는 플루트화 매질로서 함유하는 시트를 가리킨다. 다수의 구성이 가능한데, 서로 다른 제품 패키징 응용예들을 위해 단일 면, 이중 면이라고도 칭하는 단일 벽, 이중 벽, 및 삼중 벽이 있다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "플루트"(flute)라는 용어는, 일반적으로 컨테이너의 깊이에 평행하게 이어지며 경직도와 크러싱(적층) 강도를 제공하는 골이 진 매질의 반전된 S 형상의 "아치" 또는 "파"를 가리킨다. 본 발명의 플루트는, 미터당 98개 플루트 내지 미터당 492개 플루트에 이를 수 있다. 플루트의 주요한 다섯 가지 분류와 크기는 다음과 같다: 1) A-플루트: 가장 큰 아치 크기로서, 미터당 약 105개 내지 약 121개 플루트, 2) B-플루트: 두 번째로 큰 아치 크기로서, 미터당 약 148개 내지 약 171개 플루트, 3) C-플루트: A와 B의 중간으로서, 미터당 약 128개 내지 약 141개 플루트, 4) E-플루트: 미터당 약 302개 내지 약 322개 플루트를 갖고, 5) F-플루트: 마지막 플루트 크기로서, 미터당 약 420개의 플루트. 이러한 플루트들은, 또한, AAA(삼중 벽), AA(이중 벽) 내지 E/F(마이크로 플루트) 조합에 이르는 멀티 플루트 그레이드를 형성하도록 함께 결합될 수 있다.단일 플루트 높이는 A(0.477cm)부터 F(0.079cm)에 이른다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "단일 면", "단일 벽", "이중 벽", 및 "삼중 벽"이라는 용어들은, 페이퍼보드(골이 진 매질)의 하나 이상의 플루트화 시트를 하나 이상의 골판 원지 페이싱들(facings) 사이에 접착함으로써 형성되는 패키징 물질을 가리킨다. 4가지의 공통 유형이 있다:
1) "단일 면"은 골판 원지의 하나의 평평한 시트에 접착된 하나의 플루트화 매질을 가리킨다(총 두 개의 시트).
2) "단일 벽"은 골판 원지의 두 개 시트 사이에 접착된 하나의 플루트화 매질을 가리킨다. "이중 면"이라고도 한다(총 세 개의 시트).
3) "이중 벽"은 골판 원지의 세 개의 시트 사이에 접착된 두 개의 플루트화 매질을 가리킨다(총 다섯 개의 시트).
4) "삼중 벽"은 골판 원지의 네 개의 시트 사이에 접착된 세 개의 플루트화 매질을 가리킨다(총 일곱 개의 시트).
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "인장 지수"(Tensile index)라는 용어는, N.m/g으로 표현되며, 평량으로 나누어지는 뉴턴-미터(N/m)로 표현되는 인장 강도의 몫을 가리킨다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "인열 지수"(Burst index)라는 용어는, 일반적으로 제곱미터당 그램(gsm)으로 표현되는, 평량으로 나누어지는 일반적으로 킬로파스칼(kPa)로 표현되는 인열 강도의 몫을 가리킨다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "골이 진 매질 시험"(corrugated medium test; CMT)이라는 용어는, 일반적으로 뉴턴(N) 또는 파운드힘(lbf)으로 표현되는, 골이 진 매질의 플루트화 스트립의 크러싱 저항(crushing resistance)을 가리킨다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "링 크러시"라는 용어는, 일반적으로, 미터당 킬로뉴턴(kN/m)으로 표현되는, 에지와이즈 압축에 대한 페이퍼보드와 종이의 저항을 가리킨다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "압축"이라는 용어는 외부 압축력에 저항하는 골이 진 배송 용기(corrugated shipping containers)의 기능을 가리키며, 이는 수송과 입고 동안 발생하는 힘을 받는 컨테이너의 적층 강도에 관련된다. 이는 일반적으로 뉴턴(N)으로 표현된다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "에지 크러시"라는 용어는, 일반적으로 미터당 킬로뉴턴(kN/m)으로 표현되는, 골이 진 보드의 플루트에 평행한 에지와이즈 압축 강도를 가리킨다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "웹 형성 장치"라는 용어는, 일반적으로, 통상의 기술자에게 알려져 있는, 장망 초지기(fourdrinier former), 트윈 와이어 초지기, 실린더 기계, 프레스 초지기, 크레센트 초지기 등을 포함한다.
본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "캐나다 표준 여수도"(CSF)는, 일반적으로, 섬유들의 슬러리가 배출되는 속도를 가리키며, TAPPI 표준 시험 방법 T 227 OM-09에서 설명하는 바와 같이 측정된다. CSF에 대한 단위는 mL이다.
짚(밀, 벼, 귀리, 보리, 호밀, 아마, 풀) 및 줄기(옥수수, 수수, 및 목화)는, 각각 농작물계 대체 천연 섬유의 전 세계적으로 큰 잠재적 소스(연간 드라이 메트릭(dry metric)으로 1백만톤을 초과함)를 나타낸다. 임의의 연간 농작물에 있어서, 수확은 소정의 시간과 저장소에서 행해야 하며, 제품 제조 전에 건조, 세척, 및 분리가 필요하다. 골이 진 매질 애플리케이션을 위해 연간 성장 리그노셀룰로스 섬유를 사용하는 이점은, 1) 통상적인 목재계 펄프 소스보다 매우 짧은 수확 사이클, 2) 잔여 성질로 인한 저 비용, 3) 섬유를 표백할 필요가 없어서 에너지를 덜 소모함, 4) 이산화탄소를 공기로부터 제거하여 세계적인 온실가스 효과를 줄이며, 이는 환경 지속가능성을 향상시킨다는 점이다. 이러한 비-목재 천연 섬유의 충분한 자격이 되는 환경 친화적인 특징들 때문에, 전세계 회사들은 발 빠르게 농업 관련 섬유를 제품 라인에 통합해 왔다.
본 발명은, 골이 진 매질 제조, 매질 플루트화, 및 케이스 변환시 사용되는 종래의 섬유 물질들 중 주요 부분을 대체하도록 골판지 패키징에 사용될 적어도 하나의 비-목재 대체 펄프 물질에 관한 것이다. 목재 섬유 대신에 농작물 섬유 또는 농작 잔류물을 사용하는 것 등의 대체 천연 섬유가 더욱 지속 가능한 것으로 여겨진다. 본 발명의 비-목재 천연 물질의 예로는, 밀짚, 볏짚, 아마, 대나무, 목화, 황마, 삼, 사이잘, 버개스, 헤스퍼알로에, 스위치그래스, 억새, 해양 또는 담수 조류/해조류, 및 이들의 조합이 있지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다.본 발명의 조성물은, 홍조류 등의 해조류, 옥수수 대, 짚; 다른 육상계 천연 섬유; 및 이들의 조합으로부터 적어도 하나의 비-목재 펄프 물질이 선택되고, 상기 짚은, 밀, 벼, 귀리, 보리, 호밀, 아마, 풀, 및 이들의 조합으로 이루어지는 그룹에서 선택되고, 상기 다른 육상계 천연 섬유는, 아마, 대나무, 목화, 황마, 삼, 사이잘, 버개스, 케나프, 헤스퍼알로에, 스위치그래스(switchgrass), 억새, 및 이들의 조합으로부터 선택된다. 그러한 비-목재 물질로부터의 개별적인 섬유성 물질은, 당업계에 알려져 있는, 열적 기계적 펄프화, 크래프트 펄프화, 화학적 펄프화, 엔자임 보조 생물학적 펄프화, 또는 오가노솔브 펄프화 등의 종래의 펄프화 처리로부터 도출될 수 있다. 반면에, 홍조류 펄프화(You 등의 미국 특허 제7,622,019호)는, 리그닌을 함유하지 않기 때문에, 에너지와 자본비를 덜 쓰며, 이는 홍조류를 다른 펄프 물질과는 명백하게 차별화한다. 또한, 하이브리드 조성물에 홍조류 섬유가 사용되는 경우 낮은 평량을 달성할 수 있다.
골이 진 매질은, 통상적으로, 반화학적 펄프 또는 재활용된 물질로 형성된다. 현재의 제조 실무 내에서는, 약 75% 생산물은 약 80% 반화학적 펄프와 20% 재활용 섬유를 이용한다. 나머지 생산물은 100% 재활용 물질로 형성되며, 흔히 "가짜 매질"(bogus medium)라 칭한다.골이 진 매질은 골이 진 박스 스톡의 플루트화 내측 플라이들(fluted inner plies)에 사용되는 경량의 보드이다. 골이 진 매질에 대한 평량 범위는 1000 ft2 당 약 18파운드 내지 약 36파운드이다. 바람직한 평량은 1000 ft2 당 약 26파운드 내지 약 32파운드이다. 본 발명의 골이 진 매질은 약 90g/m 2 내지 약 200g/m2의 평량을 가질 수 있다.
본 발명의 비-목재 대체 펄프 물질은 비-목재 대체 천연 펄프 섬유들을 포함하는 고유한 혼합물이다. 예를 들어, 견목재와 밀짚 등의 적어도 하나의 비-목재 대체 천연 펄프 섬유의 조합, 또는 본 발명으로서 유용한 해조류와 밀짚 등의 하나 이상의 비-목재 대체 천연 펄프 섬유의 조합이 있을 수 있다. 이러한 혼합물은, 제조 및 환경적으로 지속 가능한 골판지 패키징에 이점을 제공할 뿐만 아니라, 해조류 홍조류 섬유가 존재함으로써 그 혼합물 내의 다른 섬유들과의 연결도 강화한다. 따라서, 비-목재 대체 천연 섬유를 사용함으로써, 골판지와 골이 진 매질의 전체적인 기계적 특성이 개선된다. 이러한 차이의 비교 견해를 도 1과 도 2 대 도 3에서 알 수 있다.도 2는 도 1에 비해 패칭이 덜하고 강도가 개선됨을 도시하고 있지만, 가장 향상된 섬유 형태는 도 3에서 알 수 있으며, 이 도에서는, (작고 스레드형 섬유로 표현된 바와 같은) 홍조류가 존재함으로써, 작은 홍조류 섬유들에 의해 제공되는 넓은 표면적 접촉과 강력한 수소 결합을 통해 반화학적 견목과 밀짚 섬유들의 연결이 강화된다.
핵심적인 차이점은, 견목재 또는 밀짚 섬유에 비해 높은 80 이상인 홍조류 종횡비이다. 견목재 섬유 길이는 약 1mm 내지 약 1.85mm이다. OCC 섬유 길이의 경우에, 이 길이는 범위의 상한에 가깝지만 재활용 횟수가 증가함에 따라 짧아진다. 곡류 밀짚 섬유 길이는 약 0.8mm 내지 약 1.1mm이다. 당업계에서는, 미처리된 더욱 짧은 섬유와 밀짚의 높은 일차 핀 함량이 인장, 파열, 인열 등의 최종 제품의 기계적 특성을 개선하지 않는다고 흔히 이해된다. 종이에서의 평균 섬유 길이가 길수록, 시트가 강해질 것이다. 강도 보조물을 첨가하여 짧은 섬유의 결합을 개선할 수 있지만, 일반적으로, 긴 섬유를 보다 짧은 섬유로 대체할 때마다, 강도가 감소할 것이다. 따라서, 골이 진 매질을 제조하는 데 사용되는 종래의 섬유(견목재 또는 OCC)를 밀짚 섬유로 성공적으로 대체하는 것은 다른 섬유 또는 화학적 성질에 의존해야 한다.본 발명에서는, 하이브리드 섬유 조성물 내에 홍조류 섬유가 포함될 때 섬유 대체가 예상외로 달성 가능하다는 점을 나타내도록 실시형태를 제공한다. 가느다란 홍조류 섬유는, 강도 향상을 달성하도록 수소 결합을 통해 다른 유사하지 않은 섬유들의 망에 있어서 더욱 많은 접촉 표면적을 제공한다. 본 발명의 조성물은, 비-목재 대체 천연 펄프 등의 홍조류를 포함할 수 있다. 홍조류는, 겔리디움엘레강스(Gelidium elegance), 겔리디움코르늄(Gelidiumcorneum), 겔리디움아만시(Gelidiumamansii), 겔리디움로버스텀(Gelidiumrobustum), 겔리디움칠렌스(Gelidiumchilense), 그레이스라리아베르코사(Gracelariaverrucosa), 유케마 코튼이(Eucheumacottonii), 유케마스피노섬(EucheumaSpinosum), 벨루둘(Beludul), 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 펄프 물질 조성물은 비-목재 대체 천연 펄프 섬유들의 다양한 양을 포함할 수 있다. 조성물은, 요소들의 조합을 가질 수 있고, 여기서, 적어도 하나의 비-목재 대체 천연 펄프 섬유만이 존재하며 또는 목재 펄프 섬유와 결합될 수도 있다. 예를 들어, 본 발명의 비-목재 대체 천연 펄프 섬유들의 양은, 조성물의 중량 기준 약 5%, 약 10%, 약 20%, 약 25%, 약 30% 내지 약 40%, 약 50%, 약 60%, 약 75%, 약 100%의 양으로 존재할 수 있다. 또한, 본 발명의 펄프 물질 조성물은, 조성물의 중량 기준 약 5%, 약 10%, 약 20%, 약 30% 내지 약 40%, 약 50%, 약 60% 또는 약 70%의 양으로 견목재 짧은 섬유 펄프를 포함할 수 있다. 서로 조합하거나 또는 목재 펄프 섬유와 조합하는 비-목재 대체 펄프 물질들만이 존재하는 경우, 그 조성물은 종래의 섬유 물질들 중 일부를 대체하는 골판지 패키징에 사용될 수 있다.
본 발명의 조성물은, 화학적 견목재 펄프:비-목재 대체 천연 펄프 비가 약 70:30, 약 60:40, 약 50:50, 약 30:70, 약 5:95, 또는 약 0:100인 조합을 나타낼 수 있지만, 이러한 예로 한정되지는 않는다. 전술한 비-목재 대체 천연 펄프 중 임의의 것 내에는, 비-목재 대체 천연 펄프의 한 종류 또는 두 개 이상의 종류를 조합하여 사용할 수도 있다. 예를 들어, 조성물은, 30:70 비의 견목재:비-목재 대체 천연 펄프를 사용할 수 있고, 여기서, 비-목재 대체물은 밀짚만 또는 밀짚과 홍조류의 조합이다. 또한, 전술한 바와 같이, 비-목재 대체 천연 펄프들의 임의의 조합을 사용할 수 있다.
골이 진 매질 제지, 플루트화, 및 케이스 변환을 통해 본 발명을 더욱 실증하였다. 예를 들어, 제지에 있어서, 112g/m2인 낮은 평량에서의 견목재 펄프와 밀짚(30:70) 및 100% OCC 종이의 실시형태들을 각각 비교를 위한 기준으로서 실시하였다. 밀짚과 홍조류(85.7:14.3)의 70% 조합 밸런스와 함께 동일한 30% 견목재를 포함하는 다른 예는, 파일럿 종이 기계에 대하여 실시하였다. 양이온 전분을 조성물의 중량에 있어서 약 0.1%, 약 0.5%, 약 0.1% 내지 약 2%, 약 5%의 건식 강도 첨가제로서 사용하였다. 옥수수, 밀, 또는 토마토 등으로부터 유래되는 임의의 전분은 양이온성 개질 후에 적절할 것이다.
플루트화시, 골판 원지는 골판지 산업계로부터의 평평한 면이 있는 표준 물질이었으며, 이는 파일럿 코루게이터(pilot corrugator)를 사용하여 (파형) 골이 진 매질과 함께 조립된다. 플루트화 및 골판지 시트 조립 동작 전체에 걸쳐 분당 76미터인 평균 라인 속도를 유지하였다. 수용성 옥수수 전분계 접착제 및 폴리비닐 아세테이트 등의 일부 수지를 접착제로서 사용할 수 있다. 골판지를 위한 여러 구성이 존재하는데, 예를 들어, "단일 면", "단일 벽", "이중 면", "이중 벽", "삼중 벽"이 있다. 각 구성은 특정한 응용예들을 갖는다. 플루트는 여러 표준 형상 또는 플루트 프로파일로 되어 있다. 서로 다른 플루트 프로파일들은 결합된 하나의 보드에서 결합될 수 있다. 예를 들어, 삼중 벽 보드에서, 매질의 한 층은 A-플루트인 한편 나머지 두 개의 층은 C-플루트일 수 있다. 이러한 식으로 플루트 프로파일들을 혼합함으로써, 설계자들이 결합된 보드의 압축 강도, 쿠셔닝 강도 및 총 두께를 조작할 수 있다.
제조사 조인트를 접착하기 전에 스코어와 슬롯이 부착된 플렉소-폴더-글루어 프레스(flexo-folder-gluer press)에 의해 골판지 시트들을 사용하여 34.4cm x 34.3cm x 39.1cm인 케이스 크기를 변환하였다. 에지 크러시, 링 크러시, 및 3차원 압축 시험(상부에서 하부(T-B), 단부에서 단부(E-E) 및 측면에서 측면(S-S)) 등의 여러 시험을 선택하여 골이 진 골판지 박스를 평가하였다. 비-목재 천연 섬유들을 함유하는 골이 진 매질에 대한 결과 모두는 대조 샘플들을 초과한다.
파일럿 기계로부터 생산되는 샘플 및 모든 수초지 샘플들을 TAPPI T220을 사용하여 기계적 특성들(파열, 인장, 인열, 및 밀도), TAPPI T410을 사용하여 평량, TAPPI T822를 사용하여 링 크러시, TAPPI T839를 사용하여 에지 크러시, TAPPI T809를 사용하여 골이 진 매질 시험, 및 TAPPI T804를 사용하여 압축 시험을 선택적으로 행하였다. 모든 샘플들의 조건은, 임의의 시험을 수행하기 전에 24시간 동안 50% 습도와 75oF이었다.
실시예
다음에 따르는 실시예들은, 본 발명의 범위 내에 있는 실시형태들을 더욱 기술하며 실증한다. 실시예들은 예시를 위해서만 제공된 것이며, 이러한 실시예들의 많은 변형예들도 가능하기에, 본 발명을 제한하는 것으로 해석해서는 안 된다.
실시예 1
골이 진 매질을 위한 통상적인 반화학적 조리에 따라 견목재 펄프를 제조하였다. 펄프를 제조하는 데 사용되는 견목재 칩들은, 주로 자작나무, 서양물푸레나무, 및 오크나무(60/30/10)로 이루어지는 표준 북쪽 견목재 종 혼합물이었다. 혼합된 칩들의 1500 오븐 드라이 그램을 탄산나트륨(Na2CO3) 10% 용액과 함께 다이제스터(Model M/K 602-2 (M/K Systems, Inc., Peabody, MA)) 내에 4:1 액체 대 목재 비율로 투여하였다. 칩들을 60분 동안 125℃인 조리 온도로 상승시키고, 그 온도에서 30분 동안 조리한 후 냉각하였다. 조리된 칩들을 랩 리파이너(Model 105-A (Sprout-Waldron, Muncy, PA))를 거친 후, 0.02cm 슬롯형의 진동하는 평평한 스크린 상에서 선별하였다. 이어서, 섬유들을 원심 분리하여 물을 제거하여 수초지를 제조할 준비가 되게 하였다.
실시예 2
실시예 1의 펄프의 혼합물을 사용하여 수초지를 대조구로 제조하였다. TAPPI T205에 따른 각 코드마다 10개의 수초지를 제조하였으며, 여기서 웹 형성 장치를 특정하고 사용하였다. 수초지 평량을 각 수초지마다 2.24그램의 오븐 드라이 중량을 갖게 하면서 제곱미터당 112그램(gsm)으로 되도록 하였다. 실제 샘플 평량은 상당한 편차를 보였다. 데이터 비교를 위해 평량의 영향을 최소화하도록, 표 1에 도시한 시험 데이터에 기초하여 지수 값들을 변환한 반면, 실시예 1은 실시예 1로부터 제조한 반화학적 펄프의 혼합물을 참조해 볼 때, WS는 Shandong Pulp and Paper Co., Ltd. (Jinan, China)로부터 구매한 밀짚 펄프를 나타내고, 조류는 Pegasus International (Daejeon, Republic of Korea)로부터 구매한 홍조류 섬유를 나타낸다.
실시예 3
실시예 1로부터의 70%와 비-목재 대체 천연 섬유 30%(20% 밀짚 펄프와 10% 홍조류 섬유)의 혼합물을 준비하여 수초지를 제조하였다. 수초지를 제조하기 위한 다른 단계들 및 수초지를 위한 파라미터들은 이하의 실시예들을 비롯하여 실시예 2와 마찬가지이다. 따라서, 간결함을 위해 반복 설명하지 않는다.
실시예 4
실시예 1로부터의 50%와 비-목재 대체 천연 섬유 50%(40% 밀짚 펄프와 10% 홍조류 섬유)의 혼합물을 준비하여 수초지를 제조하였다.
실시예 5
실시예 1로부터의 30%와 비-목재 대체 천연 섬유 70%(50% 밀짚 펄프와 20% 홍조류 섬유)의 혼합물을 준비하여 수초지를 제조하였다.
실시예 6
실시예 1로부터의 60% 혼합물을 준비하여, 홍조류 섬유가 없는 40%의 밀짚 펄프를 함유하는 수초지를 제조하였다.
실시예 7
이것은 비교예이다. 실시예 1에서 설명한 바와 같은 견목재 펄프 없이 100% 비-목재 대체 천연 섬유 수초지를 제조하였다. 물질 조성물은 80%의 밀짚 펄프와 20%의 홍조류 섬유를 함유하였다. 이 비-목재 천연 섬유 조성물을 위해, 수초지 파열 지수는 약화되어 있지만, 다른 기계적 특성들은 비슷하다.
실시예 8
이것은 비교예이다. 실시예 1에서 설명한 바와 같은 견목재 펄프 없이 100% 비-목재 대체 천연 섬유 수초지를 제조하였다. 물질 조성물은 90%의 밀짚 펄프와 10%의 홍조류 섬유를 함유하였다. 이 비-목재 천연 섬유 조성물을 위해, 수초지 CMT, 파열 지수, 인장 지수 등 모두는 대조구(실시예 2)보다 낮다.
실시예 9
이것은 비교예이다. 실시예 1에서 설명한 바와 같은 견목재 펄프 또는 홍조류 섬유 없이 100% 비-목재 대체 천연 섬유 수초지를 제조하였다. 100%의 밀짚 펄프를 함유하는 물질 조성물은 대조구(실시예 2)보다 훨씬 약하며, 이는 골이 진 매질 성능 표준을 충족할 수 없다.
표 1에 나타낸 결과는, 80% 밀짚과 20% 홍조류의 경우에 골이 진 매질 시험(CMT)에 있어서 최고의 파열, 인장, 및 인열 강도 특성들을 얻는 한편, 100% 밀짚 수초지의 경우에 최저의 파열, 인장, 및 인열 강도 특성들을 얻음을 가리킨다. 이는 캘리퍼와 다공성이 반비례하는 것으로 보인다. 수초지 밀도는 샘플마다 크게 변하지 않았다.개선된 수초지 기계적 특성들(실시예 3 내지 7)에 대한 실시예 대 대조구(실시예 2)는, 본 발명이 골판지 패키징 응용예들을 위한 골이 진 매질이 있어서 비-목재 대체 섬유를 사용할 수 있음을 나타낸다. 그러나, 밀짚과 홍조류의 조합을 사용하여 견목재 펄프를 완벽하게 대체하는 것은 유용한 골이 진 매질을 생산하도록 (예시한 바와 같이, CMT, 링 크러시, 밀도, 파열 지수, 인장 지수, 및 인열 지수 등의) 기술적 기준들을 충족하기 위한 도전 과제이다.
표 1. 수초지 기계적 특성의 개요
Figure pct00001
실시예 10
Fourdrinier 36" paper machine (Sandy Hill Corporation, Hudson Falls, NY) 등의 웹 형성 장치를 사용하는 골이 진 매질 제지가 표 2에 도시되어 있다. Hogenkamp 헤드 박스를 사용하였다. 이 표에서는 4.1미터의 형성 길이를 갖는다. 슬라이스 폭은 83.8cm이고, 기계는 에지 컬(edge curls)로 작동된다.
그 기계의 프레스 섹션은, 두 개의 더블 펠티드 프레스(double-felted presses)로 이루어진다. 각 프레스 닙은 공압식으로 로딩된다. 제1 프레스는 1245 퍼 리니어 센티미터(plc)로 한정되고, 제2 프레스는 2489 plc로 한정되며, 이는 프레싱과 캘린더링(calendaring)을 위한 표준 측정값이다. 모든 프레스 롤들은 고무로 덮히고 블라인드 드릴 처리된다.
기계의 드라이어 섹션은, 91.4cm 직경 드라이어 캔들의 2개 뱅크, 제1 섹션에서의 9개 캔, 및 제2 섹션에서의 5개 캔으로 이루어진다. 사이즈 프레스는 드라이어 섹션들 사이에 위치하며 시험을 위해 이용되었다.
제2 드라이어 섹션에 이어서 4롤 3닙 캘린더 스택이 존재한다. 두 개의 45.7cm 직경의 나일론 연강 롤 및 두 개의 45.7cm 직경의 경강 롤은 다양한 구성으로 캘린더링을 위해 구성될 수 있다. 최대 압력은 5080 plc이고, 최대 온도는 550oF이다.
파일럿 스케일 제지 기계로 생산된 세 개의 골이 진 매질이 있었다: 실시예 10A는 견목재와 밀짚의 혼합물(30/70)이고, 실시예 10B는 100% OCC이고, 실시예 10C는 30% 견목재, 60% 밀짚, 및 10% 홍조류 섬유의 혼합물이다. 각 섬유 조성물은 표 2에 도시되어 있다. 섬유 0.5%에서 제지시 양이온성 전분을 사용하였다.
표 2. 골이 진 매질 제지 실시예 및 조성
Figure pct00002
밀짚 펄프와 홍조류 섬유는 수초지 실시예들에서 사용된 것과 동일하다. Newpage Corporation (Miamisburg, OH)에서 구입한 피너클 프라임(pinnacle prime) 견목재로부터 견목재 섬유를 펄프화하였다. 그 캐나다 표준형 여수도(CSF)는 730mL로 보고되고 있다. 제지 전에 16" Beloit Double Disc 4000 refiner(Beloit Corporation, Lenox Dale, MA)를 사용하여 견목재 펄프를 350 내지 400mL의 CSF로 정제하였다. OCC와 밀짚 물질들에 대해서는 정제를 행하지 않았으며, 그 이유는 CSF 값들이 350 내지 400mL 내에 있기 때문이다. 매질 종이를 112g/m2로 되도록 하였으며, 매질 종이 폭은 83.8cm이고, 종이 길이는 샘플당 915미터이다.
제지 속도는 분당 0.38 내지 0.48피트였다. 그러한 종이를 위한 캘리퍼는 0.015 내지 0.020 센티미터이었다. 추가 처리를 위해, 즉, 매질 플루트화 및 컨테이너 시트 조립을 위해 매질 종이를 10.2cm 코어 크기로 말았다. 각 샘플 롤의 직경 범위는 46 내지 60cm이었다.
실시예 11
이 실시예는 파일럿 코루게이터를 사용하는 매질 종이 플루트화 및 골판지 시트 조립에 관한 것이다. Georgia-Pacific Corporation (Atlanta, GA)으로부터 크래프트 골판 원지(1000ft2당 35파운드)를 구매하였는데, 이것은 버진 섬유에서의 밸런스(75%)와 함께 20% 소비후 함량과 5% 소비전 함량으로 이루어져 있다. 폴리비닐 아세테이트는 수성 접착제이며, Wisdom Adhesives (Elgin, IL)로부터 구매하고, 전분은 클린톤 옥수수 전분이며, ADM (Decatur, IL)로부터 구매한다. 그러한 물질들 모두를 매질 종이 플루트화 및 골판지 시트 조립에 사용하였다.
Asitrade MF250 Modulefacer를 사용하여, 1000ft2 당 2.45파운드인 시트의 단일 면 측 상의 전분에 대한 평균 도포 속도를 이용하여 플루트화 매질과 결합된 단일 면 시트(내측 라이너)를 포함하는 골이 진 골판지를 제조하였다. 공식 접착제는 363kg 옥수수 전분, 5kg 붕사, 6.4kg 부식물, 및 871리터의 물로 이루어지는 표준 코루게이터 산업 접착제이다. 이어서, Asitrade Laminator를 사용하여 단일 면 라이너를 더블 백커(double backer; 외측) 라이너와 결합하여 마무리된 시트를 형성하였다. 이는 B 플루트 상에 1000ft2 당 4.74파운드의 도포 속도로 콜드 세트 PVA 접착제를 사용하는 것을 포함하였다. B 플루트는 3.2mm의 플루트 두께와 154 ±10의 선형 미터당 플루트를 지정한다. 1.31의 테이크업(take-up) 인자를 갖는 B-플루트로 모든 골판지 시트를 생산하였다.
실시예 12
제조사 조인트를 접착하기 전에 스코어와 슬롯이 부착된 플렉소-폴더-글루어 프레스에 의해 실시예 11로부터의 골판지 시트를 사용하여 34.4cm x 34.3 x 39.1cm인 케이스 크기를 변환하였다.
컨테이너들의 상태는 이하에 열거하는 시험들을 행하기 전에 50% 실험실 습도 및 75oF이었다. 케이스에 대한 컨테이너 에지크러시, 링 크러시, 및 3차원 압축 시험을 행하였으며, 그 결과가 표 3에 도시되어 있으며, 여기서, T-B는 컨테이너의 상부로부터 하부로 행해지는 압축을 의미하고, E-E는 에지에서 에지로 행해지는 압축을 의미하고, S-S는 폭에서 폭으로 행해지는 압축을 의미한다. 각 시험 방법은, 1) 에지 크러시 시험에서는 TAPPI T839를 사용하고, 2) 링 크러시 시험에서는 TAPPI T822를 사용하고, 3) 압축 시험에서는 TAPPI T804를 사용하고, 4) B-플루트 매질, 더블 백커, 및 싱글 페이서(single facer)에 대한 평량 시험에서는 TAPPI T410을 사용한다.
표 3. 세 개의 서로 다른 골이 진 매질을 사용하여 행해진 케이스에 대한 물리적 시험 결과
Figure pct00003
골이 진 매질과 싱글 페이서 골판지에 대한 샘플 평량은, 더블 백커에 있어서 특히 약간 높은 골이 진 매질로서의 100% OCC를 제외하고는 유사하다. 22lbs/1000ft2 값은 약 112g/m2에 해당한다. 따라서, 본 발명의 조성물은, 또한, 컨테이너 패키징 응용예들을 위한 경량의 골이 진 매질을 생성한다. ECT와 RCT 결과는, 밀짚과 홍조류 대체 천연 섬유들의 조합을 골이 진 매질로서 이용하는 컨테이너가, 견목재 펄프가 동일한 레벨에 있는 밀짚만을 이용하는 경우보다 양호함을 나타낸다. ECT와 RCT 결과의 차이는 매질 조성물의 변화를 반영한 것이며, 그 이유는 조립되는 각 케이스마다 골판 원지들이 동일한 물질이기 때문이다. 실시예 10C를, 골이 진 매질로서 100% OCC를 사용하는 실시예 10B와 비교해 보면 ECT와 RCT 결과의 개선이 더욱 두드러진다.
3차원 압축 시험에서, 실시예 10C에 대한 E-E 압축은 100% OCC 대조구 및 견목재와 밀짚 혼합물보다 약하다. 다른 모든 데이터(T-B 데이터와 S-S 압축)는 실시예 10C에 대하여 더욱 양호하며, 이는 밀짚 펄프가 유용할 수 있도록 홍조류 섬유가 중요한 역할을 한다는 것을 나타낸다.
본 명세서에 개시된 치수와 값을 인용된 정확한 수치 값으로 엄격히 한정되는 것으로서 이해해서는 안 된다. 대신에, 달리 특정하지 않는 한, 각각의 이러한 치수는 열거된 값 및 그 값 근처의 기능적으로 동일한 범위 모두를 의미하고자 하는 것이다. 예를 들어 "40"로 개시된 치수는 "약 40"를 의미하고자 하는 것이다.
본 발명의 실시예 부분에 인용된 모든 문헌은 관련 부분에서 본 명세서에 참고로 원용되며, 임의의 문헌의 인용은 본 발명에 관련된 종래 기술로 인정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 서면으로 된 본 문헌 내의 용어의 임의의 의미 또는 정의가 본 명세서에 참고로 포함된 문헌 내의 용어의 임의의 의미 또는 정의와 상충하는 경우에는, 본 명세서에서의 상기 용어에 할당된 의미 또는 정의가 우선할 것이다.
본 발명의 특정한 실시형태들을 예시하고 설명하였지만, 본 발명의 사상과 범위로부터 벗어나지 않고서 다양한 다른 변화와 수정을 행할 수 있다는 점이 통상의 기술자에게는 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위 내에 속하는 이러한 모든 변화와 수정을 청구범위에 포함하려는 것이다.

Claims (11)

  1. 적어도 하나의 비-목재 대체 펄프 물질을 포함하되, 상기 비-목재 대체 펄프 물질은 약 5% 내지 약 100%의 양으로 존재하고, 상기 물질은 종래의 섬유 물질들 중 적어도 일부를 대신하는, 골판지 패키징 물질.
  2. 제1항에 있어서, 최대 약 95%의 견목재 펄프를 더 포함하는, 골판지 패키징 물질.
  3. 제1항에 있어서, 홍조류 등의 해초, 옥수수 대, 짚; 다른 육상계 천연 섬유; 및 이들의 조합으로부터 적어도 하나의 비-목재 대체 펄프 물질이 선택되고, 상기 짚은, 밀, 벼, 귀리, 보리, 호밀, 아마, 풀, 및 이들의 조합으로 이루어지는 그룹에서 선택되고, 상기 다른 육상계 천연 섬유는, 아마, 대나무, 목화, 황마, 삼, 사이잘, 버개스, 케나프, 헤스퍼알로에, 스위치그래스, 억새, 및 이들의 조합으로부터 선택되는, 골판지 패키징 물질.
  4. 제3항에 있어서, 적어도 하나의 비-목재 대체 펄프 물질은 홍조류이고, 상기 홍조류는, 겔리디움엘레강스(Gelidium elegance), 겔리디움코르늄(Gelidiumcorneum), 겔리디움아만시(Gelidiumamansii), 겔리디움로버스텀(Gelidiumrobustum), 겔리디움칠렌스(Gelidiumchilense), 그레이스라리아베르코사(Gracelariaverrucosa), 유케마 코튼이(Eucheumacottonii), 유케마스피노섬(EucheumaSpinosum), 벨루둘(Beludul), 및 이들의 조합으로부터 선택되는, 골판지 패키징 물질.
  5. 제2항에 있어서, 조합된 밀짚과 홍조류 펄프의 약 20% 내지 약 75%를 포함하는, 골판지 패키징 물질.
  6. 제2항에 있어서, 해조류 홍조류 펄프의 약 5% 내지 약 30% 및 견목재 펄프 섬유의 약 25% 내지 약 90%를 포함하는, 골판지 패키징 물질.
  7. 제1항에 있어서, 상기 물질은, 약 90g/m2 내지 약 200g/m2의 평량을 갖는 골이 진 매질을 함유하는, 골판지 패키징 물질.
  8. 제1항에 있어서, 상기 골판지 시트는, 전분, 폴리비닐 아세테이트, 및 이들의 조합으로부터 선택되는 접착제를 포함하는, 골판지 패키징 물질.
  9. 제6항에 있어서, 상기 골이 진 매질은, 미터당 약 105개 플루트 내지 미터당 약 420개 플루트의 크기로 된 플루트인, 골판지 패키징 물질.
  10. 제8항에 있어서, 상기 물질은 패키징 응용예들에 적합한 경직성 패키징 용기로 변환되는, 골판지 패키징 물질.
  11. 제2항에 있어서, 견목재 펄프 대 비-목재 대체 펄프의 비는 약 30:70 내지 약 5:95인, 골판지 패키징 물질.
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