Current Issue

Journal of Korea Technical Association of the Pulp and Paper Industry - Vol. 51 , No. 5

[ Article ]
Journal of Korea Technical Association of the Pulp and Paper Industry - Vol. 51, No. 4, pp.13-20
Abbreviation: J. Korea TAPPI
ISSN: 0253-3200 (Print)
Print publication date 30 Aug 2019
Received 01 Jul 2019 Revised 12 Jul 2019 Accepted 15 Jul 2019
DOI: https://doi.org/10.7584/JKTAPPI.2019.08.51.4.13

종이 멸균팩 유래 섬유의 포장용지 생산 공정 적용 연구(제2보) : 종이 멸균팩 유래 섬유가 종이 품질에 미치는 영향
이태주 ; 김두현1 ; 김광진2 ; 류정용3, ; 이명구3,
국립산림과학원 목재이용연구부 목재화학연구과
1태림페이퍼
2테트라팩코리아
3강원대학교 산림환경과학대학 산림응용공학부 제지공학전공

Production of Recycled Fibers from Used Aseptic Carton for Producing Packaging Paper II : Effect of Fibers Separated from Used Aseptic Carton on the Paper Properties
Tae Joo Lee ; Doo Hyun Kim1 ; Kwang Jin Kim2 ; Jeong Yong Ryu3, ; Myeong Ku Lee3,
Wood Chemistry Division, Forest Products Department, National Institute of Forest Science, Seoul, 02455, Republic of Korea
1Taelim Paper Co., Ltd., Gyeonggi, 15609, Republic of Korea
2Tetrapak Korea, Seoul, 04349, Republic of Korea
3Program of Paper Science & Engineering, Division of Forest Material Science and Engineering, College of Forest and Environmental Sciences, Kangwon National University, Chuncheon, 24341, Republic of Korea
Correspondence to : † E-mail: jyryu@kangwon.ac.kr
Co-corresponding Author : ‡ E-mail: mklee@kangwon.ac.kr

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Abstract

Strength properties of packaging papers are important to be able to resist external forces that are loaded and packed. Packaging papers in Korea have been almost made of recycled fibers such as KOCC (Korean old corrugated containers) which is a major fibrous materials for producing packaging papers. However, fiber properties of KOCC have been deteriorated by repeated recycling. They make negative effects on the strength properties. Under those circumstances it is necessary to investigate a new raw material for improvement of paper strength. Fibers from UAC (used aseptic carton) could be an alternative since it consisted of unbleached kraft pulp which occupied about 80% of UAC weight. In this study effect of the fibers from UAC on paper properties was studied. Strength properties of handsheets made of UAC fibers were much better than that of the other recycled fibers such as DLK (double lined kraft cutting), UGT (used gable top), and KOCC. In terms of disintegration, UAC fibers disintegrated together with KOCC were extracted without difficulty. Additionally strength properties of handsheets made of KOCC and UAC fibers were increased by blending UAC fibers up to 6%. The increase of strength properties of packaging paper could be promoted by blending ratio of UAC fibers.


Keywords: Used aseptic carton, packaging paper, disintegration, recycling, KOCC

1. 서 론

2018년 기준 우리나라는 세계 5위의 종이 생산 국가로서 제지 관련 산업규모는 약 30조 원에 이른다.1) 아울러 32억 달러 이상의 수출 실적을 보이는 등 내수산업을 넘어 중견 수출 산업의 모습을 갖추고 있다. 국내 제지산업 현황을 지종별로 살펴보면 신문용지, 인쇄용지 등의 종이류의 생산량은 감소하고 있는 반면 백판지, 골판지 등의 판지류의 생산량은 증가하고 있다.2) 이는 전자상거래 및 택배 산업의 발달에 따라 물품의 보호를 위해 사용하는 포장용지의 사용량이 증가하고 있기 때문이다. 이러한 포장용지 제조 시 사용되는 주원료는 재활용 제지자원(폐지)으로서 2017년 기준 폐지의 회수율은 약 89%, 재활용률은 약 80%였다. 그러나 이러한 높은 회수율 및 재활용률의 이면에는 우리나라의 재활용 제지자원 품질에 관한 문제점이 숨어있다. 2009년 CEPI(confederation of European paper industries)3)의 보고에 따르면 실제 달성 가능한 제지자원의 최대 재활용률은 75%이며, 75% 이상의 종이가 재활용될 경우 오염, 분류 미비 등에 따라 재활용 제지자원의 품질이 저하되고 폐기물의 발생이 증가하는 등 종이 재활용 공정 및 최종 생산품의 품질에 악영향을 미칠 수 있다고 하였다. 현재 우리나라의 재활용률은 CEPI에서 제공한 재활용률보다 약 4% 이상 높다. 이는 우리나라 폐지의 배출 및 수거 시 무분별한 분류로 인한 순환제지자원의 활용가치가 낮아지고, 생산하는 지종에 원하지 않는 물질이 압축베일에 혼입되면서 폐기물 발생이 조장되는 이유로 볼 수 있다. 우리나라 재활용 제지자원 중 가장 큰 비중을 차지하는 원료는 KOCC(Korean old corrugated container)이나 재활용 제지자원의 별도의 분급시설이 없는 관계로 산업용지 제조용 KOCC 압축베일에는 골판지 이외에 다른 지종이 혼입되어 공정에 부담이 되고 반복적인 재활용으로 인해 최종 생산품의 품질 개선하기에 어려움이 있다.4)

종이 음료 용기는 중량의 80%가 종이로 구성되어 있으며 종이 음료 용기의 내용물 보호를 위해 알루미늄 및 PE(polyethylene)으로 라미네이팅 되어 있다. 종이 층이 주로 크라프트 펄프로 제조되어 있어 재활용 가치가 높은 순환 자원임에도 불구하고 별도로 재활용되지 못한 채 일반 폐지 및 쓰레기에 혼입된 상태로 배출되는 상황이다. 전 보에서 포장용지 제조용 신규 원료의 발굴 및 생산 공정 적용을 위해 파일럿 설비를 활용한 폐 종이 음료 용기(used aseptic carton, UAC)의 재활용성 및 섬유 특성을 평가한 결과 UAC 유래 재활용 섬유의 수소 결합 능력과 탈수성이 우수하였음을 확인하였다.5) 따라서 UAC 유래 재활용 섬유를 포장용지 생산 공정에 적용하기 위해서는 이종 혼입 원료가 공정 및 최종 생산품 품질에 미치는 영향을 연구할 필요가 있다고 판단되는 바, 본 연구에서는 UAC에서 회수한 섬유가 종이 품질에 미치는 영향 및 KOCC와 UAC의 혼합 해리 특성을 분석함으로써 UAC의 포장용지 생산 공정 적용 가능성을 평가하고자 하였다.


2. 재료 및 방법
2.1 공시재료

공시재료는 Fig. 1에 나타난 바와 같이 폐 멸균팩(used aseptic carton, UAC), 폐 우유팩(used gable top, UGT), 수입 재활용 크라프트지(double lined kraft cutting, DLK), 미표백 크라프트 펄프(unbleached kraft pulp, UKP), KOCC(Korean old corrugated container)를 사용하였다.


Fig. 1. 
Raw materials for the evaluation of recyclability.

2.2 실험방법
2.2.1 해리, 정선 및 수초지 제작

Fig. 2에 나타낸 바와 같이 펄퍼의 재질은 스테인리스이며, 하부의 로터가 회전하여 시료를 해리시키는데, 펄퍼 내부에는 지료의 흐름을 원활하게 해 주는 baffles이 설치되어 있다.1) 펄퍼의 총 용량은 50 L이며 로터의 회전속도는 최대 2,000 rpm까지 조절 가능하다. Fig. 3은 공시재료 해리 후 지료 내 존재하는 미해리분 및 조대 이물질을 분급하기 위해 사용한 파일럿 스크린이다. 본 연구에 사용한 Fig. 3의 스크린은 hole과 slot을 보유하고 있어 지료 구성성분의 크기에 따라 분급할 수 있다. Fig. 4에 나타난 바와 같이 펌프에 의해 도입되는 지료는 먼저 스크린 하부의 직경 3 mm hole을 거쳐 스크린 내부로 이동하게 된다. 이 때 하부의 hole 직경보다 큰 물질은 hole reject로 분급된다. 이 후 스크린 내부로 유입된 지료는 centripetal형의 foil에 의해 분산되어 0.3 mm 너비의 슬롯을 통과하여 억셉트로 분급되고 통과하지 못한 지료 구성성분은 slot reject valve를 통하여 slot 리젝트로 배출된다.6) 본 연구에서는 공시재료를 Table 1의 조건으로 Fig. 2의 파일럿 펄퍼(Lamort, France)로 각각 해리하고 Fig. 4와 같이 정선하여 수초지 제작용 섬유를 분급하였다. Fig. 4에 나타난 바와 같이 dump chest로부터 유입된 지료는 파일럿 스크린을 통과하게 되고 억셉트가 배출되는 라인에 200 mesh 스크린을 설치하여 섬유를 분급한 후 여액은 체스트로 빠져나가게 하였다. 1번 펌프로 dump chest의 지료를 모두 이송시킨 다음 2번 펌프를 이용하여 체스트의 여액을 순환 구동하여 스크린 슬롯 주변에 농축된 섬유를 세척 및 분급하였다. 파일럿 스크린의 순환구동은 억셉트로 배출되는 지료의 탁도와 200 mesh 스크린을 통과하는 여액의 탁도가 일치할 때까지 실시하였다. 스크린 처리가 완료된 후 미세분이 포함된 여액과 200 mesh로 분급된 섬유를 혼합하여 수초지 제작용 지료로 활용하였다.


Fig. 2. 
Pilot pulper.6)


Fig. 3. 
Pilot screen.6)


Fig. 4. 
Operating scheme of pilot screen.

Table 1. 
Pulping conditions of the raw materials
Raw materials Dosage of NaOH* Consistency, % Duration, min Temperature, ℃ Rotation, rpm
UKP - 5 10 Room
temperature
450
DLK pH 10-10.5 5 40
UAC - 10 40
UGT 2.5% 10 40
KOCC - 5 30
* based on dry weight of the raw materials

수초지는 WEPS(Wet-end process simulator, Sambo science, Republic of Korea)로 평량 60 g/m2의 수초지를 제작하였다. WEPS는 기존 RDA(retention and drainage analyzer)의 단점을 보완한 모델로서 보다 현장에 가까운 초지 조건 모사가 가능하고 진공 탈수를 실시함에 따라 수초지 제작뿐만 아니라 지료의 보류 및 탈수특성을 동시에 분석할 수 있는 장치이다.7) 제작한 수초지는 ISO 표준 온습도 조건에서 48시간 이상 조습처리한 후 벌크, 인장강도, 신장률, 파열강도, 내절도, 제로스팬 인장강도, 압축강도(ring crush), 인열강도를 ISO 표준 시험방법에 의거하여 분석하였다.

2.2.2 KOCC와 UAC의 혼합 해리 및 수초지 제작

산업용지 제조 시 원료로 가장 많이 활용되는 KOCC에 UAC가 혼합됨에 따른 해리 특성을 분석하고 종이 물성 분석을 위하여 Table 2와 같은 조건으로 해리하였다. 전술한 파일럿 정선 설비를 활용하여 Table 2의 조건으로 해리를 실시한 후 해리 시간에 따른 UAC의 해리 특성을 분석하였다. 해리가 완료된 지료는 Fig. 4의 구동 조건으로 파일럿 스크린 처리하여 평량 60 g/m2의 수초지를 제작한 후 벌크, 인장강도, 신장률, 파열강도, 압축강도를 ISO 표준시험방법에 의거하여 분석하였다.

Table 2. 
Pulping conditions of KOCC and UAC
Blending ratios, % Pulping time, min Consistency, % Temperature, ℃
KOCC UAC
0 100 30 15 room temperature
98-94 2-6 2-10 5-6
100 0 30


3. 결과 및 고찰
3.1 종이 음료 용기 추출 섬유의 보류도 및 탈수성

WEPS는 자연 탈수를 이용하는 기존의 수초지기와는 달리 수초지 제작 시 감압 탈수와 진동 을 도입함으로써 보다 현장 초지상황에 가까운 조건을 모사할 수 있다.8) 이 때 감압 탈수 처리는 주(main) 탱크의 진공압력을 250 mmHg로 설정하고 지층 형성과정에서 진공이 해압되는 정도를 비교 분석함으로써 탈수성을 평가하였다. 또한 여액의 탁도를 비교 분석함으로써 원료에 따른 보류도를 비교 분석하였다. Fig. 5는 수초 후 여액의 탁도 측정결과이다. Fig. 5에 나타난 바와 같이 UAC의 탁도가 가장 높았으며 UKP의 탁도가 가장 낮았다. UAC의 미세분 함량은 18.7%로서 18.2%의 UGT와 유사하였으나 UAC 섬유로 수초지를 제작한 후 여액의 탁도가 UGT 보다 높게 측정된 이유는 멸균팩의 인쇄적성을 개선하기 위해 무기안료 코팅이 적용됨에 따라 미세분 중 보류가 어려운 회분함량이 높았기 때문으로 판단된다.


Fig. 5. 
Turbidity of the filtrate obtained after making handsheets.

3.2 종이 음료용기 추출 섬유로 제조된 수초지의 강도특성

골판지 및 크라프트지와 같은 포장용지는 용도에 맞도록 재단되고 접혀지는 가공 후 소비자에게 전달되므로 가공 및 사용 과정에서 발생하는 외력으로부터 저항할 수 있는 강도를 유지하여야 한다. 이에 포장용지 제조 공정에 활용될 수 있는 원료로 수초지를 제작하고 강도를 비교분석 함으로써 최종 생산품의 품질을 예측하고자 하였다. 공시재료를 각각 해리하여 스크린 처리한 후 얻은 섬유로 수초지를 제조하고, 각 수초지의 벌크, 인장강도, 신장률, 파열강도 분석 결과를 Figs. 6-9에 나타냈다. Figs. 6-9에 나타난 바와 같이 UAC로 제조된 수초지의 벌크가 가장 낮고 모든 강도 특성이 가장 우수하였다. 종이 음료 용기의 종이 층은 용기를 지지하는 역할을 수행하므로 일정 수준으로 고해하여 강도를 유지한다. 따라서 종이 음료 용기의 종이 층을 구성하는 섬유는 재활용 후에도 섬유 간 수소결합 능력이 우수하고 해리 후에도 잔존하는 미해리분의 함량이 매우 적어 수초지의 강도가 높게 측정된 것으로 판단된다. 반면 KOCC로 제작한 수초지의 경우 벌크는 미고해 UKP로 제작한 수초지 다음으로 높았으며 모든 강도에서도 다른 재활용 섬유로 제작된 수초지의 강도에 비해 낮았다. KOCC는 반복적인 재활용을 인해 섬유 표면이 각질화되어 섬유 간 결합능력이 저하되어 나타난 결과로 판단되는 바, 포장용지 제조 시 UAC 유래 재활용 섬유의 배합이 포장용지의 강도 개선 미치는 효과를 활용할 필요가 있다고 판단된다.


Fig. 6. 
Bulk of the handsheets made of recycled fibers obtained from post-consumed raw materials.


Fig. 7. 
Tensile strength of the handsheets made of recycled fibers obtained from five kinds of post-consumed raw materials.


Fig. 8. 
Compression strength of the handsheets made of recycled fibers obtained from five kinds of post-consumed raw materials.


Fig. 9. 
Burst strength of the handsheets made of recycled fibers obtained from five kinds of post-consumed raw materials.

3.3 UAC와 KOCC 혼합 해리 특성 및 수초지 물성 분석

3.2항의 결과로 미루어 보아 포장용지 제조용 원료로 주로 활용되는 KOCC만으로는 포장용지의 강도를 개선하는 데 한계가 있을 것으로 사료된다. 이에 상대적으로 섬유 성상이 양호하고 재활용이 용이한 UAC 유래 재활용 섬유를 KOCC에 배합한다면 최종 생산품의 물성을 개선시킬 수 있다고 판단되는 바, 본 연구에서는 UAC 유래 섬유와 KOCC의 배합이 종이 물성에 미치는 영향을 평가하였다. 먼저, KOCC 95%, UAC 5% 조건으로 원료를 혼합하여 해리를 실시하고 2분마다 시료를 채취하여 UAC의 해리 양상을 관찰하였다. Fig. 10Table 3에 나타난 바와 같이 UAC의 종이 층은 8분 만에 해리되었다. UAC의 두께 방향 및 빨대 구멍으로 물의 침투가 용이하고, 로터에서 발생하는 전단력과 지료 구성성분 간 마찰력에 의해 UAC 외부 PE 필름이 쉽게 파괴되면서 해리된 것으로 판단된다.


Fig. 10. 
Disintegration of UAC with KOCC by prolonged pulping time.

Table 3. 
Air-dried weight of UAC after pulping
Pulping time, min 0 2 4 6 8
Weight, g 10.29 10.23 7.09 5.38 3.06

Table 2에 나타난 바와 같이 포장용지의 강도 개선 및 UAC의 적용성을 평가하고자 KOCC로 구성된 지료에 UAC 유래 재활용 섬유를 0-6% 배합함에 따른 수초지의 강도 특성을 비교 분석하였다. Figs. 11-14는 UAC 유래 재활용 섬유 배합에 따른 인장강도, 신장률, 파열강도, 압축강도 분석결과이다. Figs. 11-14에 나타난 바와 같이 UAC 유래 재활용 섬유가 4% 혼합될 경우 인장강도는 37.2%, 신장률 21.8%, 파열강도 67.2%, 압축강도의 경우 21.8% 향상되었으며, 4% 이상 배합했을 경우 강도 향상 효과는 뚜렷하지 않았다. 앞서 언급한 바와 같이UAC 유래 재활용 섬유는 100% 천연펄프로 제조되어 KOCC에 비해 섬유장이 길고 일정 수준 고해되어 KOCC에 비해 높은 수소결합 능력을 보유하고 있기 때문에 강도를 향상시킨 것으로 판단된다. KOCC를 원료로 활용하는 골심지 및 라이너지 공정의 저농도 펄퍼에서의 체류 시간을 고려할 경우 UAC를 KOCC와 혼합 해리 하더라도 충분히 섬유를 회수할 수 있을 뿐만 아니라 최종 제품의 강도도 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.


Fig. 11. 
Tensile strength of handsheets with different blending ratios of UAC to KOCC.


Fig. 12. 
Elongation of handsheets with different blending ratios of UAC to KOCC.


Fig. 13. 
Burst strength of handsheets with different blending ratios of UAC to KOCC.


Fig. 14. 
Compression strength of handsheets with different blending ratios of UAC to KOCC.


4. 결 론

UAC 유래 재활용 섬유가 포장용지 물성에 미치는 영향 및 공정 적용성을 평가하기 위해 UAC의 해리 양상 및 수초지 물성을 비교 분석하였다. UAC 유래 섬유로 제조된 수초지의 경우 UKP, UMC, DLK, KOCC로 제작된 수초지에 비해 더욱 치밀한 지필을 형성함으로써 높은 강도를 나타냈다. UAC는 단독 해리뿐만 아니라 KOCC와의 혼합 해리를 실시할 경우에도 포장용지 생산 공정 중 저농도 펄퍼에서의 체류 시간보다 짧은 시간에 충분히 해리되어 섬유를 회수할 수 있었으며 KOCC에 UAC 유래 섬유가 배합된 수초지의 강도가 모두 개선되었다.


Acknowledgments

본 연구는 테트라팩(유)의 지원에 의해 수행된 연구임.


Literature Cited
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