Research Article

Journal of Korea TAPPI. 30 April 2024. 30-40
https://doi.org/10.7584/JKTAPPI.2024.4.56.2.30

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 재료 및 방법

  •   2.1 공시재료

  •   2.2 실험방법

  • 3. 결과 및 고찰

  •   3.1 섬유 분석

  •   3.2 습식 부직포의 형태학적 특성 분석

  •   3.3 습식 부직포의 물리적 특성 분석

  •   3.4 습식 부직포의 표면 파라미터 분석

  •   3.5 습식 부직포의 표면 특성 분석

  • 4. 결 론

1. 서 론

경제 발전과 삶의 질 향상에 따른 편리성과 효율성을 추구하는 부직포(nonwoven)의 수요는 증가하는 추세이다. 부직포는 우수한 벌크 특성과 생산성, 유연성 등을 지닌 소재로 섬유의 구성, 구조 및 성능에 따라 다양하게 제조되어 산업적으로 널리 사용되고 있다.1,2,3) 일반적으로 부직포 용도의 30% 이상은 위생용품에 사용되고 있으며, 건축 및 건축자재용은 17.9%, 가정 및 산업용 제품은 14.8%를 차지한다.4) 부직포의 제조 원료로는 주로 polypropylene이며, polyester, viscose rayon 등 합성 및 무기재료로 생산된 인조 섬유 기반으로 제조되고 있다.4,5) 부직포 수요 증가에 기인한 생분해 되지 않는 섬유의 사용량 증가는 환경 문제와 화학 제품의 유해성 문제가 초래되는 결과를 가져오게 된다. 따라서 환경에 대한 인식 향상과 지속 가능성 향상을 목적으로 부직포 생산에 더욱 많은 함량의 생분해성 및 재생 가능 원료를 사용하여 환경 문제 최소화를 실현하기 위한 관심이 높아지고 이에 따른 연구가 다수 보고되고 있다.6)

Kellie7)는 부직포 생산 기술에 친환경 소재의 접목을 실현하기 위해 대마 섬유와 셀룰로오스를 습식 부직포(wet-laid nonwoven) 생산 기술에 적용하여 티백 생산에 관한 연구를 진행한 바 있으며, Le 등8)은 대나무와 PLA를 이용한 부직 복합 막 지지체를 제조하여 인장강도 32.7-73.2 Mpa을 지닌 다공성 구조의 부직포 제조 연구를 진행한 바 있다. 이와 같이 다수의 연구를 통해 목재 및 비목재 섬유와 같은 친환경 셀룰로오스 소재의 응용은 부직포 산업에서 유용하게 사용될 수 있는 소재임이 검증되었다.

목재 섬유는 지속가능한 자원이자 재생 가능한 자원으로 주로 종이, 보드 또는 위생용 티슈와 같은 부직포 산업에 사용된다.9) 또한, 합리적인 비용과 수급의 용이성으로 인해 다양한 펄프 사용이 가능하다는 장점을 지니고 있다. 하지만, 상대적으로 짧은 섬유장으로 인해 부직포 용도제품 응용 분야로의 접목에 한계가 있어 타 섬유와의 혼합이 요구된다. Lyocell은 재생 셀룰로오스 섬유로 완전 생분해 된다는 특징을 지니고 있다. 이는 목재 섬유를 가열한 N-methyl morpholine oxide(NMMO) 용액에 용해시킨 후 방사 및 세척하여 생산된다. 타 공정에 비해 폐쇄 루프 공정에서 펄프를 섬유로 변환하기에 적은 화학물질을 필요로 하며1,10) viscose rayon 섬유에 비해 친환경적인 공정을 통해 제조된다.11) 또한 Lyocell 섬유는 우수한 습윤강도와 흡수성을 지닐 뿐 아니라12) 매끄러운 표면과 원섬유형 셀룰로오스 구조로 인하여 효율적인 웹을 형성할 수 있다는 장점을 지니고 있다. 응용 분야로는 흡수성 부직포, 부직포 필터, 위생용 부직포, 의료용 부직포 등이 있다.13)

최근 목재 섬유와 Lyocell 섬유를 활용한 부직포 생산기술 및 원료 배합 조건에 따른 제조 공정에 관한 연구가 진행된 바 있으며14) 분산성 물티슈 개발을 위해 목재 섬유 70%, Lyocell 28%, Bicomponent 섬유 2%를 혼합하여 웹 형성 및 결합 공정에 대한 연구도 보고되었다.15,16) 또한, 습식 부직포 공정에 목재 섬유와 Lyocell 섬유 적용시 섬유 상호간 2차원 통합 리본형 구조 형성에 따른 구조적 우수성이 밝혀진 바 있다.17) 이와 같이 목재 섬유와 Lyocell 섬유를 혼합하여 부직포 시트 형성 시 다방면에서 이점을 지닐 수 있지만 섬유 혼합 비에 기반하여 표면 특성을 규명하기 위한 연구는 미흡한 실정이다.

이에 본 연구에서는 제지 기술을 활용하여 천연 재생 셀룰로오스 섬유인 Lyocell과 목재 섬유를 이용한 습식 부직포 생산 가능성을 조사하였다. 또한, 섬유의 적절한 선택과 섬유 혼합 비율에 기인한 영향을 탐색하기 위해 다양한 섬유 배합비를 갖는 습식 부직포를 생산하였으며 물리적 특성과 표면 특성 분석을 통하여 섬유 배합비에 따른 영향을 탐색하였다.

2. 재료 및 방법

2.1 공시재료

2.1.1 목재 섬유

연구에 사용된 목재 펄프는 국내 M사에서 침엽수 표백 크라프트 펄프(Sw-BKP)와 활엽수 표백 크라프트 펄프(Hw-BKP)를 시트 형태로 분양 받아 사용하였다. 섬유의 혼합 고해를 가정하여 각 펄프는 실험실용 펄프 해리기(Pulp disintegrator, L&W, Sweden)로 해리 시킨 후 Valley beater를 이용하여 각각 30분씩 고해하여 사용하였다. 이때 여수도 측정기(CSF Tester, Lorentzen & Wettre, Sweden)를 이용하여 여수도를 측정한 결과 여수도는 각각 640 CSF mL, 400 CSF mL였다.

2.1.2 Lyocell 섬유

Lyocell은 Austria L사에서 구매하여 사용하였으며 섬유장 4 mm인 Lyocell을 수령한 그대로 사용하였다.

2.2 실험방법

2.2.1 섬유 분석

ISO 16065-2에 의거 Fiber tester(Fiber Tester Plus, Lorentzen & Wettre, Sweden)를 이용하여 실험에 사용된 각 섬유에 대한 평균 섬유장(average fiber length)과 평균 섬유폭(average fiber width)을 측정하였으며 측정시료는 물 200 mL에 섬유 0.1 g을 사용하였다. 또한, 200 mesh 스크린이 설치된 DDJ(Dynamic Drainage Jar)를 이용하여 각 섬유의 미세분 함량을 측정하였다.

2.2.2 습식 부직포 제조

습식 부직포 제조 시 Sw-BKP와 Hw-BKP를 각각 Lyocell과 상이한 비율로 배합하여 펄프 배합에 따른 sheet 형성 효과를 분석하였다. 섬유 배합비의 상세 내용은 Table 1에 나타냈다. 배합된 섬유를 WEPS(wet end process simulator, SAMBO, Korea)를 이용하여 평량 100 g/m2의 단일 겹 습식 부직포를 제조하였으며 습식 웹 형성 후 auto press(Hantech Co., Ltd., South Korea)를 이용하여 410 kPa의 압력으로 5분간 압착 처리하였고, 이후 drum dryer(GIST Co., Ltd., South Korea)로 130℃에서 1 cycle 동안 건조하여 부직포 sample을 제작하였다. Fig. 1은 습식 부직포 제조 과정을 시각화한 것이다.

Table 1.

Pulp mixing ratio compositions of wet-laid nonwoven fabric

Sample code Pulp Lyocell blend ratio, % Basis weight, g/m2
S50 Sw-BKP + Lyocell 50 100
S60 40
S70 30
S80 20
S90 10
S100 0
H50 Hw-BKP + Lyocell 50
H60 40
H70 30
H80 20
H90 10
H100 0
L100 Lyocell 100

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Fig. 1.

The schematic illustration of wet-laid nonwoven manufacturing process.

2.2.3 형태학적 특성 측정

FE-SEM(JEM-2100F, JEOL Ltd., Japan)을 이용하여 제조된 습식 부직포의 형태학적 특성 분석을 실시 하였다. SEM 이미지 분석 시 부직포 sample의 전기 전도성 향상을 위해 30초 간 플라티늄(platinum, Pt)으로 코팅하였으며, 가압전압은 3 kV로 설정하였다.

2.2.4 물리적 특성 측정

KS M ISO 187에 의거하여 제조된 습식 부직포의 물리적 특성 분석을 위해 23±1℃, 상대습도 50±2%의 표준대기조건에서 48 h 이상 조습 처리 후 시험을 진행하였다. 평량은 KS M ISO 536, 밀도 및 벌크는 KS M ISO 534에 따라 분석하였다. 각 조건의 시트에 대한 인장강도는 KS M ISO 1924-3에 의거 인장강도 측정기(tensile tester, L&W, Sweden)를 이용하여 분석하였다.

2.2.5 표면 특성 측정

습식 부직포의 표면 특성 분석을 위해 직접측정법의 surface tester(KES-SESRU, Kato Tech Co., Ltd., Kyoto, Japan)를 이용하여 표면 거칠기(R)와 표면 마찰(F) 프로파일을 추출하였다. 프로파일 추출을 위해 single wire type의 탐침을 사용하였으며, 측정 조건은 접촉 하중(contact force) 5 gf, 스캔 길이(scan length) 20 mm, 스캔 속도(scan speed) 1.0 mm/s로 설정하였다.18) 아울러, 탐침의 분해능을 data logger(Midi logger GL900, Graptec, Japan)를 활용하여 기존 surface tester 보다 10배 증폭된 2,000개의 데이터를 추출하였다. 데이터는 10회 반복 측정하여 추출된 프로파일의 평균 값을 이용하였으며 측정 장비의 구성 및 형상을 Fig. 2에 도시하였다.

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Fig. 2.

Configuration of the surface tester and geometry of single wire type stylus.

추출된 표면 프로파일 데이터(Fig. 3)는 Table 2의 계산식을 이용하여 데이터 분석을 진행하였다. 데이터는 표면 거칠기의 평균(the average of roughness, Ra)과 평균절대편차(the mean absolute deviation from Ra, R-MAD) 또한, 표면 마찰(coefficient of friction, COF)의 평균(the average of COF, μ)과 평균절대편차(the mean absolute deviation from μ, F-MAD)를 계산하여 분석을 진행하였다. 또한, 각 프로파일 데이터는 데이터 집합의 상대적 변동성을 측정하는 통계적 지표인 변동계수(coefficient of variation, COV)를 계산하여 각 데이터의 변동성 분석을 진행하였다.

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Fig. 3.

The surface profile of wet-laid nonwovens (a: roughness profile; b: friction profile).

Table 2.

Surface roughness and friction calculation formula

Surface roughness Surface friction
Ri=hi-h¯[1]
Ra=1N1N|Ri|[2]
RMAD=1N1N||R1|Ra|[3]
COF=dragforce/contactforce[4]
μ¯=1N1Nμi[5]
FMAD=1N1Nμiμ¯[6]
hi : the height at a scanning point i
h¯ : the average of height
N : the number of data points in the scan length
Ri : the roughness (μm) at a scanning point i
Ra : the roughness average (μm)
N : the number of data points from the scan length
μi : the COF at a scanning point i
μ¯ : the average COF

3. 결과 및 고찰

3.1 섬유 분석

본 연구에서 사용된 목재 섬유와 Lyocell 섬유의 평균 섬유장(average fiber length), 평균 섬유폭(average fiber width), 섬유 종횡비(aspect ratio of fiber) 및 미세분 함량(fines contents) 측정 결과를 Table 3에 나타냈다. 활엽수 섬유의 경우 섬유장과 섬유폭은 낮게 나타났으며, Lyocell의 경우 목재섬유에 비하여 폭이 좁고 긴 섬유장을 지녀 상대적으로 큰 종횡비를 보유한 것으로 분석되었다. 또한, 활엽수 펄프의 미세분 함량이 침엽수에 비해 높은 것으로 분석되었다. Lyocell의 경우 미세분 함량이 없는 것으로 분석되었으며 이는 화학적으로 용해한 후 방사되어 제조되는 재생 섬유 제조 과정 상에 기인한 것으로 판단된다.

3.2 습식 부직포의 형태학적 특성 분석

Fig. 4는 기 작성된 방법에 의거하여 제조된 Lyocell 및 목재 섬유 습식 부직포의 SEM 이미지를 나타낸 것이다. SEM 이미지에서 역시 Lyocell의 경우 목재 섬유와 견주어 상대적으로 섬유장이 길고 섬유폭은 좁아 높은 종횡비 특성을 보유한 것을 확인할 수 있었으며 이는 Table 3의 섬유장 분석결과와 일치하였다. 추가적으로 SEM 이미지를 통하여 Lyocell과 목재섬유 간의 형태학적 이질성을 확인할 수 있었다. Lyocell의 경우 제조 공정의 특성 상 비교적 균일한 섬유사의 형태와 매끄러운 표면 특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 반면 목재 섬유의 경우 Lyocell에 비하여 형태적 균일성이 낮으며 큰 섬유폭을 보유한 것으로 관찰되었으며 이러한 형태학적 이질성이 물리적 및 표면 특성 등에 영향을 줄 것으로 사료된다.

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Fig. 4.

SEM images of wet-laid nonwoven sample.

Table 3.

Fiber analysis results

Fiber Average fiber length, mm Average fiber width, μm Aspect ratio of fiber, % Fines contents, %
Sw-BKP 2.046 33.2 6.16 4.88
Hw-BKP 0.772 18.8 4.11 8.80
Lyocell 3.847 20.8 21.14 -

3.3 습식 부직포의 물리적 특성 분석

Fig. 5(a)는 각 시트의 벌크(bulk) 특성 결과로, Lyocell 섬유만으로 제조된 습직 부직포는 4.113 cm3/g의 값을 나타냈으며, 목재 섬유의 첨가 비율이 증가할수록 벌크는 감소하였다. 이는 섬유 특성에 기인한 결과로 여겨진다. 목재 펄프의 경우 건조 공정을 통과하며 마이크로피브릴 배향 특성에 영향하여 폭방향으로 수축(micro-compression)이 발생하는 반면19) Lyocell의 경우 섬유 수축에 의한 치수안정성이 목재 섬유에 비해 안정적이다.20) 따라서 Table 3에서 확인하였듯 초기 목재 섬유폭이 Lyocell에 비해 컸음에도 건조에 의한 수축으로 목재 섬유 첨가 비율이 증가될수록 벌크가 감소한 것으로 사료된다. 또한 목재 섬유의 밀도는 약 1.79 g/cm3 - 1.90 g/cm3인 반면 Lyocell 섬유의 밀도는 약 1.50 g/cm3 인 것을 문헌21,22,23)을 통해 확인할 수 있었다. 따라서 섬유 자체 밀도 역시 상기 결과의 원인이 될 수 있을 것이라 판단된다.

Fig. 5(b)는 인장강도(tensile strength) 결과로, Lyocell 섬유에 대한 목재섬유 비율 증가에 따라 인장강도는 증가하였다. 이는 Web 형성 특성에 기인한 결과로 목재 섬유의 경우 고해 과정에서 섬유 표면에 형성된 마이크로 피브릴이 bonding area의 증가를 야기하여 Lyocell에 비하여 web 형성 시 보다 높은 강도적 특성을 형성하는 반면 Lyocell 섬유의 경우 Fig. 4에서 확인하였듯이 매끄러운 표면 구조로 인하여 섬유 사이의 접촉 면적이 낮아 섬유간 결합 형성에 제한이 있어24,25) 강도의 발현이 보다 어려웠을 것으로 판단된다.

Fig. 5(c)는 신장률(elongation) 측정 결과로 신장률은 인장하중에 대한 신장력 특성을 뜻하며 인장강도와 반비례하는 경향을 지닌다.26) 하지만, 본 연구에서는 Lyocell 섬유의 첨가 비율 증가에 따라 신장률은 감소되는 경향이 관찰되었다. 이는 Lyocell 섬유 특성에 의해 섬유간 결합력 저하와 섬유 자체의 유연성이 목재 섬유보다 낮기 때문으로 판단된다.

물리적 특성 분석 결과 공시 재료의 섬유 특성과 형태학적 특성이 web의 강도발현에 영향을 미친 것으로 판단된다. Lyocell 섬유의 첨가 비율 증가에 따라 기계적 물성이 감소하는 결과를 참조하였을 때 wet-laid 부직포 제조 시 목재 및 Lyocell 섬유 혼합비에 대하여 목적성에 따른 상호보완적 적용이 필요할 것으로 판단된다.

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Fig. 5.

Changes in physical properties of wet nonwoven fabric according to pulp mixing ratio (a: bulk; b: tensile index; c: elongation).

3.4 습식 부직포의 표면 파라미터 분석

위생용 및 의료용 부직포 등 일부 용도 제품에서는 부직포의 거칠기 및 마찰 특성이 중요하게 작용된다. 이에 본 연구에서는 제조된 부직포의 표면 분석을 위해 표면 거칠음도와 표면 마찰 파라미터 특성을 분석하였다. Table 4Table 2의 Eqs에 의해 계산된 표면 거칠음도 파라미터 RaR-MAD를 나타낸 것이다. 이때 COV는 10회 반복 측정에 대한 변동계수를 표기한 것이다. Table 4의 결과로부터 RaR-MAD 파라미터 중 R-MAD의 측정 재현율의 안정성이 보다 우수함을 확인할 수 있다. Fig. 6(a)R-MAD와 Ra를 비교한 결과를 도시한 것으로 작성된 회귀선의 결정계수(R2)가 0.80, 기울기는 0.15로 분석되었다. 이의 결과로부터 두 파라미터의 상관관계가 높음을 확인할 수 있음과 동시에 표면 특성의 정량적 평가 시 Ra 파라미터의 가변성을 파악할 수 있었다. Fig. 6(a)의 회귀선의 기울기가 0.15로 작성되었다 함은 Ra가 100%의 변위를 나타낼 때 R-MAD는 15%만의 변위를 보유한다고 해석할 수 있으며 이는 Ra가 측정 장비와 환경에 따른 변동성이 큰 파라미터라고 보고된 선행 연구결과에 부합한다.27)R-MAD의 경우 계산 시에 Ra가 각 스캔 영역(Ri)에서 상수로 취급되어 뺄셈 처리된다. 즉, 측정 조건으로부터 기인되는 가변성이 각 데이터 포인트에서 제거됨에 따라 스캔 길이 내에서 시료 자체의 편차를 보다 명확하게 대별하게 된다.28)

Table 4.

Testing results for roughness

Code RaR-MAD
Mean, μm COV, % Mean, μm COV, %
H50 2.23 28.1 0.518 16.3
H60 2.25 23.8 0.551 12.7
H70 2.46 14.0 0.554 14.1
H80 2.64 32.4 0.569 8.8
H90 2.40 17.9 0.542 8.7
H100 2.16 17.4 0.510 10.2
S50 2.03 17.5 0.492 8.1
S60 2.16 22.7 0.518 13.5
S70 2.59 29.7 0.554 20.2
S80 2.52 23.9 0.604 10.7
S90 2.62 17.0 0.588 12.4
S100 2.22 15.5 0.497 23.0
L100 1.99 17.6 0.476 12.5

Table 5Table 2의 Eqs에 의해 계산된 표면 마찰 파라미터(average COF)와 F-MAD를 나타낸 것이다. 거칠음도 파라미터 계산 시와 동일하게 COV는 10회 반복 측정에 대한 변동계수를 나타냈다. 앞선 거칠음도 파라미터 결과와 유사하게 평균절대편차를 통한 파라미터의 계산이 마찰 특성에서도 더 안정적인 측정 재현성을 나타냈다. Fig. 6(b)F-MAD와 COF를 비교한 결과를 도시한 것이다. 두 파라미터의 결정계수(R2) 0.29로서 상관성이 상대적으로 낮은 것을 분석되었다. 이는 각 데이터 포인트(μi)에서의 힘(force)의 변동을 나타내는 F-MAD와 스캔 영역 전체 마찰 프로파일의 평균의 나타내는 두 파라미터 간의 독립성을 설명하는 지표로 해석할 수 있다. F-MAD 역시 계산 시 average COF 가 각 데이터 포인트(μi)에서 상수로 취급되어 제거되면서 측정 영역 내의 시료 자체의 변위를 나타내게 된다. 따라서 표면 거칠음도 및 마찰 특성의 평가 시 평균절대 편차(MAD) 파라미터의 사용이 보다 유용할 것으로 사료된다.

Table 5.

Testing results for friction

Code COF F-MAD
Mean COV, % Mean COV, %
H50 0.12 28.2 0.032 14.1
H60 0.14 18.7 0.033 11.3
H70 0.14 23.1 0.033 15.5
H80 0.14 27.0 0.035 14.4
H90 0.16 11.8 0.036 12.2
H100 0.18 24.8 0.039 19.0
S50 0.13 23.7 0.031 11.3
S60 0.12 25.3 0.033 17.8
S70 0.13 26.9 0.036 19.9
S80 0.13 28.8 0.037 14.0
S90 0.11 29.3 0.037 11.9
S100 0.14 27.8 0.042 23.5
L100 0.25 18.1 0.041 15.8

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Fig. 6.

Correlation analysis between surface parameters (a: R-MAD vs. Ra; b: F-MAD vs. COF; F-MAD vs. R-MAD).

Fig. 6(c)R-MAD와 F-MAD의 파라미터 비교 결과를 도시한 것이다. 두 파라미터의 결정계수(R2)는 0.02로서 상호간 완전 독립적인 것을 확인하였고, 이는 선행연구 결과에 부합한다.27) 따라서 부직포 제품의 표면 특성화 시 표면 거칠기 및 마찰의 정량화가 동시에 수반되어야 할 것으로 판단된다.

3.5 습식 부직포의 표면 특성 분석

Fig. 7은 상기 분석한 파라미터 분석 결과를 반영한 섬유의 혼합 비율에 따른 습식 부직포의 R-MAD 및 F-MAD 분석 결과를 도시한 것이다. 본 연구에서 R-MAD는 표면 거칠음도를 나타내는 지표로서 사용되었으며, 값이 낮을수록 표면 거칠음도가 적은 것을 의미한다. Fig. 7(a)의 결과는 목재 섬유에 대한 Lyocell 섬유 비율 증가에 따른 표면 거칠음도의 비교로서 오차범위 내에서의 뚜렷한 차이를 확인하기에는 다소 무리가 있었다.

표면의 부드러움 특성은 제품을 만졌을 때 느껴지는 softness로써 이는 표면 마찰과 상관관계가 있으며29), 이러한 특성에 따라 표면 마찰은 제품의 부드러움을 나타내는 주요한 구성요소 중 하나이다. 본 연구에서는 표면 부드러움 특성을 표면 마찰 값인 F-MAD를 지표로 사용하였으며, 측정 결과를 Fig. 7(b)에 나타냈다. 해당 값은 낮을수록 표면 마찰이 적어 부드러운 것을 의미한다. Lyocell 섬유로만 제조된 습직 부직포의 F-MAD는 0.043의 값을 나타냈으며, 목재 섬유 50% 배합 시 F-MAD 값이 감소하는 것을 확인하였다. 하지만 표면 거칠음도 분석 결과와 마찬가지로 목재 섬유에 대한 Lyocell 섬유 비율 증가에 따른 오차범위 내에서의 유의미한 차이는 없었다. 다만, Sw-BKP 섬유의 배합 시 Hw-BKP 섬유에 비해 전반적으로 다소 높은 값을 나타냈으며, 이는 Fig. 4의 결과에서 확인할 수 있듯이 섬유 특성에 기인한 것으로 판단된다. Sw-BKP 섬유의 평균 섬유폭은 33.2 μm인 반면 Hw-BKP는 18.8 μm으로 약 2배가량 넓은 섬유폭으로 인하여 표면 부드러움 요소에 영향을 준 것으로 판단된다. 이와 같은 결과는 이전 연구를 통해 보고된 바 있으며, Assis 등30)은 세포벽이 얇은 단섬유는 제품에 우수한 부드러움 특성을 부여할 수 있음을 제시한 바 있다. 또한, Park 등31)은 종이의 표면특성에 섬유장 및 섬유폭이 미치는 영향에 대해 밝힌 바 있다.

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Fig. 7.

Surface properties measurement results (a: surface roughness; b: surface friction).

종합적으로 Lyocell 섬유에 대한 목재 섬유의 배합 비율이 습식 부직포 표면 거칠음도에는 유의미한 영향을 미치지 못하였으나 표면 마찰 측정 결과 목재 섬유 배합 시 부드러움 특성을 부여할 수 있었으며 시트 제조에 사용되는 섬유의 섬유장 및 섬유폭에 기인한 영향도 있는 것으로 사료된다.

4. 결 론

본 연구에서는 제지 기술을 활용하여 습식 부직포 제조 시 섬유 종류 및 배합에 따른 특성 분석을 시도하였다. 천연 재생 셀룰로오스 섬유인 Lyocell 섬유와 목재 섬유의 혼합 비율을 다양하게 하여 습식 부직포를 제조하였으며, 물리적 특성 및 표면 특성 분석을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1) 벌크 분석 결과 목재 섬유와 달리 Lyocell 섬유는 섬유 자체의 낮은 밀도와 micro-compression 현상에 대한 치수안정성으로 인해 목재 섬유의 배합 비율 증가에 따른 습직 부직포의 벌크 감소 현상이 분석되었다.

2) 인장강도 분석 결과 Lyocell 섬유의 경우 매끄러운 표면구조를 지녀 결합 강도 발현이 어려웠으며 web 형성 시 목재 섬유는 섬유 표면의 마이크로 피브릴이 bonding area의 증가를 야기하여 Lyocell 섬유에 비해 높은 강도적 특성을 형성한 것으로 분석되었다.

3) 표면 파라미터 분석 결과 표면 거칠기와 표면 마찰은 각각 높이의 변이와 힘의 변이를 반영한 독립적인 매개변수임을 확인하였으며, 거칠음도 분석 결과 목재 섬유에 대한 Lyocell 섬유 비율 증가에 따른 유의미한 차이를 확인하기에는 다소 무리가 있었다. 다만, 마찰 분석 결과 Lyocell 섬유와 목재 섬유 배합 시 표면 마찰 감소에 따른 부드러움 특성의 향상 가능성을 확인하였으며, 시트 제조에 사용되는 섬유의 섬유장 및 섬유폭이 부드러움 특성에 미치는 영향이 있음을 확인하였다.

이상의 결론을 통해 습식 부직포 제조 시 목재 섬유 활용에 따른 강도 및 부드러움 특성 향상 효과를 기대할 수 있다고 판단되며, 습식 부직포 제조 기술 및 품질 관리의 자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다. 또한, 대부분의 습식 부직포 용도 제품은 높은 벌크 특성을 요구함으로 향후 목재 섬유와 Lyocell 섬유를 활용한 습식 부직포의 벌크 향상을 위한 첨가제 혹은 제조 과정 등에 관한 연구가 추가적으로 검토될 필요가 있다고 사료된다.

Acknowledgements

본 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단(RS-2023-00301889)의 지원에 의하여 이루어진 것입니다.

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