이태주·김두현 1 ·김광진 2 ·류정용 3† ·이명구 3‡

(1)

종이 멸균팩 유래 섬유의 포장용지 생산 공정 적용 연구(제2보) - 종이 멸균팩 유래 섬유가 종이 품질에 미치는 영향 -

이태주·김두현 ¹ ·김광진 ² ·류정용 ^3† ·이명구 ^3‡

접수일(2019년 7월 1일), 수정일(2019년 7월 12일), 채택일(2019년 7월 15일)

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 Kim ¹ , Kwang Jin Kim ² , Jeong Yong Ryu ^3† and Myeong Ku Lee ^3‡

Received July 1, 2019; Received in revised form July 12, 2019; Accepted July 15, 2019

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.

Printed in Korea http://dx.doi.org/10.7584/JKTAPPI.2019.08.51.4.13

• 국립산림과학원 목재이용연구부 목재화학연구과(Wood Chemistry Division, Forest Products Department, National Institute of Forest Science, Seoul, 02455, Republic of Korea)

1 태림페이퍼(Taelim Paper Co., Ltd., Gyeonggi, 15609, Republic of Korea) 2 테트라팩코리아(Tetrapak Korea, Seoul, 04349, Republic of Korea)

3 강원대학교 산림환경과학대학 산림응용공학부 제지공학전공(Program 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)

† 교신저자(Corresponding Author): E-mail: [email protected]

‡ 공동교신저자(Co-corresponding Author): E-mail: [email protected]

(2)

1. 서 론

2018년 기준 우리나라는 세계 5위의 종이 생산 국가로 서 제지 관련 산업규모는 약 30조 원에 이른다.

¹⁾

아울러 32억 달러 이상의 수출 실적을 보이는 등 내수산업을 넘 어 중견 수출 산업의 모습을 갖추고 있다. 국내 제지산업 현황을 지종별로 살펴보면 신문용지, 인쇄용지 등의 종 이류의 생산량은 감소하고 있는 반면 백판지, 골판지 등 의 판지류의 생산량은 증가하고 있다.

²⁾

이는 전자상거래 및 택배 산업의 발달에 따라 물품의 보호를 위해 사용하 는 포장용지의 사용량이 증가하고 있기 때문이다. 이러 한 포장용지 제조 시 사용되는 주원료는 재활용 제지자 원(폐지)으로서 2017년 기준 폐지의 회수율은 약 89%, 재활용률은 약 80%였다. 그러나 이러한 높은 회수율 및 재활용률의 이면에는 우리나라의 재활용 제지자원 품질 에 관한 문제점이 숨어있다. 2009년 CEPI(confedera- tion of European paper industries)

³⁾

의 보고에 따르면 실제 달성 가능한 제지자원의 최대 재활용률은 75%이 며, 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 우리나라 의 재활용률은 CEPI에서 제공한 재활용률보다 약 4% 이 상 높다. 이는 우리나라 폐지의 배출 및 수거 시 무분별 한 분류로 인한 순환제지자원의 활용가치가 낮아지고, 생산하는 지종에 원하지 않는 물질이 압축베일에 혼입되 면서 폐기물 발생이 조장되는 이유로 볼 수 있다. 우리나 라 재활용 제지자원 중 가장 큰 비중을 차지하는 원료는 KOCC(Korean old corrugated container)이나 재활용 제지자원의 별도의 분급시설이 없는 관계로 산업용지 제 조용 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 일 반 폐지 및 쓰레기에 혼입된 상태로 배출되는 상황이다.

전 보에서 포장용지 제조용 신규 원료의 발굴 및 생산 공 정 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 영 향을 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 사 용하였다.

2.2 실험방법

2.2.1 해리, 정선 및 수초지 제작

Fig. 2에 나타낸 바와 같이 펄퍼의 재질은 스테인리스

이며, 하부의 로터가 회전하여 시료를 해리시키는데, 펄퍼

(3)

내부에는 지료의 흐름을 원활하게 해 주는 baffles이 설 치되어 있다.

¹⁾

펄퍼의 총 용량은 50 L이며 로터의 회전 속도는 최대 2,000 rpm까지 조절 가능하다. Fig. 3은 공시 재료 해리 후 지료 내 존재하는 미해리분 및 조대 이물질을 분급하기 위해 사용한 파일럿 스크린이다. 본 연구에 사 용한 Fig. 3의 스크린은 hole과 slot을 보유하고 있어 지료 구성성분의 크기에 따라 분급할 수 있다. Fig. 4에 나타난 바와 같이 펌프에 의해 도입되는 지료는 먼저 스 크린 하부의 직경 3 mm hole을 거쳐 스크린 내부로 이 동하게 된다. 이 때 하부의 hole 직경보다 큰 물질은 hole reject로 분급된다. 이 후 스크린 내부로 유입된 지 료는 centripetal형의 foil에 의해 분산되어 0.3 mm 너 비의 슬롯을 통과하여 억셉트로 분급되고 통과하지 못한 지료 구성성분은 slot reject valve를 통하여 slot 리젝트 로 배출된다.

⁶⁾

본 연구에서는 공시재료를 Table 1의 조 건으로 Fig. 2의 파일럿 펄퍼(Lamort, France)로 각각 해리하고 Fig. 4와 같이 정선하여 수초지 제작용 섬유를

분급하였다. Fig. 4에 나타난 바와 같이 dump chest로 부터 유입된 지료는 파일럿 스크린을 통과하게 되고 억셉 트가 배출되는 라인에 200 mesh 스크린을 설치하여 섬 유를 분급한 후 여액은 체스트로 빠져나가게 하였다. 1번 Fig. 2. Pilot pulper.

⁶⁾

Fig. 3. Pilot screen.

⁶⁾

Fig. 4. Operating scheme of pilot screen.

(a) UAC (b) UGT (c) DLK (d) UKP (e) KOCC

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

(4)

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 때 까지 실시하였다. 스크린 처리가 완료된 후 미세분이 포 함된 여액과 200 mesh로 분급된 섬유를 혼합하여 수초 지 제작용 지료로 활용하였다.

수초지는 WEPS(Wet-end process simulator, Sambo science, Republic of Korea)로 평량 60 g/m

²

의 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 수 초지는 ISO 표준 온습도 조건에서 48시간 이상 조습처리 한 후 벌크, 인장강도, 신장률, 파열강도, 내절도, 제로 스팬 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. 전 술한 파일럿 정선 설비를 활용하여 Table 2의 조건으로

해리를 실시한 후 해리 시간에 따른 UAC의 해리 특성을 분석하였다. 해리가 완료된 지료는 Fig. 4의 구동 조건으 로 파일럿 스크린 처리하여 평량 60 g/m

²

의 수초지를 제 작한 후 벌크, 인장강도, 신장률, 파열강도, 압축강도를 ISO 표준시험방법에 의거하여 분석하였다.

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 해압 되는 정도를 비교 분석함으로써 탈수성을 평가하였다.

또한 여액의 탁도를 비교 분석함으로써 원료에 따른 보 류도를 비교 분석하였다. Fig. 5는 수초 후 여액의 탁도 측정결과이다. Fig. 5에 나타난 바와 같이 UAC의 탁도 가 가장 높았으며 UKP의 탁도가 가장 낮았다. UAC의 미세분 함량은 18.7%로서 18.2%의 UGT와 유사하였으 나 UAC 섬유로 수초지를 제작한 후 여액의 탁도가 UGT 보다 높게 측정된 이유는 멸균팩의 인쇄적성을 개선하기 위해 무기안료 코팅이 적용됨에 따라 미세분 중 보류가

*

based on dry weight of the raw materials

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

100 0 30 5-6

(5)

어려운 회분함량이 높았기 때문으로 판단된다.

3.2 종이 음료용기 추출 섬유로 제조된 수초지의 강도특성

골판지 및 크라프트지와 같은 포장용지는 용도에 맞도 록 재단되고 접혀지는 가공 후 소비자에게 전달되므로 가공 및 사용 과정에서 발생하는 외력으로부터 저항할 수 있는 강도를 유지하여야 한다. 이에 포장용지 제조 공 정에 활용될 수 있는 원료로 수초지를 제작하고 강도를 비교분석 함으로써 최종 생산품의 품질을 예측하고자 하 였다. 공시재료를 각각 해리하여 스크린 처리한 후 얻은 섬유로 수초지를 제조하고, 각 수초지의 벌크, 인장강도, 신장률, 파열강도 분석 결과를 Figs. 6-9에 나타냈다.

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

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.

(6)

마찰력에 의해 UAC 외부 PE 필름이 쉽게 파괴되면서 해 리된 것으로 판단된다.

Table 2에 나타난 바와 같이 포장용지의 강도 개선 및 UAC의 적용성을 평가하고자 KOCC로 구성된 지료에 UAC 유래 재활용 섬유를 0-6% 배합함에 따른 수초지 의 강도 특성을 비교 분석하였다. Figs. 11-14는 UAC 유래 재활용 섬유 배합에 따른 인장강도, 신장률, 파열강 도, 압축강도 분석결과이다. Figs. 11-14에 나타난 바와 같이 UAC 유래 재활용 섬유가 4% 혼합될 경우 인장강도 는 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 같이 UAC 유래 재활용 섬유는 100% 천연펄프로 제조되어 KOCC에 비해 섬유장이 길고 일정 수준 고해되어 KOCC 에 비해 높은 수소결합 능력을 보유하고 있기 때문에 강 도를 향상시킨 것으로 판단된다. KOCC를 원료로 활용 하는 골심지 및 라이너지 공정의 저농도 펄퍼에서의 체 높게 측정된 것으로 판단된다. 반면 KOCC로 제작한 수

초지의 경우 벌크는 미고해 UKP로 제작한 수초지 다음 으로 높았으며 모든 강도에서도 다른 재활용 섬유로 제 작된 수초지의 강도에 비해 낮았다. KOCC는 반복적인 재활용을 인해 섬유 표면이 각질화되어 섬유 간 결합능 력이 저하되어 나타난 결과로 판단되는 바, 포장용지 제 조 시 UAC 유래 재활용 섬유의 배합이 포장용지의 강도 개선 미치는 효과를 활용할 필요가 있다고 판단된다.

3.3 UAC와 KOCC 혼합 해리 특성 및 수초지 물성 분석

3.2항의 결과로 미루어 보아 포장용지 제조용 원료로 주로 활용되는 KOCC만으로는 포장용지의 강도를 개선 하는 데 한계가 있을 것으로 사료된다. 이에 상대적으로 섬유 성상이 양호하고 재활용이 용이한 UAC 유래 재활 용 섬유를 KOCC에 배합한다면 최종 생산품의 물성을 개선시킬 수 있다고 판단되는 바, 본 연구에서는 UAC 유

(a) after 2 min (b) after 4 min (c) after 6 min (d) after 10 min 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

(7)

류 시간을 고려할 경우 UAC를 KOCC와 혼합 해리 하더 라도 충분히 섬유를 회수할 수 있을 뿐만 아니라 최종 제 품의 강도도 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.

4. 결 론

UAC 유래 재활용 섬유가 포장용지 물성에 미치는 영향 및 공정 적용성을 평가하기 위해 UAC의 해리 양상 및 수 초지 물성을 비교 분석하였다. UAC 유래 섬유로 제조된 수초지의 경우 UKP, UMC, DLK, KOCC로 제작된 수 초지에 비해 더욱 치밀한 지필을 형성함으로써 높은 강 도를 나타냈다. UAC는 단독 해리뿐만 아니라 KOCC와 의 혼합 해리를 실시할 경우에도 포장용지 생산 공정 중

저농도 펄퍼에서의 체류 시간보다 짧은 시간에 충분히 해리되어 섬유를 회수할 수 있었으며 KOCC에 UAC 유 래 섬유가 배합된 수초지의 강도가 모두 개선되었다.

사 사

본 연구는 테트라팩(유)의 지원에 의해 수행된 연구임.

Literature Cited

1. Korea Paper Association, Status of Paper In- dustry, accessed at Feb. 1st 2017. http://www.

Fig. 11. Tensile strength 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. 12. Elongation of handsheets with different blending ratios of UAC to KOCC.

Fig. 14. Compression strength of handsheets

with different blending ratios of UAC

to KOCC.

(8)

What happens to cellulosic fibers during papermaking and recycling? A review, Biore- sources 2(4):739-788 (2007).

5. Lee, T. J., Kim, D. H., Kim, K. J., Ryu, J. Y., and Lee, M. K., Application of recycled fibers from used aseptic carton for the production of packaging paper I – Evaluation of recyclabil- ity of used aseptic carton using pilot-scale equipments -, Journal of Korea TAPPI 51(3):5-12 (2019).

6. Lee, T. J., Nam, Y. S., Park, J. E., Cho, J. H.,

tion and drainage analyzer (RDA), for wet-end analysis of papermaking process (II) - Vibratory RDA and selection of CaCO

3

이태주·김두현 1 ·김광진 2 ·류정용 3† ·이명구 3‡