KR100893330B1 - 폐목재의 열기계펄프화를 통한 완충소재 제조방법 및 이에따른 폐목재 완충소재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐목재의 열기계펄프화를 통한 완충소재 제조방법 및 이에 따른 폐목재 완충소재에 관한 것으로, 완충소재 제조시 종래와 같이 스티로폼이나 폐지를 이용하는 것이 아니라 산림이나 목재 가공시 발생하는 폐잔재 또는 소경재를 기본 재료로 이용하는 것으로써, 이를 위하여 본 발명에서는 특히 치핑(chipping)된 폐잔재나 소경재를 해섬기(disintergating)로 펄프화(pulping)하기 전에, 120~140℃ 범위 내로 가열된 증해(蒸解)장치를 통하여 증해하는 과정을 거치는 것이 특징이다. 이와 같이 본 발명은 펄프화 전에 열기계로 증해하는 과정을 선행시켜서 폐잔재나 소경재의 목질을 더욱 연화시킴으로써, 해섬기를 통한 펄프화를 용이하고 우수하게 할 수 있는 것이다.

열기계펄프, 폐목재, 완충소재

Description

폐목재의 열기계펄프화를 통한 완충소재 제조방법 및 이에 따른 폐목재 완충소재{Manufacturing Method of Shock-Absorbing Materials Using Thermomechanical Pulping of WasteWood and WasteWood Shock Absorbing Material Using The Same}

도 1은 종래기술에 따른 펄프 몰드가 이용된 계란 트라이 등을 나타낸 사진이고,

도 2는 종래기술에 따른 펄프 몰드 제조장치를 나타내는 단면도이고,

도 3은 종래기술에 따른 펄프 몰드의 사시도 및 내부 단면도이고,

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 진공성형 원리를 이용한 폐지 완충소재의 제조방법을 나타내는 흐름도이고,

도 5는 본 발명의 일 실시예에서 폐목재 기본 원료로 사용되는 폐재 TMPC, 폐재 BTMP, 폐MDF가 건식해섬 된 상태를 보여주는 사진이고,

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 상하 양방향으로 진공 탈수시키는 원리로 작동하는 진공성형장치의 일례를 나타내는 단면도이고,

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 양방향 감압 성형된 완충소재의 내부구조를 나타내는 현미경 사진이고,

도 8은 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 펄프 혼탁액 및 본 발명에 따라 진공성형단계를 거친 후의 폐지 완충소재 사이의 체적 변화를 보여주는 모식도이고,

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 완충소재의 표면사이징 처리 과정을 나타내는 모식도이고,

도 10a 내지 10d는 각각 본 발명의 일 실시예에 따라 이진화 처리된 완충소재의 박편 사진이고,

도 11a, 11b, 11c는 종래의 펄프 몰드와 스티로품 및 본 발명의 일 실시예에 따른 TMP 완충소재의 단면을 보여주는 현미경 사진이고,

도 12는 종래의 펄프 몰드와 본 발명의 일 실시예에 따른 완충소재에 가해진 외부 힘이 흡수 제거되는 기작을 나타내는 모식도이고,

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 감압성형기의 감압시간 변화에 따른 완충소재의 겉보기밀도 변화를 펄프 몰드와 스티로폼의 값과 비교하여 나타낸 그래프이고,

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 폐잔재 TMP로 제조된 완충소재의 탄성계수를 스티로폼의 탄성계수와 비교하여 나타낸 그래프이고,

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 양이온성 전분의 첨가량에 따른 완충소재들의 겉보기밀도 변화를 나타낸 그래프이고,

도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 양이온성 전분의 첨가량에 따른 완충소재들의 탄성계수 변화를 나타낸 그래프이고,

도 17은 본 발명의 일 실시예에 따라 전분 첨가량을 달리하였을 때 건조 직 전의 완충소재에 잔류하고 있는 수분의 양을 자동함수율측정기(MS45 Moisture Analyzer)로 측정한 그래프이고,

도 18은 본 발명의 일 실시예에 따라 원료의 투입량에 따른 완충소재들의 겉보기밀도 변화를 나타낸 그래프이고,

도 19는 본 발명의 일 실시예에 따라 완충소재 제조시 투입되는 섬유의 중량을 변화시켰을 때 완충소재의 탄성계수 변화를 나타낸 그래프이고,

도 20은 본 발명의 일 실시예에 따라 겉보기밀도 변화를 나타낸 그래프이고,

도 21은 본 발명의 일 실시예에 따라 표면사이징 처리와 양이온성 전분의 첨가량 변화에 따른 완충소재의 탄성계수 변화를 나타낸 그래프이고,

도 22a와 도 22b는 본 발명의 일 실시예에 따라 표면사이징 처리 전후 즉, 완충소재에 대해서 양이온성 전분이 필름막을 형성하기 전과 필름막 형성 후의 표면 구조를 Olympus (SZ61, Japan) 도시하고 있는 현미경 사진이고,

도 23은 본 발명의 일 실시예에 따라 양이온성 전분의 첨가량 변화에 따른 공극률 변화를 펄프 몰드와 스티로폼과 비교하여 나타낸 그래프이고,

도 24는 본 발명의 일 실시예에 따라 내첨 사이즈제인 AKD를 TMP 원료와 함께 첨가하여 완충소재를 제조하였을 때 완충소재의 접촉각 변화를 나타낸 그래프이고,

도 25는 본 발명의 일 실시예에 따라 완충소재를 재활용함에 따른 겉보기밀도 변화를 양이온성 전분 첨가량 변화와 함께 나타낸 그래프이고,

도 26은 본 발명의 일 실시예에 따라 한 번 만들어진 TMP 완충소재를 원료로 활용하여 완충소재로 다시 제조하였을 때 그 완충소재가 갖는 탄성계수의 변화를 양이온성 전분 첨가량 변화에 따라 알아본 결과 그래프이고,

도 27은 본 발명의 일 실시예에 따라 TMP 완충소재를 재활용함에 따라 완충소재 내부의 공극률이 변하는 정도를 양이온성 전분 첨가량 변화와 함께 나타낸 그래프이고,

도 28은 본 발명의 일 실시예에 따라 원료의 표백처리에 의한 완충소재의 백색도 변화를 나타내는 그래프이고,

도 29는 본 발명의 일 실시예에 따라 전분 첨가량에 따른 TMP 완충소재의 열전도도 변화를 나타내는 그래프이고,

도 30은 본 발명의 일 실시예에 따라 TMP 완충소재 표면을 전분으로 표면 사이징 처리를 했을 때 나타나는 열전도도의 변화를 나타내는 그래프이고,

도 31은 본 발명의 일 실시예에 따라 TMP와 EPS로 제조된 완충소재를 모서리 방향으로 낙하시킨 후 완충소재의 균열 상태와 내부 유리잔의 상태를 관찰한 결과를 보여주는 도면이고,

도 32는 본 발명의 일 실시예에 따라 TMP와 EPS로 제조한 완충소재를 측면으로 낙하시켰을 때 완충소재와 유리잔의 상태를 관찰한 결과를 보여주는 도면이고,

도 33은 본 발명의 일 실시예에 따라 TMP와 EPS로 제조한 완충소재를 평면으로 낙하시켰을 때 완충소재와 유리잔의 손상 여부를 관찰한 결과를 보여주는 도면이다.

본 발명은 폐목재를 이용하여 완충소재를 제조하는 방법에 관한 것으로, 특히 폐잔재나 소경재의 열기계펄프화를 통한 완충소재 제조방법 및 이에 따른 폐목재 완충소재에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 폐잔재나 소경재를 해섬기(disintergating)로 펄프화(pulping)하기 전에, 소정의 온도 범위 내로 가열된 증해(蒸解)장치를 통하여 증해하는 과정을 선행시키는 것을 특징으로 한다.

종래에 시중에서 사용되고 있는 포장용 완충소재의 종류는 스티로폼, 펄프 몰드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등이 있다. 여기서 펄프 몰드를 제외하고는 자연상태에서 분해가 어려운 난분해성 포장소재들이다. 스티로폼은 거품폴리스티렌, 스티로폼(styrofoam), 발포스티렌, 스티로폴 등 여러 이름으로 불리며, 영문 머리글자를 따서 EPS (Expanded Polystyrene)로 약칭하기도 한다. 스티로폴은 독일의 종합화학회사인 바스프(BASF AG)의 상표명이고, 스티로폼은 미국 다우케미컬사(社)의 단열재 상표명으로, 한국에서는 스티로폴로 널리 알려져 있다. 스티로폼은 폴리스티렌 수지에 펜탄이나 부탄 등 탄화수소가스를 주입시킨 뒤 이를 증기로 팽연시킨 발포제품으로, 체적의 98%가 공기이고, 나머지 2%가 수지인 자원 절약형 소재이다.

그러나, 상기한 난분해성 포장소재들은 화석원료로부터 만들어지고, 자연 상태에서 분해가 어렵다는 단점으로 인해서 선진국을 중심으로 스티로폼의 사용을 금지하려는 움직임이 강하게 대두되고 있다. 난분해성 포장재로 인한 환경오염의 문제는 자국의 환경규제뿐만 아니라 국가간 무역에서도 직접적인 영향을 끼치고 있다. 이에 따라, 전 세계적으로 난분해성 포장재에 대한 규제가 강화되면서 친환경 포장재의 수요가 급증할 것으로 예측되며, 폐지 섬유 등으로 제조되는 친환경 완충소재의 수요가 급속히 증가할 것으로 전망된다.

이러한 흐름에 따라, 근래에는 폐지 섬유를 이용하여 제조되는 완충소재가 펄프 몰드(pulp mold)라는 이름으로 생산되어 포장용 스티로폼의 대용으로 사용되고 있다. 도 1에 나타나 있는 것과 같이 펄프 몰드가 가장 처음 사용된 용도는 계란 트레이였고, 이 후 산업재 및 소비재 제품 포장에 널리 사용되고 있다. 이러한 펄프 몰드는 도 2에 나타나 있는 바와 같은 펄프 몰드 제조장치를 이용하여, 포장 물품 혹은 용도에 따라 금형을 제작한 뒤 해리된 일정량의 폐지 현탁액을 성형상자(forming box)에 부은 후 펄프 현탁액에 함유되어 있는 과량의 물을 가압과 함께 한 방향으로 탈수 및 건조시켜 만든 성형품을 말한다.

이렇게 제조된 펄프 몰드 자체는 도 3에 나타난 바와 같이 매우 치밀한 섬유 조직(dense structure)으로 되어 있어서 완충력이 부족하기 때문에, 금형을 통하여 펄프 몰드에 일정한 크기의 유리 공간(free space)을 형성시킴으로써, 외부 충격이 나 진동이 포장 물품에 직접 전달되는 것을 방지하도록 해야만 한다.

또한, 상기와 같은 펄프 몰드 제조장치로 폐지 섬유를 팽연압출시켜 완충소재를 제조하는 방식 또한 팽연보조제로 사용된 전분이 갖는 특성으로 인하여, 완충소재 자체의 함수율을 일정 수준 이상 유지하지 않는다면 완충소재의 완충력을 유지하기가 매우 어렵다는 문제점이 있다.

이에 따라, 폐지 섬유 이외에 다양한 친환경 소재로 완충소재를 제작할 수 있는 기술의 필요성은 항시 존재하고 있는 실정이고, 본 발명은 폐목재나 소경재를 이용하여 완충소재를 제조하는 것에 대한 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 종래와 같이 스티로폼이나 폐지를 이용하는 것이 아니라 산림이나 목재 가공시 발생하는 폐잔재 또는 소경재를 기본 재료로 이용하여 완충소재를 제조하고자 하는 것이다. 특별히, 치핑(chipping)된 폐잔재나 소경재를 해섬기(disintergating)로 펄프화(pulping)하기 전에 열기계로 증해(蒸解)하는 과정을 선행시킴으로써, 폐잔재나 소경재의 목질을 더욱 연화시켜서 해섬기를 통한 펄프화를 용이하고 우수하게 하고자 하는 것이다.

또한, 상기와 같이 가열된 증해장치와 해섬기로 펄프화된 열기계화펄프(TMP)를 전분과 혼합시킴에 있어서, 상기 열기계화펄프(TMP)와 전분을 소정의 용량 및 비율로 혼합시킴으로써, 완충소재의 일정한 형상을 유지하기에 충분하면서도 겉보기 밀도와 탄성계수의 변화 정도를 최소화하여 완충성능을 현저히 증가시키고자 하는 것이 목적이다.

나아가, 상기와 같은 방법으로 제조된 폐목재 완충소재의 밀도와 탄성계수를 종래의 발포 스티로폼 수준으로 하거나 종래의 펄프 몰드 및 발포 스티로폼 보다 낮게 가지도록 함으로써, 현저히 우수한 완충효과를 제공하고자 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 폐목재의 열기계펄프화를 통한 완충소재 제조방법은, 산림이나 목재 가공시 발생하는 폐잔재 또는 소경재를 1.0~5.0㎜ 범위 내의 단면적과 5~20㎜ 범위 내의 길이로 치핑(chipping)하는 단계; 상기 치핑된 폐잔재 또는 소경재를 120~140℃ 범위 내로 가열된 증해(蒸解)장치를 통하여 증해한 후, 소정의 해섬기(disintergating)를 이용하여 펄프화(pulping)하는 단계; 및 상기 가열된 증해장치와 해섬기로 펄프화된 열기계화펄프(Thermomechanical Pulp, TMP)를 전분(starch)과 혼합시킨 뒤, 양방향진공처리(dual vacuuming)가 가능한 진공성형장치를 이용하여 양방향으로 진공탈수시켜서 완충소재(shock absorbing material)를 제조하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것 을 특징으로 한다.

여기서, 상기 펄프화하는 단계는, 상기 치핑된 폐잔재 또는 소경재를 120~140℃ 범위 내로 가열되고 3~4kg/cm² 범위 내의 작동능력을 가지는 증해(蒸解)장치를 통하여 1~5분간 증해한 후, 소정의 해섬기를 이용하여 펄플 섬유의 여수도(濾水度, freeness)가 650~700 mL CSF(Canadian Standard Freeness) 되도록 펄프화하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 열기계화펄프(TMP)를 전분과 혼합시키는 것은, 상기 열기계화펄프(TMP) 75~100g을 상기 열기계화펄프(TMP) 중량 대비 10~30% 범위 내의 전분과 혼합시키는 것이 더욱 바람직하다.

나아가, 상기한 폐목재의 열기계펄프화를 통한 완충소재 제조방법은 상기 완충소재를 건조(Drying)시키는 단계; 및 상기 건조된 완충소재의 표면에 표면사이징(surface sizing) 처리를 하는 단계;를 더 포함하여 이루어지는 것일 수 있다.

이와 함께, 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 또 다른 실시형태는, 상술한 폐목재의 열기계펄프화를 통한 완충소재 제조방법에 의하여 제조된 것으로, 탄성계수가 300~900kPa 범위 내이거나, 밀도가 0.08~0.12g/cm³ 범위 내인 것을 특징으로 하는 폐목재 완충소재이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 하나의 실시형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해 될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 폐목재의 열기계펄프화를 통한 완충소재 제조방법을 나타내는 흐름도이다. 여기에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 폐지 완충소재의 제조방법은 먼저, 산림이나 목재 가공시 발생하는 폐잔재 또는 소경재를 1.0~5.0㎜ 범위 내의 단면적과 5~20㎜ 범위 내의 길이로 치핑(chipping)하고(S10), 상기 치핑된 폐잔재 또는 소경재를 120~140℃ 범위 내로 가열된 증해(蒸解)장치를 통하여 증해한 후, 소정의 해섬기(disintergating)를 이용하여 펄프화(pulping)하며(S20), 상기 가열된 증해장치와 해섬기로 펄프화된 열기계화펄프(Thermomechanical Pulp, TMP)를 전분(starch)과 혼합시킨 뒤(S30), 양방향진공처리(dual vacuuming)가 가능한 진공성형장치를 이용하여 양방향으로 진공탈수시켜서 완충소재(shock absorbing material)를 형성(S40)하는 것을 특징으로 한다.

그 중에서도 본 발명은 산림이나 목재 가공시 발생하는 폐잔재 또는 소경재로 완충소재를 제조하기에 적합하도록, 치핑된 폐잔재 또는 소경재를 120~140℃ 범위 내로 가열된 증해(蒸解)장치를 통하여 증해한 후, 소정의 해섬기(disintergating)를 이용하여 펄프화(pulping)하는 단계(S20)를 거치는 것이 특징이다.

본 발명은 완충소재 제조시 종래와 같이 스티로폼이나 폐지를 이용하는 것이 아니라 산림이나 목재 가공시 발생하는 폐잔재 또는 소경재를 기본 재료로 이용하는 것이며, 이를 위하여 특별히 치핑(chipping)된 폐잔재나 소경재를 해섬기(disintergating)로 펄프화(pulping)하기 전에, 소정의 범위 내로 가열된 증해(蒸解)장치를 통하여 증해하는 과정을 거치게 한 것이다.

구체적으로, 본 발명은 먼저 도 4에 나타난 바와 같이, 산림이나 목재 가공시 발생하는 폐잔재 또는 소경재를 1.0~5.0㎜ 범위 내의 단면적과 5~20㎜ 범위 내의 길이로 치핑(chipping)하는 단계(S10)를 거치는 것이다.

본 발명에 따라 완충소재를 제조하는데 사용되는 기본 재료인 폐잔재 또는 소경재는 산림이나 기타 목재 가공공장에서 발생되는 폐목재(waste log)를 말하는 것으로, 목분(saw dust)이나 칩(chip)으로 처리되는 사료나 삭편판 등을 포함하는 것이다. 또한, 근래에는 건물 내부의 리모델링이나 인테리어 작업이 진행될 때 상당한 양의 폐MDF가 발생하고 있고, 본 발명은 이러한 폐MDF를 재활용하여 완충소재로 제조할 수도 있다.

이러한 폐목재 등을 이용하여 완충소재를 제조하기 위해서는 먼저 원재료를 펄프화 하는 것이 필요하고, 이를 위하여 본 발명에서는 폐목재 등을 소정의 크기로 치핑(chipping)하는 것이다. 펄프화를 위해 원재료를 일정한 크기로 분쇄하고 다듬는 과정은 일반적이지만, 본 발명에서는 특별히 후술하는 바와 같은 목재의 증해 과정을 위하여, 폐목재 등의 단면적이 가로, 세로 1.0~5.0㎜ 범위 내의 면적을 가지고, 길이는 5~20㎜ 범위 내인 것이 바람직하다. 이는 폐목재 등의 크기가 상기한 범위보다 작은 면적 또는 길이를 가지는 경우 후술하는 증해과정과 펄프화 과정에서 폐목재 섬유간 결합이 약해지는 단점이 있을 뿐만 아니라 완성된 제품의 형성과정에서 상기한 범위보다 작은 면적이나 길이를 가질 필요가 없고, 상기한 범위보다 큰 면적 또는 길이를 가지는 경우 후술하는 증해과정과 해섬과정에 따른 효과가 미흡하게 나타나기 때문이다.

그리고, 상기와 같이 폐목재 등을 치핑한 이후에는, 상기 치핑된 폐목재 등을 120~140℃ 범위 내로 가열된 증해(蒸解)장치를 통하여 증해한 후, 소정의 해섬기(disintergating)를 이용하여 펄프화(pulping)함으로써, 열기계화펄프(Thermomechanical Pulp, TMP)를 얻는 것이다(S20).

본 발명은 종래와 같이 스티로폼이나 폐지를 이용하는 것이 아니라 산림이나 목재 가공시 발생하는 폐잔재 또는 소경재를 기본 재료로 이용하여 완충소재를 제조하는 것으로, 이를 위하여 특별히 치핑(chipping)된 폐잔재나 소경재를 해섬 기(disintergating)로 펄프화(pulping)하기 전에, 120~140℃ 범위 내로 가열된 증해(蒸解)장치를 통하여 증해하는 과정을 거치는 것이 특징이다. 이러한 본 발명에 의하는 경우 펄프화 전에 열기계로 증해하는 과정을 선행시켜서 폐잔재나 소경재의 목질을 더욱 연화시킴으로써, 해섬기를 통한 펄프화를 용이하고 우수하게 할 수 있는 효과가 있다.

여기서, 상기 증해(蒸解)라는 것은 펄프 원료에 화학 약품을 넣고 가마에 삶아서 펄프를 만드는 공정을 말하는 것으로, 이렇게 삶는 과정에서 식물 원료 속에 들어 있는 비섬유소 물질이 녹아 나오고, 섬유가 비교적 순수한 상태로 분리되는 것이 특징이며, 화학 약품의 종류와 처리 조건에 따라 삶는 방법이 여러 가지이다. 이와 비교하여, 상기 해섬기로 펄프화 하는 과정은 앞서 증해된 폐목재 등을 기계적인 힘에 의해 더욱 미세한 크기로 분쇄하는 것이다.

종래에 폐종이 등을 이용하여 완충소재를 제조하는 경우에는 상기 폐종이 등을 단순히 블렌더로 절단하여 분쇄하면 족하였지만, 본 발명과 같이 폐목재 등으로 완충소재를 제조하고자 하는 경우에는 단순히 블렌더로 절단하여 분쇄하는 것만으로는 폐목재 등을 효과적으로 해섬할 수 없었고, 이에 따라 전분과의 결합도 제대로 이루어지지 않아 진공탈수에 적합한 펄프 혼탁액을 준비할 수가 없었다.

그러나, 폐목재 등으로 완충소재를 제조하는 경우에도 본 발명과 같이 먼저 증해과 정을 거치고 이어서 일정한 크기로 분쇄하는 펄프화 단계를 거치면, 그 구성 성분간의 결합이 강해서 다양한 성형이 가능한 열기계화펄프(TMP)를 준비할 수 있는 것이다. 특히, 증해를 위한 증해장치의 온도는 120~140℃ 범위 내인 것이 바람직한데, 온도가 120℃ 보다 낮으면 치핑된 폐목재등에서 섬유를 분리해내는 것이 힘들고, 온도가 140℃ 보다 높으면 구성 섬유간의 결합이 매우 약해지기 때문에, 섬유간 결합이 힘들기 때문이다.

본 발명은 이와 같이 치핑된 폐목재 등을 증해하고 미세하게 분쇄하여 펄프화하는 것을 특징으로 하는바, 이러한 펄프화 단계는 더욱 구체적으로, 치핑된 폐잔재 또는 소경재를 3~4kg/cm² 범위 내의 작동능력을 가지고 120~140℃ 범위 내로 가열된 증해(蒸解)장치를 통하여 1~5분간 증해한 후, 소정의 해섬기를 이용하여 펄플 섬유의 여수도(濾水度, freeness)가 650~700 mL CSF 되도록 펄프화하는 것이 바람직하다. 상기 증해장치의 증해 시간은 온도를 120~140℃ 범위 내로 유지하는 경우 폐목재 등에 포함된 섬유의 강도를 위해 1~5분간 수행하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 3~4kg/cm² 범위 내의 폐목재 양을 처리하는 것이 적합하였다. 또한, 폐목재 등의 해섬시 해섬 정도에 따라 섬유 형상에 큰 영향을 주기 때문에, 펄프 섬유의 여수도(濾水度, freeness)는 약 650-700 mL CSF가 되도록 해섬하는 것이 바람직하다.

나아가, 본 발명에 있어서, 상기 열기계화펄프(TMP)를 전분과 혼합시키는 것은, 상기 열기계화펄프(TMP) 75~100g을 상기 열기계화펄프(TMP) 중량 대비 10~30% 범위 내의 전분과 혼합시키는 것이 더욱 바람직한데, 이는 완충소재의 일정한 형상을 유지하기에 충분하면서도 겉보기 밀도와 탄성계수의 변화 정도를 최소화하여 완충성능을 현저히 증가시킬 수 있는 것이기 때문이다. 이에 대해서는 후술하는 실시예에서 상세하게 설명하기로 한다.

한편, 현재 가장 널리 사용되는 완충소재인 발포 스티로폼은 흰색을 띠고 있어 소비자들에게 시각적으로 각인되어 있는 상태이다. 이에 따라, 본 발명에서는 상기 TMP 펄프를 완충소재의 원료로 전분과 혼합하기 전에 표백 처리를 한 후 완충소재로 제조하여 표백 전후의 물성을 비교하였다. 폐잔재 TMP의 표백 조건은 환경적 및 경제적 영향을 최소화하기 위하여 알칼리 및 과산화수소 표백만을 실시하였다.

또한, 상술한 바와 같이 본 발명에서는 폐목재로서 건물 내부의 리모델링이나 인테리어 작업이 진행될 때 발생되는 폐MDF를 이용할 수도 있는데, 도 5의 (가)는 폐재 및 소경재로부터 만들어진 TMP 펄프 섬유, (나)는 TMP 펄프 섬유를 표백한 섬유, 그리고 (다)는 폐MDF가 건식해섬된 섬유를 도시하고 있다.

상기와 같은 펄프화 단계(S20)는 위와 같이 펄프화된 시료를 희석하여 펄프 혼탁액(pulp suspension)으로 준비하는 과정을 더 포함할 수 있고, 이것은 펄프화된 폐 목재 시료에 대하여 양이온성 전분을 첨가하고 진공성형으로 원하는 모양을 제조하기 위해 선행될 수 있는 과정이다. 펄프화된 폐지시료를 희석하는 농도는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 3% 농도로 희석하여 현탁액 상태로 제조하는 것이 바람직하다.

다음으로는, 상기와 같이 가열된 증해장치와 해섬기로 펄프화된 열기계화펄프(Thermomechanical Pulp, TMP)를 전분(starch)과 혼합시키는 과정을 거친다(S30). 이렇게 양이온성 전분을 혼합하는 것은 TMP 섬유의 결합력 강화를 위한 것으로, 치환도(DS) 0.06인 양이온성 전분(삼양제넥스)을 해리 섬유의 전건중량에 대하여 0%, 10%, 20% 그리고 30%로 배합하는 것이 바람직하다. 또한, 여기서 사용되는 상기 양이온성 전분은 성형상자에 투입되기에 앞서서 약 80-85℃ 온도에서 호화(gelatinization)시킨 후(S21), 1%로 희석된 것(S22)이 더욱 바람직하다.

이어서, 본 발명은 상기 양이온성 전분이 혼합된 펄프 혼탁액을 양방향진공처리(dual vacuuming)가 가능한 진공성형장치를 이용하여 상하 양방향으로 진공탈수 시켜서 완충소재(shock absorbing material)를 제조하는 단계(S40)를 포함한다.

본 발명에 있어서, 상기한 진공성형 방식은 전분의 사용으로 인하여 압축강도가 과도하게 증가하는 것을 방지하기 위하여, 폐목재 현탁액을 일정한 형상으로 성형한 후 5-10초 정도 진공을 가하여 섬유 현탁액에 포함된 과량의 수분을 제거하는 방식 으로 완충소재를 제조하는 원리를 이용한 것이다. 물론 소재의 결합력을 향상시키기 위하여 팽연완충소재와 마찬가지로 성형 보조제로서 전분(starch)을 사용할 수도 있지만, 이러한 전분은 단순한 성형 보조제 혹은 결합 향상제의 역할만 하기 때문에 과도한 압축강도의 상승을 초래하지 않는다. 압축강도의 상승은 완충소재의 고밀화(densification)를 촉진시켜 압축강도 및 탄성계수의 상승을 유도하여 소재의 완충성능을 떨어뜨리는 역할을 하게 된다.

본 발명에 따른 완충소재의 제조 원리는 성형박스에 폐지 시료 현탁액을 투입한 후 상단 압착 플레이트(hot press plate)에 의한 압착 과정이 필요없다는 점에서 종래의 펄프 몰드 제조방법과 큰 차이가 있다. 본 발명은 도 6에 나타난 바와 같은 진공성형장치의 원리를 이용하여 상하 양방향으로 진공 탈수시켜 완충소재의 구조가 비용적(bulk)이 큰 상태(밀도가 낮은 상태)가 되도록 성형하는 방법이다. 도 6은 본 발명에 따라 상하 양방향으로 진공 탈수시키는 원리로 작동하는 진공성형장치를 나타내는 단면도이다. 이와 같은 진공성형장치의 구체적인 일예는 본 발명자에 의해 출원되어 등록받은 대한민국 등록특허 제710876호에 기재되어 있는 것을 예로 들 수 있다.

본 발명에 따라 양방향으로 진공 성형된 완충소재의 조직에서는 펄프 몰드와는 달리 양 방향 진공처리(dual vacuuming)를 통하여 완충소재의 내부 조직으로부터 물이 제거되면 이곳에서 섬유간 수소결합(interfiber bonding)이 일어나는 것을 최대 한 억제할 수 있어서, 많은 수의 빈 공간을 만들 수 있는 효과가 있다.

완충소재의 내부구조에서 섬유간 수소결합이 억제된 곳들은 도 7의 (가)와 (나)에 도시된 바와 같이 느슨한 섬유 네트워크를 형성하기 때문에 완충소재의 조직 내부에 많은 작은 공간들(voids)로 남게 되고 이것이 외부 충격, 진동, 혹은 소음 등을 흡수하는 기능을 하는 것이다.

도 8은 본 발명에서 사용되는 펄프 혼탁액 및 본 발명에 따라 진공성형단계를 거친 후의 폐지 완충소재 사이의 체적 변화를 보여주는 모식도이고, 이것은 성형상자에서 3% 폐지 지료 현탁액을 넣은 후 탈수 및 건조시켰을 때 체적이 감소된 사각 완충소재를 보여준다. 전체적인 크기(가로×세로)는 감소하지 않고 전체적으로 두께 감소가 일어나면서 체적이 줄어들게 된다. 이러한 상태에서 종래와 같이, 과도한 진공 혹은 압착(press) 과정이 적용되면 큰 고밀화(densification) 현상이 일어나 완충소재의 조직 내부로부터 공극(또는 유리 공간)이 폐쇄됨으로써 완충 능력(shock-absorbing ability)이 사라지게 된다.

본 발명은 탈수 및 건조 동안에 불가피한 두께 감소로 인한 체적 변화를 피할 수는 없지만 진공 적용 시간의 적절한 조절을 통하여 완충소재의 조직 내부에서 공극이 사라지게 않게 하는 것, 즉 밀도를 최소한으로 유지하는 것이 완충소재의 핵심 제조 기법이 된다. 본 발명에 따라 두께가 작은 완충소재를 제조할 때에는 성형박스 에 투입되는 폐지 지료 현탁액의 투입량을 줄여서 제조하는 것이 바람직하다.

이와 함께, 본 발명은 상기한 바와 같이 제조된 완충소재를 건조(Drying)시키는 단계(S50)와 상기 건조된 완충소재의 표면에 표면사이징(surface sizing) 처리를 하는 단계(S60)를 거칠 수도 있다. 상기 완충소재를 건조시키는 것은 완충소재에 잔류되어 있는 과량의 수분을 제거하기 위한 것이고, 상기 표면사이징은 완충소재의 표면에서 미세섬유가 떨어지는 것을 방지하기 위한 것이다.

실시예 1: 폐잔재 또는 소경재를 이용한 완충소재의 제조

본 발명에 따라 폐목재 등으로 감압성형방식을 이용하여 완충소재를 제조하기 위한 폐잔재는, 경상대학교 덕산(지리산) 학술림에서 수거한 직경이 15 cm 미만의 침엽수류(Pinus rigida, Pinus densiflora), 참나무류( Fagus multinervis, Quercus acutissima, Quercus variabilis) 등을 이용하였다. 이들 침엽수류, 참나무류 등의 폐잔재를 펄프화하기 위하여 약 2.5×2.5×10 mm 크기로 치핑한 다음, 증해장치(대일기공의 다이제스터)에서 120-140℃, 3-4 kg/cm²로 2분간 가열하여 증해한 뒤, 해섬기(대일기공의 싱글디스크 리파이너)에서 2분간 펄프화함으로써 열기계펄프(Thermomechanical Pulp, TMP)를 준비하였다. 여기서, 폐잔재의 펄프화는 섬유의 여수도(濾水度, freeness)가 약 650-700 mL CSF 되도록 해섬하였다.

나아가, 이렇게 준비된 TMP 펄프의 일부를 표백 처리 하였는데, 폐잔재 TMP의 표백 조건은 하기의 표 1에 나타난 바와 같이, 환경적 및 경제적 영향을 최소화하기 위하여 알칼리 및 과산화수소 표백만을 실시하였다.

[표 1: 폐잔재의 표백 조건]

	표백 약품	약품 첨가량 (%)*
표백	NaOH	2.0
	H2O2	2.0
처리 조건	표백 온도: 80℃
	pH 7.5
	표백 시간: 60 min
	표백 농도: 1%(v/v)

^* 첨가량은 펄프 섬유의 전건 중량(g) 기준

이어서, 상기와 같이 펄프화한 폐잔재 및 소경재를 3%농도로 희석하였다. 이렇게 폐잔재를 이용하여 제조된 TMP의 경우 리그닌이 다량 함유된 열기계펄프 자체의 강직함 때문에 수소결합만으로는 섬유간 결합이 매우 약하기 때문에 성형이 매우 어렵다. 그래서, TMP 섬유의 결합 성능을 보조하기 위하여 치환도(DS) 0.06인 양이온성 전분(삼양제넥스)을 섬유의 전건중량에 대하여 0%, 10%, 20% 그리고 30% 첨가하였다. 전분은 완충소재 성형상자에 투입하기에 앞서서 약 80-85℃ 온도에서 20-25분간 호화(gelatinization)시킨 후 1%로 희석하여 사용하였다. 전분이 혼합된 펄프 현탁액은 감압성형장치의 성형상자에 투입되기에 앞서서 교반기를 이용하여 800 rpm에서 1분간 해리시켜 이용하였다. 전분이 배합된 3% 지료는 전건중량 약 50 g, 75 g, 그리고 100 g이 되도록 약 1,670 mL, 2100mL, 그리고 3,330 mL를 취하여 감압성형장치에 넣은 후 평판(사각) 완충소재를 제작하였다. 감압 시간에 따른 완충소재의 물성 변화를 알아보기 위하여 감압 시간을 10-60 초 범위(10초 간격)에서 변화시켜 완충소재를 제조하였다.

성형된 완충소재는 약 150℃의 온도로 가열된 공기를 송풍기를 통하여 완충소재 쪽으로 10분간 강제 송풍시켜 완충소재에 잔류되어 있는 과량의 수분을 제거한 후 건조 오븐(drying oven)에서 대기상태의 함수율(5-8%)까지 건조시켰다. 건조된 완충소재의 표면은 약한 수소결합에 의하여 결합된 미세섬유들로 구성되어 있기 때문에 사용 중 접촉 혹은 마찰로 인하여 지분의 형태로 쉽게 탈리되는 경향이 있었다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 호화된 1% 전분용액으로 완충소재의 표면을 3회 반복 표면사이징(surface sizing) 처리를 한 후 완충소재의 물성을 측정하였다.

실시예 2: 완충소재의 제조를 위한 제조 조건

완충소재 제조를 위한 폐잔재 제조 조건은 하기의 표 2에 정리하였다.

[표 2: 완충소재 제조에 사용된 폐지 종류별 제조 조건]

		감압시간 (sec)	양이온성 전분 (%)	표면사이징 횟수2 )	NaOH, H2O2 (%)3)
원료1 )	TMP	10, 20, 30, 40, 50, 60	0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30	0, 1, 2, 3
	BTMP	10	10, 20, 30		NaOH 2% H2O2 2%
	MDF	10	10, 20, 30

※ 모든 첨가량(%)은 원료의 전건 중량을 기준으로 하였다.

¹⁾ 원료는 TMP, BTMP, 그리고 MDF를 사용하였다.

²⁾ 표면사이징 처리는 TMP에만 적용되었다.

³⁾ 표백은 TMP에만 적용되었다.

상기한 표 2에 나타난 바와 같이, 감압 지속 시간(suctioning time)에 따른 완충소재의 물성 변화를 알아보기 위하여 각각 양이온성 전분의 첨가량을 10%로 고정하고, 폐잔재 TMP 현탁액에 대하여 10-60초의 범위(10초 간격)에서 감압 시간을 달리하여 완충소재를 제조하였다.

그리고, 폐잔재 TMP에 대한 양이온성 전분의 적정 혼합비율과 양이온성 전분의 첨가에 따른 완충소재의 물성 변화를 알아보기 위하여 양이온성 전분 첨가량을 0% 부터 30%까지 2% 간격으로 증가시켜 첨가하였다. 양이온성 전분이 첨가될 때 일정한 조건 하에서 완충소재를 제조하기 위하여 감압탈수 시간(suction time)은 10초로 고정하였다.

또한, 폐잔재 TMP로 제조되어진 완충소재의 표면은 약한 수소결합에 의하여 결합된 미세섬유들로 이루어져 있으므로 건조 오븐을 이용하여 대기상태의 함수율(5-8%)까지 건조 후 호화된 1% 전분용액으로 완충소재의 표면을 1회, 2회, 그리고 3회씩 롤을 이용하여 표면사이징 처리(도 9 참조)를 한 후 각각의 물성변화를 측정비교하였다.

또한, 폐잔재를 이용하여 완충소재를 제조 후 제품화 하였을 경우 표백공정이 완충소재의 물성에 미치는 영향을 고려하여 NaOH 와 H₂O₂를 각각 2% 첨가 후 pH(7.5)에서 1 hour 동안 반응시켜 표백 TMP (BTMP)로 제조 되어진 완충소재와 미표백 TMP로 제조 되어진 완충소재의 백색도와 탄성계수를 비교 분석하였다. 각각의 완충소재에 대한 물성 비교를 위하여 양이온성 전분을 10%, 20%, 그리고 30% 첨가하였다.

또한, 폐MDF를 원료로 하여 완충소재를 제조하기 위해서는 감압탈수 시간을 10초로 고정하여 양이온성 전분을 10%, 20%, 그리고 30% 첨가하여 물성을 비교비교 분석하였다.

또한, 완충소재의 재활용에 따른 물성 변화를 알아보기 위하여 TMP 원료 중량의 10%에 해당하는 양이온성 전분을 첨가하여 제조한 완충소재를 2회까지 리사이클링 처리를 한 후 각 처리 횟수마다 완충소재의 겉보기밀도 및 탄성계수를 측정하여 물성 변화를 알아보았다.

또한, 완충소재에 내수성을 부여하기 위한 발수 처리를 위하여 반응성 사이즈제인 Alkenyl Succinic Anhydride (AKD)를 TMP 섬유의 전건 중량에 대하여 0-1.0%까지 첨가하여 완충소재를 제조하였고, 발수성을 측정하기 위하여 접촉각 측정기(AMS-2001, 미래로시스템)를 이용하여 접촉각을 측정하였다.

실험예 1: 완충소재의 물성 측정

본 발명에 따라 제조된 완충소재의 물성을 측정하기 위하여 수분증발율(drying rate), 백색도(brightness), 겉보기밀도(apparent density), 압축강도(compressive strength), 복원율(restoring ratio), 탄성계수, 그리고 공극률(porosity)을 측정하였다.

수분 증발율은 스위스 Ohaus사의 자동함수율 측정기(MB45)를 RS232 케이블을 통하여 PC의 하이퍼터미널에 연결하여 진공성형장치에 제조된 완충소재의 수분 제거속도를 측정하였다. 완충소재의 백색도는 미국 Technidyne사의 Brighterimeter Micro S-5/BOC를 이용하였다. 완충소재의 겉보기밀도를 계산하기 위해서 버니어캘 리퍼스를 이용하여 완충소재의 두께를 측정한 후 완충소재의 상하 면적의 평균값을 계산하였다. 그 후 아래의 계산식에 의하여 겉보기밀도를 계산하였다.

(1)

(W = Weight (g) of a shock-absorbing material

T = Thickness(m) of a shock-absorbing material

A _t = Area(m²) of a top side of a shock-absorbing material

A _b =Area(m²) of a bottom side of a shock-absorbing material.)

폐잔재 섬유를 이용하여 제조되어진 완충소재의 물성을 측정하기 위하여 물성 분석기(TA-XT2i, Stable Micro Systems Ltd.)를 사용하였다. 만약 완충소재가 포장 물품을 보호하기 위해서는 외부 충격을 흡수하는 뛰어난 완충력을 가져야 하므로 매우 낮은 압축강도를 지녀야 한다. 또한 충격 흡수 후 완충소재의 완충 효능을 어느 정도 유지하기 위해서는 자체 복원력도 우수해야 하기 때문에 적정 범위의 탄성계수도 가져야 할 것으로 보인다. 따라서 팽연소재의 물성 분석에 사용된 항목들은 복원율, 압축강도(kgf), 탄성계수(kPa)였다. 압축강도 측정은 평판 압축실험으로 수행하였으며, 하중 재하속도(loading speed)는 ASAES368.3에서 규정하고 있는 2.530 mm/min의 범위 내인 30 mm/min으로 하였다. 탄성계수를 산출하기 위하여 적용된 공식은 아래와 같다.

(2)

여기서 P = 압축강도(N), A = 면적(m²), △l = 변위(m), l = 직경(m)을 의미한다. 완충소재의 복원율(restoring ratio)은 아래의 공식으로 계산하였다.

(3)

(Δl ₁ = Distance of a load cell applied (=5 mm)

Δl ₂ = Distance when compressive strength is zero.)

실험예 2: 완충소재의 공극률 계산

본 발명에 따른 완충소재의 공극률을 계산하기 위해서 완충소재를 다음과 같은 방법으로 먼저 완충소재를 포매(embedding)시켰다. 에폭시의 일종인 에폰 812 (Epon 812, Polysciences, Inc.)의 경우 경화제는 무수도데세닐숙신산(DDSA, Dodecenyl Succinic Anhydride, Polysciences, Inc)과 무수메틸나딕(MNA, Methyl Nadic Anhydride, Polysciences, Inc.)이 사용 되고 경화가속제로는 DMP-30 (bis-Dimethylaminomethyl phenol, Polysciences, Inc.)이 사용된다.

에폰 812 100 g에 무수도데세닐숙신산 112 g을 혼합한 A액과 에폰 812 100 g에 무수메틸나딕 75 g을 혼합한 B액을 만들어 서로 혼합하여 사용하였다. A액이 많이 들어가면 경화에폭시가 부드럽게 되고 B액이 많이 들어가면 에폭시가 단단히 경화한다. 두 액을 그 혼합비대로 조절한 후 경화반응(중합반응)을 촉진시키기 위하여 두 혼합액의 1.5-2%에 해당하는 가속화제 DMP-30을 첨가하여 균일하게 혼합하였다. 가속화제를 첨가한 후 진공오븐을 사용하여 차례로 35℃에서 12시간, 45℃에서 12시간, 마지막으로 60℃에서 48시간동안 각각 중합이 일어나도록 방치하였다(UV광을 조사하여 중합시켜도 된다).

포매된 완충소재는 미국 Reichert사에서 제조한 회전형 마이크로톰(HistoSTAT-820)을 이용하여 약 20 ㎛ 두께의 미세 박편을 만든 후 1% Toludine Blue 용액에서 염색시켰고, 염색된 박편을 Olympus의 광학현미경을 이용하여 단면 사진을 촬영하였다(도 10a, b). 완충소재의 단면 사진 영상은 Carl Zeiss사(Germany)의 Axiovision 4.4 화상분석프로그램에 의하여 이진화 영상(도 10c, d)으로 전환된 후 검은색 영역에 해당하는 면적이 공극(voids)에 해당되므로 화상분석 프로그램에 의하여 이들 면적을 구한 후 완충소재의 공극률을 계산하였다. 도 10c, d와 같이 섬유(흰색 부분) 외의 공간을 섬유가 채워지지 않은 공극으로 간주할 때 완충소재의 공극률(porosity)은 전체 면적으로부터 섬유가 채워지지 않은 공간(공극)의 면적으로 나누어 아래의 식 (4)와 같이 계산할 수 있다:

(4)

여기서, V _t - V _s = Volume of voids이고, V _t = Total volume 이다.

실제의 공극률은 부피 개념이지만, 20 ㎛ 두께의 단면이 갖는 공극률을 계산하여 완충소재 전체가 갖는 공극의 수를 예측하고자 하였다.

실험예 3: 완충소재의 단열실험

열기계펄프 섬유로 만든 완충소재의 열전도도를 측정하기 위해 본 연구에서는 ISO 8894-1,2에 근거하여 쾌속 열전도도 측정기(QTM-500, Kyoto Electronics)와 열선이 부착된 표준 Probe (PD-13,Kyoto Electronics)를 사용 하여 열전도도를 측정하였다. 열전도 측정기는 0.013-12 W/m℃의 측정범위 및 ±3%의 재현성을 갖는다. 프로브의 크기는 가로 95 mm, 세로 40 mm이며 시료 표면과 직접 접촉하는 프로브의 표면은 재질은 유리섬유(glass fiber)이고 표면의 폭이 1 mm인 콘스탄탄(constantan) 열선이 부착되어 있다. 열전도도 시험을 위해 10%의 양이온성 전분이 첨가된 TMP 완충소재를 제조하여 시편을 담는 몰드에 빈공간이 생기지 않도록 100×50×20 mm의 크기로 정확히 완충 소재를 절단하여 열전도도를 측정하였다. 또한 측정 시스템 주변의 온도변화에 의한 측정 결과의 오차를 최소화하기 위해서 실 내 온도를 20-23℃로 일정하게 유지 하였으며 아래의 식 (5)에 근거하여 전용 프로그램(SOFT-QTM5EW)으로 열전도도를 산정하였다.

(5)

λ : 열전도율(W/mK)

K, H : Probe 정수

R : Probe 히터의 단위 길이당 전기저항(Ω/m)

I : 가열전류(A)

t ₁ , t ₂ : 전류를 인가한 후부터의 시간(s)

T ₁ , T ₂ : 에서의 온도(℃).

실험예 4: 완충소재의 낙하 실험

완충 소재의 가장 큰 목적은 외부 충격으로부터 제품을 보호하는 것이다. 이러한 충격은 주로 낙하 충격 시 발생되고, 이러한 충격력에 의해 제품의 파손 및 성능 저하가 초래된다. 완충재를 포장재로 사용하였을 경우 낙하 시 충격에 견딜 수 있는 정도를 측정하기 위해 완충소재의 내부에 유리잔을 넣은 후 KS A 1011 포장 화물의 낙하시험 중 자유낙하 시험을 통해 완충재와 EPS (Expanded Polystyrene, 발포 스티로폼)의 성능을 비교 분석하였다. 자유낙하 시험 때는 모서리 낙하, 측면 낙하, 그리고 평면 낙하방식을 적용하여 완충소재의 파손 유무 및 유리잔의 상태 등을 관찰하였다.

실험예 5: 완충소재의 단면 형상

완충소재는 외부로부터 충격이 가해졌을 때 그 충격을 흡수하여 포장된 물품에 손상이 가해지지 않도록 해야 한다. 충격 흡수를 위해서는 완충소재의 내부 구조가 매우 큰 다공성 구조(porous structure)를 지녀야 하고, 결국 밀도가 낮은 구조(bulky structure)가 되어야 한다. 현재 유통되어지고 있는 몰드 형태로 만들어진 완충소재의 경우 그 조직이 매우 규칙적이면서도 치밀하여 외부 충격을 흡수하는 것이 매우 어렵다(도 11a). 즉, 펄프 몰드는 외부 충격이 그대로 포장물품에 전달되는 중간 매개체 역할을 하게 된다. 이에 반해 스티로폼은 도 11b와 같이 외부 충격을 흡수하기 위해 98%이상의 공극을 가지고 있음을 확인 할 수 있다. 폐잔재 섬유를 원료로 하여 제조되어진 완충소재의 경우 도 11c 에서 보는 바와 같이 펄프 몰드의 단면 조직과는 달리 내부 구조가 무질서하면서도 느슨하게 형성되어 수많은 공극(voids)들이 존재하므로 발포 스티로폼과 같이 유사하다.

펄프 몰드와 매우 치밀한 내부 구조를 갖는 완충소재는 도 12의 (a)에서 보는 바와 같이 외부 충격이 펄프 몰드에 가해지게 되면 펄프 몰드 자체가 그 충격을 흡수할 수 있는 구조를 가지고 있지 않기 때문에 외부에서 가해진 충격(F)과 동일한 힘(F')을 그대로 포장 물품에 전달하게 된다. 결국 포장 물품의 손상을 가져와 포장 물품의 최초 가치를 떨어뜨리는 결과를 초래한다. 그러나 감압 성형된 완충소재에는 외부로부터 완충소재에 충격이 가해지더라도 그 충격을 흡수할 수 있는 여유 공간들이 형성되어 있기 때문에 도 12의 (b)와 같이 외부충격의 대부분이 완충소재 내부에서 흡수제거되어 최초에 가해진 힘(F)보다 훨씬 작은 힘(F')이 포장 물품에 전달되기 때문에 포장 물품에는 아무런 손상이 일어나지 않게 된다. 따라서 완충소재가 외부 충격으로부터 포장 물품을 보호하는 역할을 하게 된다.

실험예 6: 진공탈수 시간에 따른 완충소재의 물성 변화

평판형 완충소재의 제조시 3% 농도의 펄프 현탁액을 성형상자(forming box)에 넣은 후 감압을 가하면 탈수(drainage)가 이루어진다. 감압을 통하여 펄프 현탁액에 포함된 수분이 많이 제거될수록 성형 후 건조시간을 줄일 수 있게 되고, 결국은 완충소재의 제조단가를 낮추는데 기여한다. 폐잔재로 제조한 TMP의 경우 감압탈수 시간이 증가하여도 일정 시간 이상이 되면 완충소재의 물성에는 거의 영향을 미치지 않는 다는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 감압 시간과 제조단가와는 밀접한 관련이 있는 매우 중요한 공정의 일부이므로 세심한 주의가 요구된다.

완충소재가 효과적인 내충격성을 가지기 위해서는 일정 체적 내에 존재하는 섬유의 양이 가능한 적어야 한다. 적절한 내충격성을 가지기 위해 완충소재의 밀도를 낮추게 되면 완충소재의 조직을 구성하는 폐지 섬유의 양도 적어지게 되고, 결국 제조단가의 감소에도 기여하게 되는 것이다. 그러므로 완충소재의 건조시간과 밀도는 완충소재의 경제성을 평가하는데 있어서 매우 중요한 요인으로 이용된다.

물리적 측면에서 완충소재로서의 기능을 평가하는데 있어서 가장 중요한 요소는 완충소재의 탄성계수(kPa)와 밀도(g/cm³)이다. 표 3은 폐잔재로 만든 TMP를 성형할 때 완충소재의 형상유지에 필요한 양이온성 전분의 양을 10% 첨가하여 감압시간(suction time)에 따른 탄성계수(Elastic modulus)와 겉보기 밀도(apparent density)의 변화를 스티로폼(styrofoam)과 펄프 몰드(pulp mold)의 값들과 비교한 결과를 나타낸 것이다. 도 13은 감압성형기의 감압시간 변화에 따른 완충소재의 겉보기밀도 변화를 표 3에 나타낸 결과에 근거하여 펄프 몰드와 스티로폼의 값과 비교하여 나타낸 것이다.

[표 3: 진공시간에 따른 완충소재의 물성 변화]

완충소재를 제조할 때에는 경제적 측면을 고려하여 짧은 감압 탈수 시간 하에서 폐잔재 섬유를 적게 사용하여 완충소재의 비용적이 큰 상태(bulky state)를 유지하는 것이 무엇보다 중요하다. 도 13에서 볼 수 있듯이 감압 시간이 길어지면서 완충소재의 겉보기 밀도가 증가하지만 30초 이후부터 큰 증가폭을 나타내지 않았다. 이것은 완충소재를 구성하는 TMP 섬유들은 표면에 많은 양의 리그닌을 함유하고 있기 때문에 이들 섬유들 자체가 갖는 강직성으로 인하여 임계 수준 이상의 밀도에서 는 섬유들의 조직이 치밀해지는 경향이 거의 없는 것에서 그 원인을 찾을 수 있을 것 같다. 즉, 저진공 탈수(low vacuum) 하에서는 리그닌을 다량 함유한 섬유들 사이에 Campbell력(Campbell's force)이 작용하지 않아 완충소재의 내부 조직이 치밀해지는 경향이 거의 없어지는 것으로 판단된다. 따라서 TMP 섬유로 완충소재를 제조할 때에는 30초 이하의 감압시간이 적절한 것으로 판단되었다.

또한 발포 스티로폼의 밀도는 약 0.03 g/cm³ 정도로 펄프 몰드의 0.3 g/cm³에 비하여 10배 정도 작은 값을 보이고 있다. 반면에 폐잔재 TMP로 만든 완충소재는 감압 시간의 변화에 따라 0.08-0.12 g/cm³의 밀도를 가짐으로써 스티로폼의 밀도에 비하여 2-4배 정도 더 크지만 펄프 몰드에 비해서는 훨씬 더 작은 상태로 제조된다. TMP 완충소재를 제조하는 방식이 발포 스티로폼이 갖는 제조 원리와는 차이가 있다는 점을 고려한다면 TMP 완충소재의 겉보기 밀도는 상당히 낮게 형성되어 있다는 것을 쉽게 유추할 수 있다. 펄프 몰드의 경우에는 제조 과정 중에서 감압압착 공정 동안에 섬유들의 고밀화가 진행되어 펄프 몰드의 밀도를 상당히 증가시켰다. 반면에 TMP 완충소재는 감압 단계에서 압착 과정이 생략되기 때문에 섬유들의 고밀화가 거의 진행되지 않은 상태로 성형이 이루어진다. 또한 원료로 사용되는 TMP 섬유들은 리그닌이 거의 제거되지 않은 상태로 사용되기 때문에 표백된 섬유들에 비하여 유연성이 매우 떨어진다. 섬유가 강직 할수록 섬유간 결합력은 느슨하게 되며 이러한 강직한 섬유를 원료로 제조되어진 완충소재는 외부로부터 충격이 가해졌을 때 그 충격을 흡수할 수 있는 다공성의 내부 구조(bulky structure)를 가지게 된다.

도 14는 폐잔재 TMP로 제조된 완충소재의 탄성계수를 스티로폼의 탄성계수와 비교하여 나타낸 그래프이다. 완충성능을 평가하는데 있어서 탄성계수가 지나치게 높게 나타나면 외부 충격을 포장 물품 쪽으로 전이하는 힘이 커지는 것을 의미하기 때문에 포장 물품의 파손을 초래할 수 있다. 따라서 완충소재로 사용되기 위해서는 가능하면 탄성계수가 낮은 것이 유리하다. 겉보기 밀도의 결과와는 달리 감압탈수시간이 증가하면서 완충소재의 탄성계수도가 지속적으로 증가하였다. 감압탈수 시간의 증가가 완충소재의 밀도 상승에는 큰 영향을 미치지 않지만 결합보조제로 첨가된 전분과 섬유들 사이의 결합력을 상승시켜 탄성계수를 상승시키는데 기여한 것으로 보인다.

또한 스티로폼(computer case)의 탄성계수가 약 941 kPa로 감압탈수시간에 관계없이 TMP로 제조된 완충소재에 비하여 더 높은 값을 보였다. 펄프 몰드의 탄성계수(약 1768 kPa)에 비해서도 TMP 완충소재는 훨씬 작은 값을 나타내었다. 이는 폐잔재 TMP로 제조 되어진 완충소재가 펄프 몰드나 스티로폼보다 더 우수한 완충성능을 보유하고 있음을 의미하는 것이다. 앞서 언급한 바와 같이 폐잔재 TMP로 제조 되어진 완충소재의 경우 TMP 자체가 리그닌을 다량 함유한 강직한 섬유로 이루어져 있기 때문에 저감압(Rough Vacuum)의 짧은 감압탈수 시간 동안에는 섬유간 결합에 필요한 Campbell력(Campbell force)이 강하게 작용하지 못하였을 것으로 판단된다. 따라서 느슨한 결합 조직을 갖는 완충소재가 만들어져서 스티로폼보다 낮은 탄성계수를 갖는 완충소재가 만들어 진 것으로 보인다. 그러나 완충소재의 탄성계수가 너무 낮게 되면 외부 충격에 의하여 완충소재의 구조 자체가 파괴되는 현상이 발생하여 포장물품에 손상을 초래할 가능성이 매우 높아진다. 따라서 최소한의 탄성계수를 유지하는 내부 구조가 되도록 성형이 이루어져야 하기 때문에 밀도에 큰 변화가 없다면 약 30초 정도의 감압탈수 시간을 적용할 필요가 있다.

감압시간에 따른 완충소재의 탄성계수 변화를 보면 감압탈수 시간은 10초가 가장 이상적인 탄성계수를 나타내었다. 하지만 감압탈수에 의한 건조비용 절감 측면에서 경제적인 탈수 시간을 고려한다면 감압탈수 시간은 30초가 가장 적합할 것으로 사료되었다. 그러므로 감압탈수 시간을 늘려도 일정 시간이후 겉보기밀도의 증가나 탄성계수의 증가를 유발하지 않는다하여 감압 시간을 늘리는 것은 탈수에 의한 완충소재의 건조비용 측면에서 동력소비만 늘어날 뿐 실질적인 건조비용의 감소는 얻을 수 없다.

폐잔재 TMP로 제조 되어진 완충소재는 원료 자체의 강직성으로 인해 적정 시간의 감압탈수와 함께 형상유지를 위한 결합보조제의 첨가량의 결정이 가장 중요한 부분이라 사료된다.

실험예 7: 전분첨가량에 따른 폐잔재 TMP , BTMP 및 MDF 완충소재의 물성 변 화

전분(starch)은 제지 분야에서 가장 오랫동안, 그리고 가장 광범위하게 사용되어 온 건조지력증강제들(dry-strength additives) 중의 하나이다. 천연 전분은 섬유와 마찬가지로 음이온을 띠고 있기 때문에 보류 효율이 매우 떨어지기 때문에 사용이 빠르게 격감하였다. 따라서 전분에 양이온기가 도입된 새로운 변성전분의 필요성이 강하게 대두되었고, 그 대안으로 개발된 것이 양이온성 전분(cationic starch)이다. 양이온성 전분은 4가 암모늄기(quaternary ammonium group)를 갖는 에폭시 계통 약품을 사용하여 pH와 온도를 높여가면서 에테르화 반응을 일으켜 제조한다. 이러한 양이온성 전분이 지료 현탁액(fiber suspension)에 투입되면 양이온성 전분 분자들이 섬유들 사이에 정착하여 섬유간 수소결합(interfiber bonding)을 증진시켜 종이의 강도를 향상시켜 주는 역할을 한다.

완충소재는 일반 종이류와는 달리 비용적(bulk)이 큰 상태로 제조되기 때문에 이웃한 섬유들 사이의 결합이 매우 약하게 이루어진다. 만약 이러한 상태로 완충소재가 제조된다면 완충성능은 상당히 개선될 것으로 기대할 수 있지만 완충소재의 형상이 쉽게 파괴되는 현상이 일어날 개연성이 매우 높다. 따라서 이러한 부분을 개선하기 위해서는 섬유간 수소결합을 향상시킬 수 있도록 건조지력증가제의 첨가가 필요하다. 그러나 적정 수준 이상의 건조지력증강제를 첨가하게 된다면 완충소재 조직의 과도한 고밀화(excessive consolidation)를 촉진시켜 완충성능의 손실을 초래하게 된다. 따라서 적정 첨가 수준을 결정하기 위한 연구가 필요할 것으로 판단되어 양이온성 전분 첨가량에 따른 완충소재의 물성 변화를 알아보고자 하였다.

폐잔재 TMP를 원료로 하여 제조되어진 완충소재는 리그닌 발색단에 의해 백색도가 현저히 낮은 경향이 있어 백색도 향상을 목적으로 TMP 섬유들을 NaOH와 H₂O₂를 사용하여 표백 처리 하였다. 백색도 증진을 목적으로 표백 처리한 BTMP (Bleached Thermomechanical Pulp)로 만들어진 완충소재와 기존의 미표백 TMP를 원료로 하여 제조되어진 완충소재의 물성을 비교하기 위해 각각의 완충소재 대해 10%, 20%, 그리고 30% 양이온성 전분을 첨가하여 물성 변화를 알아보았다.

또한 현재 국내에서 생산되는 섬유판(fiberboard)의 대부분을 차지하는 중밀도 섬유판(Medium Density Fiberboard)을 재활용 하는 방안을 모색하고자 MDF를 이용하였다. 국내에서 생산되는 MDF는 그 원료가 목재를 비롯한 식물성 섬유상의 물질로서 이들을 해섬하여 열경화성수지 접착제를 첨가하거나, 그 밖의 접착성 소재를 혼합해서 열압, 경화시킨 목재 판상 제품을 말한다. 따라서 폐잔재를 해섬하여 제조되어진 TMP와 원료조성이 유사하므로 충분히 완충소재의 원료로 이용가능하다고 판단하여 폐MDF를 원료로 하여 완충소재를 제조하였다. 폐MDF를 재활용하기 위하여 건식해섬기(Blender)를 이용하여 TMP와 유사한 섬유상 원료를 제조하였다. 또한 폐 MDF와 폐잔재 TMP를 원료로 하여 완충소재를 제조할 때 각각의 완충소재 대하여 섬 유의 전건중량에 대하여 10%, 20%, 그리고 30%의 양이온성 전분을 첨가하여 물성 변화를 알아보았다.

표 4에는 스티로폼과 비교하여 결합보조제인 양이온성 전분을 사용함에 따른 폐잔재 TMP, BTMP, 그리고 폐MDF를 원료로 하여 제조되어진 완충소재의 겉보기밀도와 탄성계수 값을 나타내었다

[표 4: 전분 첨가량에 따른 완충소재의 물성 변화 ]

도 15는 표 4에 나타나 있는 값들에 근거하여 양이온성 전분의 첨가량에 따른 완충소재들의 겉보기밀도 변화를 그래프로 나타낸 것이다. 원료 종류에 관계없이 양이온성 전분의 첨가량이 증가하면서 겉보기밀도가 조금씩 증가하였다. 양이온성 전분이 섬유간 수소결합을 증가시켜 밀도 상승에 기여한 것으로 판단된다. MDF, TMP 및 BTMP 중에서는 MDF로 만들어진 완충소재가 가장 높은 밀도 값을 나타내었고, TMP로 제조된 완충소재가 가장 낮은 밀도 값을 나타내었다. MDF 섬유들은 건식 해섬 단계에서 만들어지는 미세 섬유들과 원료 중에 함유되어 있는 열경화성 수지와 이들 수지의 접착력 발현을 위하여 행해지는 열압 처리의 영향으로 건식해리된 섬유들 중에서 미해리된 결속섬유가 다량 존재하게 되고, 이러한 결속 섬유들이 섬유 네트워크 내부에 보류되어 완충소재의 겉보기밀도를 상승시킨 것으로 보인다. 따라서 MDF를 재활용하여 완충소재를 제조하기 위해서는 접착제로 첨가된 요소수지나 페놀수지 등과 같은 합성수지를 일차적으로 제거하는 공정이 추가되어야 하기 때문에 제조단가의 상승을 유발할 수 있다. 따라서 완충소재를 제조할 때 폐MDF를 재활용하는 것은 바람직하지 않은 것으로 판단되었다.

BTMP로 만들어진 완충소재의 경우에는 BTMP 섬유들이 표백 단계에서 리그닌이 제거되어 섬유의 유연성과 함께 결합력을 증가시켜 겉보기밀도의 상승을 유도하였고, 결국 BTMP로 만들어진 완충소재의 겉보기밀도가 TMP로 만들어진 완충소재의 겉보기밀도에 비해서 전분 첨가량에 관계없이 다소 증가하였다. 그러나 상승의 폭이 매우 작고, 환경친화적 관점에서 표백 약품을 사용하여 환경친화적 완충소재를 제작하는 것은 이율배반적인 논리가 적용되기 때문에 미표백 펄프의 상태로 사용하는 것이 더 바람직한 것으로 사료되었다.

BTMP, TMP 및 폐MDF로 제조된 완충소재의 겉보기밀도는 발포 스티로폼의 겉보기밀도 보다 모두 높게 나타났다. 폐MDF로 만들어진 완충소재의 겉보기밀도는 스티로폼 에 비해서 약 6배 이상 높게 나타났고, 높은 밀도를 갖는 상태에서 포장 완충재로 사용되면 포장상자의 전체 중량을 상승시켜 물류비용의 상승을 유발할 우려가 매우 높다. 이에 반해 TMP로 제조된 완충소재는 스티로폼에 비하여 약 3배 정도 높은 밀도를 나타내었지만 밀도가 0.1 g/cm³ 미만이기 때문에 포장 중량의 상승에 미치는 영향은 크지 않을 것으로 사료되었다. 따라서 미표백 TMP 섬유로 제조한 완충소재는 밀도가 스티로폼에 비해서 약 2-3배 정도 크기는 하지만 난분해성 포장 완충재인 발포 스티로폼을 대체할 수 있는 환경친화적 완충소재로 사용될 수 있음을 확인할 수 있었다.

도 16은 표 4에 나타나 있는 값들에 근거하여 양이온성 전분의 첨가량에 따른 완충소재들의 탄성계수 변화를 그래프로 나타낸 것이다. 양이온성 전분 첨가 시에 완충소재에 대한 탈수 시간은 최적의 비용적을 위해 10초로 고정하였다. BTMP로 제조한 완충소재의 경우 양이온성 전분 10% 첨가 시에 탄성계수 값이 가장 작게 나타났으며, 전분 첨가량이 증가할 지라도 MDF나 TMP 보다는 낮은 탄성계수를 가졌다. 폐MDF로 제조한 완충소재의 경우 양이온성 전분 첨가량에 관계없이 가장 높은 탄성계수를 보였고, 특히 30% 첨가시 발포 스티로폼보다도 높은 탄성계수를 나타내었다. 여기서 한 가지 주목할 점은 미표백 TMP에 양이온성 전분을 10% 첨가하였을 때 탄성계수가 스티로폼에 비해서 3배 정도 낮게 나왔다는 점이다. 탄성계수가 지나치게 낮으면 외부로부터 충격을 받았을 때 완충소재가 파괴되어 포장 물품에 손상을 초 래할 가능성이 있다. 따라서 양이온성 전분을 일정량 이상 첨가하여 적정 수준 이상의 탄성계수를 유지할 필요가 있다. 도 17의 결과를 통해서 보면 양이온성 전분의 구입가격(약 3000원/kg)이 그렇게 높지 않다고 본다면 양이온성 전분의 첨가를 통하여 완충소재 자체의 탄성계수를 유지하는 것이 바람직할 것으로 사료되었다.

TMP 섬유 현탁액을 성형상자(forming box)에 넣고 감압탈수를 행하면 섬유 현탁액에 들어있던 과량의 물(자유수)이 진공에 의하여 배수관 쪽으로 배출된다. 감압 탈수 후 두터운 판상형으로 성형된 완충소재에 잔류하고 있는 수분의 양은 완충소재의 건조속도에 큰 영향을 미치게 된다. 따라서 가능하다면 감압탈수 후 완충소재 내부에 잔류하고 있는 수분의 양은 적어야 한다. 표 5와 도 17은 전분 첨가량을 달리하였을 때 건조 직전의 완충소재에 잔류하고 있는 수분의 양을 자동함수율측정기(MS45 Moisture Analyzer)로 측정한 그래프이다. 잔류 함수율 측정 실험의 반복 횟수에 관계없이 전분 첨가량이 증가할수록 완충소재에 잔류하고 있는 수분의 양이 감소하였다. 전분 첨가량이 섬유의 전건중량에 대하여 20% 이상 과량 첨가하면 펄프 섬유의 셀룰로오스 분자가 가지고 있는 수산기(-OH)가 물과 결합하기에 앞서서 전분 분자의 수산기와 결합하여 섬유 분자들이 물과 결합할 수 있는 기회를 감소시킨다. 또한 전분 분자들이 물과 결합능력이 우수한(비표면적이 큰) 미세 섬유들을 응집시켜 물 분자와의 결합면적을 감소시키고, 동시에 완충소재의 내부 구조에 형성되는 공극의 수를 감소시켜 자유수가 잔류할 수 있는 공간이 줄어들게 된다. 이러한 원인으로 인해 전분 분자가 많이 첨가될수록 완충소재에 잔류하고 있는 수분 의 양이 감소하는 것으로 사료되었다.

[표 5: 전분 첨가량에 따른 완충소재의 함수율 변화]

실험예 8: 원료 투입량 변화에 따른 완충소재의 물성변화

완충소재 제조시 경제적인 측면을 고려한다면 가장 우선시 되는 부분이 원료 투입량을 최소화 하면서 완충소재의 비용적을 극대화 하는 것이다. 따라서 우선적으로 겉보기 밀도와 탄성계수 측정 결과를 바탕으로 결합보조제인 양이온성 전분은 10%, 감압탈수 시간은 10초로 고정하여 원료의 투입량을 변화시켜 완충소재를 제조한 후 탄성계수의 물성변화를 분석하였다.

표 6은 TMP 원료의 투입량을 50 g, 75 g, 그리고 100 g으로 조절하여 완충소재를 제조한 후 물성을 측정한 결과 값이다. 도 18은 표 6에 나타나 있는 값들에 근거하여 원료의 투입량에 따른 완충소재들의 겉보기밀도 변화를 그래프로 나타낸 것이다.

[표 6: 원료 투입량 변화에 따른 완충소재의 물성 변화]

도 18에서 보는 바와 같이 TMP 섬유의 첨가량을 달리하여 제조한 완충소재의 겉보 기밀도는 큰 차이를 보이지 않았다. 그러나 전분 첨가량이 증가하면서 TMP 100 g으로 만들어진 완충소재의 겉보기밀도가 완만하게 증가하는 것으로 나타났다. 섬유 고형분 함량이 많아지면서 전분과 섬유들이 서로 결합할 수 있는 확률도 높아지고, 이로 인해 섬유간 결합이 증가하면서 밀도 상승을 초래한 것으로 보인다. 결론적으로 완충소재를 구성하는 고형분 함량이 일정 수준(100 g) 미만이면 섬유 및 전분 첨가량에 따른 밀도 차이는 크게 나타나지 않는 것으로 확인되었다.

도 19는 완충소재 제조시 투입되는 섬유의 중량을 변화시켰을 때 완충소재의 탄성계수 변화를 나타낸 것이다. 겉보기밀도의 결과와는 달리 투입된 섬유 중량 변화에 따른 탄성계수의 차이는 확연하게 나타났다. 섬유 투입량과 전분 첨가량이 증가할수록 탄성계수가 더 크게 나타났다. 일정 면적 및 두께를 갖는 완충소재를 만들기 위하여 고형분이 투입될 때 투입되는 고형분의 양이 많아지면 외부 충격(힘)으로 인한 변형에 저항하는 힘(즉, 탄성계수)도 커지게 된다. 따라서 100 g의 섬유를 이용하여 만든 완충소재가 가장 큰 탄성계수를 나타낸 것이다. 그러나 스티로폼의 탄성계수에 비해서는 여전히 낮은 값을 나타내어 전분과 같은 결합보조제를 첨가하여 완충소재의 물리적 성질을 증가시키는 방법은 한계가 있는 것으로 나타났다. 따라서 부원료의 첨가에 의한 탄성계수 증가 방법보다는 섬유 자체에 리파이닝과 같은 물리적 처리를 가하여 섬유 자체의 결합력을 향상시키는 방법이 유리할 것으로 판단되었다.

그러나 고형분의 중량에 무관하게 전분 첨가량을 증가시킴에 따라 완충소재의 탄성계수가 증가하였지만, 100 g의 섬유로 제조한 완충소재를 제외하고는 그 증가폭이 크지 않았다. 전분 첨가에 따른 탄성계수 증가 효과를 보다 더 크기 위해서는 섬유 고형분 중량도 더 많을 필요가 있음을 확인하였다.

도 18의 겉보기밀도 그래프와 도 19의 탄성계수 그래프에서 주목할 점은 원료의 투입량이 감소할수록 양이온성 전분 첨가량에 따른 겉보기밀도 및 탄성계수의 변화 폭이 줄어든다는 사실이다. 이러한 결과를 놓고 판단해 볼 때 원료 투입량을 줄이는 것이 경제적 측면이나 완충소재의 물성 측면에서 매우 유리하겠지만, 원료의 투입이 75 g 이하일 경우에는 TMP 섬유가 갖는 고유 특성으로 인하여 완충소재의 형상을 유지하기가 매우 어렵다는 심각한 문제점을 나타내었다. 이는 미표백 TMP 섬유들은 리그닌이 다량 함유되어 있어 섬유 결합력이 매우 약하기 때문으로 적은 양의 TMP 섬유만으로 완충소재를 성형하기가 매우 어렵다. 따라서 완충소재를 구성하는 고형분의 양을 줄이는 방안으로 리파이닝(refining)과 같은 기계적 전처리가 필요할 것으로 판단되었다.

실험예 9: 완충소재에 대한 표면사이징 처리 후 물성 변화

완충소재는 외부로부터 충격이 가해졌을 때 그 충격을 흡수하여 포장된 물품에 손상이 가해지지 않도록 해야 한다. 충격 흡수를 위해서는 완충소재의 내부 구 조가 다공성 구조를 지녀야 하고, 결국 밀도가 낮은 구조가 되어야 한다. 하지만 다공성 구조에 의해 밀도가 낮아질 경우 완충소재의 형상 유지가 어려워질 가능성이 커진다. 이는 앞서 완충소재 원료 투입량을 줄일 경우에 발생하는 문제인 결합 면적의 감소가 원인이 될 수도 있지만, 가장 큰 문제는 외부의 충격이 완충소재가 가지고 있는 내부 결합력을 뛰어 넘을 경우 형상의 변형을 초래할 수도 있다는 것이다. 따라서 완충소재를 제조할 때 완충소재의 품질 향상 및 외부충격에 의한 변형을 최소화하기 위하여 건조공정 후 완충소재의 표면에 표면사이징 처리를 하는 것이 필요하다. 또한 건조된 완충소재의 표면은 약한 수소결합에 의하여 결합된 미세섬유들로 구성되어 있기 때문에 사용 중 접촉 혹은 마찰로 인하여 탈리되는 경향이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 호화된 1% 전분용액으로 완충소재의 표면을 사이징 처리하였다.

완충소재의 제조에 있어서 최종 완충소재의 품질은 표면사이즈제의 특성과 완충소재의 표면특성에 따라 크게 좌우된다. 완충소재 표면 특성과 흡수 특성에 따라 완충소재로 표면사이즈제의 수분이 침투하는 정도와 부동화 정도가 크게 달라지며 결과적으로는 완충소재 품질과 직결된다. 완충소재의 표면 특성은 감압탈수 정도 및 건조과정에 따라 표면의 상태가 변할 수 있기 때문에 이러한 표면 변이를 최소화하기 위해서는 표면사이징 처리가 필요하다. 실제 종이의 경우에도 표면구조 및 흡수 특성은 각종 표면 사이즈제를 사용하여 효과적으로 변화시킬 수 있으며, 표면 사이즈제 가운데 표면 잔류성이 큰 경우 종이 표면의 광택도, 표면 피복성 등을 향상시 킨다고 보고된 바 있다.

이전까지는 표면 사이징을 위한 도공약품으로 취급이 용이하고 우수한 호화 안정성을 지닌 산화전분을 많이 이용하였으나 전분액이 표면에 내부까지 깊이 침투하는 단점 때문에 현재 양이온성 전분을 이용하여 표면 사이징하는 기술에 관심이 모이고 있다. 양이온성 전분을 이용하여 표면사이징을 할 경우 전분의 침투가 적게 일어나며 표면 잔류성이 대단히 높기 때문에 불투명도는 물론 여러 가지 광학적 성질의 향상을 기대 할 수 있게 된다. 하지만 이러한 양이온성 전분도 활용 조건에 따라서 그 효과가 달라지며 특히 소재의 표면에 잔류하는 음이온과 양이온성 전분의 양이온 성질에 의해서 발현되는 완충소재의 표면 구조가 다르게 형성될 수도 있다.

완충소재의 표면사이징처리는 폐잔재 TMP를 원료로 제조된 완충소재(전건 기준 100 g)에 대해서 완충소재의 이면을 롤러(roller)를 이용하여 1회, 2회, 그리고 3회 처리하여 그 물성을 비교하였다. 양이온성 전분의 표면 도포량은 양면에 대하여 약 3.6 g/m²가 되도록 하였다.

표 7은 표면사이징 처리 후 완충소재의 물성을 측정한 결과 값이다. 도 20은 표 7에 나타나 있는 값들에 근거하여 겉보기밀도 변화를 그래프로 나타낸 것이며, 도 21은 탄성계수 변화를 그래프로 나타낸 것이다.

도 20에 나타난 바와 같이 표면사이징 처리 횟수에 관계없이 겉보기밀도의 차이가 뚜렷하게 나타났고, 또한 표면사이징 처리를 하면 양이온성 전분의 첨가량 변화에 따른 겉보기밀도가 증가하였지만 증가폭은 크지 않았다. 이는 완충소재 표면에 대한 일차 표면사이징 처리 후 양이온성 전분이 표면 공극에 대해서 표면막(coated layer)을 형성하여 2차 표면사이징 이후부터는 표면 공극을 통한 전분의 표면침투가 어렵게 되어 얇은 필름막(thin film)을 형성함으로써 겉보기밀도의 변화 폭을 줄인 것으로 판단된다. 또한 섬유 현탁액에 양이온성 전분이 첨가된 완충소재 표면에 전분으로 표면사이징 처리를 했을 때 전분 분자들 사이의 친화력이 향상되면서 겉보기밀도를 향상시킨 것으로 보인다. 그러나 섬유 현탁액에 첨가된 전분의 양이 많아지더라도 표면사이징 처리에 따른 겉보기밀도 상승효과는 일회(No.1 coating)를 제외하고는 그다지 크게 나타나지 않았다. 이는 위에서 언급한 바와 같이 일차 표면사이징으로 형성된 표면막이 이후에 처리된 전분 분자들의 침투를 방해하였기 때문으로 사료된다.

[표 7: 표면사이징 처리 횟수에 따른 완충소재의 물성 변화]

도 21에 나타난 바와 같이 표면사이징 처리와 양이온성 전분의 첨가량 변화에 따른 완충소재의 탄성계수 변화를 나타낸 것이다. 표면사이징 처리를 반복함에 따라 탄성계수가 증가하였지만, 도 20의 겉보기밀도 결과에서 본 것만큼 뚜렷한 차이를 나타내지는 않았다. 그러나 표면사이징 처리 횟수에 관계없이 양이온성 전분 첨가량을 증가시킴에 따라 완충소재의 탄성계수가 가파르게 증가함으로써 전분 첨가에 따 른 효과 발현이 매우 우수한 것으로 나타났다. 앞서 언급한 바와 같이 내첨된 전분 분자들과 표면사이징에 이용된 전분들 사이의 결합이 증가하면서 완충소재의 탄성계수 증가에 기여한 것으로 사료된다. 일반적으로 표면사이징 처리를 가하면 재료의 강성(stiffness)을 향상시키고, 액체 흡수성은 감소시키는 것으로 알려져 있다. 완충소재에 대한 표면사이징을 통하여 외부 충격으로부터 완충소재가 쉽게 파괴되어 포장 물품의 변형을 초래하는 것을 방지하게 하고, 대기 중의 습기를 흡수하여 완충소재의 물성이 열화되는 것을 막아주는 역할을 한다. 또한 완충소재에 첨가된 전분의 효과가 효율적으로 발현될 수 있도록 긍정적 영향을 미치는 것으로 나타났다.

결론적으로 포장 완충재의 경우 충격을 흡수할 수 있는 능력이 가장 우선시 되는 부분이기는 하나 외부 충격에 의해 완충소재가 변형되어 내부의 물품에 손상을 준다면 포장용 완충소재로서의 가치는 전무하다 하겠다. 따라서 완충소재의 탄성계수 변화를 최소화 하면서 완충소재 자체의 물성을 증진시키기 위해서는 표면사이징이 매우 유리한 것으로 확인하였다. 특히 섬유 원료의 전건중량에 대하여 양이온성 전분 첨가량이 10%인 완충소재의 경우 일회 표면사이징 처리시 탄성계수는 물론 겉보기밀도 변화 또한 최소화 할 수 있으므로 가장 유용한 첨가 비율인 것으로 밝혀졌다.

도 22a와 도 22b는 표면사이징 처리 전후 즉, 완충소재에 대해서 양이온성 전분이 필름막을 형성하기 전과 필름막 형성 후의 표면 구조를 Olympus (SZ61, Japan) 실체 현미경을 통해 촬영한 것이다. 현미경 사진에서 보는 바와 같이 표면사이징 처리 전후의 완충소재 표면 구조가 차이가 나타나는 것을 쉽게 관찰할 수 있다. 표면사이징 처리된 완충소재의 표면 구조가 전분 입자들이 피복되면서 표면에서 관찰되던 공극들이 많이 사라지면서 더욱 치밀해졌다. 표면사이징으로 인해 완충소재의 표면으로부터 섬유들이 탈리되어 나오는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 외부 마찰 혹은 충격으로 완충소재의 형상이 파괴되는 것을 방지하는 효과를 기대할 수 있을 것이다.

실험예 10: 압성형 공정에 의한 완충소재의 공극률 변화

완충소재의 완충성능은 완충소재의 내부 조직이 갖는 구조와 밀접한 연관이 있다. 발포 스티로폼의 내부구조는 스티로폼을 구성하는 단위 비드(bead)들이 팽창하여 형성된 거대한 공극들이 외부 충격을 흡수하는 역할을 하게 된다. 따라서 폐잔재 혹은 소경목 등을 이용하여 만든 TMP 섬유들을 가공하여 완충소재를 만들 때에도 내부조직이 다공성의 구조를 형성하는 것이 바람직할 것이다.

표 8은 양이온성 전분 첨가량을 달리하여 TMP 완충소재와 시중에서 사용되는 펄프 몰드가 갖는 공극률을 계산한 후 그 결과를 나타낸 것이다. 도 23은 양이온성 전분의 첨가량 변화에 따른 공극률 변화를 펄프 몰드와 스티로폼과 비교하여 그래프로 나타낸 것이다. 완충소재 제조시 첨가되는 양이온성 전분의 양을 달리하더라도 완충소재의 공극률에는 큰 차이를 나타내지 않음을 보여주고 있다. 이러한 결과는 도 18의 겉보기밀도 결과에서 본 바와 같이 양이온성 전분의 첨가량을 증가시키더라도 완충소재의 밀도는 크게 변하지 않은 것에서 원인을 찾을 수 있을 것이다. 이는 TMP 섬유로 이루어진 완충소재에 양이온성 전분을 첨가하면 섬유간 결합력의 향상에는 기여하지만 조직의 고밀화에는 큰 영향을 미치지 않음을 의미하는 것이다. 앞서 살펴본 바와 같이 양이온성 전분 첨가량이 증가할 때 탄성계수가 증가하는 것이 바로 결합력 향상과 관련이 있는 것이다(도 19 참조).

[표 8: 전분 첨가량에 따른 완충소재의 공극률 변화]

한 가지 흥미로운 사실은 펄프 몰드와 TMP 완충소재의 공극률 차이이다. TMP 완충 소재의 공극률은 스티로폼보다 작기는 하지만 펄프 몰드의 공극률에 비하여 약 3배 정도 더 크게 나타났다. 이러한 차이만을 놓고 볼 때에도 완충소재의 완충성능, 즉 내충격성이 펄프 몰드보다 훨씬 더 우수하다는 것을 쉽게 확인할 수 있다. 따라서 폐재 섬유로 만든 완충소재는 스티로폼을 대체할 수 있는 뛰어난 완충성능을 가졌음을 공극률 결과에서 검증되었다.

또 공극률이 높으면 감압 탈수할 때에도 탈수 속도가 커지게 되고 이는 건조비용의 감소에도 큰 기여를 하게 된다. 완충소재의 조직 내부에 공극이 많으면 감압 탈수시 수분의 이동 속도가 빠르게 되어 짧은 시간의 감압으로도 많은 양의 수분을 제거 할 수 있게 된다. 건조시간의 단축으로 완충소재의 제조단가도 낮출 수 있기 때문에 물리적 측면이나 경제적 측면에서 완충소재의 공극 형성은 완충소재의 제조 공정에서 매우 중요한 요소(key factor)라 할 수 있다.

실험예 11: 내첨 사이징 처리에 따른 TMP 완충소재의 내수성 변화

표 9와 도 24는 내첨 사이즈제인 AKD를 TMP 원료와 함께 첨가하여 완충소재를 제조하였을 때 완충소재의 접촉각 변화를 나타낸 것이다. AKD가 첨가된 완충소재의 접촉각은 AKD 0.4% 첨가시 가장 큰 103.72°를 나타내었고 대체로 83-92°의 접촉각을 나타내었다. 완충소재가 80° 이상의 접촉각을 가지게 되면 완충소재에 어느 정도의 내수성을 갖게 되고 수분이 많은 포장 물품의 완충을 위해 사용될 때 수분 에 의해 완충성능을 쉽게 잃지 않고 유통 과정 동안 포장 물품을 보호할 수 있게 된다. EPS의 접촉각은 84.2°로써 AKD 처리된 TMP 완충소재에 비해서 낮은 값을 나타내었다.

그러나 TMP 완충소재의 표면을 전분 용액으로 표면 사이징을 실시했을 때는 전분에 의한 물 흡수 능력이 더 커지면서 접촉각이 표면 사이징 처리되지 않은 완충소재에 비하여 급격히 줄어드는 것을 관찰할 수 있다. 그러나 크라프트지로 만들어진 라이너지의 접촉각(3.2°)에 비해서 표면 사이징된 TMP 완충소재가 훨씬 더 큰 접촉각을 갖는다. 즉, 상당히 많은 양의 리그닌을 함유하고 있는 TMP 섬유로 만든 완충소재는 그 자체만으로 어느 정도의 내수성을 보이지만 전분과 같은 친수성 수산기(-OH)를 갖는 고분자로 표면 사이징 처리를 하면 완충소재의 내수성을 떨어뜨리는 역할을 하게 된다. 따라서 고도의 발수성을 요하는 완충소재를 제조하고자 할 때에는 표면 사이징을 할 때 발수성을 나타내는 생분해성 고분자를 사용하여 처리할 필요가 있다.

[표 9: AKD 투입량에 따른 접촉각 변화]

실험예 12: 완충소재의 재활용 횟수에 따른 물성 변화

발포 스티로폼과 달리 TMP 완충소재가 갖는 장점 중의 하나는 사용 후 재활용이 가능하다는 것이다. 일반 지류를 구성하는 목재 섬유들은 재활용이 반복되면서 섬유의 각질화(hornification)가 반복되어 종이의 품질을 급격히 떨어뜨리게 된다. 또한 재활용에 따른 섬유의 컬화(curling)가 진행되면서 개개 섬유의 결합력을 급격히 감소시킨다. 섬유의 결합력이 감소되면 완충소재의 내부에 많은 공극들을 남기게 됨으로써 완충소재의 완충성능을 향상시키는 데 기여하게 될 것이다.

표 10과 도 25는 완충소재를 재활용함에 따른 겉보기밀도 변화를 양이온성 전분 첨가량 변화와 함께 나타낸 것이다. 예상한 바와 같이 완충소재의 리사이클링을 반복함에 따라 완충소재의 겉보기밀도가 감소하는 것을 쉽게 관찰할 수 있고, 전분 첨가가 완충소재를 구성하는 섬유들의 결합력을 향상시켜 리사이클링 횟수와 상관없이 완충소재의 겉보기밀도 상승에 기여하였다. 그러나 반복된 리사이클링이 완충소재의 밀도를 감소시키고 이를 통해 완충소재 조직 내부에 많은 유리 공간(free space)을 만들게 된다. 이러한 유리 공간들은 포장 상자에 가해진 외부 충격을 완충소재가 쉽게 흡수하게 하여 포장 물품에 손상이 일어나지 않게 한다. 결론적으로 TMP 완충소재를 반복하여 재활용하게 되면 완충소재의 완충성능을 떨어뜨리는 것이 아니라 오히려 향상시킴으로써 TMP 완충소재가 친환경 소재로 인식되는데 큰 기여를 하게 된다.

[표 10: 전분 투입량과 재활용 횟수에 따른 겉보기 밀도 변화]

표 11과 도 26은 한 번 만들어진 TMP 완충소재를 원료로 활용하여 완충소재로 다시 제조하였을 때 그 완충소재가 갖는 탄성계수의 변화를 양이온성 전분 첨가량 변화에 따라 알아본 결과이다. 재활용 횟수에 따른 겉보기밀도 변화에서 알아본 것과 같이 TMP 완충소재를 재활용함에 따라 완충소재가 갖는 탄성계수가 급격히 감소하고, 과량의 전분을 첨가하여도 탄성계수에는 큰 영향을 미치지 않았다. TMP 완충소재를 재활용하면 섬유의 각질화와 컬화가 촉진되어 섬유들 사이의 결합(interfiber bonding)이 매우 감소하여 완충소재의 탄성계수를 감소시키게 된다. 특히 TMP 섬유들은 리그닌이 다량 함유되어 있는 화학적 특성 때문에 섬유 자체의 결합력은 매우 작을 수밖에 없다. 여기에 결합 보조제인 전분을 첨가하여도 재활용에 따른 섬유 결합력을 보완하는 수준에 머물고 완충소재 전체의 물성을 향상시키는 데는 큰 기여를 하지 못하였다. 따라서 재활용된 TMP 섬유로 완충소재를 다시 제조할 때에는 결합보조제인 전분을 과량 첨가할 필요가 없을 것으로 판단되었다.

[표 11: 전분 투입량과 재생횟수에 따른 탄성계수 변화]

표 12와 도 27은 TMP 완충소재를 재활용함에 따라 완충소재 내부의 공극률이 변하는 정도를 양이온성 전분 첨가량 변화와 함께 나타낸 것이다. 겉보기밀도의 결과에서 예측한 바와 같이 TMP 완충소재를 반복해서 재활용함에 따라 재활용을 한 번도 하지 않은 것에 비해서 공극률이 증가한 것을 쉽게 알 수 있다. 섬유의 결합력이 약해지면서 내부에 느슨한 구조를 형성하게 됨으로써 완충소재 내부 조직에 많은 공극을 남기게 된다. 이들 공극은 완충소재가 외부 충격을 흡수하는데 중요한 역할을 하게 될 것이다.

도 27에서 볼 수 있듯이 완충소재의 공극률은 완충소재를 재활용하는 횟수만큼 증가하는 것이 아니다. 1회 재활용했을 때의 공극률과 2회 재활용했을 때의 공극률은 큰 차이를 보이지 않았다. 완충소재가 재활용되는 순간 섬유의 열화가 시작되어 섬유의 결합력에 영향을 주어 완충소재의 밀도 감소 및 공극률 감소를 초래하지만 재활용이 반복되더라도 계속된 섬유 열화에 의한 공극률 증가로는 이어지지 않는다. 즉, 반복된 재활용 처리는 완충소재의 내부 구조만 느슨하게 할 뿐 공극률에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 그러나 재활용 처리를 하지 않은 것에 비해서는 완충소재의 공극률이 향상되는 것은 완충 효능 발현이라는 면에서 매우 유리한 특성 중의 하나라 할 수 있다. 또 한 가지 흥미로운 사실은 양이온성 전분을 첨가하더라도 재활용 횟수에 관계없이 완충소재의 공극률에는 큰 영향을 끼치지 않았다. 따라서 양이온성 전분은 10% 내외로 첨가하는 것이 바람직할 것으로 판단되었다.

[표 12: 완충소재의 재활용에 따른 공극률의 변화]

실험예 13: 표백 전후 완충소재의 백색도 변화

폐잔재 혹은 소경재의 펄프화 있어 TMP(Thermomechanical Pulp)를 사용하면 화학펄프화법에 비해 수율이 월등히 높고 공해가 적은 장점이 있으나 강도적인 문제를 안고 있다. TMP는 리파이너 기계펄프를 대표하는 개량된 기계펄프화법이라 할 수 있으며 이 방법은 원료를 해섬 전과 해섬 중에 증기 처리 하는 것이 특징이라 할 수 있다. 따라서 완충소재의 원료인 폐잔재의 펄프화는 증기 처리에 의해 칩을 연화시켜 일반 기계펄프보다 장섬유분이 많고 결속섬유가 적은 TMP를 도입하였다. 그러나 TMP는 리파이닝 전에 수행되는 높은 온도의 열처리에 의한 열화학 작용에 의해 펄프의 백색도(brightness)가 감소되고 표백 효율도 상당히 저하되는 단점을 가진다.

현재 가장 널리 사용되고 있는 포장 완충재인 발포 스티로폼은 흰색을 띠고 있고 있어서 완충소재를 사용하는 소비자들도 포장 완충재가 흰색이어야 된다는 각인된 인식을 하고 있다. 물론 신문이나 방송 등과 같은 미디어를 통하여 포장 완충소재가 흰색이어야 된다는 잘못된 인식을 개선할 필요가 있고, 여기에 덧붙여 환경적인 측면을 고려한다면 색상에 대한 고정관념도 바뀌어야 함을 홍보하여야 할 것이다.

TMP 섬유로 제조한 완충소재도 리그닌이 다량 함유하고 있기 때문에 갈색을 띠게 된다. 갈색을 소비자들이 선호하는 밝은 색 계통으로 바뀌기 위하여 표백을 하였을 때 완충소재의 완충성능이 어떻게 변하는지 알아보고자 하였다. 일반적으로 기계펄프의 표백은 표백 이후에도 고수율을 유지하기 위해서 리그닌 보존표백을 하는 것이 일반적이다. 표백제로는 과산화수소(H2O2)가 주로 사용되고 있다. 그러나 과산화수소 단독 표백은 표백 비용이 적게 들지만 백색도 상승폭 낮은 단점을 지닌다. 따라서 완충소재의 원료인 TMP는 과산화수소와 함께 수산화나트륨(NaOH)을 처리하는 2단 표백처리를 하였다. 표백약품의 농도는 각각 원료의 전건중량에 대하여 각각 2% 첨가하였으며, 반응시간은 1시간, pH는 7.5 의 조건으로 표백처리를 하였다.

표 13은 MDF를 원료로 제조된 완충소재와 표백 전?후의 TMP 완충소재의 백색도를 측정한 결과 값을 정리한 것이다. 완충소재의 백색도 측정은 미국 Technidyne사의 Brighterimeter Micro S-5/BOC를 이용하였다.

도 28은 표 13에 나타나 있는 값들에 근거하여 완충소재의 백색도 변화를 그래프로 나타낸 것이다. TMP 섬유를 표백처리한 BTMP 섬유로 완충소재를 제조하였을 때 TMP 및 MDF 완충소재에 비하여 BTMP 완충소재가 훨씬 더 높은 백색도를 나타내었다. BTMP 완충소재는 전분 첨가량 증가에 따른 백색도 변이도 거의 나타나지 않았다. 그러나 MDF와 TMP 완충소재는 전분 첨가량이 증가할수록 백색도가 향상되었는데, 이는 백색 분말의 전분이 다량 첨가되어 백색도 증가에 영향을 미친 것으로 사료되었다.

결론적으로 폐잔재나 소경재를 펄프화하여 완충소재를 제조할 때 표백을 통하여 흰색 계통의 완충소재를 제조할 수 있지만, 표백 약품의 사용으로 인한 폐수 처리 비용과 추가적인 표백 비용의 발생으로 인한 제조단가의 상승을 초래할 수 있기 때문에 표백 공정은 피하는 것이 바람직할 것으로 판단되었다. 또한 환경적인 측면에서도 표백으로 인한 수질오염 문제도 발생할 우려가 있기 때문에 표백은 바람직하지 않은 것으로 사료되었다. 소비자들이 느끼는 미적인 감각보다는 환경을 생각하는 철학적 사고가 더 필요한 것으로 인지시킬 필요가 있다.

[표 13: 원료의 표백처리에 의한 완충소재 백색도 변화]

실험예 14: 완충소재의 단열성 평가

포장 물품이 골판지 상자에 완충소재와 함께 포장된 후 유통될 때 외부 온도 변화에 노출된다. 포장 물품이 갖는 최초 가치를 보존하기 위해서는 가혹한 조건에 해당하는 온도에 노출되지 않는 것이 가장 바람직하겠지만 그렇지 않을 경우에는 완충소재에 의해 어느 정도 단열이 되도록 해야 한다. 그래서 TMP 섬유로 만든 완충소재가 갖는 단열성을 평가하여 완충소재가 외부 열을 어느 정도 차단할 수 있는 가를 분석하였다.

일반적으로 단열재로 사용되기 위해서는 열전도도가 0.1 W/m·K 이하가 되어야 한다. 따라서 열전도도 값이 작을수록 우수한 단열성을 나타내는 것으로 알려져 있다. 발포성 단열재인 EPS는 열전도도가 약 0.04 W/m·K로써 펄프 몰드의 열전도도에 비해서 두 배 이상 높은 단열성을 나타내었다. 이에 반해 TMP 완충소재는 약 0.05 W/m?K의 열전도도를 가졌는데 EPS의 열전도도와 비교해서 조금 높은 수치를 나타내었다. TMP 완충소재는 조직 내부에 수많은 공극들을 가지고 있는 다공성 구조를 형성하고 있고 또한 개개 섬유 자체의 세포내강이 붕괴되지 않고 개방된 상태로 되어 있기 때문에 뛰어난 단열성을 가지는 것으로 보인다. 이러한 완충소재에 결합보조제인 전분의 첨가량을 증가시키면 섬유들 사이의 결합력이 향상되면서 열전달(heat transfer) 속도가 빨라지게 되고 결국 단열 효과를 감소시키는 결과를 초래하였다(도 29 참조).

결론적으로 TMP 펄프로 완충소재를 제조할 때 결합보조제의 첨가량을 조절한다면 TMP 완충소재는 EPS 완충재와 마찬가지로 포장용 완충 효과뿐만 아니라 단열 효과를 함께 갖는 훌륭한 친환경 소재로 이용될 수 있을 것이다.

[표 14: 전분투입량에 따른 열전도도의 변화와 다른 완충소재와의 비교]

표 15와 도 30은 TMP 완충소재 표면을 전분으로 표면 사이징 처리를 했을 때 나타나는 열전도도의 변화를 보여준다. 완충소재의 표면을 사이징하게 되면 표면의 공극이 채워지고 밀도가 높아지기 때문에 열의 전달이 더욱 빨라진다. 도 30에서 보는 바와 같이 표면 사이징된 완충소재가 무처리 완충소재에 비하여 더 낮은 열전도도를 갖는 것을 쉽게 알 수 있다. 내첨한 전분 첨가량이 증가할수록 표면 사이징된 완충소재의 열전도도를 조금씩 감소시켰지만 표면 사이징되지 않은 소재에 비하여 유의성 있는 차이를 보이지는 않았다.

[표 15: 표면 사이징에 의한 TMP 완충소재의 열전도도 변화]

실험예 15: 완충소재의 낙하시험

완충소재의 내부에 깨지기 쉬운 유리잔을 넣고 KS A 1011에 준하여 모서리 낙하, 낙하시험, 그리고 평면 낙하시험을 실시하였다. 도 31은 TMP와 EPS로 제조된 완충소재를 모서리 방향으로 낙하시킨 후 완충소재의 균열 상태와 내부 유리잔의 상태를 관찰한 결과를 나타내고 있다. TMP로 제조한 완충소재는 모서리로 낙하하였을 때 모서리로부터 약한 변형이 발생하기 시작하였고, 3차 이상의 낙하를 반복하였을 때 완충소재를 구성하는 조직의 일부가 유실되면서 10회 낙하 시에는 약 1.8 cm의 변형이 발생하였다. 그러나 충격을 받은 부위에서 발생한 완충소재의 조직 변형과는 무관하게 완충소재의 내부에 들어 있는 유리잔에는 손상이 전혀 일어나지 않았기 때문에 완충소재의 충격 흡수 능력(cushioning performance)이 우수함을 확인할 수 있었다. EPS의 경우에도 1차 낙하 시험 때부터 3 mm에 달하는 변형이 발생하였고, 10회 낙하 시험 후에는 변형 부위가 1.6 cm에 이르기까지 크게 확대되어 심한 조직 변형이 나타났다. 결론적으로 반복된 모서리 낙하 시험에서는 TMP 완충소재와 EPS 완충소재 모두 모서리 조직에 변형이 일어나 모서리 방향으로 충격이 전달될 때 약한 경향을 나타내었다.

도 32는 TMP와 EPS로 제조한 완충소재를 측면으로 낙하시켰을 때 완충소재와 유리잔의 상태를 관찰한 결과를 보여주고 있다. TMP 완충소재의 경우에는 낙하를 반복하였을 때 모서리 낙하보다는 작지만 미세한 변형이 발생하였고, 특히 완충소재의 표면 중심부에 미세한 균열이 발생하기 시작하였다. 그러나 10번 정도의 반복적인 낙하 충격에도 불구하고 중심부 균열은 완충소재의 내부 조직으로는 진행되지 않았고 결국 완충소재의 내부에 포장되어 있는 유리잔에도 충격이 전달되지 않아 유리잔이 원형 그대로 보존되어 있었다. 따라서 TMP로 제조한 완충소재의 측면 쪽으로 충격이 가해지더라도 외부 조직 부위와 표면에서 약한 변형이 발생하기는 하지만 충격이 내부까지 전달되기 전에 흡수 제거되어 유리잔을 보호할 수 있었다. EPS 완충소재의 경우에는 5차까지의 낙하시험 후에도 외부 조직에 전혀 변형이 일어나지 않았지만 10회 정도의 과도한 낙하 시험 후에는 5 mm 정도의 변형이 발생하였다. 이상의 결과로 보아 EPS 완충소재가 TMP 완충소재에 비해서 측면 부위로 전달되는 충격에 대해서는 변형에 대한 저항성이 더 큰 것으로 나타났다.

도 33은 TMP와 EPS로 제조한 완충소재를 평면으로 낙하시켰을 때 완충소재와 유리잔의 손상 여부를 관찰한 결과를 보여준다. TMP 완충소재를 5차까지 낙하시켰을 때 완충소재 자체는 손상이 전혀 발생하지 않았고 내부에 포장되어 있는 유리잔도 원형 그대로 잘 보존되었다. 그러나 완충소재를 10번까지 낙하 충격을 주었을 경우에는 완충소재의 형상이 조금 뒤틀려지는 부위가 발생하였지만 전체적인 외관에는 아무런 변형이 일어나지 않았고 유리잔에도 손상이 전혀 일어나지 않았다. EPS로 제조된 완충소재의 경우에는 10회까지의 낙하시험에도 불구하고 완충소재의 외부조직에 변형이 전혀 일어나지 않았다. 평면 낙하 시험의 경우에는 TMP 완충소재나 EPS 완충소재 모두 충격에 대한 저항성이 매우 우수하여 완충소재 조직 자체도 잘 보존할 수 있었을 뿐만 아니라 내부에 포장된 물품까지도 안전하게 보호할 수 있었다.

한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 기술적 특징이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진에게 명백한 것이다.

상술한 바와 같은 본 발명은 종래와 같이 스티로폼이나 폐지를 이용하는 것 이 아니라 산림이나 목재 가공시 발생하는 폐잔재 또는 소경재를 기본 재료로 이용하여 완충소재를 제조하는 것으로, 특별히 치핑(chipping)된 폐잔재나 소경재를 해섬기(disintergating)로 펄프화(pulping)하기 전에, 120~140℃ 범위 내로 가열된 증해(蒸解)장치를 통하여 증해하는 과정을 거치는 것이 특징이다. 이러한 본 발명에 의하는 경우 펄프화 전에 열기계로 증해하는 과정을 선행시켜서 폐잔재나 소경재의 목질을 더욱 연화시킴으로써, 해섬기를 통한 펄프화를 용이하고 우수하게 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기와 같이 가열된 증해장치와 해섬기로 펄프화된 열기계화펄프(TMP)를 전분과 혼합시킴에 있어서, 상기 열기계화펄프(TMP) 75~100g을 상기 열기계화펄프(TMP) 중량 대비 10~30% 범위 내의 전분과 혼합시킴으로써, 완충소재의 일정한 형상을 유지하기에 충분하면서도 겉보기 밀도와 탄성계수의 변화 정도를 최소화하여 완충성능을 현저히 증가시킬 수 있는 것이다.

나아가, 상기와 같은 방법으로 제조된 폐목재 완충소재는 감압 시간의 변화에 따라 0.08~0.12g/cm³ 범위 내의 밀도를 가지고 있고, 이것은 종래의 펄프 몰드 밀도 0.3 g/cm³보다 현저히 작은 것으로 발포 스티로폼의 밀도 크기와 비슷할 정도로 우수한 것이며, 탄성계수는 300~900kPa 범위여서 종래의 발포 스티로폼(941kPa)이나 펄프 몰드(1768kPa)보다도 현저히 작은 수치를 가지고 있다.

Claims (5)

1. 폐MDF(medium density fiberboard)를 1.0~5.0㎜ 범위 내의 단면적과 5~20㎜ 범위 내의 길이로 치핑(chipping)하는 단계;

   상기 치핑된 폐MDF를 120~140℃ 범위 내로 가열된 증해(蒸解)장치를 통하여 증해한 후, 해섬기(disintergating)를 이용하여 펄프화(pulping)하는 단계; 및

   상기 가열된 증해장치와 해섬기로 펄프화된 폐MDF를 전분(starch)과 혼합시킨 뒤, 양방향진공처리(dual vacuuming)가 가능한 진공성형장치를 이용하여 양방향으로 진공탈수시켜서 완충소재(shock absorbing material)를 제조하는 단계;를 포함하고,

   상기 폐MDF를 전분과 혼합시키는 것은,

   상기 폐MDF 75~100g을 상기 폐MDF 중량 대비 10~30% 범위 내의 전분과 혼합시키는 것을 특징으로 하는 폐목재의 열기계펄프화를 통한 완충소재 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 펄프화하는 단계는,

   상기 치핑된 폐MDF를 120~140℃ 범위 내로 가열되고 3~4kg/cm² 범위 내의 작동능력을 가지는 증해(蒸解)장치를 통하여 1~5분간 증해한 후, 해섬기를 이용하여 펄플 섬유의 여수도(濾水度, freeness)가 650~700 mL CSF(Canadian Standard Freeness) 되도록 펄프화하는 것임을 특징으로 하는 폐목재의 열기계펄프화를 통한 완충소재 제조방법.
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4. 제1항에 있어서,

   상기 완충소재를 건조(Drying)시키는 단계; 및

   상기 건조된 완충소재의 표면에 표면사이징(surface sizing) 처리를 하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐목재의 열기계펄프화를 통한 완충소재 제조방법.
5. 제1항, 제2항 또는 제4항에 따른 폐목재의 열기계펄프화를 통한 완충소재 제조방법에 의하여 제조된 것으로, 탄성계수가 300~900kPa 범위 내이거나, 밀도가 0.08~0.12g/cm³ 범위 내인 것을 특징으로 하는 폐목재 완충소재.

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