KR101274267B1 - 방사선 조사에 의한 목재 종이 및 펄프의 제조방법, 이에 의하여 제조되는 목재 종이 및 목재 펄프, 및 이를 이용하여 제조되는 종이제품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방사선을 이용한 목재 종이 및 펄프의 제조방법에 관한 것으로, 방사선 조사를 통해서 종래의 화학적 증해 과정을 생략가능하여 화학물질의 사용을 최소화하게 되어 환경오염을 방지할 수 있고, 생산성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 친환경적이므로 제조된 종이 및 펄프를 식품 및 의료 분야에 용이하게 적용할 수 있다.

Description

방사선 조사에 의한 목재 종이 및 펄프의 제조방법, 이에 의하여 제조되는 목재 종이 및 목재 펄프, 및 이를 이용하여 제조되는 종이제품{Methods for preparing wood paper and wood pulp, wood paper and wood pulp prepared by the method, and paper products using the wood paper}

본 발명은 목재 펄프 및 목재 종이의 제조방법, 이에 의하여 제조되는 목재 펄프 및 목재 종이, 및 이를 이용하여 제조되는 종이제품에 관한 것이다.

목재 또는 비목재 원료로부터 섬유를 얻는 공정을 펄프화 공정이라고 하며, 펄프화 공정은 기계적 펄프화 및 화학적 펄프화로 나눌 수 있다.

원료의 복합 세포간 층을 쇄목기 등으로 파괴하거나 수증기로 연화한 후, 기계적인 힘으로 이것을 파괴하여 섬유를 얻을 수 있는데, 이처럼 화학처리를 하지 않고 간단한 기계적 처리를 하여 얻어지는 펄프를 기계 펄프라고 하며, 기계 펄프는 수율이 높고 생산비가 저렴한 장점이 있으나, 리그닌이나 헤미 셀룰로오스와 같은 비섬유소의 함량이 많아 고급 종이의 원료로는 부적당한 단점이 있다.

펄프 원료를 탈리그닌 약품으로 처리하여 복합 세포간 층을 섬유상으로 해리하는 방법이 화학적 펄프화이고, 이의 제조방법에는 아황산법, 소다법, 황산염법 등이 있으며, 화학적 펄프화의 경우 제조시 원료의 세포간 리그닌과 헤미 셀룰로오스가 대부분 제거되어 셀룰로오스 순도가 높은 장점이 있다.

그러나, 황산염법은 악취오염을 일으키고 펄프 및 종이의 표백이 어렵다는 단점이 있고, 아황산법은 부드러운 양질의 종이나 셀룰로오스의 순도가 높은 용해 펄프를 만들 수 있는 장점이 있으나, 증해 폐액의 회수 및 이의 재활용이 어렵다는 단점이 있다.

또한, 가성소다법은 증해 과정에 오랜시간이 소요되며, 효율이 낮다는 단점이 있다.

나아가 화학 펄프를 사용할 경우 대부분 안트라퀴논 및/또는 그 밖의 촉매가 사용되기 때문에 증해 과정에서 사용되는 화학약품, 물, 에너지 등의 소비가 큰 단점이 있다.

상기 화학적 펄프화에서, 종래의 크래프트 펄프화 방법은 원목의 펄프화 공정에서 가성소다와 황화소다의 혼합용액으로 고압 증해하여 얻은 펄프 목재 조각을 아황산소다 또는 아황산암모늄과 중탄산소다와의 혼합용액으로 고온 고압에서 증해한 후 리파이너로 목재 조직을 섬유화하여 펄프화한다.

일반적으로, 크래프트 펄프 폐수는 알칼리와 결합하여 용해되며, 리그닌이나 헤미셀룰로오스가 함유되어 흑색을 띄우므로 흑액(black liquor)이라하는데, 이 용액은 대부분 다단 증발부, 습식 연소로 등에서 처리되어 일반 공장 외에는 희박 흑액만이 선정수와 함께 배출된다. 그러나 폐수의 악취가 심하고, 착색, pH 상승 등을 동반하기 때문에 수질 오염에 악영향을 미친다. 특히, 아황산 펄프 폐액은 pH 4 정도의 산성으로서, 아황산 가스, 유기산, 당류를 함유한 자극적인 냄새가 강해 BOD 값이 300~1000 ppm으로 매우 높다.

따라서, 상기 종래 기술에 존재하는 문제점과 관련하여 펄프화에 소요되는 화학 약품, 물, 시간, 에너지 등을 절약하여 생산 단가를 낮추고, 증해 과정에서 배출되는 흑액의 양을 줄임으로서 환경오염이나 폐수 처리에 대한 경제적인 투자비를 절감시키고 간단하고 환경적인 방법으로 펄프를 생산함으로서 생산 효율과 생산품의 질과 양을 향상시킬 필요가 있다.

이에, 본 발명자들은 목재 원료의 펄프화에 소요되는 화학약품, 물, 시간, 에너지 등을 감소시켜 생산단가를 낮추고, 생산효율 및 생산품의 질을 향상시킬 뿐만 아니라, 화학물질의 사용을 감소시킴으로써 수질오염 등과 같은 환경오염을 최소화하기 위하여 연구하던 중, 목재 종이의 제조과정에 방사선 조사를 이용할 경우 상기 문제점들을 극복할 수 있는 것을 알아내고 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 화학물질의 사용을 최소화하고 방사선 조사를 통하여 목재 종이 및 목재 펄프를 제조하는 방법, 이에 의하여 제조되는 목재 종이 및 목재 펄프, 및 이를 이용하여 제조되는 종이제품을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 목재 칩을 제조하는 단계(단계 1);

상기 칩에 대하여 방사선을 조사하는 단계(단계 2);

상기 방사선이 조사된 칩을 물에 의하여 증해하는 단계(단계 3);

상기 증해된 칩을 두드리거나 또는 짓이기면서 1차 고해(叩解)하는 단계(단계 4);

상기 1차 고해된 목재 재료를 표백하는 단계(단계 5);

상기 표백된 목재 재료를 멧돌형 분쇄기로 2차 고해하여 목재 펄프를 제조하는 단계(단계 6); 및

상기 목재 펄프를 압착건조하여 종이를 제조하는 단계(단계 7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 조사에 의한 목재 종이의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 목재 종이의 제조방법을 이용한 목재 종이를 제공한다.

나아가, 본 발명은 목재 칩을 제조하는 단계(단계 1);

상기 칩에 대하여 방사선을 조사하는 단계(단계 2);

상기 방사선이 조사된 칩을 물에 의하여 증해하는 단계(단계 3);

상기 증해된 칩을 두드리거나 또는 짓이기면서 1차 고해(叩解)하는 단계(단계 4);

상기 1차 고해된 목재 재료를 표백하는 단계(단계 5); 및

상기 표백된 목재 재료를 멧돌형 분쇄기로 2차 고해하여 목재 펄프를 제조하는 단계(단계 6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 조사에 의한 목재 펄프의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 목재 펄프의 제조방법으로 제조되는 목재 펄프를 제공한다.

본 발명에 따른 방사선을 이용한 목재 종이 및 펄프의 제조 과정은 화학물질의 사용을 최소화하게 되어 환경오염을 방지할 수 있고, 생산성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 친환경적이므로 제조된 종이 및 펄프를 식품 및 의료 분야에 용이하게 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 종이 및 펄프의 제조공정을 나타낸 개략도이다.
도 2는 방사선 조사된 목재칩을 물 증해 후 표백하는 과정을 찍은 사진이다.
도 3은 방사선 비조사된 목재칩을 알칼리 증해 후 표백하는 과정을 찍은 사진이다.
도 4는 방사선을 조사하고 물 증해의 제조방법으로 제조한 종이의 사진이다.
도 5는 방사선을 조사하지 않고 화학적 증해의 제조방법으로 제조한 종이 사진이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 목재 칩을 제조하는 단계(단계 1);

상기 칩에 대하여 방사선을 조사하는 단계(단계 2);

상기 방사선이 조사된 칩을 물에 의하여 증해하는 단계(단계 3);

상기 증해된 칩을 두드리거나 또는 짓이기면서 1차 고해(叩解)하는 단계(단계 4);

상기 1차 고해된 목재 재료를 표백하는 단계(단계 5);

상기 표백된 목재 재료를 멧돌형 분쇄기로 2차 고해하여 목재 펄프를 제조하는 단계(단계 6); 및

상기 목재 펄프를 압착건조하여 종이를 제조하는 단계(단계 7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 조사에 의한 목재 종이의 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 도 1에 나타낸 단계별로 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 목재 종이의 제조방법에 있어서, 단계 1은 목재 원료를 가공하여 칩(chip)을 형성하는 단계로 목재 원료의 외피를 제거하고 건조시킨 후 이를 이용하여 길이 약 2.5×2.5×0.2 cm 가량의 칩을 형성하는 단계이며, 이는 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 방법으로 수행될 수 있다. 본 발명에서 사용되는 목재 원료는 침엽수 또는 활엽수를 사용할 수 있다. 바람직하게는, 유칼립투스, 소나무, 잣나무, 미루나무, 참나무, 전나무, 상수리나무, 졸참나무, 이태리포플러, 잎장나무, 분비나무, 밤나무, 너도밤나무, 서나무, 자작나무, 오리나무, 느릅나무, 아카시아나무, 버드나무, 낙엽송 등을 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 목재 종이의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 형성된 칩에 대하여 방사선을 조사하는 단계이다. 본 발명에서 방사선이란 방사성 원소의 붕괴에 따라 방출되는 입자선 및 복사선을 의미하는 것으로 에너지가 큰 이온화 방사선 뿐만 아니라 에너지가 작은 비이온화 방사선을 포함하는 개념이다. 본 발명에서는 목재 칩에 방사선을 조사함으로서 세포내 셀룰로오스와 리그닌, 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 결합을 절단 또는 약화시킴으로서 화학적 증해가 불필요하게 된다. 이때 조사되는 방사선은 감마선, 전자선, 이온빔, 자외선, 중성자, 플라즈마 등일 수 있으며, 조사되는 총 조사량은 1 내지 500 kGy인 것이 바람직하다. 만약, 상기 방사선의 총 조사량이 500 kGy를 초과하는 경우에는 경제적이지 못하며, 이에 따른 장점도 없을 뿐만 아니라, 오히려 제조되는 종이의 인장강도가 감소할 수 있으므로 바람직하지 않다.

본 발명에 따른 목재 종이의 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 방사선이 조사된 칩을 물에 의하여 증해하는 단계로 고압솥(autoclave) 내에서 상기 칩을 물찜하는 방법으로 수행된다. 즉, 본 발명에 따르면 원료 세포간 리그닌과 헤미 셀룰로오스를 제거하기 위하여 강알칼리성 화학약품을 사용하는 화학적 증해가 불필요하게 되어 환경오염을 방지할 수 있고, 생산성이 증가하는 장점이 있다. 이때, 고압솥 내에서의 증해는 50~180 ℃의 온도에서 15 시간 이내로 수행되는 것이 바람직하다. 상기 물찜 증해 단계를 통하여 방사선이 조사된 칩의 조직을 유연화시킬 뿐만 아니라, 상기 단계 2에서 셀룰로오스와 결합이 절단되거나 약해진 리그닌 및 헤미 셀룰로오스가 원료물질로부터 분리된다.

본 발명에 따른 목재 종이의 제조방법에 있어서, 단계 4는 상기 증해 과정을 거친 원료물질을 두드리거나 또는 짓이기면서 1차로 고해하는 단계로, 본 단계는 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진자에게 자명한 방법으로 수행될 수 있으며, 이를 통하여 원료물질의 조직이 유연화되고, 셀룰로오스 다발을 펄프화하는데 있어 섬유 분리를 용이하게 한다.

본 발명에 따른 목재 종이의 제조방법에 있어서, 단계 5는 표백처리하는 단계이다. 특정 목적을 위하여 유색인 펄프가 요구될 수도 있으나, 목재 원료물질의 색으로부터 유래하는 펄프의 색을 제거하기 위하여 표백하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 표백 단계는 염소계 표백, 과산화물계 표백, 아황산계 표백, 또는 형광 표백과 같이 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진자에게 자명한 방법으로 수행될 수 있다. 상기 표백 단계는 펄프의 백색도를 증진시킬 뿐만 아니라, 리그닌과 헤미 셀룰로오스의 제거 및 피브릴화를 촉진하는 역할을 수행할 수 있다. 펄프의 백색도를 더욱 증진시키기 위하여 일차 표백 후 이차 표백을 수행하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 목재 종이의 제조방법에 있어서, 단계 6은 상기 표백 과정을 거친 펄프를 멧돌형 분쇄기(그라인더)로 2차로 고해하는 단계이다. 구체적으로, 그라인더 등의 기계적 고해 처리기를 사용하여 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진자에게 자명한 방법으로 수행될 수 있으며, 이를 통하여 표백된 단섬유들을 가늘고 균일하게 피브릴화시켜 종이 제조시 평활한 종이를 제조하는데 기여한다.

본 발명에 다른 목재 종이의 제조방법에 있어서, 단계 7은 상기 고해된 표백 목재 펄프를 압착건조하여 종이를 제조하는 단계이다. 구체적으로, 상기 단계에서 제조된 목재 펄프에 접착제를 첨가 또는 비첨가하고 압착건조하여 목재 종이를 제조하는 것이다. 이때 사용되는 접착제로는 PVA, CMC, 에폭시 수지 등을 사용할 수 있다. 또한, 팜(PAM) 등의 첨가제를 추가로 첨가할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조되는 목재 종이를 제공한다. 본 발명에 따른 목재 종이는 아황산, 황산염, 가성 소다와 같은 화학물질을 사용하는 화학적 증해 과정을 거치치 않기 때문에 친환경적이고 인체와 밀접한 관련성이 있는 분야에 용이하게 적용될 수 있는 장점이 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 비목재 종이는 필터, 복합재, 충진재, 부직포, 종이 일회용품, 식품 포장지, 포장박스, 또는 의료용 또는 비의료용(예를 들어, 기저귀 또는 생리대) 위생용품 등에 사용될 수 있다.

나아가, 본 발명은 목재 칩을 제조하는 단계(단계 1);

상기 칩에 대하여 방사선을 조사하는 단계(단계 2);

상기 방사선이 조사된 칩을 물에 의하여 증해하는 단계(단계 3);

상기 증해된 칩을 두드리거나 또는 짓이기면서 1차 고해(叩解)하는 단계(단계 4);

상기 1차 고해된 목재 재료를 표백하는 단계(단계 5); 및

상기 표백된 목재 재료를 멧돌형 분쇄기로 2차 고해하여 목재 펄프를 제조하는 단계(단계 6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 조사에 의한 목재 펄프의 제조방법을 제공한다.

상기 목재 펄프의 제조방법은 상술한 목재 종이의 제조방법에서 단계 7의 과정을 생략한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 수행할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 목재 펄프의 제조방법으로 제조되는 목재 펄프를 제공한다. 본 발명에 따른 목재 펄프는 상기 목재 종이와 같이 아황산, 황산염, 가성소다와 같은 화학물질을 사용하는 화학적 증해 과정을 거치치 않기 때문에 친환경적이고 인체와 밀접한 관련성이 있는 분야에 용이하게 적용될 수 있는 장점이 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다. 그러나, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 1> 전자선을 이용한 목재 종이의 제조

약 2.5×2.5×0.2 cm 가량의 참나무 목재 칩에 전자선 가속기(ELV-8 Accelerator)를 이용하여 전자선을 조사하였으며, 이때, 전자선 가속기의 조건은 2.5 MeV, 10 kGy/scan의 조사선량으로 총 조사량이 300 kGy가 되도록 조사하였다.

그 후, 목재 칩을 고압솥(autoclave) 내에서 120 ℃의 온도로 10 시간 동안 물찜 증해한 다음,

두드리거나 짓이기면서 1차 고해하여 조직을 유연화시키고, 전자선 조사로 약해진 셀룰로오스 다발을 분리하는데 기여하였다.

다음으로, 상기에서 1차로 고해된 펄프는 산성화된 아염소산나트륨으로 80 ℃에서 3시간 동안 1차 표백한 후, 차아염소산나트륨 수용액으로 실온에서 2시간 침지하여 2차 표백하였다(도 2 참조).

상기에서 표백된 목재 펄프를 맷돌형 분쇄기(그라인더)를 이용하여 1,500 rpm에서 한 번 통과하여 표백된 목재 펄프를 제조하였다.

상기에서 고해된 표백 목재 펄프 4 g에 2% 팜(PAM)과 18% PVA 혼합용액 1 g을 첨가하여 종이 제조기에 첨가한 후 압착건조하여 종이를 제조하였고, 그 사진을 도 4에 나타내었다.

< 비교예 1> 알카리 증해를 이용한 목재 종이의 제조

참나무 목재를 약 2.5×2.5×0.2 cm 가량의 칩으로 제조하였다.

상기에서 제조한 목재 칩을 15% NaOH 수용액으로 고압솥(autoclave) 내에서 120 ℃의 온도로 10 시간 동안 증해하였다.

다음으로, 상기 증해의 과정에서 생성된 흑액(black liquor)을 제거하고 목재칩을 세정한 후,

이를 두드리면서 1차로 고해하여 조직을 유연화시키고, 섬유 다발을 분리하는데 기여하였다.

이후, 표백의 단계부터는 상기 실시예 1에서 사용한 방법과 동일하게 수행하여 표백 펄프를 제조하였고(도 3 참조), 또한 동일한 방법으로 종이를 제조하였으며, 그 사진을 도 5에 나타내었다.

Claims (14)

1. 목재 칩을 제조하는 단계(단계 1);
   상기 칩에 대하여, 총 조사량 200 내지 400 kGy의 방사선을 조사하는 단계(단계 2);
   상기 방사선이 조사된 칩을 100 내지 140 ℃의 온도에서 15 시간 이내로 물에 의하여 증해하는 단계(단계 3);
   상기 증해된 칩을 두드리거나 또는 짓이기면서 1차 고해(叩解)하는 단계(단계 4);
   상기 1차 고해된 목재 재료를 표백하는 단계(단계 5);
   상기 표백된 목재 재료를 멧돌형 분쇄기로 2차 고해하여 목재 펄프를 제조하는 단계(단계 6); 및
   상기 목재 펄프를 압착건조하여 종이를 제조하는 단계(단계 7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 조사에 의한 목재 종이의 제조방법.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 단계 1에서 사용되는 목재 칩의 원료는 활엽수 또는 침엽수를 단독 또는 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 방사선 조사에 의한 목재 종이의 제조방법.
   
3. 제2항에 있어서, 상기 목재 칩의 원료는 유칼립투스, 소나무, 잣나무, 미루나무, 참나무, 전나무, 상수리나무, 졸참나무, 이태리포플러, 잎장나무, 분비나무, 밤나무, 너도밤나무, 서나무, 자작나무, 오리나무, 느릅나무, 아카시아나무, 버드나무 및 낙엽송으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합인 것을 특징으로 하는 방사선 조사에 의한 목재 종이의 제조방법.
   
4. 제2항에 있어서, 상기 목재 칩의 원료는 상기 원료의 심을 제거한 외피, 외피를 제거한 심, 및 상기 외피 및 심 전체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 방사선 조사에 의한 목재 종이의 제조방법.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 단계 2에서 조사되는 방사선은 감마선, 전자선, 이온빔, 자외선, 중성자 및 플라즈마로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 방사선 조사에 의한 목재 종이의 제조방법.
   
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서, 상기 표백은 염소계 표백, 과산화물계 표백, 아황산계 표백, 및 형광 표백으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 방사선 조사에 의한 목재 종이의 제조방법.
   
9. 제1항에 있어서, 상기 단계 7의 과정에 접착제를 추가로 첨가하는 것을 특징으로 하는 방사선 조사에 의한 목재 종이의 제조방법.
   
10. 제 9항에 있어서, 상기 접착제는 PVA, CMC, 및 에폭시 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 방사선 조사에 의한 목재 종이의 제조방법.
    
11. 제1항 내지 제 5항 및 제 8항 내지 제10항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 목재 종이.
    
12. 제11항에 있어서, 상기 목재 종이는 필터, 복합재, 충진재, 부직포, 종이 일회용품, 식품 포장지, 포장박스, 의료용지 및 위생용품 커버로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 한 제품의 원료로 사용되는 것을 특징으로 하는 목재 종이.
    
13. 목재 칩을 제조하는 단계(단계 1);
    상기 칩에 대하여, 총 조사량 200 내지 400 kGy의 방사선을 조사하는 단계(단계 2);
    상기 방사선이 조사된 칩을 100 내지 140 ℃의 온도에서 15 시간 이내로 물에 의하여 증해하는 단계(단계 3);
    상기 증해된 칩을 두드리거나 또는 짓이기면서 1차 고해(叩解)하는 단계(단계 4);
    상기 1차 고해된 목재 재료를 표백하는 단계(단계 5); 및
    상기 표백된 목재 재료를 멧돌형 분쇄기로 2차 고해하여 목재 펄프를 제조하는 단계(단계 6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 조사에 의한 목재 펄프의 제조방법.
    
14. 삭제

Images