염화팔미토일의 기상 그라프트 반응으로 소수화한 침엽수 펄프 섬유의 활용 방안 연구 = Study on the Utilization of Softwood Pulp Fibers Hydrophobized by Gas Grafting of Palmitoyl Chloride

국문 초록 (Abstract)

종이 기반 포장재는 플라스틱을 대체할 친환경 소재로 주목받고 있으나, 펄프 섬유의 친수성으로 인해 포장재의 내수성 및 내유성 확보에 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 기존의 내첨 사이징 및 기타 발수제 등을 활용한 종이 표면 처리 기술이 적용됐으나, 일반적으로 사용되는 내첨 사이즈제는 강한 내수성을 부여하기 위해 과도한 첨가량이 요구되며, 이에 따라 초지 공정을 오염시킨다는 등의 단점이 있다. 아울러 중성 초지에 주로 사용되는 내첨 사이즈제로서 AKD는 소수성이 발현되기까지의 경화 시간이 소요되고, 시간이 지남에 따라 종이의 소수성이 저하되는 문제점도 보고되었다.
이러한 내첨 사이즈제의 한계를 보완하기 위한 대안으로, 염화팔미토일을 이용한 종이의 기상 그라프트 처리 기술이 제안되었다. 해당 기술은 셀룰로오스 섬유 표면의 수산기(-OH)와 기체 상태의 염화지방산을 반응시켜 에스테르 결합을 형성함으로써, 섬유의 기공 구조를 크게 변화시키지 않으면서 안정적인 소수성을 부여할 수 있다는 장점이 있다. 기상 그라프트 처리는 종이 음료용기나 유흡착재와 같은 기능성 종이 소재 분야에서 일부 적용되고 있으나, 소수화한 종이가 골판지 자원으로 재활용될 때의 문제점이나, 소수화한 펄프 섬유를 활용한 크라프트 포장용지의 기능성 부여 등에 관한 연구가 충분히 이루어지지 못한 실정이다.
이에 본 연구에서는 기상 그라프트 처리로 소수화한 펄프 섬유가 재활용 공정의 이차 점착성 이물질 오염에 미치는 영향과 소수화한 침엽수 표백 크라프트 펄프 섬유의 새로운 활용 방안 등을 검토하였다. 그 결과, 소수화 섬유는 이차 점착성 이물질과의 계면 친화성으로 인해 오히려 오염 물질의 응집을 일정 부분 조장하는 경향을 보였다. 특히 소수화한 종이의 해리 과정에서 발생하는 미세분이 이차 점착성 이물질처럼 공정 내 fabric, felt 등의 초조용구의 오염 증가를 유발할 수 있음을 확인하였다.
한편, 미표백 크라프트 지대용지 제조 공정에 소수화 섬유를 혼입할 때, 종이의 탈수성, 투기성, 지합, 강도 특성에 미치는 영향과 소수화 섬유를 기존의 스페이서처럼 사용할 수 있을지를 살펴보았다. 소수화 섬유를 첨가한 수초지에서는 탈수성 및 투기도가 개선되는 경향이 나타났으나, 첨가량 증가에 따라 지합이 저하되고 섬유 간 결합력이 약화되어 인장강도 및 파열강도의 저하가 확인되었다.
결과적으로 본 연구는 기상 그라프트 처리된 소수성 펄프 섬유가 골판지 자원의 재활용 공정에서 이차 점착성 이물질로 인한 오염에 영향을 주며, 미표백 크라프트 포대용지 제조 시 탈수성 개선을 위한 스페이서로 활용할 수 있으나 기존의 목질계 스페이서보다 강도가 저하된다는 한계가 있음을 확인하였다. 이러한 결과는 기상 그라프트 처리 섬유의 OCC 재활용 공정 혼입 시의 문제점 및 산업용 크라프트 포장지 제조 공정에 대한 적용 가능성과 한계를 제시하였다는 의의가 있으며, 향후 기상 그라프트 처리 소수화 종이자원의 재활용 및 소수화 섬유 기반 기능성 소재 개발 관련 연구를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Paper-based packaging materials have attracted attention as environmentally friendly alternatives to plastics. However, the inherent hydrophilicity of pulp fibers limits their water and oil resistance. To overcome this limitation, internal sizing agents and other water-repellent surface treatment technologies have been applied. Nevertheless, conventional internal sizing agents generally require excessive addition levels to impart strong water resistance, leading to contamination of the papermaking process. Furthermore, AKD (alkyl ketene dimer), commonly used as an internal sizing agent in neutral papermaking, requires a curing time for hydrophobicity to develop, and the hydrophobic effect of the paper has been reported to deteriorate over time.
As an alternative approach to address these limitations of internal sizing agents, gas grafting process using palmitoyl chloride has been proposed. This technique forms ester bonds by reacting gaseous fatty acid chlorides with hydroxyl groups (-OH) on the cellulose fiber surface, enabling stable hydrophobic modification without significantly altering the pore structure of the fibers. Although gas grafting process has been partially applied in functional paper materials such as paper beverage containers and oil absorbent materials, research on the problems that may arise when hydrophobized paper is recycled as corrugated cardboard resources, or on imparting functionality to kraft packaging paper using hydrophobized pulp fibers, remains insufficient.
In this study, the effects of hydrophobized pulp fibers produced by gas grafting process on secondary micro stickies contamination in recycling processes and new application pathways for hydrophobized softwood bleached kraft pulp fibers were investigated. The results showed that hydrophobized fibers tended to promote the agglomeration of contaminants to some extent due to their interfacial affinity with secondary micro stickies. In particular, it was confirmed that fines generated during the disintegration of hydrophobized paper could increase contamination of papermaking equipment such as fabrics and felts, similar to secondary micro stickies.
Meanwhile, when hydrophobized fibers were incorporated into the manufacturing process of unbleached kraft sack paper, their effects on drainage, air permeability, formation, and strength properties, as well as whether hydrophobized fibers could be used as conventional spacers, were examined. Handsheets with added hydrophobized fibers showed improved drainage and air permeability; however, as the addition level increased, formation deteriorated and interfiber bonding weakened, resulting in reductions in tensile strength and burst strength.
In conclusion, this study confirms that gas grafted hydrophobic pulp fibers affect contamination caused by secondary micro stickies in corrugated cardboard recycling processes, and can be utilized as spacers to improve drainage in unbleached kraft sack paper production, albeit with the limitation of greater strength reduction compared to conventional wood-based spacers. These findings are significant in that they present both the problems that arise when gas grafted fibers are introduced into OCC recycling processes and the applicability and limitations for industrial kraft packaging paper manufacturing processes. It is expected that these results can serve as foundational data for future research on the recycling of gas grafted hydrophobized paper resources and the development of functional materials based on hydrophobized fibers.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 총괄 서론 1
• Ⅱ. 연구사 3
• 1. 염화지방산의 기상 그라프트 반응 3
• 2. 골판지 자원 5
• 3. 점착성 이물질 7
• 4. 스페이서 9
• Ⅲ. 염화팔미토일로 기상 그라프트 처리한 소수성 섬유가 재활용 원료와 혼합되었을 때 이차 점착성 이물질 오염에 미치는 영향 11
• 1. 서 론 11
• 2. 재료 및 방법 13
• 1) 공시재료 13
• (1) 원료 13
• (2) 원지 14
• (3) 시약 14
• 2) 실험방법 14
• (1) 원지 제조 14
• (2) Pilot-scale 기상 그라프트 소수화 처리 16
• (3) 저농도 해리 17
• (4) 지료 혼합 17
• ① 원료 분석 17
• ② 소수성 섬유의 혼합 위치를 달리한 이차 점착성 이물질 분석 18
• ③ 미세분 제거 섬유 원료 분석 18
• ④ 미세분 제거 섬유를 혼합한 KOCC 지료의 이차 점착성 이물질 분석 19
• (5) 이차 점착성 이물질 함량 분석 20
• ① Pitch deposit test 20
• ② 이미지 분석 22
• 3. 결과 및 고찰 23
• 1) 원료 분석 23
• 2) 소수성 섬유 지료 혼합 위치를 달리한 이차 점착성 이물질 분석 25
• 3) 미세분 제거 섬유 원료 분석 28
• 4) 미세분 제거 섬유를 혼합한 KOCC 지료의 이차 점착성 이물질 분석 31
• 4. 결 론 34
• Ⅳ. 미표백 크라프트 지대의 투기도 개선을 위한 목질계 스페이서와 소수화 섬유의 비교 36
• 1. 서 론 36
• 2. 재료 및 방법 38
• 1) 공시재료 38
• (1) 원료 38
• (2) 시약 39
• 2) 실험방법 39
• (1) 원지 제조 39
• (2) Pilot-scale 기상 그라프트 소수화 처리 39
• (3) 고해 39
• (4) 저농도 해리 40
• (5) 지료 혼합 40
• (6) 수초지 제조 40
• (7) 수초지 물성 분석 42
• 3. 결과 및 고찰 43
• 1) 초지 시 습지필의 탈수 특성 비교 43
• 2) 스페이서 첨가에 따른 수초지의 투기도 비교 47
• 3) 두께(Thickness), 겉보기 밀도(Apparent density), 벌크(Bulk) 50
• 4) 지합(Formation) 53
• 5) 인장 강도(Tensile strength), 파열 강도(Burst strength) 56
• 6) 거칠기(Bendtsen roughness), 마찰 계수(Friction coefficient) 59
• 4. 결 론 63
• Ⅴ. 총괄 결론 65
• Ⅵ. 참고 문헌 67
• Abstract 75