작품번호

2711

제49회 전국과학전람회

갈만(葛蔓) 크라프트 펄프의

개발과 응용에 관한 연구

출품분야 교원부 출품부문 산업 및 에너지

2003. 8.

시․도 학 교(소 속)

직 위 성 명

충청북도 부강공업고등학교 교 사 신윤호

충청북도 부강공업고등학교 교 사 하관수

- i -

목 차

Ⅰ. 연구동기 및 목적 ·············································································································1

Ⅱ. 이론적 고찰 ························································································································3

1. 갈만 ·········································································································································3

2. 펄프의 원료 ···························································································································3

가. 펄프원료의 조성분 ·········································································································3

1) 셀룰로오스 ·····················································································································4

2) 헤미셀룰로오스 ·············································································································4

3) 리그닌 ·····························································································································4

3. 펄프의 제조 ···························································································································5

가. 조목 공정 ·························································································································5

나. 화학펄프 ···························································································································6

1) 크라프트 펄프(KP) ······································································································6

2) 소다 펄프(AP) ··············································································································6

4. 펄프의 표백 처리 ·················································································································7

Ⅲ. 연구방법 ······························································································································8

1. 연구기간 ·································································································································8

2. 연구장소 ·································································································································8

3. 재료 및 방법 ·························································································································8

가. 공시재료 ···························································································································8

나. 실험방법 ···························································································································9

1) 함수율 측정 ···················································································································9

2) Kraft 및 Alkali 증해 약액의 제조 ··········································································9

3) 증해 약액 주입 ···········································································································10

4) 증해(Cooking) ·············································································································11

5) 수율 측정 및 해섬 ·····································································································11

다. 종이의 제조 ···················································································································12

1) 고해 ·······························································································································12

2) 표백 ·······························································································································14

3) 수초지 제조 ·················································································································14

라. 종이의 물성 측정 ·········································································································14

1) 수초지의 조습처리 ·····································································································14

2) 시험용 시편 제작 ·······································································································14

3) 종이의 물리적 성질 측정 ·························································································16

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가) 평량 ·························································································································16

나) 두께와 밀도 ···········································································································16

다) 지합 ·························································································································16

4) 종이의 광학적 성질 측정 ·························································································16

가) 불투명도 ·················································································································16

나) 백색도 ·····················································································································17

5) 종이의 강도적 성질 측정 ·························································································17

가) 인장강도 ·················································································································17

나) 파열강도 ·················································································································17

다) 인열강도 ·················································································································17

라) zero-span strength ·····························································································17

Ⅳ. 연구결과 및 고찰 ···········································································································18

1. 펄프화 특성 ·························································································································18

가. 생장년수에 따른 펄프화 특성 ···················································································18

1) 1년생 갈만의 펄프화 ·································································································18

2) 2년생이상 갈만의 펄프화 ·························································································18

나. 고해 특성 ·······················································································································19

다. 표백 ·································································································································21

2. 종이의 특성 분석 ·············································································································22

가. 물리적 특성 ···················································································································22

나. 광학적 특성 ···················································································································25

다. 강도적 특성 ···················································································································26

Ⅴ. 결론 ····································································································································30

Ⅵ. 전망 및 활용성 ················································································································31

참 고 문 헌 ·····························································································································32

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Ⅰ. 연구동기 및 목적

인류 문명의 발달과 함께 정보화 사회가 도래함에 따라 정보전달의 매개체 및 산

업의 기초 원료로서 펄프 및 지류의 소비량은 해마다 증가되고 있다.

그러나 각종 펄프 및 지류의 원료가 되는 목재는 인구 증가에 따른 건축 및 가구

자재의 소요량 증가, 경작지의 증대에 따른 산림의 감소, 단기 생산의 불가능 및 자

연보호 등에 의하여 수요 공급의 불균형을 초래하게 되었으며, 특히 펄프 원자재의

수출국에서는 자국의 자원을 보호하고 산업육성 등의 이유로 원자재의 가격이 상승

하게 되었다.

최근에는 전 세계적인 자원의 부족 현상과 지구 환경보존 문제는 고품질의 목재

자원만을 고집할 수 없는 상황에 접하게 됨에 따라 단기 재배가 가능한 농업부산물

즉, 곡물짚 및 사탕수수 등과 대나무, 양마 등 미이용 및 저이용 상태에 있는 모든

비목재 섬유원을 펄프의 원자재로 활용하는 방안을 검토하게 되었고, 또한 수율을

극대화시킬 수 있는 방법의 연구가 진행되고 있다.

국민의 생활수준의 향상으로 인한 종이 소비가 증가일로에 있는 우리나라로서는

국내 부존 산림자원이 빈약하여 펄프원자재의 자급이 매우 어려운 상태에 있으며,

이들 원료의 수입이 불가피한 현 실정에서, 목재 이외의 섬유자원을 개발, 이용해서

부족한 펄프원료를 보충, 확보해야 한다. 나아가서 세계의 원료수요의 사정은 목재

보다는 비목재 쪽의 신장이 훨씬 우위를 차지하고 있으며, 지구 환경적 측면에서

생각한다면 이러한 경향은 한층 심화될 것으로 생각된다.

우리나라의 비목질계 자원으로서 대마, 아마, 황마, 양마 등의 마류와 산닥나무,

삼지닥나무 등의 인피 섬유자원류, 대나무를 비롯한 갈대, 조릿대, 싸리류, 뽕나무

등의 목본계 섬유자원류 및 볏짚, 보리짚, 밀짚 등의 짚류 자원 등 많은 비목질계

섬유 자원을 풍부히 가지고 있으나, 오늘날까지 이들에 대한 자원의 량, 분포, 재배

방법 및 개발에 관련된 종합적인 연구는 전혀 되어 있지 않아서 귀중한 자원으로서

전반적인 평가조차 제대로 하지 못하고 있다.

그러므로 비목재 자원을 그간의 진보된 펄프 제조기술을 적용하여 새로운 제지용

원료로서 개발함은 모자라는 목질계 펄프 원자재의 대체는 물론, 환경보존과 국내

부존자원의 이용극대화라는 측면에서 효과를 기대할 수 있어 그 개발 의의가 자못

크다고 하겠다.

본 연구는 펄프원자재의 다변화에 부응코저 국내의 어느 곳에나 자생하여 대량

생산되는 한국산 갈만을 이용하여 산림보호도 되고 부가가치가 높은 공산품을 개발

함으로써 농산촌의 새로운 소득원 개발과 수입대체 효과를 가져올 것으로 생각된

다.

특히 갈만의 줄기 전체를 그간의 발달된 펄프 제조 기술을 이용 새로운 종이 제조

용 원료로서 목재 섬유를 대신할 새로운 대용섬유자원으로 개발코자 한다.

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★ 선행연구와의 비교

선행연구1. 갈피를 이용한 특수지 제작에 관한 연구( 제 38회 과학전람회 )

선행연구2. 옥수숫대를 이용한 펄프 제조에 관한 연구 ( 제 44회 과학전람회 )

위 두 작품은 모두 원료 전체를 이용하지 않고 일부분만을 펄프의 재료로 사용하

였으나 본 연구에서는 줄기 전체를 이용함으로써 제조과정을 단순화하여 에너지

및 비용을 절약하고 수율을 높이는 방향으로 연구를 하였다.

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Ⅱ. 이론적 고찰

1. 갈만(칡, P ueraria thunbergiana Bentham)

분 류 : 쌍떡잎식물 장미목 콩과의 덩굴식물

서식장소 : 산기슭의 양지

갈만은 산기슭의 양지에서 자란다. 줄기는 길게 뻗어가면서 다른 물체를 감아

올라가고 갈색 또는 흰색의 털이 있다. 잎은 어긋나고 잎자루가 길며 세 장의 작은

잎이 나온다. 잎 뒷면은 흰색을 띠고, 턱잎은 길이 15～20mm의 바소꼴이다.

꽃은 8월에 붉은빛이 도는 자주색으로 피고 잎겨드랑이에 길이 10～25cm의 총

상꽃차례를 이루며 많은 수가 달리며, 화관은 나비 모양이다.

열매는 협과이고 길이 4～9cm의 넓은 줄 모양이며 굵은 털이 있고 9～10월에

익는다. 한방에서는 뿌리를 갈근(葛根)이라는 약재로 쓰는데, 발한․해열 등의 효과

가 있다. 뿌리의 녹말은 갈분(葛粉)이라 하며 식용하고, 줄기를 말린 것을 갈만(葛

蔓)이라 하며 줄기의 껍질은 갈포(葛布)의 원료로 쓰며, 뿌리를 삶은 물은 음료로

이용한다.

2. 펄프의 원료

가. 펄프원료의 조성분

펄프의 원료는 대부분이 목재이며, 종래에는 침엽수에서 얻어 왔지만 요즈음에는

자원의 문제도 있어 활엽수도 많이 쓰고 있다. 과거 우리 나라에서는 볏짚, 보리짚

등의 초본류로부터 펄프를 제조하기도 했다. 이들 원료의 일반적인 조성은 <표 1>

과 같다.

<표 1> 펄프원료의 조성

종류 셀룰로오스(%) 리그닌(%) 헤미셀룰로오스(%) 수지(%) 회분(%)

침엽수

활엽수

50～55

50～55

25～30

20～25

15～20

20～25

5

2

0.5

0.5

초본류 35 25 25 3 10.0

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1) 셀룰로오스

셀룰로오스는 천연에 존재하는 유기화합물중 가장 많은 양으로 존재하며 천연섬

유로서 식물세포벽을 이루는 주성분이다. 이는 상온에서 물, 묽은 산 및 알칼리에

불용이며 p-D-glucoside 결합을 하고 있는 고분자 물질이다. 목재 셀룰로오스의 경

우 결정화도는 50～65%이며 중합도는 3,000～6,000이다.

목재 셀룰로오스를 화학적으로 이용하기위해 증해, 표백, 정제 등의 과정을 걸쳐

종이를 제조하거나 목재를 가수분해시켜서 목재당(wood sugar)으로 이용하기도한

다. 장차 화석연료의 고갈로 말미암아 재생산 가능한 이 셀룰로오스에 관한 용도가

매우 중요시되어 최근 셀룰로오스의 이용에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

[그림 1] 셀룰로오스의 구조식(Haworth 식)

GNR : 비환원성 말단기, GR : 환원성 말단기

2) 헤미셀룰로오스

헤미셀룰로오스는 목재세포벽을 구성하며 냉수에 추출되지 않고 묽은 알칼리에

의하여 쉽게 추출되며, 뜨겁고 묽은 무기산에 비교적 쉽게 가수분해되어 추출되는

다당류를 말한다.

3) 리그닌

리그닌은 대부분의 식물의 세포사이의 중간층을 이루며, 식물의 조직을 강하고

튼튼하게 하는 역할을 하는 성분이다. 리그닌은 서로 교착되어 분해되기 곤란할 정

도로 강한 결합을 이루고 있으며 화학적으로 phenylpropane(C6～C3)의 단위가 탄소

-탄소결합 또는 ether 결합으로 축합된 매우 복잡한 페놀성 물질로서 메톡실기

(methoxyl group)를 거의 함유하고 있는 천연의 고분자물질이라고 할 수 있다. 리

그닌은 펄프의 품질을 떨어뜨리며, 리그닌의 함량이 많은 펼프의 경우 섬유끼리의

결합이 약하여 강도가 약한 종이가 된다.

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3. 펄프의 제조

펄프란 식물원료의 조직을 파괴 및 용해하여 섬유를 분리하여 모은 것이다. 식물

조직에서 섬유를 분리하기 위하여 물리적, 화학적 처리를 하는 것을 펄프화라 한다.

펄프화법은 물리적 처리에 의해 제조되는 기계펄프화법, 화학적처리에 의해 제조되

는 화학펄프화법, 물리 및 화학적 처리를 병행하는 반화학 펄프화법으로 구분된다.

<표 2> 주요 펄프화 공정

구분 공정이름 사용된 목재 목재의 형태 수율(%)

기계

쇄목 펄프

리파이너 쇄목 펄프

열기계 펄프

주로 침엽수

주로 침엽수

침엽수

통나무

칩

칩

90～95

90～95

90

화학기계화학 쇄목 펄프

냉소다 펄프

활엽수

활엽수

통나무

칩

85～90

85～90

반화학중성 아황산 반화학 펄프

고수율 아황산 펄프

활엽수

주로 활엽수

주로 활엽수

칩

칩

칩

65～80

55～75

55～70

화학

크라프트 펄프

아황산 펄프

소다 펄프

침.활엽수

침.활엽수

활엽수

칩

칩

칩

45～55

45～55

45～55

국내 각 펄프화법별 펄프생산 중 기계펄프는 쇄목펄프와 열기계펄프가 생산되며,

화학펄프는 크라프트 펄프가 생산되고 있다.

펄프 총 생산량은 매년 증가하는 추세이며, 쇄목펄프는 매년 생산량이 감소되고

있고, 이에 열기계펄프는 1990년부터 생산하여 현재 약 7만톤을 생산하고 있다. 화

학펄프는 1970년대 약 5천톤이던 것이 매년 증가하여 1990년부터 약 16만톤을 생산

하고 있다. 그러나, 기계펄프, 화학펄프의 국내 자급률은 약 20%로서 80% 정도를

수입펄프에 의존하고 있다.

가. 조목 공정

조목 공정이란, 공장에서 들여온 펄프 용재를 펄프화 공정이 쉽게 되도록 원목을

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가공하는 작업을 말한다.

화학 펄프용 칩은 약품의 침투가 잘 되도록 일정한 크기로 절단하는데, 그 길이

는 12～25mm, 두께는 2～5mm의 크기로 만들고, 또한 칩 제조기를 치퍼라 하며 원

판형 치퍼가 널리 쓰이고 있다.

나. 화학펄프

화학펄프는 증해 약품을 사용하여 고온, 고압에서 제조되므로 목재조직 중의 리

그닌이 용출되어 섬유소를 얻게 된다. 그러므로 세포간 층의 리그닌이 용출되기 때

문에 섬유상의 형태로 분리되어 섬유는 손상을 입지 않아 섬유장의 길이는 길고,

리그린 함량이 낮다. 한편, 인쇄성은 불량하나 표백성이 양호한 특성을 가지고 있으

며 인쇄용지의 원료로 사용된다. 화학 펄프 중에서 본 연구에 사용된 크라프트 펄

프 및 소다펄프에 대한 내용은 다음과 같다.

1) 크라프트 펄프(KP)

1870년과 1871년 NaOH 와 Na2S을 사용하여 목재의 리그닌을 용출시키는 방법이

다. 물론 1860년대 초부터 볏짚 소다 펄핑으로부터 증해 약품 회수시 손실된 약품

으로 회수로에 Na2CO3 대신에 NaSO4를 첨가함에 의해 보충된다는 것을 발견하였

다. 이렇게 첨가된 황산염(sulfate)은 Na2SO3 회수시스템에서 황화물(sulfide)로 환원

된다. 즉 이러한 발견으로 인해 알칼리 펄프화법에서 Na2S의 회수가 가능하게 되었

다.

크라프트(kraft)는 스웨덴어로 강함(strength)을 의미한다. 이 방법에 의해 생성된

펄프를 크라프트 펄프(kraft pulp) 또는 황산염 펄프(sulfate pulp)라고 하며, 이 펄

프로 만든 종이를 크라프트지(kraft paper)라고 한다.

크라프트펄프화법이 다른 증해방법보다 급속도로 발전하게 된 이유는 ① 약품 회

수과정이 효과적이고 경제적이며, ② 수종에 제한을 받지 않으며, ③ 강도가 높은

종이와 판지를 생산할 수 있고, ④ ClO2적용으로 높은 백색도를 얻을 수 있고, ⑤

용해용 펄프 생산에도 적당하기 때문이다. 이러한 이유로 해서 90년대 초 세계 화

학펄프 생산량의 80%이상이 크라프트 방법에 의해 생산되고 있다.

크라프트펄프는 강도가 강하여 포장용지에 사용되며, 표백펄프는 인쇄용지에 사

용되고 있다.

2) 소다 펄프(AP)

수산화나트륨 용액으로 칩을 고온, 고압하에서 증해하여 만든 펄프를 소다 펄프

라 한다. 현재, 목재 펄프의 제조에는 별로 적용되지 않고, 다만 볏짚을 원료로 한

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화학 펄프의 제조에 적용되는 방법인데 볏집 펄프는 사용목적에 따라 다르나, 알칼

리 사용량은 원료에 대하여 12%, 증해시간은 5시간, 증해온도는 160℃로 처리하고

있다.

4. 펄프의 표백 처리

표백이란, 기계적 및 화학적 처리 과정에서 착색된 불순물 및 변질된 리그닌을

제거하여 백색도가 높은 펄프를 얻는 공정이다. 용해성 펄프 및 고급 인쇄용 펄프

에는 반드시 표백 펄프를 사용해야 한다. 그런데 표백 처리 중에 펄프의 수율과 강

도가 떨어지고, 표백공정은 수질을 오염시키므로 공해의 원인이 되고 있다. 표백방

식에는 일시적인 표백과 영구적인 표백이 있으며, 표백약품에는 염소화합물, 산화제

및 환원제 등이 있다.

화학 펄프로서는 백상지 및 용해용 펄프에는 반드시 표백을 실시하며, 그 방식에

는 표백제의 절약, 펄프의 강도 향상, 펄프의 퇴색 방지가 가능한 다단 표백 방법을

주로 사용한다.

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Ⅲ. 연구방법

1. 연구기간

2002년 9월～2003년 8월

2. 연구장소

부강공고 제조화학실험실, 충북대학교 임산공학과 펄프․제지실험실,

대덕연구단지 한국 화학연구원

3. 재료 및 방법

가. 공시재료

본 연구에서 사용된 실험재료는 충북 청원군 부용면 소재 인근 야산에 서식하는

갈만을 일년생과 2년생 이상으로 구분하여 5m 이상 충분히 성장한 것만을 택하여

잎을 제거하고 그늘에서 1개월간 충분히 건조시킨 후, 약 3cm 길이로 절단하여 재

료로 사용하였다.

[그림 2] 펄프화에 사용된 갈만

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나. 실험방법

1) 함수율 측정

시료 2g을 칭량병에 넣어 105℃±3℃ 건조기 16시간 건조한후 데시케이터에서 냉

각하여 무게를 측정하여 다음과 같이 구하였다.

함수율(%)= 건조전시료무게(g)-건조후시료무게(g)건조전시료무게(g) ×100

2) Kraft 및 Alkali 증해 약액의 제조

시료 300g에 대하여 활성 알칼리 농도 20%, 황화도 25%, 액비 1:6의 증해 약액

을 제조하였다.

① 시료 채취

② 자연 건조 후 3cm로 절단

③ 시료의 함수율 측정

④ Kraft pulp, Alkali pulp 증해 약액 제조

⑤ 수율용 5g, 펄프제조용 295g을 감압 처리

⑥ 증해액 주입, 1시간 유지

⑦ 증해(90분동안 170℃로 승온후 1시간동안 유지)

⑧해리(해섬)

⑨세척 및 정선

미표백 pulp ⑩표백

표백 pulp

[그림 3] 펄프화 과정

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① 펄프 해리

② 고해

③ 여수도 측정

④ 수초지 제조

⑤ 조습처리(20±2℃, 습도 65±5%) 24시간

⑥ 종이의 물성 측정(평량, 두께, 밀도, 지합)

⑦ 종이의 광학적 성질 측정(불투명도, 백색도)

⑧ 종이의 강도적 성질 측정

(인장강도, 파열강도, 인열강도, zero-span strength, )

[그림 4] 종이의 제조․시험 과정

3) 증해 약액 주입

수율용 5g을 달아 수율용 철망안에 넣고 나머지 시료 295g과 함께 감압 데시케

이터 안에서 1시간 감압한 후 [그림 5]과 같이 증해 약액을 넣은 후 1시간 동안 유

지시킨다.

이와 같이 하는 이유는 갈만에 약액이 깊숙이 칩투하여 균일한 반응이 일어나도

록 하기 위함이다.

[그림 5] 감압장치 [그림 6] 증해장치

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4) 증해(Cooking)

[그림 6]과 같은 가스 가열식 실험용 증해부(Pressure 0～35kg/cm3, Temp 0～20

0℃, Capacity 4ℓ)에 투입한 다음, [그림 7]과 같은 10분 간격으로 온도를 조절하면

서 90분간 170℃까지 승온한 후 1시간 동안 유지하면서 증해하였다.

5) 수율 측정 및 해섬

증해한 시료[그림 8]는 세척 후 해리기를 이용하여 8000번 해리시킨 후[그림 9]

갈만의 미해리 섬유(Reject)을 제거한 다음 정선하였다.[그림 10]

수율 측정은 수율용 시료를 해리 및 세척한 후 부흐너 여과기를 사용하여 여과하

고[그림 11] 충분히 세척한 후 105℃의 항온건조기에 8시간 건조 후 다음 식에 의

거 펄프의 수율을 구하였다.

펼프수율(%)= 증해후건조중량증해전건조중량 ×100

증해온도 및 시간 관계

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

시간

온도

[그림 7] 증해 시간과 온도 조건

- 12 -

[그림 8] 펄프화된 시료 [그림 9] 해리기

[그림 10] 세척 [그림 11] 여과

다. 종이의 제조

1) 고해

제지용 펄프의 물리적 실험을 실시하기 위해서는 습윤상태의 펄프에 기계적 처리

를 가하여 펄프섬유를 물로 충분히 팽윤, 피브릴화시키거나 섬유의 절단을 일으켜

강도가 강하고 지합이 좋은 종이를 만들어야 한다. 이와 같은 기계처리를 고해

(Beating)라 하는데 "종이는 beater에 의해 만들어 진다"라고 할 정도로 제지공정

중에서 매우 중요한 공정이다.

고해하기 전 먼저 초기 여수도(C.S.F)를 측정한 후 제조된 펄프를 Tappi T 200

sp-96 방법[그림 14][그림 15]에 의거 홀랜드 비터를 사용하여 고해하였다.

초기 여수도를 구한 다음 시간을 측정해가면서 고해작업을 하여 원하는 여수도에

서 초지용 재료를 처리하였다.

- 13 -

[그림 12] 고해

[그림 13] 고해의 효과

고해작용으로 펄프섬유에는 팽윤, 피브릴화, 단섬유화 및 미세섬유의 생성 등이

일어난다. 이와 같이 고해작용의 효과를 평가하기 위한 많은 방법이 제안되어 왔으

나, 그 가운데 가장 일반적으로 사용되고 있는 방법이 여수도를 측정하는 방법이다.

여기서는 Tappi T 227 om-99방법으로 캐나다 표준법 여수도(Cannadian

Standard Freeness)를 사용하여 측정하였다.

[그림 14] 캐나다 표준 여수도 측정기 [그림 15] 여수도 측정방법

- 14 -

2) 표백

제조된 크라프트 펄프 및 알칼리 펄프를 차아염소산 나트륨 수용액에 시료( KP

370, AP 360C.S.F )를 사용하여 원료에 대해 유효염소 8%로 40℃의 항온조에 4시

간동안 침지하여 표백 후 세척하여 펄프의 표백 수율을 다음 식으로 구하였다.

표백수율(%)= 표백펄프의량(g)미표백펄프의량(g) ×100

3) 수초지 제조

Tappi T 205 sp-95의 방법으로 평량 60g/m2 일 때 종이 한 장의 무게를 1.2g으

로 하여 수초지를 뜬 후 [그림 18] couch roll로 수분을 흡수하고[그림 19], 340kpa

의 압력을 가한 후[그림 20] 건조링에 끼운 체 건조시킨다.[그림 21]

라. 종이의 물성 측정

1) 수초지의 조습처리

종이는 흡습성재료로서 습도의 변화에 따라 그 성질이 예민하게 변화한다. 따라

서 종이의 시험은 표준조건을 설정하여, 그 조건에서 시료를 조습한 다음 재단하여

공시할 필요가 있다. 여기서는 Tappi T 402 sp 98에 의해 표준조건은 20±2℃, 습

도 65±5%에서 24시간 조습처리 하였다.

2) 시험용 시편 제작

조습된 시료를 Tappi T 220 sp-96 방법으로 시료재단기를 이용 소정의 치수로

시험편을 재단하였다.

- 15 -

[그림 16] 초지용 시료 준비 [그림 17] 수초지기

[그림 18] 수초지 제조 [그림 19] couch roll로 탈수

[그림 20] 프레스 [그림 21] 건조링을 이용한 건조

- 16 -

[그림 22] 표준 수초지의 강도시험용 시편 재단방법

3) 종이의 물리적 성질 측정

가) 평량

종이의 기본량은 단위 면적당 질량으로 표시되며 1m2당 g수를 평량이라 한다.

Tappi T 410 om-98방법에 의해 수초지 시트 1매의 면적은 200cm2이고 결과는 유

효숫자 3자리로 나타냈다.

나) 두께와 밀도

종이의 밀도는 전건평량과 두께로부터 산출된 단위용적당 질량으로 정의된다.

Tappi T 411 om-97 방법에 의해 밀도는 g/cm3으로 3자리로 표시하였다.

다) 지합

펄프 및 기타 고형 첨가물들이 종이내에 분포되는 정도, 즉 균일성을 나타내는

수단으로서 종이의 외관, 물리적, 강도적 성질 및 가공적성에 영향을 미치기 때문에

매우 중요한 성질의 하나이다. 제조된 종이의 지압을 지합측정기를 사용하여 분석

하였다.

4) 종이의 광학적 성질 측정

가) 불투명도

Tappi T 425 om-96의해 Hunter 반사율계를 사용하여 측정하였다.

- 17 -

Tappi 불투명도 = R0 / R0.89 × 100

나) 백색도

Tappi T 452 om-98에 의해 측정하였다.

5) 종이의 강도적 성질 측정

가) 인장강도

일반적인 재료의 인장강도는 단위면적당의 파괴하중(N/m2)으로 정의되는데, 종이

의 경우 단위 폭당의 파괴하중(kN/m)으로 표시되는 경우가 많으며 Tappi T 494

om-96에 의해 수초지의 인장강도는 평량에 거의 비례한다고 생각하면 인장강도를

전건평량으로 나눈값이 인장지수(kN․m/kg)를 구하여 열단장(km)으로 표시하였다.

인장지수(kN․m/kg)= 파괴중량(N)시험편의폭 ×전건평량×1000열단장(km)= 인장계수(N․m/g)÷9.81(m/s2)

나) 파열강도

Tappi T 403 om-97에 의해 측정하여 다음과 같이 구하였다.

파열지수(kPa․m2/g)= 파열강도(kPa)/전건평량(g/m2)

다) 인열강도

인열강도는 종이의 인열에 대한 저항성을 나타내는 척도로서 Tappi T 414

om-98에 의해 다음과 같이 인열지수를 계산하였다.

인열지수 (mN․m 2/g)=인열강도(mN)전건평량(g/m 2)

라) zero-span strength

zero-span strength 측정기를 사용하여 구하였다.

- 18 -

Ⅳ. 연구결과 및 고찰

1. 펄프화 특성

갈만의 펄프화는 <표 3>에 나타낸 조건에서 실시하였다.

<표 3> 증해 실험 조건

항목 kraft pulping 실험조건 Alkali pulping 실험조건

Active Alkali 20% 62.43g 82.25g

황화도(25%) 17.31g

액비( 펄프 : 수용액 ) 1 : 6 1 : 6

증해 온도 170℃ 170℃

증해 시간 1 hr 1 hr

가. 생장년수에 따른 펄프화 특성

1) 1년생 갈만의 펄프화

1년생 갈만을 이용하여 크라프트 펄프화법 및 알칼리 펄프화법으로 펄프를 제조

하기 위하여 증해 하였으나 예상과는 달리 펄프화가 불량하여 섬유의 해섬이 곤란

하고 상당량의 리젝트가 발생하였다.[그림 25] 이는 약액이 리그닌 제거에 사용되어

야 하나 펙틴, 타닌, 헤미셀룰로오스등 추출물질의 용해에 사용되어 약액의 소모가

증가하였을 뿐만 아니라 용해된 페놀성 물질의 재축합 진행되어 불완전한 증해가

일어난 것으로 판단된다. 따라서 1년생 갈만은 화학펄프의 재료로 적합지 않은 것

으로 나타났다.

2) 2년생이상 갈만의 펄프화

2년생이상의 갈만을 이용하여 증해한 결과, 1년생 줄기의 펄프화와는 달리 알칼

리 및 크라프트 펄프화법 모두 펄프화가 양호하였다.[그림 25] 펄프의 수율은 [그

림 23]에 나타난것과 같이 크라프트 펄프화법이 36.60%, 알칼리 펄프화법이 35.48%

로서 크라프트 펄프법이 수율면에서 유리한 것으로 나타났다.

또 다른 비목재 원료 펄프수율과 비교할 때 짚펄프의 수율 45～46%보다는 낮은

수준이었으나 옥수수대 23～26%보다는 상당히 높아서 펄프원료로서의 이용 가능성

을 확인하였다.

- 19 -

0

10

20

30

40

kraft-pulping alkali-pulping

Pulping method

Yie

ld(%

)

[그림 23] 펄프화법별 수율

나. 고해 특성

각 펄프의 초기 여수도는 크라프트 펄프화법이 710㎖ C.S.F, 알칼리 펄프화법이

580㎖ C.S.F로서 알칼리 펄프화법이 크라프트 펄프화법에 비해 펄프화가 양호한 것

으로 나타났으며, 크라프트 펄프화법의 섬유가 다소 거친 경향을 나타내었다.

intial-freeness

0

300

600

900

1200

kraft-pulping alkali-pulping

Pulping method

freness(m

l)

[그림 24] 펄프화법에 따른 초기 여수도

[그림 26]는 고해시간과 여수도와의 관계를 나타낸 것이다. 크라프트 펄프화법

(KP)펄프는 고해도 370㎖ C.S.F에 도달하는 시간이 16.5분 소요된 것에 비해 알칼

리 펄프화법(AP) 펄프는 동일한 여수도에 도달하는 시간이 10.5분으로 크라프트 펄

프화법(KP) 펄프에 비해 고해속도가 1/3정도 빠른 것으로 나타났다. 따라서 고해

동력의 소모에 있어서 알카리 펄프화법(AP)이 크라프트 펄프화법(KP)보다 유리한

것으로 판단된다. 이것은 알칼리 펄프화법(AP)이 크라프트 펄프화법(KP)에 비해

- 20 -

bulk하고 유연한 섬유 특성을 갖기 때문이라 생각된다.

1년생 크라프트 펄프(KP) 1년생 알칼리 펄프(AP)

2년생이상 미고해 크라프트펄프 2년생이상 미고해 알칼리펄프

2년생이상 크라프트펄프(370㎖C.S.F) 2년생이상 알칼리펄프(360㎖C.S.F)

표백 크라프트펄프 표백 알칼리펄프

[그림 25] 각 조건별 펄프 형태

- 21 -

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

kraft-pulping alkali-pulping

Pulping method

Fin

al re

finin

g t

ime(s

ec)

[그림 26] 펄프화법에 따른 최종여수도- 시간

다. 표백

미표백 크라프트 펄프(370㎖ C.S.F) 및 미표백 알칼리 펄프(360㎖ C.S.F)를 차아

염소산 나트륨 수용액을 이용하여 1단 표백을 실시한 결과, 표백수율은 크라프트

펄프(KP)가 68.90%로 65.65%의 알칼리 펄프(AP)보다 높게 나타났다. 따라서 크라

프트 펄프(KP)가 알칼리 펄프(AP)보다 펄프표백에서 유리한 것으로 판단된다.

크라프트(KP) 및 알칼리(AP)의 표백수율이 일반 펄프의 표백수율보다 낮게 나타

난 것은 펄프의 표백에 고해된 펄프를 이용했기 때문에 표백수율이 감소를 가져왔

다고 생각된다.

크라프트 펄프화법(KP)이 알칼리 펄프화법(AP)보다 표백 수율면에서 유리한 것

으로 나타났다.

0

10

20

30

40

50

60

70

kraft-pulping alkali-pulping

Pulping method

Ble

achin

g y

ield

(%)

[그림 27] 펄프화법에 따른 표백 수율

- 22 -

2. 종이의 특성 분석

크라프트 펄프화법( 600㎖ C.S.F) 알칼리 펄프화법( 580㎖ C.S.F)

크라프트 펄프화법( 370㎖ C.S.F) 알칼리 펄프화법( 360㎖ C.S.F)

크라프트 펄프화법( 370㎖ C.S.F) 알칼리 펄프화법( 360㎖ C.S.F)

[그림 28] 여수도별 미표백․표백 수초지

가. 물리적 특성

각각의 펄프화법으로 제조한 펄프로 수초지를 제조하고[그림 28] 이들의 물리적

특성을 측정한 결과는 <표 4>에 나타내었다.

각각의 펄프로 초지한 종이의 평량[그림 29]은 거의 동일한 수준을 나타냈다.

밀도는 섬유간 결합량의 영향이 가장 크며 섬유간 결합은 고해의 정도, 섬유의

미세성, 유연성, 헤미셀룰로오스의 함량, wet pressing의 정도와 관련이 된다.

- 23 -

<표 4> 종이의 물리적 성질

항목 UKP600 UKP370 UAP580 UAP360 BAP360 BKP370

무게(g) 1.2846 1.2807 1.2878 1.3277 1.2872 1.2780

평량(g/m2) 64.230 64.035 64.390 66.385 64.360 63.900

두께(㎛) 239 196 197 143 109 106

밀도(g/cm3) 0.269 0.327 0.327 0.464 0.590 0.603

지합(L.T) 213.02 181.36 366.85 214.86 51.01 53.45

64.230

64.035

64.390

66.385

63.900

64.360

0.000 10.000 20.000 30.000 40.000 50.000 60.000 70.000

UKP 600

UKP370

UAP 580

UAP360

BKP 370

BAP 360

평량 0. 0

00

10.

000

20.

000

30.

000

40.

000

50.

000

60.

000

70.

000

UKP 600

BAP 360

평 량

[그림 29] 종이의 평량

제조된 종이의 밀도[그림 30]는 표백펄프가 미표백 펄프보다 높게 나타났으며, 이

것은 표백과정에서 펄프중의 리그닌이 제거되어 섬유의 유연성이 증가되고 셀룰로

오스의 순도가 증가되었기 때문이라고 생각된다. 미표백 펄프의 경우 고해도의 증

가에 따라 2가지 펄프 모두 밀도가 증가하는 경향을 나타냈으며 알칼리 펄프(AP)

의 밀도 증가가 크라프트 펄프(KP)보다 높은 것으로 나타났다. 이것은 알칼리 펄프

(AP)가 크라프트 펄프(KP)보다 고해의 영향을 많이 받은 것으로 생각되며 크라프

트 펄프(KP)의 밀도가 낮은 것은 알칼리 펄프(AP)보다 섬유의 유연성이 낮기 때문

이라 여겨진다.

종이의 formation은 지료, 초지기 및 완성지료의 조성 등 많은 인자들의 영향을

받으며 종이의 인쇄, 필기적성에 대단히 중요한 영향을 미치는데 지합은 값이 낮을

수록 종이의 균일도가 양호하여 균일한 섬유결합을 형성하고 있음을 의미한다.

- 24 -

0.269

0.327

0.327

0.464

0.603

0.590

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

UKP 600

UKP370

UAP 580

UAP360

BKP 370

BAP 360

밀도(g/cm3)

[그림 30] 고해도와 밀도와의 관계

213.02

181.36

366.85

214.86

53.45

51.01

0 100 200 300 400

UKP 600

UKP370

UAP 580

UAP360

BKP 370

BAP 360

지합(formation : L.T)

[그림 31] 고해도와 지합과의 관계

종이의 지합[그림 31]은 표백펄프가 미표백 펄프에 비해 월등히 우수한 것으로

나타났으며 이것은 밀도와의 관계에서도 추정할 수 있다. 미표백 펄프의 경우 고해

도가 증가할수록 지합이 향상되는 것으로 나타났다. 밀도에서의 경우와 반대로 알

칼리 펄프(AP)의 지합이 크라프크 펄프(KP)보다 불량한 것으로 나타났고 이것은

알칼리 펄프(AP)의 정선이 불량하여 많은 양의 결속섬유들이 잔존했기 때문이라

생각된다.

- 25 -

나. 광학적 특성

종이의 광학적 성질을 측정한 결과는 <표 5>에 나타내었다.

<표 5> 종이의 광학적 성질

항목 UKP600 UKP370 UAP580 UAP360 BAP360 BKP370

불투명도(%) 99.97 99.85 99.69 99.97 99.98 98.88

백색도(%) 27.37 28.86 25.45 25.36 66.73 67.64

99.97

99.85

99.69

99.97

98.88

99.98

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

UKP 600

UKP370

UAP 580

UAP360

BKP 370

BAP 360

불투명도(%)

[그림 32] 고해도와 불투명도와의 관계

불투명도는 평량, 고해, 습압 정도 등 여러 인자에 영향을 받으며, 일반적으로 불

투명도는 평량이 증가할 수록 증가하고, 고해 및 습압의 정도 및 밀도가 증가하면

감소한다. 또한 섬유장의 영향을 받지 않으나 미세섬유 및 섬유의 직경에 영향을

받으며 섬유의 크기가 감소할수록 불투명도가 크고 표백펄프보다는 미표백 펄프의

불투명도가 큰 것이 일반적이다.

불투명도 값이 높을수록 인쇄용지 및 필기용지에 적합한 종이를 제조할 수 있다.

제조된 종이의 불투명도[그림 32]는 펄프화법의 종류 및 표백에 관계없이 거의 동

일한 값을 나타내었으며, 특히 일반적인 경향과는 달리 갈만 표백 펄프의 불투명도

가 미표백 펄프와 거의 동일한 값을 나타낸 것은 매우 특징적이라 생각된다.

- 26 -

27.37

28.86

25.45

25.36

67.64

66.73

0 20 40 60 80 100

UKP 600

UKP370

UAP 580

UAP360

BKP 370

BAP 360

백색도(%)

[그림 33] 백색도

백색도[그림 33]는 미표백 펄프보다 표백 펄프의 백색도가 월등히 증가됨을 알

수 있고, 미표백 펄프에서는 일반적인 것과 반대로 크라프트 펄프화법의 백색도가

다소 높은 것으로 나타났다. 이것은 알칼리 펄프의 정선 불량에 따른 결속섬유함량

의 증가에 기인된 것이라 생각된다.

다. 강도적 특성

제조된 종이의 강도적 특성을 측정한 결과는 <표 6>에 나타내었다.

<표 6> 종이의 강도적 성질

항목 UKP600 UKP370 UAP580 UAP360 BAP360 BKP370

열단장(km) 0.18 0.35 0.18 0.26 0.25 0.26

파열지수(kPa․m2/g) 1.55 3.26 1.45 2.28 1.20 1.26

인열지수(mN․m2/g) 33.0 23.3 24.0 22.3 5.0 5.3

zero-spanstrengh

(N․m/g)25.11 28.70 22.41 26.59 12.52 12.70

- 27 -

0.18

0.35

0.18

0.26

0.26

0.25

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

UKP 600

UKP370

UAP 580

UAP360

BKP 370

BAP 360

열단장(km)

[그림 34] 고해도와 열단장과의 관계

종이의 인장강도 지표로 사용되는 열단장은 단섬유의 강도, 섬유장, 지합 및 섬유

간 결합의 양과 질에 의하여 크게 영향을 받으며, 고해도의 증가로 인한 섬유의 외

부 및 내부 피브릴화가 진행됨에 따라 섬유의 표면적이 증가되고 섬유 표면에 노출

된 셀룰로오스 분자의 수산기에 의해 수소결합의 기회가 증대되어 섬유간 결합이

커지게 된다. 아울러 수화된 섬유는 고해가 진행됨에 따라 유연성이 증가되어 섬유

간 결합에 기여하게 된다.

미표백 펄프의 경우 종이의 열단장은 고해도가 증가할수록 향상되었으며, 알칼리

펄프(AP)보다 크라프트 펄프(KP)가 높게 나타났다. 표백펄프의 열단장 증가가 미표

백 펄프보다 미미하거나 다소 낮은 것은 표백 공정에서의 고해 펄프의 표백에 따른

섬유의 손상이 증가했기 때문이라 생각된다.

파열강도는 섬유장과 섬유간 결합이 깊이 관여하는 강도로서 섬유장이 길고 질긴

원질로부터는 밀도가 낮고 파열강도가 높은 종이가 제조되고, 섬유장이 짧고 잘 수

화된 원질로 부터는 밀도가 높고 파열강도 또한 높은 종이가 제조된다.

파열지수[그림 35]는 미표백 펄프가 표백 펄프보다 우수하였으며 미표백 펄프에

서는 고해도가 증가할수록 알칼리 펄프(AP)보다 크라프트 펄프(KP)가 우수한 것으

로 나타났다.

- 28 -

1.55

3.26

1.45

2.28

1.26

1.20

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00

UKP 600

UKP370

UAP 580

UAP360

BKP 370

BAP 360

파열지수(kPa m2/g)

[그림 35] 고해도와 파열지수와의 관계

33.0

23.3

22.3

5.3

5.0

24.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0

UKP 600

UKP370

UAP 580

UAP360

BKP 370

BAP 360

인열지수(mN m2/g)

[그림 36] 고해도와 인열지수와의 관계

인열지수는 지층구조로부터 섬유를 잡아당기는 힘과 섬유를 절단하는 힘 2가지가

포함되어 있고, 일반적으로 섬유장이 길수록 강하며, 고해가 진행되어 섬유간 결합

면적이 증가되어 최적면적을 초과하면 섬유자체의 강도저하로 인해 역으로 감소된

다.

갈만 줄기의 인열강도[그림 36]는 고해도가 증가할수록 2가지 펄프 모두 감소되

는 경향을 나타냈는데 이것은 섬유간 결합면적의 증가보다 섬유자체의 강도저하가

- 29 -

증대되었기 때문이라고 생각된다. 펄프화법별로는 알칼리 펄프(AP)보다 크라프트

펄프(KP)가 우수하게 나타났다. 표백 펄프의 강도가 매우 낮게 나타난 것은 전술한

표백공정에서의 과도한 섬유손상에 기인된 것이라 생각된다.

25.11

28.70

22.41

26.59

12.70

12.52

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00

UKP 600

UKP370

UAP 580

UAP360

BKP 370

BAP 360

zero-span strength(N m/g)

[그림 37] 고해도와 zero-span strength와의 관계

zero-span strength[그림 37]는 섬유자체의 강도를 나타내는 것으로 표백펄프에서

는 알칼리펄프화법과 크라프트펄프화법 간에 차이가 없으며, 표백펄프와 미표백 펄

프를 비교하면 미표백 펄프가 2배 이상 높은 것으로 나타났는데 이는 전술한 것처

럼 표백 공정에서 고해한 펄프를 표백함으로써 과도한 섬유손상이 발생하였기 때문

이라 생각된다. 고해도가 증가할수록 zero-span strength가 증가하는 경향을 나타냈

는데 이것은 고해작용으로 미고해 펄프보다 섬유간 결합량의 증가에 기인된 것으로

생각된다.

- 30 -

Ⅴ. 결론

펄프 원료의 확보와 수입 대체 및 미이용 자원의 합리적 이용이라는 측면에서 크

라프트 펄프화법과 알칼리 펄프화법을 비교 시험하였으며, 특히 인피부 뿐만 아니

라 목질부까지 포함한 갈만 줄기 전체를 원료로 하여 펄프화를 실시하고 종이의 특

성을 연구한 결과를 요약하면 다음과 같다.

1. 1년생 갈만은 다량의 추출물 함유에 따른 약액 소모 증가와 페놀성 재축합 등에

의해 알칼리 펄프화법과 크라프트 펄프화법 모두 펄프화가 불량하여 화학 펄프용

원료로 부적합한 것으로 판단된다.

2. 2년생 이상의 갈만의 경우, 170℃에서 1시간 증해로 모두 해섬이 용이하고 타 비

목재 자원보다 높은 수율을 나타내 펄프의 원료로 적합하였으며 크라프트 펄프화

법의 펄프수율이 알칼리 펄프화법 보다 높게 나타났다.

3. 알칼리 펄프화법의 고해는 크라프트 펄프화법보다 용이하였으며, 고해시 에너지

절감효과를 가져올 수 있다.

4. 표백 및 미표백 펄프 모두 특징적으로 매우 높은 불투명도를 나타냈으며, 제조된

종이의 모든 강도적 특성은 활엽수 펄프보다 다소 낮게 나타났으나 초본류 펄프

와는 동등하거나 다소 우수한 것으로 나타났다. 따라서 갈만 펄프의 목재 및 비

목재 펄프의 대체원으로서의 가능성을 확인하였다.

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Ⅵ. 전망 및 활용성

1. 앞으로는 목질계 자원은 건축자재, 가구 등 이용으로 펄프화하여 종이를 만드는

것과는 경쟁이 되지 못할 것이므로 비목재를 이용한 펄프 공업이 성장할 것으로

예상되는 바 비목질계 자원인 갈만을 이용한 종이제조의 무한한 가능성을 제시

하였다.

2. 비목재 자원의 일부분만이 아닌 줄기 전체를 이용하여 펄프화함으로써 제조 과

정의 단순화로 인한 에너지, 노동력 및 비용을 절약할 수 있다.

3. 비목재 자원을 이용함으로써 자원의 부족현상을 해결하고 산림의 악을 제거함으

로써 자연보호에 일익을 담당할 것이다.

4. 갈만의 펄프 원료는 10월말에서 12월에 채취하는 바 농한기의 농산촌의 수입원

으로 농산촌의 경제적 이득을 얻을 수 있다.

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