1장   펄프학 개론

1.  종이의 기원과  종이의 역할

●  AD 105년 중국의 채륜이 인피섬유와 넝마를 가지고 종이제조

종이의 어원 -   이집트에서 Papyrus : 줄기를 얇게 벗겨 압착하여 만듬

● 종이의 역할

① 정보를 기록, 보관

② 정보의 전파

③ 물건을 싸거나 포장

인쇄 필기용지 : 45%

골판지, 판지 등 포장용 : 40%

위생, 건강용품, 특수 용품 - 15%

▶ 펄프의 정의 :

① 목재나 식물을 기계적, 화학적으로 처리하여 섬유를 교착하고 있는

중간층을 분리 또는 용해시켜 얻은 셀룰로오스 집합체

② 섬유와 물의 현탁액을 망으로 걸러 성형 초조한 판상 섬유 제품

▶ 펄프의 종류

① 용해용 펄프 - 필름이나 직물 섬유 같은 종이 이외의 제품을 생산하기 위한                           펄프

② 제지용 펄프 - 96%정도

③ 판지(paperboard) : 0.3mm이상의 두꺼운 종이

2. 현대 펄프제지공업의 특성

(1) 초지기의 대형화

- 설비 투자액 증가, 과잉생산

- 저소비- 저가와 고소비 - 고가의 주기성을 가짐

(2) 에너지소비의 절감

기계펄프제조공정을 제외한 펄프는 에너지의 자급자족

(3) 일관공정화

원목 - 제제목- 합판, 파티클보드 - 페잔재로 칩 제조 - 펄프생산

(4) 공정내 재순환

3. 미국과 캐나다의 펄프 제지산업

제지공장 수 15%

종이 생산량 35%

* 특징

① 미국의 종이판지 수입 1,900만톤 - 달러화의 강세

② 다국적 기업출현 - M&A

③ 수출시장에서의 경쟁 치열

Beloit 초지기 회사 파산

아열대 지역 - 브라질, 칠레 - 속성수 재배 - 주요펄프생산국으로 부상

4. 섬유의 화학적 성질

1). 셀룰로오스(Cellulose)

(1) 셀룰로오스는 많은 글루코오스로 이루어진 다당류.

(2) 셀룰로오스는 산성조건하에 쉽게 글루코오스로 가수분해 됨

(3) 셀룰로오스의 화학식( C6H10O5)n

n : 글루코오스의 반복수 즉 중합도

●   중량평균 중합도

천연셀룰로오스 : 3,500

린터           : 1,000-3,000

목재펄프       : 600 - 1,500

◆ 셀룰로오스 분자는 규칙적으로 배열되어 있으며 결정영역과 비결정역으로

나뉘어 짐

결정영역( Crystalline)

비결정영역 ( amophous )

① 결정영역에는 용매나 약물의 침투가 어렵고 비결정영역에는 약물의 침투가 용이

② 셀룰로오스의 분자량이 감소하면 강도가 저하

③ 긴 쇄상 셀룰로오스는 알파셀룰로오스

베타셀룰로오스

감마셀룰로오스 ; 중합도 15미만

④ 이차벽 중층- macrofibril - microfibril

2). 헤미셀룰로오스( Hemicellulose)

6탄당 : 글루코오스, 만노오스, 칼락토오스

5탄당 : 자일로오스, 아라비노오스

우론산

일부는 셀룰로오스와 결합 일부는 리그닌과 결합

(1) 특징

① 냉수에 추출되지 않음.

② 묽은 알칼리나 묽은 산에 쉽게 추출

③ 홀로셀룰로오스 : 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스를 합한 섬유의 총 탄수화물의 함량

3). 리그닌

산에 의해 가수분해 어려운 고분자 무정형 물질.

활엽수재 : 20-25%

침엽수재 : 20-30%

초본류   : 15-20%

(1) 리그닌의 단리

리그닌을 천연 그대로 변하지 않고 단리

● Milled wood lignin (MWL)

BjÖrkman lignin

- 목분 -tolune에 현탁- 진동식 ballmill사용 - dioxane으로 추출

● Klason lignin

탄수화물 가수분해

72% 진한 황산 -3%되도록 희석 후 가열하여 가수분해 - 냉각

(2) 특징

전 섬유소를 제외한 비결정성 탄수화물의 량

페닐프로판 단위 (Phenyl propane unit) 3차원적으로 결합

4). 추출물

① 세포내 및 세포벽 사이에 존재하는 물질

② 수지, 유지, 정유, 타닌 등으로 물이나 유기용매에 잘 용해됨

③ 수종 수령 입지, 영양상태 및 병해충 유무 등에 따라 성분과 함량의 차이가 많음.

④ 목재의 외관, 색조 향기 등과 깊은 관계

⑤ 펄프 제조에 방해 물질

⑥ 주성분을 제외한 모든 물질

⑦ 전건중량의 1%정도 차지함

⑧ 물이나 중성유기용매에 녹기 때문에 추출물이라고 함

5. 셀룰로오스 섬유의 특성

① 높은 인장강도

② 유연성

③ 물에 불용성

④ 친수성 - 섬유가 쉽게 물을 흡수, 현탁액에 용이하게 분산

⑤ 화학적으로 안정

⑥ 흰색

⑦ 고유의 결합성 - 셀룰로오스표면의 수산기에 의해 결합

2장. 목재와 목재펄프섬유의 특성

1. 목재의 구조

미국 : 1200여종

한국 : 1300여종

수관( crown )

수간( stem )

뿌리 ( root )

(1) 심재, 변재

cf.) 외피, 내피, 형성층, 변재, 심재 연륜

●변재 (Sapwood) :  외주부의 담색기능

수관을 구조적으로 유지해주는 역할

물을 위로 통도하는 기능

●심재 (Heartwood) : 수간 중앙에 있는 죽은 세포

통도, 저장기능 상실

생리활성이 중지

세포벽 및 내강에 수지성 유기화합물이 침적

2. 목재의 특성

나자식물( gymnosperms)

: softwood, conifers, evergreen

피자식식물 (angiosperm)

: hardwoods, deciduous, broad leaved trees

1). 침엽수

수직구조는 주로 가도관( tracheid)으로 구성

수평구조는 좁은 방사조직으로 구성

2).활엽수

도관(vessel) : 짧고 놃은 세포

진정목섬유( libriform fiber )

3. 침엽수재와 활엽수재의 조직비교

1) 침엽수재

① 가도관이 있다.

② 목섬유가 없다

③ 방사조직은 단열

④ 방사가도관 존재

⑤ 방사유세포는 평복

⑥ 축방향 유조직이 발달되지 않았다.

2) 활엽수재

① 도관요소가 있다.

② 목섬유가 있다.

③ 다열 방사조직

④ 방사유세포는 평복세포, 직립세포, 방형세포

⑤ 축방향유조직이 현저하게 발달

⑥ 결정을 함유

3장. 펄프의 원료와 조목

1. 펄프용재

- 셀룰로오스 섬유로 구성된 식물의 전부

-  목재, 면, 아마, 대마, 황마, 저마, 마닐라 삼, 닥나무, 삼지닥나무, 대나무, 바가스

(1) 펄프용재로서 갖추어야 할 조건

① 셀룰로오스 함량이 높아야 한다.

② 수지 등 추출물이 적어야 한다.

③ 재색이 백색이며 변, 심재의 차이가 없어야 한다.

④ 섬유의 길이가 길고 부드럽고 질겨야한다.

⑤ 산, 알칼리에 저항성이 커야한다.

⑥ 셀룰로오스와 결합되어 있는 다른 성분과 분리가 잘되어야 한다.

주요수종 : 가문비나무, 젓나무, 자작나무, 포플러, 유칼리 나왕, 망그로브

2. 펄프의 분류

(1) 펄프원료에 의한 분류

1) 목재펄프

침엽수 펄프 (Nadelholz pulp : NP)

활엽수 펄프 (Laubholz pulp : LP)

2) 린터펄프

3) 인피펄프

4) 대나무 펄프

(2) 용도에 의한 분류

제지용 펄프 - 종이, 판지의 원료

용해용 펄프 - 인조섬유 나 셀로판 이용

(3) 제법에 의한 분류

① 기계펄프 ( mechanical pulp )

기계적으로 처리하여 해섬시켜 만든 펄프

② 화학펄프 ( chemical pulp )

화학적으로 처리하여 만든 펄프

③ 반화학펄프 ( semichemical pulp )

화학적으로 가볍게 처리 한 다음 기계적으로 해섬하여 만든 펄프

3. 조목공정

(1) 정의

펄프화를 쉽게 하기위해 원목을 가공하는 작업

원목의 조재, 운재, 집재 - 박피, 칩핑

Chip : 약액침투가 잘되며 펄프의 품질을 좋게하기위해 길이 12-25mm

두께 2-5mmf 만든 나무 조각

(2) 수피제거

1) 박피의 목적

- 섬유질이 포함되어 있지 않으며 증해과정에서 화학약품의 소비를 증가시키고

펄프의 반점을 형성하여 펄프의 품질 저하

ex) SP : 수피가 증해액에 용해되기 어려움

KP : 수피가 일부 증해액에 용해

소량의 수피 혼입 가능

2) 박피기의 종류

① 드럼박피기 : 원목과 원목이 마찰

드럼회전에 의한 원심력과 중력에 의한 낙하운동

② 칼박피기 : 회전하는 칼이 직접 원목의 수피면을 눌러 절삭

③ 수압박피기 : 노즐을 통하여 고압의 물을 원목에 직접 분사하여 박피

설치비가 유지비가 많이 듬

쇄목펄프 - 원목상태로 가공 -쇄목기

열기계펄프, 화학펄프 - Chipper

(3) 치핑

1) 치핑의 목적과 개요

약품이 목재 내에 급속하고 균일하게 포함되도록

- 칩의 크기

섬유방향 15-25mm 두께 4mm 정도가 표준

➀  사이즈가 큰 칩이나 두께가 두꺼운 칩  - 약품침투가 용이치 못해 미증해.

➁  톱밥, 사이즈가 작은 칩 - 강도저하, 약액 순환 방해

2) 칩퍼 (Chipper)

펄핑작업을 하기위해 원목을 적당한 소편으로 만드는 것

① 디스크 치퍼 ( disk chipper )

: 회전하는 디스크표면에 칼날이 방사상으로 붙어 있음

4-10 시간 간격으로 교환, 목재 섬유방향에 30-60°로 절삭

그림. 디스크치퍼

② 드럼치퍼 (drum chipper)

: 섬유방향과 평행하게 칩을 깍음

그림. 치퍼의 종류

(4) 칩의 정선

: 적당한 크기의 칩을 선별

목분이나 큰 목편을 제거 함

① Vibratory type chip screen

지금까지는 칩의 길이에 따라 선별

오늘날 칩의 두께에 따라 선별하는 신형 스크린 개발

② rotary type chip screen

그림. Chip screen

(5) 칩의 저장

야외 칩 저장 시  공기 접촉, 화학작용, 미생물작용에 의해 한달에

1%정도의  손실 발생

- 칩의 저장기간을 줄임.

- 오래된 칩과 새로운 칩을 분리

4장 펄프화법의개요

1 펄프화법에 의한 펄프의 분류

(1) 물리적 처리

1) 기계펄프

a) 쇄목펄프(groundwood pulp):GP,GWP

b) 가압쇄목펄프(pressurized groundwood pulp):PGW

c) 리파이너펄프(refiner mechanical pulp):RMP

d) 열기계펄프(thermomechanical pulp):TMP

* 수율 : 85%-98%, 리그닌 함량 : 20%- 35%,

인쇄성이 양호, 표백성 불량, 신문지 사용

(2) 화학적처리

1) 화학펄프

a) 아황산펄프 ( sulfite pulp );SP

b) 크라프트펄프 ( kraft pulp ):KP

c) 알칼리펄프 ( alkaline pulp ):AP

* 수율 : 40% - 55%, 리그닌함량 : 3%-10%

인쇄성불량, 표백성양호, 인쇄용지사용

(3) 물리, 화학적처리

1) 반화학펄프 ( Semichemical pulp )

a) 화학쇄목펄프 ( chemimechanical pulp )

b) 화학열기계펄프 ( chemithermomechanical pulp )

c)  중성아황산반화학펄프 ( neutral sulfite semichemical pulp ):NSSP

d)  크라프트반화학펄프 ( kraft semichemical pulp )

*  수율 : 85 - 55%, 리그닌함량 : 10 -30%,인쇄성양호, 표백성불량

중급지사용

2 기계펄프

2.1 쇄목펄프 ( groundwood pulp )

(1) 특징

- 화학약품을 사용하지 않고 기계적으로 목재를 마쇄하고 해섬하여 제조한 펄프

- 장섬유가 적고 단섬유 및 섬유다발과 부스러기가 많음

- 인쇄적 성질이 우수함

(2) 원료

원목의 종류에 따라 품질과 작업 조건에 영향

- 수종, 수령, 목재의 화학적 조성분, 밀도, 수분 등

침엽수 : 가문비나무, 미송, 소나무

활엽수 : 포플러

(3) 마쇄기 ( Grinder )

급재방식 과 마쇄방법에 의한 분류

그림.    펄프 그라인더

1) 단속식 쇄목기

pocket형 : 가장 먼저 개발 3-4개의 포켓을 가짐

magazine형

그림. Valmet pressure grinder

2) 연속식 쇄목기

chain형 쇄목기 : 체인의 속도에 따라 목재와 쇄목실 사이에 압력이 형성

ring형 쇄목기 : 1950년에 만들어진 쇄목기, 초생달 모양의 포켓을 형성 원목이

외부의 링과 쇄목석에 의하여 생긴 틈에 접근 할수록 압력이 증가

그림. Two pocket grinder

그림. Valmet pressure grinder

그림. Chain grinder

(4) 쇄목석 ( grind stone, pulp stone)

1)  종류

- 천연쇄목석 : 초기에 양질의 사암을 사용

- 인조쇄목석 : 세라믹스톤을 사용하거나 콘크리이트에 silicon carbide,

나 aluminiumoxide

그림. Pulp stone

2) 目立 ( burr )의 종류

straight형

spiral형

diamond형

thread형

그림.  Pulpstone  pattern cross section

그림. Burr sharpening and Waterj et conditioning

3) 마쇄에 영향하는 인자

쇄목석의 표면상태  - 정기적인 stone sharpening

쇄목석의 회전상태

마쇄압력

소요동력 - 수종과 목재비중

마쇄온도

쇄목석의 형태

목재의 비중

세척수의 양

마쇄농도

(5) 마쇄방법

1) 냉쇄법 : 지료온도 50-65℃ 단섬유가 많음

2) 열쇄법 : 지료온도가 66-88℃ 장섬유가 많음

강도가 강함

(6) 쇄목펄프의 제조공정

원목 - 박피 - 쇄목기 - 조선스크린 - 정선스크린 - 클리너 - 농축

2.2 리파이너 기계펄프

(1) 개요

- 곡재, 폐재, 톱밥 등을 칩으로 만들어 사용

- 원료비가 적게 듬

- 자동화 동정으로 노동생산성이 높음

- 쇄목펄프보다 강도가 높음

- 1960년도 공업적 생산이 시작

- 리파이너의 가격이 비쌈

- 동력소모가 많음

(2) 리파이닝

* 평행으로 설치된 회전하는 2개의 원반중심에 칩을 물과 함께 보내 전단력에

의해 칩을 분쇄하여 펄프화

그림.   RMP의 원리

1차 리파이닝 : 칩을 단섬유화

2차 리파이닝 : 피브릴화

* 리파이너의 종류

Single disk refiner (SDR) : 두 개의 디스크 중 한쪽만 회전

Double disk refiner (DDR) : 양쪽 디스크가 모두 회전

(3) 리파이너 기계펄프의 특징

-  쇄목펄프와 비교하여 미세섬유가 적고 고해정도가 높음

-  백색도와 불투명도가 낮아짐

2.3 열기계펄프

(1) 개요

- 리파이너 기계펄프화법에 아스플런드법을 조합

- 리그닌성분을 연화시킨후 리파이닝 처리

- 마쇄동력감소, 섬유절단방지 강도향상

(2) 제조방법

칩 -- 칩 세척 --예열처리 --1차가압리파이닝 --2차상압리파이닝 --선별

-- 정선 -- 농축 --제지공정

그림.  TMP 공정

* 칩세척 : 리파이너의 마모를 방지하기위해 돌, 모래, 금속제거

* 예열처리 : 리그닌연화 섬유손상을 방지

(3) 제조조건

* 품질에 영향하는 인자

- 수종 및 칩의 형상

- 프리히팅조건

- 리파이닝의 농도

- 리파이너의 플레이트형태

* 수종

가문비나무, 분비나무 - 색이 희고 비중이 낮음

* 리파이닝 동력

인열강도이외의 펄프강도 증가

(4) 열기계펄프의 특성 및 용도

- 장섬유가 많음 -섬유의 절단과 결속섬유의 생성이 적음

- 종이표면이 거칠음

- 비용적이큼, 여수성과 치수안정성이 좋음

- 중질인쇄용지, 컴퓨터용지, 경량코트원지

2.4 화학쇄목펄프

(1) 개요

약액으로 전처리 + 기계적으로 해섬

통나무화학쇄목펄프와 칩화학쇄목펄프를 포함하여 통칭

기계펄프에 가까운 고수율펄프

(2) 제조방법

* 통나무 화학쇄목펄프

설치비가 비쌈

약액의 균일침투가 어려움

원료 적용범위 제한

* 칩화학쇄목펄프

1950년경 처음 기업화

냉소다, 중성아황산나트륨으로 처리

(3) 펄프의 성질

- GP와  SCP의 중간수율

- 침엽수GP보다 강도와 밀도가 높으나 불투명도가 낮음

그림. 여러 가지 펄프섬유의 분포

2.5 화학열기계펄프

(1)개요

* 화학적처리와 가열처리를 동시에함

- 가열에 의한 연화와 약품처리에 의한 연화가 누진적으로 작용

- SP 대체품으로 사용

- TMP의 전력소비과다를 개선하기위해 개발

(2) 제조방법

* 아황산나트륨으로 전처리

- 아스플런드 디파이브레이터 화학열기계펄프의 제조장치개조

- 열기계펄프방법 개조

(3) 펄프의 성질

고수율펄프

활엽수 이용가능

동력소비량 증가

그림.             화학열기계펄프 공정도