KR20060128116A - 옥수숫대 셀룰로오스로부터의 기계펄프의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일년생초인 옥수숫대에 증해제를 가하고, 증해제의 첨가 전, 중, 후로 기계적으로 정련(리파이닝 ; refining)시켜 완전히 옥수숫대 섬유를 분리하여서 펄프를 수득하는 옥수숫대 셀룰로오스로부터의 기계펄프의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 옥수숫대 셀룰로오스로부터의 기계펄프의 제조방법은, 옥수숫대를 원료로 하여 펄프를 제조함에 있어서, (1) 옥수숫대를 분쇄한 분쇄물 100중량부에 가성소다, 탄산나트륨, 아황산나트륨, 아황산수소나트륨, 황화나트륨, 산화나트륨, 황산나트륨 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 증해제 0.5 내지 5중량부를 가하고, 함침시킨 후, 고형분을 분리하여 증해시키는 1차증해단계; (2) 상기 1차증해단계에서 증해되어 수득된 혼합물에 상기 증해제 5 내지 10중량부를 더 가하고, 함침시킨 후, 고형분을 분리하여 증해시키는 2차증해단계;들을 포함하여 이루어지되, 상기 2차증해단계 직전, 상기 2차증해단계 도중 또는 상기 2차증해단계 이후에서 증해의 대상이 되는 고형분을 분리하여 기계적으로 리파이닝시키는 리파이닝단계;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

옥수숫대, 펄프, 자원, 플러핑 펄프, 황산나트륨, 스팀

Description

옥수숫대 셀룰로오스로부터의 기계펄프의 제조방법 {Manufacturing method of mechanical pulp from cornstalk}

본 발명은 옥수숫대 셀룰로오스로부터의 기계펄프의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 일년생초인 옥수숫대에 증해제를 가하고, 증해제의 첨가 전, 중, 후로 기계적으로 정련(리파이닝 ; refining)시켜 완전히 옥수숫대 섬유를 분리하여서 펄프를 수득하는 옥수숫대 셀룰로오스로부터의 기계펄프의 제조방법에 관한 것이다.

이미 알고 있는 바와 같이, 현재 우리나라는 국민소득 상승으로 출판물, 신문, 인쇄용 판지, 그라프트지, 벌크 용지 등으로 세계 제7위의 종이 소비국인 동시에 세계 제9위 종이생산국이나, 종이를 생산하는 전량의 펄프는 100% 수입에 의존하고 있는 실정이다. 그러므로 펄프의 재료확보를 위하여 산림자원이 부족한 중국, 중동 및 인도에서는 초본류인 농산폐기물이나 대나무를 원료로 사용하여 펄프의 소재개발에 범 국가적 힘을 쏟고 있는 실정이며, 심지어 설탕 제조 후에 폐기되는 사탕수수대 찌끼를 원료로 하여 펄프를 생산하는 공정 등을 개발하고 있는 상태이다.

펄프산업의 육성은 반대로 산림자원의 훼손을 자초하기 때문에 새로운 펄프원료를 개발하여야 하며, 그러기 위해서는 여러 가지의 초본류로부터 셀룰로오스를 가공, 처리하여 제지로서의 이용가치를 높여야 한다. 특히 산림자원이 많은 선진국과 후진국들은 목재를 원료로 하여 섬유상의 셀룰로오스를 분리하여 제지용 및 용해용 펄프를 생산하기 때문에 전세계 펄프 생산량의 90% 이상이 목재펄프가 차지하고 있는 실정이다. 그러나 우리나라의 실정은 펄프에 적합치 못한 수종과 산림자원의 고갈로 펄프원료의 확보가 불가능하므로 새로운 전환점을 갖도록 노력하여야 할 것이다.

농촌에서 재배되는 옥수수는 우리의 식량으로 사용되고 있으나, 옥수숫대는 요즈음 사료로서도 사용되지 못하고, 대부분 버려지고 있는 상태이다. 농촌의 소득증대를 위해서도 한지의 개발처럼 옥수숫대는 새로운 방법으로 가공, 처리하여 펄프화나 기타 다른 재료로서의 이용가치를 높여야 할 것이 마땅하다.

한편, 전 세계의 옥수숫대 생산량은 연간 약 750,000,000톤에 달하며, 미국의 경우, 옥수숫대 생산량이 연간 약 150,000,000톤에 달하며, 그 중 30 내지 35% 정도가 제지용으로 적합하지만, 아직 펄프 및 제지산업에서는 사용되지 못하고 있다.

일반적으로 펄프를 제조방법에 따라 크게 분류하면 기계펄프, 반화학펄프 및 화학펄프로 구별된다. 기계펄프는 물의 존재 하에서 기계적 마쇄작용으로 목재를 해리시켜 만들어지는 펄프를 말하며, 이는 원목의 섬유장이 길어야 좋은 품질의 펄프를 얻을 수 있으므로, 주로 가문비나무, 전나무, 소나무, 흑송 등과 같은 침엽수 가 원료로 쓰인다. 반화학펄프는 목재를 중성아황산염 용액으로 완만하게 증숙하고, 기계적 처리를 통해 해리시켜 만들어지는 펄프를 말하며, 이 공정에는 가볍고 연한 수종으로 포플러, 버들, 피나무, 너도밤나무, 참나무, 오리나무, 물푸레나무 등이 원료로 쓰인다. 화학펄프는 섬유원료를 아황산과 산성아황산염의 혼합액과 함께 가압한 다음 증숙하여 만들어지는 펄프를 말하며, 화학처리가 잘 이행되도록 원료 중에 수지 함량이 낮은 수종이 원료로 쓰인다.

기계펄프는 화학펄프의 경우 보다 통상적으로 공장 설립자본 비용이 적으며, 수율이 높고 제조원가가 저렴하게 될 수 있다. 또한, 기계펄프는 화학펄프의 경우에서 많이 발생하는 오염문제를 유발시키지 않는다는 장점이 있다. 일반적으로, 기계펄프는 품질이 화학펄프와 같이 고급이 아니며, 따라서 요구되는 품질인 동시에 경제적으로 제조되는 최종 펄프를 수득하기 위해 기계펄프와 화학펄프를 결합시키는 것은 익히 공지된 기술이다. 기본적인 리파이너기계펄프(RMP ; refiner mechanical pulp)에서 유래한 기계펄프법의 전술한 개선점으로 인하여 기계펄프가 화학펄프에 가까운 특성을 갖게 되었으며, 따라서 이와 같은 이들 기계펄프는 전통적으로 화학펄프에 사용되던 분야에서 부분적으로 또는 전체적으로 화학펄프의 대체품으로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 캐나다 특허 제1071805호, 제1145106호 및 제1145107호에는 화학펄프의 대체품으로서 유용한 것으로 청구된 기계펄프의 제조방법이 기술되어 있다. 상기 특허들의 제조방법의 공정들은 리파이닝단계 이후에 열기계펄프(TMP ; thermal mechanical pulp), 리파이너기계펄프(RMP) 또는 열화학기계펄프(TCMP ; thermal chemical mechanical pulp) 타입의 기계펄프를 비교적 많은 도입량의 증해용 화학약품인 아황산나트륨 수용액으로 처리하거나, 이 수용액과 혼합하고, 증해단계 후, 처리된 펄프를 임의로 추가로 리파이닝 시킴으로써 가압증해시킴을 필요로 한다. 미국 특허 제4502918호에는 목재 입자를 아황산나트륨 수용액으로 처리한 후, 처리된 입자를 증해 및 리파이닝시킨 후, 생성된 펄프를 분리시키는 펄프화 방법이 기술되어 있다. 프랑스 특허 제2544757호에는 바가스 및 대나무로부터 펄프를 제조하는 방법이 기술되어 있으며, 이 방법은 적어도 2 이상의 증해단계가 포함되며, 각각의 단계 전에 증해제를 첨가한다. 섬유속의 분리를 위해, 2 증해단계 사이에 감압(blow down)을 발생시키는 것을 포함한다.

한편, 옥수숫대와 관련된 선행 연구를 살펴보면, 미국특허 제1,639,152호(1927년)에는 고대 화학에서 정량적으로 실험할 수 없는 상황에서 출원한 특허로서, 옥수숫대의 섬유질 부분을 분리하는 데 있어서 미생물에 의한 발효와 막연히 소다(soda), 석회(lime), 아황산염(sulphite)을 이용하여 펄프를 추출하고, 사용처로는 판제 대용품(lumber substitute), 벽보드용(wall board), 단열재(insulating material)에 쓰이는 등의 펄프제조에 관한 것이 기술되어 있으며, 아주 단순히 소다, 석회, 아황산염 등의 화학물질을 이용하여 증해시키는 것에 대하여 기재하고 신문용지를 제조할 수 있다고 하고 있으나, 옥수숫대에 대한 구체적인 증해액의 액비 즉, 첨가량에 대하여는 전혀 기재한 바가 없으며, 증해온도 및 시간 등에 대하여도 전혀 기재한 바가 없다. 미국특허 제1,845,487호(1928년)에는 적은 리그닌 함량과 높은 펜토산(당류) 함량을 가진 식물을 묽은 황산으로 증해하거나 또는 묽은 황산과 10파운드의 압력으로 증해하는 경우와, 묽은 황산으로 가수분해하는 방 법으로 셀룰로오스를 제조하는 것을 기술하고, 썰거나 가루로 만든 옥수숫대를 1% 황산 용액으로 가열, 가압처리하여 수용성 물질을 제거하여 펄프를 제조하는 것을 기술하고 있다. 미국특허 제5,944,953호에는 옥수숫대나 밀집을 기계적 방법과 화학적 방법을 동시에 적용한 펄프화 공정에 관한 특허로서, 소다(NaOH), 석회소다(CaO₂+NaOH), 중성 아황산염(neutral sulfite ; Na₂SO₂+NaOH)을 사용하는 것에 대하여 기술하고 있으며, 그 구체적인 첨가량은 기재하고 있지 않지만, 옥수숫대 건조량 기준 10 내지 15중량%의 수산화칼륨(KOH)을 옥수숫대 건조량 기준 10 내지 15%, 아황산칼륨(K₂SO₃)를 옥수숫대 건조량 기준 0 내지 5%의 양으로 사용할 수 있음이 기재되어 있다. 기타 러시아 특허(제213995호)에는 일반적인 초본류 펄프 제조공정에 관하여 기술하고 있으며, 여기에서는 증해공정에 있어서 액비, 온도 및 시간에 대하여 전혀 기재하고 있지 않다.

따라서 옥수숫대를 원료로 사용하여 펄프를 효과적으로 생산할 수 있는 방법의 개발이 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 일년생초인 옥수숫대에 증해제를 가하고, 증해제의 첨가 전, 중, 후로 기계적으로 리파이닝시켜 완전히 옥수숫대 섬유를 분리하여서 펄프를 수득하는 옥수숫대 셀룰로오스로부터의 기계펄프의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 옥수숫대 셀룰로오스로부터의 기계펄프의 제조방법은, 옥수 숫대를 원료로 하여 펄프를 제조함에 있어서, (1) 옥수숫대를 분쇄한 분쇄물 100중량부에 가성소다, 탄산나트륨, 아황산나트륨, 아황산수소나트륨, 황화나트륨, 산화나트륨, 황산나트륨 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 증해제 0.5 내지 5중량부를 가하고, 함침시킨 후, 고형분을 분리하여 증해시키는 1차증해단계; (2) 상기 1차증해단계에서 증해되어 수득된 혼합물에 상기 증해제 5 내지 10중량부를 더 가하고, 함침시킨 후, 고형분을 분리하여 증해시키는 2차증해단계;들을 포함하여 이루어지되, 상기 2차증해단계 직전, 상기 2차증해단계 도중 또는 상기 2차증해단계 이후에서 증해의 대상이 되는 고형분을 분리하여 기계적으로 리파이닝시키는 리파이닝단계;를 포함하여 이루어진다.

이하 본 발명을 구체적인 실시예를 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 옥수숫대 셀룰로오스로부터의 기계펄프의 제조방법은, 옥수숫대를 원료로 하여 펄프를 제조함에 있어서, (1) 옥수숫대를 분쇄한 분쇄물 100중량부에 가성소다, 탄산나트륨, 아황산나트륨, 아황산수소나트륨, 황화나트륨, 산화나트륨, 황산나트륨 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 증해제 0.5 내지 5중량부를 가하고, 함침시킨 후, 고형분을 분리하여 증해시키는 1차증해단계; (2) 상기 1차증해단계에서 증해되어 수득된 혼합물에 상기 증해제 5 내지 10중량부를 더 가하고, 함침시킨 후, 고형분을 분리하여 증해시키는 2차증해단계;들을 포함하여 이루어지되, 상기 2차증해단계 직전, 상기 2차증해단계 도중 또는 상기 2차증해단계 이후에서 증해의 대상이 되는 고형분을 분리하여 기계적으로 리파이닝시키는 리파이닝단계;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

즉, 본 발명은 옥수숫대를 원료로 하여 펄프를 제조함에 있어서, 적어도 2회 이상의 증해와 적어도 1회 이상의 리파이닝을 거쳐 펄프를 제조하는 것을 특징으로 하며, 옥수숫대 셀룰로오스 물질의 리파이너로의 도입 전 또는 도입 시에 또는 1차 리파이닝 후에 아황산나트륨 수용액을 2차 첨가하는 2단계 증해 및 리파이닝단계를 수행하여 펄프를 제조함에 특징이 있다. 본 발명은 옥수숫대 셀룰로오스 물질의 리파이너로의 도입 전, 도입 중 또는 1차 리파이닝단계 후에 증해제를 첨가하여 전체 공정으로 펄프를 제조하는 점에 특징이 있다. 본 발명에 따른 방법은 전체 펄프의 제조 동안 적어도 2단계의 증해 및 리파이닝단계로 수행하더라도 기존의 펄프 제조방법에 비하여 에너지 소요량을 현저히 감소시키는 반면, 최종 용도에 바람직한 많은 특성을 증가시키면서 수행될 수 있다는 장점을 제공한다. 본 발명은 증해제를 2개의 분리된 도입량으로 분할하여 도입하며, 바람직하게는 1차 도입량이 2차 도입량에 비해 더 적고, 단순한 혼합단계가 아닌 함침 공정 시에 도입하는 것을 포함한다. 본 발명에 따라 생성된 펄프는 미분함량이 낮으며, 고강도 특성을 지닌다.

상기 (1)의 1차증해단계는 옥수숫대를 분쇄한 분쇄물 100중량부에 가성소다, 탄산나트륨, 아황산나트륨, 아황산수소나트륨, 황화나트륨, 산화나트륨, 황산나트륨 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 증해제 0.5 내지 5중량부를 가하고, 함침시킨 후, 고형분을 분리하여 증해시키는 것으로 이루어진다. 이때의 증해는 통상 수증기를 가하여 가열시켜서 증해시킬 수 있다. 상기에서 증해제가 상기 분쇄물 100중량부 당 0.5중량부 미만으로 사용되는 경우, 함 침의 효과가 나타나지 않게 되는 문제점이 있을 수 있고, 반대로 5중량부를 초과하여 사용되는 경우, 기계펄프의 수율이 저하되는 문제점이 있을 수 있다.

상기 (2)의 2차증해단계는 상기 1차증해단계에서 증해되어 수득된 혼합물에 상기 증해제 5 내지 10중량부를 더 가하고, 함침시킨 후, 고형분을 분리하여 증해시키는 것으로 이루어진다. 이때의 증해 역시 통상 수증기를 가하여 가열시켜서 증해시킬 수 있다. 상기에서 증해제가 상기 혼합물 100중량부 당 5중량부 미만으로 사용되는 경우, 섬유의 유연성이 저하되는 문제점이 있을 수 있고, 반대로 10중량부를 초과하여 사용되는 경우, 섬유의 강도에 손상을 초래하게 되는 문제점이 있을 수 있다.

특히, 본 발명에서는 상기 2차증해단계 직전, 상기 2차증해단계 도중 또는 상기 2차증해단계 이후에서 증해의 대상이 되는 고형분을 분리하여 기계적으로 리파이닝시키는 리파이닝단계;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다. 상기 리파이닝단계는 통상의 리파이너를 사용하여 기계적으로 마쇄시켜 섬유질을 분리해내는 것으로서, 당업자에게는 국내외 유수의 제조업자들로부터 상용적으로 이를 구입하여 사용할 수 있을 정도로 공지된 것으로 이해될 수 있다. 특히 상기 리파이너로서는 통상의 디스크 리파이너(disc refiner), 더욱 바람직하게는 가압 더블 디스크 리파이너 등 상용화된 고성능의 리파이너가 될 수 있으나, 본 발명이 이들에 제한되는 것은 아니다.

이와 같은 본 발명을 이하의 실시예들에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같으며, 본 발명이 이들 실시예들에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

옥수숫대 분쇄물을 스티밍용기(steaming vessel)에서 약 95℃에서 10분 동안 처리하고, 응축액을 배수시키고, 용기 내에 옥수숫대를 분쇄한 분쇄물 100중량부에 산화나트륨 3중량부를 가하여 50℃에서 20분 정도 함침시켰다. 함침 후, 증해액을 배수시켰다. 그 후, 함침된 분쇄물에 직접 수증기를 주입하여 약 130℃에서 10분 동안 증기상 반응을 시켰다. 증해된 증해된 분쇄물을 스크류 컨베이어에 의해 배출시키고, 상용화된 통상의 가압 더블디스크 리파이너에 도입시켰다. 상기 리파이너에 도입시킬 때, 2차 증해용의 증해제로서 산화나트륨을 옥수숫대 분쇄물 100중량부에 대하여 10중량부로 가하였다. 펄프/액체 혼합물을 리파이너에서 쿡킹용기로 다시 운반시키고, 160℃에서 약 60분간 증해시켰다. 증해된 펄프를 배출시키고, 2차리파이닝 시켰다. 상기의 두 리파이닝 단계들은 약 450kpa에서 작동시켰다.

실시예 2

펄프를 2차리파이닝을 위한 리파이너에로의 도입 시에 추가로 증해제로서 산화나트륨을 옥수숫대 분쇄물 100중량부에 대하여 7중량부로 가하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.

상기 실시예 1 및 2에 의해 수득된 펄프는 인장지수, 파열성 및 기밀도를 개선시키기 위한 추가의 리파이닝 단계에 대해 적절하며, 이는 선택된 최종 용도에서 이의 성능을 향상시킬 수 있다. 본 발명에 따라 수득되는 펄프는 전체적으로 또는 부분적으로 화학펄프 대체품으로서, 예를 들면, 신문용지를 비롯한 각종 종이, 티 슈, 기계인쇄용 등급의 용지, 판지로서의 최종 용도에 적합하나, 이들에 제한되는 것은 아니다.

상기 실시예들에서 수득된 펄프의 인장지수는 20 내지 47Nm/G, 0.6 내지 3.5㎪㎡/g, 밀도는 2 내지 4㎏/㎥의 물성을 갖는 것으로 측정되었다.

따라서 본 발명에 따르면 일년생초인 옥수숫대에 증해제를 가하고, 증해제의 첨가 전, 중, 후로 기계적으로 리파이닝시켜 완전히 옥수숫대 섬유를 분리하여서 펄프를 수득하는 옥수숫대 셀룰로오스로부터의 기계펄프의 제조방법을 제공하는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 옥수숫대를 원료로 하여 펄프를 제조함에 있어서,

   (1) 옥수숫대를 분쇄한 분쇄물 100중량부에 가성소다, 탄산나트륨, 아황산나트륨, 아황산수소나트륨, 황화나트륨, 산화나트륨, 황산나트륨 또는 이들 중 2이상의 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 증해제 0.5 내지 5중량부를 가하고, 함침시킨 후, 고형분을 분리하여 증해시키는 1차증해단계; (2) 상기 1차증해단계에서 증해되어 수득된 혼합물에 상기 증해제 5 내지 10중량부를 더 가하고, 함침시킨 후, 고형분을 분리하여 증해시키는 2차증해단계;들을 포함하여 이루어지되, 상기 2차증해단계 직전, 상기 2차증해단계 도중 또는 상기 2차증해단계 이후에서 증해의 대상이 되는 고형분을 분리하여 기계적으로 리파이닝시키는 리파이닝단계;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 옥수숫대 셀룰로오스로부터의 기계펄프의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 2차증해단계 이전과 이후 모두에서 증해의 대상이 되는 고형분을 분리하여 기계적으로 리파이닝시키는 리파이닝단계;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 옥수숫대 셀룰로오스로부터의 기계펄프의 제조방법.