제지 및 골판지 산업에서 전분의 이용

제지 및 골판지 산업에서 전분의 이용

 

​왕자 콘스타치㈜ 홋카이도공장 공장장 스나다 요시가즈(砂田 美和)

 

제지 산업에서는 전분은, 주로 증점제, 질감 개량제 나 반죽 가루로 사용되는 식품용과는 달리, 종이의 강도 향상제 및 접착제로서, 또한 골판지 산업에서는 접착제로서 이용되고 있고, 그 사용 방법은 전분의 특성을 잘 이용한 지능적인 것이다.

 

개론
일본에서는 식품 이외에도 각종 산업 제품에 전분이 이용되고 있으며, 그 중에서도 제지 산업 및 골판지 산업이 그 대부분을 차지하고 있다. 본고에서는 제지 및 골판지의 전분의 사용 목적 및 사용 방법을 중심으로 소개한다.

1. 제지 산업에서 전분의 이용
제지에서 전분을 이용하는 목적은 주로 종이 건조 강도를 향상시키고, 인쇄, 가공 및 포장에 대한 적합성을 개선시키는데 있다. 종이의 품질은 원료 인 펄프에 크게 영향을 받지만, 요즘은 폐지 사용 비율이 증가하면서, 원료의 품질 저하를 보강재로 전분을 사용하여 보충 하는 것이 많아지고 있다. 다음에 전분이 어떻게 이용되는지에 대해서 소개하도록 한다.

 

(1) 제지 공정 요약
우선 목재 칩에 약액을 넣고 고온 · 고압으로 삶아, 칩중의 수지를 녹여 섬유성분만 꺼내고, 표백 하여 종이의 원료 인 펄프를 제조하는 (펄프화 공정). 다음에 펄프를 목적으로하는 종이에 적합한 길이, 풀린 상태로, 전분을 포함한 약품을 첨가하는 공정 (조성공정)을 거쳐서, 물에 분산된 펄프를 와이어에 올려 어느 정도까지 탈수, 시트를 형성, 롤의 사이를 통해서 더 탈수, 건조, 감아 올리기를 실시하여 (초지공정:그림1), 종이는 완성된다. 또한 필요에 따라서 종이 위에 아름다운 인쇄를 할 수 있게 안료를 바르는 공정 (도공 공정)을 거치는 경우도 있다. 판지 (두꺼운 종이)는 종이를 떠내 들어 올려 건조하기 전의 펄프 시트 (습지)에 별도로 뽑아 낸 펄프 시트를 2~8장 겹쳐서 제조되고 있다.

 

 

 

2) 내첨용 전분
제지의 초기 공정에서 탈수전의 펄프 현탁 액 상태에서 각종 약품을 추가하는 것을 내 첨가라고 부르며, 내첨용 전분도 여기에서 첨가된다. 전분의 역할은 주로 펄프섬유와 펄프섬유 접착제이며, 최종적으로 완성되는 종이의 강도를 향상시킨다. 또한 전분은 미세 섬유와 전료 (종이에 뜨는 탄산 칼슘 등의 미네랄)의 제품 수율 향상, 후 공정의 와이어 상에서의 탈수성 향상에도 기여한다.
펄프 섬유는 음이온성이며, 전료 등도 음이온성의 것이 많기 때문에 펄프 섬유와 전료와의 친화성을 높이기 위해 전분은 양이온성의 것이 바람직하며, 일반적으로 양이온화 전분 또는 양성화 된 전분이 사용된다. 양이온화 된 전분은 전분의 수산기에 3급 아민 또는 4급 암모늄 화합물을 부가시킨 것이며, 펄프 현탁액에 첨가할 때는 일반적으로 미리 호화시켜 둔다. 그러나 거의 같은 기능을 가진 폴리 아미드로 대표되는 화성품에 대체되고 있으며, 내첨용 전분의 사용량은 점차 감소 추세에 있다.

 

(3) 스프레이용 전분
스프레이용 전분은 사용 방법에 따라 층간용 및 표면용으로 나뉜다. 층간용은 판지의 종이와 종이와의 접착제로 사용됩니다 (그림 2), 전분 슬러리 상태 (호화시키지 않고), 습지와 습지 사이에 그대로 분무되고, 후 공정 건조기 파트에서 가열 됨으로써 호화가 일어나며, 전분이 접착제 역할을 하는 구조로 되어있다. 이런 쓰임새 때문에, 사용되는 전분 건조기 파트의 성능 (조건)에 따라, 전분이 충분히 호화하기 쉬운 조건 (수분이 많고 온도가 높은 등)이면 원시 전분에서도 문제 아니지만, 호화하기 어려운 조건 (수분이 적은 온도가 낮은 등)의 경우 호화하다 (호화 온도가 낮고, 약간 점도가 낮은 등) 전분이 필요하며, 아세틸화 전분, 우레아 인산화 전분 등이 사용된다. 또한 사용 목적에서 스프레이 한 전분은 종이 표면에 머물러있는 것이 중요하고,  속으로 침투해 버려서는 접착 기능을 못하기 때문에, 입자가 큰 감자 전분을 즐겨 사용하는 제지 회사도 있다.
표면용은 보통 한 장 종이에 있어서 프레스 파트에서 전분 슬러리를 위에서 살포하는 방법으로하며, 목적은 내첨용과 거의 같고, 종이의 강도를 향상시키는 경우에 채택된다.

사용되는 전분은 층간용과 거의 동일하다.

 

 

4) 사이즈 프레스용 전분
상업 인쇄에서는 점도가 높은 잉크가 사용되는 경우가 많고, 인쇄시 종이의 표면은 잉크의 턱에 의해 끌려 큰 부하가 걸리기 때문에, 표면 강도를 높일 목적으로 전분 등을 종이의 표면에 도포하여, 이 공정을 "사이즈 프레스” 라고 부른다.

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사이즈 프레스는 드라이어 파트의 중간에 설치되어 있으며, 2개 롤 타입 (그림 3), 게이트 롤 타입 (그림 4) 등이 있다. 2개 롤 타입은 롤 사이에 전분 접착제 액통을 만들어, 그 속을 일단 건조 된 종이를 지나게하면서 도포한다.

게이트 롤 타입은은 접착제 액(풀)을 롤에 전사시켜 종이에 도포한다. 따라서 사이즈 프레스 후에는 다시 습하기 때문에 다시 건조시킬 필요가 있다. 또한 사이즈 프레스는 고속으로 종이의 표면에 균일하게 도포해야 하기 때문에, 사이즈 프레스에 사용되는 전분은 점도가 낮은 것이어야 한다. 따라서, 현재는 미리 저점도화 처리된 산화전분이 많이 사용되고 있지만, 최근에는 미가공 또는 저가공 정도의 전분을 사용하여 제지 공장 내에서 저점도화를 실시하는 자가 변성 시스템에 의한 자가 변성 전분이 많아지고 있다.
산화 전분은 저분자화와 함께 카르복시기, 카르보닐기의 생성이 일어나고 있기 때문에 노화가 일어나기 어려워 사용이 편리한 좋은 전분이다. 사이즈 프레스는 그 장치의 특성상 전분 접착제 액(풀)의 일부는 계내를 순환하는 산화 전분 접착제 액(풀)의 시간 경과에 따른 안정성을 높이는 종이 품질의 안정성으로 이어지고 있다.

자가 변성 시스템은 효소 변성 방식과 열화학 변성방식의 2종류가 있지만, 현재는 효소변성 방식이 많다. 효소변성은 α-아밀라아제를 전분 슬러리에 첨가하여 두고, 배치 쿠커에서 천천히 가열함으로써 접착제화와 저점도화를 동시에 진행하는 방식으로, 사용되는 전분은 미가공의 옥수수 전분, 저가공 타피오카 전분이 많다. 그러나 효소 변성전분은 α-아밀라아제에서 단순히 가수분해하여있을 뿐이므로, 접착제 액(풀)의 안정성이 나쁘고, 사용하기에도 좋지 않기 때문에, 종이 품질을 유지하는 데 어려움이 있지만, 저렴하기 때문에 요즘은 이 방식이 늘고 있다. 

 

5) 코팅용 전분
캘린더 및 카탈로그 잡지 등의 종이는, 표면이 매끈 매끈, 윤기 (반들 반들)하고 보기에도 인쇄발도 매우 좋은 것으로, 일반적으로 코팅 종이로 불린다. 코팅지의 표면에는 무기 안료 (탄산 칼슘 등)이 칠해져 있으며, 이러한 안료를 종이 표면에 부착시키기 위해 접착제로 전분이나 라텍스 등의 수용성 바인더(결합제)가 사용된다.

종이에 도포하기 전의 안료나 바인더 및 기타 약품 (내수화제, 윤활제 등)를 혼합 한 도료를 코팅 컬러라고 부르며, 이 색상에 사용되는 바인더는 종이에 도포했을 때 안료 표면을 충분히 커버하고 접착을 위해 어느 정도 원지에 침투할 필요가 있다. 또한 일반적으로 접착력이라는 점에서 수용성 바인더 중에서는 전분계가 가장 약하지만, 바인더에 요구되는 기능은 접착력뿐만 아니라 코팅 컬러의 유동성, 점성, 보수성 및 건조 후 표면의 마무리 특성 등도 요구되기 때문에 필요에 따라 여러 바인더가 사용되는 경우가 많다. 기존에는 전분이 주체였고, 라텍스가 부차적이었지만, 라텍스의 품질이 개선되면서 최근에는 라텍스가 주체가 되어있다. 그러나 전분은 라텍스에는 없는 기능 (보수성 등)이 있어서, 완전히 없앨 수 없는 경우가 많다. 코팅 색상은 상당히 고농도로 만들어야 하므로, 전분도 저점도로 할 필요성이 있으며, 사이즈 프레스 처럼 산화 전분이 가장 많이 사용되지만, 안료와의 궁합이 좋고, 컬러 특성, 코팅지의 인쇄 적성도 좋은 요소인산화전분도 잘 사용된다. 또한 품질적으로는 약간 떨어지지만, 코팅용지의 경쟁력 강화를 위해서 비용 절감 대책으로서 자가 변성 전분도 사용되는 사례가 늘어나고 있다.

 

2. 골판지 산업의 전분의 이용
골판지는 볼 기회가 많아, 포장에도 잘 사용되고 있어서 친숙함이 있는 포장재료이다. 구조는 단순하며 물결(골) 모양으로 가공된 판지를 양 바깥쪽 두​​개의 판지에 끼워 접착했을 뿐인 것이다. 이 안쪽의 물결(골) 모양의 판지를 중심(中芯), 양쪽 외부*両外側)의 판지를 라이너 라고 부르며, 중심(中芯)과 라이너를 접착하는 것이 전분이다. 물결(골)이 1단 만으로 보이는 구조의 골판지 (시트)를 양면 골판지이라 부르고, 골이 2단으로 되어있는 복수 양면 골판지, 3단으로 되어있는 삼층 골판지라는 것도 있다.

또한 파도(골)의 부분을 잘 보면 파도의 간격 (밀도)가 큰 것과 작은 것이 있는데, 특히 작은 것은 "마이크로 플루트"라고 불리며, 언뜻 보아서는 단순한 판지로 밖에 보이지 않지만, 같은 두께라면 마이크로 플루트 골판지는 판지와는 비교가 되지 않는 강도를 가지고 있다.

(1) 골판지 첩합
중심(中芯)과 라이너를 접착하는 것을 첩합이라고 부르며, 접착제인 전분 접착제(풀)를 제조하는 것을 제호(풀제조) 라고 부른다. 골판지는 "콜게이트 머신 (그림 5)"라는 장치로 물결(골) 모양으로 성형 한 중심(中芯)의 단정(꼭대기)에 전분 접착제(풀)를 도포하고, 우선 뒷면 라이너 와 접착시키고(싱글 페이서 S/F), 그 다음에 앞면라이너를 접착시킨다 (더블배커 D/B). 싱글 페이서 측은 순간 접착제이며, Heat Roll (열롤)로 압력과 열을 가해 접착시킨다. 그 후 수십 초 양생 한 후 더블 배커 측의 접착을 행한다. 더블 배커 측은 Heat Plate (열판) 위를 통과시킴으로써 접착과 건조를 하고, 싱글 페이서 측의 완전 건조도 동시에 이루어진다.

 

 

 

(2) 골판지용 접착제(풀)

製糊 방식은 크게 “투 탱크 시스템” 과 “원 탱크 시스템”으로 나뉘어 한 탱크 시스템은 또한 "스타 홀 법” “프리믹스 법" "붕산 첨가 반응법”등이 있다. 이 시스템의 골판지용 호제(풀제)는 독특하고, 캐리어라고 블리는 호화시킨 糊液부 (캐리어부)와 메인으로 부리우는 미호화 전분부 (메인부)로 구성되어, 호제(풀제)는 전분 접착제 액체 중에 미호화 전분이 분산되어있는 상태이다. 또한 구성 성분은 전분뿐만 아니라, 점도 조절 및 미호화 전분의 침강 방지를 위해 붕사가 첨가되어 호화 온도 제어(콘트롤)를 위해서 가성 소다도 넣고, 내수성(耐水性)이 필요한 경우 내수화제(耐水化剤)가 첨가되는 경우도 있다.

투 탱크 시스템은 캐리어 부를 제작 한 후 다른 탱크에 준비한 메인부 (전분 슬러리)에 혼합하는 방식인, 원 탱크 시스템은 이것을 하나의 탱크에서 실시하게 된다.

(3) 캐리어 부 와 메인 부
캐리어부는 알칼리 (가성소다)에 의해 완전히 호화되어 있으며, 골판지 호제에서는 매우 중요한 역할을 한다. 그 하나는 메인 전분의 침강을 억제하여 적정한 점도를 갖게하는 것이며, 캐리어가 없으면 메인 전분이 침강하여 호제가 불균일하게 되고, 적정한 점도가 없으면 풀 롤에 잘 타지 않게 된다. 또 다른 중요한 역할은 보수력 부여이며, 전분 호제에 보수력이 없으면 라이너와 중 심에 도포함과 동시에 수분이 종이 측으로 빨아들어 메인 부의 미호화 전분이 팽창 , 호화하는데 충분한 수분이 부족하고 접착 불량이 된다. 또한 캐리어 전분을 호화시키는 데 사용된 알칼리는  메인 전분의 호화 온도의 조정 역할도 수행한다.

메인 부의 미호화 전분은 접착제로서의 주역이며, 캐리어부의 도움과 콜게이터 머신의 열 (과 가압)에 의해서 호화함으로써 접착력을 발휘한다. 메인부의 전분은 캐리어부로부터 공급되는 알칼리에 의해서 호화 온도가 제어된다. 일반적으로 호화 온도가 낮을수록 호화에 필요한 에너지도 감소하여 비용적으로 우위이지만, 현실적으로는 호화 온도를 지나치게 낮추면 조업상의 문제가 각종 발생하기 때문에 그 머신에 맞는 호화 온도가 설정된다.

(4) 접착의 메커니즘
기본적인 접착의 메커니즘은 싱글 페이서도 더블 바커도 거의 같으며, 계면 접착, 침투 접착 및 전분의 응집 접착의 복합이지만, 접착 조건은 상당히 다르다. 싱글 페이서 측은 계면 접착 (및 전분의 응집접착)이 주가되고, 순간적인 가압과 열만으로 더블 바커에서 완전히 접착시킬 때까지의 초기 접착력을 발휘시킬 필요가 있다. 접착력은 숄더라는 부분이 주로 담당한다 (그림 6). 더블 바커 측은 침투 접착 (및 전분의 응집접착)이 주가되고, 대부분 가압없이 밀착 정도의 압력에서 싱글 페이서보다 저온 장시간 (몇초)로 접착한다. 싱글 페이서 측의 최종 접착력은 더블 바커의 열로 건조함으로써 발현한다.

 

 

 

参考文献
王子製紙編『紙の知識100』東京書籍
王子製紙編『紙パルプの実際知識』東洋経済新報社
高田直屹『製紙工業』大日本工業学会
五十嵐清一『段ボール包装技術入門』日報
『段ボール実務知識』一律書房

 

 

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