셀룰로오스 나노피브릴 도공을 통한 도공지의 배리어 적성 연구

Abstract

최근 천연 소재나 생분해성이 우수한 소재들에 대한 관심이 증가하면서 패키징 소재는 기존 석유화학계 소재에서 친환경 소재로 대체되고 있는 추세이다. 패키징 소재 중에서도 종이는 두 번째로 큰 규모를 가지고 있으며 종이는 생분해성, 재활용성이 뛰어나고 친환경적이라는 장점이 있다. 그러나 수분이나 수증기에 대한 저항성이 좋지 않다는 단점이 있기 때문에 이러한 단점을 극복할 방안이 필요하다. 본 연구에서는 생분해성이 우수하고 친환경 소재로 각광받고 있는 셀룰로오스 나노피브릴(cellulose nanofibrils, CNF)을 배리어 코팅제로 사용하여 지류 포장재의 단점을 극복하고 배리어 특성을 향상시키고자 하였다. 본 연구에서는 원지 특성, 셀룰로오스 나노피브릴의 특성, 도공 조건 등을 다르게 하여 도공 적성과 도공지의 배리어 특성에 영향하는 인자를 구명하고 셀룰로오스 나노피브릴 도공을 통하여 배리어 적성을 지니는 지류 포장재 개발을 목적으로 하였다.

본 연구에서는 표백크라프트펄프 및 미표백크라프트펄프를 사용하였으며 그라인더를 사용하여 CNF와 리그노셀룰로오스 나노피브릴(lignocellulose nanofibrils, LCNF)를 제조하였다. 또한 카르복시메틸화와 실란화를 사용하여 카르복시메틸화 CNF (carboxymethylated-CNF, CM-CNF) 및 소수화 CNF (hydrophobised-CNF, H-CNF)를 제조하였다. 이렇게 제조한 특성이 다른 CNF를 종이 기재 위에 도공하여 도공지의 구조적, 기계적, 배리어 특성을 살펴보았다. 어플리케이터의 갭 사이즈를 조절하여 도공량을 다르게 하였고, 배리어 특성으로는 걸리 투기도, 콥 사이즈도, 수분투과율(water vapor transmission rate, WVTR), 산소투과율(oxygen transmission rate, OTR)을 평가하였다.

펄프 종류와 CNF 개질 방법에 따라 형태학적 특성, 점도 및 표면 화학적 특성은 상이하였다. 나노피브릴의 평균 폭은 CM-CNF가 가장 작았으며(약 15 nm) LCNF가 가장 큰 폭(약 68 nm)을 지녔다. CM-CNF 현탁액이 가장 작은 폭과 높은 저전단 점도를 지녔으며 소수성이 높은 H-CNF가 가장 높은 표면 물 접촉각을 나타내었다. CNF의 종류에 따라 동일한 도공 조건에서 도공량에 차이가 있었으며 저전단 점도가 가장 높은 CM-CNF의 도공량이 가장 낮았다.

CNF의 특성 차이는 도공지의 특성에도 영향을 미쳤다. 걸리 투기도는 CM-CNF 도공 시 가장 크게 증가하였으며 CM-CNF가 투기도를 감소시키는데 가장 효과적이었다. 콥 사이즈도는 10 g/m2 도공 시 약 10 g/m2까지 감소하며 매우 우수한 내수성을 나타내었다. 특히 H-CNF가 가장 효과적으로 콥 사이즈도를 감소시켰다. 수분투과율(WVTR)은 도공량이 증가함에 따라 최대 65%까지 감소하였으며 산소투과율(OTR)은 90% 이상 감소하였다. CNF의 소수성은 수분 흡수에 대한 배리어 형성에 가장 큰 영향을 미치는 인자였으며, CNF의 형태학적 특성이 산소투과율 및 투기도에 가장 큰 영향을 미치는 인자로 사료되었다. 즉 폭이 가장 작은 CM-CNF가 산소투과율과 투기도를 가장 효과적으로 감소시켰다.

본 연구에서는 CNF의 특성 중 각각의 배리어 특성에 영향을 미치는 인자를 구명하였으며 배리어 특성을 발현할 수 있는 최적 도공량을 제시하였다. 또한 물, 수증기, 산소 등 다양한 물질들에 대한 배리어 성능을 평가함으로써 사용 목적에 알맞은 배리어 특성을 나타낼 수 있는 도공 조건 및 CNF 제조 조건을 제시하였다. 이상의 연구 결과를 통해 CNF를 친환경 배리어 코팅제로 사용할 수 있다는 가능성을 볼 수 있었으며 종이 기재 위 CNF 도공을 통해 친환경 포장재 제조가 가능할 것으로 판단되었다.