목재 펄프

기계적 펄프 제조법은 목재를 주로 물리적인 힘으로 분쇄하여 섬유를 분리해내는 방법이다. 이 방법은 화학적 펄프 제조법과 달리 화학 약품을 거의 사용하지 않거나 매우 적게 사용하는 것이 특징이다. 가장 대표적인 공정은 그라인더 펄프 공정으로, 통나무를 회전하는 연마석에 대고 눌러 문질러 섬유를 떼어낸다. 또 다른 방법으로는 리파이너 펄프 공정이 있는데, 이는 칩 형태로 잘라낸 목재를 고속으로 회전하는 디스크 사이에서 분쇄하는 방식이다.

이 방법으로 생산된 기계 펄프는 수율이 매우 높아 원료 목재의 90% 이상을 펄프로 활용할 수 있다는 경제적 장점이 있다. 그러나 화학 처리 과정이 없기 때문에 목재 속의 리그닌이 대부분 그대로 남아 있어, 제품의 색상이 갈색을 띠고 시간이 지남에 따라 쉽게 황변 현상을 일으킨다. 또한 화학 펄프에 비해 섬유가 짧고 손상이 많아 강도가 상대적으로 낮은 단점을 가진다.

주로 신문용지나 저급 인쇄용지, 판지의 중간층과 같이 높은 백색도와 장기적인 보존성이 요구되지 않는 제품의 제조에 널리 사용된다. 생산 과정에서의 에너지 소비량은 높은 편이지만, 화학 약품 사용과 관련된 폐수 처리 부담은 적은 편에 속한다.

화학적 펄프 제조법은 목재 칩을 화학 약품과 함께 고온 고압으로 끓여 목재를 구성하는 리그닌과 헤미셀룰로오스를 용해·제거하고, 주로 셀룰로오스 섬유를 남겨 펄프를 얻는 방법이다. 이 방법은 크래프트 펄프법과 아황산 펄프법이 대표적이다. 크래프트 펄프법은 수산화나트륨과 황화나트륨을 주약품으로 사용하는 알칼리성 공정이며, 아황산 펄프법은 아황산칼슘 또는 아황산마그네슘 수용액을 사용하는 산성 공정이다.

화학 펄프법의 핵심 공정은 펄프화 반응이 일어나는 디제스터에서 이루어진다. 목재 칩과 화학 약액이 디제스터 내에서 140~180°C의 고온에서 수 시간 동안 반응하면, 리그닌이 분해되어 용액 속으로 녹아 나오게 된다. 이후 반응이 끝난 펄프는 세척, 선별, 농축 등의 후처리 공정을 거쳐 다음 공정으로 보내지거나 펄프 시트로 건조된다.

이 방법으로 생산된 펄프는 기계적 펄프에 비해 섬유 손상이 적고 섬유 길이가 잘 보존되어 강도 특성이 매우 우수하다. 또한 리그닌이 대부분 제거되어 색상이 밝고, 표백이 비교적 용이하며, 장기 보존성이 좋다는 장점이 있다. 반면, 화학 약품을 사용하고 고에너지가 소요되며, 원료 목재 중 약 절반 가량이 용해되어 블랙 리커리라는 부산물로 배출되기 때문에 펄프 수율이 40~50% 수준으로 낮은 것이 단점이다.

화학 펄프는 높은 강도와 순도를 요구하는 포장용지, 인쇄용지, 고급 문화용지 및 특수지의 주원료로 널리 사용된다. 특히 크래프트 펄프법으로 제조된 펄프는 높은 강도로 인해 크래프트지나 포장용 골판지의 원료로 많이 쓰인다.

반화학 펄프 제조법은 기계적 방법과 화학적 방법의 장점을 결합한 공정이다. 이 방법은 목재 칩을 완전한 화학적 분해보다는 약한 화학 약품으로 전처리한 후, 기계적 파쇄를 통해 섬유를 분리한다. 일반적으로 사용되는 화학 약품은 나트륨 설파이트나 약한 알칼리 용액이며, 이는 목재 칩의 리그닌을 부분적으로만 제거하거나 연화시킨다. 따라서 화학 펄프 제조법보다는 적은 양의 화학 약품이 필요하며, 기계 펄프 제조법보다는 더 많은 화학 처리가 가해진다.

이 공정의 주요 특징은 높은 수율을 유지하면서도 기계 펄프보다 향상된 품질을 얻을 수 있다는 점이다. 반화학 펄프는 기계 펄프에 비해 색상이 더 밝고 강도가 더 우수하며, 리그닌 함량이 낮아 상대적으로 내후성이 좋다. 그러나 완전한 화학 펄프만큼의 높은 순도와 강도는 기대하기 어렵다. 이러한 특성으로 인해 반화학 펄프는 주로 포장재나 판지의 중간층과 같이 일정한 강도가 요구되지만 최고급 백색도가 필요하지 않은 용도에 널리 사용된다.

반화학 펄프의 제조 공정은 일반적으로 목재 칩의 화학적 전처리, 증해 또는 가압 과정, 그리고 기계적 파쇄 또는 분쇄의 단계로 이루어진다. 전처리된 칩은 리그닌이 연화되어 기계적 에너지를 덜 들이고도 섬유를 분리할 수 있게 된다. 이 방법은 수율이 65%에서 85% 사이로, 화학 펄프의 40-50% 수율보다는 훨씬 높고 기계 펄프의 90% 이상 수율보다는 다소 낮은 편이다. 생산 비용과 에너지 소비 측면에서도 두 방법의 중간 정도에 위치한다고 볼 수 있다.

연엽수 펄프와 침엽수 펄프는 원료 목재의 종류에 따라 구분된다. 연엽수 펄프는 참나무, 자작나무, 밤나무와 같은 활엽수를 원료로 한다. 이 펄프의 섬유는 일반적으로 짧고 가는 특성을 가지며, 제품의 표면이 매끄럽고 불투명도가 높아 인쇄용지나 사무용지 제조에 적합하다. 반면 침엽수 펄프는 소나무, 전나무, 잣나무와 같은 침엽수를 원료로 한다. 침엽수 펄프의 섬유는 길고 강도가 높아, 포장용 골판지나 봉투, 가방과 같이 내구성이 요구되는 종이 및 판지 제품의 주원료로 사용된다.

두 펄프의 특성 차이는 제지 공정에서 중요한 의미를 가진다. 종이의 물리적 강도는 주로 섬유 길이와 결합력에 의해 결정되는데, 침엽수 펄프의 긴 섬유는 우수한 인장 강도와 접착력을 제공한다. 따라서 강한 포장재나 산업용지를 생산할 때는 침엽수 펄프의 비율을 높인다. 한편, 연엽수 펄프는 짧은 섬유가 밀집되어 불투명하고 균일한 표면을 형성하므로, 책이나 잡지, 복사지와 같은 인쇄 매체의 품질을 높이는 데 기여한다.

실제 제지 산업에서는 단일 종류의 펄프만 사용하기보다는, 목표하는 종이의 특성에 따라 연엽수 펄프와 침엽수 펄프를 적절히 배합하여 사용하는 것이 일반적이다. 예를 들어, 신문용지는 저렴한 기계 펄프와 함께 일정량의 침엽수 펄프를 혼합하여 인쇄 적성과 강도를 확보한다. 고급 인쇄용지나 아트지는 표면 평활도와 불투명도를 극대화하기 위해 연엽수 펄프의 비중을 크게 높여 제조한다.

표백 펄프는 표백 공정을 거쳐 색상이 희고 밝아진 펄프이다. 이 과정에서 리그닌과 같은 불순물이 제거되며, 주로 염소, 산소, 과산화수소 또는 오존을 이용한 표백제가 사용된다. 표백 처리는 펄프의 백색도와 광택을 높여 인쇄용지나 고급 화장지 등 외관이 중요한 제품의 원료로 적합하게 만든다. 그러나 표백 과정은 펄프의 섬유 자체를 약화시킬 수 있으며, 특히 전통적인 염소 표백 방식은 환경에 유해한 다이옥신과 같은 부산물을 생성할 위험이 있어 환경 규제의 대상이 되기도 한다.

반면 미표백 펄프는 표백 공정을 거치지 않아 원래의 갈색을 띠며, 리그닌이 상당 부분 남아 있다. 이로 인해 색상은 어둡지만, 표백 과정에서의 화학적 손상이 없어 섬유의 강도가 더 잘 보존되는 경우가 많다. 미표백 펄프는 강도가 중요한 포장용 골판지, 산업용 종이, 종이 봉지 등의 제조에 널리 사용된다. 또한 표백 과정에서의 화학약품 사용과 에너지 소비가 없어 환경 부하가 상대적으로 적다는 장점이 있다.

표백 여부에 따른 선택은 최종 제품의 요구 사항에 따라 결정된다. 고급 인쇄용 신문지나 사무용지는 높은 백색도를 위해 표백 펄프를 사용하는 반면, 운송용 박스나 건축 자재로 쓰이는 시멘트 포대는 강도와 경제성을 중시하여 미표백 펄프를 선호한다. 또한 환경 친화적 그린 마케팅 수요가 증가함에 따라, 미표백 펄프를 사용한 친환경 포장재의 비중도 점차 높아지고 있는 추세이다.

목재 펄프는 제지 산업의 가장 핵심적인 원료이다. 종이와 판지의 주성분을 이루며, 신문용지, 인쇄용지, 포장용 골판지, 각종 산업용지 등 다양한 종이 제품의 생산에 사용된다. 특히 목재 펄프는 비목재 펄프에 비해 섬유 길이가 길고 강도가 높은 특성을 지녀, 높은 내구성과 인장 강도가 요구되는 제품의 제조에 적합하다.

제지 공정에서 목재 펄프는 단독으로 사용되거나, 재생 펄프나 비목재 펄프와 혼합되어 사용된다. 펄프의 종류와 배합 비율은 최종 제품이 요구하는 백색도, 강도, 불투명도, 인쇄 적성 등에 따라 결정된다. 예를 들어, 고급 인쇄용지는 표백된 화학 펄프의 비율이 높은 반면, 신문용지나 저가 포장지는 기계 펄프나 반화학 펄프를 주로 사용한다.

이처럼 목재 펄프는 제지 산업의 근간을 이루지만, 일반적으로 생산 비용이 높고 대규모 펄프 공장과 많은 에너지 및 물을 필요로 한다는 점에서 지속적인 기술 혁신과 자원 효율성 제고가 요구되는 분야이기도 하다.

목재 펄프는 제지 산업 외에도 다양한 산업 분야에서 중요한 원료로 활용된다. 특히 섬유 산업에서는 레이온, 아세테이트, 리오셀과 같은 재생 셀룰로오스 섬유의 주원료로 사용된다. 이들 섬유는 목재 펄프를 화학적으로 처리하여 셀룰로오스를 추출한 후 재생시켜 만드는데, 면과 유사한 촉감과 우수한 흡습성을 가진다. 섬유 제조용 펄프는 높은 순도와 일정한 품질이 요구되며, 주로 화학 펄프법으로 생산된 표백 펄프가 사용된다.

이외에도 목재 펄프는 펄프 몰드 제품, 흡수제, 필터, 플라스틱 복합 재료의 충전재, 식품 첨가물 등 다양한 분야에 적용된다. 펄프 몰드 기술을 이용하면 계란 곽, 음료수 홀더, 완충 포장재와 같은 친환경 포장재를 생산할 수 있다. 또한 고순도의 펄프는 화학 공업에서 니트로셀룰로오스나 셀룰로오스 에스터 같은 유도체를 만드는 기초 물질이 되기도 한다.

목재 펄프의 활용은 지속적으로 확대되고 있으며, 특히 바이오 에너지 및 바이오 기반 경제로의 전환과 맞물려 바이오매스 자원으로서의 가치가 재조명받고 있다. 펄프 공장에서는 펄프 제조 과정에서 발생하는 목재 부산물을 바이오매스 보일러의 연료로 사용하거나, 바이오 연료, 바이오 화학물질의 원료로 전환하는 연구가 활발히 진행 중이다. 이는 자원의 효율적 활용과 지속 가능한 개발 목표에 부합하는 방향이다.