식품공학, 식품기사, 기술사 등 필수 과목 식품포장학 요점 정리 3. 종이 및 플라스틱

3. 종이 및 플라스틱

1. 종이 (paper)
: 나무의 식물 섬유를 추출하여 이를 물에 분산시켜 물을 매개로 얇고 편편한 원하는 형태
와 특성으로 조합시켜 제조
: 중량에 비하여 강도가 우수하여 가공 용이
: 친환경적이고 냉동 식품의 포장에 효과적으로 사용이 가능하다

 

1) 종이 제조 공정
종이의 제조 공정은 크게 나무 껍질을 제거하면서 fiber를 만드는 공정과 여기에 물과
NaOH를 첨가하여 나무를 직접 제조하는 공정으로 나누어진다.

 

(1) Fiber preparation (섬유질 제조)
섬유질 제조 과정을 간단히 요약해 보면 다음과 같다.
Remove bark → Grind up → Slurry in water (1% wood) → crude fibers slurry

 

(2) Paper making (종이 제조)
종이 제조 과정을 간단히 요약해 보면 다음과 같다.
1 % wood fiber → add water and 18 % NaOH → start grind to flatten and tray
particle → rolling up process → 20 % fiber and 80 % water (wet end) → internal
treatment at wet end (20 % fiber) → 2 차 press rolling up process ⇒ 80 % fiber (dry
end) → roll up
종이 제조 과정에서는 리그닌을 제거하여 목재를 섬유상의 상태로 만드는 pulping (펄프 제
조)과 분리된 fiber를 용도에 적합하게 절단하는 beating (절단) 과정이 중요한 단계이다.
펄프 과정에서 NaOH 처리 시간이 길어질 수 록 리그닌의 파괴가 심해지고 제조된 종이의
강도는 약해지게 된다. 이러한 과정 이외에도 beating 과정에서는 종이의 기능성과 부가
가치를 높이기 위한 여러 가지 물리적 그리고 화학적 처리들이 있다.

 

① Pulping process (펄프 제조 과정)
목재를 절단하여 섬유상(filber)의 형태로 만드는 과정을 펄프화라고 한다. 이 과정을 통해
서 섬유와 섬유를 연결하고 있는 리그닌과 또한 목재에 존재하는 불순물을 제거한다. 펄프
제조 과정은 크게 화학적 방법과 기계적 방법으로 나누어진다. 기계적 방법은 물을 분사시
켜서 목재의 수용성 불순물을 제거하는 방법으로 리그닌의 제거는 충분하지 않으나 값이 저
렴하고 기계적 강도도 기대할 수 있어 신문 용지나 판지 제조에 종종 이용된다.
이에 반하여 화학적 처리는 리그린을 포함한 대부분의 불순물을 제거 할 수 있고 처리하는
화학 물질의 종류외 처리 시간에 따라 다양한 종류의 종이를 만들 수 있다. Kraft 공정은
수산화 나트륨(NaOH) 과 황산나트륨 (Na2SO4)을 사용하여 펄프를 제조한 공정으로 궁극적
으로는 kraft 용지를 제조하기 위하여 사용되고 있다. Sulfite 공정은 아황산 (sulfurous
acid)과 중아황산나트륨(calcium bisulfite)을 이용한 방법으로 궁극적으로는 황산지 (sulfite
paper) 를 만드는데 사용되고 있다. 이처럼 펄프 제조 과정에서 사용하는 방법 및 처리하
는 화학 약품의 종류에 따라 다양한 종이를 생산 할 수 있으며 처리 시간 조절을 통하여 종
이의 강도를 조절 할 수 있는 중요한 과정이 펄프 제조 과정이다.

 

② Beating (절단)
리그닌을 제거하여 목재로부터 분리된 섬유질을 절단하고 수분을 흡수하게 하여 팽창 시키
는 과정을 beating 이라고 한다. 이 과정은 또한 20 % 섬유를 포함하고 있을 때 진행하는
internal treatment 그리고 80 % 섬유를 포함하고 있을 때 진행하는 external treatment를
통하여 종이의 기능성 및 부가가치를 높이는 작업을 포함한다.
Internal treatment 는 종이 제조 초기 과정 즉 fiber의 함량이 20 % 정도인 wet end에서
진행되는 과정이다. 여기에는 sizing 작업을 통하여 acrylic polymer 로 만들거나 Al2(SO4)3
을 첨가하여 종이를 hydrophobic 하게 만들어 수분에 대한 저항성 및 기계적 강도를 높이
거나 색소제를 첨가하여 용도에 맞게 색을 부여하고 TiO2 나 clay 를 첨가하여 종이에 강도
를 부여하거나 종이를 표백하는 과정을 종이의 최종 용도와 필요한 기능에 따라 거치게 된
다.
80 % fiber 로 구성된 dry end 에는 external treatment 과정을 거치는데 여기에는 전분을
첨가하여 종이를 더욱 강하게 하여 기계적 강도를 높이거나 실리콘 처리를 하여 수분에 대
한 저항성을 높이는 작업을 하여 종이의 식품 포장재로의 이용 가능성을 높일 수 있다. 또
한 clay 처리를 통하여 인쇄 작업을 보다 손쉽게 할 수 있도록 도와주거나 왁스 처리를 통
하여 식품에 많이 포함되어 있는 수분이나 지방에 대한 저항성을 높일 수 있다.

 

2) 종이의 구분
이러한 처리 과정 방법 차이나 원료의 차이에 따라 종이 재료의 종류는 일반적으로 세 가지
로 크게 나누어 질 수 있다.

 

① Kraft paper
현재 사용되고 있는 종이 포장재 중에서 비교적 강한 물리적 특성을 가지고 있으며, 미국에
서는 일반 편의점이나 슈퍼 등에서 많이 사용되고 있는 갈색을 띠고 밀도가 고르지 못한 종
이 포장재를 kraft paper 라고 한다. 또한 다른 종류의 포장재 (플라스틱 등) 와 다층으로
포장재에 견고성 및 내용물을 외부 충격으로부터 보호하기 위하여 사용되고 있다. 제조 방
법은 다른 종이 제조 방법에 비하여 물리적인 전처리 및 NaOH 와 NaSx를 이용한 화학적
처리를 줄임으로서 fiber 의 길이를 길게 함과 동시에 종이에 강도를 부여해 주는 lignin 의
제거를 최소화하는 방법을 채택하고 있다.

 

② Sulfite paper
Sulfite paper 는 구성 재료인 fiber 의 길이가 짧고, Na2SO3 + H2SO3를 사용하여 lignin을
보다 많이 제거한다. 이러한 이유 때문에 kraft paper 에 비하여 강도는 약하나, benzene
sulfonate 와 같은 계면 활성제를 사용하여 종이의 색을 보다 밝게 만들 수 있는 장점을 가
지고 있다. 또한 내유성과 수분에 대한 저항성이 강하여 버터, 마가린, 햄 이나 냉동 식품
포장 등에 사용 될 수 있다.

 

③ Glassine paper
Sulfite paper 와 같은 formula 로 구성되어 있으나, calondering 이라는 press 공정이 추가
되어 매우 높은 밀도와 결정성 구조를 가지고 있는 종이를 glassine paper 라 하는데 내유
성과 수분에 대한 저항성이 우수하며 스낵 등의 과자류 등에 많이 알루미늄과 함께 사용하
거나 식품의 내 포장에 사용된다.

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2. 플라스틱 (polymer or plastic)
플라스틱은 모노머로 구성되어 있는 거대 분자라고 간단히 정의 할 수 있다. 보다 정확하
게 표현하면 일정한 분자량을 갖는 저 분자 단위 구조 즉, 단량체인 모노머가 여러 번 반복
되어 있는 물질로서 단일 분자량을 갖지 않고 여러 분자량을 가지고 있으며, 높은 기계적
강도, 높은 점도 성형성 그리고 고무적 탄성을 지니고 있다. 플라스틱 포장재는 모노머의
결합 방식에 따라 첨가 중합 폴리머(additional polymer)나 축합 중합 폴리머(condensational
copolymer)로 나누어진다. 첨가 중합 폴리머는 모노머 사이의 결합이 부가적인 생성물 없
이, 이중 결합을 가지고 있는 모노머들이나 두 가지 종류의 관능 그룹을 가지고 있는 모노
머들이 서로 연결되어 폴리머를 형성하는 것을 말하며, 폴리 에틸렌이나 폴리 프로필렌이
대표적인 첨가 중합형 폴리머에 해당된다. 축합 중합 폴리머 는 두 개 이상의 기능 그룹을
가지고 있는 모노머들이 결합 과정에서 작은 생성물을 만들어 내며 결합을 한다. 대표적인
필름으로는 PET (polyethylene terephthalate)와 nylon 등이 있다.

 

1) 결합 방식에 따른 종류

 

(1) 첨가 중합 반응 (additional polymer)
우선 부가적인 생성물이 없는 첨가 중합 반응의 과정은 다음과 같다
① Initiation
C6H5-CO-O‥O-CO-C6H5 (Initiatior) ⇒ C6H5-CO-O․(free radical) (In․)

 

② Propagation
In-CH2-CH2․ + CH2=CH2 (ethylene 수지) ⇒ In-CH2-CH2-CH2-CH2․

 

③ Termination
다른 initiation molecule과 반응하여 반응을 종결한다.
In-CH2-CH2-CH2-CH2․ + ․CH2-CH2-CH2-CH2-In
⇒ In-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-In
예) polystyrene (CH2=CH-C6H5))

 

● Initiation
In․ + CH2=CH-C6H5 ⇒ In-CH2-CHC6H5․

 

● Propagation
H
In-CH2-C․ + CH2=CH-C6H5 ⇒ In-CH2-CHC6H5-CH2-CHC6H5․
￨CH65

 

● Termination step
In-CH2-CHC6H5-CH2-CHC6H5․ + In-CH2-CHC6H5-CH2-CHC6H5․
⇒ In-CH2-CHC6H5-CH2-CHC6H5-CHC6H5-CH2-CHC6H5-CH2-In
예) 폴리비닐클로라이드 (PVC)

 

● Initiation
In․ + CH2=CHCl ⇒ In-CH2-CHCl․

 

● Propagation
In-CH2-CHCl․ + CH2=CHCl ⇒ In-CH2-CHCl-CH2-CHCl․

 

● Termination step
In-CH2-CHCl-CH2-CHCl․ + In-CH2-CHCl․

⇒	In-CH2-CHCl-CH2-CH-CH-CH2-In
￨	￨

Cl Cl

 

(2) 축합 중합 반응 (condensational copolymer)
다음으로는 물과 같은 생성물을 만들어 내는 과정인 축합 중합 (Condensation
polymerization) 에 관하여 설명해 보기로 한다. 두 개 이상의 관능 그룹을 가진 모노머들
이 결합하면서 물과 같은 작은 물질들을 만들어 내는 축합 반응을 미국에서는 축합 중합을
다음과 같이 기술한다. Take 2 or more monomer that are bifunctional and can condense
to give a covalent bond, and release a small molecule that is easily removed from the
reaction. 대표적인 축합 중합 반응의 산물은 PET 나 나일론을 들 수 있으며 반응 기작은
다음과 같다.
예) PET(polyethylene terephthalte)
HO-CH2-CH2-OH + HO-C-C6H4-C-OH ⇒
∥ ∥
O O
HO-CH2-CH2-O-C-C6H4-C-OH (repeating unit) + H2O↑ ⇒

∥ O

∥ O

HO-CH2-CH2-O-C-C6H4-C-O-CH2-CH2-O-C-C6H4-C-OH + H2O↑

∥ O

∥ O

∥ O

∥ O

예) Nylon 6, 6
Diamine + Diacid → Amide
H2N-(CH2)6-H2N + HOC-(CH2)4-COH ⇒
∥ ∥
O O
H2N-(CH2)6-NH-C-(CH2)4-C-OH (repeating unit) + H2O↑ ⇒

∥ O

∥ O

H2N-(CH2)6-NH-C-(CH2)4-C-N-(CH2)6-NH-C-(CH2)4-C-OH + H2O↑
∥ ∥
O O

 

(3) Copolymer
두개의 다른 반복 단위로 연결되어 있는 폴리머를 copolymer 라고 한다 (polymers with
two different repeat unit in their chains are called copolymers)

 

① additional copolymers
ex) ethylene + vinyl acetate ⇒ ethylenevinylacetate copolymer
CH2=CH2 (ethylene + In․ ⇒ In-CH2-CH2․ + CH2=CHO-C-CH3 (vinyl acetate)
∥ O
H
⇒ In-CH2-CH2-CH2-C․ + CH2=CH2 ⇒
￨
O-C-CH3
∥O [
(CH2-CH2)x-(CH2-CH2-CH-)y ]n
￨
O-C-CH3
∥ O
여기서 n 은 100에서 1000 정도임
위에서 보듯이 서로 다른 단위 즉 에틸렌과 비닐아세티이트가 결합하면서 1: 1 의 비율로
결합하는 것이 아니라 x 대 y 의 서로 다른 비율로 결합하는 폴리머를 말하며 첨가
(addition) 의 의미대로 물과 같은 물질들이 결합 과정에서 떨어져 나오지 않고 결합하는 방
식이다.

 

② condensational copolymer
HO-CH2-CH2-OH + HO-C-C6H4-C-OH + HO-(CH2)4-OH ⇒
∥ ∥
O O
ethyleneglycol (terephthalic acid) 1,4 butanediol
HO-CH2-CH2-O-C-C6H4-C-OH + HO-(CH2)4-O-C-C6H4-C-OH + H2O↑ ⇒
∥ ∥ ∥ ∥
O O O O
〔H(-O-CH2-CH2-O-C-C6H4-C)x-O-(CH2)4-O-C-C6H4-C-)yOH〕n + H2O↑

∥ O

∥ O

∥ O

∥ O

위에서 보듯이 반복되는 단위가 1:1 의 비율이 아니고 x:y 의 비율로 다양하게 결합하고 있
으며 결합과정에서 물을 축합 반응에 의하여 만들어 내는 과정을 거치게 됨으로 이런 종류
의 폴리머를 condensational copolymer 라고 한다.