2018
친환경 인쇄재료 개발 현황에 관한 연구<10>
재료 다양화 통한 친환경 대체 인쇄제품 개발
대한인쇄문화협회(회장 조정석)는 문화체육관광부의 지원을 받아 최근 친환경 인쇄재료 개발 현황에 관한 연구보고서를 발표했다. 유해 물질이 없는 인쇄물은 사람, 더 나아가 생태계를 위하여 반드시 필요하다. 따라서 이와 관련한 친환경인쇄 소재와 인쇄기술 개발에 대한 연구가 시급하다. 편집부   
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3. 친환경 핫멜트

친환경 핫멜트는 기존 핫멜트와 달리 열가소성수지(thermoplastic resin)를 사용하여 물이나 용제를 사용하지 않는 것을 말하며, 빠른 시간 안에 냉각 및 고화되면서 접착되는 열 용융형 접착제이다. 제책 공정에서 사용되는 용도로는 일반용, 아트지용, 노트제책용, 모조지용, 사이드용, 양장제책용 등으로 사용되고 있다.

이렇게 제책 공정에서 사용되는 핫멜트의 친환경화를 위하여 본 실험에서는 친환경 핫멜트의 개발과 그 적용성에 관하여 흡수력, 유연성, 접착력, 내한성 등에 관한 실험을 진행하여 친환경 핫멜트의 성능결과를 나타내었다.

 

 

3.1 친환경 핫멜트의 개발

3.1.1 친환경 핫멜트의 개발 방법

친환경 핫멜트를 만들기 위하여 기존의 핫멜트와 친환경 핫멜트의 제조에 사용된 재료를 아래와 같은 비율로 구성하여 시료를 제작하였다. 일반적으로 무선 제책용 핫멜트는 기본적인 폴리머인 EVA(ethylene+vinyl acetate) 공중합체에 점착부여제(tackifier)와 점도조절제인 왁스, 산화방지제 및 노화방지제 그리고 색상을 부여하는 안료를 넣어 제조한다. 친환경 핫멜트 개발을 위한 실험에서 개발된 친환경 제책 풀은 기존의 석유계 수지를 전체 사용하지 않고, 소나무 점액에서 추출한 자연로진을 첨가하여 제조하였다.


3.1.2 친환경 핫멜트의 기본물성 분석

일반적으로 내열성의 척도로 사용되는 연화점(softening-point), 일정한 온도에서의 접착제의 점도(molten viscosity), 고화속도(setting-time), 열에 견디는 내열도, 추위에 견디는 내한성, 일정온도에서의 접착제의 굳는 정도인 경도(hardness) 그리고 내열안정성(탄화도)에 관한 기본 특성을 점도계(BROOKFIELD DV-, 미국), shore A type경도계 등을 사용하여 측정하였다.

 

 

3.1.3 친환경 핫멜트의 성능분석

시료에 대한 용지로의 전이 및 흡수력, 책을 펼쳤을 때의 유연성, 가열 용융시 발생하는 냄새, 제책이 완료된 책자를 -20의 냉동고에 넣어둔 후 뜯김과 내쇄력을 테스트한 내한성 등을 측정하였다. 각 성능 측정은 사용자들의 의견을 바탕으로 주관적인 검증법인 5점법으로 결과를 도출하였고, 그 결과를 Old’s의 순위상관계수에 의한 통계학적인 방법으로 검증하였다.

또한 핫멜트의 가장 중요한 성능인 접착력 실험은 국내 유일한 완성 책 접착력 테스트기인 Book Tester(Pira Portable Book Tester, UK)를 사용하여, 대수별 접합부위의 접착력을 측정하였다.

 

 

3.2 친환경 핫멜트의 품질

3.2.1 기존 핫멜트 및 친환경 핫멜트의 기본 물성 비교

<25>에 기존에 사용되고 있던 핫멜트와 친환경 핫멜트의 기본적인 물성에 대한 결과 값을 표시하였다. 외관이나 색상은 모두 동일한 성능을 가지고 있는 것으로 판단되었고, 용융 점도를 비교해 본 결과 170에서 전처리용의 경우 친환경 핫멜트가 50cps 본 풀에서 20cps 낮은 것으로 나타났다. 제책용 핫멜트의 내열성 척도로 사용되는 연화점의 경우 두 시료 모두 거의 비슷한 값을 나타내고 있다. 동일량으로 도포 접착한 후 경화되는 속도를 측정해 본 결과 전처리용에서는 평균 2초 정도, 본 풀에서는 3초 정도 빠르게 친환경 그린멜트가 경화되는 것을 알 수 있었다. 이와 같은 결과로 미루어 볼 때 제책 작업 후 핫멜트의 응집파괴의 경우에서 친환경 핫멜트가 상대적으로 우수한 결과를 나타내고 있음을 알 수 있었다. 20에서 shore A type 경도계로 측정한 결과 두 시료의 전처리용에서는 비슷한 경향을 나타내었고, 본 풀에서는 4 정도의 차이가 나타나는 것을 알 수 있다. 이와 같은 결과로 미루어 볼 때, 친환경 핫멜트는 저온(상온)에서 접착성이 우수할 것으로 판단되어진다. 내한성의 결과는 두 시료 모두 동일한 결과 값을 나타내었다.

 

 

3.2.2 친환경 핫멜트의 흡수력

제책이 이루어질 합지된 책등 방향으로 두 시료의 흡수력 결과를 <그림 98>에 나타내었다. 동일한 용융온도에서 책등으로의 침투는 핫멜트의 점도 및 접착 타임에 의해 결정된다. 본 실험에서 개발된 친환경 핫멜트의 경우 기존 핫멜트와 거의 상의한 수준을 나타내고 있음을 알 수 있다.

 

 

3.2.3 친환경 핫멜트의 펼침 유연성

제책된 인쇄물의 펼침 유연성에 대하여 평가해 본 결과 <그림 99>와 같은 결론을 얻을 수 있었다. 친환경 핫멜트의 경우가 본 풀에서 딱딱함의 정도를 나타내는 경도가 낮았기 때문에 상온에서 접착된 완성 책에서 펼침 유연성이 다소 좋게 나타났다고 판단된다.

 

 

3.2.4 친환경 핫멜트의 냄새

가열에 의해 용융되는 시점에서 30, 1시간, 2시간, 3시간 이후의 냄새의 영향은 기존의 핫멜트가 친환경 핫멜트보다 다소 우의를 나타내고 있다. 이러한 결과가 나타난 이유는 친환경 핫멜트에 사용된 소나무 점액에서 발생한 고유한 냄새 때문으로 판단된다. 하지만 석유계 수지에서 발생한 가스에는 다소 불안정하게 탄화된 유기화합물이 많이 포함되어 있을 것으로 판단되기 때문에, 친환경 핫멜트에 익숙해지면 이러한 문제는 줄어들 것으로 생각된다. 또한 이러한 결과가 나온 것은 작업자가 오랫동안 사용한 제품에 대한 익숙함 정도의 차이 때문에 다소 기존 핫멜트에서 높은 점수를 나타낸 것으로 판단된다. 그 이유는 30분 이후에 나타난 결과를 보면 1시간에서 3시간이 지나는 동안 이미 익숙한 냄새에 다른 반응이 일어나지 않았기 때문이다.

 

 

3.2.5 친환경 핫멜트의 동결안정성

-20의 냉동고에 12시간 보관 후 18의 저장고에서 보관에 의한 동결 안정성을 평가한 결과 내쇄력과 뜯김은 기존 핫멜트에 비하여 친환경 핫멜트가 최초 30분에서는 상대적으로 낮은 결과를 나타내었으며, 시간경과가 1시간이후부터는 두 제품 모두 처음의 상태로 복귀되어 내쇄력과 뜯김에 강하게 작용하는 상태로 전환되는 것을 알 수 있었다. 또한 기존의 핫멜트와 친환경 핫멜트 두 제품의 차이는 거의 없는 것으로 평가되었다.

 

 

3.2.6 친환경 핫멜트의 인장강도 시험에 의한 예비 실험

접착력 테스트를 위해 제책 후 인장강도 측정 장비를 사용하여 예비 테스트를 실시하였다.

시료는 기존의 핫멜트를 사용한 완성 책과 친환경 핫멜트를 사용한 완성 책을 제작하여, 인장력 시험기에 적용하기 위하여 완성 책의 사이즈를 가로 100, 세로 200, 두께 13(시험기 지그(jog)의 길이 100에 맞게 절단)로 재단하여 25드라이 오븐에 2시간 방치 후 100/min의 속도로 인장강도를 측정하였다. 측정된 결과를 <26>에 나타내었다.

 

 

3.2.7 친환경 핫멜트의 Book Tester에 의한 접착력

두 시료를 사용하여 제책된 완성 책을 Book Tester를 사용하여 접착력 테스트 한 결과를 <그림 103>에 나타내었다. 10회의 테스트 결과를 평균한 값을 비교해 보면 기존의 핫멜트의 경우 평균 8.344N/cm의 접착강도를 나타내었고, 친환경 핫멜트의 경우에서는 평균 9.039 N/0.686N/cm의 차이가 나타나며, 친환경 핫멜트의 접착력이 상대적으로 높게 나타났다.

10회 측정한 값의 편차를 살펴보면, 기존의 핫멜트는 최대 9.08N/cm, 최소 7.84N/1.24N/의 차이가 있었으며, 친환경 그린 멜트는 최대 9.58N/cm에서 최소 8.71N/0.89N/의 편차 폭을 나타냈으며, 편차의 폭 또한 적게 발생하는 것을 알 수 있었다. 이와 같은 결과로 미루어 볼 때 친환경 핫멜트의 경우에서 접착 강도의 안정성이 다소 높다고 판단 할 수 있다.

 

 

3.2.8 친환경 핫멜트 탄도화 시험

탄화(carbonization)란 핫멜트 접착제가 공기와 만나 장시간 열을 받아서 검게 타서 변화하는 현상을 말한다. 핫멜트는 열에 녹여 사용하므로 열에 의해 EVA수지가 탈초산 반응을 일으키며, 나머지 원료들도 탄화가 진행된다.

탄화가 진행되면 접착제의 색상이 유백색갈색검정색으로 변해가며 최종적으로 탄화된 물질로 변한다. 모든 핫멜트 접착제는 열가소성수지(유기화합물)로 이루어져 있기 때문에 정도의 차이가 있지만 탄화현상이 발생한다. 탄화 진행 상태 실험 (180×시간)을 위하여 유리컵에 핫멜트를 일정량 넣고 가열하여 색상 및 탄화 정도를 측정하는 방법으로 실시하였다. 핫멜트에 사용된 재료 중 불순물이 많이 포함되었을 경우 탄화된 핫멜트는 그 색상이 완전히 검은 색으로 변하는 것을 알 수 있다.

핫멜트에 사용되는 재료 중 탄화에 영향을 가장 많이 주는 성분은 EVA와 수지이다. 그 중 수지는 불순물에 의하여 분자량이 낮게 되고, 분자량이 낮은 물질일수록 탄화가 많이 발생하게 된다. 또한 분자량이 높은 것은 포화탄화수소를 많이 가지게 됨으로써 탄화 발생이 다소 적게 나타난다.

또한 수지의 분산정도, 균일성 등 또한 탄화에 나쁜 영향을 미치게 된다. 3일 동안(72시간)의 탄화 시험 결과에 의하면 친환경 핫멜트에 비하여 기존 핫멜트에서 탄화현상이 상대적으로 많이 발생하는 것으로 알 수 있었다. 이러한 결과로 미루어 볼 때 사용된 수지의 분산 균일성이나, 이물질 혼입이 다소 있는 것으로 판단된다.

 

 

3.3 친환경 핫멜트에 대한 결론

본 연구를 통하여 친환경 핫멜트와 기존 핫멜트를 비교한 결과 기본 물성, 흡수력 그리고 동결안정성의 결과에 의하면 기존의 핫멜트의 품질 성능과 친환경 핫멜트의 품질이 거의 동일한 수준으로 나타났으며, 완성 책의 책 펼침 성능은 상대적으로 친환경 핫멜트가 다소 우수한 결과를 나타냈다. 냄새의 경우에 있어서는 친환경 핫멜트에 적용한 소나무 점액에서 발생한 고유한 냄새 때문에 기존 핫멜트가 상대적으로 우의를 나타낸 것으로 판단된다. 하지만 석유계 수지경우는 다소 불안정하게 탄화된 유기화합물이 많이 포함되어 있을 것으로 판단되기 때문에, 친환경 핫멜트에 익숙해지면 이러한 문제는 줄어들 것으로 생각된다. 또한 제책 용 핫멜트의 가장 중요한 접착력의 결과 상대적으로 친환경 핫멜트에서 우수한 결과를 나타내었다. 더욱이 측정 된 값의 최소값과 최대값의 편차 또한 친환경 핫멜트에서 적게 나타남으로써 접착력 안정성에서도 다소 좋은 결과를 나타내었다. 이와 같은 결과를 얻기 위한 다양한 실험을 통하여 많은 데이터를 확보하고 있기 때문에 가장 적절한 접착력을 제공할 수 있을 것으로 판단된다. 탄화도의 결과에서는 제품의 균일성, 불순물 함량 등의 차이로 기존의 핫멜트에 비하여 친환경 핫멜트가 우수한 성능을 나타냄을 알 수 있었다.

따라서 이러한 결과와 다양한 데이터를 확보하여 완성 책 공정 중 후 공정에서 중요한 부분을 차지하고 있는 핫멜트에 대한 기준을 설정하였으며, 최근 이슈가 되고 있는 친환경 인쇄제품의 생산에도 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

 

 

4. 친환경 세척제

기존의 세척제의 경우 주로 방향족화학물을 사용하여 강한 세척력 및 저가 공급이 가능하지만 작업환경 및 환경오염 부분에 대해서는 심각한 영향을 주고 있는 상태이다. 따라서 기존의 세척제에서 사용되었던 방향족화학물 대신 지방족화합물원료와 식물성오일 등을 첨가하여 저유해성 및 안전성을 확보한 제품과 식물성오일 및 실리콘계면활성제를 혼합하여 안전성 및 기능성을 겸비한 제품 개발의 내용을 보고하고자 한다.

 

 

4.1 친환경 세척제의 개발

해외 친환경 세척제(Solster 405, Heidel wash 41, Bottcherin D60, ABC)를 수집하여 한국 화학시험융합연구원에 의뢰하고, 성분 분석 하여 친환경 세척제의 안정성(끊는점), 유해성(toluene)의 표준 수립과 친환경 인쇄를 위한 인쇄세척제(식물성 지방족 세척제(VOC 150이상), 실리콘 O/W)를 개발하였다.

친환경 세척제의 목표치는 해외 친환경세척제를 수집하여 설정하였으며, 원료분석 및 성능시험을 바탕으로 가제품을 개발하였다.

 

 

4.2 친환경 세척제의 품질

해외 친환경세척제를 수집하여 설정한 목표치를 가지고 원료분석 및 성능시험을 진행하여 가제품 개발을 진행하였으며, 대체 원료연구를 통하여 시장상황에 맞는 가격과 품질을 실현할 수 있는 시제품 개발을 완성하였다. 완성된 친환경 세척제는 모두 톨루엔이 검출되지 않았으며, 다음의 <2829>는 식물성/지방족(VOC150)에 대한 톨루엔 검출결과와 실리콘 O/W형에 대한 톨루엔 검출결과이다. 또한 친환경 세척제를 직접 현장에서 시운전 보완을 통하여 친환경 세척제의 품질성을 높여 완성하였다.


4.3 친환경 세척제에 대한 결론

해외 친환경 세척제를 수거하여 설정한 기준 및 목표치는 150이상의 끓는점과 톨루엔 불검출을 목표로 친환경 세척제를 개발하였다. 친환경 세척제 개발 결과 물성/지방족세척제 150이상, O/WVOC 180이상 끓는점을 달성하였으며, 톨루엔 또한 불검출된 제품을 만들었다. 또한 외산 친환경 세척제 성분분석을 통하여 한정적이었던 원료를 다변화하였다. 이러한 내용을 통하여 세척제 개발 분야에 있어 지속적이고 다양한 연구개발이 이루어진다면 향후 외산 친환경 세척제의 대체품으로 자리잡을 수 있을 것이라 판단된다. <연재 끝>

 

월간 프린팅 코리아 2018년 6월호 통권 192호    

 
 

  프린팅코리아 2018년 8월호  









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