일회용 종이용기는 편의성을 위해 일상적으로 사용되는 대표적인 일회용품으로서 주로 음료 혹은 다양한 식품의 포장 등에 활용되고 있으며 식음료와 직접적으로 접촉되는 특성상, 위생과 안정성 등을 고려하여 일반적으로 고품질의 펄프원료로 제조된 종이판지를 사용하여 제조되고 있다. 또한, 내용물의 누수방지를 위한 내수성, 내열성, 향보존성, 열안정성 등 다양한 기능성을 확보하기 위하여 LDPE, PP 등 석유 유래 고분자 필름에 의해 판지 양면 혹은 단면이 라미네이트 코팅되어 있는 구조를 가지며, 식음료의 포장이 용이하도록 컵 또는 용기의 다양한 모양으로 제조된다.1)
일반적으로 종이 기반 포장용기는 종이용기과 종이팩으로 나뉘며, 종이팩은 다시 살균팩(Gable-top Carton)과 멸균팩(Tetra-Pak)으로 나뉜다. 종이용기는 일반적으로 단면 코팅되어 있는 구조를 가져 식음료 등의 단기간 포장을 위해 사용되는 반면, 종이팩의 살균팩은 판지의 양면에 폴리에틸린 수지가 코팅된 구조를 가지며 멸균팩은 판지와 알루미늄, 폴리에틸렌 필름 등의 다층구조를 가져 유제품 및 쥬스류 등의 장기간 보관을 위해 사용된다.
고분자 필름이 라미네이트 코팅되어 있는 종이용기는 국민의 경제적 수준 증대에 따른 생활 수준 향상과 편의성을 중시하는 사회의 변화를 바탕으로 다양한 식품 및 음료의 포장과 배달에 대한 수요 증가로 인하여 그 사용량이 지속적으로 증가하는 추세이다. 통계청의 2020년 보고에 따르면2), 최근 10여 년간 외식산업은 가맹점 기준으로 2008년 약 3,500개의 가맹점에서 30,549개로 크게 급증하였고, 이와 함께 일회용 컵 등의 종이용기의 사용량 또한 2007년 4.2억 개에서 2018년 25억 개 수준으로 크게 증가하였으며, 최근 코로나 발발과 함께 포장 및 배달에 대한 수요가 급증하여 종이용기를 포함한 포장재 폐기물 또한 급증함에 따라 이러한 추세는 가속화 될 것으로 예상되고 있다.
일회용 종이용기는 일반적으로 고분자 필름에 의해 얇게 라미네이트 코팅되어 있는 구조이며 특히 석유기반의 고분자인 LDPE를 코팅에 사용하여 기능성 강화 및 원료 품질을 만족시킬 수 있다.3) 그러나 종이와 고분자 물질의 라미네이트 코팅에 의한 강한 접착에 의해 일반적인 고지재활용 공정을 적용할 경우, 펄퍼의 고전단에 의하여 종이용기 섬유의 해리와 함께 라미네이트 코팅된 고분자 폴리머 또한 미세화를 초래하여 미세화된 고분자필름이 재생 펄프섬유와 함께 발생하며 이를 재활용 시 스티키 물질로 인한 공정오염과 설비오염 등의 문제와 함께 재활용 제품의 품질저하를 초래할 수 있다,4) 현재 회수된 저순도의 펄프섬유는 주유소 화장지 등 저부가가치의 제품으로만 적용 되고 있으며 고분자필름은 재활용이 어려워 소각 등에 의존하고 있는 실정이다. 이에 따라 종이용기는 전 세계적으로 거의 재활용이 잘 이루어지지 않아, 문헌에 따르면 일회용 종이 용기 중 대표적으로 사용되는 종이컵은 전 세계적으로 1% 미만이 재활용되고 있는 것으로 추정하였으며,5) 실제로 영국의 유럽 제지 연합(Confederation of Paper Industries, CPI)는 종이와 고분자가 섞여있는 구조의 종이용기는 기존의 고지 재활용 공정에 의해 재활용이 불가능하며 그들을 효율적으로 처리가 어렵다고 보고하였다.6)
본 연구에서는 고분자 라미네이트 종이용기의 고분자 필름 및 섬유의 효율적 분리를 위한 방안을 모색하여 보았으며 이러한 방안을 통하여 폐 종이용기로부터 고품질, 고순도의 섬유를 회수하고자 하였다. 이렇게 회수된 종이용기의 섬유는 포장용지, 특수지 등 다양하게 활용될 수 있어, 폐 종이용기 중 대표적인 종이컵의 화학적 처리, 물리적 처리의 조건에 따른 섬유 및 라미네이트 고분자의 분리 특성을 평가함으로써 종이컵 등의 고분자가 라미네이트 코팅된 폐 종이용기의 재활용 및 소재화 기반을 확보하고자 하였다.

The polymer laminated paper cartons are widely used for food packaging, especially for disposable packaging. The recycling of the polymer laminated paper carton after use has been very difficult because the separation of the polymer layer from the paper carton requires special chemicals and high energy disintegration process.

In this study, the simple soaking pretreatment of the paper carton with alkali was investigated for improving the recovery yield of the fiber from the paper carton. And a continuous process for the separation of the pulp fiber from the paper carton after the soaking pretreatment was developed.

The active alkali 3% and 30 minutes soaking treatment resulted in the increase of the fiber saturation, which leaded to the successful separation of polymer film by the mild disintegration. The unseparated fiber from the polymer film flake after screening was recovered by the second mild disintegration, which resulted in almost 99% recovery of fiber from the paper cartons. Since the alkali soaking treatment and the mild disintegration did not damaged and resized the polymer film, there was no chance to mix the recycled fiber and the purity of the recycled fiber was closed to 100%.

The continuous disintegration process was composed with mechanical treatment part, disintegration part and separation part. The paper carton slurry after soaking treatment went through each part in which the concentration of the slurry was controlled by adding the process water. The mechanical treatment before disintegration part showed the great improvement in the separation efficiency.

The alkali soaking process and the continuous disintegration process showed the successful separation of pure pulp fiber from the paper cartons, which would be helpful for recycling of the polymer laminated paper carton.