서 론

자망에서 사용되는 모노필라멘트 그물은 방사와 편 망 공정을 거친 후 최종적으로 열처리 공정을 거쳐 제 조된다. 편망 공정은 그물을 짜는 과정으로 속실 (문전 에 감겨진 실)과 윗실 (보빈에 감겨진 실)이 각각 1가닥 씩 일정하게 방출되면서 이중매듭이 된다. 이와 같이 편망된 그물은 부풀음 현상이 발생되며, 그물코의 크기 가 작을수록 이러한 현상은 더 커진다. 이는 편망 공정 에서 속실은 대부분 직선으로 방출되고, 윗실은 2–3회 전 하면서 방출된 후 매듭이 형성되기 때문이다. 이와 같이 편망된 그물은 매듭을 견고하게 하면서 부풀음을 제거하기 위해 열처리를 한다. 열처리가 불량하면 그물 코의 크기가 불균형할 뿐 아니라 그물의 부풀음 현상으 로 선적 및 조업과정에서 불편을 초래하게 된다.

우리나라에서는 용융 온도가 215°C인 나일론 모노필 라멘트 자망 그물을 1980년대 초반부터 고진공 또는 저진공 습식 열처리기로 온도 110°C 전후에서 10–20분 간 열처리하기 시작하였으며, 그물의 열처리 상태는 우 수하다. 이와 같이 제작된 나일론 그물이 인위적 또는 자연적 요인에 의해 바다에 유실되면, 해저에 침적되어 수산생물의 산란장과 서식장을 파괴하거나, 유령어업 을 유발시켜 수산자원을 감소시키는 요인이 되고 있다 (Brown and Macfadyen, 2007; Ayaz et al., 2006; Tschernij and Larsson, 2003).

근래에 들어 이러한 문제를 해결하기 위하여 국내·외 에서 미생물에 의해 분해되는 지방족 폴리에스테르인 Polybutylene succinate (PBS) 및 Polybutylene succinate – co–adipate–co–terephthalate (PBSAT) 공중합체 (Kim et al., 2014; Fujimaki, 1998) 및 이를 이용한 모노필라 멘트의 물성 개선을 통한 어획성능 평가 연구가 지속적 으로 수행되고 있다 (Kim and Lee, 2014; Park et al., 2013; An et al., 2013; Bae et al., 2013; Park and Kim, 2012; Bae et al., 2012; Kim et al., 2012; Park et al., 2010; Park and Bae, 2008; Park et al., 2007a; 2007b). 그러나 PBS (용융 온도 115°C) 또는 PBSAT (용융 온 도 100.6°C) 모노필라멘트 그물은 기존의 고진공 또는 저진공 습식 열처리기로 온도 70–75°C에서 30–60분간 열처리 되고 있으나 나일론 모노필라멘트 그물에 비해 그물의 부풀음 현상이 큰 실정이다 (Park and Kim, 2012; Park et al., 2014). 이는 외부의 보일러에서 물을 가열시켜 발생시킨 수증기 (압력 0.2–0.3 kg/cm²)를 공급 받아 온도 70–75°C로 제어하고 있으나 열처리 내부의 온도 편차가 크기 때문이다. 열처리기 내부 온도가 높 으면 그물이 열화되어 강도가 약해지고, 온도가 낮으면 열처리가 되지 않으며, 또한 일부분에만 편중되게 온도 가 가해지면 그 부분만 열화되기 때문에 저온에서 열처 리 온도를 일정하게 제어할 수 있는 열처리기가 필요한 실정이다.

본 연구에서는 용융온도가 낮은 생분해성 PBS 또는 PBSAT 그물에 적합한 열처리기를 개발하기 위하여 세 계 최초로 시험 제작된 수중 침지식 열처리기의 성능 및 열처리 온도에 따른 그물감의 물성을 분석한 결과를 보고하고자 한다.

재료 및 방법

수중 침지식 열처리기의 구조

수중 침지식 열처기는 Fig. 1과 같이 물을 저장하는 수조 (1,500 mm×500 mm×500 mm, L×B×D), 물의 온도를 제어하는 열 교환기, 그물을 고정시켜 인장과 이완 작 용을 하는 그물 거치대, 수조 덮개 및 이들 동작을 제어 하는 중앙 제어부로 구성되었으며, 이를 제어하는 공압 회로도는 Fig. 2와 같다.

수조내의 물은 설정온도 이하가 되면 수조의 좌측 하 단의 관 (직경 55 mm)을 통해 열 교환기 (15 kw)로 유 입되어 가열된 후 수조의 우측 상단의 관 (직경 55 mm) 을 통해 지속적으로 공급된다. 그물 거치대에는 그물을 열처리하는 동안 그물에 걸리는 장력을 측정할 수 있도 록 수조 덮개에 장력계 (정격 용량 500 kgf)와 실린더 를 연동시켰다. 수조 덮개는 실린더에 의해 하강 및 상 승 작동이 되도록 제어밸브를 연동시켰다.

수중 침지식 열처리기의 특성 및 그물감의 열처리 평가.

수중 침지식 열처리기의 성능을 평가하기 위하여 물 337.5 kg을 수조에 채운 후 열 교환기의 온도를 55°C에 서 80°C까지 5°C간격으로 설정하였다. 온도계 (TC–700, Seiki)의 센서부는 수조의 폭 50 cm의 1/2 기점에서 좌 (ch–1), 우측 (ch–2)의 수조 벽면으로부터 각각 10 cm 떨어진 위치에서 각각 수면 하 10 cm, 30 cm 위치에 고 정시켜 20초마다 물 온도를 측정하였다.

물을 가열시키는데 필요한 에너지 (Q)는 식 (1)과 같 이 나타낼 수 있으며, 전력은 식 (2)로 계산하였다.

여기서, M은 물의 질량 (kg), ΔT는 가열 전·후의 온 도의 차 (°C), C는 비열 (0.999)이다.

편망된 그물감은 직경 0.3 mm의 PBSAT 모노필라멘 트로 기계 편망되었으며, 그물코의 내경은 51 mm, 가로, 세로 콧수는 각각 1,050코, 300코이다. 수중 침지식 열 처리에 사용된 그물감은 가로, 세로 각각 23코, 100코 이다. 열처리는 물 온도 55°C에서 80°C까지 5°C간격으 로 시료마다 10분, 15분, 20분씩 하였다. 또한 열처리 방법에 따른 그물감의 강·신도 및 그물코의 내각을 비 교 평가하기 위해 Fig. 3과 같은 기존의 고진공 습식 열 처리기를 이용하여 동일한 그물감을 온도 75°C에서 30 분간 열처리를 하였다.

그물감의 열처리 전·후의 파단강도 및 신장률은 정속 인장식 장력계 (Instron 3365, USA)를 이용하여 KS K 0412 (2005) 시험법으로 측정하였다. 실험시의 실내온 도는 20±2°C, 상대습도는 65±2%였다. 시료의 인장시험 은 클램프 간격 400 mm, 인장속도 400 mm/min로 하였 다. 측정은 각 시료마다 20개씩 측정하여 평균하였으 며, 강도와 신장률은 파단점에서의 값으로 하였다.

그물코의 내각은 각 온도별로 열처리하여 24시간이 경과한 다음 무장력 상태에서 Fig. 4와 같이 매듭을 중 심으로 폭 방향으로 각각의 발 길이의 1/2지점까지 설정 하여 측정하였다. 측정은 광학현미경 (SV–35, Sometech) 을 40배로 확대하여 각 온도마다 20개씩 측정하여 평균 값을 구하였다.

결 과

설정 온도에 따른 수면 하 10 cm의 물 온도를 Fig. 5 에 나타내었으며, 각각의 위치에서 수면 하 10 cm와 30 cm의 물 온도를 Fig. 6에 나타내었다. Fig. 5에서 열 교 환기의 설정온도에 따른 ch–1과 ch–2에서의 물 온도의 평균값은 각각 55°C에서 54.5±0.30°C, 55.0±0.05°C, 60 °C에서 59.3±0.51°C, 59.8±0.55°C, 65°C에서 64.7±0.2 6°C, 65.6±0.40°C, 70°C에서 70.2±0.38°C, 70.7±0.25°C, 75°C에서 75.2±0.29°C, 75.8±0.40°C, 80°C에서 80.0± 0.36°C, 80.4±0.34°C이었으며, ch–2의 물 온도는 ch–1 보다 약간 높게 나타났으나 그 차이의 최대값은 1°C이 하였다. Fig. 6에서 수조의 수면 하 30 cm 지점에서 물 온도의 평균값은 수면 하 10 cm 지점 보다 0–0.41°C 낮 게 나타났으며, 설정온도가 높을수록 그 차이는 적게 나타났다.

열처리 이전 및 열처리 방법에 따른 PBSAT 모노필 라멘트 (직경 0.30 mm) 그물의 파단강도와 신장률을 Table 1에 나타내었다. Table 1에서 열처리 이전에 이 중매듭으로 편망된 PBSAT 모노필라멘트 그물의 평균 파단강도와 신장률은 각각 44.46±1.77 kg/mm², 36.77± 1.57%였다. 이 그물을 시험 제작한 수중 침지식으로 열 처리 한 경우, 물 온도 55–70°C에서의 그물의 강도는 열처리 시간에 관계없이 소폭 증가한 반면 신장률은 감 소하는 것으로 나타났다. 물 온도 75°C에서 그물의 강 도와 신장률은 37.57–39.42 kg/mm², 33.68–33.86%로 열 처리 이전에 비해 각각 11.3–15.5%, 7.9–8.4% 감소하였 으나 기존에 보편적으로 75°C에서 30분간 고압 습식으 로 열처리한 방법보다 그물의 강도와 신장률은 각각 9.7–15.1%, 109.5–110.6% 증가한 것으로 나타났다. 물 온도 80°C에서 그물의 강도와 신장률은 열처리 이전에 비해 각각 43.9–48.9%, 20.7–23.2% 감소하였다.

수중 침지식 열처리기의 물 온도에 따른 그물 매듭의 각도를 Fig. 7에 나타내었다. Fig. 7에서 열처리 온도 55°C에서 80°C까지 10분, 15분, 20분 열처리 한 결과, 동일한 온도에서의 처리시간에 따른 그물코의 각도는 유의한 차이가 없었으나 열처리가 높아질수록 그물코 의 각도는 감소하는 것으로 나타났다. 열처리 시간 10, 15 및 20분을 각각 T₁₀, T₁₅, T₂₀ 이라 할 때, 그물코의 각도 Y (θ)와 열처리 온도 X (°C)와의 상관관계를 구하 면, 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.

수중 침지식 열처리기의 물 온도와 시간에 따른 PBSAT 모노필라멘트 그물코의 형상을 Fig. 8에 나타 내었다. Fig. 8에서 열처리 온도가 상승함에 따라 그물 코의 각도는 감소하였으며, 동일한 온도에서 열처리 시 간에 따른 그물코의 형상은 매우 유사하였다. 온도 8 5°C에서 열처리된 그물은 공기와 접촉하면서 그물코의 크기가 수축됨과 동시에 그물실의 굵기가 굵어졌으며, 그 이상의 온도에서는 열처리기 내부에서 그물이 녹으 면서 판단되었다.

고 찰

지금까지 한국에서는 1980년대 중반부터 나일론 모 노필라멘트 자망 그물을 편망한 후 100°C 이상의 고온 수증기로 열처리하고 있다 (Park et al., 2014). 이들 열 처리기는 고온의 수증기를 제어하는 방법에 따라 고진 공 또는 저진공 열처리기가 사용되고 있다. 고진공 및 저진공 열처리기의 폭은 각각 1.2–1.5 m 내외이며 그 길이는 제망업계마다 다르나 보통 각각 12 m, 25–40 m 이다. 고진공 열처리기는 배럴 중앙 하부 6 m 지점의 노즐을 통해 전, 후, 좌, 우 측면으로 수증기가 토출되 는 반면 저진공 열처리기는 길이 방향을 중심으로 좌, 우 측면의 파이프를 통해 수증기가 토출되며 그 간격은 50 cm이다. 이들 열처리기에 사용되는 수증기는 외부의 보일러에 연결된 1개의 파이프를 통해 공급되고, 또한 수증기의 압력이 0.4–0.7 kg/cm² 이므로 열처리기의 내부 온도는 설정온도 보다 7–8°C 높은 것으로 확인된 바 있 다 (Park et al., 2014). 이러한 현상이 발생함에도 불구 하고 나일론의 융점은 215°C로 매우 높기 때문에 열처 리 상태가 매우 좋은 실정이다 (Park et al., 2014).

그러나 생분해성 PBS 또는 PBSAT 그물은 융점이 각각 115°C, 100.6°C (Park and Kim, 2012, Kim et al., 2014)로 나일론 보다 100°C이상 낮음에도 불구하고 열 처리기의 내부 온도 편차가 큰 고진공 또는 저진공 열 처리기를 이용하여 온도 70–75°C에서 30–60분간 열처 리되고 있다. 이로 인해 열처리된 PBS 또는 PBSAT 그 물은 열처리 상태가 좋지 않을 뿐 아니라 전체적으로 균일한 강도를 유지하지 못하고 있는 실정이다.

따라서 본 연구에서는 열처리기 내부의 온도를 균일 하게 유지하기 위한 방법의 하나로써 수중 침지식 열처 리기를 개발하는데 그 목적이 있으며, 부가적으로 이 열처리기를 이용하여 PBSAT 모노필라멘트 그물에 적 합한 열처리 온도와 시간을 검토하였다. 이를 위해 직경 0.3 mm의 PBSAT 모노필라멘트로 그물감 (망목의 크기 51 mm)을 이중매듭으로 기계 편망하여 수중 침지식으로 열처리를 하였다. 이에 대한 열처리 성능을 비교 검토하 기 위해 업계에서 사용하는 고압 습식 (온도 75°C, 시간 30분)으로도 열처리를 하였다.

이 연구에서 시험한 수중 침지식 열처리기의 수심 10 cm 지점에서 물 온도는 수조의 좌측 보다 우측에서 약 1°C 높게 나타났으며, 수심 10 cm 지점에서의 물 온도 는 수심 30 cm 지점 보다 약 0.4°C 높게 나타났다. 이는 수조의 우측 상단 및 좌측 하단에 각각 열 교환기에 의 한 물의 토출구와 입구가 있기 때문이라고 사료되며, 이러한 물 온도 차는 열 교환기의 설정온도가 높을수록 적게 나타났다.

수조의 크기를 고압 습식 열처리기의 규모 (12 m×1.2 m×1.0 m, L×B×D)로 제작할 경우 14,400 kg의 물이 소요된다. 이를 식 (1)과 식 (2)를 이용하여 20°C 의 물을 75°C까지 초기 가열시키는데 필요한 열량은 791 Mcal (14,400 kg×55°C×0.999)가 소요되며, 이를 소 요 전력으로 환산하면 920 ㎾/h가 소요되는 것으로 추 산되었다. 75°C까지 가열된 이후부터는 열 교환기에 의 해 물 온도를 제어하고, 보충되는 물을 가열시키기 때 문에 초기의 전력 소모량은 많을지라도 이후의 전력은 적게 소비될 것으로 사료된다. 한편 기존의 고압 습식 열처리기는 스팀 보일러 (물 160–180 l)를 경유로 가 열시키면서 물을 지속적으로 보충시키고 있다.

수중 침지식 열처리기의 온도와 시간에 따른 PBSAT 모노필라멘트 그물의 강도, 신장률 및 그물코 의 각도를 살펴보면, PBSAT 모노필라멘트 그물의 강 도는 온도 70°C까지는 열처리 이전의 강도보다 높게 나타났으나 온도 75°C에서는 열처리 이전에 비해 11.3– 15.5%로 소폭 감소하였으나 온도 80°C에서는 43.9– 48.9%로 대폭 감소한 반면 신장률은 열처리 온도가 올 라갈수록 감소하는 것으로 나타났다. 이는 Park and Kim (2012), Park et al. (2014)의 PBS 모노필라멘트 연 구, Lee and Cho (2001)의 Polybutylene terephthalate 필름 연구 및 Lee et al. (1987), Lee and Cho (1989)의 나일론 6 필라멘트의 연구 결과와 일치하는 경향을 보 였다. 이는 열처리 온도가 높을수록 분자운동이 활발해 져 기존의 비 결정 영역이나 결정을 제대로 형성하지 못했던 작은 결정 등의 성장이 촉진되었기 때문이라 사 료된다. 그리고 열처리 온도 80°C에서 파단강도가 온도 75°C 보다 큰 폭으로 감소하는 것은 Jang et al. (2010) 이 일정 온도 이상으로 열처리 하면 강도가 급격히 감 소한다고 보고한 결과와 일치하며, Cao et al. (2002)이 PBS의 연화점이 95°C라고 보고한 온도에 근접하고 하 고 있기 때문으로 사료된다.

동일한 온도에서 열처리 시간에 따른 파단 강도와 신 장률은 유사하게 나타났다. 그러나 15–20분 동안 열처 리한 그물코의 각도는 10분 동안 열처리한 그물에 비해 5–10% 감소하는 것으로 나타났다. 열처리 온도가 올라 갈수록 매듭의 상태는 외관상 차이가 없는 것으로 나타 났으나 매듭을 중심으로 발과 발사이의 간격이 감소하 는 것으로 나타났다. 이는 기계 편망하는 과정에서 매 듭의 결절 상태는 견고하나 발에 장력이 가해져 망사가 늘어났다가 열처리하는 과정에서 원 상태로 돌아가기 때문이라 사료되며, 열처리 온도 75°C와 80°C 조건에 서의 발의 간격 차이가 거의 없는 것으로 보아 80°C 이 상의 온도에서 열처리 하더라도 발의 간격 차이를 줄이 지 못할 것으로 사료된다.

이상의 결과에서 생분해성 PBSAT 모노필라멘트 그 물감은 파단강도, 신장률 및 그물코의 각도 등을 고려 하면 온도 75°C에서 15–20분정도 열처리하는 것이 타 당하다고 사료되며, 향후 에너지 절감 방안을 강구하기 위한 수중 침지식 열처리기의 고도화를 위해 지열 또는 태양열로부터 에너지를 공급 받아 방안 연구가 필요하 며, 또한 침지식과 분사식을 겸용하여 열처리하는 연구 가 필요한 실정이다.

결 론

온도의 편차가 적은 그물 열처리기를 개발하기 위하 여 수중 침지식 열처리기를 시험 제작하고, 그 성능을 평가하기 위해 기존의 고압 습식 열처리기와 비교 평가 하였다. 또한 수중 침지식 열처리 온도와 시간에 따른 PBSAT 모노필라멘트 그물에 대한 파단강도, 신장률 및 그물코의 각도를 측정하여 적정 열처리 공정에 대해 검토하였다.

수중 침지식 열처리기는 물 온도차가 1°C 미만이었 으며, 설정온도가 높을수록 그 차는 적게 나타났으나 에너지 소비량이 많은 것으로 나타났다. 열처리 온도와 시간을 각각 75°C, 15–20분으로 할 때 우수한 물성을 갖는 PBSAT 모노필라멘트 그물을 제작할 수 있음을 알 수 있었다.