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문제 정의
- 따라서 본 논문은 종이의 경량화로 인한 불투명도, 강도 감소에 대한 지료 영향인자인 섬유, 종이구조 및 충전물 특성 등을 검토하여 보다 효율적인 대책을 제시하고 충전물 loading법을 개선 하여 강도 감소율을 줄이면서 동시에 불투명도를 향상시킬 수 있는 효율적인 방법을 모색하기 위하여 상술한 일련의 연구와 관련하여 펄프를 고해할때 충전물을 첨가하는 beater loading을 시도하여 효과를 분석하였다.
- 본 연구는 종이 경량화에 따른 불투명도, 강도 저하를 방지하기 위해 시행되었으며 특히, 인쇄용지, 필기용 백상지의 불투명도 향상에 초점을 맞추어 그 영향인자와 작용기구를 고찰하고 강도의 저하 없이 불투명도를 향상시키는 방안을 모색하였으며 그 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- Direct 및 beater loading에 의해 filler loading된 펄프 및 종이의 충전물 분포상태를 비교하기 위하여 광학현미경(Olympus BX-50), SEM(Hitachi S-570)을 사용하여 배율을 각각 150배. 300배로 촬영하여 관찰하였다.
- Direct loadinge 일반적으로 제지공장에서 사용되는 방법과 똑같이 펄프를 기준 여수도로 고해한 후 충전물을 투입하여 균일하게 혼합하였으며 beater loadinge 펄프와 함께 적정량의 충전물을 투입하여 균일하게 교반한 후 Niagara beater를 이용해 기준 여수도로 고해하였다.
- Direct 및 beater loading에 의해 filler loading된 펄프 및 종이의 충전물 분포상태를 비교하기 위하여 광학현미경(Olympus BX-50), SEM(Hitachi S-570)을 사용하여 배율을 각각 150배. 300배로 촬영하여 관찰하였다.
- 인열강도는 T220 om-88에 의거하여 측정하였다. 광학적 성질로서 불투명 도는 T452 om-91, 백색도는 T452-83에 의거하여 Hunter tester로 측정하였다.
- 1% 낮게 나타난 것은 펄프보다 백색도가 낮은 충전물이 beater loading의 효과로 인해 종이에 잔류된 부분이 많아서 생긴 결과라 판단되어진다. 이러한 결과로 미루어 보아 beater loadinge 종이 내의 충전물 함량을 높이고 충전물 분포를 균일하게 하여 광학적 성질. 특히 불투명도 향상에 상당히 기여하는 효과적인 수단이 될것으로 사료된다.
대상 데이터
- 충전제로는 Talc, Clay, PCC(경질탄산칼슘), TiO2을 적정비율로 사용하였다. 또한 모든 수초지는 평량 60 g/n?로 제조 하여 2065% RH 항온항습실에서 자연건조하여 종이시료로 사용하였다.
- TMP의 경우 165 mL CSF이었다. 충전제로는 Talc, Clay, PCC(경질탄산칼슘), TiO2을 적정비율로 사용하였다. 또한 모든 수초지는 평량 60 g/n?로 제조 하여 2065% RH 항온항습실에서 자연건조하여 종이시료로 사용하였다.
- 펄프는 시판용 NBKP, LBKP 및 TMP를 사용하였고, NBKP, LBKP는 Niagara beater 로 고해하였으며 사용한 펄프의 최종 여수도는 NBKP, LBKP의 경우 450 mL. TMP의 경우 165 mL CSF이었다.
이론/모형
- 수초지를 TAPPI test method T220 om-83에 의거, 시편을 제작하여 기계적 성질로서의 인장강도는 T494 om-81. 파열강도는 T403 om91에 의거 측정했으며.
성능/효과
- 1. 활엽수펄프가 침엽수펄프에 비해 수종간 차이는 있지만 불투명도의 경우 약 3-14% 정도, 백색도의 경우 1-4% 정도 더 우수한 것으로 나타났다. 강도적인 측면에서는 인장강도의 경우 침엽수펄프가 활엽수펄프에 비해 21-40 point 정도.
- 2. 충전물의 beater loadinge 기존의 direct loading보다 보류율이 Talc의 경우 6%, Clay의 경우 10% 정도 더 높았다. Beater loading에 의한 종이의 불투명도의 변화는 direct loading보다 약 0.
- 한편 Figs. 3, 4에서 LBKP에 대해 TMP를 30% 정도 첨가시키면 첨가하지 않았을 때보다 약 0.2 point 정도의 비용적이 증가되었으며 이것은 곧 1.5% 정도의 불투명도 증가를 나타내었다. 이것은 비용적의 증가로 인해 종이 구조 자체가 bulky해지면서 광산란면적이 더욱 커진 것과 TMP 자체의 불투명도가 높기 때문에 나온 결과라 사료된다.
- 충전물의 beater loadinge 기존의 direct loading보다 보류율이 Talc의 경우 6%, Clay의 경우 10% 정도 더 높았다. Beater loading에 의한 종이의 불투명도의 변화는 direct loading보다 약 0.8% 정도가 더 높았고 Talc가 Clay보다 약 4% 정도 높았으며, 백색도의 변화는 0.2% 정도 개선되는 효과를 얻었다. Beater loading 에 의한 종이의 강도변화는 direct loading 보다 약 0.
- Fig. 1에서 알 수 있는 바와 같이 충전물 함량에 따라 전반적으로 불투명도가 직선적으로 증가하였으며 충전물 종류에 따른 종이의 불투명도 향상은 TiO2, PCC, Talc, Clay순으로 나타났다. 충전물 함량에 따라 증가폭이 가장 큰 것은 TiO2인 것을 알 수 있으며 이것은 투입되는 충전물의 특징에 따른 현상으로 생각할 수 있다.
- TiO2. PCC, Talc 순의 증가폭을 나타내었으며 Talc의 경우 함량에 따른 증가가 아주 미미한 것으로 나타났다. 이것은 충전물이 펄프섬유에 비해 입자 크기가 매우 작고 단위 중량당 표면적이 크기 때문에 광산란계 수를 증가시키며, 섬유간의 결합을 감소시키기 때문에 산란되는 섬유의 표면적을 증대시켜 주어 종이백색도에 영향을 끼쳤다고 볼 수 있으며 Table 2에 나타난 충전물 자체의 높은 백색도에 의한 결과라 판단된다.
- 또한 종이를 구성하고 있는 펄프의 성질은 불투명도를 좌우하는 가장 큰 요인이 된다. Table 1의 결과에서는 활엽수펄프가 침엽수 펄프에 비해 수종간 차이는 있지만 불투명도의 경우 약 3T4% 정도, 백색도의 경우 1-4% 정도더 우수한 것으로 나타났다. 강도적인 측면에서는 인장강도의 경우 침엽수펄프가 활엽수펄프에 비해 21~40 point 정도, 인열강도의 경우 5~10 point 정도 우수한 것으로 나타났다.
- Table 1의 결과에서는 활엽수펄프가 침엽수 펄프에 비해 수종간 차이는 있지만 불투명도의 경우 약 3T4% 정도, 백색도의 경우 1-4% 정도더 우수한 것으로 나타났다. 강도적인 측면에서는 인장강도의 경우 침엽수펄프가 활엽수펄프에 비해 21~40 point 정도, 인열강도의 경우 5~10 point 정도 우수한 것으로 나타났다. 또한 광학적 특성 중 불투명도의 경우 같은 활엽수 펄프라도 수종간 크게는 7% 정도 차이가 나므로 수종의 선택이 불투명도 향상에 중요한 인자가 됨을 알 수 있다.
- 인열강도의 경우 5-10 point 정도 우수한 것으로 나타났다. 따라서 종이의 불투명도 및 강도적 성질은 펄프의 종류 및 수종의 적절한 선택에 의해 상당히 높일 수 있음을 알 수 있었다.
- 적은 비용적의 감소는 고해에 따른 섬유간 결합력이 높은 NBKP의 첨가로 생긴 결과이며, 불투명도의 감소는 Table 1에서 언급되었듯이 NBKP 자체의 불투명도가 LBKP에 비해 낮기 때문에 생긴 결과라 판단된다. 따라서 종이의 불투명도에 있어서 비용적의 변화가 다소 영향을 끼치지만 종이를 구성하고 있는 펄프의 성질에 따라 더욱 영향을 받는 것으로 나타났다.
- 강도적인 측면에서는 인장강도의 경우 침엽수펄프가 활엽수펄프에 비해 21~40 point 정도, 인열강도의 경우 5~10 point 정도 우수한 것으로 나타났다. 또한 광학적 특성 중 불투명도의 경우 같은 활엽수 펄프라도 수종간 크게는 7% 정도 차이가 나므로 수종의 선택이 불투명도 향상에 중요한 인자가 됨을 알 수 있다.
- 6%의 백색도를 가진다. 또한 충전물의 투입에 따라 백색도가 증가함을 알 수 있고 특히 beater loading이 direct loading에 비해 약 0.1-0.2% 정도의 백색도 증가를 보인다. 이것은 beater loading법에 의해 일부분의 충전물이 섬유 내강이나 표면에 loading되어 지필이 형성되면서 종이의 상층부 및 내부에 백색도가 높은 충전물이 존재하기 때문에 종이의 백색도를 증가시킨 것으로 판단된다.
- 이것은 비용적의 증가로 인해 종이 구조 자체가 bulky해지면서 광산란면적이 더욱 커진 것과 TMP 자체의 불투명도가 높기 때문에 나온 결과라 사료된다. 반면 NBKP를 첨가했을 경우 첨가하지 않았을 때보다 약 0.05 point 정도의 다소 적은 비용적 감소와 불투명도에 있어서 약 1.5% 정도의 높은 감소를 나타내었다. 적은 비용적의 감소는 고해에 따른 섬유간 결합력이 높은 NBKP의 첨가로 생긴 결과이며, 불투명도의 감소는 Table 1에서 언급되었듯이 NBKP 자체의 불투명도가 LBKP에 비해 낮기 때문에 생긴 결과라 판단된다.
- Table 4는 충전물의 beater loading과 direct loading을 비교하기 위해 똑같은 양의 충전물을 지료에 투입하여 종이를 제조한 후 충전물 보류율을 비교한 것이다. 수초지 내 중전물의 잔존량은 대체로 beater loading법이 direct loading법에 비해 Talc의 경우 약 6%, Clay의경우 10% 정도 높았으며, Talc가 Clay보다 약 8T2%정도 더 높은 보류를 나타내었다. 이것은 beater loading에 의해 미세 충전물성분의 일부분이 섬유 내부로 침투하여 존재하는 것으로 생각할 수 있으므로 단순하게 섬유 사이에만 충전물이 존재하는 direct loading보다 높은 충전물 보류 율을 나타내어 종이 내의 충전물 함량을 높일 수 있는 효과적인 방법임을 알 수 있다.
- 5에 표시하였다. 여기에서 보는 바와 같이 충전물이 함유되지 않은 control에 비해 direct loading보다는 beater loading0] 세가지 종류의 충전물 투입에 대해 전반적으로 종이 의 불투명도가 약 0.8%가 높게 나타났다. 이것은 beater loading에 의해 충전물이 섬유에 끼거나 침착되어 보류가 증가되었으며 지필의 Z방향 각층에 고르게 분포되어 있기 때문인 것으로 생각할 수 있다.
- 3 point 정도 더 높게 나타났으며 이는 충전물 충진 후 종이의 강도 감소율이 낮아졌음을 의미한다. 이러한 실험결과로 보아 충전물의 beater loading법은 일반적인 loading보다 강도 감소율을 낮추면서 불투명도를 높일 수 있는 효과적인 수단이 될 것으로 판단되었다.
- 이렇게 현미경을 이용한 충전물 loading 형태 관찰로 beater loading에 의한 효과는 충전물의미세화와 굴절지수의 증가, 산란력 증가 및 섬유간 결합 방해가능성 감소와 미세화된 충전물의 섬유내 충전으로 인한 반투명섬유의 불투명도 향상, 충전물 첨가에 의한 강도 감소율의 둔화, 탈수시 충전물 보류도 증가, 종이제조시 각층의 고른 충전물 분포 등의 복합적인 효과에 의해 불투명도를 중심으로 한 종이 물성의 개량에 효과적인 방법임을 알 수 있었다.
- 충전물의 beater loadinge 고해시 섬유와 함께 과량의 충전물을 투입하여 기계적인 힘에 의해 섬유에 loading시키는 방법 m으로 고해 후 지료의 충전물은 섬유「표면에 끼거나, 침착되어 있거나, 아니면 섬유와 함께 혼합되어 있는 상태로 존재하고 반면 기존의 direct loading법에 있어서의 충전물은 섬유와 혼합되어 있는 상태로만 존재하는 것을 가상할 수 있다.
- 충전물의 굴절지수에 따른 광산란계수는 작은 입자일수록 산란면적이 크기 때문에 더 높게 나타나고 종이에 있어써 균일한 분포를 할수록 종이 내 산란면적을 증가시킬 수 있다. 특히 TiO2의 굴절지수는 2.55로써 공기 1, 셀룰로스 1.53과 비교하여 상당히 높은 굴절지수를 가지기 때문에 충전물-섬유-공기 층으로 구성된 종이의 내부 굴절지수차를 높여 광 산란계수가 높아져 불투명도가 개선된 것으로 판단된다.(2) 한편 비용측면에서는 TiQ?의 가격이 비싸기 때문에 일반 인쇄용지에 사용하기보다는 특수한 용도의 종이에만 사용되고 있으며 탄산칼슘의 경우는 원가절감 차원에서 양호하지만 중성 초지시에만 사용 가능한 제한이 있다.
후속연구
- 이렇게 충전물 손실이 많은 이유는 연구목적상 loading된 섬유만을 이용하고자 실험실 내 단속식 beater 속에 잔존하고 있는 충전물을 모두 회수하지 않았기 때문으로 판단된다. 실제 공정상에 도입할 경우에는 고해기 자체가 연속식이기 때문에 충전물회수부분에 대해서 또 다른 연구가 필요할 것이라 판단된다.
- 따라서 자원의 효율적인 이용이 절실하게 되었고, 이에 부응하기 위해 다각적인 방법이 제시되고 있으며 특히, 생산성과 품질면에 있어서 새로운 개념의 기술개발을 요구하게 되었다. 이러한 기술개발은 앞으로 경량화, 재생섬유의 사용량 증가, 종이품질 향상 (균일성, 배향성, 컬특성), 자동화에 따른 제어기술개발 등으로 이어질 것이다. 그중에서도 품질면에 있어서의 경량화는 원료절감, 에너지절감 등의 주효과와 운송비 절감을 비롯한 부차적인 효과가 엄청나 앞으로도 계속 이어질 것으로 판단된다.
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