[논문]펄프와 정착제에 따른 중성사이징 특성

이현철; 김봉용

문제 정의

현재 거의 모든 지종이 중성초지 조건에서 생산되고 있으며 ASA(alkenyl succinic anhydride)와 함께 대표적 중성사이즈제로 널리 쓰이고 있는 AKD(alkyl ketene dimer)를 이용한 중성사이징이 주류를 이루고 있다. 따라서 본 연구에서는 국내에서 가장 많이 사용되고 있는 AKD를 이용한 중성사이징의 효능을 파악하기 위하여 펄프와 정착제에 따른 다양한 실험을 통 하여 AKD의 사이즈 발현 특성을 알아보고자 하였다.
다만 그 특성을 정확히 파악하고 올바른 사용조건을 만들어 주는 것이 선행되어야 할 것이다. 본 연구에서 펄프와 정착제의 특성에 따라 AKD 사이즈도의 발현과 효능을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

1. 미세분의 제거, 섬유손상의 억제, 적절한 정착제 사용, curing과 같은 조건들이 갖추어질 때 AKD의 사이징 효율을 보다 높일 수 있을 것이다.

제안 방법

DIP를 지료로 지료에 대해 0.3%로 같은 양의 AKD 를 넣고 세 종류의 정착제를 사용하여 각각 투입량을 늘려가며 시트의 사이즈도를 측정하였다. Fig.
Fig. 7에서는 또한 미세분의 영향을 최소화하기 위해 미고해 NBKP를 사용하여 3, 56 meq/g의 전하밀 도를 갖는 PAM과 9.71 meq/g의 전하밀도를 갖는 Polyamine B를 첨가하면서 AKD 사이징 효과를 비교하였다. 지료로 DIP를 사용하였을 때와는 달리 PAM은 확실한 사이즈도 발현 효과를 보여주고 있으나 Polyamine의 경우 소량 투입시에만 사이즈 정착 효과를 보여주고 있으며 투입량이 많아짐에 따라 사이즈 효과가 급격히 감소하는 것을 알 수 있다.
Standard hand sheet former를 사용하여 TAPPI Standard T205 om-88에 따라 수초지를 제 조하였으며 최종 평량은 60g/m2에 맞추었다. 첨가제는 충전물을 먼저 투입한 후 정착제와 사이즈제를 차례로 투입하였으며, 완성된 수초지는 상온에서 자연건조하였다.
세 종류의 Polyamine의 성능을 알아보기 위해 미고해 NBKP를 지료로 하여 투입량을 늘려 보았다. Fig.
지료의 전기적 성질 조사를 위해 DPCJ(Dynamic Paper Chemistry Jar)를 사용하여 750 rpm과 200 mesh 조건에서 여액을 받았으며, Zeta Meter사의 Zeta Meter기로 Zeta potential(이하 Z-potential) 과 Electrophoresis mobility(이하 E-mobility)를 측정하였다. 정착제로 사용한 양이온성 폴리머의 전하 밀도 측정은 측정하고자 하는 폴리머와 희석된 Toluidine blue의 혼합액에 1/400 N 농도의 PVSK(Polyvinyl potassium sulfate) 용액을 교반하면서 투입, 변색되는 시점까지 투입된 PVSK 양으로 계산하는 콜로이드 적정법2)에 의했다.
Standard hand sheet former를 사용하여 TAPPI Standard T205 om-88에 따라 수초지를 제 조하였으며 최종 평량은 60g/m2에 맞추었다. 첨가제는 충전물을 먼저 투입한 후 정착제와 사이즈제를 차례로 투입하였으며, 완성된 수초지는 상온에서 자연건조하였다. 사이즈도의 측정은 Stdckigt 사이즈도 시험법에 따라 측정값을 얻은 후 다음 공식을 이용하여 두께에 따른 차이를 보정하였다.

대상 데이터

2.1 공시재료

공시펄프로는 미세분이 적은 국내 H 제지회사에서 공급받은 미고해 침엽수 표백 크라프트 펄프(이하 NBKP)와 국산 신문고지를 사용하여 실험실에서 탈묵 한 DIP를 사용하였다. 공시펄프는 모두 고해를 하지 않고 사용하였으며, 이것은 고해시 발생하는 미세섬유에 많이 정착되는 사이즈제가 초지시 미세섬유와 같이 유실됨으로 사이징 효능에 영향하는 인자를 최대한 배제하기 위함이었다.
이때의 펄프 여수도는 NBKP가 750 ml CSF, DIP는 270 ml CSF이 었다. 사용한 중성사이즈제는 시판의 AKD 에멀전이었고, 정착제로는 PAM 및 분자량과 전하밀도가 서로 다른 3종의 Polyamine을 사용하였으며 이들의 특성은 Table 1에 나타내었다. 충전물로는 제지공장에서 사용하는 공업용 클레이 , 탈크와 중질 탄산칼슘을 사용하였다.
사용한 중성사이즈제는 시판의 AKD 에멀전이었고, 정착제로는 PAM 및 분자량과 전하밀도가 서로 다른 3종의 Polyamine을 사용하였으며 이들의 특성은 Table 1에 나타내었다. 충전물로는 제지공장에서 사용하는 공업용 클레이 , 탈크와 중질 탄산칼슘을 사용하였다.

이론/모형

첨가제는 충전물을 먼저 투입한 후 정착제와 사이즈제를 차례로 투입하였으며, 완성된 수초지는 상온에서 자연건조하였다. 사이즈도의 측정은 Stdckigt 사이즈도 시험법에 따라 측정값을 얻은 후 다음 공식을 이용하여 두께에 따른 차이를 보정하였다.
지료의 전기적 성질 조사를 위해 DPCJ(Dynamic Paper Chemistry Jar)를 사용하여 750 rpm과 200 mesh 조건에서 여액을 받았으며, Zeta Meter사의 Zeta Meter기로 Zeta potential(이하 Z-potential) 과 Electrophoresis mobility(이하 E-mobility)를 측정하였다. 정착제로 사용한 양이온성 폴리머의 전하 밀도 측정은 측정하고자 하는 폴리머와 희석된 Toluidine blue의 혼합액에 1/400 N 농도의 PVSK(Polyvinyl potassium sulfate) 용액을 교반하면서 투입, 변색되는 시점까지 투입된 PVSK 양으로 계산하는 콜로이드 적정법2)에 의했다.

성능/효과

2. 중전물을 사용할 때 중전물의 표면에너지를 고려하면 보다 높은 사이즈도를 얻을 수 있을 것으로 판단 되며, 표면에너지가 낮은 탄산칼슘이나 탈크는 사이즈도 발현에 긍정적 작용을 하였다.
3. NBKP에서 사용되는 일반적인 정착제(PAM)는 DIP에서는 동일한 성능을 기대하기 힘들었으며, 정착제의 전하밀도와 분자량을 조절함으로써 미세분의 보류, AKD와 섬유간의 결합을 유도할 수 있 을 것으로 판단된다.
4. Polyamine을 사이즈 정착제로 사용할 경우, 소량 투입만으로 일정수준의 사이즈도를 나타낼 수 있으며 특히 DIP의 사이징에 상당히 효과적이었음을 알 수 있었다. 그러나 사용량과 충전물의 첨가에 매우 민감하게 반응하였다.
소량의 AKD일 때도 정착제의 도움으로 일정 수준의 사이즈도를 발현하는 것을 확인할 수 있다. AKD의 투입량이 증가할수록 사이즈도는 증가하는 경향을 양쪽 모두 보이고 있으나, AKD 만을 사용하였을 경우 일정 수준의 사이즈도를 얻기 위해 투입되어야 할 AKD의 양이 상대적으로 많음을 알 수 있다. AKD 사이징에 있어서 양이온성 고분자물 질은 AKIM} 결합한 미세분의 보류뿐만 아니라 AKD 와 섬유와의 결합에 있어서도 효과를 보인다고 알려져 있다.
세 종류의 Polyamine의 성능을 알아보기 위해 미고해 NBKP를 지료로 하여 투입량을 늘려 보았다. Fig. 8에서 알 수 있듯이 세 종류 Polyamine 모두 0.05% 투입시 가장 높은 사이즈도를 보였고, 투입량이 증가할수록 사이즈도는 급격히 감소하는 경향을 나타내었다. 사이즈도의 급격한 감소는 Polyamine의 높은 전하밀도가 하나의 원인이 될 수 있다고 생각된다.
10은 미고해 NBKP에 충전물로 탈크를 넣었을 때의 PAM과 Polyamine B의 사이징 효능을 비교한 것이다. Fig. 9에서 알 수 있듯이 PAM의 경우 투입량이 증가할수록 사이즈도도 증가하였으며, 탈크의 첨가에 따라 사이즈도에 약간의 긍정적 효과가 나타났다. Polyamine의 경우 탈크가 없을 때에는 0.
전체적 으로 양전하밀도가 높은 Polyamine 사용시의 Z- potential과 E-mobility가 높게 나타났다. 그러나 탈크의 투입 전과 투입 후를 비교하였을 때, PAM을 사용하였을 경우에는 탈크의 유무에 상관없이 수치상 별다른 차이가 없었으나 Polyamine을 사용하였을 경우에는 투입량에 따라 탈크를 넣은 쪽의 수치 증가율이 현저히 떨어지는 경향을 보였다. 이것은 Polyamine의 정착능력이 PAM과 비교할 때 외부조건, 특히 충전물에 불안정하다는 것을 보여 준다고 생각된다.
높은 분자량을 가지고 있으면서 전하밀도도 높은 Polyamine C가 DIP에 있어서 미세분의 유출과 사이즈제의 정착에 가장 효과적으로 기여한 것으로 보인다. 다음으로 Polyamine C보다 상대적으로 분자량이 낮은 Polyamine 日도 사이즈도 발현에 어느 정도 효과가 기대되었다. 그러나 분자량이 높고 전하밀도가 낮은 PAM은 DIP의 사이즈 정착제로서의 효능은 상당히 낮으나 Fig.
2는 각각 PAM과 AKD 첨가량에 따른 NBKP와 DIP에서의 사이즈도 변화를 보여준다. 두 펄프에서 모두, 첨가제 투입량의 증가에 따라 사이즈도도 증가하는 경향을 나타내었다. 상대적으로 DIP 는 NBKP보다 사이즈도가 낮으며, 첨가량의 증가에 따른 사이즈도의 개선 정도도 낮은 것을 알 수 있다.
4의 클레이에서 확인할 수 있다. 본 실험에서 탈크는 투입량에 따른 사이즈도의 별다른 변화를 보이지 않았는데 NBKP에서도 동일한 현상을 볼 수 있었다. 충전물간의 사이즈도 차이는 각각의 충전물이 갖는 자유표면에 너지의 특성에 따른 것으로 보여지며 상대적으로 높은 표면에너지를 가져 상대적으로 친수성이 높은 클레이의 경우 AKD의 사이징 효과를 감소시키는 것으로 보인다.
3은 NBKP와 DIP에서의 열처리에 따른 사이즈도 변화를 나타낸다. 양쪽 모두 열처리에 의해 상당한 사이즈도 개선을 보였으며, DIP의 개선 정도가 NBKW보다 상대적으로 양호했다. 이와 같이 사이즈제의 열처리 효과는 펄프의 종류에 상관없이 발현되었으며, 직접적인 사이즈제 투입량의 변화 없이도 사이즈도 향상에 긍정적 작용을 나타내었다.
양쪽 모두 열처리에 의해 상당한 사이즈도 개선을 보였으며, DIP의 개선 정도가 NBKW보다 상대적으로 양호했다. 이와 같이 사이즈제의 열처리 효과는 펄프의 종류에 상관없이 발현되었으며, 직접적인 사이즈제 투입량의 변화 없이도 사이즈도 향상에 긍정적 작용을 나타내었다. 이것은 AKD 사이징에 나타나는 weak bond에 의해 AKD 에멀전 입 자가 열처리에 의해 기체 상태로 부근의 섬유로 전이되면서 사이즈제의 분산성이 좋아져 사이즈도 향상에 기여個한 것으로 보인다.
Table 4에서는 NBKP 지료에서 Polyamine B, PAM 투입시의 전기적 성질을 보여주고 있다. 전체적 으로 양전하밀도가 높은 Polyamine 사용시의 Z- potential과 E-mobility가 높게 나타났다. 그러나 탈크의 투입 전과 투입 후를 비교하였을 때, PAM을 사용하였을 경우에는 탈크의 유무에 상관없이 수치상 별다른 차이가 없었으나 Polyamine을 사용하였을 경우에는 투입량에 따라 탈크를 넣은 쪽의 수치 증가율이 현저히 떨어지는 경향을 보였다.
71 meq/g의 전하밀도를 갖는 Polyamine B를 첨가하면서 AKD 사이징 효과를 비교하였다. 지료로 DIP를 사용하였을 때와는 달리 PAM은 확실한 사이즈도 발현 효과를 보여주고 있으나 Polyamine의 경우 소량 투입시에만 사이즈 정착 효과를 보여주고 있으며 투입량이 많아짐에 따라 사이즈 효과가 급격히 감소하는 것을 알 수 있다. DIP와 같이 음전하를 띄는 미세분이 많은 펄프와는 달리 미고해 NBKP에 고전하밀도의 Polyamine이 과량 투입되면 전기적 상충작용도 사이즈제 정착효능을 낮추는 원인으로 생각할 수 있겠다.

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