[논문]AKD에 의한 TMP의 중성사이징

김봉용

문제 정의

이것은 기계펄프가 상대적으로 넓은 표면적을 갖고, 콜로이드성 물질 및 녹아 있는 음이온성 트래쉬 등이 많아 기계펄프의 사이징 효능을 저해시키는 것으로 설명되어지고 있다. 본 연구에서는 최근 가장 많이 사용되는 기계펄프인 미표백 TMP(thermomechanical pulp)를 원료로 하여 여러 가지 지료 조건 하에서 사이징을 실시하여 기계펄프의 AKD 중성 사이징 효과 및 영양인자를 검토하였다. 여기에서 얻어진 결과는 향후 자원절약과 환경보전의 차원에서 기계펄프의 첨가량이 높아질 미래의 종이와 현재 기계펄프가 많이 함유되고 있는 중질지, 신문용지 등의 중성 사이징 효능 향상에 많은 도움이 되길 기 대한다.
2%, PAE 0.1% 수준에서 열처리 전의。초에 가까운 TMP 사이즈도가 열 처리 후에 60초 정도로 수직 상승하여 화학 펄프 열처리 후의 사이즈도와 비슷하다는 사실은 TMP와 같은 고수율 펄프의 사이징 효율 향상을 위하여서는 열처리 공정이 반드시 필요함을 말하여 주고 있다고 하겠다.

제안 방법

고수율 펄프인 TMP의 중성 사이징 특성을 구명하기 위하여 현재 국내에서 가장 많이 사용되고 있는 중성 사이즈 제인 AKD를 이용하여 여러 가지 지료 조건으로 사이징 효과를 실험, 분석한 결과 다음과 같은 사항을 확인할 수 있었다.
농도 0.15%의 펄프슬러리를 계속 교반하면서 기지의 AKD, PAE* 차례로 투입하고 난 후 30초간 더 교반하였다. 지료의 pH를 조정할 필요가 있는 경우에는 알람과 NaOH를 사용하였다.
스테키 히트법에 의해 사이즈도를 측정하였으며 수 초지의 AKD 함량 측정은 PY-GC법®에 의하였다. 수초지의 표면은 백금 코팅 후 SEM(S-4000, Hitachi Co.)에 의해 관찰하였다.
지료의 pH를 조정할 필요가 있는 경우에는 알람과 NaOH를 사용하였다. 이 지료를 사용하여 TAPPI 법 따라 평량 60 g/iS의 수초지를 제조하였고 제조된 수초지는 20℃, 65%의 항온항습실에서 24시간 건조하였고 수초지의 열처리시는 드라이오븐 을 이용하여 105℃에서 행하였다. 한 편의 수초지는 원형 드럼 건조기의 표면 온도 100℃에서 2분간 건조되었다.

대상 데이터

공시재료인 미표백TMP는 공장에서 생산된 상업용 버진펄 프로서 17%로 농축된 것을 사용하였으며 펄프의 여수도는 약 205 mL CSF이었다. 또한 사용된 화학 펄프는 PFI mill로 고해된 여수도 500 mL CSF의 활엽수표백 크라프트 펄프이었으며 AKD 에멀전과 PAE는 상업용인 일본 PMC사의 제품을, 충전제로 사용된 CaCQ)는 GCC를 사용하였다
공시재료인 미표백TMP는 공장에서 생산된 상업용 버진펄 프로서 17%로 농축된 것을 사용하였으며 펄프의 여수도는 약 205 mL CSF이었다. 또한 사용된 화학 펄프는 PFI mill로 고해된 여수도 500 mL CSF의 활엽수표백 크라프트 펄프이었으며 AKD 에멀전과 PAE는 상업용인 일본 PMC사의 제품을, 충전제로 사용된 CaCQ)는 GCC를 사용하였다
1%의 동일첨가 수준에서 CaCQ의 첨가 유무와 pH를 변화시킨 지료로 만든 세 종류 TMP 수초지의 사이즈도 변화 상태를 나타내고 있다. 수초지의 건조는 표면 온도가 100℃ 정도 되는 드럼 건조기를 사용하였다. 전반적으로 동일 사이즈 제 수준에서 보면 상온에서 건조한 수초지보다 표면 온도가 높은 드럼 건조기로 건조한 수초지의 사이즈도가 높게 나타나고 있으나 상온에서 건조 후 105℃에서 열처리한 수초지보다는 상당히 낮게 나타나고 있어 건조 온도와 방법, 열처리의 유무에 따라 사이즈도의 효과가 매우 낮게 나타나고 있고 이러한 인자가 TMP 수초지의 사이즈도발현에 영향을 미치는 중요한 인자임을 알 수가 있다.

이론/모형

스테키 히트법에 의해 사이즈도를 측정하였으며 수 초지의 AKD 함량 측정은 PY-GC법®에 의하였다. 수초지의 표면은 백금 코팅 후 SEM(S-4000, Hitachi Co.

성능/효과

기계 펄프인 TMP 사이징의 경우인 본 실험에서 정상적인 범위 내에서 AKD와 PAE 첨가량을 조절하여 보았으 나 Figs. 1, 2에서 보는 바와 같이 수초지의 일반적인 건조의 경우, AKD 첨가량에 따라 아주 미세하게 사이 즈도가 증가하는 경향을 보이고 있으나 전반적인 사이 즈도가 매우 낮은 상태인 1~3초 정도를 나타내고 있어 TMP의 사이징 적성이 상당히 나쁜 것을 알 수가 있다. 이와 연관하여 실제 공장에서 사이징시에도TMP를 비롯한 기 계펄프의 사이징 특성이 화학펄프와 비교하여 매우 나쁜 것은 익히 잘 알려져 있는 사실이다.
2% 수준에서 AKD 첨가량 증가에 따라 TMP 수초지에 보류되는 AKD의 함량 변화를 보여주고 있다. AKD 첨가량의 증가에 따라 AKD의 보류량이 서서히 증가하는 경향을 보이고 있으며 증가하는 정도는 PAE 0.1%보다 0.2%에서의 보류량 증가가 조금 큰 것을 보여주고 있다. 사이징 효능을 높이기 위하여서는 사이즈제가 펄프에의 정착량이 많고 보류율이 높아야 되는 것은 가장 기본이 되는 요건이다.
TMP의 AKD 사이징 효과는 화학 펄프와 대비하여 수초지를 상온에서 건조하였을 경우에는 매우 낮았으나 드럼 건조 또는 105℃에서의 열처리 시 사이즈도 의 상당한 향상을 볼 수 있었다. 특히 105℃에서 열처리 후의 TMP 사이즈도는 화학 펄프와 동일한 정도를 나타내는 것으로 보아 적절한 건조방법이 TMP의 AKD 사이징 효과를 극대화할 수 있을 것으로 보인다.
동일 PAE 수준에서 AKD 첨가량의 증대에 따라 비례적으로 수초지의 AKD 함량이 증가하는 것을 확인할 수 있었으나 특히 상온 건조 시 사이즈도발현과 꼭 일치하지는 않았다. 또한 CaCQ의 첨가는 사이징 효과에 긍정적으로 작용하였으며 pH는 실험 범위 내에서 높은 쪽이 사이즈도에 약간 유리하였으나 효과는 상당히 미미하였다.
6은 CaCQ의 첨가 유무에 따른 알람에 의한 사이징 효과를 나타내고 있다. 동일 사이즈 제 첨가와 같은 알람 0.5% 수준에서 CaCQ, 의 5%, 10% 첨가는 상당한 사이징 효과를 보이고 있다. 더욱이 드럼 건조기로 건조한 TMP 수초지를 상온에서 24시간 에어컨 디셔닝하였을 경우는 CaCQ가 첨가되고 알람이 투입된 경우가 알람만 첨가된 경우보다 사이즈도 가 상당히 높이지는 현상을 볼 수가 있다.
동일 PAE 수준에서 AKD 첨가량의 증대에 따라 비례적으로 수초지의 AKD 함량이 증가하는 것을 확인할 수 있었으나 특히 상온 건조 시 사이즈도발현과 꼭 일치하지는 않았다. 또한 CaCQ의 첨가는 사이징 효과에 긍정적으로 작용하였으며 pH는 실험 범위 내에서 높은 쪽이 사이즈도에 약간 유리하였으나 효과는 상당히 미미하였다.
그러나 실제 보류되는 사이트와 정확한 보류기구에 대해서는 아직까지 불분명한 점이 많이 남아 있다고 하겠다. 또한 와이어 상에서 미세섬유를 함유한 크라프트 펄프와 기계펄프의 보류기구 연구에서는 AKD 사이징 시 양이온성 PAE(polyamideamine epichlohydrin resin)의 사용에 의해 AKD의 보류가 높아졌고 결과적으로 종이의 사이즈도 가 상당히 높아진 것을 확인할 수 있었다. 한편으로 AKD 사이징의 경우에 화학펄프에 비해 기계펄프의 사이징 효과가 상당히 떨어진다는 사실은 연구자와 현장 실무자에 의해 잘 알려진 사실이다.
사이징 효능을 높이기 위하여서는 사이즈제가 펄프에의 정착량이 많고 보류율이 높아야 되는 것은 가장 기본이 되는 요건이다. 이 그림에서 보면 0.1% PAE 수준에서 AKD 0.2% 첨가 시 TMP 수초지에서 AKD의 보류율(수초지에 잔류된 AKD의 양/펄프 지료에 첨가한 AKD의 양)은 약 26%이고 같은 사이즈제와 정착제 수준에서 표백화학 펄프수초지에서 AKD 보류율은 50% 전후, 인 것으로 보아 상기첨가 수준에서 화학펄프 수초지에서 AKD 보류율은 50% 전후, 인 것으로 보아 상기첨가 수준에서 화학펄 프와 비교하여 TMP에의 AKD 보류율이 반 정도로 상당히 낮은 것을 알 수 있으며 이것도 TMP의 사이징 효율을 낮추는 중요한 이유가 된다고 생각할 수 있다 . TMP의 이러한 낮은 AKD 보류율임에도 불구하고 Fig.
이 경우의 pH는 CaCQ를 투입한 경우가 약간 높은 상태를 유지하였다. 이러한 결과로 보아 AKD 사이징에서의 알람의 효과는 극히 미미하다고 생각되나 CaCQ가 첨가되면 사이징 효과를 높이는 표면에너지가 낮은 CaCQ의 보류를 알람이 증대시키므로 사이징에 긍정적인 효과가 나타난다고 판단된다.
그러나 이 수초지를 105℃에서 30분간 열처리한 후의 사이즈도는 80초 이상으로 AKD와 PAE의 첨가 량 증가에 따라 서서히 증가하고 있음을 알 수가 있겠 다. 이런 결과로 보아 섬유 사이에 존재하는 AKD 에 멀전 입자는 건조온도에 따라 내수성능이 달라지며 고 온의 열처리에서 사이징 효과가 상당히 높은 것으로 보아 기계펄프인 TMP는 수초지의 건조온도 및 열처리 방법에 의해 화학 펄프 이상으로 사이징적성을 향상시 킬 수 있음을 시사하고 있다.
TMP의 AKD 사이징 효과는 화학 펄프와 대비하여 수초지를 상온에서 건조하였을 경우에는 매우 낮았으나 드럼 건조 또는 105℃에서의 열처리 시 사이즈도 의 상당한 향상을 볼 수 있었다. 특히 105℃에서 열처리 후의 TMP 사이즈도는 화학 펄프와 동일한 정도를 나타내는 것으로 보아 적절한 건조방법이 TMP의 AKD 사이징 효과를 극대화할 수 있을 것으로 보인다.

후속연구

본 연구에서는 최근 가장 많이 사용되는 기계펄프인 미표백 TMP(thermomechanical pulp)를 원료로 하여 여러 가지 지료 조건 하에서 사이징을 실시하여 기계펄프의 AKD 중성 사이징 효과 및 영양인자를 검토하였다. 여기에서 얻어진 결과는 향후 자원절약과 환경보전의 차원에서 기계펄프의 첨가량이 높아질 미래의 종이와 현재 기계펄프가 많이 함유되고 있는 중질지, 신문용지 등의 중성 사이징 효능 향상에 많은 도움이 되길 기 대한다.

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