[논문]고해와 압착에 의한 파괴 인성과 파괴 신장률의 변화 -섬유 활성화와 미세분 활성화-

이진호; 박종문

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To increase paper strength, refining and wet pressing are performed. Many researches were carried out to identify the origin of paper strength. Since fracture toughness was governed by stress concentration, fracture toughness reflects microscopic paper strength. The aim of this paper is to analyze h...

To increase paper strength, refining and wet pressing are performed. Many researches were carried out to identify the origin of paper strength. Since fracture toughness was governed by stress concentration, fracture toughness reflects microscopic paper strength. The aim of this paper is to analyze how paper strength was affected by changes of refining and wet-pressing. Fiber properties and structural, tensile and fracture properties of handsheets were evaluated. Especially, fracture toughness was evaluated by J-integral. As the refining proceeds, stock properties maybe divided into two stages such as fibers activation and fines activation according to freeness. In fibers activation stages, about 750-450 mL CSF, the fracture toughness increased with refining and wet pressing but in fines activation stages, about 450-250 mL CSF, the fracture toughness increased only with wet pressing. It is clear that fracture toughness was affected not only by fibers properties but also by fines properties in fines activation stages.

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문제 정의

종이의 강도에 관한 많은 연구들에서의 주된 관점은 종이의 강도가 섬유 자체에서 유발되는 것인가, 결합면의 강도에 의해서 유발되는 것인가 하는 것이었다.2 4) 기존의 연구는 정상 시편의 물성 시험에 따른 물성 평가를 통해서 분석하였지만, 본 실험에서는 파괴 시험을 통해 물성을 분석 하고자 하였다.
본 실험에서는 종이의 강도를 향상시키는 가장 기본적인 처리인 고해와 압착변화에 따른 종이의 파괴인성 변화를 측정하고, 종이 강도 변화 원인이 섬유자체인지 결합 강도인지에 대해 파괴 역학적 측면에서 알아보고자 한다.

제안 방법

Sw-BKP를 실험실용 Valley beater를 이용하여 650, 550, 450, 350 mL CSF 로 각각 고해하였다. 원형 수초지기를 이용하여 평량 60 g/m2 으로 초지한 후, 롤프레스를 이용하여 습지필의 건조도를 25, 30, 35%로 각각 조절하였다.
원형 수초지기를 이용하여 평량 60 g/m2 으로 초지한 후, 롤프레스를 이용하여 습지필의 건조도를 25, 30, 35%로 각각 조절하였다. 건조는 드럼 드라이어를 이용하여 120°C에서 최종 지필의 건조도를 95% 로 조절하여 과건조에 의한 강도 변화를 최소화하 였다.
섬유의 특성은 Bauer-McNett 섬유 분급기를 이용하여 섬유장별 섬유 분포를 측정하였고, Morfi Labo(LB-Ol)을 이용하여 섬유의 크기, 폭, 조도, 컬, 킨크 등을 측정하였다.
Sw-BKP를 실험실용 Valley beater를 이용하여 650, 550, 450, 350 mL CSF 로 각각 고해하였다. 원형 수초지기를 이용하여 평량 60 g/m2 으로 초지한 후, 롤프레스를 이용하여 습지필의 건조도를 25, 30, 35%로 각각 조절하였다. 건조는 드럼 드라이어를 이용하여 120°C에서 최종 지필의 건조도를 95% 로 조절하여 과건조에 의한 강도 변화를 최소화하 였다.
종이의 인장 및 파괴 시험은 L&W사의 파괴 인장 시험기를 이용하여 SCAN-P 67과 P77:95 에 의거하여 물성을 평가하였다. Fig.

대상 데이터

시트상의 침엽수 표백 크라프트 펄프(Sw-BKP, radiata pine)를 분양받아 사용하였다.
1 은 파괴 인성에 대한 기본적인 이론을 나타낸 것으로 결점이 진 행한 것에 대한 에너지 편차를 결점 진행 거리로 나눈 것으로 결국 파괴 인성은 결점이 진행하는데 소비되는 에너지를 말한다.파괴 시험에 사용된 시편은 가로 5 cm, 세로 10 cm, 결점은 시편의 중앙에 2 cm를 주어 사용하였다.

이론/모형

본 실험에서는 표준화된 SCAN 시험법을 이용 하여 파괴 인성을 측정하였는데, 상기 시험법은 J- 적분법을 사용하였다. 종이는 탄성과 소성을 함께 가지고 있기 때문에 소성 영역에 대한 평가를 하기 위해서 비선형 탄성 파괴 역학인 (nonTinear elastic fracture mechanics, NLEFM) J-적분법 이 적당하다고 할 수 있다.
섬유 자체 강도는 Zero-span tensile tester를 이용하여 측정한 후, 단위 환산을 통해 열단장 값으로 환산하였고, 결합 강도는 간단한 Page 식을 이용하여 계산하였다.

성능/효과

강도적 특성인 열단장과 탄성계수는 여수도 구간에 관계없이 고해와 압착에 따라 증가하는 경향을 나타내지만, 신장률의 경우는 섬유의 활성 구간과 미세분의 활성 구간에서 고해와 압착에 따른 강도적 특성 변화와는 다른 경향을 나타낸다. 즉 신장률의 경우 고해에 따른 신장률 증가 효과는 섬유의 활성 구간에서만 나타나며, 압착에 따른 신장률 증가는 미세분 활성 구간에서만 나타나는 경향을 나타내었다. 이는 구성 지료의 구성 성분 특성에 기인한 것으로 미세분이 다량으로 포함되어 있는 미세분 자체의 작은 크기에 의해 더 높은 압착성을 가지기 때문으로 판단된다.

참고문헌 (8)

Smook, G. A., Handbook for Pulp & Paper Technologists, pp. 193-249 (2002)
Cox, H. L., BRIT. J. Appl. phys., 3(3); 72-79 (1952)
Van Den Akker, J. A., Structural aspects of bonding, Tappi J. 42(12):940-947 (1959)
Page, D. H., The meaning of Nordman bond strength, NPPR J. 17(1):39-43 (2002)
Anderson, T. I. 이억섭, 김정규 옮김, 파괴역학 응용과 기초, 한국경제신문, pp.23-50(2000)
강동기, 파괴역학 실험법, 원창출판사 (1990)
Seth, R. S., Measurement of in-plane fracture toughness, Tappi J.78(10):117 (1995)
윤혜정, 신동소, 고해와 압착 처리가 종이의 파괴 인성에 미치는 영향. J. of Korea Tappi 32(4):1-9 (2000)

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