[논문]마이크로파티클 보류 기작에 따른 섬유의 응집 및 종이 물성 변화

윤두훈; 박종문

문제 정의

값비싼 충전제 또는 다른 물질들을 포함하는 지료에서 첨가제들의 보류가 불완전하게 이루어지게 되어 환경적인 측면, 그리고 생산자의 경제적인 측면에서 문제를 발생시키기 때문에 제지 산업에서는 미세분과 비섬유상 물질을 보류시키는 것이 중요하다." 이에 본 연구에서는 종 이 내에 분포하고 있는 섬유의 응집을 분석하고, 종이 물성과의 상관관계를 알아보고자 하였으며, 마이크로파티클을 변화하여 그에 따른 종이 내의 섬유 응집과 종이 물성과의 상관관계를 규명하고자 하였다.

제안 방법

적용한 보류제의 탈수 특성을 측정하기 위해 습지가 형성되는 시간을 측정하였다.
제조한 수초지를 TAPPI standard T402 om-83에 따라 조습 처리한 후 T220 om-83에 의거 강도 측정용 시편을 준비한 후 L&W tensile & fracture tester를 이용하여 T494 om-85에 의거하여 인장 강도를 측정하였고, T220 sp-96에 의거하여 인장 지수로 환산하였다. 제로-스팬(zero-span) 인장강 도는 Pulmac사의 zero-span tester를 이용하여 측정하였고, 간단한 Page equation을 이용하여 결합 강도를 측정하였다.
3.7 파괴시험
파괴인성(fracture toughness index)의 측정은 Fig. 1과 같은 시편을 제작하여 L&W tensile & fracture tester를 이용하여 파괴시험을 실시하였다.

대상 데이터

또한 이번 실험에 사용된 충전제로는 Omya Korea Inc.사의 Hydrocarb 75F 중질탄산칼슘(ground calcium carbonate, GCC)를 사용하였다.
이번 연구에서는 공시 펄프로 칠레산 radiata pine SwBKP와 eucalypt HwBKP를 사용하였다.
종이의 응집을 형성하여 공정 및 강도적 특성 평가를 목적으로 사용한 보류제는 선형의 양이온성 폴리 아크릴 아마이드(cationic polyacrylamide, C-PAM)와 무기·유기마이크로파티클을 사용하였다. 보류제의 자세한 물성은 Table 1과 같다.

이론/모형

제작한 수초지의 응집 및 지합을 측정하기 위해 2D-F sensor.를 이용하여 응집의 크기와 발생 빈도 그리고 formation index(L.T. value)를 측정하였다.
제조한 수초지를 TAPPI standard T402 om-83에 따라 조습 처리한 후 T220 om-83에 의거 강도 측정용 시편을 준비한 후 L&W tensile & fracture tester를 이용하여 T494 om-85에 의거하여 인장 강도를 측정하였고, T220 sp-96에 의거하여 인장 지수로 환산하였다. 제로-스팬(zero-span) 인장강 도는 Pulmac사의 zero-span tester를 이용하여 측정하였고, 간단한 Page equation을 이용하여 결합 강도를 측정하였다.

성능/효과

습지의 형성되는 시간은 탈수와 같은 개념이기 때문에 응집에 따라서 탈 수속도를 알아볼 수 있는 간접적인 지표라 할 수 있다.2)PAM의 첨가량이 증가할수록 전체적으로 탈수시간이 짧아지는 경향을 나타내었다. 이는 PAM의 첨가가 점차 증가하면서 응집이 크게 형성되면서 물과 결합되지 않도록 하였기 때문이다.
Value가 높게 나타난다. PAM 을 100 ppm 적용하였을 때 음이온과 결합할 수 있는 양이온의 양이 충분하지 않아 각 보류기작별로 응집의 차이는 크게 나타나지 않는 것을 알 수 있었다. 하지만 PAM의 양이 증가할수록 응집의 발생이 차이가 나타나는 것을 볼 수 있으며 무기와 유기마 이크로파티클의 응집 크기 비교 시 무기마이크로파 티클의 응집 크기가 월등히 큰 것을 알 수 있었다 이에 따라 무기마이크로파티클을 적용한 종이의 지합이 유기마이크로파티클을 적용한 종이에 비해 크게 나쁘다는 것을 알 수 있으며 지합은 어떤 시스템을 적용하더라도 응집이 형성되는 것과 비례하여 저하되는 것을 알 수 있었다.
충전제를 첨가하지 않고 선형 PAM과 무기, 유기 마이 크로파티클을 적용하여 지료를 응집 시 켰을 때 응집지수와 강도와의 비교를 통해 응집이 종이의 물성에 크게 관여하고 있음을 알 수 있었으며, 크게 발생한 응집은 종이의 탈수에도 큰 도움이 되지 않으며, 오히려 강도를 떨어뜨리는 역할을 한다는 것을 알 수 있다. 또한 선형 양이온성 고분자일 때 충전제 첨가로 인해 전하밀도가 약한 무기마이 크로파티클의 경우 섬유의 응집의 발생이 줄어들고, 응집 발생빈도와 강도는 충전제의 첨가량이 증가되면서 결합력의 약화로 인해 떨어지는 경향을 보이고 있다. 이로 인해 충전제에 의해 응집 형성 자체가 차단되어 응집이 종이 물성에 영향을 미치는 것보다 충전제가 미치는 영향이 더 크다는 것을 알 수 있었다.
또한 선형 양이온성 고분자일 때 충전제 첨가로 인해 전하밀도가 약한 무기마이 크로파티클의 경우 섬유의 응집의 발생이 줄어들고, 응집 발생빈도와 강도는 충전제의 첨가량이 증가되면서 결합력의 약화로 인해 떨어지는 경향을 보이고 있다. 이로 인해 충전제에 의해 응집 형성 자체가 차단되어 응집이 종이 물성에 영향을 미치는 것보다 충전제가 미치는 영향이 더 크다는 것을 알 수 있었다.
7은 충전제로 GCC(Ground Calcium Carbonate)의 첨가량을 달리하였을 경우 응집이 형성된 발생빈도를 나타낸 그래프이다. 충전제가 첨가됨으로 인해 응집의 발생 빈도가 줄어드는 경향을 나타내고 있다는 것을 알 수 있으며 이는 가교 결합 시스템보다 마이크로파티클 시스템에서 더 큰 경향을 나타내고 있는 것을 볼 수 있었다. 이는 무기 마이크로파티 클의 전하밀도가 유기 마이크로파티 클보다 약하기 때문에 충전제의 첨가로 인해 응집을 형성하는 힘이 약하기 때문으로 사료된다.
충전제를 첨가하지 않고 선형 PAM과 무기, 유기 마이 크로파티클을 적용하여 지료를 응집 시 켰을 때 응집지수와 강도와의 비교를 통해 응집이 종이의 물성에 크게 관여하고 있음을 알 수 있었으며, 크게 발생한 응집은 종이의 탈수에도 큰 도움이 되지 않으며, 오히려 강도를 떨어뜨리는 역할을 한다는 것을 알 수 있다. 또한 선형 양이온성 고분자일 때 충전제 첨가로 인해 전하밀도가 약한 무기마이 크로파티클의 경우 섬유의 응집의 발생이 줄어들고, 응집 발생빈도와 강도는 충전제의 첨가량이 증가되면서 결합력의 약화로 인해 떨어지는 경향을 보이고 있다.
PAM 을 100 ppm 적용하였을 때 음이온과 결합할 수 있는 양이온의 양이 충분하지 않아 각 보류기작별로 응집의 차이는 크게 나타나지 않는 것을 알 수 있었다. 하지만 PAM의 양이 증가할수록 응집의 발생이 차이가 나타나는 것을 볼 수 있으며 무기와 유기마 이크로파티클의 응집 크기 비교 시 무기마이크로파 티클의 응집 크기가 월등히 큰 것을 알 수 있었다 이에 따라 무기마이크로파티클을 적용한 종이의 지합이 유기마이크로파티클을 적용한 종이에 비해 크게 나쁘다는 것을 알 수 있으며 지합은 어떤 시스템을 적용하더라도 응집이 형성되는 것과 비례하여 저하되는 것을 알 수 있었다. 또한 무기마이크로파 티클이 유기마이크로파티클에 비해 응집의 발생 빈도가 높은 것을 볼 수 있는데 이는 무기마이크로파 티클의 첨가량이 많기 때문에 많은 응집을 형성한다고 볼 수 있다.

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