[논문]미세분의 성질이 지료특성에 미치는 영향

조욱연; 서영범

문제 정의

Koh는 신문고지로부터 섬유를 분별하고 분별한 섬유를 표백 및 다른 고지와 혼합초지한두 루 마리 화장지들의 광학적.물리적 특성을 보고하 였다.
현재까지 미세분들에 다양한 연구 결과들이 발표되었지만 이들 다양한 미세분들의 특성과 제지공정상의 역할, 종이의 최종 품질에의 영향이 충분히 정량적으로 제시되지는 못했던 것이 현재의 실정이다. 본 연구에서는 다양한 원료들에서 발생하는 미세분들을 두 가지 스크린 (150 mesh 와 400 mesh)로 분급하고 그 특성들을 제지 공정상의 조절인자들과 관계 하에서 밝히며, 더 나아가 이 미세분들이 최종 종이의 품질에 미치는 영향들에 대하여 연구하였다. 특별히 고지를 많이 쓰는 한국의 현실을 고려하여 OCC의 연구에 중점을 두었다.
본 연구에서는 다양한 원료들에서 발생하는 미세분들을 분류하고 WRV 및 회분, 섬유장 분포, 탈수성, 강도적 성질들을 알아보았다. 그 결과를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
기존의 연구들을 토대로 아주 작은 크기의 미세분은 탈수성에는 크게 영향을 주면서 강도적인 면에는 크게 영향을 주지 않을 수도 있다는 가설을 세웠다. 이에 본 연구에서는 작은 크기의 미세분(400 mesh screen 통과 분)을 분류하여 그 특성 및 영향을 알아보고자 하였다.
본 연구에서는 다양한 원료들에서 발생하는 미세분들을 두 가지 스크린 (150 mesh 와 400 mesh)로 분급하고 그 특성들을 제지 공정상의 조절인자들과 관계 하에서 밝히며, 더 나아가 이 미세분들이 최종 종이의 품질에 미치는 영향들에 대하여 연구하였다. 특별히 고지를 많이 쓰는 한국의 현실을 고려하여 OCC의 연구에 중점을 두었다.

가설 설정

400 mesh 통과 미세분은 탈수와 강도에 중요한 영향을 미쳤다. 400 mesh 통과분이 탈수를 크게 저해하며 강도에는 크게 기여하지 않는다면 이들을 제거함으로 제지공정에 유리한 결과를 얻고자 한 가설은 본 실험 결과 400mesh 통과분이 강도에 크게 기여함을 볼 때 재고되어야 할 것이다. 다만 고해를 증가함에 따라, 400 mesh 통과 미세분의 제거는 지료의 탈수성 증대 속도를 크게 증가시켰으며, 강도의 저하는 상대적으로 적어지고 있었다.
기존의 연구들을 토대로 아주 작은 크기의 미세분은 탈수성에는 크게 영향을 주면서 강도적인 면에는 크게 영향을 주지 않을 수도 있다는 가설을 세웠다. 이에 본 연구에서는 작은 크기의 미세분(400 mesh screen 통과 분)을 분류하여 그 특성 및 영향을 알아보고자 하였다.

제안 방법

R* yu 。는 부상 부유 처리를 통해 섬유와 미세분을 분급한 다음 각각에선택적 인 고해처리 및 효소를 활용한 탈수성 개선 처리를 실시하였으며 저급의 KOCC를 부상 부유 조건을 달리하 여 분급 처리를 실시하였다. Seo⑵는 골판지 고지에서 단섬유분과장섬유분을 분급한 후 개별적으로 단섬유분에 만 화학처리와 양이온성고분자 화합물을 사용하여 탈수 성 향상에 관한 연구를 하였다. Koh는 신문고지로부터 섬유를 분별하고 분별한 섬유를 표백 및 다른 고지와 혼합초지한두 루 마리 화장지들의 광학적.
Valley beater를 이용하여 하중을 가하지 않은 상태에서 농도 1.5%로 희석하여 해리, 하중을 가하여 각각 medium, high beating으로 고해를 실시하고 각 고해시간별로 채취된 고해지료의 여수도를 측정하였다 (TAPPI standard T 227 om-92).
각각의 수초 지는 TAPPI Standard T402 om-88에 따라 23±1°C, 상대 습도 50±2%로 조절된 항온항습실에서 24시간 이상 조습처리를 실시한 후 물성을 측정하였다. 조습처리된 수초지는 인장 강도(T489 om-88), 인열강도(T414 om-88), 파열강도(T403 om-85)를 측정하여 각각 열단장, 인열지수, 파열지수를 계산하였다.
7-10은 미세분의 제거 시 탈수시간의 감소와 열단장 감소의 비를 나타내었다. 각고해정도별로 전체 지료의 탈수 시간과 열단장을 각각 1로 놓고, 400 mesh 잔존 장섬유와 150 mesh 잔존 장섬유 지료들의 탈수시 간과 열단장을 비교하였다. 그 결과 SwBKP로부 터 BCTMP에 이르기까지 모두 단순해리지료의 경우 미세분의 제거가 열단장을 크게 떨어뜨렸으나, 탈수 시간의 감소에는 상대적으로 크게 효과적이지 못하였다.
고해된 각각 펄프들에 Fig. 1과 같은 섬유분급기를 사용하여 150 mesh 와 400 mesh 통과 미세분들을 모았다. 즉 Valley Beater를 통해 해리 후 여수도별로 고해를 실시하고 전건 100 g 기준으로 농도 1% 희석한 후 분급 장치에 투입하여 125 rpm으로 1시간을 분급시켰다.
고해후 분급 처리한 각각의 시료를 Morfi Analyzer (Techpop사, France)를 이용하여 섬유장, 미세분의 함량 미세분 분포도의 변화를 분석하였다. 지료의 보수도(WRV, Water retention value)는 Jayme의 방식에 근거하였으며, 펄프슬러 리를 21±3°C에서 900 G 로 30분간 원심분리시킨 뒤 잔존하는 수분의 양을 전건 섬유 중량에 대해 백분율로 나타내었다.
Abubakr©과 Bliss'>는 골판지와 판지와 같은 재생펄프의 강도 향상을 위해 섬유 분 별 방법을 이용하였다. R* yu 。는 부상 부유 처리를 통해 섬유와 미세분을 분급한 다음 각각에선택적 인 고해처리 및 효소를 활용한 탈수성 개선 처리를 실시하였으며 저급의 KOCC를 부상 부유 조건을 달리하 여 분급 처리를 실시하였다. Seo⑵는 골판지 고지에서 단섬유분과장섬유분을 분급한 후 개별적으로 단섬유분에 만 화학처리와 양이온성고분자 화합물을 사용하여 탈수 성 향상에 관한 연구를 하였다.
지료의 보수도(WRV, Water retention value)는 Jayme의 방식에 근거하였으며, 펄프슬러 리를 21±3°C에서 900 G 로 30분간 원심분리시킨 뒤 잔존하는 수분의 양을 전건 섬유 중량에 대해 백분율로 나타내었다. 미세분의 WRV 측정은 미세분장섬유분의 MRV를 구한 후, 다음과 같은 산술적 자체를 측정하기가 곤란하기 때문에 전체 섬유와 계산을 이용하여 산출하였다.
미세분의 탈수성에 대한 역할에 있어서 미세분 자체의 탈수성 측정이 어렵기 때문에 산술적으로 구하였다 (식2). Figs.
분급을 한 긱각의지료는 TAPPI Standard 원형 수초지기를 이용하여 평량 60 g/n?으로 수초지를 제작하였다. 탈수 속도는 TAPPI Standard T221 에 따라 원형 수초지기로 평량 60 g/n?수초지를 만들 때의 탈수 시간(초)을 측정하여 적용하였다. 미세분의 탈수 속도 측정은 미세분 자체를 측정하기가 곤란하기 때문에 다음과 같은 산술적 계산을 이용하여 산출하였다.
즉 Valley Beater를 통해 해리 후 여수도별로 고해를 실시하고 전건 100 g 기준으로 농도 1% 희석한 후 분급 장치에 투입하여 125 rpm으로 1시간을 분급시켰다. 실험 재료의 오차 요인을 줄이기 위해 실험에 필요한 각각의 실험 지료를 수차례 의 고해 후 한 번에 모아 그 지료로만 분급 실험에 사용하였다. 분급을 통해 모아진 미세분은 하단의 통에 모아지며 분급 후에 통속의 미세분을 다른 탱크에 이동시켰다.
분급을 한 긱각의지료는 TAPPI Standard 원형 수초지기를 이용하여 평량 60 g/n?으로 수초지를 제작하였다. 탈수 속도는 TAPPI Standard T221 에 따라 원형 수초지기로 평량 60 g/n?수초지를 만들 때의 탈수 시간(초)을 측정하여 적용하였다.
각각의 수초 지는 TAPPI Standard T402 om-88에 따라 23±1°C, 상대 습도 50±2%로 조절된 항온항습실에서 24시간 이상 조습처리를 실시한 후 물성을 측정하였다. 조습처리된 수초지는 인장 강도(T489 om-88), 인열강도(T414 om-88), 파열강도(T403 om-85)를 측정하여 각각 열단장, 인열지수, 파열지수를 계산하였다.
종이 물성 측정은 분급을 하지 않은 No classification 지료와 분급을 통해 screen에 걸린 장섬유들을 원형 수초지로 제조하였으며 각각 밀도, 인장 강도, 신장률, 파열강도, 인열강도를 측정하 였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 펄프는 2가지의 천연 펄프 (SwBKP, HwBKP와 국산골판지 고지 (KOCC), 화학열기계 펄프 (BCTMP)를 사용하였으며, 각각의 출처는 Table 1과 같다.

이론/모형

고해후 분급 처리한 각각의 시료를 Morfi Analyzer (Techpop사, France)를 이용하여 섬유장, 미세분의 함량 미세분 분포도의 변화를 분석하였다. 지료의 보수도(WRV, Water retention value)는 Jayme의 방식에 근거하였으며, 펄프슬러 리를 21±3°C에서 900 G 로 30분간 원심분리시킨 뒤 잔존하는 수분의 양을 전건 섬유 중량에 대해 백분율로 나타내었다. 미세분의 WRV 측정은 미세분장섬유분의 MRV를 구한 후, 다음과 같은 산술적 자체를 측정하기가 곤란하기 때문에 전체 섬유와 계산을 이용하여 산출하였다.

성능/효과

1.미세분들의 緬V는 섬유의 종류에 따라 다르며 고해 정도에 따라서는 차이가 상대적으로 적었 다.
2. 400 mesh 통과 미세분의 WRV가 150 mesh 통과 미세분보다와 탈수성에 대한 기여 정도 가 매우 높았다.
3. BCTMP 미세분은 가장 높은 MRV와 가장 빠른 탈수성을 가졌고 KOCC 미세분은 가장 낮은 와 가장 느린 탈수성을 보였다.
4. SwBK/와 HwBKP 미세분은 비슷한 경향을 가졌고 SwBKP 미세분이 BCTMP 미세분 특성에 좀 더 가까웠다.
5.분급을 한 장섬유 지료의 수초지는 밀도와 열단장이 모두 감소하였다.
6. 400 mesh 통과 미세분은 탈수와 강도에 중요한 영향을 미쳤다. 400 mesh 통과분이 탈수를 크게 저해하며 강도에는 크게 기여하지 않는다면 이들을 제거함으로 제지공정에 유리한 결과를 얻고자 한 가설은 본 실험 결과 400mesh 통과분이 강도에 크게 기여함을 볼 때 재고되어야 할 것이다.
Table 2와 3에서 400 mesh와 150 mesh에서의 각 펄프별 미세분수율이 고해함에 따라 점점 증가하는 경향을 나타났으며 는 각각의 지료마다 고해 정도에 관계없이 일정 값을 갖는 것으로 나타났다. Fig. 2에서 각 펄프별 분급기로 분급한 미세분의 수율을 살펴보면 확연하게 400 mesh보다 150 mesh가 미세분의 수율이 높았으며 독특하게 400 mesh에선 가장 낮은 수율을 보이던 KOCC가 150 mesh에선 가장 높은 수율을 나타내었다. 또 150 mesh 미세분보다는 400 mesh 통과 미세분의 WRV가 월등히 높았다.
Morfi Analyzer로 섬유장을 측정한 결과를 그래프로 보면 Fig. 3와 Fig. 4에서처럼 150 mesh 통과분은 78 - 251 卩m 길이의 섬유분이 전체 지료나 400 mesh 잔존 지료분보다 훨씬 적은 모습을 관찰할 수 있었다. 이러한 현상은 모든 지료에 있어서 공통적이 였다.
Table 7은 각 지료별 물성이 측정된 값을 보이고 있다.고해를 할수록 density, breaking length, stretch, burst index는 증가함을 보였다. 반면 Tear index는 감소함을 보였다.
Table 6은 OCC의 경우 미세분에 대하여 회분의 양을 측정해본 것이다. 그 결과 400 mesh 경우는 40% 정도, 150 mesh 경우는 30% 정도가 측정되었다. 이는 OCC 미세분에 상당한 회분이 포함되어 있으며 특히 400 mesh 통과 미세분에 집중적으로 포함된 것으로 보아 매우 작은 크기의 회분이 포함되어 있다는 것을 말해준다.
각고해정도별로 전체 지료의 탈수 시간과 열단장을 각각 1로 놓고, 400 mesh 잔존 장섬유와 150 mesh 잔존 장섬유 지료들의 탈수시 간과 열단장을 비교하였다. 그 결과 SwBKP로부 터 BCTMP에 이르기까지 모두 단순해리지료의 경우 미세분의 제거가 열단장을 크게 떨어뜨렸으나, 탈수 시간의 감소에는 상대적으로 크게 효과적이지 못하였다. 반면에 고해를 많이 실시한 지료들은 미세분의 제거가 탈수 시간을 크게 향상시켰지만 열단장의 저하는 상대적으로 적은 편이였다.
400 mesh 통과분이 탈수를 크게 저해하며 강도에는 크게 기여하지 않는다면 이들을 제거함으로 제지공정에 유리한 결과를 얻고자 한 가설은 본 실험 결과 400mesh 통과분이 강도에 크게 기여함을 볼 때 재고되어야 할 것이다. 다만 고해를 증가함에 따라, 400 mesh 통과 미세분의 제거는 지료의 탈수성 증대 속도를 크게 증가시켰으며, 강도의 저하는 상대적으로 적어지고 있었다.
실험을 시작할 당시 400 mesh 통과 미세분들은 탈수시간을 크게 향상시키며 열단장에 큰 영향을 주지 않을 것으로 가정하였으나, 본 실험에 있어서는 400 mesh 통과 미세분의 제거도 150 mesh 통과 미세분에 비해 그 정도는 덜하지만 여전히 열단장을 크게 떨어뜨리는 현상을 관찰할 수 있었다. 단지 OCC의 경우, 탈수 효율이 증대됨에 따라 인장강도의 저하가 다른 지료들에 비해 현저히 적음을 발견할 수 있었다.
0으 로서 SwBKP 400 mesh 미세분 WRV 와 비슷해짐을 알 수 있다. 따라서 OCC 미세분의 섬유결합 능 력 감소는 주로 포함된 회분의 양이 많음에서 기인됨을 알 수 있었다.
실험을 시작할 당시 400 mesh 통과 미세분들은 탈수시간을 크게 향상시키며 열단장에 큰 영향을 주지 않을 것으로 가정하였으나, 본 실험에 있어서는 400 mesh 통과 미세분의 제거도 150 mesh 통과 미세분에 비해 그 정도는 덜하지만 여전히 열단장을 크게 떨어뜨리는 현상을 관찰할 수 있었다. 단지 OCC의 경우, 탈수 효율이 증대됨에 따라 인장강도의 저하가 다른 지료들에 비해 현저히 적음을 발견할 수 있었다.
WRV가 높은 것이 탈수성이 높은 순서와 일치하는 것은 매우 특이한 현상으로 볼 수 있다. 이상의 결과로서 KOCC의 400mesh 통과 미세분은 WRV가 적고 탈수능력도 저조한 매우 열악한 섬유분으로 판단할 수 있었다. 150mesh 통과 미세분은 BCTMP를 제외하고는 지료별로 큰 차이를 보이지 않았다.
Table 4에 지료별 섬유장의 크기 차이는 확연히 드러나지만 150 mesh 와 400 mesh 통과 미세분들의 섬유장은 큰 차이를 보이지 않았다. 장섬유분과 미세섬유분의 섬유장차이가 큰 것으로부터 미세분분급은 매우 효율적으로 시행되었음을 알 수 있었다. 일부 실험 오차를 제외하고는 대부분 400mesh 통과분이 150 mesh 통과 분보다 평균 길이가 작은 것을 볼 수 있다.

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