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문제 정의
- 본 연구에서는 기공 특성에 대한 기초 자료를 확보하기 위하여 종이 제조에 있어서 주원료인 펄프의 종류와 이들의 고해 수준 및 충전제의 종류가 종이의 기공 특성, 종이의 물리적, 광학적 특성에 미치는 영향을 조사하였다.
제안 방법
- GCC와 PCC 혼합비를 달리하여 공장에서 실제로 생산된 백상지의 제반물성과 기공특성을 측정한 결과 를 비교하였다. 이미 전 항에서 언급된 바와 같이 PCC 가GCC보다 벌크 향상에 효과적이므로 동일 벌크에서 비교하기 위하여 캘린더의 선압을조절하였다.
- 종이 의 기공 특성은 AutoPore Ⅳ.series Mercury Porosimeter를 이용하여 측정하였다. 이때 각 압력 조건에 따라 0.
- 실시하였다. 각조건에 대하여 실험실용 반자동수초지기를 이용하여 평량 60 g/m2구의 수초지를 제조하였다. 종이의 물성은 TAPPI Standard에 의거하여 벌크, 투기도, 광 산란계수를 측정하였다.
- 이 과정에서도 종이의 기공구조 및 밀도의 변화가수반 된다. 따라서 공장에서 실제 생산되는 종이의 특성을 시뮬레이션하기 위하여 실험실용 캘린더로 처리를 한 후 기공 특성 및 물성을 측정하였다.
- 이러한 이유로 종이 제조 시 종이의 구조를 어떻게 이룰 것인지를 먼저 결정하고, 이에 따라 펄프, 충전제 등의 원료를 선택하고, 공정조건을 정하게 된다. 또한 시트의 인쇄 품질을 개선하기 위하여 내부사이징 및 표면 사이징을통하여 유체의 침투 및 표면 강도를 조절해준다.
- 사용하였다. 여수도에 따른 영향을 조사하기 위하여 활엽수 표백 화학펄프를 실험실용 Valley beater를 이용하여 여수도 570, 490, 460, 400mLCSF가되도록 고해를 실시하였다. 충전제로는 중국산 탈크 (Aihai), GCC (오미 아코리 아, Hydrocarb 75F), PCC (오미 아코리아, SyncarbF0474 On-17)를사용하였다.
- 투기도는 반대의 경향을 나타내었다. 이는 섬유 자체 특성으로는 SwBKP가 가장 굵고 긴 특성을 가지나 시 트를 형 성 하면서 가장 치 밀한 구조를 가지 고, 상대적으로 가장 짧고 경직한 섬유 특성을 지니는 BCTMP가좀더 벌키한구조를 제공하였다(Fig. 1). 활엽수 표백 크라프트의 고해 수준을 달리하여 초지한 종이의 경우Fig.
- series Mercury Porosimeter를 이용하여 측정하였다. 이때 각 압력 조건에 따라 0.003~6㎛ 범위와3.6~900㎛의 범위로 나누어 측정한 후 측정 결과에 준하여 10 ㎛를 기준으로 그 이상과 이하의 기공 크기를 갖는 기공의 양과 총 양을 면적으로 계산하여 비교하였다.
- 를 비교하였다. 이미 전 항에서 언급된 바와 같이 PCC 가GCC보다 벌크 향상에 효과적이므로 동일 벌크에서 비교하기 위하여 캘린더의 선압을조절하였다. PCC와 GCC의 혼합 비율을 0/100, 50/50, 70/30%로 달리 적용한 결과, PCC 비율이 증가할수록 평균 기공 직경과 10 ㎛ 이상의 기공이 감소되었고, 10㎛1 이하의 기공은 증가하였으며, 총 기공의 부피도 증가되었다.
- 펄프의 고해 수준이 미치는 영향을 조사하기 위하여 활엽수 표백 화학펄프를 실험 실용 valley beater로 572, 490, 461, 401 mL CSF가 되도록 고해를 실시하였다. 각조건에 대하여 실험실용 반자동수초지기를 이용하여 평량 60 g/m2구의 수초지를 제조하였다.
대상 데이터
- 종이의 기공 구조 연구를 위한공시 펄프로는 시판되고 있는 침엽수 표백 크라프트펄프 (Radiatapine, Pacifico), 활엽수 표백 크라프트펄프 (Eucalyptus, VCP), 활엽수 표백 화학열기 계펄프 (Aspen, Temcell)를 사용하였다. 여수도에 따른 영향을 조사하기 위하여 활엽수 표백 화학펄프를 실험실용 Valley beater를 이용하여 여수도 570, 490, 460, 400mLCSF가되도록 고해를 실시하였다.
- 여수도에 따른 영향을 조사하기 위하여 활엽수 표백 화학펄프를 실험실용 Valley beater를 이용하여 여수도 570, 490, 460, 400mLCSF가되도록 고해를 실시하였다. 충전제로는 중국산 탈크 (Aihai), GCC (오미 아코리 아, Hydrocarb 75F), PCC (오미 아코리아, SyncarbF0474 On-17)를사용하였다. 본 연구에 사용된 공시재료의 기본물성eTable 1 및 2에 요약되었다.
- 본 연구에 사용된 공시재료의 기본물성eTable 1 및 2에 요약되었다. 펄프종류 및 여수도 변경 조건 이외에 수 초지를 제조하기 위하여 양성전분 (삼양제넥스, Sun Casta C6060, 치환도0.06), AKD (태광화학, Expel 200D) 및 보류제 (Ciba Specialty Chemicals, Hydrocol system, Percol 63, Opazil-OTK) 등이 사용되었다.
이론/모형
- 각조건에 대하여 실험실용 반자동수초지기를 이용하여 평량 60 g/m2구의 수초지를 제조하였다. 종이의 물성은 TAPPI Standard에 의거하여 벌크, 투기도, 광 산란계수를 측정하였다. 종이 의 기공 특성은 AutoPore Ⅳ.
성능/효과
- 있었다. BCTMP가 가장높은 벌크, 기공 부피 및 광산란 특성을 나타내 었으며, 침 엽수 표백 크라프트펄프가 가장 낮은 값을 나타내었다. 충전제 의 경우 PCC가 벌크, 기공 부피 및 광산란에 있어서 다른 충전제에 비하여 유리함이 확인되었다.
- 벌크 저하 효과가 가장 컸다. PCC를 충전제로 사용한 시트의 경우 가장높은 값의 벌크가 얻어져 벌크를향상시키는데 있어서 유리한 입자 모양과 크기를 갖고 있음을 확인할 수 있었다. 이는 Scalenohedral 형태의 PCC가섬유사이에 위치하여 섬유를들어올리는 지지대 역할을 하여 미충전지보다 다소 높은 벌크 특성을 나타내었다.
- 이미 전 항에서 언급된 바와 같이 PCC 가GCC보다 벌크 향상에 효과적이므로 동일 벌크에서 비교하기 위하여 캘린더의 선압을조절하였다. PCC와 GCC의 혼합 비율을 0/100, 50/50, 70/30%로 달리 적용한 결과, PCC 비율이 증가할수록 평균 기공 직경과 10 ㎛ 이상의 기공이 감소되었고, 10㎛1 이하의 기공은 증가하였으며, 총 기공의 부피도 증가되었다. 이상의 결과를 통하여 실험실적인 결과가공장에서 얻어진 결과와 일치하는 경향이 얻어짐을 확인하였다.
- 탈크와GCC의 경우 펄프 섬유 네트워크에 의하여 형성된 기공 사이에 위치하거나 펄프 섬유와같은 배열로 기공을 메우는 역할을 하는 반면 PCC의 경우 섬유 사이에 위치하여 새로운 기공을 형성시킴으로써 벌크를 증가시 켜주는 방법으로 총 기공 부피를 증가시 키는 방식으로 시트의 구조를 변화시켜 주었다. 그 효과를 비교하기 위하여 PCC 투입량을 달리한 결과, PCC 투입량이 증가됨 에도 불구하고 벌크의 증가는 미 미 하였으나 기공의 부피가 증가되어 광산란계수가 비례하여 증가하는 경향을 나타내었다.
- 특히 빛의 산란은 5 ㎛1 이상의 비교적 큰 기공이 영향을 미치며, 벌크는 총 기공 부피와 밀접한 관계가 있음을 보여주었다. 그러나 PCC의 경우에는PCC의 함량이 증가됨에도 불구하고 벌크의 수준이 크게 증가되지 않았으나총 기공부피는 증가되어 빛의 산란에 기여함이 확인되었다.
- 고해가 진행되 면서소섬유화가 증가되어 시트의 벌크가 감소되었다. 그에따라특히 10-20 ㎛ 영역의 기공의 분포가 크게 감소하고 1~10 ㎛ 영역의 기공이 증가하여, 벌크와 기공 크기의 사이에 밀접한 관계가 있음이 확인되었다 (Fig. 4). 또한 투기성이 10 ㎛ 이상의 큰 기공의 부피와 비례관계를 보여 주었는데, 이는 10 ㎛ 이상의 기공이 표면의 다공성으로, 10 ㎛ 미만의 기공은 내부 구조의 다공성으로 정의한Moura등의 연구 결과10)와 일치하고 있음을 알 수 있다.
- 수은 압입 법을 이용하여 다른 종류의 충전제를 사용한 종이의 기공 특성을 측정한 결과 총 기공 부피는 PCC에 의하여 가장 큰 값이 얻어졌고, GCC, 탈크, 미충전지 의 순으로 부피 가 감소되었다. 탈크, GCC로 충전한 시트의 경우에는 10㎛ 이상의 기공이 소폭 증가하였으며, 이와 비례하여 광산란계수와 불투명도도 증가되었다.
- 이를 구조적인 측면에서 해석해보고자 Mercury intrusion porosimeter로 기공 특성을 측정한 결과 각 펄프 종류별 벌크 특성은 10㎛ 이상의 기공 부피와 유사한 경향을 나타내었으나총 기공부피와는동일한 경향을 나타내지 않았다 (Fig. 3). 이는 펄프 고유의 특성으로 인해 시트 내에 형성된 기공 크기의 분포가 현저히 다르기 때문인 것으로 사료되었다.
- 이미 전술한 바와 같이 종이의 기공 특성이 제지 시사용 되는 각종 원료의 특성뿐만아니라고해에 의하여도 조절될 수 있음이 확인되었다. 그러나 대부분의 종이가 초지, 압착, 건조과정을거쳐 진정한의미의 종이로서 의 형 태와 성질을 지 닌다고 하더 라도 종이 표면이 거칠고, 두께가균일하지 않기 때문에 이러한 결함 부분을 개선하기 위하여 캘린더링 공정을 거치게 된다.
- PCC와 GCC의 혼합 비율을 0/100, 50/50, 70/30%로 달리 적용한 결과, PCC 비율이 증가할수록 평균 기공 직경과 10 ㎛ 이상의 기공이 감소되었고, 10㎛1 이하의 기공은 증가하였으며, 총 기공의 부피도 증가되었다. 이상의 결과를 통하여 실험실적인 결과가공장에서 얻어진 결과와 일치하는 경향이 얻어짐을 확인하였다.
- 캘린더 링에 의하여 10 ㎛ 이상의 기공뿐만 아니라 10 ㎛ 미만의 기공도 감소되 었는데, 특히 약5 ㎛ 이상의 기공이 큰 폭으로 감소하고 약 1~5 ㎛의 기공이 다수를 이루고 있었다. 이와 같이 5 ㎛ 이상의 기공이 크게 감소함과동시에 광산란계수도 감소한 결과를 통하여 작은 크기의 기공보다는큰 기공이 빛의 산란에 더 영향을 미침을 재삼확인할 수 있었다.
- 종이의 벌크는 예상했던 바와 같이 캘린더링 처리에 의하여 감소되 었는데, 수은 압입 법으로 기공 특성을 측정한 결과 캘린더 링을 실시함에 따라 총기 공부 피가 큰 폭으로 감소하였다. 캘린더 링에 의하여 10 ㎛ 이상의 기공뿐만 아니라 10 ㎛ 미만의 기공도 감소되 었는데, 특히 약5 ㎛ 이상의 기공이 큰 폭으로 감소하고 약 1~5 ㎛의 기공이 다수를 이루고 있었다.
- 충전제가종이의 기공구조 특성에 미치는 영향을 조사하기 위하여 충전제를 첨가하지 않은종이 시트와 우리나라에서 가정 널리 사용되는충전제인 탈크, GCC, PCC를 충전제로 사용한종이 의 제반 물성을 비교한 결과탈크의 경우 자체 평균 입자 크기는 가장 크나aspect ratio가 큰 판상형으로 시트 내부에서 밀도를증가시 키는 역할을 하며, 가장 평균 입자크기가작eGCC는 섬유 사이에 형성된 기공부에 패킹되는 효과가 있기 때문에 벌크 저하 효과가 가장 컸다. PCC를 충전제로 사용한 시트의 경우 가장높은 값의 벌크가 얻어져 벌크를향상시키는데 있어서 유리한 입자 모양과 크기를 갖고 있음을 확인할 수 있었다.
- 침 엽수 표백 크라프트펄프, 활엽수 표백 크라프트펄프 및 표백 화학 열기 계펄프로 제조한수초지 의 물성을 비교한 결과 벌크 특성은 BCTMP가 가장 우수하고, HwBKP, SwBKP 순으로 벌크 수치가 낮아졌으며, 종이의 투기도는 반대의 경향을 나타내었다. 이는 섬유 자체 특성으로는 SwBKP가 가장 굵고 긴 특성을 가지나 시 트를 형 성 하면서 가장 치 밀한 구조를 가지 고, 상대적으로 가장 짧고 경직한 섬유 특성을 지니는 BCTMP가좀더 벌키한구조를 제공하였다(Fig.
- 감소하였다. 캘린더 링에 의하여 10 ㎛ 이상의 기공뿐만 아니라 10 ㎛ 미만의 기공도 감소되 었는데, 특히 약5 ㎛ 이상의 기공이 큰 폭으로 감소하고 약 1~5 ㎛의 기공이 다수를 이루고 있었다. 이와 같이 5 ㎛ 이상의 기공이 크게 감소함과동시에 광산란계수도 감소한 결과를 통하여 작은 크기의 기공보다는큰 기공이 빛의 산란에 더 영향을 미침을 재삼확인할 수 있었다.
- 의 순으로 부피 가 감소되었다. 탈크, GCC로 충전한 시트의 경우에는 10㎛ 이상의 기공이 소폭 증가하였으며, 이와 비례하여 광산란계수와 불투명도도 증가되었다. 특이한 것은 PCC를 충전제로 사용할 경우 10 ㎛ 이상의 기공은 탈크, GCC와유사한수준을 나타내었으나, 10㎛ 미만의 기공은 매우 큰 폭으로 증가하였다.
- 충전제 의 경우 PCC가 벌크, 기공 부피 및 광산란에 있어서 다른 충전제에 비하여 유리함이 확인되었다. 특히 빛의 산란은 5 ㎛1 이상의 비교적 큰 기공이 영향을 미치며, 벌크는 총 기공 부피와 밀접한 관계가 있음을 보여주었다. 그러나 PCC의 경우에는PCC의 함량이 증가됨에도 불구하고 벌크의 수준이 크게 증가되지 않았으나총 기공부피는 증가되어 빛의 산란에 기여함이 확인되었다.
- 펄프 종류, 고해 수준 및 충전제의 종류를 변화시켜 제조한 종이의 기공 구조특성과물성을측정한결과 이들 주요 원료 및 충전제에 의하여 기공의 특성과 종이 물성이 매우 밀접한관계를유지하며 변화될 수 있음을 확인할 수 있었다. BCTMP가 가장높은 벌크, 기공 부피 및 광산란 특성을 나타내 었으며, 침 엽수 표백 크라프트펄프가 가장 낮은 값을 나타내었다.
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