[논문]종이 휨강성 자동 측정방식의 개발과 그 이용 (2) - 실험실 측정 -

서영범; 정석면; 정태영

문제 정의

단 고가의 부속장치들이 많이 사용되고 있으므로 측정장치 자체가 고가의 품목이 될 것으로 판단된다. 본 연구는 기존의 초지기에서 측정되고 있는롤사이의 인장력과 새로운 인자로서 롤 사이의 종이의 주름현상 (wrinkle behavior)을 화상 (image analyzer)으로 측정 하여 간단히 종이의 휨강성을 구하고자 하였다.3)Tension buckling에 대한 연구들은 상당히 오래전부터 실시되어 왔으며 본 연구는 그러한 기존의 연구들을 적용 발전 시켜 새롭게 휨강성의 연구에 적용하였다.
본 연구는 아직 까지 tension buckling을 이용한 종이의 on-line 휨강성 측정방식의 가능성을확인한 것에 불과하다. 정 밀한 화상분석을 이용한 초지 기상에서의 주름측정 방식이 개발되어야하며, 롤간의 인장력의 변화를 실시간으로 주름 수와 함께 기록하는장치의 개발이 필요하다.
본 연구에서는 다음과같이 아트지 공장의 두 군데를 선발하여 그 휨강성 특성을 측정하고자 하였다.
본 연구에 사용된 실험실적 장치는 이론적으로도 많은 오차를 발생 시 킬 수밖에 없는 장치 였다. 본연구의 활용은 정밀한 측정장치의 개발이 병행되어야만 완성될 수있으며 앞으로그러한장치 의개발을기 대해본다. Wrinkle stiffness 측정에 대한 precision 과 repeatability 는 그러한 측정기기의 개발이 이루어진 후에 정확히 제시할 수 있게 될 것이다.

제안 방법

본 연구는 기존의 초지기에서 측정되고 있는롤사이의 인장력과 새로운 인자로서 롤 사이의 종이의 주름현상 (wrinkle behavior)을 화상 (image analyzer)으로 측정 하여 간단히 종이의 휨강성을 구하고자 하였다.3)Tension buckling에 대한 연구들은 상당히 오래전부터 실시되어 왔으며 본 연구는 그러한 기존의 연구들을 적용 발전 시켜 새롭게 휨강성의 연구에 적용하였다.4-8) 또 휨강성은 휨강도가 아닌 탄성적 인 성질을 의미하므로 본 연구를 위해서는 종이의 탄성적 성질의 특성과 그 측정방식에 대한 지식이 필수적이었다.
Taber stiffiness 측정값의 신뢰성을 알아보기 위해 탄성계수를 측정하였는데 MD/CD에서 각 종이들이 서로 비례함을 알수 있었다 (Table 2).
13에서는31 cm롤간거리의 경우 측정 된 wrinkle stiffiiess 값들을 Taber stiffhess와 비 교하고 있다. Wrinkle stiffiiess는 주름의 수가 9・11 인 경우를 선택하여 그 때의 인장값과 주름 값을 이용하여 wrinkle stifihess를 측정 하였다. 실험결과 두 가지 의 휨 강성 측정방식 의 결과는 일 치하는 경향을 보였다.
24시간 이상 조습처리를 실시하였다. 먼저 종이의 휨 강성 측정에 필요한 인자(factors)들을 산출하기 위해 동일조건 (상대습도 50±2%, 23±1℃)에서 처리된 각종 이들의 물리적 성질을측정하였다. 그 측정항목으로는 평량, 두께, 휨강성 (Taber bending stiffness, TAPPI standard T 566 om-97, mNm)과 탄성계수 (Young's modulus) 였다.
본 연구에서는 tension buckling 현상을 이용한 종이의 휨강성을 on-line 방식으로측정하는 방법을 개발하였고 실제 실험실 측정 기구를 이용한 방식과 실제 초지기상에서 on-line으로 적용하였으며 off-line으로 측정한 Taber stifftiess 값과의 상관관계를 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻 었다.
1 의 기구는 일정속도로 두루마리 샘플을 전진 시 키며, 일정한 인장력을 유지할수 있다. 이 때에 발생하는 주름(wrinkle)의 형태를사진으로 찍어 분석하며, 인장력과 롤 사이의 거리 및 종이의 폭을 이용하여 wrinkle stiffhess를 계산하였다.
제공받은 종이는 TAPPI standard T402 om-88 에 따라 23±1℃, 상대습도 50±2%로 조절된 항온 항습 실에서 24시간 이상 조습처리를 실시하였다. 먼저 종이의 휨 강성 측정에 필요한 인자(factors)들을 산출하기 위해 동일조건 (상대습도 50±2%, 23±1℃)에서 처리된 각종 이들의 물리적 성질을측정하였다.
주름의 수는 자체개발한 실험실의 휨강성 측정 장치를 통해 평량과물성에 따라적용한인장력을각각 달리하여 적용하였을 때 나타나는 주름의 수를 측정하였다. 종이가롤을통과할 때 롤의 배열이 잘못되어 tram이 발생하면 주름이 기계방향과 일정한 각도로 생기는 shear wrinkleo] 실시간에 따라 이동하는 반면, 롤들의 배열이 정확한 경우 tension wrinkle이 종이의 기계 방향과 평행하게 형성되고 한번 형성되면, 그 형태가 그대로 유지 되는 것을관찰할수 있었다.
그 측정항목으로는 평량, 두께, 휨강성 (Taber bending stiffness, TAPPI standard T 566 om-97, mNm)과 탄성계수 (Young's modulus) 였다. 탄성 계수는 정확한 측정을 위해 응력-변형곡선을 통해 직접 구하였다.

대상 데이터

정 밀한 화상분석을 이용한 초지 기상에서의 주름측정 방식이 개발되어야하며, 롤간의 인장력의 변화를 실시간으로 주름 수와 함께 기록하는장치의 개발이 필요하다. 본 연구에 사용된 실험실적 장치는 이론적으로도 많은 오차를 발생 시 킬 수밖에 없는 장치 였다. 본연구의 활용은 정밀한 측정장치의 개발이 병행되어야만 완성될 수있으며 앞으로그러한장치 의개발을기 대해본다.
실험에 사용된 종이로는 현재 제지공장에서 생산 중인 신문용지 (newsprint, 국내 P사), 감압중지 (Pressure sensitive paper, 국내 H사), 무진원지 (Moojin paper, 국내 H사), 티 켓용 감열지 (Heat sensitive paper, 국내 H 사), BP (BP-1, 국내 S사), 박리 원지 (BP-2, 국내 H사) 를 roll type으로 제공받아 사용하였다.

이론/모형

실험실에서 wrinkle stiffhess의 측정은 인용문헌 3 에 사용된 기구를 그대로 사용하였다 (Fig. 1).

성능/효과

1. Moving web 에 형 성 된 주름패 턴은 shear wrinkle 이 배제된 상태에서는 시간의 변화에 따라서도 그 형태가 변하지 않았다.
2. 실험실에서 주름을 이용한 휨강성의 측정은 장치의 크기를 크게 만들 수 없는 문제로 인해 주름의 발생 숫자가 너무 적 어서 많은 실험오차를 발생시 키는 것을 알 수 있었다. 따라서 지폭에 따라 일정 범위의 주름 수를 형성시키며 그 때의 인장력을 측정하여 휨강성를 측정하는것이 효과적이었다.
주름의 수가 20개 이상 형성되어서 node 의 수가 40개 (주름 1개 의 node 는2개) 이상인 경우 실험 적 오차를 5% 이내로 줄일 수 었음을 기존의 논문에 발표한 바 있다.3) Node 수가40개 이상인 경우는 일반초지기에서 쉽게 발견할 수 있다.
0 에 가까우므로 실험 오차가 커졌으며 주름의 수20 개 이하이므로 역시 실험 오차가 상당할 것으로 판단되었다. 3)실험실적으로 실시하는 실험의 경우이러한비율을낮추기가 매우 어려웠다.
3. 제지공장에서 on-line으로 측정한wrinkle stiffness 는 of&line으로 조습처 리 하여 측정 한 Taber stififtiess 와 실험 오차를 염두에 둘 때, 일치하는 값을 보였다.
4. 제지공장에서 on-line으로 건조가충분히 진행되지 않은 종이의 wrinkle stiffiiess를 측정한 결과 offdine으로 조습처 리하여 측정한 Taber stiffiiess 보다 현저히 떨어지는 값을보였다.
먼저 31 cm span에서는Fig. 7과같이 실험한 모든 종이에서 주름 수가 약 9・11에서 wrinkle stiffhess와 Taber stiffness가 일치한 경향을 보였다. 각각 종이의 상관관계를 살펴보면, Fig.
와 같은 값을 나타냈다. Span 이 31 cm 이므로 롤 간의 거리와종이의 폭의 비율이 1.0 에 가까우므로 실험 오차가 커졌으며 주름의 수20 개 이하이므로 역시 실험 오차가 상당할 것으로 판단되었다. 3)실험실적으로 실시하는 실험의 경우이러한비율을낮추기가 매우 어려웠다.
각각 종이의 상관관계를 살펴보면, Fig. 3〜6과 같이 감압중지, 신문용지, BP, 무진원지 등의 주름수에 따른 wrinkle stiffhess 와 Taber stiffiiess 가일치 한경향을 보였다. 이처럼 실험실적 주름측정에 있어서는 주름측정에 의한 휨강성의 측정은주름의 수가 적절할 때 Taber stiffiiess 와 같은 값을 나타냈다.
7과같이 실험한 모든 종이에서 주름 수가 약 9・11에서 wrinkle stiffhess와 Taber stiffness가 일치한 경향을 보였다. 각각 종이의 상관관계를 살펴보면, Fig. 8-12 와 같이 감압중지, 감열지, 신문용지, 박리원지, 무진원지의 주름수에 따른 wrinkle stifness와Taber stifEess가 일치한 경향을 보였다. 이번에도 역시 주름 수가 너무 작으면 wrinkle stifiiess 값이 Taber stiffiiess 값보다 매우 커졌고, 주름 수가 너 무 많으면 wrinkle stiffiiess 값이 너 무 작았다.
실험실에서 주름을 이용한 휨강성의 측정은 장치의 크기를 크게 만들 수 없는 문제로 인해 주름의 발생 숫자가 너무 적 어서 많은 실험오차를 발생시 키는 것을 알 수 있었다. 따라서 지폭에 따라 일정 범위의 주름 수를 형성시키며 그 때의 인장력을 측정하여 휨강성를 측정하는것이 효과적이었다. 이러한 경우 wrinklestifihess와 Taber stiffhess는 일치하는 경향을 나타내었다.
Wrinkle stiffiiess는 주름의 수가 9・11 인 경우를 선택하여 그 때의 인장값과 주름 값을 이용하여 wrinkle stifihess를 측정 하였다. 실험결과 두 가지 의 휨 강성 측정방식 의 결과는 일 치하는 경향을 보였다.
실험결과코터에서 측정된 종이의 휨강성은 wHnkle stiffhess의 경우 휨강성은0.124mNm, 캘린더에서 측정된 종이의 wrinkle stiffhess의 경우 휨강성은 0.394 mNm로 각각측정되었다. 실제 건조되어 조습 처리된 종이 의 Taber stifftiess는 코터 에 서 사용된 종이 의 경우 0.
측정하였다. 종이가롤을통과할 때 롤의 배열이 잘못되어 tram이 발생하면 주름이 기계방향과 일정한 각도로 생기는 shear wrinkleo] 실시간에 따라 이동하는 반면, 롤들의 배열이 정확한 경우 tension wrinkle이 종이의 기계 방향과 평행하게 형성되고 한번 형성되면, 그 형태가 그대로 유지 되는 것을관찰할수 있었다. 여기서 tram 이란 두 개의 롤이 평행으로 정렬되지 못할때 생기는 현상을 말한다.

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