[논문]알카리 전처리에 의한 NBKP의 형태학적 및 이화학적 변화

문성필; 장민환

[국내논문] 알카리 전처리에 의한 NBKP의 형태학적 및 이화학적 변화
Morphological and Physicochemical Changes of NBKP by Alkali Pretreatment 원문보기

펄프 종이기술 = Journal of Korea TAPPI, v.41 no.4 = no.132, 2009년, pp.58 - 64

문성필 (전북대학교 농업생명과학대학 목재응용과학과) , 장민환 ((주)크린앤사이언스)

Abstract ▼ AI-Helper

This study was carried out to prepare high porosity pulp for oil and air filter media from commercial grade NBKP with 6 - 20% NaOH treatment. The fiber width of NBKP remarkably decreased by NaOH pretreatment. The air permeability of the test sheet prepared from alkali-pretreated NBKP increased with increasing NaOH concentration up to 15%. The burst factor was greatly decreased by alkali pretreatment. By 15 - 20% NaOH pretreatment of NBKP, it could be possible to prepare a high porosity pulp. It seems that the high porosity of the pulp was due to a strong swelling and a great change of the cellulose crystalline lattice from cellulose I to cellulose II with NaOH treatment of NBKP. The study suggested that alkali- pretreated NBKP could be used for manufacturing oil and air filter media.

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문제 정의

또한 필터 원지의 경우 필터 제조 전에 수지 함침을 실시하므로 제지용과 같이 높은 강도를 필요로 하지는 않는다. 따라서 필터의 주 원료로 사용되는 고가의 SFP와 유사한 섬유폭의 펄프를 제조하기 위하여 알카리 처리를 생각하였다. 알카리 처리는 세포 내강을 팽윤시켜 섬유 폭을 작게 할 수 있을 뿐 만 아니라 섬유 표면의 긴축으로 양호한 투기도의 필터 제조가 가능할 것으로 사료되었다.
본 연구는 기존에 필터 제조 시 많이 사용하는 제지용 NBKP에 다양한 농도의 알카리를 처리하여 이들 펄프의 주성분인 셀룰로오스의 팽윤을 조장하고 또한 결정격자를 변화시켰을 때 상술한 필터의 성능에 큰 영향을 미치는 투기도의 개선이 가능한 것인지를 확인하고자 하였다. 또한 이들 알카리 처리 펄프를 시트 상으로 하였을 때 섬유간의 공극에 미치는 영향에 대해서도 검토하였다.
따라서 필터 제조 시 이러한 펄프를 많이 사용하면 기계적 강도는 좋으나, 필터의 가장 중요한 특성인 투기도는 나빠진다. 본 연구는 기존에 필터 제조 시 많이 사용하는 제지용 NBKP에 다양한 농도의 알카리를 처리하여 이들 펄프의 주성분인 셀룰로오스의 팽윤을 조장하고 또한 결정격자를 변화시켰을 때 상술한 필터의 성능에 큰 영향을 미치는 투기도의 개선이 가능한 것인지를 확인하고자 하였다. 또한 이들 알카리 처리 펄프를 시트 상으로 하였을 때 섬유간의 공극에 미치는 영향에 대해서도 검토하였다.

제안 방법

6 - 20%의 NaOH를 NBKP에 처리하고 평량 100 g/㎡의 시편을 수초지한 후 이에 대한 물성을 측정하였다.
NBKP의 알카리 전처리를 위하여 일정량의 NBKP를 잘게 찢어 증류수에 24시간 침지시키고 블렌더로 2분간 해리한 후 면 자루에 넣고 탈수기에서 5분간 원심 탈수하였다. 충분히 탈수시킨 펄프는 잘게 찢은 후 플라스틱 백에 넣고 4℃의 냉장고에 저장하였다.
입체적인 관찰을 위하여 시편을 왼쪽으로 45도 기울여 측정하였다. 각 펄프의 SEM사진(200배)에서 섬유의 폭을 버니어캘리퍼스로 10개 측정하고 이를 평균하여 섬유 폭으로 하였다.
정확한 섬유폭의 측정을 위해서는 처리 펄프를 해리하여 적어도 50개 이상의 섬유에 대하여 그 폭을 측정해야 한다. 그러나 SEM 사진 상의 섬유를 적어도 10개 이상 측정하면 섬유폭의 변이는 크지만, 다량으로 측정한 결과와 유사한 값을 얻을 수 있었으므로 본 방법으로 섬유폭을 계산하였다. 본 방법의 또 하나의 이점은 알카리 처리 펄프의 건조 후 상태를 측정하므로 필터의 상태를 직접적으로 판단할 수 있다는 점이다.
알카리 처리는 전건 2 g 및 10 g의 두 가지 조건에서 실시하였으며, 2 g조건의 경우 처리 후 여과 탈수하고 처리 펄프 전량을 송풍 건조기(105±1℃)에 넣어 알카리 처리에 의한 수율 변화 측정용 및 X선 회절측정용 시료로 사용하였다. 그리고 10 g 시료의 경우 알카리 전처리 후 일부는 함수율을 측정하고 나머지는 모두 시험용 필터 원지제조, 섬유폭 및 섬유 형태 분석을 위하여 사용하였다.
이 때 펄프의 수분은 NaOH 농도 계산 시 보정하였다. 알카리 처리 액비는 12, 처리온도는 실온, 처리 시간은 30분으로 하였다. 알카리 처리 후 펄프는 여과지(No.
알카리 처리 전 후 펄프 및 SFP 섬유의 형상 및 그 변화를 비교하기 위하여 SEM(JEOL 5200, 일본) 관찰을 실시하였다. 입체적인 관찰을 위하여 시편을 왼쪽으로 45도 기울여 측정하였다.
알카리 처리 액비는 12, 처리온도는 실온, 처리 시간은 30분으로 하였다. 알카리 처리 후 펄프는 여과지(No. 1 또는 2)가 깔린 부후너 여두로 옮겼으며, 과잉의 알카리 제거를 위하여 압착, 여과를 실시하였다. 그 후 펄프 중화를 위하여 알카리 처리 펄프를 실온에서 0.
알카리 처리는 전건 2 g 및 10 g의 두 가지 조건에서 실시하였으며, 2 g조건의 경우 처리 후 여과 탈수하고 처리 펄프 전량을 송풍 건조기(105±1℃)에 넣어 알카리 처리에 의한 수율 변화 측정용 및 X선 회절측정용 시료로 사용하였다.
그러나 6% 이상으로 알카리 농도를 증가 시켜도 그 폭의 변화는 거의 없는 것 같았다. 이러한 SEM 관찰 결과를 수치화하여 상호비교하기 위하여 SEM 사진 상의 각 섬유의 폭을 측정하였다. 정확한 섬유폭의 측정을 위해서는 처리 펄프를 해리하여 적어도 50개 이상의 섬유에 대하여 그 폭을 측정해야 한다.
이상의 결과를 바탕으로 각 알카리 처리 펄프를 원료로 시험용 시트를 수초지하여 그 물성을 검토하였다.
알카리 처리 전 후 펄프 및 SFP 섬유의 형상 및 그 변화를 비교하기 위하여 SEM(JEOL 5200, 일본) 관찰을 실시하였다. 입체적인 관찰을 위하여 시편을 왼쪽으로 45도 기울여 측정하였다. 각 펄프의 SEM사진(200배)에서 섬유의 폭을 버니어캘리퍼스로 10개 측정하고 이를 평균하여 섬유 폭으로 하였다.
01 N H₂SO₄용액으로 세정하였다. 중화 후의 펄프는 증류이온교환수로 충분히 세정, 탈수 시킨 후 함수율을 구하고 펄프 수율을 계산하였다. 알카리 처리는 전건 2 g 및 10 g의 두 가지 조건에서 실시하였으며, 2 g조건의 경우 처리 후 여과 탈수하고 처리 펄프 전량을 송풍 건조기(105±1℃)에 넣어 알카리 처리에 의한 수율 변화 측정용 및 X선 회절측정용 시료로 사용하였다.
평량 100 g/㎡의 시험편을 만든 후 이를 X선 회절분석기(Shimadzu XRD 6000, 일본)에 장착, Cu(Ni 필터), Kα = 1.5418Å, 관전압 40 kV, 회절각도 10 - 30°의 조건으로 분석하였다.

대상 데이터

이들 펄프는 (주)크린앤사이언스로부터 제공받았다. NaOH, H₂SO₄등의 시약은 시판 일급 시약을 그대로 실험에 사용하였다.
본 연구에 사용된 펄프는 2종류로 침엽수재 표백 크라프트 펄프(NBKP) 및 필터용 특수펄프(SFP)를 사용하였다. 이들 펄프는 (주)크린앤사이언스로부터 제공받았다.
본 연구에 사용된 펄프는 2종류로 침엽수재 표백 크라프트 펄프(NBKP) 및 필터용 특수펄프(SFP)를 사용하였다. 이들 펄프는 (주)크린앤사이언스로부터 제공받았다. NaOH, H₂SO₄등의 시약은 시판 일급 시약을 그대로 실험에 사용하였다.

이론/모형

TAPPI T 206(1997)에 따라 평량 100 g/㎡의 시트를 수초지 하였으며, ISO 규격에 따라 시트의 두께, 투기도, 파열강도, 기공도를 측정하였다.

성능/효과

따라서 본 실험의 15% 및 20%의 NaOH처리 농도는 α-셀룰로오스 정량 조건8)과 유사하므로 NBKP중의 다량의 헤미셀룰로오스 제거가 필연적으로 일어나 수율에 있어서의 저하가 일어난 것으로 사료되었다.
필터 성능에 있어서 중요한 요소인 투기도는 알카리 전처리 농도의 증가와 함께 증가하였으며, 15% 알카리 처리 이상에서 비교로 나타낸 SFP와 유사한 결과를 알 수 있었다. 본 연구 결과로부터 고가의 SFP는 15 - 20%의 알카리 전처리 한 NBKP로 대체 가능함이 시사되었다.
이러한 사실은 헤미셀룰로오스 및 저분자 셀룰로오스 등의 용출에 기인하는 것으로 생각되었다. 알카리 전처리 농도의 증가와 함께 NBKP를 구성하는 셀룰로오스의 결정구조가 I에서 II로 변화되는 것을 X선 회절 결과에서 알 수 있었다. 필터 성능에 있어서 중요한 요소인 투기도는 알카리 전처리 농도의 증가와 함께 증가하였으며, 15% 알카리 처리 이상에서 비교로 나타낸 SFP와 유사한 결과를 알 수 있었다.
한편, 수입 SFP의 X선 회절상은 NBKP에 NaOH 10 - 15% 처리한 펄프의 X선 회절도와 유사하였다. 이러한 결과로부터 SFP는 일반 침엽수재 화학펄프의 머서화(mercerization) 또는 이들 화학펄프의 표백 시 알카리 추출 공정 강화에 의하여 제조되었을 가능성이 있는 것으로 생각되었다.
이상과 같이 알카리 처리에 의하여 NBKP는 용이하게 섬유가 팽윤하여 섬유폭이 줄어들었으며, 이러한 현상은 섬유를 중화시켰음에도 유지 되었으므로 이들 섬유의 SFP 대체 가능성이 크게 기대되었다.
기공도 측정 결과로부터 얻어진 공극 크기 역시 알카리 처리농도의 증가와 함께 증가하였다. 이상의 결과로부터 알카리 처리농도 15- 20%에서 수입 SFP와 유사한 물성치를 얻을 수 있었다. 알카리 처리에 따른 물성 변화는 상술한 것처럼 섬유의 팽윤과 셀룰로오스 결정격자의 비틀림, 그리고 섬유 표면의 긴장에 의하여 섬유간 수소결합 부위가 적어지고 따라서 섬유간에 많은 공간이 발생하기 때문으로 생각되었다.
알카리 전처리 농도의 증가와 함께 NBKP를 구성하는 셀룰로오스의 결정구조가 I에서 II로 변화되는 것을 X선 회절 결과에서 알 수 있었다. 필터 성능에 있어서 중요한 요소인 투기도는 알카리 전처리 농도의 증가와 함께 증가하였으며, 15% 알카리 처리 이상에서 비교로 나타낸 SFP와 유사한 결과를 알 수 있었다. 본 연구 결과로부터 고가의 SFP는 15 - 20%의 알카리 전처리 한 NBKP로 대체 가능함이 시사되었다.

후속연구

그러나 이러한 고수명, 고효율의 필터의 주요 구성 섬유로 사용되는 펄프는 일반 제지용 NBKP에 비하여 2배 이상의 고가이며 대부분 수입에 의존하고 있다. 따라서 고성능 필터 제조에 필수적으로 사용되는 투기도가 양호한 펄프에 대한 연구개발이 필요할 것으로 사료된다.
이러한 머서화에 의해 섬유의 광택 및 투명도가 증대되고 염색성 및 치수 안정성이 향상되며 화학적 반응성, 흡수성, 촉감 등이 개선된다고 보고^2-5)되고 있다. 따라서 찌그러진 NBKP가 알카리 처리에 의하여 원형으로 변하면 필연적으로 필터 성능의 주요 물성인 투기도의 개선이 가능할 것으로 사료되었다.
따라서 필터의 주 원료로 사용되는 고가의 SFP와 유사한 섬유폭의 펄프를 제조하기 위하여 알카리 처리를 생각하였다. 알카리 처리는 세포 내강을 팽윤시켜 섬유 폭을 작게 할 수 있을 뿐 만 아니라 섬유 표면의 긴축으로 양호한 투기도의 필터 제조가 가능할 것으로 사료되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지구상의 유기물로서 가장 많이 존재하는 천연 고분자는 무엇인가?	한편, 지구상의 유기물로서 가장 많이 존재하는 천연 고분자인 셀룰로오스1)는 높은 결정화도를 가진다. 이러한 셀룰로오스를 주성분으로 하는 섬유에 알카리를 처리하면 팽윤되고 고농도 알카리 처리에서는 셀룰로오스 결정격자가 셀룰로오스 I에서 II로 변한다.
	셀룰로오스를 주성분으로 하는 섬유에 알카리를 처리하면 어떻게 되는가?	한편, 지구상의 유기물로서 가장 많이 존재하는 천연 고분자인 셀룰로오스1)는 높은 결정화도를 가진다. 이러한 셀룰로오스를 주성분으로 하는 섬유에 알카리를 처리하면 팽윤되고 고농도 알카리 처리에서는 셀룰로오스 결정격자가 셀룰로오스 I에서 II로 변한다. 이와 같이 알카리 처리에 의하여 셀룰로오스 결정격자의 변화는 물론 섬유 내부의 알카리 팽윤이 일어나면서 섬유 표면은 강하게 신장하여 평활해진다.
	고성능 필터 제조에 필수적으로 사용되는 투기도가 양호한 펄프에 대한 연구개발이 필요할 것으로 사료되는 이유는 무엇인가?	현재 국내 수입되고 있는 필터의 경우, 이러한 투기도가 뛰어난 펄프 사용량이 높아 필터 원지의 투과성 대비 기공도의 분포와 크기가 우수하며, 결과적으로 필터의 주요 성능의 척도인 먼지 포집용량이 매우 높다. 그러나 이러한 고수명, 고효율의 필터의 주요 구성 섬유로 사용되는 펄프는 일반 제지용 NBKP에 비하여 2배 이상의 고가이며 대부분 수입에 의존하고 있다. 따라서 고성능 필터 제조에 필수적으로 사용되는 투기도가 양호한 펄프에 대한 연구개발이 필요할 것으로 사료된다.

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Kim, N. H., An investigation of mercerization in decayed oak wood by a white rot fungus (Lentinula edodes), J. Wood Sci. 51(3):290-294(2005)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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