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문제 정의
- 본 연구는 파괴인성의 변화를 연구하기 위하여 microparticle system에 사용된 보류향상제의 분자량과 약품 투입 순서에 따른 보류와 탈수, 그리고 수초지의 지합 변화와 파괴인성을 분석하였다. 일반적으로 양이온성 물질을 먼저 첨가하여 지료조성물과 충분한 반응을 일으킨 후 음이온성 microparticle을 첨가하는데, 본 연구에서는 음이온성 bentonite와 cationic-PAM(C-PAM)의 투입순서를 달리하고, C-PAM의분자량을 달리하여 보류, 탈수와 지합을 측정하고 난 후, 비파괴시편의 물성과 파괴시편의 물성을 분석하였다.
제안 방법
- 지료의 조합으로 지료와 백수를 일정량 배합한 후 농도와 회분을 측정하였다. 보류도 측정을 위해, 배합한 지료 1 L를 미리 프로그램을 짜둔 DFA(dynamic filtration analyzer)에 투입하고 각각의 처리를 하여 40 mesh 스크린을 빠져나오는 백수의 농도와 회분의 양을 측정하여 보류도를 계산하였다. 전체 1 L의 지료 중에서 200 mL의 물이 빠지면 멈추는 상태로 설정하였다.
- 전체 1 L의 지료 중에서 200 mL의 물이 빠지면 멈추는 상태로 설정하였다. 보류도는 DFA에서 빠져나온 백수의 농도를 측정하여 일과보류도(first-pass retention, FPR)를 계산하여 사용하였다. 회분의 보류도는 회화로에서 400℃에서 12시간 태운 후 무게를 측정하여 위와 같은 방법으로 계산하였다.
- 상대적으로 고분자량의 PAM과 저분자량의 PAM의 특성을 파악하기 위해 점도와 전하밀도를 측정하였다. 점도는 이들 PAM의 분자량을 가늠하기 위한 것으로 0.
- 본 연구는 파괴인성의 변화를 연구하기 위하여 microparticle system에 사용된 보류향상제의 분자량과 약품 투입 순서에 따른 보류와 탈수, 그리고 수초지의 지합 변화와 파괴인성을 분석하였다. 일반적으로 양이온성 물질을 먼저 첨가하여 지료조성물과 충분한 반응을 일으킨 후 음이온성 microparticle을 첨가하는데, 본 연구에서는 음이온성 bentonite와 cationic-PAM(C-PAM)의 투입순서를 달리하고, C-PAM의분자량을 달리하여 보류, 탈수와 지합을 측정하고 난 후, 비파괴시편의 물성과 파괴시편의 물성을 분석하였다.
- 전하밀도는 Mütek사의 PCD(particle charge detector)를 이용하여 적정하여 측정하였다.
- 상대적으로 고분자량의 PAM과 저분자량의 PAM의 특성을 파악하기 위해 점도와 전하밀도를 측정하였다. 점도는 이들 PAM의 분자량을 가늠하기 위한 것으로 0.5%로 희석하여 Brookfield 점도계를 이용하여 측정하였다. 점도가 높을수록 분자량이 높다는 것을 의미한다.
- 종이의 인장 및 파괴시험은 SCAN-P67 / P77에 의거하여 L&W사의 tensile tester with fracture toughness를 이용하여 측정하였다.
- 점도와 전하밀도의 측정치를 Table 1에 나타내었다. 지료의 조합으로 지료와 백수를 일정량 배합한 후 농도와 회분을 측정하였다. 보류도 측정을 위해, 배합한 지료 1 L를 미리 프로그램을 짜둔 DFA(dynamic filtration analyzer)에 투입하고 각각의 처리를 하여 40 mesh 스크린을 빠져나오는 백수의 농도와 회분의 양을 측정하여 보류도를 계산하였다.
- 탈수 측정을 위해 배합한 지료 1 L를 위와 같은 방법으로 DFA에 투입하고 역시 같은 방법으로 약품을 투여하여 빠져 나오는 백수의 탈수 속도를 측정하여 그래프로 나타내었다. 지합 측정 및 물성평가를 위하여 retention drainage analyzer(RDA)를 이용하여 초지농도 0.68%로 평량 80 g/㎡으로 제조하였으며 화상분석기의 한 종류인 2D-F sensor를 이용하여 종이 내에 분포하고 있는 섬유의 응집을 분석하여 index값인 Lt값으로 지합을 측정하였다. 투기도는 TAPPI Standard T460 om-88에 의거하여 측정하였다.
- 탈수 측정을 위해 배합한 지료 1 L를 위와 같은 방법으로 DFA에 투입하고 역시 같은 방법으로 약품을 투여하여 빠져 나오는 백수의 탈수 속도를 측정하여 그래프로 나타내었다. 지합 측정 및 물성평가를 위하여 retention drainage analyzer(RDA)를 이용하여 초지농도 0.
대상 데이터
- 지료는 다층판지의 filler층에 사용되는 OCC (old corrugated container)와 그것의 백수를 혼합하여 사용하였다. 본 실험에서 사용한 PAM (polyacrylamide)은 파우더형을 사용하였고, 상대적으로 고분자량의 PAM과 저분자량의 PAM을 사용하였다. 이들 PAM의 형상은 선형을 이용하였다.
- 1%로 희석하여 고형분 대비 150 ppm을 첨가하였다. 본 실험에서 사용한 bentonite는 1%로 희석하여 고형분 대비 800 ppm을 첨가하였다.
- 지료는 다층판지의 filler층에 사용되는 OCC (old corrugated container)와 그것의 백수를 혼합하여 사용하였다. 본 실험에서 사용한 PAM (polyacrylamide)은 파우더형을 사용하였고, 상대적으로 고분자량의 PAM과 저분자량의 PAM을 사용하였다.
- 파괴 인성은 시편 내부에 존재하는 결점이 진행하면서 최종적인 파괴에 이르기까지 소비하는 에너지를 의미한다. 파괴인성측정에 사용된 시편은 직사각형 형태로, 폭 50 mm 길이 100 mm의 시편을 이용하였으며 결점은 시편 중앙에 20 mm를 주어 사용하였다.
성능/효과
- Single polymer system에서 고분자의 PAM을 사용한 경우, 높은 보류도를 보였으나 탈수와 지합은 다른 처리에 비해 불량하였다. Microparticle system의 약품투입순서를 바꾸었을 때, 바꾸기 전에 비해 좋은 보류와 탈수, 그리고 지합을 얻을 수 있었고, 분자량이 보다 낮은 PAM을 첨가하여 보다 작고 많은 응집을 이루었을 때 좋은 보류와 탈수를 얻는 경향을 보였다. Single polymer system보다는 micro particle system이, microparticle system보다는 약품투입순서를 바꾸었을 때 더 향상된 탈수와 지합을 보였다.
- Microparticle system의 약품투입순서를 바꾸었을 때, 바꾸기 전에 비해 좋은 보류와 탈수, 그리고 지합을 얻을 수 있었고, 분자량이 보다 낮은 PAM을 첨가하여 보다 작고 많은 응집을 이루었을 때 좋은 보류와 탈수를 얻는 경향을 보였다. Single polymer system보다는 micro particle system이, microparticle system보다는 약품투입순서를 바꾸었을 때 더 향상된 탈수와 지합을 보였다. 약품투입순서를 바꾸었을 때, 고분자의 PAM보다는 저분자의 PAM이 보다 향상된 탈수와 보류, 지합을 보였다.
- 이는 음전하를 띤 지료에 음이온성 bentonite가 서로 반발하여 산재되어 있다가 분자량이 낮은 PAM을 만나 보다 작은 응집을 만들기 때문이라고 판단되었다. Single polymer system보다는 microparticle system이, microparticle system보다는 약품투입순서를 바꾸었을 때에 더 향상된 지합을 보였다. 또한 고분자의 PAM보다는 저분자의 PAM이 지합을 향상시킴을 알 수 있다.
- 고분자의 PAM을 단독으로 사용하였을 때 가장 나쁜 지합을 나타내었다. Single polymer system의 단점은 지합이 나쁜 것인데, 응집의 크기가 크기 때문이라고 판단되었다.
- PAM을 나중에 투입한 경우에서 탈수시간이 약간 빨라짐을 알 수 있었다. 고분자의 PAM을 먼저 투입한 것과 저분자의 PAM을 나중에 투입한 것의 탈수 그래프를 비교해보면, 저분자의 PAM을 나중에 투입한 것이 탈수가 빠름을 알 수 있었다.
- Single polymer system보다는 microparticle system이, microparticle system보다는 약품투입순서를 바꾸었을 때에 더 향상된 지합을 보였다. 또한 고분자의 PAM보다는 저분자의 PAM이 지합을 향상시킴을 알 수 있다.
- 또한 고분자의 PAM을 처리하였을 때에 비해 상대적으로 저분자의 PAM을 먼저 투입하고 bentonite를 나중에 처리한 것이 보다 빠른 탈수시간을 나타내었다. 이는 저분자량의 PAM이 고분자의 PAM에 비해 보다 작고 많은 응집을 만들어서 응집간의 공극으로 탈수가 빠르게 진행된 결과라고 판단된다.
- 1에 나타내었다. 무처리(blank)에 비해 각각의 약품처리를 했을 때 보류도가 향상되는 것으로 나타났다. 일반적으로 싱글 폴리머를 사용했을 때 특히 상대적으로 높은 분자량을 가진 PAM을 단독으로 넣었을 때 높은 보류도를 보였으며, microparticle system으로 PAM/bentonite순으로 투입했을 때 보다 저분자량의 PAM과 bentonite의 투입순서를 반대로 적용하였을 때의 보류도가 더 높았다.
- 12-13은 비파괴 시편의 TEA와 열단장을 그래프로 나타낸 것이다. 무처리에 비해 전해질처리를 한 것이 열단장이 증가하였으며 고분자의 PAM을 이용하여 microparticle system으로 처리한 것이 열단장이 가장 높았고 TEA값이 가장 높았다.
- Single polymer system의 단점은 지합이 나쁜 것인데, 응집의 크기가 크기 때문이라고 판단되었다. 반면에 bentonite/저분자PAM을 사용하였을 때가 가장 지합이 좋았다. 이는 음전하를 띤 지료에 음이온성 bentonite가 서로 반발하여 산재되어 있다가 분자량이 낮은 PAM을 만나 보다 작은 응집을 만들기 때문이라고 판단되었다.
- 11은 비파괴시편의 인장지수를 나타내었다. 분자량이 낮은 PAM을 단독으로 처리하였을 때의 인장강도 값이 가장 높게 나왔고 microparticle system과 투입순서를 바꾸었을 때의 값은 무처리에 비해 증가함을 알 수 있다. Fig.
- 13은 비파괴시편의 열단장과 파괴시편의 열단장을 비교한 것이다. 시편에 결점을 주어 인장시험을 한 결과, 비파괴시편에 비해 파괴시편의 값이 저하됨을 볼 수 있고, 고분자의 PAM을 이용하여 microparticle을 적용한 시편에서 파괴를 주었을 때 열단장이 크게 저하됨을 볼 수 있다.
- Single polymer system보다는 micro particle system이, microparticle system보다는 약품투입순서를 바꾸었을 때 더 향상된 탈수와 지합을 보였다. 약품투입순서를 바꾸었을 때, 고분자의 PAM보다는 저분자의 PAM이 보다 향상된 탈수와 보류, 지합을 보였다.
- 무처리(blank)에 비해 각각의 약품처리를 했을 때 보류도가 향상되는 것으로 나타났다. 일반적으로 싱글 폴리머를 사용했을 때 특히 상대적으로 높은 분자량을 가진 PAM을 단독으로 넣었을 때 높은 보류도를 보였으며, microparticle system으로 PAM/bentonite순으로 투입했을 때 보다 저분자량의 PAM과 bentonite의 투입순서를 반대로 적용하였을 때의 보류도가 더 높았다.
- 보통 응집된 부분보다는 응집되지 않은 비교적 약한 부분으로 결점이 진행된다. 저분자의 PAM을 단독으로 사용하였을 때 파괴인성 값이 가장 높게 나왔고 microparticle system과 투입순서를 바꾸었을 때의 값은 무처리와 거의 차이가 없었다. 하지만 Fig.
- 지료의 보류, 탈수와 지합은 보류제에 의한 응집에 기인하고 응집이 크면 보류와 탈수는 향상되지만 지합은 악화되는 경향을 보인다. Single polymer system에서 고분자의 PAM을 사용한 경우, 높은 보류도를 보였으나 탈수와 지합은 다른 처리에 비해 불량하였다.
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