[논문]양이온성 PVAm - 음이온성 PAM 건조지력증강제 시스템의 크라프트지 적용 사례

조병욱; 류정용; 손동진; 송봉근

[국내논문] 양이온성 PVAm - 음이온성 PAM 건조지력증강제 시스템의 크라프트지 적용 사례
Application of Cationic PVAm - Anionic PAM Dry Strength Aids System on a Kraft Paper Mill 원문보기

펄프 종이기술 = Journal of Korea TAPPI, v.42 no.3 = no.136, 2010년, pp.50 - 57

조병욱 (강원대학교, 산림환경과학대학, 제지공학과) , 류정용 (한국화학연구원, 산업바이오화학연구센터) , 손동진 (이양화학(주)) , 송봉근 (한국화학연구원, 산업바이오화학연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

A mill trial was performed in a kraft paper mill in order to evaluate the possibility of utilizing dual polymer dry strength aids system consisting of cationic PVAm and anionic PAM. It was found that the cationic PVAm - anionic PAM dry strength additives can improve paper strength without significantly disturbing the stability of the kraft papermaking process when virgin UKP was used as a furnish. Tensile strength (25.3% in machine direction, 48.4% in cross machine direction), elongation of paper (31.6%, 15.6%) and tensile energy absorption (48%, 54%) were improved. Air permeability of the kraft paper was improved as well (22%). Tear strength was decreased with PVAm dry strength aids system, but it can be compensated with decreasing refining degree. In addition, the mill trial results indicate that highly air permeable kraft sack paper can be produced by the addition of PVAm dry strength agents at the stock with reduced freeness.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

양이온성 Hofmann PVAm과 음이온성 PAM으로 구성된 지력증강제 시스템을 사용하였고, UKP를 사용하여 크라프트지를 생산하는 공장에서 현장 실험을 하여, 종이의 강도와 공정의 안정성에 미치는 영향을 평가하고자 하였다. 또한 종이의 투기성을 향상시키기 위해서 지료의고해도를 저하시키고, 약해진 강도를 PVAm 지력증강 제를 사용해서 보완할 수 있는지 여부를 평가하고자 하였다.
본 연구는 OCC를 사용하여 UKP를 대체하기 위한 연구의 일환으로써 수행되었다. 오염물과 미세분이 상대적으로 많은 OCC 지료를 사용하여 제조되는 종이의 강도를 PVAm 지력증강제 시스템을 사용하여 향상시킬 수 있는지를 평가하기에 앞서, 상대적으로 깨끗한 UKP 지료에서 먼저 실험 하고자 하였다.
본 연구는 OCC를 사용하여 UKP를 대체하기 위한 연구의 일환으로써 수행되었다. 오염물과 미세분이 상대적으로 많은 OCC 지료를 사용하여 제조되는 종이의 강도를 PVAm 지력증강제 시스템을 사용하여 향상시킬 수 있는지를 평가하기에 앞서, 상대적으로 깨끗한 UKP 지료에서 먼저 실험 하고자 하였다. 양이온성 Hofmann PVAm과 음이온성 PAM으로 구성된 지력증강제 시스템을 사용하였고, UKP를 사용하여 크라프트지를 생산하는 공장에서 현장 실험을 하여, 종이의 강도와 공정의 안정성에 미치는 영향을 평가하고자 하였다.
종이의 투기성을 향상시키기 위해서 지료의 고해도를 27 ^oSR에서 24 ^oSR로 감소시키고, 저하되는 강도를 PVAm 지력증강제를 사용해서 보완하고자 시도하였다. 이 경우, 폭방향에서는 27 ^oSR로 고해하고 약품을 첨가하지 않은 것(27-no chem)과 유사한 인장강도를 나타내었고 기계방향에서는 [27 - chem]과 유사한 인장강도를 나타내었다 (Fig.

제안 방법

297%로 증가시켰고, 6시간 후에 두 약품의 투입량을 반으로 감소시켰다. 7시간 후에 지력증강제의 투입을 정지시켰다.
PVAm의 사용이 공정의 안정성에 미치는 영향을 조사하기 위해서 종이의 평량과 지합(formation), 백수의 탁도(turbidity)를 측정하였다 (Fig. 1). 약품의 투입 상황이 바뀐 시간에 수직 점선으로 나타내었다.
SR로 낮추고 PVAm 지력증강제를 첨가하여, 고투기성의 크라프트지를 생산할 수 있는지 가능성을 평가하였다. PVAm의 첨가량은 0.297%, A-PAM의 첨가량은 0.33%로 조절하였으며, 또한 비교를 위하여, 약품의 투입을 끊은 상태에서 종이를 생산하였다.
현장실험의 스케쥴은 Table 1에 나타내었다. 사이즈 제만 투입한 후 제품을 생산하다가, 2.3시간 후에 PVAm을 펄프 전건 무게 대비 0.270% 투입하였고, 2.5시간 후에 APAM을 펄프 전건 무게 대비 0.33% 적용하였다. 4.
습부 첨가약품은 사이즈제와 지력증강제뿐이었다. 사이즈제로는 에멀젼 로진과 알럼을 사용하였는데, 에멀젼 로진은 머신체스트 (machine chest) 입구에, 알럼은 1번 팬펌프 (fan pump) 유입구에 투입하였다.
생산된 제품의 인장강도(ISO 1924-1), 신장율, 인장 에너지흡수 (TEA, tensile energy absorption)를 인장 강도 측정기(L&W)를 사용하여 측정하였다.
오염물과 미세분이 상대적으로 많은 OCC 지료를 사용하여 제조되는 종이의 강도를 PVAm 지력증강제 시스템을 사용하여 향상시킬 수 있는지를 평가하기에 앞서, 상대적으로 깨끗한 UKP 지료에서 먼저 실험 하고자 하였다. 양이온성 Hofmann PVAm과 음이온성 PAM으로 구성된 지력증강제 시스템을 사용하였고, UKP를 사용하여 크라프트지를 생산하는 공장에서 현장 실험을 하여, 종이의 강도와 공정의 안정성에 미치는 영향을 평가하고자 하였다. 또한 종이의 투기성을 향상시키기 위해서 지료의고해도를 저하시키고, 약해진 강도를 PVAm 지력증강 제를 사용해서 보완할 수 있는지 여부를 평가하고자 하였다.
35 meq/g로 음전하가 강했다. 양이온성 PVAm은 1번 팬펌프 입구에 투입하였고, 음이온성 PAM은 2번 팬 펌프 입구에 투입하였다.
크라프트지를 생산하는 공장에서 Fourdrinier papermachine을 활용하여 현장실험을 하였다. 주원료로 virgin UKP만을 사용하였으며 DDR (double disk refiner)을 사용하여 27 ^oSR로 고해하였다.
현장실험 이틀째에는 고해도를 24 ^oSR로 낮추고 PVAm 지력증강제를 첨가하여, 고투기성의 크라프트지를 생산할 수 있는지 가능성을 평가하였다. PVAm의 첨가량은 0.

대상 데이터

새로 개발된 양이온성 Hofmann PVAm와 음이온성 PAM으로 구성된 dual polymer type의 지력증강제 시스템을 국내 크라프트지 공장에 적용하였다. 적용결과, 양이온성 PVAm과 음이온성 PAM의 투입비율이 잘 조절되었을 경우에 크라프트지 생산 공정의 안정성에는 큰 영향을 주지 않으면서, 인장강도 (기계방향에서 25.
지력증강제로는 양이온성 PVAm과 음이온성 PAM 을 사용하였다. PVAm 지력증강제 (SNF 제조)의 active content는 9%, 점도는 21 cPs이었고, 전하는 7.

이론/모형

생산된 제품의 인장강도(ISO 1924-1), 신장율, 인장 에너지흡수 (TEA, tensile energy absorption)를 인장 강도 측정기(L&W)를 사용하여 측정하였다. 또한 종이의 투기도(air permeability, ISO 5636-5)는 Gurley type의 측정기를 사용하여 평가하였다. 종이가 물의 침투에 저항하는 정도인 사이즈도 (sizing degree)는 Pocketgonimeter를 사용하여 증류수의 접촉각 (contact angle)을 측정하여 평가하였다.
또한 종이의 투기도(air permeability, ISO 5636-5)는 Gurley type의 측정기를 사용하여 평가하였다. 종이가 물의 침투에 저항하는 정도인 사이즈도 (sizing degree)는 Pocketgonimeter를 사용하여 증류수의 접촉각 (contact angle)을 측정하여 평가하였다.

성능/효과

1 meq/g로 양전하가 높은 편이었다. APAM은 분지형이고, 농도는 15%, 점도는 4300 cPs로 높았고, 전하는-4.35 meq/g로 음전하가 강했다. 양이온성 PVAm은 1번 팬펌프 입구에 투입하였고, 음이온성 PAM은 2번 팬 펌프 입구에 투입하였다.
또한 제품을 이송 중 충격을 받았을 때, 공기가 잘 빠지지 못하면 지대가 터지거나 찢어질 가능성이 높아지게 된다. PVAm 지력증강제 시스템을 사용하면, 종이의 투기도가 향상되는 것을 확인할 수 있었다 (Fig. 6). PVAm 지력증강제 시스템이 투기도에 미치는 영향은 다른 연구자들에 의해서도 아직 보고된 예가 없다.
파지가 잘 해리되지 않은 것은 PVAm을 사용하여 습윤강도가 발현되었고, 또한 종이의 사이즈도(sizing degree)가 증가되었기 때문이다. PVAm 지력증강제 시스템을 사용한 후, 4-6 시간 사이에 종이의 습윤인장강도가 높아졌고, 지력증강제를 투입하지 않은 7시간 이후에 습윤인장강도가 저하됨이 확인되었다(Fig. 7). DiFlavio등도 PVAm의 사용은 습윤지력을 증가시킨다고 보고하였다⁶⁾.
또한 종이가 충격을 받았을 때 흡수할 수 있는 에너지가 높아야 하는데, 이는 인장흡수에너지(tensile energy absorption, TEA)로 나타낼 수 있다. PVAm을 0.270% 첨가하였을 때, 종이의 인장흡수에너지는 기계방향에서 48%, 폭방향에서 54%증가하였다 (Fig. 4). 또한 높은 신장률 때문에 폭방향에서의 인장흡수에너지가 기계방향에서 보다 높은 것을 알 수 있다.
2). PVAm의 첨가량을 0.270%로 조절한 후에, 인장강도는 기계방향(machine direction, MD)에서 최대 25.3%, 폭방향(cross direction, CD)에서 48.4% 증가하였다. 기계방향에서의 인장강도가 폭방향에서보다 거의 두 배 이상 높은 것을 보아, 이 초지기에서 섬유배향성이 높다는 것을 알 수 있다.
13). 고해도를 24 ^oSR로 감소시키면 투기도는 12.1초로 향상되고, 여기에 PVAm 지력증강제를 0.297% 첨가하면 9.6초로 더욱 향상되었다.
기계방향에서의 신장률 차이는 크지 않았다. 그러나 고해도를 줄였을 때 신장률이 다소 감소하였고, PVAm 지력증강제를 사용하면 27 ^oSR로고해한 종이와 유사한 신장률을 보일 정도로 조금 증가하였다. 폭방향에서 고해도를 낮추고 PVAm을 첨가 (24-chem)해서 신장률이 [27-no chem]보다 증가된 것을 알 수 있다.
11). 기계 방향과 폭방향 모두에서, 고해도를 27 ^oSR에서 24 ^oSR로 낮추면 인장에너지흡수가 감소하였고, 지력증강제를 첨가해서 다시 증가시킬 수 있었다. 지력증강제를 사용하지 않은 경우, 고해도를 27 ^o SR에서 24 ^oSR로 감소시키면서 인열강도는 감소되었다 (Fig.
3). 기계방향에서 31.6%, 폭방향에서 15.6%가 증가됨을 확인하였다. 섬유의 배향성때문에 폭방향에서의 신장률이 기계방향에서 보다 세 배 이상 높았다.
4% 증가하였다. 기계방향에서의 인장강도가 폭방향에서보다 거의 두 배 이상 높은 것을 보아, 이 초지기에서 섬유배향성이 높다는 것을 알 수 있다. 흥미로운 점은 PVAm을 첨가한 후에 강도가 급격히 증가하고, 약품의 투입을 중단한 후에 강도가 급격히 감소되었다는 것이다.
6%), 인장에너지흡수 (48%, 54%)를 증가시킬 수 있음을 확인하였다. 또한 고해도를 낮추고 PVAm 지력증강제를 사용하여, 종이의 강도 저하를 방지하면서 투기성이 높은 크라프트지를 생산할 수 있다는 가능성을 확인하였다. PVAm을 사용하면 섬유간 결합력의 증가로 인하여 인열강도가 감소하나, 이는 고해도를 감소시켜서 보충 가능할 것으로 판단된다.
DiFlavio등도 PVAm의 사용은 습윤지력을 증가시킨다고 보고하였다⁶⁾. 또한 종이의 사이즈도도 PVAm 지력증강제를 첨가함에 따라 증가하였다가, 지력증강제의 투입을 중지한 7시간 이후 감소되었다 (Fig. 8).
. 본 실험에서도 PVAm을 첨가하여 인장강도가 증가함에 따라 인열강도는 감소되었다 (Fig. 5).
또한 높은 신장률 때문에 폭방향에서의 인장흡수에너지가 기계방향에서 보다 높은 것을 알 수 있다. 위의 결과들로 보아서, Hofmann PVAm 지력증강제 시스템은 신장률과 인장흡수에너지를 크게 증가시켜 줄 수 있어서 지대용지 같은 포장지를 생산하는데 적합한 지력증강제라고 판단된다.
위의 결과로부터, 고해도를 감소시켜서 종이의 투기도를 향상시키고, 또한 고해동력을 절감할 수 있고, 감소된 고해도 때문에 야기되는 인장강도 등의 강도저하는 PVAm 지력증강제를 사용하여 충분히 보완할 수 있음을 확인하였다.
양이온성 PVAm과 음이온성 PAM의 비율이 맞지 않고, 이것이 미세분의 보류도를 저하시켜서 백수의 탁도가 증가한다고 판단하였다. 이에 따라 4.33시간에 양이온성 PVAm의 첨가량은 0.297%로 증가시켰고, 이 후에 백수의 탁도가 안정화된 것을 관찰할 수있었다. 이는 양이온성 PVAm과 음이온성 PAM의 비율 즉, 전하의 균형을 맞추는 것이 공정의 안정성에 중요하다는 것을 의미한다.
인장강도는 PVAm과 음이온성 PAM 지력증강제 시스템을 사용함에 따라 뚜렷하게 개선된 것을 확인할 수 있었다 (Fig. 2). PVAm의 첨가량을 0.
새로 개발된 양이온성 Hofmann PVAm와 음이온성 PAM으로 구성된 dual polymer type의 지력증강제 시스템을 국내 크라프트지 공장에 적용하였다. 적용결과, 양이온성 PVAm과 음이온성 PAM의 투입비율이 잘 조절되었을 경우에 크라프트지 생산 공정의 안정성에는 큰 영향을 주지 않으면서, 인장강도 (기계방향에서 25.3%, 폭방향에서 48.4%), 신장률 (31.6%, 15.6%), 인장에너지흡수 (48%, 54%)를 증가시킬 수 있음을 확인하였다. 또한 고해도를 낮추고 PVAm 지력증강제를 사용하여, 종이의 강도 저하를 방지하면서 투기성이 높은 크라프트지를 생산할 수 있다는 가능성을 확인하였다.
투기도는 27 ^oSR로 고해하고 지력증강제를 첨가하지 않은 경우에 22초이었고, PVAm 지력증강제를 0.297% 첨가한 경우, 17.1초로 향상되었다 (Fig. 13). 고해도를 24 ^oSR로 감소시키면 투기도는 12.

후속연구

국내 크라프트지 제조업체의 경쟁력을 강화시키는 한 가지 방법은 저가의 원료를 사용하여 제품 생산 원단위를 저하시키는 것이다. 현재 사용하는 원료보다 저급의 UKP를 사용하거나, 특히 저급, 저가의 원료인 OCC (old corrugated container, 골판지 폐지)를 사용하여 고가인 UKP를 대체하여 사용하면 제품 생산 원단위를 크게 저하시킬 수 있을 것으로 기대된다. 저급의 원료를 사용하는 데 있어서 발생가능한 문제점 중 하나는 종이의 강도가 저하된다는 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	종이의 강도를 향상시키기 위해 사용하는 내첨 지력증강제에는 무엇이 있는가?	내첨 지력증강제를 사용하면 위에 언급한 문제를 최소화하면서 종이의 강도를 향상시킬 수 있다. 내첨 지력증강제로는 CMC (carboxyl methyl cellulose)나 vegetable gum, starch같은 천연 고분자 혹은 PAM (polyacrylamide)같은 합성고분자가 사용되어 왔으나, 가격대비 성능이 가장 우수한 양성전분 (cationic starch)이 가장 일반적으로 사용되고 있다. 그러나 이와 같은 지력증강제들은 양이온성 단일고분자시스템으로 구성되어 있어 많이 첨가하면 섬유 표면의 전하가 역전되는 등의 이유로 첨가량에 한계가 있다.
	새로 개발된 양이온성 Hofmann PVAm와 음이온성 PAM으로 구성된 dual polymer type의 지력증강제 시스템을 국내 크라프트지 공장에 적용한 결과, 어떤 영향을 줄 수 있음을 확인했는가?	새로 개발된 양이온성 Hofmann PVAm와 음이온성 PAM으로 구성된 dual polymer type의 지력증강제 시스템을 국내 크라프트지 공장에 적용하였다. 적용결과, 양이온성 PVAm과 음이온성 PAM의 투입비율이 잘 조절되었을 경우에 크라프트지 생산 공정의 안정성에는큰 영향을 주지 않으면서, 인장강도 (기계방향에서 25.3%, 폭방향에서 48.4%), 신장률 (31.6%, 15.6%), 인장에너지흡수 (48%, 54%)를 증가시킬 수 있음을 확인하였다. 또한 고해도를 낮추고 PVAm 지력증강제를 사용하여, 종이의 강도 저하를 방지하면서 투기성이 높은 크라프트지를 생산할 수 있다는 가능성을 확인하였다. PVAm을 사용하면 섬유간 결합력의 증가로 인하여 인열강도가 감소하나, 이는 고해도를 감소시켜서 보충 가능할 것으로 판단된다.
	종이의 강도를 향상시키는 방법에는 어떤 방법들이 있을까?	종이의 강도를 향상시키는 방법에는 다음과 같은 대표적인 세 가지 방법이 있다: 기계적 처리 방법; 표면사이징 사용; 지력증강제 사용. 일반적으로 종이의 강도를 향상시키기 위해서 많이 사용하는 방법은 고해도를 높이는 것이다.

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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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