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문제 정의
- 따라서 본 연구는 습부압착에 따른 수초지의 습윤 팽창성 및 상대 습도에 따른 수초지의 평형함수율을 측정하여 습부압착의 정도가 수초지의 치수안정성에 끼치는 영향을 평가하고, 습부압착 정도가 증가함에 따라 변화하는 수초지의 상대결합면적및 섬유결합강도와 치수안정성의 관계, 그리고 침지신장률을 평가하고자 하였다.
- 가압상태에서 측정하는 흡수팽윤도에 대한 연구는 지금까지 매우 제한적으로 이루어졌다7-11). 따라서 본 연구에서는 흡수팽윤도와 유사하지만 가압하지 않고 물에 완전히 침지한 상태에서 약한 하중으로 종이의 신장을 측정하는 침지신장성을 연구하였다.
제안 방법
- 고해한 섬유를 0.4%로 희석하여 지료를 조성한 후 원형수초기를 이용하여 평량 80 g/m2 으로 초지하여 습지필을 제작하였고, 실험실용 롤 프레스를 이용하여 프레스의 속도 3.21 m/min, 압력 40 psi의 조건으로 1-4회로 순차적으로 압착횟수를 증가시켜 지필의 고형분 함량을 변화시켰다.
- 국내 S제지사의 침지신장시험기(Fenchel expansion tester)를 이용하여 수초지의 침지신장성(dip elongation) 을 측정하였다. 침지신장시험법은 ISO 5635(Measurement of dimensional change after immersion in water)를 참고하였으며, 본 실험에서는 5 g의 추를 이용하여 종이 시편에 하중을 주었으며, 20℃의 물에 완전히 침지시킨 후 5, 10, 15, 30, 45초의 간격으로 변형된 길이를 측정하였다.
- Coffin에 의하면 크리프는 시간경과에 따른 크리프변형 속도가 감소하는 1차 지역(primary regime), 크리프변형 속도가 직선적으로 증가하는 2차 지역(secondary regime)과 크리프변형 속도가 급격히 증가하는 3차 지역(tertiary regime)으로 나누었다. 그리고 일정한 상대습도에서의 크리프, 반복적인 상대습도 변화에 따른 크리프, 가속 크리프, 압축 크리프, MD-CD 크리프 등에 대하여 심도 있게 연구하였다.
- 높은 평량의 경우 과도한 압착탈수는 종이의 밀도 증가 및 기공도를 감소시켜 종이 내부에 크러싱(crushing)과 같은 내부 할렬로 인한 물리적 강도 저하에 영향을 끼칠 수 있다는 단점이 있기 때문에 수초지는 80 g/m²으로 제작하여 실험하였다.
- 시험법은 SCAN-P 28:88 RH 33-84% 조건을 선택하였으며, 좀더 명확한 분석을 위해 RH 50%, 66%를 추가하여, Fibro사의 DST(dimensional stability tester) 1250을 이용하여 33, 50, 66, 84% 조건에서 실험하였다. 수초지를 먼저 RH 33% 이하의 조건 즉, RH 19%에서 24시간 이상 충분히 조습한 후 각 단계별로 4시간동안 총 20시간을 거쳐서 조습에 따른 변화를 실험하였다.
- 수초지를 항온항습기에 넣어 온도는 23℃로 고정하고, 습도는 33, 50, 60, 84% 조건에서 항량에 도달한 수초지의 무게를 측정하여 평형함수율(Equilibrium Moisture Contents, EMC)을 계산하였다.
- 수초지의 치수안정성(dimensional stability)을 평가하기 위하여 흡습팽윤성(hygroexpansion)을 측정하였다. 흡습팽윤성의 측정법은 TAPPI useful method UM 549(25-50%, 50-86%)의 방법과 SCAN-P 28:88(33-66%, 33-84%)의 방법이 있으며, 이 두 가지 방법은 모두 변화하는 상대습도 조건에서 치수가 얼마만큼 변하는지 그 변화량을 측정하는 방법이다.
- 흡습팽윤성의 측정법은 TAPPI useful method UM 549(25-50%, 50-86%)의 방법과 SCAN-P 28:88(33-66%, 33-84%)의 방법이 있으며, 이 두 가지 방법은 모두 변화하는 상대습도 조건에서 치수가 얼마만큼 변하는지 그 변화량을 측정하는 방법이다. 시험법은 SCAN-P 28:88 RH 33-84% 조건을 선택하였으며, 좀더 명확한 분석을 위해 RH 50%, 66%를 추가하여, Fibro사의 DST(dimensional stability tester) 1250을 이용하여 33, 50, 66, 84% 조건에서 실험하였다. 수초지를 먼저 RH 33% 이하의 조건 즉, RH 19%에서 24시간 이상 충분히 조습한 후 각 단계별로 4시간동안 총 20시간을 거쳐서 조습에 따른 변화를 실험하였다.
- 제조한 수초지를 TAPPI standard T402 om-83에 따라 온도 23±1℃, 상대습도 50±2%로 24시간 조습처리한 후 SCAN-P67/P77 에 의거하여 L&W사의 tensile tester with fracture toughness 설비를 이용하여, 수초지의 인장 강도(T)를 측정하였다.
- 국내 S제지사의 침지신장시험기(Fenchel expansion tester)를 이용하여 수초지의 침지신장성(dip elongation) 을 측정하였다. 침지신장시험법은 ISO 5635(Measurement of dimensional change after immersion in water)를 참고하였으며, 본 실험에서는 5 g의 추를 이용하여 종이 시편에 하중을 주었으며, 20℃의 물에 완전히 침지시킨 후 5, 10, 15, 30, 45초의 간격으로 변형된 길이를 측정하였다.
성능/효과
- 압착횟수를 증가할수록 섬유간의 결합력이 증가하며, 그에 따라 물에 완전히 적셔진 후에도 섬유 간의 결합력에 의해 크게 신장하지 않는 것이다. 넓은 의미로 볼 때 침지신장성도 물에 완전히 적신 상태에서의 크리프라고 볼 수 있는데, Fig. 7의 침지신장성 결과도 전형적인 크리프 변형추세를 따르는 것을 확인할 수 있었다. 압착횟수가 증가할수록 섬유간 결합이 증가하여 외력에 견디는 능력이 증가하게 되고 침지신장성이 감소하였다.
- 종이의 함수율이 커질수록 흡습팽윤성도 커지게 되는데, 이에 따라 종이의 밀도 증가에 따른 지층 내 공극 구조의 변화가 일어나게 된다. 따라서 공극이 작아짐에 따라 모세관 힘이 커지고 대기 중의 수분을 흡수할 수 있는 힘이 커지기 때문에 압착 횟수 증가에 따라 평형함수율과 흡습팽윤성 모두 증가하는 것을 알 수 있었다.
- 2에 나타냈다. 상대습도가 증가함에 따라 평형함수율도 증가하였고, 또한 압착탈수횟수가 증가할수록 평형함수율이 증가하였다. 이는 압착횟수가 증가할수록 물리적인 외력에 의해 섬유간 결합정도가 증가하며, 압착횟수가 증가할수록 섬유와 섬유간의 결합면적이 증가함을 의미한다.
- 습부압착의 횟수가 증가할수록 섬유간 결합력은 증가하였고 흡습팽윤성도 비례적인 관계를 보였다. 섬유간 결합 강도의 증가 특히, 압착횟수 증가에 의한 섬유간 결합 강도의 증가는 결합 면적의 증가에 의한 것으로 수분 흡착시 결합 면적이 증가된 것일수록 수분 흡착에 따른 변화량이 커지는 것으로 분석된다.
- 5에 나타냈다. 습부압착의 횟수가 증가할수록 섬유간 결합력은 증가하였고 흡습팽윤성도 비례적인 관계를 보였다. 섬유간 결합 강도의 증가 특히, 압착횟수 증가에 의한 섬유간 결합 강도의 증가는 결합 면적의 증가에 의한 것으로 수분 흡착시 결합 면적이 증가된 것일수록 수분 흡착에 따른 변화량이 커지는 것으로 분석된다.
- 외기조건의 습도변화에 따른 종이의 치수안정성은 섬유의 특성과 섬유와 섬유간의 결합 에 따라 달라지는 것으로, 흡습팽윤도로 치수안정성을 평가한 결과 습부압착 횟수가 증가할수록 흡습팽윤도가 증가하므로 이는 섬유간의 결합이 증가하여 외기변화에 따른 섬유결합의 변화 정도가 증가하여 치수안정성이 감소하는 것으로 판단된다. 또한 섬유간의 결합면적이 증가한다는 것은 외기의 물분자와 결합할 수 있는 면적이 증가한다는 것과 연결 지을 수 있으며, 종이의 평형함수율이 증가한다는 것은 치수안정성이 감소한다는 것을 의미한다.
- 또한 섬유간의 결합면적이 증가한다는 것은 외기의 물분자와 결합할 수 있는 면적이 증가한다는 것과 연결 지을 수 있으며, 종이의 평형함수율이 증가한다는 것은 치수안정성이 감소한다는 것을 의미한다. 종이를 완전히 물에 적신상태에서 외부하중에 견디는 정도인 침지신장성은 압착탈수 횟수를 증가할수록 섬유간 결합력이 증가함에 따라 감소하는 것으로 분석되었다. 강도를 우선적으로 생각할 때 건조부에 들어가기 전에 습지필의 고형분 함량을 증가시키는 것이 중요하지만, 종이의 사용에 있어서 높은 치수 안정성을 가지려면 압력이나 횟수가 지나치지 않고 적절한 습부압착을 하는 것이 필요하며, 건조부의 건조효율과의 연관성도 반드시 생각해야 한다.
- 이는 압착횟수가 증가할수록 물리적인 외력에 의해 섬유간 결합정도가 증가하며, 압착횟수가 증가할수록 섬유와 섬유간의 결합면적이 증가함을 의미한다. 즉, 상대습도 증가에 따라 수분이 섬유간 수소결합된 부분에 침투하여 수산기들의 결합을 해체하거나 약화시킬 수 있는 수분의 양이 증가한 것으로 판단되며, 그 결과 종이가 가질 수 있는 수분의 양이 증가하여 평형함수율이 증가한 것으로 사료된다.
후속연구
- 강도를 우선적으로 생각할 때 건조부에 들어가기 전에 습지필의 고형분 함량을 증가시키는 것이 중요하지만, 종이의 사용에 있어서 높은 치수 안정성을 가지려면 압력이나 횟수가 지나치지 않고 적절한 습부압착을 하는 것이 필요하며, 건조부의 건조효율과의 연관성도 반드시 생각해야 한다. 또한 이미 만들어진 종이가 대기 중에서 습도에 의해 변화하는 치수안정성과 인쇄 시 잉크에 포함되어있는 습수액이 종이를 적실 때 저항할 수 있는 침지신장성을 연계하여 상호보완적인 종이를 생산할 수 있어야 하겠다.
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