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문제 정의
- 이 경우 HwBKP의 펄프 특성에 따라 고해에 의한 강도 개선 효과를 효과적으로 발현할 수 있는 적절한 고해 방식이 요구된다. 이에 본 실험에서는 고해, 니딩과 습부압착이 건조에 의한 영향을 평가하기 위해 건조수축에 기초한 새로운 건조 영향 평가 기법인 최대 건조수축 속도23)를 적용하여 그들의 건조에 미치는 영향을 평가하고, 이에 따라 HwBKP의 강도 발현에 있어서 중요한 인자를 도출하고자 하였다.
가설 설정
- 습부 압착에 의한 섬유간 수분 제거는 섬유간 표면 장력을 발생시켜 건조 공정에서의 섬유간 결합이 유도될 수 있는 거리까지 섬유를 당기는 역할 (Campbell effect)을 하게 되어 습지의 강도 부여 및 이후 건조과정에서 섬유간 수소 결합을 증대시켜 건조 지필의 강도를 증가시키게 된다.17) 습부 압착에 의한 섬유의 찌그러짐과 같은 섬유의 물리적 변화와 표면 장력에 의한 섬유간 인접은 압착에 의한 지필의 압밀화와 강도 증가의 주요 원인이 된다.18-20)
제안 방법
- HwBKP의 강도 발현 인자 탐색을 위해 SwBKP와 HwBKP를 3 : 7로 혼합한 펄프를 실험실용 Valley beater를 이용하여 5.6 및 2.8 kgf로 400 ml CSF로 고해하였고, 펄프 섬유를 해리한 후 20%로 농축하여 Hobart mixer로 30분간 kneading 전처리한 후 실험실용 Valley beater로 5.6 및 2.8 kgf로 400 ml CSF로 고해하였다.
- SwBKP 단독 및 HwBKP를 3 : 7로 혼합한 펄프를 실험실용 표준 해리기를 이용하여 해리한 후 실험실용 Valley beater를 이용하여 1.2% 농도로, 하중 5.6 kgf 및 2.8 kgf로 각각 고해하여 피브릴화의 차이를 유도하였다. SwBKP의 경우 여수도 650-380 ml CSF까지 고해하였고, 혼합 펄프의 경우 650-310 ml CSF까지 고해하였다.
- SwBKP와 HwBKP를 3 : 7로 혼합하여 실험실용 표준 해리기를 이용하여 해리한 후 실험실용 Valley beater를 이용하여 400 ml CSF로 고해하여 실험에 사용하였다. 실험실용 롤 프레스를 이용하여 압착 횟수를 2-5회로 증가시켜 압착부 건조도를 39-46%로 조절하였다.
- HSA를 이용하여 110℃에서 2분간의 건조수축을 측정하였으며. 건조 시 열판과 접촉한 습지 위에 열판 크기로 제작한 9 g의 16 메쉬의 스테인레스 와이어를 올려 습지의 cockling 현상을 최소화하였다. 습지의 건조에 따른 시간-건조수축 그래프의 최대 기울기를 직선의 회귀식을 통하여 최대 건조수축 속도(maximum drying shrinkage velocity, MDSV)를 계산한 후 지료 조성 및 압착 조건에 의한 건조의 영향을 평가하였다.
- 고해 방식을 달리한 각각의 펄프를 여수도별로 TAPPI standard UM 256에 의거하여 filtering crucible을 이용하여 21 ± 3℃에서 중력가속도 900 G로 30분간 원심 분리하여 탈수시킨 후 105℃ 건조기에서 전건 시킨 후의 무게를 측정하여 WRV를 측정하였다.
- 폐지에 대한 니딩 처리 효과를 비교하기 위해 골심지용 라이너지를 24시간 침지한 후 실험실용 해리기로 해리하여 지료로 사용하였다. 니딩 전처리의 경우 해리한 펄프를 20%로 농축한 후 실험실용 Hobart mixer를 이용하여 400 및 350 ml CSF까지 니딩 처리하였다. 고해의 경우 실험실용 Valley beater를 이용하여 400 및 350 ml CSF까지 고해하였다.
- 수초지를 실험실용 인장 강도 시험기(Hounsfield test equipment)를 이용하여 열단장, 신장률, E-modulus 를 측정하였고, tensile stiffness index(TSI)는 아래의식을 이용하여 계산하였다.
- 건조 시 열판과 접촉한 습지 위에 열판 크기로 제작한 9 g의 16 메쉬의 스테인레스 와이어를 올려 습지의 cockling 현상을 최소화하였다. 습지의 건조에 따른 시간-건조수축 그래프의 최대 기울기를 직선의 회귀식을 통하여 최대 건조수축 속도(maximum drying shrinkage velocity, MDSV)를 계산한 후 지료 조성 및 압착 조건에 의한 건조의 영향을 평가하였다.
- SwBKP와 HwBKP를 3 : 7로 혼합하여 실험실용 표준 해리기를 이용하여 해리한 후 실험실용 Valley beater를 이용하여 400 ml CSF로 고해하여 실험에 사용하였다. 실험실용 롤 프레스를 이용하여 압착 횟수를 2-5회로 증가시켜 압착부 건조도를 39-46%로 조절하였다.
- 25%로 압착 탈수하여 습지를 제조하였다. 압착 탈수한 수초지를 10장씩 제조하여 5장은 건조수축 평가에 사용하였고, 물성 평가용 수초지를 동일한 방식으로 5장 제조하여 실험실용 드럼 드라이기를 이용하여 110℃, 1분의 조건으로 건조 속도를 조절하여 수초지를 제조하였다.
- 조성된 지료를 200 mm × 200 mm의 실험실용 사각 수초지기를 이용하여 평량 100 g/m2으로 초지한 후 45± 0.25%로 압착 탈수하여 습지를 제조하였다.
- 펄프에 대한 니딩 처리의 효과를 비교하기 위해 고해의 경우 SwBKP를 실험실용 해리기를 이용하여 해리한 후 Valley beater로 400 ml CSF로 고해하였고, 니딩 전처리의 경우 해리 후 20%로 농축하여 실험실용 Hobart mixer로 30분간 니딩 처리 한 후 재 해리한 펄프를 Valley beater를 이용하여 5.6 kgf로 400 ml CSF로 고해하였다.
- 고해 방식을 달리한 각각의 펄프를 여수도별로 TAPPI standard UM 256에 의거하여 filtering crucible을 이용하여 21 ± 3℃에서 중력가속도 900 G로 30분간 원심 분리하여 탈수시킨 후 105℃ 건조기에서 전건 시킨 후의 무게를 측정하여 WRV를 측정하였다. 펄프의 종류별 니딩 및 고해에 따른 섬유의 변화를 평가하기 위해 한국화학원구원의 섬유장 분석 장비(Morfi Labo, Techpap)를 이용하여 섬유장, 섬유폭, 컬, 킹크, 미세분을 분석하였다.
- 폐지에 대한 니딩 처리 효과를 비교하기 위해 골심지용 라이너지를 24시간 침지한 후 실험실용 해리기로 해리하여 지료로 사용하였다. 니딩 전처리의 경우 해리한 펄프를 20%로 농축한 후 실험실용 Hobart mixer를 이용하여 400 및 350 ml CSF까지 니딩 처리하였다.
대상 데이터
- 공시 펄프는 국내 S사에서 사용하고 있는 SwBKP, HwBKP 및 D사의 골심지용 라이너지를 분양받아 실험에 사용하였다.
이론/모형
- 제조한 습지를 해부용 메스를 이용하여 60 mm ×200 mm로 재단한 후 사용하였다. 종이의 치수안정성을 측정하기위해 개발된 장비로, 열에 의한 종이의 수축량을 측정하는 장비로 설계된 heat shrinkage analyzer(HSA, Emtec Electronic GmbH)23)를 이용하였다. HSA는 종이를 클램프에 고정시킨 후 온도조절이 가능한 니켈과 테프론으로 코팅된 구리 열판에 접촉시켜 종이의 열건조에 따른 수축거리를 시간경과에 따라 측정 하는 원리를 이용한 설비이다.
성능/효과
- Figs. 4와 5는 습부 압착에 따른 혼합 펄프의 건조 거동 및 수초지의 물성과의 관계를 나타낸 것으로 습부의 건조도가 증가함에 따라 습지의 건조 수축량이 증가하며, 이에 따라 최대 건조수축 속도가 증가하는 것으로 나타났다. 이는 습부 압착에 의해 습지의 건조도가 증가하게 되고, 이에 따라 섬유간 거리가 좁혀져서, 섬유간 표면 장력이 증가한다.
- 고해가 진행됨에 따라 최대 건조수축 속도가 증가하는 경향은 두 펄프 모두 같으나, SwBKP의 경우 고해 하중에 따라 최대 건조수축 속도 증가 경향에서 차이를 나타낸 반면 혼합 펄프의 경우 고해 하중에 따라 최대 건조수축 속도 증가 경향에서 차이를 나타내지 않았다. SwBKP의 경우 낮은 고해 하중으로 고해할 때, 고해 초기에 급격한 최대 건조수축 속도의 증가를 나타낸 이후 최대 건조수축 속도가 크게 증가하지 않는 반면, 높은 고해 하중으로 고해할 때, 점진적으로 최대 건조수축 속도가 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 SwBKP의 경우 고해 하중에 따른 펄프 섬유의 피브릴화 경향이 다르게 나타나기 때문으로, 낮은 고해 하중의 경우 초기 여수도 구간에서 섬유의 팽윤이 충분히 발생하기 때문에 이후 고해 구간에서의 최대 건조수축 속도의 증가가 크지 않은 것으로 판단된다.
- 6에 나타내었다. 고해 처리에 대비하여 니딩 처리에 의해 KOCC 펄프의 WRV 및 MDSV가 증가함으로 보아 펄프의 개질이 효과적으로 일어난 것을 알 수 있었다. 수초지의 강도적 특성 또한 고해 처리 단독 대비 니딩 처리 및 니딩 처리 후 고해 처리하는 경우가 높은 강도를 나타냄으로 보아 각질화 된 KOCC에 개질 처리로 니딩과 같은 고농도 내부 피브릴화 처리가 강도 발현에 있어서 고해 처리에 대비하여 효과적인 방법임을 알 수 있었다.
- 강도의 경우 니딩 전처리 시, 최대 건조 수축 속도 및 WRV가 증가하였음에도 불구하고 열단장은 거의 증가하지 않았으며 TSI는 감소하는 경향을 나타내었다. 니딩 후 고해 처리의 WRV 및 최대 건조수축 속도가 고해 단독 처리보다 높음으로 보아 니딩 후 고해 처리가 섬유의 내부 피브릴화를 보다 효과적으로 유도한 것으로 판단되지만, 강도적 향상이 나타나지 않은 것은 HwBKP에 포함된 도관이나 유세포와 같은 미세성분에 의해 섬유간 결합이 간섭을 받아 섬유 자체의 팽윤성 및 건조 수축성이 증가할지라도 미세성분의 결합 계면 간섭에 의해 강도가 증가하지 못하는 것으로 판단되었다. 이는 섬유간 실제적인 결합에 영향을 받는 탄성 인자인 강직성이 최대 건조수축 속도가 증가함에도 불구하고 떨어지는 것으로 보아 섬유간 결합이 미세 성분에 의해 제한 받고 있음을 알 수 있었다.
- 섬유 자체의 건조 수축성 및 섬유간 결합을 향상 시킬 수 있는 고해 및 습부 압착 처리시 고해도 및 습부 건조도 증가에 따라 건조 수축성 및 최대 건조수축 속도의 증가를 나타내었으며, 구조 및 강도적 특성과 최대 건조수축 속도는 매우 높은 상관관계를 나타내었다.
- 고해 처리에 대비하여 니딩 처리에 의해 KOCC 펄프의 WRV 및 MDSV가 증가함으로 보아 펄프의 개질이 효과적으로 일어난 것을 알 수 있었다. 수초지의 강도적 특성 또한 고해 처리 단독 대비 니딩 처리 및 니딩 처리 후 고해 처리하는 경우가 높은 강도를 나타냄으로 보아 각질화 된 KOCC에 개질 처리로 니딩과 같은 고농도 내부 피브릴화 처리가 강도 발현에 있어서 고해 처리에 대비하여 효과적인 방법임을 알 수 있었다.
- 섬유의 수축이 증가하기 위해서는 습윤 상태에서의 팽윤성이 높아야하고, 네트워크의 수축이 증가하기 위해서는 섬유간 결합이 많아야한다. 이 두 가지 경우 모두 섬유간 결합이 증가되는 조건이기 때문에 최대 건조수축 속도의 증가는 종이의 물성과 밀접한 관련이 있는 것으로 나타났으며, 이를 이용한 수초지의 건조 거동 평가 및 지료의 개질 효과 평가가 가능할 것으로 판단되었다.
- 8 kgf 고해 하중조건에서 모두 건조 수축량이 증가 하는 경향을 나타내었다. 이는 고해가 진행함에 따른 섬유의 피브릴화에 의한 것으로 피브릴화에 따른 세포내벽의 층간분리 즉 내부 피브릴화, 외부 피브릴 및 미 세분 발생 등이 일어났고, 이에 따라 섬유의 습윤 팽윤성, 건조 수축성 및 섬유간 결합력 증가가 발생하여 건조 시 지필의 수축성이 증가한 것을 알 수 있었다. 고해 하중 변화 시 고해에 따른 건조수축의 경향 즉 시간경과에 따라 건조수축 길이가 서로 다르게 나타나는 것은 고해 하중에 따라 섬유에 발생하는 피브릴화의 형태가 다르게 나타나기 때문이며, 고해에 따른 섬유의 피브릴화 형태가 습지필의 건조수축의 거동에 영향을 끼침을 알 수 있었다.
- 8은 혼합 펄프의 고해 방식에 따른 WRV와 최대건조수축 속도를 나타낸 것으로, 고해 단독 처리에 비해 니딩 전처리 후 고해 처리한 경우의 WRV 및 최대 건조수축 속도가 높아지는 것으로 나타났으며, 고해 하중에 의한 차이는 크게 나타나지 않았다. 이는 니딩 전처리에 의해 섬유의 내부 피브릴화가 유도되어 섬유의 습윤 팽윤성 및 건조 수축성이 증가한 것으로 판단되며, 혼합 펄프의 개질 처리에 있어서 니딩 전처리의 효과가 있음을 알 수 있었다. 니딩 후 고해 처리를 한 경우 높은 고해 하중이 낮은 고해 하중에 비해 높은 WRV 및 최대건조수축 속도를 나타내는데, 이는 니딩에 의한 섬유의 내부 피브릴화가 유도된 이후 강한 고해 처리에 의해 섬유의 외부 피브릴화가 효과적으로 발생하였기 때문으로 판단되었다.
- 또한 습부 건조도 증가에 따라 최대 건조수축 속도가 증가함으로 보아 습부 압착에 의해 건조 시 지필이 받는 건조 영향이 커짐을 예상할 수 있다. 이는 표면 장력 효과에 의해 섬유간 인접성이 증가하여 건조 시 섬유간 결합이 증가한다는 Campbell effect에 따른 영향을 건조 수축성의 평가로 확인할 수 있음을 의미하며, 수초지의 물성과 최대 건조수축 속도와의 결정계수가 높게 나타남을 보아 건조 수축성은 섬유간 결합의 영향을 반영함을 알 수 있었다.
- 1에 나타내었다. 최대건조수축 속도와 열단장과는 결정계수가 0.90, 벌크와는 0.84로 높은 상관관계를 나타내었다. 이에 반해 펄프의 고해 효과에 대한 간접 지수인 WRV와 열단장은 0.
- 지필의 건조 시 수축은 섬유 자체의 수축과 섬유간 결합에 의한 네트워크의 수축으로 나눌 수 있으며, 섬유간 결합이 도관이나 유세포와 같은 결합성이 낮은 펄프 성분에 의해 저해되는 경우 지필의 건조수축 또한 저해되어 건조수축이 적게 일어날 수 있을 것으로 판단되었다. 혼합 펄프의 고해 하중에 따른 최대 건조수축 속도에 차이가 나지 않음으로 보아, HwBKP가 다량으로 포함된 펄프의 경우 고해 하중 조절만으로는 효과적인 펄프 개질이 어려울 것으로 판단되었다.
- 효과적인 HwBKP의 개질 및 개질에 따른 강도 발현에 있어서 도관과 같은 결합성이 약한 펄프 성분의 처리가 강도 향상을 위한 HwBKP의 개질에 중요한 인자인 것으로 판단되었다.
후속연구
- 최대 건조수축 속도를 이용한 강도 발현의 해석 시 최대 건조수축 속도와 강도간의 관계를 통해 강도 발현에 대한 보다 명확한 해석이 가능할 것으로 판단되며, 건조 수축성을 조절 할 수 있는 여러 인자를 이용하여 보다 효과적인 종이 강도 향상 방안이나 구조 형성 변화 방안을 도출 할 수 있을 것으로 판단되었다.
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