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문제 정의
- 이처럼 종이의 치수 안정성은 종이의 수분 흡수에 따른 섬유간 결합 및 섬유 자체의 변화에 기인한 것으로, 본 연구는 펄프의 성상이 다른 Sw-BKP, Hw-BKP, BCTMP를 재생 반복 사용함으로써 나타나게 되는 수초지의 평형함수율과 치수안정성의 관계를 평가하고자 실시하였다.
제안 방법
- Fibro사의 DST 1250을 이용하여 수초지의 치수안정성을 평가하기 위하여 흡습팽윤성(Hygroexpansion)을 측정하였다. 시험조건은 SCAN-P 28:88의 RH 33-84% 조건을 선택하였으며, 보다 명확한 분석을 위해 RH 50%, 66%를 추가하여 33-50-66-84% 조건으로 실험하였다.
- Sw-BKP, Hw-BKP 그리고 BCTMP를 실험실용 Valley beater를 이용하여 각각 450, 400, 300 mL CSF.로 고해한 후, 각질화에 의한 장섬유 특성변화 효과를 분석하기 위하여 미세분은 200 mesh 간이분급기를 이용하여 제거하였다.
- 섬유가 한 번이라도 건조가 되면, 버진펄프보다 악화된 물리적 성질을 갖게 되는데, 이러한 물리적 성질의 저하는 셀룰로오스 섬유의 각질화 때문에 발생된다고 잘 알려져 있다. 각질화의 정도를 평가하기 위해 WRV를 측정하였고 그 결과를 Fig. 2에 나타냈다. 버진 펄프의 경우 Sw-BKP의 WRV값이 가장 높았지만 한 번 건조된 이후로 가장 낮은 값을 유지하였다.
- 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 5g의 추를 이용하여 종이 시편에 하중을 주었으며, 20℃의 물에 완전히 침지시킨 후 5, 10, 15, 30, 45초의 간격으로 변형된 길이를 측정하였다.
- 섬유의 각질화는 본래의 습윤성을 상실하는 것으로 고해된 지료를 탈수한 뒤, 섬유를 105℃ 건조기에서 24시간동안 건조하고 이를 물에 soaking 및 건조하는 방식을 이용하였다.
- 시험조건은 SCAN-P 28:88의 RH 33-84% 조건을 선택하였으며, 보다 명확한 분석을 위해 RH 50%, 66%를 추가하여 33-50-66-84% 조건으로 실험하였다. 수초지를 먼저 RH 33% 이하의 조건 즉, RH 19%에서 24시간 이상 충분히 조습한 후 DST에서 33-50-66-84%의 각 단계별로 4시간동안 총 20시간을 거쳐서 조습에 따른 변화를 실험하였다.
- 수초지를 항온항습기에 넣어 온도를 23℃로 고정하고, 습도는 33%, 50%, 66%로 변화를 주고, 변화하는 무게를 비교하여 평형함수율(equilibrium moisture contents, EMC)을 측정하였다.
- Fibro사의 DST 1250을 이용하여 수초지의 치수안정성을 평가하기 위하여 흡습팽윤성(Hygroexpansion)을 측정하였다. 시험조건은 SCAN-P 28:88의 RH 33-84% 조건을 선택하였으며, 보다 명확한 분석을 위해 RH 50%, 66%를 추가하여 33-50-66-84% 조건으로 실험하였다. 수초지를 먼저 RH 33% 이하의 조건 즉, RH 19%에서 24시간 이상 충분히 조습한 후 DST에서 33-50-66-84%의 각 단계별로 4시간동안 총 20시간을 거쳐서 조습에 따른 변화를 실험하였다.
- 백상지나 아트지의 경우 인쇄 시 잉크에 포함되어있는 습수액이 종이를 적시고 동시에 열을 받음으로써 종이의 변형을 일으키고, 간혹 기계적인 오류를 가져오게 된다. 이러한 수분에 의한 영향이 섬유의 각질화정도에 따라 어떠한 변화를 보이는 지를 알아보기 위해 침지신장률을 측정하였다.
- 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 toughness를 이용하여, 수초지의 인장강도(T)를 측정하였다.
- 지료를 물에 0.4%로 희석한 후 실험실용 원형수초지기를 이용하여 평량 80 g/m²으로 수초하였다.
- 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 5g의 추를 이용하여 종이 시편에 하중을 주었으며, 20℃의 물에 완전히 침지시킨 후 5, 10, 15, 30, 45초의 간격으로 변형된 길이를 측정하였다.
이론/모형
- 섬유의 WRV(water retention value) 측정은 TAPPI Useful Method 256의 방식(900 g, 21±3℃, 30 min.)으로 측정하였으며, 계산식은 다음 식 (1)과 같다.
성능/효과
- Sw-BKP와 Hw-BKP 모두 함수율이 증가함에 따라 흡습팽윤성이 증가함을 보이고 있으며, 또한 Hw-BKP보다는 Sw-BKP가 동일한 함수율에서 더 큰 치수변형을 가져옴을 알 수 있었다. 실험이 진행된 모든 습도 범위에서 Sw-BKP보다 Hw-BKP의 평형함수율이 더 높은 결과를 보였지만 흡습팽윤성은 반대로 Sw-BKP가 더 높은 흡습팽윤성을 나타내었다.
- 3-5에 나타냈다. Sw-BKP와 Hw-BKP의 경우 각질화가 진행됨에 따라 평형함수율이 감소되는 현상을 보이나, 표백화학크라프트 펄프와는 달리 BCTMP는 각질화가 진행됨에 따라 일정한 경향을 보이지 않았다. Fig.
- 6-8에 나타냈다. Sw-BKP와 Hw-BKP의 치수변화는 크게 나타났지만, 이에 반해 BCTMP의 경우는 상대적으로 낮게 나타났으며, 이는 각질화에 의해 Sw-BKP와 Hw-BKP는 치수 안정성이 개선되었으나, BCTMP는 각질화에 의한 치수 안정성의 변화가 크지 않았다고 말할 수 있다.
- 17-19에 각각 수초지의 벌크, 열단장, 결합강도, 광산란계수를 나타냈다. 각질화가 진행됨에 따라 벌크는 증가하였고, 열단장과 결합강도는 감소하였다. Bulk의 경우 BCTMP를 제외하고 섬유의 재생 횟수가 증가함에 따라 수초지의 bulk가 증가하는 경향을 나타냈다.
- 그리고 상대적으로 섬유간 결합력이 강한 Sw-BKP의 침지신장률이 크며, 단섬유와 리그닌을 함유하고 있어 섬유간 결합력이 약한 BCTMP는 상당히 낮은 침지신장률을 보였다. 결과적으로 섬유간 결합이 증가할 수 있는 섬유의 특성을 가질수록 종이의 평형함수율은 증가하며, 그에 따라 흡습팽윤성도 증가함을 본 연구에서 알 수 있었다. 또한 수초지의 흡습팽윤성과 치수안정성은 수초지의 평형함수율, 섬유간 결합력, 상대결합면적과 매우 밀접한 관계를 가지고 있음을 알 수 있었다.
- 다시 말하면 종이의 평형함수율이 낮다는 것은 외기의 수분과 결합할 수 있는 양이 적다는 것을 의미하며, 이것은 치수안정성의 향상을 가져온다고 말할 수 있다. 그리고 상대적으로 섬유간 결합력이 강한 Sw-BKP의 침지신장률이 크며, 단섬유와 리그닌을 함유하고 있어 섬유간 결합력이 약한 BCTMP는 상당히 낮은 침지신장률을 보였다. 결과적으로 섬유간 결합이 증가할 수 있는 섬유의 특성을 가질수록 종이의 평형함수율은 증가하며, 그에 따라 흡습팽윤성도 증가함을 본 연구에서 알 수 있었다.
- 외기조건 중 습도변화에 따른 종이의 치수안정성은 섬유의 형태와 섬유와 섬유의 결합의 정도에 따라 달라지는 것으로, 치수안정성 평가결과 섬유의 각질화가 발생할수록 섬유간의 결합이 감소하여 치수안정성이 증가하는 것으로 판단된다. 그리고 상대적으로 섬유간 결합력이 높은 Sw-BKP의 경우가 가장 낮은 치수안정성을 보였으며, 섬유간 결합력이 약한 BCTMP가 가장 높은 치수안정성을 나타냈다. 또한 Sw-BKP와 Hw-BKP의 경우 각질화가 진행될수록 평형함수율은 감소하는데, 이는 각질화에 따라 섬유내 수소결합할 수 있는 부분의 감소로 인한 수분의 흡착량 감소 때문이다.
- 일반적으로 펄프에서 헤미셀룰로오스는 수분의 흡착량을 증가시키며 리그닌은 수분 흡착량을 감소시킨다. 또한 수산기와 수분과의 결합정도는 수분흡착에 영향을 끼치게 되며, 비결정성의 헤미셀룰로오스는 상호결합이 약하고 그 수산기는 수분에 대해 즉시 결합할 수 있지만 반대로 결정성의 셀룰로오스는 결합력이 강하며, 그리고 그 수산기와 수분과의 결합성은 헤미셀룰로오스보다 낮다. Fig.
- 결과적으로 섬유간 결합이 증가할 수 있는 섬유의 특성을 가질수록 종이의 평형함수율은 증가하며, 그에 따라 흡습팽윤성도 증가함을 본 연구에서 알 수 있었다. 또한 수초지의 흡습팽윤성과 치수안정성은 수초지의 평형함수율, 섬유간 결합력, 상대결합면적과 매우 밀접한 관계를 가지고 있음을 알 수 있었다. 백상지에서는 물리적인 강도 보다는 외기조건 하에서 변화가 적은, 즉 치수안정성과 같은 구조적인 특성이 보다 중요한 인자로 요구되고 있으며, 구조적인 특성을 향상시키는 깊이 있는 연구가 필요하다고 판단되었다.
- Sw-BKP와 Hw-BKP 모두 함수율이 증가함에 따라 흡습팽윤성이 증가함을 보이고 있으며, 또한 Hw-BKP보다는 Sw-BKP가 동일한 함수율에서 더 큰 치수변형을 가져옴을 알 수 있었다. 실험이 진행된 모든 습도 범위에서 Sw-BKP보다 Hw-BKP의 평형함수율이 더 높은 결과를 보였지만 흡습팽윤성은 반대로 Sw-BKP가 더 높은 흡습팽윤성을 나타내었다. 이는 Sw-BKP가 Hw-BKP보다 결합력이 강하기 때문에 수분에 의한 치수변형이 더 크게 나타나는 것으로 판단된다.
- 외기조건 중 습도변화에 따른 종이의 치수안정성은 섬유의 형태와 섬유와 섬유의 결합의 정도에 따라 달라지는 것으로, 치수안정성 평가결과 섬유의 각질화가 발생할수록 섬유간의 결합이 감소하여 치수안정성이 증가하는 것으로 판단된다. 그리고 상대적으로 섬유간 결합력이 높은 Sw-BKP의 경우가 가장 낮은 치수안정성을 보였으며, 섬유간 결합력이 약한 BCTMP가 가장 높은 치수안정성을 나타냈다.
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