[논문]알칼리 처리가 제지용 화학펄프의 특성에 미치는 영향

원종명; 김민현

알칼리 처리가 제지용 화학펄프의 특성에 미치는 영향
Effects of Alkaline Treatment on the Characteristics of Chemical Pulps for Papermaking 원문보기

펄프 종이기술 = Journal of Korea TAPPI, v.43 no.3 = no.141, 2011년, pp.106 - 112

원종명 (강원대학교 산림환경과학대학 제지공학과) , 김민현 (강원대학교 산림환경과학대학 제지공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of alkaline treatment on the WRV, crystalline structure and sheet structure of softwood and hardwood bleached kraft pulp were investigated. Sodium hydroxide and sodium carbonate were used as chemicals for alkaline treatment and two levels of alkali dosage (5%, 10%) were applied respectively. Alkali treated and untreated pulp were refined to three levels (550, 450 and 350 mL CSF). WRV of the alkali treated pulps depended on the alkaline type and concentration. It was found that the crystalline structures of softwood and hardwood pulp were not changed by refining. Sodium carbonate and lower concentration of sodium hydroxide treatment did not caused any modification of cellulose crystalline structure, while higher concentration of sodium hydroxide treatment caused the partial modification of cellulose crystalline structure. Alkaline treatment of hardwood bleached kraft pulp led to the shrinkage of fiber diameter and bulky structure of sheet. Alkaline treatment of softwood bleached kraft pulp did not cause the significant change in fiber shrinkage and bulk of sheet.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

^2-5)그러나 펄프를 머서화할 경우 제지용으로 사용하기에는 부적합하기 때문에 머서화보다는 온화한 조건의 적용이 필요하다. 따라서 본 연구는 머서화에 사용 되는 조건보다 현저히 온화한 조건으로 처리하였을 때 알칼리의 종류 및 알칼리 농도가 제지용으로 사용되는 침엽수 및 활엽수 펄프의 결정구조와 제지특성에 어떤 영향을 미치는 가를 조사하기 위하여 수행되었다.
이와 같은 머서화 과정에서 섬유는 일반적으로 수축되고 광택을 내는 특성을 지니게 된다. 본 연구에서는 머서화에 비하여 현저하게 낮은 알칼리 농도로 제지용 목재 화학펄프를 처리하였을 경우 어떤 변화가 수반되는지를 관찰하기 위하여 가성소다와 탄산소다로 처리하였다. 알칼리 처리와 기계적인 처리의 결과를 비교하기 위하여 침엽수 및 활엽수 표백펄프의 고해수준을 세 수준으로 조절하여 X-ray 회절곡선을 얻은 결과 Figs.
이러한 추세에 적응하기 위해서는 기존의 제지기술에 대한 관념과 시각을 완전히 다른 각도에서 검토하고 접근하기 위한 노력이 필요하다. 본 연구에서는 이러한 접근을 하기 위한 일환으로 제지용 화학펄프를 알칼리로 처리할 경우 수반될 수 있는 섬유 특성의 변화를 조사함으로써 제지 분야에서 응용할 수 있는 가능성을 검토하고자 한다.

제안 방법

이때 액비는 펄프가 약액과 균일한 반응을 할 수 있도록 1:50(2%)으로 조절하였다. 반응이 완료된 후 펄프의 pH가 7이 될 때까지 충분히 세척하여 WRV를 측정하고, 각 조건으로 처리된 펄프를 실험실용 고해기를 이용하여 550, 450 및 350 mL CSF의 수준으로 고해한 펄프에 대하여도 WRV를 측정하였으며, 실험실용 수초지기로 평량 60 g/m²의 수초지를 제조하였다. 이때 고해를 할 경우 미세분의 영향 때문에 펄프 섬유 자체의 특성만을 관찰하기 어려운 문제는 있겠지만 실제로 제지특성에 미치는 영향을 조사하기 위하여 미세분이 포함된 상태로 WRV 측정 및 수초지를 실시하였다.
이때 고해를 할 경우 미세분의 영향 때문에 펄프 섬유 자체의 특성만을 관찰하기 어려운 문제는 있겠지만 실제로 제지특성에 미치는 영향을 조사하기 위하여 미세분이 포함된 상태로 WRV 측정 및 수초지를 실시하였다. 수초지는 항온항습실에서 1일간 조습을 실시한후 X-ray 회절장치(D/MAX-2100V, Rigaku Instrument, Japan)를 이용하여 회절 곡선을 얻어 셀룰로오스의 결정구조 변화를 조사하였으며, 섬유간 결합 및 종이의 구조 변화에 미치는 영향을 시각적으로 판단하기 위하여 주사전자현미경을 이용하여 이미지를 촬영하였다.
반응이 완료된 후 펄프의 pH가 7이 될 때까지 충분히 세척하여 WRV를 측정하고, 각 조건으로 처리된 펄프를 실험실용 고해기를 이용하여 550, 450 및 350 mL CSF의 수준으로 고해한 펄프에 대하여도 WRV를 측정하였으며, 실험실용 수초지기로 평량 60 g/m²의 수초지를 제조하였다. 이때 고해를 할 경우 미세분의 영향 때문에 펄프 섬유 자체의 특성만을 관찰하기 어려운 문제는 있겠지만 실제로 제지특성에 미치는 영향을 조사하기 위하여 미세분이 포함된 상태로 WRV 측정 및 수초지를 실시하였다. 수초지는 항온항습실에서 1일간 조습을 실시한후 X-ray 회절장치(D/MAX-2100V, Rigaku Instrument, Japan)를 이용하여 회절 곡선을 얻어 셀룰로오스의 결정구조 변화를 조사하였으며, 섬유간 결합 및 종이의 구조 변화에 미치는 영향을 시각적으로 판단하기 위하여 주사전자현미경을 이용하여 이미지를 촬영하였다.
최근 제지시장의 변화와 관련하여 신제품 개발 및 새로운 기능 부여하거나 새로운 가능성을 강구하기 위한 노력의 일환으로 펄프를 매우 낮은 농도에서의 알칼리 처리 시 펄프 섬유에서 일어나는 특성 변화를 조사하고 그 현상을 이용하기 위한 방안을 강구하기 위하여 가성 소다 및 탄산소다를 이용한 알칼리 처리를 시도하였다.
펄프 섬유의 손상을 최소화하기 위하여 공시펄프를약 1시간 물에 침지시켰다가 실험실용 해리기(pulp disintegrator, L&W, Sweden)로 5분간 해리시킨 후 알칼리를 전건펄프 기준 5% 및 10% 첨가하여 Jar tester 로 100 rpm으로 교반하면서 1, 2 및 5시간 동안 상온에서 처리하였다.

대상 데이터

본 연구의 수행을 위하여 공시재료로는 시판 침엽수 표백 크라프트 펄프(radiata pine, Pacifico Pulp, Chile) 및 활엽수 표백 크라프트 펄프(acacia, April, Indonesia)가 사용되었으며, 알칼리는 시약용 가성소다와 탄산소다가 사용되었다.

성능/효과

1∼2에서 보는 바와 같이 활엽수 표백 크라프트 펄프를 가성소다로 처리한 결과 고해를 하지 않은 펄프의 경우 WRV가 상당히 개선되었다.
다소 흥미로운 사실은 5%의 가성소다로 처리시에는 결정구조의 변화가 관찰 되지 않았으나 10% 가성소다 처리에서는 최대 피크 왼쪽에서 일부 약한 피크를 나타내 비록 낮은 알칼리 농도에서 처리하였음에도 불구하고 강 알칼리인 가성소다 처리시에는 일부 결정구조 변화가 일어날 수도 있음을 확인할 수 있었다(Figs. 9∼10).
활엽수 펄프의 경우에는 가성소다 처리 시 WRV의 증가를 가져왔으나 고해가 진행됨에 따라 그 효과가 상쇄됨이 확인되었으며, 탄산소다는 뚜렷한 변화를 가져오지 않았다. 따라서 고해를 최소화하면서도 WRV를 개선할 필요가 있을 경우에는 가성소다 처리가 효과적인 수단으로 활용될 수 있음을 확인할 수 있었다. 고해 및 매우 낮은 농도에서의 알칼리 처리는 침엽수 및 활엽수 펄프의 결정구조의 변화를 가져오지 못했으나 가성소다 처리 시 일부 결정구조 변화의 징후가 관찰되었다.
하지만 고해가 진행됨에 따라 WRV의 차이가 줄어들었으며, 450 mL CSF의 고해 수준에서는 비슷한 WRV를 나타내었고, 350 mL CSF의 고해 수준에 달했을 경우 오히려 역전되는 결과를 나타내었다. 따라서 활엽수 표백 크라프트 펄프를 가능한 한 고해를 하지 않으면서 WRV를 개선해야 할 필요가 있을 경우에는 가성소다 처리가 유용한 수단으로 활용될 수 있으며, 고해를 하지 않을 경우에는 10%로 장시간 처리하는 것이 더 효과적임을 확인할 수 있었다. 한편 탄산소다로 활엽수 표백 크라프트 펄프를 처리하였을 경우 고해를 하지 않았을 때는 가성 소다 처리 시와는 달리 뚜렷한 효과를 나타내지 않았으며 고해가 진행됨에 따라 미처리시보다 낮은 값을 나타내었고, 탄산소다 처리농도의 효과도 뚜렷한 차이를 나타내지 않았다.
본 연구 결과에 의하면 알칼리 처리에 의한 펄프 섬유의 특성 변화는 펄프의 종류, 알칼리 종류 및 처리 조건에 의하여 다른 결과가 얻어질 수 있음이 확인되었다. 활엽수 펄프의 경우에는 가성소다 처리 시 WRV의 증가를 가져왔으나 고해가 진행됨에 따라 그 효과가 상쇄됨이 확인되었으며, 탄산소다는 뚜렷한 변화를 가져오지 않았다.
고해 및 매우 낮은 농도에서의 알칼리 처리는 침엽수 및 활엽수 펄프의 결정구조의 변화를 가져오지 못했으나 가성소다 처리 시 일부 결정구조 변화의 징후가 관찰되었다. 이상과 같은 결과에도 불구하고 특히 가성소다로 처리한 펄프로 시트 제조 시 활엽수 펄프 직경의 현저한 수축 및 시트 구조의 벌키화 현상이 관찰되었다.
4). 이상의 결과로부터 침엽수 표백 화학펄프와 활엽수 표백 화학펄프가 가성소다와 탄산소다 처리에 대하여 각기 다른 반응을 나타내었으며, 특히 침엽수 펄프의 경우 활엽수 펄프보다 알칼리 처리에 의한 변화가 적다는 사실을 확인할 수 있었다. 이상과 같이 침엽수 펄프가 활엽수 펄프에 대하여 알칼리 처리에 대한 반응이 미미하거나 거의 나타나지 않은 것은 침엽수 펄프가 활엽수 펄프에 비하여 화학적 기계적 저항이 크기 때문인 것으로 사료된다.
침엽수 표백 크라프트 펄프를 가성소다로 처리한 결과 Fig. 3에서 보는 바와 같이 고해를 하지 않았을 때는 가성소다 처리 펄프의 WRV가 더 높은 값을 나타내었으며, 10% 처리시보다는 5% 처리시에 더 높은 WRV가얻어졌다. 하지만 고해를 실시할 경우 이미 고해 초기에 가성소다 처리 펄프의 WRV가 역전되었으며, 350 mL CSF까지 고해가 진행될 경우 예상과는 달리 10%농도 가성소다 처리 펄프의 WRV가 미처리 펄프와 유사한 값을 나타낸 반면 5%농도 가성소다 처리 펄프는 훨씬 낮은 WRV가 얻어졌다.
1∼2에서 보는 바와 같이 활엽수 표백 크라프트 펄프를 가성소다로 처리한 결과 고해를 하지 않은 펄프의 경우 WRV가 상당히 개선되었다. 특히 5%보다는 10%로 장시간 처리할수록 높은 WRV가 얻어졌다. 하지만 고해가 진행됨에 따라 WRV의 차이가 줄어들었으며, 450 mL CSF의 고해 수준에서는 비슷한 WRV를 나타내었고, 350 mL CSF의 고해 수준에 달했을 경우 오히려 역전되는 결과를 나타내었다.
특히 5%보다는 10%로 장시간 처리할수록 높은 WRV가 얻어졌다. 하지만 고해가 진행됨에 따라 WRV의 차이가 줄어들었으며, 450 mL CSF의 고해 수준에서는 비슷한 WRV를 나타내었고, 350 mL CSF의 고해 수준에 달했을 경우 오히려 역전되는 결과를 나타내었다. 따라서 활엽수 표백 크라프트 펄프를 가능한 한 고해를 하지 않으면서 WRV를 개선해야 할 필요가 있을 경우에는 가성소다 처리가 유용한 수단으로 활용될 수 있으며, 고해를 하지 않을 경우에는 10%로 장시간 처리하는 것이 더 효과적임을 확인할 수 있었다.
따라서 활엽수 표백 크라프트 펄프를 가능한 한 고해를 하지 않으면서 WRV를 개선해야 할 필요가 있을 경우에는 가성소다 처리가 유용한 수단으로 활용될 수 있으며, 고해를 하지 않을 경우에는 10%로 장시간 처리하는 것이 더 효과적임을 확인할 수 있었다. 한편 탄산소다로 활엽수 표백 크라프트 펄프를 처리하였을 경우 고해를 하지 않았을 때는 가성 소다 처리 시와는 달리 뚜렷한 효과를 나타내지 않았으며 고해가 진행됨에 따라 미처리시보다 낮은 값을 나타내었고, 탄산소다 처리농도의 효과도 뚜렷한 차이를 나타내지 않았다. 이러한 결과가 얻어진 것은 탄산소다가약 알칼리이기 때문에 활엽수 표백 화학펄프 표면의 반응성에 뚜렷한 영향을 미치지 못하여 오차 범위 내에 분포하였기 때문인 것으로 생각된다.
본 연구 결과에 의하면 알칼리 처리에 의한 펄프 섬유의 특성 변화는 펄프의 종류, 알칼리 종류 및 처리 조건에 의하여 다른 결과가 얻어질 수 있음이 확인되었다. 활엽수 펄프의 경우에는 가성소다 처리 시 WRV의 증가를 가져왔으나 고해가 진행됨에 따라 그 효과가 상쇄됨이 확인되었으며, 탄산소다는 뚜렷한 변화를 가져오지 않았다. 따라서 고해를 최소화하면서도 WRV를 개선할 필요가 있을 경우에는 가성소다 처리가 효과적인 수단으로 활용될 수 있음을 확인할 수 있었다.
11∼12에서 보는 바와 같이 매우 흥미로운 현상이 관찰되었다. 활엽수 표백 크라프트 펄프의 경우 낮은 알칼리 농도로 처리하였음에도 불구하고 알칼리의 종류에 관계없이 모두 섬유의 반경방향으로 수축이 일어났으며, 알칼리 처리를 하지 않은 펄프에 비하여 벌키한 시트 구조가 얻어졌으나 알칼리 처리의 효과는 전술한 WRV 변화와 마찬가지로 고해가 진행될수록 감소되었다. 펄프 시트의 벌크에 미치는 알칼리의 영향은 가성소다 처리가 탄산소다보다 현저 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	펄프의 알칼리 처리는 제지산업에서 무엇을 위한 일환으로 널리 사용되어 왔는가?	펄프의 알칼리 처리는 제지산업에서 종이 및 필터 제조용 펄프 특성의 개선을 위한 일환으로 널리 사용되어왔다. 그 대표적인 예로 쇄목펄프의 알칼리 처리에 대한 연구도 이미 국내에서 수행된 바 있으며,1)재생섬유의 제지적성 개선용으로도 이미 적용되고 있다.
	최근 제지시장의 변화와 관련하여 신제품 개발 및 새로운 기능 부여하거나 새로운 가능성을 강구하기 위한 노력의 일환으로 펄프를 매우 낮은 농도에서의 알칼리 처리 시 펄프 섬유에서 일어나는 특성 변화를 조사하고그 현상을 이용하기 위한 방안을 강구하기 위하여 가성 소다 및 탄산소다를 이용한 알칼리 처리를 시도한 연구결과는?	본 연구 결과에 의하면 알칼리 처리에 의한 펄프 섬유의 특성 변화는 펄프의 종류, 알칼리 종류 및 처리 조건에 의하여 다른 결과가 얻어질 수 있음이 확인되었다. 활엽수 펄프의 경우에는 가성소다 처리 시 WRV의 증가를 가져왔으나 고해가 진행됨에 따라 그 효과가 상쇄 됨이 확인되었으며, 탄산소다는 뚜렷한 변화를 가져오지 않았다. 따라서 고해를 최소화하면서도 WRV를 개선할 필요가 있을 경우에는 가성소다 처리가 효과적인 수단으로 활용될 수 있음을 확인할 수 있었다. 고해 및 매우 낮은 농도에서의 알칼리 처리는 침엽수 및 활엽수 펄프의 결정구조의 변화를 가져오지 못했으나 가성소다 처리 시 일부 결정구조 변화의 징후가 관찰되었다. 이상과 같은 결과에도 불구하고 특히 가성소다로 처리한 펄프로 시트 제조 시 활엽수 펄프 직경의 현저한 수축 및 시트 구조의 벌키화 현상이 관찰되었다.
	셀룰로오스 유도체를 제조하기 위한 전단계로 무엇으로 만드는가?	이와는 달리 인쇄필기용지의 범주를 벗어나 필터지와 같은 특수용지를 제조하거나 다른 용도로 사용하기 위해서는 기능성을 부여하거나 반응성을 향상시키기 위한 처리가 필요한데 그 대표적인 방법으로 알칼리를 이용한 머서화가 사용되고 있다. 특히 필터지를 제조할 때 알칼리를 이용한 머서화를 하거나, 셀룰로오스 유도체를 제조하기 위한 전단계로 알칼리 셀룰로오스로 만든다. 일반적으로 강한 알칼리 수용액으로 셀룰로오스 섬유를 처리하면 Cellulose I 상태의 천연 셀룰로오스가 Cellulose II로 전환되는 것으로 이미 잘 알려져 있다.

참고문헌 (9)

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상세보기
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Jahn, A., Schroder, M.W., Futing, M., Schenzel, K. and Diepenbrock, W., Characterization of alkali treated flax fibers by means of FT Raman spectroscopy and environmental scanning electron microscopy, Spectrochimica Acta, Part A. Molecular and Biomolecular Spectroscopy 58(10):2271-2279(2002).

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Dinand, E., Vignon, M., Chanzy, H. and Heux, L. Mercerization of primary wall cellulose and its implication for the conversion of cellulose I $\rightarrow$ cellulose II, Cellulose 9:7-18(2002).

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원문보기 상세보기
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Oh, S.Y., Yoo, D.I., Shin, Y.S., Kim, C.H., Kim, H.Y., Chung, Y.S., Park, W.H. and Youk, J.H., Crystalline structure analysis of cellulose treated with sodium hydroxide and carbon dioxide by means of X-ray diffraction and FTIR spectroscopy, Carbohydrate Research 340:2376-2391(2005).

상세보기
Mann, J., Modern methods of determining crystallinity in cellulose, Proceedings of the Wood Chemistry Symposium, p. 95(1961).

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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