[논문]고농도 도공액의 유동특성에 관한 연구(제2보) - 유동성 조절제가 고전단 점도 및 동적 침투특성에 미치는 영향 -

유성종; 조병욱; 이용규

고농도 도공액의 유동특성에 관한 연구(제2보) - 유동성 조절제가 고전단 점도 및 동적 침투특성에 미치는 영향 -
Studies on Rheological Properties of High Solid Coating Colors(Part 2) - Effect of Rheology Modifiers on High-Shear Viscosity and Dynamic Penetration Behavior - 원문보기

펄프 종이기술 = Journal of Korea TAPPI, v.43 no.3 = no.141, 2011년, pp.121 - 127

유성종 (아트원제지주식회사) , 조병욱 (강원대학교 산림환경과학대학 제지공학과) , 이용규 (강원대학교 산림환경과학대학 제지공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study used two types of rheology modifiers including an alkali-swellable emulsion (ASE) and an surface-adhesion emulsion (SAE) to elucidate their effects on high shear viscosity and dynamic penetration behavior among the flow properties of high solids coating. Since rheology under high shear and dynamic penetration behavior significantly affect the quality of coated paper in case of high solids coating, it is very important to examine the variations in rheology of high solids coating color by rheology modifier. It was found that the high solids coating color prepared with the SAE type showed superior dynamic penetration behavior and high shear viscosity than that with the ASE type rheology modifier.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 도공용으로 일반적으로 사용되고 있는 알칼리 팽윤형 합성 증점제(ASE type ; alkali swellable emulsion)와 표면 흡착형 합성 증점제(SAE type; surface adsorption emulsion)를 고농도 도공액에 적용하여 두 가지의 유동성 조절제가 고농도 도공액의 작업성 및 품질에 영향을 미치는 고전단 점도 및 동적 침투 특성에 미치는 영향에 대해 분석하였다.
따라서 본 항에서는 일정 전단 하에서 도공액의 침투 특성에 대한 고찰을 실시하였다. 실험 도공액에 대해서 원지로의 침투특성을 동적침투성측정기(PDA )를 통해 분석하고 결과를 Fig.
앞서 도공액의 점성유체로서의 거동과 점탄성적인 거동에 대해서 고찰하였다. 그러나 도공액의 유체역학적 거동은 피도공 매체인 원지의 기공분포 및 사이즈도와 블레이드의 형태 및 펄스에 의한 기타 조건에 의해서도 영향을 받을 수 있다.

가설 설정

또한국지적인 고농도 영역에서의 안료는 상호간의 간격이 좁아지게 되면서 Lennard-Johns potential 이론에서 언급된 바와 같이 상호간의 인력에 의한 무작위적인 응집이 발생하게 된다.⁹⁾ 분산성이 열화된 안료는 도공액의 유동성 저하에 직접적인 기여를 하게 된다.

제안 방법

도공액의 고전단 점도는 고전단 점도계( Bob E, 4400rpm, DV-10, Kaltec, 미국)를 사용하여 측정하였다.
도공액의 동적 침투 특성은 일정 전단 하에서 동적침투성 측정기(Penetration Dynamic Analyzer, PDA Emtec사, 독일)를 사용하여 vibrating shear rate 104 s^-1의 조건으로 평가 하였다.
도공액의 제반 배합비 및 고형분은 동일하게 유지하고 표면 흡착형 유동성 개량제의 도공액 내에서의 유동적 거동을 비교분석 하기 위해 알칼리 팽윤형 합성 증점제와 표면 흡착형 유동성 개량제만을 변경하여 제조하였으며, 투입량은 도공액의 저전단 점도(LSV)를 유사한 수준으로 조정하여 투입하였다. 상세 배합비 및 기초물성은 Table 3에 나타내었다.

대상 데이터

도공안료로서 중질탄산칼슘은 T사의 KFMT-95H를 사용하였으며, 클레이는 E사의 Ultra Gloss LV를 사용하였다. 각 안료들의 물리적인 특성은 Table 1에 나타내었다.
도공용 바인더로서 K사의 SB계 공중합 라텍스를 사용하였으며, 유동성 조절제는 알칼리 팽윤형 합성 증점제와 표면 흡착형 유동성 개량제를 사용하였다(Table 2).

성능/효과

(1) 알칼리 팽윤성 증점제는 도공액 내의 물 분자를 독점적으로 흡수하며 도공액 계 내에서 국지적인 고농도화에 의해 불균일한 분산성을 가지게 되어 고전단 점도 및 동적 침투특성이 저하되는 것을 확인하였다.
(2) 표면 흡착형 유동성 개량제는 도공액 계 내의 안료입자에 흡착하여 안료를 재 분산시키며 물 분자와는 약한 극성 회합을 하기 때문에 물 분자를 균일하게 분산시켜 고전단 점도와 동적 침투특성이 우수하다는 것을알 수 있었다.
2에 나타내었다. Fig. 2의 결과를 보면 알칼리 팽윤형 증점제의 경우 전범위의 전단속도(shear rate)변화에 따른 응력프로파일이 표면 흡착형 유동성 개량제에 비해서 매우 높게 형성되는 것으로 나타났으며, Fig. 3에서와 같이 전단속도 상승과 하강에 따른 응력격차 적분면적(hysteresis area) 또한 넓게 나타났다.
또한 알칼리 팽윤형 증점제는 도공액이 정지된 상태에서부터 최초로 전단력이 가해지는 시점에서 전단력에 저항하려는 힘과 일정 전단력이 가해진 후 전단력이 감소하는 과정에서의 응력간의 차이가 큰 것으로 나타났다. 이는 도공액의 요변성이 크다는 물리적 의미를 내포하는 것이며, 블레이드 전후에서 도공액의 유동학적 거동이 매우 달라짐에 따른 제반 면성 및 도공면의 균일성에 영향을 미칠 수 있다는 것이다.
이는 기존의 정적보수성 측정치 값으로 예측한 것과는 상반되는 결과였다. 또한 침투특성 그래프에서 다수의 변곡점이 나타나서 부동화 과정에서 동적인 침투속도가 변화되는 것으로 나타났다.
반면 표면 흡착형 유동성 개량제를 적용한 도공액은 동적침투 응답곡선에서도 부동화점에서의 단일 변곡점만이 관찰되어 침투특성이 균일하였으며, 동적 보수성이 우수한 것으로 나타났다. 이는 표면 흡착형 유동성 개량제의 경우 물 분자를 계 내에 균일하게 분포시키고, 안료에 흡착하여 정전기적으로 분산된 안료를 입체적으로 재분산 시켜주는 작용기작 때문인 것으로 판단 된다.
반면에 안료의 재분산성을 기반으로 하여 고전단하에서의 점도 및 동적 침투특성이 우수한 표면 흡착형 유동성 개량제는 고농도 도공액에 적합함을 알 수 있었다.
이상의 결과로부터 기존의 흡수팽윤에 의한 증점 및 보수 기작을 갖는 알칼리 팽윤형 증점제의 경우 고전단 점도와 동적 침투특성이 저하됨에 따라 고농도 고속 도공에 있어 적합하지 않음을 알 수 있었다.
이상의 동적침투특성 평가 결과는 기존의 정적 보수성 측정치의 결과와는 그 현상이 다르게 나타난 것으로, 이는 고농도 고속 도공시의 상황을 기존의 정적 보수성 모델만으로는 완전하게 모사할 수 없다는 것을 의미한다. 즉 기존의 ÅA-GWR 방식의 정적 보수성 측정은 일정 압력 하에서 일정 시간동안 방치 후의 침투 총량을 계량화하는 것으로 이는 도공액과 원지와의 접촉시간이 매우 짧은 고속도공의 경우에 지배적인 판단근거로 서는 미흡하다는 것을 의미한다.
6에 나타내었다. 팽윤성 증점제를 적용한 도공액은 원지와의 접촉 초기의 응답곡선의 기울기가 표면 흡착형 유동성 개량제를 적용한 도공액에 비해 가파르게 나타나서 접촉초기의 침투가 다소 빠른 것으로 나타났다. 한편 동적보수성 값 또한 표면 흡착형 유동성 개량제를 적용한 도공액에 비해서 다소 커서 팽윤성 증점제를 적용하는 경우 침투가 보다 많은 것으로 나타났다.
팽윤성 증점제를 적용한 도공액은 원지와의 접촉 초기의 응답곡선의 기울기가 표면 흡착형 유동성 개량제를 적용한 도공액에 비해 가파르게 나타나서 접촉초기의 침투가 다소 빠른 것으로 나타났다. 한편 동적보수성 값 또한 표면 흡착형 유동성 개량제를 적용한 도공액에 비해서 다소 커서 팽윤성 증점제를 적용하는 경우 침투가 보다 많은 것으로 나타났다. 이는 기존의 정적보수성 측정치 값으로 예측한 것과는 상반되는 결과였다.

후속연구

결국 고농도 도공에 있어 가장 효율적이고 합리적인 방법은 도공액의 유동학적 특성을 최적화하는 것이라할 수 있으며, 이를 위해서는 표면 흡착형 유동성 개량제와 같은 특수 유동성 조절제에 의한 영향을 고찰하는 것이 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	표면 흡착형 유동성개량제는 어떠한 특징을 가지고 있는가?	근래에는 보수증점제의 기능을 가지는 기존의 알칼리 팽윤형의 합성증점제(synthetic thickener)의 대용으로 물리화학적으로 이온성이 양쪽성을 가지며 분자량이 작고 유리전이온도가 높은 표면 흡착형 유동성개량제가 개발되었으며, 이는 작용기작에 전하로 대전된 안료를 입체적으로 재 분산시켜 원지에 대한 동적 침투 특성 및 도공액의 유동학적 거동을 개선시키는 특징을 갖고 있다.
	유동성 조절제는 어떠한 역할을 수행하는가?	유동성 조절제(rheology modifier)는 이러한 도공액의 동적 침투현상을 억제해주는 역할을 한다. 적절한 유동성 조절제의 선택은 도공공정에서 유동학적으로 문제를 일으키지 않는 열쇠중의 하나라는 것이다.

참고문헌 (11)

Kobayashi, T., Okuyama, T. and Koike T., Bleeding phenomena and a new trial of measurement of dynamic water retention on coating color, Japan TAPPI J. 49(2): 324-330 (1995).
Weigl, J. and Grossmann, H., Factors impeding high-speed runnability of blade coaters, TAPPI J. 80(11): 223-232 (1997).

상세보기
Nishioka, T., A study of bleeding phenomina in blade coating, Japan TAPPI J. 49(2): 391-397 (1995).
Vidal, F., Pommer, J.C., and Pouyet, J., High shear rheological measurement for coating colors: a new approach, 1993 Coating Conference Proceedings, TAPPI Press, Atalanta.
Hirai, K. and Bousfield, D.W., The Correlation between penetration and coating properties, Coating & Graphic Arts Conference (2006).
Nisogi, N.H., Bousfield D.W. and Lepoutre, P., Influence of coating rheology on final coating properties, TAPPI J. 83(2): 100-106 (2000).

상세보기
Nedwick, P. and Greenblatt, G., An overview of associative and alkali-swellable rheology modifiers, 1996 Nonwovens Conference Proceedings, TAPPI Press, Atlanta, pp. 205-209.
Young, T.S. and Burdick, C.L., Water retention and rheology modifiers, In Paper Coating Additives, TAPPI PRESS, Atlanta (1995).
Greenwald, H.L. and Luskin, L.S., Handbook of Water-Soluble Gums and Resins, Davidson R. L.(ed.), McGraw-Hill, New York, Chap. 17 (1980).
Funke, W.E., J. Coating Tech. 60: 767 (1988)
Technical information of Emtec company (Germany)

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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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