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문제 정의
- 본 연구에서는 유기 및 무기안료의 배합률과 첨가량, 중공형 유기안료의 입자경, 내부 공극률 및 캘린더링 조건 등이 도공층의 표면 및 광학적 특성에 미치는 영향을 평가하였다. 또한 유기 및 무기안료의 배합 비율을 변화시키면서 도공액의 침강체적을 측정하여, 도 공액의 침강체적과 도공지의 물성과의 상관관계를 검토하였다.
제안 방법
- 1) 클레이와 탄산칼슘의 비율을 100/0, 70/30, 50/50, 30/70, 0/100으로 하였다.
- 2) 밀실형 및 중공형 유기안료의 배합량을 5 part(즉 무기안료 95 part)로 고정하고, 클레이와 탄산칼슘의 비율을 95/0, 73/22, 47/48, 22/73, 0/95로 변화시켰다.
- 3) 탄산칼슘의 첨가량을 30 part로 고정(즉 클레이 + 유기안료가 70 part)하고, 클레이와 유기안료(중공형 유기안료)의 비율을 67/13 ∼ 45/25로 변화시켰다.
- 도공액을 원심분리(11,000 rpm, 회전반경 100 mm, 1 hr) 시켜, 침강체적을 안료의 실질체적(계산값)으로 나누어 상대침강체적(relative sediment volume, RSV) 을 구했다(원심분리법). 도공액을 알루미늄 접시에 올려서 열풍건조 시킨 후, 형성된 건조 케이크의 무게와 건조 케이크 표면에 마이크로 피펫을 사용하여 물을 떨어뜨려 케이크 표면의 광택이 없어지는 순간 공극 부분에 물이 완전하게 채워졌다고 판단하여 케이크의 중량으로부터 건조법4-5)에 의해 상대침강체적을 구했다.
- 도공액을 원심분리(11,000 rpm, 회전반경 100 mm, 1 hr) 시켜, 침강체적을 안료의 실질체적(계산값)으로 나누어 상대침강체적(relative sediment volume, RSV) 을 구했다(원심분리법). 도공액을 알루미늄 접시에 올려서 열풍건조 시킨 후, 형성된 건조 케이크의 무게와 건조 케이크 표면에 마이크로 피펫을 사용하여 물을 떨어뜨려 케이크 표면의 광택이 없어지는 순간 공극 부분에 물이 완전하게 채워졌다고 판단하여 케이크의 중량으로부터 건조법4-5)에 의해 상대침강체적을 구했다.
- 본 연구에서는 유기 및 무기안료의 배합률과 첨가량, 중공형 유기안료의 입자경, 내부 공극률 및 캘린더링 조건 등이 도공층의 표면 및 광학적 특성에 미치는 영향을 평가하였다. 또한 유기 및 무기안료의 배합 비율을 변화시키면서 도공액의 침강체적을 측정하여, 도 공액의 침강체적과 도공지의 물성과의 상관관계를 검토하였다.
- 백색도 및 불투명도는 Elrepho 3300, 평활도는 Smoothness tester(Bekk type), 백지광택은 Glossmeter 를 사용하여 측정하였다.
- 안료 100 part에 대해 SB라텍스 10 part, CMC 0.4 part를 배합하여 최종 고형분 농도를 50%로 하였다. 안료의 배합비는 실험 목적에 따라 다음과 같이 변화시켰다.
- 도공층의 주원료로 사용되는 무기안료는 판상 입자인 클레이와 구형에 가까운 탄산칼슘이 있으며 이들을 혼합해서 사용하는 경우가 많다. 여기서 먼저 무기안료로만 이루어진 도공층의 평활도가 이러한 2종류의 안료의 혼합비에 의해서 어떠한 영향을 받는지를 검토하였다. 그 결과, 클레이와 탄산칼슘의 비율이 7:3 일 때 평활도 및 상대침강체적이 최대값을 나타냈다(Fig.
- 원심분리법과 침강체적법을 사용하여 클레이와 탄산칼슘을 배합한 도공액에 유기안료를 첨가 했을 때 도 공층 구조에 어떠한 영향을 미치는지 검토하였다 (Table 3). 원심분리 방법으로 얻은 RSV 값에서 알 수 있듯이 클레이에 유기안료를 첨가 했을 때 4.
- 각 배합 조건으로 조제한 도공액을 원지에 편면 도공 후, 105 ℃에서 30 초간 열풍 건조하여 선압 150 kg/cm, 온도 70 ℃, 2 nip을 통과시켜 캘린더링을하였다. 유기 안료를 첨가할 때는 선압 120, 170, 220 kg/cm, 온도 40, 70, 120 ℃의 조건으로 캘린더링을 실시하였다.
대상 데이터
- 바인더는 음이 온성 SB라텍스(KSL-207,금호석유화학)를 사용하였고, 보수제로는 CMC(Finnfix 5, Metsa, Finland)를 사용하였다. 그 외에 분산제(WY-117, 정원화학), 윤활제(Nopcote C-104, Sannopco) 및 요소포름알데히드계내수화제(Insol-A, 세화산업)를 사용하였다.
- 의 시판되는 중성지를 사용하였다. 도공안료 중 무기안료로는 No.1클레이(Kaofine-90, Engelhard사, 미국)와 탄산칼슘(Hydrocarb-90K, Omya) 2종류, 유기안료로는 밀실형 유기안료(DPP 722, UPPC, 한국)와 입자경과 내부 공극률이 다른 3종류의 중공형 유기안료(HP-433, HP-91, HP-1055, Rohm and Haas, 미국)를 사용하였다(Table 1). 바인더는 음이 온성 SB라텍스(KSL-207,금호석유화학)를 사용하였고, 보수제로는 CMC(Finnfix 5, Metsa, Finland)를 사용하였다.
- 도공원지는 평량 46 g/m2의 시판되는 중성지를 사용하였다. 도공안료 중 무기안료로는 No.
- 1클레이(Kaofine-90, Engelhard사, 미국)와 탄산칼슘(Hydrocarb-90K, Omya) 2종류, 유기안료로는 밀실형 유기안료(DPP 722, UPPC, 한국)와 입자경과 내부 공극률이 다른 3종류의 중공형 유기안료(HP-433, HP-91, HP-1055, Rohm and Haas, 미국)를 사용하였다(Table 1). 바인더는 음이 온성 SB라텍스(KSL-207,금호석유화학)를 사용하였고, 보수제로는 CMC(Finnfix 5, Metsa, Finland)를 사용하였다. 그 외에 분산제(WY-117, 정원화학), 윤활제(Nopcote C-104, Sannopco) 및 요소포름알데히드계내수화제(Insol-A, 세화산업)를 사용하였다.
성능/효과
- Fig. 3에 도시된 바와 같이 2종류의 유기안료 가운데 중공형 유기안료의 효과가 약간 우수한 것으로 나타났다. 원래 중공형 유기안료는 광산란 능력이 크기 때문에 도공층의 불투명도를 향상시키는 효과가 기대 되었지만, 본 연구를 통하여 평활도와 광택을 향상시키기 위한 수단으로 밀실형 유기안료보다 유용하게 사용될 수 있다는 것을 알 수 있었다.
- 2~3은 유기안료의 첨가가 도공지의 광택과 평활도에 미치는 영향을 도시한 것이다. 광택과 평활도 모두 유기안료의 첨가에 의해 크게 향상되었는데 특히 중공 유기안료의 효과가 더 우수한 것으로 확인되었다. 이와 같이 유기안료의 배합을 통하여 광택이 개선될 수 있는 것은 유기안료가 캘린더링 하는 동안에 연화되어 도공층이 쉽게 변형되어 보다 우수한 표면 특성을 얻을 수 있기 때문이다.
- 여기서 먼저 무기안료로만 이루어진 도공층의 평활도가 이러한 2종류의 안료의 혼합비에 의해서 어떠한 영향을 받는지를 검토하였다. 그 결과, 클레이와 탄산칼슘의 비율이 7:3 일 때 평활도 및 상대침강체적이 최대값을 나타냈다(Fig. 1). 이와 같은 무기안료의 배합률은 도공지의 광택에 영향을 미치는 도공층 표면의 마이크로 크기의 거칠음 (micro roughness, 1 ㎛)을 개선시키는 것 보다는 도공지의 평활도에 영향을 미치는 매크로 크기의 표면구조 (macro roughness, 10-20 ㎛)를 개선하는데 유효하다고 생각된다.
- 불투명도는 캘린더링 온도가 40 ℃ 일 때 가장 양호하였고, 광택도는 120 ℃ 일 때 가장 높았지만 제품 물성의 균형 및 에너지 이용의 효율성 등을 고려하면 70 ℃ 전후가 좋을 것으로 판단된다. 또한 입자경 및 내부공극률이 증가하면 캘린더링 시 변형이 용이하게 되어 광택이 향상되기 때문에 더욱 온화한 캘린더링 조건에서도 도공층 표면의 평활도가 개선될 수 있었으며, 도공층 내부의 공극률 감소를 억제시켜 도공지의 품질향상이 가능하였다.
- 이상과 같은 원리를 이용하여 중공형 유기안료를 무기안료와 함께 사용함으로서 적은 도공량으로도 일정 수준 이상의 불투명도를 유지할 수 있었다. 또한 중공형 유기안료를 첨가한 경우, 무기안료 단독 또는 밀실형 유기안료 혼합사용 시보다 표면 평활성과 백지광택의 개선효과가 컸으며, 입자경 및 내부공극률이 증가하면 평활성과 광택이 증가하였다( Fig. 9). 또한 유기안료를 첨가하지 않은 경우, 15 g/m2 도공량에서 얻을 수 있는 광택도를 Type-3의 중공형 유기안료를 사용하면 약 7 g/m2의 도 공량에서 얻을 수 있어 도공지의 경량화에 유효할 것으로 판단된다(Fig.
- 중공형 유기안료를 사용하면 불투명도가 크게 향상되지는 않았지만 적은 도공량으로 일정한 불투명도를 유지할 수 있었다. 또한, 입자경 및 내부공극률이 증가하면 캘린더링 시 도공층이 용이하게 변형되어 광택이 향상되어 더욱 온화한 캘린더링조건으로도 도공층 표면의 평활도를 개선하는 것이 가능하였으며, 도공층내의 공극률 감소를 억제시켜 도공지의 품질향상을 가능하게 하였다.
- 유기안료를 혼합한 경우 클레이와 탄산칼슘의 비율이 7/3 일 때 평활도가 가장 높게 나타났고, 상대침강체적도 이때 최대였다. 안료의 혼합률에 따른 체적의 변화를 계산한 결과, 클레이와 탄산칼슘에 유기안료를 첨가한 경우와 그렇지 않은 경우 체적의 변화에는 그다지 큰 차이가 없었지만, 실험 결과로는 클레이 보다 탄산칼슘에 유기안료를 첨가한 쪽이 광택의 개량이 양호하였고, 평활성은 큰 차이를 보였다. 이것은 유기안료의 열가소성 이외에 형성된 도공층의 적층구조가 다르기 때문에 나타난 결과라고 생각된다.
- 3에 도시된 바와 같이 2종류의 유기안료 가운데 중공형 유기안료의 효과가 약간 우수한 것으로 나타났다. 원래 중공형 유기안료는 광산란 능력이 크기 때문에 도공층의 불투명도를 향상시키는 효과가 기대 되었지만, 본 연구를 통하여 평활도와 광택을 향상시키기 위한 수단으로 밀실형 유기안료보다 유용하게 사용될 수 있다는 것을 알 수 있었다. 이것은 동일한 캘린더링 조건에서도 중공형 입자가 변형되기 쉽고, 도공층을 유동화 시키기 쉽기 때문이라고 사료된다.
- 원심분리법과 침강체적법을 사용하여 클레이와 탄산칼슘을 배합한 도공액에 유기안료를 첨가 했을 때 도 공층 구조에 어떠한 영향을 미치는지 검토하였다 (Table 3). 원심분리 방법으로 얻은 RSV 값에서 알 수 있듯이 클레이에 유기안료를 첨가 했을 때 4.3 %의 공극율의 감소를 나타냈는데, 탄산칼슘은 1.1 %만 감소하였고, 클레이에 비해 상대적으로 작은 것을 알 수 있다.
- 이와 같이 건조 케이크 법이 적용될 경우 인위적인 힘이 훨씬 적게 가해지고, 실제 도공층의 부동화 및 건조와 유사한 조건이 적용됨으로써 원심분리법으로 얻은 결과보다 실제의 도공층에 가까운 구조가 얻어질 수 있다고 생각된다. 이 결과로 부터도 무기 및 유기안료를 90/10의 비율로 배합한 경우, 클레이를 배합한 건조 케이크는 공극률이 15%인 반면에 탄산칼슘은 3.3%를 나타내 공극률의 변화가 적은 것을 알 수 있다(Table 3). 즉 원심분리법, 건조 케이크 법 둘 다 탄산칼슘에 유기안료를 첨가 했을 때 공극율의 변화에 미치는 영향이 미미한 반면, 클레이의 경우 첨가한 유기안료가 클레이에 의해 형성된 공극을 채워줌으로써 유기안료 첨가에 의해 공극률이 상대적으로 크게 감소되는 결과를 가져온 것으로 사료된다.
- 9% 증가하였다. 이것에 비해 탄산칼슘에 유기안료를 배합한 안료의 체적은 0.593 cm3/g에서 0.605 cm3/g으로 약 14% 증가하여 어떤 안료를 사용하는가에 따라 체적 변화율이 달라질 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한 이러한 체적의 변화에 의하여 얻어지는 도공 층의 두께는 도공지의 표면특성(평활도)과도 밀접한 상관관계가 있는 것으로 보고된 바 있다.
- 이와 같이 중공안료를 첨가하면 폴리머 층과 공기층의 계면에서 반사광과 굴절광에 의한 광산란 능력이 커지기 때문에 불투명도가 개선된다. 이상과 같은 원리를 이용하여 중공형 유기안료를 무기안료와 함께 사용함으로서 적은 도공량으로도 일정 수준 이상의 불투명도를 유지할 수 있었다. 또한 중공형 유기안료를 첨가한 경우, 무기안료 단독 또는 밀실형 유기안료 혼합사용 시보다 표면 평활성과 백지광택의 개선효과가 컸으며, 입자경 및 내부공극률이 증가하면 평활성과 광택이 증가하였다( Fig.
- 중공형 유기안료를 사용하면 불투명도가 크게 향상되지는 않았지만 적은 도공량으로 일정한 불투명도를 유지할 수 있었다. 또한, 입자경 및 내부공극률이 증가하면 캘린더링 시 도공층이 용이하게 변형되어 광택이 향상되어 더욱 온화한 캘린더링조건으로도 도공층 표면의 평활도를 개선하는 것이 가능하였으며, 도공층내의 공극률 감소를 억제시켜 도공지의 품질향상을 가능하게 하였다.
- 4에 무기 및 유기안료의 혼합방법이 도공층의 두께와 평활도 변화에 미치는 영향을 도시하였다. 클레이와 탄산칼슘에 유기안료를 첨가 했을 때와 그렇지 않을 때 체적 증가율에는 큰 차이가 없었지만 평활도는 큰 차이를 보였다. 이것은 유기안료의 열가소성에 의해 도공층의 표면구조가 쉽게 변형되어 캘린더링 효과가 크게 나타난 것과 클레이와 탄산칼슘을 배합하여 도공층이 형성될 때 안료의 적층구조가 다르게 나타난 때문이라고 사료된다.
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