[논문]표면사이징용 전분의 점도 특성이 라이너지의 표면사이징 효과에 미치는 영향

정영빈; 이학래; 윤혜정; 정광호; 류훈

doi:10.7584/ktappi.2012.44.5.054

문제 정의

본 연구에서는 국내 산업용지를 대상으로 표면사이징을 통한 강도향상과 에너지 절감에 대한 요구를 동시에 달성하기 위한 방안을 모색하기 위해서 고형분 상승이 가능한 저점도 산화전분의 표면사이징 적용 특성을 검토하였다. 또한 고형분 함량이 증가된 표면사이징 기술을 적용할 때 발생하는 전분 호액의 침투 형태 및 종이 물성에 미치는 영향을 알아보고자 하였다.
본 연구에서는 국내 산업용지를 대상으로 표면사이징을 통한 강도향상과 에너지 절감에 대한 요구를 동시에 달성하기 위한 방안을 모색하기 위해서 고형분 상승이 가능한 저점도 산화전분의 표면사이징 적용 특성을 검토하였다. 또한 고형분 함량이 증가된 표면사이징 기술을 적용할 때 발생하는 전분 호액의 침투 형태 및 종이 물성에 미치는 영향을 알아보고자 하였다.
하지만 표면사이즈액의 농도가 증가함에 따라 점도도 함께 증가하게 되어 도피량이 고르지 못하게 되거나 사이즈프레스 롤에서의 표면사이즈액 필름 분리가 불량해지는 등의 문제가 발생하게 되므로 표면사이즈액으로 사용하는 전분은 각종 변성 처리를 통하여 이를 보완하기 위한 기능성을 부여하는 것이 일반적이다. 본 연구에서는 라이너지 지종을 대상으로 하여 고형분 상승을 위한 표면사이징용 저점도 전분의 활용효과를 검토하였다. 전분 호액의 고형분 함량이 증가함에 따라 건조에너지 요구량이 저하되는 것을 실험적으로 증명하고 기존에 표면 사이즈액으로 적용되던 산화전분과 비교하여 표면사이징용 저점도 전분을 적용하는 조건에서의 지필 강도 변화와 지필 내 호액의 침투 정도 차이를 분석하였다.
원지 중앙에서 6 cm × 6 cm 크기로 시료를 절단한 후 내열성 점착제가 도포된 알루미늄 플레이트 위에 부착시켜 건조도 변화 측정시편으로 사용하였다. 시편을 알루미늄 플레이트에 부착시킨 이유는 시편이 함수율 측정기 내에서 건조될 때 한 면에만 물이 도포되어 발생하는 컬에 의하여 수분 증발이 국부적으로 불균일해지는 것을 방지하기 위해서였다. 또 절단된 시편을 원지 사이에 다시 위치시키고 표면사이징 처리를 할 때 원지와 시편 간 높이 차로 인하여 표면 사이즈제 도포량 오차가 발생하는 것을 최소화하기 위해 최대한 얇은 두께의 플레이트를 사용하였다.

제안 방법

2개 롤이 있는 사이즈프레스 형태의 실험용 표면사이징 기기를 이용하여 공정상에서의 표면사이징 공정을 모사하였다 (Fig. 1). 실험실용 로드 코터로 표면사이징을 실시하면 고형분 함량에 따른 건조에너지 변화를 파악하기에는 용이한 장점이 있지만, 라이너 원지의 물성개선 효과를 연구의 목적으로 할 경우에는 실제 사이즈프레스 공정에서와 유사하게 사이즈액의 침투가 발생되는 연구방법을 활용하는 것이 유리하기에 압력이 가해질 수 있는 방법을 활용하였다.
의 표면사이징용 원지를 사용하였다. 건조 시 발생하는 원지의 컬을 억제하는 것이 균일한 건조를 달성하기 위해서 매우 중요하였기 때문에 휨강성이 낮은 원지로 실험을 진행하였다. 물성 평가를 위한 원지는 OCC로 구성된 평량 180 g/m²의 라이너원지를 사용하였다.
전분과 요오드 용액간 반응을 이용한 광학현미경 분석⁶⁾ 외에도 형광 염료인 아크리딘 오렌지(acridine orange) 용액을 첨가한 사이즈액으로 표면사이징을 실시한 후 CLSM을 이용한 분석,⁵⁾특정 화합물이 포함된 사이즈제를 사용하여 FT-IR로 침투 거동을 평가⁷⁾하는 등의 연구가 발표된 바 있다. 본 연구에서 표면사이징으로 인한 강도 증가 기작을 평가하기 위하여 형광 염료가 포함된 표면사이즈액으로 표면사이징한 종이의 단면을 CLSM (Confocal Laser Scanning Microscope)으로 촬영한 후 이미지 분석하여 실험조건에 따른 침투도 차이를 평가하였다. CLSM은 칼 자이스(Carl Zeiss)사의 LSM510 모델을 사용하였다.
사이즈제의 픽업량은 3.0 ± 0.5 g/m2으로 설정하여 편면 사이징을 실시하였다.
1). 실험실용 로드 코터로 표면사이징을 실시하면 고형분 함량에 따른 건조에너지 변화를 파악하기에는 용이한 장점이 있지만, 라이너 원지의 물성개선 효과를 연구의 목적으로 할 경우에는 실제 사이즈프레스 공정에서와 유사하게 사이즈액의 침투가 발생되는 연구방법을 활용하는 것이 유리하기에 압력이 가해질 수 있는 방법을 활용하였다. 사이징 방식은 폰드 사이즈프레스의 방식을 기초로 하였으며, 샘플 표면에 전분 호액을 묻힌 후 자동으로 돌아가는 두 롤 사이를 통과시켜 표면사이징을 실시하였다.
실험적으로 지필의 건조도 변화와 수분 증발량을 구하는데 중점을 두었다. 원지 중앙에서 6 cm × 6 cm 크기로 시료를 절단한 후 내열성 점착제가 도포된 알루미늄 플레이트 위에 부착시켜 건조도 변화 측정시편으로 사용하였다.
알루미늄 플레이트 위에 고정된 시편을 원지에서 잘라내었던 위치에 다시 끼워넣은 뒤 실험용 rod 코터를 이용하여 표면사이징한 다음 빠르게 샘플을 빼내어 함수율 측정기에 넣고 5초 단위로 무게 변화를 측정하였다. 표면사이징은 단면 3 g/m² 수준으로 실시하였고 건조 온도는 110℃로 설정하였다.
원지 중앙에서 6 cm × 6 cm 크기로 시료를 절단한 후 내열성 점착제가 도포된 알루미늄 플레이트 위에 부착시켜 건조도 변화 측정시편으로 사용하였다.
1% 투입하여 표면사이징을 실시하였다. 이 다음 항온항습 처리 후 두께 방향의 단면을 CLSM으로 촬영하여 이미지를 얻었다. 얻어진 이미지를 이치(binary)영상으로 변환하고 문턱값(threshold)을 70으로 일정하게 조절한 후 픽셀 면적을 계산하여 이미지 배율에 따른 실제 길이로 나누어 줌으로써 호액의 침투 깊이로 추정되는 값을 얻을 수 있었다.
어떤 기술이 에너지 절감에 긍정적인 효과가 있는지 여부는 현장적용 단계 이전인 기술개발 단계에서 평가할 필요가 있다. 이를 위해 저점도전분의 사용에 따른 에너지절감 가능성을 실험적으로 평가하기 위해 표면사이징 조건에 따른 건조에너지 소요량을 평가하였다.
본 연구에서는 라이너지 지종을 대상으로 하여 고형분 상승을 위한 표면사이징용 저점도 전분의 활용효과를 검토하였다. 전분 호액의 고형분 함량이 증가함에 따라 건조에너지 요구량이 저하되는 것을 실험적으로 증명하고 기존에 표면 사이즈액으로 적용되던 산화전분과 비교하여 표면사이징용 저점도 전분을 적용하는 조건에서의 지필 강도 변화와 지필 내 호액의 침투 정도 차이를 분석하였다. 새로운 저점도 전분은 표면사이징에 이용될 경우 인장 강도, 휨강성 등의 물성이 향상되는 결과를 보였고, CLSM을 이용한 지필 내 침투 깊이를 분석한 결과 상대적으로 침투가 깊게 일어남으로써 강도 향상 기작이 발생함을 확인하였다.
표면사이즈액으로 사용한 전분 호액에 아크리딘 오렌지(acridine orange) 용액을 총량 대비 0.1% 투입하여 표면사이징을 실시하였다. 이 다음 항온항습 처리 후 두께 방향의 단면을 CLSM으로 촬영하여 이미지를 얻었다.
5 g/m²으로 설정하여 편면 사이징을 실시하였다. 표면사이징 후 105℃ 온도 조건으로 1분 간 열풍 건조를 실시하였으며, 표면사이징된 샘플은 23℃, 50%RH 조건에서 12시간 동안 항온항습 처리한 후 인장강도, 휨강성, 파열강도를 측정하였다.
2는 전분 도포량이 3 g/m²이라고 가정할 때 이론적으로 계산된 수분 증발량 변화를 전분 호액 농도별로 나타낸 그래프이다. 함수율 측정기에서 증발되는 수분 증발량 변화를 측정하고 이를 픽업량 3 g/m²을 도포하였을 시 증발되는 수분량으로 변환하여 도시하였다. 초기에는 예열 단계를 거쳐 표면에 있는 물이 건조에너지를 받으면서 급속하게 증발한다.

대상 데이터

본 연구에서 표면사이징으로 인한 강도 증가 기작을 평가하기 위하여 형광 염료가 포함된 표면사이즈액으로 표면사이징한 종이의 단면을 CLSM (Confocal Laser Scanning Microscope)으로 촬영한 후 이미지 분석하여 실험조건에 따른 침투도 차이를 평가하였다. CLSM은 칼 자이스(Carl Zeiss)사의 LSM510 모델을 사용하였다.
건조에너지 측정 실험에서는 BKP 펄프로 제조된 평량 86 g/mm²의 표면사이징용 원지를 사용하였다. 건조 시 발생하는 원지의 컬을 억제하는 것이 균일한 건조를 달성하기 위해서 매우 중요하였기 때문에 휨강성이 낮은 원지로 실험을 진행하였다.
라이너원지는 3층으로 초지되었으며 두께는 248 ± 8 μm였다.
건조 시 발생하는 원지의 컬을 억제하는 것이 균일한 건조를 달성하기 위해서 매우 중요하였기 때문에 휨강성이 낮은 원지로 실험을 진행하였다. 물성 평가를 위한 원지는 OCC로 구성된 평량 180 g/m²의 라이너원지를 사용하였다. 라이너원지는 3층으로 초지되었으며 두께는 248 ± 8 μm였다.
사용된 플레이트의 두께는 50 μm로 측정되었다.
표면사이즈제로 사용된 전분 호액은 항온 수조에서 50℃ 온도가 유지되도록 하여 사용하였다. 사이즈제의 픽업량은 3.
표면사이즈제로 옥수수 전분으로 제조된 2종의 산화전분을 사용하였다. 이 가운데 한 종류는 현재 사용되고 있는 기존 제품이며, 다른 하나는 고농도 조건에서 점도가 낮도록 개발된 저점도전분 이었다.

이론/모형

실험실용 로드 코터로 표면사이징을 실시하면 고형분 함량에 따른 건조에너지 변화를 파악하기에는 용이한 장점이 있지만, 라이너 원지의 물성개선 효과를 연구의 목적으로 할 경우에는 실제 사이즈프레스 공정에서와 유사하게 사이즈액의 침투가 발생되는 연구방법을 활용하는 것이 유리하기에 압력이 가해질 수 있는 방법을 활용하였다. 사이징 방식은 폰드 사이즈프레스의 방식을 기초로 하였으며, 샘플 표면에 전분 호액을 묻힌 후 자동으로 돌아가는 두 롤 사이를 통과시켜 표면사이징을 실시하였다. 두 롤의 간격을 조절하여 종이에 압력을 가함으로써 표면사이징 시 사이즈액이 종이 내부로 침투할 수 있는 조건을 부여하였다.
종이의 인장강도, 휨강성, 파열강도를 TAPPI test method T404 cm-92, T489 om-99, T403 om-97에 의거하여 측정하였다.

성능/효과

10에 겉보기 침투로 나타내었다. 고형분 함량이 낮을 때 호액의 점도가 낮으므로 지필에 대한 흡수성이 좋고, 그로 인하여 지필 내 침투 깊이가 크게 나타났다. 또한 점도가 낮은 저점도전분으로 표면사이징한 경우가 기존전분으로 표면사이징한 조건에 비하여 전반적으로 깊게 침투한 것으로 나타났다.
또 이에 따라 종이 물성도 영향을 받게 될 것이 자명하다. 물성 측정 결과 저점도전분을 사용한 경우의 강도 특성이 기존전분 사용 조건보다 향상된 결과를 보였다. 두 전분 모두 산화전분임을 감안할 때 강도 향상 기작은 지필 내 전분 호액이 침투된 깊이일 것이라 추측하여 CLSM을 통한 호액의 침투 깊이를 평가하였다 Fig.
전분 호액의 고형분 함량이 증가함에 따라 건조에너지 요구량이 저하되는 것을 실험적으로 증명하고 기존에 표면 사이즈액으로 적용되던 산화전분과 비교하여 표면사이징용 저점도 전분을 적용하는 조건에서의 지필 강도 변화와 지필 내 호액의 침투 정도 차이를 분석하였다. 새로운 저점도 전분은 표면사이징에 이용될 경우 인장 강도, 휨강성 등의 물성이 향상되는 결과를 보였고, CLSM을 이용한 지필 내 침투 깊이를 분석한 결과 상대적으로 침투가 깊게 일어남으로써 강도 향상 기작이 발생함을 확인하였다.
이 다음 항온항습 처리 후 두께 방향의 단면을 CLSM으로 촬영하여 이미지를 얻었다. 얻어진 이미지를 이치(binary)영상으로 변환하고 문턱값(threshold)을 70으로 일정하게 조절한 후 픽셀 면적을 계산하여 이미지 배율에 따른 실제 길이로 나누어 줌으로써 호액의 침투 깊이로 추정되는 값을 얻을 수 있었다. 다만 이미지 분석 과정에서 문턱값 설정 등의 변수에 따라 얻어지는 값에서 차이가 심하고 전분 침투 또한 구역에 따른 편차가 심하기 때문에 실험을 통하여 얻어진 침투 깊이를 절대적인 값으로 보기 어렵다는 점을 감안하여 실험 조건에 따른 상대적인 비교만을 하고자 하였으며, 계산된 값은 겉보기 침투(apparent penetration depth)라 정의하였다.
두 전분 호액의 고형분 함량에 따른 점도를 Brookfield 점도계로 측정하여 Table 1에 나타내었다. 여기에서 보는 것과 같이 고형분 함량 10% 조건에서는 기존전분의 점도가 2.1 cPs 낮았으나 고형분 함량이 증가됨에 따라 저점 도전분의 점도 상승폭이 기존전분에 비하여 낮아서 14% 조건에서는 저점도전분의 점도가 5.9 cPs 낮게 나타났다.
3(b)에 나타내었다. 여기에서 보는 것과 같이 전분호액의 고형분이 증가할수록 전분 호액에 함유된 수분의 증발에 필요한 시간이 크게 감소하였다. 표면사이즈제의 고형분 함량을 증가시킴으로써 에너지 저감 측면뿐만 아니라 공정의 조업성 측면에서도 상당한 이점을 기대할 수 있음을 알 수 있다.
원지의 함수율은 동일하므로 증발된 수분량의 차이는 표면사이징된 전분 호액의 고형분 농도에 기인한다. 이론값에서는 고형분 농도 14%인 조건이 10%인 조건에 비하여 31.8% 낮은 수분 증발량을 보였으나 실측된 값은 18%의 차이를 보였다. 이는 시편을 함수율 측정기로 이동하는 동안 증발된 수분량이 반영되지 못하였기 때문이다.
휨강성 측정 결과 호액의 고형분 함량이 10%와 12%인 경우에는 차이를 나타내지 않았으나 고형분이 14%로 증가한 경우에는 저점도 전분을 사용한 경우가 휨강성 증가가 뚜렷하였으며, 기존 전분의 경우에는 오히려 감소하였다. 표면사이징 공정에서 지필의 휨강성을 증가시키는데 있어서 호액의 침투보다는 표면 잔류 쪽이 우세하다고 알려져 있다.

후속연구

파열강도는 한 면에서 압력을 주어 파괴될 때까지의 힘을 측정하는 것이므로 양면으로 표면사이징을 시행한 조건에서 보다 경향성 있는 결과를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 실험실 규모의 실험 환경 측면에서 보다 적합하고 효율적으로 결과를 얻을 수 있는 단면 표면사이징 방식으로 실험을 진행하였기에 일관된 경향을 가지는 파열강도 결과를 얻지는 못하였다. 하지만 전분의 고형분 함량이 증가할수록 저점도전분을 사용하였을때 파열강도가 향상되었다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	표면사이징 기술의 사용 목적은 무엇인가?	표면사이징 기술은 전분 등을 건조된 지필에 도피함으로써 종이의 강도를 향상시키고 표면특성 및 인쇄적성을 향상시키기 위해 사용되고 있다. 표면사이징은 표면사이즈제로 투입되는 약품의 거의 대부분을 지필에 잔류시킬 수 있어 원료의 활용 효율이 높고 용수 오염에 대한 우려가 적은 장점이 있으므로 현대 제지 공정에서 매우 중요한 부분을 차지하고 있다.
	전분 호액의 고형분 함량이 증가할 수록 어떠한 현상이 발생하는가?	하지만 전분 호액의 고형분 함량이 증가할수록 점도 또한 상승하게 되어 종이 표면에 고르게 도포하기가 어렵고, 픽업량 및 표면 잔류 정도에 대한 공정 컨트롤이 난해해지는 측면이 있다. Remmer 등2)은 전분 호액의 점도가 지필에 대한 침투 정도에 중요한 영향을 미치는 인자라고 보고한 바 있으며, Felder 등3)은 표면사이징에 사용한 전분의 변성방법간 실험 결과를 비교하였으며, 사이징 시 전분 호액의 고형분 함량과 도포된 필름 두께에 따라 지필의 강도 차이가 나타난다고 하였다.
	전분호액의 농도에 따른 노화특성의 단점을 극복하기 위한 방안은 무엇인가?	전분호액의 노화 또한 호액의 농도가 높을수록 더욱 빠르게 발생한다. 이러한 단점을 극복하기 위해서 표면사이즈용 전분은 산화처리, 효소처리 등을 거친 변성 전분을 사용하고 있으며, 호액의 고형분 함량을 올리고 안정성을 부여하기 위한 연구가 이루어져 왔다. Lipponen 등4)은 MSP 방식의 표면사이징 연구에서 산화전분의 고형분 함량을 18%까지 증가시켜 적용한 결과를 발표하였다.

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