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문제 정의
- 본 연구에서는 하이벌크지 제조를 위한 기초연구로 고해 공정 및 펄프가 물에 침적되어 있는 수침 상태에서 섬유의 팽윤성이 어떻게 변화하고, 종이의 벌크 및 강도적 특성에 어떠한 영향을 미치는지를 평가하고자 하였다. 또한 고해 중 발생하는 미세분의 영향도 탐색되어졌다.
- 펄프 섬유의 WRV를 측정하여 섬유의 팽윤정도를 평가하고자 하였다. 일정 시간 동안 물에 침적 후 채취한 샘플을 사용하여 TAPPI UM 256에 의거하여 WRV를 측정하였다.
- 하이벌크지 제조를 위한 기초연구로 고해 및 수침 상태가 섬유의 팽윤성과 종이의 벌크 및 강도적 특성에 미치는 영향을 평가하였다. 고해도가 증가함에 따라 섬유의 팽윤성 및 종이물성은 증가하였고, 벌크는 감소하였다.
제안 방법
- RDA(retention and drainage analyzer)를 사용하여 평량 80 g/m2으로 수초지를 제조하였다. 제조된 종이를 온도 23±1℃, 상대습도 50±2%의 항온항습실에서 24시간 조습처리 한 후 물성을 측정하였다.
- 고해 시 발생하는 미세분의 영향을 평가하기 위해서 200 mesh 금망을 사용하여 지료 내의 미세분을 제거하였다.
- 침엽수 표백 크라프트 펄프(NBKP)와 활엽수 표백 크라프트 펄프(LBKP)를 각각 400 mL CSF와 300 mL CSF 까지 고해하고 섬유의 팽윤정도를 water retention value (WRV)를 측정하여 평가하였다. 또한 200 mesh 금망을 사용하여 미세분을 제거하고, 미세분의 영향을 평가하였다.
- 또한 물에서의 침적시간이 펄프 섬유의 팽윤에 미치는 영향을 평가하기 위하여, 표준해리기에서 해리하고 Valley beater에서 하중을 가하지 않고 pre-beating 후, 그리고 각 여수도별도 고해 후에 일정양의 지료를 채취하고, 이 지료들을 실온에서 1, 5, 24시간 동안 물에 침적된 채로 방치시킨 후, WRV (water retention value)를 측정하고 수초지를 제조하였다.
- 해리된 펄프를 실험실용 비터 (Valley beater)로 옮기고 농도를 1%로 조절 후, 지렛대에 하중을 걸지 않고 10분간 공회전 시켜 펄프를 균일하게 분산시켰다. 베드플레이트의 지렛대에 하중 (54 N)을 가하여 고해를 행하고, 캐나다 표준 여수도 (mL CSF)를 측정하고 온도와 농도를 보정하여 고해도를 평가하였다. LBKP의 경우 여수도가 500 mL (고해시간 12분), 400 mL (총 고해시간 30분), 300 mL CSF (총 고해시간 56분)가 되도록 고해하였다.
- 분양받은 판상 형태의 펄프를 실험실용 표준 해리기 (Pulp disintegrator, L&W)에 넣고, 증류수를 사용하여 1.5% 농도로 조절 후 3000 rpm에서 30,000회 회전시켜 해리시켰다.
- 공시재료로는 H사에서 분양받은 활엽수 표백 크라프트펄프 (LBKP, RIAU, Indonesia)와 침엽수 표백 크라프트펄프 (NBKP, PACIFICO, Canada)를 사용하였으며, 펄프의 특성은 Table 1과 같다. 섬유장 및 섬유폭, 조도 (coarseness), 컬 (average curl)은 MorFi Fiber Analyzer (TechPap, France)를 사용하여 분석하였고, 섬유벽 두께 분석은 MorFi WT (TechPaP, France)를 사용하였다.
- 펄프 섬유의 WRV를 측정하여 섬유의 팽윤정도를 평가하고자 하였다. 일정 시간 동안 물에 침적 후 채취한 샘플을 사용하여 TAPPI UM 256에 의거하여 WRV를 측정하였다. 지료 샘플을 채취 후, 전건 평량 1400g/m2정도의 지료를 filtering crucible를 사용하여 진공 탈수시켰다.
- 제조된 종이를 온도 23±1℃, 상대습도 50±2%의 항온항습실에서 24시간 조습처리 한 후 물성을 측정하였다.
- 일정 시간 동안 물에 침적 후 채취한 샘플을 사용하여 TAPPI UM 256에 의거하여 WRV를 측정하였다. 지료 샘플을 채취 후, 전건 평량 1400g/m2정도의 지료를 filtering crucible를 사용하여 진공 탈수시켰다. 탈수 후 펄프 케익이 형성된 filtering crucible을 원심분리기에 넣고 21±3℃에서 900 G로 30분간 원심 분리 후 펄프의 무게(W1)를 측정하고, 105℃에서 건조 시켜 펄프 섬유의 전건무게(W2)를 측정하고 Eq.
- 침엽수 표백 크라프트 펄프(NBKP)와 활엽수 표백 크라프트 펄프(LBKP)를 각각 400 mL CSF와 300 mL CSF 까지 고해하고 섬유의 팽윤정도를 water retention value (WRV)를 측정하여 평가하였다. 또한 200 mesh 금망을 사용하여 미세분을 제거하고, 미세분의 영향을 평가하였다.
- 5% 농도로 조절 후 3000 rpm에서 30,000회 회전시켜 해리시켰다. 해리된 펄프를 실험실용 비터 (Valley beater)로 옮기고 농도를 1%로 조절 후, 지렛대에 하중을 걸지 않고 10분간 공회전 시켜 펄프를 균일하게 분산시켰다. 베드플레이트의 지렛대에 하중 (54 N)을 가하여 고해를 행하고, 캐나다 표준 여수도 (mL CSF)를 측정하고 온도와 농도를 보정하여 고해도를 평가하였다.
대상 데이터
- 공시재료로는 H사에서 분양받은 활엽수 표백 크라프트펄프 (LBKP, RIAU, Indonesia)와 침엽수 표백 크라프트펄프 (NBKP, PACIFICO, Canada)를 사용하였으며, 펄프의 특성은 Table 1과 같다. 섬유장 및 섬유폭, 조도 (coarseness), 컬 (average curl)은 MorFi Fiber Analyzer (TechPap, France)를 사용하여 분석하였고, 섬유벽 두께 분석은 MorFi WT (TechPaP, France)를 사용하였다.
이론/모형
- TAPPI Standard Method에 따라 평량, 두께, 인장강도 (L&W tensile tester, Sweden)와 내절도(MIT folding tester, Tinius Olsen)를 측정하였다.
성능/효과
- 19) Rusu 등은 내부소섬유화가 많이 발생할수록 섬유의 bendability가 증가된다고 보고하였다.20) 섬유의 유연성이 증가될수록 섬유 간 결합도 증가하게 되고, 종이 제조 과정 중에 좀 더 치밀한 시트 구조를 형성하게 되고, 결과적으로 종이 벌크는 감소하게 된다. 종이의 벌크는 섬유의 수화된 정도 (WRV 값)과 거의 직선적인 관계가 있는 것으로 나타났다 (Fig.
- 2-6) 벌크 향상제는 각 분자에 친수성과 소수성기를 가지는 구조를 가지고, 계면활성제와 같이 작용한다고 보고되었다.7) 최적의 벌크 향상제가 사용되면, 종이의 벌크를 효과적으로 향상시킬 수 있는데, 이는 친수성 펄프 섬유가 소수성인 벌크 향상제 분자들에 의해서 부분적으로 도포되어 섬유 간 결합이 부분적으로 방해를 받게 되기 때문이다.7-12) 또한 종이의 벌크특성은 원료 펄프의 고해조건, 지료특성과 압착탈수 조건, 캘린더링 조건 등 초지 조건에 의해서 영향을 받는다고 보고되었다.
- 하이벌크지 제조를 위한 기초연구로 고해 및 수침 상태가 섬유의 팽윤성과 종이의 벌크 및 강도적 특성에 미치는 영향을 평가하였다. 고해도가 증가함에 따라 섬유의 팽윤성 및 종이물성은 증가하였고, 벌크는 감소하였다. 이 특성들은 고해 초기에 급격하게 변화하고 이후에 둔화되는 경향을 나타내었다.
- 이 결과는 활엽수 펄프가 침엽수 펄프보다 종이의 벌크 향상 측면에서는 더 유리하다는 것을 보여주고, 일반적으로 제지 공장에서 벌크를 향상하기 위해서 활엽수 펄프를 사용한다는 사실과도 일치한다. 고해를 하지 않은 경우에, 미세분을 제거한 지료로 제조한 종이의 벌크가 미세분이 포함된 지료로 제조한 종이의 벌크보다 조금 높았다 (Fig. 2): 침엽수 펄프의 경우 0.1 높았고, 활엽수 펄프의 경우 0.07 높게 나타났다. 그러나 고해가 진행 됨에 따라 두 지료로 제조한 종이 사이에 벌크의 뚜렷한 차이가 나타나지 않았다.
- 3). 동일 여수도에서 비교하면 활엽수 펄프가 높은 벌크 값을 나타내었고, 동일 WRV에서 비교하여도 활엽수 펄프가 높은 벌크를 나타내었다 (Figs. 2와 3). 이는 연구에 사용된 활엽수 펄프의 섬유벽이 침엽수 펄프의 섬유벽보다 두꺼웠기 때문으로 사료된다.
- 이는 고해 초기에 섬유의 수화가 급격히 발생하고 이후에 둔화된다는 것을 의미한다. 또한 미세분의 존재는 WRV 측정값에 영향을 미치는 것이 관찰되었다. 미세분이 존재하면 미세분을 제거한 섬유보다 WRV 값이 높게 나타났다.
- 이는 물에서의 침적이 펄프 섬유의 팽윤에 거의 영향을 못 미쳤기 때문으로 사료된다. 섬유의 팽윤 정도에 변화가 없었고, 결과적으로 섬유의 유연성과 종이의 밀도에도 뚜렷하게 영향을 미치지 못한 것으로 사료된다. 이는 섬유 간 결합면적에도 영향을 거의 영향을 미치지 않기 때문에 수침시간이 길어져도 인장강도에는 큰 영향이 없었다 (Fig.
- 미세분을 함유한 지료가 미세분을 제거한 지료보다 높은 인장강도를 나타내어 미세분이 섬유간 결합에 영향하고 있음을 보여준다. 섬유장이 상대적으로 긴 침엽수 펄프가 활엽수 펄프보다 우수한 인장강도를 나타내었다. 그러나 동일 벌크 상에서 비교한 경우에 침엽수 펄프와 활엽수 펄프는 거의 유사한 인장강도를 나타내었다 (Fig.
- 이는 친수성인 미세분이 물을 보유하기 때문에 영향을 미치는 것으로 사료된다. 이 결과는 WRV 측정값이 섬유벽의 팽윤뿐만 아니라 섬유의 외부소섬유화나 미세분 존재에 의해서도 영향을 받을 수 있음을 보여준다. 침엽수 펄프는 활엽수 펄프보다 동일 여수도에서 높은 WRV 값을 나타내었다.
- 이는 연구에 사용된 활엽수 펄프의 섬유벽이 침엽수 펄프의 섬유벽보다 두꺼웠기 때문으로 사료된다. 이 결과는 활엽수 펄프가 침엽수 펄프보다 종이의 벌크 향상 측면에서는 더 유리하다는 것을 보여주고, 일반적으로 제지 공장에서 벌크를 향상하기 위해서 활엽수 펄프를 사용한다는 사실과도 일치한다. 고해를 하지 않은 경우에, 미세분을 제거한 지료로 제조한 종이의 벌크가 미세분이 포함된 지료로 제조한 종이의 벌크보다 조금 높았다 (Fig.
- 20) 섬유의 유연성이 증가될수록 섬유 간 결합도 증가하게 되고, 종이 제조 과정 중에 좀 더 치밀한 시트 구조를 형성하게 되고, 결과적으로 종이 벌크는 감소하게 된다. 종이의 벌크는 섬유의 수화된 정도 (WRV 값)과 거의 직선적인 관계가 있는 것으로 나타났다 (Fig. 3). 동일 여수도에서 비교하면 활엽수 펄프가 높은 벌크 값을 나타내었고, 동일 WRV에서 비교하여도 활엽수 펄프가 높은 벌크를 나타내었다 (Figs.
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