[논문]PVOH와 polyDADMAC 첨가에 의한 산화전분의 표면사이징 효과 변화

서동일; 정영빈; 정광호; 이학래; 윤혜정

doi:10.7584/ktappi.2013.45.4.001

PVOH와 polyDADMAC 첨가에 의한 산화전분의 표면사이징 효과 변화
Effect of PVOH or polyDADMAC Addition on Surface Sizing with Oxidized Starch 원문보기

펄프 종이기술 = Journal of Korea TAPPI, v.45 no.4 = no.153, 2013년, pp.1 - 8

서동일 (서울대학교 농업생명과학대학 산림과학부) , 정영빈 (서울대학교 농업생명과학대학 산림과학부) , 정광호 (서울대학교 농업생명과학대학 산림과학부) , 이학래 (서울대학교 농업생명과학대학 산림과학부) , 윤혜정 (서울대학교 농업생명과학대학 산림과학부)

Abstract ▼ AI-Helper

High loading of printing and writing grades with fillers has many advantageous aspects in papermaking because it allows decreasing fiber use and reducing manufacturing cost. High loading technology, however, has some disadvantageous aspects as well. It decreases physical properties of papers, especially strength properties. The problem associated with high loading can be reduced by applying surface sizing starch solution onto paper surface. It is important to control the penetration of the surface sizing starch solution into paper web to obtain the desired property improvement. In this study, the effect of the addition of two polymers into starch solution on paper properties has been examined. PVOH and polyDADMAC were used as polymeric additives for surface sizing with oxidized starch. Viscosity of starch solutions and surface roughness of dried starch films on glass slides showed that some interactions between polymeric additives and oxidized starch have been occurred and the most extensive interaction with starch solution was obtained with high molecular weight polyDADMAC. Low molecular weight PVOH was most effective in improving folding endurance and internal bond strength. On the other hand, polymer addition showed no effect on surface strength of paper. This indicates that not the level of starch holdout but the bonding strength of starch itself has predominant influence on surface strength of paper.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구의 목적은 하이로딩 기술의 발전으로 종이의 회분함량이 높아짐에 따라 상대적으로 약화될 수 있는 종이의 물성 저하를 억제할 수 있는 방안으로 전분 호액에 고분자첨가제를 활용함으로써 표면사이징 효과를 증대시킬 수 있는지의 가능성을 구명하기 위한 것이다. 본 연구에서는 산화전분 호액에 대한 고분자 첨가제로 PVOH(poly-vinyl alcohol)와 polyDADMAC(polydiallyldimethylammonium chloride)을 사용하고, 산화전분과 이들 고분자에 의해 형성되는 사이즈필름의 형태를 관찰하고, 사이징 처리에 따른 종이 물성의 변화를 조사하였다.
본 연구의 목적은 하이로딩 기술의 발전으로 종이의 회분함량이 높아짐에 따라 상대적으로 약화될 수 있는 종이의 물성 저하를 억제할 수 있는 방안으로 전분 호액에 고분자첨가제를 활용함으로써 표면사이징 효과를 증대시킬 수 있는지의 가능성을 구명하기 위한 것이다. 본 연구에서는 산화전분 호액에 대한 고분자 첨가제로 PVOH(poly-vinyl alcohol)와 polyDADMAC(polydiallyldimethylammonium chloride)을 사용하고, 산화전분과 이들 고분자에 의해 형성되는 사이즈필름의 형태를 관찰하고, 사이징 처리에 따른 종이 물성의 변화를 조사하였다.
하이로딩 기술의 발전으로 종이의 회분함량이 높아짐에 따라 상대적으로 약화될 수 있는 내부결합강도와 표면강도를 향상시킬 수 있는 방안으로 전분을 이용한 표면사이징을 선택하고, 호액에 고분자를 첨가하여 물성 개선 효과를 향상시키고자 하였다. 산화전분 호액에고분자 물질인 PVOH나 polyDADMAC을 첨가하여 그 영향을 분석하였다.

제안 방법

%로 희석한 다음 particle charge detector(PCD-03, Mütek, Germany)를이용하여 현탁액의 전하 요구량을 측정하였다.
산화전분 호액에고분자 물질인 PVOH나 polyDADMAC을 첨가하여 그 영향을 분석하였다. 고분자 첨가에 따른 사이즈제의점도와 전하 요구량 변화를 측정하였다. 그 결과 분자량이 약 20,000 g/mol인 저분자량의 PVOH는 점도와 전하 요구량을 거의 변화시키지 않았고, polyDADMAC은 전하를 양이온성으로 역전시켰다.
6 g으로 측정되었다. 다른 면에 대해서도 같은 순서로 작업을 하고, 사이징 처리한 종이를 온도 25℃, 상대습도 50%인 조건에서 24시간 조습처리하였다. 종이의 내부결합강도(Scott internal bond tester, Precision, USA)를 TAPPI test methods T 569 pm-00에 따라 측정하였다.
따라서 일정한 전분호액을 이용하여 소기의 목표를 달성하기 위해서는 표면사이즈제의 조성에 따라서 발생하는 호액의 침투거동을 예측할 수 있어야 한다. 본 실험에서는 사이징 처리하지 않은 종이(None), 고분자 첨가제 없이 산화전분으로만 사이징 처리한 종이(OS), 전분 호액에 고분자를 첨가하여 처리한 종이(+PVOH 또는 +polyDADMAC)을 준비하고, 그 물성을 평가하였다. 고분자첨가제 가운데 분자량이 작은 것은 (L)로, 큰 것은 (H)로 표기하였다.
비접촉 3차원 미세 형상 측정기(Nano View-E1000,Nano System, Korea)를 이용하여 필름 표면 5곳의 러프니스를 측정하였다. 이 기기는 복수의 간섭 신호영상을 획득한 후 화소에서 발행하는 간섭 신호의 위상을 계산함으로써 높이를 측정하는 원리를 가지고 있다.
하이로딩 기술의 발전으로 종이의 회분함량이 높아짐에 따라 상대적으로 약화될 수 있는 내부결합강도와 표면강도를 향상시킬 수 있는 방안으로 전분을 이용한 표면사이징을 선택하고, 호액에 고분자를 첨가하여 물성 개선 효과를 향상시키고자 하였다. 산화전분 호액에고분자 물질인 PVOH나 polyDADMAC을 첨가하여 그 영향을 분석하였다. 고분자 첨가에 따른 사이즈제의점도와 전하 요구량 변화를 측정하였다.
광원으로 할로겐램프를 사용하였고, 배율 ×10의 렌즈를 사용하였다. 소프트웨어(NanoMap, Nano system,Korea)를 이용하여 러프니스와 3차원 이미지를 얻었다.
크기가 75×25×1 mm인 슬라이드 글라스(Marienfeld,Germany)에 사이즈제를 코팅하고 사이즈 필름의 형상을 관찰하였다.
종이의 내부결합강도(Scott internal bond tester, Precision, USA)를 TAPPI test methods T 569 pm-00에 따라 측정하였다. 표면강도를 평가하기 위해 T 459 om-99를 따라 왁스 픽(Dennison waxes)과 픽킹저항(RI tester, Akira, Japan)을 측정하고, T 423 cm-98에 의거 내절도(Tinius Olsen, USA)를 측정하여 표면사이징에 의한 물성 변화를 관찰하였다.
실험실용 바코터(Auto Bar Coater, GIST, Korea)와5번 rod를 이용하여 양면을 사이징하였다. 한 면에 사이징을 실시하고 120℃로 예열한 에어 드라이어에서 2분간 건조시킨 다음, 120℃의 실린더 드라이어로 1분간 건조시켜 종이가 비교적 평탄하도록 하였다. 이때 한 면의 픽업량은 1.

대상 데이터

광원으로 할로겐램프를 사용하였고, 배율 ×10의 렌즈를 사용하였다.
% 농도의 용액으로 준비하여 사용하였다. 무림피앤피에서 생산한 회분 함량 22%의 백상지를 표면 사이징 기질로 사용하였다. 평량은 68 gsm으로 표면사이징 처리를 하지 않은 것을 사용하였다.
실험실용 바코터(Auto Bar Coater, GIST, Korea)와5번 rod를 이용하여 양면을 사이징하였다. 한 면에 사이징을 실시하고 120℃로 예열한 에어 드라이어에서 2분간 건조시킨 다음, 120℃의 실린더 드라이어로 1분간 건조시켜 종이가 비교적 평탄하도록 하였다.
표면사이징용 호액 제조를 위한 전분으로는 삼양제넥스에서 생산한 산화전분(Oxidized starch) C-3010을 사용하였다. 전분 호액에 첨가한 고분자는 PVOH와 polyDADMAC으로 Sigma Aldrich에서 구입하여사용하였다. 실험에 사용한 PVOH와 polyDADMAC의 분자량과 전하밀도를 Tabel 1에 나타내었다.
표면사이징용 호액 제조를 위한 전분으로는 삼양제넥스에서 생산한 산화전분(Oxidized starch) C-3010을 사용하였다. 전분 호액에 첨가한 고분자는 PVOH와 polyDADMAC으로 Sigma Aldrich에서 구입하여사용하였다.
먼저 슬라이드 글라스 표면의 유기물질을 제거하고, 표면을 섬유와 같이 친수성으로 만들기 위해 피라냐 용액(Piranha solution)으로 세척하였다. 피라냐 용액은 황산(98%, Junsei, Japan)과 과산화수소(34%, Junsei, Japan)를 3:1로 혼합하여 제조하였다. 이 용액에 슬라이드 글라스를 30분간 담가 유리 표면의 유기물질을 제거하고, 증류수가 담긴 초음파세척기로 슬라이드 글라스를 옮겨 각 5분간 6번 헹구어내고 상온에서 건조시켰다.

이론/모형

다른 면에 대해서도 같은 순서로 작업을 하고, 사이징 처리한 종이를 온도 25℃, 상대습도 50%인 조건에서 24시간 조습처리하였다. 종이의 내부결합강도(Scott internal bond tester, Precision, USA)를 TAPPI test methods T 569 pm-00에 따라 측정하였다. 표면강도를 평가하기 위해 T 459 om-99를 따라 왁스 픽(Dennison waxes)과 픽킹저항(RI tester, Akira, Japan)을 측정하고, T 423 cm-98에 의거 내절도(Tinius Olsen, USA)를 측정하여 표면사이징에 의한 물성 변화를 관찰하였다.

성능/효과

12) 이러한 응집에 따라 고분자복합체는 크기가 커짐과 동시에 가교나 링크를 형성하는 영역이 넓어지므로 탈수 향상제로도 우수한 성질을 나타낼 수 있다.¹³⁾ 동적광산란(dynamic light scattering) 분석기법을 이용하면 고분자 전해질 복합체의 크기를 평가할 수 있는데, 한 연구에서는 분자량이 15,000 Da인 양이온성의 poly-allylamine과 분자량이 5,000 Da인 음이온성의 polyacrylic acid가 복합체를 형성할 경우 그 사이즈(z-average)가 40-130nm에 이르는 것으로 조사된 바 있다.
전분 대비 5 pph의 polyDADMAC은 계 내에 존재하는 물질의 표면 전하를 양이온성으로 변화시키기에 충분한 양인 것으로 판명되었다. PolyDADMAC도 PVOH와 마찬가지로 분자량이 큰 것을 투입했을 때 최종 사이즈제의 점도가 높아지는 경향을 나타내었다.
Table 2는 제조된 사이즈제의 점도와 전하 요구량을 보여준다. 고분자가 첨가되지 않은 산화전분 사이즈제(OS)는 점도가 9 cPs로 측정되었고, 음이온성을 나타내며 0.15 meq/g의 전하 요구량을 갖는 것으로 나타났다. 여기에 비이온성 고분자인 PVOH를 넣었을 때는 사이즈제 내의 산화전분 비율이 줄어듦에 따라 이온성이 다소 감소했을 뿐, 전하요구량의 변화는 크지 않았다.
그러나 polyDADMAC을 투입한 경우에 있어서는 러프니스가 상승하였다. 고분자량의 polyDADMAC을 첨가해 만든 사이즈 필름은 평균 러프니스가 약 50 nm인 것으로 측정되었다. 이는 두고분자가 형성할 수 있는 최대 크기의 복합체는 아닐지라도 음이온성의 전분과 양이온성의 polyDADMAC이 서로 결합하여 고분자전해질 복합체를 형성한다는 사실을 보여주는 것이다.
고분자 첨가에 따른 사이즈제의점도와 전하 요구량 변화를 측정하였다. 그 결과 분자량이 약 20,000 g/mol인 저분자량의 PVOH는 점도와 전하 요구량을 거의 변화시키지 않았고, polyDADMAC은 전하를 양이온성으로 역전시켰다. 고분자량의 고분자는 사이즈액의 점도를 상승시키는 결과를 보였다.
고분자량의 고분자는 사이즈액의 점도를 상승시키는 결과를 보였다. 분자량 400,000 g/mol 이상인 고분자량의 polyDADMAC은 산화전분과 고분자전해질 복합체를 형성하여, 슬라이드 글라스에 사이즈액으로 필름을 만들었을 때, 러프니스를 증가시키는 결과를 나타냈다. 복합체의 크기가 커지는 것은 전하가 양이온성으로 역전되는 것과 더불어, 전분과 고분자가 종이 내부로 침투하는 것을 저해하는 역할을 하는 것으로 판단된다.
3의 내부결합강도와 비슷한 결과를 나타내었다. 저분자량의 polyDADMAC을 투입한 경우에는 기존과 거의 같은 값을 나타내었고, 고분자량의 고분자를 투입했을 때는 강도가 떨어지는 결과를 나타내었다. 전분과 polyDADMAC이 양이온성의 고분자전해질 복합체를 형성하여 종이 내부로의 침투가 억제되는 것에 더하여 복합체를 구성하는 고분자 첨가제의 분자량이 클 때 침투가 더욱 어려워지는 것으로 보인다.
2 meq/g의 높은 전하밀도를 가지며, 이것의 투입에 의해 사이즈제의 전하 요구량은 큰 변화를 나타내었다. 전분 대비 5 pph의 polyDADMAC은 계 내에 존재하는 물질의 표면 전하를 양이온성으로 변화시키기에 충분한 양인 것으로 판명되었다. PolyDADMAC도 PVOH와 마찬가지로 분자량이 큰 것을 투입했을 때 최종 사이즈제의 점도가 높아지는 경향을 나타내었다.
산화전분을 이용한 사이징 처리로 인해 시편의 scott bond energy가 처리하기 전 175 J/m²에서 처리한 후 200 J/m²으로 약 14%가량 증가하였다. 전분 호액에 고분자를 첨가하는 것은 고분자 종류에 따라 내부결합강도를 보다 향상시키기도, 감소시키기도 하는 결과를 보였다. 저분자량의 PVOH는 내부결합강도를 향상시키는 결과를 나타내었다.
복합체의 크기가 커지는 것은 전하가 양이온성으로 역전되는 것과 더불어, 전분과 고분자가 종이 내부로 침투하는 것을 저해하는 역할을 하는 것으로 판단된다. 표면사이징 처리한 모든 샘플의 표면 강도가 높은 지점에서 같은 값을 갖는 것으로 측정되어 사이즈제 조성 사이의 우위를 비교할 수 없었으나, 내부결합강도와 내절도의 경우에는 분자량이 약 20,000 g/mol의 작은 PVOH가 강도를향상시키는데 유리하게 작용하였다. 이는 종이 내부로 침투한 PVOH가 미세분을 고정시키고, 충전물을 섬유에 결합시켰기 때문으로 판단된다.

후속연구

¹⁴⁾이러한 연구결과는 음이온성의 산화전분과 양이온성 고분자첨가제가 함께 사용될 경우에도 고분자복합체를 형성할 것임을 예측하게 하며, 이들은 응집체를 형성함으로 인해 지필 내부로의 침투성을 저하시키나표면처리의 균일성에 부정적인 영향을 미칠 것이라 예측할 수 있다. 따라서 고분자전해질에 의해 형성되는 고분자복합체의 특성과 이에 따른 종이의 물성변화를 연구하는 것은 지금까지의 연구에서 간과되었던 영역에 대한 해답을 제공할 것으로 생각한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하이로딩 기술은 무엇인가?	제지산업에서는 섬유 자원을 절감하고 생산비용을 줄이기 위해 하이로딩 기술에 많은 관심과 노력을 기울이고 있다. 하이로딩 기술은 종이 내의 충전물 함량을 높이는 기술을 의미하며, 이를 통해 고가의 펄프원료를 저렴한 충전물로 대체하는 것을 목표로 한다.1-2) 그동안 공정제어와 물성저하 등의 관련 문제점으로 인해 개념과 이론에만 머물러 있던 하이로딩 기술은 선응집기술의 발전과 함께 국내 산업현장에서도 실제 적용되는 단계까지 발전하고 있다.
	표면 사이징 공정에서 사용되고 있는 산화전분의 한계점은 무엇인가?	그러나 가격이 저렴하여 널리 사용되고 있는 산화전분은 표면잔류특성이 낮기 때문에 종이의 표면특성을 개선하는 데에 한계가 있다.6-8) 이러한 산화전분의 단점을 극복하기 위해서 고가의 양성전분을 사용하는 것보다는, 산화전분에 양이온성 고분자전해질을 첨가하는 방안이 더욱 경제적임에 착안한 연구도 다수 보고된바 있다.
	표면사이징은 무엇인가?	표면사이징은 건조된 지필 표면에 전분 호액을 도피함으로써 종이의 강도를 향상시키고 표면 특성을 개선하기 위해서 행해지는 공정을 말한다.5) 표면사이징에사용되는 전분6) 중에서 화학변성전분은 변성전분제조업체에서 산화제 등을 이용하여 음이온성 치환기를 도입하거나 분자량을 조절한 제품을 의미하는데, 물성이 우수하여 제지산업에서 널리 이용되고 있는 전분의 하나이다.

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저자의 다른 논문 :

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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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