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문제 정의
- 본 연구에서는 현재 한국조폐공사(Korea Minting Security Printing & ID Card Operating Corperation, KOMSCO)에서 지력 및 보류향상제로 사용되고 있는 guar gum의 단점인 저장상의 변질 문제를 해결하고자 합성고분자인 anionic-PAM(A-PAM), cationic-PAM (C-PAM) 및 CMC로 면 수초지를 제조하여 지력 및 보류 효과를 검증하고자 보류도, 강도 및 백색도를 측정하였다.
제안 방법
- 기존 은행권 용지에 투입되는 지력 및 보류 향상용 첨가제인 guar gum을 대체할 첨가제인 2종의 PAM과 CMC를 본 연구에 사용하였으며 기존 guar gum의 투입량인 0.2%를 기준으로 하여 대체 첨가제인 3종은 0.1-0.3%로 투입농도를 달리하여 본 연구에 사용하였다(Table 3 참조).
- 은행권 용지용 수초지를 제작하기 위해 사용된 습윤지력증강제와 충전제는 Table 2와 같이 PAE와 이산화티탄(TiO2)를 사용하였으며 각각 전건펄프 대비 1.0%와 5.0%를 투입하였다.
- 은행권 용지의 원료인 linter는 여수도가 600±20 mL CSF로 수초지 제조가 어려워 Valley beater를 이용하여 7.75 kg의 하중으로 15분간 고해시켰으며 이때의 평균 섬유장은 Image analyzer(i-solution, iMT)를 이용하여 100개 이상의 시료를 선별하여 측정한 후 평균값을 계산하였다.
- 제조된 면 수초지는 ISO 규격에 의거하여 강도(인장지수, 내절도), 보류도, 회분, 백색도 및 FE-SEM을 측정하였으며 각각의 기준은 Table 4와 같다.
- 3%의 농도로 고해를 실시하여 330 mL CSF로 여수도를 조절하였다. 제조된 펄프 슬러리에 각각의 첨가제를 투입하여 평균 평량 90 g/m2의 면 수초지를 제조하였다.
- 현재 은행권 용지의 지력 및 보류향상제로 사용되고 있는 guar gum의 단점인 저장상의 변질 문제를 해결하고자 합성고분자인 A-PAM, C-PAM 및 CMC를 처리한 면 수초지를 제조하여 지력 및 보류 효과를 검증한 결론을 요약하면 다음과 같다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 면섬유는 린터(linter)로써 평균 섬유장이 3-4 mm이며 KOMSCO에서 분양받았다. 면섬유에 대한 일반적인 특성들을 Table 1에 나타내었다.
성능/효과
- 1. Guar gum과 비교하여 A-PAM, C-PAM, CMC 중 인장지수는 A-PAM 0.2%가 가장 좋으며, 내절도는 A-PAM과 C-PAM이 유사한 강도를 나타내었다.
- 2. A-PAM 0.2% 이상일 때 보류도가 guar gum보다 향상되었으며, 미세섬유와 TiO2의 보류(회분)가 모두 향상되어 guar gum을 대체할 수 있을 것으로 보인다.
- 3. C-PAM 0.1%와 0.2%에서는 guar gum보다 TiO2의 보류가 증가되지만, 미세섬유 손실로 전체 보류도는 감소하였다.
- 4. CMC를 제외한 2종의 PAM은 회분(TiO2)의 양이 guar gum을 첨가하였을 때보다 증가하였으며 그 중에서도 양이온성을 띠는 PAE와의 결합력이 가장 좋은 A-PAM을 사용하였을 때 백색도의 상승률이 가장 높았다.
- 5. Guar gum을 처리한 면 수초지에서는 TiO2의 분산상태가 가장 고르게 나타났다. 반면 A-PAM 및 CMC를 처리하였을 때에는 섬유 위주로 TiO2가 분산되어 있었으며 특히, C-PAM을 사용하였을 때에는 TiO2의 분산상태는 고르게 나타났으나 그 양이 너무 적었다.
- 8) Guar gum 고유의 독특한 물성의 조합으로 인하여 산업응용에 있어서 가치 있는 보조제가 될 수 있다고 증명하였다. 제지산업에서는 보류향상제, 분산제, 사이즈제, 코팅용으로 사용되고 있다.
- Guar gum의 회분량은 약 2%로 대부분이 TiO2로 구성되어 있다. CMC는 첨가량에 따라 서서히 증가하는 것으로 보이나 guar gum에 비해 낮은 회분량을 보이고 있으며 C-PAM은 첨가량이 늘어날수록 회분량은 점차 감소되었다. 반면에 A-PAM을 첨가하였을 때에는 0.
- 5는 첨가제의 농도에 따른 면 수초지의 보류도를 측정한 그래프이다. 기존 첨가제인 guar gum의 보류도(94.67%)에 비해 양이온성인 C-PAM과 CMC는 같은 양이온성을 띠는 PAE와의 반응성이 떨어져 보류도가 낮아지는 것으로 보이나 A-PAM은 0.2% 및 0.3% 첨가하였을 때 guar gum에 비해 보류도가 크게 향상되었다. 이는 A-PAM이 강한 음이온성을 보이기 때문에 PAE와의 반응성이 커져 보류도가 높아진 것으로 보인다.
- 4는 첨가제의 종류에 따른 면 수초지의 내절도를 측정한 결과이다. 내절도에서는 A-PAM과 C-PAM을 첨가하였을 때 기존의 guar gum(2.59)과 유사한 수치인 2.51-2.54를 보였지만 CMC를 첨가하였을 때에는 guar gum보다 낮으며 control보다는 조금 향상된 결과를 보였다.
- CMC는 첨가량에 따라 서서히 증가하는 것으로 보이나 guar gum에 비해 낮은 회분량을 보이고 있으며 C-PAM은 첨가량이 늘어날수록 회분량은 점차 감소되었다. 반면에 A-PAM을 첨가하였을 때에는 0.1%만 첨가되어도 2.19%로 기존의 첨가제보다 높은 회분량을 보였고 0.2% 이상일 때에는 기존의 guar gum을 첨가한 면 수초지에 비해 약 18% 정도 TiO2가 더 잔존해 있어 높은 회분량을 보였다.
- 하지만 CMC를 처리하였을 때에는 TiO2의 분산상태가 주로 섬유 표면에 분포하고 있는 것으로 나타났다. 이상의 결과로 미루어 보면 기존의 guar gum에 비해 TiO2의 분산 상태가 고르지 못하지만 이것은 첨가제의 분자량과 점도를 조절하면 TiO2의 결합력을 낮춰 분산상태를 고르게 할 수 있을 것으로 판단된다.
- 이상의 인장지수와 내절도의 결과로 보아 CMC는 PAM 계열의 첨가제에 비해 가장 낮은 강도를 보이고 기존의 guar gum과 비교하여도 개선된 효과를 찾을 수 없어서 은행권 용지의 첨가제로서의 사용이 어려울 것으로 예상된다.
- 회분은 TiO2의 함량을 의미하며 이는 백색도와 관련이 있다. 전체적으로 회분의 양이 증가됨에 따라 백색도는 증가하는 것으로 나타났다. 하지만 control의 회분과 백색도 증가에 비해 첨가제를 투입한 면 수초지에서는 눈에 띠는 백색도 증가가 나타나지 않았다.
- CMC는 첨가량을 늘렸음에도 guar gum보다 낮은 강도를 보이며 무처리 면 수초지의 강도와 비슷한 수치를 보였다. 하지만 A-PAM은 0.1% 투입하였을 때 guar gum의 값과 비슷하였으며 0.2% 이상에서는 상당히 강도가 개선된 효과를 얻을 수 있었다. 이것은 양이온성을 띠는 습강제인 PAE와의 결합력이 우수하여 강도향상의 효과를 보이는 것으로 판단된다.
후속연구
- 다만 CMC를 처리하였을 때에는 회분의 양이 control보다 많았음에도 백색도는 저하되는 것으로 나타났다. 이러한 현상이 나타나는 이유는 투입한 첨가제의 자체 색상에 의한 것으로 첨가제를 투입하지 않은 control에 비해 미색을 띠는 첨가제들이 투입되면서 백색도의 저하가 나타난 것으로 예상되나 더욱 정확한 결과를 위해서는 첨가제의 투입량에 따른 백색도 변화에 대한 연구가 필요할 것으로 보인다.
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