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문제 정의
- 특히 이들 섬유재료는 원산지, 가공과정 등에 다소 차이가 있기 때문에 생산현장에서 요구하는 최적의 제지적성 발현을 위한 고해공정에서 고해가 어렵고 목적 고해조건 도달 시간이 많이 소요되며, 탈수와 치수불량 등 제지적성이 저하되어 현재 제지공정에 적지 않은 영향을 미치고 있다. 따라서 본 논문에서는 주어진 제지공정 시설에서 나타나는 문제점에 대한 기술적인 해결방안을 모색하기 위한 기초실험 단계로 주요 2가지 면 린터섬유에 대한 고해특성과 수초지의 물리적 특성을 비교 평가하고자 하였다.
- 본 연구에서는 현재 제지공정에서 원산지와 가공방식이 다른 2가지 린터 면 섬유의 사용에 있어, 특히 초기고해도가 높고 섬유길이가 길고, 섬유자체 점도가 높은 섬유특성으로 고해공정에서 기존 C린터섬유보다 U린터섬유는 고해시간이 많이 소요되며 섬유순응성과 초지기상 탈수저하 등으로 인한 고해효율성과 품질균일성이 저하되는 문제점을 내포하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 기술적 기초연구단계로 2가지 면 린터섬유를 일반적인 고해하중 5.6 kgf로 고해를 실시하여 고해특성을 분석하고 수초지를 제조하여 물리적 성질을 평가하여 새로운 고해방식을 제시하기 위한 기초자료로 활용하고자 하였으며 그 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- 2.2.1의 방법에 따라 각각 고해한 U 및 C린터펄프를 실험실용 원형수초지기를 이용하여 평량 60 g/㎡으로 초지한 후 압착 건조하여 수초지를 제조하였다. 이때 고해하중은 5.
- C 및 U린터펄프의 고해 속도측정은 표준해리기로 해리한 펄프시료를 실험용 Valley beater를 이용하여 1.5%의 농도, 고해하중 5.6 kgf 으로 450, 350, 250, 150mL CSF 의 목적고해도까지 도달할 때 소요되는 시간을 초시계를 이용하여 각각 측정하였다. C 및 U린터섬유의 고해도 측정은 TAPPI T227 om-94의 기준에 의하여 전건중량 3 g을 채취하여 각각의 고해도를 측정하였다.
- 단, 조도(coarseness)는 L&W사의 Fiber tester기를 이용하였으며 미세섬유 함량은 0.2 mm 이하를 미세섬유로 규정 측정하였다.
- 린터펄프의 CED(Cupriethylenediamin) 점도는 TAPPI T230 om-94에 근거하여 측정하였으며 전건중량 0.25 g의 시료를 채취하여 25 mL의 증류수와 함께 100 mL의 삼각플라스크에 넣고 완전히 교반하여 분산시켰다. 이후 용기에 25 mL의 CED용액을 첨가, 질소가스로 1분간 충전시킨 뒤 용기 입구를 밀봉하고 셀룰로오스가 용해되도록 교반시켰다.
- 린터펄프의 섬유품질분석(fiber quality analysis)은 핀란드 메쪼 사의 Kajaani FS 300 섬유품질분석기를 사용하였고 시료 10 mL를 채취하여 100 mL 증류수를 첨가하여 묽게 희석하여 시료를 피펫으로 1 mL를 채취하여 희석하였다. 측정조건은 중량 0.
- 린터펄프의 탈수시간은 TAPPI T221 om-93에 근거하여 잘 해리된 전건중량 1.2 g의 펄프 현탁액을 시트머신기에 넣은 후 최종 액량선 까지 물을 채운 후 교반하여 배수판을 열고 표선부터 금망까지의 배수시간을 스톱워치를 이용하여 측정하였다. 섬유의 보수도(WRV)는 KOKUNSAN사 H-103N을 사용하였으며 TAPPI UM-256 방식에 근거 50 g의 filtering crucible에 고운 체로 거른 4 g의 펄프 슬러리를 넣은 후 중력 가속도 900 G 조건에서 30분간 원심 분리하였다.
- 면 린터펄프에 대한 셀룰로오스 섬유의 분자량과 중합도 차이를 비교하기 위하여 CED점도를 측정하였다. 앞서 Table 1에서 나타낸 바와 같이 2가지 원료섬유에 대한 초기 CED점도는 U린터 섬유가 70 cPs, C린터 섬유가 40 cPs로, U린터섬유가 C린터섬유에 비하여 30 cPs 즉 약 43% 정도 더 높게 나타났다.
- 원산지와 가공방식을 달리하는 2가지 린터섬유의 섬유품질을 평가하기 위하여 고해에 따른 섬유품질과 섬유장(fiber length), 조도(coarseness), 미세분(fines), 컬(curl), 킹크(kink), 섬유 폭(fiber width)을 측정한 결과를 Table 4에 나타내었다. 특수용지의 위 변조 요소로 사용되는 은화 및 은선의 최적화 유지를 위한 목적 고해 조건인 150 mL CSF까지 고해가 진행되면서 U린터섬유는 C린터섬유보다 섬유길이가 짧고 조도가 높고 킹크가 높은 반면에 미세분이 증가하고 섬유 폭이 넓어지고 섬유 휨과 컬 현상이 감소한다.
- 원심분리가 끝난 일정량의 펄프시료의 무게를 측정하고 105±3℃건조기에서 24 hr 건조 후 무게를 측정하였다.
- 원심분리가 끝난 일정량의 펄프시료의 무게를 측정하고 105±3℃건조기에서 24 hr 건조 후 무게를 측정하였다. 이후 보수도 측정방식에 따라 WRV를 측정하였다.
- 린터펄프의 섬유품질분석(fiber quality analysis)은 핀란드 메쪼 사의 Kajaani FS 300 섬유품질분석기를 사용하였고 시료 10 mL를 채취하여 100 mL 증류수를 첨가하여 묽게 희석하여 시료를 피펫으로 1 mL를 채취하여 희석하였다. 측정조건은 중량 0.2 g, 회전스피드 40-80 rpm, 섬유측정개수는 8,000-12,000개로 하여 길이가중치 섬유장(fiber length), 미세분(fines), 컬 (curl), 킹크(kink), 섬유 폭(fiber width) 등을 측정하였다. 단, 조도(coarseness)는 L&W사의 Fiber tester기를 이용하였으며 미세섬유 함량은 0.
대상 데이터
- U** Linter fibers : Cotton Linter from Uzbeckistan 본 실험에서는 국내 K사에서 주로 사용하고 있는 면 린터펄프 (cotton linter pulp) 2종을 사용하였다.
- U** Linter fibers : Cotton Linter from Uzbeckistan 본 실험에서는 국내 K사에서 주로 사용하고 있는 면 린터펄프 (cotton linter pulp) 2종을 사용하였다.
- 2 g의 펄프 현탁액을 시트머신기에 넣은 후 최종 액량선 까지 물을 채운 후 교반하여 배수판을 열고 표선부터 금망까지의 배수시간을 스톱워치를 이용하여 측정하였다. 섬유의 보수도(WRV)는 KOKUNSAN사 H-103N을 사용하였으며 TAPPI UM-256 방식에 근거 50 g의 filtering crucible에 고운 체로 거른 4 g의 펄프 슬러리를 넣은 후 중력 가속도 900 G 조건에서 30분간 원심 분리하였다. 원심분리가 끝난 일정량의 펄프시료의 무게를 측정하고 105±3℃건조기에서 24 hr 건조 후 무게를 측정하였다.
이론/모형
- 6 kgf 으로 450, 350, 250, 150mL CSF 의 목적고해도까지 도달할 때 소요되는 시간을 초시계를 이용하여 각각 측정하였다. C 및 U린터섬유의 고해도 측정은 TAPPI T227 om-94의 기준에 의하여 전건중량 3 g을 채취하여 각각의 고해도를 측정하였다.
- 린터펄프의 홀로셀룰로오스 분석은 Wise's method를 근거로 펄프시료 2.5 g을 삼각플라스크에 채취하였다.
- 섬유의 결정화도 측정은 PANalytical사의 X'Pert Pro 기를 사용 X선 회절법(X-ray Diffraction, XRD)을 활용 Segal method로 측정하였다.
- 셀룰로오스의 중합도 계산은 Temming사의 환산식을 이용하여 중합도를 계산하였다. Temming사의 환산식은 아래와 같다.
성능/효과
- 이는 고해과정에서 셀룰로오스 섬유체인을 파괴할 수 있을 만큼의 물리적인 작용이 크지 않은 것으로 판단된다. 각 섬유의 결정화도는 유사한 수준을 나타내고 있으며 고해가 진행되면서 다소 감소하는 추세이고 홀로 셀룰로오스 함량 또한 95% 이상 순도가 높은 전형적인 셀룰로오스 섬유물질로 구성되었으며 근본적인 차이는 거의 없었다. Laudt 등3)은 낮은 점도의 면 펄프를 이용하여 종이를 제조하면 인장강도가 낮아진다고 하였다.
- 5에는 U 및 C린터섬유로 제조한 수초지의 인장지수를 나타내었다. 고해가 진행되면서 인장지수는 U 린터섬유 수초지가 더 높게 나타나고 있음을 확인할 수 있었으며 C린터섬유는 목적고해도인 150 mL CSF에서 인장강도가 크게 증가하지 않는 것으로 나타났는데 이는 고해에 의한 섬유절단과 단섬유화가 증가된 결과로 판단된다. 따라서 U린터섬유는 고해시간이 오래 걸리는 문제점과 고해효율성을 향상시키면 기존의 C린터섬유 대비 동등 이상의 물리적 성질을 발현하는 우수한 원료섬유가 될 것으로 판단된다.
- 이는 같은 린터 면섬유라 할지라도 원산지와 가공방식을 달리함에 따라 목적고해도까지의 고해 속도는 확연한 차이를 나타내고 있음을 알 수가 있었다. 또한 C린터섬유는 목표고해도 150 mL CSF 도출 고해시간은 28분이 소요되었으나, U린터섬유의 동일 고해시간의 경우 고해도는 350 mL CSF 정도로 여전히 높은 고해도를 나타났는데 이는 U린터섬유는 C린터섬유에 비하여 근본적으로 섬유장이 길고 섬유자체 강도가 높으며 초기 고 해도가 높은 특성 요인이 고해 속도를 낮게 하는 주요인으로 판단된다. 따라서 C린터섬유의 동일고해시간 대에 U린터섬유의 고해 속도 증가를 위해서는 바 플레이트 개선과 유량변화, 고해하중의 증대, 화학적 전처리방식 등 새로운 리파이닝 방법이 절대적으로 요구된다.
- 5배 CED점도가 높게 나타났다. 또한 각 섬유는 고해초기부터 목적고해도까지 물리적인 고해처리에 의한 CED 점도 변화는 크게 나타나지 않았으며, 중합도 및 분자량도 차이가 크지 않았다. 이는 고해과정에서 셀룰로오스 섬유체인을 파괴할 수 있을 만큼의 물리적인 작용이 크지 않은 것으로 판단된다.
- 이는 U린터섬유가 목적고해도까지 고해 속도는 낮아지며 물의 수화와 팽윤현상에 의해 섬유의 보수 도가 높은 것으로 판단된다. 또한 섬유 피브릴화의 간접지수인 보수도에 의해 U린터섬유의 피브릴화가 더 진행됨을 예상할 수 있었다. 탈수시간 또한 U섬유가 C 섬유보다 높게 나타났다.
- 종이구조는 U린터로 제조한 수초지가 좀 더 치밀한 구조를 지니고 있어 벌크가 낮게 나타났으며 종이강도는 U린터섬유 수초지 비교적 높은 강도적 특징을 나타내었다.
- 4는 지합지수를 나타내고 있다. 지합은 C린터섬유가 U린터섬유보다 낮으며 지합이 양호하게 나타났는데 이는 섬유장이 짧아지고 조도가 낮아지며 섬유가 유연해지는 특성으로 지합이 양호한 것으로 판단된다. 특히 2가지 섬유 모두가 고해 초, 중반부문까지는 지합 지수가 낮아지며 개선되었으나 목적고해도인 150 mL CSF에서는 지합이 저하되는데 이는 고해도가 높아지며 섬유의 뭉침 현상에 따른 수초지의 지합은 저하되는 것으로 판단된다.
- 원산지와 가공방식을 달리하는 2가지 린터섬유의 섬유품질을 평가하기 위하여 고해에 따른 섬유품질과 섬유장(fiber length), 조도(coarseness), 미세분(fines), 컬(curl), 킹크(kink), 섬유 폭(fiber width)을 측정한 결과를 Table 4에 나타내었다. 특수용지의 위 변조 요소로 사용되는 은화 및 은선의 최적화 유지를 위한 목적 고해 조건인 150 mL CSF까지 고해가 진행되면서 U린터섬유는 C린터섬유보다 섬유길이가 짧고 조도가 높고 킹크가 높은 반면에 미세분이 증가하고 섬유 폭이 넓어지고 섬유 휨과 컬 현상이 감소한다. 이런 현상은 고해시간이 오래 걸리며 그에 따라 나타나는 U섬유 특성으로 고해 진행과정에서 섬유길이의 변화가 크며 꼬임과 조도가 높은 강직한 섬유적 특성을 나타내는 반면 C린터섬유는 유연성이 높고 꼬임이 낮으며 조도가 낮은 덜 강직한 경향의 섬유특성을 나타내는 등 2가지 섬유의 고해조건에 따른 형태적 특징은 현저한 차이를 나타내고 있다.
후속연구
- 고해가 진행되면서 인장지수는 U 린터섬유 수초지가 더 높게 나타나고 있음을 확인할 수 있었으며 C린터섬유는 목적고해도인 150 mL CSF에서 인장강도가 크게 증가하지 않는 것으로 나타났는데 이는 고해에 의한 섬유절단과 단섬유화가 증가된 결과로 판단된다. 따라서 U린터섬유는 고해시간이 오래 걸리는 문제점과 고해효율성을 향상시키면 기존의 C린터섬유 대비 동등 이상의 물리적 성질을 발현하는 우수한 원료섬유가 될 것으로 판단된다.
- 향후 C린터섬유의 고해시간 대비 U린터섬유의 고해시간 단축과 고해효율성 향상시키기 위한 모델링 방안으로는 C린터섬유의 목표고해시간 28분을 기준고해시간으로 설정하여 고해하중의 증가, 화학약품에 의한 전처리고해, 혼합고해 방식 등을 분석하면 현재의 일반적 고해방식에 비해 고해효율성의 증대와 함께 에너지 소비도 감소시키며 고해효과를 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
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