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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 벌키화제를 이용한 저밀도 종이 제조 시스템의 최적화를 위한 연구의 일환으로 유기계의 양이온성 지방산아민류 벌키화제를 적용하여 벌키화제 처리 농도, 펄프 수종, 펄프 혼합비율 등에 따른 수초지의 벌크특성, 강도적 특성, 광학적 특성 등을 비교 분석하였다.
가설 설정
- 9) 이러한 문제를 해결하기 위해 최근 연구되고 있는 것이 벌키화제이다.9-12)
제안 방법
- SwBKP 및 HwBKP의 수초지 제조 시 양이온성 지방산 아민류 벌키화제 처리 농도가 수초지의 광학적 성질에 미치는 영향을 분석하기 위해 백색도 및 불투명도 등을 비교분석하였다. 벌키화제 처리 농도에 따른 백색도 변화를 Fig.
- SwBKP 및 HwBKP의 수초지 제조 시 양이온성 지방산아민류 벌키화제 처리 농도가 수초지의 물리적 성질에 미치는 영향을 분석하기 위해 밀도, 벌크, 인장강도 등을 비교분석하였다. 먼저 Fig.
- 따라서 본 연구에서는 양이온성 지방산아민류 벌키화제를 이용한 저밀도 종이 제조 시 펄프 혼합 비율이 수초지의 물리적 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 SwBKP 100%, HwBKP 100%, SwBKP 50%/HwBKP 50% 등 의 단일·혼합 펄프 지료에 1% 벌키화제를 첨가하여 수 초지를 제조한 후 각 수초지 시료의 밀도, 벌크, 인장강도 등을 비교분석하였다.
- 벌크특성은 ISO 534에 의거하여 평량(A&D Phoenix GH-200, German) 및 두께(L&W Micrometer, Sweden)등을 측정하여 수초지의 밀도를 분석한 후 역수를 취하여 계산하였다.
- 벌키화제가 처리된 각각의 지료는 보류탈수 분석기(retention & drainage analyzer, RDA)를 이용하여 평량 60 g/m2으로 수초지를 제조하였다.
- 양이온성 지방산아민류 벌키화제를 이용한 저밀도 종이 제조 시 펄프 혼합 비율이 수초지의 광학적 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 SwBKP 100%, HwBKP 100%, SwBKP 50%/HwBKP 50% 등의 펄프 지료에 1% 벌키화제를 첨가하여 수초지를 제조 한 후각 수초지 시료의 백색도 및 불투명도 등을 비교분석하였다. 먼저 Fig.
- 양이온성 지방산아민류 벌키화제를 적용하여 벌키화제 처리 농도, 펄프 수종, 펄프 혼합비율 등에 따른 수초지의 벌크특성, 강도적 특성, 광학적 특성 등을 비교 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 펄프 수종 및 벌키화제 농도에 따른 처리효과를 비교분석하기 위해 Table 1에서 보는 바와 같이 SwBKP와 HwBKP를 각각 또는 혼합하여 여수도 450 mL CSF가 되도록 고해하였고, 양이온성 지방산아민류 벌키화제를 펄프 전건무게 대비 0~1%의 농도로 처리한 후 자력 교반기(electronic overhead stirrer)를 사용하여 800~1000 rpm으로 30분 간 교반하였다. 벌키화제가 처리된 각각의 지료는 보류탈수 분석기(retention & drainage analyzer, RDA)를 이용하여 평량 60 g/m2으로 수초지를 제조하였다.
- 펄프 수종 및 벌키화제 농도에 따른 처리효과를 비교분석하기 위해 제조한 수초지는 ISO 187에 의거하여 상대습도 50±2%, 온도 23±1℃로 조절한 항온항습실에서 24시간 이상 조습처리한 후 물리적, 강도적, 광학적 특성 등을 측정하였다.
대상 데이터
- 펄프 시료는 침엽수 표백 크라프트 펄프(softwood bleached kraft pulp, SwBKP) 및 활엽수 표백 크라프트 펄프(hardwood bleached kraft pulp, HwBKP)를 사용하였으며, 양이온성 지방산아민류 계면활성제(cationic fatty acid amine type surfactant)를 벌크화제로 사용하였다.
이론/모형
- 또한 강도적 특성은 ISO 1924-2에 의거하여 인장강도(L&W Tensile tester, Sweden)를 측정하였으며, 광학적 특성은 ISO 5631에 의거하여 각각 색도 및 색차(L&W Elrepho, Sweden)를 분석하였다.
성능/효과
- (1) 양이온성 지방산아민류 벌키화제 처리 시 벌크 특성 및 불투명도가 증가되어 벌크 개선 효과가 있음을 알 수 있었으며, 처리 농도가 증가될수록 그 효과가 증가하는 것으로 나타났다. 반면에 갈색을 띠는 벌키화제 적용으로 인해 백색도는 소폭 감소되었다.
- (2) HwBKP보다 SwBKP에 적용 시 보다 높은 벌크 특성 개선 효과를 나타냈다. 또한 각 펄프를 단일 처리한 경우보다 혼합 처리(SwBKP 50%/HwBKP 50%)한 경우 벌크 개선 효과가 우수할 뿐만 아니라 인장 강도 감소율도 비교적 낮게 나타나 벌키화제 적용시 혼합펄프를 이용하는 것이 더 좋은 것으로 나타났다.
- 1% 벌키화제 처리 시 펄프 혼합 비율에 따른 각 수초지 시료의 초기 값에 대한 밀도 감소율 및 벌크 증가율을 살펴보면, HwBKP 50%/SwBKP 50%의 혼합 펄프에 적용할 때 가장 높은 벌크 개선 효과를 보였다. 따라서 혼합 펄프 지료에 벌키화제를 처리하는 것이 저밀도 종이 제조에 효과적일 것으로 판단된다.
- 1% 벌키화제 처리 시 펄프 혼합 비율에 따른 각 수초지 시료의 초기 값에 대한 인장강도 감소율을 살펴보면, HwBKP 100% 49.76%, HwBKP 50%/SwBKP 50% 44.38%, SwBKP 100% 42.17%로 SwBKP 100%일 때의 인장강도 감소율이 가장 낮게 나타났다.
- 4에는 SwBKP 및 HwBKP의 수초지 제조 시 양이온성 지방산아민류 벌키화제 처리 농도에 따른 수초지의 인장강도 변화를 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 SwBKP 및 HwBKP의 수초지 모두 벌키화제의 투입 농도가 증가할수록 인장강도는 모두 감소하는 경향을 보였다. 특히 SwBKP의 감소율이 보다 높게 나타났다.
- 본 연구에서 사용된 양이온성 지방산 아민류 벌키화제의 경우 약간의 갈색을 띠고 있었다. 따라서 벌키화제가 자체적으로 가지고 있는 색 물질에 의해 처리 농도가 증가할수록 백색도가 감소되는 것으로 판단된다. 다음으로 양이온성 지방산아민류 벌키화제 처리 농도에 따른 불투명도 변화는 Fig.
- (2) HwBKP보다 SwBKP에 적용 시 보다 높은 벌크 특성 개선 효과를 나타냈다. 또한 각 펄프를 단일 처리한 경우보다 혼합 처리(SwBKP 50%/HwBKP 50%)한 경우 벌크 개선 효과가 우수할 뿐만 아니라 인장 강도 감소율도 비교적 낮게 나타나 벌키화제 적용시 혼합펄프를 이용하는 것이 더 좋은 것으로 나타났다.
- 7에서 보는 바와 같이 펄프 혼합 비율에 따른 밀도를 살펴보면 SwBKP 100%, HwBKP 50%/SwBKP 50%, HwBKP 100% 순으로 HwBKP 100%일 때의 밀도가 가장 낮게 나타났다. 벌크 또한 Fig. 8에서 볼 수 있듯이 HwBKP 100%, HwBKP 50%/SwBKP 50%, SwBKP 100% 순으로 HwBKP 100%일 때의 벌크가 가장 높게 나타나 밀도에 상응하는 결과를 나타났다.
- 6에 나타냈다. 벌키화제 처리 농도가 증가할수록 불투명도가 증가되었으며, 특히 SwBKP의 증가율이 보다 높게 나타났다. 이는 앞에서 언급한 벌크 개선 효과와 상통하는 결과로 종이의 벌크 특성의 증가에 기인하여 수초지의 비표면적이 증가하여 불투명도가 증가되는 것으로 볼 수 있다.
- 11에 나타내었다. 벌키화제 처리 시 SwBKP 100%, HwBKP 50%/ SwBKP 50%, HwBKP 100% 순으로 SwBKP 100%일 때의 불투명도 증가율이 가장 높게 나타났다.
- 그림에서 볼 수 있듯이 벌키화제의 처리 농도가 증가할수록 백색도가 대체적으로 소폭 감소하는 경향을 나타냈다. 본 연구에서 사용된 양이온성 지방산 아민류 벌키화제의 경우 약간의 갈색을 띠고 있었다. 따라서 벌키화제가 자체적으로 가지고 있는 색 물질에 의해 처리 농도가 증가할수록 백색도가 감소되는 것으로 판단된다.
- 10은 펄프 혼합 비율에 따른 백색도 변화를 나타낸 그림이다. 상기 기술된 바와 같이 벌키화제가 지니는 색 물질에 기인하여 벌키화제 처리 후 백색도가 소폭 감소되었으며, 특히 HwBKP 100%일 때의 감소율이 가장 높게 나타났다.
- 양이온성 지방산아민류 벌키화제 처리 농도에 따른 벌크 특성 분석 결과, 앞에서 언급된 바와 같이 처리제 농도가 증가할수록 벌크가 개선되었다. 즉 처리농도 1%에서의 벌크 특성이 가장 높게 나타났다.
- 이와 같은 결과들을 종합하여 본 결과, 벌크 개선 효과가 가장 높았던 HwBKP 50%/SwBKP 50%일 때의 인장 강도 감소율이 단일 펄프의 경우보다 낮거나 거의 유사한 것으로 나타났다. 즉 양이온성 지방산아민류 벌키화제 처리 시 HwBKP와 SwBKP를 혼합할 경우 벌키화제를 처리할 경우 벌크 개선 효과가 높을 뿐만 아니라 강도 감소율이 낮아지는 것으로 나타났다.
- 이와 같은 결과들을 종합하여 본 결과, 벌크 개선 효과가 가장 높았던 HwBKP 50%/SwBKP 50%일 때의 인장 강도 감소율이 단일 펄프의 경우보다 낮거나 거의 유사한 것으로 나타났다. 즉 양이온성 지방산아민류 벌키화제 처리 시 HwBKP와 SwBKP를 혼합할 경우 벌키화제를 처리할 경우 벌크 개선 효과가 높을 뿐만 아니라 강도 감소율이 낮아지는 것으로 나타났다.
후속연구
- 반면에 섬유 간 결합 형성을 방해하기 때문에 종이의 강도 저하가 발생될 수 있다. 그러므로 벌키화제를 이용한 저밀도 종이 제조 시 강도 저하를 방지하기 위한 적용 조건의 최적화 연구가 필요하다.
- 이와 같은 결과들로 볼 때, 양이온성 지방산 아민류 첨가제를 이용한 저밀도 종이 제조가 가능하다고 생각되며, 종이의 강도 감소를 최소화시키기 위한 개선연구를 진행할 필요가 있을 것으로 판단된다.
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