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문제 정의
- 본 연구에서는 2% 이하의 저농도 알칼리 팽윤 및 고해 처리가 수초지의 특성에 미치는 영향을 평가하고자 하였다. 0-2%의 저농도 수산화나트륨(sodium hydroxide, NaOH) 용액으로 펄프 섬유를 팽윤시킨 후 수초지를 제조하고 벌크 특성, 강도적 특성, 광학적 특성 등을 비교분석하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 2% 이하의 저농도 알칼리 팽윤 및 고해 처리가 수초지의 특성에 미치는 영향을 평가하고자 하였다. 0-2%의 저농도 수산화나트륨(sodium hydroxide, NaOH) 용액으로 펄프 섬유를 팽윤시킨 후 수초지를 제조하고 벌크 특성, 강도적 특성, 광학적 특성 등을 비교분석하였다. 또한 저농도 알칼리 팽윤처리 시 고해 처리가 수초지의 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해서 미고해 펄프(non-beaten pulp) 및 고해 펄프(beaten pulp)의 알칼리 팽윤처리를 실시한 후 수초지를 제조 하였으며, 알칼리 팽윤처리가 섬유의 고해 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 알칼리 팽윤된 펄프의 고해를 실시한 후 수초지를 제조하여 각 조건별 수초지 특성을 비교분석하였다.
- HwBKP의 알칼리 팽윤처리 공정은 Table 2에서 보는 바와 같이 세 가지 공정으로 구분하여 실시하였다. 고해가 알칼리 팽윤 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해서 미고해 펄프의 알칼리 팽윤처리(A) 및 고해 펄프의 알칼리 팽윤처리(BA)를 실시하였다.
- HwBKP의 저농도 알칼리 팽윤처리 공정에 따른 수초지의 광학적 특성으로 백색도 및 불투명도를 측정하 였으며, 그 분석 결과는 다음과 같다. HwBKP의 저농도 알칼리 팽윤처리 공정에 따른 수초지의 백색도를 분석한 결과를 Fig.
- 각 과정에서의 알칼리 팽윤처리는 0-2%의 수산화나트륨 용액을 사용하여 펄프 농도를 5%로 조절하고, 상온(23℃)에서 1시간 동안 실시하였다. 각 과정에서의 고해 처리는 실험실용 밸리 비터(Valley beater)를 사용하여 실시 하였으며, 여수도는 450 mL CSF로 조정하였다. 이후 각 공정에 따라 알칼리 팽윤처리된 각각의 펄프 지료는 RDA(retention and drainage analyzer, GIST, South Korea)를 사용하여 수초지를 제조하였다.
- HwBKP의 알칼리 팽윤처리 공정은 Table 2에서 보는 바와 같이 세 가지 공정으로 구분하여 실시하였다. 고해가 알칼리 팽윤 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해서 미고해 펄프의 알칼리 팽윤처리(A) 및 고해 펄프의 알칼리 팽윤처리(BA)를 실시하였다. 또한 알칼리 팽윤처리가 섬유의 고해 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해서 알칼리 팽윤된 펄프를 고해(AB)하였다.
- 고해가 알칼리 팽윤 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해서 미고해 펄프의 알칼리 팽윤처리(A) 및 고해 펄프의 알칼리 팽윤처리(BA)를 실시하였다. 또한 알칼리 팽윤처리가 섬유의 고해 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해서 알칼리 팽윤된 펄프를 고해(AB)하였다. 각 과정에서의 알칼리 팽윤처리는 0-2%의 수산화나트륨 용액을 사용하여 펄프 농도를 5%로 조절하고, 상온(23℃)에서 1시간 동안 실시하였다.
- 0-2%의 저농도 수산화나트륨(sodium hydroxide, NaOH) 용액으로 펄프 섬유를 팽윤시킨 후 수초지를 제조하고 벌크 특성, 강도적 특성, 광학적 특성 등을 비교분석하였다. 또한 저농도 알칼리 팽윤처리 시 고해 처리가 수초지의 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해서 미고해 펄프(non-beaten pulp) 및 고해 펄프(beaten pulp)의 알칼리 팽윤처리를 실시한 후 수초지를 제조 하였으며, 알칼리 팽윤처리가 섬유의 고해 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 알칼리 팽윤된 펄프의 고해를 실시한 후 수초지를 제조하여 각 조건별 수초지 특성을 비교분석하였다.
- 알칼리 팽윤 및 고해 처리에 따른 수초지 특성 변화를 비교분석하기 위해 제조된 수초지들은 ISO 187에 의거하여 상대습도 50±2%, 온도 23±1℃로 조절된 항온항습실에서 24시간 이상 조습처리한 후 물리적, 광학적, 강도적 특성 등을 측정하였다.
- 알칼리 팽윤처리 공정은 상기 기술된 바와 같이 미고해 펄프의 알칼리 팽윤처리(A), 고해 펄프의 알칼리 팽윤처리(BA), 알칼리 팽윤된 펄프의 고해 처리(AB) 등 3가지 공정으로 나누어 실시하였다. HwBKP의 저농도 알칼리 팽윤처리 공정에 따른 수초지의 벌크 특성을 분석한 결과를 Fig.
- 각 과정에서의 고해 처리는 실험실용 밸리 비터(Valley beater)를 사용하여 실시 하였으며, 여수도는 450 mL CSF로 조정하였다. 이후 각 공정에 따라 알칼리 팽윤처리된 각각의 펄프 지료는 RDA(retention and drainage analyzer, GIST, South Korea)를 사용하여 수초지를 제조하였다. 평량은 80 g/m2으로 조절하였다.
- 알칼리 팽윤 및 고해 처리에 따른 수초지 특성 변화를 비교분석하기 위해 제조된 수초지들은 ISO 187에 의거하여 상대습도 50±2%, 온도 23±1℃로 조절된 항온항습실에서 24시간 이상 조습처리한 후 물리적, 광학적, 강도적 특성 등을 측정하였다. 종이의 벌크는 국제표준규격 ISO 534에 의거하여 평량과 두께를 분석한 후 두께를 평량으로 나누어 계산하였다. 종이의 지합지수는 OpTest Equipment Inc.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 펄프 시료는 인도네시아에서 수입한 아카시아 활엽수 표백 크라프트 펄프(hardwood bleached kraft pulp, HwBKP)를 사용하였다. Fiber wall thickness analyzer(MorFi, Techpap, France)를 사용하여 펄프의 섬유벽 두께를 측정하였고, 섬유장, 섬유폭, 조도(coarseness)는 Fiber analyzer(MorFi, Techpap, France)을 사용하여 분석하였다.
- 펄프의 알칼리 팽윤을 위한 팽윤제로 분석용 시약인 수산화나트륨(sodium hydroxide, NaOH)을 사용하였다.
이론/모형
- 본 연구에서 사용된 펄프 시료는 인도네시아에서 수입한 아카시아 활엽수 표백 크라프트 펄프(hardwood bleached kraft pulp, HwBKP)를 사용하였다. Fiber wall thickness analyzer(MorFi, Techpap, France)를 사용하여 펄프의 섬유벽 두께를 측정하였고, 섬유장, 섬유폭, 조도(coarseness)는 Fiber analyzer(MorFi, Techpap, France)을 사용하여 분석하였다. 사용한 펄프 섬유의 특성은 Table 1과 같다.
- 강도적 특성으로 ISO 1924-2에 의거하여 인장강도 (L&W Tensile tester, Sweden), ISO 2758에 의거하여 파열강도(L&W bursting strength tester, Sweden), ISO 5626에 의거하여 내절강도(Tinius Olsen MIT folding endurance tester, USA)를 측정하였다.
- 광학적 특성으로 백색도와 불투명도는 ISO 2470, ISO 2471에 의거하여 Elrepho 3300(L&W, Sweden)을 이용하여 측정하였다.
성능/효과
- HwBKP의 저농도 알칼리 팽윤처리 공정에 따른 수초지의 불투명도를 살펴보면, 먼저 고해 유무에 따른 백색도의 경우 고해 펄프의 알칼리 팽윤처리(BA) 및 알칼리 팽윤된 펄프의 고해 처리(AB) 등 고해 처리한 경우 미고해 펄프의 알칼리 팽윤처리(A)에서와 같이 미고해한 경우의 수초지의 불투명도가 낮았다 (Fig. 4). 이는 화학펄프의 고해 처리가 수초지의 불투명도를 낮춰준다는 일반적인 연구결과17)와도 일치한다.
- 각 공정별 수산화나트륨 용액 농도에 따른 벌크 특성 변화를 살펴보면 세 가지 처리 공정 모두에서 수산화나트륨 용액 농도가 증가할수록 벌크 특성이 소폭 개선되는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 알칼리 처리에 의해 섬유가 팽윤되어 섬유폭 및 섬유장 등이 소폭 증가되어 발생되는 것으로 판단된다.
- 각 공정별 수산화나트륨 용액 농도에 따른 수초지의 불투명도의 변화를 살펴보면, 미고해 펄프의 알칼리 팽윤처리(A)의 경우와 고해 펄프의 알칼리 팽윤처리(BA)의 경우 모두 고해처리 유무에 상관없이 수산화 나트륨 용액 농도가 증가할수록 불투명도가 소폭 낮아지는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 알칼리 농도가 증가할수록 섬유가 보다 팽윤됨으로써 전하밀도가 증가되어 섬유간 결합이 소폭 증가되는 것에 기인된 결과로 사료된다.
- 각 공정별 수산화나트륨 용액 농도에 따른 수초지의 지합의 변화를 살펴보면, 미고해 펄프의 알칼리 팽윤 처리(A)의 경우 지합은 수산화나트륨 용액 처리 농도 변화와 개연성이 없는 것으로 나타났다. 반면 고해 펄프의 알칼리 팽윤처리(BA)의 경우에는 수산화나트륨 용액 농도가 증가할수록 수초지의 지합이 증가되는 추세를 보였으며, 알칼리 팽윤된 펄프의 고해 처리(AB) 의 경우에는 이와 반대로 수산화나트륨 용액 농도가 증가할수록 증가되었다 다시 감소되는 것으로 나타났다.
- 각 공정별 알칼리 농도에 따른 광학적 특성 및 강도적 특성 변화를 살펴보면, 미고해 펄프의 알칼리 팽윤 처리(A) 시 광학적 특성은 소폭 감소되었으며, 강도적 특성은 거의 변화하지 않았다. 펄프 고해 후 알칼리 처리(BA) 시에는 종이의 강도 및 불투명도는 알칼리 농도에 따라 거의 변화하지 않았으며 백색도는 증가되었다.
- 각각의 그림에서 보는 바와 같이 각 조건에 따른 인장강도, 파열강도, 내절강도 등 각각의 강도적 특성들은 거의 유사한 경향을 나타냈다. 먼저 고해 유무에 따른 강도적 특성 변화를 살펴보면, 고해 펄프의 알칼리 팽윤처리(BA), 알칼리 팽윤된 펄프의 고해 처 리(AB)등 고해한 펄프로 수초한 수초지의 강도적 특성이 미고해 펄프를 알칼리 처리(A)한 펄프로 수초한 수초지의 강도적 특성에 비해 높게 나타났다. 이러한 결과는 고해에 의해 섬유 간 결합 면적이 증가됨에 의해 발생되는 것으로 판단된다.
- 3에 나타내었다. 먼저 고해 유무에 따른 백색도를 살펴보면, 고해 펄프의 알칼리 팽윤처리 (BA) 및 알칼리 팽윤된 펄프의 고해 처리(AB) 등 고해 처리한 경우의 백색도가 미고해 펄프의 알칼리 팽윤처 리(A)에서와 같이 미고해한 경우의 수초지의 백색도 보다 낮게 나타났다. 이러한 결과는 457 nm 파장에서의 반사율로 측정되는 종이의 백색도가 빛 산란계수와 밀접한 관계가 있고, 고해처리에 의해 수초지의 빛 산란계수를 감소시켜 백색도를 감소시킨다는 연구결과 16)와도 일치한다.
- 1에 나타내었다. 먼저 고해 유무에 따른 벌크 특성을 살펴본 결과, 고해 펄프의 알칼리 팽윤처리(BA) 및 알칼리 팽윤된 펄프의 고해 처리 (AB) 등 고해 처리한 경우보다 미고해 펄프의 알칼리 팽윤처리(A)에서와 같이 미고해 수초지의 벌크 특성이 보다 높게 나타났다. 이러한 결과는 펄프의 고해 시 섬유의 피브릴화가 발생하고 미세분이 증가하고 섬유간 결합이 증가하여 종이의 겉보기 밀도가 증가된다는 일반적인 연구결과13)와도 일치한다.
- 2에서 보는 바와 같다. 먼저 고해 유무에 따른 지합을 비교 분석한 결과, 고해 처리한 경우의 지합이 미고해 처리 시보다 우수한 것으로 나타났다. 고해는 섬유장, 섬유폭, 조도, 미세분 함량 등의 특성에 영향을 주어 펄프 현탁액 내 섬유의 응집거동에 영향을 미친다.
- 각 공정별 수산화나트륨 용액 농도에 따른 수초지의 지합의 변화를 살펴보면, 미고해 펄프의 알칼리 팽윤 처리(A)의 경우 지합은 수산화나트륨 용액 처리 농도 변화와 개연성이 없는 것으로 나타났다. 반면 고해 펄프의 알칼리 팽윤처리(BA)의 경우에는 수산화나트륨 용액 농도가 증가할수록 수초지의 지합이 증가되는 추세를 보였으며, 알칼리 팽윤된 펄프의 고해 처리(AB) 의 경우에는 이와 반대로 수산화나트륨 용액 농도가 증가할수록 증가되었다 다시 감소되는 것으로 나타났다.
- 수산화나트륨 용액 농도에 따른 강도적 특성 변화를 살펴보면 미고해 펄프의 알칼리 팽윤처리(A) 및 고해 펄프의 알칼리 팽윤처리(BA)의 경우에는 알칼리 농도에 따른 변화가 거의 발생되지 않았다. 반면 알칼리 팽윤된 펄프의 고해 처리(AB)의 경우에는 수산화나트륨 용액 농도가 증가할수록 강도적 특성이 모두 낮아지는 것으로 나타났다. 이러한 결과로 볼 때 알칼리 처리 농도가 증가할수록 펄프 섬유의 고해 효율을 감소시켜 결과적으로 섬유의 고해에 의해 발생되는 수초지의 강도 상승률을 저지시키는 것으로 판단된다.
- 수초지의 벌크 특성은 고해 유·무 및 처리 순서에 상관없이 모두 알칼리 농도가 증가할수록 소폭 증가되었는데, 이러한 결과는 알칼리 팽윤처리 시 수산화나트륨 용액 농도가 증가함에 따라 섬유의 치수가 점차 증가되는 것에 기인된 결과로 판단된다.
- 알칼리 팽윤처리 후 고해(AB) 한 경우에는 종이의 광학적 특성에는 거의 영향을 미치지 않았으나 강도적 특성은 소폭 감소되었다. 알칼리 팽윤처리 및 고해처리를 병행한 경우 알칼리 팽윤처리를 전 처리한 경우의 변화가 후처리한 경우보다 모두 알칼리 농도 증가에 따른 영향을 덜 받는 것으로 나타나 알칼리 팽윤 처리 농도가 증가할수록 고해 효율을 감소시키는 것으로 나타났다.
- 반면 고해 펄프의 알칼리 팽윤처 리(BA) 시에는 수산화나트륨 용액 농도가 증가함에 따라 백색도가 소폭 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과로 볼 때 고해 처리에 의해 펄프 섬유의 피브릴화 및 단섬유화가 발생됨으로써 알칼리 팽윤 처리 시 수산화나트륨 용액 농도가 증가할수록 헤미셀룰로오스 등의 착색물질의 제거가 보다 용이하게 이루어지는 것으로 판단된다.
- 반면 알칼리 팽윤된 펄프의 고해 처리(AB)의 경우에는 수산화나트륨 용액 농도가 증가할수록 강도적 특성이 모두 낮아지는 것으로 나타났다. 이러한 결과로 볼 때 알칼리 처리 농도가 증가할수록 펄프 섬유의 고해 효율을 감소시켜 결과적으로 섬유의 고해에 의해 발생되는 수초지의 강도 상승률을 저지시키는 것으로 판단된다.
- 또한 알칼리 팽윤된 펄프의 고해 처리(AB) 시에도 유사한 경향을 나타냈다. 이러한 결과로 볼 때 저농도 알칼리 처리가 수초지의 백색도에는 영향을 미치는 않는 것으로 나타났다. 반면 고해 펄프의 알칼리 팽윤처 리(BA) 시에는 수산화나트륨 용액 농도가 증가함에 따라 백색도가 소폭 증가하는 것으로 나타났다.
- 각 공정별 알칼리 농도에 따른 광학적 특성 및 강도적 특성 변화를 살펴보면, 미고해 펄프의 알칼리 팽윤 처리(A) 시 광학적 특성은 소폭 감소되었으며, 강도적 특성은 거의 변화하지 않았다. 펄프 고해 후 알칼리 처리(BA) 시에는 종이의 강도 및 불투명도는 알칼리 농도에 따라 거의 변화하지 않았으며 백색도는 증가되었다. 알칼리 팽윤처리 후 고해(AB) 한 경우에는 종이의 광학적 특성에는 거의 영향을 미치지 않았으나 강도적 특성은 소폭 감소되었다.
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