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문제 정의
- 본 연구에서는 활엽수 표백 크라프트펄프(HwBKP)의 니딩 처리 시 지료 농도 및 니딩 처리 횟수가 펄프 섬유의 특성 변화에 미치는 영향을 평가하고자 하였다. 니더에 투입하는 지료의 농도를 15%, 20%, 30%로 조절 하고, 니딩 처리 횟수를 달리하여 니딩처리를 실시한 후형태학적 특성(섬유장, 섬유폭, curl 등), 이미지 특성(광학현미경 및 주사전자현미경), WRV 등을 분석하여 펄프 섬유의 특성 변화를 비교 분석하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 활엽수 표백 크라프트펄프(HwBKP)의 니딩 처리 시 지료 농도 및 니딩 처리 횟수가 펄프 섬유의 특성 변화에 미치는 영향을 평가하고자 하였다. 니더에 투입하는 지료의 농도를 15%, 20%, 30%로 조절 하고, 니딩 처리 횟수를 달리하여 니딩처리를 실시한 후형태학적 특성(섬유장, 섬유폭, curl 등), 이미지 특성(광학현미경 및 주사전자현미경), WRV 등을 분석하여 펄프 섬유의 특성 변화를 비교 분석하였다.
- 농축된 각 펄프 시료들을 주문 제작한 실험실용 twin shaft kneader를 사용하여 니딩 처리하였다. 니딩 처리 시 70℃의 온수 팩을 이용하여 kneader를 감싸 니딩 처리 온도를 70℃로 일정하게 유지시켜 주었으며, 펄프 페이스트의 kneader 통과 횟수를 0-6회로 조절하였다.
- 섬유장, 섬유폭, curl, 미세분 함량 등 섬유의 형태학적 특성은 L&W Fiber Tester(Lorentzen & Wettre, Sweden)를 사용하여 측정하였다.
- 실험실용 표준해리기를 이용하여 펄프 농도 4%, 해리 속도 300 rpm, 해리 시간 10 min의 조건으로 펄프를 해리하였으며, 해리한 펄프를 진공 여과시켜 각각 15%, 20%, 30%로 농축하였다. 농축된 각 펄프 시료들을 주문 제작한 실험실용 twin shaft kneader를 사용하여 니딩 처리하였다.
대상 데이터
- 니딩 처리 유무 및 처리 시 지료 농도에 따른 섬유의 형태 변화를 관찰하기 위해 광학현미경(GX51, Olympus, Japan) 및 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM, Hitachi, Japan)을 사용하였다. 광학현미경 분석을 위한 펄프 시료는 acetocarmine 용액 으로 염색하였고, SEM 분석을 위한 펄프 시료는 동결 건조기(Freeze Dryer, Operon, Korea)로 동결 건조하여 준비하였다.
- 본 연구에서는 국내 S사에서 분양받은 브라질산 유칼 립투스 활엽수 표백 크라프트펄프(hardwood bleached Kraft pulp, HwBKP) 시료를 사용하였다. L&W Fiber Tester(Lorentzen & Wettre, Sweden)를 이용하여 펄프 특성을 분석한 결과는 Table 1과 같다.
이론/모형
- 니딩 처리 유무 및 처리 시 지료 농도에 따른 섬유의 형태 변화를 관찰하기 위해 광학현미경(GX51, Olympus, Japan) 및 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM, Hitachi, Japan)을 사용하였다. 광학현미경 분석을 위한 펄프 시료는 acetocarmine 용액 으로 염색하였고, SEM 분석을 위한 펄프 시료는 동결 건조기(Freeze Dryer, Operon, Korea)로 동결 건조하여 준비하였다.
- 펄프 섬유의 여수도는 Canadian Standard Freeness Tester(Frank-pti, Germany)를 사용하여 TAPPI Standard Useful Method 227 om-09에 의거하여 측정하였다. 또한 섬유의 WRV는 TAPPI Standard Useful Method 256과 Yiannos 9) 의 연구에 의거하여 분석 하였으며, 자세한 과정은 다음과 같다. 2 g의 펄프 시료를 정량한 후 250 mL 광구병에 넣고 증류수 100 mL를 첨가하여 20분 간 팽윤시킨 후, 글라스 필터(1G2)를 사용하여 펄프 슬러리를 여과시켜 주었다.
- 펄프 섬유의 여수도는 Canadian Standard Freeness Tester(Frank-pti, Germany)를 사용하여 TAPPI Standard Useful Method 227 om-09에 의거하여 측정하였다. 또한 섬유의 WRV는 TAPPI Standard Useful Method 256과 Yiannos 9) 의 연구에 의거하여 분석 하였으며, 자세한 과정은 다음과 같다.
성능/효과
- 상대적으로 낮은 지료 농도인 15%에서는 니딩 처리에 의해 섬유장은 아주 소폭 증가하였고, 섬유폭과 curl은 소폭 감소하였고, 섬유의 straightening이 발생되는 것으로 판단된다. CSF값의 감소폭이 크고 WRV 값 증가는 가장 큰 것으로 보아, 15% 니딩 농도에서는 소섬유화가 주로 발생하는 것으로 판단된다. 반면에 20% 이상으로 니딩 농도를 높일수록 curl 같은 섬유의 변형이 많이 발생하였다.
- 반면에 20% 이상으로 니딩 농도를 높일수록 curl 같은 섬유의 변형이 많이 발생하였다. 고농도에서는 니딩 처리 횟수가 증가함에 따라 섬유장은 감소하였고, 섬유폭, WRV 값 등은 증가하였고, CSF 감소폭은 낮았다. 니딩 농도 30%의 고농도에서의 처리는 섬유 뭉침 현상이 발생되는 것으로 나타났다.
- 3). 니딩 농도 15%의 경우에, 니딩 처리 횟수 증가에 따라 섬유폭이 소폭 감소되는 것으로 나타났으며, 20% 조건에서는 니딩 처리에 의한 섬유폭 변화가 발생되지 않는 것으로 나타났다. 반면에 30% 조건에서는 니딩 처리 횟수에 따라 섬유폭이 소폭 증가되어 이전 연구결과 7) 와 일치하였다.
- 상기 기술된 바와 같이 고해 등과 같은 물리적 처리에 의해 펄프섬유는 단섬유화가 되어 섬유장이 감소되는데, 20% 이상의 고농도 펄프 지료를 니딩 처리할 경우에도 섬유장의 감소가 소폭 발생되는 것으로 나타났다. 니딩 처리 횟수가 증가할수록 미세분 함량은 증가하였으나, 니딩 농도에 따른 미세분 함량은 큰 차이가 관찰되지 않았다(Fig. 2). 이 결과는 기계적 처리에 의한 섬유의 절단 또는 피브릴의 절단이 발생하였다는 것을 의미한다.
- 이러한 결과는 여수도 및 WRV 분석결과와 상응한다. 또한 30% 조건에서는 섬유의 뭉침이 일어난 것을 확인 하였는데, 이는 물의 양이 적어 유동할 공간이 적은 상태에서 섬유가 니더의 날과 날사이에서 비벼주는 힘을 받아 섬유들이 서로 엉켜서 뭉쳐진 것으로 판단된다.
- 지료 농도별 니딩 처리에 따른 SEM 이미지를 보면 20% 이상의 고농도에서 curl이 발생된 것을 확인할 수 있으며, 특히 30%에서의 curl이 보다 많이 발생되었음이 관찰되어 전술한 curl 분석결과와 일치하였다. 또한 Fig. 6의 광학현미경 이미지들을 살펴보면, 니딩 처리 횟수가 증가할수록 섬유 피브릴화와 curl이 발생되는 것을 확인할 수 있었으며, 30%에서의 변화가 가장 두드러졌다. 이러한 결과는 여수도 및 WRV 분석결과와 상응한다.
- 니딩에 의해서 WRV가 증가되었다는 것은 니딩 처리 시 외부 및 내부 소섬유화가 발생하였거나, 미세분이 발생하였다는 것을 의미한다. 미세분 함량은 니딩 처리 횟수가 증가할수록 커졌으나, 니딩 농도에 따른 차이는 관찰되지 않았다(Fig. 2). 이는 니딩 농도에 의한 WRV 값의 차이는 섬유의 소섬유화 정도에 의해서 영향을 받았다는 것을 의미한다.
- 상기 기술된 바와 같이 고해 등과 같은 물리적 처리에 의해 펄프섬유는 단섬유화가 되어 섬유장이 감소되는데, 20% 이상의 고농도 펄프 지료를 니딩 처리할 경우에도 섬유장의 감소가 소폭 발생되는 것으로 나타났다. 니딩 처리 횟수가 증가할수록 미세분 함량은 증가하였으나, 니딩 농도에 따른 미세분 함량은 큰 차이가 관찰되지 않았다(Fig.
- 4). 이러한 결과로 볼 때 니딩 농도 15%에서는 섬유의 straightening이 발생되는 것으로 보이며, 이는 니딩 농도 15%에서 니딩 처리 횟수 증가에 따라 섬유장이 소폭 증가한 것과 관련이 있는 것으로 판단된다. 반면에 20% 및 30%에서는 니딩 처리 횟수가 증가함에 따라 curl이 증가되는 경향을 나타냈다.
- 지료 농도별 니딩 처리에 따른 SEM 이미지를 보면 20% 이상의 고농도에서 curl이 발생된 것을 확인할 수 있으며, 특히 30%에서의 curl이 보다 많이 발생되었음이 관찰되어 전술한 curl 분석결과와 일치하였다. 또한 Fig.
- 캐나다 표준 여수도(CSF)는 니딩 처리 횟수가 증가함에 따라 감소하였고, 니딩 농도를 감소시킬수록 여수도 감소폭이 더 크게 나타났다(Fig. 7). 니딩 농도가 높을수록 여수도 값이 높게 나타난 것은 섬유의 curl과 관계된 것으로 판단된다.
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