[논문]양전하 및 음전하를 띄는 나노 사이즈의 콜로이달 실리카를 이용한 종이 sheet의 Anti-slip 제어 효과

김형진; 이원노; 이종만

문제 정의

군에서 sheet표면에 spray처리되어 제품화되고 있으나 dryer군의 높은 온도로 인한 silica가" 서로 응집하여 응고되는 문제점을 야기하고 있다. 따라서 본 실험에서는 이러한 문제점의 해결방안으로서 sol-gel법을 적용하여 양전하 및 음전 하를 지니는 nano 사이즈의 colloidal silica를 수초지sheet의 습부web상에 적용하여 종이의 anti-이ip제어 효과를 유도하고자 하였으며, 이에 따른 영향을 분석하였다.
음전하 및 양전하를 띄는 콜로이달 실리카를 나노 사이즈로 제조하여 종이 sheet에 처리하였을 때 나타나는 마찰 특성을 평가하였다. 본 연구에서는 기존 초지공정의 건조부에서 적용하던 방식과는 달리 습부 공정의 습윤web에서 나노콜로이달 실리카를 nozzle분 사하여 sheet의 미끄럼 제어 효과 효율을 평가하고자 하였다. 음전하 및 양전하를 띄는 콜로이달 실리카를 습윤web에 처리하였을 경우 마찰계수가 증가하는 것을 확인하였고, 콜로이달 입자의 전하 특성 및 pH 조건에 따라 내 마찰 효율의 차이가 나타남을 확인하였다.

제안 방법

측정시 마찰시험기의 speed는 lOOmm/min, length는 25mm, load cell lON(lkgf)의 조건으로 측정하였다. 그 외 수초지의 물리적 특성을 평가하기 위하여 인장 강도 및 신장율은 L&W tensile strength tester로 측정하였으며, 파열강도는 L&W bursting strength tester, roughness는 Bentsen tester기를 사용하여 평가 흐)였다.
0kg/cm2의 압축공기와 혼합시켜 미분화한 다음 균일하게 web상에 분무되도록 하였다. 노즐의 이동 속도는 1초에 1회 왕복하도록 하였으며 이때 분무양은 약 1.83g/m7stokeo] 되도록 하였으며, 3회 반복하여 실험을 실시하였다. Table 3은 실험에 사용한 분무조건을 나타냈다.
초지된 습지필에 colloidal silica를 분무하기 위하여 Fig 2의 system을 지니는 실험 실용 분무장치를 이용하였다. 분무장치는 수초지기의 몰더위에 설치하였고 Fig 2에서와 같이 탱크에는 정량 펌프를 연결시켜 일정한 유량의 colloidal silica를 분무기로 이송하였으며, 순환 루프상에 설치된 밸브를 조절하여 노즐로 공급되는 압력을 1.5~L0kgf/cm2로 일정하게 유지시켰다. 증류수에 양전하 및 음전 하를 띄는 colloidal silica를 농도 1%로 희석한 후 30분간 교반하여 tank에 충진시키고, 에어컴프레서로부터 공급되는 압력 2.
공시펄프로서 UKP를 실험 실용 Valley beater로 여수도 330ml CSF가 되도록 고해한 후, 평량 80g/m2의 수초지를 제조하였다. 수초지기는 30x30cm 크기의 사각 수초지 기를 사용하였으며, 초지시 지료의 pH를 조절하기 위해 지료의 pH를 pH 4, pH 7, pH 9로 정확히 조절하고 수초지기의 상부수절선까지 물이 채워졌을 경우 H₂SO₄ O.1N을 10배 희석하여 pH 4의 조건에서 90ml, pH 7의 조건에서 6ml, pH 9의 조건에서는 NaOH 0.1N을 두 배 희석 하여 42ml를 지료와 함께 첨가시켜 수초지기 내에서 충분히 반복 couching 처리하여 균일하게 교반되 도록 하였다. 탈수 후 제조된 습지필분무장치를 이용하여 nozzle 분사를 행하였으며, 55kg/cm2의 압력조건으로 3분간 pressing 한 후 표면 온도를 1670로 유지시킨 drum dryer를 사용하여 건조하였다.
사진(c)는 실리카 입자가 섬유에 분포되어 있는 형상을 보여주고 있다. 실리카입자의 표면 분포 모양을 확인하기 위하여 SEM-EDAX(Hitachi S-4300)를 이용하여 sheet의 표면 구조를 분석하였으며 Fig 6과 7에 나타냈다.
음전하 및 양전하를 띄는 콜로이달 실리카를 나노 사이즈로 제조하여 종이 sheet에 처리하였을 때 나타나는 마찰 특성을 평가하였다. 본 연구에서는 기존 초지공정의 건조부에서 적용하던 방식과는 달리 습부 공정의 습윤web에서 나노콜로이달 실리카를 nozzle분 사하여 sheet의 미끄럼 제어 효과 효율을 평가하고자 하였다.
5~L0kgf/cm2로 일정하게 유지시켰다. 증류수에 양전하 및 음전 하를 띄는 colloidal silica를 농도 1%로 희석한 후 30분간 교반하여 tank에 충진시키고, 에어컴프레서로부터 공급되는 압력 2.5~2.0kg/cm2의 압축공기와 혼합시켜 미분화한 다음 균일하게 web상에 분무되도록 하였다. 노즐의 이동 속도는 1초에 1회 왕복하도록 하였으며 이때 분무양은 약 1.
콜로이달 실리카의 spray 처리에 의한 종이의 표면 구조를 확인하기 위하여 SEM—EDAX(JSM-5410)를 이용하여 섬유의 표면 구조를 분석하였다. Fig 5는 섬유 및 silica가 섬유의 표면에 분포된 형태를 나타낸 것이다.
1N을 두 배 희석 하여 42ml를 지료와 함께 첨가시켜 수초지기 내에서 충분히 반복 couching 처리하여 균일하게 교반되 도록 하였다. 탈수 후 제조된 습지필분무장치를 이용하여 nozzle 분사를 행하였으며, 55kg/cm2의 압력조건으로 3분간 pressing 한 후 표면 온도를 1670로 유지시킨 drum dryer를 사용하여 건조하였다.

대상 데이터

공시재료로는 국내 S사에서 분양받은 UKP 펄프를 사용하였다.
공시펄프로서 UKP를 실험 실용 Valley beater로 여수도 330ml CSF가 되도록 고해한 후, 평량 80g/m2의 수초지를 제조하였다. 수초지기는 30x30cm 크기의 사각 수초지 기를 사용하였으며, 초지시 지료의 pH를 조절하기 위해 지료의 pH를 pH 4, pH 7, pH 9로 정확히 조절하고 수초지기의 상부수절선까지 물이 채워졌을 경우 H₂SO₄ O.

이론/모형

제조된 수초지는 중앙을 기점으로 좌우 edge부분을 5cm씩 잘라낸 후 마찰시험기의 load cell에 요구되는 10x10cm의 크기로 재단하였다. 마찰계 수 평가는 Tappi standards T816 om-92방법에 의거하여 Toyoseiki friction tester TRe- 사용하였으며, 측정 횟수는 각 측정 당 10회 반복하여 평균하였다. 측정시 마찰시험기의 speed는 lOOmm/min, length는 25mm, load cell lON(lkgf)의 조건으로 측정하였다.

성능/효과

6% 정도 상승폭을 나타냈다. PNAS 처리의 경우 초지조건 pH 4에서 알카리 조건으로 갈수록 roughness는 감소되는 경향으로 나타났으며, 산성조건일 때 roughness value 44%, pH 7 및 9조건에서 각각 11.7%, 5.3%의 상승폭을 유도했다.
6%의 증가율을 보였다. PNAS처리 경우 초지조건 pH 4 및 pH 9에서 평균 5.5%의 증가율을 나타냈으며, pH 7 조건에서는 2.5% 정도 향상되었다. Roughness의 경우 NNS 처리 시 초지조건 pH₇에서 약 32%의 roughness value의 상승을 야기했으며, pH 4 및 pH 7의 조건에서 각각 9.
동일 조건에서 (+) 전하를 띄는 PNAS를 적용한 경우 (-)전하를 띄는 NNS] 비해 평균 15% 높은 마찰 특성을 보였으며, 알카리 조건보다 산성조건에서 적용하였을 경우 마찰 특성이 우수함을 확인하였다.가장 우수한 마찰 특성은 pH조건 4에서 나타났으며 21% 정도의 증가된 효율을 나타냈다. 이러한 결과는 PNAS의 경우 최적 pH조건이 3~5이기 때문에 산성 조건 에서 가장 양호한 결과를 나타냈다고 판단된다.
Fig 6 및 7은 각각 NNS와 PNAS를 sheet의 습부 web에 분무처리한 것으로서, 섬유의 표면에서 실리카입자가 응집되어 있는 모습을 나타내고 있다. 그림에서 관찰할 수 있는 바와 같이 Fig 6에서의 NNS처리에 의한 음전하를 지니는 실리카의 착체형상보다 Fig 7에서의 PNAS 처리에 의한 양전하를 지니는 실리카의 착체가 섬유에 더욱 강하게 응집되어 있음을 관찰할 수 있었다. 이는 PNAS7} NNS보다 고형분 함량이 높을 뿐 아니라 입자경도 크기 때문에 보다 명확한 구조를 나타낸 것으로 사료되며, 이에 따른 내마찰 저항 또한 PNAS가 NNS보다 높게 나타났다.
동적 마찰계수값의 결과이다. 그림에서와 같이 (-) 전하를 띄는 NNS를 표면 처리 하였을 경우 정적 마찰계수가 무처리에 비해 평균 9% 정도 증가하였으며, 지료의 조건이 pH 9인 경우 pH 4 및 pH 7보다 다소 증가된 9.8% 정도의 증가율을 보였다. 이러한 결과는 (-)전하를 띄는 NNS 의 경우 최적 pH가 9이기 때문에 섬유와의 반응효과가 가장 높았던 것으로 사료된다.
동적 마찰 계수의 경우에서도 pH 9 조건에서 가장 높은 값을 나타냈다. 동일 조건에서 (+) 전하를 띄는 PNAS를 적용한 경우 (-)전하를 띄는 NNS] 비해 평균 15% 높은 마찰 특성을 보였으며, 알카리 조건보다 산성조건에서 적용하였을 경우 마찰 특성이 우수함을 확인하였다.가장 우수한 마찰 특성은 pH조건 4에서 나타났으며 21% 정도의 증가된 효율을 나타냈다.
음전하 및 양전하를 띄는 콜로이달 실리카를 습윤web에 처리하였을 경우 마찰계수가 증가하는 것을 확인하였고, 콜로이달 입자의 전하 특성 및 pH 조건에 따라 내 마찰 효율의 차이가 나타남을 확인하였다. 또한 colloidal silica를 습윤web에 적용하였을 경우 건조 시트의 강도적 특성 개선되는 것을 확인하였다.
PNAS처리한 경우 초지조건 pH 4, pH 7, pH 9 조건 모두 인장 강도의 변화가 나타나지 않았다. 신장율의 경우 NNS 처리시 pH 9 조건에서 1.3% 정도의 증가율을 보였으며, PNAS 처리 시 지료의 pH가 높아짐에 따라 신장율은 다소 감소되었다.
본 연구에서는 기존 초지공정의 건조부에서 적용하던 방식과는 달리 습부 공정의 습윤web에서 나노콜로이달 실리카를 nozzle분 사하여 sheet의 미끄럼 제어 효과 효율을 평가하고자 하였다. 음전하 및 양전하를 띄는 콜로이달 실리카를 습윤web에 처리하였을 경우 마찰계수가 증가하는 것을 확인하였고, 콜로이달 입자의 전하 특성 및 pH 조건에 따라 내 마찰 효율의 차이가 나타남을 확인하였다. 또한 colloidal silica를 습윤web에 적용하였을 경우 건조 시트의 강도적 특성 개선되는 것을 확인하였다.
그림에서 관찰할 수 있는 바와 같이 Fig 6에서의 NNS처리에 의한 음전하를 지니는 실리카의 착체형상보다 Fig 7에서의 PNAS 처리에 의한 양전하를 지니는 실리카의 착체가 섬유에 더욱 강하게 응집되어 있음을 관찰할 수 있었다. 이는 PNAS7} NNS보다 고형분 함량이 높을 뿐 아니라 입자경도 크기 때문에 보다 명확한 구조를 나타낸 것으로 사료되며, 이에 따른 내마찰 저항 또한 PNAS가 NNS보다 높게 나타났다.

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