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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 종이를 구성하는 섬유의 성분들은 함수율에 따라 지수함수적으로 감소하며 상응하는 Tg(Glass transition temperature)를 갖고 있는데, 주어진 함수율에서의 Tg 이상의 온도로 종이가 처리될 경우 열적인 변형이 쉽게 야기되며, 이로 인해 외부로부터 압력을 받게 되면 종이의 비가역적인 구조변형이 발생한다. 따라서 본 연구에서는 캘린더 처리시 열에 의한 종이의 구조변화에 대한 분석을 통해 수분 도포 시 표면에서 두께 방향으로 수분이 침투하는 깊이 및 이와 구조 변형과의 상관성을 평가하고 이를 통해 러프닝 현상을 해석하고자 하였다.
• 본 연구에서는 종이 내 두께방향으로의 수분침투 현상과 이에 따른 러프닝 현상을 분석하기 위하여 기계펄프의 함량이 높은 BCTMP를 기본 원료로 사용하였다. 지료의 여수도는 470 mL CSF 수준이었으며 미세분 함량은 23.

가설 설정

• 2에 의거하여 계산하였다. CLSM 이미지 분석과 정에서 형광염료에 의해 녹색으로 염색된 부분이 수분의 침투에 의한 것으로 가정하였으며 확산을 통한 종이 내부의 함수율 변이에 의한 변형은 무시하였다.

제안 방법

• 5 kg/cm2에서 5분간 압착한 후 140℃의 롤 표면온도로 cylinder dryer에서 건조시켰다. 23P, RH 50% 조건의 항온항습실에서 조습 처리였다.
• Pre-calendering 이후 코팅이나 인쇄공정에서 발생할 수 있는 러프닝 현상을 모사 하기 위하여 인위적으로 종이 표면에 수분을 도포하였다. 수분이 z-방향으로 흡수될 때 CLSM 이미지로 그 깊이를 시각화하여 정량할 수 있도록 형광염료(Acridine orage)를 증류수에 희석시켰다.
• 마이크로미터를 이용하여 종이의 두께를 측정할 경우 표면의 러프니스와 공극 때문에 실제 두께에 비해 측정데이터가 왜곡되는 될 수 있으므로 effective thickness를 즉정하는 것이 바람직하다고 판단되어 본 연구에서는 CLSM 이미지를 이용하여 effective thickness를 구하였으며 정확성과 재현성을 위해 한 시편당 30회 이상의 샘플의 이미지를 얻어 이로부터 분석을 실시하였다.
• 수분 도포후 CLSM을 통해 종이의 두께 및 형광으로 염색된 부분의 높이를 평가하였으며 (Fig. 1) 수분침투 깊이는 Eq. 2에 의거하여 계산하였다.
• Pre-calendering 이후 코팅이나 인쇄공정에서 발생할 수 있는 러프닝 현상을 모사 하기 위하여 인위적으로 종이 표면에 수분을 도포하였다. 수분이 z-방향으로 흡수될 때 CLSM 이미지로 그 깊이를 시각화하여 정량할 수 있도록 형광염료(Acridine orage)를 증류수에 희석시켰다. 자체 제작한 3—roll applicator를 이용하여 캘린더 처리 전후의 종이에 편면 3 ~ 30 gsm 정도의 fluorescent stained water를 도포하였 다.
• 원지의 캘린더링은 실험용 Soft nip calender((주) 동원롤)를 이용하여 실시하였으며 열에 의한 종이의 구조 변형의 영향을 살펴볼 수 있도록 동일한 선압조건(40 kgf/cm)에서 온도 조건 (40X: ~ 160°C)을 달리하였다.

이론/모형

• 종이 표면의 러프니스 측정은 PPS roughness tester(L&W Co)를 이용하였다. 캘 린더링 효과를 고려하여 러프닝 현상을 평가하기 위하여 RIM (Roughening Index by Moisture)을 이용하였다.

성능/효과

• 그러나 일반적으로 저온 상태에서 고압조건으로 캘린더링을 하게 되면 섬유의 가역성에는 큰 영향을 미치지 않아 수분에 의한 러프닝 현상을 효과적으로 제어하지 못한다. 그래서 섬유의 열적 변형을 야기시 킬 수 있는 충분한 고온조건에서 캘린더를 운전하게 되면 Z-방향으로 열전달이 이루어지고 Tg 이상의 열이 전달된 부분까지 섬유의 비가역성이 커짐으로 인해 러프닝 현상이 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
• 2에서처럼 비교적 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 또한 과량의 수분이 도포되면 처음 두께의 깊이 방향으로 30% 이상까지 수분의 침투가 이루어졌음을 알 수 있었다.
• 이렇게 Z-방향으로 압축된 네트워크 구조는 수분의 침투를 억제하게 되며 열과 압력에 의해 캘린더 처리된 종이가 그렇지 않은 것에 비해 수분 침투는 덜 일어났다. 형광염료에 의해 녹색으로 염색된 부분의 넓이는 원지의 것이 훨씬 컸으며 수분침투깊이 또한 원지에서 더 크게 나왔다.
• 4에서는 열처리에 의한 러프닝 현상의 차이를 보여주고 있다. 저온조건의 캘린더 처리조건과 달리 120°C 이상의 온도에서는 러프닝 현상이 현저히 감소하는 것을 확인하였다. 이것은 열과 압력에 의해 압축된 종이 내의 고밀화된 네트워크가 일차적으로 수분의 침투를 억제하고 이와 더불어 열에 의해 섬유의 가역성이 떨어져 러프닝 현상이 덜 일어난 것으로 생각 되었다.

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