1. 서 론
Wet-end는 최종 생산품의 물성 및 공정 효율성을 결정짓는 중요한 단계이다. 헤드박스에서 사출된 지료가 와이어에서 탈수가 되는데 이 때 섬유가 지층을 형성하며 고화된다. 이렇게 형성된 습지필로부터 잉여의 수분이 압착 탈수 및 건조과정을 거치면서 제거된다. 습지필의 수분을 제거하기 위한 건조단계에서 막대한 에너지가 소요됨을 고려할 때, 보류, 탈수, 지합 측면에서 wetend 운전 효율은 단순히 종이의 물리적, 화학적 특성뿐만 아니라 전체 제지공정 생산성을 좌우한다. Wet-end에서 지필이 형성될 때 지료 구성성분의 보류도, 탈수성 및 지필이 양호해야 한다. 헤드박스에서 사출된 지료가 포밍 패브릭에 의해 탈수될 때 물과 함께 지료 구성 성분의 일부가 소실되게 되고 남은 성분은 지필을 형성하게 된다. 보류는 포밍 패브릭 상에 남아있는 지료 구성성분의 비율, 즉, 헤드박스에서 사출되는 지료구성성분중 포밍 패브릭 상에 남아 지필을 형성하는 성분의 비율을 일컫는다. 보류도가 불량할 경우 탈수과정에서 유효성분이 백수로 유입, 폐쇄화되는 공정수 내 오염물로 축적되어 각종 문제를 일으킬 뿐만 아니라 헤드박스 농도의 상승으로 종이 균일성이 저하된다. 보류를 향상시키기 위하여 오래전부터 고분자량 저전하밀도의 양이온성 고분자전해질과 음이온성 마이크로 파티클을 이용한 보류시스템이 활용되고 있다. 이러한 보류시스템을 통하여 지료 구성성분 간 적절한 응집을 유도할 수 있도록 조절하여 보류, 탈수, 균일성을 확보해야 하는데, 만일 지료구성성분 간 응집이 과할 경우 큰 플록(floc)이 형성되면서 보류는 향상되지만 지필의 균일성과 진공 및 압착 탈수 후 건조도가 낮아진다는 단점이 있다. 반면 지료 구성성분 간 응집이 약할 경우에는 보류가 저하되고 최종생산품의 물성이 불량해진다.
다양한 종류의 고분자 전해질을 활용한 wet-end 보류시스템 대한 연구는 오래전부터 지속되어 왔으며, 공정특성에 적합한 보류시스템의 적용 기술 역시 다양한 시험기기와 함께 발전되어 왔다. 오래전부터 많은 연구자들은 poly(ethylene oxide),1) 저 전하밀도 양이온성 폴리아크릴 아미드,2) 양이온성 폴리아크릴 아미드,3) polyethylene imine(PEI)4) 등을 이용하여 wet-end에서의 보류 및 탈수 향상 방안에 대한 연구를 수행하였으며 섬유 뿐만 아니라 미세분, 충전제 등의 혼합 시 효과적으로 지료 구성성분을 응집하고 보류, 탈수, 지합을 개선하기 위한 보류시스템에 대한 탐색을 지속적으로 수행하여 왔다.5,6) 이 때 다양한 보류시스템을 비교하기 위하여 모두다 현장에 직접 적용평가하기에는 한계가 있는 바, 실험실적 평가를 통해 소수의 적합한 보류시스템을 선별하고 그 효능을 분석하는 사전평가 작업은 매우 중요하다. 이에 본 연구팀은 전보에서 wet-end 보류시스템의 사전평가를 위해 보류, 지합, 탈수를 종합적으로 고려한 retention and drainage analyzer(RDA)를 개발하였다.7) RDA는 보다 현장에 가까운 초지 조건 모사가 가능하도록 자연 탈수를 기반으로 수초지를 제작하는 기존 기기와는 달리 지료의 농도를 높이고 진공 탈수를 실시함에 따라 기존의 탈수성 분석기나 보류도 측정기의 단점을 보완한 장치이다. 본 연구에서는 먼저 Fig. 1과 같이 지층 형성부에 편심 cam을 활용한 진동을 도입하였다. 전술한 진동 도입은 초기 습지필의 형성을 지연하여 지합을 개선하고 여과에 의한 보류를 줄여 미세분의 chocking 문제를 완화시키는데 큰 효과가 있었으나 기계적으로 마찰될 때 큰 소음이 발생하고 기기의 내구성이 취약하다는 문제점이 있었다. 이에 Fig. 2와 같이 Fig. 1의 편심 cam을 대신하여 공압식 진동소자(pneumatic air piston linear vibrator)를 장착함으로써 보다 정숙하고 균일한 진동을 도입할 수 있도록 개량하였다. 이에 본 연구에서는 전 보에서 개발된 RDA의 탈수성을 개선하기 위하여 편심 cam 혹은 전기 마그네트나 회전형 바이브레이터와 달리 에어 피스톤을 장착하여 축방향 진동으로 RDA 지층 형성부를 흔들어 줌에 따라 실제 제지 공정의 wet-end를 실험실적으로 재현하고, 충전제 종류에 따른 보류, 탈수, 지합을 종합적으로 분석함으로써 개량된 RDA의 성능을 평가하고자 하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
RDA 진동 여부에 따른 라이너지와 백상지의 탈수성 평가를 위하여 재활용 폐지를 이용하여 지류포장 소재를 생산하는 D사의 제지공정 머신체스트에서 old corrugated container(OCC) 지료를 채취하였다. 백상지의 경우 표백 침엽수 및 활엽수 크라프트 펄프를 공시재료로 사용하였다.
OCC 지료의 성상을 Table 1에 나타냈으며 라이너지 공정의 탈수성 분석을 위해 0.2% 농도의 silo 백수를 희석수로 이용하였다. 보류향상제로는 양이온성 에멀젼 poly-acrylamide(PAM)와 벤토나이트를 이용하였다.
Table 1.
Specifications of OCC stock
| Items | Value |
|---|---|
| Cationic demand, μeq/g | 0.386 |
| Calcium hardness, ppm | 940 |
| Consistency, % | 3.92 |
| Electrical conductivity, mS/cm | 2.75 |
| Zeta potential, mV | -11.8 |
표백 침엽수 및 활엽수 크라프트 펄프는 각각 실험실용 고해기로 400 mL CSF까지 고해한 후 8:2의 비율로 혼합하여 수초지 제조를 위한 원료로 활용하였으며, 국내외 탄산칼슘 제조업체에서 분양받은 6종의 중질 탄산칼슘(ground calcium carbonate, GCC)을 충전제로 사용, 비교하였다.
2.2 실험방법
2.2.1 보류, 지합, 탈수 분석를 통한 진동 RDA 특성평가
Table 1의 OCC 지료로 지층 형성부에 진동이 도입되지 않은 기존 RDA와 pneumatic air piston linear vibrator를 도입한 RDA를 이용하여 각각 평량 130 g/m2 수초지를 제작하였다. 이 때 RDA 진동 여부에 따른 여액의 탁도를 HACH사의 탁도계로 측정하여 보류도를 측정하였으며, 습지필의 final air permeability(FAP), 시편의 지합(2D-F sensor, TechPAP, France)을 측정, 수치화하여 세 가지 특성을 비교함으로써 보류 시스템 효능을 종합적으로 비교분석하였다. 측정된 탁도, 지합, 불투명도, 백색도 각각의 평균을 구한 후 각 평균에 대한 백분율로서 보류, 탈수, 지합을 다시 환산하여 3종의 총 합을 계산함으로써 계산하였다.8)
2.2.2 백상지 제조용 중질 탄산칼슘 선별을 위한 진동 RDA의 활용
백상지의 충전제용 중질탄산칼슘 특성을 평가하기 위하여 표백 침엽수 및 활엽수 크라프트 펄프는 각각 실험실용 고해기로 400 mL CSF까지 고해한 후 8:2의 비율로 혼합하여 원료를 준비하고 진동 RDA의 교반 및 감압 탈수 조건을 각각 Table 2 및 3과 같이 설정하였다. 백상지 초지 공정의 wet-end에 미치는 영향을 평가하기 위하여 step 1에 서로 다른 4종의 중질 탄산칼슘을 각각 전건섬유 대비 30% 비율로 투입하고, step 2에 정착제로서 polyamine계 고분자 전해질을 500 ppm 투입하였다. 이 후 마이크로파티클 시스템에 의한 보류를 모사하고자 step 3에 양이온성 에멀젼 PAM 350 ppm, step 4에 벤토나이트 1,500 ppm을 각각 투입하고 교반속도는 1, 2, 3, 5 step은 모두 1,000 rpm, step 4는 1,300 rpm으로 조절하여 평량 100 g/m2의 수초지를 제작을 실시하였다. 진동 RDA 여액의 탁도, 제작된 수초지의 지합, 불투명도, 백색도를 측정하여, 백상지 제조용 중질탄산칼슘 선별을 위한 진동 RDA의 효능을 평가하였다. 2.2.1항과 마찬가지로 측정된 보류, 지합, 백색도, 불투명도 역시 각 측정치의 평균에 대한 백분율로 환산하여 총 4종의 합을 종합적으로 비교 분석하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 진동이 도입된 RDA를 활용한 wet-end 분석
Pneumatic air piston linear vibrator가 장착된 RDA와 기존의 RDA를 이용하여 양이온성 에멀젼 PAM 투입량에 따른 수초지를 제조하고 wet-end 특성을 비교 평가하였다. Fig. 3은 기존 RDA와 진동이 도입된 개량 RDA로 수초한 후 여액의 탁도를 비교 분석한 결과이다. 양이온성 에멀젼 PAM 투입량이 증가함에 따라 여액의 탁도가 감소하였는데, 진동이 도입된 RDA 여과액의 탁도는 기존 RDA의 경우 보다 높았다. Fig. 4는 RDA 진동 여부에 따른 수초지의 FAP 분석결과이다. FAP는 탈수곡선의 마지막 진공도를 의미하며 FAP가 높을수록 습지필의 탈수성이 불량함을 의미한다. 진동이 없는 기존 RDA로 수초한 경우 양이온성 에멀젼 PAM 투입량이 증가함에 따라 FAP가 증가하였으나, 습지 형성부에 진동을 도입한 RDA로 수초지를 제작할 경우 에멀젼 PAM 투입량이 증가함에 따라 FAP가 감소하였다. Fig. 5는 기존 RDA와 진동 개량 RDA를 이용하여 초지한 OCC 재활용 종이의 지합 측정 결과이다. Fig. 5에 나타난 바와 같이 양이온성 에멀젼 PAM의 투입량이 증가함에 따라 지합이 다소 저하되었으며 진동 RDA로 제작한 수초지의 지합이 기존 RDA로 제작한 수초지의 지합보다 균일하였다. 이상의 결과로 미루어 보았을 때 RDA 초지 시 진동 도입으로 동일한 운전조건에서 보류도가 낮았고 지합과 탈수성은 개선되었다. 이는 습지 형성부에 진동을 도입함에 따라 forming tank에서 지료가 와이어 쪽으로 물과 함께 이동하며 여과되고 지층이 고화될 때 진동에 의해 지층의 형성이 지연됨에 따라 OCC 지료 내 많은 미세분이 지필에 보류되지 못하고 여액과 함께 빠져나와 보류도는 낮아지나 탈수성은 우수해지는 결과를 나타낸 것으로 해석된다. 보류향상제의 첨가수준이 증가함에 따라 실제 초지기에서 보류, 탈수 정도가 일반적으로 향상되고 지합이 저하되는 경향을 보인다. 그러나 진동을 도입하지 않은 이전 RDA 수초지에는 습지필의 형성이 지나치게 일찍 일어나 여과보류가 현장보다 과하게 일어나는 만큼 보류제를 증량할수록 여과보류된 미세분에 의한 chocking 현상이 조장되어 탈수성이 저하되는 듯 결과를 보였다. 개량된 진동 RDA는 기존 RDA와 달리 보류제 증량에 따른 보류, 탈수 개선효과를 볼 수 있었다.
Fig. 3.
Turbidity of the RDA filtrate from OCC stock at the varied dosages of cationic PAM with or without vibration.
3.2 진동 RDA를 활용한 충전제용 중질 탄산칼슘 선별
백상지 공정에 충전제를 적용할 경우 고려해야 할 주요 인자는 와이어에서의 보류, 종이의 균일성과 백색도 및 불투명도를 들 수 있다. 백상지 제조공정에서 충전제가 충분히 보류되지 않을 경우 첨가되는 기능성 고분자 전해질의 효능을 저하시키고 오염도가 증가하며, 최종 생산품의 광학적, 구조적 특성에 악영향을 미치며 원가상승에 원인으로 작용할 수 있다.9)
Table 4는 각기 다른 성상을 가진 4종의 탄산칼슘을 침엽수 및 활엽수 표백 크라프트 펄프로 구성된 지료에 30% 투입하고 마이크로 파티클 보류시스템을 적용하는 RDA 초지를 실시할 때 여액의 탁도, 지합, 수초지의 백색도와 불투명도 측정결과이다. 동일 보류 조건에서 RDA 여액의 탁도가 가장 낮은 탄산칼슘 B의 보류도가 가장 우수하였으며 지합은 C, 백색도와 불투명도는 미세한 차이를 나타냈다. 탄산칼슘 B가 가장 우수한 보류도를 나타낸 이유는 Table 5에 나타낸 바와 같이 탄산칼슘 슬러리의 양이온 요구량이 가장 적기 때문으로 추정된다. 일정량의 보류 향상제가 투입되는 RDA 초지 조건하에서 탄산칼슘의 0.001 N poly-DADMAC 소모량이 가장 적다는 것은 탄산칼슘에 흡착되는 양이온성 고분자 전해질의 양이 적기 때문에 더 많은 고분자 전해질이 보류 향상에 기여했음을 의미한다.
Table 4.
Turbidity of the RDA filtrate, formation, brightness, and opacity of RDA sheets Vs. the various calcium carbonates
| Species of calcium carbonate | Turbidity, NTU | Formation, LT | Brightness, % | Opacity, % |
|---|---|---|---|---|
| A | 307 | 52.99 | 84.39 | 94.01 |
| B | 283 | 50.09 | 85.25 | 93.52 |
| C | 318 | 49.43 | 85.27 | 93.82 |
| D | 307 | 52.37 | 85.19 | 94.34 |
Table 5.
Turbidity and cationic demand of centrifuged at 11,000 rpm supernatant from the calcium carbonate slurries
| Species of calcium carbonate | Turbidity, NTU | Cationic demands, μeq/g |
|---|---|---|
| A | 36 | 0.0137 |
| B | 56 | 0.0397 |
| C | 41 | 0.0199 |
| D | 52 | 0.0257 |
Jeon 등8)이 연구한 바에 따르면 RDA를 이용한 wetend 효율성의 종합적 분석을 위해서는 대표적 평가인자의 합을 이용할 수 있다. 그러나 단순히 측정된 수치를 더하여 wet-end의 효율성을 평가한다면 오류가 발생할 수 있다. 그 이유는 탁도와 지합은 그 값이 작을수록, 백색도와 불투명도는 그 값이 클수록 우수한 물성을 나타내기 때문이다. 따라서 각 측정항목 수치가 작을수록 우수한 물성을 나타낼 수 있도록 평가인자를 표현할 수 있다면 4종 총 합이 가장 작은 중질 탄산칼슘이 4종의 탄산칼슘 중 가장 효율적인 백상지용 탄산칼슘이라 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 백색도와 불투명도는 측정치의 역수를 취하고, 계산된 역수의 평균에 대한 백분율로서 보정을 실시하였다. 탁도와 지합의 경우 각각의 평균을 구하고 각 평균에 대한 백분율로서 환산한 후 4가지 측정 항목의 총 합을 산출하여 중질 탄산칼슘의 충전제로서의 가치를 종합적으로 비교 분석하였다. 이러한 방법을 이용하여 충전제의 효과를 평가할 경우 더욱 중요하게 고려해야 할 평가인자가 있을 때에는, 그 인자에 가중치를 부여함으로써 개개 생산 공정과 최종 생산품품질에 적합한 충전체를 선정할 수 있다.
Table 6에 나타난 바와 같이 진동 RDA를 이용하여 동일한 초지 조건 하에서 가장 우수한 효율을 나타낸 중질 탄산칼슘은 보류, 지합, 백색도, 불투명도 이상 4종의 평가인자 합이 가장 적은 B였다. 중질 탄산칼슘 C, D는 평가인자의 합이 유사하였고 A의 값이 가장 높았다. Table 6의 결과로 미루어 보아 동일 초지 조건 하에서 4종 중질 탄산칼슘의 백색도와 불투명도 환산수치가 크게 차이나지 않는 점을 감안한다면, 보류와 지합 환산 수치가 낮은 중질 탄산칼슘이 가장 효율적이라고 판단할 수 있다. 결국 4종의 중질 탄산칼슘 중에서는 보류와 지합측면에서 우수한 효율을 나타내는 탄산칼슘 B가 백상지 제조용 충전제로서 4종의 탄산칼슘 중 가장 우수한 효율을 나타내는 것으로 분석되었다.
4. 결 론
제지공정 wet-end에서 발생하는 물리화학적 현상들을 실험실적으로 예측하기 어렵다. Wet-end에서의 효율을 극대화하여 최종 생산품의 품질은 개선시키면서, 공정 트러블을 최소화기 위해서는 wet-end에서의 보류, 탈수와 함께 최종 생산품의 품질을 종합적으로 분석해야 한다. 하지만 기존 lab-scale의 탈수 및 보류 분석기기로는 이를 예측하기에는 한계가 있다.
RDA는 기존 실험실적 분석 방법과는 달리 현장 초지조건과 보다 유사한 조건에서 일회의 조작으로 수초지를 제작하고 초지 시 보류, 탈수 특성과 지합을 모두 평가할 수 있는 기기이다. 본 연구에서는 기존 RDA에 진동소자를 도입함으로써 나타나는 탈수 특성과 충전제 종류에 따른 백상지용 충전제의 평가인자를 비교 분석하였다. 이에 기존 RDA에 비해 pneumatic air piston linear vibrator가 도입된 개량 RDA를 이용한 실험실 평가를 통하여 초기 지층형성을 지연시키는 이유로 현장 적용 대상 첨가제 및 충전제를 선별하고 최적화하는 시도가 가능할 것으로 판단된다.
