1. 서 론
도공액의 바인더는 안료 입자를 서로 접착함과 동시에 도공층을 원지에 접착시키기 위해 사용되어진다. 바인더는 고분자 물질로서 크게 전분 또는 단백질과 같은 천연계 바인더와 아크릴계 또는 스티렌-부타디엔계의 합성 바인더로 이루어져 있다. 제지업계에서 가장 널리 사용되고 있는 SB-Latex는 표면광택 및 층간접착성, 탄성이 우수하다.1-3)
하지만 석유유래의 반응성 모노머를 바인더 공중합체 제조의 기본물질로 사용하고 있기 때문에 원유공급의 불안정성과 연동하여 공급가격이 유동적이고, 반응성 모노머의 제조 공정에서 이산화탄소를 배출하는 등, 친환경적이지 못하다는 단점을 가지고 있다.4)
갈수록 심각해지고 있는 환경문제로 인해 이산화탄소 배출 규제가 더욱더 엄격해지고 있으며, 지속적으로 상승하는 유가로 인해 중합체 제조에 기본물질로 이용되는 석유유래의 화학물질(반응성 모노머)을 대체할 소재 자원으로서 가격 측면에서 유리하고 친환경적인 바인더에 대한 관심이 증대되고 있다.5-7)
비닐 아세테이트 에틸렌(VAE, vinyl acetate ethylene) 에멀션 바인더는 SB-Latex 바인더에 비해 가격이 저렴하고, 매장량이 풍부한 세일가스에서 중합체 제조에 필요한 기본물질(비닐아세테이트 모노머)을 얻을 수 있기 때문에 상대적으로 소재자원 고갈의 문제로부터 자유로운 장점이 있다. 또한, SB-Latex 바인더의 제조 시에는 인체에 유해한 페놀계 화합물이 이용되는데, VAE 에멀션 바인더의 경우는 인체의 유해성이 상대적으로 낮은 비닐아세테이트 모노머를 적용·제조함으로써 다양한 이점을 제공할 수 있다.8)
이때, VAE 에멀젼 바인더의 유리전이 온도는 도공지의 물성과 인쇄적성에 영향을 미치는 요인 중 하나이다. 유리전이 온도(Tg)란, 폴리머 분자의 열운동 단위인 segment가 유리상태(동결상태)에서 자유롭게 움직이는 상태, 즉 고무상태로 변화할 수 있는 온도를 말한다. VAE 에멀션 바인더의 유리전이 온도(Tg)는 VAE 에멀젼 공중합체 제조 시 비닐아세테이트와 함께 첨가되는 에틸렌의 양(비율)에 따라 다양한 범위를 갖는다.9,10)
본 연구에서는 현재 도공용 바인더로서 주로 사용되고 있는 SB-Latex 바인더를 VAE 에멀션 바인더로 대체하고자 하는 목적으로 VAE 에멀션 바인더의 Tg가 상이한 경우, 도공지의 특성에 어떠한 영향을 미치는지 검토함으로써 도공용 바인더로서 VAE 에멀션의 적용성을 검토하였다. 이를 위해 1종류의 SB-Latex와 4종류의 VAE 에멀션 바인더를 사용하여 도공액의 배합조성을 설계하였고 제조된 도공지 샘플에 대해 도공지 물성과 인쇄적성을 평가하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
2.1.2 도공용 안료
본 연구에 사용된 도공용 안료는 입자크기가 서로 다른 2가지 종류의 중질 탄산칼슘(GCC)과 1종류의 No.1 클레이가 사용되었다. 기본 물성은 Table 2에 나타내었다.
2.2 실험방법
2.2.1 도공액 제조
도공액의 고형분 농도는 프리 코팅용의 경우 67%, 탑 코팅용의 경우는 68%로 제조하였다. Table 4의 배합조성을 이용하여 프리 코팅용의 도공액을 제조하였고, 이때 필요한 탑 코팅용의 도공액은 1종류의 SB-Latex 바인더와 4종류의 VAE 에멀션 바인더를 각각 이용하여 5종류의 도공액을 제조하여, 더블코팅 방식으로 총 5종류의 도공지를 제조하는데 각각 Tables 4-5의 배합비로 도공액을 제조하였다.
2.2.2 도공액의 물성 측정
저전단 점도는 DV-II viscometer(Brookfield, USA)를 이용하여 60 rpm 조건으로 측정하였다. 도공액의 pH는 pH meter(PB-11, Sartorius Korea Co. Ltd., S. Korea)를 사용하여 측정하였으며, 보수성은 보수성 측정기(AÅ-GWR, Kaltex Scientific Inc., USA)를 사용하여 평가하였다.
2.2.3 도공지 제조
도공지는 실험실용 반자동 코터(K-control, RK Print Coat Instrument Co. Ltd., UK)를 사용하여 제조하였다. 프리 코팅층의 도공량은 편면 8±1 g/cm2, 탑 코팅층의 도공량은 편면 12±1 g/cm2으로 조절하였다. 도공액을 도포한 원지는 열풍건조기(YJ-8600D, Yujin Electronics, S. Korea)에서 105℃, 25초의 조건으로 건조하였다. 그 후 슈퍼캘린더(Supercalender, Beloit Corporation, USA)를 사용하여 도공면이 steel roll을 향하게 하여 온도 70℃, 선압 300 psi의 조건으로 2회 처리하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 도공액의 물성
3.1.1 도공액의 점도와 보수성
Fig. 1에 탑 층에 도포를 목적으로 제조된 도공액의 점도 측정결과를 나타내었다. Table 3에 나타낸 5종의 합성 바인더(SB-Latex, VAE 에멀션 바인더)의 저전단점도 측정결과에서 VAE-4 에멀션 바인더를 첨가한 도공액의 점도가 가장 낮은 값을 나타내었고 VAE-1 에멀션 바인더를 이용한 경우가 가장 높은 값을 나타내었다. VAE-4 에멀션 바인더를 첨가한 도공액을 제외한 나머지 4종의 도공액(SB-Latex, VAE-1~VAE-3)은 대체적으로 유사한 점도 특성을 나타내었다.
Fig. 2에 도공액의 보수성 측정 결과를 나타내었다. SB-Latex 바인더를 첨가한 도공액(Control)의 경우 탈수량(220 g/m2)이 가장 높았고, 나머지 4종의 VAE 에멀션 바인더를 첨가한 도공액은 150-160 g/m2 범위에서 유사한 수준의 탈수량을 나타내었다. SB-Latex 바인더 보다는 VAE 에멀션 바인더의 경우가 보수성 개선에 있어 효과적인 것으로 분석된다.
3.2 도공지의 물성
3.2.1 거칠음도 및 광택
Fig. 3에 SB-Latex 바인더와 VAE 에멀션 바인더를 각각 이용하여 제조한 도공지의 거칠음도를 나타내었다. SB-Latex를 사용하여 제조한 도공지(control)에 비해 VAE 에멀션 바인더를 사용한 도공지가 높은 거칠음도 나타냈다. 또한, VAE 에멀션 바인더를 사용한 4종류의 도공지(VAE-1~VAE-4)를 비교할 경우, 에멀션 바인더의 Tg가 증가함에 따라 도공지 표면의 거칠음도가 증가하는 결과를 나타냈다. 이는 VAE 에멀션 바인더의 Tg는 비닐아세테이트보다 유연한 구조형성에 유리한 에틸렌 모노머의 공중합 비율과 관련이 있다. Tg가 낮은 VAE 에멀션 바인더를 이용할수록 칼렌더 처리 시 열과 압력에 의해 변형되기 쉽고 그 결과 평활한 구조를 형성한 것으로 생각된다.
Fig. 4에 5종류의 도공지 샘플에 대한 백지 광택 측정 결과를 나타내었다. 도공지의 광택은 도공지의 표면 거칠기와 상관관계가 있는데 일반적으로 도공지의 표면이 거칠수록 도공지의 광택은 감소하는 결과를 나타낸다. Fig. 3에 나타낸 도공지 샘플의 거칠음도와 Fig. 4의 도공지 샘플의 백지 광택의 결과는 상관성을 보이는 것을 알 수 있고, 도공지 표면이 거칠수록 백지광택이 감소하는 결과를 나타내었다.11,12) 바인더의 종류에 따라서 비교해 보면 SB-Latex 바인더를 사용하여 제조한 도공지가 VAE 에멀션 바인더를 이용한 도공지 샘플보다 백지 광택이 우수한 결과를 나타내었다. 한편, VAE 에멀션 바인더를 사용한 4종류의 도공지(VAE-1~VAE-4)를 비교할 경우, 에멀션 바인더의 Tg가 증가함에 따라 도공지 백지 광택이 감소하는 경향을 나타냈다.
3.2.2 백색도, 백감도 및 불투명도
Fig. 5에 도공지의 샘플의 백색도 측정결과를 나타내었다. SB-Latex 바인더보다는 VAE 에멀션 바인더를 이용하여 제조한 도공지가 상대적으로 높은 백색도를 나타내었지만 그 차이는 미미하였다. 이는 VAE 에멀션 바인더의 자체 백색도가 SB-Latex보다 상대적으로 우수한 것에 기인한 것으로 생각된다.
Fig. 6에 5종류의 도공지 샘플에 대한 백감도 결과를 나타내었다. 백색도와 마찬가지로 SB-Latex 바인더를 이용하여 제조한 도공지 샘플에 비해 VAE 에멀션 바인더를 이용하여 제조한 도공지 샘플이 상대적으로 백감도가 높은 결과를 나타내었다.
Fig. 7에 5종류의 도공지 샘플에 대한 불투명도 측정결과를 나타내었다. 일반적으로 바인더의 Tg가 높을수록 공극률이 우수한 도공층 구조를 형성하는 것으로 알려져 있으나13-15) 본 연구 결과에서는 그 영향이 명확하지 않고 유사한 결과를 나타내었다. 비교 범위 내에서 바인더의 유리전이온도는 도공지의 광학적 성질에 미치는 영향은 미미한 것으로 생각되며 SB-Latex 바인더를 대체하여 VAE 에멀션 바인더를 사용하여도 도공지의 불투명도에는 큰 문제가 없는 것으로 판단된다.
3.3 도공지의 인쇄적성
RI-II 인쇄적성 시험기를 이용하여 5종류의 도공지 샘플에 대해 잉크 셋오프성, 건조 뜯김강도, 습윤 뜯김강도를 측정하고 그 결과를 5점법으로 나타내었다.
3.3.1 Ink Set-off
Fig. 8에 5종류의 도공지에 대한 잉크 셋오프성을 평가한 결과를 나타내었다. RI-II 인쇄적성 시험기를 이용하여 일정한 양의 청색잉크(Cyan)를 도공지 샘플에 도포한 후, 일정 시간이 경과한 후에 다른 원지에 묻어난 양을 평가한 결과이다. 5점법의 숫자 중에서 5에 가까울수록 묻어난 양이 많다는 의미이고 0에 가까울수록 묻어난 양이 적은 것을 의미한다. 일반적으로 잉크세트성이 빠르면 인쇄광택의 저하가 발생하고, 느리게 되면 뒷묻음 현상이 증가하기 때문에 Fig. 8의 결과에 나타낸 바와 같이 청색잉크가 많이 묻어날수록 잉크세트성이 불량한 것으로 판단할 수 있다.
5종류의 도공지 샘플을 비교한 결과, 2종류의 VAE에멀션 바인더(VAE-1, VAE-2)를 이용하여 제조한 도공지 샘플의 경우가 잉크 셋오프성이 가장 우수한 결과를 나타내었다. 바인더의 Tg가 낮은 경우가 잉크 셋오프성에서 유리한 결과를 나타내었다.
3.2.2 Dry-pick과 Wet-pick strength
Figs. 9, 10에 각각 5종류의 도공지 샘플에 대한 건조뜯김강도와 습윤뜯김강도 측정결과를 나타내었다. 건조뜯김강도의 경우, SB-Latex 바인더를 이용한 도공지 샘플보다 4종류의 VAE 에멀션 바인더를 사용하여 제조한 도공지 샘플이 다소 우수한 결과를 나타내었다. 도공층의 접착성은 사용된 바인더의 종류와 바인더의 입자크기에 의해 주로 영향을 받는다. 일반적으로 SB-Latex 바인더가 VAE 에멀션 바인더에 비해 접착강도에 있어서 유리한 것으로 알려져 있지만 이번 비교실험에 사용된 VAE 에멀션 바인더는 평균입자경이 1,200-1,300Å으로서 비교로 사용된 SB-Latex의 1,700Å보다 작기 때문에 강도적 측면에서 우수한 결과를 나타낸 것으로 생각된다.
습윤뜯김강도의 경우, 건조뜯김강도의 결과와 상이한 특성을 나타내었다. 바인더의 입자크기 또는 바인더의 유리전이 온도(Tg)에 의한 영향보다는 SB-Latex 바인더와 비교하여 VAE 에멀션 바인더가 형성하는 성막 특성이 상대적으로 수분에 약하기 때문에 내수강도의 부족으로 습윤뜯김강도가 저하되는 경향을 나타내었다.
4. 결 론
본 연구에서는 종이 도공에서 주로 사용되는 SB-Latex 바인더와 신규로 이용이 가능한 바인더로서 입자특성이 다른 4종류의 VAE 에멀션 바인더의 적용성을 비교하였다. 각각의 바인더를 이용하여 5종류의 도공지 샘플을 제조하였고, 도공지의 물성과 인쇄적성을 비교 평가함으로써 다음과 같은 결론을 얻었다.
VAE 에멀션 바인더를 사용한 4종류의 도공지(VAE-1~VAE-4)를 비교할 경우, 에멀션 바인더의 Tg가 증가함에 따라 도공지 표면의 거칠음도가 증가하고 백지광택은 감소하는 결과를 나타냈다. 이는 Tg가 낮은 VAE 에멀션 바인더를 이용할수록 칼렌더 처리 시 열과 압력에 의해 변형되기 쉽고 그 결과 평활한 구조를 형성하기 때문인 것으로 생각된다.
5종류의 도공지 샘플을 비교한 결과, 2종류의 VAE 에멀션 바인더(VAE-1, VAE-2)를 이용하여 제조한 도공지 샘플의 경우가 잉크 셋오프성이 가장 우수한 결과를 나타내었다. 바인더의 Tg가 낮은 경우가 잉크 셋오프성에서 유리한 결과를 나타내었다. 건조뜯김강도의 경우, 실험에 이용된 4종류의 VAE 에멀션 바인더의 평균 입자경이 1,200-1,300Å으로서 SB-Latex 바인더(1,700Å)보다 작기 때문에 도공층의 강도발현 측면에서 이점이 있었고 상대적으로 우수한 결과를 나타낸 것으로 생각된다. 습윤뜯김강도의 경우, 바인더의 입자크기 또는 바인더의 유리전이 온도(Tg)에 의한 영향보다는 VAE 에멀션 바인더가 형성하는 필름특성이 상대적으로 수분에 약하기 때문에 내수강도의 부족으로 습윤 뜯김강도는 저하되는 경향을 나타내었다.
연구결과를 고려하면 VAE 에멀션 바인더를 이용하여 SB-Latex 바인더를 사용을 100% 대체하는 것은 아직 어려움이 따르지만, 지속적인 개발과 연구를 하여 부족한 부분을 개선해 나간다면 점차 그 사용량을 확대해 나아가는 것이 가능할 것으로 생각된다. 이는 제지 산업에 있어서 원가절감 효과와 함께 탄소 배출량(Carbon footprint)을 상당히 줄일 수 있어 여러 가지 측면에서 이점을 제공할 것으로 생각된다. 이를 위해 신규 바인더(VAE 에멀션 바인더 등)에 대한 지속적인 연구개발이 필요할 것으로 생각된다.
