2.1 실험재료

2.2 실험방법

3.1 PVAm의 최적 투입량 탐색

PVAm을 지력증강제로 사용할 때 투입량에 따른 영향을 파악하고자 하였으며 투입량에 따른 보류도 변화를 Fig. 1에 나타냈다. 이때 PVAm과 음이온성 PAM의 투입비율은 전하중화를 고려하여 1:0.7로 고정하였다. PVAm 1%, 3% 투입 조건에서 가장 우수한 보류도를 나타냈으나 전체적으로 미미한 수준의 변화였고 투입량 증가에 따른 일정한 경향은 나타나지 않았다. 또한 미세분이 더 보류된 조건인 1%, 3%에서 우수한 지합을 나타냈으며 미세분의 보류도가 높을수록 지합이 우수한 경향을 보였다(Fig. 2). 일반적으로 미세분이 많이 보류될 경우 장섬유 사이의 공극을 메워 종이의 지합이 우수해지는데 본 연구에서도 동일한 경향을 확인할 수 있었다. 그러나 PVAm에 의한 미세분 보류효과가 크지 않기 때문에 보류도 및 지합에 대한 PVAm 투입량 변화의 영향은 미미했던 것으로 판단된다.

Fig. 1.

Effect of dosage of C-PVAm on the retention of fines (SwBKP:TMP=34:67).

Fig. 2.

Effect of dosage of C-PVAm on the formation of handsheets (SwBKP:TMP=34:67).

PVAm 투입량에 따른 인장지수 측정결과를 Fig. 3에 나타냈다. 침엽수 표백 크라프트 펄프를 600 mL CSF로 고해하고 PVAm의 투입량을 조절한 결과 지료 대비 3% 이하의 첨가수준이 가장 우수한 인장지수를 나타냈으며 약 9% 정도의 강도개선을 이루었다. 또한 PVAm을 4%까지 과량 투입했을 때 오히려 인장지수가 감소하는 결과를 보였으며 보류도와 지합을 모두 고려할 때 3% 투입 조건이 가장 적합한 것으로 판단된다. PVAm은 높은 전하밀도를 가지는 것으로 알려져 있으며 다양한 문헌에서 PVAm을 지력증강제로 사용해 왔다.^4,6) Son 등⁷⁾은 PVAm을 이용해 종이의 강도와 관련된 연구를 수행하였고, Cho 등⁵⁾은 PVAm과 음이온성 PAM의 dual polymer system을 이용해 종이의 강도를 개선한 것으로 보고하였다. 전체적으로 PVAm 투입 시 빠른 흡착속도로 인해 침엽수 표백 크라프트 펄프와 우선적으로 반응하여 탈수 시 지력제의 유실 없이 수초지의 강도를 개선하였으나 이후 배합된 열기계펄프의 미세분의 보류에는 영향을 미치지 못한 것으로 보인다. 또한 3%의 PVAm 투입조건에서 우수한 지력증강이 가능함을 확인할 수 있었다.

Fig. 3.

Impact of dosage of C-PVAm on the tensile index of handsheets (SwBKP:TMP=34:67).

3.2 PVAm 투입 시 최적 고해도 탐색

PVAm을 지력증강제로 사용할 때 지료의 최적 고해도를 파악하고자 침엽수 표백 크라프트 펄프 여수도별 TMP 배합 수초지의 특성을 평가하였다. PVAm과 음이온성 PAM의 투입비율은 1:0.7로 동일하게 적용하였다.

Fig. 4는 고해 수준에 따른 탁도 결과이다. 고해에 의해 여수도가 낮아질수록 탁도가 감소하는 결과를 보였으나 전체적으로 미미한 수준의 변화를 나타냈다. 또한 Fig. 1의 PVAm 미투입 시 탁도 결과가 약 37.5 NTU인 것을 감안할 때 PVAm 투입에 의한 미세분 보류효과는 크지 않은 것으로 판단된다. 고해는 일반적으로 내·외부 fibrillation뿐만 아니라 2차 미세분을 생성하며 대부분의 2차 미세분은 고해 초기에 발생하는 것으로 알려져 있다.^10,11) 고해 수준이 증가함에 따라 침엽수 표백 크라프트 펄프 미세분의 생성도 증가하였으나 미세분의 여과보류가 증가함에 따라 탁도가 감소한 것으로 판단된다.

Fig. 4.

Effect of beating degree on the retention of fines (SwBKP:TMP=34:67, PVAm dosage=3%).

지합은 종이의 품질을 나타내는 중요한 특성이며 종이 부위에 따른 평량의 변화로 정의된다. 따라서 지합은 섬유 간 결합 균일성을 나타낸다고 할 수 있으며 종이의 물리적 강도에 크게 영향을 미친다.¹²⁾

Fig. 5는 고해도에 따른 수초지의 지합 변화를 나타낸 그래프이다. CSF 여수도가 600 mL로 고해된 수초지의 지합이 가장 우수하게 나타났으며 고해에 따라 지합이 개선된 경향을 나타냈다. 780 mL CSF로 미고해 지료의 경우 침엽수 표백 크라프트 펄프의 장섬유가 뻣뻣하여 지합이 나쁘게 측정된 것으로 판단된다. 또한 고해도가 600 mL CSF 이상으로 증가함에 따라 미세분이 다량 형성되고 열기계펄프의 미세분과 함께 다량의 미세분에 의해 여과보류도가 개선된 것으로 판단되며 탈수성의 저하로 섬유 응집이 다소 조장된 것으로 보인다.

Fig. 5.

Effect of beating degree on the formation of handsheets (SwBKP:TMP=34:67, PVAm dosage=3%).

Fig. 6은 PVAm 적용 시 고해수준에 따른 수초지의 인장지수 변화를 나타낸 그래프이다. 600 mL CSF 수준까지 고해했을 때 강도가 증가하였으나 고해를 더 진행하여 여수도가 380 mL CSF까지 감소함에 따라 오히려 인장지수가 약 15% 가량 저하됨을 확인하였다. 또한 침엽수 표백 크라프트 펄프를 고해할 때 일반적으로 기대되는 피브릴레이션에 의한 지력향상 효과는 PVAm을 지력증강제로 사용하는 TMP 배합 화장지에서는 확인되지 않았다.

Fig. 6.

Effect of beating degree on the tensile index of handsheets (SwBKP:TMP=34:67, PVAm dosage=3%).

이는 PVAm의 빠른 반응성에 의해 고해 후 fibril과 흡착한 이후 강도를 발현함으로써 피브릴화에 의한 강도향상 효과가 나타나지 않은 것으로 판단된다. Cho 등⁵⁾은 PVAm을 사용할 경우 고해를 적게 하면서도 충분히 강도를 개선할 수 있다고 보고한 바 있으며 본 연구에서도 동일한 결과를 얻을 수 있었다. 780 mL CSF로 고해한 지료는 다른 고해 조건에 비해 매우 낮은 인장지수를 나타냈는데 이는 고해에 의한 피브릴화뿐만 아니라 2차 미세분의 형성 또한 부족하여 지합과 함께 강도가 저하된 것으로 판단된다. 또한 저평량 화장지 원지 제조공정의 침엽수 표백 크라프트 펄프 고해처리 수준이 600-550 mL CSF인 점을 감안한다면 섬유의 plausibility가 개선되는 수준의 고해처리로도 충분히 지력개선효과를 볼 수 있으며 과도한 고해처리로 미세분을 형성할 경우 오히려 지력증강제의 유실로 인한 건조지력의 약화를 초래하였다고 추측된다.

3.3 지력증강제의 투입위치가 수초지 특성에 미치는 영향(고해 전·후)

가장 높은 강도개선 효과를 보인 3% 투입 조건과 600 mL CSF의 고해도를 기준으로 고해 전·후 투입에 따른 영향을 평가하였다. 또한 PVAm의 반응성에 의한 영향과 비교하고자 PAM을 사용해 동일한 실험을 진행하였다.

Fig. 7은 고해 전·후에 지력증강제를 투입했을 때 보류도를 평가한 그래프이다. C-PVAm은 고해 전에 투입할 경우 보류도의 개선효과가 있었고 C-PAM은 고해 후에 투입하였을 때 우수한 보류도를 나타냈다. PAM계 지력증강제는 미세분과 반응하더라도 효과를 낼 수 있도록 보류향상기능이 추가되어 있기에 고해 후에 투입하였을 때 오히려 탁도가 감소하는 결과를 나타낸 것으로 판단되었으나 RDA 초지와 달리 화장지 원지를 crescent former로 초지할 때에는 PAM계 지력증강제의 느린 흡착속도로 인해 미세분의 보류가 취약하여 보류도 개선효과를 볼 수 없을 것으로 추정된다. 또한 고해 후에 PVAm을 투입할 경우 반응성이 우수한 미세분과 먼저 반응하게 되고 결과적으로 PVAm과 미세분이 함께 보류되지 못하고 빠져나가 탁도의 증가를 유발한 것으로 판단된다.

Fig. 7.

Effect of additional position of dry strength additives on retention of fines (before and after beating).

Figs. 8-9는 지력증강제의 종류에 따른 두께 및 bulk특성에 대한 그래프이다. C-PAM의 경우 고해 전이나 후에 투입해도 두께 면에 있어 큰 차이를 보이지 않았으나 C-PVAm의 경우 고해 전에 투입할 때 고해 후보다 큰 폭으로 두께가 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 C-PVAm을 고해 전에 투입 시 고해 후에 투입한 조건보다 두께가 더 두꺼움에도 bulk가 더 낮게 나타났으며 이는 곧 고해 전에 투입하는 조건이 보다 치밀한 구조의 종이를 제조할 수 있는 것을 의미한다. C-PAM의 경우 두께에서 큰 차이가 없었던 것과 동일하게 bulk에서도 큰 차이를 나타내지 않았다.

Fig. 8.

Effect of additional position of dry strength additives on thickness of handsheets (before and after beating).

Fig. 9.

Effect of additional position of dry strength additives on bulk of handsheets (before and after beating).

Fig. 10은 고해 전·후에 지력증강제를 투입했을 때 지합을 평가한 결과이다. 지력증강제의 종류에 관계없이 투입위치에 따른 변화는 미미하였으며 PVAm을 고해 후에 투입할 때 가장 우수한 지합을 나타냈다. 이는 미세분이 형성된 다음 PVAm을 투입하였을 때 일차적으로 미세분과 PVAm이 반응하고 이후 함께 탈수되므로 탁도는 증가하고 이에 따라 지합은 오히려 개선되는 결과를 유도한 것으로 판단된다.

Fig. 10.

Effect of additional position of dry strength additives on formation of handsheets (before and after beating).

고해 전·후에 지력증강제를 투입하였을 때 인장지수의 변화를 Fig. 11에 나타냈다. C-PVAm을 고해 전에 투입하였을 때 가장 우수한 인장지수가 측정되었으며 PAM계 지력증강제의 경우 고해 전·후에 따른 차이가 미미한 것으로 나타났다. 이는 PVAm계 지력제의 흡착 속도가 빠른 만큼 고해처리 시 섬유표면에 발생하는 구멍이나 개열된 틈에 지력증강제가 소산되는 문제가 없음을 의미한다. 즉, 리파이너 전 공정에 PVAm을 투입해도 충분한 강도개선효과를 볼 수 있고, 미세분이 형성된 후 PVAm을 적용할 때와 달리 보류되지 못하는 PVAm이 감소하는 만큼 리파이너 전 공정에 PVAm을 투입할 때 오히려 우수한 강도를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 침엽수의 고해 전·후에 PAM의 투입 순서를 달리하여 투입하였으나 강도는 유사수준으로 측정되었다. 또한 PVAm을 고해 전에 투입한 조건에 비해 PAM을 투입할 경우 강도개선 효과가 미약함을 확인하였다. 이는 PAM계 지력제의 흡착 속도가 느린 만큼 고해처리 시 섬유표면에 발생하는 구멍이나 개열된 틈에 지력증강제가 소산되는 문제가 있음을 의미한다. 또한 고해 후에 투입한 경우 함께 투입된 TMP내에 존재하는 다수의 미세분에 의해 강도개선효과가 발생하지 않은 것으로 판단된다. 따라서 PAM계 지력제의 경우 흡착속도가 느린 만큼 추가적인 반응시간이 요구되고 고해 시 소산되는 문제가 있기에 고해 전 투입은 무리가 있을 것으로 보인다.

Fig. 11.

Effect of additional position of dry strength additives on tensile index of handsheets (before and after beating).