1. 서 론
도공은 종이의 외관과 인쇄성을 향상시키기 위해 활용되는 중요한 산업 공정이다. 도공의 물리적 특성이 도공지의 최종 사용 성능에 큰 영향을 미치지만, 주로 도공지의 인쇄성과 도공 혼합물의 유체 역학에 중점을 두고 있다. 도공지의 물리적 특성은 인쇄기에서 도공지가 겪는 굽힘 및 압축 변형을 시험하는데 중요하다.
도공액의 구성과 물리적, 광학적 특성에 미치는 영향은 도공액의 배합비를 변경하여 성능을 최적화할 수 있다. 도공액의 물리적 특성은 안료의 종류와 형태, 바인더의 특성, 바인더에 의한 안료 잔류 정도의 변화에 민감하다.1) 탄성계수는 형상 인자가 크고 공극 부피가 작은 안료 입자에 대해 높다.
셀룰로오스 나노섬유는 최근 생분해성 특성, 물리적, 광학적 특성으로 인해 재료계의 주목을 받고 있다.2,3,4,5) 나노미터 스케일을 갖는 셀룰로오스 나노섬유는 나무 또는 식물 세포벽으로부터 얻을 수 있으며, 형태, 높은 표면적, 낮은 밀도 및 열기계적 성능으로 인해 현재 과학적으로 관심을 받는 재료이다.6) 셀룰로오스 나노섬유는 물을 용매로 사용하며, 수성 현탁액에서 높은 안정성 때문에 라텍스와 같은 수성 중합체 분산액 처리에 매우 적합하다.7)
셀룰로오스 나노섬유 제조 과정에서 에너지 소비가 심하고 장비의 막힘 현상이 자주 발생한다. 이를 해결하기 위하여 TEMPO-산화 공정이나 카르복시메틸화 공정과 같은 나노섬유화 이전 전처리 공정이 필요하다.8) 전처리된 셀룰로오스는 그라인더나 고압균질기 장비를 사용하여 폭이 나노 단위의 섬유로 기계적 처리가 가능하다.
셀룰로오스 나노섬유의 수분 친화 특성은 다양한 산업에서 응용을 시도하고 있다. 시멘트의 경화 속도로 조절하여 고품질 콘트리트 구조물이 가능하며 페인트의 흘러내림을 조절하여 균일한 도포가 가능하다. 본 연구에서는 셀룰로오스 나노섬유의 수분 친화 특성을 활용하면 도공액 내의 균일한 도포를 통한 도공층의 품질향상이 가능함을 규명하고자 하였다. 도공지의 강도와 인쇄품질을 향상시키기 위하여 셀룰로오스 나노섬유가 첨가된 도공액을 제조하여 도공 후 물성에 영향을 미치는지 분석하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
TEMPO 산화 처리 된 산화도가 0.035, pH 10.0인 셀룰로오스 나노 섬유를 충북대학교에서 분양받아 사용하였다. 도공용 원지는 사이징 처리가 되어있는 원지와 되어있지 않은 원지를 사용하였고, 기본 물성을 Table 1에 나타내었다. 도공 안료는 GCC, Clay를 사용하였고 Table 2에 기본 물성을 나타내었다. 도공용 바인더인 S/B Latex의 입자 사이즈는 0.46 µm, 총 고형분 농도가 49.3%였다.
Table 1.
Basic properties of base paper
| Properties | Unsized | Sized |
| Basis weight (g/m2) | 324.6±0.9 | 214.7±1.0 |
| Thickness (µm) | 463±3.8 | 310.8±3.0 |
| Apparent density (g/cm3) | 0.71±0.01 | 0.69±0.01 |
| Smoothness (sec.) | 4.23±0.08 | 4.36±0.09 |
Table 2.
Basic properties of pigments
Pigment Properties | GCC | Kaolin clay |
| Total solids content (%) | 75.5 | 60.6 |
| Particle size avg. (µm) | 0.66 | 0.88 |
| Distribution < 2 µm (%) | 98.0 | 93.0 |
| Brightness (%) | 94.2 | 90.0 |
| pH | 9.5 | 7.0 |
2.2 실험방법
2.2.1 도공액 제조
셀룰로오스 나노섬유를 도공액의 첨가제로 활용하여 도공액을 제조하였다. 도공액의 배합비는 Table 3에 나타내었다. 도공액 제조 시 안료를 기준으로 하여 파트값으로 계산하였다.
Table 3.
Coating color formulations
| Coating color without CNF | Coating color with CNF | ||
| Pigment (pph) | GCC | 75 | 75 |
| Clay | 25 | 25 | |
| Binder (pph) | S/B latex | 15 | 15 |
| Additives (pph) | CNF | 0 | 0.4 |
| Total solid content (%) | 55.0 | ||
2.2.2 도공지 제조
제조된 도공액을 실험실용 반자동 코터(K-control coater, RK Print Coat Instruments Ltd., U.K.)를 이용하여 원지의 top side에 도공액의 도포량이 25±0.5 g/m2가 되도록 조절하여 도공하였다. 이후 핸드 드라이어로 1분간 건조하였다.
2.2.3 도공지 물성분석
모든 시편은 조습처리 후 물성을 측정하였다. 인장강도(TAPPI T494 om-01), 평활도(TAPPI T479 cm-21)와 파열강도(TAPPI T810 om-22)를 측정하였다.
2.2.4 도공지 인쇄적성
도공지의 잉크 셋오프성을 인쇄적성시험기(RI-Ⅲ, Kitashiba Electric Co., Ltd., Japan)를 이용하여 평가하였다. 시편은 길이 200 mm, 폭 10 mm로 제작하여 평가하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 인장강도
도공지의 인장강도를 측정한 결과를 Fig. 1에 나타내었다. 셀룰로오스 나노섬유를 첨가제로 활용한 도공액을 사이징 처리가 되지 않은 원지에 도공하였을 때 인장강도가 크게 향상되는 경향을 보였다. 셀룰로오스 나노섬유를 도공액에 첨가했을 때, 동일 무게 당 섬유의 수가 많아지기 때문에 섬유 네트워크 형성에 이점이 있을 것이라고 분석되었다.9,10,11,12) 산화 반응을 통하여 셀룰로오스 나노 섬유 제조했을 때, 셀룰로오스 내 glucuronic acid 함량이 증가하게 된다. 이로 인해 셀룰로오스 나노섬유의 팽윤이 우수해지고 나노화로 인한 결합면적을 증가시켜 인장강도가 향상되었다고 판단하였다.
사이징 처리가 되어있는 원지에 도공을 한 경우 인장강도 향상에 크게 영향을 미치지 못하였다. 이는 사이징 처리로 인해 셀룰로오스 나노섬유와 원지와의 결합이 저하되어 인장강도의 향상에 영향을 미치지 못한 것으로 판단하였다.
3.2 파열강도
파열강도는 종이의 특정 평면에 수직으로 가해지는 압력을 파열되지 않고 견딜 수 있는 최대 압력의 값이다. 파열강도의 측정 결과는 Fig. 2에 나타내었다. 파열강도는 사이징 처리가 되지 않은 원지에 도공한 경우에 증가하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 셀룰로오스 나노섬유가 도공액의 네트워크에 침투를 하여 도공액과 셀룰로오스 나노섬유 사이의 높은 호환성에 기인하여 조밀한 도공층이 형성되었기 때문이라고 판단하였다.13) 또한 파열강도가 종이에 가해지는 압력의 방향이 수직인 것을 고려해볼 때, 종이의 두께가 영향이 있다고 판단하였다.
3.3 평활도
평활도의 측정 결과는 Fig. 3에 나타내었다. 셀룰로오스 나노섬유가 도공액의 공극으로 침투하여 도공층이 조밀하게 배열되었기 때문에 평활도가 향상되었다고 판단하였다. 또한 사이징 처리가 되지 않은 경우에 평활도가 크게 향상되었는데, 이는 셀룰로오스 나노섬유가 갖는 점탄성적 특성으로 인해 부분적으로 셀룰로오스 나노섬유가 바인더의 역할을 수행하여 도공액이 다공성인 원지로의 침투가 쉽게 이루어져 평활도가 향상된 것으로 판단하였다.14)
3.4 인쇄적성
도공지의 인쇄적성은 Fig. 4에 나타내었다. 일반적으로 잉크 셋오프성은 인쇄 광택과 관련이 있다. 또한 오프셋 인쇄는 뒷묻음 현상이 발생하는데, 이런 현상이 발생하지 않으려면 잉크를 종이로 빠르게 침투시켜야 한다고 보고되었다.15) 사이징 처리가 되어있지 않은 원지를 사용한 도공지는 원지의 흡수성이 높아 도공층의 고형화가 빠르게 진행되어 셀룰로오스 나노섬유 첨가에 따른 차이가 나지 않은 것으로 판단하였다. 사이징 처리가 되어있는 원지를 사용한 도공지에서는 원지의 흡수성이 낮아 도공층의 고형화가 원지로의 수분 흡수뿐 아니라 수분 증발에 의해서도 발생할 것으로 판단하였다. 셀룰로오스 나노섬유는 도공층 건조 과정에서 도공층을 벌키하게 만들어주는 특성을 가지고 있기 때문에 뒷묻음 현상이 완화된 것으로 판단하였다.16) 또한 점탄성적 성질을 갖고 있는 셀룰로오스 나노섬유가 도공액과 네트워크 결합뿐 아니라 염료와의 결합에도 영향을 미친 것이라고 판단하였다.17,18)
4. 결 론
셀룰로오스 나노섬유의 수분 친화 특성을 도공액 내의 균일한 도포를 통한 도공층의 품질 향상에 규명하고자 도공액에 첨가제로 활용하여 도공지의 물리적 특성을 측정하였다. 인장강도는 특정 조건인 사이징 미처리 원지에 셀룰로오스 나노섬유를 첨가한 도공액을 도공했을 시 크게 증가하는 경향을 나타내었다. 파열강도는 전체적으로 원지에 비해 증가하였으나 사이징 처리를 하지 않은 원지가 좀 더 증가하였다. 평활도는 원지에 비해 모든 시편에서 증가하였고, 특히 셀룰로오스 나노섬유를 첨가한 도공액에서 평활도가 향상된 것을 확인하였다. 평활도의 증가로 인해 인쇄적성에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 판단하였다. 인쇄적성의 경우에는 사이징 미처리 원지에서보다 사이징 처리를 한 원지에서 더 좋게 나타났으며, 셀룰로오스 나노섬유를 첨가한 도공지에서 뒷묻음 현상이 적었다.
