1. 서 론
종이 도공은 종이 외관적성인 백색도, 백감도, 광택, 불투명도, 평활도 및 균일성을 개선시켜 미적상품가치를 향상시키고 인쇄적성을 개선하는데 그 목적이 있다.1)
도공액은 안료, 바인더, 첨가제로 구성되어 있는데, 바인더는 안료 입자와 안료입자를 서로 결합시킴과 동시에 안료와 원지층 간의 접착을 위해 사용되어진다. 이러한 목적으로 사용되는 바인더는 크게 전분 또는 단백질과 같은 천연계 바인더와 아크릴계 또는 스티렌-부타디엔계의 합성 바인더로 나눌 수 있다.2)
비닐아세테이트-에틸렌 공중합체(vinyl acetate-ethylene copolymer, VAE emulsion)는 천연가스 유래의 합성품이기 때문에 원료자원의 고갈에 대한 부담이 거의 없으며 도공액의 보수성 및 도공지의 stiffness를 개선할 수 있는 장점이 있다.3) 제지업계에서 가장 널리 사용되고 있는 SB 라텍스 바인더는 광택 및 접착성, 탄성이 우수하지만 석유계 물질을 원료로 사용하기 때문에 공급·수요 불균형과 자원고갈 등의 이유로 가격이 비싸고 불안정하다. 또한 원료물질의 정제과정에서 이산화탄소가 발생하기 때문에 친환경적이지 못하다는 단점을 가지고 있다.
최근 유가가 지속적으로 상승하면서 고가의 석유계 합성바인더를 대체할 보다 저렴하고 친환경적인 바인더에 대한 관심이 증가함에 따라 VAE 에멀션 바인더의 적용에 대한 관심이 높아지고 있다.4) 특히, 전 세계적으로 환경문제에 대한 관심이 높아지고 오존층 파괴를 억제하기 위해 국가별로 탄소배출량을 제한하는 움직임이 점점 강화되고 있다. 한편, 석유계 합성바인더인 SB 라텍스의 경우, 원료로 사용되는 스틸렌이 발암성(carcinogen)을 나타내기 때문에 제지업계는 이에 대한 해결책을 마련하는 것이 시급한 숙제이기도 하다.5,6)
비닐아세테이트-에틸렌 공중합체는 SB 라텍스 대비 비교적 저가의 원료로부터 제조되고 상대적으로 덜 유해한 비닐아세테이트 모노머를 적용하여 제조함으로써 제조현장 근로자의 안전을 확보하며 석유계 합성바인더와 달리 이산화탄소 배출로 인한 환경유해성에서 자유로운 이점을 갖고 있다.7)
따라서 본 연구에서는 특성이 각각 다른 3종류의 VAE 에멀션 바인더를 이용하여 더블 코팅 시에 프리층의 SB 라텍스 바인더를 VAE 에멀션 바인더로 대체했을 때 도공지 물성과 인쇄 적성에 미치는 영향을 평가하였다. 이 때 control로서 사용된 SB 라텍스 바인더와의 비교를 통해 대체 가능성에 대해 검토하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
2.1.1 도공원지
본 연구에 사용된 원지는 국내 H사의 평량 80 g/m2의 백상지를 사용하였으며 그 물성은 Table 1에 나타내었다.
Table 1.
Properties of base paper
| Grammage (g/m2) | 80 |
| Thickness (μm) | 100 |
| Opacity (%) | 99 |
| Brightness (%) | 89 |
| Air resistance (sec) | 16 |
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.
Table 2.
Mean particle diameter of pigments
(unit: μm)
| %. <d10 | %. <d25 | %. <d50 | %. <d75 | %. <d90 |
|---|
| GCC A | 1.020 | 1.501 | 2.267 | 3.781 | 6.108 |
| GCC B | 0.203 | 0.298 | 0.722 | 1.147 | 1.526 |
| No.1 Clay | 0.144 | 0.203 | 0.293 | 0.586 | 2.090 |
2.1.3 도공용 바인더
프리 코팅과 탑 코팅용 바인더로서 2종류의 SB 라텍스와 particle size와 Tg 등 물성이 다른 3종류의 VAE 에멀션 바인더를 이용하였다. 기본 물성은 Table 3에 나타내었다.
Table 3.
Properties of the binder
| Particle size (Å) | Viscosity (cPs)* | Tg (°C) | pH |
|---|
| Latex-A | 1,120 | 178 | 2 | 8.0 |
| Latex-B | 840 | 208 | -1 | 8.1 |
| VAE-1 | 2,100 | 558 | 9 | 4.8 |
| VAE-2 | 2,300 | 508 | 4 | 5.4 |
| VAE-3 | 2,700 | 476 | -2 | 5.9 |
2.1.4 기타 도공용 첨가제
기타 첨가제로는 분산제(WTY-117), 내수화제(PRO·WET-400G), 윤활제(LUB·REX-55), 구조개질제(CV-5001F)를 사용하였다.
2.2 실험방법
2.2.1 도공액 제조
도공액의 고형분 농도는 프리 코팅용의 경우 67%, 탑 코팅용의 경우는 68%로 제조하였다. 4종류의 바인더를 각각 사용하여 프리 코팅용의 도공액을 제조하였고 이때 탑 코팅용의 도공액은 한 가지로 고정하여 제조하였으며 배합비는 Tables 4 및 5와 같다.
Table 4.
Formulations of the coating colors (pre-coating)
(unit: pph)
| | Control | V-1 | V-2 | V-3 |
|---|
| GCC A | 100 |
| Binder | Latex-A | 12 | - | - | - |
| VAE-1 | - | 12 | - | - |
| VAE-2 | - | - | 12 | - |
| VAE-3 | - | - | - | 12 |
| Dispersant | 0.12 |
| NaOH | 0.2 |
| Structure reformer | 0.15 |
| Lubricant | 0.4 |
| Insolubilizer | 0.4 |
| Total solid content (%) | 67 |
Table 5.
Formulations of the coating color (top-coating)
(unit: pph)
| Control |
|---|
| GCC B | 90 |
| Clay | 10 |
| Latex B | 12 |
| Dispersant | 0.12 |
| NaOH | 0.2 |
| Structure reformer | 0.15 |
| Lubricant | 0.4 |
| Insolubilizer | 0.4 |
| Total solid content (%) | 68 |
2.2.2 도공액의 물성 측정
저전단 점도는 DV-II viscometer(Brookfield, USA)를 이용하여 60 rpm의 조건으로 측정하였다. 도공액의 pH는 pH meter(PB-11, Sartorius Korea Co., Ltd, Korea)를 사용하여 측정하였으며 보수성은 보수성 측정기(AÅ-GWR, Kaltex Scientific Inc., USA)를 사용하여 측정하였고 도공액의 물성은 Table 6과 같다.
Table 6.
Properties of the coating color
| Formulation | Viscosity (cPs) | Water retention (g/m2) | pH |
|---|
| Pre | Control | 299 | 129 | 10.9 |
| V-1 | 237 | 181 | 11.5 |
| V-2 | 146 | 170 | 11.3 |
| V-3 | 201 | 174 | 11.4 |
| Top | Top | 284 | 96 | 10.7 |
2.2.3 도공지 제작
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, Korea)에서 105°C, 25초의 조건으로 건조하였다. 그 후 슈퍼캘린더(Supercalender, Beloit Coporation, USA)를 사용하여 도공면이 steel roll을 향하게 하여 온도 70°C, 선압 300 psi의 조건으로 2 nip 처리하였다.
2.2.4 도공지의 물성 측정
도공지의 거칠음도는 Parker Print Surf(L&W Co., Ltd., Sweden), 광택도는 Gloss meter(model T480A, Technidyne Coporation, USA), 백색도와 백감도, 불투명도는 Elrepho 3300(Datacolor International, USA)을 이용하여 측정하였다.
2.2.5 도공지의 인쇄 평가
RI 인쇄 시험기(RI-II, KRK, Japan)를 이용하여 인쇄실험을 실시하였다. RI 인쇄 실험은 각 시편(2 cm×18 cm)에 ink set-off 측정 시 cyan 잉크를 0.5 g 전이 시켜 측정하였고, dry-pick, wet-pick 측정 시 magenta 잉크를 0.5 g 전이시켜 도공지의 인쇄적성을 평가하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 도공지의 물성 평가
3.1.1 거칠음도 및 광택
Fig. 1은 도공지의 거칠음도를 보여주고 있다. 거칠음도는 프리코팅층에 VAE 에멀션 바인더 적용 시 다소 높아지는 경향을 보였다. 탑코팅층이 일정함에도 다른 결과를 나타남에 따라 프리 코팅층에 입자경이 큰 바인더 적용시 도공층 구조에 영향을 미친다고 판단된다. Tg가 낮으면 필름 형성능력이 우수하여 평활한 표면특성을 나타내고 입자경이 작을수록 우수한 특성을 나타내는데, 이는 Tg와 입자경에 의한 영향이 도공지의 거칠음도에 영향을 미친다고 판단되어진다.
Fig. 1.
Roughness of coated paper samples depending on the types of coating binder.
Fig. 2는 도공지의 광택을 보여주고 있다. 도공지의 광택도는 VAE 에멀션 바인더를 프리 코팅층에 적용했을 경우, SB 라텍스 바인더를 적용했을 경우 보다 다소 낮은 경향을 나타냈다. 앞선 거칠음도의 결과와 같이 탑코팅층이 일정함에도 다른 결과를 나타남에 따라 프리 코팅층에 입자경이 큰 바인더 적용시 도공층 구조에 영향을 미친다고 판단된다. 이는 바인더 물성 중 Tg에 의한 필름 형성차이에 의한 표면특성 차이라 사료되어지고 또한 바인더의 크기에 의해 영향을 받은 것으로 사료되어진다. Tg가 낮으면 필름 형성능력이 우수하여 평활한 표면특성을 나타내고 입자경이 작을수록 우수한 특성을 나타내는데 광택도가 이에 영향을 받은 것으로 사료된다.
Fig. 2.
Paper gloss of coated paper samples depending on the types of coating binder.
3.1.2 백색도, 백감도 및 불투명도
Figs. 3-5는 도공지의 백색도, 백감도 및 불투명도의 결과를 보여주고 있다. 바인더에 의한 뚜렷한 차이를 보이지 않고 모두 유사한 경향을 나타내었다. 도공층에 적용한 바인더의 특성이 도공지의 광학적 성질에는 거의 영향을 미치지 않는 것으로 보아 SB 라텍스 대신 VAE 에멀션을 사용하여도 도공지의 광학적 성질에는 큰 문제가 없는 것으로 판단된다.
Fig. 3.
Brightness of coated paper samples depending on the types of coating binder.
Fig. 4.
Whiteness of coated paper samples depending on the types of coating binder.
Fig. 5.
Opacity of coated paper samples depending on the types of coating binder.
3.2 도공지의 인쇄 평가
3.2.1 Ink set-off 평가
Fig. 6은 RI 테스트용 인쇄기를 이용하여 ink set-off 평가를 실시한 인쇄샘플을 5점법을 통해 평가한 결과이다. 잉크세트성이 느리게 되면 인쇄 시 뒷묻음이 발생 한다. Cyan 잉크가 묻어날수록 잉크세트성이 불량한 것으로 VAE 에멀션 바인더의 종류에 따른 차이는 미묘하나 SB 라텍스 바인더를 적용 했을 경우 보다 좋은 결과를 나타내었다.
Fig. 6.
Ink set-off of coated paper samples depending on the types of coating binder.
3.2.2 Dry-pick 및 wet-pick 평가
Fig. 7은 RI-II 인쇄적성 시험기를 이용하여 dry-pick 평가를 실시한 인쇄샘플을 5점법을 통해 평가한 결과이다. 프리 코팅층에 VAE 에멀션 바인더를 적용 했을 경우, dry-pick 강도의 차이는 미묘하나 VAE-1을 적용 한 경우가 가장 우수한 결과를 나타내었다.
Fig. 7.
Dry pick of coated paper samples depending on the types of coating binder.
Fig. 8은 RI-II 인쇄적성 시험기를 이용하여 wet-pick 평가를 실시한 인쇄샘플을 5점법을 통해 평가한 결과이다. 프리 코팅층에 VAE 에멀션 바인더를 적용 했을 경우 wet-pick 강도의 차이가 미미하나 VAE-1을 적용 한 경우 가장 우수하게 나타났다.
Fig. 8.
Wet pick of coated paper samples depending on the types of coating binder.
4. 결 론
본 연구는 종이 코팅용 바인더로 주로 사용되는 프리 코팅층용 SB 라텍스를 대체하기 위한 일환으로 VAE 에멀션 3종과 SB 라텍스 1종을 비교하기 위해 실시되었다. 프리 코팅층의 바인더를 VAE 에멀션으로 대체 한 경우, 도공지의 표면 거칠음도는 SB 라텍스 바인더를 적용했을 때보다 다소 높았고, 백지 광택은 약간 감소되었다. 백색도, 백감도 및 불투명도와 같은 광학적 특성의 경우에는 거의 차이가 확인되지 않았다. 인쇄적성 평가 수단 중 하나인 ink set-off는 프리 코팅층에 VAE 에멀션을 적용하였을 때 SB 라텍스보다 우수한 결과를 나타내었고 dry-pick 및 wet-pick 강도는 SB 라텍스 적용 시와 비슷하거나 약간 낮았다. 이상의 결과로부터 프리 코팅층에서 SB 라텍스를 VAE 에멀션으로 대체하는데 큰 문제가 없음을 확인할 수 있었다.
비교적 공급이 안정적인 천연가스를 이용하여 합성이 가능한 VAE 에멀션 바인더는 친환경적일 뿐 아니라 도공액의 바인더로서 대체가 가능할 경우 SB 라텍스 바인더를 사용할 때 발생할 수 있는 여러 가지 문제들을 해소할 수 있을 것으로 판단된다. SB 라텍스 바인더를 대신하여 VAE 에멀션 바인더를 적용하기 위해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각되지만, 원가절감 효과와 함께 탄소배출량(carbon footprint)을 상당히 줄일 수 있는 기회를 제공할 수 있을 것으로 생각된다.
Acknowledgements
본 연구는 2017년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. NRF-2017R1D1A3B03034031).
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