1. 서 론
지속적인 산업발전과 도시화에 따른 화석연료의 급격한 소비 증가로 다양한 부작용이 나타나고 있다. 이와 관련된 가장 대표적인 현상인 지구온난화는 화석 연료의 사용에 따라 발생되는 이산화탄소를 포함한 온실가스의 배출로 말미암아 초래된 현상이다. 비록 기온의 상승이 그리 크지 않은 것 같지만 이로 말미암아 극지방의 빙하 및 눈이 녹으면서 수위가 상승할 뿐만 아니라 기후 급변화, 홍수, 가뭄, 생태계 변화 등으로 말미암아 지구가 몸살을 앓고 있다. 이러한 현상이 최근 들어 더욱 심화되어감에 따라 전 세계의 환경단체뿐만 아니라 각국의 정부 및 지자체가 환경 보호를 위한 보다 적극적인 노력을 하고 있다.
그동안 제지산업에서도 환경보호에 기여하기 위한 일환으로 온실가스 배출 감축을 위한 다양한 노력을 하고 있다. 그 대표적인 예로서 에너지 절감형 공정 개발,1,2) 공정 조절 및 최적화,3-5) 폐열의 회수 및 재활용,6,7) 에너지 효율이 높은 설비로의 교환 또는 개선뿐만 아니라 제품 생산에 필요한 원료까지도 에너지 소비가 적은 환경친화형 원료의 활용을 시도하고 있다. 최근에는 온실가스 감축을 위한 일환으로 배기가스를 이용하여 경질 탄산칼슘을 제조하여 충전제로 사용하고 있다. 이러한 PCC 사용을 통하여 온실가스 감축뿐만 아니라 종이의 벌크 향상에도 도움이 되는 것으로 확인되었으나 종이 강도의 감소현상도 수반됨이 확인되었다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위한 일환으로 충전제의 개질8-10) 및 선응집11-14)에 대한 연구가 다수 진행되었으며, 양이온성 전분을 이용한 PCC의 전처리15)에 대한 연구도 실시된 바 있다.
본 연구에서는 PCC 사용에 따른 강도 저하 문제를 해결하기 위한 일환으로 PAM의 종류 및 투입량에 따른 PCC의 평균 입도 변화와 종이 물성에 미치는 영향을 조사하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
본 연구에서 초지용 펄프(HwBKP, SwBKP 및 BCTMP)와 충전제로 사용한 PCC는 국내 H사에서 배기가스를 이용하여 제조한 것을 분양받았으며, PCC의 평균 입자크기는 2.54 μm를 나타내었다. 전처리제로 사용한 PAM은 S사에서 분양받았으며, 그 특성은 Table 1과 같다.
2.2 실험방법
PCC의 전처리를 위하여 Table 1과 같이 1종의 음이온성 PAM과 1종의 양이온성 PAM을 사용하였다. H사에서 분양받은 PCC 입자의 전하는 +4.72 mV의 전하를 나타내고 있어서 양이온 전해질 또는 고분자 물질을 이용할 경우 뚜렷한 변화를 얻기 어렵다. 따라서 첫 번째 전처리 실험은 음이온성 PAM만을 사용하여 처리하였으며, 투입량은 PCC 중량기준 0.0025, 0.005, 0.01, 0.05, 0.1, 0.25, 0.5 및 1%로 조절하고, PAM 투입 후 1,000 rpm으로 5분간 교반을 실시하였다. 또한, 음이온성 PAM과 양이온성 PAM의 조합에 따른 PCC 평균 입도 변화를 조사하기 위하여 Table 2와 같은 조건으로 전처리를 실시하였다. 각 실험 조건별로 전처리된 PCC에 대하여 Mastersizer 2000(Malvern Inc. Ltd., England)으로 입자 크기 분포, 평균 입자경 및 비표면적의 변화를 조사하였다.
Table 2.
Combination conditions for PCC pretreatment with anionic and cationic PAM
| Combination | PAM (% on PCC) | |
|---|---|---|
| KWE | KWD | |
| 1 | 0.0025 | 0.0025, 0.005, 0.01, 0.025, 0.05 |
| 2 | 0.005 | |
| 3 | 0.01 | |
| 4 | 0.0025, 0.005, 0.01, 0.05, 0.1 | |
이상의 실험을 통하여 적절한 PAM 투입량을 선정하여 처리한 PCC를 이용하여 충전실험을 실시하고, 종이의 물성 변화를 조사하였다. 수초지 실험을 위하여 HwBKP와 SwBKP를 실험실용 Valley beater를 이용하여 각각 450 mL CSF로 고해를 실시한 후 HwBKP(7):BCT-MP(2):SwBKP(1)의 비율로 혼합하여 수초지용 펄프로 사용하였다. 수초지 실험은 RDA를 이용하였으며, 평량은 80 g/m2로 조절하였다. 보류를 위하여 마이크로파티클 시스템을 적용하였고, PAC(0.6%), 충전제, 양이온성 PAM(0.015%), 마이크로파티클(0.14%)의 순으로 투입되었다. 제조된 각 수초지의 주요 물성은 TAPPI 표준시험법에 따라 측정을 실시하였으며, 지필 구조 및 PCC의 정착 상태를 관찰하기 위하여 SEM 사진을 촬영하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 PCC 평균 입자경과 비표면적
전술한 바와 같이 본 연구에 사용한 PCC의 경우 +4.72 mV의 전하를 나타내어 먼저 음이온성 PAM의 투입량을 달리하여 PCC를 처리한 결과 Fig. 1에서 보는 바와 같이 음이온성 PAM의 투입량 0.1%까지는 PCC의 평균 입자경이 103.5 μm까지 증가하다가 그 이후에는 감소하는 경향을 나타내었으며, 비표면적은 음이온성 PAM 투입량의 증가와 더불어 감소하다가 0.1% 이후 다시 증가하는 경향을 나타내었다(Fig. 2). 이와 같은 결과를 나타낸 것은 음이온성 PAM 0.1% 투입 시 PCC 표면 전하의 반전이 일어났음을 의미한다. 이와 같이 음이온성 PAM 투입에 의한 PCC의 평균 입자경 및 비표면적의 변화는 입자 크기 분포의 변화를 도시한 Fig. 3에서 보는 바와 같이 음이온성 PAM의 투입량이 0.1%까지 증가됨에 따라 10 μm 이하의 입자가 현저히 감소되는 반면 100 μm 전후의 입자들이 증가하다가 그 이후에는 다시 큰 입자들이 감소하며 10 μm 전후의 입자들이 증가되는 경향을 나타내었다. Kim 등15)은 본 연구와 마찬가지로 PCC의 전처리를 시도하였으나 음이온성 PCC 현탁액을 전하밀도가 다른 양이온성 전분을 사용하였는데, 이러한 전처리 과정을 통하여 PCC 평균 입도 변화가 가능함을 보고하였다.
한편 음이온성 PAM과 양이온성 PAM의 조합을 통한 PCC의 평균 입자경의 변화 가능성을 검토하기 위하여 Table 2의 조건으로 다양한 시도를 한 결과 음이온성 PAM을 고정시키고, 양이온성 PAM의 투입량을 변화시킬 경우 평균 입자경 및 비표면적의 일정한 경향을 나타내지 않았으며(Figs. 4-6), Fig. 7에서 보는 바와 같이 음이온성 PAM의 투입량에 의하여 PCC의 평균 입자경이 결정됨을 확인할 수 있었다. PCC 비표면적의 경우에도 Figs. 8-11에서 보는 바와 같이 유사한 경향을 나타내었다. PCC 입자 크기 분포의 경우에도 Fig. 12에서 보는 바와 같이 양이온성 PAM의 투입보다는 음이온성 PAM 투입량에 의하여 결정되며, 음이온성 PAM 투입량에 따른 PCC 입자 크기 분포를 나타낸 Fig. 3에서 관찰된 결과와 매우 유사한 입자 크기 분포의 변화를 나타내었다.
Fig. 10.
Effect of the combination 3 of anionic PAM and cationic PAM on specific surface area of PCC.
3.2 초지 특성 및 종이 물성
초지 시 형성된 습윤 지필의 구조를 간접적으로 평가하기 위한 수단으로 RDA를 이용하여 진공도를 측정한 결과 Fig. 13에서 보는 바와 같이 음이온성 PAM 투입에 의하여 다소 증감 상태를 보여주기는 했지만 1% 첨가 시 현저히 높은 진공도를 보여준 것 외 에는 큰 차이를 나타내지 않았다. Fig. 14는 Fig. 13의 조건으로 전처리한 PCC를 충전제로 사용하여 초지한 종이의 구조를 관찰하기 위하여 촬영한 SEM 사진으로서 음이온성 PAM 1% 처리 시 가장 치밀한 구조와 보다 균일한 충전제 분포상태를 관찰할 수 있었다.
다양한 조건으로 전처리한 PCC를 충전제로 사용하여 초지한 결과 얻어진 회분 함량은 전처리를 통하여 음이온성 PAM 0.5% 투입 시 최대 29.5%의 회분함량 증가 효과를 얻을 수 있었다(Fig. 15). 벌크는 인쇄용지에 있어서 중요한 성질이며, PCC를 사용함으로써 개선할 수 있는 성질의 하나로 알려져 있으나 종이의 강도 감소 문제로 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서 시도한 음이온성 PAM을 이용한 PCC 전처리 결과 양이온성 및 음이온성 PAM을 조합한 한 경우를 제외하고 1.5-7.1%의 벌크 개선 효과를 얻을 수 있었다(Fig. 16). 종이의 투기도와 불투명도는 전처리 조건에 따라 다소 증감을 나타내었으나 대체로 미처리 경우와 비슷한 수준을 나타내었다(Figs. 17과 18). 인장지수는 음이온성 PAM 0.1% 처리 시 회분 함량이 약 5% 높음에도 불구하고 4.89% 높은 값을 나타내었으며, 다른 조건에서는 비슷하거나 낮은 값을 나타내었다(Fig. 19). 파열지수는 음이온성 PAM 0.1% 처리 시 까지는 증가하여 24.2%의 개선 효과를 나타내었으나 그 이후는 감소하였다(Fig. 20). 인열지수는 PCC를 전처리한 결과 미처리 시와 비슷하거나 낮은 값을 나타내었고(Fig. 21), 휨강도는 전반적으로 PCC 전처리에 의하여 낮아지는 결과를 가져왔다(Fig. 22). Kim 등15)의 연구에서 비슷한 수준의 회분 함량에서 종이의 벌크는 전처리하지 않은 PCC 사용 시와 비슷하였고, 인장지수는 다소 개선되는 결과를 보고한 반면 PAM을 이용한 본 연구에서는 다소 높은 회분 함량에서 벌크뿐만 아니라 인장지수와 파열지수가 개선되는 결과를 나타내어 PAM을 이용한 PCC의 전처리가 더 유용할 것으로 사료된다.
이상의 결과로부터 음이온성 PAM을 이용한 PCC 전처리에 의한 PCC 입자경의 조절을 통하여 회분 함량의 증가 및 종이 물성 개선 가능성을 확인할 수 있었다. 그러나 현장에 적용하기 위해서는 음이온성 PAM의 분자량, 전하 밀도 및 형상에 따른 영향에 대한 추가적인 조사가 이루어져야 할 것으로 사료된다. 또한, 본 연구 결과에 따르면 비록 PCC의 입자경이 음이온성 PAM에 의하여 주로 결정되기는 하지만 양이온성 PAM의 혼용을 통해서도 PCC 입자경 조절 및 종이 물성의 개선이 가능할 것으로 사료된다.
4. 결 론
PCC를 충전제로 사용할 경우 벌크의 개선이 가능하나 종이의 강도적 성질이 감소되는 문제로 어려움을 겪고 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위한 일환으로 음이온성 PAM을 이용한 PCC의 전처리를 실시하여 PCC의 입자경 및 비표면적의 변화를 조사하였다. 음이온성 PAM의 투입량이 0.1%까지 증가함에 따라 PCC의 입자경이 103.5 μm까지 증가하다가 그 이후 감소하는 경향을 나타내었으며, 비표면적은 반대 현상을 나타내었다. 또한, 음이온성 PAM에 양이온성 PAM을 조합하여 적용실험을 실시한 결과 PCC의 평균 입자경이 주로 음이온성 PAM에 의하여 영향을 받지만 양이온성 PAM의 조합도 PCC의 입자경 조절에 활용될 수 있을 것으로 사료된다. 음이온성 PAM으로 전처리한 PCC로 충전 실험을 실시한 결과 음이온성 PAM 0.1%의 조건 적용 시 회분 함량을 증가시키면서, 종이의 벌크뿐만 아니라 인장지수, 파열지수 등의 개선 가능성을 확인할 수 있었다. 그러나 현장 적용을 위해서는 PAM의 전하밀도, 형상 및 분자량이 입자 크기 분포, 비표면적 및 평균입자경에 미치는 영향에 대한 보다 체계적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
