1. 서 론
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
2.2 실험방법
3. 결과 및 고찰
3.1 초지 시 진동의 세기가 보류도에 미치는 영향
3.2 초지 시 진동의 세기가 탈수성에 미치는 영향
3.3 초지 시 진동의 세기가 보류, 탈수 및 지합에 미치는 영향 분석
4. 결 론
1. 서 론
종이를 제조하는 공정은 크게 지료 조성과 초지로 구분되며 초지 공정은 지료의 수분을 탈수하여 습윤 지필을 성형하는 습부(wet end)와 습윤 지필의 수분을 증발시켜 건조하는 건부(dry end)로 구분된다. 종이의 물성은 대부분 습부에서 결정되는데, 이는 초지 시 헤드박스에서 사출된 지료가 포밍 패브릭에 안착하고 탈수가 진행될 때 습윤 지필의 구조가 결정되기 때문이다.1) 즉, 초기 지필의 형성 과정이 종이의 구조적 특성에 가장 큰 영향을 미친다고 할 수 있다. 지필이 너무 빠르게 형성되면 지료 내 미세섬유나 충전제와 같은 미세입자가 탈수되는 물과 함께 유동하여 지필의 공극을 막음에 따라 탈수성이 저하되고 종이의 양면성을 심화시키는 문제가 발생한다.2) 탈수가 불량하면 압착탈수 공정으로 도입되기 전 지필의 함수율을 충분히 낮추기 위하여 초지속도를 낮추어야 하고 탈수성 감소에 따른 함수율의 상승으로 추가적인 건조 에너지가 소요됨에 따라 결국, 제품의 생산 속도가 감소하고 제조 비용의 증가를 조장하게 된다. 따라서 종이의 생산 현장에서는 전술한 문제를 방지하기 위해 포밍보드(forming board)를 설치하여 초기 탈수를 지연시키면서 의도적으로 습윤 지필 고화를 늦춤으로써, 여과에 의한 보류를 방지하고 미세입자에 의한 공극막힘(chocking) 문제를 완화하는 방식으로 종이의 구조를 개선한다.3) 또한 테이블 롤(table roll)이나 포밍 블레이드(forming blade)를 설치하여 순간적인 흡입 압력을 이용한 적절한 맥동을 포밍 패브릭에 도입함으로써 습윤 지필의 고화를 늦추고 있다.4,5,6)
습부 과정은 종이를 제조할 때 최종 생산품의 물성과 공정효율을 결정하는 중요한 단계이다. 상기한 탈수뿐만 아니라 미세분의 보류 및 종이의 지합 또한 함께 영향을 받기에 습윤 지필 형성 과정에서의 탈수, 보류 그리고 지합은 각각 분석되어선 안 되며 동시에 종합적으로 분석되어야 할 필요가 있다. 즉, 이러한 초지 공정의 습부에 관한 연구는 현장의 초지기를 직접 활용하여 비교, 분석하여야 하나, 그러기에는 비용이나 시간적인 한계가 있기에 어쩔 수 없이 실험실 규모의 선행연구가 필요한 실정이다. 그러나 기존에 사용되고 있는 수초지기는 습윤 지필의 형성 시 감압탈수와 맥동을 도입할 수 없었기 때문에 실제 현장의 초지 조건을 재현할 수 없었다. 감압 탈수가 적용되며 여과 및 흡착 보류특성을 분석할 수 있는 설비가 아닌 기존의 원형, 사각 수초지기와 같은 감압탈수가 부재한 조건에서 평가가 진행되어 왔으며 탈수성 분석 또한 자연탈수 조건에서 쇼퍼-리글러법(shopper-riegler tester, SR), 캐나다 표준 여수도법(canadian standard freeness tester, CSF) 등의 여수도 측정 설비나 DDJ(dynamic drainage jar)와 같은 보류, 탈수 분석설비를 활용함에 따라 보류와 탈수 특성 및 종이 시편을 제작하는 과정이 별도로 진행되었던 바 각각의 측정 결과 간 상관관계를 분석하는데 한계가 있었다.7) 현장의 습윤 지필 형성과 감압 탈수, 미세입자의 흡착, 여과에 의한 보류 등을 고려한 수초지 설비로서 RDA(retention and drainage analyzer) 초기형이 개발되었으나 초기 탈수를 지연시키면서 의도적으로 지필의 고화를 늦춤으로써, 여과에 의한 보류를 방지하고 미세입자에 의한 chocking 문제를 완화하는 방식으로 종이를 초지하기 위한 방안이 강구되지 못하였다.8) 이후 여러 개의 선형 공압 피스톤 진동기(linear pneumatic piston vibrator)를 장착한 개량형 RDA가 개발되었는데, 본 연구에서는 감압 탈수가 가능하고 초기 탈수까지 진동 부여가 가능한 수초지기로서 RDA의 후속 수초지기인 WEPS(wet end process simulator)를 이용해 선형 공압 피스톤 진동기로 인해 도입되는 진동의 세기와 탈수 조건의 변화가 침, 활엽수 펄프의 탈수 및 충전제의 보류 그리고 종이의 지합에 미치는 영향을 분석하고자 하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
2.1.1 펄프
공시펄프로 국내 M사에서 생산된 활엽수 표백 크라프트 펄프(hardwood bleached kraft pulp, Hw-BKP)와 S사에서 분양받은 침엽수 표백 크라프트펄프(softwood bleached kraft pulp, Sw-BKP)를 사용하였다.
2.1.2 보류제 및 충전제
초지 시 진동의 세기가 보류에 미치는 영향을 분석하기 위해 보류향상제로 A사에서 분양받은 양이온성 폴리아크릴아마이드(cationic polyacrylamide, C-PAM)와 벤토나이트(bentonite)를 이용하여 마이크로파티클 시스템을 적용하였다. 충전제로는 중질 탄산칼슘(ground calcium carbornate, GCC, TAEKYUNG INDUSTRY, Korea)을 사용하였으며 상기 재료들의 제반 사항은 Table 1과 같다.
Table 1.
Properties of retention agent and filler
| Item | Charge density (meq/g) | Viscosity (cPs) | Particle size (µm) |
| C-PAM | 10.5 | 400 | - |
| Bentonite | - | - | < 50 |
| GCC | - | 80 | 2.3 – 3.2 |
2.2 실험방법
2.2.1 해리 및 고해
실험실용 표준 해리기(Pulp disintegrator, Lorentzen & Wettre, Sweden)를 이용해 건조된 시트 상의 펄프를 교반속도 3000 rpm, 농도 1.5% 조건으로 10분간 해리하였다. 이후 1% 조건으로 실험실용 Valley beater를 이용하여 8 kg의 고해 하중을 가하여 고해하였다. 두 가지 펄프의 여수도를 각각 400 mL CSF로 조절하였으며 여수도는 TAPPI Standard T 227 om-99에 의거하여 측정하였다. 펄프의 특성을 분석하기 위해 섬유장 분석기(L&W Fiber Tester plus, Lorentzen & Wettre, Sweden)을 이용해 섬유의 길이 및 넓이를 측정하고 전건무게 20 g의 펄프를 200 mesh 와이어에서 15분 동안 세척하여 크기 75 µm 이하의 미세분을 제거함으로써 미세분 함량을 측정하였다. 상기 분석을 통해 측정된 펄프의 기본 특성은 Table 2에 나타내었다.
Table 2.
Properties of pulp
| Category | Hw-BKP | Sw-BKP |
| Average fiber length (mm) | 0.679 | 1.151 |
| Average fiber width (µm) | 18.9 | 27.9 |
| Fines content (%) | 15.1 | 10.5 |
2.2.2 수초지 제조
조성된 펄프를 0.3%로 희석한 후 WEPS(wet end process simulator, SAMBO Scientific, Korea)에서 80 mesh 스크린을 사용해 평량 150±3 g/m2으로 수초지하였다. 이를 위해 0.3% 농도의 지료 1500 g을 WEPS에 투입한 후 중질 탄산칼슘을 펄프 전건대비 30% 투입한 다음, 양이온성 폴리아크릴아마이드 100 ppm과 벤토나이트 1000 ppm을 순서대로 WEPS에 투입하였다. WEPS의 교반 및 감압 탈수 조건은 Table 3과 같이 설정하였으며 진동에 의한 보류, 지합, 탈수 특성을 분석하기 위해 진동의 세기를 공압 실린더의 공기압을 0, 200, 400 kPa으로 변경하여 조절하였다. 공압 실린더의 공기압 조건 200, 400 kPa에 따른 진동수와 진동의 세기는 Table 4에 표기하였다.
Table 3.
Conditions of WEPS for forming of the paper
| Conditions | Values | |
| Vacuum pressure, mmHg | 250 | |
| Vibration, kPa | 0, 200, 400 | |
| Suction time, sec | 14, 30 | |
| Stirrer time, sec | step 1 | 10 |
| step 2 | 15 | |
| step 3 | 10 | |
| stirrer speed, rpm | step 1 | 1000 |
| step 2 | 1300 | |
| step 3 | 1000 | |
Table 4.
Vibration condition of WEPS
|
Pneumatic Vibrator Air Pressure, kPa | Frequency, cycle/min | Vibration force, N |
| 0 | 0 | 0 |
| 200 | 2100 | 41 |
| 400 | 3050 | 72 |
2.2.3 보류도 분석
WEPS의 진동 세기가 지료의 보류도에 미치는 영향을 분석하기 위하여 초지 후 여과액의 탁도를 HACH사의 탁도계(2100Q turbidimeter)를 이용해 측정하였으며, 제조된 수초지의 전건무게와 525°C의 온도에서 4시간을 태운 회분 함량을 측정하였다. 그리고 투입된 펄프와 중질 탄산칼슘의 무게 대비 수초지의 무게와 회분무게를 이용하여 충전제 일과 보류도(one pass ash retention, OPAR)와 미세섬유 일과 보류도(one pass fines retention, OPFR)을 Eq. 1, 2와 같이 계산하였다. 이때 75 µm 이상의 크기를 갖는 섬유는 모두 보류된 것으로 가정하였다.
OPAR : One pass ash retention, %
OPFR : One pass fines retention, %
S : handsheet oven dried weight, g
A : ash content of handsheet, %
G : GCC dosage, g
P : weight of pulp used for handsheet production, g
Ffiber : Pulp of fiber content, %
Ffines : Pulp of fines content, %
2.2.4 탈수성 분석
WEPS를 이용한 탈수 과정에서 측정되는 진공 압력의 변화를 통해 지필의 탈수성을 분석하였다. 또한 탈수가 끝난 후 잔여 진공압력을 의미하는 final air permeability(FAP)의 경우 잔여 진공압력의 수치가 높을수록 탈수성이 불량함을 나타내었다.
2.2.5 수초지 물성
수초지의 물성을 분석하기 위해 ISO 187에 의거 온도 23±1°C, 상대습도 50±3%의 항온항습 조건에서 24시간 이상 조습 처리하였다. 조습 처리된 수초지의 평량(A&D Phoenix GH-200, Germany) 및 두께(Micrometer, Lorentzen & Wettre, Sweden)를 ISO 534에 의거하여 측정하였다. 그리고 지합측정기(Micro-Scanner, Optest Equipment Inc, Canada)를 이용해 지합 지수를 측정하였는데 그 수치가 높을수록 종이의 구성성분이 고르게 분포하여 지합이 우수함을 나타내었다.
3. 결과 및 고찰
3.1 초지 시 진동의 세기가 보류도에 미치는 영향
Fig. 1은 활엽수 및 침엽수 펄프를 원료로 수초지를 제조할 때 부여된 진동의 강도에 따른 여액의 탁도를 나타낸 그래프로써 탁도가 낮을수록 보류도가 높음을 의미한다. 초지 과정에서 진동의 세기가 증가함에 따라, 활엽수 펄프의 경우 탁도의 변화가 미미하여 보류도 변화가 크지 않았으나 침엽수 펄프의 경우 탁도가 꾸준히 감소하여 진동이 부여됨에 따라 보류도가 향상됨을 확인할 수 있었다. 보류도 특성 변화를 더욱 정확하게 분석하기 위해서 보류도에 직접적인 영향을 미치는 충전제와 미세섬유의 일과 보류도인 OPAR, OPFR을 분석하여 Fig. 2에 나타내었다. 그 결과, 탁도 변화가 크지 않았던 활엽수 펄프의 경우 충전제와 미세섬유의 일과 보류도 변화 또한 미미하였다. 반면, 침엽수 펄프는 수초 시 진동이 부여됨에 따라 충전제와 미세섬유의 보류도 모두 약 8% 증가하였다. 평균 섬유장이 짧아 지합이 우수한 활엽수 펄프의 경우, 수초지 시 진동을 도입함에 따른 지합의 개선 효과가 미약하여 여과보류도 개선 효과가 크지 않았던 반면, 지필의 형성이 지연됨에 따른 미세분의 여과 보류도 저하 효과가 다소 발생함에 따라 결과적으로 충전제와 미세섬유의 일과 보류도 변화가 크지 않았다고 판단된다. 이와 달리 평균 섬유장이 길어 상대적으로 지합이 불량한 침엽수 펄프의 경우, 수초지 시 진동을 도입함에 따른 지합의 개선 효과를 볼 수 있어서 여과보류 개선 효과가 뚜렷하였기에, 지필의 형성이 지연됨에 따른 미세분의 여과 보류도 저하 효과를 상쇄하고 충전제와 미세섬유의 일과 보류도 개선이 이루어졌다고 판단된다.9)Fig. 3에 나타난 바와 같이 침엽수 펄프의 경우 감압 탈수를 위해 적용한 진공의 해압에 걸리는 시간이 활엽수 펄프에 비해 두 배 이상 길었던 이유는 침엽수 펄프의 유연성이 활엽수 펄프에 비해 상대적으로 우수한 이유로 습윤 지필의 밀도가 높았기 때문이며, 그런 만큼 진동을 적용함에 따른 침엽수 펄프에서의 여과보류 개선 효과가 뚜렷할 수 있었다고 판단된다.
3.2 초지 시 진동의 세기가 탈수성에 미치는 영향
Fig. 3은 펄프의 종류와 WEPS의 진동 세기에 따른 해압곡선 변화를 나타낸 그래프이며 Fig. 4는 해압곡선의 마지막 진공압력을 나타내는 final air permeability 변화를 나타낸 그래프이다. 탈수성은 고형분과 물이 혼합된 지료에 진공을 적용해 탈수를 진행할 때, 탈수가 원활하여 습윤 지필의 밀화 정도가 덜한 만큼 습윤 지필의 투기도가 우수하고 진공압력이 쉽게, 현저히 감소하는 원리에 근거하여 분석하였다.8) 두 종류의 펄프 모두 동일한 여수도인 400 mL CSF임에도 불구하고 감압 탈수 시 활엽수 펄프가 탈수되는데 소요되는 시간이 침엽수 펄프에 비해 짧은 것을 확인하였다. 이것은 활엽수 펄프 지료에 진공을 적용해 탈수를 진행할 때, 탈수가 원활하여 습윤 지필의 밀화 정도가 덜하고 습윤 지필의 투기도가 우수한 만큼 침엽수 펄프의 경우에 비하여 진공압력이 쉽게, 현저히 감소하였음을 의미하는 결과이다(Fig. 5). 따라서 기존에 펄프의 탈수성을 예측하기 위해 측정한 여수도 값이 실제 초지기에서의 탈수성을 나타내는데 적합하지 않음을 알 수 있었다.
진동의 세기에 따른 탈수성을 분석한 결과, 진동 세기가 증가함에 따라 활엽수 펄프의 탈수성은 개선되고 침엽수 펄프의 탈수성은 저하되었다. 활엽수 펄프의 경우 초지 과정에서 진동이 부여됨에 따라 실제 보류도의 변화는 미미하였으나, 습윤 지필의 투기도가 개선되고 탈수성이 다소 개선된 것으로 판단된다. 반면 섬유의 길이가 길고 유연한 침엽수 펄프의 경우 지합이 불량한 만큼 진동에 의하여 섬유의 응집의 방지되어 수초지의 지합이 개선되었고(Fig. 6) 이에 미세섬유와 충전제의 여과보류가 크게 개선되어(Fig. 2) 밀도가 높은 습윤 지필의 공극이 더욱 좁아지는 결과를 초래하였으며 이에 따라 습윤 지필의 투기도가 낮아지고 탈수성이 저하된 것으로 판단된다. 이는 Fig. 5의 그래프에 나타난 바와 같이 침엽수 수초지의 종이 밀도가 더 높은 결과를 통해 확인할 수 있다. 또한 종이의 지합이 개선될 경우 탈수성이 저하된다는 Jeon의 보고와 동일한 결과이며 침엽수 펄프의 FAP 값이 증가하는 결과를 통해 확인할 수 있었다(Fig. 4).10)
3.3 초지 시 진동의 세기가 보류, 탈수 및 지합에 미치는 영향 분석
Fig. 6는 펄프 종류 및 초지 과정의 진동 세기에 따른 수초지의 지합 지수를 나타낸 그래프이다. 지합 지수는 종이 내 구성성분 분포의 균일성을 나타내는 수치로 성분이 균일하게 분포되어 있을수록 그 수치가 높은데, 보류도를 개선하기 위해 섬유의 응집을 조장할수록 지합 지수는 감소하게 된다. 본 연구에서는 사용된 펄프의 종류와 상관없이 진동 세기가 증가함에 따라 수초지의 지합이 개선되는 경향을 나타냈다. 활엽수 펄프의 경우 지합이 이미 충분히 우수하여 진동에 의한 지합 개선 효과가 미미하였으나 진동의 세기가 증가함에 따라 보류도에 큰 영향을 미치지 않으며 지합이 개선되면서도 탈수성이 크게 개선되는 경향을 확인할 수 있었다. 그러나 지합이 불량하고 습윤 지필의 밀화 정도가 높은 침엽수 펄프의 경우 수초 과정에서 부여된 진동에 의해 섬유의 응집이 완화됨에 따라 종이의 지합이 크게 개선되고, 지합이 개선됨에 따라 보류도도 개선되는 효과를 볼 수 있었다. 따라서 실제 침엽수 펄프 위주로 크라프트지를 생산하는 초지기라면 습부에 적절한 진동을 적용함에 따라 종이의 보류도와 지합을 개선시킬 수 있으나 탈수성의 저하로 인한 생산 효율의 저하가 일어날 수 있다고 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 진공을 적용하여 감압 탈수하는 WEPS 초지 과정에서 포밍 패브릭에 걸리는 진동의 세기가 활엽수 펄프와 침엽수 펄프의 보류도, 탈수성 그리고 지합에 미치는 영향을 탐색하였다. 초지 과정에서 진동의 세기가 증가함에 활엽수 펄프는 탈수성이 개선되고, 침엽수 펄프는 탈수성이 불량해지는 것으로 나타났다. 이와 반대로 초지 과정에서 진동이 도입됨에 따라 활엽수 펄프의 보류도와 지합의 변화는 미미하지만, 침엽수 펄프의 보류도와 지합이 크게 개선됨을 확인하였다. 즉, 활엽수 펄프의 경우 감압 탈수 시 진동을 도입함에 따라 초기 지필 형성을 지연시키며 보류도와 지합에 큰 영향을 미치지 않으면서도 탈수성을 크게 개선시키는 효과가 있음을 알 수 있었다. 침엽수와 같이 지합이 불량하고 습윤 지필의 밀도가 높은 경우에는 진동을 도입함에 따라 지합과 보류도를 개선시키는 만큼 탈수성의 저하를 유발할 수 있음을 확인하였다. 기존에 펄프의 탈수성을 예측하기 위해 측정한 여수도 값이 실제 초지기에서의 탈수성을 나타내는데 적합하지 않은 만큼 WEPS를 이용하여 현장을 모사한 실험실 적 초지 실험을 진행하기 위해서는 감압 탈수 시 진동을 도입하여 보류, 탈수, 지합에 대한 종합적인 분석을 수행하여야 함을 확인하였다.
