1. 서 론
습윤지필강도(wet-web strength 또는 initial wet-web strength)는 종이 제조 시 금망부에서 탈수가 이루어진 후 건조부에서 완전히 건조되기 전의 습윤지필(wet-web) 강도를 의미한다. 종이로 제조 후(즉, 완전히 건조 후) 물에 다시 젖었을 때의 강도를 나타내는 종이의 습윤강도(wet strength of paper)와는 다른 물성을 의미한다. 습윤지필강도는 초지기 금망부(wire part), 습윤압착부(press part) 및 건조부 초기 부분 습윤지필의 강도를 의미한다. 금망부를 떠나는 습윤지필의 고형분 농도는 대략 20-25% 정도, 압착부를 통과한 지필의 고형분 함량은 대략 40-50% 내외, 초기 건조부를 지난 지필의 농도는 대략 60% 정도로, 섬유 사이에 물이 존재하기 때문에 건조된 종이에 비해서 상대적으로 낮은 강도적 특성을 보인다. 따라서 초지기의 운전성(runnablity) 및 효율성(efficiency) 측면에서 습윤지필강도는 중요한 의미가 있다.
종이 제조 시 습윤압착(wet pressing)한 습윤지필의 강도는 섬유 사이에 존재하는 물에 의한 모세관 힘 및 섬유의 피브릴에 의한 물리적 엉킴 및 섬유 사이의 마찰력이 영향을 준다고 보고되었다.1-3) 습윤지필강도는 일반적으로 탈수 향상에 의한 습윤지필 고형분 농도 증가 및 펄프 섬유의 고해 처리에 의해서 증가시킬 수 있고, 섬유장 분포, 미세분 종류 및 양, 충전제 함량 등에 의해서 영향을 받는다고 보고되었다.4-8)
섬유의 종류, 충전제 종류 및 함량, 압착부의 운전 조건 등은 제조하고자 하는 종이의 종류 및 초지기의 최적화 작업 등에 의해서 결정되기 때문에, 고분자를 사용하여 습윤지필강도를 조절하는 것이 현실적인 선택이 될 것으로 판단되었다. 고분자 사용이 습윤지필강도에 미치는 영향에 관해서는 다양한 논리가 존재한다. Myllytie9)는 양이온성 전분을 사용하면 습윤지필강도가 저하되었다고 보고하였다. Nikolaeva10)는 PAE(polyamideamine-epichlorohydrin) 첨가에 의해서 습윤지력강도가 증가하였으나, 이는 섬유 간 결합력 향상 때문이 아니라 금망부에서의 탈수 향상에 의한 고형분 농도 증가 때문이고, 동일 고형분 농도에서는 오히려 습윤지필강도가 저하되었다고 보고하였다. 그러나 적절한 고분자의 적용에 의해서 습윤지필강도를 증가시켰다는 보고도 존재한다. Tejado 등11)은 섬유 표면에 CMC(carboxymethyl cellulose)를 선흡착시킨 후, EDC(1-ethyl-3-[3-(dimethylaminopropyl)] carbodiimide)와 ADH(adipic dihydrazide)에 의해서 CMC가 흡착된 표면을 가교결합 시켜 습윤지필의 인장강도를 증가시킬 수 있다고 보고하였다. 또한, Salminen 등12)은 고분자를 스프레이 처리하여 습윤지필강도를 증가시켰다고 보고하였다.
이전 연구13,14)에서 PAE와 PVA를 선혼합하여 PMC(premixed complex)를 제조한 후, NC(nitrocellulose) 섬유-SwBKP(softwood bleached kraft pulp)로 구성된 지료에 첨가하여 NC-SwBKP 습윤지필의 강도 및 건조된 시트의 강도를 증가시킬 수 있음을 보였다. 검화도가 높고 분자량이 큰 PVA를 사용하는 것이 습윤지필 인장강도 향상에 유리하고, PAE 95%와 PVA 5%를 선혼합하여 사용하는 것이 습윤지필강도 증가 측면에서 효과적이라고 보고하였다. 또한, PAE와 MP(micropolymer)를 NC-SwBKP로 구성된 지료에 순차적으로 투입하여 NC-SwBKP의 습윤지필강도 및 건조강도를 증가시킬 수 있고, 탈수와 습윤지필강도 증가율을 고려했을 때, PAE와 MP의 최적 사용 비율은 70:30이라고 보고하였다.15)
본 연구에서는 NC-SwBKP 지료 시스템에서 강도 향상 효과를 확인한 PAE-PVA 및 PAE-MP 지력증강제 시스템이 백상지의 주성분인 HwBKP(hardwood bleached kraft pulp)와 SwBKP로 구성된 지료에서도 습윤지필강도를 증가시킬 수 있는지를 평가하고자 하였다. 섬유장이 미치는 영향을 평가하기 위해서 HwBKP 및 SwBKP의 배합비율을 달리하고, 섬유 간 마찰력을 변화시키기 위해서 고해도를 달리하여 지료를 구성하였고, 각 지료에서 지력증강제의 종류 및 첨가량이 습윤지필강도에 미치는 영향을 평가하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
2.1.1 펄프
국내 H사에서 분양받은 SwBKP(pine, Canada)와 HwBKP(eucalyptus, Brazil)를 공시재료로 사용하였다. 각 섬유의 특성은 Table 1과 같다.
Table 1.
Properties of HwBKP fibers and SwBKP fibers
| Category | HwBKP | SwBKP |
|---|---|---|
| Average fiber length* (mm) | 0.67 | 2.10 |
| Average fiber width (μm) | 15.6 | 30.9 |
2.1.2 습윤지력증강제
이전 연구13-15)에 따라 PAE와 PVA를 선혼합한 PMC(premixed complex)와 PAE와 MP(micropolymer)를 순차적으로 투입하는 PAE-MP 이중고분자 지력증강제를 습윤지력증강제로 사용하였다. 양이온성 고분자인 PAE(concentration: 20%, pH: 7.8, charge density: 4.6 meq./g)와 음이온성 고분자인 MP(micropolymer, molecular weight: 600-700×104 g/mole, charge density: -1.58 meq./g)는 S사에서 분양받아 사용하였고, PVA(molecular weight: 130,000 g/mole, degree of saponification: 99%)은 A사에서 구매하여 사용하였다.
2.2 실험방법
2.2.1 지료조성 및 초지
펄프 고해도 및 HwBKP와 SwBKP 배합비율이 습윤지필강도에 미치는 영향을 평가하기 위해 실험조건을 설계하였으며 Table 2 및 Table 3에 정리하였다. HwBKP와 SwBKP를 실험실용 표준 해리기(Pulp disintegrator, L&W, Sweden)를 사용하여 4% 농도에서 10분간 각각 해리하였다. HwBKP와 SwBKP는 실험실용 고해기(Valley beater, Daeil Machinery Co. Ltd., Korea)를 사용하여 1% 농도에서 여수도 450±10 mL CSF로 고해하였다. 고해의 영향을 평가하기 위하여, 미고해 시료로 실험실용 고해기에서 해리한 펄프를 사용하였다. 미고해 펄프의 여수도는 각각 612 mL CSF(HwBKP), 687 mL CSF(SwBKP)이었다. 미고해 HwBKP와 미고해 SwBKP를 80:20(HwBKP:SwBKP) 비율로 혼합하여 미고해 지료로 사용하였다. 450 mL CSF로 고해된 펄프도 80:20(HwBKP:SwBKP) 비율로 혼합하여 고해 지료로 사용하였다. 혼합 후, 0.5% 농도로 조절하여 습윤지필 제조에 사용하였다.
Table 2.
Experimental conditions for evaluating the refining effect
Table 3.
Experimental conditions for evaluating the effect of mixing ratio of pulps
| Symbols | Freeness (mL CSF) | Mixing ratio (HwBKP:SwBKP) | Type of chemicals | Dosage of chemicals (% on oven-dried pulp) |
|---|---|---|---|---|
| 90:10 | 450 (HwBKP, SwBKP) | 90:10 | PAE-PVA | 0, 0.1, 0.2, 0.5, 1 |
| PAE-MP | ||||
| 70:30 | 70:30 | PAE-PVA | ||
| PAE-MP |
활엽수 펄프와 침엽수 펄프의 혼합 비율의 영향을 탐색하기 위하여 고해된 펄프만을 사용하였다. 고해된 HwBKP와 SwBKP를 90:10, 70:30의 비율로 혼합한 후, 지료농도 0.5%로 조절하여 습윤지필 제조에 사용하였다.
습윤지력증강제로는 PAE와 PVA를 각각 1%(w/w) 농도로 희석한 후, 95:5(PAE:PVA)의 비율로 혼합하고, 교반기를 사용하여 300 rpm으로 5분간 교반시켜 사용하였다. 이후 HwBKP와 SwBKP가 혼합된 지료에 선혼합된 PAE-PVA를 첨가량(전건 펄프 대비 0.1%, 0.2%, 0.5%, 1%)별로 투입하고, 교반기를 사용하여 300 rpm으로 1분간 교반시킨 후, 실험실용 사각 수초지기를 사용하여 평량 80 g/m2으로 조절하여 수초지를 제조하였다. 습윤지필 인장강도 측정용 샘플은 수초지기 금망 위에 전용틀(mould)을 올려서 제조하였다. 전용틀은 두께가 3 mm인 스테인레스 판으로 제조하였다. 습윤지필 인장강도 측정용 샘플의 크기는 50×170 mm이었다.
또한, PAE와 MP(micropolymer)를 각각 0.1%(w/w) 농도로 희석한 후, 70:30(PAE:MP)의 비율에 맞추어 HwBKP와 SwBKP가 혼합된 지료에 PAE, MP 순으로 각각 순차 투입하였다. 이때 PAE-PVA와 마찬가지로 PAE-MP 지력증강제의 첨가량도 전건 펄프 대비 0.1%, 0.2%, 0.5%, 1%로 조절하였다.
상온에서 습윤압착을 하면 습윤지필의 고형분 함량이 너무 낮고, 습윤지필의 강도가 낮아서 습윤지필의 강도를 측정하기 힘든 경우가 많았다. 따라서, 가열이 가능한 핫 프레스(hot press)를 사용하여 압력 3.5 kgf/cm2, 온도 100℃에서 5분간 습윤압착(wet pressing)하여, 습윤지필의 고형분 함량이 40% 이상이 되도록 조정하였다. 초지한 습윤지필 시편을 함습지 사이에 넣고 압착을 수행하였다.
초지된 습윤지필의 무게를 측정하고, 습윤지필의 강도를 측정 후, 습윤지필 시편을 105℃로 조절된 건조기에서 3시간 이상 무게 변화가 없을 때까지 건조시켰다. 초지 후 습윤지필 시편의 무게와 전건된 시편을 무게를 사용하여 고형분 농도를 계산하였다.
2.2.2 습윤지필강도 측정
습윤지필 고형분 농도의 변화를 최소화하기 위하여, 제조된 습윤지필은 비닐 백에 바로 넣은 후, 강도를 측정하기 위하여 이동하였다. 습윤지필의 무게를 측정하고, 인장강도 시험기(tensile strength tester, L&W, Sweden)를 이용하여 습윤지필의 인장강도 및 습윤지필 인장 에너지 흡수(TEA, tensile energy absorption)를 측정하였다.
2.2.3 물성 분석
제조된 모든 수초지들은 상대습도 50±2%, 온도 23±1℃의 항온항습실에서 24시간 이상 조습처리를 실시한 후 평량과 종이의 지합을 분석하였다. 지합은 Optest Equipment Inc.(Canada)의 Micro-scanner를 사용하여 측정하였다. 본 연구에 사용된 지합측정기는 측정값이 높을수록 지합이 우수하다는 것을 나타낸다. 측정된 평량을 사용하여 습윤지필 인장지수(initial wet-web tensile index)와 습윤지필 인장에너지 흡수지수(initial wet-web TEA [tensile energy absorption] index)를 계산하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 펄프의 고해도 및 PAE 기반 지력증강제가 습윤지필강도에 미치는 영향
Fig. 1에 습윤지력증강제로 사용한 PAE-PVA 및 PAE-MP의 첨가량이 습윤지필 인장지수 및 습윤지필 인장에너지 흡수지수에 미치는 영향을 나타냈다. 고해의 영향을 평가하기 위해서 고해한 펄프 및 미고해한 펄프로 구성된 지료에 두 지력증강제를 적용하였다. PAE-PVA 및 PAE-MP 지력증강제의 첨가량을 증가시킴에 따라서 습윤지필 인장지수 및 습윤지필 인장에너지 흡수지수는 증가하였다. 고분자 첨가량을 전건 펄프 대비 0%에서 1% 증가함에 따라서, PAE-PVA 지력증강제를 사용한 경우에, 습윤지필 인장지수는 110.7%(고해 펄프 사용), 130.3%(미고해 펄프 사용) 증가하였고, 습윤지필 인장에너지 흡수지수는 82.2%(고해 펄프), 41.0%(미고해 펄프) 증가하였다. PAE-MP 지력증강제를 사용한 경우에, 습윤지필 인장지수는 125.3%(고해 펄프), 140.0%(미고해 펄프) 증가하였고, 습윤지필 인장에너지 흡수지수는 147.1%(고해 펄프), 117.0%(미고해 펄프) 증가하였다. 이러한 결과로 보아 NC-SwBKP 지료에 사용되었던 PAE-PVA 및 PAE-MP 지력증강제들을 백상지 제조 공정에 사용하여 습윤지필강도를 향상시킬 수 있다고 판단되었다.
Fig. 1.
Effect of polymer dosages on initial wet-web tensile index (left) and initial wet-web TEA index (right).
습윤지필 인장지수는 동일한 고분자 첨가량에서 비교하였을 시, PAE-MP 지력증강제를 사용한 경우가 PAE-PVA 지력증강제를 사용한 경우보다 미세하게 높게 나타났으나, 각 지력증강제 종류에서는 큰 차이 없이 유사한 결과를 나타냈다. 습윤지필 인장에너지 흡수지수의 경우는 투입량 0.5%까지는 두 지력증강제가 거의 유사한 강도를 보였으나, 고분자 투입량 1%에서는 PAE-MP 지력증강제를 사용한 것이 월등히 높은 것이 관찰되었다. 이는 1% 정도의 높은 첨가율에서 PAE-MP 지력증가제를 사용한 습윤지필의 신장률이 높았다는 것을 의미한다.
고해한 펄프로 제조한 시트의 습윤지필 인장지수 및 습윤지필 인장에너지 흡수지수가 미고해 펄프로 제조한 습윤지필보다 높게 나타났다. 고분자 첨가량에 따라서 다르지만 PAE-PVA 지력증강제를 사용한 경우에 습윤지필 인장지수는 동일 첨가량에서 144.8-175.2% 정도 높았고, 습윤지필 인장에너지 흡수지수는 156.1-201.7% 높게 나타났다. PAE-MP 지력증강제의 경우에는 450 mL CSF로 고해한 펄프를 사용하면 미고해 펄프보다 습윤지필 인장지수는 153.3-198.6%, 습윤지필 인장에너지 흡수지수는 154.6-207.9% 정도 높게 나타났다. 고해의 결과로 발생하는 펄프 섬유의 내부 소섬유화 및 외부 소섬유화에 의한 섬유 간 결합력 증가 때문에 습윤지필강도가 증가한 것으로 사료된다. 펄프 섬유를 고해하면 내부 소섬유화에 의해서 섬유벽이 팽윤되어 유연해지고, 결과적으로 섬유가 리본 형태로 납작하게 변형이 잘 된다. 리본 상으로의 섬유 형태의 변형은 고형분 농도 20-40% 사이에서 시작하고, 이는 섬유-섬유 사이의 접촉 면적을 증가시켜서 습윤지필강도를 증가시킬 수 있다고 보고되었다.5,6) 또한, 고해를 하면 섬유 표면에 피브릴(fibril)화가 진행된다는 것은 잘 알려져 있다(외부 소섬유화). 한편, 섬유 표면의 거칠기는 대략 10-10,000 nm 정도의 범위를 가지고 있다고 보고되었다.16,17) 섬유 표면에서 물과 피브릴들은 겔과 같은 구조를 형성해서 피브릴이 섬유 바깥 방향으로 뻗고,18) 이 피브릴들은 다른 섬유의 피브릴들과 물리적으로 엉켜서 섬유 사이를 결합할 수 있다고 보고되었다. 약 45% 정도의 건조도에서 섬유 사이의 거리는 약 25 μm이고, 20% 건조도에서는 약 10-20 μm로, 피브릴이 섬유 바깥 방향으로 뻗을 수 있다면 프레스부 초기에서도 피브릴에 의한 섬유 간 결합이 가능하다고 보고되었다.5,6)
Fig. 2는 PAE-PVA 및 PAE-MP의 첨가량이 습윤지필의 고형분 농도 및 건조된 종이의 지합에 미치는 영향을 나타낸 결과이다. PAE-PVA 또는 PAE-MP 지력증강제 첨가량이 증가함에 따라 습윤지필의 고형분 농도는 증가하는 경향을 보였다. 이는 고분자 지력증강제 사용으로 탈수가 향상되었다는 것을 의미한다. 고해 처리는 섬유의 내부 소섬유화(팽윤) 및 외부 소섬유화, 미세분 증가에 의해서 탈수 저항을 증가시킨다. 결과적으로 미고해 펄프로 제조한 습윤지필의 고형분 농도가 전반적으로 높게 나타났다.
흥미로운 점은 고해 펄프와 미고해 펄프에서 두 지력증강제가 다른 거동을 보였다는 점이다. 미고해 펄프로 제조한 습윤지필의 경우는 PAE-PVA 지력증강제를 사용한 습윤지필의 고형분 농도가 PAE-MP를 사용한 습윤지필의 고형분 농도보다 높게 나타났다. 그러나 고해한 펄프로 제조한 습윤지필의 경우에는 PAE-MP를 사용한 것이 더 높은 고형분 농도를 나타냈다. 이 원인에 관해서는 좀 더 연구가 필요할 것으로 사료된다.
본 연구에 사용된 지합 측정기는 수치가 높을수록 지합이 좋다는 것을 나타낸다. PAE-PVA 지력증강제를 사용한 경우에, 고해 및 미고해 지료에서 모두 고분자 첨가량이 증가함에 따라서 종이의 지합 변화가 거의 없었다(Fig. 2). 그러나 PAE-MP 지력증강제는 고분자 첨가량이 증가함에 따라 지합이 불량해지는 경향을 보였다. 고해한 펄프에 PAE-MP를 사용하면, 고분자 첨가량 0.5% 이상에서 지합이 미고해 펄프를 사용한 경우보다 더 급격하게 불량해졌다. 이는 고해에 의해서 섬유의 비표면적이 증가하고, 동일한 양을 첨가하더라도 흡착되는 고분자의 양이 더 많아졌기 때문으로 사료된다. 또한, PAE-PVA 지력증강제를 사용한 종이의 지합이 PAE-MP를 사용하여 제조한 종이보다 우수하였다. 즉, PAE-PVA 지력증강제는 섬유를 많이 응집시키지 않지만, PAE-MP 지력증강제는 PAE-PVA보다 섬유 간 응집을 더 촉진하는 것으로 판단된다.
고분자 첨가량 0%에서는 고해한 펄프를 사용하여 제조한 종이의 지합이 미고해 펄프를 사용하여 제조한 종이보다 우수한 지합을 나타냈다. 이는 고해에 의한 단섬유화 및 미세분의 증가 때문으로 사료된다.
Figs. 3과 4에 습윤지필의 고형분 농도가 습윤지필 인장지수 및 습윤지필 인장에너지 흡수지수에 미치는 영향을 나타냈다. 동일한 고형분 농도에서 비교하였을 시, 고해한 펄프로 제조한 습윤지필의 강도가 더 높게 나타났다. 이는 펄프를 고해하면 탈수가 지연되어 습윤지필의 고형분 농도가 저하된다고 하더라도, 펄프의 고해처리에 의한 외부 소섬유화 및 내부 소섬유화가 습윤강도에 미치는 효과가 더 크다는 것을 의미한다.
Fig. 3.
Relationship between solids content of web and initial wet-web tensile index at two refining degrees and chemical additives.
Fig. 4.
Relationship between solids content and initial wet-web TEA index at two refining degrees and chemical additives.
동일한 고분자 첨가량에서 비교했을 때에는 PAE-MP 지력증강제를 사용한 습윤지필의 강도가 PAE-PVA 지력증강제를 사용한 습윤지필의 강도보다 조금 더 높게 나타났다(Figs. 1과 2 참조). 그러나, Figs. 3과 4에 의하면 동일한 고형분 함량에서 비교 시, 고해 지료와 미고해 지료에서 모두 PAE-PVA 지력증강제를 사용한 습윤지필의 강도가 PAE-MP 지력증강제를 사용한 습윤지필의 강도보다 더 높게 나타났다. 이는 PAE-MP 지력증강제가 PAE-PVA 지력증강제보다 섬유 간 결합력이 더 높았다기보다, PAE-MP 지력증강제의 탈수 효율이 더 높았고, 탈수가 더 진행되어 습윤지필의 고형분 농도가 높아져서 강도가 높게 나타났음을 의미한다. 또한, PAE-PVA 지력증강제가 습윤지필 내에서 더 높은 섬유 간 결합력을 제공한다는 것을 의미한다.
각 실험조건별로는 고형분 농도가 증가함에 따라 강도가 증가하였으나, 전체 데이터를 사용하여 상관관계를 분석한 경우에 고형분 농도는 습윤지필 인장강도 및 습윤지필 인장에너지 흡수지수와 낮은 상관계수를 보였다. 이는 펄프의 고해처리가 습윤지필의 고형분 농도를 저하시키는 반면에 습윤지필강도는 증가시키기 때문에 나타난 결과로 판단된다.
Figs. 5와 6은 종이의 지합과 습윤지필 인장지수 및 습윤지필 인장에너지 흡수지수와의 관계를 보여준다. 종이의 지합은 습윤지필 인장강도 및 습윤지필 인장에너지 흡지지수와 낮은 상관관계를 보였다. PAE-MP 지력증강제는 첨가량을 증가시키면 섬유의 응집을 촉진시켜서 지합을 저하시켰으나, 그럼에도 섬유 간 결합력 향상의 효과가 더 지배적이어서 습윤지필강도를 증가시켰다. PAE-PVA 지력증강제는 첨가량을 증가시켜도 지합에는 거의 영향을 주지 않으면서, 습윤지필강도를 증가시켰다. 이러한 현상들이 상충하여 낮은 상관계수를 보이는 것으로 판단된다.
3.2 펄프의 혼합비 및 PAE 기반 지력증강제가 습윤지필강도에 미치는 영향
HwBKP와 SwBKP의 배합비가 다른 두 지료에서, 두 가지 지력증강제의 첨가량이 습윤지필 인장지수 및 습윤지필 인장에너지 흡수지수에 미치는 영향을 Fig. 7에 나타냈다. 이 실험의 결과들도 PAE-PVA 또는 PAE-MP 지력증강제들을 사용하여 HwBKP와 SwBKP로 제조한 습윤지필의 강도를 증가시킬 수 있음을 보여주고 있다. PAE-PVA 지력증강제를 사용하는 경우에 고분자 첨가량을 펄프 대비 0%에서 1%로 증가시켰을 때, 습윤지필 인장지수는 각각 99.5%(펄프혼합비=90:10(HwBKP:SwBKP)), 79.8%(80:20) 증가하였고, 습윤지필 인장에너지 흡수지수는 67.3%(90:10), 83.0%(70:30) 증가하였다. PAE-MP 지력증강제를 사용하는 경우에는 습윤지필 인장강도가 116.5%(90:10), 87.7%(70:30) 증가하였고, 습윤지필 인장에너지 흡수지수는 101.2%(90:10), 130.4%(70:30) 향상되었다.
Fig. 7.
Effect of polymer dosages on initial wet-web tensile index (left) and initial wet-web TEA index (right).
PAE-MP 지력증강제의 경우는 고분자 첨가량의 증가와 함께 강도가 직선적으로 증가하는 경향을 보였으나, PAE-PVA 지력증강제는 첨가량 0.5% 이후에 증가 속도가 둔화되었다. 동일한 펄프 배합 비율에서 비교하면 고분자 첨가량 0.5% 이하에서는 PAE-PVA 지력증강제가 조금 더 높은 강도를 나타내었으나, 고분자 첨가량 1%에서는 PAE-MP 지력제를 사용한 경우에 더 높은 강도를 나타냈다.
HwBKP와 SwBKP의 배합비가 90:10보다 70:30에서 더 높은 습윤지필강도를 나타내고 있다. 이는 장섬유 비율이 높아질수록 습윤지필강도가 향상되었다는 것을 의미한다. 섬유장이 길어질수록 습윤지필이 파괴 시 습윤지필 내에서 섬유가 뽑혀져 나올 때, 섬유 사이의 마찰이 증가하여 습윤지필강도가 증가한 것으로 판단된다. Grunagul과 Seth19)는 활엽수 화학펄프가 침엽수 화학펄프에 비해서 섬유장이 짧고, 뻣뻣하고, 변형이 덜 되기 때문에 활엽수 화학펄프를 사용한 습윤지필의 강도가 낮게 나타났고, 섬유장이 긴 펄프(침엽수 화학펄프)를 사용하여 습윤지필강도를 증가시킬 수 있다고 보고하였다.
Fig. 8은 HwBKP와 SwBKP의 배합비가 다른 두 종류의 지료에서, 두 가지 지력증강제의 첨가량이 습윤지필의 고형분 함량과 종이의 지합에 미치는 영향을 보여주고 있다. 고분자 첨가량이 증가할수록, 습윤지필의 고형분 함량은 증가하였다. 이 결과는 두 지력증가제를 사용하여 금망부 및 압착부에서의 탈수를 향상시킬 수 있음을 보여준다. PAE-MP 지력증강제의 경우는 고분자 첨가량이 증가할수록 직선적으로 증가하였고, PAE-PVA 지력증강제의 경우는 0.5% 이후에 증가속도가 둔화되었다. 고분자 첨가량 0.2%까지는 두 지력증강제 사이에 큰 차이가 관찰되지 않았으나, 고분자 첨가량 0.5% 이후에 PAE-MP 지력증강제가 더 높은 습윤지필 고형분함량을 보이고 있다. 즉, 높은 첨가량에서 PAE-MP 지력증강제의 탈수 효과가 PAE-PVA 지력증강제보다 우수하다고 판단되었다.
고분자 첨가량 0.2%까지는 섬유배합비가 미치는 뚜렷한 경향은 관찰되지 않았다. 고분자 첨가량 0.5% 이후에는 장섬유 함량이 상대적으로 적은 경우(90:10)에 고형분농도가 더 높게 증가하였다. 이는 특히 PAE-MP 지력증강제를 사용하였을 때 더 뚜렷하였다. PAE-PVA 지력증강제를 사용한 경우에는 두 펄프 배합비를 가진 지료에서 거의 유사하게 나타났다. SwBKP를 적게 사용한 경우(90:10)에 습윤지필의 고형분 농도가 높게 나타난 이유는 흡착된 지력증강제의 양이 차이가 나기 때문이라고 사료된다. 섬유장이 짧고 미세분이 상대적으로 많은 HwBKP의 사용이 증가함에 따라 지료 내 고형분들의 비표면적이 더 커지게 되고, 동일한 양의 지력증강제를 투입하였을 때 지력증강제를 흡착할 수 있는 면적이 넓어지게 된다. 지력증강제의 흡착량이 증가함에 따라, 흡착된 고분자에 의한 탈수 효율이 향상되어, 습윤지필의 고형분 농도에 영향을 미쳤다고 판단된다.
PAE-PVA 지력증강제를 사용한 경우에 PAE-MP 지력증강제를 사용하여 제조한 종이보다 우수한 지합을 나타냈다. 이는 PAE-MP 지력증강제가 섬유-섬유 응집을 더 촉진한다는 것을 의미한다. PAE-PVA 지력증강제를 사용한 경우에 지합은 초기에 조금 향상되다가, 지력증강제 첨가량이 증가함에 따라 평형상태에 도달하였다. 장섬유가 많은 70:30 배합 조건에서는 고분자 첨가량 1%에서 지력증강제를 첨가하지 않은 것보다도 더 불량해졌다. PAE-MP 지력증강제를 사용한 경우, 고분자 첨가량 0.2% 이후에 지합이 급격히 불량해지는 경향을 보였다. 흥미롭게도 PAE-PVA 지력증강제를 사용한 경우에는 장섬유가 상대적으로 적은 펄프배합비 90:10의 조건에서 지합이 조금 우수하게 나타났으나, PAE-MP 지력증강제를 사용한 경우에는 오히려 장섬유가 상대적으로 많은 배합비 70:30 조건에서 더 우수한 지합을 보였다. 이는 활엽수 펄프 함량이 높은 펄프배합비 90:10의 지료가 비표면적이 더 크고, PAE-MP 지력증강제가 흡착이 더 많이 되어, 흡착된 지력증강제에 의해서 섬유-섬유 응집이 촉진되었기 때문으로 사료된다.
Figs. 9와 10에 습윤지필강도와 습윤지필 고형분 농도와의 상관관계를 분석한 결과를 나타냈다. 고형분 함량이 증가함에 따라 습윤지필 인장지수와 습윤지필 인장에너지 흡수지수는 증가하는 경향을 보였고, 상관관계도 0.75 이상으로 나타났다. 동일 고형분 함량에서 비교하면 PAE-PVA 지력증강제가 PAE-MP 지력증강제보다 높은 습윤지필강도를 보여주고 있다. 이는 PAE-PVA 지력증강제가 PAE-MP 지력증강제보다 더 높은 섬유간 결합력을 제공한다는 것을 의미한다. 또한, PAE-MP 지력증강제의 탈수효율이 PAE-PVA보다 우수하여, 고형분 농도를 높여서 습윤지필강도를 향상시켰다는 것을 의미한다. PAE-MP 지력증강제의 첨가량을 증가시키면 지합이 불량해지는데(Fig. 8), 이도 향상된 탈수에 기여했을 것으로 판단된다. 동일 고형분 농도에서 비교하여도 섬유장이 긴 SwBKP를 30% 배합한 지료(70:30)가 10% 배합한 지료(90:10)보다 더 높은 습윤강도를 나타내었다. 즉, 섬유장이 긴 지료를 사용하는 것이 습윤지필강도 개선에 도움이 된다고 판단된다.
Fig. 9.
Relationship between solids content of web and initial wet-web tensile index at various pulp blends and chemical additives.
Fig. 10.
Relationship between solids content and initial wet-web TEA index at various pulp blends and chemical additives.
Figs. 11과 12는 습윤지필강도와 종이 지합과의 상관관계를 분석한 결과를 보여준다. 지합과 습윤지필강도는 뚜렷한 경향을 나타내지 않았다. 상관계수는 높지 않으나, 전반적으로 지합이 향상됨에 따라 습윤지필강도는 저하하는 경향을 보였다. 이는 PAE-MP 지력증강제는 종이의 지합을 저하시키면서 습윤지필강도는 향상시켰고, PAE-PVA 지력증강제는 지합에 거의 영향을 미치지 않으면서 습윤지필강도는 증가시켰기 때문이다. 일반적으로 지합이 우수하면 습윤지필강도도 향상될 것으로 기대된다. Ora20)는 종이의 지합이 좋아지면 습윤지필강도가 향상된다고 보고하였다. 또한 NC 섬유와 SwBKP 섬유로 구성된 지료에 PAE-PVA 지력증강제를 적용한 이전 연구에서 지합과 습윤지필인장강도가 높은 상관관계를 보인다고 보고하였다.13,14)
4. 결 론
PAE-PVA 및 PAE-MP 지력증강제 시스템을 사용하여 HwBKP와 SwBKP로 제조된 습윤지필의 강도 향상 효과를 평가하고자 하였다. 동시에 펄프 고해도의 영향, HwBKP-SwBKP의 혼합 비율이 습윤지필강도에 미치는 영향을 탐색하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
1) PAE-PVA 또는 PAE-MP 지력증강제 시스템을 사용하여 HwBKP-SwBKP로 제조된 시트의 습윤지필강도를 향상시킬 수 있었다. 두 지력증강제 시스템에 의한 섬유 간 결합 향상 및 탈수도 향상에 따른 습윤지필의 고형분 농도 증가 때문에 습윤지필강도가 향상되었다고 판단된다.
2) 두 지력증강제 중 PAE-PVA 지력증강제가 습윤지필 내에서 더 강한 섬유 간 결합력을 제공한다고 판단된다. 동일한 습윤지필 고형분 농도에서 비교 시, PAE-PVA 지력증강제가 PAE-MP 지력증강제보다 더 우수한 습윤지필강도를 나타냈다. PAE-MP 지력증강제는 동일한 고분자 첨가량에서 PAE-PVA 지력증강제보다 조금 우수한 습윤지필강도를 나타냈으나, 이는 PAE-PVA 지력증강제의 상대적으로 우수한 탈수 효율 때문인 것으로 사료된다.
3) 펄프의 고해 처리 및 장섬유 펄프의 사용량을 증가시켜 습윤지필강도를 증가시킬 수 있다고 판단된다.
