1. 서 론
초지기의 금망부(wire part)를 떠나는 습윤지필(wet-web)의 농도는 20-25% 정도이다. 이 습윤지필은 습윤압착부(wet pressing part)에서 두 개의 회전하는 롤 사이의 닙(nip)에서 압력에 의해서 탈수되고, 다음에 건조부(drying part)에서 습윤지필에 존재하는 물을 증발시켜 건조된다. 건조부를 통과한 종이의 함수율은 10% 미만으로, 섬유 사이의 간격이 0.2-0.25 nm 정도로 가까워져서 섬유 표면 사이에 수소결합이 형성되어 종이의 강도가 발현된다는 것은 널리 알려져 있다.1)
압착부를 통과한 지필의 고형분 함량은 대략 40-50% 내외, 건조부 초기에서 지필의 농도는 대략 60% 정도로, 섬유 사이의 거리가 멀어 수소결합이 충분히 형성되지 못하고 건조된 종이보다는 강도가 낮다. 금망부에서 탈수가 이루어진 후 건조부에서 완전히 건조되기 전의 습윤지필의 강도를 습윤지필강도(wet-web strength 또는 initial wet-web strength)라 하고, 건조된 종이를 재습윤시켰을 때의 강도를 나타내는 종이의 습윤강도(wet strength of paper)와는 다른 물성을 의미한다. 습윤지필강도는 초지기 금망부, 습윤압착부 및 건조부 초기 부분에서 습윤지필의 강도를 의미하고, 따라서 초지기의 운전성(runnablity) 및 효율성(efficiency) 측면에서 중요한 의미가 있다.
주로 섬유 사이의 수소결합에 의해서 발현되는 건조된 종이의 강도와는 달리, 습윤지필강도는 섬유 사이에 존재하는 물에 의한 모세관힘(capillary force) 및 섬유의 피브릴에 의한 물리적 엉킴, 섬유 사이의 마찰력이 영향을 준다고 보고되고 있다.2-4) 습윤지필 고형분 농도, 펄프 섬유의 고해, 섬유장 분포, 미세분 종류 및 양, 충전제 함량 등이 습윤지필의 강도에 영향을 준다.5-9) 섬유의 종류 및 고해도, 충전제 종류 및 첨가량, 압착부의 운전 조건 등은 제조되는 제품의 종류, 초지기 종류 및 최적화 작업 등에 의해서 결정되기 때문에, 습윤지필강도를 제어하고자 할 때 고분자를 사용하는 것이 현실적인 방법이라고 판단된다.
고분자 사용이 습윤지필강도에 미치는 영향에 관해서는 여러 주장이 존재한다. Myllytie10)와 Nikolaeva11)는 고분자 사용에 의해서는 습윤지필강도를 향상시키기 어렵다고 보고하였다. 그러나 적절한 고분자의 적용에 의해서 습윤지필강도를 증가시켰다는 보고도 존재한다. Tejado 등12)은 CMC(carboxymethyl cellulose)와 EDC(1-ethyl-3-[3-(dimethylaminopropyl)] carbodiimide) 또는 ADH(adipic dihydrazide)의 이중고분자 지력증강제 사용에 의해서 습윤지필의 인장강도를 향상시킬 수 있다고 보고하였다. 또한, Salminen 등13)은 고분자를 스프레이 처리하여 습윤지필의 강도를 증가시켰다고 보고하였다.
이전 연구14-16)에서 PAE(polyamideamine-epichlorohydrin)와 PVA(polyvinyl alcohol), 또는 PAE와 MP(micropolymer)로 구성된 지력증강제 시스템을 사용하여 NC(nitrocellulose, 니트로셀룰로오스) 섬유와 SwBKP(softwood bleached kraft pulp, 침엽수 표백 크라프트 펄프)로 제조한 습윤지필의 강도 및 건조된 시트의 강도를 증가시킬 수 있음을 보였다.
본 연구에서는 NC-SwBKP 지료 시스템에서 강도 향상 효과를 확인한 PAE-PVA 및 PAE-MP 지력증강제 시스템이 백상지의 주성분인 HwBKP(hardwood bleached kraft pulp, 활엽수 표백 크라프트펄프)와 SwBKP로 구성된 지료에서도 습윤지필강도를 향상시킬 수 있는지를 평가하고자 하였다. 또한, 습윤지필의 고형분 농도와 충전제 함유량 변화가 두 지력증강제들의 습윤지필강도 발현 효율에 미치는 영향을 평가하고자 하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
2.1.1 펄프 및 충전제
국내 H사에서 분양받은 SwBKP(pine, Canada)와 HwBKP(eucalyptus, Brazil)를 공시재료로 사용하였다. 각 섬유의 특성은 Table 1과 같다. 충전제로는 국내 T사에서 분양받은 GCC(ground calcium carbonate, average particle size: 2 µm, pH: 9, specific gravity: 1.59-1.61 g/cm3)를 공시재료로 사용하였다.
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 연구14-16)의 결과에 따라 PAE와 PVA를 선 혼합한 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
습윤지필의 고형분 농도 및 충전제 함량이 습윤지필강도에 미치는 영향을 평가하기 위한 실험 조건들을 Tables 2와 3에 정리하였다. 일반적으로 제지공정에서 습윤지필의 고형분 농도는 습윤압착 압력과 시간에 의해서 조절된다. 그러나, 본 실험에서는 습윤지필 고형분 농도의 조절을 쉽게 하기 위해서 습윤압착 온도를 변화시켜 습윤지필의 고형분 농도를 조절하였다. 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. 450 mL CSF로 고해된 펄프를 80:20(HwBKP:SwBKP) 비율로 혼합하여 사용하였다. 혼합 후, 0.5% 농도로 조절하여 습윤지필 제조에 사용하였다.
Table 2.
Experimental conditions for evaluating the effect of wet pressing temperature
| Symbols | Filler addition (% on pulp) | Wet pressing temperature (℃) | Type of chemicals | Dosage of chemicals (% on pulp) |
|---|---|---|---|---|
| 60℃ | 0% | 60 | PAE-PVA PAE-MP | 0, 0.1, 0.2, 0.5, 1 |
| 80℃ | 80 | PAE-PVA PAE-MP | ||
| 100℃ | 100 | PAE-PVA PAE-MP |
Table 3.
Experimental conditions for evaluating the effect of filler addition
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 mm×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.
습윤지필의 고형분 농도를 변화시키기 위해서 습윤압착(wet pressing) 온도를 변화시켰다. 초지한 습윤지필 시편을 함습지 사이에 넣고 핫프레스(hot press)의 온도를 60℃, 80℃, 100℃로 조절하여 압착을 수행하였다. 습윤압착 압력은 3.5 kgf/cm2, 압착 시간은 5분으로 조절하였다.
충전제 첨가량의 영향을 탐색하기 위하여 HwBKP와 SwBKP가 80 :20으로 혼합된 펄프에 충전제를 전건 펄프 대비 0%, 15%, 30% 첨가하여 지료를 조성하였다. 펄프와 충전제를 충분히 혼합 후, 지력증강제를 첨가하고 초지하여 습윤지필을 제조하였다.
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 시편의 무게를 사용하여 고형분 농도를 계산하였다. 또한 습윤지필 고형분 농도 변화(ΔSC)는 지력증강제를 1% 첨가했을 시 습윤지필의 고형분 농도(SC1%)와 지력증강제를 첨가하지 않았을 경우의 습윤지필 고형분 농도(SC0%)를 사용하여 Eq. 1에 의해서 계산하였다.
2.2.2 습윤지필 인장강도 측정
습윤지필 고형분 농도의 변화를 최소화하기 위하여, 제조된 습윤지필은 비닐 백에 바로 넣은 후, 습윤강도를 측정하기 위하여 이동하였다. 습윤지필의 무게를 측정하고, 인장강도 시험기(tensile strength tester, L&W, Sweden)를 이용하여 습윤지필의 인장강도 및 습윤지필 인장에너지흡수(TEA, tensile energy absorption)를 측정하였다.
2.2.3 물성 분석
제조된 모든 시편은 상대습도 50±2%, 온도 23±1℃의 항온항습실에서 24시간 이상 조습처리를 실시한 후 평량을 측정하였다. 측정된 평량을 사용하여 습윤지필 인장지수(initial wet-web tensile index)와 습윤지필 인장에너지 흡수지수(initial wet-web TEA[tensile energy absorption] index)를 계산하였다. 지합은 Optest Equipment Inc.(Canada)의 Micro-scanner를 사용하여 측정하였다. 본 연구에 사용된 지합측정기는 측정값이 높을수록 지합이 우수하다는 것을 나타낸다.
3. 결과 및 고찰
3.1 습윤압착 온도 및 PAE 기반 지력증강제가 습윤지필강도에 미치는 영향
Fig. 1은 습윤압착 온도와 지력증강제 첨가량이 고형분 농도의 변화에 미치는 영향을 보여준다. PAE-PVA와 PAE-MP 지력증강제 첨가량을 증가시킴에 따라 습윤압착 후 습윤지필의 고형분 농도가 증가하였다. 이는 PAE-PVA 및 PAE-MP 지력증강제를 사용하여 습윤압착 시 탈수효율을 향상할 수 있음을 의미한다. 또한, 지력증강제 무첨가 시(고분자 첨가량 0%)에서 비교 시, 습윤압착 온도를 증가시킴에 따라 습윤지필의 고형분 농도가 37.8%(습윤압착 온도: 60℃)에서 39.9%(80℃), 41.0%(100℃)로 증가하였다. 이는 습윤압착 온도 증가에 따른 물의 점도 저하 때문으로 사료된다.
Fig. 1.
Effect of wet pressing temperature and dosage of polymers on solids content of web. PAE-PVA (left) and PAE-MP (right) were used as wet-web strength agents.
습윤압착부에서 지력증강제에 의한 탈수효율은 습윤압착 온도에 의해서 영향을 받았다. PAE-PVA 지력증강제에서, 지력증강제 첨가량이 0%에서 1%로 증가함에 따라 습윤지필의 고형분 농도 변화(ΔSC)는 각각 0.9%(습윤압착 온도: 60℃), 1.6%(80℃), 2.3%(100℃) 증가하였다. 습윤지필 고형분 농도 변화(ΔSC)는 지력증강제를 1% 첨가했을 시 습윤지필의 고형분 농도(SC1%)와 지력증강제를 첨가하지 않았을 경우의 습윤지필의 고형분 농도(SC0%)로부터 Eq. 1에 의해서 계산되었다.
PAE-MP 지력증강제를 사용한 경우에는, 지력증강제 첨가량이 0%에서 1%로 증가함에 따라 습윤지필의 고형분 농도 변화(ΔSC)는 2.7%(습윤압착 온도: 60℃), 3.3%(80℃), 7.0%(100℃) 증가하였다. 습윤압착 온도가 증가함에 따라 고형분 농도 변화(ΔSC) 값이 증가한 것으로 보아, 습윤압착 온도가 높을수록, 지력증강제에 의한 탈수효율이 더 증가하는 것으로 판단된다.
지력증강제의 첨가량에 따라서 다르지만, 동일한 지력증강제 첨가량에서 비교하면 습윤압착 온도가 60℃에서 100℃로 증가하였을 때, 습윤지필의 고형분 농도는 PAE-PVA 지력증강제를 사용하면 8.6-12.0%, PAE-MP 지력증강제를 사용한 경우에는 8.6-19.5% 증가하였다. 동일한 습윤압착 온도 및 고분자 첨가량에서 비교하면, PAE-MP 지력증강제를 사용한 습윤지필의 고형분 농도가 최대 5.0%(습윤압착 온도 100℃, 고분자 첨가량 1%에서) 더 높게 나타났다. 또한, PAE-MP 지력증강제를 사용하였을 때의 고형분 농도 변화(ΔSC) 값이 더 크게 나타나, PAE-MP 지력증강제의 탈수효율이 PAE-PVA 지력증강제보다 더 우수한 것으로 판단되었다.
Figs. 2와 3은 습윤압착 온도와 지력증강제 첨가량이 습윤지필 인장강도 및 습윤지필 인장에너지흡수지수 변화에 미치는 영향을 보여준다. 지력증강제 무첨가 시(고분자 첨가량 0%), 습윤압착 온도를 증가시킴에 따라 습윤지필 인장강도는 8.0 Nm/g(습윤압착 온도: 60℃)에서 8.74 Nm/g(80℃), 9.25 Nm/g(100℃)로, 습윤지필 인장에너지 흡수지수는 63.6 mJ/g(60℃)에서, 63.9 mJ/g(80℃), 69.4 mJ/g(100℃)로 조금 증가하였다. 이는 습윤압착 온도 증가에 의해서 습윤지필 고형분 농도가 증가되었고, 결과적으로 습윤지필 내에서 섬유 간 거리가 가까워졌기 때문에 습윤지필강도가 증가된 것으로 판단하였다.
Fig. 2.
Effect of wet pressing temperature and dosage of polymers on initial wet-web tensile index. PAE-PVA (left) and PAE-MP (right) were used as wet-web strength agents.
Fig. 3.
Effect of wet pressing temperature and dosage of polymers on initial wet-web TEA index. PAE-PVA (left) and PAE-MP (right) were used as wet-web strength agents.
PAE-PVA와 PAE-MP 지력증강제 첨가량을 증가시킴에 따라 습윤지필 인장강도 및 습윤지필 인장에너지 흡수지수는 증가하였다. PAE-PVA 지력증강제에서, 지력증강제 첨가량이 0%에서 1%로 증가함에 따라 습윤지필 인장강도는 지력증강제 무첨가 시를 기준으로 각각 27.6%(습윤압착 온도: 60℃), 48.1%(80℃), 110.7%(100℃) 증가하였고, 습윤지필 인장에너지흡수지수는 44.7%(60℃), 63.1%(80℃), 82.2%(100℃) 증가하였다. PAE-MP 지력증강제에서는 지력증강제 첨가량이 0%에서 1%로 증가함에 따라 습윤지필 인장강도는 지력증강제 무첨가 시를 기준으로 각각 45.7%(습윤압착 온도: 60℃), 57.4%(80℃), 125.3%(100℃) 증가하였고, 습윤지필 인장에너지 흡수지수는 45.4%(60℃), 72.0%(80℃), 147.1%(100℃) 증가하였다. 이 결과는 PAE-PVA 또는 PAE-MP 지력증강제를 사용하여 HwBKP-SwBKP 지료의 습윤지필강도를 향상시킬 수 있음을 보여주고 있다. 동일한 습윤압착 온도에서 PAE-MP 지력증강제를 사용한 습윤지필강도의 증가폭이 PAE-PVA 지력증강제를 사용한 경우보다 더 큰 것을 알 수 있다. 또한, 습윤압착 온도가 증가함에 따라 각 지력증강제에서 고분자 첨가량을 증가시켰을 경우에 습윤지필 인장강도 및 습윤지필 인장에너지 흡수지수의 증가폭이 더 크게 나타났다. 이는 습윤지필의 고형분 농도가 높을수록, 즉 섬유 간 거리가 더 가까울수록, 지력증강제 사용에 의한 습윤지필강도 증가 효율이 더 크다는 것을 의미한다.
Fig. 4는 지력증강제 종류 및 첨가량이 변화하고 습윤압착 온도가 변할 때 습윤지필의 고형분 농도와 습윤지필 인장지수 및 습윤지필 인장에너지 흡수지수와의 상관관계를 보여주고 있다. 고형분 농도가 증가함에 따라 습윤지필 인장강도와 습윤지필 인장에너지 흡수지수는 증가하였다. 각각의 상관계수는 0.87, 0.82로 높은 상관관계를 보였다. Figs. 2와 3에서 동일 지력증강제 투입량에서 비교하면 PAE-MP 지력증강제가 PAE-PVA 지력증강제보다 더 우수한 강도를 보였다. 그러나, Fig. 4에서 동일한 고형분 농도에서 비교하면, PAE-PVA 지력증강제가 PAE-MP 지력증강제보다 더 높은 습윤지필강도를 보여주었다. 이 결과는 PAE-MP가 섬유 간 결합력이 더 높은 것이 아니라, PAE-PVA 지력증강제보다 탈수효율이 더 높아서 고형분 농도를 증가시켰고, 증가한 고형분 농도의 효과로 강도가 높게 나타났다는 것을 의미하는 것으로 판단된다.
3.2 충전제 첨가량 및 PAE 기반 지력증강제가 습윤지필강도에 미치는 영향
Fig. 5는 충전제 첨가량과 지력증강제 첨가량이 습윤압착 후 습윤지필 고형분 농도에 미치는 영향을 보여준다. 지력증강제 무첨가(고분자 첨가량 0%) 시, 충전제 첨가량을 증가시킴에 따라 습윤지필 고형분 농도는 41.1%(충전제 첨가량: 전건펄프 대비 0%)에서 47.8%(충전제 15%), 52.6%(충전제 30%)로 증가하였다. 이는 충전제의 사용은 습부 압착부에서의 탈수효율을 증가시켰다는 것을 의미한다.
Fig. 5.
Effect of fillers addition and dosage of polymers on solids content of web. PAE-PVA (left) and PAE-MP (right) were used as wet-web strength agents.
각 충전제 첨가량에서 지력증강제 투입량이 증가함에 따라 습윤지필 고형분 농도는 미세하게 증가하였다. PAE-PVA 지력증강제를 사용한 경우에, 지력증강제 첨가량을 증가시킴에 따라 습윤압착 후 습윤지필의 고형분 농도는 직선적으로 증가하였으나, 그 증가율은 매우 작았다. PAE-PVA 지력증강제 첨가량이 전건 펄프 대비 0%에서 1%로 증가함에 따라 습윤지필의 고형분 농도는 충전제 무첨가 시의 고형분 농도 대비 각각 5.6%(충전제 무첨가), 1.0%(충전제 15%), 0.7%(충전제 30%) 증가하였다. PAE-MP 지력증강제를 사용하고 충전제를 첨가하지 않았을 경우(Fig. 5, 오른쪽 그림에서 filler addition 0%인 경우)에 고형분 농도는 지력증강제 투입량 증가와 함께 뚜렷이 증가하였으나, 충전제가 투입되면, 지력증강제 사용에 따른 습윤지필 고형분 농도 증가는 둔화되었다. PAE-MP 지력증강제의 경우에 지력증강제 첨가량이 0%에서 1%로 증가함에 따라 습윤지필 고형분 농도는 17.8%(충전제 무첨가), 2.2%(충전제 15%), 3.4%(충전제 30%) 증가하였다.
PAE-MP 지력증강제를 사용한 경우에 습윤지필 고형분 농도가 PAE-PVA를 사용한 경우보다 더 높게 나타났다. 지력증강제 첨가량에 따라서 다르나, 충전제를 사용하지 않은 조건에서 비교하면, PAE-MP를 사용한 경우에 PAE-PVA를 사용하여 제조한 습윤지필보다 고형분 농도가 1.3-5.0% 정도 높았고, 충전제를 사용하면 각각 0.1-0.7%(충전제 15%), 0.2-1.4%(충전제 30%) 정도 높게 나타났다.
Figs. 6과 7은 충전제 투입량과 지력증강제 첨가량이 습윤지필 인장강도 및 습윤지필 인장에너지 흡수지수 변화에 미치는 영향을 보여준다. 지력증강제 무첨가 시(고분자 첨가량 0%)에서 비교 시, 습윤지필 인장강도는 9.3 Nm/g(충전제 0%), 10.0 Nm/g(충전제 15%), 8.6 Nm/g(충전제 30%), 습윤지필 인장에너지 흡수지수는 69.7 mJ/g(충전제 0%), 65.1 mJ/g(충전제 15%), 50.1 mJ/g(충전제 30%)로 유사하였고, 충전제 투입량 30%에서 가장 낮게 나타났다. 종이의 충전제 함량을 증가시키면 습윤지필강도는 일반적으로 감소된다고 보고되었다.8,9) 충전제 함량의 증가는, 습윤지필 내 섬유의 양을 상대적으로 감소시켜 습윤지필강도를 저하시킨다. 습윤지필강도가 저하되는 정도는 충전제 종류에 의해서도 영향을 받는다. PCC(precipitated calcium carbonate, 경질탄산칼슘)나 GCC보다는 clay로 제조한 습윤지필의 강도가 우수하였고, PCC는 습윤지필의 압착성을 감소시켜, PCC를 함유한 습윤지필은 상당히 낮은 강도를 나타낸다고 보고되었다.8) 또한, 고형분 농도 50% 정도의 습윤지필에서 충전제 함량을 1% 증가시키면 습윤지필 인장강도는 2-6% 정도 감소된다고 보고되었다.2)
Fig. 6.
Effect of fillers addition and dosage of polymers on initial wet-web tensile index. PAE-PVA (left) and PAE-MP (right) were used as wet-web strength agents.
Fig. 7.
Effect of fillers addition and dosage of polymers on initial wet-web TEA index. PAE-PVA (left) and PAE-MP (right) were used as wet-web strength agents.
PAE-PVA 지력증강제의 경우에, 충전제 첨가량에 따라 정도는 다르나 지력증강제의 첨가량을 증가시키면 습윤지필의 강도는 향상하였다. 지력증강제 첨가량이 0%에서 1%로 증가함에 따라, 지력증강제 첨가량 0%의 습윤지필강도 대비 습윤지필의 인장강도는 110.7%(충전제 0%), 70.7%(충전제 15%), 49.3%(충전제 30%) 증가하였고, 습윤지필 인장에너지 흡수지수는 81.5%(충전제 0%), 54.8%(충전제 15%), 52.9%(충전제 30%) 증가하였다. 지료 내 충전제 함량이 증가함에 따라, 지력증강제 사용에 의한 습윤지필강도의 증가율이 저하하는 것으로 나타났다.
PAE-MP 지력증강제는 다른 경향을 보였다. 충전제를 첨가하지 않았으면 지력제 첨가와 함께 습윤지필강도는 증가하였으나, 충전제를 사용하는 경우에는 지력증강제 첨가량이 증가함에 따라 습윤지필강도는 감소하는 경향을 보였다. 지료에 충전제가 투입되지 않으면, PAE-MP 지력증강제 첨가량이 0%에서 1%로 증가함에 따라 습윤지필 인장강도는 125.3%, 습윤지필 인장에너지 흡수지수는 172.8% 증가하였다. 그러나 충전제가 투입된 경우에, 지력증강제 첨가량이 0%에서 1%로 증가함에 따라 습윤지필의 인장강도는 19.5%(충전제 15%), 31.9%(충전제 30%) 감소하였고, 습윤지필 인장에너지 흡수지수는 36.9%(충전제 15%), 58.0%(충전제 30%) 감소하였다. 즉, 충전제 첨가량이 증가함에 따라 지력증강제 사용에 의한 습윤지필강도 상승률이 저하되었음을 알 수 있었다. 또한, 습윤지필강도 측면에서 보면 충전제를 사용하는 지료에서 PAE-MP 지력증강제의 사용은 오히려 습윤지필강도를 저하시키는 것으로 나타나, PAE-MP 지력증강제는 충전제를 사용하는 지료 시스템에는 적합하지 않은 것으로 판단되었다.
충전제가 습윤지필강도에 영향을 미치는 경향은 충전제의 응집된 정도에 의해서 영향을 받는 것으로 판단되었다. 충전제가 응집이 많이 되면 습윤지필강도를 저하시키고, 분산이 잘된 충전제는 습윤지필강도를 크게 저하시키지 않는다고 보고되었다.2,9) 또한, 잘 분산된 충전제는 습윤지필의 고형분 농도를 증가시키고, 섬유 표면에 흡착되어 섬유-섬유의 마찰을 증가시켜서, 습윤지필강도가 증가될 수도 있다고 하였다.2,5)
Fig. 8은 충전제 첨가량과 두 지력증강제 시스템의 첨가량이 건조된 종이의 지합에 미치는 영향을 보여준다. PAE-PVA 지력증강제 사용 시, 충전제를 사용하지 않으면 지력증강제 첨가량을 증가시킴에 따라 지합이 조금 불량해졌다. 그러나, 충전제를 사용하면 지력증강제 첨가량을 증가함에 따라 오히려 지합이 향상되는 것으로 나타났다. 즉, PAE-PVA 지력증강제는 충전제를 크게 응집시키지 않는 것으로 판단된다. 잘 분산된 충전제가 종이의 지합 및 습윤지력강도 향상에 기여했을 것으로 사료된다.
Fig. 8.
Effect of fillers addition and dosage of polymers on formation of paper. PAE-PVA (left) and PAE-MP (right) were used as wet-web strength agents.
PAE-MP 지력증강제의 경우에는 지력증강제 첨가량을 증가시키면 지합이 불량해졌다. 특히 충전제를 사용하면 지합이 더 불량해졌다. 이는 PAE-MP 지력증강제는 충전제 및 섬유를 응집시키는 응집력이 강하다는 것의 의미한다. Figs. 6과 7에서 충전제를 펄프 대비 15%, 30% 첨가하였을 때, PAE-MP 지력증강제를 사용하면 습윤지필강도가 저하된 것은 PAE-MP 지력증강제에 의해서 충전제 및 섬유의 응집이 많이 촉진되어 지합이 극도로 불량해졌고, 크게 응집된 충전제가 습윤지필 내에서 섬유 간 상호작용을 간섭하였기 때문으로 사료된다.
Fig. 9는 충전제 첨가량 및 두 가지 지력증강제의 첨가량을 달리하였을 경우에 고형분 농도와 습윤지필강도와의 상관관계를 보여주고 있다. 각 세부 조건에서는 몇몇 조건에서 습윤지필의 고형분 농도가 증가하면 습윤지필강도가 증가되는 경향을 보였으나, 전체 데이터에서 보면 습윤지필의 고형분 농도와 습윤지필강도는 상관성을 보이지 않고 있다. 이는 충전제 첨가량이 증가하면 습윤지필의 고형분농도는 증가하였으나, PAE-MP 지력증강제의 경우에 충전제 첨가량이 증가함에 따라 습윤강도가 저하하였기 때문이다.
4. 결 론
PAE-PVA 및 PAE-MP 지력증강제 시스템을 사용하여 HwBKP와 SwBKP로 제조된 습윤지필의 강도를 향상시킬 수 있는지 여부를 평가하고자 하였다. 동시에 습윤압착 온도 변화에 따른 고형분 농도 변화와 충전제 첨가량이 습윤지필강도에 미치는 영향을 탐색하였으며, 그 결과는 다음과 같았다.
1) PAE-PVA 및 PAE-MP 지력증강제를 사용하여 HwBKP-SwBKP로 제조된 시트의 습윤지필강도를 향상시킬 수 있었다. 그러나 충전제를 사용하는 지료에서는 PAE-MP 지력증강제의 첨가량을 증가시키면 오히려 습윤지필강도를 저하시켰다. 습윤지필강도의 관점에서 보면 PAE-PVA 지력증강제 조합이 더 적합하다고 판단된다.
2) 습윤압착 온도를 증가시키면 습윤지필 고형분 농도가 증가되었고, 습윤지필강도도 향상되었다. 고형분 농도가 증가되어 섬유 사이 간격이 좁혀졌을 때 지력증강제의 효과가 더 크게 나타나는 것으로 판단된다.
3) 충전제의 사용은 습윤압착 후 습윤지필 고형분 농도를 증가시켰으나, 습윤지필강도를 저하시켰다. 또한, 충전제 첨가량의 증가는 지력증강제의 효율을 감소시키는 것으로 판단된다.
