KR0171564B1 - 제지용 섬유의 개질방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 펄프에 카르복시메틸(CM)기를 도입하여 제지용 섬유를 개질시키는 PCM(Partial Carboxymethylation)공법에 있어서, 원료로 재생펄프를 사용하고 유기 용매 대신 물을 사용하며 20~50℃의 온도, 30분 이상의 반응시간, 가성소다를 투입하여 pH 7~9 사이에서 PCM처리를 행하고 섬유가 충분히 해리된 이후의 체스트에서 모노클로로 아세트산(MCA)을 투입함을 특징으로 제지용 섬유의 개질방법에 관한 것으로, 재생펄프를 원료로 사용하는 종이의 제조시, 알칼리에 의한 해리공정을 적절히 조절하여 섬유를 팽윤시킨 후에는 적정농도의 모노클로로 아세트산 약간량만 투입하여도 상당한 물성의 변화를 얻을 수 있었다.

Description

제지용 섬유의 개질방법

제1도 (a)는 부분적인 카르복시메틸화 되기 전의 한국산 고지에 대한 FT-IR 분석표.

(b)는 부분적인 카르복시메틸화 된 후의 한국산 고지에 대한 FT-IR 분석표.

본 발명은 제지용 섬유의 개질방법에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 일반적으로 펄프에 카르복시메틸(CM)기를 도입하여 제지용 섬유를 개질시키는 PCM(Partial Carboxymethylation)공법에 있어서, 원료로 재생펄프를 사용하고 유기 용매 대신 물을 사용하며 20~50℃의 온도, 30분 이상의 반응시간, 가성소다를 투입하여 pH 7~9 사이에서 PCM처리를 행하고 섬유가 충분히 해리된 이후의 체스트에서 모노클로로 아세트산(MCA)을 투입함을 특징으로 제지용 섬유의 개질방법에 관한 것이다.

종이는 섬유자체의 결합에 의하여 성형된 판상재료이므로 원료의 특성에 많은 영향을 받는다. 즉, 섬유자체의 결합력을 이용하여 종이를 제조하기 때문에 제조공정면에서 다른 어떤 재료도 갖고 있지 못한 장점을 갖고 있기도 하지만, 반면에 원료의 특성이 종이의 물성에 절대적으로 영향을 미칠 수밖에 없다.

종이의 원료인 펄프를 화학적인 처리과정을 거쳐 원료의 특성을 변화시키는 것을 화학적인 개질이라고 하며, 섬유의 고유한 초지 특성이 변하지 않는 범위까지 치환, 가교 등의 반응을 일으켜 섬유의 특성을 변화시키는 것을 뜻한다. 이것은 섬유가 가지고 있는 수산기의 반응성을 이용한 것이다.

이중에서도 부분적인 카르복시메틸화(Partial Carboxymethylation)는 섬유의 열화가 일어나지않는 범위 내에서 친수성을 띤 카르복실기가 섬유의 표면에 도입되면 섬유간 결합을 향상시키고, 섬유의 유연성을 증가시켜 궁극적으로 물성의 증진효과를 얻을 수 있다고 알려져 있다.

그러나, 현재까지 공지된 PCM공법은 모두 용매로서 이소프로필 알코올 혹은 에틸 알코올을 사용하여 전처리가 유기용매에 의해 이루어지므로 제지용 섬유에 대하여는 사실상 실현 불가능한 것이었다. 즉, 섬유의 30배에 달하는 유기용매로 전처리를 하여야 하고, 또 30배 정도의 세정용 유기용제가 사용되는 결정적인 문제점을 안고 있어 소량으로 CMC(Carboxymethyl Cellulose)를 제조하는 것은 가능하지만 물을 사용하면서 단위 생산공정을 거치는 제지공업에서는 적용에 난점이 있었다.

따라서, 유기용제를 물로 데체하려는 연구도 일부 시도되었지만, 반응성이 낮거나 혹은 적정 치환도에 도달하는 반응시간이 길어서 아직 실용화에 이르지 못하였다. 그러나 본 발명은 원료로 사용되는 재생 펄프는 단섬유화되어 있고 각질화되어 있어 천연펄프보다는 강도와 유연성이 떨어지지만, 알칼리로 섬유를 팽윤시키고 섬유간 결합력을 유지하는 수산기 중 일부를 카르복실기로 치환시킬 수 있다.

따라서 본 발명의 목적은 원료로 재생펄프를 사용하며 용매로서 유기용매를 사용하지 않고 물을 사용하는 제지용 섬유의 부분적인 카르복시메틸화 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적뿐만 아니라 용이하게 표출될 수 있는 또 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 제지용 섬유의 부분적인 카르복시메틸화 방법에 있어서 용매로서 유기용매를 사용하지 않고 물을 사용하되 특정조건하에서 부분적인 카르복시메틸화를 행하고 리파이너(Refiner)이후의 체스트(Chest)에서 MCA(Mono chloro acetic acid)를 첨가하므로서 유기용매를 사용하지 않고도 제지용 섬유를 부분적인 카르복시메틸화하므로서 제조되는 종이의 강도향상을 이룰 수 있었다.

이하 설명에서 부분적인 카르복시메틸화는 PCM으로 약칭한다.

본 발명을 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

PCM처리는 하기 반응식에 따라 이루어진다.

즉, PCM처리는 셀룰로오스에 있는 3개의 수산기 중 일부에 CM기가 치환되는 것으로, 섬유의 알칼리화, 모노클로로 아세트산과의 반응에 의한 CM기의 도입이 이루어지면서 물성의 변호가 나타난다.

그러나, 일반적인 PCM처리는 재료로는 천연펄프(Virgin pulp)를 사용하고 용매로서 유기용매를 사용하므로 섬유가 고해되는데 많은 시간이 소요되었으며, 반응시간이 길어져서 제지용 섬유의 제조에는 실제적인 적용이 불가능한 단점이 있었다.

따라서, 본 발명에서는 동일한 고해시간에 높은 고해도(SR°)에 도달할 수 있는 재생펄프를 대상으로 제지공정에 실제적으로 적용할 수 있도록 용매로서 유기 용매 디신 물을 사용하고, 리파이너에서 충분히 해리된 후의 체스트에서 MCA를 투입하므로서 유기용매를 사용하는 것과 동등이상의 효과를 얻을 수 있었다.

즉, 본 발명자 등은 재생펄프의 물성향상을 목적으로 PCM처리를 행하되, 용매로서 유기용매 대신 물을 사용하고 이 방법을 적용할 수 있는 조건을 얻기 위하여 최적조건을 구하였다. 조건의 설정은 온도, 반응시간, 약액비를 중점적으로 각각의 조건에서 치환도를 구하였다. 온도조건의 경우 20~50℃ 범위 내에서는 큰 차이를 보이지 않았으며, 반응시간 면에서는 최소한으로 30분 이상의 반응시간이 필요하며, 약액비는 NaOH와 모노클로로 아세트산의 비가 1.2 : 1의 경우가 가장 높은 치환도를 나타내었다.

얻어진 최적조건에 따라 반응시간과 온도를 고정하고, 각각 농도를 달리하여 수초지를 제조하고 물리적 성질을 분석한 결과, 압축강도는 처리농도 0.05% 조건에서, 파열강도는 0.20%조건에서 가장 높은 값을 나타내었고, 인장강도는 0.20~0.25%에서 가장 높은 값을 나타내었다. 처리농도 0.25%에서는 높은 치환도에도 불구하고 오히려 강도면에서 낮은 값을 나타내었으며, 이것은 친수성기의 과다한 도입으로 인한 응집(Flocculation)현상 때문으로 보여진다.

상술한 바와 같이, 재생펄프를 원료로 사용하는 종이의 제조시, 알칼리에 의한 해리공정을 적절히 조절하여 섬유를 팽윤시킨 후에는 적정농도의 모노클로로 아세트산 약간량만 투입하여도 상당한 물성의 변화를 얻을 수 있었다.

본 발명에서 최적조건을 얻기 위한 PCM처리는 5,000㎖용 플라스틱 비이커에 물을 첨가하여 각각 3.0%의 농도가 되도록 조정한 지료 2,000㎖를 넣고 이해기(Disintegrator)로 30분 동안 섬유를 충분히 해섬시킨 후, 소정농도의 NaOH 수용액을 가하고 소정시간 동안 더 교반하였다. 여기에 모노클로로 아세트산(MCA) 소정량을 30분에 걸쳐 가하고 쉐이킹 인큐베이터(Shaking Incubator)에서 온도, 시간을 조정하여 60rpm 속도로 반응시켰다.

제1도 (a)와 (b)는 부분적인 카르복시메틸화 되기 전과 후의 한국산 고지에 대한 FT-IR 분석표이다.

PCM처리펄프의 치환카르복실기의 도입은 FT-IR로 분석하였다.

즉, PCM처리 시료를 건조시킨후 40~60메쉬(mesh)로 분쇄하고 KBr을 첨가하여 2kg/㎠에서 펠릿을 제조하여 분석하였다. 사용한 기종은 하트만 앤 브라운(Hartman Brown)사의 보멘엠비 시리즈(Bomen MB Series)이었다. 또한, PCM처리에 의한 물성변화는 수초지를 제조하여 분석하였고, 수초지의 물성시험은 KS의 강도측정방법에 따라 실시하였다. 이와 같은 상태에서 FT-IR로 분석된 결과는 3300㎝^-1에서 나타난 스트레칭(stretching)은 셀룰로즈(cellulose)의 -OH기이며 1610~1550cm^-1에서 나타난 스트레칭은 (COO)- 스트레칭이고 1800~1650cm^-1중 1700~1680cm^-1의 스트레칭은 아로메틱 링(aromatic ring)과 연결된 COOH기의 신축진동에 의한 것이다. 따라서 PCM처리된 한국산 고지에 카르복실기가 되입된 것임을 알 수 있다.

그러나, PCM처리공정을 실제의 제지공정에 적용함에 있어서 리파이너를 거치지 않은 지료는 섬유의 충분한 팽윤이 일어나지 않아 PCM처리의 효과가 미약하므로 본발명에서는 리파이너 이후의 체스트(Chest) 특히, 머쉬인 체스트(Machine Chest)에서 MCA를 투입하였다. 리파이너 이후의 체스트는 2개가 있는데 이중 머쉬인 체스는 반응체류시간이 30분 이상이고 온도 역시 40℃ 정도이므로 PCM처리의 최적조건을 만족시킬 수 있었다.

[실시예 1]

하기와 같은 공정라인을 갖는 크라프트지 생산공정에 표 1에 기재된 바와 같이 PCM처리를 행하고, 제조된 크라프트지의 물성을 평가하여 표 1에 기재하였다.

즉, PCM처리는 펄퍼에서 가성소다를 투입하여 pH를 표 1의 기재와 같이 조정하고 리파이너 후의 체스트에서 모노클로로 아세트산을 투입하였다.

표 1에서 알 수 있는 바와 같이 인장강도 및 신장률 등이 공히 증가하였으나, 인열강도 면에서는 큰 변화가 없었으며, 수분 역시 증가하였다. 그러나, 건조속도는 스팀압이 일시적으로 5% 정도 증가하였다가 오히려 줄어드는 경향을 보였다.

일반적으로 탈수촉진제로 보류향상제를 사용하는데, 이는 단섬유를 지충에 보류함으로써 초지속도의 향상을 위한 것이고, PCM처리는 앞서 보류향상제의 역할을 할 수도 있으므로 나타나는 현상이다.

[실시예 2]

하기와 같은 공정라인을 갖는 라이너지 생산공정에 표 2에 기재된 바와 같이 PCM처리를 행하고, 제조된 라이너지의 물성을 평가하여 표 2에 기재하였다.

즉, 현재의 시스템은 표면과 후면 공히(-)PAM 및 (+)PAM을 각각 2.5% 및 1.4% 사용하고 있으며, 지력향상제로 (+)PAM을 0.1%씩 투입하고 있고, 4.0%의 지력증강제를 사용하고 있는 것이며, 본 실시예에서 PCM처리는 후면의 지력증강제 사용을 완전 배제한 채, PCM단독처리를 행하였다.

또한 실시예 1과 마찬가지로 한국산 고지가 투입된 펄퍼에 가성소다를 투입하여 pH를 P로 조정하고 리파이너 이후의 체스터에서 MCA를 투입하였다.

표 2에서 알 수 있는 바와 같이 PCM처리가 지력증강제 4.0%를 투입하는 것과 효과면에서 유사하면서도 약품사용량이 현저하게 줄어들어 매우 경제적으로 종이의 강도를 올릴 수 있었다.

KS M 7502 골판지라이너의 규정에 의하면 라이너는 표시평량, 비파열강도 및 비압축강도에 따라 구분하고, KS M 7501 크라프트지의 규정에 의하면 크라프트지의 검사는 평량, 인장강도, 인열강도 및 인장강도 X 신장율, 사이즈도 및 치수에 따라 구분하고 있다. 따라서, 실시예 1 및 2에서 제조된 종이의 특성분석은 각각의 시험규정에 따라 KS M 7011~16, 7021, 7023, 7025, 7051, 7082의 시험방법에 의하여 측정하였다.

Claims (1)

1. 펄프에 카르복시메틸(CM)기를 도입하여 제지용 섬유를 개질시키는 PCM(Partial Carboxymethylation)공법에 있어서, 원료로 재생펄프를 사용하고 유기 용매 대신 물을 사용하며 20~50℃의 온도, 30분 이상의 반응시간, 약 액비(NaOH : 모노클로로 아세트산) 1.2 : 1의 조건하에서 PCM처리를 행하고 리파이너(Rfiner) 이후의 체스트에서 모노클로로 아세트산(MCA)을 투입함을 특징으로 제지용 섬유의 개질방법.