KR101289376B1 - 충전제 전처리용 전분계 액상 조성물, 이 조성물을 사용하여 전처리된 제지용 충전제 및 이 충전제를 포함하는 종이 - Google Patents

Abstract

본 발명은 충전제 전처리용 전분계 액상 조성물, 이 조성물을 사용하여 전처리된 제지용 충전제 및 이 충전제를 포함하는 종이에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 종이 제조에 사용되는 충전제의 전처리에 사용될 경우 그 충전제를 종이 내에 고충전(High-loading)시킬 수 있어 종이제조 공정에 있어서 종이의 회분 보류와 강도의 개선을 이룰 수 있고, 충전제의 증량에 따른 펄프 등 원료의 절감을 가능하게 하는 충전제 전처리용 액상 조성물, 이 조성물을 사용하여 전처리된 제지용 충전제 및 이 충전제를 포함하는 종이에 관한 것이다.

Description

충전제 전처리용 전분계 액상 조성물, 이 조성물을 사용하여 전처리된 제지용 충전제 및 이 충전제를 포함하는 종이{STARCH-BASED LIQUID COMPOSITION FOR PRETREATING FILLER, FILLER PRETREATED WITH THE COMPOSITION FOR MAKING PAPER, AND PAPER COMPRISING THE FILLER}

본 발명은 충전제 전처리용 전분계 액상 조성물, 이 조성물을 사용하여 전처리된 제지용 충전제 및 이 충전제를 포함하는 종이에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 종이 제조에 사용되는 충전제의 전처리에 사용될 경우 그 충전제를 종이 내에 고충전(High-loading)시킬 수 있어 종이제조 공정에 있어서 종이의 회분 보류와 강도의 개선을 이룰 수 있고, 충전제의 증량에 따른 펄프 등 원료의 절감을 가능하게 하는 충전제 전처리용 액상 조성물, 이 조성물을 사용하여 전처리된 제지용 충전제 및 이 충전제를 포함하는 종이에 관한 것이다.

최근 중국을 중심으로 한 아시아지역의 종이 산업 발전으로 펄프 원료가격이 급격히 상승하고 있다. 또한, 범세계적으로 이산화탄소를 줄이기 위한 노력이 이어지고 있다. 따라서 종이 제조를 위한 원료비용 및 에너지 비용을 절감할 수 있는 기술이 다각도로 연구되고 있다.

종이 제조 공정에서 쓰이는 충전제는 종이 제조를 위한 총 고형분 함량에서 통상적으로 최소 10% 내지 최대 40%를 차지한다. 이러한 충전제로는 탄산칼슘, 클레이, 활석(Talc), 이산화티탄 등이 사용되며, 이들은 펄프보다 저렴하여 원가 절감 효과가 크고, 충전제 첨가량을 증가시키면 종이 제조시 건조를 위한 에너지 비용을 절감할 수 있다. 또한, 이들 충전제는 종이의 백색도, 불투명도, 평활도와 같은 인쇄적성 등을 향상시킨다. 따라서 종이내 충전제 첨가량을 증가시킬 수 있는 다양한 기술이 종이 제조 공정에서 연구되고 있다.

그러나 일반적인 제지 공정에서 종이내 충전제 첨가량을 증가시키면 보류도가 떨어져 초지 작업성이 저하되고, 종이의 내부결합강도, 강직도 등 물성을 떨어뜨리기 때문에 충전제 첨가량 증가에 제약이 따른다.

따라서 최근에는 종이 내에 충전제 및 미세섬유를 효과적으로 보류시킬 수 있는 고충전(High-loading) 기술이 중점적으로 연구되고 있다. 고충전이란 충전제 및 미세섬유가 와이어상에 잔류하여 종이로 되는 비율을 최대한 높임을 의미하는 것으로서, 이는 종이 제조 공정의 경제성에 직접적인 영향을 미친다. 고충전 기술의 한 예로서 충전제를 효과적으로 보류시킬 수 있는 충전제 선응집에 관한 연구가 진행되고 있다. 충전제 선응집은 양이온성 고분자를 이용하여 응집시킨 충전제를 펄프 슬러리에 투입하는 것을 말한다. 일반적인 충전제의 크기는 0.5~10 ㎛로 미세하여 와이어상에 잔류시키기가 어려운데, 선응집 기술을 통해 10~60㎛로 크게 하여 용이하게 잔류하도록 할 수 있다.

미국특허 제4,799,964호 및 제4,889,594호 등에는 이러한 선응집 또는 충전제 전처리 기술이 개시되어 있다. 그러나 이 기술들은 특별히 고안된 장치를 이용하거나, 별도의 반응 설비에서 별도의 작업을 통해 전처리된 충전제의 입도를 키워 보류도를 향상시키는 것으로서, 공정이 복잡해지고 설비비용 및 운전비용이 증가하는 문제가 있다.

한국특허 제10-101456호에는 전분과 같은 음이온성 다당류와 아크릴아미드계 공중합체의 혼합물로 충전제를 전처리하는 기술이 개시되어 있다. 그러나 이 기술에서 음이온성 다당류(A)와 아크릴아미드계 공중합체(B)를 복합화하는데 있어 제시하고 있는 A/B의 혼합비율은 2/98~45/55로 음이온성 다당류, 즉 변성전분의 함량이 절반을 넘지 못하는 한계를 나타낸다. 또한 이 기술은 변성전분을 사용함으로써 제조 공정을 복잡하게 하고, 제조원가를 상승시키는 문제점을 가진다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점들을 해결하고자 한 것으로서, 별도의 설비나 추가작업의 필요 없이, 또한 종이물성의 저하 없이 실질적인 고충전이 가능하게 함으로써 고가의 펄프자원 사용량을 절감할 수 있고, 양이온성 단량체에 비하여 가격이 저렴한 일반전분의 비율을 50% 이상 사용할 수 있으며, 또한 고가의 변성전분 대신 일반전분을 사용하여 제조원가를 효과적으로 절감할 수 있는 충전제 전처리용 액상 조성물, 이 조성물을 사용하여 전처리된 제지용 충전제 및 이 충전제를 포함하는 종이를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

상기한 기술적 과제를 달성하고자 본 발명은, 양이온성 단량체가 그라프트 중합된 전분을 포함하며, 상기 전분과 양이온성 단량체 총합 100중량%를 기준으로 상기 전분의 양이 50~90중량%이고, 상기 양이온성 단량체의 양이 10~50중량%인, 충전제 전처리용 액상 조성물을 제공한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명의 액상 조성물로 원료 충전제를 전처리하여 얻어지는 것을 특징으로 하는, 전처리된 제지용 충전제가 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 발명의 전처리된 제지용 충전제를 포함하는 것을 특징으로 하는 종이가 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 발명의 액상 조성물로 전처리된 제지용 충전제를 포함하는 종이를 제조함에 있어서, 상기 액상 조성물을 원료 충전제 저장조 또는 펄프 슬러리 탱크(Mixing chest)로의 원료 충전제 이동배관에 투입하는 것에 의해 충전제의 전처리가 수행되는 것을 특징으로 하는, 종이의 제조방법이 제공된다.

본 발명에 따라 종이를 제조하면, 종이 물성의 저하 없이 종래 기술에 비하여 일반 백상지 기준으로 종이 내 회분함량을 3% 이상 증가시킬 수 있어 고가의 펄프 자원 사용량을 절감할 수 있으며, 이는 충전제 전처리용 조성물을 충전제 저장탱크 또는 충전제 투입라인에 첨가하는 단순한 공정을 통해 달성될 수 있다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 충전제 전처리용 액상 조성물은 양이온성 단량체가 그라프트 중합된 전분을 포함한다.

상기 전분으로는 일반 전분(즉, 변성되지 않은 전분)을 사용할 수 있으며, 구체적으로는 옥수수 전분, 찰옥수수 전분, 타피오카 전분, 감자 전분 및 고구마 전분으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 또한, 이러한 일반 전분 외에, 상기 일반 전분을 산화, 에스테르화, 에테르화, 그라프트화 또는 효소처리한 변성전분을 추가적으로 사용할 수도 있다.

상기 양이온성 단량체로는 아크릴아미드, 디시안디아미드, 디에틸렌트리아민, 에틸렌디아민, 디메틸아미노에틸 아크릴레이트 및 디메틸아민으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 아크릴아미드, 디시안디아미드 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.

양이온성 단량체를 전분에 그라프트 중합하는 데에 사용되는 두 성분의 상대적인 양은, 상기 전분과 양이온성 단량체 총합 100중량%를 기준으로, 전분이 50~90중량%이고, 양이온성 단량체가 10~50중량%이며, 보다 바람직하게는 전분이 60~90중량%이고, 양이온성 단량체가 10~40중량%이다.

전분과 양이온성 단량체 총합 100중량%를 기준으로, 전분의 사용량이 50중량%에 못 미치거나 양이온성 단량체의 사용량이 50중량%를 초과하면 액상 조성물의 점도가 지나치게 높아져 충전제의 적절한 전처리가 실질적으로 불가능해진다.

또한, 전분과 양이온성 단량체 총합 100중량%를 기준으로, 전분의 사용량이 90중량%를 초과하거나 양이온성 단량체의 사용량이 10중량%에 못 미치더라도, 전분의 노화(고형화)가 쉽게 진행되어 역시 액상 조성물의 점도가 지나치게 높아져 충전제의 적절한 전처리가 실질적으로 불가능해진다.

본 발명의 충전제 전처리용 조성물은 액상이기 때문에, 일반적으로 제지 공정에 사용되는 분말상의 전분 또는 변성전분처럼 별도의 액화 설비를 필요로 하지 않아 생산 비용을 절감할 수 있다. 본 발명의 충전제 전처리용 조성물의 총 고형분 함량은 5~30중량%인 것이 바람직하며, 10~20중량%인 것이 보다 바람직하다. 조성물의 고형분 함량이 5중량% 미만이면 제지공정상 건조 효율이 떨어질 수 있고, 반대로 30중량%를 초과하면 경제성이 떨어진다.

본 발명의 충전제 전처리용 조성물은 또한 액상 매질로서 물을 함유할 수 있으며, 상기한 그라프트-변성 전분 외에 제지 분야에서 충전제 전처리용으로 사용가능한 성분들을 추가로 포함할 수도 있다.

본 발명의 일 구체예에 따르면, 본 발명의 액상 조성물은 전분과 물을 혼합한 슬러리에 개시제(예컨대, 암모늄 퍼설페이트)를 첨가한 후, 여기에 양이온성 단량체를 투입하고 그라프트 중합시키는 방식으로 제조할 수 있다.

본 발명의 액상 조성물로 전처리되는 원료 충전제로는 제지용 충전제로서 공지된 것을 임의로 사용할 수 있으며, 예를 들면, 탄산칼슘, 이산화티탄, 클레이, 카올린, 탄산마그네슘, 산화아연, 산화규소, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 수산화아연, 폴리스티렌 수지 등의 충전제를 1 종류 이상 사용할 수 있다. 바람직하게는 탄산칼슘을 사용할 수 있다.

본 발명에서 충전제 전처리에 사용되는 액상 조성물의 양은, 처리 대상인 원료 충전제 100 중량부에 대하여, 고형분 0.1~1 중량부에 해당하는 양의 액상 조성물이 사용되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 고형분 0.3~0.7 중량부에 해당하는 양의 액상 조성물이 사용된다. 또한, 전처리된 충전제의 입경은 10~30㎛인 것이 바람직하다.

충전제 전처리에 사용되는 액상 조성물의 양이나 전처리된 충전제의 입경이 상기한 수준을 벗어나면 충전제 전처리 효율이 떨어져 회분(충전제) 보류도 향상이나 강도 개선에 문제가 있을 수 있으며, 종이 제조시 공정상 문제점을 야기할 수도 있다.

충전제의 전처리 방법에는 특별한 제한이 없으며, 본 발명은 전처리를 위한 별도의 설비나 복잡한 작업단계 없이 간단하게 충전제를 전처리할 수 있는 이점이 있다. 예컨대, 본 발명에 따른 종이 제조방법의 일 구체예에 있어서, 충전제 전처리는 상기 액상 조성물을 원료 충전제 저장조 또는 원료 충전제가 펄프슬러리 탱크(Mixing chest)로 이동하는 배관에 투입함으로써 간단하게 수행될 수 있다.

본 발명에 따라 전처리된 충전제는 고충전을 가능하게 한다. 본 발명에서 ‘고충전(high-loading)’이란 종이 내 충전제 함량을 통상 수준보다 증가시키는 것을 의미한다. 구체적으로, 종이 제조시 각 지종에 따라 설정되는 충전제 함량(약 10~40%)을 기준으로, 종이 강도를 유지하며 충전제함량을 2% 이상 추가로 증가시킬 수 있는 경우, 이를 고충전이라 할 수 있다. 일반적으로 펄프가격이 충전제 가격에 비하여 3배 이상 고가이므로, 종이 내 충전제 함량이 2% 더 증가하면 종이 제조의 원료 가격을 5% 이상 절감할 수 있는 효과가 있다.

따라서, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명의 전처리된 충전제를 포함하는 것을 특징으로 하는 종이가 제공된다. 또한, 이러한 종이를 제조함에 있어서, 충전제의 전처리는 본 발명의 액상 조성물을 원료 충전제 저장조 또는 펄프 슬러리 탱크(Mixing chest)로의 원료 충전제 이동배관에 투입하는 것에 의해 간단하게 수행될 수 있으며, 그러한 종이의 제조방법이 또한 본 발명에 의해 제공된다.

본 발명에 따른 종이 제조방법은 본 발명의 전처리된 충전제를 사용하는 것 자체 또는 그를 위한 상기 충전제 전처리 과정에 특징이 있으며, 그 외에는 통상의 기존 종이 제조공정을 그대로, 또는 적절히 변형하여 사용할 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 종이 제조 공정은 셀룰로오스를 함유하는 0.5~5중량%의 펄프에 본 발명의 전처리된 충전제를 적절히 조합하고, 필요에 따라 지력증강제 또는 내첨 사이즈제 등을 첨가한 뒤, 공정 백수를 이용하여 0.2~1.5중량%로 희석하고 헤드박스에서 사출하여 와이어 상에 탈수하고, 프레스로 압착 탈수하여 건조하는 공정으로 이루어진다.

이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 그에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시예

<충전제 전처리용 액상 조성물의 제조>

하기 표 1에 나타낸 중량(g)의 일반 전분(삼양제넥스)과 물 900g을 혼합한 슬러리를 90℃ 이상에서 1시간 동안 호화(cooking)한 후 80℃로 냉각하고, 여기에 개시제(암모늄 퍼설페이트, APS) 1g을 첨가하여 15분간 교반한 후, 양이온성 단량체로서 아크릴아미드를 하기 표 1에 나타낸 중량(g)으로 투입하고 1시간 동안 70℃ 이상에서 그라프트 중합 반응시키고, pH 8로 조정하여 충전제 전처리용 액상 조성물을 제조하였다(총 고형분: 10 중량%).

<충전제 전처리>

상기 제조된 액상 조성물을 하기 표 1에 나타낸 고형분 중량부에 해당하는 양으로 사용하여 충전제로서 경질탄산칼슘(PCC) 100중량부를 전처리하였다. 전처리는 액상 조성물을 충전제와 혼합한 후 상온에서 교반하는 방식으로 수행하였다.

비교예 1은 경질탄산칼슘을 전처리하지 않고 그대로 사용하였다.

비교예 4에서는, 변성 전분(삼양제넥스) 75g과 물 900g을 혼합한 슬러리를 90℃ 이상에서 1시간 동안 호화(cooking)한 후 80℃로 냉각하고, 여기에 폴리아크릴아미드 공중합체 25g을 투입하고 pH 8로 조정한 혼합물을 사용하여 충전제를 전처리하였다(총 고형분: 10 중량%).

전처리된(비교예 1은 비처리) 충전제의 평균입도는 MASTERSIZER 2000(MALVERN. Ltd, 영국)를 이용하여 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

[표 1]

<종이 제조>

상기 실시예 1, 2 및 5, 그리고 비교예 1의 충전제(비교예 2~4의 조성물로는 충전제의 실질적인 전처리가 불가하였음)를 하기 표 2에 나타낸 함량(총 고형분 대비 중량%)으로 사용하여 종이를 제조하였다. 종이 제조는 통상 제지업계에서 사용하는 사각 수초지기를 이용하였으며 하기 순서로 실시하였다.

제조된 종이에 대하여 물성을 측정하였다. 종이의 회분함량은 TAPPI method T211에 의거하였고, 내부결합강도는 스캇본드시험기(Scott Bond Tester, Precision Scientific, 미국)를 이용하였으며, 인장강도는 L&W 인장시험기(L&W Tensile Tester, (Lorentzen & wetter, 스웨덴)를 이용하여 측정하였다. 측정 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

[표 2]

표 2의 결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명에 따라 전처리된 충전제를 포함하는 실시예 종이의 경우, 동일 함량의 비교예 1 충전제를 사용한 경우에 비하여 종이의 회분 함량이 상승하였으며, 종이의 내부결합강도 및 인장강도 또한 비교예 1보다 우수하였다.

즉, 본 발명에 따르면, 동일한 양의 충전제를 사용하더라도 종래 기술에 비하여 충전제의 손실율을 낮출 수 있고, 종이 내 회분 함량을 증가(약 3% 이상 증가)시킬 수 있어, 충전제 가격에 비하여 3배 이상 높은 펄프 원료를 절감할 수 있는 경제적 효과를 얻을 수 있다.

Claims (10)

1. 양이온성 단량체가 그라프트 중합된 전분을 포함하며, 상기 전분과 양이온성 단량체 총합 100중량%를 기준으로 상기 전분의 양이 50~90중량%이고, 상기 양이온성 단량체의 양이 10~50중량%인, 충전제 전처리용 액상 조성물.
2. 제1항에 있어서, 상기 전분이 일반 전분인 것을 특징으로 하는 액상 조성물.
3. 제2항에 있어서, 상기 일반 전분이 옥수수 전분, 찰옥수수 전분, 타피오카 전분, 감자 전분 및 고구마 전분으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 액상 조성물.
4. 제1항에 있어서, 상기 양이온성 단량체가 아크릴아미드, 디시안디아미드, 디에틸렌트리아민, 에틸렌디아민, 디메틸아미노에틸 아크릴레이트 및 디메틸아민으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 액상 조성물.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 액상 조성물로 원료 충전제를 전처리하여 얻어지는 것을 특징으로 하는, 전처리된 제지용 충전제.
6. 제5항에 있어서, 원료 충전제가 탄산칼슘, 이산화티탄, 클레이, 카올린, 탄산마그네슘, 산화아연, 산화규소, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 수산화아연 및 폴리스티렌 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 전처리된 충전제.
7. 제5항에 있어서, 원료 충전제 100 중량부에 대하여, 고형분 0.1~1 중량부에 해당하는 양의 상기 액상 조성물이 전처리에 사용되는 것을 특징으로 하는, 전처리된 충전제.
8. 제5항에 있어서, 입경이 10~30㎛인 것을 특징으로 하는, 전처리된 충전제.
9. 제5항의 전처리된 제지용 충전제를 포함하는 것을 특징으로 하는 종이.
10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 액상 조성물로 원료 충전제를 전처리하여 얻어지는 충전제를 포함하는 종이를 제조함에 있어서,
    상기 액상 조성물을 상기 원료 충전제의 저장조 또는 펄프 슬러리 탱크로의 상기 원료 충전제의 이동배관에 투입하는 것에 의해 충전제의 전처리가 수행되는 것을 특징으로 하는, 종이의 제조방법.