KR20060069779A - 초지기상에서 종이의 휨강성을 측정하는 원리와 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초지기상에서 움직이는 종이의 휨강성(bending stiffness) 을 측정하는 공정원리와 그 장치를 개시한다. 본 발명은 롤러사이에 움직이는 종이에 걸리는 인장력과 종이의 기계방향 (MD)으로 형성되는 주름 (tension wrinkle)의 성질을 측정하는 장치로 구성되며, 인장력에 의한 주름이 형성될 당시의 함수율과 탄성계수도 본 발명에서 제시하는 휨강성의 중요한 지침이 된다. 주름 측정장치는 화상분석을 사용하게 되며, 주름의 갯수와 높이, 형태를 측정하여 분석장치에 데이터를 제공하게 된다. 상기 인장력과 주름 데이터들을 근거로 종이의 기계직각방향 (CD)의 휨강성을 계산하게 되며, 종이 탄성계수의 이방성의 비율이 휨강성 이방성의 비율과 이론적으로 같음을 이용하여 종이 기계방향의 휨강성도 계산되게 된다. 현행 종이의 휨강성 측정은 종이가 생산된 후 종이 롤에서 샘플을 채취하여 실험실로 이송하여 측정하게 되는 것이 일반적인 휨강성 측정 방식이였다. 본 발명에 의해 휨강성은 초지기상에서 측정이 가능하게 되며, 그 데이터가 바로 초지기의 공정조절인자로 변환될 수 있어서 품질규격이 맞지 않는 종이의 생산을 최소화할 수 있게 됨으로 생산효율의 증대 및 생산비의 감소를 기할 수 있게 된다.

휨강성, 롤러, 인장력, 주름(Wrinkle), 탄성계수, 함수율, 기계방향 (MD), 기계직각방향 (CD)

Description

초지기상에서 종이의 휨강성을 측정하는 원리와 그 장치 {On-line bending stiffness measuring principle and device in paper machine}

도 1은 본 발명에 따른 Web wrinkle을 이용한 bending stiffness와 Taber stiffness의 비교를 도시한 참고도

본 발명은 제지기술에 속하며 실제적으로 web 상태의 모든 물질의 생산에 적용될 수 있다. 휨강성의 측정 기구 자체는 광학, 전자기술, 기계공학에 속하며, 이러한 측정의 결과를 제지기술 분야 즉 종이생산에 있어서 휨강성의 측정에 적용하고, 더 나아가 web 상태의 모든 물질의 생산에 적용할 수 있다. 현재까지 본 기술과 유사한 기술을 적용한 사례는 web의 shear wrinkle을 이용하여 롤러간의 web의 misalignment를 교정하는 사례를 들 수 있다. 하지만 web 물질의 휨강성 측정에는 적용된 바가 없다.

본 발명은 종이의 제조에 있어서 현재까지 측정에 시간이 많이 걸려서 초지기의 공정 조절인자로 사용하기가 매우 어려웠던 휨강성을 초지기상에서 빠르게 측정함으로서 공정의 조절을 빠르게 진행할 수 있도록 하고자 한다. 이로 인해 공장에서는 종이의 품질변이를 줄이며 품질규격 미달의 제품이나 품질규격 이상의 제품 생산을 줄임으로 생산효율의 증대와 생산비 절감을 꾀할 수 있게 될 것이다.

본 발명에서는 web 상태의 물질이 두 롤러사이를 움질일 때, 롤러사이의 web에 형성된 web 진행방향의 인장력과 그 때 web에 tension buckling 에 의해 형성된 골 (wrinkle) 의 수와 형태 또 롤러의 물질적 성질들을 이용하여 web의 휨강성 (bending stiffness)를 on-line 상에서 빠르게 측정하고자 한다. 측정된 휨강성은 생산되는 종이의 품질이 소비자에 의해 지정된 품질규격에 일치하도록 초지공정을 조절하는 공정조절인자로 사용될 수 있다.

본 발명은 먼저 두 롤러사이에 움직이는 web의 진행방향쪽으로 형성된 인장력을 측정하는 인장력 측정장치와 두 롤러사이에 형성된 web의 wrinkle을 측정할 수 있는 화상분석장치를 필요로 한다. 또 측정된 인장력과 분석된 web의 wrinkle의 정보를 종합하여 휨강성을 계산해 내는 컴퓨터를 필요로 한다. 측정된 휨강성의 정확성을 높이기 위해 web의 진행속도, web의 함수율, web의 평량 등에 대한 정보가 필요하며, 이는 제지공장 초지기운전의 기본정보로서 쉽게 얻을 수 있다. 두 롤러사이에 형성되는 wrinkle 이 web 진행방향에 평행하게 되도록 롤러조정장치를 사용하는 것이 휨강성 측정의 정확성을 기하는데 매우 중요하며, 두 롤러사이의 인장력을 조절할 수 있는 장치를 부가하는 경우 더욱 손쉽게 휨강성의 측정이 이루어질 수 있다.

종이의 경우 함수율이 종이의 휨강성 뿐만 아니라 모든 물리적 특성에 큰 영향을 미치게 된다. 종이의 휨강성을 on-line에서 측정하려면 함수율이 함께 측정이 되거나 항상 일정하게 유지되는 장소에서 측정이 이루어져야 한다. 이러한 장소는 초지기에서 사이즈프레스 전이나 평량을 측정하는 최종 롤와인더 근처를 들 수 있다.

본 발명을 이용하여 실험실적으로 종이 web을 감는 장치를 마련하여 wrinkle을 형성시키고 휨강성이 측정되었으며, 이렇게 측정된 휨강성은 종이의 휨강성을 측정하는 일반적인 방법인 TAPPI method 에 기록된 Taber stiffness 와 비교하였다. 본 연구의 실제 예로서 실험에 사용된 종이는 제지공장에서 제조된 6가지 제품이며 이들의 평량은 46g/m² 에서부터 117g/m² 으로 다양하였다. 롤지의 폭은 실험기기의 한계 때문에 30cm 로 고정하였고 롤지의 길이는 실험에 충분한 길이를 사용하였으며, 적어도 100 m 이상의 롤지를 사용하였다. 실험에 사용된 롤지들의 물리적 특성을 표 1에 나타내었다.

샘플의 종류	평량(g/m2)	열단장(Km)	Taber stiffness (mNm)	탄성계수(GPa)
A-기계방향(MD)	84.04	8.50	1.52	6.02
A-기계직각방향(CD)	84.04	2.82	0.69	2.68
B-기계방향(MD)	52.58	7.16	0.27	5.73
B-기계직각방향(CD)	52.58	3.27	0.16	3.15
C-기계방향(MD)	117.46	6.24	1.52	4.82
C-기계직각방향(CD)	117.46	4.87	1.12	3.05
D-기계방향(MD)	67.42	5.83	0.60	4.74
D-기계직각방향(CD)	67.42	4.97	0.27	2.38
E-기계방향(MD)	96.52	7.42	1.23	5.69
E-기계직각방향(CD)	96.52	4.27	0.82	2.71
F-기계방향(MD)	46.86	4.30	0.23	2.23
F-기계직각방향(CD)	42.86	1.63	0.11	1.24

이들의 wrinkle 측정에 의한 기계직각방향 (CD) 의 bending stiffness 의 측정결과를 Taber stiffness 결과와 함께 도 1에 나타내었다. 단 이때에 web에는 wrinkle이 9개가 생기도록 인장력을 조정하였으며, 이때의 측정된 인장력을 사용하여 stiffness를 계산하였다. 도 1에서와 같이 Taber stiffness 와 wrinkle 에 의해 계산된 stiffness 는 일치하는 경향을 보였다. 단 본 실험에서는 롤지의 폭이 30cm 로서 wrinkle의 숫자를 9개로 같이 하였으나 wrinkle 의 숫자를 더 높이거나 낮아도 측정에는 큰 문제가 없다. 단 실험적 편차를 줄이기 위해서는 롤지 폭에 대한 일정한 범위의 wrinkle수를 형성하는 것이 편리하였다.

본 발명을 통해 제지공장에서 얻을 수 있는 효과는 다양하다. 첫째로는 생산되는 종이의 휨강성을 on-line 상에서 직접 측정이 가능함으로써 소비자가 원하는 품질규격의 종이가 생산되고 있는 지를 즉각 파악할 수 있다는 점이다. 종래에는 휨강성을 측정하기 위해 생산이 완료된 종이롤에서 샘플을 추출하여 실험실로 가져가 측정하였던 것에 비해 적어도 30분, 더 나아가 1시간 이상후에 휨강성 정보를 얻을 수 있게된다. 만일 품질규격에 떨어지는 종이를 생산중이라면 일단 초지기에서 종이 롤이 완성되고 난 후에 그 종이롤에서 샘플을 채취해야 하고, 다시 그 샘플을 실험실로 가져가 측정하게되므로 일단 생산된 종이롤과 휨강성 측정동안 생산되고 있는 종이는 품질규격이 떨어진 상태로 생산될 것이다. 이렇게 생산된 종이들은 심한 경우 폐기시키거나 혹은 가격이 현저히 낮은 종이로 판매될 가능성이 높다. 따라서 휨강성 on-line 측정기기는 생산되는 종이의 품질안정화와 생산비 절감에 기여할 수 있게된다.

일단 휨강성을 on-line 상에서 알게되면 휨강성을 지배하는 초지공정의 인자들과 생산되는 종이의 물리적 성질의 중요 인자들에 대한 조정을 할 수 있게 된다. 일예를 들면, 휨강성이 규격보다 낮은 경우 종이의 두께를 늘려서 휨강성을 높일 수 있다. 두께를 높이는 방법은 초지기의 wet press 압력을 낮추거나 칼렌다링의 압력을 낮춤으로서 얻어질 수 있다. 칼렌다링의 압력을 낮추면 종이의 평활도가 떨어지게 되는데, 만일 규격보다 높은 충분한 평활도를 기왕에 얻고 있었다면 평활도를 약간 낮추어 휨강성을 규격내에 들도록 공정을 조절할 수 있게된다. 즉 on-line 휨강성 측정치는 중요 공정조절인자로서 사용될 수 있는 가능성이 높다. 칼렌다링의 압력을 낮추기 어려운 경우 종이의 평량을 약간 높여서 휨강성을 규격내에 들도록 할 수도 있다. 하지만 이러한 경우 생산비의 증가를 예상해야만 한다. 종이의 품질이 규격내에 들지 못해서 폐기하기보다는 생산비를 조금늘려서 규격내에 들도록 하는 것도 생산비 절감의 한 경우가 될 수도 있다.

Claims (3)

1. 종이와 같은 Web 상태의 물질이 두 롤러사이에 인장력을 가지고 한 방향으로 진행하는 경우 두 롤러사이의 거리와 web의 폭, web의 물리적성질과 web의 속도, 롤러의 물리적성질, 그중에 특히 마찰계수, web이 받고있는 인장력, 롤러사이의 misalignment 등에 의해 web에 wrinkle 이 형성되며, 이러한 wrinkle의 형태와 인장력과의 직접적인 관계에 의해 web의 휨강성을 측정하게 된다.

   따라서 상기한 두 롤러사이의 인장력과 wrinkle 의 형태를 이용하여 web의 휨강성을 측정하는 원리를 이용한 측정 장치
2. 청구항 1에 상기한 측정장치에서 측정되는 web은 주로 종이이지만 web 상태의 다른 폴리머나 광물질, 철판, 유리와 같은 web 상태의 물질.
3. 청구항 1에 설명된 측정기구로서 인장력을 조절하고 web의 misalignment를 조절하는 장치를 같이 가지고 있는 측정장치.

Images