KR20160129281A

KR20160129281A - 침강성탄산칼슘 2단계 연속합성 반응 방법(In-situ Process)을 활용한 미표백 펄프의 다층지 제조방법

Info

Publication number: KR20160129281A
Application number: KR1020150061149A
Authority: KR
Inventors: 안지환; 이현재
Original assignee: 한국지질자원연구원
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2016-11-09
Also published as: WO2016175594A1

Abstract

본 발명은 펄프를 표백하는 기존의 표백 공정을 대체하여 표백제에 의한 독성물질을 감소시키고 표백 공정의 비용을 감소시키고 표백제로 인해 생성되는 환경오염원의 감소 효과를 나타내며 미표백 펄프의 백색도를 높이는 백색의 침강성탄산칼슘(PCC)을 미표백 펄프 내 합성시키는 침강성탄산칼슘(PCC) 2단계 연속합성반응에 관한 것이다.
또한, 침강성탄산칼슘(PCC) 2단계 연속합성반응을 통해 침강성탄산칼슘(PCC)을 포함하는 미표백 펄프를 활용하여 종이를 만드는 다층지 제조 방법에 관한 것이다.

Description

침강성탄산칼슘 2단계 연속합성 반응 방법(In-situ Process)을 활용한 미표백 펄프의 다층지 제조방법{The method of multilayer paper made from unbleached pulp made from the method of Precipitated Calcium Carbonate Step 2 consecutive synthesis (In-situ Process)}

본 발명은 표백제의 사용량을 줄이고 종이의 백색도를 향상시키기 위한 미표백 펄프 내 침강성탄산칼슘(Precipitated Calcium Carbonate, PCC)을 합성하는 2단계 연속합성반응방법과 2단계 연속합성반응방법으로 만들어진 침강성탄산칼슘(PCC)을 포함하고 있는 미표백 펄프를 활용하는 다층지 제조 방법에 관한 것이다.

종이의 사용에 있어 표백공정은 갈색의 리그닌 불순물을 제거하여 품질을 높이기 위해 진행된다. 화학펄프의 경우 여러 단계의 표백공정을 거쳐 수행되며 다양한 화학물질을 사용하며 펄프의 표백된 정도에 따라 이를 표백크라프트펄프(BKP-Bleached Kraft Pulp), 미표백크라프트펄프(UKP-Unbleached Kraft Pulp), 반표백크라프트펄프(SKP-Semi-bleached Kraft Pulp) 등으로 구분한다.

펄프의 표백에 대표적으로 사용되는 화학물질로는 이산화염소, 과산화수소, 오존, 염소 등이 있으며 이중 이산화염소를 사용하여 표백하는 경우 강력한 산화와 표백작용을 가지고 있어 효과적으로 펄프의 표백효과를 얻을 수 있으나, 표백을 진행함에 따라 섬유를 구성하는 셀룰로오스가 분해되어 섬유의 분자량이 감소하며 펄프 내에 잔류하는 소량의 이산화염소로도 피부염 또는 폐렴 및 기관지염과 같은 호흡기 장애를 유발할 수 있으며 과산화수소를 사용한 표백 펄프 또한 호흡기 자극 및 피부질환을 야기하는 것으로 알려져있다.

이를 해결하기 위해 한국 공개 특허 10-2005-0106526호에서는 셀룰로오스 물질을 과산화물, 산소, 오존 또는 이들의 혼합물로부터 선택된 표백제와 표백제의 효과를 증진시키기 위해서 치환된 구아니딘계 첨가제를 혼합한 표백 물질로 셀룰로오스 물질을 표백하는 방법을 제안하고 있다. 하지만 이 방법을 사용하여 표백하는 경우에 강력한 표백 효과를 얻을 수 있으나 처리비용의 문제가 있으며 기존 표백 공정에서의 사용이 어려워 설비의 재설치 등의 문제점을 가지고 있다.

또한 이들 화학물질을 사용하여 표백을 하는 경우 펄프 내 잔류하는 화학물질로 인한 인체의 위험성 뿐 아니라 이들로부터 발생되는 다이옥신과 같은 화학물등의 심각한 환경오염원이 발생하게 되며 이들을 처리하기 위한 막대한 비용이 소모되고 있다.

이를 해결하기 위해 한국 공개 특허 10-2014-0045687호 에서는 탄산칼슘이 부착된 목분 제조 방법과 탄산칼슘이 부착된 목분을 천연펄프와 혼합하여 종이를 제조하는 방법을 제안하고 있다. 그러나 이 방법은 목재를 나노수준까지 미분쇄하여 만든 입상의 목재분말인 목분을 사용함에 따라 목분 비용과 목분에 탄산칼슘을 부착하는 공정에 따른 비용과 공정에 필요한 에너지가 발생하고 목분에서 추출물들이 발생하여 공정을 오염 시킬 수 있으며 일정수준 이상의 접착도로 탄산칼슘이 목분에 부착되지 않는 경우에 종이 제조시 탄산칼슘의 보류도가 떨어지고 백색도가 고르지 않아 부착되지 않은 탄산칼슘을 물로 세척하는 단계를 가져야 하는 문제점을 가지고 있다.

이에 본 발명은 미표백 펄프 내에 백색의 침강성탄산칼슘(PCC)을 직접 합성하여 미표백 펄프의 백색도를 높일 수 있는 침강성탄산칼슘(PCC) 2단계 연속합성반응과 백색의 침강성탄산칼슘(PCC)를 포함하는 미표백 펄프를 활용하여 다층지를 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명의 목적은 미표백 펄프 섬유내에 2단계 연속합성반응을 통해 백색의 참강성탄산칼슘(PCC)을 합성하여 미표백 펄프의 백색도 향상 효과 및 미표백 펄프의 활용범위 증진에 있다.

본 발명은 기존의 표백 공정보다 표백제에 의한 독성물질 감소 및 표백 공정 비용 감소, 표백으로 인해 생성되는 환경오염원의 감소 효과가 있는 침강성탄산칼슘(PCC) 2단계 연속합성 반응과 침강성탄산칼슘(PCC)을 포함하는 미표백 펄프를 활용하여 종이를 만드는 다층지 제조 방법을 제공한다.

상기 목적을 달성하기 위하여,

본 발명은 (a) 펄프 준비 단계와, (b) 펄프 슬러리와 소석회 혼합 단계 (CaO + H₂O → Ca(OH)₂ , 수화단계, 1단계)와, (c) 펄프, 소석회 혼합 슬러리에 이산화탄소(CO₂) 분사 단계와, (d) 탄산화반응으로 침강성탄산칼슘(PCC) 합성 단계(CaO + CO₂→ CaCO₃, PCC합성단계, 2단계)와, (e) (d)단계의 반응이 완료된 후 슬러리 회수 단계와, (f) (e)단계의 슬러리를 사용하여 상층이 표백지, 중간층이 미표백지, 하층이 표백지인 다층지를 제조하는 단계 및 (g) 분석 단계를 제공한다.

본 발명은 미표백 펄프내에 백색의 침강성탄산칼슘(PCC)을 합성하는 2단계 연속합성 반응으로 기존의 표백 공정을 대체할 수 있어 백색도가 향상된 미표백 펄프의 활용범위가 증대되고, 침강성탄산칼슘(PCC)을 포함하는 미표백 펄프를 사용할 시 표백제에 의한 독성물질 감소 및 표백 공정 비용 감소, 표백으로 인해 생성되는 환경오염원의 감소 효과가 있다.

도 1. 2단계 연속합성 반응 방법
도 2. 2단계 연속합성 반응 반응기의 개략도
도 3. 침강성탄산칼슘(PCC) 포함하는 미표백 펄프 활용한 다층지 구조
도 4. 침강성탄산칼슘(PCC) 합성 량에 따른 미표백 펄프 백색도 측정 그래프
도 5. 침강성탄산칼슘(PCC) 합성 량에 따른 다층지 백색도 측정 그래프
도 6. 침강성탄산칼슘(PCC) 합성 량에 따른 열단장 측정 그래프
도 7. 침강성탄산칼슘(PCC) 합성 량에 따른 신장률 측정 그래프

달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법 및 이하에 기술하는 실험 방법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.

본 발명은 일 관점에서 아래와 같이 미표백 펄프내에 백색의 침강성탄산칼슘(PCC)을 합성하는 2단계 연속합성 반응으로 기존의 표백 공정을 대체할 수 있는 침강성탄산칼슘 2단계 연속합성 반응 방법(In-situ Process)을 활용한 미표백 펄프의 다층지 제조방법이다.

(a) 펄프 준비 단계와,

(b) 펄프 슬러리와 소석회 혼합 단계와,

(CaO + H₂O → Ca(OH)₂ , 수화단계, 1단계)

(c) 펄프, 소석회 혼합 슬러리에 이산화탄소(CO₂) 분사 단계와,

(d) 탄산화반응으로 침강성탄산칼슘(PCC) 합성 단계와,

(CaO + CO₂→ CaCO₃, PCC합성단계, 2단계)

(e) (d)단계의 반응이 완료된 후 슬러리 회수 단계와,

(f) (e)단계의 슬러리를 사용하여 상층이 표백지, 중간층이 미표백지, 하층이 표백지인 다층지를 제조하는 단계 및,

(g) 분석 단계

본 발명은 표백제의 사용을 줄이기 위해 미표백 펄프 내 백색의 침강성탄산칼슘(PCC)을 합성하는 2단계 연속합성반응 방법과 침강성탄산칼슘(PCC)을 포함하여 백색도가 증가한 미표백 펄프의 활용 방법을 제공한다.

침강성탄산칼슘(PCC) 2단계 연속 합성반응 방법으로 백색의 침강성탄산칼슘(PCC)를 포함하여 백색도가 증가된 미표백 펄프를 활용하여 다층지를 제조하면 기존의 표백 공정을 침강성탄산칼슘(PCC) 2단계 연속합성반응 방법으로 대체하여 표백제에 의한 독성물질 감소 및 표백 공정에 따른 비용 감소, 표백물질로 인해 생성되는 환경오염원의 감소 효과가 있는 종이를 제조할 수 있다.

본 발명의 침강성탄산칼슘(PCC) 2단계 연속합성 반응은 미표백 펄프 내에 직접 백색의 침강성탄산칼슘(PCC)를 합성하므로 백색도를 높일 수 있고, 추가적인 공정 과정이 없어 시간적으로나 경제적으로 효율적이며 백색도가 높고 친환경적인 미표백 펄프를 제공하여 미표백 펄프의 활용방안을 증진 시킬 수 있다.

본 발명의 침강성탄산칼슘(PCC) 2단계 연속합성 반응을 도 1을 참조하면서 보다 상세히 설명한다.

본 발명에 있어서 상기 (a)단계의 펄프 준비단계는 미표백 펄프를 준비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 미표백 펄프를 표백 과정없이 백색도를 높이는 방법으로 사용하는 펄프는 미표백 펄프를 사용한다.

하지만, 기존 표백 공정 단계를 줄이기 위해서 반표백 펄프 또한 사용이 가능하다.

본 발명에 있어서 상기 (b)단계의 펄프 슬러리와 소석회 혼합 단계는 2단계 연속합성반응의 1단계로, 상기 (a)단계에서 준비한 미표백 펄프 슬러리와 침강성탄산칼슘(PCC)의 원재료인 석회석(CaCO₃)을 소성 시킨 소석회(CaO)를 혼합하는 것을 특징으로 한다. 이때, 소석회(CaO)를 수화시켜 수산화칼슘(Ca(OH)₂) 상태로 미표백 펄프 슬러리와 혼합되는 것을 특징으로 한다. 이물질 제거를 위해 소석회(CaO)가 수화된 수산화칼슘(Ca(OH)₂)은 체거름 과정을 거친 후 미표백 펄프 슬러리와 혼합될 수 있다. 침강성탄산칼슘(PCC)의 원재료인 석회석(CaCO₃)이 소성시 탈탄산이 일어나면 CaO로 소석회가 된다. 석회석(CaCO₃)이 소성과정을 거쳐 만들어진 소석회(CaO)는 효율적인 침강성탄산칼슘(PCC) 합성과정을 위해서 수화 과정을 거쳐 수산화칼슘(Ca(OH)₂) 상태로 미표백 펄프 슬러지에 혼합한다. 석회석(CaCO₃)이 소성과정을 거쳐 소석회(CaO)이 되고, 소석회가 수화과정을 거쳐 수산화칼슘(Ca(OH)₂)이 되는 과정에서 발생할 수 있는 미표백 펄프 내 침강성탄산칼슘(PCC)의 보류를 방해하는 이물질을 제거하기 위해 체거름 단계를 거친다.

미표백 펄프와 혼합되는 수산화칼슘(Ca(OH)₂)의 양은 수산화칼슘(Ca(OH)₂)이 이산화탄소와 탄산화 반응하여 만들어지는 침강성탄산칼슘(PCC)의 양에 맞추는 것을 특징으로 한다. 침강성탄산칼슘(PCC)의 양이 건조된 미표백 펄프 중량의 0.5배에서 3배 사이로 생성되도록 수산화칼슘(Ca(OH)₂)을 첨가한다. 미표백 펄프 내 합성되는 침강성탄산칼슘(PCC)이 건조된 미표백 펄프 중량의 0.5배미만으로 합성되면 미표백 펄프 내 합성된 백색의 침강성탄산칼슘(PCC)의 양이 적어 충분한 백색도를 나타낼 수 없으므로 미표백 펄프 내 합성되는 침강성탄산칼슘(PCC)의 합성양이 건조된 미표백 펄프 중량의 0.5배 이상 되도록 수산화칼슘(Ca(OH)₂)을 혼합하여 준다.

또한, 미표백 펄프 내 합성되는 침강성탄산칼슘(PCC)이 건조된 미표백 펄프 중량의 3배 초과로 합성되면 미표백 펄프 내 침강성탄산칼슘(PCC)의 보류량이 많아져 섬유간 결합을 억제해 종이의 열단장과 신장률이 낮아져 사용하기에 어려움이 있으므로 미표백 펄프 내 합성되는 침강성탄산칼슘(PCC)의 합성양이 건조된 미표백 펄프 중량의 3배 이하가 되도록 수산화칼슘(Ca(OH)₂)을 혼합하여 준다.

본 발명에 있어서 상기 (c)단계의 이산화탄소(CO₂) 분사 단계에서는 미표백 펄프와 수산화칼슘(Ca(OH)₂)이 혼합된 슬러리에 고순도의 이산화탄소(CO₂)를 분사하는 것을 특징으로 한다. 분사되는 이산화탄소(C0₂)는 99v%의 고순도 가스이고, 1L/min의 속도로 분사되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서 상기 (d)단계의 침강성탄산칼슘(PCC)합성 단계는 탄산화반응이 일어나는 2단계 연속합성반응의 2단계로, 미표백 펄프 내에서 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 이산화탄소(CO₂)가 탄산화반응을 하여 침강성탄산칼슘(PCC)을 합성하는 것을 특징으로 한다. 탄산화반응은 칼슘화합물과 탄산가스의 화학반응으로 탄산칼슘을 만드는 반응을 이야기한다. 상기 (d)단계에서는 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 이산화탄소(CO₂)가 화학반응하여 백색의 침강성탄산칼슘(PCC)을 합성한다.

본 발명에 있어서 상기 (e)단계의 슬러리 회수 단계는 pH가 7이하의 수치를 나타낼 때 합성이 완료되었다고 보고 반응을 종결, 침강성탄산칼슘(PCC)을 포함하는 미표백 펄프 슬러지를 회수하는 것을 특징으로 한다. 미표백 펄프 내에 침강성탄산칼슘(PCC)이 합성되는 탄산화반응이 종결되는 시점은 pH meter를 이용해 pH를 확인하여 pH가 7 이하의 수치를 나타낼 때로 본다. 염기성인 수산화칼슘(Ca(OH)₂)이 포함된 미표백 펄프 슬러리의 반응 전 pH는 7보다 큰 염기성을 나타내고, 슬러리에 이산화탄소(CO₂)를 분사하여 탄산화반응이 일어나면 수산화칼슘(Ca(OH)₂)이 이산화탄소(CO₂)를 만나 침강성탄산칼슘(PCC)이 되므로 점차 염기성에서 중성으로 떨어지게 된다. 이후 혼합된 수산화칼슘(Ca(OH)₂)이 모두 반응하게 되면 분사되는 이산화탄소(CO₂)에 따라 미표백 펄프 슬러리의 pH는 중성에서 산성으로 떨어지기 때문에 pH가 7이하의 수치를 나타낼 때 침강성탄산칼슘(PCC)의 합성이 종결되는 것으로 본다. pH가 7이하의 수치를 나타내 반응이 종결되면 침강성탄산칼슘(PCC)이 합성된 미표백 펄프 슬러리를 회수한다.

본 발명에 있어서 상기 (f)단계의 (e)단계의 슬러리를 사용하여 상층이 표백지, 중간층이 미표백지, 하층이 표백지인 다층지 제조 단계는 침강성탄산칼슘(PCC)이 포함된 미표백 펄프를 활용하여 종이를 만드는 것을 특징으로 한다.

다층지는 여러층으로 구성된 종이로, 본 발명에서는 상층과 하층을 표백 크라프트 펄프로 고정시키고 중간층에 침강성탄산칼슘(PCC)이 합성된 미표백 펄프를 사용하여 3층구조의 다층지 제조 방법을 제공한다.

또한 본 발명에서 다층지는 상층을 표백 크라프트 펄프로 고정시키고 하층을 미표백 펄프를 사용하여 2층 구조의 다층지로 제조가 가능하다.

본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 더 많은 층을 가지는 다층지 또는 더 적은 층을 가지는 다층지, 단층지 등으로 다양한 변형이 가능하다.

본 발명에 있어서 상기 (g)단계의 분석 단계는 침강성탄산칼슘(PCC)이 포함된 미표백 펄프 또는 제조된 종이의 광학적, 물리적 특성을 분석하는 것을 특징으로 한다.

도 2는 본 발명에 적용되는 2단계 연속합성반응 반응기의 개략도를 도시한 것이다. 이 반응기 내에 미표백 펄프 슬러리와 수산화칼슘(Ca(OH)₂)을 혼합하여 넣어준 뒤, 이산화탄소(CO₂)를 분사하여 탄산화반응으로 미표백 펄프 내에 침강성탄산칼슘(PCC)을 합성한다. 이때, 반응이 일어나는 용기는 25~35℃로 유지해주는 것을 특징으로 한다. 25~35℃의 온도 범위를 벗어나게 되면 탄산화 반응이 현격히 떨어져 침강성탄산칼슘(PCC)합성이 원활하게 이루어지지 않으므로 25~35℃의 온도를 유지해 준다. 바람직하게는 30℃로 유지해 준다.

또한, 반응기 용기에 설치된 교반기는 탄산화반응을 진행 할 때, 600rpm으로 회전시켜 침강성탄산칼슘(PCC)의 합성을 돕는 것을 특징으로 한다. 반응의 종결시점을 확인하기 위해 용기 내부에 pH meter를 설치하여 탄산화반응이 진행될 때 pH를 확인하는 것을 특징으로 한다.

도 3은 침강성탄산칼슘(PCC) 2단계 연속합성반응으로 침강성탄산칼슘(PCC)을 포함하는 미표백 펄프를 활용한 다층지 구조이다. 기존의 단일 재료를 사용하여 제작되는 수초지 및 다중의 재료를 혼합하여 사용하는 방법과는 다르게 상층과 하층에 표백 크라프트펄프를 고정시키고 중간층에 펄프 내에 침강성탄산칼슘(PCC)이 합성된 미표백 펄프를 사용한 3층 구조의 다층지이다.

실시예

이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 실시예를 적용하기 위한 재료로 표백된 화학펄프(Bleached Kraft Pulp, BKP)를 국내 H사에서 제공받아 사용하였으며, 미표백 화학펄프(Unbleached Kraft Pulp, UKP)는 충남대에서 제공받아 사용하였다. 제공받은 BKP와 UKP는 1%의 농도 조건에서 해리 후 5%의 농도로 조절 후 부패를 막기 위해 밀봉하여 냉장보관 하였다.

침강성탄산칼슘(PCC) 2단계 연속합성반응을 통한 미표백 펄프의 표백효과를 비교하기 위해 표1의 조건에 따라 미표백 펄프슬러리에 침강성탄산칼슘(PCC)을 합성 시켰으며 일반적으로 침강성탄산칼슘(PCC) 2단계 연속합성반응의 과정은 석회석(CaCO₃)을 소성시켜 탈탄산이 일어난 소석회(CaO)를 물과 반응시켜 수산화칼슘(Ca(OH)₂) 상태로 수화시킨 후 이물질 체거름 과정을 거쳐 사용한다. 하지만 본 발명의 실시 예에서는 표1에서 보는 바와 같이 CaO 시약(순도 98%, J사)을 수산화칼슘(Ca(OH)₂)으로 수화로 시켜 사용하였다. CaO 시약(순도 98%, J사)으로 만든 수산화칼슘(Ca(OH)₂)은 석회석(CaCO₃)의 소성 및 탈탄산화, 체거름 과정을 생략하였다.

침강성탄산칼슘(PCC) 합성 조건

실험 조건
물	2000㎖
합성 원료	CaO(순도 98%, J사)
이산화탄소(99%) 분사 속도	1L/min
온도	30℃
교반속도	600rpm

본 발명의 실시예는 도 1과 같은 순서로 도 2의 반응기를 통해 진행하였다.

제조된 수산화칼슘(Ca(OH)₂)은 미표백 펄프 슬러리와 혼합하고, 미표백 펄프 슬러리와 수산화칼슘(Ca(OH)₂)이 균일하게 혼합될 수 있도록 충분히 교반 시켜주었다. 교반이 완료된 미표백 펄프 슬러리와 수산화칼슘(Ca(OH)₂)에 고순도의 이산화탄소(CO₂)를 주입시켜 미표백 펄프 슬러리 사이에 있는 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 이산화탄소(CO₂)가 반응하여 침강성탄산칼슘(PCC)이 합성되도록 하였다. 이렇게 합성되는 침강성탄산칼슘(PCC)의 양은 미표백 펄프의 건조 중량에 대비하여 합성량을 조절하였으며 표2의 보는 바와 같이 합성량을 달리하여 진행하였다.

침강성탄산칼슘(PCC) 합성률

합성 원료	미표백 펄프	CaO	미표백 펄프 건조 중량 대비 PCC 합성량
CaO	562.9g	51.4g	3배
	562.9g	17.1g	2배
	562.9g	8.6g	1배

사용된 반응기의 용량은 4L이며 교반기를 사용하여 600rpm에서 미표백 펄프 슬러리와 수산화칼슘(Ca(OH)₂)을 혼합하였고, 99%의 고순도 이산화탄소(CO₂)를 사용하였으며 탄산화 반응 시 나타나는 pH의 변화를 측정하기 위해 pH meter를 설치하였다. 반응의 완료는 pH가 7이하의 수치를 나타낼 때 침강성탄산칼슘(PCC)의 합성이 완료로 판단하고 실험을 종료하였다.

미표백 펄프 슬러리내 침강성탄산칼슘(PCC)의 합성이 완료된 미표백 펄프 슬러리를 60g/㎡ TAPPI 표준 원형 수초기를 이용하여 TAPPI Standard 205 om-88에 의거하여 동일하게 평량 60g/㎡ 수초지를 제작하여 KS MISO 187에 따라 온도 23±1℃, 상대습도 50±2로 조절된 항온 항습실에서 24시간 이상 조습 처리한 후 광학적 특성과, 물리적 특성을 비교하였다.

또한 침강성탄산칼슘(PCC) 2단계 연속합성반응을 거치지 않은 표백펄프의 경우 역시 앞서 언급한 수초지 제작 과정을 거쳐 광학적 특성과 물리적 특성을 비교하였다.

그리고 Kraft펄프를 사용하여 평량 50g/㎡의 종이를 제조하여 Top층에 사용하고 Bottom층에 평량 60g/㎡의 표백펄프로 제조된 종이를 고정시키고 Middle층에 침강성탄산칼슘(PCC)을 합성시킨 미표백 펄프를 사용한 수초지를 원재료로하여 3층구조의 다층지를 제작하였으며 또한 Top층에 60g/㎡의 Kraft로 제조된 종이를 사용하고 Bottom층에 평량 60g/㎡의 표백펄프로 제조된 종이를 고정시킨 뒤 Middle층에 침강성탄산칼슘(PCC)을 합성시킨 미표백 펄프를 사용한 수초지를 사용한 3층구조의 다층지, Top층에 100g/㎡의 Kraft로 제조된 종이를 사용하고 Bottom층에 평량 60g/㎡의 표백펄프로 제조된 종이를 고정시킨 뒤 Middle층에 침강성탄산칼슘(PCC)을 합성시킨 미표백 펄프를 사용한 수초지를 사용하여 3층구조의 다층지를 제작하여 앞서 언급한 방법에 따라 광학적 특성 및 물리적 특성을 비교하였다.

(1) 광학적 특성

미표백 펄프 슬러리에 침강성탄산칼슘(PCC)의 합성량에 따른 수초지의 백색도 변화량을 측정하기 위해 Technidyne사 COLOR TOUCH2를 이용하여 백색도(ISO 2470)를 측정하였다.

COLOR TOUCH2를 이용하여 백색도를 측정한 결과는 표 3, 도 4에서 보는바와 같이 펄프 슬러리에 합성되는 침강성탄산칼슘(PCC)의 양이 증가함에 따라 백색도의 향상 효과를 보임을 알 수 있다. 미표백 펄프의 건조중량에 대비하여 3배의 침강성탄산칼슘(PCC)을 합성시킨 경우 제조된 수초지의 백색도가 약 45% 정도로 기존 33%에 비해 비약적으로 증가함을 알 수 있다.

수초지의 광학적 특성

	Brightness(%)
KP	77
UKP Control	27
UKP -PCC 3배합성	43
UKP -PCC 1배합성	36
UKP -PCC 0.5배합성	29

다음 표 4, 도 5에서는 Top층과 Bottom층을 표백펄프로 사용하고 Middle층에 침강성탄산칼슘(PCC) 2단계 연속합성반응을 통해 침강성탄산칼슘(PCC)을 합성시킨 미표백 펄프 수초지를 사용한 3층구조 다층지의 백색도 변화를 나타낸다. Middle층에 사용된 미표백 펄프 내에 침강성탄산칼슘(PCC)의 합성량이 증가함에 따라 백색도의 증가를 확인할 수 있다.

또한 다층지의 구성비율에 있어 높은 백색도를 나타내는 표백펄프의 사용비율이 증가함에 따라 백색도의 증가 현상을 확인할 수 있으며 본 연구에서는 100gsm의 표백펄프와 60gsm의 표백펄프 사이의 Middle층에 미표백 펄프 대비 3배의 PCC를 합성시킨 펄프를 사용한 결과 기존의 표백펄프만 단독으로 사용하여 제작된 수초지의 백색도(약 77%)와 유사한 수준을 나타냄을 보인다.(약 72%)

비록 표백 펄프에 비해 침강성탄산칼슘 2단계 연속합성 반응을 통해 합성된 펄프의 백색도가 많은 차이를 보이지만 이러한 다단계로 구성된 표백 공정 중 초기 표백 공정이 진행된 1차 표백 펄프에 침강성탄산칼슘(PCC)을 형성시킴으로 이와 같은 백색도 차이를 극복할 수 있을 것으로 판단되며. 또한 백판지와 같은 다층구조의 종이제품 제작에 있어 이와 같이 2단계 연속합성 반응을 통해 침강성탄산칼슘(PCC)을 합성시킨 펄프를 사용함으로써 기존의 표백펄프의 사용을 대체 할 수 있을 것이라 판단된다.

3층 구조의 다층지의 광학적 특성

기호	다층지의 구조		백색도	비고
a	TOP	KP 60gsm	66.7	Top층 60gms
	MIDDLE	UKP 60gsm -
	BOTTOM	KP 60gsm
b	TOP	KP 60gsm	71.1
	MIDDLE	UKP 60gsm -300% PCC
	BOTTOM	KP 60gsm
c	TOP	KP 60gsm	67.4
	MIDDLE	UKP 60gsm -100% PCC
	BOTTOM	KP 60gsm
d	TOP	KP 60gsm	67.1
	MIDDLE	UKP 60gsm -50% PCC
	BOTTOM	KP 60gsm
e	TOP	KP 100gsm	72.0	Top층 100gsm
	MIDDLE	UKP 60gsm
	BOTTOM	KP 60gsm
f	TOP	KP 100gsm	75.0
	MIDDLE	UKP 60gsm -300% PCC
	BOTTOM	KP 60gsm
g	TOP	KP 100gsm	73.9
	MIDDLE	UKP 60gsm -100% PCC
	BOTTOM	KP 60gsm
h	TOP	KP 100gsm	73.4
	MIDDLE	UKP 60gsm -50% PCC
	BOTTOM	KP 60gsm
i	TOP	KP 50gsm	61.2	Top층 50gsm
	MIDDLE	UKP 60gsm
	BOTTOM	KP 60gsm
j	TOP	KP 50gsm	64.5
	MIDDLE	UKP 60gsm -300% PCC
	BOTTOM	KP 60gsm
k	TOP	KP 50gsm	62.1
	MIDDLE	UKP 60gsm -100% PCC
	BOTTOM	KP 60gsm
l	TOP	KP 50gsm	61.3
	MIDDLE	UKP 60gsm -50% PCC
	BOTTOM	KP 60gsm

(2) 강도적 특성

미표백 펄프 슬러리 내 침강성탄산칼슘(PCC) 합성량에 따른 수초지의 열단장(ISO1924)과 신장률을 측정하기 위해 ISO에 의거하여 Testrometric 사의 Micro 350을 사용하였다.

표 5, 도 6은 미표백 펄프에 침강성탄산칼슘(PCC)을 합성시키는 양에 따른 열단장의 변화를 나타내며 표 6, 도 7은 신장률을 나타낸다. 침강성탄산칼슘(PCC) 2단계 연속합성반응을 통해 미표백 펄프 내 침강성탄산칼슘(PCC)을 합성시키는 경우 합성되는 침강성탄산칼슘(PCC)양이 증가함에 따라 인장강도가 감소하게 된다. 이는 섬유 간 결합구간이 합성된 침강성탄산칼슘(PCC)에 의해 줄어들게 되어 섬유 간 결합면적의 감소로 이어져 강도의 감소로 이어지게 되기 때문이며 미표백 펄프 내에 합성되는 침강성탄산칼슘(PCC)의 양이 증가함에 따라 인장강도의 감소 폭이 큰 것을 확인할 수 있다.

신장률 또한 미표백 펄프 슬러리내에 침강성탄산칼슘(PCC)의 합성비율이 높아짐에 따라 신장률의 감소를 확인할 수 있으며 이는 열단장과 마찬가지로 섬유 표면에 형성된 침강성탄산칼슘(PCC)으로 인해 섬유간 결합면적이 감소해 침강성선탄칼슘(PCC) 합성량의 증가시 수초지의 강도적 성질이 감소하게 된다.

PCC합성량에 따른 수초지의 열단장 (60gsm 수초지)

	Breaking length, (km)
KP	2.7
UKP Control	1.85
UKP -PCC 0.5배합성	0.78
UKP -PCC 1배합성	0.53
UKP -PCC 3배합성	0.1

PCC합성량에 따른 수초지의 신장률 (60gsm 수초지)

	Strain index (mm)
KP	1.3
UKP Control	1.0
UKP -PCC 0.5배합성	0.7
UKP -PCC 1배합성	0.43
UKP -PCC 3배합성	0.15

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Claims

아래와 같이 미표백 펄프내에 백색의 침강성탄산칼슘(PCC)을 합성하는 2단계 연속합성 반응으로 기존의 표백 공정을 대체할 수 있는 침강성탄산칼슘(PCC) 2단계 연속합성 반응 방법(In-situ Process)을 활용한 미표백 펄프의 다층지 제조방법.

(a) 펄프 준비 단계와,
(b) 펄프 슬러리와 소석회 혼합 단계와,
(CaO + H₂O → Ca(OH)₂ , 수화단계, 1단계)
(c) 펄프, 소석회 혼합 슬러리에 이산화탄소(CO) 분사 단계와,
(d) 탄산화반응으로 침강성탄산칼슘(PCC) 합성 단계와,
(CaO + CO₂→ CaCO₃, PCC합성단계, 2단계)
(e) (d)단계의 반응이 완료된 후 슬러리 회수 단계와,
(f) (e)단계의 슬러리를 사용하여 상층이 표백지, 중간층이 미표백지, 하층이 표백지인 다층지를 제조하는 단계와.
(g) 제조된 다층지의 분석단계.
제 1항에 있어서, 상기 합성되는 침강성탄산칼슘(PCC)의 양은 미표백 펄프 건조 중량에 대비하여 0.5배 내지 3배가 합성되는 것을 특징으로 하는 침강성탄산칼슘 2단계 연속합성 반응 방법(In-situ Process)을 활용한 미표백 펄프의 다층지 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 혼합되는 소석회(CaO)는 석회석(CaCO₃)을 소성시킨 후 물에 반응시켜 수화 된 상태인 수산화칼슘(Ca(OH)₂)으로 첨가되는 것을 특징으로 하는 침강성탄산칼슘 2단계 연속합성 반응 방법(In-situ Process)을 활용한 미표백 펄프의 다층지 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 (e)단계는 25~35℃로 유지하며, 탄산화 반응기의 교반기를 600rpm으로 회전시켜 반응을 도우며, 반응의 종결시점을 확인하기 위해 반응기의 용기 내부에 pH meter를 설치하여 pH가 7이하가 될 경우 반응을 종결하고 미표백 펄프 슬러리를 회수하는 것을 특징으로 하는 침강성탄산칼슘 2단계 연속합성 반응 방법(In-situ Process)을 활용한 미표백 펄프의 다층지 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 (f)단계의 상층이 표백지, 중간층이 미표백지, 하층이 표백지인 다층지는 상층이 표백지, 하층이 미표백지로 제조가 가능한 것이 특징으로 하는 침강성탄산칼슘 2단계 연속합성 반응 방법(In-situ Process)을 활용한 미표백 펄프의 다층지 제조방법.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 하나의 방법에 의하여 미표백 펄프 내 침강성탄산칼슘(PCC)이 합성된 미표백 펄프를 활용하여 제조된 종이.