KR20210103333A - 종이 제조용 조성물 및 습윤강도가 향상된 종이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 출원은 종이 제조를 위한 조성물 및 이를 이용하여 종이를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 출원의 종이 제조용 조성물은 펄프 섬유 및 고분자 섬유를 포함하고, 상기 펄프 섬유와 고분자 섬유의 함량비는 50:50 내지 95:5인 것으로 한다.
Description
본 출원은 종이 제조를 위한 조성물 및 이를 이용하여 종이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
특히, 본 출원은 습윤강도가 향상된 종이를 제조하기 위한 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 플라스틱 사용에 관한 환경 문제가 대두됨에 따라, 다양한 분야에서 플라스틱의 사용을 줄이고자 하는 사회적 요구가 증가하고 있다. 이에, 플라스틱이 많이 사용되고 있는 식품 업계에서도, 친환경적이고, 플라스틱의 사용을 줄일 수 있는 식품의 포장 소재를 개발하기 위한 연구가 계속되고 있다.
한편, 위와 같은 요구에 따라서 종이 용기류가 천연계 원료인 펄프를 사용한다는 측면에서 종래 일회용 합성수지 포장 소재의 대체품으로 실용화되고 있다. 뿐만 아니라, 종이 소재 자체만으로 포장 소재를 구성하는 경우, 종이의 쉽게 찢기거나 물에 젖는 특성이나, 종이 특유의 냄새가 식품에 베이는 문제 등이 있어 이 역시 적합하지 않은 문제가 있다.
또한, 환경적 부담이 큰 비분해성 석유화학계 플라스틱 원료 대신에 미생물에 의해 분해되는 생분해성 수지를 원료로 사용하는 포장 소재를 이용하여 환경오염 부담을 감소하고자 하는 시도 또한 있다. 그러나, 일회용 포장 소재 원료를 생분해성 수지로 대체하여 이용하는 경우 가격이 비싸고 희소성을 가진 원료를 중합 단량체로 이용하게 됨에 따라 제조 단가가 높아져 적합하지 않다는 지적이 있다.
이에 따라, 물성이 우수하면서도 친환경적인 식품 포장 소재에 대한 요구가 계속되고 있는 실정이다.
본 출원은 난분해성 플라스틱 포장 소재를 대체하기 위해 친환경적이면서도 물성이 우수한 종이를 제조하기 위한 조성물, 이를 이용하여 종이를 제조하는 방법 및 이로부터 제조된 종이를 제공하고자 한다.
일 측면에서, 본 출원은 펄프 섬유 및 고분자 섬유를 포함하고, 펄프 섬유와 고분자 섬유의 함량비는 50:50 내지 95:5이며, 상기 고분자 섬유는 고분자 단섬유 또는 고분자 분말인 종이 제조용 조성물을 제공한다.
다른 측면에서, 본 출원은 펄프 섬유 및 고분자 섬유를 해리 및 고해하여 종이 반죽을 준비하는 단계, 상기 종이 반죽을 성형하는 단계, 및 상기 종이 반죽의 성형물 또는 상기 종이 반죽을 성형하면서 고온고압 처리하는 단계를 포함하고, 상기 종이 반죽 내 펄프 섬유와 고분자 섬유의 함량비는 50:50 내지 95:5이며, 상기 고분자 섬유는 고분자 단섬유 또는 고분자 분말인 것인 종이의 제조방법을 제공한다.
또 다른 측면에서, 본 출원은 상기 종이 제조용 조성물 및/또는 상기 종이의 제조방법에 따라 제조된 종이를 제공한다.
본 출원의 종이 제조용 조성물을 이용하면, 분해되지 않는 플라스틱의 사용량을 저감할 수 있는 종이를 제조할 수 있다.
또한, 본 출원의 종이 제조용 조성물을 이용하면 종이 소재의 제한된 물성, 예컨대 습윤강도, 수분 차단성, 방수성, 산소 차단성, 성형성, 열 성형성 등을 개선한 종이를 제조할 수 있다.
또 다른 측면에서, 본 출원의 종이의 제조방법을 이용하면, 위와 같은 특성의 종이를 제조할 수 있다. 특히, 습윤강도가 우수하게 개선된 종이를 제조할 수 있다.
이하, 본 출원을 상세히 설명한다.
본 출원의 일 측면에 따르면, 본 출원은 펄프 섬유 및 고분자 섬유를 포함하고, 상기 펄프 섬유와 고분자 섬유의 함량비는 50:50 내지 95:5이며, 상기 고분자 섬유는 고분자 단섬유 또는 고분자 분말인 것인 종이 제조용 조성물을 제공한다.
상기 종이 제조용 조성물은 펄프 섬유 및 고분자 섬유를 포함하며, 상기 고분자 섬유는 고분자 단섬유, 고분자 분말 또는 이들 형상의 혼합물을 이용한다. 구체적으로, 상기 펄프 섬유 및 고분자 섬유의 함량비는 펄프 섬유:고분자 섬유로 표현하여 50:50 내지 95:5으로 한다. 보다 구체적으로, 상기 펄프 섬유 및 고분자 섬유의 함량비는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 55:45 내지 95:5, 60:40 내지 90:10, 65:35 내지 95:5, 70:30 내지 90:10, 75:25 내지 95:5, 75:25 내지 85:15 또는 80:20 내지 85:15일 수 있다.
상기 펄프 섬유와 고분자 섬유의 함량비가 이에 제한되는 것은 아니나, 상기 범위인 경우 종이 제조 공정에 적합하거나, 습윤강도, 수분 차단성, 산소 차단성 등의 종이의 물성의 측면에서 우수한 효과를 나타내는 것일 수 있다.
상기 종이 제조용 조성물에 있어서, 상기 펄프 섬유와 고분자 섬유를 함께 이용함으로써 펄프 섬유와 고분자 섬유가 복합 네트워크를 형성할 수 있게 된다. 이때, 본 출원의 기전이 이에 한정되는 것은 아니나, 형성되는 복합 네트워크에 의해 펄프 섬유 내 친수성이 소수성을 나타내는 고분자 섬유에 의해 저감됨으로써 종이의 수분 흡수량을 저감하는 효과를 나타낼 수 있다. 구체적으로, 복합 네트워크에 의해 펄프 섬유 내 공극을 감소시키거나, 친수성기, 예컨대 히드록시기에 의한 수소 결합을 마스킹(masking)함으로써 종이의 수분 흡수량을 저감하는 효과를 나타낼 수 있다. 또한 첨가제로서 가교제를 도입함으로 인하여 친수성 고분자와 친수성 셀룰로오스에 보유하고 있는 히드록시기 간 가교결합이 형성되어 종이의 수분 흡수량 감소와 습윤지력을 향상시키는 효과를 나타낼 수 있다.
본 출원에 있어서, 상기 펄프 섬유는 섬유가 얻어지는 원료에 따라 목재 펄프 섬유 및 비목재 펄프 섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 섬유를 포함하는 것일 수 있다. 상기 목재 펄프 섬유는 침엽수 펄프(softwood pulp, SwP), 활엽수 펄프(hardwood pulp, HwP) 또는 이들의 혼합물로부터 얻어지는 섬유를 포함할 수 있다. 상기 비목재 펄프 섬유는 짚펄프(straw pulp), 버개스 펄프(bagasse pulp), 갈대 펄프, 대나무 펄프, 인피섬유(靭皮纖維) 펄프, 넝마 펄프, 면 펄프 또는 이들의 혼합물로부터 얻어지는 섬유를 포함할 수 있다.
상기 펄프 섬유는 상기 원료의 가공 방법에 따라, 예컨대 목재 또는 그 밖의 섬유 식물체를 기계적으로 및/또는 화학적으로 처리해 만든 펄프를 원료로 하는 것일 수 있다. 예컨대 상기 펄프 섬유는 목재 또는 그 밖의 식물체를 기계적으로 부수어 얻어진 펄프로서, 쇄목 펄프(ground wood pulp, GP), 정쇄 펄프(refiner pulp, RP), 열기계 펄프(thermo-mechanical pulp, TMP) 등의 기계 펄프; 목재 또는 그 밖의 식물체를 여러 가지 약품으로 처리하여 비섬유질을 제거한 펄프로서, 황산염 펄프(kraft pulp, KP), 아황산 펄프(sulphite pulp, SP), 반화학 펄프(semi-chemical pulp, SCP) 등의 화학 펄프; 및 폐지로 만들어진 펄프로서, 이해고지 펄프, 탈묵펄프(deinking pulp, DIP) 등의 고지 펄프일 수 있다.
일 측면에서, 상기 펄프 섬유는 섬유장이 길고, 섬유질이 강하며, 강도 특성이 우수한 침엽수로부터 얻어지는 침엽수 펄프 섬유를 포함할 수 있다.
일 측면에서, 상기 펄프 섬유는 진공성형, 압공성형 방식을 이용한 트레이 제조, 포장 파우치 제조방식을 이용하였을 때의 종이의 성형성을 고려하여 침엽수 및 면섬유 및/또는 침엽수 및 비목재 섬유로 혼합가공된 펄프 섬유를 포함할 수 있다.
본 출원에 있어서, 상기 고분자 섬유는 고분자 단섬유, 고분자 분말 또는 이들 형상의 혼합물일 수 있다. 이때, 상기 '단섬유'는 섬유 길이 500 μm 내지 3 mm의 길이의 섬유를 나타낼 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 '단섬유'는 섬유 길이 당 0.5 내지 10 데니어, 예를 들어 0.5 내지 6 데니어의 굵기를 나타낼 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 '분말'은 입경(D50)이 3 μm 내지 3 mm 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 고분자 섬유는 석유계 고분자 단섬유 및 생분해성 고분자 단섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 섬유를 포함하는 것일 수 있다.
상기 석유계 고분자는 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET), 고밀도 폴리에틸렌(High density polyethylene, HDPE) 등의 폴리올레핀계 고분자, 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA), 이들의 블렌드(blend) 또는 각 단량체 간의 공중합체일 수 있다.
상기 생분해성 고분자는 자연계에 있어서 미생물이 관여해서 저분자 화합물로 분해되는 고분자를 나타내며, 그 종류는 예를 들어 폴리락트산(Poly lactic acid, PLA), 열가소성 전분(Thermopplastic starch, TPS), 알리파틱 폴리에스터(aliphatic polyester, AP), 폴리카프로락톤(Polycaprolactone, PCL), 폴리글리콜산(Polyglycolic acid, PGA), 폴리부틸렌숙시네이트(Poly butylene succinate, PBS), 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(Poly butylene adipate terephthalate, PBAT), 폴리히드록시알카노에이트(polyhydroxy alkanoate, PHA) 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 생분해성 고분자는 바이오 유래의 고분자로서 생분해 가능한 것을 이용할 수도 있다. 그러한 바이오 유래의 고분자로서 생분해 가능한 것은 예를 들어 바이오 폴리에틸렌(Bio-PE), 바이오 폴리에틸렌테레프탈레이트(Bio-PET), 바이오 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트(Bio-PTT), 바이오 폴리아미드(Bio-PA), 바이오 폴리프로필렌(Bio-PP) 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기한 생분해성 고분자를 구성하는 각 단량체의 공중합체를 이용함으로써 제조되는 종이의 유연성, 내열성 등의 물성을 향상시키는 것일 수 있다. 또한, 상기한 생분해성 고분자, 이들의 블렌드 및 이들의 공중합체에 탈크, 점토 물질 등을 혼입한 것을 이용함으로써 제조되는 종이의 강성, 내열성 등의 물성을 향상시키는 것일 수 있다.
일 측면에서, 상기 고분자 섬유는 PLA 단섬유, PET 단섬유 및 HDPE 단섬유 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 종이 제조용 조성물은 펄프 섬유 및 고분자 섬유 외에 사이즈제, 지력 증강제, 보류 향상제, 습강제 및 가교제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 사이즈제는 종이 내부에 존재하는 미세 공극을 줄이거나, 종이 표면에 존재하는 섬유 사이의 공간을 줄이거나, 종이의 형태 및 치수 변화의 유발을 개선하여, 종이의 내수성 증진을 위해 첨가되는 것일 수 있다. 상기 사이즈제는 소수성을 나타내는 물질로서, 종이의 초지 시 투입되는 내첨 사이즈제로서는 이에 제한되는 것은 아니나 예를 들어 AKD, ASA, 왁스, 분산 로진 사이즈제 등의 에멀젼 형태의 사이즈제, 검화 로진 사이즈제 등의 용액 형태의 사이즈제 또는 이들의 혼합물을 이용할 수 있다. 일 측면에서, 상기 내첨 사이즈제는 AKD일 수 있으며, 상기 AKD는 분자 내 락톤 고리(Lactone ring)가 셀룰로오스의 히드록시기와 반응하여 베타-케토에스터 결합을 형성하고, 소수성의 알킬기가 섬유의 외부로 배향함으로써 종이에 내수성을 부여하는 것일 수 있다. 또한, 종이의 표면에 발려짐으로써 종이의 치수 안정성, 발수성, 표면 내수성 등의 물성을 개선할 수 있는 표면 사이즈제로서 예를 들면 전분, 산화전분, 카복시메틸셀룰로오스(CMC), 하이드록시셀룰로오스, 소듐 알지네이트, 키토산, 폴리비닐알코올(PVA), 스티렌-말레산 무수물(styrene-maleic anhydride, SMA), 스티렌 아크릴 에멀젼(styrene acrylic emulsion, SAE), 스티렌 아크릴산(Styrene acrylic acid, SAA), 폴리우레탄, 에틸렌아크릴산(Ethylene acrylic acid, EAA) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 지력 증강제는 섬유간 또는 섬유-충진물질간에 정전기적 인력을 발생하여 보류율 증가 및 종이의 강도 보완을 위해 첨가되는 것일 수 있다. 상기 지력 증강제는 이에 제한되는 것은 아니나 예를 들어 폴리비닐아민(PVAm), 양쪽성 폴리아크릴아미드(amphoteric polyacrylamide, A-PAM), 양이온성 폴리아크릴아미드(cationic polyacrylamide, C-PAM) 또는 이들의 혼합물을 이용할 수 있다. 일 측면에서, 상기 지력 증강제는 C-PAM일 수 있으며, 상기 C-PAM은 종이 제조용 조성물 중 음이온성 물질의 표면을 개질하여 표면에 강한 극성을 형성할 수 있다. 형성되는 극성에 의해 섬유간 결합을 감소시키면서도 종이의 강도를 개선하는 효과를 나타낼 수 있다.
상기 보류 향상제는 종이의 제조 공정 상에서 파괴된 섬유, 또는 그 외의 원료들을 재응집시킴으로써 종이의 제조 시에 종이 제조용 조성물 내 물 이외의 원료가 잔류되는 정도를 개선하기 위해 첨가되는 것일 수 있다. 상기 보류 향상제는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 실리카, 벤토나이트, 미세 폴리머 또는 이들의 혼합물을 이용할 수 있다. 일 측면에서, 상기 보류 향상제는 상기 지력 증강제로서 양이온성 물질을 이용하는 경우와 짝을 형성할 수 있도록 음이온성 입자를 이용할 수 있다. 일 예로 실리카를 사용함으로써 상기 지력 증강제와 함께 종이 제조용 조성물의 보류 및 건조 지력을 더욱 우수하게 향상시킬 수 있다.
상기 습강제는 종이가 물에 완전히 포화된 상태의 강도(습윤강도, wet strength)를 증강시키기 위해서 첨가되는 것일 수 있다. 상기 사이즈제는 종이에 물이 침투하는 것을 억제하는 기능을 나타낼 수 있으나, 종이가 물에 완전히 젖으면 강도 저하를 방지하지 못하는 문제가 있기 때문에, 종이가 물에 노출되어도 종이의 강도를 유지하기 위해 사이즈제와 습강제를 함께 포함함으로써 종이의 내수성을 더욱 우수하게 개선하는 것일 수 있다. 또한 친수성 고분자인 폴리비닐알코올과 가교제를 도입하여, 폴리비닐알코올-가교제-셀룰로오스간 가교결합을 형성하게 하여 종이의 내수성과 습윤지력을 더욱 우수하게 개선할 수 있다.
상기 습강제는 영구 습강제, 일시 습강제 또는 이들의 혼합물을 이용하는 것일 수 있다. 상기 영구 습강제는 습강제를 처리하여 종이를 물속에 침지시킬 경우 침지시간 증가에 따라 습윤강도 저하가 나타나지 않는 습강제를 의미하며, 상기 일시 습강제는 침지시간의 증가에 따라서 습강지의 습윤강도가 저하되는 습강제를 의미한다. 상기 습강제는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 멜라민-포름알데히드 수지, 요소-포름알데히드 수지, 에폭시화폴리아미드레진, 글리옥실화 폴리아크릴아미드 레진, 폴리에틸렌이민, 폴리아미드-에피클로로하이드린 또는 이들의 혼합물을 이용할 수 있다. 일 측면에서, 상기 습강제는 일시 습강제를 이용하는 것일 수 있다.
본 출원에 있어서, 상기 종이 제조용 조성물은 사이즈제, 지력 증강제, 보류 향상제 및 습강제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제는 종이 제조용 조성물의 주원료인 펄프 섬유 및 고분자 섬유의 총 함량을 기준으로 종이의 물성을 우수하게 개선하는 함량으로 포함할 수 있다.
상기 첨가제의 함량은 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 상기 펄프 섬유 및 고분자 섬유 총 100 중량부를 기준으로, 상기 사이즈제 0.1 내지 5 중량부, 상기 지력 증강제 0.001 내지 5 중량부, 상기 보류 향상제 0.001 내지 0.5 중량부 및 상기 습강제 0.1 내지 10 중량부를 포함하는 것일 수 있다. 일 측면에서, 상기 펄프 섬유 및 고분자 섬유 총 100 중량부를 기준으로, 상기 사이즈제 0.3 내지 5 중량부, 상기 지력 증강제 0.01 내지 0.1 중량부, 상기 보류 향상제 0.002 내지 0.2 중량부 및 상기 습강제 0.1 내지 2 중량부를 포함하는 것일 수 있다.
상기 가교제는 예를 들어 사이즈제 100 중량부를 기준으로 0.3 중량부에서 10 중량부의 함량으로 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 종이 제조용 조성물은 상기한 성분 외에 종이 제조를 위한 용매를 더 포함할 수 있으며, 상기 용매는 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 물을 이용하는 것일 수 있다. 상기 용매의 함량은 예를 들어 종이 제조용 조성물 총 중량을 기준으로 99.9 중량% 이하, 예컨대 90.0 중량% 내지 99.9 중량%, 90 중량% 내지 98 중량%, 90 중량% 내지 97 중량%, 90 중량% 내지 96 중량% 또는 90 중량% 내지 95 중량%일 수 있다.
일 측면에서, 본 출원은 상기 종이 제조용 조성물을 이용하여 종이를 제조하는 방법을 제공한다.
상기 종이의 제조방법은 펄프 섬유 및 고분자 섬유를 해리 및 고해하여 종이 반죽을 준비하는 단계, 상기 종이 반죽을 성형하는 단계, 및 상기 종이 반죽의 성형물 또는 상기 종이 반죽을 성형하면서 고온고압처리하는 단계를 포함한다. 구체적으로, 상기 종이 반죽 내 펄프 섬유 및 고분자 섬유의 함량비는 50:50 내지 95:0으로 한다. 보다 구체적인 펄프 섬유 및 고분자 섬유의 함량비는 상기 종이 제조용 조성물에서 상술한 바와 같다.
먼저, 상기 펄프 섬유와 고분자 섬유의 섬유막을 파괴하여 제거하고, 섬유의 내, 외부에 미세섬유와 소섬유를 형성하도록 펄프 섬유와 고분자 섬유를 물 등의 준비된 용매에 40 내지 50℃에서 해리 및 고해 단계를 수행하여 종이 반죽을 준비한다. 상기 해리 및 고해 단계는 펄프 섬유와 고분자 섬유의 종류에 따라 그 섬유질이 충분히 풀어질 때까지 수행하는 것이고, 제품 및 공정 상황에 맞춰 조정될 수 있어 이에 제한되는 것은 아니나 예를 들어 Canada standard freeness(CSF) 기준 200ml 내지 500ml, 또는 300ml 내지 450ml의 고해도를 가지도록 해리 및 고해 공정을 수행하는 것일 수 있다.
일 측면에서, 펄프 섬유와 고분자 섬유를 해리 및 고해하여 준비된 반죽에 사이즈제, 지력 증강제, 보류 향상제 및 습강제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 더 충전하는 단계를 포함할 수 있으며, 그러한 첨가제는 상기 종이 제조용 조성물에서 상술한 바와 같다. 상기 첨가제 각각의 투입 순서는 특별히 제한되지 않으며, 순차적으로 또는 동시에 첨가하는 것일 수 있다. 예컨대, 사이즈제, 지력 증강제, 보류 향상제 및 습강제를 순차적으로 첨가하는 것일 수 있다. 또한, 상기 첨가제는 해리 및 고해 단계로 준비된 반죽에 바로 첨가하는 것일 수 있고, 또는 준비된 반죽에 용매를 추가하여 희석된 종이 반죽에 첨가하는 것일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 첨가제는 각각의 투입순서는 특별히 제한되지 않으나 특정 첨가제에 대해서는 순서대로 투입될 필요가 있다. 예를 들어 각각 지력향상제 또는 보류향상제로 사용되는 C-PAM과 고분자전해질(silica, bentonite 등)은 짝으로 사용되는 물질이며, 전하에 의한 섬유와 원료 내 미세분 및 기타 성분의 응집을 유도하는 공정으로 서로 반대되는 전하의 물질을 순서에 맞게 투입하여야 한다.
다음으로, 상기 종이 반죽을 성형하는 단계를 포함한다. 상기 성형 단계는 성형틀을 이용하여 행하거나, 또는 압출하는 것에 의해 행하는 것일 수 있다. 구체적으로, 수초지기를 이용하여 종이 반죽을 압출함으로써 시트 형상으로 성형하는 것일 수 있고, 성형틀을 이용하여 시트 형상 이외에도 원하는 다양한 형상으로 성형하는 것일 수 있다. 상기 성형틀을 이용한 성형 공정은 몰드에 종이 반죽을 주입하는 건식 몰드법, 몰드를 종이 반죽에 침지하는 습식 몰드법 등의 방법으로 수행할 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
상기 종이 반죽의 성형물 또는 상기 종이 반죽을 성형하면서 고온고압 처리하는 단계를 포함한다. 구체적으로, 상기 종이 반죽을 압출하여 시트 형상의 종이를 제조할 때, 상기 종이 반죽을 성형하면서(예컨대 압출하면서) 고온고압 처리하는 것일 수 있다. 또한, 성형틀을 이용하여 원하는 형상으로 성형된 종이 반죽을 건조하여 용매를 제거한 후 또는 건조 및 용매 제거를 수행하지 않고 원하는 형상으로 성형된 종이 반죽을 고온고압 처리하는 것일 수 있다. 상기 종이 반죽을 건조하는 단계는 성형을 통해 가공된 형상이 유지되면서 성형물 내 가교가 파괴되지 않도록 수행하는 것일 수 있으며, 예컨대 습도 10 내지 90 %, 온도 110 내지 250 ℃, 예컨대 180℃에서 수행하는 것일 수 있다.
상기 고온고압의 처리는 본 출원의 기전이 이에 제한되는 것은 아니나, 예컨대 성형 단계를 통해 섬유 간 및/또는 섬유와 첨가제 간 1차 가교가 형성된 것에 열압 융착을 통하여, 추가로 고분자 섬유의 용해에 의해 공극을 감소시키거나, 수소 결합을 마스킹하거나, 고분자 섬유 간의 추가적인 결합을 발생시키는 등의 작용을 이용하여 종이의 습윤강도, 수분 차단성, 인장강도 등의 물성을 개선하기 위한 것일 수 있다.
일 측면에서, 상기 고온고압의 처리는 이용되는 고분자 섬유가 용해될 수 있도록 고분자 섬유의 유리전이온도 이상의 온도 조건에서 수행하는 것일 수 있다. 예컨대, 상기 고분자 섬유로서 PET 단섬유를 이용하는 경우, 상기 고온고압의 처리는 150 내지 260℃, 150 내지 250℃, 120 내지 240℃, 120 내지 230℃, 130 내지 220℃, 130 내지 210℃ 또는 125 내지 200℃의 온도에서 수행하는 것일 수 있다. 또한, 상기 고분자 섬유로서 PLA 단섬유를 이용하는 경우, 상기 고온고압의 처리는 150 내지 200℃, 150 내지 190℃, 160 내지 190℃, 170 내지 190℃ 또는 175 내지 185℃의 온도에서 수행하는 것일 수 있다. 또한, 상기 고분자 섬유로서 HDPE 단섬유를 이용하는 경우, 상기 고온고압의 처리는 90 내지 170℃, 95 내지 170℃, 95 내지 160℃, 95 내지 150℃, 100 내지 140℃ 또는 110 내지 135℃의 온도에서 수행하는 것일 수 있다.
일 측면에서, 상기 고온고압의 처리는 제조되는 종이가 파괴되지 않으면서 종이 내 섬유가 치밀한 가교를 형성할 수 있는 압력을 가하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 수초지기를 이용하여 시트 형상으로 성형된 종이에 0.5 kgf/cm2 내지 2 kg/cm2의 압력을 가하는 것일 수 있으며, 펄프 몰드를 이용하여 반죽된 조성을 금형에 주입하여 0.5 kgf/cm2 내지 2 kg/cm2 의 압력을 가하여 용기 또는 시트를 형성하는 것일 수 있다.
일 구체예에서, 상기 종이 반죽을 성형하면서 고온고압 처리함으로써 제조된 시트 형상의 종이는 고온고압 처리 후 열 성형(예컨대, 진공 성형, 압공 성형)하는 단계가 추가로 행해지는 것일 수 있다.
또 다른 측면에서, 본 출원은 상기 종이 제조용 조성물로부터 제조된 종이를 제공한다. 또한, 본 출원은 상기 종이의 제조방법에 따라 제조된 종이를 제공한다.
본 출원에 따른 종이는 종이 반죽의 펄프 섬유 및 고분자 섬유의 복합화에 따라 종이 소재의 제한된 물성이 우수한 효과가 있으며, 특히 성형성이 우수하게 개선되는 효과가 있다.
뿐만 아니라, 본 출원에 따른 종이, 예를 들어 시트 형상의 종이는 추가 가공을 통해 파우치, 용기 등의 포장재로서 우수한 활용성을 나타낼 수 있다.
이하, 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다.
실험예 1.
[종이 제조용 조성물의 제조]
먼저, 침엽수 펄프와 PET 섬유를 혼합하여 40 - 50℃에서 해리(30분) 및 고해(10분)을 실시하였다. 고해된 원료를 희석하여 타겟 농도로 조정한 후 AKD, PAM, 실리카, 습강제의 순으로 첨가제를 투입하였다. 조성물의 구체적인 조성은 하기 표 1에 나타내었다.
다음으로 준비된 종이 반죽을 사각수초지기를 이용하여 펄프 또는 펄프/고분자 단섬유 복합 소재를 형성한 후 건조(130℃)하고, 140℃에서 10초간 열처리를 수행하였다. 다만, 비교예 1의 종이 제조용 조성물은 열처리를 수행하지 않고 종이를 제조하였다.
| 조성 | 물 | 1.2% 농도 | AKD (g) | C-PAM (g) | Silica (g) | Size fix (g) | ||
| 펄프 섬유 (g) | PET 단섬유 (g) | |||||||
| 비교예 1 | 펄프 섬유 100% | 100 | 1.2 | - | 0.06 | 0.0012 | 0.00024 | 0.02 |
| 실시예 1 | 펄프 섬유 90% :PET 단섬유10% | 100 | 1.08 | 0.12 | 0.06 | 0.0012 | 0.00024 | 0.02 |
| 실시예 2 | 펄프 섬유 85% :PET단섬유 15% | 100 | 1.02 | 0.18 | 0.06 | 0.0012 | 0.00024 | 0.02 |
| 실시예 3 | 펄프 섬유 80% :PET 단섬유 20% | 100 | 0.96 | 0.24 | 0.06 | 0.0012 | 0.00024 | 0.02 |
[인장강도의 평가]
상기에서 제조한 종이를 이용하여 다음의 방법으로 인장강도를 평가하였다.
실험방법: 1kN Load cell 하에서 폭 15 mm, 측정거리 20 mm 조건으로 시편 양쪽을 클램프로 잡은 후, 50 mm/min의 속도로 당겨 인장파괴 시의 강도를 측정하였다.
실험조건: 23℃에서 10 분간 또는 85℃에서 30 분간 물에 함침한 후, Kimwipe로 표면에 수분을 제거한 다음 습윤 인장강도를 측정하였다.
측정 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
| 구분 | 인장강도, kgf | ||
| 강도 유지율 Wet |
강도 유지율 Boil |
||
| Non Heat | 비교예 1 | 59% | 49% |
| Heat | 실시예 1 | 54% | 48% |
| 실시예 2 | 71% | 66% | |
| 실시예 3 | 90% | 64% | |
실험예 2.
[종이 제조용 조성물의 제조]
먼저, 침엽수 펄프와 PLA 단섬유 또는 HDPE 단섬유를 혼합하여 40 - 50℃에서 해리(10분) 및 고해(2분)을 실시하였다. 고해된 원료를 희석하여 타겟 농도(1%)로 조정한 후 AKD, PAM, 실리카, 습강제의 순으로 첨가제를 투입하였다. 조성물의 구체적인 조성은 하기 표 3에 나타내었다.
다음으로 준비된 종이 반죽을 사각수초지기를 이용하여 펄프 또는 펄프/고분자 단섬유 복합 소재를 형성한 후 건조(130℃)하였으며, 펄프 섬유만을 이용한 조성(비교예 2)은 열압 처리를 하지 않았으며, PLA 단섬유를 이용한 조성(실시예 4)은 175 - 185℃에서 0.1~15 ton으로 1 - 10초간, HDPE 단섬유를 이용한 조성(실시예 5)은 110 - 135℃에서 0.1~15 ton으로 1 - 10초간 열압 처리를 수행하여, 평량 300 g/m2으로 시트의 종이를 제조하였다.
| 조성 | 물 | 1% 농도 | AKD (g) | C-PAM (g) | Silica (g) | Size fix (g) | ||
| 펄프 섬유 (g) | 고분자 단섬유 (g) | |||||||
| 비교예 2 | 펄프 섬유 100% | 100 | 1.0 | - | 0.05 | 0.0012 | 0.0002 | 0.02 |
| 실시예 4 | 펄프 섬유 50%:PLA 단섬유50% | 100 | 0.5 | 0.5 | 0.05 | 0.0012 | 0.0002 | 0.02 |
| 실시예 5 | 펄프 섬유 50%:HDPE단섬유50% | 100 | 0.5 | 0.5 | 0.05 | 0.0012 | 0.0002 | 0.02 |
[물성 평가]
상기에서 제조한 종이를 이용하여 다음의 방법으로 흡습, 투기도, 인장강도, (냉수)습인장강도 및 (열수)습인장강도를 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
1) 흡습: 열수에 대한 방수 특성 측정 실험으로 85℃, 10 분 조건 하에서 Cobb 흡수량을 측정하였다.
- 계산식 (흡수 후-흡수 전)g / 0.01㎡
2) 투기도: 다공성 소재인 종이의 공극 정도를 판단하기 위한 성능으로 대기압에서 100cc의 공기가 통과하는데 필요한 시간 또는 일정시간 동안 통과한 공기의 양을 측정하였다.
3) 인장강도: 1kN Load cell 하에서 폭 15 mm, 측정거리 20 mm 조건으로 시편 양쪽을 클램프로 잡은 후, 50 mm/min의 속도로 당겨 인장파괴 시의 강도를 측정하였다.
4) (냉수)습인장강도: 상온의 수돗물에 폭 15mm로 제단된 샘플을 10분간 침지 후 인장강도를 측정하였다.
5) (열수)습인장강도: 85℃의 물에서 15mm로 제단된 샘플을 10분간 끓인 후 인장강도를 측정하였다.
| 구분 | 방수성, g/㎡ (Cobb) |
인장강도 kgf |
(냉수) 습인장강도 |
(열수) 습인장강도 |
| 비교예 2 | 52.7 | 11.1 | 4.9 | 3.5 |
| 실시예 4 | 28.0 | 10.0 | 6.0 | 4.3 |
| 실시예 5 | 34.4 | 19.3 | 13.2 | 11.4 |
상기 실험 결과를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 고분자 단섬유가 첨가된 종이 제조용 조성물을 이용하고, 열압 처리되어 제조된 종이의 경우 방수성, 인장강도, 습인장강도의 물성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
Claims (14)
- 펄프 섬유 및 고분자 섬유를 포함하고,
상기 펄프 섬유와 고분자 섬유의 함량비는 50:50 내지 95:5이며,
상기 고분자 섬유는 고분자 단섬유 또는 고분자 분말인 것인 종이 제조용 조성물.
- 청구항 1에 있어서,
상기 펄프 섬유는 목재 펄프 섬유 및 비목재 펄프 섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 섬유를 포함하는 것인 종이 제조용 조성물.
- 청구항 2에 있어서,
상기 펄프 섬유는 침엽수 펄프를 포함하는 것인 종이 제조용 조성물.
- 청구항 1에 있어서,
상기 고분자 섬유는 석유계 고분자 단섬유 및 생분해성 고분자 단섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 섬유를 포함하는 것인 종이 제조용 조성물.
- 청구항 4에 있어서,
상기 고분자 섬유는 PLA 단섬유, PET 단섬유 및 HDPE 단섬유 중 적어도 하나를 포함하는 것인 종이 제조용 조성물.
- 청구항 1에 있어서,
상기 펄프 섬유와 고분자 섬유의 함량비는 80:20 내지 85:15인 것인 종이 제조용 조성물.
- 청구항 1에 있어서,
사이즈제, 지력 증강제, 보류 향상제, 습강제 및 가교제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 포함하는 것인 종이 제조용 조성물.
- 청구항 7에 있어서,
상기 펄프 섬유 및 고분자 섬유 총 100 중량부를 기준으로,
상기 사이즈제 0.1 내지 5 중량부,
상기 지력 증강제 0.001 내지 5 중량부,
상기 보류 향상제 0.001 내지 0.5 중량부 및
상기 습강제 0.1 내지 10 중량부를 포함하는 것인 종이 제조용 조성물.
- 펄프 섬유 및 고분자 섬유를 해리 및 고해하여 종이 반죽을 준비하는 단계,
상기 종이 반죽을 성형하는 단계; 및
상기 종이 반죽의 성형물 또는 상기 종이 반죽을 성형하면서 고온고압 처리하는 단계를 포함하고,
상기 종이 반죽 내 펄프 섬유와 고분자 섬유의 함량비는 50:50 내지 95:5이며,
상기 고분자 섬유는 고분자 단섬유 또는 고분자 분말인 것인 종이의 제조방법.
- 청구항 9에 있어서,
상기 성형하는 단계는,
성형틀을 이용하여 행하거나, 또는 압출하는 것에 의해 행하는 것인 종이의 제조방법.
- 청구항 9에 있어서,
상기 종이 반죽에 사이즈제, 지력 증강제, 보류 향상제, 습강제 및 가교제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 더 충전하는 단계를 포함하여서,
상기 충전된 종이 반죽을 고온고압 처리하는 것인 종이의 제조방법.
- 청구항 11에 있어서,
상기 펄프 섬유 및 고분자 섬유 총 100 중량부를 기준으로,
상기 사이즈제 0.1 내지 20 중량부,
상기 지력 증강제 0.001 내지 5 중량부,
상기 보류 향상제 0.001 내지 0.5 중량부 및
상기 습강제 0.1 내지 10 중량부를 충전하는 것인 종이의 제조방법.
- 청구항 10에 있어서,
상기 고온고압의 처리는, 상기 고분자 섬유의 유리전이온도 이상의 온도 조건 및 0.5 내지 2 kgf/cm2 의 압력 조건에서 수행하는 것인 종이의 제조방법.
- 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 따른 종이 제조용 조성물로부터 제조된 종이.
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