·이용규

(1)

VAE 에멀션의 적용이 더블 코팅지의 품질에 미치는 영향(제2보) - 바인더의 혼합 비율에 따른 도공지의 물성 변화 -

김선구·정경모·원종명·최용해

¹

·이용규

^†

접수일(2018년 1월 29일), 수정일(2018년 2월 12일), 채택일(2018년 2월 14일)

Influence of Vinyl Acetate-Ethylene (VAE) Emulsion Application on the Properties of Double Coated Paper (II)

– Change of Properties of Coated Paper by Binder Blending Ratio –

Sun-Goo Kim, Kyoung-Mo Jeong, Jong-Myoung Won, Yong-Hae Choi

¹

and Yong-Kyu Lee

^† Received January 29, 2018; Received in revised form February 12, 2018; Accepted February 14, 2018

ABSTRACT

This study was carried out in order to evaluate the application possibility of VAE emulsion binder instead of SB latex. VAE emulsion binder was blended with SB latex binder at five different ratios. The characteristics of coating color and coated paper were investi- gated with increasing the blending ratio of VAE emulsion binder. As the blending ratio of VAE emulsion binder increased, the low shear viscosity of the coating color was lowered while the water retention was increased. Roughness of the coated papers prepared by blending VAE emulsion binder were somewhat higher than that of coated paper using only SB latex. It was found that, when addition amount of VAE emulsion binder was increased, dry- and wet-pick strength of the coated papers were decreased. Therefore, further researches are needed to improve wet-pick strength using VAE emulsion for paper coating.

Keywords: SB latex, vinyl acetate ethylene (VAE), top-coating, multi-layered

• 강원대학교 산림환경과학대학 제지공학과(Department of Paper Science & Engineering, College of Forest & Environmental Sci- ences, Kangwon National University, Chuncheon, 24341, Republic of Korea)

1 바커케미칼 코리아(Wacker Chemicals Korea, S-3F HSQUARE Bldg., Pangyo Techno Valley, 231 Pangyoyeok-ro, Bundang- gu, Seongnam, 13494, Republic of Korea)

† 교신저자(Corresponding Author): E-mail: [email protected]

Printed in Korea http://dx.doi.org/10.7584/JKTAPPI.2018.02.50.1.19

(2)

1. 서 론

일반적으로 도공은 안료와 바인더를 주성분으로 하는 도공액을 원지 위에 도포하여 종이의 표면특성과 인쇄적 성을 개선하는데 목적이 있다. 특히 종이의 광택 및 백색 도를 향상시킴으로서 외형적인 미적가치를 향상시키고 종이의 표면을 좀 더 평활하게 만들어 인쇄적성을 향상 시킬 수 있는 것으로 잘 알려져 있다.

^1,2)

과거에는 주로 도공지의 품질향상을 위하여 사용되는 원료의 배합을 설 계하고 도공액을 제조하였지만, 최근 들어 품질은 그대 로 유지하면서 환경 친화적인 소재의 적용범위를 확대하 거나 원가 절감에 보다 많은 관심을 두고 있다.

^3,4)

가장 보편적으로 사용되고 있는 SB 라텍스 바인더의 경우 광택 및 접착력이 우수한 장점을 가지고 있지만 석 유 유래의 화학 물질을 주원료로 사용하기 때문에 원유 수입 가격의 등락에 따라 중합용 단량체의 공급이 제한 될 수 있어 비교적 높은 가격에 석유계 합성 바인더의 공 급 단가가 형성되는 단점이 있다. 또한 스틸렌과 같이 페 놀구조를 포함하는 화학물질이 포함되어 있어 친환경적 이지 못하다는 단점을 가지고 있다.

^5,6)

이러한 주변 상황으로 인해, 최근 유가가 지속적으로 상승하면서 고가의 석유화학물질을 대체할 보다 저렴하 고 친환경적인 도공용 바인더에 대한 관심이 증대되고 있고 vinyl acetate ethylene(VAE) 에멀션 바인더의 적 용에 대한 관심 또한 증대되고 있다.

⁷⁾

다층도공은 프리층과 탑층의 도공액 배합을 서로 다르

게 하여 원가를 절감하면서도 싱글도공에 비해 상대적으 로 고품질의 상품을 얻을 수 있다는 장점을 가지고 있 다.

⁸⁾

특히 프리코팅층과 탑코팅층에 적용하는 바인더의 물성은 제조된 도공지의 광학적 물성과 인쇄적성에 크게 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

⁹⁾

따라서 본 연구에서는 종이 도공에서 사용되는 바인더 를 VAE 에멀션 바인더로 대체하였을 때, 그 배합 조성이 도공지 물성에 미치는 영향을 검토하고 인쇄적성을 평가 하여 신규 바인더의 영향을 분석하고자 하였다. 이를 통 해 석유계 SB 라텍스 바인더를 대신하여 VAE 에멀션 바 인더의 이용 가능성에 대해 살펴보고 대체 소재의 활용 에 따른 원가절감 가능성 등을 예측하는데 있어서 기초 자료로 활용하고자 하였다.

2. 재료 및 방법

2.1 공시재료

2.1.1 도공원지

본 연구에 사용된 원지는 국내 H사의 평량 80 g/m

²

의 백상지를 사용하였으며 그 물성은 Table 1에 나타내었다.

2.1.2 도공용 안료

본 연구에 사용된 도공용 안료는 입자크기가 서로 다른 2가지 종류의 중질 탄산칼슘(GCC)과 1종류의 No.1 클레 이가 사용되었다. 기본 물성은 Table 2에 나타내었다.

Table 1. Properties of base paper

Grammage (g/m

²

) 80

Thickness (μm) 100

Opacity (%) 99

Brightness (%) 89

Air resistance (sec) 16

Table 2. Mean particle diameter of pigments _{(unit: μm)}

%. <d10 %. <d25 %. <d50 %. <d75 %. <d90

GCC A 1.020 1.501 2.267 3.781 6.108

GCC B 0.203 0.298 0.722 1.147 1.526

No.1 Clay 0.144 0.203 0.293 0.586 2.090

GCC: ground calcium carbonate.

(3)

2.1.3 도공용 바인더

프리 코팅과 탑 코팅용 바인더로서 1종류의 SB 라텍스 바인더와 2종류의 VAE 에멀션 바인더를 이용하였다. 기 본 물성은 Table 3에 나타내었다.

2.1.4 기타 도공용 첨가제

기타 도공용 첨가제로는 분산제(WTY-117), 내수화제 (PRO·WET-400G), 윤활제(LUB·REX-55), 그리고 구조개질제(CV-5001F)를 사용하였다.

2.2 실험방법

2.2.1 도공액 제조

도공액의 고형분 농도는 프리 코팅용의 경우 67%, 탑 코팅용의 경우는 68%로 제조하였다. 한 가지의 배합비 를 사용하여 프리 코팅용의 도공액을 제조하였고, 이때 탑 코팅용의 도공액은 VAE 에멀션의 배합비를 증가시키 며 제조하였고, 프리층의 도공액 배합비는 Table 4와 같 고, 탑층의 도공액 배합비는 Table 5와 같으며 각각의 시 료를 A, B, C, D, E로 명명하였다.

Table 3. Properties of the synthetic binder

Particle size (Å) Viscosity (cPs)

¹⁾

Tg (°C) pH

Latex 840 208 -1 8.1

VAE-1 2,100 558 9 4.8

VAE-2 2,300 508 4 5.4

1)

Testing condition: 60 rpm, No. 2 spindle.

Table 4. Formulations of the coating color (Pre-coating) (unit: pph)

Control

GCC A 100

VAE-1 12

Dispersant 0.12

NaOH 0.2

Structure reformer 0.15

Lubricant 0.4

Insolubilizer 0.4

Total solid content (%) 67

Table 5. Formulations of the coating color (Top-coating) (unit: pph)

A B C D E

GCC B 90

Clay 10

Binder Latex 12 9 6 3 -

VAE-2 - 3 6 9 12

Dispersant 0.12

NaOH 0.2

Structure reformer 0.15

Lubricant 0.4

Insolubilizer 0.4

Total solid content (%) 68

(4)

2.2.2 도공액의 물성 측정

저전단 점도는 DV-II viscometer(Brookfield, USA) 를 이용하여 60 rpm 조건으로 측정하였으며 고전단 점 도는 KC-910PC(Bob E, 4400rpm; Kumagai, Japan) 를 사용하여 측정하였다. 도공액의 pH는 pH meter (PB-11, Sartorius Korea Co., Ltd, Korea)를 사용하 여 측정하였으며, 보수성은 보수성 측정기(AÅ-GWR, Kaltex Scientific Inc., USA)를 사용하여 측정하였고, 그 물성은 Table 6과 같다.

2.2.3 도공지 제조

도공지는 실험실용 반자동 코터(K-control, RK Print Coat Instrument Co., Ltd., UK)를 사용하여 제조하였 다. 프리 코팅층의 도공량은 편면 8±1 g/cm

²

, 탑 코팅층 의 도공량은 편면 12±1 g/cm

²

으로 조절하였다. 도공액 을 도포한 원지는 열풍건조기(YJ-8600D, Yujin Elec- tronics, Korea)에서 105°C, 25초의 조건으로 건조하였 다. 그 후 슈퍼캘린더(Supercalender, Beloit Copora- tion, USA)를 사용하여 도공면이 steel roll을 향하게 하 여 온도 70°C, 선압 300 psi의 조건으로 2회 처리하였다.

2.2.4 도공지의 물성 측정

도공지의 거칠음도는 Parker Print Surf(L&W Co., Ltd., Sweden), 광택도는 Gloss meter(model T480A, Technidyne Coporation, USA), 백색도와 백감도, 불 투명도는 Elrepho 3300(Datacolor International, USA)을 이용하여 측정하였다.

2.2.5 도공지의 인쇄적성 평가

인쇄적성 시험기(RI-II, KRK, Japan)를 이용하여 잉 크 세트성, 인쇄 광택, dry-pick, wet-pick 강도 등을 측정하여 도공지의 인쇄적성을 평가하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 도공지의 물성 평가

3.1.1 거칠음도 및 광택

Fig. 1은 도공지의 거칠음도 결과를 보여주고 있다.

VAE 에멀션 바인더의 배합 비율이 높아짐에 따라 거칠 음도가 다소 떨어지는 경향을 나타내었는데, 이는 Tg와 입자경에 의한 영향이 도공지의 거칠음도에 영향을 미친 다고 판단되어진다. Tg가 낮으면 필름 형성능력이 우수 하여 평활한 표면 특성을 나타내고 입자경이 작을수록 우수한 특성을 나타내기 때문인 것으로 사료된다.

Fig. 2는 도공지의 광택 결과를 나타낸다. 캘린더 처리 전에는 A에서 E로 갈수록 미세한 증가를 보였으나, 캘린 더 처리 후에는 A와 B가 좋은 결과를 나타내었다. 이는 Tg와 입자경의 차이가 필름형성 능력에 상이한 영향을 미친 결과로 사료되어진다. Tg가 낮으면 필름 형성능력 이 우수하고 평활한 표면을 형성할 뿐 아니라 입자경이 작을수록 우수한 특성을 나타내는데 광택도가 이에 영향 을 받은 것으로 사료된다.

3.1.2 백색도, 백감도 및 불투명도

Fig. 3은 도공지의 백색도 결과를 보여주고 있다. 캘린 더 처리 후 VAE 에멀션 바인더의 배합비가 증가할수록 미미하지만 백색도가 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 VAE 에멀션 바인더 자체의 색에 의해 영향을 받은 것으 로 사료된다.

Fig. 4는 도공지의 백감도 결과를 보여주고 있다. 캘린 더 처리 전·후 모두 백색도와 마찬가지로 VAE 에멀션 바인더의 배합비가 증가할수록 미미하지만 백감도가 증 가하는 경향을 나타내었다. 이는 VAE 에멀션 바인더 자 체의 색에 의해 영향을 받은 것으로 사료된다.

Fig. 5는 도공지의 불투명도 결과를 보여주고 있다. 불 Table 6. Properties of the coating color

Formulation Low shear viscosity (cPs) High shear viscosity (cPs) Water retention (g/m

²

) pH

Pre Pre 125 3.7 166.9 11.1

Top

A 1,110 11.0 105.3 10.7

B 1,011 13.0 110.4 10.8

C 943 10.6 115.6 10.8

D 585 10.6 126.3 11.0

E 402 6.4 136.8 11.0

(5)

투명도는 캘린더 전·후 바인더배합에 의한 뚜렷한 차이를 보이지 않고 유사한 경향을 나타내었다. 이는 바인더에 의해 불투명도는 영향을 미치지 않는다고 판단되어진다.

3.2 도공지의 인쇄 평가

3.2.1 Ink set-off 평가

Fig. 6은 RI-II 인쇄적성 시험기를 이용하여 ink set- off를 실시한 인쇄샘플을 5점법을 통해 평가한 결과이 다. 잉크세트성이 빠르면 인쇄광택의 저하가 발생하며, 느리게 되면 인쇄 시 뒷묻음이 발생 한다. 바인더의 배합 조성에 따라 안료와 바인더가 형성하는 도공층의 공극형 태가 상이한 구조를 형성할 것으로 추정되는데, 더블 코 팅지 B-D까지는 캘린더 처리후 도공지의 표면 거칠기

결과와 그 경향이 유사한 형태를 나타내고 있어, 더블 코 팅지 D가 가장 벌키한 도공층 구조를 형성하는 것으로 추정할 수 있다. 이는 도공층 내부로 비히클 성분의 침투 가 빠르고 잉크의 건조가 다른 도공지 샘플에 비해 우선 적으로 이루어져 잉크의 뒷묻음 현상이 감소하고 ink set-off성이 우수한 결과를 나타낸 것으로 추정된다.

3.2.2 Dry-pick 및 wet-pick 평가

Figs. 7과 8은 RI-II 인쇄적성 시험기를 이용하여 각각 dry-pick, wet-pick의 결과를 나타내는 그래프이다.

Dry-pick은 탑코팅층의 VAE 에멀션 바인더의 배합비 가 5증가 할수록 대체적으로 감소하는 경향을 보였다. 하 지만 VAE 에멀션 바인더의 배합비율이 50% 정도까지는 Fig. 1. Roughness of coated paper depending

on the blending ratio of coating binders.

Fig. 2. Paper gloss of coated paper depending on the blending ratio of coating binders.

Fig. 3. Brightness of coated paper depending on the blending ratio of coating binders.

Fig. 4. Whiteness of coated paper depending

on the blending ratio of coating binders.

(6)

유사한 수준으로 뜯김에 대한 저항성을 나타내고 있어 일정 비율까지는 대체 가능성이 높은 것으로 생각된다.

VAE 에멀션 바인더의 배합비율이 증가됨에 따라 dry- pick 결과가 감소하는 이유는 VAE 에멀션 바인더의 입 자크기가 상대적으로 상당히 크기 때문에 바인더의 총비 표면적이 감소하고 안료와 안료간 결합강도에 대한 기여 도가 감소하였기 때문인 것으로 분석된다. Wet-pick의 경우 탑코팅층의 VAE 에멀션 바인더의 배합비가 증가 할수록 떨어지는 경향을 보였다. 이는 SB 라텍스 바인더 에 비해 VAE 에멀션 바인더의 내수성이 부족한 것이 주 된 원인으로 생각되며 구체적인 영향인자로서 바인더 표 면에 존재하는 관능기의 차이가 영향을 미친 것으로 판 단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 SB 라텍스 바인더를 VAE 에멀션 바인 더로 그 대체 비율을 높여가면서 탑코팅층에 도포시켰을 때 도공액과 도공지의 물성을 비교 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

도공액의 점도는 VAE 에멀션 바인더의 배합비율이 증 가 할수록 낮아지는 경향을 나타내었다. 보수성의 경우 는 VAE 에멀션 바인더의 첨가량이 증가 할수록 탈수량 이 증가하는 경향을 나타내었고 그 결과 보수성이 저하 되는 것을 확인하였다. 한편, 도공액의 고점단 점도는 SB 라텍스 바인더와 VAE 에멀션 바인더의 배합비율 (5:5)에서 가장 높게 나타났고 이후 VAE 에멀션 바인더 Fig. 5. Opacity of coated paper depending on

the blending ratio of coating binders.

Fig. 6. Ink set-off of coated paper depending on the blending ratio of coating binders.

Fig. 7. Dry-pick of coated paper depending on the blending ratio of coating binders.

Fig. 8. Wet-pick of coated paper depending on

the blending ratio of coating binders.

(7)

의 첨가량이 증가 할수록 낮아지는 경향을 나타내었다.

도공지의 물성의 경우, 광학적 특성을 비교 시 모두 유 사한 결과를 나타내었다. 거칠음도의 경우 SB 라텍스 바 인더(12 pph)를 사용한 경우가 가장 우수한 결과를 나타 내었다. VAE 에멀션 바인더의 배합비율을 증가시킬 경 우, 50% 정도까지는 SB 라텍스 바인더만을 사용한 경우 와 비교해서 ink set-off, dry pick 강도가 크게 저하되 지 않고 유사한 결과를 나타내었다. 하지만 wet pick 강 도의 경우는 VAE 에멀션 바인더의 첨가량이 높아짐에 따라 물성이 저하되는 경향을 나타내었다.

석유 기반의 SB 라텍스 바인더를 VAE 에멀션 바인더 로 대체 시 나타나는 도공지의 물성 변화에 대해 검토하 였다. 광학적 특성 및 ink set-off에서는 기존의 SB 라 텍스 바인더와 유사한 수준의 결과를 얻을 수 있었다.

Dry-pick, wet-pick 강도는 SB 라텍스 바인더보다 VAE 에멀션 바인더의 물성이 다소 저하되는 경향을 볼 수 있었다. 금후 이를 개선하기 위한 연구가 필요할 것으 로 판단된다.

사 사

본 연구는 2017년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연 구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No.

NRF-2017R1D1A3B03034031).

Literature Cited

1. Tamai, H., Niino, K., and Suzawa, T., Surface characterization of styrene/sodium styrene- sulfonate copolymer latex particles, J. Colloid Interf. Sci. 131:1-7 (1989).

2. Daniels, W. E. and Lenney, W. E., Process for the continuous production of an ethylene/vinyl acetate copolymer dispersion, U.S. Patent 4,164,489, assigned to Air Products Chemicals,

Inc., Apr. 24 (1978).

3. An, G. H., Choi, K. S., Won, J. M., and Lee, Y.

K., Manufacture of multi-layer coated paper with eco-friendly starch based bio-binder, Journal of Korea TAPPI 44(5):32-38 (2012).

4. Choi, Y. H., Study on emulsion polymerization of poly(vinyl acetaete-co-ethylene) using poly(vinyl alcohol), Ph. D. Dissertation, Pu- kyong National University (2011).

5. Lee, Y. K., Won, J. M., Lee, W. J., and Choi, Y. H., The effect of vinyl acetate-ethylene(- VAE) emulsion on coated paper properties, Journal of Korea TAPPI 45(5):37-43 (2013).

6. Lee, K. Y., Kim, S. G., Won, J. M., and Kim, Y. H., Application technology of environmen- tal-friendly starch-based biobinder and syn- thesized binder in order to substitute SB latex for paper coating (1): Application of substitute binder for pre-coating layer, Journal of Korea TAPPI 47(5):134-140 (2015).

7. Kim, D. H., Lee, W. G., Choi, Y. H., Jung, K.

M., Won, J. M., and Lee, Y. K., Influence of the VAE emulsion binder addition on proper- ties of the coated board, Journal of Korea TAPPI 48(6):72-80 (2016).

8. Kim, S. K., Won, J. M., and Lee, Y. K., Im- proving of printability by the new designe of the multi-layered coating structure (II) - The effect of pigment blending in pre-coating layer on characteristics of top-coating layer -, Journal of Korea TAPPI 48(2):61-67 (2016).

·이용규

김선구·정경모·원종명·최용해

·이용규

Influence of Vinyl Acetate-Ethylene (VAE) Emulsion Application on the Properties of Double Coated Paper (II)

– Change of Properties of Coated Paper by Binder Blending Ratio –

Sun-Goo Kim, Kyoung-Mo Jeong, Jong-Myoung Won, Yong-Hae Choi

and Yong-Kyu Lee

ABSTRACT

Printed in Korea http://dx.doi.org/10.7584/JKTAPPI.2018.02.50.1.19

1. 서 론

다층도공은 프리층과 탑층의 도공액 배합을 서로 다르

게 하여 원가를 절감하면서도 싱글도공에 비해 상대적으 로 고품질의 상품을 얻을 수 있다는 장점을 가지고 있 다.

특히 프리코팅층과 탑코팅층에 적용하는 바인더의 물성은 제조된 도공지의 광학적 물성과 인쇄적성에 크게 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

2. 재료 및 방법

2.1 공시재료

본 연구에 사용된 원지는 국내 H사의 평량 80 g/m

의 백상지를 사용하였으며 그 물성은 Table 1에 나타내었다.

본 연구에 사용된 도공용 안료는 입자크기가 서로 다른 2가지 종류의 중질 탄산칼슘(GCC)과 1종류의 No.1 클레 이가 사용되었다. 기본 물성은 Table 2에 나타내었다.

Table 1. Properties of base paper

Grammage (g/m

) 80

Thickness (μm) 100

Opacity (%) 99

Brightness (%) 89

Air resistance (sec) 16

Table 2. Mean particle diameter of pigments (unit: μm)

%. <d10 %. <d25 %. <d50 %. <d75 %. <d90

GCC A 1.020 1.501 2.267 3.781 6.108

GCC B 0.203 0.298 0.722 1.147 1.526

No.1 Clay 0.144 0.203 0.293 0.586 2.090

GCC: ground calcium carbonate.

프리 코팅과 탑 코팅용 바인더로서 1종류의 SB 라텍스 바인더와 2종류의 VAE 에멀션 바인더를 이용하였다. 기 본 물성은 Table 3에 나타내었다.

기타 도공용 첨가제로는 분산제(WTY-117), 내수화제 (PRO·WET-400G), 윤활제(LUB·REX-55), 그리고 구조개질제(CV-5001F)를 사용하였다.

2.2 실험방법

Table 3. Properties of the synthetic binder

Particle size (Å) Viscosity (cPs)

Tg (°C) pH

Latex 840 208 -1 8.1

VAE-1 2,100 558 9 4.8

VAE-2 2,300 508 4 5.4

Testing condition: 60 rpm, No. 2 spindle.

Table 4. Formulations of the coating color (Pre-coating) (unit: pph)

Control

GCC A 100

VAE-1 12

Dispersant 0.12

NaOH 0.2

Structure reformer 0.15

Lubricant 0.4

Insolubilizer 0.4

Total solid content (%) 67

Table 5. Formulations of the coating color (Top-coating) (unit: pph)

A B C D E

GCC B 90

Clay 10

Binder Latex 12 9 6 3 -

VAE-2 - 3 6 9 12

Dispersant 0.12

NaOH 0.2

Structure reformer 0.15

Lubricant 0.4

Insolubilizer 0.4

Total solid content (%) 68

도공지는 실험실용 반자동 코터(K-control, RK Print Coat Instrument Co., Ltd., UK)를 사용하여 제조하였 다. 프리 코팅층의 도공량은 편면 8±1 g/cm

, 탑 코팅층 의 도공량은 편면 12±1 g/cm

도공지의 거칠음도는 Parker Print Surf(L&W Co., Ltd., Sweden), 광택도는 Gloss meter(model T480A, Technidyne Coporation, USA), 백색도와 백감도, 불 투명도는 Elrepho 3300(Datacolor International, USA)을 이용하여 측정하였다.

인쇄적성 시험기(RI-II, KRK, Japan)를 이용하여 잉 크 세트성, 인쇄 광택, dry-pick, wet-pick 강도 등을 측정하여 도공지의 인쇄적성을 평가하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 도공지의 물성 평가

Fig. 1은 도공지의 거칠음도 결과를 보여주고 있다.

Fig. 5는 도공지의 불투명도 결과를 보여주고 있다. 불 Table 6. Properties of the coating color

Formulation Low shear viscosity (cPs) High shear viscosity (cPs) Water retention (g/m

) pH

Pre Pre 125 3.7 166.9 11.1

Top

A 1,110 11.0 105.3 10.7

B 1,011 13.0 110.4 10.8

C 943 10.6 115.6 10.8

D 585 10.6 126.3 11.0

E 402 6.4 136.8 11.0

Table 2. Mean particle diameter of pigments _{(unit: μm)}