Fly Ash를 이용한 표면사이징이 종이의 물리적 특성에 미치는 영향
서진호·이태주·이동진
1·류정용
1†접수일(2016년 9월 20일), 수정일(2016년 10월 18일), 채택일(2016년 10월 21일)
Effects of Fly Ash Blended Surface Sizing on Physical Properties of Paper
Jin Ho Seo, Tai Ju Lee, Dong Jin Lee
1and Jeong Yong Ryu
1†Received September 20, 2016; Received in revised form October 18, 2016; Accepted October 21, 2016
ABSTRACT
Fly ash is usually used to improve the durability of concrete is composed of magnesium, calcium and unburned carbon. In this study, fly ash from cogeneration plant was analyzed and mixed in starch surface size in order to improve the physical properties of paper.
Main components of fly ash are silicon and aluminum. Its chemical structure are mullite and quartz based on silicon dioxide and aluminosilicate. In surface sizing, formation of uniform layer improves physical properties of paper as the vulnerable part of paper could be reinforced. As dosage of fly ash increases, sizing solution is uniformly built up in the surface of paper and surface sizing with fly ash has better performance in burst strength than common surface sizing based on starch. Therefore, it is assumed that fly ash is available as a pigment in surface sizing to improve the coverage of starch film on paper.
Keywords: Fly ash, size press, physical properties, surface sizing
• 강원대학교 창강제지기술연구소(Changgang Institute of Paper Science & Technology, Kangwon National University, Kang-
wondaehak-gil 1, Chuncheon-si, Gangwon-do, Korea)
1 강원대학교 산림환경과학대학 제지공학과(Dept. of Paper Science & Engineering, College of Forest and Environmental Scienc- es, Kangwon National University, Chunchon, Republic of Korea)
† 교신저자(Corresponding Author): E-mail: [email protected]
http://dx.doi.org/10.7584/JKTAPPI.2016.10.48.5.61 Printed in Korea
1. 서 론
제지업계는 종이제품의 가격경쟁력 확보와 환경보호 차 원에서 천연펄프의 사용량을 줄이고 비교적 저렴한 폐지 자원의 사용량을 지속적으로 증가시키고 있다.
1)또한 폐
지자원의 사용량이 증가하면서 기존에 재활용이 어려웠
던 멸균팩, 종이컵, 기저귀 등에 대한 재활용 처리가 시
도되고 있으며 거듭된 재활용으로 더 이상 재생이 어려
운 폐지자원조차 재생제품의 품질에 최대한 영향을 미치
지 않는 한도 내에서 재사용하도록 노력하고 있다. 그러
나 폐지자원의 사용량 증대와 재활용 횟수 증가는 재활용 공정 내에 다량의 미세분과 이물질을 생성함으로 인해 탈 수속도를 저하시키고 최종 생산된 제품의 물리적 강도와 외관 등에 문제를 야기한다. 따라서 폐지자원을 대량으 로 사용하는 산업용지나 신문용지의 경우 적합한 물성의 제품을 생산하기 위해 추가적인 처리를 통한 강도개선이 필수적이라고 할 수 있다.
종이제조 시 주로 사용되는 강도개선방법은 크게 세 가 지로 구분될 수 있는데, 코팅, 사이징 등의 표면처리를 활용한 방법과 약품, 충전제 등의 내첨을 통한 방법, 그 리고 부상부유, 효소처리, 고해 등의 부가적인 처리를 통 한 방법이 있다. Kim 등
2)은 폐지 펄핑에 배합효소를 첨 가할 경우 탈수성과 물리적 특성이 개선됨을 확인하였으 며, Ji 등
3)은 KOCC(Korea old corrugated container) 지료를 부상부유처리하여 분급한 후 선택적으로 장섬유 를 고해처리하여 폐지재활용 시 강도향상방안으로서 제 안하였다. 내첨을 통한 강도 개선은 지력증강용 약품투 입이 주된 방법인데 polyacrylamide계 지력증강제가 지 종에 관계없이 널리 사용되어 왔다. 또한 지력증강제의 전하밀도, 분자량, 작용기 등의 조절을 통해 PVAm과 같 은 새로운 고분자전해질을 적용하는 연구가 다양하게 진 행되었으며
4,5), 기존에 사용되지 않았던 폐자원인 크라프 트 흑액
6), 유기충전제 등
7)을 강도 개선에 적용한 연구도 보고된 바 있다. 표면처리를 통한 강도개선 방법 중 표면 사이징 기술은 전분 등을 종이 표면에 도피하는 방식으로 처리가 비교적 간단하고, 약품의 대부분이 종이에 잔류하 기 때문에 처리환경 측면에서도 우수한 방법이다.
8)또한 표면사이징 용액에 무기 충전제를 첨가할 경우 설비확장 없이 사이즈 프레스 과정에서 프리코팅 효과를 부여하고 코팅층의 안정화와 물리적·광학적 특성개선 및 평량 증 가와 같은 부수적인 효과도 기대할 수 있다.
9)본 연구에서 표면사이징 용액에 첨가한 fly ash는 화 력발전소에서 생성된 것으로 주로 콘크리트의 내구성 향 상 방안으로서 포졸란 재료로 사용되어 왔으며
10,11), 불 연소한 탄소, 규소, 알루미늄, 칼슘 등으로 구성되어 있 다. Park 등
12)은 국내 화력발전소에서 채취한 fly ash 의 환경유해성을 분석한 결과, 국내기준 중 가장 엄격한 수도법에는 미치지 못하나 폐기물관리법, 토질환경보전 법, 환경정책기본법(수질환경기준), 지하수법, 먹는물관 리법 및 미국의 TCLP(toxicity characteristic leach- ing procedure)등을 모두 만족하여 산업용 재료로서 활
용이 가능하다고 보고하였다. Ribeiro 등
13)은 유리 제조 에 fly ash를 사용할 경우 열안정성이 우수하고 건축용 실리카 유리의 제조가 가능하다고 보고하였으며, Bird와 Talberth
14)는 fly ash의 활용방안을 시멘트, 벽돌, 콘크 리트, 아스팔트 등의 건축용 첨가제, 퇴비, 토양개질제, 폐기물 안정제 등으로 제시하였다. 또한 Srivastava 등
15)
은 제지공정의 폐수처리 시 응집제로서 fly ash를 사용 할 경우 COD 및 색 제거에 우수한 흡수제로 활용이 가능 하다고 평가하였으며 Sung 등
16)은 멀칭용지의 기능성 첨 가제로서 활용하고자 하였으나, 제지분야의 fly ash 재 활용 비율은 매우 낮은 편이며 fly ash의 직접적인 활용 방안에 대한 연구는 부족한 실정이다. 특히, IT매체의 정 보전달매체로서의 발달로 인해 수요가 감소하고 경영에 어려움을 겪고 있는 신문용지 제조업체로부터 비롯된 fly ash와 같은 폐기물을 효율적으로 사용할 수 있다면, 원가 절감 효과와 대체원료로서의 활용을 유도함으로써 폐기 물 재활용의 새로운 모델이 될 수 있을 것으로 판단된다.
따라서 본 연구에서는 국내 화력발전소에서 발생하는 fly ash를 재생종이 제조에 활용하기 위한 연구의 일환 으로, fly ash 자체의 특성을 분석하고 표면사이징 용액 에 fly ash를 무기안료로 첨가하여 사이즈 프레스 시 종 이의 물리적 강도에 미치는 영향을 분석하고자 하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 실험재료
표면사이징 처리에 사용된 종이는 KOCC로 구성된 평 량 180 g/m
2의 표면 라이너지를 사용하였다. 또한 fly ash는 미분탄 연소 보일러 내에서 연료의 연소로 말미암 아 연도 내에서 떠다니는 입자상의 재로 분말도, 강열감 량 등의 특성에 따라 구분되지 않은 전체 fly ash를 국내 A 화력발전소로부터 분양받아 구성원소를 분석한 후 표 면사이징에 사용하였다.
2.2 실험방법
2.2.1 Fly ash 특성 분석
Fly ash의 기본특성 분석을 위해 SEM-EDS(S-4300,
Hitachi)를 통해 각 원소별 함량을 분석하였으며, X선 회
절분석으로 fly ash 내에 존재하는 화합물의 상태를 확인
Fig. 1. Diagram of test sequences.
Fig. 2. SEM-EDS result of fly ash.
하였다. X선 회절분석은 Cu tube 및 graphite-mono- chromator가 부착된 Rigaku D/MAX-2200V diffrac- tometer를 이용해 40 kV, 40 mA 조건에서 분석하였다.
2.2.2 표면사이징 및 물성 측정
실제공정과 유사조건을 모사하고자 2개의 롤로 구성된 실험실용 사이즈프레스를 이용하여 표면 라이너지 내부 로 사이즈액의 침투가 발생할 수 있도록 가압 하에 표 면사이징을 실시하였다. 표면사이징은 폰드사이즈프레 스 방식으로 실시하였으며 롤 간격 조절을 통해 압력을 가하여 사이징액이 침투할 수 있도록 하였다. 사이징용 액은 10%로 호화된 전분에 fly ash를 전분 전건량 대비 50, 100% 투입하여 준비하였으며 사이즈제의 픽업량은 5 g/m
2로 조정하였다. 사이징 후 건조기에서 105℃ 조건 하에 1분 간 열풍건조를 실시하였으며, 이후 23℃, 50%
R.H. 조건에서 조습처리 후 종이의 평량, 압축강도, 파
열강도, 두께방향 인장강도 등을 측정하였다. 표면사이 징 처리의 모식도를 Fig. 1에 나타냈다.
평량, 압축강도, 파열강도 및 두께방향 인장강도는 각 각 KS M ISO 536, KS M ISO 9895, KS M ISO 2759, KS M ISO 15754에 의거하여 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 Fly ash 성분분석
표면사이징에 사용된 fly ash의 기본특성을 분석하고자
실시한 SEM-EDS분석 결과를 Fig. 2와 Table 1에 나타
냈다. 일반적으로 국내 화력발전소에서 생성된 fly ash
는 역청탄과 무연탄을 주원료로 연소 시 확산되는 재의
미립자를 포집한 것으로 원탄의 품질, 보일러의 상태 및
구조, 집진 형식에 따라 화학성분의 차이가 있으나, 주
로 이산화규소가 가장 높은 함량을 보이며 산화철, 산화 알루미나, 산화칼슘 등이 함유되어 있다.
17-19)본 연구에 사용된 fly ash의 주된 성분은 알루미늄이 13.18%, 규소 가 21.66%로 나타났으며, 알루미늄과 규소 외에 칼슘이 5.89%, 철 성분이 3.97%로 높게 분석되었다.
Fly ash 내에 존재하는 화합물의 형태를 확인하고자 X 선 회절분석을 실시하였으며 결과를 Fig. 3에 나타냈다.
이산화규소, 알루미노규산염 등의 화합물에서 나타나는 결과가 주된 peak으로 나타났으며 멀라이트, 석영 등으
로부터 유래된 것으로 분석되었다. 멀라이트는 석탄회 소 각 시 생성되는 물질로 열에 대한 안정성이 높고 화학적 으로 안정되어 높은 물리적 특성을 지니기에 시멘트, 콘 크리트 등의 강도개선에 유효한 소재이다.
20)또한 모스 굳기 7에 해당하는 석영은 주로 유리, 도자기 등의 제조 에 사용되며 시멘트 제조에 사용할 경우 강도를 개선하 는 효과가 있는 것으로 알려져 있다.
21)표면사이징 공정 에 무기안료를 투입할 경우 견뢰도 및 표면 평활성이 향 상되어 인쇄적성이 개선되고, 밀도가 높은 표면층 형성으 로 인해 섬유가 뜯기거나(picking) 일어나는(linting) 현 상을 방지해주는 것으로 알려져 있다.
22)본 연구에서 fly ash의 주성분으로 분석된 멀라이트와 석영을 표면사이징 용액에 혼합하여 사용할 경우 종이의 표면특성 개선효과 를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
3.2 물리적 특성 평가
