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만두 2012. 7. 24. 19:33
보류의 목적과 원리
 
초지 공정은 여러 가지 크기, 모양, 조성을 가진 고체 입자의 현탁액이 와이어 파트(wire part)로 흘러 들어간다. 초지 원료 중에는 펄프 섬유 이외에 소형의 목재세포나 섬유로부터 박리된 미세섬유가 상당히 존재하고 있으며 이들의 표면 전하는 음전하를 띠고 있다. 또한 종이에 필요한 성질을 부여하기 위해서 사이즈제, 전분, 습윤 및 건조 지력 증강제, 충전제 등 다양한 약품이 첨가된다. 이러한 약품은 섬유에 정착되든가 흡착되어야 기대한 효과를 얻을 수 있다. 일반적으로 초지공정에 첨가되는 첨가제는 크게 두 분류, 즉 기능성 첨가제와 조업 향상용 첨가제로 나눌 수 있다. 기능성 첨가제는 종이에 정착하여 그 일부가 되며, 종이의 성질을 개량 및 개질하는 것이다. 여기에는 불투명도, 백색도, 인쇄적성을 향상시키는 충전제와 안료, 착색용 염료, 내수성 향상용 사이즈제, 전분, 검(gum), 지력 증강제 등의 섬유간 결합제, 습윤강도를 향상시키는 습윤지력증강제 등이 있다. 조업 향상용 첨가제는 초지기의 wet end에서의 조업성을 개선시키는 것이므로 첨가물이 종이의 일부에 정착되든지의 여부에 관계없이 종이의 성질 자체에 미치는 영향이 작아 직접적인 관계는 없다. 이러한 종류의 첨가제로는 보류 및 탈수 향상제, 피치 컨트롤제, 소포제, 슬라임 조절제 등이 있다. 기능성 첨가제의 일부는 미립자 형태로서 펄프로부터 생긴 미세섬유와 합해서 헤드박스 지료의 미세 물질이 된다. 따라서 초지기 와이어 상에서 이들 미세 물질을 효과적으로 보류시키는 것이 보류의 주 목적이라 할 수 있다.
제지 원료의 입자 크기는 서로 다르며, 이들의 크기 변화는 연속적이기 때문에 미세 입자의 규정에 대해 정해진 것은 없다. 그러나 일반적으로 인정되고 있는 것은 200mesh 또는 75㎛의 구멍을 통과하는 입자를 미세분이라 하고 있다. 이 구멍을 통과하지 않고 잔류하는 것을 섬유분이라 한다. 초지공정의 와이어 상에서 이러한 미세입자를 보류시키는 데에 따라서 많은 효과를 기대할 수 있다. 즉, 보류가 양호해지면 백수계에 순환되는 충전제 및 기타 첨가제의 양이 적어지고 그 양에 따라 백수계에서 손실이 감소하게 되어 배수 부하도 감소한다. 보류가 나쁜 경우에는 순환 입자가 백수계내에 축적되어 원료, 백수계내의 배관 및 초지용구의 오염, 마찰율 상승, 탈수성불량 현상을 일으키게 되어 초지 작업성이 악화된다. 또한 보류도가 낮은 종이는 충전제 또는 미세섬유 자체의 분포 차이에 의해 종이의 양면성을 발생시킬 뿐만 아니라 이들과 연계된 사이즈제 및 각종 첨가제의 양면차도 함께 유발시키게 된다. 만약 양면성이 큰 종이를 도공 원지로 사용할 경우에는 와이어 쪽에는 미세분 뿐만 아니라 사이즈제의 비율이 크게 낮은 반면 Top side에는 강사이징된 미세분이 누적되어 내수성이 극히 높은 표면이 되기 때문에 도공시 양면간의 차이가 확연히 드러나게 될 것이다. 따라서 원료의 효율적인 활용, 백수계의 고형분 저하, 종이의 양면성 감소 및 와이어 상에서의 탈수성을 증가시키기 위해서 보류도가 향상되어야만 한다. 이밖에도 고충전지 제조, 백색도 증가 및 펠트 막힘을 억제하기 위해서도 보류도의 향상이 요구된다.

보류도를 향상시키는 가장 일반적인 방법에는 고해도를 높힌다든가, 평량을 증가시키는 방법 등이 있는데, 다평량을 생산하는 방식에서는 별다른 효과가 없다. 일반적으로 초지속도가 증가하게 되면 보류가 저하되나 최근에는 탈수장치의 이점을 대폭 개선하여 매우 균일한 석션(suction)과 탈수를 하기 때문에 초지속도가 높아도 보류를 양호하게 유지시킬 수 있다. 이외에 눈금이 큰 와이어를 사용한다면 일과보류도는 낮아지지만 백수의 순환율을 증가시켜 총보류도는 향상된다. 온도가 상승하면 보류가 향상되리라 생각되나 일반적으로 초지기를 35℃부터 50℃사이에서 조업을 하기 때문에 온도 상승에 의한 효과는 별로 없다. 따라서 보류도를 향상시키는 가장 효과적인 방법은 초지계를 콜로이드 화학적으로 관리하는 것이다. 이 때문에 고분자 응집제 등의 보류 향상제가 사용되는데 과다 첨가하게 되면 과도 응집을 일으켜 오히려 악영향을 미치기 때문에 초지 속도, 난류 조건 등 제반 작업 조건을 고려하여 적당한 양을 첨가시켜야 한다. 아울러 이들은 매우 복합적인 메카니즘을 통하여 보류 작용을 하는 것으로 알려져 있다.

일반적으로 보류란 단순히 헤드박스내의 지료 조성분이 지필에 잔류되어 제품화되는 정도라 할 수 있다. 지료 조성분은 와이어와 이 위에 형성되는 지층에 의한 기계적 여과 작용과 응집의 두가지 메커니즘에 의해서 보류된다. 장섬유는 섬유장이 와이어의 눈금보다 크기 때문에 기계적인 여과 작용에 의해서 보류된다. 하지만 미세분은 화학적인 처리에 의해서 이를 장섬유와 결합시키든가 혹은 서로 응집시켜 그 크기를 증가시키지 않으면 지필에 잔류시킬 수 없다. 즉, 미세분의 보류는 응집에 의존한다고 할 수 있다. 이러한 화학적인 처리에 의한 작용 기구는 응결(coagulation)과 응집(flocculation)으로 나눌 수 있다. 즉, 응결은 무기염류 및 저분자량의 고 이온성 폴리머의 첨가에 의해 입자가 집합하여 작은 덩어리를 형성하지만 난류에 대한 저항성이 약한 연플록(soft floc)을 형성한다. 응집은 주로 고분자 물질의 첨가에 의한 가교 결합에 의해 이루어지며 플록이 크고 느슨하지만 난류에 대한 저항성이 상당히 강하기 때문에 심한 난류조건 하에서도 보류를 유지할 수 있다. 그러나 지속적으로 난류조건이 계속되면 저항성이 점점 떨어져 연플록과 같은 상태가 된다.

간단하게 보류 기작은 여과, 흡착, 가교결합 및 패치 모델에 의한 것으로 설명할 수 있는데, 이를 아래 그림.1 도식화하였다. 여과(filtration)란 초지기에서 지료가 탈수될 때, 물의 여과작용 및 표면장력에 의하여 미세 섬유나 첨가제가 펄프 섬유의 망상 구조에 기계적으로 보류되어 정착되는 것을 말한다. 흡착(adsorption)은 표면전하가 관련된 것으로서 서로의 상반된 전하를 가진 표면간은 정전기적 인력에 의해, 서로 같은 전하를 가진 표면간에는 전기이중층에 의한 반발력과 반데르바알스 힘에 의한 인력에 의해 결합강도가 결정된다. 그러나 초지기의 난류조건하에서는 전단력의 작용으로 일단 흡착된 미세섬유나 첨가제가 이탈하기 쉽다. 따라서 흡착은 이온성 첨가제에 의해 지료의 제타전위를 변화시켜 조절할 수 있다. 가교결합(Bridging)은 고분자 물질에 의해 고체 입자간의 가교를 형성하는 것으로서 반드시 이온성 고분자에 의한 것만은 아니고 비이온성 고분자에 의해서도 일어난다. 고분자는 용액 중에 랜덤 코일(random coil)을 형성하며 이 크기는 전하 밀도에 따라 다르다. 전하 밀도가 크면 분자내 반발력이 커져 분자 사슬은 신장되며 코일의 회전 반경도 크게 된다. 고분자는 루프(loop)상 부분과 흡착 부분을 가지면서 표면에 흡착된다. 이 루프상 부분은 표면으로부터 외측으로 신장되지만 1개 루프의 길이는 흡착 자유에너지에 따른다. 즉, 흡착 자유에너지가 작으면 입자 표면과 결합한 부분이 작게 되어 큰 루프를 형성하게 된다. 긴 사슬의 고분자를 사용할수록 가교결합이 많이 일어나며 미 흡착된 고분자가 계면에 뻗어 있으면 전단력에 대한 저항성이 감소하기 쉽다. 패치 모델(patch model)은 표면에 고분자의 불연속 패치의 흡착으로부터 생긴 전하의 불균일 분포에 관련된다. 국한된 면적에서 전하의 감소가 있어 표면의 접근과 연속적인 결합이 쉽게 된다. 패치 모델의 응용확장은 가교효과와 관련된다. 양이온 패치는 불연속적인 면적에 음이온 고분자의 흡착에 대하여 결합점으로 작용한다. 지금까지 살펴본 이러한 보류 기구는 계내에서 개별적으로 일어나는 것이 아닌 동시 다발적으로 발생하는 것이다.

초지 공정의 효율적인 운전과 직결된 일과 보류도(one pass retention)의 향상을 위해 현재 다양한 보류시스템이 고안되어 활용되어 오고 있다. 여기에는 알람(Alum)과 같은 단순 전해질을 사용하는 방법, 고분자를 단독으로 사용하는 방법, 이온성이 서로 다른 고분자를 동시에 사용하는 방법, 미세 입자 시스템(microparticle system) 등이 있는데 여기에서는 당사에서 사용하는 보류 시스템을 간단하게 살펴보기로 한다. 당사에서 사용하는 보류 시스템은 미세입자 시스템(microparticle system)으로 양이온성 폴리 아크릴 아마이드(PAM)와 변성 벤토나이트를 첨가하는 하이드로콜 시스템(hydrocol system)을 사용한다. 이러한 방식은 영국의 Allied Colloid 사에서 개발한 것으로 양이온성 PAM과 변성 벤토나이드를 병용하는 방법이다. 첨가순서는 PAM을 먼저 첨가하고 고전단이 걸리는 시점 이후에 벤토나이트를 첨가한다. 보류원리는 먼저 PAM의 가교결합에 의하여 응집이 일어나며 응집된 플록(floc)은 팬펌프에서의 고전단력에 의해 양이온화된 미세 플록(micro-floc) 구조를 형성한다. 그 후 벤토나이트를 첨가하면 그림.1과 같이 미세플록 사이에 흡착된 가교결합으로 인하여 재응집이 일어난다. 또한 다공질 구조에 따른 결과로 탈수성도 향상되게 된다. 지합 또한 더욱 균일한 응집의 결과로 향상되게 된다.

[그림.1] 보류 기작



출처 : 나의 조폐 이야기
글쓴이 : 궁시렁 원글보기
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