Korea Technical Association of The Pulp and Paper Industry
[ Article ]
Journal of Korea Technical Association of the Pulp and Paper Industry - Vol. 53, No. 5, pp.115-121
ISSN: 0253-3200 (Print)
Print publication date 30 Oct 2021
Received 06 Oct 2021 Revised 25 Oct 2021 Accepted 26 Oct 2021
DOI: https://doi.org/10.7584/JKTAPPI.2021.10.53.5.115

고속 도공에 의한 잉크젯 용지 제조에 관한 기본 연구(제2보) : 바인더의 배합 조성이 잉크젯 코팅액의 유변특성에 미치는 영향

김선구1 ; 이용규2,
1강원대학교 산림환경과학대학 제지공학과, 학생
2강원대학교 산림환경과학대학 제지공학과, 교수
Basic Study on Manufacturing of Inkjet Paper by High-Speed Coating (II) : Effects of Binder Composition on Rheological Property of Inkjet Coating Colors
Sun-Goo Kim1 ; Yong-Kyu Lee2,
1Department of Paper Science & Engineering, College of Forest & Environmental Sciences, Kangwon National University
2Department of Paper Science & Engineering, College of Forest & Environmental Sciences, Kangwon National University

Correspondence to: E-mail: yklee@kangwon.ac.kr (Address: Department of Paper Science & Engineering, College of Forest & Environmental Sciences, National University Chuncheon 24341, Republic of Korea)

Abstract

To investigate the change in coating-color characteristics upon blending water-soluble polymer [PVA(OH)] and emulsion binder (VAE), a VAE emulsion binder and two types of PVA(OH) with different molecular weights were used to design the blending composition. Then, the characteristics of the resulting coating colors were analyzed. In the case of the coating color using PVA, the smaller the molecular weight, the higher the elasticity. In both types of PVA having different polymerization degrees, the viscoelastic properties tended to increase as the blending ratio of the VAE emulsion increased. The high shear viscosity of the coating color decreased with an increase in the blending ratio of the VAE emulsion. The coating color using low-molecular-weight PVA exhibited low viscosity. The VAE emulsion binder has a lower high shear viscosity compared with PVA(OH) with a linear structure; hence, it has excellent runnability in terms of preparing coating colors.

Keywords:

Ink-jet paper, VAE emulsion, PVA(OH), rheology, fluidity, elastic prperty

1. 서 론

전 세계적으로 인쇄용지 수요가 줄고 있지만, 고속 인쇄에 의한 잉크제트 용지의 수요는 점점 증가하고 있다.1) 이러한 경향은 온디멘드 인쇄의 잠재수요에 의한 것이고, 인쇄물의 재고를 줄이고 개인의 요구(필요성)에 따라 맞춤형 콘텐츠를 제공함으로써 가능하게 되었다.2) 선전광고를 개인에게 제공되는 메일에 편입시키는 수법 등의 개발도 잉크 제트용지 소비시장의 성장을 이끌고 있다.3)

한편, 일반 오프셋용 인쇄용지와 비교해 잉크제트용 배합 조성에 포함되는 안료인 실리카의 경우, 점도가 높아 고속 도공에 적합하지 않은 단점이 있다.4) 잉크제트용 코팅액의 안료 배합조성을 달리하여 기존의 잉크제트용 코팅액보다 고형분 농도와 유변 특성 개선의 측면에서 이점을 가져올 수 있고, 코팅 작업성의 개선을 통한 원가절감 등을 기대할 수 있다.5,6) 한편, 개선된 작업성의 확보는 일정한 범위 내에서 코팅액의 배합 조성을 다양하게 변형하는 것이 가능하고, 이를 통해 보다 저렴한 재료 또는 작업성을 다소 저해하지만, 인쇄품질 개선에 효과적인 재료 등을 다양하고 효과적으로 적용함으로써 잉크제트 용지의 등급에 따라 다양한 코팅층의 설계가 가능할 것으로 기대된다.4-12)

환경문제의 중요성이 강조되기 시작한 이래, 기후변화협약을 통한 온실가스 감축과 플라스틱 제품의 규제 등과 같은 환경을 보호하기 위한 실질적인 노력이 이루어지고 있다.8,13) 폴리머 코팅지의 경우, 미국과 서유럽, 일본 등과 같은 선진국을 중심으로 폐기·재활용 기술이 적용될 수 있는 환경친화적인 대체 소재의 개발에 많은 인력이 투입되고 있으며 나노소재, 바이오 또는 수용성 바인더를 활용하는 기술에도 많은 관심이 모아지고 있다. PVA(OH)는 전분 등과 함께 제지용 바인더로서 오랫동안 사용됐으나 사용되는 폴리머의 중합도에 따라 코팅액의 점도가 크게 영향을 받기 때문에 공정을 제어하기 어렵고 작업성의 문제로 인해 그 사용이 제한되고 있다.14-17) 하지만 전분에 비해 코팅층의 강도 개선과 기능성 부여 측면에서 다양한 이점을 제공할 수 있어서 그 사용 범위가 증가하고 있다.11)

한편, VAE 에멀션 바인더는 셰일가스에서 얻어지는 단량체를 원료로 이용하고 있어 석유계의 합성 라텍스 바인더에 비해 인체에 대한 유해성이 상대적으로 적고 PVA(OH)와 유사한 화학구조를 지니기 때문에 PVA (OH)와 함께 이용함으로써 기능성 부여와 작업성 개선 등을 목적으로 그 적용 가능성을 보여주고 있다.9-13)

따라서 본 연구에서는 수용성 고분자(PVA(OH))와 에멀션 바인더(VAE)의 혼용 시 코팅액의 특성 변화를 이해하고 배합 조성의 설계에 관련된 영향인자를 살펴보기 위한 목적으로 분자량이 각기 다른 2종류의 PVA(OH)와 VAE 에멀션 바인더를 이용하여 배합 조성을 설계하고 제조된 코팅액의 유변 특성을 분석함으로써 고속 도공용 잉크젯 용지 제조와 배합 조성 설계에 관련하여 기초연구를 수행하였다.


2. 재료 및 방법

2.1 공시재료

2.1.1 안료

본 연구에서는 Table 1와 같은 silica를 안료(pigment)로 사용하였다.

Properties of the pigment

2.1.2 바인더

본 연구에서 합성 바인더와 수용성 바인더를 각각 또는 혼용하여 배합 조성에 이용하였다. 합성 바인더로는 1종류의 VAE 에멀션 바인더를 이용하였으며 수용성 바인더로는 중합도가 각기 다른 2종류의 PVA(OH)를 이용하였다. 각각의 물성은 Table 2Table 3에 나타내었다.

Properties of the VAE synthetic binder

Properties of the two kinds of PVA water-soluble binders

2.1.3 기타 첨가제

본 연구에서는 기타 첨가제로 분산제(WY-117, Jeong Won Chemical Co., Ltd., Korea)를 이용하였다.

2.2 실험방법

2.2.1 코팅액 제조

수용성 바인더인 PVA(OH)와 VAE 에멀션 바인더의 혼용에 따른 영향을 검토하고자 20 parts 범위에서 분자량이 다른 2종의 PVA(OH)에 VAE 에멀션 바인더의 배합비를 각각 변화시켜 Table 4Table 5에 나타낸 바와 같이 코팅액을 제조하였다. 안료는 silica 100 parts, 분산제의 첨가량은 0.3 parts로 고정하였고 코팅액의 고형분 농도는 w/w 15%가 되도록 배합 조성을 설계하였다.

Formulations of the coating colors (I)(Unit: pph)

Formulations of the coating colors (II)(Unit: pph)

2.2.2 코팅액의 물성

코팅액의 유변특성을 비교하기 위해 레오 메타(TA Instrument Co., Ltd., USA)를 이용하였고다. 레올로지 특성의 평가는 점탄성 측정(viscoelastic property)을 실시하였다. 점탄성 측정은 변형률 1%에서 주파수 0.1-100(rad/s)의 범위에서 주파수 의존성을 측정하였다. 또한 모세관 타입의 high shear viscometer (AX-100, ACA systems Oy, Finland)를 이용하여 도공액의 고전단 점도를 측정하였다. 코팅액 분산계의 상호작용을 확인해 보기 위해 코팅액의 고형분 농도를 1%로 희석하고 제타 전위 측정기(Zeta sizer, Malvern pananlytical Ltd, UK)로 zeta potential을 측정하였다.


3. 결과 및 고찰

3.1 코팅액의 점탄성 거동과 제타 전위

분자량이 다른 2종류의 PVA(OH)와 VAE 에멀션 바인더를 이용하여 Tables 4, 5의 배합으로 제조한 도공액 #1, #A의 저장탄성률과 손실탄성률의 측정 결과를 각각 Figs. 1, 2에 나타내었다. 저장탄성률은 탄성에 의해 손실 없이 저장되는 에너지를 의미하고, 손실탄성률은 점성에 의해 손실되는 에너지를 의미한다. Figs. 1, 2의 G’, G’’ 결과 모두 증가하는 경향을 보였다. 하지만 분자량이 더 작은 PVA-A을 사용한 경우 저장탄성률 G’보다 손실탄성률 G’’의 값이 더 크게 나타났다. 반대로 분자량이 보다 큰 PVA-B의 경우 G’의 값이 더 큰 것을 알 수 있었다. 이는 분자량이 큰 PVA-B를 사용한 도공액의 경우, 분자량이 작은 PVA-A를 사용한 경우보다 탄성적인 성질을 갖는 결과를 보였다.

Fig. 1.

Viscoelastic property of the coating colors formulation #1.

Fig. 2.

Viscoelastic property of the coating colors formulation #A.

PVA(OH)와 VAE 에멀션 바인더의 혼합비율을 다르게 하여 제조된 코팅액의 점탄성 특성을 측정한 결과를 각각 Figs. 3, 4에 나타내었다. 분자량에 관계없이 합성 바인더인 VAE 에멀션의 배합비가 증가할수록 전 주파수 영역에 걸쳐 탄성적 성질이 우수해지는 결과를 나타내었다. 사용된 합성 바인더인 VAE 에멀션 바인더가 선형인 PVA보다 구형이고 상대적으로 바인더 자체의 탄성적인 성질이 우수한 것이 주된 영향인자로 생각된다. 또한 이를 통해 코팅액 내 안료와 바인더 간의 패킹구조가 서로 다른 형태를 갖게 되며 바인더 배합 조성에 따라 각각 다른 점탄성 거동을 나타내는 것을 알 수 있었다.

Fig. 3.

Viscoelastic property of the five kinds of coating colors with PVA-A.

Fig. 4.

Viscoelastic property of the five kinds of coating colors with PVA-B.

코팅액 내 분산계의 상호작용을 확인해 보고자 제타 포텐셜을 측정한 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 분자량이 높은 PVA-B를 사용한 코팅액(Table 5)이 PVA-A에 의해 제조된 코팅액(Table 4)보다 동일 배합 조성에서 코팅액의 제타 전위가 더 낮은 결과를 나타내었고 분자량에 관계 없이 VAE 에멀션의 배합 비율이 증가함에 따라 코팅액의 제타 전위는 낮아지는 경향을 보였다. PVA의 중량비는 동일하지만 중합도가 낮은 PVA-A의 경우는 단위 체적당 폴리머쇄의 개수가 PVA-B의 경우보다 3배 정도 많아 안료와 안료 간을 연결하는 흡착점의 차이가 이와 같은 결과를 나타낸 것으로 생각된다. 물에 분산된 형태인 VAE 에멀션 바인더와 폴리머 수용액인 PVA(OH)는 구조적인 차이와 화학적 차이로 인해 실리카와 혼합된 상태에서 안료와 바인더 간에 서로 다른 상호작용기구를 형성하며 바인더의 배합 비율에 따라 분산계 내에서 다른 특성을 나타내는 것으로 사료된다.

Fig. 5.

Zeta potential of the ten kinds of coating colors.

3.2 코팅액의 고전단 점도

분자량이 상대적으로 작은 PVA-A와 VAE의 배합 조성으로 제조한 도공액의 고전단 점도 결과를 Fig. 6에 나타내었고, 분자량이 상대적으로 큰 PVA-B와 VAE의 배합 조성으로 제조한 도공액의 고전단 점도 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 분자량이 높은 PVA-B를 사용한 코팅액의 배합 조성이 PVA-A에 의해 제조된 코팅액보다 동일 배합 조성에서 도공액의 점도가 높은 결과를 나타내었다. 분자량이 다른 두 종의 PVA 모두 VAE 에멀션의 배합 비율이 증가함에 따라 도공액의 점도는 감소하는 경향을 보였다.

Fig. 6.

High shear viscosity of the five kinds of coating colors with PVA-A.

Fig. 7.

High shear viscosity of the five kinds of coating colors with PVA-B.

배합 조성에서 PVA의 중량비는 PVA-A와 PVA-B 모두 동일하지만 중합도가 낮은 PVA-A의 경우는 단위 체적당 폴리머쇄의 개수가 PVA-B의 경우보다 3배 정도 많아 안료와 안료 간을 연결하는 흡착점이 더 많이 존재할 수 있으므로 PVA-B를 사용한 배합보다 탄성적인 성질을 보일 수 있지만 쉽게 파괴되는 연응집 구조를 갖는 것으로 생각된다.3)

반면에 PVA-B의 경우는 단위 체적당 폴리머쇄의 개수가 PVA-A의 경우보다 약 1/3 정도로 적고 안료와 안료 간을 연결하는 흡착점이 상대적으로 적을 수 있지만 분자쇄가 길어서 다수의 안료와 안료가 연결된 가교 형태의 응집구조를 형성해서 쉽게 파괴되지 않는 구조를 갖는 것으로 사료된다.5) 이런 차이로 고전단 점도의 결과를 살펴보면 배합 1, 2와 달리 배합 A, B는 전단 속도가 증가할수록 점도가 증가하는 전단 속도 점조화 유동을 나타내는 것을 알 수 있었다. VAE 에멀션 바인더와 폴리머 수용액인 PVA(OH)는 구조적인 차이로 인해 실리카와 혼합된 상태에서 다른 유동 거동을 보이는 것으로 사료된다. 수용성 고분자가 수 분산계에서 보이는 유동 특성과 표면전하를 지니고 있는 콜로이드 입자인 에멀션 바인더의 유동 특성이 배합비에 따라 코팅액 내에서 상이한 상호작용기구를 형성하며 바인더의 배합 비율에 따라 전단 속도의 증가에 따른 내부응력 발생에도 다른 결과를 나타내는 것으로 생각된다.12,18-20)


4. 결 론

본 연구에서는 잉크제트 용지 제조 시 주로 사용되는 수용성 바인더인 PVA(OH)와 VAE 에멀션 바인더의 혼용 시 코팅액의 특성 변화를 이해하고 배합 조성의 설계에 관련된 영향인자를 살펴보기 위한 목적으로 분자량이 각기 다른 2종류의 PVA(OH)와 VAE 에멀션 바인더를 이용하여 배합 조성을 설계하고 제조된 코팅액의 유변 특성을 분석하였고 다음과 같은 결과를 얻었다.

  • 1) 분자량이 큰 PVA-B를 사용한 코팅액의 경우, 분자량이 작은 PVA-A를 사용한 경우보다 탄성적인 성질을 갖는 결과를 보였다. 그리고 중합도가 각기 다른 두 종류의 PVA를 배합한 배합비 모두 VAE 에멀션 배합비가 증가할수록 점탄성적인 성질이 증가하는 경향을 나타내었다.
  • 2) 바인더 조성으로 PVA(OH)와 VAE 에멀션 바인더를 혼용한 경우 VAE 에멀션의 배합비가 증가할수록 코팅액의 고전단 점도는 감소하였다. PVA(OH)와 VAE 에멀션 바인더의 배합 비율이 일정할 경우는 수용성 바인더로서 분자량이 작은 PVA-A를 이용한 도공액이 낮은 점도를 나타내었다. 이는 선형구조를 갖는 PVA(OH)보다 에멀션 형태의 VAE 바인더가 코팅액 제조 시 고전단 점도가 낮고 작업성이 유리한 이점을 나타내는 것으로 판단된다.
  • 3) 분자량이 작은 PVA-A가 첨가된 배합 조성의 경우, 안료와 안료 간을 연결하는 흡착점이 많이 존재하여 탄성적인 성질을 보일 수 있지만, 외력에 쉽게 파괴되는 연응집 구조를 갖는 것으로 사료된다.
  • 4) 반면에 큰 분자량인 PVA-B의 경우는 분자쇄가 길기 때문에 다수의 안료와 안료가 연결된 가교 형태의 응집구조를 형성해서 쉽게 파괴되지 않는 구조를 갖는 것으로 생각된다. 특히, 배합 A, B는 고전단 영역에서 전단 속도 점조화 유동을 나타내었다.

수용성 바인더(PVA(OH))와 에멀션 바인더(VAE)의 혼용이 코팅액의 유변 특성에 미치는 영향에 대해 살펴보았으며 고전단 영역에서의 유동성 개선 측면에서 에멀션 바인더(VAE)의 사용 비율을 높게 하는 것이 유리할 것으로 생각되지만 유변 특성에서 바인더의 종류와 배합 비율에 따라 각기 다른 상호작용을 나타내었다. 유동성 개선 측면에서 에멀션 바인더(VAE)와 수용성 고분자의 혼용과 관련하여 바인더의 특성 및 안료의 종류와 형태에 따른 유변 특성과 관련한 세부적인 검토가 필요한 것으로 생각된다.

Acknowledgments

본 연구는 2020년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업(No. NRF-2020R1I1A3A04037788)을 밝힙니다. 캐필러리형 고전단 점도계의 사용이 가능하도록 도움을 주신 삼보과학(주) 김원경 대표님께 깊은 감사의 말씀을 드립니다.

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Fig. 1.

Fig. 1.
Viscoelastic property of the coating colors formulation #1.

Fig. 2.

Fig. 2.
Viscoelastic property of the coating colors formulation #A.

Fig. 3.

Fig. 3.
Viscoelastic property of the five kinds of coating colors with PVA-A.

Fig. 4.

Fig. 4.
Viscoelastic property of the five kinds of coating colors with PVA-B.

Fig. 5.

Fig. 5.
Zeta potential of the ten kinds of coating colors.

Fig. 6.

Fig. 6.
High shear viscosity of the five kinds of coating colors with PVA-A.

Fig. 7.

Fig. 7.
High shear viscosity of the five kinds of coating colors with PVA-B.

Table 1.

Properties of the pigment

Particle size (μm) Oil Abs.
(mL/100 g)
Surface ares
(m2/g)
Pore volume (mL/g)
*Silica: Gel type silica
Silica* 3.5 300 310 1.6

Table 2.

Properties of the VAE synthetic binder

Particle size (nm) Viscosity (mPa·s)*** Tg (℃) pH
**VAE: vinyl acetate-ethylene(VAE) emulsion binder, ***Viscosity (mPa·s): tested by w/w 50% emulsion
VAE** 170 474 8.1 7.5

Table 3.

Properties of the two kinds of PVA water-soluble binders

Molecular weight (Mw) Degree of saponification (mol)
PVA-A 22,000 86-88
PVA-B 66,000 88-89

Table 4.

Formulations of the coating colors (I)(Unit: pph)

#1 #2 #3 #4 #5/E
Pigments Silica 100
Binders PVA-A 20 15 10 5 -
VAE - 5 10 15 20
Dispersant 0.3
Total solids content (w/w %) 15

Table 5.

Formulations of the coating colors (II)(Unit: pph)

#A #B #C #D #5/E
Pigments Silica 100
Binders PVA-B 20 15 10 5 -
VAE - 5 10 15 20
Dispersant 0.3
Total solids content (w/w %) 15