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.122-129
ISSN: 0253-3200 (Print)
Print publication date 30 Oct 2021
Received 11 Oct 2021 Revised 26 Oct 2021 Accepted 27 Oct 2021
DOI: https://doi.org/10.7584/JKTAPPI.2021.10.53.5.122

SDS 첨가량이 폼포밍한 HwBKP 시트의 물성과 탈수도에 미치는 영향

박권희1 ; 남승호1 ; 이원규1 ; 김현호1 ; 이성규1 ; 조병욱2,
1강원대학교 산림환경과학대학 제지공학과, 학생
2강원대학교 산림환경과학대학 제지공학과, 교수
Effects of SDS Dosages on Properties of Foam-formed HwBKP Sheets and Drainage
Gwon-Hui Park1 ; Seung-Ho Nam1 ; Won-Guy Lee1 ; Hyeon-Ho Kim1 ; Sung-Gyu Lee1 ; Byoung-Uk Cho2,
1Department of Paper Science & Engineering, College of Forest and Environmental Sciences, Kangwon National University
2Department of Paper Science & Engineering, College of Forest and Environmental Sciences, Kangwon National University

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

Abstract

The effects of the added amount of sodium dodecyl sulfate, a surfactant, on the drainage rate on wire and the properties of foam-formed hardwood bleached kraft pulp sheet were evaluated to obtain the fundamental data for the development of foam-forming or foam-molding technology. It was discovered that when compared to the traditional papermaking method of water-based sheet manufacturing, the foam-forming technology can improve sheet bulk and formation while significantly reducing sheet strength. The highest bulk was obtained with a surfactant dose of 1 g/L. Formation improved with increasing dosage of surfactant. A surfactant dose of 1 g/L was sufficient to mostly lose the strength of the foam-formed sheet. Under conditions of high vacuum pressure above a certain value, foam-forming improved the drainage property of the wire section compared to the water-based forming, and the drainage was improved by increasing the added amount of surfactant. However, at low vacuum pressure, the drainage of foam-forming was poorer compared to the water-based forming, and the drainage was impaired by increasing the added amount of surfactant.

Keywords:

Foam foaming, sodium dodecyl sulfate (SDS), surfactant dosage, bulk, formation, drainage property

1. 서 론

물 대신에 액상 거품을 사용하는 폼포밍(foam-form-ing) 개념은 Radvan과 Gatward에 의해서 1972년에 도입되었다.1) 폼포밍에서는 액상 거품의 50-70% 정도가 공기로 구성되어 있어, 초지 시 물의 사용을 줄이고, 섬유 현탁액을 탈수 및 건조할 때 적은 에너지가 소비되고, 성형부에서의 탈수가 우수하여 성형부를 지난 지필의 건조도가 높다고 알려져 있다.2-4) 섬유 및 미세분 사이에 공기 방울들이 위치하여 섬유의 응집을 방해하고 섬유를 균일하게 분산시켜 상대적으로 지합이 우수한 종이를 생산할 수 있다는 장점이 있다고 보고되고 있다.1-6) 또한, 폼포밍 기술로는 물 기반으로 초지하는 전통 초지 방법으로 제조한 시트보다 다공성이고, 벌크가 높은 종이를 생산할 수 있다고 보고되었다. 폼포밍 기술은 다양한 섬유를 원료로 사용하여 부직포 같은 2차원 평면 구조를 가지는 시트 제조에 이용 가능할 뿐만 아니라,7) 펄프 몰드 제조 방법을 사용하여 3차원 구조를 가지는 다양한 형태의 구조체로 제조 가능하여, 완충포장재, 단열재 등의 플라스틱 소재를 대체하는 친환경 소재 제조에도 응용이 가능하다고 사료된다.8-11)

폼포밍 공정은 크게 펄프 섬유 등의 원료를 분산하는 공정, 계면활성제를 첨가하고 공기를 주입하여 섬유 거품을 발생시키는 공정, 형성된 섬유 거품 혼합물을 탈수, 건조시켜 제품을 성형하는 공정으로 나눌 수 있다. 원료로 사용되는 섬유의 종류 및 특성, 계면활성제의 종류 및 투입량, 형성된 섬유 거품의 특성, 초지 조건 등이 제조된 제품의 밀도 및 구조적, 강도적 특성에 영향을 미칠 것으로 사료된다.9,12,13)

본 연구에서는 대표적인 음이온성 계면활성제 중 하나인 SDS(sodium dodecyl sulfate)와 목재펄프인 HwBKP (hardwood bleached kraft pulp)를 사용하여 폼포밍 기술로 저밀도 시트를 제조하여 폼포밍 또는 폼몰딩(foam-molding) 기술 개발을 위한 기초 자료로 삼고자 하였다. 폼포밍 초지 기술과 계면활성제를 사용하지 않은 전통적인 물 기반 초지 기술을 비교하기 위하여, 계면활성제 첨가량이 공정과 시트 물성에 미치는 영향을 평가하였다. 또한, 계면활성제 첨가량 및 탈수 조건(진공압)이 변화하는 조건에서 폼포밍 기술과 물 기반 전통 초지 기술의 탈수성을 비교하였다.


2. 재료 및 방법

2.1 공시재료

HwBKP(eucalyptus, Brazil)를 국내 H사에서 분양받아 공시재료로 사용하였다. 섬유의 특성은 Table 1과 같다. 미세분 함량은 섬유장 분석기(Fiber tester, L&W, Sweden)를 사용하여 측정한 값으로, 사용한 섬유장 분석기는 길이 0.1 mm 이하의 미세 섬유를 미세분으로 간주하였다. 거품의 발포를 위한 계면활성제로는 음이온성 고분자인 SDS(도데실황산나트륨, sodium dodecyl sulfate, CH3(CH2)11SO4Na, Sigma-Aldrich, USA)를 사용하였고, SDS의 분자량은 288.38 g/mol이었다. SDS는 비누, 치약, 샴푸 등을 제작하는 데 원료로 많이 사용되는 계면활성제로, 가격이 싸다는 장점을 가지고 있고, 폼포밍에 관한 연구에 많이 이용되어져 왔다.4,7,10,12,13)

Properties of HwBKP

2.2 실험방법

2.2.1 지료조성 및 초지

HwBKP를 4% 농도에서 실험실용 해리기로 해리한 후, 물을 첨가하여 지료의 농도를 0.5%로 조절하였다. 펄프는 고해를 하지 않고 사용하였다. 평량 100 g/m2인 시트 한 장을 제조할 수 있는 양의 펄프 지료를 채취하여 지름 12 cm, 높이 30 cm의 아크릴 실린더에 넣었다. 일정한 양의 SDS를 첨가하고, 직경이 40 mm인 분산용 임펠러(dissolver impeller)를 사용하여 3,500-3,600 rpm의 교반속도로 15분간 교반하여 섬유 거품을 발생시켰다. 실험실용 사각 수초지기에 섬유 거품을 넣고, 중력 탈수에 의해서 수초지를 제조하였다. 70초간 탈수 후, 습윤지필이 금망에 얹힌 채로 기건시켰다.

2.2.2 발포성(foamability) 및 거품 안정성(stability) 평가

섬유 거품의 발포성은 이전 연구 방법14)에 기초하여 측정하였다. 지름 12 cm, 높이 30 cm의 아크릴 실린더에 0.5% 농도의 HwBKP 지료와 일정 첨가량의 SDS를 첨가하고, 분산용 임펠러를 3,500-3,600 rpm의 속도로 교반시켜 거품을 발생시켰다. SDS 첨가량은 1, 2, 3 g/L로 조절하였다. 교반 직후부터 1분마다 거품 높이를 측정하였고, Eq. 1에 의해서 거품 내 공기 함량을 계산하였다.

Air content of foam %=ht-h0×100ht[1] 

여기서 h0는 초기 거품 높이 (10 cm), htt분 교반 후 전체 거품 높이이다.

거품 안정성은 섬유 거품에서 배수되는 물의 높이(drained water level)를 측정하여 평가하였다. 섬유 거품의 발포성 실험 후에, 교반을 멈추면 거품을 형성하는 수막에서 물이 배수되어 실린더 아래에 모인다. 거품의 안정성이 우수할수록 섬유 거품 수막에서 배수되는 물의 양도 적을 것으로 판단된다. 교반을 멈춘 후에, 실린더 아랫부분에 형성된 물 층의 높이를 시간별로 기록하고 비교하였다.

2.2.3 표면장력 및 탁도 평가

계면활성제의 첨가량이 물의 표면장력에 미치는 영향은 표면장력측정기(surface tensiometer, BZY-203, CGOLDENWALL, China)를 사용하여 Wilhelmy Plate 방법으로 측정하였다. 수온은 23℃로 조정하였다. 계면활성제 첨가량 증가에 따른 미셀(micell)의 형성을 평가하기 위해서 탁도를 평가하였다. 탁도는 Turbidity meter (AL450T-IR, AQUA LYTIC, Germany)를 사용하여 평가하였다.

2.2.4 성형부 탈수도 평가

성형부에서의 탈수도는 WEPS(Wet End Process Simulator, SAMBO Scientific, Korea)를 사용하여 평가하였다. 평량 100 g/m2에 해당하는 양의 HwBKP 펄프를 사용하여 섬유 거품 발포성 시험 방법에 따라서 15분 동안 섬유 거품을 발생시켰다. 형성된 섬유 거품을 WEPS의 성형조(formation tank)에 붓고 진공을 가하여 탈수하였다. 진공압은 150, 200, 250, 350 mmHg를 각각 적용하였다. 진공 탈수 시작 후, 성형부 아랫부분의 잔여 진공압(residual vacuum) 변화를 측정하여 탈수도를 평가하였다. 진공 탈수 시작 8초 후의 잔여 진공압 값을 Final Air Permeability로 정의하여 탈수도를 비교하는 데 사용하였다. 또한 잔여 진공압 30 mmHg까지 탈수되는 데 걸리는 시간(탈수시간, drainge time)을 측정하여 탈수도를 평가하였다.

2.2.5 물성분석

제조된 시편들은 상대습도 50±2%, 온도 23±1℃의 항온항습실에서 24시간 이상 조습처리를 실시한 후 물성을 분석하였다. 조습처리된 종이는 Micrometer(Lorentzen & Wetter, Sweden)를 사용하여 두께(ISO 534)를 측정하였으며 지합지수(Formation index)는 Micro-Scanner (Optest Equipment Inc., Canada)를 사용하여 측정했다. 종이의 강도적 특성은 ISO 시험표준법에 의거하여 인장강도 및 인장에너지흡수(TEA)(ISO 1924-2), 파열강도(ISO 2758)와 인열강도(ISO 1974)를 측정하였다.


3. 결과 및 고찰

3.1 물의 표면장력과 탁도에 미치는 영향

Fig. 1은 계면활성제인 SDS의 첨가량이 물의 표면장력과 탁도 변화에 미치는 영향을 보여주고 있다. 계면활성제인 SDS의 임계미셀농도(critical micelle concentration, CMC)는 25℃, 대기압하에서 2.38 g/L로 보고되었다.15) SDS의 첨가량을 증가시킴에 따라 물의 표면장력은 SDS 첨가량 0.7 g/L까지 급격히 저하하다가, 이후에는 감소 정도가 둔화하였고, 2.0 g/L 근처에서 최소값을 보였다. 1.0 g/L 이후에는 표면장력 변화량이 크지 않은 것으로 관찰되었다. 물의 탁도는 SDS 첨가량 0.7 g/L 이전에는 큰 변화가 없다가 1.0 g/L 이후에 많이 증가하는 경향을 보였다. 탁도가 증가한 것은 물 표면이 계면활성제 분자들로 포화될 정도로 계면활성제가 투입되었고, 물 표면에 흡착되지 못한 계면활성제 분자들이 물속에서 소수성-소수성 상호작용 때문에 응집해 미셀을 형성하고, 형성된 SDS의 미셀 입자들이 빛을 산란했기 때문이다. SDS 첨가량 1 g/L 이후에 물의 표면장력에 큰 변화가 없어서, SDS 첨가량 1.0, 2.0, 3.0 g/L 조건에서 초지 실험을 수행하였다.

Fig. 1.

Effect of the surfactant concentration on the surface tension and the turbidity of water.

3.2 발포성 및 거품 안정성에 미치는 영향

Fig. 2는 SDS 첨가량이 시간에 따른 거품 내 공기 함량 변화 및 배수된 물의 높이 변화에 미치는 영향을 보여주고 있다. 교반 시간이 증가함에 따라 초기 1분에 거품의 높이는 급격히 증가하였고, 이후에는 증가 속도가 둔해졌다. 폼포밍의 효과를 제대로 발현시키기 위해서는 거품에 일정 부피 이상의 공기를 주입해 거품을 형성하여야 한다. 일반적으로 거품 내 공기 함량이 60-70%일 경우에 섬유 분산에 최적이라고 보고되었다.6) 세 가지 첨가량 조건 모두에서 교반 후 초기 1분에 거품 내 공기 함량이 59% 이상 도달하였다. 1분 이후에는 교반 시간을 증가시킴에 따라 거품 내 공기 함량이 조금씩 증가하였고, 교반 시간 5분 정도면 거의 안정상태에 도달하였다. 교반 시간 2분이면 모든 펄프 현탁액에서 폼포밍에 충분한 공기 함량인 60% 이상을 가지는 섬유 거품을 생성할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 2.

Effect of SDS dosages on the air content in foam (left) and the drained water level from fiber foam (right).

거품의 안정성이 우수할수록 거품의 수막에서 물의 배수 속도도 느리게 된다. SDS 첨가량을 1 g/L에서 2 g/L로 증가시켰을 때, 동일 시간에서 비교 시 배수된 물의 양이 감소하였다(Fig. 2). SDS 첨가량 3 g/L인 경우는 2 g/L와 거의 유사하였다. SDS 첨가량 2 g/L는 SDS의 임계미셀농도와 유사하여 거품안정성이 최대치에 도달한 것이 아닌가 사료된다.

3.3 성형부 탈수성에 미치는 영향

Fig. 3에 계면활성제 첨가량과 초기 진공압이 물 기반 초지 방법과 폼포밍 시 성형부에서 탈수 특성에 미치는 영향을 평가한 결과를 나타내었다. 초기 진공압이 동일한 경우에, 잔여 진공압 값이 크다는 것은 성형부 위의 습윤지필의 탈수가 느리다는 것을 의미한다. 초기 진공압이 150 mmHg로 낮은 경우에 폼포밍한 시트들의 잔여 진공압 값이 계면활성제를 사용하지 않은 경우보다 높게 나타났고, 계면활성제 첨가량이 증가함에 따라서 탈수 속도는 더욱 저하되는 것으로 나타났다(Figs. 3-A, E, F). 초기 진공압 200 mmHg에서는 탈수도의 차이가 줄어들었으나, 여전히 폼포밍을 하면 물 기반 초지보다 탈수가 느려지는 것으로 나타났다 (Figs. 3-B, E, F). 초기 진공압을 250 mmHg 이상으로 증가시키면 이 현상이 역전되어, 일반적으로 알려진 경우처럼 폼포밍할 경우에 물을 기반으로 초지하는 것보다 탈수가 향상되는 것으로 관찰되었다(Figs. 3-C~F). 결론적으로, 강한 진공압이 걸리는 초지기에서 폼포밍 기술을 사용할 경우에 탈수성이 향상되어, 에너지 사용 저감을 기대할 수 있다고 사료된다. 그러나, 중력 탈수에 의해 시트가 성형되는 실험실용 수초지기처럼 약한 진공압이 적용되는 경우에는 폼포밍 기술의 탈수 속도가 물 기반 초지 방법보다 탈수 속도가 느리다고 판단된다.

Fig. 3.

Effects of SDS dosages on drainage properties on wire. Residual vacuum variations with time at various initial vacuum pressures: (A) 150 mmHg, (B) 200 mmHg, (C) 250 mmHg, and (D) 350 mmHg, (E) Final air permeability (the residual vacuum after 8 sec) and (F) drainage time.

3.4 시트 물성에 미치는 영향

계면활성제의 첨가량에 따른 물 기반 초지한 시트와 폼포밍 시트의 벌크 및 지합 변화를 Fig. 4에 나타내었다. 계면활성제를 첨가하지 않고 수초한 HwBKP 시트의 벌크는 3.85 cm3/g으로 높았는데, 이는 HwBKP 펄프를 고해하지 않고, 수초지기에서 초지한 다음에 습윤 압착하지 않고 압력을 가하지 않은 상태에서 기건하였기 때문이다. SDS를 1.0 g/L 첨가하고 폼포밍한 경우에 벌크는 4.76 cm3/g로 23.5% 정도 증가하였다. 그러나, 계면활성제 첨가량을 2.0 g/L 이상으로 증가시켜도 벌크에는 큰 변화가 없었다. 이는 계면활성제 첨가량 1.0 g/L 이상에서 거품 내 공기 함량이 거의 유사하였기 때문으로 사료된다. 이 결과는 폼포밍 기술을 사용하여 저밀도를 가지는 시트 또는 몰드 제품을 제조할 수 있다는 가능성을 보여주고 있다.

Fig. 4.

Effect of the surfactant dosage on the bulk (left) and the formation index (right) of HwBKP sheet.

물을 기반으로 초지한 시트의 지합은 136.6 정도였고, 계면활성제를 1.0 g/L 첨가하여 폼포밍한 경우에 지합은 162.6으로 19.1% 정도 향상되었다(Fig. 4). SDS를 2.0 g/L 첨가하였을 때 173.5(27% 향상)로 가장 우수하였고, 3.0 g/L인 경우에는 170.4로 증가 정도가 둔화되었다. Jahan-giri8)는 폼포밍에서 기포들이 섬유 현탁액 내에서 섬유의 이동성을 감소시키고, 섬유 사이에 위치하여 섬유들 사이의 거리가 가까워져서 섬유가 응집하는 현상을 방해하여 시트의 지합을 향상시킬 수 있다고 보고하였다. 또한 이전 연구 결과에서 SDS 계면활성제 첨가량을 증가시킴에 따라서 HwBKP 섬유 기포의 평균 크기는 감소하였다고 보고하였다.14) 동일한 거품 내 공기 함량에서 기포 크기가 작아지면 기포의 수가 증가하고, 섬유 사이에 존재하는 기포들의 수가 증가하여 섬유의 분산을 향상시켰고, 시트의 지합에 영향을 미쳤다고 사료된다. 기포 내 공기 함량과 기포의 평균 크기가 폼포밍한 시트의 지합에 영향을 미쳤다고 판단된다. 폼포밍 기술을 사용하면 상대적으로 지합이 우수한 제품을 생산할 수 있어서, 장섬유를 사용하여 제품을 제조하거나, 고농도 초지 기술 개발에 응용될 수 있다고 사료된다.

Fig. 5는 물 기반 초지한 시트와 SDS 첨가량을 변화시켜 제조한 폼포밍 시트의 불투명도와 백색도에 미치는 영향을 보여주고 있다. 100 g/m2 정도의 높은 평량과 3.8 이상의 높은 벌크로 인하여 제조한 모든 시트의 불투명도는 97% 이상으로 높은 수준이었고, 초지 방법 및 계면활성제 첨가량이 불투명도에 미치는 뚜렷한 영향은 관찰되지 않았다. 백색도는 물 기반 초지한 경우에 76.0%에서 SDS 첨가량이 2.0 g/L인 경우에 81.9%로 7.8% 향상되었다. 이는 벌크 증가에 따른 폼포밍한 시트의 광산란계수 증가 때문으로 사료된다.

Fig. 5.

Effect of the surfactant dosage on the brightness (left) and the opacity (right) of HwBKP sheet.

Fig. 6은 계면활성제 첨가량이 시트의 강도적 성질에 보이는 영향을 보여주고 있다. 폼포밍 기술은 시트의 강도적 성질을 크게 저하시키는 것으로 나타났다. 물을 기반으로 초지한 시트의 인장지수는 15.4 Nm/g이었으나, 폼포밍한 경우에 급격히 감소하였다. SDS 첨가량이 1.0 g/L인 경우에 폼포밍한 시트의 인장지수는 0.47 Nm/g로 84.0%, SDS 첨가량이 2.0 g/L 인 경우에는 0.39 Nm/g로 87.9% 저하하였다. 인장에너지 흡수지수(TEA index)는 SDS를 1.0 g/L 첨가하여 폼포밍함에 따라 159.4 mJ/g에서 12.09 mJ/g로 92.4% 감소하였다. 파열강도와 인열강도도 폼포밍하면 급격히 감소하여 실험조건에서 각각 최대 93.0%, 79.3% 감소하였다. 섬유 표면에 흡착한 기포들과 계면활성제 분자들이 섬유 간 결합을 방해하여 섬유 결합의 저하로 강도가 감소하였다고 판단된다. 폼포밍 또는 폼몰딩 기술을 사용하여 제품을 개발하기 위해서는 폼포밍한 제품들의 벌크는 유지하면서 강도를 향상시킬 수 있는 기술 개발이 필요하다고 사료된다.

Fig. 6.

Effect of the surfactant dosage on (left) the tensile index and the TEA index, and (right) the bursting index and tear index of HwBKP sheet.


4. 결 론

계면활성제인 SDS의 첨가량이 폼포밍한 탈수도 및 HwBKP 시트의 물성에 미치는 영향을 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

  • 1) 물을 기반으로 초지하는 전통적인 초지 방법에 비해서 거품을 기반으로 초지하는 폼포밍은 시트의 벌크과 지합을 향상시켰으나, 모든 강도를 크게 저하시켰다. 폼포밍 또는 폼몰딩 제품을 개발하기 위해서는 벌크를 유지하면서 강도를 향상시키는 기술에 대한 연구가 필요하다고 사료된다.
  • 2) 벌크는 계면활성제 첨가량 1 g/L에서 최고치를 보였고, 지합은 계면활성제 첨가량을 증가시킴에 따라 향상되는 것으로 나타났다. 시트의 강도적 성질은 계면활성제를 1 g/L 첨가함에 따라 급격히 저하하였고, 그 이상의 첨가량에서는 미세하게 감소하는 경향을 보였다.
  • 3) 탈수 시, 진공압이 높은 경우에는 일반적으로 알려진 대로 폼포밍이 전통적인 물 기반 초지 방법보다 탈수 속도가 우수하였고, 계면활성제 첨가량을 증가시키면 탈수 속도는 향상되었다. 그러나, 진공압이 낮은 경우에 폼포밍의 탈수도는 물 기반 초지 방법보다 불량하였고, 계면활성제 첨가량이 증가함에 따라서 탈수 속도는 저하되는 것으로 나타났다.

Acknowledgments

본 연구는 산림청(한국임업진흥원) 산림과학기술 연구 개발사업(2019151D10-2123-0301)의 지원에 의하여 이루어진 것입니다.

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Fig. 1.

Fig. 1.
Effect of the surfactant concentration on the surface tension and the turbidity of water.

Fig. 2.

Fig. 2.
Effect of SDS dosages on the air content in foam (left) and the drained water level from fiber foam (right).

Fig. 3.

Fig. 3.
Effects of SDS dosages on drainage properties on wire. Residual vacuum variations with time at various initial vacuum pressures: (A) 150 mmHg, (B) 200 mmHg, (C) 250 mmHg, and (D) 350 mmHg, (E) Final air permeability (the residual vacuum after 8 sec) and (F) drainage time.

Fig. 4.

Fig. 4.
Effect of the surfactant dosage on the bulk (left) and the formation index (right) of HwBKP sheet.

Fig. 5.

Fig. 5.
Effect of the surfactant dosage on the brightness (left) and the opacity (right) of HwBKP sheet.

Fig. 6.

Fig. 6.
Effect of the surfactant dosage on (left) the tensile index and the TEA index, and (right) the bursting index and tear index of HwBKP sheet.

Table 1.

Properties of HwBKP

Category Values
Average fiber length* (mm)  0.79
Average fiber width (μm) 16.5
Coarseness (μg/m) 43.9
Fines content (%) 16.1