Current Issue

Journal of Korea Technical Association of the Pulp and Paper Industry - Vol. 52 , No. 3

[ Article ]
Journal of Korea Technical Association of the Pulp and Paper Industry - Vol. 51, No. 6, pp.22-29
Abbreviation: J. Korea TAPPI
ISSN: 0253-3200 (Print)
Print publication date 30 Dec 2019
Received 11 Oct 2019 Revised 31 Oct 2019 Accepted 04 Nov 2019
DOI: https://doi.org/10.7584/JKTAPPI.2019.12.51.6.22

Sw-BKP, Hw-BKP의 배합비와 고해 시간에 따른 수초지 지합 및 거칠음도 분석
김희원1 ; 오윤택1 ; 박종수2 ; 김형진3 ; 박종문1,
1충북대학교 임산공학과
2충북대학교 목재종이과학과
3국민대학교 과학기술대학 임산생명공학과

Analysis of Handsheets Formation and Roughness according to the Mixing Ratio and Beating Time of Sw-BKP and Hw-BKP
Hee-Won Kim1 ; Yoon-Taek Oh1 ; Jong-Su Park2 ; Hyung-Jin Kim3 ; Jong-Moon Park1,
1Department of Forest Products and Engineering, Chungbuk National University, Cheongju, Chungbuk, 28644, Republic of Korea
2Department of Wood and Paper Science, Chungbuk National University, Cheongju, Chungbuk, 28644, Republic of Korea
3Department of Forest Products & Biotechnology, College of Science and Technology, Kookmin University, Seoul, 02707, Republic of Korea
Correspondence to : E-mail: jmpark@cbu.ac.kr

Funding Information ▼

Abstract

Formation and the surface roughness of paper are important factors to determine the quality of the paper. Formation is determined by an extent of the fiber distribution non-uniformity. which decides three-dimensional structure of paper. If paper has poorly formation, there is a wide change in local basis weight, thickness and physical and chemical properties due to the non-uniformity of fiber distribution and bonding. Formation also affects strength, opacity and printability of paper. The surface roughness of the paper indicates the degree of height deviation in thickness direction. The stylus can be used to measure the profile of the paper surface height directly. The surface roughness SMD (mean absolute deviation from the height average, MAD) and the fractal dimension value (FD value) could be obtained by analyzing the thickness profile of paper. The formation was poor as the softwood pulp ratio increased and the beating time increased. Floc frequency of 1-16 mm size of 100% Sw-BKP handsheet was higher than that of 100% Hw-BKP handsheet. SMD obtained from the height of the paper thickness had a high correlation with the formation. However, FD value of analyzing the profile of thickness height had a low correlation with the formation.


Keywords: Formation, surface roughness, stylus profiling, fractal dimension value, handsheet

1. 서 론

종이는 섬유와 물의 현탁액을 일정한 mesh의 망으로 걸러 성형 초지한 판상 제품으로 3차원의 구조를 가진다. 종이의 지합(formation)은 종이 품질을 결정하는 중요한 요인 중 하나이다. 종이를 구성하는 섬유가 균일하게 분포하게 되면 이상적이지만, 현탁액 내의 섬유의 거동과 탈수 과정 및 제조 과정 등에서 섬유는 불균일하게 분포한다. Svedberg 등1)은 종이의 균일한 지합은 섬유 응집, 포밍 섹션에서의 섬유 전단 조건과 화학 첨가제의 추가에 따라서 달라진다고 했다. 섬유 분포의 불균일성은 지합으로 평가할 수 있다. 지합이 불량한 종이는 국부적인 평량과 두께의 변화를 가지기 때문에 섬유의 불균일한 결합으로 물리적, 화학적 성질이 다르다. 불량한 지합을 가지는 종이는 강도, 불투명도, 인쇄적성 등 다양한 종이 특성에 부정적인 영향을 끼친다.2-5)

종이의 표면 거칠음도(surface roughness)는 표면 높낮이의 미세한 분포의 정도를 나타낸다. 종이 표면의 분포에 영향을 줄 수 있는 여러 영향인자에 의해 표면 거칠음도가 결정된다. Kajanto 등6)은 초지 과정에서 형성되는 길이 1,000-100 μm의 매크로 거칠기(macro roughness), 종이 표면 섬유의 배향성과 섬유 분포의 균일성에 따른 100-1 μm의 마이크로 거칠기(micro roughness), 안료 입자와 섬유 표면 특성에 영향을 받는 1 μm 미만의 서브 마이크로 거칠기(sub-micro roughness) 3가지로 분류할 수 있다고 했다. 탐침(stylus)을 사용한 거칠음도 측정 방식은 탐침을 직접 종이 표면에 접촉시켜 산(peak)과 골(valley)의 직접적인 표면 높이 프로파일을 얻을 수 있으며, 규정된 측정 거리 내에서 데이터 추출 개수를 조절하여 탐침의 분해능(resolution)을 조정할 수 있다. 추출한 높이 프로파일로 표면 거칠음도의 정도와 표면 거칠음도 변이의 특성을 분석할 수 있다. 이 외에 간접적인 방식으로 공기 누출 방식과 이미지를 이용하는 방식이 존재한다. 표면 거칠음도의 간접 측정 방식은 공기 혹은 빛을 이용하여 측정하므로 샘플 간 상대적인 거칠음도 비교는 가능하지만, 후 가공 처리 후 최종 제품의 품질 예측, 객관적인 거칠음도 평가는 어려움을 가진다. 탐침을 사용한 방식의 경우 미세한 탐침을 사용하므로 자세한 분석이 가능한 장점이 있지만, 적절한 적용하중을 설정하지 않으면 정확한 표면 프로파일 추출에 어려움을 가진다.

고해를 진행함에 따라 강도, 지합과 거칠음도의 변화를 연구한 결과들이 많이 있지만, 탐침을 이용한 지합과 거칠음도의 관계를 분석한 결과는 매우 부족하다. 따라서 본 연구는 Sw-BKP(softwood bleached kraft pulp)와 Hw-BKP(hardwood bleached kraft pulp)의 배합비를 변화시켜 수초지를 제조하였다. 펄프 배합비와 섬유 고해도에 따른 섬유 특성 변화로 인한 지합 특성과 이로 인한 표면 거칠음도 변화의 상관관계 및 탐침의 분해능에 따른 SMD(mean absolute deviation from the height average, MAD), 프랙탈 차원 값(fractal dimension value, FD value)을 분석하고자 한다.


2. 재료 및 방법
2.1 공시 재료
2.1.1 펄프 및 수초지 제조

국내 S사에서 분양받은 Sw-BKP, Hw-BKP를 해리 후 실험실용 Vally beater를 이용해 각각 0, 30, 60분 분리 고해하였다. 섬유분석기(Lorentzen & Wettre, Sweden)를 이용해 섬유장, 섬유폭, 지료 내 미세분 함량을 측정하였으며 결과는 Table 1과 같았다.

Table 1. 
Fiber properties depending on the beating time
Pulp Beating time (min.) Freeness (mL C.S.F.) Fiber length (mm) Fiber width (μm) Fines (%)
Sw-BKP 0 730 2.130 27.4 9.5
30 510 1.573 28.7 17.1
60 210 1.119 29.0 24.2
Hw-BKP 0 630 0.759 17.4 11.3
30 380 0.717 18.5 15.5
60 200 0.672 19.3 19.9

고해 시간을 동일하게 처리한 Sw-BKP와 Hw-BKP를 Table 2의 배합비로 실험실용 사각 수초지기를 사용하여 평량 80 g/m2으로 초지하였다. 초지 과정에서 시트의 와이어 면을 프레스 후 드럼 드라이어의 펠트에 닿게 건조시켜, 수초지기 와이어 표면과 드럼 드라이어의 펠트 표면으로 인한 수초지의 표면 거칠음도 변화를 방지하였다.

Table 2. 
Mixing ratio of pulp
Mixing ratio (%)
Sw-BKP 0 50 100
Hw-BKP 100 50 0
* The beating time of Sw-BKP and Hw-BKP are same.

2.2 실험 방법
2.2.1 수초지 지합 측정

지합측정기(TechPAP, France)로 수초지의 지합을 측정하였다. 광투과법 방식으로 12×12 mm 종이 내에서 섬유 다발인 플록(floc)을 484픽셀×484픽셀 크기를 가지는 이미지의 평균 밝기를 기준으로 상대적인 농담의 차이로 분석하는 원리를 이용한다. 플록을 크기별로 분류 후 평균 밝기 차이, 개수를 분석하여 LT라는 지합지수로 나타낸다. LT 값이 높을수록 섬유분포가 불균일하여 불량한 지합을 나타낸다.

2.2.2 수초지 거칠음도 측정

와이어 표면과 드럼 드라이어의 펠트 표면에 닿지 않은 수초지의 표면을 KES tester(KES-SE-SR Surface Tester, Kato Tech, Japan)로 분석하여 수초지 표면의 산과 골의 높이 프로파일을 추출하였다. 측정 조건은 접촉 반지름 83.1 μm의 원뿔형 팁을 사용하였고, 민감도 high, 적용 하중 5 gf, 측정 거리 20 mm, 측정 속도 1.0 mm/s이다.7) KES tester에 장착된 data logger의 초당 데이터 수집 개수를 1,000개와 10,000개로 설정하고, 각 조건에서의 탐침 분해능을 10 μm, 1 μm으로 조절하였다. 기계 초지와 다르게 수초지는 섬유 배향성의 영향으로 인한 MD(machine direction), CD(cross direction)가 없으므로 Fig. 1과 같이 탐침의 이동경로를 조절하였다. 추출한 표면 프로파일은 Eq. 1로 SMD(mean absolute deviation from the height average, MAD)를 계산하였다. SMD는 높이 프로파일 평균값으로부터 얻어진 각 높이 프로파일의 절대 평균 편차이다. SMD는 표면 거칠기를 나타내기에 적합한 데이터이지만 프로파일의 변이는 고려하지 못한다.8) 프랙탈 프로파일의 변이를 나타낼 수 있는 프랙탈 차원 값(fractal dimension value, FD value)은 SAS JMP 프로그램으로 프로파일의 변동도(variogram)를 적용하고, log를 취하였다. 이 값의 x, y 그래프의 기울기를 Eq. 2에 대입하여 프랙탈 차원 값을 계산하였다.9) 높이 프로파일이 같은 평균값과 동일한 표준편차를 가져도 프로파일의 변이는 다를 수 있다.10) 즉 평균=0과 표준편차=1을 가지지만 프랙탈 차원 값이 다른 프로파일을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 만들어 제시하였다. 같은 SMD를 가지는 표면 거칠기를 가져도 프로파일의 변이에 따라서 프랙탈 차원 값은 다르다. 탐침 방식 외의 거칠음도의 측정은 공기 누출 방식으로 Bendtsen tester(Lorentzen & Wettre)를 사용하여 Bendtsen 거칠음도, 광학적 이미지 방식으로는 OptiTopo(Lorentzen & Wettre)로 OSD(OptiTopo surface deviation)를 구하였다. 수초지의 평활도는 DIGI-BEKK Smoothness tester(Toyoseki, Japan)를 사용하여 측정하였다.


Fig. 1. 
Movement direction of the stylus on handsheet surface.

SMD=1L0LZ-Z¯dL(1) 

여기서, SMD=mean absolute deviation from the height average, μm,

L = 측정 거리, 20 mm,
Z = 측정 거리 L에서의 높이, μm,
Z = 평균 높이, μm.

FD value=2-slope/2(2) 

여기서, FD value=fractal dimension value, slope=x, y 값의 그래프 기울기.


3. 결과 및 고찰
3.1 펄프 고해 시간과 배합비에 따른 수초지 특성 분석

펄프의 고해 시간과 배합비를 다르게 하여 제작한 수초지의 밀도와 평활도는 Table 3과 같다. 고해 시간이 증가할수록 수초지의 밀도가 높았다. 고해를 통해 섬유의 단섬유화와 미세분의 생성, 내부 피브릴화로 인해 섬유의 유연성이 증가한 결과로 판단했다. 침엽수 펄프보다 짧은 섬유와 유세포로 구성된 활엽수 펄프의 형태학적인 특성으로 인해 활엽수 펄프의 비중이 많을수록 수초지의 평활도가 우수했다. 고해 시간 30분의 수초지에서 평활도가 증가했지만 고해 시간 60분의 수초지에서는 감소한다. 고해 과정에서 필연적으로 발생하는 섬유의 단섬유화와 미세분 발생이 적절한 수준에서 수초지 평활도 개선에 긍정적 효과를 주지만 펄프 섬유의 과도한 고해는 평활도의 감소를 가져오는 것으로 나타났다. 또한 실험실용 사각 수초지기를 사용하여 지료에 가해지는 전단력(shear force)이 현장의 초지조건보다 약했고, 과도한 고해를 통해 탈수성이 악화되어 탈수가 지연됨으로써 섬유의 응집이 증가한 결과로 판단하였다.

Table 3. 
Density and smoothness of handsheets depending on the mixing ratio and the beating time
Mixing ratio (Sw:Hw, %) Beating time (min.) Density (g/cm3) Bekk smoothness (s.)
0:100 0 0.468 3.07
30 0.656 6.70
60 0.727 4.22
50:50 0 0.461 2.37
30 0.642 4.43
60 0.721 2.35
100:0 0 0.467 1.90
30 0.630 3.03
60 0.692 2.42

3.2 수초지의 지합 분석

지료 현탁액 내에서의 섬유 플록 형성은 지료농도, 섬유장에 비례하고 섬유의 조도에 반비례한다고 알려져 있다. 종이를 구성하는 섬유의 길이가 짧을수록 섬유 현탁액 내에서의 섬유 간 접촉이 적고, 종이 지합에 직접적인 영향을 주는 플록의 형성 가능성이 낮아지게 되면, 섬유 균일성이 우수해져서 지합이 향상된다.11) Fig. 2는 수초지의 지합지수를 보여주는 그래프이다. 동일 고해 시간에서의 수초지는 섬유장이 짧은 활엽수 펄프의 비율이 높을수록 우수한 지합을 보였다. Fig. 3은 수초지의 플록크기의 분포를 나타낸 그래프이고, Fig. 4는 간단히 육안적으로 지합의 정도를 비교하기 위해 지합측정기로 찍은 화상을 나타내었다. 섬유 분석을 통해 섬유장을 측정하였고, 활엽수 펄프의 평균 섬유장이 침엽수 펄프 평균 섬유장보다 짧아 Figs. 3-4와 같이 플록의 형성이 적은 결과로 판단한다. 다만 고해 과정을 거치며 활엽수 펄프의 섬유장 감소율보다 침엽수 펄프의 섬유장 감소율이 크기 때문에 고해 시간이 길어질수록 Sw-BKP와 Hw-BKP 배합비 간 지합지수의 차이는 작아졌다.


Fig. 2. 
Formation index of handsheets depending on mixing ratio and beating time.


Fig. 3. 
Floc size distribution of handsheets at the beating time 0 min.


Fig. 4. 
Formation images of handsheets (A) Hw-BKP 100% and (B) Sw-BKP 100%.

3.3 수초지의 거칠음도 분석

KES tester를 사용하여 수초지 두께 방향의 높이 프로파일을 통해 표면 거칠음도 SMD와 프로파일 형태의 FD value를 구하였다. Table 4는 탐침의 분해능에 따른 수초지의 SMD와 FD value를 보여준다. 분해능에 따른 SMD의 결정계수는 0.827으로 높은 상관관계를 보였고 분해능에 따른 SMD의 차이는 미미하다. 하지만 분해능에 따른 FD value의 결정계수는 0.564으로 낮은 상관관계를 보였다. 동일한 수초지 표면의 FD value를 측정하여도 분해능에 따라서 측정 간격이 달라지고, 이는 높이 프로파일 변이의 변화를 야기했기 때문으로 판단하였다. SMD는 침엽수 비율이 높고, 고해 시간이 길수록 높은 값을 보였다. FD value가 낮은 값을 가질수록 두께 방향으로 높낮이 변화의 빈도수가 낮다는 것을 뜻한다. 10 μm의 분해능으로 구한 FD value는 100-1 μm 크기의 마이크로 거칠기를 측정하였고, 마이크로 거칠기는 섬유의 배향성과 섬유의 균일성에 영향을 받는다. 수초지의 섬유 분포가 불균일해 10 μm 크기를 가지는 표면의 크고 작은 변이의 증가로 인한 결과로 판단하였다. 서브 마이크로 거칠기는 1 μm 미만의 거칠기의 영향을 받는다. 섬유 표면 특성에 영향을 받는 거칠기로 1 μm일 때 FD value는 감소하였는데, 고해로 인한 섬유의 내부피브릴화로 섬유 유연성이 증가하여 섬유 표면 거칠기에서 높낮이 변화의 빈도수가 완만해진 결과로 사료하였다.

Table 4. 
SMD and FD value depending on the stylus resolution
Resolution Mixing ratio (Sw:Hw, %) Beating time (min.) SMD (μm) FD value
10 μm 0:100 0 1.287 1.202
30 1.373 1.262
60 1.538 1.318
50:50 0 1.744 1.206
30 1.642 1.220
60 2.135 1.343
100:0 0 2.002 1.210
30 2.078 1.204
60 2.245 1.276
1 μm 0:100 0 1.282 1.118
30 1.227 1.083
60 1.303 1.082
50:50 0 1.627 1.115
30 1.689 1.090
60 1.757 1.078
100:0 0 2.007 1.096
30 2.095 1.092
60 2.007 1.086

Figs. 5-6은 Bendtsen 거칠음도와 OSD를 보여주는 그래프이다. Bendtsen 거칠음도와 OSD는 공기, 빛을 통한 간접적인 거칠음도 측정 방식이기 때문에, 직접 탐침을 접촉시켜 측정한 SMD와는 다른 결과를 보이는데, Park 등12)이 보고한 직물을 대상으로 직접적, 간접적으로 거칠음도를 측정했을 경우와 유사한 결과를 보였다.


Fig. 5. 
Bendtsen roughness of handsheets depending on mixing ratio and beating time.


Fig. 6. 
OptiTopo surface deviation of handsheets depending on mixing ratio and beating time.

3.4 지합과 거칠음도 상관관계 분석

수초지 지합지수와 SMD의 결정계수를 Fig. 7에 나타냈다. SMD는 지합과 0.826의 높은 수준의 결정계수를 보였다. 섬유분포의 불균일성과 플록은 수초지 지합에 영향을 주고, 국부적인 두께 변화의 원인이 된 결과로 판단하였다. Figs. 8-9는 지합과 분해능을 다르게 설정하여 측정한 FD value의 상관관계를 보여준다. 결정계수가 각각 0.039, 0.223의 낮은 상관관계를 보였다. 수초지의 지합은 수초지 표면 높이 프로파일의 변이에 따른 영향을 크게 받지 않을 것으로 예상되었다.


Fig. 7. 
Correlation of SMD and formation index.


Fig. 8. 
Correlation of FD value (resolution 10 μm) and formation index.


Fig. 9. 
Correlation of FD value (resolution 1 μm) and formation index.


4. 결 론

본 연구에서는 펄프 배합비와 고해 시간을 다르게 한 수초지의 지합과 거칠음도의 상관관계를 측정하고 분석하였다. Sw-BKP의 고해 시간이 길수록 수초지의 지합은 불량해지는 결과를 보였다. Sw-BKP의 경우 Hw-BKP보다 1-16 mm 범위의 크기를 가지는 플록이 빈도수가 많았다. 수초지 표면 거칠음도는 표면에 직접 접촉하여 측정하는 방식(SMD)과 공기(Bendtsen roughness) 혹은 이미지(OSD)를 이용하는 간접적인 방식과 다른 결과를 보였다. 직접 접촉 방식의 거칠음도는 Sw-BKP의 배합량이 많고, 고해 시간이 길수록 높은 값을 보였다. 탐침의 분해능이 10 μm과 1 μm의 프랙탈 차원 값은 다른 경향을 보였다. 수초지 지합과 표면 높이 프로파일의 SMD는 높은 상관관계를 보였지만 프랙탈 차원 값은 낮은 상관관계를 보였다.


Acknowledgments

이 논문은 2017학년도 충북대학교 연구년제 지원에 의하여 연구되었음(This work was conducted during the research year of Chungbuk National University in 2017).

본 연구는 산업통상자원부 및 한국산업기술평가관리원의 산업기술표준화 및 인증지원사업(국가표준기술력향상사업)의 일환으로 수행하였습니다[10065715, 티슈의 Softness 측정기술 국제 표준화].


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