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Journal of Korea Technical Association of the Pulp and Paper Industry - Vol. 54 , No. 3

[ Article ]
Journal of Korea Technical Association of the Pulp and Paper Industry - Vol. 54, No. 3, pp. 73-80
Abbreviation: J. Korea TAPPI
ISSN: 0253-3200 (Print)
Print publication date 30 Jun 2022
Received 09 May 2022 Revised 13 Jun 2022 Accepted 15 Jun 2022
DOI: https://doi.org/10.7584/JKTAPPI.2022.06.54.3.73

제올라이트와 CMC 분자량이 잉크젯용 도공액 및 잉크젯 용지의 품질에 미치는 영향
김민제1 ; 김용식2 ; 이용규2,
1강원대학교 산림환경과학대학 제지공학과, 학생
2강원대학교 산림환경과학대학 제지공학과, 교수

Effects of Zeolites and Carboxymethyl Cellulose Molecular Weights on the Quality of Coating Color and Inkjet Paper
Min-Je Kim1 ; Yong-Sik Kim2 ; 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, Kangwon National University, Chuncheon, Republic of Korea)

Funding Information ▼

Abstract

The study aim was to develop a technology that can improve the quality of inkjet paper while reducing the production cost. Silica has so far been the most promising and suitable pigment for inkjet paper. However silica has limitations such as high price, high viscosity and flow characteristics that prevent high-speed drying. A previous study reported that zeolites can partially replace silica to produce inkjet paper. The drawback of replacing silica with zelolites is that the viscosity of the coating color is lowered, which generates other issues in the coating color and manufacture of inkjet paper. For this reason, carboxymethyl cellulose (CMC) was used as a thickener to control the coating color viscosity. the effect of molecular weight and addition amount of CMC added to the coating color using zeolites on the rheological behavior of the coating color with zeolite. Addition of CMC improved the viscosity and flow characteristics of the coating color. Additionally, the physical properties excluding optical properties, and smoothness of the manufactured inkjet paper were improved.


Keywords: Ink-jet paper, viscosity, zeolite, silica, CMC

1. 서 론

우리 사회가 빠르게 정보화 되어감에 따라, 제지업계도 빠르게 변화하고 있다. 각종 정보를 빠르고 정확하게 전달하기 위해 정보 산업 용지들의 사용이 급증하고 있다. 또한, 가정용 잉크젯 프린터기의 보급으로 사용량 또한 증가하고 있는 추세이다. 잉크젯 용지와 감열지가 이러한 정보산업용지의 대표적인 예시이다. 현재 잉크젯 용지의 품질을 더욱 개선하고 가격적인 측면에서 부담을 줄이려는 시도를 많이 진행하고 있다.1)

일반적으로 잉크젯 용지는 수성의 염료잉크를 이용한 프린터기를 사용하기 때문에 표면이 친수성이여야 하며, 흡수가 잘되게 하기 위하여 다공성인 구조를 가지고 있어야 한다. 이러한 이유 때문에, 안료로는 실리카가 주로 사용되고 있으며, 바인더로는 수용성 바인더이며 접착성이 매우 우수한 폴리비닐알코올(Poly Vinyl Alcohol)이 사용되고 있다. 폴리비닐알코올은 친수성이 우수하기 때문에 잉크젯용 잉크와 상용성도 우수하여 수용성 도공층을 요구하는 잉크젯 도공지에 매우 적합한 바인더로 알려져 있다. 또한, 안료로 사용되고 있는 실리카는 친수성이 매우 우수하고 비표면적이 크며, 높은 기공률과 최적의 기공 크기를 가지고 있기 때문에 잉크젯 용지에 주로 사용되고 있다. 하지만, 국내 생산량이 매우 적어, 가격이 매우 비싸며, 점도를 급격하게 상승시켜, 유동특성에 문제를 일으키는 것으로 알려져 있다. 또한 점도의 급격한 상승으로 인해, 작업성과 주행성에 문제를 일으켜 고속 도공에 불리한 것으로 알려져 있다. 이에 따라, 실리카를 제올라이트로 일부 대체하여 이러한 단점을 보안하기 위한 연구를 진행하였다. 현재까지 제올라이트를 30 parts, 50 parts까지 대체하는 연구를 진행하였으며, 점도 및 유동특성이 급격하게 떨어지는 문제가 발생하여 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해서 점도증진제를 배합한 연구를 진행하였다.2)

제올라이트는 실리카와 비슷하게 다공성의 구조를 가지고 있으며, 친수성이 높은 안료이다. 실리카와 다르게 국내 매장량이 많아 가격도 저렴할 뿐 아니라, 이전에 진행하였던 실리카를 제올라이트로 10 parts 대체하는 실험을 통해 실리카만을 사용하는 것에 비해 점도를 크게 낮출 수 있는 것으로 확인되었다. 하지만, 제올라이트의 배합량을 10 parts 이상으로 대체하게 되는 경우, 점도가 너무 낮아 유변특성과 대부분의 물성에서 문제점이 생기는 것을 확인하였다.14)

따라서 본 논문에서는 실리카의 일부를 제올라이트로 대체하였을 때 생기는 점도와 유동특성의 문제점을 해결하기 위해 점도 증진제로 CMC(Carboxymethyl cellulose)를 사용하여, 점도와 유동특성에서의 문제점을 해결하기 위한 실험을 진행하였다. 분자량이 다른 2종류의 CMC와 실리카의 일부를 제올라이트로 대체하여 도공액을 제조한 후, 잉크젯 용지를 제작하고 물성을 분석하고 물성을 분석하여 제올라이트의 잉크젯 안료 응용 가능성에 대하여 평가하였다.


2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
2.1.1 안료

본 연구에서는 실리카(S-Chemtech Co., Ltd., Korea)와 제올라이트(Zeolite, A-3, granular, Daejung Chemicals & Metals Co., Ltd., Korea)를 안료로 사용하였다. 실리카는 평균입자경 3.5 µm를 사용하였으며, 제올라이트는 68.9 µm를 사용하였다.

2.1.2 바인더

본 연구에서 수용성 바인더인 PVA(Polyvinyl alcohol 500, Daejung Chemicals & Metals Co., Ltd., Korea)를 배합조성에 이용하였다. PVA는 분자량 44,000, 검화도 86-88을 사용하였다. PVA는 10%로 40분 동안 호화시켜 사용하였다.

2.1.3 기타 첨가제

본 연구에서는 기타 첨가제로 분산제(WY-117, Jeong Won Chemical Co., Ltd., Korea)와 분자량이 다른 2종류의 CMC를 이용하였다(Table 1).

Table 1. 
Properties of CMC
Molecular weight (Mw) Degree of substitution
CMC-A 250,000 0.80-0.95
CMC-B 700,000 0.80-0.95

2.2 실험방법
2.2.1 도공액 제조

잉크젯 도공지에 주로 사용되는 실리카를 대체하기 위해 제올라이트를 혼합하여 사용하였다.

분자량 25만의 CMC를 배합한 Table 2와 분자량 70만의 CMC를 배합한 Table 3과 같은 레시피로 도공액을 제조하였다. 안료로 실리카 100 parts와 실리카 30 parts를 제올라이트로 대체하여 사용하였다.

Table 2. 
Formulations of different coating colors with low molecular weight of CMC (units: pph)
1 2 3 4 5 6 7 8
Pigments Silica 100 100 100 100 70 70 70 70
Zeolite 0 0 0 0 30 30 30 30
Binder PVA 20
CMC (Mw 250,000) 0 0.5 1 2 0 0.5 1 2
Dispersant 0.3 0 0.3 0
Total solids content (wt%) 15 wt%

Table 3. 
Formulations of different coating colors with high molecular weight of CMC (units: pph)
9 10 11 12 13 14 15 16
Pigments Silica 100 100 100 100 70 70 70 70
Zeolite 0 0 0 0 30 30 30 30
Binder PVA 20
CMC (Mw 700,000) 0 0.5 1 2 0 0.5 1 2
Dispersant 0.3 0 0.3 0
Total solids content (wt%) 15 wt%

2.2.2 도공액의 물성 및 도공지 물성

저전단 점도는 저전단 점도계(DV-II viscometer, Brookfield, USA)를 이용하여 60 rpm 조건으로 측정하였다. 또한 모세관 타입의 고전단 점도계(AX-100, ACA systems Oy, Finland)를 이용하여 도공액의 고전단 점도를 측정하였다. 도공지의 평활도는 L&W Bendtsen tester (L&W Co. Ltd., Sweden), 두께는 L&W Micrometer (L&W Co. Ltd., Sweden)를 이용하여 측정하였으며, 거칠음도는 Parker Print Surf (L&W Co. Ltd., Sweden), 광학적 성질(백색도, 백감도, 불투명도)은 Elrepho 3300 (Datacolor International, USA)을 이용하여 측정하였다. 인장강도는 L&W Tensile tester (L&W Co. Ltd., Sweden)를 사용하였으며, 파열강도는 L&W Bursting strength tester (L&W Co. Ltd., Sweden)를 사용하였고, 투기도는 TAPPI T251에 의거하여 Automated air permeability tester (FRANK-PTI GmbH, Germany)를 이용하여 측정하였으며, 접촉각은 Model PG-3 (FIBRO system AB, Sweden)을 이용하여 측정하였다. 잉크농도 측정기(Gretag Limited, CH-8105 Regensdorf, Switzerland)를 이용하여 도공지 조건당 3번씩 측정하여 평균값을 이용하여 값을 나타냈다.


3. 결과 및 고찰
3.1 도공액의 점도
3.1.1 도공액의 저전단 점도

Figs. 12에 도공액의 저전단 점도 결과값을 나타내었다. 도공액의 점도를 비교하였을 때, 제올라이트를 일부 대체한 도공액의 결과값이 실리카만을 사용한 결과값보다 확연하게 낮은 결과값을 나타내었다. 또한 CMC의 첨가량을 증가시킬수록 점도가 증가한다는 것을 확인할 수 있었다. 상대적으로 도공액을 만들었을 때, 점도가 높지 않은 제올라이트를 배합하였기 때문에 제올라이트를 배합한 도공액이 실리카만을 사용한 도공액보다 점도가 낮은 것이라고 사료된다.


Fig. 1. 
Low shear viscosity of coating colors with a molecular weight of 250,000 CMC.


Fig. 2. 
Low shear viscosity of coating colors with a molecular weight of 700,000 CMC.

CMC의 분자량이 커짐에 따라 실리카만을 사용한 결과값에서는 점도가 급격하게 상승하였지만, 반대로 제올라이트를 배합한 결과값에서는 CMC의 분자량이 커졌을 때, 점도가 더 낮은 것을 확인할 수 있었다. 표면전하가 양전하인 제올라이트에 표면전하가 음전하인 CMC가 흡착하여 점도를 상승시키는 것으로 사료되는데, 고분자인 CMC를 사용하였을 때, 저분자인 CMC에 비해 뭉침현상이 발생하여 표면 흡착이 잘 되지 않아 제올라이트를 배합한 경우에서 점도가 더 낮은 결과를 나타낸 것으로 사료된다.57)

3.1.2 도공액의 고전단 점도

Figs. 34에 도공액의 고전단 점도 결과값을 나타내었다. High shear의 경우, 실리카만을 사용한 도공액의 경우, CMC를 첨가할수록 점점 안정적인 결과값을 나타내었으며, 분산제를 사용한 결과값보다 분산제 대신 CMC를 넣었을 때, 더욱 안정적인 것을 확인할 수 있었다.


Fig. 3. 
High shear viscosity of coating colors with a molecular weight of 250,000 CMC.


Fig. 4. 
High shear viscosity of coating colors with a molecular weight of 700,000 CMC.

또한, 제올라이트를 배합한 경우에서는 실리카만을 사용한 결과값보다 확연하게 안정적인 결과값을 나타내었으며, 분자량이 큰 CMC를 사용하였을 때, 더 높은 결과값을 나타내었다. 제올라이트의 배합으로 점도가 확연하게 낮아지면서, 유동특성에도 영향을 준 것으로 사료된다.89)

3.2 도공지의 물성
3.2.1 거칠음도

Figs. 56에 잉크젯 용지의 거칠음도 결과값을 나타내었다. 거칠음도의 경우, 실리카만을 사용한 도공지가 제올라이트를 배합한 것보다 좋은 결과값을 나타내었으며, CMC의 첨가량이 증가할수록 거칠음도의 결과값이 나빠지는 것을 알 수 있었다. 하지만, 2 parts를 넣었을 때는, 다른 CMC를 첨가한 조건들에 비해 좋은 결과를 나타내었다. 이는 사용한 제올라이트의 입자크기가 실리카의 입자크기에 비해 크기 때문에 제올라이트를 배합하였을 때, 표면이 더 거친 것으로 사료된다.10)


Fig. 5. 
Roughness of coated papers with a molecular weight of 250,000 CMC.


Fig. 6. 
Roughness of coated papers with a molecular weight of 700,000 CMC.

3.2.2 광학적 특성

Figs. 78에 잉크젯 용지의 백색도 결과값을 나타내었다. 백색도의 그래프를 보면, 제올라이트를 배합한 잉크젯 용지의 결과값이 더 낮은 결과값을 나타내었다. 그 이유는 제올라이트의 본연의 색깔이 실리카의 색깔보다 더 노란 빛을 띄기 때문이라고 사료된다. 반면에 CMC의 첨가량과 분자량이 높아지더라도 큰 차이를 나타내지 않았다.1011)


Fig. 7. 
Brightness of coated papers with a molecular weight of 250,000 CMC.


Fig. 8. 
Brightness of coated papers with a molecular weight of 700,000 CMC.

Figs. 910에 잉크젯 용지의 백감도 결과값을 나타내었다. 백감도의 그래프를 보면, 제올라이트를 배합한 결과값에서 실리카만을 사용한 결과값이 확실히 좋지 않은 것을 나타내었다. 또한, CMC의 첨가량에는 별 차이가 있지 않았지만, CMC의 분자량이 커지게 됨에 따라 더 좋은 값을 나타내었다.


Fig. 9. 
Whiteness of coated papers with a molecular weight of 250,000 CMC.


Fig. 10. 
Whiteness of coated papers with a molecular weight of 700,000 CMC.

Figs. 1112에 잉크젯 용지의 불투명도 결과값을 나타내었다. 불투명도 그래프에서는 별다른 차이를 찾지 못하였다.


Fig. 11. 
Opacity of coated papers with a molecular weight of 250,000 CMC.


Fig. 12. 
Opacity of coated papers with a molecular weight of 700,000 CMC.

3.2.3 투기저항성

Figs. 1314에 잉크젯 용지의 투기저항성 결과값을 나타내었다. 투기저항성의 경우, 제올라이트를 사용한 결과값에서 더 낮은 결과값을 나타내었다. 따라서 제올라이트를 배합한 잉크젯 용지에서의 투기도가 더 좋은 값을 나타내었다. 잉크젯 용지의 경우, 다공질의 도공층이 요구되는데, 제올라이트를 배합한 잉크젯 용지의 도공층이 더 다공질인 구조라고 사료된다.


Fig. 13. 
Air resistance of coated papers with a molecular weight of 250,000 CMC.


Fig. 14. 
Air resistance of coated papers with a molecular weight of 700,000 CMC.

3.2.4 표면 접촉각

Figs. 1516에 잉크젯 용지의 투기도 결과값을 나타내었다. 실리카만을 사용하여 제조한 도공지인 조건보다 제올라이트를 배합한 조건에서 초기 접촉각이 낮은 것을 알 수 있었으며, CMC의 첨가비율을 증가시킬수록 초기접촉각이 증가하였다. 이는 CMC의 첨가비율이 증가할수록 친수적인 특성은 감소한다는 것을 의미한다. CMC가 안료의 공극을 막아 물의 침투성을 감소시키는 것으로 사료된다. 또한, 소수성을 띄는 표면의 경우, 초기 접촉각의 80~90° 정도로 시작하는 반면에, 이번 연구의 샘플에서 모든 조건의 초기접촉각이 15°보다 작은 것은 제올라이트와 실리카 모두 강한 친수적인 특성을 띠기 때문이라고 사료된다.12)


Fig. 15. 
Contact angle of coated papers with a molecular weight of 250,000 CMC.


Fig. 16. 
Contact angle of coated papers with a molecular weight of 700,000 CMC.

3.2.5 잉크 농도

Figs. 1718에 잉크젯 용지의 잉크농도 결과값을 나타내었다. 일부분 실리카를 제올라이트로 대체한 샘플의 잉크농도 결과값이 black에서는 상대적으로 높은 결과 값을 나타내었다. 또한 CMC의 첨가량을 증가시키더라도 잉크농도에서는 큰 차이를 나타내지 않았다. 이러한 결과값을 보았을 때, 제올라이트로 일부분 대체하여 CMC를 첨가하게 된다면, 점도 및 유동특성뿐 아니라 잉크농도에도 어느정도 효과가 있을 것이라고 사료된다.13,14)


Fig. 17. 
Ink density of coated papers with a molecular weight of 250,000 CMC.


Fig. 18. 
Ink density of coated papers with a molecular weight of 700,000 CMC.


4. 결 론

본 연구에서는 잉크젯용 도공지 제조에 일반적으로 사용되고 있는 실리카 안료의 일부를 제올라이트 안료로 대체하였을 때의 문제점을 파악하고, 이를 해결하기 위해 CMC를 점도증진제로 사용하여 도공액의 유동성과 잉크젯 도공지의 품질을 평가하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

  • 1) 실리카 안료만을 사용하여 만든 도공액의 저전단 점도보다 제올라이트를 배합한 도공액이 점도 및 유동성이 개선되는 효과가 있었으나, 제올라이트의 배합량을 증가시켰을 때, 점도가 크게 감소하는 문제가 발생하였다. 또한 고전단 점도는 제올라이트를 배합한 도공액의 점도가 낮았으며, 실리카 안료만을 사용한 도공액도 CMC의 첨가량이 증가함에 따라 점도 값이 낮아져 유동성이 개량되었다.
  • 2) 제올라이트를 배합한 도공지의 백색도는 실리카만을 배합한 도공지보다 다소 낮았으나 다른 광학적 성질은 커다란 차이를 나타내지 않았다.
  • 3) 제올라이트와 실리카 두 안료 모두가 다공성의 특징을 가지고 있으며, 투기저항성과 접촉각이 낮은 값을 나타내었고, 이는 두 안료 모두가 다공성의 특성과 강한 친수성을 가지고 있기 때문으로 추정됩니다.
  • 4) 제올라이트를 배합한 도공지가 잉크농도는 Black 값이 상대적으로 높았으며, 다른 색깔에서는 큰 차이를 나타내지 않았다.
  • 5) 점도증진제로 CMC를 사용하면, 실리카의 일부를 제올라이트로 대체할 수 있으며, 향후 제올라이트의 배합량을 50∼70%까지 늘릴 수 있는 연구가 진행되어야 할 것으로 사료된다.

Acknowledgments

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


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