내첨용 나노사이즈 탄산칼슘이 종이의 물리적 특성에 미치는 영향 :Effects of nano-particled calcium carbonate on physical properties of paper

박정윤

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박정윤 (국민대학교, 국민대학교 대학원)

지도교수: 김형진

발행연도: 2014

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이 논문의 연구 히스토리 (5)

2016

미세섬유-나노사이즈 탄산칼슘 복합체가 종이의 물리적 특성에 미치는 영향

박정윤 , 이태주 , 김형진 펄프·종이기술 2016.12 학술저널

2015

미세섬유-나노사이즈 탄산칼슘 복합체 제조를 위한 최적 응집제 투입량 탐색 및 종이 적용성 평가

박정윤 , 홍석준 , 이진희 외 1명 한국펄프·종이공학회 학술발표논문집 2015.04 학술대회자료

2014

나노사이즈 탄산칼슘이 종이의 물리ㆍ광학적 특성에 미치는 영향

박정윤 , 이태주 , 김형진 펄프·종이기술 2014.08 학술저널

내첨용 나노사이즈 탄산칼슘이 종이의 물리적 특성에 미치는 영향

박정윤 임산생명공학과 2014.01 학위논문

2013

내첨용 나노사이즈 탄산칼슘이 종이 특성에 미치는 영향

박정윤 , 이태주 , 임채훈 외 1명 한국펄프·종이공학회 학술발표논문집 2013.10 학술대회자료

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제지산업에서 충전제는 생산원가 저감, 에너지 절감, 불투명도, 백색도 및 인쇄적성 개선, 지합, 치수안정성 등 종이의 품질을 향상시키기 위한 목적으로 널리 사용되고 있다. 그러나 과도한 충전은 종이의 강도적 성질에 악영향을 미치기 때문에 충전제의 무한한 첨가에는 한계가 있다. 이에 충전제의 증량과 함께 강도적 특성을 개선시키기 위한 다양한 연구들이 진행 중이며, 충전제를 활용하는 다양한 방법들이 제시되었다. 과거부터 제지산업에서 널리 사용되고 있는 충전제는 마이크로 단위의 크기였으나 오늘날에는 나노기술이 제지산업에 접목되며 나노사이즈 탄산칼슘에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 하지만 제지산업에서도 코팅, 표면사이징 분야에서 활발한 연구가 진행되고 있으나 보류시스템에 충전제로서 나노기술을 접목하는데 있어 많은 시행착오를 겪고 있다. 이러한 이유 때문에 현재 내첨용 나노사이즈 탄산칼슘을 적용하고자 하는 연구는 미미한 실정이다.
이에 본 연구에서는 나노사이즈 탄산칼슘이 충전제로서의 적용 가능성을 파악하고자 하였다. 섬유결합 구조 내 충전물의 보류 특성을 분석한 결과 filling, inlay, expansion의 세 가지 형태 중 sPCC(scalenohedral precipitated calcium carbonate)는 filling 형태를 주로 나타냈으며 nPCC(nano-particled calcium carbonate)는 expasion의 형태를 주로 나타냈다. nPCC가 종이의 물리적 특성에 미치는 영향을 분석하기 위해 PAM-bentonite 보류조건을 사용하는 마이크로파티클 시스템을 적용하였으며 보류, 탈수, 지합을 종합적으로 분석하여 최적 보류 조건을 설정하였다. nPCC가 섬유결합 구조 내에 expansion의 형태로 충전되면서 종이의 벌크와 광학적 특성은 향상되었으나 섬유간 수소결합을 방해하여 강도적 특성은 감소하였다. nPCC가 종이의 물리적 특성에 부정적으로 영향하는 기작을 개선해 보고자 미세섬유-나노사이즈 탄산칼슘 복합체를 제조하였으며 응집제로는 저분자량-고전하 밀도조건의 양이온성 고분자전해질을 접목하였다. 이에 미세섬유-나노사이즈 탄산칼슘 복합체의 보류율은 nPCC보다 높게 나타난 반면 미립의 나노사이즈 탄산칼슘의 특성보다 미세섬유의 특성이 강하게 나타나 종이의 벌크 특성이 다소 감소되었다. 그러나 미세섬유에 흡착된 나노사이즈 탄산칼슘이 섬유간 수소결합을 방해하지 않아 인장강도가 증가된 결과를 나타냈으며 광학적 특성은 유사한 수준을 나타냈다. 또한 동일한 회분함량에서 sPCC와 비교했을 때 미세섬유-나노사이즈 탄산칼슘 복합체를 적용하면 종이의 벌크 특성은 유지되면서 강도 및 광학적 특성은 개선되었다.
따라서 본 연구에서는 새로운 충전제로서 나노사이즈 탄산칼슘의 적용 가능성을 확인하였다. 충전물의 충전 거동, 보류율 물리적 특성에 미치는 영향 등이 마이크로사이즈의 탄산칼슘과 상이하게 나타났으며 나노사이즈 탄산칼슘의 단점을 보완하기 위한 복합체 적용 또한 긍정적인 결과를 나타냈다. 이와 같은 기초 연구를 토대로 충전제로서 나노사이즈 탄산칼슘의 효과적인 이용에 대한 연구가 수행된다면 나노사이즈 탄산칼슘이 새로운 충전제로서 보류시스템에 적용이 가능할 것으로 판단된다.

In the papermaking industry, fillers are widely used for purposes of improving the opacity, brightness, printability, uniformity, and dimensional stability. They are also useful to reduce costs and provide energy savings. However, there exists a limitation that increases the amount of filler loading because the excessive loading can have a bad influence on the paper properties. From old times, fillers in the papermaking industry have focused on micro-scale but recently, there is a trend that nanotechnology is applied to the industry of papermaking. Even though the nanopartiles are rapidly utilized to improve the optical properties in the field of surface sizing and coating, it is hard to take advantage of nanotechnology in wet-end part due to its poor dispersability and retention.
For these reasons, there are slight studies which are supposed to make use of nano-particled calcium carbonate in the part of wet-end. Therefore, in this study, as a novel filler, the applicability of nano-particled calcium carbonate is evaluated and conclusions are as in the following.
Fillers can be shown in the fiber network in three different ways; filling, inlay, and expansion. Micro sized sPCC was mainly located in the form of ''filling'' while nano sized nPCC was in the form of ''expansion.'' In order to load the nPCC properly, microparticle system was utilized. Moreover, for optimum condition selection, properties of retention, drainage, and formation have been set by a comprehensive analysis.
As nPCC was loaded in the form of ''expansion'', the bulk property of paper increased. However, strength property decreased because the ''expansion'' form made the fiber network bulky and interrupted the hydrogen bonding between fibers. On the other hand, the optical properties showed superior features in nPCC.
To overcome the negative effects of nPCC on papers, fines-nPCC composite was invented. Low molecular weight and high charge density cationic polyacrylamide was used as a flocculant. Ratio of retention in fines-nPCC composite was higher than nPCC, while bulk property of paper decreased slightly because of the characteristics of fines-nPCC composite in the fiber network. It tends to act like fines. Nevertheless, strength property increased through loading fines-nPCC composite. By loading fines-nPCC, the optical properties also had a similar level with nPCC. Fines-nPCC maintained bulk property and increased strength and optical properties in comparison with sPCC.
In this study, the applicability of nano-particled calcium carbonate was confirmed as a novel filler. Loading behavior, retention, and the effect on paper properties of nano-particled calcium carbonate were significantly different from micro-scale. In addition, fines-nPCC composite which is for overcoming the negative effects of nano-particled calcium carbonate showed positive results.

제 1 장 서 론
제 2 장 이론적 배경
2.1 탄산칼슘의 형태적 특징
2.2. 나노 탄산칼슘의 접목
2.3 충전제로서의 탄산칼슘 거동
2.4 보류 및 탈수기작의 특성
2.5 Filler modification 기술의 응용
제 3 장 재료 및 방법
3.1 공시재료
3.1.1 펄프
3.1.2 탄산칼슘
3.1.3 첨가제
3.2 실험방법
3.2.1 나노사이즈 탄산칼슘의 보류 특성 분석
3.2.2 미세섬유-나노사이즈 탄산칼슘 복합체 제조
3.2.3 나노사이즈 탄산칼슘의 최적 보류 조건 탐색
3.2.4 나노사이즈 탄산칼슘 적용에 따른 종이 특성 평가
제 4 장 결과 및 고찰
4.1 탄산칼슘의 지층구조 내에서의 분포 거동
4.2 나노사이즈 탄산칼슘에서의 최적 보류 조건의 탐색
4.3 나노사이즈 탄산칼슘이 종이의 특성변화에 미치는 영향
4.3.1 물리적 특성
4.3.2 광학적 특성
4.4 미세섬유-나노사이즈 탄산칼슘 복합체가 종이 특성이 미치는 영향
4.4.1 미세섬유-나노사이즈 탄산칼슘 복합체
4.4.2 물리적 특성
4.4.3 광학적 특성
제 5 장 결 론
참고문헌
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