KR20140147169A

KR20140147169A - 고강도 및 고투기도 용지 제조 방법

Info

Publication number: KR20140147169A
Application number: KR1020130069431A
Authority: KR
Inventors: 정양진; 김태영; 김덕기; 허용대; 이송민; 강주희
Original assignee: 한국조폐공사
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2014-12-30
Also published as: KR102180443B1

Abstract

본 발명은 미세분 발생이 최소화되도록 절단위주로 고해한 머서화 펄프를 혼합하여 함침처리 함으로써 가격 경쟁력이 있는 고강도 및 고투기도 용지를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

고강도 및 고투기도 용지 제조 방법 {Manufacturing Method of High Strength and High Air Permeability Sheet}

본 발명은 용지 제조 방법에 관한 것으로서, 특히, 기존 펄프에 비하여 가격 경쟁력이 있는 고강도 및 고투기도 용지를 제조하는 방법에 관한 것이다.

자동차용 에어필터 또는 오일 필터를 제조하는 최초 원료로 천연섬유로 만들어진 펄프가 사용되고 있다. 일반적인 천연섬유는 용지 제조를 위한 리파이닝(refining) 과정에서 섬유가 유연해지고 피브릴이 발생하는 등의 이유로 밀도가 높은 종이가 만들어지며 이는 필터지의 요구특성인 높은 공기투과도(투기도)를 달성하는데 장애가 되고 있다.

면섬유의 염색성을 개선하고 광택을 부여하기 위하여 개발된 머서화 처리(mercerization)를 하게 되면 섬유의 내부가 팽윤되어 단면이 원통형으로 변하게 된다. 미국특허 US6488809, 미국공개특허 US2006/0144532 및 US2004/0020854 에서는 이러한 머서화 처리를 이용하여 섬유를 처리하고 이를 원료로 용지를 제조하면 공기투과도를 높일 수 있음을 다루고 있다. 그러나 머서화처리된 섬유도 리파이닝 과정을 거치게 되면 제조된 섬유의 공기투과도는 감소하게 되는데, 미국공개특허 US2005/0072542에서는 리파이닝에 의한 공기투과도의 감소를 방지하기 위하여 머서화 처리된 섬유의 표면에 수지를 처리하여 리파이닝에 의한 섬유의 손상 또는 변화를 최소화하는 내용을 다루고 있다.

또한, 자동차용 에어필터 등에 사용되는 필터용 여과지는 공기투과도가 우수한 용지에 페놀 등의 수지를 함침하여 사용이 된다. 일반적인 섬유를 머서화처리를 하여 공기투과도가 우수한 용지를 제조한다고 해도 수지 등을 함침처리하게 되면 원지내부의 공극이 채워져 다시 공기투과도는 불량해지는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 미세분 발생이 최소화되도록 절단위주로 고해한 머서화 펄프를 혼합하여 함침처리 함으로써 가격 경쟁력이 있는 고강도 및 고투기도 용지를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른, 용지 제조 방법은, 머서화 섬유와 비머서화 섬유를 혼합한 지료 조성의 용지 제조 방법에 있어서, 제1펄프를 펄프해리기로 해리한 후 소정의 농도를 갖는 가성소다 수용액에 반응시키는 과정을 포함하는 머서화 과정에 의해 머서화처리된 펄프를 획득하는 섬유의 머서화 처리 공정; 상기 머서화처리된 펄프를 고해하고 비머서화 제2펄프를 고해한 후 이들을 일정 비율로 혼합 후 리파이닝하는 고해 및 리파이닝 공정; 상기 고해 및 리파이닝 공정에 의해 조성된 지료로부터 수초지기를 이용하여 종이를 제조하는 종이 제조 공정; 및 상기 용지를 함침제 용액에 담가 함침제를 도포한 후 건조하는 함침처리 공정을 포함한다.

상기 섬유의 머서화 처리 공정에서, 상기 제1 펄프의 2~9중량%가 물과 혼합되어 상기 해리를 수행한다.

상기 섬유의 머서화 처리 공정에서, 상기 가성소다 수용액의 농도는 5~15중량%이다.

상기 제1 펄프 또는 상기 제2 펄프는, 침엽수 미표백크라프트펄프(UKP), 침엽수표백크라프트펄프(NBKP), 또는 면펄프를 포함한다.

상기 고해 및 리파이닝 공정에서, 상기 머서화처리된 펄프를 고해도 10~30 °SR이 되도록 고해하고, 상기 제2 펄프를 고해도40~60 °SR이 되도록 고해하여 혼합한 후, 고해도가 20~50 °SR이 되도록 리파이닝을 실시한다.

상기 고해 및 리파이닝 공정에서, 상기 머서화처리된 펄프는 10~50중량% 혼합된다.

상기 고해 및 리파이닝 공정에서, 해리된 합성섬유가 5~20중량% 더 혼합된 후 리파이닝한다.

상기 고해 및 리파이닝 공정에서, 상기 머서화처리된 펄프는 미세분 발생양이 1~5중량%가 되도록 고해하여 혼합된다.

상기 함침처리 공정에서, 상기 함침제의 도포율은 함침전 원지 무게를 기준으로 5내지 10중량%이다.

상기 함침제 용액은 PVA(Polyvinyl alcohol), 페놀수지, 또는 젤라틴이 포함된 용액이다.

그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 용지는, 머서화 섬유와 비머서화 섬유를 혼합한 지료 조성으로 제조된 용지로서, 펄프를 펄프해리기로 해리한 후 소정의 농도를 갖는 가성소다 수용액에 반응시키는 과정을 포함하는 머서화 처리로 획득한 펄프가 고해 처리된 제1펄프와; 비머서화 펄프가 고해 처리된 제2펄프를 포함하며, 상기 제1펄프가 10~50중량%으로 상기 제2펄프와 혼합되고 리파이닝 처리된 지료 조성을 이용하여 제조된 종이이고, 상기 종이를 함침제 용액에 담가 함침제가 소정의 도포율을 갖도록 한 것을 특징으로 한다.

상기 리파이닝 처리에서, 상기 제1펄프와 상기 제2펄프 이외에 해리된 합성섬유가 5~20중량% 더 포함된다.

상기 함침제의 도포율은 함침전 원지 무게를 기준으로 5내지 10중량%이다.

상기 용지는 기준치 이상의 투기도를 갖는 필터용 여과지를 포함한다.

본 발명에 따른 고강도 및 고투기도 용지 제조 방법에 따르면, 함침처리 이후에도 공기투과도가 유지되도록 하여 가격 경쟁력이 있는 고강도 및 고투기도 용지를 제조할 수 있다. 머서화를 실시한 섬유를 사용하여 종이를 제조하면 공기 투과도가 높은 벌키한 종이를 생산할 수 있으나 머서화된 펄프는 일반 펄프에 비하여 그 가격이 2배 이상 높은 단점을 가지고 있다. 따라서 본 발명에서는 여과지로서의 공기투과도를 확보하면서 가격경쟁력도 있는 여과지를 생산하기 위하여 일반 미표백 침엽수크라프트 펄프(UKP)를 머서화 처리하여 일반 표백침엽수크라프트 펄프(NBKP)와 최대 5:5의 비율로 혼합하여 가격 경쟁력이 있는 고강도 및 고투기도 용지를 제조하였다.

또한, 종이를 제조하기 위한 지료를 조성할 때 머서화된 섬유는 그 특성을 최대한 보존하기 위하여 절단위주의 리파이닝(refining)을 최소한으로 실시하여 미세분의 발생을 최소화하였는데 리파이닝후 미세분의 함량을 5% 미만이 되도록 하였다. 즉, US2005/0072542에서처럼 머서화후 수지를 처리하지 않고도 리파이닝에 의한 투기도 감소를 해결하고자 하였다.

이와 같이 섬유의 손상이 최소화되고 미세분의 발생이 적은 섬유로 제조된 용지에 함침처리를 실시하면 고분자나 수지가 섬유와 섬유간의 결합부위에 주로 존재하여 지층의 결합력은 향상되어 고강도가 발현되지만 여전히 공기투과도는 우수한 특징을 가지게 된다. 또한, 합성섬유 특히 직선형이 아닌 컬진 형태의 합성섬유를 기계적 처리 없이 전체 섬유량의 10% 수준에서 혼합하여 종이를 제조하면 더 우수한 공기투과도(일반 펄프의 1,200% 이상 향상)를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고강도 및 고투기도 용지 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 고강도 및 고투기도 용지 제조 방법으로 제조되는 실시예들과 종래 기술에 의한 비교예의 지료 특성을 측정한 결과이다.
도 3은 본 발명의 고강도 및 고투기도 용지 제조 방법으로 제조되는 실시예들과 종래 기술의 원지 및 함침지 물성을 측정한 결과이다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

자동차 등에 사용되는 필터용 여과지(에어필터 또는 오일 필터 등) 등은 기준치 이상의 높은 투기도를 요구하고 있다. 본 발명에서는 투기도가 높은 용지를 제조하기 위하여 일반 펄프를 머서화하는 것과 합성섬유를 혼합하는 두 가지 방법을 제안한다.

머서화처리를 하면 투기도가 높은 종이를 제조할 수 있다는 것은 잘 알려져 있으나 일반 펄프에 비하여 가격이 2배 이상되기 때문에 제조비용이 상승하며 고해 또는 리파이닝을 하면 투기도가 감소하는 문제점이 있었다. 따라서 본 발명에서는 머서화된 펄프를 최대 50% 사용을 하되 고해 또는 리파이닝에 의한 투기도 감소를 없애기 위하여 지합(formation)에 문제가 없을 정도로 기계적 처리를 최소화하는 방법을 택하였다.

다음으로 일반목재펄프 및 머서화 펄프에 PET 등의 합성섬유를 혼합하였다. 합성섬유는 그 단면이 원형으로 종이 제조공정에서 압착이 되어도 다시 회복되어 벌키한(bulky) 종이를 형성할 수 있기 때문이다.

이렇게 머서화한 펄프를 혼합하거나 합성섬유를 혼합하면 벌크나 투기도는 확보할 수 있지만 종이의 강도가 감소하는 문제가 발생하기 때문에 이를 해결하고자 함침처리를 실시하였다. 함침제의 도포율이 높아지면 투기도가 감소될 수 있기 때문에 투기도 감소를 최소화할 수 있도록 함침제의 도포율은 5내지 10%가 되도록 하였다. 본 발명에서 제조된 원지에 함침제를 약 8% 도포하면 함침제가 주로 섬유와 섬유간 결합부위에 존재하고 공극은 유지되는 상태인 것으로 나타났다.

이하, 도 1의 흐름도를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 고강도 및 고투기도 용지 제조 방법을 좀 더 구체적으로 설명하지만 이에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

(S1) 섬유의 머서화 처리(mercerization)

침엽수 미표백크라프트펄프(UKP)를 2~9%(예, 5%) 농도(물에 대비 중량 백분율)로 펄프해리기로 4,000회 정도 해리한 후, 5~15중량%(예, 11%)의 상온상태의 가성소다 수용액에서 1~5분(예, 2분)간 반응시키고 중화 및 세척을 실시하는 머서화를 완료함으로써 머서화처리된 펄프를 획득한다.

여기서, 침엽수 미표백크라프트펄프(UKP) 대신에 침엽수표백크라프트펄프(NBKP)이나 면펄프 등의 섬유가 머서화처리되어 이용될 수도 있다.

(S2) 섬유의 고해(beating)

위와 같이 머서화처리된 펄프가 획득되면 이를 고해하고, 고해된 침엽수표백크라프트펄프(NBKP)와 혼합하여 저농도 고하중에서 리파이닝을 실시한다. 이때 고해기를 이용하여, 침엽수표백크라프트펄프(NBKP)는 일정 농도(예, 1.57%)(물에 대비 중량 백분율), 일정 고해하중(예, 10kg)에서 고해하여 최종 고해도 40~60 (예, 50±1)°SR이 되도록하고, 머서화처리된 펄프는 일정 농도(예, 0.5%)(물에 대비 중량 백분율), 일정 고해하중(예, 20kg)으로 고해하여 최종 고해도 10~30(예, 20±1)°SR이 되도록하여, 혼합한다.

위와 같은 고해된 머서화처리된 펄프와 침엽수표백크라프트펄프(NBKP)의 혼합 후에는 고해도가 20~50 °SR이 되도록 리파이닝을 실시할 수 있다.

여기서 비머서화된 침엽수표백크라프트펄프(NBKP) 대신에 침엽수 미표백크라프트펄프(UKP)나 면펄프가 머서화처리된 펄프와 혼합될 수도 있으며, 머서화처리된 펄프는 10~50중량%가 되도록 혼합한다. 이때 리파이닝 시에는 해리기에 의해 해리된 폴리아미드계(나일론), 폴리에스테르계, 폴리아크릴계 등의 합성섬유(예, PET 섬유)가 일정 비율(예, 5~20중량%) 더 혼합되어 머서화처리된 펄프, 비머서화 펄프, 및 합성섬유의 혼합물이 리파이닝될 수 있다.

또한, 위와 같은 고해 또는 리파이닝에 의한 투기도 감소를 없애고 지합(formation)에 문제가 없을 정도로 기계적 처리를 최소화하기 위하여, 위와 같이 저농도 고하중에서 처리하여 머서화처리된 펄프의 고해 시에는 미세분 발생양이 5중량%이하(예, 1~5%) 되도록 하는 것이 바람직하다. 미세분(미세섬유)의 정의는 섬유 분석계로 측정될 수 있는 일반적 정의에 따른다.

(S3) 위와 같이 고해하여 조성된 지료로부터 수초지기를 이용하여 종이를 제조한다.

(S4) 함침처리(impregnation)

위와 같이 종이가 제조되면, 제조된 용지를 1~8%(예, 4%)의 PVA(Polyvinyl alcohol) 수용액에 담근후 과량의 PVA는 제거하고 일정 온도(예, 105℃)에서 일정 시간(예, 3분간) 건조하여 함침처리를 실시한다. 예를 들어, 사용될 수 있는 PVA는 중합도 1200~2000(예, 1700), 검화도 90~99%(예, 97.0%) 정도이다. 함침제의 도포율이 높아지면 투기도가 감소될 수 있기 때문에 투기도 감소를 최소화할 수 있도록 함침제의 도포율은 함침전 원지 무게를 기준으로 5내지 10중량%가 되도록 한다.

여기서 함침제로서 PVA 대신에 페놀수지, 젤라틴 등이 포함된 용액이 이용될 수도 있다.

<실시예 1 >

도 2와 같이, 50±1°SR 고해된 NBKP와 20±1°SR로 고해된 머서화 펄프를 7:3의 비율로 혼합하여 지료를 조성하고 평량 80±1g/m²이 되도록 실험실용 수초지기를 이용하여 종이를 제조하고 위와 같은 방법으로 함침처리를 실시한다.

<실시예 2>

도 2와 같이, 50±1°SR 고해된 NBKP와 20±1°SR로 고해된 머서화 펄프를 5:5의 비율로 혼합하여 지료를 조성하고 평량 80±1g/m²이 되도록 실험실용 수초지기를 이용하여 종이를 제조하고 위와 같은 방법으로 함침처리를 실시한다.

<실시예 3>

도 2와 같이, 50±1°SR 고해된 NBKP와 20±1°SR로 고해된 머서화 펄프와 해리기에 의해 해리된 PET 섬유를 6:3:1의 비율로 혼합하여 지료를 조성하고 평량 80±1g/m²이 되도록 실험실용 수초지기를 이용하여 종이를 제조하고 위와 같은 방법으로 함침처리를 실시한다.

<비교예>

도 2와 같이, 머서화 펄프 없이 50±1°SR 고해된 NBKP로 지료를 조성하고 평량 80±1g/m²이 되도록 실험실용 수초지기를 이용하여 종이를 제조하고 함침처리를 실시한다.

<결과분석>

도 2와 같이, 실시예 1~3 및 비교예에서 사용된 지료의 특성을 분석한 결과에서, 머서화처리한 펄프를 20°SR로 고해한 상태의 미세분 함량은 2.6% 였으며, 비머서화 펄프에 비하여 머서화된 펄프의 혼합량이 증가할수록 리파이닝한 후 지료의 미세분 함량이 감소함을 알 수 있다.

실시예 1~3 및 비교예에서 제조된 종이의 평량, 두께, 밀도, 함침제 도포량 및 투기도를 측정하였고 그 결과는 도 3과 같다. 두께와 밀도는 KS M ISO 534, 투기도는 KS K ISO 9237에 의거하여 측정하였다. 함침제 도포율은 도포전과 후의 무게차를 도포전의 무게로 나누어 결과를 표시하였다. 여기서, 두께, 밀도, 투기도 및 인장강도는 함침지의 물성을 측정한 결과이다.

비교예와 실시예 1을 비교하면 머서화된 펄프를 30% 혼합하면 밀도는 약 44%가 낮아지고 투기도는 약 1,200% 증가하는 경향을 보이나 일반펄프를 100% 사용한 경우에 비하여 강도의 저하는 미미함(비교예 대비 2.5%)을 알 수 있다.

비교예와 실시예 2를 비교하면 머서화된 펄프를 50% 혼합하면 밀도는 약 54% 낮아지고 투기도는 약 2,000% 증가하는 경향을 보이나 머서화된 펄프를 30% 혼합한 경우에 비하여 강도는 조금더 감소(비교예 대비 5.0%)하는 결과를 보임을 알 수 있다.

합성섬유인 PET 섬유를 10% 혼합한 경우 머서화된 펄프를 30%에서 50%로 20% 늘린 경우와 유사한 결과를 얻을 수 있었다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

머서화 섬유와 비머서화 섬유를 혼합한 지료 조성의 용지 제조 방법에 있어서,
제1펄프를 펄프해리기로 해리한 후 소정의 농도를 갖는 가성소다 수용액에 반응시키는 과정을 포함하는 머서화 과정에 의해 머서화처리된 펄프를 획득하는 섬유의 머서화 처리 공정;
상기 머서화처리된 펄프를 고해하고 비머서화 제2펄프를 고해한 후 이들을 일정 비율로 혼합 후 리파이닝하는 고해 및 리파이닝 공정;
상기 고해 및 리파이닝 공정에 의해 조성된 지료로부터 수초지기를 이용하여 종이를 제조하는 종이 제조 공정; 및
상기 용지를 함침제 용액에 담가 함침제를 도포한 후 건조하는 함침처리 공정
을 포함하는 것을 특징으로 하는 용지 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 섬유의 머서화 처리 공정에서, 상기 제1 펄프의 2~9중량%가 물과 혼합되어 상기 해리를 수행하는 것을 특징으로 하는 용지 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 섬유의 머서화 처리 공정에서, 상기 가성소다 수용액의 농도는 5~15중량%인 것을 특징으로 하는 용지 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 펄프 또는 상기 제2 펄프는, 침엽수 미표백크라프트펄프(UKP), 침엽수표백크라프트펄프(NBKP), 또는 면펄프를 포함하는 것을 특징으로 하는 용지 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 고해 및 리파이닝 공정에서, 상기 머서화처리된 펄프를 고해도 10~30 °SR이 되도록 고해하고, 상기 제2 펄프를 고해도40~60 °SR이 되도록 고해하여 혼합한 후, 고해도가 20~50 °SR이 되도록 리파이닝을 실시하는 것을 특징으로 하는 용지 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 고해 및 리파이닝 공정에서, 상기 머서화처리된 펄프는 10~50중량% 혼합되는 것을 특징으로 하는 용지 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 고해 및 리파이닝 공정에서, 해리된 합성섬유가 5~20중량% 더 혼합된 후 리파이닝하는 것을 특징으로 하는 용지 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 고해 및 리파이닝 공정에서, 상기 머서화처리된 펄프는 미세분 발생양이 1~5중량%가 되도록 고해하여 혼합된 것을 특징으로 하는 용지 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 함침처리 공정에서, 상기 함침제의 도포율은 함침전 원지 무게를 기준으로 5내지 10중량%인 것을 특징으로 하는 용지 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 함침제 용액은 PVA(Polyvinyl alcohol), 페놀수지, 또는 젤라틴이 포함된 용액인 것을 특징으로 하는 용지 제조 방법.
머서화 섬유와 비머서화 섬유를 혼합한 지료 조성으로 제조된 용지로서,
펄프를 펄프해리기로 해리한 후 소정의 농도를 갖는 가성소다 수용액에 반응시키는 과정을 포함하는 머서화 처리로 획득한 펄프가 고해 처리된 제1펄프와; 비머서화 펄프가 고해 처리된 제2펄프를 포함하며,
상기 제1펄프가 10~50중량%으로 상기 제2펄프와 혼합되고 리파이닝 처리된 지료 조성을 이용하여 제조된 종이이고,
상기 종이를 함침제 용액에 담가 함침제가 소정의 도포율을 갖도록 한 것을 특징으로 하는 용지.
제11항에 있어서,
상기 리파이닝 처리에서, 상기 제1펄프와 상기 제2펄프 이외에 해리된 합성섬유가 5~20중량% 더 포함된 것을 특징으로 하는 용지.
제11항에 있어서,
상기 함침제의 도포율은 함침전 원지 무게를 기준으로 5내지 10중량%인 것을 특징으로 하는 용지.
제11항에 있어서,
상기 용지는 기준치 이상의 투기도를 갖는 필터용 여과지를 포함하는 것을 특징으로 하는 용지.