지료화학, 지료화학이란?

 

1장  지료화학이란?

물, 펄프, 종이 등의 여러 혼합물을 연구하는 것, 제지 공정의 앞 단계에 단계에 대한 화학 공정의 이해를 위한 학문.

 

l  지료화학의 성질

 

1.     구조적 성질, 평량, 두께, 지합, 방향성, 공극구조, 앞뒷면, 치수 안정성 등이 있다

 

2.     외관적 성질, 색, 백색도 – 공정에 따라서 영향을 받음, 염색약품과 무기안료에 대해서 어떻게 영향을 받는 지,종이 첨가하는 보류형성제에 염료 타입이 잘 맞으면 색이 안정됌(색), 불투명도, 첨가하는 충전제보다 섬유보다 효과적으로 빛을 분산하거나, 특정 파장의 선택적 흡수(불투명도)

 

3.      화학적 성질 – 종이가 물을 좋아하나, 싫어하나 – sizing (수분 저항성에 대한 사항), 내구성, Ex)한지는 양지에 비해 강한 내구성을 가지고 있다. 어떤 첨가제로 영향을 주었는 가?, 화학 약품이 안정성을 가지는 지 등등을 확인 가능, 산성 초지 vs 중성초지

 

알럼 : 수소 양이온을 발생하여 지속적으로 천천히 산가수분해를 실시 – 강도의 저하가 나타남

중성지 : 탄산 칼슘, PAM, 다른 합성 고분자 (보류 합성 고분자는 산을 생성하지 않아서 산가수분해에 의한 열화가 적다.

종이의 성질은 초지기 운전에 영향을 준다. 원프레지 – 지졀 현상으로 인해 능률의 차이가 남, 충분한 탈수가 이뤄져 강도 조절이 필수적이다. 수지가 달라 붙으면 오점이 남고 종이 웹안이 비워져 강도가 약해져서 지졀 현상이 이뤄짐, 만약 만들어져도 수지가 껴서 품질이 떨어지게 됌,  탈수가 안됨X- 공정상 문제, 공정수에 공기나 거품이 끼워져도 제거가 어렵다, 스케일이 끼면 탈수가 안돼서, 공정상 문제가 생김, 소포제 사용- 거품이 제거, 초지 조건에 어떤 영향을 끼치는 지도 중요하다.

 

 

4.     기계적 성질, 약품, 공정 조건에 의해서 섬유자체가 변함, 섬유와 섬유간의 결합이 변함, 섬유와 섬유의 지합이 변함에 따라 바뀌는 성질, 충전제, 사이즈제 – 섬유 섬유의 수소결합을 방해하고 강도가 약화, 섬유- 섬유 고려하여, 어느 단계에 사용해야하는가 고려해야함.

 

현대의 초지 경향 -1980년대 이전에는 산성초지였다가 현재는 중성초지로 넘어왔다 그이유는

이유1. 값싼 충전제 탄산칼슘, 산성 조건에서 탄산칼슘을 사용하면, CO2+ 수산화칼슘이 나와서 문제를 일으키므로, 산성 대신 중성 초지 조건이 발전하였다

이유2. ALUM이 현대식 초지기의 초고속 고정에 맞지 않아서 보류 구조가 깨져 보류 향상 능력이 떨어짐, 합성 수지의 사용이 필수적인 여건이 중성 초지 조건을 발전 시킴

 

한국은 제지 약품 산업이 초고도 수준으로 발전함 그 이유는?

이유1. 국내 제지 산업이 1개 수종의 펄프를 사용하는 버진 펄프가 아니라, 리싸이클 펄프를 사용하여

여러 성분과 펄프가 섞인 것을 처리하여야 하므로, 리싸이클 파이버는 초지 장애를 일으키기 때문에 문제 해결 수준이 매우 높다, 초고속 조건에서 여러 등급을 생성하기 위해서 다양한 약품 첨가제들이 사용되며, 숱단부 화학, 초지 운전 조건의 변화 이해를 통한 최적의 약품 선택이 가능하다

 

 

 

 

 

2장, 물과 제지

물은 2개 수소와 1개 산소의 결합으로 결합각 105도 정도의 결합각을 가진다.

수소와 산소 사이에는 전기 음성도의 차이가 있어서 수소보다는 산소가 전기를 좋아하는 경향이 높다.

이를 다이폴 모먼트나 ,플라리트로 설명할 수 있으며 물의 다이폴 모먼트는 1.85 정도이다.

 

왜 이것이 중요한가?

이유, 물은 부분적 양전하와 음전하 사이에서 부분적 결합이 가능해진다. 물이 수소 결합하는 것이다.

물은 굉장히 강력한 수소 결합이 가능한데, 물분자끼리의 산소의 부분적 음전하와 수소의 부분적 양전하가 만나 규칙적 배열을 하며, 일정한 규칙에 의해서 연결되어 매우 어는점과 끓는 점이 높은 경향을 보이게 된다.

 

이는 셀룰로오스와도 마찬가지이며, 셀룰로오스와 물분자, 셀룰로오스와 세룰로오스, 물분자와 물분자간의 결합을 가능하게 하므로 이것이 제지의 탈수를 느리게 하는 원인이 된다.

 

화학적 평형은 물의 이온화를 말하며, 물이 이온화되면 산성과 염기성 조건에서는 어떨까?

물은 약한 산으로 pka = 7로 10의 마이너스 7승 정도의 수준이다, 빗물은 co2가 녹아서 약간 산이지만

 

물이 수소와 수산기 음이온으로 이온화하면, 위와 아래를 같이 한다.

산성과 함께 중요한 것은 alum으로 황산 알류미늄이다.

3가 양이온인 alum은 물속 수산기와 반응하여 설페이트 이온을 만들고 물은 평형을 맞추기 위해서 물속 음이온을 잡아먹어서 수소이온이 잔류하여 산성을 만든다.

 

염기는 1가지 탄산 칼슘으로 충전제로 사용되며, filer는 물에 안녹는 것으로 용해도가 굉장히 낮다.(고체)

탄산칼슘은 수소 이온과 반응하여 수소 이온을 사용하고 수산이 음이온을 남긴다.

물은 염기성을 띄게 되는 것이다.

지료화학의 이해를 위해서 카르복실 구조와 아세트산을 비교하면

카르복실기 - ph조건에 따라 수소 이온이 많으면 이온화 안하려고 하고, 수소이온이 적으면 이온화 하려는 경향을 임, ph조건이 중요 조건이다.

 

 

3장 섬유와 관련된 기본적 특성

목재 섬유 : ML(대부분이 리그닌 하지만 S2가 제일 리그닌이 많음), 1차벽, 2차벽 (S1,S2,S3), 세포내강 구조로 이뤄짐. S2의 비중이 제일 커서 물리적 성질에 가장 큰 영향을 끼침,

 

침엽수 – 가도관으로 구성, 글루코만난이 많음

활엽수 – 도관, 목섬유로 구성, 자일란이 많음,

 

헤미 셀룰로오스, 셀룰로오스, 리그닌(접착제)

 

PULP의 발색 구조 때문에 리그닌을 제거 해야함,

 

1.     기계적 펄프, 해섬과 고해로 목재와 성분이 유사하여 리그닌이 남아있는 펄프, 우로닉 엑시드가 붙어서 변환되어 잘려가지만, RCOOH유기카복시기 구조가 펄프가 중성조건에서 음이온을 띄게 한다.

 

 

2.     화학적 펄프, 리그닌이 완전히 제거

기계 펄프는 화학적 변화가 없어서 친수성이 없음, 화학적 펄프는 리그닌 제거 공정으로 친수성이 높음

친수성 향상이 필요한데, sulfony기를 도입하면 친수성이 향상된다.

침엽수 자일로오스 10개당, 우로닉엑시드 2개가 있고, 자일로오스 7개당 알파 엘 아라비아노스가 있음

활엽수 – 자일로오스 10개당 우로닉엑시드 1갸거 있고 아세틸 그룹이 자일로오스 10개당 7개가 있으나, 아세틸그룹은 펄핑과정에서 완전 제거 됨으로 신경 안써도 됌,

 

 

 

4장 미세분과 비표면적 그리고 펄프에 미치는 영향

1.     부스러진 조각,트라케이트, 우드파이버가 부스러져서

 

2.     미세분의 섬유 구조, - 파렌 커미셀, 레이셀과 같은 미세분의 해당되는 세포구조에 의해서 만들어짐, 목섬유가 유사하면서 길이 짧고 폭이 좁다. 미세분은 섬유보다 작다.

 

1차 미세분은 섬유에서 생기고

2차 미세분은 2차 미세분

3차 미세분, 관에서 입체적으로 장애로 떨어짐

 

섬유 – 미세분으로 종이제작시 비표면 중요

입자가 작다. 단위 무게당 표면적이 커진다.

미세분 – 5배X8배정도가 크다 섬유 보다 물흡수력이 크다. 미세분에서 잘 붙고 분산제들로 잘붙음, 미세분 섬유보다는 큰 비표면적으로 가짐, FILLER CLAY, Fibers, 음이온 성질, rosin soap, dispersed, 양이온 성질을 띈다.

Ex) 나노셀룰로오스 – 섬유 나노 사이즈까지 자르면, 1% 농도에서도 젤처럼 작용한다.

 

비표면적이 큰 미세분이 어떤 영향을 제지 공정에서 어떤 영향을 미치는가? 비표면적이 크면 물흡수가 많아져서

탈수가 안되고, 이는 제지 공정에서 장애 요소로 통한다. 또한 다른 섬유보다 많은 첨가제와 약품 또한 흡수하기 떄문에 품질에도 큰 영향을 미치게 된다.

 

이를 해결하는 방법, 미세분 끼리를 뭉쳐서 덩어리로 만든다. 그러면 표면적이 넓어져서 문제가 해결된다.