지료화학, 초지 장애 물질, 콜로이드 화학

 

4장 초지 장애 물질

 

 

음이온과 양이온은 결합한다. 제지 공정엔 섬유(음이온), 첨가제(양이온), 기타 저분자 물질(음이온)이 있으니

음이온, 음이온 끼리는 경쟁을 하므로 기타 저분자 물질이 약품의 효율을 떨어지게 하는 장애 물질이 된다.

목재와 물, 일부 첨가제가 음이온성을 띈다.

 

목재의 경우 : 헤미 셀룰로오스, 수지산, 지방산 등의 추출물에 존재하며, 기계적 펄프에 남아있다. 믈 : 섬유, 리파인딩, 또는 이동 과정에 전단 응력에 의해서 부스러진 미세분이 음이온, 첨가제, 리싸이클 파이버 등은 종이 섬유 외에도 다양한 첨가 물질들을 가지고 있다

 

깨끗한 물로 종이의 폐수를 처리하던 것을 바로 버렸지만, 환경오염 덕에 폐수를 재활용

.또한 고지의 사용량이 커져서 다양한 성분이 농축되어 장애를 일으킴, 종이 첨가제 성능이 떨어지고 품질 또한 떨어짐 초지기 운전 성능 또한 떨어진다, 어떤 물질이 장애를 일으킬가 생각해서 문제 해결 필수, 반대 전하를 물질에 첨가하여 중화 시키는 게 일반적 처리 물론 종이 제작 시 첨가제의 가격이 비싸니 값싼 양이온 물질로 제거하고 공정을 움직이는 게 효율적이다.

 

5장 표면 화학과 콜로이드 화학

 

지료의 현탁액엔 수많은 물질이 있다. 물, 펄프, 미세분, 첨가제등으로 나눌 수 있는데, 펄프와 미세분은 현탁 상태로 존재하며, 이 현탁액에 다양한 처리를 하여 종이를 매끄럽게 하기 위해 축전제나 필러 파티클등을 넣어야한다. 음이온과 음이온을 연결하기 위해서 양이온성 전해질의 투입이 필수적이게 되는 것이다.

 

물질간의 상호 작용

섬유에 대해 미세분이나 충전제를 응집 시키고 싶다, 서로 음이온이라 응집이 불가능하므로 음이온 섬유와 음이온 충전제, 미세분 응집을 시킬 수 있다. 화학적 방법, 기계적 방법을 써서 서로 연결해서 달라 붙게 해야만 한다. 또한 표면 성질을 개질하고자 할 때 물질의 성질을 잘 이해해야만 한다. 용해된 무기염이나 용해된 이온성 물질이 어떤 상태로 다 평형에 도달하고 어떻게 영향을 미치는 지 대해 이해하면 초지의 이해에 큰 도움이 될 것이다. 알럼이 어떻게 반응하고 물속에 반응하고 섬유와 상호 작용하는 지 그외에 다른 첨가제와 어떤 반응을 보이는 지 알 수 있다. 표면 계면 활성제가 미쉘을 형성하고, 어떤 방식으로 작용하는 지 알 필요가 있다. 다양한 상호 작용으로 작동하므로 다양한 상호 작용의 메커니즘과 종이 만드는 이해에 큰 도움이 될 것이다.

 

 

콜로이드 범주

폭, 길이, 지름 중에 하나라도 범주에 속한다면, 콜로이드라고 부를 수 있다. 표면적이 증가하면 특이한 성질을 가지게 된다.단일 무게랑 넓은 표면적을 가진다. 분산된 매질과 입자 표면이 만날 확률이 커지고 입자가 작아질수록, 지료안에서 물과 만날 확률이 높아진다. 섬유(미세분의 물사랑이 커지며, 표면적이 넓다 = 입자간 상호 작용이나 입자와 매질과 상호 작용할 확률이 커진다.

 

공기가 물을 좋아하는 가, 싫어하는가?

물속에 산소는 50ppm으로 산소와 공기는 서로 싫어하는 편이다. 물과 공기가 만나는 지점에서는 서로 싫어함이 강해지는 것 표면의 화학적 성질에서 콜로이드 화학, 표면화학, 종이 지료 시스템에 중요한 역할을 한다. 단위 면적당 부피면적이 커지는 것이다. 거기와 관련 상호작용들이 중요하다. 물과 지료 성분 사이 중요한 역할을 하게 된다.

 

phobic과 philic

만약 어떤 물질이 용매를 포빅한다면, 최대한 용매와 닿는 표면적을 줄이려고 할 것이고, 만약 필릭한다면, 최대한 닿는 면적을 늘리려고 할 것이다. 물이 싫어하는 것은 코팅에 사용되는 무기 a pigment들을 싫어한다. 과연 섬유가 물을 좋아한다고 할 수 있는가?일반적으로 그 자체는 수산기 때문에 친수성을 가지고 섬유 표면 코팅 또는 사이징 처리를 하면 수소 결합할 기회가 박탈 되며 물을 싫어하는 구조가 될 것이다. 셀룰로오스는 최외각의 물과 만날 수 있어도 물과 직접 접촉할 내부의 기회가 적다

 

분산과 용해

분산 : 물리적으로 떨어져 화학적 상호작용을 하지 않음이 분산,

용해 : 일정하게 물과 고체 입자가 상호 작용면 용해가 된다

 

로진 사이즈제나 무기 안료 같은 경우 물을 싫어 분산 되는 경우가 있다.

 

속도와 평형 개념

속도 : 언젠간 일어나는 반응이 천천히 일어나는 경우

평형 : 반응 자체가 아니고 열화학적으로 일반 적으로 속도가 느려지고 빨라지는 것을 말한다.

반응이 빠르면 안정하고 느리면 불안정함

 

Kinetic control과 thermodymamic control

1. 높은 에너지 장벽을 가지지만 이 장벽을 지나 가면 안정된 상태에 도달이 가능한 것 = thermodymamic

2. 활성화 에너지는 낮아 반응은 쉽지만 반응 후 얻을 수 있는 자유 에너지가 더 적은 것, 반응이 빨리 일어나고 역반응도 일어 날 수 있다. = kinetic control

자유 에너지 얻는 폭이 적다. 지료화학에서는 어떤 물질 등 사이에 일정한 간격을 유지하여 컨트롤이 가능하다.

 

화학적 펄프의 음이온

섬유는 물을 싫어해서 상대적으로 섬유 대부분이 차지 하는 쪽은 물 접촉 기회도 적고 물 수소 결합 능력도 적다, 거대한 섬유는 물을 싫어한다고 가정하고 이 거대 섬유는 가끔 음이온이 존재한다. 이는 어디서 온 것 일까? 헤미 셀룰로오스의 글루노 크루노 자일란에 침엽수는 자일로오스 10개당 2개, 활엽수는 자일로오스 10개당 1개의 포 메틸 글루 크로닉 엑시드에 붙은 카복실기가 원인이다.

 

Sulfonic acid

흔하지 않다. Sulfite pulp에서 오게 된다. 화학 펄프 공정 중 아황산을 집어 넣어 반응하며, 탄수화물이나 리그닌의 설포닐 그룹이 도입, 이것이 잔류하면, 이떄 sulfonic acid 가 존재한다. 화학 펄프 95%는 크래프트 또는 소다 펄프로 화학 펄프 중에 sulfonic acid 가 존재한다. 얘네는 반화학 펄프다. BCTMP의 경우 화학적 퍼리 과정에서 아황산 처리를 하여 sulfonic acid 가 도입이 된다.

 

보류 향상제 = 양이온.

섬유의 음이온과 첨가제 음이온을 연결하기 위해서 종이 시스템엔 양이온이 필요하다.

Retention aids, Catioinic starch on surface, 보류향상제, 탈수 촉진제 등이 양이온 성분이다.

지료, 충전제, 첨가제 = 음이온, 무기 충전제가 물속에서 이온화 하여, 일반적으로 음이온을 띄는 경우도 존재함.

 

Z 포텐셜

스턴 레이어 고이체폴만 영역 사이에 존재하는 가상의 선

측정 방법 : 지료 전체에는 양이온과 음이온의 평형이다. 전체적으로는 이온 평형에 도달함, 섬유 표면, 입자 표면에는 부분적 이온을 띄는 경우가 있고, 이 이온이 중화됨

만약 10개의 음이온이 있고 그앞에 스턴층에 9개의 양이온이 있다면 그 밖에는 양이온과 음이온이 자유롭게 존재 할 것이다. 그러나 스턴층에서 중화되고 남은 음이온 1개 때문에 양이온이 더 많을 것이라고 추측은 가능하다.

Zeta pot이 움직이면 따라가는 것을 plane of shear 라고 칭한다.

 

Z포텐셜이 중요한 이유

섬유 표면 음이온이 있고 리텐션 에이즈(양이온), 다른 반응물 음이온의 정전기적 포텐셜을 이해해야만 어떤 방법으로 보류가 일어나는 지 이해가 가능하다.

 

DLVO

거리가 너무 멀면 상호작용이 없다. 그러나 가까워지면 반데르 발스(잡아당기는 힘) 힘이 일어나게 된다. 최저 반데르 발스의 힘보다 더 가까워지면 상대방의 a음이온과 b음이온 또는 a양이온과 b양이온이 서로 밀어냄,

DLVO : 복잡한 선형 고분자로 밀고 잡아 당기는 힘이 생긴다. 선형 고분자에서 작용하는 힘, 우리가 아는 입자랑 다른 양상을 띈다.

분산제와 DLVO : 포텐셜이 높은 장벽을 지나 낮은 곳으로 가고 싶어하는 성질을 이용해서 1차 장벽을 높은 선형 고분자를 사용, 낮은 곳으로 가지 못하게 일시적으로 붙잡아두는 역할을 한다.

분산제에 수명 : 수명이 지나면 모두 장벽을 지나 낮은 포텐셜 에너지 상태로 변환 된다.

 

 

Aggresation(응집1,2,3)과 stabilization(분산4)

 

 

1번 congulation – 보류 향상제 (알럼) , PAM, 양이온성 전분	두개 고분자 사이에 양이온을 넣어서 음이온성 물질과 붙히는 것 , 단점 : 적당량이 이상 사용하면 지압이 나빠짐,
2번 patch model – 탈수 촉진제	미세분 끼리 접착 시켜서 단면적을 줄임 단점 : 너무 크게 만들면 지압이 나빠짐
3번 flocculation by bridging polymers – 듀얼 폴리머 시스템	분자량을 키우고 전하 밀도는 낮춰서 패치보다 약한 다리를 만들고 두개가 빠지지 않게 하는 것
4번 입체적 안정화 – steric stabilization	음이온들이 다른 양이온들에 대해서 반응할 때 주위에 고분자 물질과 반응을 시킴, 로프를 만들어서 양이온 부분에 관여하게 하고 나머지는 소수성으로 만듬