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1. 습강도란 무엇인가?
습윤 강도는 종이가 습기에 노출되었을 때 강도를 유지하는 능력을 나타냅니다. 습윤 강도는 두 가지 주요 단계로 평가됩니다.
- 초기 습윤 강도 – 건조 전 종이 웹의 강도로, 기계 작동성에 중요합니다.
- 재습윤 강도 – 코팅이나 인쇄와 같은 공정 중 완성된 종이의 습윤 강도, 그리고 최종 사용 시(예: 티슈, 포장)의 습윤 강도입니다.
이 두 유형은 서로 다른 목적에 사용되며 성능 요구 사항도 다르므로 최적화 방법도 달라야 합니다.
2. 초기 습윤 강도
고형분 함량이 30% 미만(즉, 수분 함량이 70% 이상)일 때, 종이는 건조 강도의 15~20%만 유지합니다. 초기 습윤 강도는 다음과 같은 요인에 의해 영향을 받습니다.
- 펄프 구성, 정제 수준 및 웹 건조도
- 공정 조건 및 습부 화학 첨가제
고속 제지기는 첨단 습식 웹 지지 시스템을 사용하여 긴장을 최소화하고 안정성을 유지함으로써 종이의 기본 중량을 줄이고 비용을 절감할 수 있습니다.
정량적 모델(Page, 1993)은 습윤 강도를 표면 장력(γ), 수막 면적(A), 곡률 반경(r), 마찰(µ), 섬유 거칠기(C)와 연관시킵니다.
3. 재습윤 강도
재습윤 강도는 건조된 종이가 다시 물에 젖었을 때 유지되는 강도를 말합니다. 적절한 습윤 강도 처리를 통해 종이는 일반적으로 습윤 상태에서 건조 강도의 20~40%(최대 50%까지)를 유지하는데, 이는 다양한 최종 용도에 필수적인 요건입니다.
4. 습윤 강도 에이전트의 작동 방식
물은 섬유 사이의 수소 결합을 파괴하여 종이를 약화시킵니다. 습윤 강화제는 두 가지 메커니즘을 통해 이를 방지합니다.
- 보호: 섬유 주위에 단단하고 가교된 네트워크를 형성하여 붓기를 방지합니다.
- 보강: 구조를 강화하는 새로운, 물에 민감하지 않은 화학 결합을 형성합니다.
습윤 강도제는 결합 화학 성질에 따라 다음과 같이 분류될 수 있습니다.
- 임시: 재습윤 시 끊어지는 결합(예: 헤미아세탈)을 형성합니다(예: 글리옥실화된 PAM).
- 영구적: 방수 공유 결합을 생성합니다(예: PAE, UF, MF).
5. 일반적인 습윤 강도 에이전트
요소-포름알데히드(UF)
- 가장 오래된 반응성 수지입니다. pH 4~5에서 소수성 가교 네트워크를 형성합니다.
- 일반적으로 0.5~3% 투여량으로 사용되며 혼합 펌프 근처에 적용됩니다.
- 잔류물이 생기지 않도록 시스템 pH와 일치시켜야 하며 알루미늄-로진 크기와의 상호 작용을 피해야 합니다.
멜라민-포름알데히드(MF)
- 특수지에 사용되는 수용성 수지.
- 낮은 pH에서 양전하를 띠며 섬유에 부착되어 결합력을 향상시킵니다.
- 전분/수지 얼룩이 생기지 않도록 주의해서 투여량을 조절하여 0.1~3%로 도포합니다.
- 건조 후 경화가 필요합니다. 최대 습윤 강도는 약 10일 후에 나타납니다.
폴리아미드‑에피클로로히드린(PAE)
- 중성/알칼리성 시스템에 맞게 설계되었으며, 티슈와 포장지에 널리 사용됩니다.
- 광범위한 pH(4~8)에 걸쳐 높은 습윤 강도 효율성을 제공합니다.
- 에폭시드 고리를 통해 공유 가교 결합을 형성합니다. 투여량 ~0.25–1%.
- 효율성은 섬유 종류, 정제, pH, 보유력, Ca²⁺ 농도, 화학물질 첨가 순서에 따라 영향을 받습니다.
6. 환경 및 규제 고려 사항
PAE 수지 생산 공정의 주요 부산물은 다음과 같습니다. DCP = 1,3-디클로로-2-프로판 MCPD = 3-클로로-1,2-프로필렌 글리콜 EPI = 에피클로로히드린 위의 세 가지 염소 함유 유기 소분자 화합물은 PAE 수지의 주요 부산물이며, 흡착성 유기 할로겐화물(AOX)로 정의되며, 그림 2에서 볼 수 있듯이 에피클로로히드린의 가수분해를 통해 생성됩니다.
현재 EU 규정 REACH는 PAE 수지의 AOX 부산물의 독성 및 발암성을 명확히 규정하고 있습니다. 그 중 1,3-디클로로-2-프로판 DCP는 가능한 발암 물질 H 350(카테고리 1B)으로 지정되어 있고, 3-클로로-1,2-프로판디올 MCPD는 의심 발암 물질 H 351(카테고리 2)로 지정되어 있습니다. 또한 BfR XXXVI의 규정에 따라 식품 접촉용 종이 제품의 경우 샘플을 물에서 추출한 후 1,3-디클로로-2-프로판 DCP의 잔류량의 상한은 2μg/l이고, 3-클로로-1,2-프로판디올 MCPD의 잔류량의 상한은 12μg/l입니다. 이는 의심할 여지 없이 사용되는 습윤 강도 수지의 환경 보호 및 청결에 대한 요구 사항이 더 높아짐을 의미합니다.
제지공장 폐수 방류에서 PAE 습강화제가 AOX의 주요 공급원이므로, 1980년대 중반부터 AOX로 인한 환경 오염을 줄이기 위해 XNUMX세대 및 XNUMX세대 친환경 PAE 습강화 수지가 잇따라 출시되었습니다. XNUMX세대 PAE 수지와 비교했을 때, XNUMX세대 및 XNUMX세대 PAE는 잔류 에피클로로히드린 함량과 가수분해 생성물인 DCP 및 MCPD의 잔류량을 크게 줄였습니다.
| 지시자 | 첫 번째 세대 | 두 번째 세대 | 제 세대 |
|---|---|---|---|
| 제품 유형 | 산업용 습윤 강도제 | 표준 습윤 강도제 | 식품 등급 습윤 강도제 |
| 고형분 함량(%) | 12.5 1 ± | 15 3 ± | 18 2 ± |
| pH | 4 1.5 ± | 4 1.5 ± | 4 1.5 ± |
| 점도 (cps) | ≤ 110 | ≤ 110 | ≤ 110 |
| DCP(ppm) | * (통제되지 않음) | ≤ 100 | ≤ 10 |
| MCPD(ppm) | * (통제되지 않음) | ≤ 100 | ≤ 10 |
| 장점 | 저렴한 비용으로 습윤 강도 성능 우수 | 잔류염소 함량이 낮아 식품 포장 및 EU 기준을 준수합니다. | 완전히 염소가 없어 식품 접촉 종이의 장기 생산에 적합합니다. |
| 단점 | 잔류염소 함량이 높아 인체 건강에 유해할 수 있음 | 15세대보다 가격이 약간 더 높고, 약 XNUMX% 더 높은 복용량이 필요합니다. | 비용이 많이 들고, 습윤 강도 성능이 상대적으로 낮으며, 5세대보다 약 XNUMX% 더 많은 복용량이 필요합니다. |
7. 습윤 강도 사용을 위한 모범 사례
- 최적의 제타 전위에 도달하려면 투여량(0.25~1%)을 조절하세요.
- 음이온 첨가제와의 비호환성을 피하기 위한 시퀀스 추가.
- 보존 보조제를 사용하고 Ca²⁺ 수치를 조절하여 보존을 보장하세요.
- 첨가 후 경화(예: 80°C에서 30분)를 실시합니다.
- 습윤 강도제와 건조 강도 첨가제를 혼합하여 웹 강도와 유지력을 강화합니다.
8. 결론 및 향후 전망
습윤 강도 강화제는 현대 제지 산업에 필수적인 요소로, 습기에 노출된 종이의 내구성을 높이고 다양한 용도로 활용할 수 있도록 합니다. 기계 속도와 제품 수요가 증가함에 따라, 이러한 강화제는 성능과 공정 효율성을 보장합니다. 지속적인 연구 개발은 폴리카르복실레이트, 키토산, 그리고 기존 수지의 친환경 대안과 같은 지속 가능하고 효과적인 습윤 강도 솔루션 개발에 집중하고 있습니다.
