Study on the Nanofibrillation of White Water Solids from Corrugating Medium Production for Advanced Utilization = 고도 활용을 위한 골심지 생산 공정 유래 백수 고형분의 나노화 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, white water solids generated during corrugating medium production were converted into high value materials by applying a grinder based nanofibrillation process to produce white water originated cellulose nanofibrils (WCNF). The applicability of WCNF as a strength additive and as an additive for surface sizing in papermaking was evaluated.
To select white water solids suitable for nanofibrillation, solids recovered from the silo and DAF unit were analyzed. The DAF white water solids exhibited higher organic content and lower inorganic content, indicating greater suitability for nanofibrillation. During grinding, viscosity reached saturation at approximately 25 passes, and SEM analysis confirmed that nanofibrillation was sufficiently achieved. Handsheets prepared by internal addition of WCNF exhibited enhanced strength, indicating that WCNF contributed directly to improved inter fiber bonding. Without a retention aid, WCNF processed at 10 and 20 passes provided greater strength improvement than 30 pass WCNF due to more effective retention of relatively larger fibrils. When a retention aid was applied, WCNF retention increased and the reinforcing effect was markedly enhanced, resulting in strength improvements of approximately 19–26% at WCNF addition levels of 5–7% compared with the base paper. To evaluate industrial applicability and cost reduction potential, lightweight handsheets were prepared. With the addition of 1 wt% WCNF processed at 5 or 10 passes, the basis weight was reduced to 91–97 g/m² while maintaining mechanical strength comparable to the base paper. Under these conditions, the manufacturing cost decreased by approximately 5%, indicating potential for reduced raw material usage and production cost in papermaking. Incorporation of WCNF into oxidized starch based surface sizing solutions resulted in improvements in all mechanical properties. The most pronounced strength enhancement was observed at a WCNF content of 5 wt%. SEM observations confirmed the formation of a starch–WCNF network, which reduced surface porosity and led to a denser surface structure. Comparison of utilization efficiency based on application method showed that, when evaluated using the conditions that exhibited the highest strength in each process, the strength improvement per unit mass of WCNF was more than 22 times higher for surface sizing application than for internal addition. This result demonstrates that WCNF is utilized far more efficiently when applied as a surface sizing additive than as an internal additive.
Upcycling white water solids into WCNF provides a practical strategy for converting low value circulating resources that are poorly retained on the wire into high performance reinforcing materials. This approach offers significant potential for enhancing resource circularity, reducing raw material consumption, improving process efficiency, and lowering carbon emissions in the papermaking industry.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 골심지 생산 공정에서 발생하는 백수 내 고형분을 고부가가치 소재로 전환하기 위해 그라인더를 이용한 나노화 공정을 적용하여 백수 유래 나노섬유(White water originated cellulose nanofibrils, WCNF)를 제조하고 이를 제지 공정에서의 지력증강제 및 표면사이징제의 첨가제로서의 활용 가능성을 평가하였다.
나노화에 적절한 백수 고형분을 선정하기 위해 사일로와 DAF에서 회수한 백수 고형분의 성분을 분석하였다. DAF 공정에서 회수된 백수 고형분은 사일로 백수 고형분에 비해 유기물 함량이 더 높고 무기물 함량이 낮아 나노화에 더 적합한 것으로 나타났다. 백수 고형분을 그라인딩한 결과 약 25 패스에서 점도가 더 이상 증가하지 않았으며 SEM 분석을 통해 나노화가 충분히 진행되었음을 확인할 수 있었다.
WCNF를 내첨하여 수초지를 제조하였고 지력 증강 효과를 평가한 결과 강도 향상이 관찰되어 WCNF 자체가 섬유 간 결합력 향상에 기여함을 확인할 수 있었다. 보류제를 투입하지 않은 경우에는 30 패스 WCNF보다 10, 20 패스 WCNF를 투입하였을 때 더 큰 지력 증가 효과가 나타났으며 이는 투입량 증가에 따라 상대적으로 큰 섬유가 시트 내에 보다 효과적으로 보류되었기 때문으로 판단된다. 반면 보류제를 투입한 조건에서는 WCNF의 보류도가 증가하여 보강 효과가 크게 향상되었으며 WCNF를 5-7% 첨가했을 때 강도는 원지 대비 약 19-26%까지 향상되었다.
산업 적용 가능성과 비용 절감 효과를 평가하기 위해 평량을 저감한 수초지를 제조하였다. 5 또는 10패스 WCNF를 1 wt% 첨가한 경우 평량을 91-97 g/m²로 감소시킬 수 있었다. 이 경우 기계적 강도는 원지 수준을 유지하면서도 종이의 제조 비용을 약 5% 절감시킬 수 있어 이를 통해 종이 제조 공정에서의 원료 사용량 및 제조 비용 절감 가능성을 제시하였다.
산화전분 기반 표면사이즈액에 WCNF를 첨가한 경우에도 모든 기계적 물성이 향상되었다. 산화전분 호화액에 WCNF를 5 wt% 첨가하여 표면사이징을 했을 때 가장 우수한 강도 향상 효과가 나타났으며 SEM 분석 결과 전분-WCNF 네트워크 구조가 형성되어 표면 공극이 감소하고 보다 치밀한 구조가 나타났다.
WCNF의 적용 방식에 따른 이용 효율을 비교한 결과, 내첨 공정과 표면사이징 공정에서 각각 가장 높은 강도를 나타낸 조건을 기준으로 비교했을 때, 표면사이즈액의 첨가제로 활용한 경우가 내첨 시보다 WCNF의 단위 질량당 강도 향상 효과가 약 22배 이상 높은 것으로 나타났다. 이는 WCNF가 내첨했을 때보다 표면사이징의 첨가제로 적용될 때 훨씬 효율적으로 활용될 수 있음을 보여주었다.
백수 고형분을 WCNF로 나노화하여 활용하는 기술은 기존에 와이어에서 충분히 보류되지 못해 저급의 순환 자원으로 활용되던 백수를 고기능성 보강 소재로 업사이클링할 수 있는 실질적인 대안임을 제시하였다. 이는 제지 공정의 자원순환성 향상, 원료 절감, 공정 효율 증대 및 탄소 배출 저감 측면에서 높은 활용 가능성을 지니며 산업 적용에 의미 있는 잠재력을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• 1 Introduction 1
• 1.1 Overview of use and raw materials of corrugated board 1
• 1.2 Importance of recovery and utilization of white water solids 2
• 1.3 Research objectives 4
• 2 Literature Review 7
• 2.1 Reuse of white water 7
• 2.2 Utilization of low grade raw materials in papermaking 7
• 2.3 Application of cellulose nanofibrils in papermaking processes 9
• 3 Materials and Methods 13
• 3.1 Raw materials 13
• 3.1.1 White water solids 13
• 3.1.2 Raw materials for handsheets and base paper for surface sizing 14
• 3.1.3 Retention aid 14
• 3.1.4 Oxidized starch 14
• 3.2 Characterization of white water solids 14
• 3.2.1 Fiber characterization of white water solids 14
• 3.2.2 Ash content of white water solids 15
• 3.2.3 Elemental analysis of white water solids 16
• 3.3 Evaluation of nanofibrillation behavior of white water solids 16
• 3.3.1 Grinding of white water solids 16
• 3.3.2 Low shear viscosity analysis according to grinding pass number 18
• 3.3.3 Microscopic analysis of WCNF 18
• 3.3.3.1 Optical microscopic analysis 18
• 3.3.3.2 Scanning electron microscopic analysis 19
• 3.4 Evaluation of the applicability of WCNF in the papermaking process 19
• 3.4.1 Application of WCNF as a strengthening agent 19
• 3.4.1.1 Preparation of handsheets 19
• 3.4.1.2 Evaluation of properties of handsheets 21
• 3.4.1.3 Scanning electron microscopy analysis of handsheets 22
• 3.4.1.4 Evaluation of the possibility of reducing the grammage 23
• 3.4.2 Application of WCNF as an additive for surface sizing 24
• 3.4.2.1 Surface sizing 24
• 3.4.2.2 Evaluation of surface sized paper properties 24
• 4 Results and Discussion 26
• 4.1 Characteristics of white water solids 26
• 4.1.1 Fiber characteristics of white water solids 26
• 4.1.2 Ash content analysis of white water solids 28
• 4.1.3 Elemental composition of white water solids 30
• 4.2 Nanofibrillation behavior of white water solids 32
• 4.2.1 Low shear viscosity of WCNF suspension 32
• 4.2.2 Morphology of WCNF 33
• 4.3 Application of WCNF as a strengthening agent 35
• 4.3.1 Structural properties of handsheets 36
• 4.3.2 Mechanical properties of handsheets 47
• 4.3.3 Drainage time of handsheets 56
• 4.3.4 SEM images of handsheets 58
• 4.3.5 Manufacturing cost analysis 59
• 4.4 Application of WCNF as an additive for surface sizing 61
• 4.4.1 Low shear viscosity of the surface sizing solution 61
• 4.4.2 Pickup weight of surface sized paper 62
• 4.4.3 Bendtsen roughness of surface sized paper 63
• 4.4.4 Mechanical properties of surface sized linerboard 64
• 4.4.5 SEM images of surface sized linerboard 74
• 4.4.6 Mass-based efficiency of WCNF in internal addition and surface sizing 75
• 5 Conclusions 77
• References 79
• 초록 86