양이온성 폴리아크릴아미드의 분자량이 입자 크기가 다른 탈크와 탄산칼슘 혼합 충전제의 보류에 미치는 영향 = Influence of Cationic Polyacrylamide Molecular Weight on the Retention of Mixed Talc and GCC Fillers of Different Particle Sizes

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 제지 공정에서 양이온성 폴리아크릴아미드(cationic polyacrylamide, C-PAM) 보류향상제의 분자량이 입자 크기가 다른 충전제의 보류에 미치는 영향을 알아보기 위해, 진동을 도입하고 감압 탈수가 가능한 Wet End Process Simulator (WEPS)를 사용하였다. 동일한 분자량의 C-PAM을 보류향상제로 사용하였음에도 입자 크기가 큰 탈크(Talc)를 포함한 지료는 입자가 작은 중질탄산칼슘(GCC)을 포함한 지료보다 응집이 더 심하고 지합(formation)이 불량하였으며, C-PAM의 분자량이 6백만에서 8백만으로 증가할수록 지합이 더욱 악화되었다. 이는 탈크의 비표면적이 상대적으로 작아 고분자 흡착이 제한되고, 과량의 C-PAM이 잔류하여 섬유 간 응집을 촉진한 결과로 해석된다. 이러한 결과는 가용 흡착 표면적에 따라 고분자 전해질의 양이 부족하거나 과잉이 될 수 있음을 보여주며, 비표면적이 큰 미세 충전제의 보류에는 고분자 사슬의 길이는 짧지만, 수적으로 더 많은 저분자량 C-PAM이 효과적임을 시사한다. 이후 두 충전제를 50:50, 75:25, 25:75의 비율로 혼합하고, C-PAM을 다양한 배합비로 적용하여 보류 특성을 비교하였다. 혼합 충전제 시스템(Talc:GCC=50:50)를 적용한 WEPS 초지 시 분자량이 8백만인 C-PAM의 비율이 높을수록 탈크의 보류율이 증가하고, 분자량이 6백만인 C-PAM의 비율이 높을수록 GCC의 보류율이 향상되었다. 이러한 결과는 제한된 첨가량 조건에서 고분자량 C-PAM이 입자 크기가 큰 충전제의 보류에 효과적인 반면, 저분자량 C-PAM은 입자 크기가 작은 충전제의 보류에 더 적합함을 보여준다. 이를 통해 입자 크기가 다른 충전제인 탈크와 GCC의 혼합 비율에 상응하는 C-PAM의 분자량 배합 비율을 제안할 수 있었다. WEPS 초지 시 C-PAM 보류향상제를 투입한 후, 10～40초 범위에서 교반시간을 변화시킴에 따른 보류율 변화를 분석한 결과, 분자량이 8백만인 C-PAM은 교반시간이 짧을 때 높은 보류율을 나타냈으나, 교반시간이 증가함에 따라 급격히 보류율이 감소하였고, 반대로 분자량이 6백만인 C-PAM은 교반시간의 변화에도 비교적 안정적인 보류율을 나타냈다. 본 연구의 결과를 통해 제지용 충전제의 입도 분포와 보류향상제 투입 후의 분산처리 정도에 따라 보류향상제의 분자량을 조절하여야 함을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study investigated the relationship between cationic polyacrylamide (C-PAM) molecular weight and inorganic filler particle size in paper retention, using the Wet End Process Simulator (WEPS) to replicate industrial sheet forming under vacuum dewatering and vibration. Stocks containing Talc exhibited greater flocculation and poorer formation than those with ground calcium carbonate (GCC), with formation further deteriorating as C-PAM molecular weight increased from 6 to 8 million. The reduced specific surface area of Talc limited polymer adsorption, leaving excess C-PAM to promote fiber flocculation. This result demonstrates that the number of polymer electrolytes can be either insufficient or excessive depending on the available adsorption surface area, and that the retention of small-sized fillers with a large specific surface area requires low-molecular-weight C-PAM, which has shorter chain lengths but is present in greater numbers. To further clarify the interactions between filler size and polymer chain length, Talc and GCC were blended at ratios of 50:50, 75:25, and 25:75, after which different molecular-weight combinations of C-PAM were applied. In mixed-filler systems (Talc:GCC=50:50), higher proportions of 8-million C-PAM increased Talc retention, while higher proportions of 6-million C-PAM enhanced GCC retention. A proportional relationship was observed in which the maximum total filler retention occurred when the mixing ratio of the polymers matched the mixing ratio of the fillers. Results indicate that high-molecular-weight C-PAM is more effective for large suspended solids, whereas low-molecular-weight C-PAM better retains smaller fillers under same polymer dosage. During WEPS sheet formation, retention behavior was further examined by varying the agitation time from 10 to 40 seconds after C-PAM addition. The 8-million C-PAM exhibited high retention at short agitation times but declined rapidly as agitation time increased, whereas the 6-million C-PAM maintained relatively stable retention across the agitation time range. These findings provide practical guidelines for selecting retention aid molecular weight based on filler particle size in papermaking.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 총괄 서론 1
• Ⅱ. 연구사 3
• 1. 충전제 3
• 2. 보류향상제 6
• Ⅲ. C-PAM 보류향상제의 분자량이 탈크와 GCC 보류에 미치는 영향 8
• 1. 서 론 8
• 2. 재료 및 방법 10
• 1) 공시재료 10
• (1) 펄프 10
• (2) 충전제 10
• (3) 보류향상제 10
• 2) 실험방법 10
• (1) 해리 및 고해 10
• (2) 수초지 제조 11
• (3) 충전제 보류량 분석 13
• (4) 탈수성 분석 13
• (5) 수초지 물성 13
• 3. 결과 및 고찰 14
• 1) 탈크 또는 GCC를 사용한 WEPS 시트의 충전제 보류에 대한 C-PAM 분자량의
• 영향 14
• (1) 지합, 두께 및 공기투과 특성 14
• (2) 보류 특성 17
• (3) 충전제 입자 크기와 C-PAM 분자량에 따른 보류 메커니즘의 한계 21
• 4. 결 론 23
• Ⅳ. 분자량이 다른 C-PAM 보류향상제의 배합비와 지료의 교반시간이 탈크와
• GCC 혼합 충전제의 보류에 미치는 영향 24
• 1. 서 론 24
• 2. 재료 및 방법 26
• 1) 공시재료 26
• (1) 펄프 26
• (2) 충전제 26
• ① 탈크의 전처리 및 충전제의 입도·표면 형상 분석 26
• (3) 보류향상제 29
• 2) 실험방법 29
• (1) 해리 및 고해 29
• (2) 수초지 제조 29
• (3) 충전제 보류량 분석 32
• (4) 탈수성 분석 32
• (5) 수초지 물성 32
• 3. 결과 및 고찰 33
• 1) C-PAM의 배합비가 탈크와 GCC 혼합 충전제의 보류에 미치는 영향 33
• (1) 탈크와 GCC 혼합 충전제(50:50)의 보류 및 지합 특성 33
• (2) 탈크와 GCC 혼합 충전제(75:25)의 보류 특성 38
• (3) 탈크와 GCC 혼합 충전제(25:75)의 보류 특성 41
• (4) 탈크와 GCC 혼합 충전제(75:25, 25:75)의 지합 특성 44
• 2) C-PAM 투입 후 교반시간에 따른 탈크와 GCC 첨가 종이의 물성 분석 47
• (1) 지합 및 공기투과 특성 47
• (2) 보류 특성 52
• (3) 광학적 특성 60
• 4. 결 론 63
• Ⅴ. 총괄 결론 65
• Ⅵ. 참고 문헌 67
• Abstract 74