Hybridizer에 의한 제지용 안료의 표면개질

조준형, 민동진

강원대학교 제지공학과

Surface Modification of

Pigment for Papermaking by Hybridizer

JH CHO, DJ MIN

Knagwon National University Department Paper Science & Engineering

서론

최근 제지산업에 대한 사회의 요구도는 다종다양화, 고성능화, 고기능화, 집밀화로 변해가고 있다. 주목할만한 것은 각종 매스컴과 pc통신, internet을 통한 정보의 처리의 발달에도 불구하고 인쇄용지의 수요동향은 현저하게 급증하고 있다는 사실이다. 이에 부응하여 각종 도공지의 경량화, 비용절감, 신 무기·유기안료의 개발에 활기를 띠기 시작하였다. 최근 신유기 안료로 대표되는 밀실, 중공, 바인더 안료등은 여러 가지 인쇄특성 및 광학적 성질, 안료의 경량화의 우수함이 인정되었으나, 고가의 비용이 걸림돌이 되고 있다. 고가의 비용을 낮추고 광학적 성질, 인쇄특성, 경량화등을 개선시킨 신 제지용안료개발이 시급하다.

본 연구에서는 미분체의 표면개질 장치인 Hybridization system을 이용한 제지용 무기안료의 표면개질을 통해 새로운 기능성 복합재료의 제조, 고가물질의 절약화, 표면 개질안료의 광학적 성질의 향상을 그 목적으로 하고자 한다.

본론

1. 분체의 표면개질(Powder Surface Modification)

1.1 개요

색재, 의약, 식품, 플라스틱, 시멘트 등 분체를 취급하는 공업에서는, 안료에 의해 착색 혹은 조색하는 일이 부가가치를 높여주는 의미에 있어서도 중요성이 대두되고 있다. 이 경우 1종류의 안료만 사용하여 얻어지는 색은 적고, 2종 이상의 유기·무기·금속안료 등을 혼합하는 일이 성행되고 있다. 2종의 안료를 혼합 및 마쇄할 경우, 이들 과정에서의 안료의 거동은 다음의 세 가지 모델에서 취급된다.

1) 2종의 안료가 아무런 상호작용도 받지 않고 혼합되어, 혼합안료의 표면은        나름대로의 안료성질을 가짐.

2) 한편의 안료가 혼합중 마쇄화에 의해 타 안료를 피복해 버림. 그 결과로서        혼합안료의 표면은 피복해 있는 안료의 성질을 가짐.

3) 2종의 안료가 마쇄에 의해 고상반응하여 전혀 다른 성질을 가짐.

이상과 같은 분류중에서 안료의 표면개질이라고 할수 있는 것은 2)의 경우       이다.

안료의 표면개질 목적은, 첫째로 내약품성, 내열성 및 내후성과 같이 안료 그 자체를 외적 조건으로부터 보호하고, 또한 바인더의 열화를 제어하기 위해 안료 그 자체를 불활성으로 조제하는 것이다. 둘째로는 안료의 분산성을 향상시킬 목적에서 표면성질은 개변하여 사용하기 쉬운 안료를 조제하는 것이다. 셋째로는 색상, 착색력, 혹은 은폐력 향상과 같은 안료물성을 좋게 하는 것이다.

이상의 각 목적에 따른 표면개질 방법에 대해서는 많은 연구 논문이 발표되고 있으며, 연구 또한 활발히 추진되어 왔다. 예를 들어 분산성의 향상, 표면활성, 내구성, 내광성, 내약품성, 내열성, 변색성 등을 대상으로 연구가 추진되고 있다.

또한 부가기치가 높고 정보집약적인 화학기술로 불리워지는 분체공업에 있어서 이 Microcapsule의 응용은, 기성의 이질재료를 조합함으로서 새로운 기능재료를 창제할수 있다.

1.2 표면개질 조작의 분류

기능성 분체를 만들기 위한 표면개질 조작은 낱낱이 분산한 핵입자 표면에, 이 핵입자와 상이한 물성(젖음성, 마찰, 대전성, 경도, 부착성, 도전성 등)을 지닌 미립자를 부착시켜 핵입자의 특성을 개선하는 방법과, 핵입자 표면에 특성이 다른 입자의 현탁액 또는 용해액을 코팅, 건조시켜 안정한 피막을 형성하는 방법(Capsule화법)이 있다. 표면개질의 분류는 아래와 같이 Coating, Topochemical, Mechanochemical, Capsule화, 고에너지 이용, 침전반응의 6항목으로 대별된다.

2. Hybridization 시스템

이 장치는 동경이과대학 약학부 Koishi 교수팀과 (株)奈良器械製作所가 공동 개발한 새로운 미분체의 표면개질 장치이다(Fig. 1). 물리적(기계적, 열적)방법을 이용하여 건식에서 미분끼리의 접합을 가능하게 하고, Fig. 1에 준한 표면개질을 실현시킨 시스템을 Fig. 2에 나타내었다. .

2.1 Hybridization 시스템 원리

O·M dizer에 투입된 모입자와 자입자는, 그 dizer의 혼합·분산작용으로 모입자에 자입자를 묻힌 Ordered mixture를 형성한다. 다음에 Ordered mixture를 일정량 계량하여 Hybridizer에 공급한다. Hybridizer는 입자를 기상 중(공기 및 불활성 가스 등)에 분산시키면서, 입자를 파괴하지 않을 정도의 충격력을 주체로 하는 기계적·열적 에너지를 입자에 부여하여 단시간(1∼5min)에 고정화처리 또는 성막처리를 행하고, 그 후 포집기로 신속하게 개질분체를 회수하는 원리이다.

이와 같이 Hybridization System은 □응집력이 강한 미립자의 균일분산기술□에 기초하여, 미분체의 미분체에 의한 표면개질을 기계적 충격력을 이용해서 건식·기상분산계에서 처리를 행하는 것이 특징이며, Koishi는 이 방법에 의한 캡슐화법을 새로이 □고속기류 중 충격법□으로 분류하고 있다.

2.2 Hybridization System의 장치개요

본 System(Fig. 1)은

1) ordered mixture를 형성하는 O.M. dizer, 2) 계량공급기-

3) 고정화와 성막처리를 행하는 Hybridizer, 4) 개질분체 捕集機

5) 제어·조작盤으로 구성되어 있다.

주 장치인 Hybridizer(Fig. 1)에서 (3))는, 고속회전 하는 Roter, Torstator, 순환회로로 구성되고 기내에 투입된 피처리물은, 이들의 작용에 의해 기내에 분산되면서, 충격력을 주체로 입자의 상호작용도 포함하여, 압축, 마찰, 剪斷등의 기계적 작용을 되풀이 받아, 단시간(10분내)으로 Fig. 2과 같은 처리가, 균일하게 완성된다.

처리는 回分運轉이지만 계량기와 連動시킨 Batch의 연속자동운전도 행할 수 있다.

2.3 Hybridization System의 기본적인 처리

기본적 처리는 Fig. 2에 나타난 바와 같다.

1) 고정화처리 : 모입자 표면에 안료, 유동성 개질제, 難燃材, 磁性粉등 각종의                    기능을 갖는 미립자를 충격력에 의해 박아 넣어 고정화한다.                    복합소재 創製의 목적이 많다.

2) 성막 처리 : 각종의 수지나 왁스를 성막용 미립자로서 모입자를 膜狀으로                    형성한다. 건식의 Microcapsule화 처리로 Masking과                            徐放化등을 목적으로 한다.

3) 구형화처리 : 금속이나 수지의 塑性변형성을 이용하여,  Hybridizer의 충격,                      타격력으로 부정형 미립자상을 구형화한다. 유동성의                           향상충전밀도, 표면적의 調整등을 목적으로 한다.

3. 실험방법

1) 제지용 충전제 및 도공용 안료를 입자의 특성 및 물성에 따라 모입자와 자입자로 선택하여 실험 sample을 제작한다. 효과적인 입자설계를 위하여 상기 기술한 입자선택 및 입자경에 따른 사입량을 조절하여 표면개질의 전 조건을 최적화 한다.

2) O.M.dizer를 통해 모입자와 자입자를 정전기력과 반데르발스 힘을 이용하여 ordered mixture를 제조한다. 이때의 혼합된 분체는 불안정한 상태로 모입자표면에 자입자가 정전기적 힘과 입자간 힘, 반데르발스힘에 의존하여 약한 접착력으로 혼합상태에 놓이게 된다. 이 혼합분체는 각종 외력이나 물성변화에 민감하여 쉽게 그 혼합분체의 특성이 변화할수 있다.

3) ordered mixtrue는 Hybridizer의 고속기류 중 강한 충격력에 의해 표면개질이 된다. 이 고속기류 중 충격력에 의해 모입자표면이 partial melting이 이루어지고, 여기에 자입자가 10000rpm의 강한 속력으로 부딪치며 자입자의 용융표면에 포집된다. 이러한 개질과정이 circulation ruote를 통해 반복적으로 이루어지며 최종적으로 모입자 전 표면적에 자입자가 개질된다.

4) 분체물성측정기로 각 개질전 안료와 개질후 안료의 물성을 테스트한다.

검사항목은 밀도, 안식각, spectula 각, Carr 지수, 붕괴각, 압축도, 공극률, 분산도등이 있다. 이중 분체의 유동성을 측정하기위해 안식각과 spectula 각을 측정하며, 분체의 입자형상, 배열구조, 입자경을 측정하기위해 공극률을 측정하고, 마지막으로 Carr 지수를 측정하여 분체의 종합적인 물성특성을 알아본다.

결론

분체물성측정장치를 이용하여 개질시료의 분체와 개질처리전 분체의 물성값을 구하여 다음과 같은 결론은 얻었다.

1. Clay는 이산화티탄으로 개질한 Clay보다 안식각, spectula 각이 크게 나왔다. 이는 Clay의 고유표면이 육각판상으로 이루어져있기 때문에 분체의 쌓이는 각이 안정되어 넓게 그리고 높은 적체형상을 보이게 된다. 이로인해 Clay의 안식각과 spectula 각은 표면개질을 시켜 입자표면이 구형화처리된 Clay보다 크게 나온 것으로 생각된다. 안식각이 작게 측정된다는 것은 분체의 유동성이 향상되며 분체의 수송 및 관리 보관이 양호해 진다는 것을 의미한다. 이외에 CaCO3은 입자표면이 구형에 가까운 형상이므로 안식각은 clay보다는 크게 나타나지는 않았다. 하지만 CaCO3표면에 이산화티탄의 개질로 인해 기존의 CaCO3보다는 안식각과 spectula 각이 작게나와 유동성이 향상된 것을 알 수 있었다.

2. 공극률은 분체의 입자형상, 배열구조, 입자경에 따라서 그 수치가 변화된다. Clay 경우, 표면개질시킨 Clay의 입자경은 기존 Clay와 큰 차이가 나지 않는다.

이는 Clay와 이산화티탄이 Hybridizer내에서 강한충격력으로 개질처리될 때 그 표면이 구형화처리되면서 즉 표면이 둥글게 깍이면서 개질처리되므로 입자경의 큰 증가는 볼수 없으며,. 더욱이 모입자 표면의 부분 용융으로 인해 이산화티탄이 Clay나 CaCO3표면에 포집되어 직경의 증가는 작아질 수밖에 없다. 개질처리전의 Clay와 CaCO3을 개질처리한 결과, 공극률은 각각 52%에서 38%로, 45%에서42%로 측정되었다. 이는 분체의 입자형상이 구형에 가까워지고, 배열구조가 규칙적이며, 입자분포도가 Sharp해졌다는 것으로 생각된다.

3. Carr 지수는 각 측정치(안식각, spectula 각, 균일도, 압축도 등)를 다양하게 식에 대입하여 그 값에 따라 분체의 유동성과 분류성을 확인하였다. Carr 지수 값이 50에서 100으로 갈수록 유동성이 좋아지며, 분류성도 같은 개념으로 그 값이 상승할수록 좋아진다. 표면개질시킨 Clay의 값은 88로 그 수치가 Clay보다 17정도 올라갔다. 유동성면이나 분류성면에서 보면, 개질시킨 Clay의 물성이 개선, 보완되었음을 알수있었다. CaCO3은 Clay보다는 그 변화 수치가 크지 않았지만 기존의 개질시키지 않은 CaCO3보다는 유동성과 분류성모두가 양호해졌음을 확인할 수 있었다.