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KR20220143949A - 셀룰로스 유도체의 용도 및 표면 사이징 방법 - Google Patents

셀룰로스 유도체의 용도 및 표면 사이징 방법 Download PDF

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KR20220143949A
KR20220143949A KR1020227033734A KR20227033734A KR20220143949A KR 20220143949 A KR20220143949 A KR 20220143949A KR 1020227033734 A KR1020227033734 A KR 1020227033734A KR 20227033734 A KR20227033734 A KR 20227033734A KR 20220143949 A KR20220143949 A KR 20220143949A
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KR
South Korea
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cellulose
fibrous web
size composition
cardboard
mol
Prior art date
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Application number
KR1020227033734A
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English (en)
Inventor
빌레 니만
아넬리 레포
Original Assignee
케미라 오와이제이
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 케미라 오와이제이 filed Critical 케미라 오와이제이
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Abstract

본 발명은 바람직하게는 재생된 셀룰로스 섬유를 포함하는 종이, 판지 등과 같은 섬유질 웹에 압축 강도를 제공하기 위한, 카르복시알킬 셀룰로스를 제외한 셀룰로스 에테르로부터 선택되는 적어도 하나의 셀룰로스 유도체를 포함하는 표면 사이즈(surface size) 조성물의 용도에 관한 것이다. 본 발명은 또한 종이, 판지 등의 표면 사이징(surface sizing) 방법에 관한 것이다.

Description

셀룰로스 유도체의 용도 및 표면 사이징 방법
본 발명은 첨부된 독립항의 전문에 따른, 적어도 하나의 셀룰로스 유도체의 용도 및 종이, 판지 등과 같은 섬유질 웹의 표면 사이징(surface sizing) 방법에 관한 것이다.
전자 상거래의 출현은 21세기 소비자 습관과 포장 시장 모두에 혁명을 일으켰다. 결과적으로 포장재에 대한 수요가 급격히 증가하였다. 동시에, 기후 변화, 화석 오일 매장량 감소, 및 자연에 축적된 플라스틱에 대한 우려로 인해 전세계 공급업체는 제품을 보호하고 운송하기 위해 보다 지속 가능한 패키지를 지속적으로 찾아야 했다.
판지, 특히 골판지는 가격이 저렴하고 구조가 가벼우며 재생이 용이하여 세계적으로 가장 많이 사용되는 포장재 중 하나이다. 예를 들어 전자상거래에서 골판지는 전체 포장재 수요의 80%를 차지한다. 판지와 같은 셀룰로스-기초 포장재의 사용은 재생 가능한 기원, 재생 가능성 및 이미 확립된 재생 시스템 덕분에 전통적으로 지속 가능한 대안으로 간주되어 왔다. 또한 기존의 골판지 용기(OCC), 탈묵지(DIP)와 같은 재생 섬유 재료를 판지 원료로 활용하는 경우가 많다. 재생 가능성과 재생 가능 기원 외에도 골판지의 세로 홈이 있는(fluted) 3-층 구조는 상당히 낮은 평량(basis weight)으로 예외적으로 높은 강성도(stiffness)를 제공한다. 낮은 무게는 운송 중 낮은 에너지 수요를 의미한다.
명백한 장점에도 불구하고 판지에는 한계도 있다. 판지의 주요 단점 중 하나는 열악한 물 및 습기 저항이다. 판지의 주요 구성 요소(building block)는 친수성 하이드록실기가 섬유에 기계적 강도를 부여하지만 동시에 습기에 취약하게 만드는 양친매성 셀룰로스-기초 섬유이다. 예를 들어 일회용 컵, 식품 포장 및 음료 포장에서 문제는 일반적으로 보호용 폴리에틸렌 필름으로 판지 표면을 덮는 것으로 해결된다. 그러나 포장 판지, 예를 들어 골판지의 측면에서, 비용 효율, 경량 및 재생성에 대한 엄격한 요건으로 인해 보호 필름 및 코팅의 활용이 제한되고 있다. 일반적으로 골판지의 표면층인 라이너보드(linerboard)는 제조 공정에서 받는 유일한 표면 처리가 전분-기초 표면 사이징이다. 전분은 주로 판지의 기계적 강도를 증강시키기 위해 적용된다.
상자 및 용기 등 포장재로 사용되는 판지의 경우, 판지의 압축 강도는 포장재의 강도를 좌우하는 가장 중요한 특성 중 하나이다. 패키지가 저장 및/또는 운송될 때, 패키지가 서로의 위에 쌓일 때 예를 들어 다른 패키지로 인해 주로 압축력을 받는다. 압축 강도 실패의 원인은 압축력 하에 판지의 구조적 붕괴이다. 압축 실패의 기전은 아직 완전히 이해되지 않지만; 인장 강도 실패의 기전과 상이하며, 여기서 섬유는 당기는 힘에 의해 구조에서 찢어진다. 따라서, 판지의 인장 강도는 이의 압축 강도로부터 예측될 수 없다.
또한, 습한 조건에서는 판지의 압축 강도가 급격히 저하될 수 있다. 표면 사이징에 사용되는 전분의 하이드록실기는 물 분자에 민감하여 습한 조건에서 강도 특성을 저하시킨다. 오늘날 많은 제품이 습한 환경 조건을 가진 국가, 예를 들어 동남아시아에서 생산되어 전세계로 배송된다. 이로 인해 습한 조건에서도 압축 강도가 개선된 판지에 대한 필요성이 높아졌다.
이러한 점을 고려하여, 판지와 같은 섬유상 포장재의 내습성을 개선하고 습한 환경에서 압축 강도 특성을 증강시키는 것이 필요하다.
본 발명의 목적은 종래 기술에 존재하는 단점을 최소화하거나 심지어 제거하는 것이다.
본 발명의 목적은 습한 환경에서도 압축 강도, 인열 강도 및/또는 파열 강도, 특히 압축 강도와 같은 종이, 판지 등과 같은 섬유질 웹의 강도 특성을 개선하는 것이다.
본 발명의 추가 목적은 종이, 판지 등과 같은 섬유질 웹의 내습성, 특히 판지, 예를 들어 라이너보드의 내습성을 개선하는 것이다.
본 발명의 더욱 추가의 목적은 특히 높은 습도 조건에서 높은 압축 강도를 갖는 종이, 판지 등과 같은 섬유질 웹을 제공하는 것이다.
설명된 모든 구현예 및 이점은 적용 가능한 경우 본 발명에 따른 용도와 방법 둘 다에 적용되며, 항상 명시적으로 언급되지는 않더라도 적용된다.
이들 목적은 독립항에 개시된 특질에 의해 달성되고 본 발명은 동봉된 독립항의 특질에 의해 정의된다. 본 발명의 일부 바람직한 구현예는 종속항에 제시되어 있다.
카르복시알킬 셀룰로스를 제외한 셀룰로스 에테르로부터 선택되는 적어도 하나의 셀룰로스 유도체를 포함하는 표면 사이즈(surface size) 조성물의 본 발명에 따른 전형적인 용도는 바람직하게는 재생 셀룰로스를 포함하는 종이, 판지 등과 같은 섬유질 웹에 압축 강도를 제공하기 위한 것이다.
종이, 판지 등과 같은 섬유질 웹의 표면 사이징을 위한 본 발명에 따른 전형적인 방법에서, 상기 방법은
- 바람직하게는 종이, 판지 등과 같은 재생된 셀룰로스 섬유를 포함하는 섬유질 웹을 수득하는 단계,
- 표면 사이징 스테이션 또는 코팅 스테이션에서 섬유질 웹의 표면 상에 수성 표면 사이즈 조성물을 적용하는 단계로서, 상기 표면 사이즈 조성물은 카르복시알킬 셀룰로스를 제외한 셀룰로스 에테르로부터 선택되는 적어도 하나의 셀룰로스 유도체를 포함하고 섬유질 웹에 압축 강도를 제공하는, 단계
를 포함한다.
이제 놀랍게도 표면 사이즈 조성물에서 셀룰로스 에테르로부터 선택되는 적어도 하나의 셀룰로스 유도체의 사용이 표준 환경 조건(온도 +23℃, 상대 습도 50%), 뿐만 아니라 특히 습도와 온도가 높은 환경 조건(온도 +38℃, 상대 습도 90%)에서 종이, 판지 등과 같은 섬유질 웹에 압축 강도 특성을 제공한다는 것이 발견되었다. 본 발명은 통상적으로 사용되는 전분에 대한 식품 생산과 경쟁하지 않는 내습성 및 생물-기초 대안을 제공한다. 셀룰로스 에테르를 사용하여 수득되는 개선된 압축 강도 특성 및 내습성은 가능한 최종 사용 적용의 넓은 분야를 제공하고, 습도 수준 및 온도가 높은 지리적 영역에서 종이, 판지 등의 습기-관련 손상을 감소시킨다. 또한, 압축 강도 특성의 개선은 판지와 같은 섬유질 웹을 더욱 지속 가능한 선택된 패키지로 만드는 더 가벼운 구조를 가능하게 할 수 있다.
현재 문맥에서 "내습성"이라는 용어는 높은 습도에서 압축 강도를 유지하는 종이, 판지 등의 능력인 것으로 정의된다. 본 발명에 따른 표면 사이징 조성물에서 셀룰로스 에테르로부터 선택되는 셀룰로스 유도체의 사용은 표준 조건에서, 특히 섬유질 웹이 상대 습도가 ≥80%, 바람직하게는 ≥85%, 더 바람직하게는 ≥90%이고 온도가 ≥30℃, 바람직하게는 ≥35℃, 더 바람직하게는 ≥38℃인 환경 조건에 노출될 때 종이, 판지 등과 같은 섬유질 웹의 압축 강도, 인열 강도 및/또는 파열 강도를 제공하는데, 즉, 유지시키며 및/또는 개선한다. 특히 종이, 판지 등의 SCT 강도로 표현되고 ISO 9895 표준(2008)에 따라 측정된 압축 강도는 표준 환경 조건(+23℃, 상대 습도 50%)에 노출될 때, 특히 상대 습도가 ≥80%, 바람직하게는 ≥85%, 더 바람직하게는 ≥90%이고 온도가 ≥30℃, 바람직하게는 ≥35℃, 더 바람직하게는 ≥38℃인 환경 조건에 노출될 때 개선될 수 있다.
본 발명에 사용하기에 적합한 셀룰로스 에테르는 적어도 냉수(+15℃)에서 수용성이다. 셀룰로스 에테르는 알킬 셀룰로스, 하이드록시알킬 셀룰로스, 하이드록시알킬 알킬 셀룰로스 및 이들의 임의의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 셀룰로스 에테르는 서로 동일하거나 상이할 수 있는 하나 이상의 알킬기 및/또는 하이드록시알킬기를 함유할 수 있다. 적합한 알킬기는 예를 들어 메틸, 에틸 및 프로필이다. 적합한 하이드록시알킬기는 예를 들어 하이드록시메틸, 하이드록시에틸 및 하이드록시프로필이다. 셀룰로스 에테르는 0.1 내지 3, 바람직하게는 0.5 내지 2.7, 더 바람직하게는 0.7 내지 2.5, 더욱 더 바람직하게는 1.0 내지 2.1, 또는 1.0 내지 2.0 미만의 범위에서 알킬기 및 하이드록시알킬기의 치환도(DS)를 가질 수 있다. 하나의 바람직한 구현예에 따르면, 셀룰로스 에테르는 메틸 셀룰로스, 에틸 셀룰로스, 하이드록시메틸 셀룰로스, 하이드록시에틸 셀룰로스, 하이드록시프로필 셀룰로스, (하이드록시에틸)메틸 셀룰로스 및 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로스로 이루어진 군으로부터 선택된다.
셀룰로스 에테르는 심지어 알킬기, 하이드록시알킬기 및 하이드록실기 이외에 다른 작용기를 포함할 수 있는 것이 가능하다. 다른 기는 예를 들어 카르복실레이트, 카르복시알킬, 설포네이트, 포스포네이트, 아민, 아미드 및 알킬 에스테르 기로부터 선택될 수 있다. 셀룰로스 에테르가 알킬기 및/또는 하이드록시알킬기 외에 하나 이상의 다른 기를 포함하는 경우, 알킬기 및/또는 하이드록시알킬기의 치환도는 다른 기의 치환도보다 높다.
카르복시메틸 셀룰로스와 같은 카르복시알킬 셀룰로스는 본 발명의 범위에서 제외된다. 따라서, 본 발명에 사용된 표면 사이즈 조성물은 카르복시알킬 셀룰로스, 예를 들어, 카르복시메틸 셀룰로스가 없다. 일 구현예에 따르면, 셀룰로스 에테르조차도 작용기로서 카르복실레이트 및 카르복시알킬기가 없다.
셀룰로스 에테르의 셀룰로스 백본은 식물-기초 셀룰로스 또는 미생물 셀룰로스로부터 기원할 수 있다. 바람직하게는 셀룰로스 에테르의 셀룰로스 백본은 식물-기초 셀룰로스, 더 바람직하게는 목재-기초 셀룰로스로부터 기원한다.
본 발명에 사용하기에 적합한 셀룰로스 에테르는 중량 평균 분자량이 ≤300,000 g/mol, 바람직하게는 ≤100,000 g/mol, 더 바람직하게는 ≤45,000 g/mol, 더욱 더 바람직하게는 ≤20,000 g/mol일 수 있다. 셀룰로스 유도체의 중량 평균 분자량은 1000 - 300,000 g/mol, 바람직하게는 2000 - 100,000 g/mol, 더 바람직하게는 3000 - 45,000 g/mol 또는 더욱 더 바람직하게는 5,000 - 20,000 g/mol 범위일 수 있다. 바람직한 일 구현예에 따르면, 셀룰로스 유도체의 중량 평균 분자량은 5,000 내지 18,000 g/mol의 범위일 수 있다. 때때로 셀룰로스 유도체의 중량 평균 분자량은 5,000 내지 15,000 g/mol의 범위에 있을 수 있다. 셀룰로스 에테르의 저분자량은 낮은 점도를 갖는 표면 사이즈 조성물을 제공할 수 있으며, 이는 표면 사이징 스테이션 또는 코팅 스테이션에서 종래의 적용 방법으로 사이즈 조성물을 여전히 적용할 수 있는 한편 표면 사이즈 조성물의 고형분 함량을 증가시키는 것이 가능함을 의미한다. 한편, 고분자량의 셀룰로스 유도체를 사용하면 섬유간 결합을 강화하는 능력이 개선되고 결과적으로 압축 강도 특성이 더욱 개선되어 더 높은 표면 사이징 효율을 제공할 수 있다.
표면 사이즈 조성물은 바람직하게는 물 이외의 다른 용매가 없으며, 특히 표면 사이즈 조성물은 알코올과 같은 유기 용매가 없다.
하나의 바람직한 구현예에 따르면, 수성 표면 사이즈 조성물의 점도는 2000 mPas 미만, 바람직하게는 500 mPas 미만, 더 바람직하게는 100 mPas 미만, 훨씬 더 바람직하게는 50 mPas 미만일 수 있다. 수성 표면 사이즈 조성물의 점도는 조성물이 섬유질 웹의 표면에 효과적으로 적용될 수 있도록 보장한다. 일부 구현예에서, 셀룰로스 에테르를 포함하는 수성 표면 사이즈 조성물은 블레이드(blade), 바(bar), 롤(roll), 커튼(curtain) 또는 스프레이 코팅과 같은 임의의 통상적인 코팅 방법을 사용하는 코팅 스테이션에서 섬유질 웹 상에 적용될 수 있다. 일반적으로, 셀룰로스 에테르로부터 선택되는 셀룰로스 유도체를 포함하는 수성 표면 사이즈 조성물은 바람직하게는 폰드 사이즈 프레스(pond size press), 필름 사이즈 프레스 또는 게이트-롤 사이즈 프레스와 같은 임의의 통상적인 표면 사이징 장치를 포함하는 표면 사이징 스테이션에서 섬유질 웹의 표면에 적용될 수 있다.
일 구현예에 따르면, 표면 사이즈 조성물은 전술한 바와 같은 셀룰로스 에테르로부터 선택되는 적어도 하나의 셀룰로스 유도체와 전분을 둘 다 포함할 수 있다. 이 구현예에서, 셀룰로스 유도체의 점도는 표면 사이즈 조성물의 최종 점도에 더 적은 영향을 미치며, 이는 더 높은 고형분 함량 및/또는 고분자량을 갖는 셀룰로스 유도체의 사용을 가능하게 할 수 있다.
수성 표면 사이즈 조성물은 적어도 1 중량%, 바람직하게는 적어도 2 중량%, 더 바람직하게는 적어도 4 중량%의, 셀룰로스 에테르로부터 선택되는 셀룰로스 유도체를 포함할 수 있다. 일 구현예에 따르면, 표면 사이즈 조성물은 셀룰로스 유도체 1 내지 25 중량%, 바람직하게는 1.5 내지 18 중량%, 더 바람직하게는 2 내지 14 중량%, 더욱 더 바람직하게는 4 내지 12 중량%의 셀룰로스 유도체를 포함할 수 있다. 백분율은 표면 사이즈 조성의 총 중량에서 계산된다.
표면 사이징 조성물은 셀룰로스 에테르 외에 종이, 판지 등의 표면 사이징에 통상적으로 사용되는 첨가제를 포함할 수 있다. 이러한 첨가제는 소수화제, 착색제, 무기 안료, 계면활성제, 가소제, 소포제, 형광 증백제, 레올로지 변형제, 강도 첨가제 및 알루미늄 화합물로부터 선택될 수 있으며, 이들은 표면 사이즈 조성물의 사이징 성능을 증강시키고/시키거나 코팅 스테이션 또는 표면 사이징 스테이션, 예컨대 사이즈 프레스에서의 실행성을 개선하고/하거나, 다르게는 최종 종이, 판지 등의 표면 특성을 조정할 수 있다.
표면 사이즈 조성물은 표면 사이즈 조성물의 총 중량으로부터 계산 시 1-30 중량%, 바람직하게는 1-20 중량%, 더 바람직하게는 4-16 중량%, 더욱 더 바람직하게는 7-16 중량%의 고형분 함량을 가질 수 있다. 바람직하게는 표면 사이즈 조성물에는 무기 안료 및 광물 입자가 없다.
일 구현예에 따르면, 표면 사이즈 조성물은 셀룰로스 에테르가 섬유질 웹의 표면에 적어도 0.25 g/m2, 바람직하게는 적어도 0.5 g/m2, 더 바람직하게는 적어도 1 g/m2의 양으로 섬유질 웹의 표면에 적용되는 양으로 섬유질 웹의 표면 상에 적용될 수 있다. 표면 사이즈 조성물은 예를 들어 셀룰로스 에테르가 섬유질 웹의 한쪽 표면 또는 섬유질 웹의 양쪽 표면에 0.25-9 g/m2, 바람직하게는 0.5 - 7 g/m2, 더 바람직하게는 0.65 - 5 g/m2 또는 1 - 3 g/m2, 때로는 더욱 더 바람직하게는 1 g/m2 초과 내지 3 g/m2까지의 범위의 양으로 적용되는 양으로 적용될 수 있다. 셀룰로스 에테르는 최종 종이, 판지 등의 압축 강도를 개선하므로, 기존 수준의 압축 강도를 유지하면서 섬유질 웹의 표면에 적용되는 표면 사이즈의 양을 감소시킬 수 있다. 한편, 섬유질 웹의 표면에 적용되는 표면 사이즈의 양을 증가시키고 최종 종이, 판지 등의 강도, 특히 압축 강도를 증가시키는 것이 가능하다.
하나의 바람직한 구현예에 따르면, 방법은 섬유질 웹의 표면 상에 수성 표면 사이즈 조성물의 적어도 2회 또는 3회 이상의 연속 적용을 포함한다. 표면 사이즈 조성물의 다중 연속 적용의 사용은 조성물의 픽업(pick-up)을 증가시킬 수 있고, 따라서 강도 특성의 추가 개선이 달성될 수 있다. 또한, 다중 적용은 표면 사이즈 조성물의 점도 및/또는 고형분 함량과 관련하여 자유도를 증가시킨다.
섬유질 웹의 표면에 표면 사이즈 조성물을 적용한 후, 웹은 종이 또는 판지 기계의 건조 섹션에서 건조된다. 표면 사이즈 조성물의 2, 3 또는 그 이상의 연속 적용이 있는 경우, 섬유질 웹은 표면 사이즈 조성물의 연속 적용 사이에 건조될 수 있다.
본 발명은 재생된 셀룰로스 섬유를 포함하는 종이 또는 판지와 같은 섬유질 웹의 제조 공정에 특히 적합하다. 일 구현예에 따르면, 표면 사이즈 조성물이 적용되는 종이, 판지 등과 같은 섬유질 웹은 기존의 주름진 컨테이너보드(OCC) 및/또는 다른 재생 섬유 재료로부터 기원하는 재생 셀룰로스 섬유를 포함한다. OCC는 사용된 재생된 미표백 또는 표백 크래프트 펄프 섬유, 견목 반화학 펄프 섬유, 잔디 펄프 섬유 또는 이들의 임의의 혼합물을 포함할 수 있다. 재생된 섬유에 더하여, 섬유질 웹은 크래프트 펄프화 및/또는 화학-열기계적 펄프화에 의해 수득된 셀룰로스 섬유를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 섬유질 웹은 예를 들어 OCC 및/또는 다른 재생 섬유 재료로부터 기원하는 재생 셀룰로스 섬유를 20 중량% 이상, 바람직하게는 50 중량% 이상 포함한다. 일부 구현예에서, 섬유질 웹은 예를 들어 OCC 및/또는 다른 재생 섬유 재료로부터 기원하는 재생 섬유를 심지어 >70 중량%, 때로는 심지어 >80 중량% 포함할 수 있다. 섬유질 웹에서 재생된 섬유의 양은 섬유질 웹에 있는 모든 섬유의 총 중량으로부터 건조된 것으로 계산하여 20 - 100 중량%, 바람직하게는 55 - 100 중량%, 더 바람직하게는 75 - 95 중량%일 수 있다.
섬유질 웹을 형성하는 데 사용되며 바람직하게는 재생 섬유를 포함하는 섬유 원료의 pH는 6 이상, 예를 들어 6 내지 8일 수 있다.
섬유질 웹은 무기 광물 안료 충전제 및 다양한 다른 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.
섬유질 웹의 일 구현예에 따르면, 건조된 상태에서의 평량(basis weight)은 20 g/m2 이상, 바람직하게는 60 g/m2 이상, 더 바람직하게는 80 g/m2 이상, 더욱 더 바람직하게는 100 g/m2일 수 있다. 섬유질 웹의 평량은 건조 상태에서 20 내지 500 g/m2, 바람직하게는 50 내지 400 g/m2, 바람직하게는 60 내지 350 g/m2 또는 때로는 심지어 100 내지 200 g/m2의 범위일 수 있다.
하나의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명은 판지, 바람직하게는 다층 판지와 같은 섬유질 웹의 제조에 사용되며, 여기서 섬유질 웹은 테스트라이너, 크래프트라이너 또는 골판지 매체로부터 선택되는 다층 판지의 층이다. 본 발명은 재생 섬유를 포함하는 테스트라이너 또는 주로 기계적 순수 펄프를 포함하는 크래프트라이너와 같은 라이너보드의 표면 사이징에 특히 적합하다. 테스트라이너는 2개에서 최대 4개의 플라이(ply)르 포함하는 적층 구조를 포함할 수 있으며 및/또는 80 - 350 g/m2 범위의 평량을 가질 수 있다. 본 발명은 또한 특히 재생 섬유가 원료로 사용될 때 주름진 매체의 표면 사이징에 적합하다. 골판지 매체는 단일 플라이 구조를 가질 수 있다. 평량은 110 내지 180 g/m2 범위일 수 있다.
셀룰로스 에테르로부터 선택되는 셀룰로스 유도체를 포함하는 표면 사이즈 조성물의 사용은 SCT 강도, 인열 강도 및/또는 파열 강도, 특히 SCT 강도 및/또는 RCT 강도로 표현되는 압축 강도와 같은 최종 종이 또는 판지의 강도 특성을 개선한다. 이는 종이 및 판지, 특히 포장에 사용되는 등급의 중요한 강도 특성이다. 단기간 압축 테스트(SCT: Short-Span Compression Test) 강도는 최종 제품, 예를 들어 골판지 상자의 압축 저항을 예측하는 데 사용할 수 있다. 판지로 만들어진 상자는 저장 및 운송 중에 높은 하중에 노출되어 압축 강도, 즉 SCT 강도를 강도 특성 중 가장 중요하게 만든다. 인열 강도는 라이너보드에 대한 또 다른 중요한 기계적 특성이다. 높은 인열 강도는 주름, 굽힘 및 절단 동안 라이너보드의 균열을 방지한다. 파열 강도는 파열에 대한 종이/판지의 저항을 나타내며, 압력이 샘플의 측면에 균일하게 가해질 때 샘플을 파열시키는 데 필요한 정수압으로서 정의된다. 링 크러쉬 테스트(RCT: Ring Crush Test) 강도는 또한 최종 제품의 압축 저항, 즉 조합된 좌굴(buckling) 및 압축 실패에 대한 종이/판지의 저항을 예측하는 데 사용할 수도 있다.
카르복시알킬 셀룰로스를 제외한 셀룰로스 에테르로부터 선택되는 하나 이상의 셀룰로스 유도체의 본 발명에 따른 한 가지 용도는 종이, 판지 등의 강도 특성 및/또는 내습성을 개선하기 위한 표면 사이즈 조성물에 있다.
종이, 판지 등과 같은 섬유질 웹의 표면 사이징을 위한 본 발명에 따른 하나의 방법에서, 수성 표면 사이즈 조성물은 섬유질 웹의 표면 상에 적용되며, 상기 표면 사이즈 조성물은 카르복시알킬 셀룰로스를 제외한 셀룰로스 에테르로부터 선택되는 적어도 하나의 셀룰로스 유도체를 포함한다.
일 구현예는 종이, 판지 등의 강도 특성 및/또는 내습성을 개선하기 위한 표면 사이즈 조성물에서 카르복시알킬 셀룰로스를 제외한 셀룰로스 에테르로부터 선택되는 적어도 하나의 셀룰로스 유도체의 용도에 관한 것이다.
실시예
본 발명의 일부 구현예는 하기 비제한적인 실시예에 기재되어 있다.
2개의 셀룰로스 유도체를 판지의 표면 사이징에서 테스트하였고, 압축 강도에 대한 영향을 표준 조건(RH 50%, 23℃)과 높은 습도 조건(RH 90%, 38℃) 둘 다에서 연구하였다.
베이스 판지 시트
표면이 아닌 사이즈의 홈이 있는 시트를 베이스 판지 시트로 테스트에 사용하였다. 베이스 판지 시트의 특성은 표 1에 나와 있다.
표 1 베이스 판지 시트의 특성.
특성 값
사이즈 (mm*mm) 148 * 210 (A5)
평량 (g / m) 140
두께 (μm) 231 ± 5
PPS 거칠기, 상부면 (μm) 11.4 ± 0.2
PPS 거칠기, 하부면 (μm) 12.0 ± 0.2
Bendtsen 거칠기, 상부면 (ml/분) 3400 ± 500
Bendtsen 거칠기, 하부면 (ml/분) 4200 ± 400
셀룰로스 유도체
2개의 수용성 셀룰로스 유도체, 메틸 셀룰로스 MC(Sigma Aldrich) 및 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로스 HPMC(Sigma Aldrich)를 테스트하였다. HPMC를 10,000 및 22,000 g/mol의 2개의 상이한 중량 평균 분자량으로 테스트하였다. 테스트된 MC는 14,000 g/mol의 중량 평균 분자량을 가졌다.
테스트된 셀룰로스 유도체는 냉수에서는 가용성이지만 뜨거운 물에서는 불용성이어서, 샘플 준비에 사용되었다. 각각의 셀룰로스 유도체에 대해 가능한 최고 농도의 마스터 배치를 먼저 만들고 마스터 배치를 희석하여 실제 표면 사이징 샘플을 준비하였다. 셀룰로스 유도체는 건조 분말 형태로 제공되었다. 필요한 양의 물의 1/3을 먼저 셀룰로스 유도체의 젤라틴화 온도 초과로 명확하게 가열하였다. 그런 다음 셀룰로스 유도체 분말을 뜨거운 물(MC: >80℃, HPMC: >90℃)에 첨가하고 분말이 고르게 분산될 때까지 분산액을 혼합하였다. 그 후, 분산액을 빙욕에 넣고 나머지 물을 차가운 수돗물로서 첨가하였다. 냉각하는 동안 분말이 빠르게 용해되었다. 용액을 30분 혼합한 후 냉장실(+5℃)에 밤새 방치하여 침전시켰다.
기준 전분
기준 전분(Raisamyl 01121, Chemigate)은 표면 사이징에 사용되기 전에 조리되었다. 분말 형태의 전분을 칭량하여 찬 수돗물에 넣고 잘 분산될 때까지 혼합하였다. 그 후, 가열이 시작되었다. 전분은 60℃ 내지 70℃의 온도 범위에서 용해되기 시작하여 황색 액체가 형성되었다. 온도가 95℃에 도달하면 전분을 최소 30분 내지 40분 동안 조리한 후 가열실에서 적절한 사이징 온도로 냉각하고 100 ml 샘플 병에 부었다. 고형분 함량이 12 중량%인 전분을 기준 전분으로 사용하여 일반적인 표면 사이징 절차로 달성할 수 있는 압축 강도를 나타낸다. 또한, 5 중량% 전분 샘플을 준비하여 저-고형분 함량의 셀룰로스 유도체와 더 유사한 데이터를 제공하였다. 또한 전분의 고형분 함량이 판지의 픽업 및 압축 강도에 미치는 영향을 결정하였다.
표면 사이징 실험의 실행
고무 롤(직경 110 mm)이 있는 실험실 규모의 폰드형 사이즈 프레스(Labor Sizepresse SP 5607)를 사용하였다. 결과의 비교 가능성을 보장하기 위해 롤의 압력 및 회전 속도와 같은 사이징 파라미터를 일정하게 유지시켰다. 예외는 테스트된 셀룰로스 유도체의 젤라틴화 온도와 전분의 퇴화 온도에 따라 변경된 사이징 온도였다. HPMC의 경우 사이징 온도는 40℃였고, MC의 경우 사이징 온도는 30℃였다. 전분은 아밀로스 분획의 퇴화를 피하기 위해 약 65℃의 온도에서 표면 사이징되었다.
폰드에서 사이즈의 부피와 드럼 건조기의 건조 시간은 모든 테스트에서 일정하게 유지되었다. 드럼 건조기는 각각의 표면 사이징 처리 후 샘플을 건조하는 데 사용되었다. 건조 펠트의 속도는 사이징된 시트가 건조기에서 약 90초 동안 이동하도록 조정되었다. 모든 사이징 파라미터와 각각의 파라미터에 대한 값은 표 2에 나열되어 있다.
표 2 각각의 재료에 대해 테스트된 표면 사이징 파라미터.
표면 사이징 파라미터 값
사이즈의 부피 (ml) 100
드럼 건조기에서의 건조 시간 (s) 90
압력 (bar) 2
속도 (m/s) 2
판지의 표면 사이즈 픽업은 표준 조건(RH = 50%, T = 23℃)에서 표면 사이징 전후에 시트를 칭량하여 평가되었다. 그런 다음 중량 차이를 계산하고, 시트의 표면적으로 나누었다. 표면 사이즈가 판지의 양면에 부착되기 때문에, 한면당 픽업을 수득하기 위해 픽업을 2로 나누었다.
일부 테스트에서 시트는 사이즈 프레스를 두세 번 통과하였다. 이 절차에서 시트는 각각의 패스 사이에 드럼 건조기에서 건조되었다.
물에 대한 다중 노출이 판지의 압축 강도에 미치는 효과를 확인하기 위해 기준으로 베이스 판지의 표면 사이징을 순수한 물로 여러 번 테스트하였다.
압축 강도 측정
교차 방향(CD) 압축 강도만 측정되었다. 각각의 샘플 조각의 길이는 A5 샘플 시트의 폭(148 mm)이었고 샘플 폭은 15 mm였다. 압축 강도는 L&W 압축 강도 테스터(STFI)를 이용한 단시간 압축 테스트(SCT) 방법에 의해 측정되었다. 측정은 ISO 9895 표준(2008)에 따라 수행되었다. 모든 셀룰로스 유도체 샘플에 대해 모든 8개의 샘플 조각에서 2개의 병렬 측정을 수행하여, 샘플당 총 16개의 측정을 수행하였다. 베이스 종이 기준 샘플에 대해 8개의 병렬 측정이 수행되었다.
모든 SCT 측정은 RH = 50% 및 T = 23℃에서 수행되었다. 높은 습도(RH 90%) 샘플은 RH = 90% 및 T = 38℃에서 밤새 컨디셔닝 캐빈에 있었던 후 표준 조건에서 측정되었다. 즉, 샘플의 컨디셔닝은 판지 테스트 조각에 높은 수분 함량을 제공하도록 수행되었다. 컨디셔닝 후, 샘플은 실제 측정이 이루어질 때까지 높은 습도 조건을 유지하기 위해 플라스틱 파우치에 담아 SCT 장비로 운반되었다. 수분이 플라스틱 파우치를 투과하지 못하여 샘플 조각이 파우치 외부에 있어야만 수분을 잃을 수 있다고 가정하였다. 따라서, 파우치 외부의 시간은 최소화되고 모든 샘플에 대해 가능한 한 일정하게 유지되었다. 한 번에 최대 8개의 샘플 세트가 컨디셔닝 캐빈에 배치되었다. 모든 샘플 세트는 세트당 4개 조각이 들어 있는 별도의 플라스틱 파우치에 배치되었다.
SCT 값을 측정하는 것 외에도, 각각의 셀룰로스 유도체의 표면 사이징 성능은 수득된 SCT 개선을 사이즈의 픽업에 비례하여 평가되었다. 이러한 소위 '사이징 효율'은 한면당 평방미터당 1 g이 적용될 때 재료가 판지에 얼마나 많은 압축 강도를 제공할 수 있는지를 결정하였다.
결과
표면 사이즈 샘플의 외관은 전분 사이즈 샘플과 유사하였다. 눈에 보이는 유일한 차이점은 사이징된 베이스 판지 시트의 구불거림과 약간 어두운 색조였다.
픽업
표면 사이즈의 픽업은 사이즈의 고형분 함량에 크게 의존하였다. 고형분 함량이 5 중량%인 모든 셀룰로스 유도체 용액의 픽업 값은 5 중량% 전분 용액과 거의 흡사하였다. 이는 판지 표면에 부착되어 판지의 구조에 침투하는 유사한 경향을 나타낸다. 시트가 사이즈 프레스를 통해 두세 번 통과하였을 때 픽업은 각각의 통과에서 거의 일정하게 유지되었다.
수득된 픽업에 대한 분자량의 영향은, 동일한 농도를 갖지만 셀룰로스 유도체 및 상이한 분자량을 갖는 2개의 HPMC 샘플로 연구되었다. 더 낮은 분자량을 가진 샘플은 4개의 모든 테스트 지점에서 더 높은 픽업 값을 초래하였다. 표면 사이즈의 픽업에 미치는 분자량의 효과를 도 1에 도시된다. 분자량이 낮을수록 셀룰로스 유도체가 더 작은 구멍으로 침투하고 종이 시트의 구조에 더 깊숙이 침투할 수 있다고 가정할 수 있다.
RH 50%, 23℃에서의 SCT 강도
테스트된 모든 셀룰로스 유도체 용액은 RH 50%, 23℃에서 베이스 판지의 압축 강도를 개선하는 것으로 나타났다. 결과는 도 2를 참조한다. 실제로, 8 중량% HPMC 용액으로 표면 사이징된 판지 시트는 더 낮은 고형분 함량 및 픽업에도 불구하고 12 중량% 기준 전분 용액으로 수득된 값과 동일한 SCT 값에 도달하였다. 시트가 8 중량% HPMC 용액으로 2회 및 3회 표면 사이징되었을 때, 더욱 더 높은 SCT 값이 수득되었다. 또한, 5 중량% MC 용액은 50% 상대 습도에서 베이스 종이의 SCT 값을 유의하게 개선하였다.
5 중량% 용액 사이의 비교는 도 3에 도시되어 있다. HPMC는 모든 3개의 테스트 지점에서 기준 전분을 능가한 것으로 나타났다. MC 용액으로 2회 표면 사이징된 판지 샘플은 전분 또는 HPMC 용액으로 2회 표면 사이징된 상응하는 판지 샘플보다 더 양호한 압축 강도를 나타내었다. 이에 대한 하나의 가능한 설명은 메틸 셀룰로스 분자에서 소수성 작용기의 함량이 더 높을 것이라는 것이다. 소수성은 두 번째 물에 노출되는 동안 팽윤으로부터 베이스 판지의 셀룰로스 섬유를 보호하여 두 번째 사이징 라운드에서 감소 효과를 완화할 수 있다. 저분자량 HPMC 샘플과 고분자량 HPMC 샘플 사이의 비교는 더 낮은 픽업 및 가정된 판지 구조의 가장 작은 공극에 대한 더 낮은 침투에도 불구하고 고분자량이 압축 강도의 개선을 부여할 것임을 나타내었다.
또한, 고분자량 HPMC의 2 중량% 용액이 다른 테스트된 조합보다 더 양호한 사이징 효율(SCT 개선/픽업) 결과를 제공한 것으로 관찰되었다.
RH 90%, 38℃에서의 SCT 강도
90% 상대 습도, 온도 38℃에서 셀룰로스 유도체의 SCT 결과는 RH 50%에서의 결과보다 더욱 더 유망하였다. 표면 사이징에 셀룰로스 유도체를 사용하면 베이스 판지 시트의 고습 압축 강도도 향상되었으며, 결과는 도 4에 도시된다. 최상의 원패스 결과는 8 중량% HPMC 용액과 12 중량% 기준 전분 용액을 둘 다 능가한 5 중량% MC 용액에 의해 달성되었다. 5 중량% 용액의 비교는 MC 용액으로 2회 표면 사이징된 베이스 판지 시트(2회 통과) 또한 전분 또는 HPMC로 사이징된 상응하는 샘플보다 더 높은 압축 강도를 가졌음을 보여준다. MC 용액으로 높은 습도에서 수득된 높은 SCT 값은 MC 분자에서 소수성 작용기의 보호 효과의 역할에 대해 제안된 이론을 뒷받침한다.
저분자량 HPMC 샘플과 고분자량 HPMC 샘플 사이의 비교는 고분자량 HPMC가 RH 90%에서도 압축 강도의 개선을 부여할 것임을 나타내었다.
수용성 MC 및 HPMC를 포함하는 수성 표면 사이즈 조성물을 사용한 표면 사이징은 큰 어려움 없이 진행되었으며, 2개의 셀룰로스 유도체가 판지에 대해 개선된 압축 강도를 제공하는 것으로 입증되었다고 결론내려진다. 특히 높은 습도 조건에서, 셀룰로스 유도체 샘플은 기존 전분으로 표면 사이징된 샘플보다 더 양호한 SCT 강도 결과를 보여주었다.
본 발명이 현재 가장 실용적이고 바람직한 구현예를 참조하여 설명되었다 하더라도, 본 발명은 위에서 설명된 구현예로 제한되지 않으며, 본 발명은 또한 상이한 변형 및 균등물도 동봉된 청구범위의 범위 내에 포함하도록 의도됨을 이해해야 한다.

Claims (17)

  1. 섬유질 웹, 예컨대 종이, 판지 등, 바람직하게는 재생된 셀룰로스 섬유를 포함하는 섬유질 웹에 압축 강도를 제공하기 위한, 카르복시알킬 셀룰로스를 제외한 셀룰로스 에테르로부터 선택되는 적어도 하나의 셀룰로스 유도체를 포함하는 표면 사이즈 조성물의 용도.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀룰로스 에테르는 알킬 셀룰로스, 하이드록시알킬 셀룰로스, 하이드록시알킬 알킬 셀룰로스 및 이들의 임의의 혼합물로부터 선택되는, 용도.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 셀룰로스 에테르는 메틸 셀룰로스, 에틸 셀룰로스, 하이드록시메틸 셀룰로스, 하이드록시에틸 셀룰로스, 하이드록시프로필 셀룰로스, (하이드록시에틸)메틸 셀룰로스, 및 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로스로 이루어진 군으로부터 선택되는, 용도.
  4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 셀룰로스 에테르는 ≤300,000 g/mol, 바람직하게는 ≤100,000 g/mol, 더 바람직하게는 ≤45,000 g/mol, 더욱 더 바람직하게는 ≤20,000 g/mol의 중량 평균 분자량을 갖는, 용도.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표면 사이즈 조성물은 표면 사이징 스테이션(surface sizing station) 또는 코팅 스테이션에서 섬유질 웹의 표면 상에 적용되는, 용도.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    수성 표면 사이즈 조성물은 적어도 1 중량%, 바람직하게는 적어도 2 중량%, 더 바람직하게는 적어도 4 중량%의, 셀룰로스 에테르부터 선택되는 셀룰로스 유도체를 포함하는, 용도.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수성 표면 사이즈 조성물은 전분을 추가로 포함하는, 용도.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축 강도는 ≥30℃, 바람직하게는 ≥35℃, 더 바람직하게는 ≥38℃의 온도 및 ≥80%, 바람직하게는 ≥85%, 더 바람직하게는 ≥90%의 상대 습도에서 측정되는 단시간 압축 테스트 강도(Short-span Compression Test strength)인, 용도.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 섬유질 웹은 테스트라이너(testliner), 크래프트라이너(kraftliner) 또는 주름진 매체(corrugated medium)로부터 선택되는 다층 판지의 층인, 용도.
  10. 종이, 판지 등과 같은 섬유질 웹의 표면 사이징 방법으로서,
    - 섬유질 웹, 바람직하게는 재생된 셀룰로스 섬유를 포함하는 섬유질 웹, 예컨대 종이, 판지 등을 수득하는 단계,
    - 표면 사이징 스테이션 또는 코팅 스테이션에서 섬유질 웹의 표면 상에 수성 표면 사이즈 조성물을 적용하는 단계로서, 상기 표면 사이즈 조성물은 카르복시알킬 셀룰로스를 제외한 셀룰로스 에테르로부터 선택되는 적어도 하나의 셀룰로스 유도체를 포함하고 섬유질 웹에 압축 강도를 제공하는, 단계
    를 포함하는, 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 셀룰로스 에테르는 알킬 셀룰로스, 하이드록시알킬 셀룰로스, 하이드록시알킬 알킬 셀룰로스 및 이들의 임의의 혼합물로부터 선택되는, 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    셀룰로스 에테르는 메틸 셀룰로스, 에틸 셀룰로스, 하이드록시메틸 셀룰로스, 하이드록시에틸 셀룰로스, 하이드록시프로필 셀룰로스, (하이드록시에틸)메틸 셀룰로스 및 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로스로 이루어진 군으로부터 선택되는, 방법.
  13. 제10항, 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 셀룰로스 에테르는 ≤300,000 g/mol, 바람직하게는 ≤100,000 g/mol, 더 바람직하게는 ≤45,000 g/mol, 더욱 더 바람직하게는 ≤20,000 g/mol의 중량 평균 분자량을 갖는, 방법.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표면 사이즈 조성물은 셀룰로스 에테르가 섬유질 웹의 표면에 적어도 0.25 g/m2, 바람직하게는 적어도 0.5 g/m2, 더 바람직하게는 적어도 1 g/m2의 양으로 적용되는 양으로 적용되는, 방법.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    수성 표면 사이즈 조성물의 점도는 2,000 mPas 미만, 바람직하게는 500 mPas 미만, 더 바람직하게는 100 mPas 미만, 더욱 더 바람직하게는 50 mPas 미만인, 방법.
  16. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 섬유질 웹의 표면 상에 수성 표면 사이즈 조성물의 적어도 2회의 연속 적용 단계를 포함하는, 방법.
  17. 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 섬유질 웹은 적어도 20 g/m2, 바람직하게는 적어도 60 g/m2, 더 바람직하게는 적어도 80 g/m2의 평량(basis weight)을 갖는, 방법.
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