두루마리 종이를 제조하기 위한 방법 및 초지기

두루마리 종이를 제조하기 위한 방법 및 초지기{METHOD FOR PRODUCING A PAPER WEB AND PAPER-MAKING MACHINE}

본 발명은 초지기에서 광택 처리된 두루마리 종이를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

종래 기술에 따라 제조된 종이에서, 조도(roughness)에 대한 캘린더 브래크닝(calender blackening)과 종이의 광택 사이에 상관 관계가 있다는 사실이 확인되었다. 캘린더 브래크닝은 코팅되지 않은 목질 종이의 강력한 광택 처리시 또는 코팅된 목질 종이의 경우에 종이 내에 국부적으로 과도하게 압착된 부분을 일컫는 것으로, 이러한 캘린더 브래크닝은 섬유와 공기 사이의 광산란성 경계면의 감소를 야기하고, 그 결과 빛을 비춘 상태에서 관찰해보면 종이 조직 내에 투명한 지점들이 나타나게 된다. 캘린더 브래크닝은 특히, 캘린더 내에서 단위면적당 질량이 증가하는 국부적 지점으로서 가장 큰 압축 응력에 노출되는 섬유 교차점에서 나타난다. 빛을 투과시키면 투명하게 보이는 지점은 빛을 반사시키면 어둡게 보이는데, 그 이유는 광이 투과된 후 소량만 반사되기 때문이다. 따라서 종이가 "회색"으로 얼룩져 보이게 된다. 캘린더 브래크닝은 광택 프로세스에서 위축된 섬유들에 의해 발생한다. 섬유는 루멘(lumen), 즉 섬유의 중공 내에서 섬유와 공기 사이 및 공기와 섬유 사이에 경계층이 결핍됨으로 인해 투명성을 띄게 된다.

본 발명의 목적은 두루마리 종이 내에서 캘린더 브래크닝을 제한하는 것이다.

상기 목적은 본 발명에 따라, 부분적으로 회분이 첨가된 섬유를 함유하는 펄프 현탁물을 사용하여 두루마리 종이를 제조함으로써 달성된다.

예컨대 DE 102 04 254 A1에 따른 섬유 충전 프로세스(Fiber Loading Process)를 통한 회분의 공급시, 상기 회분이 섬유 내로 직접 침전되어 상기 섬유에 결합된다. 현미경 촬영을 통해 섬유의 중공들 내에 회분도 침전되어 있는 것을 입증할 수 있다. 섬유가 위축되어도 섬유-회분 경계층 및 회분-섬유 경계층이 존재하므로, 캘린더 브래크닝이 방지된다.

이는 본 발명을 통해 동일한 최종 조도에서 캘린더 브래크닝 지수가 적어도 10% 감소한다는 것을 의미한다. 역으로, 동일한 캘린더 브래크닝 지수에서 종이의 최종 조도는 적어도 12% 감소한다.

본 발명의 바람직한 개선예들은 종속 청구항, 상세한 설명 및 도면을 통해 제시된다.

특히 바람직한 것은, 초지기 내에서 두루마리 종이가 다수의 닙(nip)을 갖는 캘린더를 통해 안내되는 프로세스인데, 이때 닙에서는 두루마리 종이 위로 50kN/m 이상의 단위 길이당 하중이 가해진다.

이때, 100kN/m 이상 또는 350kN/m 이상의 단위 길이당 하중이 두루마리 종이 위로 가해지는 것이 특히 바람직하다.

두루마리 종이가 5% 이하의 습도까지 건조된 다음 캘린더 앞에서 7% 이상의 습도까지 다시 적셔지는 것도 바람직하다.

본 발명은 위에 설명한 방법 중 하나에 따라 광택 처리된 두루마리 종이를 제조하기 위한 초지기와도 관련된다.

상기 초지기는 펄프 현탁물에 회분을 첨가하기 위한 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 장치의 장점은 두루마리 종이의 온라인 제조시뿐만 아니라 오프라인 제조시, 즉 펄프 현탁물의 첨가를 위한 장치와 두루마리 종이를 제조하기 위한 기계가 차례로 배치되지 않고 펄프 현탁물에 회분이 첨가된 후에 바로 이어서 제지 프로세스가 실시되는 경우에도 유효하다. 섬유의 보강을 통해 종이가 캘린더 내에서 더 높은 단위 길이당 하중을 견디며, 그 결과 두루마리 종이의 더 높은 평활도가 얻어진다.

상기 장치는 바람직하게 고정식 혼합기(static mixer), 산화칼슘 또는 수산화칼슘을 주입하기 위한 조성 장치(preparation apparatus), 프레스 또는 스크류 탈수기, 이퀄라이징 수조(equalization basin) 또는 이퀄라이징 스크류, 결정화기(crystallizer)로 사용되는 용기, 추가 고정식 혼합기, 이산화탄소 저장 용기 또는 이산화탄소를 재수득하기 위한 추가 장치를 포함한다.

한 바람직한 실시예에서는, 상기 장치가 고농도 클리너(High Consistency Cleaner) 및/또는 이산화탄소 가열기 및/또는 가압수 또는 스크류 탈수기에서 사용되는 물의 저장 용기를 포함한다.

스크류 탈수기에서 수득된 펄프 현탁물 여과액이 라인을 통해 수액기(receiver tank) 또는 전방에 놓인, 펄프 현탁물의 처리를 위한 다른 장치로 리턴 될 수 있는 것도 바람직하다.

또한, 결정화기로 사용되는 용기 다음에 바람직하게 펄프 현탁물의 세정을 위한 추가 세척 장치가 배치될 수 있다.

그 밖에도 본 초지기는 바람직하게 쌍망 포머(twin wire former)를 포함한다. 이 쌍망 포머 다음에 놓인 압착부(press section)에는 바람직하게 적어도 1개의 슈 프레스(shoe press)가 제공된다. 본 초지기는 바람직하게 조도를 낮추고 평활도를 높이기 위해 다수의 닙을 포함하는 캘린더를 갖는다.

바람직하게는 캘린더의 전방에 두루마리 종이를 다시 적시기 위한 장치가 배치된다. 이러한 재습윤(remoistening)은 바람직하게 스팀 블로워 박스(steam blower box)를 이용하여 수행되며, 상기 스팀 블로워 박스를 통해 종이의 광택도 증가한다.

LWC(Light weight coated) 종이 및 MWC(Medium weight coated) 종이의 제조시 바람직하게 코팅 유닛이 추가로 사용된다.

종이 제조시 펄프 현탁물이 섬유 충전 기술을 이용하여 처리되면, 현재 출시되어 있는 제품들에 비해 개선된 새로운 특성들을 가진 완전히 새로운 제품이 만들어진다. 하기에 기술할 프로세스를 통해, 제지 공장에서의 원료 처리시에 직접 충전제(탄산칼슘)를 침전시키는 것이 가능해지고, 상기 충전제는 오로지 펄프, 특히 지섬유의 표면 및 내부에 균일하게 분포 및 침착된다.

오로지 침강성 탄산칼슘(Precipitated Calcium Carbonate)을 함유한 펄프만 제조됨으로써, -이때 상기 탄산칼슘이 섬유의 표면 또는 내부에 침착되거나, 섬유 내부에 함침됨- 자유 침강 탄산칼슘(PCC)의 형성이 억제된다. 고해 프로세스 이전 및/또는 고해 프로세스 이후 및/또는 결정화기 내에서의 결정화 프로세스 이전 및/또는 헤드 박스(head box) 이전 또는 초지기로의 공급 이전 또는 압착 여과액의 피드백을 통한 수액기 또는 다른 유입측 저장기로의 공급 이전에 추가의 세척 공정이 실시됨으로써, 섬유 충전 장치의 공급 시스템 내에서 일정한 함량의 수산화칼슘이 조정된다. 수산화칼슘은 펄퍼(pulper) 내에서 직접 공급될 수 있다. 압착 여과액은 펄퍼 시스템으로 리턴된다. 섬유 표면 또는 내부에 침착되지 않은 수산화칼슘은 전단계(upstream)의 프로세스를 다시 거치게 된다.

섬유 표면 또는 내부에 침착되지 않은 충전제, 즉 자유 침강 탄산칼슘만 세척된다. 내부 및 외부에 충전제가 공급된 섬유 자체는 세척 프로세스 및 압착 여과액의 피드백을 통해 충전제를 소실하지 않기 때문에 섬유 충전 기술의 긍정적 효과가 유지된다.

특히 본 발명에 따르면, 여과액의 압착을 위한 프레스 장치 내로 펄프 현탁물이 공급된다. 이어서 상기 여과액이 적어도 부분적으로 펄프 현탁물의 용해를 위한 장치, 즉 예컨대 수액기와 같은 유입측 저장 용기 내로 리턴된다. 상기 펄프 용해 장치에서 수산화칼슘이 적어도 부분적으로 첨가된다. 완전한 원료 용해 시스템, 즉 펄프 용해 장치에서는 pH 값이 7 내지 12, 특히 9 내지 12로 유지된다.

수성 또는 건조형 수산화칼슘 또는 산화칼슘은 제공된 펄프 함량의 0.01 내지 60%의 범위에서 수성 섬유 원료에 혼합된다. 이 혼합 프로세스를 위해 고정식 혼합기, 수액기 또는 원료 용해 시스템이 사용된다. 이 경우, 약 7 내지 12, 바람 직하게는 9 내지 12의 pH 값이 사용된다. 수산화칼슘의 반응도는 0.01초 내지 10분, 바람직하게는 1초 내지 3분이다. 사전 설정된 반응 파라미터에 따라 희석수가 혼합된다.

상기 반응 파라미터에 상응하게 이산화탄소가 젖은 섬유에 혼합된다. 이때 이산화탄소 분위기에서 탄산칼슘이 침강한다.

이와 동시에 종이 건조제 톤당 약 0.1 내지 300kWh의 고해 에너지가 공급된다. 본 발명을 통해 종래의 펄프 현탁물 제조 프로세스에 비해 더 높은 고해도가 달성된다. 즉, 본 발명에 따르면 고해 에너지의 50%까지 절약된다.

높은 고해도에 의해 달성된 최종 제품의 높은 기계 강도는 모든 지류의 제조에 긍정적으로 작용하고, 그 결과 압착부, 건조부 또는 두루마리 종이가 감기는 영역과 같은 초지기의 여러 섹션에서 롤, 릴(reel), 리와인더 및 가공기의 사용에 의해 프로세스에 기인한 높은 기계적 하중이 제조된 반제품 및 제조될 최종 제품에 가해진다. 고해 프로세스에서의 에너지 투입량, 즉 열량 및 그에 기인한 온도 상승이 컨트롤된다. 상기 컨트롤에 상응하여 매우 다양한 형태의 결정이 생성된다.

본 발명에 따른 펄프 현탁물 전처리를 통해 더 나은 건조를 위한 전제 조건이 제공되며, 상기 전제 조건에 의해 모든 지류의 제조시 효율이 증가한다. 잉여 습도는 바람직하게 약 1 내지 20%이다.

또한, 본 발명을 통해 모든 종류의 종이 제조시 더 높은 백색도 및/또는 최대 15포인트 만큼 향상된 명도를 갖는 더 높은 광학 값이 달성된다.

특히 고해 프로세스가 이용되지 않는 경우, 침전 반응을 위해 0.3 내지 8kWh/t, 특히 0.5 내지 4kWh/t의 에너지가 소비될 수 있다.

프로세스 온도는 바람직하게 -15 내지 120℃, 특히 20 내지 90℃이다. 바람직하게 사방면체(rhombohedron), 편삼각면체(scalenohedron) 및 구형 결정이 생성되고, 이때 상기 결정들은 0.05 내지 5㎛, 특히 0.3 내지 2.5㎛의 크기를 갖는다.

탄산 칼슘을 함유한 펄프 현탁물을 제조하기 위해 고정식 및/또는 가동성, 특히 회전식, 혼합 부재가 사용된다.

본 방법은 0 내지 15바아, 특히 0 내지 6바아의 압력 범위 내에서 실행될 수 있다. 본 방법도 역시 바람직하게 6 내지 10, 특히 6.5 내지 8.5의 pH 값에서 실행된다. 여기서 반응 시간은 0.01초 내지 1분, 특히 0.05초 내지 10초이다.

전술한 지류의 경우 본 발명에 따른 기술을 사용함으로써 얻는 추가의 장점은, 상기 종이가 캘린더 내에서도 계속 처리될 수 있다는 것이다. 섬유 충전 기술을 도입하면 섬유 충전입자가 섬유 내부, 주변 및 표면에 침착됨으로써, 브래크닝, 즉 캘린더 브래크닝이 방지된다.

본 발명에 따른 섬유 충전 복합 프로세스 기술로 제조된 펄프는 종래 기술로 제조된 펄프에 비해 더 높은, 약 5 내지 100ml CSF 또는 0.2 내지 15

하기에서는 실시예를 통해 본 발명을 더 상세히 설명한다.

도 1은 펄프 두루마리 제조 기계에서 사용하기 위한 섬유 현탁물의 처리 개요도이다.

도 2는 두루마리 종이의 조도의 함수로서 캘린더 브래크닝을 나타낸 그래프이다.

도 3은 광택 처리된 종이를 제조하기 위한 초지기의 형상을 도시한 것이다.

펄프 현탁물을 위해 제어 밸브(2, 3)를 구비한 파이프 라인 시스템(1)(도 1)이 제공된다. 제어 밸브 "2"는 상기 파이프 라인 시스템(1)을 고정식 혼합기(5)와 연결하는 라인(4) 내에 배치된다. 혼합기(5) 내로 밸브(6)를 통해 희석수가 공급된다. 펄프 현탁물의 흐름 방향으로 상기 혼합기(5)의 하류에 펄프 현탁액의 저장을 위한 탱크(7) 또는 용기가 배치된다. 상기 탱크(7)로부터 펄프 현탁물이 펌프(8)를 통해 추가의 고정식 혼합기(9)로 펌핑된다. 이 혼합기(9)에도 밸브(10)를 통해 희석수가 공급된다. 라인 "12" 내에 설치된 밸브(11)를 통해서도 수산화칼슘 현탁물의 유입이 제어된다.

상기 밸브(11)는 조성 장치(13)에 의해서도 이용되며, 상기 조성 장치 내에서는 물에 고체 산화칼슘 또는 수산화 칼슘이 함침된다. 이를 위해 조성 장치(13)는 밸브(15)를 구비한 라인(14)을 통해 물을 공급받는다. 조성 장치(13)에서 생성 된 현탁액은 펌프(16)를 통해 라인(12) 내로 유입된다.

그럼으로써 혼합기(9)로부터 수산화칼슘이 섞인 펄프 현탁액이 밸브(18)를 구비한 라인(17)을 통해 스크류 탈수기(19)로 흐르고, 상기 스크류 탈수기 내에서 펄프 현탁액에서 물이 제거되어 예컨대 라인(20)을 통해 혼합기(5)에 희석수로서 공급된다. 그 대안으로 또는 추가로 스크류 탈수기(10)에서 제거된 물이 펄프 현탁액 저장 용기(21)로 안내되거나 혼합기(9)로 리턴될 수도 있다. 어떠한 경우든지 스크류 탈수기(19)의 전방에 놓인 장치 내에서 수산화칼슘을 함유한 물의 환류에 의해 pH 값이 증가 및 조정될 수 있다.

스크류 탈수기(19)로부터 펄프 현탁물이 균일화되기 위해 라인(22)을 통해 이퀄라이징 스크류(23)에 도달한다. 흐름 방향으로 상기 이퀄라이징 스크류의 하류에 라인(24)을 통해 용기(25)(결정화기)가 배치된다. 이 용기는 밸브(26, 27) 및 펌프(28)를 구비한, 이산화탄소 공급 라인(29)을 통해 이산화탄소 저장 용기(30)와 연결된다. 상기 이산화탄소 저장 용기로부터 이산화탄소가 결정화기(25)로 유입됨으로써, 펄프의 섬유 내에서 충전제로서 사용될 탄산칼슘을 생성하기 위해 요구되는 수산화칼슘과 이산화탄소의 침전 반응이 일어난다.

라인 "29"로부터 분기된, 밸브(32)를 구비한 추가의 라인(31)을 통해 이산화탄소 저장 용기(230)가 추가로 이퀄라이징 스크류(23)와 연결된다. 그럼으로써 상기 이퀄라이징 스크류에도 이산화탄소가 유입될 수 있고, 그 결과 여기서 이미 적어도 부분적으로 침전 반응이 실시된다.

라인 "29" 역시 추가의 밸브(33)를 통해 고정식 혼합기(34)와 연결된다. 상 기 고정식 혼합기는 밸브(3%)를 구비한 라인(36)을 통해 결정화기(25)로부터 방출되는 펄프 현탁물에 추가의 이산화탄소를 첨가하는데 사용된다.

혼합기(34)로부터 펄프 현탁물이 혼합 용기(37)로 흐른다. 혼합기(34)와 혼합 용기(37) 사이에는 여과 장치로도 사용되는 저장 용기(38)가 배치될 수 있다. 이 저장 용기(38)로부터 탄산칼슘이 혼합된 여과액이 수액기(7) 내로 또는 그 전방에 놓인 희석수 또는 펄프 현탁액 처리 장치 내로 공급된다. 혼합 용기(37)에는 펄프 현탁액의 혼합을 위해 회전자(39)가 구비된다. 혼합기(34)로부터 펄프 현탁액이 초지기의 헤드 박스로 직접 흐르거나, 예컨대 Refiner Feed Chest에서 추가의 기계적 처리를 거친다.

혼합기(34)에는 파이프 라인 시스템(1)으로부터 밸브(3) 및 상기 밸브가 설치되어 있는 라인(40)을 통해 역시 아직 수산화칼슘이 혼합되지 않은 펄프 현탁물이 공급된다.

또한, 펄프 두루마리를 제조하기 위한 기계, 특히 초지기로부터 예컨대 초지기의 여과 영역에서 재수득되었던 백수(white water) 또는 처리수 또는, 위에서 이미 설명했듯이, 스크류 탈수기(10)로부터 배출된 펄프 현탁물이 용기(21)에 공급된다. 상기 용기에는 예컨대 밸브(42)를 구비한 라인(41)을 통해 희석수가 공급된다.

용기(21)로부터 처리수와 섞인 희석수가 라인(43), 펌프(44) 및 밸브(45)를 통해 결정화기(25)로 흐른다. 그럼으로써 도 1에 도시된, 펄프 현탁물에 충전제, 특히 탄산칼슘을 첨가하기 위한 장치의 구조에 따라 상이한 제조 단계에서 생성될 펄프 현탁물의 조성에 영향을 미칠 수 있는 수많은 가능성이 생긴다.

바람직하게 라인(4)의 내부에 고농도 리파이너(46)가 설치된다. 선택적으로 저장 용기(30)로부터 공급된 이산화탄소를 위한 가열기(47)도 제공된다. 가열기(47)는 유입구(48)를 통해 유입되고 배출구(49)를 통해 방출되는 과열 증기(superheated steam)로 작용한다.

SC(super calendered) 종이의 두루마리 제조시(도 2), 종이의 품질(SC-A 종이 또는 SC-B 종)에 따라 PPS 측정법에 의해 마이크로미터 단위로 측정된 조도(R) 및 상기 조도의 함수로서의 브래크닝 지수(Blackening index)(S)에 대해 정해진 상한값이 제시되어야 한다. 상기 조도 및 브래크닝 지수가 상한값 미만인 종이만 사용될 수 있다.

광택 처리된 종이는 특히 요판(gravure) 인쇄법에 적합하다. 종이 표면의 요구되는 평활도를 얻기 위해서 상기 종이가 캘린더 닙에서 평활화된다. 그렇게 하지 않으면 인쇄된 이미지에 결점이 발생하기 때문이다. 그러나 캘린더에 너무 적은 닙이 사용되어 두루마리 종이에 과도한 닙 압력이 가해지면, 섬유의 일부가 투명하게 보이는 방식으로 압착된다. 종이의 품질을 높이기 위해서는 이러한 결점이 도 2에 도시된 한계값을 초과하지 않아야 하며, 상기 한계값은 역시 도 2에 도시된, 상이한 종이 지점에 대한 한계 곡선(G)을 통해 결정된다. 너무 높은 함량의 폐지(DIP = deinked paper)도 종이의 품질을 악화시킨다. 높은 조도는 많은 인쇄 결점(missing dots)을 야기한다. 그에 반해 압축 프로세스에서 많은 닙이 사용되는 반면, 그와 동시에 낮은 압력 또는 적은 선하중(line load)에서 처리되면, 생산 설비가 비경제적이게 된다. 따라서 본 발명에서는 섬유 내 중공에 회분이 첨가됨으로써 종이의 품질이 개선된다. 이로써 종래 기술에 비해 캘린더 닙에서의 선하중이 훨씬 더 증가할 수 있고, 캘린더 닙의 개수를 줄일 수 있다. 그럼으로써 브래크닝 지수를 낮추는 동시에 캘린더의 효율을 높일 수 있다.

광택 처리된 종이를 제조하는데 적합한 초지기(도 3)는 쌍망 포머(50) 및 연속 배치된 2개의 롤 쌍을 가진 압착부(51)를 포함하며, 상기 롤 쌍 내에는 각각 슈 프레스 롤 형태의 프레스 롤이 형성되어 있다. 상기 압착부(51)에 일렬로 건조부(52)가 연결된다. 다수의 롤 쌍을 가진 캘린더(53) 내에서는 두루마리 종이가 평활화된다. 이어서 상기 두루마리 종이가 권취 장치(54)에서 감긴다.