Browse

Structural change of coating layer by S/A latex with HEMA monomer and its effects on the coated paper properties
S/A라텍스의 HEMA 함량이 코팅층 구조 변화와 코팅지 특성에 미치는 영향

Cited 0 time in Web of Science Cited 0 time in Scopus
Authors
Soojin Kwon
Advisor
이학래
Issue Date
2019-08
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
Hydroxyethyl MethacrylateStyrene Acrylate latexDrying kineticsBinder migrationPore structureInk absorptionPrint mottle
Description
학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :농업생명과학대학 산림과학부(환경재료과학전공),2019. 8. 이학래.
Abstract
Coatings are a widely used surface treatment in many industries, including the paper industry. By applying an aqueous coating, high-quality paper with improved surface appearance and good printability can be obtained. In this regard, the coating structure determines surface properties. Coatings generally comprise a pigment, a binder, and additives, and each component has a profound influence on the coating structure. Above all, the binder plays a major role in maintaining the coating structure by binding all of the components together. In addition, binders are the main cause of shrinkage during drying. Therefore, binders are an integral component in the formation of coating layers, and the properties of a binder can change the coating structure.

Styrene acrylate (S/A) latex and styrene butadiene (S/B) latex are among the most popular synthetic binders in the paper industry, and their properties can change significantly depending on the composition of the raw materials. For instance, changes in the monomer composition or polymerization condition give latexes with different glass transition temperatures, crosslinking degrees, or particle sizes. The use of functional monomers in latex polymerization can also significantly change the coated paper.

In this research, we evaluated the properties of S/A latex binders containing different amounts of hydrophilic hydroxyethyl methacrylate (HEMA), which facilitates hydration and causes polymer swelling, as a functional monomer. To investigate the properties of the coating color and coated paper as a function of the HEMA content in S/A latexes, the HEMA monomer content was varied from 0 to 9%. The properties of and relationships between the binder and the coated paper properties were investigated.

The HEMA monomer was found to have a significant effect on the swelling of the S/A latex particles. Swelling in an alkaline condition, caused by the ionization of the carboxyl group, increased with increasing HEMA content. This result corresponds to previous findings. This swelling resulted in the fast immobilization of the coating layer, shown when the drying kinetics of the coating layer were monitored by multispeckle-diffusing wave spectroscopy (MS-DWS). In addition, swollen latex particles and faster immobilization resulted in a more porous structure, with uniform binder distribution in the z-direction. However, the shrinkage rate of the coating layer increased with the faster immobilization.

The properties of the coated paper were profoundly affected by the structural changes. The shrinkage of the coating layer made a rougher surface, which decreased the gloss of the coated paper. However, although the gloss of the coated paper deceased, the print gloss improved because of a decrease in ink absorbency. In addition, the uniform surface and coating structure contributed positively to other printing properties, such as pick resistance and print mottle.
제지공정에서는 종이의 표면특성과 인쇄성을 향상시키기 위한 목적으로 코팅을 실시하고 있으며, 코팅지의 표면 특성은 코팅층의 구조와 밀접한 관련을 가지는 것으로 알려져 있다. 코팅원료 가운데에서도, 바인더는 코팅층 내 구성요소를 서로 결합하여 구조를 형성하는 역할을 하며, 건조 중 코팅층 수축의 원인물질로 작용하기에 코팅구조 형성과정에도 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 이는 바인더의 특성 변화를 통해 코팅층 및 코팅지의 품질 변화를 꾀할 수 있음을 시사하고 있다. 본 연구에서는 라텍스 합성 시 수계에서 고분자 체인의 수화 및 팽윤을 촉진시키는 것으로 알려져 있는 Hydroxyethyl Methacrylate (HEMA)를 기능성 단량체로 사용하여, S/A라텍스 바인더의 특성 변화를 분석하였으며, 이러한 변화가 코팅액 및 코팅지의 품질에 미치는 영향을 평가하였다.
염기성 조건에서 라텍스 입자 팽윤은 HEMA 투입에 의해 1.3 배에서 2.1배로 더욱 강화되었으며, 이러한 라텍스 입자 팽윤은 코팅층의 조기 부동화를 유발하였다. 라텍스 입자의 팽윤과 이에 따른 코팅층의 조기 부동화는 코팅층의 공극률을 증가시켰으며 두께 방향 바인더 분포를 더욱 균일하게 하는 효과가 있었다. 표면 공극 구조의 경우도, 비교적 라텍스가 적게 분포하여 균일한 구조가 형성되었다. 동시에 코팅층의 수축률이 증가하는 결과가 나타났으나, 이는 조기부동화로 인한 수축 시간 증가에 기인한 것으로 판단되었다.
HEMA를 기능성 단량체로 함유한 S/A 라텍스를 바인더로 사용한 코팅층의 구조 변화는 코팅지의 특성에도 다양한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 코팅층의 수축률 증가로 인해 코팅지 표면의 거칠음도가 증가하였으며, 이로 인해 코팅지의 광택이 감소하였다. 그럼에도 불구하고 잉크 흡수성의 감소로 인해 인쇄 광택은 증가하는 결과가 나타났으며, 이는 균일한 공극 구조 형성을 가능케하는 HEMA 라텍스가 인쇄 강도 및 인쇄 균일성에도 긍정적인 영향을 미침을 보여주는 것으로 판단하였다.
본 연구에서는 라텍스 입자의 수력학적인 변화를 분석함과 동시에, 물리적인 변화를 관찰하였으며, CLSM, 수은 기공률 측정기, 실리콘 함침, FIB Millinge 등 다양한 기법을 활용하여 코팅층 구조변화를 확인하였다. 이를 바탕으로 HEMA의 특성과 코팅층의 형성과정 및 최종 코팅층의 구조, 그리고 품질과의 관련성을 분석함으로써 바인더와 코팅지 품질의 상관성을 평가하고자 하였다.
Language
eng
URI
https://hdl.handle.net/10371/161212

http://dcollection.snu.ac.kr/common/orgView/000000157962
Files in This Item:
Appears in Collections:
College of Agriculture and Life Sciences (농업생명과학대학)Dept. of Forest Sciences (산림과학부)Theses (Master's Degree_산림과학부)
  • mendeley

Items in S-Space are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.

Browse