KR101196641B1 - 천연 섬유 소재를 이용한 바이오 나노 섬유의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조되는 바이오 나노 섬유 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 천연 섬유 소재를 이용한 바이오 나노 섬유의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조되는 바이오 나노 섬유에 관한 것으로, 식물성 천연소재인 아마(flax), 대마(hemp), 황마(jute), 케나프(kenaf), 아바카(abaca), 대나무(bamboo), 코이어(coir), 파인애플, 모시(ramie), 사이잘(sisal), 헤네켄(henequen), 삼, 볏짚, 왕겨, 목분, 녹차를 포함하는 식물성 천연소재(10)를 그라인더(grinder)식 미립 분쇄기를 이용하여 20㎚이하로 분쇄하여 바이오 나노 섬유(20)를 제조하는 것을 특징으로 하는 천연 섬유 소재를 이용한 바이오 나노 섬유의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조되는 바이오 나노 섬유에 관한 것이다.
본 발명에 의하는 경우, 간단한 공정을 통하여 높은 수율로 바이오 나노 섬유를 제조하는 것이 가능하며, 여러 종류의 폴리머와 혼합하여 복합소재를 제조하는 경우, 높은 광투과성을 가지는 고강도의 필름제조에 사용될 수 있는 바이오 나노 섬유를 제조할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 바이오 나노 섬유를 금속으로 코팅시 발암 물질을 포함하는 카본나노튜브를 대처하는 것이 가능하여 할 수 있고, 저열팽창계수를 가지는 특성에 의해 저열팽창성이 요구되는 전기 및 전자제품에 사용될 수 있다는 장점이 있다.

Description

천연 섬유 소재를 이용한 바이오 나노 섬유의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조되는 바이오 나노 섬유{Methode for Producting Bio Nano Fiber from Natural Fiber}
본 발명은 천연 섬유 소재를 이용한 바이오 나노 섬유의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조되는 바이오 나노 섬유에 관한 것으로, 식물성 천연소재인 아마(flax), 대마(hemp), 황마(jute), 케나프(kenaf), 아바카(abaca), 대나무(bamboo), 코이어(coir), 파인애플, 모시(ramie), 사이잘(sisal), 헤네켄(henequen), 삼, 볏짚, 왕겨, 목분, 녹차를 포함하는 식물성 천연소재(10)를 그라인더(grinder)식 미립 분쇄기를 이용하여 20㎚이하로 분쇄하여 바이오 나노 섬유(20)를 제조하는 것을 특징으로 하는 천연 섬유 소재를 이용한 바이오 나노 섬유의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조되는 바이오 나노 섬유에 관한 것이다.
기존의 바이오 복합재료는 셀룰로오즈계 물질인 목분, 왕겨 분말, 대나무 분말 등 천연분말(natural flour)과 목재섬유, 마류 섬유(hemp, jute, flax), 모시섬유 (ramic) 등 천연섬유를 보강제로 사용한 고분자 복합재료로서, 주로 기존에 무기섬유인 탄소 섬유와 유리섬유를 보강재로 한 고분자 복합재료의 대체용으로 사용되고 있다. 바이오 복합재료는 그 원료를 폐자원(목재 폐잔재, 소경목, 간벌재)과 같은 목질 원료와 농산 부산물로부터 유래하는 대나무 분말 또는 왕겨분말, 가공부산 분말, 탄닌 분말 등에서 쉽게 분쇄하여 얻을 수 있을 뿐만 아니라 비교적 용이하게 복합화하여 재생처리가 가능하다. 이들 플라스틱과 목분을 혼합한 바이오 복합재료는 부족한 목질 자원의 문제를 해결할 수 있으며, 종래 탄산칼슘, 탈크, 클레이, 운모 등의 무기질 충전제와 비교하여 천연 충전제를 사용하였을 때 환경친화적, 저비용, 저밀도, 재활용, 생분해성 등의 장점이 있다.
한편, 최근 세계적으로 나노 물질에 관한 관심이 증대되고 있다. 특히 카본 나노튜브는 많은 관심과 연구 속에 전자부품 등의 용도에 활용되고 있으나 발암물질로 판명되는 연구결과들이 발표되고 있다. 이에 카본나노튜브를 대처할 물질의 개발이 요구되고 있다. 나노섬유는 폴리머에 첨가시 빛 투과성 복합소재로 제작이 가능하고, 나노섬유의 저열팽창성특성 때문에 저열팽창성을 요구하는 폴리머복합소재용의 전자부품 등에 사용될 수 있다. 또한 유기나노섬유를 금속으로 코팅했을 시 카본나노튜브를 대처하는 전도성이 있는 나노크기의 물질을 제작할 수 있다. 하지만 유기나노섬유를 제작하는 데에는 여러 어려움이 따르고 복잡한 공정을 거쳐야 한다. 또한 나노섬유를 효과적으로 얻을 수 있는 식물의 종에 관한 연구도 초기단계에 있다. 최근 일본, 미국 및 유럽에서 얻는 나노섬유의 공정은 상당히 복잡하고 목재로부터 저 수율로 얻어지는데 불과하다는 문제가 있었다.
본 발명은 상기한 기존 발명의 문제점을 해결하여, 간단한 공정을 통하여 높은 수율로 바이오 나노 섬유를 제조하는 것이 가능하며, 여러 종류의 폴리머와 혼합하여 복합소재를 제조하는 경우, 높은 광투과성을 가지는 고강도의 필름제조에 사용될 수 있는 바이오 나노 섬유를 제조할 수 있도록 하는 것을 그 과제로 한다.
또한, 바이오 나노 섬유를 금속으로 코팅시 발암 물질을 포함하는 카본나노튜브를 대처하는 것이 가능하여 할 수 있고, 저열팽창계수를 가지는 특성에 의해 저열팽창성이 요구되는 전기 및 전자제품에 사용될 수 있도록 하는 것을 그 과제로 한다.
상기한 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 천연 섬유 소재를 이용한 바이오 나노 섬유의 제조 방법은, 식물성 천연소재인 아마(flax), 대마(hemp), 황마(jute), 케나프(kenaf), 아바카(abaca), 대나무(bamboo), 코이어(coir), 파인애플, 모시(ramie), 사이잘(sisal), 헤네켄(henequen), 삼, 볏짚, 왕겨, 목분, 녹차를 포함하는 식물성 천연소재(10)를 그라인더(grinder)식 미립 분쇄기를 이용하여 20㎚이하로 분쇄하여 바이오 나노 섬유(20)를 제조하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 식물성 천연소재(10)에 알칼리(30)와 물을 상기 식물성 천연소재(10) 100중량%에 대하여 상기 물은 1000~100000중량%, 상기 알칼리는 5~8000중량 %의 비율로 혼합하여 분쇄하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 식물성 천연소재(10)에 실리카(40)를 상기 식물성 천연소재(10) 100중량%에 대하여 상기 실리카(40)를 3~300중량%의 비율로 더 혼합하여 분쇄하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 식물성 천연소재(10)에 실리케이트계 무기물, 제올라이트계 무기물, 메탈카보네이트계 무기물, 메탈옥사이드계 무기물 중 어느 하나 이상을 포함하는 무기물을 상기 식물성 천연소재(10) 100중량%에 대하여 3~300중량%의 비율로 더 혼합하여 분쇄하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 천연 섬유 소재를 이용한 바이오 나노 섬유는 상기 바이오 나노 섬유의 제조 방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하는 경우, 간단한 공정을 통하여 높은 수율로 바이오 나노 섬유를 제조하는 것이 가능하며, 여러 종류의 폴리머와 혼합하여 복합소재를 제조하는 경우, 높은 광투과성을 가지는 고강도의 필름제조에 사용될 수 있는 바이오 나노 섬유를 제조할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 바이오 나노 섬유를 금속으로 코팅시 발암 물질을 포함하는 카본나노튜브를 대처하는 것이 가능하여 할 수 있고, 저열팽창계수를 가지는 특성에 의해 저열팽창성이 요구되는 전기 및 전자제품에 사용될 수 있다는 장점이 있다.
도 1: 본 발명의 일실시예에 의한 천연 섬유 소재를 이용한 바이오 나노 섬유의 제조 방법의 과정을 나타내는 모식도.
도 2: 본 발명의 일실시예에 의한 천연 섬유 소재를 이용한 바이오 나노 섬유의 particle analyser에 의한 입도 분포 분석결과 그래프.
도 3: 본 발명의 일실시예에 의한 천연 섬유 소재를 이용한 바이오 나노 섬유의 전자 현미경 사진.
이하에서는 첨부된 도면을 참조로 하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 천연 섬유 소재를 이용한 바이오 나노 섬유의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조되는 바이오 나노 섬유를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 발명의 천연 섬유 소재를 이용한 바이오 나노 섬유의 제조 방법은 도 1에 도시한 것과 같이, 식물성 천연소재인 아마(flax), 대마(hemp), 황마(jute), 케나프(kenaf), 아바카(abaca), 대나무(bamboo), 코이어(coir), 파인애플, 모시(ramie), 사이잘(sisal), 헤네켄(henequen), 삼, 볏짚, 왕겨, 목분, 녹차를 포함하는 식물성 천연소재(10)를 그라인더(grinder)식 미립 분쇄기를 이용하여 분쇄하여 바이오 나노 섬유(20)를 제조하는 것을 특징으로 한다. 이 경우, 분쇄된 상기 바이오 나노 섬유(20)의 입도 분포를 실험하여 본 결과, 도 2에 도시한 것과 같이 대부분의 상기 바이오 나노 섬유가 20㎚이하로 분쇄되어 나오는 것을 알 수 있다.
한편, 이 경우, 상기 식물성 천연소재(10)는 통상 친수성이며, 헤미셀룰로오스, 리그닌 및 약간의 왁스가 포함되어 있어 알칼리 처리와 같은 섬유의 표면개질 과정이 필요하다. 이러한 표면 개질 과정에 사용되는 가장 일반적인 표면처리 방법은 탈왁스화, 알칼리 처리, 실란제 처리, 그래프트 공중합, 에스테르화 반응, 아세틸화 반응, 표백 등의 화학적 개질 방법이나 전자빔 처리, 플라즈마 및 자외선 처리 같은 물리적 개질 방법이 가능하며, 이러한 표면개질 과정을 통하여 바이오복합재료의 섬유-매트릭스 사이의 계면결합력 향상과 함께 기계적 물성의 향상을 가져오는 것이 가능하다. 이를 위하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 천연 섬유 소재를 이용한 바이오 나노 섬유의 제조 방법에서는, 상기 식물성 천연소재(10)에 알칼리(30)와 물을 상기 식물성 천연소재(10) 100중량%에 대하여 상기 물은 1000~100000중량%, 상기 알칼리는 5~8000중량 %의 비율로 혼합하여 분쇄하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 식물성 천연소재(10)에 실리카(40)를 상기 식물성 천연소재(10) 100중량%에 대하여 상기 실리카(40)를 3~300중량%의 비율로 더 혼합하여 분쇄하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 식물성 천연소재(10)에 실리케이트계 무기물, 제올라이트계 무기물, 메탈카보네이트계 무기물, 메탈옥사이드계 무기물 중 어느 하나 이상을 포함하는 무기물을 상기 식물성 천연소재(10) 100중량%에 대하여 3~300중량%의 비율로 더 혼합하여 분쇄하는 것이 바람직하다.
이상에서, 도면과 명세서에서 최적 실시 예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 식물성 천연소재 20: 바이오 나노 섬유
30: 알칼리 40: 실리카
50: 무기물

Claims (5)

  1. 식물성 천연소재인 아마(flax), 대마(hemp), 황마(jute), 케나프(kenaf), 아바카(abaca), 대나무(bamboo), 코이어(coir), 파인애플, 모시(ramie), 사이잘(sisal), 헤네켄(henequen), 삼, 볏짚, 왕겨, 목분, 녹차를 포함하는 식물성 천연소재(10)를 그라인더(grinder)식 미립 분쇄기를 이용하여 20㎚이하로 분쇄하여 바이오 나노 섬유(20)를 제조하는 것을 특징으로 하는 천연 섬유 소재를 이용한 바이오 나노 섬유의 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 식물성 천연소재(10)에 알칼리(30)와 물을 상기 식물성 천연소재(10) 100중량%에 대하여 상기 물은 1000~100000중량%, 상기 알칼리는 5~8000중량 %의 비율로 혼합하여 분쇄하는 것을 특징으로 하는 천연 섬유 소재를 이용한 바이오 나노 섬유의 제조 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 식물성 천연소재(10)에 실리카(40)를 상기 식물성 천연소재(10) 100중량%에 대하여 상기 실리카(40)를 3~300중량%의 비율로 더 혼합하여 분쇄하는 것을 특징으로 하는 천연 섬유 소재를 이용한 바이오 나노 섬유의 제조 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 식물성 천연소재(10)에 실리케이트계 무기물, 제올라이트계 무기물, 메탈카보네이트계 무기물, 메탈옥사이드계 무기물 중 어느 하나 이상을 포함하는 무기물을 상기 식물성 천연소재(10) 100중량%에 대하여 3~300중량%의 비율로 더 혼합하여 분쇄하는 것을 특징으로 하는 천연 섬유 소재를 이용한 바이오 나노 섬유의 제조 방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4중 어는 한 항의 바이오 나노 섬유의 제조 방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 바이오 나노 섬유.
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