KR20200100480A - 나노 셀룰로오스 섬유 제조방법 및 나노 셀룰로오스 섬유 - Google Patents

나노 셀룰로오스 섬유 제조방법 및 나노 셀룰로오스 섬유 Download PDF

Info

Publication number
KR20200100480A
KR20200100480A KR1020190018829A KR20190018829A KR20200100480A KR 20200100480 A KR20200100480 A KR 20200100480A KR 1020190018829 A KR1020190018829 A KR 1020190018829A KR 20190018829 A KR20190018829 A KR 20190018829A KR 20200100480 A KR20200100480 A KR 20200100480A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
suspension
fibers
cellulose fibers
nanocellulose
pulp
Prior art date
Application number
KR1020190018829A
Other languages
English (en)
Inventor
이원민
이병섭
장명석
이영배
류동석
김진선
최태호
Original Assignee
주식회사 지엘켐
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 주식회사 지엘켐 filed Critical 주식회사 지엘켐
Priority to KR1020190018829A priority Critical patent/KR20200100480A/ko
Publication of KR20200100480A publication Critical patent/KR20200100480A/ko

Links

Images

Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21B—FIBROUS RAW MATERIALS OR THEIR MECHANICAL TREATMENT
    • D21B1/00—Fibrous raw materials or their mechanical treatment
    • D21B1/04—Fibrous raw materials or their mechanical treatment by dividing raw materials into small particles, e.g. fibres
    • D21B1/12—Fibrous raw materials or their mechanical treatment by dividing raw materials into small particles, e.g. fibres by wet methods, by the use of steam
    • D21B1/14—Disintegrating in mills
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21B—FIBROUS RAW MATERIALS OR THEIR MECHANICAL TREATMENT
    • D21B1/00—Fibrous raw materials or their mechanical treatment
    • D21B1/04—Fibrous raw materials or their mechanical treatment by dividing raw materials into small particles, e.g. fibres
    • D21B1/06—Fibrous raw materials or their mechanical treatment by dividing raw materials into small particles, e.g. fibres by dry methods
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C3/00—Pulping cellulose-containing materials
    • D21C3/003—Pulping cellulose-containing materials with organic compounds

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Paper (AREA)
  • Polysaccharides And Polysaccharide Derivatives (AREA)

Abstract

본 발명은 나노 셀룰로오스 섬유 제조방법 및 나노 셀룰로오스 섬유에 관한 것으로, 셀룰로오스 섬유를 원료로 현탁액을 제조하는 펄프 용액 제조단계(S100); 상기 현탁액 내의 셀룰로오스 섬유를 2번에 걸쳐 분쇄하는 습식분쇄단계(S200); 상기 현탁액을 동결건조시켜 고형의 시트형태의 나노 셀룰로오스 섬유를 얻는 건조단계(S300); 상기 고형의 시트형태를 분쇄하여 고체 분말 형태의 나노 셀룰로오스 섬유를 얻는 분말형성단계(S400);를 포함한다. 상기 펄프 용액 제조단계(S100)에서 사용되는 현탁액 내의 셀룰로오스 섬유는 활엽수표백펄프와 침엽수표백펄프가 8:2 또는 7:3의 중량비로 혼합된 원료를 포함하고, 상기 습식분쇄단계(S200)는 상기 현탁액 내의 셀룰로오스 섬유를 기계적으로 분쇄하여 마이크로 셀룰로오스 섬유로 전환하는 인라인 밀링단계(S210); 및 상기 현탁액 내의 마이크로 셀룰로오스 섬유를 기계적으로 분쇄하여 나노 셀룰로오스 섬유로 전환하는 콜로이드 밀링단계(S220);를 포함한다. 본 발명에 의하면, 인라인 밀링과 콜로이드 밀링 2단계로 이루어진 공정이 진행되어 셀룰로오스를 나노화 시키는데에 상대적으로 공정시간이 단축되므로 생산효율이 증가하는 효과가 있다. 또한, 현탁액에 투입되는 셀룰로오스 섬유 원료인 펄프가 활엽수표백펄프와 침엽수표백펄프가 서로 혼합되어 사용되므로 한 종류의 펄프만 사용하는 것에 비해 경제적이고 가공이 용이하다.

Description

나노 셀룰로오스 섬유 제조방법 및 나노 셀룰로오스 섬유{NANOCELLULOSE FIBER MANUFACTURING METHOD AND NANOCELLULOSE FIBER}
본 발명은 혼합펄프를 이용한 나노 셀룰로오스 섬유 제조방법 및 나노 셀룰로오스 섬유에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비식량계 천연소재 나노 셀룰로오스 섬유의 양산성을 확보하기 위한 것이다.
나노 셀룰로오스는 셀룰로오스 사슬이 다발을 이루며 빽빽하게 결합한 나노·마이크로미터 크기의 막대형태 입자 혹은 섬유를 말한다. 일반적으로 나노 셀룰로오스는 인장탄성계수(tensile modulus)가 강철이나 케블라(Kevlar)와 비슷하고(100~160 GPa), 밀도가 작으며 (0.8~1.5 g/cm3), 넓은 비표면적(specific surface area)을 가지고 있는 바이오 기반 소재이다.
또한, 나노 셀룰로오스는 비식량계 식물체 세포벽이 주성분인 천연의 고분자 물질로 인체에 무해하고, 비교적 저가로 생분해성이 있을 뿐만 아니라 비중이 낮으면서도 상대적으로 높은 인장강도 및 굴곡탄성률을 나타낸다. 따라서, 나노 셀룰로오스는 충진재로 사용하여 비강도 및 비탄성률이 높은 환경친화적인 복합재료를 만들 수 있다.
셀룰로오스를 10억 분의 1m의 크기(10-9) 즉, 머리카락의 1만 분의 1이 되는 정도의 미세한 크기로 만든 나노 셀룰로오스는 포장재료, 생체의학, 접착제, 전자·전지재료 및 첨단 신소재 개발 등에 응용하기 위한 학계 및 산업계의 관심이 집중되고 있다.
현재까지 네 가지 방법의 나노 셀룰로오스 섬유의 제조에 대한 연구가 진행되어 왔다. 셀룰로오스를 산가수 분해에 의해서 얻을 수 있는 ‘셀룰로오스 나노크리스털(cellulose nanocrystals)’, 높은 전단력과 충격을 이용하여 기계적 방법으로 얻을 수 있는 ‘셀룰로오스 나노섬유(cellulose nanofibrils)’, 특정한 용매에 셀룰로오스를 용해한 후 전기방사(electrospining)를 실시해 얻어진 ‘전기방사 셀룰로오스 나노섬유(electrospun cellulose nanofibrils)’, 그리고 미생물로부터 생합성된 ‘박테리아 셀룰로오스(Bacteria cellulose)’가 여기에 해당된다.
이 중, 식물로부터 셀룰로오스 미세 섬유(셀룰로오스 나노섬유)를 분리하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있는데, 이는 나노복합재료의 보강재로 미세소 섬유를 이용하기 위함이다.
종래에는 화학적처리방법을 통해 펄프(셀룰로오스)를 전처리 후 콜로이드밀링하여 고압균질기에서 미세입자로 분리시키는 나노화 공정으로 나노 셀룰로오스를 제조하였다. 그러나, 이러한 공정은 화학적 처리를 거치므로 친환경적이지 못하고, 고가의 장비를 필요로하여 나노 셀룰로오스의 경제성이 떨어지는 문제가 있다.
대한민국등록특허 제10-0946630호
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 2단계의 기계적 밀링공정을 통하여 제조되는 나노 셀룰로오스 섬유 제조방법 및 나노 셀룰로오스 섬유를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 셀룰로오스 섬유를 원료로 현탁액을 제조하는 펄프 용액 제조단계; 상기 현탁액 내의 셀룰로오스 섬유를 2번에 걸쳐 분쇄하는 습식분쇄단계; 상기 현탁액을 동결건조시켜 고형의 시트형태의 나노 셀룰로오스 섬유를 얻는 건조단계; 상기 고형의 시트형태를 분쇄하여 고체 분말 형태의 나노 셀룰로오스 섬유를 얻는 분말형성단계;를 포함한다.
상기 펄프 용액 제조단계에서 상기 현탁액 내의 셀룰로오스 섬유는 2.0중량% 내지 3.0중량%의 함량을 갖는다.
상기 현탁액 내의 셀룰로오스 섬유는 활엽수표백펄프와 침엽수표백펄프가 8:2 또는 7:3의 중량비로 혼합된 원료를 포함한다.
상기 습식분쇄단계는 상기 현탁액 내의 셀룰로오스 섬유를 기계적으로 분쇄하여 마이크로 셀룰로오스 섬유로 전환하는 인라인 밀링단계; 상기 현탁액 내의 마이크로 셀룰로오스 섬유를 기계적으로 분쇄하여 나노 셀룰로오스 섬유로 전환하는 콜로이드 밀링단계;를 포함한다.
상기 인라인 밀링단계에서는 호퍼에 상기 현탁액이 투입되고, 등간격으로 형성된 블레이드의 사이를 상기 현탁액이 통과하여 상기 현탁액 내의 셀룰로오스 섬유가 마이크로 단위로 분쇄된다.
상기 콜로이드 밀링단계에서는 하우징 내에 일정한 간격으로 이격된 상부디스크와 하부디스크 사이에 상기 인라인 밀링단계를 거친 현탁액이 투입되고, 상기 상부디스크 및 하부디스크와의 마찰 및 상기 현탁액 내의 셀룰로오스 섬유의 상호 마찰에 의해 나노 단위로 분쇄된다.
나노 셀룰로오스 섬유는 위의 방법 중 어느 하나의 방법으로 제조된다.
본 발명에 의한 나노 셀룰로오스 섬유 제조방법 및 나노 셀룰로오스 섬유에서는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 의하면 인라인 밀링과 콜로이드 밀링 2단계로 이루어진 공정이 진행되어 셀룰로오스를 나노화 시키는데에 상대적으로 공정시간이 단축되므로 생산효율이 증가하는 효과가 있다.
본 발명에 의하면 인라인 밀링단계와 콜로이드 밀링단계를 거쳐 현탁액 내의 셀룰로오스 섬유가 나노화 된다. 따라서, 고압균질기를 이용한 나노화공정이 삭제되어 고가의 장비를 사용하지 않고도 나노 셀룰로오스 섬유를 제조하는 것이 가능해져 생산단가가 낮아지는 효과가 있다.
본 발명에 의하면 현탁액에 투입되는 셀룰로오스 섬유 원료인 펄프를 화학 처리 하지 않고 해섬하므로 친환경적이다.
본 발명에 의하면 현탁액에 투입되는 셀룰로오스 섬유 원료인 펄프가 활엽수표백펄프와 침엽수표백펄프가 서로 혼합되어 사용되므로 한 종류의 펄프만 사용하는 것에 비해 경제적이고 가공이 용이하다.
도 1은 본 발명에 의한 나노 셀룰로오스 섬유의 제조방법의 바람직한 실시례를 보인 순서도.
도 2는 본 발명 실시례를 구성하는 인라인 밀링장치의 실물사진.
도 3은 본 발명 실시례를 구성하는 인라인 밀링장치의 모식도.
도 4는 본 발명 실시례를 구성하는 디스크 밀링장치의 모식단면도.
도 5는 본 발명 실시례를 구성하는 콜로이드 밀링단계를 거친 나노 셀룰로오스 섬유의 시간별 확대도.
이하, 본 발명의 일부 실시례들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시례를 설명함에 있어, 관련된 공지구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시례에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시례의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 발명에서는 헤미셀룰로오스(hemicellulose)와 리그닌(Lignin)을 포함하는 원료를 기계적으로 처리하는 방법으로 나노 셀룰로오스 섬유를 제조한다. 상기 나노 셀룰로오스 섬유는 포장재료, 생체의학, 접착제, 전자·전지재료 및 첨단 신소재 등에 다양하게 사용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시례에서 나노 셀룰로오스 섬유의 제조방법은 펄프 용액 제조단계(S100), 습식분쇄단계(S200), 건조단계(S300), 분말형성단계(S400)를 포함한다.
본 실시례의 펄프 용액 제조단계(S100)에서 펄프 용액(이하, 현탁액)에 사용되는 셀룰로오스 섬유는 목재 또는 비목재 바이오매스를 포함하여 함유된 것일 수 있으며, 셀룰로오스 외에도 헤미셀룰로오스(hemicellulose)와 리그닌(Lignin)을 포함하는 물질이 상호 결합하여 단단한 구조를 형성하는 것일 수 있다.
셀룰로오스 섬유의 크기는 원칙적으로 중요하지 않으며, 본 발명의 일 실시례에서 사용되는 제조장치에서 가공이 가능한 임의의 섬유가 일반적으로 사용될 수 있다.
상기 현탁액은 수성 현탁액의 형태로 제공될 수 있다. 상기 현탁액 내에서 셀룰로오스 섬유는 2.0중량% 내지 3.0중량%의 함량을 가질 수 있다. 상기 셀룰로오스 섬유는 하드우드펄프와 소프트우드펄프를 8:2 또는 7:3 비율로 혼합한 것을 포함한다. 본 실시례의 현탁액 내에 셀룰로오스 섬유는 2.0중량% 내지 2.5중량%의 함량일 수 있으며, 하드우드펄프와 소프트우드펄프는 8:2의 중량비로 혼합된다.
하드우드펄프는 활엽수표백펄프(LBKP)일 수 있다. 활엽수표백펄프(LBKP)는 단섬유펄프로 가공이 용이하지만 인장강도가 낮다. 활엽수표백펄프(LBKP)의 섬유는 0.7~0.9mm이고, 직경은 0.01~0.04mm인 것을 사용할 수 있다. 상대적으로 소프트우드펄프에 비해 단가가 높다.
소프트우드펄프는 침엽수표백펄프(NBKP)일 수 있다. 침엽수표백펄프(NBKP)는 장섬유펄프로 단섬유에 비해 섬유길이가 길어서 강도가 높지만 가공이 어려운 단점이 있다. 침엽수표백펄프(NBKP)의 섬유는 2.5~4.0mm이고, 직경은 0.02~0.07mm인 것을 사용할 수 있다.
따라서, 하드우드펄프와 소프트우드펄프를 혼합하여 사용함으로써 기계적 물성치의 저하 없이 가공이 용이하고 단가를 낮출 수 있어서 경제적이다.
상기 펄프 용액 제조단계(S100)에서, 해섬단계(S110)가 추가될 수 있다. 상기 해섬단계(S110)는 펄프의 전처리단계에 해당한다. 일반적으로 펄프의 전처리단계에서 사용되는 화학적처리방법인 셀룰로오스에 카르복실메틸기를 붙이는 카르복시메틸화(carboxymethylation) 또는 TEMPO 유도체를 이용한 촉매 산화의 방법을 사용하지 않으므로 본 발명의 제조방법을 통해서 더욱 친환경적으로 나노 셀룰로오스 섬유를 생산할 수 있다.
상기 해섬단계(S110)는 30분 내지 1시간 정도로 단시간에 이루어질 수 있다. 상기 해섬단계(S110)에서는 실온에서 상기 펄프의 혼합물을 포함하는 셀룰로오스 섬유를 증류수와 혼합하여 교반하는 단계이며, 교반을 통해서 셀룰로오스 섬유의 세포벽에 미세구조 변화를 일으킨다. 구체적으로는 셀룰로오스 섬유의 세포벽 구조인 해미셀룰로오스를 제거하고 리그닌을 연화시켜 섬유의 파괴를 줄이고 섬유의 길이 및 섬유 간의 엉킴을 조정할 수 있어서 섬유의 나노화에 도움을 준다.
펄프 용액 제조단계(S100) 이후에, 습식분쇄단계(S200)가 수행될 수 있다. 상기 습식분쇄단계(S200)는 상기 셀룰로오스 섬유를 나노 단위로 분쇄하는 단계이다. 상기 습식분쇄단계(S200)는 인라인 밀링단계(S210)와 콜로이드 밀링단계(S220)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 인라인 밀링단계(S210)와 콜로이드 밀링단계(S220)는 모두 기계적 습식분쇄단계이다. 상기 현탁액 내의 셀룰로오스 섬유가 두 단계의 분쇄과정을 거쳐서 나노화 되므로 하나의 습식분쇄단계만 거치는 것보다 나노 셀룰로오스 섬유의 제조 시간이 짧으면서도, 본 실시례에서 제조하고자 하는 크기의 나노 셀룰로오스 섬유를 얻을 수 있다. 또한, 상기 인라인 밀링단계(S210)와 콜로이드 밀링단계(S220)에서 사용되는 장비는 종래에 사용되는 고압균질기에 비해 상대적으로 저렴하여 경제적이다.
상기 인라인 밀링단계(S210)는 전처리에 해당하는 분쇄단계이며, 최종적으로 상기 현탁액 내의 셀룰로오스 섬유를 나노단위로 분쇄하기 전에 1차적으로 셀룰로오스 섬유를 마이크로화 시키는 분쇄단계이다. 상기 인라인 밀링단계(S210)는 인라인 밀링장치(20)에 의해 수행될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 인라인 밀링장치(20)의 실물 및 모식도가 도시되어 있다. 상기 인라인 밀링장치(20)는 구동부(23)로 투입되는 호퍼(21)와, 상기 호퍼(21)와 구동부(23) 사이를 연결하는 투입관(22)과, 로터(24)가 회전하여 상기 현탁액 내의 셀룰로오스 섬유를 마이크로화 시키는 구동부(23) 및 분쇄된 현탁액이 다시 호퍼(21)로 유입되도록 유도하는 순환관(26)을 포함하여 구성된다. 상기 로터(24)에는 복수의 블레이드(25)가 0.2mm의 등간격으로 형성되어 있다.
상기 호퍼(21)에 상기 현탁액이 투입되면, 상기 현탁액은 상기 호퍼(21)와 연결된 투입관(22)을 통해서 로터(24)가 설치된 구동부(23)로 이동되어 회전되는 로터(24)의 블레이드(25)에 의해 분쇄된다. 분쇄된 상기 현탁액은 다시 순환관(26)을 통해서 상기 호퍼(21)로 복귀하는 과정이 한 싸이클로 이루어지며, 이러한 싸이클이 30분간 연속적으로 진행된다. 상기 로터(24)는 1000rpm 내지 3000rpm의 속도로 회전한다.
상기 콜로이드 밀링단계(S220)는 상기 인라인 밀링단계(S210) 이후에 수행되며, 현탁액 내의 셀룰로오스 섬유를 나노화시키는 분쇄단계이다. 상기 콜로이드 밀링단계(S220)는 디스크 밀링장치(30)에 의해 수행될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 디스크 밀링장치(30)는 하우징(31) 내에 일정한 간격으로 이격된 상부디스크(34)와 하부디스크(35)가 설치되고, 상부에는 현탁액이 유입되는 유입구(32)가 형성된다. 상기 디스크밀링장치가 회전축(33)을 중심으로 고속으로 회전하면 원심력에 의해 현탁액이 상기 상부 및 하부디스크(35)의 사이에 유입되어 섬유 간의 상호마찰 및 디스크와의 마찰에 의해 나노화가 수행된다.
상기 콜로이드 밀링단계(S220)는 상기 디스크의 간격 -10㎛ 내지 -150㎛, 회전속도 1000rpm 내지 2000rpm의 환경에서 2시간 내지 3시간 동안 수행될 수 있다.
상기 습식분쇄단계(S200) 이후에, 건조단계(S300)가 수행될 수 있다. 상기 건조단계(S300)에서는 상기 현탁액을 탈수하여 상기 현탁액 내에 존재하는 나노 셀룰로오스의 섬유 형상을 유지하면서 건조시킨다. 상기 건조단계(S300)에서의 건조는 상기 현탁액 중에서 고체분말 형태의 나노 셀룰로오스 섬유를 얻기 위하여 상기 현택액을 건조하는 건조장치에 의해 수행될 수 있다. 상기 건조장치는 예를 들어, 전기건조기, 진공건조기, 열풍건조기 또는 동결건조기를 포함하는 것일 수 있다.
복합적인 공정에 의해 제조된 나노 셀룰로오스 현탁액의 탈수 방법은 일반적으로 가열 건조, 가압 건조, 진공건조, 동결 건조, 또는 초임계 조건 하에서의 건조 등이 사용될 수 있다. 상기 건조단계(S300)는 필터 프레스와 같은 장치에서 수행될 수 있다. 본 실시례에서는 동결건조기를 통한 동결건조가 수행되며, 진공도 30mtorr 내지 300mtorr, -30℃ 내지 -70℃의 환경에서 3일 내지 7일 동안 건조시킨다.
건조가 완료되면 나노 셀룰로오스 섬유는 시트 형태로 서로 엉켜있는 상태가 된다. 상기 나노 셀룰로오스 섬유를 제품에 적용하기 위해서는 분말형태로 가공할 필요가 있다. 따라서, 분말형성단계(S400)가 추가적으로 수행된다. 상기 분말형성단계(S400)는 건식으로 ACM 밀링장치에 의해 수행된다. ACM 밀링장치 구동시 필터링된 공기와 건조된 나노 셀룰로오스 섬유가 장비에 함께 투입되어 분쇄된다.
건조가 완료되면 추가적으로 나노 셀룰로오스 섬유에 표면처리제가 도포되는 소수화처리단계(S500)가 수행될 수 있다. 상기 소수화처리단계(S500)는 건조단계(S300) 또는 분말형성단계(S400) 이후에 수행될 수 있다. 다만, 상기 소수화처리단계(S500)는 분말형성단계(S400) 이후에 수행되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 소수화처리단계(S500)는 상기 나노 셀룰로오스가 이종의 플라스틱 복합소재와의 혼합이 필요한 특수한 상황에서 필요한 공정이며, 상기 표면처리제는 나노 셀룰로오스 섬유의 표면을 소수화시켜서 상기 나노 셀룰로오스 섬유가 제품에 적용되는 과정에서 이종의 플라스틱 복합소재와 혼합이 잘 이루어질 수 있도록 한다. 따라서, 상기 소수화처리단계(S500)는 상기 나노 셀룰로오스 섬유의 제조방법에 항상 포함되는 단계는 아니다.
상기 표면처리제는 반응성 표면개질용 메틸실란과 메틸실라잔을 포함할 수 있으며, 상기 메틸실란은 트리메틸클로로실란, 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 디메틸디메톡시실란, 디메틸디에톡시실란, 트리메틸메톡시실란, 트리메틸에톡시실란, 메틸폴리실란, 디메틸폴리실란, 메틸트리염화실란, 디메틸트리염화실란, 페닐메틸염화실란, 페닐디메틸염화실란, 폴리디메틸디페닐실란, 폴리실라메틸레노실란, 폴리(1,2-디메틸실라잔), (1,2-디메틸실라잔)(1-메틸실라잔), N-메틸실라잔, 메틸디실라잔, 디메틸디실라잔, 트리메틸디실라잔, 테트라메틸디실라잔, 및 헥사메틸디실라잔을 사용할 수 있다.
상기 소수화처리단계(S500)에서는 나노 셀룰로오스 섬유에 스프레이법으로 표면처리제를 도포한다. 상기 표면처리제는 나노 셀룰로오스 섬유 100g 당 100 내지 200g의 실란용액을 분사한다. 스프레이법은 나노 셀룰로오스 섬유에 실란용액을 분무하는 방식으로 이루어지는 것으로, 담지법에 비해 약 60%의 실란용액을 절약할 수 있는 효과가 있다.
상기 소수화처리단계(S500)는 상온(약 25℃), 30% 내지 60%의 습도환경에서 실란용액이 분사되는 노즐을 20 내지 60mm/sec의 속도로 움직이며 나노 셀룰로오스 섬유에 분사한 후, 열풍건조기 내에서 60℃ 내지 100℃의 온도에서 2시간동안 건조시킨다.
상기 소수화처리단계(S500)를 거친 나노 셀룰로오스 섬유는 평탄화 시편으로 제작하고, 상기 시편 위에 증류수 한 방울을 떨어트려서 접촉각측정기를 통해 표면처리물성(접촉각)을 측정한다. 상기 시편과 증류수 사이의 접촉각이 클수록 나노 셀룰로오스 섬유의 소수성질이 강한 것이며, 최종적으로 접촉각 85°이상을 가지는 것이 바람직하다.
[구체적인 실험예]
1. 펄프 용액 제조단계(S100)
현탁액은 하기 표1의 조성비를 가지도록 제조된다. 상기 현탁액에 투입되는 셀룰로오스 섬유는 LBKP와 NBKP를 8:2 중량비로 혼합한 혼합펄프원료를 포함하는 것으로 사용한다. 상기 LBKP 섬유는 0.8mm 내외의 길이를 가지고, NBKP 섬유는 2.5~4.0mm 내외의 길이를 가진다.
원료명 LBKP NBKP H2O 첨가제
원료성분 활엽수
표백펄프		 침엽수
표백펄프		 분산매 분산제,가소제
조성비율 2.0% 0.5% 97.3% 0.1%
구체적으로는 혼합펄프원료 750g을 파쇄, 혼합하여 증류수 29,250g에 투입하고, 교반기로 1000rpm, 25℃에서, 30분동안 교반하여 현탁액을 제조한다. 이때, 증류수와 혼합펄프원료가 잘 섞이도록 첨가제가 0.1중량% 내지 0.5중량% 함량을 가지도록 투입될 수 있다.
2. 습식분쇄단계(S200)
상기 현탁액제조단계(S100)에서 제조된 현탁액을 인라인 밀링단계(S210)와 콜로이드 밀링단계(S220)를 거쳐 최종적으로 직경 40nm 이하, 종횡비 90% 이상의 나노 셀룰로오스 섬유를 얻을 수 있다.
2-1. 인라인 밀링단계(S210)
인라인 밀링장치(20)를 1000rpm의 속도로 순환구동시키고, 제조된 현탁액을 인라인 밀링장치(20)의 호퍼(21)에 서서히 투입시킨다. 상기 현탁액의 투입이 완료되면 블레이드(25)의 간격 0.2mm의 로터(24)를 1000rpm 내지 3000rpm의 속도로 30분간 회전시켜 1차 분쇄를 진행한다.
2-2. 콜로이드 밀링단계(S220)
인라인 밀링단계(S210)을 통해서 1차 분쇄가 완료된 현탁액을 디스크 밀링장치(30)로 2차 분쇄를 수행하였다. 디스크의 재질은 탄화규소, 산화알루미늄, 산화지르코늄 등이며 상부와 하부 디스크의 간격을 -150㎛, 회전속도를 1600rpm으로 선택한 후, 분쇄시간을 1시간, 2시간, 3시간, 5시간으로 조정하여 샘플을 취했다. 이러한 조건에 따라 제조된 현탁액의 평균 입자크기 결과를 도 5에 도시하였다.
3. 건조단계(S300)
분쇄가 완료되어 나노화된 섬유를 포함하는 현탁액을 동결건조하여 응집된 고형의 나노 셀룰로오스 섬유를 획득한다. 상기 건조단계(S300)는 동결건조기를 통해서 수행되며, 진공도 300mtorr 내지 300mtorr, -30℃ 내지 -70℃의 환경에서 1주일 동안 건조시킨다.
4. 분말형성단계(S400)
상기 응집된 고형의 나노 셀룰로오스 섬유는 ACM 분쇄기에 투입되어 분말형태로 만들어진다. ACM 분쇄기에는 필터링된 공기와 건조된 나노 셀룰로오스 섬유가 투입되어 건식으로 이루어진다.
5. 소수화처리단계(S500)
상온(약 25℃), 30% 내지 60%의 습도환경을 가지는 밀폐된 공간에서 나노 셀룰로오스 분말을 편평한 용기 내에 넓게 분포시킨다. 용기에 분포된 나노 셀룰로오스 섬유에 노즐을 20 내지 60mm/sec의 속도로 움직이며 실란용액(HMDZ)을 2 내지 5분간 분사한 후, 열풍건조기 내에서 80℃의 온도에서 2시간동안 건조하여 소수화반응을 진행시키고, 접촉각을 측정한다.
하기 표2는 담지법과 스프레이법에서 열풍건조기 내에서 나노 셀룰로오스 섬유의 건조시간에 따른 시편과 증류수 사이의 접촉각을 나타내는 것이다.
Type(HMDZ) 열풍건조기(80℃)
1hr 2hrs 3hr
담지법 75° 82° 84°
스프레이법 78° 86° 87°
이상에서, 본 발명을 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시례에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시례들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시례에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
20 : 인라인 밀링장치 21 : 호퍼
22 : 투입관 23 : 구동부
24 : 로터 25 : 블레이드
26 : 순환관 30 : 디스크 밀링장치
31 : 하우징 32 : 유입구
33 : 회전축 34 : 상부디스크
35 : 하부디스크

Claims (11)

  1. 셀룰로오스 섬유를 원료로 현탁액을 제조하는 펄프 용액 제조단계;
    상기 현탁액 내의 셀룰로오스 섬유를 2번에 걸쳐 분쇄하는 습식분쇄단계;
    상기 현탁액을 동결건조 또는 열풍건조시켜 고형의 시트형태의 나노 셀룰로오스 섬유를 얻는 건조단계;
    상기 고형의 시트형태를 분쇄하여 고체 분말 형태의 나노 셀룰로오스 섬유를 얻는 분말형성단계;
    를 포함하는 나노 셀룰로오스 섬유 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 펄프 용액 제조단계에서
    상기 현탁액 내의 셀룰로오스 섬유는 0.5중량% 내지 3.0중량%의 함량을 갖는 나노 셀룰로오스 섬유 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 현탁액 내의 셀룰로오스 섬유는 활엽수표백펄프와 침엽수표백펄프가 8:2 또는 7:3의 중량비로 혼합된 원료를 포함하는 나노 셀룰로오스 섬유 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 습식분쇄단계는
    상기 현탁액 내의 셀룰로오스 섬유를 기계적으로 분쇄하여 마이크로 셀룰로오스 섬유로 전환하는 인라인 밀링단계;
    상기 현탁액 내의 마이크로 셀룰로오스 섬유를 기계적으로 분쇄하여 나노 셀룰로오스 섬유로 전환하는 콜로이드 밀링단계;를 포함하는 나노 셀룰로오스 섬유 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 인라인 밀링단계에서는
    호퍼에 상기 현탁액이 투입되고, 등간격으로 형성된 블레이드의 사이를 상기 현탁액이 통과하여 상기 현탁액 내의 셀룰로오스 섬유가 마이크로 단위로 분쇄되는 나노 셀룰로오스 섬유 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 콜로이드 밀링단계에서는
    하우징 내에 일정한 간격으로 이격된 상부디스크와 하부디스크 사이에 상기 인라인 밀링단계를 거친 현탁액이 투입되고, 상기 상부디스크 및 하부디스크와의 마찰 및 상기 현탁액 내의 셀룰로오스 섬유의 상호 마찰에 의해 나노 단위로 분쇄되는 나노 셀룰로오스 섬유 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 건조단계 이후의 시트 형태의 나노 셀룰로오스 섬유 또는 분말형성단계 이후의 분말 형태의 나노 셀룰로오스 섬유 표면에 표면처리제를 도포하고,
    표면처리제가 도포된 상기 나노 셀룰로오스 섬유를 건조하는 과정에서 소수화시키는 소수화처리단계를 더 포함하는 나노 셀룰로오스 섬유 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 소수화처리단계에서 상기 표면처리제는 스프레이법으로 분무되는 나노 셀룰로오스 섬유 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 표면처리제는 트리메틸클로로실란, 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 디메틸디메톡시실란, 디메틸디에톡시실란, 트리메틸메톡시실란, 트리메틸에톡시실란, 메틸폴리실란, 디메틸폴리실란, 메틸트리염화실란, 디메틸트리염화실란, 페닐메틸염화실란, 페닐디메틸염화실란, 폴리디메틸디페닐실란, 폴리실라메틸레노실란, 폴리(1,2-디메틸실라잔), (1,2-디메틸실라잔)(1-메틸실라잔), N-메틸실라잔, 메틸디실라잔, 디메틸디실라잔, 트리메틸디실라잔, 테트라메틸디실라잔, 헥사메틸디실라잔 중 적어도 하나를 포함하는 나노 셀룰로오스 섬유 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 소수화처리단계에서는
    표면처리제가 도포된 상기 나노 셀룰로오스 섬유를 열풍건조기 내에서 60℃ 내지 100℃의 온도에서 2시간 동안 건조하여 소수화반응을 진행시키는 나노 셀룰로오스 섬유 제조방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되는 나노 셀룰로오스 섬유.
KR1020190018829A 2019-02-18 2019-02-18 나노 셀룰로오스 섬유 제조방법 및 나노 셀룰로오스 섬유 KR20200100480A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190018829A KR20200100480A (ko) 2019-02-18 2019-02-18 나노 셀룰로오스 섬유 제조방법 및 나노 셀룰로오스 섬유

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190018829A KR20200100480A (ko) 2019-02-18 2019-02-18 나노 셀룰로오스 섬유 제조방법 및 나노 셀룰로오스 섬유

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20200100480A true KR20200100480A (ko) 2020-08-26

Family

ID=72242500

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190018829A KR20200100480A (ko) 2019-02-18 2019-02-18 나노 셀룰로오스 섬유 제조방법 및 나노 셀룰로오스 섬유

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20200100480A (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220077226A (ko) * 2020-11-30 2022-06-09 한국생산기술연구원 표면제어를 통한 셀룰로오스 나노섬유와 실리카를 복합하는 소수성 복합체 및 이의 제조방법
WO2023162433A1 (ja) * 2022-02-28 2023-08-31 大王製紙株式会社 繊維状セルロース、繊維状セルロース複合樹脂及び繊維状セルロースの製造方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100946630B1 (ko) 2009-09-21 2010-03-12 대한민국 고강도 나노셀룰로오스 종이의 제조방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100946630B1 (ko) 2009-09-21 2010-03-12 대한민국 고강도 나노셀룰로오스 종이의 제조방법

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220077226A (ko) * 2020-11-30 2022-06-09 한국생산기술연구원 표면제어를 통한 셀룰로오스 나노섬유와 실리카를 복합하는 소수성 복합체 및 이의 제조방법
WO2023162433A1 (ja) * 2022-02-28 2023-08-31 大王製紙株式会社 繊維状セルロース、繊維状セルロース複合樹脂及び繊維状セルロースの製造方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Feng et al. Characteristics and environmentally friendly extraction of cellulose nanofibrils from sugarcane bagasse
Posada et al. Drying and redispersion of plant cellulose nanofibers for industrial applications: a review
JP6773071B2 (ja) 微細繊維の製造方法、及び不織布の製造方法
Xiang et al. A comparison of cellulose nanofibrils produced from Cladophora glomerata algae and bleached eucalyptus pulp
Peyre et al. Simultaneous preparation of cellulose nanocrystals and micron-sized porous colloidal particles of cellulose by TEMPO-mediated oxidation
KR101487475B1 (ko) 나노 셀룰로오스 섬유의 제조방법 및 제조장치
Zeng et al. Cellulose nanofibrils manufactured by various methods with application as paper strength additives
ES2717327T3 (es) Proceso para la producción de materiales compuestos basados en gel
Lin et al. TEMPO-oxidized nanocellulose participating as crosslinking aid for alginate-based sponges
Baati et al. High solid content production of nanofibrillar cellulose via continuous extrusion
Bandyopadhyay-Ghosh et al. The use of biobased nanofibres in composites
Besbes et al. Nanofibrillated cellulose from alfa, eucalyptus and pine fibres: preparation, characteristics and reinforcing potential
ES2668812T3 (es) Proceso de fabricación de materiales estructurados usando geles de celulosa nanofibrilares
Amiralian et al. Easily deconstructed, high aspect ratio cellulose nanofibres from Triodia pungens; an abundant grass of Australia's arid zone
Siró et al. Microfibrillated cellulose and new nanocomposite materials: a review
Cao et al. Preparation of starch− fatty acid modified clay and its application in packaging papers
JPS61215601A (ja) セルローズの微小繊維状物
KR20200100480A (ko) 나노 셀룰로오스 섬유 제조방법 및 나노 셀룰로오스 섬유
JP2017510730A (ja) ナノセルロースおよびその前駆体の製造および使用のための方法
Ghasemi et al. Extraction and characterization of nanocellulose structures from linter dissolving pulp using ultrafine grinder
ES2951166T3 (es) Métodos para la producción de nanocelulosa con alto contenido de sólidos
Dutta et al. Simple preparation of chitin nanofibers from dry squid pen β-chitin powder by the star burst system
Garavand et al. Recent advances in qualitative and quantitative characterization of nanocellulose-reinforced nanocomposites: A review
Ioelovich Microcellulose Vs Nanocellulose–A Review
JP6534172B2 (ja) セルロースナノファイバーの乾燥固形物及びその製造方法ならびに乾燥固形物の再分散体

Legal Events

Date Code Title Description
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X601 Decision of rejection after re-examination