KR20230025160A - Polymer-fiber composite particle manufacturing method, polymer-fiber composite film and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고분자-섬유 복합입자 제조 방법, 고분자-섬유 복합필름 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 기계적 강도가 우수하고 친환경적이면서도 분산성이 향상된, 고분자-섬유 복합입자의 제조 방법, 고분자-섬유 복합필름 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing polymer-fiber composite particles, a polymer-fiber composite film, and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a method for manufacturing polymer-fiber composite particles having excellent mechanical strength, being environmentally friendly and having improved dispersibility, It relates to a polymer-fiber composite film and a manufacturing method thereof.
셀룰로오스는 식물, 박테리아 및 조류에서 생산되는 지구에서 가장 풍부한 천연고분자이다. 이러한 셀룰로오스로부터 만들어지는 나노셀룰로오스는 높은 결정화도를 갖는 결정성 고분자로, 높은 인장 강도(2-6 GPa)와 탄성 계수(130-150 GPa)를 가지도 있다. 이러한 나노셀룰로오스의 기계적 물성은 주철 또는 스테인리스 등의 금속보다 높지만, 비중은 1.6으로 강철의 비중 7.8에 비해 매우 가볍다.Cellulose is Earth's most abundant natural polymer produced by plants, bacteria and algae. Nanocellulose made from such cellulose is a crystalline polymer with a high degree of crystallinity, and also has a high tensile strength (2-6 GPa) and elastic modulus (130-150 GPa). Although the mechanical properties of these nanocelluloses are higher than those of metals such as cast iron or stainless steel, the specific gravity is 1.6, which is very light compared to the specific gravity of 7.8 steel.
또한, 셀룰로오스는 유리섬유나 탄소섬유와는 달리 생분해가 가능한 천연 고분자로, 이러한 가볍고 단단하며 친환경적인 특징으로부터 낮은 인장 강도와 압축 강도를 가진 폴리프로필렌, 폴리스티렌 등의 각종 고분자 화합물의 충진재로 각광받고 있다.In addition, unlike glass fiber or carbon fiber, cellulose is a biodegradable natural polymer. Due to its light, hard and eco-friendly characteristics, cellulose is attracting attention as a filler for various polymer compounds such as polypropylene and polystyrene, which have low tensile and compressive strength. .
그러나 셀룰로오스의 단량체인 글루코스는 하이드록시기(-OH), 카르복시기(-COOH)와 같은 수산기를 포함하고 있어 극성인 계면을 갖는 반면, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 등의 합성 고분자 화합물의 계면 성질은 비극성으로, 이러한 계면 특성 차이에 의해 두 물질 간의 흡착력이 낮아 고분자 매트릭스 안에서 셀룰로오스의 분산이 잘 이루어지지 않고, 응집되거나 상분리가 일어날 수 있는 문제가 있다.However, glucose, a monomer of cellulose, contains hydroxyl groups such as hydroxyl group (-OH) and carboxy group (-COOH) and thus has a polar interface, whereas synthetic high molecular compounds such as polypropylene and polystyrene have non-polar interface properties. Due to the difference in interfacial properties, the adsorption force between the two materials is low, so that the cellulose is not well dispersed in the polymer matrix, and there is a problem that aggregation or phase separation may occur.
이러한 문제점을 극복하고자, 다양한 계면활성제를 첨가하여 양이온화, 에스테르화, 아세틸화 등 셀룰로오스 분자를 기능화(functionalized)하는 방법이 알려져 있으나, 이러한 방법들은 복잡한 공정이 요구되며, 때로는 셀룰로오스의 우수한 기계적 특성을 저하시킬 수 있다. In order to overcome these problems, methods of functionalizing cellulose molecules such as cationization, esterification, and acetylation by adding various surfactants are known, but these methods require complicated processes, and sometimes excellent mechanical properties of cellulose are known. can lower
따라서, 보다 간단한 제조 공정을 가지면서도, 기계적 강도가 우수하고 친환경적이면서도 고분자 매트릭스 안에서 셀룰로오스의 분산성이 향상된 새로운 고분자-섬유 복합입자 제조 방법의 개발이 요구되고 있다. Therefore, there is a demand for the development of a new method for manufacturing polymer-fiber composite particles that has a simpler manufacturing process, excellent mechanical strength, is environmentally friendly, and has improved dispersibility of cellulose in a polymer matrix.
본 발명은 기계적 강도가 우수하고 친환경적이면서도 분산성이 향상된 고분자-섬유 복합입자의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a method for producing polymer-fiber composite particles having excellent mechanical strength, being environmentally friendly, and having improved dispersibility.
또한, 본 발명은 상기 제조 방법에 의해 제조된 복합입자를 포함하는 고분자-섬유 복합필름을 제공하기 위한 것이다.In addition, the present invention is to provide a polymer-fiber composite film comprising the composite particles produced by the above manufacturing method.
또한, 본 발명은 상기 제조 방법에 의해 제조된 복합입자를 이용한 고분자-섬유 복합필름의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다. In addition, the present invention is to provide a method for manufacturing a polymer-fiber composite film using the composite particles prepared by the above manufacturing method.
본 명세서에서는, 셀룰로오스 나노섬유가 분산된 수용액에 고분자 미세 입자 및 유기 용매를 첨가하는 단계; 상기 수용액을 교반하여 피커링 에멀젼을 형성하는 단계; 및 상기 수용액에서 고분자-섬유 복합입자를 수득하는 단계;를 포함하고, In the present specification, adding polymer fine particles and an organic solvent to an aqueous solution in which cellulose nanofibers are dispersed; stirring the aqueous solution to form a Pickering emulsion; and obtaining polymer-fiber composite particles from the aqueous solution;
상기 유기 용매는 벤젠(benzene), 클로로벤젠(chlorobenzene), 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene), o-자일렌(o-xylene), m-자일렌(m-xylene), p-자일렌(p-xylene) 및 톨루엔(toluene)으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 고분자-섬유 복합입자의 제조 방법이 제공된다.The organic solvent is benzene, chlorobenzene, 1,2-dichlorobenzene, o-xylene, m-xylene, p - Provided is a method for producing polymer-fiber composite particles comprising at least one selected from the group consisting of p-xylene and toluene.
본 명세서에서는 또한, 상기 제조 방법에 의해 제조된 복합입자를 포함하는 고분자-섬유 복합필름이 제공된다.In the present specification, a polymer-fiber composite film comprising the composite particles prepared by the above manufacturing method is also provided.
본 명세서에서는 또한, 상기 제조 방법에 의해 제조된 복합입자를 열 압착하는 단계;를 포함하는, 고분자-섬유 복합필름의 제조 방법이 제공된다.In the present specification, there is also provided a method for manufacturing a polymer-fiber composite film, including the step of thermally compressing the composite particles prepared by the above manufacturing method.
이하 발명의 구체적인 구현예에 따른 고분자-섬유 복합입자 제조 방법, 고분자-섬유 복합필름 및 이의 제조 방법에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, a method for manufacturing a polymer-fiber composite particle, a polymer-fiber composite film, and a manufacturing method thereof according to specific embodiments of the present invention will be described in more detail.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in this specification are only used to describe exemplary embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprise", "comprise" or "having" are intended to indicate that there is an embodied feature, number, step, component, or combination thereof, but one or more other features or It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, components, or combinations thereof is not precluded.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 상기 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can have various changes and various forms, specific embodiments will be exemplified and described in detail below. However, this is not intended to limit the present invention to a particular disclosed form, and it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope.
발명의 일 구현예에 따르면, 셀룰로오스 나노섬유가 분산된 수용액에 고분자 미세 입자 및 유기 용매를 첨가하는 단계; 상기 수용액을 교반하여 피커링 에멀젼을 형성하는 단계; 및 상기 수용액에서 고분자-섬유 복합입자를 수득하는 단계;를 포함하고, 상기 유기 용매는 상기 유기 용매는 벤젠(benzene), 클로로벤젠(chlorobenzene), 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene), o-자일렌(o-xylene), m-자일렌(m-xylene), p-자일렌(p-xylene) 및 톨루엔(toluene)으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 고분자-섬유 복합입자의 제조 방법이 제공될 수 있다.According to one embodiment of the invention, adding polymer fine particles and an organic solvent to the aqueous solution in which the cellulose nanofibers are dispersed; stirring the aqueous solution to form a Pickering emulsion; and obtaining polymer-fiber composite particles from the aqueous solution, wherein the organic solvent is benzene, chlorobenzene, or 1,2-dichlorobenzene. , Polymer-fiber containing at least one selected from the group consisting of o-xylene, m-xylene, p-xylene and toluene A method for producing multiparticulates may be provided.
본 발명자들은, 고분자-섬유 복합입자 제조 방법에 대한 연구를 진행하여, 셀룰로오스 나노섬유가 분산된 수용액에 고분자 미세 입자 및 유기 용매를 첨가하는 단계; 상기 수용액을 교반하여 피커링 에멀젼을 형성하는 단계; 및 상기 수용액에서 고분자-섬유 복합입자를 수득하는 단계;를 포함하고, 상기 유기 용매가 소정의 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 경우, 고분자 계면에 셀룰로오스 나노섬유를 균일하게 흡착시킴으로써 고분자 매트릭스에 셀룰로오스 나노섬유의 분산성의 향상된 고분자-섬유 복합입자를 제조할 수 있다는 점을 실험을 통하여 확인하고, 발명을 완성하였다.The inventors of the present invention, polymer-fiber composite particles proceeding with research on the method, adding a polymer fine particle and an organic solvent to the aqueous solution in which the cellulose nanofibers are dispersed; stirring the aqueous solution to form a Pickering emulsion; and obtaining polymer-fiber composite particles from the aqueous solution; and, when the organic solvent includes at least one selected from a predetermined group, uniformly adsorbing cellulose nanofibers to a polymer interface to obtain a polymer matrix. It was confirmed through experiments that polymer-fiber composite particles with improved dispersibility of cellulose nanofibers could be prepared, and the invention was completed.
상기 구현예의 고분자-섬유 복합입자 제조 방법은 계면활성제 및 안정제와 같은 첨가제를 포함하지 않으며, 소량의 유기 용매로 고분자 미세 입자를 팽윤(swelling)시킨 후, 피커링 에멀젼 형성을 통해 제조되기 때문에 친환경적이며 단순한 제조 공정을 가질 수 있다.The method for producing the polymer-fiber composite particles of the embodiment does not include additives such as surfactants and stabilizers, and is eco-friendly and simple because it is prepared by swelling the polymer fine particles with a small amount of organic solvent and then forming a Pickering emulsion. may have a manufacturing process.
먼저, 상기 구현예의 고분자-섬유 복합입자 제조 방법은 셀룰로오스 나노섬유가 분산된 수용액에 고분자 미세 입자 및 유기 용매를 첨가하는 단계를 포함할 수 있다.First, the method for preparing the polymer-fiber composite particles of the embodiment may include adding polymer fine particles and an organic solvent to an aqueous solution in which cellulose nanofibers are dispersed.
셀룰로오스를 나노화하여 얻을 수 있는 나노셀룰로오스에는 바이오매스에서 추출하는 방법에 따라 크게 셀룰로오스 나노섬유(cellulose nanofibril, CNF)와 셀룰로오스 나노결정(cellulose nanocrystal, CNC)으로 나눌 수 있다.Nanocellulose, which can be obtained by nanonizing cellulose, can be largely divided into cellulose nanofibril (CNF) and cellulose nanocrystal (CNC) according to the extraction method from biomass.
셀룰로오스 나노섬유(Cellulose nano fiber, CNF)는 식물 섬유를 나노(10억분의 1) 수준으로 풀어낸 극세 섬유로, 산가수분해, 기계적 처리, 화학적 또는 효소 전처리 후 기계적 처리 등의 공정을 통해 얻어질 수 있다. Cellulose nano fiber (CNF) is an ultra-fine fiber made by unraveling plant fiber at the nano (one-billionth) level. can
이러한 셀룰로오스 나노섬유는 종횡비가 높은 나노 크기의 셀룰로오스 피브릴로 이루어져 있으며, 피브릴 폭은 5~20nm이며, 길이는 일반적으로 수 마이크로미터이며, 틱소트로피(thixotropy)를 나타낸다.These cellulose nanofibers are composed of nano-sized cellulose fibrils with a high aspect ratio, the fibril width is 5 to 20 nm, the length is generally several micrometers, and thixotropy is exhibited.
한편, 상기 셀룰로오스 나노섬유의 평균 길이는 250 nm 내지 1200 nm 일 수 있으며, 평균 두께는 11 nm 내지 15 nm일 수 있다.On the other hand, the average length of the cellulose nanofibers may be 250 nm to 1200 nm, the average thickness may be 11 nm to 15 nm.
도 1의 a)는 셀룰로오스 나노섬유가 분산된 수용액의 사진과 TEM 사진을 나타낸 것이고, b)는 셀룰로오스 나노섬유의 평균 길이 및 평균 두께를 나타낸 것이다.1 a) shows a picture and a TEM picture of an aqueous solution in which cellulose nanofibers are dispersed, and b) shows the average length and average thickness of cellulose nanofibers.
이때, 상기 셀룰로오스 나노섬유는 계면활성제를 통해 셀룰로오스 계면을 기능화하지 않은 비기능화된 셀룰로오스 나노섬유를 사용할 수 있으며, 이로 인해 셀룰로오스와 계면활성제를 반응시키는 복잡한 공정을 설계할 필요가 없고, 계면활성제에 의한 셀룰로오스의 기능 저하의 문제를 피할 수 있다.At this time, the cellulose nanofibers can use non-functionalized cellulose nanofibers that do not functionalize the cellulose interface through surfactants, and there is no need to design a complicated process of reacting cellulose and surfactants, and The problem of deterioration of cellulose can be avoided.
한편, 상기 수용액 내의 셀룰로오스 나노섬유의 농도는 0.1 g/L 이상, 0.3 g/L 이상, 0.5 g/L 이상, 0.7 g/L 이상이면서, 10 g/L 이하, 7 g/L 이하, 5 g/L, 3 g/L 이하로 포함될 수 있다. 이러한 범위 내에서 고분자 매트릭스에 분산성이 우수한 고분자-섬유 복합입자를 제공할 수 있다.On the other hand, the concentration of cellulose nanofibers in the aqueous solution is 0.1 g / L or more, 0.3 g / L or more, 0.5 g / L or more, 0.7 g / L or more, 10 g / L or less, 7 g / L or less, 5 g /L, may be included below 3 g/L. Within this range, it is possible to provide a polymer-fiber composite particle having excellent dispersibility in a polymer matrix.
한편, 상기 수용액에는 셀룰로오스 나노섬유와 함께 NaCl, KCl 등의 수용성 염 또는 HCl 등의 산을 추가적으로 첨가할 수 있다. 상기 수용성 염 또는 산은 수용액 내에서 셀룰로오스 나노섬유 간의 정전기적 반발력을 낮춰 분산이 용이하게 하는 역할을 한다.Meanwhile, a water-soluble salt such as NaCl or KCl or an acid such as HCl may be additionally added to the aqueous solution along with cellulose nanofibers. The water-soluble salt or acid serves to facilitate dispersion by lowering the electrostatic repulsive force between cellulose nanofibers in an aqueous solution.
한편, 상기 유기 용매는 고분자에 대한 젖음성이 좋은 용매로, 수용액 내의 고분자 미세 입자는 상기 유기 용매에 의해 팽윤(swelling)되어, 고분자 계면의 에너지가 낮아지게 되며, 이로 인해 고분자 표면에 셀룰로오스 나노섬유의 흡착이 용이해지게 된다. On the other hand, the organic solvent is a solvent with good wettability for the polymer, and the polymer fine particles in the aqueous solution are swelled by the organic solvent, and the energy of the polymer interface is lowered, resulting in the formation of cellulose nanofibers on the polymer surface. adsorption is facilitated.
상기 유기 용매는 고분자 미세 입자에 대한 팽윤이 가능하면서, 동시에 셀룰로오스 나노섬유의 흡착이 가능한 용매가 사용될 수 있다. As the organic solvent, a solvent capable of swelling the polymer fine particles and at the same time adsorbing the cellulose nanofibers may be used.
예를 들면 벤젠(benzene), 클로로벤젠(chlorobenzene), 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene), o-자일렌(o-xylene), m-자일렌(m-xylene), p-자일렌(p-xylene) 및 톨루엔(toluene)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.For example, benzene, chlorobenzene, 1,2-dichlorobenzene, o-xylene, m-xylene, p- It may be at least one selected from the group consisting of p-xylene and toluene.
한편, 상기 유기 용매는 셀룰로오스 나노섬유가 분산된 수용액 1 ㎖ 에 대해 1 ㎕ 내지 100 ㎕ 함량으로 첨가될 수 있다. 이러한 범위 내에서 수용액 내의 고분자 미세 입자의 계면을 적시고 난 후 팽윤시킴으로써 고분자 계면의 에너지를 낮출 수 있다.Meanwhile, the organic solvent may be added in an amount of 1 μl to 100 μl based on 1 ml of the aqueous solution in which the cellulose nanofibers are dispersed. Within this range, the energy of the polymer interface can be lowered by wetting the interface of the polymer fine particles in the aqueous solution and then swelling.
즉, 소량의 유기 용매를 사용하여 고분자 미세 입자를 팽윤시킬 수 있으며, 이를 통해 고분자 미세 입자와 셀룰로오스 나노섬유의 결합력을 향상시킬 수 있다.That is, the polymer microparticles can be swollen using a small amount of organic solvent, and through this, the bonding force between the polymer microparticles and the cellulose nanofibers can be improved.
한편, 고분자 미세 입자로 폴리프로필렌을 이용하여, 다양한 유기 용매에 따른 폴리프로필렌의 팽윤 및 셀룰로오스 나노섬유의 흡착을 확인하였다.On the other hand, using polypropylene as polymer fine particles, swelling of polypropylene and adsorption of cellulose nanofibers according to various organic solvents were confirmed.
도 2의 (a)는 셀룰로오스 나노섬유가 분산되지 않은 일반적인 폴리프로필렌 입자를 나타낸 것이고, (b) 내지 (h)는 본원의 고분자-섬유 복합입자 제조 방법을 이용하되 (b) 유기용매를 첨가하지 않은 경우, 유기 용매로 (c) 클로로벤젠(chlorobenzene), (d) 메틸 아크릴레이트(methyl acrylate), (e) 메틸 메타크릴레이트(methyl methacrylate), (f) 헥사데칸(hexadecane), (g) 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene) 및 (h) p-자일렌 (p-xylene)을 첨가하여 제조한 고분자-섬유 복합입자를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다.2 (a) shows general polypropylene particles in which cellulose nanofibers are not dispersed, and (b) to (h) use the method for producing polymer-fiber composite particles of the present application, but (b) do not add an organic solvent (c) chlorobenzene, (d) methyl acrylate, (e) methyl methacrylate, (f) hexadecane, (g) This is a photograph of the polymer-fiber composite particles prepared by adding 1,2-dichlorobenzene and (h) p-xylene with a scanning electron microscope (SEM).
도 2의 (c), (g) 및 (h)는 표면이 불규칙하고, 표면에 실 모양의 셀룰로오스 나노섬유가 관측되었으며(붉은색 화살표), 이에 따라, 본원의 고분자-섬유 복합입자 제조방법을 이용하되, 유기 용매로 클로로벤젠(chlorobenzene), 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene) 또는 p-자일렌(p-xylene)를 첨가하는 경우, 고분자 미세 입자를 팽윤시켜 고분자 표면에 셀룰로오스 나노섬유가 골고루 흡착되는 것을 확인할 수 있다. 다만, 상기 유기 용매는 클로로벤젠, 1,2-디클로로벤젠 및 p-자일렌에 한정되는 것은 아니며, 상술한 바와 같이 고분자 미세 입자에 대한 팽윤이 가능하면서, 동시에 셀룰로오스 나노섬유의 흡착이 가능한 다양한 용매를 사용할 수 있다. In (c), (g) and (h) of FIG. 2, the surface is irregular, and thread-like cellulose nanofibers are observed on the surface (red arrow). Accordingly, the method of manufacturing the polymer-fiber composite particle of the present application However, when chlorobenzene, 1,2-dichlorobenzene or p-xylene is added as an organic solvent, polymer fine particles are swollen to form cellulose on the polymer surface. It can be confirmed that the nanofibers are evenly adsorbed. However, the organic solvent is not limited to chlorobenzene, 1,2-dichlorobenzene and p-xylene, and as described above, various solvents capable of swelling the polymer fine particles and adsorbing cellulose nanofibers at the same time can be used.
한편, 상기 고분자 미세 입자는 그 예가 한정되는 것은 아니며, 상기 유기 용매에 의해 팽윤 가능하고, 셀룰로오스 나노섬유와 상호작용(interaction)을 통해 후술하는 피커링 에멀젼을 형성할 수 있는 고분자이면 제한 없이 사용 가능하다. On the other hand, the example of the polymer fine particles is not limited, and any polymer capable of swelling by the organic solvent and forming a Pickering emulsion to be described later through interaction with cellulose nanofibers can be used without limitation. .
예를 들면 폴리프로필렌(PP), 말레산무수물로 표면개질된 폴리프로필렌(MAPP), 폴리에틸렌(PE), 폴리스티렌(PS), 폴리메타크릴산메틸(PMMA), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리락트산(PLA), 아크릴로니트릴 부타디엔 라텍스(Acrylonitrile butadiene latex), 스티렌 부타디엔 라텍스 (Styrene butadiene latex) 등의 고무(rubber) 및 폴리우레탄 등의 엘라스토머(elastomer) 등을 사용할 수 있다. Examples include polypropylene (PP), polypropylene surface-modified with maleic anhydride (MAPP), polyethylene (PE), polystyrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA), polyethylene terephthalate (PET), and polylactic acid. (PLA), acrylonitrile butadiene latex (Acrylonitrile butadiene latex), styrene butadiene latex (Styrene butadiene latex) such as rubber (rubber) and polyurethane elastomer (elastomer), and the like can be used.
한편, 유기 용매로 클로로벤젠을 이용하여, 다양한 고분자 미세 입자에서 셀룰로오스 나노섬유가 골고루 분산된 고분자-섬유 복합입자가 생성된 것을 확인하였다.On the other hand, it was confirmed that polymer-fiber composite particles in which cellulose nanofibers were evenly dispersed in various polymer fine particles were generated using chlorobenzene as an organic solvent.
도 3은 본원의 고분자-섬유 복합입자 제조 방법을 이용하되 유기 용매로 클로로벤젠을, 고분자 미세 입자로 (a) 폴리메타크릴산메틸(PMMA) 및 (b) 폴리스티렌(PS)을 첨가하여 제조한 고분자-섬유 복합입자를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다.3 is a polymer-fiber composite particle manufacturing method of the present application, but prepared by adding chlorobenzene as an organic solvent and (a) polymethyl methacrylate (PMMA) and (b) polystyrene (PS) as polymer fine particles. This is a photograph of the polymer-fiber composite particles observed with a scanning electron microscope (SEM).
도 3의 붉은색 화살표 부분은 실 모양의 셀룰로오스 나노섬유를 나타내며, 도 3에 의하면 본원의 고분자-섬유 복합입자 제조 방법을 이용하는 경우, 다양한 고분자 미세 입자 계면에 셀룰로오스 나노섬유가 균일하게 흡착된 고분자-섬유 복합입자를 제조할 수 있음을 확인할 수 있다.The red arrows in FIG. 3 indicate thread-shaped cellulose nanofibers, and according to FIG. 3, when using the method for manufacturing polymer-fiber composite particles of the present invention, polymers in which cellulose nanofibers are uniformly adsorbed at various polymer fine particle interfaces- It can be confirmed that the fiber composite particles can be prepared.
이때, 상기 고분자 미세 입자는 셀룰로오스 나노섬유가 분산된 수용액 1 ㎖에 대해 1 mg 이상, 3 mg 이상, 5 mg 이상, 7 mg 이상이면서, 20 mg 이하, 15 mg 이하, 13 mg 이하, 11 mg 이하, 9 mg 이하의 함량으로 첨가될 수 있다. 이러한 범위 내에서 상기 유기 용매의 첨가로 인해 고분자 계면이 팽윤되어 고분자 계면의 에너지가 낮아질 수 있다.At this time, the polymer fine particles are 1 mg or more, 3 mg or more, 5 mg or more, 7 mg or more, 20 mg or less, 15 mg or less, 13 mg or less, 11 mg or less with respect to 1 ml of the aqueous solution in which the cellulose nanofibers are dispersed , can be added in an amount of 9 mg or less. Within this range, the energy of the polymer interface may be lowered due to swelling of the polymer interface due to the addition of the organic solvent.
한편, 상기 고분자 미세 입자의 입자 크기는 0.1㎛ 이상, 0.3㎛ 이상, 0.5㎛ 이상, 0.7㎛ 이상이면서, 300 ㎛ 이하, 200 ㎛이하, 100 ㎛ 이하일 수 있다. 이러한 범위 내에서 고분자 매트릭스에 셀룰로오스 나노섬유가 골고루 분산되어 흡착될 수 있다.Meanwhile, the particle size of the polymer fine particles may be 0.1 μm or more, 0.3 μm or more, 0.5 μm or more, or 0.7 μm or more, and 300 μm or less, 200 μm or less, or 100 μm or less. Within this range, the cellulose nanofibers can be evenly dispersed and adsorbed in the polymer matrix.
상기 구현예의 고분자-섬유 복합입자 제조 방법은 상기 수용액을 교반하여 피커링 에멀젼을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The method for preparing the polymer-fiber composite particles of the embodiment may include forming a Pickering emulsion by stirring the aqueous solution.
에멀젼(emulsion)은 기름방울들이 물속에 분산되거나, 물방울들이 기름 속에 분산되어 있는 시스템으로, 특히, 고 분산상 에멀젼(High Internal Phase Emulsion; HIPE)은 분산된 방울들의 부피가 전체 에멀젼 중 74 부피% 이상인 에멀젼 시스템을 일컫는다. 이러한 고 분산상 에멀젼은 보통의 에멀젼에 비해 매우 높은 부피 대비 비표면적을 가지고 있어 유용하게 활용될 수 있으며, 고 분산상 에멀젼을 템플레이트(template)로 이용하여 다양한 다공성 물질의 제작이 가능하여, 필터, 센서, 흡착제, 촉매 서포트 등 산업의 전반적인 분야에서 활용될 수 있다.An emulsion is a system in which oil droplets are dispersed in water or droplets are dispersed in oil. In particular, a high internal phase emulsion (HIPE) is a system in which the volume of the dispersed droplets is 74% or more by volume of the total emulsion. refers to an emulsion system. This highly dispersed phase emulsion has a very high specific surface area to volume compared to normal emulsions, so it can be usefully used, and it is possible to manufacture various porous materials by using the highly dispersed phase emulsion as a template, so that filters, sensors, It can be used in all fields of industry, such as adsorbents and catalyst supports.
상기 구현예에 따른 에멀젼은 유상(oil phase)이 분산상(dispersed phase)이며, 수상(water phase)이 연속상(continuous phase)인 수중유형의 피커링 에멀젼(Oil-in-water type pickering emulsion)일 수 있다. 이와 같이, 유상을 분산상으로 가짐으로써 장시간 경과 후에도 상 분리가 쉽게 일어나지 않는, 매우 안정적인 에멀젼을 수득할 수 있다. 이는 오일층과 물층을 혼합하여 분산상인 유상과, 연속상인 수상을 형성할 시, 수상에 분산된 고분자 단량체가 디플리션 압력(Depletion pressure)을 야기하여 유적의 표면(계면)에 셀룰로오스 나노섬유가 잘 흡착되도록 하여 계면장력을 낮추어줌으로써, 계면장력에 의한 상 분리를 억제할 수 있기 때문이다.The emulsion according to the embodiment may be an oil-in-water type pickering emulsion in which the oil phase is a dispersed phase and the water phase is a continuous phase. there is. In this way, by having the oil phase as the dispersed phase, it is possible to obtain a very stable emulsion in which phase separation does not easily occur even after a long period of time. When the oil layer and the water layer are mixed to form an oil phase, which is a dispersed phase, and an aqueous phase, which is a continuous phase, the polymer monomers dispersed in the water phase cause a depletion pressure, so that the cellulose nanofibers are well formed on the surface (interface) of the oil droplets. This is because phase separation due to interfacial tension can be suppressed by lowering the interfacial tension by allowing adsorption.
피커링 에멀젼 형성 방식은 형성된 에멀젼의 크기가 열역학적 평형 상태의 특정 크기를 갖기 때문에 100 nm 수준의 작고 균일한 에멀젼 형성이 가능하다. In the Pickering emulsion formation method, since the size of the emulsion formed has a specific size in a thermodynamic equilibrium state, it is possible to form a small and uniform emulsion on the order of 100 nm.
본 발명에 따르면, 셀룰로오스 나노섬유를 고분자 매트릭스에 분산시킬 때 소량의 용매로부터 고분자를 팽윤시킴으로써 고분자 계면의 에너지를 낮춰 셀룰로오스 나노섬유를 흡착시키며, 에멀전의 용제로 물을 사용하므로 친환경적이고 제작 공정이 단순하다. 또한, 그리고 팽윤 및 피커링 에멀젼 등 물리적 처리 방법만 이용하여 고분자-섬유 복합입자를 제조하기 때문에 공정이 단순하고 쉽게 제조가 가능하며 재현성이 우수하다.According to the present invention, when dispersing cellulose nanofibers in a polymer matrix, the polymer is swelled with a small amount of solvent to lower the energy of the polymer interface to adsorb the cellulose nanofibers, and since water is used as a solvent for the emulsion, it is eco-friendly and the manufacturing process is simple. do. In addition, since the polymer-fiber composite particles are prepared using only physical treatment methods such as swelling and Pickering emulsion, the process is simple and easy to manufacture, and the reproducibility is excellent.
또한, 상술한 고분자-섬유 복합입자 제조 방법에 사용되는 주 원료인 고분자 미세 입자, 셀룰로오스 나노섬유 및 유기 용매는 가격이 저렴하고 구하기 쉬운 원료로 경제적이며, 에멀전의 용제가 물이기 때문에 친환경적이며 제작 공정이 단순한 장점이 있다.In addition, the polymer fine particles, cellulose nanofibers, and organic solvents, which are the main raw materials used in the above-described polymer-fiber composite particle manufacturing method, are inexpensive and easy-to-obtain raw materials that are economical and eco-friendly because the solvent of the emulsion is water. It has this simple advantage.
즉, 상기 구현예의 고분자-섬유 복합입자 제조 방법에 의하면 소량의 용매로부터 고분자를 팽윤 시킨 후, 피커링 에멀전을 활용하여 고분자 계면에 셀룰로오스 나노섬유를 균일하게 흡착시킴으로써 최종적으로 셀룰로오스 나노섬유가 합성고분자 매트릭스에 잘 분산된 고분자-섬유 복합입자를 제조할 수 있다.That is, according to the method for producing the polymer-fiber composite particle of the embodiment, after swelling the polymer from a small amount of solvent, the cellulose nanofibers are uniformly adsorbed on the polymer interface using Pickering emulsion, and finally the cellulose nanofibers are attached to the synthetic polymer matrix. Well-dispersed polymer-fiber composite particles can be prepared.
한편, 상기 교반은 물리적 교반기(볼텍스 기계; vortexing machine)를 이용하여 수행할 수 있다.Meanwhile, the stirring may be performed using a physical stirrer (vortexing machine).
상기 구현예의 고분자-섬유 복합입자 제조 방법은 상기 수용액에서 고분자-섬유 복합입자를 수득하는 단계를 포함할 수 있다.The method for preparing the polymer-fiber composite particles of the embodiment may include obtaining the polymer-fiber composite particles from the aqueous solution.
구체적으로 피커링 에멀젼 형성 이후, 생성된 고분자-섬유 복합입자를 원심 분리, 수세 및 건조하여 수득하는 단계를 포함할 수 있다.Specifically, after the formation of the Pickering emulsion, centrifugation, washing and drying of the resulting polymer-fiber composite particles may be included.
예를 들면, 생성된 고분자-섬유 복합입자를 물 및/또는 메탄올로 수세하여 상기 복합입자에 잔존하는 용매, 비흡착 셀룰로오스 나노섬유 및 NaCl등의 수용성 염을 제거한 다음 이를 건조하여 최종적으로 생성된 고분자-섬유 복합입자를 얻을 수 있다.For example, the resulting polymer-fiber composite particles are washed with water and/or methanol to remove the solvent remaining in the composite particles, non-adsorbed cellulose nanofibers, and water-soluble salts such as NaCl, and then dried to obtain the final polymer - Fiber composite particles can be obtained.
발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 고분자-섬유 복합입자 제조 방법에 의해 제조된 복합입자를 포함하는, 고분자-섬유 복합필름이 제공될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, a polymer-fiber composite film including the composite particles prepared by the method for preparing the polymer-fiber composite particles may be provided.
상기 고분자-섬유 복합입자 제조 방법에 관한 내용은 상기 일 구현예에 관하여 상술한 내용을 포함한다. Information regarding the method for preparing the polymer-fiber composite particle includes the information described above with respect to the embodiment.
상기 고분자-섬유 복합입자 제조 방법에 의해 제조된 복합입자를 포함하는 고분자-섬유 복합필름은 투명하면서도 기계적 특성이 향상되고 내열성이 우수하다.The polymer-fiber composite film including the composite particles prepared by the method for preparing the polymer-fiber composite particles is transparent, has improved mechanical properties, and has excellent heat resistance.
예를 들어, 투명한 고분자 미세 입자인 폴리프로필렌을 포함하는 고분자-섬유 복합필름은 폴리프로필렌 계면에 셀룰로오스 나노섬유가 분산되지 않은 일반적인 투명한 폴리프로필렌과 거의 비슷한 투명도를 가질 수 있다.For example, a polymer-fiber composite film containing polypropylene, which is a transparent polymer fine particle, may have transparency similar to that of general transparent polypropylene in which cellulose nanofibers are not dispersed in the polypropylene interface.
또한, 상기 고분자-섬유 복합필름은 순수한 고분자 필름에 비해 우수한 내열성을 유지하면서도 기계적 물성이 향상될 수 있다.In addition, the polymer-fiber composite film may have improved mechanical properties while maintaining excellent heat resistance compared to pure polymer films.
예를 들어, 상기 복합필름의 영률(Young’s modulus)은 0.60 GPa 이상, 0.65 GPa 이상, 0.70 GPa 이상, 0.75 GPa 이상, 0.80 GPa 이상일 수 있다.For example, the Young's modulus of the composite film may be 0.60 GPa or more, 0.65 GPa or more, 0.70 GPa or more, 0.75 GPa or more, or 0.80 GPa or more.
또한, 상기 복합필름의 인장 강도(Tensile strength)는 19.0 MPa 이상, 19.5 MPa 이상, 20.0 MPa 이상일 수 있다.In addition, the tensile strength (Tensile strength) of the composite film may be 19.0 MPa or more, 19.5 MPa or more, or 20.0 MPa or more.
즉, 상기 복합 필름은 고분자 미세 입자를 포함하는 필름의 특징인 가볍고 가공이 용이한 특징을 유지하면서, 약한 기계적 강도를 셀룰로오스 나노섬유를 통해 보강함으로써, 자동차 범퍼나 항공 소재, 전자제품, 건축자재 등 경량이면서 내열성, 내충격성, 내화학성을 요구하는 분야에 적용될 수 있다.That is, the composite film maintains the light and easy-to-process characteristics of a film containing polymer fine particles, and reinforces weak mechanical strength through cellulose nanofibers, such as automobile bumpers, aerospace materials, electronic products, building materials, etc. It can be applied to fields requiring light weight, heat resistance, impact resistance, and chemical resistance.
또한, 상기 복합 필름은 생분해가 가능한 천연 고분자인 셀룰로오스 나노섬유를 포함하여, 열분해성이 우수하고 재활용에 적합하여 친환경적인 장점이 있다.In addition, the composite film includes cellulose nanofibers, which are biodegradable natural polymers, and has excellent thermal decomposability and is suitable for recycling, thereby being environmentally friendly.
한편, 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 고분자-섬유 복합입자 제조 방법에 의해 제조된 복합입자를 열 압착하는 단계;를 포함하는, 고분자-섬유 복합필름의 제조 방법이 제공될 수 있다.Meanwhile, according to another embodiment of the present invention, a method for producing a polymer-fiber composite film comprising the step of thermally compressing the composite particles prepared by the method for manufacturing the polymer-fiber composite particles may be provided.
상기 고분자-섬유 복합입자 제조 방법에 관한 내용은 상기 일 구현예에 관하여 상술한 내용을 포함한다. Information regarding the method for preparing the polymer-fiber composite particle includes the information described above with respect to the embodiment.
상기 고분자-섬유 복합입자 제조 방법에 의해 제조된 복합입자를 열 압착하는 방법은 100 ℃ 내지 180 ℃의 온도 및 10 MPa 내지 30 MPa의 압력에서 수행될 수 있으며, 상기 제조방법에 의해 제조된 고분자-섬유 복합필름은 투명하면서도 기계적 특성이 향상되고 내열성이 우수한 특징이 있다.The method of thermally compressing the composite particles prepared by the method for preparing the polymer-fiber composite particles may be performed at a temperature of 100 ° C. to 180 ° C. and a pressure of 10 MPa to 30 MPa. The fiber composite film has improved mechanical properties and excellent heat resistance while being transparent.
도 4는 고분자-섬유 복합입자 및 이를 포함하는 복합필름 제조 방법을 도시한 것이다.4 illustrates a polymer-fiber composite particle and a method for manufacturing a composite film including the same.
구체적으로, 도 4의 (a)는 셀룰로오스 나노섬유가 분산된 수용액에 고분자 미세 입자로 폴리프로필렌(PP) 또는 말레산무수물로 표면개질된 폴리프로필렌(MAPP)을 첨가한 모습을 나타낸 것이고, (b)는 유기 용매를 첨가 후, 이를 교반하여 피커링 에멀젼을 형성하는 단계를 나타낸 것이다.Specifically, (a) of FIG. 4 shows the addition of polypropylene (PP) or maleic anhydride surface-modified polypropylene (MAPP) as polymer fine particles to an aqueous solution in which cellulose nanofibers are dispersed, (b ) shows the step of forming a Pickering emulsion by stirring it after adding an organic solvent.
도 4의 (c)는 약 8시간 후, 팽윤된 고분자 미세 입자의 계면에 셀룰로오스 나노섬유(CNF)가 균일하게 흡착된 모습을 나타낸 것이고, (d)는 수용액에서 생성된 복합입자를 수득하여 최종 형성된 고분자-섬유 복합입자를 나타낸 것이며, (e)는 생성된 고분자-섬유 복합입자를 열 압착하여 고분자-섬유 복합필름을 제조하는 단계를 나타난 것이다.Figure 4 (c) shows the uniform adsorption of cellulose nanofibers (CNF) on the interface of the swollen polymer fine particles after about 8 hours, and (d) shows the final The formed polymer-fiber composite particles are shown, and (e) shows a step of preparing a polymer-fiber composite film by thermally compressing the resulting polymer-fiber composite particles.
한편, 도 4의 (f)는 유기 용매를 첨가 후, 교반을 진행하지 않아 피커링 에멀젼을 형성하지 않은 모습을 나타낸 것이고, (g)는 고분자 미세 입자에 대한 팽윤 현상이 일어나지 않아, 고분자 표면에 셀룰로오스 나노섬유가 고정화 되지 못하고, 수세 과정에서 씻겨져 나간 모습을 나타낸 것이다.On the other hand, (f) of FIG. 4 shows a state in which a Pickering emulsion is not formed by not stirring after adding an organic solvent, and (g) shows that swelling of the polymer fine particles does not occur, and cellulose is formed on the surface of the polymer. It shows that the nanofibers were not immobilized and were washed out during the washing process.
본 발명에 따르면, 기계적 강도가 우수하고 친환경적이면서도 분산성이 향상된 고분자-섬유 복합입자의 제조 방법을 제공할 수 있다. According to the present invention, it is possible to provide a method for producing polymer-fiber composite particles having excellent mechanical strength, being environmentally friendly, and having improved dispersibility.
또한, 상기 제조 방법에 의해 제조된 복합입자를 포함하는 고분자-섬유 복합필름을 제공할 수 있다.In addition, it is possible to provide a polymer-fiber composite film comprising the composite particles manufactured by the above manufacturing method.
또한, 상기 제조 방법에 의해 제조된 복합입자를 이용한 고분자-섬유 복합필름의 제조 방법을 제공할 수 있다.In addition, it is possible to provide a method for manufacturing a polymer-fiber composite film using the composite particles prepared by the above manufacturing method.
도 1의 a)는 셀룰로오스 나노섬유가 분산된 수용액의 사진과 TEM 사진을 나타낸 것이고, b)는 셀룰로오스 나노섬유의 평균 길이 및 평균 두께를 나타낸 것이다.
도 2의 (a)는 셀룰로오스 나노섬유가 분산되지 않은 일반적인 폴리프로필렌 입자를 나타낸 것이고, (b) 내지 (h)는 본원의 고분자-섬유 복합입자 제조 방법을 이용하되 (b) 유기용매를 첨가하지 않은 경우, 유기 용매로 (c) 클로로벤젠(chlorobenzene), (d) 메틸 아크릴레이트(methyl acrylate), (e) 메틸 메타크릴레이트(methyl methacrylate), (f) 헥사데칸(hexadecane), (g) 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene) 및 (h) p-자일렌 (p-xylene)을 첨가하여 제조한 고분자-섬유 복합입자를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다.
도 3은 본원의 고분자-섬유 복합입자 제조 방법을 이용하되 유기 용매로 클로로벤젠을, 고분자 미세 입자로 (a) 폴리메타크릴산메틸(PMMA) 및 (b) 폴리스티렌(PS)을 첨가하여 제조한 고분자-섬유 복합입자를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다.
도 4는 고분자-섬유 복합입자 및 이를 포함하는 복합필름 제조 방법을 도시한 것이다.
도 5는 제조예 1 내지 3에 따라 생성된 고분자-섬유 복합입자를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다.
도 6은 제조예 5 및 비교예 1에 따라 생성된 고분자-섬유 복합입자를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다.
도 7은 실시예 1 내지 3의 고분자-섬유 복합필름과 비교예 2의 폴리프로필렌 필름의 투명도를 관찰한 사진이다.
도 8은 실시예 1 내지 4의 고분자-섬유 복합필름과 비교예 2의 폴리프로필렌 필름의 응력-변형율 곡선을 도시한 것이다.
도 9는 실시예 1 내지 3의 고분자-섬유 복합필름 및 비교예 2의 폴리프로필렌 필름의 열 중량 손실 곡선을 도시한 것이다.1 a) shows a picture and a TEM picture of an aqueous solution in which cellulose nanofibers are dispersed, and b) shows the average length and average thickness of cellulose nanofibers.
2 (a) shows general polypropylene particles in which cellulose nanofibers are not dispersed, and (b) to (h) use the method for producing polymer-fiber composite particles of the present application, but (b) do not add an organic solvent (c) chlorobenzene, (d) methyl acrylate, (e) methyl methacrylate, (f) hexadecane, (g) This is a photograph of the polymer-fiber composite particles prepared by adding 1,2-dichlorobenzene and (h) p-xylene with a scanning electron microscope (SEM).
3 is a polymer-fiber composite particle manufacturing method of the present application, but prepared by adding chlorobenzene as an organic solvent and (a) polymethyl methacrylate (PMMA) and (b) polystyrene (PS) as polymer fine particles. This is a photograph of the polymer-fiber composite particles observed with a scanning electron microscope (SEM).
4 illustrates a polymer-fiber composite particle and a method for manufacturing a composite film including the same.
Figure 5 is a photograph of the polymer-fiber composite particles produced according to Preparation Examples 1 to 3 observed with a scanning electron microscope (SEM).
6 is a photograph of the polymer-fiber composite particles produced according to Preparation Example 5 and Comparative Example 1 observed with a scanning electron microscope (SEM).
7 is a photograph of the transparency of the polymer-fiber composite films of Examples 1 to 3 and the polypropylene film of Comparative Example 2.
Figure 8 shows the stress-strain curves of the polymer-fiber composite films of Examples 1 to 4 and the polypropylene film of Comparative Example 2.
Figure 9 shows the thermal weight loss curves of the polymer-fiber composite films of Examples 1 to 3 and the polypropylene film of Comparative Example 2.
발명을 하기의 실시예에서 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. The invention is explained in more detail in the following examples. However, the following examples are merely illustrative of the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the following examples.
제조예 1Preparation Example 1
셀룰로오스 나노섬유(직경 13 nm, 길이 722㎛)가 1g/L 농도로 균일하게 분산된 수용액을 준비하였다. 상기 수용액에 NaCl을 100 mM의 몰농도로 첨가하여 수용액에서 셀룰로오스 나노섬유 사이의 정전기적 반발력을 낮춰 분산이 용이하게 하였다. An aqueous solution in which cellulose nanofibers (diameter 13 nm, length 722 μm) was uniformly dispersed at a concentration of 1 g/L was prepared. NaCl was added to the aqueous solution at a molar concentration of 100 mM to facilitate dispersion by lowering the electrostatic repulsive force between the cellulose nanofibers in the aqueous solution.
상기 수용액 3㎖에 입자 크기가 2.3㎛의 폴리프로필렌 입자 25mg을 첨가한 후, 3.5 ㎕(15% v/v, 용매/PP)의 클로로벤젠을 마이크로 피펫을 사용하여 수용액의 폴리프로필렌 입자에 투입하였다. After adding 25 mg of polypropylene particles having a particle size of 2.3 μm to 3 ml of the aqueous solution, 3.5 μl (15% v / v, solvent / PP) of chlorobenzene was added to the polypropylene particles of the aqueous solution using a micropipette. .
이후, 볼텍스 기계(vortexing machine)를 이용하여 3,000 rpm 조건으로 1분 동안 교반하였다. Thereafter, the mixture was stirred for 1 minute at 3,000 rpm using a vortexing machine.
8 시간 후, 생성된 고분자-섬유 복합입자를 원심 분리하고 물과 메탄올로 순차적으로 세척하여 NaCl, 용매 및 비흡착 셀룰로오스 나노섬유를 제거하고, 진공 및 25°C 온도에서 12시간 동안 건조시켜 고분자-섬유 복합입자를 제조하였다. After 8 hours, the resulting polymer-fiber composite particles were centrifuged, washed sequentially with water and methanol to remove NaCl, solvent and non-adsorbed cellulose nanofibers, and dried in a vacuum and at 25 °C for 12 hours to obtain polymer-fiber composites. Fiber composite particles were prepared.
제조예 2Preparation Example 2
입자 크기가 1.5㎛의 폴리프로필렌 입자를 사용한 것을 제외하고, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 고분자-섬유 복합입자를 제조하였다. Polymer-fiber composite particles were prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that polypropylene particles having a particle size of 1.5 μm were used.
제조예 3 Preparation Example 3
입자 크기가 0.7㎛의 폴리프로필렌 입자를 사용한 것을 제외하고, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 고분자-섬유 복합입자를 제조하였다. Polymer-fiber composite particles were prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that polypropylene particles having a particle size of 0.7 μm were used.
제조예 4Production Example 4
입자 크기가 1.5㎛의 폴리프로필렌 입자 100 중량%에 대해 말레산 무수물 5%를 첨가하여 말레산 무수물로 개질된 폴리프로필렌(MAPP; Sigma Aldrich, 427845)을 사용한 것을 제외하고, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 고분자-섬유 복합입자를 제조하였다.The same as in Preparation Example 1, except that polypropylene modified with maleic anhydride (MAPP; Sigma Aldrich, 427845) was used by adding 5% of maleic anhydride to 100% by weight of polypropylene particles having a particle size of 1.5 μm. In this way, polymer-fiber composite particles were prepared.
제조예 5Preparation Example 5
수용액에 NaCl를 첨가하지 않은 것을 제외하고, 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 고분자-섬유 복합입자를 제조하였다.Polymer-fiber composite particles were prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that NaCl was not added to the aqueous solution.
비교예 1Comparative Example 1
셀룰로오스 나노섬유(직경 13 nm, 길이 722㎛)가 1g/L 농도로 균일하게 분산된 수용액을 준비하였다. 상기 수용액에 NaCl을 100 mM의 몰농도로 첨가하였다.An aqueous solution in which cellulose nanofibers (diameter 13 nm, length 722 μm) was uniformly dispersed at a concentration of 1 g/L was prepared. NaCl was added to the aqueous solution at a molar concentration of 100 mM.
상기 수용액 3㎖에 입자 크기가 300 ㎛의 폴리프로필렌 입자 25mg을 첨가한 후, 볼텍스 기계(vortexing machine)를 이용하여 3,000 rpm 조건으로 1분 동안 교반하였다. After adding 25 mg of polypropylene particles having a particle size of 300 μm to 3 ml of the aqueous solution, the mixture was stirred for 1 minute at 3,000 rpm using a vortexing machine.
8 시간 후, 생성된 복합입자를 원심 분리하고 물과 메탄올로 순차적으로 세척하여 NaCl, 용매 및 비흡착 셀룰로오스 나노섬유를 제거하고, 진공 및 25°C 온도에서 12시간 동안 건조시켜 고분자-섬유 복합입자를 제조하였다. After 8 hours, the resulting composite particles were centrifuged, washed sequentially with water and methanol to remove NaCl, solvent and non-adsorbed cellulose nanofibers, and dried in vacuum and at 25 °C for 12 hours to obtain polymer-fiber composite particles. was manufactured.
실시예 1Example 1
상기 제조예 1에서 제조한 고분자-섬유 복합입자를 140 °C 및 20 MPa에서 1 분 동안 압축하여 고분자-섬유 복합필름을 제조하였다.A polymer-fiber composite film was prepared by compressing the polymer-fiber composite particles prepared in Preparation Example 1 at 140 °C and 20 MPa for 1 minute.
실시예 2 내지 4Examples 2 to 4
상기 제조예 1의 고분자-섬유 복합입자 대신 제조예 2 내지 4의 고분자-섬유 복합입자를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자-섬유 복합필름을 제조하였다.A polymer-fiber composite film was prepared in the same manner as in Example 1, except that the polymer-fiber composite particles of Preparation Examples 2 to 4 were used instead of the polymer-fiber composite particles of Preparation Example 1.
비교예 2Comparative Example 2
셀룰로오스 나노섬유가 분산되지 않은 일반적인 폴리프로필렌 입자(PP; 0.7㎛)를 140 °C 및 20 MPa에서 1 분 동안 압축하여 폴리프로필렌 필름을 제조하였다.A polypropylene film was prepared by compressing normal polypropylene particles (PP; 0.7 μm) in which cellulose nanofibers were not dispersed at 140 °C and 20 MPa for 1 minute.
[실험예][Experimental example]
1. 복합입자의 생성 확인1. Confirmation of the creation of multiparticles
도 5는 제조예 1 내지 3에 따라 생성된 고분자-섬유 복합입자를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다.Figure 5 is a photograph of the polymer-fiber composite particles produced according to Preparation Examples 1 to 3 observed with a scanning electron microscope (SEM).
도 6은 제조예 5 및 비교예 1에 따라 생성된 고분자-섬유 복합입자를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다.6 is a photograph of the polymer-fiber composite particles produced according to Preparation Example 5 and Comparative Example 1 observed with a scanning electron microscope (SEM).
도 5 및 6의 붉은색 화살표 부분은 실 모양의 셀룰로오스 나노섬유를 나타내며, 도 5 및 6에 의하면 제조예 1 내지 3 및 5에 따라 생성된 고분자-섬유 복합입자는 고분자표면에 응집이나 상분리 없이 셀룰로오스 나노섬유가 골고루 분산이 잘되어 있음을 확인할 수 있다.The red arrows in FIGS. 5 and 6 represent thread-like cellulose nanofibers, and according to FIGS. 5 and 6, the polymer-fiber composite particles produced according to Preparation Examples 1 to 3 and 5 are cellulose without aggregation or phase separation on the polymer surface. It can be seen that the nanofibers are evenly dispersed.
2. 복합필름의 투명도 확인2. Check the transparency of the composite film
도 7은 실시예 1 내지 3의 고분자-섬유 복합필름과 비교예 2의 폴리프로필렌 필름의 투명도를 관찰한 사진이다.7 is a photograph of the transparency of the polymer-fiber composite films of Examples 1 to 3 and the polypropylene film of Comparative Example 2.
본원의 제조 방법에 의해 제조된 복합입자를 이용한 고분자-섬유 복합필름은 셀룰로오스 나노섬유가 분산되지 않은 일반적인 폴리프로필렌 필름과 비교하여, 동등한 수준의 투명도를 가짐을 확인할 수 있다.It can be confirmed that the polymer-fiber composite film using the composite particles prepared by the manufacturing method of the present application has an equivalent level of transparency compared to a general polypropylene film in which cellulose nanofibers are not dispersed.
3.3. 물성 측정Physical property measurement
실시예 1 내지 4의 고분자-섬유 복합필름 및 비교예 2의 폴리프로필렌 필름에 대해 영률(Young’s modulus), 인장 강도(Tensile strength) 및 파단 신율(Elongation at break)를 측정하여 그 결과를 하기 표 1 및 도 8에 나타내었다.The polymer-fiber composite films of Examples 1 to 4 and the polypropylene film of Comparative Example 2 were measured for Young's modulus, tensile strength, and elongation at break, and the results are shown in Table 1 below. and shown in FIG. 8 .
200 N load cell (DBCM-20, BONGSHIN)과 Oriental motor사의 RKE543AC을 사용하였고, 시편을 0.2 X 3 X 30 mm (두께x너비x길이)로 만들어 변형률 0.1 min-1의 속도로 측정하였다.A 200 N load cell (DBCM-20, BONGSHIN) and Oriental Motor's RKE543AC were used, and the specimen was made into a size of 0.2 X 3 X 30 mm (thickness x width x length) and the strain was measured at a rate of 0.1 min -1 .
상기 표 1에 따르면, 본원 실시예에 따른 고분자-섬유 복합필름은 영률 및 인장 강도가 비교예 2의 순수한 폴리프로필렌 필름에 비해 증가함을 확인할 수 있었다.According to Table 1, it was confirmed that the polymer-fiber composite film according to the present example had increased Young's modulus and tensile strength compared to the pure polypropylene film of Comparative Example 2.
도 8은 실시예 1 내지 4의 고분자-섬유 복합필름과 비교예 2의 폴리프로필렌 필름의 응력-변형율 곡선을 도시한 것이다.Figure 8 shows the stress-strain curves of the polymer-fiber composite films of Examples 1 to 4 and the polypropylene film of Comparative Example 2.
도 8에 따르면, 본원 실시예에 따른 고분자-섬유 복합필름은 탄성 변형 영역에서 응력-변형 곡선의 기울기인 영률이 증가했음을 확인할 수 있다.According to FIG. 8 , it can be confirmed that the Young's modulus, which is the slope of the stress-strain curve, in the elastic deformation region of the polymer-fiber composite film according to the present embodiment increased.
4. 열 중량 손실 측정4. Thermal Weight Loss Measurement
실시예 1 내지 3에서 제조된 고분자-섬유 복합필름 및 비교예 2의 폴리프로필렌 필름에 대해 열 중량 손실을 측정하였다. 열중량 분석기(thermogravimetric analyzer)는 TG209 F1 Libra (NETZSCH)를 사용하였으며, 그 결과를 도 9에 나타내었다.Thermal weight loss was measured for the polymer-fiber composite films prepared in Examples 1 to 3 and the polypropylene film of Comparative Example 2. TG209 F1 Libra (NETZSCH) was used as a thermogravimetric analyzer, and the results are shown in FIG. 9 .
도 9는 실시예 1 내지 3의 고분자-섬유 복합필름 및 비교예 2의 폴리프로필렌 필름의 열 중량 손실 곡선을 도시한 것이다.Figure 9 shows the thermal weight loss curves of the polymer-fiber composite films of Examples 1 to 3 and the polypropylene film of Comparative Example 2.
도 9에 따르면, 본원 실시예에 따른 고분자-섬유 복합필름의 열분해 온도가 순수한 폴리프로필렌 필름과 같음이 확인되었다. According to FIG. 9, it was confirmed that the thermal decomposition temperature of the polymer-fiber composite film according to the present embodiment was the same as that of the pure polypropylene film.
즉, 상기 표 1, 도 8 및 도 9에 따라, 본원 실시예에 따른 고분자-섬유 복합필름은 내열성은 유지하면서도 기계적 강도가 향상되었음을 확인할 수 있었다.That is, according to Table 1, FIGS. 8 and 9, it was confirmed that the polymer-fiber composite film according to the present embodiment had improved mechanical strength while maintaining heat resistance.
Claims (11)
상기 수용액을 교반하여 피커링 에멀젼을 형성하는 단계; 및
상기 수용액에서 고분자-섬유 복합입자를 수득하는 단계;를 포함하고,
상기 유기 용매는 벤젠(benzene), 클로로벤젠(chlorobenzene), 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene), o-자일렌(o-xylene), m-자일렌(m-xylene), p-자일렌(p-xylene) 및 톨루엔(toluene)으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는,
고분자-섬유 복합입자의 제조 방법.
adding polymer fine particles and an organic solvent to an aqueous solution in which cellulose nanofibers are dispersed;
stirring the aqueous solution to form a Pickering emulsion; and
Including; obtaining polymer-fiber composite particles from the aqueous solution;
The organic solvent is benzene, chlorobenzene, 1,2-dichlorobenzene, o-xylene, m-xylene, p -Containing at least one selected from the group consisting of p-xylene and toluene,
Method for producing polymer-fiber composite particles.
상기 셀룰로오스 나노섬유는 비기능화된 셀룰로오스 나노섬유인, 고분자-섬유 복합입자의 제조 방법.
According to claim 1,
The cellulose nanofibers are non-functionalized cellulose nanofibers, a method for producing polymer-fiber composite particles.
상기 유기 용매는 셀룰로오스 나노섬유가 분산된 수용액 1 ㎖ 에 대해 1 ㎕ 내지 100 ㎕ 첨가하는, 고분자-섬유 복합입자의 제조 방법.
According to claim 1,
The organic solvent is added in an amount of 1 μl to 100 μl to 1 ml of an aqueous solution in which cellulose nanofibers are dispersed, a method for producing polymer-fiber composite particles.
상기 고분자 미세 입자는 셀룰로오스 나노섬유가 분산된 수용액 1 ㎖에 대해 1 mg 내지 20 mg 첨가하는, 고분자-섬유 복합입자의 제조 방법.
According to claim 1,
The polymer fine particles are added in an amount of 1 mg to 20 mg per 1 ml of an aqueous solution in which cellulose nanofibers are dispersed, a method for producing polymer-fiber composite particles.
상기 고분자 미세 입자의 크기는 0.1 ㎛ 내지 300 ㎛인, 고분자-섬유 복합입자의 제조 방법.
According to claim 1,
The size of the polymer fine particles is 0.1 ㎛ to 300 ㎛, a method for producing a polymer-fiber composite particles.
수용액 내의 셀룰로오스 나노섬유의 농도는 0.1 g/L 내지 10 g/L인, 고분자-섬유 복합입자의 제조 방법.
According to claim 1,
The concentration of the cellulose nanofibers in the aqueous solution is 0.1 g / L to 10 g / L, a method for producing polymer-fiber composite particles.
A polymer-fiber composite film comprising the composite particles prepared by claim 1.
상기 복합필름의 영률(Young’s modulus)은 0.60 GPa 이상인, 고분자-섬유 복합필름.
According to claim 7,
Young's modulus of the composite film is 0.60 GPa or more, polymer-fiber composite film.
상기 복합필름의 인장 강도(Tensile strength)는 19.0 MPa 이상인, 고분자-섬유 복합필름.
According to claim 7,
Tensile strength of the composite film is 19.0 MPa or more, polymer-fiber composite film.
A method for producing a polymer-fiber composite film comprising the steps of thermally compressing the composite particles prepared by claim 1.
상기 열 압착은 100 ℃ 내지 180 ℃ 및 10 MPa 내지 30 MPa 에서 수행하는, 고분자-섬유 복합필름의 제조 방법.
According to claim 10,
The thermal compression is carried out at 100 ℃ to 180 ℃ and 10 MPa to 30 MPa, a method for producing a polymer-fiber composite film.
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---|---|---|---|
KR1020210107353A KR20230025160A (en) | 2021-08-13 | 2021-08-13 | Polymer-fiber composite particle manufacturing method, polymer-fiber composite film and manufacturing method thereof |
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KR1020210107353A KR20230025160A (en) | 2021-08-13 | 2021-08-13 | Polymer-fiber composite particle manufacturing method, polymer-fiber composite film and manufacturing method thereof |
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Family Applications (1)
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-
2021
- 2021-08-13 KR KR1020210107353A patent/KR20230025160A/en unknown
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