KR100593702B1 - Cellulose-based natural fibers having a porous structure and a method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다공성 구조를 갖는 셀룰로즈계 천연섬유 및 그 제조방법에 관한 것으로, 그 주된 목적은 셀룰로즈계 천연섬유 표면에 전자빔을 조사하여 셀룰로즈계 천연섬유의 내부에 다공성 구조를 유지하면서 동시에 셀룰로즈계 천연섬유 표면의 불순물 제거 및 작용기를 부여하는 셀룰로즈계 천연섬유 처리방법 및 이러한 방법에 의해 처리된 셀룰로즈계 천연섬유를 제공하는데 있다.The present invention relates to a cellulose-based natural fiber having a porous structure and a method of manufacturing the same, the main object of which is to irradiate the surface of the cellulose-based natural fiber with an electron beam while maintaining a porous structure in the cellulose-based natural fiber at the same time cellulose-based natural fiber The present invention provides a cellulose-based natural fiber treatment method for removing impurities from a surface and providing functional groups, and a cellulose-based natural fiber treated by such a method.

이와 같은 본 발명에 따른 효과는 다공성 셀룰로즈계 천연섬유가 자동차나 건축산업의 내장재 및 외장재용 고분자복합재료의 보강재로 사용될 때 보강재로서의 역할 뿐만 아니라 다공성 구조에 의한 충격흡수나 소음방지와 같은 부가적인 역할도 기대할 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 셀룰로즈계 천연섬유의 처리방법은 일반적으로 사용되고 있는 화학적 처리방법인 알칼리용액 처리방법에 비해 건식방법으로서 에너지절약이 가능하고 화학 오염물질의 배출이 전혀 없는 환경친화적 방법이다. 또한, 본 발명에 의한 셀룰로즈계 천연섬유 처리방법은 고에너지 빔의 조사 세기를 조절하는 것에 의해 표면에 작용기만 부여하거나, 내부 기공 크기를 조절하거나, 셀룰로즈계 천연섬유의 셀룰로오즈 구조 자체를 퇴화시켜 부가적인 환경친화적 특성을 얻을 수 있는 장점이 있다.This effect according to the present invention is not only serves as a reinforcement when the porous cellulose-based natural fiber is used as a reinforcement of the polymer composite material for interior and exterior materials of the automobile or building industry, but also an additional role such as shock absorption or noise prevention by the porous structure. You can also expect. In addition, the method for treating cellulose-based natural fibers according to the present invention is an environmentally friendly method that can save energy and emit no chemical pollutants as a dry method as compared to an alkaline solution processing method which is generally used. In addition, the cellulose-based natural fiber treatment method according to the present invention is added by adding only functional groups to the surface, controlling the internal pore size, or degenerate the cellulose structure itself of the cellulose-based natural fiber by controlling the irradiation intensity of the high energy beam There is an advantage to obtain environmentally friendly characteristics.

셀룰로즈계 천연섬유, 고에너지 빔조사, 작용기, 기공크기, 다공성구조Cellulose-based natural fiber, high energy beam irradiation, functional group, pore size, porous structure

Description

다공성 구조를 갖는 셀룰로즈계 천연섬유 및 그 제조방법{Cellulosic Natural Fiber with Porous Inside and Its Method}Cellulose-based natural fiber having a porous structure and a manufacturing method thereof {Cellulosic Natural Fiber with Porous Inside and Its Method}

도 1은 본 발명에 따른 셀룰로즈계 천연섬유 제조 방법 및 종래의 화학적 방법 비교도이고,1 is a comparison of the cellulose-based natural fiber manufacturing method according to the present invention and the conventional chemical method,

도 2a, b는 본 발명에 따라 처리된 셀룰로즈계 천연섬유 표면 및 단면구조도 (SEM 사진)이며,Figure 2a, b is a cellulose-based natural fiber surface and cross-sectional structure (SEM photograph) treated according to the present invention,

도 3a, b는 종래 화학적 방법으로 처리된 셀룰로즈계 천연섬유 표면 및 단면구조도 (SEM 사진)이고,Figure 3a, b is a cellulose-based natural fiber surface and cross-sectional structure diagram (SEM photograph) treated by a conventional chemical method,

도 4는 조사 빔 세기에 따라 변화된 셀룰로즈계 천연섬유의 중합도 변화 특성을 보인 그래프이며,4 is a graph showing the degree of polymerization of the cellulose-based natural fibers changed according to the irradiation beam intensity,

도 5는 조사 빔 세기에 따라 변화된 셀룰로즈계 천연섬유의 점도 변화 특성을 보인 그래프이다.5 is a graph showing the viscosity change characteristics of the cellulose-based natural fibers changed according to the irradiation beam intensity.

본 발명은 다공성 구조를 갖는 셀룰로즈계 천연섬유 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 셀룰로즈계 천연섬유 표면에 붙어있는 불순물의 제거와 동시에 표면에 작용기를 부여하고 동시에 셀룰로즈계 천연섬유의 내부에 다공성 구조를 형성하는 것에 관한 것이다. The present invention relates to a cellulose-based natural fiber having a porous structure and a method of manufacturing the same, and in particular, to remove the impurities attached to the surface of the cellulose-based natural fiber and impart functional groups to the surface and at the same time to provide a porous structure inside the cellulose-based natural fiber It is about forming.

현재까지 일반적으로 사용되어 온 셀룰로즈계 천연섬유 처리방법은 알칼리용액을 이용한 화학적 처리방법으로서 NaOH 수용액(2 wt%, 5 wt%, 10 wt%)에 셀룰로즈계 천연섬유를 1시간 담군 후 깨끗이 씻은 후 2wt% 초산용액에서 중화하고 다시 증류수로 셀룰로즈계 천연섬유를 깨끗이 씻어주는 습식방법이다. Cellulose-based natural fiber treatment method, which has been generally used up to now, is a chemical treatment method using alkaline solution. After immersing cellulose-based natural fiber in NaOH aqueous solution (2 wt%, 5 wt%, 10 wt%) for 1 hour, Neutralize in 2wt% acetic acid solution, and then wash the cellulose-based natural fiber with distilled water.

알칼리 성분 및 산성성분이 완전히 제거된 셀룰로즈계 천연섬유는 공기 중에서 수일 동안 건조시킨 후 105℃~110℃로 유지된 건조기 내에 넣어 1시간 이상 다시 건조시켜 셀룰로즈계 천연섬유 내의 수분을 완전히 제거시킨 후 보강재로 사용할 수 있다. Cellulose-based natural fibers completely removed from the alkaline and acidic components are dried in air for several days, and then placed in a dryer maintained at 105 ° C to 110 ° C to be dried for at least 1 hour to completely remove moisture in the cellulose-based fiber. Can be used as

하지만 상기와 같은 화학적 처리방법에 의해 제조된 셀룰로즈계 천연섬유는 표면에 있는 불순물의 제거 및 작용기는 형성되지만 셀룰로즈계 천연섬유가 알칼리 용액 내에 담겨 있는 동안 섬유의 셀룰로오즈 구조가 팽윤되었다가 건조 과정에서 수축되기 때문에 내부에 다공성 구조를 형성할 수가 없다. 또한, 강한 알칼리용액으로 처리할 경우 섬유가 손상될 염려가 있다는 문제점이 있다. 참고로 도 3a, b는 이러한 종래 화학적 방법으로 처리된 셀룰로즈계 천연섬유 표면 및 단면구조도(SEM 사진)로서, 화학적 방법으로 처리한 셀룰로즈계 천연섬유(5% NaOH 수용액에서 1시간 처리한 섬유)의 표면(X500) 및 단면(X1000) 에서는 전술한 것과 같은 문제점을 보이고 있다. However, the cellulose-based natural fiber prepared by the above chemical treatment method removes impurities on the surface and forms functional groups, but the cellulose structure of the fiber swells while the cellulose-based natural fiber is contained in an alkaline solution and then shrinks during drying. As a result, it is impossible to form a porous structure therein. In addition, there is a problem that there is a fear that the fiber is damaged when treated with a strong alkaline solution. For reference, Figure 3a, b is a surface of the cellulose-based natural fibers and cross-sectional structure (SEM picture) treated by the conventional chemical method, cellulose-based natural fibers (fiber treated for 1 hour in 5% NaOH aqueous solution) In the surface (X500) and the cross section (X1000) of the same problem as described above.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 고에너지 빔을 조사하여 셀룰로즈계 천연섬유 표면의 불순물 제거와 작용기 부여를 동시에 이루면서 섬유의 내부에 다공성 구조를 형성하게 하는 환경친화적이고 에너지 절약성을 가진 셀룰로즈계 천연섬유 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention for solving the above problems is to environmentally friendly and energy-saving to form a porous structure in the interior of the fiber while at the same time at the same time to remove impurities and impart functional groups on the surface of the cellulose-based natural fiber by irradiating a high energy beam It is to provide a cellulose-based natural fibers and a method of manufacturing the same.

또한 본 발명의 다른 목적은 셀룰로즈계 천연섬유의 셀룰로오즈 퇴화반응을 유도하여 셀룰로오즈의 중합도를 감소시킨 셀룰로즈계 천연섬유 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a cellulose-based natural fiber and a method for producing the same, which induces cellulose degradation of cellulose-based natural fiber to reduce the degree of polymerization of cellulose.

또한 본 발명의 다른 목적은 셀룰로즈계 천연섬유 내에 형성된 기공의 크기를 전자빔의 조사세기를 달리함으로써 조절한 셀룰로즈계 천연섬유 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a cellulose-based natural fiber and a method for manufacturing the same, by adjusting the size of pores formed in the cellulose-based natural fiber by varying the irradiation intensity of the electron beam.

또한 본 발명의 다른 목적은 셀룰로즈계 천연섬유에 고에너지 빔을 조사하여 다공성 구조체를 가지면서 동시에 셀룰로즈계 천연섬유 표면에 고분자 매트릭스와의 반응성을 향상시킬 수 있는 작용기가 형성된 셀룰로즈계 천연섬유 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.In addition, another object of the present invention is to produce a cellulose-based natural fiber and a functional group having a porous structure by irradiating a high energy beam to the cellulose-based natural fiber and at the same time a functional group formed on the surface of the cellulose-based natural fiber to improve the reactivity with the polymer matrix To provide a method.

또한 본 발명의 다른 목적은 셀룰로즈계 천연섬유의 표면처리에 고에너지 빔을 이용한 건식방법을 적용함으로써 알칼리용액 처리와 같은 습식방법의 단점이 되었던 셀룰로즈계 천연섬유 건조에 의한 에너지 소비와 화학용액 처리에 따른 환경오염을 방지할 수 있는 셀룰로즈계 천연섬유 제조방법을 제공하는데 있다.In addition, another object of the present invention is to apply a dry method using a high energy beam to the surface treatment of cellulose-based natural fibers in the energy consumption and chemical solution treatment by cellulose-based natural fiber drying, which has been a disadvantage of wet methods such as alkaline solution treatment To provide a cellulose-based natural fiber manufacturing method that can prevent the environmental pollution.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 셀룰로즈계 천연섬유를 처리시 조사하는 빔 세기에 따라 낮은 세기의 빔(전자빔의 경우 10~200 kGy)에서는 셀룰로즈계 천연섬유 표면의 불순물 제거 및 작용기의 형성과 셀룰로즈계 천연섬유 내부의 다공성 구조를 동시에 형성할 수 있다. The present invention to achieve the object as described above and to solve the problems of the conventional cellulose in the low intensity beam (10-200 kGy in the case of electron beam) according to the beam intensity irradiated when processing the cellulose-based natural fibers Impurity removal on the surface of the natural fiber and the formation of functional groups and the porous structure inside the cellulose-based natural fiber can be simultaneously formed.

상기 전자빔의 조사시간은 조사장치에 의해 순간적으로 조사되는 것으로 시간에 대한 한정은 없다.The irradiation time of the electron beam is irradiated instantaneously by the irradiation apparatus, and there is no limitation on the time.

또한 셀룰로즈계 천연섬유에 형성되는 기공 크기는 전자빔 조사 세기에 따라 조절할 수 있다. In addition, the pore size formed in the cellulose-based natural fibers can be adjusted according to the electron beam irradiation intensity.

또한, 높은 세기의 빔(전자빔의 경우 200-500 kGy 사이)을 조사 시에는 알파셀룰로오즈의 함량이 20% 미만인 셀룰로오즈를 생성한다. 500kGy 이상일 경우 기공의 형상은 유지되나, 취성이 증가하고, 인장강도와 탄성강도 감소하는 등 전체적인 셀룰로즈계 천연섬유의 물성은 저하된다.In addition, irradiation with high intensity beams (200-500 kGy for electron beams) produces cellulose with an alpha cellulose content of less than 20%. In the case of 500 kGy or more, the shape of the pores is maintained, but the brittleness is increased, and the physical properties of the cellulose-based natural fibers, such as decrease in tensile strength and elastic strength, are reduced.

상기와 같은 전자빔의 발생장치는 전자총으로부터 발생되는 전자를 진공상태에서 고전압을 이용하여 빛이 속도에 가깝게 가속시켜 높은 에너지의 전자빔을 만들어내는 장치로서 기초과학연구를 비롯하여 각종 산업분야에 널이 응용되고 있는 일반 전자가속기로서 이 장치를 사용하여 셀룰로즈계 천연섬유에 전자빔을 조사하였다.The electron beam generator as described above is a device that generates electron beams of high energy by accelerating light generated from electron guns in a vacuum state using a high voltage close to speed, and is applied to various industrial fields including basic science research. This device was used as a common electron accelerator to irradiate electron beams on cellulose-based natural fibers.

본 발명에서 말하는 작용기란 에스터기(-C(=O)-O-), 에스테르기(C-O-C), 혹은 하이드록시기(-C-OH-)등을 말하는 것이다. 하지만 이러한 나열이 본 발명의 작용기 전체를 한정하는 것은 아니고, 분위가 가스에 따라 작용기가 달라질 있음은 물론이다. 이러한 작용의 생성에 의해 셀룰로즈계 천연섬유 보강재와 고분자 매트릭스 사이의 접착특성이 향상된다.
상기 전자빔을 조사시의 분위기는 공기 분위기하에서 행하도록 한다.
또한 상기 전자빔을 조사시의 분위기는 불활성 분위기인 질소 또는 아르곤으로 바꾸어 표면의 작용기 특성을 조절한다.
The functional group used in the present invention refers to an ester group (-C (= O) -O-), an ester group (COC), or a hydroxyl group (-C-OH-). However, this arrangement does not limit the entire functional group of the present invention, it is a matter of course that the functional group varies depending on the gas. By the production of this action, the adhesive property between the cellulose-based natural fiber reinforcement and the polymer matrix is improved.
The atmosphere when the electron beam is irradiated is performed under an air atmosphere.
In addition, the atmosphere upon irradiation of the electron beam is changed to nitrogen or argon, which is an inert atmosphere, to adjust the functional group properties of the surface.

이하 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the configuration and the operation of the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 셀룰로즈계 천연섬유 제조 방법 및 종래의 화학적 방법 비교도이고, 도 2a, b는 본 발명에 따라 처리된 셀룰로즈계 천연섬유 표면 및 단면구조도(SEM 사진)를 도시하고 있다. 1 is a comparative view of a cellulose-based natural fiber manufacturing method and a conventional chemical method according to the present invention, Figures 2a, b shows the surface and cross-sectional structure (SEM photograph) of the cellulose-based natural fiber treated in accordance with the present invention .

구체적으로 도 1은 기존의 화학적 방법에 의한 셀룰로즈계 천연섬유 처리 과정을 본 발명에 의한 처리과정과 비교하여 나타낸 것이다. 도면에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 처리과정은 화학적 방법에 의한 셀룰로즈계 천연섬유 표면처리에 비해 건조과정 등이 없어 에너지 절약성이 크고 처리방법이 간단하며 또한 알칼리용액 등 오염물질의 배출이 전혀 없음을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 처리방법은 셀룰로즈계 천연섬유에 고에너지빔을 조사하는 단순한 방법으로 이루어져 있음을 알 수 있다.Specifically, Figure 1 shows the cellulose-based natural fiber treatment process by the conventional chemical method compared with the treatment process according to the present invention. As shown in the figure, the treatment process according to the present invention has no drying process, etc., compared to the cellulose-based natural fiber surface treatment by the chemical method, which is energy-saving, and the treatment method is simple, and there is no discharge of pollutants such as alkaline solution. It can be seen. In other words, it can be seen that the treatment method of the present invention consists of a simple method of irradiating high energy beams on cellulose-based natural fibers.

본 발명 및 종래 알칼리용액으로 처리한 셀룰로즈계 천연섬유의 표면과 절단면을 전자주사현미경(Scanning Electron Microscope)으로 관찰하여 셀룰로즈계 천연섬유 표면의 불순물 제거상태와 셀룰로즈계 천연섬유 내부의 다공성 구조를 비교하였다. The surface and the cut surface of the cellulose-based natural fiber treated with the present invention and the conventional alkaline solution were observed with a scanning electron microscope to compare the removal of impurities on the surface of the cellulose-based natural fiber with the porous structure of the cellulose-based natural fiber. .

이러한 본 발명의 결과는 도 2a, b에 나타나 있고, 종래의 방법에 의한 결과는 도 3a, b에 나타나 있다.The results of this invention are shown in Figures 2a and b, and the results of the conventional method are shown in Figures 3a and b.

본 발명에 의한 셀룰로즈계 천연섬유 처리에서 고에너지 빔의 조사세기 조절에 의해 셀룰로즈계 천연섬유 내부의 다공성 구조 및 표면의 불순물 제거와 작용기 생성을 동시에 이룰 수 있으며(실시예 1 참조), 또한 셀룰로오즈 중합도를 감소시켜 셀룰로즈계 천연섬유의 퇴화반응을 진행할 수도 있다(실시예 2참조). In the cellulose-based natural fiber treatment according to the present invention, by controlling the intensity of irradiation of the high energy beam, it is possible to simultaneously remove the impurities in the porous structure and the surface of the cellulose-based natural fiber and to generate functional groups (see Example 1). It is also possible to proceed with the degradation of the cellulose-based natural fibers by reducing (see Example 2).

도 4는 조사 빔 세기에 따라 변화된 셀룰로즈계 천연섬유의 중합도 변화 특성을 보인 그래프를 도시하고 있는데, 조사 빔 세기에 따라 변화된 셀룰로즈계 천연섬유의 알파 및 베타 셀룰로오즈 변화 특성을 보이고 있으며 알파 및 베타 셀룰로오즈의 분자량은 TAPPI T230 om-99방법으로 측정하였다. 알파셀룰로오즈는 중합도가 100이상, 분자량이 16,200 이상인 큰 셀룰로오즈이며 베타셀룰로오즈는 중합도가 15~100 사이인 분자량이 작은 셀룰로오즈를 말한다. 도면에서 보는 바와 같이 조사량이 증가하면 알파셀룰로오즈 양이 감소하고 베타셀룰로오즈 양이 증가함을 알 수 있는데 이는 고에너지 빔의 조사에 의해 분자간의 연결고리가 파괴되어 분자량이 큰 셀룰로오즈가 분자량이 작은 셀룰로오즈로 변화되었기 때문이다.Figure 4 shows a graph showing the degree of polymerization of the cellulose-based natural fiber is changed according to the irradiation beam intensity, showing the alpha and beta cellulose change characteristics of the cellulose-based natural fiber changed according to the irradiation beam intensity of the alpha and beta cellulose The molecular weight was measured by the TAPPI T230 om-99 method. Alpha cellulose is a large cellulose having a polymerization degree of 100 or more and a molecular weight of 16,200 or more, and beta cellulose is a small cellulose having a polymerization degree of 15 to 100. As shown in the figure, it can be seen that as the amount of radiation increases, the amount of alpha cellulose decreases and the amount of beta cellulose increases, which leads to the breakdown of the intermolecular linkage by irradiation of high energy beams. Because it has changed.

도 5는 조사 빔 세기에 따라 변화된 셀룰로즈계 천연섬유의 점도 변화 특성을 보인 그래프를 도시하고 있는데 전자빔 세기가 커짐에 따라 점도가 감소하는 것을 보이고 있다. 이는 도 4에서 설명한 바와 같이 고에너지 빔의 조사에 의해 중합도가 큰 알파 셀룰로오즈에서 중합도가 작은 베타 셀룰로오즈로 변화하였기 때문으로 점도는 중합도, 즉 분자량이 작아질수록 낮아진다.Figure 5 shows a graph showing the viscosity change characteristics of the cellulose-based natural fiber changed according to the irradiation beam intensity, showing that the viscosity decreases as the electron beam intensity increases. As described with reference to FIG. 4, the viscosity decreases as the degree of polymerization, ie, the molecular weight, decreases due to the change from alpha cellulose having a high degree of polymerization to beta cellulose having a low degree of polymerization by irradiation with a high energy beam.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예이다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention.

<실시예 1><Example 1>

셀룰로즈계 천연섬유를 단층으로 잘 배열한 후 폴리에틸렌 비닐봉투에 넣고 상온에서 10 kGy ~ 200 kGy 미만 사이의 전자빔을 조사하였다. 조사시 10, 30, 50, 70, 100, 150, 200, 500, 2000kGy를 각각 조사하였다.Cellulose-based natural fibers were well arranged in a single layer and placed in polyethylene plastic bags, and the electron beam was irradiated between 10 kGy and less than 200 kGy at room temperature. 10, 30, 50, 70, 100, 150, 200, 500 and 2000 kGy were irradiated at the time of irradiation.

전자빔이 조사된 셀룰로즈계 천연섬유의 표면과 절단면을 SEM으로 관찰한 결과를 셀룰로즈계 천연섬유 원 시료와 비교하여 실시예도 1에 나타내었다. SEM observation of the surface and the cut surface of the cellulose-based natural fiber irradiated with the electron beam is shown in Example 1 in comparison with the cellulose-based natural fiber source sample.

실시예도에서 보는 바와 같이 셀룰로즈계 천연섬유 원 시료의 표면은 왁스나 불순불로 덮여있으며 내부는 셀룰로오즈에 의해 가득 찬 구조를 가지고 있다.As shown in the embodiment, the surface of the cellulose-based natural fiber source sample is covered with wax or impurities, and the inside has a structure filled with cellulose.

셀룰로즈계 천연섬유에 200 kGy 세기 미만의 고에너지 빔을 조사하면 실시예도 2에서 보는 바와 같이 섬유외부의 불순물은 거의 제거되며, 또한 섬유 내부에 다공성 구조가 형성되는 것을 알 수 있다. When the cellulose-based natural fiber is irradiated with a high energy beam of less than 200 kGy intensity, as shown in FIG.

이 기공의 크기는 조사 세기가 커질수록 커지며 이러한 현상은 마이크로 피브릴(microfibril)의 가장 안쪽에 위치한 셀룰로오즈 1, 셀룰로오즈 2, 셀룰로오즈 3의 순서로 셀룰로오즈가 분해되어 떨어져 나가기 때문인 것으로 나타났다. The pore size increases as the intensity of irradiation increases, which is attributed to the breakdown of cellulose in the order of cellulose 1, cellulose 2, and cellulose 3, which are located on the innermost side of the microfibril.

또한 100 KGy 이상의 전자빔 세기에서는 셀룰로오즈 사이에 가교반응(cross-linking)이 일어나 실시예도 3과 같이 리그닌 부분으로 셀룰로오즈가 밀착되고 이는 섬유의 인장강도와 탄성특성을 향상시키는 것으로 분석되었다. In addition, the electron beam intensity of more than 100 KGy cross-linking between the cellulose (cross-linking) occurs, as shown in Figure 3, the cellulose is in close contact with the lignin portion, which was analyzed to improve the tensile strength and elastic properties of the fiber.

Figure 112004022444149-pat00001
Figure 112004022444149-pat00002
Figure 112004022444149-pat00001
Figure 112004022444149-pat00002

(a) (b)            (a) (b)

(실시예도 1) 셀룰로즈계 천연섬유 원시료의 표면(X500) 및 단면(X1000) 사진(Example 1) Surface (X500) and cross section (X1000) photograph of cellulose-based natural fiber raw material

Figure 112004022444149-pat00003
Figure 112004022444149-pat00004
Figure 112004022444149-pat00003
Figure 112004022444149-pat00004

(a) (b)              (a) (b)

(실시예도 2) 50kGy의 전자빔을 조사한 셀룰로즈계 천연섬유의 표면(X500) 및 단면(X1000) 사진(Example 2) Photograph of surface (X500) and cross section (X1000) of cellulose-based natural fiber irradiated with 50 kGy electron beam

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(a) (b)             (a) (b)

(실시예도 3) 100kGy의 전자빔을 조사한 셀룰로즈계 천연섬유의 표면(X500) 및 단면(X1000) 사진(Example 3) Photograph of surface (X500) and cross section (X1000) of cellulose-based natural fiber irradiated with 100 kGy electron beam

<실시예 2><Example 2>

셀룰로즈계 천연섬유를 단층으로 잘 배열한 후 폴리에틸렌 비닐봉투에 넣은 후 상온에서 500 kGy 이상의 전자빔을 조사하였다.Cellulose-based natural fibers were well arranged in a single layer and then placed in polyethylene plastic bags, and then irradiated with an electron beam of 500 kGy or more at room temperature.

실시예에서는 500 kGy 에서 2000 kGy의 범위에서 빔을 조사하였는데 이러한 구간에서 알파셀룰로오즈와 베타셀룰로오즈의 함량을 측정할 수 없었다. 이러한 이유는 큰 조사량에 의해 셀룰로오즈 구조가 파괴되었기 때문이다.In the embodiment, the beam was irradiated in the range of 500 kGy to 2000 kGy, and the content of alpha cellulose and beta cellulose could not be measured in this section. This is because the cellulose structure is destroyed by a large dose.

전자빔이 조사된 셀룰로즈계 천연섬유의 표면과 절단면을 SEM으로 관찰한 결과를 실시예도 4에 나타내었다.The results of observing the surface and the cut surface of the cellulose-based natural fiber irradiated with the electron beam are shown in Example 4.

실시예도에서 보는 바와 같이 셀룰로즈계 천연섬유 원 시료의 표면은 마이크로 피브릴의 요철 부분이 파괴되고 파단면의 경우도 리그닌 주위에 밀착되어 붙어있는 셀룰로오즈 구조만을 관찰할 수 있다.As shown in the embodiment, the surface of the cellulose-based natural fiber source sample can only observe the cellulose structure in which the uneven portion of the microfibrils is broken and adhered around the lignin even in the fracture surface.

이 결과 섬유 내부에는 지름이 10㎛ 이상의 큰 기공 구조가 형성되는 것을 알 수 있으며 또한, 리그닌 옆에 붙어 있는 셀룰로오즈 구조에서도 높은 에너지 빔의 조사에 의해 많은 금(crack)이 관찰되고 있다. 이는 전자빔 조사에 의한 셀룰로오즈의 퇴화반응이 진행된 것으로서 이 결과 셀룰로즈계 천연섬유의 인장강도와 탄성특성도 감소하는 것으로 분석되었다. 즉, 500kGy 까지는 셀룰로즈계 천연섬유 내부의 기공 및 물성이 유지되나, 그 이상에서는 기공이 있어도 셀룰로즈계 천연섬유의 기본 물성등이 저하됨을 알 수 있다.As a result, it can be seen that a large pore structure with a diameter of 10 µm or more is formed inside the fiber, and many cracks are observed in the cellulose structure attached to the lignin by irradiation of a high energy beam. The degradation of cellulose by electron beam irradiation proceeded, and as a result, it was analyzed that the tensile strength and elastic properties of cellulose-based natural fibers were also reduced. In other words, the pores and physical properties of the cellulose-based natural fibers are maintained up to 500 kGy, but even if there are pores, the basic physical properties of the cellulose-based natural fibers are reduced.

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(a) (b)          (a) (b)

(실시예도 4) 500kGy의 전자빔을 조사한 셀룰로즈계 천연섬유의 표면(X500) 및 단면(X1000) 사진(Example 4) Photograph of surface (X500) and cross section (X1000) of cellulose-based natural fiber irradiated with 500 kGy electron beam

<비교예 1>Comparative Example 1

현재까지 일반적으로 사용되어 온 셀룰로즈계 천연섬유 처리방법은 알칼리 용액을 이용한 화학적 처리로서 그 방법은 다음과 같다. Cellulose-based natural fiber treatment method that has been generally used up to now is a chemical treatment using an alkaline solution, the method is as follows.

NaOH 수용액 (10 wt% 미만의 농도)에 셀룰로즈계 천연섬유를 1시간 담군 후 물로 알칼리 성분을 깨끗이 씻어내고 2 wt% 초산용액 내에서 약 10분 정도 중화시킨 후 증류수로 셀룰로즈계 천연섬유를 다시 깨끗이 씻어준다. Soak cellulose-based fiber in NaOH aqueous solution (concentration less than 10 wt%) for 1 hour, wash off the alkaline component with water, neutralize it for about 10 minutes in 2 wt% acetic acid solution, and then clean cellulose-based fiber again with distilled water. Wash it.

알칼리 성분 및 산성성분이 완전히 제거된 셀룰로즈계 천연섬유는 공기 중에서 수일 동안 건조시킨 후 보강재로 사용하기 전에 105℃~110℃로 유지된 건조기 내에서 1시간 이상 건조시켜 셀룰로즈계 천연섬유 내의 수분을 완전히 제거시킨다. Cellulose-based natural fibers completely removed from alkali and acidic components are dried in air for several days, and then dried in a dryer maintained at 105 ° C to 110 ° C for at least one hour before being used as a reinforcement material to completely remove moisture in the cellulose-based fiber. Remove it.

이런 화학적 처리방법에 의해 제조된 셀룰로즈계 천연섬유는 표면에 작용기는 형성되지만 비교예도 1에서 보는 바와 같이 셀룰로즈계 천연섬유가 알칼리 용액 내에 담겨 있는 동안 셀룰로오즈 구조의 팽윤과 건조 과정에서의 수축 때문에 섬유내부의 기공구조가 파괴되어 다공성 구조의 형성이 어렵다. Cellulose-based natural fibers produced by this chemical treatment method has functional groups on the surface, but as shown in Comparative Example 1, the cellulose-based natural fibers are swelled during drying and shrinkage during drying while the cellulose-based natural fibers are contained in an alkaline solution. Its pore structure is destroyed, making it difficult to form a porous structure.

또한, 강한 알칼리용액(10 wt% 이상의 NaOH 수용액)에 담구거나 강한 알칼리 성분이 섬유에 직접 닿는 경우에는 비교예도 2에서 보는 바와 같이 섬유 자체가 휘거나 파손될 수가 있다. In addition, when immersed in a strong alkaline solution (10 wt% or more NaOH aqueous solution) or when the strong alkali component directly touches the fiber, as shown in Comparative Example 2, the fiber itself may bend or break.

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(a) (b)              (a) (b)

(비교예도 1) 화학적 방법으로 처리한 셀룰로즈계 천연섬유의 표면(X500) 및 단면(X1000) 사진(5% NaOH 수용액에서 1시간 처리) (Comparative Example 1) Surface (X500) and cross-sectional (X1000) photographs of cellulose-based natural fibers treated by a chemical method (treated for 1 hour in 5% aqueous NaOH solution)

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(a) (b)             (a) (b)

(비교예도 2) 강한 알칼리용액으로 처리한 셀룰로즈계 천연섬유의 표면(X500) 및 단면(X1000) 사진(10% NaOH 수용액에서 1시간) Comparative Example 2 Surface (X500) and Cross Section (X1000) Photographs of Cellulose Natural Fibers Treated with Strong Alkaline Solution (1 Hour in 10% NaOH Aqueous Solution)

상기와 같이 본 발명은 비교예와 같이 종래의 화학적 처리방법에서는 이룰 수 없는 다공성 구조를 가지는 셀룰로즈계 천연섬유가 제공됨을 알 수 있고, 그 기공의 크기를 조사빔의 세기에 의해 조절할 수 있음을 알 수 있다. 또한 조사빔의 세기에 따라 인장강도와 탄성특성도 조절할 수 있음을 알 수 있다.As described above, it can be seen that the present invention provides a cellulose-based natural fiber having a porous structure, which can not be achieved by the conventional chemical treatment method as in the comparative example, and that the size of the pores can be controlled by the intensity of the irradiation beam. Can be. In addition, it can be seen that the tensile strength and elastic properties can be adjusted according to the intensity of the irradiation beam.

이와 같은 본 발명은 자동차 및 건축산업의 내장재 및 외장재용 고분자복합재료의 보강재로 사용할 수 있다.The present invention can be used as a reinforcement of the polymer composite material for interior and exterior materials of the automotive and building industries.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다. The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.

상기와 같은 본 발명의 셀룰로즈계 천연섬유 처리방법으로는 고에너지 빔의 조사세기를 조절하는 것에 의해 셀룰로즈계 천연섬유 표면에 불순물 제거 및 작용기 생성과 동시에 섬유 내부에 5~20 ㎛의 다양한 크기를 가지는 다공성 셀룰로즈계 천연섬유 제조가 가능하다는 장점과, Cellulose-based natural fiber processing method of the present invention as described above has a variable size of 5 ~ 20 ㎛ inside the fiber at the same time as removing impurities and functional groups on the surface of the cellulose-based natural fiber by controlling the irradiation intensity of the high energy beam It is possible to manufacture porous cellulose-based natural fibers,

또한 본 발명에 의한 다공성 셀룰로즈계 천연섬유를 자동차 및 건축산업의 내장재 및 외장재용 고분자복합재료의 보강재로 사용할 경우 셀룰로즈계 천연섬유의 보강재 역할 뿐만 아니라 섬유의 다공성 구조에 의한 흡음 및 충격완화 효과도 기대할 수 있다는 장점과,In addition, when the porous cellulose-based natural fiber according to the present invention is used as a reinforcing material for polymer composite materials for interior and exterior materials of the automobile and building industries, the sound absorption and shock mitigation effect due to the porous structure of the fiber may be expected. With the advantage that

또한, 본 발명에 의해 다공성 셀룰로즈계 천연섬유를 제조하는 방법은 기존의 알칼리 용액에 의한 처리방법에 비해 건식방법으로서 에너지 절약성이 크고 알칼리 용액과 같은 오염물질의 배출이 전혀 없어 환경친화성이 매우 큰 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 이용이 크게 기대되는 발명이다.In addition, the method for producing a porous cellulose-based natural fiber according to the present invention is a dry method as compared to the conventional treatment method with an alkaline solution, energy saving properties and no environmental pollutants, such as alkaline solution, is very environmentally friendly Useful inventions with great advantages are inventions that are highly expected for industrial use.

Claims (8)

셀룰로즈계 천연섬유의 표면에 전자빔을 조사하여 표면에 있는 불순물의 제거와 동시에 작용기를 생성하면서 동시에 셀룰로즈계 천연섬유 내부에 다공성 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 다공성 구조를 갖는 셀룰로즈계 천연섬유의 제조방법.Method of producing a cellulose-based natural fiber having a porous structure, characterized in that by irradiating the surface of the cellulose-based natural fiber with an electron beam to remove the impurities on the surface and at the same time to form a functional group while forming a porous structure inside the cellulose-based natural fiber . 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전자빔의 세기는 10 KGy이상 ~ 200 KGy 미만의 전자빔을 조사하여 셀룰로즈계 천연섬유 내부에 다공성 구조를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 다공성 구조를 갖는 셀룰로즈계 천연섬유의 제조방법.The intensity of the electron beam is a method for producing a cellulose-based natural fiber having a porous structure, characterized in that to have a porous structure inside the cellulose-based natural fiber by irradiating an electron beam of less than 10 KGy ~ 200 KGy. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전자빔의 세기는 10 KGy이상 ~ 500 KGy 미만의 전자빔을 조사하여 천연 섬유 내부에 다공성 구조를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 다공성 구조를 갖는 셀룰로즈계 천연섬유의 제조방법.The intensity of the electron beam is a method of producing a cellulose-based natural fiber having a porous structure, characterized in that to have a porous structure inside the natural fiber by irradiating an electron beam of less than 10 KGy ~ 500 KGy. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 셀룰로즈계 천연섬유에 전자빔을 조사하여 셀룰로오즈 구조의 분해 또는 가교결합(cross-linking) 중 어느 하나가 일어나게 하여 기공 크기를 조절하는 것을 특징으로 다공성 구조를 갖는 셀룰로즈계 천연섬유의 제조방법.The method of manufacturing a cellulose-based natural fiber having a porous structure characterized in that to control the pore size by irradiating an electron beam to the cellulose-based natural fiber to cause any one of decomposition or cross-linking of the cellulose structure. 제 3항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 셀룰로즈계 천연섬유에 전자빔을 조사하여 셀룰로오즈 구조의 분해, 가교결합(cross-linking), 중합도 감소에 의한 퇴화 중 어느 하나가 일어나게 하여 기공 크기를 조절하는 것을 특징으로 다공성 구조를 갖는 셀룰로즈계 천연섬유의 제조방법.Cellulose-based natural fiber having a porous structure characterized in that by irradiating an electron beam to the cellulose-based natural fiber to control the pore size by causing any one of degradation of the cellulose structure, cross-linking, deterioration by the degree of polymerization Manufacturing method. 제 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5, 상기 전자빔을 조사시의 분위기는 공기 분위기하에서 행하는 것을 특징으로 하는 다공성 구조를 갖는 셀룰로즈계 천연섬유의 제조방법.The atmosphere at the time of irradiating the said electron beam is a manufacturing method of the cellulose-type natural fiber which has a porous structure characterized by performing in air atmosphere. 제 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5, 상기 전자빔을 조사시의 분위기는 불활성 분위기인 질소 또는 아르곤으로 바꾸어 표면의 작용기 특성을 조절하는 것을 특징으로 하는 다공성 구조를 갖는 셀룰로즈계 천연섬유의 제조방법.The method of manufacturing a cellulose-based natural fiber having a porous structure, characterized in that the atmosphere upon irradiation of the electron beam is adjusted to nitrogen or argon which is an inert atmosphere to control the functional group properties of the surface. 제 1 항 내지 5항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 셀룰로즈계 천연섬유 내부에 다공성 구조가 형성된 것을 특징으로 하는 다공성 구조를 갖는 셀룰로즈계 천연섬유.Cellulose-based natural fibers having a porous structure, characterized in that the porous structure is formed inside the cellulose-based natural fibers prepared by the method of any one of claims 1 to 5.
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