KR101159628B1 - 섬유 재료 및 조성물 - Google Patents

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Abstract

섬유 재료, 섬유 재료를 포함하는 조성물, 그리고, 해당 섬유 재료 및 조성물의 용도가 개시되어 있다. 예를 들어, 상기 섬유 재료는 미생물이 작용해서 단백질 혹은 리그닌 등의 부산물이나 에탄올을 생산할 수 있다.
섬유 재료, 조성물, 전단, 연료, 세균, 효소, 복합체

Description

섬유 재료 및 조성물{FIBROUS MATERIALS AND COMPOSITIONS}
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 미국 특허 출원 제11/453,951호(출원일: 2006년 6월 15일)의 우선권을 주장하며, 이 기초 출원의 전체 내용은 그의 전문이 참조로 본 명세서에 원용되어 있다.
기술 분야
본 발명은 섬유 재료 및 조성물에 관한 것이다.
섬유 재료, 예를 들어, 셀룰로스계 재료 및 리그노셀룰로스계 재료가 생산되고, 가공되어, 많은 용도에 대량으로 이용되고 있다. 이러한 섬유 재료는 종종 일단 사용되고 나면 쓰레기로서 폐기된다.
각종 섬유 재료, 그들의 용도 및 응용예는 미국 특허 제6,448,307호, 제6,258,876호, 제6,207,729호, 제5,973,035호 및 제5,952,105호 공보에 기재되어 있다. 이 단락의 각 특허 문헌의 전체 개시 내용은 참조로 본 명세서에 병합된다.
일반적으로, 본 발명은 섬유 재료, 섬유 재료의 제조 방법, 섬유 재료를 포함하는 조성물(예컨대, 섬유 재료와 수지를 포함하는 복합체(composite), 또는 섬유 재료 및 세균(bacteria) 및/또는 효소를 포함하는 조성물) 및 그의 용도에 관한 것이다. 예를 들어, 상기 조성물은 에탄올, 또는 예컨대 단백질 혹은 리그닌 등의 부산물을 제조하는 데 이용될 수 있거나, 절연체로서의 구조물에 적용될 수 있다.
본 명세서에 개시된 섬유 재료의 어느 것이라도 미국 특허 제6,448,307호, 제6,258,876호, 제6,207,729호, 제5,973,035호 및 제5,952,105호 공보에 개시된 섬유 재료, 수지, 첨가제 혹은 기타 성분의 어느 것과도 배합해서 사용될 수 있다. 또한, 이들 섬유 재료 및/또는 성분들은 이들 특허 문헌의 어느 것에 혹은 본 출원에 개시된 용도, 제품, 절차 등의 어느 것에도 사용될 수 있다.
상기 섬유 재료 또는 해당 섬유 재료를 포함하는 조성물은 예를 들어 구조체 혹은 담체(예컨대, 편직물, 멤브레인, 부력 장치, 백, 외피(shell) 혹은 생분해성 물질)과 연관되거나, 이들과 배합되거나, 이들과 인접하거나, 이들에 의해 에워싸이거나 혹은 이들 내에 있을 수도 있다. 임의적으로, 상기 구조체 혹은 담체는 그 자체로 섬유 재료로부터 제조될 수 있거나, 또는 섬유 재료를 포함하는 조성물로 이루어져 있을 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 상기 섬유 재료는 해당 섬유 재료의 생분해성의 속도를 증대시키는 양성자산(protic acid)과 같은 재료와 배합된다. 몇몇 실시형태에 있어서, 상기 섬유 재료는 해당 섬유 재료의 분해성을 지연시키는 재료, 예컨대 완충제와 배합된다.
상기 조성물의 기타 성분에 대한 섬유 재료의 비율은 상기 성분의 성질에 의존할 것이고, 구체적인 제품 용도를 위해 용이하게 조정될 수 있다.
본 명세서에 기재된 방법의 어느 것에 의해 제조된 섬유 재료의 어느 것이라도 포함하는 본 명세서에 기재된 어떠한 섬유 재료도, 예컨대, 수지와 함께 복합체를 형성하는 데 이용될 수 있거나, 또는 세균 및/또는 1종 이상의 효소와 배합되어 귀중한 산물, 예컨대 연료(예컨대, 에탄올, 탄화수소 또는 수소)를 생산할 수도 있다.
일 측면에 있어서, 본 발명은 섬유 재료를 제조하는 방법을 특징으로 한다. 상기 방법은 섬유원을 전단해서 제1 섬유 재료를 제공하는 단계 및 평균 개구 크기가 1.59 ㎜(1/16 인치, 0.0625 인치) 이하인 제1 체(screen)에 상기 제1 섬유 재료를 통과시켜 제2 섬유 재료를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 섬유원은, 예컨대, 전단 전에 컨페티 유사 재료(confetti-like material)의 조각이나 스트립으로 절단될 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 상기 제1 체의 평균 개구 크기는 약 0.79 ㎜(1/32 인치, 0.03125 인치) 이하, 예컨대, 약 0.40 ㎜(1/64 인치, 0.015625 인치) 이하, 약 0.20 ㎜(1/128 인치, 0.0078125 인치) 이하, 또는 심지어 약 0.10 ㎜(1/256 인치, 0.00390625 인치) 이하이다.
구체적인 수행예에 있어서, 상기 전단은 회전 나이프 커터에 의해 수행된다. 필요한 경우, 전단은, 섬유원이 건조(예컨대, 흡수중량으로 0.25중량% 이하 지님)되거나, 수화된 채로, 또는, 심지어 섬유원이 물이나 아이소프로판올과 같은 액체에 부분적으로 혹은 전체적으로 잠긴 채로 수행될 수도 있다.
상기 제2 섬유 재료는 예를 들어 공칭 대기압 이하, 예컨대, 공칭 대기압의 적어도 10% 이하, 공칭 대기압의 적어도 50% 이하 또는 공칭 대기압의 적어도 75% 이하의 압력을 가진 통에 회수될 수 있다.
상기 제2 섬유 재료는 예를 들어 1회 혹은 수회, 예컨대, 2회, 3회 혹은 심지어 그 이상, 예컨대, 10회 전단될 수 있다. 전단은 섬유 재료를 "개방"(open up)하거나 해당 섬유 재료에 "응력을 가하는"(stress) 것이 가능해져, 해당 재료를 예컨대 용액이나 수지 중에 더욱 분산될 수 있게 한다.
상기 제2 섬유 재료는, 예컨대, 전단될 수 있고, 얻어진 섬유 재료는 제1 체를 통과할 수 있게 된다.
상기 제2 섬유 재료는 전단될 수 있고, 얻어진 섬유 재료는 상기 제1 체보다 평균 개구 크기가 작은 제2 체를 통과하여, 제3 섬유 재료를 제공한다.
제3 섬유 재료의 평균 길이-대-직경 비에 대한 제2 섬유 재료의 평균 길이-대-직경 비의 비율은 예컨대, 1.5 이하, 1.4 이하, 1.25 이하, 또는 심지어 1.1 이하일 수 있다.
상기 제2 섬유 재료는 예컨대 상기 제1 체보다 평균 개구 크기가 작은 제2 체에 통과될 수 있다.
상기 전단 및 통과는 예컨대 동시에 수행될 수 있다.
상기 제2 섬유 재료의 평균 길이-대-직경 비는, 예컨대, 10/1보다 크거나, 25/1보다 크거나, 또는 심지어 약 50/1보다 클 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 섬유 재료의 평균 길이는 0.5 ㎜ 내지 2.5 ㎜ 사이, 예컨대, 0.75 ㎜ 내지 1.0 ㎜ 사이일 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 섬유 재료의 평균 폭은 5 ㎛ 내지 50 ㎛ 사이, 예컨대, 10 ㎛ 내지 30 ㎛ 사이일 수 있다.
상기 제2 섬유 재료의 길이의 표준편차는 상기 제2 섬유 재료의 평균 길이의 60% 이하, 예컨대, 상기 제2 섬유 재료의 평균 길이의 50% 이하일 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 상기 제2 섬유 재료의 BET 표면적은 0.5 ㎡/g보다 크고, 예컨대, 1.0 ㎡/g 이상, 1.5 ㎡/g 이상, 1.75 ㎡/g 이상, 2.5 ㎡/g 이상, 10.0 ㎡/g 이상, 25.0 ㎡/g 이상, 또는 심지어 100 ㎡/g 이상이다.
몇몇 실시형태에 있어서, 상기 제2 섬유 재료의 다공도는 25% 보다 크고, 예컨대, 50% 이상, 75% 이상, 85% 이상, 90% 이상, 92% 이상, 95% 이상, 또는 심지어 99% 이상이다.
구체적인 실시형태에 있어서, 상기 체는 모노필라멘트를 섞어 짬으로써(interweaving) 형성된다.
상기 섬유원은 예컨대 셀룰로스계 재료, 리그노셀룰로스계 재료를 포함할 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 상기 섬유원은, 예컨대 종이원(paper source)으로부터 유래된 섬유와 텍스타일원으로부터 유래된 섬유, 예컨대 면 등의 섬유의 블렌드를 포함한다.
다른 측면에 있어서, 본 발명은 섬유원을 전단해서 제1 섬유 재료를 제공하는 단계; 및 상기 섬유 재료를 제1 체에 통과시켜 제2 섬유 재료를 제공하는 단계를 포함하는 섬유 재료의 제조 방법을 특징으로 한다. 상기 제2 섬유 재료의 평균 길이-대-직경에 대한 상기 제1 섬유 재료의 평균 길이-대-직경 비의 비율은 약 1.5 이하이다.
또 다른 측면에 있어서, 본 발명은 섬유원을 전단해서 제1 섬유 재료를 제공하는 단계; 상기 섬유 재료를 제1 체에 통과시켜 제2 섬유 재료를 제공하는 단계; 및 상기 제2 섬유 재료를 재차 전단해서 제3 섬유 재료를 제공하는 단계를 포함하는 섬유 재료의 제조 방법을 특징으로 한다.
다른 측면에 있어서, 본 발명은 본 명세서에 기재된 섬유 재료의 어느 것으로부터 제조된 복합체 혹은 조성물을 특징으로 한다. 예를 들어, 조성물은 본 명세서에 기재된 섬유 재료의 어느 것과 세균 및/또는 효소를 포함할 수 있다. 본 명세서에 기재된 섬유 재료의 어느 것과 세균 및/또는 효소를 포함하는 조성물은 건조 상태에 있을 수 있고, 또는 이들은 액체, 예컨대 물을 포함할 수도 있다.
예를 들어, 복합체는 디딤대(stepping stool), 파이프, 패널, 갑판재(decking material), 보드, 하우징, 시트, 블록, 벽돌, 폴(pole), 울타리 부재, 도어, 셔터, 천막, 차양, 간판(sign), 프레임(frame), 창 케이스, 백보드, 바닥재, 타일, 선로 침목(railroad tie), 접시, 공구 손잡이, 스톨(stall), 필름, 랩(wrap), 테이프, 상자, 바구니, 선반, 케이스, 바인더, 디바이더(divider), 벽, 매트, 프레임, 책꽂이, 조각품, 의자, 테이블, 책상, 장난감, 게임 용품, 펠릿, 워브(wharves), 교각, 보트, 돛대, 오수 처리 탱크, 자동차 패널, 컴퓨터 하우징, 상하접지용 전기 케이스(above- and below-ground electrical casings), 가구, 피크닉 테이블, 벤치, 수용소(shelter), 접시, 행거, 쟁반, 작은 상자(casket), 책표지, 지팡이 및 목발의 형태일 수 있다.
다른 측면에 있어서, 본 발명은 평균 길이-대-직경 비가 5 이상이고, 섬유 길이의 표준 편차가 평균 섬유 길이의 60% 이하인 섬유 재료를 특징으로 한다.
예를 들어, 상기 평균 길이-대-직경 비는 10/1보다 클 수 있고, 예컨대, 15/1 이상, 25/1 이상, 35/1 이상, 45/1 이상, 또는 심지어 50/1 이상일 수 있다.
예를 들어, 상기 평균 길이는 0.5 ㎜ 내지 2.5 ㎜ 사이일 수 있다.
다른 측면에 있어서, 본 발명은 섬유원을 전단해서 제1 섬유 재료를 제공하는 단계; 상기 제1 섬유 재료를 회수하는 단계; 및 상기 제1 섬유 재료를 전단하여 제2 섬유 재료를 제공하는 단계를 포함하는 섬유 재료의 제조방법을 특징으로 한다.
다른 측면에 있어서, 본 발명은 연료와 같은 유용한 재료를 제조하는 방법을 특징으로 한다. 상기 방법은 섬유원을 전단해서 제1 섬유 재료를 제공하는 단계; 평균 개구 크기가 1.59 ㎜(1/16 인치, 0.0625 인치) 이하인 제1 체에 상기 제1 섬유 재료를 통과시켜 제2 섬유 재료를 제공하는 단계; 및 상기 제2 섬유 재료를 세균 및/또는 효소와 배합하는 단계를 포함하되, 상기 세균 및/또는 효소는 상기 제2 섬유 재료를 이용해서 수소, 알코올, 유기산 및/또는 탄화수소를 포함하는 연료를 생산한다.
상기 알코올은 예를 들어 메탄올, 에탄올, 프로판올, 아이소프로판올, 뷰탄올, 에틸렌 글라이콜, 프로필렌 글라이콜, 1,4-뷰테인 다이올, 글리세린, 또는 이들 알코올의 혼합물일 수 있고; 상기 유기산은 예를 들어 말론산, 숙신산, 글루타르산, 올레산, 리놀산, 글라이콜산, 락트산, γ-하이드록시뷰티르산, 또는 이들 산의 혼합물일 수 있으며; 상기 탄화수소는 예를 들어 메테인, 에테인, 프로페인, 아이소뷰텐, 펜테인, n-헥세인, 또는 이들 탄화수소의 혼합물일 수 있다.
상기 세균 및/또는 효소와 배합하기 전에, 본 명세서에 기재된 섬유 재료의 어느 것을 가수분해시켜, 고분자량의 탄수화물을 저분자량의 탄수화물로 분해시킬 수 있다.
다른 측면에 있어서, 본 발명은 섬유원 또는 섬유 재료를 전단시키고 나서, 이들을 세균 및/또는 효소와 배합시킴으로써, 연료와 같은 유용한 재료를 제조하는 방법을 특징으로 한다. 예를 들어, 상기 섬유원은 섬유 재료를 제공하기 위해 일단 전단될 수 있고, 이어서, 해당 섬유 재료는 유용한 재료를 제조하기 위해 세균 및/또는 효소와 배합될 수 있다.
다른 측면에 있어서, 본 발명은 섬유 조성물을 치밀화하는 방법을 특징으로 한다. 상기 방법은 섬유원을 전단시켜 섬유 재료를 제공하는 단계; 상기 섬유 재료를 세균 및/또는 효소와 배합해서 섬유 재료 조성물을 제공하는 단계; 상기 조성물을 실질적으로 기체 불투과성 재료로 둘러싸는(encapsulating) 단계; 및 상기 둘러싸인 조성물로부터 포획된 기체를 제거하여 해당 조성물을 치밀화하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 상기 기체 불투과성 재료는 백의 형태일 수 있고, 상기 조성물은 상기 백으로부터 공기를 배기하고 나서 해당 백을 밀봉함으로써 치밀화될 수 있다.
다른 측면에 있어서, 본 발명은 섬유 재료, 수지 및 염료를 포함하는 복합체를 특징으로 한다.
예를 들어, 상기 섬유 재료의 평균 길이-대-직경 비는 5 이상이고, 섬유 길이의 표준 편차는 평균 섬유 길이의 60% 이하일 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 상기 복합체는 부가적으로 안료를 포함한다.
몇몇 수행예에 있어서, 염료는 섬유 속으로 스며들거나 해당 섬유의 표면 상에 드러나게 된다.
다른 측면에 있어서, 본 발명은, 섬유 재료를 염색하는 단계; 해당 섬유 재료를 수지와 배합하는 단계; 및 상기 배합물로부터 복합체를 형성하는 단계를 포함하는, 복합체의 제조 방법을 특징으로 한다.
다른 측면에 있어서, 본 발명은, 염료를 수지에 첨가해서 염료/수지 배합물을 제공하는 단계; 상기 염료/수지 배합물을 섬유 재료와 배합하는 단계; 및 상기 염료/수지 배합물과 섬유 재료로부터 복합체를 형성하는 단계를 포함하는, 복합체의 제조방법을 특징으로 한다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같은 "수지 재료"란 용어는 다수의 느슨하고 불연속적이며 분리가능한 섬유를 포함하는 재료이다. 예를 들어, 섬유 재료는 폴리코팅지 혹은 표백된 크래프트지 섬유원으로부터 예컨대 회전 나이프 커터로 전단함으로써 제조될 수 있다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같은 "체"란 용어는 크기에 따라 재료를 체거름할 수 있는 능력을 가진 부재, 예컨대, 천공판, 실린더 등, 혹은 철망이나 천 직물을 의미한다.
상기 실시형태들 및/또는 측면들은 이하의 이점 중의 어느 하나 혹은 이들의 조합을 지닐 수 있다. 상기 섬유 재료는 개방되고/되거나 응력이 가해져서, 예컨대 용액이나 수지 중에 더욱 분산되어, 화학 약품, 효소 혹은 생물학적 공격에 대해 더욱 민감해지게 된다. 상기 섬유 재료는 예컨대 비교적 좁은 길이 및/또는 길이-대-직경 비 분포를 가질 수 있으므로, 그들의 특성은 일관되게 규정된다. 예를 들어, 섬유 재료의 섬유는, 용융 수지 혹은 용액과 배합될 경우, 용융 수지의 유동성(rheology)을 일정하고 단정할 수 있는 방식으로 개질하여, 예컨대, 성형 및 압출하기 보다 용이한 수지/섬유 재료 배합물로 된다. 예를 들어, 상기 섬유 재료는 사출 금형(mold)과 관련되거나 해당 사출 금형 내에서 발견되는 것, 예컨대, 게이트 혹은 핫 러너(hot runner) 등의 작은 개구 혹은 유로를 용이하게 통과할 수 있다. 이러한 섬유 재료로부터 성형된 부품은 예컨대 커다란 입자 및/또는 응집 입자의 가시적인 반점이 거의 없는 양호한 표면 마무리를 보일 수 있다.
본 명세서에 언급된 모든 간행물, 특허 출원, 특허 등록 및 기타 문헌은 참고로 그들의 전문이 본 명세서에 병합된다.
본 발명의 기타 특징 및 이점은 이하의 상세한 설명 및 청구의 범위로부터 명백해질 것이다.
상세한 설명
도 1을 참조하면, 섬유원(10)은 예컨대 회전 나이프 커터에서 전단되어, 제1 섬유 재료(12)를 제공한다. 이 제1 섬유 재료(12)는 평균 개구 크기가 1.59 ㎜(1/16 인치, 0.0625 인치) 이하인 제1 체(16)를 통과해서 제2 섬유 재료(14)를 제공한다. 필요한 경우, 섬유원(10)은 전단 전에 예컨대 세단기(shredder)로 절단될 수 있다. 예를 들어, 섬유원(10)으로서 종이를 사용할 경우, 해당 종이는 먼저 세단기, 예를 들어, 카운터-회전 나사 세단기, 예컨대 문손사(Munson)(미국 뉴욕주의 유티카시에 소재함)에서 제조된 것 등을 이용해서 예컨대, 폭 1/4인치 내지 1/2인치인 스트라이프로 절단될 수 있다. 세단의 대안으로서, 상기 종이는 길로틴 커터(guillotine cutter)를 이용해서 소정의 크기로 절단함으로써 크기가 감소될 수 있다. 예를 들어, 길로틴 커터는 종이를, 예컨대, 폭 10 인치×길이 12인치인 시트로 절단하는 데 이용될 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 섬유원(10)의 전단 및 얻어진 제1 섬유 재료(12)의 제1 체(16)의 통과는 동시에 수행된다. 상기 전단 및 통과는 배취식(batch-type) 방식으로 수행될 수도 있다.
예를 들어, 회전 나이프 커터는 섬유원(10)을 동시에 전단하고 제1 섬유 재료(12)를 체거름하는 데 사용될 수 있다. 도 2를 참조하면, 회전 나이프 커터(20)는 섬유원(10)을 잘라서 제조된 잘라진 얻어진 섬유원(10')이 반입될 수 있는 호퍼(22)를 포함한다. 이 잘라진 섬유원(10')은 고정날(24)과 회전날(26) 사이에서 전단되어 제1 섬유 재료(12)를 제공한다. 제1 섬유 재료(12)는 상기 치수를 가진 체(16)에 통과시키고, 얻어진 제2 섬유 재료(14)는 통(30)에 회수한다. 상기 제2 섬유 재료(14)의 회수를 돕기 위해서, 통(30)은 공칭 대기압 이하의 압력, 예를 들어, 공칭 대기압의 적어도 10% 이하, 예컨대, 공칭 대기압의 적어도 25% 이하, 공칭 대기압의 적어도 50%, 또는 공칭 대기압의 적어도 75% 이하를 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서는, 진공원(50)(도 2)을 이용해서 상기 통을 공칭 대기압 이하로 유지한다.
전단은 섬유 재료를 "개방"하거나 해당 섬유 재료에 "응력을 가하는" 것이 가능해져, 해당 재료를 예컨대 용액이나 수지 중에 더욱 분산시켜, 이들을 화학 약품, 효소 혹은 생물학적 공격에 더욱 민감해지게 할 수 있다. 특정 이론에 얽매이길 원치 않지만, 적어도 몇몇 실시형태에 있어서, 전단은 수산기 혹은 카복실산기 등의 작용기로 섬유 표면을 작용화시켜, 예컨대 용융 수지 중에 섬유의 분산을 돕거나 혹은 화학 약품 혹은 생물학적 공격의 증대를 도울 수 있는 것으로 여겨진다.
섬유원은 건조 상태, 수화 상태(예컨대, 흡수된 물의 중량으로 10중량%까지 지님) 혹은 예컨대 물의 중량%로 약 10중량% 내지 약 75중량%를 지니는 습윤 상태에서 전단될 수 있다. 상기 섬유원은 심지어 물, 에탄올, 아이소프로판올 등의 액체 하에 부분적으로 혹은 완전히 잠긴 채로 전단될 수도 있다.
상기 섬유원은 기체(공기 이외의 기체의 분위기 혹은 흐름 등), 예컨대, 산소 혹은 질소, 또는 기류 하에 전단될 수 있다.
섬유 재료를 제조하는 기타 방법은 스톤 그라인딩(stone grinding), 기계적 리핑(mechanical ripping) 혹은 찢기(tearing), 핀 그라인딩(pin grinding) 혹은 공기 마모 분쇄(air attrition milling)를 포함한다.
필요한 경우, 상기 섬유 재료는 그들의 길이, 폭, 밀도, 재료 종류 또는 이들 속성의 몇몇 조합에 따라 예컨대 연속적으로 혹은 배취식으로 단편으로 분리될 수 있다. 예를 들어, 복합체를 형성하기 위해서, 비교적 좁은 분포의 섬유 길이를 지니는 것이 바람직할 경우도 있다. 예컨대, 세균 및/또는 효소를 포함하는 조성물을 제조할 때, 공급 재료(feedstock)로서 실질적으로 단일 재료를 이용하는 것이 바람직할 경우도 있다.
예를 들어, 철제 재료는 철제 재료를 포함하는 섬유 재료를 자석, 예컨대 전자석에 통과시키고 나서, 얻어진 섬유 재료를 일련의 체(각각의 체는 상이한 개구 크기를 지님)에 통과시킴으로써 해당 섬유 재료로부터 분리될 수 있다.
상기 섬유 재료는 또한 예를 들어 고속 기체, 예컨대, 공기를 이용함으로써 분리될 수도 있다. 이러한 접근법에 있어서, 섬유 재료는 필요한 경우 광자학적으로 특징화될 수 있는 상이한 단편들을 끌어냄으로써 분리된다. 이러한 분리 장치는 미국 특허 제6,883,667호(Lindsey et al.) 공보에 기재되어 있고, 이 특허 문헌의 전체 개시내용은 그의 전문이 본 명세서에 참조로 병합된다.
상기 섬유 재료는 그들의 제조 직후에 이용될 수 있거나, 또는 이들은 예컨대 대략 105℃에서 4 내지 18시간 건조될 수 있어, 수분 함량은 예컨대, 사용 전에 약 0.5% 이하로 된다.
필요한 경우, 리그닌은, 리그닌, 예컨대 리그노셀룰로스 재료를 포함하는 섬유 재료의 어느 것으로부터 제거될 수 있다. 또한, 필요한 경우, 상기 섬유 재료는 해당 섬유 재료 상에 있을 수도 있는 어떠한 미생물도 사멸시키도록 멸균될 수 있다. 예를 들어, 상기 섬유 재료는 방사선, 예컨대 적외 방사선, 자외 방사선 혹은 이온화 방사선, 예컨대 감마 방사선에 해당 섬유 재료를 노출시킴으로써 멸균될 수 있다. 상기 섬유 재료는 또한 온도 조정에 의해, 예컨대 어떠한 미생물이라도 사멸시키는 데 충분한 시간 동안 소정 조건 하에 섬유 재료를 가열 혹은 냉각시킴으로써, 혹은 화학 멸균제, 예컨대, 표백제(예컨대, 차아염소산 나트륨), 클로르헥시딘 혹은 에틸렌 옥사이드를 이용함으로써 멸균될 수도 있다. 상기 섬유 재료는 또한 세균에 대해서 경쟁적인 유기체, 예컨대 효모를 이용해서 멸균될 수도 있다.
도 3 내지 도 8을 참조하면, 몇몇 실시형태에 있어서, 상기 제1 체(16)의 평균 개구 크기는 0.79 ㎜(1/32 인치, 0.03125 인치) 이하, 예컨대, 0.51 ㎜(1/50 인치, 0.02000 인치) 이하, 0.40 ㎜(1/64 인치, 0.015625 인치) 이하, 0.23 ㎜(0.009 인치) 이하, 0.20 ㎜(1/128 인치, 0.0078125 인치), 0.18 ㎜(0.007 인치) 이하, 0.13 ㎜(0.005 인치), 또는 심지어 0.10 ㎜(1/256 인치, 0.00390625 인치) 이하이다. 상기 체(16)는 바람직한 개구 크기를 부여하도록 적절한 직경을 가진 모노필라멘트(52)를 섞어 짜서 제조된다. 예를 들어, 상기 모노필라멘트는 금속, 예컨대, 스테인레스강으로 제조될 수 있다. 개구 크기가 작아짐에 따라, 모노필라멘트에 대한 구조적 요구는 더욱 커질 수 있다. 예를 들어, 0.40 ㎜ 이하의 개구 크기를 위해서, 체는 스테인레스강 이외의 재료, 예컨대, 티타늄, 티타늄 합금, 비정질 금속, 니켈, 텅스텐, 로듐, 레늄, 세라믹 또는 유리로 이루어진 모노필라멘트로부터 체를 제조하는 것이 유리할 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 상기 체는 판, 예를 들어 개구를 가진 금속 판으로 제조되고, 예컨대, 레이저를 이용해서 판으로 절단한다.
몇몇 실시형태에 있어서, 제2 섬유 재료(14)를 전단하여, 상기 제1 체(16) 또는 상이한 크기의 체에 통과시킨다. 몇몇 실시형태에 있어서, 상기 제2 섬유 재료(14)는 상기 제1 체(16)의 평균 개구 크기와 동일 또는 그 이하의 평균 개구 크기를 가진 제2 체에 통과시킨다.
도 9를 참조하면, 제3 섬유 재료(62)는 상기 제2 섬유 재료(14)를 전단해서 얻어진 재료를 상기 제1 체(16)의 평균 개구 크기보다 작은 평균 개구 크기를 가진 제2 체(60)에 통과시킴으로써 상기 제2 섬유 재료(14)로부터 제조될 수 있다.
섬유원으로는 셀룰로스계 섬유원, 예컨대 도 10a(폴리코팅지) 및 도 10b(크래프트지)에 도시된 것과 같은 종이 제품을 비롯한 종이류; 리그노셀룰로스계 섬유원, 예를 들어 목재 및 목재 관련 재료, 예컨대, 파티클 보드(particle board) 등을 들 수 있다. 기타 적절한 섬유원으로는 천연 섬유원, 예컨대, 풀, 왕겨(rice hull), 바가스(bagasse), 면, 황마, 대마, 아마, 대나무, 사이잘마, 마닐라삼, 밀짚, 옥수수 속대, 왕겨, 코코넛 헤어(coconut hair); α-셀룰로스 함량이 높은 섬유원, 예컨대, 면; 합성 섬유원, 예컨대, 압출 얀(yarn)(배향 얀 또는 비배향 얀) 또는 탄소 섬유원; 무기 섬유원; 및 금속 섬유원을 들 수 있다. 천연 또는 합성 섬유원은 버진 스크랩 텍스타일 재료, 예컨대, 자투리로부터 얻어질 수 있거나 또는 이들은 소비 후의 폐기물, 예컨대, 천조각일 수 있다. 종이 제품이 섬유원으로서 사용될 경우, 이들은 새로운 재료, 예컨대, 스크랩 버진 재료일 수 있거나, 또는 이들은 사용 후 폐기물일 수 있다. 버진 원료 이외에, 소비자에 의한 사용 후의 폐기물, 산업 폐기물(예컨대, 폐물), 및 가공 폐기물(예컨대, 종이 가공으로부터의 유출물)도 섬유원으로부터 사용될 수 있다. 또한, 섬유원은 인간(예컨대, 오수), 동물 혹은 식물 폐기물로부터 얻어지거나 유래될 수 있다. 추가적인 섬유원은 미국 특허 제6,448,307호, 제6,258,876호, 제6,207,729호, 제5,973,035호 및 제5,952,105호에 기재되어 있고, 이들 특허 문헌은 각각 그의 전문이 참조로 본 명세서에 병합된다.
상기 섬유원의 어느 것들의 배합물이 이용될 수도 있다.
일반적으로, 상기 섬유 재료의 섬유는, 이들이 1회 이상 전단되더라도, 비교적 커다란(예컨대, 20-대-l보다 큰) 평균 길이-대-직경 비를 가질 수 있다. 또한, 본 명세서에 기재된 상기 섬유 재료의 섬유는 비교적 좁은 길이 및/또는 길이-대-직경 비 분포를 가질 수 있다. 특정 이론에 얽매이길 원치 않지만, 현재, 비교적 큰 평균 길이-대-직경 비 및 비교적 좁은 길이 및/또는 길이-대-직경 비 분포는 상기 섬유 재료가 수지, 예컨대, 용융 열가소성 수지에 분산되는 용이성을 적어도 부분적으로 담당하는 것으로 여겨지고 있다. 또한, 비교적 큰 평균 길이-대-직경 비 및 비교적 좁은 길이 및/또는 길이-대-직경 비 분포는 상기 섬유 재료의 일정한 특성, 상기 섬유 재료가 수지에 부여하는 예측가능한 유동성 변형, 상기 섬유 재료와 수지의 배합물이 캐스트, 압출 성형 및 사출성형되기 용이함, 상기 섬유 재료가 작고 통상 꼬인 유로 및 개구를 통과하기 용이함 및 성형된 부품에 의한 가능한 우수한 표면 마무리, 예컨대, 광택 마무리 및/또는 눈에 보이는 반점이 실질적으로 없는 마무리를 적어도 부분적으로 담당하는 것으로 여겨지고 있다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 평균 섬유 폭(예를 들어 직경)은 대략 5,000개의 섬유를 랜덤하게 선택해서 광학적으로 결정된 것이다. 평균 섬유 길이는 길이-가중치 부가된 길이가 보정된다. BET(Brunauer, Emmet and Teller) 표면적은 다점 표면적이고, 다공도는 수은 세공측정법(mercury porosimetry)에 의해 결정된 것이다.
상기 제2 섬유 재료(14)의 평균 길이-대-직경 비는 예를 들어 8/1 이상, 예컨대, 10/1 이상, 15/1 이상, 20/1 이상, 25/1 이상 또는 50/1 이상일 수 있다. 상기 제2 섬유 재료(14)의 평균길이는 예를 들어 약 0.5 ㎜ 내지 2.5 ㎜ 사이, 예컨대 약 0.75 ㎜ 내지 1.0 ㎜ 사이일 수 있고, 상기 제2 섬유 재료(14)의 평균 폭(예를 들어, 직경)은 예를 들어 약 5 ㎛ 내지 50 ㎛ 사이, 예컨대 약 10 ㎛ 내지 30 ㎛ 사이일 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 상기 제2 섬유 재료(14)의 길이의 표준편차는 상기 제2 섬유 재료(14)의 평균 길이의 60% 이하, 예컨대, 상기 평균 길이의 50% 이하, 상기 평균 길이의 40% 이하, 상기 평균 길이의 25% 이하, 상기 평균 길이의 10% 이하, 상기 평균 길이의 5% 이하 또는 심지어 상기 평균 길이의 1% 이하이다.
몇몇 실시형태에 있어서, 상기 제2 섬유 재료(14)의 BET 표면적은 0.1 ㎡/g 이상, 예컨대, 0.25 ㎡/g 이상, 0.5 ㎡/g 이상, 1.0 ㎡/g 이상, 1.5 ㎡/g 이상, 1.75 ㎡/g 이상, 5.0 ㎡/g 이상, 10 ㎡/g 이상, 25 ㎡/g 이상, 35 ㎡/g 이상, 50 ㎡/g 이상, 60 ㎡/g 이상, 75 ㎡/g 이상, 100 ㎡/g 이상, 150 ㎡/g 이상, 200 ㎡/g 이상, 또는 심지어 250 ㎡/g 이상이다. 상기 제2 섬유 재료(14)의 다공도는, 예컨대, 20% 이상, 25% 이상, 35% 이상, 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 예컨대, 80% 이상, 85% 이상, 90% 이상, 92% 이상, 94% 이상, 95% 이상, 97.5% 이상, 99% 이상, 또는 심지어 99.5% 이상일 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 상기 제2 섬유 재료(14)의 평균 길이-대-직경 비에 대한 제1 섬유 재료(12)의 평균 길이-대-직경 비의 비율은, 예를 들어, 1.5 이하, 예컨대, 1.4 이하, 1.25 이하, 1.1 이하, 1.075 이하, 1.05 이하, 1.025 이하이거나, 또는 심지어 실질적으로 1이다.
특정 실시형태에 있어서, 상기 제2 섬유 재료(14)는 재차 전단되고, 얻어진 섬유 재료는 상기 제1 체보다 평균 개구 크기가 작은 제2 체에 통과시켜 제3 섬유 재료(62)를 제공한다. 이러한 경우, 상기 제3 섬유 재료(62)의 평균 길이-대-직경 비에 대한 상기 제2 섬유 재료(14)의 평균 길이-대-직경 비의 비율은 예를 들어 1.5 이하, 예컨대, 1.4 이하, 1.25 이하 또는 심지어 1.1 이하일 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 상기 제3 섬유 재료(62)는 제3 체에 통과시켜 제4 섬유 재료를 생산한다. 제4 섬유 재료는 예컨대 제4 체에 통과시켜 제5 재료를 생산한다. 마찬가지 체거름 공정은 필요한 횟수만큼 많이 반복해서 소정의 특성을 가진 바람직한 섬유 재료를 생산할 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 바람직한 섬유 재료는 평균 길이-대-직경 비가 5 이상이고 섬유 길이의 표준 편차가 평균 길이의 60% 이하인 섬유를 포함한다. 예를 들어, 상기 평균 길이-대-직경 비는 10/1 보다 클 수 있고, 예컨대, 25/1 이상 또는 50/1 이상일 수 있고, 평균 길이는 약 0.5 ㎜ 내지 2.5 ㎜ 사이, 예컨대, 약 0.75 ㎜ 내지 1.0 ㎜ 사이일 수 있다. 상기 섬유 재료의 평균 폭은 약 5 ㎛ 내지 50 ㎛ 사이, 예컨대, 약 10 ㎛ 내지 30 ㎛ 사이일 수 있다. 예를 들어, 상기 표준편차는 평균 길이의 50% 이하, 예컨대, 평균 길이의 40% 이하, 30% 이하, 25% 이하, 10% 이하, 5% 이하 또는 심지어 1% 이하일 수 있다. 바람직한 섬유 재료의 BET 표면적은 예를 들어 0.5 ㎡/g보다 클 수 있고, 예컨대, 1.0 ㎡/g 이상, 1.5 ㎡/g 이상, 1.75 ㎡/g 이상, 5 ㎡/g 이상, 10 ㎡/g 이상, 25㎡/g 이상, 50.0 ㎡/g 이상, 75.0 ㎡/g 이상, 또는 심지어, 100.0 ㎡/g 이상일 수 있다. 바람직한 재료의 다공도는 예를 들어 70%보다 클 수 있고, 예컨대, 80% 이상, 87.5% 이상, 90% 이상, 92.5% 이상, 95% 이상, 97.5% 이상, 또는 심지어 99% 이상일 수 있다. 특히 바람직한 실시형태는 1.25 ㎡/g 이상의 BET 표면적과 85% 이상의 다공도를 가진다.
섬유 재료/수지 복합체
상기 섬유 재료의 어느 것 또는 본 명세서에 기재된 섬유 재료의 어느 것(미국 특허 제6,448,307호, 제6,258,876호, 제6,207,729호, 제5,973,035호 및 제5,952,105호 공보에 개시된 섬유 재료의 어느 것이라도 포함함), 예컨대, 제1 섬유 재료(12) 또는 제2 섬유 재료(14)와, 수지, 예컨대, 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 포함하는 복합체는 소정의 섬유 재료와 소정의 수지를 배합함으로써 제조될 수 있다. 상기 소정의 섬유 재료는, 예컨대, 해당 섬유 재료를 소정의 수지와 압출기 혹은 기타 믹서에서 혼합함으로써, 상기 소정의 수지와 배합될 수 있다. 복합체를 형성하기 위해서, 상기 섬유 재료는 섬유 재료 자체로서 혹은 배합 동안 재개방될 수 있는 치밀화된 섬유 재료로서 상기 수지와 배합될 수 있다. 그러한 치밀화된 재료는 국제 출원 제PCT/US2006/010648호(출원일: 2006년 3월 23일)에 개시되어 있고, 이러한 특허 출원의 개시 내용은 그의 전문이 본 명세서에 참조로 병합된다.
열가소성 수지의 예로는 강성 및 엘라스토머 열가소성 수지를 들 수 있다. 강성 열가소성 수지로는 폴리올레핀(예컨대, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 폴리올레핀 공중합체), 폴리에스터(예컨대, 폴리에틸렌 테레프탈레이트), 폴리아마이드(예컨대, 나일론 6, 6/12 또는 6/10) 및 폴리에틸렌이민을 들 수 있다. 엘라스토머 열가소성 수지의 예로는 엘라스토머성 스타이렌 공중합체(예컨대, 스타이렌-에틸렌-뷰틸렌-스타이렌 공중합체), 폴리아마이드 엘라스토머(예컨대, 폴리에터-폴리아마이드 공중합체) 및 에틸렌-아세트산 비닐 공중합체를 들 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 열가소성 수지의 용융 유량은, ASTM 1238을 이용해서 측정한 경우, 10 g/10분 내지 60 g/10분 사이, 예컨대, 20 g/10분 내지 50 g/10분 사이 또는 30 g/10분 내지 45 g/10분 사이이다.
몇몇 실시형태에 있어서, 상기 열가소성 수지의 임의의 상용성 블렌드가 사용될 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 열가소성 수지의 다분산도 지수(PDI: polydispersity index), 즉, 수평균분자량에 대한 중량평균분자량의 비는 1.5보다 크고, 예컨대, 2.0 이상, 2.5 이상, 5.0 이상, 7.5 이상, 또는 심지어 10.0 이상이다.
구체적인 실시형태에 있어서, 폴리올레핀 또는 폴리올레핀의 블렌드는 열가소성 수지로서 이용된다.
열경화성 수지의 예로는 천연 고무, 뷰타다이엔-고무 및 폴리우레탄을 들 수 있다.
소망의 섬유 재료 및 수지 이외에, 예컨대 고체 혹은 액체 형태의 첨가제가 상기 섬유 재료와 수지의 배합물에 첨가될 수 있다. 예를 들어, 적절한 첨가제로는 충전제, 예컨대 탄산 칼슘, 그래파이트, 규회석, 운모, 유리, 섬유 유리, 실리카 및 탤크; 무기 난연제, 예컨대 알루미나 삼수화물 또는 수산화 마그네슘; 유기 난연제, 예컨대 염소화 혹은 브롬화 유기 화합물; 건축 폐기물 분쇄물; 타이어고무 분쇄물; 탄소 섬유; 또는 금속 섬유 혹은 분말(예컨대, 알루미늄, 스테인레스강)을 포함한다. 이들 첨가제는 전기적 특성, 기계적 특성 혹은 상용성을 보강, 확대 혹은 변경할 수 있다. 기타 첨가제로는 방향제, 커플링제, 상용화제, 예컨대, 말레산화 폴리프로필렌, 가공 조제, 윤활제, 예컨대, 플루오르화 폴리에틸렌, 가소제, 산화방지제, 유백제(opacifier), 열안정제, 착색제, 발포제, 충격개질제, 중합체, 예컨대, 분해성 중합체, 광안정제, 살생물제, 정전기 방지제, 예컨대, 스테아레이트류 혹은 에톡시화 지방산 아민을 들 수 있다. 적절한 정전 방지 화합물로는 도전성 카본 블랙, 탄소 섬유, 금속 충전제, 양이온 화합물, 예컨대, 4급 암모늄 화합물, 예컨대, N-(3-클로로-2-하이드록시프로필)-트라이메틸암모늄 클로라이드, 알칸올아마이드 및 아민을 들 수 있다. 대표적인 분해성 중합체로는 폴리하이드록시산, 예컨대, 폴리락타이드, 폴리글라이콜라이드 및 락트산과 글라이콜산과의 공중합체, 폴리(하이드록시뷰티르산), 폴리(하이드록시발레르산), 폴리[락타이드-코-(ε-카프로락톤)], 폴리[글라이콜라이드-코-(ε-카프로락톤)], 폴리카보네이트, 폴리(아미노산), 폴리(하이드록시알카노에이트), 폴리안하이드라이드류, 폴리오쏘에스터류 및 이들 중합체의 블렌드를 들 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 상기 섬유 재료는 섬유 재료 상에 있을 수 있는 어떠한 미생물이라도 사멸시키도록 수지에 배합하기 전에 멸균된다. 예를 들어, 상기 섬유 재료는 해당 섬유 재료를 방사선에 노출시킴으로써; 어떠한 미생물이라도 사멸시키기에 충분한 시간 동안 소정의 조건 하에 섬유 재료를 가열, 예컨대, 통상의 대기압에서 끓임으로써; 또는 화학 멸균제를 이용함으로써 멸균시킬 수 있다.
복합체를 천연 목재, 예컨대 서양 삼나무 목재처럼 향기나게 하고/하거나 보이게 하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 방향제, 예컨대, 천연 목재 방향제는 복합체를 제조하는 데 사용되는 수지에 배합될 수 있다. 몇몇 수행예에 있어서, 상기 방향제는 상기 수지에 오일로서 직접 배합될 수 있다. 예를 들어, 오일은 롤밀, 예컨대, 밴버리(Banbury: 등록상표) 믹서 또는 압출기, 예컨대, 대향 회전스크루를 갖춘 2축 압출기를 이용해서 수지에 배합될 수 있다. 밴버리(등록상표) 믹서의 예는 파렐사(Farrel)에서 제조된 F-시리즈 밴버리(등록상표) 믹서이다. 2축 압출기의 예는 크럽 베르너 앤 플라이더러(Krupp Werner & Pfleiderer)사로부터 제작된 WP ZSK 50 MEGAcompunder(등록 상표)이다. 배합 후, 방향성 수지가 상기 섬유 재료에 첨가되어 압출 혹은 성형될 수 있다. 대안적으로, 방향제-충전 수지의 마스터 배취(master batch)는 인터내셔널 플래버즈 앤드 프라그런시즈(International Flavors and Fragrances)로부터 상표명 Polylff(등록 상표) 하에 또는 RTP 컴파니사로부터 상업적으로 입수할 수 있다. 일부의 실시형태에 있어서, 상기 복합체 중의 방향제의 양은 약 0.005 중량% 내지 약 10중량% 사이, 예컨대, 약 0.1중량% 내지 약 5중량% 사이 또는 0.25중량% 내지 약 2.5중량% 사이이다.
기타 천연 목재 방향제는 상록수 또는 미국 삼나무를 포함한다. 기타 방향제로는 페퍼민트, 체리, 딸기, 복숭아, 라임, 스피아민트, 계피, 아니스, 나륵풀, 베르가모트, 후춧가루, 장뇌, 카밀레, 시트로넬라, 유칼립투스, 소나무, 전나무, 제라늄, 생강, 그레이프프루트, 자스민, 쥬니퍼베리(juniperberry), 라벤더, 레몬, 중국 귤, 마요나라, 사향, 몰약, 오렌지, 패출리, 장미, 로즈메리, 샐비어, 백단향, 차나무, 백리향, 동록유, 일랑일랑(ylang ylang), 바닐라, 뉴카(new car) 또는 이들 방향제의 혼합물을 들 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 상기 섬유 재료-방향제 배합물 중의 방향제의 양은 약 0.005 중량% 내지 약 20중량% 사이, 예컨대, 약 0.1% 내지 약 5% 사이 또는 0.25% 내지 약 2.5% 사이이다. 기타 방향제 및 방법도 미국 특허 가출원 제60/688,002호(출원일: 2005년 6월 7일)에 기재되어 있고, 이 특허 문헌의 전체 개시 내용은 참조로 본 명세서에 병합된다.
전술한 섬유 재료의 어느 것, 예를 들어, 제1 섬유 재료(12) 또는 제2 섬유 재료(14)는 수지와 함께, 파이프, 패널, 갑판재, 보드, 하우징, 시트, 블록, 벽돌, 폴, 울타리 부재, 도어, 셔터, 천막, 차양, 간판, 프레임, 창 케이스, 백보드, 바닥재, 타일, 선로 침목, 접시, 공구 손잡이, 스톨, 필름, 랩, 테이프, 상자, 바구니, 선반, 케이스, 바인더, 디바이더, 벽, 매트, 프레임, 책꽂이, 조각품, 의자, 테이블, 책상, 장난감, 게임 용품, 펠릿, 워브, 교각, 보트, 돛대, 오수 처리 탱크, 자동차 패널, 컴퓨터 하우징, 상하접지용 전기 케이스, 가구, 피크닉 테이블, 벤치, 수용소, 접시, 행거, 쟁반, 작은 상자, 책표지, 지팡이, 목발, 절연재, 실, 옷감, 진기한 상품(novelties), 가정용품 및 구조체 등의 물품을 형성하는 데 이용될 수 있다.
상기 섬유 재료는 수지와 배합되기 전에 착색되고, 혼합되어서 전술한 복합체를 형성할 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 이 착색은, 성형 혹은 압출 부품 내에 상기 섬유 재료, 특히 상기 섬유 재료의 커다란 응집체를 은폐하거나 숨기는 데 도울 수 있다. 이러한 커다란 응집체는 비교적 높은 농도로 존재할 경우 성형 혹은 압출 부품의 표면에서 반점으로서 보일 수 있다.
예를 들어, 소정의 섬유 재료는 산성 염료, 직접 염료 또는 반응성 염료를 이용해서 착색될 수 있다. 이러한 염료는 스펙트라 다이즈사(Spectra Dyes; 미국 뉴욕주의 카니(Kearny)시 소재) 또는 키스톤 아닐린 코포레이션(미국 일리노이주의 시카고시에 소재)로부터 입수할 수 있다. 염료의 구체예로는 SPECTRA™ LIGHT YELLOW 2G, SPECTRACID™ YELLOW 4GL CONC 200, SPECTRANYL™ RHODAMINE 8, SPECTRANYL™ NEUTRAL RED B, SPECTRAMINE™ BENZOPERPURINE, SPECTRADIAZO™ BLACK OB, SPECTRAMINE™ TURQUOISE G 및 SPECTRAMINE™ GREY LVL 200%를 들 수 있고, 이들은 각각 스펙트라 다이스사로부터 입수할 수 있다.
몇몇실시형태에 있어서, 안료를 함유하는 수지 색 농도는 염료와 배합된다. 다음에 이러한 배합물이 소정의 섬유 재료와 혼합될 경우, 상기 섬유 재료는 혼합 동안 제자리에(in-situ) 착색될 수 있다. 색 농도는 클라리언트사로부터 입수할 수 있다.
도 1은 섬유원의 제1 및 제2 섬유 재료로의 변환을 예시한 블록도;
도 2는 회전 나이프 커터의 단면도;
도 3 내지 도 8은 모노필라멘트로 이루어진 각종 체의 평면도;
도 9는 섬유원의 제1, 제2 및 제3 섬유 재료로의 변환을 예시한 블록도;
도 10a 및 도 10b는 섬유원의 사진으로; 도 10a는 폴리코팅지 용기의 사진이고, 도 10b는 미표백 크래프트지 롤의 사진;
도 11 및 도 12는 각각 폴리코팅지로부터 제조된 섬유 재료의 25배 확대 및 1000배 확대된 주사 전자 현미경 사진이며, 상기 섬유 재료는 1/8 인치 개구를 가진 체를 이용한 회전 나이프 커터 상에서 제조됨;
도 13 및 도 14는 각각 표백된 크래프트 보드지로부터 제조된 섬유 재료의 25배 확대 및 1000배 확대된 주사 전자 현미경 사진이며, 상기 섬유 재료는 1/8 인치 개구를 가진 체를 이용한 회전 나이프 커터 상에서 제조됨;
도 15 및 도 16은 표백된 크래프트 보드지로부터 제조된 섬유 재료의 25배 확대 및 1000배 확대된 주사 전자 현미경 사진이며, 상기 섬유 재료는 각각 전단 동안 1/16 인치 개구를 가진 체를 이용한 회전 나이프 커터 상에서 2회 전단됨;
도 17 및 도 18은 표백된 크래프트 보드지로부터 제조된 섬유 재료의 25배 확대 및 1000배 확대된 주사 전자 현미경 사진이며, 상기 섬유 재료는 회전 나이프 커터 상에서 3회 전단되었으며, 이때 첫번째 전단 동안에는 1/8인치 체가 사용되고, 두번째 전단 동안에는 1/16 인치 체가 사용되고, 세번째 전단 동안에는 1/32 인치 체가 사용되었음;
도 19는 섬유 재료 조성물의 가역성 부피 치밀화를 나타낸 블록도.
주사 전자 현미경 사진은 JEOL 65000 전계 방출 주사 전자현미경 상에서 얻었다. 섬유 길이 및 폭(예를 들어, 직경)은 자동 분석기(TAPPI T271)를 이용해서 인테그레이티드 페이퍼 서비스사(Integrated Paper Services, Inc., 미국 위스콘신주의 애플톤시에 소재)에서 구하였다. BET 표면적은 다공도 및 부피 밀도로서 마이크로메트릭스 애널라이티칼 서비스사(Micromeritics Analytical Services)에서 구하였다.
실시예 1- 폴리코팅지로부터의 섬유 재료의 제조
부피 밀도가 20 lb/ft3인 미인쇄된 폴리코트 백색 크래프트 보드로 이루어진 미사용 반갤론의 쥬스 카톤의 1500 파운드 스키드를 인터내셔널 페이퍼사(International Paper)로부터 얻었다. 이 재료를 길로틴 커터를 이용해서 8¼인치×11인치의 조각으로 자르고 문손 회전 나이프 커터인 모델 SC30에 공급하였다. 상기 모델 SC30에는 4개의 회전날, 4개의 고정날 및 1/8인치 개구를 가진 배출 체(discharge screen)가 장착되어 있다. 상기 회전날과 고정날 사이의 간극은 대략 0.020 인치로 설정되었다. 상기 회전 나이프 커터는 나이프-에지를 가로질러 상기 컨페티 유사 조각들을 전단하고, 이들 조각들을 찢어, 섬유 재료를 약 1 파운드/시간의 속도로 방출시켰다. 상기 섬유 재료의 BET 표면적은 0.9748 ㎡/g ± 0.0167 ㎡/g, 다공도는 89.0437%, 부피 밀도(@0.53 psia)는 0.1260 g/㎖였다. 섬유의 평균 길이는 1.141 ㎜였고, 섬유의 평균 폭은 0.027 ㎜였으며, 평균 L/D는 42:1이었다. 상기 섬유 재료의 주사 전자 현미경 사진은 각각 25배 확대 및 1000 배 확대 비율로 도 11 및 도 12에 표시되어 있다.
실시예 2-표백 크래프트 보드로부터의 섬유 재료의 제조
부피 밀도가 30 lb/ft3인 미사용 표백 백색 크래프트 보드의 1500 파운드 스키드를 인터내셔널 페이퍼사로부터 얻었다. 이 재료를 길로틴 커터를 이용해서 8¼인치×11인치의 조각으로 자르고 문손 회전 나이프 커터인 모델 SC30에 공급하였다. 배출 체의 개구는 1/8인치였다. 회전날과 고정날 사이의 간극은 대략 0.020 인치로 설정되었다. 상기 회전 나이프 커터로 상기 컨페티 유사 조각들을 전단하여, 섬유 재료를 약 1 파운드/시간의 속도로 방출시켰다. 상기 섬유 재료의 BET 표면적은 1.1316 ㎡/g ± 0.0103 ㎡/g, 다공도는 88.3285%, 부피 밀도(@0.53 psia)는 0.1497 g/㎖였다. 섬유의 평균 길이는 1.063 ㎜였고, 섬유의 평균 폭은 0.0245 ㎜였으며, 평균 L/D는 43:1이었다. 상기 섬유 재료의 주사 전자 현미경 사진은 각각 25배 확대 및 1000배 확대 비율로 도 13 및 도 14에 표시되어 있다.
실시예 3-표백 크래프트 보드로부터의 2회 전단된 섬유 재료의 제조
부피 밀도가 30 lb/ft3인 미사용 표백 백색 크래프트 보드의 1500 파운드 스키드를 인터내셔널 페이퍼사로부터 얻었다. 이 재료를 길로틴 커터를 이용해서 8¼인치×11인치의 조각으로 자르고 문손 회전 나이프 커터인 모델 SC30에 공급하였다. 배출 체의 개구는 1/16인치였다. 회전날과 고정날 사이의 간극은 대략 0.020 인치로 설정되었다. 상기 회전 나이프 커터로 상기 컨페티 유사 조각들을 전단하여, 섬유 재료를 약 1 파운드/시간의 속도로 방출시켰다. 상기 첫번째 전단으로부 터 얻어진 재료를 전술한 동일한 장치에 다시 공급하고 재차 전단을 실시하였다. 상기 섬유 재료의 BET 표면적은 1.4408 ㎡/g ± 0.0156 ㎡/g, 다공도는 90.8998%, 부피 밀도(@0.53 psia)는 0.1298 g/㎖였다. 섬유의 평균 길이는 1.891 ㎜였고, 섬유의 평균 폭은 0.026 ㎜였으며, 평균 L/D는 34:1이었다. 상기 섬유 재료의 주사 전자 현미경 사진은 각각 25배 확대 및 1000배 확대 비율로 도 15 및 도 16에 표시되어 있다.
실시예 4-표백 크래프트 보드로부터 3회 전단된 섬유 재료의 제조
부피 밀도가 30 lb/ft3인 미사용 표백 백색 크래프트 보드의 1500 파운드 스키드를 인터내셔널 페이퍼사로부터 얻었다. 이 재료를 길로틴 커터를 이용해서 8¼인치×11인치의 조각으로 자르고 문손 회전 나이프 커터인 모델 SC30에 공급하였다. 배출 체의 개구는 1/8인치였다. 회전날과 고정날 사이의 간극은 대략 0.020 인치로 설정되었다. 상기 회전 나이프 커터는 나이프-에지를 가로질러 상기 컨페티 유사 조각들을 전단하였다. 이러한 첫번째 전단으로부터 얻어진 재료를 전술한 동일한 장치에 다시 공급하고, 상기 체는 1/16 인치 체로 교체하였다. 상기 재료의 전단을 실시하였다. 이 두번째 전단으로부터 얻어진 재료를 전술한 동일한 장치에 다시 공급하고, 상기 체는 1/32 인치 체로 교체하였다. 상기 재료의 전단을 실시하였다. 얻어진 섬유 재료의 BET 표면적은 1.6897 ㎡/g ± 0.0155 ㎡/g, 다공도는 87.7163%, 부피 밀도(@0.53 psia)는 0.1448 g/㎖였다. 섬유의 평균 길이는 0.824 ㎜였고, 섬유의 평균 폭은 0.0262 ㎜였으며, 평균 L/D는 32:1이었다. 상기 섬유 재료의 주사 전자 현미경 사진은 각각 25배 확대 및 1000배 확대 비율로 도 17 및 도 18에 표시되어 있다.
기타 조성물 및 섬유 재료의 용도
미국 특허 제6,448,307호, 제6,258,876호, 제6,207,729호, 제5,973,035호 및 제5,952,105호 공보에 개시된 섬유 재료, 수지, 첨가제 혹은 기타 성분을 비롯한, 본 명세서에 기재된 섬유 재료의 어느 것을 포함하는 조성물이 제조될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 기재된 섬유 재료의 어느 것이라도, 고체, 액체 혹은 기체, 예를 들어, 화학 약품 혹은 화학 조성(고체 혹은 액체 상태), 예컨대 약제(예를 들어, 항생제), 농업 제료(예를 들어, 식물의 종자, 비료, 제초제 혹은 살충제), 또는 효소 혹은 효소를 포함하는 제제와 배합될 수 있다. 1종 이상의 세균 혹은 1종 이상의 효소와 배합해서 세균들을 포함하는 조성물도 제조될 수 있다.
이러한 조성물은 섬유 재료의 소망의 특성을 활용할 수 있다. 예를 들어, 섬유 재료의 어느 것이라도 그들 자체의 중량의 다수배를 잠재적으로 흡수하는 화학약품을 흡수하는 데 이용될 수 있다. 예를 들어, 섬유 재료는 흘러 나온 오일이나 기타 화학 약품을 흡수하는 데 이용될 수 있다. 이들 섬유 재료와, 오일이나 화학 약품을 대사시킬 수 있는 세균 등의 미생물과의 배합은, 정화(cleanup)에 도움을 줄 수 있다. 예를 들어, 섬유 재료는 효소의 용액과 배합되어 건조 후, 애완동물용 침구에 사용될 수 있거나, 또는 약제와 배합되어 약물 등의 치료제를 전달하는 데 이용될 수도 있다. 필요한 경우, 섬유 재료는 분해성 중합체, 예컨대, 폴리글라이콜산, 폴리락트산 및 글라이콜산과 락트산의 공중합체와 배합될 수 있다. 사용될 수 있는 기타 분해성 재료는 앞서 이미 기재되어 있다.
섬유 재료, 예컨대, 셀룰로스 재료나 리그노셀룰로스 재료와, 예컨대, 고체, 액체 혹은 기체 상태의 화학 약품 혹은 화학적 제제를 포함하는 조성물은 예컨대 각종 침지, 분무 혹은 배합 장치에서 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 조성물은 리본 블렌더, 콘 블렌더, 더블 콘 블렌더 및 패터슨-클레이(Patterson-Kelly) "V"자형 블렌더를 이용해서 제조될 수 있다.
필요한 경우, 리그닌은, 예컨대 리그노셀룰로스 재료 등의 리그닌을 포함하는 섬유 재료의 어느 것으로부터 제거될 수 있다. 또한, 필요한 경우, 상기 섬유 재료는 해당 섬유 재료 상에 있을 수도 있는 어떠한 미생물도 사멸시키도록 멸균될 수 있다. 예를 들어, 상기 섬유 재료는 방사선, 예컨대 적외 방사선, 자외 방사선 혹은 이온화 방사선, 예컨대 감마 방사선에 해당 섬유 재료를 노출시킴으로써 멸균될 수 있다. 상기 섬유 재료는 어떠한 미생물이라도 사멸시키는 데 충분한 시간 동안 소정 조건 하에 섬유 재료를 가열시킴으로써, 혹은 화학 멸균제, 예컨대, 표백제(예컨대, 차아염소산 나트륨), 클로르헥시딘 혹은 에틸렌 옥사이드를 이용함으로써 멸균될 수도 있다.
섬유 재료의 어느 것이라도, 예컨대, 물 등의 액체로 세척하여 소정의 바람직하지 않은 불순물 및/또는 오염물을 제거할 수 있다.
구체적인 응용에 있어서, 상기 섬유 재료는 해당 섬유 재료를 발효시키거나 그렇치 않으면 해당 섬유 재료에 작용해서 연료와 같은 유용한 재료, 예컨대, 알코올, 유기산, 탄화수소 혹은 수소, 또는 단백질을 생산하는 효모나 세균 등의 각종 미생물용의 공급 재료로서 이용될 수 있다.
생산되는 알코올은 1가 알코올, 예컨대, 에탄올, 또는 다가 알코올, 예컨대, 에틸렌 글라이콜 혹은 글리세린일 수 있다. 생산될 수 있는 알코올의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 아이소프로판올, 뷰탄올, 에틸렌 글라이콜, 프로필렌 글라이콜, 1,4-뷰테인 다이올, 글리세린 또는 이들 알코올의 혼합물을 들 수 있다. 생산되는 유기산은 1가 카복실산 혹은 다가 카복실산일 수 있다. 유기산의 예로는 폼산, 아세트산, 프로피온산, 뷰티르산, 발레르산, 카프로산, 팔미트산, 스테아르산, 옥살산, 말론산, 숙신산, 글루타르산, 올레산, 리놀산, 글라이콜산, 락트산, γ-하이드록시뷰티르산 또는 이들 산의 혼합물을 들 수 있다. 생산되는 탄화수소는 예컨대, 알케인 혹은 알켄일 수 있다. 생산될 수 있는 탄화수소의 예로는 메테인, 에테인, 프로페인, 아이소뷰텐, 펜테인, n-헥세인 또는 이들 탄화수소의 혼합물을 들 수 있다.
특정 실시형태에 있어서, 셀룰로스 및/또는 리그노셀룰로스 섬유원을 포함하는 섬유원이 전단되어 제1 섬유 재료를 제공한다. 다음에, 제1 섬유 재료를 평균 개구 크기가 1.59 ㎜(1/16 인치, 0.0625 인치) 이하인 제1 체에 통과시켜 제2 섬유 재료를 제공한다. 상기 제2 섬유 재료는 세균 및/또는 효소와 배합한다. 이 특정 실시형태에 있어서, 상기 세균 및/또는 효소는 수소, 알코올, 유기산 및/또는 탄화수소를 포함하는 연료를 생산하기 위해 전처리 없이 직접 제2 섬유 재료를 이용하는 것이 가능하게 한다.
몇몇 실시형태에 있어서, 세균 및/또는 효소와 배합하기 전에, 상기 섬유 재 료는 해당 섬유 재료 상에 있을 수도 있는 어떠한 미생물도 사멸시키도록 멸균된다. 예를 들어, 상기 섬유 재료는 방사선, 예컨대 적외 방사선, 자외 방사선 혹은 이온화 방사선, 예컨대 감마 방사선에 해당 섬유 재료를 노출시킴으로써 멸균될 수 있다. 미생물은 화학 멸균제, 예컨대, 표백제(예컨대, 차아염소산 나트륨), 클로르헥시딘 혹은 에틸렌 옥사이드를 이용해서 사멸될 수도 있다.
특정 실시형태에 있어서, 상기 섬유 재료의 셀룰로스 및/또는 리그노셀룰로스 재료는 먼저 저분자량 당으로 분해되고 나서, 저분자량 당을 발효시켜 에탄올을 생산하는 효모 및/또는 세균의 용액에 첨가된다. 상기 셀룰로스 및/또는 리그노셀룰로스 재료는 산 혹은 염기 등의 화학 약품을 이용해서, 혹은 효소에 의해, 혹은 이들 양쪽 모두의 조합에 의해 분해될 수 있다. 셀룰로스 재료의 화학적 가수분해는 문헌 [Biotechnol. Bioeng., 49:568, 1996(Bjerre); 및 Biotechnol. Prog., 18:489, 2002(Kim)]에 기재되어 있고, 이 문헌은 그의 전문이 참조로 본 명세서에 병합된다.
바이오에탄올 전략은 문헌 [Journal of Outlook for Biomass Ethanol Production and Demand (EIA Forecasts), 2002(DiPardo); Biotechnology Progress, 15:8179, 1999(Sheehan); Enzyme Microbes Technology, 31:274, 2002(Martin); BioCycle, 61-65, April 2005(Greer); Microbiology and Molecular Biology Reviews, 66:3, 506-577, 2002(Lynd); 미국 특허 제4,292,406호 공보(Ljungdahl et al.); 및 미국 특허 제4,094,742호 공보(Bellamy)]에 개시되어 있고, 이들 문헌은 각각 그들의 전문이 참조로 본 명세서에 병합된다.
이제 도 19를 참조하면, 낮은 부피 밀도를 가진 섬유 재료는, 미생물, 예컨대, 동결 건조된 효모 혹은 세균, 및/또는 효소와 배합되고, 이어서, 높은 부피 밀도를 가진 섬유 재료로 가역적으로 치밀화될 수 있다. 예를 들어, 부피 밀도가 0.05 g/㎤인 섬유 재료는 비교적 기체 불투과성 구조체, 예컨대, 폴리에틸렌제 백 혹은 폴리에틸렌과 나일론이 교대로 층을 이루고 있는 백 속에 상기 섬유 재료를 밀봉하고 나서, 포획된 기체, 예컨대, 공기를 해당 구조체로부터 배기시킴으로써 치밀화될 수 있다. 상기 구조체로부터 공기를 배기한 후, 상기 섬유 재료의 부피밀도는 예를 들어 0.3 g/㎤보다 클 수 있고, 예컨대, 0.5 g/㎤, 0.6 g/㎤, 0.7 g/㎤ 이상, 예컨대, 0.85 g/㎤일 수 있다. 이것은, 상기 섬유 재료를 다른 위치, 예컨대, 원거리 제조 공장으로 이송하고, 여기서 상기 섬유 재료를 예컨대 용액에 첨가하여 에탄올을 생산하기를 원할 경우 유리할 수 있다. 상기 실질적으로 기체 불투과성 구조체를 피어싱(piercing)한 후, 상기 치밀화된 섬유 재료는 거의 그의 초기 부피 밀도, 예컨대, 그의 초기 부피 밀도의 60%보다 크게, 예를 들어, 그의 초기 부피 밀도의 70%, 80%, 85% 이상, 예컨대, 95%로 복원된다. 상기 섬유 재료 중의 정전기를 감소시키기 위해서, 상기 섬유 재료에 정전기 방지제를 첨가할 수 있다. 예를 들어, 화학적 정전기 방지 화합물, 예컨대, 양이온성 화합물, 예컨대, 사급 암모늄 화합물을 상기 섬유 재료에 첨가할 수 있다.
몇몇 실시형태에 있어서, 상기 구조체, 예컨대, 백은 물과 같은 액체 중에 용해되는 재료로 형성된다. 예를 들어, 상기 구조체는 수계 시스템과 접촉시 용해되도록 폴리비닐 알코올로부터 형성될 수 있다. 이러한 실시형태에 의하면, 상기 치밀화된 구조체는, 해당 구조체의 내용물을 예컨대 절단에 의해 먼저 방출시키는 일없이, 예컨대, 미생물을 포함하는 용액에 직접 첨가될 수 있다.
기타 실시형태
이상, 특정 실시형태를 설명하였지만, 기타 실시형태도 가능하다.
몇몇 실시형태는 소망의 섬유 재료를 제공하기 위해 체를 이용하지만, 몇몇 실시형태에 있어서는 소망의 섬유를 제조하는 데 체를 이용하지 않는다. 예를 들어, 몇몇 실시형태에 있어서, 제1 간극을 규정하는 제1쌍의 날 사이에서 섬유원을 전단하여, 제1 섬유 재료를 얻는다. 다음에, 이 제1 섬유 재료를, 상기 제1 간극보다 작은 제2 간극을 규정하는 제2쌍의 날 사이에서 전단하여 제2 섬유 재료를 얻는다. 유사한 체거름 처리는 원하는 바대로 많은 횟수 반복해서 실시하여 소망의 특성을 가진 소망의 섬유 재료를 제조한다.
몇몇 실시형태에 있어서, 제2 섬유 재료의 평균 길이-대-직경에 대한 제1 섬유 재료의 평균 길이-대-직경 비의 비율은 1.5 이하이다.
또 다른 실시형태는 이하의 청구범위의 범주 내이다.

Claims (12)

  1. 섬유원을 전단해서 제1 섬유 재료를 제공하는 단계;
    평균 개구 크기가 1.59 mm 이하인 제1 체에 상기 제1 섬유 재료를 통과시켜 0.25 m2/g 이상의 BET 표면적과 25％ 이상의 다공도를 가지는 제2 섬유 재료를 제공하는 단계; 및
    상기 제2 섬유 재료를 세균 및/또는 효소와 배합하는 단계를 포함하되,
    상기 세균 및/또는 효소는 상기 제2 섬유 재료를 이용해서 수소, 알코올, 유기산 및/또는 탄화수소를 포함하는 연료를 생산하는 것인 연료의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 아이소프로판올, 뷰탄올, 에틸렌 글라이콜, 프로필렌 글라이콜, 1,4-뷰테인 다이올, 글리세린, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 연료의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유기산은 폼산, 아세트산, 프로피온산, 뷰티르산, 발레르산, 카프로산, 팔미트산, 스테아르산, 옥살산, 말론산, 숙신산, 글루타르산, 올레산, 리놀산, 글라이콜산, 락트산, γ-하이드록시뷰티르산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 연료의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 탄화수소는 메테인, 에테인, 프로페인, 아이소뷰텐, 펜테인, n-헥세인, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 연료의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2 섬유 재료의 BET 표면적은 1.25 ㎡/g이상인 것인 연료의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2 섬유 재료의 다공도는 85% 이상인 것인 연료의 제조방법.
  8. 섬유원을 전단해서 제1 섬유 재료를 제공하는 단계;
    평균 개구 크기가 1.59 ㎜ 이하인 제1 체에 상기 제1 섬유 재료를 통과시켜 0.25 m2/g 이상의 BET 표면적과 25％ 이상의 다공도를 가지는 제2 섬유 재료를 제공하는 단계;
    상기 제2 섬유 재료를 가수분해시켜 가수분해된 재료를 제공하는 단계; 및
    상기 가수분해된 재료를 세균 및/또는 효소와 배합하는 단계를 포함하되,
    상기 세균 및/또는 효소는 상기 가수분해된 재료를 이용해서 수소, 알코올, 유기산 및/또는 탄화수소를 포함하는 연료를 생산하는 것인 연료의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
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