KR101829269B1 - 셀룰로오스 나노섬유를 포함하는, 열전달용 유체 및 이의 제조방법 - Google Patents

셀룰로오스 나노섬유를 포함하는, 열전달용 유체 및 이의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101829269B1
KR101829269B1 KR1020160064090A KR20160064090A KR101829269B1 KR 101829269 B1 KR101829269 B1 KR 101829269B1 KR 1020160064090 A KR1020160064090 A KR 1020160064090A KR 20160064090 A KR20160064090 A KR 20160064090A KR 101829269 B1 KR101829269 B1 KR 101829269B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
heat transfer
cellulose
fluid
carboxyl group
cellulose nanofibers
Prior art date
Application number
KR1020160064090A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170133094A (ko
Inventor
황동수
이권영
최승환
Original Assignee
포항공과대학교 산학협력단
한동대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 포항공과대학교 산학협력단, 한동대학교 산학협력단 filed Critical 포항공과대학교 산학협력단
Priority to KR1020160064090A priority Critical patent/KR101829269B1/ko
Publication of KR20170133094A publication Critical patent/KR20170133094A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101829269B1 publication Critical patent/KR101829269B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/02—Materials undergoing a change of physical state when used
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/02—Materials undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/04—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to vapour or vice versa
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/02—Materials undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/04—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to vapour or vice versa
    • C09K5/048—Boiling liquids as heat transfer materials
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C15/00—Cooling arrangements within the pressure vessel containing the core; Selection of specific coolants
    • G21C15/28—Selection of specific coolants ; Additions to the reactor coolants, e.g. against moderator corrosion
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Polysaccharides And Polysaccharide Derivatives (AREA)
  • Artificial Filaments (AREA)

Abstract

본 발명은 셀룰로오스 나노섬유, 특히 카르복실기로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유를 포함하는, 열전달용 유체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 열전달용 유체는 카르복실기로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유를 포함함으로써, 간단하고 경제적으로 제조될 수 있으며 높은 임계열유속을 나타내어 원자력 발전소 등에 적용할 경우, 상당한 경제성 및 안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다. 또한, 상기 셀룰로오스 나노섬유는 가열면에 대한 우수한 표면 증착력을 가져 우수한 표면 함수량 및 표면 건전성을 갖는 가열면을 제조할 수 있는 효과가 있다.

Description

셀룰로오스 나노섬유를 포함하는, 열전달용 유체 및 이의 제조방법{Fluid for transmitting heat comprising cellulose nano fiber and method for preparing the same}
본 발명은 셀룰로오스 나노섬유, 특히 카르복실기로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유를 포함하는, 열전달용 유체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
셀룰로오스는 무미/무취의 천연 고분자 다당체로서, D-글루코스 단위체가 β-1,4 결합으로 무수히 결합하여 이루어진 다당류 물질이고, 자연계에 가장 많이 존재하는 유기화합물 섬유소이다. 또한, 식물세포벽의 기본구조이며 화학식으로 (C6H10O5)n으로 물에 녹지 않는다. 셀룰로오스는 다당류 중에서 분자량이 수만에서 수십만으로 가장 크고 공업적으로는 종이나 방직용 섬유로 대량 사용되고, 이의 유도체를 이용하여 플라스틱, 폭발물, 접착제, 필름 등의 용도로 사용되고 있다. 셀룰로오스는 물이나 일반적인 용매에 녹지 않기 때문에 이를 효과적으로 이용하기 위한 기술은 오래 전부터 연구되어 왔으며, 여러가지 산화 표면개질 기술이 보고되었다. 초기의 셀룰로오스 표면 산화기술은 과요오드산염을 활용한 C2-C3 결합을 분해하여 알데하이드나 수화된 헤미아세탈 구조를 만드는 것이었고, 이후 1차 알코올을 산화시키기 위한 연구들이 진행되었다. 1차 알코올을 산화시키기 위한 연구는 사산화이질소(N2O4)를 활용하는 기술이 제일 처음 보고되었고, 1900년대 후반에 들어 수용성 천연 고분자인 감자전분, 아밀로덱스트린, 풀루란에 2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-N-옥실(TEMPO)-NaBr-NaClO 시스템을 활용한 산화기술과 비수용성 천연 고분자인 셀룰로오스와 키틴에 TEMPO-NaBr-NaClO 시스템을 활용한 산화기술이 적용되었다.
원자력 발전소에서 사용하는 냉각재는 물이나 이산화탄소 등의 물질이며 연쇄반응에서 열을 빼앗아 원자로의 노심이 녹지 않도록 하고 이 열을 원자로 밖으로 빼내어 물을 가열해서 증기로 만든다. 냉각재는 원자로에서 발생하는 열을 원자로 밖으로 운반하는 열매개체의 역할뿐만 아니라 원자로 노심의 온도를 조절해서 과열 막는 역할도 수행하게 된다. 따라서, 냉각재의 열전도도는 발전소의 발전효율에 중요한 요소이며 원자로의 안전성을 유지하면서 열전도도가 높은 냉각재가 필요하다. 비등 열전달이란 유체가 열에너지를 흡수해 액상에서 기상으로 상변화가 일어나며 에너지가 전달되는 현상이며, 임계열유속은 비등 열전달 과정 중 핵비등 현상의 경계조건으로서의 현상 혹은 그 시점의 열유속(단위 면적당 에너지 전달율)을 일컫는 말이다. 임계열유속 현상이 발생시 비등 양상이 막비등으로 변화되며, 막비등에 의한 열전달 효율은 핵비등에 의한 열전달보다 극히 낮아지게 된다. 따라서, 비등 열전달을 활용하는 시스템의 경우 임계열유속이 발생시 그 열효율이 급격히 낮아지거나 가열면의 파손이 우려된다. 대규모 발전소의 경우 열효율 1% 차이에 막대한 경제성 차이가 나는 것을 고려할 때 임계열유속이 미치는 영향력은 매우 크다고 볼 수 있다. 특히 원자력 발전소의 경우 그 구조상 핵연료 피복관이 파손될 경우 내부의 핵분열 물질들이 외부로 방출될 수 있어 임계열유속에 대한 정확한 이해가 필요하다.
최근 물, 에틸렌글리콜, 미네랄오일 등의 용매에 나노입자를 분산시켜 만든 나노유체의 열전도도가 일반유체보다 향상되었다는 보고가 이어지면서 나노유체 분야에 대한 연구가 다양하게 진행되고 있으며, 이를 산업적으로 이용하기 위한 연구에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한, 최근의 임계열유속의 연구 동향은 나노유체를 이용한 임계열유속 증진 현상에 많이 매진되었다. 나노유체의 임계열유속은 뛰어난 증진 효과를 자랑하고 현상 규명에 기여한 측면이 있으나, 표면 접착성에 있어 실제 산업 적용 가능성에 있어 불완전하였다. 나아가 기존 나노입자들의 경우 세라믹, 금속 등의 나노입자로서 범용성이 떨어지고, 제작 및 가공 비용이 상대적으로 높아 실제 산업 분야에 적용시 경제성을 확보하기 어려운 측면이 있다.
KR 공개번호 10-2013-0114894
본 발명자들은 열전달용 유체에 대해 탐색하던 중, 카르복실기로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유를 포함하는, 열전달용 유체가 간단하고 경제적으로 제조될 수 있으며, 높은 임계열유속을 나타내어 원자력 발전소 등에 적용할 경우, 상당한 경제성 및 안정성을 확보할 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명은 카르복실기로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유를 포함하는, 열전달용 유체 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 상기 카르복실기로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유가 표면증착된 가열면을 포함하는, 비등 열전달 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 상기 열전달용 유체를 포함하는, 원자로 냉각재를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 상기 열전달용 유체를 이용하여 비등 열전달하는 단계;를 포함하는, 열전달 시스템을 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서,
본 발명은 카르복실기로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유를 포함하는, 열전달용 유체를 제공한다.
또한, 본 발명은
(1) 셀룰로오스, N-옥실 화합물, 상기 N-옥실 화합물의 산화제 및 조촉매를 극성용매에 혼합한 후, pH 7~12 및 0~50℃에서 반응시키는 단계; 및
(2) 상기 혼합물을 초음파처리하는 단계;를 포함하는, 열전달용 유체의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 카르복실기로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유가 표면증착된 가열면을 포함하는, 비등 열전달 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 열전달용 유체를 포함하는, 원자로 냉각재를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 열전달용 유체를 이용하여 비등 열전달하는 단계;를 포함하는, 열전달 시스템을 제공한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 카르복실기로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유를 포함하는, 열전달용 유체를 제공한다.
셀룰로오스는 당 구조를 가지는 고분자 물질로, 본 발명의 셀룰로오스 나노섬유에 이용될 수 있는 원료 셀룰로오스로 섬유로는, 식물, 동물, 박테리아 산생 겔 등의 천연 셀룰로오스 섬유 외에, 재생 셀룰로오스 섬유이어도 좋다. 구체적으로는, 면, 삼(hemp), 펄프, 박테리아 셀룰로오스 등의 천연 셀룰로오스 섬유나 레이온이나 큐프라 등의 재생 셀룰로오스 섬유를 이용할 수 있다.
또한, 셀룰로오스 섬유의 형태로서는, 직편물이나 부직포 등의 직물에 한정되지 않고, 필라멘트, 스테이플, 끈 등의 사상물(絲狀物)일 수 있다. 또한, 섬유의 구조 조직으로서는, 혼섬, 혼방, 혼직, 교직, 교편한 것일 수 있다.
상기 셀룰로오스 섬유는 친수성을 가지기 위하여 N-옥실 화합물, 상기 N-옥실 화합물의 산화제 및 조촉매에 의해 산화될 수 있다. 이때, 셀룰로오스 섬유 표면에 존재하는 히드록실기는 산화되어 카르복실기로 변환된다.
셀룰로오스 섬유를 산화 처리하는 순서로서는 특별히 한정되지 않지만, 우선, N―옥실 화합물 및 조촉매를 반응 용매에 첨가하고, 또한, 셀룰로오스 섬유를 침지시키며, 그 후에 산화제를 첨가하는 것이 바람직하다. 이와 같은 순서로 셀룰로오스 섬유를 산화 처리함으로써 셀룰로오스 섬유에 N―옥실 화합물 및 조촉매가 침투하기 때문에 가공 얼룩이 없이 친수화 처리할 수 있다는 효과가 얻어진다. 이와 같은 산화 처리를 실시하는 것으로 셀룰로오스 섬유의 산화 반응에 필요한 만큼의 산화제가 처리욕에 공급되기 때문에 반응에 기여하지 않는 할로겐 또는 그 염의 양을 삭감할 수 있어서, 친수성화 처리의 비용을 저감할 수 있다
상기 N-옥실 화합물의 예로서는, 2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-N-옥실(TEMPO), TEMPO의 4위의 탄소에 각종 관능기를 갖는 TEMPO 유도체, 2-아자아다만탄-N-옥실 등을 들 수 있다. 상기 TEMPO 유도체로는, 4-아세트아미드-TEMPO, 4-카르복실-TEMPO, 4-포스포노옥시-TEMPO, 4-아미노-TEMPO, 4-(2-브로모아세트아미드)-TEMPO, 4-히드록시-TEMPO, 4-옥시-TEMPO, 4-메톡시-TEMPO 등을 들 수 있다.
상기 N-옥실 화합물의 함유 비율은 촉매량으로 충분하고, 구체적으로는, 반응용액 중, 0.01∼3g／L일 수 있다. 또한, N-옥실 화합물의 함유 비율은 친수성화 처리의 정도나 얻어지는 셀룰로오스 섬유의 품질에 크게 영향 주지 않기 때문에 0.1∼2g／L 정도가 경제적이고, 더욱 바람직하다.
상기 산화제로서는, 차아할로겐산, 할로겐화 이소시아눌산, 또는 이들의 염이 바람직하다. 차아할로겐산에 있어서의 할로겐으로서는, 염소, 취소, 옥소를 들 수 있고, 구체적으로는, 차아염소산, 차아취소산, 차아옥소산을 들 수 있다.
상기 차아할로겐산염 또는 할로겐화 이소시아눌산염을 형성하는 금속염으로서는, 리튬, 칼륨, 나트륨 등의 알칼리 금속염; 칼슘, 마그네슘, 스트론튬 등의 알칼리 토류 금속염; 등을 들 수 있다. 또한, 암모늄과 차아할로겐산의 염도 들 수 있다. 구체적으로는, 차아염소산의 경우에 차아염소산 리튬, 차아염소산 칼륨, 차아염소산 나트륨, 차아염소산칼슘, 차아염소산 마그네슘, 차아염소산 스트론튬, 차아염소산 암모늄 등을 예시할 수 있다. 또, 이들에 대응하는 차아취소산염, 차아옥소산염을 이용할 수도 있다.
상기 할로겐화 이소시아눌산의 구체예로서는, 디클로로이소시아눌산, 트리클로로이소시아눌산 등을 들 수 있다. 또, 할로겐화 이소시아눌산염의 구체적 예로는, 디클로로이소시아눌산나트륨 등을 들 수 있다. 이들 중에서 물에 대한 용해도가 높고, 수중에서의 표백, 살균 효과가 우수한 점에서 디클로로이소시아눌산나트륨 및 디클로로이소시안눌산나트륨2수염이 바람직하다.
상기 셀룰로오스 섬유에 있어서의 카르복실기의 치환 위치는 특별히 한정되지는 않지만, 주로 C-6 위치에 있는 것이 바람직하다.
상기 셀룰로오스 나노섬유는 친수성일 수 있으며, 극성용매에 균일하게 분산될 수 있다. 본 발명은 극성용매 내에 셀룰로오스 나노섬유를 안정적으로 균질하게 분산시키기 위해 분산제, 계면활성제를 포함한 첨가제를 사용하지 않고, 셀룰로오스 나노섬유를 카르복실기로 표면개질한 후, 분산매질인 극성용매와 혼합함으로써, 친수성 카르복실기에 의해 셀룰로오스 나노섬유의 극성용매 내 분산성이 획득 및 유지되어 셀룰로오스 나노섬유가 극성용매 내에서 장시간 동안 안정적으로 분산되게 한다.
상기 극성용매는 나노유체의 열/화학적 안정성 및 나노유체의 열전달 특성을 주로 고려하여, 물, 폴리올, 알코올, 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직하며, 상기 폴리올은 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
또한, 상기 셀룰로오스 나노섬유는 초음파 처리됨으로써, 응집되지 않고 더욱 균일하게 분산될 수 있고, 점도를 낮추어 열공정내 임계열 유속에 긍정적인 효과를 줄 수 있다.
상기 열전달용 유체는 하이드로겔(hydrogel) 형태일 수 있다. 본 발명의 하이드로겔은, 본 발명의 셀룰로오스 나노섬유가 극성용매, 특히 물을 함유함으로써 형성되는 하이드로겔이며, 열전달용 유체 100 중량부에 대하여, 셀룰로오스 나노섬유를 0.001 내지 10 중량부, 바람직하게는 0.05 ∼ 5.0 중량부를 함유할 수 있다.
상기 하이드로겔의 점성은, 본 발명의 셀룰로오스 나노섬유의 극성용매에 대한 함량을 변경함으로써 조정할 수 있으므로, 사용 목적에 맞춰 최적화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열전달용 유체는 pH 4 내지 9에서 -50 내지 -60 mV의 제타 포텐셜(zeta potential)을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열전달용 유체는 순수 물에 비해 100~200% 더 높은 임계열유속을 갖을 수 있으며. 상기 높은 임계열유속으로 인해 우수한 열전달 효율을 나타낼 수 있다.
상기 열전달용 유체는 비등 열전달에 사용될 수 있다. 비등 열전달이란 유체가 고체표면으로부터 열에너지를 흡수해 액상에서 기상으로 상변화가 일어나며 열에너지가 전달되는 현상이다. 따라서, 상기 열전달 유체는 이러한 비등 열전달 현상을 이용하는 열유체 산업 분야에 사용될 수 있다. 구체적으로는, 상기 열전달용 유체는 수냉식 전자장치, 통신장치, 컴퓨터, 응축기, 원자로 등에 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 (1) 셀룰로오스, N-옥실 화합물, 상기 N-옥실 화합물의 산화제 및 조촉매를 극성용매에 혼합한 후, pH 7~12 및 0~50℃에서 반응시키는 단계; 및 (2) 상기 혼합물을 초음파처리하는 단계;를 포함하는, 열전달용 유체의 제조방법을 제공한다.
상기 극성용매는 나노유체의 열/화학적 안정성 및 나노유체의 열전달 특성을 주로 고려하여, 물, 폴리올, 알코올, 또는 이들의 혼합물인 것이 바람직하며, 상기 폴리올은 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 반응 온도는, 카르복실기를 충분히 도입할 수 있는 점, 산화제의 증산을 막고, 유효 염소를 유지할 수 있는 등의 관점에서 0℃ 이상일 수 있고, 20℃ 이상인 것이 바람직하다. 또한, 셀룰로오스 섬유의 중합도가 저하하지 않는 점, 셀룰로오스 섬유의 취화(embrittlement) 억지 등의 관점에서, 50℃ 이하일 수 있고, 30℃ 이하가 바람직하다.
또한, 상기 반응 용액의 pH는 산화된 N―옥실 화합물이 셀룰로오스 섬유에 작용하는 데 적합한 pH인 7∼12 정도로 유지될 수 있고, pH 8∼11 정도로 유지되는 것이 바람직하다. 상기 pH는 염기성 물질(암모니아, 수산화칼륨, 수산화나트륨 등) 또는 산성 물질(초산, 옥살산, 숙신산, 글리콜산, 말산, 시트르산, 안식향산 등의 유기산, 또는 질산, 염산, 황산, 인산 등의 무기산)을 적절히 첨가하여 조정할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 카르복실기로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유가 표면증착된 가열면을 포함하는, 비등 열전달 장치를 제공한다 (도 5 참조). 비등 열전달이란 유체가 고체표면으로부터 열에너지를 흡수해 액상에서 기상으로 상변화가 일어나며 열에너지가 전달되는 현상이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 셀룰로오스 나노섬유는 비등 열전달 실험을 통해 상기 비등 열전달 장치 내 니크롬 가열면에 표면흡착되는 것으로 나타났다. 또한 이로 인해 니크롬 가열면은 우수한 표면 함수량과 젖음성을 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 열전달용 유체를 포함하는, 원자로 냉각재를 제공한다. 원자력 발전소에서 사용하는 냉각재는 연쇄반응에서 열을 빼앗아 원자로의 노심이 녹지 않도록 하고 이 열을 원자로 밖으로 빼내어 물을 가열해서 증기로 만든다. 따라서, 상기 냉각재는 원자로에서 발생하는 열을 원자로 밖으로 운반하는 열매개체의 역할 뿐만 아니라 원자로 노심의 온도를 조절해서 과열 막는 역할도 수행한다. 본 발명의 열전달용 유체는 높은 임계열유속을 나타내므로, 상기와 같은 역할을 우수하게 수행할 수 있어 원자로 냉각재로 활용 가능하다.
또한, 본 발명은 상기 열전달용 유체를 이용하여 비등 열전달하는 단계;를 포함하는, 열전달 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 열전달용 유체는 카르복실기로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유를 포함함으로써, 간단하고 경제적으로 제조될 수 있으며 높은 임계열유속을 나타내어 원자력 발전소 등에 적용할 경우, 상당한 경제성 및 안정성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 셀룰로오스 나노섬유는 가열면에 대한 우수한 표면 증착력을 가져 우수한 표면 함수량 및 표면 건전성을 갖는 가열면을 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 실시예 1에 따른 카르복실기로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유의 (a) 투과전자현미경(TEM) 이미지 및 (b) 고해상도 주사전자현미경(HR-SEM)의 이미지를 나타내는 도이다.
도 2는 실시예 1에 따른 카르복실기로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유의 카르복실기 함량 및 pH 변화에 따른 전기전도도를 나타내는 도이다.
도 3은 실시예 1에 따른 카르복실기로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유의 pH 변화에 따른 제타 포텐셜을 나타내는 도이다.
도 4는 실시예 1에 따른 카르복실기로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유의 전단속도 및 온도에 따른 점도를 나타내는 도이다.
도 5는 니크롬선을 가열면으로 하는 비등 열전달 장치의 개략도를 나타내는 도이다.
도 6은 실시예 1에 따른 카르복실기로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유의 농도에 따른 임계열유속을 나타내는 도이다.
도 7은 (a) 비등 열전달 실험을 위해 가열면으로 사용된 니크롬선의 주사전자현미경(SEM) 이미지 및 (b) (b) 비등 열전달 실험을 통해 가열면에 표면증착된 셀룰로오스 나노섬유의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타내는 도이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 카르복실기로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유 제조
물에 분산된 셀룰로오스 나노섬유를 제조하였다. 먼저, 2000 mL의 증류수에 20g의 셀룰로오스 펄프를 첨가한 후, 0.312 g의 (2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-1-일)옥실((2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-yl)oxyl, TEMPO), 2.085g의 브로민화나트륨(NaBr), 및 270 mL의 5% 치아염소산나트륨(NaClO)를 첨가하고, 1M의 수산화나트륨(NaOH)을 첨가하여 pH를 10으로 조정하였다. 그 후, 더욱 균일한 셀룰로오스의 용매내 분산을 위해 초음파(SONICS & MATERIALS, INC., USA)를 20 kHz에서 5분 동안 인가한 후, 패리스태틱 펌프(peristatic pump)를 이용하여 0,7 mL/분의 속도로 수산화나트륨(NaOH)을 첨가하였다. 실온에서 20시간 동안 반응시킨 후, 카르복실기로 산화된 셀룰로오스를 얻었고, 이를 고압 균질기에 넣고 그라인딩함으로써 물에 분산된 카르복실기로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유를 제조하였다.
실험예 1. 셀룰로오스 나노섬유의 형태 분석
카르복실기로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유의 형태를 투과전자현미경(TEM, JEM-1011, JEOL, 일본) 및 고해상도 주사전자현미경(HR-SEM, JSM-7401, JEOL, 일본)으로 분석하였다. 여기서 TEM 이미지는 상기 나노섬유를 우라닐 아세테이트(uranyl acetate)로 음성 염색한 후 얻어졌으며, 10keV의 가속전압 하에서 측정하였다.
실시예 1에 따른 카르복실기로 표면개질된 셀룰로오스 나노 섬유의 (a) 투과전자현미경(TEM) 이미지 및 (b) 고해상도 주사전자현미경(HR-SEM)의 이미지를 도 1에 나타내었다.
도 1에 나타난 바와 같이, 기계적 그라인딩을 통해 나노 섬유의 기계적 손실없이, 1~5㎛ 길이 및 10~15nm 두께의 균일한 나노 섬유가 얻어졌으며, 용매에 매우 균일하게 분산되어 있음을 확인할 수 있다.
실험예 2. 셀룰로오스 나노섬유의 카르복실기 함량 측정
카르복실기로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유의 카르복실기 함량을 전도성 측정 방법(conductometric method)을 이용하여 측정하였다. 먼저, 실시예 1에 따른 셀룰로오스 나노섬유를 1주일 동안 동결건조해 수분을 제거하였다. 상기 건조된 셀룰로오스 나노섬유를 증류수에 넣어 pH를 2.8로 조정하였고, 0.045 M NaOH를 0.3 mL/분의 속도로 넣어 pH를 11로 증가시키면서 전도도를 측정하였다. 또한, 이때 사용된 NaOH의 양으로부터 셀룰로오스 나노섬유에 도입된 카르복실기의 함량을 계산하였다.
실시예 1에 따른 카르복실기로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유의 카르복실기 함량 및 pH 변화에 따른 전기전도도를 도 2에 나타내었다.
도 2에 나타난 바와 같이, 셀룰로오스에 도입된 카르복시기는 0.045M NaOH가 첨가된 양 (12.6 ml)으로부터 계산되었고, 약 32 mol% 정도로 충분한 전기적 음성도를 띄고 있음을 알 수 있다.
실험예 3. 셀룰로오스 나노섬유의 제타 포텐셜 측정
실시예 1에 따른 카르복실기로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유의 pH 변화에 따른 제타 포텐셜을 도 3에 나타내었다. 여기서, pH는 2.5~8.5까지 조정되었다.
도 3에 나타난 바와 같이, pH가 증가할수록 셀룰로오스 나노섬유에 도입된 카르복실기의 탈수소화가 이루어지면서 음전하적 특성이 뚜렷이 나타났다. 또한, pH 4.5이상부터는 일정한 제타 포텐셜 값(약 -55mV)을 나타내었다.
실험예 4. 셀룰로오스 나노섬유의 점도 측정
실시예 1에 따른 카르복실기로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유의 전단속도및 온도에 따른 점도를 도 4에 나타내었다. 여기서 점도 측정을 위해, 4, 14, 24, 및 34 ℃의 온도에서 전단속도를 증가시켰다.
도 4에 나타난 바와 같이, 점도는 온도에 상관없이 전단박하(shear thinning) 특성을 나타내었고, 특정 전단력 이상이 가해졌을 때 약 10 cP의 일정한 점도 값을 나타내었다.
실험예 5. 셀룰로오스 나노섬유의 임계열유속 측정
카르복실기로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유 유체에 대한 임계열유속을 분석하였다. 이를 위해, 0.1 mm의 직경을 갖는 니크롬선을 가열면으로 하는 비등 열전달 측정 장치를 이용하였다 (도 5 참조).
실시예 1에 따른 카르복실기로 표면개질된 셀룰로오스 나노섬유의 농도에 따른 임계열유속을 도 6에 나타내었다.
도 6에 나타난 바와 같이, 순수 물에 비해 0.001%, 0.005%, 0.01%, 0.05% 및 0.1% 농도의 셀룰로오스 나노섬유 유체 모두에서 임계열유속이 증가하였으며, 0.01% 농도의 셀룰로오스 나노섬유 유체의 경우, 순수 물에 비해 임계열유속이 약 104% 증가함을 확인하였다. 상기 결과로부터 본 발명의 셀룰로오스 나노섬유를 포함하는, 열전달용 유체가 물에 비해 열전달 효율이 크게 증가하였음을 알 수 있다.
실험예 5. 셀룰로오스 나노섬유의 표면증착 확인
(a) 비등 열전달 실험을 위해 가열면으로 사용된 니크롬선의 주사전자현미경(SEM) 이미지 및 (b) 비등 열전달 실험을 통해 가열면에 표면증착된 셀룰로오스 나노섬유의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 도 7에 나타내었다. 여기서 0.05% 농도를 가진 셀룰로오스 나노섬유 유체를 사용하였다.
도 7에 나타난 바와 같이, 비등 열전달 실험을 통해 임계열유속에 도달한 후 니크롬선 가열면에 셀룰로오스 나노섬유가 흡착되었음을 알 수 있다. 이 결과를 통해, 셀룰로오스 나노섬유가 우수한 표면 증착력을 가져 증착 표면의 건전성 확보에 유리하며, 우수한 표면 함수량을 갖는 가열면 표면을 제조할 수 있음을 확인하였다.

Claims (17)

  1. 셀룰로오스 나노섬유 표면의 히드록시메틸기가 카르복실기로 산화된 셀룰로오스 나노섬유 분산액으로 이루어진, 열전달용 유체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 셀룰로오스 나노섬유는 친수성인 것을 특징으로 하는, 열전달용 유체.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 셀룰로오스 나노섬유 분산액은 셀룰로오스 나노섬유가 물, 알코올, 폴리올 또는 이들의 혼합물에 분산된 것인, 열전달용 유체.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 셀룰로오스 나노섬유는 초음파 처리된 것을 특징으로 하는, 열전달용 유체.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 셀룰로오스 나노섬유는 열전달용 유체 100 중량부에 대하여 0.001 내지 10 중량부로 존재하는 것을 특징으로 하는, 열전달용 유체.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 열전달용 유체는 하이드로겔(hydrogel) 형태인 것을 특징으로 하는, 열전달용 유체.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 열전달용 유체는 pH 4 내지 9에서 -50 내지 -60 mV의 제타 포텐셜(zeta potential)을 갖는 것을 특징으로 하는, 열전달용 유체.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 열전달용 유체는 순수 물에 비해 100~200% 더 높은 임계열유속을 갖는 것을 특징으로 하는, 열전달용 유체.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 열전달용 유체는 비등 열전달에 사용되는 것을 특징으로 하는, 열전달용 유체.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 셀룰로오스 나노섬유 표면의 히드록시메틸기가 카르복실기로 산화된 셀룰로오스 나노섬유로 된 증착층을 포함하는, 비등 열전달 장치.
  16. 제 1항의 열전달용 유체를 포함하는, 원자로 냉각재.
  17. 제 1항의 열전달용 유체를 이용하는, 열전달 시스템.
KR1020160064090A 2016-05-25 2016-05-25 셀룰로오스 나노섬유를 포함하는, 열전달용 유체 및 이의 제조방법 KR101829269B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160064090A KR101829269B1 (ko) 2016-05-25 2016-05-25 셀룰로오스 나노섬유를 포함하는, 열전달용 유체 및 이의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160064090A KR101829269B1 (ko) 2016-05-25 2016-05-25 셀룰로오스 나노섬유를 포함하는, 열전달용 유체 및 이의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170133094A KR20170133094A (ko) 2017-12-05
KR101829269B1 true KR101829269B1 (ko) 2018-02-19

Family

ID=60921121

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160064090A KR101829269B1 (ko) 2016-05-25 2016-05-25 셀룰로오스 나노섬유를 포함하는, 열전달용 유체 및 이의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101829269B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116716087B (zh) * 2023-08-10 2023-11-03 南方电网调峰调频(广东)储能科技有限公司 电子元器件的基于白油的浸没式冷却液

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008001728A (ja) 2006-06-20 2008-01-10 Asahi Kasei Corp 微細セルロース繊維
JP5708635B2 (ja) * 2010-03-18 2015-04-30 凸版印刷株式会社 セルロース分散液およびその製造方法ならびにそれを用いた成形体

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008001728A (ja) 2006-06-20 2008-01-10 Asahi Kasei Corp 微細セルロース繊維
JP5708635B2 (ja) * 2010-03-18 2015-04-30 凸版印刷株式会社 セルロース分散液およびその製造方法ならびにそれを用いた成形体

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
P.Sivashanmugam. Application of nanofluids in heat transfer, Intech, 2012, pp.411-440.*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170133094A (ko) 2017-12-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5397910B2 (ja) セルロースナノファイバー分散液の製造方法
Yu et al. Facile extraction of thermally stable cellulose nanocrystals with a high yield of 93% through hydrochloric acid hydrolysis under hydrothermal conditions
JP6402442B2 (ja) セルロースナノファイバー分散体の製造方法および当該製造方法を用いた膜
Leung et al. Characteristics and properties of carboxylated cellulose nanocrystals prepared from a novel one‐step procedure
JP6633182B2 (ja) セルロース微細繊維およびその製造方法
JP5381338B2 (ja) セルロースナノファイバーの製造方法
JP4981735B2 (ja) セルロースナノファイバーの製造方法
JP5791065B2 (ja) 物理ゲルの製造方法および物理ゲル
WO2013077354A1 (ja) セルロースナノファイバー分散液とその製造方法、セルロースナノファイバー修飾体、セルロースナノファイバー複合体
KR102063545B1 (ko) 전자빔 조사를 통한 셀룰로오스 나노결정 추출방법 및 셀룰로오스 나노결정 분말
CA3005140C (en) Production of carboxylated nanocelluloses
KR20170024311A (ko) 나노 입자를 포함하는 셀룰로오스 기반 에어로젤 및 그 제조방법
WO2013003944A1 (en) Fire-resistant cellulosic material
JP2018104502A (ja) エステル化セルロースナノファイバー分散液の製造方法
WO2010134357A1 (ja) セルロースナノファイバー分散液の製造方法、セルロースナノファイバー分散液、セルロースナノファイバー成形体、及びセルロースナノファイバー複合体
Le Gars et al. Cellulose nanocrystals: From classical hydrolysis to the use of deep eutectic solvents
KR101829269B1 (ko) 셀룰로오스 나노섬유를 포함하는, 열전달용 유체 및 이의 제조방법
JP2013010891A (ja) セルロースナノファイバー複合体とその製造方法
Lin et al. Effects of the conditions of the TEMPO/NaBr/NaClO system on carboxyl groups, degree of polymerization, and yield of the oxidized cellulose
Fedorov et al. Hydrophobic up-conversion carboxylated nanocellulose/fluoride phosphor composite films modified with alkyl ketene dimer
Chen et al. Heat soaking pretreatment for greener production of phosphorylated cellulose nanofibrils with higher charge density
Hebeish et al. Modulation of the nanostructural characteristics of cellulose nanowhiskers via sulfuric acid concentration
CN104941683B (zh) 一种纳微ZnO/复合纤维素条状材料及其制备方法
JP6607295B2 (ja) セルロースナノファイバー分散体を用いた膜および分散体の製造方法
JP2015183095A (ja) 機能性セルロース及びその製造方法、並びに、機能性セルロース分散体、成形体

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant