KR101871194B1

KR101871194B1 - 셀룰로오스 나노피브릴 제조방법

Info

Publication number: KR101871194B1
Application number: KR1020170010654A
Authority: KR
Inventors: 신수정; 송우용; 전소영
Original assignee: 네이처코스텍 주식회사; 충북대학교 산학협력단
Priority date: 2017-01-23
Filing date: 2017-01-23
Publication date: 2018-07-06

Abstract

본 발명은 (1) 섬유의 나노화 촉진을 위한 펄프 셀룰로오스 전처리단계; (2) 상기 전처리된 펄프 셀룰로오스를 그라인더 장치를 통해 셀룰로오스 나노피브릴로 전환하는 그라인더 처리단계; (3) 상기 그라인더 처리단계를 거친 셀룰로오스 나노피브릴을 고압균질기 장치를 이용한 고압균질기 처리단계;로 이루어진 것을 특징으로 하며, 이를 통해 셀룰로오스 나노피브릴의 굵기가 얇고 길이가 짧은, 보습력이 우수한 나노 셀룰로오스를 제고하는 새로운 기술이다.

Description

셀룰로오스 나노피브릴 제조방법{A mechanical process in cellulose nanofibrils production}

본 발명은 새로운 셀룰로오스 나노피브릴 제조에 관한 방법에 관한 것으로, 특히 기계적인 방법으로 만드는 셀룰로오스 나노피브릴(cellulose nanofibril, CNF)제조 공정에 있어 종래와 다른 새 방법을 개발 제시함으로써 종래방식으로 만든 나노피브릴과는 크게 다른 보습력을 보유하는, 새로운 타입의 셀룰로오스 나노피브릴을 개발하기 위한 것이다.

천연 목재를 구성하고 있는 섬유 셀룰로오스는 자연 그대로의 상태에서는 사용에 많은 제약이 있어 왔다. 그러나 그 크기를 아주 미세한 크기로 가공하게 되면 셀룰로오스의 비표면적이 크게 증가하게 되며 그에 따라 변화되는 셀룰로오스의 새로운 물성을 산업에 이용할 수 있게 된다. 지금까지 연구된 바로는 ITT사의 Rayonier 연구실에서 우유 가공장치인 Gaulin형 고압균질기를 이용하여 고온 고압에서 셀룰로오스를 가공하여 겔 형태의 물질로 전환시켰다고 알려져있다.

상기 실험 이후로 셀룰로오스를 나노 크기로 가공하는 기계적 방법들이 꾸준히 연구되어 왔는데, 구동방식에 따라 Masuko Sanyo사의 Supermasscolloider 그라인더 방식, Microfluidics사의 Microfluidizer 방식, Silverson사 등의 고압균질기(high pressure homogenizer) 방식 등이 연구되었다.

그런데 나노셀룰로오스 제조 현장에서는 상기 알려진 방식들이 각각 독립적으로 도입 활용되고 있을 뿐 이들 두 방식을 결합하여 체계화된 조합 사용 기술에 대해서는 지금까지 사례를 찾아볼 수 없는 아쉬움이 있었다. 즉, 그라인더 방식은 상하로 연접한 한 쌍의 디스크 사이로 셀룰로오스를 통과시킴으로써 셀룰로오스 나노피브릴을 만들었고, 고압균질기 방식은 가늘고 꺽어진 관에 셀룰로오스를 매우 큰 압력으로 통과시켜 셀룰로오스 나노피브릴을 만들었기 때문에, 이들 각각의 장치 특성상 제조되는 셀룰로오스 나노피브릴 특성이 일률적으로 결정되는 것으로 알려져 왔고, 제조되는 셀룰로오스 나노피브릴의 특성도 단순히 길이가 길면서 굵기가 얇은 것을 만드는 것이라고만 막연히 제시되곤 했다.

이는 공개특허 제10-2009-0045280호에서도 잘 나타나 있는데, 즉, 섬유 현탁액을 이용해 전단 리파이닝을 한후 폐쇄채널 리파이닝을 통해 직경 50 내지 500nm 및, 길이 0.1-6mm의 나노섬유를 제조하는 기술을 제공하고 있으나, 상기 나노섬유의 직경은 너무 굵기 때문에 추가로 가공될 여지가 많은 문제점이 있다. 즉, 굵기가 더 얇아지면 단위면적당 보습력을 더욱 높일 수 있기 때문에 화장품이나 기저귀 산업 등에서는 매우 다양한 용도로 활용될 수 있을 것이다.

이처럼 용도에 따라서는 지금까지 공급되던 것과 다른 물성의 셀룰로오스 나노피브릴을 요구받게 되는데, 특히 화장품에서는 단위당 길이와 굵기가 더욱 짧고 더욱 얇은 셀룰로오스 나노피브릴이 요구되어 왔다. 이를 통해 강력한 보습력이 필요한 화장품분야에 특화시켜 화장품 소재로 활용될 수 있으며, 다이어트용 가공식품, 기저귀, 전기전자 재료, 생체 의학재료 또는 나노 복합재료 등 분야에서도 다양한 신소재로 가공되어 활용될 여지가 상당히 많다. 그러나 상기와 같이 요구되는 성상의 맞춤형 셀룰로오스 나노피브릴은 개발하는 것이 쉽지 않았으며, 국내외 특허출원 및 등록DB를 검색한 결과 본 발명과 같은 방식의 나노셀룰로오스 제조방법은 찾아볼 수 없었다.

공개특허공보제10-2009-0045280호 공개특허공보제10-2011-0133619호 공개특허공보제10-2015-0110549호

본 발명은 기계적 장치를 이용한 셀룰로오스 나노피브릴 제조 방법을 새롭게 개선하여 종래의 생산되던 나노피브릴보다 굵기가 더욱 얇고 길이가 짧아진 나노피브릴 섬유를 제조하는 것을 그 목적으로 한다. 이는 특히 그라인더 방식과 고압균질기 방식을 특정하게 조합 사용함으로써 도달할 수 있으며, 이를 통해 굵기가 얇고 길이는 짧은 셀룰로오스 나노피브릴을 대량 제조할 수 있다. 특히 본격 제조 공정에 투입하기 전에 펄프 셀룰로오스를 미리 전처리하는 과정을 추가함으로써 본 공정에서의 생산 효율을 더욱 높일 수 있고, 이를 통해 산업분야 특성에 맞는 셀룰로오스 나노피브릴을 대량생산할 수 있도록 지원하고자 한다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은 (1) 펄프 셀룰로오스 전처리단계; (2) 상기 전처리된 펄프 셀룰로오스를 그라인더 장치를 통해 셀룰로오스 나노피브릴로 전환하는 그라인더 처리단계; (3) 상기 그라인더 처리단계를 거친 셀룰로오스 나노피브릴을 고압균질기 장치에 처리하는 고압균질기 처리단계;로 이루어진 셀룰로오스 나노피브릴 제조방법에 있어서,
상기 (1) 펄프 셀룰로오스 전처리단계는 크라프트펄프 4.7중량부, 수산화나트륨 0.9중량부, 모노클로로아세트산 0.5중량부, 에탄올 93.9중량부를 혼합하여 펄프 액상체를 제조하고 90℃에서 120분동안 교반하여 전처리하며,
상기 (2) 그라인더 처리단계는 상기 (1) 단계에서 전처리된 셀룰로오스 1중량부를 정제수 50중량부에 투입하여 현탁액으로 만들고 그라인더에서 회전속도 1,200rpm, 디스크 갭 간격 90㎛으로 조정하여 3회 투입하며,
상기 (3) 고압균질기 처리단계는 상기 (2) 단계에서 처리된 셀룰로오스 1중량부를 정제수 50중량부에 투입하여 현탁액으로 만들고 고압균질기에 3회 투입하되, 최초 투입시 압력은 100바(bar)이며, 이후 2회 반복 처리하는 압력은 800바(bar)인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 기계적 셀룰로오스 나노피브릴 제조 방법을 최적 설계함으로써 종래방식으로 만들어지는 것에 비해 굵기가 얇고 길이가 짧은 셀룰로오스 나노피브릴을 제공할 수 있다. 본 발명을 통해 제공되는 나노피브릴은 종래방식으로 만든 굵기가 두꺼운 통상의 셀룰로오스 나노피브릴과는 다른 굵기가 얇고 길이도 짧은 나노피브릴을 만들 수 있게 됨으로써 물질 비표면적을 크게 증가시켜 친수성을 좋게하고 이를 통해 보수성 및 보습력이 탁월한 화장품, 식품, 기저귀 등을 개발할 수 있다.

도 1은 본 발명을 구현하기 위한 전체 프로세스이다.
도 2는 전처리한 펄프 셀룰로오스를 그라인더에 투입하는 횟수에 따라 달라지는 제조된 나노피브릴의 물성을 조사한 것이다.
도 3은 전처리한 펄프 셀룰로오스 또는 그라인더 처리단계를 거쳐 제조된 셀룰로오스 나노피브릴을 고압균질기에 투입하여 제조시 투입 횟수에 따라 달라지는 나노피브릴의 물성을 조사한 것이다.
도4는 셀룰로오스 나노피브릴이 제조되는 방식으로 그라인더 처리, 고압균질기 처리, 그라인더와 고압균질기의 조합사용 처리에 따라 달라지는 물성인 보습력을 조사한 것이다.

본 발명은 기계적 처리공정의 새로운 조합을 통해 제조되는 셀룰로오스 나노피브릴의 굵기와 길이를 조절할 수 있는 새로운 나노 셀룰로오스 제조방법을 제공하며, 본 방법 이용시 종래의 방식으로 제조된 셀룰로오스 나노피브릴과 달리 굵기가 얇고 길이가 짧은 보습력이 우수한 셀룰로오스 나노피브릴을 대량 제조할 수 있다. 이를 위해 도 1에 도시된 처리단계를 거친다. 우선 본 발명은 (1) 섬유의 나노화 촉진을 위한 펄프 셀룰로오스를 전처리하는 단계; (2) 상기 전처리된 펄프 셀룰로오스를 그라인더(Grinder) 장치를 이용해 셀룰로오스 나노피브릴로 전환하는 그라인더 처리단계; (3) 상기 (2)의 그라인더 처리단계를 거친 셀룰로오스 나노피브릴을 고압균질기(Homogenizer) 장치를 이용하여 다시 처리하는 고압균질기 처리단계;의 3단계를 거치쳐 이루어진다.

상기 (2)단계의 그라인더 방식은 서로 반대방향으로 회전하도록 상하부가 결합되고 그 사이에 미세한 갭을 두어 셀룰로오스를 투입하여 가동하게 되는데, 이때 셀룰로오스 투입 횟수와 장치에 설정된 통과되는 갭 간격을 조절함으로써 셀룰로오스 나노피브릴의 성상을 다양하게 조절할 수 있다고 알려져 있다. 또한, 고압균질기는 균질기 내부에 "ㄱ "자 형태의 가는 관이 있고 그 내부로 셀룰로오스 현탁액을 통과시켜 현탁액이 관의 각진 부분에 기계적으로 부딪히게 함으로써 나노화시키는 기술이다.

한편, 본 발명에 사용되는 펄프 원료는 목질계 또는 비목질계 모두 가능하여 펄프를 셀룰로오스 나노피브릴 재료로 모두 사용할 수 있으며, 특히 표면에 거친 대나무 펄프의 경우에도 나노화 재료로 사용시 매우 효과적인 것으로 나타났다.

이하에서는 본 발명에 대해 상술한다.

본 발명에 따른 셀룰로오스 나노피브릴 제조방법은 우선 (1) 펄프 셀룰로오스 전처리단계를 거치게 된다. 펄프 셀룰로오스 전처리란, 특정 성상의 셀룰로오스 나노피브릴을 더욱 효율적으로 제조하기 위하여 본 공정 투입 전에 펄프 상의 셀룰로오스를 특정한 성질을 띠도록 미리 처리하는 기술로, 셀룰로오스에 카르복실메틸기를 붙이는 카르복시메틸화(carboxymethylation) 또는 TEMPO 유도체를 이용한 촉매 산화의 방법을 통해 처리할 수 있다.

카르복시메틸화란 셀룰로오스 표면에 CH2-COOH를 치환하는 방법으로 셀룰로오스 표면에 위 작용기를 치환시킴으로써 표면에 음전하를 가지게 함으로써 셀룰로오스 간에 음전하로 인한 정전기적 반발력이 작용하도록 하는 기술이며, TEMPO유도체를 이용한 촉매 산화란 셀룰로오스의 6번 탄소(CH₂OH)를 COOH로 산화시켜 셀룰로오스 표면에 음전하를 가지도록 함으로써 정전기적 반발력을 주도록 하는 처리기술이다. 카르복시메틸화를 통해 셀룰로오스 표면의 음전하가 작용하여 정전기적 반발력에 의해 셀룰로오스간에 반발력이 작용하게 되므로 셀룰로오스 나노피브릴 제조 생산성을 크게 높일 수 있게 된다.

상기 (1) 전처리 단계를 거친 셀룰로오스 원료는 (2) 그라인더를 이용해 2차 그라인더 처리단계를 거치게 된다. 이때 사용되는 나노셀룰로오스 제조용 그라인더로는 통상 IKA사의 Colloidal Mill 또는 Masuko Sangyo사의 Supermasscollider를 사용한다. 그라인더는 한 쌍의 디스크가 쌍으로 결합하고 서로 마찰하는 방식으로 작동하는데, 이때 셀룰로오스가 통과하는 디스크 사이의 갭 간격을 조절하여 나노 셀룰로오스를 제조하게 된다. 즉, 투입 셀룰로오스의 상태 및, 그라인더의 디스크 간 갭 조절을 통해 다양한 성상의 나노 셀룰로오스를 만들게 되며, 지금까지는 대략 15회 내지 30회 정도의 처리횟수를 거쳐야 산업에 사용할 셀룰로오스 나노피브릴이 제조되는 것으로 알려져 있었다.

이렇게 상기 (2) 그라인더 처리단계를 거쳐 만든 나노 셀룰로오스의 나노피브릴 가닥들은 특정한 물성을 띠게 된다. 상기 제조된 셀룰로오스 나노피브릴은 더 세밀한 가공을 위해 고압균질기에 투입하는 고압균질기 처리단계를 거치게 되면 특정한 용도로 사용할 수 있는 크기의 셀룰로오스 나노피브릴을 만들 수 있게 된다. 즉, 그라인더 처리단계를 통과한 셀룰로오스 나노피브릴은 고압균질기 처리단계를 더 거치게 되면서 그라인더만으로 또는 고압균질기 만으로 생산되는 셀룰로오스 나노피브릴과 전혀 다른, 피브릴 굵기와 길이가 독특하여 특이 물성을 가지는 셀룰로오스 나노피브릴을 대량 제조할 수 있다. 이렇게 생산되는 셀룰로오스 나노피브릴은 비표면적이 종래방식으로 만든 나노피브릴보다 크게 증가함에 따라 보수성과 보습력이 크게 요구되는 화장품 등 특정 산업분야에 크게 활용할 수 있을 것으로 예상된다.

[구체적인 실험예]

1. 펄프 셀룰로오스 전처리 단계

펄프 셀룰로오스 전처리 단계는 펄프 셀룰로오스에 화학물질을 혼합하고 특정온도에서 일정 시간 교반 처리함으로써 본 생산 공정에 투입하기 전 펄프 재료를 준비하는 카르복시메틸화 처리단계이다. 이 단계를 거치면 본 생산 공정에서 나노피브릴 생산 효율을 크게 높일 수 있게 된다. 전처리는 펄프 셀룰로오스, 수산화나트륨, 모노클로로아세트산(액상)을 미량 사용하여 이루어진다. 즉, 펄프 셀룰로오스 3 내지 6 중량부, 수산화나트륨 0.6 내지 1.5 중량부, 모노클로로아세트산 0.4 내지 0.6중량부 혼합하고 에탄올 92 내지 96중량부에 투입한 후 잘 교반한다. 상기의 과정을 거쳐 만들어진 펄프 셀룰로오스 액상체를 85℃ 내지 95℃ 온도에서 100분 내지 140분 교반한다. 온도와 반응시간 조건은 온도가 너무 낮으면 반응시간을 다소 길게 잡아야 하며, 온도가 다소 높은 경우에는 반응시간을 상대적으로 짧게 조정하여 이루어진다. 이는 80℃보다 낮은 온도에서는 셀룰로오스가 액상체 내 조성분들과 반응속도가 크게 떨어져 효율이 낮으며, 95℃를 초과하는 고온에서는 주 성분인 에탄올의 폭발위험이 크게 높아지기 때문에 생산 현장에서는 바람직하지 않은 조건이기 때문이다. 실험을 통해 확인한 최적 반응 온도와 시간은 90℃에서 120분이었다.

[실시예]

[실시예 1]

크라프트펄프(무림피앤피 제조, 활엽수 표백펄프) 100g, 수산화나트륨 20g, 모노클로로아세트산 10g을 액상 에탄올 2kg에 혼합하여 펄프 액상체를 제조하고 90℃에서 120분동안 교반하여 셀룰로오스를 전처리하였다.

[실시예 2]

실시예 1과 다른 구성은 동일하게 준비하되, 모노클로로아세트산을 6g으로 조정하였다.

[실시예 3]

실시예 1과 다른 구성은 동일하게 준비하되, 모노클로로아세트산을 14g으로 조정하였다.

실시예 1 내지 3의 실험결과, 실시예 3에서는 펄프 셀룰로오스가 모노클로로아세트산의 화학반응이 과도하게 나타나 셀룰로오스가 투명하게 변하는 현상을 관찰하였다. 이를 통해 본 발명의 전처리단계에서 모노클로로아세트산 사용량은 일정 범위를 초과할 경우 부작용이 발생하는 것으로 확인되었다.

2. 그라인더 처리단계

상기 1.의 전처리단계를 거친 셀룰로오스를 그라인더를 사용하여 기계적으로 셀룰로오스 나노피브릴을 제조하였다.

상기 실시예 1을 통해 슬러리상태로 만들어진 펄프 셀룰로오스 0.5 중량부 내지 3중량부와 정제수 97 중량부 내지 99.5중량부를 혼합하여 0.5 내지 3% 현탁액을 제조하고 균질기를 이용하여 잘 분산되게 저어주면서, 그라인더 장비에 통과시킨다. 그런데, 그라인더에 투입되는 현탁액의 펄프 셀룰로오스 함량이 0.5% 미만시 셀룰로오스와 접촉하는 디스크간 마찰력이 심하게 떨어져 생산 효율이 크게 떨어지며, 3%를 초과하면 점도가 크게 증가하여 작업성이 현저히 떨어지게 된다. 이 때문에 생산비용 면에서 상기 범위를 벗어난 경우 바람직하지 않다. 그라인더의 디스크간 갭 간격은 투입되는 셀룰로오스에 마찰을 가하여 전단력을 제공하는 중요한 수단이므로 맞춤형 셀룰로오스 나노피브릴을 제조할 수 있는 조건을 다음과 같이 실험하였다.

[실시예 4]

실시예1에서 제조된 전처리 셀룰로오스 100g을 정제수 5kg에 투입한 후 균질기를 이용하여 현탁액으로 만들고 이를 Masuko Sangyo사의 그라인더 Supermasscollider에 투입하였다. 이때 그라인더 회전속도는 1,200rpm, 투입시 디스크간 갭 간격은 90㎛로 조정하였고, 투입 횟수는 3회로 설정하였다.

[실시예 5]

상기 실시예 4와 동일하되, 투입횟수를 1회로 조정하였다.

[실시예 6]

상기 실시예 4와 동일하되, 투입횟수를 6회로 조정하였다.

상기 실시예 4 내지 실시예 6에 의해 제조된 셀룰로오스 나노피브릴의 점도(cP) 포함 물성 조사결과는 다음과 같다. 점도는 캐논 펜스케(CANNON-FENSKE) 점도계로 측정하였고, 증류수 10배수로 희석하여 측정하였다. 측정횟수는 3회에 걸쳐 시행하고, 제조된 셀룰로오스 나노피브릴의 평균 굵기와 길이는 TEM(제조사 Carl Zeiss, 상표명 Libra 120)을 사용하여 측정하여 표 1과 같이 조사되었다.

구분	나노피브릴굵기(평균)	나노피브릴길이(범위)	점도(cP)
실시예4	11nm	132nm - 497nm	2.6
실시예5	25nm	172nm - 1,660nm	1.7
실시예6	10nm	128nm - 482nm	4.3

상기 표 1 및 도 2로부터, 그라인더 처리시 디스크간 갭 간격이 90㎛으로 하며, 펄프 셀룰로오스의 처리 후 물성은 투입횟수가 3회인 실시예 4의 경우 1회 투입한 실시예 5에 비해 굵기가 크게 얇아져 물성이 크게 향상된 반면, 6회 투입된 실시예 6과 비교시에는 점도 외에는 상당히 유사한 피브릴의 굵기와 길이를 보여주고 있다. 이를 통해 셀룰로오스 나노피브릴의 굵기와 길이를 얇고 짧게 만들기 위한 그라인더 처리횟수는 디스크간 갭 간격이 90㎛인 경우 3회 처리하는 것이 가장 효과적임을 알 수 있었다. 이는 종래에 사용하던 15회 내지 30회 정도의 처리방식에 비해 굵기와 길이를 조절하는 사전처리가 매우 중요하다는 기술적 특징을 보여주는 것이다.

3. 고압균질기 처리단계

상기 1 및 2.에서 제조한 전처리 셀룰로오스 100g을 정제수 5kg에 투입한 후 균질기를 이용하여 현탁액으로 만들고 고압균질기에 투입하여 셀룰로오스 나노피브릴 제조공정을 거쳤다. 셀룰로오스 나노피브릴은 정제수를 함유한 슬러리상태로 투입되기 때문에 마찰력에 의해 작업성이 크게 저하되기 때문에 최초 투입시와 재투입시 압력을 적절히 조절하면서 최종 생산물의 물성을 확인하였다. 점도는 캐논펜스케(CANNON-FENSKE) 점도계로 측정하였고, 증류수 10배수로 희석하여 측정하였다. 측정횟수는 3회에 걸쳐 시행하고, 제조된 셀룰로오스 나노피브릴의 평균 굵기와 길이는 TEM(제조사 Carl Zeiss, 상표명 Libra 120)을 사용하여 측정하여 표 2와 같이 조사되었다.

[실시예 7]

실시예 1에서 전처리한 펄프 셀룰로오스 100g을 고압균질기에 투입하되 최초 투입시 100bar의 압력을 걸어 투입하였고, 이후 5회 반복 처리하되 800bar의 압력을 걸어 처리하였다.

[실시예 8]

실시예 4에서 제조한 셀룰로오스 나노피브릴 100g을 고압균질기에 3회 투입하되, 최초 투입시 100bar의 압력을 걸어 투입하였고, 이후 2회 반복 처리하되 800bar의 압력을 걸어 처리하였다.

[실시예 9]

실시예 5에서 제조한 셀룰로오스 나노피브릴 100g을 고압균질기에 3회 투입하되, 최초 투입시 100bar의 압력을 걸어 투입하였고, 이후 2회 반복 처리하되 800bar의 압력을 걸어 처리하였다.

[실시예 10]

실시예 6에서 제조한 셀룰로오스 나노피브릴 100g을 고압균질기에 3회 투입하되, 최초 투입시 100bar의 압력을 걸어 투입하였고, 이후 2회 반복 처리하되 800bar의 압력을 걸어 처리하였다.

투입횟수	나노피브릴굵기(평균)	나노피브릴길이(범위)	점도(cP)
실시예7	9.0nm	142nm - 896nm	4.6
실시예8	4.3nm	125nm - 492nm	5.2
실시예9	6.6nm	145nm - 560nm	2.9
실시예10	3.7nm	123nm - 452nm	5.3

상기 표 2와 도 3으로부터, 전처리한 펄프 셀룰로오스를 6회 처리한 실시예 7에 비해 실시예 8과 같이 그라인더에서 3회 처리하고 고압균질기에 3회 처리할 경우 고품질의 셀룰로오스 나노피브릴을 얻을 수 있었다.

특히 피브릴의 굵기와 길이가 짧아짐에 따라 보습력 평가기준인 점도(cP) 면에서 실시예 7에 비해 실시예 8의 효과가 크게 개선된 것으로 확인되었다. 즉, 상기 실시예 8은 실시예 7에 비해 나노피브릴의 굵기는 46.3%, 길이는 약 40% 정도 개선된 효과가 있었으며, 보습력을 평가기준인 점도에서는 13% 정도의 개선효과가 확인되었다.

그러나, 실시예8과 실시예 10을 대비한 결과, 그라인더 6회 및 고압균질기 3회 처리한 경우에는 그라인더 및 고압균질기에서 각각 3회 처리한 경우에 비해 개선 효과가 두드러지지 않았고, 점도 또한 상당히 근사한 결과를 시현하였다. 이를 통해 카르복시메틸화 단계를 거치는 경우 그라인더 및 고압균질기에서 각각 3회 처리하는 경우 비용대비 효과면에서 가장 우수한 물성을 시현하는 것을 확인하였다.

4. 보습력 평가 실험

상기 1. 내지 3.의 방법, 즉 그라인더 방식 또는 고압균질기 방식만을 단독으로 각각 6회 처리하는 경우와, 그라인더 및 고압균질기를 조합 사용하되 각각 3회씩 병행처리하여 제조된 실시예 6, 실시예 7 및 실시예 8을 통해 제조된 셀룰로오스 나노피브릴의 물성에 대한 보습력을 평가하였다. 보습력은 상온에서 제조물을 방치하고 시간이 경과됨에 따라 보습 정도를 측정함으로써 확인할 수 있었는데, ㅊ최초 100%를 기준으로 시간경과시 증발 후 남는 잔여 수분중량을 확인하는 방법으로 이루어졌다. 상기 실시예 6 내지 8에서 제조된 셀룰로오스 나노피브릴을 정제수와 혼합하여 각각 1% 현탁액으로 만든 후, 온도 25℃, 상대습도 50%의 조건에서 여과지가 놓여있는 비커에 10g을 넣고 4시간, 8시간, 12 시간 동안 증발량을 측정하여 정해진 시간마다 잔존 중량을 확인하였다. 그 결과는 표 3과 같다.

지표 : 잔존 수분중량 (단위 : %)	4시간경과	8시간경과	12시간경과
실시예6	65.7	31.7	3.7
실시예7	73.8	43.1	18.1
실시예8	77.0	52.5	27.8

표 3과 도 4에서 확인하는 바와 같이, 카르복시메틸화를 거친 펄프 셀룰로오스는 그라인더와 고압균질기를 각각 3회 처리하는 경우 그라인더 또는 고압균질기를 각각 6회 처리한 나노피브릴에 비해 보습력이 상당히 우수해 졌음을 확인할 수 있었다. 이는 나노피브릴의 굵기와 길이가 조사된바와 같이 더 얇고 짧아짐에 따라 수분 보습력이 크게 증가하였기 때문으로 나타났기 때문이다.

상기와 같이 본 발명에 따라 제조되는 굵기가 얇고 길이가 짧은 나노 셀룰로오스는 상기와 같은 특성으로 인해 화장품 보습제, 기저귀 등에서 요구하는 보수력, 보습력이 크게 개선되었기 때문에 향후 관련 산업에서 활용성이 크게 늘어날 것으로 예상된다.

Claims

(1) 펄프 셀룰로오스 전처리단계; (2) 상기 전처리된 펄프 셀룰로오스를 그라인더 장치를 통해 셀룰로오스 나노피브릴로 전환하는 그라인더 처리단계; (3) 상기 그라인더 처리단계를 거친 셀룰로오스 나노피브릴을 고압균질기 장치에 처리하는 고압균질기 처리단계;로 이루어진 셀룰로오스 나노피브릴 제조방법에 있어서,
상기 (1) 펄프 셀룰로오스 전처리단계는 크라프트펄프 4.7중량부, 수산화나트륨 0.9중량부, 모노클로로아세트산 0.5중량부, 에탄올 93.9중량부를 혼합하여 펄프 액상체를 제조하고 90℃에서 120분동안 교반하여 전처리하며,
상기 (2) 그라인더 처리단계는 상기 (1) 단계에서 전처리된 셀룰로오스 1중량부를 정제수 50중량부에 투입하여 현탁액으로 만들고 그라인더에서 회전속도 1,200rpm, 디스크 갭 간격 90㎛으로 조정하여 3회 투입하며,
상기 (3) 고압균질기 처리단계는 상기 (2) 단계에서 처리된 셀룰로오스 1중량부를 정제수 50중량부에 투입하여 현탁액으로 만들고 고압균질기에 3회 투입하되, 최초 투입시 압력은 100바(bar)이며, 이후 2회 반복 처리하는 압력은 800바(bar)인 것을 특징으로 하는, 보습력이 우수한 셀룰로오스 나노피브릴 제조방법.
제1항의 방법으로 제조되는 셀룰로오스 나노피브릴
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