KR101983882B1 - Rheology of cellulose nanofibrils in the presence of surfactants - Google Patents

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Abstract

본 발명은 계면활성제 존재하의 셀룰로오스 나노피브릴의 레올로지에 관한 것으로, 상세하게는 순수한 CNF 현탁액의 레올로지 거동과 상이한 계면활성제들의 존재 하에서의 CNF 현탁액에 관한 것이다.The present invention relates to the rheology of cellulose nanofibrils in the presence of surfactants, and more particularly to the CNF suspension in the presence of surfactants different from the rheological behavior of pure CNF suspensions.

Description

계면활성제 존재하의 셀룰로오스 나노피브릴의 레올로지{Rheology of cellulose nanofibrils in the presence of surfactants}≪ Desc / Clms Page number 1 > Rheology of Cellulose Nanofibrils in the Presence of Surfactants in the Presence of Surfactants [

본 발명은 계면활성제 존재하의 셀룰로오스 나노피브릴의 레올로지에 관한 것으로, 상세하게는 순수한 CNF 현탁액의 레올로지 거동과 상이한 계면활성제들 존재 하에서의 CNF 현탁액에 관한 것이다.The present invention relates to the rheology of cellulose nanofibrils in the presence of surfactants, and more particularly to the CNF suspension in the presence of surfactants different from the rheological behavior of pure CNF suspensions.

셀룰로오스 나노피브릴(Cellulose NanoFibrils, CNFs)은 다양한 응용 분야에 사용 될 수 있어 이에 대한 관심은 지난 십 여년간 현저히 증가해 왔다. 그 유용성은 생분해성, 낮은 질량 밀도(low mass density), 높은 인장 계수(tensile modulus), 넓은 화학적 개질 가능성, 생산의 지속 가능성(sustainability of production)과 같은 매력적인 특성으로부터 유래한다. 셀룰로오스 나노피브릴은 나노복합재(nanocomposite)의 고강도 충전재(high strength filler materials) 및 복합 유체(complex fluids)의 저밀도 레올로지 개질제(rheology modifiers)로 제안되어 왔다.Cellulose NanoFibrils (CNFs) can be used in a variety of applications, and interest in them has increased significantly over the past decade. Its usefulness comes from attractive properties such as biodegradability, low mass density, high tensile modulus, wide chemical modification potential, and sustainability of production. Cellulose nanofibrils have been proposed as low density rheology modifiers for high strength filler materials of nanocomposites and complex fluids.

CNFs는 직경이 4nm 정도로 작고 종횡비(aspect ratio)가 100을 초과하는, 긴 세미플렉시블(semi-flexible)한 피브릴(또는 섬유)로 구성된다. 피브릴은 보통 화학적, 기계적 처리를 통해 나무 펄프에서 유래된 셀룰로오스의 분해로부터 얻어진다. 피브릴은 물질 생성 중에 셀룰로오스에 도입되는 카르복실기로 인해 일반적으로 음전하를 띄는 표면으로 제조된다. 천연 셀룰로오스는 결정질 및 무정형 물질의 넓은 분포를 포함하나, CNFs는 결정질(crystal-line) 함량이 매우 풍부하며, 이는 피브릴의 장축을 따라 기계적 특성을 효과적으로 높여준다. 1차원 나노 물질로써 큰 종횡비 때문에, 매우 낮은 질량농도에서 셀룰로오스 나노 피브릴은 3차원의 침출된 네트워크(percolated network)를 구성하여, 수성 매질의 큰 점성 증가를 야기한다(Iwamoto 등에 의해 공지됨). 이런 이유로, 상기 나노 피브릴은 복합 유체의 레올로지 개질제로 관심의 대상이다.CNFs are composed of long semi-flexible fibrils (or fibers) with a diameter as small as 4 nm and an aspect ratio of more than 100. Fibrils are usually obtained from the decomposition of cellulose from wood pulp through chemical and mechanical treatments. Fibrils are produced with surfaces that are generally negatively charged due to the carboxyl groups introduced into the cellulose during material production. Natural cellulose contains a wide distribution of crystalline and amorphous materials, but CNFs are very rich in crystal-line content, which effectively increases the mechanical properties along the long axis of the fibrils. Due to its large aspect ratio as a one-dimensional nanomaterial, at very low mass concentrations, the cellulose nanofibrils constitute a three-dimensional percolated network, resulting in a large viscosity increase of the aqueous medium (as is known by Iwamoto et al.). For this reason, the nanofibrils are of interest as rheology modifiers in complex fluids.

증점(thickening) 특성을 보이는 다른 물질에는 클레이 나노 입자들(clay nanoparticles), 웜라이크 미셸들(worm-like micelles) 및 마이크로 겔들이 포함된다. 이러한 물질들로 레올로지를 개질시키는 메커니즘이 잘 설명되어 있다. 예를 들면, 낮은 이온강도에서 나노 클레이 현탁액의 겔화는 물리적 크기보다 큰 거리에서의 클레이 판의 모서리 사이의 정전 반발력 때문으로, 결국 소프트 잼 물질(soft jammed material)이 형성된다. 마이크로겔의 점성질화(viscosification)는 겔입자의 큰 팽윤성의 결과이며 낮은 질량 농도에서 소프트 잼 상태(soft jammed state)로의 접근이 가능하다. 마지막으로, 웜라이크 미셸(worm-like micelles)의 점도 강화(최종적으로 탄성)는 긴 실과 같은 미셸의 얽힘으로 인한 네트워크 형성에서 비롯된다.Other materials exhibiting thickening properties include clay nanoparticles, worm-like micelles, and microgels. Mechanisms for modifying rheology with these materials are well documented. For example, at low ionic strength, the gelation of the nanoclay suspension is due to the electrostatic repulsion between the edges of the clay plate at a distance greater than the physical size, resulting in the formation of a soft jammed material. The viscosification of microgels is the result of the large swelling properties of the gel particles and allows access to a soft jammed state at low mass concentrations. Finally, the viscosity enhancement (finally elasticity) of the worm-like micelles results from the network formation due to Michelle's entanglement, such as long threads.

복합유체의 광학적인 선명도, 회수 가능성, 전단 유동화, 항복 응력 및 안정성과 같은 잘 수치화된 파라미터의 범위로부터 화장품과 같은 소비재와 관련된 주관적인 감각의 속성에 이르기까지 특성의 조합과 관련된 복합 유체의 넓은 범위의 성능 제약을 충족시킬 수 있는 단일의 레올로지 개질 방법이 없다는 것은 명확하다. A wide range of complex fluids related to the combination of properties ranging from well defined numerical parameter ranges such as optical clarity, recoverability, shear fluidization, yield stress and stability of complex fluids to properties of subjective sensations associated with consumer goods such as cosmetics It is clear that there is no single rheology modification method that can meet performance constraints.

현재까지 CNF 현탁액의 레올로지에 관한 세부적인 연구가 거의 없었다. 다른 물질들 중에서, 현탁액의 전단 유동화 거동과 CNF 현탁액의 탄성적 특성뿐만 아니라, 특히 CNF 분산액의 졸-겔 전이(sol-gel transition)에 대한 염과 pH의 효과가 최근 큰 관심을 끌고 있다.To date there have been few studies on the rheology of CNF suspensions. Among other materials, the effect of salt and pH on the sol-gel transition of the CNF dispersion as well as the shear fluidization behavior of the suspension and the elastic properties of the CNF suspension have attracted great interest in recent years.

이에, 본 발명은 점도 증가와 겔 형성을 야기하는 메커니즘을 밝히기 위한 것으로서, 상세하게는 계면활성제 존재하의 나노피브릴의 레올로지에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 상이한 계면활성제들의 존재 하에서 CNF 현탁액의 레올로지를 제공하는 것을 목적으로 한다.In particular, the present invention relates to rheology of nanofibrils in the presence of surfactants, and more particularly to the rheology of CNF suspensions in the presence of different surfactants, The purpose of the present invention is to provide a logistics service.

그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본원의 일 측면은, 질량 농도가 0.08 % 이하의 양이온성 계면활성제와 셀룰로오스 나노피브릴을 포함하는 용액을 제공한다.One aspect of the present invention provides a solution comprising a cationic surfactant having a mass concentration of 0.08% or less and a cellulose nanofibril.

본원의 다른 측면은, 질량 농도가 8 % 이하의 비이온 계면활성제와 셀룰로오스 나노피브릴을 포함하는 용액을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a solution comprising a nonionic surfactant having a mass concentration of 8% or less and a cellulose nanofibril.

본원의 또 다른 측면은, 질량 농도가 8 % 이하의 음이온성 계면활성제와 셀룰로오스 나노피브릴을 포함할 수 있다.Another aspect of the present application may include anionic surfactant and cellulosic nanofibrils having a mass concentration of 8% or less.

본원의 또 다른 측면은, 셀룰로오스 나노피브릴과 계면활성제의 혼합 단계를 포함하는 용액의 점도 조절 방법을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a method for controlling the viscosity of a solution comprising a step of mixing a cellulose nanofibril and a surfactant.

레올로지 개질제로써 CNFs의 특성을 탐구하는 것이 유용하고, 복합 유체에 종종 존재하는 표면 활성제가 있는 상태에서 현탁액(suspension) 안정성을 평가하는 것이 특히 중요하다.It is particularly useful to explore the properties of CNFs as rheology modifiers and to evaluate suspension stability in the presence of surface active agents often present in complex fluids.

CNFs의 지속가능성 측면 또한 주목하지 않을 수 없다. 높은 이온강도와 넓은 pH 범위에서 예측되는 CNFs 네트워크(소듐 카복실레이트(sodium carboxylate) 형태)의 탄성(resilience)은 CNFs가 이러한 조건하에서 증점 특성을 급격히 상실하는 종래의 마이크로겔의 매력적인 대체제가 될 수 있음을 제안한다.The sustainability aspect of CNFs is also noteworthy. The resilience of the CNFs network (in the form of sodium carboxylate) predicted at high ionic strength and wide pH range can be an attractive alternative to conventional microgels in which CNFs rapidly lose their thickening properties under these conditions .

또한, 비이온성 계면활성제는 투명한 잼 물질(jammed material)을 형성하면서, CNF 현탁액의 저장을 증가시킨다.In addition, nonionic surfactants increase the storage of the CNF suspension while forming a transparent jammed material.

상기 효과를 포함하는 본 발명에 따르는 단일의 레올로지 개질 방법을 통해 다양한 분야에 적용가능한 복합 유체의 넓은 범위의 성능 제약을 충족시킬 수 있다.A single rheology modification method according to the present invention including the above effects can meet a wide range of performance constraints of a complex fluid applicable to various fields.

도 1은 본 발명의 실시예에 사용된 5가지 계면활성제 (a) Pluronic F68 (PF68); (b) Triton-X 100 (TX100); (c) 도데실황산나트륨 (sodium dodecyl sulfate, SDS), (d) 소듐 라우릴 에테르 설페이트 (sodium lauryl ether sulfate, SLES); 및 (e) 브롬화 도데실트리메틸암모늄 (dodecyltrimethyl ammonium bromide (DTAB))의 화학식이다.
도 2(a)는 상이한 질량 농도의 순수한 CNF 현탁액의 전단속도의 함수로써 점도를 나타내는 그래프이고, 도 2(b)는 저장 탄성률(G′)과 손실 탄성률(G″)의 진동수 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 3(a)는 상이한 농도의 순수 CNF 현탁액의 동적 변형률 의존 전단지수 G' 및 G”를 나타내는 그래프이고, 도 3(b)는 응력-변형률 직선성으로부터 부분편차 ε를 나타내는 점으로 측정한 항복 응력 τy 및 항복 변형

Figure 112016041539777-pat00001
의 농도 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 순수한 CNF 현탁액의 탄성률 농도 의존성 그래프이다.
도 5(a)는 순수한 CNF 현탁액 및 0.6% 농도에서 비이온성 계면활성제로 개질된 CNF 현탁액의 저장 탄성률(G′) 및 손실 탄성률(G″)을 나타내는 그래프이고, 도 5(b)는 순수한 CNF 현탁액 및 1.2% 농도에서 비이온성 계면활성제로 개질된 CNF 현탁액의 저장 탄성률(G′) 및 손실 탄성률(G″)을 나타내는 그래프이다.
도 6(a)는 순수한 5% 농도의 TX100 용액과 비교한 5가지 상이한 농도의 TX100가 존재하는 0.1% 농도의 CNFs 현탁액의 전기장 자기 상관 함수 g(t)를 나타내는 그래프이고, 도 6(b)는 순수 TX100의 농도 함수로서 완화 시간(τ1, τ2)을 나타내며, 도 6(c)는 완화 시간(τ)에 해당하는 분포 p(τ)를 나타내는 그래프이다.
도 7은 계면활성제 미셸들과 브릿지 된 CNFs의 개략도이다.
도 8(a)는 8% 농도에서 상이한 계면활성제에 따른 0.6% CNFs의 사진이고, 도 8(b)는 SDS 및 DTAB를 함유한 0.6% CNFs의 사진이고, 도 8(c)는 순수한 0.6% CNF 현탁액 및 상이한 농도의 SLES가 함유된 0.6% 현탁액의 G′와 G″를 나타내는 그래프이다.
도 9(a)는 0.6% CNF 현탁액에서 겔 탄성률의 SLES 농도 의존성 그래프를 나타내며, 도 9(b)는 항복 응력 τy 및 항복 변형
Figure 112016041539777-pat00002
의 SLES 농도 의존성을 나타내는 그래프이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a graphical representation of the five surfactants (a) Pluronic F68 (PF68) used in embodiments of the present invention; (b) Triton-X 100 (TX100); (c) sodium dodecyl sulfate (SDS), (d) sodium lauryl ether sulfate (SLES); And (e) dodecyltrimethyl ammonium bromide (DTAB).
FIG. 2 (a) is a graph showing the viscosity as a function of the shear rate of a pure CNF suspension having a different mass concentration, and FIG. 2 (b) is a graph showing the frequency dependency of the storage elastic modulus (G ') and the loss elastic modulus to be.
Fig. 3 (a) is a graph showing the dynamic strain-dependent number of leaflets G 'and G''of pure CNF suspensions of different concentrations. Fig. 3 (b) is a graph showing the yield Stress τ y and yield strain
Figure 112016041539777-pat00001
Of FIG.
4 is a graph of the modulus dependency of the pure CNF suspension.
5 (a) is a graph showing storage elastic modulus (G ') and loss elastic modulus (G ") of a pure CNF suspension and a CNF suspension modified with a nonionic surfactant at a concentration of 0.6% (G ') and a loss elastic modulus (G'') of a suspension of CNF modified with a nonionic surfactant at a concentration of 1.2%.
6 (a) is a graph showing the electric field autocorrelation function g (t) of a 0.1% concentration CNFs suspension having five different concentrations of TX100 compared to a pure 5% TX100 solution, (Τ 1 , τ 2 ) as a concentration function of pure TX100 and FIG. 6 (c) is a graph showing a distribution p (τ) corresponding to the relaxation time (τ).
Figure 7 is a schematic view of bridged CNFs with surfactant micelles.
8 (b) is a photograph of 0.6% CNFs containing SDS and DTAB, and FIG. 8 (c) is a photograph of 0.6% CNFs according to different surfactants at 8% CNF suspension and G ' and G " of a 0.6% suspension containing different concentrations of SLES.
9 (a) shows a graph of the SLES concentration dependence of the gel modulus in a 0.6% CNF suspension, Fig. 9 (b) shows the yield stress τ y and the yield strain
Figure 112016041539777-pat00002
≪ / RTI >

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현 예 및 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.Hereinafter, embodiments and examples of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. It should be understood, however, that the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments and examples described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts not related to the description are omitted.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout this specification, when an element is referred to as " including " an element, it is understood that the element may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise.

본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.Throughout this specification, the phrase " step " or " step " does not mean " step for.

이하, 본원의 구현 예를 상세히 설명하였으나, 본원이 이에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention are described in detail, but the present invention is not limited thereto.

본원의 일 측면은, 질량 농도가 0.08 % 이하의 양이온성 계면활성제와 셀룰로오스 나노피브릴을 포함하는 용액을 제공한다. 임계 질량 농도 Cc 미만의 계면활성제 첨가는 광학적 투명도 유지와 함께 겔 기준을 증가시키며, 임계 농도보다 크면 현탁액 안정성 및 광학 선명도 상실과 응집체의 침강을 초래하는 상당한 피브릴 응집체를 유발시킨다.One aspect of the present invention provides a solution comprising a cationic surfactant having a mass concentration of 0.08% or less and a cellulose nanofibril. Addition of a surfactant below the critical mass concentration Cc increases the gel reference with maintaining optical clarity and above a critical concentration results in significant fibril aggregates resulting in suspension stability and loss of optical clarity and sedimentation of aggregates.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 양이온성 계면활성제는 DTAB일 수 있다. 저농도(0.02%)의 계면활성제는 CNFs(0.6%)와 균일하고 광학적으로 투명한 겔 형성을 이끌어 낸다.In one embodiment of the invention, the cationic surfactant may be DTAB. Low concentration (0.02%) of surfactant leads to uniform and optically clear gel formation with CNFs (0.6%).

본원의 다른 측면은, 질량 농도가 8 % 이하의 비이온 계면활성제와 셀룰로오스 나노피브릴을 포함하는 용액을 제공한다. 본 발명의 CNF 현탁액(1.2%)에서 8% 농도의 비이온성 계면활성제 첨가는 눈에 띄게 시스템의 레올로지를 개질하지 않는다.Another aspect of the present invention provides a solution comprising a nonionic surfactant having a mass concentration of 8% or less and a cellulose nanofibril. The addition of the nonionic surfactant at a concentration of 8% in the CNF suspension (1.2%) of the present invention does not significantly modify the rheology of the system.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 비이온성 계면활성제는 Pluronic F68 또는 TX100일 수 있다. 비이온성 현탁액(Pluronic F68 또는 TX100)은 8%까지의 농도에서 현탁액 안정성이 유지된다.In one embodiment of the invention, the nonionic surfactant may be Pluronic F68 or TX100. Nonionic suspensions (Pluronic F68 or TX100) maintain suspension stability at concentrations up to 8%.

본원의 또 다른 측면은, 질량 농도가 8 % 이하의 음이온성 계면활성제와 셀룰로오스 나노피브릴을 포함할 수 있다. Another aspect of the present application may include anionic surfactant and cellulosic nanofibrils having a mass concentration of 8% or less.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 질량 농도가 1.6% 이하일 수 있다. 현탁액의 안정성이 상실되는 음이온성 계면활성제 DTAB와 SDS의 임계농도는 각각 ~0.08% 및 ~1.6%이다.In one embodiment of the invention, the mass concentration may be 1.6% or less. The critical concentrations of the anionic surfactants DTAB and SDS in which the stability of the suspension is lost are ~ 0.08% and ~ 1.6%, respectively.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 음이온성 계면활성제는 SDS 또는 SLES일 수 있다. 본 발명에서 SLES의 첨가는 유사한 농도에서 CNF 현탁액의 불안정화를 발생시키지 않았으며, 8%에서 SLES는 시네레시스(syneresis)를 나타내며 투명하고 균질한 겔을 형성하였다.In one embodiment herein, the anionic surfactant may be SDS or SLES. In the present invention, the addition of SLES did not cause the destabilization of the CNF suspension at similar concentrations, and at 8% SLES exhibited syneresis and formed a clear, homogeneous gel.

본원의 또 다른 측면은 셀룰로오스 나노피브릴과 계면활성제의 혼합 단계를 포함하는 용액의 점도 조절 방법을 제공한다. Another aspect of the present invention provides a method for controlling the viscosity of a solution comprising the step of mixing a cellulosic nano-fibril and a surfactant .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 계면활성제는 양이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제 또는 비이온성 계면활성제 중 어느 하나 이상일 수 있으며, 에톡시화된 헤드그룹을 가지는 계면활성제일 수 있다. 본 발명에서는 미셸이 피브릴과 약하고 가역적으로 연관되었음을 제시하는데, 이러한 연관은 계면활성제의 에톡시화된 친수성 헤드 그룹을 거쳐 일어난다. 또한, 계면활성제를 함유하는 현탁액에서 피브릴 간의 인력 강도(attraction strength)를 완화시키는데 에톡시화된 헤드그룹이 중요한 역할을 한다는 것을 제시한다.In one embodiment of the present invention, the surfactant may be any one or more of a cationic surfactant, an anionic surfactant, or a nonionic surfactant, and may be a surfactant having an ethoxylated head group. The present invention suggests that micelles are weakly and reversibly related to fibrils, which occur via ethoxylated hydrophilic head groups of surfactants. It also suggests that ethoxylated head groups play an important role in alleviating the attraction strength between fibrils in suspensions containing surfactants.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 혼합 단계에서는, 상기 셀룰로오스 나노피브릴의 미셸 브릿징(micelle-bridging)이 형성될 수 있다. 셀룰로오스 나노피브릴의 미셸 브릿징(micelle bridging)에 의해 겔화(gelation)가 발생하며, 점성질화(viscosification)는 겔 입자의 큰 팽윤성의 결과로 일어난다.In one embodiment of the invention, in the mixing step, micelle-bridging of the cellulose nanofibrils may be formed. Gelation occurs by micelle bridging of cellulose nano-fibrils, and viscosification occurs as a result of the large swelling of the gel particles.

[[ 실시예Example ]]

본 실시예에서 다른 언급이 없는 한 모든 농도는 중량 퍼센트(wt%)이다.All concentrations in this example are percent by weight (wt%) unless otherwise noted.

CNFCNF 현탁액의 제조 Preparation of suspension

CNFs는 물에 0.96%의 소듐 카복실레이트로 기능화된 형태에서 수득된다(USDA Forest Products Laboratory (Madison, WI)). 이전에 보고된 것과 유사한 방식으로 TEMPO-매개 산화(mediated oxidation)를 사용하여 제조되었다. 피브릴은 직경이~5nm이고 종횡비가 ~100이며, 소듐 카복실레이트 밀도는 ~0.65 mmol g-1이다. 투석은 현탁액을 2%로 농축시키는데 사용되었다. 0.96% CNFs 스톡(stock) 100g은 투석 자루(dialysis bag)의 분획 분자량(molecular weight cut-off) 3500 (Spectra/Por)인 직경 34mm 투석 자루에 넣어졌다. 자루는 계속해서 교반되는 10 kg mol-1 폴리에틸렌 옥사이드 용액 200 gl-1에 약 6시간 동안 담궈진다.CNFs are obtained in a form functionalized with 0.96% sodium carboxylate in water (USDA Forest Products Laboratory (Madison, WI)). Was prepared using TEMPO-mediated oxidation in a manner similar to that reported previously. The fibrils have a diameter of ~ 5 nm, an aspect ratio of ~ 100, and a sodium carboxylate density of ~ 0.65 mmol g -1 . Dialysis was used to concentrate the suspension to 2%. 100 g of 0.96% CNFs stock were loaded into a 34 mm diameter dialysis bag with a molecular weight cut-off of 3500 (Spectra / Por) of a dialysis bag. The bag is immersed in a continuously stirred 10 kg mol -1 polyethylene oxide solution at 200 g l -1 for about 6 hours.

본원은 비이온성 계면활성제 플루오닉 F68 (Pluronic F68, PF68) 및 트리톤-X100 (Triton-X 100, TX100), 양이온성 계면활성제인 브롬화 도데실트리메틸암모늄(dodecyl trimethyl ammonium bromide, DTAB), 음이온성 계면활성제인 도데실황산나트륨(sodium dodecyl sulfate, SDS) 및 소듐 라우릴 에테르 설페이트(sodium lauryl ether sulfate, SLES)의 5가지 상이한 계면활성제를 사용한다. 각 계면활성제의 화학식은 도 1에 나타내었다. 모든 계면활성제는 SLES(Nature's Oil)를 제외하고 Sigma Aldrich 제품이다. 샘플은 20% 농도의 저장 용액(stock solution)으로부터 적절한 양의 계면활성제를 CNF 현탁액에 첨가함으로써 제조되었다. 상기 샘플은 2시간 동안 자기적으로 교반하고, 1분간 1000 rpm으로 원심분리하며, 90초간 초음파 처리로 버블을 제거하였다. 이후, 샘플은 실험 전 최소 2시간 휴지상태로 보관되었다.The present invention relates to a nonionic surfactant F68 (Pluronic F68, PF68) and Triton-X100 (TX100), a cationic surfactant dodecyl trimethyl ammonium bromide (DTAB) Five different surfactants are used: active agent sodium dodecyl sulfate (SDS) and sodium lauryl ether sulfate (SLES). The formula of each surfactant is shown in FIG. All surfactants are Sigma Aldrich products except for SLES (Nature's Oil). Samples were prepared by adding a suitable amount of surfactant from a 20% stock solution to the CNF suspension. The sample was magnetically stirred for 2 hours, centrifuged at 1000 rpm for 1 minute, and bubbles were removed by sonication for 90 seconds. Thereafter, the samples were kept at rest for at least 2 hours before the experiment.

레올로지Rheology 분석 analysis

레올로지 특성은 변형율 제어 모드(strain-controlled mode)에서 콘플레이트 형상(cone-plate geometry, 직경 50mm, 각도 1˚)의 레오미터(MCR301 rheometer (Anton Paar))를 사용하여 분석하였다. 모든 측정은 20℃에서 수행되었다. 기구 표면은 샘플의 미끄러짐을 없애기 위해 적절히 (샌드페이퍼로) 조면화 되었다. 샘플 주위에 적용되는 미네랄 오일의 얇은 막은 실험 동안 수분 증발을 성공적으로 억제하도록 사용되었다. 레올로지 측정은 샘플을

Figure 112016041539777-pat00003
= 10s-1로 사전 전단 (pre-shearing)하고 10분간 휴지한 후에 수행되었다. 탄성률(G′) 및 손실 탄성률(G″)의 변형율 스윕(strain sweep) 측정은 ω = 10 rad s-1에서 실시되었고, 선형 점탄성 영역에서 다음의 진동수 스윕(sub-sequent frequency sweep)를 측정을 위해 5%의 변형율 진폭(strain amplitude)을 설정하는데 사용되었다. 상승 및 하락 램프(60 rad s-1 내지 0.1 rad s-1 및 0.1 rad s-1 내지 60 rad s- 1)의 두 가지 연속적인 동적 진동 주파수 스윕(dynamic oscillatory frequency sweep)은 결과의 재현성을 확인하기 위해 수행되었다. 전단속도
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는 100 s-1 내지 0.01 s-1까지 범위의 동적 실험 후에 정상류(steady flow) 측정이 행해졌다.Rheological properties were analyzed using a rheometer (MCR301 rheometer (Anton Paar)) in cone-plate geometry (50 mm diameter, 1 degree angle) in strain-controlled mode. All measurements were carried out at 20 ° C. The instrument surface was roughened (with sandpaper) appropriately to eliminate slippage of the sample. A thin film of mineral oil applied around the sample was used to successfully inhibit water evaporation during the experiment. The rheology measurements were carried out on samples
Figure 112016041539777-pat00003
= 10 s -1 before pre-shearing and 10 min resting. Strain sweep measurements of modulus of elasticity (G ') and loss modulus (G ") were carried out at ω = 10 rad s -1 and the following sub-sequent frequency sweep was measured in the linear viscoelastic region Was used to set the strain amplitude to 5%. Rising and falling ramp - two consecutive dynamic oscillation frequency sweep (dynamic oscillatory frequency sweep) of (60 rad s -1 to 0.1 s -1 rad and 0.1 rad s -1 to about 60 rad s 1) check the reproducibility of the results Lt; / RTI > Shear rate
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This measurement was done steady flow (steady flow) after the dynamic test of the range up to 100 s -1 to 0.01 s -1.

동적 dynamic 광산란Light scattering 분석 analysis

동적 광산란(Dynamic light scattering, DLS) 입사광의 파장을 λ = 532 nm(Coherent)로 하고 각을 θ = 65˚로 고정하며 CGS-5000F 고니어미터(goniometer, ALV GmbH)를 사용하여 수행되었다. 산란 벡터 q = (4πn0/λ)sin(θ/2) = 0.017 nm-1로 n0은 현탁액(물)의 연속상의 굴절률이고, θ는 입사와 산란빔 사이의 산란각이다. 데이터는 샘플당 총 30번, 60초 간격으로 수집되었다. 자기 상관된 강도는 완화 시간(relaxation time) 분포를 얻기 위해 CONTIN 알고리즘을 사용하여 분석되었다. Dynamic light scattering (DLS) was performed using a CGS-5000F goniometer (ALV GmbH) with wavelength λ = 532 nm (coherent) and angle θ = 65 °. The scattering vector q = (4πn 0 / λ) sin (θ / 2) = 0.017 nm -1 where n 0 is the refractive index of the continuous phase of the suspension (water) and θ is the scattering angle between the incident and scattering beams. Data were collected at a total of 30 times per sample, every 60 seconds. The autocorrelated intensity was analyzed using the CONTIN algorithm to obtain a relaxation time distribution.

제타 전위 측정은 658 nm 파장으로 가동한 Brookhaven NanoBrook Omni을 사용하여 전기 영동 광산란으로 수득되었다. 0.01% CNFs 현탁액과 계면활성제(0.5%, 1%, 2%, 및 5% 농도의 Triton X-100, Pluronic F68, SDS, SLES 및 DTAB)를 포함하는 0.01% CNFs에 대해 최소한 열 번의 측정을 하였다. 제타 전위는 또한 이온성 계면활성제 SDS, SLES 및 DTAB의 5% 용액으로 수득되었다. 여러 가지 CNF 현탁액은 결과의 샘플간 재현성을 확인하기 위해 여러 번 측정되었다.Zeta potential measurements were obtained by electrophoresis light scattering using a Brookhaven NanoBrook Omni running at 658 nm wavelength. At least ten measurements were made on 0.01% CNFs suspensions and 0.01% CNFs containing surfactants (0.5%, 1%, 2%, and 5% concentration of Triton X-100, Pluronic F68, SDS, SLES and DTAB) . Zeta potentials were also obtained with 5% solutions of ionic surfactants SDS, SLES and DTAB. Several CNF suspensions were measured several times to confirm the reproducibility of the results between samples.

본 발명에 사용된 계면활성제의 화학식은 도 1에 나타내었으며, 각각 (a) Pluronic F68 (PF68) (x=29, y=76, z=29); (b) Triton-X 100 (TX100) (n=9-10); (c) 도데실황산나트륨 (sodium dodecyl sulfate, SDS); (d) 소듐 라우릴 에테르 설페이트 (sodium lauryl ether sulfate, SLES) (n=3); 및 (e) 브롬화 도데실트리메틸암모늄 (dodecyltrimethyl ammonium bromide, DTAB)이다.The chemical formulas of the surfactants used in the present invention are shown in FIG. 1 and are (a) Pluronic F68 (PF68) (x = 29, y = 76, z = 29); (b) Triton-X 100 (TX100) (n = 9-10); (c) sodium dodecyl sulfate (SDS); (d) sodium lauryl ether sulfate (SLES) (n = 3); And (e) dodecyltrimethyl ammonium bromide (DTAB).

도 2(a)는 3가지 상이한 질량 농도(0.3%(●), 0.6%(■), 1.2%(▲)의 CNF 현탁액의 전단속도의 함수로써 점도를 보여준다. 고려된 가장 낮은 전단 속도(

Figure 112016041539777-pat00005
= 10-2s-1)에서, 0.3% 내지 1.2% 샘플 사이에서 3 자릿수 크기로 증가하는 농도에 대한 강한 점도의 의존성이 있다. 상기 현탁액은 10-2부터 102s-1까지의 전단속도에 걸쳐서 지속적인 전단 유동화(shear-thinning)를 보인다. 이러한 전단 속도 영역에서 점도는 멱법칙(power-law) 관계인 η =
Figure 112016041539777-pat00006
(|n| ≤1, n은 전단 유동화 지수(shear thinning exponent)이고 K는 농도(1 s-1의 전단 속도에서 점도에 상응하는))로 잘 표현된다. 근사(fit)는 실선으로 나타냈고, 삽도는 0.3%에서 n = 0.37부터 1.2%에서 n = 0.86까지 증가하는 전단 유동화 지수의 농도 의존도를 보여준다. 데이터로부터 고전단 속도 점도 평탄면 및 저전단 속도 점도 평탄면의 부재를 확인할 수 있다.Figure 2 (a) shows the viscosity as a function of the shear rate of the CNF suspension at three different mass concentrations (0.3% (●), 0.6% (■), 1.2% (▲)
Figure 112016041539777-pat00005
= 10 < -2 & gt ; s <" 1 >), there is a strong viscosity dependence on the concentration increasing from 3% to 3% between 0.3% and 1.2% of the sample. The suspension exhibits continuous shear-thinning over shear rates from 10 < -2 & gt ; to 10 < 2 > s < -1 & gt ;. In this shear rate range, the viscosity is the power-law relationship η =
Figure 112016041539777-pat00006
(where | n | ≤1, n is the shear thinning exponent and K is the concentration (corresponding to the viscosity at a shear rate of 1 s -1 )). The fit is represented by a solid line and the plot shows the concentration dependence of the shear fluidization index from 0.3% up to n = 0.86 from 1.2% to n = 0.37. From the data, it can be seen that there is no high shear rate viscosity flat surface and low shear rate viscosity flat surface.

탄성 또는 저장 탄성률(G′)과 점성 또는 손실 탄성률(G″)의 진동수 의존성은 도 2b에 나타난다(G′는 채색기호, G″는 실선기호임). 3가지 샘플은 모두 진동수와 손실 탄젠트(tan δ = G″/ G′)에 대한 동적 탄성률(dynamic moduli)의 약한 멱법칙 의존성(power law dependence)을 보인다. 이는 실질적으로 진동수에 독립적이다. 진동수 의존성은 1.2% 샘플에서 G″~ ω0 . 1 과 0.3% 샘플에서 G′~ ω0 .35로 농도가 증가함에 따라서 약화된다. 따라서, 샘플은 0.3%에서 유체와 같은 상태 (G″> G′), 1.2%에서 고체와 같은 상태(G′> G″)로 전이되는 반면, 0.6%에서는 상호 인력 작용이 있는 시스템에서 임계 겔(critical gel)을 연상시키듯이 G′와 G″는 고려된 진동수 범위에서 동등하다. The frequency dependence of the elasticity or storage elastic modulus (G ') and the viscosity or loss elastic modulus (G ") is shown in FIG. 2B (G' is a color symbol and G" is a solid line symbol). All three samples exhibit a weak power law dependence of dynamic moduli for frequency and loss tangent (tan δ = G "/ G '). It is substantially independent of frequency. The frequency dependence is G "~ ω 0 at 1.2% sample . Thus it is weakened as at 1 and 0.3% Sample G '~ ω 0 .35 in concentration. Thus, the sample transitions from a state of fluid (G "> G ') at 0.3% to a state of solid (G'>G") at 1.2% G " and G " are equivalent in the considered frequency range, as reminiscent of " critical gel ".

정상류 실험에서 전단 속도 범위는 동적 항복 응력이 확인되지 않았던 반면, 진동 측정에서는 현탁액이 사실상 잘 정의된 정적 항복 응력을 가지는 항복 응력 유체임을 나타낸다. 도 3은 항복 응력 τy(▲) 및 항복 변형

Figure 112016041539777-pat00007
(△)에 따른 변형율 스윕(Strain sweep) 데이터를 나타낸다. 도 3(a)는 순수 CNF 현탁액(0.3%(●), 0.6%(■), 및 1.2%(▲))의 동적 변형률 의존 전단지수 G′(채색기호) 및 G″(실선기호)를 나타내는 그래프이고, 도 3(b)는 응력-변형률 직선성으로부터 부분편차 ε(ε=0.05; 상향 삼각형, ε=0.10; 하향 삼각형)를 측정하여 얻은 항복 응력 τy(▲) 및 항복 변형
Figure 112016041539777-pat00008
(△)의 농도 의존성을 나타내는 그래프이다.In the steady flow test, the shear rate range shows no dynamic yield stress, while in vibration measurements the suspension is virtually a yield stress fluid with a well defined static yield stress. Figure 3 shows the yield stress τ y (▴) and the yield strain
Figure 112016041539777-pat00007
(Strain sweep) data according to (?). 3 (a) shows dynamic strain dependent leaflets G '(color symbol) and G "(solid line symbol) of the pure CNF suspension (0.3% (●), 0.6% (■) and 1.2% Fig. 3 (b) shows the yield stress τ y (▴) obtained by measuring the partial deviation ε (ε = 0.05; upward triangle, ε = 0.10; downward triangle) from the stress-
Figure 112016041539777-pat00008
(?).

G″는 고려된 농도 범위에서 0.3 Pa부터 100 Pa까지 급격히 증가한다. τy

Figure 112016041539777-pat00009
는 시스템이 ε=0.05 및 ε=0.10에서 측정된 응력-변형율 데이터(stress-strain data)의 응력값(stress value)의 직선성(linearity)으로부터 부분편차 ε을 나타내는 점으로서 결정되었다. 점성 소실(viscous dissipation)의 소폭 상승과 함께 가장 농축된 현탁액의 항복(yielding)이 일어난다. 이는
Figure 112016041539777-pat00010
이상으로 변형율 증가시 G″가 증가하는 것으로 보아 명백하다. CNFs는 물리적 얽힘 때문에 피브릴러 네트워크(fibrillar network)를 형성하는 것으로 알려져 있다. 온도의 함수로 고분자 사슬이 피브릴을 형성하는 메틸셀룰로오스 용액에서 이러한 네트워크 형성이 최근 관찰되었다. 그러나, 필라멘트나 피브릴을 형성하는 생물학적 물질(액틴, 피브린, 콜라겐 등)에 형성된 네트워크 겔에서 보통 관찰되는 변형 강성도(strain stiffening)는 관찰되지 않았다.
Figure 112016041539777-pat00011
가 0.3% 내지 1.2%로 농도가 변화할 때 100% 내지 10% 이하로 감소하는 반면에, σy는 0.5 Pa의 낮은 값에서부터 10 Pa까지 농도와 함께 증가한다. 피브릴러 겔(fibrillar gels)에서 τy
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사이의 역전관계는 종종 관찰되며, 탄성 계수(modulus)가 증가함에 따라서 시스템의 기계적 취성(fragility)의 증가가 예상하던 바와 같이 나타났다.G " rapidly increases from 0.3 Pa to 100 Pa in the concentration range considered. y and τ
Figure 112016041539777-pat00009
Was determined as a point representing the partial deviation epsilon from the linearity of the stress value of the stress-strain data measured at? = 0.05 and? = 0.10. Yielding of the most concentrated suspension occurs with a slight increase in viscous dissipation. this is
Figure 112016041539777-pat00010
And the G "increases when the strain is increased. CNFs are known to form fibrillar networks due to physical entanglement. This network formation has recently been observed in methylcellulose solutions in which the polymer chains form fibrils as a function of temperature. However, strain stiffening usually observed in network gels formed in biological materials (actin, fibrin, collagen, etc.) forming filaments or fibrils was not observed.
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Decreases from 100% to less than 10% when the concentration changes from 0.3% to 1.2%, while y increases with the concentration from the low value of 0.5 Pa to 10 Pa. In fibrillar gels, τ y and
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Are often observed, and as the modulus increases, the increase in mechanical fragility of the system is as expected.

항복 변형은 상기 논의했던 생물학적 겔에서 관찰된 것과 유사하거나 약간 큰 정도이다. 탄성률의 농도 의존성은 0.2% 내지 2% 범위의 질량 농도에서 ω = 10 rad s-1로 측정되며, 도 4에 나타내었다. 샘플의 탄성 계수가 진동수에 독립적이라고 가정 시, 저장 탄성률은 G′= cα(α = 2.1)로 멱법칙을 따른다. 약한 진동수 의존성을 가지는 샘플을 포함시킴으로써 지수가 α = 4.1로 증가한다. 도 4에서 음영 부분은 진동수에 독립적인 탄성률의 농도이다.The yield strain is similar to or slightly greater than that observed in the biological gel discussed above. The concentration dependence of the elastic modulus is measured at ω = 10 rad s -1 at a mass concentration ranging from 0.2% to 2%, and is shown in FIG. Assuming that the elastic modulus of the sample is independent of the frequency, the storage modulus follows the power law with G '= c α (α = 2.1). By including samples with weak frequency dependence, the exponent increases to a = 4.1. In Fig. 4, the shaded portion is a density of elasticity independent of the frequency.

피브릴러 겔에 대한 이전 연구에서 시스템에서 탄성률과 피브릴 농도(명목상으로 부피율) 사이의 멱법칙 관계식의 다른 지수를 산출했다. 다양한 소스로부터의 결정셀룰로오스(microcrystalline cellulose), 세균 셀룰로오스(bacterial cellulose), 피브릴화된 셀룰로오스 섬유(fibrillated cellulose fibers)에 대한 Tatsumi, Matsumoto 등에 의한 종래의 연구에서 α = 2.25로 산출되었다. Naderi, Pettersson 등의 연구에 의하면 카복시 메틸화 나노 피브릴화된 셀룰로오스(carboxy-methylated nanofibrillated cellulose)는 α = 5.2였던 반면에

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,
Figure 112016041539777-pat00014
등에 의한 측정에 의하면 α = 3이었다. Gennes와 Doi-Edwards에 의해 제공된 얽힌 폴리머에 관한 표준 이론은, α를 2.25로 제시한다.Previous work on fibrillar gels has yielded another index of the power law relationship between the elastic modulus and the fibril concentration (nominal volume fraction) in the system. In a conventional study by Tatsumi and Matsumoto et al. On microcrystalline cellulose, bacterial cellulose, and fibrillated cellulose fibers from various sources, it was calculated as α = 2.25. According to Naderi and Pettersson et al., Carboxy-methylated nanofibrillated cellulose (α = 5.2)
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,
Figure 112016041539777-pat00014
, It was found that? = 3. The standard theory of entangled polymers provided by Gennes and Doi-Edwards presents α as 2.25.

연계된 바이오폴리머에서 유래된 필라멘트의 굽힘 강성으로부터 유래된 겔 탄성에 대한 네트워크의 이론적 고려에 의해 희석된 얽힌(entangled) 용액의 지수는 2.2, 조밀한 가교겔의 지수는 2.5로 산출된다.The network's theoretical consideration of gel elasticity derived from the bending stiffness of the filament derived from the associated biopolymer yields an index of entangled solution diluted by 2.2 and an index of dense crosslinked gel of 2.5.

최근 Hill에 의한 이론적 제시는 저농도에서 지수의 11/3을, 고농도에서 제한적 지수 7을 제안하는 새로운 스켈링 이론(scaling theory)을 제안한다. TEMPO에서 유래된 피브릴(TEMPO-derived fibrils)에 관한 Jowkarderis과 van de Ven의 데이터는 Hill의 이론을 사용하여 분석되었으나 단순한 멱법칙의 근사에 기반하여 α = 4.52로 제안하였다.The theoretical presentation by Hill recently suggests a new scaling theory that suggests 11/3 of the exponent at low concentrations and a limiting exponent of 7 at high concentrations. Data from Jowkarderis and van de Ven on TEMPO-derived fibrils were analyzed using Hill's theory, but based on a simple power law approximation, we proposed α = 4.52.

지금까지 문헌으로 알려진 데이터에는 상당한 차이가 있다. 이런 차이는 상이한 원료를 사용하고 제조된 CNFs의 화학적 조성과 구조의 불가피한 변형에서 기인될 수 있다. 뿐만 아니라 겔 기준(gel moduli)을 이용하는 것이 진동수와 독립적이지 않으므로 엄밀한 의미에서 평탄면 탄성률(plateau moduli)이 아니다.There are considerable differences in the data known to date in the literature. This difference can be attributed to the inevitable deformation of the chemical composition and structure of the CNFs produced using different raw materials. In addition, the use of gel moduli is not independent of frequency, so it is not a plateau modulus in a strict sense.

현 상태에서 스케일 지수(scaling exponent)는 실험적으로 접근할 수 있고, 탄성 계수가 진동수의 함수가 아닌 주어진 한정된 농도 범위에서 확실하게 결정될 수 없다는 것은 명확하다. 그러므로 측정을 통해 관찰된 지수 값에 특별한 의미를 부여할 수 없다. G′~ ω3 /4일 때 네트워크에서 필라멘트의 굽힘 모드(bending modes)의 기여 때문에 흔히 관찰되는 섬질(filamentous) 네트워크의 고진동수 영역의 부재를 관찰하였다. 이는 실험적 조건이 CNF의 고주파 거동을 포착할 정도로 충분히 넓지 않았기 때문으로 볼 수 있다. 이는 또한 다른 결합 역학 관계를 발생시키는 피브릴 사이에 관련된 결합 상호작용보다는 척력 때문에 다른 시스템에서는 부정확하게 관찰되는 CNFs와 섬질(filamentous) 네트워크 사이의 유사점을 고려하는데 유용하다.It is clear that in the present state the scaling exponent is empirically accessible and that the modulus of elasticity can not be reliably determined at a given limited concentration range, but rather as a function of frequency. Therefore, no special significance can be given to the observed exponent value through measurement. G '~ ω 3/4 days seomjil (filamentous) members of the high frequency region of the network that is commonly observed was observed due to contribution of a bending mode (bending modes) of the filaments in the network time. This can be attributed to the fact that the experimental conditions were not wide enough to capture the high frequency behavior of CNF. This is also useful to consider similarities between CNFs and filamentous networks that are inaccurately observed in other systems due to repulsion rather than associated binding interactions between the fibrils producing different binding dynamics.

0.6% CNF 현탁액에 비이온성 계면활성제(Pluronic F68 또는 TX100)의 첨가는 가장 높은 농도, 8%에서 겔 기준(gel modulus) 소폭 증가를 야기했다. 도 5(a)에 나타낸 바와 같이, TX100 및 Pluronic F68의 저장 탄성률은 각각 2배, 4배로 급격히 증가한다. 이러한 샘플에서는 측정된 진동수 범위에서 저장 탄성률이 손실 탄성률을 초과한다.Addition of a nonionic surfactant (Pluronic F68 or TX100) to the 0.6% CNF suspension caused the highest concentration, a slight increase in the gel modulus at 8%. As shown in Fig. 5 (a), the storage moduli of TX100 and Pluronic F68 increase sharply by two times and four times, respectively. In these samples, the storage elastic modulus exceeds the loss elastic modulus in the measured frequency range.

그러나, 4% 보다 낮은 농도에서 계면활성제 존재는 CNF 현탁액의 탄성률 증가를 가져오지 않았다. 도 5b의 데이터에 나타낸 바와 같이, 1.2% CNF 현탁액에서 8% 농도의 비이온성 계면활성제 첨가는 눈에 띄게 시스템의 레올로지를 개질하지 않는다(여기서, TX100(▲), 8% Pluronic F68(■), 순수한 CNFs(●)이고, G′는 채색기호, G″는 실선기호임).However, the presence of surfactant at concentrations lower than 4% did not result in an increase in the modulus of the CNF suspension. As shown in the data in Figure 5b, the addition of a nonionic surfactant at a concentration of 8% in a 1.2% CNF suspension does not significantly modify the rheology of the system (where TX100 (), 8% Pluronic F68 , Pure CNFs (●), G 'is a color symbol, and G "is a solid line symbol).

비이온성 계면활성제로 현탁액 레올로지를 개질하고 동적 광산란(DLS)을 사용하여 시스템의 미시 역학을 설명하고, 메커니즘에 대한 통찰력을 얻었다. 현탁액은 시스템의 낮은 점도를 확산 모드(diffusive mode)가 측정 기구의 실험 범위에서 합리적으로 포착할 수 있도록 보장하는 0.1% 농도에서 분석되었다. The suspension rheology was modified with nonionic surfactants and dynamic light scattering (DLS) was used to explain the micro-mechanics of the system and gain insight into the mechanism. The suspension was analyzed at a concentration of 0.1% ensuring that the low viscosity of the system was reasonably detectable in the experimental range of the measuring apparatus by the diffusive mode.

도 6(a)는 순수한 5% 농도의 TX100 용액과 비교한 5가지 상이한 농도의 TX100가 존재하는 0.1% 농도의 CNFs 현탁액의 전기장 자기 상관 함수 g(t) = g₂(t)-1를 보여준다. 여기서 CNFs 현탁액의 상이한 TX100의 농도는 각각 0%(○), 0.5%(◇), 1%(△), 2%(□), 5%(▽)이고, 5%의 순수 TX100 용액(

Figure 112016041539777-pat00015
) 또한 사용된다. 도 6(b)에서 두 한계 지수(stretched exponential)의 합인 g(t) = A exp[-(t/τ1]
Figure 112016041539777-pat00016
+ B exp[-(t/τ2)
Figure 112016041539777-pat00017
] + C에 의한 자기 상관 함수를 근사함으로써 얻은 완화시간 값을 나타낸다. 도 6(c)에 완화 시간(τ)에 해당하는 분포 p를 표시하였고, g(t)는 g(t) = ∫p(τ)exp(-t/τ)dτ 형태의 지수 감소 분포에 의해 설명된다. 순수 CNFs 현탁액 및 순수 TX100 용액의 자기 상관 함수는 단일 지수 감쇠를 나타낸다.Figure 6 (a) shows the electric field autocorrelation function g (t) = g2 (t) -1 of a 0.1% concentration CNFs suspension with five different concentrations of TX100 compared to a pure 5% TX100 solution. Here, the concentrations of the different TX100s of the CNFs suspension are 0% (∘), 0.5% (◇), 1% (△), 2% (□), 5%
Figure 112016041539777-pat00015
) Is also used. G (t) = A exp [- (t / τ 1) ], which is the sum of two stretched exponents in FIG. 6 (b)
Figure 112016041539777-pat00016
+ B exp [- (t / 2 )
Figure 112016041539777-pat00017
] + C, which represents the relaxation time value obtained by approximating the autocorrelation function. The distribution p corresponding to the relaxation time (τ) is shown in FIG. 6 (c) and g (t) is given by the exponential decay distribution in the form of g (t) = ∫p (τ) exp (-t / . The autocorrelation function of pure CNFs suspension and pure TX100 solution represents a single exponential decay.

완화시간의 산란 벡터 의존성에 기반하여 완화 시간은 TX100 미셀의 확산 모드와 CNFs의 확산 및 내부 굽힘 모드(diffusive and internal bending mode)의 혼합된 결과에 의해 기인한다. 타임 스케일을 잘 분배하였고, 이는 CNFs와 연관된 TX100 미셸의 유체 역학적 반경에서 기대되는 상당한 차이와 일치한다. 미셸의 유체 역학적 크기를 dh

Figure 112016041539777-pat00018
8.8 nm로 추산하였다.Based on the scattering vector dependence of the relaxation time, the relaxation time is due to the mixed result of the diffusion mode of the TX100 micelles, the diffusion of CNFs and the diffusive and internal bending modes. The time scales were well distributed, consistent with the significant differences expected in the hydrodynamic radius of the TX100 Michel associated with CNFs. Michelle's hydrodynamic size is d h
Figure 112016041539777-pat00018
8.8 nm.

본 발명에서 사용된 계면활성제의 농도를 고려하면, 현탁액에서 구형 미셸 존재만을 예상할 수 있다. 웜라이크 미셸들(worm-like micelles) 또는 라멜라 2중층들과 같은 다른 형태의 형성은 매우 고농도 계면활성제 또는 2번째 상 성분의 존재를 필요로 한다. 그러나, 특히 주어진 CNFs와 계면활성제 헤드 그룹의 선호되는 연계에서 CNF 표면에서의 라멜라 형태(lamellar morphologies)의 형성 가능성을 배제할 수 없다. Considering the concentration of the surfactant used in the present invention, only the presence of spherical micelles in the suspension can be expected. Other forms of formation such as worm-like micelles or lamellar bilayers require the presence of very high concentration surfactant or second phase components. However, the possibility of forming lamellar morphologies at the CNF surface can not be ruled out, especially in the preferred linkage between a given CNFs and a surfactant head group.

CNFs와 계면활성제를 모두 포함하는 샘플은 두 가지 완화를 보이므로, 완화 시간 분포에서 2개 피크가 있다. 특히, 짧은 타임 스케일 모드(short timescale mode)에서는 CNFs가 존재할 때 상당히 지연된다. 비록 미미하지만 피브릴 모드(fibril mode)에서는 또한 더 긴 시간으로 이동한다(도 6(b)). 패스트 모드(fast mode)는 TX100 농도가 0.5%로 감소함에 따라서, 꾸준하고 천천히 진행되는 짧은 타임스케일 완화(the short timescale relaxation)와 함께 농도 의존 방식이 변경된다. 이와 함께 데이터는 미셸 및 CNF 사이의 연관된 상호작용을 강하게 나타낸다.Since samples containing both CNFs and surfactants exhibit two relaxations, there are two peaks in the relaxation time distribution. In particular, in short timescale mode, CNFs are significantly delayed when present. In the fibril mode, however, it is also shifted to a longer time (Fig. 6 (b)). The fast mode changes the concentration-dependent manner with the short time scale relaxation, which is steadily slower as the TX100 concentration decreases to 0.5%. In addition, the data strongly indicate the associated interactions between Michel and CNF.

본 발명에서는 미셸이 피브릴과 약하고 가역적으로 연관되었음을 제시한다. 이러한 연관은 계면활성제의 에톡시화된 친수성 헤드 그룹을 거쳐 일어나고, 이전에 셀룰로오스 상의 에톡시화된 계면활성제에서 관찰된 바 있다. 이상적으로, 시스템은 자유 미셸, 자유 피브릴 및 미셸과 결합된 피브릴에 대응하는 잘 분해(resolved)된 피크가 나타난다.The present invention suggests that micelles are weakly and reversibly related to fibrils. This association occurs via ethoxylated hydrophilic head groups of surfactants and has been previously observed in ethoxylated surfactants on cellulose. Ideally, the system exhibits a resolved peak corresponding to fibrils associated with free micelles, free fibrils and micelles.

그러나 데이터는 의미상 미셸-피브릴을 연결/분리에 대한 타임 스케일로 뒤얽혀 있고, 이러한 특성은 오리지널 모드(original mode)의 이동 및 확장 외에는 지워지거나 용이하게 분해되지 않을 것으로 예상된다.However, the data is semantically intertwined with the time scale for connecting / separating Michel-fibrils, and these properties are expected to be erased or not easily dissociated except in the original mode of movement and expansion.

이 시나리오에서 미셸의 유효 확산도(effective diffusivity)는 미셸-피브릴 관계(즉 피브릴 상에 미셸이 흡착)의 on/off 시간을 반영하는 농도 의존적 방식으로 피브릴과 결합되어있다. 상대적으로, 미셸의 확산은 저농도 계면활성제에서 실질적으로 가장 늦다. 피브릴의 타임 스케일은 계면활성제의 농도가 증가함에 따라서 유사하게 증가한다. 이는 높은 계면활성제 농도가 미셸 흡착의 증가를 야기하여 나타나는 피브릴의 유효 크기(effective size) 증가와 일치한다. 그 대신에, 미셸의 확산 타임스케일의 지체는 TX100 농도의 감소에 따른 미셸의 크기의 확연한 성장을 나타낼 수 있다. 그러나 이러한 설명은 집적수(aggregation number)와 미셸 크기가 CMC 이상에서 농도에 대한 함수가 아닌(심지어 나노 물질의 존재 하에서) 용액 속 계면활성제의 거동과 상충한다.In this scenario, the effective diffusivity of the micelle is associated with the fibrils in a concentration-dependent manner that reflects the on / off time of the micelle-fibril relationship (ie, the micelle is adsorbed on the fibril). Relatively, the spread of micelles is substantially the slowest in low-concentration surfactants. The time scale of the fibrils increases similarly as the concentration of the surfactant increases. This is consistent with an increase in the effective size of the fibrils, which is caused by high surfactant concentrations causing an increase in micelle adsorption. Instead, Michelle's diffusion time-scale lag can represent a significant growth in michelle's size as the TX100 concentration decreases. However, this explanation contradicts the behavior of surfactants in solution (not even in the presence of nanomaterials), as the aggregation number and micelle size are not a function of concentration above CMC.

상기 관찰에 근거하여, 겔화(gelation)는 피브릴의 미셸 브릿징(micelle bridging)에서부터 발생하는 것으로 나타나며, 이는 도 7에 개략적으로 나타내었다. 도 7의 겔화 조성별 구성 크기(직경: d)는 dNa+

Figure 112016041539777-pat00019
0.4 nm, d미셀
Figure 112016041539777-pat00020
10 nm, dCNF
Figure 112016041539777-pat00021
10 nm이고, CNFs의 길이는 1 ㎛이다. 자유 미셀은 녹색으로 표시되고, CNF 접합된 미셀은 삽도에 붉은색 코로나(corona)로 도시되어 있다. Based on the above observations, gelation appears to originate from the micelle bridging of fibrils, which is schematically shown in Fig. The composition size (diameter: d) of each gelation composition in Fig. 7 is d Na +
Figure 112016041539777-pat00019
0.4 nm, d micelle
Figure 112016041539777-pat00020
10 nm, d CNF
Figure 112016041539777-pat00021
10 nm, and the length of CNFs is 1 占 퐉. Free micelles are shown in green, and CNF-bonded micelles are shown as red corona in the illustration.

비이온성 계면활성제 존재 하에서 탄력성의 크지 않은 증가는 연관성이 특히 활동적이지 못한 것을 나타낸다. 더 농축된 겔과 같은 CNFs(순수 용액, 0.6%)의 DLS 데이터를 고려하는 것은 흥미롭다. 자기상관 함수는 상당한 확장을 나타낸다.A small increase in elasticity in the presence of nonionic surfactant indicates that the association is not particularly active. It is interesting to consider DLS data of CNFs (pure solution, 0.6%) such as more concentrated gels. The autocorrelation function represents a significant expansion.

희석된 겔 같은 샘플의 자기상관 함수를 한계 지수들(g(t) = exp[-(t/τ)β]에 근사하는 것은 확연하게 지체되고 넓어진 완화 타임스케일을 반영한다(0.01 및0.6% 샘플에서, 각각 τ는 1.45 및 50 이고 β는 0.6 및 0.27임).Approximating the autocorrelation function of the diluted gel-like sample to the limit indices (g (t) = exp [- (t / τ) β ] reflects a noticeably delayed relaxed relaxation time scale (0.01 and 0.6% , Respectively, tau is 1.45 and 50 and beta is 0.6 and 0.27).

도 5b에서 보는 바와 같이 빠른 완화 모드의 변화는 현탁액의 점도 차이가 원인이 아니다. 5% TX100의 점도가

Figure 112016041539777-pat00022
1 mPa s이고 0.1% CNFs는
Figure 112016041539777-pat00023
0.2 Pa s인 반면에, CNFs에서 TX100 미셸의 완화시간의 2 자릿수 크기 차이는 비율
Figure 112016041539777-pat00024
2에 의해서만 변한다.As shown in FIG. 5B, the change in the rapid relaxation mode is not caused by the viscosity difference of the suspension. 5% The viscosity of TX100 is
Figure 112016041539777-pat00022
1 mPa s and 0.1% CNFs
Figure 112016041539777-pat00023
0.2 Pa s, while the two-digit magnitude difference of the relaxation time of TX 100 michel in CNFs is a ratio
Figure 112016041539777-pat00024
2 only.

이는 대부분의 미셸은 부분 점도(local viscosity)가 물의 점도인 피브릴 교차점에 의해서 정의되는 메쉬 공간 속에서 그저 자유롭게 확산된다는 아이디어와 일치한다. This is consistent with the idea that most michelles are just free to diffuse in the mesh space defined by the fibril crossing, where the local viscosity is the viscosity of the water.

게다가, TX100을 포함하는 0.1% CNF 현탁액의 점도는 실험적으로 TX100 함량의 함수로써 구별할 수 없다. 마지막으로, 자유 미셸 모드의 동일한 점진적인 감속은 더 희석된 시스템(0.01% CNFs)에서 관찰할 수 있다. 그러나 이는 시각화된 로그 스케일의 사용을 필요로 하는 TX100 미셸과 연관된 CNFs로부터 미세하게 산란된 신호 연관된 실험적 어려움에 의해서 혼동되어진다.In addition, the viscosity of a 0.1% CNF suspension containing TX100 can not be distinguished experimentally as a function of the TX100 content. Finally, the same gradual deceleration of the free michel mode can be observed in more diluted systems (0.01% CNFs). However, this is confounded by the experimental difficulties associated with finely scattered signals from CNFs associated with TX100 michelas that require the use of visualized logarithms.

비이온성 계면활성제의 경우와 대조적으로, 0.6% CNF 현탁액에서 4% 농도의 양이온(DTAB) 또는 음이온(SDS) 계면활성제의 존재는 피브릴 응집체(fibril aggregates)의 형성을 나타내는 혼탁한 외관으로부터 추론되어지는 현탁액 안정성의 손실을 가져온다. 도 8(a)는 8% 농도에서 상이한 계면활성제에 따른 0.6% CNFs를 나타내며, 계면활성제는 비이온성(0), 양이온성(+) 및 음이온성(-)으로 표시된다. 도 8(a)에 나타낸 바와 같이, DTAB가 존재하는 샘플은 뿌연 외관을 가진다. 그러나 0.02%(DTAB) 및 0.16%(SDS)의 저농도 계면활성제는 0.6% CNFs와 균일하고 광학적으로 투명한 겔 형성을 이끌어 낸다(도 8(b)). CNF 현탁액에서 0.02% 농도의 DTAB에 대한 저장 탄성률은 2.2 Pa이고, 0.08% DTAB에서 15.2 Pa까지 증가한다.In contrast to the case of nonionic surfactants, the presence of a 4% concentration of cation (DTAB) or anionic (SDS) surfactant in a 0.6% CNF suspension is deduced from the hazy appearance which indicates the formation of fibril aggregates Resulting in loss of suspension stability. Figure 8 (a) shows 0.6% CNFs with different surfactants at 8% concentration and the surfactants are shown as nonionic (0), cationic (+) and anionic (-). As shown in Fig. 8 (a), the sample in which DTAB exists has a cloudy appearance. However, low concentration surfactants of 0.02% (DTAB) and 0.16% (SDS) lead to uniform and optically clear gel formation with 0.6% CNFs (Fig. 8 (b)). The storage modulus for DTAB at 0.02% concentration in the CNF suspension is 2.2 Pa and increases from 0.08% DTAB to 15.2 Pa.

현탁액의 안정성이 상실되는 임계농도는 DTAB와 SDS가 각각 ~0.08% 및 ~1.6%이다. 그러나 놀랍게도, 세제 제품에 음이온성 계면활성제로 널리 사용되는 SLES의 첨가는 유사한 농도에서 CNF현탁액의 불안정화를 발생시키지 않았다. 심지어 8%에서 SLES는 시네레시스(syneresis)를 나타내며 투명하고 균질한 겔을 형성하였다.The critical concentrations at which the stability of the suspension is lost are ~ 0.08% and ~ 1.6% for DTAB and SDS, respectively. Surprisingly, however, the addition of SLES, which is widely used as anionic surfactant in detergent products, did not cause destabilization of the CNF suspension at similar concentrations. Even at 8%, SLES exhibited syneresis and formed a clear, homogeneous gel.

도 8(c)는 순수한 0.6% CNF 현탁액(■) 및 SLES가 4%(●), 8%(▲) 함유된 0.6% 현탁액의 G′와 G″를 나타내는 그래프이다(여기서, G′는 채색기호, G″는 실선기호임). 도 8(c)에 나타낸 바와 같이, SLES의 첨가는 고체와 유사한 거동의 잘 형성된 겔에 부합하는 거의 진동수에 무관한 저장 탄성률에서 G′와 G″의 증가와 전체 진동수 범위 이상에서 G′> G″로 이어진다. 겔 탄성률의 SLES 농도 의존성은 도 9(a)에서 확인할 수 있다(여기서, 점선은 순수한 현탁액의 탄성률을 나타냄). 오직 SLES가 더 높은 농도(16%)로 첨가될 때, CNF 현탁액의 불안정화가 있었다. 항복응력(τy) 및 항복 변형(

Figure 112016041539777-pat00025
)은 도 9(b)에 나타낸 바와 같다. 응력-변형율 데이터의 응력 값의 직선성(linearity)으로부터 부분편차 ε를 나타내는 점으로 결정된, 항복응력 τy(▲) 및 항복변형
Figure 112016041539777-pat00026
(▽)는 SLES 농도 의존성을 나타낸다(여기서, ε=0.05(상향 삼각형) 및 ε=0.10(하향 삼각형)).8 (c) is a graph showing the G 'and G''of a 0.6% suspension of pure 0.6% CNF and a 0.6% suspension of SLES containing 4% and 8%, wherein G' Symbol, G " is a solid line symbol). As shown in FIG. 8 (c), the addition of SLES increases the G 'and G "at almost frequency-independent storage modulus corresponding to a well-formed gel with a behavior similar to that of solid, ". The SLES concentration dependence of the gel modulus can be seen in Figure 9 (a), where the dashed line represents the modulus of the pure suspension. When SLES was added at a higher concentration (16%), there was destabilization of the CNF suspension. Yield stress (τ y ) and yield strain
Figure 112016041539777-pat00025
) Is as shown in Fig. 9 (b). The yield stress τ y (▴) and the yield strain (ε) determined from the linearity of the stress values of the stress-strain data,
Figure 112016041539777-pat00026
(∇) represents the SLES concentration dependence, where ε = 0.05 (upward triangle) and ε = 0.10 (downward triangle).

SLES의 첨가로 증가된 항복 응력은 CNF 농도를 증가시킨 순수한 현탁액에서 또한 관찰된 것처럼 항복 변형의 감소와 대응하여 일어난다. 여기서 조사된 5가지 계면활성제가 존재하는 CNF 현탁액의 안정성의 차이는 계면활성제 헤드그룹과 셀룰로오스 나노피브릴 사이의 상호작용 본질을 고려함으로써 합리화될 수 있다.Increased yield stress due to the addition of SLES occurs in response to a reduction in yield strain as observed also in the pure suspension with increased CNF concentration. The difference in stability of the CNF suspension in which the five surfactants are present can be rationalized by considering the nature of the interaction between the surfactant head group and the cellulose nanofibrils.

양이온성 계면활성제는 음으로 하전된 피브릴과 강하게 상호작용하는 것이 예상되므로, 피브릴 사이의 강한 미셸-브릿지 연결(micelle-bridged association)을 유도하는 것은 합리적일 뿐만 아니라 가능성 또한 있다. CNFs는 제타 전위가 약 -45 mV로 음으로 하전되는 반면에, 0.01% CNFs 현탁액에 0.5% DTAB의 첨가는 CNF에 DTAB 미셸의 제타 전위(거의 40 mV)에 필적하는 제타 전위를 가지는 양전하로의 하전을 야기한다.Since cationic surfactants are expected to interact strongly with negatively charged fibrils, it is not only reasonable but also probable to induce a strong micelle-bridged association between the fibrils. CNFs were negatively charged at about -45 mV while the addition of 0.5% DTAB to a 0.01% CNFs suspension resulted in a positive charge of zeta potential comparable to DTAB Michel's zeta potential (nearly 40 mV) Charge causes.

같은 음전하를 가지고 있음에도 불구하고, 음이온성 계면활성제 또한 셀룰로오스 표면과 상호작용하는 것으로 보여진다. 이는 pH의 증가와 감소하지만 셀룰로오스와 소듐 도데실벤젠 설폰산염(sodium dodecylbenzenesulfonate, NaDDBS)의 양호한 상호작용을 배제하지 않고 셀룰로오스 표면의 음전하가 증가하는 셀룰로오스에 대한 NaDDBS의 pH 의존적 방식으로 특징지어진다.Despite having the same negative charge, anionic surfactants are also seen to interact with the cellulose surface. This is characterized by the pH-dependent manner of NaDDBS on cellulose, which increases and decreases pH but increases the negative charge on the cellulose surface without excluding good interactions of cellulose with sodium dodecylbenzenesulfonate (NaDDBS).

비슷한 결과는 셀룰로오스에 대한 SDS에서도 나타난다. 셀룰로오스의 부분적 소수성 성질은 명목상 음으로 하전된 표면과 음으로 하전된 종(species)의 직관에 반대되는 연계를 설명하는 역할을 한다. 5%의 순수한 계면활성제 용액의 제타 전위로의 증가(즉, SDS 및 SLES의 제타전위는 각각 -60mV 및 -70mV임)가 뒤따르는 제타 전위 측정은 음이온성 계면활성제의 첨가와 함께 처음으로 감소를 나타낸다. SDS에 비하여, 임계 농도 경향과 일치하는 CNFs의 제타 전위를 포화시키기 위해서 더 높은 농도의 SLES가 필요하다.A similar result also appears in the SDS for cellulose. The partial hydrophobic nature of cellulose plays a role in explaining the opposite connection to the intuition of nominally negatively charged surfaces and negatively charged species. Zeta potential measurements followed by an increase in zeta potential (ie, SDS and SLES zeta potentials of -60 mV and -70 mV, respectively) of a 5% pure surfactant solution were the first to decrease with the addition of anionic surfactant . Compared to SDS, a higher concentration of SLES is required to saturate the zeta potential of CNFs consistent with the threshold concentration profile.

상기 결과는 SDS에 의해 유도된 인력이 SDS, CNFs 모두 음으로 하전되었다는 사실에도 불구하고, TX100 또는 Pluronic F68에 의해 유도된 것보다 더 강하다는 것을 보여준다. 따라서 에톡시화 헤드그룹이 선호되지만, CNFs와 매우 약한 상호작용을 갖고있다고 결론지었다.The results show that the attraction induced by SDS is stronger than that induced by TX100 or Pluronic F68, despite the fact that both SDS and CNFs were negatively charged. Thus, ethoxylated head groups are preferred, but conclude that they have very weak interactions with CNFs.

마지막으로, SDS 및 SLES 사이의 거동의 현저한 차이는 SDS에 대하여 피브릴 응집체를 유도하기 위해 필요한 SLES 농도의 급격한 상승을 유발하는 친수성 헤드그룹인 에틸렌 옥사이드 단위(ethylene oxide units)의 존재에 대한 상기 결과와 일치한다. 본원 발명에서 임계 불안정 농도는 명목상 계면활성제의 CMCs와 상관관계가 없다.Finally, a significant difference in the behavior between SDS and SLES is that the above results for the presence of ethylene oxide units, a hydrophilic head group, cause a sharp rise in the SLES concentration needed to induce fibril aggregates for SDS . In the present invention, the critical instability concentration is nominally uncorrelated with the CMCs of the surfactant.

시스템의 특성은 계면활성제의 첨가에 대한 탄성률의 증가와 비이온성 계면활성제의 경우 현탁액의 안정성의 최종 상실에 의해 특징지어진다. 광산란 측정은 미셸과 피브릴의 연계를 나타내는데, 피브릴의 미셸 브릿징(micelle-bridging)으로 인해서 낮은 CNF 농도에서의 겔화와 더 높은 CNF 농도에서의 겔 기준의 강화가 발생하는 것을 나타낸다. 본 발명에 사용된 하전된 계면활성제는 SLES를 제외하고는 겔 네트워크에 강력한 불안정화 효과를 가졌는데, 저농도에서는 CNF 현탁액의 저장 탄성률이 유사하게 증가했지만, 고농도에서는 현탁액이 불안정해졌다.The properties of the system are characterized by an increase in the modulus of elasticity with the addition of the surfactant and a final loss of stability of the suspension in the case of nonionic surfactants. Light scattering measurements indicate the michel-fibril linkage, indicating micelle-bridging of the fibrils resulting in gelation at low CNF concentrations and gel-based enhancement at higher CNF concentrations. The charged surfactant used in the present invention had a strong destabilizing effect on the gel network except for SLES. At low concentrations, the storage modulus of the CNF suspension increased similarly, but at high concentrations the suspension became unstable.

현탁액의 안정성 상실에 대한 임계 SLES 및 SDS 농도 사이의 중요한 차이와 에톡시화된 비이온성 계면활성제 존재 하에서의 높은 안정성은, 계면활성제를 함유하는 현탁액에서 피브릴 간의 인력 강도(attraction strength)를 완화시키는데 에톡시화된 헤드그룹이 중요한 역할을 한다는 것을 제시한다.Significant differences between the critical SLES and SDS concentrations for the loss of stability of the suspension and the high stability in the presence of ethoxylated nonionic surfactants are due to the reduction of the attraction strength between the fibrils in the suspension containing the surfactant, Head group plays an important role.

요약하자면, 순수한 현탁액은 투명한 항복 응력 유체로 강한 전단 유동화와 G' ~ c2.1로 나타나는 농도에 대한 탄성 계수의 멱법칙 의존성을 보여준다. 임계 질량 농도 Cc 미만의 계면활성제 첨가는 광학적 투명도 유지와 함께 겔 기준을 증가시킨다. 임계 농도보다 크면 현탁액 안정성 및 광학 선명도 상실과 응집체의 침강을 초래하는 상당한 피브릴 응집체를 유발시킨다. 임계 농도는 양이온성 현탁액(DTAB)의 가장 낮은 반면에(Cc

Figure 112016041539777-pat00027
0.08%), 비이온성 현탁액(Pluronic F68 또는 TX100)은 8%까지의 농도에서 현탁액 안정성이 유지된다. In summary, pure suspensions show a strong shear fluidization with a transparent yielding stress fluid and a power law dependence of the modulus of elasticity over the concentration expressed as G '~ c 2.1 . The addition of surfactants below the critical mass concentration Cc increases the gel reference with maintaining optical clarity. Larger than the critical concentration results in significant fibril aggregates, resulting in suspension stability and loss of optical clarity and sedimentation of aggregates. The critical concentration is the lowest of the cationic suspension (DTAB), while (Cc
Figure 112016041539777-pat00027
0.08%), nonionic suspensions (Pluronic F68 or TX100) maintain suspension stability at concentrations up to 8%.

음이온성 현탁액 SDS는 Cc

Figure 112016041539777-pat00028
1.6%에서 안정성 상실이 일어나는 반면에, 음이온성의 SLES는 8% 농도까지 현탁액 안정성이 유지된다. 동적 광 산란 데이터는 셀룰로오스 피브릴과 에톡시화된 계면활성제 헤드그룹의 결합 상호작용에 의해 매개되는 미셸-나노피브릴 브릿징에 의한 겔 형성 시나리오와 일치한다. 이는 SDS 및 SLES로 개질된 현탁액 특성 사이의 강력한 차이를 설명한다. 이러한 결과는 계면활성제를 함유한 시스템에서 레올로지 개질제로서 CNFs의 사용을 암시하고 있다.The anionic suspension, SDS,
Figure 112016041539777-pat00028
While stability loss occurs at 1.6%, the anionic SLES maintains suspension stability to 8% concentration. Dynamic light scattering data is consistent with gel formation scenarios by Michel-nano fibril bridging mediated by the binding interactions of cellulose fibrils with ethoxylated surfactant head groups. This explains the strong differences between SDS and SLES modified suspension properties. These results imply the use of CNFs as rheology modifiers in systems containing surfactants.

Claims (15)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 질량 농도 8% 프루로닉 F68(Pluronic F68) 비이온성 계면활성제와 질량 농도 0.6% 셀룰로오스 나노피브릴을 포함하는 용액이며,
상기 용액은 진동수 ω가 10-1 rad.s-1일 때, 저장탄성률 G'이 2 Pa, 손실탄성률 G''은 0.8 Pa이며, 진동수 ω가 10 rad.s-1 일 때, 저장탄성률 G'이 5 Pa, 손실탄성률 G''은 3 Pa인, 용액.
A solution containing a mass concentration of 8% Pluronic F68 nonionic surfactant and a mass concentration of 0.6% cellulose nanofibrils,
The solution is a frequency ω is 10 -1 rad.s -1 day time, the storage modulus G 'is 2 Pa, the loss modulus G''is 0.8 Pa, the frequency, the storage modulus when ω is 10 days rad.s -1 G '5 Pa, loss elastic modulus G''is 3 Pa.
질량 농도 8% 프루로닉 F68(Pluronic F68) 비이온성 계면활성제와 질량 농도 0.6% 셀룰로오스 나노피브릴의 혼합 단계를 포함하고, 혼합된 용액은 진동수 ω가 10-1 rad.s-1일 때, 저장탄성률 G'이 2 Pa, 손실탄성률 G''은 0.8 Pa이며, 진동수 ω가 10 rad.s-1 일 때, 저장탄성률 G'이 5 Pa, 손실탄성률 G''은 3 Pa인, 용액의 점도 조절방법.A mass concentration of 8% Pluronic F68 nonionic surfactant and a mass concentration of 0.6% cellulose nano-fibril, and the mixed solution has a viscosity at a frequency ω of 10 -1 rad.s -1 , A storage modulus G 'of 5 Pa and a loss modulus G "of 3 Pa when the storage modulus G' is 2 Pa, the loss modulus G" is 0.8 Pa, and the frequency ω is 10 rad.s -1 . Viscosity control method.
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