KR102051131B1 - 나노셀룰로오스 제조를 위한 면펄프의 전처리방법 및 그 면펄프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 면펄프를 나노셀룰로오스를 제조하는 기계장치에 공급하기 전에 건식 분쇄기를 이용하여 분쇄물화 시키고, 이 분쇄물을 분급 처리하여 섬유길이가 긴 장섬유분을 제거하고 지료 농도를 높여 호모게나이저로 공급하는 방법 및 그 방법을 사용하는 면펄프를 제공함으로써, 면펄프를 원료로 하는 나노셀룰로오스를 막힘 없이 연속적으로 제조할 수 있다.

Description

나노셀룰로오스 제조를 위한 면펄프의 전처리방법 및 그 면펄프{METHOD FOR PRE-TREATMENT OF COTTON PULP FOR COTTON-BASED NANOCELLULOSE MANUFACTURING AND COTTON PULP THEREOF}

본 발명은 나노셀룰로오스(nanocellulose) 제조를 위한 면펄프의 전처리방법 및 그 면펄프에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 면펄프를 원료로 하는 나노셀룰로오스를 제조할 때 호모게나이저(homogenizer) 투입 전에 면펄프를 전처리함으로써, 섬유길이로 인하여 호모게나이저 투입시 막힘 현상이 발생하는 것을 방지하여 나노셀룰로오스를 연속적으로 제조할 수 있도록 하는 전처리방법과 상기 방법을 사용한 면펄프에 관한 것이다.

나노셀룰로오스는 나무의 주성분인 셀룰로오스를 나노(10억분의 1미터) 수준으로 분해한 고분자 물질로, 강한 기계적 강도와 열 안정성을 가지며 친환경적이고 기존 화학합성 소재와 비교하여 가격 경쟁력이 우수하다. 2000년대부터 펄프를 미세화된 구조로 처리하면 다양한 특성을 발현할 수 있음이 북유럽, 북미 및 일본의 연구기관에서 연구되었다. 이들은 마이크로 수준 또는 나노화된 셀룰로오스를 제조하면 강도적 특성 및 광학적 특성 등이 달라질 수 있음을 확인하였다. 대한민국 등록특허 제10-0946630에서는 알칼리로 처리된 나노셀룰로오스 섬유로 고강도 종이를 제조하는 방법을 다루고 있다. 나노 또는 마이크로 수준으로 처리된 셀룰로오스는 강도향상의 측면에서 많이 검토되고 있다.

펄프를 원료로 나노셀룰로오스를 제조하는 방법은 크게 기계적인 방법과 화학적인 방법으로 나뉘는데 본 발명에서는 기계적인 방법에 의한 나노셀룰로오스의 제조를 다룬다. 기계적인 방법으로 펄프를 나노화시키는 방법은 크게 그라인딩(grinding)과 호모게나이징(homogenizing) 방법이 있는데, 일반적인 펄프는 섬유길이가 길기 때문에 이러한 기계장치에 투입하게 되면 막힘 현상이 발생하는 문제점이 있다. 즉, 섬유길이가 긴 상태에서 지료의 농도가 높으면 물과 섬유가 따로 분리되는 현상 등으로 인하여 물은 먼저 통과하지만 섬유는 통과가 안되어 결국은 농도가 더 높아져서 막힘현상이 발생하여 운전이 불가능해진다. 따라서, 이러한 막힘현상으로 인하여 나노셀룰로오스를 연속적으로 제조할 수 없게 되는 문제가 발생한다. 또한, 이러한 막힘 현상을 극복하기 위하여 일반적으로 접근되는 방식이 제지공정에서 섬유길이를 짧게 하는 장치인 비터 또는 리파이너이지만 처리용량, 에너지소모량, 장치규모 등에서 문제점을 가진다.

KR 10-0946630.

본 발명은 종래기술의 문제점들을 해결하는 것을 목적으로 하는 것으로, 구체적으로는 면펄프를 원료로 하는 나노셀룰로오스를 제조할 때 섬유길이로 인하여 호모게나이저 투입시 막힘 현상이 발생하여 나노셀룰로오스를 연속적으로 제조할 수 없게 되는 문제점을 해결하기 위해, 호모게나이저 투입 전에 면펄프를 전처리하는 방법과 상기 방법을 사용한 면펄프를 제공한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 나노셀룰로오스 제조를 위한 면펄프의 전처리방법에 있어서, 상기 면펄프를 분쇄 시키는 건식 분쇄 단계; 및 상기 건식 분쇄 단계에서 분쇄된 면펄프를 분급 처리하여 평균 섬유 길이를 특정 길이 이하가 되도록 하는 분급 처리 단계를 포함하는, 나노셀룰로오스 제조를 위한 면펄프의 전처리방법이 제공된다.

상기 건식 분쇄 단계는, 나이프 커터(knife cutter) 방식을 사용할 수 있다.

상기 건식 분쇄 단계는, 구멍 크기가 0.25mm 이하의 스크린을 사용하여 건식 분쇄 시키는 것일 수 있다.

상기 분급 처리 단계는, 상기 분급 처리된 면펄프가 투입되는 호모게나이저가 막힘없이 운전될 수 있도록 최대 농도로 분급 처리되는 것일 수 있다.

상기 최대 농도는 0.6% 이상일 수 있다.

상기 특정 길이는 0.4mm일 수 있다.

또한, 다른 일 실시예에 따르면, 전술한 각 방법에 따른 전처리된 면펄프가 제공된다.

또한, 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 전처리된 면펄프를 사용하여 제조된 나노셀룰로오스가 제공된다.

이상과 같이, 본 발명에 따르면, 면펄프를 나노셀룰로오스를 제조하는 기계장치에 공급하기 전에 건식 분쇄기를 이용하여 분쇄물화 시키고, 이 분쇄물을 분급 처리하여 섬유길이가 긴 장섬유분을 제거하고 지료 농도를 높여 호모게나이저로 공급하는 방법 및 그 방법을 사용하는 면펄프를 제공함으로써, 면펄프를 원료로 하는 나노셀룰로오스를 막힘 없이 연속적으로 제조할 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노셀룰로오스 제조를 위한 면펄프의 전처리방법을 예시적으로 나타낸 순서도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명의 실시예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않도록 생략하였다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

또한, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

펄프를 원료로 나노셀룰로오스를 제조하기 위해서는 그라인딩 또는 호모게나이징 기계장치를 사용하여 펄프를 나노화시켜야 한다. 종래의 방법으로 면펄프를 원료로 호모게나이저를 이용하여 나노셀룰로오스를 제조하는 경우, 일반적인 제지용 면펄프를 고해만 하여 호모게나이저에 투입하면 섬유길이가 너무 길어 투입구가 막히게 되어 원활한 나노셀룰로오스의 제조가 어렵게 된다. 따라서, 섬유길이가 너무 길지 않도록 해야 할 필요가 있다.

투입되는 지료의 농도관점에서 보면, 단위시간당 생산량 측면에서는 지료 농도는 높을수록 좋은 측면이 있고, 호모게나이저의 고속 노즐을 통과하면서 섬유가 나노화 되기 위해서는 전단, 충격 등의 내부에너지가 필요한데 이 또한 농도가 높을수록 유리한 측면이 있다. 따라서, 면펄프를 원료로 호모게나이저를 이용하여 나노셀룰로오스를 제조하는 경우, 효과적인 나노화를 위해서는 지료농도를 일정 농도 이상으로 하여 운전을 하는 것이 필요하다.

본 발명은 이러한 식견에 기초한 것으로서, 반복적인 실험을 통하여, 효과적인 전처리 방법을 제시하고자 한다. 즉, 호모게나이저 투입전에 면펄프를 분쇄하여 분급 과정을 거쳐서 면펄프를 최적의 평균 길이를 가지도록 하고, 또한, 지료를 일정 농도 이상으로 함으로써, 호모게나이저 투입시 막힘현상이 없이 효율적인 연속적인 생산이 가능하게 하도록 하는 전처리방법을 제시하고자 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노셀룰로오스 제조를 위한 면펄프의 전처리방법을 예시적으로 나타낸 순서도이다.

도 1을 참조하면, S10 단계에서는 면펄프를 건식 분쇄(dry milling)한다.

펄프를 분쇄하는데 사용되는 분쇄기는 습식 분쇄기와 건식 분쇄기로 나뉜다. 비터(beater)나 리파이너(refiner)를 사용하는 습식 분쇄기는 처리농도가 3~4% 미만으로 나노셀룰로오스를 대량으로 생산하는 공정에서는 처리량이 매우 적고 농축기 등의 추가 설비가 필요하다. 또한, 에너지 소모량도 건량 기준으로 분석하면 건식 분쇄기에 비하여 높은 단점을 가진다.

이에 비하여 펄프를 건식 분쇄하는 경우에는 습식 분쇄에 비하여 처리량이 많고 농축기 등의 추가 설비가 필요하지 않고, 에너지 소모량도 건량 기준으로 분석하면 습식 분쇄기에 비하여 낮은 장점이 있다. 다만, 내부에 발생하는 열로 인해 셀룰로오스의 중합도가 감소하는 문제가 있어 처리량의 제한을 받지만, 나노셀룰로오스를 제조함에 있어서는 중합도 감소가 오히려 나노화에 긍정적인 작용을 할 수 있다.

펄프는 천연고분자로서 고분자를 대표하는 물성 중 중합도라는 항목이 있는데 일반적으로 중합도가 높으면 섬유 고유강도가 높다. 섬유 고유강도가 높으면 기계적인 절단에 대한 저항성이 크다. 건식 분쇄를 실시하면 분쇄과정에서 온도가 올라가는데, 섬유길이가 짧아지는 측면도 있지만 온도에 의해서 중합도가 감소하게 된다. 따라서 습식으로 분쇄하는 경우 보다 건식으로 분쇄하면 보다 더 중합도가 감소하고 이는 셀룰로오스의 나노화에 긍정적으로 작용하게 되는 것이다

건식 분쇄기는 독일 Netzsch-condux사의 파일럿 분쇄기를 사용할 수 있다. 펄프는 분쇄기의 상부에서 투입되고, 분쇄기의 내부는 고정칼과 회전칼로 구성되며 서로 맞닿는 곳에서 펄프가 분쇄된다. 분쇄기의 하부는 굴곡진 형태로 스크린이 장착되어 있고 스크린의 구멍 크기는 여러 가지로 변경할 수 있으며 그 아래에서 진공의 흡입력에 의하여 스크린의 구멍보다 작은 분쇄물은 아래로 배출된다.

S20 단계에서는 S10 단계에서 얻어진 분쇄물을 분급 처리한다.

분급 처리 과정을 거쳐 펄프 분쇄물의 장섬유분을 제거함으로써, 호모게나이저로 막힘 없이 운전할 수 있도록 할 수 있다. 호모게나이저로 막힘이 없이 운전이 가능한 최대 농도를 얻을 수 있도록, 펄프 분급기를 다양한 조건으로 스크리닝하여 최적의 조건을 찾을 수 있다.

펄프 분쇄물의 펄프 분급기는 독일 Retsch사의 제품을 사용할 수 있다. 체(sieve)의 크기는 32~400㎛ 사이의 여러 단으로 이루어져 있으며 진동범위, 시간조절 및 인터벌 조정 등 다양한 조건으로 스크리닝이 가능하다.

호모게나이저는 독일 GEA사의 Panda Plus를 사용할 수 있다. 오리피스(orifice) 구조로 만들어진 노즐에 고속으로 유체를 통과시키면 전단, 충격 등의 물리적인 작용에 의하여 초음속의 유체 상태가 되며 이렇게 통과된 유체는 내부에너지에 의해서 입자가 나노 크기로 쪼개지게 된다. 이렇게 미세한 나노 크기가 되면 유체는 물과 섬유가 따로 구분되는 상태가 아닌 전체가 균질한 분산상태를 유지하게 된다.

이하 실시 예를 통해 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

<비교예>

점도 70 cPs 인 면펄프를 실험실용 고해기를 이용하여 농도 1.5%, 하중 5kg의 조건으로 고해도 90±2 °SR 에 도달할 때까지 고해 처리 하였고 이때 소요된 시간은 154분이었다.

<실시예 1>

점도 70 cPs 인 면펄프를 독일 Netzsch-condux사의 나이프 커터(knife cutter) 방식 건식 분쇄기를 이용하여 파일럿 분쇄를 실시하였다. 스크린은 구멍 크기가 0.20mm인 스크린을 사용하였고 한 시간 동안 60kg을 분쇄하는 조건으로 분쇄를 실시하였다.

시간당 분쇄량 및 분쇄기 내부에서 측정된 온도 등에 의하여 계산된 분쇄에 소모된 에너지는 82kcal/kg으로 분석되었다.

<실시예 2>

점도 70 cPs 인 면펄프를 독일 Netzsch-condux사의 건식 분쇄기를 이용하여 파일럿 분쇄를 실시하였다. 스크린은 구멍 크기가 0.25mm인 스크린을 사용하였고 한 시간 동안 60kg을 분쇄하는 조건으로 분쇄를 실시하였다.

시간당 분쇄량 및 분쇄기 내부에서 측정된 온도 등에 의하여 계산된 분쇄에 소모된 에너지는 60kcal/kg으로 분석되었다.

<실시예 3>

실시예 2에서 얻어진 분쇄물을 독일 Retsch사의 펄프 분급기를 이용하여 분급을 실시하였다. 분급을 위한 체(sieve)는 400, 315, 140 및 32미크론을 사용하여 최적의 체를 얻기 위한 실험을 반복하였고, 실험 결과 얻어진 바람직한 최적의 체는 400미크론이었다.. 표 1의 펄프 분쇄물의 분급 조건에서 분쇄물 100g을 10분간 400미크론의 체를 통과하는 분급을 실시하였다.

Amplitude	Interval	Time
2.0 mm/g	10 sec	30 min

<나노셀룰로오스 제조를 위한 호모게나이저 투입적성 분석>

비교예와 실시예에서 제조된 분쇄물의 호모게나이저 투입 적성을 분석한 결과는 표 2와 같다.

표 2에서 언급된 평균 섬유 길이는 스웨덴 L&W사의 섬유특성분석기(fiber tester)로 측정하였다. 0.5mm 간격의 유리판 사이로 섬유를 흘려보내고, 아래에서 빛을 비추고 위에서 섬유의 이미지를 얻어 일종의 화상분석을 통하여 길이, 폭, 굽은 정도 등을 측정하였다. 표 2에서 언급된 호모게나이저 투입가능 농도는 호모게나이저로 막힘없이 운전이 가능한 최대 농도이다.

	평균 섬유길이(mm)	호모게나이저 투입가능 농도 (%)
비교예	0.72	0.1
실시예 1	0.45	0.5
실시예 2	0.53	0.4
실시예 3	0.40	0.6

상기 기술한 비교예와 실시예에서 제조된 펄프 분쇄물의 평균 섬유길이를 평가하고 호모게나이저에서 막힘없이 운전할 수 있는 최대 농도를 분석한 결과, 건식 분쇄기를 이용하여 구멍 크기가 0.25mm인 스크린을 사용한 후 장섬유분을 제거하는 것이 가장 바람직함을 알 수 있었다. 즉, 호모게나이저를 이용하여 나노셀룰로오스를 제조하는 경우 0.6% 이상의 농도에서 막힘 없는 운전을 위하여 원료의 평균섬유길이가 0.4mm 이하인 것이 바람직함을 확인하였다.

실시예 3의 방법으로 전처리된 면펄프를 호모게나이저에 투입하면, 막힘 없이 연속적으로 나노셀룰로오스를 제조할 수 있다.

또한, 지료 농도가 높아짐으로써 높은 생산성을 가진 나노셀룰로오스를 제조할 수 있다.

또한, 건식 분쇄를 사용하였기 때문에 중합도가 감소하여 기계적인 절단에 대한 저항성이 작아 나노화가 더 잘된 나노셀룰로오스를 제조할 수 있다.

이상과 같이, 면펄프를 나노셀룰로오스를 제조하는 기계장치에 투입하기 전에 건식 분쇄기를 이용하여 분쇄물화 시키고, 이 분쇄물을 분급 처리하여 섬유길이가 긴 장섬유분을 제거하여 호모게나이저로 공급하는 전처리방법 및 그 전처리방법을 사용하는 면펄프를 제공함으로써, 면펄프를 원료로 하는 나노셀룰로오스를 막힘 없이 연속적으로 제조할 수 있다. 또한, 지료 농도가 높아짐으로써 높은 생산성을 가지므로 추가 설비의 필요가 없고 에너지 소모량도 낮출 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명은 도면에 도시된 제조 단계와 상술한 실시예의 방법을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하고, 상술한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시 예일 뿐이며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

1. 나노셀룰로오스 제조를 위한 면펄프의 전처리방법에 있어서,
   상기 면펄프를 분쇄 시키는 건식 분쇄 단계; 및
   상기 건식 분쇄 단계에서 분쇄된 면펄프를 분급 처리하여 평균 섬유 길이를 0.4mm 이하가 되도록 하는 분급 처리 단계;
   를 포함하고,
   상기 건식 분쇄 단계는, 구멍 크기가 0.25mm 이하의 스크린을 사용하여 건식 분쇄 시키는 단계인 것을 특징으로 하는 나노셀룰로오스 제조를 위한 면펄프의 전처리방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 건식 분쇄 단계는, 나이프 커터(knife cutter) 방식을 사용하는 것을 특징으로 하는, 나노셀룰로오스 제조를 위한 면펄프의 전처리방법.
   
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