KR102073523B1 - A method of pulverizing a cellulose raw material exhibiting low energy characteristics, a method of producing cellulose microfibers containing the same, and a device of producing cellulose microfibers - Google Patents

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Abstract

The present invention discloses a method for dissociating and extracting a cellulose raw material, comprising a first step in which a cellulose raw material and a swelling agent are mixed to swell the cellulose raw material and a second step of adding a sublimating material to the swollen cellulose raw material; a method for producing cellulose microfibers, including the method for dissociating and extracting a cellulose raw material; cellulose microfibers produced according to the production method of cellulose microfibers; and an apparatus for producing cellulose microfibers in which the production method of the cellulose microfibers can be performed. The method for producing cellulose microfibers of the present invention has advantages in terms of production cost, performance conditions, etc.

Description

저에너지 특성을 나타내는 셀룰로오스 원료의 해리 및 추출방법, 이를 포함하는 셀룰로오스 미세섬유의 제조방법, 및 셀룰로오스 미세섬유의 제조장치{A method of pulverizing a cellulose raw material exhibiting low energy characteristics, a method of producing cellulose microfibers containing the same, and a device of producing cellulose microfibers}A method of pulverizing a cellulose raw material exhibiting low energy characteristics, a method of producing cellulose microfibers containing a method for dissociating and extracting cellulose raw materials exhibiting low energy characteristics, a method for producing cellulose microfibers including the same, and an apparatus for producing cellulose microfibers the same, and a device of producing cellulose microfibers}

본 발명은 저에너지 특성을 나타내는 셀룰로오스 원료의 해리 및 추출방법, 이를 포함하는 셀룰로오스 미세섬유의 제조방법, 및 셀룰로오스 미세섬유의 제조장치 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 승화성 물질을 사용하여 에너지소모를 개선한 셀룰로오스 원료의 분쇄방법, 이를 포함하는 셀룰로오스 미세섬유의 제조방법, 및 셀룰로오스 미세섬유의 제조장치, 상기 제조방법에 따라 제조된 셀룰로오스 미세섬유에 관한 것이다.The present invention relates to a method for dissociating and extracting cellulose raw materials exhibiting low energy characteristics, a method for producing cellulose microfibers including the same, and an apparatus for producing cellulose microfibers, and more specifically, to improve energy consumption by using a sublimable material. The present invention relates to a method for pulverizing cellulose raw materials, a method for producing cellulose microfibers including the same, and an apparatus for producing cellulose microfibers, and cellulose microfibers produced according to the above method.

나노기술(NT: nanotechnology)이란, 나노 크기 입자의 재료가 가진 특유의 특성을 이용하여 원하는 특성을 얻는 기술이다. 종래의 화석연료를 바탕으로 하는 고분자 화합물의 환경적인 문제점을 해결하기 위하여, 나노기술의 연구와 함께 친환경적인 고분자에 대한 관심이 높아지고 있다. 친환경적인 고분자의 대표적이 예시로서 셀룰로오스에 대한 관심이 꾸준히 증가하고 있다. Nanotechnology (NT) is a technique of obtaining desired characteristics by using the unique characteristics of nano-sized particles. In order to solve environmental problems of polymer compounds based on conventional fossil fuels, interest in environmentally friendly polymers is increasing along with research of nanotechnology. As a representative example of environmentally friendly polymers, interest in cellulose is steadily increasing.

셀룰로오스는 자연계에 존재하는 가장 흔한 고분자물질 중 하나이다. 따라서, 셀룰로오스는 공급의 관점에서 이점을 가지며, 재생산 또한 가능하다. 더하여, 셀룰로오스는 원유로부터 합성되는 고분자 화합물에 비하여 생물학적 분해가 용이하다는 특장점을 가진다.Cellulose is one of the most common polymers in nature. Thus, cellulose has advantages in terms of supply, and reproduction is also possible. In addition, cellulose has the advantage of being easily biodegradable compared to the polymer compound synthesized from crude oil.

셀룰로오스는 β-(1-4) 결합으로 연결된 두 개의 글루코오스, 즉 셀로비오스 (cellobiose)의 연속된 결합으로 이루어져 있으며 결합의 수를 중합도 (Degree of polymerization, DP)로 표기하는데 자연계에서 목재의 경우 약 10,000 정도이고 면의 경우 15,000 정도이다. 중합도는 셀룰로오스 체인의 길이와 관련이 있으며 이러한 셀룰로오스 체인이 모여 세포벽 내에서 하나의 구조체를 이루는데 이를 마이크로피브릴 (Microfibril)이라고 한다. 마이크로피브릴은 물리적 또는 화학적으로 단리 시킬 수 있는 최소단위의 셀룰로오스 나노물질로써, 폭은 약 4~5nm이다. 나노셀룰로오스는 직경 혹은 길이가 nm인 것의 총칭이며, 통상 CNF(Cellulose Nanofibers), MFC(Microfibrillated Cellulose)로 불리운다. 마이크로피브릴들은 축 방향을 기준으로 나선형으로 배열 및 군집하여 마이크로피브릴 다발을 구성하는데 이러한 마이크로피브릴 사이 또는, 체인의 일부가 비 결정영역으로 되어 있다.Cellulose consists of successive bonds of two glucoses, or cellobioses, connected by β- (1-4) bonds. The number of bonds is expressed in degrees of polymerization (DP). About 10,000 and about 15,000 for cotton. The degree of polymerization is related to the length of the cellulose chains and these cellulose chains form a structure in the cell wall, called microfibril. Microfibrils are the smallest units of cellulose nanomaterials that can be physically or chemically isolated and are about 4-5 nm wide. Nanocellulose is a generic term for nm or diameter in diameter and is commonly called CNF (Cellulose Nanofibers) or MFC (Microfibrillated Cellulose). The microfibrils are arranged and clustered helically in the axial direction to form a microfibril bundle, in which the microfibrils, or part of the chain, are amorphous regions.

한편, 셀룰로오스 원료를 단리(短籬)하는 방법은 크게 화학적 공정, 생물학적 공정, 및 물리적 공정으로 구분된다. 화학적 공정은 산 촉매 등을 부가하여 셀룰로오스 고분자를 구성하는 글리코사이드 결합(Glycosidic bond)를 화학적으로 해리시키는 공정을 통칭하는 개념이다. 셀룰로오스가 산에 의해 가수분해될 때, 상술한 바와 같은 비결정영역이 결정영역에 비해 가수분해되는 속도가 빠르기 때문에 적절한 조건으로 셀룰로오스를 가수분해하면 주로 결정영역으로 이루어진 휘스커 형태의 셀룰로오스 나노결정체를 얻을 수 있다. 이러한 셀룰로오스 나노결정체는 결점이 없고, 약 150 GPa 정도의 탄성계수를 가지며, 내산성이 뛰어나기 때문에 복합재료, 의공학용 복합소재 등으로 활용될 수 있다.On the other hand, the method of isolating a cellulose raw material is largely divided into a chemical process, a biological process, and a physical process. The chemical process is a concept that collectively refers to a process of chemically dissociating a glycoside bond constituting a cellulose polymer by adding an acid catalyst or the like. When the cellulose is hydrolyzed by an acid, the above-mentioned amorphous region is hydrolyzed faster than the crystalline region. Therefore, when cellulose is hydrolyzed under appropriate conditions, it is possible to obtain a whisker-shaped cellulose nanocrystal mainly composed of the crystalline region. have. These cellulose nanocrystals have no defects, have an elastic modulus of about 150 GPa, and have excellent acid resistance, and thus may be used as composite materials and composite materials for medical engineering.

다만, 화학적 공정에서는 셀룰로오스 원료 등의 수분산성 개선 등을 목적으로 하여, 통상적으로 황산과 같은 강산 촉매가 사용된다. 공정상의 위험성, 가수분해 후 분리 및 세척의 어려움, 폐수처리에 따른 환경적인 문제 등이 대량생산의 제한조건이 될 수 있다. 더하여, 가수분해 과정에서 셀룰로오스 나노결정체의 표면에 황산기가 치환될 수 있으며, 상기 황산기는 셀룰로오스 섬유의 물성 저하를 초래할 수 있다.In the chemical process, however, a strong acid catalyst such as sulfuric acid is usually used for the purpose of improving the water dispersibility of a cellulose raw material or the like. Process risks, difficulties in separation and washing after hydrolysis, and environmental problems from wastewater treatment can be the limitations of mass production. In addition, sulfuric acid groups may be substituted on the surface of the cellulose nanocrystals during the hydrolysis process, and the sulfuric acid groups may cause deterioration of physical properties of cellulose fibers.

한편, 생물학적 공정은 셀룰로오스의 글리코사이드 결합을 분해할 수 있는 박테리아를 사용하는 방식이다. 생물학적 공정은 박테리아에 의하여, 셀룰로오스가 균일하게 분해되어 바텀-업(bottom-up) 방식으로 셀룰로오스 미세섬유를 제조하는 것이 특히 용이하다는 장점이 있다. 다만, 박테리아의 배양 및 유지에 소모되는 비용이 상당하고, 수율이 높지 않아 공업적인 생산이 제한된다는 한계점이 있다.Biological processes, on the other hand, use bacteria that can break down the glycoside bonds of cellulose. The biological process has the advantage that it is particularly easy to produce cellulose microfibers in a bottom-up manner by uniform decomposition of cellulose by bacteria. However, the cost of culturing and maintaining bacteria is considerable, and the yield is not high, there is a limit that industrial production is limited.

화학적 공정 및 생물학적 공정과 달리, 물리적 공정은 셀룰로오스에 외력을 투사하여 셀룰로오스의 단리를 유도하는 공정을 통칭하는 개념이다. 물리적 공정의 예시로서, 고강도 초음파 처리, 고압의 refiner 처리, grinder 처리, 고압의 homogenizer 처리 등이 있다. 물리적 공정은 다른 공정에 비하여 공정 자체가 단순하며, α-아노머의 형성이 제한적이고 셀룰로오스 미세섬유에 정질과 비정질이 비교적 균일하게 포함되어 개선된 물성을 가진다는 특장점이 있다.Unlike chemical and biological processes, physical processing is a concept that collectively refers to a process of inducing isolation of cellulose by projecting external force on cellulose. Examples of physical processes include high intensity sonication, high pressure refiner treatment, grinder treatment, high pressure homogenizer treatment and the like. The physical process is simple compared to other processes, and has the characteristics that the formation of the α-anomer is limited and that the cellulose microfibers contain crystalline and amorphous relatively uniformly and thus have improved physical properties.

다만, 종래의 물리적 공정은 1 톤의 셀룰로오스 미세섬유 제조 시에 약 70,000KWh 내외의 에너지가 소모된다는 결정적인 한계점을 가지고 있었다. 가령, 고압균질기의 사용 시 상기 에너지 소모는 3,000 bar의 압력조건으로 구현될 수 있고, 균질화의 과정에서 순간적으로 발생하는 열은 250 ℃ (가령, 한국등록특허 제 10-1992492호는 270℃의 온도조건을 요구한다)을 초과할 수 있다. 특히, 균질화가 250 ℃ 이상의 고온조건에서 수행될 경우, 셀룰로오스 원료의 불필요한 탄화가 발생할 수 있다. However, the conventional physical process had a critical limitation that about 70,000KWh of energy was consumed when producing 1 ton of cellulose microfibers. For example, when the high pressure homogenizer is used, the energy consumption may be realized under a pressure condition of 3,000 bar, and heat generated instantaneously in the process of homogenization may be 250 ° C. (for example, 270 ° C. in Korean Patent No. 10-1992492). Temperature conditions). In particular, when the homogenization is performed at a high temperature of 250 ℃ or more, unnecessary carbonization of the cellulose raw material may occur.

따라서, 종래, 물리적 공정의 한계점을 개선하기 위하여, 화학적 전처리 이후에 물리적 공정을 수행하는 방식, 생물학적 전처리 이후에 물리적 공정을 수행하는 방식 등이 제시된 바 있다. 다만, 상술한 바와 같은 방식은 화학적 공정 또는 생물학적 공정 특유의 한계점과 물리적 공정의 한계점이 동시에 발현될 수 있다.Thus, in order to improve the limitations of the physical process, a method of performing a physical process after chemical pretreatment, a method of performing a physical process after biological pretreatment, and the like have been proposed. However, in the above-described manner, the limitations specific to the chemical process or the biological process and the limitations of the physical process may be simultaneously expressed.

한국등록특허 제 10-1992492호Korea Patent Registration No. 10-1992492

I. Siro, Cellulose, pp. 459-494, 2010. I. Siro, Cellulose, pp. 459-494, 2010.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 한계점을 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 본 발명은 저에너지 특성을 갖춘 셀룰로오스 원료의 해리 및 추출 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention was developed to overcome the limitations of the prior art as described above, and an object of the present invention is to provide a method for dissociation and extraction of cellulose raw materials with low energy characteristics.

또한, 본 발명은 저온조건에서 수행될 수 있는 셀룰로오스 미세섬유의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is also an object of the present invention to provide a method for producing cellulose microfibers which can be carried out at low temperature.

또한, 본 발명은 상기 셀룰로오스 원료의 해리 및 추출방법 및 상기 셀룰로오스 미세섬유의 제조방법이 수행되는 셀룰로오스 미세섬유의 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide an apparatus for producing cellulose microfibers, in which the method for dissociating and extracting the cellulose raw material and the method for producing cellulose microfibers are performed.

본 발명자들은 상술한 과제를 해결하기 위하여 연구한 결과, 이하의 구성을 포함하는 발명을 안출하기에 이르렀다. 구체적으로 본 명세서는 셀룰로오스 원료와 팽윤제가 혼합되어, 셀룰로오스 원료가 팽윤되는 제1단계; 및 팽윤된 셀룰로오스 원료에 승화성 물질을 첨가하는 제2단계;를 포함하는 셀룰로오스 원료의 해리 및 추출방법을 개시한다.MEANS TO SOLVE THE PROBLEM The present inventors came to devise the invention containing the following structures as a result of researching in order to solve the above-mentioned subject. Specifically, in the present specification, a cellulose raw material and a swelling agent are mixed to swell the cellulose raw material; And a second step of adding a sublimable substance to the swollen cellulose raw material.

또한, 본 발명의 각 셀룰로오스 원료의 분쇄방법에 있어서, 팽윤제는 증류수이고, 승화성 물질은 드라이아이스, 액체 질소, 액체 헬륨, 액체 네온, 액체 아르곤으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 것이 바람직하다.In the pulverization method of each cellulosic raw material of the present invention, the swelling agent is distilled water, and the sublimable material includes at least one material selected from the group consisting of dry ice, liquid nitrogen, liquid helium, liquid neon, and liquid argon. desirable.

또한, 본 발명의 각 셀룰로오스 원료의 분쇄방법에 있어서, 승화성 물질은 드라이아이스인 것이 더욱 바람직하다.In the method for crushing the cellulose raw materials of the present invention, the sublimable substance is more preferably dry ice.

또한, 본 발명의 각 셀룰로오스 원료의 분쇄방법에 있어서, 제1단계와 제2단계는 1 ℃이상 내지 100 ℃이하의 온도조건에서 수행되는 것이 더욱 바람직하다. In addition, in the grinding method of each cellulose raw material of the present invention, it is more preferable that the first step and the second step are performed at a temperature condition of 1 ° C or more and 100 ° C or less.

또한, 본 발명의 각 셀룰로오스 원료의 분쇄방법에 있어서, 제1단계와 제2단계는 1 ℃이상 내지 10 ℃이하의 온도조건에서 수행되는 것이 더욱 바람직하다.In addition, in the pulverization method of each cellulose raw material of the present invention, it is more preferable that the first step and the second step are performed at a temperature condition of 1 ° C or more and 10 ° C or less.

한편, 본 명세서는 본 발명의 각 셀룰로오스 원료의 해리 및 추출방법 중 어느 하나의 셀룰로오스 원료의 분쇄방법에 따라서 분쇄된, 셀룰로오스 원료를 준비하는 단계; 분쇄된 셀룰로오스 원료로부터 물리적 공정을 통해 셀룰로오스 미세섬유를 합성하는 단계; 및 셀룰로오스 미세섬유에 초음파를 투사하여 셀룰로오스 미세섬유를 안정화하는 단계;를 포함하는, 셀룰로오스 미세섬유의 제조방법을 추가적으로 개시한다.On the other hand, the present specification is a step of preparing a cellulose raw material, which is ground in accordance with any one of the cellulose raw material grinding method of dissociation and extraction method of each cellulose raw material of the present invention; Synthesizing cellulose microfibers through a physical process from the milled cellulose raw material; And stabilizing the cellulose microfibers by projecting ultrasonic waves onto the cellulose microfibers.

또한, 본 발명의 각 셀룰로오스 미세섬유의 제조방법에 있어서, 물리적 공정은, 해리 및 추출된 셀룰로오스 원료가 미세유로에 내포되고, 해리 및 추출된 셀룰로오스 원료가 1000 rpm 이상의 회전속도로 유동되는 것이 바람직하다.In the method for producing each of the cellulose microfibers of the present invention, in the physical process, it is preferable that the dissociated and extracted cellulose raw material is contained in the microchannel, and the dissociated and extracted cellulose raw material is flowed at a rotational speed of 1000 rpm or more. .

또한, 본 발명의 각 셀룰로오스 원료의 분쇄방법에 있어서, 미세유로는 단축의 길이가 1 ㎛ 이상 내지 100 ㎛ 이하 사이인 것이 바람직하다.In the pulverization method of each of the cellulose raw materials of the present invention, it is preferable that the length of the short axis is between 1 μm and 100 μm.

또한, 본 발명의 각 셀룰로오스 원료의 분쇄방법에 있어서, 미세유로는 단축의 길이가 10 ㎛ 이상 내지 20 ㎛ 이하 사이인 것이 더욱 바람직하다.Further, in the pulverizing method of the cellulose raw materials of the present invention, it is more preferable that the microchannel has a short axis length of 10 µm or more and 20 µm or less.

한편, 본 명세서는 본 발명의 각 셀룰로오스 미세섬유의 제조방법에 따라 제조된, 셀룰로오스 미세섬유를 추가적으로 개시한다.On the other hand, the present specification further discloses a cellulose microfiber, prepared according to the method for producing each cellulose microfiber of the present invention.

한편, 본 명세서는 교반기, 및 압력제어기를 포함하고, 셀룰로오스 원료가 분쇄되는, 균질화부; 균질화부에서 얻어진 분쇄된 셀룰로오스 원료를 가압하여 셀룰로오스 미세섬유의 합성을 유도하는, 가압부; 및 셀룰로오스 미세섬유에 초음파를 투사하는, 안정화부;를 포함하는 셀룰로오스 미세섬유 제조장치를 추가적으로 개시한다.On the other hand, the present specification includes a stirrer, and a pressure controller, the cellulose raw material is crushed, homogenizing unit; A pressurizing unit for pressurizing the pulverized cellulose raw material obtained in the homogenizing unit to induce the synthesis of cellulose microfibers; And a stabilizing unit for projecting ultrasonic waves onto cellulose microfibers.

또한, 본 발명의 각 셀룰로오스 미세섬유 제조장치에 있어서, 가압부는, 분쇄된 셀룰로오스 원료가 저장 또는 통과되는, 적어도 하나 이상의 미세유로; 및 미세유로의 내부에 위치하며, 상기 분쇄된 셀룰로오스 원료를 회전시켜, 상기 분쇄된 셀룰로오스 원료에 전단력을 부여하는, 적어도 하나 이상의 회전자;를 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다.In addition, in each of the cellulose microfiber manufacturing apparatus of the present invention, the pressurizing portion, at least one or more microchannels, in which the pulverized cellulose raw material is stored or passed; And at least one rotor positioned inside the microchannel and rotating the pulverized cellulose raw material to impart shear force to the pulverized cellulose raw material.

상술한 수단의 채용을 통하여, 본 발명은 승화성 물질의 팽창압을 활용하여 저온조건에서 용이하게 셀룰로오스 원료의 분쇄가 가능하며, 그 결과 셀룰로오스 원료의 탄화 및 에너지 소모를 최소화할 수 있다.By employing the above-described means, the present invention can be easily pulverized cellulose raw material under low temperature conditions by utilizing the expansion pressure of the sublimable material, as a result can minimize the carbonization and energy consumption of the cellulose raw material.

또한, 본 발명의 셀룰로오스 미세섬유의 제조방법은 셀룰로오스 원료의 준비에 소모되는 에너지가 현저히 절약되어, 저에너지 공정의 구현이 가능하다.In addition, the manufacturing method of the cellulose microfiber of the present invention is significantly reduced energy consumed in the preparation of the cellulose raw material, it is possible to implement a low-energy process.

또한, 본 발명의 셀룰로오스 미세섬유의 제조장치는 단순한 구조를 통하여 셀룰로오스 미세섬유의 제조과정 일반이 수행될 수 있도록 함으로써, 셀룰로오스 미세섬유의 상업적 생산 측면에서 이점을 제공할 수 있다.In addition, the apparatus for producing cellulose microfibers of the present invention can provide advantages in terms of commercial production of cellulose microfibers by allowing the general manufacturing process of cellulose microfibers to be performed through a simple structure.

본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 예시를 설명하기 위하여 사용되는 것이다. 때문에 가령 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수여야만 하는 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다. 덧붙여, 본 출원에서 사용되는 "포함하다" 또는 "구비하다"등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 명확히 지칭하기 위하여 사용되는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것의 존재를 예비적으로 배제하고자 사용되는 것이 아님에 유의해야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular examples only. Thus, for example, singular forms include plural forms unless the context clearly requires them to be singular. In addition, the terms "comprise" or "include" as used in the present application are used to clearly indicate that there exists a feature, step, function, component, or combination thereof described in the specification, and other features. It should be noted that it is not intended to preliminarily exclude the presence of elements, steps, functions, components, or combinations thereof.

한편, 다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진 것으로 보아야 한다. 따라서, 본 명세서에서 명확하게 정의하지 않는 한, 특정 용어가 과도하게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다.On the other hand, unless defined otherwise, all terms used herein are to have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Accordingly, unless specifically defined herein, a particular term should not be construed in an excessively ideal or formal sense.

본 명세서의 기재에 있어서, "저에너지"는 당해 기술분야의 선행기술들과 대비하여 유의미하게 적은 에너지의 투사만으로도 전체 또는 일부 공정이 유효하게 진행되는 것을 의미한다. 본 발명이 기초하고 있는 물리적 처리법 혹은 물리적 해리 및 추출법의 영역에서는, 통상적으로 셀룰로오스 원료를 단리 혹은 해리 및 추출하기 위해서는 20 KJ/mol 정도의 에너지가 소모된다. 따라서, 저에너지 공법으로서 본 발명의 제조방법은 20 KJ/mol 정도의 에너지를 저온에서 손실 없이 효과적으로 공급하여 구현될 수 있는 것을 말한다.In the description herein, "low energy" means that all or part of the process proceeds effectively with only a small amount of energy projection as compared to the prior art in the art. In the area of the physical treatment method or the physical dissociation and extraction method on which the present invention is based, energy of about 20 KJ / mol is usually consumed to isolate or dissociate and extract the cellulose raw material. Therefore, the production method of the present invention as a low energy method means that can be implemented by supplying energy of about 20 KJ / mol effectively at low temperature without loss.

본 명세서의 기재에 있어서, "셀룰로오스 원료"는 하기의 물질들을 포함한다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며, 당해 기술분야의 통상의 기술자는 그 목적에 비추어 자유로이 취사선택할 수 있다. 예시적으로, 미정질 셀룰로오스(microcrystalline cellulose), 미생물 셀룰로오스(microbial cellulose), 해양 또는 다른 무척추동물로부터 유도된 셀룰로오스, 기계적으로 생산된 목재 펄프, 화학 (용해) 펄프, 천연의 바이오매스(native biomass: 식물 섬유, 줄기 또는 겉껍질의 형태로) 및 타이어코드 등과 같은 셀룰로오스상 인조 섬유 및 머서리화 셀룰로오스(mercerised cellulose) 등과 같은 다른 셀룰로오스 II 공급원(cellulose II sources)을 고려할 수 있다.In the description of the present specification, the "cellulose raw material" includes the following materials. However, the present invention is not limited thereto, and a person of ordinary skill in the art may freely select the food for the purpose. Illustratively, microcrystalline cellulose, microbial cellulose, cellulose derived from marine or other invertebrates, mechanically produced wood pulp, chemical (dissolving) pulp, natural biomass: Other cellulose II sources such as cellulosic artificial fibers such as plant fibers, stems or hulls) and tire cords and mercerised cellulose and the like.

더하여, 본 발명의 기술수단과 모순되지 않는 범위 하에서, 상기 셀룰로오스 원료는 유도체를 포함한다. 본 발명의 셀룰로오스 유도체의 예시로서, 가령, 카르복실화 유도체, 산화 유도체, 에스테르화 유도체 등을 고려할 수 있다. 한편, 본 발명의 셀룰로오스 원료는 분말형태로 제공될 수 있다.In addition, the cellulose raw material includes a derivative in a range that does not contradict the technical means of the present invention. As an example of the cellulose derivative of the present invention, for example, carboxylated derivatives, oxidized derivatives, esterified derivatives and the like can be considered. On the other hand, the cellulose raw material of the present invention may be provided in powder form.

구체적으로, 바람직한 셀룰로오스 원료로서, 목재 펄프로부터 유도되는 셀룰로오스 섬유, 또는 셀룰로오스성 바이오매스 섬유를 고려할 수 있다. 목재 펄프의 예시로서, 분쇄 목재로부터 얻어지는 섬유, 재생 또는 2차 목재 펄프로부터 얻어지는 섬유를 고려할 수 있다. 연재 또는 경재의 사용이 모두 허용된다. 다만, 목재 펄프의 표백 여하는 핵심적인 사항이 아닌 것으로 판단된다.Specifically, as a preferred cellulose raw material, cellulose fibers derived from wood pulp, or cellulosic biomass fibers can be considered. As an example of wood pulp, fibers from ground wood, fibers from recycled or secondary wood pulp can be considered. Both soft and hardwoods are allowed. However, bleaching of wood pulp is not a key issue.

본 명세서의 기재에 있어서, "팽윤제"는 셀룰로오스 원료의 내부에 존재하는 결정 사이의 상호작용을 와해하거나, 결정 내의 결합 중 일부 이상을 해리시키는 작용을 하거나, 결정 사이의 상호작용 및 결정 내의 결합 중 최소한 일부의 와해를 모두 수행하는 물질을 총칭한다. 즉, 본 발명의 실시에 있어서, 팽윤제의 사용은 셀룰로오스 원료의 완전한 용매화를 의미하는 것은 아니다. In the description herein, "swelling agent" acts to disrupt the interaction between the crystals present in the interior of the cellulose raw material, to dissociate at least some of the bonds in the crystals, or the interactions between the crystals and the bonds within the crystals. A generic term is a substance that performs all of at least some of the breakdown. That is, in the practice of the present invention, the use of a swelling agent does not mean complete solvation of the cellulose raw material.

한편, 본 발명은 후술하는 바와 같이 온도조건을 한정하고 있다. 또한, 본 발명의 실시에 있어서, 특히 팽윤제는 증류수(Distilled water)인 것이 바람직하다. 가령, 팽윤제인 증류수의 응고는 셀룰로오스 원료의 불균일한 단리를 유도할 수 있으므로 제한될 필요가 있다.In addition, this invention limits the temperature conditions as mentioned later. In addition, in the practice of the present invention, the swelling agent is particularly preferably distilled water. For example, coagulation of distilled water, which is a swelling agent, needs to be limited because it can lead to non-uniform isolation of cellulose raw materials.

다만, 당해 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명의 기술적 사상의 핵심을 훼손하지 않는 범위 내에서, 셀룰로오스 원료의 팽윤을 촉진하고자 후술하는 팽윤제 중 하나 이상을 추가로 첨가할 수 있다. 상술한 바와 같은 성질을 갖는 팽윤제의 예시로서, 알칼리금속 산화물, 알칼리금속 수산화물(예를 들면, 수산화 칼륨, 수산화 리튬), 알칼리토금속 산화물, 알칼리토금속 수산화물, 알칼리 실리케이트(alkali silicates), 알칼리 알루미네이트(alkali aluminates), 알칼리 카보네이트(alkali carbonates), 알칼리 티오시아네이트(alkali thiocyanates), 알칼리토류 티오시아네이트(alkaline earth thiocyanates), 알칼리 할로겐화물(alkali halides: 예를 들면, 염화물, 불화물, 브롬화물) 지방족 탄화수소 아민, 저급 지방족 아민(예를 들면, 트리메틸아민, 트리에틸아민)을 포함하는 아민, 큐프리에틸렌디아민(cupriethylenediamine), 암모니아, 수산화암모늄; 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(tetramethyl ammonium hydroxide); 트리메틸벤질암모늄 하이드록사이드(trimethylbenzylammonium hydroxide); 염화 리튬(lithium chloride); 3차아민 산화물(tertiary amine oxides: 예를 들면, N-메틸몰포린 N-옥사이드(N-methyl morpholine N-oxide)), 이온성 액체(ionic liquids: 예를 들면, l-에틸-3-메틸이미다졸리움 아세테이트(1-ethyl-3-methylimidazolium acetate)), 요소 및 이들의 혼합물들, 아연 암모늄 착체(zinc ammonium complex), 염화 아연(zinc chloride), 구리 암모늄 착체(copper ammonium complex), 은 암모늄 착체(silver ammonium complex), 수산화 스트론튬(strontium hydroxide), 수산화 바륨(barium hydroxide) 등 또는 이들의 혼합물을 고려할 수 있다.However, one of ordinary skill in the art may further add one or more of the swelling agents described below to promote swelling of the cellulose raw material within the scope of not impairing the core of the technical idea of the present invention. Examples of swelling agents having the properties described above include alkali metal oxides, alkali metal hydroxides (eg, potassium hydroxide, lithium hydroxide), alkaline earth metal oxides, alkaline earth metal hydroxides, alkali silicates, alkali aluminates. (alkali aluminates), alkali carbonates, alkali thiocyanates, alkaline earth thiocyanates, alkali halides (e.g. chlorides, fluorides, bromide) Aliphatic hydrocarbon amines, amines including lower aliphatic amines (eg trimethylamine, triethylamine), cupriethylenediamine, ammonia, ammonium hydroxide; Tetramethyl ammonium hydroxide; Trimethylbenzylammonium hydroxide; Lithium chloride; Tertiary amine oxides (e.g., N-methyl morpholine N-oxide), ionic liquids (e.g., 1-ethyl-3-methyl) Imidazolium acetate (1-ethyl-3-methylimidazolium acetate), urea and mixtures thereof, zinc ammonium complex, zinc chloride, copper ammonium complex, silver ammonium Silver ammonium complexes, strontium hydroxide, barium hydroxide, and the like or mixtures thereof may be considered.

본 명세서의 기재에 있어서, "승화성 물질"이란 고체에서 기체로 곧바로 승화하는 물질과 액체에서 기체로 기화되는 물질을 모두 포함한다. 상술한 바와 같은 승화성 물질의 예시로서, 승화가 발생하는 드라이아이스 등을 고려할 수 있고, 기화가 발생하는 액체 질소, 액체 헬륨, 액체 네온, 액체 아르곤 등을 고려할 수 있다.As used herein, the term "sublimable material" includes both materials that sublimate directly from solid to gas and materials that vaporize from liquid to gas. As an example of the sublimable material as described above, dry ice or the like that sublimation occurs can be considered, and liquid nitrogen, liquid helium, liquid neon, liquid argon, etc., in which vaporization occurs can be considered.

본 명세서의 기재에 있어서, "해리 및 추출방법"이란 셀룰로오스 원료를 단리하는 방법을 의미한다. 특히, 본 발명의 분쇄방법이란, 고분자 화합물 내부의 결합 (즉, 글리코사이드 결합)의 해리가 아닌, 주로 셀룰로오스 고분자 사이의 결합 및 상호작용이 해리 및 완화되는 것을 의미한다. 한편, 본 발명의 해리 및 추출방법은 주로 물리적 공정(즉, 외력의 부과)에 의해 수행되는 것으로 이해될 수 있다.In the description of the present specification, "dissociation and extraction method" means a method of isolating a cellulose raw material. In particular, the pulverization method of the present invention means that the bonds and interactions mainly between cellulose polymers are dissociated and relaxed, not dissociated bonds (ie, glycoside bonds) inside the polymer compound. On the other hand, it can be understood that the dissociation and extraction method of the present invention is mainly carried out by a physical process (ie, imposing an external force).

이하 본 발명의 셀룰로오스 원료의 해리 및 추출방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 본 명세서는 셀룰로오스 원료와 팽윤제가 혼합되어, 셀룰로오스 원료가 팽윤되는 제1단계; 및 팽윤된 셀룰로오스 원료에 승화성 물질을 첨가하는 제2단계;를 포함하는 셀룰로오스 원료의 분쇄방법을 개시한다.Hereinafter, the dissociation and extraction method of the cellulose raw material of the present invention will be described in more detail. The present specification is a cellulose raw material and a swelling agent is mixed, the first step of swelling the cellulose raw material; And a second step of adding a sublimable substance to the swollen cellulose raw material.

한편, 본 발명의 상기 제1단계는 1 ℃이상 내지 10 ℃이하의 온도조건에서 수행되는 것이 바람직하다. 가령, 1 ℃미만의 온도조건에서 수행될 경우, 팽윤제인 증류수가 응고될 수 있다. 반대로, 10 ℃이하의 온도조건에서 수행될 시, 글리코사이드 결합의 가수분해가 사실상 제한된다는 장점을 향유할 수 있게 된다. On the other hand, the first step of the present invention is preferably carried out at a temperature condition of more than 1 ℃ to less than 10 ℃. For example, when it is carried out at a temperature of less than 1 ℃, distilled water which is a swelling agent may be solidified. In contrast, when carried out at a temperature of 10 ° C or less, it is possible to enjoy the advantage that the hydrolysis of the glycoside bonds is substantially limited.

특히, 대략 4℃의 온도조건에서 팽윤제인 증류수의 단위 몰 당 부피가 최소화되어, 셀룰로오스 원료에 가장 많은 수의 물 분자가 침투될 수 있다. 그 결과, 후술하는 승화성 물질의 첨가단계에서 셀룰로오스 원료에 침투된 증류수의 탈수가 최대화될 수 있고, 더욱 균일하게 셀룰로오스 원료의 분쇄가 가능해진다.In particular, at a temperature of approximately 4 ° C., the volume per unit mole of distilled water as a swelling agent is minimized, so that the largest number of water molecules can penetrate the cellulose raw material. As a result, the dehydration of distilled water penetrated into the cellulose raw material in the addition step of the sublimable substance described later can be maximized, and the cellulose raw material can be more uniformly ground.

또한, 본 발명의 각 셀룰로오스 원료의 분쇄방법에 있어서, 팽윤제는 증류수이고, 승화성 물질은 드라이아이스, 액체 질소, 액체 헬륨, 액체 네온, 액체 아르곤으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 본 발명의 각 셀룰로오스 원료의 분쇄방법에 있어서, 승화성 물질은 수급 및 보관의 용이성의 관점에서 드라이아이스인 것이 더욱 바람직하다. In the pulverization method of each cellulosic raw material of the present invention, the swelling agent is distilled water, and the sublimable material includes at least one material selected from the group consisting of dry ice, liquid nitrogen, liquid helium, liquid neon, and liquid argon. desirable. In particular, in the pulverization method of each cellulose raw material of the present invention, the sublimable substance is more preferably dry ice from the viewpoint of supply and storage.

이하, 승화성 물질로서 드라이아이스를 기준으로 서술한다. 다만, 이와 같은 서술이 본 발명의 승화성 물질이 반드시 드라이아이스인 것을 의미하는 것은 아니다.Hereinafter, dry ice is described as a sublimable substance. However, this description does not necessarily mean that the sublimable material of the present invention is dry ice.

한편, 팽윤제가 침투된 셀룰로오스 원료에 드라이아이스를 첨가한다. 셀룰로오스 : 물 : 드라이아이스의 중량비는 98: 2 : 1.2이다. 이 때, 드라이아이스의 균일한 분산을 도모하기 위하여, 셀룰로오스 원료와 드라이아이스를 고속으로 교반한다. 교반기의 종류에는 특별한 제한이 없으나, 고속으로 회전하는 믹서의 사용을 고려할 수 있다. On the other hand, dry ice is added to the cellulose raw material in which the swelling agent has penetrated. The weight ratio of cellulose: water: dry ice is 98: 2: 1.2. At this time, in order to achieve uniform dispersion of the dry ice, the cellulose raw material and the dry ice are stirred at high speed. There is no particular limitation on the type of stirrer, but it may be considered to use a mixer that rotates at high speed.

가령, 상기 믹서는 500 rpm 이상 내지 5000 rpm 이하의 회전속도로 셀룰로오스 원료와 드라이아이스를 혼합할 수 있다. 다만, 통상의 기술자는 셀룰로오스 원료의 특성 및 팽윤제의 온도, 드라이아이스의 첨가량 등을 고려하여, 팽윤제가 침투된 셀룰로오스 원료와 드라이아이스가 적절히 혼합될 수 있도록 회전속도를 조절할 수 있다.For example, the mixer may mix the cellulose raw material and dry ice at a rotation speed of 500 rpm or more to 5000 rpm or less. However, a person skilled in the art may adjust the rotation speed so that the cellulose material infiltrated with the swelling agent and dry ice can be properly mixed in consideration of the characteristics of the cellulose raw material, the temperature of the swelling agent, the amount of dry ice added, and the like.

한편, 셀룰로오스 원료에 접촉한 드라이아이스는 급격히 열을 흡수하며 승화된다. 승화에 의하여, 드라이아이스는 부피가 800배 이상 증가하며 셀룰로오스 원료에 강한 팽창압을 가하게 된다. 또한, 통상적으로 고속회전에 의하여 발생하는 열을 승화과정에서 흡수하여, 본 발명의 셀룰로오스 미세섬유 제조장치 내부의 온도는 10 ℃이하로 유지할 수 있게 된다. On the other hand, dry ice in contact with the cellulose raw material rapidly absorbs heat and sublimes. By sublimation, dry ice increases its volume by more than 800 times and exerts a strong expansion pressure on the cellulose raw material. In addition, by absorbing the heat generated by the high-speed rotation during the sublimation process, the temperature inside the cellulose microfiber manufacturing apparatus of the present invention can be maintained at 10 ℃ or less.

이는, 본 발명의 상기 제2단계가 저온-고압 조건에서 수행되는 것을 의미한다. 특히, 저온조건에서 셀룰로오스 원료의 분쇄를 가능하게 함으로써, 본 발명의 셀룰로오스 원료의 분쇄과정은 셀룰로오스 원료의 불필요한 탄화 및 재결정화, α-아노머의 형성 등을 최소화할 수 있다. This means that the second step of the present invention is carried out under cold-high pressure conditions. In particular, by enabling the grinding of the cellulose raw material under low temperature conditions, the grinding process of the cellulose raw material of the present invention can minimize the unnecessary carbonization and recrystallization of the cellulose raw material, the formation of α-anomer.

또한, 셀룰로오스 원료에 흡수된 증류수는 고속으로 탈수되면서 셀룰로오스 원료의 결정간 상호작용 등을 와해하고, 셀룰로오스 섬유 사이의 결합 혹은 셀룰로오스 섬유 내부의 결합을 해리시킨다. 그 결과, 셀룰로오스 원료가 단리된다. 특히, 증류수가 셀룰로오스 원료에 충분히 침투된 경우에는, 셀룰로오스 원료의 균일한 단리를 기대할 수 있다. In addition, the distilled water absorbed by the cellulose raw material decomposes at high speed, disrupts the interaction between crystals of the cellulose raw material, and dissociates the bond between the cellulose fibers or the bond inside the cellulose fiber. As a result, the cellulose raw material is isolated. In particular, when distilled water sufficiently infiltrates the cellulose raw material, uniform isolation of the cellulose raw material can be expected.

한편, 전술한 바와 같이 본 발명의 셀룰로오스 원료의 분쇄과정은 저온-고압조건에서 수행된다. 특히, 셀룰로오스 원료와 균일하게 혼합된 드라이아이스의 승화에 의하여 구현된다. 드라이아이스의 승화는 셀룰로오스 원료에 일 방향 이상에서 전단력, 충격력 등이 가해지는 원인이 된다. 그 결과, 셀룰로오스 원료의 분쇄가 더욱 조밀하게 이루어지며, 분쇄된 셀룰로오스 원료의 직경 및 두께 등이 더욱 균일하게 감소할 수 있다. 즉, 셀룰로오스 원료의 균질화가 이루어지는 것으로 이해될 수 있다.On the other hand, as described above, the pulverization process of the cellulose raw material of the present invention is carried out under low temperature-high pressure conditions. In particular, it is realized by sublimation of dry ice uniformly mixed with the cellulose raw material. Sublimation of dry ice causes shear force, impact force, etc. to be applied to a cellulose raw material more than one direction. As a result, the cellulose raw material is more densely pulverized, and the diameter and thickness of the pulverized cellulose raw material can be more uniformly reduced. That is, it can be understood that the homogenization of the cellulose raw material is made.

또한, 본 발명의 각 셀룰로오스 원료의 분쇄방법에 있어서, 제1단계와 제2단계는 1 ℃이상 내지 100 ℃이하의 온도조건에서 수행되는 것이 더욱 바람직하다. 1 ℃미만의 온도조건에서 수행될 경우, 팽윤제인 증류수가 응고될 수 있다. 반대로, 100 ℃초과의 온도조건에서 수행될 경우, 글리코사이드 결합의 불필요한 가수분해가 유의미하게 발생할 수 있다. 그 결과, α-아노머의 형성에 의한 셀룰로오스 미세섬유의 물성 저하가 초래될 수 있다. In addition, in the grinding method of each cellulose raw material of the present invention, it is more preferable that the first step and the second step are performed at a temperature condition of 1 ° C or more and 100 ° C or less. When carried out at a temperature of less than 1 ° C, distilled water, which is a swelling agent, may solidify. Conversely, when carried out at temperatures above 100 ° C., unnecessary hydrolysis of glycoside bonds may occur significantly. As a result, a decrease in the physical properties of the cellulose microfibers may be caused by the formation of the α-anomer.

상술한 바와 같은 문제점을 최소화한다는 관점에서, 제1단계와 제2단계는 1 ℃이상 내지 50 ℃이하의 온도조건에서 수행되는 것이 바람직하고, 1 ℃이상 내지 20 ℃이하의 온도조건에서 수행되는 것이 더욱 바람직하며, 1 ℃이상 내지 10 ℃이하의 온도조건에서 수행되는 것이 가장 바람직하다. 특히, 10 ℃이하의 온도조건에서 수행될 시, 글리코사이드 결합의 가수분해가 사실상 제한된다는 장점을 향유할 수 있게 된다. In view of minimizing the problems as described above, it is preferable that the first and second steps are performed at a temperature condition of 1 ° C or more and 50 ° C or less, and preferably performed at a temperature condition of 1 ° C or more and 20 ° C or less. More preferably, it is most preferably carried out at a temperature condition of more than 1 ℃ to less than 10 ℃. In particular, when carried out at a temperature of less than 10 ℃ can enjoy the advantage that the hydrolysis of the glycoside bonds is virtually limited.

한편, 본 발명의 셀룰로오스 원료의 분쇄방법, 더욱 정확히는 승화성 물질(드라이아이스)의 사용을 통하여 비로소 10℃이하의 저온조건에서 셀룰로오스 원료의 균일한 분쇄가 가능해진다는 점에 주의할 필요가 있다. 즉, 본 발명의 셀룰로오스 원료의 분쇄방법이 100℃이하의 온도조건에서 수행된다는 것은 상술한 바와 같은 추가적인 이점을 제공하기도 하지만, 저온에서 수행될 수 있다는 그 자체가 바로 본 발명의 일 특장점이라는 것을 간과하여서는 안 된다.On the other hand, it should be noted that the cellulose raw material grinding method of the present invention, more precisely, the use of a sublimable substance (dry ice), makes it possible to uniformly grind the cellulose raw material under low temperature conditions of 10 ° C or lower. That is, the pulverization method of the cellulose raw material of the present invention may be performed at a temperature of 100 ° C. or less, but may provide additional advantages as described above. However, it is an advantage of the present invention that it can be performed at a low temperature. It should not be.

한편, 본 명세서는 본 발명의 각 셀룰로오스 원료의 분쇄방법 중 어느 하나의 셀룰로오스 원료의 분쇄방법에 따라서 분쇄된, 셀룰로오스 원료를 준비하는 단계; 분쇄된 셀룰로오스 원료로부터 물리적 공정을 통해 셀룰로오스 미세섬유를 합성하는 단계; 및 셀룰로오스 미세섬유에 초음파를 투사하여 셀룰로오스 미세섬유를 안정화하는 단계;를 포함하는, 셀룰로오스 미세섬유의 제조방법을 추가적으로 개시한다.On the other hand, the present specification is a step of preparing a cellulose raw material, which is ground in accordance with any one of the cellulose raw material grinding method of the cellulose raw material grinding method of the present invention; Synthesizing cellulose microfibers through a physical process from the milled cellulose raw material; And stabilizing the cellulose microfibers by projecting ultrasonic waves onto the cellulose microfibers.

또한, 본 발명의 각 셀룰로오스 미세섬유의 제조방법에 있어서, 물리적 공정은, 해리 및 추출된 셀룰로오스 원료가 미세유로에 내포되고, 미세유로 내부에 회전자가 고속 운동하여 셀룰로오스를 해리 및 추출하는 방법이며 1000 rpm 이상의 회전속도로 유동되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 각 셀룰로오스 원료의 분쇄방법에 있어서, 미세유로는 단축의 길이가 1 ㎛ 이상 내지 100 ㎛ 이하 사이인 것이 바람직하다.In the manufacturing method of each of the cellulose microfibers of the present invention, the physical process is a method in which dissociated and extracted cellulose raw material is contained in the microchannel, and the rotor is displaced and extracted by high speed movement of the rotor inside the microchannel. It is preferable to flow at a rotational speed of rpm or more. In the pulverization method of each of the cellulose raw materials of the present invention, it is preferable that the length of the short axis is between 1 μm and 100 μm.

한편, 상기 미세유로에는 동일한 축상으로 설치된 두 개의 원뿔형상부재(가령, 상면과 하면, 혹은 좌면과 우면)가 포함될 수 있다. 가령, 하나의 부재는 고정되고(고정자) 그리고 다른 하나는 고속으로 회전된다(회전자). 상기 고정자 및 회전자의 외면에는 미세한 요철이 형성될 수 있다. 회전자는 고속으로 회전하며 분쇄된 셀룰로오스 원료에 추가적으로 전단력, 충격력을 가하며, 공동효과(cavitation)를 유발한다. 그 결과, 분쇄된 셀룰로오스 원료가 일차적으로 미세섬유화 된다. On the other hand, the micro channel may include two conical members (for example, upper and lower surfaces, or left and right surfaces) installed in the same axis. For example, one member is fixed (stator) and the other is rotated at high speed (rotor). Fine unevenness may be formed on the outer surfaces of the stator and the rotor. The rotor rotates at high speed and exerts shear and impact forces on the ground cellulose raw material and causes cavitation. As a result, the pulverized cellulose raw material is primarily microfibers.

가령, 회전자의 회전속도는 1000 rpm 이상일 수 있다. 상술한 회전속도가 만족됨으로써, 셀룰로오스 미세섬유의 제조공정 전반에 걸쳐 분쇄된 셀룰로오스 원료의 온도상승이 100℃이하로 제한되어, 부반응에 의한 셀룰로오스 미세섬유의 물성 저하를 방지할 수 있다.For example, the rotation speed of the rotor may be at least 1000 rpm. By satisfying the above-mentioned rotational speed, the temperature rise of the cellulose raw material ground throughout the manufacturing process of the cellulose microfibers is limited to 100 ° C. or less, and the physical properties of the cellulose microfibers due to side reactions can be prevented.

또한, 본 발명의 각 셀룰로오스 원료의 분쇄방법에 있어서, 미세유로는 단축의 길이가 10 ㎛ 이상 내지 20 ㎛ 이하 사이인 것이 더욱 바람직하다. 미세유로의 단축길이가 작을수록 셀룰로오스 미세섬유의 수율이 저하된다. 반대로, 미세유로의 단축길이가 클수록 분쇄된 셀룰로오스 원료의 균일한 섬유화가 제한된다. 따라서, 수율 및 균일한 미세섬유의 수득을 조화시키는 관점에서 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.Further, in the pulverizing method of the cellulose raw materials of the present invention, it is more preferable that the microchannel has a short axis length of 10 µm or more and 20 µm or less. The smaller the shorter length of the microchannel, the lower the yield of the cellulose fine fibers. On the contrary, the greater the shorter length of the microchannel, the more uniform the fiberization of the pulverized cellulose raw material. Therefore, it is preferable to satisfy the above range in view of harmonizing yield and obtaining of uniform microfibers.

한편, 본 명세서는 본 발명의 각 셀룰로오스 미세섬유의 제조방법에 따라 제조된, 셀룰로오스 미세섬유를 추가적으로 개시한다. 본 발명의 미세섬유의 제조방법은 산촉매의 첨가가 요구되지 아니하며, 사실상 반응성이 부재한 승화성 물질을 사용하고, 저온공정이다. 따라서, 셀룰로오스 미세섬유 내에 치환기가 도입되거나, 셀룰로오스의 작용기가 산화되거나 환원되지 아니하며, 탄화가 제한된다. 그 결과, 본 발명의 셀룰로오스 미세섬유로부터 의도되지 않은 열적 안정성 저하 및 물성 저하 등이 제한된다.On the other hand, the present specification further discloses a cellulose microfiber, prepared according to the method for producing each cellulose microfiber of the present invention. The method for producing microfibers of the present invention does not require the addition of an acid catalyst, and is a low temperature process using a sublimable material that is virtually free of reactivity. Thus, no substituents are introduced into the cellulose microfibers, the functional groups of the cellulose are not oxidized or reduced, and carbonization is limited. As a result, unintended deterioration in thermal stability, deterioration in physical properties and the like from the cellulose microfibers of the present invention are limited.

한편, 본 명세서는 교반기, 및 압력제어기를 포함하고, 셀룰로오스 원료가 분쇄되는, 균질화부; 균질화부에서 얻어진 분쇄된 셀룰로오스 원료를 가압하여 셀룰로오스 미세섬유의 합성을 유도하는, 가압부; 및 셀룰로오스 미세섬유에 초음파를 투사하는, 안정화부;를 포함하는 셀룰로오스 미세섬유 제조장치를 추가적으로 개시한다.On the other hand, the present specification includes a stirrer, and a pressure controller, the cellulose raw material is crushed, homogenizing unit; A pressurizing unit for pressurizing the pulverized cellulose raw material obtained in the homogenizing unit to induce the synthesis of cellulose microfibers; And a stabilizing unit for projecting ultrasonic waves onto cellulose microfibers.

또한, 본 발명의 셀룰로오스 미세섬유의 제조장치에 있어서, 상기 교반기의 종류에는 특별한 제한이 없으나, 고속으로 회전하는 믹서의 사용을 고려할 수 있다. 교반기는 내부에 위치한 셀룰로오스 원료(특히, 팽윤제가 흡수된 형태)와 드라이아이스를 혼합한다. 교반기의 회전속도는 500 rpm 내지 5000 rpm 사이일 수 있다. 회전속도가 500 rpm 미만일 경우, 셀룰로오스 원료와 드라이아이스의 균일한 혼합이 이루어지지 않을 수 있다. 반대로 회전속도가 5000 rpm 이상일 경우, 100℃이하의 온도조건을 유지하기 위하여 과량의 드라이아이스를 첨가되어야 하며, 시간당 셀룰로오스 미세섬유의 수율이 유의미하게 감소할 수 있다.Further, in the apparatus for producing cellulose microfibers of the present invention, there is no particular limitation on the kind of the stirrer, but it is possible to use a mixer that rotates at a high speed. The stirrer mixes the cellulose raw material (especially in the form in which the swelling agent is absorbed) and dry ice. The rotation speed of the stirrer may be between 500 rpm and 5000 rpm. If the rotational speed is less than 500 rpm, uniform mixing of the cellulose raw material and dry ice may not be made. On the contrary, when the rotation speed is 5000 rpm or more, an excessive amount of dry ice must be added to maintain the temperature condition of 100 ° C. or less, and the yield of cellulose microfibers per hour can be significantly reduced.

또한, 본 발명의 셀룰로오스 미세섬유의 제조장치에 있어서, 압력제어부는 승화성 물질이 셀룰로오스 원료와 접촉하면서 발생하게 되는 팽창압을 제어하는 역할을 수행한다. 특히, 압력제어부는 팽창압의 유출을 제한하는 용기, 상기 용기의 일면에 설치되어 압력을 일정하게 유지하는 노즐을 포함할 수 있다. 상기 노즐은 승화된 물질(기화된 물질)을 일부 또는 전부를 내부에서 외부로 배출할 수 있다. In addition, in the manufacturing apparatus of the cellulose microfiber of the present invention, the pressure control unit serves to control the expansion pressure generated when the sublimable material is in contact with the cellulose raw material. In particular, the pressure control unit may include a container for limiting the outflow of the expansion pressure, a nozzle installed on one surface of the container to maintain a constant pressure. The nozzle may discharge some or all of the sublimed material (vaporized material) from the inside to the outside.

한편, 본 발명의 균질화부는 승화성 물질의 저장 및 방출이 가능한 저장기를 더 포함할 수 있다. 상기 저장기에는 승화성 물질이 위치할 수 있으며, 상기 저장기는 교반기 방향으로의 개폐가 가능하다. 특히, 균질화부가 밀폐된 후에, 상기 저장기의 내부에 위치하던 승화성 물질이 상기 교반기의 내부로 투하될 수 있다. 그 결과, 승화성 물질의 승화 또는 기화에 따른 외부유출이 제한되어 균질화부 내부의 고압조건이 효과적으로 구현될 수 있다.Meanwhile, the homogenization unit of the present invention may further include a reservoir capable of storing and releasing a sublimable material. A sublimable material may be located in the reservoir, and the reservoir may be opened and closed in the direction of the stirrer. In particular, after the homogenizer is closed, the sublimable material that was located inside the reservoir can be dropped into the stirrer. As a result, external outflow due to sublimation or vaporization of the sublimable material is limited, so that high pressure conditions inside the homogenization part can be effectively realized.

상기 균질화부에서 셀룰로오스 원료가 분쇄된 후, 분쇄된 셀룰로오스 원료는 가압부로 전달된다. 대기와의 접촉을 최소화하기 위하여, 분쇄된 셀룰로오스 원료를 가압부로 전달하는 연결부가 상기 균질화부와 상기 가압부의 사이에 형성될 수 있다.After the cellulose raw material is pulverized in the homogenizing part, the pulverized cellulose raw material is transferred to the pressing part. In order to minimize contact with the atmosphere, a connecting portion for transferring the pulverized cellulose raw material to the pressing portion may be formed between the homogenizing portion and the pressing portion.

즉, 상기 연결부는 균질화부와 가압부 사이에서의 물질 이동을 가능하게 한다. 더하여, 상기 연결부와 균질화부의 연결부위에는 수동 또는 자동으로 개폐의 조절이 가능한 도어가 형성될 수 있다. 상기 도어는 교반기의 가동 시에는 닫혀 있는 것이 바람직하고, 분쇄된 셀룰로오스 원료의 이동 시에는 열려 있는 것이 바람직하다.In other words, the connecting portion enables material movement between the homogenizing portion and the pressing portion. In addition, a door capable of adjusting the opening and closing manually or automatically may be formed at the connection part of the connection part and the homogenizer. The door is preferably closed when the stirrer is in operation, and is preferably opened when the pulverized cellulose raw material is moved.

또한, 본 발명의 각 셀룰로오스 미세섬유 제조장치에 있어서, 가압부는, 분쇄된 셀룰로오스 원료가 저장 또는 통과되는, 적어도 하나 이상의 미세유로; 및 미세유로의 내부에 위치하며, 상기 분쇄된 셀룰로오스 원료를 회전시켜, 상기 분쇄된 셀룰로오스 원료에 전단력을 부여하는, 적어도 하나 이상의 회전자;를 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다.In addition, in each of the cellulose microfiber manufacturing apparatus of the present invention, the pressurizing portion, at least one or more microchannels, in which the pulverized cellulose raw material is stored or passed; And at least one rotor positioned inside the microchannel and rotating the pulverized cellulose raw material to impart shear force to the pulverized cellulose raw material.

한편, 본 발명의 셀룰로오스 미세섬유의 제조장치에 있어서, 상기 가압부는 하나 이상의 미세유로를 포함할 수 있다. 상기 미세유로의 내부에 분쇄된 셀룰로오스 원료가 충전(充塡)될 수 있다. 또한, 둘 이상의 미세유로는 서로 평행하게 위치할 수 있다. On the other hand, in the manufacturing apparatus of the cellulose microfiber of the present invention, the pressing portion may include one or more microchannels. The cellulose raw material ground in the microchannel may be filled. In addition, two or more microchannels may be located parallel to each other.

한편, 상기 유로는 단축의 길이가 1 ㎛ 이상 내지 100 ㎛ 이하 사이인 것이 바람직하고, 단축의 길이가 10 ㎛ 이상 내지 20 ㎛ 이하 사이인 것이 더욱 바람직하다. 미세유로의 단축길이가 작을수록 셀룰로오스 미세섬유의 수율이 저하된다. 반대로, 미세유로의 단축길이가 클수록 분쇄된 셀룰로오스 원료의 균일한 섬유화가 제한된다. 따라서, 수율 및 균일한 미세섬유의 수득을 조화시키는 관점에서 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.On the other hand, it is preferable that the length of a short axis is 1 micrometer or more and 100 micrometers or less, and it is more preferable that the length of a short axis is 10 micrometers or more and 20 micrometers or less. The smaller the shorter length of the microchannel, the lower the yield of the cellulose fine fibers. On the contrary, the greater the shorter length of the microchannel, the more uniform the fiberization of the pulverized cellulose raw material. Therefore, it is preferable to satisfy the above range in view of harmonizing yield and obtaining of uniform microfibers.

분쇄된 셀룰로오스 원료는 상기 미세유로의 내부에서 1000 rpm 이상의 회전속도로 유동되는 것이 바람직하다. 상술한 회전속도가 만족됨으로써, 분쇄된 셀룰로오스 원료의 온도상승이 제한되어, 부반응에 의한 셀룰로오스 미세섬유의 물성 저하를 방지할 수 있다.The pulverized cellulose raw material is preferably flown at a rotational speed of 1000 rpm or more inside the micro channel. By satisfying the above-mentioned rotational speed, the temperature rise of the pulverized cellulose raw material is limited, and the physical properties of the cellulose fine fibers due to side reactions can be prevented.

한편, 상술한 회전속도를 달성하기 위하여, 미세유로 일체가 회전하는 방법을 고려할 수 있다. 또한, 상기 미세유로에는 동일한 축상으로 설치된 두 개의 원뿔형상부재(가령, 상면과 하면, 혹은 좌면과 우면)가 포함될 수 있다. 가령, 하나의 부재는 고정되고(고정자) 그리고 다른 하나는 고속으로 회전된다(회전자). 상기 고정자 및 회전자의 외면에는 미세한 요철이 형성될 수 있다. 회전자는 고속으로 회전하며 분쇄된 셀룰로오스 원료에 추가적으로 전단력, 충격력을 가하며, 공동효과(cavitation)를 유발한다. 그 결과, 분쇄된 셀룰로오스 원료가 일차적으로 미세섬유화 된다.On the other hand, in order to achieve the above-described rotational speed, it is possible to consider a method in which the micro flow path is integrated. In addition, the micro channel may include two conical members (for example, upper and lower surfaces, or left and right surfaces) installed in the same axis. For example, one member is fixed (stator) and the other is rotated at high speed (rotor). Fine unevenness may be formed on the outer surfaces of the stator and the rotor. The rotor rotates at high speed and exerts shear and impact forces on the ground cellulose raw material and causes cavitation. As a result, the pulverized cellulose raw material is primarily microfibers.

한편, 본 발명의 셀룰로오스 미세섬유의 제조장치에 있어서, 상기 안정화부는 셀룰로오스 미세섬유에 초음파를 투사하는 초음파 발생부를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 초음파 발생부는 셀룰로오스 미세섬유에 침지되어 초음파를 상기 셀룰로오스 미세섬유의 심부까지 효과적으로 전달할 수 있다. 특히, 초음파의 전달에 따라, 미세섬유화가 더욱 촉진 및 완료되어, 셀룰로오스 미세섬유의 균질화가 더욱 진행될 수 있다. On the other hand, in the manufacturing apparatus of the cellulose microfiber of the present invention, the stabilization unit may further include an ultrasonic wave generator for projecting the ultrasonic waves to the cellulose microfibers. In addition, the ultrasonic generator is immersed in the cellulose microfibers can effectively deliver the ultrasonic wave to the core of the cellulose microfibers. In particular, according to the delivery of ultrasonic waves, the microfiberization is further promoted and completed, so that the homogenization of the cellulose microfibers can proceed further.

{실시예 및 평가}{Example and Evaluation}

이하, 실시예들을 참조하여 본 명세서가 청구하는 바에 대하여 더욱 자세히 설명한다. 다만, 본 명세서에서 제시하고 있는 실시예 등은 통상의 기술자에게 의하여 다양한 방식으로 변형되어 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 본 명세서의 기재사항은 본 발명을 특정 개시 형태에 한정되는 것이 아니고 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 내지 대체물을 포함하고 있는 것으로 보아야 한다.Hereinafter, with reference to the embodiments will be described in more detail with respect to what is claimed by the present specification. However, the embodiments and the like presented in the present specification may be modified in various ways by those skilled in the art and may have various forms, and the description of the present specification is not limited to the present disclosure but the present invention. All equivalents and alternatives falling within the spirit and scope of this document should be included.

실시예 1: 셀룰로오스 원료의 해리Example 1 Dissociation of Cellulose Raw Material

미정질의 셀룰로오스 분말(Sigma Aldrich)를 교반기에 투입하고 증류수를 교반하며 혼합하였다. 셀룰로오스 분말(달리, 셀룰로오스 원료)과 증류수의 중량비는 대략 1 대 49이었다. 교반기 내부의 온도는 4℃로 유지하였다. 셀룰로오스 원료와 증류수가 충분히 혼합된 후 균질화부를 밀폐하고, 셀룰로오스 원료를 약 2000 rpm으로 교반하였다. 교반 중인 셀룰로오스 원료에 드라이아이스를 첨가하여, 약 2,000 bar의 압력조건을 구현하였다. 교반시간은 약 10분이었다. 셀룰로오스 원료의 분쇄과정에서 균질화부 내부의 온도는 약 4℃ 내지 8℃ 사이를 유지하였다. 그 결과, 분쇄된 셀룰로오스 원료로부터 탄화흔을 발견할 수 없었다.Microcrystalline cellulose powder (Sigma Aldrich) was added to the stirrer and distilled water was stirred and mixed. The weight ratio of cellulose powder (in contrast, cellulose raw material) to distilled water was approximately 1 to 49. The temperature inside the stirrer was kept at 4 ° C. After the cellulose raw material and the distilled water were sufficiently mixed, the homogenization part was sealed and the cellulose raw material was stirred at about 2000 rpm. Dry ice was added to the stirring cellulose raw material to achieve a pressure condition of about 2,000 bar. The stirring time was about 10 minutes. In the grinding process of the cellulose raw material, the temperature inside the homogenization unit was maintained between about 4 ° C to 8 ° C. As a result, carbonized traces could not be found from the pulverized cellulose raw material.

한편, 해리된 셀룰로오스 원료를 얻기 위하여 소모된 에너지는 약 21,000 KWh/t에 준하는 것으로 나타났다. 이와 같은 에너지 소모는 종래의 셀룰로오스 원료의 분쇄과정에 비하여, 약 3 분의 1 수준이다.On the other hand, the energy consumed to obtain the dissociated cellulose raw material was found to be about 21,000 KWh / t. This energy consumption is about one third of that of the conventional cellulose raw material grinding process.

실시예 2: 분쇄된 셀룰로오스 원료의 미세섬유화Example 2: Microfiberization of Milled Cellulose Raw Material

분쇄된 셀룰로오스 원료를 가압부의 미세유로 내부로 이동시켰다. 미세유로의 내부에 설치된 회전자는 1,500 rpm의 속도로 회전하며 약 2,500 bar의 압력조건을 구현하였다. 한편, 미세유로 내부에서 해리 및 추출된 셀룰로오스 원료는 약 8분간 미세섬유화 되었다. 위에 과정을 반복할수록 더욱 미세한 셀룰로오스 섬유를 얻을 수 있으며, 20회 실시 시 정적 점도가 20,000cps 인 셀룰로오스 미세섬유를 얻을 수 있었다.The pulverized cellulose raw material was moved to the inside of the micro oil in the press section. The rotor installed inside the micro channel rotates at a speed of 1,500 rpm and realizes a pressure condition of about 2,500 bar. On the other hand, the cellulose raw material dissociated and extracted in the microchannel was microfiber for about 8 minutes. As the above process is repeated, more fine cellulose fibers can be obtained, and the cellulose fine fibers having a static viscosity of 20,000 cps can be obtained after 20 times.

비교예 1Comparative Example 1

비교문헌 1을 참조하면, 통상적으로 물리적 공정을 통하여 셀룰로오스 미세섬유를 제조하기 위해서는 70,000 KWh/t까지의 에너지가 소모되는 것을 확인할 수 있다. 통상적으로 60,000 KWh/t 이상의 에너지가 셀룰로오스 원료의 분쇄(또는, 균질화)에 소모된다.Referring to Comparative Document 1, it may be confirmed that energy of up to 70,000 KWh / t is typically consumed in order to manufacture cellulose microfibers through a physical process. Typically at least 60,000 KWh / t of energy is consumed for grinding (or homogenizing) the cellulosic raw material.

비교예 2Comparative Example 2

실시예 1과 동일하게 실시하되, 드라이아이스를 별도로 첨가하지 않았으며, 셀룰로오스 원료를 4,000 rpm 이상으로 교반하였다. 균질화부의 내부온도는 약 260℃였다. 그 결과, 분쇄된 셀룰로오스 원료로부터 탄화흔을 발견할 수 있었다.In the same manner as in Example 1, dry ice was not added separately, and the cellulose raw material was stirred at 4,000 rpm or more. The internal temperature of the homogenizer was about 260 ° C. As a result, carbonized traces were found from the pulverized cellulose raw material.

종합하자면, 본 발명의 셀룰로오스 원료의 분쇄방법은 종래의 방법에 비하여 적은 에너지의 소모, 단순한 구조, 원료 수급의 용이성 등의 관점에서 이점을 가진다. 또한, 본 발명의 셀룰로오스 미세섬유의 제조방법은 전 공정이 저온에서 수행됨으로써, 셀룰로오스 미세섬유의 탄화, 치환기의 도입 등의 부반응이 억제되는 장점을 지닌다. 그 결과, 본 발명의 셀룰로오스 미세섬유의 제조방법에 따라서 제조된 셀룰로오스 미세섬유는 인장강도의 저하가 관찰되지 아니하고, 균일한 품질을 유지하는 것을 확인할 수 있다.In summary, the cellulose raw material grinding method of the present invention has advantages in view of low energy consumption, simple structure, easy supply of raw materials, and the like, compared to the conventional method. In addition, the method for producing a cellulose microfiber of the present invention has the advantage that side reactions such as carbonization of cellulose microfibers, introduction of substituents, etc. are suppressed by performing the entire process at a low temperature. As a result, the cellulose microfibers produced according to the method for producing cellulose microfibers of the present invention can be seen that the decrease in tensile strength is not observed, and maintains a uniform quality.

Claims (12)

셀룰로오스 원료와 팽윤제가 혼합되어, 셀룰로오스 원료가 팽윤되는 제1단계; 및
팽윤된 셀룰로오스 원료에 승화성 물질이 교반되며 첨가되는 제2단계;를 포함하고,
상기 팽윤제는 증류수이고, 상기 승화성 물질은 드라이아이스이며,
상기 제1단계와 상기 제2단계는 1 ℃이상 내지 10 ℃이하의 온도조건에서 수행되고,
상기 제2단계의 교반은 500 rpm 이상 내지 5000 rpm 이하의 회전속도로 수행되는, 셀룰로오스 원료의 해리 및 추출방법.
A first step in which the cellulose raw material and the swelling agent are mixed to swell the cellulose raw material; And
And a second step of adding a sublimable material to the swollen cellulose raw material while stirring.
The swelling agent is distilled water, the sublimable material is dry ice,
The first step and the second step is performed at a temperature condition of more than 1 ℃ to less than 10 ℃,
The stirring of the second step is performed at a rotational speed of 500 rpm or more to 5000 rpm or less, dissociation and extraction method of the cellulose raw material.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항의 셀룰로오스 원료의 해리 및 추출방법에 따라서 셀룰로오스 원료를 준비하는 단계;
상기 해리 및 추출된 셀룰로오스 원료로부터 물리적 공정을 통해 셀룰로오스 미세섬유를 합성하는 단계; 및
상기 셀룰로오스 미세섬유에 초음파를 투사하여 셀룰로오스 미세섬유를 안정화하는 단계;를 포함하는, 셀룰로오스 미세섬유의 제조방법.
Preparing a cellulose raw material according to the method for dissociating and extracting cellulose raw material of claim 1;
Synthesizing cellulose microfibers through a physical process from the dissociated and extracted cellulose raw materials; And
And stabilizing cellulose microfibers by projecting ultrasonic waves onto the cellulose microfibers.
제 6항에 있어서,
상기 물리적 공정은, 분쇄된 셀룰로오스 원료가 미세유로에 내포되고, 상기 분쇄된 셀룰로오스 원료가 1000 rpm의 회전속도로 유동되는, 셀룰로오스 미세섬유의 제조방법.
The method of claim 6,
In the physical process, the pulverized cellulose raw material is contained in the fine flow path, and the pulverized cellulose raw material is flowed at a rotational speed of 1000 rpm, a method for producing cellulose microfibers.
제 7항에 있어서,
상기 미세유로는 단축의 길이가 1 ㎛ 이상 내지 100 ㎛ 이하 사이인, 셀룰로오스 미세섬유의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
The microchannel is a method for producing a cellulose microfiber, the length of the short axis is between 1 μm or more and 100 μm or less.
제 8항에 있어서,
상기 미세유로는 단축의 길이가 10 ㎛ 이상 내지 20 ㎛ 이하 사이인, 셀룰로오스 미세섬유의 제조방법.
The method of claim 8,
The micro-channel is a method of producing a cellulose microfiber, the length of the short axis is between 10 μm or more and 20 μm or less.
제8항의 셀룰로오스 미세섬유의 제조방법에 따라 제조된, 셀룰로오스 미세섬유.
Cellulose microfibers produced according to the method for producing a cellulose microfiber of claim 8.
삭제delete 삭제delete
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