KR102171777B1 - Deep Eutectic Solvents For NanoCellulose and Its Preparing Method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노셀룰로오스 제조용 공융용매 및 이를 이용한 나노셀룰로오스 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 나노셀룰로오스 제조용 공융용매는 간단한 혼합만으로 제조가 가능하고 처리가 간단하여 경제성이 우수한 장점이 있으며 종래의 수소결합 공여체 또는 수소결합 수용체에 비해 융점이 낮은 물질을 사용하므로 반응효율이 우수한 장점이 있다. 또한, 본 발명의 나노셀룰로오스 제조용 공융용매는 암모늄염과 할로겐화물 및 수소결합공여체로 구성되어 방출되어도 위험하지 않은 환경 친화적 생체적합성 화합물이므로 정화 또는 폐기 처리에 수반되는 비용 및 환경오염의 우려가 없는 장점이 있다.
The present invention provides a eutectic solvent for producing nanocellulose and a method for producing nanocellulose using the same.
The eutectic solvent for nanocellulose production of the present invention can be prepared by simple mixing and has the advantage of excellent economical efficiency due to its simple treatment. It has the advantage of excellent reaction efficiency because it uses a material with a lower melting point than that of a conventional hydrogen bond donor or hydrogen bond acceptor have. In addition, since the eutectic solvent for nanocellulose production of the present invention consists of an ammonium salt, a halide, and a hydrogen bond donor, it is an environmentally friendly biocompatible compound that is not dangerous even if released. have.

Description

나노셀룰로오스 제조용 공융용매 및 이를 이용한 나노셀룰로오스 제조 방법{Deep Eutectic Solvents For NanoCellulose and Its Preparing Method} A eutectic solvent for manufacturing nanocellulose and a method for manufacturing nanocellulose using the same {Deep Eutectic Solvents For NanoCellulose and Its Preparing Method}

본 발명은 나노셀룰로오스 제조용 공융용매 및 이를 이용한 나노셀룰로오스 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a eutectic solvent for producing nanocellulose and a method for producing nanocellulose using the same.

나노크기의 재료는 물리·화학·역학적 특성이 우수하기 때문에 강화복합소재로서 넓리 사용된다. 지구상에 가장 풍부하게 존재하며 생분해성 및 생체적합성이 우수한 천연고분자인 셀룰로오스는 화석자원의 대체자원으로 주목을 받아 다양한 용도로 활용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 특히 나노셀룰로오스에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 나노셀룰로오스는 나노미터의 직경과 나노 또는 마이크로미터의 길이를 가지는 막대형태 혹은 섬유형태를 가진다. 나노셀룰로오스는 밀도가 작고 강도가 우수하며 넓은 비표면적을 가지고 있는 바이오기반 소재이다. 나노셀룰로오스는 제조방법에 따라 셀룰로오스 나노피브릴(cellulose nanofibrill, CNF)와 셀룰로오스 나노크리스탈(cellulose nanocrystal, CNC)로 크게 구분할 수 있다. CNF는 고압호모게나이징, 그라인딩, 리파이닝 등 강력한 기계적 전단력과 마찰력에 의해 제조되는 섬유로 에너지 소비와 시간이 필요한 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 TEMPO 촉매산화, 효소 등을 이용하여 에너지 소비를 감소시키는 화학적 전처리를 적용하고 있다. 그러나 이러한 화학적 전처리는 셀룰로오스의 강력한 수소결합을 완화시키기 위해 표면에 양이온, 음이온성 및 양친매성기와 같은 관능기를 부착시키는 등의 복잡한 과정을 거쳐야한다. 또한, 화학적 전처리 방법은 사용하는 용매에 따라 폐수처리, 부유 및 응집 등과 같은 문제가 발생한다. 따라서 독성이 없고 재활용성이 가능하고, 비 반응성이면서 셀룰로오스의 나노피브릴화(nanofibrilation)를 향상시키는 용매를 활용한다면 나노셀룰로오스 생산에 새로운 경로를 열 수 있을 것으로 판단된다. Nano-sized materials are widely used as reinforced composite materials because they have excellent physical, chemical, and mechanical properties. Cellulose, a natural polymer that exists most abundantly on the planet and has excellent biodegradability and biocompatibility, has attracted attention as an alternative resource for fossil resources, and research is being conducted to use it for various purposes. In particular, interest in nanocellulose is greatly increasing. Nanocellulose has the shape of a rod or fiber with a diameter of nanometers and a length of nano or micrometers. Nanocellulose is a bio-based material with a small density, excellent strength, and a large specific surface area. Nanocellulose can be broadly classified into cellulose nanofibrill (CNF) and cellulose nanocrystal (CNC) according to the manufacturing method. CNF is a fiber manufactured by strong mechanical shearing force and frictional force such as high pressure homogenizing, grinding, and refining, and has disadvantages that require energy consumption and time. To overcome this, chemical pretreatment is applied to reduce energy consumption using TEMPO catalytic oxidation and enzymes. However, such a chemical pretreatment has to go through a complicated process such as attaching functional groups such as cationic, anionic and amphiphilic groups to the surface in order to mitigate the strong hydrogen bonds of cellulose. In addition, the chemical pretreatment method causes problems such as wastewater treatment, flotation and aggregation, depending on the solvent used. Therefore, it is believed that using a non-toxic, recyclable, non-reactive, and non-reactive solvent that improves nanofibrilation of cellulose could open a new route for nanocellulose production.

본 명세서에서 언급된 특허문헌 및 참고문헌은 각각의 문헌이 참조에 의해 개별적이고 명확하게 특정된 것과 동일한 정도로 본 명세서에 참조로 삽입된다. The patent documents and references mentioned in this specification are incorporated herein by reference to the same extent as if each document was individually and clearly specified by reference.

한국공개특허 10-2009-0110322Korean Patent Publication 10-2009-0110322

이은정 et. al., J. Korean Soc. Int. Agric. 2016 28(2): 268~273.Eunjung Lee et. al., J. Korean Soc. Int. Agric. 2016 28(2): 268~273.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로 처리가 간단하고, 안전하며, 비용 면에서 효율적이고, 정화 또는 폐기 처리 시 문제를 수반하지 않는 공융용매를 이용하여 나노셀룰로오스를 제조하는 방법을 제공한다. The present invention is designed to solve the above problems, and provides a method for producing nanocellulose using a eutectic solvent that is simple to process, is safe, is cost-effective, and does not cause problems during purification or disposal.

따라서 본 발명의 목적은 콜린(choline)의 염 및 수소결합공여체를 포함하는 나노셀룰로오스 제조용 공융용매 및 이를 이용한 나노셀룰로오스의 제조방법을 제공하는 데 있다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a eutectic solvent for preparing nanocellulose including a salt of choline and a hydrogen bond donor, and a method for producing nanocellulose using the same.

본 발명의 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 구체적으로 제시된다. Other objects and technical features of the present invention are presented in more detail by the following detailed description, claims, and drawings.

본 발명의 나노셀룰로오스 제조용 공융용매는 하기의 화학식을 가지는 콜린(choline)의 염:The eutectic solvent for preparing nanocellulose of the present invention is a salt of choline having the following formula:

[화학식][Chemical Formula]

Figure 112019014081794-pat00001
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(상기 X는 플루오린(F), 염소(Cl), 브로민(Br), 또는 아이오딘(I)이다.), 및 수소결합공여체를 포함하는 나노셀룰로오스 제조용 공융용매이다. (X is a eutectic solvent for producing nanocellulose containing fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br), or iodine (I).), and a hydrogen bond donor.

상기 수소결합공여체는 글리세롤(glycerilne), 요소(urea), 또는 젖산(lactic acid)이며 상기 콜린의 염과 수소결합공여체는 1 : 2 내지 10 (콜린의 염 : 수소결합공여체)의 몰비로 혼합된다.The hydrogen bond donor is glycerol (glycerilne), urea, or lactic acid, and the choline salt and the hydrogen bond donor are mixed at a molar ratio of 1: 2 to 10 (choline salt: hydrogen bond donor). .

본 발명은 셀룰로오스를 준비하는 단계; 상기 셀룰로오스를 나노셀룰로오스 제조용 공융용매로 처리하는 단계; 및 상기 공융용매로 처리된 셀룰로오스를 분쇄하여 나노셀룰로오스를 제조하는 단계;를 포함하는 나노셀룰로오스의 제조방법을 제공한다.The present invention comprises the steps of preparing cellulose; Treating the cellulose with a eutectic solvent for producing nanocellulose; And pulverizing the cellulose treated with the eutectic solvent to produce nanocellulose.

상기 셀룰로오스를 준비하는 단계는 목재를 아염소산(chlorite)염과 초산을 이용한 탈리그닌 (delignification)처리 (일명 Wise법)에 의하여 리그닌을 제거하는 것을 특징으로 한다. The step of preparing the cellulose is characterized in that lignin is removed from the wood by delignification treatment (aka Wise method) using chlorite salt and acetic acid.

본 발명은 나노셀룰로오스 제조용 공융용매 및 이를 이용한 나노셀룰로오스 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a eutectic solvent for producing nanocellulose and a method for producing nanocellulose using the same.

본 발명의 나노셀룰로오스 제조용 공융용매는 간단한 혼합만으로 제조가 가능하고 처리가 간단하여 경제성이 우수한 장점이 있으며 종래의 수소결합 공여체 또는 수소결합 수용체에 비해 융점이 낮은 물질을 사용하므로 반응효율이 우수한 장점이 있다. 또한, 본 발명의 나노셀룰로오스 제조용 공융용매는 암모늄염과 할로겐화물 및 수소결합공여체로 구성되어 방출되어도 위험하지 않은 환경 친화적 화합물이므로 정화 또는 폐기 처리에 수반되는 비용 및 환경오염의 우려가 없는 장점이 있다.The eutectic solvent for nanocellulose production of the present invention can be prepared by simple mixing and has the advantage of excellent economical efficiency due to its simple treatment. It has the advantage of excellent reaction efficiency because it uses a material with a lower melting point than that of a conventional hydrogen bond donor or hydrogen bond acceptor have. In addition, since the eutectic solvent for producing nanocellulose of the present invention is composed of an ammonium salt, a halide, and a hydrogen bond donor, it is an environmentally friendly compound that is not dangerous even if released, so there is no concern of cost and environmental pollution associated with purification or disposal.

도 1은 염화콜린/젖산 공융용매 처리 시료에 대한 FTIR 스펙트럼을 보여준다. 패널 A)는 소나무 변재를 처리한 결과이며 패널 B)는 소나무 심재를 처리한 결과이다.
도 2는 염화콜린/요소 공융용매 처리 시료에 대한 FTIR 스펙트럼을 보여준다. 패널 A)는 소나무 변재를 처리한 결과이며 패널 B)는 소나무 심재를 처리한 결과이다.
도 3은 염화콜린/글리세롤 공융용매 처리 시료에 대한 FTIR 스펙트럼을 보여준다. 패널 A)는 소나무 변재를 처리한 결과이며 패널 B)는 소나무 심재를 처리한 결과이다.
도 4는 Wise법 처리 시료에 대한 FTIR 스펙트럼을 보여준다. 패널 A)는 소나무 변재를 처리한 결과이며 패널 B)는 소나무 심재를 처리한 결과이다.
도 5는 Wise 법 및 염화콜린/젖산(1:6) 공융용매 처리를 수행하고 분쇄하여 제조한 나노셀룰로오스에 대한 투과전자현미경 관찰결과를 보여준다. 패널 A)는 Wise 법 3시간 처리한 결과이며 패널 B)는 Wise 법 6시간 처리한 결과이다.
도 6은 Wise 법 및 염화콜린/요소(1:6) 공융용매 처리를 수행하고 분쇄하여 제조한 나노셀룰로오스에 대한 투과전자현미경 관찰결과를 보여준다. 패널 A)는 Wise 법 3시간 처리한 결과이며 패널 B)는 Wise 법 6시간 처리한 결과이다.
도 7은 Wise 법 및 염화콜린/글리세롤(1:6) 공융용매 처리를 수행하고 분쇄하여 제조한 나노셀룰로오스에 대한 투과전자현미경 관찰결과를 보여준다. 패널 A)는 Wise 법 3시간 처리한 결과이며 패널 B)는 Wise 법 6시간 처리한 결과이다.
1 shows an FTIR spectrum of a sample treated with a choline chloride/lactic acid eutectic solvent. Panel A) is the result of treating pine sapwood, and panel B) is the result of treating pine heartwood.
Figure 2 shows the FTIR spectrum of the choline chloride / urea eutectic solvent treatment sample. Panel A) is the result of treating pine sapwood, and panel B) is the result of treating pine heartwood.
3 shows an FTIR spectrum of a sample treated with a choline chloride/glycerol eutectic solvent. Panel A) is the result of treating pine sapwood, and panel B) is the result of treating pine heartwood.
4 shows an FTIR spectrum of a sample treated with the Wise method. Panel A) is the result of treating pine sapwood, and panel B) is the result of treating pine heartwood.
5 shows the results of observation with a transmission electron microscope for nanocellulose prepared by performing Wise method and choline chloride/lactic acid (1:6) eutectic solvent treatment and grinding. Panel A) is the result of treatment with the Wise method for 3 hours, and Panel B) is the result of treatment with the Wise method for 6 hours.
6 shows the results of observation with a transmission electron microscope for nanocellulose prepared by performing Wise method and choline chloride/urea (1:6) eutectic solvent treatment and grinding. Panel A) is the result of treatment with the Wise method for 3 hours, and Panel B) is the result of treatment with the Wise method for 6 hours.
7 shows the results of observation with a transmission electron microscope for nanocellulose prepared by performing the Wise method and the choline chloride/glycerol (1:6) eutectic solvent treatment and grinding. Panel A) is the result of treatment with the Wise method for 3 hours, and Panel B) is the result of treatment with the Wise method for 6 hours.

본 발명은 나노셀룰로오스 제조용 공융용매(deep eutectic solvent)에 있어서,The present invention in the eutectic solvent for producing nanocellulose (deep eutectic solvent),

하기의 화학식을 가지는 콜린(choline)의 염:A salt of choline having the formula:

[화학식][Chemical Formula]

Figure 112019014081794-pat00002
Figure 112019014081794-pat00002

(상기 X는 플루오린(F), 염소(Cl), 브로민(Br), 또는 아이오딘(I)이다.), 및 수소결합공여체(hydrogen bond donor)를 포함하는 나노셀룰로오스 제조용 공융용매를 제공한다.(The X is fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br), or iodine (I).), and a hydrogen bond donor (hydrogen bond donor) to provide a eutectic solvent for manufacturing nanocellulose containing do.

나노셀룰로오스는 식물세포벽으로부터 기계적 또는 화학적으로 얻을 수 있는 천연고분자로서 투명성, 재생가능성, 생분해성, 생체안정성, 열안정성, 성형성이 우수하한 장점이 있다. 상기 나노셀룰로오스의 치수는 폭이 수-수백 ㎚ 이며, 길이는 수 nm에서 수 ㎛에 달하는 막대기 형태 또는 섬유형태의 소재이다. Nanocellulose is a natural polymer that can be obtained mechanically or chemically from the plant cell wall, and has advantages such as transparency, reproducibility, biodegradability, biostability, thermal stability, and moldability. The dimensions of the nanocellulose are several-hundreds of nm in width, and the length of the nanocellulose is a rod-shaped or fibrous material ranging from several nm to several μm.

상기 공융용매(deep eutectic solvent)는 두 종류의 성분이 혼합되어 각 성분보다 더 낮은 녹는점을 갖는 공융 혼합물을 의미하며 주로 100 ℃이하에서 액상으로 존재한다. 상기 공융용매는 점도, 밀도, 전도도 및 용해성 등의 물리화학적 성질이 이온성 액체와 유사한 특징이 있으며 사암모늄염과 수소결합공여체의 성질을 바꾸어 물리화학적 성질을 미세조정하면 다양한 임무 맞춤형 공융용매를 만들 수 있다.The deep eutectic solvent refers to a eutectic mixture in which two types of components are mixed and has a lower melting point than each component, and is mainly present in a liquid state at 100° C. or lower. The eutectic solvent has characteristics similar to ionic liquids in physicochemical properties such as viscosity, density, conductivity and solubility, and by fine-tuning the physicochemical properties by changing the properties of the tetraammonium salt and the hydrogen bond donor, it is possible to create a eutectic solvent tailored to various tasks. have.

본 발명의 공융용매는 나노셀룰로오스 제조에 최적화된 공융용매로서 아염소산나트륨 등 탈리그닌 과정 후 사용하면, 간단한 분쇄작업만으로도 폭이 수 ㎚에 불과한 나노셀룰로오스를 제조할 수 있는 장점이 있다. The eutectic solvent of the present invention is a eutectic solvent optimized for nanocellulose production, and if used after a delignification process such as sodium chlorite, it has the advantage of being able to produce nanocellulose having a width of only a few nm with only a simple grinding operation.

본 발명의 공융용매는 암모늄염으로서 콜린의 염을 사용한다. 상기 콜린의 염은 상기의 화학식을 가지는 콜린과 상기 플루오린(F), 염소(Cl), 브로민(Br), 또는 아이오딘(I)이 결합된 염일 수 있으며 바람직하게는 염소(Cl)이다. The eutectic solvent of the present invention uses a salt of choline as an ammonium salt. The salt of choline may be a salt in which choline having the above formula and fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br), or iodine (I) are combined, preferably chlorine (Cl). .

본 발명의 공융용매는 수소결합공여체로서 글리세롤(glycerilne), 요소(urea), 또는 젖산(lactic acid)을 사용 할 수 있으며 바람직하게는 글리세롤을 사용한다.The eutectic solvent of the present invention may use glycerol (glycerilne), urea (urea), or lactic acid (lactic acid) as a hydrogen bonding donor, preferably glycerol.

나노셀룰로오스는 폭이 작을수록 분산성이 우수하여 용도가 다양해진다. 따라서 폭(width)이 작은 나노셀룰로오스를 제조 할수록 산업적으로 이용 가능성이 향상된다.The smaller the width of the nanocellulose is, the more excellent the dispersibility is, the more diverse its uses. Therefore, as nanocelluloses having a smaller width are manufactured, the industrial applicability increases.

이를 위하여 본 발명에서는 실시예를 통해 폭(width)이 작은 나노셀룰로오스를 제조할 수 있는 공융용매를 개발하고 이를 실험적으로 확인하였다.To this end, in the present invention, a eutectic solvent capable of producing nanocellulose having a small width was developed through Examples, and this was experimentally confirmed.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 공융용매는 상기 콜린의 염과 수소결합공여체를 1 : 2 내지 10 (콜린의 염 : 수소결합공여체)의 몰비로 혼합하여 제조한다. 상기 콜린의 염과 수소결합공여체의 혼합몰비가 1:2 미만이면 수소결합공여체의 수가 너무 적어 셀룰로오스 사이의 강한 수소결합을 완화시킬 수 없게 된다. 상기 수소결합이 완화되지 않으면 셀룰로오스의 분쇄시간이 더 소요되어 경제성이 저하된다. 또한 상기 콜린의 염과 수소결합공여체의 혼합몰비가 1:10을 초과하더라도 상기 제조된 나노셀룰로오스의 폭은 더 작아지지 않는다. 바람직하게는 본 발명의 공융용매는 상기 콜린의 염과 수소결합공여체로서 글리세롤을 사용하며 상기 콜린의 염과 글리세롤의 혼합몰비는 1:6이다.According to an embodiment of the present invention, the eutectic solvent of the present invention is prepared by mixing the choline salt and the hydrogen bond donor in a molar ratio of 1: 2 to 10 (choline salt: hydrogen bond donor). If the mixed molar ratio of the salt of choline and the hydrogen bond donor is less than 1:2, the number of hydrogen bond donors is too small to relieve strong hydrogen bonds between cellulose. If the hydrogen bonding is not relaxed, the pulverization time of the cellulose takes more time, thereby reducing economic efficiency. In addition, even if the mixing molar ratio of the salt of choline and the hydrogen bond donor exceeds 1:10, the width of the prepared nanocellulose is not smaller. Preferably, the eutectic solvent of the present invention uses glycerol as the salt of choline and the hydrogen bond donor, and the mixed molar ratio of the salt of choline and glycerol is 1:6.

본 발명은 상기 나노셀룰로오스 제조용 공융용매를 이용한 나노셀룰로오스의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing nanocellulose using the eutectic solvent for producing nanocellulose.

상기 나노셀룰로오스의 제조방법은 제 1 단계: 셀룰로오스를 준비하는 단계; 제 2 단계: 셀룰로오스를 나노셀룰로오스 제조용 공융용매로 처리하는 단계; 제 3 단계: 공융용매로 처리된 셀룰로오스를 분쇄하여 나노셀룰로오스를 제조하는 단계를 포함한다.The method of manufacturing the nanocellulose includes the first step: preparing cellulose; Second step: treating cellulose with a eutectic solvent for producing nanocellulose; Third step: comprising the step of pulverizing the cellulose treated with a eutectic solvent to produce nanocellulose.

상기 제 1 단계: 셀룰로오스를 준비하는 단계는 목질 또는 바이오매스의 셀룰로오스 함량을 향상시키는 단계이다. 목질을 사용하는 경우 목질에 함유된 리그닌을 제거하여야 한다. 상기 리그닌은 셀룰로오스를 둘러싸고 있다. 따라서 리그닌을 제거하지 않으면 셀룰로오스를 둘러싸고 있는 이 성분의 영향으로 화학적 처리에 한계가 발생하게 된다. The first step: preparing cellulose is a step of improving the cellulose content of wood or biomass. If wood is used, lignin contained in wood should be removed. The lignin surrounds cellulose. Therefore, if lignin is not removed, the chemical treatment is limited due to the influence of this component surrounding cellulose.

먼저 목질을 분쇄하여 분산이 가능한 분말 상태로 준비하고 아염소산(chlorite)의 염과 초산으로 처리(Wise 법)하여 리그닌(lignin)을 제거한다. 상기 Wise법은 초산 용액에 아염소나트륨을 일정량 첨가한 후 80 ℃의 온도에서 교반하여 수행할 수 있다. First, wood is pulverized to prepare a powder that can be dispersed, and then treated with a salt of chlorite and acetic acid (Wise method) to remove lignin. The Wise method may be performed by adding a certain amount of sodium chlorite to the acetic acid solution and stirring at a temperature of 80°C.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 Wise법을 이용한 리그닌 제거는 2 내지 6 시간동안 반응시켜 수행한다. 바람직하게는 3 시간 이상을 반응시켜 수행한다. 상기 반응시간이 2 시간 미만이면 제거되지 않은 리그닌으로 인해 셀룰로오스 수율이 저하될 수 있고 나노섬유 제조를 위한 분쇄시간이 더 소요될 수 있다. 또한 상기 반응시간이 6 시간을 초과하면 셀룰로오스가 과도하게 분해되어 셀룰로오스의 수율이 저하된다. 상기 반응시간은 3 시간이 가장 바람직한데, 이 경우는 셀룰로오스 나노섬유 제조용 공융용매로서 콜린염과 글리세롤이 1:6의 몰비로 혼합된 혼합물을 사용하는 경우이다. 상기 공융용매로 6 시간 처리 후 분쇄하면 2.1±0.8 ㎚의 폭을 가진 우수한 셀룰로오스 나노섬유를 제조할 수 있다. 상기 Wise법으로 처리한 시료는 여과 후 중화시켜 다음 단계에 사용 할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the removal of lignin using the Wise method is performed by reacting for 2 to 6 hours. It is preferably carried out by reacting for 3 hours or more. If the reaction time is less than 2 hours, the cellulose yield may be lowered due to the lignin that has not been removed, and the pulverization time for producing nanofibers may be further required. In addition, when the reaction time exceeds 6 hours, the cellulose is excessively decomposed and the yield of cellulose is lowered. The reaction time is most preferably 3 hours. In this case, a mixture of choline salt and glycerol in a molar ratio of 1:6 is used as a eutectic solvent for producing cellulose nanofibers. When pulverized after 6 hours treatment with the eutectic solvent, excellent cellulose nanofibers having a width of 2.1±0.8 nm can be prepared. The sample treated by the Wise method can be used in the next step by neutralizing after filtration.

상기 제 2 단계: 나노셀룰로오스 제조용 공융용매로 처리하는 단계는 상기 준비한 셀룰로오스의 분자응집체간 수소결합을 끊어 팽윤시키는 단계이다. 상기 제 1 단계에 의해 리그닌에 제거되면 상기 셀룰로오스 분자응집체간에 공간이 생기게 되며, 이에 본 발명의 공융용매의 침투가 용이해지고 셀룰로오스 분자응집체간의 사이의 수소결합이 공융용매의 수소결합공여체에 의해 완화되게 되므로 간단한 분쇄만으로 상기 셀룰로오스를 나노화 할 수 있다. The second step: treating with a eutectic solvent for preparing nanocellulose is a step of swelling by breaking hydrogen bonds between molecular aggregates of the prepared cellulose. When the lignin is removed by the first step, a space is created between the cellulose molecular agglomerates, thereby facilitating the penetration of the eutectic solvent of the present invention and allowing the hydrogen bonds between the cellulose molecular agglomerates to be relaxed by the hydrogen bond donor of the eutectic solvent. Therefore, the cellulose can be nano-ized only by simple grinding.

상기 제 1 단계에서 준비한 셀룰로오스에 대하여 나노셀룰로오스 제조용 공융용매로 처리한다. 상기 나노셀룰로오스 제조용 공융용매는 콜린염과 글리세롤이 1:6의 몰비로 혼합된 혼합물을 사용한다. 상기 공융용매처리는 100 ℃에서 400 rpm으로 교반하여 수행한다. 상기 처리가 끝나면 여과하여 습식상태로 냉장보관한다.The cellulose prepared in the first step is treated with a eutectic solvent for producing nanocellulose. The eutectic solvent for producing nanocellulose is a mixture of choline salt and glycerol in a molar ratio of 1:6. The eutectic solvent treatment is carried out by stirring at 400 rpm at 100°C. After the above treatment, it is filtered and stored refrigerated in a wet state.

상기 제 3 단계: 셀룰로오스를 분쇄하여 나노셀룰로오스를 제조하는 단계는 상기 공융용매 처리된 셀룰로오스를 기계적으로 나노화하는 단계이다. 이를 위하여 분쇄기(blender)를 사용하여 원료의 농도를 0.5 %로 하여 22,000 rpm으로 5 분간 분쇄한다. The third step: pulverizing the cellulose to prepare nanocellulose is a step of mechanically nano-izing the eutectic solvent-treated cellulose. To this end, the raw material is pulverized for 5 minutes at 22,000 rpm with a concentration of 0.5% using a blender.

하기 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.The present invention will be described in detail through the following examples.

실시예 Example

1. 셀룰로오스의 준비: 목분에 대한 Wise법 처리 1. Preparation of Cellulose: Wise Method Treatment for Wood Powder

1.1 Wise법 처리 시료에 대한 수율 및 화학조성분 분석1.1 Analysis of yield and chemical composition of samples treated with Wise method

소나무(pine)의 변재(sapwood)와 심재(heartwood)를 분쇄하여 목분을 제조한 후 아염소산염과 초산을 이용한 Wise법 처리를 수행하여 리그닌을 제거하였다. After making wood flour by crushing sapwood and heartwood of pine, lignin was removed by Wise method treatment using chlorite and acetic acid.

하기 표 1은 Wise법 처리에 의한 반응시간별 화학조성분 분석결과 및 수율을 보여준다. Ara는 아라비노스(Arabinose), Gal은 갈락토스(Galactose), Glu는 포도당(Glucose), Xyl은 자일로스(xylose), Man은 만노스(Mannose)를 의미한다. 표 1의 비교예 1 은 대조군으로서 무처리 시료에 대한 결과를 보여준다. Table 1 below shows the analysis results and yield of chemical composition by reaction time by the Wise method treatment. Ara stands for Arabinose, Gal stands for Galactose, Glu stands for Glucose, Xyl stands for xylose, and Man stands for Mannose. Comparative Example 1 of Table 1 shows the results for untreated samples as a control.

실험결과, 전체적으로 비교예 1에 제시한 결과보다 wise법에 의한 처리로 구성당과 리그닌(실시예 1, 2, 3 및 4)이 감소하는 것으로 나타났다. 산불용성 리그닌 함량은 처리시간에 따라 감소하는 것으로 나타났으며 심재가 변재에 대비하여 다소 효율적인 리그닌 제거율을 보여주었다. As a result of the experiment, it was found that constituent sugars and lignin (Examples 1, 2, 3, and 4) were reduced by treatment by the wise method than the result presented in Comparative Example 1. The content of acid-insoluble lignin decreased with treatment time, and heartwood showed a somewhat efficient lignin removal rate compared to sapwood.

Glucose는 처리시간이 길어질수록 가장 높게 감소하는 경향을 보여주었고, Arabinose, Galactose도 처리시간이 길어질수록 많이 분해되는 것을 알 수 있었다. Glucose showed a tendency to decrease the highest as the treatment time increased, and it was found that Arabinose and Galactose were also degraded more as the treatment time increased.

처리시간이 길어질수록 수율은 감소하는 것으로 나타났으며 6 시간 처리에 의해 변재의 수율은 56.7 %, 심재는 54.9 %정도였다. 그러나 변재와 심재사이의 수율변화는 크지 않는 것으로 나타났다. As the treatment time increased, the yield decreased, and the yield of sapwood was 56.7% and that of the heartwood by 6 hours treatment. However, it was found that the yield change between sapwood and heartwood was not large.

일반적으로 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 비율이 70 내지 80 % 정도를 차지하고 있는데, 이보다 낮은 수율을 나타내고 있어 아염소산염 처리시간을 길게 하면 리그닌 이외에 탄수화물 성분도 분해되는 것으로 추정된다. In general, the ratio of cellulose and hemicellulose accounts for about 70 to 80%, but it shows a lower yield, and it is estimated that if the chlorite treatment time is lengthened, carbohydrate components other than lignin are also decomposed.

반응시간Reaction time 위치location AraAra GalGal GluGlu XylXyl ManMan 전체 당Per whole 산불용성 리그닌Acid insoluble lignin Wise법 처리 후 수율Yield after Wise method treatment 비교예 1Comparative Example 1 -- 변재Sapwood 2.02.0 3.73.7 46.546.5 6.36.3 13.913.9 72.372.3 28.728.7 -- 심재Heartwood 2.5 2.5 4.9 4.9 48.9 48.9 8.7 8.7 12.4 12.4 77.5 77.5 27.1 27.1 -- 실시예 1Example 1 3시간3 hours 변재Sapwood 1.2 1.2 2.3 2.3 40.8 40.8 5.0 5.0 9.8 9.8 59.1 59.1 11.3 11.3 76.2%76.2% 심재Heartwood 1.4 1.4 1.2 1.2 37.1 37.1 6.9 6.9 9.0 9.0 55.6 55.6 8.0 8.0 75.4%75.4% 실시예 2Example 2 4시간4 hours 변재Sapwood 1.0 1.0 1.7 1.7 33.7 33.7 4.4 4.4 8.1 8.1 49.0 49.0 6.5 6.5 68.6%68.6% 심재Heartwood 1.2 1.2 1.0 1.0 37.0 37.0 6.4 6.4 7.9 7.9 53.5 53.5 4.7 4.7 71.3%71.3% 실시예 3Example 3 5시간5 hours 변재Sapwood 0.8 0.8 1.2 1.2 33.4 33.4 4.2 4.2 6.8 6.8 46.4 46.4 1.7 1.7 57.6%57.6% 심재Heartwood 0.8 0.8 0.6 0.6 35.5 35.5 5.3 5.3 6.1 6.1 48.3 48.3 0.9 0.9 59.1%59.1% 실시예 4Example 4 6시간6 hours 변재Sapwood 0.8 0.8 1.1 1.1 32.9 32.9 4.1 4.1 6.8 6.8 45.8 45.8 1.4 1.4 56.7%56.7% 심재Heartwood 0.6 0.6 0.4 0.4 35.0 35.0 4.4 4.4 5.5 5.5 45.9 45.9 0.1 0.1 54.9%54.9%

1.2 Wise법 처리 시료에 대한 상대결정화도 및 적외선 분광 분석1.2 Relative Crystallinity and Infrared Spectroscopic Analysis of Wise-Processed Samples

하기 표 2는 Wise법 처리시료의 상대 결정화도를 보여준다. 비교예 1은 wise법으로 처리하지 않은 무처리재에 대한 상대결정화도를 나타낸 것이다. wise처리에 의한 반응시간(실시예 1, 2, 3 및 4)이 길어질수록 상대결정화도가 증가하였고, 심재가 변재보다 높게 나타났다.Table 2 below shows the relative crystallinity of samples treated with the Wise method. Comparative Example 1 shows the relative crystallinity of the untreated material not treated by the wise method. The longer the reaction time (Examples 1, 2, 3, and 4) by the wise treatment, the higher the relative crystallinity, and the core material was higher than that of the sapwood.

FTIR 스펙트럼 분석결과, Wise법 처리를 5 시간 실시한 변재와 심재 시료에서 1,632 ㎝-1에서의 강한 피크가 나타났고, 1,506 ㎝-1피크가 반응시간이 길어질수록 감소되는 것이 확인되어 효과적인 리그닌을 제거에 의해 셀룰로오스의 강한 수소결합이 나타나는 것을 시사하고 있다(도 1 참조).In the FTIR spectrum analysis, the Wise method treatment showed a strong peak at 1,632 ㎝ -1 in sapwood and heartwood samples carried out for 5 hours and is confirmed to be 1,506 ㎝ -1 peak is reduced the longer the reaction time remove lignin effective This suggests that strong hydrogen bonds of cellulose appear (see Fig. 1).

반응시간Reaction time 상대결정화도Relative crystallinity 변재Sapwood 심재Heartwood 비교예 1Comparative Example 1 -- 46.2%46.2% 53.8%53.8% 실시예 1Example 1 3시간3 hours 56.8%56.8% 57.3%57.3% 실시예 2Example 2 4시간4 hours 59.7%59.7% 63.5%63.5% 실시예 3Example 3 5시간5 hours 63.7%63.7% 68.3%68.3% 실시예 4Example 4 6시간6 hours 63.7%63.7% 74.6%74.6%

2. 셀룰로오스의 준비: 목분에 대한 공융용매 처리2. Preparation of Cellulose: Treated with eutectic solvent for wood flour

2.1 공융용매처리에 의한 수율 분석2.1 Yield analysis by eutectic solvent treatment

소나무(pine)의 변재(sapwood)와 심재(heartwood)를 분쇄하여 목분을 제조한 후 공융용매(deep eutectic solvent)처리를 수행하였다. 본 발명의 공융용매는 암모늄염으로서 콜린(choline)을 사용하고 할로겐화물로서 염소(chloride)를 사용하며, 수소결합수용체로서 젖산(lactic acid), 요소(urea), 글리세롤(glycerine)을 사용하였다. After the sapwood and heartwood of pine were crushed to prepare wood powder, a deep eutectic solvent treatment was performed. The eutectic solvent of the present invention uses choline as an ammonium salt, chloride as a halide, and uses lactic acid, urea, and glycerol as a hydrogen bond acceptor.

본 발명의 공융용매는 염화콜린(Choline chloride)과 젖산을 혼합하여 제조한 염화콜린/젖산 공융용매, 염화콜린과 요소(urea)를 혼합하여 제조한 염화콜린/요소 공융용매 및 염화콜린과 글리세롤(Glycerine)을 혼합하여 제조한 염화콜린/글리세롤 공융용매를 사용하였다. 상기 혼합은 염화콜린과 수소결합수용체인 젖산, 요소, 또는 글리세롤을 각각 1:2, 1:6, 1:10의 몰비(molar ratio)로 혼합하여 제조하였다.The eutectic solvent of the present invention is a choline chloride/lactic acid eutectic solvent prepared by mixing choline chloride and lactic acid, choline chloride/urea eutectic solvent prepared by mixing choline chloride and urea, and choline chloride and glycerol ( Glycerine) was used as a eutectic solvent prepared by mixing choline chloride/glycerol. The mixing was prepared by mixing choline chloride and lactic acid, urea, or glycerol as a hydrogen bond acceptor at a molar ratio of 1:2, 1:6, and 1:10, respectively.

하기 표 3은 상기 공융용매처리에 의해 얻어진 수율을 보여준다. 상기 수율은 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌을 포함한다. Table 3 below shows the yield obtained by the eutectic solvent treatment. The yield includes cellulose, hemicellulose and lignin.

전체적으로 공유용매 조성물의 몰비 및 처리시간이 증가함에 따라 수율이 감소하는 것으로 나타났다. 염화콜린/젖산 공융용매를 처리하는 경우, 수율의 변화폭이 크게 나타나는 것으로 확인되었다. 또한 염화콜린과 젖산의 혼합비율(몰비)이 1:10인 공융용매의 경우, 12 시간 처리 시 심재의 수율이 50.6 %로 아염소산(acid-chlorite) 처리군(Wise 법 처리-실시예 1, 2, 3 및 4)에 비해 낮은 수율을 보여주었다. 이에 반하여 염화콜린/요소 공융용매 및 염화콜린과 글리세롤 공융용매는 수율 감소의 폭이 크지 않은 것으로 나타났다. Overall, it was found that the yield decreased as the molar ratio and treatment time of the covalent solvent composition increased. When the choline chloride/lactic acid eutectic solvent was treated, it was confirmed that the variation in yield was large. In addition, in the case of a eutectic solvent in which the mixing ratio (molar ratio) of choline chloride and lactic acid is 1:10, the yield of the core material was 50.6% when treated for 12 hours, and the acid-chlorite treatment group (Wise method treatment-Example 1, 2, 3 and 4) showed lower yields. On the other hand, it was found that the yield reduction was not large for the choline chloride/urea eutectic solvent and the choline chloride and glycerol eutectic solvent.

공융용매Eutectic solvent 혼합비율(몰비)Mixing ratio (molar ratio) 반응시간Reaction time 수율yield 변재Sapwood 심재Heartwood 실시예 5Example 5 염화콜린+젖산Choline chloride + lactic acid 1:21:2 2시간2 hours 79.7%79.7% 73.6%73.6% 실시예 6Example 6 염화콜린+젖산Choline chloride + lactic acid 1:21:2 4시간4 hours 75.6%75.6% 69.7%69.7% 실시예 7Example 7 염화콜린+젖산Choline chloride + lactic acid 1:21:2 6시간6 hours 72.6%72.6% 66.8%66.8% 실시예 8Example 8 염화콜린+젖산Choline chloride + lactic acid 1:21:2 12시간12 hours 62.7%62.7% 60.0%60.0% 실시예 9Example 9 염화콜린+젖산Choline chloride + lactic acid 1:61:6 2시간2 hours 73.8%73.8% 68.5%68.5% 실시예 10Example 10 염화콜린+젖산Choline chloride + lactic acid 1:61:6 4시간4 hours 67.7%67.7% 61.8%61.8% 실시예 11Example 11 염화콜린+젖산Choline chloride + lactic acid 1:61:6 6시간6 hours 62.7%62.7% 56.8%56.8% 실시예 12Example 12 염화콜린+젖산Choline chloride + lactic acid 1:61:6 12시간12 hours 56.4%56.4% 51.8%51.8% 실시예 13Example 13 염화콜린+젖산Choline chloride + lactic acid 1:101:10 2시간2 hours 70.7%70.7% 64.9%64.9% 실시예 14Example 14 염화콜린+젖산Choline chloride + lactic acid 1:101:10 4시간4 hours 67.6%67.6% 62.3%62.3% 실시예 15Example 15 염화콜린+젖산Choline chloride + lactic acid 1:101:10 6시간6 hours 57.5%57.5% 55.7%55.7% 실시예 16Example 16 염화콜린+젖산Choline chloride + lactic acid 1:101:10 12시간12 hours 56.4%56.4% 50.6%50.6% 실시예 17 Example 17 염화콜린+요소Choline chloride + urea 1:21:2 2시간2 hours 90.6%90.6% 87.9%87.9% 실시예 18Example 18 염화콜린+요소Choline chloride + urea 1:21:2 4시간4 hours 90.7%90.7% 84.6%84.6% 실시예 19Example 19 염화콜린+요소Choline chloride + urea 1:21:2 6시간6 hours 90.9%90.9% 82.7%82.7% 실시예 20Example 20 염화콜린+요소Choline chloride + urea 1:21:2 12시간12 hours 85.5%85.5% 81.2%81.2% 실시예 21Example 21 염화콜린+요소Choline chloride + urea 1:61:6 2시간2 hours 85.6%85.6% 81.1%81.1% 실시예 22Example 22 염화콜린+요소Choline chloride + urea 1:61:6 4시간4 hours 85.4%85.4% 81.7%81.7% 실시예 23Example 23 염화콜린+요소Choline chloride + urea 1:61:6 6시간6 hours 86.2%86.2% 79.3%79.3% 실시예 24Example 24 염화콜린+요소Choline chloride + urea 1:61:6 12시간12 hours 85.5%85.5% 76.2%76.2% 실시예 25Example 25 염화콜린+요소Choline chloride + urea 1:101:10 2시간2 hours 86.4%86.4% 81.4%81.4% 실시예 26Example 26 염화콜린+요소Choline chloride + urea 1:101:10 4시간4 hours 84.6%84.6% 82.1%82.1% 실시예 27Example 27 염화콜린+요소Choline chloride + urea 1:101:10 6시간6 hours 86.7%86.7% 80.1%80.1% 실시예 28Example 28 염화콜린+요소Choline chloride + urea 1:101:10 12시간12 hours 84.7%84.7% 74.6%74.6% 실시예 29Example 29 염화콜린+글리세롤Choline chloride + glycerol 1:21:2 2시간2 hours 92.4%92.4% 87.8%87.8% 실시예 30Example 30 염화콜린+글리세롤Choline chloride + glycerol 1:21:2 4시간4 hours 90.1%90.1% 84.8%84.8% 실시예 31Example 31 염화콜린+글리세롤Choline chloride + glycerol 1:21:2 6시간6 hours 89.7%89.7% 82.7%82.7% 실시예 32Example 32 염화콜린+글리세롤Choline chloride + glycerol 1:21:2 12시간12 hours 84.5%84.5% 80.5%80.5% 실시예 33Example 33 염화콜린+글리세롤Choline chloride + glycerol 1:61:6 2시간2 hours 83.5%83.5% 79.6%79.6% 실시예 34Example 34 염화콜린+글리세롤Choline chloride + glycerol 1:61:6 4시간4 hours 85.2%85.2% 78.1%78.1% 실시예 35Example 35 염화콜린+글리세롤Choline chloride + glycerol 1:61:6 6시간6 hours 84.4%84.4% 74.9%74.9% 실시예 36Example 36 염화콜린+글리세롤Choline chloride + glycerol 1:61:6 12시간12 hours 84.6%84.6% 73.0%73.0% 실시예 37Example 37 염화콜린+글리세롤Choline chloride + glycerol 1:101:10 2시간2 hours 85.4%85.4% 80.1%80.1% 실시예 38Example 38 염화콜린+글리세롤Choline chloride + glycerol 1:101:10 4시간4 hours 85.9%85.9% 80.6%80.6% 실시예 39Example 39 염화콜린+글리세롤Choline chloride + glycerol 1:101:10 6시간6 hours 84.8%84.8% 79.8%79.8% 실시예 40Example 40 염화콜린+글리세롤Choline chloride + glycerol 1:101:10 12시간12 hours 83.0%83.0% 79.0%79.0%

2.2 공융용매처리 시료에 대한 화학조성분 분석2.2 Analysis of chemical composition of eutectic solvent treated sample

2.2.1 염화콜린/젖산 공융용매처리 시료 분석2.2.1 Analysis of samples treated with choline chloride/lactic acid eutectic solvent

하기 표 4는 염화콜린/젖산 공융용매로 처리한 실시예의 당(sugar)과 리그닌(lignin) 함량을 분석한 결과를 보여준다. Table 4 below shows the results of analyzing the contents of sugar and lignin in Examples treated with choline chloride/lactic acid eutectic solvent.

전체 당(total sugar)은 공유용매 조성물의 몰비와 처리시간이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보여주었다. 특히, 심재가 변재보다 높은 감소율을 보여주었다. 포도당(Glucose, Glu)은 공융용매의 몰비와 처리시간의 증가에 따라 감소하는 경향을 보여주었으며 아라비노스(Arabinose, Ara) 및 갈락토스(Galactose, Gal)는 공융용매의 몰비와 처리시간에 관계없이 전체적으로 다른 성분에 비해 낮았다. 리그닌 함량은 몰비와 처리시간에 따른 변화가 크지 않았으며, 미처리 시료의 리그닌 함량과도 차이가 크지 않은 것으로 나타났다. Total sugar showed a tendency to decrease as the molar ratio and treatment time of the co-solvent composition increased. In particular, heartwood showed a higher reduction rate than sapwood. Glucose (Glucose, Glu) showed a tendency to decrease with the increase of the molar ratio of the eutectic solvent and the treatment time, and Arabinose (Ara) and galactose (Galactose, Gal) were overall It was lower than other ingredients The lignin content was not significantly changed according to the molar ratio and treatment time, and there was no significant difference between the lignin content of the untreated sample.

염화콜린/젖산 공융용매 처리는 주로 헤미셀룰로오스를 많이 분해시키는 것으로 판단되며, 공유용매 조성물의 몰비와 처리시간 증가가 포도당 분해에도 영향을 주는 것으로 생각된다. Choline chloride/lactic acid eutectic solvent treatment is believed to mainly decompose hemicellulose, and it is believed that an increase in the molar ratio and treatment time of the covalent solvent composition affects glucose decomposition.

비율ratio 반응시간Reaction time 위치location AraAra GalGal GluGlu XylXyl ManMan 전체 당Per whole 산불용성 리그닌Acid insoluble lignin 실시예 5Example 5 1:21:2 2시간2 hours 변재Sapwood 0.2 0.2 1.8 1.8 44.3 44.3 3.7 3.7 7.5 7.5 57.6 57.6 28.928.9 심재Heartwood 0.1 0.1 0.8 0.8 41.4 41.4 4.6 4.6 6.2 6.2 53.2 53.2 26.026.0 실시예 6Example 6 1:21:2 4시간4 hours 변재Sapwood 0.2 0.2 1.3 1.3 45.8 45.8 3.2 3.2 6.7 6.7 57.2 57.2 26.826.8 심재Heartwood 0.1 0.1 0.6 0.6 37.7 37.7 3.9 3.9 5.2 5.2 47.6 47.6 26.026.0 실시예 7Example 7 1:21:2 6시간6 hours 변재Sapwood 0.1 0.1 0.3 0.3 48.8 48.8 2.5 2.5 5.3 5.3 57.0 57.0 23.523.5 심재Heartwood 0.1 0.1 0.4 0.4 39.3 39.3 3.6 3.6 5.0 5.0 48.4 48.4 28.628.6 실시예 8Example 8 1:21:2 12시간12 hours 변재Sapwood 0.1 0.1 0.5 0.5 36.2 36.2 2.2 2.2 4.3 4.3 43.3 43.3 27.627.6 심재Heartwood 0.1 0.1 0.2 0.2 34.8 34.8 2.7 2.7 3.5 3.5 41.3 41.3 23.023.0 실시예 9Example 9 1:61:6 2시간2 hours 변재Sapwood 0.1 0.1 0.8 0.8 43.0 43.0 2.8 2.8 6.2 6.2 53.0 53.0 27.527.5 심재Heartwood 0.1 0.1 0.5 0.5 38.3 38.3 3.5 3.5 5.1 5.1 47.4 47.4 25.625.6 실시예 10Example 10 1:61:6 4시간4 hours 변재Sapwood 0.1 0.1 0.4 0.4 43.2 43.2 2.5 2.5 5.4 5.4 51.7 51.7 27.127.1 심재Heartwood 0.1 0.1 0.2 0.2 36.0 36.0 3.0 3.0 4.2 4.2 43.4 43.4 22.522.5 실시예 11Example 11 1:61:6 6시간6 hours 변재Sapwood 0.1 0.1 0.9 0.9 38.1 38.1 2.4 2.4 4.9 4.9 46.4 46.4 29.129.1 심재Heartwood 0.1 0.1 0.1 0.1 34.7 34.7 2.5 2.5 3.4 3.4 40.8 40.8 28.528.5 실시예 12Example 12 1:61:6 12시간12 hours 변재Sapwood 0.0 0.0 0.1 0.1 39.1 39.1 2.0 2.0 3.6 3.6 44.9 44.9 21.621.6 심재Heartwood 0.0 0.0 0.1 0.1 32.6 32.6 2.3 2.3 3.1 3.1 38.2 38.2 25.925.9 실시예 13Example 13 1:101:10 2시간2 hours 변재Sapwood 0.1 0.1 0.7 0.7 39.1 39.1 3.1 3.1 6.3 6.3 49.3 49.3 26.526.5 심재Heartwood 0.1 0.1 0.5 0.5 20.9 20.9 3.6 3.6 4.3 4.3 29.4 29.4 26.426.4 실시예 14Example 14 1:101:10 4시간4 hours 변재Sapwood 0.1 0.1 0.6 0.6 36.3 36.3 2.7 2.7 5.5 5.5 45.1 45.1 26.626.6 심재Heartwood 0.1 0.1 0.3 0.3 22.8 22.8 3.3 3.3 4.1 4.1 30.6 30.6 25.625.6 실시예 15Example 15 1:101:10 6시간6 hours 변재Sapwood 0.1 0.1 0.3 0.3 33.2 33.2 2.2 2.2 4.0 4.0 39.8 39.8 27.927.9 심재Heartwood 0.1 0.1 0.1 0.1 22.4 22.4 2.8 2.8 3.3 3.3 28.7 28.7 24.324.3 실시예 16Example 16 1:101:10 12시간12 hours 변재Sapwood 0.1 0.1 0.2 0.2 34.7 34.7 2.1 2.1 3.8 3.8 40.9 40.9 27.927.9 심재Heartwood 0.0 0.0 0.1 0.1 32.6 32.6 2.5 2.5 3.3 3.3 38.6 38.6 28.328.3

2.2.2 염화콜린/요소 공융용매처리 시료 분석2.2.2 Choline chloride/urea eutectic solvent treatment sample analysis

하기 표 5는 다양한 조건으로 염화콜린(ChCl)/요소(Urea) 공융용매로 처리한 시료의 당과 리그닌 함량을 보여준다. Table 5 below shows the sugar and lignin contents of samples treated with choline chloride (ChCl) / urea (Urea) eutectic solvent under various conditions.

전체 당은 몰비와 처리시간의 증가에 따라 감소하는 경향을 보여주었다. 특히 심재가 변재보다 높은 감소율을 보여주었다. 전체적으로 염화콜린/요소 공융용매 처리에 의해 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스 구성당의 변화율은 다른 공융용매 조건에 비해 낮은 것으로 나타났다. 그러나 리그닌은 미처리 시료와 비슷한 함량을 보여주었다. 일부 조건에서는 미처리 시료의 리그닌함량보다 다소 높게 나타났다.Total sugar showed a tendency to decrease with increasing molar ratio and treatment time. In particular, heartwood showed a higher rate of decline than sapwood. Overall, it was found that the rate of change of cellulose and hemicellulose constituents by treatment with choline chloride/urea eutectic solvent was lower than that of other eutectic solvent conditions. However, the lignin content was similar to that of the untreated sample. In some conditions, the lignin content of the untreated sample was slightly higher.

비율ratio 반응시간Reaction time 위치location AraAra GalGal GluGlu XylXyl ManMan 전체 당Per whole 산불용성 리그닌Acid insoluble lignin 실시예 17 Example 17 1:21:2 2시간2 hours 변재Sapwood 1.5 1.5 2.8 2.8 44.2 44.2 5.4 5.4 12.3 12.3 66.2 66.2 27.5 27.5 심재Heartwood 1.7 1.7 1.6 1.6 42.6 42.6 7.6 7.6 10.4 10.4 63.7 63.7 27.2 27.2 실시예 18Example 18 1:21:2 4시간4 hours 변재Sapwood 1.5 1.5 2.9 2.9 46.2 46.2 5.6 5.6 12.4 12.4 68.7 68.7 27.1 27.1 심재Heartwood 1.6 1.6 1.5 1.5 40.4 40.4 7.6 7.6 10.1 10.1 61.2 61.2 26.3 26.3 실시예 19Example 19 1:21:2 6시간6 hours 변재Sapwood 1.4 1.4 2.9 2.9 45.0 45.0 5.4 5.4 11.7 11.7 66.4 66.4 29.3 29.3 심재Heartwood 1.6 1.6 1.5 1.5 39.6 39.6 7.2 7.2 9.7 9.7 59.6 59.6 31.2 31.2 실시예 20Example 20 1:21:2 12시간12 hours 변재Sapwood 1.2 1.2 2.5 2.5 42.0 42.0 5.3 5.3 10.5 10.5 61.5 61.5 28.6 28.6 심재Heartwood 1.4 1.4 1.2 1.2 37.6 37.6 7.5 7.5 9.7 9.7 57.3 57.3 24.9 24.9 실시예 21Example 21 1:61:6 2시간2 hours 변재Sapwood 1.3 1.3 2.4 2.4 37.4 37.4 5.5 5.5 11.4 11.4 58.0 58.0 28.9 28.9 심재Heartwood 1.4 1.4 1.3 1.3 34.4 34.4 7.2 7.2 8.8 8.8 53.1 53.1 28.4 28.4 실시예 22Example 22 1:61:6 4시간4 hours 변재Sapwood 1.2 1.2 2.3 2.3 33.6 33.6 5.3 5.3 9.8 9.8 52.3 52.3 29.7 29.7 심재Heartwood 1.4 1.4 1.4 1.4 38.0 38.0 7.5 7.5 10.1 10.1 58.4 58.4 29.0 29.0 실시예 23Example 23 1:61:6 6시간6 hours 변재Sapwood 1.1 1.1 2.3 2.3 32.4 32.4 5.5 5.5 9.8 9.8 51.2 51.2 29.3 29.3 심재Heartwood 1.2 1.2 1.2 1.2 34.6 34.6 6.9 6.9 8.5 8.5 52.6 52.6 28.9 28.9 실시예 24Example 24 1:61:6 12시간12 hours 변재Sapwood 1.2 1.2 2.4 2.4 42.4 42.4 5.6 5.6 10.7 10.7 62.2 62.2 31.4 31.4 심재Heartwood 1.2 1.2 1.2 1.2 38.8 38.8 6.8 6.8 8.9 8.9 56.9 56.9 30.2 30.2 실시예 25Example 25 1:101:10 2시간2 hours 변재Sapwood 1.4 1.4 2.6 2.6 41.7 41.7 5.8 5.8 11.5 11.5 63.0 63.0 32.6 32.6 심재Heartwood 1.5 1.5 1.4 1.4 40.9 40.9 7.6 7.6 9.9 9.9 61.3 61.3 31.3 31.3 실시예 26Example 26 1:101:10 4시간4 hours 변재Sapwood 1.2 1.2 2.5 2.5 44.9 44.9 5.5 5.5 11.1 11.1 65.4 65.4 29.8 29.8 심재Heartwood 1.4 1.4 1.3 1.3 37.0 37.0 7.4 7.4 9.9 9.9 57.0 57.0 28.6 28.6 실시예 27Example 27 1:101:10 6시간6 hours 변재Sapwood 1.2 1.2 2.6 2.6 46.3 46.3 5.7 5.7 11.5 11.5 67.4 67.4 29.3 29.3 심재Heartwood 1.2 1.2 1.2 1.2 29.8 29.8 6.7 6.7 8.2 8.2 47.0 47.0 29.5 29.5 실시예 28Example 28 1:101:10 12시간12 hours 변재Sapwood 1.1 1.1 2.4 2.4 44.7 44.7 5.4 5.4 10.9 10.9 64.6 64.6 30.5 30.5 심재Heartwood 1.0 1.0 1.0 1.0 30.9 30.9 6.2 6.2 7.5 7.5 46.7 46.7 29.0 29.0

2.2.3 염화콜린/글리세롤 공융용매처리 시료 분석2.2.3 Choline chloride/glycerol eutectic solvent treatment sample analysis

하기 표 6은 다양한 조건으로 염화콜린(ChCl)/글리세롤(Glycerine) 공융용매 처리한 시료의 당과 리그닌함량을 나타낸 것이다. Ara는 아라비노스(Arabinose), Gal은 갈락토스(Galactose), Glu는 포도당(Glucose), Xyl은 자일로스(xylose), Man은 만노스(Mannose)를 의미한다. Table 6 below shows the sugar and lignin content of samples treated with a eutectic solvent of choline chloride (ChCl)/glycerol (Glycerine) under various conditions. Ara stands for Arabinose, Gal stands for Galactose, Glu stands for Glucose, Xyl stands for xylose, and Man stands for Mannose.

전체적으로 염화콜린(ChCl)/요소(Urea) 공융용매 처리 결과와 유사하게 나타났다. 그러나 포도당의 함량은 다른 조건들에 비해 가장 낮은 결과 값을 보여주었다. Overall, it was similar to the result of treatment with choline chloride (ChCl)/urea (Urea) eutectic solvent. However, the content of glucose showed the lowest value compared to other conditions.

비율ratio 반응시간Reaction time 위치location AraAra GalGal GluGlu XylXyl ManMan 전체 당Per whole 산불용성 리그닌Acid insoluble lignin 실시예 29Example 29 1:21:2 2시간2 hours 변재Sapwood 1.7 1.7 3.3 3.3 48.6 48.6 6.0 6.0 13.6 13.6 73.1 73.1 25.725.7 심재Heartwood 1.8 1.8 1.8 1.8 41.2 41.2 7.5 7.5 10.6 10.6 62.9 62.9 26.126.1 실시예 30Example 30 1:21:2 4시간4 hours 변재Sapwood 1.5 1.5 3.0 3.0 45.5 45.5 5.6 5.6 12.4 12.4 67.9 67.9 24.324.3 심재Heartwood 1.7 1.7 1.7 1.7 39.5 39.5 7.4 7.4 10.0 10.0 60.3 60.3 25.625.6 실시예 31Example 31 1:21:2 6시간6 hours 변재Sapwood 1.4 1.4 3.0 3.0 45.4 45.4 5.5 5.5 12.4 12.4 67.8 67.8 29.129.1 심재Heartwood 1.6 1.6 1.8 1.8 38.0 38.0 7.0 7.0 10.0 10.0 58.4 58.4 24.224.2 실시예 32Example 32 1:21:2 12시간12 hours 변재Sapwood 1.0 1.0 2.7 2.7 42.8 42.8 5.5 5.5 11.1 11.1 63.2 63.2 27.127.1 심재Heartwood 1.4 1.4 1.6 1.6 40.1 40.1 8.2 8.2 11.2 11.2 62.6 62.6 24.424.4 실시예 33Example 33 1:61:6 2시간2 hours 변재Sapwood 1.3 1.3 2.6 2.6 39.8 39.8 5.2 5.2 10.4 10.4 59.4 59.4 27.727.7 심재Heartwood 1.5 1.5 1.6 1.6 41.1 41.1 7.4 7.4 9.9 9.9 61.5 61.5 32.332.3 실시예 34Example 34 1:61:6 4시간4 hours 변재Sapwood 1.3 1.3 2.6 2.6 36.2 36.2 5.4 5.4 10.6 10.6 56.0 56.0 26.326.3 심재Heartwood 1.5 1.5 1.5 1.5 35.6 35.6 7.2 7.2 10.0 10.0 55.8 55.8 26.826.8 실시예 35Example 35 1:61:6 6시간6 hours 변재Sapwood 1.2 1.2 2.7 2.7 39.2 39.2 5.7 5.7 11.3 11.3 60.1 60.1 28.328.3 심재Heartwood 1.3 1.3 1.4 1.4 36.4 36.4 7.1 7.1 9.8 9.8 56.1 56.1 26.626.6 실시예 36Example 36 1:61:6 12시간12 hours 변재Sapwood 1.1 1.1 2.7 2.7 40.0 40.0 5.7 5.7 11.3 11.3 60.8 60.8 28.528.5 심재Heartwood 1.0 1.0 1.2 1.2 24.3 24.3 6.4 6.4 7.7 7.7 40.6 40.6 26.726.7 실시예 37Example 37 1:101:10 2시간2 hours 변재Sapwood 1.3 1.3 2.5 2.5 27.4 27.4 5.5 5.5 9.8 9.8 46.5 46.5 29.029.0 심재Heartwood 1.5 1.5 1.5 1.5 26.4 26.4 6.8 6.8 8.3 8.3 44.4 44.4 29.129.1 실시예 38Example 38 1:101:10 4시간4 hours 변재Sapwood 1.3 1.3 2.5 2.5 25.9 25.9 5.7 5.7 9.8 9.8 45.2 45.2 28.728.7 심재Heartwood 1.3 1.3 1.3 1.3 23.9 23.9 6.7 6.7 8.0 8.0 41.1 41.1 28.628.6 실시예 39Example 39 1:101:10 6시간6 hours 변재Sapwood 1.3 1.3 2.7 2.7 28.2 28.2 6.1 6.1 10.5 10.5 48.9 48.9 28.428.4 심재Heartwood 1.3 1.3 1.4 1.4 24.9 24.9 6.8 6.8 8.3 8.3 42.6 42.6 28.028.0 실시예 40Example 40 1:101:10 12시간12 hours 변재Sapwood 1.1 1.1 2.5 2.5 26.8 26.8 5.7 5.7 9.9 9.9 45.9 45.9 28.528.5 심재Heartwood 1.2 1.2 1.3 1.3 23.6 23.6 6.5 6.5 7.7 7.7 40.2 40.2 27.827.8

2.3 공융용매처리 시료에 대한 상대결정화도 분석2.3 Analysis of relative crystallinity for samples treated with eutectic solvent

본 발명의 공융용매를 처리하는 방법은 화학적 처리방법으로서 기계적 처리방법과 달리 셀룰로오스 나노결정(nano-crystal)을 만들 수 있다. 각 공융용매를 처리한 시료의 상대결정화 정도를 분석하기 위해 X-선 회절 분석을 수행하였다. 하기 표 7은 X선 회절 강도곡선으로부터 계산한 상대결정화도를 보여준다. The method of treating the eutectic solvent of the present invention is a chemical treatment method, and unlike a mechanical treatment method, a cellulose nanocrystal can be made. X-ray diffraction analysis was performed to analyze the degree of relative crystallization of the samples treated with each eutectic solvent. Table 7 below shows the relative crystallinity calculated from the X-ray diffraction intensity curve.

공융용매 처리한 시료는 모든 조건에서 (1-10), (110) 및 (200) 면에서 셀룰로오스 I 결정구조가 확인되었다. 공융용매처리 시료는 처리조건에 따른 상대결정화도가 크게 변화하지 않았으며, 변재와 심재에서 비슷한 경향을 보여주었다. The samples treated with the eutectic solvent were found to have a cellulose I crystal structure in (1-10), (110) and (200) planes under all conditions. The eutectic solvent-treated samples did not significantly change the relative crystallinity according to the treatment conditions, and showed similar trends in sapwood and corewood.

용매menstruum 혼합비율(몰비)Mixing ratio (molar ratio) 반응시간Reaction time 상대결정화도Relative crystallinity 변재Sapwood 심재Heartwood 실시예 5Example 5 염화콜린+젖산Choline chloride + lactic acid 1:21:2 2시간2 hours 57.3%57.3% 51.7%51.7% 실시예 6Example 6 염화콜린+젖산Choline chloride + lactic acid 1:21:2 4시간4 hours 58.2%58.2% 55.7%55.7% 실시예 7Example 7 염화콜린+젖산Choline chloride + lactic acid 1:21:2 6시간6 hours 57.7%57.7% 57.7%57.7% 실시예 8Example 8 염화콜린+젖산Choline chloride + lactic acid 1:21:2 12시간12 hours 59.7%59.7% 58.5%58.5% 실시예 9Example 9 염화콜린+젖산Choline chloride + lactic acid 1:61:6 2시간2 hours 57.9%57.9% 55.6%55.6% 실시예 10Example 10 염화콜린+젖산Choline chloride + lactic acid 1:61:6 4시간4 hours 57.4%57.4% 56.7%56.7% 실시예 11Example 11 염화콜린+젖산Choline chloride + lactic acid 1:61:6 6시간6 hours 58.3%58.3% 56.8%56.8% 실시예 12Example 12 염화콜린+젖산Choline chloride + lactic acid 1:61:6 12시간12 hours 60.9%60.9% 60.0%60.0% 실시예 13Example 13 염화콜린+젖산Choline chloride + lactic acid 1:101:10 2시간2 hours 56.1%56.1% 54.5%54.5% 실시예 14Example 14 염화콜린+젖산Choline chloride + lactic acid 1:101:10 4시간4 hours 56.5%56.5% 54.8%54.8% 실시예 15Example 15 염화콜린+젖산Choline chloride + lactic acid 1:101:10 6시간6 hours 57.7%57.7% 57.3%57.3% 실시예 16Example 16 염화콜린+젖산Choline chloride + lactic acid 1:101:10 12시간12 hours 57.9%57.9% 57.3%57.3% 실시예 17 Example 17 염화콜린+요소Choline chloride + urea 1:21:2 2시간2 hours 50.0%50.0% 52.1%52.1% 실시예 18Example 18 염화콜린+요소Choline chloride + urea 1:21:2 4시간4 hours 52.1%52.1% 53.0%53.0% 실시예 19Example 19 염화콜린+요소Choline chloride + urea 1:21:2 6시간6 hours 51.7%51.7% 55.1%55.1% 실시예 20Example 20 염화콜린+요소Choline chloride + urea 1:21:2 12시간12 hours 53.2%53.2% 53.1%53.1% 실시예 21Example 21 염화콜린+요소Choline chloride + urea 1:61:6 2시간2 hours 51.1%51.1% 48.2%48.2% 실시예 22Example 22 염화콜린+요소Choline chloride + urea 1:61:6 4시간4 hours 50.4%50.4% 51.4%51.4% 실시예 23Example 23 염화콜린+요소Choline chloride + urea 1:61:6 6시간6 hours 50.0%50.0% 50.6%50.6% 실시예 24Example 24 염화콜린+요소Choline chloride + urea 1:61:6 12시간12 hours 51.8%51.8% 51.9%51.9% 실시예 25Example 25 염화콜린+요소Choline chloride + urea 1:101:10 2시간2 hours 53.2%53.2% 52.6%52.6% 실시예 26Example 26 염화콜린+요소Choline chloride + urea 1:101:10 4시간4 hours 50.0%50.0% 52.7%52.7% 실시예 27Example 27 염화콜린+요소Choline chloride + urea 1:101:10 6시간6 hours 52.8%52.8% 51.4%51.4% 실시예 28Example 28 염화콜린+요소Choline chloride + urea 1:101:10 12시간12 hours 50.8%50.8% 52.5%52.5% 실시예 29Example 29 염화콜린+글리세롤Choline chloride + glycerol 1:21:2 2시간2 hours 52.5%52.5% 51.6%51.6% 실시예 30Example 30 염화콜린+글리세롤Choline chloride + glycerol 1:21:2 4시간4 hours 53.0%53.0% 52.5%52.5% 실시예 31Example 31 염화콜린+글리세롤Choline chloride + glycerol 1:21:2 6시간6 hours 53.1%53.1% 52.9%52.9% 실시예 32Example 32 염화콜린+글리세롤Choline chloride + glycerol 1:21:2 12시간12 hours 53.3%53.3% 53.1%53.1% 실시예 33Example 33 염화콜린+글리세롤Choline chloride + glycerol 1:61:6 2시간2 hours 51.4%51.4% 52.2%52.2% 실시예 34Example 34 염화콜린+글리세롤Choline chloride + glycerol 1:61:6 4시간4 hours 50.0%50.0% 51.3%51.3% 실시예 35Example 35 염화콜린+글리세롤Choline chloride + glycerol 1:61:6 6시간6 hours 52.5%52.5% 52.6%52.6% 실시예 36Example 36 염화콜린+글리세롤Choline chloride + glycerol 1:61:6 12시간12 hours 51.0%51.0% 51.6%51.6% 실시예 37Example 37 염화콜린+글리세롤Choline chloride + glycerol 1:101:10 2시간2 hours 51.4%51.4% 52.4%52.4% 실시예 38Example 38 염화콜린+글리세롤Choline chloride + glycerol 1:101:10 4시간4 hours 50.5%50.5% 50.0%50.0% 실시예 39Example 39 염화콜린+글리세롤Choline chloride + glycerol 1:101:10 6시간6 hours 50.6%50.6% 51.0%51.0% 실시예 40Example 40 염화콜린+글리세롤Choline chloride + glycerol 1:101:10 12시간12 hours 50.7%50.7% 50.6%50.6%

2.4 공융용매처리 시료에 대한 적외선 분광 분석2.4 Infrared spectral analysis of eutectic solvent-treated samples

본 발명의 공융용매처리로 인한 특정성분의 변화정도를 판단하기 위하여 감쇠전반사 퓨리에 변환 적외선 분광(attenuated total reflectance Fourier transform infrared, ATR-FTIR) 실험을 수행하고 이를 분석하였다. In order to determine the degree of change of a specific component due to the eutectic solvent treatment of the present invention, an attenuated total reflectance Fourier transform infrared (ATR-FTIR) experiment was performed and analyzed.

도 2 내지 4는 공융용매 처리를 수행한 실시예에 대한 ATR-FTIR 스펙트럼을 보여준다. 모든 시료의 스펙트럼에서 2,800 내지 3,500 ㎝-1 및 800 내지 1,700 ㎝-1에서 두드러진 흡광도 영역을 보여주고 있다. 3,300 내지 3,500 ㎝-1의 범위에 나타나는 넓은 흡광도 영역은 수산기 그룹의 늘어남(OH stretching)에 기인하는 피크이다. 상기 수산기로 인한 피크는 셀룰로오스(cellulose), 헤미셀룰로오스(hemicellulose) 및 리그닌(lignin)의 수산기에 의한 피크이다. CH stretching에 의한 흡광도는 2,800 내지 2,900 ㎝-1범위에서 관찰되며 상기 흡광도는 셀룰로오스의 결정영역에 기인한다. 1,632 ㎝-1에서의 흡수 피크는 강한 셀룰로오스-물 상호 작용의 존재에 기인하며 1,730 ㎝-1에 위치한 흡수 피크(C=O stretching) 는 헤미셀룰로스의 아세틸 또는 우론에스테르 그룹과 관련 있다. 또한 1,506 ㎝-1에서 나타난 흡수밴드(C-C stretching)는 리그닌에서 방향족 골격 진동에 기인하는 피크이며 1,430 ㎝-1 흡수 피크(CH2 bending vibration)는 셀룰로오스의 결정도와 관련이 있다. 1,317 ㎝-1 흡수피크(CH2 wagging)는 분자간 분자내의 수소결합에 기인하는 피크이며 1,053 ㎝-1 및 1,160 ㎝-1에서 나타난 흡수피크는 (C-O-C asymmetric valence vibration)은 피라노오스 고리 골격에 관련된 특성이고, 895 ㎝-1에 위치한 피크(C-H rocking vibration)는 β-glycoside 결합 진동에 관련한 것이다. 2 to 4 show the ATR-FTIR spectra of the example subjected to the eutectic solvent treatment. Spectrum of all samples showed prominent absorbance regions at 2,800 to 3,500 cm -1 and 800 to 1,700 cm -1 . The broad absorbance region appearing in the range of 3,300 to 3,500 cm -1 is a peak due to OH stretching of a hydroxyl group. The peak due to the hydroxyl group is a peak due to the hydroxyl group of cellulose, hemicellulose, and lignin. The absorbance by CH stretching is observed in the range of 2,800 to 2,900 cm -1 , and the absorbance is due to the crystal region of cellulose. The absorption peak at 1,632 cm -1 is due to the presence of a strong cellulose-water interaction, and the absorption peak at 1,730 cm -1 (C=O stretching) is related to the acetyl or uron ester group of hemicellulose. In addition, the absorption band (CC stretching) at 1,506 ㎝ -1 is a peak due to aromatic skeletal vibration in lignin, and the 1,430 ㎝ -1 absorption peak (CH 2 bending vibration) is related to the crystallinity of cellulose. The 1,317 cm -1 absorption peak (CH 2 wagging) is a peak due to intermolecular hydrogen bonds, and the absorption peaks at 1,053 cm -1 and 1,160 cm -1 (COC asymmetric valence vibration) are related to the pyranose ring skeleton. Characteristic, and the peak (CH rocking vibration) located at 895 cm -1 is related to the β-glycoside bond vibration.

ATR-FTI 스펙트럼 분석결과, 공융용매는 전체적으로 특정 성분의 감소로 인한 눈에 띄는 흡수피크의 변화는 없는 것으로 나타났다. As a result of ATR-FTI spectrum analysis, the eutectic solvent as a whole showed no noticeable change in absorption peak due to the decrease in specific components.

3. 셀룰로오스 나노섬유의 제조3. Preparation of cellulose nanofibers

3.1 셀룰로오스 나노섬유 제조방법3.1 Cellulose nanofiber manufacturing method

목분에 대한 Wise법 및 공융용매 처리결과를 기반으로 나노셀룰로오스를 제조하였다. 상기 Wise법으로 처리된 목분은 리그닌이 제거된다. 상기 리그닌이 제거되면 셀룰로오스 분자응집체 사이에 나노공간이 형성된다. 상기 셀룰로오스 사이의 리그닌의 존재는 나노셀룰로오스를 제조하기 위한 기계적 분쇄를 어렵게 하는 주된 원인이다. 따라서 본 발명에서는 효과적인 나노셀룰로오스의 제조를 위하여, 셀룰로오스 분자응집체 사이의 리그닌의 제거와 셀룰로오스 분자사이의 수소결합의 완화를 위하여, 공융용매를 이용한 화학적 처리를 수행하였다. Nanocellulose was prepared based on the results of the Wise method and eutectic solvent treatment for wood flour. The wood flour treated by the Wise method is lignin removed. When the lignin is removed, nanospaces are formed between the cellulose molecular aggregates. The presence of lignin between the celluloses is a major cause of making mechanical pulverization difficult for producing nanocelluloses. Therefore, in the present invention, chemical treatment using a eutectic solvent was performed in order to effectively prepare nanocellulose, to remove lignin between cellulose molecular aggregates and to alleviate hydrogen bonds between cellulose molecules.

본 발명의 나노셀룰로오스 제조방법은 목분을 제조하는 단계; 상기 목분에 대하여 아염소산염과 아세트산을 이용한 Wise법 처리를 수행하여 리그닌이 제거된 셀룰로오스를 준비하는 단계; 상기 셀룰로오스를 나노셀룰로오스 제조용 공융용매로 처리하는 단계; 및 상기 공융용매로 처리된 셀룰로오스를 분쇄하여 나노셀룰로오스를 제조하는 단계로 구성된다. The nanocellulose manufacturing method of the present invention comprises the steps of preparing wood flour; Preparing cellulose from which lignin has been removed by performing a Wise method treatment using chlorite and acetic acid on the wood flour; Treating the cellulose with a eutectic solvent for producing nanocellulose; And pulverizing the cellulose treated with the eutectic solvent to produce nanocellulose.

상기 목분은 40-80 mesh의 크기인 것을 이용하였다. 상기 Wise법 처리는 아염소산나트륨/아세트산을 이용한 방법으로 증류수 150 ㎖에 탈지시료 2 g을 넣고 아염소산나트륨 0.2 g과 아세트산 0.2 ㎖을 넣은 후 80 ℃의 온도조건에서 교반하였다. 이 때 1 시간에 1 회씩 아염소산나트륨 0.2 g과 아세트산 0.2 ㎖을 첨가하여 3 시간 또는 6 시간동안 수행하였다. The wood flour was used having a size of 40-80 mesh. The Wise method treatment was carried out using sodium chlorite/acetic acid, 2 g of a degreasing sample was added to 150 ml of distilled water, 0.2 g of sodium chlorite and 0.2 ml of acetic acid were added, followed by stirring at 80°C. At this time, 0.2 g of sodium chlorite and 0.2 ml of acetic acid were added once per hour, followed by 3 hours or 6 hours.

산불용성 리그닌 함량은 Klason 리그닌 분석법에 의한 방법으로 수행하였다. 당조성 분석은 Klason 리그닌 함량측정에서 2 차 가수분해 실시 후 여과한 여액으로 분석하였다. 셀룰로오스의 결정화도는 X 선 회절법에 의해 분석하였다. The content of acid-insoluble lignin was measured by the Klason lignin assay. The sugar composition analysis was performed with the filtrate filtered after performing the second hydrolysis in the Klason lignin content measurement. The degree of crystallinity of cellulose was analyzed by X-ray diffraction method.

상기 공융용매는 Wise법으로 3 시간 또는 6 시간 동안 처리한 시료를 염화콜린과 젖산, 요소, 글리세롤을 포함하는 수소결합수용체를 1:6의 몰비로 혼합하여 제조한 공융용매를 사용하였으며 6 시간동안 100 ℃에서 400 rpm으로 교반하여 수행하였다.As the eutectic solvent, a eutectic solvent prepared by mixing choline chloride and a hydrogen bond receptor including lactic acid, urea, and glycerol in a molar ratio of 1:6 was used for a sample treated for 3 hours or 6 hours by the Wise method. It was carried out by stirring at 400 rpm at 100 ℃.

상기 나노셀룰로오스 제조를 위한 기계적 해섬은 실험용 고속블랜더를 이용하여 22,000 rpm에서 5 분 동안 실시하였다.Mechanical decomposition for preparing the nanocellulose was performed for 5 minutes at 22,000 rpm using an experimental high-speed blender.

상기 실험은 상기 실험예로부터 최적의 조건으로 판단되는 결과를 근거하여 실시하였으며 소나무 심재가 변재보다 다소 효율적으로 판단되어 심재에 대해서 분석하였다. The experiment was conducted on the basis of the results judged as optimal conditions from the experimental examples, and the pine corewood was judged somewhat more efficiently than the sapwood, so the corewood was analyzed.

3.2 나노셀룰로오스의 특성3.2 Characteristics of nanocellulose

도 5 내지 7은 3 또는 6 시간 동안 Wise법으로 처리한 후 각 공융용매를 6 시간 동안 처리하고 블랜더(blender)를 이용하여 고속으로 5 분간 분쇄처리하여 제조한 나노셀룰로오스의 투과전자현미경(transmission electron microscope)으로 관찰한 결과를 보여준다. 관찰결과, 모든 종류의 공융용매를 처리하여 제조한 시료에서 폭이 10 ㎚ 미만인 셀룰로오스 나노섬유가 확인되었다. 5 to 7 are transmission electron microscopy of nanocellulose prepared by treating each eutectic solvent for 6 hours after treatment by the Wise method for 3 or 6 hours and grinding for 5 minutes at high speed using a blender. microscope). As a result of observation, cellulose nanofibers having a width of less than 10 nm were confirmed in samples prepared by treating all types of eutectic solvents.

상기 투과전자현미경의 관찰결과에 대하여 이미지 J 프로그램을 이용하여 셀룰로오스 나노섬유의 폭을 계산하였다. 하기 표 8은 상기 계산 결과를 보여준다. With respect to the observation result of the transmission electron microscope, the width of the cellulose nanofibers was calculated using the image J program. Table 8 below shows the calculation results.

Wise법 처리시간Wise method processing time 공융용매(몰비 1:6)Eutectic solvent (molar ratio 1:6) 셀룰로오스 나노섬유의 섬유폭(width)Fiber width of cellulose nanofibers 종류Kinds 반응시간Reaction time 실시예 41Example 41 3hr3hr 염화콜린+젖산Choline chloride + lactic acid 6시간6 hours 7.6±2.9 ㎚7.6±2.9 nm 실시예 42Example 42 6hr6hr 염화콜린+젖산Choline chloride + lactic acid 6시간6 hours 4.7±1.1 ㎚4.7±1.1 nm 실시예 43Example 43 3hr3hr 염화콜린+요소Choline chloride + urea 6시간6 hours 4.3±0.3 ㎚4.3±0.3 nm 실시예 44Example 44 6hr6hr 염화콜린+요소Choline chloride + urea 6시간6 hours 5.1±0.3 ㎚5.1±0.3 nm 실시예 45Example 45 3hr3hr 염화콜린+글리세롤Choline chloride + glycerol 6시간6 hours 2.1±0.8 ㎚2.1±0.8 nm 실시예 46Example 46 6hr6hr 염화콜린+글리세롤Choline chloride + glycerol 6시간6 hours 5.4±0.8 ㎚5.4±0.8 nm

염화콜린/요소 공융용매를 사용한 실시예 43 및 44의 경우, wise법 처리 시간에 상관없이 유사한 섬유폭을 가진 셀룰로오스 나노섬유를 제조할 수 있는 것으로 확인되었다. In the case of Examples 43 and 44 using choline chloride/urea eutectic solvent, it was confirmed that cellulose nanofibers having a similar fiber width could be prepared regardless of the wise method treatment time.

염화콜린/글리세롤 공융용매를 사용한 실시예의 경우 Wise법 처리시간이 짧은 경우에서 작은 폭을 가진 셀룰로오스 나노섬유가 제조되는 것이 확인되었다. In the case of the example using the choline chloride/glycerol eutectic solvent, it was confirmed that cellulose nanofibers having a small width were produced when the Wise method treatment time was short.

가장 폭이 작은 보여준 것은 Wise법으로 3시간 처리하여 리그닌을 제거한 후 염화콜린/글리세롤(1:6) 공융용매로 처리하여 제조한 것으로 셀룰로오스 나노섬유의 폭이 2.1±0.8 ㎚ 이었다. The smallest width was prepared by treating with the Wise method for 3 hours to remove lignin and then treating it with a choline chloride/glycerol (1:6) eutectic solvent, and the width of the cellulose nanofibers was 2.1±0.8 nm.

본 명세서에서 설명된 구체적인 실시예는 본 발명의 바람직한 구현예 또는 예시를 대표하는 의미이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되지는 않는다. 본 발명의 변형과 다른 용도가 본 명세서 특허청구범위에 기재된 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다는 것은 당업자에게 명백하다. The specific embodiments described herein are meant to represent preferred embodiments or examples of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereby. It will be apparent to those skilled in the art that variations and other uses of the invention do not depart from the scope of the invention described in the claims of this specification.

Claims (5)

나노셀룰로오스 제조용 공융용매(deep eutectic solvent)에 있어서,
하기의 화학식을 가지는 콜린(choline)의 염:
[화학식]
Figure 112020038122675-pat00003

(상기 X는 염소(Cl)이다.)과 수소결합공여체인 글리세롤이 1:6의 몰비로 혼합된 나노셀룰로오스 제조용 공융용매.
In the eutectic solvent for producing nanocellulose (deep eutectic solvent),
A salt of choline having the formula:
[Chemical Formula]
Figure 112020038122675-pat00003

(The X is chlorine (Cl).) and a hydrogen bond donor, glycerol is mixed in a molar ratio of 1:6, a eutectic solvent for producing nanocellulose.
삭제delete 삭제delete 분말 목재에 대하여 아염소산의 염과 초산으로 3시간 동안 처리하여 리그닌이 제거된 셀룰로오스를 준비하는 단계;
상기 셀룰로오스를 나노셀룰로오스 제조용 공융용매와 혼합하고 100℃에서 400rpm의 속도로 교반하며 6시간동안 처리하는 단계; 및
상기 나노셀룰로오스 제조용 공융용매로 처리된 셀룰로오스의 농도가 0.5%가 되도록 조절하고 분쇄기(blender)를 이용하여 22,000rpm에서 5분간 분쇄하여 나노셀룰로오스를 제조하는 단계;
를 포함하는 나노셀룰로오스의 제조방법으로,
상기 나노셀룰로오스 제조용 공융용매는 하기의 화학식을 가지는 콜린(choline)의 염:
[화학식]
Figure 112020038122675-pat00004

(상기 X 는 염소(Cl)이다.)과 수소결합공여체인 글리세롤이 1:6의 몰비로 혼합된 나노셀룰로오스 제조용 공융용매이며,
상기 제조방법으로 제조된 나노셀룰로오스는 폭(width)이 2.1 ± 0.8㎚인 것을 특징으로 하는 나노셀룰로오스의 제조방법.
Preparing cellulose from which lignin has been removed by treating the powdered wood with a salt of chlorous acid and acetic acid for 3 hours;
Mixing the cellulose with a eutectic solvent for producing nanocellulose, stirring at 100° C. at a speed of 400 rpm, and treating for 6 hours; And
Adjusting the concentration of the cellulose treated with the eutectic solvent for producing nanocellulose to be 0.5% and pulverizing for 5 minutes at 22,000 rpm using a blender to prepare nanocellulose;
As a method for producing nanocellulose comprising a,
The eutectic solvent for preparing nanocellulose is a salt of choline having the following formula:
[Chemical Formula]
Figure 112020038122675-pat00004

(The X is chlorine (Cl).) and glycerol, a hydrogen bond donor, are mixed in a molar ratio of 1:6.
The nanocellulose manufactured by the above manufacturing method has a width of 2.1 ± 0.8 nm.
삭제delete
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