KR102347896B1 - A method of extracting cellulose nanofibers from bamboo fibers - Google Patents

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KR102347896B1
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bamboo fibers
bamboo
cellulose nanofibers
cellulose
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KR1020210027445A
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서종환
탄 빈 응우옌
유정욱
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성균관대학교산학협력단
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    • C08BPOLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B1/00Preparatory treatment of cellulose for making derivatives thereof, e.g. pre-treatment, pre-soaking, activation
    • C08B1/003Preparation of cellulose solutions, i.e. dopes, with different possible solvents, e.g. ionic liquids
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01FCHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
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Abstract

The present invention relates to a method for extracting cellulose nanofibers from bamboo fibers in an eco-friendly manner by combining microwave liquefaction, bleaching treatment, and low-energy defibrillation processes of the bamboo fibers, comprising: a first step of liquefying a bamboo-containing solution by microwave irradiation; a second step of bleaching the residue generated through the liquefaction using hydrogen peroxide; a third step of subjecting the bleached residue to alkali treatment and acid treatment to obtain cellulose fibers; and a fourth step of defibrillating the cellulose fibers using a low-energy blender.

Description

대나무 섬유로부터 셀룰로오스 나노 섬유를 추출하는 방법{A method of extracting cellulose nanofibers from bamboo fibers}A method of extracting cellulose nanofibers from bamboo fibers

본 발명은 대나무 섬유를 마이크로파 액화, 표백 처리 및 저에너지 비피브릴화 공정을 조합하여 친환경적으로 대나무 섬유로부터 셀룰로오스 나노 섬유를 추출하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for environmentally friendly extraction of cellulose nanofibers from bamboo fibers by combining the microwave liquefaction, bleaching, and low-energy non-fibrillation processes of bamboo fibers.

리그노 셀룰로오스 바이오매스는 풍부한 량, 대량 생산 가능성, 재생 가능성, 생분해성, 생체 적합성, 온실 가스 배출 및 탄소 중립 배출에 대한 낮은 이유로 천연 기반 자원으로 각광받고 있다.Lignocellulosic biomass is emerging as a natural-based resource due to its low abundance, mass production potential, renewable potential, biodegradability, biocompatibility, greenhouse gas emissions and carbon-neutral emissions.

리그노 셀룰로오스 바이오매스의 주요 구성 물질은 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌이며, 헤미셀룰로오스 및 리그닌 함량이 비교적 낮아 생물권에서 가장 일반적으로 사용되는 재생 가능한 폴리머이다. The main constituent materials of lignocellulosic biomass are cellulose, hemicellulose and lignin, which are the most commonly used renewable polymers in the biosphere due to their relatively low content of hemicellulose and lignin.

한편, 셀룰로오스의 계층성, 자기 조립 특성, 결정 구조, 이방성 거동 및 높은 기계적 특성으로 인해 나노 소재로서 셀룰로오스를 활용하고자자 하는 연구 또한 활발히 진행되고 있으며, 이러한 셀룰로오스를 나노 소재로 이용하여 생체 재료, 생체막, 강화 재료, 박막, 에너지 장치, 촉매 등과 같은 응용분야에 적용할 수 있다.On the other hand, studies to utilize cellulose as a nano material due to the hierarchical nature, self-assembly characteristics, crystal structure, anisotropic behavior and high mechanical properties of cellulose are also being actively conducted. , reinforcing materials, thin films, energy devices, catalysts, etc.

상기 셀룰로오스를 나노 소재로 활용하기 위해서는, 원료에서 비정질 성분을 제거하고 고순도 셀룰로오스 섬유를 얻은 다음 나노 셀룰로오스 섬유를 추출하는 공정이 필요하다.In order to utilize the cellulose as a nano material, a process of removing the amorphous component from the raw material, obtaining high-purity cellulose fibers, and then extracting the nano-cellulose fibers is required.

이를 위해, 종래에는 산-염소산 탈리그닌화 공정을 사용하여 리그닌 고분자를 원료 물질로부터 분리하는 방법이 수행되고 있으나, 상기 공정을 이용하는 경우 다당류의 산화 분해에 해로운 영향을 미치며, 이러한 화학 물질들은 환경과 인간의 건강에 부정적인 영향을 끼치는 문제점이 있다. To this end, conventionally, a method of separating a lignin polymer from a raw material using an acid-chloric acid delignification process has been performed. However, when the process is used, it has a detrimental effect on the oxidative decomposition of polysaccharides, and these chemicals are environmentally and There are problems that negatively affect human health.

본 발명의 일 목적은 마이크로파 액화, 표백 처리 및 저에너지 비피브릴화 공정을 조합하여 친환경적으로 대나무 섬유로부터 셀룰로오스 나노 섬유를 추출하는 방법을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a method for environmentally friendly extraction of cellulose nanofibers from bamboo fibers by combining microwave liquefaction, bleaching treatment, and low-energy non-fibrillation processes.

본 발명의 다른 목적은 상기 방법을 통해 추출된 셀룰로오스 나노 섬유를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a cellulose nanofiber extracted through the above method.

본 발명의 일 실시예에 따른 대나무 섬유로부터 셀룰로오스 나노 섬유를 추출하는 방법은, 대나무 함유 용액에 마이크로파를 조사하여 액화시키는 제1 단계; 상기 액화를 통해 생성된 잔류물을 과산화수소를 이용하여 표백 처리하는 제2 단계; 표백 처리된 잔류물을 알칼리 처리 및 산 처리하여 셀룰로오스 섬유를 얻는 제3 단계; 및 저에너지 블렌더를 이용하여 셀룰로오스 섬유를 비피브릴화(defibrillation)시키는 제4 단계;를 포함한다.A method of extracting cellulose nanofibers from bamboo fibers according to an embodiment of the present invention comprises: a first step of liquefying a bamboo-containing solution by irradiating microwaves; a second step of bleaching the residue generated through the liquefaction using hydrogen peroxide; a third step of subjecting the bleached residue to alkali treatment and acid treatment to obtain cellulose fibers; and a fourth step of defibrillating the cellulose fibers using a low-energy blender.

일 실시예에서, 상기 대나무 함유 용액은 용매로서 DEG(diethylene glycol)를 포함하고, 촉매로서 황산을 포함할 수 있다.In an embodiment, the bamboo-containing solution may include diethylene glycol (DEG) as a solvent and sulfuric acid as a catalyst.

일 실시예에서, 상기 대나무 및 DEG의 중량비는 1 : 4(w/w) 인 것이 바람직하다.In one embodiment, the weight ratio of the bamboo and DEG is preferably 1: 4 (w/w).

일 실시예에서, 상기 제1 단계는, 200 내지 300 W 의 전력으로, 6 분 내지 10 분 동안 수행할 수 있다.In an embodiment, the first step may be performed for 6 minutes to 10 minutes at a power of 200 to 300 W.

일 실시예에서, 상기 제1 단계 후, 마이크로파 액화 완료 후의 용액을 진공 여과하는 단계, 및 상기 진공 여과 후 얻어진 잔류물을 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, after the first step, vacuum filtration of the solution after the completion of microwave liquefaction, and drying the residue obtained after the vacuum filtration may be further included.

일 실시예에서, 상기 진공 여과 후 얻어진 액체 혼합물을 용매와 분리하여 바이오폴리올을 수득하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the method may further include separating the liquid mixture obtained after vacuum filtration with a solvent to obtain a biopolyol.

일 실시예에서, 상기 제2 단계는, pH 4 내지 5 의 조건 하에, 70 내지 100 ℃ 의 온도로 수행하는 것이 바람직하다.In one embodiment, the second step is preferably performed at a temperature of 70 to 100 ℃ under the conditions of pH 4 to 5.

일 실시예에서, 상기 제1 단계 및 제2 단계에서, 대나무 섬유의 탈리그닌화가 진행될 수 있다.In an embodiment, delignification of bamboo fibers may be performed in the first and second steps.

일 실시예에서, 상기 알칼리 처리는 KOH 용액을 사용하고, 상기 산 처리는 황산 용액을 사용할 수 있다.In one embodiment, the alkali treatment may use a KOH solution, and the acid treatment may use a sulfuric acid solution.

일 실시예에서, 상기 제4 단계는, 저에너지 블렌더를 이용하여 23000 rpm 내지 25000 rpm 의 작동 속도, 및 1600 내지 2000 W 의 출력으로 20 분 내지 1 시간 동안 블렌딩하여 수행할 수 있다.In an embodiment, the fourth step may be performed by blending for 20 minutes to 1 hour at an operating speed of 23000 rpm to 25000 rpm and an output of 1600 to 2000 W using a low energy blender.

일 실시예에서, 상기 제3 단계에서, 대나무 섬유로부터 헤미셀룰로오스의 분리가 진행될 수 있다.In an embodiment, in the third step, separation of hemicellulose from bamboo fibers may be performed.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 셀룰로오서 나노 섬유는 상기 방법으로 추출되며, XRD 분석법에 따른 결정화도가 80% 이상이고, 섬유의 단면 직경은 5 내지 30 nm 일 수 있다.On the other hand, the cellulosic nanofiber according to another embodiment of the present invention is extracted by the above method, the crystallinity according to the XRD analysis method is 80% or more, and the cross-sectional diameter of the fiber may be 5 to 30 nm.

본 발명은 재생 가능한 친환경 비목재 바이오매스인 대나무를 마이크로파 액화, 표백 처리 및 화학 처리하여 셀룰로오스 섬유로부터 효과적으로 탈리그닌화 및 헤미셀룰로오스를 분리할 수 있으며, 추가적인 저에너지 비피브릴화 처리법을 통해 독성 물질의 생성 없이 친환경적으로 높은 결정성을 갖는 셀룰로오스 나노 섬유를 추출할 수 있다.The present invention can effectively separate delignification and hemicellulose from cellulose fibers by microwave liquefaction, bleaching, and chemical treatment of bamboo, a renewable eco-friendly non-wood biomass, and additional low-energy non-fibrillation treatment without the generation of toxic substances Cellulose nanofibers with high crystallinity can be extracted in an environmentally friendly way.

도 1은 본 발명의 추출 방법에 따른 잔류물 및 상층액의 변화를 나타낸 이미지이다.
도 2는 본 발명의 추출 단계에 따라 얻어진 샘플들의 FTIR 스펙트럼을 도시한다. ((a) 원료 대나무 섬유, (b) 마이크로파 액화 잔류물, (c) 표백 처리된 섬유, (d) 셀룰로오스 섬유 및 (e) 셀룰로오스 나노 섬유)
도 3은 본 발명의 추출 단계에 따라 얻어진 원료 대나무 섬유, 마이크로파 액화 잔류물 및 셀룰로오스 나노 섬유의 XPS 조사 스펙트럼을 도시한다.
도 4는 본 발명의 추출 단계에 따라 얻어진 원료 대나무 섬유, 마이크로파 액화 잔류물 및 셀룰로오스 나노 섬유의 C1s 및 O1s XPS 조사 스펙트럼을 도시한다.
도 5는 본 발명의 추출 단계에 따라 얻어진 샘플들의 X-선 회절 그래프를 도시한다. ((a) 원료 대나무 섬유, (b) 마이크로파 액화 잔류물, (c) 표백 처리된 섬유, (d) 셀룰로오스 섬유 및 (e) 셀룰로오스 나노 섬유)
도 6은 본 발명의 추출 단계에 따라 얻어진 샘플들의 FE-SEM 이미지이다. ((a,b) 원료 대나무 섬유, (c) 마이크로파 액화 잔류물, (d) 표백 처리된 섬유, (e) 셀룰로오스 섬유)
도 7은 본 발명의 추출 단계에 따라 얻어진 셀룰로오스 나노 섬유의 TEM 이미지(a-c), 및 셀룰로오스 나노 섬유의 직경 분포(d)를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 추출 단계에 따라 얻어진 샘플들의 제타 전위(a-e) 및 셀룰로오스 나노 섬유의 DLS 측정 결과(f)를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 추출 단계에 따라 얻어진 샘플들의 TG(a) 및 DTG(b) 곡선을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 추출 단계에 따라 얻어진 샘플들의 활성화 에너지 측정 결과를 나타낸다. ((a) 원료 대나무 섬유, (b) 마이크로파 액화 잔류물, (c) 표백 처리된 섬유, (d) 셀룰로오스 섬유 및 (e) 셀룰로오스 나노 섬유)
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다.
1 is an image showing the change of the residue and supernatant according to the extraction method of the present invention.
2 shows FTIR spectra of samples obtained according to the extraction step of the present invention. ((a) raw bamboo fiber, (b) microwave liquefaction residue, (c) bleached fiber, (d) cellulose fiber and (e) cellulose nanofiber)
3 shows XPS irradiation spectra of raw bamboo fibers, microwave liquefaction residues and cellulose nanofibers obtained according to the extraction step of the present invention.
4 shows C 1s and O 1s XPS irradiation spectra of raw bamboo fibers, microwave liquefaction residues and cellulose nanofibers obtained according to the extraction step of the present invention.
5 shows an X-ray diffraction graph of samples obtained according to the extraction step of the present invention. ((a) raw bamboo fibers, (b) microwave liquefaction residues, (c) bleached fibers, (d) cellulose fibers and (e) cellulose nanofibers)
6 is an FE-SEM image of samples obtained according to the extraction step of the present invention. ((a,b) raw bamboo fiber, (c) microwave liquefaction residue, (d) bleached fiber, (e) cellulosic fiber)
7 shows a TEM image (ac) of the cellulose nanofibers obtained according to the extraction step of the present invention, and the diameter distribution (d) of the cellulose nanofibers.
8 shows the zeta potential (ae) of the samples obtained according to the extraction step of the present invention and the DLS measurement result (f) of the cellulose nanofiber.
9 shows the TG(a) and DTG(b) curves of samples obtained according to the extraction step of the present invention.
10 shows the measurement results of activation energy of samples obtained according to the extraction step of the present invention. ((a) raw bamboo fibers, (b) microwave liquefaction residues, (c) bleached fibers, (d) cellulose fibers and (e) cellulose nanofibers)
Various embodiments are now described with reference to the drawings, wherein like reference numerals are used to refer to like elements throughout. In this specification for purposes of explanation, various descriptions are presented to provide an understanding of the present invention. However, it will be apparent that these embodiments may be practiced without these specific descriptions.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Since the present invention can have various changes and can have various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each figure, like reference numerals have been used for like elements.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification is present, and includes one or more other features or steps. , it should be understood that it does not preclude the possibility of the existence or addition of an operation, a component, a part, or a combination thereof.

본 발명의 일 실시예에 따른 대나무 섬유로부터 셀룰로오스 나노 섬유를 추출하는 방법은, 대나무 함유 용액에 마이크로파를 조사하여 액화시키는 제1 단계, 상기 액화를 통해 생성된 잔류물을 과산화수소를 이용하여 표백 처리하는 제2 단계, 표백 처리된 잔류물을 알칼리 처리 및 산 처리하여 셀룰로오스 섬유를 얻는 제3 단계, 및 저에너지 블렌더를 이용하여 셀룰로오스 섬유를 비피브릴화(defibrillation)시키는 제4 단계를 포함한다.The method of extracting cellulose nanofibers from bamboo fibers according to an embodiment of the present invention includes a first step of liquefying a bamboo-containing solution by irradiating microwaves, and bleaching the residue generated through the liquefaction using hydrogen peroxide. a second step, a third step of subjecting the bleached residue to alkali treatment and acid treatment to obtain cellulosic fibers, and a fourth step of defibrillating the cellulosic fibers using a low energy blender.

먼저, 대나무 함유 용액에 마이크로파를 조사하여 액화시키는 제1 단계를 진행한다.First, a first step of liquefying the bamboo-containing solution by irradiating microwaves is performed.

대나무는 비목질계 바이오매스로, 리그닌, 헤미셀룰로오스 및 셀룰로오스가 주요 성분으로 함유되어 있으며, 이들은 복잡하고 강력하게 화학적으로 상호 연결되어 있다. 따라서, 본 발명은 대나무 섬유로부터 리그닌을 효과적으로 제거하기 위해, 대나무 함유 용액에 마이크로파를 조사하여 액화시킨다.Bamboo is a non-woody biomass containing lignin, hemicellulose and cellulose as major components, which are complex and strongly chemically interconnected. Therefore, in the present invention, in order to effectively remove lignin from bamboo fibers, the bamboo-containing solution is liquefied by irradiating microwaves.

일 실시예에서, 상기 대나무 함유 용액은 용매로서 DEG(diethylene glycol)를 포함하고, 촉매로서 황산을 포함할 수 있고, 상기 대나무 및 DEG의 중량비는 1 : 4(w/w) 인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment, the bamboo-containing solution contains DEG (diethylene glycol) as a solvent and sulfuric acid as a catalyst, and the weight ratio of the bamboo and DEG is preferably 1: 4 (w/w), However, the present invention is not limited thereto.

일 실시예에서, 상기 제1 단계는, 200 내지 300 W 의 전력으로, 6 분 내지 10 분 동안 수행할 수 있다. 바람직하게는, 250 W 의 전력으로 8 분 동안 수행할 수 있다. 이때, 혼합물의 비등을 방지하기 위해 4분 실행 후 5분 일시 중지시켜 수행할 수 있다.In an embodiment, the first step may be performed for 6 minutes to 10 minutes at a power of 200 to 300 W. Preferably, it can be performed for 8 minutes with a power of 250 W. At this time, in order to prevent boiling of the mixture, it can be carried out by pausing for 5 minutes after running for 4 minutes.

한편, 본 발명은 상기 제1 단계 후, 마이크로파 액화 완료 후의 용액을 진공 여과하는 단계 및 상기 진공 여과 후 얻어진 잔류물을 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, the present invention may further include, after the first step, vacuum filtering the solution after microwave liquefaction and drying the residue obtained after the vacuum filtration.

구체적으로, 상기 제1 단계 후, 마이크로파 액화 완료 후의 용액을 냉각시키고, 희석시킨 후 진공 여과하여 고체 잔류물과 액체 혼합물을 분리할 수 있다. 이후, 진공 여과 후 얻어진 잔류물은 추가 처리를 위해 약 24 시간 동안 80 내지 100℃ 의 오븐에서 건조시킬 수 있다.Specifically, after the first step, the solution after microwave liquefaction is cooled, diluted, and vacuum filtered to separate a solid residue and a liquid mixture. Thereafter, the residue obtained after vacuum filtration may be dried in an oven at 80 to 100° C. for about 24 hours for further processing.

한편, 상기 진공 여과 후 얻어진 액체 혼합물은 용매와 분리하여 바이오폴리올을 수득할 수 있다.On the other hand, the liquid mixture obtained after the vacuum filtration can be separated from the solvent to obtain a biopolyol.

다음으로, 상기 액화를 통해 생성된 잔류물을 과산화수소를 이용하여 표백 처리하는 제2 단계를 진행한다.Next, a second step of bleaching the residue generated through the liquefaction using hydrogen peroxide is performed.

일 실시예에서, 상기 제2 단계는, pH 4 내지 5 의 조건 하에, 70 내지 100 ℃ 의 온도로 수행할 수 있고, 바람직하게는 85℃ 의 온도로 약 2 시간 동안 수행할 수 있다.In one embodiment, the second step, under the conditions of pH 4 to 5, may be performed at a temperature of 70 to 100 °C, preferably at a temperature of 85 °C for about 2 hours.

위와 같이 대나무 섬유에 마이크로파 액화 처리 및 과한솨수소를 이용한 표백 처리를 실시하면, 대나무 섬유의 탈리그닌화가 진행되며, 셀룰로오스로부터 헤미셀룰로오스의 분리 및 분해 또한 일부 진행되게 된다.As described above, when the bamboo fibers are subjected to microwave liquefaction treatment and bleaching treatment using excessive hydrogen, delignification of bamboo fibers proceeds, and separation and decomposition of hemicelluloses from cellulose are also partially progressed.

이후, 표백 처리된 잔류물을 알칼리 처리 및 산 처리하여 셀룰로오스 섬유를 얻는 제3 단계를 진행한다.Thereafter, a third step of obtaining cellulose fibers by alkali treatment and acid treatment of the bleached residue is performed.

일 실시예에서, 상기 알칼리 처리는 KOH 용액을 사용하고, 상기 산 처리는 황산 용액을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment, the alkali treatment uses a KOH solution, and the acid treatment uses a sulfuric acid solution, but is not limited thereto.

상기 알칼리 처리 및 산 처리 시에, 대나무 섬유로부터 헤미셀룰로오스의 분리 및 분해가 진행되어 리그닌 및 헤미셀룰로오스가 분리된 셀룰로오스 섬유(CFs)를 얻을 수 있다.During the alkali treatment and acid treatment, separation and decomposition of hemicellulose from bamboo fibers proceeds to obtain cellulose fibers (CFs) from which lignin and hemicellulose are separated.

마지막으로, 셀룰로오스 섬유로부터 셀룰로오스 나노 섬유를 추출하기 위해, 저에너지 블렌더를 이용하여 셀룰로오스 섬유를 비피브릴화(defibrillation)시키는 제4 단계를 진행할 수 있다.Finally, in order to extract the cellulose nanofibers from the cellulose fibers, a fourth step of defibrillating the cellulose fibers using a low energy blender may be performed.

일 실시예에서, 상기 제4 단계는 저에너지 블렌더를 이용하여 23000 rpm 내지 25000 rpm 의 작동 속도, 및 1600 내지 2000 W 의 출력으로 20 분 내지 1 시간 동안 블렌딩하여 수행하며, 이러한 비피브릴화 과정을 통해 셀룰로오스 섬유(CFs)를 셀룰로오스 나노 섬유(CNFs)로 분할하여 대나무 섬유로부터 셀룰로오스 나노 섬유를 최종적으로 추출할 수 있다.In one embodiment, the fourth step is performed by blending for 20 minutes to 1 hour at an operating speed of 23000 rpm to 25000 rpm, and an output of 1600 to 2000 W using a low energy blender, and through this non-fibrillation process Cellulose nanofibers can be finally extracted from bamboo fibers by splitting cellulose fibers (CFs) into cellulose nanofibers (CNFs).

본 발명에 따르면, 재생 가능한 친환경 비목재 바이오매스인 대나무를 마이크로파 액화, 표백 처리 및 화학 처리하여 셀룰로오스 섬유로부터 효과적으로 탈리그닌화 및 헤미셀룰로오스를 분리할 수 있으며, 추가적인 저에너지 비피브릴화 처리법을 통해 독성 물질의 생성 없이 친환경적으로 높은 결정성을 갖는 셀룰로오스 나노 섬유를 추출할 수 있다.According to the present invention, it is possible to effectively separate delignification and hemicellulose from cellulose fibers by microwave liquefaction, bleaching, and chemical treatment of bamboo, a renewable eco-friendly non-wood biomass, and additional low-energy non-fibrillation treatment to remove toxic substances. Cellulose nanofibers with high crystallinity can be extracted in an environmentally friendly manner without generation.

한편, 본 발명은 다른 실시 형태로, 상기 방법으로 추출된 셀룰로오서 나노 섬유를 들 수 있다.On the other hand, the present invention, as another embodiment, the cellulose nanofibers extracted by the above method may be mentioned.

위와 같은 방법으로 추출된 본 발명의 셀룰로오스 나노 섬유는, XRD 분석법에 따른 결정화도가 80% 이상이고, 섬유의 단면 직경은 5 내지 30 nm 인 것을 특징으로 한다.The cellulose nanofibers of the present invention extracted by the above method have a crystallinity of 80% or more according to XRD analysis, and a cross-sectional diameter of the fibers is 5 to 30 nm.

따라서, 본 발명의 셀룰로오스 나노 섬유는 높은 결정도를 가져 기계적 특성을 향상시키기 위해, 복합 재료 및 나노 복합 재료에 대한 유망한 보강재로 사용될 수 있다.Therefore, the cellulose nanofibers of the present invention have high crystallinity and can be used as a promising reinforcing material for composite materials and nanocomposite materials to improve mechanical properties.

이하에서는 구체적인 실시예와 함께 본 발명의 내용을 더욱 자세히 설명하도록 하겠다.Hereinafter, the content of the present invention will be described in more detail with specific examples.

[실시예][Example]

1. 대나무의 마이크로파 액화1. Microwave liquefaction of bamboo

대나무의 마이크로파 액화 반응은 가정용 전자 레인지(SK 매직, MWO-18M1, 700W, 2.45GHz, 한국)에서 진행되었다.The microwave liquefaction reaction of bamboo was carried out in a household microwave oven (SK Magic, MWO-18M1, 700W, 2.45GHz, Korea).

먼저, 대나무 분말 및 DEG의 중량비가 1/4(w/w)인 액화 시약을 포함하고, 액화 용매인 DEG의 3 중량% 농도로 촉매로서 황산(95 %)을 포함시켜 유리 캡으로 덮인 250 mL 삼각 플라스크에 넣었다.First, 250 mL of bamboo powder and a liquefaction reagent with a weight ratio of DEG of 1/4 (w/w), and sulfuric acid (95%) as a catalyst at a concentration of 3% by weight of DEG, a liquefaction solvent, covered with a glass cap placed in an Erlenmeyer flask.

마이크로파 액화 반응은 250 W의 고정 전력 및 8분의 총 작동 시간에서 가속되었다. 이때, 반응 혼합물의 비등을 방지하기 위해 4분 실행 후 5분 일시 중지시켜 수행하였다.The microwave liquefaction reaction was accelerated at a fixed power of 250 W and a total operating time of 8 minutes. At this time, in order to prevent boiling of the reaction mixture, it was carried out by pausing for 5 minutes after running for 4 minutes.

8분의 시간이 지난 후, 반응 혼합물을 즉시 실온으로 냉각시키고 1,4-디옥산/물 용액(8/2, v/v)으로 2시간 동안 교반하면서 희석한 다음, 진공 하에서 여과하여 고체 잔류물과 액체 혼합물을 분리하였다. 고체 잔류물은 추가 처리를 위해 일정한 무게로 24시간 동안 90 ℃에서 오븐 건조되었다. 이후, 바이오 폴리올을 바이오매스 전환율 74.81% 로 희석된 용매를 제거하여 얻은 반면, 마이크로파 액화 잔류물은 25.19 % 였다.After a period of 8 min, the reaction mixture was immediately cooled to room temperature and diluted with 1,4-dioxane/water solution (8/2, v/v) with stirring for 2 h, then filtered under vacuum to a solid residue The water and liquid mixture were separated. The solid residue was oven dried at 90° C. for 24 h under constant weight for further processing. Then, a biopolyol was obtained by removing the diluted solvent to a biomass conversion rate of 74.81%, whereas the microwave liquefaction residue was 25.19%.

2. 마이크로파 액화 잔류물의 화학적 전처리 및 셀룰로오스 나노 섬유(CNFs)의 추출2. Chemical Pretreatment of Microwave Liquefaction Residue and Extraction of Cellulose Nanofibers (CNFs)

이후, 마이크로파 액화에서 오븐 건조된 잔류물은 셀룰로오스 섬유(CFs) 및 셀룰로오스 나노 섬유(CNFs)를 추출하기 위한 추가 화학처리에 적용되었다.Thereafter, the oven-dried residue from microwave liquefaction was subjected to further chemical treatment to extract cellulose fibers (CFs) and cellulose nanofibers (CNFs).

마이크로파 액화 잔류물을 5 중량%의 고체 함량으로 희석된 아세트산으로 조정한 pH = 4-5 의 조건 하에, 과산화수소(30 %)를 함유하는 표백 용액에 담가 표백 처리를 실시하였다. 반응은 85 ℃의 오일 배스에서 2 시간 동안 수행되었다. 이후, 고체 잔류물을 여과하고 중화될 때까지 탈 이온수로 세척하였다.The microwave liquefied residue was immersed in a bleaching solution containing hydrogen peroxide (30%) under the condition of pH = 4-5 adjusted with acetic acid diluted to a solid content of 5% by weight to perform bleaching treatment. The reaction was carried out in an oil bath at 85 °C for 2 hours. Then, the solid residue was filtered and washed with deionized water until neutralization.

다음으로, 표백 처리된 섬유는 5%(w/v) KOH 용액으로 85 ℃에서 2 시간 동안 알칼리 처리하였다. 이 과정 후, 생성물을 냉수로 희석하여 반응을 멈추고, 여과하고 탈 이온수로 헹구어 셀룰로오스 섬유(CFs)를 얻었다.Next, the bleached fibers were alkali-treated with a 5% (w/v) KOH solution at 85° C. for 2 hours. After this process, the product was diluted with cold water to stop the reaction, filtered and rinsed with deionized water to obtain cellulose fibers (CFs).

그 후, CFs를 황산 용액(2%, v/v)으로 75 ℃에서 1시간 동안 산 가수 분해한 후, 10000rpm에서 20분 동안 여러 번 원심 분리하여 잔류 산을 제거하고 침전물을 수집하였다.Thereafter, CFs were acid hydrolyzed with sulfuric acid solution (2%, v/v) at 75 °C for 1 hour, and then centrifuged several times at 10000 rpm for 20 minutes to remove residual acid and collect the precipitate.

마지막으로 침전물을 원하는 농도의 탈 이온수로 희석하고 초고속 블렌더(Koselig, YB-S03G, Philips, Netherlands)에 첨가한 후 24000rpm의 일정한 작동 속도와 1800W의 출력으로 블렌딩하였다.Finally, the precipitate was diluted with deionized water of the desired concentration, added to a high-speed blender (Koselig, YB-S03G, Philips, Netherlands), and then blended at a constant operating speed of 24000 rpm and an output of 1800 W.

비피브릴화(defibrillation) 과정은 30분 동안 수행되어 셀룰로오스 섬유(CFs)가 셀룰로오스 나노섬유(CNFs)로 분할되었다. CNFs 수율은 마이크로파 액화 잔류물의 경우 48.64 %였고, 원료 대나무 섬유의 경우 16.13 % 로 측정되었다.The defibrillation process was performed for 30 min to split the cellulose fibers (CFs) into cellulose nanofibers (CNFs). The CNFs yield was measured to be 48.64% for the microwave liquefied residue and 16.13% for the raw bamboo fiber.

원료 대나무 섬유 및 화학적으로 변형된 대나무 섬유의 육안 관찰Visual observation of raw bamboo fibers and chemically modified bamboo fibers

정제된 CFs 및 CNFs의 추출과 관련된 상세한 화학적 전처리 과정의 효과는 원료 대나무 섬유의 변색을 통해 명확하게 볼 수 있으며 관련 결과는 도 1에 도시하였다.The effect of the detailed chemical pretreatment process related to the extraction of purified CFs and CNFs can be clearly seen through the discoloration of raw bamboo fibers, and the related results are shown in FIG. 1 .

도 1에서 볼 수 있듯이, 천연 대나무 섬유의 초기 색상은 크림색의 황갈색이었으며 마이크로파 액화 후 암갈색으로 극적인 변화를 나타냈다.As can be seen in FIG. 1 , the initial color of the natural bamboo fibers was creamy tan and showed a dramatic change to dark brown after microwave liquefaction.

마이크로파 액화 처리 후, 원료 대나무 섬유의 변색은 탄수화물 분자에 널리 퍼져있는 β-1,4-글리코시드 결합, 리그닌 구조에서 주요 상호 단량체 결합인 β-O-4-아릴 에테르, 4-O-5-디아릴 에테르 및 디벤조디옥소신 결합과 같은 대나무 섬유의 다양한 지배적 결합의 분열로 인한 것이다.After microwave liquefaction treatment, the discoloration of raw bamboo fibers is caused by the widespread β-1,4-glycosidic bonds in carbohydrate molecules, β-O-4-aryl ethers, 4-O-5- This is due to the cleavage of various dominant bonds in bamboo fibers, such as diaryl ether and dibenzodioxosine bonds.

추가 변색은 마이크로파 액화 잔류물을 과산화수소로 무염소 표백 처리에 적용하여 발생하였다.Further discoloration occurred by subjecting the microwave liquefied residue to a chlorine-free bleaching treatment with hydrogen peroxide.

과산화수소를 이용한 탈리그닌화(Delignification)는 원료 대나무 섬유의 갈색의 주된 원인인 카르보닐 결합 및 리그닌 측쇄의 퀴노이드 결합의 산화를 통해 리그닌의 발색단 구조를 손상시키는 가장 효과적인 방법이다.Delignification using hydrogen peroxide is the most effective method to damage the chromophore structure of lignin through oxidation of carbonyl bonds and quinoid bonds of lignin side chains, which are the main causes of brown color of raw bamboo fibers.

또한, 표백 처리는 벤조퀴논 구조와 반응하여 리그닌의 카르보닐 측쇄 및 탄소-탄소 이중 결합을 더욱 분해하여 리그닌 제거를 촉진하는 기능성 히드록실, 카르복실 및 카르보닐기를 형성함으로써 리그닌의 용해도 변화를 도왔고, 다음 단계에서 화학적으로 정제된 셀룰로오스의 분리를 돕는다.In addition, the bleaching treatment helped change the solubility of lignin by reacting with the benzoquinone structure to further degrade the carbonyl side chain and carbon-carbon double bond of lignin to form functional hydroxyl, carboxyl and carbonyl groups that promote lignin removal, followed by Helps in the separation of chemically purified cellulose in the step.

순백색 섬유는 알칼리 처리와 산 가수 분해 과정에서 얻어졌다. 알칼리 처리는 리그닌과 헤미셀룰로오스 사이의 리그닌-탄수화물 결합을 절단하는데 사용된다. 알칼리 처리에서 헤미셀룰로오스의 추가 가수 분해 및 리그닌의 추가 해중합은 정제된 셀룰로오스 함량이 증가함에 따라 부분적으로 수용성인 당 유도체 및 페놀 화합물의 방출을 도왔다.Pure white fibers were obtained by alkali treatment and acid hydrolysis. Alkali treatment is used to cleave the lignin-carbohydrate bond between lignin and hemicellulose. Further hydrolysis of hemicellulose and further depolymerization of lignin in alkali treatment helped release partially water-soluble sugar derivatives and phenolic compounds as the purified cellulose content increased.

FTIR 스펙트럼 분석FTIR spectral analysis

다양한 화학적 전처리 단계를 통해 얻은 원료 대나무 섬유, CFs, CNFs 및 그 중간 생성물의 화학 구조 변화를 FTIR 분광법으로 조사하고, 그 결과를 도 2에 나타냈다.The chemical structure changes of raw bamboo fibers, CFs, CNFs and their intermediates obtained through various chemical pretreatment steps were investigated by FTIR spectroscopy, and the results are shown in FIG. 2 .

도 2에서 볼 수 있듯이, FTIR 스펙트럼은 원료 대나무 섬유의 주성분인 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌에서 알코올, 알칸, 에스테르, 방향족 및 케톤과 같은 수많은 작용기의 존재를 나타내는 주요 흡광도 피크를 보여준다.As can be seen in FIG. 2 , the FTIR spectrum shows the main absorbance peaks indicating the presence of numerous functional groups such as alcohols, alkanes, esters, aromatics and ketones in cellulose, hemicellulose, and lignin, which are the main components of raw bamboo fibers.

리그닌 및 헤미셀룰로오스에 대해 나타나는 일부 특징적인 피크의 소실은 정제된 CFs 및 CNFs를 얻기 위해 각 화학 처리 후, 불순물이 제거된 결과를 나타낸다.The disappearance of some characteristic peaks for lignin and hemicellulose indicates that impurities were removed after each chemical treatment to obtain purified CFs and CNFs.

2700-3700 cm-1의 높은 파수 영역에서, 모든 스펙트럼에서 관찰된 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌 분자에서 수산기의 O-H 스트레칭 진동으로 인해 3423 cm-1에서 중간 피크를 갖는 넓은 흡수 대역을 나타낸다.In the high wavenumber region of 2700-3700 cm -1 , it shows a broad absorption band with an intermediate peak at 3423 cm -1 due to the OH stretching vibration of hydroxyl groups in cellulose, hemicellulose and lignin molecules observed in all spectra.

2902 cm-1에서의 강도 피크는 모든 샘플에서도 발견되는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌에서 메틸 및 메틸렌 그룹의 C-H 스트레칭 진동에 기인한다.The intensity peak at 2902 cm -1 is due to the CH stretching oscillations of the methyl and methylene groups in cellulose, hemicellulose and lignin, which are also found in all samples.

1635 cm-1에서 두드러진 피크는 셀룰로오스의 풍부한 기능성 하이드 록실 그룹으로 인한 흡수된 물의 스트레칭 진동을 나타낸다. 이 피크 강도는 원료 대나무 섬유에서 CNFs로 극적으로 강화되어 셀룰로오스의 화학 구조가 화학 처리 후에도 영향을 받지 않음을 보여준다.The prominent peak at 1635 cm -1 indicates the stretching oscillations of the absorbed water due to the abundant functional hydroxyl groups of cellulose. This peak intensity was dramatically enhanced with CNFs in the raw bamboo fiber, showing that the chemical structure of the cellulose was not affected even after chemical treatment.

대나무 섬유와 정제된 샘플들의 화학적 조성에서 화학적 처리의 효과는 600 ~ 1750 cm-1의 낮은 파수 영역에서 명확하게 입증되었다.The effect of chemical treatment on the chemical composition of bamboo fibers and purified samples was clearly demonstrated in the low wavenumber range from 600 to 1750 cm -1 .

1735 cm-1 에서 검출된 강도 피크는 카르보닐 C=O 스트레칭 진동을 나타내며, 이는 헤미셀룰로오스의 아세틸 및 당 에스테르 그룹과 동일하다. 원료 대나무 섬유의 FTIR 스펙트럼에서 이 피크의 존재는 리그닌 또는 헤미 셀룰로스의 페룰산 및 p-쿠마르 산의 카르복실 산 그룹의 에스테르 결합으로 간주될 수도 있다(Julie et al., 2016; Khawas and Deka, 2016; Xie et al., 2016).The intensity peak detected at 1735 cm -1 indicates a carbonyl C=O stretching oscillation, which is identical to the acetyl and sugar ester groups of hemicellulose. The presence of this peak in the FTIR spectrum of raw bamboo fibers can also be considered as an ester linkage of the carboxylic acid groups of ferulic acid and p-coumaric acid of lignin or hemicellulose (Julie et al., 2016; Khawas and Deka, 2016). ; Xie et al., 2016).

이 피크의 강도는 마이크로파 액화 후 감소한 결과를 나타낸다. 이는 마이크로파 액화가 리그닌-탄수화물 복합체에서 카르복실기의 에스테르 결합의 파괴 및 리그닌과 헤미셀룰로오스의 용매로의 분해를 자극하는 수용성 물질의 형성에 의해 헤미셀룰로오스 및 리그닌 제거를 촉진함을 나타낸다.The intensity of this peak shows a decrease after microwave liquefaction. This indicates that microwave liquefaction promotes the removal of hemicellulose and lignin by the formation of a water-soluble substance that stimulates the breakdown of the ester bond of the carboxyl group in the lignin-carbohydrate complex and the decomposition of lignin and hemicellulose into a solvent.

그럼에도 불구하고 1735 cm-1의 피크는 과산화수소 처리 후 표백된 섬유의 스펙트럼에 여전히 남아 있었으며, 이는 화학 추출 과정 후에 헤미셀룰로오스 분자가 완전히 제거되지 않았음을 의미한다.Nevertheless, the peak at 1735 cm −1 still remained in the spectrum of the bleached fibers after hydrogen peroxide treatment, indicating that the hemicellulose molecules were not completely removed after the chemical extraction process.

따라서 마이크로파를 이용한 액화 및 표백 처리는 대나무 섬유에서 가장 많은 리그닌 화합물을 제거하는 효율적인 방법이다.Therefore, liquefaction and bleaching using microwaves is an efficient method to remove the most lignin compounds from bamboo fibers.

1735 cm-1 에서 강도 피크가 사라지는 것은 희석된 수산화 칼륨 용액으로 처리하여 헤미셀룰로오스가 효과적으로 분해되었음을 나타낸다.The disappearance of the intensity peak at 1735 cm -1 indicates that hemicellulose was effectively decomposed by treatment with a diluted potassium hydroxide solution.

1597, 1511, 1461 및 1243 cm-1에서의 진동 주파수는 방향족 고리 골격 진동, 구아이아실(guaiacyl) 고리의 브리딩(breathing) 진동, 리그닌 또는 헤미셀룰로오스 및/또는 리그닌의 메톡시 그룹의 C=C 진동과 결합된 C-H 변형을 특징으로 한다.The vibrational frequencies at 1597, 1511, 1461 and 1243 cm −1 are aromatic ring skeleton vibrations, breathing vibrations of guaiacyl rings, C=C vibrations of methoxy groups of lignin or hemicellulose and/or lignin. It is characterized by a CH modification associated with

1597 cm-1의 피크는 사라지고 1511, 1461 및 1243cm-1의 밴드는 마이크로파 액화 후 작은 피크값을 나타낸다.1597 cm -1 peak disappeared and the 1511, 1461 and 1243cm -1 band shows a small peak after liquefying microwave.

이 결과는 방향족 고리와 같은 리그닌 기능성 성분의 대부분이 거의 완전히 분해되어 용매에 용해되었음을 나타낸다. S=O 진동에 기인한 1205 cm-1의 작은 숄더 밴드는 황산이 촉매로 사용되었기 때문에 마이크로파 액화 및 산 가수 분해 중에 황산염기가 부착되었음을 보여주며, 또는 황산 이후 황산염기와 수산기 사이에서 에스테르화 반응이 일어난 결과를 보여준다.This result indicates that most of the lignin functional components such as aromatic rings were almost completely decomposed and dissolved in the solvent. The small shoulder band of 1205 cm -1 caused by the S=O oscillations shows that sulfate groups were attached during microwave liquefaction and acid hydrolysis because sulfuric acid was used as the catalyst, or the esterification reaction between sulfate and hydroxyl groups occurred after sulfuric acid. show the results

이 피크의 모양은 초기 대나무 섬유를 제외한 모든 FTIR 스펙트럼에서 관찰 할 수 있다.The shape of this peak can be observed in all FTIR spectra except for the initial bamboo fiber.

1167, 1114 및 1032 cm-1에서 나타나는 피크는 셀룰로오스의 D-글루코스 단위 사이의 β-1,4-글리코시드 고리 연결의 C-O-C 스트레칭 진동으로 인한 것이며, 이는 각 화학 처리 후 더욱 두드러진다. 또한, 897 cm-1 영역의 숄더 피크는 셀룰로오스의 C1-H 글리코시드 변형에 해당한다.The peaks appearing at 1167, 1114 and 1032 cm −1 are due to the COC stretching oscillations of the β-1,4-glycosidic ring linkages between the D-glucose units of cellulose, which are more pronounced after each chemical treatment. In addition, the shoulder peak in the 897 cm -1 region corresponds to the C 1 -H glycosidic modification of cellulose.

이러한 결과는 셀룰로오스 성분이 화학적 전처리 과정에서 변하지 않았음을 나타낸다.These results indicate that the cellulose component did not change during the chemical pretreatment process.

XPS 분석법을 이용한 원소 조성 분석Elemental composition analysis using XPS method

대나무 표면에 존재하는 원소와 화학 처리가 CNFs의 제조에 미치는 영향을 조사하기 위해 XPS 분석법을 이용하여, 본 발명의 샘플들을 분석하고 그 결과를 도 3 및 표 1에 나타냈다.In order to investigate the effect of elements present on the bamboo surface and chemical treatment on the production of CNFs, samples of the present invention were analyzed using XPS analysis, and the results are shown in FIG. 3 and Table 1.

대나무는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌으로 구성되며, 따라서 탄소, 산소 및 수소는 생 대나무 섬유의 주요 원소이다.Bamboo is composed of cellulose, hemicellulose and lignin, so carbon, oxygen and hydrogen are the main elements of raw bamboo fiber.

도 3은 전체 XPS 스펙트럼을 보여주고, 표 1은 원료 대나무 섬유, 마이크로파 액화 잔류물 및 CNFs의 표면 원소 조성을 나타낸다.Figure 3 shows the entire XPS spectrum, and Table 1 shows the surface elemental composition of raw bamboo fibers, microwave liquefaction residues and CNFs.

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표 1에서 볼 수 있듯이, 원료 대나무 물질에서 본 발명의 처리 후 셀룰로오스 나노섬유(CNFs)까지 O/C 비율은 증가하여 바이오매스에서 리그닌, 헤미셀룰로오스 및 기타 추출물을 효과적으로 제거하는 것을 알 수 있다.As can be seen in Table 1, it can be seen that the O/C ratio from the raw bamboo material to the cellulose nanofibers (CNFs) after the treatment of the present invention is increased to effectively remove lignin, hemicellulose and other extracts from the biomass.

리그닌과 셀룰로오스의 O/C 이론적 가치는 각각 0.33과 0.8이었다 (Wei et al., 2018; De et al., 2020).The O/C theoretical values of lignin and cellulose were 0.33 and 0.8, respectively (Wei et al., 2018; De et al., 2020).

원료 대나무 섬유의 경우 0.36의 O/C 값을 나타내, 리그닌의 기준 값에 가까워 대나무 표면에 리그닌이 존재함을 확인할 수 있다.In the case of raw bamboo fiber, an O/C value of 0.36 is shown, which is close to the reference value of lignin, confirming the presence of lignin on the surface of the bamboo.

마이크로파 액화 후, 잔류물의 O/C 값은 리그닌 및/또는 헤미셀룰로오스의 효과적인 제거로 인해 0.41 로 나타났다.After microwave liquefaction, the O/C value of the residue was found to be 0.41 due to the effective removal of lignin and/or hemicellulose.

한편, 산 가수 분해 후, 0.69의 최대 O/C 비율을 얻었으며 이는 리그닌, 헤미셀룰로오스의 완전한 분해를 나타내며, 섬유 표면에서는 셀룰로오스만 검출된 것을 나타낸다.On the other hand, after acid hydrolysis, a maximum O/C ratio of 0.69 was obtained, indicating complete decomposition of lignin and hemicellulose, indicating that only cellulose was detected on the fiber surface.

168.0 eV에서 새로운 피크의 존재는 황산이 용매로 사용되었기 때문에 마이크로파 액화 잔류물과 CNFs의 S2p 결합 에너지를 나타낸다. The presence of a new peak at 168.0 eV indicates the S 2p binding energy of the microwave liquefaction residue and CNFs because sulfuric acid was used as the solvent.

원료 대나무 섬유, 마이크로파 액화 잔류물 및 CNFs의 고해상도 C 1s (298-279 eV) 및 O 1s (545-525 eV) 스캔이 측정되었으며, 그 결과를 도 4에 도시하였다. High-resolution C 1s (298-279 eV) and O 1s (545-525 eV) scans of raw bamboo fibers, microwave liquefaction residues and CNFs were measured, and the results are shown in FIG. 4 .

또한, XPS 원소 스캔을 통해 디콘볼루션(deconvolution) 방법을 사용하여 피크 영역에서 정량적 원자 농도를 계산하고 그 결과를 표 2에 나타냈다.In addition, the quantitative atomic concentration in the peak region was calculated using the deconvolution method through the XPS elemental scan, and the results are shown in Table 2.

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도 4에서 볼 수 있듯이, 모든 C1 스펙트럼은 283.6, 285.2 및 287.5 eV에서 3 개의 피크를 나타내며, 이는 탄소 원자의 세 가지 범주(C1-C3)에 해당한다.As can be seen in Figure 4, all C1 spectra show three peaks at 283.6, 285.2 and 287.5 eV, which correspond to three categories of carbon atoms (C1-C3).

C1 피크는 리그닌, 추출물 및 불순물의 존재로 인해 탄소 및 수소 (C-C/C-H)와만 연결된 탄소 원자를 나타낸다. C2 피크는 에테르 그룹 (C5-O-C1 및 C1-O-C4) 및 셀룰로오스 사슬의 변형되지 않은 C-OH 그룹이 있는 탄소 원자와 관련된다.The C1 peak shows carbon atoms linked only with carbon and hydrogen (C-C/C-H) due to the presence of lignin, extract and impurities. The C2 peak is associated with carbon atoms with ether groups (C5-O-C1 and C1-O-C4) and unmodified C-OH groups of the cellulose chain.

C3 피크는 헤미셀룰로오스 및 리그닌과 관련된 무수글루코오스 단위 및/또는 에스테르 그룹의 아세탈 모이어티의 기여에 할당된다 (Espino-Pㅹrez et al., 2014; Wei et al., 2018; De et al., 2020; Xu et al. al., 2013).The C3 peak is assigned to the contribution of the acetal moieties of anhydroglucose units and/or ester groups associated with hemicellulose and lignin (Espino-Pxrez et al., 2014; Wei et al., 2018; De et al., 2020 ; Xu et al., 2013).

한편, 표 2를 보면, C1 피크의 강도는 원료 대나무 섬유, 마이크로파 액화 잔류물 및 CNFs의 경우 48.30 %에서 45.76 % 및 14.97 %로 감소한 것을 알 수 있다.Meanwhile, looking at Table 2, it can be seen that the intensity of the C1 peak decreased from 48.30% to 45.76% and 14.97% for raw bamboo fibers, microwave liquefaction residues and CNFs.

이는, 바이오매스 표면에 헤미셀룰로오스와 리그닌이 존재하고 이러한 성분을 효과적으로 제거하여 C3 피크의 강도(5.84 %에서 3.20 % 및 2.34 %로 감소)의 C1 피크 강도와 유사한 경향을 관찰할 수 있다.It can be observed that hemicellulose and lignin are present on the surface of the biomass, and these components are effectively removed, so that the intensity of the C3 peak (reduced from 5.84% to 3.20% and 2.34%) has a similar tendency to that of the C1 peak intensity.

한편, 알칼리 및 산 처리 후, 셀룰로오스 성분의 수용으로 인해 C2 피크의 강도가 45.76 %에서 51.04 % 및 82.69 %로 향상되었다.On the other hand, after alkali and acid treatment, the intensity of the C2 peak improved from 45.76% to 51.04% and 82.69% due to the acceptance of the cellulosic component.

O 1s 스펙트럼은 530.8 및 531.8 eV에서 두 개의 뚜렷한 피크를 보여준다. O1 피크는 리그닌 및/또는 헤미셀룰로오스 구조의 산소 원자 (O-C= O)를 나타내는 반면, O2 피크는 단일 결합(C-O-C 및 C-O)으로 탄소에 결합 된 산소 원자에서 비롯되며, 이는 원료 대나무 섬유의 헤미셀룰로오스 및 셀룰로오스에 해당한다.The O 1s spectrum shows two distinct peaks at 530.8 and 531.8 eV. The O1 peak represents the oxygen atoms of the lignin and/or hemicellulose structure (OC=O), whereas the O2 peak comes from the oxygen atoms bonded to carbon with single bonds (COC and CO), which are the hemicellulose and cellulose of the raw bamboo fiber. corresponds to

표 2에 제시된 O1s 스펙트럼의 결과에서 O1 피크는 감소한 반면, O2 피크는 각 화학 처리 후 강화되었다. 이러한 결과는 FTIR 분석 결과와 일치하였다. In the results of the O 1s spectra presented in Table 2, the O1 peak decreased while the O2 peak was enhanced after each chemical treatment. These results were consistent with the FTIR analysis results.

XRD 분석법을 이용한 결정 구조 분석Crystal structure analysis using XRD method

XRD 분석법을 이용하여 다양한 종류의 셀룰로오스 섬유 및 셀룰로오스 나노 섬유의 결정 구조를 분석하였다.The crystal structures of various types of cellulose fibers and cellulose nanofibers were analyzed using XRD analysis.

분자간 및 분자간 수소 결합은 나노 셀룰로오스의 화학적 및 열적 특성을 나타내는 다양한 정돈된 결정 배열에서 중요한 역할을 하는 셀룰로오스 표면의 기능성 수산기 사이에서 발생하였다.Intermolecular and intermolecular hydrogen bonding occurred between functional hydroxyl groups on the cellulose surface, which play an important role in the various ordered crystal arrangements representing the chemical and thermal properties of nanocellulose.

원료 대나무 섬유, CFs, CNFs 및 화학 전처리 과정에서 발생한 중간 산물의 X-선 회절도는 도 5에 도시하였다.The X-ray diffractograms of raw bamboo fibers, CFs, CNFs, and intermediate products generated during chemical pretreatment are shown in FIG. 5 .

도 5를 보면, 모든 샘플은

Figure 112021024405192-pat00003
, (110), (200) 및 (004)의 셀룰로오스 I 격자의 결정 다형체를 나타냈고, 이는 각각 1,4-무수-D-글루코피라노스(1,4-anhydro-D-glucopyranose) 단위의 빌딩 블록을 반복하여 달성되었다. 즉, 대나무 섬유의 원래 셀룰로오스 결정 구조는 고순도 CFs와 CNFs를 분리하는 동안 그대로 유지되었다.5, all samples are
Figure 112021024405192-pat00003
, (110), (200) and (004) showed the crystalline polymorph of the cellulose I lattice, which is a 1,4-anhydro-D-glucopyranose unit, respectively. This was achieved by iterating the building blocks. That is, the original cellulose crystal structure of bamboo fibers was maintained during the isolation of high-purity CFs and CNFs.

그러나 각 화학 처리 단계 간의 차이는 각 샘플의 CrI 값 및 평균 결정 크기의 변화를 설명하는 피크 강도의 변화를 통해 명확하게 관찰할 수 있다. (하기 표 3 참조)However, the difference between each chemical treatment step is clearly observable through the change in peak intensity, which accounts for the change in the CrI value and average crystal size of each sample. (See Table 3 below)

상기 결정도 지수(CrI) 값은 Segal 법에 따라 다음과 같이 계산되었다.The crystallinity index (CrI) value was calculated as follows according to the Segal method.

[식 1][Equation 1]

Figure 112021024405192-pat00004
Figure 112021024405192-pat00004

상기 식 1에서, I002는 2θ = 22.3 ˚에서 회절 피크 (200)의 최대 강도이고, Iam 은 2θ = 18 ˚에서 회절 피크의 최소 강도이다.In Equation 1, I 002 is the maximum intensity of the diffraction peak 200 at 2θ = 22.3 °, and I am is the minimum intensity of the diffraction peak at 2θ = 18 °.

Figure 112021024405192-pat00005
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표 3을 보면, 처리되지 않은 원료 대나무 섬유의 경우 2θ = 22.3˚에서 매우 넓은 회절 피크가 나타났다. 이 피크는 강도가 증가하고 화학적으로 처리된 섬유의 경우 더 좁아져 CFs 및 CNFs가 원료 대나무 섬유에 비해 더 높은 수준의 결정성을 가지고 있음을 나타낸다.Referring to Table 3, in the case of untreated raw bamboo fibers, a very broad diffraction peak was observed at 2θ = 22.3˚. This peak increases in strength and becomes narrower for chemically treated fibers, indicating that CFs and CNFs have a higher degree of crystallinity compared to raw bamboo fibers.

일반적으로 원료 대나무 섬유, 마이크로파 액화 잔류물, 표백 처리된 섬유, CFs 및 CNFs의 추정된 CrI 값은 각각 62.38 %, 78.08 %, 78.46 %, 78.62 % 및 80.82 %로, 화학 처리된 샘플둘의 결정화도가 현저하게 향상되었음을 보여준다.In general, the estimated CrI values of raw bamboo fiber, microwave liquefaction residue, bleached fiber, CFs and CNFs were 62.38%, 78.08%, 78.46%, 78.62% and 80.82%, respectively, indicating that the crystallinity of both chemically treated samples was shows a significant improvement.

원료 대나무 섬유의 경우 결정 도메인은 리그닌과 헤미셀룰로오스가 서로 얽힌 무질서한 구성 요소의 매트릭스에 밀집되어 62.38 %의 낮은 결정도를 나타낸다.For raw bamboo fibers, the crystal domains are densely packed in a matrix of disordered components in which lignin and hemicellulose are intertwined, resulting in a low crystallinity of 62.38%.

마이크로파 액화 8 분 후, 마이크로파 액화 잔류물의 겉보기 결정도는 125 % 증가하였으며, 이는 리그닌, 헤미셀룰로오스 유도체와 같은 무정형 영역에서 비셀룰로오스 성분이 점진적으로 제거되고 이들 성분이 용매에 용해되었음을 나타낸다. 따라서 마이크로파 액화는 정제된 셀룰로오스와 CNFs의 분리를 위한 매우 효과적인 전처리 공정일 수 있다.After 8 minutes of microwave liquefaction, the apparent crystallinity of the microwave liquefaction residue increased by 125%, indicating that non-cellulosic components such as lignin and hemicellulose derivatives were gradually removed from the amorphous region and these components were dissolved in the solvent. Therefore, microwave liquefaction can be a very effective pretreatment process for the separation of purified cellulose and CNFs.

과산화수소로 무염소 표백 처리를 사용하면 78.46 %의 결정도 증가를 얻을 수 있다. 이는 주로 액화 잔류물에 남아있는 리그닌이 제거되었기 때문이다.Using chlorine-free bleaching with hydrogen peroxide, a crystallinity increase of 78.46% can be obtained. This is mainly because the lignin remaining in the liquefied residue has been removed.

한편, KOH 용액으로 알칼리 처리하면 원료 대나무 물질과 비교하여 리그닌과 헤미셀룰로오스를 완전히 제거하여 결정도를 78.62 %로 더욱 향상시킬 수 있다.On the other hand, alkali treatment with KOH solution can further improve the crystallinity to 78.62% by completely removing lignin and hemicellulose compared with the raw bamboo material.

이후 결정화 지수가 80.82 %로 더 높은 CNFs 는 추가적인 산 가수 분해 처리와 블렌딩에서 방출될 수 있다. 일반적으로 CNFs는 세로 방향으로 정렬된 결정 영역의 높은 모듈러스로 인해 강성을 향상시키기 위해 복합 재료 및 나노 복합 재료에 대한 유망한 보강재로 사용된다. 본 발명의 CNFs의 높은 결정도는 표적 물질의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.CNFs with a higher crystallization index of 80.82% can then be released in further acid hydrolysis treatment and blending. In general, CNFs are used as promising reinforcements for composites and nanocomposites to improve stiffness due to the high modulus of longitudinally aligned crystal regions. The high crystallinity of the CNFs of the present invention can improve the mechanical properties of the target material.

한편, 원료 대나무 섬유에서 계산된 CNFs의 CrI는 Helicteres isora 식물(90 %)에서 얻은 CNFs (Chirayil et al., 2014), 아레카 누트 껍질 섬유에서 분리된 CNFs (73 %) (Julie et al., 2016) , 및 제거된 사탕무 펄프에서 추출한 CNFs (78 %) (Li et al., 2014).에 비해 합리적이고 높은 값을 나타냈다. On the other hand, the CrI of CNFs calculated from raw bamboo fibers was obtained from CNFs from Helicteres isora plants (90%) (Chirayil et al., 2014), and CNFs isolated from arecanut hull fibers (73%) (Julie et al., 2016). ), and CNFs (78%) extracted from removed sugar beet pulp (Li et al., 2014).

표 3에 나타난 것처럼, 대나무 섬유와 정제된 섬유의 평균 단면 결정 크기는 화학적 전처리후 5.61nm에서 최고 값인 6.49nm 의 증가된 2θ = 22.3˚에서 가장 강렬한 결정질 피크(200)의 최대 절반에서의 전체 너비와 직접적인 관련이 있다.As shown in Table 3, the average cross-sectional crystal sizes of bamboo fibers and refined fibers were the full width at half maximum of the most intense crystalline peak 200 at an increased 2θ = 22.3˚ of 6.49 nm with a maximum value at 5.61 nm after chemical pretreatment. is directly related to

이것은 주로 수소 결합을 통해 결정질 영역의 상당 부분을 재배열하는 것을 촉진하는 비셀룰로오스 성분의 효과적인 분해 때문이다.This is mainly due to the effective decomposition of the non-cellulosic component, which promotes the rearrangement of a significant portion of the crystalline region through hydrogen bonding.

분자 간 및 분자 내 수소 결합은 셀룰로오스 사슬의 자유 진동을 방해하며, 이러한 사슬은 서로 밀접하게 조직되고 포장되어 더 큰 결정 크기를 갖는 경향이 있는 고도로 정렬된 영역을 형성한다.Intermolecular and intramolecular hydrogen bonding disrupts the free vibrations of cellulosic chains, which are closely organized and packed together to form highly ordered regions that tend to have larger crystal sizes.

주사 전자 현미경(SEM)에 의한 형태학적 분석Morphological analysis by scanning electron microscopy (SEM)

원료 대나무 섬유, CFs 및 CNFs 의 형태는 도 6에 도시된 SEM 이미지를 통해 분석하였다.The morphologies of raw bamboo fibers, CFs and CNFs were analyzed through the SEM image shown in FIG. 6 .

도 6을 보면, 원료 대나무 섬유는 리그닌, 헤미셀룰로오스 및 추출물과 같은 무정형 성분의 존재에 해당하는 표면에 약간의 작은 조각이 존재하여, 수많은 섬유 다발과 응집체가 형성된 형태를 확인할 수 있다. (도 6a, b).Referring to FIG. 6 , the raw bamboo fiber has some small fragments on the surface corresponding to the presence of amorphous components such as lignin, hemicellulose, and extract, so that numerous fiber bundles and aggregates are formed. (Fig. 6a, b).

마이크로파 액화 처리 후 대나무 섬유의 형태학적 구조는 표면이 거친 온전한 구조를 나타낸다. (도 6c) 도 6c의 이미지는 리그닌, 헤미셀룰로오스 및 대나무 섬유 표면의 접합 바인더로 알려진 불순물의 상당히 제거된 것을 나타낸다.The morphological structure of bamboo fibers after microwave liquefaction treatment shows an intact structure with a rough surface. (FIG. 6C) The image in FIG. 6C shows significant removal of lignin, hemicellulose and impurities known as bonding binders on the bamboo fiber surface.

또한, 마이크로파 액화는 표면적을 향상시키고 화학 시약이 섬유 내부 부분을 촉발하는 능력을 촉진할 수 있다.In addition, microwave liquefaction can enhance the surface area and promote the ability of chemical reagents to trigger the inner portion of the fiber.

도 6d에서, 표백 처리는 효과적인 탈리그닌화를 유도하고 섬유 다발을 미세 섬유로 분할하는 데 기여할 수 있음을 확인할 수 있다. 각 마이크로 피브릴은 비정질 영역에 의해 마이크로 피브릴을 따라 부착된 나노 셀룰로오스 다발로 간주될 수 있다.In Fig. 6d, it can be confirmed that the bleaching treatment induces effective delignification and can contribute to splitting the fiber bundle into fine fibers. Each microfibrils can be considered as nanocellulose bundles attached along the microfibrils by amorphous regions.

알칼리 처리 후 CFs의 SEM 이미지(도 6e)에서 추가 섬유 단편화를 관찰할 수 있다. 이 단계는 반 결정질 셀룰로오스와 함께 밀착된 헤미셀룰로스의 절단을 점진적으로 촉진시켜 섬유 표면이 더 부드러워진 결과를 나타낸다.Additional fiber fragmentation can be observed in the SEM image of CFs after alkali treatment (Fig. 6e). This step progressively accelerates the cleavage of the hemicellulose adhered together with the semi-crystalline cellulose, resulting in a softer fiber surface.

한편, 산 가수 분해에 의한 후속 처리에서, 이들 비정질 셀룰로오스 성분은 고결정성 셀룰로오스를 얻기 위해 박리되었다. 셀룰로오스 표면의 수산기 함량이 높기 때문에 블렌더 공정을 적용하여 셀룰로오스 분자 사이에 형성되는 일시적인 수소 결합을 제한하여 개별 CNFs를 방출했다. CNFs의 형태학적 특성은 TEM 이미지로 조사되었다.On the other hand, in the subsequent treatment by acid hydrolysis, these amorphous cellulose components were exfoliated to obtain highly crystalline cellulose. Due to the high hydroxyl content of the cellulose surface, a blender process was applied to limit the temporary hydrogen bonds formed between the cellulose molecules to release individual CNFs. The morphological characteristics of CNFs were investigated by TEM images.

비피브릴화(defibrillation) 과정을 거친 후 CNFs의 TEM 이미지는 도 7에 도시하였다.A TEM image of CNFs after the defibrillation process is shown in FIG. 7 .

도 7에서, 기계적 처리와 결합된 화학적 전처리는 생산적으로 무정형 성분(리그닌, 헤미셀룰로오스 및 추출물)을 제거하고 셀룰로오스 마이크로 피브릴을 개별 나노 크기의 피브릴로 분리할 수 있다.In Figure 7, chemical pretreatment combined with mechanical treatment can productively remove amorphous components (lignin, hemicellulose and extract) and separate cellulose microfibrils into individual nano-sized fibrils.

일부 응집체가 있는 와이어형 CNFs는 초음파 처리를 적용할 때 도 7a, b, c과 같이 나타날 수 있으며, 이는 수소 결합을 끊고 정제된 셀룰로오스 섬유를 바늘 모양의 CNFs로 조각화하는 합리적이고 비용 효율적인 방법이다.Wire-like CNFs with some aggregates can appear as shown in Figs. 7a,b,c when sonication is applied, which is a reasonable and cost-effective method to break hydrogen bonds and fragment purified cellulose fibers into needle-like CNFs.

도 7d는 CNFs의 전체 단면 직경이 평균 직경 13 nm 이고, 길이가 수 마이크로미터인 5 - 30 nm 범위에 있음을 나타낸다.Figure 7d shows that the overall cross-sectional diameter of CNFs is in the range of 5 - 30 nm with an average diameter of 13 nm and a length of several micrometers.

제타 전위 및 동적 광산란 특성Zeta potential and dynamic light scattering properties

제타 전위는 CNFs 분산액의 콜로이드 안정성을 결정하는 데 중요한 매개 변수이며, 그 결과를 분석하여 도 8a-e 및 표 4에 나타냈다.Zeta potential is an important parameter in determining the colloidal stability of CNFs dispersions, and the results were analyzed and presented in Figs. 8a-e and Table 4.

Figure 112021024405192-pat00006
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제타 전위 측정은 표면 전하의 평균 값이 원료 대나무 믈질의 경우, -17.5 ± 0.5 mV, 마이크로파 액화 잔류물의 경우 -26.7 ± 1.1 mV, -28.4 ± 0.2 mV (표백 처리된 섬유), CFs 의 경우 -29.5 ± 0.4 mV 로 나타났으며, CNFs (-31.6 ± 1.8 mV)는 가장 높은 제타 전위를 나타냈다.Zeta potential measurements showed that the average values of the surface charge were -17.5 ± 0.5 mV for raw bamboo material, -26.7 ± 1.1 mV for microwave liquefied residues, -28.4 ± 0.2 mV (bleached fibers), and -29.5 for CFs. ± 0.4 mV, and CNFs (-31.6 ± 1.8 mV) showed the highest zeta potential.

제타 전위는 리그닌과 헤미셀룰로오스를 포함한 비셀룰로오스 성분의 효과적인 제거로 인해 최종 물질로 갈수록 값이 증가한 것으로 나타났다.It was found that the zeta potential increased towards the final material due to the effective removal of non-cellulosic components including lignin and hemicellulose.

원료 대나무 섬유의 낮은 음의 표면 전하는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌의 표면에 수산기 및 카르복실기와 같은 풍부한 작용기가 존재하기 때문이다. CNFs에 대한 -31.6 ± 1.8 mV의 제타 전위 값은 산 가수 분해 단계에 의해 하이드록실 그룹과 설페이트 그룹의 에스테르화에서 발생하는 셀룰로스 나노 섬유 표면에 음전하 설페이트 그룹이 존재하기 때문이다.The low negative surface charge of raw bamboo fibers is due to the presence of abundant functional groups such as hydroxyl groups and carboxyl groups on the surfaces of cellulose, hemicellulose and lignin. The zeta potential value of -31.6 ± 1.8 mV for CNFs is due to the presence of negatively charged sulfate groups on the surface of the cellulose nanofibers resulting from the esterification of hydroxyl groups and sulfate groups by the acid hydrolysis step.

CNFs 표면에 있는 이러한 그룹은 높은 정전기 반발력을 가지고 있어 개별 CNFs가 함께 축적되는 것을 제한한다. 따라서, 본 발명의 처리를 통해 겉보기 표면 전하가 ± 30 mV보다 큰 값을 나타냄에 따라, 안정적인 CNFs 현탁액을 생성할 수 있다.These groups on the CNFs surface have high electrostatic repulsion, limiting individual CNFs from accumulating together. Therefore, the treatment of the present invention can produce a stable CNFs suspension as the apparent surface charge exhibits a value greater than ± 30 mV.

한편, 현탁액 내 나노 셀룰로오스의 통계적 입자 크기 및 분포는 동적 광산란(DLS)에 의해 측정되었다.Meanwhile, the statistical particle size and distribution of nanocellulose in suspension was measured by dynamic light scattering (DLS).

구체적으로, 현탁액에서 입자의 확산 계수를 분석하고, Stokes-Einstein 방정식을 적용하여 유체 역학 직경으로 변환하여, 동일한 확산 계수에서 입자의 직경으로 간주할 수 있는 DLS 기법으로 측정한 크기를 도 8f에 도시하였다.Specifically, the size measured by the DLS technique, which can be considered as the diameter of the particle at the same diffusion coefficient, is shown in Fig. did.

도 8f의 크기 분포에 따른 강도를 보면, CNFs 현탁액은 두 가지 분포 영역을 나타냈다. 가장 강렬한 크기가 106nm 인 80 ~ 200nm 의 작은 피크는 약 4.7 % 의 강도 백분율을 나타내며, 입자 크기 분포 범위가 500 ~ 1000nm 에서 가장 강렬한 크기는 615nm (17.8 % 강도 백분율)의 값을 나타냈다. 전반적으로, CNFs의 평균 크기는 약 643 ± 21 nm 으로 측정되었다.Looking at the intensity according to the size distribution in Fig. 8f, the CNFs suspension showed two distribution regions. The small peak at 80~200nm with the most intense size of 106nm showed an intensity percentage of about 4.7%, and the most intense size in the particle size distribution range of 500~1000nm showed a value of 615nm (17.8% intensity percent). Overall, the average size of CNFs was measured to be about 643 ± 21 nm.

열 안정성 분석Thermal Stability Analysis

원료 대나무 섬유, CFs, CNFs 및 그 중간 생성물의 열 성능은 비교를 위해 열중량 측정(TGA)으로 수행되었으며, 해중합 특성에 대한 다양한 화학적 처리 단계의 효과를 보여준다.The thermal performance of raw bamboo fibers, CFs, CNFs and their intermediates was performed by thermogravimetry (TGA) for comparison, showing the effect of different chemical treatment steps on depolymerization properties.

도 9는 개질되지 않은 대나무 섬유와 개질된 섬유의 TG 및 DTG 곡선을 나타낸 것이다. 표 5는 5% 질량 손실 온도(T5), DTG 곡선에서 내보낸 최대 분해 온도(Tmax), 550 및 750 ℃에서 탄화된 잔류물 함량을 포함한 TGA 데이터를 나타낸다.9 shows the TG and DTG curves of unmodified bamboo fibers and modified fibers. Table 5 presents the TGA data including the 5% mass loss temperature (T 5 ), the maximum decomposition temperature (T max ) exported from the DTG curve, and the carbonized residue content at 550 and 750 °C.

Figure 112021024405192-pat00007
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개질되지 않은 대나무 섬유는 헤미셀룰로오스, 리그닌, 셀룰로오스 및 소량의 추출물과 같은 다양한 화학적 조성을 포함하고 있으며, 섬유의 열분해는 다양한 중량 감소 단계를 보여준다.Unmodified bamboo fibers contain various chemical compositions such as hemicellulose, lignin, cellulose and a small amount of extracts, and the pyrolysis of the fibers shows various stages of weight loss.

또한 헤미셀룰로오스는 랜덤한 다당류로 빠르게 분해되기 시작하는 반면, 리그닌은 분해하기 가장 어려운 성분으로 간주된다. 상온에서 800 ℃까지의 온도에서 탈리그닌화가 서서히 발생하였으나, 중량 감소율이 매우 낮음을 확인할 수 있다.In addition, hemicellulose begins to break down rapidly into random polysaccharides, while lignin is considered the most difficult component to break down. It can be seen that delignification occurred slowly at a temperature from room temperature to 800 °C, but the weight loss rate was very low.

개질되지 않은 대나무 섬유는 50 ℃에서 150 ℃로 가열했을 때 초기 단계에서 약간의 중량 감소를 나타냈다. 이것은 주로 흡수 결합된 물의 기화와 소량의 추출물 제거로 인한 것이다.Unmodified bamboo fibers showed a slight weight loss in the initial stage when heated from 50 °C to 150 °C. This is mainly due to the vaporization of absorption-bound water and the removal of small amounts of extract.

도 9a는 원료 대나무 섬유가 주로 두 단계의 열분해를 나타냄을 보여준다. 원료 대나무 섬유의 분해의 첫 번째 단계는 탄수화물 분해와 리그닌 분해의 시작에 해당하는 226 ~ 400 ℃ 사이에서 발생하였다. 도 9b의 DTG 곡선은 278 ℃에서 매우 작은 숄더 피크를 보여주었으며, 이는 약간의 헤미셀룰로오스가 존재함을 나타낸다.Figure 9a shows that the raw bamboo fiber mainly exhibits two stages of pyrolysis. The first stage of decomposition of raw bamboo fiber occurred between 226 and 400 °C, corresponding to the onset of carbohydrate decomposition and lignin decomposition. The DTG curve of FIG. 9b showed a very small shoulder peak at 278 °C, indicating the presence of some hemicellulose.

한편, 알칼리 처리 후 이 피크가 사라지는 것은 알칼리 화학 처리에서 헤미셀룰로오스 성분이 완전히 제거되었음을 증명한다.On the other hand, the disappearance of this peak after alkali treatment proves that the hemicellulose component was completely removed by the alkali chemical treatment.

두 번째 단계는 리그닌 성분에 해당하는 약 400-700 ℃에서 발생하였다. 리그노 셀룰로오스 바이오매스의 세 가지 주요 성분 중 리그닌은 분해하기 가장 어려운 성분이며, 탈리그닌화 열분해는 다양한 온도에서 리그닌 분해 온도를 나타내는 독특한 열적 특성을 가진 리그닌 구조에서 수많은 산소 기능이 존재하기 때문에 발생하였다.The second stage occurred at about 400-700 °C corresponding to the lignin component. Of the three major components of lignocellulosic biomass, lignin is the most difficult component to decompose, and delignification pyrolysis occurred due to the presence of numerous oxygen functions in the lignin structure with unique thermal properties indicating the lignin decomposition temperature at various temperatures. .

따라서, 이 비정질 성분은 마이크로파 액화 잔류물을 표백 처리함으로써 효과적으로 제거되었다.Therefore, this amorphous component was effectively removed by bleaching the microwave liquefied residue.

상기 표 5는 본 발명의 실시예에 따라 처리된 섬유의 초기 분해 온도가 처리되지 않은 대나무 섬유보다 높은 결과를 보여준다. 이는 화학 처리 중에 비셀룰로오스 성분이 제거되기 때문이다. 원료 대나무 섬유는 226 ℃에서 분해를 시작했으며 마이크로파 액화 잔류물과 표백 처리된 섬유는 각각 265 ℃와 269 ℃에서 열분해되었다.Table 5 shows that the initial decomposition temperature of the fibers treated according to the embodiment of the present invention is higher than that of the untreated bamboo fibers. This is because non-cellulosic components are removed during chemical treatment. The raw bamboo fiber started decomposition at 226 °C, and the microwave liquefied residue and bleached fiber were pyrolyzed at 265 °C and 269 °C, respectively.

분해 시작 온도가 높을수록, 열 안정성이 낮은 물질로 인식되는 헤미셀룰로오스와 리그닌이 액화 및 표백 처리 후 효율적으로 제거되었음을 나타낸다.The higher the decomposition initiation temperature, the more efficiently hemicellulose and lignin, which were recognized as materials with low thermal stability, were removed after liquefaction and bleaching.

또한 마이크로파 액화 후의 잔류물의 분해 온도는(365 ℃), 원료 대나무 섬유(346 ℃)에 비해 높았다. 그러나, 표백 처리된 섬유(310 ℃), CFs (307 ℃), CNFs (305 ℃)의 경우 마이크로파 액화 잔류물(365 ℃)에 비해 Tmax 값이 감소하였다. 이는 표백 처리가 섬유 다발을 개별적으로 분할하고, 섬유를 분리시키는 열의 능력을 향상시킴에 기인한다.Also, the decomposition temperature of the residue after microwave liquefaction (365 °C) was higher than that of raw bamboo fiber (346 °C). However, for bleached fibers (310 °C), CFs (307 °C) and CNFs (305 °C), the T max values were reduced compared to the microwave liquefied residue (365 °C). This is because the bleaching treatment improves the ability of heat to separate fiber bundles and separate them.

구체적으로, 표백 처리 후의 섬유의 나머지 성분은 주로 헤미셀룰로오스와 셀룰로오스로 구성되며, 따라서 알칼리 및 산 가수 분해 처리 후 개질된 섬유에서 추가 열분해가 쉽게 발생하여 Tmax가 감소하였다.Specifically, the remaining components of the fibers after the bleaching treatment mainly consist of hemicellulose and cellulose, and therefore, additional thermal decomposition easily occurred in the modified fibers after alkali and acid hydrolysis treatment, thereby reducing T max .

한편, 열적 안정성은 열분해의 운동 매개 변수를 통해 조사할 수 있다.On the other hand, thermal stability can be investigated through the kinetic parameters of pyrolysis.

활성화 에너지 (AE)는 다음 식 2와 같이 Broido의 방법을 사용하여 TG 곡선에 의해 계산되었다. (Maiti et al., 2013) :Activation energy (AE) was calculated by TG curve using Broido's method as shown in Equation 2 below. (Maiti et al., 2013):

[식 2][Equation 2]

Figure 112021024405192-pat00008
Figure 112021024405192-pat00008

상기 식 2에서, y = wt/wO, wt = 시간 't'에서 남은 중량, w0 = 초기 중량, T (K) = 온도, R 은 범용 기체 상수이다.In Equation 2, y = w t /w O , w t = weight remaining at time 't', w 0 = initial weight, T (K) = temperature, R is a universal gas constant.

활성화 에너지는 1/T에 대한 ln[ln[(1/y)]의 선형 플롯의 기울기로부터 계산할 수 있으며, 그 결과를 도 10에 도시하였다.The activation energy can be calculated from the slope of a linear plot of ln[ln[(1/y)] versus 1/T, and the result is shown in FIG. 10 .

도 10을 보면, 화학 처리된 섬유, CFs 및 CNFs의 활성화 에너지 값은 원료 대나무 섬유보다 향상되었으며, 원료 대나무 섬유는 화학 처리된 섬유보다 열 안정성이 낮음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 10 , it can be seen that the activation energy values of the chemically treated fibers, CFs and CNFs, were improved compared to the raw bamboo fibers, and the raw bamboo fibers had lower thermal stability than the chemically treated fibers.

마이크로파 액화 섬유의 경우(28.78 kJ / mol), 가장 높은 AE 값은 섬유에 소량의 리그닌이 남아 있기 때문에 원료 대나무 섬유(24.18 kJ / mol)에 비해 안정성이 더 높기 때문이다.For microwave liquefied fiber (28.78 kJ/mol), the highest AE value is due to the higher stability compared to raw bamboo fiber (24.18 kJ/mol) because a small amount of lignin remains in the fiber.

표백 처리된 섬유(26.38kJ / mol), CFs(26.25kJ / mol) 및 CNFs (25.89kJ / mol)에 대해 산 가수 분해 후, 남은 헤미셀룰로오스 및 황산염 그룹이 존재하기 때문에 AE 값의 감소가 얻어졌다. 헤미셀룰로오스는 분해의 초기 단계로서 잔류물의 열분해 과정의 시작을 활성화하였다.A decrease in AE values was obtained for bleached fibers (26.38 kJ/mol), CFs (26.25 kJ/mol) and CNFs (25.89 kJ/mol) due to the presence of residual hemicellulose and sulfate groups after acid hydrolysis. Hemicellulose activated the initiation of the pyrolysis process of the residue as an initial stage of decomposition.

액화 및 산 가수 분해 과정에서 황산염기의 도입은 탈수 반응을 일으켜 AE 값을 감소시키고, 섬유의 열 안정성을 저하시켰다.In the process of liquefaction and acid hydrolysis, the introduction of sulfate groups caused a dehydration reaction, which reduced the AE value and lowered the thermal stability of the fibers.

대나무의 마이크로파 액화로 얻은 바이오 폴리올의 특성Characteristics of biopolyols obtained by microwave liquefaction of bamboo

대나무의 마이크로파 액화로 검은색 바이오 폴리올 액체와 잔류물을 얻었다.Microwave liquefaction of bamboo yielded a black biopolyol liquid and residue.

마이크로파 액화 잔류물은 추가 화학 처리를 거쳐 CNFs를 추출하는 반면, 바이오 폴리올은 폴리우레탄 폼 생산을 위한 출발 물질로 사용될 수 있다.The microwave liquefaction residue is subjected to further chemical treatment to extract CNFs, while the biopolyol can be used as a starting material for polyurethane foam production.

따라서 바이오 폴리올의 화학 성분을 FTIR 및 1H NMR 분광법으로 분석하고, 도 11에 나타냈다.Therefore, the chemical composition of the biopolyol was analyzed by FTIR and 1 H NMR spectroscopy, and is shown in FIG. 11 .

도 11에 도시된 바와 같이, 바이오 폴리올은 약 3368 cm-1에서 넓어진 흡수 피크를 나타내어 흑색 액체 혼합물이 주로 하이드록실이 풍부한 그룹을 포함하고 있음을 나타낸다.As shown in FIG. 11 , the biopolyol exhibits a broadened absorption peak at about 3368 cm −1 indicating that the black liquid mixture mainly contains hydroxyl-rich groups.

일반적으로 바이오 폴리올의 구조적 특성에 대한 정량화는 원자(proton) NMR로 조사하였으며 그 결과는 도 12에 나타냈다.In general, quantification of the structural properties of biopolyols was investigated by atomic (proton) NMR, and the results are shown in FIG. 12 .

도 12를 보면, 0.5 - 3.0 ppm 영역에서의 피크는 DEG 구조의 지방족 양성자(메틸 및 메틸렌)에 기인한다.12, the peak in the 0.5-3.0 ppm region is due to the aliphatic protons (methyl and methylene) of the DEG structure.

3.0 ~ 4.4ppm 사이의 공명 영역은 두 개의 벤젠 고리를 연결하는 지방족 알코올, 에테르, 에스테르 및/또는 메틸렌 그룹 옆에 있는 탄소 원자의 양성자를 나타낸다.The resonance region between 3.0 and 4.4 ppm represents the proton of the carbon atom next to the aliphatic alcohol, ether, ester and/or methylene group linking the two benzene rings.

예를 들어, 4.5 ~ 6.0ppm 영역에서 두드러진 신호는 리그닌 구조의 탄수화물 기능성 및/또는 방향족 에테르 양성자에 의해 발생한다.For example, in the 4.5 to 6.0 ppm region, the prominent signal is generated by the carbohydrate functionality and/or aromatic ether protons of the lignin structure.

제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.The description of the presented embodiments is provided to enable any person skilled in the art to make or use the present invention. Various modifications to these embodiments will be readily apparent to those skilled in the art, and the generic principles defined herein may be applied to other embodiments without departing from the scope of the invention. Thus, the present invention is not to be limited to the embodiments presented herein, but is to be construed in the widest scope consistent with the principles and novel features presented herein.

Claims (12)

용매로서 DEG(diethylene glycol)를 포함하고, 촉매로서 황산을 포함하는 대나무 함유 용액에 마이크로파를 조사하여 액화시키는 제1 단계;
상기 액화를 통해 생성된 잔류물을 과산화수소 및 아세트산의 혼합 용액을 이용하여 표백 처리하는 제2 단계;
표백 처리된 잔류물을 알칼리 처리 및 산 처리하여 셀룰로오스 섬유를 얻는 제3 단계; 및
저에너지 블렌더를 이용하여 셀룰로오스 섬유를 비피브릴화(defibrillation)시키는 제4 단계;를 포함하고,
상기 제2 단계는, pH 4 내지 5 의 조건 하에, 70 내지 100 ℃ 의 온도로 수행하는 것을 특징으로 하는,
대나무 섬유로부터 셀룰로오스 나노 섬유를 추출하는 방법.
A first step of liquefying a bamboo-containing solution containing DEG (diethylene glycol) as a solvent and sulfuric acid as a catalyst by irradiating microwaves;
a second step of bleaching the residue generated through the liquefaction using a mixed solution of hydrogen peroxide and acetic acid;
a third step of subjecting the bleached residue to alkali treatment and acid treatment to obtain cellulose fibers; and
A fourth step of defibrillating the cellulose fibers using a low-energy blender;
The second step, under the conditions of pH 4 to 5, characterized in that it is performed at a temperature of 70 to 100 ℃,
A method for extracting cellulose nanofibers from bamboo fibers.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 대나무 및 DEG의 중량비는 1 : 4(w/w) 인 것을 특징으로 하는,
대나무 섬유로부터 셀룰로오스 나노 섬유를 추출하는 방법.
According to claim 1,
The weight ratio of the bamboo and DEG is 1: 4 (w / w) characterized in that,
A method for extracting cellulose nanofibers from bamboo fibers.
제1항에 있어서,
상기 제1 단계는, 200 내지 300 W 의 전력으로, 6 분 내지 10 분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는,
대나무 섬유로부터 셀룰로오스 나노 섬유를 추출하는 방법.
According to claim 1,
The first step, characterized in that performed for 6 minutes to 10 minutes, with a power of 200 to 300 W,
A method for extracting cellulose nanofibers from bamboo fibers.
제1항에 있어서,
상기 제1 단계 후,
마이크로파 액화 완료 후의 용액을 진공 여과하는 단계; 및
상기 진공 여과 후 얻어진 잔류물을 건조시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
대나무 섬유로부터 셀룰로오스 나노 섬유를 추출하는 방법.
According to claim 1,
After the first step,
vacuum filtering the solution after completion of microwave liquefaction; and
Drying the residue obtained after the vacuum filtration; characterized in that it further comprises,
A method for extracting cellulose nanofibers from bamboo fibers.
제5항에 있어서,
상기 진공 여과 후 얻어진 액체 혼합물을 용매와 분리하여 바이오폴리올을 수득하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
대나무 섬유로부터 셀룰로오스 나노 섬유를 추출하는 방법.
6. The method of claim 5,
Separating the liquid mixture obtained after the vacuum filtration with a solvent to obtain a biopolyol; characterized in that it further comprises,
A method for extracting cellulose nanofibers from bamboo fibers.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제1 단계 및 제2 단계에서, 대나무 섬유의 탈리그닌화가 진행되는 것을 특징으로 하는,
대나무 섬유로부터 셀룰로오스 나노 섬유를 추출하는 방법.
According to claim 1,
In the first and second steps, delignification of bamboo fibers is characterized in that
A method for extracting cellulose nanofibers from bamboo fibers.
제1항에 있어서,
상기 알칼리 처리는 KOH 용액을 사용하고, 상기 산 처리는 황산 용액을 사용하는 것을 특징으로 하는,
대나무 섬유로부터 셀룰로오스 나노 섬유를 추출하는 방법.
According to claim 1,
The alkali treatment uses a KOH solution, and the acid treatment uses a sulfuric acid solution,
A method for extracting cellulose nanofibers from bamboo fibers.
제1항에 있어서,
상기 제4 단계는,
저에너지 블렌더를 이용하여 23000 rpm 내지 25000 rpm 의 작동 속도, 및 1600 내지 2000 W 의 출력으로 20 분 내지 1 시간 동안 블렌딩하여 수행하는 것을 특징으로 하는,
대나무 섬유로부터 셀룰로오스 나노 섬유를 추출하는 방법.
According to claim 1,
The fourth step is
characterized in that blending is performed for 20 minutes to 1 hour at an operating speed of 23000 rpm to 25000 rpm, and an output of 1600 to 2000 W using a low-energy blender,
A method for extracting cellulose nanofibers from bamboo fibers.
제1항에 있어서,
상기 제3 단계에서, 대나무 섬유로부터 헤미셀룰로오스의 분리가 진행되는 것을 특징으로 하는,
대나무 섬유로부터 셀룰로오스 나노 섬유를 추출하는 방법.
According to claim 1,
In the third step, characterized in that the separation of hemicellulose from bamboo fibers proceeds,
A method for extracting cellulose nanofibers from bamboo fibers.
제1항, 제3항 내지 제6항, 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 추출된 셀룰로오스 나노 섬유로서,
XRD 분석법에 따른 결정화도가 80% 이상이고, 섬유의 단면 직경은 5 내지 30 nm 인 것을 특징으로 하는,
대나무 섬유로부터 추출된 셀룰로오스 나노 섬유.
Claims 1, 3 to 6, as a cellulose nanofiber extracted by the method according to any one of claims 8 to 11,
Characterized in that the crystallinity according to XRD analysis is 80% or more, and the cross-sectional diameter of the fiber is 5 to 30 nm,
Cellulose nanofibers extracted from bamboo fibers.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP3138869A1 (en) * 2015-09-02 2017-03-08 Politechnika Gdanska Method for producing polyols from lignocellulosic biomass

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