KR102367007B1 - 비목질계 나노셀룰로오스 미세섬유를 이용한 생활 방역 방지 기능성 복합재 첨가제의 제조 방법 - Google Patents

비목질계 나노셀룰로오스 미세섬유를 이용한 생활 방역 방지 기능성 복합재 첨가제의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 생활방역 기능성 복합재 첨가제 제조방법은, 비목질계 바이오매스로부터 나노셀룰로오스 미세섬유를 추출하는 단계, 추출된 나노셀룰로오스 미세섬유의 표면을 소수화 처리하는 단계, 나노화된 다공성 광물 분말을 제조하는 단계, 소수화 처리된 나노셀룰로오스 미세섬유와 나노화된 다공성 광물 분말을 혼합하여 나노셀룰로오스 미세섬유 복합조성물을 제조하는 단계, 및 나노셀룰로오스 미세섬유 복합조성물과 고분자 수지 또는 생분해성 수지를 축중합하여 복합재 첨가제를 제조하는 단계를 포함한다.

Description

비목질계 나노셀룰로오스 미세섬유를 이용한 생활 방역 방지 기능성 복합재 첨가제의 제조 방법{A Method of Manufacturing of Functional Composites Additives for life quarantine prevention Using Non-Wood Nanocellulose fibrils}
본 발명은 비목질계 나노셀룰로오스 미세섬유를 이용한 생활 방역 방지 기능성 복합제 첨가제의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비목질계 바이오매스로부터 나노셀룰로오스 미세섬유를 추출하고 이를 이용해 제조한 생활방역 기능을 가지는 복합재 첨가제의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 코로나바이러스감염증-19(COVID-19)의 세계적 대유행으로 인하여 개인 위생과 방역문제가 중요한 사회적 이슈로 부각되었다. 특히, 코로나바이러스감염증-19(COVID-19)은 가정, 사무실과 다중이용시설 같은 일상 생활 공간에서 전파되기 때문에, 일상 생활 속에서 간편하고 효과적으로 바이러스 전파를 차단하고 사멸시킬 수 있는 생활방역에 대한 다양한 연구들이 진행되고 있는 실정이다.
이러한 연구의 일환으로, 천연물질을 이용해 생활방역 기능성을 가진 복합소재를 개발하려는 시도가 이루어지고 있다. 예를 들면, 셀룰로오스를 추출하고 미세섬유화하여 고분자수지와 혼합하여 특정한 기능성을 가진 복합소재를 제조하는 방법이 있다. 그런데, 나노셀룰로오스 미세섬유는 목재 펄프로부터 추출되는 것이 일반적이어서 자원과 환경보호 측면에서 큰 걸림돌이 존재하며, 이를 이용해 나노셀룰로오스 미세섬유를 제조하더라도 셀룰로오스 표면이 친수성(-OH)을 띄기 때문에 소수성인 고분자 수지와의 혼합 및 합성이 어렵다는 문제가 있다.
본 발명의 과제는 우수한 생활방역 기능성을 가지면서도 제조가 용이한 생활방역 기능성을 갖는 복합재 첨가제를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
특히, 비목질계바이오매스를 이용해 나노셀룰로오스 미세섬유를 추출함에 있어서 환경친화적 방법을 제시하고, 추출된 나노셀룰로오스 미세섬유가 고분자 수지와 잘 혼합될 수 있는 처리방법들을 제공하고자 한다. 또한, 다공성광물 성분(SiO2, Al2O3, TiO2, MgO2, ZnO등)을 첨가함으로써 비교적 저렴한 가격에 우수한 생활방역 기능성을 가지는 복합재 첨가제를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위하여, 예시적인 실시예들에 따른 생활방역 기능성 복합재 첨가제 제조방법은, 비목질계 바이오매스로부터 나노셀룰로오스 미세섬유를 추출하는 단계, 상기 추출된 나노셀룰로오스 미세섬유의 표면을 소수화 처리하는 단계, 나노화된 다공성 광물 분말을 제조하는 단계, 상기 소수화 처리된 나노셀룰로오스 미세섬유와 상기 나노화된 다공성 광물 분말을 혼합하여 나노셀룰로오스 미세섬유 복합조성물을 제조하는 단계, 및 상기 나노셀룰로오스 미세섬유 복합조성물과 고분자 수지 또는 생분해성 수지를 축중합하여 복합재 첨가제를 제조하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 나노셀룰로오스 미세섬유 복합조성물과 고분자 수지 또는 생분해성 수지를 축중합하여 제조된 상기 복합재 첨가제는, 상기 나노셀룰로오스미세섬유를 3중량% 내지 10중량% 포함하고, 상기 나노화된 다공성 광물 분말을 5중량% 내지 15중량% 포함하고, 상기 고분자 수지 또는 상기 생분해성 수지를 80중량% 내지 90중량% 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 나노셀룰로오스 미세섬유 복합조성물과 고분자 수지 또는 생분해성 수지를 축중합하여 복합재 첨가제를 제조하는 단계는, 보강재를 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 보강재는 탄산칼슘(CaCO3), 산화티타늄(TiO2), 탈크(Talc), 산화아연(ZnO)또는 산화규소(SiO2) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 비목질계 바이오매스는 대마(Hemp), 황마(Jute), 모시풀(Ramie), 볏짚, 왕겨, 또는 사탕수수 버개스(Bagasse) 중 어느 하나 또는 이들의 가공물을 포함하며, 상기 다공성 광물은 겔라이트(Ge-lite), 순지트(Shungite), 버미큘라이트(질석), 세피오라이트(해포석), 제오라이트(비석), 펄라이트 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 추출된 나노셀룰로오스 미세섬유의 표면을 소수화 처리하는 단계는 아세틸화, 실란화, 가교화, 불소화, 알케닐숙신산 무수물(Alkenyl Succinic Anhydride)첨가, 알킬케톤 다이머(Alkyl Ketone Dimer) 첨가 중에서 선택된 어느 하나의 공정을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 나노화된 다공성 광물 분말을 제조하는 단계는, 고에너지 분쇄법(High Energy Milling) 또는 불활성가스 응축법(Inert Gas Condensation)중에서 선택된 어느 하나의 공정을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 나노셀룰로오스 미세섬유 복합조성물을 제조하는 단계는, 상기 소수화 처리된 나노셀룰로오스 미세섬유와 상기 나노화된 다공성 광물 분말을 진공분산하는 단계, 상기 소수화 처리된 나노셀룰로오스 미세섬유와 상기 나노화된 다공성 광물 분말을 고속 교반기를 이용해 교반하는 단계, 및 교반된 나노셀룰로오스 미세섬유와 다공성 광물의 혼합물을 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
이 경우에 있어서, 상기 고속 교반기를 이용해 교반하는 단계는, 반응 온도가 85℃ 내지 150℃인 고속교반기 내에서, 상기 고속 교반기를 400RPM 내지 800RPM의 회전 속도로 회전시키는 것일 수 있다.
또한, 상기 나노셀룰로오스 조성물과 고분자 수지 또는 생분해성 수지를 축중합하여 복합재 첨가제를 제조하는 단계는 이축압출기(Twin Screw Extruder)믹싱 헤드 또는 사이드 피딩 장치를 이용하여 진행될 수 있다.
상술한 제조방법에 의해 제조된 생활방역 기능성 복합재 첨가제는, 전체 중량의 3중량% 내지 10중량%의 함량비를 가지는 비목질계 바이오매스로부터 추출된 나노셀룰로오스 미세섬유, 전체 중량의 5중량% 내지 15중량%의 함량비를 가지는 나노화된 다공성 광물 분말, 전체 중량의 80중량% 내지 90중량%의 함량비를 가지는 고분자 수지 또는 생분해성 수지, 및 전체 중량의 1중량% 내지 3중량%을 가지되 탄산칼슘(CaCO3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 탈크(Talc), 또는 산화규소(SiO2) 중에서 선택된 어느 하나의 보강재 성분을 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 나노셀룰로오스는 100nm 내지 500nm의 직경을 가지며, 그 종횡비(aspect ratio)는 70 내지 90일 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 상술한 비목질계 나노셀룰로오스 미세섬유를 활용한 생활방역 기능성 복합재 첨가제의 제조방법은, 나노화된 다공성 광물을 이용함으로써 세균이나 바이러스 제거 등 생활방역 기능을 가진 복합재 첨가제를 제조할 수 있다. 이때, 나노셀룰로오스 미세섬유가 첨가됨으로써 복합재 첨가제의 기계적, 화학적 물성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 나노셀룰로오스 미세섬유는 비목질계 바이오매스로부터 추출되기 때문에, 일반적인 목질계 셀룰로오스보다 생산 기간 및 비용면에서 우수한 장점이 있다. 따라서, 비교적 저렴한 가격으로 단기간에 생활방역 기능성을 가진 복합재 첨가제를 생산할 수 있다.
도 1은 비목질계 나노셀룰로오스 미세섬유를 활용한 생활방역 기능성 복합재 첨가제를 제조하는 방법의 단계들을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 대장균을 도포하고 24시간 경과 후 배지의 상태를 나타내는 사진이다.
도 3은 폐렴균을 도포하고 24시간 경과 후 배지의 상태를 나타내는 사진이다.
도 4는 MRSA 균을 도포하고 24시간 경과 후 배지의 상태를 나타내는 사진이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
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.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시 된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 비목질계 나노셀룰로오스 미세섬유를 활용한 생활방역 기능성 복합재 첨가제를 제조하는 방법의 단계들을 설명하기 위한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 먼저 비목질계 바이오매스로부터 나노셀룰로오스 미세섬유를 추출한다(S100).
여기서 상기 비목질계(Non-Wood) 바이오매스(Biomass)는 목재 이외의 식물이나 농산물의 부산물을 의미하는 것으로, 농업부산물이나 농산물 1차가공 후 버려지는 식물성 폐기물 등을 포함한다. 예를 들면, 상기 비목질계 바이오매스는 대마(Hemp), 황마(Jute), 모시풀(Ramie), 볏짚, 왕겨, 사탕수수 버개스(Bagasse) 등을 포함할 수 있다.
본 발명에서는 단기간에 재생산이 가능하여 생산성이 높으며, 목재에 비하여 상대적으로 가격이 저렴한 비목질계 바이오매스를 원료로 이용하여 나노셀룰로오스 미세섬유를 생산한다.
구체적으로, 셀룰로오스는 바이오매스 내에서 결정성 나노섬유로 이루어져 있는데, 나노섬유들은 수소결합으로 강하게 결정화되어 있기 때문에 비목질계 바이오매스로부터 곧바로 나노섬유를 추출하기는 어렵다. 따라서, 강하게 결정화된 나노섬유들을 서로 떼어내는 톱다운(Top-down) 해섬 공법이 사용될 수 있다. 예를 들면, 셀룰로오스를 수중에서 N-옥실 화합물 촉매 하에서 차아염소산나트륨(NaClO)을 포함하는 산화제로 처리하거나, 또는 황산으로 처리한 후 분산력을 가하는 방법 등이 있다. 이에 따라 셀룰로오스를 둘러싼 리그닌(lignin) 성분이 제거되며, 섬유 형태의 미세한 셀룰로오스 소재인 '나노셀룰로오스미세섬유'가 제조될 수 있다. 나노셀룰로오스 미세섬유의 예로는 셀룰로오스 나노섬유(Cellulose Nanofiber, CNF), 셀룰로오스 나노결정(Cellulose Nanocrystal, CNC) 등이 있다.
비목질계 바이오매스로부터 추출된 나노셀룰로오스 미세섬유의 표면을 소수화 처리한다(S110).
나노셀룰로오스 미세섬유는 그 자체로도 고강도의 결정성 소재이긴 하지만, 고분자 및 플라스틱 소재와 혼합하여 복합소재화하는 것이 성능 향상 측면에서 바람직하다. 그런데, 상기와 같이 바이오매스에서 추출된 나노셀룰로오스 미세섬유는 표면이 친수성을 띄고 있기 때문에 일반적으로 소수성인 고분자 및 플라스틱 소재와 혼합이 잘 되지 않으며, 혼합되더라도 쉽게 응집되어 나노소재로서의 기능을 기대하기 어렵다는 문제가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 추출된 나노셀룰로오스 미세섬유의 표면을 소수화 처리하는 것이다.
예를 들면, 상기 소수화 처리는 아세틸화, 실란화, 가교화, 불소화, 알케닐숙신산 무수물(Alkenyl Succinic Anhydride, ASA) 첨가, 알킬케톤 다이머(Alkyl Ketone Dimer, AKD) 첨가 중 선택된 어느 하나 이상의 방법일 수 있다. 이 경우, 상기 나노셀룰로오스의 수산기(-OH) 일부를 소수기(-COOH)로 치환함으로써, 상기 나노셀룰로오스를 소수성으로 개질시킬 수 있다.
이와 같은 과정을 통해 제조된 나노셀룰로오스는, 직경이 100nm 내지 500nm이며, 종횡비(aspect ratio)는 70 내지 90일 수 있다. 이 경우, 복합소재를 제조할 때 유·무기화합물, 고분자수지, 생분해성 수지 등에 존재하는 사슬과의 강력한 결합을 유도할 수 있으며, 우수한 충격강도 뿐만 아니라 보다 향상된 기계적 물성, 내습성, 내열특성을 구현할 수 있다.
이어서, 나노화된 다공성 광물 분말을 제조한다(S120).
상기 다공성 광물은 내부에 다수의 공극을 가진 광물을 의미하며, 가열 시 내부의 수분이 증발하고 기공이 확장되면서 팽창하는 성질을 가질 수 있다. 상기 다공성 광물의 예로는 겔라이트(Ge-lite), 순지트(Shungite), 버미큘라이트(질석), 세피오라이트(해포석), 제오라이트(비석), 펄라이트 등을 들 수 있다.
한편, 본 발명에서는 상기 다공성 광물들 중 어느 하나 또는 그들의 혼합물을 약 10% 내지 30% 포함된 광물이 이용될 수 있다.
상기 다공성 광물들은 나노셀룰로오스 미세섬유와 혼합되기 이전에 나노화되는 공정을 거치게 된다. 상기 나노화 공정은, 예를 들면, 물리적 방법 또는 화학적 방법 등일 수 있다.
구체적으로, 다공성 광물을 물리적으로 나노화하는 방법으로는 광물 덩어리를 기계적으로 분쇄하여 나노미터 크기까지 작게 분쇄하는 방법, 열이나 전자빔 등 높은 에너지를 가하여 광물을 녹인 후 증발시킴으로써 나노 분말을 수득하는 방법 등이 있다. 상기 기계적 분쇄의 예로는 기계적 합금화(Mechanical alloying)와 같은 고에너지 분쇄법(High Energy Milling)으로 나노분말 또는 나노입자가 분산된 합금을 얻는 방법이 있다. 또한, 상기 증발의 예로는 불활성가스 응축법(Inert Gas Condensation, IGC) 등이 있다.
다공성 광물을 화학적으로 나노화하는 방법으로는 화학적 환원제를 사용하거나 또는 합성하려는 금속 나노입자의 금속 전구체 용액의 환원전위를 변화하여 합성하는 방법 등이 있다.
이어서, 비목질계 바이오매스로부터 추출한 나노셀룰로오스 미세섬유와 나노화된 다공성 광물을 혼합하여 생활방역 기능성을 가진 나노셀룰로오스 복합조성물을 제조한다(S130).
구체적으로, 나노셀룰로오스미세섬유와 나노화된 다공성 광물 분말을 진공 분산 후 헨셀믹서(Henschel mixer) 또는 슈퍼믹서와 같은 고속 교반기를 이용해 교반한 후, 건조하여 분말(powder) 형태의 기능성 나노셀룰로오스 복합조성물을 제조할 수 있다.
이 때, 나노셀룰로오스 미세섬유는 나노화된 다공성 광물 또는 인접하는 주변 사슬과의 강력한 수소 결합을 유도할 수 있고, 우수한 충격 강도를 가지면서도 기계적 물성, 내습성, 내열 특성, 균일성 및 품질 안전성이 우수한 조성물을 형성할 수 있다.
한편, 상기 고속 교반기는 온도 조절이 가능한 교반기로서, 반응 온도는 50℃ 내지 120℃, 보다 구체적으로는 85℃ 내지 100℃일 수 있다. 상기 온도 범위를 만족하는 경우 나노셀룰로오스의 열화를 방지하여, 이를 포함한 복합소재의 기계적 물성의 저하, 갈변 현상 등을 방지할 수 있다. 또한, 나노셀룰로오스와 나노화된 다공성 광물 분말 사이의 화학적 결합을 보다 효과적으로 유도할 수 있다.
또한, 상기 고속 교반기의 회전 속도는 나노셀룰로오스와 나노화된 다공성 광물 분말이 충분히 교반, 반응할 수 있다면 그 속도가 제한되지는 않는다. 다만, 본 출원인은 실험을 통하여 상기 고속 교반기의 회전 속도가 400RPM 내지 800RPM, 보다 바람직하게는 500RPM 내지 7000RPM 범위일 때 교반 효과가 가장 우수함을 확인할 수 있었다.
상기와 같은 표면개질 과정을 통해 생성된 나노셀룰로오스와 다공성 광물을 혼합한 나노셀룰로오스 미세섬유복합조성물은 생활방역 기능성을 가질 수 있다. 여기서, 생활방역 기능성이란 원적외선 및 음이온을 방출하여 공기 중의 세균이나 바이러스를 제거함으로써 별도의 소독 작업 없이도 실내 공간을 멸균 수준으로 관리할 수 있는 효과를 가지는 것을 의미한다. 따라서, 별도의 살균 과정 없이도 일상 생활을 영위하는 동안 자연스럽게 바이러스 및 세균의 전파를 막을 수 있는 효과가 있다.
이어서, 상기 나노셀룰로오스 미세섬유 복합조성물과 고분자 수지 또는 생분해성 수지를 축중합하여 생활방역 기능성 복합재 첨가제를 제조한다(S140). 여기서, 상기 생분해성 수지(Biodegradable plastics)는 세균이나 다른 생물의 효소계의 의해서 분해될 수 있는 수지를 의미한다.
예를 들면, 상기 나노셀룰로오스미세섬유 복합조성물과 고분자 수지 또는 생분해성 수지를 180℃ 내지 210℃ 온도 범위에서 용융 및 혼련하면서, 이축압출기(Twin Screw Extruder) 믹싱 헤드 또는 사이드 피딩 장치를 이용하여 생활방역 기능성 복합재 첨가제를 제조할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 생활방역 기능성 복합재 첨가제는 나노셀룰로오스 미세섬유를 3중량% 내지 10중량% 포함하고, 나노화된 다공성 광물을 5중량% 내지 15중량% 포함하고, 고분자 수지를 80중량% 내지 90중량% 포함할 수 있다. 나노셀룰로오스미세섬유가 상기 범위를 만족하는 경우, 상기 나노셀룰로오스 미세섬유는 나노화된 다공성 광물과의 조합에 의해 복합재 첨가제의 기계적 물성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 나노화된 다공성 광물이 상기 범위를 만족하는 경우, 복합재 첨가제에서 원적외선 및 음이온 방출 효과를 증가시킬 수 있어 생활방역 기능성을 극대화시킬 수 있다.
상기 생활방역 기능성의 예로는 항균성 등을 들 수 있다. 즉, 상기와 같은 공정을 통해 제조된 생활방역 기능성 복합재 첨가제가 병원성 유해균을 제거하는 효과를 가지는 것이다. 이에 대한 효과가 도 2 내지 도 4에 개시되어 있다.
도 2 내지 도 4을 참조하여 본 발명에 따른 생활방역 기능성 복합재 첨가제의 항균 성능에 대하여 설명하기로 한다. 도 2 내지 도 4은 시간 경과에 따른 균주의 농도 변화를 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 도 2(a)는 대장균만을 24시간 방치한 배지를 나타내고, 도 2(b)는 대장균에 본 발명의 생활방역 기능성 복합재 첨가제를 섞은 이후 24시간 방치한 배지를 나타낸다. 도 3(a)는 폐렴균만을 24시간 방치한 배지를 나타내고, 도 3(b)는 폐렴균에 본 발명의 생활방역 기능성 복합재 첨가제를 섞은 이후 24시간 방치한 배지를 나타낸다. 도 4(a)는 MRSA 균만을 24시간 방치한 배지를 나타내고, 도 4(b)는 MRSA 균에 본 발명의 생활방역 기능성 복합재 첨가제를 섞은 이후 24시간 방치한 배지를 나타낸다.
구체적인 실험 방법은, 본 발명의 생활방역 기능성 복합재 첨가제를 이용해 제조된 펠릿 레진을 처리한 배지를 실험군(도 2 내지 도 4에서는 'Sample'이라 지칭함)으로 설정한다. 그리고, 아무런 물질을 집어넣지 않은 배지를 대조군(도 2 내지 도 4에서는 'Blank'라 지칭함)으로 설정한다.
이후 상기 실험군과 대조군에 각각 유해균을 처리한다. 이 때, 상기 유해균은 대장균(Escherichia coli ATCC 25922), 폐렴균(Klebsiella pneumoniae ATCC 4352), 및 MRSA 균(Staphylococcus aureus subsp. Aureus)이다. 상기 대장균은 2.0x106 CFU/mL 농도로 처리하고, 상기 폐렴균은 1.7x106 CFU/mL 농도로 처리하고, 상기 MRSA 균은 3.0x106 CFU/mL 농도로 각각 처리하였다. 이후, 온도가 (37.0±0.2)℃인 실내에 24시간 동안 방치한 이후, 각 배지의 농도를 측정하였다. 이에 대한 실험 결과가 표 1, 및 도 2 내지 도 4에 도시되어 있다.
균주 항목 초기농도
(CFU/mL)		 24시간
경과후 농도
(CFU/mL)		 감소율
(%)
대장균 Blank 2.0x106 8.9x105 -
Sample 2.0x106 <10 99.9
폐렴균 Blank 1.7x106 9.5x105 -
Sample 1.7x106 <10 99.9
MRSA 균 Blank 3.0x106 4.6x105 -
Sample 3.0x106 8.0x104 82.6
여기서, 감소율은 대조군(Blank)의 미생물 농도에 대한 대조군(Blank)과 실험군(Sample)의 미생물 농도 차이를 나타내는 비율로서, 아래 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112021045682967-pat00001
표 1, 및 도 2 내지 도 4에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 생활방역 기능성 복합재 첨가제는 대장균과 폐렴균은 99.9%, MRSA 균은 82.6%를 제거함으로써 우수한 항균효과가 있음을 확인할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 생활방역 기능성 복합재 첨가제를 제조하는 단계에서 보강재가 더 첨가될 수 있다. 상기 보강재는 최종 산물인 복합재 첨가제의 성형성을 향상시키고, 충격강도, 기계적 물성, 내습성, 내열 특성 등을 향상시키기 위하여 첨가제는 재료이다. 상기 보강재는 예를 들면, 탄산칼슘(CaCO3), 산화티타늄(TiO2), 탈크(Talc), 산화규소(SiO2) 등의 무기입자일 수 있다. 이 경우, 전체 생활방역 기능성 복합재 첨가제 중에서, 상기 보강재는 1중량% 내지 3중량%를 차지할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 비목질계 나노셀룰로오스를 활용한 생활방역 기능성 복합재 첨가제의 제조방법은, 나노화된 다공성 광물을 이용함으로써 세균이나 바이러스 제거 등 생활방역 기능을 가진 복합재 첨가제를 제조할 수 있다. 또한, 나노셀룰로오스를 첨가함으로써 복합재 첨가제의 기계적, 화학적 물성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 나노셀룰로오스는 비목질계 바이오매스로부터 추출되기 때문에, 일반적인 목질계 셀룰로오스보다 생산 기간 및 비용면에서 우수한 장점이 있다. 따라서, 비교적 저렴한 가격으로 단기간에 생활방역 기능성을 가진 복합재 첨가제를 생산할 수 있다.

Claims (11)

  1. 비목질계 바이오매스로부터 나노셀룰로오스 미세섬유를 추출하는 단계;
    상기 추출된 나노셀룰로오스 미세섬유의 표면을 소수화 처리하는 단계;
    나노화된 다공성 광물 분말을 제조하는 단계;
    상기 소수화 처리된 나노셀룰로오스 미세섬유와 상기 나노화된 다공성 광물 분말을 진공분산하는 단계;
    상기 소수화 처리된 나노셀룰로오스 미세섬유와 상기 나노화된 다공성 광물 분말을 고속 교반기를 이용해 교반하는 단계;
    교반된 나노셀룰로오스 미세섬유와 다공성 광물의 혼합물을 건조하여 나노셀룰로오스 미세섬유 복합조성물을 제조하는 단계; 및
    상기 나노셀룰로오스 미세섬유 복합조성물과, 고분자 수지 또는 생분해성 수지 중 어느 한 가지를 용융 및 혼련하여 복합재 첨가제를 제조하는 단계를 포함하는 생활방역 기능성 복합재 첨가제 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 나노셀룰로오스 미세섬유 복합조성물과 고분자 수지 또는 생분해성 수지를 용융 및 혼련하여 제조된 상기 복합재 첨가제는,
    상기 나노셀룰로오스 미세섬유를 3중량% 내지 10중량% 포함하고,
    상기 나노화된 다공성 광물 분말을 5중량% 내지 15중량% 포함하고,
    상기 고분자 수지 또는 상기 생분해성 수지 중 어느 하나를 80중량% 내지 90중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 생활방역 기능성 복합재 첨가제 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 나노셀룰로오스 미세섬유 복합조성물과 고분자 수지 또는 생분해성 수지를 용융 및 혼련하여 복합재 첨가제를 제조하는 단계는, 보강재를 첨가하는 단계를 더 포함하되,
    상기 보강재는 탄산칼슘(CaCO3), 산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 탈크(Talc), 또는 산화규소(SiO2) 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 생활방역 기능성 복합재 첨가제 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 비목질계 바이오매스는 대마(Hemp), 황마(Jute), 모시풀(Ramie), 볏짚, 왕겨, 또는 사탕수수 버개스(Bagasse) 중 어느 하나 또는 이들의 가공물을 포함하며,
    상기 다공성 광물은 겔라이트(Ge-lite), 순지트(Shungite), 버미큘라이트(질석), 세피오라이트(해포석), 제오라이트(비석), 펄라이트 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 생활방역 기능성 복합재 첨가제 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 추출된 나노셀룰로오스의 표면을 소수화 처리하는 단계는 아세틸화, 실란화, 가교화, 불소화, 알케닐숙신산 무수물(Alkenyl Succinic Anhydride) 첨가, 알킬케톤 다이머(Alkyl Ketone Dimer) 첨가 중에서 선택된 어느 하나의 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 생활방역 기능성 복합재 첨가제 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 나노화된 다공성 광물 분말을 제조하는 단계는, 고에너지 분쇄법(High Energy Milling) 또는 불활성가스 응축법(Inert Gas Condensation) 중에서 선택된 어느 하나의 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 생활방역 기능성 복합재 첨가제 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 상기 고속 교반기를 이용해 교반하는 단계는, 반응 온도가 85℃ 내지 150℃인 고속 교반기 내에서, 상기 고속 교반기를 400RPM 내지 800RPM의 회전 속도로 회전시키는 것을 특징으로 하는 생활방역 기능성 복합재 첨가제 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 나노셀룰로오스 미세섬유 복합조성물과 고분자 수지 또는 생분해성 수지를 용융 및 혼련하여 복합재 첨가제를 제조하는 단계는 이축압출기(Twin Screw Extruder) 믹싱 헤드 또는 사이드 피딩 장치를 이용하여 진행되는 것을 특징으로 하는 생활방역 기능성 복합재 첨가제 제조방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
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