KR102437217B1 - 셀룰로오스 나노 섬유의 제조 방법 - Google Patents

셀룰로오스 나노 섬유의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102437217B1
KR102437217B1 KR1020180015631A KR20180015631A KR102437217B1 KR 102437217 B1 KR102437217 B1 KR 102437217B1 KR 1020180015631 A KR1020180015631 A KR 1020180015631A KR 20180015631 A KR20180015631 A KR 20180015631A KR 102437217 B1 KR102437217 B1 KR 102437217B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pulp
stirring
lithium amide
producing
cellulose
Prior art date
Application number
KR1020180015631A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190096097A (ko
Inventor
김정근
이지석
강순희
박민성
전광승
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020180015631A priority Critical patent/KR102437217B1/ko
Publication of KR20190096097A publication Critical patent/KR20190096097A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102437217B1 publication Critical patent/KR102437217B1/ko

Links

Images

Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F2/00—Monocomponent artificial filaments or the like of cellulose or cellulose derivatives; Manufacture thereof
    • D01F2/02—Monocomponent artificial filaments or the like of cellulose or cellulose derivatives; Manufacture thereof from solutions of cellulose in acids, bases or salts

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Artificial Filaments (AREA)
  • Paper (AREA)

Abstract

본 명세서는 아민기 및 알코올기를 포함하는 유기용매에 펄프를 넣고 1차 교반하여 현탁액을 제조하는 단계; 및 상기 현탁액에 리튬아마이드를 넣고 2차 교반하는 단계를 포함하는 셀룰로오스 나노 섬유의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

셀룰로오스 나노 섬유의 제조 방법 {METHOD FOR MANUFACTURING CELLULOSE NANOFIBER}
본 명세서는 셀룰로오스 나노 섬유의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 나노 크기의 재료의 우수한 물리적 성질 때문에 나노 복합소재를 만들려는 관심이 세계적으로 크게 증가하고 있다. 대부분의 연구들은 나노 복합재료를 만들기 위한 강화재료로 탄소 나노 튜브와 같은 무기물질과 나노셀룰로오스와 같은 유기물질을 이용하고 있다. 나노셀룰로오스는 직경이 나노규모에 불과한 초극세 섬유로 그 활용 가능성이 무한하다. 나노셀룰로오스는 경량 소재이면서 강철보다 5배 이상 강하며, 유리의 1/50 수준의 선팽창계수와 높은 종횡비 등의 특성을 가지므로 의약용 포장재료, 리튬이온 전지용 분리막, 디스플레이, 태양전지, 전자종이 및 센서 등 여러 분야에 다양하게 사용될 수 있다.
그러나, 가공 및 성형이 어렵다는 단점으로 인하여 응용성에 한계가 있어 상업화에 어려움이 존재하여 추가적인 연구가 필요한 실정이다.
한국 특허 공개 공보 제10-2008-0075627호
본 명세서는 셀룰로오스 나노 섬유의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 셀룰로오스 나노 섬유를 제공하고자 한다.
본 명세서의 일 실시상태는
아민기 및 알코올기를 포함하는 유기용매에 펄프를 넣고 1차 교반하여 현탁액을 제조하는 단계; 및
상기 현탁액에 리튬아마이드를 넣고 2차 교반하는 단계를 포함하는 셀룰로오스 나노 섬유의 제조 방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태의 셀룰로오스 나노 섬유의 제조 방법에 따르면, 단시간 내에 단순한 공정으로 미세화된 셀룰로오스 나노 섬유의 제조가 가능하며, 공정 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 셀룰로오스 현탁액의 LiNH2 첨가 전/후 SEM(주사전자현미경) 사진을 비교한 것이다.
도 2는 펄프를 각각 모노에탄올아민과 암모니아수에 넣고 상온에서 5분간 교반한 결과를 나타낸 도이다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 '상에' 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 셀룰로오스 나노 섬유의 제조 방법은 아민기 및 알코올기를 포함하는 유기용매에 펄프를 넣고 1차 교반하여 현탁액을 제조하는 단계를 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 펄프는 목재 원료에서 셀룰로오스를 정제하는 탈리그닌화 과정을 거친 것으로, 예를 들면 목재 등의 식물체에서 셀룰로오스 외의 헤미셀룰로오스, 리그닌, 펜토산 등의 기타 성분을 제거한 것을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 펄프를 녹이는 용매로는 말단에 아민기(-NH2) 및 알코올기(-OH)를 포함하는 유기용매를 사용할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 아민기 및 알코올기를 포함하는 유기용매는 모노에탄올아민(Monoethanolamine) 및 아미노프로판올(Aminopropanol) 중 선택된 1종 이상이다.
종래에는 펄프를 녹이는 용매로 디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide), 디메틸포름아마이드(Dimethylformamide) 또는 암모니아수를 사용하였으나, 말단에 아민기(-NH2) 및 알코올기(-OH)를 포함하는 유기용매를 사용할 때에 비해 펄프의 분산도가 떨어지는 문제점이 있었다. 도 2는 펄프를 각각 모노에탄올아민(MEA)과 암모니아수(ammonia water)에 넣고 상온에서 5분간 교반한 결과를 나타낸 것인데, 모노에탄올아민에 녹인 좌측 샘플의 경우 용액의 색깔이 일정하여 펄프가 골고루 분산되었음을 알 수 있으나, 암모니아수에 녹인 우측 샘플의 경우 아래로 갈수록 진한 색깔을 나타내어 펄프가 골고루 분산되지 못하였음을 알 수 있다.
또한, 도 1은 펄프를 모노에탄올아민에 넣고 교반하여 제조한 현탁액에 대하여 리튬아마이드를 넣기 전/후 섬유의 상태를 촬영한 SEM 사진이다. 도 1을 통해 리튬아마이드를 넣기 전에는 마이크로 섬유가 형성된 반면, 리튬아마이드를 첨가하였을 때는 셀룰로오스가 훨씬 미세화되어 나노 섬유가 형성된 것을 확인할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 펄프의 함량은 상기 유기용매 총 중량을 기준으로 0.1중량% 내지 10중량%, 바람직하게는 0.3중량% 내지 5중량%, 더욱 바람직하게는 0.6중량% 내지 3중량%이다.
펄프의 함량이 상기 범위에 포함될 때, 공정의 효율성을 확보하면서도 현탁액이 높아진 점도에 의해 흐르지 않아 공정 진행을 방해하는 문제를 방지할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 1차 교반은 상온에서 수행되며, 예컨대 20℃ 내지 30℃의 온도에서 수행된다. 또한, 상기 1차 교반은 1분 내지 10분, 바람직하게는 2분 내지 8분, 더욱 바람직하게는 3분 내지 7분 동안 수행된다.
이는 아민기 및 알코올기를 포함하는 유기용매를 사용함으로써 펄프의 분산도를 높였기 때문에 추가의 가열 과정이 필요하지 않으며, 교반 시간 또한 단축이 가능함을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 셀룰로오스 나노 섬유의 제조 방법은 상기 현탁액에 리튬아마이드를 넣고 2차 교반하는 단계를 포함한다.
리튬아마이드를 첨가하면 펄프를 구성하는 셀룰로오스의 미세화가 진행되는데, 이에 따라 셀룰로오스 표면에 히드록시기(-OH)가 증가하고, 히드록시기 사이의 강한 수소결합으로 인해 점도가 높아지게 된다. 즉, 셀룰로오스를 포함하는 용액의 점도는 셀룰로오스의 미세화 정도를 알 수 있는 척도이다.
상기 리튬아마이드는 종래에 사용되던 LiCl, LiClO 및 LiNO3 등의 리튬염; NaBr 및 NaOH 등의 소듐염; 및 아민 작용기를 가지는 Urea 등에 비해 셀룰로오스를 포함하는 용액의 점도를 높이는 효과가 우수한데, 이는 리튬아마이드의 리튬 이온의 착화(complexation)에 의한 셀룰로오스의 팽윤(swelling) 효과와 아마이드기에 의한 섬유화의 가속에 따른 셀룰로오스의 팽윤 효과가 동시에 작용하기 때문이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 2차 교반은 10℃ 내지 40℃의 온도에서 수행되며, 바람직하게는 상온, 예컨대 20℃ 내지 30℃의 온도에서 수행된다. 또한, 상기 2차 교반은 1분 내지 1시간, 바람직하게는 2분 내지 30분, 더욱 바람직하게는 3분 내지 10분 동안 수행된다.
종래에는 산을 첨가하거나 가열을 통해 온도를 높임으로써 셀룰로오스를 미세화하였으나, 본 발명의 일 실시상태에 따른 셀룰로오스 나노 섬유의 제조 방법은 리튬아마이드를 사용하였기 때문에 상온에서 단시간 내에 미세화가 가능하므로 공정의 단순화가 가능하다는 장점이 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 펄프와 리튬아마이드의 중량비는 1:2 내지 1:5, 바람직하게는 1:1.5 내지 1:4, 더욱 바람직하게는 1:2 내지 1:3이다.
펄프와 리튬아마이드의 중량비가 상기 범위에 있을 때 상기 2차 교반이 완료된 현탁액의 점도가 3,000cp 이상, 바람직하게는 3,500cp 이상, 더욱 바람직하게는 4,000cp 이상일 수 있다.
상기 점도는 상온에서 Brookfield viscometer DV2T 기기 및 Vane spindle #74를 이용하여 10rpm으로 1분 동안 측정한 값을 의미한다.
이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
<실시예>
실시예 1.
모노에탄올아민 40g에 펄프(무림제지 社) 0.4g을 넣고 상온에서 5분 동안 교반하였다. 상기 교반된 용액에 리튬아마이드 0.8g을 넣고 상온에서 5분 동안 추가 교반하여 셀룰로오스 나노 섬유가 포함된 용액을 제조하였다.
실시예 2.
상기 실시예 1에서 리튬아마이드의 함량을 1.0g으로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 용액을 제조하였다.
실시예 3.
상기 실시예 1에서 리튬아마이드의 함량을 1.2g으로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 용액을 제조하였다.
실시예 4.
상기 실시예 1에서 리튬아마이드의 함량을 1.6g으로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 용액을 제조하였다.
실시예 5.
상기 실시예 1에서 리튬아마이드의 함량을 2.0g으로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 용액을 제조하였다.
실시예 6.
상기 실시예 1에서 리튬아마이드의 함량을 0.2g으로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 용액을 제조하였다.
실시예 7.
상기 실시예 1에서 리튬아마이드의 함량을 0.4g으로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 용액을 제조하였다.
실시예 8.
상기 실시예 1에서 리튬아마이드의 함량을 4.0g으로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 용액을 제조하였다.
비교예 1.
상기 실시예 1에서 리튬아마이드를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 용액을 제조하였다.
비교예 2.
상기 실시예 2에서 리튬아마이드 대신 리튬클로라이드(LiCl)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 과정으로 용액을 제조하였다.
비교예 3.
상기 실시예 2에서 리튬아마이드 대신 리튬하이포클로라이트(LiClO)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 과정으로 용액을 제조하였다.
비교예 4.
상기 실시예 2에서 리튬아마이드 대신 리튬니트레이트(LiNO3)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 과정으로 용액을 제조하였다.
비교예 5.
상기 실시예 2에서 리튬아마이드 대신 Urea((NH2)2CO)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 과정으로 용액을 제조하였다.
비교예 6.
상기 실시예 2에서 리튬아마이드 대신 소듐브로마이드(NaBr)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 과정으로 용액을 제조하였다.
<실험예>
상기 실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 6에서 제조된 용액에 대하여, 상온에서 Brookfield viscometer DV2T 기기 및 Vane spindle #74를 이용하여 10rpm으로 1분 동안 측정한 점도를 하기 표 1에 나타내었다.
염의 종류 펄프:염의 중량비 점도(cp)
실시예 1 LiNH2 1:2 3273.1±66.1
실시예 2 LiNH2 1:2.5 4078.5±86.7
실시예 3 LiNH2 1:3 3786.1±118.3
실시예 4 LiNH2 1:4 3806.8±21.4
실시예 5 LiNH2 1:5 3455.1±89.5
실시예 6 LiNH2 2:1 1923±60.2
실시예 7 LiNH2 1:1 2091.0±71.3
실시예 8 LiNH2 1:10 2359.5±13.2
비교예 1 - - 500.2±10.5
비교예 2 LiCl 1:2.5 432.4±17.9
비교예 3 LiClO 1:2.5 320.7±25.3
비교예 4 LiNO3 1:2.5 462.0±36.1
비교예 5 Urea 1:2.5 366.5±27.3
비교예 6 NaBr 1:2.5 524.3±28.8
상기 표 1의 결과를 통해, 본 명세서의 일 실시상태에 따라 리튬아마이드를 첨가하였을 때 다른 염을 첨가하였을 때에 비해 높은 점도를 나타냄을 확인할 수 있다. 특히, 펄프와 염의 중량비가 1:2 내지 1:5의 범위에 있을 때 3,000cp 이상의 높은 점도를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.

Claims (10)

  1. 아민기 및 알코올기를 포함하는 유기용매에 펄프를 넣고 1차 교반하여 현탁액을 제조하는 단계; 및
    상기 현탁액에 리튬아마이드를 넣고 2차 교반하는 단계를 포함하는 셀룰로오스 나노 섬유의 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 아민기 및 알코올기를 포함하는 유기용매는 모노에탄올아민 및 아미노프로판올 중 선택된 1종 이상인 것인 셀룰로오스 나노 섬유의 제조 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 펄프의 함량은 상기 유기용매 총 중량을 기준으로 0.1중량% 내지 10중량%인 것인 셀룰로오스 나노 섬유의 제조 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 1차 교반은 1분 내지 10분 동안 수행되는 것인 셀룰로오스 나노 섬유의 제조 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 1차 교반은 20℃ 내지 30℃의 온도에서 수행되는 것인 셀룰로오스 나노 섬유의 제조 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 2차 교반은 1분 내지 1시간 동안 수행되는 것인 셀룰로오스 나노 섬유의 제조 방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 2차 교반은 10℃ 내지 40℃의 온도에서 수행되는 것인 셀룰로오스 나노 섬유의 제조 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 펄프와 리튬아마이드의 중량비는 1:2 내지 1:5인 것인 셀룰로오스 나노 섬유의 제조 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 2차 교반 후 현탁액의 점도는 3,000cp 이상인 것인 셀룰로오스 나노 섬유의 제조 방법.
  10. 삭제
KR1020180015631A 2018-02-08 2018-02-08 셀룰로오스 나노 섬유의 제조 방법 KR102437217B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180015631A KR102437217B1 (ko) 2018-02-08 2018-02-08 셀룰로오스 나노 섬유의 제조 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180015631A KR102437217B1 (ko) 2018-02-08 2018-02-08 셀룰로오스 나노 섬유의 제조 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190096097A KR20190096097A (ko) 2019-08-19
KR102437217B1 true KR102437217B1 (ko) 2022-08-26

Family

ID=67807141

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180015631A KR102437217B1 (ko) 2018-02-08 2018-02-08 셀룰로오스 나노 섬유의 제조 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102437217B1 (ko)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004161793A (ja) 2002-11-08 2004-06-10 New Industry Research Organization セルロース由来の構造用複合材料
JP2011068744A (ja) 2009-09-25 2011-04-07 Univ Of Tokyo リグニンを高含有率で含むセルロース溶液の製造方法
WO2017082900A1 (en) 2015-11-12 2017-05-18 The Research Foundation For The State University Of New York Production of carboxylated nanocelluloses

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100856464B1 (ko) 2007-02-13 2008-09-04 박원호 셀룰로오스 나노섬유의 제조 방법
PL2236664T3 (pl) * 2009-03-30 2016-06-30 Omya Int Ag Sposób wytwarzania zawiesin nanofibrylarnej celulozy

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004161793A (ja) 2002-11-08 2004-06-10 New Industry Research Organization セルロース由来の構造用複合材料
JP2011068744A (ja) 2009-09-25 2011-04-07 Univ Of Tokyo リグニンを高含有率で含むセルロース溶液の製造方法
WO2017082900A1 (en) 2015-11-12 2017-05-18 The Research Foundation For The State University Of New York Production of carboxylated nanocelluloses

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190096097A (ko) 2019-08-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6744268B2 (ja) リグニン含有前駆体繊維及びまた炭素繊維の生成のための方法
JP5207246B2 (ja) セルロースｉｉ型結晶構造を有するミクロフィブリル化セルロース及び該ミクロフィブリル化セルロースを含有する成形体
US8969441B2 (en) Cationic microfibrillated plant fibre and manufacturing method for same
Fernandes et al. Novel transparent nanocomposite films based on chitosan and bacterial cellulose
Zhao et al. Reinforcement of all-cellulose nanocomposite films using native cellulose nanofibrils
CN108350090B (zh) 纤维素黄原酸酯纳米纤维
CN103993380A (zh) 一种高强度壳聚糖纤维的制备方法
Yang et al. Upcycling corn straw into nanocelluloses via enzyme-assisted homogenization: Application as building blocks for high-performance films
US11814794B2 (en) Cellulose fiber molded product and method for manufacturing the same
JP2015071843A (ja) ナノ複合体及びナノ複合体の製造法
KR102437217B1 (ko) 셀룰로오스 나노 섬유의 제조 방법
CN113832560B (zh) 一种黏土-纤维素-海藻酸复合阻燃大纤维及其制备和应用
CN106192555A (zh) 一种添加氧化石墨烯提高纸质弹性模量的方法
Singh et al. Study of cellulosic fibres morphological features and their modifications using hemicelluloses
JP7183627B2 (ja) 微細繊維状セルロース含有組成物およびその製造方法
Priya et al. Characterization of micro-fibrillated cellulose produced from sawmill wastage: crystallinity and thermal properties
CN107574491B (zh) 一种麻材高强力再生纤维素纤维及其生产方法
JP6699374B2 (ja) リン酸化セルロース繊維の製造方法及びセルロース含有物
KR101715085B1 (ko) 셀룰로오스 나노 결정체의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 셀룰로오스 나노 결정체
CN108467570B (zh) 一种纳米纤维素环氧树脂复合材料及其制备方法
JPH06220213A (ja) リグノセルロース成形品およびその製法
KR102043621B1 (ko) 방사성이 향상된 리그닌을 이용한 탄소섬유 및 이의 제조방법
Roy et al. Waste paper: a potential source for cellulose nanofiber and bio-nanocomposite applications
JP2019065448A (ja) 繊維及びその製造方法
Abdullah-Al-Mamun et al. A morphological study of microfibrillated cellulose prepared from waste cotton linter

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant