KR102514171B1 - 셀룰로오스 나노섬유를 함유하는 필름 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 셀룰로오스 나노섬유를 함유하는 필름 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 ⅰ) 셀룰로오스 나노섬유 슬러리를 준비하는 단계; ⅱ) 목재 섬유 슬러리를 준비하는 단계; ⅲ) 목재 섬유 슬러리와 셀룰로오스 나노섬유 슬러리를 혼합하여 원료 혼합물을 준비하는 단계; ⅳ) 원료 혼합물을 수초지에 공급하는 단계; ⅴ) 탈수하는 단계; ⅵ) 건조하는 단계; 및 ⅶ) 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 나노섬유를 함유하는 필름의 제조방법 및 이러한 제조방법에 의해 제조된 필름에 관한 것이다.

Description

셀룰로오스 나노섬유를 함유하는 필름 및 이의 제조방법{Film of Cellulose Nano Fiber and manufacturing method for the same}

본 발명은 셀룰로오스 나노섬유를 함유하는 필름 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자연에 서식하는 미생물에 의해 자연적으로 될 수 있는 셀룰로오스 나노섬유와 목재 섬유로 필름을 제조함으로써, 사용 후 폐기처분시 환경오염을 발생시키지 않는 무공해 필름 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

상품을 포장하기 위해 가장 많이 사용되는 포장지는 흔히 비닐봉지라 불리는 합성수지필름 포장지이다. 하지만 이렇게 사용된 합성수지필름이 분해되기 위해서는 짧게는 수년 길게는 수십년이 걸리기 때문에 매립시 심각한 환경오염을 유발하고 있다. 물론 소각할 수 도 있지만 합성수지가 연소될 때 발생하는 각종 유해가스는 대기오염을 유발하기 때문에 이 또한 적절한 폐기방법이라 볼 수 없다.

한편, 1인 가구가 증가함에 따라 농산물 포장제의 수요가 크게 증가하고 있고, 특히 농산물은 신선도가 매우 중요하기 때문에 유통이나 보관 중 농산물에서 발생한 이산화탄소나 에틸렌을 배출시킬 수 있는 포장제의 개발이 활발히 진행되고 있는 상황이다. 하지만 이들 포장제도 합성수지를 주원료로 사용하고 있어 폐기처분에 어려움이 따르는 실정이다.

한국공개특허공보 2005-0075872호에는 포장지용 강화 필름 및 그 제조방법이 개시되어 있다. 상기 선행문헌은 합성수지 58~62중량부와, 알루미나(alumina) 18~22중량부와, 셀룰로오스(cellulase) 8~12중량부와, 화이트카본(white carbon) 8~12중량부의 비율로 배합하여 혼합물을 제조하는 제1공정(S10); 상기 제1공정을 통해 배합된 혼합물을 배합기에 넣고 60분~80분 동안 교반 배합하여 주는 제2공정(S20); 및 상기 제2공정을 통해 배합 제조된 혼합물을 압출기에 넣고 압출 성형하여 강화 필름을 제조 완료하는 제3공정(S30)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 한국공개특허공보 2012-0021527호에는 나노 무기재를 활용한 과수 포장지 및 그 제조방법이 개시되어 있다. 상기 선행문헌은 과수 포장지에 대해 원적외선에 의한 항균, 방수, 탈취, 통풍 등의 기능이 용이하게 실현될 수 있도록 코팅된 과수 포장지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 바인더, 무기재 용액 및 발수제의 혼합물로 이루어진 코팅액을 마련하는 공정 및 포장지에 원지에 상기 코팅액을 코팅하는 공정을 포함하며, 상기 코팅액에는 바인더 45~65중량%, 무기재 용액 30~50중량% 및 발수제 3~8중량%가 함유하며, 과수 포장지에 의한 항균, 방수, 탈취, 통풍 등의 기능이 용이하게 실현되어 과수의 생육을 촉진할 뿐만 아니라 포장지의 내구성을 장기간 유지하여 과수의 생육에 드는 비용을 절감할 수 있는 효과가 있는 것으로 알려져 있다.

또 한국공개특허공보 2017-0112207호에는 식품 포장지 제조방법이 개시되어 있다. 상기 선행문헌은 저밀도 폴리에틸렌(LDPE: Low Density Polyethylene) 수지, 제1폴리프로필렌(PP) 수지 및 제2폴리프로필렌(PP) 수지가 각각 층을 이루도록 일체로 이루어진 하나의 필름형태로 공압출되어 OPP 필름에 합지되어 식품 포장지 제조가 이루어지도록 구성됨으로써, 간단한 제조공정을 통해 제조비용을 절감할 수 있다는 효과가 있는 것으로 알려져 있다.

하지만 이들 선행문헌들에서도 포장지를 제조함에 있어 유기고분자 화합물을 주원료로 혼합하고 있어, 사용 후의 포장지 폐기처분은 매립이나 소각에 의존할 수 밖에 없다는 문제점을 안고 있다.

대한민국 공개특허공보 제2005-0075872호 대한민국 공개특허공보 제2012-0021527호 대한민국 공개특허공보 제2017-0112207호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 미생물에 의해 분해가 용이하여 폐기처분시 환경오염을 유발시키지 않는 셀룰로오스 나노섬유를 함유하는 필름 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 셀룰로오스 나노섬유를 함유하는 필름의 제조방법은, ⅰ) 셀룰로오스 나노섬유 슬러리를 준비하는 단계; ⅱ) 목재 섬유 슬러리를 준비하는 단계; ⅲ) 목재 섬유 슬러리와 셀룰로오스 나노섬유 슬러리를 혼합하여 원료 혼합물을 준비하는 단계; ⅳ) 원료 혼합물을 수초지에 공급하는 단계; ⅴ) 탈수하는 단계; ⅵ) 건조하는 단계; 및 ⅶ) 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 ⅱ) 단계에서는 목재 섬유 슬러리에 하전 중화용 약품을 더 첨가하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 나노섬유는 길이가 500~550nm, 직경이 20~30nm이고, 상기 목재 섬유는 길이가 500~550㎛, 직경이 20~30㎛인 것이 바람직하다.

또한 상기 ⅳ)단계에서의 수초지는 170~190mesh를 갖는 테프론 시트인 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서는 상기 제조방법으로 제조된 셀룰로오스 나노섬유인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 필름은 두께 0.10~0.20nm, 투명도 92% 이상 및 통기도 10 내지 12CMF인 것이 바람직하다.

본 발명의 셀룰로오스 나노섬유를 함유하는 필름 및 이의 제조방법에 의하면, 셀룰로오스 나노섬유와 목재 섬유만으로 필름을 제조함으로, 이러한 필름으로 제조된 포장제의 폐기시 환경오염을 억제할 수 있다는 효과가 있다.

또한 본 발명에서는 기체 투과성 필름이기 때문에, 식품 포장제 적용시 이산화탄소를 배출시킬 수 있어 식품의 신선도를 유지할 수 있는 포장제의 제공이 가능하다는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀룰로오스 나노섬유를 함유하는 필름의 제조방법을 나타내는 공정도이다.
도 2는 실시예 1에 기재된 다양한 수초지의 사진이다.
도 3은 실시예 2에 따른 투명도 사진이다.

이하, 본 발명에 따른 셀룰로오스 나노섬유를 함유하는 필름의 제조방법 및 이의 제조방법에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

본 출원에서 “포함한다”, “가지다” 또는 “구비하다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 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.

또한, 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 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀룰로오스 나노섬유를 함유하는 필름의 제조방법을 나타내는 공정도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 셀룰로오스 나노섬유를 함유하는 필름의 제조방법은, ⅰ) 셀룰로오스 나노섬유 슬러리를 준비하는 단계, ⅱ) 목재 섬유 슬러리를 준비하는 단계, ⅲ) 목재 섬유 슬러리와 셀룰로오스 나노섬유 슬러리를 혼합하여 원료 혼합물을 준비하는 단계, ⅳ) 원료 혼합물을 수초지에 공급하는 단계, ⅴ) 탈수하는 단계, ⅵ) 건조하는 단계 및 ⅶ) 가공하는 단계를 포함하여 이루어진다.

상기 단계를 보다 상세히 설명하면, ⅰ) 단계에서는 길이가 500~550nm, 직경이 20~30nm 범위에 해당되는 나노섬유를 물과 혼합하여 1~3 중량%의 나노섬유 슬러리를 준비하는 단계이다. 셀룰로오스를 수득할 수 있는 각종 초본계 또는 목본계 재료로부터 얻을 수 있고, 일예로 목재섬유를 그라인더, 고압 호모제나이저, 마이크로 플루 다이저 등의 기계적 방법을 통해 얻을 수 있다. 나노섬유의 길이가 500nm 미만이면 나노섬유 입자들이 너무 작아 시트(Sheet)상 필름을 얻기 어렵고, 반대로 550nm를 초과하면 필름의 투명도가 낮아지기 때문에서 나노섬유의 길이는 상기 범위인 것이 바람직하다.

또 나노섬유 슬러리 농도가 1 중량%미만이면 나노섬유 함유량이 너무 낮아 다량의 슬러리를 수초지에 공급하여야 하고, 반대로 3 중량%를 초과하면 탈수 및 건조 시간이 너무 길어지기 때문에 나노섬유 슬러리 농도는 상기 범위인 것이 바람직하다.

ⅱ) 단계는 길이가 500~550㎛, 직경이 20~30㎛ 범위에 해당되는 목재 섬유를 물과 혼합하여 1~3 중량%의 목재섬유 슬러리를 준비하는 단계이다. 목재섬유는 전술한 바와 같이 각종 목본계 재료를 그라인더, 고압 호모제나이저, 마이크로 플루 다이저 등의 기계적 방법을 통해 얻을 수 있다. 셀룰로오스 나노섬유만으로 필름을 제조하면 투명성이 우수한 필름을 얻을 수 있는 반면, 나노섬유의 입자가 너무 작아 탈수가 극히 곤란하므로 나노섬유들 사이에 소정의 공극을 부여하기 위한 목재섬유를 혼합하는 것이 바람직하다.

ⅲ) 단계는 상기 ⅰ) 단계와 ⅱ) 단계에서 준비한 목재 섬유 슬러리와 셀룰로오스 나노섬유 슬러리를 혼합하여 원료 혼합물을 준비하는 단계이다. 한편, 셀룰로오스 나노섬유와 목재섬유는 표면이 친수성기인 OH-기를 띄고 있어, 탈수가 용이하지 않다. 본 발명에서는 상기와 같이 탈수성을 향상시키기 위하여 OH-와 반응함으로써 목재 섬유와 셀룰로오스 나노 섬유의 표면을 중화시킬 수 있는 플러스(+)하전을 갖는 중화제를 더 첨가하고 있다.

이때, 상기 중화제는 ⅱ) 단계에서만 주입하는 것이 바람직하다. 만약 ⅰ) 단계에서 중화제를 주입하면, 셀룰로오스 나노섬유들끼리 뭉쳐 균일한 셀룰로오스 나노섬유 슬러리를 준비하는 것이 곤란하고, 결과적으로 투광성과 기체 투과성이 균일한 필름을 얻을 수 없기 때문이다.

여기서, 목재 섬유와 나노 섬유의 표면을 중화시킬 수 있다면 중화제는 특별히 제한하지 않는다.

ⅳ) 단계는 상기 ⅲ) 단계에서 준비된 원료 혼합물을 수초지에 얇은 시트상으로 공급하는 단계이다. 상기 수초지는 다층으로 이루어진 테플론인 것이 바람직하고, 두께가 0.35mm인 것이 보다 바람직하고, 기체 투과도가 700 L/m2s인 것이 가장 바람직하다.

수초지의 물성이 상기 범위를 벗어나는 경우 원료 혼합물이 수초지의 기공을 통과해버려 시트가 형성되지 않거나, 시트가 형성되더라도 탈수가 불가능하기 때문이다.

ⅴ) 단계는 ⅳ) 단계에서 형성된 시트로부터 물을 제거하는 탈수 단계이다. 수초지 상부에 시트가 형성되어 있지만 수초지의 기공이 매우 작기 때문에 자연 중력식만으로 시트의 수분을 제거하는 것은 곤란하다. 따라서 수초지 하부에 소정의 압력으로 수분을 흡수하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 탈수 방법은 Wet- Laid 방식으로 부직포를 제조함에 있어 알려진 탈수 공정에 해당되므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

ⅵ) 단계는 건조하는 단계이다. ⅴ) 단계의 탈수 과정을 통해 시트에 포함되어 있던 대부분의 수분이 제거되지만, 일부 제거되지 못한 수분을 완벽하게 제거하는 단계이다. 상기 건조단계에서는 간접가열방식, 보다 상세하게는 70℃ 이상 100℃ 미만으로 조절된 오븐 내에서 건조시키는 것이 바람직하다. 온도가 100℃를 초과하면 섬유가 열분해되어 황변현상이 발생하고, 반대로 70℃ 미만이면 시트 내부의 수분이 건조되지 않기 때문에 건조 온도는 상기 범위인 것이 바람직하다.

마지막으로 ⅶ) 단계는 가공하는 단계이다. 여기서 가공하는 단계는, 나노섬유와 목재 섬유들의 결합력 향상, 평활도 향상 등을 위한 압착단계, 수초지로부터 시트를 분리하는 단계 그리고 소정의 크기로 절단하는 단계를 포함할 수 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

나노섬유와 목재섬유가 각각 1중량%로 혼합된 슬러리를 아래 표 1 및 도 2와 같은 물성을 갖는 수초지를 사용하여 탈수 및 건조효과를 조사하였다.

표 1의 결과로부터 확인할 수 있듯이, 직물 수초지를 사용한 경우 전혀 탈수가 불가능하거나 수초지의 공극 사이로 나노섬유가 통과하여 시트를 형성하는 것이 불가능하였다. 또 부직포의 경우에도 직물과 유사하게 탈수가 불가능하거나 시트가 형성되지 않았다.

이에 반해, 0.35mm의 테프론 시트를 수초지로 사용한 경우 탈수가 가능하였고 건조시 변형도 억제할 수 있었다.

	소재	Weave	두께 (mm)	공기투과도 (L/m2S)	시트 제조
직물(Woven type)	Teflon	double layer	0.35	700	탈수불가
	PET/PA	Triple layer	0.76	1,930	시트형성 불가
	PET/PA	Triple layer	0.64	2,100	시트형성 불가
	PET/PA	Triple layer	1.11	1,500	시트형성 불가
부직포 (Nowoven type)	PP 스펀본드	-	0.25	-	시트형성 불가
	PET 스펀본드	-	0.35	-	시트형성 불가
	Silk screen	-	0.23	-	탈수불가
테프론 시트 (Teflon sheet)	Teflon	-	0.13	-	건조 시 수축현상 발생 강도 낮음
			0.25	-	건조 시 수축현상 발생 강도 낮음
			0.35	-	최적 조건
			0.70	-	수축현상 발생

나노섬유와 목재섬유의 혼합비를 표 2와 같이 설정하여 제조된 시트의 물성을 조사하였다.

표 2 및 도 3의 결과로부터 확인할 수 있듯이, 목재만을 사용하거나 목재:셀룰로오스 나노 섬유를 8:2 중량비로 혼합하여 얻어진 직물은 두께가 두껍고 또하 투명도가 낮은 것으로 조사되었다. 반면 목재와 셀룰로오스 나노 섬유의 중량비가 6:4 내지 4:6인 경우에는 투명도가 92%이상이고, 또한 적절한 통기도를 가지고 있는 것을 확인할 수 있다.

원료(중량%)		두께(mm)	기공도(㎛)	투기도(Sec)	통기도(CMF)	투명도(%)
목재	셀룰로오스 나노섬유
100	0	0.23	14.47	4.1	20.8	91.1
80	20	0.21	12.44	5.5	17.1	91.6
60	40	0.18	11.59	7.0	11.9	92.0
40	60	0.14	10.78	7.9	10.4	92.1

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.

Claims (6)

1. ⅰ) 셀룰로오스 나노섬유 슬러리를 준비하는 단계;
   ⅱ) 목재 섬유 슬러리를 준비하는 단계;
   ⅲ) 목재 섬유 슬러리와 셀룰로오스 나노섬유 슬러리를 혼합하여 원료 혼합물을 준비하는 단계;
   ⅳ) 원료 혼합물을 수초지에 공급하는 단계;
   ⅴ) 탈수하는 단계;
   ⅵ) 건조하는 단계; 및
   ⅶ) 가공하는 단계를 포함하되,
   상기 ⅱ) 단계에서는 목재 섬유 슬러리에 하전 중화용 약품을 더 첨가하고,
   상기 나노섬유는 길이가 500~550nm, 직경이 20~30nm이고, 상기 목재 섬유는 길이가 500~550㎛, 직경이 20~30㎛인 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 나노섬유를 함유하는 필름의 제조방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 ⅳ) 단계에서의 수초지는 170~190mesh를 갖는 테프론 시트인 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 나노섬유를 함유하는 필름의 제조방법.
   
5. 제1항 또는 제4항의 제조방법으로 제조된 셀룰로오스 나노섬유를 함유하는 필름.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 필름은 두께 0.10~0.20nm, 투명도 92% 이상 및 통기도 10 내지 12CMF인 것을 특징으로 셀룰로오스 나노섬유를 함유하는 필름.

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