KR19990064588A - 셀룰로오스 n­메틸모펄린­n­옥사이드 용액의 제조방법 및 장치 - Google Patents

셀룰로오스 n­메틸모펄린­n­옥사이드 용액의 제조방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 셀룰로오스와 NMMO 수용액을 니더 또는 스태틱믹서로 혼합하는 단계, 전단계에 의해 완전하게 혼합된 슬러리를 박막증발기를 이용하여 NMMO의 수화도를 낮추는 단계, 및 호모게나이저를 이용하여 균질화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 N-메틸모펄린-N-옥사이드 용액의 제조방법을 제공하는 것으로, 본 발명에 의해 제조되는 셀룰로오스 용액은 매우 균질하고 투명하므로 추가공정에 의해 고품질의 셀룰로오스 섬유, 분리막 또는 필름제조에 바로 적용될 수 있다.

Description

셀룰로오스 N­메틸모펄린­N­옥사이드 용액의 제조방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PREPARATION OF CELLULOSE N-METHYLMORPHOLINE N-OXIDE SOLUTION}
본 발명은 셀룰로오스 N-메틸모펄린-N-옥사이드 용액의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 니더(Kneader) 또는 스태틱 믹서(static mixer)를 사용하여 고농도 NMMO(N-methylmorpholine N-oxide) 수용액과 셀룰로오스로 이루어진 페이스트를 제조하는 단계, 박막증발기(Thin film evaporator)를 이용하여 수화도를 낮추는 단계 및 호모게나이저를 이용하여 균질화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 매우 균질하고 투명한 셀룰로오스 N-메틸모펄린-N-옥사이드 용액의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 셀룰로오스 용액은 셀룰로오스 섬유나 셀룰로오스 필름 제조에 사용되는 것으로, 미국특허 제1179181호에서 3급 아민옥사이드계 용매를 사용하여 셀룰로오스를 용해하는 방법이 제안된 이래로 계속하여 셀룰로오스 용액의 제조방법이 개발되고 있다.
미국 특허 제4142913호, 제4144080호, 제4145532호, 제4196282호에는 NMMO 수용액에 먼저 셀룰로오스를 투입하여 팽윤시킴과 동시에 계속 감압시켜 수분을 제거하면서 셀룰로오스를 용해시키는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 미국 특허 제 4142913호의 방법에서는 NMMO 수용액내의 수분 함량이 적어 셀룰로오스의 팽윤이 일어날 수 없는 상태이므로 셀룰로오스가 제대로 용해될 수 없는 문제점이 발생한다. 한편, 팽윤이 일어날 수 있는 정도의 수분 함량을 지닌 NMMO의 경우에는 계속 감압시키면서 용해성을 띠는 정도까지 수분을 제거해야 되므로 공정시간이 길어지고 장치가 복잡해진다.
미국 특허 제4246221호, 제4416698호 및 제5216144호에서는 과량의 수분이 함유되어 있는 NMMO 수용액을 사용하고 감압시켜 수분을 제거하는 방법을 채용하고 있는데, 이러한 방법은 공정시간이 더 길어지면서 셀룰로오스의 중합도가 현저하게 감소되는 문제점을 갖는다.
또한 미국 특허 제4211574호는 10% 정도의 수분 함유량을 가진 NMMO 수용액으로 셀룰로오스를 용해시키는 방법을 개시하고 있는데, 이 경우에는 용해성이 감소하여 용해되지 않고 표면에 뜨는 셀룰로오스가 발생하여 균질한 셀룰로오스 용액을 수득하는 것이 곤란하다. 따라서 표면에 뜨는 셀룰로오스를 제거하는 공정이 부가적으로 필요하게 되고, 셀룰로오스 섬유의 방사액으로 사용할 때 방사공정에서 문제가 발생할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 기존의 셀룰로오스 용액의 제조 방법에서는 수화도가 낮은 NMM 수용액을 사용하는 경우에는 완전히 용해된 셀룰로오스 용액을 수득하기 어려울뿐만 아니라, 균질한 셀룰로오스 용액을 수득하기 어렵고, 이와 반대로 수화도가 높은 NMMO를 사용하는 경우에는 함수량을 낮추기 위한 공정에서 시간이 많이 걸려서 셀룰로오스의 중합도가 현저하게 감소하는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상술한 종래 기술의 문제점을 극복하는 것으로 NMMO를 이용하여 셀룰로오스를 용해시킨 후 용액속에 존재하는 미량의 미용해 셀룰로오스를 호모게나이저 (On-line dynamic mixer, Homogenizer)를 이용하여 완전히 용해시키는 것을 특징으로 하는 균질하고 투명한 셀룰로오스 N-메틸모펄린-N-옥사이드 용액의 제조방법을 제공하는 것이다.
즉, 본 발명은 셀룰로오스와 NMMO 수용액을 니더 또는 스태틱믹서로 혼합하는 단계, 전단계에 의해 완전하게 혼합된 슬러리를 박막증발기를 이용하여 NMMO의 수화도를 낮추는 단계, 및 호모게나이저를 이용하여 균질화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 N-메틸모펄린-N-옥사이드 용액의 제조방법 및 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 셀룰로오스 N-메틸모펄린-N-옥사이드 용액의 제조방법의 공정 개략도이다.
도 2는 본 발명에 의한 셀룰로오스 N-메틸모펄린-N-옥사이드 용액의 제조장치의 일실시예의 블럭도이다.
이하에서 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 셀룰로오스 N-메틸모펄린-N-옥사이드 용액의 제조방법의 공정 개략도이다. 본 발명에 의해 셀룰로오스 N-메틸모펄린-N-옥사이드 용액을 제조하는 경우에는 일차로 셀룰로오스 시트를 분쇄기를 이용하여 솜과 같은 상태로 만든후, 솜과 같은 상태의 셀룰로오스와 NMMO(수화물 n=1.5∼2)를 니더에 투입한 후 잘 섞어주어 페이스트상(paste phase)으로 만든다(S1). 이러한 혼련 과정중에는 셀룰로오스가 NMMO에 흡수되어 팽윤되면서 혼합되어 슬러리 상태의 페이스트가 된다. 이 때 셀룰로오스의 양은 NMMO 대비 5 내지 20중량%로 하고, NMMO의 농도는 50 내지 85%로 하는 것이 바람직하다.
이어서, 니더로부터 공급된 페이스트를 보다 균일하게 섞어주기 위하여 스태틱믹서에 주입하여 보다 균일한 페이스트 상태로 만든다. 이러한 페이스트의 형성 단계는 상기 니더 또는 스태틱 믹서만을 단독으로 사용하여 행하거나 또는 양자를 동시에 사용하여 행할 수 있다. 니더와 스태틱 믹서를 모두 사용하는 경우에는 보다 균일한 페이스트를 제조함으로써 셀룰로오스의 용해를 촉진할 수 있다.
니더 또는 스태틱 믹서에서의 페이스트 형성 단계는 자켓으로 열을 공급하여 일정한 온도에서 행하는데, 이 때 가열온도는 50∼150℃, 더욱 바람직하게 80∼120℃, 가장 바람직하게 90∼100℃로 유지하는 것이 좋다.
그 다음으로 니더 또는 스태틱믹서에 의해 완전하게 혼합된 페이스트를 박막증발기에 투입하여 진공하에서 수분 함량을 8∼14%가 될 때까지 수분을 증발시켜 제거하여 셀룰로오스를 용해시킨다(S2). 이 때 박막증발기내의 페이스트의 온도는 60∼150℃, 더욱 바람직하게 100∼110℃로 유지하고, 진공정도는 0.1∼300torr로 하는 것이 좋다. 수분증발 정도는 페이스트중의 NMMO 용액중의 NMMO 양이 85∼95%, 보다 좋게는 87∼92%될 때까지 농축시키는 것이 바람직하다. 본 발명에서와 같이 박막증발기를 이용하여 NMMO의 수화도를 낮추면 단기간내에 용액 제조 및 탈포를 할 수 있어 셀룰로오스의 분해를 최소화할 수 있다.
끝으로 박막증발기에서 제조된 용액을 호모게나이저에 투입하여 용액중에 존재하는 미량의 미용해 셀룰로오스를 완전히 용해시켜 투명하고 균질한 셀룰로오스 N-메틸모펄린-N-옥사이드 용액을 제조한다(S3).
이와 같이 하여 제조된 셀룰로오스 N-메틸모펄린-N-옥사이드 용액은 연속적인 가공공정을 추가하면 셀룰로오스 섬유, 분리막 또는 필름의 제조에 바로 적용될 수 있다. 일례로, 이 용액을 건습식방사하여 필라멘트를 제조하는 경우에는 에어갭(Air gap)의 높이는 0.5∼30cm, 연신비 5∼20배로 하고 응고액의 조성은 물 70∼95%, NMMO 5∼30%로 할 수 있다. 이 때 방사된 필라멘트사를 넬슨롤러에서 연속적으로 가교시키면 피블릴레이션이 감소되고 고강력의 필라멘트사를 제조할 수 있다. 넬슨롤러에 의해 가교시킨 후, 건조기로 건조시켜 필라멘트사를 권취한다.
본 발명에 의한 셀룰로오스 N-메틸모펄린-N-옥사이드 용액의 제조장치의 일실시예는 셀룰로오스와 NMMO 수용액을 혼련하여 페이스트로 만드는 니더; 니더로부터 이송된 페이스틀를 혼합하는 스태틱믹서; 상기 니더 및 스태틱 믹서에 의해 완전하게 혼합된 슬러리중의 수분을 증발시켜 NMMO의 수화도를 낮추는 박막증발기; 및 용액중의 미용해 셀룰로오스를 용해시키는 호모게나이저를 포함하여 구성된다. 도 2는 본 발명에 의한 셀룰로오스 N-메틸모펄린-N-옥사이드 용액의 제조장치의 일실시예의 블럭도이다. 이 장치는 도시된 바와 같이, 니더(3), 니더에서 혼련된 페이스트를 스태틱 믹서에 공급해 주는 공급펌프(4), 스태틱 믹서(5), 박막증발기(6), 공급펌프(7) 및 호모게나이저(8)를 포함하여 구성된다.
이하에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하나, 이는 단지 설명의 목적만을 위한 것으로 첨부된 본원발명의 특허청구범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
본 실시예에서 셀룰로오스의 중합도 측정 방법은 다음과 같다. 셀룰로오스의 고유점도(Ⅳ)는 ASTM D539-51T에 의거 각 농도에 대한 비점도의 값에 대한 관계로부터, 하기 수학식 1을 이용하여 측정하였다. 셀룰로오스의 중합도는 하기 수학식 1로부터 구한 고유점도와 중합도와의 관계를 나타내는 하기 수학식 2에 의해 산출하였다.
(1)
DP=1.71×102IV1.1(2)
실시예 1
시트 형태인 셀룰로오스(Buckeye Cellulose Corporation, 중합도 V 81, DP:1180)를 3cm×3cm 크기로 잘라 분쇄기에 투입하여 솜과 같은 형태로 만들었다. 용매로 사용한 NMMO는 50% 수용액을 사용하되, 이 용액을 NMMO 농도 약 80%로 농축하여 사용하였다. 농도가 76%인 NMMO 수용액(2)과 솜과 같은 형태의 셀룰로오스(1)를 NMMO 용액 대비 18중량%를 니더(3)에 투입하였다. 이 때 니더내의 온도는 지켓으로 열을 공급하여 약 90℃로 유지하였다. 페이스트를 피드펌프(Booster pump)(4)를 통하여 스태틱믹서(static mixer, Shultzer사, SMX type)(5)에 투입하여 보다 더 균일한 페이스트 상태로 만들었는데, 이 때 스태틱믹서 내부의 온도는 니더내의 온도와 동일하게 유지하였다. 스태틱믹서(5)에서 나온 페이스트를 박막증발기(6)에 투입하여 110℃, 20torr의 진공상태에서 수분을 증발시켜 페이스트중의 NMMO 용액중의 NMMO 함량이 90%가 되도록 농축시켜 셀룰로오스를 용해시켰다. 이 셀룰로오스 용액을 다시 피드펌프(7)를 통하여 호모게나이저(8)로 도입하여 용액중의 미용해 셀룰로오스를 완전히 용해시켜 매우 균질한 투명 용액을 제조하였다. 이렇게 제조된 셀룰로오스 용액의 중합도는 920이었으며 편광현미경을 이용하여 용액을 관찰한 결과 미용해 셀룰로오스가 전혀 없었다.
실시예 2
중합도가 V-5, DP:1620인 셀룰로오스(Buckeye Cellulose Corporation)를 사용하고 셀룰로오스의 함량을 NMMO 용액 대비 12%로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 셀룰로오스 용액을 제조하였다. 이렇게 제조된 셀룰로오스 용액의 중합도는 1350이었으며 편광현미경을 이용하여 용액을 관찰한 결과 미용해 셀룰로오스가 발견되지 않았다.
실시예 3
중합도가 V-60, DP:855인 셀룰로오스(Buckeye Cellulose Corporation)를 사용하고 셀룰로오스의 함량을 NMMO 용액 대비 20%로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 셀룰로오스 용액을 제조하였다. 이렇게 제조된 셀룰로오스 용액의 중합도는 720이었으며 편광현미경을 이용하여 용액을 관찰한 결과 미용해 셀룰로오스가 발견되지 않았다.
실시예 4
셀룰로오스의 양을 NMMO 대비 12%로 낮춘 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 셀룰로오스 용액을 제조하였다. 이렇게 제조된 셀룰로오스 용액의 중합도는 940이었으며 편광현미경을 이용하여 용액을 관찰한 결과 미용해 셀룰로오스가 전혀 없었다.
실시예 5
스태틱믹서에 의한 혼합공정을 거치지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 셀룰로오스 용액을 제조하였다. 이렇게 제조된 셀룰로오스 용액의 중합도는 950이었으며 편광현미경을 이용하여 용액을 관찰한 결과 미용해 셀룰로오스가 극미량 발견되었다.
실시예 6
셀룰로오스의 양을 NMMO 대비 12%로 낮춘 것을 제외하고 실시예 4와 동일한 방법으로 셀룰로오스 용액을 제조하였다. 이렇게 제조된 셀룰로오스 용액의 중합도는 950이었으며 편광현미경을 이용하여 용액을 관찰한 결과 미용해 셀룰로오스가 전혀 없었다.
실시예 7
셀룰로오스의 양을 NMMO 대비 12%로 낮춘 것을 제외하고 실시예 4와 동일한 방법으로 셀룰로오스 용액을 제조하였다. 이렇게 제조된 셀룰로오스 용액의 중합도는 950이었으며 편광현미경을 이용하여 용액을 관찰한 결과 미용해 셀룰로오스가 전혀 없었다.
비교예 1
호모게나이저에 의한 균질화 공정을 거치지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 셀룰로오스 용액을 제조하였다. 이렇게 제조된 셀롤로스용액의 중합도는 960이었으며 편광현미경을 이용하여 용액을 관찰한 결과 미량의 미용해 셀룰로오스가 발견되었다.
비교예 2
셀룰로오스(Buckeye사, DP:1180)를 분쇄기에 투입하여 솜과 같은 형태로 만든다음, NMMO 농도가 76%인 수용액 및 솜과 같은 형태의 셀룰로오스를 NMMO 용액 대비 15w%를 교반기가 설치된 용해조에 투입하였다. 용해조의 온도를 90℃로 유지하고 교반하면서 20torr의 진공을 걸어 페이스트중의 수분을 제거하고, 페이스트내 NMMO 용액중 NMMO 함량이 90%로 되도록 농축시켜 셀룰로오스를 용해시켰다. 이렇게 제조된 셀룰로오스 용액의 중합도는 840이었으며 편광현미경을 이용하여 용액을 관찰한 결과 미용해 셀룰로오스가 다량 존재하였다.
본 발명에 의하면, 단시간내에 매우 균질하고 투명한 셀룰로오스 N-메틸모펄린-N-옥사이드 용액을 제조할 수 있고, 이와 같이 해서 수득되는 셀룰로오스 용액은 추가공정에 의해 고품질의 셀룰로오스 섬유, 분리막 또는 필름제조에 바로 적용될 수 있다.

Claims (5)

  1. 셀룰로오스와 NMMO 수용액을 니더 또는 스태틱믹서로 혼합하여 페이스트 상태로 제조하는 단계, 전단계에 의해 완전하게 혼합된 슬러리를 박막증발기를 이용하여 NMMO의 수화도를 낮추는 단계, 및 호모게나이저를 이용하여 균질화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 N-메틸모펄린-N-옥사이드 용액의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 셀룰로오스의 양은 NMMO 대비 5∼20중량%로 하고 NMMO 수용액중의 NMMO의 농도는 50∼85%로 하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 N-메틸모펄린-N-옥사이드 용액의 제조방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서 니더와 스태틱믹서내 페이스트의 온도를 50∼150℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 N-메틸모펄린-N-옥사이드 용액의 제조방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 박막증발공정을 60∼150℃의 온도 및 0.1∼300torr의 진공하에서 행하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 N-메틸모펄린-N-옥사이드 용액의 제조방법.
  5. 셀룰로오스와 NMMO 수용액을 혼련하여 페이스트로 만드는 니더; 니더로부터 이송된 페이스트를 혼합하는 스태틱믹서; 상기 니더 및 스태틱 믹서에 의해 완전하게 혼합된 슬러리중의 수분을 증발시켜 NMMO의 수화도를 낮추는 박막증발기; 및 용액중의 미용해 셀룰로오스를 용해시키는 호모게나이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 N-메틸모펄린-N-옥사이드 용액의 제조장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20020048785A (ko) * 2000-12-18 2002-06-24 조 정 래 셀룰로즈 용액의 제조방법

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