KR20190062101A - Cellulose nanofibrils and manufacturing method thereof - Google Patents

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KR20190062101A
KR20190062101A KR1020180008853A KR20180008853A KR20190062101A KR 20190062101 A KR20190062101 A KR 20190062101A KR 1020180008853 A KR1020180008853 A KR 1020180008853A KR 20180008853 A KR20180008853 A KR 20180008853A KR 20190062101 A KR20190062101 A KR 20190062101A
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윤혜정
이학래
임완희
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서울대학교산학협력단
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Abstract

A method for manufacturing cellulose nanofibrils and cellulose nanofibrils manufactured thereby are provided. The method for manufacturing cellulose nanofibrils may comprise the steps of pretreating pulp and manufacturing cellulose nanofibrils with the pretreated pulp. The present invention provides a method for manufacturing low-cost and high-efficiency cellulose nanofibrils.

Description

셀룰로오스 나노피브릴 및 그 제조방법{CELLULOSE NANOFIBRILS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a cellulose nano-

본 발명은 셀룰로오스 나노피브릴 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a cellulose nano-fibril and a method for producing the same.

목재 및 비 목재 펄프섬유로부터 제조되는 셀룰로오스 나노피브릴(Cellulose nanofibrils, CNF)은 형태학적으로 100 nm 미만의 직경과 수 μm의 길이를 갖는다. 식물로부터 유래되는 셀룰로오스 기반의 물질이기 때문에 친환경적이고 생분해가 가능하며 높은 강도적 특성으로 인하여 고분자필름의 강도 보강재, 투명 필름, 하이드로젤, 및 유변물성 개선제 등 많은 분야에 적용될 수 있다. Cellulose nanofibrils (CNF) made from wood and non-wood pulp fibers morphologically have a diameter of less than 100 nm and a length of several micrometers. Because it is a cellulose-based material derived from plants, it is environmentally friendly and biodegradable. Due to its high strength properties, it can be applied to many fields such as strength reinforcing materials for polymer films, transparent films, hydrogels, and rheological properties improvers.

하지만 상기 셀룰로오스 나노피브릴을 제조할 때, 높은 에너지 소비로 인해 생산 원가가 매우 높다는 단점이 있다. 적절한 전처리를 통해 상기 셀룰로오스 나노피브릴 제조 에너지를 낮추려는 공정이 연구 개발되고 있으나, 상기 공정에 의해 제조된 셀룰로오스 나노피브릴은 평균 직경이 100 nm 수준으로 크고 직경 분포가 넓어 최종제품으로의 균일한 품질 확보가 어렵다. 또한, 펄프의 용매 치환 등의 과정으로 용매 시스템이 복잡하다는 단점이 있다.However, when manufacturing the cellulose nano-fibrils, there is a disadvantage that the production cost is very high due to high energy consumption. Processes for lowering the production energy of the cellulose nano-fibrils through appropriate pretreatment have been researched and developed. However, the cellulose nano-fibrils prepared by the process have a large average diameter of 100 nm and a large diameter distribution, It is difficult to secure quality. In addition, there is a disadvantage in that the solvent system is complicated by the process of replacing the pulp with a solvent.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 저비용 고효율의 셀룰로오스 나노피브릴의 제조방법을 제공한다.In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a method for producing low cost and high efficiency cellulose nano fibrils.

본 발명은 상기의 제조방법에 따라 제조되는 셀룰로오스 나노피브릴을 제공한다.The present invention provides cellulose nano-fibrils produced according to the above-mentioned production method.

본 발명의 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 명확해 질 것이다.Other objects of the present invention will become apparent from the following detailed description and the accompanying drawings.

본 발명의 실시예들에 따른 셀룰로오스 나노피브릴의 제조방법은 펄프를 전처리하는 단계 및 상기 전처리된 펄프로 셀룰로오스 나노피브릴을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.The method for producing cellulose nano-fibrils according to embodiments of the present invention may include a step of pretreating the pulp and a step of producing the cellulose nano-fibril with the pretreated pulp.

상기 전처리는 상기 펄프에 포함된 수분을 제거하기 위한 용매 치환 과정 없이 수행될 수 있다.The pretreatment may be performed without a solvent replacement step to remove moisture contained in the pulp.

상기 전처리 단계는 상기 펄프를 카르복시메틸화하는 단계를 포함하고 상기 카르복시메틸화 단계는 상기 펄프를 알칼리제와 반응시켜 알칼리화하는 단계 및 할로겐카르복시산과 반응시켜 에테르화하는 단계를 포함할 수 있다.Wherein the pretreatment step comprises carboxymethylation of the pulp, wherein the carboxymethylation step comprises alkalizing by reacting the pulp with an alkaline agent, and etherifying the pulp with a halogen carboxylic acid.

상기 에테르화 단계는 상기 알칼리화 단계 진행 후에 진행될 수 있다.The etherification step may proceed after the alkalization step.

상기 알칼리제와 상기 할로겐카르복시산은 단일 용매에 용해될 수 있고, 상기 용매는 아이소프로판올일 수 있다.The alkali agent and the halogen carboxylic acid may be dissolved in a single solvent, and the solvent may be isopropanol.

상기 알칼리화 단계는 25 내지 45℃에서 20 내지 40분 동안 진행될 수 있다.The alkalization step may be carried out at 25 to 45 DEG C for 20 to 40 minutes.

상기 에테르화 단계는 55 내지 75℃에서 50 내지 70분 동안 진행될 수 있다.The etherification step may be carried out at 55 to 75 占 폚 for 50 to 70 minutes.

상기 전처리 단계는, 상기 카르복시메틸화된 펄프를 세척하는 단계를 더 포함하고, 상기 카르복시메틸화된 펄프를 세척하는 단계는 상기 카르복시메틸화된 펄프의 전기전도도가 10 내지 30 μS/cm이고, pH가 6 내지 8 이 될 때까지 세척될 수 있다.Wherein the pre-treating step further comprises washing the carboxymethylated pulp, wherein the step of washing the carboxymethylated pulp comprises washing the carboxymethylated pulp with a carboxymethylated pulp having an electrical conductivity of 10 to 30 μS / cm, 8 < / RTI >

상기 셀룰로오스 나노피브릴을 제조하는 단계는 상기 카르복시메틸화된 펄프를 희석하는 단계 및 상기 희석된 펄프를 균질화하여 나노피브릴화하는 단계를 포함할 수 있다.The step of preparing the cellulose nanofibrils may include diluting the carboxymethylated pulp and homogenizing the diluted pulp to nanofibrillate.

상기 균질화는 그라인더, 호모게나이저, 및 마이크로플루다이저 중에서 선택된 1 이상의 방법을 사용할 수 있다.The homogenization may be carried out using one or more methods selected from a grinder, a homogenizer, and a microfluidizer.

본 발명의 실시예들에 따른 셀룰로오스 나노피브릴은 상기 제조방법에 따라 제조될 수 있다.The cellulose nano-fibrils according to the embodiments of the present invention can be produced according to the above-described manufacturing method.

상기 제조된 셀룰로오스 나노피브릴은 5 내지 20 nm의 균일한 직경을 가질 수 있다.The prepared cellulose nano-fibrils may have a uniform diameter of 5 to 20 nm.

본 발명의 실시예들에 따른 셀룰로오스 나노피브릴 제조방법은 공정이 간단하고 단일 용매를 사용하여 비용을 절감할 수 있다.The method of manufacturing the cellulose nano-fibrils according to the embodiments of the present invention is simple in process and can reduce the cost by using a single solvent.

본 발명의 실시예들에 따른 셀룰로오스 나노피브릴 제조방법은 적은 에너지로도 직경이 작고 균일한 셀룰로오스 나노피브릴을 제조할 수 있다.The method for producing cellulose nano-fibrils according to the embodiments of the present invention can produce uniform cellulose nano-fibrils having a small diameter even with a small energy.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀룰로오스 나노피브릴 제조 방법의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 반응 조건에서 제조된 카르복시메틸화 펄프의 카르복실기 함량을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예 2의 실험 1에 따른 펄프 함량에 따른 카르복실기 및 수분의 함량을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예 2의 실험 2에 따른 카르복실기에 대한 수분 함량의 영향으로 전도도 적정 결과를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예 2의 실험 2에 따른 수분 함량과 카르복실기 함량을 비교하여 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예 2의 실험 3에 따른 아이소프로판올 용량의 함수로서의 카르복실기 함량 및 총 수분 함량을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 펄프의 카르복실기 함량을 나타낸다.
도 8은 도 7의 실시예에 따른 세 반응의 패스 수에 따른 저전단 점도를 나타낸다.
도 9는 도 7의 실시예에 따른 카르복시메틸화된 셀룰로오스 나노피브릴의 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM) 이미지를 나타낸다.
도 10은 도 7의 실시예에 따른 희석된 셀룰로오스 나노피브릴의 터비스캔 안정화 지수(TSI)를 시간에 따라 나타낸다.
1 is a flow chart of a method for producing cellulose nano-fibrils according to an embodiment of the present invention.
2 shows the carboxyl group content of the carboxymethylated pulp produced under the reaction conditions according to Example 1 of the present invention.
Fig. 3 shows the content of carboxyl groups and moisture according to the pulp content according to Experiment 1 of Example 2 of the present invention. Fig.
Fig. 4 shows conductivity measurement results due to the influence of moisture content on the carboxyl group according to Experiment 2 of Example 2 of the present invention.
Fig. 5 shows the moisture content and the carboxyl content in the second experiment according to the second embodiment of the present invention.
Figure 6 shows the carboxyl group content and total moisture content as a function of isopropanol capacity according to Experiment 3 of Example 2 of the present invention.
Figure 7 shows the carboxyl group content of the pulp prepared according to Example 3 of the present invention.
FIG. 8 shows the low shear viscosity according to the number of passes of three reactions according to the embodiment of FIG.
FIG. 9 shows a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) image of the carboxymethylated cellulose nano-fibril according to the embodiment of FIG.
Figure 10 shows the TSI of the diluted cellulose nano-fibrils according to the embodiment of Figure 7 over time.

이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예들을 통해 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 된다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. The objects, features and advantages of the present invention will be easily understood by the following embodiments. The present invention is not limited to the embodiments described herein, but may be embodied in other forms. The embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure may be thorough and complete, and that those skilled in the art will be able to convey the spirit of the invention to those skilled in the art. Therefore, the present invention should not be limited by the following examples.

도면들에서 요소의 크기, 또는 요소들 사이의 상대적인 크기는 본 발명에 대한 더욱 명확한 이해를 위해서 다소 과장되게 도시될 수 있다. 또, 도면들에 도시된 요소의 형상이 제조 공정상의 변이 등에 의해서 다소 변경될 수 있을 것이다. 따라서, 본 명세서에서 개시된 실시예들은 특별한 언급이 없는 한 도면에 도시된 형상으로 한정되어서는 안 되며, 어느 정도의 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The sizes of the elements in the figures, or the relative sizes between the elements, may be exaggerated somewhat for a clearer understanding of the present invention. In addition, the shape of the elements shown in the drawings may be somewhat modified by variations in the manufacturing process or the like. Accordingly, the embodiments disclosed herein should not be construed as limited to the shapes shown in the drawings unless specifically stated, and should be understood to include some modifications.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀룰로오스 나노피브릴 제조 방법의 흐름도이다.1 is a flow chart of a method for producing cellulose nano-fibrils according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 셀룰로오스 나노피브릴의 제조 방법은 펄프를 전처리하는 단계 및 상기 전처리된 펄프로 셀룰로오스 나노피브릴을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a method for producing a cellulose nano-fibril may include a step of pretreating pulp and a step of preparing cellulose nano-fibril with the pretreated pulp.

전처리 단계는 상기 펄프를 준비하는 단계, 상기 준비된 펄프를 카르복시메틸화하는 단계, 및 상기 카르복시메틸화된 펄프를 세척하는 단계를 포함할 수 있다.The pretreatment step may comprise the steps of preparing the pulp, carmethylating the prepared pulp, and washing the carboxymethylated pulp.

펄프 준비 단계는 상기 펄프를 용매 치환 없이 탈수만을 진행할 수 있다. 탈수만 진행하는 상기 펄프 준비 단계로 인해 기존에 상기 용매 치환에 사용되는 용매와 관련된 비용이 절감될 수 있다. 상기 펄프는 상기 준비 단계를 통해 10 내지 20 중량%, 상세하게는 22 중량%으로 만들어질 수 있다.In the pulp preparation step, the pulp may be subjected to dehydration without solvent substitution. The pulp preparation step, which is only dehydrated, can reduce the cost associated with the solvent used in the conventional solvent replacement. The pulp may be made to be 10 to 20 wt%, particularly 22 wt%, through the preparation step.

카르복시메틸화 단계는 상기 펄프 표면에 카르복시메틸기를 붙여 전기적 반발력이 작용하게 하는 전처리 과정으로, 알칼리화 단계 및 에테르화 단계를 포함할 수 있고, 상기 알칼리화 단계 후에 상기 에테르화 단계가 진행될 수 있다. The carboxymethylation step may be a pretreatment step in which a carboxymethyl group is attached to the pulp surface so that an electric repulsive force acts, and may include an alkalization step and an etherification step, and the etherification step may be performed after the alkalization step.

알칼리화 단계는 상기 카르복시메틸화의 첫번째 단계로, 상기 준비된 펄프를 알칼리제, 예를 들어 수산화나트륨과 반응시켜 알칼리화할 수 있다. 상기 알칼리화는 식 [1]과 같이 수산화나트륨과 상기 펄프의 하이드록시기(Hydroxyl Group) 사이의 반응으로 진행될 수 있다.The alkalizing step is the first step of the carboxymethylation, and the prepared pulp can be alkalized by reacting with an alkaline agent such as sodium hydroxide. The alkalization can proceed by a reaction between sodium hydroxide and the hydroxyl group of the pulp as shown in Equation [1].

ROH + NaOH ↔ RONa + H2O [1] ROH + NaOH ↔ RONa + H 2 O [1]

여기서 R은 펄프 섬유의 주축(backbone)이다. Where R is the backbone of the pulp fibers.

상기 반응이 진행되면 상기 펄프의 알칼리화 정도가 증가하고, 상기 알칼리화 정도가 클수록 카르복시메틸화의 반응성이 증가될 수 있다. 상기 알칼리화 단계는 25 내지 45℃에서 20 내지 40분, 상세하게는 35 ℃에서 30분간 반응이 진행될 수 있다.As the reaction proceeds, the degree of alkalization of the pulp increases, and as the degree of alkalization increases, the reactivity of carboxymethylation can be increased. The alkalization step may be carried out at 25 to 45 ° C for 20 to 40 minutes, more specifically at 35 ° C for 30 minutes.

에테르화 단계는 상기 카르복시메틸화의 두번째 단계로, 상기 알칼리화된 펄프를 식 [2]와 같이 모노클로로아세트산(Monochloroacetic acid, MCA)과 같은 할로겐카르복시산과 반응될 수 있다.The etherification step is the second step of the above-mentioned carboxymethylation, and the alkalized pulp can be reacted with a halogen carboxylic acid such as monochloroacetic acid (MCA) according to the formula [2].

RONa + ClCH2COONa ↔ ROCH2COONa + NaCl [2]RONa + ClCH 2 COONa ↔ ROCH 2 COONa + NaCl [2]

상기 에테르화 단계는 55 내지 75℃에서 50 내지 70분, 상세하게는 65 ℃에서 60분간 반응이 진행될 수 있다.The etherification step may be carried out at 55 to 75 ° C for 50 to 70 minutes, more specifically at 65 ° C for 60 minutes.

상기 알칼리화 단계의 상기 수산화나트륨 및 상기 에테르화 단계에서 상기 모노클로로아세트산은 단일 용매에 용해되어 상기 반응이 진행될 수 있고, 상기 단일 용매는 예를 들어, 아이소프로판올(Isopropanol)일 수 있다.The sodium hydroxide in the alkalizing step and the monochloroacetic acid in the etherification step may be dissolved in a single solvent and the reaction may proceed, and the single solvent may be, for example, isopropanol.

상기 카르복시메틸화를 통해 상기 펄프 섬유의 하이드록시기(-OH) 위치에 치환된 카르복시메틸기는 이온화하여 -CH2COO- 형태로 존재하기 때문에 상기 섬유 표면에 음이온성을 부여할 수 있다. 상기 카르복시메틸기가 치환된 정도에 따라 수분에 대한 용해성과 점도 특성 등이 달라질 수 있다. 상기 카르복시메틸화는 수분 보유율을 증가시키고 비결정성 셀룰로오스에 대한 결정성의 비율을 상당히 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 음이온성의 증가는 최종적으로 기계적 처리에 의한 셀룰로오스 나노피브릴 제조 시 소모되는 에너지를 줄일 수 있다. The carboxymethyl group substituted on a hydroxyl group (-OH) position in the fiber pulp through the carboxymethylated is -CH 2 COO ionized - can be assigned an anionic to the fiber surface due to the presence of the form. Depending on the degree of substitution of the carboxymethyl group, the solubility in water and the viscosity characteristics may vary. The carboxymethylation can increase the moisture retention rate and significantly reduce the rate of crystallinity to amorphous cellulose. In addition, the increase of the anionic property can finally reduce the energy consumed in the production of the cellulose nanofibrils by the mechanical treatment.

세척 단계는 상기 반응 용매를 제거하고, 전기전도도가 10 내지 30 μS/cm이고, pH가 6 내지 8, 상세하게는 전기전도도 20μS/cm, pH 7 정도가 될 때까지 상기 펄프를 세척할 수 있다.In the washing step, the reaction solvent is removed and the pulp can be washed until the electric conductivity is 10 to 30 μS / cm and the pH is 6 to 8, specifically, the electrical conductivity is 20 μS / cm, and the pH is 7 .

셀룰로오스 나노피브릴을 제조하는 단계는 카르복시메틸화된 펄프를 희석하는 단계 및 상기 희석된 펄프를 균일화하여 나노피브릴화하는 단계를 포함할 수 있다.The step of preparing the cellulose nanofibrils may include diluting the carboxymethylated pulp and homogenizing the diluted pulp to nanofibrillate.

카르복시메틸화된 펄프를 희석하는 단계는 상기 카르복시메틸화된 펄프로 현탁액이 제조될 수 있다. 상기 현탁액은 0.5 내지 2.5 중량%, 상세하게는 1.5 중량%로 조절될 수 있다.The step of diluting the carboxymethylated pulp may be carried out by suspending the carboxymethylated pulp. The suspension may be adjusted to 0.5 to 2.5% by weight, specifically 1.5% by weight.

나노피브릴화 단계는 상기 현탁액을 기계적으로 균일화하여 셀룰로오스 나노피브릴이 제조될 수 있다. 상기 균일화는 그라인더, 호모게나이저, 및 마이크로플루다이저 중에서 선택된 1 이상의 방법을 사용할 수 있다.The nanofibrillating step can mechanically homogenize the suspension to produce the cellulose nanofibrils. The homogenization may be performed using one or more methods selected from a grinder, a homogenizer, and a microfluidizer.

상기 제조방법에 따라 제조된 셀룰로오스 나노피브릴은 5 내지 20 nm, 상세하게는 12 내지 15nm 정도의 균일한 직경을 가질 수 있다.The cellulose nano-fibrils prepared according to the above-described preparation method may have a uniform diameter of about 5 to 20 nm, particularly about 12 to 15 nm.

[실험준비][Preparation of experiment]

화학적 전처리가 셀룰로오스 나노피브릴 생산에 미치는 영향을 조사하기 위해, 미건조(never-dried) 유칼립투스 크라프트 펄프를 원료로 사용한다. 상기 펄프는 카르복시메틸화 전에 탈이온수로 세척되었다. 펄프 섬유의 화학적 조성은 태피(TAPPI) 방법(T 203 om-93)에 따라 측정되었다. 상기 펄프는 79.4% ± 0.6%의 셀룰로오스, 18.8% ± 0.2%의 헤미셀룰로오스 및 소량의 리그닌과 회분으로 구성되었다.In order to investigate the effect of chemical pretreatment on the production of cellulose nanofibrils, never-dried eucalyptus kraft pulp is used as a raw material. The pulp was washed with deionized water before carboxymethylation. The chemical composition of the pulp fibers was measured according to the TAPPI method (T 203 om-93). The pulp consisted of 79.4% ± 0.6% cellulose, 18.8% ± 0.2% hemicellulose and a small amount of lignin and ash.

카르복시메틸화를 위해, 모노클로로아세트산(Sigma Aldrich, 99.0%, MCA), 에탄올(Duksan Reagents, 99.9%), 수산화나트륨(Samchun chemical, 98.0%), 아이소프로판올(Duksan Reagents, 99.5%), 및 메탄올(Duksan Reagents, 99.8%)을 추가의 정제 없이 사용하였다.(Sigma Aldrich, 99.0%, MCA), ethanol (Duksan Reagents, 99.9%), sodium hydroxide (Samchun chemical, 98.0%), isopropanol (Duksan Reagents, 99.5%), and methanol Duksan Reagents, 99.8%) was used without further purification.

[실시예 1 - 카르복시메틸화 반응성 비교][Example 1-Comparison of Carboxymethylation Reactivity]

[실험조건][Experimental Conditions]

카르복시메틸화의 반응성에 대한 반응 순서와 용매 유형의 영향을 조사하기 위해 4가지 실험을 수행하였다. 표 1은 펄프의 카르복시메틸화를 위해 시험된 반응조건을 나타낸다.Four experiments were conducted to investigate the effect of reaction sequence and solvent type on the reactivity of carboxymethylation. Table 1 shows the reaction conditions tested for carboxymethylation of the pulp.



Experiment


Experiment

Solvent
exchange of pulp

Solvent
exchange of pulp
Reaction 1
(30min, 35℃)
Reaction 1
(30 min, 35 < 0 > C)
Reaction 2
(60min, 65℃)
Reaction 2
(60 min, 65 < 0 > C)

Chemical and solvent

Chemical and solvent

1

One

Yes

Yes

MCA in 200mL IPA

MCA in 200mL IPA

NaOH in 300mL
MeOH & IPA

300 mL of NaOH
MeOH & IPA

2

2

No

No

MCA in 200mL IPA

MCA in 200mL IPA

NaOH in 300mL
MeOH & IPA

300 mL of NaOH
MeOH & IPA

3

3

No

No

NaOH in 300mL
MeOH & IPA

300 mL of NaOH
MeOH & IPA

MCA in 200mL IPA

MCA in 200mL IPA

4

4

No

No

NaOH in 300mL IPA

NaOH in 300 mL IPA

MCA in 200mL IPA

MCA in 200mL IPA

실험 1은 기존의 방법에 따라 해리된 펄프 섬유를 에탄올 100mL에 펄프 1g을 3회 세척함으로써 에탄올로 용매 치환시켰다. 상기 펄프는 각각의 용매 치환 단계 후, 18 중량%의 농도로 진공 여과 시스템을 사용하여 여과되었다. 그 다음, 상기 섬유는 35℃에서 30분 동안 0.96 mmol/g의 모노클로로아세트산이 용해된 200mL의 아이소프로판올에 함침되는 제1 반응이 수행되었다. 상기 반응 챔버에 3.68 mmol/g의 수산화나트륨을 용해시킨 아이소프로판올과 메탄올 혼합물(아이소프로판올 대 메탄올의 부피비는 4:1) 300mL를 추가하고 65℃에서 60분 동안 교반하는 제2 반응이 수행되었다. 실험 1은 카르복시메틸화된 셀룰로오스 나노피브릴을 준비하는 전형적인 방법으로 알려져 있다.In Experiment 1, the pulp fibers dissociated in accordance with the conventional method were solubilized with ethanol by washing three times with 1 g of pulp in 100 mL of ethanol. After each solvent displacement step, the pulp was filtered using a vacuum filtration system at a concentration of 18% by weight. The fibers were then subjected to a first reaction in which 200 ml of isopropanol, in which 0.96 mmol / g of monochloroacetic acid was dissolved at 35 占 폚 for 30 minutes, was impregnated. A second reaction was conducted in which 300 mL of an isopropanol-methanol mixture (in which the ratio of isopropanol to methanol was 4: 1 by volume) in which 3.68 mmol / g sodium hydroxide had been dissolved was added to the reaction chamber and stirred at 65 ° C for 60 minutes. Experiment 1 is known as a typical method for preparing carboxymethylated cellulosic nanofibrils.

실험 2는 펄프에 대한 용매 치환 처리 없이 실험 1과 동일하게 제1 반응 및 제2 반응이 수행되었다. 비 용매 치환 펄프의 농도는 22 중량%였다. 실험 3은 반응 순서에 따른 영향을 조사하기 위해, 혼합 용매로 에테르화 전에 선 알칼리화가 수행되었다. 실험 4는 아이소프로판올에서의 선 알칼리화에 이어지는 카르복시메틸화로 구성되었다. 반응 후, 카르복시메틸화된 펄프 섬유는 pH가 7 ± 0.5에 도달하고, 전도도가 ≤20μS/cm에 도달할 때까지 탈 이온수로 세척되었다.In Experiment 2, the first reaction and the second reaction were carried out in the same manner as Experiment 1 without solvent substitution treatment on the pulp. The concentration of the non-solvent-substituted pulp was 22% by weight. Experiment 3 was preceded by prealtering with a mixed solvent before etherification to investigate the effect of the reaction sequence. Experiment 4 consisted of carboxymethylation following successive alkalization in isopropanol. After the reaction, the carboxymethylated pulp fibers were washed with deionized water until the pH reached 7 + 0.5 and the conductivity reached ≤20 μS / cm.

[카르복실기 함량 측정][Measurement of carboxyl group content]

카르복시메틸화된 펄프의 카르복실기 함량은 전도도 적정법을 사용하여 측정되었다. 간단히 말하면, 펄프 1g은 모든 산성 기가 반대 이온으로서 H+를 수용할 때까지 양성자 형태로 전환되었고, 그 다음 0.05 mol/L 수산화나트륨으로 적정되었다. 카르복실기의 총량은 방정식 [3]에 따라 계산되었다.The carboxyl group content of the carboxymethylated pulp was determined using the conductivity titration method. Briefly, 1 g of pulp was converted to a proton form until all acid groups had received H + as counterion, and then titrated with 0.05 mol / L sodium hydroxide. The total amount of carboxyl groups was calculated according to equation [3].

카르복실기 함량 = (CNaOH × VNaOH) / w [3]Carboxyl group content = (C NaOH x V NaOH ) / w [3]

여기서 CNaOH, VNaOH 및 w는 각각 수산화나트륨 용액의 농도, 수산화나트륨 용액의 부피 및 시료의 오븐 건조 중량을 나타낸다.Where C NaOH , V NaOH, and w represent the concentration of sodium hydroxide solution, the volume of sodium hydroxide solution, and the oven dry weight of the sample, respectively.

[결과][result]

도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 반응 조건에서 제조된 카르복시메틸화 펄프의 카르복실기 함량을 나타낸다. 2 shows the carboxyl group content of the carboxymethylated pulp produced under the reaction conditions according to Example 1 of the present invention.

도 2를 참조하면, 표 1의 실험 2, 3, 및 4와 같이 용매 치환되지 않은 펄프의 경우가 실험 1과 같이 용매 치환된 펄프의 경우보다 더 높은 카르복실기 함량이 얻어졌다. 상기 용매 치환 공정은 다량의 에탄올을 사용하여 수행되었고, 이는 셀룰로오스 나노피브릴의 생산 비용을 현저히 증가시킨다. 상기 용매 치환 공정은 카르복시메틸화 반응 및 비용 절감에 이점을 제공하지 않는다는 것이 명백하다. Referring to FIG. 2, as in Experiments 2, 3 and 4 of Table 1, the case of the non-solvent-substituted pulp was higher than that of the solvent-substituted pulp as in Experiment 1. FIG. The solvent replacement process was carried out using a large amount of ethanol, which significantly increases the production cost of the cellulose nanofibrils. It is clear that the solvent substitution process does not provide benefits for the carboxymethylation reaction and cost savings.

실험 3의 경우, 상기 용매 치환 공정 없이 알칼리화를 먼저 수행했을 때 카르복실 함량은 150μmol/g으로 증가되었다. 실험 4와 같이, 아이소프로판올이 비 용매 치환 펄프의 선 알칼리화 후 에테르화를 위한 유일한 용매로 사용되었을 때 310μmol/g의 가장 높은 카르복실 함량이 얻어졌다. 이 결과로 상기 아이소프로판올이 메탄올 및 아이소프로판올의 혼합 용매보다 실질적으로 우수한 반응 활성을 나타냄을 알 수 있다.In Experiment 3, when alkalization was first carried out without the solvent substitution process, the carboxyl content was increased to 150 μmol / g. As in Experiment 4, the highest carboxyl content of 310 μmol / g was obtained when isopropanol was used as the sole solvent for etherification after pre-alkalization of non-solvent-substituted pulp. As a result, it can be seen that the isopropanol exhibits substantially better reaction activity than the mixed solvent of methanol and isopropanol.

셀룰로오스 섬유를 둘러싼 액상은 농축된 수산화나트륨과 수분을 함유하고 있는 것으로 보아, 펄프로부터 유도된 소량의 수분은 수산화나트륨을 함유하는 아이소프로판올에 용해될 것이다. 대용량 아이소프로판올은 상기 섬유 표면을 둘러싸는 액상보다 수분 및 수산화 나트륨이 적다. 따라서, 고농축 알칼리 용액이 상기 섬유 주위에 존재하여 알칼리화 및 카르복시메틸화를 증가시킬 수 있다. 또한, 카르복시메틸화를 위한 아이소프로판올의 사용은 비극성 용매의 낮은 하이드록실기 활성이 모노클로로아세트산에 대한 내성 환경을 제공하기 때문에 부반응을 적게 일으킨다.Since the liquid phase surrounding the cellulose fibers contains concentrated sodium hydroxide and water, a small amount of water derived from the pulp will be dissolved in isopropanol containing sodium hydroxide. The high-capacity isopropanol has less moisture and sodium hydroxide than the liquid phase surrounding the fiber surface. Thus, a highly concentrated alkali solution can be present around the fibers to increase alkalization and carboxymethylation. In addition, the use of isopropanol for carboxymethylation results in less side reactions because the low hydroxyl group activity of the nonpolar solvent provides a resistant environment for monochloroacetic acid.

[실시예 2 - 펄프 농도 및 수분에 의한 영향성 평가][Example 2 - Evaluation of influence by pulp concentration and moisture]

[실험 1][Experiment 1]

카르복시메틸화 반응에서 펄프 농도 및 수분 함량이 미치는 영향을 결정하기 위해, 용매에서 펄프 및 수분의 양을 조절했다. 실시예 1과 동일하게 반응조의 총 부피는 500mL로 일정하게 유지하면서 상기 펄프의 양을 1g 에서 4g으로 증가시켰다. 아이소프로판올 및 22 중량%의 농도로 용매 치환되지 않은 펄프를 사용하고, 선 알칼리화 후에 에테르화 하였다.To determine the effect of pulp concentration and moisture content on the carboxymethylation reaction, the amount of pulp and water in the solvent was controlled. The amount of the pulp was increased from 1 g to 4 g while keeping the total volume of the reaction tank constant at 500 mL in the same manner as in Example 1. Isopropanol and a solvent-free pulp at a concentration of 22% by weight were used and etherified after the pre-alkalization.

[실험 2][Experiment 2]

추가적으로, 반응에 대한 수분 함량의 영향을 더 평가하기 위해 펄프의 양을 1g으로 일정하게 유지하고 수분을 용매에 7.5 w/v%까지 첨가 하였다. Additionally, to further assess the effect of moisture content on the reaction, the amount of pulp was kept constant at 1 g and water was added to the solvent to 7.5 w / v%.

[실험 3][Experiment 3]

표 2는 아이소프로판올과 펄프의 양이 카르복시메틸화 반응에 어떤 영향을 미치는지 알아보기 위해 펄프 농도 및 수분 함량을 달리하여 수행한 4가지 실험 조건을 나타낸다. 펄프 농도는 0.2 내지 1.33 w/v%의 범위이고, 수분 함량은 0.70 내지 4.84 w/v% 범위이다.Table 2 shows four experimental conditions in which the pulp concentration and moisture content were varied in order to examine how the amount of isopropanol and pulp affects the carboxymethylation reaction. The pulp concentration is in the range of 0.2 to 1.33 w / v% and the water content is in the range of 0.70 to 4.84 w / v%.


Experiment

Experiment

Total volume of IPA, mL

Total volume of IPA, mL

Pulp consistency, w/v%

Pulp consistency, w / v%

Water contents, w/v%

Water contents, w / v%

Pulp, 1g

Pulp, 1 g

Pulp, 4g

Pulp, 4g

Pulp, 1g

Pulp, 1 g

Pulp, 4g

Pulp, 4g

1

One

500

500

0.20

0.20

0.80

0.80

0.70

0.70

2.85

2.85

2

2

400

400

0.25

0.25

1.00

1.00

0.87

0.87

3.60

3.60

3

3

350

350

0.28

0.28

1.14

1.14

1.00

1.00

4.12

4.12

4

4

300

300

0.33

0.33

1.33

1.33

1.54

1.54

4.84

4.84

[결과][result]

도 3은 본 발명의 실시예 2의 실험 1에 따른 펄프 농도에 따른 카르복실기 및 수분의 함량을 나타낸다. 비 용매 치환 펄프가 카르복시메틸화의 출발 물질로 사용될 때, 상기 펄프 농도와 상기 펄프에 함유된 수분은 반응 속도에 영향을 미칠 수 있다.Fig. 3 shows the content of carboxyl groups and moisture according to the pulp concentration according to Experiment 1 of Example 2 of the present invention. Fig. When the non-solvent-substituted pulp is used as a starting material for carboxymethylation, the pulp concentration and the moisture contained in the pulp may affect the reaction rate.

도 3을 참조하면, 상기 펄프의 양을 1g 에서 4g으로 증가시켰는데, 이것은 상기 펄프 농도가 0.2 w/v% 에서 0.8 w/v%로 증가하는 것과 상응한다. 상기 펄프의 양이 증가함에 따라, 용매 중의 상기 수분의 함량은 2.85 w/v%로 증가하였다. 또한, 상기 펄프 농도에 따라 카르복실기 양도 지속적으로 증가하였다. 상기 펄프 농도의 증가는 상기 수분 함량의 증가를 수반하며, 이는 반응 속도에 영향을 미칠 수 있다.Referring to FIG. 3, the amount of pulp was increased from 1 g to 4 g, corresponding to an increase of the pulp concentration from 0.2 w / v% to 0.8 w / v%. As the amount of pulp increased, the content of water in the solvent increased to 2.85 w / v%. Also, the amount of carboxyl groups was continuously increased according to the pulp concentration. The increase in the pulp concentration is accompanied by an increase in the moisture content, which can affect the reaction rate.

도 4는 본 발명의 실시예 2의 실험 2에 따른 카르복실기에 대한 수분 함량의 영향으로서 전도도 적정 결과를 나타내고, 도 5는 본 발명의 실시예 2의 실험 2에 따른 수분 함량과 카르복실기 함량을 비교하여 나타낸다.FIG. 4 shows the results of conductivity measurement as an effect of moisture content on the carboxyl group according to Experiment 2 of Example 2 of the present invention, and FIG. 5 shows the results of comparing the moisture content and the carboxyl group content according to Experiment 2 of Example 2 of the present invention .

도 5를 참조하면, 펄프의 양을 1g으로 일정하게 유지하고 수분을 용매에 7.5 w/v% 까지 첨가하는 실험을 수행할 때, 아이소프로판올의 수분 함량이 4.0 w/v% 까지 증가되면 카르복실기 함량이 300μmol/g 이상을 유지하는 것으로 나타났다. 그러나 4.0 w/v% 이상으로 수분을 더 첨가하면 상기 카르복실기 함량이 오히려 감소하는 것으로 나타났다. 이 결과를 통해 펄프 농도가 증가하면 카르복시메틸화 반응이 증가하지만, 상기 펄프와 함께 상기 수분 함량이 증가하면 카르복시메틸화가 감소함을 알 수 있다. 그러므로 계 내의 수분 함량을 적절히 조절해줄 필요가 있다고 판단할 수 있다.5, when the amount of pulp was kept constant at 1 g and water was added to the solvent to 7.5 w / v%, when the moisture content of isopropanol was increased to 4.0 w / v%, the content of carboxyl groups Was maintained at 300 μmol / g or more. However, when the water content was further increased to 4.0 w / v% or more, the content of the carboxyl group was decreased. From the results, it can be seen that when the pulp concentration increases, the carboxymethylation reaction increases, but when the moisture content increases with the pulp, the carboxymethylation decreases. Therefore, it can be judged that it is necessary to appropriately adjust the water content in the system.

도 6은 본 발명의 실시예 2의 실험 3에 따른 아이소프로판올 용량의 함수로서 카르복실기 함량 및 총 수분 함량을 나타낸다.Figure 6 shows the carboxyl group content and total moisture content as a function of isopropanol capacity according to Experiment 3 of Example 2 of the present invention.

도 6을 참조하면, 1g의 펄프가 사용되었을 때, 전체 아이소프로판올 용량이 증가함에 따라 카르복시메틸화 반응은 감소했다. 상기 펄프 농도는 반응 매질의 감소에 따라 증가하였고 수분 함량은 1.54 w/v% 미만이었다. 그러나 4g의 펄프가 사용되었을 때, 특히 아이소프로판올 350 또는 300 mL가 사용되었을 때 아이소프로판올 부피가 감소함에 따라 카르복실 함량도 감소했다. 이 두 조건은 4.0 w/v% 이상의 수분 함량을 나타냈다.Referring to FIG. 6, when 1 g of pulp was used, the carboxymethylation reaction decreased as the total isopropanol capacity increased. The pulp concentration increased with decreasing reaction medium and the moisture content was less than 1.54 w / v%. However, when 4 g of pulp was used, particularly when 350 or 300 mL of isopropanol was used, the carboxyl content also decreased as the isopropanol volume decreased. Both conditions showed a water content of at least 4.0 w / v%.

[실시예 3 - 셀룰로오스 나노피브릴의 제조와 특성 평가][Example 3 - Preparation and Characterization of Cellulose Nanofibrils]

[평가 방법][Assessment Methods]

카르복시메틸화된 펄프 섬유를 사용하여 셀룰로오스 나노피브릴 현탁액을 제조하였다. 연마하기 전에, 펄프 현탁액의 농도를 1.5 중량%로 조정하고, 슬러리의 1800 mL의 샘플을 셀룰로오스 나노피브릴 제조용으로 선택했다. 상기 펄프 현탁액을 그라인더(Super Masscolloider, Masuko Sangyo Co., Ltd, Japan)에 통과시켰다. 작업 속도는 1500rpm이고 틈새 거리는 -80μm이다. 상기 셀룰로오스 나노피브릴 현탁액의 샘플은 일정 패스 수의 그라인딩 후에 추후 연구를 위해 수집되었다. 상기 그라인더 외에도 호모게나이저, 마이크로플루다이저 등이 나노피브릴화를 위한 균일화 기기로 사용될 수 있다.Carboxymethylated pulp fibers were used to prepare a suspension of cellulose nanofibrils. Prior to grinding, the concentration of the pulp suspension was adjusted to 1.5 wt.% And a sample of 1800 mL of slurry was selected for the preparation of the cellulose nanofibrils. The pulp suspension was passed through a grinder (Super Masscolloid, Masuko Sangyo Co., Ltd., Japan). The working speed is 1500rpm and the clearance is -80μm. Samples of the cellulosic nanofibril suspension were collected for further study after grinding at a constant number of passes. In addition to the grinder, a homogenizer or a microfluidizer can be used as a homogenizer for nanofibrilization.

상이한 반응 조건 하에서 제조된 펄프 섬유의 피브릴화 정도를 비교하기 위해, 저전단 점도가 측정되었다(Brookfield DV2T-LV). 일반적으로 그라인더 패스 수가 증가함에 따라 상기 점도는 상기 펄프 섬유가 완전히 나노피브릴화되었을 때 안정기에 도달할 때까지 증가했다. 피브릴화된 셀룰로오스 나노피브릴의 형태학적 특성은 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM, Carl Zeiss, SIGMA, UK)을 사용하여 조사될 수 있다. To compare the degree of fibrillation of the pulp fibers produced under different reaction conditions, low shear viscosity was measured (Brookfield DV2T-LV). Generally, as the number of grinder passes increased, the viscosity increased until the pulp fibers reached the ballast when they were fully nanofibrillated. The morphological properties of the fibrillated cellulose nanofibrils can be examined using field emission scanning electron microscopy (FE-SEM, Carl Zeiss, SIGMA, UK).

셀룰로오스 나노피브릴 표본을 준비하기 위해, 실리콘 웨이퍼의 표면을 자외선으로 처리하여 표면 특성을 소수성에서 친수성으로 바꾸었다. 양이온성 디알릴디메틸암모늄 클로라이드(P-DADMAC)를 앵커링 폴리머로서 상기 실리콘 웨이퍼 표면 상에 도포하였다. 희석된 셀룰로오스 나노피브릴(0.01 %) 현탁액을 스핀 코터(ACE-200, 한국)를 사용하여 스퍼터링 하였다. 상기 셀룰로오스 나노피브릴의 융합 반응은 시료 유리병을 통해 근적외광(λair = 880 nm)의 광선 투과율을 측정하는 터비스캔 에이징 스테이션(Turbiscan Aging Station; Formulaction Inc., France)을 사용하여 조사될 수 있다. 총 분석 기간 및 분석 간격은 각각 60분 및 5분이었다. 식 [4]에 따르면, 전달 및 후방 산란 결과는 시간의 함수로서 불안정화 동역학(Turbiscan stability index, TSI)으로 변환되었다.To prepare a cellulose nano-fibril specimen, the surface of the silicon wafer was treated with ultraviolet light to change the surface properties from hydrophobic to hydrophilic. Cationic diallyldimethylammonium chloride (P-DADMAC) was applied as an anchoring polymer onto the surface of the silicon wafer. The diluted cellulosic nano-fibril (0.01%) suspension was sputtered using a spin coater (ACE-200, Korea). The fusion reaction of the cellulose nanofibrils can be examined using a Turbiscan Aging Station (Formulation Inc., France) for measuring the light transmittance of near-infrared light (? Air = 880 nm) through a sample glass bottle . The total analysis period and the analysis interval were 60 minutes and 5 minutes, respectively. According to Eq. [4], the transmission and back scattering results are converted to Turbiscan stability index (TSI) as a function of time.

Turbiscan stability index(TSI) =

Figure pat00001
[4]Turbiscan stability index (TSI) =
Figure pat00001
[4]

여기서 xi는 각 측정분에 대한 평균 후방 산란이고, xBS는 xi의 평균값이며, n은 스캔 횟수이다.Where xi is the mean backscattering for each measurement, xBS is the mean value of xi, and n is the number of scans.

[실험조건][Experimental Conditions]

상이한 카르복실기 함량을 갖는 셀룰로오스 나노피브릴의 특성을 평가하기 위해 3가지 카르복실화 반응이 수행되었다. 표 3은 카르복시메틸화된 펄프의 카르복시메틸화 조건과 카르복실 함량을 나타낸다.Three carboxylation reactions were performed to evaluate the properties of cellulose nanofibrils with different carboxyl group contents. Table 3 shows the carboxymethylation conditions and carboxyl content of the carboxymethylated pulp.


Reaction

Reaction

Pulp, g

Pulp, g
Solvent exchange of pulpSolvent exchange of pulp
Reaction
solvent

Reaction
solvent

MCA,
mmol/g

MCA,
mmol / g

NaOH,
mmol/g

NaOH,
mmol / g
Carboxyl
content,
㎛ol/g
Carboxyl
content,
Μmol / g

1

One

50

50

Yes

Yes

MeOH & IPA

MeOH & IPA

2.88

2.88

11.04

11.04

607

607

2

2

50

50

Yes

Yes

MeOH & IPA

MeOH & IPA

1.92

1.92

7.36

7.36

370

370

3

3

50

50

No

No

IPA

IPA

0.96

0.96

3.68

3.68

570

570

표 3을 참조하면, 제1 및 제2 반응은 제3 반응보다 2 내지 3배 많은 모노클로로아세트산 및 수산화나트륨을 함유하는 혼합 용매에서 용매 치환된 펄프를 사용하여 수행되었다. 제3 반응은 50g의 비 용매 치환된 펄프 샘플이 사용되었고, 아이소프로판올만이 유일한 반응 용매로 사용되었다. 상기 반응의 펄프 농도는 1.0 w/v%이고, 수분 함량은 3.6 w/v%이었다. Referring to Table 3, the first and second reactions were carried out using a solvent-substituted pulp in a mixed solvent containing two to three times more monochloroacetic acid and sodium hydroxide than the third reaction. In the third reaction, 50 g of a non-solvent-substituted pulp sample was used and only isopropanol was used as the only reaction solvent. The pulp concentration of the reaction was 1.0 w / v% and the water content was 3.6 w / v%.

[결과][result]

도 7은 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 펄프의 카르복실기 함량을 나타낸다.Figure 7 shows the carboxyl group content of the pulp prepared according to Example 3 of the present invention.

도 7을 참조하면, 용매 치환 없이 아이소프로판올만을 사용한 제3 반응의 카르복시메틸화가 제3 반응의 모노클로로아세트산 및 수산화나트룸의 3배를 사용하는 제1 반응만큼 효과적이라는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 7, it can be seen that the carboxymethylation of the third reaction using only isopropanol without solvent substitution is as effective as the first reaction using three times the monochloroacetic acid and the sodium hydroxide of the third reaction.

도 8은 도 7의 실시예에 따른 세 반응의 패스 수에 따른 저전단 점도를 나타낸다.FIG. 8 shows the low shear viscosity according to the number of passes of three reactions according to the embodiment of FIG.

도 8을 참조하면, 그라인딩 패스 수의 함수로 피브릴화 레벨을 추정하기 위해 메스콜로이더(Masscolloider)에서 펄프 그라운드의 저전단 점도가 측정되었다. 명백하게도, 저전단 점도는 제1 반응, 제2 반응 및 제3 반응의 3개의 샘플 모두에 대한 패스 수에 따라 증가하고, 안정기에 도달하여 셀룰로오스 나노피브릴에 대한 펄프의 완전한 피브릴화를 나타냈다. 카르복실 함량이 570μmol/g인 제3 반응 및 상기 카르복실 함량이 607μmol/g인 제1 반응의 펄프는 5회 그라인딩 패스 후 안정기에 도달했다. 상기 카르복실 함량이 370μmol/g인 제2 반응의 펄프의 경우 저전단 점도를 위한 안정기에 도달하기 위해 11회의 그라인딩을 필요로 했다. 상기 카르복실 함량이 결국 피브릴 사이에 정전기적 반발력을 변화시켰기 때문에 상기 그라인딩 패스 수는 반응 조건에 상관없이, 카르복시메틸화된 펄프의 피브릴화는 카르복시메틸화에 도입된 카르복실기의 양에 의해 크게 영향을 받는다는 것을 나타낸다.Referring to FIG. 8, the low shear viscosity of pulp ground in a masscolloid was measured to estimate the fibrillation level as a function of the number of grinding passes. Clearly, the low shear viscosity increased with the number of passes for all three samples of the first reaction, the second reaction and the third reaction, reaching the ballast and indicating complete fibrillation of the pulp to the cellulose nanofibrils . The third reaction with a carboxyl content of 570 占 퐉 ol / g and the first reaction pulp with a carboxyl content of 607 占 퐉 ol / g reached the stabilizer after five grinding passes. For the second reaction pulp with a carboxyl content of 370 μmol / g, 11 grinding was required to reach the stabilizer for low shear viscosity. Since the carboxyl content eventually changed the electrostatic repulsive force between the fibrils, the number of grinding passes was largely affected by the amount of carboxyl groups introduced into the carboxymethylation, regardless of the reaction conditions, the fibrillation of the carboxymethylated pulp Receiving.

도 9는 도 7의 실시예에 따른 카르복시메틸화된 셀룰로오스 나노피브릴의 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM) 이미지로, (a)는 카르복실기 함량이 607μmol/g인 제1 반응, (b)는 카르복실기 함량이 370μmol/g인 제2 반응, (c)는 카르복실기 함량이 570μmol/g인 제3 반응의 이미지이다.FIG. 9 is a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) image of a carboxymethylated cellulose nano-fibril according to the embodiment of FIG. 7, wherein (a) shows a first reaction with a carboxyl group content of 607 μmol / g, (C) is an image of a third reaction having a carboxyl group content of 570 占 퐉 ol / g.

표 4는 셀룰로오스 나노피브릴의 폭과 표준 편차를 나타낸다. 상기 셀룰로오스 나노피브릴의 형태와 폭은 각각 전계방출형 주사전자현미경과 이미지 분석 방법을 사용하여 조사되었다. Table 4 shows the width and standard deviation of the cellulose nanofibrils. The morphology and width of the cellulose nanofibrils were examined using a field emission scanning electron microscope and image analysis method, respectively.


Reaction 1

Reaction 1

Reaction 2

Reaction 2

Reaction 3

Reaction 3

Width, nm

Width, nm

13.5

13.5

14.5

14.5

12.4

12.4

St. dev.

St. dev.

3.31

3.31

3.16

3.16

2.82

2.82

도 9 및 표 4를 참조하면, 셀룰로오스 나노피브릴의 평균 폭은 12.4nm에서 14.5nm까지 매우 유사하게 나타났다. 그라인더로 11회 분쇄한 샘플 그라운드(제2 반응)는 다른 2 개의 샘플보다 지름이 더 크게 나타났다.Referring to Figures 9 and Table 4, the average width of the cellulose nanofibrils was very similar from 12.4 nm to 14.5 nm. The sample ground (second reaction) ground 11 times with a grinder showed a larger diameter than the other two samples.

도 10은 도 7의 실시예에 따른 희석된 셀룰로오스 나노피브릴의 터비스캔 안정화 지수(TSI)를 시간에 따라 나타낸다.Figure 10 shows the TSI of the diluted cellulose nano-fibrils according to the embodiment of Figure 7 over time.

도 10을 참조하면, 터비스캔 안정화 지수는 현탁 안정성을 평가하기 위해 결정되었다. 상기 터비스캔 안정화 지수의 증가는 바이알 바닥에 분산된 상을 침전시키는 것이 보다 신속하게 일어남을 의미한다. 현탁액에서 안정적으로 유지되는 잘 분산된 섬유소는 셀룰로오스 나노피브릴의 품질이 보다 균일함을 나타낸다. 예상한 바와 같이, 분산 안정성은 카르복실 함량에 달려있다. 가장 낮은 카르복실 함량을 갖는 셀룰로오스 나노피브릴은 다른 2개의 셀룰로오스 나노피브릴보다 더 빨리 정착된다. 이러한 결과는 카르복실 함량이 셀룰로오스 나노피브릴의 안정성에 중요한 요소임을 시사한다.Referring to FIG. 10, the turbidity stability index was determined to evaluate suspension stability. The increase in the turbidity scan stability index means that precipitation of the dispersed phase on the vial bottom occurs more rapidly. Well-dispersed fibrils that remain stable in the suspension show a more uniform quality of the cellulose nanofibrils. As expected, the dispersion stability depends on the carboxyl content. Cellulose nanofibrils with the lowest carboxyl content settle faster than the other two cellulosic nanofibrils. These results suggest that the carboxyl content is an important factor in the stability of the cellulose nanofibrils.

이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예들을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention have been described. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

Claims (12)

펄프를 전처리하는 단계; 및
상기 전처리된 펄프로 셀룰로오스 나노피브릴을 제조하는 단계를 포함하는 셀룰로오스 나노피브릴의 제조방법.
Pretreating the pulp; And
And preparing cellulose nano-fibrils from the pretreated pulp.
제 1 항에 있어서,
상기 전처리는,
상기 펄프에 포함된 수분을 제거하기 위한 용매 치환 과정 없이 수행되는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 나노피브릴의 제조방법.
The method according to claim 1,
The pre-
Wherein the pulp is carried out without a solvent substitution process for removing water contained in the pulp.
제 1 항에 있어서,
상기 전처리 단계는,
상기 펄프를 카르복시메틸화하는 단계를 포함하고,
상기 카르복시메틸화 단계는,
상기 펄프를 알칼리제와 반응시켜 알칼리화하는 단계 및 할로겐카르복시산과 반응시켜 에테르화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 나노피브릴의 제조방법.
The method according to claim 1,
The pre-
Carboxymethylating the pulp,
Wherein the carboxymethylation step comprises:
Reacting the pulp with an alkaline agent to alkalize and reacting the pulp with a halogen carboxylic acid to etherify the cellulose nano-fibril.
제 3 항에 있어서,
상기 에테르화 단계는 상기 알칼리화 단계 진행 후에 진행되는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 나노피브릴의 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein the etherification step proceeds after the alkalization step. ≪ RTI ID = 0.0 > 21. < / RTI >
제 3 항에 있어서,
상기 알칼리제와 상기 할로겐카르복시산은 단일 용매에 용해될 수 있고,
상기 용매는 아이소프로판올인 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 나노피브릴의 제조방법.
The method of claim 3,
The alkali agent and the halogen carboxylic acid can be dissolved in a single solvent,
Wherein the solvent is isopropanol. ≪ RTI ID = 0.0 > 21. < / RTI >
제 3 항에 있어서,
상기 알칼리화 단계는 25 내지 45℃에서 20 내지 40분 동안 진행되는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 나노피브릴의 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein the alkalizing step is carried out at 25 to 45 DEG C for 20 to 40 minutes.
제 3 항에 있어서,
상기 에테르화 단계는 55 내지 75℃에서 50 내지 70분 동안 진행되는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 나노피브릴의 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein the etherification step is carried out at 55 to 75 DEG C for 50 to 70 minutes.
제 3 항에 있어서,
상기 전처리 단계는 상기 카르복시메틸화된 펄프를 세척하는 단계를 더 포함하고,
상기 카르복시메틸화된 펄프를 세척하는 단계는,
상기 카르복시메틸화된 펄프의 전기전도도가 10 내지 30 μS/cm이고, pH가 6 내지 8 이 될 때까지 세척되는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 나노피브릴의 제조방법.
The method of claim 3,
Wherein the pretreatment step further comprises washing the carboxymethylated pulp,
The step of washing the carboxymethylated pulp comprises:
Wherein the carboxymethylated pulp has an electrical conductivity of 10 to 30 μS / cm and is washed until a pH of 6 to 8 is reached.
제 1 항에 있어서,
상기 셀룰로오스 나노피브릴을 제조하는 단계는,
상기 카르복시메틸화된 펄프를 희석하는 단계 및 상기 희석된 펄프를 균질화 하여 나노피브릴화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 나노피브릴의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of preparing the cellulose nanofibrils comprises:
Diluting the carboxymethylated pulp, and homogenizing the diluted pulp to form nanofibrils. The method of manufacturing a cellulose nano-fibril according to claim 1,
제 9 항에 있어서,
상기 균질화는 그라인더, 호모게나이저, 및 마이크로플루다이저 중에서 선택된 1 이상의 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 나노피브릴의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Wherein the homogenization uses at least one method selected from a grinder, a homogenizer, and a microfluidizer.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항의 제조방법에 따라 제조되는 셀룰로오스 나노피브릴.A cellulose nano-fibril produced according to the method of any one of claims 1 to 10. 제 11 항에 있어서,
상기 제조된 셀룰로오스 나노피브릴은 5 내지 20 nm의 균일한 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스 나노피브릴.
12. The method of claim 11,
Wherein the cellulose nano-fibrils have a uniform diameter of 5 to 20 nm.
KR1020180008853A 2017-11-28 2018-01-24 Cellulose nanofibrils and manufacturing method thereof KR20190062101A (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020262727A1 (en) * 2019-06-26 2020-12-30 네이처코스텍 주식회사 Dermal filler composition comprising modified cellulose
KR20210117531A (en) * 2020-03-19 2021-09-29 강원대학교산학협력단 Manufacturing Method of Cellulose Nano Fibril Using Betaine-Lactic Acid Deep Eutectic Solvent
KR20210117506A (en) * 2020-03-19 2021-09-29 강원대학교산학협력단 Manufacturing Method of Cellulose Nano Fibril Using Potassium Carbonate-Glycerol Deep Eutectic Solvent

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