KR20220074067A - Process for Preparing Composite Particles of Cellulose Nanofiber and Polymer - Google Patents

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KR20220074067A
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Abstract

본 발명은 피커링 에멀젼에 의해 셀룰로오스 나노섬유를 함유하는 고분자 복합입자를 제조하는 방법에 대해 기술하며, 본 발명에 따르면 셀룰로오스 나노섬유의 흡착력을 증대시킬 수 있어 결과적으로 제조되는 복합입자는 기계적 특성이 더욱 향상될 수 있다. The present invention describes a method for producing a polymer composite particle containing cellulose nanofibers by a Pickering emulsion. According to the present invention, the adsorption force of the cellulose nanofiber can be increased, so that the resulting composite particles have more mechanical properties. can be improved

Description

셀룰로오스 나노섬유 및 고분자의 복합입자 제조 방법 {Process for Preparing Composite Particles of Cellulose Nanofiber and Polymer}{Process for Preparing Composite Particles of Cellulose Nanofiber and Polymer}

본 발명은 피커링 에멀젼을 이용한 고분자 복합입자의 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for preparing polymer composite particles using a Pickering emulsion.

유리대체물질로 주로 쓰이는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)와 폴리스티렌(PS)은 기계적 특성이 우수할 뿐 아니라 가시광선 투과율 92%의 높은 가시성으로 인해 자동차의 윈도우 및 썬루프, 아쿠아리움 수조, 아이스하키 링크의 관람석 보호판, 안경 렌즈 등 매우 다양한 산업 분야에 사용되고 있다. 이러한 유리대체물질의 사용은, 소재 경량화를 통한 자동차 연비 및 원료물질 사용 절감, 산업근로자의 작업 환경성 개선, 플렉서블 필름소재 이용가능 등의 장점을 실현시킬 수 있다. Polymethyl methacrylate (PMMA) and polystyrene (PS), which are mainly used as substitutes for glass, not only have excellent mechanical properties, but also have high visibility of 92% of visible light transmittance. It is used in a wide variety of industrial fields, such as guard plates for grandstands and spectacle lenses. The use of such a glass substitute material can realize advantages such as reduction of fuel efficiency and raw material use of automobiles through weight reduction of materials, improvement of the working environment of industrial workers, and availability of flexible film materials.

최근 들어 세계적으로 환경문제가 대두되면서 친환경 복합소재에 대한 관심이 높아지고 있다. 이 때문에 유리대체물질의 활용도가 점차 광범위해지고 있고, 보다 높은 기계적 물성이 요구되고 있어서, 가시성을 방해하지 않는 범위 내에서 나노필러를 활용한 복합화 연구가 활발히 이루어지고 있다. Recently, as environmental problems have emerged around the world, interest in eco-friendly composite materials is increasing. For this reason, the utilization of glass substitutes is gradually expanding, and higher mechanical properties are required. Therefore, complex studies using nanopillars are actively conducted within a range that does not obstruct visibility.

종래의 복합소재 제조 방법은 친수성 나노필러와 소수성 고분자를 효과적으로 분산시키기 위해 유기용매를 사용하거나 나노필러 표면에 전처리 등을 실시해왔는데, 이러한 방식은 매우 높은 에너지가 소요되고, 복잡한 공정으로 인해 생산 비용 증가와 유기용매사용에 따른 환경문제 부하 등 많은 문제가 있다.Conventional composite material manufacturing methods have used an organic solvent to effectively disperse hydrophilic nanopillars and hydrophobic polymers or have performed pretreatment on the surface of nanopillars, but this method requires very high energy and increases production costs due to complicated processes There are many problems such as environmental problems and load caused by the use of organic solvents.

다양한 복합소재의 일례로서, 한국특허출원 10-2015-0106317호는 피커링 에멀젼을 이용하여 분산성 및 안정성이 우수한 에멀젼을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 구체적으로, 이온성 수용성 고분자와 10nm~100μm의 평균입경을 가진 실리카 입자, 구리 입자 또는 폴리스티렌 입자 등을 사용하여 고분산상 에멀젼을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 하지만 투명한 복합소재를 제조할 수 있는 방법에 대해서는 개시하고 있지 못하다. As an example of various composite materials, Korean Patent Application No. 10-2015-0106317 discloses a method for preparing an emulsion having excellent dispersibility and stability using a Pickering emulsion. Specifically, a method for preparing a highly dispersed emulsion using an ionic water-soluble polymer and silica particles, copper particles or polystyrene particles having an average particle diameter of 10 nm to 100 μm is disclosed. However, it does not disclose a method for manufacturing a transparent composite material.

또한 한국특허출원 10-2017-7019015호는 친수성 코어입자에 복수의 소수성 입자를 피복하여 안정한 에멀젼을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 친수성 코어입자는 다당류를 포함하며, 구체적으로 다공성 셀룰로오스 입자이며, 소수성 입자는 다양한 아크릴레이트 고분자를 사용하고 있다. 하지만 에멀젼의 용도가 케라틴에 적용되는 화장료 조성물에 국한되어 있고 유리를 대체할 수 있는 투명 복합소재에 대해서는 개시하고 있지 못하다. 이에 본원 발명자들은 대한민국 특허출원 제2018-0167773호에서 친환경적이면서 보다 간단한 공정으로 투명한 복합소재를 제조할 수 있는 방법을 제시하였다. 본 발명은 이러한 연구의 일환으로, 본원 발명자들은 피커링 에멀젼을 이용한 고분자 복합소재 제조시 셀룰로오스의 흡착을 더욱 용이하게 함으로써 복합소재의 기계적 물성 및 투명도를 더욱 향상시킬 수 있는 방법을 연구하게 되었다.In addition, Korean Patent Application No. 10-2017-7019015 discloses a method for preparing a stable emulsion by coating a plurality of hydrophobic particles on a hydrophilic core particle. The hydrophilic core particles include polysaccharides, specifically porous cellulose particles, and the hydrophobic particles use various acrylate polymers. However, the use of the emulsion is limited to a cosmetic composition applied to keratin, and a transparent composite material that can replace glass is not disclosed. Accordingly, the inventors of the present application proposed a method for manufacturing a transparent composite material in an environment-friendly and simpler process in Korean Patent Application No. 2018-0167773. As part of the present invention, the inventors of the present invention studied a method for further improving the mechanical properties and transparency of the composite material by facilitating the adsorption of cellulose during the preparation of the polymer composite material using the Pickering emulsion.

이에 본 발명은 셀룰로오스와 고분자를 포함하는 복합소재 제조시 셀룰로오스의 흡착성을 더욱 향상시킬 수 있는 방법을 제공하고자 한다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a method capable of further improving the adsorption property of cellulose when manufacturing a composite material containing cellulose and a polymer.

또한 본 발명은 상기 방법으로 제조되어 기계적 강도 및 투명도와 같은 물리적 특성이 보다 우수한 복합소재를 제공하고자 한다. In addition, an object of the present invention is to provide a composite material manufactured by the above method and having superior physical properties such as mechanical strength and transparency.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. will be able

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. will be able

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 고분자 복합입자의 제조방법으로서, In order to achieve the above technical object, the present invention provides a method for producing a polymer composite particle,

a) 중합성 관능기를 보유한 단량체와 소수성 유기용매를 혼합하여 오일상을 준비하는 단계; a) preparing an oil phase by mixing a monomer having a polymerizable functional group and a hydrophobic organic solvent;

b) 물에 셀룰로오스 나노섬유가 현탁된 현탁액을 준비하는 단계;b) preparing a suspension in which cellulose nanofibers are suspended in water;

c) 상기 오일상과 현탁액을 혼합한 후 교반하여 분산액을 제조하는 단계; 및 c) preparing a dispersion by mixing the oil phase and the suspension and then stirring; and

d) 상기 분산액에 중합 개시제를 첨가한 후 교반하면서 중합반응을 진행하여 고분자 복합입자의 에멀젼을 얻는 단계를 포함하는 고분자 복합입자의 제조 방법을 제공한다. d) after adding a polymerization initiator to the dispersion, a polymerization reaction proceeds while stirring to obtain an emulsion of the polymer composite particles.

일 실시예에 따르면, 상기 소수성 유기용매는 20℃ 물과 접촉시 계면장력이 30~50mN/m 인 것일 수 있다. According to an embodiment, the hydrophobic organic solvent may have an interfacial tension of 30-50 mN/m when in contact with water at 20°C.

일 실시예에 따르면, 상기 단량체와 상기 소수성 유기용매를 혼합한 오일상은 20℃ 물과 접촉시 계면장력이 20~40 mN/m인 것일 수 있다. According to an embodiment, the oil phase in which the monomer and the hydrophobic organic solvent are mixed may have an interfacial tension of 20 to 40 mN/m when in contact with water at 20°C.

일 실시예에 따르면, 상기 단량체와 상기 소수성 유기용매를 혼합한 오일상은 하기 수학식 1에 의해 계산된 퍼짐계수(S)의 절대값이 5~20인 것일 수 있다. According to an embodiment, in the oil phase in which the monomer and the hydrophobic organic solvent are mixed, the absolute value of the spreading coefficient (S) calculated by Equation 1 below may be 5 to 20.

[수학식 1][Equation 1]

S(O/W) = γ ow (cosθ w -1) S (O/W) = γ ow (cosθ w -1)

상기 수학식 1에서, S(O/W)는 고체입자가 오일과 물을 포함하는 용매에 분산된 시스템의 퍼짐계수를 나타내고, γ ow 는 오일-물 사이의 계면장력(mN/m)을 나타내며, θ w 는 고체입자-물-오일 사이의 접촉각을 나타낸다. In Equation 1, S (O/W) represents the spreading coefficient of a system in which solid particles are dispersed in a solvent containing oil and water, and γ ow represents the interfacial tension between oil and water (mN/m) , θ w represents the contact angle between solid particles-water-oil.

일 실시예에 따르면, 상기 단계 a)에서 상기 단량체와 상기 유기용매를 0.5: 1 내지 1:0.5의 부피비로 혼합하는 것일 수 있다. According to an embodiment, in step a), the monomer and the organic solvent may be mixed in a volume ratio of 0.5:1 to 1:0.5.

일 실시예에 따르면, 상기 유기용매는 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 자일렌 및 d-limonene으로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상인 것일 수 있다. According to an embodiment, the organic solvent may be at least one selected from the group consisting of chlorobenzene, dichlorobenzene, xylene and d-limonene.

일 실시예에 따르면, 상기 단계 b)에서 상기 현탁액 중 셀룰로오스 나노섬유의 함량은 0.01~1 중량% 인 것일 수 있다.According to one embodiment, the content of the cellulose nanofibers in the suspension in step b) may be 0.01 to 1% by weight.

일 실시예에 따르면, 상기 단계 c)에서 상기 오일상과 상기 현탁액을 1:1 내지 1:50의 부피비로 혼합하여 상기 분산액을 제조하는 것일 수 있다. According to an embodiment, the dispersion may be prepared by mixing the oil phase and the suspension in a volume ratio of 1:1 to 1:50 in step c).

일 실시예에 따르면, 상기 중합성 관능기를 보유한 단량체가 아크릴산, 메타크릴산 및 아크릴산에스테르로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. According to an embodiment, the monomer having a polymerizable functional group may include at least one selected from the group consisting of acrylic acid, methacrylic acid, and acrylic acid ester.

일 실시예에 따르면, 상기 고분자 복합입자는 상기 중합성 관능기를 보유한 단량체가 고분자 코어 입자를 형성하고, 고분자 코어 입자의 표면에 셀룰로오스 나노섬유가 불연속적으로 코팅되어 있는 것일 수 있다. According to one embodiment, the polymer composite particles may be one in which the monomer having the polymerizable functional group forms a polymer core particle, and cellulose nanofibers are discontinuously coated on the surface of the polymer core particle.

일 실시예에 따르면, 상기 셀룰로오스 나노섬유는 길이 및 직경 중 하나 이상이 100nm 이하이며, 종횡비가 5~1250인 것일 수 있다. According to an embodiment, the cellulose nanofiber may have at least one of a length and a diameter of 100 nm or less, and an aspect ratio of 5 to 1250.

일 실시예에 따르면, 상기 셀룰로오스 나노섬유는 직경 4 ~ 100nm, 길이 0.5 ~ 5 um 인 것일 수 있다. According to an embodiment, the cellulose nanofiber may have a diameter of 4 to 100 nm and a length of 0.5 to 5 um.

일 실시예에 따르면, 상기 고분자 단량체와 셀룰로오스 나노섬유의 중량비가 100: 1~20 일 수 있다. According to one embodiment, the weight ratio of the polymer monomer to the cellulose nanofiber may be 100: 1 to 20.

일 실시예에 따르면, 상기 고분자 복합입자의 평균 크기가 50~200nm일 수 있다. According to one embodiment, the average size of the polymer composite particles may be 50 ~ 200nm.

또한 본 발명은 물보다 계면장력이 낮은 오일과 물이 혼합되어 있는 분산액에 입자를 첨가하여 오일을 흡착시키는 방법에 있어서, 오일보다 계면장력이 높은 유기용매를 첨가하여 입자의 오일에 대한 흡착력을 증대시키는 방법을 제공한다.In addition, the present invention is a method for adsorbing oil by adding particles to a dispersion in which oil and water, which have a lower interfacial tension than water, are mixed. provides a way to do it.

본 발명은 셀룰로오스와 고분자의 복합소재를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 계면활성제 및 안정제와 같은 첨가제를 사용하지 않으며 물을 용매로 하는 피커링 에멀젼 형성을 통해 복합소재를 제조함에 있어서, 적절한 용매를 첨가하는 단순한 공정으로 셀룰로오스의 흡착성을 향상시켜 결과적으로 제조되는 복합소재를 사용하여 제조하는 필름은 투과성, 기계적 물성 및 열안정성이 보다 향상되었다. 본 발명에 따른 방법은 단순히 용매만 첨가하기 때문에 공정이 단순하며, 표면 개질과 같은 추가 공정을 필요로 하지 않을 뿐 아니라 셀룰로오스의 표면 특성을 변화시키지 않으므로 셀룰로오스 본연의 물리 화학적 특성을 유지할 수 있다. The present invention relates to a method for manufacturing a composite material of cellulose and a polymer, wherein additives such as surfactants and stabilizers are not used, and in manufacturing the composite material through the formation of a Pickering emulsion using water as a solvent, an appropriate solvent is added. By improving the adsorption property of cellulose through a simple process, the film produced using the resulting composite material has improved permeability, mechanical properties, and thermal stability. The process according to the present invention is simple because only a solvent is added, and it does not require an additional process such as surface modification and does not change the surface properties of cellulose, so that the original physicochemical properties of cellulose can be maintained.

도 1 및 도 2는 실시예 1과 비교예 1에서 제조된 에멀젼의 안정성을 보여준다.
도 3 및 도 4는 실시예 2와 비교예 2에서 제조된 복합입자의 구조를 보여주는 SEM 사진이다.
도 5는 실시예 3과 실시예 4에서 제조된 복합입자의 구조를 보여주는 SEM 사진이다.
1 and 2 show the stability of the emulsions prepared in Example 1 and Comparative Example 1.
3 and 4 are SEM photographs showing the structures of the composite particles prepared in Example 2 and Comparative Example 2.
5 is a SEM photograph showing the structure of the composite particles prepared in Examples 3 and 4.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다.Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The drawings are provided as examples in order to sufficiently convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the present invention is not limited to the drawings presented below and may be embodied in other forms, and the drawings presented below may be exaggerated to clarify the spirit of the present invention.

또한, 여기에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.In addition, unless there are other definitions in technical and scientific terms used herein, it has the meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which this invention belongs, and in the following description and accompanying drawings, Descriptions of known functions and configurations that may unnecessarily obscure the subject matter will be omitted.

본 발명은, 고분자 코어 입자 표면에 셀룰로오스 나노섬유가 연속적으로 또는 불연속적으로 코팅되어 있는 복합입자의 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a composite particle in which cellulose nanofibers are continuously or discontinuously coated on the surface of a polymer core particle.

셀룰로오스는 식물의 세포벽 주성분으로서, 자연계에서 석탄에 이어 다량으로 존재하는 유기화합물이다. 셀룰로오스는 β-D-글루코스가 β-글루코시드결합(1-4 글루코시드결합)을 통해 중합체를 이룬 다당류로 화학식은 (C6H10O5)n이다. 반복단위는 셀로비오스이다. β-D-글루코스의 1번 탄소와 4번 탄소가 결합된 1-4 글루코시드결합을 통해 선형구조를 이룬 것으로 글루코스 단위체가 번갈아 가며 뒤집힌 모습을 띤다. 이러한 구조로 인해 평행한 셀룰로오스 분자들이 근접한 3번, 6번탄소의 수산기 사이에 수소결합이 형성되어 선형 사슬로 존재하게 된다. Cellulose is the main component of the cell wall of plants, and it is an organic compound that exists in large quantities in nature after coal. Cellulose is a polysaccharide in which β-D-glucose is polymerized through β-glucosidic bonds (1-4 glucosidic bonds), and the chemical formula is (C 6 H 10 O 5 ) n . The repeating unit is cellobiose. It forms a linear structure through a 1-4 glucosidic bond in which carbons 1 and 4 of β-D-glucose are bonded, and the glucose units are alternately inverted. Due to this structure, a hydrogen bond is formed between the hydroxyl groups of adjacent carbons 3 and 6 of parallel cellulose molecules, so that they exist as a linear chain.

이러한 셀룰로오스 분자의 선형 사슬이 약 80개가 모여 생물체 내 기능적 단위체인 셀룰로오스 미세섬유(cellulose microfibril)를 형성한다. 셀룰로오스 분자 다수가 모여 섬유를 이루는데 그 최소 단위는 미셀이라 하여 지름 약 0.05nm, 길이 약 0.6nm 이상이다. 미셀은 결정구조를 이루고 있고 미셀과 미셀의 연결 부위는 비결정 영역으로 되어 있다. About 80 linear chains of these cellulose molecules gather to form cellulose microfibrils, which are functional units in living organisms. A large number of cellulose molecules are gathered to form a fiber, and the smallest unit is a micelle, with a diameter of about 0.05 nm and a length of about 0.6 nm or more. The micelle has a crystalline structure, and the connection site between the micelle and the micelle is an amorphous region.

셀룰로오스는 수많은 수소 결합을 보유하고 있어서 결정성이 형성되며 뛰어난 기계적 강도를 유발한다. 강력한 수소 결합으로 인해 셀룰로오스는 유리전이온도나 녹는점이 없어 3차원 성형가공이 거의 불가능하다. 또한 단위 구조(셀로비오스) 당 6개의 수산화기가 있어 강한 친수성을 보이지만 이들에 의한 수소결합으로 인해 물에는 용해되지 않는다. 따라서 셀룰로오스의 기계적 특성을 유지하면서 크기를 최소화 및 분산하여 복합화할 수 있는 나노화 기술이 필요한 것이다. Cellulose possesses numerous hydrogen bonds, resulting in crystallinity and excellent mechanical strength. Due to strong hydrogen bonding, cellulose has no glass transition temperature or melting point, making it almost impossible to process three-dimensionally. In addition, there are 6 hydroxyl groups per unit structure (cellobiose), so it has strong hydrophilicity, but is not soluble in water due to hydrogen bonding by these groups. Therefore, there is a need for a nanotechnology that can be combined by minimizing and dispersing the size while maintaining the mechanical properties of cellulose.

셀룰로오스를 나노화하여 얻을 수 있는 나노셀룰로오스에는 셀룰로오스 나노결정(CNC)과 셀룰로오스 나노섬유(CNF)가 있다. There are cellulose nanocrystals (CNC) and cellulose nanofibers (CNF) for nanocellulose that can be obtained by nanoizing cellulose.

CNF는 종횡비가 높은 나노 크기의 셀룰로오스 피브릴로 이루어져 있다. 피브릴은 폭이 5~20nm이며, 길이는 일반적으로 수 마이크로미터이고, 틱소트로피 (thixotropy)를 나타내며, 정상 조건에서는 점성이 있는 젤이나 액체의 특성이지만 흔들리거나 흔들면 점성이 떨어진다. 피브릴은 고압, 고온 및 고속 충격 균질, 그라인딩 또는 미세유체화를 통해 셀룰로오스 함유 원료로부터 분리된다. CNF is composed of nano-sized cellulose fibrils with high aspect ratio. Fibrils have a width of 5-20 nm, a length of usually several micrometers, and exhibit thixotropy, which is characteristic of a viscous gel or liquid under normal conditions, but loses its viscosity when shaken or shaken. Fibrils are separated from cellulose-containing raw materials through high-pressure, high-temperature and high-speed impact homogenization, grinding or microfluidization.

나노셀룰로오스는 또한 산 가수 분해에 의해 천연 섬유로부터 얻어질 수 있으며, 균질화, 마이크로 유체화 또는 그라인딩 경로를 통해 얻어진 CNF 보다 길이가 짧고(100~1000nm) 고도의 결정질 및 경질 나노 입자를 생성하며 이를 셀룰로오스 나노결정(CNC)이라 부른다. 결정영역을 이루는 미셀이 CNC의 주성분이다. Nanocellulose can also be obtained from natural fibers by acid hydrolysis, producing highly crystalline and hard nanoparticles with shorter lengths (100-1000 nm) than CNFs obtained through homogenization, microfluidization or grinding routes They are called nanocrystals (CNC). The micelle constituting the crystal region is the main component of CNC.

본 발명은 최종제품의 가시성에 영향을 주지 않도록 나노미터 수준의 셀룰로오스 나노섬유(CNF)를 사용하였으며, 피커링 에멀젼 방식을 통해 셀룰로오스 나노섬유(CNF)와 투명한 고분자 소재(예를 들면, 메타아크릴레이트 계)를 중합 유화 단계에서 입자 크기의 조절 및 안정성, 분산성을 유지하였다. 셀룰로오스 나노섬유(CNF)와 투명한 고분자 소재를 복합화 함에 있어 CNF 표면을 개질하지 않고 물만을 반응 용매로 사용하는 공정에 있어서 CNF의 흡착성을 향상시키는 효과적인 방법을 제공한다. In the present invention, nanometer-level cellulose nanofibers (CNF) were used so as not to affect the visibility of the final product, and cellulose nanofibers (CNF) and transparent polymer materials (e.g., methacrylate-based ) to control the particle size and maintain stability and dispersibility in the polymerization emulsification step. In compositing cellulose nanofiber (CNF) and transparent polymer material, it provides an effective method to improve the adsorption property of CNF in the process of using only water as a reaction solvent without modifying the CNF surface.

나노셀룰로오스는 물 안에서 소수성 성분(오일)을 에멀젼으로 만드는 데에 탁월한 능력을 가지고 있기 때문에 나노셀룰로오스를 오일 방울 표면에 흡착시킴으로써 안정한 오일 방울을 형성할 수 있다. 계면활성제를 사용하지 않고 CNF와 같은 입자만으로 안정화시킨 에멀젼을 피커링 에멀젼(Pickering emulsion)이라고 하며, 피커링 에멀젼은 오일 회수, 약물 전달, 복합 입자 제조 등 산업에 다양하게 이용되고 있다. 안정한 에멀젼을 형성하기 위해서는 물과 오일 사이의 계면에서 나노셀룰로오스의 흡착 성능이 매우 중요하다.Since nanocellulose has an excellent ability to make an emulsion of a hydrophobic component (oil) in water, it is possible to form stable oil droplets by adsorbing nanocellulose to the surface of oil droplets. An emulsion stabilized with only particles such as CNF without using a surfactant is called a Pickering emulsion, and the Pickering emulsion is used in various industries such as oil recovery, drug delivery, and composite particle manufacturing. In order to form a stable emulsion, the adsorption performance of nanocellulose at the interface between water and oil is very important.

또한 나노셀룰로오스가 물 안에서 소수성 성분을 에멀젼으로 안정화시키는데 탁월한 능력을 지니고 있기는 하지만, 모든 소수성 성분에 대해서 피커링 에멀젼을 형성할 수 있는 것은 아니다. 예를 들어, Octanol이나 methyl decanoate와 같이 계면장력이 낮은 성분의 경우 CNF가 흡착하기 어렵다고 알려져 있다. 나노셀룰로오스 흡착이 잘 안되는 시스템에서 흡착을 가능하게 하기 위해 나노셀룰로오스 표면을 표면 개질을 통하여 wettability를 바꾸는 연구가 진행되어 왔다. 예를 들어, glycidyl trimethylammonium chloride을 이용하여 나노셀룰로오스 표면을 양전하로 바꾸어 피커링 에멀젼의 안정성을 높이는 방법이 알려져 있다. 또한 Cellulose nanocrystal 표면을 methyl cellulose 로 둘러싸 표면 특성을 바꾸는 방법도 알려져 있다. 이처럼 대부분의 접근 방식은 나노셀룰로오스의 표면을 개질 함으로써 wettability를 바꾸어 피커링 에멀젼을 가능하게 하는 것이다. 하지만 이러한 방법들은 나노셀룰로오스의 표면개질을 위한 전처리 과정이 추가되기 때문에 추가 공정이 필요하다. 나노셀룰로오스 표면 특성이 바뀌기 때문에 물 안에서의 분산성에 영향을 줄 수 있으며, 표면 특성 변화로 인한 나노셀룰로오스 물리화학적 특성이 달라질 수 있다. Also, although nanocellulose has an excellent ability to stabilize a hydrophobic component in water as an emulsion, it cannot form a Pickering emulsion for all hydrophobic components. For example, it is known that CNF is difficult to adsorb to components with low interfacial tension, such as Octanol or methyl decanoate. In order to enable adsorption in a system where nanocellulose adsorption is poor, studies have been conducted to change the wettability of the nanocellulose surface through surface modification. For example, a method of increasing the stability of the Pickering emulsion by changing the surface of the nanocellulose to a positive charge using glycidyl trimethylammonium chloride is known. Also known is a method to change the surface properties by enclosing the cellulose nanocrystal surface with methyl cellulose. As such, most approaches enable Pickering emulsions by altering the wettability by modifying the surface of the nanocellulose. However, these methods require an additional process because a pretreatment process for surface modification of nanocellulose is added. Because the surface properties of the nanocellulose are changed, the dispersibility in water may be affected, and the physicochemical properties of the nanocellulose may be changed due to the change in the surface properties.

본 발명에서는 피커링 에멀젼에 의한 고분자 복합소재 제조에 있어서, 나노셀룰로오스의 흡착을 보다 용이하게 하는 방법에 대한 것이다. The present invention relates to a method for facilitating the adsorption of nanocellulose in the production of a polymer composite material by a Pickering emulsion.

에멀젼(emulsion)은 오일 방울들이 물속에 분산되거나, 물방울들이 기름 속에 분산되어 있는 시스템으로, 특히, 고 분산상 에멀젼(High Internal Phase Emulsion; HIPE)은 분산된 방울들의 부피가 전체 에멀젼 중 74 부피%이상인 에멀젼 시스템을 일컫는다. 이러한 고 분산상 에멀젼은 보통의 에멀젼에 비해 매우 높은 부피 대비 비표면적을 가지고 있어 유용하게 활용될 수 있으며, 고 분산상 에멀젼을 템플레이트(template)로 이용하여 다양한 다공성 물질의 제작이 가능하여, 필터, 센서, 흡착제, 촉매 서포트 등 산업의 전반적인 분야에서 활용될 수 있다.An emulsion is a system in which oil droplets are dispersed in water or water droplets are dispersed in oil. It refers to the emulsion system. This highly dispersed emulsion has a very high volume-to-volume specific surface area compared to normal emulsions, so it can be usefully used, and it is possible to manufacture various porous materials using the highly dispersed emulsion as a template, so that filters, sensors, It can be used in general fields of industry, such as adsorbents and catalyst supports.

본 발명의 방법에 따라 형성되는 에멀젼은 유상(oil phase, 이하, '오일 상'이라고도 함)이 분산상(dispersed phase)이며, 수상(water phase)이 연속상(continuous phase)인 수중유형의 피커링 에멀젼(Oil-in-water type pickering emulsion)일 수 있다. The emulsion formed according to the method of the present invention is a Pickering emulsion of an oil-in-water type in which an oil phase (hereinafter, also referred to as an 'oil phase') is a dispersed phase and a water phase is a continuous phase. (Oil-in-water type pickering emulsion).

이와 같이, 유상을 분산상으로 가짐으로써 장시간 경과 후에도 상 분리가 쉽게 일어나지 않는, 매우 안정적인 에멀젼을 수득할 수 있다. 이는 오일층과 물층을 혼합하여 분산상인 유상과, 연속상인 수상을 형성할 시, 수상에 분산된 고분자 단량체가 디플리션 압력(Depletion pressure)을 야기하여 유적의 표면(계면)에 CNF가 잘 흡착되도록 하여 계면장력을 낮추어줌으로써, 계면장력에 의한 상 분리를 억제할 수 있기 때문이다.In this way, by having the oil phase as the dispersed phase, it is possible to obtain a very stable emulsion in which phase separation does not easily occur even after a long period of time. When the oil layer and water layer are mixed to form a dispersed oil phase and a continuous water phase, the polymer monomer dispersed in the aqueous phase causes depletion pressure so that CNF is well adsorbed on the surface (interface) of the oil drop. This is because by lowering the interfacial tension, phase separation due to the interfacial tension can be suppressed.

피커링 에멀전 형성 방식은 형성된 에멀젼의 크기가 열역학적 평형 상태의 특정 크기를 갖기 때문에 100 nm 수준의 작고 균일한 에멀젼 형성이 가능하다. In the Pickering emulsion formation method, since the size of the formed emulsion has a specific size in a thermodynamic equilibrium state, it is possible to form a small and uniform emulsion at the level of 100 nm.

구체적으로 본 발명은, Specifically, the present invention

a) 중합성 관능기를 보유한 단량체와 소수성 유기용매를 혼합하여 오일상을 준비하는 단계; a) preparing an oil phase by mixing a monomer having a polymerizable functional group and a hydrophobic organic solvent;

b) 물에 셀룰로오스 나노섬유가 현탁된 현탁액을 준비하는 단계;b) preparing a suspension in which cellulose nanofibers are suspended in water;

c) 상기 오일상과 현탁액을 혼합한 후 교반하여 분산액을 제조하는 단계; 및 c) preparing a dispersion by mixing the oil phase and the suspension and then stirring; and

d) 상기 분산액에 중합 개시제를 첨가한 후 교반하면서 중합반응을 진행하여 고분자 복합입자의 에멀젼을 얻는 단계를 포함하는 고분자 복합입자의 제조 방법을 제공한다. d) after adding a polymerization initiator to the dispersion, a polymerization reaction proceeds while stirring to obtain an emulsion of the polymer composite particles.

본 발명자들은, 계면장력이 낮은 단량체와 적절한 계면 장력을 갖는 유기용매를 혼합한 후 물에 현탁되어 있는 셀룰로오스 나노섬유와 접촉시킴으로써 셀룰로오스 나노섬유의 흡착 성능이 상당히 향상되는 것을 발견하였다. The present inventors have found that the adsorption performance of cellulose nanofibers is significantly improved by mixing a monomer having a low interfacial tension and an organic solvent having an appropriate interfacial tension and then contacting the cellulose nanofibers suspended in water.

셀룰로오스 나노섬유의 계면 흡착 정도는 퍼짐계수(spreading coefficient; 이하 'S'로 표기함)로부터 확인할 수 있다. 퍼짐계수는 실험적으로 측정된 접촉각(Contact angle)과 계면장력(Interfacial tension)을 하기 수학식 1에 의해 최종적으로 계산이 가능한 것으로 양수에서 0에 가까울수록, 나아가 음수에 가까울수록 계면에 흡착이 용이함을 의미한다. The degree of interfacial adsorption of cellulose nanofibers can be confirmed from a spreading coefficient (hereinafter referred to as 'S'). The spreading coefficient can be finally calculated by the experimentally measured contact angle and interfacial tension by Equation 1 below. it means.

[수학식 1][Equation 1]

S(O/W) = γ ow(cosθw -1) S (O/W) = γ ow (cosθ w -1)

상기 수학식 1에서, S(O/W)는 고체입자가 오일과 물을 포함하는 용매에 분산된 시스템의 퍼짐계수를 나타내고, γ ow 는 오일-물 사이의 계면장력(mN/m)을 나타내며, θw 는 고체입자-물-오일 사이의 접촉각을 나타낸다. In Equation 1, S(O/W) represents the spreading coefficient of a system in which solid particles are dispersed in a solvent containing oil and water, and γ ow represents the interfacial tension between oil and water (mN/m) , θ w represents the contact angle between solid particles-water-oil.

상기 접촉각은 상온에서 Si웨이퍼 위에 고체 입자 필름(예를 들면, CNF 필름)을 형성한 후, 오일이 채워진 환경에서 고체 입자 필름 위에 물을 떨어뜨려 측정할 수 있다. The contact angle can be measured by forming a solid particle film (eg, a CNF film) on a Si wafer at room temperature, and then dropping water on the solid particle film in an oil-filled environment.

이론적으로 퍼짐계수 (S) 의 값이 양수이면 고체입자가 한 쪽 상에만 젖을 수 있고, 음수이면 고체 입자가 두 상에 부분적으로 젖게 된다. 즉 퍼짐계수가 양수일 때는 피커링 에멀젼 형성이 어렵다. 반면에, 퍼짐계수가 음수이면, 양쪽 상에 젖을 수 있어서 피커링 에멀젼이 잘 형성된다. 한 편, 그 경계값인 0에 가까울수록 입자가 양쪽상에 젖기 어렵기 때문에 피커링 에멀젼의 형성이 어렵다. 즉 퍼짐계수의 절대값이 큰 음수일수록 피커링 에멀젼 형성에 유리하다. Theoretically, if the value of the spreading coefficient ( S ) is positive, the solid particles can be wetted on only one side, and if it is negative, the solid particles are partially wetted on both phases. That is, when the spreading coefficient is positive, it is difficult to form a Pickering emulsion. On the other hand, if the spread coefficient is negative, both phases can be wetted and the Pickering emulsion is well formed. On the other hand, it is difficult to form a Pickering emulsion because the closer to 0, the boundary value, the more difficult it is for the particles to wet both phases. That is, the larger the absolute value of the spreading coefficient is, the more negative the number is, the more advantageous it is to form a Pickering emulsion.

하기 표 1은 몇몇 오일 성분에 대하여 접촉각, 계면장력 및 퍼짐계수 값을 나타낸 것이다. Table 1 below shows the contact angle, interfacial tension, and spreading coefficient values for several oil components.

Figure pat00001
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접촉각(θw )은 20℃에서, MATLAB과 CCD 카메라를 사용하여 수행되었으며, 3 개의 다른 위치에서 측정 된 값의 평균이다. 약 1 mL의 CNF 현탁액 (1 % w / w)을 Si 웨이퍼 상에 캐스트하고 주변 조건에서 건조되도록 두었다. Si 웨이퍼의 CNF 필름을 측정 대상 오일로 채워진 유리 큐벳에 넣고 CNF 필름에 3 μL의 물을 떨어뜨렸으며, 물 접촉각은 MATLAB과 CCD 카메라로 측정되었다.The contact angle (θ w ) was performed using MATLAB and a CCD camera at 20 °C, and is the average of the values measured at three different locations. About 1 mL of CNF suspension (1% w/w) was cast on a Si wafer and left to dry at ambient conditions. The CNF film of the Si wafer was placed in a glass cuvette filled with the oil to be measured, and 3 μL of water was dropped on the CNF film, and the water contact angle was measured with MATLAB and a CCD camera.

오일-물의 계면장력(γ ow )은 펜던트 드롭 방법에 의해 측정하였으며 단위는 mN/m 이다. 니들(22 게이지, 해밀턴) 끝에 매달린 오일 방울의 모양을 CCD 카메라(WAT-902H Ultimate, Watec)를 이용하여 20℃에서 촬영 하였다. 방울의 모양은 MATLAB을 사용하여 추적되었고 계면 장력을 계산하기 위해 분석되었다. 각 값은 샘플의 세 가지 다른 위치에서 측정 된 값의 평균이다. The oil-water interfacial tension ( γ ow ) was measured by the pendant drop method, and the unit is mN/m. The shape of the oil drop hanging on the tip of the needle (22 gauge, Hamilton) was photographed at 20℃ using a CCD camera (WAT-902H Ultimate, Watec). The shape of the droplet was tracked using MATLAB and analyzed to calculate the interfacial tension. Each value is the average of the values measured at three different locations on the sample.

퍼짐계수(S)의 단위는 mN/m 이며, 전술한 수학식 1에 의해 계산하였다. The unit of the spreading coefficient (S) is mN/m, and was calculated by Equation 1 above.

표 1의 결과에 따르면, MMA(메틸메타크릴레이트)의 퍼짐계수는 -2.2 mN/m로 셀룰로오스 흡착이 비교적 잘 된다고 알려진 다른 오일들에 비해 그 절대값이 상당히 작다. 이를 통해 MMA를 이용한 시스템에서 셀룰로오스 흡착이 잘 되지 않음을 알 수 있다. According to the results in Table 1, the spread coefficient of MMA (methyl methacrylate) is -2.2 mN/m, which is significantly smaller in absolute value compared to other oils known to have relatively good cellulose adsorption. From this, it can be seen that cellulose adsorption is not good in the system using MMA.

이와 같이, 셀룰로오스에 대한 흡착이 잘 안되는(퍼짐계수 절대값이 작은) 단량체 성분에 대해 흡착 성능을 향상시키기 위해, 계면장력이 어느 정도 높은 소수성 유기용매를 혼합함으로써 단량체와 소수성 유기용매를 혼합한 오일상은 수학식 1에 의해 계산된 퍼짐계수(mN/m)의 절대값이 5~20이 되도록 할 수 있다. In this way, in order to improve the adsorption performance of the monomer component, which is poorly adsorbed to cellulose (the absolute value of the spreading coefficient is small), by mixing the hydrophobic organic solvent with a certain high interfacial tension, the oil is mixed with the monomer and the hydrophobic organic solvent. The phase may be such that the absolute value of the spreading coefficient (mN/m) calculated by Equation 1 is 5 to 20.

이때, 중합성 관능기를 보유한 단량체는 20℃ 물과 접촉시 계면장력이 10 mN/m 이상 20 mN/m 이하, 또는 15 mN/m 이하인 것일 수 있다. 단량체의 퍼짐계수의 절대값은 5 미만일 수 있다. In this case, the monomer having a polymerizable functional group may have an interfacial tension of 10 mN/m or more and 20 mN/m or less, or 15 mN/m or less when in contact with water at 20°C. The absolute value of the spreading coefficient of the monomer may be less than 5.

또한, 소수성 유기용매는 20℃ 물과 접촉시 계면장력이 30~50mN/m 또는 30~40mN/m 인 것일 수 있다. 또한 퍼짐계수의 절대값은 20~30일 수 있다. In addition, the hydrophobic organic solvent may have an interfacial tension of 30-50 mN/m or 30-40 mN/m when in contact with water at 20°C. Also, the absolute value of the spreading coefficient may be 20 to 30.

상기 단량체와 상기 소수성 유기용매를 혼합한 오일상은 20℃ 물과 접촉시 계면장력이 20~40 mN/m 또는 20~30 mN/m 이고 퍼짐계수의 절대값은 5~20 또는 10~15일 수 있다. The oil phase in which the monomer and the hydrophobic organic solvent are mixed has an interfacial tension of 20-40 mN/m or 20-30 mN/m when in contact with water at 20°C, and the absolute value of the spreading coefficient is 5-20 or 10-15. have.

하기 표 2는 표 1에 기재된 성분들을 MMA와 부피비 1:1로 혼합하였을 때의 접촉각, 계면장력 및 퍼짐계수를 나타낸다. Table 2 below shows the contact angle, interfacial tension, and spreading coefficient when the components listed in Table 1 are mixed with MMA in a volume ratio of 1:1.

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상기 표 1 및 표 2의 결과로부터 계면장력과 퍼짐계수가 소정 범위 내에 드는 클로로벤젠을 단량체와 혼합하였을 때, 퍼짐계수의 절대값이 급격히 증가하였음을 알 수 있다. 이하 실시예에서 설명하겠지만, 본 발명자들은 실험을 통하여 퍼짐계수의 절대값이 큰 경우에 셀룰로오스의 흡착이 효과적으로 이루어졌음을 확인하였다. From the results of Tables 1 and 2, it can be seen that, when chlorobenzene having interfacial tension and spreading coefficient within a predetermined range was mixed with a monomer, the absolute value of the spreading coefficient increased rapidly. As will be described in Examples below, the present inventors confirmed through experiments that adsorption of cellulose was effectively achieved when the absolute value of the spreading coefficient was large.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 중합성 관능기를 보유한 단량체는 아크릴산, 메타크릴산 및 아크릴산에스테르로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. 예를 들면 메타크릴레이트계 일 수 있다. 메타크릴레이트계 고분자를 형성할 수 있는 단량체는 메틸메타크릴레이트, 에틸메타크릴레이트, 페닐메타크릴레이트, 2-하이드로프로필 메타크릴레이트 등일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.According to a preferred embodiment of the present invention, the monomer having a polymerizable functional group may include at least one selected from the group consisting of acrylic acid, methacrylic acid, and acrylic acid ester. For example, it may be methacrylate-based. The monomer capable of forming the methacrylate-based polymer may be methyl methacrylate, ethyl methacrylate, phenyl methacrylate, 2-hydropropyl methacrylate, or the like, but is not limited thereto.

또한, 상기 유기용매는 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 자일렌 및 d-limonene 으로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. In addition, the organic solvent may be at least one selected from the group consisting of chlorobenzene, dichlorobenzene, xylene and d-limonene.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 단계 a)에서 상기 단량체와 상기 유기용매를 0.5: 1 ~ 1:0.5의 부피비, 또는 0.8:1 ~ 1:0.8의 부피비. 가장 바람직하게는 1:1의 부피비로 혼합하는 것일 수 있다. 단량체와 유기용매 중 어느 한 쪽의 함량이 지나치게 많거나 작으면 셀룰로오스 나노섬유의 흡착성능 향상 효과가 미미할 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, in step a), the monomer and the organic solvent are mixed in a volume ratio of 0.5:1 to 1:0.5, or 0.8:1 to 1:0.8 by volume. Most preferably, it may be mixed in a volume ratio of 1:1. If the content of either the monomer or the organic solvent is too large or too small, the effect of improving the adsorption performance of the cellulose nanofibers may be insignificant.

또한 상기 단계 b)에서 상기 현탁액 중 셀룰로오스 나노섬유의 함량은 0.01~1 중량% 또는 0.05~0.5 중량% 일 수 있다. 셀룰로오스 나노섬유의 함량이 너무 적으면 셀를로오스 나노섬유 첨가에 의한 복합소재의 물성 향상 효과가 미미하고, 반대로 지나치게 많으면 고분자 복합소재 입자 내로 흡착되지 못하고 남아 있는 CNF가 남아 있을 수 있다. In addition, the content of the cellulose nanofibers in the suspension in step b) may be 0.01 to 1% by weight or 0.05 to 0.5% by weight. If the content of cellulose nanofibers is too small, the effect of improving the physical properties of the composite material by the addition of cellulose nanofibers is insignificant. Conversely, if the content is too large, CNF may not be adsorbed into the polymer composite material particles and remaining CNF may remain.

또한 단계 c)에서 상기 오일상과 상기 현탁액을 1:1 내지 1:50의 부피비로 혼합하여 상기 분산액을 제조할 수 있다. 오일상과 현탁액의 부피비는 오일상의 부피보다 현탁액의 부피가 큰 것이 바람직하다. 예를 들어, 오일상과 현탁액의 부피비는 1:5 이상, 1:10 이상, 1:15 이상 또는 1:20 이상일 수 있다. In addition, the dispersion may be prepared by mixing the oil phase and the suspension in a volume ratio of 1:1 to 1:50 in step c). It is preferable that the volume ratio of the oil phase and the suspension is greater than the volume of the oil phase. For example, the volume ratio of the oil phase and the suspension may be 1:5 or more, 1:10 or more, 1:15 or more, or 1:20 or more.

본 발명의 일 양태에 따르면, 고분자 복합입자의 에멀젼을 건조시켜 고분자 복합입자를 얻는 단계를 더 포함할 수 있다. According to an aspect of the present invention, the method may further include drying the emulsion of the polymer composite particles to obtain the polymer composite particles.

본 발명에 따른 방법으로 제조된 고분자 복합소재는 중합성 관능기를 보유한 단량체가 고분자 코어 입자를 형성하고, 고분자 코어 입자의 표면에 셀룰로오스 나노섬유가 불연속적으로 코팅되어 있는 입자 형태일 수 있다. The polymer composite material prepared by the method according to the present invention may be in the form of a particle in which a monomer having a polymerizable functional group forms a polymer core particle, and cellulose nanofibers are discontinuously coated on the surface of the polymer core particle.

일 실시예에 따르면, 고분자 코어입자와 셀룰로오스 나노섬유의 질량비가 100 : 1~20 일 수 있으며, 바람직하게는 100 : 5~15 일 수 있다. 셀룰로오스 나노섬유의 질량비가 지나치게 높으면 분산액 자체의 점도의 증가로 전반적인 교반이 원활하게 이루어지지 않게 되어 CNF 입자가 고분자 코어입자에 흡착되기 어려우며, 또한 CNF 입자들 사이의 오버랩에 의해 광학 특성이 떨어진다. 반면 지나치게 낮으면 기계적 물성 향상 효과가 미미 할 수 있다. 따라서 광학 특성이 유지되는 범위 내에서 최대의 기계적 물성 향상 효과를 얻기 위해서는 CNF의 종횡비를 조절하여 투입량을 증량시키는 것이 중요할 수 있다. According to one embodiment, the mass ratio of the polymer core particles to the cellulose nanofibers may be 100: 1 to 20, preferably 100: 5 to 15. If the mass ratio of cellulose nanofibers is too high, overall stirring is not performed smoothly due to an increase in the viscosity of the dispersion itself, so it is difficult for the CNF particles to be adsorbed to the polymer core particles, and the optical properties are deteriorated due to the overlap between the CNF particles. On the other hand, if it is too low, the effect of improving mechanical properties may be insignificant. Therefore, it may be important to increase the input amount by controlling the aspect ratio of CNF in order to obtain the maximum mechanical property improvement effect within the range in which the optical properties are maintained.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 셀룰로오스 나노섬유는 길이 및 직경 중 하나 이상이 100nm 이하인 것이다. According to a preferred embodiment, at least one of a length and a diameter of the cellulose nanofiber is 100 nm or less.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 셀룰로오스 나노섬유는 직경 4 ~ 100nm, 길이 0.5 ~ 5 um 인 것이다. 바람직하게는 직경 4~50nm, 길이 0.5 ~ 3um, 또는 직경 5~20nm, 길이 0.5~2um 일 수 있다. 셀룰로오스 나노섬유의 종횡비는 5 ~ 1250의 범위에서 조절할 수 있고, 바람직하게는 25 ~ 400 일 수 있다.According to a preferred embodiment, the cellulose nanofiber has a diameter of 4 to 100 nm and a length of 0.5 to 5 um. Preferably, the diameter may be 4-50 nm, length 0.5-3um, or diameter 5-20nm, length 0.5-2um. The aspect ratio of the cellulose nanofibers can be adjusted in the range of 5 to 1250, preferably 25 to 400.

본 발명에 따른 방법으로 제조되는 복합입자는 평균 크기가 50~200nm 일 수 있으며, 바람직하게는 80nm 이상 또는 90nm 이상일 수 있고, 150nm 이하 또는 120nm 이하 일 수 있다. The composite particles produced by the method according to the present invention may have an average size of 50 to 200 nm, preferably 80 nm or more or 90 nm or more, and 150 nm or less or 120 nm or less.

또한 상기 복합입자는 유리전이온도가 120℃ 이상 또는 125℃ 이상일 수 있고, 180℃ 이하 또는 150℃ 이하일 수 있다. 복합입자의 유리전이온도는 기계적 물성을 나타내는 척도라 할 수 있으며, 유리전이온도가 높을수록 기계적 물성은 좋아지나 성형성에 문제가 있을 수 있으며, 지나치게 낮은 경우 물성이 저조할 수 있다.In addition, the composite particles may have a glass transition temperature of 120°C or higher or 125°C or higher, and 180°C or lower or 150°C or lower. The glass transition temperature of the composite particles can be said to be a measure of mechanical properties, and the higher the glass transition temperature, the better the mechanical properties, but there may be problems in formability.

피커링 에멀젼을 이용하여 셀룰로오스로 보강된 고분자 복합소재를 제조하기 위해서는 보강재가 물과 단량체 사이의 계면에 손쉽게 흡착할 수 있어야 하는데, 본 발명은 낮은 계면장력을 갖는 단량체에 셀룰로오스가 보다 용이하게 흡착될 수 있도록 소정의 계면장력과 퍼짐계수 특성을 갖는 유기용매를 단량체와 혼합시켰다. 이와 같은 방법으로 셀룰로오스가 보다 용이하게 흡착되므로 결과적으로 제조되는 고분자 복합입자를 핫프레스 등으로 열압착시키면 제조한 복합필름은 보강재가 개별적으로 분산된 복합필름과 같은 특성을 지녀 외력이 가해졌을 때 응력을 원활하게 분산시킴으로써 우수한 기계적 물성을 보유할 수 있다. 또한 고분자 단량체의 종류에 따라 가시광 투과도가 우수한 고분자 복합소재를 제조할 수 있으므로 투과성과 기계적 강도가 요구되는 다양한 분야에 활용 가능할 것으로 기대된다. In order to prepare a polymer composite material reinforced with cellulose using the Pickering emulsion, the reinforcing material must be able to easily adsorb to the interface between water and monomer. An organic solvent having predetermined interfacial tension and spreading coefficient characteristics was mixed with the monomer. In this way, since cellulose is more easily adsorbed, when the resulting polymer composite particles are thermocompression-bonded by hot press, etc., the manufactured composite film has the same characteristics as the composite film in which the reinforcing material is individually dispersed, and stress when an external force is applied. By smoothly dispersing it, excellent mechanical properties can be maintained. In addition, since a polymer composite material with excellent visible light transmittance can be manufactured according to the type of polymer monomer, it is expected to be applicable to various fields requiring transmittance and mechanical strength.

이하 실시예를 통해 본 발명에 따른 제조 방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다. 또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.Hereinafter, the manufacturing method according to the present invention will be described in more detail through Examples. However, the following examples are only a reference for describing the present invention in detail, and the present invention is not limited thereto, and may be implemented in various forms. In addition, the unit of additives not specifically described in the specification may be weight %.

<실시예 1><Example 1>

methyl methacrylate 와 chlorobenzene 을 1:1 v/v 로 혼합한 오일상을 준비하였다. 셀룰로오스 나노섬유(직경 약 13 nm, 길이 약 445 nm)를 1g/L의 농도가 되도록 물에 희석한 후 초음파를 가하여 분산시킨 현탁액을 준비하였다. 본 실시예에서 사용된 모든 물은 탈이온화(Milli-Q, Merck-Millipore, 18.2MΩ·cm) 된 것이다. 상기 오일상과 셀룰로오스 나노섬유 현탁액을 1:25 v/v로 혼합(CNF 투입량 2.5% w/w)한 후 호모게나이저를 통해 에멀젼화하여 에멀젼을 제조하였다. An oil phase was prepared in which methyl methacrylate and chlorobenzene were mixed at 1:1 v/v. Cellulose nanofibers (diameter about 13 nm, length about 445 nm) were diluted in water to a concentration of 1 g/L, and then a suspension was prepared in which ultrasonic waves were applied and dispersed. All water used in this example was deionized (Milli-Q, Merck-Millipore, 18.2 MΩ·cm). The oil phase and the cellulose nanofiber suspension were mixed at 1:25 v/v (CNF input amount 2.5% w/w) and then emulsified through a homogenizer to prepare an emulsion.

< 비교예 1><Comparative Example 1>

Chlorobenzene을 혼합하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 에멀젼을 제조하였다. An emulsion was prepared in the same manner as in Example 1, except that chlorobenzene was not mixed.

실시예 1과 비교예 1의 에멀젼에 대한 안정성을 비교한 결과를 도 1 및 도 2에 나타내었다. 에멀젼의 안정성은 시간 경과에 따른 에멀젼 크기 변화로 관찰하였는데, 클로로벤젠을 첨가한 실시예 1의 에멀젼은 7일까지 높은 안정성을 보여주었지만, 클로로벤젠을 첨가하지 않은 비교예 1의 경우에는 1일의 안정성을 나타내었다. The results of comparing the stability of the emulsion of Example 1 and Comparative Example 1 are shown in FIGS. 1 and 2 . The stability of the emulsion was observed by the change in the size of the emulsion over time. The emulsion of Example 1 in which chlorobenzene was added showed high stability up to 7 days, but in the case of Comparative Example 1 in which chlorobenzene was not added, 1 day stability was shown.

<실시예 2> <Example 2>

실시예 1에서 제조한 에멀젼에 potassium persulfate(KPS)를 개시제로 첨가(MMA 기준 1% w/w)하여 70℃ 수조에서 8시간 동안 중합반응을 진행하였다. 반응완료 후 원심분리하였으며, 물과 메탄올로 세척하여 남아 있는 단량체와 개시제 등을 제거하였다. 결과적으로 얻은 PMMA/CNF 복합입자를 진공조건 25℃에서 12시간 건조하여 입경이 약 100nm인 고분자 복합입자를 얻었다. To the emulsion prepared in Example 1, potassium persulfate (KPS) was added as an initiator (1% w/w based on MMA), and polymerization was performed in a water bath at 70° C. for 8 hours. After completion of the reaction, the mixture was centrifuged and washed with water and methanol to remove the remaining monomers and initiators. The resulting PMMA/CNF composite particles were dried under vacuum conditions at 25° C. for 12 hours to obtain polymer composite particles having a particle diameter of about 100 nm.

<비교예 2> <Comparative Example 2>

비교예 1의 에멀젼을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 고분자 복합입자를 제조하였다. Polymer composite particles were prepared in the same manner as in Example 2, except that the emulsion of Comparative Example 1 was used.

도 3 및 도 4는 실시예 2와 비교예 2에서 제조된 PMMA/CNF 복합입자의 주사전자현미경(SEM) 사진이다 (S-4800, Hitachi at 10 kV). 도 3은 중합반응 개시후 5시간 후 도 4는 8시간 후 수득한 입자들에 대한 사진이다. 비교예 2의 입자(a)에 비해 실시예 2의 입자(b)가 보다 확실하게 셀룰로오스 나노섬유가 흡착되어 있는 모습을 관찰할 수 있다. 3 and 4 are scanning electron microscope (SEM) pictures of the PMMA/CNF composite particles prepared in Example 2 and Comparative Example 2 (S-4800, Hitachi at 10 kV). FIG. 3 is a photograph of particles obtained 5 hours after initiation of polymerization, and FIG. 4 is a photograph of particles obtained after 8 hours. It can be observed that the particle (b) of Example 2 is more reliably adsorbed to the cellulose nanofiber compared to the particle (a) of Comparative Example 2.

<실시예 3><Example 3>

MMA와 혼합되는 유기용매를 1,2-디클로로벤젠으로 한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 5시간 반응시켜 고분자 복합입자를 제조하였다. Polymer composite particles were prepared by reacting for 5 hours in the same manner as in Example 2, except that 1,2-dichlorobenzene was used as an organic solvent mixed with MMA.

<실시예 4> <Example 4>

MMA와 혼합되는 유기용매를 자일렌으로 한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 5시간 반응시켜 고분자 복합입자를 제조하였다. Polymer composite particles were prepared by reacting for 5 hours in the same manner as in Example 2, except that the organic solvent mixed with MMA was xylene.

도 5는 실시예 3 및 4에서 얻은 복합입자의 SEM 사진이다. 도 5의 a가 실시예 3의 복합입자, b가 실시예 4의 복합입자이다. 두 실시예 모두 셀룰로오스 나노섬유가 표면에 잘 흡착되어 있음을 확인할 수 있다. 5 is an SEM photograph of the composite particles obtained in Examples 3 and 4. 5A is the composite particle of Example 3, and b is the composite particle of Example 4. In both examples, it can be confirmed that the cellulose nanofibers are well adsorbed to the surface.

<실시예 5><Example 5>

CNF 투입량을 7% w/w로 변경한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 고분자 복합입자를 제조하였다.Polymer composite particles were prepared in the same manner as in Example 2, except that the CNF input amount was changed to 7% w/w.

<비교예 3> <Comparative Example 3>

CNF 투입량을 7% w/w로 변경한 것을 제외하고는 비교예 2와 동일한 방법으로 고분자 복합입자를 제조하였다. A polymer composite particle was prepared in the same manner as in Comparative Example 2, except that the CNF input amount was changed to 7% w/w.

<비교예 4> <Comparative Example 4>

상업적으로 구입한 PMMA(Sigma Aldrich, 제품명-445746, 분자량(Mw) 350,000 g/mol)을 사용하였다.Commercially purchased PMMA (Sigma Aldrich, product name-445746, molecular weight (Mw) 350,000 g/mol) was used.

<실시예 6> <Example 6>

실시예 2 및 5와 비교예 2 내지 4에서 얻은 고분자 복합입자를 160℃, 20 MPa로 1분간 압착하여 복합 필름(두께 200um) 을 제조하였다. 복합 필름의 기계적 물성(영모듈러스)을 측정한 결과는 표 3과 같다. Composite films (thickness 200 μm) were prepared by pressing the polymer composite particles obtained in Examples 2 and 5 and Comparative Examples 2 to 4 at 160° C. and 20 MPa for 1 minute. Table 3 shows the results of measuring the mechanical properties (Young's modulus) of the composite film.

CNF 투입량CNF input 클로로벤젠chlorobenzene 복합입자composite particles 영모듈러스(GPa)Young's modulus (GPa) 초기 투입량
(% w/w)
initial dose
(% w/w)
흡착량
(% w/w)
adsorption amount
(% w/w)
2.52.5 2.42.4 OO 실시예 2Example 2 1.70±0.141.70±0.14 1.21.2 XX 비교예 2Comparative Example 2 1.51±0.061.51±0.06 77 6.26.2 OO 실시예 5Example 5 2.04±0.102.04±0.10 1.21.2 XX 비교예 3Comparative Example 3 1.52±0.101.52±0.10 00 00 XX 비교예 4Comparative Example 4 1.22±0.061.22±0.06

영모듈러스는 200N 로드셀 이 장착된 범용 인장 기계 (UTM) (DBCM-20, BONSHIN)로 측정하였다. 3 Х 30mm (폭 Х 길이) 크기의 시편은 소프트웨어 프로그램으로 제어되는 모터 (RKE543AC, Oriental motor)를 통해 0.01 min-1의 변형률로 측정되었다. 각 샘플에 대해 최소 5 개의 표본이 측정되었다. Young's modulus was measured with a universal tensioning machine (UTM) (DBCM-20, BONSHIN) equipped with a 200N load cell. A specimen measuring 3 Х 30 mm (width Х length) was measured at a strain rate of 0.01 min -1 through a motor (RKE543AC, Oriental motor) controlled by a software program. A minimum of 5 specimens were measured for each sample.

상기 결과에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 복합입자를 사용한 복합필름은 셀룰로오스 나노섬유를 전혀 사용하지 않은 비교예 3의 복합필름에 비해 강도가 약 70% 정도 향상되었으며, 클로로벤젠을 사용하지 않은 비교예 2의 복합필름 대비해서도 상당히 우수한 강도를 나타냄을 확인할 수 있다.As can be seen from the above results, the composite film using the composite particles prepared by the method according to the present invention has improved strength by about 70% compared to the composite film of Comparative Example 3 in which cellulose nanofibers are not used at all, and chlorobenzene is It can be confirmed that the composite film of Comparative Example 2, which is not used, exhibits significantly superior strength.

이상으로부터, 본 발명에 따라 제조된 복합입자는 투명성과 기계적 물성이 확보되어야 사용할 수 있는 제품, 즉 유리창, 썬루프, 아쿠아리움 파티션, 아이스하키 링크 관람석 보호판, 렌즈 등 유리를 대체품 또는 기존의 투명 플라스틱 소재, 예를 들면, 투명전극, 필름, 코팅재, 접착제, 헤드램프, 전자부품소재 등에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.From the above, the composite particles manufactured according to the present invention can be used only when transparency and mechanical properties are secured, that is, glass windows, sunroofs, aquarium partitions, ice hockey rink guard plates, lenses, etc. , for example, is expected to be widely used in transparent electrodes, films, coatings, adhesives, headlamps, and electronic component materials.

또한, 본 발명에 의한 방법은 복합재료 형성의 경우뿐만 아니라, 오일 회수나 캡슐화 등과 같이 입자의 흡착이 요구되는 시스템이 필요한 경우에 용매 혼합 방법을 통해 계면장력을 조정하여 흡착이 잘 되지 않는 시스템을 흡착이 용이하게 만들 수 있다. In addition, the method according to the present invention adjusts interfacial tension through a solvent mixing method when a system requiring particle adsorption such as oil recovery or encapsulation is required, as well as in the case of forming a composite material. adsorption can be facilitated.

Claims (15)

a) 중합성 관능기를 보유한 단량체와 소수성 유기용매를 혼합하여 오일상을 준비하는 단계;
b) 물에 셀룰로오스 나노섬유가 현탁된 현탁액을 준비하는 단계;
c) 상기 오일상과 현탁액을 혼합한 후 교반하여 분산액을 제조하는 단계; 및
d) 상기 분산액에 중합 개시제를 첨가한 후 교반하면서 중합반응을 진행하여 고분자 복합입자의 에멀젼을 얻는 단계를 포함하는 고분자 복합입자의 제조 방법.
a) preparing an oil phase by mixing a monomer having a polymerizable functional group and a hydrophobic organic solvent;
b) preparing a suspension in which cellulose nanofibers are suspended in water;
c) preparing a dispersion by mixing the oil phase and the suspension and then stirring; and
d) after adding a polymerization initiator to the dispersion, the polymerization reaction proceeds while stirring to obtain an emulsion of the polymer composite particles.
제1항에 있어서,
상기 소수성 유기용매는 20℃ 물과 접촉시 계면장력이 30~50mN/m 인 것인 고분자 복합입자의 제조 방법.
According to claim 1,
The hydrophobic organic solvent has an interfacial tension of 30-50 mN/m when in contact with water at 20°C.
제1항에 있어서,
상기 단량체와 상기 소수성 유기용매를 혼합한 오일상은 20℃ 물과 접촉시 계면장력이 20~40 mN/m인 것인 고분자 복합입자 제조 방법.
The method of claim 1,
The method for preparing polymer composite particles, wherein the oil phase in which the monomer and the hydrophobic organic solvent are mixed has an interfacial tension of 20 to 40 mN/m when in contact with water at 20°C.
제1항에 있어서,
상기 단량체와 상기 소수성 유기용매를 혼합한 오일상은 하기 수학식 1에 의해 계산된 퍼짐계수(S)의 절대값이 5~20인 것인 고분자 복합입자 제조 방법.
[수학식 1]
S(O/W) = γ ow(cosθw -1)
상기 수학식 1에서, S(O/W)는 고체입자가 오일과 물을 포함하는 용매에 분산된 시스템의 퍼짐계수를 나타내고, γ ow 는 오일-물 사이의 계면장력(mN/m)을 나타내며, θw 는 고체입자-물-오일 사이의 접촉각을 나타낸다.
According to claim 1,
In the oil phase in which the monomer and the hydrophobic organic solvent are mixed, the absolute value of the spreading coefficient ( S ) calculated by Equation 1 below is 5 to 20.
[Equation 1]
S (O/W) = γ ow (cosθ w -1)
In Equation 1, S(O/W) represents the spreading coefficient of a system in which solid particles are dispersed in a solvent containing oil and water, and γ ow represents the interfacial tension between oil and water (mN/m) , θ w represents the contact angle between solid particles-water-oil.
제1항에 있어서,
단계 a)에서 상기 단량체와 상기 유기용매를 0.5: 1 내지 1:0.5의 부피비로 혼합하는 것인 고분자 복합입자의 제조 방법.
According to claim 1,
In step a), the monomer and the organic solvent are mixed in a volume ratio of 0.5: 1 to 1: 0.5.
제1항에 있어서,
상기 유기용매는 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 자일렌 및 d-limonene으로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상인 것인 고분자 복합입자의 제조 방법.
The method of claim 1,
The organic solvent is at least one selected from the group consisting of chlorobenzene, dichlorobenzene, xylene and d-limonene.
제1항에 있어서,
단계 b)에서 상기 현탁액 중 셀룰로오스 나노섬유의 함량은 0.01~1 중량% 인 것인 고분자 복합입자의 제조 방법.
The method of claim 1,
In step b), the content of the cellulose nanofibers in the suspension is 0.01 to 1% by weight of the method for producing a polymer composite particle.
제1항에 있어서,
단계 c)에서 상기 오일상과 상기 현탁액을 1:1 내지 1:50의 부피비로 혼합하여 상기 분산액을 제조하는 것인 고분자 복합입자의 제조 방법.
According to claim 1,
In step c), the oil phase and the suspension are mixed in a volume ratio of 1:1 to 1:50 to prepare the dispersion.
제1항에 있어서,
상기 중합성 관능기를 보유한 단량체가 아크릴산, 메타크릴산 및 아크릴산에스테르로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인 고분자 복합입자의 제조 방법.
The method of claim 1,
The method for producing a polymer composite particle wherein the monomer having the polymerizable functional group comprises at least one selected from the group consisting of acrylic acid, methacrylic acid and acrylic acid ester.
제1항에 있어서,
상기 고분자 복합입자는 상기 중합성 관능기를 보유한 단량체가 고분자 코어 입자를 형성하고, 고분자 코어 입자의 표면에 셀룰로오스 나노섬유가 불연속적으로 코팅되어 있는 것인 고분자 복합입자 제조 방법.
The method of claim 1,
The polymer composite particle is a method for producing a polymer composite particle in which the monomer having the polymerizable functional group forms a polymer core particle, and cellulose nanofibers are discontinuously coated on the surface of the polymer core particle.
제1항에 있어서,
상기 셀룰로오스 나노섬유는 길이 및 직경 중 하나 이상이 100nm 이하이며, 종횡비가 5~1250인 것인 고분자 복합입자의 제조 방법.
The method of claim 1,
The cellulose nanofiber has at least one of a length and a diameter of 100 nm or less, and an aspect ratio of 5 to 1250.
제1항에 있어서,
상기 셀룰로오스 나노섬유는 직경 4 ~ 100nm, 길이 0.5 ~ 5 um 인 것인 복합입자의 제조 방법.
According to claim 1,
The cellulose nanofibers have a diameter of 4 to 100 nm, and a length of 0.5 to 5 um.
제1항에 있어서,
상기 고분자 단량체와 셀룰로오스 나노섬유의 중량비가 100: 1~20인 것인 복합입자.
According to claim 1,
The weight ratio of the polymer monomer to the cellulose nanofiber is 100: 1 to 20 composite particles.
제1항에 있어서,
상기 고분자 복합입자의 평균 크기가 50~200nm인 고분자 복합입자의 제조 방법.
According to claim 1,
A method for producing a polymer composite particle having an average size of 50 to 200 nm of the polymer composite particle.
물보다 계면장력이 낮은 오일과 물이 혼합되어 있는 분산액에 입자를 첨가하여 오일을 흡착시키는 방법에 있어서, 오일보다 계면장력이 높은 유기용매를 첨가하여 입자의 오일에 대한 흡착력을 증대시키는 방법. A method of adsorbing oil by adding particles to a dispersion in which oil and water having an interfacial tension lower than that of water are mixed.
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