KR20230087800A - 계면활성 특성을 갖는 친수성 셀룰로오스 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 친수성 셀룰로오스와 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 알킬케텐다이머(AKD; alkyl ketene dimer)를 이용한 소수화 처리된 친수성 셀룰로오스 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 친수성 셀룰로오스는 계면활성 특성을 가지면서도 소수성 성질도 포함하고 있어 화장료 조성물 또는 플라스틱 소재 등에 다양하게 활용할 수 있다.

Description

계면활성 특성을 갖는 친수성 셀룰로오스 및 이의 제조방법{Hydrophilic cellulose having surface-active properties and manufacturing method thereof}

본 발명은 친수성 셀룰로오스 나노섬유와 그 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 AKD 처리량에 따라 친수성 및 계면활성 특성을 갖는 소수성 셀룰로오스 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 셀룰로오스는 천연 소재로서 매우 각광을 받고 있으며, 이러한 셀룰로오스의 다양한 응용이 널리 알려져 있다.

셀룰로오스 섬유, 특히 목재 유래의 셀룰로오스 섬유(펄프)는 주로 종이제품으로서 폭넓게 사용되고 있다. 종이에 사용되는 셀룰로오스 섬유의 폭은 10~50μm의 것이 대부분이다. 또한, 셀룰로오스 섬유로서는 섬유 직경이 1,000 nm이하의 미세 셀룰로오스 섬유도 셀룰로오스 나노섬유(CNF)로 잘 알려져 있고, 이러한 미세 셀룰로오스 섬유의 용도에 대해서도 다양한 분야에 응용되고 있다.

기존의 셀룰로오스 나노섬유는 그 친수성이므로 이를 소수화하기 위해서 물에 2% 정도의 셀룰로오스 나노섬유가 함유된 현탁액의 셀룰로오스 나노섬유를 소수화처리 하기 위해서는 통상적으로 동결건조 후에 소수화처리를 하거나, 용매 치환 건조를 한 후에 셀룰로오스 나노섬유를 소수화처리를 시행하였다.

그러나 셀룰로오스 나노섬유는 그 친수성이 매우 강하여 물에 약 2중량% 이상의 고농도로 혼합하게 되면 점도가 급격하게 증가하여 작업성이 매우 나빠진다. 그러므로 2% 이상 고농도의 현탁액, 예컨대 4-20% 등 고농도 현탁액에 대한 소수화는 어려운 문제가 있다,

또한, 종래에는 극 친수성인 셀룰로오스 나노섬유 현탁액에 대하여 소수화처리를 위해 건조 형태의 셀룰로오스 나노섬유로 제조하는 것이 필요한 것으로 알려져 있는데, 이를 위해서는 용매치환 건조법으로서 물을 에탄올이나 아세톤으로 용매를 변화시켜서 건조하는 방법이 제안되어 있다. 이러한 용매 치환법은 용매 간 응집에 의한 덩어리지는 현상을 예방하는 방법으로 용매 치환하고 건조한 이후에 소수화 반응물질로 예컨대 알킬케텐다이머(AKD)를 이용하여 소수화처리를 시행하였다.

또 다른 방법으로는, 셀룰로오스 나노섬유 현탁액을 동결 건조하여 건조된 셀룰로오스 나노섬유를 제조한 후에 소수화 반응물질로 소수화처리를 시행하였다. 이렇게 하면, 동결하여 얼음으로 만든 다음에 고체를 기체로 승화시키게 되므로, 고체 상태에서 승화될 때 표면장력이 낮아서 응집이 일어나지 않게 된다. 따라서 응집 없이 소수화가 가능한 것으로 알려져 있다.

이와 같이, 종래에 셀룰로오스 나노섬유를 소수화시키기 위해서는 예컨대 상기와 같은 용매 치환법으로 건조된 나노섬유에 AKD로 후처리하여 소수화 셀룰로오스 나노섬유를 제조하거나, 용매 치환된 셀룰로오스 나노섬유에 AKD로 후처리하여 소수화하였다.

종래 기술에서는 AKD처리 정도에 따라 보수율(water retention value; WRV)이 어떻게 변화하는지에 대해 개시되어 있으나, AKD 처리량에 따라 소수성 또는 친수성이 변하고, 추가적으로 계면활성 특성을 갖는 지에 대해서는 전혀 개시하고 있지 않다.

공개특허공보 제10-2020-0143028호

위와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 친수성이면서도 계면활성 특성을 갖는 셀룰로오스 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 상기의 친수성 셀룰로오스의 새로운 용도를 제공하고자 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 친수성 셀룰로오스 및 이의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 친수성 셀룰로오스는 셀룰로오스에 소수화 처리를 수행하여 수득하는 셀룰로오스일 수 있다.

상기 소수화는 아세틸화, 실란화, 가교화, 불소화, AKD(Alkyl Ketene Dimer) 첨가 및 ASA(alkyl succinic anhydride) 첨가로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 처리에 의한 것일 수 있고, 바람직하게는 알킬케텐 다이머(AKD; alkyl ketene dimer) 처리를 통한 것일 수 있다.

상기 AKD의 유래는 제한되는 것은 아니나 본 발명의 일 실시예에서 석유화학 유래의 AKD를 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 친수성 셀룰로오스는 카르복시메틸화 처리된 나노 섬유일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 카르복시메틸화는 당 업계에서 셀룰로오스를 이용한 나노 섬유 제조시에 통상적으로 사용할 수 있는 방법을 통해 처리할 수 있다.

또한, 상기 카르복시메틸화 처리되는 셀룰로오스는 제한되는 것은 아니지만 바람직하게는 왕겨로부터 추출되는 셀룰로오스일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 친수성 셀룰로오스는 셀룰로오스에 소수성 처리를 하여 에스테르화 반응에 의해 친수성과 소수성의 균형(HLB, hydrophilic/liphophilic balance)을 조절함에 따라 계면 활성 특성이 나타날 수 있다.

특히, AKD 첨가량에 따라 친수성 특성이 더 강해질 수 있다.

다만, 본 발명에 따른 친수성 셀룰로오스는 친수성이 강하더라도 소수성 성질이 일부 포함되어 있을 수 있기 때문에 제조과정에서 친수성 물질과의 화학결합 또는 화학작용이 일어날 수 있다.

본 발명에 따른 친수성 셀룰로오스는 5 내지 500 nm의 길이일 수 있으며, 일 구현예에서는 10 내지 200 nm, 30 내지 200 nm 또는 50 내지 200 nm일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 친수성 셀룰로오스는 계면 활성 특성을 증가시키기 위해 추가적으로 계면활성제를 더 포함할 수 있고, 상기 계면활성제는 실리콘계 계면활성제, 라우릴(lauryl) 산 나트륨, 알킬 벤젠설폰산(benzenesulfonic acid) 등일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 본 발명은 물에 셀룰로오스 나노섬유를 함유하는 현탁액을 용매치환이나 건조 처리 전에 곧바로 알킬케텐다이머(AKD; alkyl ketene dimer)를 첨가하여 소수화시키고 난 다음, 이를 건조하는 단계를 통해 제조되는 것일 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 셀룰로오스 제조 시, 건조는 동결건조 또는 용매 치환 건조의 방법으로 수행할 수 있다.

또한, 본 발명은 친수성 셀룰로오스를 유효성분으로 함유하는 화장료 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 친수성 셀룰로오스를 함유하는 계면활성제 또는 계면활성제 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 플라스틱에 친수성 셀룰로오스를 함유하는 생분해성 미세 플라스틱 소재를 제공한다.

본 발명에 따르면 친수성 셀룰로오스 나노섬유를 기존에 비해 매우 간단하고 경제적인 방법으로도 고순도 고수율로 친수성 셀룰로오스 나노섬유를 제조할 수 있어서, 기존 제조공정에 비해 매우 경제적이다.

또한, 본 발명에 따른 친수성 셀룰로오스는 플라스틱에 혼합하여 적용하는 경우 생분해성 미세 플라스틱 소재 또는 화장료 소재로 다양하게 활용할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 상세히 설명한다.

단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예1]

왕겨 : 0.2M NaOH를 1 : 20 의 비율로 혼합한 후 100℃, 1시간 10분 간 반응시켰다. 이후 원심분리기(HUCS-U12, 상부식 원심분리기,한국)를 이용하여 왕겨를 세척하고 [60.00xg(재확인) 20분, 3회] 이후 50℃ oven에서 건조시켜 왕겨의 실리카를 제거하여 셀룰로오스를 수득하였다.

[실시예2]

상기 실시예 1에서 제조된 셀룰로오스에 카르복시메틸화 처리를 하고, 셀룰로오스를 준비하여 알킬케텐다이머(AKD)를 첨가하였다. 이때 알킬케텐다이머는 석유화학 유래의 것을 사용하였고, 이후 건조 단계를 거쳐 5~200nm 길이를 갖는 친수성 셀룰로오스를 수득하였다.

[실험예] 본 발명에 따른 소수성 셀룰로오스의 보수율 및 계면활성 특성 평가

상기 실시예 2를 통해 수득한 셀룰로오스의 보수율은 다음의 식에 의해 평가하였고, 이에 따른 계면활성 특성도 평가되었다.

보수율(%) = [(습윤 시 무게(A) - 건조 무게(B))/건조 무게(B)] X 100

보수율을 평가하기 위한 과정은 다음과 같다:

수득된 셀룰로오스의 습윤 시 무게(A)는 증류수 100 mL에 0.5 cm X 0.5 cm로 절단한 셀룰로오스 에테르 시료를 1.0 g을 첨가하여 20℃에서 1 시간 교반시킨 후, NASCO사의 DT5-5B 원심분리기를 사용하여 2,000 g의 중력가속도로 15 분간 원심분리하여 측정하고, 건조 무게(B)는 상기 셀룰로오스 에테르 시료를 120℃ 오븐에서 5 시간 이상 건조시켜 측정하였다. 이때 무게의 단위는 g이었다.

Claims (8)

1. 알킬케텐다이머(AKD; alkyl ketene dimer)로 소수화 처리된 친수성 셀룰로오스.
2. 제1항에 있어서, 상기 친수성 셀룰로오스는 카르복시메틸화 처리된 셀룰로오스에 소수화 처리한 것을 특징으로 하는 친수성 셀룰로오스.
3. 제1항에 있어서, 상기 셀룰로오스는 5 내지 500nm의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 친수성 셀룰로오스.
4. 제1항에 있어서, 상기 셀룰로오스는 계면활성 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 친수성 셀룰로오스.
5. 제1항에 있어서, 상기 셀룰로오스는 계면활성제를 추가적으로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 친수성 셀룰로오스.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 친수성 셀룰로오스를 포함하는 생분해성 미세 플라스틱 소재.
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 친수성 셀룰로오스를 포함하는 화장료 조성물.
8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 친수성 셀룰로오스를 포함하는 계면활성제.