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KR102539702B1 - Preparation method of cellulose-based nanofiber - Google Patents

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KR102539702B1
KR102539702B1 KR1020180126208A KR20180126208A KR102539702B1 KR 102539702 B1 KR102539702 B1 KR 102539702B1 KR 1020180126208 A KR1020180126208 A KR 1020180126208A KR 20180126208 A KR20180126208 A KR 20180126208A KR 102539702 B1 KR102539702 B1 KR 102539702B1
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이제곤
박민성
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주식회사 엘지화학
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    • D01F2/00Monocomponent artificial filaments or the like of cellulose or cellulose derivatives; Manufacture thereof
    • DTEXTILES; PAPER
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    • D10BINDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
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Abstract

본 발명은 수분 함량 10 중량% 이하인 건조 펄프 섬유를 카보닐 무수물에 분산시킨 후, 촉매 및 무용매하에 에스테르화 반응시키는 단계; 상기 에스테르화된 펄프 섬유를 유기계 용매로 세척하고 분산시키는 단계; 및 상기 유기계 용매로 분산된 펄프 섬유를 나노화시키는 단계;를 포함하는 셀룰로오스계 나노 섬유의 제조방법에 관한 것이다.The present invention comprises the steps of dispersing dry pulp fibers having a moisture content of 10% by weight or less in carbonyl anhydride, followed by esterification in the absence of a catalyst and solvent; washing and dispersing the esterified pulp fibers with an organic solvent; It relates to a method for producing cellulose-based nanofibers comprising; and nanonizing the pulp fibers dispersed in the organic solvent.

Description

셀룰로오스계 나노 섬유의 제조방법{PREPARATION METHOD OF CELLULOSE-BASED NANOFIBER}Manufacturing method of cellulosic nanofiber {PREPARATION METHOD OF CELLULOSE-BASED NANOFIBER}

본 발명은 유기용매에 분산된 에스테르화된 셀룰롤오스계 나노 섬유의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing esterified cellulose-based nanofibers dispersed in an organic solvent.

셀룰로오스 나노섬유 (이하, CNF)는 표면의 수산기 (-OH)로 인해 친수성의 성질이 강해 유기용매에 분산이 어려우며 PP, PE 등과 같은 올레핀계 고분자와의 혼용성이 현저히 낮다.Cellulose nanofibers (hereinafter referred to as CNFs) have strong hydrophilic properties due to hydroxyl groups (-OH) on the surface, so they are difficult to disperse in organic solvents, and miscibility with olefinic polymers such as PP and PE is remarkably low.

이를 해결하기 위하여, 주로 CNF 표면의 수산기를 소수성의 작용기로 치환하고 있으며, 그 대표적인 방법이 에스테르화 (Esterification) 반응에 의해 CNF 표면의 수산기를 아세틸 작용기 (Acetyl group)등의 카보닐 작용기 (Carbonyl group)로 치환하는 것이다.In order to solve this problem, the hydroxyl group on the CNF surface is mainly replaced with a hydrophobic functional group, and a representative method is to convert the hydroxyl group on the CNF surface to a carbonyl functional group such as an acetyl group by an esterification reaction. ) to be replaced by

상기 에스테르화를 비롯한 CNF 표면의 소수성 도입 방법은 주로 유기계에서 반응이 이루어지기 때문에, 수계 분산된 CNF를 용매치환을 통해 유기계에 분산시켜야 한다.Since the method of introducing hydrophobicity to the surface of CNF, including the esterification, is mainly performed in an organic system, CNF dispersed in an aqueous system must be dispersed in an organic system through solvent exchange.

예를 들어, 종래 방법에서는 다음과 같은 두 가지 방법에 의해 셀룰로오스 나노섬유에 카보닐기를 도입하고 있다.For example, in the conventional method, carbonyl groups are introduced into cellulose nanofibers by the following two methods.

첫 번째 방법은 수계 분산된 펄프 섬유의 나노화를 진행하고, 원심분리나 여과 분리를 통해 나노화된 섬유를 유기계에 분산시킨 후, 에스테르화 공정을 진행한 다음, 원심 분리나 여과 분리에 의해 잔여 물질을 세척하여 셀룰로오스 나노 섬유를 얻는 방법이 있다.The first method proceeds with the nanoization of pulp fibers dispersed in the aqueous system, disperses the nanosized fibers in the organic system through centrifugation or filtration separation, proceeds with the esterification process, and then removes the remaining material by centrifugation or filtration separation. There is a method of obtaining cellulose nanofibers by washing.

두 번째 방법은 수계 분산된 펄프 섬유를 여과 분리를 통해 유기계 용매로 치환하고, 에스테르화 공정을 진행한 뒤, 여과 분리에 의해 잔여물질을 유기계 용매로 세척한 뒤 다시 수계로 치환하여, 수계 분산된 카보닐화 섬유의 나노화 공정을 진행한 후 원심 분리를 통해 다시 유기계 용매로 치환하여 셀룰로오스 나노 섬유를 얻는 방법이 있다.In the second method, the pulp fibers dispersed in the aqueous system are substituted with an organic solvent through filtration, followed by an esterification process, and the residual material is washed with an organic solvent by filtration and then substituted with an aqueous system again to obtain an aqueous dispersion. There is a method of obtaining cellulose nanofibers by performing a nanoization process of carbonylated fibers and then substituting the carbonylated fibers with an organic solvent again through centrifugation.

이러한 종래 방법은 CNF 현탁액을 여과방식 또는 원심분리 방식으로 용매 치환하는 방법이 이용된다. 그러나, 종래 방법은 상기 CNF의 직경이 나노 수준이기 때문에, CNF 현탁액을 여과방식 또는 원심분리 방식으로 용매 치환하는데 상당한 에너지가 소모되는 문제가 있다. 특히, 종래 방법은 용매 치환 방법에서 여과 방식뿐 아니라 원심 분리 공정도 거쳐야 하므로, 공정이 복합하다. 또한, 유기계 용매로 세척하고 용매 치환하는 과정에서 에너지 소모가 커지는 문제로, 공정성이 떨어진다.In this conventional method, a method of solvent replacement of the CNF suspension by a filtration method or a centrifugal separation method is used. However, in the conventional method, since the diameter of the CNF is nano-level, there is a problem in that considerable energy is consumed in solvent replacement of the CNF suspension in a filtration method or a centrifugal separation method. In particular, the conventional method requires a centrifugal separation process as well as a filtration method in the solvent substitution method, so the process is complex. In addition, due to a problem in which energy consumption increases in the process of washing with an organic solvent and replacing the solvent, fairness is deteriorated.

이와 같이, 카보닐화된 펄프 섬유를 나노화하는 방법도 있지만, 현재까지 보고된 기술에서는 카보닐화 섬유를 수계상에 분산하여 나노화하고 있기 때문에, 궁극적으로는 수계 분산된 카보닐화 셀룰로오스 나노섬유가 얻어지고 있다.In this way, there is also a method of nanonizing carbonylated pulp fibers, but in the technologies reported so far, carbonylated fibers are dispersed in an aqueous phase to nanonize them, so carbonylated cellulose nanofibers dispersed in water are ultimately obtained. .

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 섬유간 수소 결합이 억제된 수분함량이 일정 범위로 조절된 목질계 또는 비목질계 건조 펄프 섬유를 이용하여 카보닐 무수물에 분산시키고 에스테르화 반응을 진행함으로써, 종래 수계 분산된 펄프 섬유의 에스테르화 공정 대비 에너지 소모를 줄일 수 있는 셀룰로오스계 나노 섬유의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention is to solve the above problems, by dispersing in carbonyl anhydride using wood-based or non-wood-based dry pulp fibers whose moisture content is controlled to a certain range and in which hydrogen bonds between fibers are suppressed, and proceeding with an esterification reaction. , It is an object to provide a method for producing cellulose-based nanofibers that can reduce energy consumption compared to the conventional esterification process of aqueous dispersed pulp fibers.

본 명세서에서는, 수분 함량 10 중량% 이하인 건조 펄프 섬유를 카보닐 무수물에 분산시킨 후, 촉매 및 무용매하에 에스테르화 반응시키는 단계;In the present specification, after dispersing dry pulp fibers having a water content of 10% by weight or less in carbonyl anhydride, esterification is performed in the absence of a catalyst and solvent;

상기 에스테르화된 펄프 섬유를 유기계 용매로 세척하고 분산시키는 단계; 및washing and dispersing the esterified pulp fibers with an organic solvent; and

상기 유기계 용매로 분산된 펄프 섬유를 나노화시키는 단계;Nanonizing the pulp fibers dispersed in the organic solvent;

를 포함하는 셀룰로오스계 나노 섬유의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing cellulose-based nanofibers comprising a.

본 발명에 따르면, 수분함량이 10중량% 이하인 목질계 또는 비목질계 펄프 섬유를 카보닐 무수물로 분산시킨 후, 촉매를 이용하여 무용매하에 에스테르화 반응시키고, 이를 유기 용매에 분산시킴으로써, 에너지 소모가 큰 셀룰로오스 섬유의 에스테르화 공정을 종래의 복잡한 세척 및 용매 치환 과정 대비 간단하게 진행할 수 있다. 따라서, 본 발명은 에스테르화된 셀룰로오스계 나노 섬유를 경제적으로 제공할 수 있으며, 올레핀 고분자와의 혼용성을 높이는데 기여할 수 있다.According to the present invention, after dispersing woody or non-woody pulp fibers having a water content of 10% by weight or less with carbonyl anhydride, esterifying them in the absence of a solvent using a catalyst and dispersing them in an organic solvent, thereby consuming energy. The esterification process of large cellulose fibers can be performed simply compared to the conventional complex washing and solvent replacement processes. Therefore, the present invention can economically provide esterified cellulose-based nanofibers, and can contribute to improving miscibility with olefin polymers.

도 1은 실시예 1의 셀룰로오스 나노 섬유의 전자현미경사진을 나타낸 것이다.Figure 1 shows an electron micrograph of the cellulose nanofibers of Example 1.

본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in this specification are only used to describe exemplary embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprise", "comprise" or "having" are intended to indicate that there is an embodied feature, step, component, or combination thereof, but one or more other features or steps; It should be understood that the presence or addition of components, or combinations thereof, is not previously excluded.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can have various changes and various forms, specific embodiments will be exemplified and described in detail below. However, it should be understood that this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, and includes all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 발명의 일 구현예에 따라, 수분 함량 10 중량% 이하인 건조 펄프 섬유를 카보닐 무수물에 분산시킨 후, 촉매 및 무용매하에 에스테르화 반응시키는 단계; 상기 에스테르화된 펄프 섬유를 유기계 용매로 세척하고 분산시키는 단계; 및 상기 유기계 용매로 분산된 펄프 섬유를 나노화시키는 단계;를 포함하는 셀룰로오스계 나노 섬유의 제조방법이 제공될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, after dispersing dry pulp fibers having a water content of 10% by weight or less in carbonyl anhydride, esterification in the absence of a catalyst and solvent; washing and dispersing the esterified pulp fibers with an organic solvent; And a method for producing cellulose-based nanofibers comprising the step of nanonizing the pulp fibers dispersed in the organic solvent may be provided.

본 발명은 에너지 소모가 큰 셀룰로오스계 섬유의 에스테르화 공정을 종래보다 간단하게 진행할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.The present invention is to provide a method that can proceed more simply than before the esterification process of cellulose-based fibers, which consumes a lot of energy.

이러한 본 발명의 방법은 수소결합이 억제된 수분함량이 특정 범위로 조절된 건조 펄프 섬유를 준비하고, 이를 이용하여 카보닐 무수물과 반응을 진행 후 여과 방법을 사용하므로, 용매 치환시 종래의 원심분리 공정을 진행하지 않아도 된다. 따라서, 본 발명은 상기 에스테르화가 완료된 펄프 섬유를 유기계 용매를 이용하여 세척 및 분산 공정을 진행하여, 종래보다 공정성을 개선하여 유기계에서 에스테르화 섬유의 나노화를 쉽게 수행할 수 있다.Since the method of the present invention prepares dry pulp fibers in which the hydrogen bond is inhibited and the moisture content is adjusted to a specific range, and uses this to react with carbonyl anhydride and then uses a filtration method, conventional centrifugation during solvent replacement You don't have to go through the process. Therefore, in the present invention, the process of washing and dispersing the esterified pulp fibers using an organic solvent is improved, and thus, nanoization of the esterified fibers can be easily performed in an organic system by improving processability compared to the prior art.

이하에서는, 본 발명의 일 구현예에 따른 셀룰로오스계 나노 섬유의 제조방법에 대해 구체적으로 설명하고자 한다.Hereinafter, a method for manufacturing cellulose-based nanofibers according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

첫 번째 단계에서, 본 발명은 수분 함량이 일정량 이하로 조절된 건조된 펄프를 사용하여, 건조된 섬유를 카보닐 무수물과 반응시킬 때, 유기계 용매를 배제하여 에스테르화 반응을 진행할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 펄프 섬유는 고분자화되지 않은 형태를 유지한 채, 표면의 수산기가 카보닐기로 쉽게 치환될 수 있다.In the first step, when the dried fiber is reacted with carbonyl anhydride using dried pulp whose moisture content is adjusted to a certain amount or less, the esterification reaction can proceed by excluding the organic solvent. Therefore, the hydroxyl group on the surface of the pulp fiber according to the present invention can be easily substituted with a carbonyl group while maintaining an unpolymerized form.

이를 위해, 본 발명은 수분 함량 10 중량% 이하인 건조 펄프 섬유를 사용한다. 상기 수분함량 10중량% 이하인 건조 펄프 섬유는, 수분함량 10중량% 이하인 목질계 또는 비목질계 펄프 섬유를 포함할 수 있다.To this end, the present invention uses dry pulp fibers having a moisture content of less than 10% by weight. The dry pulp fibers having a moisture content of 10% by weight or less may include wood-based or non-woody pulp fibers having a moisture content of 10% by weight or less.

바람직하게, 상기 수분함량 10중량% 이하인 건조 펄프 섬유는 목질계 또는 비목질계 펄프 섬유로서, 이를 바로 카보닐 무수물에 분산시킬 수 있다.Preferably, the dry pulp fibers having a moisture content of 10% by weight or less are wood-based or non-wood-based pulp fibers, which can be directly dispersed in carbonyl anhydride.

또한, 상기 건조 펄프 섬유는 제지 공정에서 통상적으로 사용하는 펄프 시트의 수계 분산 공정을 그대로 사용할 수 있고, 이때 용매를 물에서 카보닐 무수물로 바꾸면 된다. 건조된 펄프 시트의 수분 함량은 10 중량% 이하이어야 하며, 상기 건조 펄프 섬유의 수분함량이 10 중량% 이상이면 에스테르화 반응이 진행되지 않거나 카보닐기의 치환도가 감소할 문제가 있다. In addition, the dry pulp fiber can be used as it is in the aqueous dispersion process of the pulp sheet commonly used in the papermaking process, and in this case, the solvent is changed from water to carbonyl anhydride. The moisture content of the dried pulp sheet should be 10% by weight or less, and if the moisture content of the dried pulp fiber is 10% by weight or more, there is a problem that the esterification reaction does not proceed or the degree of substitution of the carbonyl group decreases.

본 발명의 펄프 섬유 상태에서의 용매 치환 및 후술하는 에스테르화 반응 후의 유기 용매 세척공정은 종래와 같은 원심 분리 공정을 사용하지 않고, 여과 방식으로 수행할 수 있다.The solvent replacement in the pulp fiber state of the present invention and the organic solvent washing process after the esterification reaction described later can be performed by a filtration method without using a conventional centrifugal separation process.

한편, 본 발명은 상기 건조된 펄프 섬유와 카보닐 무수물 비율, 촉매 종류 (iodine 등) 및 투입량 조절, 반응 온도 및 시간 조절을 통해, 에스테르화 반응을 진행할 수 있다. 또한, 본 발명에 따라, 건조된 펄프섬유는 고분자화되지 않으므로, 카보닐 무수물에 분산 후, 유기용매 없이 에스테르화 반응을 진행해도, 상기 펄프 섬유 표면의 수산기가 쉽게 카보닐기로 치환될 수 있다. 상기 에스테르화 반응은 카보닐 무수물에 분산된 건조 펄프 섬유의 acetylation를 진행하는 것을 의미하며, 본 발명의 방법에 따라, 원심분리 공정 없이도 유기계 용매에 분산된 셀룰로오스 나노 섬유를 제공할 수 있다.On the other hand, in the present invention, the esterification reaction may proceed by controlling the ratio of the dried pulp fiber and carbonyl anhydride, the type of catalyst (iodine, etc.) and the input amount, and controlling the reaction temperature and time. In addition, according to the present invention, since dried pulp fibers are not polymerized, even if esterification is carried out without an organic solvent after being dispersed in carbonyl anhydride, the hydroxyl groups on the surface of the pulp fibers can be easily replaced with carbonyl groups. The esterification reaction means to proceed with acetylation of dry pulp fibers dispersed in carbonyl anhydride, and according to the method of the present invention, cellulose nanofibers dispersed in an organic solvent can be provided without a centrifugation process.

이때, 상기 카보닐 무수물은 무수 아세트산, 무수 프로피온산 및 무수 부틸산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 바람직하게, 상기 카보닐 무수물은 무수 아세트산을 사용할 수 있다.In this case, as the carbonyl anhydride, at least one selected from the group consisting of acetic anhydride, propionic anhydride, and butyric acid anhydride may be used. Preferably, acetic anhydride may be used as the carbonyl anhydride.

상기 카보닐 무수물은 펄프 섬유에 대해 1: 20 이상 혹은 1: 20 내지 200의 중량비율로 사용할 수 있다. 상기 카보닐 무수물의 함량이 펄프 섬유에 대해 1:20 중량비 이하이면 펄프 섬유의 농도가 너무 높아 균일한 교반이 이루어지지 않는 문제가 있으며, 1:200 중량비 이상이면 펄프 섬유 농도가 너무 낮아 작업성이 좋지 못한 문제가 있다. The carbonyl anhydride may be used in a weight ratio of 1:20 or greater or 1:20 to 200 to pulp fibers. If the content of carbonyl anhydride is less than 1:20 by weight with respect to pulp fiber, the concentration of pulp fiber is too high, and uniform stirring is not achieved. There is a bad problem.

상기 촉매는 펄프 섬유에 대해 1:0.01 이상 내지 1:0.1 이하 혹은 1:0.04 내지 1:0.08의 중량비로 사용할 수 있다. 상기 촉매 함량이 펄프 섬유에 대해 1:0.01 이하면 카보닐기 치환도가 매우 낮아지는 문제가 발생하며, 1:0.1 이상이면 최종적으로 얻는 카보닐기로 치환된 펄프 섬유의 수율이 감소하는 문제가 있다.The catalyst may be used in a weight ratio of 1:0.01 to 1:0.1 or 1:0.04 to 1:0.08 to pulp fibers. If the catalyst content is less than 1:0.01 with respect to pulp fibers, the carbonyl group substitution degree becomes very low, and if it is greater than 1:0.1, there is a problem in that the yield of pulp fibers finally obtained substituted with carbonyl groups decreases.

상기 촉매는 요오드(iodine) 및 황산(sulfuric acid)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 바람직하게, 상기 촉매는 요오드일 수 있다.As the catalyst, at least one selected from the group consisting of iodine and sulfuric acid may be used. Preferably, the catalyst may be iodine.

상기 에스테르화 반응은 무용매하에 진행되는 것이며, 50℃ 이상 혹은 60℃ 내지 80℃에서 1시간 내지 3시간 동안 수행하는 것이 바람직하다. 상기 에스테르화 반응시 50 ℃ 이하이거나 반응시간이 1시간 이하이면 카보닐기의 치환도가 매우 낮은 문제가 있고, 그 온도 및 반응시간이 100℃ 이상 및 3시간 이상이면 작업성이 좋지 않고 수율이 감소하는 문제가 있다.The esterification reaction proceeds in the absence of a solvent, and is preferably carried out at 50 ° C or higher or 60 ° C to 80 ° C for 1 hour to 3 hours. If the temperature and reaction time are 50 ° C or less or the reaction time is 1 hour or less during the esterification reaction, the degree of substitution of the carbonyl group is very low. There is a problem with

그 다음 과정으로, 상기 에스테르화 반응이 완료되면, 잔여물질은 에탄올 등의 유기계 용매로 세척 후 카보닐화 섬유를 유기계 용매에 분산하는 단계를 수행한다. 이러한 공정은 잘 알려진 여과 방식으로 수행한다.As a next process, when the esterification reaction is completed, the residual material is washed with an organic solvent such as ethanol, and then the carbonylated fibers are dispersed in the organic solvent. This process is carried out by well-known filtration methods.

상기 유기계 용매는 에탄올, 아세톤, 2-프로판올 및 디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide, DMAc)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The organic solvent may be at least one selected from the group consisting of ethanol, acetone, 2-propanol, and dimethylacetamide (DMAc).

또한, 상기 과정이 완료되면, 유기계 용매로 분산된 펄프 섬유를 나노화시키는 단계를 수행한다.In addition, when the above process is completed, a step of nanonizing the pulp fibers dispersed in an organic solvent is performed.

상기 펄프 섬유를 나노화시키는 단계는 그라인더 또는 고압 호모게나이저를 사용할 수 있고, 그 방법이 제한되는 것은 아니다.In the nanonizing of the pulp fibers, a grinder or a high-pressure homogenizer may be used, and the method is not limited thereto.

이러한 방법으로 제조되는 본 발명의 셀룰로오스계 나노 섬유는 카보닐화 치환도가 0.2 이상 1.5 이하이고 100nm 이하의 섬유 직경을 가질 수 있다. 또한, 본 발명은 아세탈화도(acetyl content)가 5 내지 30%인 셀룰로오스계 나노 섬유를 제조할 수 있다. 바람직하게, 상기 아세탈화도는 7 내지 30% 혹은 10 내지 30%일 수 있다.The cellulose-based nanofibers of the present invention prepared in this way may have a carbonylation substitution degree of 0.2 or more and 1.5 or less and a fiber diameter of 100 nm or less. In addition, the present invention can produce cellulose-based nanofibers having an acetyl content of 5 to 30%. Preferably, the degree of acetalization may be 7 to 30% or 10 to 30%.

상기 셀룰로오스계 나노 섬유는 수율이 90% 이상 혹은 93% 이상일 수 있다. 이때, 본 발명에서 카보닐화 치환도는 아세틸기 치환도(DS)를 의미한다.The cellulose-based nanofibers may have a yield of 90% or more or 93% or more. At this time, in the present invention, carbonylation substitution degree means acetyl group substitution degree (DS).

이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred embodiments are presented to aid understanding of the present invention, but the following examples are merely illustrative of the present invention, and it is obvious to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope and spirit of the present invention. It goes without saying that changes and modifications fall within the scope of the appended claims.

실시예 1Example 1

수분함량이 5중량%인 펄프 섬유 시트 50 g을 무수 아세트산 2500mL에 분산시킨 후, 요오드 촉매 2g을 넣고 80℃의 온도에서 1시간 동안 아세탈화(에스테르화 반응)를 진행하였다. 이어서, 반응이 완료되면, 잔여 물질을 아세톤, 2-프로판올 순으로 여과 방식을 통해 세척하고, 최종적으로 2-프로판올에 2 중량%가 되도록 분산하였다. 그런 다음, 2-프로판올에 분산된 아세틸화된 펄프 섬유를 그라인더를 이용하여 나노화를 진행하여, 최종적으로 평균 직경이 100 nm 이하인 섬유 직경을 갖고 아세틸기가 일부 치환된 셀룰로오스 나노 섬유를 제조하였다.After dispersing 50 g of a pulp fiber sheet having a water content of 5% by weight in 2500 mL of acetic anhydride, 2 g of an iodine catalyst was added thereto and acetalization (esterification reaction) was performed at a temperature of 80° C. for 1 hour. Subsequently, when the reaction was completed, the remaining material was washed through filtration in the order of acetone and 2-propanol, and finally dispersed in 2-propanol to be 2% by weight. Then, the acetylated pulp fibers dispersed in 2-propanol were nanonized using a grinder to finally prepare cellulose nanofibers having an average diameter of 100 nm or less and partially substituted with acetyl groups.

실시예 2Example 2

반응시간을 120분으로 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 100 nm 이하인 섬유 직경을 갖고 아세틸기가 일부 치환된 셀룰로오스 나노 섬유를 제조하였다.Cellulose nanofibers having a fiber diameter of 100 nm or less and partially substituted with acetyl groups were prepared in the same manner as in Example 1, except that the reaction time was changed to 120 minutes.

실시예 3Example 3

반응시간을 180분으로 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 100 nm 이하인 섬유 직경을 갖고 아세틸기가 일부 치환된 셀룰로오스 나노 섬유를 제조하였다.Cellulose nanofibers having a fiber diameter of 100 nm or less and partially substituted with acetyl groups were prepared in the same manner as in Example 1, except that the reaction time was changed to 180 minutes.

비교예 1 (반응시간 미달로 인해 충분한 DS 미도달)Comparative Example 1 (Sufficient DS not reached due to insufficient reaction time)

반응시간을 30분으로 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 100 nm 이하인 섬유 직경을 갖고 아세틸기가 일부 치환된 셀룰로오스 나노 섬유를 제조하였다.Cellulose nanofibers having a fiber diameter of 100 nm or less and partially substituted with acetyl groups were prepared in the same manner as in Example 1, except that the reaction time was changed to 30 minutes.

비교예 2 (촉매 사용량 미달로 인해 충분한 DS미도달) Comparative Example 2 (Sufficient DS not reached due to insufficient amount of catalyst)

촉매량을 0.25g으로 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 100 nm 이하인 섬유 직경을 갖고 아세틸기가 일부 치환된 셀룰로오스 나노 섬유를 제조하였다.Cellulose nanofibers having a fiber diameter of 100 nm or less and partially substituted with acetyl groups were prepared in the same manner as in Example 1, except that the catalyst amount was changed to 0.25 g.

시험예test example

실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2에 대해, 에스테르화 반응 조건에 따른 아세틸기 치환도(DS) 및 아세틸화 섬유 수율을 측정하였다. 그 결과는 표 1에 나타내었다. 또한, 도 1은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4의 셀룰로오스 나노 섬유의 FT-IR결과를 나타낸 것이다. 그리고, 실시예 1의 셀룰로오스 나노 섬유의 전자현미경 사진을 도 2에 나타내었다.For Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 2, the acetyl group substitution degree (DS) and the yield of acetylated fibers were measured according to the esterification reaction conditions. The results are shown in Table 1. 1 shows the FT-IR results of the cellulose nanofibers of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4. And, an electron micrograph of the cellulose nanofibers of Example 1 is shown in FIG. 2.

* 아세틸 함량 및 DS 측정 방법 (산-염기 적정법으로 측정)* How to measure acetyl content and DS (measured by acid-base titration)

1. 전체 건조 시료 0.2g 을 에탄올:물=8:2 인 혼합액 20 mL 에 넣고 0.5 N NaOH 를 넣어 24 시간 동안 교반하였다.1. 0.2 g of the whole dried sample was put into 20 mL of a mixed solution of ethanol:water = 8:2, and 0.5 N NaOH was added thereto, followed by stirring for 24 hours.

2. 핑크빛이 돌 정도로 페놀프탈레인 용액을 소량 넣고 핑크빛이 사라질 때까지 0.5 N HCl로 적정하였다.2. A small amount of phenolphthalein solution was added to the solution until it turned pink and titrated with 0.5 N HCl until the pink color disappeared.

3. 아세틸 함량은 하기 식 1에 의해 계산하였다.3. Acetyl content was calculated by Equation 1 below.

[계산식 1][Calculation 1]

Acetyl content(AC, %) = (((B-A)×0.5×43×0.001×100)/w)Acetyl content (AC, %) = (((B-A)×0.5×43×0.001×100)/w)

(상기 계산식 1에서, A는 Blank에 들어간 HCl 량(mL)이고, B는 샘플에 들어간 HCl 량(mL)이고, w는 시료 전체 건조량(g)이다)(In the above calculation formula 1, A is the amount of HCl (mL) entering the blank, B is the amount of HCl (mL) entering the sample, and w is the total dry amount of the sample (g))

4. DS는 하기 식 2에 의해 계산하였다.4. DS was calculated by Equation 2 below.

[계산식 2][Calculation 2]

DS = 162×AC/[43×100-(43-1)×AC)DS = 162×AC/[43×100-(43-1)×AC)

(상기 계산식 2에서, AC는 상기 계산식 1에서 얻어진 값이다)(In Equation 2 above, AC is the value obtained in Equation 1 above)

Pulp
fibers
Pulp
fibers
실시예Example 비교예comparative example
1One 22 33 1One 22 펄프 전체
건조량 (g)
(수분함량이 5중량%인 펄프)
whole pulp
dry weight (g)
(Pulp with a moisture content of 5% by weight)
-- 5050 5050 5050 5050 5050
아세트산무수물 (g)Acetic anhydride (g) -- 25002500 25002500 25002500 25002500 25002500 촉매(g)Catalyst (g) -- 22 22 22 22 0.250.25 반응온도(℃)Reaction temperature (℃) -- 8080 8080 8080 8080 8080 반응시간(min)Response time (min) -- 6060 120120 180180 3030 6060 Acetylcontent, %Acetyl content, % 22 1111 2222 2626 55 44 DSDS 0.080.08 0.190.19 0.480.48 1.041.04 0.190.19 0.150.15 수율, %(%)transference number, %(%) -- 9393 9393 9393 9393 9292

표 1의 결과를 통해, 본 발명은 적절한 반응 온도 및 시간을 설정하고, 또한 촉매 함량을 특정 범위로 사용함으로써, 아세탈화도가 11 내지 26%이고, DS가 0.48 내지 1.32를 나타내어, 유기계 용매에 분산된 셀룰로오스계 섬유의 나노화 공정이 효과적으로 이루어졌음을 확인하였다.Through the results of Table 1, the present invention sets the appropriate reaction temperature and time and also uses the catalyst content in a specific range, so that the degree of acetalization is 11 to 26% and the DS is 0.48 to 1.32, which is dispersed in an organic solvent. It was confirmed that the nanoization process of the cellulose-based fibers was effectively performed.

또한, 도 1에서 보면, 본 발명의 셀룰로오스 나노 섬유는 100nm 이하의 섬유 직경을 갖는 것을 알 수 있다.1, it can be seen that the cellulose nanofibers of the present invention have a fiber diameter of 100 nm or less.

Claims (10)

수분 함량 10 중량% 이하인 건조 펄프 섬유를 카보닐 무수물에 분산시킨 후, 촉매 및 무용매하에 에스테르화 반응시키는 단계;
상기 에스테르화된 펄프 섬유를 유기계 용매로 세척하고 분산시키는 단계; 및
상기 유기계 용매로 분산된 펄프 섬유를 나노화시키는 단계;를 포함하며,
상기 촉매는 요오드인, 셀룰로오스계 나노 섬유의 제조방법.
Dispersing dry pulp fibers having a moisture content of 10% by weight or less in carbonyl anhydride, followed by esterification in the absence of a catalyst and solvent;
washing and dispersing the esterified pulp fibers with an organic solvent; and
Including; nanonizing the pulp fibers dispersed in the organic solvent,
The catalyst is iodine, a method for producing cellulose-based nanofibers.
제1항에 있어서,
상기 수분함량 10중량% 이하인 건조 펄프 섬유는, 수분함량 10중량% 이하인 목질계 또는 비목질계 펄프 섬유를 포함하는 셀룰로오스계 나노 섬유의 제조방법.
According to claim 1,
The dry pulp fiber having a moisture content of 10% by weight or less is a method for producing cellulose-based nanofibers including wood-based or non-woody pulp fibers having a moisture content of 10% by weight or less.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 카보닐 무수물은 무수 아세트산, 무수 프로피온산 및 무수 부틸산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용하는 셀룰로오스계 나노 섬유의 제조방법.
According to claim 1,
The carbonyl anhydride is a method for producing cellulose-based nanofibers using at least one selected from the group consisting of acetic anhydride, propionic anhydride and butyric acid anhydride.
제1항에 있어서,
상기 카보닐 무수물은 펄프 섬유에 대해 1: 20 이상 내지는 1:200 이하의 중량비율로 사용하는 셀룰로오스계 나노 섬유의 제조방법.
According to claim 1,
The carbonyl anhydride is used in a weight ratio of 1: 20 or more to 1: 200 or less with respect to pulp fibers.
제1항에 있어서,
상기 촉매는 펄프 섬유에 대해 1:0.01 이상 내지 1:0.1 이하의 중량비로 사용하는 셀룰로오스계 나노 섬유의 제조방법.
According to claim 1,
The catalyst is a method for producing cellulose-based nanofibers used in a weight ratio of 1:0.01 or more to 1:0.1 or less with respect to pulp fibers.
제1항에 있어서, 상기 에스테르화 반응은 50℃ 이상에서 1시간 내지 3시간 동안 수행하는 셀룰로오스계 나노 섬유의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the esterification reaction is performed at 50° C. or higher for 1 hour to 3 hours.
제1항에 있어서,
상기 유기계 용매는 에탄올, 아세톤, 2-프로판올 및 디메틸아세트아미드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 셀룰로오스계 나노 섬유의 제조방법.
According to claim 1,
The organic solvent is a method for producing one or more cellulose-based nanofibers selected from the group consisting of ethanol, acetone, 2-propanol and dimethylacetamide.
제1항에 있어서,
상기 펄프 섬유를 나노화시키는 단계는 그라인더 또는 고압 호모게나이저를 사용하는 셀룰로오스계 나노 섬유의 제조방법.
According to claim 1,
The step of nanoizing the pulp fibers is a method for producing cellulose-based nanofibers using a grinder or a high-pressure homogenizer.
제1항에 있어서,
카보닐화 치환도가 0.2 이상 1.5이하이고, 아세탈화도가 5 내지 30%이며, 100nm 이하의 섬유 직경을 갖는 셀룰로오스계 나노 섬유의 제조방법.
According to claim 1,
A method for producing cellulose-based nanofibers having a carbonylation degree of substitution of 0.2 or more and 1.5 or less, an acetalization degree of 5 to 30%, and a fiber diameter of 100 nm or less.
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