본 연구에서는 셀룰로오스 CNF의 치수별 분획 가능성 및 그 효율성을 평가하기 위하여, 기계적 해섬처리로 얻어진 CNF 수현탁액을 중력침강시켜 치수별 CNF를 분획하고 형태학적 성질 및 치수분포를 조사하였다. 침강속도는 해섬처리 횟수가 증가할수록 늦었으며, 침강 높이 또한 작았다. 침전층의 분획수율은 해섬처리 횟수가 증가하면서 감소하였으며, 중간층 및 상등액층은 증가하였다. 상등액 CNF의 직경 분포폭이 가장 좁았으며, 중간층 및 침전층으로 분포폭이 넓어졌다. 또한, 해섬처리 횟수가 증가할수록 직경 및 분포폭이 감소하였다. 여수시간은 상등액층, 중간층, 침전층 순서로 길게 나타났다.
본 연구에서는 셀룰로오스 CNF의 치수별 분획 가능성 및 그 효율성을 평가하기 위하여, 기계적 해섬처리로 얻어진 CNF 수현탁액을 중력침강시켜 치수별 CNF를 분획하고 형태학적 성질 및 치수분포를 조사하였다. 침강속도는 해섬처리 횟수가 증가할수록 늦었으며, 침강 높이 또한 작았다. 침전층의 분획수율은 해섬처리 횟수가 증가하면서 감소하였으며, 중간층 및 상등액층은 증가하였다. 상등액 CNF의 직경 분포폭이 가장 좁았으며, 중간층 및 침전층으로 분포폭이 넓어졌다. 또한, 해섬처리 횟수가 증가할수록 직경 및 분포폭이 감소하였다. 여수시간은 상등액층, 중간층, 침전층 순서로 길게 나타났다.
The cellulose nanofibers (CNFs) were prepared by wet disk-milling (WDM) and fractionated by settling method into supernatant, middle and sediment fractions. The diameter and its distribution of the fractionated CNFs were investigated. With increasing WDM passing number, precipitation became delayed....
The cellulose nanofibers (CNFs) were prepared by wet disk-milling (WDM) and fractionated by settling method into supernatant, middle and sediment fractions. The diameter and its distribution of the fractionated CNFs were investigated. With increasing WDM passing number, precipitation became delayed. Weight fraction at sediment fraction was decreased, whereas those at supernatant and middle fractions were increased with increasing WDM passing number. Diameter distribution of CNFs at supernatant fraction was narrowest and became broaden at middle and sediment fraction. Filtration time was longer in order of supernatant, middle and sediment fraction.
The cellulose nanofibers (CNFs) were prepared by wet disk-milling (WDM) and fractionated by settling method into supernatant, middle and sediment fractions. The diameter and its distribution of the fractionated CNFs were investigated. With increasing WDM passing number, precipitation became delayed. Weight fraction at sediment fraction was decreased, whereas those at supernatant and middle fractions were increased with increasing WDM passing number. Diameter distribution of CNFs at supernatant fraction was narrowest and became broaden at middle and sediment fraction. Filtration time was longer in order of supernatant, middle and sediment fraction.
세계적인 많은 연구에도 불구하고 여전히 나노셀 룰로오스 제조비용은 고가로 알려져 있다. 따라서, 본 연구에서는 기계적 해섬처리 비용의 절감을 위하여 해섬과정에서 단리되는 나노섬유를 활용용도에 적합한 치수로 분획하는 방법을 시도하였다. 예를 들면, 광학용 투명필름, 의료용, 전자기기 등 고기능성 및 고부가가치 분야에서 요구되는 나노섬유는, 마이크로피브릴의 최소직경(약 15 nm 전후) 및 균일성이 요구될 것이나, 목재-플라스틱 복합재료(WPC, wood-plastic composite) 및 바이오플라스틱 등의 강화 필러로는 이보다 큰 직경 및 분지된 나노섬유도 응용가능성이 충분하다고 고려되어 진다.
본 연구에서는 기계적 해섬처리 전력소비 저감을 위하여, 중력침강법으로 CNF 수현탁액을 침강시켜 고기능성 및 고부가가치 용도로 활용가능한 작은 치수 및 균일성을 가지는 CNF의 분획 및 형태학적 성질을 조사하였다. 분획층은 상등액층, 중간층과 침전층으로 나누어 시간경과에 따른 침강 높이 및 분획 수율을 조사하여, 해섬처리 횟수가 증가하면서 침강 속도는 감소하였으며, 상등액층 및 중간층의 수율은 증가하고 침전층의 수율은 감소하였다.
제안 방법
이는 나노섬유의 치수를 줄이기 위한 기계적 해섬처리의 전력 소비를 감소시킬 수 있어 제조비용 저감에 효과적이라고 기대된다. 나노셀룰로오스의 치수분획은 경제적으로 효율적인 중력침강법을 이용하였으며, 분획층별 CNF의 직경 분포 및 형태학적 특성을 관찰하였다.
CNF 수현탁액은 투명 매스실린더에서 정치하였으며, 시간경과에 따른 침강층의 높이(Ht)를 초기높이(Ho)에 대한 비율로 나타내었다. 중력침강 48시간 경과 후 상등액층(supernatant fraction)을 분획하였으며, 침강층(settling layer)은 중간층(middle fraction)과 침전층(sediment fraction)으로 분리하였다. 중간층은 침강층의 상층으로부터 2/5, 침전층은 침강층의 바닥면으로부터 3/5 높이 만큼 분획하였다(Fig.
분획층은 상등액층, 중간층과 침전층으로 나누어 시간경과에 따른 침강 높이 및 분획 수율을 조사하여, 해섬처리 횟수가 증가하면서 침강 속도는 감소하였으며, 상등액층 및 중간층의 수율은 증가하고 침전층의 수율은 감소하였다. 각 분획 층의 CNF의 형태학적 성질 및 여수시간을 조사한 결과, 직경 및 분포와 여수시간은 상등액층, 증간층, 침전층의 순서로 각각 작고 긴 경향을 나타내었다. 결론적으로 기계적 해섬정도에 따라 간단한 침강법으로 치수별 CNF의 분획이 가능하며, 각 응용분야에 있어서 요구되는 치수별로 CNF의 제공이 가능할 것으로 기대된다.
각 분획 층의 CNF의 형태학적 성질 및 여수시간을 조사한 결과, 직경 및 분포와 여수시간은 상등액층, 증간층, 침전층의 순서로 각각 작고 긴 경향을 나타내었다. 결론적으로 기계적 해섬정도에 따라 간단한 침강법으로 치수별 CNF의 분획이 가능하며, 각 응용분야에 있어서 요구되는 치수별로 CNF의 제공이 가능할 것으로 기대된다. 분획된 CNF 치수 분석에 대한 명확한 데이터를 얻기 위해서는 CNF 종류(리그노셀룰로오스 CNF, 홀로셀룰로오스 CNF, 템포산화처리 CNF 등)와 분획조건을 달리한 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.
본 연구에서는 기계적 해섬처리 전력소비 저감을 위하여, 중력침강법으로 CNF 수현탁액을 침강시켜 고기능성 및 고부가가치 용도로 활용가능한 작은 치수 및 균일성을 가지는 CNF의 분획 및 형태학적 성질을 조사하였다. 분획층은 상등액층, 중간층과 침전층으로 나누어 시간경과에 따른 침강 높이 및 분획 수율을 조사하여, 해섬처리 횟수가 증가하면서 침강 속도는 감소하였으며, 상등액층 및 중간층의 수율은 증가하고 침전층의 수율은 감소하였다. 각 분획 층의 CNF의 형태학적 성질 및 여수시간을 조사한 결과, 직경 및 분포와 여수시간은 상등액층, 증간층, 침전층의 순서로 각각 작고 긴 경향을 나타내었다.
후속연구
결론적으로 기계적 해섬정도에 따라 간단한 침강법으로 치수별 CNF의 분획이 가능하며, 각 응용분야에 있어서 요구되는 치수별로 CNF의 제공이 가능할 것으로 기대된다. 분획된 CNF 치수 분석에 대한 명확한 데이터를 얻기 위해서는 CNF 종류(리그노셀룰로오스 CNF, 홀로셀룰로오스 CNF, 템포산화처리 CNF 등)와 분획조건을 달리한 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
셀룰로오스 나노섬유의 특성은?
셀룰로오스 나노섬유(CNF, cellulose nanofibril)는 낮은 밀도, 수축과 팽윤, 열전도성 및 높은 열안정성 등 우수한 성질을 지니고 있다(Kalia 등 2011; Klemm 등, 2011). 특히, CNF의 인장강도와 탄성률은 각각 10 GPa, 130-140 GPa로 알려져 있으며, 유리, 탄소, 아라미드 섬유에 필적한 강도적 성질을 지니고 있다 (Eichhorn 등, 2010; Siró와 Plackett, 2010). 이러한 CNF의 특성에 착안하여 광범위한 응용분야에서 활발한 연구가 진행되고 있다.
CNF 수현탁액을 중력침강시켜 치수별 CNF를 분획하고 형태학적 성질 및 치수분포를 조사한 결과는?
본 연구에서는 셀룰로오스 CNF의 치수별 분획 가능성 및 그 효율성을 평가하기 위하여, 기계적 해섬처리로 얻어진 CNF 수현탁액을 중력침강시켜 치수별 CNF를 분획하고 형태학적 성질 및 치수분포를 조사하였다. 침강속도는 해섬처리 횟수가 증가할수록 늦었으며, 침강 높이 또한 작았다. 침전층의 분획수율은 해섬처리 횟수가 증가하면서 감소하였으며, 중간층 및 상등액층은 증가하였다. 상등액 CNF의 직경 분포폭이 가장 좁았으며, 중간층 및 침전층으로 분포폭이 넓어졌다. 또한, 해섬처리 횟수가 증가할수록 직경 및 분포폭이 감소하였다. 여수시간은 상등액층, 중간층, 침전층 순서로 길게 나타났다.
CNF의 산업적 활용의 한계점은?
그러나 현재까지는 CNF의 큰 잠재력에 비하여 실질적 산업화 실적은 미비한 실정이다. CNF의 산업적 활용의 큰 걸림돌 중의 하나는 제조비용이 고가인 점을 들 수 있으며, 제조효율 향상을 위한 많은 노력들이 이루어지고 있다(Siró와 Plackett, 2010; Kalia 등, 2011; Jang 등, 2015). Pääkkö 등(2007)은 나노셀룰로오스 제조를 위한 전처리 방법으로써 효소전처리를 실시하여, 고압 호모지나이저(High pressure homogenizer) 처리의 에너지 소비를 감소시켰다고 보고하고 있다.
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