종이 생산을 위한 셀룰로오스 나노섬유의 탈수 촉진

초음파 처리와 젖산(LA) 개질을 결합하는 것은 종이 생산용 셀룰로오스 나노섬유(CNF)의 탈수 공정을 촉진하는 친환경적인 접근법입니다. 셀룰로오스 나노섬유는 높은 보수력으로 알려져 있으며, 이로 인해 나노종이 제조 및 기타 나노셀룰로오스 응용 분야의 핵심 단계인 배수 공정이 상당히 지연됩니다. 이 방법은 초음파 처리 중 젖산에 의한 셀룰로오스 하이드록실기의 에스터화를 통해 배수 시간을 45분에서 10분으로 75% 단축합니다. 또한 이 개질은 현탁액의 점도를 낮추고 산업 규모로 확장할 수 있는 것으로 입증되어, 셀룰로오스 나노섬유 기반 제품의 생산 효율과 생산 속도를 높이는 실용적인 해결책을 제공합니다.

초음파 처리 중 젖산으로 개질된 셀룰로오스 나노섬유의 신속한 탈수
(연구 및 이미지: ©Sethi et al., 2018)

초음파 젖산 개질을 통한 셀룰로오스 나노섬유의 탈수 효율 향상

셀룰로오스 나노섬유(CNF)는 강도 향상과 유변학적 특성 조절 등 종이 생산에서 제공하는 다양한 이점으로 널리 인정받고 있습니다. 그러나 한 가지 중대한 단점은 나노종이 제조의 핵심 단계인 셀룰로오스 나노섬유 현탁액의 배수에 지나치게 많은 시간이 필요하다는 점입니다. 이 문제는 나노종이 생산에 영향을 미칠 뿐만 아니라 나노셀룰로오스를 다른 완제품으로 가공하는 산업 공정에도 지장을 줍니다. 배수 시간이 길어지는 주된 원인은 셀룰로오스 나노섬유의 높은 보수력이며, 이는 셀룰로오스 나노섬유 유래 제품의 상용화에 병목으로 작용합니다.
아래에서는 Sethi와 동료들(2018)의 과학적 연구 결과를 소개합니다. 이들은 셀룰로오스 나노섬유의 초음파 보조 젖산 개질법을 개발했으며, 이 방법은 CNF의 탈수 속도를 75% 높이고 소재의 기능성을 개선합니다.

젖산을 이용한 셀룰로오스 나노섬유의 초음파 개질

이 문제를 해결하기 위해 초음파 처리 에너지와 젖산(LA)을 이용하여 셀룰로오스 나노섬유의 표면을 개질하는 친환경적인 수계 접근법이 개발되었습니다. 이 방법은 탈수 공정을 크게 촉진하여 배수 시간을 최대 75% 단축합니다.
개질 공정에서는 셀룰로오스 나노섬유 현탁액을 0.35 wt.% 농도로 희석하고, 셀룰로오스 나노섬유의 건조 함량을 기준으로 다양한 양의 젖산을 첨가합니다(현탁액 내 셀룰로오스 나노섬유 건조 함량의 0.5배, 1배, 5배 및 10배). 나노섬유, 물, 젖산을 고속 교반기로 1500 rpm에서 5분간 혼합한 다음, 티타늄 팁(직경 22 mm)이 장착된 Hielscher UP400S 초음파 처리기로 처리합니다. 초음파 처리는 다양한 에너지 수준에서 수행하며, 최대 투입 에너지는 600 J/ml로, 이는 10분간의 초음파 처리에 해당합니다.

배수 시간에 미치는 영향

초음파 젖산 개질은 셀룰로오스 나노섬유 현탁액의 배수 시간에 큰 영향을 미칩니다. 기준 현탁액은 탈수에 약 45분이 걸립니다. 초음파 보조 젖산 개질 후에는 이 시간이 10분으로 줄어들어 75%의 개선을 나타냅니다. 약한 초음파 처리(5 J/ml)만으로도 배수 시간이 절반인 23분으로 줄어듭니다. 배수 시간은 초음파 처리 에너지가 증가함에 따라 감소하다가 결국 약 10분에서 더 이상 감소하지 않습니다.
이러한 개선은 셀룰로오스의 친수성 하이드록실기가 젖산의 소수성 부분으로 치환되기 때문입니다. 높은 보수력은 주로 하이드록실기에 기인합니다. 카복실기를 가진 젖산은 초음파 처리 중 셀룰로오스의 하이드록실기와 에스터화 반응에 참여할 수 있습니다. 초음파 처리는 액체 매질에 미세한 진공 공동을 생성하며, 이 공동이 붕괴하면서 에스터화를 비롯한 화학 반응을 유도하기에 충분한 극한 조건(5000 K의 온도와 1000 atm의 압력)을 형성합니다.

나노종이 제조 시 초음파 처리 에너지와 배수 시간(분)의 관계(CNF(1)LA 시료에 해당).
초음파 처리 에너지 100 J/ml는 초음파 처리 시간 100초에 해당하며, 다른 값에도 같은 관계가 적용됩니다.
(연구 및 이미지: ©Sethi et al., 2018)

셀룰로오스 나노섬유 현탁액의 점도 감소

초음파 처리 에너지는 셀룰로오스 나노섬유 현탁액의 점도 감소에도 기여합니다. 점도는 초음파 처리 에너지에 반비례하며, 600 J/ml에서 가장 낮은 점도가 관찰되고, 그다음으로 300 J/ml와 60 J/ml 순으로 낮은 점도를 보입니다. 이러한 점도 감소는 탈수 효율을 높이는 데 더욱 도움이 됩니다.

셀룰로오스 나노섬유 초음파 개질의 산업적 활용성

초음파 젖산 개질법은 효과적일 뿐만 아니라 산업적 응용에도 적합합니다. 대용량 처리가 가능한 Hielscher의 최첨단 초음파 처리기는 이 작업을 효율적으로 수행할 수 있으므로, 이 방법은 대규모 작업에 적합합니다.
또한 이 접근법을 사용하면 종이 시트에 셀룰로오스 나노섬유를 최대 10 wt.%까지 첨가할 수 있으며, 개질하지 않은 셀룰로오스 나노섬유의 탈수에 23분이 걸리는 것과 비교하여 단 2분 만에 탈수가 완료됩니다. 이러한 상당한 개선은 셀룰로오스 나노섬유의 상용화를 가로막는 주요 장애물 중 하나를 극복하여 제지 분야에서의 활용을 혁신할 수 있습니다.

셀룰로오스 나노섬유 및 종이 생산용 초음파 처리기

아래 표는 당사 프로브형 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다:

설계, 제조 및 컨설팅 – 독일에서 만든 품질

Hielscher 초음파 처리기는 최고 수준의 품질과 설계 기준으로 잘 알려져 있습니다. 견고성과 간편한 작동 덕분에 당사의 초음파 처리기를 산업 시설에 원활하게 통합할 수 있습니다. Hielscher 초음파 처리기는 가혹한 조건과 까다로운 환경에서도 수월하게 작동합니다.

Hielscher Ultrasonics는 ISO 인증 기업으로, 최첨단 기술과 사용자 편의성을 갖춘 고성능 초음파 처리기에 특히 중점을 두고 있습니다. 물론 Hielscher 초음파 처리기는 CE 규정을 준수하며 UL, CSA 및 RoHs의 요구 사항을 충족합니다.