비목질계 Cellulose nanofibrils를 이용한 패키징 용지의 표면 특성 평가 :

박찬용

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박찬용 (국민대학교, 국민대학교 일반대학원)

지도교수: 김형진

발행연도: 2018

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2018

비목질계 CNF를 적용한 패키징 용지의 표면 특성 평가

박찬용 , 이형규 , 김형진 한국펄프·종이공학회 학술발표논문집 2018.04 학술대회자료

비목질계 Cellulose nanofibrils를 이용한 패키징 용지의 표면 특성 평가

박찬용 임산생명공학과 2018.01 학위논문

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최근 들어 각국의 천연자원 유출에 대한 제한적 규제정책에 따라 유용 목재자원의 이용에 어려움이 커지고 있고. 또한 온실가스 배출감축에 따른 환경문제들로 인해 비목질계 섬유자원의 활용에 대한 관심이 증가되고 있다.1) 셀룰로오스는 지구상에 존재하는 가장 풍부한 바이오 폴리머 중 하나로서 목재 및 비목질계 자원의 주성분이다. 셀룰로오스는 다양한 처리방법을 통해 나노 단위의 초미세 셀룰로오스로 단리될 수 있으며, 이 중 기계적 처리방법으로 단리된 셀룰로오스를 CNF (Cellulose nanofibrils)라고 부른다. CNF는 생분해성, 기계적 강도, 화학개질 특성 등 우수한 물리·화학적 특성을 지니고 있어 다양한 분야에서 응용되고 있다. 그 중 포장 응용분야에서는 석유계 기반의 소재를 대체하기 위한 생분해 가능한 친환경 소재 개발에 대한 관심이 증가하고 있다. 그러나 식품포장 용도로 생분해 필름을 사용할 경우 포장재로서의 배리어 특성이 좋지 않으며 천연 고분자에 따른 물리적 성질이 약하기 때문에 사용상 매우 제한적이다. 따라서 천연중합체를 합성중합체와 혼합하거나 화학적으로 개질시켜 특정 조건의 환경에서 응용 가능하도록 개발하고 있다.38)
본 연구에서는 개질화 나노셀룰로오스가 패키징 용지의 표면에 미치는 영향을 평가하기 위해 목재섬유(Sw-BKP, Hw-BKP)와 비목질계 섬유(hemp bast fiber, kenaf fiber)로 제조된 셀룰로오스 나노피브릴을 이용하여 표면 처리 후 제반 물리?화학적인 특성을 분석하였다.
개질화 처리한 경우 미처리 시보다 균일하고 미세한 셀룰로오스 나노피브릴 제조가 가능하였으며, 미처리 섬유에 비해 점도가 높고 섬유의 탈수시간이 증가하였다. 또한 비목질계 섬유의 경우 목재 섬유보다 결정화도가 높았다. 목재 및 비목질계 섬유로 제조된 셀룰로오스 나노피브릴 시트는 기계적 처리 횟수가 증가함에 따라 인장강도 및 탄성률은 증가하였으며, 개질화에 따라 시트의 강도는 저하되었지만 불투명도 특성은 개선되었다. 또한 기계적 처리 및 개질화 처리를 통해 시트의 표면 평활성을 개선할 수 있었다. 셀룰로오스 나노피브릴을 도포함으로써 기존 다공성 구조의 시트 공극을 충진시켜 표면구조를 균일하게 하여 표면거칠기 값을 감소시켰고, 개질화 유무에 따른 표면의 소수화 거동을 확인할 수 있었다.

Recently, interest in the use of non-wood fiber resources has been increasing due to gradual shortage of wood resources and in the purpose to reduce greenhouse emissions.1) Cellulose is the most abundant biopolymers present on earth and the major component in wood and non-wood resources. Cellulose can be converted to cellulose nanofibrils (CNF) through various methods, and the most common method that has been used is mechanical treatment method. CNF has excellent properties such as biodegradable, high mechanical strength, and easy to reformability. Therefore, it can be used in a wide range of fields. Among them, there is growing interest in developing environmental-friendly material to replace oil-based material. However, the use of biodegradable films for packaging material is very limited due to the poor quality and weak physical properties caused by natural polymers. Based on that reason, natural polymers are often mixed with other synthetic polymers or has been chemically modified to expand their application for specific purpose.38) Therefore, surface modification by using biopolymers is essential.

In this study, surface treatment was performed using cellulose nanofibrils from wood fiber (Sw-BKP, Hw-BKP) and non-wood fiber (hemp bast fiber, kenaf bast fiber) then the impact to physical properties was evaluated. Treatment process on cellulose fiber were able to make more uniform and smaller size than untreated cellulose, also it is more viscous and increased the dehydration time. In addition, the degree of crystallization in non-wood fiber was higher than wood fiber.
According to data, cellulose nanofibrils sheets which manufactured from wood and non-wood fiber increased tensile strength and elasticity as increasing the number of mechanical treatment, meanwhile the degree of transparency of sheets showed decreasing. The surface of the sheets showed smoother after surface treatment. Surface treatment by coating with cellulose nanofibrils resulted the smaller size in the sheet pores, decreasing SMD value, and increaseing the hydrophobicity of surface which was confirmed by Cobb value.

Ⅰ. 서 론 1
1. 이론적 배경 2
1.1 비목질계 섬유 2
1.1.1 비목질계 섬유의 종류 2
1.1.2 비목질계 섬유의 특징 6
1.2 나노셀룰로오스 11
1.2.1 나노셀룰로오스의 종류 및 제조방법 12
1.2.2 나노셀룰로오스의 특징 16
1.2.3 나노셀룰로오스의 응용분야 18
1.3 표면 개질화 21
1.4 패키징 분야에서의 천연고분자 사용 25
1.5 종이 표면 거칠기 측정 29
2. 연구의 목적 30
Ⅱ. 재료 및 방법 31
1.공시 재료 32
1.1 목재 펄프 32
1.2 비목질계 섬유 32
1.3 상업용 라이너지 33
2. 실험 방법 34
2.1 개질화 나노셀룰로오스 제조 34
2.1.1 목질계 및 비목질계 섬유의 개질화 34
2.1.2 나노셀룰로오스의 제조 36
2.1.3 나노셀룰로오스의 분석 37
2.2 개질화 나노셀룰로오스 sheet의 특성 분석 39
2.2.1 CNF sheet 제조 39
2.2.2 CNF sheet의 물리 광학적 특성 분석 39
2.2.3 CNF sheet의 표면 거칠기 측정 40
2.3 개질화 나노셀룰로오스 coating에 따른 용지의 표면 특성 분석 41
2.3.1 개질화 나노셀룰로오스 coating 처리 41
2.3.2 패키징 용지의 표면 형태 분석 42
2.3.3 패키징 용지의 물리적 특성 분석 42
2.3.4 패키징 용지의 표면 거칠기 측정 43
2.3.5 패키징 용지의 수분차단성 측정 43
Ⅲ. 결과 및 고찰 45
1. 개질화 유무에 따른 나노셀룰로오스 제조 거동 46
1.1 형태학적 특성 46
1.2 CNF 제조에 따른 저전단점도 분석 52
1.3 CNF의 결정화도 분석 54
1.4 CNF 제조에 따른 탈수시간 60
2. 개질화 나노셀룰로오스 Sheet의 특성 61
2.1 CNF Sheet의 물리적?광학적 특성 61
2.2 CNF Sheet의 표면 거칠기 측정 66
3 개질화 나노셀룰로오스 Coating에 따른 용지의 표면 특성 분석 68
3.1 패키징 용지의 표면 형태 68
3.2 패키징 용지의 물리적 특성 73
3.3 패키징 용지의 표면 거칠기 특성 79
3.4 패키징 용지의 수분 차단 특성 81
Ⅳ. 결 론 85
Ⅴ. 참 고 문 헌 88
Abstract 97

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