KR20180108270A - Method of preparing nanocellulose and silica aerogel composite material comprising nanocellulose - Google Patents

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KR20180108270A KR1020170037810A KR20170037810A KR20180108270A KR 20180108270 A KR20180108270 A KR 20180108270A KR 1020170037810 A KR1020170037810 A KR 1020170037810A KR 20170037810 A KR20170037810 A KR 20170037810A KR 20180108270 A KR20180108270 A KR 20180108270A
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Abstract

The present invention relates to a method for producing a nanocellulose and to a silica aerogel composite material comprising the nanocellulose. The method for producing the nanocellulose of the present invention minimizes cost and damage to a fiber itself to prevent shortening of fiber formation, thereby providing an effect of providing a nano-cellulose of high quality. In addition, a nanofiber reinforced silica aerogel composite material according to the present invention exhibits excellent heat insulating properties as most of the total volume is composed of silica aerogel, and nano-cellulose fibers capable of self-assembly by hydrogen bonding act as a binder and a reinforcing agent to exhibit excellent heat insulating properties, density, and high mechanical properties.

Description

나노셀룰로오스 제조방법 및 나노셀룰로오스 함유 실리카 에어로겔 복합소재 {Method of preparing nanocellulose and silica aerogel composite material comprising nanocellulose}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method for producing a nanocellulose and a nanocellulose-containing silica airgel composite material,

본 발명은 황산기 관능화 된 나노셀룰로오스 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a nanocellulose having a sulfate function.

또한 본 발명은 나노셀룰로오스 섬유 함유 실리카 에어로겔 복합소재에 관한 것이다. 더 상세하게는 본 발명은 나노셀룰로오스 섬유를 함유한 계면활성제에 의해 친수화된 실리카 에어로겔 복합소재에 관한 것이다.The present invention also relates to a composite material of silica-airgel composite containing nanocellulose fibers. More particularly, the present invention relates to a silica airgel composite material that is hydrophilized by a surfactant containing nanocellulose fibers.

국내 에너지 연료 소비량의 대부분을 수입에 의존하고 있기 때문에 효율적인 에너지 절감 기술에 대한 개발 필요성이 대두되고 있다. 따라서, 외부로부터의 열전달을 차단하거나 내부의 열이 외부로 방출되는 것을 막기 위해서 단열 소재의 개발이 필요하다. 현재까지 미네랄울, 발포폴리스티렌, 셀룰로오스, 코르크, 폴리우레탄 등 여러 종류의 유기 단열재들이 상용화되었지만, 이들의 열전도도는 0.03 내지 0.05 W/mK로 공기(열전도도:0.025 W/mK)보다 높은 실정이다. 기존의 유기 단열재들은 마이크로 크기의 기공 구조를 형성하여 단열재 내 열전도도가 낮은 공기의 비율을 증가시키는 원리로 만들어 졌으며, 단열재의 두께 감소 시 기존 열전도도 값의 유지가 어려우며, 구조 자체의 유지도 불가능하다. 이에 획기적인 에너지 절감 기술 개발을 위해서는 낮은 열전도도를 가지는 단열재 개발이 필요하다.Since most of the domestic energy fuel consumption depends on imports, there is a need to develop efficient energy saving technologies. Therefore, it is necessary to develop a heat insulating material in order to block heat transfer from the outside or to prevent internal heat from being discharged to the outside. Various types of organic insulation materials such as mineral wool, expanded polystyrene, cellulose, cork, and polyurethane have been commercialized, but their thermal conductivities are 0.03 to 0.05 W / mK higher than air (thermal conductivity: 0.025 W / mK) . The existing organic insulation materials are made of the principle of increasing the ratio of air with low thermal conductivity in the insulation by forming a micro-sized pore structure. It is difficult to maintain the existing thermal conductivity value when the thickness of the insulation decreases. Do. To develop innovative energy saving technologies, it is necessary to develop insulation materials with low thermal conductivity.

기체가 평균자유이동거리보다 작은 공간에 갇히게 될 때 공기의 확산 및 열전도가 억제되는 크누센(Knudsen diffusion)효과에 의하면, 단열재 내 기공 크기를 공기의 평균자유이동거리(68 nm 미만)보다 낮춰주면 공기보다 낮은 열전도도 구현이 가능하게 된다. 이러한 나노기공에 의한 단열효과를 내는 단열재가 에어로겔(aerogel)이며, 에어로겔은 이산화규소(SiO2) 사슬이 3차원적인 망목구조를 갖는 나노다공성 구조체로 전체 부피의 90% 이상이 공기로 채워져 있는 물질이다. According to the Knudsen diffusion effect, in which diffusion of air and heat conduction is suppressed when the gas is trapped in a space smaller than the average free movement distance, the pore size in the insulation should be lower than the average free movement distance of air (less than 68 nm) A thermal conductivity lower than air can be realized. An airgel is a nano-porous structure in which a silicon dioxide (SiO 2 ) chain has a three-dimensional network structure, and at least 90% of the total volume of the material is filled with air to be.

에어로겔의 열전도도는 0.018 W/mK 이하로 우수한 단열 특성을 가지지만, 고가의 초임계 건조법에 의해 제작되어 대량생산이 어렵다는 한계가 있다. 초임계 건조법이란 액체탄산(CO2)가스(연간 소비액: 75,555천원/L)를 이용하여 실리카 습윤겔의 90% 이상의 기공구조를 그대로 유지하면서 용매를 제거하는 건조 기술로 고압 반응기(50,000 천원/L)등 초기 투자비 증가 및 고압 작업이라는 어려움이 있다. 게다가, 에어로겔은 뛰어난 단열특성으로 차세대 단열재로 각광받고 있지만 쉽게 부서진다는 치명적인 단점이 있다. 이에 취성 극복을 위해 강화 에어로겔 개발이 한창이지만, 여전히 초임계법을 사용하고 있어 가격이 비싸고 대량생산이 어려운 한계가 있으며, 에어로겔 입자 비산 문제도 여전히 남아있다.The thermal conductivity of the airgel is 0.018 W / mK or less, which is excellent in the heat insulating property, but it is manufactured by an expensive supercritical drying method and is difficult to mass-produce. The supercritical drying method is a high pressure reactor (50,000,000 W / L) using a drying technique that removes solvents while retaining at least 90% pore structure of silica wet gel using liquid carbon dioxide (CO 2 ) gas (annual consumption: 75,555,000 / ) And the difficulty of high pressure operation. In addition, although aerogels are widely regarded as the next generation of insulation due to their excellent thermal insulation properties, they are easily destroyed. In order to overcome the brittleness, the development of strengthened aerogels is in full swing. However, there is still a problem that aerogels are scattered because of the use of the supercritical system, which is expensive and difficult to mass-produce.

한편, 나노셀룰로오스란 식물 세포벽의 주요성분인 셀룰로오스에서 추출한 나노미터 직경의 결정성 섬유로서 분자간 수소결합으로 기계적 특성이 우수하고 식물 유래 물질로 친환경적인 탄소 중립소재이다. 나노셀룰로오스는 친환경의 바이오매스 소재로서 나노화하게 되면 투명하고 높은 기계적 특성을 가지므로 투명 고강도 소재에 적용하는 등 산업에 응용하려는 시도들 때문에 그 수요가 증가하는 추세이다. 나노셀룰로오스는 주로 친환경 복합소재의 필러나 다공성 소재, 투명 필름 등으로 응용 가능하다. 기존의 나노셀룰로오스 제조법으로는 목재 또는 바이오매스(biomass)에서 추출하여 기계적, 화학적인 처리를 통해 분쇄하는 방법과 박테리아로부터 생물학적 배양을 통해 제조하는 방법이 있다. On the other hand, nanocellulose is a nanometer-diameter crystalline fiber extracted from cellulose, which is a major component of plant cell walls. It is an inter-molecular hydrogen bond and is a carbon-neutral material that is excellent in mechanical properties and environmentally friendly as a plant-derived material. Nanocellulose is an environmentally friendly biomass material, and when it is nanoized, it has transparency and high mechanical properties. Therefore, the demand for nanocellulose is increasing due to attempts to apply it to industries such as transparent high-strength materials. Nano-cellulose can be applied mainly as a filler of eco-friendly composite material, porous material, transparent film and the like. Conventional nanocellulose production methods include extraction from wood or biomass, pulverization through mechanical and chemical treatment, and production through biological culture from bacteria.

기계적 분쇄는 반복적인 힘을 이용하여 절단/분쇄하는 방법으로 그라인딩, 워터젯, 균질법, 고해법, 압출법, 볼밀법 등의 방법이 있고, 이로써 제조된 섬유는 형상이 불균일 하고 에너지 비용이 많이 소요되는 문제점이 있지만 종횡비가 커서 강화재로 사용되고 있다. Mechanical grinding is a method of cutting / grinding by using repetitive force, such as grinding, water jet, homogenization, solid solution, extrusion, ball milling, etc. The fibers thus produced are uneven in shape and have a high energy cost But the aspect ratio is so large that it is used as a reinforcing material.

화학적 처리법은 용해도 차이로 선택적으로 용해하여 분리하는 방법으로 가수분해법, 산화법, 이온용매법 등이 있으며 이로써 제조된 섬유는 섬유 자체의 손상이 불가피하여 기계적 특성이 저하되어 증점제, 분산제 등의 첨가제로 응용된다.The chemical treatment method is a method of selectively dissolving and separating by the difference of the solubility. The hydrolysis method, the oxidation method, and the ion solvent method are used. The fiber thus produced is inevitably damaged by the fiber itself, do.

생물학적 배양 방법은 균주를 접종 및 배양하여 살균, 세척하여 얻어지며 진탕배양법, 정치배양법 등이 있고 이로써 제조된 섬유는 헤미셀룰로오스, 리그닌과 같은 불순물이 없는 순수한 셀룰로오스를 얻을 수 있는 장점이 있지만 합성시간이 길고 표면처리가 어려워 인공피부, 약물전달제 등의 고가 의료용으로 사용된다.The biological culture method is obtained by sterilizing and washing the strain by inoculating and culturing the strain. The shaking culture method and the stationary culture method are also available. The fiber thus produced is advantageous in obtaining pure cellulose free of impurities such as hemicellulose and lignin, It is difficult to surface treatment and is used for expensive medical treatment such as artificial skin and drug delivery agent.

본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.Numerous references are referenced throughout the specification and are cited therein. The disclosure of the cited document is incorporated herein by reference in its entirety to more clearly describe the state of the art to which the present invention pertains and the content of the present invention.

1. 대한민국 등록특허 제 10-0666110호1. Korean Patent No. 10-0666110 2. 대한민국 공개특허 제 10-2016-0019753호2. Korean Patent Publication No. 10-2016-0019753

본 발명의 목적은 나노셀룰로오스 섬유 제조방법을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a method for producing nanocellulose fibers.

또한 본 발명자들은 우수한 열전도도를 가지며 기존의 실리카 에어로겔 복합소재 보다 탁월한 열전도도 및 취성을 가지고 비산 현상을 나타내지 않는 새로운 실리카 에어로겔 복합소재 제조 기술을 제공하고자 연구 노력하였다. 그 결과 나노셀룰로오스 섬유 함유 실리카 에어로겔 복합소재를 제조 해냄으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.The present inventors have also made efforts to provide a novel silica airgel composite material manufacturing technique which has excellent thermal conductivity and exhibits no thermal dissipation phenomenon with excellent thermal conductivity and brittleness as compared with the conventional silica airgel composite material. As a result, the present inventors have completed the present invention by producing a composite material of silica-airgel composite containing nanocellulose fibers.

따라서 본 발명의 다른 목적은 친수성 실리카 에어로겔 입자 및 나노 셀룰로오스 섬유를 포함하는 복합소재를 제공하는데 있다.Accordingly, another object of the present invention is to provide a composite material comprising hydrophilic silica airgel particles and nanocellulose fibers.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 복합소재를 이용하여 제조한 제품을 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide a product manufactured using the composite material.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 친수성 실리카 에어로겔 입자 및 나노셀룰로오스 섬유를 포함하는 복합소재 제조방법을 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide a method for manufacturing a composite material comprising the hydrophilic silica airgel particles and the nanocellulose fibers.

본 발명의 또 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.Other objects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the invention, claims and drawings.

본 발명의 하나의 관점은 나노셀룰로오스 섬유 제조방법을 제공하는 것이다. One aspect of the present invention is to provide a method for producing nanocellulose fibers.

종래의 나노셀룰로오스 제조는 기계적 분쇄방법을 이용하거나, 화학적 용해 방법을 이용하여 제조 되었는데, 기계적 분쇄의 경우 나노셀룰로오스의 불완전분리와 과다한 에너지 비용의 문제점이 있고. 화학적 용해 방법의 경우 섬유 손상 및 단섬유화의 문제점이 있었다. Conventional nanocellulose production has been produced by using a mechanical grinding method or a chemical dissolving method. In the case of mechanical grinding, incomplete separation of nanocellulose and excessive energy cost are problematic. In the case of the chemical dissolution method, there was a problem of fiber damage and short fiberization.

이에 본 발명은 기계적 분쇄이전에 에너지를 줄일 수 있는 화학적 전처리 방법으로 목재 또는 바이오매스 원료에 촉매와 황산을 이용하여 섬유 표면에 에스테르화 반응을 이용하여 황산 기능기를 부여하는 방법으로, 섬유 간 수소결합을 방지하고 이온성 부여에 의한 척력으로 분쇄 시 에너지를 줄여 나노셀룰로오스를 쉽고 효율적으로 제조할 수 있는 방법을 제공한다.Accordingly, the present invention provides a chemical pretreatment method capable of reducing energy before mechanical pulverization, which uses a catalyst and sulfuric acid as a raw material for wood or biomass to impart sulfuric acid functional groups to the surface of fibers by using an esterification reaction. And a method of easily and efficiently producing nanocellulose by reducing energy when pulverized by a repulsive force by ionic impartation.

본 발명의 제조방법은 (i) 바이오매스(biomass)와 요소를 혼합하는 단계, (ii) 상기 혼합물에 황산을 처리하는 단계 및 (iii) 황산이 처리된 혼합물을 세척 후 분쇄하는 단계를 포함하는 것이다. 도 1에 나노셀룰로오스 제작과정 흐름도를 나타내었다.The manufacturing method of the present invention comprises the steps of (i) mixing a biomass with an urea, (ii) treating the mixture with sulfuric acid, and (iii) washing and pulverizing the sulfuric acid- will be. FIG. 1 shows a flow chart of a nano-cellulose production process.

이하 각 단계를 상세하게 설명하고자 한다.Each step will be described in detail below.

(i) 바이오매스와 요소를 혼합하는 단계(i) mixing the biomass with the element

먼저 요소에 열을 가해 용해한 뒤 바이오매스를 첨가 후 교반하며 바이오매스가 요소에 고르게 함침되도록 한다. 요소가 용해되어 바이오매스를 충분히 묻을 수 있는 바이오매스와 요소의 중량비는 바람직하게는 1:10, 더욱 바람직하게는 1:15일 수 있다. 교반 속도는 100 내지 500 rpm 일 수 있고, 바람직하게는 200 내지 500 rpm 일 수 있다. 교반은 요소 용해시작부터 반응이 종료될 때 까지가 바람직하다. 상기 바이오매스에는 섬유소계, 목질계, 해조류계 및 이들의 조합 등이 있고 보다 자세하게는 야자, 옥수수, 면, 마, 아마, 양마, 황마, 마닐라 마, 삼, 사이잘 삼, 사탕수수 및 이들의 혼합물이 있고 이에 한하지 않는다. 상기 바이오매스 형태는 분말, 펠렛, 시트, 펄프 및 이들의 조합 등이 있고 이에 한하지 않는다. 펄프의 예로는 유칼립투스 펄프, 가문비나무 펄프, 소나무 펄프, 너도밤나무 펄프, 대마 펄프, 목화 펄프, 대나무 펄프, 재생 펄프 또는 탈잉크 펄프 및 이들의 조합이 있고 이에 한하지 않는다.First, add heat to the element and dissolve it, then add biomass, then stir and evenly impregnate the element with biomass. The weight ratio of biomass and urea, in which the elements can be dissolved to sufficiently adsorb the biomass, is preferably 1:10, more preferably 1:15. The stirring speed may be 100 to 500 rpm, preferably 200 to 500 rpm. Stirring is preferably carried out from the start of element dissolution to the end of the reaction. The biomass includes a fiber, a woody, a seaweed, a combination thereof, and the like, and more specifically, a coconut, a corn, a cotton, a hemp, a flax, a cotton, a jute, a manila hemp, There are mixtures and this is not limited. The biomass forms include, but are not limited to, powders, pellets, sheets, pulp, and combinations thereof. Examples of pulp include, but are not limited to, eucalyptus pulp, spruce pulp, pine pulp, beech pulp, hemp pulp, cotton pulp, bamboo pulp, recycled pulp or deinked pulp and combinations thereof.

(ii) 혼합물에 황산을 처리하는 단계(ii) treating the mixture with sulfuric acid

상기 단계 (i)에서 얻어진 혼합물에 황산을 천천히 첨가한 뒤 가열 처리하면 황산 처리된 펄프를 얻을 수 있다. 황산의 농도는 반응 후 나노셀룰로오스의 물성에 가장 큰 영향을 미치는 조건으로, 10 내지 95 중량%일 수 있고, 바람직하게는 50 중량%, 더욱 바람직하게는 75 중량%일 수 있다. 요소가 용해되는 온도와 펄프가 열화 되지 않는 반응 온도는 120 내지 200℃일 수 있고, 바람직하게는 140℃, 더욱 바람직하게는 150℃일 수 있다. 200℃ 이상의 온도에서는 펄프 열화에 따른 수율 손실이 발생할 수 있다. 반응시간의 경우 바람직하게는 30분, 더욱 바람직하게는 60 분이나, 이에 한하지 않는다. Sulfuric acid-treated pulp can be obtained by slowly adding sulfuric acid to the mixture obtained in the step (i) and then heat-treating it. The concentration of sulfuric acid may be 10 to 95% by weight, preferably 50% by weight, and more preferably 75% by weight, which is a condition that largely influences the physical properties of the nanocellulose after the reaction. The temperature at which the element is dissolved and the reaction temperature at which the pulp does not deteriorate may be 120 to 200 캜, preferably 140 캜, more preferably 150 캜. A yield loss due to pulp deterioration may occur at a temperature of 200 ° C or higher. The reaction time is preferably 30 minutes, more preferably 60 minutes.

(iii) 세척 및 분쇄 단계(iii) washing and grinding steps

황산 처리된 생성물을 천천히 식히고 NaOH를 가하고 교반 후에 세척한다. 이후 고형분을 분쇄하면 황산기 관능화된 나노셀룰로오스를 얻을 수 있다. The sulfuric acid-treated product is slowly cooled, added with NaOH, and washed after stirring. When the solid content is then pulverized, the nanocellulose functionalized with a sulfuric acid group can be obtained.

NaOH 첨가 및 교반 단계에서는 황산 처리된 나노셀룰로오스 생성물을 천천히 식힌 후 NaOH(1 M)을 첨가하고 다시 1시간 동안 교반한 후 상온에서 정치시켜 상분리 시킨다. NaOH 와 같은 염기성 용액은 섬유 표면에 양이온을 공급하여 수소결합을 억제하는 효과를 부여한다. In the addition of NaOH and the stirring step, the hydrolyzed nanocellulose product is slowly cooled, and then NaOH (1 M) is added thereto. The mixture is further stirred for 1 hour and then allowed to stand at room temperature for phase separation. A basic solution such as NaOH provides an effect of suppressing hydrogen bonding by supplying positive ions to the fiber surface.

다만 수산화기를 갖는 화합물로 특별히 한정되지 않고, 무기 알칼리 화합물이어도 되고, 유기 알칼리 화합물이어도 된다. 무기 알칼리 화합물로는 수산화리튬, 수산화나트륨, 또는 수산화 칼륨 화합물이 있으며 이에 한하지 않는다. 유기 알칼리 화합물로는 암모니아, 히드라진, 메틸아민, 에틸아민, 디에틸아민, 트리에틸아민, 프로필아민, 디프로필아민, 부틸아민, 디아미노에탄, 디아미노프로판, 디아미노부탄, 디아미노펜탄, 디아미노헥산, 시클로헥실아민, 아닐린, 테트라메틸암모늄히드록시드, 피리딘, 탄산암모늄, 탄산수소암모늄, 또는 인산수소이암모늄 화합물이 있으며 이에 한하지 않는다.The compound having a hydroxyl group is not particularly limited and may be an inorganic alkali compound or an organic alkali compound. Inorganic alkali compounds include, but are not limited to, lithium hydroxide, sodium hydroxide, or potassium hydroxide compounds. Examples of the organic alkali compound include ammonia, hydrazine, methylamine, ethylamine, diethylamine, triethylamine, propylamine, dipropylamine, butylamine, diaminoethane, diaminopropane, diaminobutane, Cyclohexylamine, aniline, tetramethylammonium hydroxide, pyridine, ammonium carbonate, ammonium hydrogencarbonate, or ammonium dihydrogen phosphate compounds.

또한 알칼리 용액에 있어서의 용매로는 물 또는 유기 용매가 있고, 바람직하게는 물을 포함하는 수계 용매가 있다.The solvent in the alkali solution is water or an organic solvent, and preferably an aqueous solvent containing water.

세척 단계에서는 상분리된 상기 생성물의 윗물을 따라내고 고형분을 증류수에 넣고 거름체를 이용하여 세척한다. 이 과정을 수회 반복한다. In the washing step, the supernatant is poured into the supernatant of the product, and the solid component is poured into distilled water and washed with a sieve. Repeat this process several times.

분쇄 단계에서는 상기 세척된 고형분을 슬러리로 하여 분쇄 장치를 이용하여 분쇄하면 나노셀룰로오스 슬러리를 얻을 수 있다. 분쇄 시 슬러리 농도는 0.5 내지 2 중량%로 할 수 있으며, 바람직하게는 1 중량% 내지 2 중량%, 더욱 바람직하게는 2 중량%로 할 수 있다. In the pulverizing step, the washed solid matter is pulverized using a pulverizer as a slurry to obtain a nanocellulose slurry. The slurry concentration at the time of milling may be 0.5 to 2% by weight, preferably 1 to 2% by weight, more preferably 2% by weight.

분쇄 장치로는 워터젯 분쇄기, 고속 해섬기, 그라인더(맷돌형) 분쇄기, 고압 호모지나이저, 초고압호모지나이저, 고압 충돌형 분쇄기, 볼 밀, 비즈 밀, 디스크형 리파이너, 코니컬 리파이너, 2축 혼련기, 진동 밀, 고속 회전하에서의 호모 믹서, 초음파 분산기, 또는 비터 등이 있으며 이에 한하지 않는다.Examples of the grinding apparatuses include a water jet grinder, a high speed grinder, a grinder (mill type grinder), a high pressure homogenizer, an ultra high pressure homogenizer, a high pressure impact grinder, a ball mill, a bead mill, a disk type refiner, A vibrating mill, a homomixer under high speed rotation, an ultrasonic dispersing machine, or a beater.

상기 제조 방법에 따른 나노셀룰로오스 열 분석을 하면 기존 펄프에 비해 황산 처리된 나노셀룰로오스의 열 안정성이 보다 우수한 것을 알 수 있다. 이는 나노셀룰로오스의 열 안정성은 치환기의 전자를 주고 받는 특성에 의해 결정되는데, 나노셀룰로오스의 인산화의 경우 황산화 대비 강한 전자 받음 특성으로 인해 분자 내 결합이 약화되어 열 안정성이 좋지 않다. 도 2 및 3에 치환기에 따른 셀룰로오스 열 안정성을 나타내었다. 따라서 황산화된 나노셀룰로오스의 높은 열 안정성을 통해 나노셀룰로오스의 고품질화를 기할 수 있다.The thermal stability of the nanocellulose treated with sulfuric acid is better than that of the conventional pulp by performing the thermal analysis of the nanocellulose according to the above production method. This is because the thermal stability of nanocelluloses is determined by the exchange of electrons of substituents. In the case of phosphorylation of nanocellulose, the intramolecular bonding is weakened due to strong electron accepting properties compared to sulfation, and the thermal stability is poor. 2 and 3 show the cellulose thermal stability according to the substituent. Therefore, high quality of nanocellulose can be achieved through high thermal stability of sulfated nanocellulose.

본 발명의 다른 관점은 친수성 실리카 에어로겔 입자 및 나노셀룰로오스 섬유를 포함하는 복합소재를 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention is to provide a composite material comprising hydrophilic silica airgel particles and nanocellulose fibers.

본 발명은 고가의 초임계 건조법 대신 실리카 에어로겔 입자를 수분산시킨 용액에 친수성 나노셀룰로오스 섬유를 혼합한 후 가열 가압하는 간단한 공정을 통해 단열재를 제조하므로, 이로써 섬유강화 실리카 에어로겔의 대량생산 및 제품화가 가능해질 수 있다.The present invention enables the mass production and commercialization of a fiber reinforced silica airgel because a hydrophilic nano-cellulose fiber is mixed with a solution in which silica airgel particles are dispersed in an aqueous solution instead of an expensive supercritical drying method, followed by heating and pressing. .

본 발명의 일 구현예에서 상기 친수성 실리카 에어로겔 입자는 소수성 실리카 에어로겔의 표면을 친수화 하여 얻어질 수 있다. 소수성 실리카 에어로겔은 상압에서 물유리를 산처리 한 후 실릴화로 소수성이 부여된 에어로겔 일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the hydrophilic silica airgel particles can be obtained by hydrophilizing the surface of the hydrophobic silica airgel. The hydrophobic silica airgel may be an aerogel imparted with hydrophilicity by silylation after acid treatment of water glass at normal pressure.

소수성 실리카 에어로겔에 계면활성제로 표면 처리하여 친수성 실리카 에어로겔 입자를 제조할 수 있는데, 이때 사용할 수 있는 계면활성제에는 음이온계 계면활성제, 양이온계 계면활성제 또는 양성계면활성제가 있다. 음이온계 계면활성제로는 지방산 나트륨, 모노알킬 황산염, 알킬폴리옥시에틸렌 황산염, 모노알킬인산염, 알킬벤젠술폰산염, 폴리옥시에틸렌알킬에테르, 알킬모노글리세릴에테르, 지방산 솔비탄 에스테르, 폴리에틸렌글리콜 헥사데실에테르가 있으며 이에 한하지 않는다. 양이온계 계면활성제로는 디알킬디메틸암모늄염, 알킬벤질메틸암모늄염, 지방산 디에탄올아민이 있으며 이에 한하지 않는다. 양성계면활성제로는 알킬설포베타인, 알킬카르복시베타인이 있으며 이에 한하지 않는다.Hydrophilic silica airgel particles may be surface-treated with a surfactant to prepare hydrophilic silica airgel particles. Anionic surfactants, cationic surfactants or amphoteric surfactants are usable as the surfactant. Examples of the anionic surfactant include fatty acid sodium salt, monoalkyl sulfate, alkyl polyoxyethylene sulfate, monoalkyl phosphate, alkylbenzene sulfonate, polyoxyethylene alkyl ether, alkyl monoglyceryl ether, fatty acid sorbitan ester, polyethylene glycol hexadecyl ether But not limited to. Examples of cationic surfactants include dialkyldimethylammonium salts, alkylbenzylmethylammonium salts, and fatty acid diethanolamines. Amphoteric surfactants include, but are not limited to, alkyl sulfobetaine, alkylcarboxybetaine.

본 발명에 따른 다른 구현예에서 상기 나노셀룰로오스는 직경이 20 내지 100 nm 일 수 있고, 길이가 적어도 2 ㎛ 내지 적어도 5 ㎛ 인 나노셀룰로오스 섬유일 수 있다.In another embodiment according to the present invention The nanocellulose may be a nanocellulose fiber having a diameter of 20 to 100 nm and a length of at least 2 [mu] m to at least 5 [mu] m.

상기 친수성 실리카 에어로겔과 나노셀룰로오스 섬유를 혼합하고 고밀도화 과정을 거친 후, 건조를 하면 본 발명에 따른 나노셀룰로오스 섬유 강화 실리카 에어로겔 복합소재를 얻을 수 있다. 고밀도화 된 에어로겔 복합소재는 에어로겔 입자 내 나노기공 외의 모든 기공이 제거되어 기계적 강도가 우수하다. 또한 고밀도화를 통해 전체 부피의 대부분이 에어로겔로 구성되어 우수한 단열특성을 가지게 된다.The hydrophilic silica aerogels and the nanocellulose fibers are mixed and densified and then dried to obtain the nanocellulose fiber-reinforced silica airgel composite material according to the present invention. The densified aerogel composite material is excellent in mechanical strength because all the pores outside the nano pores in the aerogel particle are removed. In addition, due to the high density, most of the total volume is composed of aerogels, which leads to excellent thermal insulation properties.

본 발명에 따른 나노셀룰로오스 섬유에 의해 강화된 실리카 에어로겔 단열재는 섬유화된 나노셀룰로오스를 이용하는 것으로, 분자 스케일 에틸 셀룰로오스 같은 별도의 바인더 성분을 포함하지 않을 수 있다. 상기 나노셀룰로오스 섬유는 수소결합으로 자기조립이 가능하여 별도의 바인더 없이도 그 자체가 바인더 및 강화제 역할을 하여 에어로겔 복합소재의 비산 문제도 해결이 가능하게 되었다. 본 발명의 에어로겔 복합소재의 밀도는 0.3 내지 1.0 g/cm3일 수 있으며, 0.5 내지 3 MPa의 굴곡강도 및/또는 10 내지 100 MPa 의 굴곡탄성율을 나타내는 것일 수 있다.The silica airgel insulator reinforced with the nanocellulose fibers according to the present invention uses fibrous nanocellulose and may not contain a separate binder component such as molecular scale ethylcellulose. Since the nanocellulose fibers can be self-assembled by hydrogen bonding, the nanocellulose fibers themselves can act as a binder and a reinforcing agent without a separate binder, thereby solving the scattering problem of the airgel composite material. The density of the airgel composite material of the present invention may be 0.3 to 1.0 g / cm 3 days, may be an indication of the flexural strength and / or flexural modulus of 10 to 100 MPa for 0.5 to 3 MPa.

또한 상기 에어로겔 복합소재는 0.01 내지 0.05 W/mK의 열전도도를 나타내는 것일 수 있다.The airgel composite material may have a thermal conductivity of 0.01 to 0.05 W / mK.

본 발명의 또 다른 관점은 상기 에어로겔 복합소재를 이용하여 제조한 제품을 제조하는 것이다.Another aspect of the present invention is to produce a product manufactured using the aerogel composite material.

일 구현예에서 상기 제품은 단열재, 건축자재, 전기재료, 절연재, 촉매의 담체, 내열소재, 방음재, 우주복, 우주선, 항공기 및 자동차 소재 등일 수 있으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment, the product may be, but is not necessarily limited to, thermal insulation materials, building materials, electrical materials, insulation materials, catalyst carriers, heat resistant materials, soundproofing materials, spacesuits, spacecraft, aircraft and automotive materials.

본 발명의 또 다른 관점은 친수성 실리카 에어로겔 입자 및 나노셀룰로오스 섬유를 포함하는 복합소재 제조방법을 제공하는 것이다. 도 4 에 나노셀룰로오스 섬유 강화 실리카 에어로겔 복합소재 제작 흐름도를 나타내었다.Another aspect of the present invention is to provide a method for producing a composite material comprising hydrophilic silica airgel particles and nanocellulose fibers. Fig. 4 shows a flow chart of the production of the nanocellulose fiber-reinforced silica airgel composite material.

일 구현예에서 상기 친수성 실리카 에어로겔 입자는 소수성 실리카 에어로겔의 표면을 친수화 하여 얻어질 수 있으므로, 먼저 소수성 실리카 에어로겔을 얻는 방법을 개시한다.In one embodiment, the hydrophilic silica airgel particles can be obtained by hydrophilizing the surface of the hydrophobic silica airgel, and therefore, a method for obtaining a hydrophobic silica airgel is first disclosed.

본 발명에서는 초임계 건조법이 아닌 상압 건조로 제조한 저가격의 실리카 에어로겔을 사용할 수도 있다. 예를 들어 상압에서 저가 원료인 물유리(NaSiO3)를 산 처리하면 겔화가 일어나 실리카 에어로겔이 형성된다. 이후 세척, 여과를 거쳐 습윤 젤 중의 수분을 제거하고 실릴화에 의해 실리카 에어로겔 표면을 개질한다. 이후 용매 및 실릴화제를 회수하여 건조하면 소수성 표면을 가지는 실리카 에어로겔이 얻어질 수 있다. 상기 물유리에 처리된 산은 염산, 황산, 질산 등이 있으나 이에 한하지 않는다. In the present invention, a low-cost silica airgel produced by atmospheric pressure drying may be used instead of the supercritical drying method. For example, acid treatment of water glass (NaSiO 3 ), which is an inexpensive raw material at normal pressure, causes gelation to form silica airgel. Thereafter, the water in the wet gel is removed by washing and filtration, and the silica airgel surface is modified by silylation. Thereafter, the solvent and the silylating agent are recovered and dried to obtain a silica airgel having a hydrophobic surface. Acids treated in the water glass include, but are not limited to, hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid and the like .

상기 제조공정에 의해 얻어진 소수성 실리카 에어로겔을 계면활성제로 표면 처리하여 친수성 실리카 에어로겔 입자를 제조할 수 있는데, 상기 계면활성제에는 앞서 언급된 바와 같다.The hydrophobic silica aerogels obtained by the above-described production process may be surface-treated with a surfactant to prepare hydrophilic silica aerogels. The above-mentioned surfactants are as described above.

이후 상기 친수성 실리카 에어로겔을 물에 분산시켜 수분산액을 형성하고, 펄프를 분쇄하여 만든 나노셀룰로오스 수분산액을 혼합한다. 혼합물에서의 나노셀룰로오스 섬유:친수성 실리카 에어로겔 입자의 부피비는 제작된 복합소재 기준으로 1:9 내지 1:99일 수 있고, 바람직하게는 1:19 내지 1:99일 수 있다. 혼합시의 교반속도는 100 내지 1000 rpm 일 수 있고, 바람직하게는 500 내지 1000 rpm일 수 있다. 교반시간은 5 분 내지 2 시간으로 할 수 있으며, 바람직하게는 20 분 내지 1 시간일 수 있다.Thereafter, the hydrophilic silica airgel is dispersed in water to form an aqueous dispersion, and the pulp is pulverized to prepare a nanocellulose water dispersion. The volume ratio of nanocellulose fibers: hydrophilic silica aerogel particles in the mixture can be from 1: 9 to 1:99, preferably from 1:19 to 1:99, based on the composite material produced. The stirring speed at the time of mixing may be 100 to 1000 rpm, preferably 500 to 1000 rpm. The stirring time may be 5 minutes to 2 hours, preferably 20 minutes to 1 hour.

상기 친수성 실리카 에어로겔 수분산액과 나노셀룰로오스 섬유 수분산액을 혼합, 교반한 이후, 혼합 용액을 필터링 하여 몰드건조한다. 상온에서 몰드건조를 통해 수소결합에 의한 프리폼을 형성할 수 있다. 이때 필터링 시간은 1 내지 240 시간일 수 있고, 바람직하게는 24 내지 240 시간일 수 있다.The hydrophilic silica airgel water dispersion and the nanocellulose fiber water dispersion are mixed and stirred, and then the mixed solution is filtered and mold-dried. Preforms can be formed by hydrogen bonding through mold drying at room temperature. The filtering time may be from 1 to 240 hours, preferably from 24 to 240 hours.

필터링 과정 이후 가열가압 공정인 Hot Press(고밀도화) 과정을 거친다. 고밀도화의 온도조건은 30 내지 300℃ 일 수 있고, 바람직하게는 120 내지 300℃ 일 수 있다. 고밀도화의 압력 조건은 5 내지 70 MPa일 수 있고, 바람직하게는 30 내지 70 MPa일 수 있다. 고밀도화의 시간조건은 30 분 내지 12 시간일 수 있고, 바람직하게는 2 시간 내지 12 시간일 수 있다. 도 5에 고밀도화 개념도를 나타내었다.After the filtering process, the hot press process (densification) process is performed. The temperature condition for densification may be 30 to 300 캜, and preferably 120 to 300 캜. The densification pressure conditions can be from 5 to 70 MPa, and preferably from 30 to 70 MPa. The time period of densification may be from 30 minutes to 12 hours, and preferably from 2 hours to 12 hours. FIG. 5 shows a concept of high density.

고밀도화 이후에 전자기파(microwave) 건조를 한다. 전자기파 건조 조건은 1000 W 기준으로 5 분 내지 2 시간일 수 있고, 바람직하게는 10 분 내지 2 시간일 수 있다. 전자기파 건조 단계까지 마치게 되면 나노셀룰로오스 섬유에 의해 강화된 실리카 에어로겔 단열재를 얻을 수 있다. Microwave drying is performed after high density. The electromagnetic wave drying condition may be 5 minutes to 2 hours on the basis of 1000 W, preferably 10 minutes to 2 hours. When the process of drying the electromagnetic wave is completed, a silica airgel insulator reinforced by the nanocellulose fibers can be obtained.

본 발명의 나노셀룰로오스 제조방법은 나노셀룰로오스 저가화 및 섬유 자체에 대한 손상을 최소화하여 단섬유화를 막을 수 있어 나노셀룰로오스의 고품질화를 제공하는 효과를 갖는다.The method of producing nanocellulose of the present invention has the effect of reducing the cost of nanocellulose and minimizing the damage to the fiber itself, thereby preventing the monofilization and providing high quality of nanocellulose.

본 발명에 따른 나노섬유 강화 실리카 에어로겔 복합소재는 전체 부피의 대부분이 실리카 에어로겔로 구성되어 우수한 단열특성을 나타낸다. 또한 취성이 약한 실리카 에어로겔에 수소결합으로 자기조립이 가능한 나노셀룰로오스 섬유가 바인더 및 강화제로 작용하여, 단열특성이 우수하고 밀도가 높아 기계적 특성이 향상되어 박형 단열재부터 두꺼운 건축용 단열재까지 많은 영역에 적용될 수 있으리라 기대된다.The nanofiber-reinforced silica airgel composite material according to the present invention is composed of silica airgel in a majority of its volume, and exhibits excellent heat insulating properties. In addition, nanocellulose fibers that can self-assemble by hydrogen bonding to a weakly brittle silica airgel can act as a binder and a reinforcing agent, so that they can be applied to a wide range of areas, from thin type insulation to thick building insulation It is expected to be.

도 1은 황산처리법으로 나노셀룰로오스 섬유를 제작하는 과정의 흐름도를 나타낸 것이다.
도 2는 치환기에 따른 고분자의 열안정성을 나타내었다. 치환기의 전자 받음 특성이 강할수록 열안정성이 저하된다.
도 3은 황산화된 나노셀룰로오스와 인산화된 나노셀룰로오스의 열안정성 비교 개념도를 나타내었다.
도 4는 나노셀룰로오스 섬유 강화 실리카 에어로겔 복합소재 제작흐름도를 나타낸 것이다.
도 5는 가열가압을 통해 복합소재를 고밀도화 하는 과정을 나타낸 것이다.
도 6은 종래 기계적 분쇄와 가수분해법으로 나노셀룰로오스를 제조하는 방법을 나타낸 것이다.
도 7은 황산처리법으로 나노셀룰로오스를 제조하는 방법을 나타낸 것이다.
도 8은 실시예에서 황산 전처리 제조방법으로 제조된 나노셀룰로오스 형상을 분석한 결과이다. 좌측은 황산 전처리 후 그라인더 15 pass 분쇄 후의 모습을 나타낸 것이고, 우측은 SEM(전자주사현미경) 분석 결과이다.
도 9는 실시예에서 제조한 섬유 형상의 나노셀룰로오스 SEM 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 복합소재의 밀도에 따른 열전도도 그래프를 나타내었다. 열전도도가 낮을수록 우수한 단열 특성을 가진다.
도 11은 유리 섬유 강화 에어로겔과 나노셀룰로오스 섬유 강화 실리카 에어로겔 복합소재의 비산성 비교실험 결과를 나타내었다.
도 12는 유리 섬유 강화 에어로겔과 나노셀룰로오스 섬유 강화 실리카 에어로겔 복합소재의 3점 굴곡강도 측정 비교를 나타내었다.
1 is a flow chart of a process for producing nanocellulose fibers by a sulfuric acid treatment method.
2 shows the thermal stability of the polymer according to the substituent. The stronger the electron accepting property of the substituent, the lower the thermal stability.
FIG. 3 is a conceptual diagram for comparing the thermal stability of the sulfated nanocellulose and the phosphorylated nanocellulose.
Fig. 4 is a flow chart of production of a nanocellulose fiber-reinforced silica airgel composite material.
FIG. 5 shows a process of increasing the density of a composite material through heating and pressing.
6 shows a conventional method of producing nanocellulose by mechanical pulverization and hydrolysis.
7 shows a method for producing nanocellulose by the sulfuric acid treatment method.
8 shows the results of analysis of the shape of the nanocellulose prepared by the sulfuric acid pretreatment manufacturing method in the examples. The left side shows the state after the sulfuric acid pretreatment and the grinder 15 after the pass milling, and the right side shows the SEM (electron scanning microscope) analysis result.
Fig. 9 shows the results of SEM analysis of the fibrous nanocellulose prepared in the examples.
FIG. 10 shows a graph of thermal conductivity according to the density of the composite material. The lower the thermal conductivity, the better the adiabatic properties.
Fig. 11 shows the results of non-acidic comparison of the glass fiber-reinforced aerogels and the nanocellulose fiber-reinforced silica airgel composite materials.
12 shows a comparison of three-point bending strength measurement between a glass fiber-reinforced airgel and a nano-cellulose fiber-reinforced silica airgel composite material.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명 하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are only for describing the present invention more specifically and that the scope of the present invention is not limited by these embodiments.

실시예Example

실시예Example 1 -  One - 나노셀룰로오스Nano-cellulose 제조방법 Manufacturing method

(a) 요소 (a) Element 함침Impregnation  The 바이오매스Biomass 시약(A) 제조단계 Preparation step of reagent (A)

요소 500 g을 140℃로 가열해 용해한 뒤 펄프 50 g 첨가 후 교반하며 펄프가 요소에 고르게 함침되도록 하였다. 교반속도를 250 rpm으로 하여, 요소 용해 시작부터 반응이 종료될 때까지 교반을 진행하였다.500 g of the component was dissolved by heating at 140 DEG C and then 50 g of pulp was added and stirred so that the pulp was evenly impregnated with the element. The agitation speed was 250 rpm and stirring was started from the beginning of urea dissolution to the end of the reaction.

(b) 황산 처리 단계(b) Sulfuric acid treatment step

상기 시약(A)에 황산을 천천히 첨가한 뒤 가열 처리하여 황산 처리된 펄프를 얻었다. 상기 시약(A)에 75 중량% 황산을 150 g 천천히 첨가한 뒤 150℃에서 60 분간 가열처리 하여 황산 처리된 펄프를 얻었다. Sulfuric acid was slowly added to the reagent (A) and then heat-treated to obtain a sulfuric acid-treated pulp. 150 g of 75 wt% sulfuric acid was slowly added to the above reagent (A), and then heat-treated at 150 ° C for 60 minutes to obtain a sulfuric acid-treated pulp.

(c) 황산 처리된 혼합물을 세척 후 분쇄하는 단계(c) washing and pulverizing the sulfuric acid-treated mixture

상기 단계(b) 생성물을 천천히 식히고 NaOH를 가하고 교반 후에 세척하였다. 이후 고형분을 분쇄하여 황산기 관능화된 나노셀룰로오스를 얻었다.The product of step (b) was slowly cooled, added with NaOH, and washed after stirring. Thereafter, the solid content was pulverized to obtain a nanocellulose functionalized with a sulfate group.

-NaOH 첨가 및 교반 단계 -NaOH addition and stirring step

상기 단계(b) 생성물을 천천히 식힌 후 NaOH (1 M)을 첨가하고 1시간 동안 교반한 후 상온에서 정치시켜 상분리 시켰다.After the step (b) was cooled slowly, NaOH (1 M) was added and the mixture was stirred for 1 hour and allowed to stand at room temperature for phase separation.

-세척 단계- washing step

상기 상분리된 생성물의 윗물을 따라내고 고형분을 증류수에 넣고 거름체를 이용하여 세척하였다. 이 과정을 3회 반복하였다.The supernatant was passed through the top of the phase-separated product and the solid was added to distilled water and washed with a sieve. This procedure was repeated three times.

-분쇄 단계- grinding step

상기 세척된 고형분을 2.0 중량% 슬러리로 하여 그라인더 분쇄기 (Masuko 사, MKCA6-2)를 이용하여 1500 rpm, 그라인더 간격 -80 ㎛로 하여 15회 분쇄하여 나노셀룰로오스 슬러리를 얻었다.The washed solid matter was pulverized 15 times using a grinder mill (Masuko, MKCA6-2) at a speed of 1500 rpm and a grinder interval of -80 쨉 m, to obtain a nanocellulose slurry.

상기 과정에 따라 제조된 나노셀룰로오스를 전자주사 현미경(SEM)으로 관찰하고 그 결과를 도 8 및 도 9에 나타내었다. SEM 형상 분석 결과 나노셀룰로오스는 직경이 20 내지 50 nm 이고, 길이는 2 ㎛ 이상인 섬유 형상을 갖는 것으로 확인되었다(도 8 및 도 9 참조).The nanocellulose prepared according to the above procedure was observed with a scanning electron microscope (SEM), and the results are shown in FIGS. 8 and 9. FIG. As a result of the SEM shape analysis, it was confirmed that the nanocellulose had a fiber shape having a diameter of 20 to 50 nm and a length of 2 탆 or more (see FIGS. 8 and 9).

실시예 2 - 상기 제조방법에 따른 나노셀룰로오스 열 분석Example 2 - Nanocellulose thermal analysis according to the above preparation method

반응물의 열 안정성 평가를 측정하기 위해서 공기 분위기하에서 30℃에서 600℃까지 가열속도를 10 ℃/min로 하여 TG-DSC(STA409PC, Netzch 사)으로 열 분석을 수행하였다. 1st step에서 수분에 의한 질량 감소가 일어나므로, 실질적으로 셀룰로오스가 분해되는 2nd step에서 열 안정성을 평가하였다.DSC (STA409PC, Netzch) at a heating rate of 10 占 폚 / min from 30 占 폚 to 600 占 폚 under an air atmosphere in order to evaluate the thermal stability of the reactants. The heat stability was evaluated in the 2 nd step in which the cellulose was substantially decomposed since a mass reduction by moisture occurred at 1 st step.

기존 펄프에 비하여 황산 처리된 나노셀룰로오스의 열 안정성이 우수함을 확인할 수 있었다. 또한 인산 처리된 경우에 비하여도 황산 처리된 나노셀룰로오스의 열 안정성이 우수한 것으로 확인되었다.It was confirmed that the thermal stability of the sulfuric acid-treated nanocellulose was superior to that of the conventional pulp. Also, it was confirmed that the sulfuric acid - treated nanocellulose had better thermal stability than the case of phosphoric acid treatment.

Figure pat00001
Figure pat00001

인산화의 경우에는 황산화 대비 강한 전자 받은 특성으로 인해 셀룰로오스 분자의 공유결합이 약화되고 이로 인해 열 안정성이 저하된다 볼 수 있다. 또 다른 TGA(Thermogravimetric anaylsis)를 하기 표에 나타내었다. 마찬가지로 황산 처리된 나노셀룰로오스의 열 안정성이 우수함을 확인할 수 있었다.In the case of phosphorylation, the covalent bond of the cellulose molecule is weakened due to the strong electron-receiving property compared to the sulfation, and the thermal stability is lowered. Another TGA (Thermogravimetric anaylsis) is shown in the table below. Similarly, it was confirmed that the sulfuric acid-treated nanocellulose had excellent thermal stability.

Figure pat00002
Figure pat00002

실시예Example 3 -  3 - 나노셀룰로오스Nano-cellulose 섬유 강화 실리카  Fiber reinforced silica 에어로겔Aerogels 복합소재 제조 Composite material manufacturing

상압에서 저가 원료인 물유리(267 원/kg)를 산 처리한 후 실릴화로 소수성을 부여하는 공정으로 제작한 실리카 에어로겔을 소수성 실리카 에어로겔로 하였다. 본원에서는 초임계 건조법이 아닌 상압 건조로 제조한 저가격의 실리카 에어로겔을 사용하였다.The silica airgel produced by the acid treatment of water glass (267 won / kg), which is an inexpensive raw material at atmospheric pressure, and the hydrophilization by silylation, was made into a hydrophobic silica airgel. In this study, low cost silica airgel made by atmospheric pressure drying was used instead of supercritical drying method.

이 소수성 실리카 에어로겔을 폴리에틸렌글리콜 헥사데실에터(Polyethyleneglycol hexadecylether, Brij 56)인 계면활성제로 표면 처리하여 친수성 실리카 에어로겔로 만들었다.The hydrophobic silica airgel was surface-treated with a surfactant such as polyethylene glycol hexadecylether (Brij 56) to prepare a hydrophilic silica airgel.

이후 상기 친수성 실리카 에어로겔 수분산액(20 중량% 이하)과 펄프를 분쇄하여 만든 나노셀룰로오스 섬유 수분산액(1 중량% 이하)을 혼합하였다. 상기 혼합물에서의 나노셀룰로오스 섬유:친수성 실리카 에어로겔 입자의 부피비는 제작된 복합소재 기준으로 1:20 으로 하였다. 혼합시의 교반속도는 750 rpm 이고, 교반시간은 40 분으로 하였다. 상기 나노셀룰로오스는 직경 35 nm 이고, 길이 3 ㎛ 인 나노셀룰오로스 섬유를 사용하였다.Thereafter, the hydrophilic silica airgel aqueous dispersion (not more than 20% by weight) and the nanocellulose fiber aqueous dispersion (not more than 1% by weight) prepared by pulverizing the pulp were mixed. The volume ratio of the nanocellulose fibers: hydrophilic silica aerogels in the mixture was 1:20 based on the composite material. The stirring speed at the time of mixing was 750 rpm, and the stirring time was 40 minutes. The nanocellulose used was nanocellulose fibers having a diameter of 35 nm and a length of 3 탆.

상기 친수성 실리카 에어로겔 수분산액과 나노 셀룰로오스 섬유 수분산액을 혼합, 교반 한 이후, 혼합용액을 필터링 하여 몰드건조 하였다. 이때 필터링 시간은 1200 시간으로 하였다.After the hydrophilic silica airgel aqueous dispersion and the nanocellulose fiber water dispersion were mixed and stirred, the mixed solution was filtered and mold-dried. The filtering time was 1200 hours.

필터링 과정 이후 Hot press(고밀도화)과정을 거쳤다. 고밀도화의 온도조건은 150℃이고, 고밀도화의 압력조건은 40 MPa로 하였다. 고밀도화의 시간조건은 6 시간으로 하였다. After the filtering process, a hot press process was performed. The temperature condition for high density was 150 DEG C, and the pressure condition for high density was 40 MPa. The time for high density was set to 6 hours.

고밀도화 이후에 전자기파(microwave) 건조를 하였다. 전자기파 건조 는 1000 W 기준으로 1시간 동안 진행하였다.After the densification, microwave drying was performed. Electromagnetic wave drying was carried out for 1 hour at 1000 W standard.

전자기파 건조 단계까지 마치게 되면 나노셀룰로오스 섬유에 의해 강화된 실리카 에어로겔 단열재를 얻을 수 있었다.After the electromagnetic wave drying step, the silica airgel insulator reinforced by the nanocellulose fibers was obtained.

고온 고압 건조를 통해 얻어진 나노셀룰로오스 섬유 강화 실리카 에어로겔 복합소재의 특성을 하기 표에 나타내었다.The characteristics of the nanocellulose fiber-reinforced silica airgel composite obtained through high temperature and high pressure drying are shown in the following table.

Figure pat00003
Figure pat00003

실시예Example 4 -  4 - 에어로겔Aerogels 복합소재의 단열 특성 비교 Comparison of insulation properties of composite materials

나노셀룰로오스 강화 나노입자 샘플, 유리섬유 강화 실리카 에어로겔 샘플 및 나노셀룰로오스 섬유 강화 실리카 에어로겔 샘플의 단열 특성을 비교하여 보았다.The thermal insulation properties of the nanocellulose reinforced nanoparticle samples, the glass fiber reinforced silica airgel samples, and the nanocellulose fiber reinforced silica airgel samples were compared.

상기 나노셀룰로오스 강화 나노입자 샘플은 수분산 된 나노셀룰로오스에 무기 나노 입자를 혼합하여 필터링 후 건조하여 얻을 수 있었고, 상기 유리섬유 강화 실리카 에어로겔 샘플은 유리섬유 블랑켓에 실리카 에어로겔을 함침 후 초임계 건조하여 제작할 수 있었다. 또한 상기 나노셀룰로오스 섬유 강화 실리카 에어로겔 샘플은 상기 실시예1에 나온 방법과 같이 나노셀룰로오스 섬유와 수분산 실리카 에어로겔을 혼합한 후 필터링 후 고밀도화(Hot press)공정 등을 진행하여 제작할 수 있었다.The nanocellulose-reinforced nanoparticle sample was obtained by mixing inorganic nano-particles with water-dispersed nanocellulose, filtering and drying the glass fiber-reinforced silica airgel sample. The glass fiber-reinforced silica airgel sample was impregnated with a silica airgel in a glass fiber blanket, I could make it. The nanocellulose fiber-reinforced silica airgel sample was prepared by mixing the nanocellulose fiber and the water-dispersed silica airgel in the same manner as in Example 1, followed by filtering and hot pressing.

나노셀룰로오스 강화 나노입자 샘플의 경우 밀도 증가에 따라 열전도도가 증가하지만, 실리카 에어로겔과 복합화한 샘플들의 경우에는 밀도가 증가함에 따라 열전도도가 감소하는 경향을 보였다. 도 10에 상기 각 샘플들의 단열특성 비교를 나타내었다.In the case of nanocellulosic reinforced nanoparticle samples, the thermal conductivity increased with increasing density, but in the case of samples mixed with silica airgel, the thermal conductivity tended to decrease with increasing density. FIG. 10 shows a comparison of the heat insulating properties of each sample.

실시예 5 - 섬유강화 실리카 에어로겔 복합소재의 비산특성 비교Example 5 - Comparison of scattering characteristics of fiber reinforced silica aerogel composite material

3M 테이프를 이용하여 유리섬유 강화 실리카 에어로겔과 나노셀룰로오스 섬유 강화 실리카 에어로겔의 비산 특성을 평가하였다. The scattering characteristics of the glass fiber reinforced silica airgel and the nanocellulose fiber reinforced silica airgel were evaluated using 3M tape.

마이크로미터 직경의 유리섬유 강화 실리카 에어로겔 샘플의 경우 에어로겔 입자뿐만 아니라 유리섬유까지 비산된 것을 알 수 있었다. 반면에 나노셀룰로오스 섬유 강화 실리카 에어로겔의 경우에는 거의 비산되지 않은 것을 확인할 수 있었다. 수소결합으로 자기조립이 가능한 나노셀룰로오스 섬유가 바인더 및 강화제 역할을 하여 고밀도화 후 실리카 에어로겔의 비산 문제도 해결이 가능하게 되었다(도 11 참조).In the case of glass fiber reinforced silica airgel samples with micrometer diameter, it was found that not only airgel particles but also glass fibers were scattered. On the other hand, in the case of the nanocellulose fiber-reinforced silica airgel, it was confirmed that it was hardly scattered. The nanocellulose fibers that can be self-assembled by hydrogen bonding serve as a binder and a reinforcing agent, thereby solving the problem of scattering of silica airgel after high density became possible (see FIG. 11).

실시예 6 - 섬유강화 실리카 에어로겔 복합소재의 굴곡강도 비교Example 6 - Flexural strength comparison of fiber reinforced silica airgel composite

유리섬유 강화 실리카 에어로겔 샘플과 나노셀룰로오스 섬유 강화 실리카 에어로겔 샘플의 굴곡강도를 3점 굴곡강도 측정을 통해 비교하였다. 각각의 샘플의 크기는 25 mm x 50 mm x 3 mm(너비 x 길이 x 두께)로 하였다. 유리섬유 강화 실리카 에어로겔의 경우에는 샘플이 휘어지며 굴곡강도를 측정할 수 없었다. 나노셀룰오로스 섬유 강화 실리카 에어로겔의 경우에는 1.2 MPa의 굴곡 강도를 확인할 수 있었다. 또한 나노셀룰로오스 섬유 강화 실리카 에어로겔의 경우 굴곡탄성율이 58.5 MPa임을 확인하였다. 도 12에 굴곡강도 측정 실험을 나타내었다.The flexural strengths of glass fiber reinforced silica airgel samples and nano - cellulose fiber reinforced silica airgel samples were compared by three - point flexural strength measurements. The size of each sample was 25 mm x 50 mm x 3 mm (width x length x thickness). In the case of glass fiber reinforced silica airgel, the sample was warped and the flexural strength could not be measured. The flexural strength of the nanocellulosic fiber reinforced silica airgel was 1.2 MPa. Also, it was confirmed that the flexural modulus of the nano-cellulose fiber reinforced silica airgel was 58.5 MPa. Fig. 12 shows an experiment for measuring the bending strength.

본원에 따른 나노셀룰로오스 섬유 강화 실리카 에어로겔은 단열 특성 및 기계 특성이 우수하여 박형 단열재부터 두꺼운 건축용 단열재까지 많은 영역에 사용 가능하다.The nano-cellulose fiber-reinforced silica aerogels according to the present invention are excellent in thermal insulation properties and mechanical characteristics, and can be used in many areas, from thin insulation to thick building insulation.

Claims (17)

친수성 실리카 에어로겔 입자 및 나노셀룰로오스 섬유를 포함하는 복합소재.A composite material comprising hydrophilic silica airgel particles and nanocellulose fibers. 제1항에 있어서, 상기 친수성 실리카 에어로겔 입자는 소수성 실리카 에어로겔 입자를 계면활성제로 표면 처리한 것을 특징으로 하는 복합소재.The composite material according to claim 1, wherein the hydrophilic silica airgel particles are surface-treated with a surfactant. 제2항에 있어서, 상기 계면활성제는 지방산 나트륨, 모노알킬 황산염, 알킬폴리옥시에틸렌 황산염, 알킬벤젠술폰산염, 모노알킬인산염, 디알킬디메틸암모늄염, 알킬벨질메틸암모늄염, 알킬설포베타인, 알킬카르복시베타인, 폴리옥시에틸렌알킬에테르, 지방산 솔비탄 에스테르, 지방산 디에탄올아민, 알킬모노글리세릴에테르, 폴리에틸렌글리콜 헥사데실에테르로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 복합소재.The composition according to claim 2, wherein the surfactant is selected from the group consisting of sodium fatty acid, monoalkyl sulfate, alkyl polyoxyethylene sulfate, alkylbenzene sulfonate, monoalkyl phosphate, dialkyldimethylammonium salt, alkylcellum methylammonium salt, alkyl sulfobetaine, A polyoxyethylene alkyl ether, a fatty acid sorbitan ester, a fatty acid diethanolamine, an alkyl monoglyceryl ether, and a polyethylene glycol hexadecyl ether. 제 2항에 있어서, 상기 소수성 실리카 에어로겔 입자는 물유리(NaSiO3)를 이용한 상압건조법으로 제조한 것을 특징으로 하는 복합소재.The composite material according to claim 2, wherein the hydrophobic silica airgel particles are produced by a normal-pressure drying method using water glass (NaSiO 3 ). 제1항에 있어서, 상기 복합소재에 포함된 나노셀룰로오스 섬유: 친수성 실리카 에어로겔 입자의 부피비가 1:9 내지 1:99 인 것을 특징으로 하는 복합소재.The composite material according to claim 1, wherein the volume ratio of the nanocellulose fibers: hydrophilic silica airgel particles contained in the composite material is 1: 9 to 1:99. 제1항에 있어서, 상기 나노셀룰로오스 섬유는 길이가 적어도 2 ㎛ 내지 적어도 5 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 복합소재.The composite material of claim 1, wherein the nanocellulose fibers have a length of at least 2 microns to at least 5 microns. 제1항에 있어서, 상기 나노셀룰로오스 섬유는 직경이 20 내지 100 nm이고, 길이가 적어도 2 ㎛ 내지 적어도 5 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 복합소재.The composite material of claim 1, wherein the nanocellulose fibers have a diameter of from 20 to 100 nm and a length of at least 2 microns to at least 5 microns. 제1항에 있어서, 상기 복합소재는 별도의 바인더 성분을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 복합소재.The composite material according to claim 1, wherein the composite material does not include a separate binder component. 제1항에 있어서, 상기 에어로겔 입자와 나노셀룰로오스 섬유는 상호간 수소결합을 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 복합소재.The composite material according to claim 1, wherein the airgel particles and the nanocellulose fibers form hydrogen bonds with each other. 제1항에 있어서, 상기 복합소재의 밀도는 0.3 내지 1.0 g/cm3 인 것을 특징으로 하는 복합소재.The composite material according to claim 1, wherein the composite material has a density of 0.3 to 1.0 g / cm 3 . 제1항에 있어서, 상기 복합소재는 0.5 내지 3 MPa의 굴곡강도를 나타내는 것을 특징으로 하는 복합소재.The composite material according to claim 1, wherein the composite material exhibits a bending strength of 0.5 to 3 MPa. 제1항에 있어서, 상기 복합소재는 10 내지 100 MPa 의 굴곡탄성율을 나타내는 것을 특징으로 하는 복합소재.The composite material according to claim 1, wherein the composite material exhibits a flexural modulus of 10 to 100 MPa. 제1항에 있어서, 상기 복합소재는 열전도도가 0.01 내지 0.05 W/mK 인 것을 특징으로 하는 복합소재.The composite material according to claim 1, wherein the composite material has a thermal conductivity of 0.01 to 0.05 W / mK. 제1항의 복합소재를 이용하여 제조한 제품으로서, 상기 제품은 단열재, 건축자재, 전기재료, 절연재, 촉매의 담체, 내열소재, 방음재, 우주복, 우주선, 항공기 및 자동차 소재로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 제품.A product manufactured using the composite material of claim 1, wherein the product is selected from the group consisting of a heat insulating material, a building material, an electric material, an insulating material, a catalyst carrier, a heat resistant material, a soundproofing material, a space suit, a spacecraft, Products featured. 소수성 실리카 에어로겔 입자를 준비하는 단계;
상기 소수성 실리카 에어로겔 입자를 계면활성제로 표면 처리하여 친수성 실리카 에어로겔 입자를 제조하는 단계;
상기 친수성 실리카 에어로겔 입자와 나노셀룰로오스 섬유를 혼합하는 단계; 및
혼합물을 상온 건조하고 30 내지 300℃의 온도 및 5 내지 70 MPa의 압력을 가하여 고밀도화하는 단계
를 포함하는 제1항에 따른 복합소재의 제조방법.
Preparing hydrophobic silica airgel particles;
Preparing a hydrophilic silica airgel particle by surface-treating the hydrophobic silica airgel particle with a surfactant;
Mixing the hydrophilic silica airgel particles and the nanocellulose fibers; And
Drying the mixture at room temperature and applying densification at a temperature of 30 to 300 DEG C and a pressure of 5 to 70 MPa
The method of manufacturing a composite material according to claim 1,
(ⅰ) 바이오매스(biomass)와 요소를 혼합하는 단계;
(ⅱ) 상기 혼합물에 황산을 처리하는 단계; 및
(ⅲ) 황산이 처리된 혼합물을 세척 후 분쇄하는 단계
를 포함하는 나노셀룰로오스 섬유의 제조방법.
(I) mixing a biomass with an element;
(Ii) treating the mixture with sulfuric acid; And
(Iii) washing and pulverizing the sulfuric acid treated mixture
≪ / RTI >
제16항에 있어서, 상기 단계 (ⅱ)에서 황산의 농도가 10 내지 95 중량%인 것을 특징으로 하는 제조방법.The process according to claim 16, wherein the concentration of sulfuric acid in step (ii) is 10 to 95% by weight.
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