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Lyocell fibres from non-wood dissolving pulps gained by organosolv pulping and post-processing of two agricultural residues

본 연구는 신규 바이오리파이너리 플랫폼(NBP) 오가노솔브 공정이 알칼리 자동 산화 후처리와 결합하여 두 가지 농업 잔류물을 리오셀 섬유 생산에 적합한 고품질 용해 펄프로 성공적으로 전환함을 입증한다.

원저자: Max Emanuel Winkler, Maximilian Brosche, Birgit Kosan, Katrin Römhild, Katrin Thümmler, Steffen Fischer

게시일 2026-07-08

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원저자: Max Emanuel Winkler, Maximilian Brosche, Birgit Kosan, Katrin Römhild, Katrin Thümmler, Steffen Fischer

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

의류와 섬유의 세계를 끊임없이 천연자원을 잡아먹는 거대하고 배고픈 괴물이라고 상상해 보세요. 수십 년 동안 이 괴물은 (많은 땅과 물을 필요로 하는) 면화와 (성장에 오랜 시간이 걸리는) 나무에 크게 의존해 왔습니다. 과학자들은 이 괴물에게 새로운 먹이를 주려고 노력 중입니다. 바로 보리나 대두를 수확하고 남은 줄기 같은 농업 부산물입니다.

이 논문은 하나의 레시피 테스트입니다. 연구진은 이 질긴 부산물 줄기를 고품질의 친환경 섬유인 리오셀(Lyocell), 즉 면처럼 느껴지지만 더 깨끗하고 현대적인 방식으로 만들어지는 섬유로 바꿀 수 있는지 확인하고자 했습니다.

다음은 그 실험의 이야기를 간단한 단계별로 나눈 것입니다.

1. 도전 과제: "쓰레기"를 보물로 만들기

농업용 줄기(짚)를 흙, 접착제(리그닌), 그리고 기타 잡동사니가 뒤섞인 엉망진창으로 엉킨 실타래라고 생각해 보세요. 리오셀을 만들려면 이 엉킨 실타래를 풀고 순수하고 매끄러운 셀룰로오스(좋은 성분) 가닥을 얻어야 합니다.

연구진은 NBP 공정이라 불리는 특별한 화학적 "수프"를 사용했습니다. 이 수프를 고성능의 부드러운 용매라고 상상해 보세요. 이 용매는 셀룰로오스(실)를 파괴하지 않으면서 줄기를 결합하고 있는 "접착제"(리그닌)만을 녹여냅니다. 이는 마치 옷감은 그대로 둔 채 오직 먼지만 지워내는 마법 지우개를 사용하는 것과 같습니다.

2. 문제점: 실타래가 여전히 너무 엉망이다

첫 번째 단계(수프 목욕)를 거친 후, 어느 정도 깨끗한 펄프를 얻었지만 아직 공장에 투입하기에는 부족했습니다.

혼합 비율이 잘못됨: "실" 가닥들이 어떤 곳은 여전히 너무 길고 엉켜 있었고, 어떤 곳은 너무 짧았습니다. 마치 거대한 매듭이 있는 곳과 아주 작은 실밥이 있는 곳이 섞여 있는 실타래와 같았습니다.
불순물이 남아 있음: 화학 수프가 큰 먼지들을 닦아냈음에도 불구하고, 미세한 금속 입자와 미네로(실리콘 등)가 실에 여전히 붙어 있었습니다. 이러한 입자들은 기계 속의 모래와 같아서, 나중에 기어(gear)를 막히게 할 수 있습니다.

3. 해결책: "수축 및 세척" 처리

이 문제를 해결하기 위해 연구진은 **알칼리 자동 산화(Alkaline Auto-Oxidation)**라고 부르는 두 번째 단계를 추가했습니다.

수축 (알칼리 처리): 그들은 강한 비눗물(양잿물)에 펄프를 담그고 공기를 불어넣었습니다. 이것을 길고 엉킨 실타래 매듭을 위한 "수축 광선"이라고 생각해 보세요. 이 과정은 거대한 매듭을 적절한 크기로 잘라내고, 약하고 느슨한 실들을 씻어냈습니다. 이를 통해 실 가닥을 훨씬 균일하게 만들었습니다.
세척 (산 세척): 비눗물 목욕 후, 연구진은 남은 금속 입자와 미네로를 씻어내기 위해 산성 세척(부드러운 식초 세척과 같은)으로 마지막 헹굼을 해주었습니다.

4. 결과: 완벽한 방사 용액

펄프가 깨끗해지고 실 가닥이 완벽한 크기가 되자, 연구진은 이를 꿀처럼 걸쭉한 액체인 **방사 용액(spinning dope)**으로 만들었습니다.

테스트: 그들은 이 꿀이 부드럽게 흐르는지 확인했습니다. 잘 흘렀습니다! 흐름이 딱 적당했다는 것은, 섬유를 만들기 위해 아주 작은 구멍들을 통과할 때 막히거나 끊어지지 않고 밀려 나갈 수 있음을 의미합니다.
방사: 그들은 이 액체를 실제 섬유로 뽑아냈습니다. 섬유는 고품질의 리오셀처럼 보이고 느껴졌습니다.

5. 함정: 원단이 다소 뻣뻣하다

섬유는 잘 만들어졌지만, 한 가지 성격 결함이 있었습니다.

비유: 고무줄을 상상해 보세요. 일반적인 리오셀 섬유는 신축성 있고 탄력 있는 고무줄과 같습니다. 하지만 이 농업 부산물로 만든 섬유는 매우 뻣뻣하고 마른 나뭇가지 같았습니다.
이유는? "수축 광선" 처리가 너무 효과적이어서, 엉망이고 짧은 실들을 너무 완벽하게 제거했기 때문입니다. 이로 인해 식물의 가장 강하고 단단한 부분들만 남게 되었습니다. 이 때문에 섬유는 매우 강해졌지만 동시에 매우 부서지기 쉬운 상태가 되었습니다. 일반적인 리오셀만큼 늘어나지 않았고, 너무 세게 잡아당기면 불규칙하게 툭 끊어졌습니다.

요점 정리

이 논문은 농업 부산물(보리 및 대두 줄기)을 특정 화학 레시피를 사용하여 첨단 섬유로 바꿀 수 있다는 것을 증명합니다.

좋은 소식: 공정은 작동합니다. 나쁜 성분을 제거하고, 섬유를 깨끗하게 하며, 실로 뽑아낼 수 있는 재료를 만들어냅니다.
나쁜 소식: 결과물인 실이 너무 뻣뻣하고 잘 부서집니다. 왜냐하면 세척 과정이 너무 철저해서, 섬유가 늘어나는 데 도움을 주는 "부드러운" 부분들을 모두 제거했기 때문입니다.

연구진은 향데, 이 "뻣뻣한" 섬유를 일반적인 나무 기반 섬유(마치 뻣뻣한 나뭇가지와 부드러운 고무줄을 섞는 것처럼)와 혼합한다면, 지속 가능하고 친환경적이면서도 부드럽고 신축성 있는 최상의 결과물을 얻을 수 있을 것이라고 제안합니다.

기술 요약: 오가노솔브 펄핑 및 후처리 공정을 통한 비목재 용해 펄프 유래 리오셀 섬유

문제 제기
지속 가능한 섬유에 대한 수요와 면 생산의 한계로 인해 인조 섬유 셀룰로오스 섬유(MMCF)의 글로벌 시장이 확장되고 있다. 리오셀 공정은 비스코스 공정보다 생태적으로 우수하며 면과 유사한 기계적 특성을 가진 섬유를 생산하지만, 원료 요구 사항의 높은 특이성으로 인해 시장 성장이 제약받고 있다. 리오셀 방사는 알칼리 저항성(R18), 낮은 회분 및 금속 이온 함량, 그리고 적절한 유변학적 특성을 보장하기 위한 특정 분자량 분포(MWD)를 갖춘 용해 펄프를 요구한다. 현재 이러한 펄프는 주로 목재(산성 아황산염 또는 전처리 크라프트 공정)나 면 린터로부터 얻어진다. 향후 공급망을 확보하기 위해 비목재 원료, 특히 농업 잔사물을 식별하고 검증해야 할 결정적인 필요성이 존재한다. 그러나 비목재 바이오매스는 높은 실리카 함량과 다양한 탄수화물 조성이라는 과제를 안고 있으며, 이는 엄격한 리오셀 공정에 적합한 펄프 생산을 어렵게 만든다.

연구 방법
본 연구는 수용성 아세트산 매질 내에서 현장에서 생성된 퍼옥시아세트산(PAA)을 사용하는 산화적 아세토솔브 펄핑법인 "뉴 바이오리파이너리 플랫폼(NBP)" 공정을 평가한다. 연구는 두 가지 대표적인 농업 잔사인 보리 짚(곡물 그룹)과 대두 짚(콩과 그룹)에 초점을 맞춘다.

실험적 접근 방식은 통합된 다단계 전략을 따랐다:

증해: 농업 잔사물을 NBP 공정 하에서 환류 증해하여 목표 중합도(DP) 약 7서술 75를 달성하였다.
특성 분석: 천연 펄프의 리그닌 함량, 회분, 금속 이온 및 MWD를 분석하였다. 초기 결과에 따르면 탈리그닌은 효과적이었으나, 펄프는 넓은 MWD, 높은 다분산 지수(PDI) 및 불충분한 알칼리 저항성(R18)을 나타냈다.
후처리 개발: 예비 데이터를 바탕으로 2단계 후처리를 개발하였다:
- 알칼리 자동 산화: 60°C에서 18 wt% NaOH와 압축 공기 주입을 사용하는 2단계 공정이다. 운동학적 연구를 통해 MWD를 좁히고 알칼리 가용성 탄수화물을 제거하기 위한 최적의 처리 시간(보리 짚 2시간, 대두 짚 6시간)을 결정하였다.
- 산 세척: 잔류 금속 및 알칼리 이온 함량을 줄이기 위해 60°C에서 20 wt% 구연산을 이용한 후속 세척을 수행하였다.
방사 시험: 생성된 용해 펄프를 N-메틸모르폴린-N-옥사이드(NMMO)에 용해시켜 방사 용액을 만들었다. 유변학적 특성(영전단 점도, 이완 시간)을 측정하였으며, 1.7 dtex의 목표 가는 정도를 목표로 건습 방사를 통해 섬유를 방사하였다.
섬유 분석: 생성된 섬유의 기계적 특성(인장 강도, 신도, 루프 인장 강도)을 특성화하고 이를 상업용 소프트우드 아황산염(WS) 참조 모델과 비교하였다.

주요 결과

펄프 품질: 통합된 NBP 및 후처리 접근 방식은 R18 값이 98%를 초과하고 $\kappa$ -수가 0.6 미만인 고품질 용해 펄프를 성공적으로 생산하였다. 알칼리 자동 산화는 헤미셀룰로오스를 효과적으로 제거하였고(자일란을 무시할 만한 수준으로 감소), MWD를 좁혀 보리 짚의 경우 3.9, 대두 짚의 경우 3.3의 PDI 값을 얻었으며, 이는 상업용 목재 펄프와 유사한 수준이다.
무기물 함량: 공정은 실리카 함량을 검출 한계 미만으로 성공적으로 감소시켰으며, 이는 비목재 가공의 핵심 요소이다. 그러나 중금속 수치는 감소했음에도 불구하고 엄격한 리오셀 규격(45 ppm 및 15 ppm)보다 약간 높게 유지되었다. 알칼리 금속(Na) 농도는 목표치(<100 ppm)보다 높게 나타났는데, 이는 알칼리 처리 과정 중 나트륨 이온의 순 축적이 발생하여 세척에 의해 완전히 역전되지 않았음을 시사한다.
유변학 및 방사성: 방사 용액은 적절한 점탄성 특성을 보였다. 영전단 점도 값은 목재 펄프의 일반적인 범위(8,757–10,620 Pa·s) 내에 있거나 약간 높았으며, 이완 시간은 압출에 적합한 일관된 흐름 거동을 나타냈다.
섬유 성능: 방사된 섬유는 높은 강성(영률 ~1100 cN/tex)을 포함하여 전형적인 리오셀 섬유의 특성을 보여주었다. 그러나 섬유는 목재 참조 모델에 비해 낮은 축 방향 인장 강도(36.4–37.6 cN/tex)와 신도(10.9–11.1%)를 나타냈다. 결정적으로, 섬유는 인장 강도에서 높은 변동 계수(11–13%)를 보였으며, 이는 낮은 균일성을 의미한다.

의의 및 주장
본 논문은 NBP 공정이 맞춤형 알칼리 자동 산화와 결합될 때, 리오셀 용도를 위한 고품질 용해 펄프를 생산하기 위해 농업 잔사물을 활용할 수 있는 실행 가능한 경로임을 주장한다. 본 연구는 비목재 원료가 초기 MWD의 광범위함과 높은 실리카 함량이라는 고유한 문제를 극복하고 방사에 필요한 유변학적 요구 사항을 충족하도록 처리될 수 있음을 입증하였다.

저자들은 특정 한계점을 겸허히 인정하였다: 생성된 섬유는 저분자량 탄수화물 분획(헤미셀룰로오스 및 짧은 사슬 셀룰로오스)이 거의 부재함에 따라 매우 결정적이고 단단한 구조를 가진다. 이러한 구조적 강성은 증가된 취성(brittleness) 및 피브릴화(fibrillation) 경향과 상관관계가 있으며, 이는 관찰된 축 방향 인장 강도의 불균일성으로 나타난다. 논문은 이러한 단점이 저분자량 분획을 재도입하기 위해 NBP 펄프를 기존 용해 펄프와 혼합함으로써 개선될 수 있다고 제안한다. 이를 통해 섬유의 연성과 균일성을 향상시킬 수 있다.

궁극적으로, 본 연구는 비목재 용해 펄프 생산을 위한 NBP 공정의 기술적 타당성을 검증하며, 탄수화물 보존과 필요한 정제 및 MWD 조절 사이의 균형을 맞추기 위해 후처리 조건을 최적화한다면 성장하는 MMCF 시장을 위한 원료 다각화의 잠재력을 강조한다.