화학저널

니폰페이퍼, 투명성 높여 화장품용 확대
일본 제지기업 니폰페이퍼(Nippon Paper)는 화장품에 적용 가능한 CNF(Cellulose Nano Fiber)를 개발하고 있다.
니폰페이퍼는 최근 CM(Carboxylmethyl)화한 CNF로 섬유폭을 10나노미터 미만 수준으로 줄인 신제품 개발에 착수했다.
분산 후 액체 투명성을 실현할 수 있어 최종제품의 외관을 저해하지 않는 것이 특징으로 증점, 유화, 분산안정성과 희택 후 다시 응집되지 않아 방부제를 사용하지 않아도 된다는 점을 활용한다면 화장품, 화과자 등에 투입이 가능할 것으로 예상하고 있다.
화장품 용도에서는 처방 노하우를 갖추고 있는 전문상사와 연계하고 있으며 투명성에 대한 니즈에 대응할 수 있는 싱글사이즈 신제품을 추가해 수요 확보에 나설 계획이다.
CM화 CNF는 CMC(Carboxymethyl Cellulose) 기술을 응용한 독자적인 CNF이며 Cellenpia 브랜드로 식품 및 화장품 용도에 공급하고 있다.
현재는 섬유폭 10-20나노미터 수준으로 공급하고 있으며 물에 1% 배합하는 것만으로 겔 상태가 돼 증점, 유화 분산기능을 발휘할 수 있다.
다만, 배합액이 하얀빛으로 탁해지기 때문에 화장품에 따라서는 투명성 니즈를 충족시키지 못하고 있다.
이에 따라 CM화 CNF의 섬유폭을 수나노미터 수준으로 줄인 신제품을 개발하기로 했으며 최근 기술을 확립하고 본격적인 출시를 위해 준비 작업에 착수했다.
화장품 외관은 용기를 포함해 종합적으로 설계되고 있으나 투명한 배합소재를 사용한다면 설계 자유도를 더 높일 수 있다.
CM화 CNF는 식품첨가물이기도 한 CMC와 같은 화학구조로 신규소재를 사용하면 오래 걸리는 화장품 개발기간을 단축할 수 있을 것으로 예상하고 있다.
Cellenpia는 2017년부터 시장에 본격적으로 공급하기 시작했으며 고츠(Goutsu) 공장에 건설한 30톤 플랜트를 통해 생산하고 있다.
2018년 말부터 드럭스토어 등에서 판매하는 화장품 브랜드 RBP의 100% 천연소재로 구성된 스킨에 채용돼 수익을 올리고 있다.

식품용 공급 통해 수요 확대
앞으로는 투명화를 실현한 신제품을 통해 수요를 새롭게 자극할 계획이다.
다만, 고형분 90%의 분말로 방부제를 사용하지 않아도 되며 수분분산에 비해 우위성을 갖추고 있음에도 대부분 수요처들이 CNF 사용에 어려움을 겪고 있을 뿐만 아니라 니폰페이퍼도 화장품 관련 노하우가 없어 시장 공략에서 고전함에 따라 최근 화장품 개발기능을 갖춘 전문상사인 Matsumoto Trading과 시장 개발과 관련된 연계를 진행하고 있다.
계면활성제 등 다른 화장품 소재와 균형을 고려하면서 수요처에게 적절한 배합설계를 제안하고 있는 것으로 알려졌다.
식품 용도로는 유명 화과자점 Tagonotsuki의 도라야키 기지로 투입되고 있으며 커스터드 크림의 형태 유지 니즈도 기대되고 있다.
가동률을 높인다면 고츠 공장은 생산능력을 최대 1000톤까지 확대할 수 있어 차기 증설 가능성도 제기된다.
니폰페이퍼는 생산능력 500톤의 이시노마키(Ishinomaki) 공장에서 생산하는 TEMPO산화 CNF를 공업용, 후지(Fuji) 공장에서 생산하는 10톤 수준의 CNF 강화수지를 자동차부품용으로 공급할 계획이다.

요코하마, 카본블랙 대신 타이어 보강재로…
요코하마고무(Yokohama Rubber)는 CNF를 타이어 보강재로 사용해 주목받고 있다.
요코하마고무는 최근 CNF를 투입해 타이어용 합성고무의 보강특성을 향상시킬 수 있다는 점을 확인했으며 물에 대한 적응성이 높고 응집이 용이한 CNF를 소수화함으로써 물성을 저해시키지 않은 채 고형고무에 균일하게 분산시키는데 성공했다.
기존의 카본블랙(Carbon Black)과 함께 사용하면 서로 상반된 관계였던 경도와 신축성을 동시에 향상시킬 수 있으며 소량만 첨가해도 타이어의 연비특성과 수명을 개선시키는데 도움이 돼 조기에 상업화가 가능할 것으로 기대하고 있다.
요코하마고무가 사용한 CNF는 직경 3-5나노미터, 길이 500나노미터 사이즈의 강직한 나노섬유로, 기존에 카본블랙이나 실리카(Silica) 등 환상입자 응집체를 사용했던 보강필러에 비해 어스펙트비(Aspect Ratio: 가로세로 비율)가 높은 것으로 파악되고 있다.
즉, 이론상으로는 CNF를 소량만 첨가해도 합성고무에 경도와 인장강도를 모두 부여할 수 있으며 요코하마고무가 자체적으로 실시한 실험에서 분산시키는데 성공함으로써 해당 특성을 확인한 것으로 알려졌다.

합성고무에 고형 분산시키는 기술이 핵심
CNF는 친수성이 높아 원래는 합성고무에 균일 분산시키는 것이 어렵다는 평을 받았으나 일정량을 투입하지 않으면 아무리 뛰어난 물성을 가지고 있어도 합성고무에 보강효과를 부여하기 힘들다는 단점이 있었다.
이에 따라 요코하마고무는 계면활성제 첨가나 CNF 소수화 등을 강구했으나 CNF를 분산시킨 상태에서는 보강성을 개선시키는 효과가 특별히 높지 않다는 점에서 단념했다.
결국 물에 합성고무가 미세하게 분산돼 있는 라텍스에 젤리 상태의 CNF 분산액을 혼합하는 방식을 취하게 됐으나 역시 분산이 불가능했고 또 라텍스는 타이어 제조공정에 적용하기 어렵다는 판단 아래 다른 방법을 찾게 됐다.
결과적으로는 분산액에서 적절하게 수분을 제거한 페이스트 상태로 만든 CNF를 독자적인 첨가제와 함께 롤 믹서로 투입함으로써 합성고무에 고형 분산시키는데 성공한 것으로 알려졌다.
이후 해당 방식을 사용해 SBR(Styrene Butadiene Rubber)에 카본블랙을 배합한 베이스 컴파운드에 CNF를 첨가했고 가교시켜 시트 상태로 만든 샘플을 사용해 인장시험실에서 물성을 측정했다.
또 연신 중 구조변화를 살펴보기 위해 Spring-8의 프론티어 소프트매터 개발 전용 빔라인에서 초소각 X선 산란(USAXS) 측정도 실시했다.
측정 결과 카본블랙만 첨가한 샘플은 균열이 직선 상태로 나타났지만 CNF 첨가 샘플은 균열이 서로 다른 방식으로 발생해 일부 억제됐다는 것을 확인할 수 있었다.
CNF 네트워크와 고무 계면에서 미세한 보이드를 발견했으며 해당 보이드가 파괴력을 분산시킴으로써 균열 진전을 억제시킨 것으로 해석하고 있다.
CNF는 식물 베이스로 생산하고 폐기 시 환경에 대한 부담이 적은 바이오매스(Biomass) 소재이며, 요코하마고무가 최근 SDGs(지속가능한 개발목표) 추진에 주력하고 있다는 점에서 CNF의 타이어 적용에 속도를 낼 것으로 예상되고 있다.
앞으로 타이어 생산성 향상에 도움이 되는 지속가능한 소재로 CNF를 주목하면서 적용이 가능한 고무제품의 종류를 확충하고 스케일업 작업을 추진할 방침이다.