1. 서 론

펄프 섬유에 기계적인 전단력을 반복적으로 가하여 섬유폭이 100 nm 이하가 되도록 나노피브릴화(nanofibrillation)하여 얻은 물질을 셀룰로오스 나노피브릴(cellulose nanofibril, CNF)이라고 한다.¹⁾ CNF는 펄프 섬유에 비해 높은 비표면적, 탄성계수, 인장강도, 강성, 표면반응도, 광투명도 등의 특성을 가지면서도 셀룰로오스 본연의 생분해성, 지속가능성, 재생가능성의 장점을 그대로 지닌다.²⁾ 이러한 특성으로 인해 CNF는 고부가가치로 응용될 수 있는 지속가능한 소재로서 잠재성을 인정받고 있다.³⁾

CNF는 기계적 처리에 따른 비용 문제가 발생하기 때문에 펄프 섬유를 더 적은 에너지로 나노피브릴화 하면서도 더 나은 물성을 얻기 위하여 나노피브릴화에 앞서 펄프 섬유를 전처리하는 방법이 이용되고 있다. 또한, CNF는 하이드로젤(hydrogel) 형태, 시트(sheet) 형태, 폼(foam) 형태 등 용도에 따라 다양한 형태로 제작하여 이용되는데, 각각의 용도에 맞춰 우수한 성능을 발휘하기 위해 펄프의 전처리가 수행되기도 한다. 대표적인 전처리 방법으로는 카르복시메틸화(carboxymethylation)와 4차아민화(quaternization) 등이 있다. 카르복시메틸화는 셀룰로오스의 수산기에 음이온성 작용기인 카르복시메틸기를 도입하는 전처리 방법⁴⁾으로, 이로 인해 섬유 간 전기적 반발력이 발생하고 나노피브릴화 과정에서 더 적은 에너지로 더 얇은 두께를 지닌 CNF의 제조를 가능하게 한다. 또한, 카르복시메틸화 CNF(carboxymethylated cellulose nanofibril, CMCNF)로 시트를 제조하면 수소결합이 증가하고 고밀화되어 무처리 CNF로 제조한 시트에 비해 상대적으로 투명하고 강도가 강한 시트가 제조된다고 알려져 있다.⁵⁾ 4차아민화 반응은 아민계 약품인 2,3-epoxypropyltrimethylammonium chloride (GMA)를 이용하여 이루어질 수 있으며 펄프 섬유의 수산기를 4차아민기로 치환시켜 줌으로써 섬유 표면 전하를 음이온성에서 양이온성으로 개질시킬 수 있다. 이러한 양이온성 작용기 도입을 통해 CNF에 항균성을 부여할 수 있으며 내첨 시 종이의 강도를 향상시킬 뿐 아니라, 음이온성 콜로이드 물질 흡착을 통한 수처리 및 전기·전자 소재로 활용할 수 있다고 보고되고 있다.⁶⁾

원료에 따라서도 제조된 CNF의 형태학적, 물리적, 화학적 특성에 차이가 있다.⁷⁾ 제지 산업에서 재활용펄프는 천연 펄프 이상으로 사용되고 있는 매우 유용한 자원으로, 신문지, 골판지, 종이봉투 등의 종이 자원을 해리, 정선한 펄프를 의미한다. 국내에서 생산되는 종이 제품의 85% 이상이 재활용펄프를 이용하여 제조되고 있다. 재활용펄프는 종이 자원의 오염물질을 제거한 후 세척법 또는 부상부유법으로 잉크를 제거하여 제조한 탈묵펄프(deinked pulp, DIP)로, 이물질이 완벽하게 제거될 수 없으며 종이를 제조하는 몇 차례의 과정 속에서 건조(drying) - 재습윤(rewetting) 처리를 거쳤기 때문에 각질화(hornification)가 발생하여 천연 펄프에 비하여 상대적으로 강도가 약하다.⁸⁾ 그러나 재활용펄프는 버려지는 종이 자원을 이용하여 새로운 가치를 창출해 수익을 실현해냄과 동시에 소각되는 쓰레기를 줄여 녹색 환경 보전에 일조할 수 있기 때문에 이를 제지 원료 뿐만 아니라 셀룰로오스 나노물질의 원료로서 이용하려는 관심이 커지고 있다.

아직 국내에서는 셀룰로오스 나노물질 생산이 파일럿 수준으로 매우 초기 단계이기 때문에 재활용펄프를 이용하여 고부가가치 셀룰로오스 나노물질을 제조하려는 시도는 이루어지지 않고 있지만, 재활용펄프를 CNF로 제조할 경우 목재로부터 헤미셀룰로오스와 리그닌을 제거하기 위한 추가적인 공정이 생략될 수 있고 환경적으로 유리하다는 장점이 있다.⁹⁾ 그러나, 펄프 내의 많은 무기물 함량으로 인해 제조된 CNF의 기계적 특성이 일반 펄프에 비해 부족할 수 있다는 우려가 있으며, 나노피브릴화 과정에서 장비에 손상을 줄 수 있다는 단점이 지적되고 있다.¹⁰⁾ 기존의 연구에서는 재활용펄프를 이용하여 CNF를 제조한 후 천연 펄프 유래 CNF와 특성을 비교한 결과 재활용펄프 유래 CNF가 상대적으로 물성이 좋지 않다는 한계를 보여주는 데에 그쳤으며¹¹⁾, 전처리를 통해 재활용펄프의 특성을 개질하여 나노피브릴화하는 시도가 적었다. 따라서 본 연구에서는 재활용펄프를 다양한 전처리 방법으로 처리하여 나노피브릴화하였으며, 재활용펄프 유래 CNF의 형태학적 특성과 이를 이용하여 제조한 CNF 시트의 물성 및 광학적 특성을 평가하고 표백크라프트 천연펄프와 비교하였다. 이를 통해 CNF의 원료로서 재활용펄프의 적절한 활용 가능성을 제시하고자 하였다.

2. 재료 및 방법

2.1 공시재료

잡지 종이 자원(old magazine pulp, OMG)을 탈묵처리한 재활용펄프와 천연 활엽수 표백 크라프트 펄프(hardwood bleached kraft virgin pulp, BKP)를 CNF 제조에 이용하였다. 재활용펄프는 H사로부터, 크라프트 펄프는 M사로부터 제공받았다. 재활용펄프의 산 처리에는 염산(hydrochloric acid, HCl)을 이용하였다. 화학적 전처리를 위한 용매 및 약품으로서 아이소프로판올(isopropyl alcohol, IPA), 수산화소듐(sodium hydroxide, NaOH)은 삼전화학으로부터, 클로로아세트산(chloroacetic acid, ClCH₂CO₂H)과 글리시딜트리메틸암모늄 클로라이드(glycidyltrimethylammonium chloride, GMA)는 Sigma Aldrich로부터 구매하여 사용하였다.

2.2 실험 방법

2.2.1 재활용펄프 전처리

2.2.1.1 산 처리(Acid treatment)

재활용 펄프 내 무기물 함량에 따른 CNF 특성을 알아보기 위하여 HCl의 몰 농도를 달리하여 산 처리를 진행하였다. OMG 40 g을 각각 12.5, 25, 37.5, 50 mM의 염산(HCl) 4 L에 30분 동안 담가 처리한 후, 이를 감압탈수의 방식으로 pH가 5 이상이 되도록 증류수를 이용하여 세척하였다. 50 mM 염산으로 산 처리를 진행한 재활용펄프를 Acid-OMG로 명명하였다.

2.2.1.2 카르복시메틸화(Carboxymethylation)

카르복시메틸화 과정에 Acid-OMG가 이용되었다. 50℃ 조건에서 IPA 4 L에 NaOH를 재활용 펄프 전건무게 대비 0.22 g/g을 투입하여 용해시켰다. 전건 10 g의 Acid-OMG를 증류수를 이용하여 17.5 wt%의 농도가 되도록 만들고 NaOH가 용해된 IPA에 투입하여 30분 동안 교반하였다. 클로로아세트산 1.5 mmol/g을 투입하고 65℃ 조건에서 900 rpm으로 교반하며 1시간 동안 반응시켰다. 반응이 끝난 펄프는 증류수를 이용하여 세척액의 전기전도도가 10 μS/cm 이하가 되도록 세척하였다. 위 전처리를 거친 재활용펄프를 CM-OMG로 명명하였다.

2.2.1.3 4차아민화(Quaternization)

Acid-OMG를 4차아민화 과정을 거쳐 전처리하였다. 펄프 내 수분의 부피에 3배가 되도록 IPA를 준비하였다. 50℃로 준비된 IPA에 NaOH를 섬유 전건무게 대비 0.1 g/g을 넣어 용해시켰다. 산 처리한 재활용펄프(Acid-OMG)를 NaOH가 용해된 IPA에 투입하여 30분 동안 교반하였다. GMA 10 mmol/g을 투입하고 50℃ 조건에서 1시간 동안 반응시켰다. 반응이 끝난 펄프는 증류수를 이용하여 세척액의 전기전도도가 10 μS/cm 이하가 되도록 세척하였다. 위 전처리를 거친 재활용펄프를 Q-OMG로 명명하였다.

2.2.2 펄프 섬유의 특성 평가

2.2.2.1 원료 펄프의 섬유 식별

재활용펄프와 천연 활엽수 표백 크라프트 펄프의 섬유를 각각 증류수로 희석하고 교반기를 이용하여 해리하였다. 섬유 형태로 해리된 시료를 슬라이드글라스 위에 스포이트로 떨어뜨리고 핫플레이트를 이용하여 건조하였다. 건조된 시료를 Graff C-Stain 시약으로 염색하고 Graff C-Stain 정색반응을 광학현미경(AST-NIMS345M, Alphasystec, Korea)으로 관찰하였다.

2.2.2.2 원료 펄프 및 전처리 펄프의 무기물 함량 측정

원료 펄프와 전처리를 거친 재활용펄프의 무기물 함량을 TAPPI T 211 om-12 표준방법에 의거하여 측정하였다. 탄산칼슘은 900℃의 고온에서 회화할 경우 산화칼슘으로 제거되기 때문에, 탄산칼슘 함량은 TAPPI T 211 om-12 표준방법에 의거하여 525℃에서 측정한 회분 함량에서 TAPPI T 413 om-17 표준방법에 의거하여 900℃에서 측정한 회분 함량을 뺌으로써 구하였다.

2.2.3 나노피브릴화

그라인더(Super Masscolloider, Masuko Sangyo Co., Ltd, Japan)를 이용하여 1500 rpm, -100 μm의 갭 조건으로 2 wt%의 BKP, OMG 및 Acid-OMG 시료를 15회 처리하였고, 1 wt%의 CM-OMG는 6회, 0.5 wt%의 Q-OMG는 8회 그라인딩 처리하였다. 각각의 그라인딩 횟수는 예비실험을 통해 시료가 충분히 나노피브릴화 되어 점도가 일정하게 유지되거나 감소하는 시점까지로 결정하였다.

2.2.4 CNF의 형태학적 특성 평가

증류수를 이용하여 0.001 wt%로 희석한 CNF 현탁액 5 μL를 실리콘 웨이퍼 위에 떨어뜨려 상온에서 건조한 후 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, Carl Zeiss, Germany)으로 관찰하였다. Image J를 이용하여 섬유의 폭을 임의로 100개씩 측정하여 평균 섬유 폭을 분석하였다.

2.2.5 CNF 시트 제조

각 CNF 시료를 증류수를 이용하여 0.5 wt%로 희석하였다. CNF 현탁액을 평량이 40 g/m²가 되도록 맴브레인필터 위에 감압탈수 한 뒤 프레스(BA-915, BAUTEK, Korea)를 이용하여 345 kPa의 압력으로 5분 압착하고 95℃의 드럼드라이어(DM 839, DAEIL, Korea)로 1회 건조하여 CNF 시트로 제조하였다.

2.2.6 CNF 시트 특성 평가

2.2.6.1 시트의 미세구조 관찰

제조된 각각의 CNF 시트를 가로 5 mm, 세로 5 mm의 정사각형으로 재단하여, 구리 테이프 위에 붙이고 백금 코팅 후 주사전자현미경을 이용하여 CNF 시트 표면의 미세 구조를 관찰하였다.

2.2.6.2 광학적 특성 평가

제조된 각각의 CNF 시트를 UV-Vis 분광기(Cary 100 UV-Visible Spectrophotometer, Agilent Technology, USA)로 가시광선 파장대에 따른 광투과도와 헤이즈(haze)를 측정하였다.

2.2.6.3 인장특성 측정

인장특성을 측정하기 위해 제조된 각각의 CNF 시트를 폭 15 mm, 길이 50 mm의 시편으로 제조하였다. 만능강도시험기(Universal Testing Systems, Instron, USA)를 이용하여 5 mm/min 인장속도 조건으로 30 mm의 인장 길이(span length)에 대한 인장특성을 측정하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 원료 펄프의 섬유 식별

Fig. 1은 BKP와 OMG 섬유의 Graff C-Stain 정색반응 결과를 보여주고 있다. BKP에서는 남색으로 염색된 섬유와 도관요소가 발견되어, BKP는 활엽수 크라프트 펄프임을 정색반응과 형태학적 특성으로 확인할 수 있었다. OMG에서는 붉은색 또는 노란색으로 염색된 섬유가 발견되었고, BKP와 마찬가지로 도관요소 또한 발견되었다. 따라서, OMG 내에는 기계펄프와 활엽수 크라프트펄프 등이 혼합되어 있음을 알 수 있었다.

Fig. 1.

Morphology of BKP fibers (left) and OMG fibers (right) stained with Graff C-Stain. The circle represents the vessel.

3.2 전처리에 따른 재활용펄프 무기물 함량

시료별 회분 함량을 TAPPI 표준 방법에 따라 평가하였으며, 525℃와 900℃에서의 회분 함량 차를 이용하여 시료별 탄산칼슘의 함량을 평가하였다. 전처리 방법 및 염산 농도에 따른 각 시료의 무기물 및 탄산칼슘의 함량이 Figs. 2와 3에 제시되었다. BKP의 무기물 함량은 1% 미만이고 탄산칼슘 함량은 0%에 가까웠다. OMG의 무기물 함량은 25.5%, 탄산칼슘 함량은 6.7%였다. 보통 OMG는 인쇄용지로 사용된 종이 자원으로서, 우수한 인쇄성을 위해 보통 20% 이상의 무기 충전물을 투입하거나 표면에 무기안료 코팅을 하여 제조된다. 따라서 이러한 무기 충전물이 재활용펄프에 남아 25% 이상의 무기물 함량을 나타낸 것으로 보인다. 산 처리 과정을 통해 OMG 무기물 함량의 50% 이상 제거가 가능하였는데 염산의 농도가 증가함에 따라 무기물 및 탄산칼슘 함량은 더욱 감소되었다(Fig. 3). 즉, 산 처리를 통해 재활용 펄프의 무기물 함량을 조절할 수 있음을 알 수 있다. 이는 재활용 펄프 내에 존재하는 무기물이 산 처리를 통해 용해되었기 때문으로 판단된다. 특히, 이 중에서도 무기물 함량 중 높은 비율을 차지하는 탄산칼슘이 염산과의 반응으로 생성된 CaCl이 용해되었을 것으로 판단된다. 카르복시메틸화 전처리 또는 4차아민화 전처리 과정의 증류수 세척 과정에서 추가로 무기물이 제거되어 CM–OMG와 Q-OMG의 무기물 함량은 3% 미만으로 감소하였다.

Fig. 2.

Ash content of various pulps depending on the pretreatment.

Fig. 3.

Ash content of OMG pulp depending on the acid concentration.

3.3 CNF의 형태학적 특성

전처리를 달리하여 제조한 CNF의 SEM 이미지가 Fig. 4에 제시되었으며 이를 이용하여 측정한 각 CNF 섬유 폭의 평균 및 표준편차가 Table 1에 제시되었다. OMG CNF와 Acid-OMG CNF의 섬유 형상은 BKP CNF와 유사했고, 화학적으로 개질된 CM-OMG CNF와 Q-OMG CNF는 섬유 폭이 훨씬 작고 균일하였다. OMG CNF는 나노피브릴화 수준이 낮은 섬유들이 상대적으로 많이 분포하였으며 이로 인해 섬유 폭의 표준편차가 83.7 nm로 가장 컸다. 산 처리 과정만으로도 OMG CNF의 나노피브릴화 수준을 BKP CNF와 유사할 정도로 향상시킬 수 있었고, 산 처리에 이용된 염산의 농도가 증가함에 따라 CNF 섬유 폭이 얇아졌다. 염산의 농도가 가장 높았던 Acid-OMG CNF의 경우 산 처리 과정에서 섬유의 산 가수분해, 산 가수분해로 인한 섬유 외부 소섬유들의 추출, 산에 의한 섬유의 팽윤 작용 등에 의하여 나노피브릴화가 균일하게 이루어진 것으로 판단된다. 그 결과 평균 섬유 폭과 표준편차가 각각 37.4 nm, 23.9 nm로, 평균 42.7 nm, 표준편차 32.1 nm인 BKP CNF보다 작았다. 셀룰로오스가 화학적으로 개질된 CM-OMG CNF와 Q-OMG CNF는 그라인더 횟수가 적었음에도 CNF 섬유 폭 평균이 각각 18.3 nm, 18.1 nm로 BKP CNF 섬유 폭의 절반 수준으로 작아졌고 표준편차 또한 다른 CNF 섬유에 비해 작았다. 이는 개질된 셀룰로오스의 작용기가 극성을 띠면서 섬유 간 정전기적 반발력이 작용하여 나노피브릴화가 더 적은 에너지로 균일하게 일어났음을 알 수 있다. 재활용펄프는 카르복시메틸화 또는 4차아민화 전처리 과정을 통해 BKP CNF보다 훨씬 더 균일하고 얇은 섬유 폭의 CNF로 제조가 가능했다.

Fig. 4.

SEM image of various types of CNF depending on pretreatment.

3.4 CNF 시트의 특성

3.4.1 시트의 형태 및 구조

전처리 조건을 달리한 OMG CNF로 제조한 시트의 모습과 표면 미세구조가 Fig. 5에 제시되었다. Fig. 5(a)는 제조된 CNF 시트 사진으로, OMG CNF 시트의 경우 불투명도가 가장 높고 CM-OMG CNF가 가장 투명한 것을 육안으로 볼 수 있다. OMG CNF로 제조한 CNF 시트의 두께가 가장 크고 밀도가 작았으며 이는 불투명도가 높은 원인 중 하나였다. Fig. 5(b)는 제조된 CNF 시트의 표면을 SEM으로 관찰한 사진이다. OMG CNF 시트의 경우 원으로 표시된 바와 같이 나노화 수준이 낮은 섬유들이 다량 존재했고, 지름 400 nm 이상의 무기물 입자가 섬유 사이에 존재하였다. Acid-OMG CNF 시트의 경우 OMG CNF 시트에 비해 상대적으로 적은 양의 무기물 입자가 관찰되었고, 섬유의 형상은 BKP CNF와 유사하였다. CM-OMG CNF 시트와 Q-OMG CNF 시트에서는 폭 30 nm 이하의 CNF가 균일하게 존재하였고 표면에 공극이 적고 매끄러운 형상을 나타내었다.

Fig. 5.

Appearance (a) and SEM image (b) of CNF sheets depending on pretreatment.

3.4.2 광학적 특성

Fig. 6은 상이한 농도의 HCl로 산 처리된 OMG CNF로 제조한 CNF 시트의 광학적 성질을 보여주고 있으며, Fig. 7은 전처리별 CNF 시트의 광학적 성질을 보여주고 있다. 가시광선 영역대에서의 광투과도와 헤이즈가 평가되었다. 산 처리로 무기물 함량이 감소함에 따라 광투과율이 증가하고 헤이즈가 감소하였다. BKP, CM-OMG, Q-OMG 각각으로 제조한 CNF 시트는 85% 이상의 높은 광투과도를 나타내었지만, 전처리가 되지 않은 OMG CNF 시트는 40% 이하의 낮은 광투과도를 나타냈다. Acid-OMG CNF 시트와 OMG CNF 시트의 헤이즈는 BKP CNF 시트에 비해 높은 값을 나타낸 반면, CM-OMG CNF 시트와 Q-OMG CNF 시트는 BKP CNF 시트에 비해 작은 헤이즈 값을 가졌다. OMG CNF 시트의 경우 다른 CNF 시트보다 두께가 크고 밀도가 작아 광투과도가 작았으며 CNF 섬유 사이의 무기물에 의한 광 산란으로 인하여 헤이즈가 큰 것으로 판단되었다. Acid-OMG CNF 시트의 경우 여전히 남아 있는 무기물로 인해 BKP CNF 시트보다 광투과도가 낮고 헤이즈가 높은 것으로 판단된다. CNF 섬유 폭이 BKP CNF 섬유에 비해 절반 가량 작았던 CM-OMG CNF 시트와 Q-OMG CNF 시트는 빛의 산란이 상대적으로 적어 BKP CNF 시트에 비해 헤이즈가 낮았다. 산 처리만으로도 OMG 시트의 광학적 특성을 크게 향상시킬 수 있었으며, 카르복시메틸화 또는 4차아민화 전처리를 통해 재활용펄프를 이용하더라도 천연 펄프와 유사한 광투과도를 갖는 CNF 시트 제조가 가능하였다.

Fig. 6.

Transmittance (a) over visible light wavelength and haze (b) of acid treated OMG CNF sheets depending on the HCl concentration.

Fig. 7.

Transmittance (a) over visible light wavelength and haze (b) of CNF sheets depending on pretreatment.

3.4.3 인장특성

산 처리 과정을 거친 OMG CNF로 시트를 제조한 경우 무처리 OMG CNF로 제조한 시트에 비해 약 50%의 인장강도가 향상되었다(Fig. 8). 이는 산 처리 과정에서 섬유의 수소결합을 방해하는 무기물이 다량 제거되었고, 산 전처리에 의해 섬유의 피브릴화가 개선되면서 섬유의 화학적, 물리적 결합이 증가한 결과에 기인한 것으로 판단된다. Fig. 8(a)는 변형률에 따른 CNF 시트의 인장거동을 보여주고 있으며, 이로부터 구한 인장강도와 탄성계수를 Fig. 8(b)와 (c)에 나타내었다. Fig. 8(b)에서 보는 바와 같이, BKP CNF 시트와 OMG CNF 시트의 인장강도를 비교하면 OMG CNF 시트 인장강도는 BKP CNF 시트 인장강도의 50%에 못 미쳤다. 그러나 산 처리가 이루어진 Acid-OMG CNF 시트의 인장강도는 BKP CNF 시트 인장강도의 80% 수준으로 향상되었으며, CM-OMG CNF 시트와 Q-OMG CNF 시트의 인장강도는 BKP CNF 시트 인장강도보다 우수하였다. 산 처리를 이용하여 OMG CNF 시트의 인장강도를 51% 향상시켰고, 카르복시메틸화 전처리 과정으로 112% 향상시켰으며, 4차아민화 전처리 과정을 통해 약 1.6배만큼 향상시켰다. 4차아민화 전처리가 재활용펄프 유래 CNF 시트의 인장강도를 가장 효과적으로 향상시켰다. 나노피브릴화가 고도로 진행됨에 따라 CNF 섬유 폭이 상대적으로 작았던 CM-OMG CNF와 Q-OMG CNF는 섬유의 비표면적이 넓어져 섬유 간 수소결합이 더 많이 형성되어 다른 CNF 시트에 비해 인장강도가 높았던 것으로 판단된다. 반면, OMG CNF 시트와 Acid-OMG CNF 시트의 경우 산처리 후 잔류 무기물이 섬유 간 수소결합의 형성을 방해하여 BKP CNF 시트의 인장강도보다 작은 것으로 판단된다. Fig. 8(c)에서 보이는 바와 같이 탄성계수는 BKP CNF 시트가 가장 크고 OMG CNF 시트가 가장 작았으며, 전처리된 OMG CNF 시트는 OMG CNF 시트에 비해 컸다. 산 처리와 화학적 전처리를 통해 각질화가 발생된 OMG를 BKP CNF 시트보다 더 강한 물성을 갖는 CNF 시트로 제조할 수 있었다.

Fig. 8.

Tensile stress-strain curves (a), tensile stress (b), and elastic modulus (c) of CNF sheets depending on pretreatment.

4. 결 론

본 연구는 저가의 원료인 재활용펄프를 잠재성이 높은 차세대 소재인 CNF의 원료로 활용하기 위한 연구로서, 재활용펄프의 다양한 전처리 방법의 전처리 효과와 CNF로의 나노화 특성을 평가하고 이를 천연 활엽수 표백 크라프트 펄프 CNF와 비교하였다. 재활용펄프 내의 높은 무기물 함량은 섬유 간 수소결합을 방해하기 때문에 무기물을 제거하기 위하여 산 처리를 진행하였다. 산 처리를 통해 재활용펄프의 무기물이 50% 이상 제거되었을 때 섬유 폭이 78.9 nm이었던 OMG CNF의 섬유 폭이 37.4 nm까지 줄어들었으며, CNF 시트로 제조 시 65.1 MPa 인장강도를 가졌던 OMG CNF 시트의 인장강도를 51% 향상시켰다. Acid-OMG CNF는 BKP CNF보다 나노화 수준이 높은 CNF로 제조되었지만 여전히 다량 존재하는 무기물 입자로 인하여 CNF 시트의 인장강도는 BKP CNF 시트보다 작았다. 화학적 개질 전처리로 재활용펄프 섬유의 셀룰로오스 개질을 통해 OMG CNF의 나노화를 크게 향상시켰다. 개질된 재활용펄프를 CNF로 제조 시 적은 그라인딩 횟수로도 BKP CNF 섬유 폭의 절반 크기에 해당하는 CNF가 제조되었으며, BKP CNF 시트에 비해 인장강도와 광투과도가 크고 헤이즈가 작은 CNF 시트가 제조되었다. CNF 시트의 광학적 특성을 가장 효과적으로 향상시키는 전처리 방법은 카르복시메틸화였고, 인장강도를 가장 효과적으로 향상시키는 전처리 방법은 4차아민화였다. 본 연구는 재활용펄프의 전처리 과정이 재활용펄프 유래 CNF 특성에 미치는 영향을 구명함으로써, 저가의 종이 자원으로부터 일반 펄프로 제조한 CNF보다 향상된 기계적 특성을 지닌 CNF를 생산할 수 있다는 가능성을 제시하였다. 저가의 원료 사용을 통해 CNF 제조 원가를 낮춤으로써 CNF 상업적 활용의 가능성을 더 확대할 수 있을 것으로 기대되었다.