CN109219474A - 过滤介质、其制造方法及包括其的过滤器模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种过滤介质。本发明的一实施例的过滤介质包括：纤维网层，具有包含纳米纤维的三维网状结构；及亲水性涂层，覆盖上述纳米纤维的外表面的至少一部分。据此，由于过滤介质具有改善的亲水性而流量显著增加。并且，改善的亲水性保持长时间，因此能够显著延长使用周期。进而，由于在亲水化过程中使过滤介质的气孔结构变化最小化而可以充分呈现初始设计的过滤介质的物理性能，从而，可以通过具有耐化学性、优异的透水性及耐久性的过滤介质广泛应用于水处理领域。

Description

过滤介质、其制造方法及包括其的过滤器模块
技术领域
本发明涉及一种过滤介质，更具体而言，涉及具有优异的透水性和良好的耐久性的过滤介质、其制造方法及包括其的过滤器模块。
背景技术
分离膜可以根据气孔尺寸而分为微滤膜(micro filter，MF)、超滤膜(ultrafilter，UF)、纳滤膜(nano filter，NF)或反渗透(reverse osmosis，RO)膜。
虽然以上示例的分离膜的用途和气孔尺寸不同，但其共同点在于，上述分离膜为由纤维形成的过滤介质或多孔聚合物过滤介质或具有其组合的膜形式。
通常，在上述多孔聚合物过滤介质中，通过使用在液体中包含的单独的成孔剂以将上述成孔剂烧结或溶解在外部凝固溶液中等的方法形成在聚合物膜或聚合物中空纤维中所形成的气孔。与此相反，通常，由上述纤维形成的过滤介质通过在累积所制造的短纤维至后施加热量/压力等来制造，或通过在纺丝的同时施加热量/压力等来制造。
上述的由纤维形成的过滤介质的代表性实例是无纺布，通常，无纺布的气孔通过短纤维的直径、介质的基重等调节。然而，由于一般无纺布中包含的短纤维的直径是以微米为单位，因此仅通过调节纤维的直径和基重来实现具有精细且均匀的气孔结构的分离膜是有局限性的，由此，一般无纺布只能实现具有微滤膜程度的过滤性能的分离膜，而难以实现用于过滤更细颗粒的如超滤膜和纳滤膜等分离膜。
为了解决上述问题而研制的方法就是通过纤维直径为纳米级的超细纤维制造的分离膜。然而，通过如一般湿法纺丝等纤维纺丝工艺，直径为纳米级的超细纤维难以仅通过一次纺纱制造，在纺丝成海岛丝等之后，需要单独熔化海成分以获得作为超细纤维的岛成分，因此可能存在麻烦、成本增加、延长生产时间等问题。因此，最近，存在通过电纺丝直接纺丝直径为纳米级的纤维来制造由纤维形成的过滤介质的趋势。
另一方面，适合于水处理用途的物理性能之一是流量，上述流量不仅受分离膜的气孔度、孔径及气孔结构的影响，也受分离膜材料的亲水性程度的影响。在由亲水性不足的材料形成的分离膜的情况下，通过对膜表面进行等离子体处理、用亲水基团进行表面改性及涂覆单独的亲水层等的方法改善了流量。
然而，当分离膜的材料具有强疏水性时，如水等的涂料组合物的渗透性较差，而且，即使将具有疏水性的分离膜改性为具有提高的亲水性，也不能将流量增加到所需的水平，通过改性来具有的亲水性也在水处理过程中容易消失，因此难以持续呈现初始流量。
并且，为了达到所需流量和分离效率而初始设计的分离膜的气孔结构即气孔度和孔径大小可在亲水化的过程中发生变化，因此可能无法呈现初始设计的水平的流量和分离效率。
因此，迫切需要开发通过提高分离膜的亲水性来使流量显著增加且使分离膜本身的气孔结构变化最小化，因具有耐久性而可长时间保持亲水性的分离膜。
发明内容
发明要解决的问题
本发明是鉴于上述问题而研制的，其目的在于，提供通过提高分离膜的亲水性来使流量显著增加的过滤介质及其制造方法。
并且，本发明的另一目的在于，提供由于亲水性保持很长时间而使用周期显着延长的过滤介质及其制造方法。
进而，本发明的再一目的在于，提供由于在亲水化过程中过滤介质的气孔结构变化最小化而可以充分呈现初始设计的过滤介质的物理性能的过滤介质及其制造方法。
另外，本发明的再一目的在于，提供可以通过具有耐化学性、优异的透水性及耐久性的过滤介质广泛应用于水处理领域的过滤器模块。
用于解决问题的方案
为了达到上述目的，本发明提供一种过滤介质，其特征在于，包括：纤维网层，具有包含纳米纤维的三维网状结构；及亲水性涂层，上述亲水性涂层覆盖上述纳米纤维的外表面的至少一部分。
根据本发明的一实施例，上述过滤介质还可包括设置在上述纤维网层的一面上的支撑体，上述支撑体可以包括无纺布、织物及编物中的至少一种。
并且，上述支撑体可以包括复合纤维，上述复合纤维包括支撑成分和低熔点成分且以使上述低熔点成分的至少一部分暴露在上述复合纤维的外表面上的方式布置，上述复合纤维的低熔点成分可以与纤维网热熔合。
并且，上述纳米纤维可以包括选自由聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)类、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(tetrafluoroethylene-perfluoroalkylvinyl ether copolymer，PFA)类、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer，FEP)类、四氟乙烯-六氟丙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene-perfluoroalkyl vinyl ethercopolymer，EPE)类、四氟乙烯-乙烯共聚物(tetrafluoroethylene-ethylene copolymer，ETFE)类、聚三氟氯乙烯(polychlorotrifluoroethylene，PCTFE)类、三氟氯乙烯-乙烯共聚物(chlorotrifluoroethylene-ethylene copolymer，ECTFE)类及聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)类组成的组中的一种以上氟类化合物。
并且，上述纤维网可以具有0.1～5μm的平均孔径和40～90％的气孔度。
并且，上述纳米纤维可以具有0.05～2μm的直径。
并且，上述亲水性涂层可以通过使具有羟基的亲水性聚合物化合物与具有羧基的交联剂交联而形成。更优选地，上述具有羟基的亲水性聚合物化合物可以为重均分子量为20,000～100,000且皂化度为85～90％的聚乙烯醇。并且，上述交联剂可以包括至少三个羧基。
并且，上述亲水性聚合物化合物可以为聚乙烯醇，上述亲水性涂层可以相对于100重量份的聚乙烯醇包括5～20重量份的交联剂来形成。
并且，上述氟类化合物可以为具有300,000～600,000的重均分子量的聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)。
并且，上述亲水性涂层可以以每个纤维网单位面积(m2)包括0.1～2g的纳米纤维的方式覆盖纳米纤维。
并且，上述交联剂可包括选自由聚(丙烯酸-马来酸)、聚丙烯酸及聚(苯乙烯磺酸-马来酸)组成的组中的一种以上。
并且，暴露的上述纤维网层表面中任意五个不同点的平均初始润湿角可以等于或小于40°，五个点的初始润湿角的平均偏差可以等于或小于7°。
并且，本发明提供一种过滤介质的制造方法，其特征在于，包括：步骤(1)，形成具有包含纳米纤维的三维网状结构的纤维网层；步骤(2)，用亲水性涂料组合物处理上述纤维网层来制备形成亲水性涂层。
根据本发明的一实施例，在上述步骤(1)中的纤维网层可以通过在支撑体上电纺丝纺丝溶液而形成。
并且，上述步骤(1)还可包括通过向层叠的支撑体和纤维网层施加热量和压力中的至少一种来使支撑体和纤维网层热熔合的步骤。
并且，上述亲水性涂料组合物可以包括聚乙烯醇(PVA)作为亲水性聚合物化合物，且相对于100重量份的上述聚乙烯醇可以包括5～20重量份的包含羧基的交联剂。
并且，上述亲水性涂料组合物可以包括0.3～1重量百分比的聚乙烯醇(PVA)作为亲水性聚合物化合物。
并且，上述步骤(2)可以包括：步骤2-1)，用亲水性涂料组合物处理上述纤维网层；及步骤2-2)，对处理亲水性涂料组合物的纤维网层进行热处理来形成亲水性涂层。
并且，上述亲水性涂料组合物还可包括润湿性改进剂，上述润湿性改进剂用于提高在纳米纤维外表面上的亲水性涂层的形成性。并且，上述润湿性改进剂可以包括选自由异丙醇、乙醇及甲醇组成的组中的至少一种。
并且，本发明提供包括根据本发明的过滤介质的过滤器模块。
根据本发明的一实施例，上述过滤介质可以具有平膜形状或弯曲的圆柱形状。
发明的效果
根据本发明，可以通过过滤介质的改善的亲水性使流量显著增加。并且，改善的亲水性保持长时间，因此能够显著延长使用周期。进而，由于在亲水化过程中过滤介质的气孔结构变化最小化而可以充分呈现初始设计的过滤介质的物理性能，从而，可以广泛应用于水处理领域。
附图说明
图1a和图1b为本发明的一实施例的过滤介质的截面图，其中，图1a为过滤介质的截面和纤维网层的部分扩大示意图，图1b为过滤介质的截面扫描电子显微镜(scanningelectron microscope，SEM)照片。
图2a和图2b为在本发明的一实施例中包含的纤维网层的照片，其中，图2a为纤维网层的表面SEM照片，图2b为纤维网层的截面SEM照片。
图3为在本发明的一实施例中包含的纤维网层的孔径分布的图表。
图4为在本发明的一实施例中包含的纤维网层具有的纳米纤维的纤度分布的图表。
图5为本发明的一实施例的包括平摸状过滤介质的过滤模块的立体图。
图6为本发明的一实施例的包括具有弯曲结构的过滤介质的过滤模块的分解立体图。
具体实施方式
以下，参照附图来对本发明的实施例进行详细说明，以使本发明所属技术领域的普通技术人员轻松实现本发明。本发明可通过多种不同的实施方式实现，并不限定于在本说明书中所说明的实施例。为了明确说明本发明，在附图中省略了与说明无关的部分，在说明书全文中，对于相同或相似的结构要素赋予相同的附图标记。
如图1所示，本发明的一实施例的过滤介质100包括具有三维网状结构的纤维网层111和覆盖形成上述纤维网层111的纳米纤维111a的外表面的至少一部分的亲水性涂层131，上述过滤介质100还可包括布置在纤维网层111的一面上的支撑体121。
上述支撑体121是用于弥补包括纳米纤维的纤维网层111的机械强度的层，只要通常起到过滤介质的支撑体作用，就没有特别限制，但在其形状上，优选地，可以为织物、编物或无纺布。上述织物是指包含于织物的纤维具有纵横的方向性，具体组织可以为平纹组织、斜纹组织等，此时，并不特别限定经丝和炜丝的密度。并且，上述编物可以为公知的针织组织，可以为维编物、经编物等，但是对此并不特别限定。并且，上述无纺布是指在所包含的纤维无纵横的方向性，可使用如化学粘合无纺布、热粘合无纺布、空气无纺布等干式无纺布或湿式无纺布、水刺无纺布、针刺无纺布或熔喷等公知的无纺布。无纺布的孔径、气孔率及基重等可以根据所需的透水性、过滤效率及机械强度而不同，因此在本发明中对此并不特别限定。
上述支撑体121的材料也不受限制。作为其非限制性实例，优选地，可以使用选自由聚酯、聚丙烯、尼龙及聚乙烯组成的组中的合成纤维；或包含纤维素类的天然纤维。然而，为了通过提高与纤维网层111的结合力来在将过滤介质适用于水处理工序中时防止支撑体和纤维网层之间的分离，且为了防止由于使用额外的粘结成分而引起的透水性降低、环境污染、过滤液污染等的问题，上述支撑体121可以包括复合纤维，上述复合纤维包括支撑成分和低熔点成分且以使上述低熔点成分的至少一部分暴露于上述复合纤维的外表面上的方式布置，而且，上述支撑体121可以通过上述低熔点成分与纤维网层111热熔合。上述低熔点成分可以是公知的成分，例如，可以为低熔点聚酯、低熔点聚乙烯等低熔点聚合物化合物。更优选地，可以以使上述低熔点聚合物化合物全部暴露在纤维的外表面上的方式布置。作为其一例，形成上述支撑体121的纤维可以为包括低熔点聚酯作为鞘部且包括聚对苯二甲酸作为芯部的聚酯类低熔点复合纤维和/或包括低熔点聚乙烯作为鞘部且包括聚丙烯作为芯部的聚烯烃类低熔点复合纤维。另一方面，当选择聚烯烃类低熔点复合纤维作为包括在支撑体121中的复合纤维时，与纤维网层111的紧贴力会更良好，由此，即使由于流入到过滤介质的原水的压力而过滤介质流动，也可以防止剥离。另一方面，上述低熔点成分的熔点可以为60～180℃。并且，形成上述支撑体121的复合纤维的平均直径可以为5～30μm。
并且，上述支撑体121的厚度可以为0.05～0.5mm，例如，可以为180μm，但本发明不限于此。并且，上述支撑体121的平均孔径可以为20～100μm，气孔度可以为50～90％，但本发明不限于此，只要可以通过支撑下面将描述的纤维网层111来表现出所需水平的机械强度且具有不妨碍通过纤维网层111的过滤液或向纤维网层111供给的涂料组合物的流动的程度的气孔度和孔径，就不受限制。
图1a公开了一个上述支撑体121布置在纤维网层111的一面的过滤介质结构，但与图1a不同地，支撑体可以布置在纤维网层的两面，或也可以布置在支撑体的各个两面，或第二支撑体可以布置在第一支撑体的两面且纤维网层可以布置在上述第二支撑体的暴露的各个一面等，如上所述，可以实现支撑体和纤维网层组合的各种结构的过滤介质。
其次，如图1a、图2a及图2b所示，上述纤维网层111具有包括纳米纤维111a来形成的三维网状结构。
上述纳米纤维111a可以是能够成型成纤维形状并保持纤维形状的公知的聚合物化合物，作为其非限制性实例，可以包括单独或两种或更多种的聚氨酯、聚酯、聚烯烃、聚酰胺及氟类化合物等。优选地，上述纳米纤维111a可以通过包括氟类化合物来呈现进一步改善的耐化学性和耐热性。并且，即使原水是强酸/强碱溶液或高温溶液，也可以在过滤介质的物理性能没有变化的状态下将过滤效率和流量确保到所需水平。作为上述氟类化合物，只要是可制成纳米纤维的公知的氟类化合物，就不受限制地使用。作为一例，上述氟类化合物可以包括选自由聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)类、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer，PFA)类、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymet，FEP)类、四氟乙烯-六氟丙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer，EPE)类、四氟乙烯-乙烯共聚物(tetrafluoroethylene-ethylene copolymet，ETFE)类、聚三氟氯乙烯(polychlorotrifluoroethylene，PCTFE)类、三氟氯乙烯-乙烯共聚物(chlorotrifluoroethylene-ethylene copolymer，ECTFE)类及聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)类组成的组中的一种以上化合物。更优选地，在制造成本低、通过电纺丝容易大规模生产纳米纤维、机械强度和耐化学性优异的方面，上述氟类化合物可以是聚偏二氟乙烯(PVDF)。此时，当上述纳米纤维111a包括聚偏二氟乙烯作为纤维形成成分时，上述聚偏二氟乙烯的重均分子量可以为10,000～1,000,000，优选地，可以为300,000～600,000，但本发明不限于此。
并且，上述纳米纤维111a的平均直径可以为0.05～2μm，宽高比可以为1000～100000，但本发明不限于此。在上述纤维网层111中包括的纳米纤维111a可以相对于纤维网层111的总重量包括30～40重量百分比的直径为0.1～0.2μm的第一纳米纤维群、50～60重量百分比的直径为0.2～0.3μm的第二纳米纤维群及5～15重量百分比的直径为0.3～0.4μm的第三纳米纤维群，作为一例，可以相对于纤维网层111的总重量包括35重量百分比的上述第一纳米纤维群、53重量百分比的第二纳米纤维群及12重量百分比的上述第三纳米纤维群，由此，可以有利于实现具有均匀孔径结构的纤维网层。
具有包括上述纳米纤维111a的三维网状结构的纤维网层111的厚度可以为0.5～200μm，作为一例，可以为20μm。上述纤维网层111的气孔度可以为40～90％，平均孔径可以为0.1～5μm，基重可以为0.05～100g/m2，但本发明不限于此，考虑所需透水性和过滤效率来适当改变。
并且，至少一个上述纤维网层可以设置在过滤介质，此时，各个纤维网层的气孔度、孔径、基重和/或厚度等会不同。
其次，对覆盖上述的纳米纤维111a外表面的至少一部分的亲水性涂层131进行说明。
上述纳米纤维111a可以根据所选择的材料而具有低亲水性，如上所述，在为了耐热性和耐化学性而包括氟类化合物时，纳米纤维的疏水性变得非常大，因此，对于具有亲水性的原水，流量会显著降低。
另一方面，即使为了解决上述问题而对包括氟类化合物的纳米纤维表面上进行亲水性涂敷，也由于对疏水性的纳米纤维表面加以亲水性物质而无法顺利形成涂层，即使形成涂层，也易于剥离，因此耐久性差。并且，当形成较厚的亲水性涂层时，纤维网层的气孔结构变化，因此无法充分呈现初始设计的纤维网层的物理性能。进而，在为了解决上述问题而在纤维形成成分中混合亲水性成分和氟类化合物来实现的纳米纤维的情况下，由于不同性质而化合物之间的混溶性低，因此在电纺丝时难以制成纳米纤维，或者所制造的纳米纤维的机械强度非常弱，因此难以用作过滤介质。
因此，在本发明中，为了提高亲水性而包括覆盖纳米纤维的亲水性涂层，优选地，上述亲水性涂层131可以包括含有羟基的亲水性聚合物来形成，或通过对上述亲水性聚合物用交联剂进行交联来形成。作为一例，上述亲水性聚合物可以是聚乙烯醇(polyvinylalcohol，PVA)、乙烯乙烯醇(ethylenevinyl alcohol，EVOH)及海藻酸钠等的单独或混合形式，最优选地，可以为聚乙烯醇(PVA)。并且，作为上述交联剂，只要是具有能够通过缩合反应等与在上述亲水性聚合物中包含的羟基进行交联的官能团的公知的交联剂，就不受限制地使用。作为一例，上述官能团可以是羟基、羧基等。
为了呈现进一步提高的物理性能，上述亲水性涂层131可以通过使聚乙烯醇(PVA)和包含羧基的交联剂进行交联来形成。此时，更优选地，上述聚乙烯醇的聚合度可以为500～2,000，更优选地，聚合度可以为1,500～2,000，且皂化度可以为85～90％。更具体而言，上述重均分子量可以为20,000～100,000，更优选地，可以为50,000～100,000。若聚乙烯醇的重均分子量小于20,000，则无法顺利形成亲水性涂层，或即使形成亲水性涂层，也容易剥离，且无法将亲水度提高到所需的水平。并且，若重均分子量大于100,000，则可能过度形成亲水性涂层，从而可以出现纤维网层的气孔结构变化或气孔堵塞等的问题。并且，若皂化度小于85％，则亲水性涂层形成会不稳定，且亲水性改善程度会甚微。若皂化度大于90％，则由于聚乙烯醇分子之间的强氢键，即使在高温下也难以溶解在溶剂中，或即使溶解，也难以完全溶解，因此制备亲水性涂层形成溶液可能是困难的，由此，亲水性涂层不充分地形成，或即使形成亲水性涂层，也可能不均匀地形成，并且，一些气孔可能堵塞等无法表现出所需的效果。
上述交联剂可以为含有羧基的成分，以便与上述聚乙烯醇进行交联。作为一例，上述交联剂可以包括选自由聚(丙烯酸-马来酸)、聚丙烯酸及聚(苯乙烯磺酸-马来酸)组成的组中的一种以上物质。并且，上述交联剂可以为包含至少三个羧基的多功能交联剂，以便即使纳米纤维111a表面具有强疏水性，也能够以很薄的厚度实现涂敷来使形成在纳米纤维上的亲水性涂层的涂敷性/粘合性和纤维网层111的气孔结构也没有变化，且呈现进一步提高的流量。若交联剂含有的羧基数量小于3个，则涂层难以形成在具有疏水性的纳米纤维111a的表面上，即使形成涂层，也由于粘合力非常弱而可容易剥离。作为一例，含有至少三个羧基的交联剂可以为聚(丙烯酸-马来酸)，更优选地，可以为具有3000～8000的重均分子量的聚(丙烯酸-马来酸)。
并且，上述亲水性涂层131通过相对于100重量份的上述聚乙烯醇交联5～20重量份的含有羧基的交联剂来形成，更优选地，交联10～20重量份的含有羧基的交联剂来形成。在交联剂的含量小于5重量份时，亲水性涂层的形成性会降低，且存在耐化学性和机械强度下降的问题。并且，在交联剂的含量大于20重量份时，在亲水性涂料组合物中发生交联剂之间的缠结，因此难以均匀地发生交联反应，结果，涂层可能不均匀地形成，或者气孔可能由于涂层而减少，导致流量下降。
另一方面，如图1a所示，上述亲水性涂层131可以形成在纳米纤维111a的外表面的一部分上，或与如图1a不同地，可以形成在纳米纤维的整个外表面上。此时，上述亲水性涂层131可以以每个纤维网单位面积(m2)包含0.1～2g的纳米纤维的方式覆盖纳米纤维。在亲水性涂层以每个纤维网单位面积(m2)包含小于0.1g的纳米纤维的方式覆盖纳米纤维时，可能难以获得所需水平的流量，在亲水性涂层以每个纤维网单位面积(m2)包含大于2g的纳米纤维的方式覆盖纳米纤维时，导致气孔结构发生变化，例如一些气孔杜塞等，因此无法以初始设计的纤维网层获得所需的过滤率/流量。
在上述的过滤介质100中，纤维网层111中的纳米纤维111a的外表面被改性为具有亲水性涂层131，从而，暴露的纤维网层表面中任意五个不同点的初始润湿角的平均值可以等于或小于40°，更优选地，等于或小于30°，进一步优选地，等于或小于20°，进一步优选地，等于或小于12°，进一步优选地，等于或小于5°。由此，即使是由具有疏水性材料形成的纤维网层，也可以确保提高的流量。上述初始润湿角是指在样品上形成液滴后20秒内测量的润湿角，在纤维网层的情况下，由于多孔结构，当在表面上初始形成的液滴流过气孔时，可能有润湿角变小等的变动，因此，优选地，纤维网层的表面亲水化程度通过初始润湿角进行评价。另一方面，在液滴产生之后，随着时间经过，润湿角的变动很小或没有变动就意味着纤维网层表面的气孔由于亲水改性而杜塞，由此可知在纤维网层上初始设计的气孔结构由于亲水改性而变化。
并且，在本发明的一实施例的过滤介质100中，由于暴露在上述纤维网层111的表面的每个位置的亲水化程度均匀，因此测量平均初始润湿角的五个点的初始润湿角的平均偏差可以等于或小于7°，更优选地，等于或小于5°，更优选地，等于或小于3°。若初始润湿角的平均偏差大于7°，则虽然平均初始润湿角低，也可能在纤维网层的各个位置中存在亲水化程度较低的地处，因此，在亲水化程度低的部分有可能增加压差发生，并且可能无法获得所需水平的流量。上述初始润湿角的平均偏差是指相对于作为五个点的初始润湿角的算术平均值的平均初始润湿角的各个五个点的初始润湿角偏差的绝对值的平均，更具体而言，可以由下述数学式1计算：
[数学式1]
其中，上述Xi点处是指测量初始润湿角的五个不同点处(X1～X5)中的任一个点处。
上述过滤介质100可以通过后述的制造方法制成，但本发明不限于此。
根据本发明的过滤介质100的制造方法可以包括：步骤(1)，在支撑体上形成由含有含氟类化合物的纳米纤维形成的三维网状的纤维网层；及步骤(2)，用亲水性涂料组合物处理上述纤维网层来形成亲水性涂层。
首先，对上述步骤(1)进行说明。本步骤是形成纤维网层的步骤，只要是包括纳米纤维来形成三维网络形状的纤维网层的方法，就不受限制地使用。优选地，上述纤维网层可以通过在支撑体上电纺丝包含氟类化合物的纺丝溶液来形成纤维网层。对下面将描述的纺丝溶液以包括氟类化合物作为纤维形成成分的情况为例进行具体说明。
上述纺丝溶液可以包括作为纤维形成成分的氟类化合物和溶剂。上述氟类化合物在纺丝溶液中的含量可以为5～30重量百分比，优选地，可以为8～20重量百分比，若氟类化合物的含量小于5重量百分比，则难以形成为纤维，在纺丝时，以液滴状态喷涂来形成膜状，而不是以纤维状纺丝，或者即使实现纺丝，也形成大量珠粒，且溶剂的挥发不顺利，因此可能在下面将描述的轧光步骤中发生气孔堵塞的现象。并且，若氟类化合物大于30重量百分比，则粘度上升，在溶液表面上发生固化，并且难以进行长时间纺丝，且纤维直径增加，因此无法制造微米以下尺寸的纤维状。
作为上述溶剂，只要是使作为纤维形成成分的氟类化合物溶解且不产生沉淀物，且不影响到下面将描述的纳米纤维的纺丝性的溶剂，就不受限制地使用，优选地，其实例可以包括选自由γ-丁内酯、环己酮、3-己酮、3-庚酮、3-辛酮、N-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺、丙酮二甲基亚砜及二甲基甲酰胺组成的组中的一种以上。作为一例，上述溶剂可以为二甲基乙酰胺和丙酮的混合溶剂。
所制备的上述纺丝溶液可以通过公知的电纺丝装置和方法制成纳米纤维。作为一例，上述电纺丝装置可以使用具有纺丝喷嘴为一个的单一纺丝组件的电纺丝装置，或为了大量生产性具有多个单一方式组件或具有喷嘴为多个等的纺丝组件的电纺丝装置。并且，在电纺丝方式中，可利用具有干式纺丝或外部凝固槽的湿式纺丝，而并没有基于方式的限制。
通过向上述电纺丝装置投入已经搅拌或在搅拌中的纺丝溶液，来在如纸等的收集器上电纺丝的情况下，可获取纳米纤维。作为用于上述电纺丝的具体条件，作为一例，设于纺丝组件的喷嘴的空气喷头中，能够以0.01～0.2MPa范围设定空气喷射的空气压。在空气压小于0.01MPa的情况下，不能贡献于捕集、积累，在空气压大于0.2MPa的情况下，使纺丝喷嘴的锥体凝固，导致发生堵塞针的现象，从而可产生纺丝故障。并且，当纺丝上述纺丝溶液时，每喷嘴的纺丝溶液的注入速度可以为10～30μl/分钟。并且，上述喷嘴的尖端至收集器的距离可以为10～30cm。但本发明不限于此，可根据目的变更而实施。
并且，可在上述支撑体上直接电纺丝纳米纤维来在支撑体上直接形成纤维网层。蓄积/收集于上述支撑体上的纳米纤维具有三维网状结构，为了保留适合于呈现所需的分离膜的透水性和过滤效率的气孔率、孔径、基重等向蓄积/收集的纳米纤维施加热量和/或压力，来可实现具有三维网状结构的纤维网层。施加上述热量和/或压力的具体方法可采用公知的方法，作为其非限制性例，可以使用通常的轧光工序，此时所施加的热量的温度可以为70～190℃。并且，在进行轧光工序的情况下，可分批次进行多次轧光，例如，通过第一次轧光，进行用于去除残存于纳米纤维的溶剂和水分的干燥过程后，为了调节气孔且提高强度，可进行第二次轧光。此时，在各个轧光工序中施加的热量和/或压力的程度可以相同或不同。
另一方面，在支撑体由低熔点复合纤维实现时，通过上述轧光过程，可以同时进行纤维网层和支撑体通过热熔合的结合。
并且，可以进一步介入单独的热熔粉末或热熔网，以结合支撑体和纤维网层。此时施加的热量温度可以为60～190℃，压力可以以0.1～10kgf/cm2施加，但本发明不限于此。为了结合而单独添加的成分有可能产生烟气(Hum)或在水处理过程中溶解，导致环境负面问题，因此优选以不包含上述成分的方式结合支撑体和纤维网层，作为一例，可以借助通过由包含低熔点成分的复合纤维形成的支撑体的热融合而结合。
其次，作为根据本发明的步骤(2)，执行用亲水性涂料组合物处理上述纤维网层来形成亲水性涂层的步骤。
上述步骤(2)可以包括：步骤2-1)，用亲水性涂料组合物处理上述纤维网层；及步骤2-2)，通过对处理亲水性涂料组合物的纤维网层进行热处理来形成亲水性涂层。
首先，在步骤2-1)中，上述亲水性涂料组合物可以包括亲水性成分和可交联成分。上述亲水性成分可以为上述的亲水性聚合物化合物，作为一例，可以为聚乙烯醇。上述可交联成分可以为上述的交联剂，作为一例，可以为包括羧基的交联剂。
并且，上述亲水性涂料组合物还可包括溶剂，上述溶剂可以使亲水性成分和可交联成分溶解，作为上述溶剂，可以使用能够溶解聚乙烯醇的公知的溶剂，作为一例，上述溶剂可以为水。上述亲水性涂料组合物可以相对于100重量份的聚乙烯醇包括5～20重量份的交联剂和1,000～100,000重量份的溶剂。
此时，优选地，上述聚乙烯醇的含量相对于亲水性涂料组合物的总重量为0.3～1.0重量百分比，更优选地，可以为0.3～0.8重量百分比。若聚乙烯醇的含量相对于亲水性涂料组合物小于0.3重量百分比，亲水性涂层可能被不均匀地涂覆或者可能不以所需水平含量形成，因此改善亲水性的效果可能是微不足道的。并且，若聚乙烯醇的含量大于1.0重量百分比，则难以调解亲水性涂层的厚度，因此有可能纤维网层的孔径变化或气孔杜塞。
另一方面，由于基于形成制造的纤维网层的纳米纤维的材料性质的强疏水性，即使处理亲水性涂料组合物，涂料组合物也不能渗透到纤维网层内部，且亲水性涂料组合物难以达到纤维网层内部的纳米纤维。并且，即使达到内部，亲水性涂层也有可能无法充分形成在纳米纤维的外表面上。因此，上述亲水性涂料组合物还可包括润湿性改进剂，使得亲水性涂料组合物向纤维网层内部的渗透性得以提高，渗透的亲水性涂料组合物在纳米纤维的外表面上很好地润湿，亲水性涂料组合物快速干燥以在流下之前覆盖纳米纤维上。
作为上述润湿性改进剂，只要是能够提高具有疏水性的纳米纤维外表面的亲水性溶液的润湿性且可以容易地气化且可以溶解于亲水性涂料组合物中的成分，就不受限制地使用。作为一例，上述润湿性改进剂可以为选自由异丙醇、乙醇及甲醇组成的组中的至少一种成分，更优选地，使用异丙醇，以便防止由于润湿性改进剂的气化而出现纤维网收缩现象，并防止初始设计的纤维网的气孔结构变化。并且，上述润湿性改进剂的含量相对于100重量份的在亲水性涂料组合物中含有的聚乙烯醇可以为5,000～25,000重量份。若润湿性改进剂的含量小于5000重量份，则纳米纤维的润湿性改善甚微，因此亲水性涂层的形成可能不顺利，且可能频繁发生亲水性涂层的剥离。并且，若上述润湿性改进剂的含量大于25,000重量份，则润湿性提高程度会甚微，且由于在亲水性涂料组合物中包含的聚乙烯醇和交联剂的浓度变低，因此亲水性涂层的形成可能不顺利。
另一方面，也可以在亲水性涂料组合物中不包括润湿性改进剂，用润湿性改进剂对上述纤维网层进行预处理，然后处理亲水性涂料组合物来形成亲水性涂层。然而，当在亲水性涂料组合物中浸渍将润湿性改进剂装入于气孔中的状态的纤维网层时，在装入于气孔中的润湿性改进剂从纤维网层流出来的同时亲水性涂料组合物渗透到上述气孔中所需的时间较长，因此存在制造时间延长的问题。并且，亲水性涂料组合物的渗透程度根据纤维网层的厚度和孔径而不同，因此存在亲水性涂层可能根据纤维网的位置不均匀地形成的问题。进而，由于亲水性涂层不均匀地形成，因此在纤维网层的一部分出现气孔被亲水性涂层杜塞的问题，在此情况下，初始设计的纤维网层的气孔结构发生变化，从而无法获得所需的流量，因此，在亲水性涂料组合物中包括润湿性改进剂不改变纤维网层的气孔结构，且有利于同时实现缩短制造时间、简化生产过程及改善亲水性涂层的形成性。
作为在上述纤维网层上形成亲水性涂料组合物的方法，只要是公知的涂敷方法，就不受限制地采用，作为一例，可以使用浸渍、喷雾等方法。
之后，作为步骤2-2)，可以执行对处理亲水性涂料组合物的纤维网层进行热处理来形成亲水性涂层的步骤。
上述步骤2-2)可以与在亲水性涂料组合物中的溶剂的干燥工序同时进行。上述热处理可以在干燥器中进行，此时施加的热量的温度可以是80～160℃，热处理时间可以是1分钟～60分钟，但本发明不限于此。
本发明包括包含通过上述的制造方法制成的本发明的一实施例的过滤介质的过滤器模块。除了上述过滤介质，上述过滤器模块还可包括用于水处理的一般过滤器模块包括的额外构成，例如，还可包括用于支撑或固定上述过滤介质且供过滤或被过滤的流体能够流动的如多孔渗透水流出管等的内部支撑体和/或用于在外部容纳上述水处理分离膜的外壳及用于固定组装的各个构成的端盖等。此时，上述过滤介质设置在过滤器模块的形状根据具体水处理方式而不同，例如，可以以平摸状态设置或卷绕在内部支撑体来容纳于外壳。参照图5，上述过滤介质100可以处于平摸状态且固定在能够在上下左右四个末端部支撑过滤介质的外壳1010，且在外壳1010的任意一个区域可以布置有吸入口1020，上述吸入口1020可以使过滤介质100的外部和内部之间的压力差被分级。并且，如图6所示的过滤介质可以卷绕在内部的多孔渗透水流出管1120，此时，如图所示，过滤介质100’可以呈弯曲的形状卷绕，以增加有效过滤表面积，而且，卷绕在多孔渗透水流出管1120的过滤介质100’可以组装在外壳1110内部且通过端盖1130固定化。并且，还可包括用于组装到供经过过滤的渗透水排出的管道的O形环或垫圈1140。在如图6所示的过滤器模块中，被过滤液通过过滤器模块的侧面流入到过滤器模块的内部，且通过过滤介质100’被过滤的过滤水通过内部的多孔渗透水流出管1120被排出。
并且，多个如图5和图6所示的单位过滤器模块可以设置在一个外壳中或设置在一个水处理设备中以构成大型水处理设备。
下面，将通过实施例更具体地描述本发明。然而，以下实施例不应解释为限制本发明的范围，而应解释为有助于理解本发明。
<实施例1>
首先，为了制备纺丝溶液，在88g的以70∶30重量比混合二甲基乙酰胺和丙酮而成的混合溶剂中，以80℃的温度利用磁棒将12g的作为纤维形成成分的聚偏二氟乙烯(Arkema公司，Kynar761)溶解6小时来制备了混合溶液。向电纺丝装置的溶液槽投入上述纺丝溶液，并以15μl/min/hole的速度进行排出。此时，纺丝区间的温度保持为30℃、湿度保持为50％，收集器和纺丝喷嘴尖端之间的距离为20cm。然后，利用高电压发生器向纺丝喷嘴组件(SpinNozzle Pack)赋予40kV以上的电压，同时通过向每纺丝组件喷嘴赋予0.03MPa的空气压力来制备了由PVDF纳米纤维形成的纤维网层。然后，为了干燥残存于上述纤维网的溶剂、水分，在140℃的温度下施加lkgf/cm2的压力和热量来进行轧光工序。此时制造的纤维网层的纳米纤维直径分布如图4所示，纤维网层的孔径分布如图3所示。
然后，将所制备的纤维网层浸入在下面的制备例中准备的亲水性涂料组合物中，在干燥器中在110℃的温度下干燥5分钟，制造具有亲水性涂层的如图1所示的过滤介质。
<准备例>-亲水性涂料组合物
作为亲水性成分，相对于100重量份的皂化度为88％且重均分子量为75,000的聚乙烯醇(Kuraray公司，PVA217)混合7142重量份的超纯水，然后以80℃的温度利用磁棒溶解聚乙烯醇6小时来制备了混合溶液。之后，将上述混合溶液的温度下降到常温，作为交联剂混合丙烯酸-共聚-馬来酸(Aldrich，PAM)，使得上述丙烯酸-共聚-馬来酸的含量相对于100重量份的聚乙烯醇为15重量份，在25℃下溶解12小时。
之后，在上述混合溶液中，相对于100重量份的上述聚乙烯醇添加7142重量份的99.99％异丙醇(DUKSAN化学公司，IPA)且进行混合2小时，以制备亲水性涂层形成组合物。聚乙烯醇的含量相对于所制备的亲水性涂料组合物的总重量为0.69重量百分比。
<实施例2～实施例18>
除了如下表1、表2或表3所示改变亲水性涂料组合物的组分等之外，其余以与实施例1相同的方式制造如下表1、表2或表3所示的过滤介质。
<比较例1>
除了不处理亲水性涂料组合物之外，其余以与实施例1相同的方式制造如下表3所示的过滤介质。
<实验例1>
对根据实施例和比较例的过滤介质的以下物理性能进行评价，结果如下表1至表3所示。
1.测量润湿角
用接触角(Contact angle，°)测量装置测量纤维网层表面与水滴表面形成的接触角，以测量对于暴露的纤维网层表面的水的润湿性(wettability)。使用了通过CCD相机拍照液滴的形状并计算针对最后拍照的液滴形状优化的界面张力γ的方法。通过微量注射器将注入容量调节至0.05mL，并使用二次蒸馏水。在纤维网层表面上的五个点处形成液滴后20秒内测量接触角，且计算其平均值和根据上述数学式1的平均偏差。
2.评价亲水性涂层含量
对在处理亲水性涂料组合物之前制造的过滤介质的基重和在形成亲水性涂层之后的基重进行计算，通过该基重之间的差异评价亲水性涂层含量。
3.测量过滤介质的平均孔径
为了评价在亲水改性后的过滤介质的气孔结构是否变化，分别测量在改性后的孔径分散度，为此，使用PMI公司的气孔度测定法(porometry)。且使用Galwick用作润湿剂(wetting liquid)，在将测量结果表示为平均孔径之后，将比较例1的过滤介质的平均孔径作为100％基准，以相对百分比表示根据实施例的过滤介质的平均孔径。可以预期，平均孔径越远离100％，由于亲水性涂层的形成，初始设计的纤维网的气孔结构越发生变化。
<实验例2>
在形成有根据实施例和比较例的亲水性涂层的纤维网层的一面布置无纺布((株)南洋无纺布，CCP40)，上述无纺布((株)南洋无纺布，CCP40)的厚度为约200μm，由将熔点为约120℃的聚乙烯作为鞘部且将聚丙烯作为芯部的低熔点复合纤维形成，在140℃的温度下施加1kgf/cm2的压力和热量来重新进行轧光工序，从而制备包括支撑体的过滤介质试样。将所制备的试样实现为如图5所示的平膜模块，然后施加50kPa的操作压力以测量每0.5m2试样面积的透水性，然后将实施例1的过滤介质的透水性作为100％基准，相对于实施例1的滤器集合体的透水性的剩余实施例和比较例1的过滤介质的透水性示于表1至表3中。
表1
表2
表3
如表1至表3可以确认，在具有未形成有亲水性涂层的比较例1的PVDF纤维网的过滤介质的情况下，疏水性非常强，透水性被测量为零。
并且，可以确认，在实施例中根据聚乙烯醇在亲水性涂料组合物中的含量、聚乙烯醇的重均分子量和/或交联剂的含量而所形成的亲水性涂层的程度和均匀性不同，在一些实施例的情况下，与根据比较例1的过滤介质相比，平均孔径减少，因此无法保持初始设计的过滤介质的气孔结构。
进而，可以确认亲水性涂层的形成程度或所实现的过滤介质的平均孔径根据润湿性改进剂的含量和种类而不同，由此可以影响到所实现的过滤介质的透水性。
如上对本发明的一实施例进行说明，但本发明的主旨并不限于本发明中的实施例，了解本发明的主旨的本领域的技术人员在相同主旨范围内，可通过对构成要件的附加、修改、删除、增加等容易地提出其它实施例，而这些属于本发明的主旨范围。

Claims (20)

1.一种过滤介质，其特征在于，包括：
纤维网层，具有包含纳米纤维的三维网状结构；及
亲水性涂层，覆盖上述纳米纤维的外表面的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的过滤介质，其特征在于，上述过滤介质还包括设置在上述纤维网层的一面上的支撑体。
3.根据权利要求2所述的过滤介质，其特征在于，
上述支撑体包括复合纤维，上述复合纤维包括支撑成分和低熔点成分且以使上述低熔点成分的至少一部分暴露在上述复合纤维的外表面上的方式布置，上述复合纤维的低熔点成分与纤维网热熔合。
4.根据权利要求1所述的过滤介质，其特征在于，上述纳米纤维包括选自由聚四氟乙烯类、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物类、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物类、四氟乙烯-六氟丙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物类、四氟乙烯-乙烯共聚物类、聚三氟氯乙烯类、三氟氯乙烯-乙烯共聚物类及聚偏二氟乙烯类组成的组中的一种以上氟类化合物。
5.根据权利要求1所述的过滤介质，其特征在于，上述纤维网具有0.1～5μm的平均孔径和40～90％的气孔度。
6.根据权利要求1所述的过滤介质，其特征在于，上述纳米纤维具有0.05～2μm的直径。
7.根据权利要求1所述的过滤介质，其特征在于，上述亲水性涂层通过使具有羟基的亲水性聚合物化合物与具有羧基的交联剂交联而形成。
8.根据权利要求7所述的过滤介质，其特征在于，上述交联剂包括至少三个羧基。
9.根据权利要求7所述的过滤介质，其特征在于，上述亲水性聚合物化合物包括重均分子量为20，000～100，000且皂化度为85～90％的聚乙烯醇。
10.根据权利要求1所述的过滤介质，其特征在于，上述亲水性涂层以每个纤维网单位面积即平方米包括0.1～2g的纳米纤维的方式覆盖纳米纤维。
11.根据权利要求7所述的过滤介质，其特征在于，上述亲水性聚合物化合物为聚乙烯醇，上述亲水性涂层通过相对于100重量份的聚乙烯醇包括5～20重量份的交联剂而形成。
12.根据权利要求1所述的过滤介质，其特征在于，暴露的上述纤维网层表面中任意五个不同点的平均初始润湿角等于或小于40°，五个点的初始润湿角的平均偏差等于或小于7°。
13.一种过滤介质的制造方法，其特征在于，包括：
步骤(1)，形成具有包含纳米纤维的三维网状结构的纤维网层；及
步骤(2)，用亲水性涂料组合物处理上述纤维网层来形成亲水性涂层。
14.根据权利要求13所述的过滤介质的制造方法，其特征在于，在上述步骤(1)中的纤维网层可以通过在支撑体上电纺丝纺丝溶液而形成。
15.根据权利要求14所述的过滤介质的制造方法，其特征在于，还包括通过向层叠的支撑体和纤维网层施加热量和压力中的至少一种来使支撑体和纤维网层热熔合的步骤。
16.根据权利要求13所述的过滤介质的制造方法，其特征在于，上述亲水性涂料组合物还包括润湿性改进剂，上述润湿性改进剂用于提高在纳米纤维外表面上的亲水性涂层的形成性，
上述润湿性改进剂包括选自由异丙醇、乙醇及甲醇组成的组中的至少一种。
17.根据权利要求13所述的过滤介质的制造方法，其特征在于，上述亲水性涂料组合物包括聚乙烯醇作为亲水性聚合物化合物，且相对于100重量份的上述聚乙烯醇包括5～20重量份的包含羧基的交联剂。
18.根据权利要求13所述的过滤介质的制造方法，其特征在于，上述亲水性涂料组合物包括0.3～1重量百分比的聚乙烯醇作为亲水性聚合物化合物。
19.一种过滤器模块，其特征在于，包括权利要求1至12中任一项所述的过滤介质。
20.根据权利要求19所述的过滤器模块，其特征在于，上述过滤介质具有平膜形状或弯曲的圆柱形状。
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