KR100389575B1 - 가스 흡착제 - Google Patents

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KR100389575B1
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수고다카노부
야마다도시히코
시마히로유키
후지와라구니오
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가부시키 가이샤 에바라 세이사꾸쇼
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Abstract

본 발명은 코어/시스구조를 가지는 섬유에 전리성 방사선을 조사한 후, 중합가능한 단량체를 섬유에 그래프트중합시켜 분리기능성섬유를 제조하는 방법과 서로 다른 종류의 고분자성분으로 이루어진 코어/시스복합섬유의 시스부에, 방사선 그래프트중합에 의하여 이온교환기를 도입하여 제조되는 이온교환섬유를 제공한다.
이 분리기능성 섬유 및 이온교환섬유는 전력, 원자력 또는 전자산업, 의약품제조업 등에 있어서의 순수제조, 및 식품제조업 또는 화학약품제조업에 있어서의 고농도 함유염 용액으로부터의 탈염 등과 같은 다양한 분야에 유용하다. 본 섬유는 또한 가스 중의 유해성분 또는 암모니아 등의 냄새가 나는 성분의 제거에도 유용하다.

Description

가스 흡착제{GAS ADSORBENT}
본 발명은 분리기능성섬유의 제조방법에 관한 것으로, 특히 방사선그래프트중합을 이용하는 분리기능성섬유의 제조방법과, 이렇게 하여 제조된 기능성 섬유로 제조되는 이온교환섬유 및 가스 또는 이온흡착제에 관한 것이다.
클린룸은 반도체 제작, 정밀기계공업, 사진업, 병원과 같은 의료기관의 생물학적 클린룸 및 제약분야를 포함하는 고도의 기술분야에서 필수적이며, 클린룸의 이용은 식품산업 및 농업분야 및 이의 주변 분야에까지 확대되고 있다. 습도, 수분 및 기류(air streams)가 상기한 산업분야에서 중요한 환경요건이 되지만, 공기의 정화도 마찬가지로 중요하다. 상기한 분야에서 사용되는 공기를 정화하기 위해서는, 유리섬유로 구성되는 HEPA(high-efficiency particulate air)필터와 더욱 효과적인 ULPA (ultra-low penetration air) 필터가 사용된다. 유리 섬유가 아닌 합성 섬유로 이루어지는 중성 섬유, 거치른 분진 필터등이 상기한 고효율 필터에 대한 전처리 필터로 널리 사용되고 있다. 상기한 필터는 주로 입자들을 제거하기 위한 것으로, 이들 필터는 크기가 약 0.1㎛인 미립자들이 효과적으로 제거될 수 있도록 고안되어 있다. 그러나, 이들 필터는 가스와 이온들의 제거능력은 없다.
LSI 제작용 판을 작업하는데 있어서 웨이퍼 표면의 오염은 미립자 뿐만 아니라 가스와 이온 때문에 일어난다. 가스와 이온들에 의한 오염은 웨이퍼의 벌크 특성에 영향을 주거나 접촉 저항을 증가시키는등 심각한 문제를 초래한다. 오염되는 가스와 이온들은 클린룸에서 가공된 물질로부터, 에칭과 같은 제작단계에서와 같은 다양한 경로로, 그리고 주변대기가 도입되는 동안 발생될 수 있다. 클린룸 내의 공기가 일정하게 순환되고 있더라도 일단 발생된 가스와 이온들은 공기정화 시스템에 의해서는 제거되지 않기 때문에, 축적되는 가스와 이온들이 최종제품의 품질 뿐만 아니라 작동하는 사람의 건강에도 악영향을 줄 수 있다.
분리기능성섬유 또는 이온교환섬유는 일본국 특허공개 (평) 5-111685호 공보에 나타나 있는 바와 같이, 정밀전자공업, 의료, 제약, 원자력발전 또는 식품산업등의 분야에 있어서의 용수나 배수 중에 포함되는 코발트, 니켈, 수은, 동 등의 중금속이온을 효과적으로 흡착제거할 수 있다. 또, 일본국 특허공개(평) 5-67325호 공보, 특허공개(평) 5-111607호 공보, 특허공개(평) 6-142439호 공보에는, 이온교환섬유로 만들어진 필터에 의하여 가스중의 미립자 및 H2S, NH3, 이산화탄소, 불화수소가 제거가능하다는 것이 개시되어 있다. 그러나, 이들 선행기술의 섬유는 상기한 물질을 가스중에서 충분히 효율적으로 제거할 수 없다.
또한, 미합중국 특허출원 08/264,762호에 상응하는, 일본국 특허공고(평) 6-20554호 공보에 개시되어 있는 이온교환섬유의 제조방법에서는, 그러한 이온교환섬유가 대기중의 염화수소와 암모니아를 흡착하는 예를 제시하고 있다. 그러나, 염화수소와 암모니아들을 더욱 효율좋게 흡착하는 것이 요구된다.
흡착이나 이온교환의 속도는 표면적이 크고, 또 표면적의 관능기의 밀도가 커질수록 크다. 왜냐하면, 흡착이나 이온교환반응은 먼저 섬유의 표면에서 일어나고, 서서히 내부로 진행하기 때문에 섬유 내부의 관능기가 충분히 이용되고 있다고는 말할 수 없다. 따라서, 섬유표면에 관능기가 밀집하여 존재하고 있는 쪽이 유리하다.
한편, 방사선그래프트중합법은 그래프트중합의 위치를 콘트롤하기 쉽기 때문에, 기능성재료의 제법으로서 주목되고 있고, 이 방법에 의한 이온교환섬유나 흡착제등이 검토되고 있다. 방사선그래프트중합법은 기재에 전리성방사선을 조사한 후, 모노머액에 침지시켜 반응시키는 전조사 액상 그래프트중합법이 일반적이다. 이 경우, 반응의 초기단계에서는, 기재의 표면부근 분자 내에서 그래프트중합이 일어나고, 반응시간이 경과함에 따라 기재내부까지 중합이 진행한다. 그러나, 그래프트율 100% 이상의 충분히 높은 그래프트율로 기재의 표면부근에 그래프트중합을 집중시키는 것이 곤란하다. 한편, 기상그래프트중합법에 있어서도 높은 그래프트율로 기재의 내부에까지 그래프트중합이 진행된다. 따라서, 방사선그래프트중합에 의해서도, 이온교환기(ion-exchange groups)와 같이 관능기를 표면에 집중시킨 섬유상의 기능성재료를 제조하는 것은 용이하지 않다.
또, 방사선그래프트중합을 적용하여 기재내부까지 반응이 진행되면, 폴리프로필렌등의 기재를 이용한 경우는, 물리적강도가 낮아지고 또 산화열화가 생겨 분해생성물을 생성시키는 등의 문제가 있다. 또한, 이와 관련된 가장 가까운 선행기술로서, 코어/시스구조를 가지지 않는 폴리프로필렌섬유 기재에 방사선그래프트중합에 의하여 이온교환기를 도입하는 가스흡착제의 제조방법이 있다[일본국 특허공고 (평) 6-20554호 참조].
일반적으로, 이온교환제나 흡착제 등의 분리기능성 재료는 표면적이 클수록 교환속도나 흡착속도가 크게 유리하다. 그 때문에 표면적이 큰 섬유상의 이온교환제나 흡착제를 사용하는 빈도가 증가하고 있다. 섬유상의 분리기능성재료로서, 이온교환섬유를 예로 설명하면, 이는 매트릭스에 이온교환기를 도입하고, 소성 후에 여기에 이온교환기를 갖는 폴리비닐알코올섬유를 도입하는, 폴리스티렌 매트릭스 또는 바다부(海部) 및 이 매트릭스 안에 폴리에틸렌 복수 필라멘트 코어 또는 섬부(島部)를 포함하여 이루어지는 복수 코어구조의 섬유가 알려져 있다.
또한, 일본국 특허공개 (평) 5-64726호 공보의 실시예 3에서는 전기재생식 탈염장치에, 스티렌 모노머에 의해 그래프트 중합된 후, 전환된 폴리프로필렌 코어 및 폴리에틸렌 시스를 포함하여 이루어지는 복합섬유를, 이온교환섬유로서 사용하여 대단히 우수한 결과를 얻고 있다. 따라서 코어/시스구조의 이온교환섬유가 전기 재생식 탈염장치에 응용되어도 성능이 우수하다는 것이 확실하다. 그러나, 이 코어부가 폴리프로필렌인 섬유를 대기 중에서 사용한 경우에는, 폴리프로필렌 코어는 분해시, 강도저하와 분해반응을 일으키는데, 이 폴리프로필렌을 내방사선성과 내산화성이 좋은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)로 대체하면, 대기 중에서도 안정해진다는 것이 지금까지의 조사에서 판명되었다.
이 기술분야에서 공지된 가스흡착 필터의 대부분은 화학약품 또는 산화망간을 함유하는 지지체로 처리된 제올라이트 또는 활성탄으로 제조된 것이다. 근래에 이온교환 섬유로 만든 가스흡착 필터가 클린룸 용도로 개발되었다. 일본국 특허출원 (평) 4-294501에 제안된 필터는 방사선 그래프트 중합에 의해 제조된 고분자 수지의 이온교환 섬유를 사용하고 있으며, 클린룸에 사용시 매우 효과적이라는 것이 입증되어 있다.
상기, 일본국 특허출원 (평) 4-294501호에는 방사선 그래프트 중합법에 의해 제조된 고분자 이온교환 섬유로 만든 부직포 필터를 사용하여 클린룸 내의 미소-오염된 공기를 정화하는 방법이 교시되어 있다. 상기 특허출원에서는 기재로서 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌의 복합물인 부직포와 폴리프로필렌 섬유의 부직포를 사용하여 전리성 방사선 처리하는 예가 기재되어 있다. 그러나, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 양자는 방사선 조사와 산소 존재하에서는 산성물질을 생성하기 쉽고, 더욱이, 이들은 방사선 조사에 의해 열화와 분진화 하기 쉽다.
해가 갈수록, 클린룸은 현재 허용되고 있는 것보다 공기의 정화도에 대한 더욱 엄격한 기준에 부합되는 것이 요구되고 있기 때문에, 필터 그 자체에서 일어나는 분진의 발생이나 가스상 물질은 더욱 커다란 문제가 될 수 있다. 이러한 상황을고려하여 본 발명에서는 코어/시스 구조로 되며, 코어는 전리성 방사선조사시 라디칼을 생성하고 및/또는 분해를 받는 경향이 적은 고분자 성분으로 형성되고, 시스는 방사선 조사시 라디칼을 발생하기 쉬운 고분자 성분으로 형성시킨, 코어/시스 구조를 채용하고 있다.
본 발명의 목적은, 섬유표면에 관능기가 밀접하게 도입되어 물리적, 화학적열화가 적은 방사선그래프트중합법에 의한 분리기능성섬유의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 분리기능성 섬유로 제조된 이온교환 섬유를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 상기 분리성 기능성섬유로부터 이온 또는 가스흡착제를 제공하는데 있다. 본 발명의 분리기능성 섬유 및 이 섬유로 제조된 이온교환섬유는 가스 중의 가스오염물을 더욱 효과적으로 제거할 수 있다. 따라서, 본 발명의 제 1실시형태는 미립자 뿐만 아니라 소량으로 존재하는 가스와 이온으로 오염된 클린룸 내의 공기를 정화할 수 있는 가스 또는 이온 흡착제에 관한 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 코어/시스구조를 가지는 3종의 상이한 형태의 섬유의 단면도,
도 2는 본 발명의 실시예에서 사용한 가스흡착 실험장치의 개략구성도,
도 3은 실시예 1에서 사용된 불소수지백 내의 암모니아농도의 경시변화를 나타내는 그래프,
도 4는 실시예 2에서 사용된 불소수지백 내의 암모니아농도의 경시변화를 나타내는 그래프,
도 5는 실시예 3에서의 구리농도의 경시변화를 나타내는 그래프,
도 6은 방사선조사선량과 인장강도의 감소율의 관계를 나타내는 그래프,
도 7은 코어/ 시스구조를 가지는 섬유의 시스부에 그래프트중합을 행하고, 다음에 관능기를 도입할 때에 코어부와 시스부와의 치수가 증가하여 시스부가 코어부로부터 박리되는 과정을 나타내는 도면,
도 8은 그래프트중합전의 코어부(PET) 및 시스부(PE)로 이루어진 다수의 복합섬유의 단면을 나타내는 전자현미경 사진,
도 9는 그래프트중합후의 복합섬유의 단면을 나타내는 전자현미경 사진,
도 10은 그래프트중합후에 술폰화한 복합섬유의 단면을 나타내는 전자현미경사진,
도 11은 그래프트중합후에 아미노화한 복합섬유의 단면을 나타내는 전자현미경사진.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 코어(core) 2 시스(sheath)
3 불소수지백 4 유리컬럼
5 부직포(nonwoven) 6 펌프
7, 8, 9 샘플링부 10 유량계
상기한 본 발명의 제 1목적은, 이온교환 특성, 킬레이팅 특성 등을 포함하는 각종 특성을 지니는 섬유를 제공하기 위해 코어/시스구조를 가지는 섬유에 전리성방사선을 조사한 후, 중합성단량체를 섬유에 그래프트중합시키는 단계를 포함하여 이루어지는 분리기능성섬유의 제조방법에 의해 달성된다.
본 발명의 제 2 및 제 3목적은 서로 다른 종류의 고분자성분으로 된 코어성분과 시스성분으로 이루어진 코어/시스 복합섬유의 시스부분에 방사선그래프트중합에 의하여, 이온교환기를 도입하여 제조한 이온교환섬유 또는 가스 또는 이온흡착제에 의해 달성된다.
다음에 본 발명의 구성을 상세하게 설명한다.
도 1a 내지 도 1c에 본 발명에 따른 코어/시스구조를 가지는 3종의 상이한 형태의 섬유 단면을 나타낸다. 도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이, 코어/ 시스구조의 섬유라는 것은 코어부(1)의 주위를 시스부(2)가 에워싸고 있는 구조의 것으로서, 도 1a와 같이 코어부와 시스부는 동심원이어도 되고, 도 1b와 같이 동심원이 아니라 편심되어 있어도 되고, 또한 도 1c와 같이 섬부를 형성하는 코어(1)가 바다부 또는 매트릭스를 형성하는 시스(2)에 군데 군데 배치되어 있어도 된다.
또, 상기 코어/ 시스구조를 가지는 섬유에서, 시스부가 전리성방사선의 조사에 의하여 라디칼의 생성이 가능한 재질임에 비해, 코어부는 전리성 방사선의 조사에 의하여 라디칼의 생성 및/또는 고분자의 붕괴를 일으키기 어려운 재질인 것이 바람직하다.
이 밖에도 코어부 재질은 코어/시스 구조의 섬유가 열용융에 의해 부직포로 가공될 수 있기 때문에 시스 재질보다 더 높은 융점을 갖는 것이 바람직하다. 각각의 섬유들은 이들의 시스부에서 용융되므로, 이때, 섬유단편과 같은 입자발생이 최소화될 수 있다. 이러한 특성은 본 발명이 사용되는 정밀 전자공업, 원자력발전 및 기타 산업분야에서 사용되는 물 및 공기를 처리하는데 있어 매우 중요한 특성이 된다.
특히 시스부의 재질로는, 폴리올레핀계의 것이 적합한데, 이는 시스부가 방사선그래프트중합에 적합한 재질로 만들어져야 하기 때문이다. 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌으로 대표되는 폴리올레핀류; 폴리염화비닐이나 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 대표되는 할로겐화폴리올레핀류; 에틸렌-테트라플루오로에틸렌공중합체로 대표되는 할로겐화폴리올레핀과 올레핀의 공중합체; 및 에틸렌-비닐알코올(EVOH) 또는 에틸렌-비닐아세테이트(EVA) 공중합체와 같은 올레핀과 기타 모노머의 공중합체가 재질로서 적합하다. 특히 폴리에틸렌이 이온교환섬유의 시스성분으로서 사용하기에 유리하다.
코어부의 재질로서는, 시스부의 재질과 다른 것 중에서 선택할 수 있고, 코어부에의 방사선그래프트중합 후에도 섬유 강도를 유지할 수 있는 재질이 적합하다. 폴리올레핀 코어 재질이 사용되는 경우에는, 특히, 폴리에틸렌테레프탈레이트나 폴리부틸렌테레프탈레이트등으로 대표되는 폴리에스테르류가 적합하다.
코어부 및 시스부 재질의 조합으로서, 예를 들면 폴리에틸렌(시스)/폴리프로필렌(코어), 폴리에틸렌(시스)/폴리에틸렌 테레프탈레이트(코어) 등이 있고, 특히 내방사선성이 뛰어난 폴레에틸렌/폴리에틸렌테레프탈레이트 재질의 것이 적합하나, 이것에 한정되는 것은 아니다.
코어/시스구조를 가지는 섬유의 시스부의 코어부에 대한 중량비는 0.1∼10의 범위가 바람직하다. 코어부에 대해 시스부의 중량비가 0.1 미만이 되면, 충분한 관능기량으로 하기 위해서는 시스부의 그래프트율을 매우 높게 해야 하며, 이에 따라섬유의 강도가 약해지게 되어, 더이상 코어/시스구조를 유지할 수 없게 된다. 코어부에 대해 시스부의 중량비가 10을 초과하면, 섬유는 거의 시스부만으로 된 단일섬유와 같게 되어, 코어/시스구조로 한 효과가 소실된다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 코어/ 시스구조를 가지는 섬유의 시스부에 그래프트중합을 행하면, 시스부의 치수가 증가하여 코어부와 분리된다. 즉, 그래프트 전에는 코어부와 시스부와의 사이에 간극이 존재하지 않지만, 그래프트중합 후에는 코어부와 시스부와의 사이에 간극이 생겨 시스부에 주름(creases)이 생긴다. 그리고, 관능기의 도입 후에는 상기 간극이 더욱 넓어지고, 주름도 확대된다.
도 8 내지 도 11에 코어부가 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 시스부가 폴리에틸렌(PE)으로 된 복합섬유의 그래프트 전의 경우(도 8), 메타크릴산글리시딜을 약 116% 그래프트중합한 경우(도 9), 다시 이것을 술폰화(도 10)또는 아미노화(도 11)한 후의 경우의 복수 복합섬유의 단면의 현미경사진을 나타낸다.
그래프트후의 시스부는 그래프트 전에 관찰된 평활한 표면에 비하여 크게 대비되는 다수의 마디가 존재한다. 이와 같이 시스부표면이 기복이 많은 구조로 되어 있기 때문에, 표면적이 증가하고, 흡착분리속도의 향상에 바람직할 뿐만 아니라, 미립자의 물리적 보조기능도 증가한다. 또한, 코어부와 시스부의 분리는 섬유전체의 보수성능을 높이는 기능을 가지고 있다. 이 현상은, 본 발명에 의한 분리기능섬유, 특히 이온교환섬유를 에어필터로서 산성 및 알카리성가스 등의 유해가스를 제거하는데 사용하는 경우에 있어서 건조에 의한 성능열화를 방지할 수 있는데 유리하다. 시스부의 그래프트에 의하여 물리적 강도가 약간 열화되지만, 섬유전체로서의 강도는 코어부에 의해 유지되게 된다.
코어/시스구조를 가지는 섬유는 장섬유나 단섬유의 형상을 취할 수 있다. 본 발명에서는 섬유의 집합체인 직물(woven)이나 부직포 또는 그들의 가공품에도 적용할 수 있다.
기재인 코어/시스구조를 가지는 섬유에 방사선그래프트중합하는 방법으로서 하기와 같은 방법을 적용할 수 있다.
먼저, 방사선조사용의 선원으로 α선, β선, γ선, 전자선, X선이나 자외선등 여러 가지의 것이 사용될 수 있으나, γ선이나 전자선이 본 발명의 목적에 적합하다. 조사선량으로서는 20∼300kGy가 적합하다. 20kGy 이하에서는, 의도하는 반응을 개시하기에 충분한 양의 라디칼이 생성되지 않는다. 300kGy 이상이 되면, 방사선열화가 커져 조사비용도 높아지는등의 문제가 있다.
미리 방사선을 조사한 후, 중합성단량체(모노머)를 접촉시켜 그래프트중합하는 방법은 "전조사그래프트중합법"이라 불리우고, 기재를 모노머 존재하에서 방사선조사하는 "동시조사법"에 비하여, 단독중합물(호모폴리머)의 생성량이 적기 때문에, 본 발명이 예상하는 형태의 분리기능성섬유의 제법으로서는 적합하다.
조사를 완료한 기재를 모노머액에 침지한 채로 그래프트중합하는 경우를 "액상 그래프트중합"이라고 부르며, 반응온도 20∼60℃, 반응시간 2∼10시간에서 적합하게 실시할 수 있다.
조사를 완료한 기재를 소정량의 모노머에 함침시켜 진공 중 또는 불활성가스 중에서 반응시키는, 함침그래프트중합은 반응온도 20∼60℃, 반응시간 0.2∼8시간이 적합하다. 이 경우 그래프트중합 후의 기재가 건조상태가 되므로, 기재의 취급이 간단하고 폐액의 발생량이 적어지는 등의 이점이 있다.
조사를 완료한 기재와 모노머증기를 접촉시키는 기상그래프트중합은 비교적 증기압이 높은 모노머에만 적용할 수 있고, 고르지 못한 그래프트도 발생하기 쉬우나, 폐액발생량이 적은 점이나 그래프트중합후의 기재가 건조상태가 되는 이점이 있다. 기상크래프트중합을 하는 경우, 반응온도로서 20∼80℃, 반응시간 2∼10시간으로 하는 것이 필요하다.
본 발명은 이상의 어느 하나의 방사선그래프트중합법도 사용할 수 있다. 중합성 단량체로서는 여러 기능을 가지는 중합성 단량체, 혹은 그래프트 후에 2차반응에 의하여 기능을 줄 수 있는 중합성 단량체를 사용할 수 있다. 예를들면 이온교환섬유의 경우, 이온교환기를 가지는 모노머로서, 아크릴산, 메타크릴산, 스티렌술폰산 나트륨, 메트알릴술폰산나트륨, 알릴술폰산나트륨등이 있고, 이들을 단지 그래프트중합하는 것만으로 이온교환섬유가 얻어진다.
그래프트중합 후에 다시 반응을 행하여 이온교환기를 도입할 수 있는 모노머로서 아크릴로니트릴, 아크로레인, 비닐피리딘, 스티렌, 클로로메틸스티렌, 글리시딜 메타크릴레이트 등이 있다. 예를 들면 스티렌 그래프트중합체는 클로로술폰산, 황산등의 술폰화학품을 사용하여, 술폰기를 도입할 수 있다.
본 발명의 분리기능성섬유 제법의 용도로서 주로 이온교환섬유에 대하여 서술하였으나, 그 외에도 킬레이트기를 가지는 중금속흡착제, 촉매, 아피니티 크로마토그래피용의 담체 등에도 본 발명을 적용할 수 있다.
[실시예]
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 구체적으로 설명하는데, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
평균직경이 20㎛인 코어부 폴리프로필렌, 시스부 폴리에틸렌(코어 대 시스의 중량비 = 1)의 복합섬유로 이루어지는 부직포(면적밀도 50g/㎡)에 γ선을 질소분위기에서 200kGy조사한 후, 아크릴산 50%수용액에 침지하고, 40℃에서 6시간 반응시켜 53%의 그래프트율을 얻었다. 이렇게 처리된 섬유의 이온교환용량은 4.8meq/g이었다.
이 섬유를 수산화나트륨으로 Na형으로 전환하고, X선 마이크로어널라이저로 단면을 관찰한 결과, 시스부의 폴리에틸렌에만 나트륨의 분포가 확인되었다.
이 부직포(H형)를 직경이 20mm인 디스크로 뚫고, 제2도에 나타내는 가스흡착 실험장치의 유리컬럼에 상기 부직포 0.4g을 충전하고, 3ℓ/분으로 순환하여, 암모니아가스의 제거시험을 행하였다.
도 2에서, (3)은 불소수지백(40ℓ)이고, (4)는 유리컬럼(20mmψ)으로 그 안에 부직포(5)가 충전되어 있다. (6)은 펌프이고, (7), (8), (9)는 각각 시료분석을 위한 샘플링부이고, (10)은 유량계이다.
결과를 도 3에 -○-로서 나타내었다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 섬유를 이용한 부직포에서는, 불소수지백(3) 내의 암모니아농도는 초기에 40ppm이었는데, 약 50분 지나면 10ppm 이하로, 2시간 경과 후에는 5ppm 이하로 저하되었다.
(비교예 1)
평균직경이 20㎛인 폴리프로필렌단독섬유에 의하여 이루어지고, 면적밀도가 40g/㎡인 부직포를 실시예1과 마찬가지로 아크릴산의 방사선그래프트중합을 행하여, 58%의 그래프트율을 얻었다. 처리된 섬유의 이온교환용량은 5.0meq/g이고, 이온교환기는 각 섬유중심까지 비교적 균일하게 분포되어 있었다.
이 섬유를 실시예 1에서와 같이 디스크로 뚫고, 도 2의 가스흡착 실험장치로 암모니아가스의 제거시험을 행하였다. 그 결과를 도 3에 -△-로서 병기하였다. 불소수지백 내의 암모니아농도가 10ppm이하로 저하되는데에는 1시간 50분이 소요되었다.
(실시예 2)
평균직경이 20㎛인 코어부 폴리프로필렌, 시스부 폴리에틸렌(코어 대 시스의 중량비 = 1)의 복합섬유로 이루어지는 부직포(면적밀도 40g/㎡)에 γ선을 질소분위기에서 200kGy 조사한 후, 메타크릴산글리시딜/메탄올(1/1)액에 침지하고, 45℃에서 7시간 반응시켜 그래프트율 138%을 얻었다. 이 그래프트를 완료한 섬유를 아황산나트륨수용액에 침지하고, 80℃에서 8시간 반응시켜 술폰화를 행하였다. 이 섬유는 이온교환용량이 2.42meq/g의 강산성 양이온-교환섬유로 술폰기의 거의 전부가 시스부에 분포하고 있었다.
이 섬유(H형)를 직경이 20mm인 디스크로 뚫고 실시예 1과 같은 조건에서 도 2의 장치를 이용하여 암모니아가스의 제거시험을 행하였다. 결과를 도 4에 -○-로서 나타내었다. 도 4에서 보는 바와 같이 불소수지백 내의 암모니아농도는 초기에40ppm이었는데, 20분 이내에 10ppm 이하로 저하되었다.
(비교예 2)
평균직경이 20㎛인 폴리프로필렌단독섬유로 이루어지고, 면적밀도가 40g/㎡인 부직포를 실시예 2와 마찬가지로 메타크릴산글리시딜의 방사선그래프트중합을 행하여, 135%의 그래프트율을 얻었다. 다음에 실시예 2와 마찬가지로 술폰화를 행하여 이온교환용량이 2.45meq/g의 강산성 양이온 교환섬유를 얻었다. 이 섬유의 술폰기는 섬유의 중심부근까지 비교적 균일하게 분포되어 있었다.
실시예 2에서와 마찬가지로 부직포를 디스크로 뚫고 도 2의 장치에서 암모니아가스의 제거시험을 행하였다. 결과는 도 4에서 -△-로 나타내었다. 불소수지백 내의 암모니아농도가 10ppm 이하로 될 때까지 35분이 소요되었다.
실시예 1, 2와 비교예 1, 2에 의하여, 그래프트율, 관능기의 종류 및 이온교환용량이 거의 동일함에도 불구하고, 본 발명의 코어/ 시스구조를 가지는 섬유 쪽이 암모니아가스의 제거성능이 뛰어나다는 것이 명백하다.
(실시예 3)
평균직경이 20㎛인 동심원상의 코어부 폴리에틸렌테레프탈레이트, 시스부 폴리에틸렌(시스 대 코어의 중량비 = 0.7)의 복합섬유로 이루어지는 부직포(면적밀도 55g/㎡)에 전자빔을 질소분위기에서 100kGy조사한 다음, 실시예 2와 마찬가지로 메타크릴산글리시딜을 반응시켜 그래프트율 116%의 그래프트부직포를 얻었다. 이 부직포를 에틸렌디아민용액에 침지하고, 50℃에서 3시간 반응시켜 산흡착량이 5.3meq/g의 킬레이트기를 가지는 부직포가 얻어졌다. 이 부직포 섬유의 킬레이트기는 거의 전부가 시스부에 분포되어 있었다.
이 부직포를 직경이 20mm인 디스크로 뚫고, 0.5g 분을 채취하였다. 이것을 황산구리수용액(농도 110mg/ℓ Cu로서) 300㎖에 침지하고 교반하면서 구리농도의 경시변화를 조사하였다. 그 결과는 도 5의 -○-에 나타낸 바와 같이, 1분 만에 구리농도는 20mg/ℓ (Cu로서)로 저하되었다.
이 실시예 3에서 기재막을 형성하기 위해 사용한 복합섬유의 단면의 전자현미경사진을 도 8에, 이 섬유의 그래프트 후의 단면사진을 도 9에, 그래프트 후에 에틸렌디아민용액으로 아미노화한 섬유의 단면을 도 11에 나타내었다.
(비교예 3)
평균직경이 20㎛인 폴리에틸렌단독섬유로 이루어지는 부직포(면적밀도 60g/㎡)에 실시예3과 같은 조건에서 전자빔을 조사한 후, 메타크릴산글리시딜을 반응시켜, 그래프트율 131%의 그래프트부직포를 얻었다. 또한 같은 조건에서 에틸렌아민과 반응시켜 산흡착량이 5.19meq/g의 킬레이트기를 가지는 부직포가 얻어졌다. 이 부직포섬유의 킬레이트기는 섬유의 중심부근까지 균일하게 분포되어 있었다.
이 부직포를 실시예 3에서와 같이 직경이 20mm인 디스크로 뚫고, 황산구리용액에 침지하고, 구리농도의 경시변화를 조사하였다. 그 결과는 도 5에 -△-로서 병기한 바와 같으며, 구리 농도는 1분 만에 약 40mg/ℓ(Cu로서)까지 저하되어 있었다.
실시예 3및 비교예 3에서, 그래프트율 및 라디칼기의 농도는 거의 동일하였고, 본 발명의 코어/ 시스구조를 가지는 섬유 쪽이 중금속흡착성능이 뛰어나다는것이 명백하다.
(실시예 4)
(a) 동심원상의 폴리에틸렌(PE)(시스)/폴리프로필렌(PP)(코어)의 섬유(직경 약17㎛)로 이루어지는 면적밀도 50g/㎡의 부직포에 질소분위기에서 γ선을 조사한 후, 메타크릴산글리시딜을 그래프트중합하여, 153%의 그래프트율이 얻어졌다.
이 부직포를 아황산나트륨 8%, 이소프로필알코올 12%, 물 80%의 술폰화액에 담그고, 80℃에서 8시간 반응시켜 술폰화를 행하였다. 다시 7% HCl에 침지하여, H형으로 전환하였다. 이 섬유를 (a)PE/PP로 지정하였다.
(b) 다음에 동심원상의 폴리에틸렌(시스), 폴레에틸렌테레프탈레이트(PET)(코어)의 섬유(직경 약 17㎛)로 이루어지는 부직포(면적밀도 50g/㎡)에 상기(a)와 같은 방법으로 그래프트중합과 술폰화 및 재생을 행하였다. 이 섬유를 (b)PE/PET로 지정하였다. 이 섬유의 단면의 전자현미경 사진을 도 10에 나타내었다.
두 섬유 (a)PE/PP와 (b)PE/PET의 부직포의 인장강도 대 방사선의 조사선량 프로파일을 도 6에 나타내었다. 도면에 있어서, 섬유(b)는 -△-로 연결된 곡선으로 나타냈고, 또 섬유(a)는 -○-로 연결된 곡선으로 나타내었다. 이와 같이 섬유(b) PE/PET를 이용한 경우, 부직포의 인장강도는 방사선의 조사선량의 증가에 의하여 감소하지 않는다는 것이 명백하다.
다음에 섬유의 화학적열화에 의한 분해성생성물의 방출을 확인하기 위한 시험을 행하였다. 일반적으로 합성고분자계의 이온교환체(ion exchanger)에 있어서도 산화에 의한 고분자골격의 열화, 그것에 수반되는 저분자량분해생성물의 생성이나관능기의 탈리는 피하기 어려우므로, 이들의 화학적열화에 대한 내성이 높은 이온교환체가 보다 바람직하다.
이 열화에 의한 분해생성물의 방출을 평가하기 위하여, 상기 (a)의 PE/PP와 (b)의 PE/PET의 부직포(20cm×4cm)를 각각 약 200g을 넣은 분리 용기에 공기를 1ℓ/분으로 유통시켜 대기 중에 함유되는 분해생성물을 초순수로 포집하여 분석하였다. 유기저분자량 분해생성물을 평가하기 위하여 TOC를 측정하고, 이온교환기의 탈리를 평가하기 위하여 황산이온의 농도를 이온크로마토그래프로 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.
가스방출섬유 SO4 -2방출량 TOC방출량
25℃ 65℃ 25℃ 65℃
(a) PE/PP ＜2㎍/h-㎏ 96㎍/h-㎏ ＜5㎍/h-㎏ 1200㎍/h-㎏
(b) PE/PET ＜2㎍/h-㎏ 5㎍/h-㎏ ＜5㎍/h-㎏ 320㎍/h-㎏
(방출량의 단위는 부직포 1㎏당 1시간에 방출된 양을 나타낸다)
(실시예 5)
SO2의 제거
실시예 1에서 사용한 것과 동일한 부직포를 질소분위기 중 r-선 200kGy로 조사하고, 기재 150%가 용액에 함침될 때까지 글리시딜 메타크릴레이트 용액에 침지하였다. 이 부직포를 진공펌프로 배기한, 유리 앰플에 도입하였다. 그후, 직물을 45℃에서 3시간동안 그래프트율이 141%가 될 때까지 반응시켰다. 이와 같이 처리된부직포는 30% 이미노디에탄올 수용액에 침지하고 70℃에서 3시간 동안 반응시켜 이온교환용량이 2.89meq/g인, 약염기성, 음이온교환 부직포를 얻었다.
이 부직포를 직경이 20mm인 디스크로 뚫고, 실시예 1에서 사용된 형태의 실험장치를 사용하여 이산화황의 제거시험을 행하였다. 불소수지백 내의 SO2농도는 초기에 30ppm이었는데, 40분이내에 1ppm이하로 저하되었다.
(실시예 6)
CO2의 제거
실시예 1에서 사용한 것과 동일한 부직포를 질소분위기 중 r-선 200kGy로 조사하였다. 그후, 직물을 클로로메틸스티렌(CMS)용액에 침지한 후, CMS 그래프트 율이 112%가 될 때까지 40℃에서 7시간동안 반응시켰다. 이 부직포를 10% 트리메틸아민 수용액에 침지하고 50℃에서 3시간동안 반응시켜 4차 암모늄염을 형성시켰다. 이와 같이 처리된 부직포를 5% 수산화나트륨 수용액에 침지하여 OH형으로 재생시켜 2.38mg/g용량에서 중성염을 분해할 수 있는 강염기성, 음이온교환 부직포를 얻었다.
이 부직포를 직경이 20mm인 디스크로 뚫고, 공기와 접촉되지 않도록 진공 하에 그리고 질소분위기 중에서 건조하고, 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 형태의 실험장치에 충전하고 이산화탄소(CO2) 제거시험을 행하였다. 불소수지백 내의 이산화탄소를 순수한 공기로 130ppm으로 희석하였다. 시험시작 직후, 필터 배출구에서의 CO2농도는 0ppm이었는데, 불소수지백 내의 CO2농도는 50분 이내에 1ppm 이하로저하되었다.
(실시예 7)
H2S의 제거
실시예 6에서 사용된 것과 동일한 부직포를 실시예 6에서와 같이 처리하고, 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 형태의 실험장치에 충전하고 황화수소(H2S)의 제거시험을 행하였다. 불소수지백 내의 H2S의 농도를 순수한 공기로 3ppm으로 조정하였다. 시험시작 직후 필터 배출구에서의 H2S의 농도는 0.0ppm이었는데, 초기에 3ppm 이었던 불소수지백 내의 H2S 농도는 약 30분이내에 1ppm 이하로 저하되었다.
(실시예 8)
NO3의 제거
실시예 6에서 사용된 것과 동일한 종류의 약염기성, 음이온 교환부직포와 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 형태의 실험장치를 사용하여 NO3가스를 제거하는 시험을 행하였다. 불소수지백 내의 NO2농도를 순수한 공기로 2ppm으로 조정하였다. 불소수지백 내의 NO3농도는 시험시작 후 30분 이내에 0.5ppm이하로 저하되었다.
(실시예 9)
HF의 제거
실시예 5에서 사용된 것과 동일한 종류의 약 염기성, 음이온 교환부직포와 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 실험장치를 사용하여 불화수소(HF) 제거시험을 행하였다. 불소수지백 내의 HF의 농도는 초기에 5ppm이었는데, 시험 시작 후 30분 이내에 1ppm 이하로 저하되었다. 필터 배출구에서의 HF 농도는 0.5ppm 이하이었다.
상술한 각 실시형태에 의하면 본 발명의 일반적 특성을 충분히 알 수 있으므로, 이 기술분야의 지식을 응용함으로써 과도한 실험을 하지 않고도, 또한 일반적 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 상기한 각 실시형태를 다양한 응용분야로 용이하게 변경하거나 또는 적용할 수 있을 것이다. 따라서, 상기한 적용 및 변경은 상술한 실시형태에 상응하는 의미와 범위 내에서 해석해야 한다. 다양한 기능을 수행하는 수단 및 재료는 본 발명으로부터 이탈되지 않는한 각종의 다른 형태로 채택할 수 있다. 또한 본원에서 사용된 술어나 용어는 설명을 하기 위한 목적에서 쓰여진 것이며, 이들로 제한하기 위한 것이 아니다.
본 발명에 의하면, 섬유표면에 관능기가 밀집하여 도입됨으로써, 물리적, 화학적열화가 적고 강도가 충분히 유지될 수 있는 분리기능성 섬유가 얻어질 수 있다. 또, 이 분리기능성섬유는 분리기능이 뛰어나, 단시간에 가스분리 혹은 액체 중으로부터의 중금속분리 등이 가능하기 때문에 가스제거용 필터, 중금속흡착제 등에 사용할 수 있다.
또한, 이온교환섬유로서 재생가능하기 때문에, 필터틀 및 세퍼레이터를 포함하는 전구성 성분을 재생제에 의하여 침범되지 않는 물질로 필터를 만듬으로써 사용후에 재생제를 이용하여 재생할 수 있는 이온교환 가스제거필터로 제작할 수 있다.

Claims (6)

  1. 시스부가 전리성 방사선의 조사에 의해 라디칼의 생성이 용이한 성분이고, 코어부가 전리성 방사선의 조사에 의해 라디칼의 생성 및 고분자의 붕괴를 일으키기 어려운 성분인, 코어/시스구조를 가진 섬유에 전리성 방사선을 조사한 후, 시스부에 중합가능한 모노머를 그래프트 중합시킴으로써 제조된 가스 흡착제로서,
    상기 코어부는 코어/시스구조를 가진 섬유에 전리성 방사선을 조사한 후 시스부로의 중합가능한 모노머의 그래프트 중합 후에도 그 섬유로서의 강도를 유지할 수 있는 폴리올레핀 또는 폴리에스테르류로 되고, 상기 시스부가 폴리올레핀류로 되고,
    상기 그래프트 중합 시에 상기 코어/시스구조를 가지는 섬유에서 코어부와 시스부의 계면의 적어도 일부가 박리됨으로써, 시스부에 주름이 생겨서 표면적이 확대되고, 가스처리에 있어서 흡착분리속도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 가스 흡착제.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 중합가능한 모노머가 글리시딜 메타크릴레이트인 것을 특징으로 하는 가스 흡착제.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 코어/시스 구조를 가지는 섬유는 코어에 대한 시스의 중량비가 0.1-10의 범위인 것을 특징으로 하는 가스 흡착제.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 코어부는, 시스부에 대해서, 동심식, 편심식 또는 바다부 또는 매트릭스를 형성하는 시스가 섬부를 형성하는 많은 코어를 산재시키고 있는 해도다도식인 것을 특징으로 하는 가스 흡착제.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 코어/시스 구조를 가지는 섬유가 단일섬유, 직물 또는 부직포, 또는 상기 단일섬유, 직물 또는 부직포의 가공품 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 가스 흡착제.
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