KR100455664B1

KR100455664B1 - 은 표면처리된 활성탄소섬유 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR100455664B1
Application number: KR10-2001-0077899A
Authority: KR
Inventors: 박수진; 이재락; 장유신
Original assignee: 한국화학연구원
Priority date: 2001-12-10
Filing date: 2001-12-10
Publication date: 2004-11-06
Also published as: KR20030052257A

Abstract

본 발명은 항균 특성이 우수한 활성탄소섬유의 제조방법에 관한 것으로, 활성탄소섬유를 0.5 내지 10%의 질산은 용액에서 침지처리하고 산화분위기 또는 비산화분위기에서 건조시키는 것을 포함하는 본 발명의 방법에 따르면, 종래 방법에 의해 제조된 활성탄소섬유에 비해 비표면적이 그대로 유지할 수 있으며, 그람음성균인 대장균과 그람양성균인 포도상구균 모두에서 강한 항균활성을 가질 수 있다.

Description

은 표면처리된 활성탄소섬유 및 이의 제조방법{ACTIVATED CARBON FIBER HAVING SILVER PARTICLES ON THE SURFACE THEREOF, AND PREPARATION PROCESS THEREFOR}

본 발명은 항균활성을 갖는 활성탄소섬유 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 은 표면처리에 의해 향상된 항균성을 갖는 활성탄소섬유 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

현대산업의 급속한 발달에 따라 환경오염에 대한 관심이 집중되고 있는 가운데, 활성탄소섬유(activated carbon fibers; ACFs)는 넓은 비표면적을 가지고 있어 흡착 용량이 크며, 발달된 미세공이 세공 표면에 노출되어 있어 흡착속도가 빠른 장점을 가지고 있기 때문에 오염물질의 제거 능력이 높을 뿐만 아니라 경제적, 환경 친화적인 측면에서도 유리한 것으로 알려져 있다. 특히, 활성탄소섬유는 안정성과 재생성이 좋고, 섬유상이기 때문에 가공이 용이하여 직포, 부직포, 시이트(sheet) 등의 형태로 만들어져 용매 회수, 공업제품의 정제, 오·폐수의 정수 처리시설, 소각시설의 유해 배기가스의 흡착 및 제거 장치 등에 널리 사용되고 있다.

각종 유·무기 오염원에 대해서 뿐만 아니라 세균 및 미생물로 오염된 기체나 액체는 활성탄소섬유 층을 통과하면서 상기 오염 물질이 고체 상태로 탄소 표면에 부착되는데, 표면에서 일어나는 이러한 현상을 흡착이라 하며, 이 흡착 성능은 활성탄소섬유의 기공 구조, 표면적, 입자 크기, 표면 에너지 등에 의해 결정된다고 알려져 있다. 활성탄소섬유에 흡착된 오염물질 중 세균과 같은 미생물들은 활성탄소섬유 자체를 2차 오염원으로 만들 수 있기 때문에 최근에는 활성탄소섬유의 항균처리에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

활성탄소섬유 또는 점토에 항균활성을 도입하기 위한 방법으로, 은(Ag)과 같은 금속 및 세틸피리디늄(cetylpyridinium) 등과 같은 4급 암모늄염을 사용하는 방법이 있다. 이들 중에서, 은(Ag)은 의학계에서 오랫동안 항생물질로 이용되어 왔으며, 여러 보고서에서 진핵생물(eukaryote)의 세포에 대해서는 거의 독성을 나타내지 않으나 원핵생물(prokaryote)에 대해서만 선택적인 독성을 나타내는 것으로 보고되고 있다. 따라서, 은(Ag)은 활성탄소섬유의 항균성 도입에 이용할 수 있는 적합한 소재이다.

활성탄소섬유에 Ag을 도입하기 위한 종래 방법으로서, 활성탄소섬유를 전구체 상태에서 초산은(silver acetate)이나 질산은(silver nitrate)과 같은 Ag 화합물과 혼합하고, 탄화 및 활성화 과정을 거쳐, Ag이 함유된 활성탄소섬유를 제조하는 방법이 있으며, 이는 활성과정에서 어느 정도 기공의 구조를 제어할 수 있다(A. Oya 등,Carbon,31,71, 1993). 예를 들면, 석유피치(pitch)나 페놀수지에 초산은이나 질산은을 섞어 안정화 단계를 거쳐 탄화시킨 후, 최종적으로 활성화시켜 은을 함유한 활성탄소섬유를 제조하는 것이다. 그러나, 세균의 크기가 일반적으로 0.2 내지 80㎛ 정도인 것을 고려할 때, 상기 방법으로 제조된 활성탄소섬유는 항균활성은 가지지만 항균활성에 기여하지 못하는 기공내부나 섬유 속에도 상당한 양의 Ag이 존재하기 때문에 Ag의 낭비가 심한 단점이 있다.

이에 따라, 본 발명의 목적은 제조 완료된 활성탄소섬유를 질산은(AgNO₃) 용액에 침지처리함으로써, 섬유의 기공내부나 섬유 속에 존재하는 Ag의 함량을 최소화하고 Ag이 섬유 표면의 외부로 돌출된 형태를 유지하여 균과의 접촉을 증가시켜 항균활성이 우수한 활성탄소섬유를 제공하기 위한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른, 질산은 침지에 의한 은이 함유된 활성탄소섬유 표면의 전자현미경 사진이고,

도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 실시예 1-4 및 실시예 5-8에 따른, 은이 함유된 활성탄소섬유를 이용한 대장균에 대한 항균활성시험 결과 도면이고,

도 4 및 도 5는 각각 본 발명의 실시예 1-4 및 실시예 5-8에 따른, 은이 함유된 활성탄소섬유를 이용한 포도상구균에 대한 항균활성시험 결과 도면이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 통상의 방법에 의해 제조 완료된 일반 활성탄소섬유를 질산은 용액에 침지처리하고, 산화 또는 비산화 분위기에서 건조시키는 단계를 포함하는, 항균 특성이 우수한 활성탄소섬유의 제조방법을 제공한다.

본 발명에서는 일반 활성탄소섬유를 사용하는 것이 바람직하며, 특히, 흡착이 일어나는 활성화 자리를 상당량 유지하면서 외부로 노출된 항균 활성 자리를 형성시키기 위하여, 반경이 약 0.3 내지 0.5 nm 인 미세기공을 가지며, 1700 m²/g 이상의 높은 비표면적을 갖는 활성탄소섬유가 더욱 바람직하다. 이와 같이, 고비표면적과 미세기공 구조를 가지는 활성탄소섬유를 사용함으로써 Ag이 기공 속으로 흡착되어 다른 물질의 흡착에 방해가 되는 것을 최소화할 수 있다.

본 발명에서 은(Ag) 시약으로 사용되는 질산은(AgNO₃) 용액의 농도는 0.5 내지 10%가 바람직하다. 상기 농도가 0.5% 보다 낮은 경우에는 침지시간이 오래 소요될 뿐만 아니라 동시에 충분한 항균활성을 발휘할 수 없고, 10% 보다 높은 경우에는 미세기공의 막힘 현상이 발생한다.

상기 활성탄소섬유의 질산은 용액에서의 처리 시간은 5 내지 72 시간이 바람직하다. 처리시간이 5시간 보다 짧으면 충분한 항균활성을 발휘할 수 없고, 72시간 보다 긴 경우에는 미세기공의 막힘 현상이 발생하기 때문에 바람직하지 못하다.

본 발명의 방법에서 질산은 용액에서의 침지처리 후 건조온도는 25 내지 200℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 이때, 건조조건은 산화분위기 또는 비산화분위기가 모두 바람직하며, 개방 또는 밀폐된 공간과 같은 사용 환경에 따라 달라질 수 있다.

본 발명의 방법에 따라, 항균활성에 기여하지 못하는 기공내부나 섬유 속에 존재하는 Ag의 함량을 최소화시킬 수 있다. 또한, 활성탄소섬유의 전구체에 Ag 화합물을 혼합시키는 종래 방법과는 달리, 본 발명에 따라 제조된 활성탄소섬유는 표면에 Ag이 외부로 돌출된 형태를 유지하므로 균과의 접촉을 증가시켜 항균활성이 향상된다.

본 발명에서는 또한 상기 방법에 의해 제조된, 은 표면처리된 활성탄소섬유를 제공한다.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이며 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예

비교실시예 1

전구체 상태의 활성탄소섬유에 질산은을 첨가하여 제조된, Ag이 함유된 활성탄소섬유의 표면의 전자현미경 사진을 도 1a에 나타내었다.

실시예 1

표면처리하지 않은 활성탄소섬유 원료로서 코드멕스(Kothmex)사 제품(TC-66E)을 사용하였다. 상기 활성탄소섬유를 질산은 용액에 침지처리하기 전에, 표면의 불순물을 제거하기 위하여 10 중량% 질산(HNO₃) 용액에서 30분 동안 담가두어 전처리하고 증류수로 충분히 세척한 후, 속슬레(Soxhlet) 장치를 이용하여 아세톤으로 2시간 동안 세척하여 건조시켰다. 증류수에 용해시킨 0.5% 질산은(AgNO₃) 용액에 상기 건조된 활성탄소섬유를 침지시킨 후, 2시간 동안 0.1 mmHg의 압력으로 감압하여 기포를 제거하고 실온에서 72시간 동안 유지하였다. 침지처리 후, 상등액을 제거한 활성탄소섬유는 25℃ (±2℃) 산화분위기(일반대기 또는 산소퍼징)로 건조기에서 48시간 이상 완전히 건조시켜, 은 함유 항균 활성탄소섬유를 제조하였다.

표면 비처리된 활성탄소섬유 및 상기 제조된 항균 활성탄소섬유의 표면의 전자현미경 사진을 도 1b 및 도 1c에 나타내었다. 도 1c로부터, 활성탄소섬유의 외부로 돌출된 은 입자를 확인할 수 있으며, 도 1a에 도시된 활성탄소섬유에 비해 훨씬 많은 양의 은 입자가 돌출되어 있음을 볼 수 있다.

실시예 2 내지 8

질산은 용액의 농도, 침지시간, 침지 후 건조온도 및 건조조건을 하기 표 1에 기재된 대로 수행한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 절차에 의해 은 표면처리된 항균 활성탄소섬유를 제조하였다.

	AgNO₃농도(%)	침지시간(hrs)	건조온도(℃)	건조조건
실시예	1	0.5	72	25(±2)	산화분위기
	2	2.0	72	150(±2)	산화분위기
	3	5.0	48	150(±2)	산화분위기
	4	10.0	48	200(±2)	산화분위기
	5	0.5	24	150(±2)	비산화분위기
	6	2.0	24	150(±2)	비산화분위기
	7	5.0	5	200(±2)	비산화분위기
	8	10.0	5	200(±2)	비산화분위기

상기 실시예 1 내지 8에서 제조된 활성탄소섬유의 항균활성 및 비표면적을 각각 다음과 같이 측정하였다.

1. 항균활성 측정

항균 활성탄소섬유의 항균활성을 평가하기 위하여 다음과 같이 시험하였다. 평판 한천 배지에 배양된 대장균(E. coli) 및 포도상구균(S. aureus)을 10 ㎖의 LB 배지(broth)에 접종하고 37℃에서 24 시간동안 회전 배양기에서 배양시킨 후, 미생물 배양액을 630 nm에서 흡광도가 약 0.2가 되도록 LB 배지에 희석하여 항균활성 시험에 사용하였다. 활성탄소섬유의 항균활성 시험은 100 ㎖의 미생물 배양액에 은 침지처리한 활성탄소섬유 0.2 g을 넣어 37℃에서 24시간 동안 배양하면서 9, 11, 14, 16, 18, 그리고 21 시간째에 630 nm에서 흡광도를 측정하였으며, 혼탁 정도로부터 증식억제 효과를 각각 비교할 수 있었다.

상기 실시예 1-4 및 실시예 5-8에서 제조된 항균 활성탄소섬유의 대장균에 대한 항균활성시험 결과를 각각 도 2 및 도 3에 도시하였고, 포도상구균에 대한 항균활성시험 결과를 각각 도 4 및 도 5에 도시하였다.

도 2 내지 도 5로부터, 질산은 용액에서 침지처리되지 않은 활성탄소섬유에 비해, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 항균 활성탄소섬유는 미생물 증식억제능이 2배 가량 증가되었음을 알 수 있다.

2. BET 비표면적 측정

시료 약 0.1g을 채취하여 573K에서 시료내 잔류 압력이 10^-3mmHg 이하로 될 때까지 약 9∼12시간 동안 탈기(degassing) 시킨 후 77K의 액체 질소 분위기하에서 질소기체를 흡착질로 하여 질소기체의 흡착량을 측정한다. N₂등온흡착시험 후, P/P_o(여기서, P는 부분압력, P_o는 포화증기압)가 약 0.05∼0.3 정도의 부분까지는 흡착량에 대해서 직선의 기울기를 나타내며, 이것으로부터 BET 비표면적(m²/g)을 계산한다.

상기 실시예 1 내지 8에서 제조된 항균 활성탄소섬유의 BET 비표면적을 상기와 같이 측정한 후, 각 측정값의 평균치로서 하기 표 2에 나타내었다.

	BET 비표면적(m²/g)
미 처 리	1740
실시예	1	1450
	2	1360
	3	1095
	4	938
	5	1505
	6	1430
	7	1418
	8	1370

상기 표 2로부터, 실시예 1 내지 8에서 제조된 항균 활성탄소섬유의 BET 비표면적은, 질산은 용액으로 미처리된 활성탄소섬유에 비해 비표면적의 큰 감소없이 거의 그대로 유지할 수 있음을 알 수 있다.

본 발명의 방법에 따라 제조된 항균 활성탄소섬유는 질산은 용액에서 침지처리함으로써, 높은 비표면적을 거의 그대로 유지하고 외부로 돌출된 Ag 입자를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 그람음성균인 대장균과 그람양성균인 포도상구균 모두에서 강한 항균활성을 나타낸다.

Claims

섬유상 활성탄소를 질산용액으로 전처리한 후, 0.5 내지 10%의 질산은 용액에 침지처리하고 건조시키는 것을 포함하는, 은 표면처리된 활성탄소섬유의 제조방법.
제1항에 있어서,

질산은 용액에서의 침지시간이 5 내지 72 시간임을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,

건조 온도가 25 내지 200℃임을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,

건조 공정이 산화분위기 또는 비산화분위기에서 수행됨을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,

섬유상 활성탄소가 반경이 약 0.3 내지 0.5 nm인 미세기공을 가지며, 비표면적이 1700 m²/g 이상임을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된, 은 표면처리된 활성탄소섬유.