KR100658652B1 - 복합 섬유 - Google Patents
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Abstract
복합 섬유(composite fiber;1,231)는 제1 유기 고분자로부터 만들어진 제1 섬유 성분(11) 및, 제2 유기 고분자와 이산화티탄과 같은 미립자 광촉매(particulate photocatalyst)로부터 만들어진 제2 섬유 성분(12)을 포함한다. 상기 제1 유기 고분자 및 상기 제2 유기 고분자는 폴리리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리아미드, 폴리올레핀, 폴리아크릴레이트, 폴리비닐 알코올, 폴리에틸렌 클로라이드, 폴리에틸렌 플루오라이드, 폴리스티렌, 및 이들의 조합으로부터 독립적으로 선택되어진다.
복합 섬유, 유기 고분자, 광촉매, 섬유 다발, 유체-정화 장치
Description
본 발명의 다른 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 하기의 발명의 상세한 설명에서 명백하게 될것이다.
도 1은 본 발명에 따른 복합 섬유의 제1 바람직한 구현예의 단면도이고 ;
도 2는 본 발명에 따른 복합 섬유의 제2 바람직한 구현예의 단면도이고 ;
도 3은 본 발명에 따른 상기 복합 섬유로부터 형성된 섬유 다발(fiber bundle)를 보여주는 사시도이고;
도 4는 본 발명에 따른 상기 복합 섬유로부터 형성된 텍스쳐가공된(texturized) 섬유를 보여주는 사시도이고;
도 5는 본 발명에 따른 상기 복합 섬유로부터 형성된 페브릭을 보여주는 사시도이고;
도 6은 본 발명에 따른 상기 복합 섬유로부터 형성된 부직포(non-woven fabric)를 보여주는 사시도이고;
도 7은 본 발명에 따른 상기 복합 섬유로부터 형성된 브레이드된 직물(braided fabric)을 보여주는 사시도이고;
도 8은 본 발명의 상기 복합 섬유를 사용한 유체-정화 장치(fluid-cleaning device)의 제1 바람직한 구현예의 개략도이고;
도 9는 본 발명의 상기 복합 섬유로부터 형성된 상기 섬유 다발을 사용한 유체-정화 장치의 제2 바람직한 구현예의 개략도이고; 및
도 10은 도 9에서 X-X 선을 따라 광촉매-함유 섬유 유닛(photocatalyst-containing fiber unit)의 단면도이다.
본 발명은 복합 섬유(composite fier)에 관한 것으로, 보다 상세히 미립자의 광촉매(particulate photocatalyst)를 가진 복합 섬유에 관한 것이다.
현재, 광촉매들의 항생물질적 기능, 오염방지 기능, 공기-정화(air-cleaning) 기능 및 탈취 기능에 주목을 받고 있다. 전술한 기능들은 자외선 또는 태양광에서 광촉매들을 노출시켜 발생된 전자 및 정공(holes)에 의해 실현된다. 이로써 형성된 상기 전자 및 정공은 인접한 산소 및 물과 반응하여 과산화 이온 및 하이드록시 라디칼를 발생시킨다. 유기물과 함께 반응시, 하이드록시 라디칼은 상기 유기물에서 산화반응을 초래할 것이고, 이로써 유기물의 분해가 생기게된다.
유기물을 분해하기 위한 그것들의 능력으로, 광촉매들은 다양한 분야, 예를 들어 유체-정화 시스템(fluid-cleaning systems)에서 널리 사용되고 있다. 유체-정화 시스템의 종래기술에서, 광촉매는 유체-정화 시스템의 벽 또는 좁은 층의 형태인 필터에 코팅된다. 예를 들어, 미국 특허 제5,790,934호 및 미국 특허 6,063,343호는 광촉매로 코팅된 다수의 날개부(fins)를 포함하는 반응기를 개시했다. 또한, 대만 특허 402162호는 광촉매로 코팅된 다수의 교반날개을 가진 교반 유닛(unit)을 포함한 자외선(UV)/티타늄옥시드 광-산화 장치(photo-oxidation device)를 개시했다. 게다가, 실제 필요조건에 따라, 광촉매들은 유리 구슬, 세라믹, 및 스테인레스강철(stainless steel) 구슬과 같은, 지지 구조(support structure)의 표면에 코팅될 수 있다. 그러나, 반응시간이 증가함에 따라, 다소의 문제점들, 예를 들어, 지지 구조로부터 코팅된 광촉매의 박리(peeling) 및 충분치 않은 자외선의 흡광도로인해 광촉매 효율이 감소하게 된다. 게다가, 코팅된 광촉매의 박리는 워터-정화 시스템(water-cleaning system)에서 훨씬 심각하다. 섬유 또는 페브릭과 같은, 가요성 지지체에 광촉매를 코팅하려는 시도가 있었으나, 상기 박리 문제는 아직도 존재한다. 그러므로, 지지 구조로부터 코팅된 광촉매가 박리되는 것을 방지하는 것이 요구된다.
다른 한편, 최적의 광촉매적 효과를 성취하기 위해서, 폐수속의 유기 물질을 분해하기 위해 워터-정화 장치안의 폐수 내로 광촉매 입자들을 직접적으로 부가하려고 해왔다. 예를 들어, 미국 특허 제 5,174,877호 및 미국 특허 제 5,294,315호는 오염된 유체의 처리를 위한 시스템을 개시한다. 상기 시스템은 상기 오염된 유체 및 광촉매 입자들을 받기위한 반응기 탱크를 포함한다. 시판된 광촉매들의 입자 지름은 수 십에서 수백 나노미터의 범위이기 때문에, 폐수에 광촉매작용 후, 필터를 사용하여 가공 처리한 폐수로부터 광촉매를 분리하는 것이 필요하다. 그러나, 광촉매 입자들은 여과하는 동안 상기 필터의 기공들을 막을수 있다. 그 결과로, 상기 반응은 새로운 필터를 교환하기 위해 멈출것을 요구되어 진다. 그 자체로, 제 조 비용은 상당히 증가되고, 정화 효율은 감소된다. 그러므로, 당해 기술분야에서 상기 광촉매 입자들에 의한 필터의 막힘 현상을 방지할 필요가 있다.
그러므로, 본 발명의 목적은 전술한 종래기술의 결점들을 극복할 수 있는 복합 섬유를 제공하기 위함이다.
본 발명에 따른, 복합 섬유는 제1 유기 고분자로부터 만들어진 제1 섬유 성분, 제2 유기 고분자와 미립자의 광촉매로부터 만들어진 제2 섬유 성분을 포함한다.
본 발명에 따른 상기 복합 섬유(composite fiber)는 제1 유기 고분자로부터 만들어진 제1 섬유 성분, 및 제2 유기 고분자와 미립자의 광촉매(particulate photocatalyst)로부터 만들어진 제2 섬유 성분을 포함한다. 상기 미립자의 광촉매는 상기 제2 유기 고분자를 분산시킨다.
상기 제1 유기 고분자 및 상기 제2 유기 고분자는 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리아미드, 폴리올레핀, 폴리아크릴레이트, 폴리비닐 알코올, 폴리에틸렌 클로라이드, 폴리에틸렌 플루오라이드, 폴리스티렌, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택된다. 만약 좋은 빛 투과율(transmittance)을 가진 광학 고분자, 즉 플루오로폴리머, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리카보네이트, 및 폴리스티렌이 상기 제1 유기 고분자 및 상기 제2 유기 고분자로 사용된다면, 상기 광촉매의 반응성을 촉진시킬 수 있다. 바람직하게, 상기 제1 유기 고분자 및 상기 제 2 유기 고분자는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 또는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)이다.
도 1은 본 발명에 따른 상기 복합 섬유(1)의 제1 바람직한 구현예를 도시한다. 이 구현예에서, 상기 제1 섬유 성분(11) 및 상기 제2 섬유 성분(12)은 사이드-바이-사이드(side-by-side) 배열로 공압출된다(co-extruded). 상기 제1 섬유 성분(11)은 20 내지 80 부피% 범위의 양으로 표시되고, 상기 제2 섬유 성분(12)은 20 내지 80 부피% 범위의 양으로 표시된다. 바람직하게, 상기 제1 섬유 성분(11) 및 상기 제2 섬유 성분(12)의 각각은 50 부피%의 양으로 표시된다.
도 2는 본 발명에 따른 상기 복합 섬유(1)의 제2 바람직한 구현예를 도시한다. 이 구현예에서, 상기 제1 섬유 성분(11) 및 상기 제2 섬유 성분(12)는 심초형(core-and-sheath) 배열로 공압출된다. 상기 제1 섬유 성분(11)는 상기 코어(core)부를 정의하고, 상기 제2 섬유 성분(12)는 상기 시스(sheath)부를 정의한다. 상기 제1 섬유 성분(11)은 40 내지 90 부피% 범위의 양으로 표시되고, 상기 제2 섬유 성분(12)은 10 내지 60 부피% 범위의 양으로 표시된다. 바람직하게, 상기 제1 섬유 성분(11)은 70 내지 90 부피% 범위의 양으로 표시되고, 상기 제2 섬유 성분(12)은 10 내지 30 부피% 범위의 양으로 표시된다. 위에서 언급된 상기 범위는 예시적이고, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 특히, 상기 제2 섬유 성분(12)의 함유량은 상기 제1 섬유 성분(11)의 표면적를 완전히 덮기 위해 충분한 양이다.
나아가, 사용된 상기 광촉매는 이산화티탄(TiO2), 산화아연(ZnO), 산화주석 (SnO), 산화텅스텐(WO), 산화제이철(Fe2O3) 등과 같은, 제품으로 시판된다. 상기 미립자의 광촉매의 직경은 실제 필요조건에 따라 변화시킬 수 있다. 상기 제2 유기 고분자에 분산시킨 상기 광촉매는 아나타제 결정의 형태인 이산화티탄인것이 바람직하다. 상기 광촉매의 직경은 10 ㎚ 내지 900 ㎚, 바람직하게 10 ㎚ 내지 500 ㎚, 및 더 바람직하게 10 ㎚ 내지 200 ㎚, 가장 바람직하게 10 ㎚ 내지 100 ㎚의 범위이다.
본 발명에 따른 상기 복합 섬유(1)의 단면의 직경, 길이, 및 모양은 실제 필요조건따라 변화시킬 수 있다. 상기 복합 섬유(1)의 단면의 직경은 5 ㎛ 내지 2 ㎜, 및 바람직하게 10 내지 100 ㎛의 범위이다. 상기 섬유 복합(1)의 길이는 1 ㎜ 내지 80 ㎜의 범위이다.
도 3 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 상기 복합 섬유는 섬유 조립체(assemblies), 예컨대 섬유 다발(fiber bundle), 벌키형 섬유(bulky fibers), 페브릭, 부직포 및 브레이드된 직물(braided fabric)과 같은 것으로 더 가공되어질 수 있다.
섬유 다발은 상기 복합 섬유를 조립하는 단계, 고정 단계 및 절단 단계에 의해 형성되어진다. 벌키 섬유는 상기 복합 섬유를 권축하는 단계(crimping), 조립하는 단계, 고정하는 단계 및 절단 단계에 의해 생산되어진다. 부직포는 개구하는 단계(opening), 소면하는 단계(carding), 래핑하는 단계(lapping) 및 압밀(consolidation)하는 공정을 통해 제조되어진다. 도 6에서 나타난 바와 같이, 이로 써 형성된 상기 부직포는, 예컨대 더 강한 부직포를 얻기위해 요구된 크기로 자르고 난 다음에 결합시켜서, 더 구조적으로 강화시킬 수 있다. 브레이드된 직물은 브레이드하는(braiding) 공정 및 절단 공정에 의해 생산되어진다.
도 8은 본 발명에 따른 유체-정화 장치(fluid-cleaning device), 즉 워터-정화 장치(water-cleaning device;2)의 제1 바람직한 구현예를 도시한다. 상기 워터-정화 장치는, 가공처리된 폐수를 수용하기 위한 반응기 유닛(unit;21); 상기 복합 섬유를 포함하고 가공처리된 폐수에 접촉시키기 위한 상기 반응기 유닛(21)에 배치된 광촉매 유닛(23); 및 상기 미립자의 광촉매를 활성화하기 위해 상기 광촉매 유닛(23)에 조사(照射)하는 광 유닛(22)를 포함한다.
상기 반응기 유닛(21)은 입구(211) 및 출구(212)를 포함한다. 상기 라이트(light) 유닛(22)은 자외선 램프(UV lamp;221)를 제공하게되고, 상기 반응기 유닛(21)의 두 대향하는 면에 각각 배치되어진다. 상기 광촉매 유닛(23)의 상기 복합 섬유(231)는 상기 반응기 유닛(21)에서 자유롭게 부유되어진다.
상기 워터-정화 장치(2)는 상기 반응기 유닛(21)에서 폐수를 교반하기 위한 상기 입구(211)에 가까운 교반 유닛(24)를 더 포함함으로써, 폐수와 상기 복합 섬유(231)의 사이의 접촉을 강화시키기 위함이다. 게다가, 상기 워터-정화 장치(2)는 상기 출구(212)를 통해 상기 처리된 물을 배출하기 전에 상기 가공 처리된 물로부터 상기 복합 섬유(231)를 분리하기 위한 필터(25)를 더 포함한다.
작동 중에, 정화된 폐수는 상기 광촉매 유닛(23)의 상기 복합 섬유(231)에 접촉시키기 위해 상기 입구(211)를 통해 상기 반응기 유닛(21) 내로 도입된다. 상 기 라이트 유닛(22)에 의해 발생된 자외선(UV light)은 상기 복합 섬유(231)에서 광촉매를 활성화하기 위해 상기 반응기 유닛(21)내로 인도된다. 반응 후, 상기 정화된 물은 상기 필터(25)에 의해 상기 복합 섬유(231)로부터 분리되고, 상기 출구(212)를 통해 반응기 유닛(21)으로부터 배출된다.
도 9는 본 발명에 따른 유체-정화 장치, 즉 워터-정화 장치(3)의 제2 바람직한 구현예를 도시한다. 상기 워터-정화 장치(3)는, 가공처리된 폐수를 수용하기 위한 반응기 유닛(31); 가공처리된 폐수에 접촉하기 위해 상기 반응기 유닛(31)에 배치되고 하기에 기술된 실시예 2로부터 얻게된 섬유 다발(331)(도 10을 본다)을 포함하는 광촉매-함유 섬유(photocatalyst-containing fiber) 유닛(33); 및 상기 미립자의 광촉매를 활성화하기 위한 상기 광촉매-함유 섬유 유닛(33)을 조사하는 광 유닛(32)를 포함한다.
상기 반응기 단위(31)는 입구(311) 및 출구(321)를 포함한다. 상기 광 유닛(32)은 상기 반응기 유닛(31)의 두 대향면에 배치된 자외선 램프(UV lamp;312)를 포함한다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 다수의 섬유 다발(331)은 평행하게 상기 반응기 유닛(21)에 배열되고 상기 섬유 다발(331)의 두 면에 수지를 사용해서 함께 뷴류되어진다. 상기 광촉매-함유 섬유 유닛(33)은 상기 광촉매-함유 섬유 유닛(33)의 상기 섬유 다발(331)내로 상기 광 유닛(32)의 상기 자외선 램프(321)로부터 조사된 빛을 인도하기 위해 섬유 다발(331)의 두 측면에 광 유도 표면(light guiding surface : 333)을 제공한다.
상기 워터-정화 장치(3)는 상기 반응기 유닛(31)에 폐수를 교반하기 위한 상 기 입구(311)의 가까이에 교반 유닛(34)를 더 포함한다.
광촉매을 가한 상기 복합 섬유는 공기 또는 물을 정화하게 하기 위해 사용된다. 본 발명에서, 물은 도시를 위한 실시예로서 사용된다.
(실시예 1)
제1 성분으로서 폴리에틸렌 테레프탈레이트 70 부피% 및 제2 성분으로서 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 산화 티타늄의 혼합물(99 : 1 중량%)의 30 부피%를 이성분 방사 공정에 투입하여 0.2 ㎜의 직경을 가진 복합 섬유를 얻었다. 이로써 형성된 상기 복합 섬유는 5 ㎜ 길이로 잘랐다.
이어서 상기 수득한 복합 섬유를 20 ml의 10 ppm 메틸렌 블루 용액에서 분산시겼고, 자외선을 조사하여 멜틸렌 블루 용액의 색깔이 변하는 것을 관찰하였다. 18시간의 반응 후, 상기 메틸렌 블루 용액의 색상은 파란색에서 무색으로 변화하였다. 이로써 상기 복합 섬유가 광촉매적 효과를 나타내는 것임이 명백하다.
(실시예 2)
제1 성분으로서 폴리메틸메타크릴레이트 80 부피% 및 제2 성분으로서 폴리메틸메타크릴레이트와 산화티타늄의 혼합물(99 : 1 중량%)의 20 부피%를 이성분 방사 공정에 투입하여 0.2 ㎜의 직경을 가진 섬유 복합재료를 얻었다. 이로써 수득한 복합 섬유를 10 ㎝ 길이의 섬유 다발을 형성하기 위해 번들링(bundling) 공정 및 절단 공정에 필요하였다.
이어서 상기 수득한 복합 섬유를 20 ml, 10 ppm 메틸렌 블루 용액에서 분산시켰고, 자외선을 조사하여 메틸렌 블루 용액의 색상이 변하는 것을 관찰하였다. 20시간의 반응 후, 메틸렌 블루 용액의 색상은 파란색에서 무색으로 변화하였다. 이로써 상기 복합 섬유가 광촉매적 효과를 나타내는 것임이 명백하다.
본 발명의 상기 복합 섬유의 상기 제2 섬유 성분은 광촉매 및 제2 유기 고분자를 제1 혼합하는 단계에 의해 형성되고, 동시에 상기 혼합물을 압출시키는 것이므로, 폐수 처리동안 종래 기술분야에 관련된 전술한 박리 문제는 제거될 수 있다.
본 발명이 가장 실용적이고 바람직한 구현예로 간주된 것과 연결하여 기술되어지는 경우, 본 발명은 개시된 구현예들로 제한하고자 하는 것이 아니지만, 다양한 해석 및 균등한 배열의 내용 및 범위 내에 속한 다양한 배열을 보호하려 한다.
Claims (11)
- 복합 섬유(composite fiber;1,231)로서,제1 유기 고분자로부터 만들어진 제1 섬유 성분(11); 및제2 유기 고분자와 미립자 광촉매(particulate photocatalyst)로부터 만들어진 제2 섬유성분(12)을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 섬유.
- 제1항에 있어서,상기 미립자 광촉매는 상기 제2 유기 고분자내에 분산되는 것을 특징으로 하는 복합 섬유(1,231).
- 제1항에 있어서,상기 제1 섬유 성분(11) 및 상기 제2 섬유 성분(12)은 사이드-바이-사이드(side-by-side) 배열로 공압출(co-extruded)되는 것을 특징으로 하는 복합 섬유(1,231).
- 제1항에 있어서,상기 제1 섬유 성분 및 상기 제2 섬유 성분은 심초형(core-and-sheath) 배열로 공압출되는 것을 특징으로 하는 복합 섬유(1,231).
- 제1항에 있어서,상기 제1 유기 고분자 및 상기 제2 유기 고분자는 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리아미드, 폴리올레핀, 폴리아크릴레이트, 폴리비닐 알코올, 폴리에틸렌 클로라이드, 폴리에틸렌 플루오라이드, 폴리스티렌, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되는 것을 특징으로 하는 복합 섬유(1,231).
- 제5항에 있어서,상기 제1 유기 고분자 및 상기 제2 유기 고분자는 폴리에틸렌 테레프탈레이트인 것을 특징으로 하는 복합 섬유(1,231).
- 제5항에 있어서,상기 제1 유기 고분자 및 상기 제2 유기 고분자는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)인 것을 특징으로 하는 복합 섬유(1,231).
- 제1항에 있어서,상기 광촉매는 상기 제2 섬유 성분(12)의 0.5 내지 8 중량% 범위의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 복합 섬유(1,231).
- 제1항에 있어서,상기 미립자 광촉매는 이산화티탄인 것을 특징으로 하는 복합 섬유(1,231).
- 제1항에 있어서,상기 미립자 광촉매의 직경은 10 ㎚ 내지 100 ㎚ 범위인 것을 특징으로 하는 복합 섬유(1,231).
- 제1항에 있어서,상기 복합 섬유(1,231)는 5㎛ 내지 2 ㎜ 범위인 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 복합 섬유(1,231).
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