KR100842067B1 - 브레이드 강화 중공사막 - Google Patents

Abstract

본 발명은 브레이드 강화 중공사막에 관한 것으로, 관상의 브레이드 표면에 활성층을 형성한 중공사막에 있어서, 상기 브레이드를 금속선과 고분자 섬유를 혼합하여 편조한 데 그 특징이 있으며, 본 발명에 의하면, 막의 내압성으로 인하여 고압 하에서의 분리공정에 중공사막을 사용할 수 있고, 막의 치수안정성으로 인하여 고온 하에서의 유기용매 분리에 중공사막을 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 막의 전도성으로 인하여 중공사막을 다양한 응용분야에 적용할 수 있는 효과가 있다.

브레이드, 고분자 섬유, 금속선, 중공사막, 전도성

Description

브레이드 강화 중공사막{HOLLOW FIBER MEMBRANE REINFORCED WITH BRAID}

도 1a는 본 발명에 따른 브레이드 강화 중공사막의 제1실시 예에 대한 부분절개 사시도이다.

도 1b는 도 1a에 도시된 브레이드 강화 중공사막의 단면도이다.

도 1c는 도 1a에 도시된 브레이드 편조시 금속선 보빈 및 고분자 섬유 보빈의 배치도이다.

도 2a는 본 발명에 따른 브레이드 강화 중공사막의 제2실시 예에 대한 부분절개 사시도이다.

도 2b는 도 2a에 도시된 브레이드 강화 중공사막의 단면도이다.

도 2c는 도 2a에 도시된 브레이드 편조시 금속선 보빈 및 고분자 섬유 보빈의 배치도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 활성층 막 3 : 금속선

5 : 고분자 섬유 7 : 금속선 보빈(bobbin)

9 : 고분자 섬유 보빈 11 : 보빈 캐리어(bobbin carrier)

본 발명은 브레이드 강화 중공사막에 관한 것으로, 더 상세하게는 금속선과 고분자 섬유를 혼합 편조하여 관상의 브레이드를 만들고, 그 외면에 활성층을 형성함으로써, 중공사막을 고압의 액체 또는 고온의 유기 용매성 액체에도 사용할 수 있게 한 금속선 혼조 브레이드 강화 중공사막에 관한 것이다.

중공사막을 고압 하에서 사용하기 위해서는 외압에 대한 막의 기계적 안정성을 확보하여야 하고, 중공사막을 고온의 유기 용매성 액체에 사용하기 위해서는 막의 치수안정성이 요구된다. 외압에 대한 막의 안정성을 높이기 위해서 막의 두께를 높이고 또한 기공율을 낮출 수 있는 데, 이는 막을 통한 액체의 투과 속도를 느리게 하는 새로운 문제를 야기한다. 따라서, 관상(管狀)의 브레이드(braid)로 중공사막의 활성층 막을 강화하는 시도가 다양하게 이루어지고 있다.

종래, 폐수 처리 및 생물학적 막 반응공정 등, 주로 상온 하에서 비용매성 용액을 처리하는 막 분리 공정에 사용되는 중공사막은 고분자 섬유만을 사용하여 관상으로 브레이드(braid)를 편조하고 그 외표면에 활성층 막을 형성하였다. 이 브레이드의 편조에 사용되는 고분자 섬유로는 일반적으로 폴리에스터, 나일론, 아라미드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 섬유가 사용되며, 사용 용도에 따라 이 가운데 적절한 고분자 섬유 재료가 선정된다. 고온의 분리막 공정에 사용되는 중공사형 분리막의 브레이드 제조에는 유리 섬유가 사용되기도 한다. 브레이드의 두께 및 내경은 사용되는 섬유의 종류, 얀(yarn)를 구성하는 단위 필라멘트(unit filament)의 굵기(데니아: Denier), 필라멘트의 개수 그리고 편조에 사용되는 얀의 가닥 수에 따라 결정된다.

상술한 종래의 고분자 섬유 브레이드 강화 중공사막은 막의 길이 방향으로의 부하에 대한 특성, 즉, 막의 인장 강도는 매우 우수하나, 막 표면에 수직으로 작용하는 부하, 즉 지름방향의 압력에 대하여는 그 저항성(내압성)이 매우 취약하여 지름 방향의 압력이 커지면 막이 원래의 형태성을 잃기 쉬운 문제점이 있다. 예로서, 고분자 섬유 브레이드 강화 중공사막이 20 기압 이상 압력의 역삼투압 막 분리 공정에 사용될 경우 활성층 막이 원형 단면의 관 형상을 유지하지 못하고 압력에 의해 그 단면 형태가 찌그러진다.

일반적으로, 고분자 소재로 된 활성층 막이 고온의 유기 용매에 대해 치수안정성을 갖기는 매우 어렵다. 그런데, 상술한 종래의 고분자 섬유 브레이드 강화 중공사막은 고온의 유기 용매성 액체 하에서 활성층 막 뿐만 아니라 브레이드 자체의 치수 도 함께 변화한다. 이처럼, 치수안정성이 상실되면, 브레이드와 활성층간의 계면에 상당한 응력이 발생하여 활성층 막에 손상을 초래하는 문제점이 있다.

결국, 종래의 고분자 섬유 브레이드 강화 중공사막은 저압, 상온, 비용매성 액체에는 사용에 문제가 없으나, 고압의 액체 또는 고온의 유기 용매성 액체에는 사용하기 어려운 단점이 있는 것이다.

따라서, 강화재로 사용되는 브레이드에 활성층의 막이 도포되어 있고, 이 브레이드가 기계적 부하(고압)뿐 아니라 고온의 유기용매 노출에 따른 치수변화를 주로 감당하기 때문에, 중공사막의 형태안정성이나 치수안정성을 위해서는 브레이드의 개선이 요구되는 것이다.

상술한 종래 고분자 섬유 브레이드 강화 중공사막의 문제점을 해결하고 안출된 본 발명은 고압의 액체에서도 내압성이 커서 막의 형태가 유지될 수 있고, 고온의 유기 용매성 액체에서도 막의 치수 변화가 없어 막의 치수안정성을 확보할 수 있는 브레이드 강화 중공사막을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 막에 전도성을 부여함으로써 다양한 분야에 응용할 수 있는브레이드 강화 중공사막을 제공하는 데 있다.

상술한 목적을 달성하고자 하는 본 발명은 관상의 브레이드 표면에 활성층을 형성한 중공사막에 있어서, 상기 브레이드를 금속선과 고분자 섬유를 혼합하여 편조한 데 그 특징이 있다.

상기 금속선은 구리선, 니켈선, 스테인레스스틸선, 주석선 또는 니크롬선 가운데서 선택한 1 또는 2 이상의 금속선인 것이 바람직하다. 또한, 상기 금속선의 직경은 0.05mm-0.40 mm인 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 고압 액체에서 사용할 중공사막은 특히 기계적 안정성을 요구하고, 고온 유기용매에서 사용할 중공사막은 특히 치수안정성을 요구한다. 활성층 막자체의 기계적 강도나 치수안정성을 확보하기는 어렵고, 고분자 섬유 브레이드만으로 활성층을 보강하여서는 고압, 고온 및 유기용매 접촉에 취약점이 있기 때문에 브레이드의 물성을 보완할 필요가 있다. 이런 관점에서 고분자 섬유에 비해 금속선은 기계적 특성이 월등히 우수할 뿐 아니라 내열성 및 유기용매 접촉시 유기용매 액체와 친화성이 없으므로 치수안정성 매우 우수하다. 브레이드 구성 고분자 섬유 의 일부를 금속선으로 대체할 경우, 브레이드의 압력, 온도 및 유기용매접촉에 대한 안정성은 주요 강화재인 금속선에 의해 결정이 된다. 결과적으로 금속선과 고분자 섬유로 혼조하여 제조한 브레이드는 고온, 고압, 또는 유기용매 접촉조건 하에서도 매우 안정하여 이런 브레이드로 강화된 막 또한 안정할 수 밖에 없는 것이다.

금속선과 고분자 섬유를 혼조하여 브레이드를 제조할 경우, 금속선의 비율이 높아짐에 따라 브레이드의 기계적특성과 치수안정성은 우수해지나 브레이드 자체가 뻣뻣해져서 활성층 막도포시, 또한 모듈제작시 취급성이 나빠진다. 반대로 그 비율이 낮아질 때 브레이드의 유동성은 커져서 취급성이 좋으나, 기계적 특성과 치수안정성은 취약해진다. 따라서, 편조에 사용되는 금속선 가닥 수는 편조에 사용되는 전체 편조사(編造絲) 수의 5-30%인 것이 바람직하다. 필요에 따라 금속선을 고분자 섬유와 합사하거나 또는 금속선만 보빈에 감아 편조에 사용할 수가 있는데 금속선만 보빈에 감을 때에 고분자 섬유와 합사하여 감을 때보다 굵기가 더 큰 금속선을 사용해야 한다. 금속선으로 단일금속선을 사용하거나, 얇은 금속선 2-5개를 합사하여 단일 가닥으로 만든 집합 금속선을 사용한다.

상기 고분자 섬유는 폴리에스터, 나일론, 아라미드, 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌의 섬유 가운데 선택되는 것이 바람직하다. 상기 고분자 섬유는 100-500 데니아(denier) 굵기의 단일 필라멘트의 섬유가 10-400 가닥 합쳐진 얀(yarn)을 사용할 수도 있다.

상기 브레이드 편조에는 10-80가닥의 편조사(고분자 섬유 및 금속선)를 사용하는 것이 바람직하다.

상술한 구성을 갖는 본원 발명의 브레이드의 외면에는 다공성 정밀여과막(microfiltration membrane) 또는 한외여과막(ultrafiltration membrane)을 활성층 막으로 형성할 수 있다. 다공성 정밀여과막(microfiltration membrane) 또는 한외여과막(ultrafiltration membrane)은 폴리설폰, 폴리이서설폰, 폴리이미드, 폴리이서이미드, 폴리아크릴로나트릴, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리브틸렌테레프탈레이트, 나일론, 폴리페닐설파이트, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 가운데서 선택된 고분자를 각각의 용매에 녹이거나 또는 고온에서 희석제와 섞어 균일한 용액으로 만들고 이를 상기 브레이드 위에 도포한 후 공지의 확산유도 상분리법(diffusion-induced phase separation) 또는 열유도 상분리법(thermal-induced phase separation)에 의해 일정두께로 형성한다.

상기 다공성 정밀여과막 또는 한외여과막 위에는 박막의 활성층이 도포된 복합막 형태의 나노투과막(nanofiltration membrane), 역삼투압막(reverse osmosis membrane), 증기투과막(vapor permeation membrane), 투과증발막(pervaporation membrane) 도는 기체투과막(gas separation membrane)을 더 형성할 수도 있다.

이와 같이 제조된 중공사막은 고압의 액체 또는 고온 유기 용매에 사용하더라도 우수한 형태 안정성 및 치수 안정성을 유지한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 브레이드 강화 중공사막의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

도 1a은 본 발명에 따른 브레이드 강화 중공사막의 제1실시 예에 대한 부분절개 사시도를, 도 1b는 도 1a에 도시된 브레이드 강화 중공사막의 단면도를, 도 1c는 도 1a에 도시된 브레이드 편조시 금속선 보빈 및 고분자 섬유 보빈의 배치도를, 도 2a은 본 발명에 따른 브레이드 강화 중공사막의 제2실시 예에 대한 부분절개 사시도를, 도 1b는 도 1a에 도시된 브레이드 강화 중공사막의 단면도를, 도 1c는 도 1a에 도시된 브레이드 편조시 금속선 보빈 및 고분자 섬유 보빈의 배치도를 각각 나타낸다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 제1실시 예는 금속선(3) 2가닥과 고분자 섬유(5) 34가닥을 혼합하여 브레이드를 편조한 후 그 외표면에 활성층(1)을 형성한 브레이드 강화 중공사막이고, 도 2a 및 도 2b에 도시된 제2실시 예는 금속선(3) 4가닥과 고분자 섬유(5) 32가닥을 혼합하여 브레이드를 편조한 후 그 외표면에 활성층(1)을 형성한 브레이드 강화 중공사막이다.

도 1a 및 도 1b 또는 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명에 따른 중공사막은 고압의 액체에서도 내압성을 갖게 하고 고온의 유기 용매성 액체에서도 막의 치수 변화가 없게 하기 위하여 고분자 섬유(5)의 일부를 금속선(3)으로 대체하여 브레이드를 편조한 데 그 특징이 있다.

도 1a 및 도 1b 또는 도 2a 및 도 2b에는 고분자 섬유의 단일 가닥이 단일 필라멘트로 구성되고, 금속선의 단일 가닥이 단일금속선으로 구성된 경우를 예시적으로 도시하였지만, 상술한 바와 같이, 고분자 섬유로 얀(yarn)을 사용할 수도 있고, 금속선으로 집합 금속선을 사용할 수도 있다.

도 1c 또는 도 2c를 참조하면, 브레이드의 두께는 고분자 섬유 가닥의 굵기와 금속선 가닥의 굵기에 의하여 결정된다. 또한 균일한 두께를 갖는 브레이드를 제조하기 위해서는 사용되는 고분자 섬유 가닥의 굵기와 금속선 가닥의 굵기를 일치시킨다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 브레이드의 편조에는 10-80가닥의 편조사(고분자 섬유 및 금속선)가 사용되는 데, 이를 위하여 10-80가닥의 고분자 섬유 및 금속선을 보빈에 감은 후, 도 1c 및 도 2c에 도시된 바와 같이, 이를 편조기의 환형의 캐리어(carrier)(11)에 설치에 장착한다. 이때 장착하는 고분자 섬유 보빈(9) 수와 편조에 사용되는 고분자 섬유 가닥수, 금속선 보빈(7)의 수와 편조에 사용되는 금속선 가닥수는 각각 일치한다. 따라서, 브레이드 내의 금속선의 비율은 전체 보빈 의 개수에 대한 금속선 보빈의 개수의 %로 나타내는데 예로, 전체 보빈의 수가 36이고 그 중에 금속선 보빈의 수가 3일 때 금속선의 비율은 8.33%이다. 상술한 바와 같이 전체 편조사 가닥 수에 대한 금속선 가닥 수의 비율이 5-30%를 유지하기 위하여, 편조기 캐리어(11)에 장착된 금속(고분자 섬유와 합사된 금속선 포함) 보빈(7) 수도 전체 보빈수 대하여 5-30%의 비율을 유지하여야 한다.

상기 브레이드에서 각 금속선은 인접 금속선과 등간격을 유지하면서 편조된 것이 바람직하다. 이를 위하여, 도 1c 또는 도 2c에 도시된 바와 같이, 금속선 보빈을 캐리어에 장착할 때 그 개수에 따라 캐리어 원형 중심에 대칭되게 배열한다. 만약 금속선 보빈들을 대칭에서 벗어나게 배열하면 편조된 브레이드 표면은 매끄럽지 못하고 균일하지 못하다.

일정한 비율로 금속선과 고분자 섬유를 혼조하여 제조한 브레이드 표면 위에 원하는 활성층(1)을 형성하여 브레이드 강화 중공사막을 제조할 수 있다. 활성층(1)으로 정밀여과막(microfiltration membrane) 또는 한외여과막(ultrafiltration membrane)을 형성할 경우에는, 폴리설폰, 폴리이서설폰, 폴리이미드, 폴리이서이미드, 폴리아크릴로나트릴, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리브틸렌테레프탈레이트, 나일론, 폴리페닐설파이트, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌을 용매에 녹이거나 또는 고온에서 희석제와 섞어 균일한 용액을 제조하고 이를 브레이드 외부 표면에 도포한 후, 공지 공용의 상전이법(phase separation technique), 즉 확산유도 상분리 법(diffusion-induced phase separation) 또는 열유도 상분리법(thermal-induced phase separation)에 의해 일정두께의 다공성 고분자막을 형성한다.

상기 정밀여과막 또는 한외여과막 위에 박막의 활성층 복합막 형태로 나노투과막(nanofiltration membrane), 역삼투압막(reverse osmosis membrane), 증기투과막(vapor permeation membrane), 투과증발막(pervaporation membrane) 또는 기체투과막(gas separation membrane)을 더 형성할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 실시 예를 더 구체적으로 살펴보고 그 성질을 종래의 고분자 섬유 브레이드 강화 중공사막과 비교하여 본다.

<제1실시 예>

300/150 폴리에스터 얀 34가닥, 0.2mm 직경의 스테인레스스틸선 2가닥을 혼합 편조하여 브레이드를 제조하였는데, 외경이 2mm, 내경이 1mm였다. 폴리설폰 500g, 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone) 130g을 디메틸아세트아미드(dimethyl acetamide) 1370g에 녹여 균일한 용액을 제조하고, 이를 금속선이 혼조된 브레이드 바깥 표면 위에 균일하게 도포한 후 물 속에 응고시켜 다공성 활성층 막을 갖는 브레이드 강화 중공사막을 제조하였다.

<제2실시 예>

300/150 폴리에스터 얀 32가닥, 0.2mm 직경의 스테인레스스틸선 4가닥을 혼합 편조하여 브레이드를 제조하였는데, 외경이 2mm, 내경이 1mm였다. 폴리설폰 500g, 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone) 130g을 디메틸아세트아미드(dimethyl acetamide) 1370g에 녹여 균일한 용액을 제조하고, 이를 금속선이 혼조된 브레이드 바깥 표면 위에 균일하게 도포한 후 물속에 응고시켜 다공성 활성층 막을 갖는 브레이드 강화 중공사막을 제조하였다.

<비교 예>

300/150 폴리에스터 얀 36개로 편조하여 브레이드를 제조하였는데 외경이 2mm, 내경이 1mm였다. 폴리설폰 500g, 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone) 130g을 디메틸아세트아미드(dimethyl acetamide) 1370g에 녹여 균일한 용액을 제조하고 이를 폴리에스터 브레이드 바깥 표면 위에 균일하게 도포한 후 물속에 응고시켜 다공성 활성층 막을 갖는 브레이드 강화 중공사막을 제조하였다.

건조 후 제조된 활성층 막의 길이를 잰 다음, 각 중공사막을 에탄올과 노말헥산에 넣고 섭씨 50도에서 24시간 방치 후 길이를 재어 치수안정성을 평가하였고, 각 제조된 막으로 모듈을 제작하여 10, 20, 40 기압 압력의 물을 모듈내 장착되어 있는 중공사막 외부에 각각 가하여 모듈내의 중공사막의 단면 변화를 관찰하였다.

본 발명에 따른 금속선 혼조 브레이드 강화 중공사막의 실시 예와 고분자 섬유 브레이드 강화 중공사막의 치수안정성 및 압력안정성 테스트 결과

항목		비교예	제1실시 예	제2실시 예
치수 안정성1	에탄올	2.74%	0.20%	0.09%
	노말헥산	4.23%	0.21%	0.12%
압력 테스트2	10 기압	안정	안정	안정
	20 기압	찌그러짐	안정	안정
	40 기압	찌그러짐	안정	안정

¹: % = (팽윤길이-건조길이)/건조길이 x 100

²: 가해진 압력 하에서 중공사막의 단면의 형태를 관찰

금속선을 포함하지 않은 브레이드로 강화된 중공사막(비교 예)은 유기용매 속에서 팽윤에 의해 길이가 2.5% - 4.3% 증가하였으며, 또한 가압을 하였을 때 20 기압이상에서는 막의 단면이 찌그러짐이 관찰되었다. 반면에 본 발명에 따른 금속선 혼조 브레이드 강화 중공사막(제1실시 예, 제2실시 예)은 유기용매 속에서 우수한 치수안정성을 보이고 있으며, 또한 40기압까지의 가압 하에서도 안정한 막 형태를 유지하고 있음이 관찰되고 있다. 상기의 결과에서 브레이드에 포함된 금속선이 유기용매에 대한 막의 치수안정성을 높이고 또한 압력에 대한 형태안정성을 증가시키고 있음을 보여주고 있다.

상술한 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 막의 내압성으로 인하여 고압 하에서의 분리공정에 중공사막을 사용할 수 있고, 막의 치수안정성으로 인하여 고온 하에서의 유기용매 분리에 중공사막을 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 막의 전도성으로 인하여 중공사막을 다양한 응용분야에 적용할 수 있는 효과가 있다.

이상, 본 발명을 첨부한 도면 및 실시 예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명에 의하여 보호받고자 하는 사항을 이에 한정하는 의미는 아니며, 본 발명의 보호 범위는 특허청구범위에 기재된 사항 및 이와 균등한 모든 실시 예에 미친다고 해석되어야 한다.

Claims (12)

1. 관상의 브레이드 표면에 활성층 막을 형성한 중공사막에 있어서,

   상기 브레이드는 금속선과 고분자 섬유를 혼합하여 편조함으로써, 유기용매에 대한 막의 치수안정성 및 지름방향의 외부 압력에 대한 막의 형태안정성을 향상시키고, 막에 전도성을 부여한 것을 특징으로 하는 브레이드 강화 중공사막.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 금속선은 구리선, 니켈선, 스테인레스스틸선, 주석선 또는 니크롬선 가운데서 선택한 1 또는 2 이상의 금속선인 것을 특징으로 하는 브레이드 강화 중공사막.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 금속선은 0.05mm-0.40 mm의 직경인 것을 특징으로 하는 브레이드 강화 중공사막.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 고분자 섬유는 폴리에스터, 나일론, 아라미드, 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 가운데 선택된 1 또는 2 이상의 섬유인 것을 특징으로 하는 브레이드 강화 중공사막.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 고분자 섬유는 100-500 데니아(denier) 굵기의 단일 필라멘트의 섬유 10-400개가 합쳐져 단일 가닥을 형성한 얀(yarn)인 것을 특징으로 하는 브레이드 강화 중공사막.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 브레이드 편조에 사용되는 고분자 섬유 및 금속선의 전체 가닥 수는 10-80가닥인 것을 특징으로 하는 브레이드 강화 중공사막.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 금속선은 편조 이전에 미리 고분자 섬유와 합사하여 단일 가닥을 형성하거나 금속선만으로 단일 가닥을 형성한 것을 특징으로 하는 브레이드 강화 중공사막.
8. 제 7 항에 있어서,

   금속선만으로 단일 가닥을 형성한 금속선의 굵기는 고분자 섬유와 합사하는 금속선의 굵기 보다 더 굵은 것을 특징으로 하는 브레이드 강화 중공사막.
9. 제 1 항에 있어서,

   편조에 사용되는 금속선 가닥 수의 전체 편조사 가닥 수에 대한 비율이 5-30%인 것을 특징으로 하는 브레이드 강화 중공사막.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 브레이드에서 각 금속선은 인접 금속선과 등간격을 유지하면서 편조된 것을 특징으로 하는 브레이드 강화 중공사막.
11. 삭제
12. 삭제

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