KR100928583B1

KR100928583B1 - 산소부화용 카본 멤브레인 제조방법

Info

Publication number: KR100928583B1
Application number: KR1020070135103A
Authority: KR
Inventors: 이종규
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-11-25
Also published as: KR20090067431A

Abstract

본 발명은 멤브레인의 수축율 증가를 통한 투과도와 선택도 향상을 위하여 방향족 화합물인 나프탈레이트를 원료로 한 폴리에틸렌 나프탈레이트 필름을 불활성가스 분위기에서 1차 열분해하고, 그를 다시 산소를 함유한 불활성가스 분위기에서 2차 열분해 하는 산소부화용 카본 멤브레인 제조방법에 관한 것으로,

그 구성은 방향족 화합물인 나프탈레이트를 원료로 한 폴리에틸렌 나프탈레이트 필름을 300 ~ 500℃를 유지하는 로의 불활성가스 분위기에서 1차 열분해하고, 그를 다시 700 ~ 800℃를 유지하는 로의 산소를 함유한 불활성가스 분위기에서 2차 열분해 하는 것으로 이루어진다.

산소부화용 카본, 멤브레인, 열분해, 폴리에틸렌 나프탈레이트 필름

Description

산소부화용 카본 멤브레인 제조방법{Method for manufacturing carbon membrane to incubate oxygen}

본 발명은 멤브레인의 수축율 증가를 통한 투과도와 선택도 향상을 위하여 방향족 화합물인 나프탈레이트를 원료로 한 폴리에틸렌 나프탈레이트 필름을 불활성가스 분위기에서 1차 열분해하고, 그를 다시 산소를 함유한 불활성가스 분위기에서 2차 열분해 하는 산소부화용 카본 멤브레인 제조방법에 관한 것이다.

종래에 고분자를 원료로 한 멤브레인은 고분자특성상 제조공정에서 용매를 사용함에 따라 용매의 휘발로 인한 휘발성 유기화합물이 방출되어 작업환경개선에 많은 비용이 발생되는 문제점이 있었다.

또 상기 고분자 멤브레인은 투과도와 선택도 간에 상반되는 관계, 즉 투과도가 증가하면 선택도가 떨어지고, 선택도가 증가하면 투과도가 감소하는 특징을 가지고 있음은 물론, 고분자 멤브레인 표면에서의 수착율이 저조하여 주로 멤브레인 기공에서의 확산에 좌우하므로 투과도 및 선택도가 상반되는 관계를 가지게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 발명한 것으로, 멤브레인 표면에서의 수착율 증가를 통한 멤브레인 기공에서의 확산율 증가를 동시에 달성하도록 방향족 화합물인 나프탈레이트를 원료로 한 폴리에틸렌 나프탈레이트 필름을 불활성가스 분위기에서 1차 열분해하고, 그를 다시 산소를 함유한 불활성가스 분위기에서 2차 열분해 하는 산소부화용 카본 멤브레인 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명의 해결수단은 방향족 화합물인 나프탈레이트를 원료로 한 폴리에틸렌 나프탈레이트 필름을 300 ~ 500℃를 유지하는 로의 불활성가스 분위기에서 1차 열분해하고, 그를 다시 700 ~ 800℃를 유지하는 로의 산소를 함유한 불활성가스 분위기에서 2차 열분해 하는 것으로 이루어진다.

그리고 상기 2차 열분해 할 때의 불활성가스에 산소 함유 량은 0.5 ~ 1%이고, 상기 1차 열분해 시간은 0.5 ~ 1시간이며, 상기 2차 열분해 시간은 1 ~ 2시간이다.

이상과 본 발명의 산소부화용 멤브레인은 고분자를 원료로 한 비대칭성 멤브레인으로 종래 중공사 형태의 멤브레인을 대체하여 의료용 산소공급시스템과 공기청정기등에 사용되는 산소발생기등에 적용함으로서 신사업창출에 기여할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 멤브레인의 수착율 증가를 통한 투과도와 선택도 향상을 위하여 방향족 화합물인 나프탈레이트를 원료로 한 폴리에틸렌 나프탈레이트 필름을 300 ~ 500℃를 유지하는 로의 불활성가스 분위기에서 1차 열분해하고, 그를 다시 700 ~ 800℃를 유지하는 로의 산소를 함유한 불활성가스 분위기에서 2차 열분해 하는 것을 요지로 한다.

상기에서 폴리에틸렌 나프탈레이트 필름을 불활성가스인 질소분위기하에서 300 ~ 500℃에서 1차 열분해 하는 이유는 나프탈레이트 필름은 일종의 고분자특성을 함유하고 있어 저온에서 가교 및 중합반응을 통하여 고온의 2차 열분해에서 전소되지 않도록 안정한 구조의 탄소구조를 갖기 위함이다.

한편 상기 열분해 온도를 300 ~ 500℃로 하는 이유는 상기 열분해 온도보다 낮을 경우에는 나프탈레이트 필름의 가교 및 중합반응속도가 느려서 탄소구조로의 전환이 불완전하게 되며 또한 반응중에 생성되는 수분과의 반응로 인하여 탄소구조 이외의 부산물을 생성하게 된다.

또 상기에서 언급한 열분해 온도보다 높을 경우에는 급격한 가교 및 중합반응으로 인하여 필름의 형상이 굴곡을 가지게 되고 2차 열분해시 굴곡부분의 반응촉진을 초래하게 되어 멤브레인으로서의 특성을 얻을 수 없게 된다.

또한 300~500℃ 열분해 온도을 유지하면서 반응시간을 0.5 ~ 1시간동안 하는 이유는 상기에서 언급한 바와 같이 가교 및 중합반응과 밀접한 관계를 가지고 있음으로, 반응시간이 상기에서 제시한 시간을 초과하게 되면 급격한 반응촉진으로 인하여 멤브레인의 특성을 가질 수 없고, 반응시간이 상기에서 제시한 시간보다 작게 되면 탄소구조를 이룰 수 없어 2차 열분해시 전소하게 된다.

상기에서 언급한 열분해 온도 보다 낮은 시에는 나프탈레이트 필름의 가교 및 중합반응속도가 느려서 탄소구조로의 전환이 불완전하게 되기도 하며 또한 반응중에 생성되는 수분과의 반응로 인하여 탄소구조 이외의 부산물을 생성하게 된다. 또한 상깅에서 언급한 열분해온도보다 높은 시에는 급격한 가교 및 중합반응으로 인하여 필름의 형상이 굴곡을 가지게 되고 2차 열분해시 굴곡부분의 반응촉진을 초래하게 되어 멤브레인으로서의 특성을 얻을수가 없었다.

한편 300 ~ 500℃ 열분해온도을 유지하면서 반응시간을 0.5 ~ 1시간동안으로 한정하는 이유는 상기에서 언급한 바와 같이 가교 및 중합반응과 밀접한 관계를 가지고 있다. 즉, 반응시간이 상기에서 제시한 시간을 초과하게 되면 급격한 반응촉진으로 인하여 멤브레인의 특성을 가질 수 없고, 반응시간이 상기에서 제시한 시간보다 작게 되면 탄소구조를 이룰 수 없어 2차 열분해시 전소하게 된다.

상기 나프탈레이트 필름을 1차 열분해 한 후 산소를 함유한 불활성가스(질소, 헬륨 및 아르곤)분위기하에서 700~800℃에서 1 ~ 2시간동안 2차 열분해 하는 이유는 멤브레인의 특성인 기공형성과 수착율 향상을 위한 표면 개질을 하기 위함이다.

이때 상기 불활성가스에의 산소 함유율은 0.5 ~ 1%로 함이 바람직한데 그 이유는 멤브레인 표면에서의 메조기공과 마이크로 기공비율을 조절하기 위함이다. 즉 상기에서 제시한 산소농도보다 높을 시에는 메조기공 형성이 우세하여 많은 량의 산소를 수착 할 수가 없게 되고, 산소농도를 상기에서 제시한 수치보다 낮을 시에는 마이크로기공 형성이 우세하여 많은 량의 산소를 수착 할 수는 있지만 기공입구에서의 파울링 현상으로 인하여 멤브레인 내부로의 확산을 저해하게 된다.

또 열분해 온도를 상기에서 제시한 수치보다 높을 시에는 산소와 필름 간의 화학반이 촉진되어 전소하게 되고, 상기에서 제시한 수치보다 낮을 시에는 메조기공과 마이크로 기공 간의 불균형적인 형성으로 인하여 공기 중 산소의 수착율이 떨어지게 된다.

한편 2차 열분해 시간도 상기에서 제시한 시간을 초과하게 되면 멤브레인에 형성된 마이크로 기공들이 주변의 마이크로 기공들과 결합하여 메조기공을 형성함으로써 멤브레인의 특성인 투과도 및 선택도를 동시에 확보할 수가 없고, 상기에서 제시한 시간보다 작을 시에는 필름 표면에 마이크로 기공형성이 촉진되어 선택도는 증가하나 투과도는 감소하게 된다. 따라서 상기 2차 열분해 시간 1 ~ 2시간 함이 바람직하다.

이하 본 발명을 실시 예 및 비교 예를 통하여 설명하면 다음과 같다.

[실시예 1]

폴리에틸렌 나프탈레이트 필름을 질소가스 분위기의 500℃에서 1시간동안 1차 열분해하고, 그를 다시 1%의 산소를 함유한 질소가스 분위기의 800℃에서 2시간 동안 2차 열분해 한 카본멤브레인의 산소부화율은 45%이었다.

[실시예 2]

폴리에틸렌 나프탈레이트 필름을 질소가스 분위기의 300℃에서 1시간동안 1차 열분해하고, 그를 다시 1%의 산소를 함유한 질소가스 분위기의 700℃에서 2시간동안 2차 열분해한 카본멤브레인의 산소부화율은 43%이었다.

[실시예 3]

폴리에틸렌 나프탈레이트 필름을 질소가스 분위기의 400℃에서 1시간동안 1차 열분해하고, 그를 다시 0.5%의 산소를 함유한 질소가스 분위기의 700℃에서 2시간동안 2차 열분해한 카본멤브레인의 산소부화율은 42%이었다.

[비교예 1]

폴리에틸렌 나프탈레이트 필름을 질소가스 분위기의 200℃에서 1시간동안 1차 열분해하고 그를 다시 0.5%의 산소를 함유한 질소가스 분위기의 600℃에서 2시간동안 2차 열분해한 카본멤브레인의 산소부화율은 25%이었다.

[비교예 2]

폴리에틸렌 나프탈레이트 필름을 질소가스 분위기의 200℃에서 1시간동안 1차 열분해하고 그를 다시 1.5%의 산소를 함유한 질소가스 분위기의 600℃에서 2시간동안 2차 열분해한 카본멤브레인의 산소부화율은 23%이었다.

[비교예 3]

폴리에틸렌 나프탈레이트 필름을 질소가스 분위기의 400℃에서 1시간동안 1차 열분해하고 나서 1%의 산소를 함유한 질소가스 분위기의 500℃에서 2시간동안 2 차 열분해한 카본멤브레인의 산소부화율은 25%이었다.

상술한 바와 같은 본 발명의 산소부화용 멤브레인은 고분자를 원료로 한 비대칭성 멤브레인으로 중공사형태의 멤브레인을 대체하여 의료용 산소공급시스템과 공기청정기등에 사용되는 산소발생기 등에 적용함으로서 신사업창출에 기여할 수 있는 장점이 있다.

Claims

방향족 화합물인 나프탈레이트를 원료로 한 폴리에틸렌 나프탈레이트 필름을 300 ~ 500℃를 유지하는 로의 불활성가스 분위기에서 1차 열분해하고, 그를 다시 700 ~ 800℃를 유지하는 로의 산소를 함유한 불활성가스 분위기에서 2차 열분해 하여 된 것을 특징으로 하는 산소부화용 카본멤브레인 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 2차 열분해 할 때의 불활성가스에 산소 함유 량은 0.5 ~ 1%임을 특징으로 하는 산소부화용 카본멤브레인 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 1차 열분해 시간은 0.5 ~ 1시간임을 특징으로 하는 산소부화용 카본멤브레인 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 2차 열분해 시간은 1 ~ 2시간임을 특징으로 하는 산소부화용 카본멤브레인 제조방법.