KR101258861B1

KR101258861B1 - 금속이온 착화합물을 이용한 미세 다공성 정밀 여과막 제조 방법

Info

Publication number: KR101258861B1
Application number: KR1020110033827A
Authority: KR
Inventors: 오지윤; 오세철; 김노원
Original assignee: (주)청아필터
Priority date: 2011-04-12
Filing date: 2011-04-12
Publication date: 2013-04-29
Also published as: KR20120116220A

Abstract

본 발명은, 용매-비용매 치환 상전이법에 의한 정밀 여과막 제조 방법에 있어서, 정밀 여과막 여재를 구성하는 고분자 수지와 이를 용해하는 극성 아프로틱 유기용매, 친수성 고분자 첨가제, 유기산 상전이 응고촉매 및 금속이온 착화합물을 각각 첨가하여 캐스팅 용액을 형성하는 준비 단계; 상기 캐스팅 용액을 지지층에 일정 두께로 캐스팅한 후 응고조의 비용매에 침지하여 고분자 수지를 고형화시키는 상전이 단계; 고형화된 고분자 수지를 세정조의 물에서 세정하고, 지지층으로부터 탈리시키는 세정 단계 및; 잉여의 물을 제거하고 건조하는 건조 단계;를 포함하는 금속이온 착화합물을 이용한 미세 다공성 정밀 여과막 제조 방법을 제시한다.
본 발명에 따르면 금속이온 착화합물의 첨가에서 얻어지는 예비 응고의 활성화를 통하여 높은 공극률을 유지하고, 온도 및 습도에 보다 덜 민감한 예비 응고의 효과에 의하여 다양한 평균 기공 크기를 가지면서도 투과 수량이 향상되고 비대칭성이 증가된 정밀 여과막을 제조할 수 있다. 또한 본 발명에 따르면 기공 크기의 조절이 용이하게 이루어질 수 있으므로 특히 전자재료, 식품, 음료, 제약 등 다양한 기공 크기와 투과 수량 및 제거 효율에 적합한 필터 재료에 대응할 수 있는 정밀 여과막을 양산해 낼 수 있다.

Description

금속이온 착화합물을 이용한 미세 다공성 정밀 여과막 제조 방법{Micro filtration manufacturing method using metal-ligand complex}

본 발명은 미세 다공성 정밀 여과막 제조 방법에 관한 것으로, 특히 제약 산업의 공정용수 및 정제 용수, 식품 음료 산업의 공정용수 및 알콜의 정제, 반도체 및 전자 재료 산업의 순수 제조, 역삼투 수처리 공정의 전처리 필터, 각종 실험실에서 사용되는 초순수의 제조에 사용되는 서브-마이크론 단위의 이물 제거를 효율적으로 정제할 수 있는 고분자 분리막의 한 종류로 정밀 여과 공정에 적합하면서 기공 크기 분포가 균일한 비대칭막인 미세 다공성 정밀 여과막 제조 방법에 관한 것이다.

정밀 첨단 산업의 발달은 산업용 여과 소재의 다양화를 요구하며 특히 전자, 화학공학, 정밀화학, 제약 등의 산업에서는 물 이외에도 많은 액상 용액을 사용하게 되었다.

특히 앞에서 언급한 바와 같은 전자 산업, 정밀 화학 산업, 제약 산업, 식품 음료 산업의 경우 제거 효율이 완제품의 공정 효율에 지대한 영향을 미치며 보다 정밀한 분획 능력을 가지는 분리막의 성능을 요구하고 있다. 즉 여과 공정의 제거 효율이 직접적으로 제품의 생산성을 좌우하고 나아가서 기업의 신뢰도에 영향을 미치면서 여과용 필터의 성능 향상에 관한 요구가 급격히 올라가고 있는 것이다.

또한 지표수나 지하수의 정수 분야에 있어서는 염소에 내성을 갖는 미생물의 제거에 대한 필요성이 강조되면서 크립토스포리듐, 지아디아 같은 병원성 미생물을 거의 완벽하게 제거할 수 있는 고분자 분리막의 적용이 확대되고 있다.

일반적으로 액상 여과용 필터는 크게 나누어 물을 여과하는 수처리용 필터와 유기용매를 여과하는 오일용 필터로 크게 구분해 왔으나, 산업의 발달로 인하여 여과 액상이 다변화되고 점점 그 용도와 적용하는 필터의 종류도 다양해지고 있다.

일반적인 액상 여과용 필터는 섬유를 실의 형태로 감는 형태, 실을 직포로 제직하여 압축한 후 감는 형태, 섬유 자체를 부직포의 형태로 생산, 압축한 후 감는 형태 등의 다양한 방법이 존재하나, 이는 여과 효율이 낮은 마이크로필터로 정밀 산업에는 적합하지 않는 문제점이 있다.

여과 효율의 향상을 위하여 실의 직경이 작은 섬유를 부직포의 형태로 생산한 후 다단 압축하여 여러 장의 부직포를 함께 절곡하는 필터가 개발되었으며, 또한 다단 압축 부직포보다 기공이 더 작은 여러 가지 고분자 분리막으로 교체하여 만든 절곡형 필터가 개발되기도 하였다.

일반적으로 정밀여과용 고분자 분리막은 상전이 공정을 이용하여 제조된다. 고분자 용액을 얇은 필름 형태로 캐스팅한 후 비용매에 침지하였을 때 용매-비용매 치환 과정에서 조성이 불안정한 두 가지 상으로 분산된 후 고체 고분자와 액체의 용매/비용매로 완전 분리가 일어난다. 그리고 고체 고분자를 중공사 또는 박막 필름 형태로 획득하여 분리막으로 사용한다.

상전이 공정을 이용하여 제조된 고분자 분리막은 사용하는 고분자, 용매, 첨가제, 응고조 조성 및 제조 공정에 따라 그 기공의 크기, 공극률, 고형물 밀도, 표면 및 단면 구조에 있어 다른 특성을 가지므로 이를 제조하기 위한 다양한 방법들이 시도되어 왔다. 최근에는 제거 효율 못지않게 투과 수량에 대한 중요성으로 제거 효율이 비슷한 성능을 보인다면 유량이 큰 정밀 여과막에 대한 관심이 높아지고 있다.

고분자 분리막의 비대칭성 향상에 따른 장점은 Wrasidlo 등이 발명한 미국 특허 4,774,039, Zepf 등이 발명한 미국 특허 5,188,734에 잘 설명되어 있다. 이들 특허에서는 다공성 정밀여과 멤브레인의 비대칭성을 향상시키면 보다 많은 투과 수량을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 제거 효율 또한 향상된다고 밝히고 있다. 또한 최근 Wang 등이 발명한 미국 특허 7,125,493 및 6,939,468에서는 비용매 첨가제의 첨가를 통하여 비대칭성 향상과 함께 거대 기공을 보유한 정밀 여과막의 투과 수량, 내구성이 크게 향상될 수 있음을 보여주고 있다.

상기 특허들은 기존의 알려진 고분자 수지와 용매, 비용매계에 비용매 첨가제, 극성 고분자 첨가제 등을 사용하여 정밀 여과막의 친수성을 향상시킨 것으로서, 비대칭성의 진보에 따른 분리막 성능의 향상 국면을 보여주고 있다. 하지만, 상기 특허들은 친수성 고분자 첨가제, 비용매 첨가제 등의 사용이 비대칭성의 향상에는 도움을 주나 정밀 여과막의 기공 분포 범위가 넓어져 제거 효율이 악화되는 문제는 명확히 해결하지 못하고 있는 상황이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 극성을 크게 띄는 금속을 입자가 아닌 이온 상태로 존재하게 하는 금속이온 착화합물을 첨가제로 사용하여 상전이 과정 중 응고 시 친수성을 향상시킴으로써 비대칭성을 향상시키는 한편 상층부 및 하층부의 기공 크기를 용이하게 조절할 수 있는 미세 다공성 정밀 여과막 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

보다 구체적으로 본 발명은, 금속이온 착화합물을 고분자 캐스팅 용액에 첨가함으로써 ⅰ) 예비 응고(pre-emulsifying)를 활성화시키며, ⅱ) 금속이온 착화합물이 극성 아프로틱 용매에 균일하게 녹도록 함으로써 기존에 금속의 첨가로 인하여 발생하던 분산의 불균일성 문제를 해소할 수 있으며, (3) 상전이 과정에서 정밀 여과막이 상층부와 하층부 간에 비대칭성을 갖도록 유도함으로써 높은 공극률을 유지하고 다양한 평균 기공 크기를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 미세 다공성 정밀 여과막 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 용매-비용매 치환 상전이법에 의한 정밀 여과막 제조 방법에 있어서, 정밀 여과막 여재를 구성하는 고분자 수지와 이를 용해하는 극성 아프로틱 유기용매, 친수성 고분자 첨가제, 유기산 상전이 응고촉매 및 금속이온 착화합물을 각각 첨가하여 캐스팅 용액을 형성하는 준비 단계; 상기 캐스팅 용액을 지지층에 일정 두께로 캐스팅한 후 응고조의 비용매에 침지하여 고분자 수지를 고형화시키는 상전이 단계; 고형화된 고분자 수지를 세정조의 물에서 세정하고, 지지층으로부터 탈리시키는 세정 단계 및; 잉여의 물을 제거하고 건조하는 건조 단계;를 포함하는 금속이온 착화합물을 이용한 미세 다공성 정밀 여과막 제조 방법을 제시한다.

여기서, 상기 고분자 수지는 셀룰로스아세테이트, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리비닐알콜, 폴리이미드, 폴리아미도이미드, 폴리벤즈이미다졸에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 극성 아프로틱 유기용매는 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, N-메틸피롤리돈, 디메틸술폭사이드에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 친수성 고분자 첨가제는 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌이민에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 유기산 상전이 응고촉매는 p-톨루엔 술폰산, 캠퍼술폰산, 메탄술폰산에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 금속이온 착화합물은 상기 극성 아프로틱 유기용매에 완전 용해가 가능하면서도 착화합물의 형성으로 상기 캐스팅 용액에서도 균일하게 완전 용해가 가능한 트리스-디옥시메이트 코발트 클라쏘킬레이트, 디옥시메이트 철 클라쏘킬레이트, 디옥시메이트 루테늄 클라쏘킬레이트에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 지지층으로는 폴리에스터 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리에틸렌 필름, 폴리아미드 필름, 폴리이미드 필름으로 이루어지는 군에서 어느 하나 선택되어지는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 캐스팅 용액의 두께는 100~300㎛의 범위이며, 상기 캐스팅 용액의 온도는 5~60℃의 범위이며, 상기 응고조의 비용매 온도는 5~40℃의 범위이며, 상기 세정조의 물 온도는 25~80℃의 범위이며, 건조 온도는 60~105℃의 범위인 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 캐스팅 용액을 지지층에 일정 두께로 캐스팅한 후 응고조의 비용매에 침지할 때까지의 노출 상대 습도는 60~80%의 범위이며, 노출 시간은 40~120초의 범위인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 정밀 여과막을 제조함에 있어서 종래 비용매 또는 과다한 습도에 노출됨에 따라 정밀 여과막의 기공 분포 범위가 넓어지는 결함이 발생하고 이로 인하여 제거 효율이 악화되던 문제를 해결할 수 있다. 또한 금속이온 착화합물의 첨가에서 얻어지는 예비 응고의 활성화를 통하여 높은 공극률을 유지하고, 온도 및 습도에 보다 덜 민감한 예비 응고의 효과에 의하여 다양한 평균 기공 크기를 가지면서도 투과 수량이 향상되고 비대칭성이 증가된 정밀 여과막을 제조할 수 있다. 또한 본 발명에 따르면 기공 크기의 조절이 용이하게 이루어질 수 있으므로 특히 전자재료, 식품, 음료, 제약 등 다양한 기공 크기와 투과 수량 및 제거 효율에 적합한 필터 재료에 대응할 수 있는 정밀 여과막을 양산해 낼 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 미세 다공성 정밀 여과막의 구조.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 선택되는 금속이온 착화합물 중의 하나인 트리스-디옥시메이트 코발트 클라쏘킬레이트(tris-dioximate Co(II) clathrochelate)의 화학구조.

이하, 본 발명에 따른 금속이온 착화합물을 이용한 미세 다공성 정밀 여과막 제조 방법을 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면 다음과 같다. 한편, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은 극성을 크게 띄는 금속을 입자가 아닌 이온 상태로 존재하게 하는 금속이온 착화합물을 첨가제로 사용하여 상전이 과정 중 응고 시 친수성을 향상시킴으로써 비대칭성을 향상시키는 한편 상층부 및 하층부의 기공 크기를 용이하게 조절할 수 있는 미세 다공성 정밀 여과막 제조 방법을 제공하고자 한다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 금속이온 착화합물을 이용한 미세 다공성 정밀 여과막 제조 방법은, 캐스팅 용액의 준비 단계, 상전이 단계, 세정 단계, 건조 단계의 일련의 과정으로 이루어진다.

상기 캐스팅 용액의 준비 단계에서는 정밀 여과막 여재를 구성하는 고분자 수지와 이를 용해하는 극성 아프로틱 유기용매, 친수성 고분자 첨가제, 유기산 상전이 응고촉매 및 금속이온 착화합물을 각각 첨가하여 캐스팅 용액을 형성한다.

본 단계는 구체적으로 다음과 같이 진행될 수 있다. 준비된 용해조를 충분히 건조시킨 후 극성 아프로틱 유기용매를 채운다. 충분한 속도로 교반을 하면서 친수성 고분자 첨가제와 유기산 상전이 응고촉매, 금속이온 착화합물을 투입한 후 마지막으로 분리막을 형성할 고분자 수지를 투입한다.

본 발명에서 고분자 수지는 특별히 한정되어 있지 않고, 셀룰로스아세테이트, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리비닐알콜, 폴리이미드, 폴리아미도이미드, 폴리벤즈이미다졸에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다. 참고로 후술하는 본 발명의 실시 예에서는 고분자 수지로서 폴리에테르술폰을 선택하였다.

그리고 본 발명에서 극성 아프로틱 유기용매는 특별히 한정되어 있지 않고, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, N-메틸피롤리돈, 디메틸술폭사이드에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다. 참고로 후술하는 본 발명의 실시 예에서는 극성 아프로틱 유기용매로서 디메틸포름아미드를 선택하였다.

그리고 본 발명에서 친수성 고분자 첨가제는 특별히 한정되어 있지 않고, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌이민에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다. 참고로 후술하는 본 발명의 실시 예에서는 친수성 고분자 첨가제로서 폴리비닐피롤리돈을 선택하였다.

그리고 본 발명에서 유기산 상전이 응고촉매는 특별히 한정되어 있지 않고, p-톨루엔 술폰산, 캠퍼술폰산, 메탄술폰산에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다. 참고로 후술하는 본 발명의 실시 예에서는 유기산 상전이 응고촉매로서 p-톨루엔 술폰산을 선택하였다.

그리고 본 발명에서 금속이온 착화합물은 상기 극성 아프로틱 유기용매에 완전 용해가 가능하면서도 착화합물의 형성으로 상기 캐스팅 용액에서도 균일하게 완전 용해가 가능한 것이라야 하는데, 본 발명에서 금속이온 착화합물은 특별히 한정되어 있지 않고, 트리스-디옥시메이트 코발트 클라쏘킬레이트, 디옥시메이트 철 클라쏘킬레이트, 디옥시메이트 루테늄 클라쏘킬레이트에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다. 참고로 후술하는 본 발명의 실시 예에서는 금속이온 착화합물로서 트리스-디옥시메이트 코발트 클라쏘킬레이트를 선택하였다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 트리스-디옥시메이트 코발트 클라쏘킬레이트(tris-dioximate Co(II) clathrochelate)의 화학구조를 보여준다. 트리스-디옥시메이트 코발트 클라쏘킬레이트는 페닐보론산(C₆H₅B(OH)₂), 시클로헥실디온디옥심(cyclohexyldione dioxime), 전이금속염의 축합 반응으로 얻어지는 화합물인데, 본 발명의 실시 예에서는 전이금속염으로 CoCl₂를 사용하였으나 Co 이외에도 Fe, Zn, Ru 등이 사용 가능하다.

한편, 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명이 도입한 가장 핵심적인 요소는 바로 금속이온 착화합물에 있다.

즉, 본 발명은 금속이온 착화합물을 상기 캐스팅 용액에 첨가함으로써 용매-비용매 치환 상전이법에 있어 캐스팅 용액이 응고조에 침지되기 전에 예비 응고(pre-emulsifying)를 활성화시켜 분리막 내부 구조의 비대칭성을 유도함으로써 미세 다공성 구조의 투과성 및 공극률을 향상시키고자 한다.

또한, 본 발명은 미세 다공성 정밀 여과막을 제조하기 위하여 금속이온을 제공함에 있어서 유기용매에 균일하게 녹을 수 있는 금속이온 착화합물을 사용함으로써 캐스팅 용액의 극성을 향상시키고자 한다. 이러한 극성의 향상은 예비 응고 과정에서 표면의 수분 흡수 속도의 조절을 가능하게 하며 이에 따른 표면 구조 결정 시기가 당겨지는 결과를 가져온다. 그 결과로 금속이온 착화합물을 포함하는 캐스팅 용액의 함량 조절로 기공 크기의 조절 및 비대칭성 조절이 가능한 미세 다공성 정밀 여과막을 형성할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 금속이온 착화합물을 상기 캐스팅 용액에 첨가하는 과정에 의하여 친수화하는 금속이 이온 상태로 균일계(homogeneous casting solution) 용액의 캐스팅 용액을 구현하도록 함으로써 기존의 금속입자 첨가를 통한 막 표면 극성 조절의 경우에 비해 훨씬 균일한 표면 친수화가 가능케 하고자 한다.

이에 대한 증거로 본 발명은 후술하는 실시 예들의 결과인 표 1, 2에서 보이는 바와 같이 첨가한 금속이온의 함량과 분리막 표면에서 검출되는 금속이온의 양이 비례하는 성질, 도 1에서 보이는 바와 같이 금속입자는 발견되지 않으면서도 EDX 분석 결과에서 금속이온은 검출되고 있는 사실을 제시한다. 표 1, 2에서 분리막 표면 상층부의 코발트(Co) 함량과 하층부의 코발트 함량이 차이가 남을 통하여 각 표면에서의 상전이 결과물의 조성이 달라짐을 확인할 수 있는데 이는 상전이 과정에서 비대칭성 구조 형성이 일어났음을 증빙하는 결과라고 할 수 있다.

본 발명에서 캐스팅 용액의 조액은 60℃의 질소 분위기 하에서 이루어졌으며 4시간 이상 완전히 용해시킨 후 초음파 진동과 감압 분위기를 순차적으로 조성하여 캐스팅 용액 내 기포를 충분히 제거하였다. 그리고 완전히 녹은 캐스팅 용액을 1.0㎛의 기공 크기를 갖는 폴리프로필렌 카트리지 플리티드 필터로 여과한 후 상전이 단계로 이송하였다.

상기 상전이 단계에서는 상기 캐스팅 용액을 지지층에 일정 두께로 캐스팅한 후 응고조의 비용매에 침지하여 고분자 수지를 고형화시킨다.

본 발명에서 지지층은 특별히 한정되어 있지 않고, 폴리에스터 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리에틸렌 필름, 폴리아미드 필름, 폴리이미드 필름으로 이루어지는 군에서 어느 하나 선택되어지는 것을 특징으로 한다. 참고로 후술하는 본 발명의 실시 예에서는 지지층으로서 폴리에스터 필름을 선택하였다.

그리고 본 발명에서는 캐스팅 나이프를 조절하여 캐스팅 용액의 두께가 100~300㎛의 범위를 갖도록 지지층에 도포한다.

그리고 본 발명에서 응고조의 비용매로는 역삼투 분리막을 이용하여 얻어진 정제수를 사용하며 비저항 값이 1㏁ 이상인 물을 사용한다. 그리고 캐스팅 용액의 온도는 정밀 여과막의 기공 크기 조절과 수축률에 영향을 미치는 인자인바 5~60℃의 범위를 갖도록 하는 것이 바람직하다. 그리고 응고조의 비용매 온도는 5~40℃의 범위인 것이 바람직하나 유량 향상을 위하여 5~20℃의 범위가 되도록 조절하는 것이 더욱 좋다.

그리고 본 발명에서 응고조 수면에 대한 캐스팅 막의 입수 각도는 30~90°의 범위이면 되지만 보다 바람직하게는 90°에 가깝도록 하는 것이 광택이나 주름 등 표면 결함을 줄일 수 있어 유리하다.

그리고 본 발명에서 캐스팅 용액을 지지층에 일정 두께로 캐스팅한 후 응고조의 비용매에 침지할 때까지의 노출 상대 습도는 60~80%의 범위이며, 노출 시간은 40~120초의 범위인 것을 특징으로 한다. 본 발명의 실시 예에는 나타내지 않았으나 노출 상대 습도가 60% 이상인 경우에는 조성에 관계없이 시간이 길수록 높은 유량의 결과를 볼 수 있으나 80%가 넘어가면 광택이나 주름 등 표면 결함의 조절이 어려운 것으로 나타났다.

그리고 본 발명에서 캐스팅 용액의 캐스팅 폭은 그 너비에 따라 수축률에 영향을 크게 받으며, 수축률은 다시 정밀 여과막의 투과 성능에 영향을 미친다. 수축률은 부직포를 지지층으로 사용한 경우 거의 나타나지 않으나 폴리에스터 필름을 지지층으로 사용한 경우 5~20%의 수축률을 보인다. 수축률이 크면 정밀 여과막의 중앙과 가장자리의 투과 성능 차이가 큰 결과를 얻는다. 본 발명에서는 수축률이 10~15%가 되도록 조절하여 중앙과 가장자리의 투과 성능 차이를 최소화하는 너비를 찾을 수 있었는바, 본 발명에서는 캐스팅 용액의 너비가 0.75 m가 되도록 조절하여 캐스팅하였다.

상기 세정 단계에서는 고형화된 고분자 수지를 세정조의 물에서 세정하고, 지지층으로부터 탈리시킨다.

본 발명에서 세정조의 물 온도는 25~80℃의 범위인 것이 바람직하다. 그리고 비저항 값이 1㏁ 이상인 순수를 사용한다. 특히 폴리에스터 필름을 지지층으로 사용하는 정밀 여과막의 제조에서는 세정 단계에서 폴리에스터 필름과 고분자 수지 간의 탈리 과정을 가지게 되는데, 세정조에 입수된 후 30초~2분 이내에 탈리 과정을 거치도록 운전 속도를 조절해주는 것이 좋다. 세정조는 3단으로 이루어지며 응고조 침수 시간에 비해 약 3~16배의 시간동안 수중에서 진행하게 되는데 특히 40℃ 이상의 온도에서 5분 이상의 침수 시간을 갖는 것이 좋다.

상기 건조 단계에서는 에어 나이프를 이용하여 잉여의 물을 정밀 여과막으로부터 제거한 후 60초 이내의 시간에 건조가 가능한 온도 범위인 60~105℃로 조절된 핫 드럼 (hot drum)에 밀착하여 건조한다. 이때 건조 방향은 반드시 탈리되는 표면이 핫 드럼 표면과 닿는 방향으로 하는 것이 건조 효율이 우수한 결과를 가져온다.

본 발명에 따른 정밀 여과막 소재의 성능은 미세 공기 투과 측정 장치를 통하여 측정하였으며 공급 압력을 변화시키면서 단위 시간당 공기 투과도 및 이를 통한 각 압력에서의 평균 기공값을 측정하였다. 본 발명에 따른 정밀 여과막의 제조에 관한 상세 방법 및 성능 평가를 아래 실시 예에 나타내었다.

<실시 예 1>

트리스-디옥시메이트 코발트 클라쏘킬레이트(tris-dioximate Co(II) clathrochelate)는 다음과 같은 방법으로 얻을 수 있었다. 1,2-씨클로헥산디논 디옥심(1,2-dicyclohexanedinone dioxime) 1.92g, 페닐보론산(Phenylboronic acid) 2.47g, 염화제이코발트 수화물(CoCl₂·6H₂O) 2.15g을 500 ml의 메탄올에 가한 후 상온에서 1시간 동안 교반한다. 이 용액을 4℃ 냉장고에 24시간 방치한 후 생성되는 침전물을 여과한다. 4℃의 메탄올 용액으로 충분히 씻은 후 여과하여 트리스-디옥시메이트 코발트 클라쏘킬레이트를 얻는다. 얻어진 트리스-디옥시메이트 코발트 클라쏘킬레이트는 CD₂Cl₂ 용매 하에서 1H-NMR로 확인하였다.

<실시 예 2>

폴리에테르술폰 수지 50g, 디메틸포름아미드 270g, p-톨루엔술폰산 90g, 폴리비닐피롤리돈 수지 36g, 트리스-디옥시메이트 코발트 클라쏘킬레이트(tris-dioximate Co(II) clathrochelate) 0.4g을 용해조에 넣고 60℃의 온도에서 녹인 후 40℃의 온도로 냉각하였다. 이 용액을 질소 충전 후 진공 상태로 12시간 감압하여 용액 내부의 기포를 충분히 제거하였으며 이 용액을 1 ㎛의 정밀 여과막으로 정제한 후 캐스팅 면으로 이송하였다(준비 단계).

폭 1m의 폴리에스터 필름을 지지층으로 사용하였으며 60%의 습도 하에서 80초간 체류되도록 속도를 조정한 후 캐스팅 나이프와 폴리에스터 필름 표면간의 간격이 250㎛가 되도록 조절된 캐스팅 면으로 용액을 0.25m 너비로 통과시킨 후 5℃의 물로 이루어진 응고조에 침지시켰다. 응고조에서 용액이 충분히 고형화된 것을 확인한 후 60℃의 세정조로 이동시켰다(상전이 단계).

세정조에 입수된 지 1분 후 폴리에테르술폰 수지와 지지층인 폴리에스터 필름을 탈리하고 다시 15분간 수중에서 세정하였다(세정 단계).

세정이 끝난 후 정밀 여과막 표면의 잉여의 물을 에어 나이프로 제거하고 핫 드럼으로 건조시킨 후 권취하여 폴리에테르술폰 정밀 여과막을 평막 상태로 제조하였다(건조 단계).

정밀 여과막의 표층부와 하층부 모두 표면사진에서 금속이 입자형태로 응결된 것을 찾아볼 수 없었으나 EDX로 확인한 결과 Co금속이 균일하게 도포되어 있음을 확인하였으며 그 중량 함량은 표층부에서 1.73중량%, 하층부에서 1.02중량%인 것으로 확인되었다. 상기 정밀 여과막은 100㎛의 두께를 가지며 이 정밀 여과막을 0~8kg/cm²의 공기 공급 압력으로 서서히 압력을 올리면서 마이크로포로미터를 이용하여 공기 투과량과 평균 기공값을 측정하였을 때 4kgf/cm2에서의 공기 투과량은 51.9L/min·sec(환산 필요)를 나타내었다. 측정한 평균 기공값은 0.23㎛를 얻었다.

<실시 예 3 및 4>

상기 실시 예 2의 방법 중 폴리에테르술폰 수지 50g, 디메틸포름아미드 270g, p-톨루엔술폰산 90g, 폴리비닐피롤리돈 수지 36g의 조성은 유지한 상태로 트리스-디옥시메이트 코발트 클라쏘킬레이트(tris-dioximate Co(II) clathrochelate)의 함량만 아래 표 1의 조성으로 조정하면서 준비한 용액을 이용하여 실시 예 2와 같은 방법으로 정밀 여과막을 제조하였다.

정밀 여과막의 표층부와 하층부 모두 표면사진에서 금속이 입자형태로 응결된 것을 찾아볼 수 없었으나 EDX로 확인한 결과 Co금속이 균일하게 도포하고 있음을 확인하였으며 그 중량 함량을 아래 표 1에 기술하였다. 또한 제조된 정밀 여과

막을 실시 예 2와 같은 평가 항목으로 평가한 결과를 아래 표 1에 나타내었다.

<비교 예 1>

상기 실시 예 2의 방법 중 폴리에테르술폰 수지 50g, 디메틸포름아미드 270g, p-톨루엔술폰산 90g, 폴리비닐피롤리돈 수지 36g의 조성은 유지한 상태로 트리스-디옥시메이트 코발트 클라쏘킬레이트(tris-dioximate Co(II) clathrochelate)만 배제하여 준비한 용액을 이용하여 실시 예 2와 같은 방법으로 정밀 여과막을 제조하였다. 또한 제조된 정밀 여과막을 실시 예 2와 같은 평가 항목으로 평가한 결과를 아래 표 1에 함께 나타내었다.

	용액 내 금속이온 착화합물 투입량 (g )	멤브레인 두께 (㎛)	공기투과량 (L/m²·sec)	평균기공크기 (㎛)	표면층 Co 함량 (중량%)	하부층 Co 함량 (중량%)
실시예2	0.4	100	51.9	0.23	1.73	1.02
실시예3	0.8	104	54.2	0.24	2.25	1.67
실시예4	1.2	105	56.0	0.24	4.11	1.82
비교예1	0	110	47.1	0.23	N/D	N/D

<비교 예 2>

폴리에테르술폰 수지 50g, 디메틸포름아미드 270g, p-톨루엔술폰산 90g, 폴리비닐피롤리돈 수지 36g, 트리스-디옥시메이트 코발트 클라쏘킬레이트(tris-dioximate Co(II) clathrochelate) 1.6g을 용해조에 넣고 60℃의 온도에서 녹인 결과 소량의 침전이 발생하여 캐스팅을 할 수 없었다.

<실시 예 5 내지 10>

상기 실시 예 2의 방법 중 폴리에테르술폰 수지 50g, 디메틸포름아미드 270g, p-톨루엔술폰산 90g, 폴리비닐피롤리돈 수지 36g, 트리스-디옥시메이트 코발트 클라쏘킬레이트(tris-dioximate Co(II) clathrochelate) 0.8g의 조성은 유지한 상태로 캐스팅 과정 중 습도와 응고조로의 침수시간을 아래 표 2와 같이 바꾸어가며 정밀 여과막을 제조하였다. 또한 제조된 정밀 여과막을 실시 예 2와 같은 평가 항목으로 평가한 결과를 아래 표 2에 나타내었다.

	상대습도 (%)	체류 시간 (sec)	멤브레인 두께 (㎛)	공기투과량 (L/m²·sec)	평균기공크기 (㎛)	표면층 Co 함량 (중량%)	하부층 Co 함량 (중량%)
실시예3	60	80	104	54.2	0.24	2.25	1.67
실시예5	60	40	101	49.5	0.23	2.28	1.30
실시예6	60	100	145	52.2	0.32	2.18	0.80
실시예7	80	40	116	54.8	0.27	2.13	1.76
실시예8	80	80	125	66.0	0.41	2.05	1.58
실시예9	80	100	152	70.8	0.46	2.00	1.18

<비교 예 3 내지 5>

상기 실시 예 2의 방법 중 폴리에테르술폰 수지 50g, 디메틸포름아미드 270g, p-톨루엔술폰산 90g, 폴리비닐피롤리돈 수지 36g의 조성은 유지한 상태로 트리스-디옥시메이트 코발트 클라쏘킬레이트(tris-dioximate Co(II) clathrochelate)를 배제하여 캐스팅 용액을 준비하였다. 캐스팅 과정 중 습도와 응고조로의 침수시간을 아래 표 3과 같이 바꾸어가며 정밀 여과막을 제조하였다. 또한 제조된 정밀 여과막을 실시 예 2와 같은 평가 항목으로 평가한 결과를 아래 표 3에 나타내었다.

	상대습도 및 응고체류시간	멤브레인 두께 (㎛)	공기투과량 (L/m²·sec)	평균기공 크기 (㎛)	비고
비교예3	실시예3을 따름	105	40.0	0.21
비교예4	실시예5를 따름	104	37.2	0.18
비교예5	실시예6을 따름	105	42.6	0.22
비교예6	실시예7을 따름	110	-	결정불가	표면기공 전혀없음
비교예7	실시예8을 따름	114	117	결정불가	막형성불가 (defect 다수)
비교예8	실시예9를 따름	125	113	결정불가	막형성불가 (defect 다수)

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

용매-비용매 치환 상전이법에 의한 정밀 여과막 제조 방법에 있어서,
정밀 여과막 여재를 구성하는 고분자 수지와 이를 용해하는 극성 아프로틱 유기용매, 친수성 고분자 첨가제, 유기산 상전이 응고촉매 및 금속이온 착화합물을 각각 첨가하여 캐스팅 용액을 형성하는 준비 단계;
상기 캐스팅 용액을 지지층에 일정 두께로 캐스팅한 후 응고조의 비용매에 침지하여 고분자 수지를 고형화시키는 상전이 단계;
고형화된 고분자 수지를 세정조의 물에서 세정하고, 지지층으로부터 탈리시키는 세정 단계 및;
잉여의 물을 제거하고 건조하는 건조 단계;
를 포함하는 금속이온 착화합물을 이용한 미세 다공성 정밀 여과막 제조 방법에 있어서,
상기 고분자 수지는 셀룰로스아세테이트, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리비닐알콜, 폴리이미드, 폴리아미도이미드, 폴리벤즈이미다졸에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하며,
상기 극성 아프로틱 유기용매는 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, N-메틸피롤리돈, 디메틸술폭사이드에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하며,
상기 친수성 고분자 첨가제는 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌이민에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하며,
상기 유기산 상전이 응고촉매는 p-톨루엔 술폰산, 캠퍼술폰산, 메탄술폰산에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하며,
상기 금속이온 착화합물은 상기 극성 아프로틱 유기용매에 완전 용해가 가능하면서도 착화합물의 형성으로 상기 캐스팅 용액에서도 균일하게 완전 용해가 가능한 트리스-디옥시메이트 코발트 클라쏘킬레이트, 디옥시메이트 철 클라쏘킬레이트, 디옥시메이트 루테늄 클라쏘킬레이트에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하며,
상기 지지층으로는 폴리에스터 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리에틸렌 필름, 폴리아미드 필름, 폴리이미드 필름으로 이루어지는 군에서 어느 하나 선택되어지는 것을 특징으로 하는 금속이온 착화합물을 이용한 미세 다공성 정밀 여과막 제조 방법.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 캐스팅 용액의 두께는 100~300㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 금속이온 착화합물을 이용한 미세 다공성 정밀 여과막 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 캐스팅 용액의 온도는 5~60℃의 범위인 것을 특징으로 하는 금속이온 착화합물을 이용한 미세 다공성 정밀 여과막 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 응고조의 비용매 온도는 5~40℃의 범위인 것을 특징으로 하는 금속이온 착화합물을 이용한 미세 다공성 정밀 여과막 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 세정조의 물 온도는 25~80℃의 범위인 것을 특징으로 하는 금속이온 착화합물을 이용한 미세 다공성 정밀 여과막 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 캐스팅 용액을 지지층에 일정 두께로 캐스팅한 후 응고조의 비용매에 침지할 때까지의 노출 상대 습도는 60~80%의 범위인 것을 특징으로 하는 금속이온 착화합물을 이용한 미세 다공성 정밀 여과막 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 캐스팅 용액을 지지층에 일정 두께로 캐스팅한 후 응고조의 비용매에 침지할 때까지의 노출 시간은 40~120초의 범위인 것을 특징으로 하는 금속이온 착화합물을 이용한 미세 다공성 정밀 여과막 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
건조 온도는 60~105℃의 범위인 것을 특징으로 하는 금속이온 착화합물을 이용한 미세 다공성 정밀 여과막 제조 방법.