KR101611675B1 - 양전하 필터 카트리지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양전하 필터 카트리지 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 기존의 유리섬유 기반의 항바이러스 부직포 및/또는 필터 카트리지를 대체하면서도 우수한 수투과량 및 바이러스 제거성능을 갖는 친환경적인 양전하 필터 카트리지를 제공할 수 있는 발명에 관한 것이다.

Description

양전하 필터 카트리지 및 이의 제조방법{Positive electric charge- filter cartridge and Preparing method thereof}
본 발명은 양전하 필터 카트리지 및 이의 제조방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 박테리아 및 세균 등의 제거 효율을 가지면서도, 바이러스도 제거 가능한 항바이러스 및 제균이 우수한 필터 카트리지에 관한 것이다.
일반적으로 물 속에는 천연유기물질(Natural Organic Matter; NOM)을 비롯한 수많은 이온성 물질, 화학물질이 존재하며 상수처리 과정에서 제거되지 않고 새로운 오염물질을 발생시키는 원인물질로 작용한다. 또한, 최근에는 염소소독으로 제거되지 않은 병원성 미생물에 대한 존재 여부가 논란이 되고 있다. 바이러스(Virus), 크립토스포리디움(Crytosphoridium), 자이알디아(Giardia) 등으로 분류되는 병원성 미생물은 인체 및 동물의 분변을 통해 환경 중으로 배출되어 하수뿐만 아니라 지표수와 지하수에도 존재한다. 바이러스는 0.02~0.09㎛, 박테리아는 평균길이 0.4~14㎛, 폭 0.2~1.2㎛의 크기를 갖으며 크립토스포리디움, 자이알디아 등 원생동물은 바이러스나 박테리아에 비해서는 비교적 큰 편이다. 바이러스의 경우 크기가 매우 작기 때문에 일반 여과에 의해서는 거의 처리되지 않으며 내성이 강한 낭종(Cyst)을 형성하여 물에서 수개월이상 안정적으로 살아있다. 현재 물 속의 미량오염물질을 제거하기 위하여 상수처리과정에서 고도응집처리 또는 활성탄 흡착, 막여과가 제시되고 있는데 최근 막을 사용한 정수처리 공정에 대한 국가단위의 대규모 연구가 진행 중이다.
특히, 막 여과에 대해서는 최근에 많은 연구가 이루어져 고도정수처리 과정에서 실용화가 타진되고 있는데 아직까지도 경제적인 비용과 기술적인 문제로 인해 폭넓게 이용되지는 못하고 있다. 역삼투막(RO), 나노여과막(NF), 한외여과막(UF), 정밀여과막(MF)으로 분류되는 막을 비롯한 기존 필터들은 공경(pore, 기공)의 사이즈를 이용하여 물리적인 기작에 의거하여 물 중 오염물질을 제거하는 시스템이다.
분리막의 오염물질제거에 대한 주된 메커니즘은 체분리(Sieve) 효과, 즉 입자크기에 의한 제거가 적용되어 물속에 부유하고 있는 박테리아, 바이러스, 유기 오염물 등을 제거하여 주는 것이다. 상기 입자크기에 의한 제거 외에도 분리막 표면 전하에 따른 정전기적 흡착에 의해서도 수중의 미생물 등을 걸러주며, 이 방법은 적은 운전압력 대비 높은 투수율 및 높은 입자제거 성능으로 각광 받으면서 연구되고 있다.
종래의 수처리용으로 널리 사용되는 마이크로 섬유 필터는 여과 면적이 작고 정전기력이 없기 때문에 효율이 떨어진다는 단점이 있었으며, 멤브레인 필터는 여과 효율은 높으나 압력 손실이 크다는 단점이 있었다. 따라서, 마이크로 섬유 필터와 멤브레인 필터의 단점을 보완하기 위한 마이크로 사이즈의 공경을 가지는 섬유 필터에 정전기력을 부과함으로써 섬유 필터의 여과 효율을 증가시키고, 압력 손실을 감소시키는 연구가 진행되고 있다.
예를 들어, 종래기술에는 항바이러스 부직포 제조를 위해 유리섬유를 기본 여재로 두고, 유리섬유 제조시에 양전하를 띄는 무기화합물을 첨가하는 방식으로 제조하여 양전하 필터를 제조하고 이를 이용하여 바이러스를 흡착제거 하였다(대한민국 특허공개번호 10-2004-0301723, 미국 등록특허 7,601,262호 등). 그러나 이 기술은 유리섬유를 사용한다는 점에서 발암 등의 유해성 논란으로 수처리 공정의 적합성이 우려되는 문제점과 유리섬유를 사용하여 제조시 첨가되는 화합물에 의해 제품군에서 다양화가 되지 못한다는 문제점이 있었다.
다른 종래기술로는 유리섬유가 아닌 폴리프로필렌 여재를 사용하여 여재 안정성을 높였으며, 후처리 코팅 방식에 의해 양전하 필터 여재를 제조하였다(일본공개특허번호 1994-015167). 그러나, 이러한 기술은 바이러스만 제거가 가능할 뿐, 박테리아 및 세균 등을 제거하지 못하였을 뿐만 아니라, 유량 및 여과압력이 현저히 떨어진다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 박테리아 및 세균의 제거능은 유지하면서, 나노사이즈의 바이러스도 효과적으로 제거할 수 있는 양전하 필터 카트리지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 양전하 카트리지 필터에 관한 것으로서, 항바이러스 부직포 및 폴리술폰계 분리막을 포함하며, 필터링(filtering) 방향으로 상기 항바이러스 부직포의 일면에 상기 폴리술폰계 분리막이 적층된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 양전하 카트리지 필터에 있어서, 상기 항바이러스 부직포는 단층 또는 다층으로 적층된 형태인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 양전하 카트리지 필터에 있어서, 상기 항바이러스 부직포는 내부 및 표면이 개질된 부직포; 및 상기 개질된 부직포의 내부 및 표면에 양전하 코팅층이 형성되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 양전하 카트리지 필터에 있어서, 상기 개질된 부직포는 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유 및 셀룰로오스 섬유 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 개질된 부직포는 섬도가 평균직경 0.5㎛ ~ 10㎛ 및 공경 1㎛ ~ 30㎛인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 개질된 부직포는 평균두께 0.1㎜ ~ 2㎜ 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예로서, 본 발명의 양전하 카트리지 필터에 있어서, 상기 양전하 코팅층은 다관능성 아민 화합물을 포함하며, 상기 다관능성 아민 화합물은 폴리에틸렌이민, 디에틸렌트리아민, 피페라진, 디메틸렌피페라진 및 디페닐아민 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예로서, 상기 양전하 코팅층은 평균두께 0.1㎛ ~ 3.0㎛ 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예로서, 본 발명의 양전하 카트리지 필터에 있어서, 상기 항바이러스 부직포는 표면전하가 10 ~ 40 mV 인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예로서, 본 발명의 양전하 카트리지 필터에 있어서, 상기 폴리술폰계 분리막은 폴리에테르술폰, 폴리술폰, 폴리알릴에테르술폰, 폴리페닐설폰 및 폴리에테르에테르케톤 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 폴리술폰계 중합체를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예로서, 본 발명의 양전하 카트리지 필터에 있어서, 상기 폴리술폰계 분리막은 평균공경이 0.1 ㎛ ~ 1 ㎛ 및 평균두께 100 ㎛~ 180 ㎛인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 양전하 카트리지 필터는 평균수투과량이 20 ~ 180 ㎖/cm2·min·bar인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 양전하 카트리지 필터는 바이러스 제거성능이 2.5log 이상이고, 박테리아 제거성능이 7 log 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양은 양전하 카트리지 필터를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 폴리술폰계 분리막의 일면에 항바이러스 부직포를 단층 또는 다층으로 적층 및 합지시켜서 제조하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 제조방법에 있어서, 항바이러스 부직포는 부직포의 표면 및 내부를 개질제로 전처리하여 개질된 부직포를 제조하는 단계; 상기 개질된 부직포를 건조시키는 단계; 개질된 부직포를 아민계 고분자 용액으로 양전하 코팅처리하는 단계; 및 양전하 코팅처리한 부직포를 열가교처리를 통해 부직포에 다관능성 아민계 화합물을 고정화시키는 단계;를 포함하는 공정을 수행하여 제조할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 개질된 부직포를 제조하는 단계는 부직포를 개질제에 10℃ ~ 35℃에서 5초 ~ 5분 동안 침지시켜서 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 코팅처리하는 단계는 상기 아민계 고분자 용액에 전처리한 부직포를 10℃ ~ 35℃에서 10초 ~ 30분간 동안 침지시켜서 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 열가교처리는 50℃ ~ 130℃ 하에서 수행하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예로서, 본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 개질제는 중량평균분자량 1,800 ~ 200,000인 폴리아크릴산 및 중량평균분자량 1,800 ~ 200,000인 폴리비닐알콜 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 고분자 수지; 및 C1~C3의 알코올, 아세톤 및 물 중 1종 이상을 함유한 용매;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예로서, 상기 개질제는 상기 고분자 수지 0.1 ~ 5 중량% 및 상기 용매 95 ~ 99.9 중량%로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예로서, 본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 아민계 고분자 용액은 폴리에틸렌이민, 디에틸렌트리아민, 피페라진, 디메틸렌피페라진 및 디페닐아민 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 다관능성 아민계 고분자 수지; 및 C1~C3의 알코올, 아세톤 및 물 중 1종 이상을 함유한 용매;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예로서, 상기 아민계 고분자 용액은 다관능성 아민계 고분자 수지를 0.1 ~ 10 중량% 및 상기 용매 90 ~ 99.9 중량%로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 양이온 필터 카트리지는 박테리아 및 세균 등에 대한 높은 미생물 제거능력을 가지면서도, 나노사이즈의 바이러스에 대하여도 우수한 흡착 및 제거하는 성능을 갖을 뿐만 아니라, 본 발명의 양이온 필터 카트리지는 우수한 수투과유량을 갖을 수 있다. 또한, 기존의 항바이러스 부직포는 발암 유발 물질인 유리섬유를 사용해 왔으나, 본 발명은 이를 사용하지 않는 바, 친환경적인 항바이러스 부직포를 제공할 수 있다.
도 1은 부직포를 개질 및 코팅처리 하기 전의 부직포 내부의 섬유에 대한 SEM 측정 사진이다.
도 2는 실시예 1에서 제조한 항바이러스 부직포의 부직포 내부의 섬유에 대한 SEM 측정 사진이다.
도 3 ~ 도 5는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 양이온 필터 카트리지의 단면 개략도이다.
본 발명의 필터링(filtering) 방향은 도 3 ~ 도 5의 화살표 방향을 나타내며, 분리대상 물질이 유입되는 방향에서 유출되는 방향을 의미한다.
본 발명에서 폴리술폰계 분리막의 단면구조의 상층부와 하층부가 서로 다른 공경 크기를 갖을 때 비대칭구조라 명칭하고 상층부와 하층부의 기공들이 유사한 공경대를 가질 때 대칭구조라 정의한다. 그리고, 본 발명에서 사용하는 용어인 약비대칭은 상층부와 하층부의 공경 크기 차이가 크지 않으나, 비대칭 구조와 같이 다공성이 높고 유량이 높은 특성을 포함하는 것을 의미한다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 한 측면에 따르면 항바이러스 부직포; 및 폴리술폰계 분리막;을 포함하며, 필터링(filtering) 방향으로 상기 항바이러스 부직포의 일면에 상기 폴리술폰계 분리막이 적층되고, 상기 항바이러스 부직포는 단층 또는 다층인 다공성 복합여재를 제공함으로써, 종래의 문제점을 해결할 뿐만 아니라, 항바이러스 및 제균능이 우수한 양전하 필터 카트리지를 제공한다.
구체적으로 도 3은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 양전하 필터 카트리지(300)의 단면 개략도로써, 항바이러스 부직포(302)의 한 측면에 폴리술폰계 분리막(301)이 적층 및 합지되어 있으며, 도 4는 본 발명의 바람직한 다른 일구현예에 따른 양전하 필터 카트리지의 단면 개략도로써, 2층 구조의 항바이러스 부직포(302)의 한 측면에 폴리술폰계 분리막(301)이 합지되어 있는 형태로서, 항바이러스 부직포와 폴리술폰계 분리막은 필터링 방향으로 합지되어 있는 형태이다. 그리고, 도 5는 3층 구조의 항바이러스 부직포의 한 측면에 폴리술폰계 분리막(301)이 합지되어 있는 형태이다.
먼저 항바이러스 부직포(302)에 대해 설명한다.
본 발명의 상기 항바이러스 부직포는 바이러스를 흡착하여 제거하는 역할을 하며, 바람직하게는 5nm ~ 90nm 크기인 바이러스를 흡착 제거할 수 있으며, 휴믹산 등 유기오염원을 흡착 제어하여 바이오 파울링을 제거할 수 있다.
상술한 바와 같이 종래에는 유리섬유를 사용한다는 점에서 발암 등의 유해성 논란이 있으며 수처리 공정에 사용에 적합성이 우려되는 문제점과 유리섬유를 사용하여 제조시 첨가되는 화합물에 의한 제품군이 다양화되지 못하는 문제점이 있었는 바, 본 발명은 유리섬유를 사용하지 않고서도 우수한 바이러스 제거성능을 갖는 친환경직인 항바이러스 부직포를 사용한다.
본 발명의 항바이러스 부직포는 표면 및 내부가 개질된 부직포; 및 상기 부직포의 내부 및 표면에 양전하 코팅층;을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 개질된 부직포는 부직포의 내부 및 표면을 개질시킨 것으로서, 상기 부직포는 통상적으로 사용하는 것이면 적용가능하며, 바람직하게는 케미컬본딩부직포(Chemical Bonding), 써멀본딩부직포(Thermal Bonding), 에어레이부직포(Air Ray), 습식부직포(Wet Ray), 니들펀칭부직포(Needle Punching), 스판레스(수류결합법-Water zet), 스판본드(Spun Bond), 멜트블로운(Melt Blown) 및 스티치본드(Stitch Bond) 및 전기방사(electro spinning) 부직포 중에서 선택되는 어느 하나의 형태일 수 있다.
또한, 상기 부직포를 구성하는 섬유는 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유 및 셀룰로오스 섬유 중에서 선택된 1종 이상을, 바람직하게는 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 및 폴리에스테르 섬유 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을, 더욱 바람직하게는 폴리프로필렌 섬유 및 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 중에서 선택된 1종 또는 2종을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 개질된 부직포는 평균두께 0.1 ~ 2㎜ 인 것이, 바람직하게는 0.2 ~ 1.0㎜ 인 것이 좋으며, 이때, 평균두께 0.1 만약 평균두께가0.1㎜미만이면, 바이러스 흡착 경로가 짧아서 제거효율이 감소한 문제가 있으며, 2㎜를 초과하면, 여과시 차압발생으로 유량이 감소한 문제가 있을 수 있다.
그리고, 상기 부직포를 구성하는 섬유의 섬도가 평균직경 0.5㎛ ~ 10㎛ 및 평균공경 1㎛ ~ 30㎛일 수 있으며, 바람직하게는 섬도가 평균직경 0.5㎛ ~ 8㎛ 및 평균공경 1㎛ ~ 10㎛ 일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 섬도가 평균직경 0.5㎛ ~ 5㎛ 및 평균공경 1 ~ 8㎛일 수 있다. 이때, 부직포를 구성하는 섬유의 섬도가 평균직경 0.5㎛ 미만이면, 여과시 차압발생에 따른 유량 감소하는 문제가 있을 수 있고, 10㎛를 초과하면, 다공도가 떨어져 여과효율이 감소하는 문제가 있을 수 있다. 또한, 평균공경이 1㎛ 미만이면, 유량 감소한 문제가 있으며, 30㎛를 초과하면, 바이러스 제거성능이 감소하는 문제가 있을 수 있다.
본 발명의 항바이러스 부직포를 구성하는 상기 양전하 코팅층은 다관능성 아민 화합물을 포함하며, 상기 다관능성 아민 화합물은 개질된 부직포의 내부 및 외부에 양전하를 나타내는 정전기적 성질을 부여하는 역할을 하며, 폴리에틸렌이민, 디에틸렌트리아민, 피페라진, 디메틸렌피페라진 및 디페닐아민 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 디에틸렌트리아민 및 디페닐아민 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 그리고, 상기 양전하 코팅층은 평균두께 0.01㎛ ~ 3㎛으로, 바람직하게는 0.05㎛ ~ 1㎛으로 형성되어 있는 것이 좋은데, 이때 양전하 코팅층의 평균두께가 0.05㎛ 코팅층의 균일도 감소로 인한 물성편차 문제가 있을 수 있고, 평균두께가 3㎛을 초과하면 코팅층의 내구성이 떨어져 코팅물이 용출되는 문제가 발생할 수 있고, 더 이상의 바이러스 제거 효과 상승이 없으므로 상기 범위 내의 평균두께를 갖도록 양전하 코팅층을 형성시키는 것이 좋다.
앞서 설명한 본 발명의 항바이러스 부직포를 제조하는 방법에 대하여 구체적으로 설명하면 아래와 같다.
본 발명의 항바이러스 부직포는 바이러스를 흡착하여 제거하는 역할을 하며, 바람직하게는 5nm ~ 90nm 크기인 바이러스를 흡착 제거할 수 있으며, 휴믹산 등 유기오염원을 흡착 제어하여 바이오 파울링을 제거할 수 있다.
본 발명의 항바이러스 부직포는 부직포를 개질시킨 후, 양전하 코팅처리하여 제조할 수 있는데, 좀 더 구체적으로 설명하면, 부직포의 표면 및 내부를 개질제로 전처리하여 개질된 부직포를 제조하는 단계; 상기 개질된 부직포를 건조시키는 단계; 개질된 부직포를 아민계 고분자 용액으로 양전하 코팅처리하는 단계; 및 양전하 코팅처리한 부직포를 열가교처리를 통해 부직포에 다관능성 아민계 화합물을 고정화시키는 단계;를 포함하는 공정을 수행하여 항바이러스 부직포를 제조할 수 있다.
본 발명의 제조방법에서 사용하는 상기 부직포의 종류, 특징 등은 앞서 설명한 바와 동일하다.
상기 개질된 부직포를 제조하는 단계의 개질제는 고분자 수지; 및 용매;를 포함할 수 있다.
개질제 성분 중 상기 고분자 수지는 중량평균분자량 1,800 ~ 200,000인 것을, 바람직하게는 중량평균분자량 1,800 ~ 150,000인 것을, 더욱 바람직하게는 1,900 ~ 120,000인 것을 사용하는 것이 좋은데, 이때, 중량평균분자량이 1,800 미만이면 코팅층의 내구성 감소로 코팅물의 용출이 발생 하는 문제가 있을 수 있고, 중량평균분자량이 200,000을 초과하면 아민계 고분자 용액으로 양전하 코팅처리시, 코팅이 불균일하게 될 수 있고, 부직포 기공을 막아 기공률 감소에 따른 성능저하 또는 바이러스 제거성능이 떨어질 수 있으므로, 상기 범위 내의 중량평균분자량을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 좋다.
그리고, 개질제 성분 중 상기 고분자 수지는 폴리아크릴산 및 폴리비닐알콜 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합사용할 수 있으며, 바람직하게는 폴리아크릴산을 사용할 수 있다. 그리고, 상기 고분자 수지는 개질제 전체 중량 중 0.1 ~ 5 중량%를, 바람직하게는 0.5 ~ 3 중량%를, 더욱 바람직하게는 0.5 ~ 2 중량%를 사용할 수 있으며, 이때, 아크릴계 고분자 수지의 사용량이 0.1 중량% 미만이면 그 농도가 너무 낮아서 부직포를 충분하게 개질시키지 못해서 양전하 코팅층의 코팅력이 떨어질 수 있고, 그 사용량이 5 중량%를 초과하면 개질제의 pH가 높아져서 부직포를 일부 용해시키는 문제가 있을 수 있고, 양전하 코팅층이 불균일하게 형성될 수 있으므로 상기 범위 내로 사용하는 것이 좋다.
그리고, 개질제 성분 중 상기 용매는 C1~C3의 알코올, 아세톤 및 물 중 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 C1~C3의 알코올 및 물 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 메탄올 및 물 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 그리고, 용매의 사용량은 95 ~ 99.9 중량%이며, 상기 아크릴계 고분자 수지의 사용량에 따른 상대적인 사용량이다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 개질된 부직포를 제조하는 단계는 개질제에 상기 부직포를 10℃ ~ 35℃에서 5초 ~ 5분 동안 침지시켜서 수행하는 것이, 바람직하게는 상기 온도 하에서, 10 초 ~ 2분 동안 침지시켜서 수행하는 것이 좋은데, 침지시간이 5초 미만이면 개질시간이 너무 짧아서 충분하게 부직포 내부의 공경(또는 기공)까지 개질이 되지 않을 수 있고, 5분을 초과하더라도 더 이상의 개질 향상 효과가 없으므로 비경제적이다.
그리고, 개질된 부직포를 건조시킬 때에는 그 건조방법, 건조시간은 당업계에서 일반적으로 사용하는 방법을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 25℃ ~ 120℃ 하에서 30초 ~ 12시간 동안 충분히 건조시키는 것이 좋다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 양전하 코팅처리하는 단계의 상기 아민계 고분자 용액은 다관능성 아민계 고분자 수지; 및 용매;를 포함할 수 있다.
상기 다관능성 아민계 고분자 수지는 폴리에틸렌이민, 디에틸렌트리아민, 피페라진, 디메틸렌피페라진 및 디페닐아민 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 디에틸렌트리아민 및 디페닐아민 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 그리고, 그 사용량은 다관능성 아민계 고분자 수지 전체 중량 중 0.1 ~ 10 중량%를, 바람직하게는 0.5 ~ 8 중량%를, 더욱 바람직하게는 0.5 ~ 5 중량%를 사용할 수 있는데, 이때, 그 사용량이 0.5 중량% 미만이면 개질된 부직포에 충분한 두께로 양전하 코팅층이 형성되지 않는 문제가 있을 수 있고, 그 사용량이 10 중량%를 초과하면 항바이러스 부직포의 공경을 좁히는 문제가 있을 수 있고, 불필요하게 코팅층의 두께가 두꺼워질 수 있으므로 상기 범위 내에서 사용하는 것이 좋다.
그리고, 상기 아민계 고분자 용액 성분 중 상기 용매는 C1~C3의 알코올, 아세톤 및 물 중 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 C1~C3의 알코올 및 물 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 메탄올 및 물 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 그리고, 용매의 사용량은 90 ~ 99.9 중량%이며, 상기 다관능성 아민계 고분자 수지의 사용량에 따른 상대적인 사용량이다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 양전하 코팅처리하는 단계의 침전은 10℃ ~ 35℃ 하에서 10초 ~ 30분 동안, 바람직하게는 10초 ~ 10 분 동안, 더욱 바람직하게는 10초 ~ 5분 정도 수행하는 것이 좋다. 침지시간이 10초 미만이면 코팅시간이 너무 짧아서 충분하게 부직포 내부의 공경(또는 기공)까지 코팅층이 형성되지 않을 수 있고, 30분을 초과하는 것은 비경제적이다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 고정화시키는 단계의 상기 열가교는 50℃ ~ 130℃ 하에서, 바람직하게는 50℃ ~ 100℃ 하에서, 더욱 바람직하게는 60℃ ~ 100℃에서 열을 가하여 다관능성 아민계 화합물을 개질된 부직포에 고정시키는 공정을 수행하는 것이 좋은데, 이때, 열가교 온도가 50℃ 미만이면 제조된 항바이러스 부직포의 표면전하가 10 mV 미만이어서 충분한 바이러스 제거능을 발현하지 못할 수 있고, 130℃를 초과하면 부직포의 열변형을 가져와서 여재의 기공이 좁아져서 수투과량에 악영향을 줄 수 있으므로 상기 온도 범위 내에서 열가교를 수행하는 것이 좋다. 그리고, 열가교 시간은 열가교 온도에 따라 상대적으로 변하는 것으로서, 바람직하게는 15초 ~ 6시간 정도 수행하는 것이, 바람직하게는 1분 ~ 1시간 정도 수행하는 것이 좋다.
본 발명의 항바이러스 여재는 부직포의 내부 및 표면에 양전하 코팅층이 코팅되어 있는데, 상기 양전하 코팅층은 평균두께 0.01 ~ 3㎛을 갖도록 형성시키는 것이, 바람직하게는 평균두께 0.05 ~ 1㎛을 갖도록 하는 것이 좋으며, 이때, 코팅층의 평균두께가 0.01㎛ 미만이면 코팅 균일도 감소로 인한 물성편차 하는 문제가 있을 수 있고, 3㎛를 초과하면 코팅층의 내구성이 떨어져 코팅물의 용출이 발생 하는 문제가 있을 수 있다.
양전하 코팅층을 형성된 본 발명 항바이러스 부직포의 표면전하는 10 ~ 40 mV 일 수 있으며, 바람직하게는 20 ~ 40 mV일 수 있다. 이는 부직포의 표면전하가 양전하를 나타냄으로써, 음전하를 갖는 바이러스를 흡착하여 포집할 수 있게 되는데, 만약 부직포의 표면전하가 10mV 미만이면, 바이러스 흡착능이 떨어지는 문제가 있을 수 있고, 40mV를 초과하여도 바이러스 흡착능은 유사하나 공정시 높은 표면전하를 나타내기 위한 반응시간 및 농도 증가에 의한 생산비용 증가한 문제가 있을 수 있다.
그리고, 상기 표면전하는 Anton Parr 사의 Surpass 모델을 사용하여 흐름전위를 측정하여 하기 수학식 1에 의해 계산된 방법에 의거하여 측정할 수 있는데, 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
[수학식 1]
Figure 112013121323527-pat00001
Figure 112013121323527-pat00002
상기 수학식 1에서, ζ: 제타전위(mV), U : 흐름전위(streaming potential, p:압력(pressure), η: 전해질 점도, ε: 전해질의 기본유전율, ε0 : 전해질의 유전체상수, Kb : 전해질의전기전도도
다음 폴리술폰계 분리막(301)에 대해 설명한다.
본 발명의 폴리술폰계 분리막은 박테리아 및 세균 등을 제거하는 역할 및 마이크로 크기를 가지를 입자를 제거하는 역할을 하며, 바람직하게는 0.2 ~ 20㎛의 미생물 등을 제거할 수 있다.
본 발명의 폴리술폰계 분리막은 통상적인 제조방법을 통해 제조된 폴리술폰계 분리막일 수 있으며, 그 제조방법 역시 통상적으로 당업자들이 제조할 수 있는 방법이라면 무관하다. 그리고 폴리술폰계 분리막의 두께는 100 ~ 180㎛, 바람직하게는 110 ~ 170㎛일 수 있다. 이때, 폴리술폰계 분리막의 두께가 평균두께가 100㎛ 미만이면, 사용주기 감소한 문제가 있으며, 평균두께가 180㎛를 초과하면, 차압발생에 의한 효율 감소하는 문제가 있을 수 있다.
또한, 분리막의 종류는 대칭막, 비대칭막, 약대칭막 등을 모두 포함할 수 있으며, 이 뿐만 아니라 평막 또는 중공사도 포함될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 폴리술폰계 분리막은 폴리에테르술폰, 폴리술폰, 폴리알릴에테르술폰, 폴리페닐설폰 및 폴리에테르에테르케톤 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 폴리술폰계 중합체를 포함할 수 있고, 바람직하게는 폴리에테르술폰, 폴리술폰 및 폴리알릴에테르술폰 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 폴리술폰계 중합체를 포함할 수 있다.
또한, 상기 폴리술폰계 분리막은 평균공경이 0.1㎛ ~ 1㎛일 수 있으며, 바람직하게는 0.1㎛ ~ 0.7㎛일 수 있다. 이때, 평균공경이 0.1㎛ 미만이면, 유량 감소한 문제가 있을 수 있고, 1㎛를 초과하면, 박테리아 및 세균 등을 제거성능이 미흡한 문제가 있을 수 있다.
본 발명에서 사용하는 상기 폴리술폰계 분리막은 통상적인 제조방법을 통해 제조된 폴리술폰계 분리막일 수 있으며, 바람직하게는 다음의 방법대로 수행될 수 있다.
본 발명의 풀리술폰계 분리막은 지지체 상에, 폴리술폰계 중합체, 친수성 공경조절제 및 잔량의 용매로 이루어진 고분자용액을 캐스팅하여 막을 형성하는 제1공정; 상기 형성된 막에 온도 20℃ ~ 60℃ 및 습도 30% ~ 99%로 유지된 공기분사에 의해 막의 상층부에 공경(또는 기공)을 형성하는 제2공정; 및 상기 제 2공정 이후, 응고조에 침지하여 상기 지지체로부터 막을 박리시키는 제3공정;을 포함하는 공정을 수행하여 제조할 수 있다.
상기 제1공정에 사용되는 지지체는 금속소재 또는 폴리에틸렌 프탈레이트 필름이며, 상기 금속소재 특성상, 그 표면온도는 5℃ ~ 30℃ 일 수 있고, 지지체의 바람직한 일례로는 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리, 알루미늄합금 또는 구리합금 폴리에틸렌 프탈레이트 필름 등을 사용할 수 있다.
그리고 상기 고분자용액은 폴리술폰계 중합체 8 ~ 40중량%, 친수성 공경 조절제 10 ~ 20중량% 및 잔량의 용매로 이루어질 수 있으며, 상기 고분자용액의 친수성 공경조절제는 내부 공경(또는 기공)을 형성하기 위하여 사용할 수 있다. 그리고 상기 친수성 공경조절제는 용매와 잘 혼합되는 것이라면 사용 가능하며, 바람직하게는 폴리비닐피롤리돈, 폴리에틸렌글리콜 및 실리카로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 중량평균분자량 10,000 ~ 100,000의 범위를 가지는 폴리비닐피롤리돈을 친수성 공경조절제로서 사용할 수 있다.
상기 용매는 N-메틸-2-피롤리돈, 디메틸포름아마이드, 디메틸설폭사이드 및 디메틸아세트아마이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이 사용되며, 이때, 용매의 함량은 전체 100 중량%에서 상기 조성함량을 제외한 잔량이 사용될 수 있다. 또한, 상기 고분자 용액에는 에틸렌글리콜 및 글리세롤을 포함하는 글리콜류; 에탄올 및 메탄올을 포함하는 알코올류; 및 아세톤을 포함하는 케톤류;로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 친수성 첨가제를 더 혼합할 수 있다.
다음 상기 제2공정은 형성된 막에 공경(또는 기공)을 형성하는 단계로서, 제2공정에서 형성되는 막 상층부의 평균공경크기는 0.01 ㎛~ 0.50 ㎛ 직경이며, 상기 상층부를 제외한 막의 하층부의 평균공경크기가 0.45 ㎛ ~ 20 ㎛ 직경일 수 있다.
구체적으로, 상층부에 공경을 형성하는 조건은 공기분사온도 20℃ ~ 60℃ 및 습도 30% ~ 99%로 유지된 조건하에서 0.01 m/min ~ 5 m/min의 속도로 공기분사를 수행하여 공경을 형성할 수 있으며, 이때 공기 노출시간은 5초 ~ 10분 동안 수행될 수 있는데, 만약 상기 공기분사속도가 0.01 m/min 미만이면, 공정 컨트롤의 문제가 있고, 5 m/min를 초과하는 속도로 수행되면, 막 표면에 흠집을 발생하여 공경 형성에 영향을 주기 때문에 바람직하지 않다.
또한, 공기분사시의 공기 노출시간이 5초 미만이면, 표면의 공경 형성이 미흡하므로, 응고시키기 위한 체류시간을 충분하게 제어하도록 하는 것이 바람직하며, 공기노출시간이 10분을 초과하면, 막의 외관이 좋지 않아져 바람직하지 않다.
상기 공기분사에 의해 형성되는 폴리술폰계 분리막 상층부의 공경크기는 0.01㎛ ~ 0.5㎛이며, 폴리술폰계 분리막 하층부의 공경크기 0.45㎛ ~ 20㎛일 수 있으며, 하층부의 공경형성은 지지체 상에 고분자용액을 캐스팅할 때, 지지지체와 고분자용액간의 온도차에 의해 공경이 형성될 수 있다. 이때, 지지체는 금속소재의 특성상 그 표면온도가 5℃ ~ 30℃이며, 이때, 지지체의 온도가 5℃ 미만으로 지나치게 낮으면, 접촉하는 고분자용액간의 온도차가 커져 균일한 도포가 어려워 막형성이 어려울 수 있으며, 반면에 30℃로 높게 유지되면, 고분자 용액간의 온도차가 작아져 열유도상전이법에 의한 공경의 구조를 조절하기 비효율적이다. 따라서 상기 지지체 상에 캐스팅되는 고분자용액의 온도는 상기 지지체 온도보다 높은 온도로 유지하되, 바람직하게는 10℃ ~ 40℃를 유지하는 것이 좋다.
즉, 본 발명의 바람직한 폴리술폰계 분리막 제조방법에 의해 상층부의 공경크기는 0.01㎛~ 0.50㎛이고, 하층부의 공경크기가 0.45㎛ ~ 20㎛인 비대칭구조의 폴리술폰계 막을 제공할 수 있다.
도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 양전하 필터 카트리지는 폴리술폰계 분리막의 일면에 본 발명의 항바이러스 부직포를 단층 또는 다층으로 적층시켜서 제조할 수 있으며, 또는 항바이러스 부직포 일면에 폴리술폰계 분리막을 적층시켜서 제조할 수 있다.
본 발명에서 상기 적층시키는 방법으로는 통상적으로 사용가능한 방법으로 가능하며, 바람직하게는 크로스 적층(수평 적층) 및 버티컬적층(수직 적층) 중 선택되는 어느 하나 이상의 방법을 사용할 수 있다.
그리고 항바이러스 부직포는 단층 또는 다층으로 적층시킨 것을 사용할 수 있는데, 항바이러스 부직포를 다층 적층시키는 방법도 통상적으로 사용가능한 방법으로 가능하며, 바람직하게는 크로스 적층한 방법으로 수행할 수 있으며, 적층 후에는 압축하는 공정을 더 수행할 수 있다.
이는 종래의 필터 카트리지는 박테리아만 제거가 가능하거나, 바이러스만을 제거가 가능한 필터 카트리지로써, 나노사이즈인 바이러스와 박테리아 등의 미생물을 동시에 제거할 수 없었으며, 또한, 동일한 유량에서 종래의 기술의 필터 카트리지로는 바이러스 및 박테리아를 제거하더라도 제거능에서 박테리아 제거성능 6log 이상 및 바이러스 제거성능 2log 이상을 동시에 만족시키지 못하였다. 하지만 본 발명에서는 적정 유량을 유지함으로써, 사용수명도 증가하게 할 뿐만 아니라, 박테리아 및 바이러스를 동시에 제거할 수 있는 양전하 필터 카트리지를 제공할 수 있게 한다.
본 발명의 양전하 필터 카트리지는 전체 평균수투과량이 20 ~ 180㎖/cm2·min·bar로, 바람직하게는 30 ~ 100㎖/cm2·min·bar로 높은 수투과량을 갖으면서도, 박테리아 제거성능이 7log 이상 및 바이러스 제거성능 2.5log 이상일 수 있으며, 바람직하게는 박테리아 제거성능이 8log 이상 및 바이러스 제거성능 3.0log이상일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 박테리아 제거성능이 8.5log 이상 및 바이러스 제거성능 3.5log 이상일 수 있다.
그리고, 본 발명의 양전하 필터 카트리지는 비저장 직수형 필터의 필터 카트리지로 사용하기에 적합하며, 특히, 제약용 비저장 직수형 필터 또는 가정용 비저장 직수형 정수기 필터로 사용하기에 적합하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
[ 실시예 ]
실시예 1 : 항바이러스 여재의 제조
물 99 중량% 및 중량평균분자량 18,000인 폴리아크릴산 1중량%를 혼합하여 개질제를 제조하였다.
다음으로 상기 개질제에 평균공경 6㎛, 섬도가 평균직경 3㎛ 및 평균두께 702㎛를 갖는 폴리프로필렌 부직포를 25℃에서 30초간 침지시킨 후, 이를 꺼낸 후, 80℃에서 3분간 충분히 건조시켜서 개질된 부직포를 제조하였다.
다음으로, 물 99 중량% 및 폴리에틸렌이민 1 중량%를 포함하는 아민계 고분자 용액에 상기 개질된 부직포를 25℃에서 30초간 침지시켰다.
다음으로, 코팅물이 침적된 부직포를 80℃에서 10분간 열풍처리하여 열가교처리를 수행하여 부직포의 내부 및 표면에 평균두께 0.12㎛의 양전하 코팅층을 형성시켜서 항바이러스 여재를 제조하였다.
그리고, 개질 전의 폴리프로필렌 부직포의 SEM 측정 사진을 도 1에 나타내었고, 열가교 처리하여 제조한 항바이러스 여재의 SEM 측정 사진을 도 2에 나타내었다. 도 1과 도 2를 비교해보면, 폴리프로필렌 부직포의 내부 섬유에 양전하 코팅층이 잘 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 2
개질제 성분 중 폴리아크릴산을 중량평균분자량 1,900인 것을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 항바이러스 여재를 제조하였다.
실시예 3
개질제 성분 중 폴리아크릴산을 중량평균분자량 120,000인 것을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 항바이러스 여재를 제조하였다.
실시예 4
개질제 성분 중 중량평균분자량 18,000인 폴리아크릴산을 2 중량%로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 항바이러스 여재를 제조하였다.
실시예 5
폴리에틸렌이민 3 중량%로 포함하는 아민계 고분자 용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 항바이러스 여재를 제조하였다.
실시예 6
열가교 온도 및 시간을 110℃에서 5분간 실시한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 항바이러스 여재를 제조하였다.
실시예 7
실시예 1과 동일하게 실시하여 항바이러스 여재를 제조하되, 폴리프로필렌 부직포로서, 평균공경 15 ㎛, 섬도가 평균직경 7 ㎛ 및 평균두께 653 ㎛를 갖는 폴리프로필렌 부직포를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 항바이러스 여재를 제조하였다.
비교예 1
개질제 성분 중 폴리아크릴산을 중량평균분자량 450,000인 것을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 항바이러스 여재를 제조하였다.
비교예 2
열가교 온도 및 시간을 40℃에서 2시간 실시한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 항바이러스 여재를 제조하였다.
비교예 3
개질제 성분 중 중량평균분자량 18,000인 폴리아크릴산을 10 중량%로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 항바이러스 여재를 제조하였다.
비교예 4
물 98 중량%, 중량평균분자량 18,000인 폴리아크릴산 1중량% 및 폴리에틸렌이민 1중량%로 포함하는 아민계 고분자 용액을 제조하였다.
다음으로, 상기 아민계 고분자 용액에 상기 실시예 1과 동일한 부직포를 25℃에서 30초간 침지시켰다.
다음으로, 코팅물이 침적된 부직포를 80℃에서 10분간 열풍처리하여 열가교처리를 수행하여 항바이러스 여재를 제조하였다.
비교예 5
실시예 1과 동일하게 실시하되, 부직포를 개질시키지 않고, 상기 실시예 1에서 사용한 상기 아민계 고분자 용액에 상기 실시예 1과 동일한 부직포를 25℃에서 30초간 침지시켰다.
다음으로, 코팅물이 침적된 부직포를 80℃에서 10분간 열풍처리하여 열가교처리를 수행하여 항바이러스 여재를 제조하였다.
비교예 6
실시예 1과 동일하게 실시하여 항바이러스 여재를 제조하되, 폴리프로필렌 부직포로서, 평균공경 50 ㎛, 섬도가 평균직경 15㎛ 및 평균두께 989 ㎛를 갖는 폴리프로필렌 부직포를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 항바이러스 여재를 제조하였다.
비교예 7
열가교 온도 및 시간을 145℃에서 2 시간 동안 열가교를 실시한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 항바이러스 여재를 제조하였다.
실험예 1
상기 실시예 1 ~ 6, 비교예 1 ~ 7 에서 제조된 다공성 복합여재의 기본 물성을 파악하기 위해 분리막 기공 평가기(Maker:PMI, model: CFP-1200-AE) 기기를 사용하여 평균공경을 측정하였고, 평막 평가기((주)웅진케미칼 제작)를 이용하여 직경이 90mm인 샘플 홀더를 통해 일정한 압력(1bar)으로 단위면적 및 분당 유량을 측정하였다.
또한, 평막 평가기((주)웅진케미칼 제작)-직경이 90mm인 샘플 홀더를 통해 1bar의 정압에서 PFU/㎖(PFU: plaque formingunits)단위로 8×105/㎖로 희석한 바이러스(MS2 phage) 용액을 투과시켜 미생물 제거성능을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 부직포
평균
두께(㎛)		 여재
평균공경
(㎛)		 평균수투과량
(㎖/cm2?in?ar)		 표면전하
(mV)		 바이러스
제거성능(log)		 코팅층
균일 형성여부
실시예 1 702 6 82 36 3.7 균일
실시예 2 704 6 69 32 3.4 균일
실시예 3 703 6 84 21 2.6 균일
실시예 4 708 6 88 38 4.0 균일
실시예 5 701 6 78 40 4.3 균일
실시예 6 706 6 81 35 3.4 균일
실시예 7 653 15 97 38 3.9 균일
비교예 1 704 6 72 27 0.7 불균일
비교예 2 699 6 70 4 0.3 불균일
비교예 3 700 6 54 25 1.8 불균일
비교예 4 702 6 76 -9 0.9 균일
비교예 5 710 6 52 -18 0.6 불균일
비교예 6 989 50 103 34 2.2 균일
비교예 7 723 6 18 38 4.0 불균일
상기 표 1에서 알 수 있듯이, 실시예 1 ~ 실시예 7의 항바이러스 여재의 바이러스 제거 성능은 항바이러스 부직포 제조조건에 따라 2.5log이상, 바람직하게는 2.6 ~ 4.3log로 매우 우수한 것을 확인할 수 있으며, 평균수투과량 또한 우수한 것을 확인할 수 있다.
그러나, 중량평균분자량 200,000을 초과한 폴리아크릴산을 사용한 비교예 1의 경우, 양전하 코팅층이 불균일하게 형성되어 양전하 물질의 가교반응이 이루어지지 않아 바이러스 제거성능이 떨어지는 문제가 있었다. 또한, 열가교 온도가 50℃ 미만으로 낮았던 비교예 2의 경우, 양전하 코팅층이 부직포에 잘 고정되지 않아서, 코팅층이 쉽게 이탈했고, 코팅층이 불균일하게 형성되었고 그 결과 바이러스 제거성능이 떨어지는 결과를 보였다.
그리고, 폴리아크릴산을 5 중량% 초과한 개질제를 사용한 비교예 3의 경우, 표면전하는 적절했으나, 부직포 표면에 변형이 발생하여 코팅층이 불균일하게 형성되었고 그 결과 바이러스 제거성능이 떨어지는 결과를 보였으며, 또한 수투과량이 너무 높은 문제가 있었다.
또한, 개질성분인 폴리아크릴산과 코팅성분인 폴리에틸렌이민을 동시에 사용하여 코팅처리한 비교예 4의 경우, 코팅층은 균일하게 형성되었으나, 코팅층이 너무 얇게 형성되었고, 또한, 코팅층이 부직포에 고정되지 못하여 바이러스 제거성능이 매우 저조한 결과를 보였다.
그리고, 개질처리하지 않은 비교예 5의 경우, 양전하 코팅층이 부직포와의 접착력이 떨어져서 코팅층이 잘 형성되지 않는 문제가 있었다.
또한, 평균공경이 30㎛ 초과한 부직포를 사용한 비교예 6의 경우, 평균수투과량은 우수하나, 바이러스 제거성능이 미흡한 문제가 있었다. 그리고, 열가교 온도가 130℃를 초과한 비교예 7의 경우, 바이러스 제거성능이 매우 우수했으나, 평균수투과량이 크게 떨어졌는데, 이는 부직포의 공경이 열변형이 일어나서 공경이 작아졌기 때문인 것으로 판단된다.
제조예 1 : 양전하 필터 카트리지의 제조
상기 실시예 1에서 제조한 항바이러스 부직포의 일면에 평균공경 0.45㎛ 영역대 및 평균두께 125㎛의 폴리술폰막(웅진케미칼사 제품)을 적층하여 양전하 필터 카트리지를 제조하였다.
제조예 2
상기 제조예 1과 동일한 방법으로 양전하 필터 카트리지를 제조하되, 평균공경 0.20 ㎛ 영역대 및 및 평균두께 125㎛의 폴리술폰막(웅진케미칼사 제품)을 사용하여 양전하 필터 카트리지르 제조하였다.
제조예 3
상기 제조예 1과 동일한 방법으로 양전하 필터 카트리지를 제조하되, 2층으로 적층된 항바이러스 부직포를 사용하여 양전하 필터 카트리지를 제조하였다.
제조예 4
상기 제조예 1과 동일한 방법으로 양전하 필터 카트리지를 제조하되, 평균공경 0.90㎛ 영역대 및 및 평균두께 125㎛의 폴리술폰막(웅진케미칼사 제품)을 사용하여 양전하 필터 카트리지를 제조하였다.
제조예 5
상기 제조예 1과 동일한 방법으로 양전하 필터 카트리지를 제조하되, 평균공경 0.2㎛ 영역대 및 평균두께 145㎛의 폴리술폰막(웅진케미칼사 제품)을 사용하여 양전하 필터 카트리지를 제조하였다.
비교제조예 1
상기 실시예 1에서 제조한 항바이러스 부직포만으로 양전하 필터 카트리지로 사용하였다.
비교제조예 2
평균공경 0.2㎛ 영역대 및 평균두께 125㎛의 폴리술폰막(웅진케미칼사 제품)만을 양전하 필터 카트리로 사용하였다.
비교제조예 3
상기 제조예 1과 동일한 방법으로 양전하 필터 카트리지를 제조하되, 평균공경 1.2 ㎛ 영역대 및 평균두께 120㎛의 폴리술폰막(웅진케미칼사 제품)을 사용하여 양전하 필터 카트리지를 제조하였다.
비교제조예 4
상기 제조예 1과 동일한 방법으로 양전하 필터 카트리지를 제조하되, 평균공경 0.2 ㎛ 영역대 및 평균두께 190㎛의 폴리술폰막(웅진케미칼사 제품)을 사용하여 양전하 필터 카트리지를 제조하였다.
실험예 2
상기 제조예 1 ~ 5, 비교제조예 1 ~ 4 에서 제조된 양전하 필터 카트리지의 기본 물성을 파악하기 위해 분리막 기공 평가기(Maker:PMI, model: CFP-1200-AE) 기기를 사용하여 평균공경을 측정하였고, 평막 평가기((주)웅진케미칼 제작)를 이용하여 직경이 90mm인 샘플 홀더를 통해 일정한 압력(1bar)으로 단위면적 및 분당 유량을 측정하였다.
또한, 평막 평가기((주)웅진케미칼 제작)을 이용하여 직경이 90mm인 샘플 홀더를 통해 1bar의 정압에서 CFU/㎖(CFU: colony-forming units)단위로 8.2×107/㎖로 희석한 박테리아(Pseudomonasdiminuta) 용액을 투과시켜 미생물 제거성능을 평가하였다.
또한, 평막 평가기((주)웅진케미칼 제작)-직경이 90mm인 샘플 홀더를 통해 1bar의 정압에서 PFU/㎖(PFU: plaque formingunits)단위로 8×105/㎖로 희석한 바이러스(MS2 phage) 용액을 투과시켜 미생물 제거성능을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
구분 폴리술폰막
평균
두께
(㎛)		 폴리술폰막
평균공경
(㎛)		 양전하 필터
카트리지의
평균수투과량
(㎖/cm2·min·bar)		 바이러스
제거성능
(log)		 박테리아
제거성능
(log)
제조예 1 125 0.45 54 3.6 8.9
제조예 2 125 0.20 34 3.8 9.2
제조예 3 125 0.20 33 4.4 9.1
제조예 4 125 0.90 59 3.4 8.2
제조예 5 145 0.20 34 4.1 9.4
비교제조예 1 - - 73 3.8 0.4
비교제조예 2 125 0.20 68 0.1 9.6
비교제조예 3 120 1.20 71 3.5 5.4
비교제조예 4 190 0.20 19 3.9 9.8
상기 표 2의 실험결과를 살펴보면, 제조에 1 ~ 제조예 5의 경우, 바이러스 제거성능이 3.4log 이상으로 우수했으며, 박테리아 제거성능 또한 8log 이상으로 매우 우수할 뿐만 아니라, 평균수과량도 적정한 것을 확인할 수 있었다.
그러나, 폴리술폰막을 사용하지 않은 비교제조예 1의 경우, 박테리아 제거효과가 거의 없었으며, 항바이러스 부직포를 사용하지 않은 비교제조예 2의 경우, 바이러스 제거 효과가 거의 없었다.
평균공경이 1㎛를 초과한 폴리술폰막을 사용한 비교제조예 3의 경우, 제조예 1과 비교할 때, 박테리아 제거성능이 크게 감소하는 문제가 있었다. 그리고, 평균두께가 180㎛를 초과한 폴리술폰막을 사용한 비교제조예 4의 경우, 제조예 1 및 제조예 5와 비교해 보면, 박테리아 제거성능이 상승했으나, 평균수투과량이 크게 떨어지는 문제가 있었다.
상기 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명의 양전하 필터 카트리지가 우수한 수투과량, 바이러스 제거성능 및 박테이라 제거성능을 갖는 것을 확인할 수 있었으며, 본 발명의 양전하 필터 카트리지는 기존의 유기섬유 기반의 항바이러스 여재를 대체할 수 있는 친환경적인 필터 카트리지임을 확인할 수 있었다. 이러한, 본 발명의 필터 카트리지는 다양한 직수형 필터에 사용하기에 적합하며, 바람직하게는 비저장형 직수형 필터로서, 더욱 바람직하게는 제약용 비저장형 직수형 필터 등에 적용시킬 수 있다.
300 :양전하 필터 카트리지 301 : 폴리술폰계 분리막
302 : 항바이러스 부직포

Claims (19)

  1. 표면전하가 10 ~ 40 mV인 항바이러스 부직포 및 폴리술폰계 분리막을 포함하며,
    필터링(filtering) 방향으로 상기 항바이러스 부직포의 일면에 상기 폴리술폰계 분리막이 적층되고,
    상기 항바이러스 부직포는 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유 및 셀룰로오스 섬유 중 선택된 1종 이상을 함유한 개질된 부직포; 및 상기 부직포의 내부 및 표면에 양전하 코팅층;이 형성되어 있으며,
    상기 개질된 부직포는 섬도가 평균직경 0.5 ~ 10㎛ 및 공경 1 ~ 30㎛이고,
    상기 개질된 부직포는 중량평균분자량 1,800 ~ 200,000인 폴리아크릴산 및 폴리비닐알콜 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 고분자 수지 0.1 ~ 5 중량%; 및 C1~C3의 알코올, 아세톤 및 물 중 1종 이상을 함유한 용매 95 ~ 99.9 중량%;를 포함하는 개질제로 개질시킨 부직포이며,
    상기 폴리술폰계 분리막은 평균공경이 0.1 ㎛ ~ 1 ㎛ 및 평균두께 100 ㎛ ~ 180 ㎛이고,
    평균수투과량이 30 ~ 100 ㎖/cm2·min·bar이며, 바이러스 제거성능이 2.5log 이상이고, 박테리아 제거성능이 7 log 이상인 것을 특징으로 하는 양전하 카트리지 필터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 양전하 코팅층은 다관능성 아민 화합물을 포함하며,
    상기 다관능성 아민 화합물은 폴리에틸렌이민, 디에틸렌트리아민, 피페라진, 디메틸렌피페라진 및 디페닐아민 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 양전하 카트리지 필터.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 개질된 부직포는 평균두께 0.1㎜ ~ 2㎜ 것을 특징으로 하는 양전하 카트리지 필터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 양전하 코팅층은 평균두께 0.01 ~ 3.0㎛ 것을 특징으로 하는 양전하 카트리지 필터.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 폴리술폰계 분리막은
    폴리에테르술폰, 폴리술폰, 폴리알릴에테르술폰 및 폴리페닐설폰 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 폴리술폰계 중합체를 포함하거나 또는
    상기 폴리술폰계 중합체 및 폴리에테르에테르케톤을 포함하는 것을 특징으로 하는 양전하 카트리지 필터.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항, 제2항, 제4항, 제5항 및 제7항 중에서 선택된 어느 한 항의 양전하 카트리지 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 비저장형 직수형 필터.
  12. 폴리술폰계 분리막의 일면에 항바이러스 부직포를 단층 또는 다층으로 적층 및 합지시켜서 제조하며,
    상기 항바이러스 부직포는 부직포의 표면 및 내부를 개질제로 전처리하여 개질된 부직포를 제조하는 단계;
    상기 개질된 부직포를 건조시키는 단계;
    개질된 부직포를 아민계 고분자 용액으로 양전하 코팅처리하는 단계; 및
    양전하 코팅처리한 부직포를 열가교처리를 통해 부직포에 다관능성 아민계 화합물을 고정화시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 양전하 카트리지 필터의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 개질된 부직포를 제조하는 단계는 부직포를 개질제에 10℃ ~ 35℃에서 5초 ~ 5분 동안 침지시켜서 수행하는 것을 특징으로 하는 양전하 카트리지 필터의 제조방법.
  14. 제12항에 있어서, 코팅처리하는 단계는 상기 아민계 고분자 용액에 전처리한 부직포를 10℃ ~ 35℃에서 10초 ~ 30분간 동안 침지시켜서 수행하는 것을 특징으로 하는 양전하 카트리지 필터의 제조방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 열가교처리는 50℃ ~ 130℃ 하에서 수행하는 것을 특징으로 하는 양전하 카트리지 필터의 제조방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기 개질제는 중량평균분자량 1,800 ~ 200,000인 폴리아크릴산 및 폴리비닐알콜 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 고분자 수지; 및
    C1~C3의 알코올, 아세톤 및 물 중 1종 이상을 함유한 용매;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 양전하 카트리지 필터의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 개질제는 상기 고분자 수지 0.1 ~ 5 중량% 및 상기 용매 95 ~ 99.9 중량%로 포함하는 것을 특징으로 하는 양전하 카트리지 필터의 제조방법.
  18. 제12항에 있어서, 상기 아민계 고분자 용액은
    폴리에틸렌이민, 디에틸렌트리아민, 피페라진, 디메틸렌피페라진 및 디페닐아민 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 다관능성 아민계 고분자 수지; 및
    C1~C3의 알코올, 아세톤 및 물 중 1종 이상을 함유한 용매;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 양전하 카트리지 필터의 제조방법.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 아민계 고분자 용액은 다관능성 아민계 고분자 수지를 0.1 ~ 10 중량% 및 상기 용매 90 ~ 99.9 중량%로 포함하는 것을 특징으로 하는 양전하 카트리지 필터의 제조방법.
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