KR101936411B1 - 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통 - Google Patents

휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통 Download PDF

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Abstract

플렉서블한 특성을 갖는 제올라이트 나노섬유를 이용하는 것에 의해 추가적인 성형 공정 없이 원하는 형태로 다양하게 제작 가능한 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통은 내부에 수납 공간을 구비하는 정화통 본체; 상기 정화통 본체의 수납 공간 내에 탑재되는 분진 필터; 상기 분진 필터 상에 적층된 정화 필터; 및 상기 수납 공간 내의 상기 분진 필터 및 정화 필터를 커버하도록 상기 정화통 본체와 결합되는 정화통 커버; 를 포함하며, 상기 정화 필터는 흡착제로 플렉서블한 시트 형상을 갖는 다공성 세라믹 나노섬유가 이용되는 것을 특징으로 한다.

Description

휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통{POROUS CERAMIC NANOFIBER GAS MASK CANISTER FOR REMOVING VOLATILE ORGANIC COMPOUNDS}
본 발명은 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정화 필터로 플렉서블하면서 고비표면적을 갖는 다공성 세라믹 나노섬유를 이용하는 것에 의해, 기존의 정화통과 비교하여 대략 4 ~ 5 단계의 조립 과정을 생략함으로써, 제조 및 공급 가격적인 측면에서 상당히 우월한 위치를 선점할 수 있는 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통에 관한 것이다.
현재 사용되고 있는 방독면 정화통은 크게 물리적 여과 및 화학적 여과의 2 단계로 구성되어 있다. 이때, 휘발성유기화합물(VOCs)의 제거 기능을 하는 화학적 여과 부분의 정화 필터의 주 원료는 활성탄으로 국내 일부 업체에서 분말 활성탄을 제조하고 있으나, 원료 또한 전량 수입에 의존하고 있으며, 조립 활성탄의 경우는 대부분 완제품을 수입하고 있다.
활성탄의 경우 일정한 크기, 일정한 형태의 기공이 아닌 다양한 크기의 기공이 불규칙하게 혼재한 구조로 표면적이 높더라도 선택적으로 흡착 및 분리하는 데는 한계가 있다.
또한, 저가의 활성탄의 경우 비활성에 따른 교체 빈도가 높아 가격 경쟁력이 높다고만 볼 수 없다. 이러한 활성탄은 사용 후 폐기시, 폐기물 관리법에 따라 처리해야 하는 문제점이 있다.
최근에는 활성탄의 잔류성분으로 인한 세포독성 및 유전자적 독성, 인체 독성 등과 같은 인체세포 활성도에 악영향을 끼치는 문제가 제시되어, 이에 대한 친환경적인 흡착소재 대체기술 개발을 진행 중이다.
도 1은 종래에 따른 방독면 정화통을 나타낸 분해 사시도이고, 도 2는 종래의 방독면 정화통에 사용되는 입상 활성탄을 나타낸 사진이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래에 따른 방독면 정화통(1)은 최 외곽의 양측에 제1 정화통 커버(10) 및 제2 정화통 커버(15)가 배치되고, 제1 및 제2 정화통 커버(10, 15)의 내측에는 제1 전처리 필터(20) 및 제2 전처리 필터(25)가 각각 배치되고, 제1 및 제2 전처리 필터(20, 25)의 내측에는 제1 정화 필터 커버(30) 및 제2 정화 필터 커버(35)가 각각 배치된다.
또한, 종래에 따른 방독면 정화통(1)은 제1 및 제2 정화 필터 커버(30, 35)의 내측에 제1 분진 필터(40) 및 제2 분진 필터(45)가 각각 배치되고, 제1 및 제2 분진 필터(40, 45)의 내측에 첨착 활성탄으로 이루어진 정화 필터(50)가 배치된다.
이와 같이, 종래에 따른 방독면 정화통(1)은 구형의 입상 형태의 활성탄의 사용으로 호흡시 유입되는 미세분진을 제거하기 위한 제1 및 제2 전처리 필터(20, 25) 외에도, 첨착 활성탄의 미세분진을 제거하기 위한 제1 및 제2 분진 필터(40, 45)의 사용으로 인하여 2중 필터 구조를 가지며, 활성탄을 고정하기 위한 스테인리스 스틸 재질의 제1 및 제2 정화 필터 커버(30, 35)가 구성되어 대략 9 ~ 10 단계의 조립 과정을 필요로 하고 있다.
이 결과, 종래에 따른 방독면 정화통(1)은 다수의 부품으로 이루어져 대략 9 ~ 10 단계의 조립 과정을 필요로 하기 때문에 제조 부품 단가가 증가하며, 다수의 조립 과정에 의한 조립 비용의 상승으로 공급 단가가 증가할 수 밖에 없는 문제가 있었다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 등록실용신안공보 제20-0292111호(2002.10.14. 공고)가 있으며, 상기 문헌에는 독성 및 유해성 가스 제거용 활성탄소섬유, 금속 첨착활성탄소섬유 내장 정화통의 제조가 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 정화 필터로 플렉서블하면서 고비표면적을 갖는 다공성 세라믹 나노섬유를 이용하는 것에 의해, 기존의 정화통과 비교하여 대략 4 ~ 5 단계의 조립 과정을 생략함으로써, 제조 및 공급 가격적인 측면에서 상당히 우월한 위치를 선점할 수 있는 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통은 내부에 수납 공간을 구비하는 정화통 본체; 상기 정화통 본체의 수납 공간 내에 탑재되는 분진 필터; 상기 분진 필터 상에 적층된 정화 필터; 및 상기 수납 공간 내의 상기 분진 필터 및 정화 필터를 커버하도록 상기 정화통 본체와 결합되는 정화통 커버; 를 포함하며, 상기 정화 필터는 흡착제로 플렉서블한 시트 형상을 갖는 다공성 세라믹 나노섬유가 이용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통은 정화통 본체, 분진 필터, 정화 필터 및 정화통 커버 각각이 장방형 구조로 설계됨에 따라, 방독면의 착용시 정화통의 하중을 양면으로 배분하여 정화통의 하중에 대한 피로도를 최소화함과 더불어, 흡착제인 다공성 세라믹 나노섬유의 비표면적을 최대화할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통은 정화 필터로 제올라이트 나노섬유를 이용하는 것에 의해 구형상의 활성탄의 유실을 방지하기 위한 제1 및 제2 정화 필터 커버가 필요 없음에 따라 방독면 정화통의 질량을 대략 50g 이상 감량화할 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 방독면 정화통에 비하여 대략 4 ~ 5 단계의 조립과정을 생략할 수 있으므로, 이로 인하여 제조 및 공급 가격적인 측면에서 상당히 우월한 위치를 선점할 수 있다.
이에 더불어, 본 발명에 따른 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통은, 화학적 여과 필터 부분의 제조 공정에 있어서도 분말 형태의 활성탄을 필터 형태로의 추가적인 성형 공정을 필요로 하는 종래의 방독면 정화통과 달리, 플렉서블한 특성을 갖는 제올라이트 나노섬유를 이용하는 것에 의해 추가적인 성형 공정 없이 원하는 형태로 다양하게 제작 가능한 장점이 있어 정화 필터의 디자인 다각화를 통한 제품의 차별화 전략을 모색할 수 있다.
도 1은 종래에 따른 방독면 정화통을 나타낸 분해 사시도.
도 2는 종래의 방독면 정화통에 사용되는 입상 활성탄을 나타낸 사진.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통을 나타낸 분해 사시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통을 나타낸 결합 배면 사시도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통을 나타낸 결합 정면 사시도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통을 나타낸 평면도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통을 나타낸 측 단면도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다공성 세라믹 나노섬유를 나타낸 사시도.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 다공성 세라믹 나노섬유를 나타낸 단면도.
도 10은 도 9의 A 부분을 확대하여 나타낸 단면도.
도 11은 식각 전 상태의 다공성 세라믹 나노섬유를 나타낸 단면도.
도 12는 본 발명의 변형예에 따른 다공성 세라믹 나노섬유를 나타낸 단면도.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 다공성 세라믹 나노섬유의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통을 나타낸 분해 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통(100)은 정화통 본체(110), 분진 필터(120), 정화 필터(150) 및 정화통 커버(160)를 포함한다.
정화통 본체(110)는 내부에 수납 공간(S)을 구비한다. 정화통 본체(110)는 망사 구조의 메시 패턴(115)에 의해, 외부 공기가 흡입되는 흡기공(H1)을 구비할 수 있다.
이러한 흡기공(H1)은 외부 공기가 정화통(100)의 내부로 흡입되도록 메시 패턴(115)에 의해 정화통 본체(110)를 관통하도록 형성된다. 이러한 흡기공(H1)은 직사각형 형태로 설계될 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 그 형태는 다양하게 적용될 수 있다.
분진 필터(120)는 정화통 본체(110)의 수납 공간(S) 내에 탑재된다. 이러한 분진 필터(120)는 정화통 본체(110)의 흡기공(H1)으로부터 유입되는 외부 공기 중의 입자 또는 먼지를 1차적으로 필터링하는 기능을 수행하는 물리적 여과 부분에 해당된다.
정화 필터(150)는 분진 필터(120) 상에 적층된다. 이러한 정화 필터(150)는 분진 필터(120)에 의해 1차적으로 필터링된 공기 중의 입자 또는 유독 가스, 특히 휘발성유기화합물(VOCs)을 2차적으로 필터링하여 제거하는 기능을 수행하는 화학적 여과 부분에 해당된다.
특히, 본 발명에서, 정화 필터(150)는 흡착제로 플렉서블한 시트 형상을 갖는 다공성 세라믹 나노섬유(140)를 이용하였으며, 보다 바람직하게는 500 ~ 1,000㎡/g의 고비표면적을 갖는 제올라이트 나노섬유를 이용하였다.
구체적으로, 정화 필터(150)는 메시 구조를 갖는 정화 필터 케이스(130)와, 정화 필터 케이스(130)에 탑재된 다공성 세라믹 나노섬유(140)를 포함한다. 이러한 다공성 세라믹 나노섬유(140)는 제1 고분자 수지만으로 이루어지거나, 또는 제1 고분자 수지의 표면에 제2 고분자 수지가 일부 잔류함에 따라 나노섬유의 장점인 유연성 및 핸들링성의 우수함을 확보할 수 있음과 더불어, 제1 고분자 수지의 표면으로부터 돌출된 다공성 세라믹 분말의 특성인 넓은 비표면적의 장점으로 우수한 흡착 성능을 동시에 확보할 수 있게 된다. 이러한 다공성 세라믹 나노섬유(140)에 대한 상세한 설명에 대해서는 후술하도록 한다.
정화통 커버(160)는 수납 공간(S) 내의 분진 필터(120) 및 정화 필터(150)를 커버하도록 정화통 본체(110)와 결합된다. 이러한 정화통 커버(160)는 방독면 본체(200)에 결합하기 위한 결합 돌기(165)와, 정화통 커버(160)를 관통하여 분진 필터(120) 및 정화 필터(150)에 의해 2단계로 필터링되어 정화된 공기를 정화통 본체(110)로 배기시키는 배기공(H2)을 구비할 수 있다.
이때, 결합 돌기(165)는 정화통 커버(160)와 일체로 형성되며, 방독면 본체(미도시)에 강제 끼움 결합 방식으로 체결되어 정화통 커버(160)를 방독면 본체에 결합시키는 역할을 하게 된다. 이를 위해, 배기공(H2)은 정화통 커버(160)의 결합 돌기(165)를 관통하도록 설치될 수 있다. 이에 따라, 배기공(H2)은 결합 돌기(165)의 중앙 부분에 배치될 수 있다.
이에 따라, 방독면의 착용을 위해, 조립이 완료된 방독면 정화통(100)을 결합 돌기(165)를 이용하여 방독면 본체에 결합시켜 사용할 시, 방독면 정화통(100)의 정화통 본체(110)의 흡기공(H1)을 통해 외부로의 공기가 유입되면, 분진 필터(120)에 의해 1차적으로 필터링되고, 분진 필터(120)의 내측에 배치되는 정화 필터(150)에 의해 2차적으로 필터링된 후, 정화통 커버(160)의 배기공(165)을 통하여 방독면 본체로 정화된 공기가 공급될 수 있게 된다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통은 정화통 본체, 분진 필터, 정화 필터 및 정화통 커버 각각이 장방형 구조로 설계됨에 따라, 방독면의 착용시 정화통의 하중을 양면으로 배분하여 정화통의 하중에 대한 피로도를 최소화함과 더불어, 흡착제인 다공성 세라믹 나노섬유의 비표면적을 최대화할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통은 정화 필터로 제올라이트 나노섬유를 이용하는 것에 의해 구형상의 활성탄의 유실을 방지하기 위한 제1 및 제2 정화 필터 커버가 필요 없음에 따라 방독면 정화통의 질량을 대략 50g 이상 감량화할 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 방독면 정화통에 비하여 대략 4 ~ 5 단계의 조립과정을 생략할 수 있으므로, 이로 인하여 제조 및 공급 가격적인 측면에서 상당히 우월한 위치를 선점할 수 있다.
이에 더불어, 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통은, 화학적 여과 필터 부분의 제조 공정에 있어서도 분말 형태의 활성탄을 필터 형태로의 추가적인 성형 공정을 필요로 하는 종래의 방독면 정화통과 달리, 플렉서블한 특성을 갖는 제올라이트 나노섬유를 이용하는 것에 의해 추가적인 성형 공정 없이 원하는 형태로 다양하게 제작 가능한 장점이 있어 정화 필터의 디자인 다각화를 통한 제품의 차별화 전략을 모색할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통을 나타낸 결합 배면 사시도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통을 나타낸 결합 정면 사시도이다. 또한, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통을 나타낸 평면도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통을 나타낸 측 단면도이다.
도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통(100)은 장방형 구조로 설계됨에 따라, 방독면의 착용시 방독면 정화통(100)의 하중을 양면으로 배분하여 방독면 정화통(100)의 하중에 대한 피로도를 최소화함과 더불어, 흡착제인 다공성 세라믹 나노섬유(도 3의 140)의 비표면적을 최대화할 수 있게 된다.
이를 위한 일 예로, 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통(100)은 평면상으로 볼 때 사다리꼴 형상을 가질 수 있다.
사다리꼴 형상의 방독면 정화통(100)은 아랫변이 제1 길이(L1)를 가질 수 있고, 윗변은 제1 길이(L1)보다 짧은 제2 길이(L2)를 가질 수 있고, 높이는 제1 길이(L1)보다 긴 제3 길이(L3)를 가질 수 있다. 이때, 제1 길이는 85 ~ 90mm이고, 제2 길이는 75 ~ 80mm이고, 제3 길이는 100 ~ 110mm일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 방독면 정화통(100)은 20 ~ 30mm의 두께(T)를 가질 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통(100)은 종래의 저농도유기화합물에 사용되는 방독면 정화통과 거의 유사한 크기로 다공성 세라믹 나노섬유가 탑재되는 구조를 가지며, 정화통 본체(110), 분진 필터(도 3의 120), 정화 필터(도 3의 150) 및 정화통 커버(160)가 차례로 결합되는 4 단계의 조립 구조로 설계된다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통(100)은 3D 설계를 바탕으로 하여 3D 프린터로 출력까지 하는 목업 작업을 진행하는 것에 의해, 종래의 방독면 정화통에 비하여 대략 4 ~ 5 단계의 조립과정을 생략할 수 있을 뿐만 아니라, 공정 단순화로 인하여 제조 및 공급 가격적인 측면에서 상당히 우월한 위치를 선점할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 다공성 세라믹 나노섬유에 대하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다공성 세라믹 나노섬유를 나타낸 사시도이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 다공성 세라믹 나노섬유를 나타낸 단면도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다공성 세라믹 나노섬유(140)는 제1 고분자 수지(142) 및 다공성 세라믹 분말(144)을 포함한다.
제1 고분자 수지(142)는 내부의 코어(core)로서 사용된다. 이때, 제1 고분자 수지(142)는 노즐 형상에 따라 다양한 형태를 가질 수 있으며, 일 예로 원통형, 육면체 등을 가질 수 있다.
이러한 제1 고분자 수지(142)는 소수성을 갖는 물질을 이용하는 것이 바람직한데, 이는 제1 고분자 수지(142)를 감싸는 제2 고분자 수지(도 11의 146)를 습식 식각으로 식각하는 과정에서 제2 고분자 수지만을 선택적으로 제거하기 위함이다.
이에 따라, 제1 고분자 수지(142)의 외측 표면에는 친수성을 갖는 제2 고분자 수지가 모두 제거되어, 제1 고분자 수지(142)만이 존재할 수 있다. 반면, 제1 고분자 수지(142)의 표면에는 친수성을 갖는 제2 고분자 수지가 일부 잔류할 수도 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.
이를 위해, 제1 고분자 수지(142)로는 소수성을 갖는 물질인 PVDF(polyvinylidene fluoride)를 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 PVDF를 제1 고분자 수지(142)로 이용하게 되면, 섬유 형상 안전화로 유연성, 탄력성 등의 특성 면에서 우수한 물성을 확보하는 것이 가능해질 수 있다.
다공성 세라믹 분말(144)은 제1 고분자 수지(142)의 내부에 분산 배치된다. 다공성 세라믹 분말(144)은 넓은 비표면적을 갖는 것에 의해 흡착 성능을 향상시킬 수 있음과 더불어, 강도를 향상시키는 역할을 한다. 이를 위해, 다공성 세라믹 분말(144)로는 제올라이트를 이용하는 것이 바람직하다.
이때, 다공성 세라믹 분말(144)은 제1 고분자 수지(142)의 외측 표면으로 일부가 돌출되어 노출된다.
즉, 다공성 세라믹 분말(144)은 제1 고분자 수지(142)의 내부에 분산 배치됨과 더불어, 제1 고분자 수지(142)의 표면 외측으로 일부가 돌출되어 제1 고분자 수지(142)의 외부로 노출된다.
한편, 도 10은 도 9의 A 부분을 확대하여 나타낸 단면도이고, 도 11은 식각 전 상태의 다공성 세라믹 나노섬유를 나타낸 단면도로, 이를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 다공성 세라믹 나노섬유는 제2 고분자 수지(146)를 더 포함할 수 있다. 이러한 제2 고분자 수지(146)는 친수성을 갖는 PVP(polyvinylpyrrolidone)를 이용하는 것이 바람직하며, 습식 식각시 제2 고분자 수지(146)가 모두 제거되지 않고 일부가 남아 제1 고분자 수지(142)의 표면에 잔류할 수 있다.
한편, 도 9 및 도 11에 도시된 바와 같이, 식각 전의 코어-쉘 나노섬유(145)는 소수성을 갖는 제1 고분자 수지(142)가 내부 중심에 배치되고, 제1 고분자 수지(142)의 표면에는 친수성을 갖는 제2 고분자 수지(146)가 배치되고, 제1 및 제2 고분자 수지(142, 146)의 내부에는 다공성 세라믹 분말(144)이 분산 배치된다.
이때, 식각 용액을 이용한 습식 식각 방식으로 코어-쉘 나노섬유(145)의 제2 고분자 수지(146)를 제거하게 되면, 친수성을 갖는 제2 고분자 수지(146)만을 선택적으로 제거하고 소수성을 갖는 제1 고분자 수지(142)는 제거되지 않도록 유지되도록 하는 것에 의해, 제1 고분자 수지(142)가 손상 없이 나노섬유의 형태가 유지되어 플렉서블한 특성을 유지하면서 적정 강도를 확보하는 것이 가능해질 수 있다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 다공성 세라믹 나노섬유(140)는 제1 고분자 수지(142)의 표면 외측으로 다공성 세라믹 분말(144)의 일부가 돌출되어 노출되므로 500 ~ 1,000㎡/g의 고비표면적을 가지면서, 제1 고분자 수지(142)로부터 다공성 세라믹 분말(144)이 돌출되어 노출되는 것에 의해 흡착 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 다공성 세라믹 나노섬유는 제1 고분자 수지를 덮고 있던 제2 고분자 수지를 습식 식각으로 모두 제거하거나, 또는 일부가 잔류하도록 함으로써, 제1 고분자 수지가 손상 없이 나노섬유의 형태가 유지되어 강도 확보가 가능할 뿐만 아니라, 제1 고분자 수지의 표면 외측으로 다공성 세라믹 분말의 일부가 돌출되어 노출되는 것에 의해 500 ~ 1,000㎡/g의 고비표면적을 가지면서 돌출된 다공성 세라믹 분말에 의해 흡착 효율을 극대화할 수 있게 된다.
다시 말해, 본 발명의 실시예에 따른 다공성 세라믹 나노섬유는 소수성을 갖는 제1 고분자 수지가 코어의 형태로 존재하고, 친수성을 갖는 제2 고분자 수지가 쉘의 형태로 존재하며, 제1 및 제2 고분자 수지 내에 다공성 세라믹 분말이 분산 배치되는 코어-쉘 나노섬유를 습식 식각으로 제2 고분자 수지를 모두 제거하거나, 또는 일부가 잔류되는 구조를 갖는다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 다공성 세라믹 나노섬유는 내부의 코어 형태의 제1 고분자 수지가 나노섬유의 형태를 가져 강도를 유지할 수 있으면서 다공성 세라믹 분말이 제1 고분자 수지의 외부로 돌출되어 노출되는 것에 의해 흡착 성능을 향상시킴과 더불어 고비표면적을 확보하는 것이 가능해질 수 있다.
한편, 도 12는 본 발명의 변형예에 따른 다공성 세라믹 나노섬유를 나타낸 단면도이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 변형예에 따른 다공성 세라믹 나노섬유(140)는 도 9를 참조하여 설명한 실시예와 실질적으로 동일한 구성을 갖는다.
다만, 본 발명의 변형예에 따른 다공성 세라믹 나노섬유(140)는 제2 고분자 수지(도 11의 146)가 모두 제거되면서, 제1 고분자 수지(142)의 표면 일부가 함께 제거되는 구조를 갖는다.
이에 따라, 제1 고분자 수지(142)는 표면 일부가 제2 고분자 수지와 함께 제거되는 것에 의해, 곡선 형태의 굴곡 패턴(148)을 갖는다.
이와 같이, 본 발명의 변형예에 따른 다공성 세라믹 나노섬유(140)는 제2 고분자 수지와 함께 제1 고분자 수지(142)의 표면 일부가 함께 제거되어 굴곡 패턴(148)을 갖는 것에 의해, 제1 고분자 수지(142)의 표면으로 돌출된 다공성 세라믹 분말(144)이 외부로 보다 많이 노출되게 된다.
이 결과, 본 발명의 변형예에 따른 다공성 세라믹 나노섬유(140)는 다공성 세라믹 분말(144)이 외부로 더 많이 돌출되어 노출 면적이 증가하는 구조를 가짐에 따라, 실시예에 비하여 비표면적이 보다 많이 증가하는 고비표면적을 확보하는 것이 가능해질 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 다공성 세라믹 나노섬유 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 다공성 세라믹 나노섬유의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 다공성 세라믹 나노섬유 제조 방법은 세라믹 전구체 용액 형성 단계(S110), 코어-쉘 나노섬유 형성 단계(S120) 및 다공성 세라믹 나노섬유 형성 단계(S130)를 포함한다.
세라믹 전구체 용액 형성
세라믹 전구체 용액 형성 단계(S110)에서는 다공성 세라믹 분말을 용매에 첨가하여 교반한 후, 소수성을 갖는 제1 고분자 수지 및 친수성을 갖는 제2 고분자 수지를 첨가하여 세라믹 전구체 용액을 형성한다.
다공성 세라믹 분말은 제올라이트를 이용하는 것이 바람직하다.
제1 고분자 수지는 소수성을 갖는 물질인 PVDF(polyvinylidene fluoride)를 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 PVDF를 제1 고분자 수지로 이용하게 되면, 섬유 형상 안전화로 유연성, 탄력성 등의 특성 면에서 우수한 물성을 확보하는 것이 가능해질 수 있다. 제2 고분자 수지는 친수성을 갖는 물질인 PVP(polyvinylpyrrolidone)를 이용하는 것이 바람직하다. 용매로는 아세톤(acetone), DMF(dimethylformamide), 옥탄올(Octanol), 테트라데칸(tetradecane), 펜탄올(pentanol), 디프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르(dipropylene glycol monomethyl ether), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol) 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
본 발명에서, 세라믹 전구체 용액은 제1 고분자 수지 5 ~ 15 중량%, 제2 고분자 수지 3 ~ 10 중량%, 다공성 세라믹 분말 5 ~ 40 중량% 및 나머지 용매를 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 제1 고분자 수지와 다공성 세라믹 분말은 1 : 2 ~ 1 : 6의 중량비로 첨가되는 것이 보다 바람직하다. 여기서, 제1 고분자 수지의 첨가량이 세라믹 전구체 용액 전체 중량의 5 중량% 미만일 경우에는 세라믹 전구체 용액의 농도가 낮아 방울형태로 축적되어 구슬 형태의 섬유상이 형성될 우려가 크다. 반대로, 제1 고분자 수지의 첨가량이 세라믹 전구체 용액 전체 중량의 15 중량%를 초과할 경우에는 과도한 수축으로 인해 나노섬유 복합체의 형성시 안정성이 저하되는 문제가 있다.
다공성 세라믹 분말의 첨가량이 세라믹 전구체 용액 전체 중량의 5 중량% 미만일 경우에는 강도 및 흡착 성능 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 다공성 세라믹 분말의 첨가량이 세라믹 전구체 용액 전체 중량의 40 중량%를 초과할 경우에는 섬유 형태의 성질에 따라 취성이 증가하여 오히려 인장강도가 감소하는 문제가 있다.
코어-쉘 나노섬유 형성
코어-쉘 나노섬유 형성 단계(S120)에서는 세라믹 전구체 용액을 기재 상에 전기방사한 후, 1차 건조하여 코어 형태의 제1 고분자 수지와 쉘 형태의 제2 고분자 수지 내에 다공성 세라믹 분말이 분산 배치되는 코어-쉘 나노섬유를 형성한다.
이에 따라, 코어-쉘 나노섬유는 소수성을 갖는 제1 고분자 수지가 내부 중심에 배치되고, 제1 고분자 수지의 표면에는 친수성을 갖는 제2 고분자 수지가 배치되고, 제1 및 제2 고분자 수지의 내부에는 다공성 세라믹 분말이 분산 배치된다.
본 단계에서, 전기방사는 세라믹 전구체 용액을 시린지에 투입한 후, 시린지 펌프를 이용하여 기재 상에 20 ~ 30℃에서 0.5 ~ 2.0ml/hr의 속도로 토출시키는 방식으로 실시하는 것이 바람직하다.
특히, 전기방사는 방사 전압 : 5 ~ 15kV 및 방사 거리 : 10 ~ 20cm 조건으로 실시하는 것이 바람직하며, 시린지의 노즐 직경은 15 ~ 25G인 것을 이용하는 것이 바람직하다. 여기서, 방사 거리는 방사 대상물인 기재와 시린지의 노즐 간의 이격 거리를 의미한다.
방사 전압이 5kV 미만일 경우에는 제조 시간이 과도하게 소요되어 제조 비용을 상승시킬 우려가 있을 뿐만 아니라, 균일한 막질 형성에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 방사 전압이 15kV를 초과할 경우에는 효과 상승 대비 비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다. 또한, 방사 거리가 10cm 미만일 경우에는 노즐에 의한 간섭으로 막질 특성이 저하될 우려가 있다. 반대로, 방사 거리가 20cm를 초과할 경우에는 균일한 막을 확보하는데 어려움이 따를 수 있다.
이때, 1차 건조는 70 ~ 90℃에서 5 ~ 20시간 동안 실시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이러한 1차 건조에 의해 용매는 모두 휘발되어 제거된다.
다공성 세라믹 나노섬유 형성
다공성 세라믹 나노섬유 형성 단계(S130)에서는 코어-쉘 나노섬유에 대한 습식 식각을 실시하여, 코어-쉘 나노섬유의 제2 고분자 수지를 제거하여 다공성 세라믹 분말의 일부를 노출시킨 후, 2차 건조하여 다공성 세라믹 나노섬유를 형성한다.
이때, 습식 식각은 코어-쉘 나노섬유를 식각 용액이 채워진 식각 용기 내에 침지시킨 후, 식각 용기를 10 ~ 50rpm의 속도로 회전시키면서 10 ~ 60분 동안 수행하는 것이 바람직하다.
습식 식각시, 식각 시간이 10분 미만일 경우에는 제2 고분자 수지가 식각되는 정도가 너무 낮아 다공성 세라믹 분말의 노출 면적 확보가 어려워 흡착 성능 개선 효과가 미미할 수 있다. 반대로, 식각 시간이 60분을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 없이 제조 비용만을 상승시키는 요인으로 작용하므로, 경제적이지 못하다.
본 단계에서, 습식 식각에 의해, 친수성을 갖는 제2 고분자 수지가 모두 제거되거나, 또는 제1 고분자 수지의 외측 표면에 일부가 잔류할 수 있다. 이를 위해, 식각 용액으로는 에탄올, NaBH4, TBA(tert-butylamine), 메탄올, 아세트산 중 선택된 1종 이상만을 이용하는 것이 바람직하다.
이와 달리, 본 단계에서, 습식 식각에 의해, 친수성을 갖는 제2 고분자 수지가 모두 제거되면서, 제1 고분자 수지의 표면 일부가 함께 제거될 수 있다. 이와 같이, 제1 고분자 수지의 표면 일부를 함께 제거하기 위해서는 식각 첨가제가 더 포함되어 있는 식각 용액을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 식각 첨가제로는 NaOH 및 KOH 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
2차 건조는 60 ~ 80℃에서 10 ~ 30시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 2차 건조 온도가 60℃ 미만이거나, 2차 건조 시간이 10시간 미만일 경우에는 충분한 건조가 이루어지지 않아 강도 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 2차 건조 온도가 80℃를 초과하거나, 2차 건조 시간이 30시간을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 제조 비용 및 시간만을 증가시키는 요인으로 작용하므로, 경제적이지 못하다.
전술한 과정(S110 ~ S130)에 의해 제조되는 다공성 세라믹 나노섬유는 제1 고분자 수지만으로 이루어지거나, 또는 제1 고분자 수지의 표면에 제2 고분자 수지가 일부 잔류함에 따라 나노섬유의 장점인 유연성 및 핸들링성의 우수함을 확보할 수 있음과 더불어, 제1 고분자 수지의 표면으로부터 돌출된 다공성 세라믹 분말의 특성인 넓은 비표면적의 장점으로 우수한 흡착 성능을 동시에 확보할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조되는 다공성 세라믹 나노섬유는 제1 고분자 수지를 덮고 있던 제2 고분자 수지를 습식 식각으로 모두 제거하거나, 또는 일부가 잔류하도록 함으로써, 제1 고분자 수지가 손상 없이 나노섬유의 형태가 유지되어 강도 확보가 가능할 뿐만 아니라, 제1 고분자 수지의 표면 외측으로 다공성 세라믹 분말의 일부가 돌출되어 노출되는 것에 의해 500 ~ 1,000㎡/g의 고비표면적을 가지면서 돌출된 다공성 세라믹 분말에 의해 흡착 효율을 극대화할 수 있게 된다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 다공성 세라믹 나노섬유 제조
실시예 1
제올라이트 분말 15g을 아세톤 20g 및 DMP 10g의 용매에 첨가하여 교반한 후, 소수성을 갖는 PVDF 3.75g 및 친수성을 갖는 PVP 3.75g을 첨가하여 세라믹 복합 용액을 형성한 후, 세라믹 복합 용액을 시린지(syringe)에 넣고 실린지 펌프(syringe pump)를 이용하여 1ml/hour의 속도로 토출시켜 유리 기판 상에 전기방사한 후, 80℃에서 6시간 동안 1차 건조시켜 코어-쉘 나노섬유를 제조하였다.
다음으로, 코어-쉘 나노섬유를 25wt%의 에탄올이 채워진 식각 용기 내에 침지시킨 후, 식각 용기를 30rpm의 속도로 회전시키면서 30분 동안 습식식각을 실시한 후, 70℃에서 20시간 동안 2차 건조하여 다공성 세라믹 나노섬유를 제조하였다.
실시예 2
세라믹 복합 용액으로 제올라이트 분말 11.25g을 아세톤 20g 및 DMP 10g의 용매에 첨가하여 교반한 후, 소수성을 갖는 PVDF 3.75g 및 친수성을 갖는 PVP 3.75g을 첨가한 것을 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 세라믹 나노섬유를 제조하였다.
실시예 3
세라믹 복합 용액으로 제올라이트 분말 7.5g을 아세톤 20g 및 DMP 10g의 용매에 첨가하여 교반한 후, 소수성을 갖는 PVDF 3.75g 및 친수성을 갖는 PVP 3.75g을 첨가한 것을 이용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 세라믹 나노섬유를 제조하였다.
실시예 4
25wt%의 에탄올에 식각 첨가제로 0.1M의 NaOH 0.1vol%가 더 첨가된 식각 용액으로 습식 식각을 실시한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 세라믹 나노섬유를 제조하였다.
비교예 1
제올라이트 분말 3.75g을 아세톤 20g 및 DMP 10g의 용매에 첨가하여 교반한 후, 소수성을 갖는 PVDF 3.75g을 첨가하여 세라믹 복합 용액을 형성한 후, 세라믹 복합 용액을 시린지(syringe)에 넣고 실린지 펌프(syringe pump)를 이용하여 1ml/hour의 속도로 토출시켜 유리 기판 상에 전기방사한 후, 80℃에서 6시간 동안 1차 건조시켜 나노섬유를 제조하였다.
다음으로, 나노섬유를 25wt%의 에탄올이 채워진 식각 용기 내에 침지시킨 후, 식각 용기를 30rpm의 속도로 회전시키면서 30분 동안 습식식각을 실시한 후, 70℃에서 20시간 동안 2차 건조하여 다공성 세라믹 나노섬유를 제조하였다.
2. 물성 평가
표 1은 실시예 1 ~ 4 및 비교예 1에 따라 제조된 다공성 세라믹 나노섬유의 비표면적을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
[표 1]
Figure 112018036678711-pat00001
표 1을 참조하면, 실시예 1 ~ 4에 따른 제조된 다공성 세라믹 나노섬유는 비표면적이 목표값에 해당하는 500 ~ 1,000㎡/g을 만족하였으나, 비교예 1에 따라 제조된 다공성 세라믹 나노섬유는 비표면적이 목표값에 턱 없이 미달한 것을 확인할 수 있다.
이때, 실시예 1 ~ 3에 따라 제조된 다공성 세라믹 나노섬유에 대한 비표면적 측정 값을 토대로 알 수 있듯이, 제올라이트의 첨가량이 증가할수록 비표면적이 증가하는 경향을 나타내었다.
특히, 실시예 4에 따라 제조된 다공성 세라믹 나노섬유가 비표면적이 가장 높게 측정된 것을 확인할 수 있는데, 이는 식각 용액 내에 식각 첨가제를 더 첨가하는 것에 의해 PVP 뿐만 아니라, PVDF까지 식각이 진행되어 제올라이트가 보다 많이 노출된 데 기인한 것으로 판단된다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 방독면 정화통 110 : 정화통 본체
115 : 메시 패턴 120 : 분진 필터
130 : 정화 필터 케이스 140 : 다공성 세라믹 나노섬유
150 : 정화 필터 160 : 정화통 커버
H1 : 흡기공 H2 : 배기공

Claims (10)

  1. 내부에 수납 공간을 구비하는 정화통 본체;
    상기 정화통 본체의 수납 공간 내에 탑재되는 분진 필터;
    상기 분진 필터 상에 적층된 정화 필터; 및
    상기 수납 공간 내의 상기 분진 필터 및 정화 필터를 커버하도록 상기 정화통 본체와 결합되는 정화통 커버; 를 포함하며,
    상기 정화 필터는 흡착제로 플렉서블한 시트 형상을 갖는 다공성 세라믹 나노섬유가 이용되며,
    상기 정화통 본체, 분진 필터, 정화 필터 및 정화통 커버 각각은 아랫변이 제1 길이를 갖고, 윗변이 상기 제1 길이보다 짧은 제2 길이를 가지며, 높이가 상기 제1 길이보다 긴 제3 길이를 갖는 사다리꼴 형상을 가지며,
    상기 다공성 세라믹 나노섬유는 내부의 코어로서 사용되며, 소수성을 갖는 제1 고분자 수지와, 상기 제1 고분자 수지의 내부에 분산 배치되며, 상기 제1 고분자 수지의 외측 표면으로 일부가 돌출되어 노출된 다공성 세라믹 분말과, 상기 제1 고분자 수지의 표면 일부를 덮으며, 친수성을 갖는 제2 고분자 수지를 포함하며, 상기 제1 고분자 수지는 평탄한 표면 구조를 갖고, 상기 제2 고분자 수지는 상기 제1 고분자 수지의 외측 표면에 잔류하여 강도를 보강하며,
    상기 제1 고분자 수지는 PVDF(polyvinylidene fluoride)이고, 상기 제2 고분자 수지는 PVP(polyvinylpyrrolidone)인 것을 특징으로 하는 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 정화 필터는
    메시 구조를 갖는 정화 필터 케이스와,
    상기 정화 필터 케이스에 탑재된 상기 다공성 세라믹 나노섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 정화통 본체는 망사 구조의 메시 패턴에 의해, 외부 공기가 흡입되는 흡기공을 구비하고,
    상기 정화통 커버는 방독면 본체에 결합하기 위한 결합 돌기와, 상기 정화통 커버를 관통하여 상기 분진 필터 및 정화 필터에 의해 필터링된 공기를 정화통 본체로 배기시키는 배기공을 구비하는 것을 특징으로 하는 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 세라믹 분말은
    제올라이트인 것을 특징으로 하는 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 세라믹 나노섬유는
    500 ~ 1,000㎡/g의 비표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 휘발성유기화합물 제거를 위한 다공성 세라믹 나노섬유 방독면 정화통.
  9. 삭제
  10. 삭제
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