KR102026232B1 - 광촉매 기능성 부직포 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

유기 섬유 또는 무기 섬유를 포함하는 섬유의 부직포이고, 상기 섬유의 일부 또는 전부는 그 표면에 배리어 코팅층; 및 광촉매 코팅층을 포함하며, 상기 배리어 코팅층 및 상기 광촉매 코팅층은 모두 프리-아미노알킬기(free-aminoalkyl group)를 갖는 실란계 바인더를 포함하는 광촉매 기능성 부직포와 이의 제조방법을 제공한다.

Description

광촉매 기능성 부직포 및 이의 제조방법{PHOTO CATALYST FUNCTIONAL NON-WOVEN FABRIC AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
광촉매 기능성 부직포로서, 광촉매의 촉매 작용에 의해 탈취, 향균, 항바이러스 기능을 갖는 부직포 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
의료용 마스크, 필터 등에 사용되는 일반적인 부직포는 세균이나 가스상의 물질들을 붙잡아 거르는 기능을 갖고 있다. 다만, 이러한 일반적인 부직포의 경우 세균 또는 가스상의 물질들을 자체적으로 분해하는 기능을 갖고 있지는 않다. 따라서, 이러한 의료용 마스크, 필터 등에 사용되는 일반적인 부직포는 일회용이거나, 일정 기간 사용한 후에는 교체해주어야 한다. 하지만, 종일 마스크를 사용해야 하는 경우에는 하나의 일회용 마스크를 사용한다는 것이 매우 번거롭고, 교체 없이 사용할 경우 인체에 해로운 영향을 줄 수 있으며, 에어컨 또는 공기 청정기 등에 사용되는 필터는 주기적으로 교체해주지 않으면 세균이나 곰팡이 번식 등에 의해 호흡기 질환을 유발할 수 있다.
이러한 문제점에 기인하여 종래의 다양한 가공 제품들은 광촉매를 활용하여 향균 기능을 나타내도록 제조되고 있다. 예를 들어, 일본 공개특허공보 제2007-051263호에는 이산화티타늄 광촉매를 활용한 복합재료가 개시되어 있고, 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0073281호에는 섬유 필터의 섬유 표면에 용사기술에 의해 성막된 이산화티타늄피막을 포함하는 섬유 필터가 개시되어 있다.
다만, 광촉매를 부직포 등의 재료에 접목시킴에 있어서 제조 과정 및 사용 중에 개선해야 할 점들이 있고, 이들을 위한 연구가 더 필요한 실정이다.
본 발명의 일 구현예는 광촉매에 의한 기재 부직포의 열화 및 분해를 효과적으로 방지하며, 이와 동시에 향균 및 탈취 기능과 유해 가스 제거 성능이 모두 우수한 광촉매 기능성 부직포를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 전술한 우수한 물성을 구현할 수 있는 광촉매 기능성 부직포의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 유기 섬유 또는 무기 섬유를 포함하는 섬유의 부직포이고, 상기 섬유의 일부 또는 전부는 그 표면에 배리어 코팅층; 및 광촉매 코팅층을 포함하며, 상기 배리어 코팅층 및 상기 광촉매 코팅층은 모두 프리-아미노알킬기(free-aminoalkyl group)를 갖는 실란계 바인더를 포함하는 광촉매 기능성 부직포를 제공한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 유기 섬유 및 무기 섬유를 포함하는 섬유의 원료 부직포를 마련하는 단계; 상기 섬유의 일부 또는 전부의 표면에 아미노알킬기(aminoalkyl group)를 갖는 실란 화합물 및 용매를 포함하는 배리어 코팅액을 코팅하여 배리어 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 배리어 코팅층의 표면에 아미노알킬기(aminoalkyl group)를 갖는 실란 화합물, 용매 및 가시광 활성 광촉매 입자를 포함하는 광촉매 코팅액을 코팅하여 광촉매 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는 광촉매 기능성 부직포의 제조방법을 제공한다.
상기 광촉매 기능성 부직포는 광원에 따른 광촉매 활성 작용에 의한 부직포 자체의 열화 또는 분해 등을 방지할 수 있고, 장시간 우수한 향균, 탈취 및 항바이러스 기능을 나타낼 수 있다. 또한, 유해 가스의 제거 성능이 우수하며, 의료용 마스크, 의료용 테이프 기재, 자동차용 시트, 공기청정기 및 에어컨용 필터 등의 다양한 용도에 활용될 수 있다.
상기 광촉매 기능성 부직포의 제조방법을 통하여 전술한 우수한 물성을 나타내는 광촉매 기능성 부직포를 효과적으로 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 광촉매 기능성 부직포의 섬유의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 후술하는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 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.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
본 발명의 일 구현예에서, 유기 섬유 또는 무기 섬유를 포함하는 섬유의 부직포이고, 상기 섬유의 일부 또는 전부는 그 표면에 배리어 코팅층; 및 광촉매 코팅층을 포함하며, 상기 배리어 코팅층 및 상기 광촉매 코팅층은 모두 프리-아미노알킬기(free-aminoalkyl group)를 갖는 실란계 바인더를 포함하는 광촉매 기능성 부직포를 제공한다.
광촉매는 자외선 또는 가시광선 등의 광원에 반응성을 갖는 물질로, 이러한 광반응에 의해 인체에 유해한 휘발성 유기 화합물(VOCs, Volatile Organic Chemicals)을 분해하는 역할을 한다. 이러한 광촉매는 다양한 제품에 적용될 때, 제품을 이루는 기재에 광촉매를 코팅하는 방법으로 적용되는 것이 일반적이고, 이때, 광촉매를 기재에 고정시키는 역할을 하는 바인더(binder)가 필요하다. 이러한 바인더로 일반적으로 사용되던 이산화티탄(TiO2) 계열의 바인더는 부착력이 좋지 못하거나, 광촉매 코팅에 크랙(crack)을 발생시키는 등의 내구성 저하의 문제가 있었다.
본 발명의 일 구현예는 프리-아미노알킬기(free-aminoalkyl group)를 갖는 실란계 바인더를 포함하는 광촉매 기능성 부직포로서, 광촉매를 높은 부착성으로 고정시키며, 우수한 내구성을 구현하여 기존의 바인더가 갖고 있던 단점을 해결할 수 있다. 더 나아가, 상기 광촉매 기능성 부직포는 상기 프리-아미노알킬기(free-aminoalkyl group)를 갖는 실란계 바인더를 통하여 실내 공기질의 향상 효율을 크게 높이는 이점을 얻을 수 있다.
또한, 상기 광촉매 기능성 부직포는 상기 프리-아미노알킬기를 갖는 실란계 바인더를 이용하여 형성된 배리어 코팅층 및 광촉매 코팅층을 특정 구조로 포함함으로써 전술한 효과 및 이점을 더욱 증대시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 광촉매 기능성 부직포는 기본적인 구조가 섬유의 부직포이며, 상기 섬유는 유기 섬유 또는 무기 섬유를 포함한다. 즉, 상기 광촉매 기능성 부직포는 기본 기재로서, 섬유가 직포 공정을 거치지 않고 니들 펀치, 스펀 본드 등등의 일반적으로 공지된 공정을 통해 가닥가닥이 얽혀서 형성된 부직포를 포함한다.
또한, 상기 광촉매 기능성 부직포의 섬유는 그 일부 또는 전부가 표면에 배리어 코팅층 및 광촉매 코팅층을 포함한다. 이때, 섬유의 일부 또는 전부는 부직포를 구성하는 복수의 섬유 가닥 중 일부 또는 전부의 섬유 가닥을 의미할 수도 있고, 하나의 섬유 가닥에 있어서 표면 상의 일부 또는 전부를 의미할 수도 있다.
예를 들어, 상기 부직포의 섬유 표면의 전면적 대비 약 60% 내지 약 100%의 표면에 상기 배리어 코팅층 및 광촉매 코팅층이 형성될 수 있고, 이로써 광촉매 및 바인더가 상기 부직포 전체에 고르게 분산되어 우수한 향균 및 탈취 효율을 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 광촉매 기능성 부직포의 섬유의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조할 때, 상기 섬유(10)는 그 단면에 소정의 직경을 갖는 것으로서, 그 표면에 배리어 코팅층(11) 및 광촉매 코팅층(12)을 순차적으로 포함할 수 있다. 상기 배리어 코팅층(11)은 상기 섬유의 표면 상에 일차적으로 코팅되어 상기 광촉매 코팅층(12)의 광촉매가 섬유에 더욱 단단하게 부착되도록 하며, 상기 광촉매의 광반응에 의한 섬유 자체의 열화 또는 분해를 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 상기 배리어 코팅층(11) 및 상기 광촉매 코팅층(12)은 모두 프리-아미노알킬기(free-aminoalkyl group)를 갖는 실란계 바인더를 포함한다.
구체적으로, 상기 프리-아미노알킬기를 갖는 실란계 바인더는 상기 배리어 코팅층 및 상기 광촉매 코팅층 내에서 어떠한 화학 결합도 하지 않고 있는 '프리(free)' 아미노알킬기를 포함하는 것으로, 이러한 프리-아미노알킬기를 통하여 바인더 자체가 유해 물질에 대한 흡착 성능을 구현할 수 있고, 광원이 없는 조건에서도 유해 물질을 제거하는 이점을 구현할 수 있다. 또한, 상기 프리-아미노알킬기를 갖는 실란계 바인더는 배리어 코팅층 및 광촉매 코팅층에 크랙(crack) 등이 발생하지 않는 우수한 내구성을 구현할 수 있고, 광촉매의 부착성 향상에 기여할 수 있다.
상기 프리-아미노알킬기는 구체적으로, 탄소수 2 내지 10의 알킬렌 구조를 가질 수 있다. 즉, 상기 실란계 바인더는 상기 범위의 탄소수를 갖는 알킬렌 구조를 연결기로 하는 아미노기를 갖는 실란 화합물로부터 유래된 것으로서, 이로써 상기 프리-아미노알킬기가 적절한 길이를 갖게 되어 바인더의 유해 물질 흡착 성능이 더욱 향상될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 프리-아미노알킬기는 아미노에틸기, 아미노프로필기, 아미노부틸기, 아미노펜틸기, 아미노헥실기 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나일 수 있다.
상기 배리어 코팅층(11)은 상기 프리-아미노알킬기를 갖는 실란계 바인더로 구성된다. 구체적으로, 상기 배리어 코팅층(11)은 상기 프리-아미노알킬기를 갖는 실란계 바인더를 포함하는 배리어 코팅액으로부터 형성될 수 있다.
상기 광촉매 코팅층(12)은 상기 프리-아미노알킬기를 갖는 실란계 바인더와 가시광 활성 광촉매 입자(A)를 포함한다. 즉, 상기 광촉매 코팅층(12)은 상기 프리-아미노알킬기를 갖는 실란계 바인더 및 가시광 활성 광촉매 입자(A)를 포함하는 광촉매 코팅액으로부터 형성될 수 있다.
상기 가시광 활성 광촉매 입자(A)는 상기 프리-아미노알킬기를 갖는 실란계 바인더에 의해 섬유의 표면에 잘 부착될 수 있다.
상기 가시광 활성 광촉매 입자는 가시광 영역의 빛을 흡수하여 얻은 에너지로부터 생성된 전자와 정공이 퍼옥사이드 음이온 또는 하이드록시 라디칼을 등을 생성하고, 이들이 유해 물질을 분해 및 제거하여 공기 청정, 탈취 또는 향균 작용을 수행할 수 있다.
구체적으로, 상기 가시광 활성 광촉매 입자는 금속 산화물 및 금속 입자를 포함할 수 있고, 상기 금속 산화물의 표면에 상기 금속 입자가 광-증착(photo-deposition)된 형태일 수 있다.
예를 들어, 상기 금속 산화물은 산화티탄, 산화텅스텐, 산화아연, 산화니오븀 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 산화물은 산화텅스텐을 포함할 수 있고, 이 경우 가시광에서 반응하여 광촉매 특성을 나타내는 정도가 우수하고, 가격이 저렴한 장점을 얻을 수 있다.
또한, 상기 금속 입자는 가시광선에 대한 광활성을 갖는 금속으로서, 예를 들어 전이 금속 또는 귀금속을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 가시광 활성 광촉매 입자의 금속 입자는 텅스텐, 크롬, 바나듐, 몰리브데넘, 구리, 철, 코발트, 망간, 니켈, 백금, 금, 은, 세륨, 카드늄, 아연, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 입자는 백금을 포함할 수 있고, 이 경우 가장 높은 광촉매 성능을 나타낸다는 장점을 얻을 수 있다.
상기 금속 산화물 및 금속 입자는 각각 구형의 입자로서, '구형의 입자'란 수학적으로 완전한 구의 형상을 갖는 입자를 의미하는 것은 아니고, 투영상이 원 또는 타원과 동일 또는 유사한 형상을 나타내는 입자를 의미한다.
상기 금속 산화물 및 상기 금속 입자가 각각 구형의 입자이며, 그 결과 상기 가시광 활성 광촉매 입자는 구형의 금속 산화물 입자 표면에 구형의 금속 입자가 증착된 형상을 갖게 된다.
이때, 상기 금속 입자의 입경(particle diameter)은 수 나노미터(㎚)로서, 예를 들어 약 3㎚ 내지 약 5㎚일 수 있다. 상기 금속 입자의 입경은 상기 금속 산화물의 입경에 비해 매우 작으며, 상기 금속 입자가 상기 범위의 입경을 가짐으로써 상기 금속 산화물의 표면에 적절한 함량으로 광-증착되어 우수한 광촉매 활성을 나타낼 수 있다.
상기 가시광 활성 광촉매 입자의 입경(particle diameter)은 약 20㎚ 내지 약 100㎚ 일 수 있고, 구체적으로 약 30nm 내지 약 60nm일 수 있다. 상기 가시광 활성 광촉매 입자의 입경은 SEM 또는 TEM 사진을 측정함으로써 도출될 수 있다. 상기 가시광 활성 광촉매 입자의 입경이 상기 범위를 만족함으로써 상기 섬유의 표면에 대한 높은 부착성을 확보할 수 있고, 상기 섬유 표면에 적절한 분산도를 가지면서 분산되어 우수한 광촉매 활성을 나타낼 수 있다. 또한, 상기 가시광 활성 광촉매 입자가 상기 범위의 입경을 가짐으로써 섬유가 얽혀있는 부직포 내에서 상기 섬유의 사이사이에 고르게 분포될 수 있다.
상기 금속 입자의 입경이 상기 금속 산화물의 입경에 비하여 배우 작은 점을 고려할 때, 상기 가시광 활성 광촉매 입자의 크기, 즉 상기 가시광 활성 광촉매 입자의 입경은 주로 상기 금속 산화물의 입경에 의해 결정되는 것으로 이해될 수 있다. 즉, 상기 가시광 활성 광촉매 입자가 상기 범위의 입경을 갖는 경우, 상기 가시광 활성 광촉매 입자의 금속 산화물은 상기 범위에서 수 나노미터(㎚), 예를 들어 약 3㎚ 내지 약 5㎚의 오차 범위 내의 입경을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 금속 산화물의 표면에 광-증착된 금속 입자의 양이 충분할 수 있고, 우수한 촉매 활성 효율을 나타낼 수 있다.
상기 가시광 활성 광촉매 입자는 상기 금속 산화물 100 중량부에 대하여, 상기 금속 입자를 약 0.1 내지 약 5 중량부 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 0.1 내지 약 2 중량부 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 0.1 내지 약 0.5 중량부 포함할 수 있다. 상기 가시광 활성 광촉매 입자가 금속 입자를 상기 범위의 함량으로 포함함으로써, 금속 산화물 표면에 안정적으로 광-증착된 금속 입자를 함유할 수 있고, 상기 부직포 내에서 섬유와 단단하게 결합할 수 있다. 또한, 가격 대비 우수한 성능을 구현할 수 있다.
상기 광촉매 기능성 부직포는 전술한 바와 같이 유기 섬유 또는 무기 섬유를 포함하는 섬유의 부직포를 포함한다.
이때, 상기 유기 섬유는, 예를 들어, 폴리프로필렌(PP) 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 섬유, 폴리에스터 섬유, 폴리에틸렌(PE) 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 무기 섬유는, 예를 들어, 유리 섬유, 세라믹 섬유, 탄소 섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 섬유는 폴리프로필렌(PP) 섬유 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 섬유를 포함할 수 있고, 이 경우 상기 배리어 코팅층과 부착성이 뛰어나며, 가공성 및 성형성을 향상시킬 수 있다. 또한, 범용성 측면에서도 유리할 수 있다.
상기 광촉매 기능성 부직포 내에서 상기 섬유는 연속 섬유의 형태일 수 있다. 상기 '연속 섬유'란 소정의 길이로 절단된 형상을 갖는 장섬유 또는 단섬유 등의 비연속 섬유와 대비되는 개념으로서 최종 제품 내에서 연속적인 길이를 갖는 섬유를 의미한다. 상기 광촉매 기능성 부직포는 연속 섬유 형태의 섬유를 포함함으로써 쉽게 헤지거나 끊어지지 않는 질긴 특성을 확보할 수 있고, 다양한 용도에 활용되어 우수한 장기 내구성을 구현할 수 있다.
상기 섬유는 단면의 직경이 약 0.5㎛ 내지 약 15㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 0.5㎛ 내지 약 5㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 0.5㎛ 내지 약 2.5㎛일 수 있다. 즉, 상기 유기 섬유의 굵기가 상기 범위를 만족할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 섬유는 단면의 직경이 약 0.5㎛ 내지 약 2㎛일 수 있다. 또한, 다른 일 구현예에서, 상기 섬유는 단면의 직경이 약 1㎛ 내지 약 5㎛, 예를 들어, 약 2㎛ 내지 약 4㎛인 제1 섬유와 단면의 직경이 약 10㎛ 내지 약 15㎛, 예를 들어, 약 12㎛ 내지 약 13㎛인 제2 섬유가 혼합된 형태일 수 있다.
상기 광촉매 기능성 부직포가 상기 범위의 단면 직경을 갖는 섬유를 포함함으로써 전술한 범위의 입자 크기를 갖는 가시광 활성 광촉매 입자의 분산성 및 부착성을 향상시킬 수 있고, 상기 광촉매 기능성 부직포가 적용된 최종 제품이 우수한 내구성을 구현할 수 있다. 또한, 상기 섬유의 굵기가 상기 범위를 만족함으로써, 후술하는 바에 따라 광촉매 기능성 부직포를 제조하는 과정에서, 상기 유기 섬유의 표면에 배리어 코팅층 및 광촉매 코팅층을 균일하게 형성할 수 있다.
상기 광촉매 기능성 부직포는 상기 광촉매 코팅층이 가시광 활성 광촉매 입자를 포함함으로써, 약 400㎚ 내지 약 800㎚의 가시광 영역의 광원에 의해 촉매 활성을 나타낼 수 있다. 즉, 실내의 다양한 제품에 적용되어 별도의 광원 없이도 우수한 촉매 활성을 나타낼 수 있다.
상기 광촉매 기능성 부직포는 예를 들어, 의료용 마스크, 의료용 밴드의 기재, 수처리 필터 또는 에어 필터의 용도로 사용될 수 있고, 장시간 교체되지 않아도 우수한 향균 및 항바이러스 기능을 수행할 수 있으며, 향상된 장기 내구성을 구현할 수 있다.
상기 광촉매 기능성 부직포는 상기 배리어 코팅층 및 상기 광촉매 코팅층이 모두 프리-아미노알킬기를 갖는 실란계 바인더를 함유하는 것으로서, 상기 프리-아미노알킬기에 의해 유해 물질 흡착 성능이 구현될 수 있다. 따라서, 상기 광촉매 기능성 부직포는 유해 물질의 흡착을 위한 별도의 흡착제를 구비하지 않는 이점을 얻을 수 있다.
또한, 상기 광촉매 기능성 부직포는 상기 프리-아미노알킬기를 갖는 실란계 바인더에 의해 암(dark) 조건에서도 유해 물질을 제거할 수 있다. 다만, 암(dark) 조건에서는 일정 시간이 경과한 후에 상기 프리-아미노알킬기가 포화되어 유해 물질의 제거 수준이 제한적이다.
한편, 상기 광촉매 기능성 부직포는 상기 프리-아미노알킬기를 갖는 실란계 바인더와 함께 광촉매를 포함하는 것으로, 광(light) 조건에서 상기 광촉매가 상기 실란계 바인더의 프리-아미노알킬기가 흡착한 유해 물질을 분해할 수 있고, 이러한 광촉매의 광반응과 함께 상기 프리-아미노알킬기에 의한 유해 물질의 흡착이 동시에 진행될 수 있으므로, 유해 물질의 제거 성능이 더욱 향상될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 상기 광촉매 기능성 부직포는 부직포를 구성하는 섬유의 표면에 배리어 코팅층 및 광촉매 코팅층을 순차적으로 포함함으로써 광촉매에 의한 섬유 자체의 분해 및 손상을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 상기 배리어 코팅층 및 광촉매 코팅층이 모두 프리-아미노알킬기를 갖는 실란계 바인더를 포함함으로써 광촉매 입자와 섬유의 부착성을 향상시키면서 코팅층에 크랙(crack)이 발생하지 않도록 우수한 내구성을 구현하며, 이와 동시에 유해 물질, 예를 들어, 휘발성 유기 화합물(VOCs) 등을 암(dark) 조건 및 광(light) 조건에서 모두 제거할 수 있고, 나아가 높은 효율로 제거 성능을 구현할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서, 유기 섬유 및 무기 섬유를 포함하는 섬유의 원료 부직포를 마련하는 단계; 상기 섬유의 일부 또는 전부의 표면에 아미노알킬기(aminoalkyl group)를 갖는 실란 화합물 및 용매를 포함하는 배리어 코팅액을 코팅하여 배리어 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 배리어 코팅층의 표면에 아미노알킬기(aminoalkyl group)를 갖는 실란 화합물, 용매 및 가시광 활성 광촉매 입자를 포함하는 광촉매 코팅액을 코팅하여 광촉매 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는 광촉매 기능성 부직포의 제조방법을 제공한다.
상기 광촉매 기능성 부직포의 제조방법을 통하여, 전술한 바와 같이 배리어 코팅층 및 광촉매 코팅층을 포함하고, 상기 배리어 코팅층 및 광촉매 코팅층이 모두 프리-아미노알킬기(free-aminoalkyl group)를 갖는 광촉매 기능성 부직포를 제조할 수 있다.
즉, 상기 광촉매 기능성 부직포의 제조방법에 있어서, 상기 배리어 코팅액 및 상기 광촉매 코팅액에 포함되는 실란의 아미노알킬기는 제조 과정에서 다른 화학 결합을 형성하지 않고 '프리(free)' 작용기의 상태로 최종 산물 내에 존재할 수 있다.
상기 제조방법은 유기 섬유 및 무기 섬유를 포함하는 섬유의 원료 부직포를 마련하는 단계를 포함한다. 상기 원료 부직포는 상기 유기 섬유 또는 상기 무기 섬유를 니들 펀치, 스펀 본드 등의 공지된 공정으로 가공하여 제조될 수 있다. 상기 유기 섬유 및 무기 섬유에 관한 사항은 전술한 바와 같다.
상기 제조방법은, 상기 원료 부직포의 섬유 일부 또는 전부의 표면에 배리어 코팅층을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 배리어 코팅층은 배리어 코팅액으로부터 형성되며, 상기 배리어 코팅액은 아미노알킬기를 갖는 실란 화합물 및 용매를 혼합하여 제조될 수 있다.
상기 아미노알킬기를 갖는 실란 화합물은 실란(SiH4)의 적어도 하나의 수소가 아미노알킬기로 치환되며, 나머지 수소는 ?R의 화학 구조를 갖는 알콕시기로 치환된 화학 구조를 가질 수 있다.
이때, 상기 아미노알킬기는, 전술한 바와 같이, 탄소수 2 내지 10의 알킬렌 구조를 포함할 수 있고, 예를 들어, 상기 아미노알킬기는 아미노에틸기, 아미노프로필기, 아미노부틸기, 아미노펜틸기, 아미노헥실기 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나일 수 있다.
또한, 상기 알콕시기의 R은 탄소수 1 내지 5의 알킬기일 수 있고, 예를 들어, 상기 알콕시기는 메톡시기, 에톡시기, 부톡시기, 이소부톡시기 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나일 수 있다.
구체적으로, 상기 배리어 코팅액은 상기 아미노알킬기를 갖는 실란 화합물을 약 1중량% 내지 약 10중량% 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 1중량% 내지 약 2중량% 포함할 수 있다. 이로써 상기 배리어 코팅액은 배리어 코팅층을 형성하기에 적합한 점도를 확보할 수 있고, 상기 원료 부직포의 섬유 표면에 균일한 두께로 크랙(crack) 없이 고르게 배리어 코팅층이 형성될 수 있다.
상기 용매는 특별히 제한되지 아니하나, 상기 아미노알킬기를 갖는 실란 화합물과의 상용성을 고려하고, 상기 아미노알킬기가 제조 과정을 거친 후에 '프리(free)' 상태로 유지되기에 용이하도록 하기 위해, 에탄올, 메탄올, 물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 배리어 코팅액의 용매는 에탄올 및 물을 혼합 사용하며, 에탄올 : 물의 몰비가 1 : 1이 되도록 혼합하여 사용할 수 있다. 이로써, 상기 배리어 코팅액이 적절한 점도를 확보하기 유리하며, 상기 아미노알킬기를 갖는 실란 화합물과 우수한 상용성을 나타낼 수 있다.
상기 광촉매 기능성 부직포의 제조방법에서, 상기 배리어 코팅층은 딥(dip) 코팅법으로 제조될 수 있다. 구체적으로, 상기 딥(dip) 코팅법은 상기 배리어 코팅액에 상기 원료 부직포를 함침시킴으로써 수행될 수 있다. 상기 배리어 코팅층이 딥(dip) 코팅법으로 형성됨으로써 상기 배리어 코팅액을 스프레이(spray) 코팅 등의 다른 방법으로 코팅하는 경우에 비해 모든 섬유의 표면에 고르게 코팅되는 이점을 얻을 수 있고, 공정이 간단하여 높은 공정 효율을 확보할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 배리어 코팅층을 형성하는 단계는, 상기 배리어 코팅액에 상기 원료 부직포를 약 10분 내지 약 40분 동안 담근 후에 꺼내서 약 60℃ 내지 약 90℃에서 약 10분 내지 약 40분 동안 건조함으로써 수행될 수 있다. 상기 아미노알킬기를 갖는 실란 화합물 및 용매를 전술한 범위의 함량으로 포함하는 배리어 코팅액은 이와 같은 온도 및 시간 조건에서 상기 원료 부직포에 고르게 스며들어 상기 원료 부직포의 섬유의 일부 또는 전부에 배리어 코팅층을 적절한 면적비로 형성할 수 있다.
상기 광촉매 기능성 부직포의 제조방법은 상기 배리어 코팅층의 표면에 광촉매 코팅액을 코팅하여 광촉매 코팅층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 광촉매 코팅액은 아미노알킬기를 갖는 실란 화합물, 용매 및 가시광 활성 광촉매 입자를 포함한다. 상기 아미노알킬기를 갖는 실란 화합물에 관한 사항은 상기 배리어 코팅액에 관하여 전술한 바와 같고, 상기 가시광 활성 광촉매 입자에 관한 사항은 상기 광촉맥 기능성 부직포의 광촉매 코팅층에 관하여 전술한 바와 같다.
상기 광촉매 코팅액은 상기 아미노알킬기를 갖는 실란 화합물을 약 0.5중량% 내지 약 5중량% 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 0.5중량% 내지 약 2중량% 포함할 수 있다. 또한, 상기 광촉매 코팅액은 상기 가시광 활성 광촉매 입자를 약 1중량% 내지 약 10중량% 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 3중량% 내지 약 7중량% 포함할 수 있다. 상기 아미노알킬기를 갖는 실란 화합물 및 상기 가시광 활성 광촉매 입자의 함량이 각각 상기 범위를 만족함으로써 상기 광촉매 코팅액의 분산성 및 코팅성이 향상될 수 있고, 그 결과 상기 제조방법으로 제조된 광촉매 기능성 부직포가 우수한 광촉매 효율을 구현할 수 있다.
상기 광촉매 코팅액의 용매는 특별히 제한되지 아니하나, 상기 아미노알킬기를 갖는 실란 화합물 및 가시광 활성 광촉매 입자와의 상용성을 고려하고, 상기 아미노알킬기가 제조 과정을 거친 후에 '프리(free)' 상태로 유지되기에 용이하도록 하기 위해, 에탄올, 메탄올, 물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 광촉매 코팅액의 용매는 에탄올 및 물을 혼합 사용하며, 에탄올 : 물의 몰비가 5 : 1 내지 6 : 1이 되도록 혼합하여 사용할 수 있다. 이로써, 상기 광촉매 코팅액이 광촉매 코팅층으로 제조되기에 적절한 점도를 확보하기 유리하며, 상기 아미노알킬기를 갖는 실란 화합물 및 가시광 활성 광촉매 입자와 우수한 상용성을 나타낼 수 있다.
상기 광촉매 기능성 부직포의 제조방법에서, 상기 광촉매 코팅층은 스프레이(spray) 코팅법으로 제조될 수 있다. 구체적으로, 상기 스프레이(spray) 코팅법은 상기 배리어 코팅층이 형성된 원료 부직포에 상기 광촉매 코팅층을 분사함으로써 수행될 수 있다. 상기 광촉매 코팅층은 스프레이(spray) 코팅법으로 형성됨으로써 상기 광촉매 코팅액을 딥(dip) 코팅 등의 다른 코팅 방법으로 코팅하는 경우에 비하여, 광촉매를 원하는 양만큼 코팅하는 점에서 유리하며, 가시광 활성 광촉매 입자를 고르게 분산시키는 이점을 구현할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 광촉매 코팅층은 상기 광촉매 코팅액을 스프레이 코팅법으로 분사한 후에 약 60℃ 내지 약 90℃에서 약 10분 내지 약 40분 동안 건조함으로써 수행될 수 있다. 상기 아미노알킬기를 갖는 실란 화합물 및 가시광 활성 광촉매 입자를 전술한 범위의 함량으로 포함하는 광촉매 코팅액은 이와 같은 온도 및 시간 조건에서 건조함으로써 상기 배리어 코팅층 표면에 적절히 분포되어 적절한 면적비의 광촉매 코팅층을 형성할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 일 예시에 불과하며, 이로 인해 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
< 제조예 >
제조예 1: 배리어 코팅액의 제조
비커에 에탄올 용매 및 아미노프로필 트리에톡시실란(APTES)을 넣고 30분간 교반하였다. 이어서, 증류수 용매를 상기 에탄올 : 증류수의 몰비가 1 : 1이 되도록 드롭와이즈(dropwise)로 1시간 동안 첨가하였다. 이어서, 24시간 동안 교반하여 1중량%의 아미노프로필 트리에톡시실란 및 99중량%의 용매를 포함하는 배리어 코팅액을 제조하였다.
제조예 2: 광촉매 코팅액의 제조
비커에 에탄올 : 물 = 5 : 1의 몰비로 혼합한 용매 94.5중량%, 산화텅스텐 입자 표면에 백금 나노입자가 광-증착된 가시광 활성 광촉매 입자(Pt/WO3) 5중량% 및 아미노프로필 트리에톡시실란(APTES)을 0.5중량% 포함하는 광촉매 코팅액을 제조하였다.
< 실시예 및 비교예 >
실시예 1
단면의 직경이 0.5㎛ 내지 2㎛인 폴리프로필렌(PP) 섬유로 이루어진 원료 부직포를 마련하였다. 상기 제조예 1의 배리어 코팅액에 상기 원료 부직포를 20분 동안 담근 후 꺼내어 80℃에서 30분 동안 건조하여 딥(dip) 코팅법으로 섬유의 표면에 배리어 코팅층을 형성하였다. 이어서, 상기 배리어 코팅층이 형성된 원료 부직포에 상기 제조예 2의 광촉매 코팅액을 스프레이(spray) 코팅법으로 분사한 후 80℃의 오븐에서 30분 간 건조하여 광촉매 코팅층을 제조하였다. 이로써, 광촉매 기능성 부직포를 제조하였다.
실시예 2
단면의 직경이 2㎛ 내지 4㎛인 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 섬유와 단면의 직경이 12㎛ 내지 13㎛인 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유가 혼합된 섬유로 이루어진 원료 부직포를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 광촉매 기능성 부직포를 제조하였다.
비교예 1
상기 실시예 1에 있어서, 상기 폴리프로필렌(PP) 섬유로 이루어진 원료 부직포 자체를 비교예 1로 하였다.
비교예 2
상기 실시예 1에 있어서, 상기 폴리프로필렌(PP) 섬유로 이루어진 원료 부직포 자체에 상기 배리어 코팅층을 동일한 방법으로 형성하였고, 상기 광촉매 코팅층은 형성하지 아니하였다.
비교예 3
상기 실시예 1에 있어서, 상기 폴리프로필렌(PP) 섬유로 이루어진 원료 부직포에 상기 배리어 코팅층 없이 상기 광촉매 코팅층을 형성하였다.
비교예 4
상기 실시예 1에 있어서, 상기 폴리프로필렌(PP) 섬유로 이루어진 원료 부직포에 상기 배리어 코팅층 대신에, 배리어 코팅액으로서 이소프로필 알코올(IPA) 97.5 중량% 및 이산화티타늄(TiO2) 입자 2.5 중량%를 포함하는 이산화티타늄(TiO2) 졸을 제조한 후 이를 스프레이 코팅법에 의해 상기 원료 부직포에 분사하여 상기 PET 섬유의 표면에 배리어 코팅층을 형성하였다. 이어서, 상기 광촉매 코팅층 대신에, 광촉매 코팅액으로서 이소프로필 알코올(IPA) 93.75중량%, 이산화티타늄(TiO2) 입자 1.25중량% 및 가시광 활성 광촉매 입자(Pt/WO3) 5중량%를 혼합 제조한 후 이를 스프레이 코팅법에 의해 상기 배리어 코팅층이 형성된 원료 부직포에 코팅하여 광촉매 코팅층을 형성하였다. 이로써, 광촉매 기능성 부직포를 제조하였다.
<평가>
실험예 1: 유해 가스 제거 성능의 측정
상기 실시예 1 내지 2 및 상기 비교예 1 내지 4의 각각의 부직포에 대하여, 스몰 챔버 테스트 방법(ISO 18560-1:2014)에 의하여 유해 가스 제거 성능을 측정하였다. 구체적으로, 챔버에 부직포를 위치시키고 포름알데히드 유해 가스를 0.1ppm의 농도로 연속 주입한 후 암(dark) 조건에서 제거율을 측정하고, 이어서 24시간 이후에 광(light) 조건에 배치하여 유해 가스 제거율을 확인하였다. 광(light) 조건에서 광원은 1000lux의 백색 LED를 사용하였다. 그 결과는 하기 표 1에 기재된 바와 같다.
구분 포름알데히드 제거 성능(%)
암(dark) 조건 광(light) 조건
실시예 1 91 91
실시예 2 90 90
비교예 1 0 0
비교예 2 86 82
비교예 3 80 81
비교예 4 0 85
상기 표 1의 결과를 참조할 때, 상기 실시예 1의 경우, 상기 배리어 코팅층 및 광촉매 코팅층이 모두 프리-아미노알킬기를 갖는 실란계 바인더를 포함함으로써 유해 가스의 제거율이 90% 이상인 것을 확인할 수 있었다.
상기 비교예 2의 경우에는, 상기 실시예들과 비교하여 광촉매 코팅층이 없는 것으로서, 상기 배리어 코팅층이 프리-아미노알킬기를 갖는 실란계 바인더를 포함하므로 암(dark) 조건에서도 유해 가스의 제거 성능을 구현하나, 유해 가스를 최종 분해하는 광촉매가 없기 때문에, 소정의 시간이 경화한 이후의 광(light) 조건에서 측정한 유해 가스 제거 성능은 다소 저하된 것을 확인할 수 있었다.
상기 비교예 3의 경우, 배리어층 없이 광촉매층만 코팅하였기 때문에, 가시광 활성 광촉매 입자의 흡착 성능이 상대적으로 감소하게 되고, 또한, 가시광 활성 광촉매 입자와 부직포의 섬유가 바로 접해있기 때문에 상기 가시광 활성 광촉매 입자에 의한 부직포의 열화가 진행되어 그만큼 성능이 감소하게 됨을 확인할 수 있었다.
상기 비교예 4의 경우에는, 배리어 코팅층 및 광촉매 코팅층이 이산화티탄계 바인더를 사용한 것으로서, 암(dark) 조건에서 유해 가스 제거 성능을 구현하지 못하는 것을 알 수 있었고, 광(light) 조건에서의 유해 가스 제거 성능도 실시예들에 비해 좋지 못한 것을 알 수 있었다.
10: 섬유
11: 배리어 코팅층
12: 광촉매 코팅층
A: 가시광 활성 광촉매 입자

Claims (14)

  1. 유기 섬유 또는 무기 섬유를 포함하는 섬유의 부직포이고,
    상기 섬유의 일부 또는 전부는 섬유 표면에 배리어 코팅층; 및 광촉매 코팅층을 포함하며,
    상기 배리어 코팅층 및 상기 광촉매 코팅층은 모두 프리-아미노알킬기(free-aminoalkyl group)를 갖는 실란계 바인더를 포함하고,
    상기 광촉매 코팅층은 가시광 활성 광촉매 입자를 포함하고, 상기 가시광 활성 광촉매 입자는 산화텅스텐 및 백금을 포함하는
    광촉매 기능성 부직포.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프리-아미노알킬기는 탄소수 2 내지 10의 알킬렌 구조를 갖는
    광촉매 기능성 부직포.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가시광 활성 광촉매 입자의 입경(particle diameter)이 20㎚ 내지 100㎚인
    광촉매 기능성 부직포.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가시광 활성 광촉매 입자는 산화텅스텐 100 중량부에 대하여, 백금 0.1 내지 5 중량부를 포함하는
    광촉매 기능성 부직포.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 섬유는 단면의 직경이 0.5㎛ 내지 15㎛인
    광촉매 기능성 부직포.
  10. 유기 섬유 및 무기 섬유를 포함하는 섬유의 원료 부직포를 마련하는 단계;
    상기 섬유의 일부 또는 전부의 표면에 아미노알킬기(aminoalkyl group)를 갖는 실란 화합물 및 용매를 포함하는 배리어 코팅액을 코팅하여 배리어 코팅층을 형성하는 단계; 및
    상기 배리어 코팅층의 표면에 아미노알킬기(aminoalkyl group)를 갖는 실란 화합물, 용매 및 가시광 활성 광촉매 입자를 포함하는 광촉매 코팅액을 코팅하여 광촉매 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 가시광 활성 광촉매 입자는 산화텅스텐 및 백금을 포함하는
    광촉매 기능성 부직포의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 배리어 코팅층을 형성하는 단계는 딥(dip) 코팅법으로 수행되는
    광촉매 기능성 부직포의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 광촉매 코팅층을 형성하는 단계는 스프레이(spray) 코팅법으로 수행되는
    광촉매 기능성 부직포의 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 배리어 코팅액은 상기 아미노알킬기를 갖는 실란 화합물을 1중량% 내지 10중량% 포함하는
    광촉매 기능성 부직포의 제조방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 광촉매 코팅액은 상기 아미노알킬기를 갖는 실란 화합물을 0.5중량% 내지 5중량% 포함하고, 상기 가시광 활성 광촉매 입자를 1중량% 내지 10중량% 포함하는
    광촉매 기능성 부직포의 제조방법.
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