KR102100596B1 - 3차원 파동구조를 갖는 중공사, 이를 포함하는 중공사막 및 이의 제조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3차원 파동구조를 갖는 중공사 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 분리 및 정제용 여과막을 구성하기 위한 중공사로서, 이로 구성되는 중공사막은 중공사막간의 부착으로 발생하는 데드존(dead zone)을 방지하고, 표면적 및 충진 밀도(packing density)가 증가하여 중공사막의 분리 및 정제의 효율성이 극대화되는 효과를 나타낸다.

Description

3차원 파동구조를 갖는 중공사, 이를 포함하는 중공사막 및 이의 제조장치 {Hollow fiber having three-dimensional wave pattern, hollow fiber membrane comprising the hollow fiber, and apparatus for preparing the same.}
본 발명은 3차원 파동구조를 갖는 중공사, 이를 포함하는 중공사막 및 이의 제조장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 이산화탄소(CO2), 물 등 유체의 분리 및 정제용 여과막을 구성하기 위한 중공사로서, 이로 구성되는 중공사막은 모듈을 구성하는 중공사막 간에 발생하는 데드존(dead zone)이 최소화되는 한편, 충진 밀도(packing density) 및 표면적의 증가로 인한 분리 및 정제의 효율성이 극대화되는 효과를 나타낸다.
또한, 본 발명은 중공사에 3차원 파동구조를 도입하기 위한 별도의 후가공이 불필요하여 간단하게 고수율로 중공사의 제조가 가능한 3차원 파동구조를 갖는 중공사의 제조장치에 관한 것이다.
유체처리를 위한 분리 및 정제 방법으로는 가열이나 상변화를 이용하는 방법 및 여과막을 이용하는 방법 등이 있다. 여과막을 이용하는 방법은 여과막의 세공 크기에 따라 원하는 양질의 유체를 안정적으로 얻을 수 있으므로 공정의 신뢰도를 높일 수 있다는 장점이 있고, 또한 여과막을 이용하면 가열 등의 조작이 필요 없기 때문에 가열 등에 의해 영향을 받을 수 있는 미생물을 사용하는 공정에 널리 이용될 수 있다는 장점이 있다.
여기서, 여과막은 그 형태에 따라 평막과 중공사막으로 분류될 수 있고, 상기 중공사막은 내부에 섬유의 길이 방향으로 관통하는 중공(中空)이 형성된 구조이고 다량의 중공사가 결집하여 모듈이 구성되는 것으로, 평막에 비해 월등히 큰 표면적을 갖기 때문에 다방면의 분리 및 정제 기술분야에서 평막에 비해 유리하다.
예를 들면, 중공사막은 무균수, 음용수, 초순수 제조 등 다양한 분리 및 정제 분야에 널리 사용되고 있으며, 최근에는 하/폐수 처리, 정화조에서의 고액 분리, 산업폐수에서 부유 물질 제거, 하천수의 정제, 공업 용수의 정제 및 수영장 물의 정제 등으로 그 응용 범위가 확대되고 있다.
그러나, 종래 선형(linear)의 중공사로 중공사막 모듈을 구성하는 경우, 중공사가 매우 촘촘하게 서로 뭉치면서 중공사막과 중공사막 사이에 분리 및 정제의 역할을 수행하지 못하는 구간인 데드존(dead zone)이 생성되어 이로 인한 유효한 막면적의 손실을 가져오고, 또한 이로써 유효한 막에 부하가 증가됨으로써 유체의 막 투과속도가 저하되어 중공사막의 효율이 떨어진다는 문제가 있었다.
한편, 상기 문제를 해결하고자 파동구조(wave pattern)가 도입된 중공사로 중공사막을 제조하는 기술이 제공되고 있다. 파동구조를 갖는 중공사는 서로 엉키지 않고 촘촘하게 결합하여 중공사막이 목표하는 최적의 충진 밀도(packing density)를 구비할 수 있고, 또한 표면적이 더욱 증가하여 중공사막의 효율을 증대시킬 수 있다.
이에, 미국 공개특허공보 제 2010/0000936 A1호 및 미국 등록특허공보 제 8202428 B2호에는 각각 파동구조를 갖는 중공사의 제조 방법에 대해 개시하고 있으나, 이러한 제조 방법에 의해 제조된 중공사의 파동구조는 중공사막의 분리 및 정제 효율을 향상시키는데 한계가 있고, 또한 이러한 제조 방법은 중공사에 파동구조를 도입하기 위한 별도의 후가공 공정을 필요로 하므로 생산비용이 증대하고, 또한 후가공 시에 오염 및 파손의 우려가 있어 중공사막의 분리 및 정제 효율의 저하되는 문제점이 있었다.
따라서, 유체의 분리 및 정제용 여과막을 구성하기 위한 중공사로서, 이로 구성되는 중공사막은 모듈을 구성할 때 발생하는 데드존(dead zone)이 감소되는 한편, 충진 밀도(packing density) 및 표면적의 증가로 인한 분리 및 정제의 효율성이 극대화되는 효과를 나타내면서도, 또한 상기 중공사에 파동구조를 도입하기 위한 별도의 후가공 없이도 간단하게 고수율로 제조할 수 있는 중공사 및 이의 제조방법이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 분리 및 정제용 여과막을 구성하기 위한 3차원 파동구조를 갖는 중공사, 이를 포함하는 중공사막 및 이의 제조장치를 제공하는 것으로, 본 발명에 따른 3차원 파동구조를 갖는 중공사로 구성되는 중공사막은 모듈을 구성할 때 중공사막간에 발생하는 데드존(dead zone)이 감소되어 유효 막 면적이 증가하고 막 투과속도가 향상되는 한편, 충진 밀도(packing density) 및 표면적이 증가되어 중공사막의 효율성을 극대화시키는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 3차원 중공사의 제조장치는 중공사에 파동구조를 도입하기 위한 별도의 후가공 공정을 거치지 않아 부가적인 오염 또는 파손을 방지하면서도, 간단하게 고수율로 제조할 수 있어 중공사의 제조생산 비용을 최소화하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,
내부에 길이방향으로 관통홀을 갖고 적어도 부분적으로 파동구조를 갖는 중공사로서, 바람직하게는 매우 규칙적인 파동구조를 갖는 것이고, 상기 파동구조의 파장이 5 내지 9 mm이고, 상기 파동구조의 파동은 이의 파장축을 중심으로 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하며, 상기 파동은 상기 파장축의 길이를 기준으로 파장의 5 내지 30배에 해당하는 길이 동안 360° 회전하는 회전주기를 갖는, 3차원 파동구조를 갖는 중공사를 제공한다.
여기서, 상기 중공사는 상기 파동구조의 파장이 5 내지 9 mm, 외경이 200 내지 2000 um이고, 상기 중공사의 외경은 내경의 1 내지 2.5 배인 것을 특징으로 하는, 3차원 파동구조를 갖는 중공사를 제공한다.
또한, 상기 파장이 상기 외경의 4.5 내지 25배인 것을 특징으로 하는, 3차원 파동구조를 갖는 중공사를 제공한다.
그리고, 상기 파동의 회전 각속도는 12 내지 72°/mm인 것을 특징으로 하는, 3차원 파동구조를 갖는 중공사를 제공한다.
나아가, 상기 중공사는 폴리술폰(polysulfone; PSf), 폴리에테르술폰(polyethersulfone; PES), 플루오르화폴리비닐리덴(polyvinylidenefluoride; PVDF), 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile; PAN), 폴리이미드(Polyimide; PI), 폴리에테르이미드(polyetherimide; PEI), 폴리에텔에텔케톤(polyetheretherketone; PEEK), 폴리아미드이미드(polyamideimide; PAI), 폴리아미드(polyamide; PA), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리프로필렌(polypropylene; PP) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 고분자 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3차원 파동구조를 갖는 중공사를 제공한다.
한편, 상기 중공사를 충진하여 이루어지는 중공사막(모듈)을 제공한다.
또한, 고분자 용액을 중공사 형태로 토출할 수 있는 토출부; 상기 토출부에서 토출된 중공사를 응고시키기 위한 응고부; 및 상기 수조에서 응고된 중공사를 연신시켜 감는 권취부를 포함하고, 상기 응고부는 비용매가 담긴 하나 이상의 수조를 포함하고, 상기 수조는 상기 비용매 내에서 상기 중공사를 감아 상기 권취부로 전달하는 하나 이상의 롤러를 포함하며, 상기 권취부는 상기 중공사의 연신 속도를 조절할 수 있고, 상기 롤러는 높이 조절이 가능한, 3차원 파동구조를 갖는 중공사의 제조장치를 제공한다.
여기서, 상기 수조의 비용매 수면으로부터 상기 롤러의 하단부까지의 깊이는 상기 중공사 외경의 50 배 이상인 것을 특징으로 하는, 3차원 파동구조를 갖는 중공사의 제조장치를 제공한다.
또한, 상기 토출부는 높이 조절이 가능한 것을 특징으로 하는, 3차원 파동구조를 갖는 중공사의 제조장치를 제공한다.
그리고, 상기 권취부는 상기 중공사의 연신 속도를 0.1 내지 100 m/min으로 조절하는 것을 특징으로 하는, 3차원 파동구조를 갖는 중공사의 제조장치를 제공한다.
본 발명에 따른 중공사는 자체적으로 파동함과 동시에 파동구조의 파동이 파장축을 중심으로 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하여 생성되는 3차원의 파동구조를 보유함으로써, 이를 결집하여 제조한 중공사막은 중공사막 모듈을 구성할 때 중공사막간에서 발생하는 데드존(dead zone) 및 유체의 흐름으로 인한 항력이 감소하는 한편, 충진 밀도(packing density) 및 유효 막 면적은 증가하여 분리 및 정제의 효율성을 극대화하는 우수한 효과를 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 중공사의 제조장치는 수조 안에서 중공사를 권취시키는 단계에서 3차원의 파동구조가 자연적으로 생성되게 함으로써 별도의 후가공 공정을 필요로 하지 않고, 간단하게 고수율로 제조 가능하여 3차원 파동구조를 갖는 중공사의 제조생산 비용을 최소화하는 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 3차원 파동구조를 갖는 중공사를 2차원의 평면상으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 3차원 파동구조를 갖는 중공사의 단면 사시도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 3차원 파동구조를 갖는 중공사의 파동이 파장축을 중심으로 반시계방향으로 회전하는 것을 도시한 것이다.
도 4는 중공사가 수조 내에서 제조되는 것을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 3차원 파동구조를 갖는 중공사의 제조장치를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 3차원 파동구조를 갖는 중공사의 제조방법을 나타내는 플로우차트를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
통상적으로, 유체의 분리 및 정제용 여과막에 있어서, 여과막의 효율성은 여과막의 유효 막 면적(effective membrane area) 및 충진 밀도(packing density)와 관련성이 높다. 특히, 내부에 섬유의 길이 방향으로 관통하는 중공(中空)이 형성된 중공사로 이루어지는 여과막(중공사막)은 평막에 비해 넓은 표면적을 보유하여 분리 및 정제면에서 우수한 효과를 나타낸다.
종래, 중공사막을 이루는 중공사의 대부분은 선형(linear)구조, 또는 2차원의 파동구조로 형상화되어 있으나 중공사막이 더욱 우수한 분리 및 정제의 효율성을 지니기 위해서는 유효 막 면적 및 충진 밀도를 더욱 증가시킬 수 있는 새로운 구조의 중공사가 요구된다.
이에, 본 발명은 내부에 길이방향으로 관통홀을 갖는 중공사로서, 정밀하게 조절된 파동구조를 적어도 부분적으로 갖고, 바람직하게는 규칙적으로 형성된 것으로 상기 파동구조의 파동, 즉 파동 평면(wave plane)은 파장축을 중심으로 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하는 3차원 파동구조를 갖는 중공사를 제공한다. 이 같은 3차원의 파동구조는 상기 중공사끼리 촘촘하게 뒤얽히게 함으로써 유효 막 면적 및 충진 밀도가 더욱 우수한 중공사막 모듈의 제조를 가능하게 한다.
도 1은 본 발명에 따른 3차원 파동구조를 갖는 중공사(100)의 일부분을 2차원의 평면상에 도시한 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 3차원 파동구조를 갖는 중공사의 단면 사시도이다.
일반적으로, 파장은 파동의 형태가 주기적으로 반복된 형태를 나타내는 구간의 단위길이로 정의되며, 도 1은 상기 중공사(100)가 파동 시에 파장의 마루가 인접하는 다른 마루를 형성할 때까지의 거리를 파장(W)으로 나타내어 도시한다.
앞서 기술한 바와 같이 중공사끼리 촘촘하게 뒤얽히게 함으로써 유효 막 면적 및 충진 밀도가 극대화되도록 하기 위해, 상기 중공사(100)의 파장(W)은 5 내지 9 mm, 바람직하게는 7.0 내지 7.5 mm 및 외경(D)은 200 내지 2,000 um, 바람직하게는 280 내지 600 um로 형상화될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 중공사(100)는 파장(W)이 외경(D)의 4.5 내지 25배인 파동구조를 매우 규칙적으로 보유할 수 있다. 또한, 상기 파동구조의 진폭은 2 내지 8 mm, 바람직하게는 3 내지 6 mm일 수 있다.
또한, 상기 중공사(100)의 외경(D)은 내경(d)의 1.0 내지 2.5 배, 바람직하게는 1.5 내지 1.9 배로 제작될 수 있다. 상기 외경(D)의 두께가 상기 내경(d)의 1.0 배 미만인 경우 중공사막의 기계적 특성이 크게 저하되는 반면, 상기 외경(D)의 두께가 상기 내경(d)의 2.5 배 초과인 경우 중공사막의 유체 투과도가 크게 저하되거나, 유효 막 면적 및 충진 밀도가 불충분할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 3차원 파동구조를 갖는 중공사(100)의 파동, 즉 파동 평면이 파장축을 중심으로 반시계방향으로 회전하는 것을 도시한 것이다. 상기 파장축은 파동의 마루와 골 사이의 중앙을 지나는 중심축으로 정의되며, 상기 중공사(100)의 파동, 즉 파동 평면은 상기 파장축을 중심으로 시계방향 또는 반시계방향으로 회전할 수 있다.
도 3에서 중공사(100)의 파장의 진폭(amplitude)은 감쇠 또는 증폭을 반복하는 것처럼 보이지만, 이는 파장의 진폭은 일정하되 중공사(100)의 파동, 즉 파동 평면이 파장축을 중심으로 회전함으로써 보이는 현상이다.
구체적으로, 상기 중공사(100)의 파동 평면은 파장축의 길이를 기준으로 상기 파장(W)의 5배 이상, 바람직하게는 5 내지 30배, 더 바람직하게는 10 내지 20배에 해당하는 길이로 파동하는 동안 360° 회전하는 회전주기를 갖는다. 상기 회전주기가 상기 파장(W)의 5배 미만인 경우 파동 구조의 회전이 과도하여 이러한 파동 구조를 갖는 중공사로부터 제조되는 중공사막에서 중공사들이 서로 얽혀 뭉치게 되어 중공사막이 만들어지기 어렵고, 데드존이 발생함으로써 유효 막 면적이 저하되고 통과하는 유체 속도가 저하되는 반면, 30배 초과인 경우 파동 구조의 회전이 미미하여 이러한 파동 구조를 갖는 중공사로부터 제조되는 중공사막의 충진 밀도 및 표면적이 다소 불충분할 수 있다.
구체적으로, 상기 중공사(100)가 파장(W)만큼의 파동 시마다 상기 파동 평면은 상기 파장축을 중심으로 시계방향 또는 반시계방향으로 12 내지 72°/mm의 각도로 회전함으로써 상기 중공사(100)에 3차원의 파동구조를 형성시키고 이를 일면에서 관측 시에 도 3과 같이 나타날 수 있다.
이처럼, 중공사의 자체적인 파동형성 및 파장축을 중심으로 하는 파동의 회전으로 인하여 상기 중공사(100)는 3차원의 파동구조를 형성할 수 있으며, 또한 상기 중공사(100)를 집적시켜 유효 막 면적 및 충진 밀도가 동시에 극대화되는 중공사막 모듈(hollow fiber membrane module)의 제조가 가능하다.
일반적으로, 중공사막은 수처리, 의료, 에너지, 식품제조, 정밀화학 등의 다양한 분야에서 혼합물의 선택적 분리 및 정제의 목적으로 널리 사용되고 있다. 여기서, 중공사막의 분리 및 정제 효율을 높이기 위해서는, 중공사막 투과측에 오염물질 또는 투과물질이 쌓여 생기는 농도분극과 중공사막들이 집적되어 모듈화 될 때 막간에 접촉으로 생기는 데드존(dead zone)을 최소화하거나 회피해야 한다.
이에, 본 발명에 따른 3차원의 파동구조를 갖는 중공사(100)로 중공사막을 제조하게 되면 3차원의 파동구조를 통해 데드존은(dead zone) 최소화하며 중공사끼리 더욱 촘촘하게 집적되므로 충진밀도(packing density)가 증가하게 되어 중공사막의 성능이 우수하다. 상기 충진밀도(g/cm3)는 전체 중공사막 부피 중에서 중공사가 차지하는 질량을 수치화 한 것으로, 충진밀도가 증가하면 작은 면적의 중공사막으로도 분리 및 정제의 성능이 우수하게 발현되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 중공사(100)는 촘촘하게 집적되면서도 막끼리 서로 달라붙는 것을 최소화 하기 때문에, 종래 중공사끼리 서로 부착되고 뭉침으로써 발생되는 데드존(dead zone)과 그로 인해 발생되는 유효 막면적의 저하로써 유체 속의 부유물질, 탁질물질 등이 침적 및 슬러지(sludge)화하여 여과성능을 발현하지 못하는 중공사막 내의 농도 분극(concentration polarization)을 방지함으로써, 중공사막의 유효 막 면적 감소, 유체의 막 투과속도 저하 등의 현상을 최소화 또는 방지하는 효과가 있다.
그리고, 본 발명에 따른 3차원의 파동구조를 갖는 중공사로 중공사막 모듈을 제조하는 경우 상기 모듈의 단위 면적 당 유효 막 면적이 차지하는 충진 백분율이 40% 초과, 예를 들면 55 내지 70%로 구현되었으며, 하기 실시예에 나타난 바와 같이, 상기 중공사막 모듈의 단위 면적 당 유효 막 면적이 차지하는 충진 백분율에 따른 효과의 우수성을 확인할 수 있었다.
[실시예]
20%의 CO2가 발생(CO2:N2=20:80)하는 공장에서의 굴뚝 모사 실험으로, 실시예는 본 발명에 따른 3차원 파동구조를 갖는 중공사로부터 형성된 중공사막(충진 백분율=55%) 모듈인 반면, 비교예는 종래 선형 (linear) 구조를 갖는 중공사로부터 형성된 중공사막(충진 백분율=40) 모듈이다. 단위면적당 통과하는 유체의 속도(0.1m/hr) 및 압력을 동일하게 설정하여, 상기 실시예 및 비교예의 중공사막 모듈이 공장에서 배출되는 이산화탄소를 20% 에서 50%까지 농축하기 위한 회수율(%)을 측정하여 표 1과 같이 나타내었다.
CO2 회수율(%)
1기압 3기압 5기압 7기압
비교예 92.7% 90.0% 72.4% 75.3%
실시예 95.2% 93.7% 80.0% 77.6%
단위면적당 성능차이 2.50% 3.70% 7.60% 2.30%
본 발명자는 중공사(100)에 파동구조를 도입하기 위하여 크림프(crimp) 가공 등 별도의 후공정을 수행하지 않더라도, 맥스웰 모형(Maxwell model)을 응용함으로써 수조 내에서 중공사가 3차원의 파동구조를 자체적으로 형성하도록 하였다.
도 4의 (a), (b) 및 (c)는 중공사가 비용매(물)로 채워진 수조 내에서 다양하게 형상화되는 것을 도시한 것이다.
용융 상태의 고분자 용액이 노즐을 통해 중공사 형태로 공기 중에서 토출되고 자유낙하 한 뒤, 상기 수조의 수심이 기준 미달이거나 상기 토출된 중공사의 단위 길이당 중량이 과도한 경우, 즉 상기 중공사의 하방으로의 중력이 수조의 상방으로의 부력에 비해 과도한 경우 도 4a와 같이 상기 중공사는 직선으로 형성되는 반면, 상기 수조의 수심이 과도하거나 상기 토출된 중공사의 단위 길이당 중량이 미미한 경우, 즉 상기 중공사의 하방으로의 중력이 수조의 상방으로의 부력에 비해 미미한 경우 도 4c와 같이 상기 중공사는 수조의 수면에 부유하게 된다.
한편, 상기 수조의 수심 및 상기 토출된 중공사의 단위 길이당 중량이 정밀하게 조절되는 경우, 즉 상기 중공사의 하방으로의 중력과 수조의 상방으로의 부력이 적절하게 균형을 이루는 경우 도 4b와 같이 상기 중공사가 회전하면서 하강하여 파동구조를 갖게 되고 이러한 중공사 하부 말단을 권취기에 감아 정밀하게 제어된 속도로 당겨 연신시킴으로써 본 발명에 따른 특이한 3차원 파동구조를 갖는 중공사를 제조할 수 있다.
이는, 점탄성(viscoelasticity) 때문에 일어나는 현상이며, 특히 상기 중공사를 이루는 고분자 용액은 대표적인 점탄성의 유체로서 외력을 가하면 탄성변형 및 점성유동이 동시에 나타날 수 있다.
이와 같은 점탄성 유체의 거동은, 외력에 대한 탄성유체의 거동을 나타내는 스프링(spring) 요소 및 점성유체의 거동을 나타내는 대시포트(dashpot, 유체저항기) 요소를 직렬로 결합시킨 맥스웰 모델(Maxwell model)로 설명 가능하다.
예를 들면, 도 4에서 수조 내 물은 대시포트(dashpot) 요소로, 중공사가 공기중에 토출되어 수조 내부로 낙하하면 물의 부력에 의한 저항을 받게 되어 점성유동을 한다. 또한, 수조 내 권취기가 연신하는 힘은 스프링(spring) 요소로, 중공사에 외력(탄성력)을 가하여 점탄성을 갖는 중공사의 거동에 변형을 일으킨다.
도 4c는 상기 중공사에 대시포트 요소(물)에 의한 점성유동만 존재하는 상태인 반면, 도 4a는 스프링 요소(권취기)에 의한 탄성변형이 점성유동보다 우세한 상태이다. 한편, 도 4b의 경우에는 스프링 요소(권취기)에 의한 탄성변형 및 대시포트 요소(물)에 의한 점성유동이 공존하는 상태로, 여기서, 상기 권취기에 의한 탄성변형이 상기 중공사로 전달되어 3차원의 파동구조를 형성시킬 수 있다.
다음으로, 3차원 파동구조를 갖는 중공사(100)의 제조 장치 및 공정에 관해 서술한다.
도 5는 본 발명에 따른 3차원 파동구조를 갖는 중공사(100)의 제조장치를 도시한 것이고, 도 6은 본 발명에 따른 3차원 파동구조를 갖는 중공사(100)의 제조방법을 나타내는 플로우차트를 도시한 것이다.
상기 중공사(100)는 고분자 용액을 제조하는 단계(S100); 노즐에서 토출되는 단계(S200); 수조에서 응고시키는 단계(S300); 및 권취시키는 단계(S400);를 순차적으로 포함하여 제조될 수 있다.
상기 고분자 용액을 제조하는 단계(S100); 에서 폴리술폰(polysulfone; PSf), 폴리에테르술폰(polyethersulfone; PES), 플루오르화폴리비닐리덴(polyvinylidenefluoride; PVDF), 폴리아크릴로나이트릴(polyacrylonitrile; PAN), 폴리이미드(Polyimide; PI), 폴리에테르이미드(polyetherimide; PEI), 폴리에텔에텔케톤(polyetheretherketone; PEEK), 폴리아미드이미드(polyamideimide; PAI), 폴리아미드(polyamide; PA), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 등으로 이루어진 고분자 그룹에서 하나 이상 선택하여 고분자 용액을 제조할 수 있다.
또한, 상기 고분자 용액의 내부 불순물, 고점도 용액 및 응집 덩어리를 제거해주기 위하여 이용한 여과단계가 추가로 수행될 수 있다.
여기서, 점도가 낮은 고분자 용액, 예를 들면 점도가 10,000 cp 이하의 고분자 용액과 달리, 점도가 높은 고분자 용액, 예를 들면 점도가 100,000 cp 초과의 고분자 용액은 여과가 불가능하거나, 여과 필터를 통과하기 위하여 과도한 에너지 소비가 불가피하다.
이에, 아세톤(acetone), 에틸아세테이트(ethyl acetate)등의 점도희석용 비용매(poor solvent)를 첨가해주면 상기 고분자 용액이 팽윤(swelling)함에 따라 점도가 대폭 감소하여 금속분말 소결필터(sintered metal filter)등의 여과 필터를 통과할 수 있다. 다만, 상기 점도희석용 비용매를 첨가한 후에는 상기 고분자 용액의 농도가 크게 감소할 수 있으므로, 상기 비용매를 다시 기화시키는 공정을 수행하여 고분자 용액의 농도를 여과단계 이전의 상태로 되돌린다.
다음으로, 여과 후 제조된 고분자 용액은 펌프를 거쳐 토출부(1000)로 이송되고, 노즐에서 토출되는 단계(S200);를 거친다. 상기 토출부(1000)에는 노즐 및 부가적인 장치, 예를 들면 수조(2110)의 수면으로부터 노즐까지의 높이측정이 가능한 레이저 기술 기반의 장치 및 높이조절이 가능한 노즐 거치대가 함께 구비될 수 있다.
또한, 상기 노즐이 수조(2110)의 수면보다 상부에 위치하도록 높이를 조절하여 액체상태의 고분자 용액이 수조(2110) 내로 투입되기 전 공기층을 지나면서 비용매 유도 상분리법(Vapor induced phase separation; VIPS)에 의하여 고체상태 또는 반고체상태의 중공사로 응고되도록 할 수 있다.
또한, 토출부(1000)에는 상기 노즐의 높이조절 중 발생하는 진동을 최소화하거나 회피하기 위한 목적으로 공기 현가장치(air suspension), 나사산(thread) 등이 더 구비할 수 있으며 또한, 상기 노즐의 온도를 상승시키기 위한 목적으로 열순환장치, 열선 등의 부가적인 장치가 구비될 수 있다.
이후, 수조에서 응고시키는 단계(S300);를 거쳐 토출부(1000)에서 토출되는 고분자 용액은 응고용 수조(2110) 내로 투입되어 중공사로 응고된다.
상기 단계(S300)에서 중공사가 외경이 과도하게 크게 형성되는 경우에는 1차 수조(2110) 내부에 수용된 물(filled tap water) 등의 비용매가 상기 중공사에 충분한 반발력을 가할 수 없으므로 파동구조의 형성이 어렵다. 이에, 1차 수조(2110)의 수면의 하방으로 5 내지 10센티미터(cm)에 해당하는 구간까지의 표면장력을 인위적으로 높이기 위한 목적으로 별도의 용매를 첨가 할 수 있다.
또한, 본 발명자는 1차 수조(2110) 내 비용매의 깊이, 구체적으로 1차 수조(2110) 내에서 상기 중공사(100)의 말단을 권취하기 위해 배치된 롤러(2120)의 하단부 깊이가 상기 노즐 외경, 즉 상기 중공사 외경의 100배 이상, 바람직하게는 3000배 내지 5000배 수준이 되어야 중공사가 도 4b와 같이 나선형의 파동을 형성하며 낙하할 수 있다는 것을 실험적으로 확인하였다.
상기 토출부(1000)에서 토출되는 고분자 용액은 유기용매 가용성(soluble)의 고분자 및 양친성(amphiphilic)의 용매가 혼합된 것으로, 상기 고분자 용액이 1차 수조(2110)에 투입되면 불용성의 고분자는 응집되는 반면, 양친성의 용매는 고분자의 비용매인 물에도 용해되어 고분자는 상분리(phase separation)가 일어난다.
따라서, 상기 토출부(1000)로부터 고분자 용액이 1차 수조(2110) 내로 지속적으로 토출됨에 따라, 1차 수조(2110) 내 용매(고분자 용액의 양친성 용매)의 농도가 지속적으로 상승하게 되는데, 이는 결과적으로 상분리에 의해 형성되는 중공사가 1차 수조(2110) 내 용매 비용매 간의 용매 교환을 저해하여 중공사에 변형 및 파괴를 촉진시킨다.
그리고, 상기 응고부(2000)에는 중공사의 응고와 아울러, 용매교환이 잘 일어나도록 위한 세척의 목적으로 2차 수조(2210)를 더 구비할 수 있다. 상기 2차 수조(2210)에는 1차 수조와 같이 비용매인 물을 사용하여 중공사의 응고를 보조할 수 있다.
도 5의 경우 응고부(2000)의 수조(2110,2210)는 두 개가 구비된 것을 도시하였으나, 이에 한정하지 않으며 중공사의 제작 공정의 규모 및 형태에 따라 수조의 개수를 다양하게 구비할 수 있다.
또한, 응고부(2000)의 수조 각각에 월류장치(미도시)를 연결하여 수조 내의 혼합용매는 용매증류 후에 다시 회수하고, 물탱크(미도시)를 연결하여 수조 각각에 물을 공급하는 일련의 과정을 반복하여 수조 내의 물이 지속적으로 순환할 수 있도록 한다.
즉, 1차 응고부(2110) 내로 토출 및 응고된 중공사(100)는 1차 수조(2110) 내에 구비된 하나 이상의 롤러(2120)에 감겨 이동하여 1차 권취기(3100)가 구비된 1차 권취부(3100)에 우선적으로 권취되고, 이어서 2차 응고부(2200) 내에서 추가적인 응고 및 세척된 후 다시 2차 롤러(2220)에 감겨 이동하여 2차 권취기(3200)가 구비된 2차 권취부(3200)에 최종 권취된다.
상기 중공사(100)가 2차 권취부(3200)에 의하여 수 천번 이상 감겨 권취된 이후에는 마치 물레에 쌓인 실처럼 형상화되는 최종 권취사(4100)가 생성된다. 이후, 최종 권취사(4100)는 보관조(4200)가 구비된 보관부(4000)에 수용되어 보관된다
상기 권취기(3100,3200) 각각에는 내부에 모터가 구비되어 권취 세기 및 각도의 변경이 가능하다. 또한, 전술한 바와 같이 상기 권취기는 중공사(100)를 연신(elongation)시키고 연신속도를 조절하는 기능을 함께 수행하고, 상기 하나 이상의 롤러(2120,2220)는 상기 수조(2110,2200) 내에서 상기 중공사(100)가 하강하는 위치를 조절함으로써 상기 중공사(100)에 인가되는 부력을 조절할 수 있도록 높이 조절이 가능한데, 이는 상기 중공사(100)가 권취 및 연신되는 힘과 물의 부력에 의한 반발력이 서로 균형을 이루도록 조절함으로써 상기 중공사(100)에 3차원의 파동구조가 형성되도록 한다.
또한, 상기 권취기(3100,3200)의 속도는 0.1 내지 100 m/min에서 조절이 가능하며, 상기 중공사(100)에 파동구조가 형성되는 최적의 속도가 설정되면 권취기 근방에 구비된 텐션 컨트롤러(tension)에 의하여 권취기의 속력 및 세기를 일정하게 유지시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 제조공정은 권취시키는 단계(S400) 이후에 파장구조를 형성하기 위한 크림프(crimp) 공정 등의 별도의 후가공 공정을 필요로 하지 않으므로, 상기 공정과정 중 발생하는 2차 오염, 불량, 파손 등을 회피하면서도 간단하고 고수율로 중공사를 제조할 수 있어 생산 비용을 월등하게 절감시키는 효과를 갖는다.
본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 모두 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.
100 : 3차원의 파동구조를 갖는 중공사
1000 : 토출부
2000 : 응고부
3000 : 권취부
4000 : 보관부

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
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  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 고분자 용액을 중공사 형태로 토출할 수 있는 토출부;
    상기 토출부에서 토출된 중공사를 응고시키기 위한 응고부; 및
    상기 응고부에서 응고된 중공사를 연신시켜 감는 권취부를 포함하고,
    상기 응고부는 용매가 담긴 하나 이상의 수조를 포함하고,
    상기 수조는 상기 용매 내에서 상기 중공사를 감아 상기 권취부로 전달하는 하나 이상의 롤러를 포함하며,
    상기 권취부는 상기 중공사의 연신 속도를 조절할 수 있고,
    상기 롤러는 높이 조절이 가능한, 3차원 파동구조를 갖는 중공사의 제조장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 수조의 용매 수면으로부터 상기 롤러의 하단부까지의 깊이는 상기 중공사 외경의 50 배 이상인 것을 특징으로 하는, 3차원 파동구조를 갖는 중공사의 제조장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 토출부는 높이 조절이 가능한 것을 특징으로 하는, 3차원 파동구조를 갖는 중공사의 제조장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 권취부는 상기 중공사의 연신 속도를 0.1 내지 100 m/min으로 조절하는 것을 특징으로 하는, 3차원 파동구조를 갖는 중공사의 제조장치.
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