KR102366598B1 - 양쪽 이온성 관능기를 가지는 랜덤 공중합체를 포함하는 공기 필터용 나노섬유 및 그 제조방법 - Google Patents

양쪽 이온성 관능기를 가지는 랜덤 공중합체를 포함하는 공기 필터용 나노섬유 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 측쇄에 양쪽 이온성(Zwitterionic) 관능기를 가지는 스티렌-(메트)아크릴레이트-아크릴로니트릴 랜덤 공중합체로 이루어진 공기 필터용 나노섬유 및 그 제조방법 에 대한 것으로서, 본 발명에 따른 공기 여과재용 나노섬유는 양쪽 이온성 관능기에서 유래하는 높은 쌍극자 모멘트를 가져 미세먼지(PM) 입자의 중합체 표면에 대한 결합을 크게 향상시킴으로써 PM 입자에 대한 높은 여과 효율 (> 99.9 %)을 가질 뿐만 아니라 낮은 공기 흐름 저항성, 우수한 항균성을 가져 공기청정기 필터, 차량용 공기 정화 필터 등의 핵심 소재로서 매우 유용하게 사용될 수 있다.

Description

양쪽 이온성 관능기를 가지는 랜덤 공중합체를 포함하는 공기 필터용 나노섬유 및 그 제조방법{NANOFIBER FOR AIR FILTER CONTAINING RANDOM COPOLYMER HAVING ZWITTERIONIC FUNCTIONAL GROUP AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 공기 여과용 소재로 사용하기 위한 나노섬유 및 그 제조방법에 관한 것이다.
각종 대기 오염 물질은 호흡기 및 심혈관 질환과 함께 천식, 구토, 피부 자극, 고혈압, 암, 선천적 기형을 유발할 수 있고, 이와 같이 인류 건강에 미치는 악영향으로 인해 전 세계적으로 대기 오염에 대한 관심이 나날이 증가하고 있다.
대표적인 대기 오염 물질 중 하나인 미세먼지(particulate matter, PM)는 육안으로 볼 수 없는 미세한 물질로서 대기 중에 오랫동안 부유하거나 유동하는 입자상 물질을 말하는데, 통상 미세먼지로 불리우는 PM10 (2.5㎛ < 입도 ≤10㎛)과 초미세먼지로 불리우는 PM2.5 (입도 ≤ 2.5㎛)로 분류된다.
이러한 미세먼지를 효율적으로 여과하기 위해 각종 공기 필터 소재가 개발되었으며, 대표적으로 섬유 기반 부직포 헤파(high-efficiency particulate air, HEPA) 필터 및 울파(ultra-low particulate air, ULPA) 필터는 각각 99.97% 및 99.999%의 여과 효율로 미세먼지를 포집하는 것으로 알려져 있다.
하지만, 이들 공기 필터는 높은 여과 효율을 가짐에도 불구하고 한정된 비표면적으로 인해 사용 개시 후 단시간에 막힘(clogging) 현상이 생기고 필터를 가로지지는 공기 흐름에 매우 높은 압력 강하를 야기한다.
한국 등록특허 제10-1668395호 (등록일: 2016.10.17) 한국 공개특허 제10-2018-0007817호 (공개일: 2018.01.24)
본 발명은 높은 미세먼지 제거 효율을 가지면서도 공기 흐름에 대한 낮은 저항을 가지는 공기 여과재의 소재로 적합한 나노섬유 및 그 제조방법의 제공을 그 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 측쇄에 양쪽 이온성 관능기를 가지는 스티렌-(메트)아크릴레이트-아크릴로니트릴 랜덤 공중합체로 이루어진 공기 필터용 나노섬유를 제안한다.
상기 스티렌-(메트)아크릴레이트-아크릴로니트릴 랜덤 공중합체는, 2개의 단단한 부분(스티렌과 아크릴로니트릴)과 1개의 부드러운 부분((메트)아크릴레이트)을 포함한 일종의 열가소성 엘라스토머이다.
상기 스티렌-(메트)아크릴레이트-아크릴로니트릴 랜덤 공중합체에서 상기 스티렌 부분 및 아크릴로니트릴 부분은 각각 통상의 스틴렌계 단량체 및 아크릴로니트릴 단량체로부터 유래하며, 특히, (메트)아크릴레이트 부분은 (메트)아크릴레이트 단량체는 물론 (메트)아크릴레이트에 치환기가 도입된 단량체에 의해서도 형성될 수 있다.
상기 치환기가 도입된 (메트)아크릴레이트 단량체의 바람직한 예로는 (메트)아크릴레이트 아민계 단량체 (2-(dimethylamino)ethyl methacrylate, diethylaminoethylacrylate, dimethylaminoethylacrylate,diethylaminoethylacrylate 등)를 들 수 있다.
예를 들어, (메트)아크릴레이트계 아민계 단량체로서 2-(디메틸아미노)에틸메타크릴레이트를 스티렌 및 아크릴로니트릴과 중합해 얻어지는 스티렌-(메트)아크릴레이트-아크릴로니트릴 랜덤 공중합체는 폴리스티렌-co-폴리 2-(디메틸아미노)에틸메타크릴레이트-co-폴리(아크릴로니트릴) (Polystyrene-co-poly 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate-co-poly (acrylonitrile))이다.
또한, 상기 랜덤 공중합체의 (메트)아크릴레이트 부분은 (메트)아크릴레이트 단량체 및 (메트)아크릴레이트에 치환기가 도입된 단량체를 동시에 사용해 형성될 수도 있으며, 이러한 랜덤 공중합체의 예로서 2-(디메틸아미노)에틸메타크릴레이트와 n-부틸메타크릴레이트를 스티렌 및 아크릴로니트릴과 중합해 얻어지는 스티렌-(메트)아크릴레이트-아크릴로니트릴 랜덤 공중합체는 폴리스티렌-co-폴리 2-(디메틸아미노)에틸메타크릴레이트-co-폴리(아크릴로니트릴)-co-폴리 n-부틸메타크릴레이트 (Polystyrene-co-poly 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate-co-poly (acrylonitrile)-co-poly(n-butyl methacrylate))를 들 수 있다.
한편, 상기 스티렌-(메트)아크릴레이트-아크릴로니트릴 랜덤 공중합체에 도입되는 양쪽 이온성 관능기는 공중체에 높은 쌍극자 모멘트를 유도해 미세먼지(PM)의 공중합체 표면에 대한 결합을 촉진함으로써 미세먼지 제거 효율을 높이는 역할을 하며, 이러한 목적에 부합하는 양쪽 이온성 관능기의 바람직한 예로는 설포네이트 기 및 4차 암모늄 기를 포함하는 설포베타인 기(-RR' N+(CH2)nSO3-)를 들 수 있다.
상기 스티렌-(메트)아크릴레이트-아크릴로니트릴 랜덤 공중합체의 측쇄에 양쪽 이온성 관능기로서 설포베타인 기를 도입해 얻어지는 양쪽 이온성 랜덤 공중합체의 바람직한 예는 하기 화학식 1로 표시할 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112020029603051-pat00001
(상기 화학식 1에서,
l은 1~1500 m은 1~1500, n은 1~2000, p는 0~1500 임).
또한, 상기 측쇄에 양쪽 이온성 관능기를 가지는 스티렌-(메트)아크릴레이트-아크릴로니트릴 랜덤 공중합체의 다른 일례는, 하기 화학식 2로 표시되며 스티렌-(메트)아크릴레이트-아크릴로니트릴 랜덤 공중합체의 측쇄에 양쪽 이온성 관능기로서 4차 암모늄 양이온 및 할라이드 이온을 포함하는 랜덤 공중합체를 들 수 있다.
[화학식 2]
Figure 112020029603051-pat00002
(상기 화학식 2에서,
R1, R2 및 R3는 서로 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 9의 알킬이고,
l은 1~1500 m은 1~1500, n은 1~2000, p는 0~1500 임).
상기 본 발명에 따른 측쇄에 양쪽 이온성 관능기를 가지는 스티렌-(메트)아크릴레이트-아크릴로니트릴 랜덤 공중합체로 이루어진 공기 필터용 나노섬유의 제조방법은, (a) 스티렌 단량체, (메트)아크릴레이트 단량체 및 아크릴로니트릴 단량체를 중합시켜 스티렌-(메트)아크릴레이트-아크릴로니트릴 랜덤 공중합체를 제조하는 단계; (b) 상기 스티렌-(메트)아크릴레이트-아크릴로니트릴 랜덤 공중합체의 측쇄에 양쪽 이온성 관능기를 도입하는 단계; 및 (c) 측쇄에 양쪽 이온성 관능기를 가지는 스티렌-(메트)아크릴레이트-아크릴로니트릴 랜덤 공중합체를 전기방사해 나노섬유를 제조하는 단계;를 포함해 이루어질 수 있다.
일례로, 상기 화학식 1로 표시되는 양쪽 이온성 랜덤 공중합체로 이루어진 공기 필터용 나노섬유는, (a) 스티렌 단량체, 2-(디메틸아미노)에틸메타크릴레이트 단량체 및 아크릴로니트릴 단량체를 중합시켜, 폴리스티렌-co-폴리 2-(디메틸아미노)에틸메타크릴레이트-co-폴리 (아크릴로니트릴) (ABC) 랜덤 공중합체를 제조하는 단계; (b) 상기 폴리스티렌-co-폴리 2-(디메틸아미노)에틸메타크릴레이트-co-폴리 (아크릴로니트릴) 랜덤 공중합체와 1,3-프로판설톤을 반응시켜 측쇄에 설포베타인(sulfobetaine) 기를 도입하는 단계; 및 (c) 측쇄에 설포베타인(sulfobetaine) 기를 가지는 폴리스티렌-co-폴리 2-(디메틸아미노)에틸메타크릴레이트-co-폴리 (아크릴로니트릴) (ABC) 랜덤 공중합체를 전기방사해 나노섬유를 제조하는 단계;를 순차적으로 수행해 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 측쇄에 양쪽 이온성(Zwitterionic) 관능기가 도입된 스티렌-(메트)아크릴레이트-아크릴로니트릴 랜덤 공중합체로 이루어진 공기 필터용 나노섬유는, 양쪽 이온성 관능기에서 유래하는 높은 쌍극자 모멘트를 가져 미세먼지(PM) 입자의 중합체 표면에 대한 결합을 크게 향상시킴으로써 PM 입자에 대한 높은 여과 효율 (> 99.9 %)을 가질 뿐만 아니라 낮은 공기 흐름 저항성 및 뛰어난 항균성까지 가져 공기청정기 필터, 차량용 공기 정화 필터 등의 핵심 소재로서 매우 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본원 실시예에서 합성한 polystyrene-co-poly 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate-co-poly (acrylonitrile) (ABC) 랜덤 공중합체의 합성 반응식이다.
도 2는 본원 실시예에서 합성한 polystyrene-co-poly 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate-co-poly (acrylonitrile)] (ABC) 랜덤 공중합체의 1H NMR 스펙트럼이다.
도 3은 본원 실시예에서 합성한 양쪽 이온성 Polystyrene-co-poly 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate-co-poly (acrylonitrile) (Z-ABC) 랜덤 공중합체의 합성 반응식이다.
도 4는 본원 실시예에서 합성한 양쪽 이온성 Polystyrene-co-poly 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate-co-poly (acrylonitrile) (Z-ABC) 랜덤 공중합체의 1H NMR 스펙트럼이다.
도 5는 본원 실시예에서 합성한 4차 암모늄 Polystyrene-co-poly 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate-co-poly (acrylonitrile) (Q-ABC) 랜덤 공중합체의 합성 반응식이다.
도 6은 본원 실시예에서 합성한 4차 암모늄 Polystyrene-co-poly 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate-co-poly (acrylonitrile) (Q-ABC) 랜덤 공중합체의 1H NMR 스펙트럼이다.
도 7은 본원 실시예에서 제조한 나노섬유 (Z-ABC) 를 보여주는 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지이다.
도 8은 본원 실시예에서 제조한 나노섬유 (Q-ABC) 를 보여주는 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지이다.
도 9는 본원 실시예에서 합성한 양쪽 이온성 Polystyrene-co-poly 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate-co-poly (acrylonitrile) (Z-ABC) 랜덤 공중합체의 열 중량 분석(TGA) 결과이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 명세서를 실시예를 들어 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다.
<실시예>
1. 양쪽 이온성/4차 암모늄 랜덤 공중합체 (Z-ABC, Q-ABC)의 합성
(1) Polystyrene-co-poly 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate-co-poly (acrylonitrile) (ABC) 랜덤 공중합체의 합성
도 1에 도시한 반응식에 따라 엘라스토머성 폴리스티렌-co-폴리 2-(디메틸아미노)에틸메타크릴레이트-co-폴리 (아크릴로니트릴) (ABC) 랜덤 공중합체를 합성하기 위해 전형적인 자유 라디칼 벌크 중합(free-radical bulk polymerization)을 실시하였다.
중합체의 2-(디메틸아미노)에틸메타크릴레이트 단량체의 몰비가 스티렌 및 아크릴로니트릴 몰비의 2배(스티렌 : 2-(디메틸아미노)에틸메타크릴레이트 : 아크릴로니트릴 = 25 : 50 : 25)가 되도록, 스티렌(0.955 mol, 99 g), 아크릴로니트릴(0.955 mol, 57.7 g) 및 2-(디메틸아미노)에틸메타크릴레이트(1.91 mol, 300 g)를 오버헤드 기계식 교반기가 장착된 둥근 바닥 플라스크(1 L)에서 혼합하고, 혼합물을 아르곤을 사용하여 1시간 동안 탈기시켰다. 플라스크의 내용물을 65 ℃까지 가열한 후 AIBN(0.002 mol, 0.32 g)을 첨가하여 같은 온도에서 불활성 조건 아래에서 중합을 개시하였다.
중합 개시하고 4.5 시간 경과 후 내용물을 공기 중에 노출시켜 중합을 종결시켰다. THF 200 ml를 중합 플라스크에 첨가하고 다량의 헥산 중에서 침전시켜 끈적하고 고무 같은 중합체를 얻었다. 중합체를 진공 하에 60℃에서 24시간 동안 건조시켜 81%의 수율로 중합체를 수득하였다. ABC 공중합체가 성공적으로 합성되었음을 1H NMR을 통해 확인하였고(도 2), 수평균 분자량 (M n = 158100) 및 분산도 (Ð = 1.760)는 SEC 테크닉에 따라 계산하였다.
(2) zwitterionic elastomer (Polystyrene-co-poly 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate-co-poly (acrylonitrile) (Z-ABC) 랜덤 공중합체의 합성
도 2에 도시한 반응식에 따라 양쪽 이온성 폴리스티렌-co-폴리 2-(디메틸아미노)에틸메타크릴레이트-co-폴리(아크릴로니트릴) (Z-ABC) 랜덤 공중합체를 합성하기 위해, 상기 (1)에서 합성한 ABC 공중합체의 폴리 2-(디메틸아미노)에틸메타크릴레이트 블록에 존재하는 디메틸아미노기의 비율을 1H NMR 및 ABC 공중합체의 분자량에 의해 계산하였다. 43% 폴리 2-(디메틸아미노)에틸메타크릴레이트 블록을 갖는 20% Z-ABC 중합체 337.5g을 합성할 경우, ABC 공중합체에 존재하는 디메틸아미노기의 총 수는 2.16 몰로 계산되었다.
ABC 공중합체 337.5g을 아세토니트릴 1500ml에 용해시키고, 1,3-프로판설톤(PS) 38 ml을 1시간 동안 적가하면서 계속 교반하고 2시간 동안 반응을 진행시켜, ABC 공중합체에 포함된 2-(디메틸아미노)에틸메타크릴레이트 기를 양쪽 이온성 N,N-디메틸-N-메타크릴옥시에틸-N-(3-설포프로필) 기로 전환시키면서 100% 수율로 생성물을 수득 하였다. 생성물을 2~3회 아세톤으로 세척하고 최종적으로 진공 하에서 60℃에서 하루 동안 건조시켰다. 1H NMR 스펙트럼으로부터 Z-ABC 랜덤 공중합체가 성공적으로 합성되었음을 확인하였다(도 4).
(3) quaternary ammonium elastomer (Polystyrene-co-poly 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate-co-poly (acrylonitrile) (Q-ABC) 랜덤 공중합체의 합성
도 5에 도시한 반응식에 따라 사차 암모늄 폴리스티렌-co-폴리 2-(디메틸아미노)에틸메타크릴레이트-co-폴리(아크릴로니트릴) (Q-ABC) 랜덤 공중합체를 합성하기 위해, 상기 (1)에서 합성한 ABC 공중합체의 폴리 2-(디메틸아미노)에틸메타크릴레이트 블록에 존재하는 디메틸아미노기의 비율을 1H NMR 및 ABC 공중합체의 분자량에 의해 계산하였다. 43% 폴리 2-(디메틸아미노)에틸메타크릴레이트 블록을 갖는 60% Z-ABC 중합체 337.5g을 합성할 경우, ABC 공중합체에 존재하는 디메틸아미노기의 총 수는 2.16 몰로 계산되었다.
ABC 공중합체 337.5g을 아세토니트릴 1500ml에 용해시키고, 메틸아이오다이드 (CH3I) 81 ml를 한 방울씩 1.5시간 동안 넣고 계속 교반하면서 상온에서 5시간 동안 반응을 진행시켜, ABC 공중합체에 포함된 2-(디메틸아미노)에틸메타크릴레이트 기를 4차 암모늄기로 전환시키면서 94% 수율로 생성물을 수득 하였다. 생성물을 3~4회 이소프로필알콜로 세척하고 최종적으로 진공 하에서 65℃에서 하루 동안 건조시켰다. 1H NMR 스펙트럼으로부터 Q-ABC 랜덤 공중합체가 성공적으로 합성되었음을 확인하였다(도 6).
2. 양쪽 이온성 랜덤 공중합체로 이루어진 나노섬유 및 나노섬유 웹의 제조
디메틸포름아미드(dimethylformamide) 중에 상기 1.에서 제조한 25 중량%의 Z-ABC를 포함하는 중합체 용액을 니들 게이지 23(내경 0.34 mm), 용액 펌프 속도 6 mL/h, 전압 27 kV, 방사 거리 15 cm의 조건으로 전기방사하여 100 rpm으로 회전하는 드럼 컬렉터에 전기방사 나노섬유를 수집하였다. 이때, 챔버 온도 및 상대 습도 (RH)는 각각 25±2℃ 및 55±5% RH이었다.
아래 표 1은 가변 유량을 갖는 NaCl PM에 대한 zwitterionic [Polystyrene-co-poly 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate-co-poly (acrylonitrile)] (Z-ABC) 랜덤 공중합체 나노섬유로 이루어진 나노 멤브레인의 여과 성능을 비교한 결과이다. 25 wt% 폴리머 농도의 폴리머 유량이 0.5 ml/h에서 2.5 ml/h로 증가함에 따라, 필터 효율이 높을수록 필터 효율이 높아지고 필터가 두꺼울수록 필터 효율이 증가하고 압력 강하도 증가한다는 사실에 기인해 필터 효율 및 압력 강하 또한 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있다.
양쪽 이온성 랜덤 공중합체(Z-ABC) 나노섬유로 이루어진 공기 필터의 여과 성능
Polymer Flow Rate (ml/h) Filter Efficiency (%) Pressure Drop (mm H 2 O)
0.5 56.14261 2.1
1 80.86443 4.3
1.5 92.33213 7.2
2 96.14354 9.7
2.5 99.92188 18.1
제조된 전기방사 웹(web)은 도 7의 SEM 이미지에 나타낸 바와 같이 약 70 g/m2의 평량(basis weight), 총 두께 435μm 및 섬유 직경 200 nm 미만을 가지며, 상기와 같이 작은 섬유 직경에 따른 큰 표면적을 가져 입자 포획 가능성이 크게 증가했다. 전기 방사된 나노 섬유 구조의 필터는 표면적 대 부피 비(ratio)가 매우 높고 이에 따른 표면 응집력이 높기 때문에 미세 먼지와 같은 작은 입자를 쉽게 포집할 수 있으며, 이는 여과 효율의 향상과 연결된다. 또한, 본 발명에서는 중합체 반복 단위의 쌍극자 모멘트가 증가함에 따라 중합체 포집 효율이 증가하고, 더 큰 쌍극자 모멘트를 가지는 중합체는 PM 입자의 제거 효율이 더 우수하다는 사실을 이용했다.
Z-ABC 랜덤 공중합체의 열 안정성은 열중량 분석(TGA)을 사용하여 측정하였다. 해당 공중합체의 TGA 트레이스를 보여주는 도 9에 따르면 약 200℃에서 약간의 중합체 중량 감소가 관찰되었다. 종래 연구에 따르면 4급 암모늄 함유 중합체의 열분해가 호프만 제거 메커니즘(Hofmann elimination mechanism)을 따르며 약 300℃에서 열분해되기 시작하는 것으로 알려져 있는데, 본 실시예에서도 비슷한 현상이 관찰되었다.
또한, 상기 본원 실시예에서 제조된 양쪽 이온성 랜덤 공중합체(Z-ABC) 나노섬유로 이루어진 나노웹의 항균성을 FITI 시험연구원에서 KS K 0693 규격에 따른 정균 감소율로 평가했다.
즉, 황색포도상구균과 폐렴균 각각을 배양액 자체('BLANK') 및 배양액이 함유된 본원 실시예에서 제조된 나노웹('#1') 각각에서 18시간 동안 배양시킨 후 생균수를 측정하여 정균감소율로 항균력을 평가하였으며, 그 결과를 아래 표 2와 같다.
아래 표 2를 참조하면, 본원 발명에 따른 양쪽 이온성 랜덤 공중합체(Z-ABC) 나노섬유로 이루어진 나노웹은 황색포도상구균 및 폐렴균 모두를 99.9% 제거시키는 매우 뛰어난 항균성을 가지는 것으로 확인되었다.
Figure 112020029603051-pat00003
상기와 같이 본 발명에 따라 제조된 전기 방사 나노 섬유는 높은 여과 효율 (> 99.9 %)을 보여줌과 동시에 150 내지 200 nm 범위의 섬유 직경을 가져 기류에 대한 낮은 저항성을 나타낸다. 작은 섬유 직경과, 섬유의 바깥 표면에 존재하는 높은 쌍극자 모멘트 값을 갖는 양쪽 이온성 극성 화학 작용기의 상승 효과를 가지는 본 발명에 따른 나노 섬유로 이루어진 나노 멤브레인은 PM 입자를 효율적으로 포획하기 위한 이상적인 소재가 될 수 있다.
나아가, 상기 본 발명에 따라 전기방사를 통해 얻어진 나노 섬유는 높은 표면적 대 부피 비(ratio), 기류에 대한 낮은 저항성 및 향상된 여과 성능, 그리고 뛰어난 항균성까지 가져 공기 여과, 헬스케어 및 에너지 분야 등 다양한 응용 분야에서 대단히 유용하게 사용될 수 있다.
상기와 같이 본 발명을 바람직한 실시예 및 비교예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 아니하고 청구항에 기재된 범위 내에서 변형이나 변경 실시가 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경은 첨부된 특허청구 범위에 속한다 할 것이다.

Claims (8)

  1. 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는, 측쇄에 양쪽 이온성 관능기를 가지는 스티렌-(메트)아크릴레이트-아크릴로니트릴 랜덤 공중합체로 이루어진 공기 필터용 나노섬유:
    [화학식 1]
    Figure 112022011577425-pat00015

    (상기 화학식 1에서
    l은 1~1500, m은 1~1500, n은 1~2000, p는 0~1500 임),
    [화학식 2]
    Figure 112022011577425-pat00016

    (상기 화학식 2에서,
    R1 , R2 및 R3 는 서로 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 9의 알킬이고,
    l은 1~1500, m은 1~1500, n은 1~2000, p는 0~1500 임).
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    섬유 직경이 150 ~ 200 nm인 것을 특징으로 하는 공기 필터용 나노섬유.
  7. 삭제
  8. (a) 스티렌 단량체, 2-(디메틸아미노)에틸메타크릴레이트 단량체 및 아크릴로니트릴 단량체를 중합시켜, 폴리스티렌-co-폴리 2-(디메틸아미노)에틸메타크릴레이트-co-폴리 (아크릴로니트릴) (ABC) 랜덤 공중합체를 제조하는 단계;
    (b) 상기 폴리스티렌-co-폴리 2-(디메틸아미노)에틸메타크릴레이트-co-폴리 (아크릴로니트릴) 랜덤 공중합체와 1,3-프로판설톤을 반응시켜 측쇄에 설포베타인(sulfobetaine) 기를 도입하는 단계; 및
    (c) 측쇄에 설포베타인(sulfobetaine) 기를 가지는 폴리스티렌-co-폴리 2-(디메틸아미노)에틸메타크릴레이트-co-폴리 (아크릴로니트릴) (ABC) 랜덤 공중합체를 전기방사해 나노섬유를 제조하는 단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 공기 필터용 나노섬유의 제조방법.
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