KR102668682B1 - 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
친환경 소재인 셀룰로오스 아세테이트(CA)를 이용하는 것에 의해 미세먼지 포집 후 나노섬유 필터가 생분해될 수 있기 때문에 친환경적으로 폐기물을 처리하는 것이 가능해질 수 있는 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 제조 방법은 (a) 셀룰로오스 아세테이트를 준비하는 단계; (b) 상기 셀룰로오스 아세테이트를 양용매 및 비용매의 혼합 용액에 첨가하고 교반하여 전기방사 전구체 용액을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 전기방사 전구체 용액을 기재 상에 전기방사한 후, 건조하여 상기 기재의 표면을 덮는 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 제조 방법은 (a) 셀룰로오스 아세테이트를 준비하는 단계; (b) 상기 셀룰로오스 아세테이트를 양용매 및 비용매의 혼합 용액에 첨가하고 교반하여 전기방사 전구체 용액을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 전기방사 전구체 용액을 기재 상에 전기방사한 후, 건조하여 상기 기재의 표면을 덮는 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 필터 원료로 친환경 소재인 셀룰로오스 아세테이트(CA)를 이용하는 것에 의해 미세먼지 포집 후 나노섬유 필터가 생분해될 수 있기 때문에 친환경적으로 폐기물을 처리하는 것이 가능해질 수 있는 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
나노섬유는 섬유 직경이 나노 스케일(nano-scale)이면서 동시에 섬유 길이 방향은 마이크로 스케일(micro-scale)을 갖는 물질을 말한다. 따라서, 나노섬유는 나노 스케일 구조에서 오는 기능적인 장점과 마이크로 스케일에서 오는 취급성의 용이한 장점을 동시에 갖는다. 이와 같이, 나노 섬유는 3차원적인 네트워크 구조로 이루어져 우수한 기계적 성질과 핸들링성이 용이한 장점이 있다.
이러한 나노섬유는 용액방사(solution spinning), 용융방사(melt spinning), 드로잉(drawing), 자기조립(self-assembly), 화학적 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD), 전기방사(electrospinning) 등으로 제조할 수 있으나, 이 중 섬유 형성이나 대량생산, 응용 면에 있어서 전기방사 방법이 가장 유력한 방법으로 알려져 있다.
전기기방사 방법으로 PM 2.5의 미세 먼지 필터를 제조함에 있어 대부분 PVP(polyvinylpyrrolidone), PS(polystyrene), PVA(polyvinyl alcohol), PP(polypropylene) 및 PI(polyimide)를 포함하는 고분자 물질 중 선택된 1종 이상을 사용하여 미세 먼지 필터를 제조하여 왔다.
그러나, 이러한 고분자 물질을 사용하여 전기방사 방법으로 제조된 미세 먼지 필터는 섬유의 직경이 고르지 못해 미세 먼지 포집 효율이 떨어지거나, 미세먼지 흡착 후 2차 폐기물이 발생되어 환경오염의 원인이 되고 있다.
이를 개선하기 위해, 친환경 소재를 이용하여 미세 먼지 필터를 제조함으로써, 미세먼지 포집 후 필터가 생분해되도록 하여 기 친환경적으로 폐기물을 처리할 수 있는 미세 먼지 필터를 제조하기 위한 연구가 진행 중에 있다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0061223호(2018.06.07. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 셀룰로오스 아세테이트 섬유를 포함하는 비-직조된 직물 및 이들의 용도가 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 필터 원료로 친환경 소재인 셀룰로오스 아세테이트(CA)를 이용하는 것에 의해 미세먼지 포집 후 나노섬유 필터가 생분해될 수 있기 때문에 친환경적으로 폐기물을 처리하는 것이 가능해질 수 있는 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 제조 방법은 (a) 셀룰로오스 아세테이트를 준비하는 단계; (b) 상기 셀룰로오스 아세테이트를 양용매 및 비용매의 혼합 용액에 첨가하고 교반하여 전기방사 전구체 용액을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 전기방사 전구체 용액을 기재 상에 전기방사한 후, 건조하여 상기 기재의 표면을 덮는 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a) 단계에서, 상기 셀룰로오스 아세테이트는 구 형태의 분말이며, 100㎛ 이하의 평균입경을 갖는다.
상기 셀룰로오스 아세테이트는 5 ~ 15℃/min의 속도로 승온시킨 후, 320 ~ 360℃에서 30 ~ 90분 동안 하소 처리되어 불순물이 제거된 것이 이용된다.
상기 (b) 단계에서, 상기 양용매는 디메틸아세트아미드(DMAc)이고, 상기 비용매는 염화메틸렌(DCM), 테트로히드로푸란(THF) 및 아세톤(Aceton) 중 선택된 1종 이상을 포함한다.
상기 비용매는 상기 염화메틸렌(DCM)인 것이 보다 바람직하다.
상기 양용매와 비용매는 10 : 1의 중량비 내지 5 : 5의 중량비로 혼합한다.
상기 (b) 단계에서, 상기 전기방사 전구체 용액은 상기 셀룰로오스 아세테이트 분말 5 ~ 15 중량% 및 혼합 용매 85 ~ 95 중량%로 조성된다.
상기 전기방사 전구체 용액은 상기 셀룰로오스 아세테이트 분말 8 ~ 10 중량% 및 혼합 용매 90 ~ 92 중량%로 조성되는 것이 보다 바람직하다.
상기 (c) 단계에서,상기 시린지의 단부에 결합된 방사 니들은 18 ~ 22G의 내경을 갖는다.
상기 (c) 단계에서, 상기 전기방사는 방사 전압 : 10 ~ 15kV 및 방사 거리 : 8 ~ 12cm 조건으로 실시한다.
상기 (c) 단계에서, 상기 전기방사시, 상기 기재를 지지하는 집전판은 50 ~ 150rpm의 속도로 회전시킨다.
상기 (c) 단계 이후, 상기 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터는 1,500 ~ 2,500㎡/g의 비표면적을 갖는다.
상기 (c) 단계 이후, 상기 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터는 PM 2.5의 포집율 85% 이상을 갖는다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터는 기재; 및 상기 기재의 적어도 일면에 전기방사되어, 상기 기재의 적어도 일면을 덮도록 형성된 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유층;을 포함하며, 상기 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유층은 노출된 표면 및 내부에 복수의 기공이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터는 1,500 ~ 2,500㎡/g의 비표면적을 갖는다.
상기 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터는 PM 2.5의 포집율 85% 이상을 갖는다.
본 발명에 따른 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 및 그 제조 방법은 필터 원료로 친환경 소재인 셀룰로오스 아세테이트(CA)를 이용하는 것에 의해 미세먼지 포집 후 나노섬유 필터가 생분해될 수 있기 때문에 친환경적으로 폐기물을 처리하는 것이 가능해질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 및 그 제조 방법은 친환경 소재인 셀룰로오스 아세테이트(CA)를 이용하여 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터를 제조하는 것에 의해, 높은 여과 효율, 낮은 공기저항, 경량화 등의 장점을 발휘할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 및 그 제조 방법은 분말상의 셀룰로오스 아세테이트를 양용매와 비용매를 동시에 첨가하는 혼합 용매를 적용하여 혼합하여 전기방사 전구체 용액을 제조하고 전기 방사하는 것에 의해, 양용매와 비용매의 끓는점 차이로 인하여 비용매 상 분리(NIPS)가 유도되어 나노섬유 필터의 표면에 미세기공이 다량 형성되어 비표면적을 향상시킬 수 있게 된다.
이 결과, 본 발명에 따른 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 및 그 제조 방법은 1,500 ~ 2,500㎡/g의 고 비표면적을 갖는 것에 의해, PM 2.5의 포집율 85% 이상을 발휘할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 2는 전기방사 장치를 이용하여 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터를 제조하는 과정을 설명하기 위한 모식도.
도 3 내지 도 5는 CA 분말이 10wt%로 첨가될 때 양용매 및 비용매의 함량에 따른 CA 나노섬유 필터의 SEM 사진 및 직경 분포 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 6 및 도 7은 CA 분말이 10wt%로 첨가될 때 양용매 및 비용매의 함량에 따른 CA 나노섬유 필터의 비표면적 분석 결과를 나타낸 그래프.
도 8 내지 도 10은 DMAc : DCM = 9 : 1의 중량비에서 CA의 함량을 변화시켜 측정한 SEM 사진.
도 11 및 도 12는 DMAc : DCM = 9 : 1의 중량비에서 CA의 함량에 따른 비표면적 및 미세기공 분포를 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 13은 DMAc : DCM = 9 : 1의 중량비에서 CA의 함량에 따른 미세 먼지 포집 효율을 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 14는 다공성 CA 나노섬유가 생성되는 조성 범위를 설명하기 위한 모식도.
도 2는 전기방사 장치를 이용하여 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터를 제조하는 과정을 설명하기 위한 모식도.
도 3 내지 도 5는 CA 분말이 10wt%로 첨가될 때 양용매 및 비용매의 함량에 따른 CA 나노섬유 필터의 SEM 사진 및 직경 분포 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 6 및 도 7은 CA 분말이 10wt%로 첨가될 때 양용매 및 비용매의 함량에 따른 CA 나노섬유 필터의 비표면적 분석 결과를 나타낸 그래프.
도 8 내지 도 10은 DMAc : DCM = 9 : 1의 중량비에서 CA의 함량을 변화시켜 측정한 SEM 사진.
도 11 및 도 12는 DMAc : DCM = 9 : 1의 중량비에서 CA의 함량에 따른 비표면적 및 미세기공 분포를 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 13은 DMAc : DCM = 9 : 1의 중량비에서 CA의 함량에 따른 미세 먼지 포집 효율을 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 14는 다공성 CA 나노섬유가 생성되는 조성 범위를 설명하기 위한 모식도.
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 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터
본 발명의 실시예에 따른 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터는 기재 및 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유층을 포함한다.
기재는 플레이트 형태 또는 메쉬 형태를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 기재의 재질로는 유리 기판, 금속 기판, 고분자 기판 등이 이용될 수 있으나, 기재의 재질 역시 나노섬유 필터 분야에서 사용되는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다.
다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유층은 기재의 적어도 일면에 전기방사되어, 기재의 적어도 일면을 덮도록 형성된다.
이러한 다공성 셀룰로우스 아세테이트 나노섬유층은 노출된 표면 및 내부에 복수의 기공이 형성되어 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터는 분말상의 셀룰로오스 아세테이트를 양용매와 비용매를 동시에 첨가하는 혼합 용매를 적용하여 혼합하여 전기방사 전구체 용액을 제조하고 전기 방사하여 형성된다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터는 전기방사 전구체 용액 내의 양용매와 비용매 간의 끓는점 차이로 비용매 상 분리(NIPS)가 유도되어 다공성 셀룰로우스 아세테이트 나노섬유층의 노출된 표면 및 내부에 복수의 기공이 형성되어 비표면적을 향상시킬 수 있게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터는 1,500 ~ 2,500㎡/g의 고 비표면적을 갖는 것에 의해, PM 2.5의 포집율 85% 이상을 발휘할 수 있게 된다.
미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 제조 방법
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 2는 전기방사 장치를 이용하여 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터를 제조하는 과정을 설명하기 위한 모식도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 제조 방법은 셀룰로오스 아세테이트 준비 단계(S110), 전기방사 전구체 용액 형성 단계(S120) 및 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유층 형성 단계(S130)를 포함한다.
셀룰로오스 아세테이트 준비
셀룰로오스 아세테이트 준비 단계(S110)에서는 셀룰로오스 아세테이트(Cellulose Acetate : CA)를 준비한다.
이러한 셀룰로오스 아세테이트는 목재 펄프나 면사에서 추출되어 담배 필터, 기저귀 흡착포 등으로 사용되는 친환경 소재이다. 이러한 친환경 소재인 셀룰로오스 아세테이트를 이용하여 미세 먼지 포집용 나노섬유 필터를 제조하게 되면, 미세먼지 포집 후 나노섬유 필터가 생분해될 수 있기 때문에 친환경적으로 폐기물을 처리하는 것이 가능해질 수 있게 된다.
아울러, 셀룰로오스 아세테이트를 필터 원료로 사용하여 미세 먼지 포집용 나노섬유 필터를 제조하게 되면, 높은 여과효율, 낮은 공기저항, 가벼운 무게 등의 장점을 발휘할 수 있게 된다.
본 발명에서, 셀룰로오스 아세테이트는 구 형태의 분말이며, 100㎛ 이하의 평균입경을 갖는 것이 바람직하다. 이를 위해, 셀룰로오스 아세테이트는 5 ~ 15℃/min의 속도로 승온시킨 후, 320 ~ 360℃에서 30 ~ 90분 동안 하소 처리되어 불순물이 제거된 구 형태의 분말을 이용하는 것이 보다 바람직하다.
전기방사 전구체 용액 형성
전기방사 전구체 용액 형성 단계(S120)에서는 셀룰로오스 아세테이트를 양용매 및 비용매의 혼합 용액에 첨가하고 교반하여 전기방사 전구체 용액을 형성한다.
이와 같이, 본 발명에서는 셀룰로오스 아세테이트를 양용매 및 비용매를 동시에 함께 첨가한 혼합 용액을 사용하였다. 전기방사 전구체 용액의 형성시, 앙용매와 비용매를 동시에 사용하게 되면, 양용매와 비용매 간의 끓는점 차이로 인하여 비용매 상 분리(non-solvent induced phase separation : NIPS)가 유도되어, 셀룰로오스 아세테이트 분말의 표면에 복수의 기공을 형성할 수 있게 되는 것이다. 이 결과, 전기방사 전구체 용액을 전기 방사하는 것에 의해 형성되는 나노섬유 필터의 비표면적을 상승시킬 수 있어 PM 2.5의 미세먼지 포집을 극대화할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명에서는 셀룰로오스 아세테이트의 용해도와 끓는점이 서로 상이한 양용매 및 비용매의 혼합 용매 시스템을 사용하여 NIPS 메커니즘을 기반으로 전기방사를 수행하는 것에 의해, 나노섬유 필터의 노출된 표면 및 내부에 복수의 기공이 형성되어 고비표면적 확보로 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터를 제조할 수 있게 되는 것이다.
이를 위해, 양용매는 디메틸아세트아미드(DMAc)을 포함하고, 비용매는 염화메틸렌(DCM), 테트로히드로푸란(THF) 및 아세톤(Aceton) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게, 비용매는 염화메틸렌(DCM)인 것이 보다 좋다는 것을 실험을 통하여 입증하였다.
이러한 양용매와 비용매는 10 : 1의 중량비 내지 5 : 5의 중량비로 혼합하는 것이 바람직한데, 이는 양용매와 비용매가 상기의 혼합비로 첨가되어야 셀룰로오스 아세테이트(CA)가 서로 뭉치는 것 없이 나노섬유의 표면에 미세 기공이 잘 형성될 수 있기 때문이다.
본 발명에서, 전기방사 전구체 용액은 셀룰로오스 아세테이트 분말 5 ~ 15 중량% 및 혼합 용매 85 ~ 95 중량%로 조성되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게, 전기방사 전구체 용액은 셀룰로오스 아세테이트 분말 8 ~ 10 중량% 및 혼합 용매 90 ~ 92 중량%로 조성되는 것이 좋다.
셀룰로오스 아세테이트 분말의 첨가량이 5 중량% 미만일 경우에는 미세기공이 잘 발달되지 않아 비표면적 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 셀룰로오스 아세테이트 분말의 첨가량이 15 중량%를 초과할 경우에는 과다 첨가로 인하여 오히려 미세기공이 잘 발달되지 못해 비표면적이 감소할 우려가 있으므로, 바람직하지 못하다.
다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유층 형성
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유층 형성 단계(S130)에서는 전기방사 전구체 용액(10)을 기재(50) 상에 전기방사한 후, 건조하여 기재(50)의 표면을 덮는 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유층을 형성한다.
전기방사 장치(200)는 시린지(110) 및 집전판(130)과 더불어, 시린지(110)와 전기적으로 연결되어, 시린지(110)의 구동을 제어하기 위한 제어부(120)를 더 포함할 수 있다. 이때, 시린지(110)의 단부에 결합된 방사 니들(115)은 제어부(120)로부터 방사 전압을 인가받는다.
여기서, 기재(50)는 집전판(130) 상에 장착되며, 플레이트 형태 또는 메쉬 형태를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 기재(50)의 재질로는 유리 기판, 금속 기판, 고분자 기판 등이 이용될 수 있으나, 기재(50)의 재질 역시 나노섬유 필터 분야에서 사용되는 것이라면 특별히 제한 없이 사용될 수 있다.
시린지(110)의 단부에 결합된 방사 니들(115)은 18 ~ 22G의 내경을 갖는 것이 바람직하다. 이와 같이, 방사 니들(115)로 18 ~ 22G의 내경을 갖는 것을 이용해야 나노섬유의 직경 또한 얇고 고르게 분포할 수 있게 된다.
본 단계에서, 전기 방사는 시린지(110)의 내부에 채워진 전기방사 전구체 용액(10)을 시린지(110)의 방사 니들(115)을 통하여 기재(50)가 장착된 집전판(130) 상에 0.1 ~ 2.0mL/min의 속도로 토출시키는 방식으로 실시하게 된다.
이러한 전기방사는 방사 전압 : 10 ~ 15kV 및 방사 거리 : 8 ~ 12cm 조건으로 실시하는 것이 바람직하다. 여기서, 방사 전압은 방사 니들(115)에 인가되는 전압을 의미하고, 방사 거리는 집전판(130)과 방사 니들(115) 간의 거리를 의미한다.
이와 같이, 토출 속도, 방사 전압 및 방사 니들의 내경을 최적화하는 것을 통해 나노섬유 필터층의 섬유 직경 및 형상을 제어할 수 있게 된다.
방사 전압이 10kV 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 8cm 미만일 경우에는 나노섬유(F)의 응집으로 인해 나노섬유(F)가 균일하게 방사되지 못할 우려가 있다. 반대로, 방사 거리가 12cm를 초과할 경우에는 균일한 막을 확보하는데 어려움이 따를 수 있다.
아울러, 전기방사시, 기재(50)를 지지하는 집전판(130)은 50 ~ 150rpm의 속도로 회전시키는 것이 바람직하다. 집전판(130)의 회전 속도가 50rpm 미만일 경우에는 방사 니들(110)로부터 토출되는 나노섬유(F)가 기재(50) 상에 균일하게 적층되지 못할 우려가 있다. 반대로, 집전판(130)의 회전 속도가 150rpm을 초과할 경우에는 방사 니들(110)로부터 토출되는 나노섬유(F)가 기재(50)의 바깥 측을 넘어갈 우려가 있으므로, 바람직하지 못하다.
건조는 60 ~ 80℃에서 15 ~ 30시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 건조 온도가 60℃ 미만이거나, 15시간 미만일 경우에는 충분한 건조가 이루어지지 못할 우려가 크다. 반대로, 건조 온도가 80℃를 초과하거나, 건조 시간이 30시간을 초과할 경우에는 더 이상이 효과 상승 없이 제조비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.
상기의 과정(S110 ~ S130)에 의해 제조되는 본 발명의 실시예에 따른 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터는 분말상의 셀룰로오스 아세테이트를 양용매와 비용매를 동시에 첨가하는 혼합 용매를 적용하여 혼합하여 전기방사 전구체 용액을 제조하고 전기 방사하는 것에 의해, 양용매와 비용매 간의 끓는점 차이로 비용매 상 분리(NIPS)가 유도되어 다공성 셀룰로우스 아세테이트 나노섬유층의 노출된 표면 및 내부에 복수의 기공이 형성되어 1,500 ~ 2,500㎡/g의 고 비표면적을 확보할 수 있게 된다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조되는 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터는 PM 2.5의 포집율 85% 이상을 갖는다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 및 그 제조 방법은 필터 원료로 친환경 소재인 셀룰로오스 아세테이트(CA)를 이용하는 것에 의해 미세먼지 포집 후 나노섬유 필터가 생분해될 수 있기 때문에 친환경적으로 폐기물을 처리하는 것이 가능해질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 및 그 제조 방법은 친환경 소재인 셀룰로오스 아세테이트(CA)를 이용하여 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터를 제조하는 것에 의해, 높은 여과 효율, 낮은 공기저항, 경량화 등의 장점을 발휘할 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 및 그 제조 방법은 분말상의 셀룰로오스 아세테이트를 양용매와 비용매를 동시에 첨가하는 혼합 용매를 적용하여 혼합하여 전기방사 전구체 용액을 제조하고 전기 방사하는 것에 의해, 양용매와 비용매의 끓는점 차이로 인하여 비용매 상 분리(NIPS)가 유도되어 나노섬유 필터의 표면에 미세기공이 다량 형성되어 비표면적을 향상시킬 수 있게 된다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 및 그 제조 방법은 1,500 ~ 2,500㎡/g의 고 비표면적을 갖는 것에 의해, PM 2.5의 포집율 85% 이상을 발휘할 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. 실험 방법
10℃/min의 승온 속도로 350℃에서 1시간 동안 하소하여 불순물을 제거한 후, 체거름 방법으로 분급하여 80㎛의 평균입경을 갖는 CA(Cellulose Acetate) 분말을 준비하였다.
다음으로, 양용매인 DMAc와 비용매인 DCM, THF, 아세톤(Aceton)을 각각 9 : 1, 8 : 2, 7 : 3, 6:4의 중량비로 각각 혼합하여 혼합 용액을 제조한 후, 혼합 용액 92wt, 90wt% 및 88wt%에 대하여 8wt%, 10wt% 및 12wt%의 CA를 각각 첨가하고 500rpm의 속도로 24시간 동안 교반하여 전기방사 전구체 용액을 제조하였다.
다음으로, 전기방사 전구체 용액을 시린지(syringe)에 넣고 실린지 펌프(syringe pump)를 이용하여 1.0ml/h의 속도로 토출시켜 기재 상에 전기방사한 후, 80℃에서 24시간 동안 건조하여 다공성 셀룰로우스 아세테이트 나노섬유층을 형성하여 미세먼지 포집용 다공성 CA 나노섬유 필터를 제조하였다. 이때, 전기방사시, 시린지의 단부에 결합된 방사 니들은 20G의 내경을 갖고, 전기방사 전압은 12kV이고, 방사 니들과 집결판의 거리인 방사 거리는 10cm이고, 집전판의 회전 속도는 100rpm 조건으로 실시하였다.
2. 실험 결과
표 1은 NIPS 메커니즘을 설명하기 위해 양용매 및 비용매의 특성을 비교하여 나타낸 것이다.
[표 1]
표 1에 도시된 바와 같이, NIPS 메커니즘을 설명하기 위해 양용매 및 비용매의 특성을 비교한 것이 나타나 있다. 여기서, NIPS는 끓는점의 차이가 클수록 유리하며, (Hansen Solubility Parameters)를 기반으로 Ra 값을 계산하였을 때 가장 낮은 Ra 값을 가진 용매일수록 CA에 대한 용매 재료로 사용 가능하며, Ra 값이 높을수록 CA에 대한 비용매로 사용이 가능하다.
여기서, Ra는 아래의 식 1에 의해 계산될 수 있다.
이때, δd는 분산력(Dispersion Forces)이고, δp는 쌍극장 결합력(Dipol-dipol Forces)이고, δh는 수소 결합력(Hydrogen Bonding Forces)이며, Ra는 Hansen의 용해도 파라미터 거리(Ra)를 의미한다.
도 3 내지 도 5는 CA 분말이 10wt%로 첨가될 때 양용매 및 비용매의 함량에 따른 CA 나노섬유 필터의 SEM 사진 및 직경 분포 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3에 도시된 바와 같이, DCM : DMAc = 1 : 9와 2 : 8에서 CA 나노 섬유 필터의 표면에 약 3㎛ 크기의 미세 기공이 발견되었으며, DCM : DMAc = 3 : 7, 4 : 6 부터는 섬유 표면의 미세 기공의 분포가 감소하며, 직경도 감소되었다.
도 4에 도시된 바와 같이, THF : DMAc = 1 : 9에서도 미세 기공은 관찰되었지만, 미세 기공의 분포가 매우 적었으며, 비용매인 THF의 함량이 증가될수록 나노 섬유의 직경이 감소하여 미세기공이 발달되지 못하였다. 또한, 비용매의 비율이 가장 높은 THF : DMAc = 4 : 6에서는 CA가 완전히 용해되지 못하여 서로 뭉치는 현상이 관찰되었다.
도 5에 도시된 바와 같이, 아세톤(Acetone) : DMAc 혼합 용액에서는 전체적으로 섬유의 직경이 감소하였으며, 미세 기공도 관찰되지 못하였다. 또한, 아세톤(Aectone)의 함량이 증가될수록 용해되지 못한 CA가 서로 뭉치는 것이 뚜렷하게 관찰되었다.
도 6 및 도 7은 CA 분말이 10wt%로 첨가될 때 양용매 및 비용매의 함량에 따른 CA 나노섬유 필터의 비표면적 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 비용매 : 양용매의 중량비가 1 : 9 일 때 각각의 비표면적 측정 결과로 다공성이 가장 많이 발달된 DCM : DMAc에서 비표면적이 1,839 m2/g으로 가장 높게 측정된 것을 확인할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, DCM : DMAc의 중량비가 1 : 9, 2 : 8, 3 : 7, 4 : 6일 의 비표면적 결과를 나타낸 것으로, 다공성이 가장 많이 발달된 DCM : DMAc = 1 : 9에서 가장 높은 비표면적 값을 나타내는 것으로 측정되었다.
결과적으로, 양용매 및 비용매는 DMAc-DCM이 다공성 나노섬유를 제조함에 있어서 최적의 재료이며, DMAc-DCM = 9 : 1의 중량비로 혼합된 전기방사 전구체 용액이 최적인 것을 입증하였다.
도 8 내지 도 10은 DMAc : DCM = 9 : 1의 중량비에서 CA의 함량을 변화시켜 측정한 SEM 사진이다.
도 8에 도시된 바와 같이, CA 8wt%일 때 CA 나노섬유 필터의 표면에 미세 기공이 관찰되는 것을 확인하였으며, 섬유 내부에도 미세 기공이 존재하였다.
도 9에 도시된 바와 같이, CA 10wt%일 때 CA 나노섬유 필터의 표면에 8wt% 일 때 보다 더 많은 미세기공이 관찰되는 것을 확인하였으며, 섬유 내부에도 8wt%일 때 보다 미세기공이 더 잘 발달되어 있는 것을 확인하였다.
도 10에 도시된 바와 같이, CA 12wt%에서는 CA 나노섬유 필터의 표면에 미세기공이 발달되지 않았으며, 섬유 내부에도 미세기공이 관찰되지 않았다.
결론적으로, CA 10wt%에서 섬유 내부와 외부 모두에서 미세기공이 가장 잘 발달되는 것을 확인하였다.
도 11 및 도 12는 DMAc : DCM = 9 : 1의 중량비에서 CA의 함량에 따른 비표면적 및 미세기공 분포를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11에 도시된 바와 같이, CA 함량에 따른 비표면적 측정 결과에서 알 수 있듯이, CA 10wt% 일 때 비표면적이 가장 크고 CA 12wt% 일 때 비표면적이 가장 낮은 것을 확인할 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, CA 함량에 따른 미세구조 분포 결과에서 알 수 있듯이, CA의 함량이 10wt%일 때 0.5 ~ 1.0nm의 미세 기공이 가장 잘 발달되었으며, 12wt%일 때 미세기공이 가장 적게 발달되었다.
이는 미세기공의 크기가 비표면적의 결과와 상관관계가 있으며, 10wt%일 때 미세기공이 가장 잘 발달되어 비표면적이 가장 높은 것으로 판단된다.
도 13은 DMAc : DCM = 9 : 1의 중량비에서 CA의 함량에 따른 미세 먼지 포집 효율을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13에 도시된 바와 같이, PM 0.5, 1.0, 2.5의 포집 효율을 CA의 함량에 따라 비교한 결과, 모든 입자 크기에서 CA 10wt%일 때 가장 우수한 미세 먼지 포집 효율이 측정된 것을 확인할 수 있다. 이는 CA 10wt%가 비표면적이 가장 높고 미세기공이 가장 잘 발달되었기 때문인 것으로 판단된다.
도 14는 다공성 CA 나노섬유가 생성되는 조성 범위를 설명하기 위한 모식도이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 다공성 CA 나노섬유가 생성되는 조성 범위를 3원상 다이어그램에 매핑한 이미지가 나타나 있다.
CA, DCM(비용매), DMAc(양용매)의 3원계에서는 DCM : DMAc = 1 : 9 ~ 2 : 8의 2원 용매 혼합 조성 범위에서 CA의 함량이 8 ~ 10wt% 일 때 다공성 CA 나노섬유가 잘 제조됨을 확인하였다.
정리하면, 본 발명에서는 CA의 용해도와 끓는점이 다른 양용매(DMAc)와 비용매(DCM, THF 및 아세톤)의 혼합 용매를 설계하는 NIPS 메커니즘을 기반으로 제작하였다.
DCM : DMAc의 혼합 용매에서는 다공성 CA 나노섬유가 1 : 9 및 2 : 8의 중량비에서 관찰되었다. 반면, THF : DMAc와 아세톤(Acetone) : DMAc의 혼합 용매에서는 CA 나노섬유 필터의 표면에 미세 기공이 명확하게 관찰되지 않았다.
반면, DCM : DMAc = 1 : 9의 중량비에서 CA 함량이 10wt%일 때 1,839㎡/g의 가장 높은 비표면적이 측정되었기 때문에 DCM : DMAc = 1 : 9의 중량비가 최적화된 비율이라는 것을 알아내었다.
뿐만 아니라, CA의 함량이 10wt%일 때 CA 나노섬유의 다공성 구조는 표면에서 내부 코어까지 잘 발달되었으며, 98.2%의 고효율 PM 2.5의 포집율이 관찰되었다.
또한, 3원상 다이어그램은 CA, DCM(비용매) 및 DMAc(양용매)의 3원계 시스템에서 다공성이 가장 잘 발달된 CA 나노섬유를 생산할 수 있는 비율을 제시하였으며, 이는 DCM 및 DMAc가 1 : 9의 중량비에서 CA의 함량이 10wt%로 포함될 때라는 것을 확인하였다.
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.
S110 : 셀룰로오스 아세테이트 준비 단계
S120 : 전기방사 전구체 용액 형성 단계
S130 : 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유층 형성 단계
S120 : 전기방사 전구체 용액 형성 단계
S130 : 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유층 형성 단계
Claims (16)
- (a) 셀룰로오스 아세테이트를 준비하는 단계;
(b) 상기 셀룰로오스 아세테이트를 양용매 및 비용매의 혼합 용액에 첨가하고 교반하여 전기방사 전구체 용액을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 전기방사 전구체 용액을 기재 상에 전기방사한 후, 건조하여 상기 기재의 표면을 덮는 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유층을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 (a) 단계에서, 상기 셀룰로오스 아세테이트는 구 형태의 분말이며, 100㎛ 이하의 평균입경을 갖고,
상기 셀룰로오스 아세테이트는 5 ~ 15℃/min의 속도로 승온시킨 후, 320 ~ 360℃에서 30 ~ 90분 동안 하소 처리되어 불순물이 제거된 것이 이용되는 것을 특징으로 하는 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 제조 방법.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서,
상기 양용매는 디메틸아세트아미드(DMAc)이고,
상기 비용매는 염화메틸렌(DCM), 테트로히드로푸란(THF) 및 아세톤(Aceton) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 제조 방법.
- 제4항에 있어서,
상기 비용매는
상기 염화메틸렌(DCM)인 것을 특징으로 하는 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 제조 방법.
- 제5항에 있어서,
상기 양용매와 비용매는
10 : 1의 중량비 내지 5 : 5의 중량비로 혼합하는 것을 특징으로 하는 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서,
상기 전기방사 전구체 용액은
상기 셀룰로오스 아세테이트 분말 5 ~ 15 중량% 및 혼합 용매 85 ~ 95 중량%로 조성되는 것을 특징으로 하는 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 제조 방법.
- 제7항에 있어서,
상기 전기방사 전구체 용액은
상기 셀룰로오스 아세테이트 분말 8 ~ 10 중량% 및 혼합 용매 90 ~ 92 중량%로 조성되는 것을 특징으로 하는 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 전기방사 전구체 용액이 채워진 시린지의 단부에 결합된 방사 니들은
18 ~ 22G의 내경을 갖는 것을 특징으로 하는 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 전기방사는
방사 전압 : 10 ~ 15kV 및 방사 거리 : 8 ~ 12cm 조건으로 실시하는 것을 특징으로 하는 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 전기방사시,
상기 기재를 지지하는 집전판은 50 ~ 150rpm의 속도로 회전시키는 것을 특징으로 하는 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (c) 단계 이후,
상기 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터는
1,500 ~ 2,500㎡/g의 비표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (c) 단계 이후,
상기 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터는
PM 2.5의 포집율 85% 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터 제조 방법.
- 기재; 및
상기 기재의 적어도 일면에 전기방사되어, 상기 기재의 적어도 일면을 덮도록 형성된 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유층;을 포함하며,
상기 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유층은 분말상의 셀룰로오스 아세테이트를 양용매와 비용매를 동시에 첨가하는 혼합 용매를 혼합시킨 전기방사 전구체 용액을 전기 방사하여 형성되고,
상기 셀룰로오스 아세테이트는 구 형태의 분말이며, 100㎛ 이하의 평균입경을 갖고,
상기 셀룰로오스 아세테이트는 5 ~ 15℃/min의 속도로 승온시킨 후, 320 ~ 360℃에서 30 ~ 90분 동안 하소 처리되어 불순물이 제거된 것이 이용되고,
상기 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유층은 노출된 표면 및 내부에 복수의 기공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터.
- 제14항에 있어서,
상기 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터는
1,500 ~ 2,500㎡/g의 비표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터.
- 제14항에 있어서,
상기 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터는
PM 2.5의 포집율 85% 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 미세먼지 포집용 다공성 셀룰로오스 아세테이트 나노섬유 필터.
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| KR101089754B1 (ko) * | 2009-06-12 | 2011-12-07 | 한국생산기술연구원 | 용융전기방사법을 이용한 나노복합필터 및 그 제조방법 |
| KR101797429B1 (ko) * | 2017-03-17 | 2017-12-12 | 롯데케미칼 주식회사 | 다공성 중공사막 및 그 제조방법 |
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2021
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