KR20050091841A - 기능성 입자 함유 여재의 제조방법과 이에 의하여제조되는 여재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기능성 입자 함유 여재의 제조방법과 이에 의하여 제조되는 여재에 관한 것으로서 보다 상세하게는 수 나노미터에서 수 마이크로미터 크기의 기능성 입자를 균일하게 여재내의 각 단섬유에 고착시킴으로써 기능성 입자의 효과적인 분산과 기능성 입자가 섬유로부터 떨어지는 것을 방지하여 기능성 입자가 가지는 살균, 항균 기능을 증대하고, 상기 기능이 지속적으로 유지될 수 있도록 하는 기능성 입자 함유 여재의 제조방법과 이에 의하여 제조되는 여재로서 고분자 용융물에 은, 이산화티탄, 맥반석 입자 또는 이들의 혼합물 입자를 분산시킨 분산 용융물을 제조하는 제1단계; 및 a) 상기 분산 용융물을 정전방사하여 용융결합이 형성된 단섬유 웹을 형성하거나, b) 상기 분산 용융물을 정전방사하여 단섬유 웹을 형성한 후 이를 가열하거나, 가열/가압하여 단섬유간의 접합점에 용융결합을 형성하는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 입자 함유 여재의 제조방법과 상기 제조방법에 의하여 제조되는 여재에 관한 것이다.

Description

기능성 입자 함유 여재의 제조방법과 이에 의하여 제조되는 여재 { METHOD OF PREPARING FILTERING MATERIAL INCLUDING FUNCTIONAL PARTICLES AND FILTERING MATERIAL USING THE SAME }

본 발명은 기능성 입자 함유 여재의 제조방법과 이에 의하여 제조되는 여재에 관한 것으로서 보다 상세하게는 수 나노미터에서 수 마이크로미터 크기의 기능성 입자를 균일하게 여재내의 각 단섬유에 고착시킴으로써 기능성 입자의 효과적인 분산과 기능성 입자가 섬유로부터 떨어지는 것을 방지하여 기능성 입자가 가지는 살균, 항균 기능을 증대하고, 상기 기능이 지속적으로 유지될 수 있도록 하는 기능성 입자 함유 여재의 제조방법과 이에 의하여 제조되는 여재에 관한 것이다.

환경오염이 날로 심각해짐에 따라 환경오염을 일으키는 이러한 유해물질의 차단을 위하여 다양한 형태의 필터링 기법이 개발되고 있고, 이러한 필터링 기법 중의 하나가 기능성 물질을 함유한 필터 여재의 개발이다.

상기 기능성 물질을 함유한 여재의 개발을 위하여 일반적으로 제시되어지고 있는 방법으로는 기능성 물질을 스프레이 코팅하거나, 별도의 기능성 물질의 층을 추가하는 등의 방법을 적용하고 있다. 그러나 상기 기능성 물질의 코팅의 경우에는 기능성 물질이 여재의 표면에 얹혀져 있거나 접착제 등으로 부착되는 형태로 구성이 되므로 기능성 물질의 여재에 대한 부착이 견고하지 못하고, 접착물질을 사용하는 경우에는 접착제가 발생시키는 2차 오염을 피할 수 없는 문제점이 있다. 또한 여재를 오랫동안 사용하는 경우에 기능성 물질이 떨어져 나와 기능성 효과가 줄어들게 됨은 물론이고, 기능성 물질의 입자가 2차 오염원으로 작용할 수 있는 문제점이 있다.

또한, 기능성 물질로 구성된 별도의 층을 제조하여 추가하는 방법의 경우에는 기능성 물질이 고가의 물질이고, 대개 표면반응을 통하여 살균, 정화 등의 기능을 수행하는 데 비하여 상기와 같이 별도의 층을 제조하는 경우에는 기능성 물질의 비표면적이 상대적으로 적어 동일한 기능을 발휘하기 위해서는 많은 양의 기능성 물질을 요구하므로 기능성 물질층의 제조단가가 높아지고, 기능성물질을 다량 포함하고 있음에도 불구하고 실제에 있어서 정화기능을 충분히 발휘하지 못하여 기능성 물질의 활용도가 떨어지는 문제점이 있다.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 기능성 입자가 여재의 섬유상에 강하게 결합되고, 상기 결합을 위하여 접착제를 사용하지 않는 기능성 입자를 함유한 여재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 고가의 기능성 물질을 효과적으로 분산하고, 비표면적을 향상시켜 저가이면서도 고효율의 기능성 발휘가 가능한 기능성 입자를 함유한 여재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은

고분자 용융물에 은, 이산화티탄, 맥반석 입자 또는 이들의 혼합물 입자를 분산시킨 분산 용융물을 제조하는 제1단계; 및

a) 상기 분산 용융물을 정전방사하여 용융결합이 형성된 단섬유 웹을 형성하거나, b) 상기 분산 용융물을 정전방사하여 단섬유 웹을 형성한 후 이를 가열하거나, 가열/가압하여 단섬유간의 접합점에 용융결합을 형성하는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 입자 함유 여재의 제조방법을 제공한다.

또한 본 발명은

상기 제조방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 기능성 입자 함유 여재를 제공한다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 기능성 입자 함유 여재의 제조방법은 고분자 용융물에 은, 이산화티탄, 맥반석 입자 또는 이들의 혼합물 입자를 분산시킨 분산 용융물을 제조하는 제1단계 및 a) 상기 분산 용융물을 정전방사하여 용융결합이 형성된 단섬유 웹을 형성하거나, b) 상기 분산 용융물을 정전방사하여 단섬유 웹을 형성한 후 이를 가열하거나, 가열/가압하여 단섬유간의 접합점에 용융결합을 형성하는 제2단계를 포함하여 구성된다.

상기 고분자의 경우는 용융하여 정전방사가 가능한 일반적인 기체 또는 액체의 필터 여재에 사용되어지는 모든 고분자를 포함한다. 바람직하게는 정전방사의 용이성 및 여재의 여과성능을 고려하여 나일론(특히, 나일론W6), 폴리에스터, 아크릴 또는 폴리프로필렌 등이 사용될 수 있고, 섬유상을 얻기 위하여 소정 이상의 분자량을 가지는 것이 바람직하며 더욱 바람직하게는 그 분자량이 1,000이상인 것이 좋다.

상기 고분자 용융물은 상기 고분자의 용융이 가능한 온도로 가열하여 용융시킨 것으로 나일론, 폴리에스터, 아크릴, 폴리프로필렌의 경우는 50 - 60 ℃로 가열하여 고분자 용융물을 제조할 수 있다.

이와 같이 제조된 고분자 용융물은 정전방사에 적합하도록 3,000 cps - 4,000 cps의 점도가 바람직하다. 고분자 용융물의 점도가 상기 범위내인 경우에 정전방사 및 단섬유 웹의 몰포로지(morphology)를 조절하기가 용이하다.

상기 고분자 용융물에 분산되어지는 기능성 입자는 각각의 여재가 가지는 기능성에 따라 다양한 기능성 입자의 사용이 가능하며 특히, 항균 및 살균 효과를 위해서는 은 입자가 사용될 수 있고, 휘발성 유기 화합물 및 포름알데히드의 제거를 위한 경우에는 광촉매 입자인 이산화티탄(TiO₂)이 사용될 수 있고, 원적외선 방출 효과를 얻기 위해서는 맥반석입자가 사용될 수 있으며, 필요에 따라서는 상기 기능을 복수로 수행하기 위하여 이들의 혼합하여 사용할 수도 있다. 상기 기능성 입자의 함량은 기능성 발휘 및 제조비용을 고려하여 적절한 양을 포함하도록 하며 바람직하게는 고분자용융물에 대한 중량비로 0.01 - 5 %인 것이 좋다.

상기 기능성 입자의 크기는 정전방사에 사용되는 노즐의 직경 및 정전방사에 의하여 제조되는 단섬유의 굵기에 따라서 다양한 크기를 가질 수 있으나 일반적인 정전방사 조건을 기준으로 바람직하게는 구형입자의 경우는 직경이 1 nm - 30 ㎛이고, 그 외의 경우는 장축이 1 nm - 30 ㎛인 것이 좋다.

또한 은 입자의 경우에는 은 나노입자의 제조가 용이하게 이루어지고 있으며, 이를 활용하는 것이 가능하므로 은 나노입자를 분산시키는 것이 동일 중량의 은에 대하여 비표면적을 증가시켜 기능성 발휘를 최대화할 수 있으므로 은 나노입자를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 은 나노입자는 구입의 용이성 및 살균효과를 고려할 때, 순도가 90 %이상이고, 크기는 구형입자의 경우는 직경이 1 nm - 300 nm이고, 그 외의 경우는 장축이 1 nm - 300 nm인 것이 좋다.

상기 기능성 입자의 고분자 용융물에의 혼합이후에, 고분자 용융물내에서 기능성 입자의 분산은 용융물내의 미세 입자의 분산이므로 일반적으로 용이하게 분산이 가능하고, 더욱 균일한 분산을 원하는 경우에는 장시간의 교반, 초음파 분산법, 분산제 혼합 등의 방법을 통하여 가능하다.

상기 분산 용융물은 정전방사(electrostatic spinning)를 통하여 단섬유 웹을 형성할 수 있다. 상기 정전방사 공정은 강한 전기장을 모세관내의 고분자 용융물에 걸어 준 다음, 액체의 표면장력과 전기력이 서로 균형을 이룬 상태에 도달하게 한 후, 모세관 끝에 형성된 액체 방울이 뾰족한 원뿔 형상의 모습으로 변형되면서 액체가 방사되도록 하는 공지의 방법이다. 이렇게 방사된 섬유는 전기장에 의하여 가속되고 가늘어지면서 불안정해져 불연속의 형태로 모집전극인 접지된 금속의 표면에 모아진다. 특히, 상기 용융물에 용융된 고분자 물질이 낮은 분자량을 가진 것인 경우는 일반적으로 작은 입자 형상을 띄게 되기 때문에 정전분사(Electrostatic spraying)라 부르기도 하지만, 본 발명과 같이 분자량이 높은 물질을 정전방사하면 일반적으로 수십 내지 수백 nm 정도의 매우 작은 직경을 가진 섬유가 방향성이나 규칙성이 없는 섬유의 형태로 얻어지게 된다. 따라서 이렇게 분자량이 높은 고분자 물질에서 섬유를 얻는 공정을 상기 정전분사 공정과 구별하여 정전방사(Electrostatic spinning) 공정이라 부른다.

상기 고분자 용융물의 정전방사 공정을 통하여 생성되는 단섬유는 기능성 입자를 포함한 용융물이 그대로 방사되는 것이므로 섬유상에 기능성 입자가 포함된 형태로 단섬유가 응고하여 상기 방사된 단섬유내에 일부 또는 전부 포함되어 견고하게 고착되는 형태나, 상기 단섬유간의 불규칙하게 배치된 웹 공간에 포함되어 고착되는 형태로 상기 단섬유 웹에 고착되어 포함되어진다. 또한, 상기 정전방사를 통하여 방사되는 섬유가 미세하고 불규칙성을 가지기 때문에 상기 기능성 입자가 동일중량당 비표면적이 큰 미세한 입자인 경우에, 상기 입자가 미세한 섬유와 함께 방사됨으로써 이 단섬유는 수 마이크로 초 내지 수 밀리 초 이내에 응고하여 고착화되기 때문에 완벽한 분산상태 및 미세한 단섬유 또는 단섬유 웹내에서의 견고한 고착을 얻을 수 있다. 상기 정전방사의 온도조건은 사용되는 고분자의 종류에 따라 정전방사에 적절한 3,000 - 4,000 cps의 점도를 갖는 온도에서 진행되는 것이 바람직하고, 바람직하게는 50 내지 200 ℃내외의 온도에서 정전방사가 이루어질 수 있다. 또한 상기 고착을 활성화하기 위하여 용융물과 기능성 입자간의 표면장력이 결합에 용이하게 작용할 수 있도록 용융물에 첨가제를 더 포함할 수도 있다.

상기 방사된 다수의 고분자 단섬유 웹은 a) 분산 용융물의 방사이므로 적정 조건하에서는 단섬유의 완전 응고전에 단섬유간 접촉이 발생하여, 방사와 함께 바로 단섬유간에 용융결합이 형성될 수 있으며, 이 경우에는 상기 분산 용융물을 정전방사하여 용융결합이 형성된 단섬유 웹을 바로 형성할 수 있고, b) 분산 용융물의 방사이지만 방사되어 모집전극에 닫기 전에 단섬유가 응고되거나 일부분이 응고되어 모집전극에서의 단섬유간의 용융결합이 충분하지 않은 경우에는 상기 분산 용융물을 정전방사하여 단섬유 웹을 형성한 후 이를 가열하거나, 가열/가압하여 단섬유간의 접합점에 용융결합을 형성하는 단계를 추가로 더 진행하여 여재로서 안정한 결합을 유지하도록 할 수 있다.

이때 상기 방사된 다수의 고분자 단섬유간 접합점의 용융결합을 위하여 단순히 단섬유 웹을 가열만 하는 것도 가능한데 이때 상기 가열은 단섬유 웹 전체에 대하여 할 수도 있고 국부적으로 진행할 수도 있다. 또한 단순가열 이외에 가열과 함께 압력도 가할 수 있다.

즉, 다수의 단섬유가 가지는 불규칙성으로 인하여 상기 단섬유 웹은 단섬유간에 다양한 각도와 접촉부위 및 접촉면적을 가진 형태로 접촉이 발생하고 이를 가열만 하거나, 가열 및 압력을 가하여 웹의 온도를 올려주면 단섬유의 접촉부위가 용융상태로 되면서 접촉하고 있는 부위에 용융물이 축적되어 상기 단섬유는 접촉부위에서 서로 용융결합 되게 된다.

상기 용융결합 과정을 통하여 상기 기능성 입자는 단섬유 웹의 용융결합에 따라 용융계면에 일부 표면이 포함되거나 용융결합된 단섬유 웹의 네트워크상에 포함되어지므로 상기 정전방사직후에 비하여 상기 단섬유 웹내에 더욱 견고하게 고착하게 된다.

또한, 상기에서 언급한 바와 같이 용융결합을 이루기 위해서는 국부 또는 전체에 대한 단순 가열에 의한 결합뿐만 아니라 가열/가압 방법을 사용할 수 있는데, 이를 통하여 가열과 가압을 동시에 가하는 경우에는 용융결합의 형성과 두께 조절을 동시에 실시하여 균일 두께의 다공성 여재를 제조할 수 있다.

상기 가열/가압 방법의 구체적인 예로 롤 압착 또는 프레스 압착중 어느 하나인 것을 특징으로 하여 상기 기능성 입자 함유 여재를 제조할 수 있다. 즉, 롤 압착의 경우는 용융된 단섬유 웹을 2개 이상의 롤을 이용하여 상기 단섬유 웹을 고분자 유리전이온도 온도 이상으로 가열하여 롤링하여 단섬유간에 용융결합과 일정 두께로의 성형을 동시에 실시하여 균일한 두께의 여재를 생산할 수 있고, 프레스 압착의 경우는 정전방사된 단섬유 웹을 고분자 유리온도 이상으로 조절된 프레스 금형에 넣고 압착한 후 이를 냉각하여 최종적으로 생산된 여재의 두께를 조절하는 방법으로, 상기 프레스 공정전에 가열로를 이용하여 프레스를 실시할 단섬유 웹을 일정온도로 예열한 후에 프레스 금형에 넣어 제조할 수도 있다. 상기 방법의 적용에 따라 균일한 두께의 여재를 제조할 수 있을 뿐만 아니라 하나의 공정으로 두께조절 및 용융결합을 동시에 실시하여 대량생산에 이를 적용하기에 적합하다.

상기의 가열을 통한 결합방법 또는 가열과 가압을 동시에 진행하는 결합방법과 같은 물리적인 방법 이외에 상기 정전방사된 단섬유 웹에 접착물질을 도포하여 단섬유웹간의 결합을 형성시킬 수 있다.

즉, 고분자 용융물에 은, 이산화티탄, 맥반석 입자 또는 이들의 혼합물 입자를 분산시킨 분산 용융물을 제조하는 제1단계, 상기 분산 용융물을 정전방사하여 단섬유 웹을 형성하는 제2단계 및 상기 형성된 단섬유 웹에 접착물질을 도포하고, 이를 건조하는 제3단계를 포함하도록 구성하여 기능성 입자 함유 여재를 제조할 수 있다. 상기 접착물질이 적용될 단섬유 웹은 상기 기술한 바와 같이 정전방사 공정중에 일부 용융결합이 이루어진 형태이거나, 용융결합이 전혀 이루어지지 않은 형태를 모두 포함한다. 상기 사용되는 접착물질은 공지의 고분자 섬유의 접착에 활용되는 다양한 형태의 접착제가 사용될 수 있고, 도포방법으로는 여재로서 기능을 발휘할 수 있도록 단섬유 웹내의 기공을 막지 않는 스프레이 방법 등의 다양한 도포방법이 적용될 수 있다.

또한 본 발명은 상기 제조방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 기능성 입자 함유 여재를 제공한다.

상기 제조된 여재는 공기청정기, 정수기 등을 포함한 기체 또는 액체 정화용 필터로 사용될 수 있고, 특히, 상기 여재를 이용하여 프레임내에 다양한 방법으로 적층함으로써 카트리지화한 경우는 상기 여재를 이용한 카트리지 필터 또는 헤파(HEPA) 필터를 제조할 수 있다.

상기 제조방법에 대한 실시예를 하기에 나타내었다.

나일론W6을 60 ℃로 가열하여 나일론W6의 용융물을 형성하고, 상기 형성되어진 용융물에 50 - 100 ㎚범위의 크기를 가지는 은 나노입자를 용융물의 중량대비 0.5 %의 양을 계량하여 혼합한다.

상기 혼합에 의하여 이루어진 분산 용융물은 1시간이상 교반하여 균일한 분산이 가능하도록 준비한다.

준비되어진 분산 용융물을 점도가 4000 cps로 조정되도록 가열한 후 정전방사하여 평균직경이 500 ㎚내외를 가지는 단섬유로 이루어진 웹을 얻는다.

상기 얻어진 단섬유 웹에는 용융물에 분산되어진 은 나노입자가 고착되어 있다. 이와 같이 은 나노입자가 분산되어 고착되어진 단섬유 웹의 단섬유간 결합을 형성하기 위하여 접착제를 상기 단섬유 웹에 스프레이 코팅한 후 예열된 압착롤에 의하여 압착하여 건조한다.

본 발명은 기능성 입자 함유 여재의 제조방법 및 이에 의하여 제조되는 여재에 관한 것으로서 수 나노미터에서 수 마이크로미터 크기의 기능성 입자를 고분자 용융물내에 균일하게 분산시키고 이를 정전방사함으로써 기능성 입자를 여재내의 각 단섬유에 고착시키도록 한다. 이를 통하여 기능성 입자의 효과적인 분산과 기능성 입자가 섬유로부터 떨어지는 것을 방지하는 효과를 가진다.

상기와 같이 기능성 물질의 효과적인 분산이 가능하게 됨에 따라 미세한 분말크기로 상기 기능성 물질을 적용하여 동일중량에 대하여 기능성 물질의 비표면적을 증대할 수 있으며, 이를 통하여 정화, 살균 등의 기능성의 효율을 높일 수 있으므로 은이나 이산화티탄과 같은 고가의 기능성을 상대적으로 적게 사용하여 저렴한 가격에 동일한 효과를 얻을 수 있다.

또한 기능성 입자의 고착을 위하여 접착제를 사용하지 않으므로 접착제 사용에 따른 오염물질 발생을 막을 수 있고, 견고한 고착을 통하여 상기 기능이 지속적으로 유지되도록 하여 장시간 사용이 가능하고, 기능성 입자가 떨어져서 일으키는 2차 오염을 줄일 수 있는 장점이 있다.

이외에 기능성 물질을 통하여 살균, 항균, 휘발성 유기 화합물의 제거 등의 친환경적 기능을 발휘할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되는 것은 아니고, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 기술분야의 당업자가 다양하게 수정 및 변경시킨 것 또한 본 발명의 범위 내에 포함됨은 물론이다.

Claims (9)

1. 고분자 용융물에 은, 이산화티탄, 맥반석 입자 또는 이들의 혼합물 입자를 분산시킨 분산 용융물을 제조하는 제1단계; 및

   a) 상기 분산 용융물을 정전방사하여 용융결합이 형성된 단섬유 웹을 형성하거나, b) 상기 분산 용융물을 정전방사하여 단섬유 웹을 형성한 후 이를 가열하거나, 가열/가압하여 단섬유간의 접합점에 용융결합을 형성하는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 입자 함유 여재의 제조방법.
2. 고분자 용융물에 은, 이산화티탄, 맥반석 입자 또는 이들의 혼합물 입자를 분산시킨 분산 용융물을 제조하는 제1단계;

   상기 분산 용융물을 정전방사하여 단섬유 웹을 형성하는 제2단계; 및

   상기 형성된 단섬유 웹에 접착물질을 도포하고, 이를 건조하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 입자 함유 여재의 제조방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 입자의 크기는 구형입자의 경우는 직경이 1 nm - 30 ㎛이고, 그 외의 경우는 장축이 1 nm - 30 ㎛인 것을 특징으로 하는 기능성 입자 함유 여재의 제조방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 은 입자는 순도가 90 %이상이고, 크기는 구형입자의 경우는 직경이 1 nm - 300 nm이고, 그 외의 경우는 장축이 1 nm - 300 nm인 은 나노입자인 것을 특징으로 하는 기능성 입자 함유 여재의 제조방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 기능성 입자의 함량이 중량비로 0.01 - 5 %인 것을 특징으로 하는 기능성 입자 함유 여재의 제조방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 고분자는 나일론, 폴리에스터, 폴리프로필렌 또는 아크릴이고 그 분자량이 적어도 1,000인 것을 특징으로 하는 기능성 입자 함유 여재의 제조방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 가열/가압 방법이 롤 압착 또는 프레스 압착 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 기능성 입자 함유 여재의 제조방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 제조방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 기능성 입자 함유 여재.
9. 제8항에 있어서,

   상기 여재는 헤파필터 또는 카트리지 필터에 적용되는 것을 특징으로 하는 기능성 입자 함유 여재.