KR20070102012A - Hydrophilic and porous poly(vinylidene fluoride) hollow fiber membranes with rod-like particulates and methods to make membranes - Google Patents
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Abstract
Description
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 2 중량%의 친수성 무기첨가물을 함유한 폴리불화비닐리덴계 다공성 중공사막의 표면을 1,000배 확대한 전자주사현미경 사진.1 is an electron scanning microscope photograph of a 1000-fold magnification of the surface of a polyvinylidene fluoride-based porous hollow fiber containing 2% by weight of a hydrophilic inorganic additive according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 8 중량%의 친수성 무기첨가물을 함유한 폴리불화비닐리덴계 다공성 중공사막의 표면을 1,000배 확대한 전자주사현미경 사진.Figure 2 is an electron scanning microscope photograph of a 1000-fold magnification of the surface of the polyvinylidene fluoride-based porous hollow fiber containing 8% by weight hydrophilic inorganic additives according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 8 중량%의 친수성 무기첨가물을 함유한 폴리불화비닐리덴계 다공성 중공사막 전체단면을 70배 확대한 전자주사현미경 사진.3 is an electron scanning microscope photograph of a 70-fold magnification of the entire cross-section of a polyvinylidene fluoride-based porous hollow fiber containing 8 wt% hydrophilic inorganic additive according to one embodiment of the present invention;
도 4a 및 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 8 중량%의 친수성 무기첨가물을 함유한 폴리불화비닐리덴계 다공성 중공사막의 전체구조의 막단면(a) 및 막표면(b)을 개략적으로 표현한 모식도.4a and 4b schematically illustrate the membrane cross-section (a) and the membrane surface (b) of the entire structure of the polyvinylidene fluoride-based porous hollow fiber membrane containing 8% by weight of a hydrophilic inorganic additive according to an embodiment of the present invention Schematic diagram.
도 5은 종래 비교예의 친수성 무기 첨가물이 없는 폴리불화비닐리덴계 다공성 중공사막의 표면을 2,000배 확대한 전자주사현미경 사진.5 is an electron scanning microscope photograph of a 2,000 times magnification of the surface of a polyvinylidene fluoride-based porous hollow fiber without a hydrophilic inorganic additive of a conventional comparative example.
도 6은 종래 비교예의 친수성 무기 첨가물이 없는 폴리불화비닐리덴계 다공성 중공사막의 전체단면을 90배 확대한 전자주사현미경 사진.FIG. 6 is an electron scanning microscope photograph of a 90-fold enlarged overall cross section of a polyvinylidene fluoride-based porous hollow fiber without a hydrophilic inorganic additive of a conventional comparative example. FIG.
본 발명은 친수화된 폴리불화비닐리덴계 다공성 중공사막 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 막 단면상에서 막대형 입자를 포함하여 적절한 기계적 강도를 가짐과 동시에 친수성으로 인한 우수한 수투과성을 동시에 가진 폴리불화비닐리덴계 다공성 중공사막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrophilized polyvinylidene fluoride-based porous hollow fiber membrane and a method for manufacturing the same, and more particularly, including rod-shaped particles on the cross-section of the membrane, having a suitable mechanical strength and at the same time excellent water permeability due to hydrophilicity It relates to a polyvinylidene fluoride-based porous hollow fiber membrane and a method for producing the same.
최근에 에너지 절약 및 환경보호를 주목적으로 하여 여러 응용분야에 걸쳐 다양한 분리막 및 이를 이용한 막분리 공정이 활발히 전개되고 있다. 특히 한외여과막 및 정밀여과막 등의 분리막은 폐수처리, 용수제조, 식품 및 의료공업 등을 포함한 광범위한 분야에 적용되고 있으며 최근 먹는물에 대한 관심이 증가함에 따라 그 응용성이 점차 증가하고 있는 추세이다.Recently, a variety of membranes and membrane separation processes using the same have been actively developed for various energy saving and environmental protection. In particular, membranes such as ultrafiltration membranes and microfiltration membranes are applied to a wide range of fields, including wastewater treatment, water production, food and medical industries, and the application of the membranes is increasing with increasing interest in drinking water.
이를 테면 정수처리분야에선 적은 막면적으로도 대용량의 물을 처리할 수 있는 고투과성, 고내압성 분리막이 요구되고 있다. 더불어 장기간 운전시 막 표면의 오염에 의한 투과성능의 저하 문제를 근본적으로 방지하기 위해 내오염성이 우수한 분리막 소재가 요구된다. 다른 한편으로 막표면에 부착된 오염물을 용이하게 제거하기 위한 여러가지 수처리제의 도입에 따른 막손상의 문제를 억제하기 위해 내화학성이 우수한 분리막 소재가 더욱 요구된다. 이러한 여러 문제를 근본적으로 해결 하기 위해 최근에 주목받고 있는 막소재가 폴리불화비닐리덴계 고분자이다. 널리 알려진 바와 같이 폴리불화비닐리덴계 소재는 다른 고분자 소재에 비해 우수한 기계적, 내화학적 성질을 가진 것으로 잘 알려져 있기 때문에 오래전부터 코팅제, 압전소재, 분리소재 등에 많이 이용되어 왔다.For example, in the water treatment field, a high permeability and high pressure resistant membrane capable of treating a large amount of water with a small membrane area is required. In addition, in order to fundamentally prevent the problem of degradation of permeation performance due to contamination of the membrane surface during long-term operation, a membrane material having excellent fouling resistance is required. On the other hand, in order to suppress the problem of membrane damage caused by the introduction of various water treatment agents for easily removing contaminants attached to the membrane surface, there is a further demand for a membrane material having excellent chemical resistance. In order to fundamentally solve these various problems, a film material that has recently attracted attention is a polyvinylidene fluoride-based polymer. As is widely known, polyvinylidene fluoride-based materials have been widely used for coatings, piezoelectric materials, and separation materials for a long time because they are well known to have excellent mechanical and chemical properties compared to other polymer materials.
그러나, 상기 고분자는 고유의 낮은 표면에너지로 인해 장기간 운전시 단백질 등의 유기물에 의한 오염으로부터 발생된 수투과도의 저하를 피하기가 매우 어렵다. 따라서 폴리불화비닐리덴계 다공성 중공사막을 친수화하기 위한 여러가지 수단이 제안되었다. However, due to the inherent low surface energy of the polymer, it is very difficult to avoid a decrease in water permeability resulting from contamination by organic substances such as proteins during long-term operation. Accordingly, various means for hydrophilizing polyvinylidene fluoride-based porous hollow fiber membranes have been proposed.
일 예로, 대한민국 특허공개 제2005-0056245호에서는 폴리불화비닐리덴 미다공막에 전리성 방사선의 조사를 이용하여 친수성 비닐 단량체의 라디칼생성을 유도한 뒤 막표면에 이들 라디칼들을 그래프트 중합시키는 방법을 통해 친수화된 막의 형성을 개시하고 있다. 또한, 대한민국 특허공개 제2006-0003347호에서는 에폭시기, 히드록시기, 카르복시기, 에스테르기, 아미드기를 함유한 친수성 단량체를 현탁중합을 통해 폴리불화비닐리덴 단량체와 공중합하여 제조된 친수화된 폴리불화비닐리덴계 수지 다공막을 개시하고 있다. 또한, 대한민국 특허공개 제2005-0078747호에서는 친수화된 유기점토를 함유한 나노복합체 중공사막의 제조예를 개시하고 있다. 이외에, 알칼리, 산화제를 이용한 화학적 처리를 통한 친수화된 폴리불화비닐리덴계 다공성막의 제조예가 또한 개시되어 있다.For example, Korean Patent Publication No. 2005-0056245 discloses a method of inducing radical generation of hydrophilic vinyl monomers by irradiating polyvinylidene fluoride microporous membranes with ionizing radiation and then graft polymerizing these radicals on the membrane surface. The formation of a hydrated film is disclosed. In addition, Korean Patent Publication No. 2006-0003347 discloses a hydrophilized polyvinylidene fluoride resin prepared by copolymerizing a hydrophilic monomer containing an epoxy group, a hydroxyl group, a carboxyl group, an ester group, and an amide group with a polyvinylidene fluoride monomer through suspension polymerization. A porous membrane is disclosed. In addition, Korean Patent Publication No. 2005-0078747 discloses a preparation example of a nanocomposite hollow fiber membrane containing hydrophilized organic clay. In addition, examples of preparing hydrophilized polyvinylidene fluoride-based porous membranes through chemical treatment with alkalis and oxidizing agents are also disclosed.
그러나, 이러한 종래 기술에는 중합과 같은 부가적인 공정, 방사선의 사용 같은 고비용 공정 등이 사용되고 있으며, 특히 화학적 처리방법은 흔히 폴리불화비 닐리덴계 수지 고유의 기계적 강도를 손상시킬수 있다. 따라서, 친수화로 인한 수투과도를 향상시키는 것과 동시에 기계적 강도의 훼손없는 다공성 막을 제조하는 것이 더욱 바람직하다.However, such prior art uses additional processes such as polymerization, expensive processes such as the use of radiation, and the like, and especially chemical treatment methods often impair the mechanical strength inherent in polyvinylidene fluoride-based resins. Therefore, it is more desirable to produce a porous membrane which is not deteriorated in mechanical strength while improving the water permeability due to hydrophilization.
이에, 본 발명자들은 종래의 기술적인 문제점을 해결하기 위하여, 저렴한 제조비용으로, 연신등의 복잡하고 부가적인 공정없이 친수화된 폴리불화비닐리덴계 고분자로부터 우수한 수투과성 및 양호한 인장강도를 가진 중공사막을 제조하기 위해 노력한 결과, 수 내지 수십 마이크로미터 크기의 구형입자로 구성된 다공성 막구조를 막 전체 단면에 걸쳐 형성케 하고 동시에 다수의 직경 수 내지 수십 마이크론 크기의 막대형 입자를 막의 외측면에 적절하게 위치되도록 한번의 공정으로 미세 조절함으로써 우수한 수투과성을 동시에 가지는 중공사막을 제조하여 본 발명을 완성하였다.Therefore, the inventors of the present invention provide a hollow fiber membrane having excellent water permeability and good tensile strength from a hydrophilized polyvinylidene fluoride-based polymer without a complicated and additional process such as drawing, to solve the conventional technical problems. Efforts have been made to produce a porous membrane structure consisting of spherical particles of several to tens of micrometers across the entire cross section of the membrane, while at the same time suitable for the outer surface of the membrane with a large number of diameters of tens to tens of microns The present invention was completed by preparing a hollow fiber membrane having fine water permeability at the same time by finely adjusting in one process to be positioned.
따라서, 본 발명의 목적은 막의 성능면에서 연신 등의 부가적인 공정없이 단순한 제조공정과 저렴한 비용을 통해 우수한 수투과성 및 높은 기계적 강도를 가진 친수화된 다공성 폴리불화비닐리덴계 중공사막을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a hydrophilized porous polyvinylidene fluoride-based hollow fiber membrane having excellent water permeability and high mechanical strength through a simple manufacturing process and low cost without additional processes such as stretching in terms of performance of the membrane. .
본 발명의 다른 목적은 수 내지 수십마이크론 크기의 구형입자를 막단면에 걸쳐 고르게 분포시킴으로써 우수한 수투과 성능을 가진 다공성 폴리불화비닐리덴계 중공사막을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a porous polyvinylidene fluoride-based hollow fiber membrane having excellent water permeability by distributing spherical particles of several to several tens of microns evenly across the membrane cross-section.
본 발명의 또 다른 목적은 직경 수십마이크론 크기의 친수화된 막대형 구조를 형성시킴으로써 기계적 성능 및 수투과 성능이 우수한 다공성 폴리불화비닐리덴 계 중공사막을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a porous polyvinylidene fluoride-based hollow fiber membrane having excellent mechanical performance and water permeability by forming a hydrophilized rod-like structure having a diameter of several tens of microns.
본 발명은 또한, 친수화된 막대형 구조의 형성을 통해 막오염율이 낮으며, 내염소성이 우수한 폴리불화비닐리덴계 다공성 중공사막의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a method for producing a polyvinylidene fluoride-based porous hollow fiber membrane having low membrane fouling rate and excellent chlorine resistance through the formation of a hydrophilized rod-like structure.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 평균입경이 5 마이크로미터(㎛) 내외이고, 길이가 5 마이크로미터(㎛) 이상의 다수의 막대형 입자, 및 평균입경이 5 마이크로미터(㎛) 이하의 다수의 구형입자를 포함하는 친수성 폴리불화비닐리덴계 다공성 중공사막을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention has an average particle diameter of about 5 micrometers (µm), a plurality of rod-shaped particles having a length of 5 micrometers (µm) or more, and a number of average particles of 5 micrometers (µm) or less It provides a hydrophilic polyvinylidene fluoride-based porous hollow fiber membrane containing a spherical particle of.
또한, 본 발명은 a) 폴리불화비닐리덴계 고분자, 친수성 무기첨가물 및 용매를 포함하는 방사용액을 제조하고,In addition, the present invention a) preparing a spinning solution comprising a polyvinylidene fluoride-based polymer, a hydrophilic inorganic additive and a solvent,
b) 상기 방사용액을 적어도 100℃ 이상의 온도를 유지하는 이중노즐의 외부관으로 이송한 뒤, 40 ℃ 이하로 유지되는 양용매 및 비용매를 포함하는 외부응고액으로 토출시킴과 동시에, 상온의 양용매, 비용매 및 고분자를 포함하는 중공형성제를 상기 이중 노즐의 내부로 이송시켜 중공사막을 제조하는 단계b) The spinning solution is transferred to an outer tube of a double nozzle maintaining a temperature of at least 100 ° C. or higher, and then discharged into an external coagulation liquid containing a good solvent and a non-solvent maintained at 40 ° C. or lower, and the amount of room temperature Manufacturing a hollow fiber membrane by transferring a hollow forming agent including a solvent, a non-solvent, and a polymer into the inside of the double nozzle;
를 포함하는 친수성 폴리불화비닐리덴계 다공성 중공사막의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a hydrophilic polyvinylidene fluoride-based porous hollow fiber membrane comprising a.
보다 바람직하게, 본 발명의 다공성 중공사막의 제조방법은More preferably, the method for producing a porous hollow fiber of the present invention
a) 폴리불화비닐리덴계 고분자, 친수성 무기첨가물, 및 상기 폴리불화비닐리덴계 수지 및 친수성 무기첨가물을 실질적으로 균일하게 용해, 분산시키는 용매를 100 내지 180 ℃에서 혼합하여 방사용액을 제조하고,a) a polyvinylidene fluoride polymer, a hydrophilic inorganic additive, and a solvent for dissolving and dispersing the polyvinylidene fluoride resin and a hydrophilic inorganic additive substantially uniformly at 100 to 180 ° C. to prepare a spinning solution,
b) 상기 방사용액을 100 내지 180 ℃의 온도로 유지되는 이중노즐의 외부관으로 이송한 뒤, 상기 고분자에 대한 양용매 및 비용매의 혼합물로 구성되고, -40 내지 40℃로 유지되는 외부응고액으로 토출시킴과 동시에, 이중노즐의 내부관으로 상온의 양용매, 비용매 및 고분자의 혼합물을 포함하는 중공형성제를 방출시켜 중공사막의 중공 중심부로부터 최외곽 표면 쪽으로 미세 구형의 다공성 내부층 및 막대형 입자로 구성된 외표면층의 2층 구조를 포함하는 중공사막을 형성하는 단계; 및 c) 상기 중공사막을 물로 세척하는 단계를 포함할 수 있다.b) the spinning solution is transferred to an outer tube of a double nozzle maintained at a temperature of 100 to 180 ° C., followed by a mixture of a good solvent and a non-solvent for the polymer, and is kept at -40 to 40 ° C. At the same time as discharging in a solid solution, a hollow spherical agent containing a mixture of a good solvent, a non-solvent, and a polymer at room temperature is discharged into the inner tube of the double nozzle to form a fine spherical porous inner layer from the hollow center of the hollow fiber membrane toward the outermost surface; Forming a hollow fiber membrane comprising a two-layer structure of an outer surface layer composed of rod-shaped particles; And c) washing the hollow fiber membranes with water.
이하에서, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.In the following, the present invention is described in more detail.
본 발명의 다공성 중공사막은 다수의 수십 마이크로미터의 막대형 입자 및 다수의 구형입자를 포함한다. 바람직하게, 본 발명의 중공사막은 종래와 같이 중공사막의 표면층에 치밀층이 없이, 단면상에 있어서는 중공사막의 중공 중심으로부터 외부쪽으로 막대형 입자 및 구형입자를 포함하고 있으며, 상기 막대형 입자는 단면상의 표면층에 포함되어 있다. 따라서, 본 발명은 막의 성능면에서 연신 등의 부가적인 공정없이 단순한 제조공정과 저렴한 비용을 통해 우수한 수투과성 및 높은 기계적 강도를 가지며, 수 내지 수십마이크론 크기의 구형입자가 막단면에 걸쳐 고르게 분포됨으로써 우수한 수투과 성능을 나타낼 뿐 아니라, 수십마이크론 크기의 친수화된 막대형 구조를 형성하여 기계적 성능이 우수하고, 막오염율이 낮으며, 내염소성이 우수한 친수성 막을 제공할 수 있다.The porous hollow fiber of the present invention comprises a plurality of tens of micrometers of rod-shaped particles and a plurality of spherical particles. Preferably, the hollow fiber membrane of the present invention includes rod-shaped particles and spherical particles from the hollow center of the hollow fiber membrane to the outside in the cross section on the surface layer of the hollow fiber membrane without a dense layer as in the prior art, wherein the rod-shaped particles have a cross-sectional shape. It is contained in the surface layer of. Therefore, the present invention has excellent water permeability and high mechanical strength through a simple manufacturing process and low cost without additional processes such as stretching in terms of the performance of the membrane, spherical particles of several to several tens of microns in size are distributed evenly across the membrane In addition to exhibiting excellent water permeation performance, it is possible to provide a hydrophilic membrane having excellent mechanical performance, low membrane fouling rate, and excellent chlorine resistance by forming a hydrophilized rod-like structure of several tens of microns in size.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원발명의 중공사막의 바람직한 일실시예를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings illustrating a preferred embodiment of the hollow fiber membrane of the present invention.
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 2 중량%의 친수성 무기첨가물을 함유한 폴리불화비닐리덴계 다공성 중공사막의 표면을 1,000배 확대한 전자주사현미경 사진이다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 8 중량%의 친수성 무기첨가물을 함유한 폴리불화비닐리덴계 다공성 중공사막의 표면을 1,000배 확대한 전자주사현미경 사진이다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 8 중량%의 친수성 무기첨가물을 함유한 폴리불화비닐리덴계 다공성 중공사막 전체단면을 70배 확대한 전자주사현미경 사진이다. 도 4a 및 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 8 중량%의 친수성 무기첨가물을 함유한 폴리불화비닐리덴계 다공성 중공사막의 전체구조의 막단면(a) 및 막표면(b)을 개략적으로 표현한 모식도이다.1 is an electron scanning microscope photograph of a 1000-fold magnification of the surface of a polyvinylidene fluoride-based porous hollow fiber containing 2 wt% hydrophilic inorganic additive according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is an electron scanning microscope photograph of a 1000-fold magnification of the surface of a polyvinylidene fluoride-based porous hollow fiber containing 8 wt% of a hydrophilic inorganic additive according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is an electron scanning microscope photograph of a 70-fold magnification of the entire cross-section of a polyvinylidene fluoride-based porous hollow fiber containing 8 wt% of a hydrophilic inorganic additive according to an embodiment of the present invention. 4a and 4b schematically illustrate the membrane cross-section (a) and the membrane surface (b) of the entire structure of the polyvinylidene fluoride-based porous hollow fiber membrane containing 8% by weight of a hydrophilic inorganic additive according to an embodiment of the present invention It is a schematic diagram.
본 발명의 중공사막은 도 1 내지 4b에 나타낸 바와 같이, 평균입경이 5 마이크로미터(㎛) 내외이고, 길이가 5 마이크로미터(㎛) 이상의 다수의 막대형 입자, 및 막단면에 걸쳐 평균입경이 5 마이크로미터(㎛) 이하의 다수의 구형입자를 포함한다. 이때, 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 중공사막은 친수성 무기물 농도에 의해 다수의 막대형 입자 및 소수의 구형입자가 표면에 존재할 수도 있다. 또한, 도 4a 및 4b에서 도면 부호 1은 막단면상에서 구형입자로 구성된 내부다공성층이고, 2는 막대형 입자로 구성된 외표면층이고, 3은 중공사막의 표면상에서의 막대형 입자이고, 4는 구형입자를 나타낸 것으로서, 막대형 입자 및 구형입자의 2층 구조를 포함하고 있다.As shown in Figs. 1 to 4B, the hollow fiber membrane of the present invention has an average particle diameter of about 5 micrometers (µm), a plurality of rod-shaped particles having a length of 5 micrometers (µm) or more, and an average particle diameter over the membrane cross section. It contains a plurality of spherical particles up to 5 micrometers (μm). At this time, as shown in Figure 2, in the hollow fiber membrane of the present invention, a large number of rod-shaped particles and a few spherical particles may be present on the surface by the hydrophilic inorganic concentration. In Figs. 4A and 4B,
상기 구조를 갖는 본 발명의 중공사막은 120℃ 이상의 방사용액을 40 ℃이하 의 외부응고액에 토출시킴과 동시에, 상온의 중공형성제를 이용하여 형성되며, 상기 방사용액은 폴리불화비닐리덴계 고분자, 친수성 무기물 및 용매를 포함하는 특징이 있다. 또한, 상기 외부응고액은 양용매 및 비용매를 포함하고, 중공형성제는 양용매, 비용매 및 고분자를 포함하는 것이 바람직하다.The hollow fiber membrane of the present invention having the above structure is formed by using a hollow forming agent at room temperature while simultaneously discharging a spinning solution of 120 ° C. or higher to an external coagulation solution of 40 ° C. or lower, and the spinning solution is a polyvinylidene fluoride-based polymer. , Hydrophilic minerals and solvents. In addition, the external coagulant may include a good solvent and a non-solvent, and the hollow forming agent may include a good solvent, a non-solvent, and a polymer.
본 발명에서 막대형 입자라 함은 막표면에 노출되어 존재하고, 막의 중공 중심부로부터 외부쪽으로 고르게 전체적으로 분포되어 있으며, 단면상에 구형입자보다 위에 위치하며, 그 평균 입경이 5 마이크로미터 내외이고, 길이가 5 마이크로미터 이상인 것으로 정의한다. 또한, 구형입자라 함은 막의 단면상, 중공 중심부로부터 외부쪽으로 전체적으로 분포되어 있어, 상기 막대형 입자의 아래에 위치하며, 그 평균 입경이 5 마이크로미터 이하인 것으로 정의한다.In the present invention, the rod-shaped particles are exposed to the surface of the membrane and are evenly distributed outwardly from the hollow center of the membrane. The rod-shaped particles are located above the spherical particles on the cross section, and their average particle diameter is about 5 micrometers in length. It is defined as 5 micrometers or more. In addition, the spherical particles are generally distributed on the cross section of the membrane from the hollow center to the outside, and are located below the rod-shaped particles, and are defined as having an average particle diameter of 5 micrometers or less.
본 발명에서 상기 막대형 입자 및 구형입자는 60 내지 90 및 10 내지 40의 중량 비율로 포함하는 것이 바람직하다.In the present invention, the rod-shaped particles and the spherical particles are preferably included in the weight ratio of 60 to 90 and 10 to 40.
상기 막대형 입자의 평균 입경은 각각 1 내지 10 ㎛이고 길이가 1 내지 100 ㎛, 상기 구형입자의 평균 입경은 1 내지 10 ㎛인 것이 바람직하다.The average particle diameter of the rod-shaped particles is 1 to 10 μm and the length is 1 to 100 μm, respectively, and the average particle diameter of the spherical particles is preferably 1 to 10 μm.
또한, 상기 중공사막의 외경은 0.8 내지 1.2 mm이고, 내부 직경은 0.4 내지 0.6 mm이고, 막두께는 0.1 내지 0.4 mm인 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the outer diameter of the hollow fiber membrane is 0.8 to 1.2 mm, the inner diameter is 0.4 to 0.6 mm, and the film thickness is 0.1 to 0.4 mm.
이러한 본 발명의 중공사막은 순수투과도가 적어도 5,000 l/m2 hr 이상이 된다.The hollow fiber membrane of the present invention has a net permeability of at least 5,000 l / m 2 hr or more.
한편, 본 발명의 다공성 중공사막의 제조방법은, a) 폴리불화비닐리덴계 고 분자, 친수성 무기 첨가물 및 용매를 혼합하여 방사용액을 제조하고, b) 적어도 120℃ 이상의 온도에서 상기 방사용액을 양용매 및 비용매로 이루어진 적어도 40 ℃ 이하의 온도를 유지하는 외부응고액으로 토출시킴과 동시에 상온을 유지하는 양용매, 비용매 및 고분자로 이루어진 중공형성제를 이용하여 중공사막을 제조하는 단계를 포함한다. 이러한 단계를 거쳐 막단면상에서 다수의 막대형 입자 및 구형입자의 형성이 동시에 이루어진다.On the other hand, the method of producing a porous hollow fiber membrane of the present invention, a) polyvinylidene fluoride-based polymer, a hydrophilic inorganic additive and a solvent to prepare a spinning solution, b) the amount of the spinning solution at a temperature of at least 120 ℃ or more Preparing a hollow fiber membrane by using a hollow former composed of a good solvent, a nonsolvent, and a polymer, while discharging to an external coagulating solution maintaining a temperature of at least 40 ° C. consisting of a solvent and a non-solvent. do. Through this step, a plurality of rod-shaped particles and spherical particles are simultaneously formed on the membrane cross section.
이하에서, 본 발명의 중공사막의 제조공정을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the manufacturing process of the hollow fiber membrane of this invention is demonstrated concretely.
(a) 방사용액의 제조공정(a) Manufacturing process of spinning solution
상술한 바와 같이, 본 발명에서 방사용액은 중공사막을 형성하는 폴리불화비닐리덴계 수지, 친수성 무기 첨가물 및 용매로 구성되고, 100℃ 이상의 온도에서 침전물이나 부유물의 형성없이 균일하게 혼합된 것을 가리킨다. 따라서, 본 발명에서 방사용액은 100 내지 180℃에서 제조되는 것이 바람직하고, 일반적으로 100℃ 이상의 온도에서 균일한 조성의 고분자 용액으로 존재하며, 비용매와의 접촉시 상분리에 의하여 중공사막의 형성을 촉진한다. 또한, 중공사막의 형성시에는 적어도 100 ℃ 이상, 바람직하게는 120 내지 180℃의 온도를 유지하는 노즐을 통해 방사액을 외부응고액으로 토출시키는 것이 바람직하다.As described above, in the present invention, the spinning solution is composed of a polyvinylidene fluoride resin, a hydrophilic inorganic additive, and a solvent for forming a hollow fiber membrane, and refers to a uniform mixture without forming precipitates or suspended solids at a temperature of 100 ° C. or higher. Therefore, in the present invention, the spinning solution is preferably prepared at 100 to 180 ° C., and is generally present as a polymer solution having a uniform composition at a temperature of 100 ° C. or more, and forms a hollow fiber membrane by phase separation upon contact with a non-solvent. Promote. In addition, at the time of formation of a hollow fiber membrane, it is preferable to discharge a spinning liquid to an external coagulating liquid through the nozzle which maintains the temperature of at least 100 degreeC or more, Preferably it is 120-180 degreeC.
상기 방사 용액에 있어서, 각 성분의 조성비는 전체 방사용액 조성물에 대하여 폴리불화비닐리덴계 고분자 25 내지 55 중량%, 친수성 무기첨가물 1내지 10 중량% 및 용매 35 내지 74 중량%를 포함하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하기로는 고분자 물질30 내지 45 중량%, 무기첨가물 2 내지8 중량%, 및 용매 47 내지 68 중 량%로 구성된다.In the spinning solution, the composition ratio of each component is preferably 25 to 55% by weight of the polyvinylidene fluoride polymer, 1 to 10% by weight of the hydrophilic inorganic additives and 35 to 74% by weight of the solvent based on the total spinning solution composition , More preferably, it is comprised of 30 to 45 weight% of a polymeric material, 2 to 8 weight% of inorganic additives, and 47 to 68 weight% of a solvent.
이때 상기 폴리불화비닐리덴계 고분자의 함량이 25 중량% 미만인 경우에는 저점도 및 이로 인한 단사로 인하여 연속적인 막의 제조가 불가능하고, 제조되었더라도 인장강도가 매우 낮은 중공사막이 제조되며, 55 중량%를 초과하는 경우에는 방사용액의 고점도로 인하여 막의 제조가 거의 불가능하고, 제조된 막 또한 낮은 수투과성을 나타낸다.In this case, when the content of the polyvinylidene fluoride-based polymer is less than 25% by weight, it is impossible to manufacture a continuous membrane due to low viscosity and single yarns, and a hollow fiber membrane having a very low tensile strength is produced, even though manufactured by 55% by weight. If exceeded, the production of the membrane is almost impossible due to the high viscosity of the spinning solution, and the prepared membrane also exhibits low water permeability.
상기 폴리불화비닐리덴계 고분자는 단일 중합체, 또는 공중합체를 모두 사용 가능하나, 바람직하게는 폴리비닐리덴플루오라이드 (PVDF) 등과 같은 단일 중합체, 상기 중합체에 헥사플루오르프로필렌 (PVDF-HFP) 혹은 클로로트리플루오르에틸렌 (PVDF-TCFE) 등을 포함하는 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택하여 사용할 수 있다. 또한, 폴리불화비닐리덴계 고분자는 인장강도 등의 기계적 강도의 향상을 위해 단독 중합체보다는 단일 중합체 및 공중합체의 혼합물을 사용하는 것이 보다 바람직하며, 혼합물을 사용하는 경우 단일 중합체의 비율은 5 내지 50 중량%로 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 또한 분자량에 대하여, 모든 중합체의 경우 5만 내지 50만 이하의 중량평균 분자량인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10만 내지 40만 이하의 것을 사용하는 것이 좋다.The polyvinylidene fluoride-based polymer may be a homopolymer or a copolymer, but is preferably a single polymer such as polyvinylidene fluoride (PVDF), hexafluoropropylene (PVDF-HFP) or chlorotrile in the polymer. It may be selected from the group consisting of copolymers containing fluoroethylene (PVDF-TCFE) and the like and mixtures thereof. In addition, the polyvinylidene fluoride-based polymer is more preferably used a mixture of a single polymer and a copolymer rather than a homopolymer in order to improve the mechanical strength, such as tensile strength, when using a mixture, the ratio of the single polymer is 5 to 50 More preferably used in weight percent. Moreover, it is preferable that it is the weight average molecular weight of 50,000-500,000 or less about all the polymers with respect to molecular weight, More preferably, it is good to use 100,000-400,000 or less.
본 발명에서 사용하는 친수성 무기첨가물은 알루미늄-실리케이트 성분으로 층상구조를 가진 소수성 몬모릴나이트를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 몬모릴나이트는 사용전에 통상의 방법으로 친수화하여 사용할 수 있다(캠머, 2005년, 17권, 1691-1697 페이지). 친수화 방법의 일례를 들면, 초기에 황산 혹은 염산하에 서 프로톤형태로 개질된 몬모릴나이트를 톨루엔 용매하에서 아민기, 카르복실기, 술폰산기, 하이드록실기, 클로라이드기, 에폭시기 등의 친수성기를 함유한 실란계열 단량체와의 축합반응에 의해 더욱 친수화된 몬모릴나이트로 제조될 수 있다. 상기 실란계열의 친수성 단량체로는 머켑토프로필트리메톡시실란(-SH함유), 하이드록시프로필 트리메톡시실란(-OH), 아미노프로필트리메톡시실란 (-NH2), 클로로프로필트리메톡시실란(-Cl), 카르복실프로필트리메톡시실란 (-COOH), 트리메톡시시릴프로필에틸렌다이아민(-NHCH2CH2NH2), 트리메톡시시릴프로필다이에틸렌트리아민(-NHCH2CH2NHCH2CH2NH2), 트리메톡시시릴프로필우레아 (-NHCONH2), 에폭시프로필트리메톡시실란 (-COC) 등이 있다. 또한, 상기한 바와 같이, 친수성 무기 첨가물의 함량은 1 내지 10 중량%로 사용하고, 보다 바람직하게는 2 내지 8 중량%로 사용한다. 친수성 무기 첨가물의 함량이 1 중량% 미만이면 친수성 및 막대형 입자의 형성이 관찰되기 어려우며, 10 중량%를 초과하게 되면 무기물을 균일하게 분산시키기 어렵다. 막의 구조면에서 막대형 입자는 상기 무기물의 첨가에 의해 형성되며, 무기물이 첨가되지 않으면 막대형 입자가 형성되지 않는다. 따라서, 막대형 입자의 형성은 친수성 무기물과 폴리불화비닐리덴 중합체간의 수소결합 혹은 ion-dipole상호작용을 통한 결정화 및 젤화에 의해 형성된다. 또한 막대형 입자의 형성을 위해 개질전의 소수성 몬모릴나이트가 사용될 수 있으나, 저분산으로 인해 막대형 입자가 잘 형성되지 않으며 높은 수투과도를 얻기 위해 친수화된 몬모릴나이트를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.As the hydrophilic inorganic additive used in the present invention, it is preferable to use a hydrophobic montmorillonite having a layered structure as the aluminum-silicate component. The montmorillonite may be hydrophilized by conventional methods before use (Cammer, 2005, Vol. 17, pages 1691-1697). As an example of the hydrophilization method, montmorillonite initially modified in sulfuric acid or hydrochloric acid in proton form is silane containing a hydrophilic group such as amine group, carboxyl group, sulfonic acid group, hydroxyl group, chloride group, epoxy group in toluene solvent. By condensation with the series monomers can be prepared more montmorillonite. Examples of the silane-based hydrophilic monomer include merctopropyltrimethoxysilane (-SH), hydroxypropyl trimethoxysilane (-OH), aminopropyltrimethoxysilane (-NH 2 ), and chloropropyltrimethoxy Silane (-Cl), carboxypropyltrimethoxysilane (-COOH), trimethoxysilylpropylethylenediamine (-NHCH 2 CH 2 NH 2 ), trimethoxysilylpropyldiethylenetriamine (-NHCH 2 CH 2 NHCH 2 CH 2 NH 2 ), trimethoxysilylpropylurea (-NHCONH 2 ), epoxypropyltrimethoxysilane (-COC), and the like. As described above, the hydrophilic inorganic additive is used in an amount of 1 to 10% by weight, more preferably in an amount of 2 to 8% by weight. When the content of the hydrophilic inorganic additive is less than 1% by weight, it is difficult to observe the formation of hydrophilic and rod-shaped particles, and when it exceeds 10% by weight, it is difficult to uniformly disperse the inorganic material. In the structure of the membrane, the rod-shaped particles are formed by the addition of the inorganic material, and rod-shaped particles are not formed unless the inorganic material is added. Therefore, the formation of rod-shaped particles is formed by crystallization and gelation through hydrogen bonding or ion-dipole interaction between the hydrophilic inorganic material and the polyvinylidene fluoride polymer. In addition, hydrophobic montmorilite before reforming may be used to form rod-shaped particles, but rod particles are not well formed due to low dispersion, and it is more preferable to use hydrophilized montmorillonite to obtain high water permeability. .
또한, 본 발명에 따르면, 무기첨가물의 균일한 분산을 위해, 일정량의 무기첨가물이 일정량의 용매에 미리 분산되어지는 것이 바람직하다. 또한 효율적인 분산을 위해 초음파를 이용할 수 있다. 균일하게 분산된 무기첨가물은 연속적으로 일정량의 다른 용매를 가지고 균일하게 용해된 고분자 용액에 더해지는데 이러한 방법은 고분자 용액내에 무기첨가물의 균일한 분산을 위해 특히 바람직하다.In addition, according to the present invention, for uniform dispersion of the inorganic additive, it is preferable that a certain amount of the inorganic additive is previously dispersed in a certain amount of the solvent. Ultrasonic waves can also be used for efficient dispersion. The homogeneously dispersed inorganic additives are added to a homogeneously dissolved polymer solution with a continuous amount of other solvents, which method is particularly preferred for uniform dispersion of the inorganic additives in the polymer solution.
방사용액 제조시 사용되는 용매는 55 중량% 이하의 폴리불화비닐리덴계 수지를 100℃ 이상의 고온에서 균일하게 용해, 분산시키는 것으로 정의할 수 있다. 사용가능한 용매로는 γ-부티로락톤, 사이클로핵사논, 3-헥사논, 3-헵타논, 3-옥타논, N-메틸피롤리돈, 디메틸아세트아미드, 디메틸설록사이드, 디메틸포름아마이드 및 2종 이상의 혼합물 등이 있다. 보다 균일한 크기의 구형입자의 형성을 위해, 더욱 바람직하게는 γ-부티로락톤을 사용한다. 이러한 용매를 함유한 폴리불화비닐리덴계 고분자 용액은 일반적으로 100도 이상의 온도에서 구형입자를 형성치 않고 균일한 조성의 고분자 용액으로 존재하며, 상온으로의 냉각시 고-액 상분리에 의해 구형입자를 갖도록 발현된다.The solvent used in the preparation of the spinning solution may be defined as uniformly dissolving and dispersing 55% by weight or less of polyvinylidene fluoride resin at a high temperature of 100 ° C or higher. Solvents that can be used include γ-butyrolactone, cyclonuxanone, 3-hexanone, 3-heptanone, 3-octanone, N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, dimethylformamide and 2 Mixtures of species or more. For the formation of spherical particles of more uniform size, more preferably γ-butyrolactone is used. A polyvinylidene fluoride polymer solution containing such a solvent is generally present as a polymer solution having a uniform composition without forming spherical particles at a temperature of 100 degrees or higher, and when spherical particles are separated by solid-liquid phase separation upon cooling to room temperature. Expressed to have.
(b) 중공사막의 제조(b) Preparation of hollow fiber membranes
(외부응고액의 조성 및 응고액의 온도 조절)(Composition of External Coagulant and Temperature Control of Coagulant)
본 발명에서는 상기에서 제조된 방사용액을 외부응고액으로 토출하고 동시에 중공형성제를 이용하여 막대형 입자 및 구형입자를 포함하는 2층 구조를 갖는 중공사막을 제조한다.In the present invention, a hollow fiber membrane having a two-layer structure including rod-shaped particles and spherical particles is prepared by discharging the spinning solution prepared above to an external coagulation solution and simultaneously using a hollow forming agent.
이때, 본 발명에서 사용하는 외부응고액은 일정량의 양용매를 함유한 비용매 로 구성되며, 방사용액 내의 용매와의 접촉시 계면에서의 고분자의 농도를 급격히 감소시켜 막외표면층에서 다수의 막대형입자 및 구형입자의 형성을 촉진하는 역할을 하는 것으로서 정의된다. 또한, 비용매는 전체 온도범위하에서 실질적으로 상기 고분자를 전혀 용해시키지 않고 상기 양용매 및 빈용매와 균일하게 혼합될 수 있는 것으로 정의된다. 상기 양용매는 60 ℃의 온도에서 55 중량%까지의 폴리불화비닐리덴계 고분자 및 친수성 무기 첨가물을 침전물의 형성없이 균일하게 완전 용해시키는 것으로 정의할 수 있다. 바람직하게는, 양용매는 디메틸아세트아마이드를 사용한다. 비용매의 예를 들면, 글리세롤, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 저분자량 폴리에틸렌글리콜 및 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있으며, 보다 바람직하게는 에틸렌글리콜이다.At this time, the external coagulation solution used in the present invention is composed of a non-solvent containing a certain amount of a good solvent, a large number of rod-shaped particles in the outer membrane layer by rapidly reducing the concentration of the polymer at the interface upon contact with a solvent in the spinning solution And a role of promoting the formation of spherical particles. In addition, the non-solvent is defined as being capable of being uniformly mixed with the good and poor solvents without substantially dissolving the polymer at all over the entire temperature range. The good solvent may be defined as completely dissolving the polyvinylidene fluoride polymer and the hydrophilic inorganic additive up to 55% by weight at a temperature of 60 ° C. uniformly without formation of a precipitate. Preferably, the good solvent uses dimethylacetamide. Examples of the non-solvent include glycerol, ethylene glycol, propylene glycol, low molecular weight polyethylene glycol and mixtures thereof, and more preferably ethylene glycol.
이러한 외부응고액의 선택은 종래의 물을 사용하는 것에 비해 응고액의 온도조절 범위를 다양하게 확대할 수 있는 잇점을 제공하며, 외부 및 내부에 크기가 각각 다른 입자의 분포를 지닌 다공성층 형성에 매우 유리하다.The selection of such external coagulant provides an advantage that the temperature control range of the coagulant can be expanded in various ways compared to using conventional water, and the formation of a porous layer having a distribution of particles of different sizes inside and outside. Very advantageous.
상기 외부응고액의 조성비는 전체 용매 혼합물에 대하여 양용매 10내지 60중량%와 비용매 40 내지 90 중량%를 포함하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 30내지 55중량%의 양용매와 45내지 70 중량%의 비용매로 구성된다. 만약 양용매의 함량이 상기 조성범위를 벗어나게 되면 막의 용해로 중공사막 형성이 불가능하거나 내, 외부표면에 치밀층이 형성하게 되어 매우 낮은 수투과도를 가진 중공사막이 형성하게 된다.The composition ratio of the external coagulation solution is preferably 10 to 60% by weight and non-solvent 40 to 90% by weight relative to the total solvent mixture, more preferably 30 to 55% by weight of the good solvent and 45 to 70 Non-solvent by weight percent. If the content of the good solvent is out of the composition range, it is impossible to form the hollow fiber membrane by dissolving the membrane, or a dense layer is formed on the inner and outer surfaces to form a hollow fiber membrane having a very low water permeability.
외부 응고액의 온도는 막 단면에 걸쳐 구형입자의 형성을 촉진하는 것으로 서, 이는 결정성 고분자 및 용매 혼합물에서의 고-액 상분리의 결과와 유사하다. 본 발명에서는 응고액의 온도가 낮을수록 외부 및 내부 표면층의 구형입자 크기를 다르게 하는데 매우 유리하다. 따라서 바람직한 응고액의 온도는 40 ℃ 이하이고, 보다 바람직하게는 5 ℃ 이하이고, 가장 바람직하게는 -40 내지 40 ℃이다. 만약 응고액의 온도가 40 ℃를 초과하게 되면 외부 치밀층이 형성되거나 부분적으로 막의 용해가 일어나 바람직한 중공사막 형성이 불가능하다.The temperature of the external coagulant promotes the formation of spherical particles across the membrane cross section, which is similar to the result of solid-liquid phase separation in crystalline polymer and solvent mixtures. In the present invention, the lower the temperature of the coagulation solution, the more advantageous it is to change the spherical particle size of the outer and inner surface layer. Therefore, the preferable temperature of the coagulation liquid is 40 degrees C or less, More preferably, it is 5 degrees C or less, Most preferably, it is -40-40 degreeC. If the temperature of the coagulation liquid exceeds 40 ℃, the outer dense layer is formed or the membrane is partially dissolved to form a desirable hollow fiber membrane.
상기 중공형성제는 비용매, 양용매, 및 고분자를 포함하는 것으로 그 온도는 0 내지 40 ℃로 유지되고, 상온인 것이 바람직하다. 상기 비용매는 상기 언급한 비용매 군중에서 1종 이상 선택될 수 있으며, 보다 바람직하게는 에틸렌글리콜이다. 또한 중공형성제에서 바람직한 양용매로는 상기 언급한 양용매 군중에서 1종 이상 선택될 수 있으며, 보다 바람직하게는 디메틸아세트아마이드이다. 중공형성제에 사용되는 고분자는 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌이민, 폴리비닐피롤리돈 등이 있으며, 이들은 단독 또는 1종 이상 혼합 사용이 가능하며, 더욱 바람직하게는 폴리비닐피롤리돈이다. 상기 중공형성제의 조성비는 전제 혼합물에 대하여 10 내지 60 중량%의 양용매, 30 내지 80 중량%의 비용매, 10중량% 이내의 고분자로 구성되는 것이 바림직하며, 더욱 바람직하기로는 양용매30 내지 60 중량%, 비용매 65 내지 35 중량%, 고분자 5 중량%로 구성된다. 만약 중공형성제에서 고분자가 포함되지 않으면 균일한 외경을 가진 중공사막을 연속적으로 제조하기가 어려우며, 용매의 함량이 60 중량%를 초과하게 되면 실질적의 막의 용해로 인해 균일한 중공성형이 불가능하다. 또한, 비용매 함량이 65 중량%를 초과하게 되면 중공 내 부표면에 치밀층이 형성하게 되어 낮은 수투과도를 가진 막의 형성을 초래한다.The hollow forming agent includes a non-solvent, a good solvent, and a polymer, and the temperature is maintained at 0 to 40 ° C., preferably at room temperature. The non-solvent may be selected from one or more of the above-mentioned non-solvent crowds, more preferably ethylene glycol. In addition, the preferred good solvent in the hollow forming agent may be selected from one or more of the above-mentioned good solvent groups, more preferably dimethylacetamide. Polymers used in the hollow forming agent include polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, polyethyleneimine, polyvinylpyrrolidone, and the like, and these may be used alone or in combination of one or more, and more preferably, polyvinylpyrrolidone. The composition ratio of the hollow forming agent is preferably composed of 10 to 60% by weight of a good solvent, 30 to 80% by weight of a non-solvent, within 10% by weight of a polymer, more preferably a good solvent 30 To 60% by weight, non-solvent 65 to 35% by weight, polymer 5% by weight. If the polymer is not included in the hollow forming agent, it is difficult to continuously manufacture a hollow fiber membrane having a uniform outer diameter. If the content of the solvent exceeds 60% by weight, uniform blow molding is impossible due to the actual dissolution of the membrane. In addition, when the non-solvent content exceeds 65% by weight, a dense layer is formed on the subsurface in the hollow, resulting in the formation of a membrane having a low water permeability.
(세척과정)(Washing process)
또한, 본 발명에서는 응고액으로부터 대기중으로 이송된 중공사막의 막내외에 잔존하는 용매를 포함한 유기물을 제거하기 위해 세척과정을 더욱 포함할 수 있다. 세척액으로 물의 사용이 바람직하며, 세척시간은 특별히 한정되지는 않으나, 적어도 1일 이상, 5일 이하가 바람직하다.In addition, the present invention may further include a washing process to remove the organic matter including the solvent remaining in the membrane of the hollow fiber membrane transferred to the air from the coagulation solution. Water is preferably used as the washing liquid, and the washing time is not particularly limited, but at least one day or more and five days or less is preferable.
이하, 본 발명의 구성 및 작용을 하기의 실시예를 통해 설명한다. 그러나, 본 발명이 아래 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described through the following examples. However, the present invention is not limited by the following examples.
[실시예] EXAMPLE
(실시예 1 내지 5)(Examples 1 to 5)
외표면에On the outer surface 막대형 입자를 가진 다공성 중공사막 제조 Fabrication of Porous Hollow Fiber Membranes with Rod-shaped Particles
하기 표 1과 같은 함량으로 40중량%의 고분자 농도가 되도록, γ-부티로락톤에 폴리비닐리덴플루오라이드(Kureha, KF1300)를 서서히 첨가하여 균일한 방사 용액을 제조하였다. 또한, 별도로 하이드록실기를 함유한 무기첨가물 (MMT-OH)을 전체 조성물 대비 2내지 8중량%가 되도록 일정량의 γ-부티로락톤에 미리 분산시킨 뒤, 균일하게 용해된 상기 고분자 용액에 첨가하여 혼합하였다. 그런 다음, 제조된 고분자 방사 용액 속에 함유된 기포를 진공펌프를 이용하여 제거한 뒤, 기어펌프를 이용하여 방사용액을 내부직경이 0.6 mm, 외부직경이 1.4 mm이고 140℃로 유지되는 이중노즐로 이송하여 외부응고액으로 연속적으로 방사하였다. 이때 용액토출량은 3.5 cc/min이었으며, 중공형성제는 상온의 디메틸아세트아마이드/에틸렌글 리콜/폴리비닐피롤리돈 혼합물 (50 중량%/45 중량% /5 중량%)을 사용하였다. 외부응고액의 조성은 고분자를 제외한 중공형성제와 동일하나 하기 표 1과 같이 온도를 변화시켜가면서 중공사막을 제조하였다. 이어서, 외부응고액을 통과한 중공사막을 연속적으로 대기중으로 30초간 이송시킨 뒤, 바로 물속에 1/2정도 담궈진 권취보빈을 통해 권취하고, 잔존하는 더 많은 유기용매를 제거하기 위해 물세척조내에서 96시간 동안 세척하였다. 완전 세척된 중공사막을 50 중량%의 글리세린 수용액에 24시간 침지후 상온에서 건조시켰으며, 내부직경이 0.6 mm이고 외부직경이 1.0 mm인 중공사막 300가닥 정도를 유효길이 21 cm로 하여 막면적이 0.2 m2인 막모듈을 제조하였다.To obtain a polymer concentration of 40% by weight to the content as shown in Table 1, polyvinylidene fluoride (Kureha, KF1300) was slowly added to γ-butyrolactone to prepare a uniform spinning solution. In addition, the inorganic additive containing a hydroxyl group (MMT-OH) is previously dispersed in a predetermined amount of γ-butyrolactone to 2 to 8% by weight of the total composition, and then added to the uniformly dissolved polymer solution Mixed. Then, the air bubbles contained in the prepared polymer spinning solution were removed using a vacuum pump, and then the spinning solution was transferred to a double nozzle maintained at 140 ° C. with an inner diameter of 0.6 mm and an outer diameter of 1.4 mm using a gear pump. It was continuously spun into an external coagulation solution. At this time, the solution discharge amount was 3.5 cc / min, and the hollow forming agent was a dimethylacetamide / ethylene glycol / polyvinylpyrrolidone mixture (50 wt% / 45 wt% / 5 wt%) at room temperature. The composition of the external coagulation solution was the same as the hollow forming agent except for the polymer, but the hollow fiber membrane was prepared by changing the temperature as shown in Table 1 below. Subsequently, the hollow fiber membrane passed through the external coagulating solution was continuously transferred to the atmosphere for 30 seconds, immediately wound up through a winding bobbin immersed in water for about 1/2 second, and then washed in a water washing tank to remove more remaining organic solvent. Washed for 96 h. The completely washed hollow fiber membrane was immersed in 50% by weight aqueous solution of glycerin for 24 hours, and dried at room temperature. The membrane area was approximately 21 cm with an effective length of about 21 strands of hollow fiber membrane having an inner diameter of 0.6 mm and an outer diameter of 1.0 mm. A membrane module having 0.2 m 2 was prepared.
상기 중공사막 및 모듈을 이용하여 순수투과도, 입자저지율 (폴리스티렌 단분산 입자; 직경200 nm) 및 인장파단강도를 하기한 방법으로 측정하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었으며, 대표적인 막표면 사진을 도 1, 2에 나타내었다. 이때, 도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 2 중량%의 친수성 무기첨가물을 함유한 폴리불화비닐리덴계 다공성 중공사막의 단면 표면의 전자주사현미경 사진(1000배 확대)이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 8 중량%의 친수성 무기첨가물을 함유한 폴리불화비닐리덴계 다공성 중공사막의 단면 표면의 전자주사현미경 사진(1000 배 확대)이다. 도 1, 2를 보면, 본 발명의 중공사막은 단면상 막외표면층에 치밀층이 없고, 수십마이크로미터의 막대형 입자를 다수 포함하고, 내부층이 5 ㎛ 이하의 다수의 구형입자로 이루어진 구조를 포함하고 있음을 알 수 있다.Using the hollow fiber membranes and modules, pure permeability, particle blocking rate (polystyrene monodisperse particles; diameter 200 nm) and tensile strength were measured by the method described below, and the results are shown in Table 1, and representative film surface photographs are illustrated. 1 and 2 are shown. At this time, Figure 1 is an electron scanning micrograph (1000 times magnification) of the cross-sectional surface of the polyvinylidene fluoride-based porous hollow fiber membrane containing 2% by weight of a hydrophilic inorganic additive according to an embodiment of the present invention, Figure 2 Electron scanning micrograph (1000 times magnification) of the cross-sectional surface of the polyvinylidene fluoride-based porous hollow fiber membrane containing 8% by weight hydrophilic inorganic additive according to an embodiment of the present invention. 1 and 2, the hollow fiber membrane of the present invention has a cross-sectional outer layer without a dense layer, includes a plurality of rod-shaped particles of several tens of micrometers, and includes a structure composed of a plurality of spherical particles having an inner layer of 5 μm or less. It can be seen that.
(1) 순수투과도의 측정(1) Measurement of pure permeability
제조된 중공사막 모듈에 대해 상온의 순수를 1.0기압하에 dead-end방식으로 모듈의 한 측면으로 공급하여 투과된 물의 양을 측정한 뒤, 단위시간, 단위막면적, 단위압력당 투과량으로 환산하였다.The prepared hollow fiber membrane module was supplied with pure water at room temperature to one side of the module in a dead-end manner under 1.0 atm, and the amount of water permeated was measured, and then converted into unit time, unit membrane area and per unit pressure.
(2) 저지율의 측정(2) measurement of blocking rate
단분산 폴리스티렌 입자 (폴리사이언스사, 200 nm크기) 수용액을 상온의 순수에 분산시켜 500 ppm 입자수용액을 제조하였다. 상기 제조된 모듈의 일측면으로 입자수용액을 0.5 kg/cm2의 압력으로 공급하여 투과된 수용액 및 초기 공급된 원수에 분산된 폴리스티렌 농도를 자외선 분광기 (Shimadzu사, UV-1601PC)를 이용하여 측정하였다. 이후, 240 nm의 파장에서 측정된 흡수피크의 상대적인 비를 하기의 식을 이용하여 백분율로 환산하여 저지율을 결정하였다.A 500 ppm aqueous particle solution was prepared by dispersing an aqueous monodisperse polystyrene particle (polyscience, 200 nm size) in pure water at room temperature. Particle aqueous solution was supplied to one side of the prepared module at a pressure of 0.5 kg / cm 2 , and the polystyrene concentration dispersed in the permeated aqueous solution and the initially supplied raw water was measured using an ultraviolet spectrometer (Shimadzu, UV-1601PC). . Thereafter, the blocking ratio was determined by converting the relative ratio of the absorption peaks measured at the wavelength of 240 nm into percentage using the following equation.
(수학식 1)(Equation 1)
저지율(%) = (원액농도-투과액농도) ÷ 원액농도 x 100Percentage Blocked (%) = (Stock Concentration-Permeate Concentration) ÷ Stock Concentration x 100
(3) 인장파단강도의 측정(3) Measurement of tensile breaking strength
인장강도는 인장시험기를 이용하여, 파지거리 60 mm의 시료를 크로스헤드 스피드 50 mm/min의 속도로 5회 측정하여 평균값을 취하였다.Tensile strength was measured by using a tensile tester and a sample having a holding distance of 60 mm was measured five times at a crosshead speed of 50 mm / min.
(비교예 1 내지 3)(Comparative Examples 1 to 3)
막대형 입자가 없는 다공성 중공사막 제조Fabrication of porous hollow fiber without rod-shaped particles
친수성 무기물을 첨가하지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 조건하에서 중공사막을 제조하였다. 이후, 상기와 같은 방법으로 순수투과도, 폴리스테린 입자 저지율 및 인장파단강도를 측정하였고, 그 결과를 표 2에 나타내었다. 또한, 비교예 1, 2의 대표적 막단면의 미세구조의 전자현미경 사진을 도 5 및 6에 나타내었다. A hollow fiber membrane was prepared under the same conditions as in Example 1 except that no hydrophilic inorganic material was added. Then, pure permeability, polyester particle blocking rate and tensile strength at break were measured in the same manner as described above, and the results are shown in Table 2. In addition, electron micrographs of the microstructures of representative film sections of Comparative Examples 1 and 2 are shown in FIGS. 5 and 6.
상기 비교예에 따른 도 5 및 6의 경우, 막 구조중에 치밀층을 포함함을 알 수 있다.5 and 6 according to the comparative example, it can be seen that including a dense layer in the membrane structure.
따라서, 상기 실시예 및 비교예에서 관찰된 바와 같이 폴리불화비닐리덴계 중공사막 제조시, 친수성 무기물을 첨가하게 되면 막대형 입자 및 구형입자를 가진 중공사막이 형성됨을 알 수 있으며, 막외표면에 이러한 막대형 입자의 형성은 수투과도 측면에서 매우 바람직함을 알 수 있다. 실제 측정된 결과에서, 본 발명의 실시예는 비교에에 비해 저지율 및 인장강도의 심각한 감소없이 수투과도가 뚜렷히 향상되었음을 알 수 있다.Therefore, as observed in the above Examples and Comparative Examples, when the polyvinylidene fluoride-based hollow fiber membrane is prepared, it can be seen that when a hydrophilic inorganic material is added, a hollow fiber membrane having rod-shaped particles and spherical particles is formed. It can be seen that the formation of rod-shaped particles is very preferable in terms of water permeability. From the actual measured results, it can be seen that the embodiment of the present invention has a noticeably improved water permeability without a significant decrease in the blocking rate and the tensile strength compared to the comparison.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 친수성 폴리불화비닐리덴계 다공성 중공사막은 친수성 무기물을 사용함에 따라 배제율(또는 저지율이라고도 함)의 감소없이 막의 수투과 성능을 뚜렷히 향상시킴과 동시에 막대형 입자의 형성으로 기계적 성능의 심각한 감소를 동시에 억제시킴을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 수처리막은 정밀여과 및 한외여과를 포함한 차세대 고효율 분리공정에 적합하다.As described in detail above, the hydrophilic polyvinylidene fluoride-based porous hollow fiber membrane according to the present invention improves the water permeation performance of the membrane without reducing the rejection rate (also referred to as blocking rate) by using a hydrophilic inorganic material and at the same time It can be seen that the formation of particles simultaneously inhibits a significant decrease in mechanical performance. Therefore, the water treatment membrane of the present invention is suitable for the next generation high efficiency separation process including microfiltration and ultrafiltration.
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- 2006-04-13 KR KR1020060033602A patent/KR20070102012A/en not_active Application Discontinuation
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