KR20090091286A - 가습기 멤브레인 - Google Patents

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KR20090091286A
KR20090091286A KR1020097009013A KR20097009013A KR20090091286A KR 20090091286 A KR20090091286 A KR 20090091286A KR 1020097009013 A KR1020097009013 A KR 1020097009013A KR 20097009013 A KR20097009013 A KR 20097009013A KR 20090091286 A KR20090091286 A KR 20090091286A
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에드윈 헨리쿠스 아드리안 스티엔바커스
폴 오세나르
리치 포메이토
폴 사빈
세스 어비스
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리달 솔루테크 비.브이.
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Abstract

패시브 가습기 멤브레인이 제공된다. 가습기 멤브레인은 복수의 기공이 있는 폴리올레핀으로 실질적으로 이루어지고, 복수의 상기 기공의 평균 기공 크기는 PMI 모세관 유동 포로미터로 설정된 0.05μm-0.4μm이다. 가습기 멤브레인은 높은 수분 전달 속도를 제공하는 동안 사실상 기밀(airtight)된다. 열의 전송 또한 높다. 가습기 멤브레인은 유체 사이의 수분 전송과 열 교환에 특히 적절하며 PEMFC와 같은 내부 또는 외부 연료셀 애플리케이션으로 매우 이익이 있다. 멤브레인은 공기 또는 산소를 위한 가습기와 같은 애플리케이션에 특히 이익이 있다.

Description

가습기 멤브레인{HUMIDIFIER MEMBRANE}
본 발명은 수분을 이동시키는 능력을 가진 멤브레인에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 패시브하게 수분을 이동시키는 능력을 가진 멤브레인에 관한 것이다.
기체-그리고 특히 수분- 전달 능력을 가진 기밀(gastight) 멤브레인은 기술 분야에 잘알려져 있다. 그러한 멤브레인은 예를 들어 입력 증기를 가습하기 위한 연료셀에서 사용된다. 그러나, 가습기는 오히려 열 순환, 건조, 및 범람을 포함하는 가혹한 조건을 당할 수도 있고, 기술적 해결은 그러므로 오히려 복잡하거나 및/또는 비용이 소요된다.
가습기 멤브레인은 예를 들어 고체 폴리머 연료셀 안에서 수분을 전달하는 이오노머(ionomer) 멤브레인의 사용을 개시하는 미국 특허 제6,106,964호에 알려져 있다. 사용되는 전형전인 이오노머는 Nafion 117이란 상품명으로 판매되는 퍼플루오로설폰산(perfluorosulfonic acid)이다. 이 그룹의 물질은 수분의 적절한 전달 속도를 제공하지만 이 애플리케이션에 대해 여러가지 심각한 단점을 가진다. 이 물질은 매우 고비용이고, 흡수한 수분에 의한 팽창이 오히려 높다.
연료셀 어플리케이션을 위한 다른 타입의 가습기 멤브레인이 예를 들어 미국 특허 제6,274,259호에 개시된다. 이 가습기 멤브레인은 기공을 적시는 액체 전달 매체와 기공 크기의 범위가 0.1-100μm 사이인 친수성 기공을 가지는 지지 매트릭스를 포함한다. 이 지지 매트릭스는 습윤 처리가 있거나 없는 다공질 상용 플라스틱, 천공 금속, 다공질 금속, 합성 섬유 필터 페이퍼, 유리 섬유, 무기 섬유 열경화성 폴리머, 그래파이트-폴리머(graphite-polymer), 그래파이트의 레이어 또는 그 레이어의 혼합이다. 액체 전달 매체는 수분(water)을 포함하고, 바람직한 액체는 염 수용액, 산 수용액, 및 0℉(-18℃) 이하의 어는점을 가지는 유기 부동-수용액을 포함한다.
지지 매트릭스로 제안된 매우 넓은 분류의 물질에도 불구하고, 이오노머와 폴리머 필름이 높은 비용과 화학적 안정성의 결여 때문에 가습기 멤브레인 어플리케이션에 부적절한 것으로 여겨지는 것이 미국 특허 제6,274,259에 명백하게 기재된다.
다른 타입의 가습기 멤브레인은 미세 다공성 폴리머 내의 유기 친수 첨가물 및 미세 다공성 폴리머가 예를 들어 WO01/67533호에 개시된다. 친수 첨가물은 실리카 또는 알루미나이다.
일본 특허 제9-31226호는 인산과 디프로필렌 글리코디에틸에테르(dipropylene glycodiethyleher)의 전해액으로 체워진 친수성 폴리에틸렌 미세 다공성 필름을 개시한다. 상기 필름은 연료셀을 위한 이온 전도체로 사용된다. 상기 폴리에틸렌은 7x105g/mol의 중량 평균 분자량을 가지고 더 낮은 분자량의 폴리에틸렌을 포함하며 바람직하게 더 높은 값을 가지는 5-30 중량%의 범위까지 아크릴 모노머로 그래프트되어 중합된다. 그래프트는 전자 방사선과 상당량의 방사선을 사용하여 실현되고 폴리머의 백본에의 손상은 그러므로 예견된다. 상기 문서는 가습기 멤브레인을 언급하지 않는다.
그러므로, 내구성 있고 입수 가능하며, 적절한 수분 전달 속도를 제공하는 가습기 멤브레인이 필요하다.
개선된 가습기 멤브레인을 공급하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명의 다른 목적은 개선된 가습기 멤브레인의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 개선된 가습기 멤브레인의 편리한 사용을 제공하는 것이다.
하나 이상의 본 발명의 상기 및 다른 목적은 복수의 기공을 가진 미세 다공성 웹을 형성하는 폴리올레핀 피브릴로 실질적으로 이루어진 가습기 멤브레인에 의해 실현된다. 평균 기공 크기는 PMI 모세관 유동 포로미터(capillary flow porometer)에 의해 설정된 약 0.05μm ~ 0.4μm이고 가습기 멤브레인은 피브릴의 표면에 배치된 친수성 표면을 가진다. 그러므로 친수성 표면은 가습기 멤브레인의 외면과 기공의 내면 모두에 배치된다. 상기 가습기 멤브레인은 50% 상대 습도(RH)에서 약 300s/50ml 이상의 걸리수(Gurley Number)를 가지지만, 특히, 상기 멤브레인이 포화상태일 때(이하의 논의를 보라), 멤브레인은 더 높은 습도에서 사실상 기체에 투과가능성이 없다.
실질적으로 폴리올레핀 피브릴을 포함하는 것에 의해 당업자는 건조 멤브레인의 75중량% 이상에서와 같이 거의 모든 건조 멤브레인이 폴리올레핀이라는 것을 알 수 있다. 대부분의 케이스에서, 본 발명에 따른 건조 멤브레인의 90중량% 이상이 폴리올레핀이다. 멤브레인이 친수성 모노머 또는 폴리머로 그래프팅(grafting)에 의해 친수성을 가지게 되면, 이 친수성 모노머 또는 폴리머는 폴리올레핀 중량%의 계산에서 무시되어야 한다. 그래프트에 의한 친수화가 사용되면, 보통 10-30중량% 친수성 모노머 또는 폴리머가 친수화동안 폴리올레핀으로 그래프트된다. 바람직한 폴리올레핀은 폴리에틸렌(특히 UHMWPE이 매우 강한 멤브레인을 허용하는 바와 같은 초고 분자량 폴리에틸렌)과 폴리프로필렌(특히, i-PP가 폴리에틸렌과 유사한 분자 배열을 허용하는 바와 같은 이소택틱(isotactic) 폴리프로필렌)이다.
가습기 멤브레인을 통한 수분의 전달 속도는 가습기 멤브레인의 제 1면 상의 100%의 상대 습도를 가지는 제 1 기체로부터 수분의 패시브 전송을 위한 가습기 멤브레인의 제 2면에서 50%의 상대 습도를 가지는 제 2 기체까지 70℃에서 약 400(g*mm)/(m2*day)이상이다. 이 파라미터는 합성 멤브레인, 순수 이오노머 멤브레인, 및 기존의 멤브레인과 같은, 보다 적절하게 비교되는 다양한 멤브레인 타입에 포함되는 것을 알 수 있듯이, 수분의 전달 속도의 단위는 멤브레인의 두께와 결합하는 것을 알아야 한다. 가습기 멤브레인을 통과하는 수분의 전달 속도는 70℃에서 약 450~600(g*mm)/(m2*day)와 같이, 70℃에서 약 450(g*mm)/(m2*day)이상인 것이 상당히 바람직하다.
마지막으로, 본 발명에 따른 멤브레인은 수분의 패시브 전송을 허용한다는 것을 알아야 한다. 패시브 멤브레인에 의한 패시브 수분 전달은 멤브레인의 양면 상의 조건에 의해 제어되는 것을 의미하고 전원 또는 전체 압력 차와 같은 외부의 동력 원이 전송 발생을 위해 필요하지 않다. 멤브레인이 수분의 패시브 전송의 요구되는 값에 의해 특성화되더라도, 멤브레인은 멤브레인의 제 1면과 멤브레인의 제 2 면 사이의 전체 압력 차이로 이용될 수 있다. 그러한 케이스에서, 전체 압력 차로부터의 기여(플러스 또는 마이너스)는 수분의 전달에 일반적으로 추가적인 패시브 기여이다.
멤브레인은 일반적으로 사용 중 기밀 멤브레인을 통한 가스의 전달이 적어도 강하게 제한된다. 걸리수에 관한 부분 내의 논의 또한 참조하라.
걸리수와 수분 전달 속도와 같은 멤브레인 특성은 성분에 의한 것보다 특성에 의해 본 발명을 정의하는 데 필요한 주요 이유인, 예를 들어 기공 크기, 구조체, 위상 분포, 분자 형상 및 길이의 차이 때문에 주어진 화학적 폴리머 성분에 대해 상당히 변화시킨다.
놀랍게도, 자세한 화학 성분에 상관 없이 우수 멤브레인에 전술된 세트의 특성이 제공된다.
본 발명의 다른 측면은 본 발명에 따른 가습기 멤브레인 제조 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 미세 다공성 웹이 친수화 이전에 복수의 기공을 가지는, 폴리올레핀 피브릴의 미세 다공성 웹을 제공하는 단계를 포함한다. 친수화 이전에 미세 다공성 웹의 다공도(porosity)는 많은 양의 기공과 오히려 강한 결과의 가습기 멤브레인을 허용하도록 바람직하게 약 50~85%이다. 친수화에 앞서 평균 기공 크기는 PMI 모세관 유동 포로미터에 의해 설정된 0.1μm~0.5 μm이다. 그 다음, 친수성 모노머가 폴리올레핀 피브릴의 미세 다공성 웹의 표면의 적어도 일부가 친수성이될 때 폴리올레핀 피브릴의 미세 다공성 웹의 표면에 그래프트되고 결과 가습기 멤브레인이 형성된다. 친수성으로 만들어진 미세 다공성 웹의 표면은 바람직하게 미세 다고성 웹의 적어도 내부 부분, 즉, 기공을 형성하는 피브릴 표면의 적어도 일부이고 미세 다공성 웹의 외면 부분에 전적으로 있는 것은 아니다. 비교적 균일한 피브릴의 습윤에 대한 허용과 같은 처리에 의해 실질적으로 전체 내면이 친수성으로 만들어지므로 가습기 멤브레인의 개선된 성능을 이끄는 것이 고도로 이롭다는 것이 밝혀졌다.
본래 친수성인 폴리머 활용 또는 코로나 처리를 사용하는 것과 같이, 친수성 멤브레인을 제공하는 다른 방법이 존재한다.
또한, 기공에서 기공으로 수분을 더 잘 전달하는 것을 허용하는 것과 같이 미세 다공성 웹의 외면을 친수성으로 만드는 것 또한 매우 이익이 있다는 것이 밝혀졌다.
그래프트 프로세스는 결과 가습기 멤브레인의 평균 기공 크기가 PMI 모세관 유동 포로미터에 의해 설정된 0.05μm~0.4μm가 되도록 감소시키는 것이 바람직하다. 상기 평균 기공 크기의 범위는 다공질 웹의 매우 철저한 친수성을 허용하고 그러므로 물질의 성능을 개선하므로 특히 이익이 있다.
친수성 모노머는 여럿 가운데 수산기 그룹 및/또는 산 그룹을 포함하는 모노머와 같이, 하나 이상의 폴라 그룹을 가진 하나 이상의 모노머가 될 수 있다. 그러한 친수성 모노머는 당업자에게 잘 알려져 있다. 실험 작업은 특히 아크릴산 족의 친수성 화학 제품이, 피브릴 특히 폴리에틸렌 피브릴에 용이하게 그래프트되므로 상당히 유리하다는 것을 보여준다. 또한, 아크릴산 족의 친수성 화학 제품은 기공으로 비교적 용이하게 전달하므로 그에 의해 미세 다공성 멤브레인의 내부와 가습기 멤브레인의 외면 모두의 피브릴 표면에 매우 균일한 친수 특성을 허용한다. 아크릴산 족의 친수성 화학제품의 바람직한 실시예는 아크릴산, 벤질-아크릴산, 비닐-아크릴 산, 로릴-아크릴산, 스티어릴-아크릴산, 메타크릴산, 및 아크릴아미드와 이들 산의 유도체이다.
아크릴 산 족의 친수성 화학 제품은 옵션으로 아크릴 산 족으로 잘 알려진 여러 추가 치환을 가질 수 있다. 다른 적절한 모노머는 비닐 피리딘, N-비닐아미드, 비닐 알코올, 비닐 에스테르, 비니리딘 클로라이드 및 유도체과 같은 비닐 유도체이고, 적절한 모노머의 또 다른 그룹은 소디움-스티렌-설포닉 산과 같은 유도체 및 스티렌이다.
그래프트 프로세스는 바람직하게 친수성 모노머와 수용액의 준비를 포함한다. 그 후 폴리올레핀 피브릴의 미세 다공성 웹은 구조체를 완전히 적시도록 용액 안으로 잠긴다. 아크릴 산 모노머를 포함하는 특정 용액이 폴리에틸렌 피브릴의 미세 다공성 웹의 습윤 기공에 적당하다는 것이 발견되었다.
그 다음, 폴리올레핀 피브릴의 습윤 미세 다공성 웹은 폴리올레핀 피브릴과 친수성 모노머 사이에 그래프트 반응을 활성화하는 이온화 방사선에 노출된다. 웹에 과도한 방사선 손상을 입히지 않고 폴리올레핀 피브릴의 적절한 활성화를 제공하는 UV 방사선과 같이 특정 UV 방사선이 적합하다는 것이 발견되었다. 미세 다공성 웹이 일반적으로 10~50μm의 두께이므로, UV 방사선은 웹의 전체 두께를 통과하고 폴리올레핀에 상당히 균일한, 즉 외면과 함께 내면 모두에 활성화를 제공한다.
그래프트 반응이 종료된 다음, 수분과 남은 비 그래프트된 화학 제품이 웹으로부터 세척되고, 멤브레인이 건조된다.
본 발명에 따른 가습기 멤브레인의 다른 제조 방법은 폴리올레핀 피브릴의 미세 다공성 웹의 표면의 적어도 일부를 친수성 있도록 하는 코로나 또는 플라즈마 처리에 의한 폴리올레핀 피브릴의 미세 다공성 웹의 변형을 포함한다. 그러한 친수화 방법은 이온화 소스에 제일 가까운 멤브레인 표면의 또는 근처에서 더 높은 농도를 가진 친수성 그룹의 균일하지 않은 확산을 가져오게 된다 그러므로 이온화 UV 방사선은 피브릴 표면과 친수성 그룹의 화학적 반응을 활성화하므로 전술된 화학적 처리를 활용하는 것이 바람직하다.
본 발명은 도면과 함께 예시되는 실시예를 참조하여 아래에서 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 가습기 멤브레인의 단면적의 기본 개요를 도시한다.
모든 도면은 매우 개략적이고 측정할 필요가 없으며, 본 발명을 명료하게 하기 위해 필요한 부분만 도시하며, 다른 부분은 생략되거나 단지 제시된 것이다.
약어
명시적으로 밝히지 않으면, 다음 약어들이 본 명세서의 전체에서 사용된다.
PE: 폴리에틸렌(Polyethylene).
MW: 중량-평균 분자량(Weight-average molecular weight).
UHMWPE: 초고(중량-평균)분자량 폴리에틸렌(Ultra high (weight-average) molecular weight polyethylene). 이것은 500,000-10,000,000g/mol의 MW에 상당함.
PEMFC: 프로톤 교환 멤브레인 연료셀(Proton exchange membrane fuel cell)
RH: 상대 습도(Relative humidity)
기공 크기 측정
본 발명에 따른 가습기 멤브레인의 제조 동안, 멤브레인은 스트레치(stretch)된다. 그러므로, 상기 폴리머는 가습기 멤브레인의 표면에 평행하며 높게 지향된다. 이것은 파이프형상과 거리가 먼 기공의 형상으로 구조체가 실질적으로 레이어드 되도록 한다. 평균 기공 크기는 그러므로 아래 설명되는 바와 같이 기공 크기 측정에 의해 실현되는 기공 지름 값으로 정의되고, 이 값은 예를 들어 현미경으로 관찰될 수 있는 것과 동일할 필요가 없다는 것을 알 수 있다. 측정된 평균 기공 크기는 실질적으로 동일한 구조체를 가지는 유사하게 측정된 멤브레인의 평균 기공 크기와 비교되는 기공 크기에 대한 값을 오히려 나타낸다. (평균) 기공 크기와 (평균) 기공 지름의 참조는 여기서 그러므로 다음 방법에 의해 얻어지는 값과 비례한다.
가습기 멤브레인의 기공 크기는 PMI(Porous Materials Inc., 미국), 모세관 유동 포로미터(Capillary Flow Porometer), CFP-1500-AG에 의해 측정된다. 모든 측정을 위해 Fluor Inert(FC-40)가 측정 전에 샘플을 적시도록 습윤제로 사용되었다.
걸리수(Gurley number)(ASTM D727-94)
걸리수는 멤브레인을 통한 공기의 투과성을 나타낸다. 본 발명과 관련하여 측정되는 걸리수는 0.088 공기압, 50% 상대습도, 및 실내온도(23℃)에서 6.554cm2(1 inch2)의 멤브레인을 통해 50ml의 공기가 투과하는데 걸리는 시간이다. 상기 측정은 표준 걸리 덴소미터(densometer, Gurley Precision Instruments, Inc., Troy NY, 미국)에서 수행된다. ASTM D727-94에 상응하는 이 측정은 사용 중 걸리수에 반대되는 표준 걸리수로도 일컬어지고, 여기서 동일한 측정으로 일컬어지지만 실제 사용(그리고 이전에 표준 조건으로 언급되지 않음)의 온도와 습도에서 실행된다.
일반적으로 얘기하면, 10.000s/50ml 이상의 걸리수는 멤브레인이 완전하게 기밀하다는 것을 나타낸다. 본 발명에 따른 멤브레인은 적어도 300s/50ml의 표준 걸리수를 가지고 표준치는 상대습도 50%와 23℃에서 약 500-800s/50ml 이다. 그러나, 표준 걸리수가 1000 이하라는 사실이 멤브레인이 실제 적용하는 동안 기밀하지 않다는 것을 나타내는 데 필요하지는 않다는 것을 알 수 있다. 본 발명에 따른 멤브레인은 친수성 내면과 외면을 가지고 있으므로 수증기가 기공에 끌리고 실제로 내면과 외면을 적시게 된다. 피브릴 웹의 기공의 작은 크기 때문에, 기공의 내면과 외면에 부착된 수분은 액체수의 영향 하에 또는 높은 상대 습도에서 기공의 유효 크기의 적어도 상당한 감소 또는 저지를 가져오고, 이것은 다시 멤브레인의 사용 동안 걸리수를 증가시킨다(도 1에 대한 논의도 참조하라). 특히, 본 발명에 따른 가습기 멤브레인은 일반적으로 50% 이상의 높은 상대 습도(일반적으로 약 100%의 상대 습도 또는 수분을 포함하는 액체)에 노출되는 멤브레인의 측면 중 하나로 사용되고, 멤브레인은 그러므로 표준 걸리수가 나타내는 것보다 멤브레인을 통한 기체 전달을 실제로 더 크게 저지한다는 것을 알아야 한다.
다시 말해, 본 발명에 따른 가습기 멤브레인은 바람직하게 사용중 걸리수를 가지고, 이것은 멤브레인이 노출되는 유체의 습도로 변화한다. 특히, 사용중 걸리수는 상대 습도가 증가하는 바에 따라 증가한다(즉, 기체로의 멤브레인의 투과성의 감소를 나타냄). 특히, 23℃, RH 50% 에서 약 300-9000s/50ml 사이의 멤브레인의 표준 걸리수를 가지는 것은, 이것이멤브레인을 사용하는 동안 액체수(水) 또는 약 100% RH의 기체에 의해 저지되고 멤브레인 안에서 액상으로 너무 긴 전달 경로는 제공하지 않도록 하는 경향이 있으므로 유익하다는 것을 알 수 있다.
멤브레인의 분리 면 상의 유체가 직접적으로 혼합하지 않도록, 가습기 멤브레인이 사용중 23℃, 100% RH, 또는 사용중 조건에서 약 10000s/50ml 이상의 걸리수를 가지는 갓이 바람직하다. 다시말해, 멤브레인은 본 실시예에서 기체에 완전히 불투과하고 수분은 기공에 배치되는 액체수 상태를 경유하여 멤브레인을 통해서만 이동된다. 멤브레인의 포화를 포함하는 특정 관련 실시예는 멤브레인이 직접적으로 액체수 또는 액체 수용액에 접촉하는 경우와, 멤부레인이 흡수할 수 있는 만큼의 수분을 입수하였을 때이다.
젖은 멤브레인에 대하여 사용하는 동안 낮은 걸리수를 가지는 것은, 멤브레 인이 사용하는 동안 거의 기밀하기 때문에 분명히 이익이 되지 않는다. 그러나, 놀랍게도, 멤브레인의 각 측면 상에 수증기압 사이에 충분한 차이가 있는 경우, 전술한 바와 같은 습식 환경 하에서 측정된 사용중 걸리수는 10.000s/50ml 보다 높으므로 사용시 가습기 멤브레인의 최고의 성능을 발현한다. 이것에 기초하여, 최적 위치가 가습기 멤브레인이 비교적 열린 구조체를 가지는 경우가 이론화될 수 있고, 이것은 멤브레인이 기밀되도록 수분 흡수에 기인하여 사용중 기밀만 된다. 멤브레인의 습윤면에서 멤브레인의 건조면으로 수분의 전달은 멤브레인의 각각의 측면에서 유체의 수분 함량 차이에 기인한 확산에 의해 좌우된다. 수분의 전달은 기체 상태 확산에 의해, 액체 상태 확산에 의해, 또는 가장 유사하게 가스 상태 확산과 액체 상태 확산의 조합에 의해 일어난다.
걸리수의 다른 측면은 가습기 멤브레인의 건조 또는 범람의 위험이다. 이것은 일반적으로 개시 조건 동안, 종료 조건 동안, 또는 작용 조건의 변화를 가지는 애플리케이션에서 일어난다. 공기 투과성이 멤브레인의 각각의 측면상의 가변 상대 습도에 의해 변화하더라도, 공기 투과성의 변화는 완전 가역이고, 본 발명에 따른 가습기 멤브레인은 건조로부터도 범람으로부터도 임의의 항구적인 손상을 입지 않는다. 시스템은 그러므로 표준 동작 조건 하에서 다목적이고 내구성이 있으며 내구성 측면에서 현재의 대안을 능가한다.
걸리수는 예를 들어 습기와 함께 기공 크기, 구조, 상태의 분포, 분자 형태 및 길이에 있어서의 차이 때문에 주어진 폴리머 멤브레인 조성물에 대하여 상당히 변화하는 것을 알 수 있다. 그러므로 걸리수는 멤브레인의 화학적 구성 보다 멤브 레인의 성능과 특성의 보다 의미 있는 설명을 제공한다.
수증기 전달 속도의 측정(ASTM E96B)
수증기 전달 속도는 ASTM E96B에 따라 측정된다. 측정은 70℃에서 테스트될 가습기 멤브레인과 함께 수분(즉, 70℃에서 100% 상대 습도)으로 비이커를 실링하고 상기 멤브레인하 이상 70℃에서 50% 상대 습도를 가진 분위기를 제공하는 것으로 수행된다. 측정된 수분의 전달은 그러므로 완전히 패시브이고 시간에 거쳐 비이커 내의 물의 중량의 손실로 측정된다.
도 1의 가습기 멤브레인(2)은 도 1A에 도시된 폴리올레핀 피브릴(10)의 웹을 포함한다. 이 웹은 보강 구조체로도 일컬어진다. 폴리올레핀 웹의 일반적인 제조 방법은 기술 분야에 알려져 있고, 여기서는 바람직하게, 압출, 스트레칭은 일반적으로 양 기기에서 약 2-15 그리고 가로 방향이고, 그것에 의해 고도로 정렬되어 피브릴의 레이어드된 구초체가 형성된다. 캐스팅 기술(스트레칭에 이어서)이 멤브레인의 형성을 위해 사용되지만, 이것은 바람직한 실시예는 아니다. 피브릴은 각각의 피브릴(10) 사이에 복수의 기공(4)으로 미세 다공성 네트워크를 형성한다.
그 다음 웹은 그래프트된 모노머가 피브릴에서 기공 안으로 포인트되도록 친수성 모노머로 그래프트되고 그에 의해 기공(4)의 오픈 영역을 감소시키고 기공 내에 친수성 표면(6)을 형성한다. 이것은 도 1A의 확장된 부분을 나타내는 도 1B에 도시된다. 그래프트된 친수성 모노머는 기공(4) 내부의 레이어(6)로 도 1B에서 보여진다. 그래프트된 친수성 모노머는 피브릴(도 1B에 도시된 바와 같이)의 전체 표면을 덮는 레이어를 형성할 필요가 없지만 그래프트된 친수성 모노머는 작은 아일 랜드 또는 보다 고르게 펼쳐진 패턴의 분자 도트(미도시) 또한 형성한다는 것을 알 수 있다. 멤브레인의 외면은 일반적으로 그래프팅 반응에 의해 일반적으로 친수성도 만들어진다.
사용 동안, 그래프트된 폴리올레핀은 수증기 또는 액체수를 받기 쉽고, 수분은 흡수되고 친수성 표면(6)에서 액체수(8)로 응축되어 기공(4)의 기공 크기를 더욱 감소시키고 기공이 가장 좁은 통로에서 액체수에 의해 저지되는 가능한 확장에 의해 기밀 멤브레인을 형성한다. 도 1C 에서 완전치 닫힌 기공(상면 오른쪽 기공, 상면 왼쪽 기공, 바닥 오른쪽 기공)과 부분적으로 막힌 기공(중앙 기공, 가운데 오른쪽 기공, 및 바닥 왼쪽 기공)이 도시된다. 도 1은 멤브레인의 일 단면의 개요만을 나타내고 기공의 유사한 막힘을 가진 단면의 큰 수는 멤브레인을 통한 오픈 경로가 없거나 실질적으로 없는 멤브레인으로 이끄는 멤브레인 안에 있다는 것을 알 수 있다.
다음 단락은 본 발명의 여러 바람직한 실시예가 개시된다.
대부분의 애플리케이션에 관해서 수분의 전달 속도는 약 10.000이상이고, 바람직하게 14,000-20.000g/m2*day, 또는 약 400-600(g*mm)/(m2*day) 사이이거나, 그 이상이고, 한계는 수분 전달 속도와 수분 흡수 속도 사이의 균형에 의해 결정된다. 그러므로 멤브레인의 용인되는 두께는 멤브레인의 특정 전달 속도 두께에 좌우된다. 멤브레인 두께의 일반적으로 용인되는 값은 10-50μm의 순서이다. 폴리올레핀 백본의 높은 강도 때문에 비교적 얇은 멤브레인은 예를 들어 순수 이오노머에 비교 되는 바와같이 실행가능하다. 그러므로 유사하게 높은 수분의 전달 속도는 본 발명에 따른 멤브레인에 대하여 실현된다.
가습기 멤브레인의 폴리올레핀은 바람직하게 폴리에틸렌이다. 특히, 높은 함량의 UHMWPE(ultra high molecular weight polyethylene)는 UHMWPE가 압출 후 매우 강하고 입수 가능하며 화학적으로 기계적으로 안정적인(예를 들어, 열 순환과 팽창 동작에 관해) 멤브레인을 형성하도록 스트레치되어 처리되므로 이익이 있다는 것을 발견하였다. 실험 작업은 양호한 멤브레인이 75 중량% 이상의 UHMWPE를 포함하는 폴리올레핀에 대해 얻어지지만 90 중량% 이상의 UHMWPE를 사용하는 것이 유리하다는 것을 보여주었다.
특히 유리한 실시예에서, 폴리올레핀은 중량 평균 분자량이 약 500,000-10,000,000g/mol을 가지는 충분한 UHMWPE로 이루어진다. 상한은 용이하게 처리하기에는 물질이 너무 딱딱해지는 근접 한계에 상응하지만 하한은 멤브레인의 필수(더 낮은)긴장 강도에 상응한다.
멤브레인의 폴리올레핀 부분은 합성 멤브레인의 용어에서 보강 부분으로도 일컬어진다. 폴리올레핀 부분은 폴리올레핀(예를 들어, UHMWPE)의 일종, 또는 UHMWPU와 고밀도 PE 또는 다른 폴리올레핀의 혼합과 같은 수개의 폴리올레핀의 혼합으로 이루어진다. 본 케이스에서, 강화 부분 이외의 멤브레인의 다른 부분은 예를 들어 부가(점도, 가요성, 또는 표면 긴장 변경자) 코팅, 필터 또는 비-폴리올레핀 폴리머이다.
매우 유리한 실시예에서, 멤브레인은 수분을 제외한 프로톤 전도체를 포함하 지 않는다. 그러므로 본 실시예에 제시되지 않는 프로톤 전도체의 종류는 예를 들어, 판매되는 퍼플루오로설폰산과 같은 폴리머릭 이오노머 또는 제품명 나피온 117인 비-폴리올레핀 폴리머와 같은 이오노머이다. 이오노머가 합성 가습기 멤브레인에서 매우 비용이 많이 소요되는 구성요소이므로, 본 실시예는 비용을 감소시키고 복잡성을 감소시키므로 실질적인 이익을 보여준다. 특히, 본 발명에 따른 멤브레인은 비용이 많이 나가는 이오노머 멤브레인 없는 순수 이오노머 멤브레인과 거의 같은 두께 특정 수분 전달 속도를 제공한다.
가습기 멤브레인의 다공도는 가습기 멤브레인의 밀도와 멤브레인의 폴리올레핀 부분과 동일한 구성을 가진 고밀도 폴리올레핀의 밀도 사이의 비율에 기초한다.
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이것은 코로나에 의한 친수화 처리된 멤브레인(코로나 처리가 멤브레인의 밀도에 매우 제한된 효과를 가지므로)과 함께 그래프팅에 의한 친수화(멤브레인에 그래프트되는 모노머 또는 폴리머의 밀도가 유사한 밀도를 가지므로)에 기초한 가습기 멤브레인에 대한 다공도에 대하여 적당히 추정이 되는 것이 발견되었다. 매우 바람직한 실시예에서, 가습기 멤브레인은 매우 높은 다공도를 가진다. 본 발명에 따른 매우 양호한 가습기 멤브레인은 0% 상대습도에서 약 50-85%의 다공도를 가진다. 최적 다공도는 멤브레인의 강도(그러므로 구성)와 높은 다공도를 가지는 것 사 이의 균형이다. 상대습도 0%에서 70-85%의 다공도를 가진 가습기 멤브레인이 대부분의 물질에 대하여 10-50μm의 바람직한 두께 범위에 대하여 충분한 강도를 제공하므로 특히 유리하다는 것이 발견되었다. 특히 UHMWPE 또는 높은 파편의 UHMWPE의 멤브레인에 대하여, 70-85% 범위의 다공도가 매우 유리한 가습기 멤브레인을 가져온다.
매우 바람직한 실시예에서, 가습기 멤브레인의 친수 표면은 폴리올레핀 상의친수성 그룹을 포함하는 모노머를 그래프팅하는 것에 의해 얻어진다. 이것은 친수성의 강도와 분배에 대하여 제어되는 친수성를 제공한다. 또한, 폴리올레핀 상의 친수성 그룹을 포함하는 모노머를 그래프팅하는 것은 UV 방사로 개시될 때 폴리머 친수성을 만드는 비교적 효과적인 방법이다.
실험은 본 발명에 따른 특히 유리한 가습기 멤브레인이 친수성 표면이 아크릴산족의 친수성 화합물을 포함하는 것을 보여준다. 아크릴산은 폴리올레핀으로 코폴리머를 형성하지만 아크릴산이 폴리올레핀 상에 그래프트된 모노머로 폴리올레핀에 화학적으로 결합될 때 특히 유리하다는 것이 발견되었다.
바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 가습기 멤브레인은 약 1-15 중량%의 폴리올래핀 상에 그래프트된 친수성 화학물질을 포함한다. 실험은 특히 폴리올레핀 상에 그래프트된 약 2-10 중량%의 친수성 화합물이 멤브레인이 기공 크기의 제한된 감소로 친수화되는 것을 허용하고 그에 의해 그래프팅 후 실제 기공 크기의 제어를 개선하므로 유리하다는 것을 보여준다.
아크릴산과 UHMWPE의 화합물은 이 화합물이 매우 뛰어난 치수 안정성과 강도 를 제공하므로 특히 유리한 가습기 멤브레인을 제공하였다. 또한, 상기 화합물은 멤브레인을 통한 높은 수분 전달 속도를 가진 입수 가능한 멤브레인을 제공하였다.
가습기 멤브레인이 복수의 기공을 가진 폴리올레핀 백본의 친수화로 만들어지는 경우, 기공은 최종 멤브레인의 필요한 기공 크기보다 친수화 이전에 폴리올레핀 백본 안에서 더 크게 된다는 것이 발견되었다. 이것은 특히 멤브레인 또는 폴리올레핀 백본이 친수성 화합물로 그래프팅되는 것에 의해 친수화되면 특히 중요하다. 보다 특히, 친수화 이전에 복수의 기공의 평균 기공 크기는 유리하게 PMI 모세관 유동 포로미터에 의해 설정된 0.1μm-0.5μm가 된다.
가습기 멤브레인의 표면은 또한 기공 내에 존재하는 기체 종류(예를 들어 N2,O2,CO2) 또는 이온화 방사 처리 이전 또는 다음에 도입되는 특정 반응 종과의 반응 다음의 이온화 방사에 의하여 친수화된다. 특히, 코로나 처리와 플라즈마 처리는 프로세싱이 비교적 빠르고 전술된 바와 같은 그래프팅에 의한 친수화와 비교하여 간단한 멤브레인의 이 종류의 친수화에 대해 유리하다.
본 발명에 따른 가습기 멤브레인은 상당히 적절하고 가습기 멤브레인의 제1면에 노출된 제 1유체와 가습기 멤브레인의 제 2면에 노출된 제 2 유체의 직접적인 혼합을 방지하는데 사용되는 데 유리하고, 동시에 제 1 유체에서 제 2 유체로 수분만 전달한다. 유체는 멤브레인의 일면 또는 양면 상의 가스, 액체, 또는 가스와 액체의 홉합물이다. 그러나, 본 발명에 따른 가습기 멤브레인은 유체가 기밀되는 능력이 이용되는 본 발명의 전체 가능성을 허용하므로 기체일 경우 특히 유리하다. 다른 유리한 애플리케이션에서, 제 1 유체(예를 들어 높은 p(H2O) 유체)는 액체이고 제 2 유체는 기체이다. 액체는 순수(pure water), 수용액, 또는 현탁액(염류 또는 유기물 또는 비유기물질을 포함하는 수용액 또는 다상 액체 시스템과 같은)이다.
이러한 관계에 있어서, '직접 혼합 방지'는 유체가 수분 성분이 물의 높은 부분 압력을 가진 유체에서 물의 낮은 부분 압력을 가진 유체로 유체 사이에서 이동할 수 있는 직접 접촉하지 않는 다는 점에서 이해될 수 있다. 특히, 멤브레인은 본 발명에 따른 멤브레인을 통해 직접적인 혼합으로부터 기체 유체의 산소와 질소 분류를 방지한다.
본 발명의 유리한 실시예에서, 멤브레인을 통해 제 1 유체에서 제 2 유체로 수분의 전달은 멤브레인의 양측 상의 조건에 의해 좌우되고, 외부 파워원은 전달 발생에 요구되지 않는다. 그러므로 구동력은 유체 사이에 H2O의 부분압력 차 이다. 예를 들어 물은 제 1 유체에서 제 2 유체로 가습기 멤브레인을 통해 패시브하게 전달되면, 제 1 유체 내의 물의 부분압력은 제 2 유체 내의 수분의 부분압보다 더 높아야 한다. 부분압력의 차이는 온도, 유체의 전체 압력, 유체의 하나 이상의 수분(액체/수증기) 파편에서의 차이에 기초한다. 동일한 온도와 전체 압력을 가진 유체 사이에서, 수분은 그러므로 비교적 습윤한 유체에서 비교적 건조한 유체로 최종적으로 전달될 것이다.
멤브레인 두께는 유체 사이에서 수분(액체 및 기체 상태 모두에서)의 확산 거리를 감소시키도록 낮춰지고 가습기 멤브레인을 통한 수분의 전달 속도는 증가하 다. 약 10-50μm의 멤브레인의 두께는 충분히 높은 멤브레인 강도(특히 UHMWPE 멤브레인에 대해 성장됨)와 멤브레인을 통해 수분 전달에 충분히 낮은 저항을 가지는 것 사이에서 적절한 타협을 허용하므로 대부분의 애플리케이션에 대해 적절하다는 것이 발견되었다. 이 낮은 두께를 가지는 중요한 부작용은 멤브레인이 제 1 유체와 제 2 유체 사이에서 열을 전달하기에 아주 적절하다는 것이다. 열 전달은 사용 동안 기공의 일부 이상에 액체수가 존재한다는 사실에 의해 증가된다. 본 발명에 따른 멤브레인은 그러므로 수분만 두 유체 사이에서 전달될 필요가 있는게 아니라 열도 멤브레인의 제 1면 상의 비교적 따뜻한 유체에서 멤브레인의 제 2면의 비교적 차가운 측으로 전달되어야 하거나 그 반대일 경우 특히 유리하다.
열 전달 효과는 가습기 멤브레인이 엔탈피 교환 에어컨 시스템에서 기체의 가습 또는 건조를 위해 사용되거나 엔탈피 교환 벤틸레이션 시스템에서 기체의 가습 또는 건조를 위해 사용되는 경우 유리하게 이용될 수 있다. 예를 들어, 가습기는 에어컨 시스템이나 벤틸레이션 시스템에서 실내로 도입되는 공기로 제 1 메인 면 상에 접촉되거나, 액체수 컨테이너로-직접적으로 액체수로 또는 액체수 위의 포위 중 하나- 가습기의 제 2 메인 면 상에 접촉된다. 수분의 온도를 조절하는 것에 의해, 가습기 사이에서 수분의 전달 속도는 미세하게 조정되고 특히 도입되는 공기에 습기 성분 고정을 실현는 것이 가능하다. 습도의 제어는 벤틸레이션 및 에어컨 기술과 시스템에서 중요 이슈이고, 본 발명에 따른 가습기 멤브레인은 그러므로 본 발명에 따른 가습기 멤브레인을 포함하는 완전한 엔탈피 교환 에어컨 또는 엔탈피 교환 벤틸레이션 시스템의 실질적인 부분을 형성하고 전체 시스템의 효율을 증가시 키게 된다.
본 발명에 따른 가습기 멤브레인은 연료셀 내의 패시브 가습기로 사용에 특히 유리하다. 결합된 수분의 높은 전달 속도와 함께 높은 강도와 멤브레인을 통한 열 때문에, 가습기 멤브레인은 연료셀에 집적되거나 가습기 멤브레인은 연료셀 바깥에 분리된 구성요소로 제공된다. 가습기 멤브레인은 낮은 온도의 연료셀와 접속하는 사용에 특히 유리하고, 건조와 범람에 대한 높은 허용량 때문에 특히 PEMFC에서의 사용에 유리하다. 습도의 제어는 연료셀 기술과 연료셀 시스템에서 중요 이슈이고, 본 발명에 따른 가습기 멤브레인은 그러므로 본 발명에 따른 가습기 멤브레인을 포함하는 완전한 연료셀 시스템의 실질적인 부분을 형성하고 전체 연료셀 시스템의 효율과 내구성을 증가시키게 된다.
본 발명에 따른 멤브레인의 유리한 애플리케이션은 공기 또는 산소에 대한 가습기를 위한 기기다. 그러한 기기는 이 조건 하의 공기는 일반적으로 점액을 분비하는 멤브레인에 대하여 매우 가혹하여 불편함 또는 출혈까지 일으키는 비교적 낮은 습도를 가지므로, 예를 들어 저압 산소 트레이닝 동안 운동선수를 위해 유리하게 사용된다. 이것은 유사하게 용기 내의 공기 또는 기체 혼합물이 예를 들어 높은 산의 등산, 응급 처치 기기(소화작업과 같은), 항공 우주 기기, 및 스쿠버 다이빙동안 필요한 경우의 케이스이다. 특히 바람직한 실시예에서, 가습기 기구는 이동 가능하다. 본 발명에 따른 가습기 멤브레인이 매우 가볍고, 파워원과 같은 복잡한 지원 장치를 필요로 하지 않으므로, 본 발명은 그러한 기기에 특히 적절하다.
본 발명에 따른 멤브레인의 다른 유리한 사용은 초순수(ultrapure water)의 조제를 위한 것이다. 이러한 사용에서, 멤브레인의 제 1 면은 초순수가 아닌 액체 수분(제 1 유체)에 접촉한다. 제 1 면으로부터 수분은 멤브레인을 통해 패시브하게 전달되고 멤브레인의 제 2 면에 수증기(제 2 유체)로 방출된다. 콘덴서 멤브레인에 이 수증기를 향하게 함으로써, 매우 순수한 수분이 종래의 수분 증류보다 상당히 낮은 에너지 소비로 실현된다.
유사한 원칙이 탈염을 위해 이용된다. 여기서, 액체 염수는 본 발명에 따른 제 1 면에 접촉하도록 배치되고 멤브레인을 통해 패시브 전송에 의해 순수 수분-수증기-이 멤브레인의 제 2 면에 방출되고 응축에 의해 회복된다. 이 방법은 필터 방법이 아니라는 것을 알 수 있다. 염은 특히 비-연속 프로세스가 사용되는 경우 특히 멤브레인 내부에 일부 넓이로 피착된다. 그러한 염은 염 내에 치투되지 않은 물 안에서 멤브레인을 세척하는 것에 의해 제거된다.
본 발명에 따른 멤브레인의 다른 유리한 사용은 유체에서 수분의 제거를 위한 것이다. 이 사용에서, 멤브레인의 제 1 면은 제거되는 수분을 가지는 유체(제 1 유체)와 접촉하고 수증기가 방출되는 멤브레인의 제 2 면은 주변 환경(제 2 유체)(수분의 수집이 요구되지 않으면)에 직접적으로 노출되거나 수분을 다시 얻도록 표준 응축기 부재에 노출된다. 본 애플리케이션의 특히 유리한 실시예는 제 1유체가 다상 액체 시스템 내의 유기물 또는 무기물을 포함하는 수용액과 같이, 수분을 포함하는 액체일 경우이다. 수분은 다상 액체 시스템의 주요 성분이거나 부 성분이 될 수 있다. 제한된 양의 수분만 존재하는 경우, 피브릴의 친수성을 가진 기공의 크기의 균형이 유체의 비-수분 부분이 멤브레인을 통과하는 것을 방지하는 데 매우 중요하게 된다. 화학 작용기로부터 수분의 양 제거 또한 본 발명의 일 측면의 매유 유리한 애플리케이션이다. 분명히, 멤브레인은 제 1 유체에 관해 접근 가능하지 않거나 실질적으로 접근가능하지 않아야 한다. 다른 실시예는 폐수 처리, 멤브레인 반응기의 직렬 액체 제어, 또는 다른 화학적 또는 생물학적 반응기이다.
본 발명에 다른 가습기 멤브레인의 다른 이익은 보강 없는 이오노머를 포함하는 종래의 가습기 멤브레인의 상태보다 내구성이 상당히 개선되는 것이다. 본 발명에 따른 가습기 멤브레인의 일반적인 내구성은 기계적 특성과 수분 전달 속도의 악화 없이 사용 시 10.000-20.000 시간 이상이다. 강화가 주로 내구성을 결정하므로 내구성의 이 수준은 상당히 더 비용이 소요되는 폴리에틸렌과 이오노머의 합성 멤브레인에도 적용된다. 이것은 순수 이오노머 가습기 멤브레인의 사용시 추정되는 1000-5000시간과 비교되어야 한다.
본 발명에 따른 멤브레인의 강도가 종래 기술의 순수 이오노머 멤브레인에 비해 매우 높다는 것 또한 알 수 있다. 일반적으로, 본 발명에 따른 멤브레인을 형성하는 2축으로 스트레치된 UHMWPE 필름은 약 50Mpa의 기계 방향의 긴장 강도를 제공한다. 높은 강도는 훨씬 더 얇은 멤브레인 및/또는 사용 동안 강체 리지드의 지지가 필요 없는 멤브레인을 허용한다. 또한, 그러한 폴리에틸렌 멤브레인에 대한 깨짐 시 연장이 일반적으로 기계 방향으로 약 30%이다. 이것은 멤브레인의 성능을 저하시키지 않고 사용 중 실질적으로 (탄성) 변형을 허용한다. 긴장 강도와 깨짐 시 연장은 순수 이오노머 멤브레인에 대한 상응하는 결과와 비교되어야 한다. 나피온에 대하여, 깨짐 시 긴장 강도는 약 30-40MPa이지만, 깨짐 시 주요 플라스틱 연 장은 매우 제어하기 어렵고 낮은 내구성을 가져오는 200-300% 사이이다.
높은 긴장 강도와 깨짐시의 연장이 청구항에서 정의되는 본 발명에 따른 모든 멤브레인의 특성이지만, 이들 특성은 특히 본 발명에 따른 멤브레인을 형성하는 스트레칭된 UHMWPE 필름에 대하여 특히 잘 성장되며, 상기 물질은 또한 80℃에서 측정되는 50% RH와 100% RH 사이에서 약 0.3%의 낮은 선형 연장 확장을 가지는 높은 치수 안정성을 제공한다.
실시예
5가지 샘플 물질이 준비되고 공기 투과성과 수분 전달 속도에 관하여 테스트된다.
샘플 1
본 발명에 따른 가습기 멤브레인이 50의 영역 팩터에 의해 2 축으로 스트레칭되는 확장에 의한 폴리에틸렌 필름으로 준비되고, 그 다음 멤브레인은 UV광선으로 개시를 포함하는 아크릴산으로의 그래프트에 의해 친수성이 만들어진다. 친수성 가습기 멤브레인의 평균 기공 크기는 PMI(Porous Materials Inc., 미국), 모세관 유동 포로미터에 의해 측정된 0.1μm이고, Fluor Inert(FC-40)를 이용하는 CFP-1500-AG가 습윤제로 사용된다. 걸리수와 수분 전달 속도는 이전에 설명된 바와 같이 측정된다.
비교 샘플 1
고밀도 Nafion™ 필름은 현탁액과 용제의 건조로부터 필름을 캐스팅하는 것으로 준비됨.
비교 샘플 2
Nafion™을 구비한 미세 다공성 폴리에틸렌의 합성 멤브레인이 기공 안에 배치됨.
비교 샘플 3
비교 샘플 1과 같지만 아크릴산으로 그래프트되지 않은 미세 다공성 폴리에틸렌이 준비됨
비교 샘플 4
본 발명에 따른 가습기 멤브레인. 비교 샘플3과 같지만 테스트 전에 코로나 처리된 미세 다공성 폴리에틸렌이 준비됨.
결과
결과는 표1에 요약된다.
Figure 112009026345283-PCT00002
본 발명에 따른 샘플 1은, 가습기 멤브레인에 적합한, 약 14.100g/(m2xday)의 투과성과 약 440g*mm/(m2xday)의 두께 특정 투과성을 가진다.
비교 샘플 1, 순수 Nafion 필름, 약 25%의 수분 보다 향상된 투과도를 제공한다. 그러나, 비교샘플1은 샘플 1에 대한 0.3%의 선형 연장 확장에 비교하여 약 30%의 선형 연장 확장으로 낮은 치수 안정성을 보여준다(양 연장 확장은 80℃에서 50% 상대습도와 100% 상대 습도 사이에서 측정됨). 또한, 비교 샘플 1 의 비용은 본 발명에 따른 샘플 1의 비용보다 훨씬 높다.
비교 샘플 2는 Nafion으로 충전된 Solupor 3P07A(미세 다공성 폴리에틸렌)로 이루어진 얇은 합성 멤브레인이고 동일한 두께에서 샘플 1보다 10% 향상된다. 비교 샘플 2는 치수 안정성이 개선되나 본 발명에 따른 샘플 1보다 훨씬 비용이 높다.
비교 샘플 3은 이전 샘플 보다 동일한 두께에서 훨씬 효과가 떨어지는 Solupor 3P07A(높은 기공 크기를 가진 미세 다공성 폴리에틸렌)이고, 다공도가 본 발명에 따른 샘플 1의 다공도의 약 40%이다.
비교 샘플 4는 코로나 처리와 아크릴 산으로 그래프팅되어 준비되는 Solupor 3P07A의 친수 버전이다. 비교 샘플 4의 다공도 결과(걸리수)는 비교 샘플 3와 매우 유사하고 수분의 투과도는 동일하게 따른다. 이것은 PMI 모세관 유동 포로미터에 의해 설정된 바와 같이 비교 샘플 3과 4 모두에 대하여 약 0.7 μm의 양 샘플의 비교적 큰 기공 크기에 기인한다. 기공은 그러므로 피브릴의 친수성 표면 상의 수증기 분자의 흡 수 후에도 멤브레인을 통해 공기가 지나가는 것을 허용하도록 충분히 크다. 수분의 흐름은 그러므로 본 발명에 따른 샘플 1과 비교하여 상당히 감소된다. 그러므로 폴리올레핀의 피브릴이 친수성 표면으로 제공되는 것은 충분하지 않으나, 기공 크기 또한 멤브레인을 통해 수분의 적절한 전달이 이루어지도록 충분해야만 한다.
실시예의 결과를 비교하는 경우, 본 발명에 따른 샘플 1이 투과도, 치수 안정성, 재료비의 적절한 조화를 제공한다는 점에서 놀랍도록 효과적인 해결책이 된다는 것을 알 수 있다.

Claims (28)

  1. 복수의 기공(4)이 있는 미세 다공성 웹을 형성하는 폴리올레핀 피브릴(10)로 실질적으로 이루어진 가습기 멤브레인(2)에 있어서,
    평균 기공 크기는 PMI 모세관 유동 포로미터(Capillary Flow Porometer)에 의해 설정된 0.05μm ~ 0.4μm이고,
    상기 가습기 멤브레인은 23℃ 및 50% RH에서 약 300s/50ml 이상의 걸리수를 가지고, 상기 가습기 멤브레인의 제1표면에서 100% 상대 습도를 가지는 제 1 가스에서 상기 가습기 멤브레인의 제2표면에서 50%의 상대 습도를 가지는 제 2 가스로 수분을 패시브 전송하는 상기 가습기 멤브레인을 통한 수분 전달 속도는 70℃에서 약 400(g*mm)/(m2*day)이상인 것을 특징으로 하는 가습기 멤브레인.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가습기 멤브레인을 통한 수분의 전달 속도는 약 10.000g/(m2*day) 이상이고 약 10~50μm의 두께이며, 바람직하게 상기 가습기 멤브레인을 통한 수분의 전달 속도는 70℃에서 약 14.000 ~ 20.000 g/(m2*day)사이인 것을 특징으로 하는 가습기 멤브레인.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 폴리올레핀은 75중량% 이상의 UHMWPE를 포함하고, 바람직하게 상기 폴리올레핀은 90중량% 이상의 UHMWPE를 포함하는 것을 특징으로 하는 가습기 멤브레인.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보강 구조체는 500,000 - 10,000,000g/mol의 중량 평균 분자량을 가지는 UHMWPE로 실질적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가습기 멤브레인.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 멤브레인은 수분을 제외한 프로톤 전도체를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 가습기 멤브레인.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가습기 멤브레인의 다공도는 상대 습도 0%에서 50 ~ 85%이고, 바람직하게 상기 가습기 멤브레인의 다공도는 상대 습도 0%에서 70 ~ 85%인 것을 특징으로 하는 가습기 멤브레인.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가습기 멤브레인은 23℃ 및 100% RH에서 약 10000s/50ml 이상의 걸리수를 가지는 것을 특징으로 하는 가습기 멤브레인.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가습기 멤브레인은 23℃ 및 50% RH에서 약 300-9000s/50ml 사이의 걸리수를 가지고, 바람직하게 상기 가습기 멤브레인은 23℃ 및 50% RH에서 약 500 - 800s/50ml 사이의 걸리수를 가지는 것을 특징으로 하는 가습기 멤브레인.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 친수성 표면은 상기 폴리올레핀 상에 친수 그룹을 포함하는 모노머를 그래프팅(grafting)하는 것에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 가습기 멤브레인.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 친수성 표면은 아크릴산 족의 친수성 화합물을 포함하고, 바람직하게 상기 폴리올레핀 상에 그래프트되는 모노머로서 폴리올레핀에 화학적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 가습기 멤브레인.
  11. 제 1항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가습기 멤브레인(2)은 상기 표면의 친수화 전에 복수의 기공을 가지는 폴리올레핀 백본을 포함하고, 친수화 이전 복수의 기공의 평균 기공 크기는 PMI 모세관 유동 포로미터에 의해 설정된 0.1μm-0.5μm인 것을 특징으로 하는 가습기 멤브레인.
  12. 제 1 항 내지 제 5 항 또는 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표면은 코로나 처리 또는 플라즈마 처리에 의해 친수화되는 것을 특징으로 하는 가습기 멤브레인.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 가습기 멤브레인의 용도에 있어서,
    동시에 명확하게 제 1 유체에서 제 2 유체로 수분을 전달하는 동안 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체의 직접적인 혼합을 방지하고,
    바람직하게 상기 제 1 유체는 기체 또는 액체이고 상기 제 2 유체는 기체이고, 보다 바람직하게 상기 제 1 유체 및 상기 제 2 유체는 기체인 것을 특징으로 하는 가습기 멤브레인의 용도.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 유체에서 상기 제 2 유체로 수분의 전달은 패시브인 것을 특징으로 하는 가습기 멤브레인의 용도.
  15. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 가습기 멤브레인의 용도에 있어서,
    상기 가습기 멤브레인을 상기 제 1 유체와 상기 제 2 유체 사이에서 열을 전달하는 수단으로 사용하는 것을 특징으로 하는 가습기 멤브레인의 용도.
  16. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 가습기 멤브레인의 용도에 있어서,
    연료셀 내의 패시브 가습기로 사용하고,
    바람직하게 상기 가습기 멤브레인은 상기 연료셀 내에 집적되거나 상기 연료셀 외부의 분리 구성요소로 사용되고,
    보다 바람직하게 상기 연료셀은 PEMFC인 것을 특징으로 하는 가습기 멤브레인의 용도.
  17. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 가습기 멤브레인의 용도에 있어서,
    상기 가습기 멤브레인은 엔탈피 교환 에어컨 시스템에서 기체를 가습하거나 건조시키는 것을 특징으로 하는 가습기 멤브레인의 용도.
  18. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 가습기 멤브레인의 용도에 있어서,
    상기 가습기 멤브레인은 엔탈피 교환 벤틸레이션 시스템에서 기체를 가습하거나 건조시키는 것을 특징으로 하는 가습기 멤브레인의 용도.
  19. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 가습기 멤브레인의 용도에 있 어서,
    공기 또는 산소를 가습하기 위해 사용되고,
    바람직하게 이동 기기에서 사용되며,
    보다 바람직하게 운동 기기, 긴급 구동 기기, 또는 항공 우주 기기를 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 가습기 멤브레인.
  20. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 가습기 멤브레인의 용도에 있어서,
    초순수(ultrapure water) 전처리를 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 가습기 멤브레인.
  21. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 가습기 멤브레인의 용도에 있어서,
    수분의 탈염을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 가습기 멤브레인.
  22. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 가습기 멤브레인의 용도에 있어서,
    다상(multiphase) 액체 시스템과 같은 유체에서 수분의 제거를 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 가습기 멤브레인.
  23. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 가습기 멤브레인을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료셀 시스템.
  24. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 가습기 멤브레인을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔탈피 교환 에어콘 시스템.
  25. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 가습기 멤브레인을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔탈피 교환 벤틸레이션 시스템.
  26. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 가습기 멤브레인(2) 제조 방법에 있어서,
    친수화 전 평균 기공 크기가 PMI 모세관 유동 포로미터에 의해 설정되는 바와 같이 0.1 μm - 0.5μm인, 친수화 이전에 복수의 기공을 가지는 폴리올레핀 피브릴의 미세 다공성 웹을 제공하는 단계; 및
    친수성 폴리올레핀 피브릴의 미세 다공성 웹 표면의 적어도 일부를 만들도록 폴리올레핀 피브릴의 상기 미세 다공성 웹의 상기 표면에 친수성 모노머를 그래프팅하여 결과적인 가습기 멤브레인을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 결과적인 가습기 멤브레인의 평균 기공 크기는 PMI 모세관 유동 포로미터에 의해 설정된 0.05μm - 0.5μm이고, 바람직하게, 상기 결과 가습기 멤브레인의 평균 기공 크기는 PMI 모세관 유도 포로미터에 의해 설정된 0.05μm - 0.4μm인 것을 특징으로 하는 가습기 멤브레인 제조 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 친수성 모노머는 아크릴산족 화합물을 포함하고, 바람직하게 상기 친수성 모노머는 아크릴산족의 친수성 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가습기 멤브레인 제조 방법.
  28. 제 1 항 내지 제 5 항 또는 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 가습기 멤브레인(2) 제조 방법에 있어서,
    친수화 전 평균 기공 크기가 PMI 모세관 유동 포로미터에 의해 설정되는 바와 같이 0.05 μm - 0.5μm인, 친수화 이전에 복수의 기공을 가지는 폴리올레핀 피브릴의 미세 다공성 웹을 제공하는 단계; 및
    상기 폴리오레핀 피브릴의 미세 다공성 웹의 표면을 코로나 처리 또는 플라즈마 처리와 같은 이온화 방사를 포함하는 처리에 의해 폴리올레핀 피브릴의 미세 다공성 웹의 표면의 적어도 일부를 친수화하도록 처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가습기 멤브레인 제조 방법.
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