KR20100046675A - 폴리에테르 술폰 멤브레인의 제조방법 및 이를 채용한 고유량 절곡형 카트리지 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명의 간접분사방식을 통해 제조된 폴리에테르 술폰 멤브레인은 고유량이면서 유량감소현상이 획기적으로 개선되고 물성 재현성이 우수하며 막의 외관이 우수하다. 또한 본 발명의 폴리에테르 술폰 멤브레인을 핵심여재로 사용하여 제조되는 고유량 절곡형 카트리지 필터는 고유량을 가지면서 적정여과효율 및 사용주기가 증가하는 효과를 가진다.

폴리에테르 술폰 멤브레인, 간접분사, 절곡 카트리지 필터

Description

폴리에테르 술폰 멤브레인의 제조방법 및 이를 채용한 고유량 절곡형 카트리지 필터{MANUFACTURING METHOD OF POLYETHER SULFONE MEMBRANE AND HIGH FLOW FOLDING TYPE CATRIDGE FILTER EMPLOYING THE SAME}

본 발명은 폴리에테르 술폰 멤브레인의 제조방법 및 이를 채용한 고유량 절곡형 카트리지 필터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에어 응고법에 의한 폴리에테르 술폰 멤브레인의 제조 시, 순환에어를 멤브레인에 간접분사하여 멤브레인의 물성 및 외관을 향상시킨 멤브레인 및 이를 핵심여재로 채용한 고유량 절곡형 카트리지 필터에 관한 것이다.

지금까지 미세다공성막은 전지 격리판, 전해질 축전기 격리판, 다양한 필터, 습윤 투과성 및 방수성 의복, 역삼투막, 한외여과막, 미세여과막 등과 같은 다양한 분야에 널리 사용되고 있다. 분리막에서 미세기공막은 물질 분리 공정에서 고려할 수 있는 경제적, 기술적 중요성을 보이고 있다. 다양한 막분리 공정에서 오늘날 사용되고 있는 막들은 그들의 구조, 기능, 생산 방법들이 다르다. 그 가운데 수처리용 분리막에 관한 연구는 아주 오래전부터 시작되었으나 1953년에 레이드(Reid) 교수에 의해 해수의 담수화 계획에 막이 사용될 수 있음을 시사한 것을 출발점으로 1963년에 로에브(LOEb)와 수리라잔(Sourirajan)이 셀룰로오스 아세테이트를 소재로

상전이 공정을 거쳐 비대칭막 제조에 성공한 이후 본격적인 막 제조가 이루어졌다. 이는 비용매 유도 상전이(nonsolvent induced phase inversion; NIPI) 공정으로 당시에는 일반적인 방법은 아닌 매우 획기적인 막 제조 방법이었으며, 투과 성능 또한 상당한 발전을 가져왔다. 더 나아가 세부적인 부분으로 구조적 측면에서 손가락 형태와 스폰지 형태, 이 두 가지 막 형태는 1985 년 Kesting에 의해 제시된 공정에서 기초 메카니즘, 지배 인자들이 동일함을 설명하였다.

막은 비대칭 구조를 가지며 다공성 지지층과 용질 분리에 유효한 치밀한 스킨층으로 구성되어 있다. 이 방법으로 제조된 막은 현재도 정밀 여과에서 기체 투과에 이르는 넓은 범위의 막 제조 방법으로 쓰이고 있다. 대부분의 고분자 막들이 아무리 그들의 구조와 물질 전달 특성이 다르다 하더라도 상전이 공정에 의해 만들어지는 것이 일반적이다. 고분자 막은 대부분 먼저 적당한 고분자 용매를 선택하여 고분자 용액을 만들고 이를 캐스팅하여 얇은 시트(sheet)로 형성시킨 후 이를 고체상으로 침전시킨다. 침전된 고분자막은 보통 공기와의 짧은 시간 접촉하고, 침전조의 비용매 액체와 접촉하면서 형성된다. 많은 경우에 캐스팅 용액은 막의 기공도를 높이기 위해 특정 비용매가 일정 비율로 함유되어 있다. 이 경우를 불안정 캐스팅 용액(unstable casting solution)이라 하며, 표면의 기공 특성은 비용매 종류에 따라서 매우 다르게 나타나며, 결과적으로 막 형태를 결정하는 중요한 요소가 된다.

이러한 방법에 의해 만들어진 막은 미국특허 제 3,133,132 호와 제 3,133,137호에 제시된 막소재로 셀룰로오스아세테이트(Cellulous Acetate) 계통이 있다. 그러나, 셀룰로오스 계통의 막은 성능은 우수하고, 산, 알칼리에도 어느 정

도 견디나, 보관상의 문제 그리고 박테리아에 의해 분해되는 단점 등이 있다. 이러한 점을 보완하기 위해 기존 많은 연구자들에 의해 고분자의 공중합, 블랜드 등을 시도하거나 극성기, 친수성기를 도입하여 막의 화학적 특성을 보강또는 제막 조건, 연신 및 결정화도 등의 변화에 의한 물리적인 구조를 통해 막의 투과 특성을 높이는 시도가 진행되었다.

이러한 연구들을 바탕으로 분리막의 투과 특성을 향상시키기 위해 분리특성의 실질적인 작용을 하는 스킨의 치밀층 두께를 최소화하는 박막화 기술의 개발이 제안되었고 이에 기계적 강도를 유지하면서 고유의 투과 특성에 영향을 주지 않는 다공성 지지체를 선정하여 박막으로 코팅함으로써 우수한 성능의 막을 개발하였다. 이 방법을 이용하여 제조된 막은 미국특허 제 3,951,815 호에 의해 제조된 폴리아미드(polyamide) 계열의 복합막으로 투과 성능은 우수하고 기존 막의 단점을 보완하였다. 이러한 제조 방법은 상전이 공정에 의해 제조된 단일 소재의 비대칭 구조를 갖는 막에 비해 지지체와 분리 선택 특성을 가진 막 소재를 선택할 수 있어 투과 특성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 지지체와 막소재의 선택을 통하여 물리적, 화학적 특성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

현재 알려진 고분자 박막 제조 방법은 고분자 용액을 제조하고 이를 지지체에 부착하는 방법으로 수면전개법(Separate Casting and Lamination), 용액코팅법(Dip-coating), 랑뮈어 브로제트(Langmuir-Brodget)법 등이 있다. 이외에 인슈트(In-Situ)법이 여러가지 있으며, 현재 역삼투 및 기체 분리 분야에서 많은 막소 재 개발과 성능의 향상으로 상업화되었다. 예를 들면 필름테크(FilmTech) 사의 FT, NF-시리즈와 NSRI의 NS-시리즈, UOP사의 PA-시리즈 등이 있다. 기존의 대부분의 연구는 역삼투압 개발에 관한 것으로 해수담수화에 집중되어 왔다. 따라서, 높은 탈염성 및 고압의 운전 조건을 필요로 하였다. 그러나, 높은 내화학적 성질을 필요로 하는 폐수처리, 유기 용매의 정제, 고농축의 분리 등의 다른 분야의 적용에는 적합하지 않다.

한편, 고분자로서 폴리에테르술폰을 이용하여 미세다공성 막을 제조하는 다양한 방법이 미국등록특허 제 5,886,059 호, 제 5,869,174 호, 제 5,444,097 호, 제 4,976,859 호, 4,968,733 호 등에 제안되어 있으나, 현재 국내에서는 폴리에테르술폰을 이용하여 생산되는 막은 거의 없다. 폴리에테르술폰은 비다공성 또는 다공성, 비대칭 또는 대칭형 등의 막으로 제조되어 한외여과, 역삼투, 미세여과 등 다양하게 응용되는데, 폴리술폰 등에 비해 기계적 강도가 비교적 우수하고, 연속 사용시 다소 안정한 것으로 알려져 있다. 또한 술폰 그룹에 연결된 페닐 링의 결합으로 높은 공명 안정성을 보이며, 술폰 그룹은 방향족 전자들의 활성을 저지시키는 역할을 하고, 또한 열과 산화 저항성을 보인다. 공명 효과로 얻어지는 두 가지 안정성으로 결합 세기와 평평한 원자 배열을 증가시키는데, 이것은 높은 온도에서 더욱 경직되는데 기여한다.

그러나 종래 기술에서 보는 바와 같이 폴리술폰 및 폴리에테르술폰 멤브레인의 제조법의 특징은 폴리머용액 조성상에서 차이를 보이나, 제조 공정상의 관점에서는 거의 대부분 습식 응고에 기초하여 대칭형 혹은 비대칭형 멤브레인을 제조하 고 있다.

그러나, 종래의 폴리에테르술폰이나 폴리술폰 멤브레인을 습식 응고법으로 제조할 경우, 고유량 및 사용주기 저하 현상이 나타나고 멤브레인의 단면형상이나 물성의 재현성이 낮은 문제가 있었다. 구체적으로 도 1a는 ~ 1c는 시중에서 널리 사용되고 있는 제품인 DURAPES (제조사; MEMBRANA (독일)) 멤브레인의 표면, 이면 및 단면에 대한 SEM 사진(도 1a, 1b는 5000배, 1c는 600배)이다.

이에, 최근에는 상술한 습식 응고법의 문제점을 극복하기 위하여 한국공개특허 제2007-91401호에서는 직접 응고법이 아닌 적절한 온도와 습도를 가지는 순환 에어(AIR)에 노출시켜 응고하는 에어 응고법이 제안되었다. 에어 응고법은 종래의 습식 응고법의 문제점인 낮은 유량 수준을 어느 정도 극복하였으나 순환 에어를 막에 직접적으로 분사하여 응고하므로 막의 물성이 감소할 뿐 아니라 응고시 수축차이에 의하여 막의 표면이 균일하지 못하고 물결무늬 및 크랙이 발생하여 상업화가 곤란한 문제가 발생하였다.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 간접분사방식을 통해 고유량이면서 유량감소현상이 획기적으로 개선되고 물성 재현성이 우수하며 막의 외관이 우수한 미다공성 폴리에테르 술폰 멤브레인의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 상술한 본 발명의 미다공성 폴리에테르 술폰 멤브레인을 채용하여 여과효율이 우수한 고유량 절곡형 카트리지 필터를 제공하는 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 특징에 따른 폴리에테르 술폰 멤브레인의 제조방법은, 에어 응고법을 통해 폴리에테르 술폰 멤브레인을 제조하는 방법에 있어서, 지지체상에 균일하게 도포된 폴리에테르 술폰 용액의 응고 시, 상기 도포된 폴리에테르 술폰 용액 용액에 직접 닿지 않도록 순환 에어를 간접분사하는 단계를 포함한다.

상기 순환 에어는 바람직하게는 20 ~ 30℃ 이고, 습도는 50 ~ 70%이며, 분사속도는 1.5 ~ 2.5 m/min이다.

상기 지지체는 바람직하게는 20 ~ 80 g/㎡의 폴리올레핀계 또는 폴리에스터계 부직포이며, 상기 부직포는 다층구조인 것이 좋다.

상기 간접분사 단계 이전에 바람직하게는 폴리에테르 술폰을 용매에 용해하 는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이 경우, 상기 용매는 바람직하게는 유기용매를 사용하며, 상기 용매 100중량부에 대하여 상기 폴리에테르 술폰 5 ~ 30 중량부를 첨가할 수 있다.

상기 용해 단계 이후 간접분사 단계 이전에 비용매, 친수화 첨가제 및 기공조절 반응촉매를 상기 용매에 균일하게 혼합하여 폴리에테르 술폰 용액을 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 비용매는 물 또는 폴리에틸렌글리콜이고, 상기 친수화 첨가제는 아세테이트 화합물이며 상기 기공조절 반응촉매는 에폭시 화합물을 사용할 수 있으며, 상기 폴리에테르 술폰 용매 100중량부에 대하여 상기 비용매는 5 ~ 30 중량부, 상기 친수화 첨가제는 5 ~ 30 중량부 및 상기 기공조절 반응촉매 5 ~ 15 중량부가 혼합된다.

상기 간접분사 단계 이후 바람직하게는 응고되지 않은 상기 폴리에테르 술폰 용액을 추출한 뒤 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 폴리에테르 술폰 멤브레인의 막 형성 속도는 바람직하게는 1 ~ 5 m/min이다.

상기 간접분사 단계는 바람직하게는 2초 ~ 5분 동안 진행된다.

상술한 방법을 통헤 제조된 폴리에테르 술폰 멤브레인은 70% 이상의 기공도를 가지는 비대칭형이다.

상기 폴리에테르 술폰 멤브레인은 바람직하게는 두께가 120 ~ 150㎛이며, 폴리에테르 술폰 멤브레인은 평균공경이 0.2 ~ 0.65㎛인 기공을 포함하는 표면층과 평균공경이 0.5 ~ 2㎛인 기공을 포함하며 지지체에 근접한 이면층으로 구분된다.

상기 폴리에테르 술폰 멤브레인은 바람직하게는 상기 표면층에서 이면층으로 갈수록 기공의 개수는 감소하나 평균공경의 크기가 증가한다.

본 발명의 다른 특징에 따른 고유량 절곡형 카트리지 필터는 폴리에테르 술폰 멤브레인을 핵심여재로 포함한다.

본 발명의 간접분사방식을 통해 제조된 폴리에테르 술폰 멤브레인은 고유량이면서 물성 재현성이 우수할 뿐 아니라 막의 외관상 크랙이 거의 발생하지 않아 막이 파손될 염려가 거의 없을 뿐 아니라 수명이 긴 장점이 있다. 또한 본 발명의 폴리에테르 술폰 멤브레인을 핵심여재로 사용하여 제조되는 고유량 절곡형 카트리지 필터는 고유량을 가지면서 적정여과효율 및 사용주기가 증가되는 효과를 가진다.

상술한 바와 같이, 종래의 직접분사에 의한 에어 응고법은 습식 응고법의 문제점인 낮은 유량 수준을 어느 정도 극복하였으나 순환 에어를 막에 직접적으로 분사하여 응고하므로 막의 물성이 감소할 뿐 아니라 응고시 수축차이에 의하여 막의 표면이 균일하지 못하고 물결무늬 및 크랙이 발생하여 상업화가 곤란한 문제가 있었다.

이에 본 발명의 일실시예에 따른 폴리에테르 술폰 멤브레인의 제조방법은, 에어 응고법을 통해 폴리에테르 술폰 멤브레인을 제조하는 방법에 있어서, 지지체 상에 균일하게 도포된 폴리에테르 술폰 용액의 응고 시, 상기 도포된 폴리에테르 술폰 용액에 직접 닿지 않도록 순환 에어를 간접분사하는 단계를 포함하여 직접분사의 문제점을 해결하였다.

다시 말해, 에어 응고법에 있어서 종래의 순환 에어를 막에 직접 분사하는 방법에서 벗어나, 멤브레인(특히 코팅액)에 직접 닿지 않도록 예를 들어 순환 에어의 분위기만 형성되도록 간접적으로 분사하여 직접분사방식의 문제점을 극복하였다. 한편 간접분사의 방법은 멤브레인에 직접 닿지 않고 응고가 가능한 경우라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 챔버내에 폴리에테르 술폰 멤브레인이 위치하는 경우, 챔버의 옆면에 순환에어 분사구를 형성하여 멤브레인에 직접 순환에어가 닿지 않지만 챔버내에 순환에어의 분위기를 형성하여 결국 간접적으로 멤브레인이 응고되도록 하는 것도 가능하다. 이 경우 챔버의 크기, 분사구의 위치 및 수는 상황에 따라 적절하게 변형하여 사용할 수 있다.

본 발명의 간접분사 방식을 통해 고유량이면서 유량감소현상이 획기적으로 개선되고 물성 재현성이 우수하며 막의 외관이 우수한 폴리에테르 술폰 멤브레인을 제조할 수 있다.

한편, 간접분사 방식에서의 순환에어의 조건은 직접분사 방식과는 상이하며 이하에서는 본 발명의 폴리에테르 술폰 멤브레인의 제조방법을 보다 상세히 설명한다.

먼저, 폴리에테르 술폰을 용매에 용해한다. 이 경우, 사용될 수 있는 폴리에 테르술폰의 용매는 일차적으로 순환 공기에 의한 고형화 과정을 거친 멤브레인에 상호 침투 가능한 유효한 기공을 많이 만들기 위하여, 가소성 및 친수성이 있고 폴리에테르술폰 수지를 잘 용해할 수 있어야 한다. 또한 폴리에테르 술폰이 매우 균일하게 섞여야 하고, 수세공정에서 물이나 알코올 혼합용액에 추출 시 상기 첨가된 유기 화합물이 효과적으로 배출되어야 한다. 이를 위해 본 발명에서 사용가능한 용매는 폴리에테르술폰과 유기 화합물을 모두 용해할 수 있어야 하며 구체적으로 사용가능한 용매로는 N-메틸-2-피롤리돈 (NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸설폭사이드, 디메틸아세트아미드(DMAc) 또는 이들의 혼합액이 바람직하나 이에 한정되지는 않는다.

한편, 상기 용매 100중량부에 대하여 바람직하게는 상기 폴리에테르 술폰 5 ~ 30 중량부를 첨가할 수 있다. 만일 폴리에테르 술폰의 첨가량이 5 중량부 미만이면 첨가의 효과가 낮고, 30 중량부를 초과하면 균일한 도프(dope)용액을 제조할 수 없다.

상기 용해 단계 이후, 비용매, 친수화 첨가제 및 기공조절 반응촉매를 상기 폴리에테르 술폰이 용해된 용매에 균일하게 혼합하여 폴리에테르 술폰 용액을 제조할 수 있다. 상기 비용매, 친수화첨가제 및 기공조절 반응촉매는 통상의 폴리에테르 술폰 막의 제조 시 사용되는 통상의 것을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 상기 비용매로는 물과 폴리에테르글리콜을 사용할 수 있고, 상기 친수화첨가제로는 아세테이트계 화합물로서 바람직하게는 부틸아세테이트를 사용할 수 있으며, 상기 기공 조절 반응촉매로는 에폭시계 화합물을 사용할 수 있다. 이 경우 바람직하게는 상기 폴리에테르 술폰 용매 100중량부에 대하여 상기 비용매는 5 ~ 30 중량부, 상기 친수화 첨가제는 5 ~ 30 중량부 및 상기 기공조절 반응촉매 5 ~ 15 중량부가 혼합될 수 있다.

다음, 상기 제조된 폴리에테르 술폰 용액을 지지체상에 균일하게 도포한다. 이 때 도포방법은 에어나이프 등을 이용한 통상의 캐스팅 방법을 사용할 수 있다.

한편, 본 발명에 사용될 수 있는 지지체는 통상의 지지체를 사용할 수 있으며 바람직하게는 통상의 필름형태의 지지체를 사용할 수 있다.

다음, 상기 폴리에테르 술폰 용액이 도포된 지지체의 일면에 도포된 폴리에테르 술폰 용액 용액에 직접 닿지 않도록 순환 에어를 간접분사하여 폴리에테르 술폰 용액을 응고시킨다.

간접분사의 방법은 상술한 바와 같으며, 상기 순환 에어는 통상의 에어 응고법에서 사용하는 순환 에어로서 바람직하게는 통상의 공기를 사용할 수 있다.

본 발명에 사용되는 순환 에어의 온도는 바람직하게는 20 ~ 30℃ 이다. 만일 순환에어의 온도가 20℃ 미만이면 응고가 제대로 일어나지 않고 크랙이 발생하는 문제가 있고, 30℃를 초과하면 외관이 나쁘고 제막물성이 감소하는 문제가 있다. 순환 에어의 습도는 바람직하게는 50 ~ 70%이다. 만일 순환에어의 습도가 50% 미만이면 기공 형성의 문제가 있다. 70%를 초과하면 외관이 좋지 못하다. 순환 에어의 분사속도는 바람직하게는 1.5 ~ 2.5 m/min이다. 만일 순환에어의 분사속도가 1.5m/min 미만이면 응고의 효과가 미미한 문제가 있고, 2.5m/min를 초과하면 물결자국이 생길 수 있는 문제가 있다.

한편, 간접분사는 폴리에테르 술폰용액이 충분히 응고될 수 있을 정도로 충분한 시간을 가지고 진행되며, 바람직하게는 2초 ~ 5분 동안 진행될 수 있다. 이 경우 상기 폴리에테르 술폰 멤브레인의 막 형성 속도는 바람직하게는 1 ~ 5 m/min이다.

다음, 상기 간접분사 단계 이후 바람직하게는 응고되지 않은 상기 폴리에테르 술폰 용액을 추출한 뒤 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 보다 구체적으로 지지체상에 잔류하는 용매, 비용매 및 기타 첨가제 화합물 등을 알코올 혼합물 또는 물로 제거하면, 그 자리에 극미세 기공이 형성된 다공성 폴리에테르술폰 멤브레인이 제조된다. 그 뒤 적절한 건조공정을 거쳐 원하는 비대칭형 단면구조와 다공성에 의한 적정효율, 고유량, 사용주기 향상 개선이 가능한 멤브레인을 재현성 있게 제조할 수 있다.

이후, 선택적으로, 각 산업체의 용도에 따른 후처리 공정의 한 방법으로 친수성이 더욱 필요한 경우에는 자외선 처리 등 친수물질 가교반응에 의해 멤브레인에 친수 기능을 부여할 수도 있다.

상술한 방법을 통해 제조된 폴리에테르 술폰 멤브레인은 70% 이상의 기공도 를 가지는 비대칭형 멤브레인으로서, 상기 폴리에테르 술폰 멤브레인은 바람직하게는 두께가 120 ~ 150㎛이며, 폴리에테르 술폰 멤브레인은 평균공경이 0.2 ~ 0.65㎛인 기공을 포함하는 표면층과 평균공경이 0.5 ~ 2㎛인 기공을 포함하며 지지체에 근접한 이면층으로 구분된다. 또한 상기 폴리에테르 술폰 멤브레인은 바람직하게는 상기 표면층에서 이면층으로 갈수록 기공의 개수는 감소하나 평균공경의 크기가 증가한다. 이를 통해 강도 등의 물성이 우수하면하여 사용주기가 높으면서도 고유량 특성을 나타낸다.

한편, 후술하는 표 2에 기재된 바와 같이 본 발명의 간접분사 방식을 통해 제조된 폴리에테르 술폰 멤브레인은 직접분사 방식으로 제조된 멤브레인에 비하여 물성 및 외관이 크게 개선되는 효과를 가진다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 고유량 절곡형 카트리지 필터는 폴리에테르 술폰 멤브레인을 핵심여재로 포함한다. 본 발명에 따른 고유량 절곡형 카트리지 필터를 도 3, 4 중심으로 설명하면 가운데 여과된 물이 지나갈 수 있는 수로(21)가 형성된 내부코어(20)와 외부 코어의 외주면에 접합되며 본 발명의 폴리에테르 술폰 멤브레인을 핵심여재로 포함하는 핵심여재(30), 상기 핵심여재(30)의 바깥쪽에서 접합되며 원수가 최초로 접촉되는 부분인 외각케이지(40) 및 상기 원수 및 여과된 물이 한방향으로 흘러가도록 다른쪽의 내부코어(20), 핵심여재(30) 및 외각케이지(40)에 밀착하여 부착되는 엔드캡(50)로 구성된다.

먼저 내부코어(20)는 플라스틱 사출물로 이루어지며 그 내부에 여과된 물이 지나갈 수 있는 수로(21)가 구비된다. 핵심여재(30)는 상술한 본 발명의 폴리에테르 술폰 멤브레인이 구비되며 그 구조를 도 5를 중심으로 설명하면 상기 폴리에테르 술폰 멤브레인(31)을 지지하기 위한 지지체(31, 32)가 상기 폴리에테르 술폰 멤브레인(31)의 앞 뒷면에 부착된다. 이 때 사용가능한 지지체는 통상의 폴리에세르 술폰 멤브레인에 사용되는 지지체를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 20 ~ 80 g/㎡의 폴리올레핀계 또는 폴리에스터계 부직포이며, 상기 부직포는 다층구조인 것이 좋다. 평량 20g/㎡ 이하의 부직포 사용시 절곡작업상 문제발생 소지가 있고, 평량 80 g/㎡ 이상의 부직포를 사용할 경우 유효여과면적 저하로 유량이 떨어질 우려가 있다.

본 발명에서 상기 핵심여재(20)는 원수를 여과하는 필터의 역할을 수행하며 원수와 접촉하는 면적을 극대화하기 위하여 상기 핵심여재는 바람직하게는 톱니바퀴 형상으로 절곡되어 형성될 수 있다.

고유량 절곡형 카트리지 필터의 작동원리를 설명하면, 먼저 원수가 외곽케이지(40)를 지나 핵심여재(30)를 통과하여 여과되고 여과된 물이 최종적으로 내부코어(20)의 통로(21)를 통해 원하는 방향으로 이송된다. 또한 원수 및 여과된 물이 역류하는 경우 엔드캡(50)에 부딪쳐 다시 원래의 방향으로 반송되게 된다.

이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의하여 상세히 설명한다. 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1 ~ 3>

폴리에테르술폰 레진(E6020-P, 바스프) 10중량%, N-메틸-2-피롤리돈 (NMP) 60 중량%, 부틸아세테이트 15 중량%, 폴리비닐피롤리돈(PVP) 15%의 온도 30℃에서 1시간 동안 교반하여 완전히 균질 용해하였다.이 용액을 탈기 처리한 후 두께 100㎛의 PET 필름 지지체 위에 나이프 캐스팅 방식으로 1.0 ∼5.0 m/min 속도로 균일하게 도포한 후 나이프 GAP이 300㎛가 되도록 코팅하고 코팅된 도포용액을 하기 표 1의 조건에 따른 순환공기를 간접분사하고 IPA/물의 혼합용액 조성비가 일정하게 유지되어 있는 응고조에 통과시켜 응고를 완료하였다. 그 뒤 수세조에서 미세 다공성의 멤브레인 내부에 함유되어 있는 잔여 용매성분을 완전히 추출하고, 멤브레인을 80℃의 에어로 건조하여 폴리에테르 술폰 멤브레인을 제조하였다.

[표 1]

구분	순환에어 (멤브레인 표면층과 수평되게 간접분사)
	노출시간(초)	분사속도 (m/min)	온도 (℃)	습도 (%)
실시예1	3	1.5	25	50
실시예2	6	2.0	25	55
실시예3	15	2.5	25	70

<비교예 1>

순환 에어가 멤브레인의 표면층에 직접 닿도록 분사되는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 멤브레인을 제조하였다.

<비교예 2>

순환 에어에 대한 노출시간이 15분인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 멤브레인을 제조하였다.

<비교예 3>

순환 에어의 분사속도가 1m/min인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 멤브레인을 제조하였다.

<비교예 4>

순환 에어의 분사속도가 3m/min인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 멤브레인을 제조하였다.

<비교예 5>

순환 에어의 온도가 15℃인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 멤브레인을 제조하였다.

<비교예 6>

순환 에어의 온도가 35℃인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 멤브레인을 제조하였다.

<비교예 7>

순환 에어의 습도가 40%인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 멤브레인을 제조하였다.

<비교예 8>

순환 에어의 습도가 80%인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 멤브레인을 제조하였다.

<실험예>

실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 8을 통해 제조된 멤브레인 들에 대하여 하기와 같은 물성을 평가하여 그 결과를 표 2에 나타내었다.

1. 유량평가

멤브레인을 지름 100mm Disk 장착후 일정압력 (10psi)으로 단위면적 및 분당 통과유량을 측정하였다..

2. 평막 버블 포인트(B.P)

(주) PMI 제작사 모델을 사용하여 WET용액 IPA(이소프로필알콜)을 적시어 측정하였다. 구체적으로 직경φ 75 mm의 미다공막 샘플을 IPA에 침지하여 세공 내를 IPA로 충전한 후, 압력을 가해가며 샘플의 표면에서 기포가 나오기 시작할 때의 압력을 판독한다. 이 압력치를 버블 포인트라고 한다. 측정 온도 25±5 ℃.

3. DHC (Dirt Holding Capacity)

멤브레인을 지름 100mm 평막평가기 ((주)새한 제작)에 장착후 초기유속과 일정한 압력 (0.9bar)으로 멤브레인에 dust 100ppm 표준용액 2ℓ통과시킨 시점의 시간당 통과한 순간 유속을 측정하였다.

4. 외관

멤브레인의 표면을 전자 현미경을 통해 관찰하여 그 크랙의 수에 따라 등급을 평가하였다.

◎ : 크랙의 수 1개 이하

○ : 크랙의 수 2 ~ 4개

△ : 크랙의 수 5 ~ 8개

× : 크랙의 수 8개 이상

[표 2]

	유량(㎖/분/㎠)	버블포인트(psi)	DHC(㎖/분/㎠)	외관
실시예 1	22	18	21	◎
실시예 2	24	16	20	◎
실시예 3	24	16	18	◎
비교예 1	25	18	21	△
비교예 2	17	15	20	○
비교예 3	22	16	17	◎
비교예 4	21	18	18	○
비교예 5	23	17	19	○
비교예 6	20	17	17	○
비교예 7	23	8	12	△
비교예 8	21	18	18	○

상기 표 2에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예 1 ~ 3의 멤브레인이 비교예 1 ~ 8의 멤브레인에 비하여 물성이 우수하면서도 외관에 크랙의 발생이 거의 없었다.

<실시예 4 ~ 6>

상기 실시예 1 ~ 3에서 제조된 폴리에테르술폰 멤브레인과 멤브레인의 미끄럼현상을 방지해 주기 위한 평량 60g/㎡의 스펀본드 부직포(SB)층을 멤브레인 지지체 뒷면에 형성하고, 멤브레인의 손상을 방지하고 배수능을 향상시키기 위해 평량 60g/㎡ 스펀본드 부직포 층을 양쪽 바깥층에 형성하여 여재층을 구성하고, 온도 110℃, 압력 20psi의 조건에서 실시하였다. 또한 통상의 방법으로 외각 케이지, 내부코어 및 엔드캡을 열접합시켜 길이 10인치 여과면적 0.54㎡인 도 3과 같은 절곡 필터를 완성한 후 물성을 평가하여 표 3에 나타내었다.

<비교예 9 ~ 16>

비교예 1 ~ 8의 폴리에테르술폰 멤브레인을 핵심여재로 사용한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일하게 실시하여 절곡필터를 완성한 후 물성을 평가하여 표 3에 나타내었다.

[표 3]

	절곡시 크랙여부	리크발생
실시예 4	크랙없음	없음
실시예 5	크랙없음	없음
실시예 6	크랙없음	없음
비교예 9	크랙없음	없음
비교예 10	크랙없음	없음
비교예 11	크랙없음	없음
비교예 12	크랙없음	없음
비교예 13	크랙없음	없음
비교예 14	크랙없음	없음
비교예 15	크랙발생	발생
비교예 16	크랙없음	없음

실시예 및 비교예의 대부분의 절곡필터에서 절곡시 크랙 및 리크는 발생하지 않았다.

본 발명의 폴리에테르 술폰 멤브레인은 물성이 우수하면서도 외관이 훌륭하여 수처리 분야에 넓게 활용될 수 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만, 본 발명의 기술적 사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이 다.

도 1a ~ 1c는 종래의 폴리에테르 술폰 멤브레인의 SEM 단면 사진이다.

도 2a ~ 2c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폴리에테르 술폰 멤브레인의 SEM 단면 사진이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절곡필터의 단면도이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절곡필터의 사시도이다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절곡필터 중 핵심여재의 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 절곡필터 20 : 내부코어

30 : 핵심여재 40 : 외각케이지

50 : 앤드캡

Claims (12)

1. 에어 응고법을 통해 폴리에테르 술폰 멤브레인을 제조하는 방법에 있어서,

   지지체상에 균일하게 도포된 폴리에테르 술폰 용액의 응고 시, 상기 도포된 폴리에테르 술폰 용액 용액에 직접 닿지 않도록 순환 에어를 간접분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리에테르 술폰 멤브레인의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 순환 에어는 온도는 20 ~ 30℃ 이고, 습도는 50 ~ 70%이며, 분사속도는 1.5 ~ 2.5 m/min인 것을 특징으로 하는 상기 폴리에테르 술폰 멤브레인의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 지지체는 20 ~ 80 g/㎡의 폴리올레핀계 또는 폴리에스터계 부직포인 것을 특징으로 하는 상기 폴리에테르 술폰 멤브레인의 제조방법.
4. 제4항에 있어서, 상기 부직포는 다층구조인 것을 특징으로 하는 상기 폴리에테르 술폰 멤브레인의 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 간접분사 단계 이전에 폴리에테르 술폰을 용매에 용해하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 폴리에테르 술폰 멤브레인의 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 용매는 유기용매이고, 상기 용매 100중량부에 대하여 상기 폴리에테르 술폰 5 ~ 30 중량부를 첨가하는 것을 특징으로 하는 상기 폴리에테르 술폰 멤브레인의 제조방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 용해 단계 이후 비용매, 친수화 첨가제 및 기공조절 반응촉매를 상기 용매에 균일하게 혼합하여 폴리에테르 술폰 용액을 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 폴리에테르 술폰 멤브레인의 제조방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 비용매는 물 또는 폴리에틸렌글리콜이고, 상기 친수화 첨가제는 아세테이트 화합물이며 상기 기공조절 반응촉매는 에폭시 화합물 인 것을 특징으로 하는 상기 폴리에테르 술폰 멤브레인의 제조방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 폴리에테르 술폰 용매 100중량부에 대하여 상기 비용매는 5 ~ 30중량부, 상기 친수화 첨가제는 5 ~ 30중량부 및 상기 기공조절 반응촉매 5 ~ 15중량부가 혼합되는 것을 특징으로 하는 상기 폴리에테르 술폰 멤브레인의 제조방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 간접분사 단계 이후 응고되지 않은 상기 폴리에테르 술폰 용액을 추출한 뒤 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 폴 리에테르 술폰 멤브레인의 제조방법.
11. 제1항에 있어서, 막 형성 속도는 1 ~ 5 m/min인 것을 특징으로 하는 상기 폴리에테르 술폰 멤브레인의 제조방법.
12. 제1항에 있어서, 상기 간접분사 단계는 2초 ~ 5분 동안 진행되는 것을 특징으로 하는 상기 폴리에테르 술폰 멤브레인의 제조방법.

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