KR20100133729A - 용융전기방사법을 이용한 나노복합필터 및 그 제조방법 - Google Patents

용융전기방사법을 이용한 나노복합필터 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용융전기방사법을 이용한 나노복합필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 나노복합필터는 마이크로 섬유층 상에 용융전기방사법에 의해 제조된 나노섬유로 이루어진 나노섬유층이 적층된 이중구조 또는 마이크로 섬유층 상에 나노섬유층 및 마이크로 섬유층이 교호 형성된 복층구조로서, 미세입자 제거성능을 향상시키며, 특히, 본 발명은 용융전기방사법에 의해 나노섬유층을 형성하되, 고분자재료의 물성을 개질하여 용융전기방사를 최적화하고, 용융전기방사법을 수행함으로써, 종래 마이크로 섬유층이나 나노섬유층에 용매 잔존 문제를 근본적으로 해소하고, 생산공정상 환경오염물질의 배출이 없어 환경 친화적이고, 고분자 함량이 높아 대량생산이 가능하다.
나노복합필터, 나노섬유층, 용융전기방사, 폴리아크릴로니트릴

Description

용융전기방사법을 이용한 나노복합필터 및 그 제조방법{NANO COMPLEX FILTER USING MELT-ELECTROSPINNING AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 용융전기방사법을 이용한 나노복합필터 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마이크로 섬유층 상에 용융전기방사법에 의해 제조된 나노섬유로 이루어진 나노섬유층이 적층된 이중구조 또는 복층구조로 이루어져 미세입자 제거성능을 향상시키고, 용융전기방사방법에 의해 제조되므로, 생산공정 상, 환경오염물질의 배출이 없어 환경 친화적이고, 고분자 함량이 높아 대량생산이 가능한 나노복합필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 마이크로 섬유는 고분자 용액을 기계적인 힘으로 미세구멍을 통해 강제압출 방사시키는 용융방사, 건식방사, 습식방사 등과 같은 방사방식에 의해 제조된다.
이러한 방식으로 제조된 마이크로 섬유의 직경은 대략 5∼500㎛범위를 가지므로, 상기 마이크로 섬유로 구성된 필터로는 마이크로 사이즈의 오염입자를 필터링할 수 있지만 나노사이즈의 미세 오염 입자를 필터링하는 것은 사실상 불가능하다.
이에, 1㎛ 이하의 나노수준의 섬유를 제조하기 위한 다양한 방식들이 개발되고 있 으며, 그 일례로서, 블록 세그먼트에 의한 나노구조로 물질 형성, 자기조립에 의한 나노구조 물질형성, 실리카 촉매 하에 중합에 의한 나노섬유 형성, 용융방사 후 탄화공정에 의한 나노섬유 형성, 고분자 용액의 전기방사에 의한 유기 나노섬유를 형성하는 방법 등이 공지되어 있다.
이와 같이 제조되는 나노섬유로 구성된 나노섬유 필터의 경우, 마이크로 섬유 필터에 비해서 그 표면적이 매우 크고, 표면 작용기에 대한 유연성도 좋으며 나노 사이즈의 기공을 가지므로 유해한 입자나 가스를 효율적으로 제거할 수 있다.
그러나, 나노섬유를 이용한 필터 구현은 그 생산비용의 비약적인 증가와 생산을 위한 복잡한 조건 등을 맞추기가 쉽지 않으므로, 나노섬유를 이용한 필터를 상대적으로 낮은 단가로 생산보급하지 못하는 실정이다.
최근, 나노섬유를 제조하는 방법 중, 용액전기방사법에 의한 제조방법이 각광을 받고 있으나, 용액전기방사법의 경우 용매를 사용해야 하기 때문에 환경오염 방지 및 용매회수를 위한 별도의 장치를 필요로 하며, 고분자용액을 사용하므로, 고분자 함량이 낮아 대량생산이 어려운 단점이 있다.
또한, 용액 전기방사시에 사용되는 디메틸포름아마이드(dimethylformamide, DMF) 용매의 독성으로 인하여, 작업장의 환경이 유해한 문제가 있으며, 용액전기방사법에 의해 제조된 나노섬유로 구성된 필터는 일부 유독성 용매들이 복합필터 내에 잔류할 수 있어서 제조단계에서의 필터오염을 야기할 수 있다.
그 대안으로서, 제조공정 상 전혀 용매를 사용하지 않기 때문에 친환경적이며, 고분자 함량이 높아 대량생산이 가능한 용융전기방사방법은 친환경적이며, 생산성이 높은 나노섬유 필터의 제조가 가능하다.
그러나, 통상 고분자 재료가 고분자의 용융온도보다 열분해 온도가 낮기 때문에, 용융전기방사에 적용이 불가능한 문제점이 발생한다. 따라서, 용융전기방사에 적용하기 위해서는 고분자 재료의 물성 개질이 필요하다.
이에, 본 발명자들은 종래 마이크로 필터가 미세입자 제거성능이 낮은 문제점과 나노섬유 필터 제조시 생산비용상승에 대한 문제점을 해소하기 위하여 노력한 결과, 마이크로 섬유층 상에 용융전기방사법에 의해 제조된 나노섬유로 이루어진 나노섬유층을 적층한 나노복합필터를 제공함으로써, 미세입자 제거성능이 개선되고, 상대적으로 제조단가를 낮추면서 고효율 및 고기능성의 나노복합필터를 제공하고, 특히 용융전기방사에 적합하도록 고분자 재료의 물성을 개질하여 나노섬유층을 제조하여 본 발명에 이르게 되었다.
본 발명의 목적은 마이크로 섬유층 상에, 용융전기방사법에 의한 나노섬유층이 형성된 이중구조의 나노복합필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 마이크로 섬유층 상에, 용융전기방사법에 의한 나노섬유층이 형성된 이후, 상기 마이크로 섬유층과 나노섬유층이 교호되어 형성된 복층구조의 나노복합필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 용융전기방사에 적합하도록 고분자 재료의 물성을 개선한 나노복합구조의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 바람직한 구현을 위한 제1실시형태는 마이크로 섬유층 및 상기 마이크로 섬유층 상에 용융전기방사법에 의한 나노섬유층이 형성된 이중구조의 나노복합필터를 제공한다.
본 발명의 바람직한 구현을 위한 제2실시형태는 마이크로 섬유층 및 상기 마이크로 섬유층 상에, 용융전기방사법에 의한 나노섬유층이 형성된 이후, 상기 마이크로 섬유층과 나노섬유층이 교호되어 형성된 복층구조의 나노복합필터를 제공한다.
본 발명의 제1실시형태 및 제2실시형태의 나노복합필터는 나노섬유와 마이크로 섬유를 복합시켜서 고효율, 고기능성이 확보된 나노복합필터이다.
본 발명의 나노복합필터에서, 나노섬유층은 폴리아크릴로니트릴계 고분자를 주성분으로 함유한 공중합체 100 중량부에 대하여, 가소제 10 내지 40 중량부가 첨가된 고분자재료가 용융전기방사법에 의해 형성된다.
이때, 상기 폴리아크릴로니트릴계 고분자를 주성분으로 함유한 공중합체의 바람직한 일례로는 폴리아크릴로니트릴(PAN) 75 내지 90중량% 및 메틸아크릴레이트(MA) 10 내지 25 중량%로 이루어진 것이다.
상기 폴리아크릴로니트릴계 고분자를 주성분으로 함유한 공중합체의 바람직한 다른 일례로는 폴리아크릴로니트릴(PAN) 65 내지 85중량%, 메틸아크릴레이트(MA) 10 내지 25 중량% 및 고무 5 내지 10중량%로 이루어진다.
이때, 본 발명의 나노복합필터에서, 나노섬유층의 섬유직경은 0.1 내지 5㎛를 가지며, 나노섬유층의 표면적은 1,000 내지 3,000 ㎡/g를 충족한다.
본 발명은 1) 일단이 접지되며 회전 구동되는 도전성재질의 성형봉 상에, 용융방사기 내에서 용융방사하여 마이크로 섬유사로 구성된 마이크로 섬유층을 형성하고,
2) 상기 마이크로 섬유층 상에, 폴리아크릴로니트릴계 고분자를 주성분으로 함유한 공중합체 100 중량부에 대하여, 가소제 10 내지 40 중량부를 전기방사기 내 140∼200℃ 온도 및 15∼30kV 전압 하에서 혼합한 후, 용융전기방사하여 나노섬유로 구성된 나노섬유층을 적층 형성한 나노복합필터의 제조방법을 제공한다.
나아가, 본 발명의 제조방법은 복수의 용융방사기를 설치하고, 상기 용융방사기와 전기방사기에 의해서 마이크로 섬유층과 나노섬유층을 교호적이고 연속적으로 적층 형성하여 복수층들이 구성되도록 한다.
본 발명의 제조방법은 용융전기방사에 적합하도록 하여, 나노섬유층을 형성한 것을 특징으로 하며, 이때, 폴리아크릴로니트릴계 고분자를 주성분으로 함유한 공중합체가 폴리아크릴로니트릴(PAN) 75 내지 90중량% 및 메틸아크릴레이트(MA) 10 내지 25 중량%로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 폴리아크릴로니트릴계 고분자를 주성분으로 함유한 공중합체는 폴리아크릴로니트릴(PAN) 65 내지 85중량%, 메틸아크릴레이트(MA) 10 내지 25 중량% 및 고무 5 내지 10중량%로 이루어진 것을 사용한다.
본 발명의 제조방법에서, 성형봉이 각 섬유를 포집하는 콜렉터 역할을 수행하며, 1∼100rpm으로 회전 구동되도록 한다.
본 발명의 제조방법에서, 용융방사기 내 용융방사조건은 방사노즐 직경 0.1∼0.3mm이며, 방사거리가 5 내지 25cm으로 수행하여, 마이크로 섬유층을 형성한다.
또한, 본 발명의 제조방법에서, 전기방사기 내, 용융방사조건은 방사노즐(16)의 내부직경이 최대 0.4 mm이며, 방사노즐의 온도가 140∼240℃이고, 방사거리가 5 내지 25cm인 조건으로 수행하여, 나노섬유층을 형성한다.
본 발명에 따라, 마이크로 섬유층 상에 나노섬유층이 형성된 이중구조의 나노복합필터 또는 마이크로 섬유층 상에 나노섬유층과 마이크로 섬유층이 교호 형성된 복층구조의 나노복합필터를 제공함에 따라, 미세입자 제거성능을 향상시키고, 나노섬유 필터 제조시 생산비용을 낮춘 고효율 및 고기능성의 나노복합필터를 제공할 수 있다.
본 발명의 나노복합필터는 용융전기방사법에 의해 제조된 나노섬유로 이루어진 나노섬유층이 구비됨에 따라, 종래 용액전기방사법과는 달리, 생산공정상 용매를 사용하지 않아 환경오염물질의 배출이 없어 환경 친화적이다. 또한, 종래 용액전기방사법의 경우 제조단계에서의 고분자용액에 포함되어 있는 용매가 마이크로 섬유층이나 나노섬유층에 잔존하는 2차 오염원에 대한 문제점을 가지고 있으나, 본 발명의 용융전기방사법은 고분자를 전기방사단계 용융에 의한 방법으로 제조하기 때문에 상기 문제점을 해소할 수 있다.
나아가, 본 발명의 제조방법은 고분자재료의 물성을 개선하여 용융전기방사를 최적화함으로써, 가공온도를 낮춰 열분해를 방지하고, 미세압출설비(micro extruder)를 이용하여 생산효율을 높인 나노복합필터를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.
본 발명의 바람직한 구현을 위한 제1실시형태는 마이크로 섬유층(21) 및 상기 마이크로 섬유층(21) 상에, 용융전기방사법에 의한 나노섬유층(22)이 형성된 이중구조의 나노복합필터를 제공한다[도 1].
본 발명의 바람직한 구현을 위한 제2실시형태는 마이크로 섬유층(21) 및 상기 마이크로 섬유층(21) 상에, 용융전기방사법에 의한 나노섬유층(22)이 형성된 이후, 상기 마이크로 섬유층과 나노섬유층이 교호되어 형성된 복층구조의 나노복합필터를 제공한다[도 2].
본 발명의 제1실시형태 및 제2실시형태의 나노복합필터는 마이크로 섬유와 나노섬유를 복합시켜, 미세입자 제거성능 및 나노섬유 필터 제조시 생산비용을 낮춘 고효율, 고기능성을 구현한 나노복합필터이다. 도 2에서 도시된 본 발명의 나노복합필터(20)는 마이크로 섬유층(21)과 나노섬유층(22)을 교호적으로 적층구성하되, 다수층들로 적층 구성되게 할 수도 있음은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 당연히 이해될 것이다.
본 발명의 나노복합필터에서 마이크로 섬유층(21)은 종래 고분자 용액을 기계적인 힘으로 미세구멍을 통해 강제압출 방사시키는 용융방사, 건식방사, 습식방사 등과 같은 방사방식 또는 멜트블로운(Melt-Blown) 부직포의 제조공정을 거쳐 제조가능한 마이크로 섬유로 이루어진다.
본 발명의 나노복합필터(20) 특징은 상기 마이크로 섬유층 상에 용융전기방사법에 의해 나노섬유층을 형성한 것으로서, 나노섬유층에 대하여 상세히 설명하고자 한 다.
상기 용융전기방사법은 종래 용액전기방사법과는 달리, 방사 전공정에서 용매를 사용하지 않아 친환경적이고, 고분자 함량이 높아 대량생산이 가능한 이점이 있다.
또한, 본 발명의 나노섬유층(22)은 용융전기방사에 적합하도록 물성이 개선된 고분자 재료를 사용한 것을 특징으로 한다.
더욱 구체적으로는, 본 발명의 나노섬유층에 사용되는 고분자 재료는 탄소함량이 높은 폴리아크릴로니트릴을 사용하되, 용융전기방사에 적합한 최적의 물성을 가지도록, 폴리아크릴로니트릴(PAN)에 메틸아크릴레이트(MA)를 반응시킨 공중합체를 사용한다.
이때, 메틸아크릴레이트(MA)를 공중합체 성분으로 사용함으로써, 나노섬유 방사성능과 기계적 물성을 향상시킬 수 있으며, 바람직하게는 공중합체의 조성은 폴리아크릴로니트릴(PAN) 75 내지 90중량% 및 메틸아크릴레이트(MA) 10 내지 25 중량%로 이루어진다. 상기 메틸아크릴레이트(MA)의 함량이 10 중량% 미만이면 방사가 불가능하고, 25 중량%를 초과하면, 섬유 굵기가 균일하지 않아 바람직하지 않다.
본 발명의 용융전기방사에 적합한 물성을 가지는 폴리아크릴로니트릴 함유 조성물은 폴리아크릴로니트릴(PAN)에 메틸아크릴레이트(MA) 및 고무(rubber)를 더 추가 반응시켜 제조된 공중합체를 사용한다.
이때, 바람직하게는 공중합체의 조성은 폴리아크릴로니트릴(PAN) 65 내지 85중량%, 메틸아크릴레이트(MA) 10 내지 25 중량% 및 고무 5 내지 10 중량%로 이루어진다.
상기 조성물에서, 고무(Rubber)는 방사가능 온도를 낮추는 기능을 수행하며, 본 발 명에 사용되는 고무로는 니트릴고무 소재를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 그 함량이 5 중량% 미만이면, 전기방사가 불리하고, 10 중량%를 초과하면, 탄소함량이 너무 낮아 수율이 낮은 단점이 있다.
이에, 탄소함량이 높은 폴리아크릴로니트릴계 고분자를 주성분으로 사용한 본 발명의 나노섬유층은 폴리아크릴로니트릴 단독 고분자 성분 대신에 그를 함유한 공중합체 조성으로 물성을 개선하고, 가소제를 첨가함으로써, 250℃ 이하의 수준으로 가공온도를 낮춰 열분해를 방지할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 가소제는 고분자의 점도증가를 억제하고 용융전기방사에 적합하도록 하기 위하여, 프로필렌 카보네이트(PC)를 사용한다. 특히, 프로필렌 카보네이트(PC)는 상온에서는 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 녹일 수 없지만 140℃ 이상의 온도에서는 녹일 수 있으며, 프로필렌 카보네이트(PC)의 끓는점이 240℃이기 때문에 방사온도 조건에서는 휘발이 일어나지 않는다.
또한, 프로필렌 카보네이트(PC)는 폴리아크릴로니트릴(PAN)의 용액방사에 사용되는 디메틸포름아마이드(DMF)보다 독성이 훨씬 약하기 때문에, 친환경적인 전기방사 시스템을 구축할 수 있다.
본 발명에서 가소제 성분은 프로필렌 카보네이트(PC) 이외에, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 고분자와의 상용성이 있다면, 프로필렌 카보네이트(PC)와 혼합하여 사용할 수 있다. 이때, 폴리아크릴로니트릴(PAN) 고분자와의 상용성이 있는 가소제 성분의 일례로는 디메틸아디페이트, 2-에틸헥실아디페이트, 디아이소부틸아디페이트, 디부틸아디페이트, 디아이소데실아디페이트, 디부틸세바케이트, 2-에틸헥실세바케 이트, 디에틸렌글리콜모노메틸에테르, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 디에틸렌글리콜에틸에테르, 디에틸렌글리콜디에틸에테르, 디에틸렌글리콜부틸에테르, 디에틸렌글리콜디부틸에테르, 디에틸렌글리콜에틸헥실에테르, 폴리옥시에틸렌디메틸에테르, 폴리옥시프로필렌디메틸에테르, 구연산과 소듐디카보네이트 혼합물, 칼슘글루코네이트 등이 있다.
더욱 구체적으로, 본 발명에서 사용하는 나노섬유층(22)의 고분자 재료는 폴리아크릴로니트릴계 고분자를 주성분으로 함유한 공중합체 100 중량부에 대하여, 가소제 10 내지 40 중량부를 첨가한다.
본 발명에서 사용되는 폴리아크릴로니트릴계 고분자를 주성분으로 함유한 공중합체는 분자량 30,000 내지 100,000을 충족하는 것이 바람직하다. 또한, 폴리아크릴로니트릴계 고분자를 주성분으로 함유한 공중합체 100 중량부에 대하여, 가소제로서 사용되는 프로필렌 카보네이트(PC) 10 내지 40 중량부를 사용한다. 이때, 가소제 함량이 10 중량부 미만이면, 방사가 불리하고, 반면에 40 중량부를 초과하면, 섬유 굵기가 불규칙한 문제가 발생한다.
본 발명의 나노복합필터에서, 나노섬유층의 섬유직경은 0.1 내지 5㎛를 가지며, 길이 제한을 받지 않고, 품질이 균일하고 안정적이며 흡착용량이 크고 강도가 높은 장점이 있다.
또한, 상기 나노섬유층의 표면적은 1,000 내지 3,000 ㎡/g로서 고표면적을 구현하고, 나노직경의 웹 형성으로 인하여 유연성이 좋으며, 표면작용기의 활성화에 의해 유해한 입자나 가스등을 효율적으로 제거할 수 있다.
본 발명의 나노섬유층(22)은 해당 필터의 필터효율을 고려하여 수 내지 수백 ㎛ 범위 내에서 두께를 적절하게 조절될 수 있다.
이어, 본 발명의 나노복합필터 중, 마이크로 섬유층(21)을 상세히 설명하면, 본 발명의 마이크로 섬유층은 고분자 용액을 기계적인 힘으로 미세구멍을 통해 강제압출 방사시키는 용융방사, 건식방사, 습식방사 등과 같은 방사방식 또는 멜트블로운(Melt-Blown) 부직포의 제조공정을 거쳐 제조된 통상의 방법을 통해 제조된 마이크로 섬유를 포함한다.
이때, 본 발명의 마이크로 섬유층(21)은 용융방사기에서의 용융방사가 가능한 합성수지 재질로서 폴리프로필렌, 폴리에틸렌텔레프탈레이트, 폴리비닐리덴플루라이드, 나일론, 폴리비닐아세테이트, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리우레탄, 폴리부틸렌텔레프탈레이트, 폴리비닐부틸랄, 폴리비닐클로라이드, 폴리에틸렌이민, 폴리술폰, 폴리올레핀 등이 있으며, 그중 폴리프로필렌 재질을 소재로 하는 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는 본 발명의 마이크로 섬유사 용융을 위한 용융방사기에는 폴리프로필렌재질 칩(chip)들이 투입되어 용융되는데, 형성된 마이크로 섬유층의 통상 섬유직경인 5∼500㎛ 범위를 충족한다.
또한, 본 발명은 1) 일단이 접지되며 회전 구동되는 도전성재질의 성형봉 상에 용융방사기로 용융방사하여 마이크로 섬유사로 구성된 마이크로 섬유층을 형성하고,
2) 상기 마이크로 섬유층 상에, 폴리아크릴로니트릴계 고분자를 주성분으로 함유한 공중합체 100 중량부에 대하여, 가소제 10 내지 40 중량부를 전기방사기 내 140∼200℃ 온도 및 15∼30kV 전압 하에서 혼합한 후, 용융전기방사하여 나노 섬유사로 구성된 나노섬유층을 적층 형성한 나노복합필터의 제조방법을 제공한다[도 3].
나아가, 본 발명의 제조방법은 용융방사기와 전기방사기에 의해서 마이크로 섬유층(21)과 나노섬유층(22)을 교호적이고 연속적으로 적층 형성하여 복수층들이 구성되도록 하여 복층구조의 나노복합필터를 제조할 수 있다[도 4].
이때, 도 4는 본 발명의 나노복합필터 제조장치(10)에서는 두 대의 용융 방사기와 전기방사기를 채용하여 원통형 나노복합필터(20)를 제작하는 것으로 도시하고 있으나, 나노복합필터 제조장치(10)가 다수 대의 용융방사기들과 전기방사기들을 채용하여, 마이크로 섬유층(21)과 나노섬유층(22)을 교호적으로 적층구성하되, 다수층들로 추가 적층되어 제조할 수 있음은 당연히 이해될 것이다.
본 발명의 제조방법에서, 필터의 제기능을 충분히 발휘하기 위해서는 마이크로 섬유층(21) 및 나노섬유층(22)을 형성하는 섬유사를 균일하게 제조하되, 가능한 한, 가늘게 제조하여야 한다.
먼저, 단계 1)의 마이크로 섬유층(21)을 형성하는데 있어서, 폴리프로필렌 마이크로 섬유사를 균일하게 함과 아울러 기존보다는 상대적으로 가늘게 방사하기 위해서는 용융방사기(5,6)의 방사노즐의 바람직한 직경은 최대 0.4 mm이며, 더욱 바람직하게는 0.1∼0.3mm이다. 방사노즐의 온도가 140∼240℃이고, 방사거리는 5 내지 25cm로 수행한다.
또한, 마이크로 섬유 제조 시, 수행되는 방사온도는 280∼300℃가 바람직하다.
본 발명의 제조방법은 마이크로 섬유와 나노섬유의 복합화방법으로는 상기에서 설명한 연속공정으로 나노복합필터를 구현하는 방법 이외에, 다른 실시 예로서, 평면형 나노섬유 부직포를 별도의 공정으로 대량생산하고, 성형봉(2)상에 형성된 마이크로 섬유층(21)상에 일정 두께로 감아준 다음, 다시 마이크로 섬유 용융방사기를 이용하여 마이크로 섬유층을 교호 적층형성시키는 방법으로도 나노복합필터를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시 예로서, 스폰본드(spunbond)와 같은 형태의 마이크로섬유 부직포 상에 전기방사방식으로 본 발명의 나노섬유 부직포를 형성시켜 라미네이션한 후, 이들을 일정 두께가 될 때까지 원통형으로 감아주어 나노복합필터로도 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 제조방법 중, 단계 2)의 나노섬유층의 제조공정을 구체적으로 설명하면, 탄소함량이 높은 폴리아크릴로니트릴계 고분자를 주성분으로 사용하되, 통상 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 고분자의 열분해온도(250℃)가 용융온도(320℃)보다 낮아 용융전기방사에 적용하기 어려운 문제점을 해소하기 위하여, 폴리아크릴로니트릴 단독 고분자 성분 대신에 그를 함유한 공중합체 조성으로 물성을 개선하고, 가소제를 첨가함으로써, 250℃ 이하의 수준으로 가공온도를 낮춰 열분해를 방지하는 것을 특징으로 한다.
이에, 본 발명의 폴리아크릴로니트릴계 고분자를 주성분으로 함유한 공중합체의 바 람직하게는 폴리아크릴로니트릴(PAN) 75 내지 90중량% 및 메틸아크릴레이트(MA) 10 내지 25 중량%로 이루어진 것이다.
바람직한 또 다른 형태로는 폴리아크릴로니트릴(PAN) 65 내지 85중량%, 메틸아크릴레이트(MA) 10 내지 25 중량% 및 고무 5 내지 10중량%로 이루어진 공중합체를 사용하는 것이다.
이에, 단계 2)에서 나노섬유층의 재료로서 최적화된 폴리아크릴로니트릴계 고분자를 주성분으로 함유한 공중합체에 가소제를 첨가함으로써, 가공온도를 낮춰 열분해를 방지함에 따라, 본 발명의 제조방법을 통해 제조된 나노섬유층(22)은 고분자 재료의 물성을 개선함에 따라, 용액 전기방사가 아닌, 용융전기방사를 적용할 수 있으며, 가공성을 향상시키고 고표면적을 구현할 수 있다.
단계 2)의 나노섬유층의 제조공정은 미세압출설비(micro extruder)를 이용하여 생산효율을 높인 나노복합필터를 제조할 수 있다. 상세하게 설명하면, 폴리아크릴로니트릴계 고분자를 주성분으로 함유한 공중합체에 가소제를 첨가하여 140℃ 이상의 온도에서 30분 내지 1시간동안 가열하여 혼합한 후, 도 3 또는 도 4에 도시된 용융전기방사 시스템 상, 글라스 시린지(glass syringe)(13)에 충전한다.
이때, 글라스 시린지(13)는 140℃ 이상의 온도로 유지되면서, 마이크로 펌프(14)에 의해 0.01∼0.05 ㎖/분의 흐름속도로 히팅챔버(15)에 정량 투입된다. 히팅챔버(15)는 마이크로 펌프(14)를 포함하여 구비하거나, 별도로 분리된 구조도 가능하며, 히팅챔버(15)는 온도조절부(12)로부터 140∼200℃로 분위기로 유지된 후, 고압조절부(11)로부터 인가된 15∼30kV 전압 조건 하에서 용융방사된다. 방사시, 방사 노즐(16)의 내부직경은 0.4 mm이내이며, 방사노즐(16)의 온도는 140∼240℃로 유지된다.
단계 2)는 상기 전기방사된 용융체를 방사노즐에서 성형봉(2)으로 연속 포집하여 제조한다. 이때, 15∼30kV로 설정된 고전압 조절부(11)로부터 전압이 인가되면, 액적이 터지면서 방사노즐과 성형봉(2)간의 전압차에 의해 전기방사된 용융체가 롤형의 성형봉(2)에 연속적으로 집적된다.
이때, 방사노즐(16)과 성형봉(2)간의 거리는 5 내지 20cm가 바람직하며, 거리가 5 cm 미만이면, 입자가 형성되어 안정적으로 섬유가 형성되지 않고, 20 cm를 초과하면, 방사된 나노섬유가 콜렉터영역을 벗어남으로 비효율적이다.
종래 폴리아크릴로니트릴계 고분자를 사용하는 경우, 열분해가 일어나지 않도록 하기 위하여, 불활성가스를 사용하여야 하며, 이를 위해서는 특수한 장치가 고려되어야 하므로 비경제적이나, 본 발명은 폴리아크릴로니트릴계 고분자를 주성분으로 함유한 공중합체에 가소제를 첨가하는 물성개선을 통해, 가공온도를 낮춰 열분해를 방지하고 방사함으로써, 경제적인 제조방법이다.
또한, 가공온도를 낮춰 열분해를 방지하도록 최적화된 본 발명의 용융전기방사법에 의하면, 용융전기방사시 챔버 내 일정온도 유지가능, 다층구조 형성이 용이해진다.
본 발명의 제조방법에서, 성형봉(2)은 제1,제2 용융방사기(5)(6)에서의 콜렉터 역할과 아울러, 전기방사기(1)에서의 콜렉터 역할도 담당하는데, 이를 위해 그 봉체가 도전성 재질로서, 금속판 또는 금속메쉬(mesh) 재질을 사용하거나, 유리 또는 플라스틱류가 사용될 수 있으며, 그 일단은 접지된다. 또한 성형봉(2)은 그 성형 봉(2)상에 형성된 섬유층이 일측으로 수평이송 가능하게 표면이 매끄럽게 처리된다.
상기 성형봉(2)은 구동부(4)의 구동제어 하에 제1,제2 용융방사기(5)(6)에 의한 용융방사와 전기방사기(1)에 의한 전기 방사를 모두 수용할 수 있도록 하는 회전속도 바람직하게는, 1 내지 100 rpm 범위로 회전하며, 더욱 바람직하게는 30 내지 60 rpm으로 저속 회전되는 것이다.
필터의 생산속도를 높이기 위하여, 제1,제2 용융방사기(5)(6) 작동시 성형봉(2)의 회전속도를 전기방사기(1) 작동시 성형봉(2)의 회전속도 대비 상대적으로 높일 수 있다. 이때, 제1,제2 용융방사기(5)(6)의 성형봉(2) 회전속도는 50 내지 100 rpm이다.
본 발명의 제조장치의 모식도 상에서, 제1 용융방사기(5) 및 전기방사기(1)에 대응한 위치에는 냉연롤러(3a)(3b)를 구비하여 성형봉(2)과 압착 회전되게 구성하여, 성형봉(2)에 형성된 섬유층 표면을 일정한 압력으로 가압하여 밀도는 조밀되게 해줌과 동시에 균일하게 해주며 송풍 냉각기능도 수행한다. 특히, 냉연롤러(3a)(3b)중 제1 용융방사기(5)에 대응된 냉연롤러(3a)는 테이퍼지게 형성된 보빈으로 구성하여 성형봉(2)에 형성된 섬유층이 성형봉(2)내 잠입편의 돌출에 의해서 들뜨게 될 시에 경사 송풍해줌으로써, 그 섬유층들이 밀려서 서서히 수평 이송되게 해준다. 냉연롤러(3b)는 원기둥형상의 롤러이다.
절단기(7)는 성형봉(2)상에 섬유필터층들이 복층형성이 완성된 후, 계속 밀려서 절단기(7)로 이송됨에 따라 내부 커터를 이용해 미리 설정된 유효길이 대로 절단하여 주어 원통형 나노복합필터가 완성된다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은
첫째, 종래 마이크로섬유 기술과 나노섬유 제조기술을 융합하여 가격 경쟁력을 갖춘 고효율 및 고기능성의 나노복합필터를 제공하였다.
둘째, 용융전기방사에 적합하도록 고분자재료의 물성을 개선하여, 가공온도를 낮춰 열분해를 방지하여 용융전기방사법을 실시하고, 상기 용융전기방사법으로부터 제조된 나노섬유로 나노섬유층을 형성함에 따라, 제조 전공정상에서 용매를 사용하지 않아 환경 친화적이고, 고분자 함량이 높아 대량생산이 가능한 나노복합필터의 제조방법을 구축하였다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시형태인 이중구조의 나노복합필터의 사시도이고,
도 2는 본 발명의 제2실시형태인 복층구조의 나노복합필터의 사시도이고,
도 3은 본 발명의 제1실시형태인 이중구조의 나노복합필터 제조장치의 모식도이고,
도 4는 본 발명의 제2실시형태인 복층구조의 나노복합필터 제조장치의 모식도이다.
<도면부호에 대한 간단한 설명>
10: 나노복합필터 제조장치 2: 성형봉
3a, 3b: 냉연롤러 4: 구동부
5, 6: 용융방사기 7: 절단기
11: 고압조절부 12: 온도조절부
13: 글라스 시린지 14: 마이크로 펌프
15: 히팅챔버 16: 방사노즐
20: 나노복합필터 21: 마이크로 섬유층
22: 나노섬유층

Claims (14)

  1. 마이크로 섬유층 및
    상기 마이크로 섬유층 상에 용융전기방사법에 의한 나노섬유층이 형성된 이중구조의 나노복합필터.
  2. 마이크로 섬유층 및
    상기 마이크로 섬유층 상에 용융전기방사법에 의한 나노섬유층이 형성된 후, 상기 마이크로 섬유층과 나노섬유층이 교호되어 형성된 복층구조의 나노복합필터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 나노섬유층이 폴리아크릴로니트릴계 고분자를 주성분으로 함유한 공중합체 100 중량부에 대하여, 가소제 10 내지 40 중량부가 첨가된 고분자재료가 용융전기방사법에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 상기 나노복합필터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 폴리아크릴로니트릴계 고분자를 주성분으로 함유한 공중합체가 폴리아크릴로니트릴(PAN) 75 내지 90중량% 및 메틸아크릴레이트(MA) 10 내지 25 중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 상기 나노복합필터.
  5. 제3항에 있어서, 상기 폴리아크릴로니트릴계 고분자를 주성분으로 함유한 공중합체 가 폴리아크릴로니트릴(PAN) 65 내지 85중량%, 메틸아크릴레이트(MA) 10 내지 25 중량% 및 고무 5 내지 10중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 상기 나노복합필터.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 나노섬유층의 섬유직경이 0.1 내지 5㎛를 가지는 것을 특징으로 하는 상기 나노복합필터.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 나노섬유층의 표면적이 1,000 내지 3,000 ㎡/g인 것을 특징으로 하는 상기 나노복합필터.
  8. 일단이 접지되며 회전 구동되는 도전성재질의 성형봉 상에, 용융방사기 내에서 용융방사하여 마이크로 섬유사로 구성된 마이크로 섬유층을 형성하고,
    상기 마이크로 섬유층 상에, 폴리아크릴로니트릴계 고분자를 주성분으로 함유한 공중합체 100 중량부에 대하여, 가소제 10 내지 40 중량부를 전기방사기 내 140∼200℃ 온도 및 15∼30kV 전압 하에서 혼합한 후, 용융전기방사하여 나노섬유로 구성된 나노섬유층을 적층 형성하여 이루어지는 나노복합필터의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 용융방사기와 전기방사기에 의해서 마이크로 섬유층과 나노섬유층을 교호적이고 연속적으로 적층 형성하여 복수층들이 구성되도록 하는 것을 특징으로 하는 상기 나노복합필터의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 폴리아크릴로니트릴계 고분자를 주성분으로 함유한 공중합체가 폴리아크릴로니트릴(PAN) 75 내지 90중량% 및 메틸아크릴레이트(MA) 10 내지 25 중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 상기 나노복합필터의 제조방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 폴리아크릴로니트릴계 고분자를 주성분으로 함유한 공중합체가 폴리아크릴로니트릴(PAN) 65 내지 85중량%, 메틸아크릴레이트(MA) 10 내지 25 중량% 및 고무 5 내지 10중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 상기 나노복합필터의 제조방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 성형봉이 1∼100rpm으로 회전 구동되는 것을 특징으로 하는 상기 나노복합필터의 제조방법.
  13. 제8항에 있어서, 용융방사기 내, 용융방사조건이 방사노즐 직경 0.1∼0.3mm이며, 방사거리가 5 내지 25cm인 것을 특징으로 하는 상기 나노복합필터의 제조방법.
  14. 제8항에 있어서, 전기방사기 내, 용융방사조건이 방사노즐의 내부직경이 최대 0.4 mm이며, 방사노즐의 온도가 140∼240℃이고, 방사거리가 5 내지 20cm인 것을 특징으로 하는 상기 나노복합필터의 제조방법.
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