KR20110060526A - 포름알데히드 흡착 기능성 필터 여재 및 그 제조방법 - Google Patents

포름알데히드 흡착 기능성 필터 여재 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가정용 공기청정기 등에 이용될 수 있는 기능성 필터 여재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 기능성 필터 여재는 전기방사에 의한 나노섬유 웹으로 이루어지는 다공성 막과, 상기한 다공성막에 포함되는 포름알데히드 등의 흡착능을 갖는 천연물 및, 이 다공성 막의 일면에 적층되어진 통기성 지지체인 부직포를 포함하고; 전기방사로 제조된 다공성막은 기공의 크기가 3nm-500nm 이고 포름알데히드(FA)제거율이 30% 이상인 것을 특징으로 한다.
전기방사, 기능성필터여재, FA 흡착, 통기도

Description

포름알데히드 흡착 기능성 필터 여재 및 그 제조방법{Filter for Formaldehyde and manufacturing method thereof}
본 발명은 새집증후군, 아토피 유발 등의 원인인 포름알데히드(FA)를 제거하기 위한 나노섬유를 포함하는 포름알데히드 흡착 기능성 필터 여재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 들어 실내 공기 질에 대한 관심과 건강한 삶에 대한 욕구가 크게 증가하고 있고, 황사, 사스 등 공기에 의한 오염 빈도가 크게 증가하면서 공기 중의 오염물이나 이물질등을 걸러주는 필터를 구비한 정화하기 위한 장치들(예를 들면 공기청정기 등)에 대한 수요가 크게 증가하였다.
이에 따라 최근 가정에서 많이 사용되고 있는 공기청정기의 필터는 미세먼지를 포집하는 정전, 헤파(HEPA) 필터부와 탈취, 항균 및 살균을 담당하는 기능성 필터부로 크게 나눌 수 있다.
상기한 기능성 필터는 현재 대부분 활성탄을 이용하여 탈취 기능을 발휘하고, 자외선 조사, 플라즈마, 오존 등을 이용하거나 천연 항균 물질을 이용하여 항균, 살균 기능을 부여하고 있다. 또한 살균기능을 가진 금속 이온 등을 활용하는 제품도 출시가 되었으나 제한된 살균, 항균 기능에 만족할 수 밖에 없었다.
그러나, 이러한 종래의 기능성 필터들은 휘발성 유기화합물(VOCs), 포름알데히드(FA) 등의 유해물질을 제거하는 기능을 가지지 못하는 한계가 존재한다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 수지접착제를 사용하지 않고 합성섬유만으로 열융착에 의한 기재 부직포와 나노섬유 및 FA흡착능을 갖는 천연물로 이루어진 기능성 필터 여재를 성형하여 눈막힘 현상이 없이 공기청정기 내부에서 FA를 흡착할 수 있는 공기청정기용 기능성 필터여재 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 기능성 필터 여재는, 폴리비닐리덴프루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴프루오라이드-테트라프루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 삼공중합체(THV), 폴리비닐리덴프루오라이드-헥사플루오르프로필렌 공중합체(PVdF-HFP) 중 선택된 하나 이상을 포함하는 불소계 열가소성고분자 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 나일론 중에서 선택된 하나 이상의 고분자로 이루어지는 직경이 50nm - 1000nm인 나노섬유를 전기방사하여 형성하며 전기방사 후도가 0.5㎛ - 100㎛인 다공성막; 식물성 폴리페놀로서 이에 포함된 케르세틴(quercetin), 카페인산(caffeic acid) 등과 같은 플라보노이드(flavonoid) 화합물이 항균성 및 포름알데히드 흡착능을 가지며 상기한 다공성막에 부착되는 천연물입자를 포함하여 구성된다.
상기에서, 천연물은 10nm-100nm의 폴리헤드랄실세스퀴옥산(Polyhedral oligomeric silsesquioxane)(POSS) 입자, 4nm-100nm의 크기를 가지는 실리카 입자 중에서 어느 하나 혹은 모두에 부착되어 다공성막에 포함되거나, PVA, PVP, 키토산 중에서 하나 이상 선택된 수용성고분자 용액 및 이들의 하이드로겔을 이용하여 인산칼슘화 반응인 광물화반응을 통한 유/무기복합 입자로 다공성막에 포함된다.
그리고, 상기한 다공성막에는 케미컬 본딩, 니들펀칭 등으로 제조된 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 나일론 중에서 하나 이상 선택되어 제조된 부직포가 더 접착된다.
한편, 본 발명에 따른 기능성 필터 여재 제조 방법은 항균성 및 FA 흡착능을 가지는 플라보노이드(flavonoid) 화합물을 포함하는 천연물을 10nm-1000nm의 Polyhedralsilsesqueoxane(POSS) 입자 혹은 무기입자로서 4nm-1000nm의 크기를 가지는 실리카 입자에 효소촉매법(horseradish peroxidase, HRP)을 이용한 산화환원법 또는 EDC/NHS를 이용한 화학개질법 또는 실리카 전구체를 졸-겔(sol-gel) 반응을 통해 실리카 입자로 만든 과정 중에 상기한 천연물을 POSS 혹은 실리카 전구체 중량에 대해 0.5-5% 투입하여 복합체를 형성하거나, 천연물을 광물화반응을 통해서 유/무기복합입자로 제조하는 방법 중 어느 하나에 의하여 천연물입자를 제조하는 단계와; 폴리비닐리덴프루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴프루오라이드-테트라프루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 삼공중합체(THV), 폴리비닐리덴프루오라이드-헥사플루오르프로필렌 공중합체(PVdF-HFP) 중 선택된 하나 이상을 포함하는 불소계 열가소성고분자 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 나일론 중에서 선택된 하나 이상의 고분자로 이루어지는 직경이 50nm - 1000nm인 나노섬유를 전기방사하여 형성하며 전기방사 후도가 0.5㎛ - 100㎛인 다공성막에 상기한 천연물입자를 분산시키는 단계를 포함한다.
본 발명은 수지접착제를 사용하지 않고 FA 흡착용 기능성 필터여재를 얻음으로써 수지접착제에 의한 눈막힘 현상을 현저히 줄임과 동시에 천연물을 활용한 FA 흡착능을 크게 향상시켜 실내 공기질을 향상시키고 공기 중의 포름알데히드를 제거하는 효과를 도모할 수 있다.
또한, VOCs, FA 등은 분해가 일어나지 않으므로 일정 기간 동안 흡착시켜 필터 여재를 교환하는 방법을 사용하여야 하므로 본 발명의 취지와도 잘 부합된다.
그리고, 집진 탈취가 진행된 유입 공기와 면하는 나노섬유 다공성막에서 FA 흡착을 높이기 위해 FA 흡착성을 지닌 천연물을 포함하는 유기 혹은 무기 입자를 첨가하여 다공성막의 표면 성질 강화 및 FA 흡착능의 상승 효과를 얻을 수 있다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 살펴본다.
본 발명의 필터 여재는 직경이 50nm - 1000nm인 나노섬유를 전기방사하여 형성된 후도 0.5㎛ - 100㎛, 기공의 크기가 3nm-500nm, 기공율 70% 이상의 다공성막과; 상기한 다공성막에 부착되는 천연물; 케미컬 본딩, 니들펀칭 등으로 제조된 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 나일론 등의 고분자 중에서 하나 이상 혼합하여 이루어져 열, 초음파, 고주파 중 선택된 어느 하나의 열융착법에 의하여 상기한 다공성막에 부착되는 통기성 지지체인 부직포;로 구성되며, 포름 알데히드(FA)제거율이 30% 이상이다.
상기에서 다공성막은 폴리비닐리덴프루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴프루오라이드-테트라프루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 삼공중합체(THV), 폴리비닐리덴프루오라이드-헥사플루오르프로필렌 공중합체(PVdF-HFP) 중 선택된 하나 이상을 포함하는 불소계 열가소성고분자 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 나일론 중에서 선택된 하나 이상의 고분자로 이루어지는 직경이 50nm - 1000nm인 나노섬유를 전기방사하여 형성하여 형성된다.
이때 전기방사예로서는 고분자 10-30중량%와 용매 70-90중량%를 혼합하여 15cm거리에서 토출량 시간당 1.5㎖로하여 전기분사하는데, 고분자가 PET인 경우 용매로 트리플루오르아세트산을 사용하여 총중량에 대하여 고분자 10중량%를 첨가하고, 나일론의 경우 용매로 개미산을 사용하여 총중량에 대하여 20중량% 첨가한다.
그리고, 상기한 다공성막에 첨가되는 천연물은 식물성 폴리페놀로서 이에 포함된 케르세틴(quercetin), 카페인산(caffeic acid) 등과 같은 플라보노이드(flavonoid) 화합물이 항균성 및 FA흡착능을 가지며, 이러한 천연물은 10nm-1000nm의 Polyhedralsilsesqueoxane(POSS) 입자 혹은 무기입자로서 4nm-1000nm의 크기를 가지는 실리카 입자에 상기한 천연물이 일체로 포함되어 사용되거나, 천연물을 광물화반응을 통해서 유/무기복합입자로 제조하여 사용하며, 이는 나노섬유의 표면에서 FA 흡착능을 가지는 천연물을 보호하고 흡착능을 강화하는 역할을 수행한 다.
이와 같이 형성된 천연물은 다공성막에 분산시켜 사용하며, 이를 보다 구체적으로 살펴보면, 다공성막으로 사용되는 전기방사를 통한 나노섬유의 제조시에 상기 제조된 천연물 입자를 나노섬유용 고분자 중량대비 0.1-5중량% 투입하여 300rpm의 속도로 1시간 이상 교반하여 나노섬유 제조용 고분자 용액 내에 충분히 분산시킨다. 이를 통해 고분자 사슬과 충분히 혼합된 천연물 입자는 방사시 나노섬유상에 분산되어 골고루 도포되게 된다.
상기에서 POSS 또는 실리카는 내부 공간이 비어있어 다른 물질을 내/외부에 쉽게 부착할 수 있는 구조를 가지고 있으므로 본 발명에는 상기한 POSS 또는 실리카 입자에 항균, 항염증, 항응혈성, FA흡착능을 갖는 천연물을 부착하여 사용하며, 상기한 바와 같이 천연물이 부착된 POSS 또는 내부가 비어있는 실리카 입자는 다공성막 제조시 폴리머중량 대비 0.5중량%- 5중량% 사용한다.
이러한 POSS 혹은 실리카를 사용하는 경우, 우선 천연물을 그대로 사용하는 경우는 천연물을 효소촉매법(horseradish peroxidase, HRP)을 이용한 산화환원법 또는 EDC/NHS를 이용한 화학개질법으로 POSS의 표면에 POSS중량 대비 0.5-5% 농도로 도입하며, 실리카의 경우 오가닉 실란(Organic silane)류의 실리카 전구체를 졸-겔(sol-gel) 반응을 통해 실리카 입자로 만들며 이러한 반응 중에 천연물 입자를 전구체 중량에 대해 0.5-5% 투입하여 복합체를 형성한다
그 예로서, 베이스인 물 중량에 대하여 POSS를 3-5중량%, 커플링 에이전트(Coupling Agent)로서 EDC/NHS를 POSS중량대비 0.5-1중량%, 천연물을 POSS 1mol 대비 2-3mol 비율로 상온에서 2-3시간 교반하면, 천연물의 수산화기와 POSS의 아민기가 결합하여 천연물이 POSS에 부착된다.
그리고, 실리카 전구체인 오가닉 실란(Organic silane)류의 실리카 전구체를 유기용매에 10-30%농도로 용해하는 과정에 천연물을 실리카 전구체 중량에 대해 0.5-5% 투입한 후 상온에서 2-3시간교반한 뒤, 0.1% 염산 용액을 실리카 전구체 중량 대비 1-3중량% 첨가하여 졸-겔(sol-gel) 반응을 통해 천연물이 포함된 실리카 입자를 제조한다.
한편, 상기한 천연물을 광물화반응을 통해서 사용하는 경우에는, 천연물인 식물성 폴리페놀을, PVA, PVP, 키토산 등과 같은 수용성고분자 용액 및 이들의 하이드로겔에 투입하여, 인산칼슘화 반응인 광물화반응을 통해서 생성하는 것으로, 구체적으로 살펴보면 PVA, PVP(polyvinylpyrrolidone), 키토산 중에서 하나 이상 선택된 수용성 고분자를 이용하여 하이드로겔을 형성할 수 있는 각각의 농도(고분자의 분자량에 따라 농도가 다름)인 2-40% 농도의 고분자수용액을 형성하고, 상기한 고분자 수용액에 천연물을 수용성 고분자 중량에 대하여 0.5-5%, 인산염을 수용성 고분자 중량에 대하여 0.5-5% 첨가하여 상온에서 1-2시간 교반 후 상기한 인산염보다 과량의 칼슘을 투입하여 가교하면 광물화반응을 통해서 수용성고분자와 천연물 복합 입자가 고체형태로 얻어진다.
상기에서 광물화반응이란 일반적으로 인산염 수용액에 녹아 있는 수용성 고분자 용액 또는 이들의 하이드로겔에 칼슘이온을 첨가함에 의해 생체의 구성성분 중에서 뼈를 구성하는 기본적인 물질인 트리칼슘 포스페이트(tricalcium phosphate; TCP) 또는 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite; HA) 유사체와 수용성고분자의 복합체로 이루어진 판상 형태의 유/무기복합체를 합성할 수 있으며, 이들을 분쇄함에 의해 유/무기복합 나노입자의 제조가 가능하다.
그리고, 상기한 다공성막과 부직포는 섭씨 80도에서 120도 이내의 온도에서 30초 이하의 시간으로 열융착하며 압력은 통상적인 롤 타입의 라미네이터가 가지는 압력 범위 내에서 시행하여, 다공성막 및 부직포에 손상이 가지 않도록 한다.
이와 같이 제조된 필터 여재는 공기청정기 등에 주로 사용되는데, 종래의 공기청정기에서 사용되고 있는 일반적인 공기청정기용 필터의 역할은 공기청정기 내 포함된 타 필터에서 수행하고, 본 발명의 필터 여재는 공기청정기 내부에 포함되는 다종의 기능성 필터의 일종으로 FA흡착을 주기능으로 하며 항균기능을 부가한 것이다.
이 중 나노섬유 다공성막은 FA흡착능을 가진 입자를 필터 전체적으로 분산시키고 내부 공기와의 접촉면적을 최대화하는 기능을 가지며, 부직포는 나노섬유의 약한 기계적 물성과 필터 제조상의 편의를 위해 사용되므로 나노섬유와의 부착성이 좋은 PET, PP, PE, Nylon 등의 재질을 사용한다.

Claims (5)

  1. 기능성 필터 여재에 있어서,
    폴리비닐리덴프루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴프루오라이드-테트라프루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 삼공중합체(THV), 폴리비닐리덴프루오라이드-헥사플루오르프로필렌 공중합체(PVdF-HFP) 중 선택된 하나 이상을 포함하는 불소계 열가소성고분자 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 나일론 중에서 선택된 하나 이상의 고분자로 이루어지는 직경이 50nm - 1000nm인 나노섬유를 전기방사하여 형성하며 전기방사 후도가 0.5㎛ - 100㎛인 다공성막;
    식물성 폴리페놀로서 이에 포함된 케르세틴(quercetin), 카페인산(caffeic acid) 등과 같은 플라보노이드(flavonoid) 화합물이 항균성 및 포름알데히드 흡착능을 가지며 상기한 다공성막에 부착되는 천연물; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 포름알데히드 흡착 기능성 필터 여재.
  2. 제 1항에 있어서, 상기한 천연물은 10nm-100nm의 폴리헤드랄실세스퀴옥산(Polyhedral oligomeric silsesquioxane)(POSS) 입자, 4nm-100nm의 크기를 가지는 실리카 입자 중에서 어느 하나 혹은 모두에 부착되어 다공성막에 포함되는 것을 특징으로 하는 포름알데히드 흡착 기능성 필터 여재.
  3. 제 1항에 있어서, 상기한 천연물은 PVA, PVP, 키토산 중에서 하나 이상 선택 된 수용성고분자 용액 및 이들의 하이드로겔을 이용하여 인산칼슘화 반응인 광물화반응을 통한 유/무기복합 입자로 다공성막에 포함되는 것을 특징으로 하는 포름알데히드 흡착 기능성 필터 여재.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기한 다공성막에는,
    케미컬 본딩, 니들펀칭 등으로 제조된 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 나일론 중에서 하나 이상 선택되어 제조된 부직포가 접착되는 것을 특징으로 하는 포름알데히드 흡착 기능성 필터 여재.
  5. 항균성 및 FA 흡착능을 가지는 플라보노이드(flavonoid) 화합물을 포함하는 천연물을 10nm-1000nm의 Polyhedralsilsesqueoxane(POSS) 입자 혹은 무기입자로서 4nm-1000nm의 크기를 가지는 실리카 입자에 효소촉매법(horseradish peroxidase, HRP)을 이용한 산화환원법 또는 EDC/NHS를 이용한 화학개질법 또는 실리카 전구체를 졸-겔(sol-gel) 반응을 통해 실리카 입자로 만든 과정 중에 상기한 천연물을 POSS 혹은 실리카 전구체 중량에 대해 0.5-5% 투입하여 복합체를 형성하거나, 천연물을 광물화반응을 통해서 유/무기복합입자로 제조하는 방법 중 어느 하나에 의하여 천연물입자를 제조하는 단계와,
    폴리비닐리덴프루오라이드(PVdF), 폴리비닐리덴프루오라이드-테트라프루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 삼공중합체(THV), 폴리비닐리덴프루오라이드-헥사플루오르프로필렌 공중합체(PVdF-HFP) 중 선택된 하나 이상을 포함하는 불소계 열가 소성고분자 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 나일론 중에서 선택된 하나 이상의 고분자로 이루어지는 직경이 50nm - 1000nm인 나노섬유를 전기방사하여 형성하며 전기방사 후도가 0.5㎛ - 100㎛인 다공성막에 상기한 천연물입자를 분산시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포름알데히드 흡착 기능성 필터 여재 제조 방법.
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