KR20130026987A - 다층 정밀여과막 - Google Patents

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Abstract

(a) 비대칭 층, (b) 등척성 층, 및 (c) 상기 비대칭 층과 상기 등척성 층의 사이에 있는 계면 층으로서, 상기 비대칭 층과 접촉하는 제1 부분 및 상기 등척성 층과 접촉하는 제2 부분을 갖는 계면 층;을 포함하는 정밀여과막으로서, (i) 상기 비대칭 층은 상기 계면 층의 상기 제1 부분과 접촉하는 영역을 갖고, 이 영역은 제1 다공성 구조를 갖는 셀(cell)을 포함하며; (ii) 상기 등척성 층은 상기 계면 층의 상기 제2 부분과 접촉하는 영역을 갖고, 이 영역은 제2 다공성 구조를 갖는 셀을 포함하며; 상기 제1 다공성 구조는 상기 제2 다공성 구조 보다 더 크고; 상기 계면 층의 상기 제1 부분은 상기 제1 다공성 구조를 갖는 셀을 포함하며; 그리고, 상기 계면 층의 상기 제2 부분은 상기 제2 다공성 구조를 갖는 셀을 포함하는 정밀여과막과 그 제조 및 사용 방법이 개시된다. (a) 제1 비대칭 층, (b) 제2 비대칭 층, 및 (c) 상기 제1 비대칭 층과 상기 제2 비대칭 층 사이에 있는 계면 층으로서, 상기 제1 비대칭 층과 접촉하는 제1 부분 및 상기 제2 비대칭 층과 접촉하는 제2 부분을 갖는 계면 폴리머 층;을 포함하는 정밀여과막으로서, (i) 상기 제1 비대칭 층은 상기 계면 층의 상기 제1 부분과 접촉하는 영역을 갖고, 이 영역은 제1 다공성 구조체를 갖는 셀을 포함하며; (ii) 상기 제2 비대칭 층은 상기 계면 층의 상기 제2 부분과 접촉하는 영역을 갖고, 이 영역은 제2 다공성 구조를 갖는 셀을 포함하며; 상기 제1 다공성 구조체는 상기 제2 다공성 구조체 보다 더 크고; 상기 계면 층의 상기 제1 부분은 상기 제1 다공성 구조를 갖는 셀을 포함하며; 그리고, 상기 계면 층의 상기 제2 부분은 상기 제2 다공성 구조를 갖는 셀을 포함하는 정밀여과막과 그 제조 및 사용 방법이 개시된다.

Description

다층 정밀여과막{Multilayer microfiltration membrane}
등방성(대칭성) 및 이방성(비대칭성) 구조를 갖는 막, 예를 들어, 다층 및 복합 막이 당해 기술분야에서 알려져 있다.
그러나, 종래의 막들은 일부의 응용 분야에 적합하지 않다. 예를 들어, 그것들은 원하는 처리량, 멸균 등급 여과, 및 견고성 중 하나 이상을 확실하게 제공하지 않는다.
본 발명은 선행 기술의 단점 중 적어도 몇 개에 대한 개선 방법을 제공한다. 본 발명에 대한 이러한 장점 및 다른 장점들이 아래에 제시된 설명에 나타날 것이다.
본 발명의 구현예는, (a) 비대칭성 폴리머 층, (b) 등척성(isometric) 폴리머 층, 및 (c) 비대칭 및 등척성 층 사이의 계면 폴리머 층을 포함하는 정밀여과 막을 제공한다. 여기서 계면 층은 비대칭 층과 접촉하는 제1 부분 및 등척성 층과 접촉하는 제2 부분을 포함하는데, 여기서 (i) 비대칭성 층은 계면 층의 제1 부분과 접촉하는 영역을 가지며, 이 영역은 제1 다공성 구조를 갖는 셀(cells)을 포함하고; (ii) 등척성 층은 계면 층의 제2 부분과 접촉하는 영역을 가지며, 이 영역은 제2 다공성 구조를 갖는 셀을 포함하며; 제1 다공성 구조는 제2 다공성 구조보다 더 크며; 그리고, 계면 층의 제1 영역은 제1 다공성 구조를 갖는 셀을 포함하고, 계면 층의 제2 영역은 제2 다공성 구조를 갖는 셀을 포함한다.
일부 구현예에 있어서, 비대칭 폴리머 층 및 등척성 폴리머층은 각각 다른 폴리머로 이뤄지며, 계면 층은 비대칭성 층으로부터의 제1 폴리머를, 등척성 층으로부터 제2의 다른 종류의 폴리머를 포함한다.
일부 구현예에 있어서, 등척성 층은 적어도 약 50 ㎛의 두께를 가지며, 및/또는 비대칭성 층은 약 10 내지 약 15 ㎛ 범위의 두께를 갖는다.
일부 구현예에 있어서, 등척성 층 및 계면 폴리머 층은 각각 전체 막 두께의 약 15 % 내지 약 33 % 의 범위에 있으며, 비대칭성 층은 전체 막 두께의 약 60 % 내지 약 70 % 의 범위에 있다.
본 발명의 다른 구현예는 (a) 제1 비대칭 폴리머 층, 제 1 비대칭 비율을 갖는 제1 비대칭성 폴리머 층, (b) 제2 비대칭성 폴리머 층, 제2 비대칭 비율을 갖는 제2 비대칭성 폴리머 층, 여기서 제2 비대칭 비율은 제1 비대칭 비율보다 크다; 및 (c) 제1 비대칭성 층 및 제2 비대칭성 층 사이에 있는 계면 폴리머 층, 제1 비대칭 층과 접촉하는 제1 부분 및 제2 비대칭성 층과 접촉하는 제2 부분을 포함하는 계면 층;을 포함하는 정밀여과 막을 제공한다. 여기에서, (i) 제1 비대칭성 층은 계면 층의 제1 부분과 접촉하는 영역을 갖는데, 이 영역은 제1 기공 직경을 포함하며; (ii) 제2 비대칭성 층은 계면 층의 제2 부분과 접촉하는 영역을 갖는데, 이 영역은 제2 기공 직경을 포함하며; 제1 기공 직경은 제2 기공 직경보다 크고; 그리고 계면 층의 제1 영역은 제1 기공 직경을 갖는 셀을 포함하며, 계면 층의 제2 영역은 제2 기공 직경을 갖는 셀을 포함한다.
일부 구현예에 있어서, 제1 비대칭성 폴리머 층 및 제2 비대칭성 폴리머 층은 다른 종류의 폴리머로 이뤄지며, 계면 층은 제1 비대칭성 층으로부터의 제1 폴리머 및 제2 비대칭성 층으로부터의 제2, 다른 종류의, 폴리머를 포함하게 된다.
일부 구현예에 있어서, 제1 비대칭성 폴리머층은 약 0.5 내지 약 1.5 범위의 비대칭 비율을 가지며, 및/또는 제2 비대칭성 폴리머층은 약 2 이상의 비대칭 비율을 갖는다.
제1 및 제2 비대칭성 층들을 포함하는 일부 구현예에 있어서, 제1 비대칭성 층 및 계면 폴리머 층은 합쳐서 전체 막 두께의 약 8% 내지 약 15%가 되며, 제2 비대칭성 층은 전체 막 두께의 약 75% 내지 약 90%가 된다.
일부 구현예에 있어서, 막은 주름진 막을 포함한다.
본 발명의 구현예에 따라서, 비대칭성 층, 등척성 층, 및 계면 층, 즉, 비대칭성 층과 접촉하는 제1 영역 및 등척성 층과 접촉하는 제2 영역을 갖는 계면 층을 포함하는 정밀여과 막을 제조하는 방법은, (a) 제1 폴리머 및 제1 폴리머를 위한 용매를 포함하는 제1 용액을 준비하는 단계; (b) 제2 폴리머 및 제2 폴리머를 위한 용매를 포함하는 제1 용액을 준비하는 단계; (c) 제1 용액을 지지체의 제1 표면으로 캐스팅(casting)하는 단계; (d) 짧은 시간 간격 후에, 제1 용액 위에 제2 용액을 캐스팅하여 막 전구체(pre-membrane)를 형성하는 단계; 및, (f) 비용매 액체 내에서 제1 용액 및 제2 용액의 상분리가 일어나도록 하는 단계를 포함한다. 제1 및 제2 폴리머는 같거나 다를 수 있다.
다른 구현예에 있어서, 본 발명의 구현예에 따른, 제1 비대칭 비율을 갖는 제1 비대칭 층, 제2 비대칭 비율을 갖는 제2 비대칭 층(여기서 제2 비대칭 비율은 제1 비대칭 비율보다 큼), 및 계면 층(제1 비대칭 층과 접촉하는 제1 부분 및 제2 비대칭 층과 접촉하는 제2 부분을 갖는 계면 층)을 포함하는 정밀여과 막을 제조하는 방법은, (a) 제1 폴리머 및 제1 폴리머를 위한 용매를 포함하는 제1 용액을 준비하는 단계; (b) 제2 폴리머 및 제2 폴리머를 위한 용매를 포함하는 제2 용액을 준비하는 단계; (c) 제1 용액을 지지체의 제1 표면으로 캐스팅하는 단계; (d) 짧은 시간 간격 후에, 제1 용액 위에 제2 용액을 캐스팅하여 막 전구체를 형성하는 단계; 그리고, (f) 비용매 액체 내에서 제1 용액 및 제2 용액의 상분리가 일어나도록 하는 단계를 포함한다. 제1 및 제2 폴리머는 같거나 다를 수 있다.
다른 구현예에 있어서, 가령, 유체를 처리하는데 있어서, 막을 사용하는 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 막의 제조에 사용되는 시스템을 개략적으로 예시하며, 베드(bed), 제1 및 제2 슬롯 다이(slot dies), 팬(fans), 및 냉각조(quench bath)를 보여주고 있다.
도 2는 본 발명에 따른 막의 일 구현예의 단면을 찍은 주사전자현미경(SEM) 사진을 보여주는데, 이 막은 등척성 층, 비대칭 층, 및 계면 층을 갖는다.
도 3은 본 발명에 따른 막의 또 다른 구현예의 단면을 찍은 주사전자현미경(SEM) 사진을 보여주는데, 이 막은 등척성 층, 비대칭 층, 및 계면 층을 갖는다.
도 4는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 막의 구현예의 단면을 찍은 또 다른 주사전자현미경(SEM) 사진을 보여주는데, 이 막은 등척성 층, 비대칭 층, 및 계면 층을 갖는다.
도 5는 본 발명에 따른 막의 또 다른 구현예의 단면을 찍은 주사전자현미경(SEM) 사진을 보여주는데, 이 막은 등척성 층, 비대칭 층, 및 계면 층을 갖는다.
도 6은 본 발명에 따른 막의 또 다른 구현예의 단면을 찍은 또 다른 주사전자현미경(SEM) 사진을 보여주는데, 이 막은 등척성 층, 비대칭 층, 및 계면 층을 갖는다.
도 7은 본 발명에 따른 막의 또 다른 구현예의 단면을 찍은 또 다른 주사전자현미경(SEM) 사진을 보여주는데, 이 막은 제1 및 제2 비대칭 층, 및 계면 층을 갖는다.
유리하게도, 본 발명에 따른 막들은 (a) 비대칭에 있어 점진적인 변화를 갖는 좁은 비대칭 범위의 비대칭 층, 비대칭 층과 등척성 층에서의 기공 구조 간의 뚜렷한 경계, 및 두 층간의 좋은 접착성을 갖거나; (b) 비대칭에 있어 점진적인 변화를 갖는 좁은 비대칭 범위를 갖는 제1 비대칭 층과 좀 더 넓은 비대칭 범위를 갖는 제2 비대칭 층, 제1 비대칭 층과 제2 비대칭 층에서 기공 구조 간의 뚜렷한 경계, 및 층들 간의 좋은 접착성을 갖는다. 그 결과, 높은 처리율, 그리고, 바람직하게도, 멸균 급 여과(sterile grade filtration)를 제공하는, 견고한 막이 얻어질 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따라서 제공되는 정밀여과 막은 (a) 비대칭 폴리머 층, (b) 등척성 폴리머 층, 및 (c) 비대칭 층 및 등척성 층 사이에 있는 계면 폴리머 층(비대칭 막과 접촉하는 제1 부분 및 등척성 층과 접촉하는 제2 부분을 포함하는 계면 층);을 포함하며, 여기서, (i) 비대칭 층은 계면 층의 제1 부분과 접촉하는 영역(제1 기공 직경을 갖는 셀을 포함하는 영역)을 갖는다; (ii) 등척성 층은 계면 층의 제2 부분과 접촉하는 영역(제2 기공 직경을 갖는 셀을 포함하는 영역)을 갖는다; 제1 기공 직경은 제2 기공 직경보다 크다; 그리고 계면 층의 제1 부분은 제1 기공 직경을 갖는 셀을 포함하며, 계면 층의 제2 부분은 제2 기공 직경을 갖는 셀을 포함한다.
일부 구현예에 있어서, 비대칭 폴리머 층은 폴리머의 제1 농도 및/또는 제1 점도를 갖고, 등척성 폴리머 층은 폴리머의 제2 농도 및/또는 제2 점도를 가지며, 계면 층은 폴리머의 제1 및 제2 농도의 혼합물 및/또는 제1 및 제2 점도의 혼합물을 포함한다.
그 대신에, 또는 부가적으로, 일부 구현예에 있어서, 계면 막은 비대칭 층으로부터 제1 폴리머를 포함하고, 등척성 층으로부터 제2, 다른, 폴리머를 포함한다.
막의 일부 구현예에 있어서, 등척성 층은 적어도 약 50 ㎛의 두께를 가지며, 및/또는 비대칭 층은 약 10 내지 약 15 ㎛의 범위의 두께를 갖는다.
일 구현예에 있어서, 비대칭 층은 적어도 막 두께의 약 70% 이며, 및/또는 등척성 층은 적어도 막 두께의 약 30% 이다.
막의 비대칭 층은 약 2 이상, 또는 약 3 이상의 비대칭성을 가질 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 비대칭성은 약 10 내지 약 20의 범위에 있다.
본 발명의 다른 구현예는 (a) 제1 비대칭 폴리머 층(제1 비대칭 비율을 갖는 제1 비대칭 폴리머 층), (b) 제2 비대칭 폴리머 층(제2 비대칭 비율을 갖는 제2 비대칭 폴리머 층, 여기서 제2 비대칭 비율은 제1 비대칭 비율보다 크다); 및 (c) 제1 비대칭 층 및 제2 비대칭 층 사이의 계면 폴리머 층(제1 비대칭 층과 접촉하는 제1 부분 및 제2 비대칭 층과 접촉하는 제2 부분을 포함하는 계면 층)을 포함하는 정밀여과 막을 제공하는데, 여기에서, (i) 제1 비대칭 층은 계면 층의 제1 부분과 접촉하는 영역(제1 기공 직경을 갖는 셀을 포함하는 부분)을 포함한다; (ii) 제2 비대칭성 층은 계면 층의 제2 영역과 접촉하는 부분(제2 기공 직경을 갖는 셀을 포함하는 부분)을 포함한다; 제1 기공 직경은 제2 기공 직경보다 크다; 그리고 계면 층의 제1 부분은 제1 기공 직경을 갖는 셀을 포함하며, 계면 층의 제2 부분은 제2 기공 직경을 갖는 셀을 포함한다.
일부 구현예에 있어서, 제1 비대칭 폴리머 층 및 제2 비대칭 폴리머 층은 다른 종류의 폴리머를 포함하며, 계면 층은 제1 비대칭 층으로부터 제1 폴리머를, 제2 비대칭 층으로부터 제2, 다른, 폴리머를 포함한다.
일부 구현예에 있어서, 제1 비대칭 폴리머 층은 약 0.5 내지 약 1.5의 범위의 비대칭 비율을 가지며 및/또는 제2 비대칭 폴리머 층은 약 2 이상의 비대칭 비율을 갖는다.
일부 구현예에 있어서, 막은 주름진 막을 포함한다.
다른 구현예에 있어서, 막을 사용하는 방법이 제공된다. 예를 들어, 본 발명의 구현예에 따른 유체의 처리 방법은, 비대칭 층으로부터 등척성 층의 방향으로, 또는 제2 비대칭 층으로부터 제1 비대칭 층의 방향으로, 막 속으로 유체가 흐르도록 하는 것을 포함하며, 더 바람직한 구현예에 있어서는, 그 방법은 막을 통과해 유체가 흐르도록 하는 것을 포함한다.
또 다른 구현예에 있어서, 비대칭 층, 등척성 층, 및 계면 층(비대칭 층과 접촉하는 제1 부분 및 등척성 층과 접촉하는 제2 부분을 갖는 계면 층)을 포함하는 정밀여과 막을 제조하는 방법은, (a) 제1 폴리머 및 제1 폴리머를 위한 용매로 이루어진 제1 용액을 준비하는 단계; (b) 제2 폴리머 및 제2 폴리머를 위한 용매로 이루어진 제2 용액을 준비하는 단계; (c) 지지체의 제1 표면 위로 제1 용액을 캐스팅하는 단계; (d) 약 2 초 후, 제1 용액 위에 제2 용액을 캐스팅하여 막 전구체를 형성하는 단계; (e) 막 전구체를 순환하는 공기에 노출하는 단계; 및, (f) 비용매 용액 내에서 제1 용액 및 제2 용액의 상분리가 일어나도록 하는 단계를 포함한다.
다른 구현예에 있어서, 제1 비대칭 비율을 갖는 제1 비대칭 층, 제2 비대칭 비율을 갖는 제2 비대칭 층(여기서 제2 비대칭 비율은 제1 비대칭 비율보다 크다), 및 계면 층(제1 비대칭 층과 접촉하는 제1 부분 및 제2 비대칭 층과 접촉하는 제2 부분을 갖는 계면 층)을 갖는 정밀여과 막을 제조하는 방법은, 본 발명의 구현에 따라, (a) 제1 폴리머 및 제1 폴리머를 위한 용매를 포함하는 제1 용액을 준비하는 단계; (b) 제2 폴리머 및 제2 폴리머를 위한 용매를 포함하는 제2 용액을 준비하는 단계; (c) 지지체의 제1 표면 위로 제1 용액을 캐스팅하는 단계; (d) 짧은 시간 간격 후에, 제1 용액 위에 제2 용액을 캐스팅하여 막 전구체를 형성하는 단계; 및 (e) 비용매 액체 내에서 제1 용액 및 제2 용액의 상분리가 일어나도록 하는 단계를 포함한다.
제1 및 제2 폴리머는 같거나, 다를 수 있다. 본 방법의 일부 구현예에 있어서, 제1 용액은 제1 폴리머의 제1 농도 및/또는 제1 점도를 가지며, 제2 용액은 제2 폴리머의 제2 농도 및/또는 제2 점도를 갖는다.
본 방법의 바람직한 구현예에 있어서, 제1 용액의 캐스팅은 제1 슬롯 다이 또는 제1 캐스팅 나이프(casting knife)에 의해 제공되는 미리 설정된 제1 갭(first preset gap)을 통해 제1 용액을 캐스팅하는 것을 포함하고, 제2 용액의 캐스팅은 제2 슬롯 다이 또는 제2 캐스팅 나이프에 의해 제공되는 미리 설정된 제2 갭을 통해 제2 용액을 캐스팅하는 것을 포함한다.
본 방법의 더 바람직한 구현예에 있어서, 적어도 하나의 용액은 폴리술폰(polysulfone)을 포함한다.
본 발명의 구성요소 각각은 이제 아래에 더 자세히 기술될 것이며, 여기서 같은 구성 요소는 같은 참조 번호를 갖는다.
폴리머를 포함하는 용액들은 일반적으로 차례로 쌓아 박막으로 만들어져, 미리 설정된 시간동안 기상 분위기에 노출된 후, 폴리머를 위한 비용매 내에서 냉각된다. 바람직하게는, 제1 용액이 층(바닥 층) 내에서 지지체(예를 들면 비다공성 지지체) 위에 펼쳐지고(spread), 제2 용액이 층(상부 층) 내에서 제1 용액 위에 발라지며, 막이 냉각 후에 지지체로부터 나중에 분리될 수 있다. 그러나, 필요한 경우에는 지지체(다공성 또는 비다공성)가 최종 구조에 포함될 수 있다.
막은 수동으로 캐스팅되거나(예를 들어, 캐스팅 표면 위에 손으로 붓거나, 캐스팅(cast), 또는 펼쳐지며 표면에 가해진 액체를 냉각한다) 또는 자동으로 캐스팅된다(예를 들어, 이동 상(moving bed) 위에 붓거나 다른 방법으로 캐스팅된다). 적합한 지지체의 한 예는 폴리에틸렌이 코팅된 종이이다.
제1 용액의 캐스팅과, 제1 용액 위에 제2 용액을 캐스팅하는 사이에, 1초보다 긴 시간 간격, 바람직하게는 1.5초보다 긴 시간 간격이 있어야 한다. 바람직하게는, 시간 간격이 약 2초 이상이다. 예를 들어, 시간 간격은 약 2초 내지 약 35초 사이의 범위, 또는 약 2초 내지 약 10초의 범위에 있을 수 있다.
당해 기술 분야에 잘 알려진 다양한 장치가 캐스팅에 사용될 수 있다. 적합한 장치에는, 예를 들어, 스프레드 나이프(spreading knives)를 포함하는 기계 스프레더(mechanical spreaders), 닥터 블레이드(doctor blades), 또는 스프레이/가압 시스템이 포함된다. 스프레드 장치의 일례는 압출 다이(extrusion die) 또는 슬롯 코팅기(slot coater)로, 캐스팅 제형(폴리머를 포함하는 용액)이 좁은 슬롯을 통해 압력하에 도입되고 방출될 수 있는 캐스팅 챔버를 포함한다. 설명하자면, 폴리머를 포함하는 제1 및 제2 용액이, 약 120 ㎛ 내지 약 500 ㎛ 범위의, 더 전형적으로는 약 180 ㎛ 내지 약 400 ㎛ 범위의 나이프 갭(knife gaps)을 갖는 닥터 블레이드에 의해 따로따로 캐스팅될 수 있다. 나이프 갭이 제1 및 제2 용액에 대해 달라질 수 있다.
다양한 에어 갭(air gaps)이 본 발명에 사용되기에 적합하며, 이 에어 갭은 나이프/닥터 블레이드에 대한 것과 같거나 다를 수 있다. 전형적으로, 에어 갭은 약 3 인치 내지 약 12 인치의 범위에, 더 전형적으로는, 약 3.5 인치 내지 약 6 인치의 범위에 있다.
이 기술 분야에서 알려진 바와 같이, 적합한 캐스팅 속도는 다양하다. 전형적으로, 캐스팅 속도는, 예를 들어, 적어도 약 3 인치의 나이프 에어 갭을 갖는 경우, 적어도 약 2 ft/min(fpm)이다.
설명하자면, 제1 및 제2 용액의 캐스팅 사이에 약 2초의 시간 간격을 사용하므로써, 에어 갭은 약 4 인치 내지 16 인치의 범위에 있을 수 있으며, 이 때 캐스팅 속도는 약 2.5 fpm 내지 약 10 fpm의 범위이다. 다른 예시에 있어서, 제1 및 제2 용액의 캐스팅 사이에 약 10초의 시간 간격을 사용할 때, 에어 갭은 약 4 인치 내지 8 인치의 범위에 있을 수 있으며, 이 때 캐스팅 속도는 약 10 fpm 내지 약 20 fpm의 범위이다. 물론, 시간 간격은 약 2 초보다 길 수 있으며, 에어 갭 및/또는 캐스팅 속도는 위에 열거된 예시 값들보다 크거나 작을 수 있다.
바람직하게는, 캐스팅 용액이 캐스팅된 후에 그러나 냉각 전에 공기에 노출된다. 공기 노출 시간은 전형적으로 약 2 초 내지 약 35 초의 범위에 있다. 전형적으로, 공기는 습기가 있다(예를 들어, 약 60% 초과의 상대습도). 바람직하게는, 막이 비대칭 층 및 등척성 층을 포함하는 그러한 구현예에 있어서, 공기, 즉, 습한 공기가 순환되어(예를 들어, 하나 이상의 송풍기를 사용하여) 캐스팅 용액과의 접촉을 강화시킨다. 바람직하게는, 제1 비대칭 층 및 제2 비대칭 층을 포함하는 막이 있는 그러한 구현예에 있어서는, 공기는 순환되지 않는다.
그 위에 캐스트 용액을 갖는 지지체가 냉각조에 담겨져, 차례 차례 연속 적층되어 폴리머 용액의 상분리를 야기하여 일체화된 다층구조의(즉, 층들이 함께 결합되어, 막이 하나의 구조로서 거동하여 정상 사용 조건(normal use conditions)에서는 얇은 조각으로 갈라지거나 분리되지 않는다) 미세다공성 폴리머 막을 형성하게 된다. 막이 형성된 후에, 일반적으로 세척되고(예를 들어, 잔류 용매를 제거하기 위해 탈이온수 내에서), 건조되고, 그리고 심(core)에 감긴다.
냉각 액체는 전형적으로 물이며, 이것의 온도는 일반적으로 캐스팅 온도보다 높다. 냉각조 내에서, 침전 또는 응고가 냉각조와 처음 접촉하는 액체 필름 표면에서부터 일어나고 난 후, 그 다음의 층을 통해 일어난다. 냉각하는 유체가 층을 통과해 확산됨에 따라, 각각의 층은 냉각 유체를 희석하고 변화시킨다.
폴리머를 포함하는 적합한 용액은, 예를 들어, 폴리아로마틱; 술폰(예를 들어, 폴리에테르술폰(PES), 비스페놀 A 폴리술폰, 폴리아릴술폰, 및 폴리페닐술폰과 같은 방향족 폴리술폰을 포함하는 폴리술폰), 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리비닐리덴 할라이드(폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)를 포함), 폴리올레핀(예를 들어, 폴리프로필렌 및 폴리메틸펜텐을 포함), 폴리에스테르, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리아크릴로니트릴(폴리알킬아크릴로니트릴을 포함), 셀룰로오스계 폴리머(예를 들어, 셀룰로오스 아세테이트 및 셀룰로오스 니트레이트를 포함), 플루오로폴리머, 및 PEEK와 같은 폴리머를 포함할 수 있다. 폴리머를 포함하는 용액들은 폴리머들의 혼합물, 예를 들어, 소수성 폴리머(예를 들어, 술폰 폴리머) 및 친수성 폴리머(예를 들어, 폴리비닐피롤리돈)의 혼합물을 포함할 수 있다.
전형적으로, 폴리머를 포함하는 용액은 310 nm에서 실온에서 약 0.05 또는 그보다 큰 광학 밀도를 갖는다. 예를 들어, 그 밀도는 310 nm에서 약 0.01 내지 약 0.3의 범위에 있을 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 제1 캐스트 용액(바닥 층을 형성함)은 나중의 캐스트 용액(상부 층을 형성함)보다 높은 광학 밀도를 갖는다.
하나 이상의 폴리머에 더하여, 전형적인 용액은 적어도 하나의 용매를 포함하며, 적어도 하나의 비용매를 더 포함할 수 있다. 적합한 용매로는, 예를 들어, 디메틸 포름아미드(DMF); N,N-디메틸아세트아미드(DMAC); N-메틸 피롤리돈(NMP); 테트라메틸우레아; 디옥산; 디에틸 숙시네이트; 디메틸술폭사이드; 클로로포름; 및 테트라클로로에탄; 및 이들의 혼합물이 포함된다. 적합한 비용매로는, 예를 들어, 물; 여러 종류의 폴리에틸렌 글리콜(PEGs; 예를 들어, PEG-400, PEG-1000); 여러 종류의 알코올(예를 들어, 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알코올(IPA), 아밀 알코올, 헥산올, 헵탄올, 및 옥탄올); 알칸류(예를 들어, 헥산, 프로판, 니트로프로판, 헵탄, 및 옥탄); 및 케톤, 에테르 및 에스테르(예를 들어, 아세톤, 부틸 에테르, 에틸 아세테이트, 및 아밀 아세테이트); 및 여러 종류의 염(예를 들어, 염화 칼슘, 염화 마그네슘, 및 염화 리튬); 및 이들의 혼합물이 포함된다.
원하는 경우, 폴리머를 포함하는 용액은, 예를 들어, 하나 이상의 중합 개시제(예를 들어, 임의의 하나 이상의 과산화물, 과황산 암모늄, 지방족 아조 화합물(예를 들어, 2,2'-아조비스(2-아미디노프로판)디하이드로클로라이드(V50)), 및 이들의 조합), 및/또는 부성분(minor ingredients)(예를 들어, 계면활성제 및/또는 이형제)을 더 포함할 수 있다.
용액의 적합한 구성성분은 당해 기술분야에서 알려져 있다. 폴리머를 포함하는 예시적 용액, 그리고 예시적 용매 및 비용매는, 예를 들어, 미국특허 제 5,846,422 호; 제 5,906,742 호; 제 5,928,774 호; 제 6,045,899 호; 및 제 6,146,747 호에 개시된 것들을 포함한다.
본 발명에 따라, 막의 층들이, 점도, 첨가제, 및 처리 방법을 변화시키면서, 같은 폴리머 및 용매로부터 형성될 수 있거나, 또는 다른 층들에 대해 다른 폴리머가 사용될 수 있다.
등척성 층은, 그 층 전체에 걸쳐서 실질적으로 동일한 평균 기공 구조에 의하여 특징지어지는 분포를 갖는 다공성 구조를 갖는다. 예를 들어, 기공 직경에 대해, 등척성 층은 실질적으로 층을 통과해도 동일한 기공 직경에 의해 특징지어지는 기공 직경 분포를 갖는다.
비대칭 층은 층을 통해 변화하는 기공 구조(일반적으로, 기공 직경)를 갖는다. 전형적으로, 기공 직경은, 일 부분 또는 표면으로부터 다른 부분 또는 표면으로 갈 때 직경이 줄어든다(예를 들어, 셀의 기공 직경이, 상류 부분 또는 표면으로부터 하류 부분 또는 표면으로 감소한다). 그러나, 비대칭의 다른 형태가 본 발명의 구현예에 의해 포함되는데, 예를 들어, 기공 직경은 비대층 층의 두께 내의 한 지점에서 최소 기공 직경을 통과한다. 비대칭 층은 임의의 적합한 기공 직경 구배 또는 비율을 가질 수 있는데, 예를 들어, 약 0.5 이상, 약 3 이상, 또는 약 7 이상, 또는 약 0.5 내지 약 1.5, 약 2:1 내지 20:1, 또는 약 3:1 내지 10:1의 범위에 있다. 이러한 비대칭은, 층의 하나의 주요 표면에 있는 기공 직경을 그 층의 다른 주요 표면의 기공 직경과 비교함으로써 측정될 수 있다.
일반적으로, 등척성 층은 약 0.02 ㎛ 내지 약 0.3 ㎛의 범위 내의 기공 구조(일반적으로, 기공 직경)를 갖는다.
각각의 층의 두께는, 여전히 자립의, 전체 다층 막을 얻으면서, 넓은 범위 내에서 변할 수 있다. 전형적으로, 다층 막은 적어도 약 50 ㎛, 더 전형적으로는, 적어도 약 75 ㎛, 및 바람직하게는 적어도 약 100 ㎛의 두께를 갖는다. 전형적으로, 등척성 층을 포함하는 구현예에 있어서, 등척성 층 및 계면 폴리머 층은 각각, 총 막 두께의 약 15% 내지 약 33%의 범위 내에 있으며, 비대칭성 층은 막의 총 두께의 약 60% 내지 약 70%의 범위 내에 있다. 일반적으로, 제1 및 제2 비대칭성 층을 포함하는 구현예에 있어서, 제1 비대칭성 층 및 계면 폴리머 층은 함께 총 막 두계의 8% 내지 약 15%를 차지하며, 제2 비대칭성 층은 총 막 두께의 약 75% 내지 약 90%를 차지한다.
본 발명의 구현예에 따라서, 필터 및 필터 요소가 또한 제공되는데, 여기에서 필터 및 필터 요소는 적어도 본 발명에 따른 하나의 막을 포함한다.
본 발명에 따른 막(적어도 하나의 막의 포함하는 필터 요소는 물론)은 임의의 적합한 기공 구조, 예를 들어, 기공 크기(예를 들어, 기공측정기에 의해 입증되는 바와 같이(예를 들어, 수은 기공측정기(mercury porometry) 또는 모세관 응축 흐름 기공측정기(capillary condensation flow porometry)), 또는 버블 포인트(bubble point), 또는, 예를 들어, 미국 특허 제 4,340,479호에서 기술된 바와 같은 KL 상수에 의해), 기공 등급(pore rating), 기공 직경(예를 들어, 미국 특허 제 4,925,572호에서 기술된 바와 같은 수정된 OSU F2 테스트를 사용하여 또는 기공측정기를 사용하여 특징지어진), 또는 제거 등급, 즉, 유체가 요소를 지나갈 때, 하나 이상의 관심 물질이 그곳을 통해 통과하는 것을 줄이거나 허용하는 제거 등급을 가진다. 바람직한 기공 구조는 처리되는 유체의 조성 및 처리되는 유체의 바람직한 배출 기준에 의존한다.
막은 임의의 바람직한 임계 젖은 표면 장력(critical wetting surface tension,CWST, 예를 들어, 미국 특허 제 4,925,572호에서 정의된 바와 같은)을 가질 수 있다. 이 CWST는, 이 기술분야에서 알려진 것으로, 예를 들어, 미국 특허, 제 5,152,905호, 제 5,443,743호, 제 5,472,621호, 및 제 6,074,869호에서 추가적으로 개시된 것과 같이, 선택될 수 있다. 액체가 막을 통과하는 응용에 대해서, 막은 바람직하게도 친수성(기성품이거나 또는 후처리에 의해)이며, 72 dynes/cm (72 x 10-5 N/cm) 이상의 CWST를 가지며, 더 바람직하게는 78 dynes/cm (약 78 x 10-5 N/cm) 이상의 CWST를 갖는다. 그러나, 액체가 막을 통과하지 않는 일부 다른 응용(예를 들어, 통풍용)에 있어서, 막은 소수성이며, 72 dynes/cm (72 x 10-5 N/cm)보다 낮은 CWST를 갖는다.
막의 표면 특성은, 습식 또는 건식 산화에 의해, 표면에 폴리머를 코팅 또는 부착(depositing)에 의해, 또는 그라프트 반응(grafting reaction)에 의해 변형될 수 있다(예를 들어, CWST에 영향을 주기 위해, 표면 전하, 예를 들어, 양전하 또는 음전하를 포함하기 위해, 및/또는 표면의 극성 또는 친수성을 바꾸기 위해). 변형에는, 예를 들어, 조사(irradiation), 극성의 또는 대전된 모노머, 코팅 및/또는 대전된 폴리머로 표면 큐어링(curing), 및 표면에 기능성 기를 부착하기 위해 화학적 변형을 수행하는 것이 포함된다. 그라프트 반응이 예를 들어, 기체 플라즈마, 증기 플라즈마, 코로나 방전, 열, 반 데르 그라프 발전기(Van der Graff generator), 자외선, 전자 빔과 같은 에너지 원에 노출됨으로써, 또는 플라즈마 처리를 사용한 표면 에칭 또는 부착(deposition)에 의해 활성화될 수 있다.
본 발명의 구현예에 따른 막은, 예를 들어, 멸균 여과 응용, 전자 공업용 유체의 여과, 약제 산업용 유체의 여과, 식음료 산업용 유체의 여과, 정화, 항체- 및/또는 단백질-함유 유체의 여과, 세포 배양 유체의 여과, 및 통기(venting)를 포함한 다양한 응용에 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 적어도 하나의 막을 포함하는 필터 및/또는 필터 요소가 추가적인 요소, 층, 및 성분을 포함할 수 있는데, 이것들은 다른 구조 및/또는 기능, 예를 들어, 예비 여과, 지지, 배수, 간격두기 및 완충 중 적어도 하나를 가질 수 있다. 예시되었듯이, 필터는 또한, 메쉬 및/또는 스크린과 같은 적어도 하나의 추가적인 요소도 포함할 수 있다.
본 발명의 구현예에 따라, 막, 필터, 및/또는 필터 요소가, 평면, 주름, 및 중공의 원통형을 포함한, 다양한 형태를 가질 수 있다.
다수의 필터 요소를 포함한 일부 구현예에 있어서, 필터는 전형적으로 적어도 하나의 입구 및 적어도 하나의 출구를 포함하고 입구과 출구 사이에 적어도 하나의 유체 흐름 통로를 정의하는, 하우징 내에서 자리잡게 되는데, 여기서 필터는 필터 장치를 제공하기 위해, 유체 흐름 통로를 가로질러 위치한다. 바람직하게도, 필터 장치는 멸균 가능하다. 적합한 형태의, 적어도 하나의 입구 및 적어도 하나의 출구를 제공하는 임의의 하우징이 사용될 수 있다.
물론, 본 발명을 더 자세히 설명하는 다음의 실시예들은, 범위를 한정하는 임의의 방법에 한정되어서는 안된다.
다음의 실시예에 있어서, 막들이 일반적으로 도 1에 배열된 것과 같은 시스템을 사용하여 생산된다. 캐스팅 용액은 각각의 실시예에서 기술된다. 막들은 캐스팅 나이프를 사용하여 종이 위에 캐스팅된다. 나이프 1 및 나이프 2는 아래 표에 실린 바와 같은 미리 설정된 에어 갭 및 조건에서 사용된다. 여섯 개의 송풍기가 공기 속도를 제공하기 위해 사용된다. 캐스팅에 이어서, 막들이, 수조 내에서 막이 응고될 때까지 약 6분 동안 냉각된다(수조의 냉각 온도는 105°F(약 41℃)). 막들은 탈이온수로 하룻밤동안 더 세척된 뒤 오븐 건조된다.
기공 직경은 수은 침투 기공측정기(Quantachrome PoreMaster? Series, Boynton Beach, FL) 및 Porvair 기공측정기(Porvair plc, Norfolk, UK)를 사용하여 분석된다.
실시예 1 내지 5에 대한 캐스팅 조건은 표 1과 같다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5
나이프 에어 갭 1(inch) 4 4 4 4 3
나이프 에어 갭 2(inch) 4 4 4 4 4
나이프 갭 1 (mil) 12 12 12 12 12
나이프 갭 2 (mil) 10 9 10 10 9
공기 속도 (ft/min) 50 50 70 100 100
냉각 온도 (°F) 105 105 105 105 105
캐스팅 속도 (fpm) 9 9 9 9 11
실시예 1
본 실시예에서 설명하는 막의 제조에 있어서, 막은, 본 발명의 일 구현예에 따라, 등척성 폴리머 층, 비대칭 폴리머 층 및 계면 층을 가지며, 이때, 비대칭 층은 계면 층의 제1 부분과 접촉하는 영역을 갖고, 이 영역은 제1 기공 직경을 갖는 셀을 포함하며; 등척성 층은 계면 층의 또 다른 부분과 접촉하는 영역을 갖고, 이 영역은 제2 기공 직경을 갖는 셀을 포함하며; 제1 기공 직경은 제2 기공 직경 보다 크며; 계면 층의 제1 부분은 제1 기공 직경을 갖는 셀을 포함하고, 계면 층의 제2 부분은 제2 기공 직경을 갖는 셀을 포함한다.
용액 1 (상부)은 11.5 % PES, 5 % 물, 0.5 % 술폰화-PES(SPES), 3 % PVP(polyvinyl pyrrolidone)(k-90), 25 % PEG200, 및 55 % NMP로 이루어 졌다. 용액 2 (바닥)는 11 % PES, 5 % 물, 5 % PVP(k-90), 25 % PEG200, 및 54 % NMP로 이루어졌다.
막의 단면을 찍은 SEM 사진을 도 2에 나타내었다.
등척성 층은 두께가 19 ㎛이고, 기공 직경은 0.15 ㎛이었다. 계면 층은 두께가 7 ㎛이었는데, 등척성 층과 접촉하는 계면 층의 영역은 기공 직경이 0.15 ㎛인 셀을 가졌고, 비대칭 층과 접촉하는 계면 층의 영역은 기공 직경이 1 ㎛인 셀을 가졌으며, 이들 두 영역 사이에 있는 계면 층의 영역은 0.5 ㎛의 기공 직경을 가졌다. 비대칭 층은 두께가 111 ㎛이었는데, 계면 층과 접촉하는 비대칭 층의 영역은 1 ㎛의 기공 직경을 가졌고, 비대칭 층의 다른 표면은 10 ㎛의 기공 직경을 가졌다 (비대칭 비율 = 10).
실시예 2
본 실시예에서 설명하는 막의 제조에 있어서, 막은, 본 발명의 또 다른 구현예에 따라, 등척성 폴리머 층, 비대칭 폴리머 층 및 계면 층을 가지며, 이때, 비대칭 층은 계면 층의 제1 부분과 접촉하는 영역을 갖고, 이 영역은 제1 기공 직경을 갖는 셀을 포함하며; 등척성 층은 계면 층의 또 다른 부분과 접촉하는 영역을 갖고, 이 영역은 제2 기공 직경을 갖는 셀을 포함하며; 제1 기공 직경은 제2 기공 직경 보다 크며; 계면 층의 제1 부분은 제1 기공 직경을 갖는 셀을 포함하고, 계면 층의 제2 부분은 제2 기공 직경을 갖는 셀을 포함한다.
용액 1 (상부)은 11.5 % PES, 5 % 물, 0.5 % 술폰화-PES(SPES), 3 % PVP(k-90), 25 % PEG200, 및 55 % NMP로 이루어 졌다. 용액 2 (바닥)는 11 % PES, 5 % 물, 5 % PVP(k-90), 25 % PEG200, 및 54 % NMP로 이루어졌다.
막의 단면을 찍은 SEM 사진을 도 3에 나타내었다.
등척성 층은 두께가 12 ㎛이고, 기공 직경은 0.15 ㎛이었다. 계면 층은 두께가 39 ㎛이었는데, 등척성 층과 접촉하는 계면 층의 영역은 기공 직경이 0.15 ㎛인 셀을 가졌고, 비대칭 층과 접촉하는 계면 층의 영역은 기공 직경이 0.6 ㎛인 셀을 가졌으며, 이들 두 영역 사이에 있는 계면 층의 영역은 0.5 ㎛의 기공 직경을 가졌다. 비대칭 층은 두께가 81 ㎛이었는데, 계면 층과 접촉하는 비대칭 층의 영역은 0.6 ㎛의 기공 직경을 가졌고, 비대칭 층의 다른 표면은 3 ㎛의 기공 직경을 가졌다 (비대칭 비율 = 5).
실시예 3
본 실시예에서는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 막의 제조를 설명한다. 본 실시예의 막은 등척성 폴리머 층, 비대칭 폴리머 층 및 계면 층을 가지며, 이때, 비대칭 층은 계면 층의 제1 부분과 접촉하는 영역을 갖고, 이 영역은 제1 기공 직경을 갖는 셀을 포함하며; 등척성 층은 계면 층의 또 다른 부분과 접촉하는 영역을 갖고, 이 영역은 제2 기공 직경을 갖는 셀을 포함하며; 제1 기공 직경은 제2 기공 직경 보다 크며; 계면 층의 제1 부분은 제1 기공 직경을 갖는 셀을 포함하고, 계면 층의 제2 부분은 제2 기공 직경을 갖는 셀을 포함한다.
용액 1 (상부)은 11.5 % PES, 5 % 물, 0.5 % 술폰화-PES(SPES), 3 % PVP(k-90), 25 % PEG200, 및 55 % NMP로 이루어 졌다. 용액 2 (바닥)는 11 % PES, 5 % 물, 5 % PVP(k-90), 25 % PEG200, 및 54 % NMP로 이루어졌다.
막의 단면을 찍은 SEM 사진을 도 4에 나타내었다.
등척성 층은 두께가 7 ㎛이고, 기공 직경은 0.5 ㎛이었다. 계면 층은 두께가 12 ㎛이었는데, 등척성 층과 접촉하는 계면 층의 영역은 기공 직경이 0.5 ㎛인 셀을 가졌고, 비대칭 층과 접촉하는 계면 층의 영역은 기공 직경이 1 ㎛인 셀을 가졌으며, 이들 두 영역 사이에 있는 계면 층의 영역은 0.15 ㎛의 기공 직경을 가졌다. 비대칭 층은 두께가 104 ㎛이었는데, 계면 층과 접촉하는 비대칭 층의 영역은 1 ㎛의 기공 직경을 가졌고, 비대칭 층의 다른 표면은 10 ㎛의 기공 직경을 가졌다 (비대칭 비율 = 10).
실시예 4
본 실시예는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 막의 제조를 설명한다.
용액 1 (상부)은, 10.8 % PES, 5 % 물, 3 % 글리세린, 25 % PEG200, 0.05 % V-50 (2,2'-아조비스(2-아미디노프로판) 디하이드로클로라이드 아조 개시제, 제조사: Wako Chemical(Richmond, VA)), 0.1 % HEMA (hydroxylethylmethacrylate), 0.3 % PEGDMA (polyethylene glycol dimethacrylate), 0.2 % PTA (pentaerythritol tetraacrylate, 제조사: Aldrich Chemical Co.(Milwaukee, WI)), 및 100 %에 도달하기 위한 그 나머지 양의 NMP로 이루어졌다. 용액 2 (바닥)는 11 % PES, 5 % 물, 5 % PVP (k-90), 25 % PEG200, 및 54 % NMP로 이루어졌다.
막의 단면을 찍은 SEM 사진을 도 5에 나타내었다.
등척성 층은 두께가 10 ㎛이고, 기공 직경은 0.3 ㎛이었다. 계면 층은 두께가 43 ㎛이었는데, 제1 등척성 층과 접촉하는 계면 층의 영역은 기공 직경이 0.3 ㎛인 셀을 가졌고, 비대칭 층과 접촉하는 계면 층의 영역은 기공 직경이 0.5 ㎛인 셀을 가졌으며, 이들 두 영역 사이에 있는 계면 층의 영역은 0.5 ㎛의 기공 직경을 가졌다. 비대칭 층은 두께가 65 ㎛이었는데, 계면 층과 접촉하는 비대칭 층의 영역은 0.5 ㎛의 기공 직경을 가졌고, 비대칭 층의 다른 표면은 2 ㎛의 기공 직경을 가졌다 (비대칭 비율 = 4).
실시예 5
본 실시예는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 막의 제조를 설명한다.
용액 1 (상부)은, 10.8 % PES, 5 % 물, 3 % 글리세린, 25 % PEG200, 0.05 % V-50 (아조 개시제, 제조사: Wako Chemical), 0.1 % HEMA, 0.3 % PEGDMA, 0.2 % PTA (pentaerythritol tetraacrylate, 제조사: Aldrich Chemical Co.), 및 100 %에 도달하기 위한 그 나머지 양의 NMP로 이루어졌다. 용액 2 (바닥)는 11 % PES, 5 % 물, 5 % PVP (k-90), 25 % PEG200, 및 54 % NMP로 이루어졌다.
막의 단면을 찍은 SEM 사진을 도 6에 나타내었다.
등척성 층은 두께가 35 ㎛이고, 기공 직경은 0.1 ㎛이었다. 계면 층은 두께가 35 ㎛이었는데, 제1 등척성 층과 접촉하는 계면 층의 영역은 기공 직경이 0.1 ㎛인 셀을 가졌고, 비대칭 층과 접촉하는 계면 층의 영역은 기공 직경이 0.5 ㎛인 셀을 가졌으며, 이들 두 영역 사이에 있는 계면 층의 영역은 0.25 ㎛의 기공 직경을 가졌다. 비대칭 층은 두께가 65 ㎛이었는데, 계면 층과 접촉하는 비대칭 층의 영역은 0.5 ㎛의 기공 직경을 가졌고, 비대칭 층의 다른 표면은 2 ㎛의 기공 직경을 가졌다 (비대칭 비율 = 4).
실시예 6
본 실시예에서 설명하는 막의 제조에 있어서, 막은, 본 발명의 일 구현예에 따라, 제1 및 제2 비대칭 층 및 계면 층을 가지며, 이때, 제1 비대칭 층은 계면 층의 제1 부분과 접촉하는 영역을 갖고, 이 영역은 제1 기공 직경을 갖는 셀을 포함하며; 제2 비대칭 층은 계면 층의 또 다른 부분과 접촉하는 영역을 갖고, 이 영역은 제2 기공 직경을 갖는 셀을 포함하며; 제1 기공 직경은 제2 기공 직경 보다 크며; 계면 층의 제1 부분은 제1 기공 직경을 갖는 셀을 포함하고, 계면 층의 제2 부분은 제2 기공 직경을 갖는 셀을 포함한다.
이러한 막을 제조하는 데 사용된 시스템은, 팬이 사용되지 않는다는 점에서, 즉, 공기가 순환되지 않는다는 점에서, 도 1에 나타낸 것과 다르다.
다음의 용액이 사용되었다:
용액 1 (상부)은 10.7 % 폴리술폰, 16.1 % t-아밀 알코올, 및 73.2 % DMF로 이루어졌다. 용액 2 (바닥)는 11 % PES, 5 % 물, 5 % PVP (k-90), 25 % PEG200, 및 54 % NMP로 이루어졌다.
실시예 6의 캐스팅 조건은 표 2와 같았다.
나이프 에어 갭 1 (inch) 1
나이프 에어 갭 2 (inch) 4
나이프 갭 1 (mil) 13
나이프 갭 2 (mil) 12
공기 속도 (ft/min) 없음
냉각(quench) 온도 (°F) 80
캐스팅(casting) 속도 (fpm) 5
막의 단면을 찍은 SEM 사진을 도 7에 나타내었다.
제1 비대칭 층은 두께가 7 ㎛ 이었고, 계면 층과 접촉하는 제1 비대칭 층의 부분은 기공 직경이 0.02 ㎛ 인 셀을 가지며, 그 다른 표면의 기공 직경은 0.5 ㎛ 이었다 (비대칭 비율 = 25).
계면 층은 두께가 10 ㎛이었는데, 제1 비대칭 층과 접촉하는 계면 층의 영역은 기공 직경이 0.02 ㎛인 셀을 가졌고, 제2 비대칭 층과 접촉하는 계면 층의 영역은 기공 직경이 0.05 ㎛인 셀을 가졌으며, 이들 두 영역 사이에 있는 계면 층의 영역은 0.1 ㎛의 기공 직경을 가졌다. 제2 비대칭 층은 두께가 85 ㎛이었는데, 계면 층과 접촉하는 비대칭 층의 영역은 0.1 ㎛의 기공 직경을 가졌고, 비대칭 층의 다른 표면은 0.5 ㎛의 기공 직경을 가졌다 (비대칭 비율 = 5).
실시예 7
본 실시예는, 본 발명의 일 구현예에 따른 막에 의하여 제공되는 우수한 물 흐름 및 처리량을 보여준다.
막을 실시예 3에서 설명된 바와 같이 제조하였다. 추가적으로, 상업적으로 입수가능한 등척성 막 및 비대칭 막을 입수하였다. 등척성 막은 SUPOR? 200 폴리에테르 술폰 막이었고 기공 직경은 0.2 ㎛ 이었다. 비대칭 막은 BTS-55 폴리술폰 막이었고, 그 스킨(skin) 표면에서의 기공 직경은 0.2 ㎛ 이었으며, 그 다른 표면에서의 기공 직경은 20 ㎛ 이었다 (비대칭 비율 = 10). 이들 두 막은 Pall Corporation (East Hills, NY)로부터 입수가능하다.
1 % 당밀(treacle) 용액(5 g의 당밀(Lyle’s black Treacle, Notts, UK); 용매 : 495 g의 탈이온수(DI))을 제조하였다. 막을 테스테 셀에 위치시키고, 테스트 시스템을 퍼지하였으며, 처리량(throughput)을 3 psi에서 10 분 동안 측정하였다.
추가적으로, 탈이온수 유속을 ml/min의 단위로, 10 psi에서, 90 mm 디스크에 대하여 측정하였으며, KL 포점(bubble point)을 psi 단위로, MFP(mean flow pore) 크기를 ㎛ 단위로 측정하였다.
결과는 다음과 같다:
본 발명의 막의 1 % 당밀 용액 처리량은 3 psi에서 10 분 동안 측정시 220 이었고; 탈이온수 유속은 10 psi에서 2800 ml/min 이었으며; KL 포점은 50 psi, MFP 크기는 0.27 ㎛ 이었다.
상기 등척성 막의 1 % 당밀 용액 처리량은 3 psi에서 10 분 동안 측정시 10 이었고; 탈이온수 유속은 10 psi에서 1200 ml/min 이었으며; KL 포점은 55 psi, MFP 크기는 0.25 ㎛ 이었다.
상기 비대칭 막의 1 % 당밀 용액 처리량은 3 psi에서 10 분 동안 측정시 45 이었고; 탈이온수 유속은 10 psi에서 1600 ml/min 이었으며; KL 포점은 55 psi, MFP 크기는 0.24 ㎛ 이었다.
본 명세서에서 언급된, 간행물, 특허출원 및 특허를 포함한 모든 인용문헌은, 마치, 각 인용문헌이 개별적으로 그리고 구체적으로 인용에 의하여 통합되는 것으로 표시된 것과 마찬가지의 정도로, 그리고, 그 전체가 본 명세서에 기재되어 있는 것과 마찬가지의 정도로, 인용에 의하여 본 명세서에 통합된다.
단수 형태, "상기", 등과 같은 용어와 이와 유사한 지시어들의 사용은, 본 발명을 설명하는 문맥 상에서(특히, 하기의 청구항의 문맥 상에서), 달리 표시되거나 문맥상 명백히 모순되지 않는 한, 단수와 복수를 모두 포괄하는 것으로 추정된다. "포함하는(comprising 또는 including)", "갖는(having)" 및 "함유하는(containing)"과 같은 용어는, 달리 표시되지 않는 한, 개방형 용어(open-ended terms)로 간주된다(즉, "포함하지만 그에 제한되지 않는"을 의미함). 본 명세서에서의 수치 범위의 언급은, 달리 표시되지 않는 한, 단지, 그 범위에 들어오는 각각의 개별적인 수치를 개별적으로 언급하는 것을 대신하는 약칭 방법의 역할을 하는 것으로 의도된다. 또한, 각각의 개별적인 수치는, 마치 본 명세서에 개별적으로 언급된 것과 마찬가지로, 본 명세서에 통합된다. 본 명세서에 설명된 모든 방법들은, 달시 표시되거나 문맥상 명백히 모순되지 않는 한, 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다. 본 명세서에서 제공되는 임의의 그리고 모든 예들, 또는 예시적 표현(즉, "와 같은")의 사용은 단순히 본 발명을 더욱 잘 보여주려는 의도이며, 달리 주장되지 않는 한, 본 발명의 범위에 제한을 가하려는 의도는 아니다. 본 명세서 상의 어떠한 표현도, 임의의 청구되지 않은 요소가 본 발명의 실시에 본질적인 것이라고 표시하는 것으로 간주되어서는 안 된다.
본 명세서에는, 본 발명의 수행을 위한, 본 발명자들에게 알려져 있는 베스트 모드를 포함하는, 본 발명의 바람직한 구현예가 기술되어 있다. 그러한 바람직한 구현예들의 변형은, 앞에 기술된 상세한 설명을 읽으면, 당업자에게 명백해질 것이다. 본 발명자들이 예상하기에는 숙련된 기술자는 그러한 변형을 적절히 채용할 수 있을 것이며, 본 발명자들의 의도하기에는 본 발명이 본 명세서에서 구체적으로 설명된 것과 다른 방식으로 실시될 수도 있다. 따라서, 본 발명은, 적용 법률에 의하여 허용되는 바에 따라, 첨부된 청구항에 기재된 사항의 모든 변형예 및 균등물을 포함한다. 게다가, 모든 가능한 변형예에서의 앞에서 설명된 요소들의 임의의 조합은, 달시 표시되거나 문맥상 명백히 모순되지 않는 한, 본 발명에 포함된다.

Claims (13)

  1. 정밀여과막(microfiltration membrane)으로서,
    (a) 비대칭 폴리머 층;
    (b) 등척성(isometric) 폴리머 층; 및
    (c) 상기 비대칭 폴리머 층과 상기 등척성 폴리머 층의 사이에 있는 계면 폴리머 층으로서, 상기 비대칭 폴리머 층과 접촉하는 제1 부분 및 상기 등척성 폴리머 층과 접촉하는 제2 부분을 갖는 계면 폴리머 층;을 포함하고,
    (i) 상기 비대칭 폴리머 층은 상기 계면 폴리머 층의 상기 제1 부분과 접촉하는 영역을 갖고, 이 영역은 제1 기공 직경을 갖는 셀(cell)을 포함하며;
    (ii) 상기 등척성 폴리머 층은 상기 계면 폴리머 층의 상기 제2 부분과 접촉하는 영역을 갖고, 이 영역은 제2 기공 직경을 갖는 셀을 포함하며;
    상기 제1 기공 직경은 상기 제2 기공 직경 보다 더 크고; 상기 계면 폴리머 층의 상기 제1 부분은 상기 제1 기공 직경을 갖는 셀을 포함하며; 그리고, 상기 계면 폴리머 층의 상기 제2 부분은 상기 제2 기공 직경을 갖는 셀을 포함하는,
    정밀여과막.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 비대칭 폴리머 층이 약 2 이상의 비대칭성(asymmetry)을 갖는 것을 특징으로 하는 정밀여과막.
  3. 정밀여과막으로서,
    (a) 제1 비대칭 폴리머 층으로서, 제1 비대칭 비율을 갖는 제1 비대칭 폴리머 층;
    (b) 제2 비대칭 폴리머 층으로서, 상기 제2 비대칭 폴리머 층은 제2 비대칭 비율을 갖고, 상기 제2 비대칭 비율은 상기 제1 비대칭 비율 보다 더 큰, 제2 비대칭 폴리머 층; 및
    (c) 상기 제1 비대칭 폴리머 층과 상기 제2 비대칭 폴리머 층 사이에 있는 계면 폴리머 층으로서, 상기 제1 비대칭 폴리머 층과 접촉하는 제1 부분 및 상기 제2 비대칭 폴리머 층과 접촉하는 제2 부분을 갖는 계면 폴리머 층;을 포함하고,
    (i) 상기 제1 비대칭 폴리머 층은 상기 계면 폴리머 층의 상기 제1 부분과 접촉하는 영역을 갖고, 이 영역은 제1 기공 직경을 갖는 셀을 포함하며;
    (ii) 상기 제2 비대칭 폴리머 층은 상기 계면 폴리머 층의 상기 제2 부분과 접촉하는 영역을 갖고, 이 영역은 제2 기공 직경을 갖는 셀을 포함하며;
    상기 제1 기공 직경은 상기 제2 기공 직경 보다 더 크고; 상기 계면 폴리머 층의 상기 제1 부분은 상기 제1 기공 직경을 갖는 셀을 포함하며; 그리고, 상기 계면 폴리머 층의 상기 제2 부분은 상기 제2 기공 직경을 갖는 셀을 포함하는,
    정밀여과막.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제1 비대칭 폴리머 층이 약 0.5 내지 약 1.5 범위의 비대칭 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 정밀여과막.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 제2 비대칭 폴리머 층이 약 2 이상의 비대칭 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 정밀여과막.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 주름진 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀여과막.
  7. 유체를, 제 1 항, 제 2 항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 정밀여과막 내로, 상기 비대칭 폴리머 층으로부터 상기 등척성 폴리머 층으로 향하는 방향으로, 이송하는 단계를 포함하는 유체 처리 방법.
  8. 유체를, 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 정밀여과막 내로, 상기 제2 비대칭 폴리머 층으로부터 상기 제1 비대칭 폴리머 층으로 향하는 방향으로, 이송하는 단계를 포함하는 유체 처리 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 유체를 상기 정밀여과막을 통하여 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 처리 방법.
  10. 비대칭 층, 등척성 층 및 계면 층을 가지며, 상기 계면 층은 상기 비대칭 층과 접촉하는 제1 부분 및 상기 등척성 층과 접촉하는 제2 부분을 갖는 정밀여과막의 제조방법으로서, 다음의 단계를 포함하는 정밀여과막 제조방법:
    (a) 제1 폴리머 및 상기 제1 폴리머를 위한 용매를 포함하는 제1 용액을 준비하는 단계;
    (b) 제2 폴리머 및 상기 제2 폴리머를 위한 용매를 포함하는 제2 용액을 준비하는 단계;
    (c) 상기 제1 용액을 지지체의 제1 표면 위에 캐스팅(casting)하는 단계;
    (d) 약 2 초 후에, 상기 제2 용액을 상기 제1 용액 위에 캐스팅하여 막 전구체를 형성하는 단계;
    (e) 상기 막 전구체를 순환 공기에 노출시키는 단계; 및,
    (f) 비용매 액체 중에서 상기 제1 용액 및 상기 제2 용액의 상 분리가 일어나도록 하는 단계.
  11. 제1 비대칭 비율을 갖는 제1 비대칭 층, 상기 제1 비대칭 비율 보다 큰 제2 비대칭 비율을 갖는 제2 비대칭 층 및 계면 층을 가지며, 상기 계면 층은 상기 제1 비대칭 층과 접촉하는 제1 부분 및 상기 제2 비대칭 층과 접촉하는 제2 부분을 갖는 정밀여과막의 제조방법으로서, 다음의 단계를 포함하는 정밀여과막 제조방법:
    (a) 제1 폴리머 및 상기 제1 폴리머를 위한 용매를 포함하는 제1 용액을 준비하는 단계;
    (b) 제2 폴리머 및 상기 제2 폴리머를 위한 용매를 포함하는 제2 용액을 준비하는 단계;
    (c) 상기 제1 용액을 지지체의 제1 표면 위에 캐스팅(casting)하는 단계;
    (d) 약 2 초 후에, 상기 제2 용액을 상기 제1 용액 위에 캐스팅하여 막 전구체를 형성하는 단계; 및,
    (e) 비용매 액체 중에서 상기 제1 용액 및 상기 제2 용액의 상 분리가 일어나도록 하는 단계.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 적어도 하나의 용액이 폴리술폰을 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀여과막 제조방법.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 용액을 캐스팅하는 단계는 제1 슬롯 다이(slot die) 또는 제1 캐스팅 나이프(casting knife)에 의하여 제공되는 미리 설정된 제1 갭을 통하여 상기 제1 용액을 캐스팅하는 단계를 포함하고, 상기 제2 용액을 캐스팅하는 단계는 제2 슬롯 다이 또는 제2 캐스팅 나이프에 의하여 제공되는 미리 설정된 제2 갭을 통하여 상기 제2 용액을 캐스팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정밀여과막 제조방법.
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