KR20160058579A - 기능성 멤브레인 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기능성 멤브레인 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 기능성 멤브레인은 도파민, 용매, 고분자 물질이 혼합된 방사 용액이 전기 방사된 나노 섬유가 축적되어 형성된 구조를 가진다.

Description

기능성 멤브레인 및 그의 제조 방법{Functional membrane and method of manufacturing the same}
본 발명은 기능성 멤브레인에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 필터링 효율을 증대시키며, 파울링(fouling) 특성을 개선시킬 수 있고, 중금속, 박테리아 및 바이러스를 필터링할 수 있으며, 초박형이 가능한 기능성 멤브레인 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
현재, 산업화가 급진적으로 이루어지고, 인구가 지속적으로 증가되어, 물 부족 현상이 지구의 곳곳에서 발생되고 있다.
지구에 존재하는 물은 97% 이상이 직접 이용할 수 없는 해수 또는 빙하로 되어 있어 산업 및 식수로 사용하기에는 어려움이 많다.
이와 같은 물 부족을 해결하고자 하기 위한 연구가 많이 진행되었고, 해수를 담수화하기 위한 담수화 연구가 활발히 진행되고 있으며, 공업 및 생활용수로 이미 사용된 물을 재활용하거나 지하수 및 지표면 상의 담수를 식수로 사용하기 위한 수처리 연구도 계속적으로 이루어지고 있다.
한편, 멤브레인은 수처리용 분리막으로 사용되고 있으며, 멤브레인 막을 통하여 물속의 다른 불순물을 필터링한다.
이런 멤브레인의 일종인 고분자 멤브레인은 적당한 고분자와 용매를 선택하여 고분자 용액을 만들고, 이를 캐스팅하여 얇은 시트로 형성시킨 후, 이를 고체상으로 침적시켜서 제조하여 여과 용도로 사용하고 있다.
한국 공개특허공보 제10-2012-0077266호에는 섬도 50 ㎛ 이하의 열가소성 고분자 나노섬유 집합체로 구성되며, 나노섬유 집합체가 가교되어 기공 크기가 0.002 내지 3 ㎛인 다공성 부직포 기재를 포함하는 다공성 지지체; 및 상기 다공성 지지체 위에 적층되는 비대칭막을 포함하는 것을 특징으로 하는 여과용 멤브레인이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 여과용 멤브레인에서 다공성 지지체는 강도를 유지하면서 다공성을 가지는 부직포웹이고, 비대칭막은 물은 통과시키지만 이온을 통과시키지 못하게 하는 역삼투막이므로, 부직포웹 단독으로는 물속에 포함된 기공의 크기보다 큰 입자를 여과시키는 기능만 수행하여, 이온을 필터링하기 위하여 적층된 역삼투막이 필요하다.
그러므로, 한국 공개특허공보 제10-2012-0077266호의 여과용 멤브레인은 두께가 두껍고, 많은 제조 비용이 소요되는 문제점이 있으며, 친수성이 우수하지 않아 통과 유량을 증가시키는데 한계가 있다.
한국 공개특허공보 제10-2012-0077266호
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 도파민을 함유하는 나노 섬유가 축적된 나노 섬유 웹으로 멤브레인을 구현하여 친수성을 우수하게 할 수 있고, 필터링 효율을 증대시키며, 파울링(fouling) 특성을 개선시킬 수 있는 기능성 멤브레인 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 도파민이 포함되어 있고, 작용기가 부착되어 있는 나노 섬유 웹으로 멤브레인을 구성하여 중금속, 박테리아 및 바이러스를 필터링할 수 있는 기능성 멤브레인 및 그의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 단일층 구조로 다기능을 수행하는 멤브레인을 제조할 수 있어, 초박형이 가능하고 제조 경비를 감소시킬 수 있는 기능성 멤브레인 및 그의 제조 방법을 제공하는데 있다.
상술된 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 의한 기능성 멤브레인은, 도파민 단량체 또는 중합체, 용매 및 고분자 물질이 혼합된 방사 용액이 전기 방사된 나노 섬유가 축적되어 형성되고, 다수의 기공이 형성된 나노 섬유 웹으로 이루어져 있는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 의한 기능성 멤브레인에서, 상기 나노 섬유에 작용기가 부착되어 있을 수 있고, 상기 작용기는 음전하 관능기 또는 양전하 관능기일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 기능성 멤브레인에서, 상기 나노 섬유의 직경은 0.1 ~ 2um이고, 상기 기공의 크기는 3um 이하일 수 있다.
더불어, 본 발명의 일 실시예에 의한 기능성 멤브레인에서, 상기 나노 섬유 웹과 합지된 부직포를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 기능성 멤브레인의 제조 방법은, 도파민 단량체 또는 중합체, 용매 및 고분자 물질을 혼합하여 방사 용액을 제조하는 단계; 상기 방사 용액을 전기 방사하여 나노 섬유가 축적되고 다수의 기공이 형성된 나노 섬유 웹을 형성하는 단계; 및 상기 나노 섬유 웹에 작용기를 부착하는 후처리 공정을 수행하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 기능성 멤브레인의 제조 방법은, 고분자 물질 및 용매를 혼합하여 방사 용액을 제조하는 단계; 상기 방사 용액을 전기 방사하여 나노 섬유가 축적되고 다수의 기공이 형성된 나노 섬유 웹을 형성하는 단계; 상기 나노 섬유 웹에 도파민을 코팅하는 단계; 및 상기 나노 섬유 웹에 작용기를 부착하는 후처리 공정을 수행하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위한 기능성 멤브레인의 제조 방법은, 도파민 중합체에 작용기를 부착하는 공정을 수행하여 기능성 도파민 중합체를 제조하는 단계; 상기 기능성 도파민 중합체, 용매 및 고분자 물질을 혼합하여 방사 용액을 제조하는 단계; 및 상기 방사 용액을 전기 방사하여 나노 섬유가 축적되고 다수의 기공이 형성되어 있고, 작용기가 부착된 나노 섬유 웹을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 의하면, 도파민을 함유하는 나노 섬유가 축적된 나노 섬유 웹으로 친수성이 우수한 기능성 멤브레인을 구현할 수 있는 잇점이 있다.
이와 같은 본 발명의 기능성 멤브레인은 친수성이 있으므로, 통과 유량이 많아져 필터링 효율을 증가시키며, 멤브레인의 기공이 막히지 않는 파울링(fouling) 특성을 개선시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 의하면, 멤브레인을 구성하는 나노 섬유 웹의 나노 섬유에 도파민이 포함되어 있고, 작용기가 부착되어 있으므로, 처리수를 통과시켜 처리수에 포함된 중금속, 박테리아 및 바이러스를 필터링할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 의하면, 기능을 추가하기 위한 적층 구조가 필요없는 단일층 구조로 다기능을 수행하는 멤브레인을 제조할 수 있어, 초박형이 가능하고 제조 경비를 감소시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 멤브레인의 나노 섬유에 도파민이 함유되어 있고, 이 도파민에 작용기 도입이 가능하여 수처리, 공기 여과, 바이오, 메디칼 용도 등 다양한 분야에 응용 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 기능성 멤브레인을 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 기능성 멤브레인에 적용된 도파민의 화학식,
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 기능성 멤브레인을 설명하기 위한 모식적인 단면도,
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 기능성 멤브레인의 나노 섬유에 작용기가 부착되어 있는 상태를 설명하기 위한 모식적인 도면,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 기능성 멤브레인의 제1제조방법의 흐름도,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 기능성 멤브레인의 제2제조방법의 흐름도,
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 기능성 멤브레인의 제3제조방법의 흐름도,
도 8은 발명의 제2실시예에 따른 기능성 멤브레인의 제4제조방법의 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 기능성 멤브레인(100)은 도파민 단량체 또는 중합체, 용매 및 고분자 물질이 혼합된 방사 용액이 전기 방사된 나노 섬유(110)가 축적되어 형성되고, 다수의 기공(120)이 형성된 나노 섬유 웹인 것을 특징으로 한다.
여기서, 도파민(DOPAMINE; 3,4-dihydroxyphenylalamine)은 도 2의 화학식과 같이, 벤젠고리에 -NH2 및 -OH가 결합된 구조를 갖는다.
그러므로, 본 발명의 제1실시예에 따른 기능성 멤브레인(100)은 도파민을 함유하는 나노 섬유가 축적된 나노 섬유 웹이므로, 도파민의 -OH에 의해 친수성이 우수한 멤브레인을 구현할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제1실시예에 따른 기능성 멤브레인(100)은 친수성이 우수하여 통과 유량이 많아지게 되어 필터링 효율을 증가시킬 수 있으며, 멤브레인의 기공이 막히지 않는 파울링(fouling) 특성을 개선시킬 수 있는 잇점이 있다.
본 발명의 기능성 멤브레인(100)은 나노 섬유 웹을 구성하는 나노 섬유(110)에 포함된 도파민에 의해 독특한 특성을 가질 수 있으며, 나노 섬유(110) 사이에 기공(120)이 형성되어 있어 극미세한 기공 크기를 구현할 수 있다.
이와 같은 기능성 멤브레인(100)의 나노 섬유 웹은 도파민 단량체 또는 중합체, 전기 방사 가능한 고분자 물질과 용매를 일정 비율로 혼합하여 방사용액을 만들고, 이 방사용액을 전기 방사하여 나노 섬유(110)를 형성하고, 이 나노 섬유(110)를 축적시켜 다수의 기공을 가지는 구조를 구현하게 되는 것이다.
본 발명에서 사용 가능한 고분자물질로는 전기방사를 위해 유기용매에 용해될 수 있고, 전기방사에 의해 나노 섬유를 형성할 수 있는 수지이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF), 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌), 퍼풀루오로폴리머, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴 클로라이드 또는 이들의 공중합체, 폴리에틸렌글리콜 디알킬에테르 및 폴리에틸렌글리콜 디알킬에스터를 포함하는 폴리에틸렌글리콜 유도체, 폴리(옥시메틸렌-올리 고-옥시에틸렌), 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리프로필렌옥사이드를 포함하는 폴리옥사이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리(비닐피롤리돈-비닐아세테이트), 폴리스티렌 및 폴리스티렌 아크릴로니트릴 공중합체, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리아크릴로니트릴 메틸메타크릴레이트 공중합체를 포함하는 폴리아크릴로니트릴 공중합체, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 공중합체 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다.
용매는 DMAc(N,N-Dimethyl acetoamide), DMF(N,N-Dimethylformamide), NMP(N-methyl-2-pyrrolidinone), DMSO(dimethyl sulfoxide), THF(tetra-hydrofuran), (EC(ethylene carbonate), DEC(diethyl carbonate), DMC(dimethyl carbonate), EMC(ethyl methyl carbonate), PC(propylene carbonate), 물, 초산(acetic acid), 개미산(formic acid), 클로로포름(Chloroform), 디클로로메탄(dichloromethane), 아세톤(acetone) 및 이소프로필알콜(isopropy)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
그리고, 기능성 멤브레인(100)은 두께에 따라 기공수 및 기공의 평균 직경이 결정되어, 다양한 특성을 가지는 멤브레인을 만들 수 있다.
나노 섬유의 직경은 0.1 ~ 2um이고, 다수의 기공 형태 멤브레인에서, 기공의 크기는 3um 이하이고, 기공도는 20 내지 90%로 설정되는 것이 바람직하다.
기능성 멤브레인(100)은 단독으로 사용하는 것이 바람직하나, 강도를 보강하기 위해 부직포와 합지될 수 있다. 부직포는 예를 들어, 코어로서 PP 섬유의 외주에 PE가 코팅된 이중 구조의 PP/PE 섬유로 이루어진 부직포, 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET: polyethyleneterephthalate) 섬유로 이루어진 PET 부직포, 셀룰로즈 섬유로 이루어진 부직포 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 기능성 멤브레인을 설명하기 위한 모식적인 단면도이고, 도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 기능성 멤브레인의 나노 섬유에 작용기가 부착되어 있는 상태를 설명하기 위한 모식적인 도면이다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 기능성 멤브레인(200)은 도파민 단량체 또는 중합체, 용매 및 고분자 물질이 혼합된 방사 용액이 전기 방사된 나노 섬유가 축적되어 형성되고, 다수의 기공이 형성된 나노 섬유 웹으로 이루어져 있으며, 나노 섬유에 작용기(210)가 부착되어 있는 것을 특징으로 한다.
즉. 도 4와 같이, 나노 섬유에 작용기(210)가 부착되어 있다.
나노 섬유 웹의 나노 섬유에 부착된 작용기(210)는 도파민 단량체 또는 중합체가 함유된 나노 섬유 웹을 형성한 후, UV조사, 플라즈마 처리, 산처리 및 염기처리 등의 후처리 공정으로 형성할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 제2실시예에 따른 기능성 멤브레인(200)은 작용기(210)가 부착되어 있으므로, 나노 섬유에 흡착용 전하가 부가된 도파민의 복합화가 가능한 것이다.
즉, 작용기(210)는 SO3H-와 같은 음전하 관능기 또는 NH4 +와 같은 양전하 관능기로, 중금속, 박테리아 및 바이러스를 흡착하는 기능을 수행할 수 있어, 본 발명의 제2실시예에 따른 기능성 멤브레인(200)은 처리수를 통과시켜 처리수에 포함된 중금속, 박테리아 및 바이러스를 필터링할 수 있는 장점이 있다.
전술된 본 발명의 제1실시예에 따른 기능성 멤브레인(100)은 나노 섬유에 함유된 도파민에 의해 친수성이 우수함과 아울러 중금속 및 바이러스를 흡착하는 기능성을 가진다. 그리고, 본 발명의 제2실시예에 따른 기능성 멤브레인(200)도 나노 섬유에 함유된 도파민에 의해 우수한 친수성을 가지며, 음전하 작용기 또는 양전하 작용기가 나노 섬유에 함유된 도파민에 부착되어 제1실시예에 따른 기능성 멤브레인(100)보다 더 많은 종류의 중금속 및 바이러스를 강력하게 흡착하여 필터링할 수 있는 효율을 향상시킬 수 있는 기능성을 가지는 것이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 기능성 멤브레인의 제1 내지 제4제조방법의 흐름도이다.
본 발명의 제2실시예에 따른 기능성 멤브레인은 도파민이 함유되고, 작용기가 부착된 나노 섬유가 축적되어 형성되고 기공을 갖는 나노 섬유 웹으로 이루어져 있으므로, 본 발명에서는 후술된 제1 내지 제4제조방법 중 하나로 제2실시예의 기능성 멤브레인을 구현할 수 있다.
도 5를 참고하면, 제1제조방법으로 도파민 단량체 또는 중합체를 제조하고(S100), 도파민 단량체 또는 중합체, 용매 및 고분자 물질을 혼합하여 방사 용액을 제조한다(S110). 그후, 방사 용액을 전기 방사하여 나노 섬유가 축적되고 다수의 기공이 형성된 나노 섬유 웹을 형성한 다음, 나노 섬유 웹에 작용기를 부착하는 후처리 공정을 수행한다.
여기서, 후처리 공정은 UV조사, 플라즈마 처리, 산처리 및 염기처리 중 하나로 수행할 수 있다.
이와 같이, 나노 섬유 웹에 후처리 공정을 수행하면, 도파민의 -NH2 및 -OH의 비공유전자쌍에 작용기가 부착되거나, 도파민의 벤젠의 방향족 고리에 작용기가 부착된다.
그리고, 제2제조방법은 도 6과 같이, 도파민 중합체에 작용기를 부착하는 공정을 수행하여 기능성 도파민 중합체를 제조한다(S200). 이어서, 기능성 도파민 중합체, 용매 및 고분자 물질을 혼합하여 방사 용액을 제조(S210)한 다음, 그 방사 용액을 전기 방사하여 나노 섬유가 축적되고 다수의 기공이 형성되어 있고, 작용기가 부착된 나노 섬유 웹을 형성(S220)하여 기능성 멤브레인을 제조한다.
여기서, 도파민 중합체에 작용기를 부착하는 공정은 UV조사, 플라즈마 처리, 산처리 및 염기처리 중 하나이다.
또한, 본 발명의 제2실시예에 따른 기능성 멤브레인의 제3제조방법은 도 7과 같이, 고분자 물질 및 용매를 혼합하여 방사 용액을 제조하고(S300), 방사 용액을 전기 방사하여 나노 섬유가 축적되어 형성되고, 다수의 기공이 형성된 나노 섬유 웹을 형성한다(S310). 연이어, 나노 섬유 웹에 도파민을 코팅하고(S320), 후처리 공정을 수행하여 나노 섬유 웹에 작용기를 부착한다(S330).
아울러, 도 8과 같이, 제4제조방법은 고분자 물질 및 용매를 혼합하여 방사 용액을 제조한다(S400). 그후, 방사 용액을 전기 방사하여 나노 섬유가 축적되어 형성되고, 다수의 기공이 형성된 나노 섬유 웹을 형성하고(S410), 나노 섬유 웹에, 작용기가 부착되어 있는 기능성 도파민을 코팅한다(S330).
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명은 필터링 효율을 증대시키며, 파울링(fouling) 특성을 개선시킬 수 있으며, 중금속, 박테리아 및 바이러스를 필터링할 수 있는 기능성 멤브레인을 제공한다.
100,200: 기능성 멤브레인 110: 나노 섬유
120: 기공 210: 작용기

Claims (9)

  1. 도파민 단량체 또는 중합체, 용매 및 고분자 물질이 혼합된 방사 용액이 전기 방사된 나노 섬유가 축적되어 형성되고, 다수의 기공이 형성된 나노 섬유 웹으로 이루어져 있는 기능성 멤브레인.
  2. 제1항에 있어서, 상기 나노 섬유에 작용기가 부착되어 있는 기능성 멤브레인.
  3. 제2항에 있어서, 상기 작용기는 음전하 관능기 또는 양전하 관능기인 기능성 멤브레인.
  4. 제1항에 있어서, 상기 나노 섬유의 직경은 0.1 ~ 2um이고, 상기 기공의 크기는 3um 이하인 기능성 멤브레인.
  5. 제1항 내지 제4항 중 한 항에 있어서, 상기 나노 섬유 웹과 합지된 부직포를 더 포함하는 기능성 멤브레인.
  6. 도파민 단량체 또는 중합체, 용매 및 고분자 물질을 혼합하여 방사 용액을 제조하는 단계;
    상기 방사 용액을 전기 방사하여 나노 섬유가 축적되고 다수의 기공이 형성된 나노 섬유 웹을 형성하는 단계; 및
    상기 나노 섬유 웹에 작용기를 부착하는 후처리 공정을 수행하는 단계;를 포함하는 기능성 멤브레인의 제조 방법.
  7. 고분자 물질 및 용매를 혼합하여 방사 용액을 제조하는 단계;
    상기 방사 용액을 전기 방사하여 나노 섬유가 축적되고 다수의 기공이 형성된 나노 섬유 웹을 형성하는 단계;
    상기 나노 섬유 웹에 도파민을 코팅하는 단계; 및
    상기 나노 섬유 웹에 작용기를 부착하는 후처리 공정을 수행하는 단계;를 포함하는 기능성 멤브레인의 제조 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 후처리 공정은 UV조사, 플라즈마 처리, 산처리 및 염기처리 중 하나인 기능성 멤브레인의 제조 방법.
  9. 도파민 중합체에 작용기를 부착하는 공정을 수행하여 기능성 도파민 중합체를 제조하는 단계;
    상기 기능성 도파민 중합체, 용매 및 고분자 물질을 혼합하여 방사 용액을 제조하는 단계; 및
    상기 방사 용액을 전기 방사하여 나노 섬유가 축적되고 다수의 기공이 형성되어 있고, 작용기가 부착된 나노 섬유 웹을 형성하는 단계;를 포함하는 기능성 멤브레인의 제조 방법.

















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