KR20160081544A - 비대칭성 코팅막을 포함하는 기능성 양전하 미디어 및 이의 제조방법 - Google Patents

비대칭성 코팅막을 포함하는 기능성 양전하 미디어 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20160081544A
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Abstract

본 발명은 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부직포의 일면에 비대칭적으로 양전하를 포함하는 코팅제로 코팅시켜서 미세한 기공을 가지고 높은 표면전하를 갖는 바, 전기적으로 음이온을 갖는 바이러스에 대한 흡착 및 제거할 수 있을 뿐만 아니라 물리적으로도 이물질을 제거할 수 있는 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

비대칭성 코팅막을 포함하는 기능성 양전하 미디어 및 이의 제조방법{Functual positive electric charge-media containing assymetric coating film and the preparing method thereof}
본 발명은 비대칭성 코팅막을 포함하는 양전하 여재 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미세한 기공을 및 높은 표면전하를 가져 바이러스 제거 성능이 우수한 비대칭성 코팅막을 포함하는 기능성 양전하 미디어 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 물 속에는 천연유기물질(Natural Organic Matter; NOM)을 비롯한 수많은 이온성 물질, 화학물질이 존재하며 상수처리 과정에서 제거되지 않고 새로운 오염물질을 발생시키는 원인물질로 작용한다. 또한, 최근에는 염소소독으로 제거되지 않은 병원성 미생물에 대한 존재여부가 논란이 되고 있다. 바이러스(Virus), 크립토스포리디움(Crytosphoridium), 자이알디아(Giardia) 등으로 분류되는 병원성 미생물은 인체 및 동물의 분변을 통해 환경 중으로 배출되어 하수뿐만 아니라 지표수와 지하수에도 존재한다. 바이러스는 0.02 ~ 0.09 ㎛, 박테리아는 길이 0.4 ~ 14㎛, 폭 0.2 ~ 1.2 ㎛의 크기를 갖으며 크립토스포리디움, 자이알디아 등 원생동물은 바이러스나 박테리아에 비해서는 비교적 큰 편이다. 바이러스의 경우 크기가 매우 작기 때문에 일반 여과에 의해서는 거의 처리되지 않으며 내성이 강한 낭종(Cyst)을 형성하여 물에서 수개월이상 안정적으로 살아있다. 현재 물 속에 잔존하는 미량의 오염물질을 제거하기 위하여 상수처리과정에서 고도응집처리 또는 활성탄 흡착, 막여과가 제시되고 있는데 최근 막을 사용한 정수처리 공정에 대한 국가단위의 대규모 연구가 진행 중이다.
특히, 막 여과에 대해서는 최근에 많은 연구가 이루어져 고도정수처리 과정에서 실용화가 타진되고 있는데 아직까지도 경제적인 비용과 기술적인 문제로 인해 폭넓게 이용되지는 못하고 있다. 역삼투막(RO), 나노여과막(NF), 한외여과막(UF), 정밀여과막(MF)으로 분류되는 막을 비롯한 기존 필터들은 기공(pore)의 사이즈를 이용하여 물리적인 기작에 의거하여 물 속의 오염물질을 제거하는 시스템이다.
분리막의 오염물질제거에 대한 주된 메커니즘은 체분리(Sieve) 효과, 즉 입자크기에 의한 제거가 적용되어 물속에 부유하고 있는 박테리아, 바이러스, 유기 오염물 등을 제거하여 주는 것이다. 상기 입자크기에 의한 제거 외에도 분리막 표면 전하에 따른 정전기적 흡착에 의해서도 수중의 미생물 등을 걸러주며, 이 방법은 적은 운전압력 대비 높은 투수율 및 높은 입자제거 성능으로 각광받으면서 연구되고 있다.
종래의 수처리용으로 널리 사용되는 마이크로 섬유 필터는 여과 면적이 작고 정전기력이 없기 때문에 효율이 떨어진다는 단점이 있었으며, 멤브레인 필터는 여과 효율은 높으나 압력 손실이 크다는 단점이 있었다. 따라서, 마이크로 섬유 필터와 멤브레인 필터의 단점을 보완하기 위한 마이크로 사이즈의 기공을 가지는 섬유 필터에 정전기력을 부과함으로써 섬유 필터의 여과 효율을 증가시키고, 압력 손실을 감소시키는 연구가 진행되고 있다.
예를 들어, 종래기술에는 기능성 양전하 미디어 제조를 위해 유리섬유를 기본 여재로 두고, 유리섬유 제조시에 양전하를 띄는 무기화합물을 첨가하는 방식으로 제조하여 양전하 필터를 제조하고 이를 이용하여 바이러스를 흡착제거 하였다(대한민국 특허공개번호 10-2004-0088046, 미국 등록특허 7,601,262호 등).
그러나 이 기술은 유리섬유를 사용한다는 점에서 발암 등의 유해성 논란으로 수처리 공정의 적합성이 우려되는 문제점과 유리섬유를 사용하여 제조시 첨가되는 화합물에 의해 제품군에서 다양화되지 못한다는 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허 제 10-2004-0088046 호(공개일:2004년 10월 15일) 미국 등록특허 제 7,601,262호(공개일:2009년 10월 13일)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 바이러스를 효과적으로 제거할 수 있고 안정성이 우수한 친환경적인 항바이러스성 양전하 여재를 제공하고자 한다.
본 발명은 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리에스테르 섬유 및 나일론 섬유 중 선택된 1종 이상을 함유하는 멜트블로운(melt blown) 부직포; 및 상기 멜트블로운 부직포의 평균밀도가 높은 측의 일면에 구비되는 양전하 코팅층;을 포함하며, 상기 양전하 코팅층은 가교제 및 다관능성 아민 고분자를 포함하고, 상기 양전하 코팅층의 두께는 상기 멜트블로운 부직포 두께의 15 ~ 30%인 것을 특징으로 하는 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 멜트블로운 부직포는 평균두께 0.1 ~ 2 ㎜일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 멜트블로운 부직포는 양전하 코팅층 방향으로 평균 밀도가 증가하며, 상기 멜트블로운 부직포와 양전하 코팅층의 접합면에서의 평균밀도는 0.15g/㎤ ~ 0.42 g/㎤ 이고, 상기 접합면 타면의 평균밀도는 0.01g/㎤ ~ 0.13 g/㎤ 일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 접합면 타면의 평균밀도는 상기 멜트블로운 부직포와 양전하 코팅층의 접합면에서 부직포의 평균밀도의 300 ~ 400 %일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 멜트블로운 부직포의 평균공경은 0.5 ~ 20 ㎛일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 가교제는 폴리아크릴산계 고분자 및 폴리비닐알코올계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 폴리아크릴산계 고분자는 폴리아크릴산, 폴리아크릴산-말레산 나트륨 염(Poly(acrylic acid-co-maleic acid) sodium salt) 및 소듐폴리아크릴레이트(Sodium Polyacrylate) 로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하고, 상기 폴리비닐알코올계 고분자는 폴리비닐알코올, 폴리(에틸렌-비닐알코올)에틸렌(Poly(vinyl alcohol-co-ethylene) ethylene) 및 에틸렌비닐알코올(EVOH,Ethylene vinyl alcohol) 로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 다관능성 아민 화합물은 폴리에틸렌이민, 디에틸렌트리아민, 피페라진, 디메틸렌피페라진 및 디페닐아민 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 다관능성 아민 화합물 및 가교제는 1:1 ~ 3의 중량비로 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재의 표면전하가 5 ~ 50 mV일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재의 평균수투과량이 20 ~ 150 ㎖/cm2?in?ar일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재의 바이러스 제거성능이 3log 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 태양은 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리에스테르 섬유 및 나일론 섬유 중 선택된 1종 이상을 함유하는 멜트블로운(melt blown) 부직포에 제1 코팅액으로 코팅하는 1단계; 및 상기 제1 코팅액으로 코팅된 멜트블로운 부직포를 제2 코팅액에 침적한 후 열가교시켜서 양전하 코팅층을 형성시키는 2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 제1 코팅액은 폴리아크릴산계 고분자 및 폴리비닐알코올계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 가교제 70 ~ 80 중량% 및 물 20 ~ 30 중량%를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 제2 코팅액은 다관능성 아민 고분자 1 ~ 5 중량% 및 C1 ~ C4의 알코올 또는 상기 알코올의 수용액 95 ~ 99 중량%를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 침전은 15? ~ 40?에서 5초 ~ 12시간 동안 수행할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 열가교는 60? ~ 130? 하에서, 15초 ~ 6시간 동안 가교를 수행할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 제2 단계에서 제1 코팅액으로 코팅된 멜트블로운 부직포를 제2 코팅액에 침적한 후 열가교시키는 것을 3회 이상 수행할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 양전하 코팅층의 두께는 150 ㎛ ~ 250 ㎛인 것을 특징으로 하는 비대칭성 코팅층을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양은 상기 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재를 포함하고, 20 ~ 30? 및 0.8 ~ 1.2 bar 하에서 평균수투과량이 30 ~ 150 ㎖/cm2?in?ar이고, 바이러스 제거성능이 3 log 이상인 것을 특징으로 하는 바이러스 제거용 필터를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 바이러스 제거용 필터는 에어 필터 또는 액체 필터로 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 부직포의 일면에 비대칭적으로 양전하를 포함하는 코팅제로 코팅시켜서 미세한 기공을 가지고 높은 표면전하를 갖는 바, 전기적으로 음이온을 갖는 바이러스에 대한 흡착 및 제거할 수 있을 뿐만 아니라 물리적으로도 이물질을 제거할 수 있다. 또한, 기존의 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재는 발암 유발 물질인 유리섬유를 사용해 왔으나, 본 발명은 유리섬유를 사용하지 않는 친환경적인 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 양전하 여재의 주사전자현미경 이미지이다.
상술한 바와 같이 종래에는 유리섬유를 사용한다는 점에서 발암 등의 유해성 논란이 있으며 수처리 공정에 사용에 적합성이 우려되는 문제점과 유리섬유를 사용하여 제조시 첨가되는 화합물에 의한 제품군이 다양화되지 못하는 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 유리섬유가 아닌 친환경적인 부직포를 이용한 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재를 개발하였다. 본 발명에 따른 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재는 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리에스테르 섬유 및 나일론 섬유 중 선택된 1종 이상을 함유하는 멜트블로운(melt blown) 부직포; 및 상기 멜트블로운 부직포의 평균밀도가 높은 측의 일면에 구비되는 양전하 코팅층;을 포함하며, 상기 양전하 코팅층은 가교제 및 다관능성 아민 고분자를 포함하고, 상기 양전하 코팅층의 두께는 상기 멜트블로운 부직포 두께의 15 ~ 30%인 것을 특징으로 한다. 상기 양전하 여재는 바이러스를 흡착하여 제거하는 역할을 하며, 바람직하게는 양전하를 통해 바이러스를 흡착 제거할 수 있으며, 휴믹산 등 유기오염원을 흡착 제어하여 바이오 파울링을 제거할 수 있다. 이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재는 멜트블로운 부직포를 포함할 수 있다. 상기 멜트블로운 부직포를 구성하는 섬유는 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유 및 셀룰로오스 섬유 중 선택된 1종 이상을, 바람직하게는 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 및 폴리에스테르 섬유 중에서 선택된 1종 이상을, 더욱 바람직하게는 폴리프로필렌 섬유 및 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 중에서 선택된 1종 이상을 함유할 수 있다.
그리고, 상기 멜트블로운 부직포는 평균두께가 0.1 ~ 2 ㎜인 것이, 바람직하게는 0.5 ~ 1 mm인 것이 좋으며, 이때, 평균두께가 0.1 mm 미만인 경우 바이러스 흡착 경로가 짧아서 제거효율이 감소하고, 코팅된 양이 감소하여 바이러스 흡착량이 감소하는 문제가 있을 수 있고, 2㎜를 초과하면 여과시 차압발생으로 유량이 감소한 문제가 있을 수 있다.
그리고, 상기 멜트블로운 부직포의 평균공경이 0.5 ~ 20 ㎛일 수 있으며, 바람직하게는 평균공경이 0.5 ~ 10 ㎛일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 평균공경이 0.5 ~ 8 ㎛일 수 있다. 이때, 상기 부직포의 평균 공경이 0.5 ㎛ 미만인 경우 수투과도가 낮아지는 문제가 있을 수 있으며, 20 ㎛를 초과하는 경우 바이러스 제거성능이 감소하는 문제가 있을 수 있다.
상기 멜트블로운 부직포는 멜트블로운 공정을 통해 제조되어 단면상 밀도구배가 상이하고, 양전하 코팅층 방향으로 평균 밀도가 증가하며, 상기 멜트블로운 부직포와 양전하 코팅층의 접합면에서의 평균밀도는 0.15g/㎤ ~ 0.42 g/㎤ 이고, 상기 접합면 타면의 평균밀도는 0.01 g/㎤ ~ 0.13 g/㎤ 일 수 있고, 더욱 바람직하게는 멜트블로운 부직포와 양전하 코팅층의 접합면에서의 평균밀도가 0.15 g/cm3 ~ 0.42 g/cm3 일 수 있고, 상기 접합면 타면의 평균밀도는 0.06 g/cm3 ~ 0.1 g/cm3 일 수 있다. 이때, 상기 접합면 타면의 평균밀도는 상기 멜트블로운 부직포와 양전하 코팅층의 접합면에서 부직포의 평균밀도의 300 ~ 400 %인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 300 ~ 350%일 수 있다.
본 발명에 따른 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재는 상기 멜트블로운 부직포의 평균밀도가 높은 측의 일면에 구비되는 양전하 코팅층을 포함한다. 상기 멜트블로운 부직포의 평균 밀도가 높은 측은 평균 공경이 상대적으로 작고, 양전하 코팅층이 그 위에 구비됨으로 인하여, 0.5 ㎛ 이상의 미세 입자를 여과할 수 있는 효과가 있다.
상기 양전하 코팅층은 가교제 및 다관능성 아민 화합물을 포함하는데, 상기 가교제는 다관능성 아민 화합물 간의 가교제 역할 및 바인더 역할을 할 뿐만 아니라, 부직포와 코팅성분 간에 접착성을 향상시키는 역할을 할 수 있다. 이때, 상기 가교제는 폴리아크릴산계 고분자 및 폴리비닐알코올계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 상기 폴리아크릴산계 고분자는 폴리아크릴산, 폴리아크릴산-말레산 나트륨 염(Poly(acrylic acid-co-maleic acid) sodium salt) 및 소듐폴리아크릴레이트(Sodium Polyacrylate) 로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하고, 상기 폴리비닐알코올계 고분자는 폴리비닐알코올, 폴리(에틸렌-비닐알코올)에틸렌(Poly(vinyl alcohol-co-ethylene) ethylene) 및 에틸렌비닐알코올(EVOH,Ethylene vinyl alcohol) 로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 다관능성 아민 화합물은 부직포가 양전하를 나타내도록 정전기적 성질을 부여하는 역할을 한다. 이때, 상기 다관능성 아민 화합물로는 폴리에틸렌이민(polyethylene imine), 디에틸렌트리아민(diethylene triamine), 피페라진(piperazine), 디메틸렌피페라진(dimethylpiperazine) 및 디페닐아민(diphenylamine) 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 폴리에틸렌이민(polyehtylene imine) 및 디에틸렌트리아민(diethylene triamine) 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
그리고, 상기 다관능성 아민 화합물 및 가교제를 1 : 1 ~ 3의 중량비로 포함하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1 : 2 ~ 3의 중량비로 포함하는 것이 좋다. 상기 다관능성 아민 화합물 및 가교제가 1: 1 미만으로 포함되는 경우에는 가교제 사용량이 적어 다관능성 아민 화합물이 부직포로부터 쉽게 떨어져 나갈 수 있는 문제점이 있고, 1 : 3의 중량비를 초과하여 포함되는 경우에는 양전하 코팅제의 점도가 너무 높아져서 부직포의 내부 즉, 부직포의 섬유를 충분하게 코팅시키지 못하여 여재 공경 크기 감소로 인해 수투과량이 감소하며, 양전하 특성이 감소되어 바이러스 제거율이 감소하는 문제점이 있을 수 있다.
이때, 상기 양전하 코팅층의 두께는 상기 멜트블로운 부직포 두께의 15 ~ 30%일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 20 ~ 30%인 것이 좋다. 상기 양전하 코팅층의 두께는 150 ~ 250 ㎛인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 150 ~ 200 ㎛이 것이 좋다. 상기 양전하 코팅층의 두께가 150 ㎛ 미만인 경우 코팅층이 박리되거나 강도가 약한 문제점이 있고, 250 ㎛를 초과하는 경우 수투과도가 감소하는 문제점이 있다.
본 발명에 따른 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재에 있어서, 상기 여재의 표면전하는 5 ~ 50 mV 인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 15 ~ 50 mV일 수 있다. 부직포의 표면전하가 양전하를 나타냄으로써, 음전하를 갖는 바이러스를 흡착하여 포집할 수 있게 되는데, 만약 부직포의 표면전하가 5 mV 미만이면, 바이러스 흡착능이 떨어지는 문제가 있을 수 있고, 50 mV를 초과하여도 바이러스 흡착능은 유사하나 공정시 높은 표면전하를 나타내기 위한 반응시간 및 농도 증가에 의한 생산비용 증가한 문제가 있을 수 있다.
이때, 상기 표면전하는 Anton Parr 사의 Surpass 모델을 사용하여 흐름전위를 측정하여 하기 수학식 1에 의해 계산된 방법에 의거하여 측정할 수 있는데, 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
[수학식 1]
Figure pat00001
상기 수학식 1에서, ζ: 제타전위(mV), U : 흐름전위(streaming potential, p : 압력(pressure), η: 전해질 점도, ε: 전해질의 기본유전율, ε0 : 전해질의 유전체상수, Kb:전해질의전기전도도이다.
본 발명에 따른 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재는 평균수투과량이 20 ~ 150 ㎖/cm2·min·bar일 수 있으며, 바람직하게는 25 ~ 100 ㎖/cm2·min·bar일 수 있다. 상기 평균수투과량이 상기 범위를 벗어나는 경우 필터로서 사용하기 어려운 문제점이 있다.
이러한, 높은 표면전하 및 평균수투과량을 갖는 본 발명의 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재는 바이러스 제거성능이 3log 이상일 수 있으며, 바람직하게는 3.0log ~ 6.0log일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 3.5log ~ 6.0log일 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재를 제조하는 방법에 대하여 구체적으로 설명하면 아래와 같다.
본 발명에 따른 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재는 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리에스테르 섬유 및 나일론 섬유 중 선택된 1종 이상을 함유하는 멜트블로운(melt blown) 부직포에 제1 코팅액으로 코팅하는 단계; 및 상기 제1 코팅액으로 코팅된 멜트블로운 부직포에 제2 코팅액을 도포 및 건조한 후 열가교시켜서 양전하 코팅층을 형성시키는 단계;를 포함하는 방법으로 제조된다. 이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 1단계는 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리에스테르 섬유 및 나일론 섬유 중 선택된 1종 이상을 함유하는 멜트블로운(melt blown) 부직포에 제1 코팅액으로 코팅하는 단계이다.
상기 제1 코팅액은 이후의 단계에서 도포되는 제2 코팅액에 함유되는 양전하를 포함하는 고분자를 접착시킬 수 있는 접착제의 역할을 수행하기 위하여 코팅되는 것으로서, 상기 제1 코팅액은 폴리아크릴산계 고분자 및 폴리비닐알코올계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 가교제 20 ~ 30 중량% 및 물 70 ~ 80 중량%를 포함하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 폴리아크릴산계 고분자 및 폴리비닐알코올계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 가교제 25 ~ 30 중량% 및 물 70 ~ 75 중량%를 포함하는 것이 좋다. 상기 폴리아크릴산계 고분자 및 폴리비닐알코올계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 20 중량% 미만으로 포함되는 경우 점도가 낮아 코팅시키고자 하는 면의 맞은편까지 용액이 침투되는 문제점이 있고, 30 중량%를 초과하는 경우에는 용액의 제어가 어렵고 코팅층이 불균일하게 형성되는 문제점이 있다.
이때, 상기 부직포 여재는 멜트블로운 제조공정을 통해 제조되어 단면상 밀도구배가 상이하고, 바람직하게는 평균밀도가 0.01g/㎤ ~ 0.13 g/㎤ 인 층 및 평균밀도가 0.15g/㎤ ~ 0.42 g/㎤ 인 층을 포함할 수 있고, 더욱 바람직하게는 평균밀도가 0.06 g/㎤ ~ 0.1 g/㎤ 인 층 및 평균밀도가 0.15g/㎤ ~ 0.22 g/㎤ 인 층을 포함할 수 있다. 상기 제1 코팅액은 상기 멜트블로운 부직포의 평균밀도가 0.15g/㎤ ~ 0.22 g/㎤인, 상대적으로 밀도가 높은 측의 일면에 도포되는 것이 바람직하다. 상기 멜트블로운 부직포의 평균 밀도가 높은 측은 평균 공경이 상대적으로 작고, 양전하 코팅층이 그 위에 구비됨으로 인하여, 0.5 ㎛ 이상의 미세 입자를 여과할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 2 단계는 상기 제1 코팅액으로 코팅된 멜트블로운 부직포에 제2 코팅액을 도포 및 건조한 후 열가교시켜서 양전하 코팅층을 형성시키는 단계로서, 상기 제1코팅액을 통해 코팅되어 접착성을 확보한 멜트블로운 부직포 상에 다관능성 아민 고분자를 포함하는 제2 코팅액을 도포함으로써 부직포에 양전하를 부여할 수 있어 음전하를 띠는 바이러스를 제거하기 위한 항바이러스성을 가질 수 있다.
이때, 상기 제2 코팅액은 다관능성 아민 고분자 및 C1 ~ C4의 알코올 또는 상기 알코올의 수용액을 혼합하여 사용 가능하며, 이를 통해 형성되는 코팅액의 점도 및 흡착도 등을 제어할 수 있다. 상기 제2 코팅액은 상기 다관능성 아민 고분자 1 ~ 5 중량% 및 C1 ~ C4의 알코올 또는 상기 알코올의 수용액 95 ~ 99 중량%를 포함하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 다관능성 아민 고분자 3 ~ 5 중량% 및 C1 ~ C4의 알코올 또는 상기 알코올의 수용액 95 ~ 97 중량%를 포함하는 것이 좋다.
상기 다관능성 아민 화합물은 비대칭성 코팅층에서 양전하를 나타내는 정전기적 성질을 부여하는 역할을 하며, 폴리에틸렌이민, 디에틸렌트리아민, 피페라진, 디메틸렌피페라진 및 디페닐아민 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 폴리에틸렌이민 및 디에틸렌트리아민 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
이때, 상기 제2 코팅액에 포함되는 다관능성 아민 화합물 및 제1 코팅액에 포함되는 가교제를 1:1 ~ 3의 중량비로 포함하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1 : 2 ~ 3 중량비로 포함하는 것이 좋다. 상기 다관능성 아민 화합물 및 가교제가 1: 1 미만으로 포함되는 경우에는 가교제 사용량이 적어 다관능성 아민 화합물이 부직포로부터 쉽게 떨어져 나갈 수 있는 문제점이 있고, 1 : 3 중량비를 초과하여 포함되는 경우에는 양전하 코팅제의 점도가 너무 높아져서 부직포의 내부 즉, 부직포의 섬유를 충분하게 코팅시키지 못하여 여재 공경 크기 감소로 인한 수투과량이 감소하는 문제점이 있을 수 있다.
본 발명에 따른 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재의 제조방법에 있어서, 상기 침전은 15℃ ~ 40℃에서 5초 ~ 12시간 동안 수행하는 것이, 바람직하게는 20℃ ~ 30℃에서 수행하는 것이 좋으며, 이때, 15℃ 미만에서 수행시 에폭시 점착력이 감소되는 문제가 있을 수 있고, 40℃를 초과하는 온도에서 수행시 용매 증기 발생에 의한 유해환경 및 폭발의 문제가 있을 수 있으므로 상기 온도 범위에서 침전을 수행하는 것이 좋다. 그리고, 침전시간은 5초 ~ 15시간 동안, 바람직하게는 20초 ~ 13시간 정도 수행하는 것이 좋다.
본 발명에 따른 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재의 제조방법에 있어서, 상기 2단계에서는 양전하 코팅제가 코팅된 부직포를 열가교시켜서 양전하 코팅층을 형성시킬 수 있다.이때, 상기 열가교는 60℃ ~ 130℃ 하에서, 더욱 바람직하게는 80℃ ~ 100℃에서 가교를 수행하는 것이 좋은데, 이때, 열가교 온도가 60℃ 미만이면 가교제와 아민화합물의 가교반응이 충분히 이루어 지지 않아 물성 및 제조 공정의 효율이 감소되는 문제를 발생할 수 있으며, 130℃를 초과하면 부직포의 열변형을 가져와서 여재의 기공이 좁아져서 수투과량에 악영향을 줄 수 있으므로 상기 온도 범위 내에서 열가교를 수행하는 것이 좋다. 그리고, 열가교 시간은 열가교 온도에 따라 상대적으로 변하는 것으로서, 바람직하게는 15초 ~ 6 시간 정도 수행하는 것이, 바람직하게는 30초 ~ 4 시간 동안 수행하는 것이 좋다.
본 발명에 따른 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재의 제조방법에 있어서, 상기 제2 단계에서 제1 코팅액으로 코팅된 멜트블로운 부직포를 제2 코팅액에 침적한 후 열가교시키는 것을 3회 이상 수행하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 3 ~ 5 회 수행하는 것이 좋다. 상기와 같이 상기 2단계를 반복하여 수행함으로써 비대칭성 코팅층에 포함되는 양전하의 밀도를 향상시킬 수 있어 항바이러스 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 상기 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재를 포함하는 바이러스 제거용 필터를 제공할 수 있다.
상기 바이러스 제거용 필터는 본 발명에 따른 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재를 포함함으로써 종래의 부직포가 가지는 고유량 특성을 유지하면서 나노크기의 바이러스를 제거할 수 있다. 구체적으로, 상기 양전하 코팅층은 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재를 사용함으로써 20 ~ 30℃ 및 0.8 ~ 1.2 bar에서 평균수투과량이 20 ~ 150 ㎖/cm2·min·bar이고, 바이러스 제거성능이 3log 이상일 수 있는 효과가 있다.
이때, 상기 바이러스 제거용 필터는 본 발명에 따라 제조된 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재를 포함할 수 있는 필터로써 어느 것이든 적용가능하며 이에 특별히 한정되는 것은 아니나, 바람직하게는 에어 필터 또는 액체 필터로 사용될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
[ 실시예 ]
실시예 1. 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재 의 제조
(1) 중량평균 분자량 18000의 폴리아크릴산 25 중량부 및 증류수 75 중량부를 혼합된 제1 코팅액을 제조하였고, 700 ㎛ 두께의 폴리프로필렌 멜트블로운(melt blown) 부직포의 평균밀도가 0.15 g/㎤ ~ 0.22 g/㎤인 측의 일면에 상기 제1코팅액을 도포하고 100 ㎛의 두께로 캐스팅한 후 60?의 오븐에서 1시간 동안 건조하여 코팅을 수행하였다.
(2) 제2 코팅액을 제조하였다. 상기 제1 코팅액으로 코팅된 멜트블로운 부직포 상에 상기 제2 코팅액에 30초 동안 침적한 후 80?에서 1시간 동안 열가교시키는 과정을 3회 반복하여 150 ㎛ 두께의 양전하 코팅층을 형성하여 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재를 제조하였다.
실시예 2-5. 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재의 제조
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 하기 표 1과 동일한 조건으로 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재를 제조하였다.
비교예 1-4
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 하기 표 1과 동일한 조건으로 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재를 제조하였다.

 부직포
평균두께
(㎛)		 제1코팅제
 제2코팅제
 부직포 두
께에 대한
코팅층의 두께(%)

비율(%)
폴리아크릴산
(중량%)		 증류수
(중량%)		 코팅층 두께(㎛) 폴리에틸렌이민
(중량%)		 증류수
(중량%)		 코팅층 두께(㎛)
실시예 1 700 25 75 100 5 95 150 23.3
실시예 2 700 25 75 100 3 97 150 21.4
실시예 3 700 25 75 100 4 96 150 20.3
실시예 4 700 15 85 100 5 95 150 21.4
실시예 5 700 35 65 100 5 95 150 25.4
비교예 1 700 25 75 210 5 95 250 35.7
비교예 2 700 5 95 50 5 95 120 14.3
비교예 3 700 25 75 100 0 100 150 21.4
비교예 4 700 0 100 0 0 100 0 0
실험예 1. 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재의 SEM 측정
본 발명의 실시예 1에서 제조된 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재의 단면을 SEM(Maker:SEC, model: SNE-3000M)로 측정하였고, 이를 도 1에 나타내었다.
하기 도 1에 따르면, 코팅층의 두께가 약 120 ~ 150 ㎛로 부직포 두께의 약 20 % 이상인 것을 확인할 수 있다.
실험예 2. 양전하 여재의 기본 물성 평가
상기 실시예 1 ~ 5 및 비교예 1 ~ 4에서 제조된 양전하 여재의 기본 물성을 파악하기 위해 분리막 기공 평가기(Maker:PMI, model: CFP-1200-AE) 기기를 사용하여 평균공경을 측정하였고, 평막 평가기((주)도레이케미칼 제작)를 이용하여 직경이 90 mm인 샘플 홀더를 통해 일정한 압력(1bar)으로 단위면적 및 분당 유량을 측정하였다.
또한, 평막 평가기((주)도레이케미칼 제작)-직경이 90 mm인 샘플 홀더를 통해 1bar의 정압에서 PFU/㎖(PFU: plaque formingunits)단위로 8×105/㎖로 희석한 바이러스(MS2 phage) 용액을 투과시켜 미생물 제거성능을 평가하였으며, 0.6 ㎛ 크기의 (-)charge를 띈 폴리스타이렌 유니폼 비드를 이용하여 비드제거율을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
구분 평균공경(㎛) 표면전하
(mV)		 평균수투과량
(㎖/cm2·min·bar)		 바이러스
제거성능
(log)		 비드 제거율
(0.6㎛, %)
실시예1 0.6 32 25 2.5 96
실시예2 0.5 30 20 3.5 99
실시예3 0.6 32 24 3.1 98
실시예4 0.7 28 28 2.5 96
실시예5 0.6 34 23 3.2 98
비교예1 - 30 - - -
비교예2 7 -21 80 0 0.1
비교예3 6 4 6 0.1 0.7
비교예4 6 -39 82 0 0.2
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 ~ 실시예 5의 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재는 입자크기에 의한 여과 성능과 표면전하에 의한 흡착 성능을 동시에 만족시키는 것을 확인할 수 있다.
그러나 비대칭성 코팅층을 부직포의 단면의 30% 이상으로 형성시킨 비교예 1의 경우, 여과재로서의 역할을 수행하지 못하는 것을 확인할 수 있고, 비교예 2의 경우 평균수투과량 및 바이러스 제거성능이 현저히 저하되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 다관능성 아민을 포함하지 않는 제2코팅제를 사용한 비교예 3에 따르면 바이러스 제거성능이 현저히 저하되는 것을 확인할 수 있고, 증류수로서만 코팅을 수행한 비교예 4의 경우 코팅층이 형성되지 않아 표면전하가 음전하를 띠며 바이러스 제거성능이 낮고, 입자크기에 의한 여과성능도 현저히 낮은 것을 확인할 수 있다.

Claims (21)

  1. 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리에스테르 섬유 및 나일론 섬유 중 선택된 1종 이상을 함유하는 멜트블로운(melt blown) 부직포; 및
    상기 멜트블로운 부직포의 평균밀도가 높은 측의 일면에 구비되는 양전하 코팅층;을 포함하며,
    상기 양전하 코팅층은 가교제 및 다관능성 아민 고분자를 포함하고,
    상기 양전하 코팅층의 두께는 상기 멜트블로운 부직포 두께의 15 ~ 30%인 것을 특징으로 하는 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 멜트블로운 부직포는 평균두께 0.1 ~ 2 ㎜ 인 것을 특징으로 하는 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 멜트블로운 부직포는 양전하 코팅층 방향으로 평균 밀도가 증가하며, 상기 멜트블로운 부직포와 양전하 코팅층의 접합면에서의 평균밀도는 0.15g/㎤ ~ 0.42 g/㎤ 이고, 상기 접합면 타면의 평균밀도는 0.01g/㎤ ~ 0.13 g/㎤ 인 것을 특징으로 하는 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재.
  4. 제3항에 있어서, 상기 접합면 타면의 평균밀도는 상기 멜트블로운 부직포와 양전하 코팅층의 접합면에서 부직포의 평균밀도의 300 ~ 400%인 것을 특징으로 하는 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재.
  5. 제1항에 있어서, 멜트블로운 부직포의 평균공경은 0.5 ~ 20 ㎛인 것을 특징으로 하는 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재.
  6. 제1항에 있어서, 상기 가교제는 폴리아크릴산계 고분자 및 폴리비닐알코올계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재.
  7. 제6항에 있어서, 상기 폴리아크릴산계 고분자는 폴리아크릴산, 폴리아크릴산-말레산 나트륨 염(Poly(acrylic acid-co-maleic acid) sodium salt) 및 소듐폴리아크릴레이트(Sodium Polyacrylate) 로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하고,
    상기 폴리비닐알코올계 고분자는 폴리비닐알코올, 폴리(에틸렌-비닐알코올)에틸렌(Poly(vinyl alcohol-co-ethylene) ethylene) 및 에틸렌비닐알코올(EVOH,Ethylene vinyl alcohol) 로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재.
  8. 제1항에 있어서, 상기 다관능성 아민 화합물은 폴리에틸렌이민, 디에틸렌트리아민, 피페라진, 디메틸렌피페라진 및 디페닐아민 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재.
  9. 제1항에 있어서, 상기 다관능성 아민 화합물 및 가교제는 1:1 ~ 3의 중량비로 포함되는 것을 특징으로 하는 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재.
  10. 제1항에 있어서, 상기 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재의 표면전하가 5 ~ 50 mV 인 것을 특징으로 하는 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재.
  11. 제1항에 있어서, 상기 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재의 평균수투과량이 20 ~ 150 ㎖/cm2·min·bar인 것을 특징으로 하는 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재.
  12. 제1항에 있어서, 상기 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재의 바이러스 제거성능이 3log 이상인 것을 특징으로 하는 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재.
  13. 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리에스테르 섬유 및 나일론 섬유 중 선택된 1종 이상을 함유하는 멜트블로운(melt blown) 부직포에 제1 코팅액으로 코팅하는 1단계; 및
    상기 제1 코팅액으로 코팅된 멜트블로운 부직포를 제2 코팅액에 코팅한 후 열가교시켜서 양전하 코팅층을 형성시키는 2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 코팅액은 폴리아크릴산계 고분자 및 폴리비닐알코올계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 가교제 20 ~ 30 중량% 및 물 70 ~ 80 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재의 제조방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 제2 코팅액은 다관능성 아민 고분자 1 ~ 5 중량% 및 C1 ~ C4의 알코올 또는 상기 알코올의 수용액 95 ~ 99 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재의 제조방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 코팅은 15℃ ~ 40℃에서 5초 ~ 12시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재의 제조방법.
  17. 제13항에 있어서, 상기 열가교는 60℃ ~ 130℃ 하에서, 15초 ~ 6시간 동안 가교를 수행하는 것을 특징으로 하는 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재의 제조방법.
  18. 제13항에 있어서, 상기 제2 단계에서 제1 코팅액으로 코팅된 멜트블로운 부직포를 제2 코팅액에 코팅한 후 열가교시키는 것을 3회 이상 수행하는 것을 특징으로 하는 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재의 제조방법.
  19. 제13항에 있어서, 상기 양전하 코팅층의 두께는 150 ㎛ ~ 250 ㎛인 것을 특징으로 하는 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재의 제조방법.
  20. 제1항 내지 제12항의 비대칭성 코팅층을 포함하는 양전하 여재를 포함하고, 20 ~ 30℃ 및 0.8 ~ 1.2 bar 하에서 평균수투과량이 20 ~ 150 ㎖/cm2·min·bar이고, 바이러스 제거성능이 3 log 이상인 것을 특징으로 하는 바이러스 제거용 필터.
  21. 제 18항에 있어서, 상기 바이러스 제거용 필터는 에어 필터 또는 액체 필터로 사용되는 것을 특징으로 하는 바이러스 제거용 필터.

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