KR20170014719A - 복합 중공사막 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20170014719A
KR20170014719A KR1020150108529A KR20150108529A KR20170014719A KR 20170014719 A KR20170014719 A KR 20170014719A KR 1020150108529 A KR1020150108529 A KR 1020150108529A KR 20150108529 A KR20150108529 A KR 20150108529A KR 20170014719 A KR20170014719 A KR 20170014719A
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Abstract

10kgf/cm2 이상의 인장강도 요건을 만족시키면서도 우수한 수투과도 및 박리강도를 가지며 높은 생산성으로 제조될 수 있는 복합 중공사막 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명의 복합 중공사막은 불규칙하게 배열된 기공들을 갖는 튜브형 부직포; 및 상기 튜브형 부직포의 외표면 상의 고분자막을 포함한다.

Description

복합 중공사막 및 그 제조방법{Composite Hollow Fiber Membrane and Method for Manufacturing The Same}
본 발명은 복합 중공사막 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 10kgf/cm2 이상의 인장강도 요건을 만족시키면서도 우수한 수투과도 및 박리강도를 가지며 높은 생산성으로 제조될 수 있는 복합 중공사막 및 그 제조방법에 관한 것이다.
유체처리를 위한 분리 방법으로는 가열이나 상변화를 이용하는 분리 방법, 및 여과막을 이용하는 분리 방법 등이 있다. 여과막을 이용하는 분리 방법은 여과막의 세공 크기에 따라 원하는 수질을 안정적으로 얻을 수 있으므로 공정의 신뢰도를 높일 수 있다는 장점이 있고, 또한, 여과막을 이용하면 가열 등의 조작이 필요 없기 때문에 가열 등에 의해 영향을 받을 수 있는 미생물을 사용하는 분리 공정에 널리 이용될 수 있다는 장점이 있다.
여과막은 그 형태에 따라 평막과 중공사막으로 분류될 수 있다.
내부에 중공(lumen)을 갖는 중공사막은 평막에 비해 월등히 큰 표면적을 갖기 때문에 수처리 효율 측면에서 평막에 비해 유리하다. 중공사막은 무균수, 음용수, 초순수 제조 등 정밀 여과 분야에 널리 사용되고 있으며, 최근에는 하/폐수처리, 정화조에서의 고액 분리, 산업폐수에서의 부유 물질(SS: Suspended Solid) 제거, 하천수의 여과, 공업용수의 여과, 및 수영장 물의 여과 등으로 그 응용 범위가 확대되고 있다.
중공사막이 수처리에 응용되기 위해서는 기본적으로 우수한 투과 성능을 가져야함과 동시에, 우수한 내압성 및 기계적 강도를 가져야 한다. 수처리용 중공사막은 작업 중에 산기 세정과 같은 가혹한 환경에 노출될 수밖에 없기 때문에 그 기계적 강도가 불충분할 경우 수처리 작업 중에 파손될 위험이 크다. 수처리 작업 중의 파손을 피하기 위해서, 중공사막은 10kgf/cm2 이상의 인장강도를 만족시키는 것이 유리하다. 그러나, 단일막 형태의 중공사막은 다공성 구조의 특성상 10kgf/cm2 미만의 불충분한 인장 강도만을 갖는다.
중공사막의 기계적 강도를 높이려는 노력의 일환으로서, 관형의 편물을 사용하여 중공사막을 보강하려는 시도들이 있어왔다. 관형의 편물로 보강된 복합 중공사막의 예들이, 예를 들어 미국 특허 제6,354,444호 및 미국 특허 제8,201,485호에 개시되어 있다.
미국 특허 제6,354,444호 및 미국 특허 제8,201,485호는 지지체인 관형 편물의 외표면 상에 고분자막을 코팅함으로써 제조되는 복합 중공사막을 개시하고 있다.
그러나, 편직 자체가 시간이 오래 걸리는 제직 방법이기 때문에 복합 중공사막의 생산성을 높이는데 한계가 있다.
또한, 도 1에 예시되어 있는 바와 같이, 필라멘트들로 형성되는 관형 편물(110)을 지지체로 사용할 경우, 그 외표면에 존재하는 모우(mow)(111) 및/또는 루프(loop)(112)가 고분자막(120)을 관통하여 노출됨으로써 복합 중공사막(100)의 리크(leak) 포인트를 야기할 수 있다(즉, 상기 고분자막 내 핀홀/디펙트가 발생할 수 있다). 따라서, 이러한 모우(111) 및/또는 루프(112)의 존재는 복합 중공사막(100)의 내압성 및 내구성에 악영향을 미친다.
또한, 상기 관형 편물(110)은 낮은 다공도를 가질 뿐만 아니라 그 기공들의 사이즈 및 배열이 충분히 균일하지 못하기 때문에, 만족할만한 수투과도 및 박리강도를 갖는 복합 중공사막이 구현될 수 없다.
따라서, 본 발명은 위와 같은 관련 기술의 제한 및 단점들에 기인한 문제점들을 방지할 수 있는 복합 중공사막 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 관점은, 10kgf/cm2 이상의 인장강도 요건을 만족시키면서도 우수한 수투과도 및 박리강도를 가지며 높은 생산성으로 제조될 수 있는 복합 중공사막을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 관점은, 10kgf/cm2 이상의 인장강도 요건을 만족시키면서도 우수한 수투과도 및 박리강도를 갖는 복합 중공사막을 높은 생산성으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
위에서 언급된 본 발명의 관점들 외에도, 본 발명의 다른 특징 및 이점들이 이하에서 설명되거나, 그러한 설명으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
위와 같은 본 발명의 일 관점에 따라, 불규칙하게 배열된 기공들을 갖는 튜브형 부직포; 및 상기 튜브형 부직포의 외표면 상의 고분자막을 포함하는, 복합 중공사막이 제공된다.
상기 튜브형 부직포는 1 내지 5 mm의 외경, 100 내지 500㎛의 두께, 및 60 내지 90%의 다공도를 가질 수 있다.
상기 기공들의 외접원들의 직경은 1 내지 100㎛이고, 상기 기공들은 하기의 식에 의해 정의되는 기공 불균일도(pore-non-uniformity)가 60% 이하일 수 있다.
식: 기공 불균일도(%) = [(Dmax - Dmin)/Dmax] × 100
여기서, Dmax 및 Dmin는 상기 기공들의 외접원들의 최대 직경 및 최소 직경을 각각 나타낸다.
본 발명의 복합 중공사막은 상기 튜브형 부직포에 함침된 친수성 수지를 더 포함할 수 있다.
상기 친수성 수지는 아크릴 수지일 수 있다.
상기 아크릴 수지는 폴리메틸메타크릴레이트를 포함할 수 있다.
상기 튜브형 부직포는 폴리에스테르 수지로 형성될 수 있다.
상기 폴리에스테르 수지는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리나프탈렌테레프탈레이트, 또는 폴리부틸렌테레프탈레이트를 포함할 수 있다.
상기 고분자막은 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 설폰화 폴리설폰, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에스테르이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 이들 중 적어도 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따라, 평면형 부직포를 준비하는 단계; 상기 평면형 부직포로 튜브형 부직포를 제조하는 단계; 및 상기 튜브형 부직포의 외표면 상에 고분자막을 형성하는 단계를 포함하는, 복합 중공사막의 제조방법이 제공된다.
상기 튜브형 부직포 제조 단계는, 상기 평면형 부직포를 다수의 부직포 스트립들로 절단하는 단계; 상기 부직포 스트립을 튜브형으로 성형하는 단계; 및 상기 부직포 스트립의 양 장변들(lengthwise edges)을 서로 접합시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 접합 단계는 상기 양 장변들에 레이저를 조사함으로써 수행될 수 있다.
상기 절단 단계, 상기 성형 단계, 및 상기 접합 단계는 연속적으로 수행될 수 있다.
상기 튜브형 부직포 제조 단계는 상기 양 장변들이 접합된 튜브형 부직포 스트립을 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 복합 중공사막의 제조방법은 상기 튜브형 부직포를 제조하기 전에 상기 평면형 부직포를 친수성 수지로 함침시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
위와 같은 본 발명에 대한 일반적 서술은 본 발명을 예시하거나 설명하기 위한 것일 뿐으로서, 본 발명의 권리범위를 제한하지 않는다.
본 발명에 의하면, 튜브형 부직포가 그 외표면에 코팅된 고분자막을 관통하는 그 어떠한 모우 및/또는 루프를 갖지 않기 때문에 리크(leak) 포인트(즉, 핀홀 또는 그 밖의 디펙트) 발생이 방지되거나 최소화될 수 있고, 그 결과 복합 중공사막이 우수한 내압성 및 내구성을 가질 수 있다.
또한, 부직포 생산 속도 및 생산비가 편직 속도 및 편물 생산비에 비해 상당히 빠르고 저렴하기 때문에 본 발명의 복합 중공사막은 튜브형 편물을 채택한 복합 중공사막 대비 높은 생산성 및 높은 경제성으로 제조될 수 있다.
또한, 튜브형 부직포가 튜브형 편물 대비 더 높은 다공도 및 더 높은 기공 균일성을 가지기 때문에, 본 발명의 복합 중공사막은 튜브형 편물을 채택한 복합 중공사막 대비 더 우수한 수투과도 및 더 우수한 박리강도(지지체와 고분자막 사이의)를 갖는다.
첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕고 본 명세서의 일부를 구성하기 위한 것으로서, 본 발명의 실시예들을 예시하며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명한다.
도 1은 종래기술의 복합 중공사막의 단면을 개략적으로 보여주고,
도 2는 본 발명의 복합 중공사막의 단면을 개략적으로 보여주고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 튜브형 부직포의 제조 공정을 개략적으로 보여주고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 튜브형 부직포의 외표면 상에 고분자막을 형성하는 방법을 개략적으로 보여준다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명한다.
본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 다양한 변경 및 변형이 가능하다는 점은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 발명 및 그 균등물의 범위 내에 드는 변경 및 변형을 모두 포함한다.
도 2는 본 발명에 따른 복합 중공사막의 단면을 개략적으로 보여준다.
도 2에 예시된 바와 같이, 본 발명의 복합 중공사막(200)은 불규칙하게 배열된 기공들을 갖는 튜브형 부직포(210) 및 그 외표면 상의 고분자막(polymer film)(220)을 포함한다.
본 발명의 튜브형 부직포(210)는 어떠한 종류의 부직포로도 제조될 수 있는데, 예를 들어, 스펀본드 부직포, 멜트블로운 부직포, 니들펀칭 부직포 등이 본 발명의 튜브형 부직포(210)를 제조하는데 이용될 수 있다.
본 발명의 튜브형 부직포(210)는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리나프탈렌테레프탈레이트, 또는 폴리부틸렌테레프탈레이트를 포함하는 폴리에스테르 수지로 형성될 수 있다. 그러나, 상기 튜브형 부직포(210)를 위한 재료는 이것으로만 한정되는 것은 아니며, 폴리에틸렌 및/또는 폴리프로필렌을 포함하는 폴리올레핀(폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등), 지방족 폴리아미드, 방향족 폴리아미드 등이 상기 튜브형 부직포(210)의 제조에 이용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 튜브형 부직포(210)는 1 내지 5 mm의 외경을 갖는다. 튜브형 부직포(210)의 외경이 1 mm 미만일 경우에는 복합 중공사막(200)의 내경까지도 과도하게 작아져서 너무 낮은 투과 유량을 야기하게 된다. 반대로, 튜브형 부직포(210)의 외경이 5 mm를 초과하게 되면 상기 복합 중공사막(200) 다발의 막면적이 유의미하게 증가될 수 없어 여과 효율 향상이 제한적이다.
한편, 복합 중공사막(200) 다발의 막면적을 증가시키기 위하여 튜브형 부직포(210)의 외경을 작게 하는 것도 중요하지만, 이에 못지않게 중요한 것이 튜브형 부직포(210)의 두께를 얇게 하는 것이다. 튜브형 부직포(210)의 외경이 작아지면서 그 내경도 역시 비례하여 작아질 경우 복합 중공사막(200)의 투과 유량 증대를 기대할 수 없기 때문이다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 튜브형 부직포는 100 내지 500㎛의 두께를 갖는다.
튜브형 부직포(210)의 두께가 500㎛를 초과하면, 튜브형 부직포(210)의 내경이 작아져 복합 중공사막(200)의 중공을 따라 흐르는 여과수 흐름이 작아질 뿐만 아니라 복합 중공사막(200)의 두께 증가로 인해 막을 투과하는 유체의 양 자체도 작아지는 문제점이 발생한다.
반대로, 튜브형 부직포(210)의 두께가 100㎛ 미만이면, 기계적 강도 저하로 인해 튜브형 부직포(210)의 보강재로서의 기능이 담보될 수 없게 된다.
본 발명에서 튜브형 부직포(210)의 외경 및 두께는 다음과 같은 방법에 의해 측정된다.
FE-SEM 단면 절취용 마이크로톰(microtome)으로 튜브형 부직포(210)를 임의의 지점에서 그 길이방향에 수직으로 잘라 단면 샘플을 얻은 후 FE-SEM으로 단면을 분석한다. 외경 및 내경 각각의 최장 길이와 최단 길이 사이의 편차가 20% 이내인 샘플 5개를 선택한다. 선택된 각 샘플의 외경은 최장 외경 및 최단 외경의 평균치로 결정되고, 내경은 최장 내경 및 최단 내경의 평균으로 결정된다. 5개 샘플들의 외경 및 내경을 각각 산술 평균함으로써 튜브형 부직포(210)의 외경 및 내경이 최종적으로 구해진다. 튜브형 부직포(210)의 두께(평균 두께를 의미함)는 외경과 내경의 차이이다.
본 발명의 튜브형 부직포(210)는 그 두께 방향으로 관통하는 다수의 기공들을 갖는다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 튜브형 부직포(210)는 60 내지 90 %의 다공도(porosity)를 갖는다.
즉, 본 발명의 튜브형 부직포(210)는 90% 이하의 다공도를 가짐으로써 지지체/보강재에 요구되는 기계적 강도를 만족시킴과 동시에, 60% 이상의 다공도를 가짐으로써 기존의 튜브형 편물(50% 이하의 다공도만을 가짐)을 채택한 복합 중공사막(100) 대비 월등한 수투과도를 갖는 복합 중공사막(200)의 구현을 가능하게 한다.
지지체의 다공도는 지지체의 총 부피에 대한 기공들의 총 부피의 백분율(percentage)로 정의되며, 아래의 식1을 이용하여 산출된다.
식1: 지지체의 다공도(%) = (1 - Da/Dt) × 100
여기서, Da는 겉보기 밀도(apparent density)이고, Dt는 참밀도(true density)이다.
본 발명의 튜브형 부직포(210)의 기공들의 외접원 직경은 1 내지 100㎛일 수 있다. 상기 외접원 직경이 100㎛를 초과할 경우, 고분자막(220)을 형성할 때 코팅액이 튜브형 부직포(210)를 관통함으로써 중공(lumen)이 좁아지거나 막히는 문제가 발생할 위험이 있다. 반대로, 외접원 직경이 1㎛ 미만인 경우, 복합 중공사막(200)의 수투과도가 저하되어 허용될 수 있는 수투과도 범위를 벗어날 위험이 있다.
하기의 식2에 의해 정의되는 튜브형 부직포(210)의 기공 불균일도(pore-non-uniformity)는 60% 이하일 수 있다.
식2: 기공 불균일도(%) = [(Dmax - Dmin)/Dmax] × 100
여기서, Dmax 및 Dmin는 상기 기공들의 외접원들의 최대 직경 및 최소 직경을 각각 나타낸다.
60% 이하의 낮은 기공 불균일도는, 80%를 초과하는 기공 불균일도를 갖는 튜브형 편물을 채택한 기존의 복합 중공사막(100) 대비 월등히 높은 박리강도(지지체와 고분자막 사이)를 갖는 복합 중공사막(200)의 구현을 가능하게 한다.
선택적으로, 본 발명의 복합 중공사막(200)은 상기 튜브형 부직포(210)에 함침된 친수성 수지를 더 포함할 수 있다. 상기 친수성 수지로 함침된 부직포는 향상된 스티프니스(stiffness)를 갖게 되기 때문에, 튜브형 부직포(210)의 형태가 잘 유지될 수 있다. 따라서, 튜브형 부직포(210) 외표면 상에 고분자 용액을 균일하게 코팅하는 것이 가능하고, 그 결과, 균일한 두께를 갖는 고분자막(220)이 상기 튜브형 부직포(210)의 외표면 상에 형성될 수 있다.
상기 수지는 복합 중공사막(200)의 수투과도에 악영향을 미치지 않기 위하여 친수성인 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 친수성 수지는 아크릴 수지일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 아크릴 수지는 폴리메틸메타크릴레이트를 포함할 수 있다.
상기 튜브형 부직포(210)의 외표면 상에 형성된 고분자막(220)은 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 설폰화 폴리설폰, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에스테르이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 이들 중 적어도 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 고분자막(220)은 치밀한 구조의 스킨층과 스폰지 구조의 내층으로 구성될 수 있다. 상기 스킨층에는 공경이 0.01∼1㎛인 미세공들이 형성되어 있고, 상기 내층에는 공경이 10㎛ 이하, 더욱 바람직하기로는 공경이 5㎛ 이하인 미세공들이 형성되어 있다.
본 발명의 고분자막(220)의 내층에는 10㎛를 초과하는 결손부위, 다시 말해 공경이 10㎛를 초과하는 미세공들이 존재하지 않는다. 내층에 10㎛를 초과하는 결손부위가 존재할 경우에는 여과신뢰도가 크게 감소될 수 있다. 스폰지 구조의 내층에 형성된 미세공의 공경들은 복합 중공사막(200)의 중심방향으로 갈수록 점진적으로 증대되는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 고분자막(220)의 두께는 50 내지 1000㎛이다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 중공사막(200)의 제조방법을 구체적으로 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 튜브형 부직포의 제조 공정을 개략적으로 보여주고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 튜브형 부직포의 외표면 상에 고분자막을 형성하는 방법을 개략적으로 보여준다.
본 발명의 복합 중공사막(200)의 제조방법은, 평면형 부직포(20)를 준비하는 단계, 상기 평면형 부직포(20)로 튜브형 부직포(210)를 제조하는 단계, 및 상기 튜브형 부직포(210)의 외표면 상에 고분자막(220)을 형성하는 단계를 포함한다.
전술한 바와 같이, 상기 평면형 부직포(20)는 그 어떠한 종류의 부직포일 수 있는데, 예를 들어, 스펀본드 부직포, 멜트블로운 부직포, 니들펀칭 부직포 등일 수 있다. 상기 평면형 부직포(20)는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리나프탈렌테레프탈레이트, 또는 폴리부틸렌테레프탈레이트를 포함하는 폴리에스테르 수지로 형성된 것일 수 있다. 그러나, 상기 평면형 부직포(20)를 위한 재료는 이것으로만 한정되는 것은 아니며, 폴리에틸렌 및/또는 폴리프로필렌을 포함하는 폴리올레핀(폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등), 지방족 폴리아미드, 방향족 폴리아미드 등이 상기 평면형 부직포(20)의 제조에 이용될 수 있다.
선택적으로, 본 발명의 방법은, 튜브형 부직포(210)를 제조하기 전에 상기 평면형 부직포(20)를 친수성 수지로 함침시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 친수성 수지로 함침된 부직포는 향상된 스티프니스를 갖게 되기 때문에, 친수성 수지로 함침된 평면형 부직포(20)로 제조된 튜브형 부직포(210)은 뛰어난 형태 유지성을 가질 수 있다. 튜브 형태가 잘 유지되는 튜브형 부직포(210)는 그 외표면 상에 고분자 용액으로 균일하게 코팅되는 것이 가능하고, 그 결과, 균일한 두께를 갖는 고분자막(220)이 상기 튜브형 부직포(210)의 외표면 상에 형성될 수 있다.
스티프니스 향상을 위한 상기 수지는 복합 중공사막(200)의 수투과도에 악영향을 미치지 않기 위하여 친수성인 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 친수성 수지는 아크릴 수지일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 아크릴 수지는 폴리메틸메타크릴레이트를 포함할 수 있다.
이하에서는, 도 3을 참조하여, 상기 평면형 부직포(20)로 튜브형 부직포(210)를 제조하는 단계를 구체적으로 설명한다.
롤(미도시)에 감겨져 있는 평면형 부직포(20)가 풀리면서 절단부(310), 성형부(320), 및 접합부(330)를 순차적으로 통과한다.
상기 평면형 부직포(20)가 상기 절단부(310)를 통과하면서 나이프들에 의해 다수의 부직포 스트립들(21)로 절단된다.
이어서, 상기 부직포 스트립들(21)이 상기 성형부(320)를 통과하면서 튜브형으로 성형된다. 구체적으로 설명하면, 각 부직포 스트립(21)이 원뿔형 튜브(321)을 통과하면서 양 장변들(lengthwise edges)이 서로 맞닿게 됨으로써 튜브 형태를 갖게 된다.
튜브형으로 성형된 부직포 스트립(21)이 접합부(330)를 통과하면서 상기 부직포 스트립(21)의 양 장변들이 서로 접합된다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 원뿔형 튜브(321)의 말단 부분에 윈도우(322)가 형성되어 있고, 상기 위도우(322)를 통해 상기 부직포 스트립(21)의 양 장변들에 레이저를 조사함으로써 상기 접합 단계가 수행될 수 있다. 그러나, 본 발명의 접합 방식은 레이저 방식으로 한정되는 것은 아니며, 초음파 방식, 열용접 방식 등의 다른 방식들이 이용될 수도 있다.
도 3에 예시된 바와 같이, 전술한 절단 단계, 상기 성형 단계, 및 상기 접합 단계를 연속적으로 수행함으로써 제조시간 감소 및 그에 따른 생산성 향상을 꾀할 수 있다.
선택적으로, 상기 튜브형 부직포(210) 제조 단계는 상기 양 장변들이 접합된 튜브형 부직포 스트립을 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 열처리 단계는 상기 양 장변들이 접합된 튜브형 부직포 스트립을 열처리 챔버(340)을 통과시킴으로써 이전 공정들(즉, 절단 공정, 성형 공정, 및 접합 공정)에 이어 연속적으로 수행될 수 있다.
이하에서는, 도 4을 참조하여 상기 튜브형 부직포(210)의 외표면 상에 고분자막(220)을 형성하는 공정이 구체적으로 설명된다.
먼저, 고분자를 포함하는 방사용액이 준비된다. 상기 고분자는 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 설폰화 폴리설폰, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에스테르이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 폴리머와 더불어 첨가제(예를 들어, 폴리비닐피롤리돈 및/또는 친수성 화합물)를 유기용매에 용해시킴으로써 상기 방사용액이 제조될 수 있다. 상기 방사용액은 10~50 중량%의 상기 고분자, 1∼30 중량%의 첨가제, 및 20~89 중량%의 유기용매를 포함할 수 있다.
상기 유기용매로는 디메틸아세트아미드, 디메틸포름아미드 또는 이들의 혼합액이 사용될 수 있다.
상기 친수성 화합물로는 물 또는 글리콜류 화합물, 더욱 바람직하기로는 분자량 2,000 이하인 폴리에틸렌 글리콜이 사용될 수 있다. 친수성 화합물은 방사용액의 안정성을 저하시키는 역할을 하므로 고분자막(220)에 스폰지형 구조가 발현될 가능성을 상대적으로 높인다. 즉, 방사용액의 안정성이 높을수록 고분자막(220) 내부에 결손부위(공경이 10㎛를 초과하는 미세공)가 형성되어 핑거형(Finger-like) 구조가 되기 쉬으므로, 첨가제로서 물 또는 글리콜류 화합물과 같은 친수성 화합물을 첨가함으로써 방사용액의 안정성을 저하시킴과 동시에 고분자막(220)을 친수화시켜 복합 중공사막(200)의 수투과도를 증가시킬 수 있다.
도 4에 예시된 바와 같이, 상기 튜브형 부직포(210)가 이중 관형 노즐(400)의 내측 관을 통과할 때, 상기 이중 관형 노즐(400)의 외측 관을 통해 상기 방사용액이 방사되면서 상기 튜브형 부직포(210)의 외표면 상에 코팅된다.
이어서, 상기 도포된 방사용액이 튜브형 부직포(210)와 함께 이중 관형 노즐(400)로부터 공기 중으로 토출된 후 응고액(미도시) 내에서 응고된다. 이어서, 수세 및 건조 공정이 순차적으로 수행된다.
튜브형 부직포(210) 외표면 상에 고분자막(220)을 일정한 두께로 균일하게 코팅하기 위해서는 튜브형 부직포(210)의 진행속도와 이중 관형 노즐(400)의 외측 관 내로 유입되는 방사용액 양의 균형이 맞아야 하며, 이를 방사용액 공급속도(Q)와 튜브형 부직포(210)의 속도(υ)로 표현한 관계식은 다음과 같다.
Figure pat00001
[여기서 Q는 시간당 공급되는 방사용액의 양, ρ는 방사용액의 밀도, υ는 튜브형 부직포의 진행속도, D0는 튜브형 부직포의 외경, T는 코팅되는 방사용액의 두께임.]
위의 식에서 알 수 있듯이, 고분자막(220)의 두께는 방사용액의 공급량, 방사용액의 밀도, 튜브형 부직포(210)의 진행속도 등을 이용하여 조절될 수 있다.
상기 튜브형 부직포(210) 제조 단계 및 상기 고분자막(220) 형성 단계는 연속적으로 수행될 수 있다.
200: 복합 중공사막 210: 튜브형 부직포
220: 고분자막 20: 평면형 부직포
21: 부직포 스트립 310: 절단부
320: 성형부 321: 원뿔형 튜브
322: 윈도우 330: 접합부
340: 열처리 챔버 400: 이중 관형 노즐

Claims (15)

  1. 불규칙하게 배열된 기공들을 갖는 튜브형 부직포; 및
    상기 튜브형 부직포의 외표면 상의 고분자막을 포함하는,
    복합 중공사막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 튜브형 부직포는 1 내지 5 mm의 외경, 100 내지 500㎛의 두께, 및 60 내지 90%의 다공도를 갖는,
    복합 중공사막.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기공들의 외접원들의 직경은 1 내지 100㎛이고,
    상기 기공들은 하기의 식에 의해 정의되는 기공 불균일도(pore-non-uniformity)가 60% 이하인,
    복합 중공사막:
    식: 기공 불균일도(%) = [(Dmax - Dmin)/Dmax] × 100
    여기서, Dmax 및 Dmin는 상기 기공들의 외접원들의 최대 직경 및 최소 직경을 각각 나타냄.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 튜브형 부직포에 함침된 친수성 수지를 더 포함하는,
    복합 중공사막.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 친수성 수지는 아크릴 수지인,
    복합 중공사막.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 아크릴 수지는 폴리메틸메타크릴레이트를 포함하는,
    복합 중공사막.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 튜브형 부직포는 폴리에스테르 수지로 형성된,
    복합 중공사막.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 폴리에스테르 수지는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리나프탈렌테레프탈레이트, 또는 폴리부틸렌테레프탈레이트를 포함하는,
    복합 중공사막.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 고분자막은 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 설폰화 폴리설폰, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에스테르이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 또는 이들 중 적어도 2 이상의 혼합물을 포함하는,
    복합 중공사막.
  10. 평면형 부직포를 준비하는 단계;
    상기 평면형 부직포로 튜브형 부직포를 제조하는 단계; 및
    상기 튜브형 부직포의 외표면 상에 고분자막을 형성하는 단계를 포함하는,
    복합 중공사막의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 튜브형 부직포 제조 단계는,
    상기 평면형 부직포를 다수의 부직포 스트립들로 절단하는 단계;
    상기 부직포 스트립을 튜브형으로 성형하는 단계; 및
    상기 부직포 스트립의 양 장변들(lengthwise edges)을 서로 접합시키는 단계를 포함하는,
    복합 중공사막의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 접합 단계는 상기 양 장변들에 레이저를 조사함으로써 수행되는,
    복합 중공사막의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 절단 단계, 상기 성형 단계, 및 상기 접합 단계는 연속적으로 수행되는,
    복합 중공사막의 제조방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 튜브형 부직포 제조 단계는 상기 양 장변들이 접합된 튜브형 부직포 스트립을 열처리하는 단계를 더 포함하는,
    복합 중공사막의 제조방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 튜브형 부직포를 제조하기 전에 상기 평면형 부직포를 친수성 수지로 함침시키는 단계를 더 포함하는,
    복합 중공사막의 제조방법.
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