KR20180069351A - 필터여재, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 필터유닛 - Google Patents

필터여재, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 필터유닛 Download PDF

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Abstract

필터여재가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 필터여재는 다공성 제1지지체, 상기 제1지지체의 상, 하부에 각각 배치되며, 은 나노입자를 포함하는 나노섬유의 적층에 의해 형성된 다수의 기공을 갖는 3차원 네트워크 구조의 나노섬유웹 및 상기 제1지지체 및 나노섬유웹 사이에 각각 개재된 다공성 제2지지체를 포함하도록 구현된다. 이에 의하면 유해한 물질에 대해 우수한 항균 효과를 가지며, 높은 압력에 수행되는 역세척 공정에서도 여재의 형상, 구조 변형, 손상이 최소화됨에 따라서 연장된 사용주기를 가질 수 있다. 또한, 여과 및/또는 역세척시 가해지는 높은 압력에도 유로가 원활히 확보됨에 따라서 여과된 여과수가 필터여재 내부에서 빠르게 외부로 유출되거나 역세척 효율이 매우 뛰어남에 따라서 각종 수처리 분야에서 다양하게 응용될 수 있다.

Description

필터여재, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 필터유닛{Filter media, method for manufacturing thereof and Filter unit comprising the same}
본 발명은 필터여재에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 유해한 물질에 대한 항균력을 가지면서 우수한 수투과도를 갖는 동시에 내구성이 뛰어나고, 역세척에 따른 높은 압력에도 견딜 수 있는 기계적 강도가 담보되는 필터여재, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 필터유닛에 관한 것이다.
분리막은 기공크기에 따라 정밀 여과막(MF), 한외 여과막(UF), 나노분리막(NF) 또는 역삼투막(RO)으로 분류될 수 있다.
상기 예시되는 분리막들은 용도, 기공의 크기 차이점을 가지고 있지만, 공통적으로 섬유로부터 형성된 여과매체 또는 다공성 고분자 여과매체이거나 이들이 복합화된 막의 형태를 가진다는 공통점이 있다.
상기 다공성 고분자 여과매체는 고분자 막 또는 고분자 중공사 내부에 형성되는 기공을 조액에 포함된 별도의 기공형성제를 통해서 상기 기공형성제를 소결시키거나 외부응고액에 용해시키는 등의 방법을 통해 형성시키는 것이 일반적이다. 이에 반하여 상기 섬유로부터 형성된 여과매체는 제조된 단섬유를 축적시킨 후 열/압력 등을 가하여 제조되거나 방사와 동시에 열/압력 등을 가하여 제조되는 것이 일반적이다.
상기 섬유로부터 형성된 여과매체의 대표적인 예가 부직포인데, 통상적으로 부직포의 기공은 단섬유의 직경, 매체의 평량 등으로 조절된다. 그러나 일반적인 부직포에 포함되는 단섬유의 직경은 마이크로 단위임에 따라 섬유의 직경, 평량을 조절하는 것만으로는 미세하고 균일한 기공구조를 가지는 분리막을 구현에 한계가 있었고, 이에 따라 통상의 부직포 만으로는 정밀여과막 정도의 분리막만 구현가능하고 그 보다 미세한 입자를 여과시기 위한 한외여과막, 나노분리막과 같은 분리막은 구현되기 어려웠다.
이를 해결하기 위해 고안된 방법이 섬유의 직경이 나노단위인 극세섬유를 통해 제조된 분리막이다. 다만, 직경이 나노단위인 극세섬유는 일반적인 습식방사와 같은 섬유방사공정으로는 단 1회의 방사만으로 제조되기 어렵고, 해도사 등으로 방사된 후 해성분을 별도로 용출시켜 극세섬유인 도성분을 수득해야 하는 번거로움, 비용상승, 생산시간의 연장 문제가 있다. 이에 따라 최근에는 전기방사를 통해 직경이 나노단위인 섬유를 직접 방사하여 섬유로부터 형성된 여과매체를 많이 제조하고 있는 추세에 있다.
이와 같이 수처리 과정을 반복 수행한 여과매체의 기공에는 피처리수에 포함되었던 각종 이물질 중 일부가 남아있거나 여과매체 표면에 부착층을 형성할 수 있는데, 여과매체에 남아있는 이물질은 여과기능을 저하시키는 문제가 있다. 이를 해결하기 위하여 전처리를 통해 위와 같은 파울링 현상 자체의 발생을 방지하는 방법이나 이미 파울링 현상이 발생한 여과매체를 세척하는 방법을 생각해볼 수 있는데, 여과매체의 세척은 당해 여과매체로 피처리수가 유입되어 여과 및 유출되는 경로와 정반대의 방향이 되도록 여과매체에 높은 압력을 가해주어서 여과매체에 남아있는 이물질의 제거하는 것이 일반적이다. 다만, 여과매체의 세척시 가해지는 높은 압력은 여과매체의 손상을 유발할 수 있고, 다층구조로 형성되는 여과매체의 경우 층간 분리의 문제가 발생할 수 있다.
한편 웰빙(well-being) 바람과 더불어 공기청정기, 에어컨 필터, 자동차용 에어필터, 각종 정수기용 필터 등에 은 나노입자의 항균, 살균력을 이용하려는 소재의 사용이 증가하고 있는 실정이다.
이와 같이 은 나노입자의 항균, 살균력을 이용하는 필터여재로 사용하기 위해서는 은 나노입자를 제조된 나노 섬유에 코팅하는 것이 가장 일반적이다. 그러나 이 경우, 은 나노입자과 나노섬유와의 결합력이 약해 은 나노분말이 탈리되는 문제점이 있으며, 은 나노입자의 균일한 분산이 어려워 은 나노입자의 항균 및 살균력을 감소되는 문제점이 있을 수 있다
이에 따라서 높은 압력에 수행되는 역세척 공정에서도 여재의 형상, 구조 변형, 손상이 최소화되는 동시에 유로가 원활히 확보됨에 따라서 큰 유량, 빠른 피처리수 처리속도를 가짐과 동시에 은 나노입자의 특성을 충분히 활용하여 유해한 미생물을 걸러낼 수 있는 항균성을 가진 필터여재에 대한 개발이 시급한 실정이다.
등록특허공보 제10-0871440호
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 은 나노입자가 섬유 에 균일하게 분산됨으로 인해 오염물과 직접적으로 접촉할 수 있는 계면을 형성하여 항균 효과가 우수한 필터여재 및 이의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 수처리 운전 중에 필터여재의 형상, 구조 변형, 손상이 최소화되는 동시에 유로가 원활히 확보됨에 따라서 큰 유량, 빠른 처리속도를 가지는 필터여재 및 이의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 역세척 공정에서 가해지는 높은 압력에도 유로가 확보될 수 있는 동시에 층간 분리, 막의 손상 등이 최소화될 수 있는 내구성이 뛰어난 필터여재 및 이의 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
더불어, 본 발명은 우수한 수투과도 및 내구성을 갖는 필터여재를 통하여 수처리 분야에서 다양하게 응용될 수 있는 평판형 필터유닛 및 필터모듈을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 은 나노입자를 포함하는 나노섬유의 적층에 의해 형성된 다수의 기공을 갖는 3차원 네트워크 구조의 나노섬유웹 및 상기 제1지지체 및 나노섬유웹 사이에 각각 개재된 다공성 제2지지체; 를 포함하는 필터여재를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 은 나노입자의 평균 입경은 10 ~ 500 nm 일 수 있다.
또한, 상기 은 나노입자의 중량은 전체 중량의 1 ~ 3% 일 수 있다.
또한, 상기 제1지지체의 두께는 상기 필터여재 전체 두께의 90% 이상일 수 있다.
또한, 상기 제1지지체의 두께는 상기 필터여재 전체 두께의 95%이상, 보다 더 바람직하게는 98 ~ 99.9% 이상일 수 있다.
또한, 상기 제1지지체의 평량은 250 ~ 800 g/㎡일 수 있고, 보다 바람직하게는 350 ~ 600g/㎡일 수 있다.
또한, 상기 제1지지체의 두께는 2 ~ 8㎜일 수 있고, 보다 바람직하게는 2 ~ 5㎜일 수 있으며, 보다 더 바람직하게는 3 ~ 5㎜일 수 있다.
또한, 상기 제1지지체 및 제2지지체는 부직포, 직물 및 편물 중 어느 하나일 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 제1지지체 및 제2지지체는 부직포일 수 있다.
또한, 상기 제2지지체는, 지지성분 및 저융점 성분을 포함하여 상기 저융점 성분의 적어도 일부가 외부면에 노출되도록 배치된 제2복합섬유를 구비하고, 상기 제2복합섬유의 저융점 성분이 나노섬유웹에 융착된 수 있다.
또한, 상기 필터여재의 제1지지체는 지지성분 및 저융점 성분을 포함하여 상기 저융점 성분의 적어도 일부가 외부면에 노출되도록 배치된 제1복합섬유를 구비하고, 상기 제1복합섬유의 저융점 성분 및 제2복합섬유의 저융점 성분 간 융착으로 제1지지체 및 제2지지체가 결착될 수 있다.
또한, 상기 나노섬유웹은 섬유형성성분으로 불소계화합물을 포함하며, 상기 불소계화합물은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)계, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬 비닐 에테르 공중합체(PFA)계, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP)계, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌-퍼플루오로알킬 비닐 에테르 공중합체(EPE)계, 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ETFE)계, 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE)계, 클로로트리플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ECTFE)계 및 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)계로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다.
또한, 상기 나노섬유웹은 평균공경이 0.1 ~ 3 ㎛이고, 기공도가 60 ~ 90 %일 수 있다.
또한, 상기 나노섬유웹을 형성하는 나노섬유는 평균직경이 50 ~ 450㎚일 수 있다.
또한, 상기 제2지지체의 평량은 35 ~ 80g/㎡이며, 두께는 150 ~ 250㎛일 수 있다.
또한, 본 발명은, (1) 은 나노입자를 포함하는 나노섬유웹 및 제2지지체를 합지하는 단계; 및 (2) 상기 제2지지체가 제1지지체와 맞닿도록 제1지지체의 양면에 각각 상기 합지된 나노섬유웹 및 제2지지체를 배치시켜 합지시키는 단계;를 포함하며, 상기 제1지지체의 두께는 상기 필터여재 전체 두께의 90% 이상인 필터여재 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (1) 단계는 1-1) 제2지지체 상부에 은 금속염이 용해된 방사용액을 전기방사하여 나노섬유웹을 형성시키는 단계; 및 1-2) 나노섬유웹이 형성된 제2지지체의 양방에서 열 및 압력을 가하여 나노섬유웹 및 제2지지체를 합지시키는 단계;를 포함하여 수행될 수 있다.
또한 상기 은 금속염은 질산은, 황산은, 또는 염화은일 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 필터여재; 및 필터여재에서 여과된 여과액이 외부로 유출되도록 하는 유로를 구비하고, 상기 필터여재의 테두리를 지지하는 지지프레임;을 포함하는 평판형 필터유닛을 제공한다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 다수개의 필터유닛이 소정의 간격으로 이격되어 구비된 필터모듈을 제공한다.
본 발명에 의하면, 필터여재는 수처리 운전 중 필터여재의 형상, 구조 변형, 손상이 최소화되고 유로가 원활히 확보되어 높은 유량을 가질 수 있다. 또한, 역세척시 가해지는 높은 압력에도 필터여재의 뛰어난 내구성으로 인해 연장된 사용주기를 가짐과 동시에 유해한 물질에 대해 우수한 항균효과를 가짐에 따라서 각종 수처리 분야에서 다양하게 응용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 필터여재의 단면도,
도 2는 역세척 공정으로 필터여재 내부에서 층분리가 된 후 세척액이 필터여재의 내부에 갇혀 부풀어 오른 필터여재의 사진,
도 3은 제1지지체와 나노섬유웹을 직접 합지시키는 것을 나타낸 모식도,
도 4는 본 발명이 일실시예에 따른 필터여재를 합지시키는 모식도로써, 도 4a는 나노섬유웹과 제2지지체를 합지시키는 것을 나타낸 도면이고, 도 4b는 합지된 나노섬유웹과 제2지지체를 제1지지체 양면에 배치시켜 합지시키는 것을 나타낸 도면,
도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 포함되는 나노섬유웹에 대한 도면으로써, 도 5a는 나노섬유웹의 표면 전자현미경 사진이고, 도 5b는 나노섬유웹의 단면 전자현미경 사진이며, 도 5c는 나노섬유웹에 구비된 나노섬유의 섬도분포에 대한 그래프이고, 도 5d는 나노섬유웹의 공경분포에 대한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 포함되는 필터여재의 단면 전자현미경 사진, 그리고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 평판형 필터유닛의 도면으로써, 도 7a는 필터유닛의 사시도, 도 7b는 도 7a의 X-X' 경계선의 단면도를 기준으로 한 여과흐름을 나타낸 모식도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다.
도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 필터여재(1000)는 다공성 제1지지체(130), 상기 제1지지체(130)의 상, 하부에각각 배치되며, 은 나노입자를 포함하는 나노섬유의 적층에 의해 형성된 다수의 기공을 갖는 3차원 네트워크 구조의 나노섬유웹(111, 112) 및 상기 제1지지체(130) 및 나노섬유웹(111, 112) 사이에 각각 개재된 다공성 제2지지체(121,122)를 포함한다.
상기 나노섬유웹(111, 112)은 상기 제2지지체(121,122)가 제1지지체(130)와 접하는 면과 마주보는 면 각각에 적층되며 상기 나노섬유웹(111,112)을 구성하는 한 가닥 또는 여러가닥의 나노섬유가 랜덤하게 적층될 수 있다. (도 5 참조).
또한 본 발명은 도 1과 같이 본 발명에 따른 필터여재(1000)는 적어도 5층 구조를 가지며, 두께가 상이한 2종의 지지체(121/122,130)를 구비한다. 본 발명에 따른 필터여재(1000)를 이루는 각 층에 대해 설명하기에 앞서, 상기 제1지지체(130)의 두께에 대한 설명 및 필터여재 내에 제1지지체 이외에 제2지지체를 구비해야 하는 이유에 대해 먼저 설명한다.
필터여재를 이용한 수처리 공정이 반복될수록 피처리수에 포함된 이물질이 필터여재에 들러붙어 부착층을 형성하거나 필터여재 내부에 박혀 유로를 막고 여과기능을 저하시키는데, 이와 같은 문제가 발생할 때마다 필터여재를 교체할 경우 수처리에 소요되는 비용이 증가하는 문제가 있다. 이에 따라 필터여재의 사용주기를 연장시키기 위해 주기적으로 필터여재에 물리적 자극을 가하여 필터여재에 들러붙거나 내부에 박힌 이물질을 제거하는 세척공정을 수행할 필요가 있고, 이를 역세척이라고 한다. 통상적으로 역세척은 필터여재의 여과방향에 반대되는 방향으로 세척수를 강하게 흘려주거나 공기를 불어넣는 방식으로 필터여재에 부착되거나 박힌 이물질을 제거하는데, 세척수 및/또는 공기를 필터여재에 공급하고 동시에 이물질을 제거하기 위해서는 여과공정에서 필터여재에 가해지는 압력보다 더 높은 압력으로 세척수나 공기를 공급할 필요가 있다.
이에 따라서 필터여재가 역세척 능력을 보유하기 위해서는 가해지는 높은 압력에도 필터여재가 변형되거나 손상되지 않을 정도의 기계적 강도를 갖는 것이 중요하며, 기계적 강도의 보완을 위한 지지체가 통상적으로 필터여재에 구비된다. 지지체의 기계적 강도에 영향을 미칠 수 있는 인자로는 지지체의 구조, 일예로 상기 지지체가 부직포인 경우 부직포를 형성하는 섬유의 직경, 섬유장, 섬유간 결합방식, 두께, 평량일 수 있고, 두께가 두껍거나 평량이 클수록 지지체의 기계적 강도는 증가할 수 있다. 따라서 역세척에 강한 필터여재를 설계하기 위한 일예로 두께가 두꺼운 부직포를 사용하거나 두께가 다소 얇더라도 평량이 매우 큰 부직포를 지지체로 사용할 수 있다.
한편, 지지체는 필터여재의 여과액의 흐름에 영향을 미치지 않도록 큰 공경을 갖는 것이 좋다. 기계적 강도의 보완을 위해 구비된 지지체로 인해 유량이 저하되는 것은 필터여재의 주요 물성을 저하시키는 것임에 따라서 매우 바람직하지 못하다. 그런데 얇은 두께임에도 충분한 기계적 강도가 발현되는 부직포를 지지체로 사용할 경우 부직포의 평량이 매우 큼에 따라서 부직포 내 기공의 직경, 기공도가 현저히 작을 수밖에 없고, 필터여재의 여과액 흐름에 영향을 미침에 따라서 목적하는 수준의 유량을 확보하지 못하는 문제가 있다.
이에 따라서 본 발명에 따른 필터여재(1000)는 충분한 유로를 확보하면서 필터여재의 기계적 강도를 담보하기 제1지지체(130)는 필터여재 전체의 90% 이상의 두께를 가질 수 있으며, 상기 제1지지체(130)의 두께는 바람직하게는 필터여재 전체 두께의 95% 이상, 보다 바람직하게는 98~99.9%일 수 있다. 만일 제1지지체가 필터여재 전체두께의 90% 미만일 경우 필터여재가 충분한 기계적 강도를 보유하지 못해 역세척을 수행하기 어려워서 필터여재의 교체주기가 짧아질 수 있다. 또한, 제1지지체가 필터여재 전체두께의 90% 미만이면서 역세척에 충분히 견딜 수 있을 정도의 기계적 강도를 확보한다는 것은 제1지지체로 인한 여과액의 흐름방해, 유량감소가 있을 수 있어서 매우 바람직하지 못하다.
다만, 여재로써 기능하는 나노섬유웹(111,112)과 상기 제1지지체(130)의 결합력이 약할 경우 기계적 강도가 매우 뛰어남에도 역세척에 따른 필터여재의 내구성이 저하될 수 있다. 즉, 역세척 과정에서 가해지는 높은 압력은 필터여재를 형성하는 각 층간의 계면분리를 가속화시킬 수 있고, 이 경우 도 2에 도시된 것과 같이 역세척 공정에서 분리막의 배부름 현상이 발생할 수 있으며, 분리막으로써 기능이 현저히 저하 또는 완전 상실할 수 있는 문제가 있다.
따라서, 두께를 현저히 증가시킨 제1지지체와 여재로써의 나노섬유웹 간에 높은 부착력은 잦은 역세척에도 충분한 내구성을 발휘하는 필터여재의 구현에 있어서 매우 중요하다.
통상적으로 지지체와 나노섬유웹를 부착시키는 방법은 별도의 접착물질을 이용하거나 지지체에 구비된 저융점 성분을 나노섬유웹에 융착시켜 두 층을 접합시킬 수 있다. 그러나 별도의 접합물질을 통해 두 층을 접합시킬 경우 피처리수에 의해 접합물질이 용해될 우려가 있고, 이로 인한 여과액의 오염 문제, 수투과도 저하 문제도 있을 수 있다. 만일 접합물질이 부분적으로 용해된 필터여재를 역세척할 경우 필터여재의 배부름 현상이나 심할 경우 나노섬유웹이 박리되어 필터여재로의 기능을 완전히 상실할 수 있다.
이에 따라 바람직하게는 나노섬유웹과 지지체가 융착(A)을 통해 접합되는 방식을 채용할 수 있고, 도 3과 같이 적층된 지지체(1) 및 나노섬유웹(2)의 양방에서 열 및/또는 압력을 가해 이들을 접합시킬 수 있다. 다만, 열 및/또는 압력을 가해 이들을 접합시킬 때 고려해야 할 점은 가해지는 열, 압력으로 인해 여재로써 기능하는 나노섬유웹(2)이 물리, 화학적으로 변형되는 것을 최소화해야 하며, 만일 열접합 과정에서 나노웹이 물리, 화학적으로 변형될 경우 초도에 설계한 필터여재의 유량, 여과율 등의 물성이 변경될 수 있는 문제가 있다.
나노섬유웹(2)의 물리/화학적 변형이 없도록 부착공정에서 열 및/또는 압력 조건을 선택할 때 고려되어야 하는 점은 나노섬유웹, 지지체의 재질적 특성, 일예로 융점, 열전도율, 열용량 등일 수 있고, 통상적으로 융점 이상의 온도 또는 융점 이상의 온도와 압력을 동시에 가하여 지지체의 저융점성분을 나노섬유웹에 융착시키거나 융점보다 다소 낮더라도 높은 압력을 가해 지지체의 저융점성분을 나노섬유웹에 융착시킬 수 있다.
한편, 지지체나 나노섬유웹을 형성하는 재질은 고분자화합물로써, 이와 같은 고분자화합물은 열전도율이 작고, 열용량이 매우 크기 때문에, 도 3과 같이 양방에 소정의 열(H1,H2)을 가하더라도 열(H1,H2)이 나노섬유웹(1)과 지지체(2) 사이의 계면에 도달하여 지지체(2)에 구비된 저융점성분의 온도를 융점까지 상승시키기 위해서는 오랜 시간 동안 지속적으로 열이 가해져야 한다. 더욱이 도 3과 같이 지지체(1)의 두께가 매우 두꺼울 경우 하방에서 전달되는 열(H2)이 나노섬유웹(2)과 지지체(1)의 계면부근까지 전달되고 해당 부근의 지지체에 구비된 저융점성분의 온도를 융점까지 상승시키는 데에는 더욱 오랜 시간이 소요될 수 있고, 시간의 단축을 위해 더 큰 열을 하방에서 가해줄 필요가 있다. 그러나 너무 큰 열을 하방에서 가할 경우 제1지지체 하부에서 저융점 성분의 용융이 먼저 일어날 수 있고, 지지체의 형상, 구조가 변경될 수 있는 문제가 있다.
다른 방법으로 상방에서 가해지는 열(H1)을 더 크게 하여 지지체(1)의 두께에 따른 난점을 해결해볼 수 있으나, 이 경우 나노섬유웹(2)의 물리/화학적 변형이 초래될 수 있고, 초도에 설계한 필터여재의 물성을 온전히 발현하지 못할 수 있는 문제가 있다.
이에 따라서, 본 발명의 일실시예에 의한 필터여재(1000)는 제1지지체(130)와 나노섬유웹(111,112)를 직접 대면시키지 않고, 그 보다 두께가 얇은 제2지지체(121,122)를 개재시키며, 이를 통해 층간 부착공정을 보다 안정적이고 용이하게 수행할 수 있고, 각 층 간의 계면에서 현저히 우수한 결합력을 발현하며, 역세척 등으로 인해 높은 외력이 가해져도 층간 분리, 박리 문제를 최소화할 수 있다.
이를 도 4a를 통해 설명하면, 필터여재의 전체 두께에 대해 10% 미만을 차지하는 제2지지체(3)는 나노섬유웹(2)과의 두께 차이가 나노섬유웹(2)과 제1지지체(1)간의 두께 차이에 비해 현저히 적어짐에 따라서 나노섬유웹(2)/제2지지체(3)의 적층체 상방, 하방에서 가해지는 열(H1,H2)이 이들 간 계면에 도달하여 융착부(B)를 형성하기가 도 3에 비해 용이하다. 또한, 가해주는 열의 양과 시간을 조절하기가 도 3에 비해 용이함에 따라서 나노섬유웹(2)의 물리/화학적 변형 방지에 유리함에 따라서 도 4a와 같이 제2지지체(3)에 나노섬유웹(2)이 결합된 경우 초도에 설계된 나노섬유웹(2)의 물성 변화 없이 지지체상에 우수한 접착력으로 나노섬유를 결합시킬 수 있는 이점이 있다.
이하, 필터여재(1000)에 구비되는 각 구성에 대해 구체적으로 설명한다.
먼저, 상기 제1지지체(130)는 필터여재(1000)를 지지하고 큰 유로를 형성하여 여과공정 또는 역세척공정을 보다 원활히 수행하는 기능을 담당한다. 구체적으로 여과과정에서 필터여재의 밖보다 내부가 낮은 압력이 되도록 압력구배가 형성될 경우 필터여재는 압착될 수 있는데, 이 경우 여과액이 필터여재 내부에서 흐를 수 있는 유로가 현저히 줄어들거나 차단됨에 따라서 필터여재에 더 큰 차압이 걸리는 동시에 유량이 현저히 저하될 수 있는 문제가 있다. 또한, 역세척 과정에서 필터여재의 내부에서 외부 양방향을 향해 팽창시키는 외력이 가해질 수 있는데 기계적 강도가 낮을 경우 가해지는 외력으로 인해 필터여재가 손상되는 문제가 있을 수 있다.
제1지지체(130)는 여과과정 및/또는 역세척과정에서 발생하는 위와 같은 문제들을 방지하기 위해 구비되며, 수처리 분야에서 사용되며, 기계적 강도가 담보되는 공지된 다공성 부재일 수 있으며, 일예로 상기 제1지지체는 부직포, 직물 또는 원단일 수 있다.
상기 직물은 직물에 포함되는 섬유가 종횡의 방향성이 있는 것을 의미하며, 구체적인 조직은 평직, 능직 등일 수 있으며, 경사와 위사의 밀도는 특별히 한정하지 않는다. 또한, 상기 편물은 공지의 니트조직일 수 있으며, 위편물, 경편물 등일 수 있고, 일예로 원사가 경편성된 트리코트(Tricot)일 수 있다. 또한, 도 1과 같이 제1지지체(130)는 섬유(130a)에 종횡의 방향성이 없는 부직포일 수 있고, 케미컬본딩 부직포, 써멀본딩 부직포, 에어레이 부직포 등의 건식부직포나 습식부직포, 스판레스 부직포, 니들펀칭 부직포 또는 멜트블로운와 같은 다양한 방법으로 제조되는 공지된 부직포를 사용할 수 있다.
상기 제1지지체(130)는 충분한 기계적 강도를 발현하기 위하여 상술한 것과 같이 필터여재 전체 두께의 90% 이상의 두께를 차지할 수 있다. 일예로, 상기 제1지지체(130)의 2 ~ 8㎜일 수 있고, 보다 바람직하게는 2 ~ 5㎜, 보다 더 바람직하게는 3 ~ 5㎜일 수 있다. 두께가 2㎜ 미만일 경우 잦은 역세척에 견딜 수 있는 충분한 기계적 강도를 발현하지 못할 수 있다. 또한, 두께가 8㎜를 초과할 경우 필터여재가 후술하는 필터유닛으로 구현된 후 복수개의 필터유닛을 한정된 공간의 필터모듈로 구현할 때, 모듈의 단위 부피당 필터여재의 집적도가 감소할 수 있다.
바람직하게는 상기 제1지지체는(130)는 상술한 것과 같은 두께 조건을 만족하는 동시에 평량이 250 ~ 800 g/㎡일 수 있고, 보다 바람직하게는 350 ~ 600g/㎡일 수 있다. 만일 평량이 250 g/㎡인 경우 충분한 기계적 강도를 발현하기 어려울 수 있고, 제2지지체와의 부착력이 감소하는 문제점이 있으며, 만일 평량이 800 g/㎡를 초과할 경우 충분한 유로를 형성하지 못해 유량이 감소하며, 차압 증가로 인한 원활한 역세척이 어려운 문제가 있을 수 있다.
또한, 상기 제1지지체(130)가 부직포와 같이 섬유로 형성된 경우 상기 섬유의 평균직경은 5 ~ 50 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 20 ~ 50㎛일 수 있다. 또한, 상기 제1지지체(130)는 평균공경이 20 ~ 200 ㎛일 수 있으며, 기공도는 50 ~ 90%일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 여과공정 및/또는 역세척 공정에서 후술한 나노섬유웹(111,112)을 지지하여 목적하는 수준의 기계적 강도를 발현시킴과 동시에 높은 압력에도 유로를 원활히 형성시킬 수 있을 정도의 기공도 및 공경크기이면 제한이 없다.
상기 제1지지체(130)는 분리막의 지지체로 사용되는 재질인 경우 그 재질에 있어서 제한은 없다. 이에 대한 비제한적인 예로써, 폴리에스테르계, 폴리우레탄계, 폴리올레핀계 및 폴리아미드계로 이루어진 군에서 선택되는 합성고분자 성분; 또는 셀룰로오스계를 포함하는 천연 고분자성분이 사용될 수 있다. 다만, 제1지지체가 브리틀한 물성이 강할 경우 제1지지체와 제2지지체를 합지시키는 공정에서 목적하는 수준의 결합력을 기대하기 어려울 수 있는데, 이는 제1지지체가 필름과 같이 표면이 매끄러운 상태가 아니라 다공성을 형성하면서 표면이 거시적으로 울퉁불퉁한 형상일 수 있고, 부직포와 같이 섬유들로 형성된 표면은 섬유들의 배치, 섬유의 섬도 등에 따라서 표면이 매끄럽지 못하며, 위치별로도 그 정도가 상이할 수 있기 때문이다. 만일 합지되는 두 층간 계면에 밀착되지 않은 부분이 존재한 채로 나머지 부분들이 접합될 경우 밀착되지 않은 부분으로 인해 층간 분리가 시작될 수 있다. 이를 해결하기 위해서는 두 층의 양방에서 압력을 가해 두 층의 밀착 정도를 높인 상태에서 합지공정을 수행할 필요가 있는데, 만일 브리틀한 물성이 강한 지지체의 경우 압력이 가해져도 두 층간 계면의 밀착성을 높이는데 한계가 있고, 더 큰 압력을 가할 경우 지지체가 파손될 수도 있어서 제1지지체의 재질은 유연성이 좋고, 신율가 높은 재질이 적합할 수 있으며, 바람직하게는 제2지지체(121,122)와 우수한 밀착성을 가질 수 있도록 제1지지체(130)는 폴리올레핀계 재질일 수 있다.
한편, 상기 제1지지체(130)는 별도의 접착제나 접착층 없이도 제2지지체(121,122)와의 결속되기 위하여 저융점 성분을 포함할 수 있다. 상기 제1지지체(130)가 부직포와 같은 원단일 경우 저융점 성분을 포함하는 제1복합섬유(130a)로 제조된 것일 수 있다. 상기 제1복합섬유(130a)는 지지성분 및 저융점 성분을 포함하여 상기 저융점 성분의 적어도 일부가 외부면에 노출되도록 배치된 것일 수 있다. 일예로, 지지성분이 코어부를 형성하고, 저융점 성분이 상기 코어부를 둘러싸는 시스부를 형성한 시스-코어형 복합섬유나, 지지성분의 일측에 저융점 성분이 배치되는 사이드-바이-사이드 복합섬유일 수 있다. 상기 저융점 성분 및 지지 성분은 상술한 것과 같이 지지체의 유연성 및 신율 측면에서 바람직하게는 폴리올레핀계일 수 있고, 일예로 지지성분은 폴리프로필렌, 저융점 성분은 폴리에틸렌일 수 있다. 상기 저융점 성분의 융점은 60 ~ 180℃일 수 있다.
다음으로, 상술한 제1지지체(130)의 양면에 배치되는 제2지지체(121,122)에 대하여 설명한다.
상기 제2지지체(121,122)는 후술한 나노섬유웹(111,112)을 지지하고, 필터여재에 구비되는 각 층의 접합력을 증가시키는 기능을 담당한다.
상기 제2지지체(121,122)는 통상적으로 필터여재의 지지체 역할을 수행하는 것이라면 특별한 제한은 없으나, 그 형상에 있어서는 바람직하게는 직물, 편물 또는 부직포일 수 있다. 상기 직물은 직물에 포함되는 섬유가 종횡의 방향성이 있는 것을 의미하며, 구체적인 조직은 평직, 능직 등일 수 있으며, 경사와 위사의 밀도는 특별히 한정하지 않는다. 또한, 상기 편물은 공지의 니트조직일 수 있으며, 위편물, 경편물 등일 수 있으나 이에 대해서는 특별히 한정하지 않는다. 또한, 상기 부직포는 포함되는 섬유에 종횡의 방향성이 없는 것을 의미하고, 케미컬본딩 부직포, 써멀본딩 부직포, 에어레이 부직포 등의 건식부직포나 습식부직포, 스판레스 부직포, 니들펀칭 부직포 또는 멜트블로운와 같은 공지된 방법으로 제조된 부직포를 사용할 수 있다.
상기 제2지지체(121,122)는 일예로 부직포일 수 있는데, 이때 상기 제2지지체(121,122)를 형성하는 섬유는 평균직경이 5 ~ 30 ㎛일 수 있다. 또한, 상기 제2지지체(121,122)의 두께는 100 ~ 400 ㎛일 수 있고, 보다 바람직하게는 150 ~ 400㎛일 수 있으며, 보다 더 바람직하게는 150 ~ 250㎛일 수 있고, 일예로 200㎛일 수 있다.
또한, 상기 제2지지체(121,122)는 평균공경이 20 ~ 100㎛일 수 있으며, 기공도는 50 ~ 90%일 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며, 후술하는 나노섬유웹(111,122)을 지지하여 목적하는 수준의 기계적 강도를 발현시킴과 동시에 나노섬유웹(111,122)을 통해 유입되는 여과액의 흐름을 저해시키지 않을 정도의 기공도, 및 공경크기이면 제한이 없다.
또한, 상기 제2지지체(121,122)의 평량은 10 ~ 200 g/㎡, 보다 바람직하게는 35 ~ 200 g/㎡일 수 있고, 보다 더 바람직하게는 35 ~ 80 g/㎡일 수 있고, 일예로, 40 g/㎡ 일 수 있다. 만일 평량이 10 g/㎡ 미만일 경우 후술하는 나노섬유웹(111,112)와 형성하는 계면에 분포하는 제2지지체를 형성하는 섬유의 양이 적을 수 있고, 이에 따라서 나노섬유웹과 접하는 제2지지체의 유효접착면적의 감소로 목적하는 수준의 결합력을 발현할 수 없을 수 있다. 또한, 나노섬유웹을 지지할 수 있을 충분한 기계적 강도를 발현하지 못할 수 있고, 제1지지체와의 부착력이 감소하는 문제점이 있을 수 있다. 또한, 만일 평량이 200 g/㎡을 초과할 경우 목적하는 수준의 유량을 확보하기 어려울 수 있고, 차압이 증가하여 원활한 역세척이 어려운 문제가 있을 수 있다.
상기 제2지지체(121,122)는 필터여재의 지지체로 사용되는 재질인 경우 그 재질에 있어서 제한은 없다. 이에 대한 비제한적인 예로써, 폴리에스테르계, 폴리우레탄계, 폴리올레핀계 및 폴리아미드계로 이루어진 군에서 선택되는 합성고분자 성분; 또는 셀룰로오스계를 포함하는 천연 고분자성분이 사용될 수 있다.
다만, 상기 제2지지체(121,122)는 후술하는 나노섬유웹(111,112) 및 상술한 제1지지체(130)와의 밀착력 향상을 위해 폴리올레핀계 고분자성분일 수 있다. 또한, 상기 제2지지체(121,122)가 부직포와 같은 원단일 경우 저융점 성분을 포함하는 제2복합섬유(121a)로 제조된 것일 수 있다. 상기 제2복합섬유(121a)는 지지성분 및 저융점 성분을 포함하여 상기 저융점 성분의 적어도 일부가 외부면에 노출되도록 배치된 것일 수 있다. 일예로, 지지성분이 코어부를 형성하고, 저융점 성분이 상기 코어부를 둘러싸는 시스부를 형성한 시스-코어형 복합섬유나, 지지성분의 일측에 저융점 성분이 배치되는 사이드-바이-사이드 복합섬유일 수 있다. 상기 저융점 성분 및 지지 성분은 상술한 것과 같이 지지체의 유연성 및 신율 측면에서 바람직하게는 폴리올레핀계일 수 있고, 일예로 지지성분은 폴리프로필렌, 저융점 성분은 폴리에틸렌일 수 있다. 상기 저융점 성분의 융점은 60 ~ 180℃일 수 있다.
만일 상술한 제1지지체(130)가 상기 제2지지체(121,122)와 더욱 향상된 결합력을 발현하기 위하여 저융점 성분을 포함하는 제1복합섬유(130a)로 구현될 경우 제1지지체(130) 및 제2지지체(121) 간 계면에 제1복합섬유(130a)의 저융점 성분 및 제2복합섬유(121a)의 저융점 성분들의 융착으로 인한 더욱 견고한 융착부를 형성할 수 있다. 이때, 상기 제1복합섬유(130a) 및 제2복합섬유(121a)는 상용성 측면에서 동종의 재질일 수 있다.
다음으로, 상술한 제2지지체(121,122)의 상부에 배치되는 나노섬유웹(111,112)에 대해 설명한다. 상기 나노섬유웹(111,112)은 한 가닥 또는 여러가닥의 나노섬유가 랜덤하게 3차원적으로 적층되어 형성된 3차원 네트워크 구조일 수 있다(도 5 참조). 상기 나노섬유웹(111, 112)은 은 나노입자를 포함하며, 구체적으로 나노섬유웹을 형성하는 나노섬유의 외부 및/또는 내부에 은 나노입자를 포함한다. 후술하는 제조방법과 같이 상기 나노섬유에 구비되는 은 나노입자는 방사용액 상에 은 금속염이 함께 포함된 상태로 방사되어 나노섬유에 구비됨으로써 제조된 나노섬유의 표면에 별도의 공정을 통해 은 나노입자를 구비시키는 경우에 대비해 은 나노입자의 탈리 방지에 더 유리할 수 있다.
일반적인 나노섬유로만 형성된 필터여재는 먼지를 효과적으로 제거할 수 있지만 미세먼지와 함께 포집된 세균 등의 미생물을 살균하는 어떠한 수단도 갖고 있지 않다. 이에 본 발명과 같이 은 나노입자가 나노섬유웹(111, 112)에 포함되도록 구성함으로써 은나노 입자가 나노 섬유 표면에 고르게 분산되기 때문에 상대적으로 적은 양의 은 성분을 사용하여도 우수한 항균 효과를 나타내며, 상술한 것과 같은 은 나노입자의 탈리 등의 문제점도 해결할 수 있다.
다만 나노섬유웹(111, 112)을 구성하는 나노섬유의 사절을 방지하고 일정 수준 이상의 강도를 유지하기 위해 나노섬유웹(111, 112)에 포함되는 은 나노입자의 평균 입경이 고려되어야 한다. 따라서 상기 은 나노입자의 평균 입경은 10 ~ 500nm 일 수 있다. 만일 상기 은 나노입자의 평균 입경이 10 nm 미만인 경우 살균 및 항균 능력이 저하되어 항균필터로서 역할을 수행할 수 없는 문제점이 있고, 만일 상기 은 나노입자의 평균 입경이 500 nm 를 초과하는 경우 나노섬유의 섬유형성성분 대비 은 나노입자의 면적이 넓어져서 나노섬유의 기계적 강도를 저하시켜 나노섬유의 사절을 일으키는 등의 내구성 면에서 불리할 수 있다.
또한 은 나노입자의 항균력은 은 나노입자와 오염물과의 계면에서 발생하는현상이므로 상기 은 나노입자는 일정 수준 이상의 비표면적을 가져야 한다. 미세한 은 나노입자의 비표면적은 질소 증기 흡착을 통하여 측정될 수 있으며. 목적하는 필터여재, 은 나노입자의 함량 및 목적하는 피여과액의 조성 등에 따라 적절히 고려하여 설계할 수 있다.
상기 나노섬유웹(111, 112)을 형성하는 나노섬유는 공지된 섬유형성성분으로 형성된 것일 수 있다. 다만 바람직하게는 우수한 내화학성 및 내열성을 발현하기 위해 불소계 화합물을 섬유형성성분으로 포함할 수 있고, 이를 통해 피처리수가 강산/강염기의 용액이거나 온도가 높은 용액일지라도 필터여재의 물성 변화 없이 목적하는 수준으로 여과효율/유량을 확보 및 오랜 사용주기를 가질 수 있는 이점이 있다. 상기 불소계 화합물은 나노섬유로 제조될 수 있는 공지된 불소계 화합물의 경우 제한 없이 사용될 수 있으며, 일예로, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)계, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬 비닐 에테르 공중합체(PFA)계, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP)계, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌-퍼플루오로알킬 비닐 에테르 공중합체(EPE)계, 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ETFE)계, 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE)계, 클로로트리플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ECTFE)계 및 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)계로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 제조 단가가 낮고 전기방사를 통하여 나노섬유의 대량생산이 용이하며, 기계적 강도 및 내화학성이 우수한 측면에서 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)일 수 있다. 이때, 상기 나노섬유가 섬유형성성분으로 PVDF를 포함할 경우 상기 PVDF의 중량평균분자량은 10,000 ~ 1,000,000일 수 있고, 바람직하게는 300,000 ~ 600,000일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 나노섬유는 평균직경이 0.05 ~ 1㎛이고, 종횡비는 1,000 ~ 100,000일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 일예로, 상기 나노섬유웹(111,112)에 구비된 나노섬유는 직경이 0.1 ~ 0.2 ㎛인 제1나노섬유군, 직경이 0.2 ~ 0.3㎛인 제2나노섬유군 및 직경이 0.3 ~ 0.4㎛인 제3나노섬유군을 나노섬유웹(111) 전체 중량에 대하여 각각 35 중량%, 53 중량%, 12중량%로 포함할 수 있다.
상술한 나노섬유웹(111,112)의 두께는 0.5 ~ 200㎛로 형성될 수 있고, 일예로 20㎛일 수 있다. 상기 나노섬유웹(111,112)의 기공도는 40 ~ 90%이고, 보다 바람직하게는 60 ~ 90%일 수 있다. 또한, 평균공경은 0.1 ~ 5㎛일 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.1 ~ 3㎛일 수 있고, 일예로, 0.25㎛일 수 있다. 상기 나노섬유웹(111,112)의 평량은 0.05 ~ 20 g/㎡일 수 있고, 일예로 10g/㎡일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 목적하는 수투과도 및 여과효율을 고려하여 적절히 변경될 수 있다.
또한, 상기 나노섬유웹(111,112)은 한층 이상으로 필터여재(1000)에 구비될 수도 있고, 이때 각 나노섬유웹의 기공도, 공경, 평량 및/또는 두께 등은 상이할 수 있다.
한편, 상기 나노섬유웹(111,112)을 형성하는 나노섬유는 친수성을 높이기 위해 개질된 것일 수 있고, 일예로, 친수성 코팅층이 나노섬유의 외부면 적어도 일부에 더 구비될 수 있다. 만일 나노섬유가 상술한 것과 같이 불소계 화합물을 포함할 경우 상기 불소계 화합물은 소수성이 매우 강해 피여과액이 친수성 용액일 경우 유량이 좋지 못한 문제가 있다. 이를 위해 상기 소수성의 나노섬유 표면에 친수성 코팅층을 더 구비시킬 수 있으며, 상기 친수성 코팅층은 공지된 것일 수 있고, 일예로 히드록시기를 구비하는 친수성고분자를 포함하여 형성되거나 상기 친수성고분자가 가교제를 통해 가교되어 형성될 수 있다. 일예로, 상기 친수성고분자는 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol,PVA), 에틸렌비닐알코올(Ethylenevinyl alcohol,EVOH), 알긴산 나트륨(Sodium alginate) 등의 단독 또는 혼합 형태일 수 있으며, 가장 바람직하게는 폴리비닐알코올(PVA)일 수 있다. 또한, 상기 가교제는 상기 친수성고분자가 구비하는 히드록시기와 축합반응 등을 통하여 가교될 수 있는 관능기를 구비한 공지된 가교제의 경우 제한 없이 사용할 수 있다. 일예로, 상기 관능기는 히드록시기, 카르복시기 등일 수 있다.
상기 친수화코팅층은 보다 향상된 물성의 발현을 위하여 폴리비닐알코올(PVA) 및 카르복시기를 포함하는 가교제가 가교되어 형성될 수 있다. 상기 폴리비닐알코올은 중합도가 500 ~ 2000이고, 검화도가 85 ~ 90%인 것일 수 있다. 폴리비닐알코올의 중합도가 과도하게 낮을 경우 친수성 코팅층의 형성이 원활히 되지 않거나 형성되더라도 쉽게 벗겨질 수 있는 문제가 있고, 친수도를 목적하는 수준까지 향상시키지 못할 수 있는 문제가 있다. 또한, 중합도가 너무 클 경우 친수성코팅층의 형성이 과도할 수 있으며 이에 따라서 나노섬유웹의 기공구조가 변경되거나 기공을 폐쇄시킬 수 있는 문제가 있다. 또한, 검화도가 너무 낮을 경우 친수성 향상이 어려울 수 있는 문제가 있다.
상기 가교제는 상술한 폴리비닐알코올과 가교될 수 있도록 카르복시기를 함유하는 성분일 수 있다. 일예로, 상기 가교제는 폴리(아크릴산-말레산), 폴리아크릴산 및 폴리(스티렌술폰산-말레산)로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상을 물질을 포함할 수 있다. 또한, 보다 향상된 소수성의 나노섬유 표면에의 코팅성/접착성 및 나노섬유웹(111,112)의 기공구조의 변경이 없도록 매우 얇게 코팅되는 동시에 더욱 향상된 유량을 발현하기 위하여 상기 가교제는 적어도 3개 이상의 카르복시기를 포함하는 다관능성 가교제일 수 있다. 만일 가교제가 구비하는 카르복시기가 3개 미만일 경우 소수성인 나노섬유의 표면에 코팅층이 형성되기 어렵고, 형성되더라도 부착력이 매우 약해 쉽게 벗겨질 수 있는 문제가 있다. 일예로 카르복시기를 3개 이상 구비하는 가교제는 폴리(아크릴산-말레산)일 수 있다.
상기 친수성코팅층은 상기 폴리비닐알코올 100 중량부에 대해 카르복시기를 함유하는 가교제가 2 ~ 20 중량부 가교되어 형성될 수 있다. 만일 가교제가 2 중량부 미만으로 구비되는 경우 친수성 코팅층의 형성성이 저하될 수 있고, 내화학성 및 기계적 강도가 저하하는 문제가 있다. 또한, 가교제가 20 중량부를 초과하여 구비되는 경우 코팅층으로 인해 기공이 줄어 유량이 저하되는 문제가 있을 수 있다.
한편, 상기 친수성코팅층은 나노섬유의 외부면 일부 또는 전부에 형성될 수 있다. 이때, 상기 친수성 코팅층은 나노섬유웹 단위면적(㎡)당 0.1 ~ 2g 포함되도록 나노섬유를 피복될 수 있다.
상술한 것과 같이 친수성 코팅층을 구비하도록 개질된 나노섬유웹(111,112)쪽 표면의 젖음각은 30° 이하일 수 있고, 보다 바람직하게는 20 °이하, 보다 더 바람직하게는 12°이하, 더욱 바람직하게는 5°이하일 수 있으며, 이를 통해 재질상 소수성인 나노섬유로 구현된 섬유웹임에도 불구하고 향상된 유량을 확보할 수 있는 이점이 있다.
상술한 필터여재(1000)는 후술하는 제조방법으로 제조될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 필터여재(1000)는 (1) 은 나오입자를 포함하는 나노섬유웹 및 제2지지체를 합지하는 단계; 및 (2) 상기 제2지지체가 제1지지체와 맞닿도록 제1지지체의 양면에 각각 상기 합지된 나노섬유웹 및 제2지지체를 배치시켜 합지지시키는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
먼저, 본 발명에 따른 (1) 단계로써, 은 나노입자를 포함하는 나노섬유웹 및 제2지지체를 합지하는 단계를 수행한다.
상기 나노섬유웹은 나노섬유를 구비하여 3차원 네트워크 형상의 섬유웹을 형성시키는 방법의 경우 제한 없이 사용될 수 있으며, 상기 나노섬유웹은 금속염이 용해된 방사용액을 제2지지체 상에 전기방사 하여 나노섬유웹을 형성할 수 있다.
상기 방사용액은 은 금속염, 섬유형성성분 및 용매를 포함할 수 있고, 상기 섬유형성성분의 일예로 불소계 화합물를 포함할 수 있다. 상기 불소계 화합물은 방사용액에 5 ~ 30 중량%, 바람직하게는 8 ~ 20중량%로 포함됨이 좋고, 만일 불소계 화합물이 5 중량% 미만일 경우 섬유로 형성되기 어려우며, 방사 시 섬유상으로 방사되지 않고 액적상태로 분사되어 필름상을 형성하거나 방사가 이루어지더라도 비드가 많이 형성되고 용매의 휘발이 잘 이루어지지 않아 후술하는 캘린더링 공정에서 기공이 막히는 현상이 발생할 수 있다. 또한, 만일 불소계 화합물이 30 중량% 초과할 경우 점도가 상승하여 용액 표면에서 고화가 일어나 장시간 방사가 곤란하며, 섬유직경이 증가하여 마이크로미터 이하 크기의 섬유상을 만들 수 없을 수 있다.
상기 은 금속염은 Ag 양이온의 제공원으로서 질산은, 황산은 또는 염화은 등으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상일 수 있다. 상기 은 금속염은 방사용액에 1 ~ 20 중량%, 바람직하게는 5 ~ 15 중량%로 포함될 수 있다 만일 은 금속염이 1 중량% 미만일 경우 은 나노입자의 항균능력이 떨어지고, 은 나노입자로의 환원이 어려울 수 있다. 또한 만일 은 금속염이 20 중량%를 초과할 경우 나노섬유의 강도가 저하되어 필터여재의 내구성이 저하되는 문제점이 발생 할 수 있고, 은 이온이 침전되어 건조 후 색상이 갈색으로 변하는 색상 변화의 원인이 될 수 있다.
상기 용매는 은 금속염과 섬유형성성분인 불소계 화합물을 용해시키면서 침전물을 생성시키지 않고 후술하는 나노섬유의 방사성 및 섬유의 직경에 영향을 미치지 않는 용매의 경우 제한 없이 사용될 수 있으나 바람직하게는 ?-부티로락톤, 사이클로헥사논, 3-헥사논, 3-헵타논, 3-옥타논, N-메틸피롤리돈, 디메틸아세트아미드, 아세톤 디메틸설폭사이드, 디메틸포름아마이드로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 일예로 상기 용매는 디메틸아세트아미드와 아세톤의 혼합용매일 수 있다.
상기 제조된 방사용액은 공지된 전기방사 장치 및 방법을 통해 나노섬유을 제조될 수 있다. 일예로, 상기 전기방사 장치는 방사 노즐이 1개인 단일 방사팩을 구비한 전기방사 장치를 사용하거나 양산성을 위하여 단일 방사팩 복수개로 구비하거나 노즐이 복수개인 방사팩을 구비한 전기방사 장치를 사용해도 무방하다. 또한 전기방사 방식에 있어서 건식방사 또는 외부응고조를 구비하는 습식방사를 이용할 수 있고 방식에 따른 제한은 없다.
상기 전기방사장치에 교반시킨 방사용액을 투입시켜 콜렉터, 일예로 종이 상에 전기방사시킬 경우 나노섬유로 형성된 나노섬유웹을 수득할 수 있다. 상기 전기방사를 위한 구체적 조건은 일예로써, 방사팩의 노즐에 구비되는 에어분사노즐은 에어 분사의 에어압은 0.01 ~ 0.2 MPa 범위로 설정될 수 있다. 만약 에어압이 0.01MPa 미만인 경우 포집, 집적에 기여를 하지 못하며, 0.2 MPa를 초과하는 경우 방사노즐의 콘을 굳게 하여 니들을 막는 현상이 발생하여 방사 트러블이 발생할 수 있다. 또한, 상기 방사용액을 방사할 때, 노즐 당 방사용액의 주입속도는 10 ~ 30㎕/min일 수 있다. 또한, 상기 노즐의 팁과 콜렉터까지의 거리는 10 ~ 30㎝일 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며 목적에 따라 변경하여 실시할 수 있다.
상기 제조된 나노섬유웹에 자외선(UV)이나 감마선 조사, 초음파 처리, 환원제 첨가, 열처리 등의 방법을 통하여 은 나노입자가 표면에 환원되도록 할 수 있다. 이와 같은 방법을 통하여 미리 제조된 은 나노입자를 고분자 용액에 넣어 전기방사를 실시하는 방법에 비하여 보다 작고 균일한 은 나노입자를 나노섬유 안에 형성시킬 수 있는 장점이 있다.
또는, 상술한 제2지지체 상에 나노섬유를 직접 전기방사 시킴으로써 나노섬유웹을 제2지지체상에 직접 형성시킬 수 있다. 상기 제2지지체 상에 축적/수집된 나노섬유는 3차원 네트워크 구조를 가지며, 목적하는 분리막의 수투과도, 여과효율을 발현하기에 적합한 기공율, 공경, 평량 등을 보유하기 위해 열 및/또는 압력이 축적/수집된 나노섬유에 더 가해짐으로써 3차원 네트워크 구조를 가지는 나노섬유웹으로 구현될 수 있다. 상기 열 및/또는 압력을 가하는 구체적인 방법은 공지의 방법을 채택할 수 있으며, 이에 대한 비제한적이 예로써 통상의 캘린더링 공정을 사용할 수 있고 이때 가해지는 열의 온도는 70 ~ 190℃일 수 있다. 또한, 캘린더링 공정을 수행할 경우 이를 몇 차로 나누어 복수 회 실시할 수도 있고, 예를 들어 1차 캘린더링을 통해 나노섬유에 잔존하는 용매와 수분을 일부 또는 전부 제거하기 위한 건조과정을 수행 후 기공조절 및 강도 향상을 위해 2차 캘린더링을 실시할 수 있다. 이때, 각 캘린더링 공정에서 가해지는 열 및/또는 압력의 정도는 동일하거나 상이할 수 있다.
한편, 제2지지체가 저융점 복합섬유로 구현된 것일 경우 상기 캘린더링 공정을 통하여 나노섬유웹과 제2지지체의 열융착을 통한 결속을 동시에 진행시킬 수 있다.
또한, 제2지지체 및 나노섬유웹을 결속시키기 위해 별도의 핫멜트 파우더나 핫멜트 웹을 더 개재시킬 수도 있다. 이때 가해지는 열은 60 ~ 190℃일 수 있으며, 압력은 0.1 ~ 10 kgf/㎠로 가할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 그러나 결속을 위하여 별도 더해지는 핫멜트 파우더와 같은 성분들은 흄(Hum)을 생성시키거나 지지체간, 지지체와 나노섬유간 합지공정에서 용융되어 기공을 폐쇄시키는 경우가 빈번히 발생하여 초도 설계된 필터여재의 유량을 달성할 수 없을 수 있다. 또한, 수처리과정에서 용해될 수 있어서 환경적으로 부정적 문제를 야기시킬 수 있어서 바람직하게는 포함시키지 않고 제2지지체 및 나노섬유웹을 결속시키는 것이 좋다.
다음으로 후술하는 (2) 단계 수행 전, 상기 나노섬유웹에 친수성 코팅층 형성조성물을 처리하여 친수성 코팅층을 형성시키는 단계를 더 수행할 수 있다.
다만 상기 친수성 코팅층은 나노섬유 표면에 형성된 은 나노입자 상에도 형성될 수 있으므로, 은 나노입자의 고유의 항균성 및 접착력 등의 물성에 영향을 미치지 않는 범위 및 공정 조건으로 코팅되는 것이 바람직하다.
구체적으로 본 단계는 나노섬유웹에 친수성 코팅층 형성조성물을 처리하는 단계; 및 상기 친수성 코팅층 형성조성물을 열처리하여 친수성 코팅층을 형성시키는 단계;를 포함하여 수행될 수 있다.
먼저 친수성 코팅층 형성조성물은 친수성 성분 및 가교성 성분을 포함할 수있고, 일예로 폴리비닐알코올, 카르복시기를 포함하는 가교제 및 이들을 용해시키는 용매, 일예로 물을 포함할 수 있다. 상기 친수성 코팅층 형성조성물은 폴리비닐알코올 100 중량부에 대하여 가교제를 2 ~ 20 중량부, 용매를 1,000 ~ 100,000 중량부로 포함할 수 있다.
한편, 제조된 나노섬유웹을 형성하는 나노섬유가 불소계 화합물을 포함할 경우 소수성이 강함에 따라서 상술한 친수성 코팅층 형성조성물을 처리하더라도 코팅층이 표면에 제대로 형성되지 못할 수 있다. 이에 따라서 친수성 코팅층 형성조성물이 나노섬유 외부면에 잘 젖도록 하기 위하여 상기 친수성 코팅층 형성조성물은 젖음성 개선제를 더 포함할 수 있다.
상기 젖음성 개선제는 소수성의 나노섬유 외부면의 친수성 용액에 대한 젖음성을 향상시킬 수 있는 동시에 친수성 코팅층 형성조성물에 용해될 수 있는 성분인 경우 제한 없이 사용될 수 있다. 일예로, 상기 젖음성 개선제는 이소프로필알코올, 에틸알코올 및 메틸알코올로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상의 성분일 수 있다. 또한, 상기 젖음성 개선제는 친수성 코팅층 형성조성물에 구비되는 폴리비닐알코올 100 중량부에 대하여 1,000 ~ 100,000 중량부로 포함될 수 있다. 만일 젖음성 개선제가 1000 중량부 미만으로 구비되는 경우 나노섬유의 젖음성 개선이 미약하여 친수성 코팅층의 형성이 원활하지 않을 수 있고, 친수성 코팅층의 박리가 빈번할 수 있다. 또한, 상기 젖음성 개선재가 100,000 중량부를 초과하여 포함될 경우 젖음성 향상정도가 미미할 수 있고, 친수성 코팅층 형성조성물에 구비되는 폴리비닐알코올 및 가교제의 농도가 낮아져 친수성 코팅층의 형성이 원활하지 못할 수 있는 문제가 있다.
한편, 친수성 코팅층 형성조성물에 젖음성 개선제를 구비시키지 않고, 상기 나노섬유웹에 젖음성 개선제를 전처리한 후 친수성 코팅층 형성조성물을 처리하여 친수성 코팅층을 형성시킬 수도 있다. 다만, 젖음성 개선제를 기공에 담지한 상태의 나노섬유웹을 친수성 코팅층 형성조성물에 침지시 기공에 담지된 젖음성 개선제가 나노섬유웹에서 빠져 나오고, 동시에 친수성 코팅층 형성조성물이 상기 기공에 침투하는데 소요되는 시간이 길어 제조시간이 연장되는 문제가 있다. 또한, 친수성 코팅층 형성조성물의 침투정도가 나노섬유웹의 두께 및 기공의 직경에 따라 상이함에 따라서 친수성 코팅층이 섬유웹의 위치별로 불균일하게 형성될 수 있는 문제가 있다. 나아가 친수성 코팅층이 불균일하게 형성됨에 따라서 나노섬유웹의 일부분에서는 기공이 친수성 코팅층으로 폐쇄되는 문제가 있고, 이 경우 초도 설계된 나노섬유웹의 기공구조가 변화하게 됨에 따라서 목적하는 유량을 수득할 수 없는 문제가 있어서 친수성 코팅층 형성조성물에 젖음성 개선제를 구비시키는 것이 나노섬유웹의 기공구조를 변경시키지 않으면서도 제조시간의 단축, 제조공정의 간소화 및 친수성코팅층의 형성성 향상을 동시에 달성시키기에 유리하다.
상술한 친수성 코팅층 형성조성물을 나노섬유웹에 형성시키는 방법은 공지된 코팅방법의 경우 제한 없이 채용할 수 있으며, 일예로, 침지, 스프레잉 방법 등을 사용할 수 있다.
이후 나노섬유웹에 처리된 친수성 코팅층 형성조성물을 열처리 하여 친수성 코팅층을 형성시키는 단계;를 수행할 수 있다. 상기 열처리를 통해 친수성 코팅층 형성조성물 중 용매의 건조 공정이 동시에 이루어질 수 있다. 상기 열처리는 건조기에서 수행될 수 있으며, 이때 가해지는 열은 온도가 80 ~ 160℃일 수 있고, 처리시간은 1 분 ~ 60분일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
다음으로 본 발명에 따른 (2) 단계로써, 합지된 제2지지체 및 나노섬유웹에서 상기 제2지지체가 제1지지체와 맞닿도록 제1지지체의 양면에 각각 상기 합지된 나노섬유웹 및 제2지지체를 배치시켜 합지지시키는 단계를 수행한다.
상기 (2) 단계는 2-1) 제1지지체의 양면에 상술한 (1) 단계에서 합지된 제2지지체 및 나노섬유웹을 적층시키는 단계; 및 2-1) 열 및 압력 중 어느 하나 이상을 가하여 제1지지체 및 제2지지체를 융착시키는 단계;를 포함하여 수행될 수 있다.
상기 2-2) 단계에서의 열 및/또는 압력을 가하는 구체적인 방법은 공지의 방법을 채택할 수 있으며, 이에 대한 비제한적이 예로써 통상의 캘린더링 공정을 사용할 수 있고 이때 가해지는 열의 온도는 70 ~ 190℃일 수 있다. 또한, 캘린더링 공정을 수행할 경우 이를 몇 차로 나누어 복수 회 실시할 수도 있고, 예를 들어 1차 캘린더링 후 2차 캘린더링을 실시할 수도 있다. 이때, 각 캘린더링 공정에서 가해지는 열 및/또는 압력의 정도는 동일하거나 상이할 수 있다. 상기 2-2) 단계를 통하여 제2지지체와 제1지지체간에 열융착을 통한 결속이 일어날 수 있으며 별도의 접착제나 접착층를 생략할 수 있는 이점이 있다.
본 발명은 상술한 제조방법을 통해 제조된 필터여재를 포함하여 구현된 필터유닛을 포함한다.
도 7a와 같이 상기 필터여재(1000)는 평판형 필터유닛(2000)으로 구현될 수 있다. 구체적으로 상기 평판형 필터유닛(2000)은 필터여재(1000) 및 상기 필터여재(1000)의 테두리를 지지하는 지지프레임(1100)을 포함하며, 상기 지지프레임(1100)의 어느 일영역에는 필터여재(1000)의 외부와 내부 간 압력차를 구배시킬 수 있는 흡입구(1110)가 구비될 수 있다. 또한, 상기 지지프레임(1100)에는 나노섬유웹(101,102)에서 여과된 여과액이 필터여재(1000) 내부의 제2지지체/제1지지체가 적층된 지지체(200)를 거쳐 외부로 유출될 수 있도록 하는 유로가 형성될 수 있다.
구체적으로 도 7a와 같은 필터유닛(2000)은 상기 흡입구(1110)를 통해 높은 압력의 흡입력을 가할 경우 도 7b와 같이 필터여재(1000)의 외부에 배치되는 피여과액(P)이 필터여재(1000)의 내부를 향하게 되고, 나노섬유웹(101,102)를 거쳐 여과된 여과액(Q1)은 제2지지체/제1지지체가 적층된 지지체(200)를 통해 형성된 유로를 따라 흐른 뒤 외부프레임(1100)에 구비된 유로(E)로 유입되고, 유입된 여과액(Q2)은 상기 흡입구(1110)을 통해 외부로 유출될 수 있다.
또한, 도 7a와 같은 평판형 필터유닛(2000)은 복수개가 하나의 외부케이스에 소정의 간격을 두고 이격하여 구비되는 필터모듈을 구현할 수 있고, 이와 같은 필터모듈이 다시 복수개로 적층/블록화 하여 대형 수처리 장치를 구성할 수도 있다.
하기의 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.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
101,102,111,112: 나노섬유웹 121,122: 제2지지체
130: 제1지지체 1000: 필터여재
2000,2000': 필터유닛

Claims (18)

  1. 다공성 제1지지체;
    상기 제1지지체의 상, 하부에 각각 배치되며, 은 나노입자를 포함하는 나노섬유의 적층에 의해 형성된 다수의 기공을 갖는 3차원 네트워크 구조의 나노섬유웹; 및
    상기 제1지지체 및 나노섬유웹 사이에 각각 개재된 다공성 제2지지체; 를 포함하는 필터여재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 은 나노입자의 평균 입경은 10 ~ 500nm인 필터여재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 은 나노입자의 중량은 전체 중량의 0.1 ~ 3%인 필터여재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1지지체의 두께는 상기 필터여재 전체 두께의 90% 이상인 필터여재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1지지체 및 제2지지체는 부직포, 직물 및 편물 중 어느 하나인 필터여재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1지지체의 평량은 250 ~ 800 g/㎡인 필터여재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1지지체의 두께는 2 ~ 8㎜인 필터여재.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제2지지체는,
    지지성분 및 저융점 성분을 포함하여 상기 저융점 성분의 적어도 일부가 외부면에 노출되도록 배치된 제2복합섬유를 구비하고, 상기 제2복합섬유의 저융점 성분이 나노섬유웹에 융착된 필터여재.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 필터여재의 제1지지체는 지지성분 및 저융점 성분을 포함하여 상기 저융점 성분의 적어도 일부가 외부면에 노출되도록 배치된 제1복합섬유를 구비하고, 상기 제1복합섬유의 저융점 성분 및 제2복합섬유의 저융점 성분 간 융착으로 제1지지체 및 제2지지체가 결착된 필터여재.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 나노섬유웹은 섬유형성성분으로 불소계화합물을 포함하며,
    상기 불소계화합물은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)계, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬 비닐 에테르 공중합체(PFA)계, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP)계, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌-퍼플루오로알킬 비닐 에테르 공중합체(EPE)계, 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ETFE)계, 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE)계, 클로로트리플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ECTFE)계 및 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF)계로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 화합물을 포함하는 필터여재.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 나노섬유웹은 평균공경이 0.1 ~ 3 ㎛이고, 기공도가 60 ~ 90 %인 필터여재.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 나노섬유웹을 형성하는 나노섬유는 평균직경이 50 ~ 450㎚인 필터여재.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제2지지체의 평량은 35 ~ 80g/㎡이며, 두께는 150 ~ 250㎛ 필터여재.
  14. (1) 은 나노입자를 포함하는 나노섬유웹 및 제2지지체를 합지하는 단계; 및
    (2) 상기 제2지지체가 제1지지체와 맞닿도록 제1지지체의 양면에 각각 상기 합지된 나노섬유웹 및 제2지지체를 배치시켜 합지시키는 단계;를 포함하며, 상기 제1지지체의 두께는 상기 필터여재 전체 두께의 90% 이상인 필터여재 제조방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 (1) 단계는
    1-1) 제2지지체 상부에 은 금속염이 용해된 방사용액을 전기방사하여 나노섬유웹을 형성시키는 단계; 및
    1-2) 나노섬유웹이 형성된 제2지지체의 양방에서 열 및 압력을 가하여 나노섬유웹 및 제2지지체를 합지시키는 단계;를 포함하여 수행되는 필터여재 제조방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 은 금속염은 질산은, 황산은 또는 염화은 중 어느 하나인 필터여재의 제조방법.
  17. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 필터여재; 및
    필터여재에서 여과된 여과액이 외부로 유출되도록 하는 유로를 구비하고, 상기 필터여재의 테두리를 지지하는 지지프레임; 을 포함하는 평판형 필터유닛.
  18. 제17항에 따른 다수개의 평판형 필터유닛이 소정의 간격으로 이격 배치되어 구비된 수처리 필터모듈.
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KR20230038068A (ko) * 2021-09-09 2023-03-17 주식회사 평창씨앤에프 항균동망 필터 및 이를 제조하는 방법

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