KR20190095154A - 투습성 멤브레인 및 이의 제조방법 - Google Patents

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KR20190095154A
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Abstract

투습성 멤브레인을 제공한다. 본 발명의 투습성 멤브레인은, 3차원 네트워크 구조를 갖는 제1 친수성 고분자 및 제1 친수성 고분자 내에 분산된 제2 친수성 고분자를 포함하는 고분자 매트릭스 및 고분자 매트릭스 내에 분산된 다수의 친수성 나노섬유들을 포함할 수 있다. 본 발명에 따르면, 투습성 및 기계적 물성이 동시에 향상된 투습용 멤브레인을 제공할 수 있다.

Description

투습성 멤브레인 및 이의 제조방법{Moisture-proof membrane and method of manufacturing the same}
본 발명은 멤브레인에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 투습성 멤브레인에 관한 것이다.
압축기를 통해 공기를 압축할 때, 필연적으로 수분이 압축 공기 내에 함유되게 되며, 그 수분은 공기의 압축률에 따라 증가하게 된다. 이러한 압축 공기 내의 수분은 압축 공기가 공급되는 장비 내의 여러 부품을 부식시키거나, 마모시키는데 원인이 되곤 한다. 따라서, 압축 공기 내의 수분을 장비 내에 공급하기 전에 제거하는 것이 반드시 필요하게 된다.
이와 같은 압축 공기 내 포함되어 있는 수분의 제거를 위한 방법 중의 하나로 공기를 냉각시켜, 공기 중의 수분을 응축 또는 액화시켜 제거하는 방법(이하, '심냉법'이라고도 한다)이 알려져 있으나, 이 방법은 공기를 냉각시켜야 하므로, 막대한 에너지를 소비하게 한다.
또한, 흡착제를 이용하여 압축 공기 내 수분을 흡착 제거하는 방법(이하, '흡착법'이라고도 한다)이 알려져 있으나, 이러한 방법은 사용되는 흡착제의 수명이 다한 경우 흡착제를 재생시키거나, 교체시켜야 하기 때문에, 연속적으로 공기 내 수분 제거를 하기 곤란한 단점이 있다.
또한, 제습막을 이용하여 공기로부터 수분을 분리 제거하는 방법이 알려져 있으며, 이러한 제습막을 이용한 공기로부터 수분의 분리는 필요한 에너지 소모가 적고 유지 보수가 간단하기 때문에 최근 그 이용이 급증하는 추세에 있다.
그러나, 예를 들어, 무독성이며, 물에 용해되는 친환경적 특성을 가지고, 낮은 공기 투과 및 높은 수증기 투과 특성을 동시에 가짐으로써, 제습용 분리막으로 사용되는 일반적인 친수성 고분자는 수분에 의한 내구성 저하로 인해 잦은 교체가 필요하다는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2003-0097426호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 투습성 및 기계적 물성이 동시에 향상된 투습용 멤브레인을 제공함에 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 투습성 멤브레인을 제공한다. 상기 투습성 멤브레인은, 3차원 네트워크 구조를 갖는 제1 친수성 고분자 및 상기 제1 친수성 고분자 내에 분산된 제2 친수성 고분자를 포함하는 고분자 매트릭스; 및 상기 고분자 매트릭스 내에 분산된 다수의 친수성 나노섬유들을 포함할 수 있다.
상기 제1 친수성 고분자는 가교제에 의하여 가교되어 3차원 네트워크 구조를 형성하는 것일 수 있다. 상기 가교제는 다수의 카르복실기를 구비하는 화합물일 수 있다. 상기 친수성 나노섬유 중 일부는 상기 가교제에 의하여 가교되어 3차원 네트워크 구조를 형성할 수 있다. 상기 친수성 나노섬유 중 일부는 상기 투습성 멤브레인의 상부면과 하부면을 연결하도록 배치된 것일 수 있다. 상기 친수성 나노섬유는 셀룰로오스 나노섬유인 것일 수 있다. 상기 제2 친수성 고분자는 에테르기를 갖는 것일 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 투습성 멤브레인 제조방법을 제공한다. 상기 투습성 멤브레인 제조방법은, 제1 친수성 고분자, 제2 친수성 고분자, 가교제, 친수성 나노섬유 및 용매를 포함하는 혼합 용액을 준비하는 단계, 상기 혼합 용액을 기재 상에 코팅한 후 건조하여 투습성 멤브레인을 제조하는 단계 및 상기 건조된 투습성 멤브레인을 상기 기재로부터 분리한 후, 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 친수성 고분자는 히드록시기를 갖는 고분자일 수 있다. 상기 열처리에 의하여 상기 제1 친수성 고분자는 상기 가교제에 의하여 가교되어 3차원 네트워크 구조를 형성할 수 있다. 상기 열처리에 의하여 상기 친수성 나노섬유들 중 일부는 상기 가교제에 의하여 가교되어 3차원 네트워크 구조를 형성할 수 있다.
상기 제2 친수성 고분자는 에테르기를 갖는 고분자일 수 있다. 상기 혼합용액의 상기 제2 친수성 고분자는, 상기 제1 친수성 고분자 100 중량 대비 1 내지 20 중량으로 함유될 수 있다. 상기 혼합용액의 상기 친수성 나노섬유는, 상기 제1 친수성 고분자 100 중량 대비 1 내지 20 중량으로 함유될 수 있다.
본 발명에 따르면, 투습성 및 기계적 물성이 동시에 향상된 투습용 멤브레인을 제공할 수 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투습성 멤브레인을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 비교예 1 및 2의 멤브레인의 투습성을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 비교예 1 및 2의 멤브레인들의 적외선 분광스펙트럼 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 비교예 3의 멤브레인의 투습성을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 비교예 1 내지 3 멤브레인들의 인장 강도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 비교예 3과 제조예 멤브레인의 투습성을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 비교예 1 및 제조예 멤브레인의 표면을 나타낸 사진들이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투습성 멤브레인을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 투습성 멤브레인(300)은 제1 친수성 고분자(101) 및 상기 제1 친수성 고분자(101) 내에 분산된 제2 친수성 고분자(110)를 포함하는 고분자 매트릭스(100)를 구비할 수 있다.
상기 제1 친수성 고분자(101)는 표면에 친수성 작용기를 구비하는 고분자일 수 있으며, 예를 들어, 상기 제1 친수성 고분자(101)는 분자량이 100,000 내지 200,000인 것일 수 있다. 일 예로, 상기 친수성 작용기는 히드록시기(-OH)일 수 있으며, 상기 제1 친수성 고분자(101)는 폴리비닐알코올(PVA)일 수 있다.
상기 제1 친수성 고분자(101)는 고분자 사슬들 사이에 가교(102)를 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 친수성 고분자(101)는 상기 가교(102)에 의하여 3차원의 네트워크 구조를 형성함으로써, 상기 투습성 멤브레인(30)의 내수성을 증가시킬 수 있다.
상기 가교제의 종류에는 크게 제한이 있지는 않으며, 상기 제1 친수성 고분자(101), 구체적으로, 상기 친수성 작용기의 종류에 따라 달라질 수 있다. 일 예로, 상기 가교제는 다수의 카르복실기(-COOH)를 구비하는 것으로, 예를 들어, 상기 가교제는 말산(malic acid), 말레인 산(maleic acid), 숙신산(succinic acid) 또는 폴리아크릴산(polyacrylic acid)일 수 있다.
상기 제2 친수성 고분자(110)는 상기 제1 친수성 고분자(101)의 네트워크 구조 내에 분산되어 있을 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 친수성 고분자(110)는 표면에 다량의 친수성 작용기를 구비하되, 상기 가교제에 의하여 가교를 형성하지 않는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 친수성 작용기는 에테르기, 케톤기, 에스터기, 일 예로, 상기 친수성 작용기는 에테르기일 수 있다.
즉, 상기 제2 친수성 고분자(110)는 상기 가교제에 의하여 가교를 형성하지 않으면서 친수성인 상기 제1 친수성 고분자(101) 내에 쉽게 분산될 수 있어, 상기 투습성 멤브레인(30) 내에서 다수의 투습 경로를 형성할 수 있다. 이로써, 상기 투습성 멤브레인(30)의 내수성 및 투습성을 동시에 향상시킬 수 있다.
상기 제2 친수성 고분자(110)는 예를 들어, 500,000 내지 1,500,000, 구체적으로, 800,000 내지 1,200,000의 고 분자량을 갖는 고분자일 수 있으며, 일 예로, 상기 제2 친수성 고분자(110)는 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 또는 폴리프로필렌옥사이드일 수 있다.
상기 고분자 매트릭스(100) 내에서 상기 제2 친수성 고분자(110)는 상기 제1 친수성 고분자(101) 100 중량 대비 1 내지 20중량, 구체적으로, 1 내지 10중량, 일 예로, 3 내지 7중량으로 함유될 수 있다.
상기 고분자 매트릭스(100)는, 상기 제2 친수성 고분자(110)가 분산된 제1 친수성 고분자(101) 네트워크 내에 다수 개의 친수성 나노섬유(200)들을 더 구비할 수 있다. 구체적으로, 상기 친수성 나노섬유(200)는 표면에 다수의 친수성 작용기를 구비하고, 상기 제2 친수성 고분자(110)가 분산된 제1 친수성 고분자(101) 네트워크 내에 분산되어 있을 수 있다.
일 예로, 상기 친수성 작용기는 히드록시기(-OH)일 수 있으며, 구체적으로, 상기 친수성 나노섬유(200)는 셀룰로오스 나노섬유(CNF)일 수 있다. 더 구체적으로, 상기 셀룰로오스 나노섬유(CNF)는 목재 혹은 비목재 바이오매스로부터 예를 들어, 기계적 처리에 의하여 일 예로, 평균 직경이 수nm 내지 수백nm, 구체적으로, 1nm 내지 200nm, 더 구체적으로, 5nm 내지 100nm, 평균 길이가 수㎛ 내지 수십㎛, 구체적으로, 1㎛ 내지 99㎛, 더 구체적으로, 10㎛ 내지 50㎛인 나노섬유 형태로 제조된 것일 수 있다. 상기 기계적 처리는 예를 들어, 고압 균질기(high-pressure homogenizer)에 의한 혼합일 수 있으며, 상기 셀룰로오스 나노섬유(CNF)의 제조방법으로는, 일 예로, 셀룰로오스 섬유를 증류수에 섞은 현탁액을 만든 후 상기 고압 균질기를 사용하여 상기 현탁액을 균질화시킬 수 있다. 경우에 따라서, 상기 기계적 처리 전에 화학적 산화, 일 예로, TEMPO 촉매 산화에 의한 전처리를 수행할 수도 있다.
상기 친수성 나노섬유(200)는 상기 제1 친수성 고분자(101) 100 중량 대비 1 내지 20중량, 구체적으로, 1 내지 10중량, 일 예로, 3 내지 7중량으로 함유되거나, 또는 1 내지 20중량, 구체적으로, 5 내지 15중량, 일 예로, 8 내지 12중량으로 함유될 수 있다.
상기 친수성 나노섬유(200) 중 일부는 상기 가교제에 의해 가교를 형성할 수 있다. 일 예로, 상기 친수성 나노섬유(200)의 표면에 구비된 다수의 친수성 작용기, 구체적으로, 히드록시기(-OH)가 상기 가교제, 구체적으로, 말산과 반응하여 가교를 형성하여 3차원의 네트워크 구조를 형성할 수 있다. 또한, 상기 친수성 나노섬유(200) 중 일부는 상기 투습성 멤브레인(300)의 상부면(301)과 하부면(302)을 연결하도록 배치될 수 있다.
이로써, 상기 투습성 멤브레인(300) 내에서 상기 친수성 나노섬유(200)는, 표면에 구비된 다수의 친수성 작용기에 의한 투습 경로를 확보함과 동시에, 상기 가교에 의해 형성된 네트워크 구조를 통하여 상기 투습성 멤브레인(300) 의 기계적 강도를 증가시키는 효과를 발휘할 수 있다.
다시 말해서, 본 발명의 일 실시예에 따른 투습성 멤브레인(300)은, 상기 고분자 메트릭스(100)의 대부분을 차지하는 제1 친수성 고분자(101)가 가교에 의하여 3차원 네트워크 구조를 형성하여 내수성을 증가시킬 수 있는 반면에, 가교에 의하여 친수성 작용기, 구체적으로, OH기가 부족해져 투습성이 다소 감소될 수 있는 부분을, 상기 네트워크 구조 내에 분산된 상기 제2 친수성 고분자(110)에 의한 투습 경로 확보를 통하여 보완할 수 있다. 이에 따라, 투습성 멤브레인(300)의 내수성 및 투습성을 동시에 확보할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
한편, 상기 고분자 메트릭스(100) 내에 분산된 상기 친수성 나노섬유(200)중 일부 또한, 가교되어 3차원 네트워크 구조를 형성함으로써, 상기 투습성 멤브레인(300)의 기계적 강도 및 내수성을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 친수성 나노섬유(200)의 적어도 일부가 상기 멤브레인(300)의 상부면(301) 및 하부면(302)을 연결하도록 배치된 구조 및 가교되지 않은 친수성 나노섬유(200)의 표면에 구비된 다수의 친수성 작용기들을 통하여, 상기 투습성 멤브레인(300) 내에 다수의 투습 경로를 확보할 수 있다.
즉, 본 발명의 상기 투습성 멤브레인(300)은 기존의 투습성 분리막들에 비하여 내수성, 기계적 강도 및 투습 특성이 모두 증대된 우수한 투습성 멤브레인을 제공할 수 있다.
상기 투습성 멤브레인의 제조하기 위하여, 전술된 제1 친수성 고분자, 제2 친수성 고분자, 가교제 및 친수성 나노섬유가 용매, 구체적으로 수용성 용매, 일 예로, 물에 혼합된 혼합 용액을 준비할 수 있다. 상기 혼합 용액 내에서 상기 제1 친수성 고분자, 제2 친수성 고분자, 가교제 및 친수성 나노섬유들은 서로 고루 섞여있을 수 있으며, 구체적으로, 상기 제1 친수성 고분자는 상기 용액 내에서 거의 용해되어 있을 수 있다. 이를 위하여, 상기 혼합 용액을 일 예로, 100℃ 미만, 구체적으로, 70℃ 내지 90℃의 온도를 유지하는 항온 수조 내에서 교반할 수 있다. 예를 들어, 상기 혼합 용액 내에서 상기 용매는 상기 제1 친수성 고분자 1 중량 대비 15 내지 20중량으로 함유될 수 있다.
상기 혼합 용액 내에서 상기 제2 친수성 고분자는 상기 제1 친수성 고분자 100 중량 대비 1 내지 20중량, 구체적으로, 1 내지 10중량, 일 예로, 3 내지 7중량으로 함유될 수 있다. 상기 가교제는 상기 제1 친수성 고분자 100 중량 대비 0.3 내지 30, 구체적으로, 5 내지 20 중량으로 함유될 수 있다. 상기 친수성 나노섬유는 상기 제1 친수성 고분자 100 중량 대비 1 내지 20중량, 구체적으로, 1 내지 10중량, 일 예로, 3 내지 7중량으로 함유될 수 있다.
상기 혼합 용액을 기재 상에, 구체적으로, 내수성이 강한 고분자 필름, 일 예로 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름 상에 코팅한 후 건조시킬 수 있다. 상기 코팅은 어플리케이터(applicator), 일 예로, 칼 어플리케이터(knife applicator)를 사용할 수 있으며, 예를 들어, 상기 건조는 일 예로, 열풍 오븐에서, 100℃ 미만, 구체적으로, 50℃ 내지 70℃, 더 구체적으로 60℃의 온도 범위로, 30분 내지 90분, 일 예로 60분 동안 수행될 수 있다. 상기 건조에 의하여 상기 용매는 모두 제거되고, 상기 기재 상에 투습성 멤브레인이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 멤브레인의 두께는 5㎛ 내지 12㎛, 구체적으로, 8㎛ 내지 10㎛일 수 있다.
상기 건조된 투습성 멤브레인을 상기 기재로부터 분리한 다음, 열처리를 수행할 수 있다. 상기 열처리에 의하여 상기 고분자 메트릭스 내에 상기 가교제에 의한 가교를 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 열처리는 일 예로, 오븐에서, 진공 조건 하에, 100℃ 이상, 구체적으로, 100℃ 내지 200℃, 일 예로, 160℃의 온도 범위로, 30분 내지 90분, 일 예로 60분 동안 수행될 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실험예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
<제조예 : 투습성 멤브레인 제조>
100ml 바이알에 분자량 150,000, 검화도 98.5%의 폴리비닐알콜(PVA) 3g과 폴리에틸렌옥사이드(PE0)(분자량 1,000,000) 0.15g(5phr), 말산 0.6g(20phr) 및 셀룰로오스 나노섬유 0.3g(10phr)을 물 57g에 혼합한 혼합 용액을 준비한 후, 85 ℃의 항온수조에서 교반하면서 폴리비닐알콜을 녹였다. 상기 용액을 칼 어플리케이터(knife applicator)를 이용하여 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름에 코팅하고, 60 ℃의 열풍오븐에서 약 1시간 동안 건조하여 두께 약 9㎛의 투습성 멤브레인을 제조하였다. 건조된 투습성 멤브레인을 상기 PET 필름에서 분리한 후, 160 ℃의 오븐에서 진공상태로 1시간동안 열처리하였다.(phr= 폴리비닐알콜 기준)
<비교예 1 : 투습성 멤브레인(가교제(말산), 친수성 나노섬유(셀룰로오스 나노섬유) 및 제2 친수성 고분자(PEO) 모두 미포함) 제조>
전술된 제조예의 혼합용액 중 가교제, 친수성 나노섬유 및 제2 친수성 고분자를 포함하지 않는 것을 제외하고는, 제조예와 동일한 방법으로 투습성 멤브레인을 제조하였다.
<비교예 2 : 투습성 멤브레인(친수성 나노섬유(셀룰로오스 나노섬유) 및 제2 친수성 고분자(PEO) 미포함) 제조>
전술된 제조예의 혼합용액 중 친수성 나노섬유 및 제2 친수성 고분자를 포함하지 않는 것을 제외하고는, 제조예와 동일한 방법으로 투습성 멤브레인을 제조하였다.
<비교예 3 : 투습성 멤브레인(제2 친수성 고분자(PEO) 미포함) 제조>
전술된 제조예의 혼합용액 중 제2 친수성 고분자를 포함하지 않는 것을 제외하고는, 제조예와 동일한 방법으로 투습성 멤브레인을 제조하였다.
표 1은 제조예 및 비교예 1, 2, 3에 따른 멤브레인 내 성분을 정리한 것이다. (포함: O, 미포함: X)
제조예 비교예 1 비교예 2 비교예 3
친수성 나노섬유(CNF) O X X O
제1 친수성 고분자(PVA) O O O O
제2 친수성 고분자(PEO) O X X X
가교제(MA) 20phr X 20phr 20phr
도 2는 본 발명의 비교예 1 및 2의 멤브레인의 투습성을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 실험군으로, 비교예 1(MA: 0phr), 비교예 2(MA: 20phr)와, 비교예 1인 폴리비닐알콜만이 포함된 혼합용액을 사용하여 멤브레인을 제조하되, 가교제의 함량을 5phr, 10phr, 15phr 로 달리한 멤브레인들을 추가로 준비하였다. 투습도 측정 방법으로는, ASTM-E96의 규격을 따르는 투습컵에 상기 멤브레인들을 각각 장착하여 60℃, 상압의 열풍 오븐에서 24시간 보관한 후 무게를 측정하였다. 측정된 무게를 통해 무게 변화량을 얻고 이를 사용하여 시간당 투습도(g/m2hr)를 계산하였다.
도 2를 참조하면, 실험군 멤브레인들은 가교제의 함량이 증가할수록 투습도가 점점 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 가교제의 함량이 증가할수록 제1 친수성 고분자, 즉, PVA의 가교도가 증가하여 내수성은 향상되는 반면, 친수성 작용기인 히드록시기가 줄어들어 투습성이 감소되는 것으로 해석된다.
도 3은 본 발명의 비교예 1 및 2의 멤브레인들의 적외선 분광스펙트럼 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 정확한 비교를 위하여 실험군으로, 비교예 1 및 2과, 대조군(비교예 1을 따라 PVA만을 포함하되, 열처리를 하지 않고 제조한 멤브레인), 비교예 2(a)(비교예 2를 따르되, MA를 10phr 포함)의 멤브레인 또한 함께 비교하였다.
도 3을 참조하면, 비교예 2 및 비교예 2(a)는 비교예 1 및 대조군에 비하여 에스터(ester) 피크 세기가 강하게 나타난 것을 확인할 수 있다. 이는 PVA의 하이드록실기와 말산(malic acid)의 카르복실기 가교에 의해 생성된 에스터(ester) 결합에 의한 것으로 해석된다. 비교예 2(MA:20phr)가 비교예 2(a)(MA:10phr)에 비하여 피크 세기가 강하게 나타난 것으로 보아, 가교제의 함량이 증가할수록 PVA의 가교도가 증가한 것임을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 비교예 3의 멤브레인의 투습성을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 실험군으로는 비교예 3, 즉, PEO 만을 포함하지 않은 혼합용액을 사용하여 제조된 멤브레인을 준비하되, 이때, 가교제인 말산의 함량을 (a)0phr, (b)10phr 및 (c)20phr 로 달리한 실험군 (a),(b),(c)를 준비한 후, 상기 (a),(b),(c) 각각에 셀룰로오스 나노섬유의 함량을 0phr, 2phr, 4phr, 6phr, 8phr, 10phr으로 달리한 멤브레인들을 제조하였다. 이후, 상기 실험군 멤브레인들의 투습도를 측정하였다. 투습도 측정 실험은 전술된 도 2의 설명과 동일한 방법으로 수행되었다.
도 4를 참조하면, (b) 및 (c)의 경우, 셀룰로오스 나노섬유의 함량이 약 3phr이 될 때까지는 약 230g/m2hr 내지 242g/m2hr 범위의 투습도가 유지되다가, 셀룰로오스 나노섬유의 함량이 5phr 이상으로 증가하면, 투습도가 약 10% 정도 감소하는 경향을 보임을 알 수 있다. 이는 셀룰로오스 나노섬유의 함량이 증가하면, 상기 나노섬유의 가교도가 증가하여 친수성 작용기인 OH기가 줄어든 결과로 해석될 수 있다. 도 3의 결과는 추후 도 5에 대한 설명에서 다시 구체적으로 서술될 것이다.
도 5는 본 발명의 비교예 1 내지 3 멤브레인들의 인장 강도를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 실험군으로는 비교예 1, 2, 3과, 비교예 2에서 말산을 10phr으로 함유한 것(비교예 2(a)), 비교예 3에서 말산을 10phr로 함유한 것(비교예 3(a))을 사용하여 제조된 멤브레인들을 준비하였다.
인장 강도의 측정 실험방법으로는, 각각의 실험군 멤브레인들을 컷팅(cutting)하여 ASTM D882 규격에 따라 너비 12 mm, 길이 100 mm 의 크기로 각각 10장씩 준비하였다. 준비된 시편을 만능시험기에 표점거리 50mm가 되도록 장착하고 크로스-헤드 속도(cross-head speed)는 50 mm/min으로 설정하여 인장강도를 측정하였다.
도 5를 참조하면, 비교예 1에 비하여 비교예 2 및 3의 인장 강도가 높게 측정된 것으로 보아, 가교제 첨가로 인한 폴리비닐알코올의 가교가 증가된 결과로 해석될 수 있다.
또한, 비교예 3, 즉, 셀룰로오스 나노섬유를 포함한 멤브레인이 비교예 2, 즉, 셀룰로오스 나노섬유를 포함하지 않는 멤브레인에 비하여 인장 강도가 40MPa에 달하는, 혹은 그 이상의 높은 인장강도를 보임을 확인할 수 있다. 즉, 셀룰로오스 나노섬유의 첨가로 인하여, 투습성 멤브레인의 기계적 물성이 증가되었음을 보여준다. 한편, 비교예 3(a)가 비교예 3에 비하여, 또는 비교예 2(a)가 비교예 2에 비하여 인장강도가 높게 측정된 것은 가교제인 말산의 함량이 높게 함유된 결과인 것으로 해석된다.
도 6은 본 발명의 비교예 3과 제조예 멤브레인의 투습성을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 투습성 측정은 전술된 도 2의 설명과 동일한 방법으로 수행되었다.
도 6을 참조하면, 제조예, 즉, 셀룰로오스 나노섬유를 포함하고, PEO가 첨가된 멤브레인의 투습도가 비교예 3, 셀룰로오스 나노섬유를 포함하되, PEO를 포함하지 않는 멤브레인의 투습도보다 약 40g/m2hr 내지 50g/m2hr 가량 높게 측정되었음을 확인할 수 있다.
또한, 전술된 도 3을 다시 참조하면, 도 3의 비교예들, 즉, PEO를 포함하지 않는 멤브레인의 경우, 투습도가 최대 242g/m2hr 까지만 측정되었고, 셀룰로오스 함량이 5phr 이상만 되어도 투습도가 급격히 감소되는 결과를 보인 반면, 본 발명의 제조예의 경우, 셀룰로오스 나노섬유를 10phr인 고함량을 사용하더라도 비교예들이 보여주는 최대 투습도인 242g/m2hr을 상회한 약 280g/m2hr에 달하는 높은 투습도를 보여주는 것을 확인할 수 있다. 또한, 비교예들의 멤브레인과는 달리, 본 발명의 제조예의 경우, 가교제의 함량이 20phr이 되더라도 여전히 비교예들의 최대 투습도인 242g/m2hr보다 더 높은 투습도를 보여줌을 확인할 수 있다.
다시 말해서, 본 발명의 제조예의 투습성 멤브레인의 경우, 고분자 메트릭스 내에서 가교를 형성하지 않으면서도 다수의 친수성 작용기를 구비하는 제2 친수성 고분자, 즉, PEO를 포함함으로써, 셀룰로오스 나노섬유에 의한 높은 기계적 강도를 발휘하면서도 우수한 투습 특성을 동시에 나타낼 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
도 7은 본 발명의 비교예 1 및 제조예 멤브레인의 표면을 나타낸 사진들이다. 비교예 1 및 제조예와, 비교예 1에 PEO를 첨가한 것(비교예 1(a)을 실험군으로 준비하였으며, 이들 멤브레인의 발수성(내수성)을 육안으로 비교하였다.
도 7을 참조하면, 비교예 1, 비교예 1(a) 및 제조예의 멤브레인 모두 발수성이 유지되었음을 확인할 수 있다. 즉, PEO를 첨가하여도 투습성 멤브레인이 갖고 있던 내수성에는 영향을 주지 않음을 보여준다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: 고분자 메트릭스 101: 제1 친수성 고분자
102: 가교 110: 제2 친수성 고분자
200: 친수성 나노섬유 300: 투습성 멤브레인
301: 상부면 302: 하부면

Claims (14)

  1. 3차원 네트워크 구조를 갖는 제1 친수성 고분자 및 상기 제1 친수성 고분자 내에 분산된 제2 친수성 고분자를 포함하는 고분자 매트릭스; 및
    상기 고분자 매트릭스 내에 분산된 다수의 친수성 나노섬유들을 포함하는, 투습성 멤브레인.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 친수성 고분자는 가교제에 의하여 가교되어 3차원 네트워크 구조를 형성하는 것인, 투습성 멤브레인.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가교제는 다수의 카르복실기를 구비하는 화합물인 것인, 투습성 멤브레인.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 친수성 나노섬유 중 일부는 상기 가교제에 의하여 가교되어 3차원 네트워크 구조를 형성하는 것인, 투습성 멤브레인.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 나노섬유 중 일부는 상기 투습성 멤브레인의 상부면과 하부면을 연결하도록 배치된 것인, 투습성 멤브레인.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 나노섬유는 셀룰로오스 나노섬유인 것인, 투습성 멤브레인.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 친수성 고분자는 에테르기를 갖는 고분자인 것인, 투습성 멤브레인.
  8. 제1 친수성 고분자, 제2 친수성 고분자, 가교제, 친수성 나노섬유 및 용매를 포함하는 혼합 용액을 준비하는 단계;
    상기 혼합 용액을 기재 상에 코팅한 후 건조하여 투습성 멤브레인을 제조하는 단계; 및
    상기 건조된 투습성 멤브레인을 상기 기재로부터 분리한 후, 열처리하는 단계를 포함하는 투습성 멤브레인 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 친수성 고분자는 히드록시기를 갖는 고분자인 것인 투습성 멤브레인 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 열처리에 의하여 상기 제1 친수성 고분자는 상기 가교제에 의하여 가교되어 3차원 네트워크 구조를 형성하는 것인, 투습성 멤브레인 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 열처리에 의하여 상기 친수성 나노섬유들 중 일부는 상기 가교제에 의하여 가교되어 3차원 네트워크 구조를 형성하는 것인, 투습성 멤브레인 제조방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제2 친수성 고분자는 에테르기를 갖는 고분자인 것인, 투습성 멤브레인 제조방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 혼합용액의 상기 제2 친수성 고분자는, 상기 제1 친수성 고분자 100 중량 대비 1 내지 20 중량으로 함유되는 것인, 투습성 멤브레인 제조방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 혼합용액의 상기 친수성 나노섬유는, 상기 제1 친수성 고분자 100 중량 대비 1 내지 20 중량으로 함유되는 것인, 투습성 멤브레인 제조방법.
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