KR20220105348A - 마스크 필터용 나노섬유웹과 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 재사용 가능한 나노섬유 마스크 - Google Patents

마스크 필터용 나노섬유웹과 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 재사용 가능한 나노섬유 마스크 Download PDF

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오성호
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금오공과대학교 산학협력단
김승현
오성호
하유진
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Abstract

본 발명은 폴리락트산; 및 클로로포름과 디메틸포름아미드의 혼합용매;를 포함하는 고분자 용액을 전기방사시켜 제조된 마스크 필터용 나노섬유웹 및 이를 포함하는 나노섬유 마스크에 관한 것으로, 상기 나노섬유 마스크는 생분해성인 폴리락트산으로 제조됨에 따라 친환경적이며, 여러번 소독 및 세척하여 사용할 수 있어 일회용 마스크에 비해 비용 절감 및 쓰레기 절감 효과가 우수하다.

Description

마스크 필터용 나노섬유웹과 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 재사용 가능한 나노섬유 마스크 {Nanofiber web for mask filter, manufacturing method thereof, and reusable nanofiber mask including the same}
본 발명은 마스크 필터용 나노섬유웹과 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 재사용 가능한 나노섬유 마스크에 관한 것이다.
대부분의 보건용 마스크는 재사용이 불가능하다. 그 이유는 물에 세척하게 되면 정전기가 없어져 여과 효율이 급격하게 줄어들기 때문이다.
그러나, 섬유사이의 공극을 줄여 초미세입자를 거르는 나노섬유 마스크는 반복적인 소독 및 세척이 가능하여 경제적이며 친환경적이다. 또한 대부분의 마스크들은 PE(Polyethylene)이나 PP(Polypropylene)와 같은 소재로 만들어져 분해 시간이 PLA(Poly Lactic Acid)에 비해 아주 오래 소요된다. 이번 프로젝트에서는 친환경적인 생분해성 고분자 PLA를 이용하여 나노섬유 마스크 필터를 제작하였다. PLA는 옥수수에서 전분을 발효시킴으로써 글루코스를 거쳐 젖산(lactic acid)으로 되면, 이를 축합중합하여 만들어진다. PLA는 PE나 PP에 비해 분해가 훨씬 빠르게 일어나고, 부산물이 무해하여 환경 친화적이다.
한편, 이에 대한 유사 선행문헌으로는 대한민국 등록특허공보 제10-1224786호가 제시되어 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1224786호 (2013.01.15.)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 생분해성인 폴리락트산으로 제조됨에 따라 친환경적이며, 여러번 소독 및 세척하여 사용할 수 있어 일회용 마스크에 비해 비용 절감 및 쓰레기 절감 효과가 우수한 마스크 필터용 나노섬유웹과 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 재사용 가능한 나노섬유 마스크를 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만 상기 목적은 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태는 폴리락트산; 및 클로로포름과 디메틸포름아미드의 혼합용매;를 포함하는 고분자 용액을 전기방사시켜 제조된, 마스크 필터용 나노섬유웹에 관한 것이다.
상기 일 양태에 있어, 상기 고분자 용액 중 폴리락트산의 농도는 10 내지 15 중량%일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 클로로포름:디메틸포름아미드의 부피비는 1:0.5 내지 2일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 나노섬유웹의 나노섬유는 400 내지 800 ㎚의 평균 직경을 가지는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 양태는 전술한 마스크 필터용 나노섬유웹을 포함하는 재사용 가능한 마스크에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 양태는 폴리락트산; 및 클로로포름과 디메틸포름아미드의 혼합용매;를 포함하는 고분자 용액을 전기방사시켜 나노섬유웹을 제조하는 단계를 포함하는, 마스크 필터용 나노섬유웹의 제조 방법에 관한 것이다.
상기 다른 일 양태에 있어, 상기 전기방사는 실린지 니들 게이지 20 내지 22, 0.5 내지 2 ㎖/시간의 토출속도, 팁과 콜렉터의 이격 거리 10 내지 20 ㎝, 인가 전압 10 내지 30 ㎸ 및 롤러 속도 50 내지 200 rpm의 조건으로 수행되는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 마스크 필터용 나노섬유웹은 생분해성인 폴리락트산으로 제조됨에 따라 친환경적이며, 폴리락트산 자체가 항균성을 가져 미세먼지 차단 효과뿐만 아니라 바이러스 및 세균 등의 침투를 더욱 효과적으로 방지할 수 있다는 장점이 있다.
아울러, 상기 마스크 필터용 나노섬유웹을 포함하는 나노섬유 마스크는 여러번 소독 및 세척하여 사용할 수 있어 일회용 마스크에 비해 비용 절감 및 쓰레기 절감 효과가 우수하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따라 제조된 마스크 필터용 나노섬유웹의 실사진이다.
도 2는 본 발명의 일 예에 따라 제조된 마스크 필터용 나노섬유웹을 마스크 내부에 삽입한 나노섬유 마스크의 실사진이다.
도 3은 실시예에 따라 제조된 마스크 필터용 나노섬유웹의 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.
도 4는 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 마스크 필터용 나노섬유웹의 SEM 이미지이다.
도 5는 비교예 1 내지 5에 따라 제조된 마스크 필터용 나노섬유웹의 SEM 이미지이다.
도 6은 멜트블로운 방식으로 제조된 정전기형 마스크의 SEM 이미지이다.
이하 본 발명에 따른 마스크 필터용 나노섬유웹과 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 재사용 가능한 나노섬유 마스크에 대하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 일 양태는 폴리락트산; 및 클로로포름과 디메틸포름아미드의 혼합용매;를 포함하는 고분자 용액을 전기방사시켜 제조된 마스크 필터용 나노섬유웹에 관한 것이다.
본 발명에 따른 마스크 필터용 나노섬유웹은 생분해성인 폴리락트산으로 제조됨에 따라 친환경적이며, 폴리락트산 자체가 항균성을 가져 미세먼지 차단 효과뿐만 아니라 바이러스 및 세균 등의 침투를 더욱 효과적으로 방지할 수 있다는 장점이 있다.
아울러, 상기 마스크 필터용 나노섬유웹을 포함하는 나노섬유 마스크는 여러번 소독 및 세척하여 사용할 수 있어 일회용 마스크에 비해 비용 절감 및 쓰레기 절감 효과가 우수하다는 장점이 있다.
이하, 본 발명의 일 예에 따른 마스크 필터용 나노섬유웹에 대하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 일 예에 따른 폴리락트산(PLA, poly(lactic acid))은 락트산(lactic acid)의 중축합 또는 락티드(Lactide)의 개환중합에 의해 합성되는 지방족 폴리에스터로서, 상기 폴리락트산은 수분이 있는 조건에서 가수분해 되어 젖산을 생성하는 생분해성을 가져 친환경적임과 동시에 인체에 무해한 물질이다. 나아가, 가수분해 생성물인 젖산은 pka 3.86으로 균이 번식하기 힘든 산성 환경을 만들어 바이러스 및 세균 등의 번식이 어렵다는 장점이 있다.
상기 폴리락트산은 주로 감자와 옥수수로부터 얻어지는 천연 식물성 당 성분을 원료로 하여 제조된 것일 수 있으며, 예를 들면 폴리-L-락타이드(PLLA), 폴리-D-락타이드(PDLA) 및 폴리-LD-락타이드(PDLLA) 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
보다 상세하게, 본 발명에 사용하기에 적합한 폴리락트산은 저분자량 폴리락트산일 수 있으며, 구체적인 일 예시로 폴리락트산의 수평균분자량은 50,000 내지 200,000 g/mol, 보다 좋게는 100,000 내지 150,000 g/mol일 수 있다. 이와 같은 범위에서 생분해성이 우수하며, 상용성을 가질 수 있다.
상기 고분자 용액 중 폴리락트산의 농도는 10 내지 15 중량%일 수 있으며, 보다 좋게는 12 내지 13.5 중량%일 수 있다. 이와 같은 범위에서 단사 현상 없이 형균 직경 1 ㎛ 이하인 나노섬유가 효과적으로 전기방사될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어, 상기 혼합용매는 폴리락트산을 용해시킴과 동시에 고분자 용액의 방사 특성을 조절하기 위한 것으로, 클로로포름과 디메틸포름아미드의 혼합용매일 수 있으며, 상기 클로로포름:디메틸포름아미드의 부피비는 1:0.5 내지 2, 보다 좋게는 1: 0.8 내지 1.2일 수 있다. 이와 같은 중량부 범위를 만족함으로써, 도 3과 같이 전기방사된 나노섬유의 직경이 균일해지도록 할 수 있다.
구체적인 일 예시로서, 상기 나노섬유웹의 나노섬유는 400 내지 800 ㎚의 평균 직경을 가지는 것일 수 있으며, 보다 좋게는 500 내지 700 ㎚의 평균 직경을 가지는 것일 수 있다. 이와 같은 범위에서 나노섬유웹이 나노공극을 가져 미세먼지와 바이러스, 세균 등을 효과적으로 여과할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 양태는 전술한 마스크 필터용 나노섬유웹을 포함하는 재사용 가능한 나노섬유 마스크로, 마스크 필터용 나노섬유웹을 나노섬유 마스크의 필터로서 활용할 수 있다. 구체적인 일 예시로, 상기 나노섬유 마스크는 내층/나노섬유웹 필터층/외층으로 구성될 수 있으며, 이때 상기 내층 및 외층은 피부에 닿았을 때 촉감 및 착용감이 우수한 스펀본드 부직포일 수 있다. 스펀본드 부직포는 당업계에서 통상적으로 사용하는 것이라면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있으며, 구체적인 일 예시로 폴리프로필렌 섬유, 폴리올레핀계 섬유, 폴리에스테르계 섬유 및 폴리아미드계 섬유 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 스펀본드 방식으로 방사하여 제조된 부직포일 수 있다.
아울러, 본 발명의 또 다른 일 양태는 전술한 마스크 필터용 나노섬유웹을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 폴리락트산; 및 클로로포름과 디메틸포름아미드의 혼합용매;를 포함하는 고분자 용액을 전기방사시켜 나노섬유웹을 제조하는 단계를 포함하는 마스크 필터용 나노섬유웹의 제조 방법에 관한 것이다.
이때, 상기 각 성분의 종류 및 함량 등은 전술한 바와 동일함에 따라 중복 설명은 생락한다.
본 발명의 일 예에 있어, 상기 전기방사는 목표하는 직경을 가진 나노섬유웹을 제조할 수 있다면 특별히 그 방법을 제한하진 않으나, 실린지 니들 게이지 20 내지 22, 0.5 내지 2 ㎖/시간의 토출속도, 팁과 콜렉터의 이격 거리 10 내지 20 ㎝, 인가 전압 10 내지 30 ㎸ 및 롤러 속도 50 내지 200 rpm의 조건으로 수행하는 것이 400 내지 800 ㎚의 평균 직경을 가진 나노섬유로 구성된 나노섬유웹을 제조함에 있어 바람직하다.
이하, 실시예를 통해 본 발명에 따른 마스크 필터용 나노섬유웹과 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 재사용 가능한 나노섬유 마스크에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.
[실시예 1]
클로로포름:디메틸포름아미드를 50:50의 부피비로 혼합한 혼합용매에 폴리락트산(수평균분자량 120,000 g/mol)을 12.48 중량%의 농도가 되도록 넣은 후, 55℃에서 4시간 동안 가열하여 폴리락트산을 완전히 용해시켰다.
이후 실린지 필터를 사용하여 불순물을 걸러낸 후, 실린지 니들 게이지 21, 1.0 ㎖/시간의 토출속도, 팁과 콜렉터의 이격 거리 15 ㎝, 인가 전압 20 ㎸ 및 롤러 속도 80 rpm의 조건으로 전기방사를 수행하여 나노섬유웹을 제조하였다.
[실시예 2]
클로로포름:디메틸포름아미드를 75:25의 부피비로 혼합한 혼합용매를 사용한 것 외 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다.
[비교예 1]
클로로포름에 폴리락트산(수평균분자량 120,000 g/mol)을 10.34 중량%의 농도가 되도록 넣은 후, 55℃에서 4시간 동안 가열하여 폴리락트산을 완전히 용해시켰다.
이후 실린지 필터를 사용하여 불순물을 걸러낸 후, 실린지 니들 게이지 21, 1.0 ㎖/시간의 토출속도, 팁과 콜렉터의 이격 거리 15 ㎝, 인가 전압 20 ㎸ 및 롤러 속도 80 rpm의 조건으로 전기방사를 수행하여 나노섬유웹을 제조하였다.
[비교예 2]
토출속도를 0.5 ㎖/시간으로 달리한 것 외 모든 공정을 비교예 1과 동일하게 진행하였다.
[비교예 3]
토출속도를 0.1 ㎖/시간으로 달리한 것 외 모든 공정을 비교예 1과 동일하게 진행하였다.
[비교예 4]
클로로포름에 폴리락트산(수평균분자량 120,000 g/mol)을 9.0 중량%의 농도가 되도록 넣은 것 외 모든 공정을 비교예 3과 동일하게 진행하였다.
[비교예 5]
클로로포름에 폴리락트산(수평균분자량 120,000 g/mol)을 8.0 중량%의 농도가 되도록 넣은 것 외 모든 공정을 비교예 3과 동일하게 진행하였다.
도 1은 상기 실시예 1에 따라 제조된 나노섬유웹의 실사진이며, 도 2는 실시예 1의 마스크 필터용 나노섬유웹을 마스크 내부에 삽입한 나노섬유 마스크의 실사진이다.
KF94 마스크의 기준은 0.4 ㎛ 크기의 입자에 대해 94 중량% 이상의 여과 효율을 가져야 함에 따라, 이를 확인하기 위하여 평균 입자 크기 0.4 ㎛인 파라핀오일에 대한 분진포집효율 검사(나노섬유웹, 샘플 3개 평균)와 호흡 시 흡입력에 대한 호흡의 난이도를 정량적으로 측정하는 안면부 흡기저항 검사(마스크, 샘플 3개 평균)를 수행하였다.
그 결과, 실시예 1의 나노섬유웹은 97.6 중량%의 파라핀오일을 포집함을 확인할 수 있었으며, 고온다습 전처리(온도 38±2.5℃, 습도 85±5% R.H. 조건에서 24 시간 방치 후 실온에서 4시간 방치) 후에는 93.3 중량%의 파라핀오일을 포집함을 확인할 수 있었다.
또한, 실시예 1의 나노섬유웹으로 제조된 마스크의 경우, 8.11 Pa의 안면부 흡기저항을 보였으며, 고옵다습 전처리 후에는 8.23 Pa의 안면부 흡기저항을 보여 흡기저항이 거의 없는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 도 3 내지 5는 실시예와 비교예에 따라 제조된 나노섬유웹의 SEM 이미지로, 각 나노섬유웹의 섬유 평균직경을 하기 표 1에 기재하였다.
나노섬유 평균 직경 (㎚) 마이크로섬유 평균 직경 (㎛)
실시예 1 598 ± 125 -
실시예 2 788 ± 175 -
비교예 1 300 ± 64 6.3 ± 3.3
비교예 2 480 ± 150 6.4 ± 2.0
비교예 3 360 ± 100 5.0 ± 1.0
비교예 4 248 ± 8 6.8 ± 1.7
비교예 5 257 ± 15 5.3 ± 2.0
상기 표 1 및 도 3 내지 5를 참조하면, 실시예의 나노섬유웹은 나노섬유가 균일하게 방사되어 실시예 1은 평균 직경 598 ㎚, 실시예 2는 평균 직경 788 ㎚를 가지는 나노섬유로 나노섬유웹이 제조된 것을 확인할 수 있었다. 반면, 비교예 1 내지 5에 따라 제조된 나노섬유웹의 경우, 직경의 크기가 아주 상이한 마이크로섬유와 나노섬유가 동시에 관찰되었으며, 공극의 크기가 너무 커서 여과 효율이 좋지 않을 것임을 예상할 수 있었다.
이처럼, 클로로포름 단일용매를 사용할 때보다 혼합용매를 사용하였을 때 나노섬유가 균일하게 방사되며, 나노섬유의 밀집도가 높게 형성이 되었고, 특히 클로로포름:디메틸포름아미드의 부피비가 1:1일 때 가장 가는 나노섬유가 발생함을 확인할 수 있었다.
또한, 도 6은 시중에 판매 중인 멜트블로운 방식으로 제조된 정전기형 KF94 마스크의 SEM 이미지로, 평균 직경 2.4 ㎛로 본 발명에서 제조된 나노섬유웹 대비 섬유의 직경이 약 4배 가량 더 굵은 것을 확인 할 수 있었다.
이상과 같이 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 본 발명이 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (7)

  1. 폴리락트산; 및 클로로포름과 디메틸포름아미드의 혼합용매;를 포함하는 고분자 용액을 전기방사시켜 제조된, 마스크 필터용 나노섬유웹.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고분자 용액 중 폴리락트산의 농도는 10 내지 15 중량%인, 마스크 필터용 나노섬유웹.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 클로로포름:디메틸포름아미드의 부피비는 1:0.5 내지 2인, 마스크 필터용 나노섬유웹.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 나노섬유웹의 나노섬유는 400 내지 800 ㎚의 평균 직경을 가지는 것인, 마스크 필터용 나노섬유웹.
  5. 제 1항 내지 제 4항에서 선택되는 어느 한 항의 마스크 필터용 나노섬유웹을 포함하는, 재사용 가능한 나노섬유 마스크.
  6. 폴리락트산; 및 클로로포름과 디메틸포름아미드의 혼합용매;를 포함하는 고분자 용액을 전기방사시켜 나노섬유웹을 제조하는 단계를 포함하는, 마스크 필터용 나노섬유웹의 제조 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 전기방사는 실린지 니들 게이지 20 내지 22, 0.5 내지 2 ㎖/시간의 토출속도, 팁과 콜렉터의 이격 거리 10 내지 20 ㎝, 인가 전압 10 내지 30 ㎸ 및 롤러 속도 50 내지 200 rpm의 조건으로 수행되는 것인, 마스크 필터용 나노섬유웹의 제조 방법.
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