KR20230012841A - 마이크로 나노 형상의 ptfe 섬유 여과체 및 그의 제조방법 - Google Patents
마이크로 나노 형상의 ptfe 섬유 여과체 및 그의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 일실시예는 무기질 섬유 지지체; 상기 무기질 섬유 지지체 상에 위치하는 PTFE 마이크로 폼 또는 PTFE마이크로섬유층; 및 상기 PTFE마이크로섬유층 상에 위치하는 PTFE 나노섬유층;을 포함하는 PTFE 섬유 여과체를 제공한다. 본 발명의 실시예에 따르면, PTFE 마이크로섬유층에 추가적인 공정 없이 정전 분부 또는 전기 방사하여 PTFE 나노섬유층을 형성하여 PTFE 소재 간의 접합 성능을 향상 시켜 PTFE 섬유 필터의 내열성 및 기계적 내구성을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 PTFE 섬유 여과체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로 나노 형상의 PTFE 섬유 여과체로서 고온에서도 내구성 있고 정전기에 의한 폭발의 위험성이 적은 PTFE 섬유 여과체 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
산업체의 연소공정에서 배출되는 배기가스 중의 먼지를 제거하기 위하여 여과집진장치가 가장 일반적으로 사용되고 있다. 여과집진장치의 성능은 내부에 장착되는 여과백에 의해 좌우된다.
또한, 배기가스의 온도범위에 따라 사용되는 여과백의 종류가 달라지게 되는데, 약 120℃ 이하의 저온에는 폴리에스터(Polyester), 폴리프로필렌(Polypropylene) 여과백, 120℃ 내지 230℃의 범위에서는 NOMEX, PPS, P84, 적층 막 필터(Laminated Membrane Filter), 그 이상의 온도에서는 금속 필터(~500℃) 및 세라믹 필터(~1000℃)가 사용된다.
일반적으로 연소로에서 연소가 이루어지고 보일러를 거쳐 나오는 배기가스의 온도는 약 500℃ 영역이 되며, 이들이 다시 공기예열기를 거치면 약 350℃가 된다. 그러나 금속필터나 세라믹필터는 너무 고가이기 때문에 350℃의 열을 다시 열교환하여 온도를 200℃ 전후까지 떨어뜨린 후 여과집진을 실시하고 있다.
그러나, 배기가스 내에는 먼지가 포함되어 있기 때문에, 이들이 열교환기 표면에 부착되어 파울링을 일으켜 열교환 효율을 떨어뜨리므로 이러한 시스템은 경제성 및 환경성 측면에서 문제점을 가지고 있다.
그래서 최근에 높은 발수성과 발유성을 가진 PTFE 섬유를 이용한 필터로 점착성 문제를 해소하였으나, PTFE간에 접합력이 약하여 고온에서 PTFE 섬유와 기재 간에 파단이 일어나고 적용범위에 한계가 있었다. 상기 PTFE 간의 접합력이 약한 경우 PTFE 섬유 코팅 후 정전기가 발생하여 고온에서 폭발위험성이 있었다.
그래서 PTFE 섬유와 PTFE 기재 간 접합을 향상시켜 열적 내구성을 향상시키고, PTFE 섬유 코팅 시 발생하는 정전기를 감소시켜 안정성을 높일 수 있는 연구가 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고온에서도 내구성 있는 마이크로 나노 형상의 PTFE 섬유 여과체 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시 예는 마이크로 나노 형상의 PTFE 섬유 여과체를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서 PTFE 섬유 여과체는, 무기질 섬유 지지체;
상기 무기질 섬유 지지체 상에 위치하는 PTFE 마이크로 폼 또는 PTFE 마이크로 섬유층; 및 상기 PTFE 마이크로 폼 또는 PTFE 마이크로 섬유층 상에 위치하는 PTFE 나노섬유층;을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 PTFE 마이크로 폼 또는 PTFE 마이크로 섬유층 상에 PTFE, 분산제 및 이종 폴리머가 함유된 나노 섬유 방사 용액이 정전 분무(Electrospraying) 또는 전기 방사(electrospinning)되고 가압 후 열처리 되어 PTFE 나노섬유층이 형성 될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 이종 폴리머 소재는 양극성 폴리머와 이온 가교 폴리머가 혼합될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 양극성 폴리머는 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide, PEO), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG), 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA), 이들의 유도체 또는 이들의 혼합 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 이온 가교 폴리머는 알긴산(SA), 사카린, 폴리아크릴산(poly(acrylic acid), PA), 폴리메타크릴산(poly(methyl acrylate), PMA), 폴리티오펜아세트산(poly(thiophene acetic acid), PTTA), 폴리술포네이트스티렌(poly(sunfonate styrene), PSS), 히알루론산(Hyaluronic acid), 펙틴(pectin), 콘드로이틴설페이트(chondroitin sulfate), 데스트란설페이트(dextran sulfate), 이들의 유도체 또는 이들의 혼합물질을 포함할 수 있고, 카르복시기(-COO-), 술폰산기(-SO3-) 또는 아세톡시기(-CH2COO-)가 함유된 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 무기질 섬유 지지체는 유리섬유, 암석섬유 등 에서 선택된 1종을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 마이크로 나노 형상의 PTFE 섬유 여과체 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서 마이크로 나노 형상의 PTFE 섬유 여과체 제조방법은, 무기질 섬유 지지체를 준비하는 단계; 상기 무기질 섬유 지지체 상에 PTFE 마이크로 폼 또는 PTFE 마이크로 섬유층을 형성하는 단계;및 상기 PTFE 마이크로 폼 또는 PTFE 마이크로 섬유층 표면에 PTFE, 분산제 및 이종 폴리머가 함유된 나노 섬유 방사 용액을 정전 분무(Electrospraying) 또는 전기 방사(electrospinning)한 후 가압하고 열처리하여 PTFE 나노섬유층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 가압은 0.01MPa 내지 1MPa의 압력으로 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 열처리는 300℃ 내지 400℃의 온도로 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 이종 폴리머는 양극성 폴리머와 이온 가교 폴리머가 혼합될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 양극성 폴리머는 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide, PEO), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG), 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA), 이들의 유도체 또는 이들의 혼합 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 이온 가교 폴리머는 알긴산(SA), 사카린, 폴리아크릴산(poly(acrylic acid), PA), 폴리메타크릴산(poly(methyl acrylate), PMA), 폴리티오펜아세트산(poly(thiophene acetic acid), PTTA), 폴리술포네이트스티렌(poly(sunfonate styrene), PSS), 히알루론산(Hyaluronic acid), 펙틴(pectin), 콘드로이틴설페이트(chondroitin sulfate), 데스트란설페이트(dextran sulfate), 이들의 유도체 또는 이들의 혼합물질을 포함할 수 있고, 카르복시기(-COO-), 술폰산기(-SO3-) 또는 아세톡시기(-CH2COO-)가 함유된 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 무기질 섬유 지지체는 유리섬유, 암석섬유에서 선택된 1종을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, PTFE, 분산제 및 이종 폴리머 소재를 함유하는 나노 섬유 방사 용액이 PTFE 마이크로 섬유층 상에 정전 분무 또는 전기 방사 되고 가압 후 열처리 되어 PTFE 나노섬유층이 형성된 PTFE 섬유 여과체는 PTFE 마이크로 폼 또는 PTFE 마이크로 섬유층과 PTFE 나노섬유층이 직접 접합됨으로써, PTFE층 간의 정전기적 반발력을 감소시키고 접합력을 증가시켜서 PTFE 섬유 여과 필터의 내열성 및 기계적 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 PTFE 섬유 여과체는 집진 또는 탈진 공정 시 폭발 가능성을 크게 낮춰서 필터의 성능과 안정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, PTFE 섬유 여과체의 단면을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, (a)PTFE,PVA및BA 함유 용액을 전기방사하여 형성된 PTFE 나노섬유층(비교예 1), (b) PTFE, PVA, PEO 및 SA 함유 용액을 전기방사하여 PTFE 나노섬유층(제조예 1)의 표면을 나타낸 광학 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, PTFE마이크로 폼(거품코팅층)의 표면 전하, PTFE-PVA-BA 나노 섬유 방사 용액을 전기 방사 한 후에 측정한 표면 전하, PTFE-PVA-PEO-SA 나노 섬유 방사 용액을 방사한 후의 표면 전하 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, (a)PTFE-PVA-BA 전기방사 용액, (b)PTFE-PVA-PEO 전기방사 용액 (c) PTFE-PVA-PEO-SA 전기방사 용액을 제조 후 60시간 경과 후를 나타낸 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, PTFE 섬유 여과체 제조방법을 나타낸 흐름도 이다.
도 6은 PTFE 섬유 여과체의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, (a)PTFE,PVA및BA 함유 용액을 전기방사하여 형성된 PTFE 나노섬유층(비교예 1), (b) PTFE, PVA, PEO 및 SA 함유 용액을 전기방사하여 PTFE 나노섬유층(제조예 1)의 표면을 나타낸 광학 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, PTFE마이크로 폼(거품코팅층)의 표면 전하, PTFE-PVA-BA 나노 섬유 방사 용액을 전기 방사 한 후에 측정한 표면 전하, PTFE-PVA-PEO-SA 나노 섬유 방사 용액을 방사한 후의 표면 전하 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, (a)PTFE-PVA-BA 전기방사 용액, (b)PTFE-PVA-PEO 전기방사 용액 (c) PTFE-PVA-PEO-SA 전기방사 용액을 제조 후 60시간 경과 후를 나타낸 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, PTFE 섬유 여과체 제조방법을 나타낸 흐름도 이다.
도 6은 PTFE 섬유 여과체의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 PTFE 섬유 여과체를 설명한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른, PTFE 섬유 여과체의 단면을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 PTFE 섬유 여과체는 무기질 섬유 지지체(100); 상기 무기질 섬유 지지체 상에 위치하는 PTFE 마이크로 폼 또는 PTFE 마이크로 섬유층 (200); 및 상기 PTFE 마이크로 폼 또는 PTFE 마이크로 섬유층 상에 위치하는 PTFE 나노섬유층(300);을 포함할 수 있다.
상기 PTFE 마이크로 섬유층 상에 PTFE, 분산제 및 이종 폴리머가 함유된 나노 섬유 방사 용액이 정전 분무(Electrospraying) 또는 전기 방사(electrospinning)되고 가압 후 열처리 되어 PTFE 나노섬유층(300)이 형성 될 수 있다.
상기 이종 폴리머 소재는 양극성 폴리머와 이온 가교 폴리머가 혼합될 수 있다.
상기 양극성 폴리머는 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide, PEO), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol), 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA), 이들의 유도체 또는 이들의 혼합 물질을 포함할 수 있다.
상기 이온 가교 폴리머는 알긴산(SA), 사카린, 폴리아크릴산(poly(acrylic acid), PA), 폴리메타크릴산(poly(methyl acrylate), PMA), 폴리티오펜아세트산(poly(thiophene acetic acid), PTTA), 폴리술포네이트스티렌(poly(sunfonate styrene), PSS), 히알루론산(Hyaluronic acid), 펙틴(pectin), 콘드로이틴설페이트(chondroitin sulfate), 데스트란설페이트(dextran sulfate), 이들의 유도체 또는 이들의 혼합물질을 포함할 수 있고, 카르복시기(-COO-), 술폰산기(-SO3-) 또는 아세톡시기(-CH2COO-)가 함유된 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 이온 가교 폴리머는 수소결합이 강한 기능기 또는 음이온성 기능기인 것을 특징으로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 나노 형상의 PTFE 섬유 여과체는 무기질 섬유 지지체(100)를 포함할 수 있다.
상기 무기질 섬유 지지체(100)는 유리섬유, 암석섬유에서 선택된 1종을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 적용된 무기질 섬유 지지체(100)는 유리 섬유가 바람직하나 이에 한정되지 않는다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 나노 형상의 PTFE 섬유 여과체는 PTFE 마이크로 폼 또는 PTFE 마이크로 섬유층(200)을 포함할 수 있다.
상기 PTFE 마이크로 섬유층(200) 은 상기 무기질 섬유 지지체(100) 상에 위치할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 용어 "폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)"는 폴리에틸렌의 수소를 모두 불소(fluorine)로 바꾸어 놓은 하기 화학식 1로 표시되는 불소 화합물을 포함하는 불소계 수지를 의미한다. PTFE는 테플론(Teflon)이라는 상품명으로 알려져 있으며, 거의 모든 화학약품에 대해 내화학성이 있으며, 매끄러운 표면을 갖는 것을 특징으로 한다.
<화학식 1>
-(CF2CF2)n-
상기 화학식 1에서, n은 100~10,000 사이의 정수이다.
상기 PTFE 마이크로 섬유층(200)은 다공질 구조로 인해 먼지제거용으로 우수하며, 제조공정에 있어서도 대량생산이 용이하여 광범위한 응용이 가능하다. 또한, 상기 PTFE 마이크로 섬유층의 평균 기공 크기는 10㎛ 내지60㎛ 이하일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 PTFE 마이크로 섬유층은 섬유경이 1㎛ 초과 999 ㎛ 이하인 마이크로 섬유층일 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 상기 PTFE 마이크로 섬유층(200) 뿐만 아니라 PTFE 마이크로 폼 또는 PTFE 거품코팅층이 적용될 수 있고, 상기 PTFE 거품코팅층은 내열성 수지인 PTFE 수지를 포함하는 코팅액이 상기 무기질 섬유 지지체(100) 상에 거품 코팅되어 형성된 다공질 구조층을 의미할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 나노 형상의 PTFE 섬유 여과체는 PTFE 나노섬유층(300)을 포함할 수 있다.
상기 PTFE 나노섬유층(300)은 상기 PTFE 마이크로 폼 또는 PTFE 마이크로 섬유층(200) 상에 위치할 수 있다.
상기 PTFE 마이크로 폼 또는 PTFE 마이크로 섬유층(200) 상에 PTFE, 분산제 및 이종 폴리머가 함유된 나노 섬유 방사 용액이 정전 분무(Electrospraying) 또는 전기 방사(electrospinning)되고 가압 후 열처리 되어 PTFE 나노섬유층(300)이 형성 될 수 있다.
섬유 형태의 PTFE은 유연성 및 투과율이 우수하다. 그러나, PTFE은 용융 점도가 비정상적으로 높고 용해도가 낮기 때문에 가공하기 어려우며, PTFE 나노섬유을 제조하기 어렵다.
그래서, 분산제를 혼합하고 전기방사하여 나노 섬유층을 제조할 수 있는데, 상기 분산제는 폴리비닐알콜(poly(vinyl alcohol), PVA), 폴리에틸렌옥사이드(Poly(ethylene oxide), PEO), 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol, PEG), 폴리우레탄(Polyurethane, PU), 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile, PAN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리메틸 메타크릴레이트 (Poly(methyl methacrylate), PMMA) 에서 선택된 1종을 포함할 수 있다.
상술한 분산제는 극성과 점성이 있고 전기 방사가 되는 고분자일 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에서 사용된 폴리비닐알콜(poly(vinyl alcohol), PVA)은 수용성 고분자로서, 접착 특성이 뛰어나고, 기름, 윤활유 용매와는 섞이지 않지만, 극성과 점성이 있어 전기 방사가 잘 되므로, 단독으로는 전기 방사가 잘 되지 않은PTFE을 안정적으로 혼합하여 분산시킬 수 있어 전기 방사를 가능하게 할 수 있다.
또한, 상기 PTFE 나노섬유층은 전기방사액이 노즐에서 토출되어, 상기 PVA(폴리비닐알코올)과 PTFE가 섬유 형태로 형성된PTFE-PVA 전기방사 용액에 PEO(폴리에틸렌옥사이드), SA(알긴산 나트륨, Sodium alginate)를 추가하여 나노 섬유 방사 용액을 형성하여 상기 PTFE 마이크로 섬유층(200) 상에 전기 방사할 수 있다.
또한, 상기 전기 방사 이후의 단계에서 가압 후 열처리에 의해 대부분의PVA, PEO, SA가 휘발되어 형성된, 실질적으로 PTFE로만 이루어진 PTFE 나노섬유층일 수 있다.
이때, 상기 열처리는 300℃ 내지 400℃의 온도로 수행될 수 있다.
따라서, 본 발명의 상기 PTFE 전기 방사 섬유층에는 실질적으로 PVA, PEO, SA 가 존재하지 않고, 바람직하게는 PTFE로만 이루어질 수 있으므로 PTFE 나노섬유층으로 나타낼 수 있다.
이때, 상기 PVA가 있던 자리는 빈 공간(void)으로 남게 되어 상기 PTFE 마이크로 섬유층 내부의 기공을 막지 않기 때문에 압력 손실 측면에서 유리할 수 있다.
상기 알긴산(alginate)은 해초산을 말하며 알긴과 알진(algin)이라고도 명명한다. 다시마 등의 갈조류 세포벽에 분포하는 친수성 점질다당류로 물과 결합하면 점성 분비물인 검(gum)을 형성한다. 일반적으로 알긴산 나트륨과 알긴산 칼슘 등의 알긴산염(alginate)의 형태인데 긴 사슬 구조로 (C6H8O6)n의 분자식을 가지며 약산성을 띤다.
상기 알긴산은 이온 가교 폴리머로 작용할 수 있고, 상기 이온 가교 폴리머는 고분자 사슬을 화학적 또는 물리적으로 가교시킬 수 있으므로, PTFE 마이크로 섬유층 상에 정기 방사 공정의 분산 안정성을 향상 시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 PTFE 나노섬유층(300)은 200nm 내지 1000nm, 10㎛ 내지 60㎛ 또는 20㎛ 내지 40㎛의 두께를 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 PTFE 나노섬유층(300)의 두께가 이러한 범위를 만족하는 경우에 상기 PTFE 마이크로 섬유층(200)의 손상을 예방할 수 있으며, 압력 손실에 큰 영향을 주지 않고 미세입자들을 효율적으로 포집할 수 있다.
또한, 상기 PTFE 나노섬유층은 평균 기공의 크기가 500nm 내지 50㎛ 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 PTFE 섬유 여과체는, 상기 PTFE 나노섬유층(300) 형성 시, 열처리 전에, PTFE 마이크로 섬유층(200) 및 PTFE 나노섬유층(300) 이 서로 밀착되도록 가압되어 물리적으로 압착된 것일 수 있다.
상기 PTFE 나노섬유층이 형성될 때, 전기방사에 의해 PTFE-PVA-이종폴리머 나노섬유층이 먼저 형성되고, 열처리에 의해 상기 PVA와 이종 폴리머가 휘발되어 PTFE 나노섬유층이 형성될 수 있는데, 상기 가압은 PTFE 마이크로 섬유층 상에 PTFE-PVA-이종 폴리머 나노 섬유층이 형성된 후, 상기 PTFE 마이크로 섬유층(200)과 PTFE-이종 폴리머 나노 섬유층이 서로 밀착되는 방향으로 수행되어 두 층이 물리적으로 압착될 수 있다.
상기 가압 공정은 상기 가압 공정 이후의 열처리 단계에서 PVA가 휘발되는 동안 PTFE 나노 섬유의 휘발을 방지하여, 비교적 고온에서도 상기 PTFE 나노섬유층(300)이 형성될 수 있도록 한다.
이때, 상기 가압은 0.01MPa 내지 1MPa의 압력으로 수행될 수 있다.
상기 압력이 0.01MPa 미만인 경우에는 상기 PTFE-PVA-이종 폴리머 나노섬유층과 상기 PTFE 마이크로 섬유층(200)이 충분히 밀착되지 않아 이후의 열처리에 의해 PTFE 나노섬유가 유실되어 여과 특성이 크게 감소할 수 있고, 1MPa 초과인 경우에는 본 발명의 PTFE 섬유 여과체의 기공이 적어지거나 사라지는 문제점이 있으며 하부 기재인 유리 섬유의 파괴가 있을 수 있다.
이때, 상기 이종 폴리머 소재는 전기방사액이 노즐에서 토출되어 폴리비닐알코올(PVA)과 PTFE과 함께 섬유 형태로 형성된 상기 PTFE-PVA 전기방사액의 정전기를 감소시켜주기 때문에, 결과적으로 상기 PTFE 마이크로 섬유층과 상기 PTFE 나노섬유층의 접합력을 향상시키는 역할을 할 수 있다.
상기 이종 폴리머 소재에 대해 설명한다.
상기 이종 폴리머 소재는 양극성 폴리머와 이온 가교 폴리머가 혼합된 것일 수 있다.
상기 양극성 폴리머(amphoteric polymer)는 양이온과 음이온을 모두 갖는 고분자이며, 예를 들어, 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide, PEO), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG), 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA), 이들의 유도체 또는 이들의 혼합물질를 포함할 수 있다.
상기 양극성 폴리머(amphoteric polymer)에 포함된 -극성 관능기가 상기 전기 방사로 인해 +전극을 띄는 나노 섬유의 정전기를 상쇄하고 정전기적 접합을 이루기 때문에, 상기 PTFE-PVA 전기방사 나노섬유의 정전기를 감소시켜 주고 PTFE 층간 접합력을 향상시킬 수 있게 된다.
상기 이온 가교 폴리머는 알긴산(SA), 사카린, 폴리아크릴산(poly(acrylic acid), PA), 폴리메타크릴산(poly(methyl acrylate), PMA), 폴리티오펜아세트산(poly(thiophene acetic acid), PTTA), 폴리술포네이트스티렌(poly(sunfonate styrene), PSS), 히알루론산(Hyaluronic acid), 펙틴(pectin), 콘드로이틴설페이트(chondroitin sulfate), 데스트란설페이트(dextran sulfate), 이들의 유도체 또는 이들의 혼합물질을 포함할 수 있고, 카르복시기(-COO-), 술폰산기(-SO3-) 또는 아세톡시기(-CH2COO-)가 함유된 화합물 중에서 선택된 1종을 포함될 수 있다.
또한, 상기 이온 가교 폴리머는 고분자 사슬을 화학적 또는 물리적으로 가교시킬 수 있으므로, 상기 이온 가교 폴리머는 PTFE 마이크로 섬유층(200)상에 정기 방사 공정의 분산 안정성을 향상 시킬 수 있다.
따라서, 상기 PTFE 나노섬유층(300)은 정전기가 감소되어 접합력이 향상되고 분산안정성이 향상될 수 있다.
도 1과 함께 도 5 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 PTFE 섬유 여과체 제조방법을 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, PTFE 섬유 여과체 제조방법의 순서도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PTFE 섬유 여과체 제조방법은, 무기질 섬유 지지체를 준비하는 단계(S100); 상기 무기질 섬유 지지체 상에 PTFE마이크로 폼 또는 PTFE 마이크로 섬유층을 형성하는 단계(S200);및 상기 PTFE 마이크로 폼 또는 PTFE 마이크로 섬유층 표면에 PTFE, 분산제 및 이종 폴리머가 함유된 나노 섬유 방사 용액을 정전 분무(Electrospraying) 또는 전기 방사(electrospinning)한 후 가압하고 열처리하여 상기 PTFE 나노섬유층을 형성하는 단계(S300);를 포함한다.
첫째 단계에서, 무기질 섬유 지지체를 준비하는 단계를 포함한다. (S100)
상기 무기질 섬유 지지체는 유리섬유, 암석섬유 에서 선택된 1종을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 무기질 섬유 지지체(100)는 유리섬유가 바람직하나 이에 한정되지 않는다.
둘째 단계에서, 상기 무기질 섬유 지지체 상에 PTFE마이크로 폼 또는 PTFE 마이크로 섬유층을 형성하는 단계를 포함한다. (S200)
상기 PTFE 마이크로 섬유층은 일반적인 PTFE 부직포를 형성하는 공정을 통하여 형성될 수 있다. 이때, 상기 PTFE 부직포를 형성하는 공정은 멜트블로운 방식으로 형성될 수 있다. 상기 멜트블로운(meltblown, 용융 방사) 방식은 원료를 아주 작은 구멍이 뚫린 노즐을 통해 실 형태로 뿜어내는 방법을 의미한다. 상기 멜트블로운 방식으로 제조된 섬유층은 미세 섬유들이 상호 결합해 거미줄과 같은 구조 형태를 갖게 된다.
상기 멜트블로운 방식으로 형성된 상기 PTFE 마이크로 섬유층은 마이크로미터(㎛)에서 서브 밀리미터(0.1mm 내지 1mm)단위 두께의 섬유일 수 있다.
이때, PTFE 기재로서 PTFE 마이크로 섬유층뿐 만 아니라 PTFE 거품 코팅층, PTFE 마이크로 폼을 상기 무기질 섬유 지지체 상에 형성할 수도 있다.
상기 PTFE 거품코팅층을 형성하는 방법은 예를 들어, PTFE 수지, 거품안정제, 발포제 및 증점제를 혼합하여 PTFE 거품코팅용 발포액을 제조하는 단계; 상기 발포액을 거품 발생기로 처리하여 거품액을 만들고, 이를 무기질 섬유 지지체 표면에 도포하여 거품코팅 구조체를 형성하는 단계; 상기 거품코팅 구조체를 건조한 후, 압착처리하는 단계; 상기 건조 및 압착 처리된 거품 코팅 구조체를 열처리한 후 냉각하는 단계;를 포함하는 공정으로 형성될 수 있다.
상기 거품코팅은 습식공정이므로, 물을 가열 증발시키기 위해 건조한다. 상기 거품액이 도포된 지지체 건조과정에서 안정한 미세 다공질 표면층이 형성되게 된다. 상기 거품액이 도포된 지지체의 건조에서 바람직하기로 80℃ 내지 120℃에서 1차 건조, 180℃ 내지 220℃에서 2차 건조를 수행할 수 있다.
상기와 같이 무기질 섬유 지지체 표면 상에 일차적으로 PTFE 층을 거품 코팅시킴으로써 2중층의 구조체를 얻을 수 있다. PTFE 마이크로 섬유층(200)의 두께는 바람직하기로 5 내지 100㎛ 일 수 있다.
셋째 단계에서, 상기 PTFE 마이크로 폼 또는 PTFE 마이크로 섬유층 표면에 PTFE, 분산제 및 이종 폴리머가 함유된 나노 섬유 방사 용액을 정전 분무(Electrospraying) 또는 전기 방사(electrospinning)한 후 가압하고 열처리하여 상기 PTFE 나노섬유층을 형성하는 단계를 포함한다. (S300)
섬유 형태의 PTFE는 유연성 및 투과율이 우수하다. 그러나, PTFE는 용융 점도가 비정상적으로 높고 용해도가 낮기 때문에 가공하기 어려우며, PTFE 나노섬유을 제조하기 어렵다.
그래서, 극성과 점성이 있는 고분자를 혼합하고 전기방사하여 나노 섬유를 제조할 수 있는데, 분산제는 극성과 점성이 있고 전기방사가 되는 고분자 중 에서 폴리비닐알콜(poly(vinyl alcohol), PVA), 폴리에틸렌옥사이드(Poly(ethylene oxide), PEO), 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol, PEG), 폴리우레탄(Polyurethane, PU), 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile, PAN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리메틸 메타크릴레이트 (Poly(methyl methacrylate), PMMA) 선택된 1종을 포함할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에서 사용된 폴리비닐알콜(poly(vinyl alcohol), PVA)은 수용성 고분자로서, 접착 특성이 뛰어나고, 기름, 윤활유 용매와는 섞이지 않지만, 극성과 점성이 있어 전기방사가 잘 되므로, 전기방사가 잘 되지 않은PTFE를 안정적으로 혼합하여 분산시킬 수 있어 전기방사를 가능하게 할 수 있다.
또한, 상기 나노 섬유 방사 용액은 이종 폴리머를 포함할 수 있고 상기 이종 폴리머는 양쪽성 고분자(amphoteric polymer) 및 이온 가교 폴리머를 포함할 수 있다.
상기 양쪽성 고분자(amphoteric polymer)는 양이온과 음이온을 모두 갖는 고분자이며, 예를 들어, 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide, PEO), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG), 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA), 이들의 유도체 또는 이들의 혼합 물질를 포함할 수 있다.
상기 양쪽성 고분자(amphoteric polymer)에 포함된 -극성 관능기가 상기 전기 방사로 인해 +전극을 띄는 나노 섬유의 정전기를 상쇄하고 정전기적 접합을 이루기 때문에, 상기 PTFE-PVA 전기 방사 나노 섬유의 정전기를 감소시켜 주고 PTFE 층간 접합력을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 상기 이종 폴리머는 이온 가교 폴리머를 포함할 수 있다.
상기 이온 가교 폴리머는 알긴산(SA), 사카린, 폴리아크릴산(poly(acrylic acid), PA), 폴리메타크릴산(poly(methyl acrylate), PMA), 폴리티오펜아세트산(poly(thiophene acetic acid), PTTA), 폴리술포네이트스티렌(poly(sunfonate styrene), PSS), 히알루론산(Hyaluronic acid), 펙틴(pectin), 콘드로이틴설페이트(chondroitin sulfate), 데스트란설페이트(dextran sulfate), 이들의 유도체 또는 이들의 혼합물질을 포함할 수 있고, 카르복시기(-COO-), 술폰산기(-SO3-) 또는 아세톡시기(-CH2COO-)가 함유된 화합물 중에서 선택된 1종이 포함될 수 있다.
이온 가교 폴리머는 고분자 사슬을 화학적 또는 물리적으로 가교시킬 수 있으므로, 상기 이온 가교 폴리머는 PTFE 마이크로 섬유층 상에 정기방사 공정의 분산 안정성을 향상 시킬 수 있다.
상기 PTFE 나노 섬유층을 형성 하기 위해서 전기 방사법을 적용할 수 있는데 상기 전기 방사법은 노즐과 전극판을 고전압으로 하전하고 전도성 액체를 노즐을 통하여 분사시키면, 노즐의 액체는 전자기력에 의해 테일러 콘(Taylor Cone)을 형성하고 짧은 액주 구간을 지나 액체 입자간의 척력에 의해 분열하면서, 미세한 액적으로 분사되는 분무 방법이다.
이 때, 분열된 액적의 크기 분포를 보면, 특정 크기에 집중되어 있기 때문에 단분산 분무(Mono-disperse spray)로 불리기도 한다.
상기 전기 방사법에 의해 PTFE 나노 섬유층을 형성하기 위해 이하의 단계를 수행할 수 있다.
먼저, 상기 이종고분자가 분산매에 분산된 전기방사액을 준비한다. 전기방사액은 용액의 점도, 극성, 표면장력 전기전도도 등을 고려하여 만들어질 수 있다. 전기방사액에서 증착되는 상기 이종 폴리머와 분산매의 조성은 전기방사액이 분사되는 노즐의 크기에 따라 결정될 수 있다.
상기 전기방사액에 사용되는 분산매로는 예를 들어, 물이 사용될 수 있다.
상기 PTFE 마이크로 섬유층 표면에 상기 전기방사액을 분사함으로써 상기 이종 폴리머 나노입자를 안정적으로 부가 및 고정시킬 수 있다. 상기 이종 폴리머 나노입자가 분사되는 과정에서 분산매가 공기 중으로 증발할 수 있으며, 이에 따라, 입자 상태의 이종고분자가 PTFE 마이크로 섬유층 상에 부착될 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 이종 폴리머 나노 섬유를 포함하는 이종 폴리머 나노 섬유 접합층은 상기 전기방사법(electrospinning)에 의해 형성될 수 있다.
상기 전기 방사법(electrospinning)에 의해 전기장 내에서 용해된 고분자 용액을 분사함으로 인하여 수나노(nm)에서 수마이크로(μm) 스케일의 직경을 가지는 실형태의 섬유상을 제조할 수 있다.
상기 이종 폴리머를 포함하는 전기방사액을 상기 PTFE 마이크로 섬유층(200) 상에 노즐로 토출하여 이종고분자 나노섬유 접합층을 제조할 수 있다.
예를 들어, PEO, SA 를 포함하는 전기방사액을 상기 PTFE 마이크로 섬유층 상(200)에 노즐로 토출하여 PTFE-PEO-SA 나노 섬유 접합 층을 제조할 수 있다.
상기 PTFE-PEO-SA 나노 섬유 접합 층은 10㎛ 내지 60㎛ 또는 20㎛ 내지 40㎛의 두께를 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 PTFE 나노섬유층의 두께가 이러한 범위를 만족하는 경우에 상기 PTFE 마이크로 섬유층의 손상을 예방할 수 있으며, 압력손실에 큰 영향을 주지 않고 미세입자들을 효율적으로 포집할 수 있다.
이때, 상기 이종 폴리머는 상기 이종폴리머와, 상기 PTFE-PVA 나노섬유가 화학적으로 결합하여, 상기 PTFE 마이크로 섬유층(200)과 상기 PTFE-PVA 나노섬유층의 결합력(접합력)을 향상시키는 역할을 할 수 있고, 이후의 단계에서 PVA 나노 섬유가 열처리에 의해 휘발된 PTFE 나노섬유층에도 여전히 PTFE 마이크로 섬유층과 잘 접합되어 있도록 할 수 있다.
즉, 상기 PTFE 마이크로 섬유층(200)과 PTFE 나노섬유층(300)간 결합력은 오히려 증대되어 해당온도에서도 집진 또는 탈진이 가능한 기계적 내구성을 가질 수 있으므로, 본 발명의 PTFE 섬유 여과체를 필터로 사용하는 경우 집진 또는 탈진 시 폭발의 위험성에서 벗어날 수 있도록 할 수 있다.
이때, PTFE 나노섬유층을 형성하는 단계에서 상기 가압은 0.01MPa 내지 1MPa의 압력으로 수행될 수 있다.
상기 압력이 0.01MPa 미만인 경우에는 상기 PTFE-PVA 나노섬유층 및 상기 PTFE 마이크로 섬유층이 충분히 밀착되지 않아 이후의 열처리에 의해 PTFE 나노섬유가 유실되어 여과 특성이 크게 감소할 수 있고, 1MPa 초과인 경우에는PTFE 상기 섬유 여과체의 기공이 적어지거나 사라지는 문제점과 하부 기판인 유리섬유의 파괴가 있을 수 있다.
예를 들어, 상기 PTFE-PVA 나노섬유층 및 상기 PTFE 마이크로 섬유층이 서로 밀착되는 방향으로 0.1MPa의 압력을 가하여, 상기 PTFE 나노섬유층 및 상기 PTFE 마이크로 섬유층을 압착시킬 수 있다.
상기 밀착 또는 압착에 의해, PTFE 나노섬유층 및 상기 PTFE 마이크로 섬유층 간에 물리적 접촉 면적이 커져서, 이후의 단계에서 수행되는 열처리에 의해 PTFE 마이크로 섬유층 및 PVA 나노섬유가 휘발된 PTFE 나노섬유층 간의 접합이 효과적으로 일어날 수 있다. 특히, PVA 나노섬유를 휘발시킬 때, 기존의 공정에서 보다 고온에서도 PTFE 섬유가 같이 휘발되지 않고 상기 PTFE 마이크로 섬유층 상에 접합되어 남아있도록 할 수 있다.
또한, 상기 고온 열처리는 300℃ 내지 400℃의 온도로 수행될 수 있다.
상기 온도가 300℃ 미만인 경우에는 PVA 섬유가 충분히 휘발되지 않을 수 있고, 400℃ 초과인 경우에는 PTFE 섬유까지 함께 휘발되거나 기계적으로 갈라지는 문제점이 있을 수 있다.
도 1 및 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 PTFE 섬유 여과체의 제조방법을 설명한다.
도 6은 PTFE 섬유 여과체의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 6은 무기질 섬유 지지체(100)로 유리섬유, PTFE 마이크로 섬유층(200), PTFE 나노섬유층(300) 이 형성된 PTFE 섬유 여과체의 제조방법을 제공한다.
도 6을 참조하면, 상기 무기질 섬유 지지체(100)를 기재로 하여 상기 무기질 섬유 지지체(100) 상에 PTFE 마이크로 섬유층(200)을 형성하고, 상기 PTFE 마이크로 섬유층(200) 표면에 PTFE, PVA, PEO 및 SA 가 함유된 나노 섬유 방사 용액을 정전 분무 또는 전기 방사한 후 가압, 열처리 하여 PTFE 나노섬유층(300)을 형성할 수 있다.
따라서, 별도의 접합층을 형성하지 않고 PTFE 마이크로 섬유층과 PTFE 나노섬유층을 직접 접합 할 수 있고, 상기 양극성 폴리머와 이온 가교 폴리머를 포함하는 이종 폴리머에 의해 PTFE 나노섬유층 간의 결합력이 더욱 향상될 수 있다.
또한, 본 발명은 PTFE/PVA 전기방사 나노섬유 뿐만 아니라 PTFE/PVA 멜트 블로운(Meltblown) 섬유 및 멤브레인 등 다양한 PTFE류 섬유를 접합하는데 적용할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 PTFE 기재로 PTFE 폼코팅필터 뿐만 아니라 PTFE 마이크로 섬유 기재 등 다양한 PTFE 기재를 적용할 수 있다.
또한, 상기 PTFE 나노섬유층 형성단계에서, 상기 가압 공정을 추가적으로 따로 적용하거나 동시에 적용 가능하며 해당 공정 일부 또는 전체를 반복할 수 있다.
또한, 상기 PTFE, PTFE/PVA 소재를 접합하는데 있어 접합 특성을 향상시키기 위한 이종 폴리머 소재를 혼합할 수 있고, 상기 PTFE/PVA용액과 이종 폴리머 소재 용액을 듀얼(Dual)로 동시에 분사하여 PTFE 나노섬유층을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명인 PTFE 섬유 구조체는 에어필터 외에도 멤브레인 필터 등 PTFE 섬유 구조체가 적용되는 통상적인 적용처를 모두 포함할 수 있다.
제조예1
먼저, 유리섬유 지지체를 준비한다. 다음으로 PTFE 수지, 거품안정제, 발포제 및 증점제를 혼합한 후, 실온에서 교반하여 PTFE 거품코팅용 발포액을 제조하였다. 상기 제조된 PTFE 거품코팅용 발포액을 거품발생기에 투입하였다. 이때 공기를 정량적으로 PTFE 거품코팅용 발포액에 공급하면서, 교반기에 의해 거품액을 생성하였다. 생성된 거품액은 코팅액 공급 펌프에 의하여 유리섬유 지지체 상에 공급된 후 건조되어 PTFE 거품코팅층(마이크로 폼)을 형성하였다.
다음으로, PTFE 거품코팅층(마이크로 폼)상에 PTFE, PVA, PEO 및 SA 함유 용액을 전기방사하여 PTFE-PVA-PEO-SA 나노섬유층을 형성하여 PTFE 섬유 여과체 프리폼을 제조하였다. 다음으로, 상기 PTFE-PVA-PEO-SA 나노섬유층 및 상기 PTFE 거품코팅층(마이크로 폼)이 서로 밀착되도록 상기 PTFE 섬유 여과체 프리폼에 0.1MPa의 물리적인 압력을 가하여 압착하였다. 다음으로, 상기 가압된 PTFE 섬유 여과체 프리폼을 340℃ 로 열처리하여 PVA,PEO및SA를 휘발시켜서 PTFE 나노섬유층을 형성하여, PTFE 섬유 여과체를 제조하였다.
제조예2
먼저, 유리섬유 지지체를 준비한다. 다음으로 멜트블로운 공정을 수행하여 부직포 형태의 PTFE 마이크로 섬유층을 형성한다. 다음으로 상기 유리섬유 지지체 상에 상기 부직포 형태의 PTFE 마이크로 섬유층을 라미네이트 공정(라미네이팅, Laminating)을 수행하여 상기 유리섬유 지지체 상에 상기 PTFE 마이크로 섬유층을 접착하여 형성한다.
다음으로 상기 PTFE 마이크로 섬유층 상에 PTFE, PVA, PEO 및 SA 함유 용액을 전기방사하여 PTFE-PVA-PEO-SA 나노섬유층을 형성하여 PTFE 섬유 여과체 프리폼을 제조하였다. 다음으로, 상기 PTFE-PVA-PEO-SA 나노섬유층 및 상기 PTFE 마이크로 섬유층이 서로 밀착되도록 상기 PTFE 섬유 여과체 프리폼에 0.1MPa의 물리적인 압력을 가하여 압착하였다. 다음으로, 상기 가압된 PTFE 섬유 여과체 프리폼을 340℃ 로 열처리하여 PVA,PEO및SA를 휘발시켜서 PTFE 나노섬유층을 형성하여, PTFE 섬유 여과체를 제조하였다.
비교예1
PTFE 수지, 거품안정제, 발포제 및 증점제를 혼합한 후, 실온에서 교반하여 PTFE 거품코팅용 발포액을 제조하였다. 상기 제조된 PTFE 거품코팅용 발포액을 거품발생기에 투입하였다. 이때 공기를 정량적으로 PTFE 거품코팅용 발포액에 공급하면서, 교반기에 의해 거품액을 생성하였다.
생성된 거품액은 코팅액 공급 펌프에 의하여 유리섬유 필터상에 공급된 후 건조되어 PTFE 마이크로 섬유층을 형성하였다. 다음으로, PTFE 마이크로 섬유층 상에 PTFE, PVA 및 BA 함유 용액을 전기방사하여 PTFE-PVA-BA 나노섬유층을 형성하였다. 다음으로, 340℃ 로 열처리하여 PVA,BA 섬유를 휘발시켜서 PTFE 나노섬유층이 형성된 PTFE 섬유 여과체를 제조하였다.
상기 BA(Boric acid, 붕산)는 물에 잘 녹아 수용액 형태로 존재할 수 있으며, 방부제·소독제로 많이 쓰이고 중추신경계에 영향을 미쳐 중추신경계 억제 등을 유발한다.
비교예2
상기 비교예1에 있어서, PTFE 마이크로 섬유층 상에 PTFE, PVA 및 PEO 함유 용액을 전기방사하여 PTFE 나노섬유층을 형성하는 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 조건으로 PTFE 나노 섬유층이 형성된 PTFE 섬유 여과체를 제조하였다.
실험예
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, (a)PTFE,PVA 및 BA 함유 용액을 전기방사하여 형성된 PTFE 나노섬유층(비교예 1), (b) PTFE, PVA, PEO 및 SA 함유 용액을 전기방사하여 PTFE 나노섬유층(제조예 1)의 표면을 나타낸 광학 이미지이다.
상기 도 2의 (a)는 PTFE/PVA/BA 전기방사 후 열처리를 한 다음에 공기 분사 테스트(Air blowing test)까지 진행 한 후에 표면을 관찰한 결과이고, (b)는 PTFE/PVA/PEO/SA 전기방사 후 열처리를 한 다음에 공기 분사 테스트(Air blowing test)까지 진행 한 후에 표면을 관찰한 결과이다.
도 2를 참조하면, (a)는 PTFE 마이크로 섬유층 상에 PTFE, PVA 및 BA 함유 용액을 전기방사하여 형성된 PTFE-PVA-BA 나노섬유층을 0.1MPa로 가압 후 340℃ 로 열처리한 비교예 1의 광학 이미지이고, (b)는 PTFE 마이크로 섬유층 상에 PTFE, PVA, PEO 및 SA 함유 용액을 전기방사하여 형성된 PTFE-PVA-PEO-SA 나노섬유층을 0.1MPa로 가압 후 340℃ 로 열처리한 제조예 1의 광학 이미지이다.
도 2 (a)는 PTFE 나노섬유가 대부분 유실되었고, 이와 비교하여 도 2 (b)는 PTFE 나노섬유가 대부분 남아 있는 것을 확인할 수 있다.
이를 통해 상기 PTFE, PVA, PEO 및 SA 함유 용액을 전기방사하여 열처리를 한 후의 PTFE 나노섬유층은 정전기력이 거의 없으므로, PTFE 마이크로 폼(거품코팅층)과 PTFE 나노섬유층과 접합력이 강한 것을 확인 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, PTFE 마이크로 폼(거품코팅층)의 표면 전하, PTFE-PVA-BA 나노 섬유 방사 용액을 전기 방사 한 후에 측정한 표면 전하, PTFE-PVA-PEO-SA 나노 섬유 방사 용액을 방사한 후의 표면 전하 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, PTFE마이크로 폼(거품코팅층)의 표면 전하는 그래프 상의 삼각형 형상의 점을 나타내고, PTFE-PVA-BA 나노 섬유 방사 용액을 전기 방사 한 후에 측정한 표면 전하는 원형 형상의 점을 나타내고, PTFE-PVA-PEO-SA 나노 섬유 방사 용액을 방사한 후에 측정한 표면 전하는 사각형 형상의 점을 나타낼 수 있다.
이때, 상기 PTFE 마이크로 폼(거품코팅층)의 표면 전하는 그래프 좌측인 Before electrospinning(전기 방사 전) 에서 삼각형, 원형 및 사각형 형상의 점을 나타낼 수 있고, 그래프 우측인 After electrospinning(전기 방사 후)에서 PTFE-PVA-PEO-SA 나노 섬유 방사 용액을 방사한 후에 측정한 표면 전하를 사각형 점으로 나타낼 수 있고, PTFE-PVA-BA 나노섬유 방사 용액을 방사한 후 표면 전하를 원형의 점으로 나타낼 수 있다.
상기 도 3을 참조하면, 나노 섬유 방사 용액를 전기 방사하기 전 PTFE마이크로 폼(거품코팅층)는 삼각형, 원형, 사각형 형상 모두가 중성 전위에 가까운 전하가 측정되고, PTFE-PVA-PEO-SA 나노 섬유 방사 용액을 방사한 후에 측정한 표면 전하는 사각형 형상으로서 적은 양의 음전하가 측정 되며, PTFE-PVA-BA 나노 섬유를 전기 방사 한 후의 표면 전하는 원형 형상으로서 상대적으로 큰 양전하가 측정된 것을 확인 할 수 있다.
따라서, PTFE-PVA-BA 나노 섬유 방사 용액을 전기 방사 한 경우 상대적으로 높은 정전기력이 발생한 것을 확인 할 수 있으므로, PTFE-PVA-BA 나노 섬유 방사한 후의 PTFE 나노섬유층과 PTFE마이크로 폼(거품코팅층) 사이에 들뜸 현상(박리)이 발생할 수 있는 반면에, 상기 PTFE-PVA-PEO-SA 나노 섬유 방사 용액을 전기 방사 한 후의 PTFE 나노섬유층과 PTFE마이크로 폼(거품코팅층) 사이에는 경우 상대적으로 낮은 정전기력이 발생하여 들뜸현상(박리)이 발생하지 않을 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예인 PTFE-PVA-PEO-SA 나노 섬유 방사 용액을 전기 방사한 경우 PTFE마이크로 폼(거품코팅층)와 PTFE 나노 섬유 사이에 들뜸 현상(박리)이 발생하지 않으므로 PTFE층 간 정전기적 반발력을 감소시키고 접합력을 증가시켜서 PTFE 섬유 필터의 내열성 및 기계적 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, (a) PTFE-PVA-BA 전기방사 용액, (b) PTFE-PVA-PEO 전기방사 용액 (c) PTFE-PVA-PEO-SA 전기방사 용액 제조 후 60시간 경과 후를 나타낸 이미지이다.
상기 도 4를 참조하면, (a) PTFE/PVA/BA 전기방사 용액 제조 후 60 시간 경과 후를 나타낸 이미지는 표면에서 층분리가 관찰되고, (b) PTFE-PVA-PEO 전기방사 용액 제조 후 60 시간 경과 후를 나타내는 이미지는 표면에서 층분리가 관찰되고, (c) PTFE-PVA-PEO-SA 전기방사 용액 제조 후 60 시간 경과 후를 나타내는 이미지는 표면에서 층분리가 관찰되지 않은 것을 확인 할 수 있다.
따라서, 상기 PTFE-PVA-PEO-SA 전기방사 용액을 나노 섬유 방사용액으로 이용하여 상기 PTFE 마이크로 섬유층 상에 전기방사 한 경우 접합면의 들뜸 현상이 발생하지 않을 수 있다.
상기 BA(Boric acid)는 생식 교란 물질로서 환경오염 위험이 있지만 상기 SA(sodium alginate)은 해조류에 들어있는 성분이므로 환경오염 위험을 줄일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 가압 공정을 수행함으로써 고온에서도 PTFE 나노섬유가 휘발되는 것을 방지하여 필터로서의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 PTFE 나노섬유층과 PTFE 기재를 직접 접합 함으로써 PTFE층 간 정전기적 반발력을 감소시키고 접합력을 증가시켜서 PTFE 섬유 필터의 내열성 및 기계적 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, PTFE 섬유에 함유된 정전기를 감소시키는 상기 이종 폴리머 소재에 의해 여과필터에서의 집진 또는 탈진 공정 시 폭발 가능성을 크게 낮춰서 필터 기능과 안정성을 향상시킬 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 무기질 섬유 지지체
200: PTFE 마이크로 폼 또는 PTFE 마이크로 섬유층
300: PTFE 나노섬유층
200: PTFE 마이크로 폼 또는 PTFE 마이크로 섬유층
300: PTFE 나노섬유층
Claims (13)
- 무기질 섬유 지지체;
상기 무기질 섬유 지지체 상에 위치하는 PTFE 마이크로 폼 또는PTFE 마이크로 섬유층; 및
상기 PTFE 마이크로 폼 또는 PTFE 마이크로 섬유층 상에 위치하는 PTFE 나노섬유층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 형상의 PTFE 섬유 여과체. - 제1항에 있어서,
상기 PTFE 나노섬유층은 PTFE 마이크로 폼 또는 PTFE 마이크로 섬유층 상에 PTFE, 분산제 및 이종 폴리머가 함유된 나노 섬유 방사 용액이 정전 분무(Electrospraying) 또는 전기 방사(electrospinning)되고 가압 후 열처리 되는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 형상의 PTFE 섬유 여과체. - 제2항에 있어서,
상기 이종 폴리머 소재는 양극성 폴리머와 이온 가교 폴리머가 혼합된 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 형상의 PTFE 섬유 여과체. - 제3항에 있어서,
상기 양극성 폴리머는 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide, PEO), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG), 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA), 이들의 유도체 또는 이들의 혼합 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 형상의 PTFE 섬유 여과체. - 제3항에 있어서,
상기 이온 가교 폴리머는 알긴산(SA), 사카린, 폴리아크릴산(poly(acrylic acid), PA), 폴리메타크릴산(poly(methyl acrylate), PMA), 폴리티오펜아세트산(poly(thiophene acetic acid), PTTA), 폴리술포네이트스티렌(poly(sunfonate styrene), PSS), 히알루론산(Hyaluronic acid), 펙틴(pectin), 콘드로이틴설페이트(chondroitin sulfate), 데스트란설페이트(dextran sulfate), 이들의 유도체 또는 이들의 혼합물질을 포함할 수 있고, 카르복시기(-COO-), 술폰산기(-SO3-) 또는 아세톡시기(-CH2COO-)가 함유된 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 형상의 PTFE 섬유 여과체. - 제 1항에 있어서,
상기 무기질 섬유 지지체는 유리섬유, 암석섬유에서 선택된 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 형상의 PTFE 섬유 여과체. - 무기질 섬유 지지체를 준비하는 단계;
상기 무기질 섬유 지지체 상에 PTFE 마이크로 폼 또는 PTFE 마이크로 섬유층을 형성하는 단계;및
상기 PTFE 마이크로 폼 또는 PTFE 마이크로 섬유층 표면에 PTFE, 분산제 및 이종 폴리머가 함유된 나노 섬유 방사 용액을 정전 분무(Electrospraying) 또는 전기 방사(electrospinning)한 후 가압하고 열처리하여 PTFE 나노섬유층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 형상의 PTFE 섬유 여과체 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 가압은 0.01MPa 내지 1MPa의 압력으로 수행되는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 형상의 PTFE 섬유 여과체 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 열처리는 300℃ 내지 400℃의 온도로 수행되는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 형상의 PTFE 섬유 여과체 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 이종 폴리머는 양극성 폴리머와 이온 가교 폴리머가 혼합된 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 형상의 PTFE 섬유 여과체 제조방법. - 제10항에 있어서,
상기 양극성 폴리머는 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide, PEO), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG), 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone, PVP), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol, PVA), 이들의 유도체 또는 이들의 혼합 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 형상의 PTFE 섬유 여과체 제조방법. - 제10항에 있어서,
상기 이온 가교 폴리머는 알긴산(SA), 사카린, 폴리아크릴산(poly(acrylic acid), PA), 폴리메타크릴산(poly(methyl acrylate), PMA), 폴리티오펜아세트산(poly(thiophene acetic acid), PTTA), 폴리술포네이트스티렌(poly(sunfonate styrene), PSS), 히알루론산(Hyaluronic acid), 펙틴(pectin), 콘드로이틴설페이트(chondroitin sulfate), 데스트란설페이트(dextran sulfate), 이들의 유도체 또는 이들의 혼합물질을 포함할 수 있고, 카르복시기(-COO-), 술폰산기(-SO3-) 또는 아세톡시기(-CH2COO-)가 함유된 화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 형상의 PTFE 섬유 여과체 제조방법. - 제 7항에 있어서,
상기 무기질 섬유 지지체는 유리섬유, 암석섬유에서 선택된 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 형상의 PTFE 섬유 여과체 제조방법.
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| KR1020210093607A KR20230012841A (ko) | 2021-07-16 | 2021-07-16 | 마이크로 나노 형상의 ptfe 섬유 여과체 및 그의 제조방법 |
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| KR20210068248A (ko) | 2019-11-29 | 2021-06-09 | 한국생산기술연구원 | Ptfe 정전입자를 포함하는 내열 백 필터 및 내열 백 필터의 제조방법 |
-
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