KR20230067146A - 항균력을 갖는 멜트블로운 부직포 및 그 제조방법 - Google Patents
항균력을 갖는 멜트블로운 부직포 및 그 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 멜트블로운 부직포의 제조과정에서 산화아연을 분무방식에 의해 분사함으로써 멜트블로운 부직포에 항균성을 부여하는 방법에 관한 발명으로 제조공정의 운전이 간단하고, 비용이 절감되며, 인체에 무해한 산화아연을 항균제로 포함하기 때문에 상기 부직포는 안전하고 경제적인 소재로 물티슈, 공기청정기 및 에어컨용 필터 등에 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 항균력을 갖는 멜트블로운(Melt-blown) 부직포에 관한 발명이며, 더욱 상세하게는 항균력을 높이기 위해 산화아연을 포함하고 있는 멜트블로운 부직포 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 COVID-19와 같은 유행성 전염병이 주기적으로 발생하고 있는 시점에서 항균 기능을 갖는 섬유는 섬유 업계에서 중요한 기능으로 여겨지며 지속적으로 성장하고 있는 분야 중 하나이다.
종래에 판매되고 있는 섬유와 비교해 볼 때 항균성은 섬유의 응용 분야를 넓히고, 제품 가치를 높이며 섬유 제품의 서비스 품질을 향상시킨다. 예를 들어 섬유의 응용분야로는 전통적인 의류 분야 외에도 생활용품(물티슈 등), 의료 및 건강관리, 주택 및 장식용 소재, 자동차 내장재, 건설 자재, 해양, 군수 및 우주 산업 등에서 찾을 수 있다.
한편, 나노 구리(Cu), 나노 은(Ag)은 항균기능을 보강하기 위해 대표적으로 사용되는 무기 첨가제로 알려져 있는데, 나노 은은 인체에 진폐성을 유발하는 유해물질이라는 사실이 밝혀져 OECD 국가를 포함한 다수 국가에서 사용이 금지되었다. 반면, 나노 구리(Cu)는 공기 중에서 자연 산화되는 성질이 있어 소재 수명이 짧다는 단점이 있다.
항균력을 부가하기 위한 또다른 방법으로 산화아연(ZnO)이 시도된 바가 있다. 산화아연(ZnO)은 순백색의 금속 산화물로 물리적, 화학적으로 안정하며, 미국식품의약국(FDA) 및 미국환경보호청(EPA)로부터 승인받은 인체에 무해한 물질로서 굴절율, 착색력이 크고 반사율이 높은 특성을 갖고 있으며 항바이러스성, 항균, 소취기능을 가진다.
산화아연의 항균 작용 메커니즘으로 알려진 대표적인 세 가지 메커니즘은 다음과 같다. 즉, 1) Zn2+ 이온 자체의 활동성으로 박테리아의 세포벽과 세포막 파괴로 인한 항균력 작용, 2) 산화아연과 균 사이의 정전기적 인력(Electrostatic attraction)에 의해 산화아연이 균의 세포벽에 흡착에 따른 균의 사멸 유도, 3) 산화아연의 표면에 존재하는 산소원자 결함(oxygen vacancy)에 의해 활성산소종(reactive oxygen species)이 발생하고 이로 인한 균의 사멸유도이다.
이러한 산화아연을 직물에 적용한 실태를 살펴보면, 솜과 폴리에스테르 섬유 같은 직물에 습식화학공정으로 생산된 산화아연을 적용하게 되면, 유익한 항균 특성, 강화된 순백색도, UV 복사선 저항성 및 정전기 방지특성을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다.
그런데 산화아연과 같은 항균 기능 소재를 직물에 투입하여 부직포를 만들기 위해 사용된 방법으로는 전통적으로 마스터 배치 칩을 만들어 투입하였으나, 마스터 배치 칩의 경우, 압출기 내부에서 폴리프로필렌(polypropylene, PP)과 같은 직물 소재와 함께 용융 및 혼합되기 때문에 나노 크기의 산화아연 입자들이 골고루 분산되지 못하고 응집된 상태로 남는 문제가 있었다.
이처럼 산화아연이 응집된 형태로 남아있는 부직포를 얻게 되면 부직포로부터 산화아연이 탈락되는 문제가 발생할 수 있어, 이러한 부직포를 공기청정기 및 에어컨용 필터로 활용하기에는 부적절하게 된다. 또한, 산화아연 응집물로 인해 노즐의 로딩에 어려움이 생기거나 섬유의 실 파손 등이 발생할 수 있다.
앞선 선행기술인 공개특허공보 10-2020-0090581호에서는 산화아연 입자가 포함된 마스터배치 칩을 이용하여 제조된 복합섬유를 개시하고 있으나, 마스터배치 칩을 이용한다는 점에서 종래의 기술과 다를 바가 없어 앞서 설명한 문제가 여전히 발생할 우려가 있고, 본 발명과 같은 기술은 개시하고 있지 않다.
앞서 언급한 바와 같이 산화아연을 마스터 배치 칩의 형태로 직물에 투입하게 되면 산화아연의 응집 현상이 발생할 우려가 큰 바 이와 같은 산화아연의 응집현상이 발생하지 않는 새로운 제조공법이 필요하게 된다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기위해 항균력을 갖는 멜트블로운 부직포를 다음과 같은 방법으로 제조함으로써 항균성분이 균일하게 분포되고 탈착이 일어나지 않는 부직포를 제공한다.
상기 방법은 PP 고분자 원료가 용융되어 분사되는 공정에서 항균용액탱크(10)에 있는 항균성 용액을 함께 분무함으로써 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예로서는 상기 항균성 용액은 산화아연(ZnO)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예로서는 상기 산화아연의 평균 입자직경은 10 ~ 200nm인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예로서는 PP 부직포 내 상기 산화아연의 함량은 전체 부직포 중량 대비 0.1~10 wt%인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예로서는 상기 항균성 용액은 산화아연 대신 나노 은 또는 나노 구리를 포함하거나 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 부직포는 물티슈, 공기청정기 및 에어컨용 필터, 의류의 소재로 사용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 멜트블로운 부직포 제조 과정에서 산화아연(ZnO) 용액을 함께 분무함으로써 항균력이 있는 부직포의 제조공정의 운전이 용이하고, 마스터 배치 칩을 만드는 공정이 생략됨에 따라 공정이 단순화되고 항균 기능을 갖는 부직포의 가격경쟁력을 갖출 수 있다.
특히 멜트블로운 부직포를 물티슈 소재로 사용하게 되면 항균성과 안전성을 갖는 물티슈의 제조가 가능하며, 본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않고, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 구현 예에 따른 항균력을 가진 멜트블로운 부직포의 제조장치를 예시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 부직포의 황색포도상구균에 대한 항균검사 결과를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 부직포의 대장균에 대한 항균검사 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 부직포의 산화아연의 분포를 나타내는 SEM/EDX 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 부직포의 황색포도상구균에 대한 항균검사 결과를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 부직포의 대장균에 대한 항균검사 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 부직포의 산화아연의 분포를 나타내는 SEM/EDX 사진이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구체적인 내용을 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 구현 예에 따른 항균력을 가진 멜트블로운 부직포의 제조장치를 예시한다.
먼저 본 발명의 일 구현 예에 따르면, 멜트블로운 부직포 제조단계에서 항균기능을 하는 산화아연(ZnO) 용액을 함께 분무함으로써 항균성분이 부직포내에 골고루 분포되고 탈착되지 않는 특징을 갖는 항균력을 갖는 부직포를 제조하는 방법이 제공된다.
즉, 본 발명의 멜트블로운 부직포는 (a) 폴리프로필렌(Polypropylene, PP) 원료가 용융되어 분사되는 단계에서 별도의 탱크에 준비된 산화아연 용액을 함께 분무하는 단계, (b) PP 원료가 고형화되는 과정에서 산화아연과 결합하는 단계 및, (c) 산화아연이 결합된 부직포를 건조하는 단계를 거쳐 만들어진다.
먼저 PP 원료는 용융 방사에 적합하도록 용융되어 높은 유동성과 낮은 점도를 갖고 있어야 한다. 이 PP 원료가 압출기(extruder)를 거쳐 기어펌프(gear-pump)에 의해 다이(Die)의 미세한 구멍을 통해 토출 및 분사되게 된다.
PP 고분자는 용융상태에서 미세한 다이 구멍을 빠져나오면 고속으로 분사되는 열풍에 의해 길게 뻗어나가면서 초극세화된 다음 무작위로 엉킨 뒤 수집기(collector)위로 적층된다. 이렇게 만들어진 멜트블로운 부직포는 직경이 10㎛ 이하인 미세섬유들이 상호 결합하여 거미줄과 같은 구조형태를 갖는 3차원적 섬유집합체가 된다.
한편, 도 1에서와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면 PP 원료가 다이를 거쳐 분사되는 과정에서 초극세화되고 뜨거운 상태의 PP 섬유에 산화아연(ZnO) 용액이 분무장치(노즐)에 의해 분무된다. 산화아연 용액이 분무되는 분무장치는 복수 개 설치될 수 있으며 설치 위치나 간격은 필요에 따라 조정될 수 있다.
그 다음, PP 섬유는 고형화되는 과정에서 산화아연과 견고하게 결합하게 된다. 이 때 산화아연은 PP 섬유의 외부 뿐만 아니라 내부에도 골고루 분포할 수 있게 된다. 또한 본 발명의 부직포는 내부 기공의 평균 크기가 5~10㎛이므로 비표면적이 넓어 항균 효과가 탁월하게 발휘될 수 있다.
다음으로 건조과정을 거쳐 산화아연이 결합된 부직포가 최종적으로 만들어지며, 이처럼 견고하게 결합된 산화아연은 쉽게 부직포로부터 탈착되지 않게 된다.
본 발명의 일 실시예에서는 부직포의 소재로 폴리프로필렌(PP)을 예로 들었으나, 부직포의 소재로 가능한 고분자 소재라면 어떤 종류든 가능하다. 예를 들어 폴리에스테르(Polyester), 나일론(Nylon), 비스코스 레이온(viscose rayon) 등도 본 발명의 소재로 사용될 수 있다.
또한 부직포에 항균 효과를 부여하기 위해 나노 은(Ag), 나노 구리(Cu), 유기 항균제, 유기 요오드 화합물이 산화아연 대신 사용될 수도 있으며, 상기 항균제들은 필요에 따라 적정량 혼합하여 사용될 수도 있다.
[실시예 1] 항균력이 있는 PP 부직포의 제조
원료인 PP를 용융시킨 다음 앞서 설명한 바와 같이 압출기 및 다이를 통과하여 토출 및 분사시킨다. 이 때 압출기 온도는 220~240℃를 유지하는 것이 바람직하다. 이 때 PP 분사 노즐과 수집기 사이의 거리는 15~30cm이다.
PP 섬유가 분사되는 동안 항균용액탱크(10)에 있는 산화아연 용액이 분사되는 상기 섬유에 분무가 된다. 사용된 산화아연은 순도가 99.0 중량%으로 삼전순약에서 구입하였다. 산화아연 용액의 분무장치와 분사되는 PP 섬유 사이의 거리는 5~20 cm가 바람직하다.
산화아연 용액의 분무량은 0.5~2.0 L/min 의 속도로 분무가 되었으며, 바람직하게는 0.5~1.0 L/min의 속도로 분무되는 것이 좋다. 만약 분무속도가 0.5 L/min 보다 적으면 부직포의 전체 중량 대비 결합되는 산화아연의 양이 적어져 항균효과가 떨어지고, 분무속도가 2.0 L/min의 속도보다 크면 부직포내에서 산화아연의 양이 많아져 응집현상이 발생할 수도 있다.
이 때 사용되는 산화아연(ZnO)의 함량은 전체 부직포 중량 대비 0.1~10 wt%가 적당하며, 바람직하게는 0.1~1.0 wt%가 좋다. 만약 산화아연 함량이 0.1 wt% 이하이면 항균기능이 떨어지고, 10 wt% 가 넘으면 항균용액탱크(10) 내에서 산화아연 입자들의 응집현상이 심해지게 된다.
또한 산화아연 입자의 평균 입자직경은 10 ~ 200nm가 바람직하며, 보다 바람직하게는 10~100nm이다. 산화아연 입자의 직경이 10nm 이하이면 응집이 일어나기 쉽고, 분산제를 사용해도 균일 미분산이 어려울 수 있다. 반면 산화아연 입자의 직경이 200nm 보다 크면 실 파손이 발생하거나, 부착되지 못하고 탈착하기 쉽다.
산화아연 용액은 산화아연 입자들을 증류수에 분산된 현탁액 상태로 사용하며, 상기 용액상에서 산화아연 입자들이 응집되지 않고 분산이 잘될 수 있도록 분산제를 첨가하거나 항균용액탱크(10)에 교반기를 설치하는 것이 바람직하다.
최종적으로 제조된 부직포는 평균 기공 크기가 5~10㎛이고 부직포의 중량은 20~50 g/m2이었다.
[시험예 1] 항균 테스트 결과
실시예 1에 따라 제작된 부직포에 대하여 항균시험을 진행하였다. 정균 감도율은 KS K 0693방법을 사용하여 측정하였다. 이 방법은 시료를 고온고압멸균기에서 121℃로 멸균 처리한 후 균을 접종하고, 18시간 배양한 뒤 표준면포(control)와 비교하여 정균감소율 %를 계산하는 방법이다. 이 때 사용한 균의 종류는 황색포도상구균과 대장균을 사용하였다.
항균시험결과, 표 1 및 도 2와 같이 황색포도상구균에 대하여 측정한 결과 정균감소율 99.9%를 확보하였으며 이는 육안으로도 확인이 되었다.
| 시험항목 | 시험결과 | ||
| Control | Sample | ||
| Staphylococcus aureus | 18시간 후 생균수(CFU/mL) | 4.6 X 10 6 | 2.8 X 10 3 |
| ATCC 6538 (황색포도상구균) | 정균감소율(%) | - | 99.9 |
| 접종균액의 농도 | 3.2 X 10 5 CFU/mL | - | |
마찬가지로 표 2 및 도 3에서와 같이 대장균에 대하여 측정한 결과도 정균감소율 99.9%를 확보하였다.
| 시험항목 | 시험결과 | ||
| Control | Sample | ||
| Escherichia coli | 18시간 후 생균수(CFU/mL) | 1.1 X 10 6 | <10 |
| ATCC 8739 (대장균) | 정균감소율(%) | - | 99.9 |
| 접종균액의 농도 | 3.2 X 10 5 CFU/mL | - | |
추가적으로 산화아연 입자의 부직포내 균일한 분포를 확인하기 위하여 SEM/EDX 분석을 실시하였다. 도 4에서와 같이 아연입자가 부직포에 큰 응집현상이 없이 골고루 분포하고 있음을 알 수 있었다.
상기에서는 본 발명의 일 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 항균용액탱크
Claims (7)
- 항균력을 갖는 멜트블로운(melt-blown) 부직포의 제조방법으로서, 상기 제조방법은 PP(Polypropylene) 고분자 원료가 용융되어 분사되는 공정에서 항균용액탱크(10)에 있는 항균성 용액을 함께 분무함으로써 항균 성분이 상기 부직포내에 균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는, 항균력을 갖는 멜트블로운 부직포의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 항균성 용액은 산화아연(ZnO)을 포함하는 것을 특징으로 하는
항균력을 갖는 멜트블로운 부직포의 제조방법. - 제2항에 있어서,
상기 산화아연의 평균 입자직경은 10 ~ 200nm인 것을 특징으로 하는
항균력을 갖는 멜트블로운 부직포의 제조방법. - 제2항에 있어서,
PP 부직포 내 상기 산화아연의 함량은 전체 부직포 중량 대비 0.1~10 wt%인 것을 특징으로 하는
항균력을 갖는 멜트블로운 부직포의 제조방법. - 제2항에 있어서, 상기 항균성 용액은 산화아연 대신 나노 은(Ag) 또는 나노 구리(Cu)를 포함하거나 이들의 혼합물을 포함하는 것인,
항균력을 갖는 멜트블로운 부직포의 제조방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 항균력을 갖는 멜트블로운 부직포.
- 제6항에 있어서
상기 멜트블로운 부직포의 용도는 물티슈, 공기청정기 및 에어컨용 필터, 의류의 소재로 사용되는 것을 특징으로 하는
항균력을 갖는 멜트블로운 부직포.
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