KR20230081320A - PTFE-SiO2 nanofiber membrane for gas filter with excellent breathability and mechanical properties - Google Patents

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Abstract

본 발명은 방사액의 전기방사에 의해 제조된 PTFE-SiO2 나노섬유 멤브레인으로서, 상기 SiO2 나노파티컬은 무정형 실리카로서, 방사액 100중량부에 대하여 0.001 내지 0.05 중량부를 더 포함하고, 상기 나노섬유 멤브레인을 구성하는 나노섬유 직경은 400 내지 600nm이고, 상기 나노섬유 멤브레인의 인장강도는 2 내지 3.3 MPa인 것을 특징으로 하는 가스필터용 PTFE-SiO2 나노섬유 멤브레인을 제공한다.
본 발명은 실리카 나노 구조체의 첨가량이 극소량이어도 PTFE/SiO2 나노섬유 복합 멤브레인에서 충분한 통기성을 보여준다. 또한, 기계적 물성 평가에서 실리카 함량에 따라 복합 멤브레인이 순수 PTFE 나노섬유에 비해 인장강도, 파단신율 및 영률 모두 향상된다. 전기방사 기반 PTFE-SiO2 나노섬유 복합 멤브레인은 매우 간단한 공정으로 대면적의 멤브레인을 제조할 수 있고, 우수한 통기성 및 기계적 물성을 가지므로 가스필터로 응용가능하다.
The present invention is a PTFE-SiO2 nanofibrous membrane prepared by electrospinning of a spinning solution, wherein the SiO2 nanoparticles are amorphous silica, further comprising 0.001 to 0.05 parts by weight based on 100 parts by weight of the spinning solution, and the nanofibrous membrane The nanofiber diameter constituting is 400 to 600 nm, and the tensile strength of the nanofiber membrane is 2 to 3.3 MPa, characterized in that it provides a PTFE-SiO2 nanofiber membrane for a gas filter.
The present invention shows sufficient air permeability in the PTFE/SiO 2 nanofiber composite membrane even when the added amount of the silica nanostructure is very small. In addition, in the evaluation of mechanical properties, the tensile strength, elongation at break, and Young's modulus of the composite membrane are all improved compared to pure PTFE nanofibers according to the silica content. The electrospinning-based PTFE-SiO 2 nanofiber composite membrane can be fabricated with a very simple process and has excellent air permeability and mechanical properties, so it can be applied as a gas filter.

Description

우수한 통기성 및 기계적 물성을 가진 가스필터용 PTFE-SiO2 나노섬유 멤브레인{PTFE-SiO2 nanofiber membrane for gas filter with excellent breathability and mechanical properties}PTFE-SiO2 nanofiber membrane for gas filter with excellent breathability and mechanical properties}

본 발명은 우수한 통기성 및 기계적 물성을 가진 가스필터용 PTFE-SiO2 나노섬유 멤브레인에 관한 것으로서, 상세하게는 PEO/PTFE 방사액에 극소량의 SiO2 나노파티컬을 첨가하여 인장강도, 파단신율 및 영률을 개선한 것에 관한 것이다.The present invention relates to a PTFE-SiO2 nanofiber membrane for gas filters having excellent air permeability and mechanical properties. it's about something

폴리테라플루오로에틸렌 (polyterafluoroethylene, PTFE)은 우수한 열 안정성, 내화학성 및 전기절연성 소재로 잘 알려져 있다. 높은 유연성 및 투과성으로 인해 PTFE 나노섬유 멤브레인은 고온용 필터 재료로 광범위하게 사용되어 왔다. 그러나, 뛰어난 내용제성 및 높은 용융점을 가지고 있어 PTFE 용액을 이용한 전기방사를 통해 나노섬유 멤브레인을 제작하는 것은 어렵다. 이를 해결하기 위한 하나의 전략으로 동축 전기방사 방식을 이용하여 테프론 비정질 불소 중합체 복합막을 제조하는 연구가 진행되었다. 이 방식은 가이드 코어 고분자를 따라 외피 용액인 전기방사가 불가능한 고분자 물질을 전기방사 할 수 있다. PTFE 섬유막 제조를 위한 또 다른 방식으로 에멀션 (emulsion)을 이용한 전기방사가 있다. 에멀션 전기방사 방법은 소량의 수용성 고분자를 가이드 고분자를 첨가하여 수성 에멀션을 통해 PTFE 섬유막 제조가 가능하다. 폴리비닐알코올 (polyvinyl alcohol, PVA) 및 PTFE 에멀션 용액을 이용하여 다공성 섬유 멤브레인을 제조한 연구가 진행되었다. 이 연구에서 PVA 및 PTFE 질량비가 30:70 wt% 에서 균일한 섬유가 제조되지만, 높은 PVA 함량으로 인해 소결 (sintering) 과정에서 섬유 구조가 크게 변형되었다. 섬유 멤브레인의 결함의 최소화하기 위한 유력한 가이드 고분자로 폴리에틸렌 옥사이드 (polyethylene oxide, PEO)가 사용되었다. 낮은 함량의 PEO를 첨가하여 섬유를 제조할 수 있으므로 소결 후에도 섬유 구조 유지 및 소결에 의한 용이한 제거 등의 이점을 가진다. 이후 소량의 폴리에틸렌 옥사이드 (polyethylene oxide, PEO)를 가이드 고분자로 사용하여 결함이 없는 PTFE 섬유 멤브레인을 제조하는 연구가 진행되었다. PTFE와 3wt% PEO가 첨가된 에멀션의 전기방사 후 고온 소결을 통해 제조된 순수한 PTFE 섬유 멤브레인은 낮은 구조적 결함으로 인해 우수한 기계적 성능을 보였다. 또한, 강염기 및 강산 처리 후에도 동일한 섬유 형태 및 기계적 특성을 가질 수 있어 우수한 내화학성을 보여주었다. Polyterafluoroethylene (PTFE) is well known for its excellent thermal stability, chemical resistance and electrical insulation properties. Due to their high flexibility and permeability, PTFE nanofibrous membranes have been widely used as high-temperature filter materials. However, it is difficult to fabricate a nanofibrous membrane through electrospinning using a PTFE solution because it has excellent solvent resistance and a high melting point. As one strategy to solve this problem, research on preparing a Teflon amorphous fluoropolymer composite membrane using a coaxial electrospinning method has been conducted. This method can electrospin a polymer material that cannot be electrospun, which is a shell solution, along the guide core polymer. Another method for producing a PTFE fiber membrane is electrospinning using an emulsion. In the emulsion electrospinning method, a small amount of water-soluble polymer and a guide polymer can be added to prepare a PTFE fiber membrane through an aqueous emulsion. A study on manufacturing a porous fiber membrane using polyvinyl alcohol (PVA) and a PTFE emulsion solution was conducted. In this study, uniform fibers were prepared at a PVA and PTFE mass ratio of 30:70 wt%, but the fiber structure was greatly deformed during sintering due to the high PVA content. Polyethylene oxide (PEO) was used as an effective guide polymer to minimize the defects of the fiber membrane. Since the fiber can be prepared by adding a low content of PEO, it has advantages such as maintenance of the fiber structure after sintering and easy removal by sintering. Afterwards, research was conducted to fabricate defect-free PTFE fiber membranes using a small amount of polyethylene oxide (PEO) as a guide polymer. The pure PTFE fiber membrane prepared by high-temperature sintering after electrospinning of PTFE and 3 wt% PEO-added emulsion showed excellent mechanical performance due to low structural defects. In addition, it showed excellent chemical resistance because it could have the same fiber shape and mechanical properties even after treatment with strong base and strong acid.

그러나 PTFE의 필터로의 높은 잠재적 응용 가능성에도 불구하고, 높은 선형 열팽창 계수 (high linear coefficient of thermal expansion) 및 낮은 표면 에너지 등의 문제는 여전히 큰 문제이다. 따라서, 마이크로 유리 섬유(micro fiberglass), 세라믹 입자 (ceramic particles) 등 무기 충진제 (inorganic fillers)들이 PTFE 매트릭스에 첨가되었다. 따라서 PTFE/나노 실리카 복합재료 (composites)의 충진제 함량에 따른 복합 재료의 열, 인장강도 및 구조 등 특성을 분석하는 연구가 진행되었다. 다양한 크기의 필러 함량이 0-60wt%로 증가함에 따라 인장 탄성율 (tensile modulus)은 증가했지만, 인장강도 (tensile strength)가 감소하는 문제점이 생겼다. 이 경우, 마이크로 크기의 실리카 필러와 매트릭스 사이의 접착 불량은 낮은 인장 특성 및 열 안정성이 증가하지 않는 주요 원인이 되었다. However, despite the high potential application of PTFE to filters, problems such as high linear coefficient of thermal expansion and low surface energy are still big problems. Therefore, inorganic fillers such as micro fiberglass and ceramic particles were added to the PTFE matrix. Therefore, studies were conducted to analyze the properties of PTFE/nano-silica composites (composites) such as heat, tensile strength and structure according to the filler content. As the filler content of various sizes increased from 0 to 60 wt%, the tensile modulus increased, but the tensile strength decreased. In this case, poor adhesion between the micro-sized silica filler and the matrix was the main cause of low tensile properties and thermal stability.

대한민국 등록특허 제 10-0890594 호Republic of Korea Patent No. 10-0890594

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 높은 기계적 특성을 가지는 멤브레인을 가지기 위하여 무정형 실리카를 필러로 사용하여 전기방사를 통해 PTFE/실리카의 복합 나노섬유 멤브레인 및 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a PTFE/silica composite nanofibrous membrane and a manufacturing method through electrospinning using amorphous silica as a filler in order to have a membrane having high mechanical properties. .

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,In order to achieve the above object, the present invention,

방사액의 전기방사에 의해 제조된 PTFE-SiO2 나노섬유 멤브레인으로서,A PTFE-SiO2 nanofiber membrane prepared by electrospinning of a spinning solution,

상기 SiO2 나노파티컬은 무정형 실리카로서, 방사액 100중량부에 대하여 0.001 내지 0.05 중량부를 더 포함하고,The SiO2 nanoparticles are amorphous silica, further comprising 0.001 to 0.05 parts by weight based on 100 parts by weight of the spinning solution,

상기 나노섬유의 직경은 400 내지 600nm이고,The diameter of the nanofiber is 400 to 600 nm,

상기 나노섬유의 인장강도는 2 내지 3.3 MPa인 것을 특징으로 하는 가스필터용 PTFE-SiO2 나노섬유 멤브레인을 제공한다.The tensile strength of the nanofibers provides a PTFE-SiO2 nanofiber membrane for gas filters, characterized in that 2 to 3.3 MPa.

상기 방사액은 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오르 프로필렌 공중합체, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 클로라이드-아크릴로니트릴 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리우레탄, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상 포함하는 것이 바람직하다. The spinning solution is polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, polyacrylonitrile, polyvinylidene chloride-acrylonitrile copolymer, polyethylene oxide, polyurethane, Polymethyl acrylate, polymethyl methacrylate, polyacrylamide, polyvinyl chloride, polyvinyl acetate, polyvinylpyrrolidone, polytetraethylene glycol diacrylate, polyethylene glycol dimethacrylate, cellulose, consisting of cellulose acetate It is preferable to include at least one selected from the group.

상기 나노섬유 멤브레인의 통기성은 800 내지 1100 cc/sec인 것이 바람직하다.The air permeability of the nanofibrous membrane is preferably 800 to 1100 cc/sec.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,In order to achieve the above other object, the present invention,

폴리에틸렌옥사이드 (Polyethyleneoxide;PEO)를 용매에 용해하여 PEO 용액을 제조하는 제 1 단계;A first step of preparing a PEO solution by dissolving polyethyleneoxide (PEO) in a solvent;

상기 단계에서 얻은 PEO 용액과 폴리테트라플루오르에틸렌 (Polytetrafluoroethylene;PTFE) 분산 수용액을 1 : 5 내지 15의 비율로 혼합하여 전기방사 용액을 제조하는 제 2 단계;A second step of preparing an electrospinning solution by mixing the PEO solution obtained in the above step and the polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion aqueous solution at a ratio of 1:5 to 15;

전기방사 용액 100중량부에 대하여 무정형 실리콘 옥사이드 파우더를 0.001 내지 0.05중량부 혼합용액에 더 첨가하는 제 3 단계;A third step of further adding 0.001 to 0.05 parts by weight of amorphous silicon oxide powder to the mixed solution based on 100 parts by weight of the electrospinning solution;

혼합용액에 전기방사하여 나노섬유 멤브레인을 제조하는 제 4 단계;A fourth step of preparing a nanofibrous membrane by electrospinning the mixed solution;

나노섬유 멤브레인을 50 내지 4000℃에서 열처리하여 고온 소결 과정을 통해 PEO를 제거하는 제 5 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스필터용 PTFE-SiO2 나노섬유 멤브레인 제조방법을 제공한다.A fifth step of removing PEO through a high-temperature sintering process by heat-treating the nanofiber membrane at 50 to 4000° C.

본 발명은 극소량의 무정형 실리카 나노구조체가 첨가된 PTFE-PEO 혼합용액의 전기방사를 통해 제조된 PTFE-PEO/SiO2 나노섬유 복합재료를 고온에서 짧게 소결 처리함으로써 PTFE/SiO2 나노섬유 복합 멤브레인을 제공한다. 실리카 나노 구조체의 첨가량이 극소량이어도 PTFE/SiO2 나노섬유 복합 멤브레인은 충분한 통기성을 보여준다. 또한, 만능재료 시험기를 사용한 기계적 물성 평가에서 실리카 함량에 따라 복합 멤브레인이 순수 PTFE 나노섬유에 비해 인장강도, 파단신율 및 영률 모두 향상된다. 전기방사 기반 PTFE-SiO2 나노섬유 복합 멤브레인은 매우 간단한 공정으로 대면적의 멤브레인을 제조할 수 있고, 우수한 통기성 및 기계적 물성을 가지므로 가스필터로 응용가능하다.In the present invention, a PTFE/SiO 2 nanofiber composite membrane is prepared by briefly sintering a PTFE-PEO/SiO 2 nanofiber composite material prepared by electrospinning of a PTFE-PEO mixed solution to which a very small amount of amorphous silica nanostructure is added at high temperature. to provide. The PTFE/SiO 2 nanofiber composite membrane shows sufficient air permeability even when the added amount of the silica nanostructure is very small. In addition, in the evaluation of mechanical properties using a universal testing machine, the tensile strength, elongation at break and Young's modulus at break of the composite membrane are all improved compared to pure PTFE nanofibers according to the silica content. The electrospinning-based PTFE-SiO 2 nanofiber composite membrane can be fabricated with a very simple process and has excellent air permeability and mechanical properties, so it can be applied as a gas filter.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PTFE-PEO/SiO2 복합 나노섬유 멤브레인의 (a) 소결 전 및 (b) 소결 후의 이미지 이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리카 함량 (a) 0.003, (b) 0.01, (c) 0.017, (d) 0.033 wt%인 PTFE-PEO/SiO2 복합 나노섬유 멤브레인의 PEO-PTFE/SiO2 나노섬유의 SEM 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리카 함량 (a) 대조군, (b) 0.003, (c) 0.01 및 (d) 0.017 wt%인 PTFE/SiO2 나노섬유의 SEM 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리카 함량 (a) 0(대조군), (b) 0.003, (c) 0.01 및 (d) 0.017 wt%인 PTFE/SiO2 나노섬유 멤브레인의 기공분포도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PTFE/SiO2 나노섬유 멤브레인의 압력 변화에 따른 가스 유량을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리카 함량 (a) 0(대조군), (b) 0.003, (c) 0.01 및 (d) 0.017 wt%인 PTFE/SiO2 나노섬유 멤브레인의 응력-변형률 곡선 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리카 함량별 PTFE/SiO2 나노섬유 멤브레인의 (a) 인장강도 및 (b) 영률 그래프이다.
1 is an image of a PTFE-PEO/SiO 2 composite nanofibrous membrane according to an embodiment of the present invention (a) before sintering and (b) after sintering.
2 is a PEO-PTFE/SiO 2 composite nanofibrous membrane having a silica content of (a) 0.003, (b) 0.01, (c) 0.017, and (d) 0.033 wt% according to an embodiment of the present invention. This is a SEM image of SiO 2 nanofibers.
FIG. 3 is a SEM image of PTFE/SiO 2 nanofibers having silica contents of (a) control, (b) 0.003, (c) 0.01, and (d) 0.017 wt% according to an embodiment of the present invention.
4 is a pore distribution diagram of PTFE/SiO 2 nanofibrous membranes having silica content of (a) 0 (control), (b) 0.003, (c) 0.01, and (d) 0.017 wt% according to an embodiment of the present invention. it's a graph
5 is a graph showing the gas flow rate according to the pressure change of the PTFE/SiO 2 nanofiber membrane according to an embodiment of the present invention.
6 is a stress-strain curve of PTFE/SiO 2 nanofibrous membranes having silica contents of (a) 0 (control), (b) 0.003, (c) 0.01, and (d) 0.017 wt% according to an embodiment of the present invention. it's a graph
7 is a graph of (a) tensile strength and (b) Young's modulus of a PTFE/SiO 2 nanofibrous membrane for each silica content according to an embodiment of the present invention.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일측면에 따르면, 방사액의 전기방사에 의해 제조된 PTFE-SiO2 나노섬유 멤브레인으로서, SiO2 나노파티컬은 무정형 실리카로서, 방사액 100중량부에 대하여 0.001 내지 0.05 중량부를 더 포함하고, 나노섬유의 직경은 400 내지 600nm이고, 나노섬유의 인장강도는 2 내지 3.3 MPa인 것을 특징으로 하는 가스필터용 PTFE-SiO2 나노섬유 멤브레인을 제공한다.According to one aspect of the present invention, a PTFE-SiO2 nanofiber membrane prepared by electrospinning of a spinning solution, wherein the SiO2 nanoparticle is an amorphous silica, further comprising 0.001 to 0.05 parts by weight based on 100 parts by weight of the spinning solution, Provided is a PTFE-SiO2 nanofiber membrane for a gas filter, characterized in that the diameter of the nanofiber is 400 to 600 nm, and the tensile strength of the nanofiber is 2 to 3.3 MPa.

바람직하게 SiO2 나노파티컬은 방사액 100중량부에 대하여 0.001 내지 0.03 중량부를 더 포함할 수 있고, 더욱 바람직하게는 방사액 100중량부에 대하여 0.001 내지 0.02중량부를 포함하는 것이 바람직하다.Preferably, SiO2 nanoparticles may further include 0.001 to 0.03 parts by weight based on 100 parts by weight of the spinning solution, and more preferably 0.001 to 0.02 parts by weight based on 100 parts by weight of the spinning solution.

SiO2 나노파티컬이 0.001 중량부 이하이면 SiO2 나노파티컬이 충분한 함량이 되지않아 파단신율,인장강도 및 영률등의 기계적 물성을 증가시키기 어렵고, 0.05중량부를 초과하면 SiO2와 PTFE 사이 상용성이 낮고, 친수성인 SiO2 나노파티컬이 많이 첨가 될수록 filler-filler interaction이 증가하여 filler-matrix interaction이 낮아지게 된다. 또한 SiO2 나노파티컬의 낮은 aspect ratio는 PTFE로 부터 전달된 응력을 지지할 수 없어 섬유 구조에 전달된 응력을 지지할 수 없게 된다.If SiO2 nanoparticles are less than 0.001 part by weight, SiO2 nanoparticles are not sufficient, so it is difficult to increase mechanical properties such as elongation at break, tensile strength and Young's modulus, and if it exceeds 0.05 parts by weight, compatibility between SiO2 and PTFE is low, As more hydrophilic SiO2 nanoparticles are added, the filler-filler interaction increases and the filler-matrix interaction decreases. In addition, the low aspect ratio of SiO2 nanoparticles cannot support the stress transferred from PTFE to the fiber structure.

방사액은 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오르 프로필렌 공중합체, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 클로라이드-아크릴로니트릴 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리우레탄, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상 포함하는 것이 바람직하다.The spinning solution is polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, polyacrylonitrile, polyvinylidene chloride-acrylonitrile copolymer, polyethylene oxide, polyurethane, poly A group consisting of methyl acrylate, polymethyl methacrylate, polyacrylamide, polyvinyl chloride, polyvinyl acetate, polyvinylpyrrolidone, polytetraethylene glycol diacrylate, polyethylene glycol dimethacrylate, cellulose, and cellulose acetate It is preferable to include one or more selected from.

더욱 바람직하게 방사액은 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리테트라플루오로에틸렌이 바람직하고 방사액의 비율은 PEO : PTFE가 1 : 5 내지 15의 비율로 혼합된 것이 바람직하다. More preferably, the spinning solution is polyethylene oxide and polytetrafluoroethylene, and the ratio of the spinning solution is preferably a mixture of PEO:PTFE in a ratio of 1:5 to 15.

나노섬유 멤브레인의 통기성은 800 내지 1100 cc/sec인 것이 바람직하다.The air permeability of the nanofibrous membrane is preferably 800 to 1100 cc/sec.

본 발명에 따른 나노섬유 멤브레인의 연신율은 140 내지 200%인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 150 내지 190일 수 있다. The elongation of the nanofibrous membrane according to the present invention is preferably 140 to 200%, more preferably 150 to 190%.

본 발명에 따른 나노섬유 멤브레인의 영율은 50 내지 80 N/mm2 일 수 있다.The Young's modulus of the nanofibrous membrane according to the present invention may be 50 to 80 N/mm 2 .

본 발명에 따른 나노섬유 멤브레인의 기공분포는 0.1 내지 0.2μm에서 10 내지 25%를, 0.4 내지 0.6μm에서 15내지 30%의 분포율을 각각 나타낸다. 바람직하게 기공분포는 0.1 내지 0.2μm에서 10 내지 20%를, 0.4 내지 0.6μm에서 15내지 30%의 분포율을 각각 나타낸다.The pore distribution of the nanofibrous membrane according to the present invention shows a distribution rate of 10 to 25% at 0.1 to 0.2 μm and 15 to 30% at 0.4 to 0.6 μm, respectively. Preferably, the pore distribution shows a distribution ratio of 10 to 20% at 0.1 to 0.2 μm and 15 to 30% at 0.4 to 0.6 μm, respectively.

본 발명의 다른 일측면에 따르면, 폴리에틸렌옥사이드 (Polyethyleneoxide;PEO)를 용매에 용해하여 PEO 용액을 제조하는 제 1 단계; PEO와 폴리테트라플루오르에틸렌 (Polytetrafluoroethylene;PTFE)을 1 : 5 내지 15의 비율로 혼합하여 전기방사 용액을 제조하는 제 2 단계; 전기방사 용액 100중량부에 대하여 무정형 실리콘 옥사이드 파우더를 0.001 내지 0.05중량부 혼합용액에 더 첨가하는 제 3 단계; 혼합용액에 전기방사하여 나노섬유 멤브레인을 제조하는 제 4 단계; 및 나노섬유 멤브레인을 250 내지 450℃에서 열처리하여 고온 소결 과정을 통해 PEO를 제거하는 제 5 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스필터용 PTFE-SiO2 나노섬유 멤브레인 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, a first step of preparing a PEO solution by dissolving polyethyleneoxide (PEO) in a solvent; A second step of preparing an electrospinning solution by mixing PEO and polytetrafluoroethylene (PTFE) at a ratio of 1:5 to 15; A third step of further adding 0.001 to 0.05 parts by weight of amorphous silicon oxide powder to the mixed solution based on 100 parts by weight of the electrospinning solution; A fourth step of preparing a nanofibrous membrane by electrospinning the mixed solution; and a fifth step of heat-treating the nanofiber membrane at 250 to 450° C. to remove PEO through a high-temperature sintering process.

제 2 단계에서 전기방사 용액은 용매 : (PEO/PTFE)가 2 : 8 내지 5 : 5의 비율로 혼합되는 것이 바람직하다.In the second step, the electrospinning solution is preferably mixed with solvent: (PEO/PTFE) at a ratio of 2:8 to 5:5.

제 5 단계에서는 나노섬유를 60 내지 100℃에서 예열한 후 250 내지 450℃에서 10분동안 열처리하는 것이 바람직하다.In the fifth step, it is preferable to preheat the nanofibers at 60 to 100° C. and heat-treat at 250 to 450° C. for 10 minutes.

분자량이 600,000 g/mol인 PEO의 열분해 (thermal degradation)는 200℃ 미만에서 발생하지 않고, 주요 분해 과정은 225-450℃로 알려져 있다. 소결 온도 350℃에서 잔류 질량은 약 20%로 나타났다. PEO는 약 소결 온도 310℃에서 거의 완전히 분해된다.Thermal degradation of PEO with a molecular weight of 600,000 g/mol does not occur below 200°C, and the main degradation process is known to be between 225-450°C. At a sintering temperature of 350 °C, the residual mass was found to be about 20%. PEO is almost completely decomposed at a sintering temperature of about 310 °C.

PEFE의 용융은 약 320℃에서 시작되고 480℃미만에서 화학적으로 안정하다. 게다가, 점도가 높은 PTFE 용융물 (1011 Pa·s)은 낮은 소결 온도 및 짧은 소결 시간으로 마이크로/나노 기공을 충분히 채우지 못할 수 있다. 높은 소결 온도 및 긴 소결 시간에서 PTFE 분자 사슬은 열분해 될 수 있기에 멤브레인의 기계적 성능이 저하될 수 있다. 따라서 소결온도는 250 내지 450℃인 것이 바람직하다.Melting of PEFE begins at about 320°C and is chemically stable below 480°C. Moreover, high viscosity PTFE melts (10 11 Pa·s) may not sufficiently fill micro/nanopores with low sintering temperature and short sintering time. At high sintering temperature and long sintering time, the molecular chain of PTFE can be thermally decomposed, which can degrade the mechanical performance of the membrane. Therefore, the sintering temperature is preferably 250 to 450 ℃.

이하, 조성물은 상기 언급한 나노섬유 멤브레인과 동일하므로 생략한다.Hereinafter, the composition is omitted because it is the same as the above-mentioned nanofibrous membrane.

본 명세서에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 그리고 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는한 복수형도 포함한다.In the present specification, when a certain component is said to "include", it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated. And terms used in this specification are for describing the embodiments, and are not intended to limit the present invention. In this specification, the singular form also includes the plural form unless specifically stated in the phrase.

본 문서에서, "A 또는 B," "A 또는/및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는/및 B 중 하나 또는 그 이상"등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, "A 또는 B," "A 및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는 B 중 적어도 하나"는, (1) 적어도 하나의 A를 포함, (2) 적어도 하나의 B를 포함, 또는 (3) 적어도 하나의 A 및 적어도 하나의 B 모두를 포함하는 경우를 모두 지칭할 수 있다.In this document, expressions such as “A or B,” “at least one of A and/and B,” or “one or more of A or/and B” may include all possible combinations of the items listed together. . For example, “A or B,” “at least one of A and B,” or “at least one of A or B” (1) includes at least one A, (2) includes at least one B, Or (3) may refer to all cases including at least one A and at least one B.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments. However, these examples are intended to explain the present invention in more detail, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited thereto.

<실시예><Example>

시약 및 재료reagents and materials

60 wt% PTFE 분산 수용액 및 PEO (Mv = 600,000)를 Sigma Aldrich Co.(USA)에서 구매하였다. 무정형 실리콘 옥사이드 파우더 (97.3+ wt%, 15nm, 2 wt% 실란 코팅)를 AVENTION Co.(Korea)에서 구매하였다.A 60 wt % PTFE dispersion aqueous solution and PEO (M v = 600,000) were purchased from Sigma Aldrich Co. (USA). Amorphous silicon oxide powder (97.3+ wt %, 15 nm, 2 wt % silane coating) was purchased from AVENTION Co. (Korea).

실시예 1 - 전기방사 용액 제조Example 1 - Electrospinning Solution Preparation

전기방사를 위한 혼합용액을 다음 절차에 따라 제조하였다. 증류수 15.6 g 및 PEO 900 mg을 100 mL 바이알에 넣고 600 rpm으로 4 시간 동안 교반하였다. 순차적으로, 13.5 g의 PTFE 분산 수용액 및 0, 1, 3, 5 mg의 무정형 실리콘 옥사이드 파우더를 혼합 용액에 첨가하였고 600 rpm으로 4 시간 동안 추가로 교반하였다.A mixed solution for electrospinning was prepared according to the following procedure. 15.6 g of distilled water and 900 mg of PEO were put in a 100 mL vial and stirred at 600 rpm for 4 hours. Sequentially, 13.5 g of the PTFE dispersion aqueous solution and 0, 1, 3, and 5 mg of amorphous silicon oxide powder were added to the mixed solution and further stirred at 600 rpm for 4 hours.

실시예 2 - PTFE-PEO/SiOExample 2 - PTFE-PEO/SiO 22 나노섬유 멤브레인 제조 Fabrication of nanofibrous membranes

본 발명에서 PTFE-PEO/SiO2 나노섬유 멤브레인을 전기방사 장비 (ESR200R1, Nano NC Co., Korea)를 사용하여 제조하였다. 전기방사 장치는 고전압 공급 (high-voltage supply) 장치, 용액 토출부 및 콜렉터 (collector)로 구성된다. 준비된 전기방사 용액 10 mL를 12 mL 주사기에 넣고 5 홀 멀티-노즐 (5 hole multi-nozzle) 장치를 주사기와 결합하였다. 노즐 게이지 (nozzle gauge)가 21이고 내경이 0.5 mm인 노즐을 멀티-노즐 장치에 결합한 후, 고전압 공급 장치를 멀티-노즐 장치와 연결하였다. 알루미늄 호일을 드럼 콜렉터에 고정한 후, 100 rpm으로 회전하면서 8 시간 동안 나노섬유를 수집하였다. 전기방사를 전압 11 kV, 유속 20 μL/min, 노즐과 드럼 콜렉터 사이의 거리 15 cm의 조건하에서 수행하였다. 수집된 PTFE-PEO/SiO2 나노섬유를 가로 20 cm 및 세로 30 cm 크기로 자르고 호일에서 분리한 후, 80 °C에서 예열(pre-heating)하였다. 마지막으로, PTFE-PEO/SiO2 나노섬유를 전기로 (muffle furnace, MF-31G, CANATECH Co.)를 사용하여 350 °C에서 10분 동안 열처리하였다.In the present invention, a PTFE-PEO/SiO 2 nanofiber membrane was prepared using electrospinning equipment (ESR200R1, Nano NC Co., Korea). The electrospinning device is composed of a high-voltage supply device, a solution ejection unit, and a collector. 10 mL of the prepared electrospinning solution was put into a 12 mL syringe and a 5 hole multi-nozzle device was coupled with the syringe. A nozzle having a nozzle gauge of 21 and an inner diameter of 0.5 mm was coupled to the multi-nozzle device, and then a high voltage supply device was connected to the multi-nozzle device. After fixing the aluminum foil to the drum collector, the nanofibers were collected for 8 hours while rotating at 100 rpm. Electrospinning was performed under conditions of a voltage of 11 kV, a flow rate of 20 μL/min, and a distance of 15 cm between the nozzle and the drum collector. The collected PTFE-PEO/SiO 2 nanofibers were cut into 20 cm wide and 30 cm long, separated from the foil, and pre-heated at 80 °C. Finally, the PTFE-PEO/SiO 2 nanofibers were annealed at 350 °C for 10 minutes using an electric furnace (muffle furnace, MF-31G, CANATECH Co.).

실시예 3 - 모폴로지 (morphology) 측정Example 3 - Morphology measurement

PTFE-PEO/SiO2 나노섬유 멤브레인의 모폴로지를 Hitachi High-Technology사의 S-4800 field emission scanning electron microscopy (FE-SEM)을 사용하여 확인하였다. 멤브레인을 가로 1 cm 및 세로 1 cm로 절단하여 시료를 준비하였다. 모든 시료를 60초간 백금으로 표면 코팅하였다.The morphology of the PTFE-PEO/SiO 2 nanofibrous membrane was confirmed using Hitachi High-Technology's S-4800 field emission scanning electron microscopy (FE-SEM). Samples were prepared by cutting the membrane into 1 cm wide and 1 cm long. All samples were surface coated with platinum for 60 seconds.

실시예4 - 투과도 (permeability) 및 기공 분포도 (pore size distribution) 측정Example 4 - Measurement of permeability and pore size distribution

PTFE-PEO/SiO2 나노섬유 멤브레인의 투과도 및 기공분포도를 capillary flow porometer (CFP-1500AEL, Porous Material Inc.)를 사용하여 측정하였다. 투과도 측정을 위한 시료를 지름 0.9 cm 및 두께 0.018-0.02 cm로 준비하였다. The permeability and pore distribution of the PTFE-PEO/SiO 2 nanofibrous membrane were measured using a capillary flow porometer (CFP-1500AEL, Porous Material Inc.). Samples for transmittance measurement were prepared with a diameter of 0.9 cm and a thickness of 0.018-0.02 cm.

실시예 5 - 인장강도 및 파단신율 측정Example 5 - Measurement of tensile strength and elongation at break

PTFE-PEO/SiO2 나노섬유 멤브레인의 인장강도 및 파단신율을 만능재료시험기 (universal testing machine, UTM)를 사용하여 측정하였다. ASTM D882 규격에 따라 시편을 두께 0.120.234 mm 및 폭 9.6113.13 mm로 제조하였다.The tensile strength and elongation at break of the PTFE-PEO/SiO 2 nanofibrous membrane were measured using a universal testing machine (UTM). Specimens were prepared according to the ASTM D882 standard with a thickness of 0.120.234 mm and a width of 9.6113.13 mm.

<결과 및 평가><Results and evaluation>

PTFE-PEO/SiOPTFE-PEO/SiO 22 나노섬유 멤브레인 비교 Comparison of nanofiber membranes

실리카 함량을 0(대조군), 0.003, 0.01 및 0.17 wt%로 PTFE-PEO/SiO2 복합 나노섬유 멤브레인을 제조하였다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PTFE-PEO/SiO2 복합 나노섬유 멤브레인의 (a) 소결 전 및 (b) 소결 후의 이미지이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리카 함량 (a) 0.003, (b) 0.01, (c) 0.017, (d) 0.033 wt%인 PTFE-PEO/SiO2 복합 나노섬유 멤브레인의 PEO-PTFE/SiO2 나노섬유의 SEM 이미지이다. PEO:PTFE=1:9(30wt%) 30g, 8시간 전기방사한 멤브레인의 직경이다.PTFE-PEO/SiO 2 composite nanofibrous membranes were prepared with silica contents of 0 (control), 0.003, 0.01 and 0.17 wt%. 1 is an image of a PTFE-PEO/SiO 2 composite nanofibrous membrane according to an embodiment of the present invention (a) before sintering and (b) after sintering. 2 is a PEO-PTFE/SiO 2 composite nanofibrous membrane having a silica content of (a) 0.003, (b) 0.01, (c) 0.017, and (d) 0.033 wt% according to an embodiment of the present invention. This is a SEM image of SiO 2 nanofibers. PEO:PTFE=1:9 (30wt%) 30 g, 8 hours Electrospun membrane diameter.

도 2를 참고하여 설명하면, Silica의 양이 증가 할수록 용액의 점도가 더 높아지고 점도가 높아지게 되면 섬유의 직경은 증가하게 되었다. 단, 전기방사시 조건(ex Nozzle 내경, Tip to collector distance, 인가전압) 그리고 소결시의 조건(온도 및 시간)에 따라 오차가 발생 할 수 있다. 그러나 전기방사시 조건은 동일하였으며 소결도 310℃에서 시작하여 PEO 녹는점 65℃, PTFE 녹는점 327℃보다 높은 350℃에서 6분정도 가열해 주었다. 그러므로 희생물질인 PEO는 충분히 분해되었을 것이며 PTFE도 용융 되었다가 다시 융합되어 섬유를 형성할 수 있었다. 따라서, 멤브레인 내 존재하는 PEO는 80℃에서 예열 및 350℃ 고온 소결 과정을 통해 제거되었다.Referring to FIG. 2, as the amount of Silica increases, the viscosity of the solution increases, and as the viscosity increases, the diameter of the fiber increases. However, errors may occur depending on conditions during electrospinning (ex Nozzle inner diameter, Tip to collector distance, applied voltage) and conditions during sintering (temperature and time). However, the electrospinning conditions were the same, and the sintering was started at 310 ° C and heated for 6 minutes at 350 ° C, which is higher than the PEO melting point of 65 ° C and the PTFE melting point of 327 ° C. Therefore, PEO, the sacrificial material, must have been sufficiently decomposed, and PTFE could have been melted and fused again to form fibers. Therefore, PEO present in the membrane was removed through preheating at 80 °C and high-temperature sintering at 350 °C.

이 과정에서 섬유에 마이크로/나노 기공이 형성되고 PTFE 용융물이 확산되어 마이크로/나노 기공에 채워지면서 최종적으로 대조군인 PTFE 섬유가 형성되었다. 따라서, 소결 온도 및 소결 시간은 순수한 PTFE 섬유 형성을 위해 중요한 요소임을 알 수 있었다. 분자량이 600,000 g/mol인 PEO는 열분해 (thermal degradation)는 200℃미만에서 발생하지 않고, 주요 분해 과정은 225-450℃로 알려져 있다. 소결 온도 350℃에서 잔류 질량은 약 20%로 나타났다. 일부 다른 연구 결과에서 PEO는 약 소결 온도 310℃에서 거의 완전히 분해되었다. PTFE의 용융은 약 320℃에서 시작되고 480℃ 미만에서 화학적으로 안정하다. 게다가, 점도가 높은 PTFE 용융물 (1011 Pa*?*s)은 낮은 소결 온도 및 짧은 소결 시간으로 마이크로/나노 기공을 충분히 채우지 못할 수 있다. 높은 소결 온도 및 긴 소결 시간에서 PTFE 분자 사슬은 열분해 될 수 있기에 멤브레인의 기계적 성능이 저하될 수 있다. 따라서, 적절한 소결 온도 및 소결 시간을 적용하였다. 소결 과정 후, PTFE 용융물의 유동성으로 인해 멤브레인이 수축되었다. 육안으로 관찰되는 나노섬유 멤브레인의 크기는 약 40% 감소하였다(도 1의 b).During this process, micro/nano pores were formed in the fiber, and the PTFE melt was diffused to fill the micro/nano pores, finally forming a control PTFE fiber. Therefore, it was found that the sintering temperature and sintering time are important factors for forming pure PTFE fibers. PEO having a molecular weight of 600,000 g/mol does not undergo thermal degradation below 200°C, and the main degradation process is known to be between 225 and 450°C. At a sintering temperature of 350 °C, the residual mass was found to be about 20%. In some other studies, PEO was almost completely decomposed at a sintering temperature of about 310 °C. Melting of PTFE begins at about 320°C and is chemically stable below 480°C. In addition, high viscosity PTFE melts (10 11 Pa*?*s) may not sufficiently fill micro/nanopores with low sintering temperatures and short sintering times. At high sintering temperature and long sintering time, the molecular chain of PTFE can be thermally decomposed, which can degrade the mechanical performance of the membrane. Therefore, appropriate sintering temperature and sintering time were applied. After the sintering process, the membrane shrank due to the fluidity of the PTFE melt. The size of the nanofibrous membrane observed with the naked eye was reduced by about 40% (Fig. 1b).

표면 모폴로지 (morphology) 분석Surface morphology analysis

멤브레인 내에 비드 및 균일하지 않은 섬유의 형태가 존재하면 기계적 성능 및 투과성 감소를 초래할 수 있으므로, 소결 후 멤브레인의 표면 모폴로지를 분석하였다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리카 함량 (a) 0(대조군), (b) 0.003, (c) 0.01 및 (d) 0.017 wt%인 PTFE/SiO2 나노섬유의 SEM 이미지이다. 도 3의 a 에 나타난 바와 같이, 대조군인 PTFE 나노섬유는 비드의 존재 없이 균일하였고, 평균 직경은 529.6 nm로 확인되었다. 실리카가 함유된 복합 나노섬유 또한 균일도가 높았으며, 평균 직경은 실리카 함량 0.003, 0.01 및 0.017 wt%(도 3의 (b), (c), 및 (d))에 대해 각각 429, 449.5 및 556.4 nm로 나타났다.The surface morphology of the membrane was analyzed after sintering, since the presence of beads and non-uniform fiber morphology in the membrane can lead to reduced mechanical performance and permeability. 3 is a SEM image of PTFE/SiO 2 nanofibers having silica contents of (a) 0 (control), (b) 0.003, (c) 0.01, and (d) 0.017 wt% according to an embodiment of the present invention. As shown in a of FIG. 3, the control PTFE nanofibers were uniform without the presence of beads, and the average diameter was confirmed to be 529.6 nm. Composite nanofibers containing silica also showed high uniformity, with average diameters of 429, 449.5, and 556.4 for silica contents of 0.003, 0.01, and 0.017 wt% ((b), (c), and (d) in Fig. 3), respectively. appeared in nm.

Silica의 양이 증가 할수록 용액의 점도가 더 높아지고 점도가 높아지게 되면 섬유의 직경은 증가하게 된다. 섬유가 균일한 밀도로 packing이 되어있다고 가정을 하면 섬유의 직경이 증가할 수록 평균 기공 직경은 작아져야 한다. 도 3을 참고하여 설명하면, 실리카가 첨가되지 않았을 경우(대조군)에는 섬유가 서로 뭉쳐있지 않고 선형으로 잘 뻗어 있고 Silica가 첨가된 섬유의 SEM 사진을 보게 된다면 섬유가 서로 뭉쳐져 있는 interlocked 한 구조가 관찰되었다. 이 구조의 차이가 porosity와 Tensile strength에 영향을 주었다.As the amount of silica increases, the viscosity of the solution increases, and as the viscosity increases, the diameter of the fiber increases. Assuming that the fiber is packed with a uniform density, the average pore diameter should decrease as the fiber diameter increases. Referring to FIG. 3, when silica is not added (control group), the fibers are not agglomerated and stretched well in a linear manner. If you look at the SEM picture of the fibers to which silica is added, an interlocked structure in which the fibers are agglomerated is observed It became. This structural difference affected porosity and tensile strength.

투과도 (permeability) 및 기공 분포도 (pore size distribution) 분석Analysis of permeability and pore size distribution

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리카 함량 (a) 0(대조군), (b) 0.003, (c) 0.01 및 (d) 0.017 wt%인 PTFE/SiO2 나노섬유 멤브레인의 기공분포도를 나타낸 그래프이다. 도 4를 참고하여 설명하면, 대조군인 PTFE 멤브레인의 경우 0-1.7 μm 범위에 다양한 기공 크기 분포를 가지는 것으로 확인되었다. 약 0.1-0.2 μm 영역에서 16.7% 상대적으로 높은 분포율을 보였다.4 is a pore distribution diagram of PTFE/SiO 2 nanofibrous membranes having silica content of (a) 0 (control), (b) 0.003, (c) 0.01, and (d) 0.017 wt% according to an embodiment of the present invention. it's a graph Referring to FIG. 4, it was confirmed that the control PTFE membrane had various pore size distributions in the range of 0-1.7 μm. It showed a relatively high distribution rate of 16.7% in the area of about 0.1-0.2 μm.

그러나, PTFE/SiO2 멤브레인의 기공 크기 분포는 0-1.2 μm 범위로 상대적으로 좁게 나타났다. 흥미롭게도, PTFE/SiO2 나노섬유 멤브레인들의 높은 기공 분포는 0.1-0.2 및 0.4-0.5 μm 두 영역에서 관찰되었다. 일반적으로 PTFE/실리카 복합 멤브레인에서 실리카는 소결 과정에서 PTFE의 유동성을 억제할 수 있으며 결과적으로 기공 크기가 증가할 수 있다. 실리카 함유량이 0.003 wt%인 PTFE/SiO2 멤브레인은 0.4-0.5 μm 범위에서 25.5%의 가장 높은 분포율을 보였고, 함유량 0.01 및 0.017 wt%인 멤브레인은 각각 17.8 및 17.2%로 확인되었다.However, the pore size distribution of the PTFE/SiO 2 membrane was relatively narrow in the range of 0-1.2 μm. Interestingly, a high pore distribution of the PTFE/SiO 2 nanofibrous membranes was observed in both the 0.1-0.2 and 0.4-0.5 μm regions. In general, in a PTFE/silica composite membrane, silica can inhibit the fluidity of PTFE during sintering, resulting in an increase in pore size. The PTFE/SiO 2 membrane with a silica content of 0.003 wt% showed the highest distribution rate of 25.5% in the range of 0.4–0.5 μm, and the membranes with a silica content of 0.01 and 0.017 wt% were found to be 17.8 and 17.2%, respectively.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PTFE/SiO2 나노섬유 멤브레인의 압력 변화에 따른 가스 유량을 나타낸 그래프이다. 투과도 측정기(Capillary Flow porometer) 시험결과를 하기 표 1에 나타내었다.5 is a graph showing the gas flow rate according to the pressure change of the PTFE/SiO 2 nanofiber membrane according to an embodiment of the present invention. The capillary flow porometer test results are shown in Table 1 below.

Figure pat00001
Figure pat00001

Mean flow pore diameter는 측정된 pore size의 중간값으로 half dry curve와 wet curve가 만난 지점으로부터 계산이 된다. Bubble point는 Galwick이 나오는 첫번째 압력지점이다. 이로부터 Maximum pore size가 계산이 된다.Mean flow pore diameter is the median value of the measured pore size and is calculated from the point where the half dry curve and the wet curve meet. The bubble point is the first pressure point where Galwick emerges. From this, the maximum pore size is calculated.

도 5 및 표 1을 참고하여 설명하면, 대조군으로써 실리카가 존재하지 않는 PTFE 나노섬유 멤브레인의 가스 유량은 1237.4 cc/sec로 가장 높은 통기성(air permeability)을 보여주었다. 실리카 함유량이 증가할수록 가스 유량은 감소하였고, 0.003, 0.01 및 0.017 wt% 함량에 대해 각각 1014.6, 982.6 및 867.5 cc/sec로 확인되었다. 실리카 함량이 약 7.3 및 10 wt% 이상에 도달하면 통기성이 매우 증가하였으나, 4.6 및 2 wt% 함량에서 통기성은 오히려 감소하였다.Referring to FIG. 5 and Table 1, the gas flow rate of the PTFE nanofiber membrane without silica as a control group was 1237.4 cc/sec, showing the highest air permeability. The gas flow rate decreased as the silica content increased, and was found to be 1014.6, 982.6, and 867.5 cc/sec for the 0.003, 0.01, and 0.017 wt% contents, respectively. When the silica content reached about 7.3 and 10 wt% or more, the air permeability increased significantly, but at the 4.6 and 2 wt% contents, the air permeability rather decreased.

또한, Silica의 함량이 증가 할수록 동일한 PSI에서의 기체 투과도는 감소하는 것을 관찰 할 수 있었다. 특히, Silica를 첨가하지 않았을 때 대비해 5mg(0.017wt%) 첨가했을 때는 3분의 1가량 감소한 것을 알 수 있었다. 이는 silica가 많이 첨가될 수록 점도가 높아져 전기방사된 섬유의 직경이 증가하면서 기공 size가 작아지기 때문에 투과도가 감소했다고 예상할 수 있었다.In addition, it was observed that the gas permeability at the same PSI decreased as the silica content increased. In particular, when 5mg (0.017wt%) was added compared to when Silica was not added, it was found that it decreased by about one-third. It can be expected that the permeability decreased because the viscosity increased as more silica was added, and the pore size decreased as the diameter of the electrospun fiber increased.

본 발명에서는 PTFE 나노섬유 멤브레인(대조군)이 PTFE/SiO2 나노섬유에 비해 상대적으로 넓은 범위의 기공분포를 가진 것에 영향을 받는 것으로 판단되었다.In the present invention, it was determined that the PTFE nanofiber membrane (control group) was influenced by having a relatively wide pore distribution compared to the PTFE/SiO 2 nanofibers.

기계적 물성 분석Mechanical property analysis

PTFE/SiO2 멤브레인의 실리카 첨가 효과를 확인하기 위해 기계적 물성을 평가하였다.Mechanical properties were evaluated to confirm the effect of adding silica to the PTFE/SiO 2 membrane.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리카 함량 (a) 0(대조군), (b) 0.003, (c) 0.01 및 (d) 0.017 wt%인 PTFE/SiO2 나노섬유 멤브레인의 응력-변형률 곡선 그래프이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리카 함량별 PTFE/SiO2 나노섬유 멤브레인의 (a) 인장강도 및 (b) 영률 그래프이다. 하기 표 2는 인장강도의 실험결과를 정리한 표이다.6 is a stress-strain curve of PTFE/SiO 2 nanofibrous membranes having silica contents of (a) 0 (control), (b) 0.003, (c) 0.01, and (d) 0.017 wt% according to an embodiment of the present invention. it's a graph 7 is a graph of (a) tensile strength and (b) Young's modulus of a PTFE/SiO 2 nanofibrous membrane for each silica content according to an embodiment of the present invention. Table 2 below is a table summarizing the test results of tensile strength.

Figure pat00002
Figure pat00002

표 2 및 도 6를 참고하여 설명하면, 0.003-0.017 wt% 실리카 함유된 PTFE/SiO2 멤브레인이 대조군인 PTFE 멤브레인에 비해 강도가 매우 향상되었다. 도 7을 참고하여 설명하면, 0.003 wt% 실리카를 포함하는 PTFE/SiO2 멤브레인이 모든 샘플들 중 인장강도는 2.93±0.11 MPa로 가장 높았고, 대조군 PTFE 순수 멤브레인에 비해 무려 4.05배 이상 증가하였다(도 7의 a). 이는 멤브레인 내 존재하는 실리카가 에너지 흡수 및 강도 분산에 중요한 역할을 하기 때문으로 판단된다. 그러나, 실리카 함량이 0.01 및 0.017 wt% 로 증가하면 멤브레인의 인장강도는 각각 2.68±0.12 및 2.34±0.23 MPa로 약간 감소하였다. 일부 실리카 응집체들이 멤브레인에 악영향을 주는 것으로 생각할 수 있다. 따라서, 실리카를 멤브레인에 도입하면 강도를 효과적으로 향상시킬 수 있었다.Referring to Table 2 and FIG. 6, the strength of the PTFE/SiO 2 membrane containing 0.003-0.017 wt% silica was significantly improved compared to the control PTFE membrane. Referring to FIG. 7, the tensile strength of the PTFE/SiO 2 membrane containing 0.003 wt% silica was the highest at 2.93±0.11 MPa among all samples, and was more than 4.05 times higher than that of the control PTFE pure membrane (Fig. 7 a). This is considered to be because the silica present in the membrane plays an important role in absorbing energy and dispersing strength. However, when the silica content was increased to 0.01 and 0.017 wt%, the tensile strength of the membrane slightly decreased to 2.68±0.12 and 2.34±0.23 MPa, respectively. It is conceivable that some silica agglomerates adversely affect the membrane. Therefore, introducing silica into the membrane could effectively improve the strength.

또한, 파단신율도 (breaking elongation)는 실리카 함량이 0.003-0.017 wt%로 증가할수록 상승하였고, 0.017 wt% 함유되면 파단신율는 180±31%로 대조군인 순수 PTFE 멤브레인 (89±30%)에 비해 2배 증가하였다. 일반적으로, 실리카 함량이 증가하면 복합 멤브레인의 유연성의 감소로 파단신율은 감소하는 경향을 보인다. 그러나, 매우 낮은 중량의 실리카 도입을 통해 고분자 매트릭스 내 큰 실리카 응집체들의 형성을 방지할 수 있고 결과적으로 구조적으로 결함 없는 안정한 복합 멤브레인의 인장강도와 파단신율 모두 증가한 것으로 보인다. 도 7의 (b)은 계산된 영률 (Young's modulus)를 보여준다. 인장강도의 경향과 유사하게, 실리카 함량된 모든 멤브레인에서 순수 PTFE에 비해 영률 값이 크게 나타났고, 실리카 함량 0.003wt%에 대한 영률은 80±24 MPa로 가장 높았다.In addition, the breaking elongation increased as the silica content increased from 0.003 to 0.017 wt%, and when the silica content was 0.017 wt%, the elongation at break was 180±31%, which was 2 doubled. In general, as the silica content increases, the elongation at break tends to decrease due to the decrease in flexibility of the composite membrane. However, the introduction of very low weight silica can prevent the formation of large silica agglomerates in the polymer matrix, resulting in an increase in both the tensile strength and the elongation at break of the structurally defect-free, stable composite membrane. Figure 7 (b) shows the calculated Young's modulus. Similar to the trend of tensile strength, Young's modulus values were higher than those of pure PTFE in all membranes with silica content, and the Young's modulus for the silica content of 0.003 wt% was the highest at 80 ± 24 MPa.

본 발명에서는 실리카 나노 구조체를 극소량 도입하여 전기방사된 나노섬유를 350℃에서 10 분 동안 소결함으로써 PTFE/SiO2 나노섬유 복합 멤브레인을 성공적으로 제조하였다. 멤브레인의 평균 섬유직경은 429-556.4 nm 범위로 나타났다. 충진제의 일종인 실리카 나노 구조체의 첨가량이 0.003 wt%인 PTFE/SiO2 나노섬유 복합 멤브레인은 1014.6 cc/sec의 상대적으로 적당한 통기성을 나타내었다. 또한, 실리카 함유된 PTFE/SiO2 나노섬유 멤브레인이 대조군인 순수 PTFE 나노섬유 멤브레인에 비해 인장강도, 파단신율 및 영률이 모두 향상되었다. 따라서, PTFE 멤브레인 내 극소량 실리카 나노 구조체 도입은 순수 PTFE 멤브레인의 기계적 물성 향상에 크게 기여함을 알 수 있었다.In the present invention, a PTFE/SiO 2 nanofiber composite membrane was successfully prepared by introducing a very small amount of silica nanostructure and sintering the electrospun nanofiber at 350° C. for 10 minutes. The average fiber diameters of the membranes ranged from 429 to 556.4 nm. The PTFE/SiO 2 nanofiber composite membrane with an added amount of 0.003 wt% of the silica nanostructure, which is a kind of filler, exhibited a relatively moderate air permeability of 1014.6 cc/sec. In addition, the tensile strength, elongation at break, and Young's modulus of the silica-containing PTFE/SiO 2 nanofibrous membrane were all improved compared to the control pure PTFE nanofibrous membrane. Therefore, it was found that the introduction of a very small amount of silica nanostructures into the PTFE membrane contributed greatly to the improvement of the mechanical properties of the pure PTFE membrane.

전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The foregoing has outlined rather broadly the features and technical advantages of the present invention in order that the scope of the invention which follows may be better understood. Those skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be embodied in other specific forms without changing its technical spirit or essential features. Therefore, the embodiments described above should be understood as illustrative in all respects and not limiting. The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the above detailed description, and all changes or modifications derived from the claims and equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (5)

방사액의 전기방사에 의해 제조된 PTFE-SiO2 나노섬유 멤브레인으로서,
상기 SiO2 나노파티컬은 무정형 실리카로서, 방사액 100중량부에 대하여 0.001 내지 0.05 중량부를 더 포함하고,
상기 나노섬유 멤브레인을 구성하는 나노섬유의 직경은 400 내지 600nm이고,
상기 나노섬유 멤브레인의 인장강도는 2 내지 3.3 MPa인 것을 특징으로 하는 가스필터용 PTFE-SiO2 나노섬유 멤브레인.
A PTFE-SiO2 nanofiber membrane prepared by electrospinning of a spinning solution,
The SiO2 nanoparticles are amorphous silica, further comprising 0.001 to 0.05 parts by weight based on 100 parts by weight of the spinning solution,
The diameter of the nanofibers constituting the nanofibrous membrane is 400 to 600 nm,
PTFE-SiO2 nanofiber membrane for gas filter, characterized in that the tensile strength of the nanofiber membrane is 2 to 3.3 MPa.
제 1 항에 있어서,
상기 방사액은 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오르 프로필렌 공중합체, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 클로라이드-아크릴로니트릴 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리우레탄, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리아크릴아미드, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐피롤리돈, 폴리테트라에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상 포함하는 것을 특징으로하는 가스필터용 PTFE-SiO2 나노섬유 멤브레인.
According to claim 1,
The spinning solution is polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, polyacrylonitrile, polyvinylidene chloride-acrylonitrile copolymer, polyethylene oxide, polyurethane, Polymethyl acrylate, polymethyl methacrylate, polyacrylamide, polyvinyl chloride, polyvinyl acetate, polyvinylpyrrolidone, polytetraethylene glycol diacrylate, polyethylene glycol dimethacrylate, cellulose, consisting of cellulose acetate PTFE-SiO2 nanofiber membrane for gas filter, characterized in that it comprises at least one selected from the group.
제 2 항에 있어서,
상기 방사액은 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리테트라플루오로에틸렌이 1 : 5 내지 15의 비율로 혼합된 것을 특징으로 하는 가스필터용 PTFE-SiO2 나노섬유 멤브레인.
According to claim 2,
The spinning solution is a PTFE-SiO2 nanofiber membrane for gas filters, characterized in that polyethylene oxide and polytetrafluoroethylene are mixed in a ratio of 1: 5 to 15.
제 1 항에 있어서,
상기 나노섬유 멤브레인의 통기성 800 내지 1100 cc/sec인 것을 특징으로 하는 가스필터용 PTFE-SiO2 나노섬유 멤브레인.
According to claim 1,
PTFE-SiO2 nanofiber membrane for gas filter, characterized in that the air permeability of the nanofiber membrane is 800 to 1100 cc / sec.
폴리에틸렌옥사이드 (Polyethyleneoxide;PEO)를 용매에 용해하여 PEO 용액을 제조하는 제 1 단계;
상기 PEO와 폴리테트라플루오르에틸렌 (Polytetrafluoroethylene; PTFE)을 1 : 5 내지 15의 비율로 혼합하여 전기방사 용액을 제조하는 제 2 단계;
전기방사 용액 100중량부에 대하여 무정형 실리콘 옥사이드를 0.001 내지 0.05중량부 혼합용액에 더 첨가하는 제 3 단계;
혼합용액에 전기방사하여 나노섬유 멤브레인을 제조하는 제 4 단계; 및
나노섬유 멤브레인을 50 내지 4000℃에서 열처리하여 고온 소결 과정을 통해 PEO를 제거하는 제 5 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스필터용 PTFE-SiO2 나노섬유 멤브레인 제조방법.
A first step of preparing a PEO solution by dissolving polyethyleneoxide (PEO) in a solvent;
A second step of preparing an electrospinning solution by mixing the PEO and polytetrafluoroethylene (PTFE) at a ratio of 1:5 to 15;
A third step of further adding 0.001 to 0.05 parts by weight of amorphous silicon oxide to the mixed solution based on 100 parts by weight of the electrospinning solution;
A fourth step of preparing a nanofibrous membrane by electrospinning the mixed solution; and
A method for manufacturing a PTFE-SiO2 nanofiber membrane for a gas filter comprising a fifth step of heat-treating the nanofiber membrane at 50 to 4000° C. to remove PEO through a high-temperature sintering process.
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