KR20240097855A - 공기 여과 용도에 사용하기 위한 전기방사 나노섬유 중합체 멤브레인 - Google Patents

공기 여과 용도에 사용하기 위한 전기방사 나노섬유 중합체 멤브레인 Download PDF

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KR20240097855A
KR20240097855A KR1020247015239A KR20247015239A KR20240097855A KR 20240097855 A KR20240097855 A KR 20240097855A KR 1020247015239 A KR1020247015239 A KR 1020247015239A KR 20247015239 A KR20247015239 A KR 20247015239A KR 20240097855 A KR20240097855 A KR 20240097855A
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셰리프 솔리만
펑 구오
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메트레제닉스 인코퍼레이티드
셰리프 솔리만
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H1/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
    • D04H1/70—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres
    • D04H1/72—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged
    • D04H1/728—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged by electro-spinning

Abstract

본원에서는 높은 여과 효율(filtering efficiency) 및 우수한 기공률을 제공하는 전기방사 중합체 나노섬유 멤브레인이 개시된다. 상기 멤브레인은 하나 이상의 항균제 또는 항바이러스제로 처리될 수 있다. 상기 처리는 바람직하게는 멤브레인의 표면에 하나 이상의 항바이러스제를 코팅하는 것일 수 있다. 대안으로, 하나 이상의 항바이러스제는 상기 멤브레인에 함침될 수 있다. 상기 멤브레인은 추가로 또는 대안으로 하나 이상의 금속-유기 프레임워크(metal-organic frameworks; MOFs)에 함침될 수 있다. 상기 멤브레인은 높은 여과 효율 및 통기성 특성(breathability characteristics)을 제공하기에 충분한 기공률(porosity)을 갖는다. 일부 구현예에서, 상기 멤브레인은 감염성 병원체 및/또는 다른 작은 미립자에 높은 내성인 안면 마스크(facemasks) 및 인공 호흡기(respirators)를 제조하는 데 사용하기 적합하다. 일부 구현예에서, 상기 멤브레인은 HVAC 용도에 사용하기에 적합하다. 일부 구현예에서, 상기 멤브레인은 탄소 나노섬유 멤브레인과 함께 VOC 및 CO2 제거에 사용하기에 적합하다.

Description

공기 여과 용도에 사용하기 위한 전기방사 나노섬유 중합체 멤브레인
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2021.10.07.자로 출원된 미국 가특허출원 제63/262,246호 및 2022.02.11.자로 출원된 미국 가특허출원 제63/267,877호의 우선권을 주장하며, 상기 특허출원의 개시는 그 전체가 본원에서 참조로 포함된다.
기술분야
본 개시는 공기 여과 용도(air filtration applications)에 사용하기 위한 재료에 관한 것이다.
청정 공기는 일반적으로 인간의 건강과 웰빙을 증진하기 위한 기본 요건으로 간주된다. 미세먼지(PM)와 화학적 및 생물학적 오염 물질을 비롯한 대기 오염은 전 세계적으로 건강에 심각한 위협이 되고 있다. 세계보건기구는 2016년 대기 오염으로 인해 전세계적으로 420만명이 조기 사망한 것으로 보고하였다. 세계보건기구의 보고서 "Ambient (Outdoor) Air Pollution," 2021(인터넷 주소: https://www.who.int/en/news-room/fact-sheets/detail/ambient-(outdoor)-air-quality-and-health)를 참조한다. 유해 오염 물질과 병원균을 포함한 열악한 공기의 질은 호흡기 감염, 심혈관 질환, 만성 폐쇄성 폐질환, 각종 암을 포함한 다양한 질환의 위험을 증가시킨다. Id.
유해 오염 물질과 병원균에 대한 인체 노출을 줄이기 위해 공기 필터의 사용이 매우 바람직하다. 하지만 현재 시판되는 상업용 공기 필터는 높은 여과 효율을 달성하기 위해 두꺼운 섬유 소재의 여러 층으로 구성되는 경우가 많아 상당한 공기 흐름 저항을 생성한다. 「Wang, C. 등. "Silk Nanofibers as High Efficient and Lightweight Air Filter," Nano Res. 2016, 9, 2590-97」을 참조한다. 고효율, 낮은 공기 흐름 저항, 경량 공기 필터를 제조하기 위해 공기 여과에 나노섬유를 사용하는 것에 대한 관심이 높아졌다. 문헌 「Wang, C.-s 등. "Removal of Nanoparticles from Gas Streams by Fibrous Filters: A Review," Ind. Eng. Chem. Res. 2013, 52, 5-17」; 「Peng, L. 등. "Air Filtration in the Free Molecular Flow Regime: A Review of High-Efficiency Particulate Air Filters Based on Carbon Nanotubes," Small, 2014, 10, 4543-61」을 참조한다. 또한 나노섬유 표면의 표면적이 넓기 때문에 나노섬유 표면을 변형시켜서 다양한 기능을 구현할 수 있다.
공기 여과는 실내 공기질을 개선하기 위한 중요한 도구이다. 따라서 나노섬유를 혼입한 공기 필터는 HVAC 용도에서 매우 유용할 수 있다.
또한 다양한 휘발성 유기 화합물(VOC)은 건강에 유해한 영향을 미치는 것으로 잘 알려져 있으므로 공기 여과 애플리케이션에서 휘발성 유기 화합물(VOC)을 제거하는 것이 바람직하다. 실내 공기에서 VOC를 제거하는 통상적인 방법의 여러 가지 단점 때문에 최근에는 VOC의 광촉매 분해에 대한 많은 노력이 집중되고 있다. 문헌 「Singh, P. 등. "A Review on Biodegradation and Photocatalytic Degradation of Organic Pollutants: A Bibliometric and Comparative Analysis," J. Clean. Prod. 2018, 196, 1669-80」; 「Malayeri, M. 등. "Modeling of Volatile Organic Compounds Degradation by Photocatalytic Oxidation Reactor in Indoor Air: A Review," Build. Environ. 2019, 154, 309-23」을 참조한다.
VOC의 광분해는 이산화탄소(CO2)를 발생시킬 수 있다. 이산화탄소(CO2)를 포함한 막대한 양의 온실가스 배출로 인한 전세계적인 기후 변화는 환경과 공중 보건에 심각한 위협을 초래하고 있다. 따라서 CO2 포집 기술이 크게 주목 받고 있다. 예를 들어 문헌 「Qi, G. 등. "High Efficiency Nanocomposite Sorbents for CO2 Capture Based on Amine-Functionalized Mesoporous Capsules," Energy Environ. Sci. 2011, 4, 444-52」; 「Zainab, G. 등. "Electrospun Carbon Nanofibers with Multi-Aperture/Opening Porous Hierarchical Structure for Efficient CO2 Adsorption," J. Colloid Interface Sci. 2020, 561, 659-67」; 「Wang, X. 등. "Polyetheramine Improves the CO2 Adsorption Behavior of Tetraethylenepentamine-Functionalized Sorbents," Chem. Eng. J. 2019, 364, 475-84」을 참조한다. 따라서 광분해 공정과 CO2 제거를 결합하면 광촉매 VOC의 제거 공정이 지구 기후 변화에 미치는 영향을 줄일 수 있다.
또한, 병원체 제거를 용이하게 하기 위해 공기 필터를 기능적으로 변형하는 것이 다양한 용도에서 바람직할 수 있다. 감염성 호흡기 병원체는 일반적으로 기침이나 재채기를 통해서, 또는 일부 경우에는 단순한 호흡에 의해서 감염자의 호흡기에서 배출되는 입자들의 비말, 에어로졸 또는 공기 전파에 의해 전파된다. 이러한 형태의 전파를 방지하기 위해, 공기 필터를 사용하여 주변 공기에서 병원체를 제거하여 주변 공기에 존재하는 병원체를 흡입하지 않도록 개인을 보호할 수 있다.
주변 공기에 존재하는 병원체로부터 개인을 보호하는 데 초점을 맞춘 용도의 경우, 감염성 입자를 기계적으로 차단하거나 다양한 메커니즘을 사용하여 감염성 입자를 무력화하는 안면 마스크 및 인공 호흡기(respirators)가 개발되었다. 따라서, 안면 마스크 및 인공 호흡기의 여과 효율을 향상시키기 위한 많은 연구 및 개발 노력이 이루어지고 있다.
COVID-19 팬데믹은 다양한 용도에 사용할 수 있는 기능성 보호 직물의 필요성을 부각시키고 있다. 기능성 보호 직물은 의료 전문가, 현장 작업자 및 군인의 보호복에 사용하기 위해 특히 중요하다. 예를 들어 문헌 「Zhu, Q. 등, "Functionalized CNCs/PVA-co-PE Composite Nanofibrous Membrane with Flower-Like Microstructures for Photo-Induced Multi-Functional Protective Clothing," Cellulose, 2018, 25, 4819-30, doi: 10.1007/sl0570-018-188l-5」; 「Liu, Y. 등, "UV-Crosslinked Solution Blown PVDF Nanofiber Mats for Protective Applications," Fibers Polym. 2020, 21, 489-97, doi: 10.1007/sl222l-020-9666-5.」을 참조한다.
공기 중 고형 입자들에 대한 피부 노출을 제한하기 위해, 보건 및 안전 규제 기관은 우수한 사례 지침(practice guidelines)을 발표하였으며, 다양한 위험에 노출되는 것을 최소화하기 위해 개인 보호 장비(personal protective equipment; PPE) 착용이 권장되었다. 화학 및 생물학적 방호복(Chemical and biological protective clothing; CBPC)이 널리 사용되고 있으며 PPE 옵션 중에서 가장 경제적인 것으로 간주된다. 공기 중 나노재료의 경우, 타입 5 CBPC는 ISO 13982-1 및 ISO 13982-2 표준에 따라 공기 중의 고형 미립자들(particulates)에 대한 전신 보호를 제공하기 때문에 그러한 위험에 대한 최종 방어선으로 간주된다. 문헌 「International Organization for Standardization (ISO) 13982-1:2004」; 「International Organization for Standardization (ISO) 13982-2:2004」을 참조한다.
타입 5 CBPC의 기재로서 통상적으로 사용되는 부직(nonwoven) 및 직조(woven) 재료는 불량한 통기성 및 여과성과 같은 몇몇 단점을 갖는다. 예를 들어 상기 Liu, Y 등의 문헌; 문헌 「Wingert, L. 등, "Filtering erformances of 20 Protective Fabrics Against Solid Aerosols," J. Occup. Environ. Hyg. 2019, 16, 592-606」을 참조한다.
현재 시판되고 있는 안면 마스크 및 인공 호흡기는 감염성 입자를 차단하기 위한 적절한 여과 효율을 갖지 않거나 빈번하고 편리한 사용을 허용하기에 충분한 공기 투과성을 갖고 있지 못하다. 문헌 「Lee, S. 등, "Polybenzimidazole Nanofiber Membrane Filter for Highly Breathable PM2.5 Dust Proof Mask" ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 2750-57, doi:10.1021/acsami.8bl9741」을 참조한다. 더욱이, 최근 COVID-19 팬데믹으로 안면 마스크 또는 인공 호흡기와 접촉하는 병원체를 박멸할 안면 마스크 및 인공 호흡기용 항바이러스 멤브레인 개발에 대한 관심이 높아지고 있다. 이것은 마스크를 다른 표면과 실수로 접촉하거나 착용자가 마스크의 외부 표면을 손으로 만짐으로써 감염성 입자가 다른 표면으로 전달되는 것을 방지할 수 있다.
코팅에 사용하기에 적합하거나 개인 보호 장비에 도입될 수 있는 수많은 항바이러스제가 알려져 있다. 예를 들어 문헌 「Tran, D.Ν. 등, "Nanoparticles as Potential Antiviral Agents against African Swine Fever Virus," Mater. Res. Express, 2020, 6(12), doi: 10.1Q88/2O53-1591/ab6ad8」; 「Moreno, M.A. 등, "Active Properties of Edible Marine Polysaccharide-Based Coatings Containing Larrea nitida Polyphenols Enriched Extract," Food Hydrocoll. 2020, 102, 105595, doi: 10.1016/j .foodhyd.2019.105595」; 「Husen, A. "Natural Product-Based Fabrication of Zinc-Oxide Nanoparticles and Their Applications," In Nanomaterials and Plant Potential, 2019, 193-219, Springer」; 「Cheng, C. 등, "Functional Graphene Nanomalerials Based Architectures: Biointeractions, Fabrications, and Emerging Biological Applications," Chem. Rev. 2017, 117, 1826-1914」; 「Zhang, D.-h. 등, "In Silico Screening of Chinese Herbal Medicines with the Potential to Directly Inhibit 2019 Novel Coronavirus," J. Integr. Med. 2020, 18, 152-8, doi: 10.1016/j.joim.2020.02.005」; 미국특허 제9,963,611호 및 제8,678,002호를 참조한다.
예를 들어 COVID-19 팬데믹 기간 동안 안면 마스크가 널리 사용되면서 안면 마스크 및 기타 개인 보호 장비를 생산하기 위한 투명 소재의 필요성도 부각되었다. 예를 들어 자폐 스펙트럼이 있는 어린이, 청각 장애가 있는 노인, 및 청각 장애인은 의사소통과 사회적 상호작용에 어려움을 겪을 수 있으며, 이는 이러한 사람이 얼굴 표정을 관찰할 수 없도록 하여 투명한 안면 마스크를 널리 사용함으로써 상당한 이익을 얻을 수 있다. 투명한 안면 마스크는 또한 신원 인증에 사용되는 기술과 같은 안면 인식 기술과 호환될 것이다. 나노섬유 멤브레인의 사용은 또한 이러한 필요를 해결하는 데 가능성을 제공한다. 예를 들어 문헌 「Wang, C. 등 "Highly Transparent Nanofibrous Membranes Used as Transparent Masks for Efficient PM0.3 Removal," ACS Nano, 2022, 16(1), 119-28」; 「Xiao, Y. 등 "Preparation and Applications of Electrospun Optically Transparent Fibrous Membrane," Polymers, 2021, 13(4), 506」을 참조한다.
전기방사, 상 반전(phase inversion), 계면 중합, 스트레칭(stretching), 트랙 에칭(track-etching)를 비롯한, 나노섬유 멤브레인을 제조하기 위한 다양한 기술들이 알려져 있다. 전기방사는 기공 크기(pore size)의 효율성과 균일성을 제공하는 매우 유용한 기술이다. 예를 들어 「Ray, S.S. 등, "A Comprehensive Review: Electrospinning Technique for Fabrication and Surface Modification of Membranes for Water Treatment Application," RSC Adv. 2016, 6(88), 85495-85514, doi: 10.1O39/C6RA14952A」를 참조한다. 전기방사는 마이크로미터 또는 나노미터 규모의 연속적인 섬유를 생성하기 위해 전기장을 사용하는 공정이다. 전기방사는 섬유 직경, 배향(orientation), 기공 크기 및 기공률(porosity)과 같은 특성들을 포함하는 스카폴드(scaffold)의 미세 구조의 직접 조절을 가능하게 한다.
전기방사 나노섬유는 광범위한 응용 분야를 가지고 있다. 여기에는 항균 식품 포장, 생물의학 응용, 환경 응용 등이 포함된다. 예를 들어 문헌 「Lin, L. 등, "Cold Plasma Treated 'thyme Essential Oil/Silk Fibroin Nanofibers against Salmonella Typhimurium in Poultry Meat," Food Packag. Shelf Life, 2019, 21, 100337」; 「Zhu, Y. 등, "A Novel Polyethylene Oxi de/Dendrobium officinale Nanofiber: Preparation, Characterization and Application in Pork Packaging," Food Packag. Shelf Life, 2019, 21, 100329」; 「Surendhiran, D. 등, "Encapsulation of Phlorotannin in Alginate/PEO Blended Nanofibers to Preserve Chicken Meat from Salmonella Contaminations," Food Packag. Shelf Life, 2019, 21, 100346」; 「Khan, M.Q. 등, "The Development of Nanofiber Tubes Based on Nanocomposites of Polyvinylpyrrolidone Incorporated Gold Nanoparticles as Scaffolds for Neuroscience Application in Axons," Text. Res. J. 2019, 89, 2713-20, doi: 10.1177/0040517518801185」; 「Ullah, S. 등, "Antibacterial Properties of In Situ and Surface Functionalized Impregnation of Silver Sulfadiazine in Polyacrylonitrile Nanofiber Mats," Int. J. Nanomedicine, 2019, 14, 2693-2703, doi: 10.2147/DN.S 197665」; 「Khan, M.Q. 등, "Fabrication of Antibacterial Electrospan Cellulose Acetate/S ilver-Sul fadiazine Nanofibers Composites for Wound Dressings Applications," Polym. Test. 2019, 74, 39-44. Doi: 10.1016/j.polymertesting.2018.12.015」; 상기 Ray, S.S. 등의 문헌을 참조한다.
전기방사 나노섬유 직물은 CBPC의 유망한 후보로 여겨져 왔다. 예를 들어 문헌 「Lee, S 등, "Transport Properties of Layered Fabric Systems Based on Electrospun Nanofibers," Fibers Polym. 2007, 8, 501-06」;「Bagherzadeh, R. 등, "Transport Properties of Multi-Layer Fabric Based on Electrospun Nanofiber Mate as a Breathable Barrier Textile Material," Text. Res. J. 2012, 82, 70-76」을 참조한다.
전기방사 중합체 나노섬유는 매우 큰 외부 표면적, 우수한 수증기 운반 특성 및 양호한 기계적 강도를 나타낼 수 있다. 예를 들어 문헌 「Huang, Z. 등, "A Review on Polymer Nanofibers by Electrospinning and Their Applications in Nanocomposites," Compos. Sci. Technol. 2003, 63, 2223-53」을 참조한다.
전기방사 중합체 나노섬유로부터의 직물의 제작은 초박형(ultrathin), 경량(lightweight) 및 높은 인장강도(tensile strength) 직물을 생성한다. 예를 들어 상기 Lee, S. 등의 문헌; 문헌 「Dhineshbabu, N. R. 등, "Electrospun MgO/Nylon 6 Hybrid Nanofibers for Protective Clothing," Nano-Micro Lett. 2014, 6, 46-54」; 「Han, Y. 등, "Reactivity and Reusability of Immobilized Zinc Oxide Nanoparticles in Fibers on Methyl Parathion Decontamination," TText. Res. J. 2013, 86, 339-49」을 참조한다.
정전기적 인력은 작은 입자들을 나노섬유로 끌어당긴다. 하지만 이러한 정전기적 인력은 비교적 빨리 사라지는 경향이 있다. 마찰전기 나노발전기(triboelectric nanogenerator; TENG)와 정전기 상호 작용 원리를 통합하면 일상적인 활동(예를 들어 호흡, 대화, 표정 짓기)에서 기계적 에너지를 수확하여 나노섬유 필터 매체에 전하를 생성하고 정전기 인력의 지속 시간을 연장하는 데 사용할 수 있다. 이는 여과를 위해 적어도 부분적으로 정전기적 인력에 의존하는 필터의 유효 수명을 연장한다.
Peng 등은 폴리락트-코-글리콜산(polylactic-co-glycolic acid; PLGA) 마찰전기층과 폴리비닐알코올(PVA) 기판 사이에 은 나노와이어 전극을 끼워 넣어 통기성, 생분해성, 항균성 및 자체-동력 전자 피부(self-powered electronic skin)를 개시한다. Peng, X. 등의 「"A Breathable, Biodegradable, Antibacterial, and Self-Powered Electronic Skin Based on All-Nanofiber Triboelectric Nanogenerators," Sci. Adv. 2020, 6(26), eaba9624」을 참조한다.
Sun 등은 PA66/탄소나노튜브 나노섬유층, 폴리(비닐리덴 플루오라이드)(PVDF)층 및 전도성 직물층으로 구성된 다층 구조를 갖는 전섬유 통기성 방수 웨어러블 디바이스를 개시한다. Sun, N. 등은 「uoride) (PVDF) layer, and a conductive fabric layer. Sun, N., et al. "Waterproof, Breathable and Washable Triboelectric Nanogenerator Based on Electrospun Nanofiber Films for Wearable Electronics," Nano Energy, 2021, 90, 106639」을 개시한다.
Jiang 등은 자외선 방지, 발수, 항균, 자가 세척 및 자가 동력 특성을 갖는 다기능 올-나노섬유-기반 TENG을 개발하기 위한 전기방사 나노섬유를 개시한다. Jiang, Y. 등은 「"UV-Protective, Self-Cleaning, and Antibacterial Nanofiber-Based Triboelectric Nanogenerators for Self-Powered Human Motion Monitoring," ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13(9), 11205-14」을 참조한다.
Chen 등은 폴리아크릴아미드옥심(polyacryiamidoxime; PAAO)과 PAN의 전기방사를 통해 친핵성 옥심 모이어티를 도입하여 생성된 기능성화된 나노섬유 매트를 개시한다. 이들 기능성화된 나노섬유는 화학적 신경작용제(chemical nerve agents)를 가수분해하는 상당한 능력을 나타내었다. 문헌 「Chen, L. 등, "Multifunctional Electrospun Fabrics via Layer-by-Layer Electrostatic Assembly for Chemical and Biological Protection," Chem. Mater. 2010, 22, 1429-36.」을 참조한다.
Choi 등은 N-클로로 하이드란토인(N-chloro hydantoin, NCH-PU)에 의해 기능성화된 가공된 폴리우레탄 나노섬유를 개시한다. 이들 나노섬유는 성공적으로 V-형 신경 가스(nerve gas)(데메톤-S-메틸)의 모조 물질(simulant)을 제거하였다. 문헌 「Choi, J. 등, "N-Chloro Hydantoin Functionalized Polyurethane Fibers Toward Protective Cloth Against Chemical Warfare Agents," Polymer, 2018, 138, 146-55」을 참조한다.
유해 화학 물질 및 생물학적 제제에 대한 차폐를 위한 보호복 및 안면 마스크에 사용하기 위해 제안된 다양한 금속 나노입자 일체형 나노섬유가 개시되었다. 예를 들어 문헌 「Ramaseshan, R. 등, "Zinc Titanate Nanofibers for the Detoxification of Chemical Warfare Simulants," J. Am. Ceram. Soc. 2007, 90, 1836-42」을 참조한다.
Lee 등은 화학 작용제(chemical warfare agent; CWA)의 모조 물질로부터 사용자를 보호하기 위해 기능성 PAN 나노섬유 웹을 개시한다. 문헌 「Lee, J. 등, "Preparation of Non- Woven Nanofiber Webs for Detoxification of Nerve Gases" Polymer, 2019, 179, 121664」을 참조한다.
Zhao 등은 폴리아미드-6 나노섬유에 도입된 금속-유기 프레임워크(metal-organic frameworks; MOF)를 개시한다. MOF-나노섬유 복합체는 CWA를 해독하기 위한 특별한 반응을 나타냈다. 문헌 「Zhao, J. 등, "Ultra-Fast Degradation of Chemical Warfare Agents Using MOF-Nanofiber Kebabs," Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 13224-28」을 참조한다.
Zhao 등은 무불소, 효율적이고 생분해성인 방수 및 통기성 멤브레인을 제조하는 단계별 딥 코팅 및 가열 경화 방법을 개시한다. Zhao, J., 등의 문헌 「"Fluorine-Free Waterborne Coating for Environmentally Friendly, Robustly Water-Resistant, and Highly Breathable Fibrous Textiles," ACS Nano, 2020, 14(1), 1045-54」을 참조한다.
Zhang 등은 태양열 구동 연속 실내 제습을 위한 전기방사 나노섬유 멤브레인을 기반으로 다층 목재-유사 셀룰러 네트워크와 상호 연결된 개방형 채널을 갖춘 수분 펌프를 개시한다. Zhang, Y. 등의 문헌 「"Super Hygroscopic Nanofibrous Membrane-Based Moisture Pump for Solar-Driven Indoor Dehumidification," Nat. Commun. 2020, 11(1), 3302」을 참조한다.
나노섬유 생산 공정의 규모 확대(scale-up)와 관련된 문제들 때문에, 나노섬유-기반 공기 필터는 현재 여전히 희귀하다. 따라서, 공기 여과 용도에 사용될 나노섬유 멤브레인을 생산하기 위해 확장 가능한 나노섬유 플랫폼의 개발이 여전히 요구되고 있다.
고 여과 효율(high filtering efficiency)과 우수한 기공률을 제공하는 전기방사 중합체 나노섬유 멤브레인이 본원에 개시된다.
상기 멤브레인은 하나 이상의 항균제 또는 항바이러스제로 처리될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 멤브레인은 그래핀, 나노입자, 나노복합체, 다가 금속 이온 및 천연물로부터 추출된 약용 또는 기타 추출물로 구성된 군으로부터 선택되는 항바이러스제로 처리될 수 있다. 상기 처리법은 상기 멤브레인의 표면에 하나 이상의 항바이러스제를 코팅하는 것이 바람직하다. 대안으로는, 하나 이상의 항바이러스제가 나노섬유 멤브레인으로 함침(impregnation)될 수 있다.
상기 멤브레인은 하나 이상의 금속-유기 프레임워크(metal-organic frameworks; MOF)로 추가로 또는 대안적으로 함침될 수 있다. 상기 하나 이상의 MOF는 예를 들어 하나 이상의 지르콘 MOF일 수 있다. MOF는 화학 작용제(CWA) 및 기타 독성 화학 제제의 여과 기능을 제공할 수 있으며, 일부 구현예에서는 작은 미립자 및 병원체의 추가 또는 대체 여과 기능을 제공할 수 있다.
상기 멤브레인은 추가로 또는 대안적으로 휘발성 유기 화합물(VOC)의 제거를 위한 하나 이상의 광촉매제(photocatalytic agents)를 혼합할 수 있다.
상기 개시된 멤브레인은 바람직하게는 고 여과 효율을 가질 수 있다.
일부 구현예에서, 상기 개시된 멤브레인의 기공률은 안면 마스크 또는 인공 호흡기에 사용하기에 적합한 통기성 특성(breathability characteristics)을 제공하기에 충분할 수 있다. 상기 개시된 멤브레인은 감염성 병원체 및/또는 다른 작은 미립자에 대한 내성이 높은 안면 마스크 및 인공 호흡기를 제조하는 데 적합하다.
일부 구현예에서, 상기 개시된 멤브레인은 HVAC 시스템을 위한 공기 필터에서의 사용과 같은, 실내 공기 여과 용도에 사용하기 위한 공기 필터를 제조하는데 사용하기에 적합할 수도 있다.
일부 구현예에서, 상기 개시된 멤브레인은 이산화탄소의 제거를 용이하게 하는 별개의 멤브레인, 예를 들어 탄소 나노섬유 멤브레인과 함께 사용될 수 있다.
일부 구현예에서, 상기 개시된 멤브레인은 실질적으로 투명할 수 있다.
도 1은 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인의 구현예 중의 대표적인 주사전자현미경(SEM) 이미지를 나타낸 것이다.
도 2는 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인의 구현예 중의 대표 샘플에 대한 섬유 직경 측정치 및 분포를 나타낸 것이다.
도 3은 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인의 구현예 중의 대표 샘플에 대한 수은 세공계 분석(mercury porosimeter analysis)에 의해 측정된 기공 크기 분포를 나타낸 것이다.
도 4는 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인의 구현예 중의 대표 샘플에 대한 평균 기공률 및 평균 기공률 분포를 나타낸 것이다.
도 5는 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인의 구현예 중의 대표 샘플에 대한 기계적 인장강도 시험 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인의 구현예 중의 대표 샘플에 대한 여과 효율 시험 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인의 구현예 중의 대표 샘플에 대한 라텍스(latex) 여과 시험 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인의 구현예 중의 대표 샘플에 대한 바이러스 여과 효율 시험 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인의 구현예 중의 대표 샘플에 대한 박테리아 여과 효율 시험 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인의 구현예 중의 대표 샘플에 대한 가연성 시험 결과를 나타낸 것이다.
도 11은 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인의 구현예 중의 대표 샘플에 대한 항바이러스 특성 시험 결과를 나타낸 것이다.
도 12는 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인의 구현예 중의 대표 샘플에 대한 항균 특성 시험 결과를 나타낸 것이다.
도 13은 여과 효율이 상기 멤브레인을 통한 에어로졸의 유속(flow rate)에 의해 어떻게 영향을 미치는지를 나타낸 것이다.
도 14는 멤브레인을 가로지르는 압력 강하가 멤브레인을 통한 에어로졸의 유속에 어떻게 영향을 미치는지를 나타낸 것이다.
도 15는 휘발성 유기 화합물 및 이산화탄소 제거 시스템의 한 구현예를 나타낸 것이다.
도 16은 메쉬 기판(mesh substrates)에 대한 직사각형, 육각형 및 삼육각형(trihexagonal) 개구 패턴의 기본 반복 단위를 나타낸 것이다.
도 17은 올-나노섬유 TENG(NF-TENG) 플랫폼을 기반으로 한 가요성, 통기성 및 항균성 안면 마스크를 개략적으로 나타낸 것이다.
높은 여과 효율과 우수한 기공률을 제공하는 전기방사 중합체 나노섬유 멤브레인이 본원에 개시된다.
상기 멤브레인은 하나 이상의 항균제 또는 항바이러스제로 처리될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 멤브레인은 그래핀, 나노입자, 나노복합체, 다가 금속 이온 및 천연물로부터 추출된 약용 또는 기타 추출물로 구성된 군으로부터 선택되는 항바이러스제로 처리될 수 있다. 상기 처리법은 상기 멤브레인의 표면에 하나 이상의 항바이러스제를 코팅하는 것이 바람직하다. 대안으로는, 하나 이상의 항바이러스제가 나노섬유 멤브레인으로 함침(impregnation)될 수 있다.
상기 멤브레인은 하나 이상의 금속-유기 프레임워크(metal-organic frameworks; MOF)로 추가로 또는 대안적으로 함침될 수 있다. 상기 하나 이상의 MOF는 예를 들어 하나 이상의 지르콘 MOF일 수 있다. MOF는 화학 작용제(CWA) 및 기타 독성 화학 제제의 여과 기능을 제공할 수 있으며, 일부 구현예에서는 작은 미립자 및 병원체의 추가 또는 대체 여과 기능을 제공할 수 있다.
상기 멤브레인은 추가로 또는 대안적으로 휘발성 유기 화합물(VOC)의 제거를 위한 하나 이상의 광촉매제(photocatalytic agents)를 혼합할 수 있다.
상기 개시된 멤브레인은 바람직하게는 높은 여과 효율을 가질 수 있다.
일부 구현예에서, 상기 개시된 멤브레인의 기공률은 안면 마스크 또는 인공 호흡기에 사용하기에 적합한 통기성 특성(breathability characteristics)을 제공하기에 충분할 수 있다. 상기 개시된 멤브레인은 감염성 병원체 및/또는 다른 작은 미립자에 대한 내성이 높은 안면 마스크 및 인공 호흡기를 제조하는 데 적합하다.
일부 구현예에서, 상기 개시된 멤브레인은 HVAC 시스템을 위한 공기 필터에서의 사용과 같은, 실내 공기 여과 용도에 사용하기 위한 공기 필터를 제조하는데 사용하기에 적합할 수도 있다.
일부 구현예에서, 상기 개시된 멤브레인은 이산화탄소의 제거를 용이하게 하는 별개의 멤브레인, 예를 들어 탄소 나노섬유 멤브레인과 함께 사용될 수 있다.
상기 개시된 멤브레인은 바람직하게는 적어도 95%, 보다 바람직하게는 적어도 98%, 더욱 바람직하게는 적어도 99%, 가장 바람직하게는 적어도 99.5%의 여과 효율을 가질 수 있다.
일부 구현예에서, 상기 개시된 멤브레인은 실질적으로 투명할 수 있다. 투명도는 바람직하게는 적어도 80%일 수 있다.
상기 개시된 멤브레인은 바람직하게는 그의 표면에서 전염성 병원체를 차단 및 박멸할 수 있다.
일부 바람직한 구현예에서, 상기 개시된 멤브레인은 불연성(non-flammable)이다.
상기 개시된 멤브레인은 불연성 고성능 직물의 제조에 적합할 수 있다.
일부 바람직한 구현예에서, 상기 개시된 멤브레인은 초박형이고 경량이다.
일부 바람직한 구현예에서, 상기 개시된 멤브레인은 물 또는 선택된 유기 용매 예를 들어 에탄올 또는 아세톤에 노출되어도 열화되지 않는다. 따라서, 상기 멤브레인을 이용하여 제조된 제품은 세척하여 재사용할 수 있다.
일부 구현예에서, 상기 나노섬유 중합체 멤브레인은 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)로 제조될 수 있다. 일부 대체 구현예에서, 상기 나노섬유 중합체 멤브레인은 하나 이상의 Tecophilic™ 열가소성 폴리우레탄(Tecophilic™ thermoplastic polyurethanes; TPU)로 제조될 수 있다. 다른 대체 구현예에서, 상기 나노섬유 중합체 멤브레인은 하나 이상의 폴리카프로락탐으로 제조될 수 있다. 일부 추가 대체 구현예에서, 상기 나노섬유 중합체 멤브레인은 폴리비닐피롤리돈(PVP)으로부터 제조될 수 있다. 일부 추가 대체 구현예에서, 상기 나노섬유 중합체 멤브레인은 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로 프로필렌)(PVDF-HFP)로부터 제조될 수 있다. 일부 추가 대체 구현예에서, 상기 나노섬유 중합체 멤브레인은 폴리락트산(PLA)으로부터 제조될 수 있다. 일부 다른 대체 구현예에서, 상기 나노섬유 중합체 멤브레인은 폴리비닐리덴 플루오라이드, 하나 이상의 Tecophilic™ 열가소성 폴리우레탄, 하나 이상의 폴리카프로락탐, 폴리비닐피롤리돈, 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로 프로필렌) 및 폴리락트산 중의 둘 이상의 블렌드(blend)로부터 제조될 수 있다.
상기 나노섬유 중합체 멤브레인은 전기방사 기술을 이용하여 제조될 수 있다. 중합체는 전기방사 전에 용매에 용해된다. 일부 구현예에서, 상기 용매는 바람직하게는 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMA), 에탄올, 헥사플루오로이소프로판올(HFIP), 아세톤, 에틸아세테이트, 디클로로메탄(DCM), 포름산, 물 또는 이들의 조합물로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 일부 바람직한 구현예에서, 상기 용매는 헥사플루오로이소프로판올(HFIP)일 수 있다.
일부 구현예에서, 계면활성제가 중합체 용액에 첨가될 수 있다. 상기 중합체 용액에 계면활성제를 첨가하면 보다 작은 섬유 직경을 촉진시켜서 보다 작은 기공 크기를 갖고 따라서 보다 높은 여과 효율을 갖는 멤브레인을 생성할 수 있다. 일부 바람직한 구현예에서, 상기 계면활성제는 세트리모늄 브로마이드(cetrimonium bromide; CTAB), 라우라미도프로필 베타인(lauramidopropyl betaine; LAPB) 및 알파 올레핀 설포네이트(alpha olefin sulfonate; AOS)로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 계면활성제일 수 있다.
일부 구현예에서, 상기 중합체 용액에 염 또는 염 용액을 첨가할 수 있다. 상기 중합체 용액에 염 또는 염 용액을 첨가하는 것은 보다 얇고 균일한 섬유의 형성을 촉진할 수 있으며, 비드 형성을 감소시키고/시키거나, 섬유 내에서 분기(branching)를 증가시킬 수 있다. 상기 중합체 용액 중의 염의 존재는 전하 밀도 및 전도도를 증가시킴으로써 방사 분출구(spinning jet)의 연신(elongation)을 촉진하고, 이는 보다 얇은 섬유의 생성을 유도한다. 일부 바람직한 구현예에서, 상기 염 또는 염 용액은 알칼리 금속 할라이드, 치환 또는 비치환된 암모늄 할라이드 및 인산염-완충 식염수(phosphate-buffered saline; PBS)로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 염 또는 염 용액일 수 있다. 보다 바람직한 일부 구현예에서, 상기 염 또는 염 용액은 염화나트륨(NaCl), 염화리튬(LiCl) 및 염화칼륨(KCl)으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 염일 수 있다.
상기 나노섬유 중합체 멤브레인은 단일층 멤브레인이거나, 또는 집적된 다층 멤브레인(integrated multi-layer membrane)일 수도 있다. 일부 구현예에서, 상기 멤브레인은 구별 가능한 미세구조 특성(microstructure characteristics)을 갖는 다수의 집적된 층(multiple integrated layers)으로 구성될 수 있다. 다수의 집적된 층으로 구성된 멤브레인은 향상된 여과 효율 및 낮은 공기유동 저항(airflow resistance)을 제공할 수 있다. 낮은 공기유동 저항은 이와 관련된 용도에서 높은 통기성에 대응한다. 집적된 다층 멤브레인의 향상된 여과 효율은 작은 병원체 입자 및 작은 직경의 미립자 물질에 대한 우수한 장벽 보호로부터 결과할 수 있다.
일부 구현예에서, 집적된 다층 멤브레인은 서로 다른 기공 크기를 갖는 2개의 층으로 구성된다. 일부 대체 구현예에서, 집적된 다층 멤브레인은 상이한 기공 크기를 갖는 층에 의해 분리된 동일한 기공 크기의 2개의 층을 갖는 3개의 층으로 구성된다. 상기 기공 크기는 보다 작은 기공 크기를 갖는 층(들)의 경우 1 내지 20 ㎛이고, 보다 큰 기공 크기를 갖는 층(들)의 경우 20 내지 200 ㎛인 것이 바람직하다.
기공 크기가 상이한 층에 의해 분리된 동일한 기공 크기의 2개의 층을 갖는 3개의 층을 갖는 구현예에서, 동일한 크기의 층은 보다 큰 기공 크기를 가질 수 있고, 이들 두 층 사이에서 상기 층은 보다 작은 기공 크기를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 구성은 멤브레인의 여과 효율을 크게 저하시키지 않으면서, 기체가 다층 멤브레인을 통과할 때 발생하는 압력 강하를 감소시키며, 이는 증가된 통기성(breathabiiity)에 대응한다.
일부 또 다른 대체 구현예에서, 상기 집적된 다층 멤브레빙은 3개의 서로 다른 기공 크기를 갖는 3개의 층으로 구성된다.
상기 중합체 용액의 점도 및 전기방사 공정 조건을 조절하여 집적된 다층 멤브레인에서 층의 기공 크기를 조절할 수 있다. 전기방사 공정 조건은 전기방사 설정에 사용되는 방사 분출구(spinning jet)를 보다 안정화시키기 위해 조정될 수 있다. 저점도를 갖는 용액은 전형적으로 보다 작은 기공 크기 층을 생성하며, 고점도를 갖는 용액은 전형적으로 보다 큰 기공 크기 층을 생성한다.
일부 구현예에서, 상기 멤브레인의 층들 사이의 기계적 집적도(mechanical integrity) 및 결합력은 후속 층을 전기방사하기 전에 단섬유들(short fibers)을 전기방사함으로써 향상될 수 있다. 일부 다른 구현예에서, 후속 층을 전기방사하기 전에 스크린 거리(screen distance)를 감소시켜서 습식 섬유를 전기방사하여 "점착성 표면(tacky surface)"을 생성함으로써 멤브레인의 층들 사이의 기계적 집적도 및 결합력을 향상시킬 수 있다.
일부 구현예에서, 상기 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인은 직물 재료 상에 적층될 수 있다. 대안으로, 상기 나노섬유는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), PET 공중합체와 같은 부직포, PA6와 같은 폴리아미드, PET 공중합체, 및 방사결합된 비코 재료(spunbond Bico materials) 상에 직접 전기방사될 수 있다. 전기방사된 나노섬유 중합체 멤브레인의 투명성이 바람직한 용도에서는 투명 부직포가 사용될 수 있다. PET 공중합체 또는 방사결합된 비코 재료의 사용은 나노섬유와 직물 사이의 접착력을 향상시켜서 박리를 감소시킨다.
일부 구현예에서, 상기 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인은 메쉬 기판 상에 직접 전기방사된다. 상기 메쉬 기판는 나노섬유를 전기방사하기에 적합하도록 특별히 설계된 개구 패턴을 그 위에 가질 수 있다. 상기 메쉬 기판의 개구 패턴은 예를 들어 도 16에 도시된 바와 같이 직사각형, 육각형 또는 삼육각형 개구 패턴일 수 있다. 상기 메쉬 기판 상에 전기방사하면 투명하거나 실질적으로 투명한 나노섬유 중합체 멤브레인이 생성될 수 있다.
일부 구현예에서, 상기 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인은 마찰전기 나노발전기(TENG)를 사용하여 마찰전기적으로 하전된다. 이는 자기-하전(self-charging)되는 멤브레인을 생성한다. 일부 구현예에서, 나노섬유 트리보-음성층(nanofibrous tribo-negative layer)은 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)로 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 나노섬유 트리보-양성층(nanofibrous tribo-positive layer)은 폴리아미드(PA66) 나노섬유로 구성될 수 있다.
일부 구현예에서, 전도성 전극층은 폴리피롤-코팅된 나노섬유 멤브레인으로 구성될 수 있다. 일부 대체 구현예에서, 전도성 전극층은 은 나노섬유로 구성될 수 있다. 일부 다른 대체 구현예에서, 전도성 전극층은 전도성 직물로 구성될 수 있다.
일부 구현예에서, 높은 공기 흐름 조건들 하에서 나노섬유 멤브레인 층들의 기계적 집적도(mechanical integrity)를 향상시키기 위해 전기방사 전에 셀룰로오스-기반 접착제가 전기방사 기판에 도포된다.
일부 구현예에서, 폴리비닐아세테이트(PVAc) 층은 표적 중합체의 전기방사와 동시에 전기방사 기판 상에 전기방사된다.
상기 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인은 그래핀, 나노입자, 나노복합체, 다가 금속 이온 및 천연물로부터 추출된 약용 또는 기타 추출물로 구성된 군으로부터 선택되는 항바이러스제 등의 항-병원성 물질로 처리될 수 있다. 상기 그래핀은 작용성화되거나 비-작용성화될 수 있다. 상기 나노입자는 바람직하게는 금속 나노입자 예를 들어 은 나노입자 또는 아연 나노입자일 수 있다. 상기 나노복합체는 바람직하게는 은-도핑된 이산화티탄 나노재료일 수 있다. 상기 다가 금속 이온은 바람직하게는 Cu2+ 또는 Zn2+ 양이온과 같은 금속 이온일 수 있다. 천연물로부터의 추출물은 바람직하게는 감초 추출물(licorice extracts)일 수 있다.
상기 항-병원성 제제(들)는 상기 멤브레인의 표면에 물리적으로 코팅될 수 있다. 상기 코팅은 화학적 또는 전기화학적 방법 예를 들어 원자층 증착, 기상 증착 방법 예를 들어 물리적 기상 증착(PVD) 또는 화학적 기상 증착(CVD), 스프레이 코팅 방법 예를 들어 플라즈마 스프레이 또는 스프레이 플레이팅(spray painting), 또는 물리적 코팅 방법 예를 들어 딥-코팅(dip-coating) 또는 빙사-코팅(spin-coating)을 사용하여 도포될 수 있다.
상기 항-병원성 제제(들)는 대안으로는 전기방사 전에 중합체 용액에 상기 항-병원성 제(들)를 블렌딩(blending)함으로써 상기 멤브레인으로 도입되고, 이에 의해서 상기 항-병원성 제제(들)로 함침된 멤브레인을 생성할 수 있다.
일부 구현예에서, 상기 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인은 하나 이상의 금속-유기 프레임워크(MOF), 예를 들어 지르콘 MOF로 함침될 수 있다. 상기 MOF는 전기방사 전에 상기 MOF를 중합체 용액에 혼합하여 중합체 용액에 도입시키고, 그에 의해서 상기 MOF로 함침된 멤브레인을 생성할 수 있다.
일부 구현예에서, 항-병원성 제제(들)의 코팅 또는 함침 이외에 멤브레인으로의 MOF-함침이 있을 수 있다. 다른 구현예에서, 멤브레인으로의 MOF-함침은 항-병원성 제제(들)의 코팅 또는 함침의 대안일 수 있다. MOF로 함침된 멤브레인은 화학 작용제(CWA) 및 기타 독성 화학제를 여과할 수 있다. 일부 구현예에서, MOF로 함침된 멤브레인은 또한 항바이러스, 항균 또는 다른 항-병원성 특성을 나타낼 수 있다.
따라서, 본원에 기재된 MOF가 본원에 기재된 항-병원성 제제, 예를 들어 항바이러스제 또는 항균제와 반드시 구별되는 것으로 의도되지는 않는다. 오히려, 상기 항-병원성 제제는 MOF일 수도 있고, 대안으로는 본원에 기재된 다른 항-병원성 제제제 중의 하나일 수도 있다. 또한, 본원에 기재된 MOF가 반드시 항바이러스, 항균 또는 다른 항-병원성 특성을 나타내도록 의도된 것은 아니다. 상기 개시된 멤브레인에서 함침된 MOF는 화학 작용제(CWA) 및 다른 독성 화학제의 여과 기능을 제공할 수 있지만, 일부 구현예에서는 항바이러스, 항균 또는 다른 항-병원성 특성을 나타내지 않거나 작은 입자의 여과 기능을 제공할 수 있다.
일부 구현예에서, 상기 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인은 하나 이상의 광촉매, 예를 들어 TiO2, N-도핑된 TiO2, Ag-도핑된 TiO2, 또는 Al2O3-TiO2로 함침될 수 있다. 광촉매는 전기방사 전에 중합체 용액에 광촉매를 블렌딩하여 상기 멤브레인에 혼입되어 상기 광촉매로 함침된 멤브레인을 생성할 수 있다.
일부 구현예에서, 항-병원성 제제(들)의 코팅 또는 함침 이외에 멤브레인으로의 광촉매-함침이 있을 수 있다. 다른 구현예에서, 멤브레인으로의 광촉매-함침은 항-병원성 제제(들)의 코팅 또는 함침의 대안일 수 있다. 광촉매로 함침된 멤브레인은 VOC의 분해를 촉진시킬 수 있다. 일부 구현예에서, 광촉매로 함침된 멤브레인은 또한 항바이러스, 항균 또는 다른 항-병원성 특성을 나타낼 수 있다.
따라서, 본원에 기재된 광촉매가 본원에 기재된 항-병원성 제제, 예를 들어 항바이러스제 또는 항균제와 반드시 구별되는 것으로 의도되지는 않는다. 오히려, 상기 항-병원성 제제는 광촉매일 수도 있고, 대안으로는 본원에 기재된 다른 항-병원성 제제제 중의 하나일 수도 있다. 또한, 본원에 기재된 광촉매가 반드시 항바이러스, 항균 또는 다른 항-병원성 특성을 나타내도록 의도된 것은 아니다. 상기 개시된 멤브레인에서 함침된 광촉매는 VOC의 분해를 촉진시킬 수 있지만, 일부 구현예에서는 항바이러스, 항균 또는 다른 항-병원성 특성을 나타내지 않는다.
일부 구현예에서, 광촉매-함침된 나노섬유 중합체 멤브레인은 CO2의 제거를 위해 탄소 나노섬유(CNF) 멤브레인과 함께 사용될 수 있다. 일부 대체 구현예에서, 상기 멤브레인은 하나 이상의 광촉매-함침된 층 및 하나 이상의 CNF 층을 가질 수 있다.
상기 광촉매-함침된 멤브레인은 바람직하게는 높은 여과 효율, 단열성 및 광분해 능력을 나타내며, 효율적인 VOC 분해 및 작은 미립자 여과를 허용한다. 상기 시스템에서 추가의 CNF 멤브레인의 사용은 광촉매 분해 동안 효과적인 현장에서(in situ)의 CO2 포집을 허용한다. VOC 분해 속도는 바람직하게는 95% 초과이고, CO2 흡착 속도는 바람직하게는 20 mmol/m2s 초과이다.
일부 구현예에서, 이트리아-안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia; YSZ)/실리카 나노섬유 멤브레인은 본원에 기재된 용도, 특히 VOC의 광촉매 제거를 포함하는 용도에서 추가로 또는 대안적으로 사용될 수 있다.
상기 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인으로 코팅된 직물 재료의 통기성(breathability)을 높이기 위해, 직물 재료의 동일면 또는 반대면에 두께가 상이한 다수의 나노섬유 층들이 전기방사될 수 있다. 직물 재료 롤(textile material roll)의 형태인 상기 직물 재료는 전기방사에 의해 하나 이상의 나노섬유 층으로 코팅될 수 있으며, 일부 구현예에서는 하나 이상의 제 1 나노섬유 층은 제 1 권취 속도(winding speed)로 상기 직물 재료의 제 1 면(first side) 상에 전기방사되고, 상기 직물 재료 롤은 플립핑(flipping)되고, 하나 이상의 제 2 나노섬유 층은 제 2 권취 속도로 상기 직물 재료의 제 2 면 상에 전기방사되되, 상기 제 1 권취 속도는 상기 제 2 권취 속도와 상이하다. 다른 구현예에서, 하나 이상의 제 1 나노섬유 층은 제 1 권취 속도로 상기 직물 재료의 제 1 면 상에 전기방사되고, 이어서 하나 이상의 제 2 나노섬유 층은 제 2 권취 속도로 상기 직물 재료의 제 1 면 상에 전기방사되되, 상기 제 1 권취 속도는 상기 제 2 권취 속도와 상이하다. 또 다른 구현예에서, 하나 이상의 제 1 나노섬유 층은 제 1 권취 속도로 상기 직물 재료의 제 1 면 상에 전기방사되고, 이어서 하나 이상의 제 2 나노섬유 층은 제 2 권취 속도로 상기 직물 재료의 제 1 면 상에 전기방사되며, 이어서 상기 직물 재료 롤이 플립핑되고, 하나 이상의 제 3 나노섬유 층은 제 3 권취 속도로 상기 직물 재료의 제 2 면 상에 전기방사되되, 상기 제 1 권취속도는 상기 제 2 권취 속도와 상이하다. 또 다른 구현예에서, 상기 직물 재료의 일면 또는 양면에 상이한 두께의 나노섬유층을 추가로 포함하도록 전기방사 단계를 더 추가할 수 있다.
본원에서는 또한 상기 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인으로 제조된 안면 마스크 또는 인공 호흡기가 개시된다. 상기 안면 마스크 또는 인공 호흡기는 착용자가 편안하게 사용할 수 있도록 높은 여과 용량 및 적절한 통기성 특성을 갖는 것이 바람직하다. 상기 개시된 안면 마스크 또는 인공 호흡기는 바람직하게는 적어도 95%, 보다 바람직하게는 적어도 98%, 더욱 바람직하게는 적어도 99%, 가장 바람직하게는 적어도 99.9%의 여과 효율을 갖는다.
일부 구현예에서, 상기 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인으로 제조된 안면 마스크는 모든-나노섬유 TENG(NF-TENG) 플랫폼을 기반으로 하는 가요성, 통기성 및 항균성 안면 마스크이다. 일부 구현예에서, 안면 마스크는 다층으로 구성된다. 일부 구현예에서, 다층 안면 마스크는 폴리아미드(PA66) 나노섬유의 트리보-양성층, 폴리(비닐리덴 플루오라이드)(PVDF) 나노섬유의 트리보-음성층 및 폴리피롤, 은 나노와이어 또는 전도성 직물을 갖는 전도성 전극층을 포함한다.
본원에서는 또한 상기 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인으로부터 안면 마스크 또는 인공 호흡기를 제조하는 방법이 개시된다. 상기 방법은 바람직하게는 특정 적용 요건에 따라 항-병원성, 물리적, 화학적 및 기계적 물성을 미세 조정하는 것이 허용될 수 있다.
또한, 상기 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인으로부터 HVAC 시스템에 사용하기 위한 공기 필터를 제조하는 방법이 개시된다.
또한, 상기 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인 및 탄소 나노섬유 멤브레인으로부터 VOC 및 CO2의 제거에 사용하기 위한 공기 필터를 제조하는 방법이 개시된다.
샘플 준비
하기 샘플 준비 재료 및 방법은 예시적인 것이다. 본 발명의 범위 내에서 다른 적절한 재료 및 방법이 사용될 수 있다.
재료(materials). Multiple Tecophitic™ 열가소성 폴리우레탄(TPU)은 루브리졸(Lubrizol.)사에서 구입하였다. Knyar 2801 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)는 아르케마(Arkema)사에서 구입하였다. Zytel 7301 폴리카프로락탐은 DuPont 사에 의해 공급되었다. 헥사플루오로이소프로판올(HFIP)는 옥크우드 프로덕츠 인코포레이티드(Oakwood Products Inc.)사에서 구입하였다. 디메틸아세트아미드(DMA), 아세톤, 포름산, 세트리모늄 브로마이드(CTAB), 염화리튬(LiCl), 및 테트라부틸암모늄 클로라이드(TBAC)는 피셔 사이언티픽(Fisher Scientific)사에서 구입하였다. 은 나노입자(15 mm)는 스카이스프링 나노매터리얼즈(Skyspring Nanomaterials)사에서 구입하였다. ZnO 및 CuO(Zn-Cu)는 시그마-알드리히(Sigma-Aldrich)사에서 구입하였다. Ag-도핑된 TiO2(Ag-TiO2) 나노입자는 제이엠 매터리얼 테크놀로지 인코포레이티드(JM Material Technology Inc.)사에서 구입하였다. 감초 추출물(licorice extracts)은 엑스에스엘 유에스에이 인코포레이티드(XSL USA Inc.)사에 의해서 공급되었다.
용액 준비. TPU 중합체를 HFIP에 첨가하여 7 및 15 w/v 용액을 제조하였다. CTAB 0.85% 및 LiCl, NaCl, 또는 TBAC 0.04%을 함유하는 3:1 DMAc/아세톤에 16.5 중량%의 PVDF를 용해시켰다. 모든 용액을 완전히 용해될 때까지 교반 플레이트에서 완전히 혼합하였다.
항바이러스 처리. 2가지 항바이러스 처리 방법을 사용하였다: (1) 멤브레인을 항바이러스 입자를 함유하는 수성 분산액에 침지시키거나, (2) 항바이러스제를 중합체 용액에 첨가하여 항바이러스 나노섬유 멤브레인을 직접 제조하였다. 사용된 항바이러스제는 2% 스트르산 및 은, Ag-TtO2 및 Zn-Cu 나노입자, 및 감초 추출물이었다.
멤브레인 제작. 멤브레인 제작 공정은 롤 투 롤(roll to roll) 방식이며, 여기서 직물 재료는 섬유 재료를 한 면에서 다른 면으로 권취되고 나노섬유 층은 권취 공정 동안 직물 위에 적층되었다. 나노섬유 층의 두께는 권취 속도를 조절함으로써 조절되었다.
상기 전기방사 공정은 단일 단계 또는 대안적으로는 적어도 3개의 별도의 단계로 수행되었다.
1-단계 공정에서, 하나의 주사기에 폴리비닐아세테이트(PVAc) 용액을 채우고 하나 이상의 추가 주사기에 표적 중합체 용액을 채웠다. 상기 PVAc 및 표적 중합체 용액을 동시에 전기방사하였다. 기판과 접촉하는 층은 PVAc로 형성되어 기판과 나노섬유 멤브레인 층 사이의 접착력이 증가하였다.
3-단계 공정에서, 먼저 스펀지 코팅 공정을 사용하여 기판을 셀룰로오스-기반 접착제로 코팅하였다. 이어서 전기방사 나노섬유를 기판 위에 코팅하였다. 마지막으로, 코팅된 기판을 가열하여 건조시켰다.
작용성화. 멤브레인은 전기방사 용액에 원하는 작용성화제를 첨가하거나 2% 지르콘 MOF, 2% 시트르산 및 은, Ag-TiO2, ZnO 또는 CuO 나노입자 또는 감초 추출물(licorice extract)과 같은 용매 중의 원하는 작용성화제의 분산액에 전기방사 멤브레인을 현탁시킴으로써 작용성화시켰다.
광촉매-함침된 멤브레인 제조. 광촉매 전구체는 티탄 테트라이소프로폭사이드, Al(acac)3 및 AgNO3으로 구성된 군으로부터 선택된 광촉매 물질 또는 광촉매 물질 전구체의 1-100 mg/mL 용액 2.5 mL, 폴리비닐피롤리돈(PVP), 라우라미도프로필베타인(LAPB), 알파 올레핀 설포네이트(AOS), 및 세트리모늄 브로마이드(CTAB)로 구성된 군으로부터 선택된 계면활성제 3 g, 에탄올 4.5 mL, 및 아세트산 3.0 mL로 제조된다. 이어서 상기 용액을 교반 플레이트에서 12시간 이상 동안 교반한다.
광촉매용 나노섬유 캐리어는 전기방사 장치(electrospinning apparatus)를 사용하여 제작된다. 전기방사에 사용된 공정 파라미터는 0.5 mL/h의 유속, 바늘에서 접지된 알루미늄 호일까지의 수직 거리 10~15 cm, 및 인가 전압 15~20 kV이다. 전기방사된 나노섬유는 공기 중에서 2시간 동안 600℃에서 1-3℃/min의 램핑 속도로 하소된다.
나노섬유 캐리어를 준비된 광촉매 전구체에 진공 상태에서 5분 동안 침지시킨 후 2-프로판올로 3회 세정한다. 광촉매-함침된 나노섬유를 상온에서 하룻밤 건조시킨 다음, 공기 중에서 500℃에서 1시간 동안 5℃/min의 램핑 속도로 하소시킨다.
탄소 나노섬유 멤브레인 제조. 탄소 나노섬유 멤브레인은 전기방사 나노섬유 매트를 처리하여 제조된다. 준비된 전기방사 나노섬유 매트는 12.5 mM의 테트라부틸암모늄브로마이드(TBAB)를 함유하는 4M 수용성 NaOH 용액에서 1시간 동안 70℃에서 화학적으로 탈불소화시킨다(dehydrofluorinated). 화학적 탈불소화가 완료된 후, 매트를 물과 에탄올로 여러 번 세척한 다음 60℃에서 감압 건조시킨다. 마지막으로, 상기 매트는 탄화 공정으로 처리한다: 상기 매트는 아르곤 분위기 하에서 3℃/min의 속도로 최대 1000℃까지 가열하고 이 온도를 1시간 동안 유지시킨다.
대표 샘플의 특성화
안면 마스크 및 인공 호흡기에서 또는 HVAC 또는 다른 공기 여과 용도에서 상기 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인의 사용 가능성을 조사하기 위하여, 상기 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인의 구현예의 대표 샘플의 형태학(morphology), 섬유 직경, 여과 효율, 기공률, 습윤성(wettability), 기계적 강도, 및 선택적으로 항바이러스 활성 및 미립자-유지 능력(particulate-retention capacity)이 특성화되었다.
나노섬유 중합체 멤브레인은 주사 전자 현미경(SEM) 이미징을 사용하여 특성화되었다. 도 1은 상기 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인의 구현예의 대표적인 SEM 이미지를 도시한다. 큰 이미지는 2000× 배율로 확대하여 나타낸 것이고, 각각의 삽도(inset)는 5000× 배율로 확대하여 나타낸 것이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 각각의 나노섬유 멤브레인의 내부 및 외부면은 샘플들 사이에 일정한 형태학을 나타낸다. 또한, 나노섬유 멤브레인은 양호한 배향성(orientation)을 나타내며, 브리딩(breading), 스플리팅(splitting) 및 기타 바람직하지 않은 형태학적 특성이 존재하지 않았다.
도 2는 상기 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인의 구현예의 대표 샘플에 대한 섬유 직경 측정치 및 분포를 나타낸 것이다. 대표 샘플의 평균 섬유 직경은 0.224 ㎛이었고, 0.210 ㎛의 중앙값 섬유 직경 및 0.196의 표준편차를 갖는다. 평균 배향은 79°였고, 면적 범위(area coverage)는 16%였다.
도 3은 상기 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인의 구현예의 대표 샘플에 대한 수은 세공계 분석에 의해 측정된 기공 크기 분포를 도시한다. 평균 기공 직경은 0.0025 ㎛로 확인되었다.
도 4는 상기 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인의 구현예의 대표 샘플에 대한 평균 기공률 및 평균 기공률 분포를 도시한다. 중량 측정으로 측정한 평균 기공률은 78.5%의 중심점 주위에 분포되어 있는 것으로 나타났다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 모든 샘플은 75% 내지 83% 범위의 일정한 기공률을 나타냈다. 고 기공률의 멤브레인은 멤브레인으로부터 제조된 안면 마스크 또는 필터의 통기성을 증가시키는 중요한 요건이다.
도 5는 상기 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인의 구현예의 대표 샘플에 대한 기계적 인장강도 시험 결과를 나타낸다.
상기 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인의 구현예의 대표 샘플 또한 여과효율에 대해 시험하였다. 관찰된 효율은 30 L/min에 대해 99.61%이었고, 1.265 mbar의 압력 손실을 나타냈고, 95 L/min에 대해 99.85%이었고, 4.3 mbar의 압력손실을 나타내었다.
하기 표 1은 멤브레인의 구현예의 대표 샘플에 대한 시험 결과의 요약을 나타낸다:
표 1
상기 멤브레인의 구현예의 대표 샘플은 물 또는 에탄올로 세척한 후에도 열화되지 않았다. 반면, 용융-취입된 멤브레인(melt-blown membrane)의 샘플은 에탄올로 세척한 후 여과 효율의 현저한 감소를 나타냈다.
상기 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인의 구현예의 대표 샘플과 일반적인 용융-취입된 멤브레인 사이의 비교는 하기 표 2에 나타내었다:
표 2
개인 보호 장비 용도를 위한 다양한 멤브레인 샘플에 대한 여과 효율 및 관찰된 압력 강하는 하기 표 3에 표시된다:
표 3
HVAC 용도에 사용하기 위한 다양한 멤브레인 샘플에 대한 여과 효율 및 관찰된 압력 강하가 하기 표 4에 나타나 있다:
표 4
도 6 내지 도 12는 개인 보호 장비 응용 분야에 사용하기 위해 상기 개시된 나노섬유 중합체 멤브레인의 구현예의 대표 샘플에 대한 여과 효율, 가연성 및 항바이러스성 및 항균성 시험결과를 나타낸 것이다.
도 13은 상기 멤브레인을 통한 에어로졸의 유속에 의해 여과 효율이 어떻게 영향을 받는지 나타낸다.
도 14는 멤브레인의 통기성 척도인 멤브레인을 가로지르는 횡단 압력 강하가 멤브레인을 통한 에어로졸의 유속에 어떤 영향을 미치는지 나타낸다.
도 15는 광촉매-함침된 나노섬유 중합체 멤브레인 및 탄소 나노섬유 멤브레인으로 구성되는 휘발성 유기 화합물 및 이산화탄소를 제거하기 위한 시스템의 한 구현예를 나타낸다.
도 16은 메쉬 기판에 대한 직사각형, 육각형 및 삼육각형(trihexagonal) 개구 패턴의 기본 반복 단위를 나타낸다.
도 17은 올-나노섬유 TENG(NF-TENG) 플랫폼을 기반으로 한 가요성, 통기성 및 항균성 안면 마스크를 개략적으로 나타낸다.
상기 개시된 구현예들의 기술은 당업자가 본원에 개시된 발명을 실시하거나 사용하기 위해 제공된다. 본 발명의 다양한 측면은 하나 이상의 예시된 구현예, 실행예 및 실시예의 맥락에서 개시되지만, 당업자는 본 발명이 구체적으로 개시된 구현예를 넘어서 본 발명의 다른 대체 구현예 및/또는 용도 및 명백한 변형 및 그들의 등가물로 확장되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 개시의 범위는 본원에서 개시된 구현예들의 특정한 특징 및 측면의 다양한 조합 또는 하위-조합을 포함함으로써, 개시된 대상의 다양한 특징, 실행 방식 및 측면이 서로 결합 또는 대체될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 본원에서 정의된 일반적인 원칙들은 본 발명의 정신 또는 범위를 벗어나지 않고 다른 구현예들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 본원에 표시된 구현예들에 한정되지 않고, 본원에 개시된 원리 및 신규 특징들과 일치하는 가장 넓은 범위에 속하는 것으로 되어야 한다.
모든 참고 문헌은 본원에서 참조로 명시적으로 포함된다.

Claims (20)

  1. 고 여과 효율(filtration efficiency)을 갖는 전기방사 중합체 나노섬유 멤브레인(eleclrospun polymer nanofibrous membrane)으로서,
    폴리비닐리덴 플루오라이드, 하나 이상의 Tecophilic™ 열가소성 폴리우레탄(TPU), 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드와 하나 이상의 Tecophilic™ 열가소성 폴리우레탄의 블렌드(blend)를 포함하되,
    상기 멤브레인은 하나 이상의 항-병원성 제제(anti-pathogenic agents)로 처리되는 것인, 멤브레인.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 항-병원성 제제는 항바이러스제(antiviral agent)를 포함하는, 멤브레인.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 항바이러스제는 그래핀, 나노입자, 나노복합체, 다가 금속 이온 및 천연물(natural products)로부터의 추출물(extracts)로 구성된 군으로부터 선택되는, 멤브레인.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 항바이러스제는 은-도핑된 이산화티탄 나노재료(silver-doped titanium dioxide nanomaterial)를 포함하는, 멤브레인.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 항바이러스제는 다가(multivalent) Cu2+ 또는 Zn2+ 양이온을 포함하는, 멤브레인.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 항바이러스제는 감초 추출물(licorice extract)을 포함하는, 멤브레인.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 멤브레인은 세트리모늄 브로마이드(cetrimonium bromide; CTAB), 라우라미도프로필 베타인(lauramidopropyl betaine; LAPB) 및 알파 올레핀 설포네이트(alpha olefin sulfonate; AOS)로 구성된 군으로부터 선택된 계면활성제를 포함하는 중합체 용액으로부터 전기방사되는, 멤브레인.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 멤브레인은 구별 가능한 미세구조 특성(microstructure characteristics)을 갖는 다수의 집적된 층(multiple integrated layers)을 포함하는, 멤브레인.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 멤브레인은 상이한 기공 크기(pore size)를 갖는 제 2 층에 의해 분리된 동일한 기공 크기를 갖는 제 1 층 및 제 3 층을 포함하는 3개의 층으로 구성되는, 멤브레인.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 멤브레인은 3개의 상이한 기공 크기를 갖는 3개의 층으로 구성되는, 멤브레인.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 층 및 제 3 층은 보다 큰 기공 크기를 가지며 상기 제 2 층은 보다 작은 기공 크기를 갖고,
    상기 멤브레인의 후속 층을 전기방사하기 전에 단섬유들(short fibers)을 전기방사하거나, 또는 상기 멤브레인의 후속 층을 전기방사하기 전에 스크린 거리(screen distance)를 감소시켜서 습식 섬유를 전기방사하여 "점착성 표면(tacky surface)"을 생성함으로써, 상기 멤브레인의 층들 사이의 기계적 집적도(mechanical integrity) 및 결합력이 향상된, 멤브레인.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 멤브레인은, 직물 재료를 포함하는 직물 재료 롤(textile material roll)을 제 1 면(first side)으로부터 제 2 면(second side)으로 권취(winding)한 다음, 하기 단계들:
    (a) 상기 직물 재료의 제 1 면 상에 하나 이상의 제 1 나노섬유 층을 제 1 권취 속도(winding speed)로 전기방사하는 단계;
    (b) 상기 직물 재료 롤을 플립핑하는(flipping) 단계; 및
    (c) 상기 직물 재료의 제 2 면 상에 하나 이상의 제 2 나노섬유 층을 제 2 권취 속도로 전기방사하는 단계;
    를 기재된 순서대로 수행함으로써 형성되되,
    상기 제 1 권취 속도는 상기 제 2 권취 속도와 상이한 것인, 멤브레인.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 멤브레인은, 직물 재료를 포함하는 직물 재료 롤을 제 1 면으로부터 제 2 면으로 권취한 다음, 하기 단계들:
    (a) 상기 직물 재료의 제 1 면 상에 하나 이상의 제 1 나노섬유 층을 제 1 권취 속도로 전기방사하는 단계; 및
    (b) 상기 직물 재료의 제 1 면 상에 하나 이상의 제 2 나노섬유 층을 제 2 권취 속도로 전기방사하는 단계;
    를 기재된 순서대로 수행함으로써 형성되되,
    상기 제 1 권취 속도는 상기 제 2 권취 속도와 상이한 것인, 멤브레인.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 멤브레인은, 직물 재료를 포함하는 직물 재료 롤을 제 1 면으로부터 제 2 면으로 권취한 다음, 하기 단계들:
    (a) 상기 직물 재료의 제 1 면 상에 하나 이상의 제 1 나노섬유 층을 제 1 권취 속도(winding speed)로 전기방사하는 단계;
    (b) 상기 직물 재료의 제 1 면 상에 하나 이상의 제 2 나노섬유 층을 제 2 권취 속도로 전기방사하는 단계;
    (c) 상기 직물 재료 롤을 플립핑하는 단계; 및
    (d) 상기 직물 재료의 제 2 면 상에 하나 이상의 제 3 나노섬유 층을 제 3 권취 속도로 전기방사하는 단계;
    를 기재된 순서대로 수행함으로써 형성되되,
    상기 제 1 권취 속도는 상기 제 2 권취 속도와 상이한 것인, 멤브레인.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 멤브레인은 마찰전기 나노발전기(triboelectric nanogenerator, TENG)를 이용하여 마찰전기적으로(triboelectrically) 하전되는(charged), 멤브레인.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 멤브레인은 폴리아미드(PA66) 나노섬유의 트리보-양성층(tribo-positive layer), 폴리(비닐리덴 플루오라이드)(PVDF) 나노섬유의 트리보-음성층(tribo-negative layer), 및 폴리피롤, 은 나노와이어 또는 전도성 직물(conductive fabric)을 갖는 전도성 전극층을 포함하는 3개의 층을 포함하는, 멤브레인.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 멤브레인은 안면 마스크(facemask) 또는 인공 호흡기(respirator)에 사용하기에 적합한 것인, 멤브레인.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 멤브레인은 HVAC 시스템에 사용하도록 구성된 공기 필터에 사용하거나 또는 탄소 나노섬유 멤브레인과 함께 VOC 및 CO2의 제거에 사용하도록 구성된 공기 필터에 사용하기에 적합한 것인, 멤브레인.
  19. 고 여과 효율을 갖는 전기방사 중합체 나노섬유 멤브레인으로서,
    폴리비닐리덴 플루오라이드, 하나 이상의 Tecophilic™ 열가소성 폴리우레탄(TPU), 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드와 하나 이상의 Tecophilic™ 열가소성 폴리우레탄의 블렌드를 포함하되,
    상기 멤브레인에 하나 이상의 항-병원성 제제가 함침되고,
    상기 멤브레인은 구별 가능한 미세구조 특성을 갖는 다수의 집적된 층을 포함하는,
    멤브레인.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 멤브레인은 상이한 기공 크기를 갖는 제 2 층에 의해 분리된 동일한 기공 크기를 갖는 제 1 층 및 제 3 층을 포함하는 3개의 층으로 구성되되,
    상기 제 1 층 및 제 3 층은 보다 큰 기공 크기를 가지며 상기 제 2 층은 보다 작은 기공 크기를 갖고,
    상기 멤브레인의 후속 층을 전기방사하기 전에 단섬유들을 전기방사하거나, 또는 상기 멤브레인의 후속 층을 전기방사하기 전에 스크린 거리를 감소시켜서 습식 섬유를 전기방사하여 "점착성 표면"을 생성함으로써 상기 멤브레인의 층들 사이의 기계적 집적도 및 결합력이 향상된,
    멤브레인.
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