WO2015020337A1 - 액체 필터용 필터여재 및 그의 제조방법 - Google Patents

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nanofiber web
nanofiber
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황준식
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주식회사 아모그린텍
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Definitions

  • the present invention relates to a filter medium for a liquid filter and a method for manufacturing the same, in particular, before and after filtering by lowering the content of nanofibers per unit area while forming a thin filter layer by incorporating a low-weight nanofiber web into a porous nonwoven fabric.
  • the present invention relates to a filter medium for a liquid filter and a method of manufacturing the same, which can increase the flow rate by making the differential pressure less.
  • the separator is a material having a selectivity existing between two different materials, and means a material that selectively passes or excludes a certain material. There is no restriction on the structure or material of the membrane, and the state or principle of movement of the material through the membrane, and the material is generally separated if the two materials are isolated from each other and the selective movement of the material through the membrane between them. It can be called
  • classification by separation operation is classified into liquid separation, gas-liquid separation, and gas separation as a classification method according to the state of the target substance to be separated.
  • Liquid separation is classified into micro filtration, ultra filtration, nano filtration, reverse osmosis and the like according to the size of the filtration object.
  • the gas separation can be separated in detail according to the type of gas to be separated.
  • the membrane for separating oxygen gas it is classified into oxygen enrichment, and in case of the membrane for separating nitrogen, nitrogen enrichment, hydrogen separation, and dehumidification membrane.
  • the types of membranes are classified into flat membranes, hollow fiber membranes, and tubular membranes, and they are also plate-type, spiral wound, cartridge-type, flat-film cell type, and deposit according to the filter module type. It is classified into a mold, a tube, and the like.
  • Classification by material includes inorganic membrane and organic membrane using polymer. Recently, the inorganic membrane is expanding its use based on the advantages of heat resistance, durability, etc., but most of the commercialized products are occupied by the polymer membrane.
  • filtration means separating two or more kinds of components from a fluid, and means separating undissolved particles, that is, solids.
  • the filtration mechanism can be described as sieving, adsorption, dissolution, and diffusion mechanisms, and most of them are completely dependent on sieving mechanisms except for some separation membranes such as gas separation membranes and reverse osmosis membranes.
  • any material having pores can be used as a filter media
  • typical filter media include nonwovens, fabrics, meshes, and porous membranes.
  • Nonwoven fabrics, fabrics, meshes, etc. are difficult to make pores of less than 1um, so they are limited to the particle filtration area and are used as pretreatment filter concepts.
  • Porous membranes on the other hand, can produce precise and small pores, requiring a wide range of filtration zones such as micro filtration, ultra filtration, nano filtration, reverse osmosis and the highest precision. It is used for the process.
  • Nonwovens, meshes, and fabrics are made of fibers of several micro to hundreds of micro-thick, making it difficult to produce micropores of less than one micro.
  • the web is formed by a random arrangement of fibers, so that it is virtually impossible to make uniform pores.
  • Melt-blown is a non-woven fabric consisting of the finest fibers with a fineness in the range of 1 ⁇ 5um.
  • the pore size before thermal calendering is 6 microns or more and the pore size after calendering is about 3 microns.
  • the average pore size deviation is more than ⁇ 15% from the reference point, and the pores are quite large. As a result, it is difficult to prevent the outflow of pollutants through relatively large pores, so the filter efficiency is low. Therefore, the filter media are used as a pretreatment concept in an inexact filtration process or a microfiltration process.
  • the porous membrane is prepared by a method such as solvent phase transition (NIPS), thermal induction phase transition (TIPS), stretching process, track etching method, sol-gel method, etc.
  • solvent phase transition NIPS
  • TIPS thermal induction phase transition
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PS polysulfone
  • PS polyethersulfone
  • PES polypropylene
  • PE polyethylene
  • NC nitrocellulose
  • the conventional porous membrane can make precise and small size pores, closed pores and blind pores inevitably occur in the manufacturing process, so that the amount of filtration flow is low, the operating pressure is high, and the filtration life is long. Due to the short problem, high operating cost and frequent filter replacement are pointed out as problems.
  • Patent Document 1 Korean Patent Laid-Open No. 2008-60263 (Patent Document 1) includes at least one nanofiber layer of polymer nanofibers having an average fiber diameter of less than about 1 ⁇ m, and has an average flow pore size of about 0.5 ⁇ m to about 5.0 Filtration media with a solidity of about 15% to about 90% by volume and a flow rate of water through the medium at a differential pressure of 10 psi (69 kPa) of greater than about 0.055 L / min / cm 2 have.
  • the method for producing a filtration medium proposed in Patent Document 1 includes a radiation beam including at least one radiation beam including a spinning nozzle, a blowing gas injection nozzle, and a collector, wherein 24 wt% of nylon in formic acid is used as a polymer solution. Illustrating the spinning of nanofibers to form a web by an electro-blowing spinning or electroblowing method using a containing solution.
  • the method of forming the fibrous web of nanofibers in the patent document 1 is not a manufacturing technique using a multi-hole spinning pack.
  • the spinning solution containing 24% by weight of polymer increases in viscosity to solidify on the surface of the solution. This is difficult to spin for a long time, the fiber diameter is increased, the problem that can not make a fibrous size of less than a micrometer.
  • the ultrafine fibrous web obtained by spinning has weakened the strength of the web instead of increasing the pore if the pretreatment process does not properly control the amount of solvent and water remaining on the surface of the web before calendering occurs.
  • the web may melt.
  • Patent Document 2 Korean Patent Publication No. 2012-2491 (Patent Document 2) has a three-dimensional micro-pore structure of a multi-layer structure to have a high efficiency and long life, the liquid using an electrospun nanofiber web that can maximize the filter efficiency
  • a filter medium for a filter, a manufacturing method thereof, and a liquid filter using the same have been proposed.
  • the filter medium consisting of the multilayer nanofiber web for the liquid filter is formed by dissolving a fiber-forming polymer material in a solvent to form a nanofiber web by air electrospinning the spinning solution to an upper portion of the support, and then forming a support on which the nanofiber web is formed. After thermal compression or air spinning the spinning solution to form a nanofiber web and thermocompression bonding, the support is laminated on one surface of the thermocompression nanofiber web.
  • a method of forming a nanofiber web by air electrospinning the spinning solution to an upper portion of the support, and then thermocompressing the support on which the nanofiber web is formed is a porous material having high tensile strength as a support.
  • the use of the nonwoven fabric has the advantage of increasing the tensile strength to increase the handleability during production, but there is a problem that the uniformity of the nanofiber web is not high.
  • the electrospun nanofibers are accumulated in a collector and are stacked along the pattern of the integrated part. For example, when electrospinning onto a diamond pattern, nanofibers begin to accumulate along the original diamond pattern.
  • Patent Document 2 proposes a filter medium laminated with a nanofiber web using a nonwoven fabric composed of a single core fiber such as a melt-blown nonwoven fabric, a spunbond nonwoven fabric, a thermal bond nonwoven fabric, but a nonwoven fabric and a nanofiber web laminated.
  • a nonwoven fabric composed of a single core fiber such as a melt-blown nonwoven fabric, a spunbond nonwoven fabric, a thermal bond nonwoven fabric, but a nonwoven fabric and a nanofiber web laminated.
  • nanofibers have a large amount of static electricity in the manufacturing process, there is a problem that handling is very difficult when made of nanofibers themselves. Although it is impossible to remove static electricity through the compounding of paper and the like, the handleability can be improved. Moreover, nanofibers may have better relative strength than other fibers, but their absolute strength is weak.
  • the porous nanofiber web made of nanofibers creates a highly mature porous nanofiber web by making a strong bond between the fibers through a calendering process, as shown in Patent Literature 2 by spinning directly on the nonwoven fabric (calendaring) If the melting point of the nonwoven fabric is lower than the inter-fiber bonding temperature of the polymer nanofibers are limited by the calendaring temperature control. As a result, there is a problem that a rigid bond between the nanofibers forming the nanofiber web cannot be made.
  • the hydrophilic characteristic is required in liquid filtration arises.
  • the hydrophilic polymer has a problem in that the mechanical strength and chemical resistance are weak compared to the hydrophobic polymer, so that the filter media should be used in a limited manner.
  • the filter medium made of PVdF polymer has a strength and chemical resistance that is very suitable for liquid filtration, but has a problem of being limited to aqueous filtration due to hydrophobic properties.
  • the filter medium made of a hydrophobic polymer has a high weight of about 10 g / m 2 or more that can be handled at the time of manufacture, and when a water-based fluid passes, a relatively high differential pressure is applied, so that hydrophilic treatment or hydrophilic treatment is not performed. In this case, there is a problem that water does not pass well unless proper driving force is applied.
  • the filtration layer cannot be formed thinly, so that a large differential pressure is required, and thus a passage flow rate decreases.
  • the present invention has been devised in view of the problems of the prior art, and its purpose is to form a thin filter layer by incorporating a low-weight nanofiber web into a porous nonwoven fabric, while reducing the content of nanofibers per unit area by weighting before and after filtering. It increases the flow rate by reducing the differential pressure in the membrane.
  • the membrane having excellent air permeability and water permeability, even without hydrophilic treatment, is used by using a nanofiber web made of low-weight nanofibers. It is to provide a filter medium for a liquid filter that can be produced and a method of manufacturing the same.
  • Another object of the present invention is to produce a nanofiber web excellent in uniformity such as pore size, air permeability, thickness, weight of the nanofiber web by using a transfer method of spinning the nanofiber on a transfer sheet such as paper and then laminating the porous nonwoven fabric. It is to provide a filter medium for a liquid filter to be provided and a method of manufacturing the same.
  • Another object of the present invention is to perform a calendaring at a temperature higher than the melting point of the nonwoven fabric by using a transfer method of spinning the nanofibers on a transfer sheet such as paper and then laminating onto the porous nonwoven fabric, thereby providing a firm bond between the nanofibers.
  • the present invention provides a filter medium for a liquid filter and a method of manufacturing the same.
  • Another object of the present invention is to absorb the residual solvent contained in the nanofiber web by using a transfer method of spinning the nanofibers using a paper transfer sheet and then laminating them into a porous nonwoven fabric. It is to provide a filter medium for a liquid filter and a method for producing the same that can prevent the re-melting phenomenon and to appropriately control the amount of residual solvent.
  • Another object of the present invention is to use a porous non-woven fabric that can be used as a support and can be obtained at a low cost to increase the tensile strength to increase the handleability during production, and to increase the manufacturing cost by laminating a porous nanofiber web of thin film It is to provide a filter medium for a liquid filter that can be lowered.
  • the present invention provides a filter medium for a liquid filter capable of filtering specific ions of a chemical substance contained therein and a method of manufacturing the same.
  • Another object of the present invention is a liquid filter capable of killing various pathogens present in the filter medium with water purification of the liquid to be treated by silver (Ag) nanoparticles dispersed in or on the surface of the nanofiber of the nanofiber web. It is to provide a filter medium for the filter and a manufacturing method thereof.
  • the filter medium for a liquid filter according to the first aspect of the present invention, a porous support serving as a strength support; And a nanofiber web laminated on one side of the porous support and made of nanofibers of a high molecular material and having micropores of a three-dimensional structure through which a liquid to be treated passes, wherein the content of the nanofibers is less than 5 gsm. It is done.
  • the content of the nanofibers is less than 5gsm, even if the nanofiber web is laminated by making hydrophobic nanofibers, the air permeability and water permeability are guaranteed to obtain an excellent passage flow rate, but when the content of the nanofibers exceeds 5gsm, the filtration layer As the thickness increases, the differential pressure is increased and the passage flow rate decreases.
  • the content of the nanofibers is preferably set in the range of 2 to 3gsm.
  • the thickness of the nanofiber web is set in the range of 2 to 6um
  • the pore size is preferably set in the range of 0.2 to 3um.
  • the diameter of the nanofibers is set in the range of 100 to 800 um, and preferably in the range of 150 to 300 um.
  • the porous support is a nonwoven fabric
  • the nonwoven fabric may be a PP / PE nonwoven fabric coated with PE on the outer circumference of the PP fiber as a core or a PET nonwoven fabric coated with low melting PET on the circumference of the regular PET (polyethyleneterephthalate) fiber as the core.
  • PE polyethyleneterephthalate
  • the PP / PE non-woven fabric is melted PE coating coated on the outside of the PP fiber is made to bond with the nanofiber, PP fiber maintains the porous structure.
  • the PET nonwoven fabric is a low melting PET coated on the outer periphery of the regular PET fibers are melted and bonded with the nanofibers, the regular PET fibers maintain a porous structure.
  • the nanofibers have ion exchange resin particles dispersed in or on the nanofibers, and the ion exchange resin particles are particles of a porous organic polymer having ion exchange ability or polystyrene and divinylbenzene. It may be a particle of the copolymer of.
  • the nanofibers are preferably silver nanoparticles are dispersed in or on the nanofibers.
  • a method of manufacturing a filter medium for a liquid filter comprising: forming a nanofiber web having fine pores having a three-dimensional structure by electrospinning a spinning solution in which a polymer material and a solvent are mixed into a transfer sheet; A first calendering step of controlling pore size and thickness of the nanofiber web simultaneously with bonding between the nanofibers; And a second calendaring step of forming a filter medium by laminating the nanofiber web on which the first calendar is made with the porous support.
  • the first calendaring step is performed at a higher temperature than the second calendaring step.
  • the first calendaring step is set to a temperature capable of bonding the nanofibers forming the nanofiber web
  • the second calendaring step is a coating having a lower melting point than the core in the double core fibers forming a porous support It is set to match the melting point of the negative, the coating may be melted and bonded with the nanofibers.
  • the spinning solution further includes ion exchange resin particles or silver metal salts, and the nanofibers preferably have ion exchange resin particles or silver nanoparticles dispersed in or on the nanofibers.
  • the transfer sheet is preferably one of a nonwoven fabric and a polyolefin film made of paper, a polymer material which is not dissolved by a solvent contained in a spinning solution.
  • the differential pressure before and after filtering is reduced by reducing the weight of the nanofiber per unit area, thereby allowing the flow rate to flow.
  • a porous nanofiber web made of low-weight nanofibers can be used to prepare a membrane having excellent breathability and water permeability even without hydrophilic treatment.
  • the differential pressure is reduced by forming a thin filtration layer by incorporating a low weight porous nanofiber web into the porous nonwoven fabric. To increase the flow rate.
  • a porous nanofiber web having excellent uniformity such as pore size, air permeability, thickness, and weight is provided by using a transfer method in which nanofibers are spun onto a transfer sheet such as paper and then laminated on a porous nonwoven fabric.
  • calendering may be performed first at a temperature higher than the melting point of the nonwoven fabric prior to the lamination process, and thus, the nanofiber Tight coupling between them can be made.
  • the nanofibers are absorbed by the residual solvent by absorbing the residual solvent contained in the porous nanofiber web according to the transfer method of spinning the nanofibers using a paper transfer sheet and then laminating them onto the porous nonwoven fabric. It prevents re-melting and can adjust the amount of residual solvent appropriately.
  • the present invention can be used as a support, and by using a porous non-woven fabric that can be obtained at low cost to increase the tensile strength to increase the handleability during production, and greatly reduce the manufacturing cost by laminating a porous nanofiber web of thin film Can be.
  • the porous support composed of fibers having a double core structure having different melting points, calendering at the melting point of the low melting point coating portion surrounding the high melting point core when calendaring for laminating the porous support and the nanofiber web is performed. As the ring is carried out, the porous support can maintain the pore structure by the high melting point core fiber.
  • the low melting point coating portion of the porous support can increase the bonding strength as the nanofibers (bonding) of the nanofiber web is made.
  • the ion exchange resin particles dispersed inside or outside the nanofibers of the nanofiber web can filter out specific ions of chemical substances contained in the liquid to be processed.
  • Silver (Ag) nanoparticles uniformly dispersed in or on the surface of the nanofibers of the nanofiber web can kill various pathogens present in the filter medium together with water purification of the liquid to be treated.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a filter medium for a liquid filter according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a manufacturing process of a liquid filter according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic process diagram showing an apparatus for manufacturing the filter medium shown in FIG.
  • FIG. 4 is a schematic block diagram showing a rolled liquid filter according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a stacked liquid filter according to a preferred embodiment of the present invention.
  • Example 6 is a graph showing a comparison of the pore size distribution (Pore size distribution) between Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 according to the present invention.
  • Electrospun nanofibers are accumulated in the collector and are stacked along the pattern of the integrated part. For example, when electrospinning onto a diamond pattern, nanofibers begin to accumulate along the original diamond pattern.
  • paper is more suitable than nonwoven fabric to make a good nanofiber web with excellent uniformity such as pore size, air permeability, thickness and weight.
  • a porous nanofiber web having excellent uniformity such as pore size, air permeability, thickness, and weight is provided by using a transfer method in which nanofibers are spun onto a transfer sheet such as paper and then laminated on a porous nonwoven fabric.
  • Porous nanofiber web made of nanofibers creates a highly mature porous nanofiber web by making a firm bond between fibers through a calendering process. Because of its melting point, it is limited by calendaring temperature control.
  • the interfiber bonding temperature of nanofibers is about 150 ° C., but the melting point of the nonwoven fabric is 110-130 ° C.
  • the present invention manufactures a filter medium using a transfer method of first forming a nanofiber web and laminating the porous nonwoven fabric.
  • the nanofiber web obtained after spinning the nanofibers on a transfer sheet such as paper is first subjected to first calendering at a temperature higher than the melting point of the nonwoven fabric, preferably at the interfiber bonding temperature of the nanofibers. A solid combination of can be achieved. Thereafter, the nanofiber web made of primary calendering is laminated to the porous nonwoven fabric by secondary calendering whose temperature is set to the melting point of the nonwoven fabric.
  • the primary calendering temperature is set at a temperature at which the nanofibers forming the nanofiber web can be bonded, for example, 150 to 200 ° C.
  • the secondary calendering temperature is a PP / PE fiber having a double core structure.
  • the melting point of the PE is preferably set to 110 ⁇ 130 °C.
  • the PE coating coated on the outside of the core in the PP / PE nonwoven fabric is melted and laminated with the nanofiber web, and the PP core maintains its shape to maintain a porous structure.
  • a porous nanofiber on the upper portion of the transfer sheet by continuously feeding the transfer sheet having a high tensile strength from the transfer roll to the upper portion of the collector of the electrospinning apparatus to improve the workability of the primary and secondary calendering process
  • the web is laminated.
  • the transfer sheet may be, for example, a polyolefin-based film such as nonwoven fabric, PE, PP, or the like made of a polymer material which is not dissolved by a solvent contained therein when spinning paper or a mixed spinning solution.
  • a polyolefin-based film such as nonwoven fabric, PE, PP, or the like made of a polymer material which is not dissolved by a solvent contained therein when spinning paper or a mixed spinning solution.
  • it is difficult to carry out a drying process, a calendering process, and a winding process while being transferred at a high feed rate due to low tensile strength.
  • the nanofiber is a residual solvent by absorbing the residual solvent contained in the porous nanofiber web. It prevents re-melting and can adjust the amount of residual solvent appropriately.
  • a filtration layer in order to solve such a problem, by combining a low-weight porous nanofiber web with a porous nonwoven fabric, a filtration layer can be formed thinly, so that the differential pressure is reduced to increase the flow rate.
  • the porous nanofiber web laminated to a porous non-woven fabric when forming a porous nanofiber web laminated to a porous non-woven fabric, by setting the accumulation amount of the nanofibers in the range of less than 5gsm, preferably 2 to 3gsm, even if a hydrophobic PVdF polymer is used, the porous made of low-weight nanofibers.
  • the use of nanofiber webs allows the preparation of membranes with excellent breathability and water permeability even without hydrophilic treatment.
  • a filter for a liquid filter that enables surface filtration and deep filtration of liquids through the micropores of a three-dimensional network structure of a nanofiber web, and at the same time, it is possible to filter out specific ions of chemical substances contained in the liquid to be treated by ion exchange resin particles. You can get the media.
  • a predetermined amount of silver metal salt is added and spun to uniformly disperse Ag nanoparticles on the inside or surface of the nanofibers of the nanofiber web, thereby uniformly dispersing the antimicrobial action.
  • Silver (Ag) nanoparticles possessed can kill various pathogens present in the filter medium.
  • the silver metal salt may be one or more selected from the group consisting of silver nitrate (AgNO 3 ), silver chloride (AgCl), silver sulfide (Ag 2 S), and the like.
  • nanofiber webs formed by collecting nanofibers by electrospinning have a higher porosity than porous supports such as nonwoven fabrics.
  • the liquid filter manufactured using the filter media according to the present invention is laminated with a multi-layered filter media having a multi-layered structure including a nanofiber web having a relatively high porosity and a porous support having a relatively low porosity.
  • a multi-layered filter media having a multi-layered structure including a nanofiber web having a relatively high porosity and a porous support having a relatively low porosity.
  • the nonwoven fabric which can be used as the porous support is a PP / PE nonwoven fabric having a PE core coated on the outer circumference of the PP fiber as a core, or a dual core structure coated with a low melting PET on the outer circumference of the regular PET (polyethyleneterephthalate) fiber as the core. It is also possible to use PET nonwovens.
  • the double-structured nonwoven fabric is such that the PP fiber or regular PET fiber forming the core can maintain its shape when the calendering temperature is set to the melting point of PE or low melting point PET when laminated with the nanofiber web. This maintains the pore structure.
  • the bonding force between the nonwoven fabric and the nanofiber web increases.
  • the present invention can be obtained at low cost and high tensile strength can improve the handleability in the production of filter media, and other nonwoven fabric can be used as long as it is a porous support made of a fiber having a double core structure with different melting points.
  • polymer material used in the present invention electrospinning is possible, and examples thereof include hydrophilic polymers and hydrophobic polymers, and these polymers may be used alone or in combination of two or more thereof.
  • the hydrophilic property is required in the liquid filtration, but the hydrophilic polymer has a weaker mechanical strength and chemical resistance compared to the hydrophobic polymer, taking into consideration that the weaknesses of the respective disadvantages and take advantage of the advantages. Hydrophilic polymer and hydrophobic polymer can be mixed and used.
  • a low differential pressure is set by manufacturing a filter medium having a low weight of less than 5 gsm, so that even if the hydrophilic treatment is not performed, an appropriate driving force is applied. It can be done well.
  • the polymer material usable in the present invention is not particularly limited as long as it can be dissolved in an organic solvent for electrospinning and can form nanofibers by electrospinning.
  • PVdF polyvinylidene fluoride
  • polymer materials that can be used include polyamide, polyimide, polyamideimide, poly (meth-phenylene isophthalamide), polysulfone, polyetherketone, polyetherimide, polyethylene terephthalate and polytrimethylene terephthalate.
  • Aromatic polyesters such as polyethylene naphthalate, and the like, polyphosphazenes such as polytetrafluoroethylene, polydiphenoxyphosphazene, poly ⁇ bis [2- (2-methoxyethoxy) phosphazene], polyurethane and Polyurethane copolymers including polyetherurethane, cellulose acetate, cellulose acetate butyrate, cellulose acetate propionate, and the like.
  • the filter material of the present invention of the polymer material is PAN, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyester sulfone (PES: Polyester Sulfone), polystyrene (PS) alone or polyvinylidene fluoride ( PVdF) and polyacrylonitrile (PAN) may be mixed, or PVdF and PES, PVdF and thermoplastic polyurethane (TPU) may be mixed and used.
  • the polymers usable in the present invention are not particularly limited to thermoplastic and thermosetting polymers capable of electrospinning.
  • the solvent mixed with the high molecular material may use a monocomponent solvent such as dimethylformamide (DMF), but in the case of using the bicomponent solvent, boiling point (BP) It is preferable to use a two-component solvent mixed with a high and a low point).
  • a monocomponent solvent such as dimethylformamide (DMF)
  • BP boiling point
  • the two-component mixed solvent according to the present invention is preferably used by mixing a high boiling point solvent and a low boiling point solvent in a weight ratio of 7: 3 to 9: 1.
  • the ion exchange resin may be a cation exchange resin or an anion exchange resin.
  • the ion exchange resin particles in the present invention may be defined as having a functional group having an ion exchange ability on the inner surface and may include a cation exchange resin, an anion exchange resin, a positive exchange resin, and the like depending on the ion to be exchanged. .
  • a porous organic polymer having ion exchange ability or a copolymer of polystyrene (Polystyrene) and a copolymer of polyvinyl (Divinylbenzene) and PSDVB (Polystyrene Divinylbenzene) is made of particles, and the particles and a solvent are mixed to form a spray solution.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a filter medium for a liquid filter according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a flowchart showing a manufacturing process of a liquid filter according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a filter shown in FIG. It is a schematic process diagram which shows the apparatus which manufactures a media material.
  • a porous support 11 such as a nonwoven fabric is stacked on one side of the porous nanofiber web 13.
  • the nanofiber web 13 is ion-exchange resin particles 15 and silver on the inside and the surface of the nanofibers 25 collected by electrospinning a spinning solution in which a polymer material, ion exchange resin particles, a silver metal salt and a solvent are mixed.
  • the nanoparticles 17 are dispersed and have fine pores of a three-dimensional network structure, the liquid may be surface filtered and deep filtered, and at the same time, specific ions of a chemical substance included in the liquid may be filtered out.
  • the silver nanoparticles 17 uniformly dispersed and fixed on the surface of the nanofibers 25 can remove various pathogens present in the nanofiber web 13 together with water purification of the liquid to be treated. .
  • the nanofiber web 13 produced by the electrospinning method is preferably manufactured separately using a transfer sheet, and then laminated with the porous support 11 to form a filter medium 10.
  • the filter media 10 of the two-layer structure is rolled to form a roll-type liquid filter 100 as shown in Figure 4, or laminated in a multi-layer structure through a bending process for increasing the specific surface area as shown in FIG.
  • the liquid filter 100a can be comprised.
  • the treated water A has a high porosity nanofiber web 13 instead of the porous support 11 having low porosity. Filtered mainly while passing through), and thus the purified water B is obtained from the outlet of the filter 100, and the problem that the treated water A is locally biased and pressurized can be prevented.
  • the diameter of the nanofibers constituting the porous nanofiber web 13 is set to 100 to 800 nm, preferably 150 to 300 nm.
  • the thickness of the nanofiber web is set to 2-6um
  • the pore size of the nanofiber web is preferably set to 0.2 to 3 ⁇ m range.
  • the accumulation amount of the nanofibers is preferably set in the range of less than 5 gsm, preferably in the range of 2 to 3 gsm so that low weight is achieved.
  • the average diameter of the fibers constituting the porous nanofiber web 13 has a great influence on porosity and pore size distribution.
  • the smaller the diameter of the nanofibers the average pore and the maximum pore decreases.
  • the density increases, so that the basis weight and average thickness also increase, while air permeability decreases, but finer contaminants can be filtered, thereby increasing the filtering effect.
  • the liquid filter including the filter medium of the present invention consumes low energy and has a long life because the differential pressure before and after filtering is low in the filtering process.
  • the transfer sheet 20 such as paper is supplied from the unwinder on which the transfer sheet 20 is wound to the upper part of the collector 23 of the electrospinning apparatus 21.
  • a spinning solution is prepared by mixing a polymer material, ion exchange resin particles, a silver metal salt, and a solvent, and then spinning the spinning solution on the transfer sheet 20 to form a nanofiber web 13 ( S11).
  • the spinning method usable in the manufacture of the nanofiber web according to the present invention includes, in addition to air electrospinning (AES), general electrospinning, electrospray, electrobrown spinning, and centrifugal electricity. Either centrifugal electrospinning or flash-electrospinning can be used.
  • AES air electrospinning
  • general electrospinning electrospray
  • electrobrown spinning electrobrown spinning
  • centrifugal electricity Either centrifugal electrospinning or flash-electrospinning can be used.
  • Ion exchange resin particles are dispersed within or on the surface of the nanofibers 25 of the nanofiber web 13, and some of the ion exchange resin particles 15 are exposed to the surface of the nanofibers and treated. Participate in filtering certain ions contained in the water A.
  • silver (Ag) nanoparticles 17 derived from silver metal salts are stably and uniformly dispersed inside or on the surface of the nanofibers 25.
  • Pre-Air Dry Zone by Preheater is applied with air of 20 ⁇ 40 °C to web by using fan to remove solvent and water remaining on surface of porous nanofiber web 13.
  • the porous nanofiber web 13 is a low weight on the porous support 11 by injecting a porous support 11, such as a non-woven fabric into the collector 23 of the electrospinning apparatus 21 instead of the transfer sheet 20 It is also possible to form the porous nanofiber web 13 directly.
  • the obtained porous nanofiber web is formed by calendering at a temperature below the melting point of the polymer in the first calendaring device 31 (S13) .
  • the interfiber bonding temperature of the nanofibers is 150 ° C
  • PAN is 160 ° C
  • PES is 200 ° C
  • the melting point of the nonwoven fabric (PE) is 110-130 ° C.
  • the porous nanofiber web 13 made of nanofibers has a fiber and a fiber through a calendering process. By creating a solid bond between them, a highly porous nanofiber web can be made.
  • the bonding between the nanofibers is made, and the size of the three-dimensional pores formed by the collection of the plurality of nanofibers 25 and the thickness of the nanofiber web are made.
  • the nanofiber web and the nonwoven fabric may be carried out by any one method selected from crimping, pressing, rolling, thermal bonding, and ultrasonic bonding, in addition to calendering, which is hot pressed after laminating the nanofiber web and the nonwoven fabric. .
  • the porous nanofiber web 13 obtained after the above-described calendering process if necessary, preferably uses a secondary hot air dryer 29 having a temperature of 100 ° C. and a wind speed of 20 m / sec.
  • the transfer sheet 20 is wound on the winder as a winding roll of the porous nanofiber web 13 in a state disposed inside.
  • the two-layer laminate of the porous nanofiber web 13 and the transfer sheet 20 wound on the winder is then subjected to a lamination process with a porous support 11 such as a nonwoven fabric in the secondary calendering device 33 ( S15).
  • the secondary porous substrate 11 is preferably preheated to a temperature slightly lower than the secondary calendering temperature, for example 80 ° C., using a heating roll or an IR (infrared) lamp (not shown) or the like. Supply to the calendering apparatus 33 is carried out.
  • the temperature of the secondary calendering device 33 is set to 110 ⁇ 130 °C to melt the PE coating layer when using a double coated PP / PE nonwoven fabric of PE coated on the outer periphery of the PP fiber.
  • the porous support 11 is laminated in the porous nanofiber web 13 and the secondary calendering device 33 (S15), and then transfer sheet (A) at the rear end of the secondary calendering device 33. 20) is peeled off and removed from the laminated filter medium (10).
  • the transfer method of spinning the nanofibers onto the transfer sheet 20 such as paper and then laminating the porous nonwoven fabric may be performed to calendar first at a temperature higher than the melting point of the nonwoven fabric before the lamination process. A firm bond between the fibers can be made.
  • the filter media having the structure in which the nanofiber web 13 and the porous support 11 are stacked when the filter media having the structure in which the nanofiber web 13 and the porous support 11 are stacked is rolled, the nanofibers are rolled in the direction of the outer circumferential surface from the center (rolling axis) of the rolled chemical filter media.
  • the filter media 10 composed of the fibrous web 13 and the porous support 11 is continuously repeated, or as shown in FIG. 5, the filter media 10 and 10a composed of the nanofiber web 13 and the porous support 11. It is possible to implement a stacked liquid filter (100a) having a structure that is laminated repeatedly).
  • PVdF Polyvinylidene fluoride
  • the spinning solution is moved to the mixing tank of the electrospinning apparatus so that the applied voltage is 100kV, the distance between the spinning nozzle and the collector is 20cm, the discharge amount is 20 ⁇ l / hole, and the electrospinning is carried out at 30 ° C and 60% relative humidity.
  • a nanofiber web having a weight of 3 gsm and a pore size of 1 ⁇ m was prepared.
  • the nanofiber web thus obtained was calendered at 150 ° C and 1Kgf / cm 2 to form a bond between the nanofibers, thereby implementing a fixed pore structure, and preparing a filter medium by laminating with a nonwoven fabric at 130 ° C and 1Kgf / cm 2.
  • the nonwoven fabric used was produced by Namyang Nonwovens Co., Ltd., and the material used was polyolefin, 160 ⁇ m thick and 40 gsm.
  • Example 2 For the filter medium material obtained in Example 1, using a Capillary porosimeter of PMI (Porous Materials, Inc.), the pore size distribution was measured according to ASTM E1294 standard, the results are shown in Table 1 and 6 is shown.
  • PMI Porous Materials, Inc.
  • PVdF membrane having a pore size of 1 ⁇ m prepared by the phase transition method of Merck-Millipore (Comparative Example 1), Micro PES membrane having a pore size of 1 ⁇ m prepared by Membrana's phase transfer method (Comparative Example 2) ), A melt-blown media (Comparative Example 3) having a pore size of 1 ⁇ m of H & V (Hollingsworth & Vose Company) was used.
  • the filter medium of Example 1 according to the present invention has an average pore size of 1.0 ⁇ m, the maximum pore size of 1.3 ⁇ m and commercialized filter membrane of Comparative Examples 1 to 3 It was found to have a narrow pore size distribution above the equivalent level.
  • Example 1 (Nanofibers 1 ⁇ m) 2.5 Comparative Example 1 (PVdF Membrane 1 ⁇ m) 0.8 Comparative Example 2 (PES Membrane 1 ⁇ m) 1.1 Comparative Example 3 (Melt-blown 1 ⁇ m) 0.7
  • the filter medium of Example 1 according to the present invention was measured to be 2.5cfm@125Pa, the air permeability of the filter medium of Comparative Examples 1 to 3 was found to have a very good air permeability compared to .
  • Example 1 The filter media of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 were subjected to filtration according to ASTM F795 standard using a self-producing facility and the differential pressure applied to the filter media was measured, and the results are shown in Table 3 below.
  • Example 1 (Nanofibers 1 ⁇ m) 0.8 Comparative Example 1 (PVdF Membrane 1 ⁇ m) 2.1 Comparative Example 2 (PES Membrane 1 ⁇ m) 1.7 Comparative Example 3 (Melt-blown 1 ⁇ m) 6.2
  • the filter medium of Example 1 according to the present invention was measured as the pressure drop (pressure drop) of 0.8psid @ 3lpm, 4.9cm 2, compared with the commercially available filter membrane of Comparative Examples 1 to 3
  • the filtration according to ASTM F795 standard was carried out and the turbidity of the filtrate was increased. It measured and showed the result in Table 4 below.
  • the test particles (Dust) were used ISO 12103-1, A2 fine.
  • the filter medium of Example 1 according to the present invention was measured to have a turbidity (Tubidity) of 0.4NTU, and compared with commercially available filter membranes of Comparative Examples 1 to 3 has a very good turbidity removal efficiency It was found to have.
  • the spinning solution is moved to the mixing tank of the electrospinning apparatus so that the applied voltage is 100kV, the distance between the spinning nozzle and the collector is 20cm, the discharge amount is 20 ⁇ l / hole, and the electrospinning is carried out at 30 ° C and 60% relative humidity.
  • a nanofiber web having a weight of 3 gsm and a pore size of 0.45 ⁇ m was prepared.
  • the nanofiber web thus obtained was calendered at 150 ° C and 1Kgf / cm 2 to form a bond between the nanofibers, thereby implementing a fixed pore structure, and preparing a filter medium by laminating with a nonwoven fabric at 130 ° C and 1Kgf / cm 2.
  • a nonwoven fabric the same one as in Example 1 was used.
  • Example 2 For the filter medium material obtained in Example 2, using a Capillary porosimeter of PMI (Porous Materials, Inc.), the pore size distribution was measured according to ASTM E1294 standard, and the results are shown in Table 5 below. Indicated.
  • a PVdF membrane (Comparative Example 4) having a pore size of 0.45 ⁇ m from Merck-Millipore (Comparative Example 4) and a Micro PES membrane having a pore size of 0.45 ⁇ m from Membrana (Comparative Example 5) were used.
  • the filter medium of Example 1 according to the present invention has an average pore size of 0.39 ⁇ m and a maximum pore size of 0.59 ⁇ m, and the membranes for commercial filters of Comparative Examples 4-5. It was found to have a narrow pore size distribution above the equivalent level.
  • Example 2 (Nanofibers 0.45 ⁇ m) 1.48 Comparative Example 4 (PVdF Membrane 0.45 ⁇ m) 0.31 Comparative Example 5 (PES Membrane 0.45 ⁇ m) 0.34
  • Example 2 As shown in Table 2, the filter medium of Example 1 according to the present invention was measured to have a breathability of 1.48cfm@125Pa and was found to have a very good air permeability compared to the commercially available filter membranes of Comparative Examples 4-5. .
  • Example 2 The filter media of Example 2 and Comparative Examples 4 to 5 were subjected to filtration according to ASTM F795 standard using a self-producing facility and the differential pressure applied to the filter media was measured, and the results are shown in Table 7 below.
  • Example 7 As shown in Table 7, the filter medium of Example 2 according to the present invention was measured to have a pressure drop of 3.8 psd @ 3 lpm, 4.9 cm 2, compared with commercially available filter membranes of Comparative Examples 4-5. Appeared to have a very good water permeability.
  • Example 2 The filter media of Example 2 and Comparative Examples 4 to 5 were subjected to filtration according to ASTM F795 standard using a self-producing facility, and the turbidity of the filtrate was measured, and the results are shown in Table 8 below. Indicated. At this time, the test particles (Dust) were used ISO 12103-1, A2 fine.
  • the filter medium of Example 2 according to the present invention the turbidity (Tubidity) was measured to 0.1NTU or less, compared with the commercially available filter membrane of Comparative Examples 4 to 5 equivalent turbidity removal efficiency It was found to have.
  • the treated water is subjected to surface filtration and deep filtration by micropores of the three-dimensional network structure of the nanofiber web.
  • the ion-exchange resin particles exposed to the nanofibers of the nanofiber web can filter specific ions of chemical substances contained in the treated water, thereby improving the filtering efficiency, and filtering by the antimicrobial force of the silver nanoparticles.
  • Various pathogens, such as bacteria and E. coli, can be removed.
  • the present invention is to form a thin filter layer by incorporating a low-weight nanofiber web to a porous nonwoven fabric, while reducing the differential pressure before and after filtering by increasing the weight of the nanofiber per unit area, thereby increasing the flow rate. It can be applied to filter media for liquid filters.

Abstract

본 발명은 저중량의 나노섬유 웹을 다공성 부직포에 합지시킴에 의해 여과층을 얇게 형성하면서도 단위면적당 나노섬유의 함량을 저중량화함에 의해 필터링 전후에 있어서의 차압이 적게 걸리게 하여 통과유량을 증가시킬 수 있는 액체 필터용 필터여재 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 필터여재는 강도 지지체 역할을 하는 다공성 지지체; 및 상기 다공성 지지체의 일측면에 적층되며 고분자 물질의 나노섬유로 이루어지고, 피처리 액체가 통과하는 3차원 구조의 미세 기공을 갖는 나노섬유 웹을 포함하며, 상기 나노섬유의 함량은 5gsm 미만인 것을 특징으로 한다.

Description

액체 필터용 필터여재 및 그의 제조방법
본 발명은 액체 필터용 필터여재 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 특히 저중량의 나노섬유 웹을 다공성 부직포에 합지시킴에 의해 여과층을 얇게 형성하면서도 단위면적당 나노섬유의 함량을 저중량화함에 의해 필터링 전후에 있어서의 차압이 적게 걸리게 하여 통과유량을 증가시킬 수 있는 액체 필터용 필터여재 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
최근 산업의 고도화로 고순도, 고품질의 제품이 요구됨에 따라 분리막(membrane) 기술이 매우 중요한 분야로 인식되고 있다. 특히 환경분야에서는 맑은 물에 대한 욕구와 물 부족에 대한 인식이 증가함에 따라 이를 해결하기 위한 방안의 하나로 분리막을 이용한 기술이 크게 주목을 받고 있다. 분리막을 이용한 정수, 하수, 폐수, 담수화 등의 공정은 이미 보급이 급격히 확산되고 있다. 또한, 분리막 자체에 대한 기술개발에서 벗어나 이를 응용제품에 활용하고 있으며 응용에 따른 분리막 성능 향상에 대한 제고와 함께 주변기술로의 개발확대가 이루어지고 있다.
분리막이란 서로 다른 두 물질 사이에 존재하는 선택능을 가진 물질로서, 어떤 물질을 선택적으로 통과시키거나 배제시키는 역할을 하는 소재를 의미한다. 분리막의 구조나 재료, 그리고 분리막을 통과하는 물질의 상태나 이동원리 등의 제한은 없으며, 단지 두 물질 사이를 서로 격리시키고, 그 사이의 막을 통해 물질의 선택적 이동이 일어난다면 그 소재를 일반적으로 분리막이라 부를 수 있다.
분리막의 종류는 매우 다양하며 여러 가지 기준으로 분류되어 진다.
먼저 분리조작에 의한 분류는 분리하려는 대상물질의 상태에 따른 분류법으로서 액체분리, 기액분리, 기체분리 등으로 분류된다. 그리고 액체분리는 여과대상물의 크기에 따라 정밀여과(micro filtration), 한외여과(Ultra filtration), 나노여과(nano filtration), 역삼투(reverse osmosis) 등으로 분류된다. 기체분리는 분리하려는 기체의 종류에 따라 세부적으로 분리할 수 있는데, 산소기체를 분리하기 위한 막일 경우에는 산소부화, 질소를 분리하기 위한 막일 경우에는 질소부화, 수소분리, 제습막 등으로 분류된다.
막의 형상에 의한 분류는 평막(flat membrane), 중공사막(hollow fiber membrane), 관형막(tubular membrane)으로 분류되며, 또한 이들은 필터모듈형태에 따라 플레이트형, 나권형, 카트리지형, 평막셀형, 침적형, 튜브형 등으로 분류된다.
재료에 의한 분류는 무기막과 고분자를 이용한 유기막이 있다. 최근에는 무기막이 내열성, 내구성 등의 장점을 바탕으로 그 용도를 확대하고 있으나, 현재 제품화된 대부분은 고분자 분리막이 차지하고 있다.
일반적으로, 여과(filtration)란 유체로부터 2종류 이상의 성분을 분리하는 것을 의미하는 것으로써, 용해되지 않은 입자, 즉 고체를 분리하는 것을 의미한다. 고체의 분리에 있어서 여과메카니즘은 체거름, 흡착, 용해, 확산 메카니즘으로 설명할 수 있으며 기체분리막, 역삼투막 등 일부의 분리막을 제외하면 대부분은 전적으로 체거름 메카니즘에 의존한다고 할 수 있다.
따라서 기공을 가지고 있는 소재라면 어떠한 것이든 필터미디어로써 사용이 가능한데, 대표적인 필터미디어로는 부직포(nonwovens), 직물(fabric), 메쉬(mesh), 다공성 멤브레인(porous membrane) 등이 있다.
부직포, 직물, 메쉬 등은 1um이하의 기공을 만들기 어려워 입자여과(particle filtration) 영역대에 국한하여 전처리 필터 개념으로 사용이 된다. 반면 다공성 멤브레인은 정밀하고 작은 기공을 만들 수 있어 정밀여과(micro filtration), 한외여과(ultra filtration), 나노여과(nano filtration), 역삼투여과(reverse osmosis) 등의 광범위한 여과 영역대와 최고의 정밀도를 요구하는 공정에 사용되고 있다.
부직포, 메쉬, 직물은 수마이크로에서 수백마이크로 굵기의 섬유로 이루어져 있어 1마이크로 이하의 미세기공을 만들기 어렵다. 특히 부직포의 경우 섬유의 무작위 배열에 의해 웹이 형성됨으로 균일한 기공을 만드는 것이 사실상 불가능하다. 멜트블로운(melt-blown)의 경우 1~5um 범위의 섬경을 가지는 가장 미세한 섬유로 이루어진 부직포라고 할 수 있는데, 열카렌딩 전의 기공크기는 6마이크로 이상이며 카렌딩 후의 기공크기는 약 3마이크로에 불과하며 평균기공크기의 편차가 기준점을 중심으로 ±15% 이상 발생하며 상당히 큰 기공들이 공존하는 구조를 가진다. 이러한 결과 상대적으로 큰 기공을 통한 오염물질의 유출을 막기 어려워 필터효율이 낮을 수 밖에 없다. 따라서 상기의 필터미디어들은 정밀하지 못한 여과공정이나 정밀여과공정에 있어서 전처리 개념으로 사용되고 있다.
한편, 다공성 멤브레인은 용매상전이법(NIPS), 열유도상전이법(TIPS), 연신법(stretching process), 조사에칭법(track etching), 졸겔법(sol-gel) 등의 방법으로 제조되는데, 재질은 대부분 유기고분자로서, 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리비닐라이덴플루오르(PVDF), 나일론(nylon6, nylon66), 폴리술폰(PS), 폴리에테르술폰(PES), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 니트로셀룰로오스(NC)등이 대표적으로 사용되고 있다. 이러한 종래의 다공성 멤브레인은 정밀하고 작은 크기의 기공을 만들 수 있는 반면, 닫힌 기공(closed pore), 막힌 기공(blinded pore)이 제조공정상 불가피하게 발생할 수밖에 없어 여과유량이 적고 운전압력이 많이 걸리며 여과수명이 짧은 문제점을 가지고 있어 높은 운전비용 및 잦은 필터교체가 문제점으로 지적되고 있다.
따라서, 액체처리용으로 사용될 수 있도록 미세 기공구조의 박막으로 공극 크기에 따른 일정한 필터링 성능과 안정성을 가지는 고수명 및 고효율의 멤브레인 개발이 시급한 실정이다.
한국 공개특허 제2008-60263호(특허문헌 1)는, 약 1㎛ 미만의 평균 섬유 직경을 갖는 중합체 나노섬유의 나노섬유 층을 1개 이상 포함하고, 평균 흐름 공극 크기가 약 0.5㎛ 내지 약 5.0㎛이고, 고형도가 약 15 부피% 내지 약 90 부피%이며, 10 psi(69 kPa)의 차동압력에서 매체를 통한 물의 흐름 속도가 약 0.055 L/분/cm2를 초과하는 여과 매체를 제안하고 있다.
상기 특허문헌 1에 제안된 여과 매체의 제조방법은 방사 노즐, 블로잉 기체 주입 노즐 및 수집기를 포함하는 방사 빔을 1개 이상 포함하는 방사 빔을 포함하고, 중합체 용액으로서 포름산 중에 24중량%의 나일론을 함유하는 용액을 사용하여 일렉트로-블로운 방사 또는 전기블로잉 방법으로 나노섬유를 방사하여 웹을 형성하는 것을 예시하고 있다.
그러나, 상기 특허문헌 1에서 나노섬유의 섬유질 웹을 형성하는 방법은 멀티-홀 방사팩을 사용한 제조기술이라고 할 수 없다. 또한, 생산성을 높이기 위해 멀티-홀 방사팩을 사용한 분사 전기방사장치에 의해 전기방사 방법으로 나노섬유 웹을 제작하는 경우, 24중량%의 고분자를 포함하는 방사용액은 점도가 상승하여 용액 표면에서 고화가 일어나 장시간 방사가 곤란하며, 섬유직경이 증가하여 마이크로미터 이하 크기의 섬유상을 만들 수 없는 문제가 발생한다.
더욱이, 방사에 의해 얻어지는 초극세 섬유 웹은 캘린더링이 이루어지기 전에 웹 표면에 잔존해 있는 용매와 수분의 양을 적절하게 조절하는 전처리 공정을 거치지 않는 경우 기공이 증가하는 대신에 웹의 강도가 약해지거나 또는 용매의 휘발이 너무 느리게 이루어지는 경우 웹이 녹는 현상이 발생할 수 있게 된다.
한편, 한국 공개특허 제2012-2491호(특허문헌 2)에는 다층 구조의 3차원의 미세 기공구조를 갖도록 하여 고효율 및 고수명을 가지고 필터 효율을 극대화할 수 있는 전기방사된 나노섬유 웹을 이용한 액체 필터용 필터여재와 그 제조방법 및 이를 이용한 액체 필터가 제안되어 있다.
상기 액체 필터용 다층 나노섬유 웹으로 이루어진 필터여재는 섬유 성형성 고분자 물질을 용매에 용해하여 얻어진 방사용액을 지지체의 상부로 에어 전기 방사하여 나노섬유 웹을 형성한 후, 나노섬유 웹이 형성된 지지체를 열압착하거나, 방사용액을 에어 전기 방사하여 나노섬유 웹을 형성하고 열압착한 후, 열압착된 나노섬유 웹의 일면에 지지체를 합지하여 제조하고 있다.
그러나, 이러한 액체 필터용 필터여재의 제조방법 중 방사용액을 지지체의 상부로 에어 전기 방사하여 나노섬유 웹을 형성한 후, 나노섬유 웹이 형성된 지지체를 열압착하는 방법은 지지체로서 인장강도가 높은 다공성 부직포를 이용함에 따라 인장강도를 높여서 생산시에 취급성을 높일 수 있는 이점은 있으나, 나노섬유 웹의 균일도가 높지 못한 문제가 있다.
일반적으로 전기방사된 나노섬유는 콜렉터(Collector)에서 집적 현상이 일어나며 집적부의 패턴을 따라가며 적층되는 현상이 있다. 예를 들어, 다이아몬드 패턴위에 전기방사하면 최초 다이아몬드 패턴을 따라 나노섬유가 집적되기 시작한다.
따라서, 특허문헌 2와 같이 부직포에 나노섬유를 직접 방사하여 나노섬유 웹을 형성하는 경우 나노섬유 웹의 기공크기, 통기도, 두께, 중량 등의 균일도가 우수한 나노섬유 웹을 얻을 수 없는 문제가 존재한다.
특허문헌 2에서는 멜트-블로운 부직포, 스펀 본드 부직포, 서멀 본드 부직포 등의 단일 코어 구조의 섬유로 이루어진 부직포를 사용하여 나노섬유 웹과 합지된 필터여재를 제안하고 있으나, 부직포와 나노섬유 웹을 합지할 때 상대적으로 융점이 낮은 것의 융점에서 캘린더링이 이루어짐에 따라 부직포와 나노섬유 웹 중 어느 하나는 기공 구조를 유지하기 어려운 문제가 발생하게 된다.
또한, 특허문헌 2와 같이 방사용액을 에어 전기 방사하여 나노섬유 웹을 형성하고 열압착한 후, 열압착된 나노섬유 웹의 일면에 지지체를 합지하거나 또는 나노섬유 자체만으로 필터여재를 만드는 경우, 핸들링이 가능한 수준을 만들기 위해서는 약 10g/m2 이상의 고중량이 필요하다. 그런데 이러한 고중량 필터여재는 생산속도와 직결되는 팩터(factor)로서, 고원가의 원인이 된다.
또한, 나노섬유는 제조 공정상 다량의 정전기를 보유하고 있어, 나노섬유 자체만으로 이루어진 경우 핸들링이 상당히 어려운 문제가 있다. 합지 등의 복합화를 통해 정전기를 제거하는 것은 불가능하지만 취급성의 개선은 가능하다. 더욱이, 나노섬유는 타섬유와 비교하여 상대적 강도는 좋을 수 있지만, 절대적 강도는 약한 편이다.
또한, 나노섬유로 이루어지는 다공성 나노섬유 웹은 캘린더링 공정을 통해 섬유와 섬유간의 견고한 결합을 만듦으로써 완성도 높은 다공성 나노섬유 웹을 만들게 되는데, 특허문헌 2와 같이 부직포에 바로 방사하여 캘린더링(calendaring)하는 경우 부직포의 융점은 폴리머로 이루어진 나노섬유의 섬유간 결합온도보다 낮기 때문에 캘린더링 온도 제어에 제한을 받는다. 그 결과, 나노섬유 웹을 형성하는 나노섬유간의 견고한 결합이 이루어질 수 없는 문제가 있다.
액체 여과에 있어서 친수성의 특성이 요구되는 경우가 발생된다. 그러나, 친수성 고분자를 사용하여 필터 여재를 제조하는 경우 친수성 고분자는 소수성 고분자와 비교하여 기계적 강도와 내약품성 등이 약한 문제가 있기 때문에 제한적으로 사용하지 않으면 않되는 문제가 있다.
그 결과, PVdF 고분자로 이루어진 필터여재는 액체 여과에 매우 적합한 강도와 내약품성을 가지고 있으나, 소수성 특성 때문에 수계 여과에 제한적으로 사용되는 문제가 있다. 또한, 소수성 고분자로 이루어진 필터 여재는 제조시에 핸들링이 가능한 수준의 약 10g/m2 이상의 고중량으로 이루어지면 수계 유체가 지나갈 때, 상대적으로 높은 차압이 걸리게 되어 친수처리를 행하거나 친수처리를 행하지 않은 경우 적당한 구동력(driving force)을 가하지 않으면 물이 잘 통과하지 못하는 문제가 있다.
또한, 약 10g/m2 이상의 고중량인 나노섬유 자체만으로 필터여재를 만드는 경우, 여과층을 얇게 형성할 수 없어 차압이 많이 걸리게 되어 통과유량이 적어지는 문제가 있다.
일반적으로 수질 오염물질의 처리방법에는 폐수처리 응집제를 이용한 공침법, 비중차에 의한 부선법, 생물 농축법 및 이온교환 흡착법 등이 있으나, 이온교환 흡착법이 가장 효과적인 방법으로 알려져 있다.
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 저중량의 나노섬유 웹을 다공성 부직포에 합지시킴에 의해 여과층을 얇게 형성하면서도 단위면적당 나노섬유의 함량을 저중량화함에 의해 필터링 전후에 있어서의 차압이 적게 걸리게 하여 통과유량을 증가시키며, 그 결과 소수성의 PVDF 고분자를 사용할지라도 저중량의 나노섬유로 이루어진 나노섬유 웹을 사용함에 따라 친수 처리를 하지 않을지라도 우수한 통기성과 통수성을 갖는 멤브레인의 제조가 가능한 액체 필터용 필터여재 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 종이와 같은 트랜스퍼 시트에 나노섬유를 방사한 후 다공성 부직포에 합지시키는 전사방법을 사용함에 따라 나노섬유 웹의 기공 크기, 통기도, 두께, 중량 등의 균일도가 우수한 나노섬유 웹을 구비하는 액체 필터용 필터여재 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 종이와 같은 트랜스퍼 시트에 나노섬유를 방사한 후 다공성 부직포에 합지시키는 전사방법을 사용함에 따라 부직포의 융점보다 높은 온도에서 캘린더링을 실시할 수 있어, 나노섬유 사이의 견고한 결합이 이루어지는 액체 필터용 필터여재 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 종이 트랜스퍼 시트를 사용하여 나노섬유를 방사한 후 다공성 부직포에 합지시키는 전사방법을 사용함에 따라 나노섬유 웹에 함유된 잔류 용제(solvent)를 흡수함으로써 나노섬유가 잔류용제에 의해 다시 녹는 현상을 막아주고 또한 잔류용제의 양을 적절하게 조절할 수 있는 액체 필터용 필터여재 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 지지체로 사용 가능하며 저렴한 비용으로 입수 가능한 다공성 부직포를 이용함에 따라 인장강도를 높여서 생산시에 취급성을 높일 수 있고, 박막의 다공성 나노섬유 웹을 적층함에 따라 제조가격을 크게 낮출 수 있는 액체 필터용 필터여재를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 3차원의 미세 기공을 갖는 나노섬유 웹으로 액체를 표면여과 및 심층여과할 수 있고, 나노섬유 웹의 나노섬유 내부 또는 외측에 분산되어 있는 이온 교환 수지 입자에 의해 피처리 액체에 포함된 화학적 물질의 특정 이온을 필터링할 수 있는 액체 필터용 필터여재 및 그의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 나노섬유 웹의 나노섬유 내부 또는 표면에 분산되어 있는 은(Ag) 나노입자에 의해 피처리 액체의 수질 정화와 함께 필터여재에 존재하고 있는 각종 병원균을 사멸시킬 수 있는 액체 필터용 필터여재 및 그의 제조방법을 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 제1특징에 따른 액체 필터용 필터여재는, 강도 지지체 역할을 하는 다공성 지지체; 및 상기 다공성 지지체의 일측면에 합지되며 고분자 물질의 나노섬유로 이루어지고, 피처리 액체가 통과하는 3차원 구조의 미세 기공을 갖는 나노섬유 웹을 포함하며, 상기 나노섬유의 함량은 5gsm 미만인 것을 특징으로 한다.
상기 나노섬유의 함량이 5gsm 미만인 경우, 소수성의 나노섬유를 적층하여 나노섬유 웹을 만들지라도 통기성과 통수성이 보장되어 우수한 통과 유량이 얻어지나, 나노섬유의 함량이 5gsm을 초과하는 경우, 여과층이 두꺼워짐에 따라 차압이 많이 걸리고 통과 유량이 적어지는 현상이 발생한다.
상기 나노섬유의 함량은 2 내지 3gsm 범위로 설정되는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 나노섬유 웹의 두께는 2 내지 6um 범위로 설정되고, 기공 사이즈는 0.2 내지 3um 범위로 설정되는 것이 바람직하다.
상기 나노섬유의 직경은 100 내지 800um 범위로 설정되고, 바람직하게는 150 내지 300um 범위로 설정된다.
상기 다공성 지지체는 부직포인 것이 바람직하며, 상기 부직포는 코어로서 PP 섬유의 외주에 PE가 코팅된 PP/PE 부직포 또는 코어로서 레귤러 PET(polyethyleneterephthalate) 섬유의 외주에 저융점 PET가 코팅된 PET 부직포일 수 있다.
상기 PP/PE 부직포는 PP 섬유 외부에 코팅된 PE 코팅부는 용융되어 나노섬유와 결합이 이루어지고, PP 섬유는 다공성 구조를 유지한다. 또한, PET 부직포는 레귤러 PET 섬유의 외주에 코팅된 저융점 PET가 용융되어 나노섬유와 결합이 이루어지고, 레귤러 PET 섬유는 다공성 구조를 유지한다.
상기 나노섬유는 나노섬유 내부 또는 표면에 이온 교환 수지 입자가 분산되어 있는 것이 바람직하며, 상기 이온 교환 수지 입자는 이온 교환능이 있는 다공질의 유기 중합체의 입자 또는 폴리스티렌(Polystyrene)과 디비닐벤젠(Divinylbenzene)의 공중합체의 입자일 수 있다.
또한, 상기 나노섬유는 나노섬유 내부 또는 표면에 은 나노입자가 분산되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2특징에 따른 액체 필터용 필터여재의 제조방법은, 고분자 물질과 용매가 혼합된 방사용액을 트랜스퍼 시트에 전기방사하여 3차원 구조의 미세 기공을 갖는 나노섬유 웹을 형성하는 단계; 상기 나노섬유간에 결합과 동시에 나노섬유 웹의 기공 사이즈와 두께를 조절하는 제1캘린더링 단계; 및 상기 제1캘린더링이 이루어진 상기 나노섬유 웹을 다공성 지지체와 합지하여 필터여재를 형성하는 제2캘린더링 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1캘린더링 단계는 제2캘린더링 단계 보다 높은 온도에서 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제1캘린더링 단계는 나노섬유 웹을 형성하는 나노섬유를 결합시킬 수 있는 온도로 설정되고, 상기 제2캘린더링 단계는 다공성 지지체를 이루는 2중 코어 섬유에서 코어보다 낮은 융점을 갖는 코팅부의 융점에 일치시켜서 설정되며, 상기 코팅부는 용융되어 나노섬유와 결합이 이루어질 수 있다.
상기 방사용액은 이온 교환 수지 입자 또는 은 금속염을 더 포함하며, 상기 나노섬유는 나노섬유 내부 또는 표면에 이온 교환 수지 입자 또는 은 나노입자가 분산되어 있는 것이 바람직하다.
상기 트랜스퍼 시트는 종이, 방사용액에 포함된 용매에 의해 용해가 이루어지지 않는 고분자 재료로 이루어진 부직포, 폴리올레핀계 필름 중 하나인 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 저중량의 나노섬유 웹을 다공성 부직포에 합지시킴에 의해 여과층을 얇게 형성하면서도 단위면적당 나노섬유의 함량을 저중량화함에 의해 필터링 전후에 있어서의 차압이 적게 걸리게 하여 통과유량을 증가시키며, 그 결과 소수성의 PVDF 고분자를 사용할지라도 저중량의 나노섬유로 이루어진 다공성 나노섬유 웹을 사용함에 따라 친수 처리를 하지 않을지라도 우수한 통기성과 통수성을 갖는 멤브레인의 제조가 가능하다.
즉, 일반적으로 여과층이 두꺼울수록 차압이 많이 걸리고 통과 유량이 적어지는 현상이 발생하나, 본 발명에서는 저중량의 다공성 나노섬유 웹을 다공성 부직포에 합지시킴에 의해 여과층을 얇게 형성함에 의해 차압이 적게 걸리게 하여 통과유량을 증가시킬 수 있다.
본 발명에서는 종이와 같은 트랜스퍼 시트에 나노섬유를 방사한 후 다공성 부직포에 합지시키는 전사방법을 사용함에 따라 기공크기, 통기도, 두께, 중량 등의 균일도가 우수한 다공성 나노섬유 웹을 구비하고 있다.
또한, 본 발명에서는 종이와 같은 트랜스퍼 시트에 나노섬유를 방사한 후 다공성 부직포에 합지시키는 전사방법을 사용함에 따라 합지공정 이전에 부직포의 융점보다 높은 온도에서 먼저 캘린더링을 실시할 수 있어, 나노섬유 사이의 견고한 결합이 이루어질 수 있다.
더욱이, 본 발명에서는 종이 트랜스퍼 시트를 사용하여 나노섬유를 방사한 후 다공성 부직포에 합지시키는 전사방법을 사용함에 따라 다공성 나노섬유 웹에 함유된 잔류용제(solvent)를 흡수함으로써 나노섬유가 잔류용제에 의해 다시 녹는 현상을 막아주고 또한 잔류용제의 양을 적절하게 조절할 수 있다.
더욱이, 본 발명은 지지체로 사용 가능하며 저렴한 비용으로 입수 가능한 다공성 부직포를 이용함에 따라 인장강도를 높여서 생산시에 취급성을 높일 수 있고, 박막의 다공성 나노섬유 웹을 적층함에 따라 제조가격을 크게 낮출 수 있다.
또한, 본 발명에서는 융점이 서로 다른 2중 코어 구조의 섬유로 이루어진 다공성 지지체를 사용함에 따라 다공성 지지체와 나노섬유 웹을 합지하기 위해 캘린더링할 때 고융점 코어를 둘러싸는 저융점 코팅부의 융점에서 캘린더링을 실시함에 따라 고융점 코어 섬유에 의해 다공성 지지체는 기공 구조를 유지할 수 있게 된다.
더욱이, 다공성 지지체의 저융점 코팅부는 나노섬유 웹의 나노섬유와 결합(접합)이 이루어짐에 따라 결합력을 높일 수 있게 된다.
더욱이, 본 발명에서는 나노섬유 웹의 나노섬유 내부 또는 외측에 분산되어 있는 이온 교환 수지 입자에 의해 피처리 액체에 포함된 화학적 물질의 특정 이온을 필터링할 수 있다. 나노섬유 웹의 나노섬유 내부 또는 표면에 균일하게 분산되어 있는 은(Ag) 나노입자에 의해 피처리 액체의 수질 정화와 함께 필터여재에 존재하고 있는 각종 병원균을 사멸시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 액체 필터용 필터여재의 단면도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 액체 필터의 제조공정을 나타내는 흐름도,
도 3은 도 1에 도시된 필터여재를 제조하는 장치를 나타낸 개략 공정도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 롤형 액체 필터를 나타내는 개략 구성도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 적층형 액체 필터의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 실시예 1과 비교예 1 내지 3 사이의 기공 크기 분포도(Pore size distribution)를 비교하여 나타낸 그래프이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 액체 필터용 필터여재와 이를 이용한 액체 필터를 더욱 상세하게 설명한다.
전기방사된 나노섬유는 콜렉터(Collector)에서 집적 현상이 일어나며 집적부의 패턴을 따라가며 적층되는 현상이 있다. 예를 들어, 다이아몬드 패턴위에 전기방사하면 최초 다이아몬드 패턴을 따라 나노섬유가 집적되기 시작한다.
따라서, 기공크기, 통기도, 두께, 중량 등의 균일도가 우수한 좋은 나노섬유 웹을 만들기 위해서는 부직포보다 종이가 적합하다.
본 발명에서는 종이와 같은 트랜스퍼 시트에 나노섬유를 방사한 후 다공성 부직포에 합지시키는 전사방법을 사용함에 따라 기공크기, 통기도, 두께, 중량 등의 균일도가 우수한 다공성 나노섬유 웹을 구비하고 있다.
나노섬유로 이루어지는 다공성 나노섬유 웹은 캘린더링 공정을 통해 섬유와 섬유간의 견고한 결합을 만듦으로써 완성도 높은 다공성 나노섬유 웹을 만들게 되는데, 지지체로서 사용되는 부직포에 바로 방사하여 캘린더링(calendaring)하는 경우 부직포의 녹는점 때문에 캘린더링 온도 제어에 제한을 받는다.
나노섬유, 예를 들어, PVdF 섬유의 섬유간 결합온도는 약 150℃이나, 부직포의 녹는점은 110~130℃이다.
본 발명은 나노섬유 웹을 먼저 형성하고 다공성 부직포에 합지시키는 전사방법을 사용하여 필터여재를 제조한다.
따라서, 먼저 종이와 같은 트랜스퍼 시트에 나노섬유를 방사한 후 얻어진 나노섬유 웹을 부직포의 융점보다 높은 온도, 바람직하게는 나노섬유의 섬유간 결합온도에서 먼저 1차 캘린더링을 실시하여, 나노섬유 사이의 견고한 결합이 이루어질 수 있다. 그 후, 1차 캘린더링이 이루어진 나노섬유 웹을 부직포의 녹는점으로 온도가 설정된 2차 캘린더링에 의해 다공성 부직포에 합지시킨다.
따라서, 1차 캘린더링 온도는 나노섬유 웹을 형성하는 나노섬유를 결합시킬 수 있는 온도, 예를 들어, 150 내지 200℃로 설정되고, 2차 캘린더링 온도는 2중 코어 구조의 PP/PE 섬유로 이루어진 PP/PE 부직포에서 코어의 외부에 코팅된 코팅부, 예를 들어, PE의 녹는점인 110~130℃로 설정되는 것이 바람직하다.
이에 따라 2차 캘린더링이 이루어질 때 PP/PE 부직포에서 코어의 외부에 코팅된 PE 코팅부는 녹아서 나노섬유 웹과 합지가 이루어지고, PP 코어는 그 형태를 유지하여 다공성 구조를 유지하게 된다.
본 발명에서는 1차 및 2차 캘린더링 공정의 작업성을 개선할 수 있도록 인장강도가 높은 트랜스퍼 시트를 트랜스퍼 롤로부터 전기방사장치의 콜렉터의 상부로 연속적으로 투입함에 의해 트랜스퍼 시트의 상부에 다공성 나노섬유 웹을 적층 형성한다.
상기 트랜스퍼 시트는 예를 들어, 종이, 또는 혼합방사용액의 방사시에 이에 포함된 용매에 의해 용해가 이루어지지 않는 고분자 재료로 이루어진 부직포, PE, PP 등의 폴리올레핀계 필름을 사용할 수 있다. 다공성 나노섬유 웹 자체만으로 이루어진 경우 인장강도가 낮아서 높은 이송속도를 가지고 이송되면서 건조 공정, 캘린더링 공정 및 권선 공정이 이루어지는 것이 어렵다.
더욱이, 다공성 나노섬유 웹을 제조한 후 후속된 지지체와의 합지 공정을 높은 이송속도를 가지고 연속적으로 실행되기 어려우나 상기한 트랜스퍼 시트를 이용하는 경우 충분한 인장강도를 제공함에 따라 공정처리 속도를 크게 높일 수 있다.
또한, 다공성 나노섬유 웹만을 사용하는 경우 정전기로 인하여 타 물체에 들러붙는 현상이 발생하여 작업성이 떨어지게 되나 트랜스퍼 시트를 이용하는 경우 이러한 문제를 해결할 수 있다. 상기 트랜스퍼 시트는 지지체와의 합지 공정을 거친 후, 박리되어 제거된다.
또한, 본 발명에서는 종이와 같은 트랜스퍼 시트를 사용하여 나노섬유를 방사한 후 다공성 부직포에 합지시키는 전사방법을 사용함에 따라 다공성 나노섬유 웹에 함유된 잔류 용제(solvent)를 흡수함으로써 나노섬유가 잔류용제에 의해 다시 녹는 현상을 막아주고 또한 잔류용제의 양을 적절하게 조절할 수 있다.
일반적으로 여과층이 두꺼울수록 차압이 많이 걸리고 통과 유량이 적어지는 현상이 발생한다. 본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 저중량의 다공성 나노섬유 웹을 다공성 부직포에 합지시킴에 의해 여과층을 얇게 형성할 수 있어 차압이 적게 걸리게 하여 통과유량을 증가시키도록 하였다.
본 발명에서는 다공성 부직포에 합지되는 다공성 나노섬유 웹을 형성할 때, 나노섬유의 축적량을 5gsm 미만, 바람직하게는 2 내지 3gsm 범위로 설정함에 의해 소수성의 PVdF 고분자를 사용할지라도 저중량의 나노섬유로 이루어진 다공성 나노섬유 웹을 사용함에 따라 친수 처리를 하지 않을지라도 우수한 통기성과 통수성을 갖는 멤브레인의 제조가 가능하다.
또한, 본 발명에서는 고분자 물질, 이온 교환 수지 입자와 용매가 혼합된 방사용액을 상기 트랜스퍼 시트의 일측면으로 전기방사하여 나노섬유 내부 또는 외측에 이온 교환 수지 입자가 분산되어 있는 나노섬유 웹을 형성하여 나노섬유 웹의 3차원의 네트워크 구조의 미세 기공으로 액체를 표면여과 및 심층여과함과 동시에, 이온 교환 수지 입자에 의해 피처리 액체에 포함된 화학적 물질의 특정 이온을 필터링할 수 있는 액체 필터용 필터여재를 얻을 수 있다.
더욱이, 본 발명에서는 상기한 방사용액을 형성할 때 은 금속염을 소정량 첨가하여 방사함에 의해 나노섬유 웹의 나노섬유 내부 또는 표면에 Ag 나노입자를 견고하게 고정시키면서 균일하게 분산시킬 수 있어 항균작용을 갖는 은(Ag) 나노입자에 의해 필터여재에 존재하고 있는 각종 병원균을 사멸시킬 수 있다.
상기 은 금속염으로는 질산은(AgNO3), 염화은(AgCl), 황화은(Ag2S) 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
일반적으로 전기방사에 의해 나노섬유가 포집되어 형성되는 나노섬유 웹은 부직포와 같은 다공성 지지체 보다 기공도가 높은 구조를 가지고 있다.
그 결과, 본 발명에 따른 필터여재를 사용하여 제조되는 액체 필터는 기공도가 상대적으로 높은 나노섬유 웹과 기공도가 상대적으로 낮은 다공성 지지체가 적층된 2층 구조의 필터여재를 다층 구조로 적층하거나 롤형으로 권취하여 필터를 구성하면, 저중량 구조로 이루어진 기공도가 높은 나노섬유 웹을 통하여 피처리 액체가 통과하면서 필터링이 이루어짐에 따라 우수한 통기성과 통수성을 보장하면서도 필터링 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 다공성 지지체로 사용 가능한 부직포는 코어로서 PP 섬유의 외주에 PE가 코팅된 이중 코어 구조의 PP/PE 부직포, 또는 코어로서 레귤러 PET(polyethyleneterephthalate) 섬유의 외주에 저융점 PET가 코팅된 이중 코어 구조의 PET 부직포를 사용하는 것도 가능하다.
상기 이중 구조의 부직포는 나노섬유 웹과의 합지시에 캘린더링 온도가 PE의 융점 또는 저융점 PET의 온도에 맞추어 설정될 때 코어를 형성하는 있는 PP 섬유나 레귤러 PET 섬유는 그 형상을 유지할 수 있게 되어 기공 구조를 유지하게 된다.
또한, 캘린더링시에 PE 코팅부나 저융점 PET는 용융되어 나노섬유와 결합이 이루어짐에 따라 부직포와 나노섬유 웹 사이의 결합력은 증가하게 된다.
따라서, 본 발명에서는 융점이 서로 다른 2중 코어 구조의 섬유로 이루어진 다공성 지지체를 사용함에 따라 다공성 지지체와 나노섬유 웹의 결합력을 높이면서도 다공성 지지체의 기공 구조를 유지하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명은 저렴한 비용으로 입수 가능하고 인장강도가 높아 필터여재의 생산시에 취급성을 높일 수 있고, 융점이 서로 다른 2중 코어 구조의 섬유로 이루어진 다공성 지지체라면 다른 부직포를 사용할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 고분자물질은 전기방사가 가능한 것으로 예를 들면, 친수성 고분자와 소수성 고분자 등을 들 수 있으며, 이러한 고분자들을 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명에서는 액체 여과에 있어서 친수성 특성이 요구되는 경우가 발생되나, 친수성 고분자는 소수성 고분자와 비교하여 기계적 강도와 내약품성 등이 약한 문제가 있는 점을 고려하여, 각각의 단점을 보완하고 장점을 살리도록 친수성 고분자와 소수성 고분자를 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, PVdF와 같은 소수성 고분자를 사용하는 경우에도 5gsm 미만의 저중량으로 이루어진 필터여재를 제조함에 의해 낮은 차압이 걸리도록 설정하여 친수처리를 행하지 않은 경우에도 적당한 구동력(driving force)을 가함에 의해 통수가 잘 이루어질 수 있다.
본 발명에서 사용 가능한 고분자물질로는 전기방사를 위해 유기용매에 용해될 수 있고, 전기방사에 의해 나노섬유를 형성할 수 있는 수지이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF), 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌), 퍼풀루오로폴리머, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴 클로라이드 또는 이들의 공중합체, 폴리에틸렌글리콜 디알킬에테르 및 폴리에틸렌글리콜 디알킬에스터를 포함하는 폴리에틸렌글리콜 유도체, 폴리(옥시메틸렌-올리 고-옥시에틸렌), 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리프로필렌옥사이드를 포함하는 폴리옥사이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리(비닐피롤리돈-비닐아세테이트), 폴리스티렌 및 폴리스티렌 아크릴로니트릴 공중합체, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리아크릴로니트릴 메틸메타크릴레이트 공중합체를 포함하는 폴리아크릴로니트릴 공중합체, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 공중합체 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다.
또한, 사용 가능한 고분자물질로는 폴리아마이드, 폴리이미드, 폴리아마이드이미드, 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아미이드), 폴리설폰, 폴리에테르케톤, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌텔레프탈레이트, 폴리트리메틸렌텔레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트 등과 같은 방향족 폴리에스터, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디페녹시포스파젠, 폴리{비스[2-(2-메톡시에톡시)포스파젠]} 같은 폴리포스파젠류, 폴리우레탄 및 폴리에테르우레탄을 포함하는 폴리우레탄공중합체, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 등이 있다.
상기 고분자물질 중에서 본 발명의 필터재료로 특히 바람직한 것은 PAN, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF), 폴리에스테르 설폰(PES: Polyester Sulfone), 폴리스티렌(PS)를 단독으로 사용하거나, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)와 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 혼합하거나, PVdF와 PES, PVdF와 열가소성 폴리우레탄(TPU: Thermoplastic Polyurethane)을 혼합하여 사용할 수 있다.
따라서, 본 발명에서 사용 가능한 고분자는 전기방사가 가능한 열가소성 및 열경화성 고분자로 특별히 제한되지 않는다.
방사용액을 준비하기 위하여 고분자 물질과 혼합되는 용매는 단성분계 용매, 예를 들면, 다이메틸포름아마이드(DMF: dimethylformamide)를 사용하는 것도 가능하나, 2성분계 용매를 사용하는 경우는 비등점(BP: boiling point)이 높은 것과 낮은 것을 혼합한 2성분계 용매를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 2성분계 혼합용매는 고비등점 용매와 저비등점 용매를 중량비로 7:3 내지 9:1 범위로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 이온 교환 수지는 양이온 교환수지 또는 음이온 교환수지를 사용할 수 있다.
즉, 본 발명에서 이온 교환 수지 입자는 내부 표면에 이온 교환능이 있는 관능기를 가지고 있는 것으로 정의할 수 있으며 교환하는 이온에 따라 양이온 교환 수지, 음이온 교환 수지, 양음 양성의 교환 수지 등을 포함할 수 있다.
더 세부적으로, 본 발명에서는 이온 교환능이 있는 다공질의 유기 중합체 또는 폴리스티렌(Polystyrene)과 디비닐벤젠(Divinylbenzene)의 공중합체인 PSDVB(Polystyrene Divinylbenzene)를 입자로 만들고, 이 입자와 용매를 혼합하여 분사용액을 제조한다.
(필터여재의 구조)
이하에 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 액체 필터용 필터여재를 설명한다.
첨부된 도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 액체 필터용 필터여재의 단면도, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 액체 필터의 제조공정을 나타내는 흐름도, 도 3은 도 1에 도시된 필터여재를 제조하는 장치를 나타낸 개략 공정도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 액체 필터용 필터여재(10)는 다공성 나노섬유 웹(13)의 일측면에 부직포와 같은 다공성 지지체(11)가 적층되어 있다.
상기 나노섬유 웹(13)은 고분자 물질, 이온 교환 수지 입자, 은 금속염 및 용매가 혼합된 방사용액을 전기방사하여 포집된 나노섬유(25)의 내부 및 표면에 이온 교환 수지 입자(15) 및 은 나노입자(17)가 분산되어 있으며, 3차원의 네트워크 구조의 미세 기공을 구비함에 따라 액체를 표면여과 및 심층여과함과 동시에, 액체에 포함된 화학적 물질의 특정 이온을 필터링할 수 있다.
또한, 나노섬유(25)의 표면에 균일하게 분산되어 고정된 은 나노입자(17)에 의해 피처리 액체의 수질 정화와 함께 나노섬유 웹(13)에 존재하고 있는 각종 병원균을 제거할 수 있게 된다.
전기방사 방법으로 제조된 나노섬유 웹(13)은 바람직하게는 트랜스퍼 시트를 사용하여 별도로 제작된 후, 다공성 지지체(11)와 합지되어 필터여재(10)를 형성한다.
상기 2층 구조의 필터여재(10)는 롤링되어 도 4와 같이 롤형 액체 필터(100)를 구성하거나, 도 5에 도시된 바와 같이 비표면적을 증가시키기 위한 절곡과정을 통하여 다층 구조로 적층되어 적층형 액체 필터(100a)를 구성할 수 있다.
상기와 같이, 다공성 지지체(11)에 의해 적층된 필터여재(10)의 층을 구획하면, 처리수(A)는 기공도가 낮은 다공성 지지체(11) 대신에 기공도가 높은 나노섬유 웹(13)을 주로 통과하면서 여과되어 필터(100)의 출구로부터 정화수(B)가 얻어지며, 처리수(A)가 국부적으로 편중되어 가압되는 문제를 차단할 수 있다.
본 발명에서는 다공성 나노섬유 웹(13)을 구성하는 나노섬유의 직경은 100 내지 800nm, 바람직하게는 150 내지 300nm로 설정된다. 또한, 나노섬유 웹의 두께는 2-6um로 설정되고, 나노섬유 웹의 기공 사이즈는 0.2 내지 3㎛ 범위로 설정되는 것이 바람직하다. 다공성 나노섬유 웹을 형성할 때, 나노섬유의 축적량은 저중량이 이루어지도록 5gsm 미만, 바람직하게는 2 내지 3gsm 범위로 설정되는 것이 바람직하다.
다공성 나노섬유 웹(13)을 구성하는 섬유의 평균 직경은 기공도 및 기공크기 분포에 매우 큰 영향을 미친다. 섬유 직경이 작을수록 기공 크기가 작아지며, 기공 크기 분포도 작아진다.
또한, 본 발명에서는 나노 섬유의 직경이 작을수록 평균기공과 최대기공은 감소한다. 또한, 나노 섬유의 직경이 작을수록 밀도는 증가하므로 기초중량과 평균두께도 증가하며, 통기성(Air permeability)은 감소하지만, 더 미세한 오염물질을 여과할 수 있어 필터링 효과는 상승한다.
더욱이, 본 발명의 필터여재가 포함된 액체필터는 필터링 공정에서 필터링 전후에 있어서의 차압이 낮기 때문에 낮은 에너지를 소모하며, 긴 수명을 가질 수 있게 된다.
(필터여재 제조)
이하에 도 2 및 도 3을 참고하여 본 발명의 필터여재의 제조방법을 설명한다.
먼저, 트랜스퍼 시트(20)가 권취된 언와인더로부터 종이와 같은 트랜스퍼 시트(20)를 전기방사장치(21)의 콜렉터(23) 상부로 공급한다.
그 후, 고분자 물질, 이온 교환 수지 입자, 은 금속염 및 용매를 혼합하여 방사용액을 제조한 후, 방사용액을 트랜스퍼 시트(20)에 전기방사를 수행하여, 나노섬유 웹(13)을 형성한다(S11).
본 발명에 따른 나노섬유 웹의 제조에 사용 가능한 방사방법으로는 에어 전기방사(AES: Air-Electrospinning) 이외에 일반적인 전기방사(electrospinning), 전기분사(electrospray), 전기분사방사(electrobrown spinning), 원심전기방사(centrifugal electrospinning), 플래쉬 전기방사(flash-electrospinning) 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
나노섬유 웹(13)의 나노섬유(25) 내부 또는 표면에는 이온 교환 수지 입자가 분산되어 있고, 이온 교환 수지 입자 전체 중, 일부의 이온 교환 수지 입자(15)는 나노섬유의 표면에 노출되어 처리수(A)에 포함된 특정 이온을 필터링하는 데 참여하게 된다. 또한, 나노섬유(25)의 내부 또는 표면에는 은 금속염으로부터 유도된 은(Ag) 나노입자(17)가 안정되고 균일하게 분산되어 있다.
본 발명에서는 필요에 따라 다공성 나노섬유 웹(13)을 프리히터(27)에 의한 선 건조구간(Pre-air Dry Zone)을 통과하면서 다공성 나노섬유 웹(13)의 표면에 잔존해 있는 용매와 수분의 양을 조절하는 공정을 거친 후(S12), 캘린더링 공정이 이루어진다.
프리히터에 의한 선 건조구간(Pre-Air Dry Zone)은 20~40℃의 에어를 팬(fan)을 이용하여 웹에 인가하여 다공성 나노섬유 웹(13)의 표면에 잔존해 있는 용매와 수분의 양을 조절함에 의해 다공성 나노섬유 웹(13)이 벌키(bulky)해지는 것을 조절하여 막의 강도를 증가시켜주는 역할과 동시에 다공성(Porosity)을 조절할 수 있게 된다.
이 경우, 용매의 휘발이 지나치게 된 상태에서 캘린더링이 이루어지면 다공성은 증가하나 웹의 강도가 약해지고, 반대로 용매의 휘발이 적게 되면 웹이 녹는 현상이 발생하게 된다.
한편, 상기한 다공성 나노섬유 웹(13)은 부직포와 같은 다공성 지지체(11)를 트랜스퍼 시트(20) 대신에 전기방사장치(21)의 콜렉터(23)로 투입하여 다공성 지지체(11) 위에 저중량의 다공성 나노섬유 웹(13)을 직접 형성하는 것도 가능하다.
초극세 나노섬유(25)로 이루어진 다공성 나노섬유 웹(13)을 형성한 후, 얻어진 다공성 나노섬유 웹은 제1캘린더링 장치(31)에서 고분자의 융점 이하의 온도에서 캘린더링하여 형성된다(S13).
나노섬유, 예를 들어, PVdF 섬유의 섬유간 결합온도는 150℃이고, PAN은 160℃, PES는 200℃이고, 부직포(PE)의 녹는점은 110~130℃이다.
따라서, 다공성 나노섬유 웹(13)을 형성하는 고분자가 PVdF인 경우 약 150℃에서 1차 캘린더링 공정을 진행하면, 나노섬유로 이루어지는 다공성 나노섬유 웹(13)은 캘린더링 공정을 통해 섬유와 섬유간의 견고한 결합을 만듦으로써 완성도 높은 다공성 나노섬유 웹을 만들 수 있다. 상기 1차 캘린더링 공정이 이루어지면, 나노섬유 간에 결합이 이루어지면서 다수의 나노섬유(25)의 포집에 의해 형성되는 3차원 기공의 크기와 나노섬유 웹의 두께 조절이 이루어진다.
본 발명에서는 상기 나노섬유 웹과 부직포의 복합화를 위해 나노섬유 웹과 부직포를 합지한 후 열간 압착되는 캘린더링 이외에도 압착, 가압, 롤링, 열 접합, 초음파 접합 중에서 선택된 어느 하나의 방법으로 수행될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 필요에 따라 상기한 캘린더링 공정이 이루어진 후 얻어진 다공성 나노섬유 웹(13)은 바람직하게는 온도 100℃, 풍속 20m/sec인 2차 열풍 건조기(29)를 사용하여 잔류 용매나 수분을 제거하는 공정을 거친 후(S14), 트랜스퍼 시트(20)가 내측에 배치되는 상태로 다공성 나노섬유 웹(13)의 권취롤로서 와인더에 권선된다.
상기 와인더에 권선되는 다공성 나노섬유 웹(13)과 트랜스퍼 시트(20)의 2층 적층체는 그 후 2차 캘린더링 장치(33)에서 부직포와 같은 다공성 지지체(11)와 합지 공정이 이루어진다(S15).
이 경우, 예열되지 않은 다공성 지지체(11)를 2차 캘린더링 장치(33)에 공급하는 경우, 2차 캘린더링 장치(33)의 롤의 설정온도를 10-15℃ 정도 하강시키는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 바람직하게는 다공성 지지체(11)를 히팅롤 또는 IR(적외선) 램프(도시되지 않음) 등을 사용하여 2차 캘린더링 온도 보다 다소 낮은 온도, 예를 들어, 80℃로 예열한 후 2차 캘린더링 장치(33)로 공급한다.
상기 2차 캘린더링 장치(33)의 온도는 PP 섬유의 외주에 PE가 코팅된 이중 구조의 PP/PE 부직포를 사용할 때 PE 피막층을 녹일 수 있는 110~130℃로 설정된다. 그 결과, 다공성 지지체(11)는 다공성 나노섬유 웹(13)와 2차 캘린더링 장치(33)에서 합지가 이루어지며(S15), 그 후 2차 캘린더링 장치(33)의 후단에서 트랜스퍼 시트(20)는 합지된 필터여재(10)로부터 박리되어 제거된다.
본 발명은 종이와 같은 트랜스퍼 시트(20)에 나노섬유를 방사한 후 다공성 부직포에 합지시키는 전사방법을 사용함에 따라 합지 공정 이전에 부직포의 융점보다 높은 온도에서 먼저 캘린더링을 실시할 수 있어, 나노섬유 사이의 견고한 결합이 이루어질 수 있다.
계속하여, 상기한 필터여재(10)를 도 4와 같이 롤링(rolling)하게 되면(S16), 롤(roll)형 액체 필터(100)가 얻어진다.
상기한 도 4와 같이, 본 발명에서는 나노섬유 웹(13)과 다공성 지지체(11)가 적층된 구조의 필터여재를 롤링하게 되면, 롤링된 케미컬 필터여재의 중심(롤링축)에서 외주면 방향으로 나노섬유 웹(13)과 다공성 지지체(11)로 구성된 필터여재(10)가 계속적으로 반복되는 구조, 또는 도 5와 같이 나노섬유 웹(13)과 다공성 지지체(11)로 구성된 필터여재(10,10a)가 반복 적층되는 구조를 갖는 적층형 액체필터(100a)를 구현할 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 아래의 실시예는 본 발명의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
고분자 물질로 PVdF(Polyvinylidene fluoride)를 사용하고, DMAc:Acetone=7:3 용매에 14중량%가 되도록 용해하여 방사용액을 제조하였다. 상기 방사용액을 전기방사장치의 믹싱탱크로 이동하여 인가전압 100kV, 방사노즐과 컬렉터와의 거리 20cm, 토출량 분당 20㎕/hole이 되도록 하고, 30℃, 상대습도 60%의 방사분위기에서 전기방사하여 중량 3gsm, 기공크기 1㎛의 나노섬유 웹을 제조하였다.
이렇게 얻어진 나노섬유 웹을 150℃, 1Kgf/㎠ 조건으로 캘린더링하여 나노섬유간의 결합을 형성시킴으로써 Fixed pore structure를 구현하고, 130℃, 1Kgf/㎠ 조건으로 부직포와 합지함으로써 필터여재를 제조하였다. 사용된 부직포는 남양부직포(주)에서 생산된 것으로 재료는 폴리올레핀, 두께 160㎛, 40gsm인 것을 사용하였다.
실시예 1로부터 얻은 필터여재 소재에 대해, PMI사(Porous Materials, Inc.)의 Capillary porosimeter를 이용하여, ASTM E1294 규격으로 기공 크기 분포도(Pore size distribution)를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1 및 도 6에 나타냈다.
대조군으로 머크-밀리포어사(Merck-Millipore)의 상전이방식으로 제조된 기공크기 1㎛인 PVdF membrane(비교예 1), Membrana사의 상전이방식으로 제조된 기공크기 1㎛인 Micro PES membrane(비교예 2), H&V사(Hollingsworth & Vose Company)의 기공크기 1㎛인 melt-blown media(비교예 3)를 사용하였다.
표 1
기공 크기(㎛)
평균 기공 최대 기공
실시예 1(Nanofibers 1㎛) 1.0 1.3
비교예 1(PVdF membrane 1㎛) 1.0 1.7
비교예 2(PES Membrane 1㎛) 1.0 1.6
비교예 3(Melt-blown 1㎛) 2.2 5.6
상기 표 1 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 필터여재는 평균 기공사이즈가 1.0㎛이고, 최대 기공 사이즈가 1.3㎛로서 비교예 1 내지 3의 상용화된 필터용 멤브레인과 동등수준 이상의 좁은 기공 사이즈 분포도를 가지고 있는 것으로 나타났다.
상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 3의 필터여재에 대하여 TEXTEST사의 FX3300을 이용하여, ASTM D737 규격에 따라 통기도(Air Permeability)를 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타냈다.
표 2
통기도(cfm@125Pa)
실시예 1(Nanofibers 1㎛) 2.5
비교예 1(PVdF Membrane 1㎛) 0.8
비교예 2(PES Membrane 1㎛) 1.1
비교예 3(Melt-blown 1㎛) 0.7
상기 표 2에 기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 필터여재는 통기도가 2.5cfm@125Pa로 측정되었고, 비교예 1 내지 3의 상용화된 필터용 멤브레인과 비교할 때 매우 우수한 통기도를 갖는 것으로 나타났다.
상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 3의 필터여재에 대하여 자체제작 설비를 이용하여, ASTM F795 규격에 따라 여과를 실시하고 필터여재에 걸리는 차압을 측정하고, 그 결과를 하기 표 3에 나타냈다.
표 3
압력강하(psid@3lpm,4.9㎠)
실시예 1(Nanofibers 1㎛) 0.8
비교예 1(PVdF Membrane 1㎛) 2.1
비교예 2(PES Membrane 1㎛) 1.7
비교예 3(Melt-blown 1㎛) 6.2
상기 표 3에 기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 필터여재는 압력강하(pressure drop)가 0.8psid@3lpm,4.9㎠로 측정되었고, 비교예 1 내지 3의 상용화된 필터용 멤브레인과 비교할 때 매우 우수한 수투과도를 갖는 것으로 나타났다.상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 3의 필터여재에 대하여 자체제작 설비를 이용하여, ASTM F795 규격에 따라 여과를 실시하고 여과액에 대한 탁도(Tubidity)를 측정하고, 그 결과를 하기 표 4에 나타냈다. 이때 시험입자(Dust)는 ISO 12103-1, A2 fine를 사용하였다.
표 4
탁도(NTU)
실시예 1(Nanofibers 1㎛) 0.4
비교예 1(PVdF Membrane 1㎛) 0.4
비교예 2(PES Membrane 1㎛) 0.7
비교예 3(Melt-blown 1㎛) 2.1
상기 표 4에 기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 필터여재는 탁도(Tubidity)가 0.4NTU로 측정되었고, 비교예 1 내지 3의 상용화된 필터용 멤브레인과 비교할 때 매우 우수한 탁도 제거 효율을 갖는 것으로 나타났다.
(실시예 2)
실시예 2는 고분자 물질로 PVdF(Polyvinylidene fluoride)를 사용하고, DMAc:Acetone=7:3 용매에 10중량%가 되도록 용해하여 방사용액을 제조하였다. 상기 방사용액을 전기방사장치의 믹싱탱크로 이동하여 인가전압 100kV, 방사노즐과 컬렉터와의 거리 20cm, 토출량 분당 20㎕/hole이 되도록 하고, 30℃, 상대습도 60%의 방사분위기에서 전기방사하여 중량 3gsm, 기공크기 0.45㎛의 나노섬유 웹을 제조하였다.
이렇게 얻어진 나노섬유 웹을 150℃, 1Kgf/㎠ 조건으로 캘린더링하여 나노섬유간의 결합을 형성시킴으로써 Fixed pore structure를 구현하고, 130℃, 1Kgf/㎠ 조건으로 부직포와 합지함으로써 필터여재를 제조하였다. 사용된 부직포는 실시예 1과 동일한 것을 사용하였다.
실시예 2로부터 얻은 필터여재 소재에 대해, PMI사(Porous Materials, Inc.)의 Capillary porosimeter를 이용하여, ASTM E1294 규격으로 기공 크기 분포도(Pore size distribution)를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 5에 나타냈다.
대조군으로 머크-밀리포어사(Merck-Millipore)의 기공크기 0.45㎛인 PVdF membrane(비교예 4), Membrana사의 기공크기 0.45㎛인 Micro PES membrane(비교예 5)을 사용하였다.
표 5
기공 크기(㎛)
평균 기공 최대 기공
실시예 2(Nanofibers 0.45㎛) 0.39 0.59
비교예 4(PVdF membrane 0.45㎛) 0.41 0.68
비교예 5(PES Membrane 0.45㎛) 0.36 0.57
상기 표 1 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 필터여재는 평균 기공사이즈가 0.39㎛이고, 최대 기공 사이즈가 0.59㎛로서 비교예 4 내지 5의 상용화된 필터용 멤브레인과 동등수준 이상의 좁은 기공 사이즈 분포도를 가지고 있는 것으로 나타났다.
상기 실시예 2 및 비교예 4 내지 5의 필터여재에 대하여 TEXTEST사의 FX3300을 이용하여, ASTM D737 규격에 따라 통기도(Air Permeability)를 측정하고, 그 결과를 하기 표 6에 나타냈다.
표 6
통기도(cfm@125Pa)
실시예 2(Nanofibers 0.45㎛) 1.48
비교예 4(PVdF Membrane 0.45㎛) 0.31
비교예 5(PES Membrane 0.45㎛) 0.34
상기 표 2에 기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 필터여재는 통기도가 1.48cfm@125Pa로 측정되었고, 비교예 4 내지 5의 상용화된 필터용 멤브레인과 비교할 때 매우 우수한 통기도를 갖는 것으로 나타났다.
상기 실시예 2 및 비교예 4 내지 5의 필터여재에 대하여 자체제작 설비를 이용하여, ASTM F795 규격에 따라 여과를 실시하고 필터여재에 걸리는 차압을 측정하고, 그 결과를 하기 표 7에 나타냈다.
표 7
압력강하(psid@3lpm,4.9㎠)
실시예 2(Nanofibers 0.45㎛) 3.8
비교예 4(PVdF Membrane 0.45㎛) 6.2
비교예 5(PES Membrane 0.45㎛) 5.1
상기 표 7에 기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 2의 필터여재는 압력강하(pressure drop)가 3.8psid@3lpm,4.9㎠로 측정되었고, 비교예 4 내지 5의 상용화된 필터용 멤브레인과 비교할 때 매우 우수한 수투과도를 갖는 것으로 나타났다.
상기 실시예 2 및 비교예 4 내지 5의 필터여재에 대하여 자체제작 설비를 이용하여, ASTM F795 규격에 따라 여과를 실시하고 여과액에 대한 탁도(Tubidity)를 측정하고, 그 결과를 하기 표 8에 나타냈다. 이때 시험입자(Dust)는 ISO 12103-1, A2 fine를 사용하였다.
표 8
탁도(NTU)
실시예 2(Nanofibers 0.45㎛) 0.1 이하
비교예 4(PVdF Membrane 0.45㎛) 0.1 이하
비교예 5(PES Membrane 0.45㎛) 0.1 이하
상기 표 8에 기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 2의 필터여재는 탁도(Tubidity)가 0.1NTU 이하로 측정되었고, 비교예 4 내지 5의 상용화된 필터용 멤브레인과 비교할 때 동등한 탁도 제거 효율을 갖는 것으로 나타났다.
본 발명에서는 나노섬유 웹의 3차원의 네트워크 구조의 미세 기공으로 처리수를 표면여과 및 심층여과하게 된다. 이와 더불어, 나노섬유 웹의 나노섬유에 노출되어 있는 이온 교환 수지 입자는 처리수에 포함된 화학적 물질의 특정 이온을 필터링하게 되어 필터링 효율을 향상시킬 수 있고, 은 나노입자에 의한 항균력에 의해 필터여재에 번식하고 있는 박테리아, 대장균 등의 각종 병원균을 제거할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명은 저중량의 나노섬유 웹을 다공성 부직포에 합지시킴에 의해 여과층을 얇게 형성하면서도 단위면적당 나노섬유의 함량을 저중량화함에 의해 필터링 전후에 있어서의 차압이 적게 걸리게 하여 통과유량을 증가시킬 수 있는 액체 필터용 필터여재에 적용될 수 있다.

Claims (19)

  1. 강도 지지체 역할을 하는 다공성 지지체; 및
    상기 다공성 지지체의 일측면에 합지되며 고분자 물질의 나노섬유로 이루어지고, 피처리 액체가 통과하는 3차원 구조의 미세 기공을 갖는 나노섬유 웹을 포함하며,
    상기 나노섬유의 함량은 5gsm 미만인 액체 필터용 필터여재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노섬유의 함량은 2 내지 3gsm 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 액체 필터용 필터여재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 나노섬유 웹의 두께는 2 내지 6um 범위로 설정되고, 기공 사이즈는 0.2 내지 3um 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 액체 필터용 필터여재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 나노섬유의 직경은 100 내지 800nm 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 액체 필터용 필터여재.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 나노섬유의 직경은 150 내지 300nm 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 액체 필터용 필터여재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 지지체는 부직포인 것을 특징으로 하는 액체 필터용 필터여재.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 부직포는 코어로서 PP 섬유의 외주에 PE가 코팅된 PP/PE 부직포로 이루어지며,
    상기 PP/PE 부직포는 PP 섬유 외부에 코팅된 PE 코팅부는 용융되어 나노섬유와 결합이 이루어지고, 상기 PP 섬유는 다공성 구조를 유지하는 것을 특징으로 하는 액체 필터용 필터여재.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 부직포는 코어로서 레귤러 PET(polyethyleneterephthalate) 섬유의 외주에 저융점 PET가 코팅된 PET 부직포로 이루어지며,
    상기 PET 부직포는 레귤러 PET 섬유의 외주에 코팅된 저융점 PET는 용융되어 나노섬유와 결합이 이루어지고, 상기 레귤러 PET 섬유는 다공성 구조를 유지하는 것을 특징으로 하는 액체 필터용 필터여재.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 나노섬유는 나노섬유 내부 또는 표면에 이온 교환 수지 입자가 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 필터용 필터여재.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 이온 교환 수지 입자는 이온 교환능이 있는 다공질의 유기 중합체의 입자 또는 폴리스티렌(Polystyrene)과 디비닐벤젠(Divinylbenzene)의 공중합체의 입자인 것을 특징으로 하는 액체 필터용 필터여재.
  11. 고분자 물질과 용매가 혼합된 방사용액을 트랜스퍼 시트에 전기방사하여 3차원 구조의 미세 기공을 갖는 나노섬유 웹을 형성하는 단계;
    상기 나노섬유간에 결합과 동시에 나노섬유 웹의 기공 사이즈와 두께를 조절하는 제1캘린더링 단계; 및
    상기 제1캘린더링이 이루어진 상기 나노섬유 웹을 다공성 지지체와 합지하여 필터여재를 형성하는 제2캘린더링 단계;를 포함하는 액체 필터용 필터여재의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1캘린더링 단계는 제2캘린더링 단계 보다 높은 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체 필터용 필터여재의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1캘린더링 단계는 나노섬유 웹을 형성하는 나노섬유를 결합시킬 수 있는 온도로 설정되고,
    상기 제2캘린더링 단계는 다공성 지지체를 이루는 2중 코어 섬유에서 코어보다 낮은 융점을 갖는 코팅부의 융점에 일치시켜서 설정되며, 상기 코팅부는 용융되어 나노섬유와 결합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체 필터용 필터여재의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 다공성 지지체는 코어로서 PP 섬유의 외주에 PE가 코팅된 PP/PE 부직포 또는 코어로서 레귤러 PET(polyethyleneterephthalate) 섬유의 외주에 저융점 PET가 코팅된 PET 부직포인 것을 특징으로 하는 액체 필터용 필터여재의 제조방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제2캘린더링 단계를 실시하기 전에 상기 다공성 지지체를 제2캘린더링 단계 보다 낮은 온도에서 예열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 필터용 필터여재의 제조방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 트랜스퍼 시트는 종이, 방사용액에 포함된 용매에 의해 용해가 이루어지지 않는 고분자 재료로 이루어진 부직포, 폴리올레핀계 필름 중 하나인 것을 특징으로 하는 액체 필터용 필터여재의 제조방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 나노섬유 웹의 두께는 2 내지 6um 범위로 설정되고, 기공 사이즈는 0.2 내지 3um 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 액체 필터용 필터여재의 제조방법.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 나노섬유의 함량은 5gsm 미만인 것을 특징으로 하는 액체 필터용 필터여재의 제조방법.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 방사용액은 이온 교환 수지 입자 또는 은 금속염을 더 포함하며,
    상기 나노섬유는 나노섬유 내부 또는 표면에 이온 교환 수지 입자 또는 은 나노입자가 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 필터용 필터여재의 제조방법.
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