KR101401160B1 - Polyvinylidene fluoride asymmetry-porous hollow fiber membrane and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 폴리비닐덴플루오라이드(이하, “PVDF”로 약칭함) 비대칭 다공성 중공사막의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배수 처리, 정수 처리, 공업용수 제조 등의 수처리에 이용되는 불소계 소재인 PVDF를 이용한 비대칭-스폰지 구조를 갖는 중공사막에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing an asymmetric porous hollow fiber membrane of polyvinylidene fluoride (hereinafter abbreviated as "PVDF"), and more particularly, to a method for producing an asymmetric porous hollow fiber membrane using a fluorine-based material used for water treatment such as drainage, To a hollow fiber membrane having an asymmetric-sponge structure using PVDF.
분리막 기술은 막의 기공크기, 기공분포 및 막 표면 전하에 따라 처리수 중에 존재하는 처리 대상물질을 거의 완벽하게 분리 제거하기 위한 고도의 분리기술로서, 수처리 분야에 있어서는 양질의 음용수 및 공업용수의 생산, 하/폐수 처리 및 재이용, 무방류 시스템 개발과 관련된 청정생산공정 등 그 응용범위가 확대되고 있으며, 21세기에 주목 받게 될 핵심기술의 하나로서 자리잡고 있다.The separation membrane technology is a highly separation technology for almost completely separating and removing the materials to be treated present in the treatment water according to the pore size, the pore distribution and the membrane surface charge of the membrane. In the water treatment field, the production of high quality drinking water and industrial water, And clean production processes related to the development of waste water treatment and reuse, and free circulation systems are expanding and are becoming one of the key technologies to be noticed in the 21st century.
수처리용 분리막은 중공사막 형태일 수 있는데, 중공사막이란 중공환 형상의 형태를 갖는 막으로써 평판형의 막에 비해 모듈 단위체적당 막 면적을 크게 할 수 있는 장점이 있다. 또한, 수처리용 분리막이 중공사막의 구조를 가지 면 막의 세정방법으로서 여과 방향과 반대 방향으로 청정한 액체를 투과시켜 퇴적물을 제거하는 역세척이나 모듈 내에 기포를 도입함으로써, 막을 흔들어 퇴적물을 제거하는 에어스크러빙 등의 방법을 효과적으로 이용할 수 있다.The membrane for water treatment may be a hollow fiber membrane. The hollow fiber membrane has a hollow-ring shape, which is advantageous in that it has a larger membrane area per module unit than a flat membrane. In addition, if the water treatment separator has a hollow fiber membrane structure, it may be a method of washing the membrane, such as backwashing which removes sediments by passing a clean liquid in a direction opposite to the filtration direction, introducing air bubbles into the module, And the like can be effectively used.
수 처리용 중공사막으로 요구되는 일반적인 특성으로는, 분리효율을 목적으로 하는 적절한 기공도(빈 구멍의 수), 분획 정밀도 향상을 목적으로 하는 균일한 기공 분포도, 분리 대상물을 효과적으로 분리해 낼 수 있는 최적 기공크기를 갖는 것이 요구된다. 또한, 소재특성으로, 화학 약품 처리에 대한 내약품성, 내화학성, 내열성 등이 요구된다. 또한, 운전 능력에 영향을 주는 특성으로 사용 수명을 연장시키기 위한 우수한 기계적 강도, 운전비용과 관련이 있는 수투과도가 요구된다.Typical properties required for water treatment hollow fiber membranes include adequate porosity (number of pores) for the purpose of separation efficiency, uniform pore distribution for the purpose of improving fractionation accuracy, It is required to have an optimum pore size. In addition, chemical resistance, chemical resistance, heat resistance, and the like for chemical treatment are required as material characteristics. In addition, properties that affect the operating capability are required to have good mechanical strength to extend service life, and water permeability associated with operating costs.
분리막 기술을 이용한 수처리 공정에 사용되는 고분자 소재로는 폴리술폰(Polysulfone), 폴리이서술폰(Polyethersulfone)과 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Polypropylene), 셀룰로스 아세테이트(Cellulose actate) 등의 비불소계 소재와 폴리비닐덴플루오라이드(Polyvinyldene fluoride, 이하 ‘PVDF’ 이라 함) 등이 있다. 특히, 최근에는 음전하 분위기로 인하여 유기 오염원으로부터 내오염성을 갖는 불소계 고분자 소재가 수처리 분리막 재료로 각광받고 있다.Polymeric materials used in the water treatment process using membrane technology include polysulfone, polyethersulfone, polyacrylonitrile, polyethylene, polypropylene, cellulose (cellulose) actate) and polyvinyldene fluoride (hereinafter referred to as " PVDF "). In particular, in recent years, a fluorine-based polymer material having a stain resistance from an organic pollution source has been attracting attention as a water treatment separator material due to a negative charge atmosphere.
최근 다양한 PVDF 중공사막이 개발되고 있는데, 공개번호 KR 10-2003-0001474호는 PVDF, 유기용매 및 무기미분체를 이용하여 압출시킨 중공사막 표면에 친수화 처리(EVA 코팅)시킨 대칭구조의 PVDF 중공사막을 게재하고 있는데, 이는 알칼리 용액에 담지하여 무기미분체를 추출하는 공정에서 PVDF의 구조변형에 의한 내구성 저하 및 외형적으로 갈변 현상이 발생하는 문제점이 있으며, 또한, 친수화 처리 공정을 추가적으로 도입해야 하는 바, 경제성이 떨어지는 문제가 있다.Recently, a variety of PVDF hollow fiber membranes have been developed. Publication No. KR 10-2003-0001474 discloses a PVDF hollow fiber membrane having a symmetrical structure of hydrophilic (EVA coated) hollow fiber membrane extruded using PVDF, organic solvent and inorganic powder, Desulfurization of the PVDF is carried out. In the step of extracting the inorganic fine powder by carrying it in an alkali solution, there is a problem that the durability is deteriorated due to the structural deformation of PVDF and brownish appearance occurs. Further, There is a problem that economic efficiency is low.
또한, 공개번호 KR 10-2009-0026304호는 셀룰로오스아세테이트 계열의 친수성 고분자가 함유된 PVDF 조액과 친수성 고분자가 미함유된 PVDF 조액을 3중 노즐을 통해 방사하여 제조한 PVDF 중공사막을 게재하고 있는데, 이는 친수성 고분자로 사용된 셀룰로오스아세테이트가 알칼리 및/또는 산에 약하여 실제 수처리 운전과정 중 약품 세척시 막의 내구성에 문제가 발생하는 단점이 있다. No. 10-2009-0026304 discloses a PVDF hollow fiber membrane prepared by spinning a PVDF tank liquid containing a hydrophilic polymer of cellulose acetate series and a PVDF tank liquid containing no hydrophilic polymer through a triple nozzle, This is disadvantageous in that the cellulose acetate used as the hydrophilic polymer is weak to alkali and / or acid, and thus there is a problem in durability of the membrane during chemical cleaning during the actual water treatment operation.
중공사막 제조 방법 중 비용매를 이용한 상 전환법인 NIPS(Nonsolvent induced phase separation) 공법(공개번호 KR 10-2011-0117781호)은 방사 조건에 여러 가지 변화를 주어 분리막의 다양한 구조 특히 비대칭 구조를 형성할 수 있고, 여러 첨가제를 추가하여 기공(Pore) 사이즈를 조절하기 용이하며, 분리막에 친수화를 부여하여 높은 수투과도를 얻을 수 있는 장점이 있다. 그러나 종래의 NIPS 공법으로 제조한 PVDF 중공사막은 일반적으로 기계적 강도가 약한 단점이 있으며, 특히 분리막 내부에 핑거 형태(finger-like)구조 및 매크로기공(macro void)이 생성되기 때문에, 인장 강도가 낮고, 분리막의 파단 현상이 발생하는 문제점이 있었다.The Nonsolvent induced phase separation (NPS) method (No. KR 10-2011-0117781), which is a phase change method using a non-solvent, produces various structures of the membrane, in particular an asymmetric structure And it is easy to adjust the pore size by adding various additives, and it is advantageous to obtain high water permeability by imparting hydrophilization to the separation membrane. However, the PVDF hollow fiber membrane produced by the conventional NIPS method has a disadvantage in that the mechanical strength is generally weak, and in particular, since a finger-like structure and a macro void are generated inside the separation membrane, the tensile strength is low , There is a problem that breakage of the separation membrane occurs.
이에 제조공정이 단순하면서 인장강도 등의 기계적 물성이 우수하면서 우수한 수투과도 및 수처리능을 가는 새로운 PVDF 중공사막에 대한 요구가 증대하고 있는 실정이다.
Accordingly, there is a growing demand for a new PVDF hollow fiber membrane which has a simple manufacturing process, excellent mechanical properties such as tensile strength, and excellent water permeability and water treatment ability.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, PVDF 중공사 분리막 내부에 핑거 형태(finger-like) 매크로기공(macro void)이 생성되는 것을 방지하여 인장 강도를 증가시키고, 분리막의 파단 현상의 발생을 막으면서도 높은 수투과도 및 우수한 배제율을 동시에 만족하는 PVDF 비대칭 다공성 중공사막 및 그 제조방법을 제공하려는 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a PVDF hollow fiber membrane which is capable of preventing finger-like macroscopic voids from being generated in the PVDF hollow fiber membrane, And at the same time, a high water permeability and an excellent rejection rate, and a method for producing the PVDF asymmetric porous hollow fiber membrane.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은PVDF 비대칭 다공성 중공사막의 제조방법에 관한 것으로서, 폴리비닐덴플루오라이드(PVDF) 수지, 용매 및 비용매를 포함하는 방사원액을 제조하는 단계; 및 상기 방사원액을 방사노즐을 통해 방사하고 외부 응고액에 침지하여 중공사를 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 방사는 0.5 ~ 2㎏f/㎠의 배면압(ΔP) 하에서 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.In order to solve the above problems, the present invention provides a method for producing a PVDF asymmetric porous hollow fiber membrane, comprising the steps of: preparing a spinning solution containing polyvinylidene fluoride (PVDF) resin, a solvent and a non-solvent; And spinning the spinning solution through a spinning nozzle and dipping the spinning solution in an external coagulating solution to form a hollow fiber, wherein the spinning is performed under a back pressure (AP) of 0.5 to 2 kgf / can do.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 PVDF 비대칭 다공성 중공사막의 제조방법에 있어서, 상기 배면압은 하기 수학식 1을 만족하는 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, in the method for producing a PVDF asymmetric porous hollow fiber membrane of the present invention, the back pressure satisfies the following formula (1).
[수학식 1]
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상기 수학식 1에 있어서, S(mm-3)는 함수 L/(A×D2)의 값이며, L(mm)은 구금(노즐)에서 조액이 토출되는 부분의 홀(hole)의 길이이고, D(mm)는 홀 직경으로서 전체 홀 직경에서 내부응고제 홀의 직경을 뺀 값이며, A(mm2)는 홀 단면적으로서 전체 홀의 단면적에서 내부응고제 홀의 단면적을 뺀 값이고, Q는 토출량(g/min)이며, η는 방사원액의 점도(poise at 25℃)이고, λ는 형태계수이고, ρ는 PVDF 수지의 밀도(g/cm3)이며, gc는 중력가속도(cm/sec2)이고, H는 구금 내의 홀(hole)수이다.In
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 PVDF 비대칭 다공성 중공사막의 제조방법에 있어서, 상기 수학식 1의 η는 2,000≤η≤7,000을 만족하는 유리수인 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, in the method for producing a PVDF asymmetric porous hollow fiber membrane of the present invention, η in the above formula (1) is a rational number satisfying 2,000??? 7,000.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예로서, 본 발명의 PVDF 비대칭 다공성 중공사막의 제조방법에 있어서, 상기 수학식 1의 ρ는 1.75≤ρ≤1.79을 만족하는 유리수인 것을 특징으로 할 수 있다.In another preferred embodiment of the present invention, in the method for producing a PVDF asymmetric porous hollow fiber membrane of the present invention, ρ of the formula (1) is a rational number satisfying 1.75 ρ ≦ 1.79.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예로서, 상기 수학식 1의 λ는 23≤λ≤24을 만족하는 유리수인 것을 특징으로 할 수 있다.In another preferred embodiment of the present invention, the lambda of Equation (1) is a rational number satisfying 23??? 24.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예로서, 상기 수학식 1의 S는 40≤S≤70을 만족하는 유리수인 것을 특징으로 할 수 있다In another preferred embodiment of the present invention, S in the equation (1) is a rational number satisfying 40? S? 70
본 발명의 바람직한 다른 일실시예로서, 상기 수학식 1의 Q는 7≤Q≤20을 만족하는 유리수인 것을 특징으로 할 수 있다.In another preferred embodiment of the present invention, Q in Equation (1) is a rational number satisfying 7? Q? 20.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예로서, 본 발명의 PVDF 비대칭 다공성 중공사막의 제조방법에 있어서, 상기 중공사막은 중공 및 분리층을 포함하며, 상기 분리층은 비대칭 구조로서, 내부는 구형구조(Spherulite like structure)이며, 외부 표면으로 갈수록 스폰지구조(Asymmetry-sponge like structure)를 갖으며, 평균기공 0.1 ~ 0.2㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 할 수 있다.In another preferred embodiment of the present invention, in the method of manufacturing a PVDF asymmetric porous hollow fiber membrane of the present invention, the hollow fiber membrane includes a hollow and an isolation layer, and the isolation layer has an asymmetric structure, Like structure, and has an asymmetry-sponge-like structure toward the outer surface, and has an average pore size of 0.1 to 0.2 μm or less.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예로서, 본 발명의 PVDF 비대칭 다공성 중공사막의 제조방법에 있어서, 상기 용매는 감마-부틸로락톤(γ-butyrolactone), 디메틸아세트아미드(DMAc), N-메틸-2-피롤리돈, 디메틸술폭시드, 디메틸포름아미드, 디부틸프탈레이트(Dibutyl Phthalate), 디메틸프탈레이트(Dimethyl phthalate), 디에틸프탈레이트(Diethyl phthalate), 디옥틸프탈레이트(Dioctyl phthalate), 디옥틸세바케이트(Dioctylsebacate) 및 글리세롤트리아세테이트(Glycerol triacetate) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In another preferred embodiment of the present invention, in the process for preparing the PVDF asymmetric porous hollow fiber membrane of the present invention, the solvent is gamma-butyrolactone, dimethylacetamide (DMAc), N-methyl- (2-pyrrolidone), dimethylsulfoxide, dimethylformamide, dibutyl phthalate, dimethyl phthalate, diethyl phthalate, dioctyl phthalate, dioctyl sebacate Dioctylsebacate) and glycerol triacetate (Glycerol triacetate).
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예로서, 본 발명의 PVDF 비대칭 다공성 중공사막의 제조방법에 있어서, 상기 비용매는 폴리에틸렌글리콜, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜 및 프로필렌글리콜메틸에테르 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In another preferred embodiment of the present invention, in the method for producing a PVDF asymmetric porous hollow fiber membrane of the present invention, the non-solvent is at least one selected from the group consisting of polyethylene glycol, ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol and propylene glycol methyl ether And a control unit.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예로서, 본 발명의 PVDF 비대칭 다공성 중공사막의 제조방법에 있어서, 상기 방사원액은 상기 PVDF 수지 100 중량부에 대하여 용매 60 ~ 200 중량부 및 비용매 5 ~ 30 중량부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In another preferred embodiment of the present invention, in the method of producing a PVDF asymmetric porous hollow fiber membrane of the present invention, the spinning solution preferably contains 60 to 200 parts by weight of a solvent and 5 to 30 parts by weight of a solvent per 100 parts by weight of the PVDF resin And the like.
본 발명의 다른 태양은 PVDF 비대칭 다공성 중공사막에 관한 것으로서, 중공; 및 상기 중공의 외주를 따라 형성된 분리층;을 포함하며, 상기 분리층은 비대칭 구조로서, 내부는 구형구조(Spherulite structure)이며, 외부 표면으로 갈수록 스폰지 형태의 비대칭 구조(Asymmetry structure)를 갖으며, 평균기공 0.02 ~ 0.1㎛ 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.Another aspect of the present invention relates to a PVDF asymmetric porous hollow fiber membrane, And a separating layer formed along the outer periphery of the hollow, wherein the separating layer has an asymmetric structure, a spherical structure inside, a sponge-like asymmetric structure toward the outer surface, And an average pore of 0.02 to 0.1 탆 or less.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 PVDF 비대칭 다공성 중공사막의 상기 분리층은 평균기공크기의 오차범위 ±60%를 만족하는 기공이 전체기공 중 80% 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.In one preferred embodiment of the present invention, the separation layer of the PVDF asymmetric porous hollow fiber membrane of the present invention has pores satisfying an error range of ± 60% of the average pore size of 80% or more of the total pores.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예로서, 본 발명의 PVDF 비대칭 다공성 중공사막의 수투과도가 1,000 LMH 이상이며, PLB(Polystyrene latex bead, 평균입경 0.1 ㎛)에 대한 배제율이 90% 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.In another preferred embodiment of the present invention, the water permeability of the PVDF asymmetric porous hollow fiber membrane of the present invention is not less than 1,000 LMH and the rejection ratio of PLB (polystyrene latex bead, average particle diameter of 0.1 μm) is not less than 90% .
본 발명의 PVDF 비대칭 다공성 중공사막의 제조방법은 친수화 처리 공정을 추가적으로 필요하지 않기 때문에 높은 상업성 및 경제성으로 PVDF 비대칭 다공성 중공사막을 제조할 수 있으며, 또한, 본 발명의 PVDF 비대칭 다공성 중공사막은 내부에 핑거형태(finger-like) 매크로기공(macro void)이 생성되는 것을 방지하여 인장강도를 증가시키고, 분리막의 파단현상의 발생을 막으면서도 높은 수투과도 및 우수한 배제율을 동시에 만족할 수 있는 PVDF 중공사막을 제공할 수 있다.The PVDF asymmetric porous hollow fiber membrane of the present invention does not require a hydrophilization treatment step. Therefore, the PVDF asymmetric porous hollow fiber membrane can be manufactured with high commercial efficiency and economy, PVDF hollow fiber membranes that can prevent finger-like macro voids from occurring and increase tensile strength and satisfy both high water permeability and excellent rejection rate while preventing breakage of the membrane. Can be provided.
도 1a은 실시예 1에서 제조한 PVDF 중공사막의 전체단면을 SEM 측정한 사진이다.
도 1b는 실시예 1에서 제조한 PVDF 중공사막의 중앙단면을 SEM 측정한 사진이다.
도 2는 실시예 1에서 사용한 PVDF 다공성 중공사막을 제조하기 위한 2중 관형 노즐의 단면도이다
도 3은 종래의 NIPS 공법으로 제조한 PVDF 중공사막 단면 사진이다.1A is a SEM photograph of the entire cross section of the PVDF hollow fiber membrane produced in Example 1. FIG.
FIG. 1B is a SEM photograph of the center section of the PVDF hollow fiber membrane produced in Example 1. FIG.
2 is a cross-sectional view of a double tubular nozzle for producing a PVDF porous hollow fiber membrane used in Example 1
3 is a sectional view of a PVDF hollow fiber membrane manufactured by a conventional NIPS method.
본 발명에서 사용하는 용어인 비대칭 구조(Asymmetry structure)란, 막 단면에 매크로보이드(macro-void)가 존재하지 않고 연속적으로 기공이 연결되어 있는 형태로서, 스폰지 형태를 갖는 것을 의미하는 것이다.Asymmetry structure, which is a term used in the present invention, means a form in which pores are continuously connected without macro-voids on the membrane cross-section, which means that the membrane has a sponge shape.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명을 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명의 PVDF 비대칭 다공성 중공사막은 중공; 및 상기 중공의 외주를 따라 형성된 분리층;을 포함하며, 상기 분리층은 비대칭 구조로서, 도 1a 및 도 1c에 나타낸 바와 같이 내부는 구형구조(Spherulite structure)이며, 외부 표면으로 갈수록 스폰지 형태의 비대칭 구조(Asymmetry structure)를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.The PVDF asymmetric porous hollow fiber membrane of the present invention comprises hollow; And a separating layer formed along the outer periphery of the hollow, wherein the separating layer has an asymmetric structure, wherein the interior has a spherical structure as shown in Figs. 1A and 1C, and the asymmetric structure And has an asymmetry structure.
상기 분리층은 구형 구조 및 스폰지 구조를 포함하는데, 상기 구형 구조는 분리층 외부 표면에서 내부 표면으로 갈수록 점진적으로 커지는 직경구배를 갖는 경향이 있으며, 중공사막의 지지체 역할을 수행할 수 있다. The separation layer includes a spherical structure and a sponge structure, which tends to have a diameter gradient gradually increasing from the outer surface of the separation layer to the inner surface thereof, and can serve as a support for the hollow fiber membrane.
상기 분리층의 평균기공은 0.1 ~ 0.2㎛, 바람직하게는 0.1 ~ 0.15㎛인 것을 특징으로 할 수 있다. 그리고, 상기 분리층은 평균기공크기의 오차범위 ±60%를 만족하는 기공이 전체기공 중 80%이상, 바람직하게는 90% 이상, 더욱 바람직하게는 93% 이상일 수 있다.The average pore size of the separation layer may be 0.1 to 0.2 μm, preferably 0.1 to 0.15 μm. The separation layer may have pores satisfying an error range of ± 60% of the average pore size of 80% or more, preferably 90% or more, and more preferably 93% or more of the total pores.
본 발명의 PVDF 비대칭 다공성 중공사막은 우수한 수투과도 및 BSA(bovin serum albumin) 배제율을 갖는데, 수투과도는 1,000 LMH 이상, 바람직하게는 1,200 LMH 이상을 갖을 수 있다. 그리고, PLB(Polystyrene latex bead, 평균입경 0.1㎛)에 대한 배제율이 90% 이상을, 바람직하게는 93% 이상을 갖을 수 있다.
The PVDF asymmetric porous hollow fiber membrane of the present invention has excellent water permeability and bovine serum albumin (BSA) rejection ratio, and the water permeability can be 1,000 LMH or more, preferably 1,200 LMH or more. The rejection rate for PLB (Polystyrene latex bead, average particle diameter 0.1 占 퐉) may be 90% or more, preferably 93% or more.
이와 같은 본 발명의 PVDF 비대칭 다공성 중공사막을 제조하는 방법을 자세하게 설명하면 아래와 같다. The method for producing the PVDF asymmetric porous hollow fiber membrane of the present invention will be described in detail as follows.
본 발명의 PVDF 비대칭 다공성 중공사막은 폴리비닐덴플루오라이드(PVDF) 수지, 용매 및 비용매를 포함하는 방사원액을 제조하는 단계; 및 상기 방사원액을 방사노즐을 통해 방사하고 외부응고액에 침지하여 중공사를 형성하는 단계;를 포함하며 공정을 수행하여 제조할 수 있다.The PVDF asymmetric porous hollow fiber membrane of the present invention comprises the steps of: preparing a spinning solution containing a polyvinylidene fluoride (PVDF) resin, a solvent and a non-solvent; And spinning the spinning solution through a spinning nozzle and immersing the spinning solution in an external coagulating liquid to form a hollow fiber.
또한, 상기 중공사를 형성하는 단계를 외부 응고액에 침지 후, 연신용액을 포함하는 연신기 내로 연속적으로 피딩(feeding)하여 연신하는 단계;를 더 포함할 수 있다. In addition, the step of forming the hollow fiber may further include immersing the hollow fiber in an external coagulating liquid, continuously feeding the drawn hollow fiber into a stretching machine including a stretching solution, and stretching.
상기 연신공정에 있어서, 연신용액은 에틸렌글리콜, 글리세롤, 분자량 400 이하의 폴리에틸렌글리콜 또는 물 등 일수 있으며, 15℃ ~ 150℃의 연신 온도에서, 1.1 ~ 2.0배의 연신비로 연신할 수 있다. 연신온도가 15℃ 미만일 경우 부분 연신이 일어나 중공사막이 일정하게 연신되지 않을 수 있으며, 150℃를 초과하면 막 수축과 절사가 발생하기 쉬운 단점이 있다. 연신비가 중공사의 길이 대비 1.1배 미만일 경우 연신으로 인한 공경제어 및 강도 증가의 효과가 미비하고, 2.0배를 초과할 경우 막 두께가 감소하여 기계적 물성이 약해지는 문제가 발생할 수 있다.
In the stretching step, the stretching solution may be ethylene glycol, glycerol, polyethylene glycol having a molecular weight of 400 or less, water, or the like, and may be stretched at a stretching ratio of 1.1 to 2.0 times at a stretching temperature of 15 to 150 캜. When the stretching temperature is less than 15 ° C, partial stretching may occur and the hollow fiber membrane may not be uniformly stretched. When the stretching temperature is more than 150 ° C, film shrinkage and trimming are likely to occur. If the stretching ratio is less than 1.1 times the length of the hollow fiber, the effect of pore control and strength increase due to stretching is insufficient. If the stretching ratio is more than 2.0 times, the film thickness may decrease and the mechanical properties may become weak.
이하, 방사원액을 제조하는 단계에 대하여 먼저 설명을 한다.Hereinafter, the step of producing a spinning solution will be described first.
본 발명 중공사막 제조에 사용되는 폴리비닐덴플루오라이드(PVDF) 수지는 차염소산 나트륨 등에 대한 내화학성이 우수하며, 내열성이 높고, 또한 골격이 소수성이기 때문에 내수성이 높아서 수처리용으로 적합하다. 본 발명에 사용되는 폴리비닐덴플루오라이드는 비닐덴플루오라이드 단독 중합체 및 비닐덴플루오라이드 공중합체가 포함될 수 있다. 그리고, 상기 비닐덴플루오라이드 공중합체로서는 비닐덴플루오라이드와 모노-플루오라이드 에틸렌, 디-플루오라이드 에틸렌, 트리-플루오라이드 에틸렌, 염화에틸렌 또는 에틸렌 등의 단독 또는 혼합 형태의 단량체와의 공중합체를 사용할 수 있다. 가장 바람직하게는 비닐덴플루오라이드 단독 중합체를 사용할 수 있다.The polyvinylidene fluoride (PVDF) resin used for producing the hollow fiber membrane of the present invention is excellent in chemical resistance against sodium hypochlorite and the like, has high heat resistance, and has a high water resistance because the skeleton is hydrophobic, so that it is suitable for water treatment. The polyvinylidene fluoride used in the present invention may include a vinyldifluoride homopolymer and a vinyldifluoride copolymer. As the vinyldifluoride copolymer, a copolymer of vinylidene fluoride with monomers such as mono-fluoride ethylene, di-fluoride ethylene, tri-fluoride ethylene, ethylene chloride or ethylene, Can be used. Most preferably, vinylidene fluoride homopolymers can be used.
또한, 상기 PVDF수지는 중량평균분자량이 200,000 ~1000,000인 것이 바람직하다. PVDF 수지의 중량평균분자량이 200,000 미만인 경우 낮은 점도로 인하여 중공사 형태의 제막이 어려울 수 있으며, 1000,000을 초과할 경우 용융시 고점도로 인하여 성형성이 나빠질 수 있기 때문이다.The PVDF resin preferably has a weight average molecular weight of 200,000 to 1,000,000. When the PVDF resin has a weight average molecular weight of less than 200,000, it may be difficult to form a hollow fiber due to its low viscosity. If the PVDF resin has a weight average molecular weight of more than 1,000,000, moldability may deteriorate due to high viscosity upon melting.
본 발명에서 PVDF는 용매 및 비용매와 혼합되어서 방사 원액이 만드는데, 본 발명에서 용매는 40℃ 이하의 저온에서도 PVDF 수지를 5 중량% 이상 용해시키는 것이 가능한 것을 말하며, PVDF 수지의 융점까지 온도를 올리더라도 수지를 용해시키거나 팽윤시키지 못하는 용매를 비용매로 정의한다.In the present invention, PVDF is mixed with a solvent and a non-solvent to form a spinning solution. In the present invention, the solvent means that the PVDF resin can be dissolved at 5 wt% or more even at a low temperature of 40 ° C or lower. Solvent which does not dissolve or swell the resin is defined as non-solvent.
상기 용매는 감마-부틸로락톤(γ-butyrolactone), 디메틸아세트아미드(DMAc), N-메틸-2-피롤리돈, 디메틸술폭시드, 디메틸포름아미드, 디부틸프탈레이트(Dibutyl Phthalate), 디메틸프탈레이트(Dimethyl phthalate), 디에틸프탈레이트(Diethyl phthalate), 디옥틸프탈레이트(Dioctyl phthalate), 디옥틸세바케이트(Dioctylsebacate) 및 글리세롤트리아세테이트(Glycerol triacetate) 등의 단독 또는 혼합 형태를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 감마-부틸로락톤, 디부틸프탈레이트, 디메틸프탈레이트, 디에틸프탈레이트, 디옥틸프탈레이트, 디옥틸세바케이트 및 글리세롤트리아세테이트 등을 단독 또는 혼합 형태를 사용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 감마-부틸로락톤 및 글리세롤트리아세테이트를 단독 또는 혼합 형태를 사용할 수 있다. 그리고, 그 사용량은 상기 PVDF 수지 100 중량부에 대하여 용매 60 ~ 200 중량부를, 바람직하게는 용매 80 ~ 180 중량부를 사용할 수 있다. 이때, 용매가 PVDF 수지 100 중량부에 대하여 60 중량부 미만일 경우, PVDF 수지가 잘 용해되지 않고, 토출액의 점도가 높아서 제막이 어려운 문제가 있을 수 있고, 200 중량부를 초과하면 PVDF 수지의 농도가 너무 낮아져서 중공사막의 강도가 약해지고, 배면압(ΔP)이 낮아지는 문제가 있을 수 있다.The solvent is selected from the group consisting of gamma-butyrolactone, dimethylacetamide (DMAc), N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylsulfoxide, dimethylformamide, dibutyl phthalate, dimethyl phthalate Dimethyl phthalate, diethyl phthalate, dioctyl phthalate, dioctylsebacate and glycerol triacetate may be used alone or in combination. Preferably, gamma -Butyrolactone, dibutyl phthalate, dimethyl phthalate, diethyl phthalate, dioctyl phthalate, dioctyl sebacate and glycerol triacetate, and the like can be used singly or in combination, and gamma-butylolactone and glycerol Triacetate may be used singly or in combination. The amount of the solvent to be used may be 60 to 200 parts by weight, preferably 80 to 180 parts by weight, based on 100 parts by weight of the PVDF resin. If the solvent is less than 60 parts by weight based on 100 parts by weight of the PVDF resin, the PVDF resin may not dissolve well and the viscosity of the discharged liquid may be too high to form the PVDF resin. If the solvent exceeds 200 parts by weight, The strength of the hollow fiber membrane is weakened, and the back pressure? P may be lowered.
그리고, 상기 비용매는 폴리에틸렌글리콜, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜 또는 프로필렌글리콜메틸에테르 등의 단독 또는 혼합형태일 수 있으며, 그 사용량은 상기 PVDF 수지 100 중량부에 대하여 비용매 5 ~ 30 중량부를, 바람직하게는 5 ~ 20 중량부를 사용할 수 있다. 이때, 상기 비용매가 5 중량부 미만일 경우 중공사막의 다공성 및 공극률이 떨어져 수투과도가 낮아지는 단점이 있을 수 있으며, 30 중량부를 초과할 경우 기공크기가 커져서 수투과도는 증가하나 제거율이 낮아질 수 있으며 기공크기 또한 일정하지 않는 문제가 발생할 수 있으므로 상기 범위 내에서 사용하는 것이 좋다.The non-solvent may be polyethylene glycol, ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol or propylene glycol methyl ether. The amount of the non-solvent may be 5 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the PVDF resin, And preferably 5 to 20 parts by weight. If the amount of the non-solvent is less than 5 parts by weight, the porosity and porosity of the hollow fiber membrane may be decreased to lower the water permeability. If the amount of the non-solvent is more than 30 parts by weight, the pore size may be increased to increase the water permeability, The size may also be uneven. Therefore, it is preferable to use within the above range.
또한, 상기 용매 및 비용매의 혼합 중량비는 3 : 1 ~ 5 : 1가 바람직하며, 상기 혼합 중량비 범위를 만족할 때 높은 다공성 및 공극률을 이루어 수투과도가 증가하는 장점이 있다.In addition, the mixing weight ratio of the solvent and the non-solvent is preferably 3: 1 to 5: 1, and when the mixing weight ratio is satisfied, high permeability and porosity are achieved.
상기 방사 원액을 제조하는 단계에 있어서, 상기 방사 원액은 PVDF 수지, 용매 및 비용매를 60 ~ 200℃에서 혼합하여 제조할 수 있는데, 이때, 60℃ 미만일 경우 PVDF의 용해 시간이 장시간 소모되어 PVDF고유의 물성이 변하는 단점이 있을 수 있으며, 200℃를 초과하는 경우 고열에 의한 고분자의 구조가 변하여 갈변 현상이 발생할 수 있으므로 상기 온도 범위 내에서 혼합하는 것이 좋다.In the step of producing the spinning liquid, the spinning liquid may be prepared by mixing PVDF resin, solvent and non-solvent at 60 to 200 ° C. At this time, when the temperature is less than 60 ° C., the dissolution time of PVDF is consumed for a long time, If the temperature exceeds 200 ° C., the structure of the polymer due to the high temperature may change and browning may occur. Therefore, it is preferable to mix the polymer within the above temperature range.
본 발명의 제조방법에 있어서, 중공사를 형성하는 단계에 대하여 설명을 한다.In the production method of the present invention, the step of forming a hollow fiber will be described.
중공사를 형성하는 단계는 상기 방사 원액을 방사 노즐을 통해 방사하고 외부 응고액에 침지하여 중공사를 형성시키는데, 이때, 기존 PVDF 중공사막 제조방법과 달리 내부 응고제를 사용하지 않는다.In the step of forming a hollow fiber, the spinning solution is spun through a spinning nozzle and immersed in an external coagulating liquid to form a hollow fiber. In this case, an internal coagulant is not used unlike a conventional PVDF hollow fiber membrane manufacturing method.
그리고, 상기 방사 노즐은 당업계에서 사용하는 일반적인 방사 노즐을 사용할 수 있으며, 특별히 한정하지는 않는다. 일례로 도 3에 나타낸 바와 같은 2중 관형 방사 노즐(5)의 단면도이다. 2중 관형 방사 노즐(5)의 외부관(2)으로는 상기 방사 원액을 주입할 수 있다. 그리고, 상기 방사 노즐은 90℃ ~ 200℃로 유지되는 것이 바람직하며, 상기 온도 범위를 벗어날 경우 고분자의 결정화도가 변하여 중공사막의 기공도 및 강도에 영향을 미칠 수 있다.The spinning nozzle may be a spinning nozzle generally used in the art, and is not particularly limited. For example, a double
그리고, 상기 외부 응고액은 특별한 제한은 없으나, 보다 바람직하게는 물, 감마부틸로락톤(γ-butyrolactone), 디메틸아세트아미드(DMAc), N-메틸-2-피롤리돈, 디메틸술폭시드, 디메틸포름아미드, 디부틸프탈레이트(Dibutyl Phthalate), 디메틸프탈레이트(Dimethyl phthalate), 디에틸프탈레이트(Diethyl phthalate), 디옥틸프탈레이트(Dioctyl phthalate), 디옥틸세바케이트(Dioctyl sebacate), 글리세롤 트리아세테이트(Glycerol triacetate), 폴리에틸렌 글리콜, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 이소프로필알코올, 메탄올 또는 에탄올 등의 단독 또는 혼합 형태를 사용할 수 있다.The external coagulating solution is not particularly limited, but is more preferably water, gamma-butyrolactone, dimethylacetamide (DMAc), N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylsulfoxide, dimethyl But are not limited to, formamide, dibutyl phthalate, dimethyl phthalate, diethyl phthalate, dioctyl phthalate, dioctyl sebacate, glycerol triacetate, , Polyethylene glycol, ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, isopropyl alcohol, methanol or ethanol, or the like may be used alone or in combination.
그리고, 외부 응고액은 -10℃ ~ 120℃, 바람직하게는 10℃ ~ 80℃일 수 있다. 외부 응고액에서의 냉각 속도가 느리면 중공사막 내부의 구형 크기는 커질 수 있으며, 냉각 속도가 빠르면 구형 크기가 작아질 수 있다. 외부 응고액의 온도가 -10℃ 미만일 경우 냉각 속도가 너무 빨라 너무 작은 구형 구조로 수투과도가 떨어질 수 있으며, 120℃를 초과할 경우 냉각 속도가 너무 느려서 상 분리가 늦어짐에 따라 구형 크기가 지나치게 커져 각 구형구조 사이의 밀집도 및 연결부위가 적어지게 되고, 다공성 및 인장강도가 떨어질 수 있다.The external coagulating solution may be -10 ° C to 120 ° C, preferably 10 ° C to 80 ° C. If the cooling rate in the external coagulation solution is low, the spherical size inside the hollow fiber membrane may become large, and the spherical size may become small at a high cooling rate. If the temperature of the external coagulating solution is less than -10 ° C, the cooling rate is too fast and the water permeability may be reduced due to too small spherical structure. If the temperature exceeds 120 ° C, the cooling rate is too slow. The density and the connection sites between the spherical structures are reduced, and the porosity and tensile strength may be lowered.
그리고, 방사 노즐로부터 토출되는 용액들은 응고조의 외부 응고액 표면까지의 거리(Air gap)를 제어함으로써, 막의 미세 기공 크기 및 물성을 조절할 수 있다. 바람직한 에어갭의 길이는 50 ~ 150 mm일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 80 ~ 120 mm일 수 있다. 이때 토출되는 용액으로부터 응고조의 외부 응고액의 표면까지의 거리가 50 mm 미만이면 거리가 너무 가까워 노즐 부분에서 응고가 일어나서 중공사에 불량을 초래하고, 150 mm를 초과하면 방사 과정에서 끊김 현상이 발생하거나 편심이 일어날 수 있다.The solution discharged from the spinneret can control the micropore size and physical properties of the membrane by controlling the air gap to the surface of the external coagulating solution of the coagulation bath. The preferred air gap length may be 50-150 mm, more preferably 80-120 mm. At this time, if the distance from the discharged solution to the surface of the external coagulating solution of the coagulation tank is less than 50 mm, the distance is too close to cause the coagulation at the nozzle portion, resulting in a failure in the hollow fiber. Or eccentricity can occur.
그리고, 상기 방사는 0.5 ~ 2 ㎏f/㎠의 배면압(ΔP) 하에서, 바람직하게는 0.7 ~ 1.5 ㎏f/㎠의 배면압 하에서 수행하는 것이 좋은데, 배면압이 0.5 ㎏f/㎠ 미만에서 방사를 수행하면 분리층 내부에 구형 구조 형성이 잘 되지 않는 문제가 있을 수 있고, 2 ㎏f/㎠ 초과하는 경우, 외부 선택층이 두꺼워져 수투과도가 감소하는 문제가 있을 수 있다.The spinning is preferably carried out under a back pressure (P) of 0.5 to 2 kgf /
그리고, 본 발명에 있어서, 상기 배면압(ΔP)은 하기 수학식 1을 통해서 구할 수 있다. In the present invention, the back pressure? P can be obtained by the following equation (1).
[수학식 1][Equation 1]
상기 수학식 1에 있어서, S(mm-3)는 함수 L/(A×D2)의 값이며, L은 구금(노즐)에서 조액이 토출되는 부분의 홀(hole)의 길이(mm)이고, D는 홀 직경(mm)으로서 (전체 홀 직경 - 내부응고제 홀의 직경)이며, A는 홀 단면적(mm2)으로서 (전체 홀의 단면적 - 내부응고제 홀의 단면적)이며, Q는 토출량(g/min)이고, η는 방사원액의 점도(poise at 25℃)이며, λ는 형태계수이고, ρ는 PVDF 수지의 밀도(g/cm3)이며, gc는 중력가속도(cm/sec2)이고, H는 구금 내의 홀(hole)수이다.In Equation (1), S (mm -3 ) is a value of a function L / (A x D 2 ), L is a length (mm) of a hole through which a liquid is discharged from a nip D is the diameter of the hole (mm) (total hole diameter-diameter of the internal coagulant hole), A is the hole cross-sectional area (mm 2 ) (G / cm 3 ), g c is the gravitational acceleration (cm / sec 2 ), H is the viscosity of the spinning liquid (poise at 25 ° C), λ is the form factor, ρ is the density of the PVDF resin Is the number of holes in the cage.
상기 수학식 1의 η는 2,000≤η≤7,000을 만족하는 유리수인 것을, 바람직하게는 4,000≤η≤6,000을 만족하는 유리수인 것이 좋으며, 이때, η가 2,000 미만이면 중공사막의 강도가 약해지고, 배면압이 너무 낮아지는 문제가 있을 수 있으며, 7,000을 초과하면 중공사막의 분리막 내부 및 외부의 기공차이가 너무 커지는 문제가 있을 수 있다.? Is preferably a rational number satisfying 2,000?? 7,000, preferably 4,000?? 6,000. If? Is less than 2,000, the strength of the hollow fiber membrane is weakened, There may be a problem that the pressure becomes too low, and if it exceeds 7,000, there may be a problem that the difference in pore between the inside and the outside of the membrane of the hollow fiber membrane becomes too large.
또한, 상기 수학식 1의 ρ는 1.75≤ρ≤1.79을 만족하는 유리수인 것을, 바람직하게는 1.76≤ρ≤1.77을 만족하는 유리수인 것이 좋으며, ρ가 상기 값을 만족하는 것이 스폰지 구조 형성면에서 유리하다.It is preferable that rho satisfies 1.75? R? 1.79, preferably 1.76? R? 1.77, and it is preferable that? Satisfies the above value, It is advantageous.
또한, 상기 수학식 1의 λ는 23≤λ≤24을, 바람직하게는 23.4≤λ≤23.8을 만족하는 유리수인 것이 좋으며, λ는 상기 값을 만족하는 것이 중공사막의 일정한 외형 및 두께를 형성하는 면에서 유리하다.In the above formula (1),? Is a rational number satisfying 23??? 24, preferably 23.4?? 23.8, and? Satisfies the above-mentioned value to form a constant outer shape and thickness of the hollow fiber membrane .
또한, 상기 수학식 1의 S는 40≤S≤70을 만족하는 유리수, 바람직하게는 50≤S≤68을 만족하는 유리수인 것이 좋으며, S가 40 미만이면 구금 내조액의 흐름의 체류가 생겨 흐름이 불균일하게 되고 이에 따라 중공사막 단사현상이 발생하는 문제가 있을 수 있고, 70을 초과하면 중공사막 단면이 불균일하게 되는 문제가 있을 수 있다.S in the equation (1) is a rational number satisfying 40? S? 70, preferably a rational number satisfying 50? S? 68. If S is less than 40, There may be a problem that the hollow fiber membrane monofilament phenomenon occurs, and if it exceeds 70, the cross-section of the hollow fiber membrane may become uneven.
또한, 상기 수학식 1의 Q는 7≤Q≤20을 만족하는 유리수, 바람직하게는 9≤Q≤18을 만족하는 유리수인 것이 좋으며, Q가 7 미만이면 배면압이 낮아져 방사사절 및 품질불량의 문제가 있을 수 있고, 20을 초과하면 구금에서 토출되는 순간 다이 스웰(DIE SWELL, 토출구에서 조액이 부풀어 오르다가 다시 얇아지는 현상으로, 제품이 불균일해진다.) 현상이 발생하는 문제가 있을 수 있다.
Q is preferably a rational number satisfying 7? Q? 20, preferably a rational number satisfying 9? Q? 18. If Q is less than 7, the back pressure is lowered, There is a problem. If it exceeds 20, DIE SWELL (the phenomenon that the liquid is swollen at the discharge port and becomes thin again at the moment when it is discharged from the detention, the product becomes uneven) may occur.
이와 같은 방법으로 제조한 본 발명의 PVDF 비대칭 다공성 중공사막은 앞서 설명한 바와 같이 높은 상업성 및 경제성으로 PVDF 비대칭 다공성 중공사막을 제조할 수 있으며, 중공사막의 구형 외부가 스폰지 형태의 비대칭 구조(Asymmetry like structure)를 갖을 수 있고, 우수한 수투과도 및 배제율을 동시에 갖으면서도 우수한 인장강도를 갖을 수 있다.
As described above, the PVDF asymmetric porous hollow fiber membrane of the present invention manufactured by such a method can produce a PVDF asymmetric porous hollow fiber membrane with high commercial efficiency and economical efficiency, and the spherical exterior of the hollow fiber membrane can be formed into an asymmetric like structure ), And can have excellent tensile strength while having excellent water permeability and rejection ratio at the same time.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the following examples should not be construed as limiting the scope of the present invention, and should be construed to facilitate understanding of the present invention.
[[ 실시예Example ] ]
실시예Example 1 One
중량평균분자량 440,000인 PVDF(Solef 6013, Solvay) 100 중량부에 대하여, 용매로서 감마부틸로락톤(GBL, 용해도: 26.2 MPa1 /2) 150 중량부, 비용매로서 디에틸글리콜 20 중량부 및 폴리에틸렌글리콜 5 중량부를 서서히 혼합하여 점도 6000 poise(at 용융온도)의 균일한 방사 원액을 제조하였다.The weight average molecular weight of 440,000 of PVDF (Solef 6013, Solvay), based on 100 parts by weight of a lactone as a solvent gamma-butyl (GBL, solubility: 26.2 MPa 1/2) 150 parts by weight of a non-solvent of diethyl glycol, 20 parts by weight of polyethylene, And 5 parts by weight of glycol were gradually mixed to prepare a uniform spinning solution having a viscosity of 6000 poise (at melting temperature).
다음으로, 상기 방사 원액을 하기 수학식 1을 이용하여 배면압이 1.4 ㎏/㎠으로 유지되는 이중 노즐(도 3)로 이송 및 토출시켰다. Next, the spinning stock solution was transferred and discharged into a double nozzle (FIG. 3) maintained at a back pressure of 1.4 kg /
상기 이송은 방사 원액에 함유된 기포를 진공펌프를 이용하여 제거한 뒤, 기어펌프를 이용하여 이중 노즐로 이송시켰다. The bubbles contained in the spinning stock solution were removed using a vacuum pump and then transferred to a double nozzle using a gear pump.
또한, 노즐과 응고조 수면의 높이(Air gap)은 10 ㎝를 유지하였다. 이렇게 토출된 혼합액은 응고조를 통하여 냉각시켜 상분리를 유도하였으며, 이후, 20 m/min의 속도로 25℃의 수욕조에서 권취를 실시하였다.The air gap between the nozzle and the coagulation bath was maintained at 10 ㎝. The discharged mixture was cooled through a coagulation bath to induce phase separation, and then wound at a rate of 20 m / min in a water bath at 25 ° C.
제조한 중공사막은 도 1a 및 도 1b에 나타낸 바와 같이 평균기공 0.1㎛인 내부 구형 구조-외부 스폰지 구조의 비대칭 구조가 형성된 것을 확인할 수 있었으며, 평균공경 0.1㎛의 오차범위 60%를 만족하는 0.07 ~ 0.16㎛의 기공이 전체기공의 80 %였다.As shown in FIGS. 1A and 1B, it was confirmed that the produced hollow fiber membrane had an asymmetric structure of an internal spherical structure-external sponge structure having an average pore size of 0.1 μm, and an asymmetric structure having an average pore size of 0.1 μm. The pores of 0.16 mu m were 80% of the total pores.
[수학식 1][Equation 1]
상기 수학식 1에 있어서, S는 65 mm2이며, Q는 16 g/min이고, η는 6,000(poise at 용융온도)이며, λ는 23.6이고, ρ는 1.78 g/cm3이며, gc는 중력가속도(cm/sec2)이고, H는 1이다.
In the above equation (1), and S is 65 mm 2, Q is a 16 g / min, η is 6,000 (poise at the melting temperature), and λ is 23.6, ρ is 1.78 g / cm 3, g c is Gravitational acceleration (cm / sec 2 ), and H is 1.
실시예Example 2 2
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조한 중공사막을 제조하되, 수학식 1에서 토출량(수학식 1의 Q)을 줄여서, 배면압이 0.8 ㎏f/㎠이 유지되는 이중 노즐로 방사 원액을 이송 및 토출시켜서, 평균기공 0.12 ㎛인 비대칭 구조가 형성된 중공사막을 제조하였다. 그리고, 상기 중공사막은 평균기공 0.12 ㎛의 오차범위 60%를 만족하는 기공이 전체기공의 83%였다.
The hollow fiber membrane produced in the same manner as in Example 1 was prepared, and the spinning stock solution was transferred to the double nozzle in which the back pressure was maintained at 0.8 kgf /
실시예Example 3 3
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조한 중공사막을 제조하되, 수학식 1에서 토출량(수학식 1의 Q)을 늘여서, 배면압이 1.8 ㎏f/㎠이 유지되는 이중 노즐로 방사 원액을 이송 및 토출시켜서, 평균기공 0.13 ㎛인 비대칭 구조가 형성된 중공사막을 제조하였다. 그리고, 상기 중공사막은 평균기공 0.13 ㎛의 오차범위 ±60%를 만족하는 기공이 전체기공의 84%였다.
The hollow fiber membrane produced in the same manner as in Example 1 was produced, and the discharge amount (Q in Equation 1) was increased in the formula (1), and the spinning stock solution was transferred to the double nozzle maintaining the back pressure of 1.8 kgf / And a hollow fiber membrane having an asymmetric structure with an average pore size of 0.13 탆 was prepared. The pore size of the hollow fiber membrane was 84% of the total pore size, which satisfied the error range ± 60% of the average pore size of 0.13 μm.
실시예Example 4 4
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조한 중공사막을 제조하되, 용매로서 감마부틸로락톤(GBL, 용해도: 26.2 MPa1 /2) 100 중량부 및 비용매로서 디에틸글리콜 20 중량부 및 폴리에틸렌글리콜 5 중량부를 사용한 방사 원액을 제조한 후, 이를 이용하여 평균기공 0.11 ㎛인 비대칭구조가 형성된 중공사막을 제조하였다. 그리고, 상기 중공사막은 평균기공 0.11 ㎛의 오차범위 ±60%를 만족하는 기공이 전체기공의 86.7%였다.
Was prepared in a hollow fiber membrane produced in the same manner as in Example 1, the lactone as a solvent gamma-butyl (GBL, solubility: 26.2 MPa 1/2) is 100 parts by weight of a non-solvent of diethyl glycol, 20 parts by weight of
실시예Example 5 5
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 중공사막을 제조하되, 용매로서 감마부틸로락톤(GBL, 용해도: 26.2 MPa1 /2) 150 중량부, 비용매로서 디에틸글리콜 10 중량부 및 폴리에틸렌글리콜 10 중량부를 이를 이용하여 평균기공 0.14 ㎛인 비대칭 구조가 형성된 중공사막을 제조하였다. 그리고, 상기 중공사막은 평균기공 0.14㎛의 오차범위 ±60%를 만족하는 기공이 전체기공의 90.3%였다.
It was prepared in the hollow fiber membrane in the same manner as Example 1, the lactone as a solvent gamma-butyl (GBL, solubility: 26.2 MPa 1/2) 150 parts by weight of a non-solvent of diethyl glycol, 10 parts by weight of polyethylene glycol 10 parts by weight Using this, a hollow fiber membrane having an asymmetric structure with an average pore size of 0.14 μm was prepared. The pore size of the hollow fiber membrane was 90.3% of the total pore, which satisfied the error range of ± 0.15 μm ± 60%.
실시예Example 6 6
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 중공사막을 제조하되, 용매를 DMAc 대신 GTA(Glycerin triacetate)을 사용하여 평균기공 0.16 ㎛인 비대칭-스폰지 구조가 형성된 중공사막을 제조하였다. 그리고, 상기 중공사막은 평균기공 0.16 ㎛의 오차범위 ±60%를 만족하는 기공이 전체기공의 88.2%였다.
A hollow fiber membrane having an asymmetric-sponge structure with an average pore size of 0.16 탆 was prepared by using GTA (Glycerin triacetate) instead of DMAc in the same manner as in Example 1. The pore size of the hollow fiber membrane was 88.2% of the total pore size, which satisfied the error range ± 60% of the average pore size of 0.16 μm.
비교예Comparative Example 1 One
중량평균분자량 440,000인 PVDF(Solef 6013, Solvay) 100 중량부에 대하여, 용매로서 디메틸아세트아미드(DMAc, 용해도: 22.7 MPa1 /2) 250 중량부, 비용매로서디에틸글리콜 30 중량부 및 폴리에틸렌글리콜 10 중량부를 서서히 혼합하여 점도 650 poise(at 용융온도℃)의 균일한 방사 원액을 제조하였으며 내부응고제로는 DMAc를 사용하였다.With respect to the weight average molecular weight of 440,000 in 100 parts by weight of PVDF (Solef 6013, Solvay), as a solvent of dimethylacetamide (DMAc, solubility: 22.7 MPa 1/2) 250 parts by weight of a
이렇게 토출된 혼합액은 응고조를 통하여 냉각시켜 상분리를 유도하였으며, 이후 20m/min의 속도로 25℃의 수욕조에서 권취를 실시하였다.The mixed liquid thus discharged was cooled through a coagulation bath to induce phase separation, and then wound at a rate of 20 m / min in a water bath at 25 ° C.
이와 같이 제조된 중공사막은 도 3a 및 도 3b에 나타낸 바와 같이 단축약 100 ㎛ 및 장축약 200 ㎛인 핑거형태(finger-like)기공이 형성되었다.
As shown in FIGS. 3A and 3B, the thus-produced hollow fiber membrane was formed with finger-like pores having a short axis of about 100 μm and a major axis of about 200 μm.
비교예Comparative Example 2 2
중량평균분자량 440,000인 PVDF(Solef 6013, Solvay) 100 중량부에 대하여, 용매로서 디메틸아세트아미드(DMAc, 용해도: 22.7 MPa1 /2) 250 중량부, 비용매로서 디에틸글리콜 30 중량부 및 폴리에틸렌글리콜 10 중량부를 서서히 혼합하여 점도 650 poise(at 25℃)의 균일한 방사 원액을 제조하였다.With respect to the weight average molecular weight of 440,000 in 100 parts by weight of PVDF (Solef 6013, Solvay), as a solvent of dimethylacetamide (DMAc, solubility: 22.7 MPa 1/2) 250 parts by weight of a
다음으로, 상기 방사 원액을 하기 수학식 1을 이용하여 배면압이 0.3 ㎏/㎠이 유지되는 이중 노즐로 이송 및 토출시켰다. Next, the spinning stock solution was transferred and discharged to a double nozzle maintaining the back pressure of 0.3 kg /
상기 이송은 방사 원액에 함유된 기포를 진공펌프를 이용하여 제거한 뒤, 기어펌프를 이용하여 이중 노즐로 이송시켰다. The bubbles contained in the spinning stock solution were removed using a vacuum pump and then transferred to a double nozzle using a gear pump.
또한, 노즐과 응고조 수면의 높이(Air gap)은 10 ㎝를 유지하였다. 이렇게 토출된 혼합액은 응고조를 통하여 냉각시켜 상분리를 유도하였으며, 이후, 20 m/min의 속도로 25℃의 수욕조에서 권취를 실시하였다.The air gap between the nozzle and the coagulation bath was maintained at 10 ㎝. The discharged mixture was cooled through a coagulation bath to induce phase separation, and then wound at a rate of 20 m / min in a water bath at 25 ° C.
제조한 중공사막은 도 4a 및 도 4b에 나타낸 바와 같이 본 발명인 실시예 1에서 제조한 중공사막(내부 구형구조-외부 스폰지 구조)가 아닌 평균기공 0.05 ㎛인 비대칭-스폰지 구조가 형성되었다.
As shown in FIGS. 4A and 4B, an asymmetric-sponge structure having an average pore size of 0.05 μm was formed instead of the hollow fiber membrane (internal spherical structure-external sponge structure) prepared in Example 1 of the present invention.
비교예Comparative Example 3 3
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조한 중공사막을 제조하되, 용매로서 감마부틸로락톤(GBL, 용해도: 26.2 MPa1/2) 40 중량부 및 비용매로서 디에틸글리콜 30 중량부 및 폴리에틸렌글리콜 30 중량부를 사용하여 방사 원액을 제조한 후, 이를 이용하였으며, 배면압은 1.2 ㎏f/㎠였다. 제조된 비대칭-스폰지 구조가 형성된 중공사막은 평균기공 0.22 ㎛였으며, 평균기공 0.22 ㎛의 오차범위 60%를 만족하는 기공이 전체기공의 70.5%였다.
40 parts by weight of gamma-butylolactone (GBL, solubility: 26.2 MPa 1/2 ) as a solvent, 30 parts by weight of diethyl glycol as a non-solvent and 30 parts by weight of
실험예Experimental Example 1 One
실시예 1 ~ 6 및 비교예 1 ~ 3에서 제조한 PVDF 중공사 분리막에 대한 순수투과도, 인장강도, 배제율을 아래와 같은 방법으로 측정하였고, 그 결과를 표 1에 기재하였다.The pure water permeability, tensile strength and rejection rate of the PVDF hollow fiber membranes prepared in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 were measured by the following methods, and the results are shown in Table 1.
1) 순수투과도 측정 방법1) Measurement method of pure water permeability
상기 제조된 중공사 분리막 모듈에 대하여, 상온의 순수를 1.0 기압으로 전량 여과(DEAD-END) 방식으로 모듈의 한 측면에 공급하고, 투과된 물의 양을 측정한 후, 단위시간, 단위막 면적, 단위압력 당 투과량으로 환산하였다.
The hollow fiber membrane module was supplied with pure water at a room temperature at a pressure of 1.0 atm on one side of the module by a DEAD-END method, and the amount of permeated water was measured. Then, the unit time, And converted into permeation amount per unit pressure.
2) 배제율 측정 방법2) Method of measuring rejection rate
25℃에서 PLB(평균입경 0.1㎛, MagsphereInc)를 순수에 용해시켜 100 ppm 농도의 수용액을 제조하였다. 상기 제조된 중공사 분리막 모듈의 일측면에 수용액을 1.0 kgf/cm2의 압력으로 공급하여 투과된 수용액 및 초기 공급된 원수에 용해된 PLB 농도를 자외선분광기(베리안사, Cary-100)를 이용하여 측정하였다.PLB (average particle diameter 0.1 mu m, Magsphere Inc) was dissolved in pure water at 25 DEG C to prepare an aqueous solution having a concentration of 100 ppm. The aqueous solution was supplied to one side of the prepared hollow fiber membrane module at a pressure of 1.0 kgf / cm 2 , and the PLB concentration dissolved in the permeated aqueous solution and the raw water initially supplied was measured using an ultraviolet spectrophotometer (Cary-100) Respectively.
이후, 275 nm 파장에서 측정된 흡수피크의 상대적인 비를 하기 수학식 2를 이용하여 백분율로 환산하여 PLB 배제율을 결정하였다.Thereafter, the relative ratio of the absorption peaks measured at a wavelength of 275 nm was converted into a percentage using the following equation (2) to determine the PLB rejection rate.
[수학식 2]&Quot; (2) "
배제율(%) = (원액농도- 투과농도)/원액농도× 100
Excretion rate (%) = (stock concentration - permeation concentration) / stock concentration × 100
3) 3) 인장강도The tensile strength 측정 방법 How to measure
인장시험기를 통해 제조된 중공사 막의 인장강도, 인장신도 등을 측정하였다. 인장시험은 파지거리 10 cm, 크로스헤드 스피드는 3 cm/분으로 하여 23℃에서 실시하였다. 인장 시험기(도요 볼드윈사 제조「RTM-100」)를 사용하여 온도 23℃, 상대 습도 50％의 분위기 중에서 초기 시료 길이 100 mm, 크로스 헤드 속도 200 mm/분의 조건하에서 측정하였다.The tensile strength and tensile elongation of the hollow fiber membranes prepared through the tensile tester were measured. The tensile test was carried out at 23 ° C with a gripping distance of 10 cm and a crosshead speed of 3 cm / min. (Initial sample length: 100 mm, crosshead speed: 200 mm / min) at a temperature of 23 DEG C and a relative humidity of 50% using a tensile tester ("RTM-100" manufactured by Toyo Baldwin Co., Ltd.).
(LMH)Pure permeability
(LMH)
(%)PLB exclusion rate
(%)
(MPa)The tensile strength
(MPa)
상기 표 1의 실험결과를 살펴보면, 실시예 1 ~ 6의 경우, 1,000 LMH 이상의 높은 수투과도, 90% 이상의 PLB 배재율을 갖으면서도 높은 인장강도를 갖는 것을 확인할 수 있다.The results of Table 1 show that Examples 1 to 6 have a high water permeability of 1,000 LMH or more and a PLB rejection rate of 90% or more and high tensile strength.
그러나, 비교예 1의 경우 인장강도가 좋지 못했으며, 배면압이 0.5 미만이였던 비교예 2의 경우, PLB 배재율 및 인장강도가 매우 우수하나, 수투과도가 실시예와 비교할 때 매우 좋지 않았다. 또한, 용매 사용량이 50 중량부 미만이고, 비용매를 과다 사용한 비교예 3의 경우, 수투과도는 매우 우수하나, 평균기공이 너무 크고, 기공율이 고르지 못해서인지 PLB 배제율이 85% 미만으로 낮았고 또한 인장강도 역시 좋지 못한 결과를 보였다.However, in Comparative Example 1, the tensile strength was poor, and in Comparative Example 2 in which the back pressure was less than 0.5, the PLB rejection ratio and tensile strength were excellent, but the water permeability was not very good as compared with the Examples. In Comparative Example 3 in which the amount of solvent used was less than 50 parts by weight and the non-solvent was excessively used, the water permeability was excellent, but the average pore was too large and the porosity was uneven, so that the PLB rejection rate was as low as less than 85% Tensile strength was also poor.
상기 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명이 제시하는 특정 조건 하에서 특정 방법으로 제조한 PVDF 비대칭 다공성 중공사막은 핑거 형태의 매크로기공이 생성되지 않는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 본 발명은 우수한 수투과도, BSA 배제율 및 인장강도를 갖는 것을 확인할 수 있었다.
It can be seen from the above Examples and Experiments that macropores in the form of fingers were not generated in the PVDF asymmetric porous hollow fiber membrane produced by the specific method under the specific conditions suggested by the present invention. Further, it was confirmed that the present invention has excellent water permeability, BSA elimination rate and tensile strength.
1 : 내부응고제 이송관, 2 : 외부관
5 : 2중 관형 방사노즐 단면1: inner coagulant transfer pipe, 2: outer pipe
5: Double tubular spinning nozzle section
Claims (12)
상기 방사원액을 방사노즐을 통해 방사하고 외부응고액에 침지하여 중공사를 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 방사는 0.5 ~ 2 ㎏f/㎠의 배면압(ΔP) 하에서 수행하고,
상기 배면압(ΔP)은 하기 수학식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 PVDF 비대칭 다공성 중공사막의 제조방법;
[수학식 1]
상기 수학식 1에 있어서, S(mm-3)는 함수 L/(A×D2)의 값이며, L(mm)은 구금(노즐)에서 조액이 토출되는 부분의 홀(hole)의 길이이고, D(mm)는 홀 직경으로서 전체 홀 직경에서 내부응고제 홀의 직경을 뺀 값이며, A(mm2)는 홀 단면적으로서 전체 홀의 단면적에서 내부응고제 홀의 단면적을 뺀 값이고, Q는 토출량(g/min)이며, η는 방사원액의 점도(poise at 25℃)이고, λ는 형태계수이고, ρ는 PVDF 수지의 밀도(g/cm3)이며, gc는 중력가속도(cm/sec2)이고, H는 구금 내의 홀(hole)수이다.
Preparing a spinning solution comprising a polyvinylidene fluoride (PVDF) resin, a solvent and a non-solvent; And
And spinning the spinning solution through a spinning nozzle and dipping the spinning solution in an external coagulating liquid to form a hollow fiber,
The spinning is carried out under a back pressure (AP) of 0.5 to 2 kgf / cm < 2 &
Wherein the back pressure (? P) satisfies the following formula (1): < EMI ID = 1.0 >
[Equation 1]
In Equation 1, S (mm -3 ) is a value of a function L / (A x D 2 ), L (mm) is a hole length of a portion where the liquid is discharged from the nozzle A is the hole cross-sectional area minus the cross-sectional area of the internal coagulating agent hole in the cross-sectional area of all holes, Q is the discharge amount (g / m 2 ), D (mm) is the hole diameter minus the diameter of the internal coagulating agent hole, and min), η is the viscosity of the spinning solution (poise at 25 ℃), λ is the form factor, ρ is the density (g / cm 3) of the PVDF resin, g c is the gravitational acceleration (cm / sec 2) , And H is the number of holes in the cage.
The method according to claim 1, wherein? In the formula (1) is a rational number satisfying 2,000??? 7,000.
The method according to claim 1, wherein the ρ of Equation (1) is a rational number satisfying 1.75 ρ ≦ 1.79.
2. The method for producing a PVDF asymmetric porous hollow fiber membrane according to claim 1, wherein? In formula (1) is a rational number satisfying 23???
The method according to claim 1, wherein S is a rational number satisfying 40? S? 70, Q is a rational number satisfying 7? Q? 20, and H is a rational number satisfying 1? To produce a PVDF asymmetric porous hollow fiber membrane.
상기 중공사막은 중공 및 분리층을 포함하며,
상기 분리층은 비대칭 구조로서, 내부는 구형구조(Spherulite like structure)이며, 외부 표면으로 갈수록 스폰지구조(Asymmetry-sponge like structure)를 갖으며,
중공사막의 평균기공은 0.1 ~ 0.2㎛인 것을 특징으로 하는 PVDF 비대칭 다공성 중공사막의 제조방법.
6. The method according to any one of claims 1 to 5,
Wherein the hollow fiber membrane comprises a hollow and separating layer,
The separation layer has an asymmetric structure, a spherical structure inside and a spymgon-like structure toward the outer surface,
Wherein the average pore size of the hollow fiber membrane is 0.1 to 0.2 탆.
The method according to claim 1, wherein the solvent is selected from the group consisting of gamma-butyrolactone, dimethylacetamide (DMAc), N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylsulfoxide, dimethylformamide, dibutyl phthalate Containing at least one member selected from the group consisting of phthalate, dimethyl phthalate, diethyl phthalate, dioctyl phthalate, dioctylsebacate and glycerol triacetate. Wherein the porous hollow fiber membrane has a thickness of at least 10 microns.
The method according to claim 1, wherein the non-solvent comprises at least one selected from the group consisting of polyethylene glycol, ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, and propylene glycol methyl ether.
The method of claim 1, wherein the spinning solution comprises 60 to 200 parts by weight of a solvent and 5 to 30 parts by weight of a non-solvent based on 100 parts by weight of the PVDF resin.
상기 중공의 외주를 따라 형성된 분리층;을 포함하며,
상기 분리층은 비대칭 구조(Asymmetry-sponge)로서, 분리층의 내부는 구형구조(Spherulite like structure)이며, 외부 표면으로 갈수록 스폰지구조(Sponge like structure)를 갖으며, 분리층의 평균기공 0.1 ~ 0.2㎛인 것을 특징으로 하며,
상기 분리층 내부의 구형구조는 외부에서 중공 방향인 내부로 갈수록 점진적으로 직경구배가 증가하는 형태이고,
수투과도가 1,000 LMH 이상이고, PLB(Polystyrene latex bead, 평균입경 0.1㎛)에 대한 배제율이 90% 이상인 것을 특징으로 하는 PVDF 비대칭 다공성 중공사막.
Hollow; And
And a separation layer formed along the outer periphery of the hollow,
The separation layer is an asymmetric structure. The separation layer has a spherical structure. The separation layer has a sponge-like structure toward the outer surface. The average pore size of the separation layer is 0.1 to 0.2 Mu m,
The spherical structure inside the separation layer has a shape in which the diameter gradient gradually increases from the outside to the inside in the hollow direction,
Wherein the PVDF asymmetric porous hollow fiber membrane has a water permeability of not less than 1,000 LMH and an rejection ratio of not less than 90% to PLB (polystyrene latex bead, average particle size of 0.1 mu m).
평균기공크기의 오차범위 ±60%를 만족하는 기공이 전체기공 중 80% 이상인 것을 특징으로 하는 PVDF 비대칭 다공성 중공사막.
11. The method of claim 10, wherein the separation layer
Characterized in that the pores satisfying the error range of the average pore size ± 60% are at least 80% of the total pores.
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