KR102033119B1 - 항균 및 항바이러스용 양전하 필터 및 이의 제조방법 - Google Patents
항균 및 항바이러스용 양전하 필터 및 이의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
분리막용 양전하 코팅 조성물이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 의한 분리막용 양전하 코팅 조성물은 0.5 ~ 20 중량%의 습윤제, 0.001 ~ 3 중량%의 수용성 에폭시 가교제 및 0.01 ~ 5 중량%의 다관능성 아민 화합물을 포함하여 구현된다. 이에 의하면, 음전하를 갖는 유/무기 입자 또는 일부 중금속 및 병원성 미생물에 대하여 선택적 제거 성능이 우수한 기능성을 부여함과 동시에 추가적인 설비나 기구를 이용하지 않음으로써 경제적이며 친환경적인 장점이 있기 때문에 다양한 분야에서의 활용도를 크게 제고할 수 있다.
Description
본 발명은 양전하 필터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 본 발명은 수중에 서 음전하를 띠고 있는 유/무기 입자, 중금속 성분 및 병원성 미생물에 대하여 선택적 제거 성능을 가지는 양전하 필터 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 물 속에는 천연유기물질(Natural Orgnic Matter; NOM)을 비롯한 수많은 이온성 물질, 화학물질이 존재하며 이들은 상수처리 과정에서 제거되지 않고 새로운 오염물질을 발생시키는 원인물질로 작용한다.
또한, 최근에는 염소소독으로 제거되지 않는 병원성 미생물에 대한 존재 여부가 논란이 되고 있다. 일 예로 바이러스(Virus), 크립토스포리디움(Crytosphoridium), 자이알디아(Giardia) 등으로 분류되는 병원성 미생물은 인체 및 동물의 분변을 통해 환경 중으로 배출되어 하수뿐만 아니라 지표수와 지하수에도 존재한다. 이러한 바이러스를 비롯한 병원성 미생물의 경우 크기가 매우 작기 때문에 일반 여과에 의해서는 거의 처리되지 않으며 내성이 강한 낭종(Cyst)을 형성함으로써 물에서 수개월이상 안정적으로 살 수 있다.
또한 먹는 물로서 음용이 가능한 물은 알루미늄, 철, 납, 수은 등의 중금속에 대한 기준 및 규제가 환경부에서 고시되어 활용되고 있으며, 다양한 외적 환경변화에 대응하기 위하여 지속적인 분석 관리가 진행 중에 있다. 이를 제거하기 위한 국가 단위의 대규모 연구가 진행 중이다.
한편 상술한 것과 같이 물 속에 잔존하는 미량의 오염물질을 제거하기 위하여 상수처리과정에서 고도응집처리 또는 활성탄 흡착, 막여과가 제시되고 있는데 최근 막을 사용한 정수처리 공정에 대한 국가단위의 대규모 연구가 진행 중이다. 특히, 막 여과에 대해서는 최근에 많은 연구가 이루어져 고도정수처리 과정에서 실용화가 타진되고 있는데 아직까지도 경제적인 비용과 기술적인 문제로 인해 폭넓게 이용되지는 못하고 있다.
예를 들어, 일본 공개특허 제1994-015167호에서는 폴리프로필렌 여재를 사용하여 후처리 코팅 방식을 통해 제조된 양전하 필터 여재 기술을 개시하고 있다. 그러나 상기 기술은 유리섬유 대신에 폴리프로필렌을 사용하였다는 점에서 소재 안정성은 다소 높으나, 바이러스만 제거 가능할 뿐 박테리아 및 세균 등을 제거하지 못하고 유량 및 여과 압력이 현저히 저하되는 문제점이 있다.
또한, 대한민국 특허공개번호 10-2004-0088046, 미국 등록특허 7,601,262호, 대한민국 특허공개번호 10-2002-0029669 등에서는 항바이러스 여재 제조를 위해 유리섬유를 기본 여재로 두고, 유리섬유 제조 시에 양전하를 띄는 무기화합물을 첨가하는 방식으로 제조하여 양전하 필터를 제조하고 이를 이용하여 바이러스를 흡착제거 하는 기술을 소개하고 있으나, 유리섬유를 사용한다는 점에서 발암 등의 유해성 논란으로 수처리 공정의 적합성이 우려되는 문제점과 유리섬유를 사용하여 제조 시 첨가되는 화합물에 의해 제품 군에서 다양화되지 못한다는 문제점이 있었다.
이에 본 발명자들은 추가적인 설비나 기구 없이 간단한 공정을 통하여 중금속이나 병원성 미생물 등에 대한 선택적 제거가 가능함과 동시에 친환경적이기 때문에 정수필터를 비롯한 다양한 수처리 분야로의 활용도를 제고한 필터에 대한 발명을 완성하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 음전하를 갖는 유/무기 입자 또는 일부 중금속 및 병원성 미생물에 대하여 선택적 제거 성능이 우수한 기능성을 부여함과 동시에 추가적인 설비나 기구를 이용하지 않음으로써 경제적이며 친환경적인 장점을 갖는 양전하 필터 및 이의 제조 방법을 제공하는데 발명의 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 폴리에틸렌이민, 디에틸렌트리아민, 피페라진, 디메틸렌피페라진 및 디페닐아민 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 다관능성 아민 화합물, 폴리에틸렌 글리콜 디글리시딜 에테르(Polyethylene glycol diglycidyl Ether), 솔비톨 폴리글리시딜 에테르(Sorbitol polyglycidyl ether), 디에틸렌 글리콜 디글리시딜 에테르(Diethylene glycol diglycidyl Ether) 및 프로필렌 글리콜 디글리시딜 에테르(Propylene glycol diglycidyl Ether)에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하며 상기 다관능성 아민 화합물과 에폭시 반응을 수행하는 가교제 및 소디움 디옥틸 설포숙시네이트(Sodium dioctyl sulfosuccinate), 포타시움 코코일 글리시네이트(Potassium cocoyl glycinate), 소디움 도데실 설페이트(sodium dodecyl sulfate), 2-에틸-1,3-헥산디올(2-ethyl-1,3-hexanediol), 2,2,4-트리메틸-1,3-펜탄디올(2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol), 알킬폴리글리코시드(alkyl polyglucoside) 및 알킬글루카미드(alkyl glucamide) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 침투제를 포함하는 양전하 코팅 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 양전하 코팅 조성물은 양전하 코팅 조성물 100 중량부에 대하여 다관능성 아민 화합물 1 ~ 15 중량부, 가교제 1 ~ 3 중량부 및 침투제 0.05 ~ 1 중량부로 포함할 수 있다.
또한, 상기 다관능성 아민 화합물은 중량평균분자량이 1,000 ~ 1,000,000 인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명은 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌 섬유 및 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 중에서 선택된 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 부직포 및 상술한 양전하 코팅 조성물이 상기 부직포 내부 및 표면에 포함된 섬유 가닥에 코팅되어 형성된 양전하 코팅층을 포함하는 양전하 필터를 제공한다.
삭제
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 지지체는 0.3 ~ 2 mm의 평균 두께 및 30 ~ 150 g/m2의 평량을 가질 수 있다.
또한, 상기 양전하 필터는 pH 7 의 조건에서 5 ~ 50 mV의 표면전하를 가질 수 있다.
또한 본 발명은 (1) 상술한 양전하 코팅 조성물을 부직포에 처리하는 단계, (2) 상기 양전하 코팅 조성물이 처리된 부직포를 열처리하여 양전하 코팅층을 형성시키는 단계 및 (3) 상기 양전하 코팅층이 형성된 부직포를 세척 및 건조하는 단계를 포함하는 양전하 필터의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 부직포는 멜트블로운(melt-blown) 또는 스판본드(spun bond) 방법으로 제조될 수 있다.
또한, 상기 (2) 단계는 상기 부직포에 양전하 코팅 조성물을 10 ~ 60초간 처리하는 단계일 수 있다.
또한, 상기 (2) 단계는 60 ~ 130℃의 온도에서 60 ~ 600초간 열처리하는 단계일 수 있다.
또한, 상기 (3) 단계는 25 ~ 60℃ 온도에서 물 또는 0.1 ~ 10 중량%의 이소프로필 알코올 수용액에 1 ~ 20 분간 침지시킨 후, 60 ~ 130℃ 온도에서 60 ~ 600초간 건조하는 단계일 수 있다.
본 발명에 의하면, 음전하를 갖는 유/무기 입자 또는 일부 중금속 및 병원성 미생물에 대하여 선택적 제거 성능을 가짐과 동시에 동시에 추가적인 설비나 기구를 이용하지 않음으로써 경제적이며 친환경적인 장점을 가지는 양전하 필터를 구현하여 음용수를 비롯한 다양한 필터 관련 분야에서 활용도를 제고할 수 있다.
도 1은 부직포의 SEM(Maker: SEC, model: SNE-3000M) 이미지이고,
도 2는 양전하 코팅층이 형성되지 않은 비교 제조예 7을 통해 제조된 양전하 필터의 SEM 이미지이며,
도 3은 침투제를 사용하지 않고 양전하 코팅층을 형성한 양전하 필터의 SEM 이미지이며,
도 4는 제조예 3을 통해 본 발명에 따른 양전하 코팅층을 포함하여 제조된 양전하 필터의 SEM 이미지이다.
도 2는 양전하 코팅층이 형성되지 않은 비교 제조예 7을 통해 제조된 양전하 필터의 SEM 이미지이며,
도 3은 침투제를 사용하지 않고 양전하 코팅층을 형성한 양전하 필터의 SEM 이미지이며,
도 4는 제조예 3을 통해 본 발명에 따른 양전하 코팅층을 포함하여 제조된 양전하 필터의 SEM 이미지이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
일반적으로 수처리용으로 널리 사용되는 마이크로 섬유 필터는 여과 면적이 작고 정전기력이 없기 때문에 여과효율이 떨어진다는 단점이 있으며, 멤브레인 필터는 여과 효율은 높으나 압력 손실이 크다는 단점이 있다. 따라서, 마이크로 섬유 필터와 멤브레인 필터의 단점을 보완하기 위한 마이크로 사이즈의 기공을 가지는 섬유 필터에 정전기력을 부과함으로써 섬유 필터의 여과 효율을 증가시키고, 압력 손실을 감소시키는 연구가 진행되고 있다.
다만 상술한 것과 같이 마이크로 사이즈의 유리 섬유 또는 나노 사이즈의 섬유를 수처리용 필터에 적용하는 경우, 복잡한 제조공정에 비하여 바이러스 등의 미생물 또는 전하를 띠는 중금속 등에 대한 여과효율이 낮기 때문에 비경제적이며, 섬유의 대한 안정성 및 내구성이 상대적으로 약하고 특히 유리섬유의 경우 발암 등의 유해성 논란이 존재하기 때문에 활용에 제한이 따르는 문제가 있다.
이에 본 발명은 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌 섬유 및 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 중에서 선택된 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 부직포 및 후술한 양전하 코팅 조성물이 상기 부직포 내부 및 표면에 포함된 섬유 가닥에 코팅되어 형성된 양전하 코팅층을 포함하는 양전하 필터를 구현함으로써, 복잡한 제조공정이나 추가 설비 없이 수중에 존재하는 병원성 미생물이나 일부 중금속 등에 대하여 우수한 흡착 및 제거 성능을 가지는 본 발명에 따른 양전하 필터를 통해 수처리 분야의 활용도를 제고함과 동시에 상술한 유해성 문제에 대한 해결을 모색하였다.
먼저 본 발명에 따른 양전하 필터에 대하여 설명한다.
상기 부직포는 통상적으로 사용하는 것이며, 적용가능하며, 비람직하게는 써멀본딩부직포(Thermal Bonding), 에어레이부직포(Air Ray), 습식부직포(Wet Ray), 니들펀칭부직포(Needle Punching), 스판레스(수류결합법-Water zet), 스판본드(Spun Bond), 멜트블로운(Melt Blown), 스티치본드(Stitch Bond) 및 전기방사(electro spinning) 부직포 중에서 선택되는 어느 하나의 형태일 수 있고, 바람직하게는 멜트블로운(Melt Blown) 부직포일 수 있다.
또한 부직포는 섬유로써, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유 및 셀룰로오스 섬유 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며 바람직하게는 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 및 폴리에스테르 섬유 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 더욱 바람직하게는 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌 및 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
이때, 상기 부직포는 0.3 ~ 2mm의 평균 두께를 가질 수 있으며 바람직하게는 0.5 ~ 1mm의 두께를 가질 수 있다. 만일 상기 부직포의 평균 두께가 0.3mm 미만은 경우 깊이 여과를 위한 충분한 두께가 형성되지 않아 투과물의 빠른 유속에 의한 흡착 성능이 감소되는 문제가 있을 수 있고, 만일 상기 부직포의 평균 두께가 2mm를 초과하는 경우 부직포에 대한 가공성이 떨어지고, 차압 발생에 의한 사용 수명의 감소하는 등의 내구성 및 안정성 측면에서 문제가 있을 수 있다.
또한 상기 부직포는 30 ~ 150 g/m2의 평량을 가질 수 있으며 바람직하게는 50 ~ 100 g/m2의 평량을 가질 수 있다. 만일 상기 부직포의 평량이 30 g/m2 미만일 경우 부직포의 파단 강도가 저하되어 코팅 및 가공 중 파단 되는 문제가 발생하는 등의 공정 상의 이슈가 발생할 수 있으며, 만일 상기 부직포의 평량이 150 g/m2를 초과하는 경우 부직포 부피 중 섬유 밀도가 증가되어 조밀한 구조에 의한 차압 발생 및 사용 수명이 급격히 감소되는 문제가 있을 수 있다.
한편, 상기 부직포 내부 및 표면에 포함된 섬유 가닥에 코팅된 양전하 코팅층은 섬유가닥의 표면에서 섬 형태로 이격되어 형성되는 것이 아니라, 섬유가닥의 표면을 완전히 둘러싸도록 코팅될 수 있다
이때 상기 양전하 코팅층은 0.01 ~ 3 ㎛의 평균 두께를 가질 수 있으며 바람직하게는 0.05 ~ 1 ㎛의 평균 두께를 가질 수 있다. 만일 상기 양전하 코팅층의 평균 두께가 0.05 ㎛일 경우 양전하 코팅층의 균일도 감소로 인한 물성편차 문제 있을 수 있고, 만일 상기 양전하 코팅층의 평균두께가 3 ㎛을 초과하는 경우 후술한 양전하 코팅 조성물이 충분히 코팅되지 못하고 용출되는 문제가 발생하여 내구성 및 안정성 면에서 문제가 있을 수 있다.
또한 상기 이때, 상기 양전하 코팅층은 상기 부직포 내부 및 표면에 포함된 섬유가닥의 표면에 50 % 이상의 단위면적으로 코팅될 수 있고 보다 바람직하게는 상기 섬유가닥의 표면에 75 % 이상의 단위면적으로 코팅될 수 있다. 상기 양전하 코팅층이 상기 섬유가닥의 표면에 50 % 미만의 단위면적으로 코팅되는 경우, 양전하 코팅의 균일성 저하로 바이러스 흡착성능이 불균일해지는 물성 저하의 문제가 있다.
다음, 본 발명에 따른 양전하 코팅 조성물에 대하여 설명한다. 상술한 양전하 필터에 포함된 양전하 코팅층은 다관능성 아민 화합물, 상기 다관능성 아민 화합물과 에폭시 반응을 수행하는 가교제 및 침투제를 포함하는 양전하 코팅 조성물로 구현된다.
상기 다관능성 아민 화합물은 및 부직포에 양전하를 부여하는 역할을 수행하며, 부직포의 물성에 영향을 미치지 않는 공지의 재료가 사용될 수 있다. 예를 들어 디페닐아민, 폴리에틸렌이민, 디에틸렌트리아민, 디메틸렌피페라진, 피페라진으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 높은 양전하 밀도를 가져 가교제와 반응하여 양전하를 부여하기 용이한 폴리에틸렌이민이 사용될 수 있다.
이때, 상기 다관능성 아민 화합물은 중량평균분자량이 1,000 ~ 1,000,000일 수 있으며, 바람직하게는 2,000 ~ 700,000일 수 있다. 만일 상기 다관능성 아민 화합물의 중량평균분자량이 1,000 미만일 경우 내구성 이슈로 인한 수압에 따른 용출 문제가 발생될 수 있으며, 상기 다관능성 아민 화합물의 중량평균분자량이 1,000,000을 초과하는 경우 점도 상승으로 인한 코팅 균일성 저하 및 내구성 저하로 인한 성능의 편차가 발생되어 제품의 신뢰성이 저하될 수 있는 문제가 있을 수 있다.
또한 상기 다관능성 아민 화합물이 양전하 코팅 조성물 100 중량부에 대하여 1 ~ 15 중량부로 포함될 수 있으며 바람직하게는 3 ~ 10 중량부로 포함될 수 있다. 만일 상기 다관능성 아민 화합물이 양전하 코팅 조성물 100 중량부에 대하여 1 중량부 미만으로 포함되는 경우 양전하 코팅 조성물의 양적 부족으로 인한 코팅성 저하 및 코팅 균일성 저하의 우려가 있으며, 또한 만일 상기 다관능성 아민 화합물이 양전하 코팅 조성물 100 중량부에 대하여 15 중량부를 초과하여 포함되는 경우 양전하 코팅 조성물의 점도가 과다하게 높아져서 부직포에 내부에 포함된 섬유가닥에는 코팅에 되지 않을 수 있으며 나아가 부직포의 공경 사이즈 저하로 인한 유량 저하의 문제가 나타날 수 있다.
상기 가교제는 다관능성 아민 화합물 간의 가교제 역할 및 바인더 역할을 할 뿐만 아니라, 부직포와 코팅성분 간에 접착성을 향상시키는 역할을 할 수 있다. 이때, 상기 가교제는 폴리에틸렌 글리콜 디글리시딜 에테르(Polyethylene glycol diglycidyl Ether), 솔비톨 폴리글리시딜 에테르(Sorbitol polyglycidyl ether), 디에틸렌 글리콜 디글리시딜 에테르(Diethylene glycol diglycidyl Ether), 및 프로필렌 글리콜 디글리시딜 에테르(Propylene glycol diglycidyl Ether) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 지방족 에폭시 화합물 일 수 있다.
삭제
이때 상기 가교제는 양전하 코팅 조성물 100 중량부에 대하여 1 ~ 3 중량부로 포함될 수 있으며 바람직하게는 1 ~ 2 중량부로 포함될 수 있다. 만일 양전하 코팅 조성물 100 중량부에 대하여 상기 가교제가 1중량부 미만 포함되는 경우 다관능성 아민 화합물과의 가교 반을 위한 함량이 부족하여 미반응된 다관능성 아민 화합물에 대한 잔류물이 발생될 수 있는 문제가 있으며, 또한 만일 양전하 코팅 조성물 100 중량부에 대하여 상기 가교제가 3중량부를 초과하여 포함되는 경우 표면에너지가 저하되어 바이러스 및 오염원에 대한 흡착능이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
한편 일반적으로 상기 다관능성 아민 화합물 및 가교제는 친수 특성을 가지는 물질이기 때문에 소수 특성을 가지는 부직포에 코팅층을 형성하기 어려운 문제가 있으며 설사 코팅층을 형성한다 하더라도 친수 및 소수 특성의 화학적인 반발로 인한 균일성이 저하되는 문제가 있다. 이에 본 발명은 친수 작용기 및 소수 작용기를 모두 보유함으로써 친수 및 소수 특성을 동시에 발현할 수 있는 침투제를 사용하여 상술한 문제에 대한 해결을 모색하였다. 즉 다관능 아민 화합물 및 가교제와 함께 물에 용해되어 부직포에 코팅층 형성 시, 부직포와의 화학적 물성 차이를 줄임으로써 보다 균일한 코팅층의 형성을 유도할 수 있다.
상기 침투제는 본 발명에 양전하 코팅층 및 부직포에 물성에 영향을 주지 않는 공지의 음이온성, 양이온성 또는 비이온성 침투제일 수 있으며, 예를 들어 소디움 디옥틸 설포숙시네이트(Sodium dioctyl sulfosuccinate), 포타시움 코코일 글리시네이트(Potassium cocoyl glycinate), 소디움 도데실 설페이트(sodium dodecyl sulfate), 2-에틸-1,3-헥산디올(2-ethyl-1,3-hexanediol), 2,2,4-트리메틸-1,3-펜탄디올(2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol), 알킬폴리글리코시드(alkyl polyglucoside) 및 알킬글루카미드(alkyl glucamide) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 다만 첨가되는 양 대비 부직포의 젖음 특성을 극대화 할 수 있고 후술할 세척공정의 효율을 향상시킬 수 있도록 바람직하게는 소디움 디옥틸 설포숙시네이트를 사용할 수 있다.
이때 상기 침투제는 양전하 코팅 조성물 100 중량부에 대하여 0.05 ~ 1 중량부로 포함될 수 있으며 바람직하게는 0.07 ~ 1 중량부로 포함될 수 있다. 만일 양전하 코팅 조성물 100 중량부에 대하여 상기 침투제가 0.05 중량부 미만으로 포함되는 경우 양전하 코팅 조서물과 부직포의 표면 에너지 차이에 의하여 균일한 도포가 어렵고 이로 이한 코팅물이 응집 문제가 발생될 수 있다. 또한 만일 양전하 코팅 조성물 100 중량부에 대하여 상기 침투제가 1 중량부를 초과하여 포함되는 경우 코팅 후 부직포의 표면에너지 성능은 일정 수준 이상으로 유지될 수 있으나, 제거되어야 하는 침투제의 양이 증가되어 불순물 등의 문제가 발생할 수 있으며, 공정의 효율성이 저하될 수 있다.
또한 상술한 양전하 코팅 조성물을 통해 형성된 양전하 코팅층으로 인하여 본 발명에 따른 양전하 필터는 pH 7 의 조건에서 5 ~ 50 mV의 표면 전하를 가질 수 있으며 바람직하게는 15 ~ 50 mV의 표면전하는 가질 수 있다. 이와 같이 상기 부직포의 표면 전하가 양전하를 나타냄으로써 음전하를 갖는 유기물 또는 입자를 흡착 및 포집능을 부여하게 되는데, 만일 상기 부직포의 표면전하가 5 mV 미만일 경우, 바이러스 기타 유기물에 대한 흡착능이 떨어지는 문제가 있을 수 있으며, 또한 만일 상기 부직포의 표면 전하가 50 mV를 초과하는 경우 바이러스 흡착능은 일정 수준 이상으로 유지될 수 있으나, 제조 공정 시 높은 표면전하를 나타내기 위한 반응시간 및 농도 증가에 의한 생산비용 증가하여 경제성 측면에서 불리할 수 있다.
다음, 본 발명에 따른 양전하 필터에 대한 제조방법을 설명한다. 본 발명에 따른 양전하 필터는 (1) 상술한 양전하 코팅 조성물을 부직포에 처리하는 단계 (2) 상기 양전하 코팅 조성물이 처리된 부직포를 열처리하여 양전하 코팅층을 형성시키는 단계 및 (3) 상기 양전하 코팅층이 형성된 부직포를 세척 및 건조하는 단계를 포함하여 구현된다.
먼지 (1) 상술한 양전하 코팅 조성물을 부직포에 처리하는 단계를 수행한다. 상기 (1) 단계의 양전하 코팅 조성물에 대하여는 상술한 내용과 기술적 사상이 동일하므로 중복된 설명은 생략하기로 한다. 상기 양전하 코팅 조성물이 처리되는 부직포는 멜트블로운(melt-blown) 또는 스판본드(spun bond) 방법으로 제조된 부직포일 수 있다.
이때 상기 (1) 단계의 양전하 코팅 조성물을 부직포에 처리하는 방법으로는 상기 양전하 코팅 조성물을 포함하는 용액에 침지시키거나 스프레이 분사 방식을 이용할 수 있다. 일 예로 침지방법을 이용하는 경우 상기 양전하 코팅 조성물을 포함하는 용액에 상온에서 10 ~ 60초간 침지시킬 수 있으며, 바람직하게는 10 ~ 30초간 침지시킬 수 있다. 만일 침지 시간이 10초 미만일 경우 양전하 코팅 조성물을 포함하는 용액이 부직포 내부까지 침투하는 시간이 부족하여 코팅 시간 부족에 따른 코팅 불균일성 및 물성 저하의 문제가 발생될 수 있다. 또한 만일 침지시간이 60초를 초과하면 코팅 시간 증가에 따른 더 이상의 물성의 차이가 없어 공정 효율성이 감소되는 문제가 있다.
다음, (2) 상기 양전하 코팅 조성물이 처리된 부직포를 열처리하여 양전하 코팅층을 형성시키는 단계를 수행한다.
상기 (2) 단계는 부직포에 처리된 양전하 코팅 조성물의 열 가교 반응을 유도하기 위해 열풍 건조기에서 60 ~ 130℃의 온도에서 60 ~ 600초간 열처리할 수 있으며 바람직하게는 80~120℃ 온도에서 60초 ~ 300초 동안 열처리할 수 있다. 이때, 상기 열처리 온도와 시간의 관계에서 낮은 온도에서는 상대적으로 긴 시간을 노출하고, 높은 온도에서는 보다 짧은 시간 노출시키는 것이 바람직하다. 열처리 온도와 시간이 60℃ 또는 60초 미만이면, 용매 건조 후 열 가교 반응이 진행되는 시간이 부족하여 미반응물이 발생되는 문제가 있을 수 있고, 130℃ 또는 600초를 초과할 경우 높은 온도 및 긴 시간에 따라 부직포가 용융 또는 연신되어 구조적 변형을 야기하여 불균일한 물성이 야기되는 문제가 발생할 수 있다.
다음 (3) 상기 양전하 코팅층이 형성된 부직포를 세척 및 건조하는 단계를 수행한다. 상기 (3) 단계는 부직포를 세척하는 단계 및 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 세척 단계는 부직포 내부 및 외부에 포함된 미반응 고형물 또는 침투제를 제거하는 단계이며, 바람직하게는 25 ~ 60℃의 온도에서 물 또는 0.1 ~ 10 중량%의 이소프로필 알코올 수용액에 1 ~ 20 분간 침지시켜 세척할 수 있으며 바람직하게는 25~45 ℃의 온도에서 0.1 ~ 10 중량%의 이소프로필 알코올 수용액에 2 ~ 15 분간 침지시켜 세척할 수 있다. 이때 만일 25℃ 미만의 낮은 온도에서 세척 단계를 수행하는 경우, 물질교환이 발생되지 않아 세척 효과가 감소되는 문제가 예상되며 60℃를 초과하는 온도에서는 코팅 부직포가 실제 사용되는 최대 온도를 초과하여 내구성에 문제가 발생될 우려가 있다. 또한 만일 침지시간이 1분 미만일 경우 충분한 침지시간이 제공되지 않아 목적하는 세척 효과를 얻기 어려운 문제가 있으며, 20분을 초과하는 경우 시간 대비 세척 효과를 충분히 얻을 수 없어서 경제적인 면에서 불리할 수 있다. 이때, 공정의 세척 효율을 향상시키기 위하여 공기를 이용한 폭기 세척을 추가하여 수행할 수 있다.
다음 건조 단계는 60 ~ 130℃ 온도에서 60 ~ 600초간 건조시킬 수 있으며 바람직하게는 80 ~ 110℃의 온도에서 2 ~ 5 분동안 건조시킬 수 있다. 만일 건조 온도가 60℃ 미만이거나 건조 시간이 60초 미만일 경우 충분한 건조가 이루어지지 않을 수 있으며, 건조 온도 130℃를 초과하거나 건조 시간이 600초를 초과하는 경우 부직포가 용융 또는 연신되어 구조적 변형을 야기하여 불균일한 물성이 야기되는 문제가 발생할 수 있다.
이하, 본 발명을 하기 실시예들을 통해 보다 상세하게 설명한다. 하기 실시예들은 본 발명을 예시하기 위하여 제시된 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 하기 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다.
[제조예] 양전하 필터 제조.
제조예 1.
증류수 95.95 중량부, 소디움 디옥틸 설포숙시네이트 0.05 중량부, 중량 평균분자량 70,000의 폴리에틸렌 이민 3 중량부 및 폴리에틸렌 글리콜 디글리시딜 에테르 1중량부를 혼합하여 양전하 코팅 조성물 용액을 제조하였다.
다음으로 평균 두께 0.7mm 및 90 g/m2의 평량을 가지는 폴리프로필렌 멜트블로운 부직포를 상기 양전하 코팅 조성물 용액에 25℃에서 10초간 침적시킨 후, 이를 꺼내 110℃에서 5분간 열 가교를 실시하여 양전하 필터를 제조하였다.
이후 상기 양전하 필터를 30 ℃의 온도에서 1 중량%의 이소프로필 알코올 수용액에 5 분간 침지시켜 세척하고, 90℃의 온도에서 3 분 동안 건조시켰다.
제조예 2 내지 10.
양전하 코팅 조성물에 포함되는 다관능성 아민 화합물, 가교제 및 침투제에 대하여 하기 표 1과 같이 변경하여 제조한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일하게 실시하여 양전하 필터를 제조하였다.
비교 제조예 1 내지 7.
양전하 코팅 조성물에 포함되는 다관능성 아민 화합물, 가교제 및 침투제에 대하여 하기 표 1과 같이 변경하여 제조한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일하게 실시하여 양전하 필터를 제조하였다.
[실험예 1]
1. SEM 측정.
도 1은 부직포의 SEM(Maker: SEC, model: SNE-3000M) 이미지이고, 도 2는 양전하 코팅층이 형성되지 않은 비교 제조예 7을 통해 제조된 양전하 필터의 SEM 이미지이며, 도 3은 침투제를 사용하지 않고 양전하 코팅층을 형성한 양전하 필터의 SEM 이미지이며, 도 4는 제조예 3을 통해 본 발명에 따른 양전하 코팅층을 포함하여 제조된 양전하 필터의 SEM 이미지이다.
2. 접촉각 평가
상기 제조예 1 내지 10 및 비교 제조예 1 내지 7에서 제조된 양전하 필터의 접촉각을 평가하기 위해 측정장비(Maker: KSV, Model: CAM100)를 이용하여 측정하고 이를 하기 표 1에 나타내었다.
3. 표면 전하 평가
상기 제조예 1 내지 10 및 비교 제조예 1 내지 7에서 제조된 양전하 필터를 표면 흐름전위차 측정장비(Maker: Anton, Model: SurPass)을 이용하여 표면 전하를 측정하고 이를 하기 표 1에 나타내었다.
4. 중량 증감 평가.
상기 제조예 1 내지 10 및 비교 제조예 1 내지 7에서 제조된 양전하 필터의 중량 증감을 평가하기 위해 전자저울(Maker: OHAUS, Model: PAG4102)을 이용하여 측정하고 이를 하기 표 1에 나타내었다.
상기 표 1을 참조하면, 양전하 코팅 조성물이 본 발명에 따른 조성물을 모두 포함하며, 각 조성물에 대한 수치범위를 모두 만족하는 제조예 1 내지 5의 경우 본 발명의 조성물을 모두 포함하나, 각 조성물 중 어느 하나에 대한 수치범위를 만족하지 않는 제조예 6 내지 10 또는 본 발명의 조성물 중 어느 하나 이상을 포함하지 않거나 상이한 화합물을 조성물로 포함하는 비교 제조예 1 내지 7 대비 접촉각 평가를 통해 젖음 특성이 우수함을 알 수 있고, 이와 동시에 일정 수준 이상의 양전하를 띠고 있어 음이온을 띠는 병원성 미생물 등의 오염원에 대한 흡착성능이 우수할 것임을 예측할 수 있다.
보다 구체적으로, 양전하 코팅 조성물에 본 발명에 따른 침투제를 포함하지 않는 비교 제조예 1의 경우 양전하 코팅층이 형성되지 않고, 이로 인해 본 발명이 목적하는 양전하를 띠는 필터에 대한 제조가 불가능함을 알 수 있다.
또한, 양전하 코팅 조성물에 본 발명에 따른 가교제를 포함하지 않는 비교 제조예 2의 경우 비록 양전하 코티층이 형성되나, 폴리에틸렌이민의 용출 현상이 발생하여 양전하 필터의 제조 공정 상의 문제가 발생할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 양전하 코팅 조성물에 본 발명에 따른 다관능성 아민 화합물을 포함하지 않는 비교 제조예 3의 경우 다관능성 아민 화합물의 양전하 부여 역할이 수행될 수 없어서 양전하 코팅층이 형성되지 않음을 알 수 있다.
한편 양전하 코팅 조성물에 본 발명에 따른 조성물로 제조예 1과 다른 화합물을 사용한 비교 제조예 2 내지 4의 경우 비록 양전하 코팅층이 형성되나, 양전하 코팅층이 균일하게 형성되지 않거나 표면 양전하 값이 상대적으로 낮은 값을 나타내어 흡착 성능이 떨어짐을 예측 할 수 있다.
[실시예] 필터 카트리지 제조.
실시예 1.
상기 제조예 2에서 제조된 양전하 필터를 포함하는 필터 카트리지 제조를 위하여 14mm 의 외경을 갖는 폴리프로필렌 재질의 코어에 3m 길이만큼 부직포를 롤링(rolling)하여 삽입하고 47mm 외경 및 116mm 길이가 되도록 절단 후 상/하 앤드캡핑(end capping)을 실시하였다. 이렇게 제조된 카트리지를 하우징에 삽입하여 유입부와 투과부가 구분되도록 필터 카트리지를 제조하였다.
비교예 1 내지 7.
양전하 필터를 하기 표 2와 같이 변경하여 실시한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 필터 카트리지를 제조하였다.
[실험예 2]
먹는물수질공정시험기준의 환경부고시 제2013-136호에 기준하여 한국환경수도연구원에 의뢰하여 분석을 그 결과를 하기 표 3 및 표 4에 나타내었다.
상기 표 2 내지 4를 참조하면, 양전하 코팅 조성물이 본 발명에 따른 조성물을 모두 포함하고 동시에 각 조성물에 대한 수치범위를 모두 만족하는 제조예 2에 따른 양전하 필터를 포함하여 제조된 필터 카트리지의 경우, 탁도 및 금속이온에 대한 제거율이 모두 합격 기준을 상회하거나 금속 이온이 완전히 제거되어 전혀 검출되지 않는 것을 알 수 있다.
그러나 본 발명의 조성물 중 어느 하나 이상을 포함하지 않거나 상이한 화합물을 조성물로 포함하는 비교 제조예 1 내지 7에 따른 양전하 필터를 포함하여 제조된 필터 카트리지의 경우, 비교예 2 및 6에서 각각 수은과 철에 대해서만 합격 기준을 상회하고 있을 뿐 탁도 및 대부분의 금속 이온에 대하여 제거율이 합격 기준을 만족하지 못하고 있음을 알 수 있다.
이를 통해 본 발명에 따른 양전하 코팅 조성물을 모두 포함하고, 이에 대한 수치범위를 모두 만족하는 경우 음전하를 갖는 유/무기 입자 또는 일부 중금속 및 병원성 미생물에 대하여 본 발명에서 목적하는 수준으로의 선택적 제거가 가능함을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사항을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (12)
- 폴리에틸렌이민, 디에틸렌트리아민, 피페라진, 디메틸렌피페라진 및 디페닐아민 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 다관능성 아민 화합물;
폴리에틸렌 글리콜 디글리시딜 에테르(Polyethylene glycol diglycidyl Ether), 솔비톨 폴리글리시딜 에테르(Sorbitol polyglycidyl ether), 디에틸렌 글리콜 디글리시딜 에테르(Diethylene glycol diglycidyl Ether) 및 프로필렌 글리콜 디글리시딜 에테르(Propylene glycol diglycidyl Ether)에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하며 상기 다관능성 아민 화합물과 에폭시 반응을 수행하는 가교제; 및
소디움 디옥틸 설포숙시네이트(Sodium dioctyl sulfosuccinate), 포타시움 코코일 글리시네이트(Potassium cocoyl glycinate), 소디움 도데실 설페이트(sodium dodecyl sulfate), 2-에틸-1,3-헥산디올(2-ethyl-1,3-hexanediol), 2,2,4-트리메틸-1,3-펜탄디올(2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol), 알킬폴리글리코시드(alkyl polyglucoside) 및 알킬글루카미드(alkyl glucamide) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 침투제;를 포함하고,
전체 100 중량부에 대하여 상기 다관능성 아민 화합물을 1 ~ 15 중량부, 가교제 1 ~ 3 중량부 및 침투제 0.05 ~ 1 중량부로 포함하는 양전하 코팅 조성물. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 다관능성 아민 화합물은 중량평균분자량이 1,000 ~ 1,000,000 인 것을 특징으로 하는 양전하 코팅 조성물. - 삭제
- 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌 섬유 및 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 중에서 선택된 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 부직포; 및
상기 제1항 또는 제3항에 따른 양전하 코팅 조성물이 상기 부직포 내부 및 표면에 포함된 섬유 가닥에 코팅되어 형성된 양전하 코팅층; 을 포함하는 양전하 필터. - 제5항에 있어서,
상기 부직포는 0.3 ~ 2 mm의 평균 두께 및 30 ~ 150 g/m2의 평량을 가지는 양전하 필터 - 제5항에 있어서,
상기 양전하 필터는 pH 7 의 조건에서 5 ~ 50 mV의 표면전하를 가지는 양전하 필터 - (1) 제1항 또는 제3항에 따른 양전하 코팅 조성물을 부직포에 처리하는 단계;
(2) 상기 양전하 코팅 조성물이 처리된 부직포를 열처리하여 양전하 코팅층을 형성시키는 단계; 및
(3) 상기 양전하 코팅층이 형성된 부직포를 세척 및 건조하는 단계; 를 포함하는 양전하 필터의 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 부직포는 멜트블로운(melt-blown) 또는 스판본드(spun bond) 방법으로 제조되는 양전하 필터의 제조방법. - 제8항에 있어서 상기 (1) 단계는,
상기 부직포에 양전하 코팅 조성물을 10 ~ 60초간 처리하는 단계인 양전하 필터의 제조방법. - 제8항에 있어서 상기 (2) 단계는,
60 ~ 130℃의 온도에서 60 ~ 600초간 열처리하는 단계인 양전하 필터의 제조방법. - 제8항에 있어서 상기 (3) 단계는,
25 ~ 60℃ 온도에서 물 또는 0.1 ~ 10 중량%의 이소프로필 알코올 수용액에 1 ~ 20 분간 침지시킨 후, 60 ~ 130℃ 온도에서 60 ~ 600초간 건조하는 단계인 양전하 필터의 제조방법.
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