KR20090017747A - 기능성 물질을 함유한 다공성 나노부직포 담배필터 및제조방법 - Google Patents

기능성 물질을 함유한 다공성 나노부직포 담배필터 및제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기능성 물질을 함유한 다공성 나노 부직포 담배필터 및 제조방법에 관한 것으로, 무독성 물질로서 항균효과가 우수하고, 아미노기라는 활성화 분자를 가지는 수용성 키토산과 대표적인 수용성 고분자로서 생체친화적이며 생분해성이 좋은 폴리비닐알코올로 제조된 나노부직포를 이용한 담배필터 및 제조방법에 관한 것이다. 또한 다공성 나노부직포에 대나무 활성탄이나 비타민C, 소나무 추출물 등을 함입시켜 니코틴 등의 유해성분 제거효과가 뛰어나며, 은은한 대나무 향에 의한 상대적 흡연악취를 감소시킬 수 있는 방법도 함께 제공한다.
나노부직포, 키토산, 폴리비닐알코올, 담배필터

Description

기능성 물질을 함유한 다공성 나노부직포 담배필터 및 제조방법 {Porous nano nonwoven cigarette filter with functional agent and process therefore}
본 발명은 무독성 물질로서 항균효과가 우수하고, 아미노기라는 활성화 분자를 가지는 수용성 키토산과 대표적인 수용성 고분자로서 생체친화적이며 생분해성이 좋은 폴리비닐알코올을 사용한 담배필터의 제조에 관한 것이다. 또한 다공성 나노 부직포에 대나무 활성탄이나 비타민C, 솔잎 추출물 등을 함입시켜 유해성분의 제거효과가 뛰어나며, 은은한 대나무 향에 의한 상대적 흡연악취를 감소시킬 수 있는 방법도 함께 제공한다. 기존의 담배필터와는 달리, 흡연시 발생되는 열, 수분에 의해 필터중의 키토산 섬유가 수용화되어 키토산이 담배 유해물질인 타르, 니코틴과의 결합력을 향상시킴으로써 인체에 덜 유해하며, 수분 흡수력 및 용해성이 매우 우수하여 자연분해력이 뛰어나 환경오염을 감소시킬 수 있다. 더불어 본 고안은 전기방사의 특성상 아주 작은 양으로도 넓은 표면적을 가지는 다공성의 나노 부직포를 제조할 수 있다는 것에 착안하여 키토산 분말을 폴리비닐알코올과 혼합하여(0.01%∼10%) 사용함으로서 기존의 담배필터보다 상대적으로 저렴하며 필터의 효율을 높인 것을 담배필터에 활용할 수 있는 특징을 가지고 있다.
전기방사(electrospinning)란 고분자 용액 또는 용융물에 고전압(5kV 이상)을 가해 마이크론 크기 이하의 미세 나노섬유를 제조하는 방법이다. 최근의 기술은 이러한 나노부직포를 이용하여 NT, BT, IT 등의 분야와 접목하여 빠른 발전을 하고 있다. 전기방사법이 소개된 이후 이제까지 많은 고분자 소재들이 전기방사법을 통하여 초극세 나노섬유로 제조되었다. 기존의 용액 및 용융방사법과는 메카니즘이나 시스템에서 많은 차이점이 있기 때문에 다른 합섬섬유 및 천연섬유용 고분자 뿐만 아니라 섬유형성능이 없거나 떨어지는 고분자 및 무기재료 등의 소재에 대한 연구도 진행되고 있다. 또한 생분해성 및 생체적합성 고분자의 전기방사를 통한 나노섬유의 제조에 대하여 많은 관심이 집중되어 있다. 전기방사를 통해 얻어지는 고분자 나노섬유 멤브레인은 직경이 수십에서 수백 nm로 매우 작은 나노섬유들이 서로 무질서하게 연결된 거미줄 구조(nonwoven webs)를 나타내는데 가볍고 유연성이 좋으며 표면적이 큰 다공성(porosity 80% 이상) 구조체로 의료, 센서, 필터 및 복합재료 등 다양한 분야에서 응용될 수 있다. 최근에는 생분해성 고분자들을 전기방사하여 얻어진 생분해성 나노섬유 멤브레인을 약물, DNA, 세포들의 전달을 위한 전달체로 응용한 기술도 많이 보고되고 있다. 이와 같이 전기방사된 나노섬유가 생체의학용으로 응용가능한 이유는 세포외기질과 구조적으로 유사한 특성과 물리적으로 비슷한 특성을 보유하고 있기 때문이다(Y. S. Nam, Polym . Sci . Technol., 14(3), 274(2003)). 실제 여러 연구보고에 따르면 나노섬유는 신체조직으로부터 웹의 다공성 표면의 내부로 세포 부착과 성장을 촉진시키는 재료로 평가받고 있다. DDS의 약물전달 시간을 조절할 수 있다면 약물의 효과를 지속적으로 유지하고 치료기간을 길게 하면서 치료효과를 높이고 아울러 약물이 한꺼번에 대량으로 방출되는 것을 막아 안정성을 높일 수 있다. Kenawy(E. R. Kenawy et al. Biomaterials, 24, 907(2003)) 등은 생분해성 재료는 아니지만 생체 적합성을 지닌 poly(ethylene-co-vinyl acetate)(EVA)에 대한 연구를 전기방사에 관한 연구보고이후 약물방출 및 세포배양에 대한 연구한 결과 EVOH 나노섬유는 높은 섬유형기고성 재료를 만들 수 있고, 세포배양 및 조직배양, 상처치료, 약물전달 시스템 등의 다양한 생명의학용으로 적용할 수 있다고 판단하였다.
21세기 첨단산업에서는 기존 소재의 성능 한계를 초월하는 소재 및 응용기술이 요구되며 섬유분야 Nanotechnology(NT)인 유기 나노섬유의 제조기술은 기존 부직포, 필터 소재 및 초극세 섬유기술의 한계성을 극복하는 신기술로서 IT 산업, BT 산업 및 ET 산업 등 21세기 첨단 산업 분야에서 차세대 신기술 및 신소재를 창출하는 매우 유망한 섬유분야의 나노기술이다. 필터매체중 가장 중요한 계열이 부직포이다. 필터는 대개 매트릭스 혹은 미세 섬유 덩어리로 구성되어 있으며 필터의 응용분야에서 원하는 크기의 입자를 제거할 수 있을 정도로 충분히 작은 공극 혹은 두꺼운 두께를 유지하여 섬유간의 간격을 좁혀서 원하는 효율을 얻도록 구성되어 있다. 이를 적용하는 응용분야에 따라 패널, 주름 카트리지, 디스크 등의 적당한 형태로 제작된다.필터매체는 산업분야에서 대기나 유체중의 입자를 제거하는 용도로 널리 사용되고 있다. 보다 높은 효율의 필터를 요구하는 산업계의 요망에 따라 유체중의 더 작은 입자를 제거할 수 있는 더 작은 섬유크기를 갖는 섬유매체에 대한 연구가 크게 요구되고 있다. 미래첨단섬유인 부직포는 다양한 물성의 실현으로 그 용도가 무궁하여 성장 가능성이 높은 유망산업이다. 나노직경을 가진 섬유상의 부직포 나노웹은 기존에서 제공하기 어려운 다양한 물성을 제공하므로 고성능 필터재를 비롯한 전자사업, 바이오사업 등 응용범위가 전산업분야로 확대될 가능성이 있다. 특히, Electro-spun 초미세 나노섬유는 기존 기술에 의한 초극세 섬유보다 훨씬 큰 표면적을 지니므로 가스나 액체 유체로부터 미세 입자를 분리하는 고효율 초기능성 Filtration 소재로 활용될 수 있다. 필터에서 작은 입자를 여과하는 여과효율을 높이는 한가지 방법은 필터매체중에 적절한 직경의 섬유를 사용하는 것으로, 나노섬유는 이러한 용도에 최적이다. 또한, 표면적이 넓어 여과 효율이 높고 공극율이 매우 높아 필터중 발생하는 압력강하가 적다. 또한, 공정의 적용이 용이하여 기존의 부직포 등의 소재에 코팅이 가능하다.
담배는 우리 몸에 해로운 성분들이 인체에 흡입되는데, 이 주요 유해성분으로는 니코틴, 타르, 석탄산 등이 있으며, 한번 흡입할때마다 약 50 mg정도 흡입된다. 따라서, 흡연자들은 유독한 담배연기에 의해 비흡연자들보다 기관지염, 폐암등 호흡기 질환 및 심장질환을 많이 앓고 있으며, 니코틴과 타르 등이 치아를 부식시키면서 변색, 악취, 충치 또는 치석 등이 많이 생기는 것으로 알려져 있다. 이러한 담배의 유독성분을 필터를 부착시킴으로써 니코틴, 타르 등의 유해성분을 여과하고 있으나, 발암물질을 흡착, 여과하는 여과율이 미진하여 흡연시 유해물질을 다량으로 흡입하게 된다. 종래의 필터로는 숯 필터, 셀룰로오스 필터, 3중필터 등이 있으나 셀룰로오스 필터의 경우는 셀룰로오스 분자가 1단위당 3개의 수산기를 가지고 음이온의 성질로 고분자 특성이 미약하고 수소결합이 빈약하여 헤릭스 구조가 취약하므로 기존의 필터는 담배 연기 속의 대다수 발암물질이 음이온의 성질을 가지므로 같은 성질끼리의 정전기적 흡착활성화가 발생하지 않아 단순히 여과기능만 할 뿐 여과효과가 매우 약하여 발암물질 흡착능력이 없으며 수분 흡수력과 용해성이 떨어져 자연분해력이 장기간 소요되기 때문에 환경오염 및 토양오염이 심각한 실정이다.
통상적으로 처음에 하얗던 필터가 피우고 나면 노랗게 변색되는 것을 보고 사람들은 담배연기의 유해성분이 모두 걸러진 것으로 생각하고 안심을 하지만 필터의 여과기능은 아직 만족할 만한 수준은 아니다. 담배연기가 필터에서 걸러지는 것은 연기 입자가 필터 사이를 통과하지 못하여 걸러지는 것이 아니다. 담배연기의 입자 크기는 100-1,000 나노미터(nm) 정도로 나노입자 수준인데 반해 필터의 섬유간 간격은 50-100 마이크로미터(μm) 수준이므로 필터의 섬유간 간격이 담배연기의 입자크기에 비해 100배 정도 크다는 것을 알 수 있다. 그러므로 담배연기의 입자는 얼마든지 필터를 통과할 수 있다. 연기입자가 필터에서 여과되는 것은 좁은 그물이나 체 구멍에 걸리는 것과 같은 원리가 아니라 확산, 차단, 충돌 같은 역학적 현상으로 연기 입자와 필터 섬유 사이의 접촉에 따른 표면력에 의하여 필터 섬유 표면에 잡히기 때문이다. 담배연기가 필터를 거치는 사이에 여과되는 정도는 성분별로 필터의 소재에 따라 차이가 있는데 셀룰로오스 아세테이트 필터는 연기중 페놀 성분을 선택적으로 60% 정도까지 여과하는데 비하여 타르 제거율은 25% 밖에 안되며, 종이 필터는 페놀 성분 여과율은 50%이지만 타르 여과율은 35%로 셀룰로오스 아세테이트 필터보다 높다.
본 발명의 목적은 상기와 같이 나노부직포의 최대 장점중의 하나인 필터기능을 활용하여 담배필터에 적용시킴으로서 친환경적이며 유해물질의 제거율이 상당히 뛰어난 항균 담배필터를 제공하는 것이다. 또한 기능성 물질들을 함께 함입한 나노부직포를 담배필터로 사용함으로서 흡연자들의 건강증진을 돕고자 한다.
한편, 상기 문제점을 해결하기 위해 개발된 키틴 및 키토산을 사용한 담배필터가 대한민국 공개번호 제 2001-44815호에 공개된 바 있다. 이는 키토산이 양이온을 나타내어 니코틴, 타르 등의 독성물질이 갖는 음이온 물질과 정전기적인 결합으로 발암물질을 흡착, 여과시켜주는 역할을 이용하여 담배필터를 제조하였지만, 수분 흡 수력와 용해성은 해결되지 않아 환경오염에 대한 문제점이 심각하다. 또한, 대한민국 공개번호 제 2001-84479호에서는 수용성 키토산을 기재하고 있으나 이는 분말 형태를 가지므로 필터 제조시 균일하게 키토산을 혼합시키지 못하여 발암물질을 제대로 여과시키지 못하고 수분흡수력과 용해성 문제도 해결하지 못하고 있다. 또한 현재 흡연시 향이 나는 담배의 경우 엽초에 방향제로 멘톨을 용제에 용해하여 분무하는 방식으로 가향하는 방법을 사용하여 향의 지속 효과를 도모하려 하고 있는데, 예를 들면, 대한민국공개특허공보 공개번호 특2002-0082202호에는 무스콘, 영묘향 또는 그의 혼합물을 함친시킨 기능성 담배필터가 기술되어 있으며, 동 공보 공개번호 제95-005400호에는 박하향 방향성 흡착제를 함유하는 담배필터의 제조방법이 기재되어 있고, 대한민국 등록특허공보 공고번호 10-0193377호에는 담배필터용 입상 복합분자체 조성물의 제조방법이 공개되어 있으나, 이러한 방법으로 가향을 하게 되면 기능성 물질이 공기와 노출되어 변형이 일어나거나, 지속력과 시간의 경과에 따라 향취강도가 약해지는 문제가 있다.
본 발명은 종래의 필터가 가지는 문제점을 해소하는데 있는 것으로 비교적 비용을 적게 들인 다공성 키토산/폴리비닐알코올 나노 부직포에 여러 기능성 물질을 넣어 필터를 제조함으로서 기존 필터보다 필터 효과를 높이고 다른 좋은 효능을 내게 하는데에 그 목적이 있다. 효과면에서도 담배의 독성과 발암물질을 기존의 필터보다 훨씬 강하게 흡착시킬 수 있어서 우수한 여과효과를 얻을 수 있으며 폐기시 자연분해속도가 빨라 토양오염을 감소시킬 수 있는 필터를 제공하는데 있다. 또한 키토산은 동물성 식이섬유 중 유일하게 (+)이온을 띄고 있어 콜레스테롤, 세균, 박 테리아, 분자량이 큰 중금속, 암세포, 농약, 다이옥신 등 (-)이온을 가진 유해물질과 흡착하는 성질을 가지고 있다. 또한 접착력이 우수한 합성고분자를 섞어서 사용함으로서 필터의 효과를 향상시킬 수 있다. 따라서 전기방사라는 간단한 장비를 이용하여 유해성분 제거효과가 뛰어난 물질들을 동시에 전기방사함으로서 기능성을 가지는 키토산/폴리비닐알코올 나노부직포를 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 기능성 나노부직포를 이용하여 담배필터로 사용함으로써 기존의 담배필터와는 달리, 흡연시 발생되는 열, 수분에 의해 필터중의 키토산 나노섬유가 상대적으로 쉽게 수용화되어 키토산이 유해물질인 타르, 니코틴과의 결합력을 향상시킴으로써 인체에 덜 유해하며, 수분흡착력 및 용해성이 뛰어나 환경친화적인 항균 담배필터를 개발할 수 있게 되었다. 또한 대나무를 이용한 활성탄을 다공성 키토산/폴리비닐알코올 나노부직포에 함입할 경우, 흡연시 대나무의 향이 발생함과 동시에 비표면적이 증가하고, 유해물질의 우수한 흡착성능 개선과 더불어 비표면적에 따른 효과 이외의 유기물의 흡착능력을 갖는 현저한 효과가 있음을 알게 되어 본 발명을 구상하게 되었다.
본 발명에서 사용된 키토산/폴리비닐알코올 나노부직포는 나노굵기의 섬유로 구성된 부직포를 담배필터로 사용함으로서 나노굵기에 기인한 상대적으로 빠른 나노섬유의 수용화 때문에 유해물질을 보다 빠르게 흡착할 수 있다. 보다 구체적으로 기존 사용되는 일반적인 숯 또는 야자각 활성탄 등의 다양한 활성탄을 사용한 담배필터에 비해 유해물질의 흡착성능이 뛰어나고, 요오드 흡착성능이 뛰어난 담배필터를 제공할 수 있다. 또한 본 발명은 대나무 활성탄을 이용한 여과재와 섬유층으로 구성되는 담배필터를 제공하고자 하며, 상기 여과재와 섬유층의 구성을 다양하게 함으로써 효과적으로 여과할 수 있는 담배필터를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
기존의 담배필터는 기공의 크기가 마이크론 단위로서 필터 효과는 제한적이다. 그러나 전기방사를 이용하여 나노 부직포로 필터를 제조하게 되면 기공의 사이즈가 나노 사이즈로 줄어들게 되어 필터 효과가 비약적으로 향상될 수 있다. 또한 나노 부직포를 만드는데 필요한 원재료의 양에 비해 상대적으로 많은 표면적을 얻을 수 있기 때문에 경제적으로도 매우 효과적인 담배필터로 쓰일 수 있다. 이러한 키토산 필터는 아미노기라는 활성분자를 가지고 (+)이온을 나타내어 양전하 성질을 띠게 되므로 양전하의 물질이 니코틴, 타르, 중금속 물질 등의 (-)이온의 물질과 정전기적 결합을 하여 여과효과를 더욱 높일 수 있고 자연분해의 속도가 기존의 셀룰로스 필터보다 빨라 폐기시 토양유기물질을 무기물로 분해 촉진시켜주기 때문에 흡연시 인체에 덜 유해하며 친환경적인 담배필터를 제공 할 수 있는데 그 특징이 있다. 특히 가격이 비싼 키토산과 친환경 합성고분자인 수용성 폴리비닐알코올을 혼합하여 나노부직포를 제조한다면 효과면에서는 만족할만한 결과가 나올 수 있으므로 저렴한 비용으로 담배필터의 유해물질 제거효과를 높일 수 있는 고안이다. 게다가 상기 제조한 다공성 나노 부직포에 대나무 활성탄 등을 사용하게 되면, 종래 사용되던 일반적인 숯 또는 야자각 활성탄에 비해 유해성분의 흡착력이 매우 증가하고, 요오드 흡착량도 현저히 증가하였다. 또한, 흡연시 대나무향이 나므로 은은한 향을 부여할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예는 본 발명의 일부분을 보다 구체적으로 설명하고 있으나, 본 발명의 내용이 이에 국한된 것은 아니다.
[실시예 1]
PVA 1.5g을 증류수 15ml에 녹이고 키토산 3.0g을 증류수 15ml에 녹인 후 혼합한다. 만들어진 혼합용액을 주사기에 넣고 15kV의 전압을 걸고 0.15ml/h의 속도로 전기방사하여 키토산/폴리비닐알코올 나노부직포를 제조하였다. 나노부직포의 평균 섬유굵기는 200nm였다. 이렇게 제조된 키토산/폴리비닐알코올 나노부직포의 니코틴 흡착율은 60%였다.
[실시예 2]
PVA 1.5g을 증류수 15ml에 녹이고 키토산 4.5g을 증류수 15ml에 녹인 후 혼합한다. 만들어진 혼합용액을 주사기에 넣고 20kV의 전압을 걸고 0.15ml/h의 속도로 전기방사하여 키토산/폴리비닐알코올 나노부직포를 제조하였다. 나노부직포의 평균 섬유굵기는 150nm였다. 이렇게 제조된 키토산/폴리비닐알코올 나노부직포의 니코틴 흡착율은 70%였다.
[실시예 3]
PVA 1.5g을 증류수 15ml에 녹이고 키토산 4.5g을 증류수 15ml에 녹인 후 혼합한 다. 혼합용액에 대나무 활성탄 0.1g을 균일하게 혼합하였다. 이때 사용된 대나무 활성탄의 입자크기는 평균 150nm로 균일하였다. 혼합용액을 주사기에 넣고 20kV의 전압을 걸고 0.15ml/h의 속도로 전기방사하여 키토산/폴리비닐알코올/활성탄 나노부직포를 제조하였다. 나노부직포의 평균 섬유굵기는 250nm였다. 이렇게 제조된 키토산/폴리비닐알코올/활성탄 나노부직포의 니코틴 흡착율은 90%였다.
[실시예 4]
PVA 1.5g을 증류수 15ml에 녹이고 키토산 4.5g을 증류수 15ml에 녹인 후 혼합한다. 혼합용액에 대나무 활성탄 0.1g을 균일하게 혼합하였다. 이때 사용된 대나무 활성탄의 입자크기는 평균 100nm로 균일하였다. 혼합용액을 주사기에 넣고 20kV의 전압을 걸고 0.15ml/h의 속도로 전기방사하여 키토산/폴리비닐알코올/활성탄 나노부직포를 제조하였다. 나노부직포의 평균 섬유굵기는 200nm였다. 이렇게 제조된 키토산/폴리비닐알코올/활성탄 나노부직포의 니코틴 흡착율은 93%였다.
[실시예 5]
PVA 0.5g을 증류수 15ml에 녹이고 키토산 6.5g을 증류수 15ml에 녹인 후 혼합한다. 혼합용액에 대나무 활성탄 0.2g을 균일하게 혼합하였다. 이때 사용된 대나무 활성탄의 입자크기는 평균 100nm로 균일하였다. 혼합용액을 주사기에 넣고 20kV의 전압을 걸고 0.15ml/h의 속도로 전기방사하여 키토산/폴리비닐알코올/활성탄 나노부직포를 제조하였다. 나노부직포의 평균 섬유굵기는 170nm였다. 이렇게 제조된 키토산 /폴리비닐알코올/활성탄 나노부직포의 니코틴 흡착율은 97%였다.
[실시예 6]
PVA 0.5g을 증류수 15ml에 녹이고 키토산 6.5g을 증류수 15ml에 녹인 후 혼합한다. 혼합용액에 대나무 활성탄 0.2g을 균일하게 혼합하였다. 이때 사용된 대나무 활성탄의 입자크기는 평균 100nm로 균일하였다. 혼합용액을 주사기에 넣고 10kV의 전압을 걸고 0.15ml/h의 속도로 전기방사하여 키토산/폴리비닐알코올/활성탄 나노부직포를 제조하였다. 나노부직포의 평균 섬유굵기는 210nm였다. 이렇게 제조된 키토산/폴리비닐알코올/활성탄 나노부직포의 니코틴 흡착율은 95%였다.
도1은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 기능성 나노 부직포의 주사 전자 현미경(SEM) 사진과 나노섬유의 평균직경을 나타낸 것이다.

Claims (5)

  1. 천연고분자인 키토산 5중량% 내지 40중량%, 합성고분자인 폴리비닐알코올 1중량% 내지 50중량%, 기능첨가제인 대나무 활성탄 0.1중량% 내지 10중량%, 증류수 30중량% 내지 200중량%를 10-100도 조건에서 1시간내지 24시간 교반시켜 용액을 제조한 후 전기방사를 이용하여 제조된 다공성 나노부직포 담배필터
  2. 상기1항에서 사용된 나노부직포의 평균 섬유 굵기가 5-5000nm인 나노부직포를 이용한 담배필터
  3. 상기1항에서 사용된 천연고분자는 키토산, 콜라겐, 알긴산, 엘라스틴, 전분, 피브로인 등이며, 합성고분자는 폴리비닐알코올, 나일론, 아세테이트, PLGA, PLA, PGA, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 아크릴 등이며, 기능첨가제는 활성탄, 제올라이트, 실리카, 콜로이달 은(Ag), 쑥, 어성초, 비타민C, 영지버섯, 소나무 추출물 등이며 언급된 천연고분자, 합성고분자 및 기능첨가제를 최소 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 사용한 나노부직포 담배필터
  4. 상기1항에서 제조된 나노부직포를 소량 또는 분쇄된 형태로 이용하여 기존의 아세테이트 담배필터 내부 및 외부에 사용한 담배필터
  5. 천연고분자인 키토산 5중량% 내지 40중량%, 합성고분자인 폴리비닐알코올 1중량% 내지 50중량%, 기능첨가제인 대나무 활성탄 0.1중량% 내지 10중량%, 증류수 30중량% 내지 200중량%를 10-100도 조건에서 1시간내지 24시간 교반시켜 용액을 제조한 후 전기방사를 이용하여 제조된 다공성 나노부직포 제조단계;
    제조된 나노부직포를 소량 또는 분쇄된 형태로 이용하여 기존의 아세테이트 담배필터 내부 및 외부에 사용하는 제조단계;를 포함하는 나노부직포 담배필터 제조방법
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