液体过滤器用过滤材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及液体过滤器用过滤材料及其制备方法，尤其，涉及通过使低重量的纳 米纤维网与多孔性无纺布相贴合，来形成薄的过滤层，并使每一单位面积的纳米纤维的含 量达到低重量化，使得过滤前后的压力差变小，从而可增加过流量的液体过滤器用过滤材 料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 最近，由于随着产业的尖端化，而需要高纯度、高品质的产品，从而分离膜 (membrane)技术被视为非常重要的领域。尤其在环境领域，随着对纯净水的需求和对缺水 的认识逐渐提高，作为解决上述问题的方案之一，利用分离膜的技术备受瞩目。利用分离膜 所进行的水净化工序、下水处理工序、废水处理工序及淡水化工序等工序已经广为扩散并 普及。并且，当前技术已脱离对分离膜自身的开发，并已将分离膜利用于应用产品，而且，在 对基于应用的分离膜性能进行提高的同时扩大对周边技术的开发。
[0003] 作为存在于相互不同的两种物质之间并具有选择性的物质，分离膜意味着用于使 一种物质选择性地经过或排除的原材料，而并不限制分离膜的结构或材料，以及经过分离 膜的物质的状态或移动原理等，若用于隔开两种物质之间，并通过上述两种物质之间的膜 来发生物质的选择性的移动，则可将上述物质称为分离膜。
[0004] 分离膜的种类非常多，并以多种基准分类。
[0005] 首先，基于分离操作的分类作为基于分离对象物质状态的分离法，分为液体分 离、气液分离、气体分离等。而且，根据过滤对象物质的大小，液体分离分为微滤（micro filtration)、超滤（Ultrafiltration)、纳米过滤（nanofiltration)、反渗透（reverse osmosis)等。气体分离可根据分离的气体种类具体分离，在用于分离氧气的膜的情况下，上 述气体分离被分类为富氧，在用于分离氮气的膜的情况下，上述气体分离被分为富氮、氢分 离、脱水膜等。
[0006] 基于膜的形状，分为平板膜（flatmembrane)、中空纤维膜（hollowfiber membrane)、管状膜（tubularmembrane)，并且，根据过滤器模块的形态，上述膜分为板型、 螺旋型、盒型、平膜型、沉积型、管型等。
[0007] 基于材料的分类有无机膜和利用高分子的有机膜。目前，基于无机膜的耐热性、耐 久性等优点，扩大了无机膜的用途，而目前产品化的大部分分离膜由高分子分离膜占据。
[0008] 通常，过滤（filtration)是指从流体中分离两种以上的成分，意味着分离未溶解 的粒子，即，分离固体。在分离固体的过程中，过滤原理可通过筛析、吸附、溶解、扩散原理进 行说明，除了气体分离膜、反渗透膜等一部分分离膜，则大部分分离可以说是完全依赖于筛 析原理。
[0009]因此，只要是具有气孔的原材料，均可用作过滤材料，代表性的过滤材料有无纺布 (nonwovens)、纺织物（fabric)、网布（mesh)、多孔性膜（porousmembrane)等。
[0010] 由于无纺布、纺织物、网布（mesh)等很难制备1μ难以下的气孔，因而局限于 粒子过滤（particlefiltration)领域，且以预处理过滤器的概念来使用。相反，多孔 性膜可制作精密且很小的气孔，从而用于精密过滤（microfiltration)、超过滤（ultra filtration)、纳米过滤（nanofiltration)、反渗透过滤（reverseosmosis)等广泛的过滤 领域和需要最高精密度的工序。
[0011] 由于无纺布、网布、纺织物由数微米至数百微米厚度的纤维形成，因而难以制备1 微米以下的微细气孔。尤其，在无纺布的情况下，因纤维的无序排列而形成网，因而实际上 无法制备均勾的气孔。以恪喷过滤介质（melt-blown)为例，它可被视为由纤维直径达到 1~5μπι范围的最微细的纤维形成的无纺布，在进行热压延之前的气孔大小达到6微米以 上，压延之后的气孔大小仅达到约3微米，并以基准点为中心，平均气孔大小的误差达到土 准点的，且具有相当大的多个气孔共存的结构。最终，由于难以防止污染物质通过相对大的 气孔流出，因而过滤效率只能低下。因此，在并不精密的过滤工序或精密过滤工序中，上述 过滤材料以预处理的概念来使用。
[0012] 另一方面，多孔性膜通过非溶剂致相分离法（NIPS)、热致相分离法（TIPS)、拉伸 法（stretchingprocess)、照射蚀刻法（tracketching)、溶胶-凝胶法（sol-gel)等的方 法制备而成，多孔性膜的材质大部分为有机高分子，主要使用聚四氟乙烯（PTFE)、聚偏氟乙 稀（PVDF)、尼龙（nylon6、nylon66)、聚砜（PS)、聚醚砜（PES)、聚丙稀（PP)、聚乙稀（PE)、硝 化纤维（NC)等。这种以往的多孔性膜可形成精密且小的气孔，相反，因在制备工序中不可 避免地产生封闭的气孔（closedpore)、堵塞的气孔（blinedpore)，因而具有过滤流量小、 运行压力大、过滤寿命短的问题，从而高运行费用及过滤器更换频繁成为了问题。
[0013] 因此，为了可用于处理液体处理，急需开发如下膜，S卩，作为具有微细气孔结构的 薄膜，具有基于气孔大小的恒定的过滤性能和稳定性的高寿命、高效率。
[0014] 在韩国公开特许第2008-60263号（专利文献1)中，提出了如下过滤材料，即， 包括一个以上的由平均纤维直径小于约1ym的聚合物纳米纤维构成的纳米纤维层，平均 流动孔隙大小为约0. 5μπι至5. 0μπι，固形度为约15体积百分比至约90体积百分比，在 lOpsi(69kPa)的差动压力下，借助介质的水的流动速度超过约0. 055L/分钟/cm2。
[0015] 在上述特许文献1中所提出的过滤材料的制备方法例示出如下内容，S卩，包括一 个以上的纺丝束，上述纺丝束包括纺丝喷嘴，吹送气体注入喷嘴及收集器，使用在甲酸中含 有24重量百分比的尼龙的溶液作为聚合物溶液，通过电-喷送纺丝或电吹送方法来对纳米 纤维进行纺丝来形成网。
[0016] 但是，在上述特许文献1中，用于形成纳米纤维的纤维质网的方法无法被视为使 用多孔性纺丝膜的制备技术。并且，在为了提高生产率而借助使用多孔性纺丝膜的喷射电 纺丝装置来以电纺丝方法制备纳米纤维网的情况下，包含24重量百分比的高分子的纺丝 溶液，由于它的粘度上升，因而在溶液表面产生固化，从而难以长时间进行纺丝，并且因纤 维直径的增加而发生无法制备微米以下大小的纤维状的问题。
[0017] 尤其，通过纺丝得到的超细纤维网在进行压延之前未经过用于适当调节残留在网 表面的溶剂和水分量的预处理工序的情况下，若气孔增大的同时反而使网的强度变差或溶 剂的挥发过慢，则有可能产生网被溶化的现象。
[0018] 另一方面，在韩国公开特许第2012-2491号（专利文献2)中提出了利用电纺丝的 纳米纤维网的液体过滤器用过滤材料、及其制备方法以及利用其的液体过滤器，上述纳米 纤维网具有多层结构的三维微细气孔结构，从而具有高效率、高寿命，且可使过滤效率达到 极大化。
[0019] 在使用将纤维成形性高分子物质溶解于溶剂所获得的纺丝溶液对支撑体的上部 进行电纺丝，来形成纳米纤维网后，上述由液体过滤用多层纳米纤维网形成的过滤材料对 形成有纳米纤维网的支撑体进行热压接，或对纺丝溶液进行空气静电纺丝来形成纳米纤维 网，并进行热压接后，使被热压接的纳米纤维网的一面与支撑体相贴合来制备过滤材料。
[0020] 但是，在这种液体过滤器用过滤材料的制备方法中，在使用纺丝溶液对支撑体的 上部进行空气静电纺丝来形成纳米纤维网后，对形成有纳米纤维网的支撑体进行热压接的 方法随着利用拉伸强度高的多孔性无纺布作为支撑体，因而拉伸强度被提高，从而具有可 在生产过程中提高处理性的优点，但存在纳米纤维网的均匀度并不高的问题。
[0021] 通常，被电纺丝的纳米纤维在收集器（Collector)产生堆积现象，并存在沿着堆 积部的图案层叠的现象。例如，若在钻石图案上进行电纺丝，则纳米纤维开始沿着钻石图案 堆积。
[0022] 因此，如专利文献2,在使纳米纤维直接对无纺布进行纺丝，来形成纳米纤维网的 情况下，存在无法得到纳米纤维网的气孔大小、透气度、厚度、重量等均匀度优秀的纳米纤 维网的问题。
[0023] 在专利文献2中，提出了使用熔喷无纺布、纺粘无纺布、热合无纺布等的由单一芯 材结构的纤维形成的无纺布来与纳米纤维网相贴合的过滤材料，但当无纺布与纳米纤维相 贴合时，随着在熔点相对低的熔点进行压延，从而产生无纺布和纳米纤维网中的一个难以 维持气孔结构的问题。
[0024] 并且，如专利文献2,若使纺丝溶液进行空气静电纺丝来形成纳米纤维网并被进行 热接合后，使被热接合的纳米纤维网的一面与支撑体相贴合，或仅由纳米纤维本身制备过 滤材料，则为了所制备出的过滤材料达到可操作的水准，需达到约l〇g/m2以上的高重量。但 是，这种高重量过滤材料作为直接关系到生产速度的因素（factor)，会成为导致高成本的 原因。
[0025] 并且，纳米纤维在制备工序过程中带有大量的静电，因而，若仅由纳米纤维形成过 滤材料，则存在操作相当困难的问题。虽然无法通过贴合等的复合化来去除静电，但可改善 处理性。尤其，虽然纳米纤维的相对强度比其他纤维优良，但绝对强度相对差。
[0026] 并且，在由纳米纤维形成的多孔性纳米纤维网通过压延工序使得纤维之间坚固地 相结合，从而形成完成度高的多孔性纳米纤维网，但如专利文献2,若直接对无纺布进行纺 丝并压延（calendaring)，则由于无纺布的恪点比由聚合物形成的纳米纤维的纤维间的结 合温度低，因而在压延温度控制方面受限。最终，存在无法使形成纳米纤维网的纳米纤维之 间坚固地相结合的问题。
[0027] 在对液体进行过滤的过程中，发生需发挥亲水性特性的情况。但是，在使用亲水性 高分子制备过滤材料的情况下，由于亲水性高分子在机械性强度和耐药品性等方面存在比 疏水性高分子差的问题，因而存在不得不有限地使用亲水性高分子的问题。
[0028] 最终，由聚偏氟乙烯高分子组成的过滤材料具有非常适合对液体进行过滤的强度 和耐药品性，但因疏水性特性，存在有限地使用于水类过滤方面的问题。并且，若由疏水性 高分子组成的过滤材料在制备的过程中由可操作水准的约l〇g/m2以上的高重量形成，则当 水类流体经过时，产生相对高的压力差，因而在执行亲水处理或未执行亲水处理的情况下， 存在若未施加适当的驱动力（drivingforce)，则水无法顺畅地经过的问题。
[0029] 并且，在仅以约10g/m2以上的高重量的纳米纤维本身制备过滤材料的情况下，因 无法形成薄的过滤层，导致压力差过大，从而存在过流量变小的问题。
[0030] 通常，对水质污染物质进