투명 폴리우레탄 나노섬유 필터: 실내 공기 질 개선을 위한 초고효율 PM2.5 포집

초록

미세먼지(PM)는 인간 건강, 기후, 생태 환경에 심각한 영향을 미칩니다. 최근 많은 연구자들이 전기방사법으로 나노섬유 공기 필터를 제조하여 미세먼지를 효과적으로 제거하고 있습니다. 그러나 폴리머 나노섬유를 창문 망에 균일하게 전기방사하는 것은 실험실 수준에서만 달성되었으며, 산업화 실현은 여전히 큰 과제입니다. 본 연구에서는 회전 비드 스피너릿을 이용한 전기방사법으로 열가소성 폴리우레탄(TPU)을 전도성 메쉬 위에 대면적 전기방사하여 하루 1000m² 생산성을 달성했습니다. TPU 폴리머 용액 농도 조절로 PM2.5 제거 효율 99.654%, 광투과율 60%, 접촉각 128.5°, 통기 속도 3480mm/s를 동시에 구현했습니다. 10회 여과 후 제거 효율 저하는 1.6%에 불과합니다. TPU 나노섬유 기반 투명 공기 필터는 우수한 여과 효율과 통기 속도로 주거용 건물 실내 공기 질을 효과적으로 보장할 수 있습니다.

서론

미세먼지(PM)는 수백 가지 화학 성분을 포함한 다양한 고체 미세 입자와 액적들로 구성됩니다. PM은 주로 수용성 이온, 탄소 화합물, 기타 무기 화합물 세 가지 주요 화학 물질로 이루어집니다[1-5]. PM은 주로 화석 연료와 쓰레기 연소에서 발생하며 독성 물질과 유해 입자가 풍부합니다[1, 3-6]. 입자 지름 크기에 따라 PM2.5(공기역학적 지름 2.5μm 미만)와 PM10(10μm 미만)으로 나뉩니다. PM10은 공기 중 몇 분에서 몇 시간 머무르며 이동 거리가 제한적인 반면, PM2.5는 대기 중 수일에서 수주간 장기 체류하며 지표에 떨어져도 바람으로 쉽게 다시 부유합니다[2, 5]. 호흡 과정을 통해 PM2.5는 인체 내로 들어가 기도나 폐에 축적되어 건강에 악영향을 미칩니다[7-9]. PM2.5는 강우 과정 영향 등 기후와 생태 환경에도 큰 영향을 미칩니다[10-14]. 최근 10년간 PM2.5 대기 오염이 심화되고 있으며, 특히 중국, 인도 등 개발도상국에서 심각합니다[4, 15]. 이들 국가 국민은 일상에서 심각한 스모그를 자주 겪으므로 PM2.5 대비가 필수적입니다.

현재 심각한 스모그 대비책은 주로 실외 개인 보호에 집중되어 있습니다(전문 방진 마스크 착용 등)[16, 17]. 실내 보호(환기 시스템, 공기청정기)는 비용이 많이 들고 설치가 복잡하며 필터 교체가 필요합니다[6]. 일반적인 실내 공기 필터는 상업용 건물에 주로 적용되는데, 능동 공기 교환용 펌핑 시스템 비용이 높기 때문입니다. 최근 창문 자연 환기를 이용한 주거용 투명 공기 필터 두 가지가 소비자 눈에 들어왔습니다[17]. 다공성 막 필터는 기공률이 매우 낮아 높은 통기성을 구현하기 어렵고, 나노섬유 공기 필터는 기공률 70% 도달로 높은 통기성이 가능합니다. 여러 실험실에서 나노섬유로 창문 망을 제조해 실내 공기 질 보호 연구를 수행했습니다. Chen 등[18]은 전기방사 TPU 폴리머로 공기 필터를 제조하여 PM2.5 제거 효율 98.92%, 압력 강하 10Pa를 보고했습니다. Khalid 등[19]은 직접 블로잉 기술로 나노섬유 창문 망을 제작하여 광투과율 80%, PM2.5 여과 효율 99%를 보고했습니다. Liu 등[6]은 전기방사로 투명 공기 필터를 제조하여 높은 통기성과 PM2.5 여과 효율 95% 이상을 달성했습니다. 그러나 이들 연구는 실험실 수준에 머물러 나노섬유 필터 산업 공정 연구는 미미합니다.

최근 전기방사 기술은 낮은 에너지 소비, 간단한 조작, 친환경적 나노섬유 제조법으로 주목받고 있습니다[20, 21]. 전기방사로 제조된 나노섬유 막은 높은 기공률, 미세-나노 채널 상호 연결, 큰 비표면적을 가집니다[22-29]. 최근 우리 팀은 회전 비드 스피너릿을 이용해 TPU 나노섬유 공기 필터를 대량 생산하는 기술을 개발했습니다[30, 31]. 이 필터는 높은 열 안정성, 60% 광투과율, 99.654% PM2.5 제거 효율, 긴 수명, 낮은 공기 저항(통기 속도 3348mm/s), 경량 등의 특성을 가집니다.

실험

재료 및 기기

폴리머 TPU는 독일 Bayer사 제품으로 내열성, 내마모성, 자외선 차단 기능을 가집니다. 기판 전도성 메쉬는 중국 칭다오 Junada Technology사 제공입니다. N,N-디메틸포름아미드(DMF)와 아세톤은 중국 천진 Zhonghe Shengtai Chemical사 제공입니다. 주사 전자 현미경(SEM Feiner High Resolution Professional Edition Phenom Pro)으로 TPU 섬유 형태를 관찰했습니다. 자동 여과 성능 시험기 FX3300 Lab Air-IV(중국 Shanghai Lippo사)로 여과 성능을 평가했습니다. AFC-131(중국 Shanghai Huifen Electronic Technology사)로 통기 속도를 측정했습니다. Thermo Scientific Nicolet iS5로 TPU 섬유 막의 적외선 측정 및 기능기 분석을 수행했습니다. Theta 광학 접촉각 측정기로 TPU 섬유 막 접촉각을 분석했습니다. 자외선 분광광도계 UV1901PC(중국 Shanghai Aoxiang Scientific Instrument사)로 투과율을 평가했습니다.

나노섬유 막 제조

TPU 나노섬유 막은 전기방사 장비 NES-1(중국 칭다오 Junada Technology사)로 제작했으며 그림 1a에 장비 사진을 보입니다. 본체 크기는 길이 2350mm, 폭 2200mm, 높이 2700mm, 무게 1980kg입니다. 터치스크린은 Siemens PLC, 전압 30kV, 방사 폭 1.1m입니다. 평균 섬유 지름 약 120nm, 나노섬유 막 면밀도 약 0.5g/m²입니다. 기판은 셀룰로오스, 합성 섬유 등에 적합하며 폴리머 재료는 TPU, PVP, PAN 등에 적합합니다. 전기방사 원리는 그림 1b, 전기방사로 제작된 나노섬유 막 개략도는 그림 1c에 나타냈습니다. 전기방사 용액은 TPU를 DMF와 아세톤을 부피비 1:1로 혼합한 용매에 다양한 질량으로 녹여 제조했습니다. 방사 전압은 양압 30kV, 음압 -30kV로 안정된 제트를 형성했습니다. 기판 이동 속도 10m/min, 방사 거리 200mm로 제어했습니다. 공정 온도와 상대 습도는 25°C, 50% RH로 제어했습니다. 다양한 평균 지름 나노섬유를 얻기 위해 TPU 용액 농도를 6-16wt%로 조절했습니다. 동일 조건에서 TPU 용액을 전도성 메쉬에 전기방사했습니다. TPU 농도별 섬유 막을 TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU-14, TPU-16으로 명명했습니다.

그림 1. 전기방사 장비: (a) 본 연구용 전기방사 장치 사진, (b) 회전 비드-와이어 스피너릿 전기방사 셋업 개략도, (c) 본 공기 필터용 나노섬유 막 시료(전기방사 장치로 제작).

결과 및 논의

형태 및 구조 특성 분석

나노섬유 막 특성 분석의 중요한 경향 중 하나는 막 표면 형태입니다. SEM으로 TPU 나노섬유 막 형태를 관찰했으며 가속 전압 10kV를 사용했습니다. 그림 2a-f는 TPU 용액 농도 6, 8, 10, 12, 14, 16wt%에서 전기방사된 나노섬유 막 미세 형태입니다. TPU 농도 6-12wt%(그림 2a-d)에서는 다양한 크기의 비드 형태 나노섬유가 다수 관측됩니다. 이는 저농도 TPU 용액에서 폴리머 TPU 분자 사슬의 낮은 점도로 인해 전기장 힘의 신장을 견디기 어렵기 때문입니다[32]. 또한 TPU 분자 사슬의 점탄성으로 전기장 힘에 의해 신장된 제트가 뭉쳐 비드 형태 나노섬유를 형성합니다[33]. 그러나 TPU 농도 증가에 따라 용액 점도가 증가하여 전기방사 공정에서 비드 나노섬유 대신 나노섬유가 형성되어 비드 나노섬유가 점차 줄어들어 완전히 사라집니다(그림 2e-f). 반면 용액 점도는 나노섬유 지름에 영향을 미치는 중요한 파라미터입니다[34]. TPU 용액 농도 증가에 따라 점도도 증가하므로 나노섬유 지름이 증가합니다(그림 2a-f). TPU 농도 14wt% 이상에서 나노섬유 지름이 급격히 증가합니다(그림 2e-f). NanMeasurer로 계산한 평균 TPU 나노섬유 지름은 TPU-6, 8, 10, 12, 14, 16 순으로 약 0.10μm, 0.12μm, 0.14μm, 0.17μm, 0.34μm, 1.97μm입니다.

그림 2. 전기방사 TPU SEM 이미지: a-f TPU 농도 6, 8, 10, 12, 14, 16wt% 시 SEM 이미지 및 지름 분포.

푸리에 변환 적외선 분광 분석

제조된 TPU 나노섬유 막 조성 확인을 위해 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR) 분석을 수행했습니다. 장비 1.5시간 예열, 압력 15MPa, 작동 전압 220V, 주변 온도 20°C, 습도 40%, 주파수 50Hz, 전류 7.5A 조건에서 측정했습니다. 결과는 그림 3과 같이 기판 폴리우레탄 적외선 스펙트럼과 명백히 일치합니다. 3330.18, 2960.51, 1215.86cm^-1에서 강한 흡수 피크가 관측되어 N-H, C-H 작용기 존재를 나타냅니다. TPU 나노섬유 표면에 소수성 작용기가 있고 섬유 막 표면이 매끄럽고 조밀하여 제조된 투명 공기 필터는 소수성 기능을 가집니다. TPU 섬유 막의 소수성으로 인해 비 오는 날에도 창문을 열 수 있습니다.

그림 3. TPU 나노섬유 막 조성: 다양한 작용기 존재를 보여주는 TPU FTIR 스펙트럼.

여과 효율 분석

여과 효율은 투명 공기 필터 평가의 가장 중요한 파라미터입니다. 동일 조건(온도 20°C, 상대 습도 40.6%, 유량 2.0m³/h, PM 오염물질은 에어로졸 입자)에서 다양한 TPU 섬유 막 여과 효율을 시험했습니다. PM 크기 분포와 각 시료 여과 효과는 그림 4a에 나타냈습니다. 여과 효율은 PM 입자 크기와 양의 상관관계를 가집니다. 동일 크기 PM 입자(예: PM2.5, 그림 4b)에서 TPU 농도 6-12wt% 증가 시 제거 효율이 유의미하게 증가하는데, 더 큰 지름 나노섬유로 짠 막이 PM 입자를 더 잘 차단하기 때문입니다[18]. 그러나 TPU 농도 12-16wt% 증가 시 섬유 간 간격 증가와 비드 사슬 섬유 소실로 제거 효율이 현저히 감소합니다[18]. 용액 농도 증가로 전기방사 제트 신장이 더 어렵고 느려져 TPU 섬유 막 기공 크기가 증가합니다. 그림 4c-e는 서로 다른 지름 섬유 막을 통과하는 입자상 물질 거동입니다. 더 큰 섬유 지름이 PM 통과를 효과적으로 차단하지만, TPU 농도 증가에 따라 섬유 지름은 커지나 섬유 간 거리도 커져 여과 효율이 감소합니다. 최고 PM2.5 제거 효율은 TPU-12에서 나타납니다. 입자 지름 ≥0.525μm 시 제거 효율 100%, 압력 강하 10Pa에 불과합니다. 또한 TPU-10의 PM2.5 제거 효율은 99.654%입니다.

그림 4. TPU 섬유 막 여과 효율 평가: (a) TPU 농도 6, 8, 10, 12, 14, 16wt% 시 다양한 크기 PM 제거 효율, (b) 다양한 TPU 농도 섬유 막 PM2.5 제거 효율, (c-e) 서로 다른 지름 섬유 막 통과 PM.

통기 속도 분석

높은 통기성 유지는 공기 필터 성능 평가의 중요한 특성입니다. 동일 조건(측정 면적 20cm², 측정 압력 200Pa)에서 6개 시료 통기 속도를 시험했습니다. 다양한 TPU 농도 나노섬유 막 통기 속도는 그림 5a에, 해당 압력 강하는 각각 6, 15, 12, 10, 7, 9Pa입니다. TPU 농도 6→8wt% 증가 시 통기 속도 먼저 감소, 8→14wt% 증가 시 유지 증가, 14→16wt% 증가 시 약간 감소하는 경향을 보입니다. 통기 속도에 영향을 주는 두 주요 요인은 나노섬유 충진 밀도와 평균 섬유 지름입니다[34]. 나노섬유 충진 밀도는 다음과 같이 계산됩니다:

α = W / (ρ_fZ) (1)

여기서 α는 나노섬유 충진 밀도, W는 나노섬유 막 평량, ρ_f는 나노물질 밀도, Z는 나노섬유 막 두께입니다. 통기 속도 초기 감소는 주로 TPU 나노섬유 평균 지름 증가 때문입니다(그림 5b, c). TPU 농도 8→14wt% 증가 시 나노섬유 충진 밀도 감소로 나노섬유 간 거리가 증가하여 통기 속도에 유리해지며, 나노섬유 지름 증가에도 불구하고 통기 속도가 증가합니다(그림 5d). TPU 농도 14→16wt%에서는 나노섬유 지름이 통기 속도에 결정적 역할을 하여 통기 속도가 약간 감소합니다(그림 5e). TPU 농도 10wt%에서 통기 속도 3480mm/s로 나노섬유 막 없는 빈 망과 동등한 수준입니다.

그림 5. TPU 섬유 막 통기 속도 평가: (a) 다양한 TPU 농도 섬유 막 통기 속도, (b-e) 서로 다른 지름 섬유 통과 공기.

접촉각 분석

소수성은 공기 필터 성능 평가의 중요한 파라미터이며, 5μL 물방울로 DSA 법을 사용해 TPU 섬유 막 습윤성을 측정했습니다. 결과는 그림 6a-f에, 접촉각은 TPU-6, 8, 10, 12, 14, 16 순으로 138.6°, 133.4°, 128.5°, 122.8°, 112.7°, 107.7°입니다. 모든 시료 접촉각이 90° 초과로 폴리머 TPU로 제조된 투명 공기 필터는 TPU 나노섬유 막 표면 소수성 작용기, 작은 섬유 지름에 따른 매끄러운 막 표면과 조밀 구조로 높은 소수성을 가집니다. 그러나 TPU 농도 증가에 따라 접촉각이 점차 낮아집니다(그림 6g). 이는 섬유 막 표면 거칠기 증가 때문입니다. 나노섬유 막 접촉각과 표면 거칠기 관계는 Wenzel 방정식으로 이해할 수 있습니다:

cos θ' = r cos θ (2)

여기서 r은 표면 거칠기 인자(실제 표면적/기하학적 투영 면적 비율, r≥1), θ'은 거친 표면 접촉각입니다. 그림 6h-i와 같이 TPU 농도 증가에 따라 나노섬유 지름 증가, 나노섬유 막 표면 거칠기 증가로 접촉각이 점차 낮아집니다.

그림 6. TPU 섬유 막 접촉각 특성: a-f 5μL 물방울로 다양한 TPU 농도 섬유 막 접촉각 측정, g TPU 농도별 접촉각, h-i 서로 다른 지름 섬유 표면 위 물방울.

투명도 및 재현성 시험

투명 공기 필터의 또 다른 중요한 파라미터는 투과율입니다. 6개 시료 투과율을 시험한 결과는 그림 7a에 나타냈습니다. 투과율은 TPU 농도 6→12wt% 증가 시 먼저 감소하다 12→16wt% 증가 시 증가하는 경향을 보입니다. TPU 농도 6→12wt%에서 막 투과율은 점차 감소하는데, 초기 용액 농도 너무 낮음(6, 8wt%)으로 전기방사가 섬유 형성을 어렵게 하고, 농도 증가로 전기방사에 적합해져 점점 더 많은 섬유가 형성되며 나노섬유 지름도 커지고 막도 두꺼워져 투과 광량이 감소하기 때문입니다. 또한 낮은 용액 농도에서 전기방사로 다수 비드 형성(그림 2a-d)되어 광투과에 불리합니다. 용액 농도 12→16wt%에서 막 투과율은 점차 증가하는데, 용액 점도 증가로 전기방사 공정이 점차 어려워져 생성 나노섬유가 줄어들고, 비드 사슬 소실로 더 많은 빛이 통과하기 때문입니다. TPU-6, 8, 10, 12, 14, 16 투과율은 각각 80%, 75%, 60%, 30%, 45%, 70%입니다. TPU-10은 99.654% 여과 효율과 60% 투과율을 동시에 가집니다. 50% 이상 투과율 공기 필터는 실내 조명 요구를 충족할 충분한 빛을 투과시킵니다.

그림 7. TPU 섬유 막 투과 특성: (a) 다양한 TPU 농도 섬유 막 투과율, (b) 10wt% TPU 투명 공기 필터 사진(60% 투과율).

장기 여과 성능과 높은 공기 흐름이 공기 필터의 중요한 요소임을 고려해 TPU 섬유 막을 재사용하며 여과 효율과 통기 속도 지속 시험을 수행했습니다(그림 8). 그림 8a는 TPU 나노섬유 막 PM2.5 여과 10회 시험 복합 제거 효율 오차 막대입니다. TPU-10 10회 여과 후 여과 효율은 1.6%만 감소했습니다(99.4%→97.8%). 또한 그림 8b는 다양한 TPU 농도 섬유 막 10회 통기 시험 통기 속도 오차 막대입니다. 통기 속도는 천천히 변화하며 유의미하게 감소하지 않습니다. 10회 호흡 시험 후 통기 속도 감소 약 10mm/s로 통기 효과가 매우 안정적입니다.

그림 8. 복합 섬유 막 통기 속도 및 제거 효율 재현성: (a) 제거 효율 재현성, (b) 통기 속도 재현성.

결론

요약하면, 회전 비드 스피너릿 전기방사로 대량 생산 가능한 투명 공기 필터를 제작했습니다. TPU 폴리머 용액 농도 조절로 높은 PM2.5 제거 효율(99.654%), 양호한 광투과율(60%), 높은 통기 속도(3480mm/s)를 동시에 달성했습니다. 또한 TPU 투명 공기 필터 10회 여과 및 통기 시험 결과 여과 효율 감소 1.6%, 통기 속도 변화 매우 느리고 실질적으로 불변함을 확인했습니다. 이 결과들은 전기방사 TPU 나노섬유 막이 우수한 발수성, 광투과율, 통기 속도, 여과 성능 등 많은 장점을 가져 다양한 분야 필터 소재로 활용 가능함을 보여줍니다.

데이터 및 재료 가용성

본 연구 동안 생성되거나 분석된 모든 데이터는 본 게재 논문에 포함되어 있습니다.