[논문]아세테이트 나노섬유에 의한 니코틴/타르의 흡착

최창남; 조용준; 장미화; 조성용

문제 정의

본 연구에서는 나노섬유를 제조하여 담배의 필터 링 효과를 극대화시키기 위하여 아세테이트를 정전방사할 때 인가전압, TCD(tip to collector distance, 방사구에서 집전판까지의 거리), 유출속도의 효과 에 대해 검토하였다. 그리고 정전방사하여 얻은 부직포형태의 시료를 사용하여 필터를 제조한 다 음, 아스피레이터를 이용하여 사람이 직접 흡입할 때와 동일한 조건을 필터에 적용하여 담배필터로써 의 효과를 비교하여 보았다.

제안 방법

본 연구에서는 나노섬유를 제조하여 담배의 필터 링 효과를 극대화시키기 위하여 아세테이트를 정전방사할 때 인가전압, TCD(tip to collector distance, 방사구에서 집전판까지의 거리), 유출속도의 효과 에 대해 검토하였다. 그리고 정전방사하여 얻은 부직포형태의 시료를 사용하여 필터를 제조한 다 음, 아스피레이터를 이용하여 사람이 직접 흡입할 때와 동일한 조건을 필터에 적용하여 담배필터로써 의 효과를 비교하여 보았다.
필터부분을 제거한 시판용 담배 1개비를 위와같은 방법으로 제조한 아세테이트 나노섬유 필터 및 시판용 담배필터의 유리관 한쪽에 각각 삽입하여 고정시키고, 유리관의 다른 한쪽은 아스피레이터에 연결하였다. 담배에 불을 점화시킨 후에 아스피레 이터로 담배연기를 필터로 흡인시키고, 필터에 흡 착된 니코틴/타르를 10ml 물로 6시간 동안 추출한 용액의 농도를 가시-자외선 분광광도계(UV-VisSpectrophotometer : UV-2101 PC, Shimadzu, Japan)로 용액의 최대흡수파장(λmax)인 266nm에서 측정하여 흡착량을 측정하였다.
이는 전술한 바와 같이 용액의 농도가 낮을 때는 점도가 낮고 표면장력 이 너무 커서 인가된 전압이 고분자 용액의 표면 장력을 극복하지 못하였기 때문으로 생각된다. 따라서 고분자용액의 농도를 증가시켜 전기방사를 실시하여 보았다. Fig.
9cm의 유리관에 삽입하여 제조하였다. 또한 흡착능을 비교하기 위하여 정전 방사를 통하여 제조한 아세테이트 나노섬유를 사용하여 위와 동일한 조건으로 필터를 제조하였다.
전기방사된 나노섬유의 표면 형태는 광학현미경 으로 관찰하였다. 한편 제조된 필터의 형태는 주사전자현미 경(JSM-5400, Japan)을 사용하여 시료에 백금을 진공증착한 후 2,000배로 확대하여 관찰하였다.
필터부분을 제거한 시판용 담배 1개비를 위와같은 방법으로 제조한 아세테이트 나노섬유 필터 및 시판용 담배필터의 유리관 한쪽에 각각 삽입하여 고정시키고, 유리관의 다른 한쪽은 아스피레이터에 연결하였다. 담배에 불을 점화시킨 후에 아스피레 이터로 담배연기를 필터로 흡인시키고, 필터에 흡 착된 니코틴/타르를 10ml 물로 6시간 동안 추출한 용액의 농도를 가시-자외선 분광광도계(UV-VisSpectrophotometer : UV-2101 PC, Shimadzu, Japan)로 용액의 최대흡수파장(λmax)인 266nm에서 측정하여 흡착량을 측정하였다.
전기방사된 나노섬유의 표면 형태는 광학현미경 으로 관찰하였다. 한편 제조된 필터의 형태는 주사전자현미 경(JSM-5400, Japan)을 사용하여 시료에 백금을 진공증착한 후 2,000배로 확대하여 관찰하였다.

대상 데이터

본 실험에서 사용한 아세테이트(39.8% acetyl content, 평균분자량 약30, 000)는 Aldrich에서 구입 하여 사용하였으며 아세톤/DMAc(2/l)혼합 용매에 용해시킨 후에 syringe pump에 주입하고, 정전방 사 장치의 전압, TCD, 권취속도 등을 조정하면서 정전방사를 실시하였다. 얻어진 부직포 웹을 80℃로 11시간 진공 건조시켰다.
그러나, 용액의 점도가 높을 경우 Jet는 붕괴되지 않고 집전판을 향하여 공기 중을 날아가면서 용매가 증발하게 되고 집전판에는 하전된 고분자 연속상 섬유가 쌓이 게 된다. 아세테이트의 경우에 사용할 수 있는 가장 보편적인 용매는 아세톤이지만 아세톤의 비점 이 너무 낮아 방사과정 중에 용매가 너무 쉽게 증발하여 방사가 자주 중단되었기 때문에 아세톤/DMAc(2/l) 혼합용매를 사용하였다. Fig.

성능/효과

이와 같은 결과들은 나노섬유 필터의 니코틴/타르 흡착능이 훨씬 우수하다는 것을 의미하는 것이다. 담배필터에 의한 니코틴/타르의 흡착은 실리카겔, 활성탄과 같은 다공성 흡착재에 의한 흡착 메카니 즘과 유사하다& Fig. 11은 담배를 흡입하기 전, 후에 나노섬유의 SEM 사진을 나타내었는데 미세섬 유들이 서로 엉킴으로 인하여 미세공이 잘 발달되어 있는 것을 확인할 수 있으며, 담배를 흡입한 후 에는 미세섬유 표면이 약간 검게 변한 것으로 보아 니코탄/타르를 비롯한 담배의 화합물들이 섬유표면 에 흡착된다는 것을 알 수 있었다. 아세테이트 섬유 와 니코틴/타르 사이에는 강한 화학결합이 작용핼만한 관 능기가 없기 때문에 흡착은 약한 제2차 결합력에 의한 물리적 흡착이 일어날 것으로 보인다.
모두 연속적인 방사가 가능하였고, 비드가 거의 없는 섬유를 제조할 수 있었다. Table 2에 토출속 도에 따르는 직경의 변화를 나타내었는데 직경은 0.
아세테이트를 아세톤;DMAc(2/l)혼합용매에 용 해한 용액을 정전방사할 때 용액의 농도가 15%이 상에서 나노섬유의 제조가 가능하였으며 인가전압 이 증가할수록 토출속도가 작을수록 섬유의 직경 이 감소하였다. 나노섬유를 사용하여 제조한 필터는 담배연기 에 함유된 니코틴/타르의 흡착능이 우 수하였으며, 이는 섬유 직경이 감소함에 따라 비 표면적의 증가하고, 제조된 필터의 미세공이 잘 발 달한 데 기인하는 것으로 생각된다.
Table 3에는 TCD에 따르는 직경의 변화를 나타내었는데, TCD에 따른 섬유 직경의 변화는 보이지 않았다. 위와같은 결과를 종합해 볼때 acetate의 전기방사 최적 조건은 용매로 acetone과 DMAc를 2:1로 혼합하여 사용하고 농도 15%, 전압 11.25kV, 토출속도 0.6ml/h, TCD 13~ 15cm로 생각되었다. 이렇게 얻어진 섬유를 건조하여 용 매를 모두 증발시켜 필터 제조용 나노섬유 웹을 얻을 수 있었다.
이를 흡착된 무게로 환산하면 각각 0.17mg과 0.34mg으로써 나노필터의 경우에 니코탄/타르에 대한 흡착성이 크게 증가한 것을 확인할 수 있었다.

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