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화분(花粉) 알레르기의 원인물질을 흡착제거할 목적으로 흡착제로 이용하고 있는 셀룰로오스를 faiber화 한 후 표면처리하였다. 셀룰로오스에 3-aminopropyl triethoxysilane으로 표면처리를 행한 결과 zeta 전위가 25.2mV의 플러스 전위 값이 형성되었다. 표면처리에 의해 셀룰로오스의 Pectinase 흡착량이 증가해 1mg 아래인 0.58mg의 흡착량을 나타냈다. 여기에 셀룰로오스 파이버를 사용해 공기청정기 필타를 제조, 화분제거성능을 조사한 결과 표면처리에 의한 제거율이 56%에서 80%로 증가하였다.
1. 머리말
화분 증은 현대 일본인의 대부분이 갖고 있어 대처가 요망되고 있는 알레르기 반응이다. 최근 수년간 마스크와 필터 등의 개발이 성행되고 있다. 일반적으로 알레르겐의 대부분은 전하를 띄고 있고, 화분도 그 표면에 하전물질인 2종류의 펙틴분해효소를 알레르겐으로 갖고 있다.
본 연구에서는 셀룰로오스 등의 파이버에 표면처리를 실시해 하전을 제어할 수 있는 재료를 개발하고, 이어 화분․알레르겐 흡착제거성능을 평가해 제거필터에의 적용을 검토하였다.
2. 실험방법
2.1 원재료 및 시료
흡착재료의 원재료에는 결정성 셀룰로오스인 세오라스(旭화성)와 키틴(和光순약공업) 및 키토산(和光순약공업)을 사용하였다.
흡착제의 표면처리용 시약에는 3-aminopropyl triethoxysilane(나카라이타스크 사)을 사용하였다. 화분에는 일본 삼나무 화분(생화학 바이오비즈니스사) 및 일본 노송나무 화분(생화학 바이오비즈니스 사)를 사용하였다. 또 화분 대체물질로는 Pectinase from Aspergillus niger(SIGMA-ALDRICH) 및 Macerozyme R-10 from Rhizopus sp.(和光순약공업)의 2종의 효소를 사용하였다.
2.2 흡착재 원료인 파이버화 및 형상측정
吉田기계흥업사의 습식분쇄기를 이용한 이미 보고했던 방법으로 흡착재료 원재료을 화이버화 하였다(1). 여기서 분쇄 시에 각 원재료를 이온교환수로 1wt% 혼합액으로 해서 사용하였다. 처리조건은 압력 180MPa, 150℃로 5회 처리하였다. 처리 후의 흡착재용 파이버의 형상은 전자현미경(SEM : 히다찌제작소 S-3000) 및 원자간력 현미경(AFM : 파-크 시스템즈 사 XE-100-ASN)으로 관찰, 칫수를 측정하였다.
2.3 표면처리 및 표면전위 측정
흡착재용 파이버 표면처리는 앞선 보고서에 준해 자기 조직화 단분자막(SAM) 처리를 행하였다(2). 처리 시에 흡착재용 파이버는 동결건조해 수분을 제거하였다. 처리는 밀폐용기 중에 10g의 흡착재용 원재료와 0.5ml의 3-aminopropyl triethoxysilane을 투입, 120℃에서 1시간 반응시켰다. 처리 후의 관능기 변화는 적외선 분광광도계 : FT-IR(IRAffinity-1 島津제작소)를 이용해 조사하였다. 처리 전후의 흡착제, 화분, 및 효소의 표면전위는 (주)堀場제작소 nano Particle SZ-100을 이용해 측정하였다.
2.4 효소 흡착시료
효소의 흡착시험은 20mg/mL의 효소용액 150㎕에 흡착제 1mg을 투입해 1분간 교반 후의 용액의 단백질 농도변화를 측정해 평가하였다. 여기서 단백질 농도 측정에는 Lowry 법을 이용하였다.
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2.5 필터 제조 및 집진, 화분흡착시험
PP 부직포를 사용해 공기청정기용 pleat형 필터(160×300×20mm)를 제조하였다. 제조한 필터에 셀룰로오스 파이버를 부착시켜 화분흡착용 필터로 하였다. 새로 제조한 필터에는 삼나무 화분의 제거성능평가는 (재)보-켄 품질평가기구인 마스크 소재의 화분 통과성 시험에 준해 행하고, 필터를 통과해 33mm의 흑색여과지에 부착한 화분 중량을 측정하였다.
3. 실험결과 및 고찰
3.1 원재료의 파이버화
흡착재용 원재료를 吉田기계흥업의 습식분쇄기로 나노파이버화 하였다. SEM 화상으로 셀룰로오스는 파이버 형상인 것을, 또 키토산은 파이버와 얇은 막이 공존하는 형상인 것을 확인할 수 있었다(그림1).
또 AFM에 의한 형상측정은, 처리 후의 셀룰로오스는 굵기 10~20nm, 처리 후의 키토산은 약 4.5mg으로 흡착량이 증가하였고, 키틴도 마찬가지로 0.88mg에서 1.12mg으로 크게 증가하였다. 이 결과로, 필터 시제품에는 제타전위가 가장 큰 셀룰로오스의 4시간 처리 제품을 사용하였다. 여기서 키토산과 셀룰로오스의 표면적 등 제타 전위 이외의 합착량에 영향을 주는 요인을 검토할 필요가 있다.
3.2 표면전위측정결과
표1에 화분과 효소의 제타전위 측정결과를 나타내었다. 화분의 제타전위는 -24.5mV, -52.2mV로 매우 큰 마이너스 값을 나타내었다.
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삼나무 화분 |
노송나무 화분 |
Pectinase |
Macerozyme |
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제타전위(mV) |
-52.2 |
-24.5 |
-6.6 |
-1.6 |
또 효소도 마이너스 값을 나타내었으나, 화분에 비해 작은 값이었다. 이후의 시험에는 표면전위가 큰 삼나무 화분, 효소에는 Pectinase를 사용하였다.
셀룰로오스 및 키토산을 3-aminopropyl triethoxysilane으로 표면처리 하였다. 처리 후 셀룰로오스의 FT-IR에는 2900cm-1에서부터 3000cm-1에 3-aminopropyl triethoxysilane 유래의 CH3- 및 -CH2의 관능기 부여가 원인으로 생각되는 강한 흡수가 확인되었다. 처리 1시간에서 4시간 후의 제타전위 측정결과는 표2와 같다.
처리 시간의 증가에 따라 두 시료의 제타전위는 플러스 값이 되어 4시간 후에는 셀룰로오스 25.2mV, 키토산 13.6mV가 되었다. 여기서 미처리 및 4시간 처리의 시료를 사용해 Pectinase의 합착시험을 행하였다. 처리에 따라 셀룰로오스는 1mg 아래인 0.36에서 0.58로 흡착량이 증가하였고, 키토산도 마찬가지로 0.88~1.12mg으로 크게 증가하였다. 이 결과로부터 필터 제조에는 제타전위가 가장 큰 셀룰로오스의 4시간 처리 제품을 사용하였다. 여기서 키토산과 셀룰로오스의 표면적 등 제타전위 이외의 흡착 량에 영향을 주는 요인을 검토할 필요가 있을 것으로 생각된다.
3.3 필터 제조 및 집진, 화분흡착시험
시작 필터를 사용해 (재)보켄 품질평가기구인 마스크 소재의 화분통과성 시험을 행하였다. 사용한 50mg의 삼나무 화분 중 대죠 시험품(셀룰로오스 없이)는 30mg가 통과하고, 미처리 셀룰로오스를 붙인 시험구는 22mg이 통과하였다. 이후 표면전위를 변화시킨 셀룰로오스를 사용한 시험구는 10mg이 통과해 80%의 제거율을 나타냈다.
4. 결론
본 연구에서는 표면처리를 행해, 표면전위를 단계적으로 변화시키는 기술을 검증하였다. 표면처리에 의해 제타전위의 플러스 값을 증가시킴에 따라 반대 전위를 갖는 물질의 흡착량은 증가하였다. 본 연구에서는 셀룰로오스의 부착량을 증가시킴에 따라, 또는 SAM 처리시간을 길게 표면전위의 플러스 값을 보다 크게 함에 따라 더욱 화분제거 효율은 향상한다는 것을 확인하였다.
참고문헌
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출처 : 森川 豊, 伊藤雅子/愛知県산업기술총합센터 (2012년 연구보고서)
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