제약회사 품질관리팀에서 근무하면 실린지 필터를 자주사용해야한다. 하지만 정확히 어떤 필터를 사용해야하는지 잘 모른다. HPLC 사용 시 꼭 필요한 실린지 필터를 확인하고 쓰자.
PTFE와 PVDF의 주요 차이점
| 고분자 | PVDF | PTFE |
| 구조 | –[–CF2–CHF–]n– | –[–CF2–CF2]n– |
| 생산기술 | 불다 | 열간 또는 냉간 등방성 압축 및/또는 소결 |
| 촉매 및/또는 기타 첨가물의 사용 | CD, 바, K | 없음 |
| 가격 | 보통의 | 높은 |
| 밀도 [g/cm3] | 1.8 | 2.1~2.3 |
| 녹는점 [°C] | 178 | 327 |
| 적용 온도 범위 [°C] | -60~150 | -200~260 |
| 인장강도 | 50 | 20~35 |
| 내화학성 | 추가 데이터가 없습니다.PTFE와 유사 | 탁월합니다. 알려진 모든 용매에 불연성 및 불용성입니다.고온에서는 용융된 알칼리 금속과 불소에만 공격받습니다. |
PTFE와 PVDF(durapore)는 모두 단백질 결합 필터 멤브레인(구체적으로 Millipore)에 사용됩니다.화학적으로 말하면 두 중합체는 추가적인 불화물과 분자량으로 인해 상당히 다릅니다.단백질 결합 특성도 다릅니다.
일반적으로 PTFE는 폴리에틸렌(PE)보다 접착성이 더 강한 PVDF보다 '비접착성'이 더 높습니다.PTFE는 PVDF나 PE보다 화학적으로 부식에 훨씬 더 강합니다.화학구조를 보시면 맞습니다.백본에 불소 원자가 많을수록 더 많은 단백질이 화학적으로 표면에 달라붙을 수 없습니다.접촉각과 같은 측정을 통해 이를 확인할 수 있습니다.막의 기공 구조가 사물에 얼마나 영향을 미치는지는 모르겠지만 화학적 관점에서 보면 분명한 차이가 있습니다.
PTFE -폴리 테트라 플루오로 에틸렌과 PVDF -폴리비닐리덴 플루오라이드는 모두 음극 물질(카본 천)의 범람을 방지하기 위해 전극의 소수성 특성에 사용되는 폴리머입니다. 대부분 연구에서는 다른 유형의 용액보다 PTFE 용액을 사용하고 있습니다.
둘 다 충분히 안정적입니다.PVDF 바인더는 진정한 용액(접착제)으로 사용되는 반면 PTFE 바인더는 불용성 나노 크기 입자가 포함된 현탁액이기 때문에 그 이유는 최종 전극 형태에 있다고 생각하십시오.
PVDF는 특정 조건에서 PTFE보다 반응성이 더 높습니다.
필터 멤브레인은 다양한 유형이 있으며 각각 고유한 특성을 가지고 있어 특정 용도에 적합합니다. 몇 가지 일반적인 필터 멤브레인 유형은 다음과 같습니다.
Polycarbonate : 다른 필터 멤브레인의 지지층으로 자주 사용되는 강하고 투명한 소재입니다.
Nylon : 강도, 내구성 및 화학적 손상에 대한 내성으로 인해 여과 응용 분야에 자주 사용되는 합성 소재입니다. 과거에는 제균필터로도 사용했으나 현재는 잘 사용하지 않고 있습니다.
PES(Polyethersulfone): 단백질 결합이 적고 유속이 높기 때문에 멸균 여과 및 기타 고순도 응용 분야에 자주 사용되는 친수성 물질입니다. 제균필터 및 바이러스 필터로 많이 사용합니다.
PVDF(Polyvinylidene fluoride): 큰 입자의 여과와 같이 높은 기계적 강도가 필요한 응용 분야에 자주 사용됩니다. 바이오에서는 PES와 마찬가지로 제균필터 및 바이러스 필터로도 사용됩니다.
Cellulose acetate : 저렴한 비용, 사용 용이성 및 다양한 화학 물질과의 광범위한 호환성으로 인해 여과 응용 분야에 자주 사용되는 친수성 물질입니다.
PTFE : 화학 물질, 용매 및 산의 여과뿐만 아니라 가스 및 유기 용매의 여과가 필요한 응용 분야에서 일반적으로 사용되고 주로 소수성으로 사용됩니다. 그래서 주로 Air 또는 Vent 필터로 사용됩니다.
친수성(親水性, Hydrophile)은 물 분자와 쉽게 결합되는 성질
소수성(疏水性, Hydrophobe)은 물 분자와 쉽게 결합되지 못하는 성질
을 의미합니다. 우리 몸의 70%는 물로 이루어져 있습니다. 부피로 따졌을 때 지구 전체 부피의 약 0.15%를 차지할 정도로 인간과 밀접한 물질입니다. 밀접한 물질이니 어떤 물질을 물 중심으로 친수성과 소수성으로 나눕니다. 물은 용매로 작용합니다. 용매(solvent)란 어떤 물질을 녹여 용액으로 만들 때 쓰이는 액체를 말합니다. 친수성인 물질은 물 분자와 쉽게 결합하기 때문에 물과 섞이면 고루 퍼지는 특성을 가지게 되고, 이 때 물은 용매로 작용합니다. 우리가 화학 물질을 사용할 때는 화학물질의 농도가 일정하기를 바랍니다. 염산을 예로 들면 10% 염산이라고 할 때 전체를 100으로 봤을 때 염산 10과 물 90으로 섞인 용액을 말합니다. 하지만 만약 염산이 소수성이라면 물과 잘 섞이지 않아 용액의 한 부분은 훨씬 높은 농도를 보일 것이고, 다른 부분은 반대일 것입니다. 우리가 원하는 것은 10% 염산인데 용액의 부분마다 다른 농도를 보이게 되는거죠. 그렇기 때문에 친수성과 소수성을 나누어 용매를 선택하는 게 중요합니다. 만약 소수성이 골로루 퍼진 용액을 만들려면 친지질성이 높은 소수성 용액과 섞어야 합니다.
물(water)의 성질
친수성에 대해서 이해하려면 물의 성질에 대해서 이해 해야합니다.
물의 분자식은 H20입니다. 수소 원자 2개와 산소 원자 하나로 이루어져 있죠.
물의 분자 구조
우선 산소가 가운데 있고, 수소와 공유 결합을 이루고 있습니다. 공유결합(covalent bond)은 화학 결합중 전자를 원자들이 공유하였을 때 생성되는 결합입니다. 보통 원자의 가운데 존재하는 원자핵은 양성(+), 전자(-)는 음성입니다. 원자핵은 움직이지 않지만 전자 이동을 통해 결합이 이루어 집니다. 산소는 옥텟 규칙에 따르면 최외각 껍질에 8개의 전자가 들어오면 안정화 됩니다. 물 분자에서는 비결합전자(lone electron pairs)가 4개가 있고, 4개의 전자는 공유결합(공유결학 하나 당 전자 2개)으로 8개 전자를 채워 안정화 됩니다. 하지만 공유 결합이라고 하더라도 전자의 치우침이 결합을 이루고 있는 원자 특성에 따라 달라집니다.
전기음성도는 원자나 분자가 화학 결합을 할 때 다른 전자를 끌어들이는 능력의 척도입니다. 이 특성도 결국 최외각 껍질과 원자번호에 의해 결정됩니다. 조금 어려운 개념이므로 주기율표에서 오른쪽 위로 갈수록 전기음성도가 강해지는 경향이 있다고 생각하시면 됩니다. 빨간색이 짙어질 수록 전기음성도가 강한 것을 말하는데 산소가 수소보다 전기음성도가 강합니다.
그로 인해 산소로 전자의 치우침이 발생합니다. 이러한 특성을 극성(polarity)이라고 합니다.
이 치우침으로 공유 결합보다 약한 결합이 형성되는데 이를 수소 결합(hydrogen bond)이라고 합니다. 여기까지 이해하셨으면 어떤 물질이 친수성인지 감히 오실 겁니다. 물끼리 결합하는 것처럼 극성이 어느 정도 있어서 분자 간 결합를 이룰 수 있는 물질이 친수성입니다. 즉, 극성을 특성으로 해야 친수성을 갖습니다.
극성이 높다는 말은 전기음성도 차이가 큰 물질끼리 결합되어 있으면 나타나는 특성입니다. 예를 들면, 소금의 분자 구성은 NaCl입니다. 전기음성도 차이를 보시면 매우 크다는 것을 알 수 있습니다. 이 정도 차이가 나면 염소가 나트륨의 전자를 거의 뺏어가다 싶이 하는데 우리는 이것을 이온이라고 누릅니다. 이온은 극성이 매우 강하므로 당연히 친수성입니다. 다음은 극성공유결합 물질입니다. 수산화기(-OH), 아미노기(-NH2)가 붙어 있는 물질은 극성을 띠기 때문에 친수성입니다.
그렇다면 소수성 물질은 어떤 물질이 있을까요? 우리가 사업장에서 사용하는 용제는 대부분 소수성입니다. 주원료 대부분이 석유, 석탄에서 나온 유기화합물이고, 이는 소수성이기 때문입니다. 용제도 역시 대부분 유기화합물입니다. 유기화합물은 탄소를 포함한 화합물을 말합니다.
예전부터 흔희 사용했던 세척제이자 용제, 헥산(n-hexane)의 구조는 다음과 같습니다. 용제와 세척제는 한끗 차이인데 세척제는 결국 닦아내야 하는 물질과 비슷한 성질을 가지고 있어야 닦여 나오기 때문에 용제와 같은 원리가 작용합니다.
순수히 탄소와 수소로 이루어져 있죠. hexa 라는 단어가 6이라는 그리스 어로 6개의 탄소로 이루어진 지방족 탄화수소(aliphatic hydrocarbom)를 말합니다. 전기음성도를 나타내는 표를 보시면 탄소와 수소는 색깔이 거의 비슷하다는 것을 확인할 수 있습니다. 즉, 전자를 끌어들이는 힘이 비슷하므로 극성을 나타내지 않고 소수성을 특성을 갖게 됩니다. 지구에는 석탄과 석유 형태로 많은 탄화 수소가 존재하고, 이러한 비극성 특성을 가지고 있기 때문에 용제로 많이 사용합니다. 특히, 플라스틱, 염료, 약물 등 실생활에 사용하는 많은 물질들이 유기화합물이고, 이 물질을 합성하기 위해서는 비극성 용제가 필요하기 때문에 비극성 유기화합물은 흔히 사용하는 용제입니다.
물로 삼겹살의 기름이 잘 안 닦이는 이유도 같습니다. 중성지방의 구조는 다음과 같습니다.
화학 구조를 축약하여 표현하였는데 탄소가 그에 수소 외에 곁에 있는 원자가 없으면 굳이 C와 H를 표시하지 않아도 됩니다. 꼭지점마다 탄소를 나타냅니다. 비극성인 매우 긴 탄화수소를 보여주고 있기 때문에 물과 잘 섞이지 않습니다 (사실은 왼쪽에 카복시기가 있어서 일부 극성을 띠나 전체적으로 봤을 때는 비극성).
소수성 물질이 물과 잘 섞이지 않는 이유
소수성 물질을 물에 녹였을 때 위 그림 같은 형태를 보입니다. 노란색은 소수성 물질, 파란색은 물을 나타냅니다. 소수성 물질끼지 뭉쳐있고, 그 곁을 물끼리 수소 결합을 이루어서 감싸는 형태입니다. 이러한 형태로 존재하는 이유는 엔트로피(entropy)의 증가로 설명합니다. 열역학 제2법칙에 따르면 엔트로피는 시간에 따라 증가합니다. 쉽게 말하면 무질서도가 커진다는 말입니다. 소수성 물질끼리 붙어 있으니 엔트로피가 작아진다고 생각하기 쉬운데 소수성 물질 하나를 물 분자가 감쌀 때 물 분자끼리 특정한 케이지 모양(clathrate cage)를 이루는데 구조를 이루면 엔트로피가 작아집니다. 하지만 소수성 물질끼리 붙어 있으면 이 케이지가 어느 정도 깨지기 때문에 엔트로피가 증가하게 됩니다. 우리는 이러한 작용을 소수성 상호작용(hydrophobic interaction)이라고 합니다.
clathrate cage
유기화합물에서 소수성 강해지는 조건
① 탄화수소에서 탄소 길이가 길어질 수록 소수성이 강해집니다.
그 이유는 길어질 수록 소수성 물질끼리 결합이 강해지기 때문입니다. 예를 들면, 탄소 6개인 헥산이 3개인 프로판 보다 강하고, 프로판이 탄소 2개인 에탄보다 소수성이 강합니다. 여러가지로 그 이유를 설명할 수 있는데 첫 번째 설명은 길어질 수록 위에 말한 케이지를 더 많이 깨기 때문 엔트로피를 증가시키기 때문입니다. 두 번째는 판데르왈스 힘(van der Waals force)으로 설명할 수 있습니다. 이 힘은 공유결합이나 이온의 전기적 상호작용이 아닌 분자간, 혹은 한 분자 내의 부분 간의 인력이나 척력을 말합니다. 무극성인 물질도 전자가 움직이면 순간적으로 극성을 띠게 되는데(쌍극자) 극성을 띠면 주위에 있는 무극성 물질도 극성을 띠게 만들어(유발 쌍극자) 인력이 작용합니다. 이 힘은 일시적인 것이기 때문에 수소 결합 같은 화학결합 보다는 약한 결합입니다. 일시적 극성은 분자가 클수록 더 크게 생깁니다. 위에 물 분자의 전자 분포도를 보면 H2O 원자핵 주위에 전자가 넓게 퍼져 있는 것을 볼 수 있습니다. 설명은 하나의 원자핵에 전자 8개가 종속되어 있는 것처럼 설명하지만 양자역학 측면에서 보면 실제로는 분자 간 전자를 모두 공유하며 단지 전기음성도가 높은 전자핵 주위에 존재할 확률이 높을 뿐입니다. 분자의 크기가 클수록 전자가 넓은 부위에 산재되어 있고 이는 쌍극자가 발생할 확률이 커집니다.
② 탄화수소 가지(branch)가 많을 수록 소수성은 약해집니다.
위의 유기화합물은 9개의 탄소로 구성되어 있습니다. 하지만 가지가 2개가 있죠. 가지가 없는 탄화수소(nonane)는 다음과 같습니다.
Nonane 구조
두 개의 차이는 분자 구조끼리 붙을 수 있는 표면적이 달라집니다. 위의 물질은 가지로 인해 구조적 방해로 서로 분자끼리 붙기가 힘들어져 위에서 설명한 판데르왈스 힘 같은 화학 결합이 약해지게 됩니다.
③ 할로겐화(염소, 브롬, 등) 물질이 붙으면 소수성이 강해집니다.
브로모에탄 구조
할로겐화 물질이 붙으면 흔히 극성이 강해질 것이라고 생각합니다. 아마도 염산(HCl) 등이 수소 이온과 염소 이온으로 이온화 되기 때문이라고 생각됩니다. 하지만 수소와 염소가 붙어 생기는 독특한 성질일 뿐이며, 전기음성도를 보면 탄소와 헬로겐 물질(불소 제외)과 큰 차이가 나지 않는 것을 알 수 있습니다. 원자번호가 커질 수록 가지고 있는 전자 수가 많습니다. 수가 많으면 일시적인 전자의 치우짐도 강해지기 때문에 할로겐화 물질이 붙으면 보통 수소보다 소수성 물질끼리 붙는 성질이 강해져 소수성이 커집니다.
예를들어, 미생물 포집시험(미생물 실제 여과),플로시메타법(필터에 가해지는 공기압 변화/공기 유량을 측정),
버블포인트 (적신 필터의 공경을 통해,공기가 빠져 나올 때의 압력)등으로 측정하고 있습니다.
- 균일하고 미세한 구멍이 다수 열려있기 때문에,미생물 또는 미립자 표집에 적합합니다.
- 멤브레인 필터는 다공질 필름 형상의 필터입니다. 섬유가 서로 맞불려 형성된 여과지와는 달리,
원형에 가까운 구멍이 서로 이어져 있는 공 구조를 가지고 있습니다. - PTFE 타입은 크게 4가지로 구분되어 있습니다.
- PTFE-H : 얇은 막을 가진 서포티드, PTFE-J : 두꺼운 막을 가진 서포티드, PTFE-D : 내열성이 강한 순,
PTFE-T 까지 다양한 종류의 멤브레인 필터가 준비되어 있습니다. - 주요용도
- MCE : 수용액 등 (미생물/미립자 시험)
- PES : 단백질 흡착이 적음,수용성 및 알코올성 미디어
- PVDF : 공기 및 가스여과, 단백질 함유용액,수용성·지융성에 사용가능
- Nylon : 친수성이며, 폭 넓은 화학적 호환성
- PTFE-D (두꺼운 막 타입 서포티드): 소수성,취급이 쉽고,모든 솔벤트에 적합하다.
- PHFE-J (얇은 막 타입 서포티드): 소수성,취급이 쉽고,에어벤트,전자재료,화학,전기분야 유용하다.
- 친수성+PTFE : HPLC에서 많이 사용되는 물과 혼합용제의 여과에 사용. 산,알칼리의 제립자 여과.
- PTFE-T(순수 소수성):높은 온도에서 사용가능(260℃),산,알칼리,유기용매의 제립자,제균
친수성 멤브레인
친수성(Hydrophilic) 멤브레인에는 셀룰로오스 아세테이트,폴리에틸셜폰,나일론,폴리비닐리딘디플루오라이드(PVDF)와 변형 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 멤브레인이 있으며 이러한 재료 중 일부는 코팅, 혼합 또는 친수제와의 가교 결합(Cross-link)과 같이 친수성을 높이기 위해 변형되어야 합니다. 물과 기타 극성 물질에 잘 적셔지는 멤브레인입니다. 친수성(Hydrophilic) 멤브레인은 극성 용액 여과에 사용되며 특히나 물여과, 조직 배양 배지, 혈청, 완충 용액 및 생물학적 여과에도 사용할 수 있습니다.친수성 멤브레인은 소수성 멤브레인보다 표면 장력이 낮습니다. 친수성 멤브레인의 표면장력은 액체의 종류와 막의 재질에 따라서 달라집니다.
소수성 멤브레인
소수성(Hydrophobic) 멤브레인에는 천연 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 멤브레인과 변형 폴리비닐리딘디플루오라이드(PVDF)가 있으며 물과 기타 극성 분자에 잘 적셔지지 않으며 일반적으로 지질, 오일 또는 플라스틱과 같은 비극성 물질로 만들어집니다. 비극성 용액과 기체 여과에 사용되며 특히나 산소/질소 여과 및 솔벤트 여과에 널리 사용됩니다.
소수성(Hydrophobic) 멤브레인은 5 Dyn/cm 이상의 표면장력을 가지고 있으며 약 20 Dyn/cm의 표면장력을 갖는 비극성 용매와는 약 15도 정도의 접촉각을 갖기 때문에 쉽게 적셔져서 용매가 멤브레인을 잘 통과하는 반면에 약 70 Dyn/cm의 표면 장력을 갖는 극성 용액 5% NACL 과는 90도의 접촉각을 이루어 반발력이 생겨서 쉽게 적셔지지 않습니다
소수성 멤브레인의 장점은 다음과 같습니다.
물과 기타 오염물질로 인해 멤브레인이 오염되거나 젖는 것을 방지할 수 있습니다
저항을 줄이고 막의 투과성을 향상시켜 분리 공정의 효율성과 선택성을 높일 수 있습니다
소수성인 세포막의 자연적인 구조와 기능을 모방할 수 있습니다.
소유성 멤브레인
소유성(Oleophobic) 멤브레인에는 소수성 표면 처리된 변형 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 멤브레인과 폴리비닐리딘디플루오라이드(PVDF)가 있으며 오일, 알코올, 세제와 같은 표면 장력이 낮은 액체에 대해서는 잘 적셔지지 않습니다. 유기기체 여과, 용액/기체 혼합체에서 기체제거,용액속에 휘발성 성분 제거에 널리 사용됩니다
소유성(Oleophobic) 멤브레인은 19 Dyn/cm 표면장력을 가지고 있으며 약 20 Dyn/cm의 표면장력을 갖는 비극성 용매와는 약 90도 정도의 접촉각을 갖기 때문에 반발력이 생겨서 쉽게 적셔지지 않습니다 반면에 약 70 Dyn/cm의 표면 장력을 갖는 극성 용액 5% NACL과는 135도의 접촉각을 이루어 강한 반발력이 생겨서 쉽게 적셔지지 않습니다
소유성 멤브레인의 장점은 다음과 같습니다.
오염 물질의 침투를 방지하고 장치의 공기 투과성을 유지할 수 있습니다
박테리아와 체액의 부착을 방지하여 감염 및 염증의 위험을 줄일 수 있습니다
외부 물질의 간섭을 방지하여 장치의 성능과 안정성을 향상시킬 수 있습니다
표면장력과 접촉각
표면장력은 액체 표면의 분자 사이의 상호작용입니다. 표면장력의 힘에 따라서 액체 표면이 쪼개지지 않고 오목한 모양을 유지하는가 결정이 됩니다. 표면장력은 미터당 뉴턴으로 측정합니다(N/m)
표면장력공식
Rhρg/2
r은 모세관의 직경, ρ는 시료액의 밀도, g는 중력의 가속도입니다. 접촉각은 액체와 고체 사이의 접촉선과 고체 표면 사이의 각도입니다. 접촉각이 90도 보다 클 때는 고체 표면에 액체가 원형을 유지하고(고체가 적셔지지 않고) 90도 이하로 내려갈수록 고체 표면에 액체가 타원형을 유지(고체가 적셔짐) 합니다. 접촉각은 각도로 측정합니다
접촉각공식
S = glv (cosθ - 1)
S> 0일 때 방울이 완전히 젖습니다 (접촉각은 0 °입니다)
S <0일 때 부분적인 젖음이 발생합니다.
멤브레인의 표면 장력은 막 표면에 있는 액체 방울의 가장자리가 이루는 각도인 접촉각으로 측정할 수 있습니다.
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