KR100262548B1 - 자동차용 건식공기청정기의 제조방법 - Google Patents

자동차용 건식공기청정기의 제조방법 Download PDF

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Abstract

자동차용 건식공기청정기의 엘리먼트 및 그 여과재를 재활용이 가능한 재질로 제조하는 방법을 제공하기 위하여 이 발명은 열가소성섬유의 섬유뭉치를 카딩하는 공정과, 적어도 2개이상의 구배를 가지는 여과층으로 포밍하는 공정과, 상기 각 여과층을 펠트화하기 위해 니들링하는 공정과, 상기 펠트를 열처리하는 공정과, 상기 펠트를 가압하는 공정을 포함하는 있으며, 상기 여과층에는 가운데 일반섬유를 코아로 하고 둘레에 저융점 섬유를 시스로 한 2중 구조의 섬유를 소정량 포함하고 있는 여과재 제조방법을 포함하는 건식공기청정기 제조방법을 개시한다.

Description

자동차용 건식공기청정기의 제조방법
이 발명은 자동차의 건식공기청정기에 적용되는 여과재와, 그 여과재를 포함하는 엘리먼트의 제조방법에 관한 것으로, 특히, 여과재와 엘리먼트를 재활용이 가능한 재질로 만드는 방법에 관한 것이다.
자동차에서 엔진의 실린더에 공급되어지는 흡입공기를 여과하는 공기청정기는 건식, 습식으로 나뉘어지며, 여과재와 프레임이 그 엘리먼트를 이루고 있고, 여기에 사용되는 여과재는 부직포, 건식종이, 습식종이로 나뉘어진다.
또한 이들 여과재를 포함하는 엘리먼트는 사출성형, 철판프레임 또는 우레탄포밍(forming) 등의 작업으로 흡기시스템의 하우징의 형상에 맞도록 설계되어진다.
한편, 이들 엘리먼트들의 프레임부분은 철판, 에폭시수지, 우레탄수지와 같은 다양한 재질로 만들어지고 있으나, 이들은 모두 재활용이 불가능한 재질이고, 또한 그 안에 사용되는 여과재 역시 셀룰로오스, 아크릴수지, 페놀수지, 기타 고분자로 이루진 다양한 물질의 집합체로서, 일부 재활용이 가능할 수도 있으나 그 처리비용이 엄청나기 때문에 결국 소각 또는 매립할 수 밖에 없다.
또한 소각이나 매립을 하는 경우에도 문제는 발생할 수 있는 바, 상기 설명한 바와 같은 종래의 재질로 구성된 엘리먼트를 소각하는 경우에는 다양한 부유분진이 형성될 수 있으며, 고분자의 여과재는 연소시 다양한 유해가스를 생성시킨다.
매립하는 경우에도 썩지않는 산업폐기물을 양산하게 되고 특정한 엘리먼트는 페놀성분을 가지고 있으며 유해한 성분이 토양 등을 오염시키는 원인으로 될 수 있다.
또한 종래의 셀룰로오즈계의 비스코스레이온과, 폴리에스터, 아크릴바인더 등으로 구성된 여과재를 제조하는 방법에 있어서, 물과 혼합된 아크릴바인더를 사용하고 비스코스레이온과 상호작용으로 조밀층을 형성하는데 이는 바인더에 혼합된 물의 건조시간과 바인더의 반응온도 및 반응시간이 필요하며 생산과정이 복잡하고 생산비용이 증대한다는 문제점이 있었다.
이 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 건식공기청정기용 엘리먼트 및 그 여과재를 재활용이 가능한 재질로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
이 발명의 또 다른 목적은 제조공정이 단순화된 건식공기청정기용 엘리먼트 및 그 여과재를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
이 발명의 기타 다른 목적들은 후술하는 실시예와 청구범위를 통해 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 카딩공정을 도시한 개략공정도,
도 2는 본 발명에 따른 2중구조섬유의 개략단면도,
도 3은 본 발명에 따른 니들링공정을 도시한 개략공정도,
도 4는 본 발명에 따른 바인더함침공정을 도시한 개략공정도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 섬유뭉치 20 : 2중구조섬유
31 : 니들 40 : 거품화된 바인더
상기 목적을 달성하기 위하여, 이 발명에서는 여과재 및 엘리먼트의 재질을 열가소성재질로 만드는 것이 특징이다.
이 발명에 적용될 수 있는 열가소성재질로는 폴리프로필렌(이하, PP라 한다.), 폴리에스터(이하, PET라 한다.), 나일론 등이 있다.
또한 이 발명은 여과재의 효율을 높이기 위하여 밀도구배를 2층이상을 형성하고 밀도구배는 사용되는 화이버(fiber, 섬유)의 직경을 달리하여 형성하고, 밀도가 다른 층들로는 조밀층, 중간층, 벌키(bulky)층이 있다.
한편, 엘리먼트 제조시 삼각파형으로 절곡하기위해서는 경도(hardness)를 높여주어야 하는데 이 발명에서는 적어도 하나의 밀도층에 시스코아(sheath core)형 화이버 또는 6 데니어(denier) 이상의 화이버를 시트(sheet)화한 것을 포함하고 있다. 폴레에스터재질의 경우에는 밀도층에 거품(foam)화된 바인더(binder)를 함침(impregnation)하는 방법을 적용하여 조밀층을 만듬으로써 경도를 높일 수 있다.
기타 이 발명은 조밀층의 여러 가지 제조방법 등 다양한 특징을 가지고 있다.
이하, 이 발명의 이해를 돕기 위하여 첨부된 도면을 참조하여 이 발명에 따른 실시예를 자세히 설명한다.
한편, 폴리프로필렌과 폴리에스터, 나일론 등이 본 발명에 적용될 수 있으나, 가격측면에서 폴리프로필렌(PP)수지를 사용하는 것이 유리하므로 프레임과 여과제를 모두 폴리프로필렌(PP)수지로 제조하는 공정에 대하여 설명하고, 재질에 따라 차이나는 점에 대해서는 별도의 설명을 한다.
1) 카딩작업
먼저 웨브(web)를 형성하기 위하여 섬유뭉치를 카딩(carding)작업을 하고 카딩하는 공정은 도 1에 도시되어 있는 바, 컨베이어(13)에 의해 이송된 섬유뭉치(1)가 중심롤러(10) 주위로 큰롤러(11)와 작은 롤러(12)가 회전하면서 머리빗질의 경우처럼 연속적으로 특정양만큼 빗질되어 고르게 웨브로 형성되고, 이 방법은 일반적인 수지를 웨브화하는 방법으로 이 발명의 특징은 아니다.
2)웨브포밍
한편, 이 발명의 여과재는 섬도가 다른 PP섬유를 사용하여 밀도구배로서 구별되는 조밀층, 중간층, 벌키층을 가지고 있다.
조밀층은 평균 0.5-2 데니어(denier)의 섬유로 구성되며 시스코아형(sheath core)PP섬유(30-100%)와 일반 PP섬유를 혼합하여 사용한다. 여기서 시스코아형PP섬유란 도 2에 도시된 바와 같이, 동일재질의 고분자(열가소성수지)재질이고, 시스(seath)(21)와 코아(core)(22)로 구분되는 2중구조 섬유(bi component fiber, 20)로서, 시스(21)는 저융점섬유(low melting fiber)로 구성되어 있고, 코아(22)는 일반섬유로 구성되어 있다. 즉, 시스코아형 PP섬유는 시스와 코아가 모두 PP란 의미이다. 여기서 시스의 역할은 녹아서 주변의 일반섬유와 결속을 강화시키는 것이다.
조밀층에서 적어도 30%의 시스코아PP를 사용하는 이유는 이하로 내려가면 시스코아형섬유에 의한 결속정도가 여과재로 사용하기에는 만족할 만한 밀도를 보장해주지 못하기 때문이다.
중간층의 경우에는 평균 1.0-6 데니어 정도의 일반 PP를 사용하고 필요에 따라 시스코아형PP를 일부 사용할 수 있다. 벌키층은 평균 2-10 데니어 정도의 일반 PP를 사용하고 필요에 따라 시스코아형PP를 일부 사용할 수 있다. 이때 시스코아형PP를 일부 사용하는 경우는 경도(hardness)향상을 위함이나, 약 40%이상을 첨가할 경우에는 중간층과 벌키층의 공극이 너무 작게될 우려가 있으므로 40%이하의 시스코아형PP를 사용한다.
이 발명에서 조밀층과 중간층과 벌키층으로 3개층을 구분하고 있으나, 필요에 따라 2개층으로 할 경우에는 중간층이나 벌키층 중 하나를 생략하는 것도 가능하다.
이 실시예의 섬유는 실제로 경도(hardness)가 일반 부직포에 비하여 떨어지게되고 이는 절곡 및 사출성형시 형태안정에 문제가 발생할 소지가 있다.
이에 이 실시예에서는 이러한 문제를 극복하기 위하여, 조밀층과 중간층 또는 중간층과 벌키층 또는 조밀층에 6데니어 이상의 시스코아형 PP섬유를 소정량 포함하여 시트화한 지지층을 더욱 포함하여 경도를 향상시킬 수 있도록 한다.
한편, 이 실시예에서 사용되는 섬유의 섬유장은 데니아에 따라 차이가 나지만 35M/M-90M/M정도의 길이를 갖는 섬유를 사용한다.
3) 니들링
상기 설명한 바와 같은 적정한 비율의 밀도구배를 가지는 웨브(web)는 중량이 약 150g/m2-400g/m2을 가지며, 이렇게 형성된 웨브를 표면 또는 뒷면을 각각 니들링하여 섬유간을 일차적으로 결합시킨다. 니들링하는 과정은 도 3에 도시되어 있고, 니들(31)이 화살표방향 즉, 상하방향으로 이동하면서 각 웨브(32)를 서로 얽히게 한다.
4) 열처리
각 섬유간이 결합된 2층이상의 펠트(felt)는 온도가 90-170℃로 열처리한다. 열처리 방법은 고온의 공기(열풍)가 작용되는 용융오븐(fusing oven)을 사용하며 여기에서 웨브에 포함되어 있는 특수한 섬유(시스코아형섬유)들은 물리적인 변화를 겪게되어 각 섬유간을 더욱 결합시킨다.
즉, 저융점의 시스부분이 녹아서 주변의 일반 코아를 결합시키게되는 것이다. 또한 섬유구조가 용융부위에 따라 불규칙하게 되어 섬유의 표면적을 증대시키게 되고 이는 필터효율을 향상시키는데 도움이 된다. 조밀층에는 섬도가 낮은 이들 섬유를 상당부분(30-100%)가지고 있어 일반적으로 셀룰로오스와 바인더(binder)의 역할을 하게되는 것이다. 또한 6 데니아 이상의 시스코아형섬유가 포함된 지지층(벌키층, 중간층, 또는 조밀층)도 경도를 높이는 역할을 하게된다.
조밀층을 형성시키는 다른방법으로는 0.5 내지 2데니어의 사용하여 펠트화한후 불꽃가공으로 표면의 기모를 살짝 녹이면서 프레스를 가하는 방법도 적용될 수 있다.
열처리된 펠트는 닢롤(nip roll)(1kg/cm2-10kg/cm2)또는 프레스롤(게이지 0.5-3mm)을 통과하면서 가압하면, 각층은 니들링에 의한 1차적 결합에 더하여 2차적 결합을 하게 되고 시스부분과 일반섬유 또는 시스부분과 시스부분을 결합하고 압력에 의해 조밀층은 굉장히 조밀한 부분으로 눌리게 되어 일반부직포여재의 셀룰로오즈면처럼 형상이 생성된다. 또한 가압으로 인하여 요구되는 두께를 맞출 수 있게된다.
이렇게 하여 재질이 완성된 후 와안딩하고 이들 원단을 절곡을 거쳐 삼각파형을 형성하고 정당한 크기로 절단하여 여재의 여재의 형태가 완성되는 것이다.
이 발명의 실시예로 폴리프로필렌을 재질로 하는 것을 설명하였으나, 폴리에스터나 나일론도 동일한 방법이 적용될 수 있다. 프레임이 폴리에스터인 경우에는 여과재 및 엘리먼트를 폴리에스터로 제조하는 등 프레임의 재질과 맞출필요가 있다.
또한 폴리프로필렌의 실시예와 동일한 방법으로 제조할 수도 있고 또는 조밀층 제조시에 추가로 밀도층에 거품(foam)화된 바인더(binder)를 함침(impregnation)하는 방법을 적용하여 만듦으로써 경도를 높일 수 있다. 거품화된 바인더를 함침하는 방법 일반적으로 사용되는 함침롤을 사용하고, 바인더 이멀젼(binder emulsion)에 거품발생제를 넣어 거품을 형성하여 가열/가압프레스롤을 통과한 조밀층(41)과, 중간층(42), 벌키층(43)을 가지는 반제품을 게이지를 가지는 롤(44)을 통과할 때 거품이 형성된 바인더(40)를 균일하게 묻히고 건조공정을 거쳐 견고한 조밀층을 형성시키고 이는 도 4에 도시되어 있다.
이렇게 제조된 재질의 중량은 150-400g/m2이고, 후도는 1.0-4.0m/m이고, 통기도는 30-120cc/cm2/sec이고, 기공(pore) 사이즈는 80-140㎛이고 평균 109㎛이고, 인장강도는 10kgf/5cm이상으로 나타났다.
한편, 폴리프로필렌으로 사출성형에 의해 프레임을 완성하고 여과재와 결합함으로써 건식공기청정기의 엘리먼트는 완성된다.
상기 설명한 바와 같이 제조된 여과재는 밀도구배가 다른 2층이상으로 구성되면서 고도의 공기통기성을 보유하게되고 그물성이 강하다.
다층구조는 각 층마다 선택적으로 먼지(dust)등을 포집하는 것이 가능하게 되고 여재내에 포함되어 있는 공극의 감소가 최소화되고, 효율적인 포집을 유도하므로 높은 포집효율과 높은 포집량을 나타낼 수 있다.
특히 100% 열가소성 고분자만을 사용하여 제조하였기 때문에 여과재제조시 불량이 발생한 경우에도 소각, 매립등의 방법을 사용하지 않고 모두 재활용이 가능하다.
또한 종이재의 여과재와는 달리, 사용후에는 물에 세척하여 건조하거나, 압축공기로 포집된 먼지를 제거한 후 1, 2회 재 사용이 가능하다.
또한 본 발명은 프레임 사출에 널리 사용되는 열가소성 고분자는 폴리프로필렌수지를 사용하는데, 이는 가격이 저렴하고 운전비용도 적게들기때문인 바, 이 발명에 따른 공기청정기와 함께 사용되면, 향후 대두되는 환경오염문제를 재활용의 측면에서 해결할 수 있으므로 상당한 잇점을 가지게 된다.
즉, 이 발명은 프레임, 여과재를 동일재질의 열가소성수지로 형성함으로써 분해하지 않고도 한꺼번에 재활용할 수 있다는 점에 특징이 있다.

Claims (11)

  1. 열가소성섬유의 섬유뭉치를 카딩하는 공정과, 적어도 2개이상의 구배를 가지는 여과층으로 포밍하는 공정과, 상기 각 여과층을 펠트화하기 위해 니들링하는 공정과, 상기 펠트를 열처리하는 공정과, 상기 펠트를 가압하는 공정을 포함하는 있으며, 상기 여과층에는 가운데 일반섬유를 코아로 하고 둘레에 저융점섬유를 시스로 한 2중구조의 섬유를 소정량 포함하고 있는 여과재 제조방법을 포함하는 건식공기청정기 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 열가소성수지는 폴리프로필렌인 것을 특징으로 하는 건식공기청정기 제조방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 여과층은 조밀층, 중간층, 벌키층의 3개층인 것을 특징으로 하는 건식공기청정기 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 섬유는 35M/M-90M/M정도의 길이를 갖는 섬유를 사용하고, 조밀층은 0.5-2데니아의 섬유로 30%이상의 상기 이중구조섬유를 포함하고, 중간층은 1.0-6데니아의 섬유, 벌키층은 2-10데니아 섬유를 사용하는 것을 특징으로 하는 건식공기청정기 제조방법.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 중간층과 벌키층에는 소정량의 이중구조섬유를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 건식공기청정기 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 여과층 중 하나의 층에 6데니아 이상의 이중구조섬유를 소정량 포함하여 시트화한 지지층을 더욱 포함하는 건식공기청정기 제조방법.
  7. 청구항 4에 있어서, 상기 조밀층에 불꽃으로 표면의 기모를 살짝 녹이는 공정을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 건식공기청정기 제조방법.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 열가소성수지는 폴리에스터재질인 것을 특징으로 하는 건식공기청정기 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 여과층 중 조밀층의 경도를 높이기 위하여 거품화된 바인더를 함침하는 공정을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 건식공기청정기 제조방법.
  10. 청구항 1에 있어서, 열가소성수지로 프레임을 제조하는 공정과, 상기 제조된 여과재와 결합하는 공정을 더욱 포함하는 건식공기청정기 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 여과재용 열가소성수지와 동일한 재질로 프레임을 제조하여 여과재와 결합하는 공정을 더욱 포함하는 건식공기청정기 제조방법.
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