KR100264822B1 - 활성 탄소 응집체를 포함하는 공기 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열가소성 결합제와 흡착제 입자를 응집시킨 후 자동차 캐빈필터로서 사용하기에 적당한, 낮은 압력강화 및 고효율을 지닌 자체-지지 필터를 형성하므로써 제공되는 흡착제 입자의 자체-지지 필터에 관한 것이다.

Description

활성 탄소 응집체를 포함하는 공기 필터

활성 탄소가 공기 및 유체 스트림으로부터 원치 않는 악취, 유독성 가스, 유기 증기 등을 제거할 수 있다는 것은 당업계에 이미 알려진 바이다. 또한 패킹 층, 부직 적재물, 포말 적재물 및 흡착제 결합체를 비롯한 많은 구조체 중에 이들 활성 탄소 입자를 사용하는 방법도 이미 공지되어 있다. 종전에는 과립형 흡착제를 접착시켜 가스 여과에 적합한 형태로 성형하는 방법을 사용하였다.

예를 들어, 브레거 외 다수의 미합중국 특허 제3,217,715호 및 토비아스의 미합중국 특허 제3,474,600호에는 활성 탄소를 원통형 펠릿 또는 다른 형태의 펠릿으로 압출시킨 후 이 펠릿을 지지 구조체 내에 배치시키는 방법이 제안되었다. 여기에서는 활성 탄소와 폴리에틸렌 결합제의 혼합물을 봉(rod) 형태로 압축시켰다. 이들 특허의 목적은 단일체 구조(예, 시트) 형태로 결합된 탄소에 비해 압력 강하도를 개선시키고자 하는 것이었다. 그러나 영국 특허 제1,390,668호에서는, 전술한 압출 과정에서와 같이 패킹 층이 아닌 압출 봉을 단독으로 사용할 경우 압출 과정동안 봉 내의 기공이 상당 부분 막히게 되어 흡착능이 감소하고 압력 강하도가 상승하게 된다는 압출 과정의 단점을 지적하고 있다. 이 특허에는, 고온 탄소와 폴리올레핀 결합제를 혼합하고, 이 혼합물을 벨트 상에 부어 균일하게 하여 압착시킨 후 폴리올레핀 결합제를 사용하여 시트 형태의 활성 탄소 결합체를 제조하는 방법이 제안되어 있다. 이 방법의 목적은 탄소 결합체를 형성하는데 있어 전단력을 제거하고자 하는 것이다.

하셋 외 다수의 미합중국 특허 제3,538,020호에는, 액상의 예비중합체 결합제로 흡착제 입자를 코팅하고, 이 코팅된 입자를 주형에 넣은 후 경화시키므로써 필터를 제조하는 방법이 제안되어 있다. 이 방법에 의해 제조된 카트리지는, 이른바 시험된 시판 카트리지 중 어느 것도 동시에 갖추지는 못한 3가지의 잇점, 즉 저가, 고효율 및 낮은 압력 강하도를 모두 지녔다. 이와 유사한 기술이 미합중국 특허 제3,544,507호(로이드) 및 제3,721,072호(클래팜)에 개시되어 있는데, 이 방법에서는 비닐리딘 중합체 및 수용성의 열경화성 아미노플라스트로 이루어진 결합제 용액 또는 결합제 에멀젼을 사용하여 활성 탄소를 코팅하였다. 상기 ′507호 특허의 목적은, 활성 탄소 입자의 흡착능을 거의 손실시키지 않으면서, 이들 입자의 오염을 방지하여 이들 입자를 충분히 결합시키고자 하는 것이었다. 상기 ′072호 특허에는, 그러한 코팅된 탄소 입자를 주름형 구조체(pleated structures)로 형성시키므로써 우수한 압력 강하 성능을 제공하는 방법이 기재되어 있다.

미합중국 특허 제4,061,807호(쉐일러 외 다수)에는, 결합제와 과립형 흡착제를 성형하고 가열하기 전에 물을 사용하여 결합제와 입상 흡착제 물질 사이의 접착을 촉진시키므로써, 상기 흡착제를 자체 지지형 필터로 합체시키는 방법이 기재되어 있다. 이로써 자체 지지형 흡착성 필터를 제조하는 간단한 방법이 제공되었다.

압력 강하도의 저하에 대해서는 미합중국 특허 제4,981,501호(폰 블뤼커 외 다수)에 기재되어 있다. 이 특허에는, 3차원의 개방형 구조물을 결합제 또는 접착제에 침지시킨 후, 결합제 코팅된 구조물을 느슨하게 결합된 흡착제 과립 약 0.1∼1mm의 직경)덩어리에 침지시키는 방법이 제안되어 있다.

미합중국 특허 제3,919,369호(홀덴)에서는, 자체 지지형 필터에 구멍을 형성시킨 후, 쉐일러 외 다수의 특허에서와 유사한 방법을 사용하여 일정 형태로 성형하므로써 필터의 압력 강하도를 저하시켰다. 그러나, 이들 개방형 구조는 흡착 효율이 불충분할 것이다.

미합중국 특허 제5,033,465호(브라운)에는 자체 지지성 패널 형태의 필터를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 사용된 결합제는 대부분의 입자 크기가 400 메쉬이상이다. 상기 특허에서는, 결합제와 흡착제 입자를 균일하게 혼합하여 응집을 방지할 것을 강조하고 있다.

미합중국 특허 제4,665,050호(데겐 외 다수)에는 무기 흡착제(예, 알루미나) 및 결합제를 포함하는 자체지지 구조체가 기재되어 있다. 자체지지 구조체 중에 흡착제 입자를 고정시키는 방법은, (a) 결합제 입자를 약간 연화시키기에 충분한 고온으로 무기 흡착제 입자를 예열시키는 단계, (b) 결합제 입자와 흡착제 입자를 혼합하여 흡착제 입자를 결합제 입자로 코팅하는 한편, 결합제 입자들이 서로 접착되는 것을 방지하는 단계(응집 방지제 또는 냉각제 사용), 및 (c) 가압 하에 또는 가압하지 않고 중합체 결합제의 고체-액체 전이 온도 주변 온도까지 상기 혼합물을 가열하므로써, 냉각시 자체 지지성을 갖는 구조체를 제조하는 단계를 포함한다.

상기 특허에는, 많은 필터 용도에 흡착제 입자를 사용하므로써, 효율, 용량, 압력 강하도 및 비용을 다양한 수준으로 제공하는 각종 방법이 제안되어 있다. 본 발명은, 양호한 효율 및 흡착능을 지니는 한편 압력 강하도는 낮은 자체 지지성 필터의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 낮은 압력 강하도 및 양호한 흡착 효율이 요구되는 재순환 필터, 실내 필터 또는 자동차 필터와 같은 용도에 유용한 흡착성 자체지지 필터를 제공한다.

본 발명은, 흡수 효율이 높게 유지되는 한편 기류의 압력 강하도(pressure drop)는 매우 낮아 가스 및 증기의 여과에 특히 적합한, 다공성 및 흡착성이 우수한 자체지지 구조체(self-supporting structures)에 관한 것이다. 본 발명의 이 구조체는, 오염물 제거 효율 및 역학적 흡착능이 높으며 압력 강하도가 낮고 기류 특성이 균일하다.

제1도는 단일 응집체 형태의 흡착제 입자 결합체에 대한 확대 단편도이다.

제2도는 본 발명의 자체지지 필터 중에 존재하는 결합된 흡착제 입자 응집체의 확대 부분 단면도이다.

제3도는 본 발명의 자체지지 필터의 코너에 대한 파단 사시도이다.

제4도는 성형된 자체지지 필터 및 이와 결합된 주형의 파단면 사시도이다.

도면에 제시된 본 발명의 결합된 흡착제의 응집 구조체는, 먼저 흡착제 입자 (12)를 열가소성 결합제 플라스틱의 유동점 또는 연화점 주변 온도로 가열한 후 흡착제 입자와 결합제 입자(14)를 혼합하여 매우 균일한 크기 분포의 응집체(10)를 제공하는 방식으로 제조한다. 제조된 응집체(10)는 이어서 소정의 원하는 크기 범위로 체 선별한 후, 더욱 강력히 결합시키기 위해 가열하에 적당한 주형 내에서 단일 구조물(20)로 성층화시킨다.

제2도 및 제3도는 결합 과정 후의 단일 구조물의 일부(20)를 나타낸 것으로서, 여기서 흡착제 입자(12)표면 상의 결합제 입자(14), 흡착제 입자(12)와 결합제 입자(14)로 이루어진 인접한 응집체(10)들을 서로 결합시킨다. 이 응집체(10)는 서로 이격 배치되므로써 단일 필터 구조물(20)내에 틈(16)을 형성시킨다. 이들 틈(16)의 간격 및 크기는 응집체(10)의 크기 및 조밀도에 의해 좌우된다.

응집체(10)를 제조하는데 사용되는 흡착제 물질로는 활성 탄소 입자가 바람직하나, 본 발명의 자체 지지성 필터를 제조하는 데에는 다른 흡착제 물질도 또한 적합하다. 이들 흡착제 입자는, 예를 들어 미합중국 특허 제4,061,807호에 기재되어 있으며 잘 알려져 있다. 이들 흡착제 입자 또는 입상 물질의 크기는 300 메쉬(본문에 언급된 메쉬는 미합중국 표준의 메쉬임) 정도일 수 있으나, 통상적으로는 약 10 메쉬 내지 약 100 메쉬일 것이며, 약 12 메쉬 내지 70 메쉬가 바람직하다. 응집체(10)의 제조시, 흡착제 입자(12)의 크기가 반드시 균일할 필요는 없으며 보다 광범위한 메쉬 크기 범위를 사용할 수 있다. 통상적으로 크기 범위가 유사한 응집체를 포함하는 필터에 있어, 보다 작은 크기 범위의 흡착성 물질(12)을 사용하면 보다 큰 크기 범위의 흡착성 물질(12)을 사용한 경우에 비해 압력 강하도는 약간 높으나 제거 효율이 보다 우수하게 제공되는 것으로 밝혀졌다.

응집체(10)를 제조하는데 사용되는 결합제로는, 흡착제 입자에 비해 연화점이 낮은 열가소성 중합체 결합제 입자가 통상적이다. 이 결합제의 입자 크기는 흡착제 입자보다 작아야 한다. 결합제의 입자 크기는 흡착체의 평균 입자 크기에 비해 약 20% 작은 것이 통상적일 것이며, 약 90% 작은 것이 바람직하다. 그러나, 통상적으로 결합제의 평균 입자 크기는 약 100 메쉬 미만이 바람직하고, 약 250 메쉬 미만이 더욱 바람직하다. 또한, 입자 크기의 범위가 넓은 결합제 입자를 사용할 수도 있으나, 결합제의 평균 입자 크기는 흡착제의 입자 크기 보다 실질적으로 작아야 한다. 적당한 열가소성 중합체 결합제는, 중합체(예, 폴리올레핀, 폴리아크릴레이트, 폴리아렌, 폴리아미드)또는 열가소성 탄성 중합체(예, 폴리우레탄, 폴리디엔 중합체 및 블록 공중합체)등으로 제조할 수 있다. 통상적으로 열가소성 결합제는, 그 연화점 및 이 열가소성 결합제가 미세한 입자로 형성될 수 있는 능력에 따라 그 선택이 제한된다. 예를 들어, 사용온도가 보다 높은 용도에는 고 연화점의 결합제를 사용하는 것이 바람직하나, 일부 탄성 중합체는 그 점착성이 너무 커서 극한 온도 조건에서 분쇄하여 저장해야만 미세 입자로 형성될 수 있다.

결합제 입자는 통상 필터 물질의 40중량%미만, 바람직하게는 25중량%미만, 가장 바람직하게는 약 15중량% 미만을 구성할 것이다.

결합제 입자(14)와 흡착제 입자(12)로 구성된 필터의 응집체(10)는 평균 입자 크기가 통상적으로 약 15메쉬 미만, 바람직하게는 약 12 메쉬 미만, 가장 바람직하게는 약 3 메쉬 내지 12 메쉬이다. 이들 응집체는 다수개의 흡착제 입자(12) 및 결합제 입자(14)로 제조된다.

이어서, 응집체를 추가로 합체시키므로써 연통(連通)하는 틈(16)이 구비된 단일 필터 구조체를 형성하는데, 이 틈(16)이 존재함에 따라 단일 응집체(10)의 망(network) 내에 연통 개방형 매트릭스가 형성된다. 통상적으로, 본 발명의 필터의 기공 부피는 약 70% 내지 85%, 바람직하게는 75% 내지 85%인 것으로 밝혀졌다. 개방된 매트릭스가 형성되었다는 것은, 상당하는 비 응집체 필터에 비해 본 발명의 응집체 필터의 밀도가 낮은 점을 통해 확인할 수 있다. 통상적으로 본 발명의 응집체 필터의 밀도는, 동일한 흡착제와 결합제를 사용하여 유사한 방식으로 제조한 비 응집체 필터에 비해 3%이상, 바람직하게는 최대 약 20%까지 작을 것이다. 이러한 개방형 연속 매트릭스가 존재하도록 제조된 필터는, 비 응집된 흡착제 입자로 제조된 필터에 비해 필터 전체에 걸친 압력 강하도가 상당히 낮으면서 제거 효율은 그대로 유지되는 것으로 밝혀졌다. 본 발명의 필터는, 압력 강하도가 주안점이면서 우수한 제거 효율도 여전히 요구되는 용도에 특히 유용한 것으로 밝혀졌다. 본 발명의 필터의 대표적인 용도는 자동차 또는 실내의 악취 제거용 필터중의 캐빈 필터일 것이다. 이들 용도에는, 비교적 다량의 공기를 여과하는데 있어 중요한 인자인 보다 낮은 압력 강하도와 양호한 제거 효율이 요구되나, 이들 용도에서의 제거 효율은 1회용 얼굴 마스크 필터에서 만큼 중요한 인자는 아니다. 0.35인치 두께의 본 발명의 표준 필터에 대해 산정된 압력 강하도는 통상 15mm H₂O미만(약 77㎠의 표면적에 걸쳐 30㎥/시간의 유속 하에 측정)이고, 바람직하게는 10mm H₂O 미만이며, 가장 바람직하게는 5mm H₂O미만이다.

이러한 개방형 구조를 제조하기 위해서는, 형성된 응집체를, 바람직하게는 어떠한 합체화 압력도 가하지 않은 상태로 주형에 넣는다. 이어서 주형과 그 안에 수용된 응집체를 완전히 가열하기에 충분한 시간 동안 결합제의 연화점 이상의 균일한 온도로 이들을 가열한다. 응집체를 성형 구조체로 제조하는데 있어 특히 바람직한 방법은, 가열 작업 동안 주형과 그 내용물을 연속적으로 또는 간헐적으로 회전시키므로써 응집체의 침강을 방지하는 과정을 수반한다. 이러한 방식으로 제조된 필터는 비 응집된 흡착제 입자로 제조된 필터에 비해 압력 강하도가 최대한 저하되는 것으로 나타났다.

응집체 자체는, 흡착제 입자를, 통상적으로는 결합제 입자의 연화점보다 5℃이상 높은 온도, 바람직하게는 10℃ 이상 높은 온도로 예열시켜 제조하는 것이 바람직하다. 이어서 가열된 흡착제 입자를 혼합 장치에 넣고, 합체화가 일어나지 않도록 하면서 결합제 입자를 첨가한다. 이어서, 입자들을 전술한 바와 같이 혼합 장치 내에서 잠깐 응집시켜 응집체를 제공한다. 이로써 각기 다른 수많은 크기의 응집체가 제공되는데, 즉 이들 각각의 응집체는 제1도 및 제2도에 제시된 바와 같이 가열된 흡착제 입자와 결합제 입자가 무작위적으로 결합하여 형성한 무작위 형태 또는 불규칙 형태를 갖는다. 이후, 필요에 따라 이 응집체들을 실시예에 기재된 바와 같이 적당한 크기의 조각으로 분리시킨다.

이 응집체를 임의의 적당한 형태로 성형하여 필터를 제조할 수 있다. 예를 들어, 패널 구조 또는 주름형 구조가 통상적으로 많은 용도에 적합할 것이다.

제4도는 본 발명의 자체 지지성 필터에 바람직한 주름형 디자인 구조를 도시한 것이다. 필터(40)는 주형(30)내에서 제조되며, 이 주형(30)은 2조각의 주형(31, 32)으로 구성되는 것이 바람직할 것이다. 먼저 각 반쪽의 주형(31,32)에서 성형 필터(40)의 절반 형태(43 또는 44)를 각각 제조한다.

반쪽 주형(31,32)은 각각 윤곽면(33,34) 및 개방된 상부를 갖추고 있으므로, 제조된 응집체를 이 주형에 주입하기가 용이하다. 주형의 개방이 보다 제한되는 1단계 성형 방법을 이용하면, 응집체를 균일하게 분산시키는 과정과 제조된 성형 필터를 제거하는 과정의 수행이 어렵다는 점에서 덜 바람직하다. 반쪽 주형(31, 32)은, 닥터 블레이드 등에 의해 과량의 응집체를 용이하게 제거할 수 있도록 2곳 이상의 대향하는 테두리 상에 경계 한정 립(37,38)을 갖는 것이 바람직하다. 이 경계 한정 립(37,38)은 반쪽 주형(31,32)의 윤곽면(33,34)의 피크(들) (47, 48) 보다 높은 지점에 존재한다. 윤곽면(33,34)의 피크(들)(47,48)는, 제4도에 도시된 바와 같은 반쪽 주형들이 합체될 경우 수직적으로 서로 상쇄(offset)되거나, 상기 립(37, 38)의 면 아래, 대개는 1cm 이상 정도 아래로 내려오는 것이 바람직하다. 이로써 성형된 필터의 윤곽면 중 밸리(valley) 부분이 상쇄되므로, 필터 내에 구멍 또는 취약부가 형성되는 것을 예방할 수 있다. 전술한 바와 같이, 반쪽 필터를 각각 제조한 후 이들을 서로 합체시킨다. 이어서 반쪽 주형 및/또는 필터들을, 이들이 서로 합체되기에 충분한 온도로 가열 또는 예열한다. 대개는 반쪽 주형 또는 필터의 노출된 한면 상의 열가소성 수지를 연화시키기에 충분한 온도로, 이 한면만을 가열하면 된다.

제4도의 성형된 필터 구조체는 특히 바람직한 주름형 필터 구조체로서, 여기서 주름은(pleat)은 지그 재그 형태의 각 윤곽면(33,34)의 피크(47,48)가 서로 상쇄되어 형성된 지그 재그 형태이므로, 대향하는 반쪽 주형(31,32)의 윤곽면에 있어 피크(47,48)는 밸리(49,50)와 서로 대향 배열된다. 성형된 필터에 형성된 윤곽면에서는 피크와 밸리가 서로 대향한다. 윤곽이 형성된 성형 필터는 필터 면에 걸쳐 두께(51)가 일정하다. 생성된 성형 필터는 또한 동일한 기본 중량의 평판 필터에 비해 압력 강하도가 상당히 낮고, 유사한 압력 강하도를 가진 평균 필터에 비해 제거 효율이 우수하다.

바람직한 용도에서, 성형 필터는 운송 수단(예, 자동차)의 객실을 정화시키는데 사용된다. 이 바람직한 용도 또는 유사 용도에서, 필터는, 이 필터 내로 공기를 흡입시키거나 이로부터 배출시키는 관련 수단을 구비하게 될 것이다. 이러한 공기 운반 수단으로는, 움직이는 차량의 창문에 설치된 통상적인 환풍기(fan) 또는 전달 장치를 들 수 있다. 공기 운반 수단은 필터와 유체 연통 관계에 있다.

하기 실시예는, 본 발명을 실시하는데 있어 현재 바람직한 실시 형태를 설명하는 것이며, 이들에 의해 본 발명이 국한되는 것은 아니다.

먼저 응집체를 제조하였다. 12×20 메쉬의 처리된 활성 탄소 입자(일본, 오카야마, 쿠라레이에서 시판하는, 코코넛에서 추출한 활성 GG 탄소) 200g을 45분 동안 185℃에서 가열하였다. 이 입자들을 K₂CO₃수용액으로 처리하여 산 가스에 대한 흡착도를 향상시켰다. 이어서, 이들 가열된 입자들을 2개의 역방향 회전 날개가 설치된 기계식 혼합기(이 혼합기의 바닥은 상기 입자와, 결합제와, 날개가 서로 잘 접하도록 굴곡형으로 되어 있음)내에서 입자 크기가 50 μ내지 225 μ인 폴리우레탄 (Morton^TMPS 455-100. 뉴 헴프셔, 시브룩에 소재하는 모르톤-티오콜 제품, 융점: 130-155℃) 34gm 과 24 초간 건식 혼합하였다. 결합제 입자에 의해 결합된 탄소 입자 응집체는, 점점 보다 작은 틈(보다 큰 메쉬)을 가진 체를 통해 연속 분쇄하여 점차 보다 작은 크기의 응집체 절편으로 형성시켰다. 분쇄한 응집체는, 이어서 4″×5″(10.2cm×12.7cm)크기의 주형 내에서 느슨하게 성층화시킨 후 압착시키지 않고 165℃에서 40분 동안 가열하였다. 이와 같이 성형 결합된 응집체는 이어서 실온으로 냉각시켰다. 형성된 흡착 구조체는 양호한 고유 강도를 나타내 보였다. 흡착성 필터 구조체는, 약 77㎠의 단면을 통해 30㎥/시간의 유속 하에서 압력 강하도에 대해 시험하였다(시험 장치는 LFE(라미너 흐름부)를 구비하고 있는 것으로서, 중간 압력 강하도가 33.5 Pa이다).

결합된 흡착성 필터 구조체(10.2cm×6.35cm 크기의 예비 절단 샘플로 제조)의 8.89cm×5.08cm 표면에 75ppm의 톨루엔을 170리터/분의 유속으로 통과시켰다. 지정된 시점에서 톨루엔의 유출량을 측정하여, 하기 식을 통해 제거 효유을 계산하였다:

상기 식 중, 75ppm은 상류 톨루엔의 농도이다. 시험은 85% 및 50%의 상대 습도 하에서 실시하였다(보다 높은 상대 습도 하에서는 수증기가 우선적으로 흡착되므로, 보다 낮은 상대 습도 하에서보다 활성 탄소 필터의 효율이 심하게 저하되었다.) 이어서, 특정 흡착성 필터 구조체에 대해 70ppm의 n-부탄을 통과시켜 그 제거 효율을 시험한 후, 다시 동일한 표면적 및 필터를 사용하여 20ppm의 이산화황에 대한 제거 효율을 시험하였다. 각종 크기의 응집체 절편으로 제조된 필터에 대한 효율 시험 결과는 표 1에 제시한다. 비교를 위해, 비 응집된 탄소 입자와 결합제로 제조된 필터도 시험하였다(60분 동안 주형 내에서 가열).

압력 강하도의 계산치는, 실제 시험한 압력 강하도에 8.89mm(표준 두께)를 곱한 후 실제 두께로 나누어서 구하였다.

[표 1]

표 1은, 전혀 응집되지 않은 구조체가 50%와 85%의 상대 습도 하에서 응집된 입자 필터에 비해 상당히 높은 압력 강하도 및 통상적으로 보다 높은 흡수 효율을 지님을 입증해준다. 입자 크기가 12 메쉬 이하인 응집체로 제조된 필터는, 비 응집된 필터와 비교하여 흡착 효율은 그에 필적하는 수준인 한편 압력 강하도는 절반 수준이었다. 7×12 메쉬 크기의 응집체 절편을 포함하는 응집 필터는 양호한 효율 및 우수한 압력 강하도를 나타내 보였다.

[실시예 2]

30×70 메쉬의 처리된 활성 탄소 입자(200 gms)(일본, 오카야마 소재의 쿠라레이 시판)를 35분 동안 185℃에서 가열하였다. 이어서 이들 입자를 기계식 혼합기 내에서 34 gm의 Morton^TMPS455-100과 30초 동안 건식 혼합하였다. 생성된 탄소 입자와 결합제 입자의 응집체는, 실시예 1 및 표 2에 요약된 바와 같은 메쉬 크기의 조각으로 체 선별하였다. 선별된 응집체는 이어서 알루미늄 주형(10.2cm×12.7cm) 내에서 느슨하게 성층화한 후, 압착시키지 않으면서 40분 동안 166℃로 유지시켰다. 이어서, 주형과 성형된 필터 구조체를 실온으로 냉각시켰다. 제조된 필터 구조체는 이어서 실시예 1 에서와 같이 85%의 상대 습도 하에서 톨루엔의 제거 효율에 대해 시험하고, 50% 상대 습도 하에서 톨루엔, n-부탄 및 이산화황의 제거 효율에 대해 시험하였으며, 그 결과는 표 2에 제시한다.

[표 2]

이 실시예에서는 보다 작은 메쉬 크기의 탄소 입자가 양호한 압력 강하도와 우수한 제거 효율을 제공하였으나, 단 입자 크기가 12 메쉬 이하인 절편의 경우에는 제거 효율은 우수한 반면 압력 강하도는 비 응집된 필터와 거의 유사한 정도로 높았다. 작은 탄소 입자를 사용하여 제조한 본 발명의 응집체를 포함하는 필터를 제조한 결과, 보다 작은 탄소 덩어리를 사용한 경우에 비해 우수한 효율을 가지는 한편 압력 강하도는 약간 높았다.

[실시예 3]

성형 과정 동안에는 응집 구조체가 자체 중량에 의해 압착되는 경향이 있기 때문에, 열 성형 과정 중에는 틈이 폐쇄되고 유체의 흐름이 방해된다는 점도 또한 밝혀졌다. 응집체의 이러한 조밀화를 완화시키기 위해, 주형 내의 응집된 탄소 물질을 20분 동안 166℃로 가열한 후 주형을 반대로 뒤집어 다시 20분 동안 166℃로 가열하는 2단계 성형법을 수행하였다. 표 3의 성형 필터는, 45분 동안 185℃로 가열한 쿠라레이사의 활성 탄소 입자(12×20 메쉬) 200g을 사용하여 제조한 것이다. 결합제(Morton- PS^TM455-100)34g을 기계식 혼합기 내에서 가열된 탄소와 15초 동안 혼합하였다. 생성된 탄소 응집체는 실시예 1의 방법에 따라 표 3에 요약된 바와 같이 체 선별하였다. 전술한 2단계 성형법을 사용하여 이들 필터를 제조하였다. 이 방법을 사용하여 제조한 필터는 통상적으로 실시예 1 및 실시예 2의 방법을 통해 제조된 것에 비해 밀도가 낮았다. 따라서, 이 방법에 의하면 통상적으로 제거 효율이 보다 높고, 압력 강하도가 거의 증가하지 않는 보다 두꺼운 필터를 제조할 수 있었다. 제거 효율은 하기 표 3에 요약한다.

[표 3]

이 실시예에서의 필터 효율은 실시예 1의 비 응집된 필터에 상당하거나 이보다 우수하며, 압력 강하도 계산치는 통상적으로 실시예 1의 응집된 필터보다 낮았다.

[실시예 4]

실시예 3의 성형법 및 실시예 2의 활성 탄소(30×70 메쉬)를 사용하여 본 실시예를 수행하였다. 사용된 탄소를 40분 동안 185℃로 가열한 후 기계식 혼합기 내에서 30초 동안 Morton- PS^TM455-100 결합제와 혼합하였다. 생성된 탄소 응집체는 표 4에 요약된 바와 같이 분쇄한 후 실시예 3에 기재된 바와 같이 필터로 성형하여 효율을 시험하였다.

[표 4]

이 실시예에서의 제거 효율 및 압력 강하도는, 이 실시예에서와 동일한 활성 탄소 및 결합제를 사용하여 제조한 실시예 2의 필터에 비해 상당히 우수하였다.

[실시예 5]

비교예인 현재 시판되는 자동차 필터(이 자동차 필터 중 하나는 메르세데스벤츠 S형 자동차의 7층 필터 중 한층이고, 나머지 하나는 폰 블뤼커 VG 170 필터임)는 표 5에 제시한다.

[표 5]

이들 시판되는 필터는 미처리된 활성 탄소 입자로 제조한 것이다. K₂CO₃로 처리하지 않은 경우에는, 활성 탄소의 표면 영역을 K₂CO₃코팅이 차단함에 따른 효율의 저하기 방지된다. 그러나 메르세데스 필터의 효율은, 동등한 압력 강하도를 가진 실시예 2(7×12 메쉬의 절편)의 필터와 유사하였으며, 유사한 메쉬의 절편을 사용한 경우에는 실시예 3 및 4의 필터보다 저조하였다. 이 필터는 수지와 탄소 입자 순으로 코팅된 3차원의 메쉬 매트릭스인 것으로 나타났는데, 이것의 제조기술은 극히 복잡하고 비용이 많이 든다. VG 170 필터는 섬유 직물 사이에 탄소가 삽입된 것으로서, 압력 강하도와 제거 효율이 모두 비 허용적인 수준이었다.

[실시예 6]

제4도에 도시된 바와 같은 가공된 알루미늄 주형 양쪽에, Morton- PS^TM455-100 결합제 및 GC 16×35 탄소(일본국, 오카야마의 쿠라레이에서 시판)를 사용하여 전술된 본 발명의 실시예에 따라 제조한 탄소 입자 응집체 160g을 각각 채워 넣었다. 응집체의 크기는 3∼7 메쉬(미국 표준 메쉬)였다.

충전된 반쪽 주형(A)를, 165℃ 내지 175℃온도의 공기가 재순환되는 오븐에 넣었다. 25분후, 160g의 탄소 응집체가 수용된 나머지 반쪽 주형(B)를 오븐에 넣었다. 45분후, 반쪽 주형(A)를 꺼내어 냉각시켰다. 70분 후 반쪽 주형(B)를 꺼내어, 주형(B)위에 반쪽 주형(A)를 배치하였다. 이어서, 양쪽 주형을 뒤집어 반쪽 주형(B)이 상부에 오도록 하여, 고온의 성형 구조체가 중력에 의해 이보다 낮은 온도의 주형 위로 내려와 양쪽 주형이 서로 합체될 수 있도록 하였다. 이들 주형을 개방하기 전 적어도 25분 동안 냉각시켰다. 넓은 표면적의 성형 구조체를 꺼내어, 횡 단면적이 6.5×9인치(16.5×22.9cm)가 되도록 절단하고 측량한 후(157g) 프레임으로 접합시켰다. 각 윤곽면 상의 피크 높이는 약 0.7인치(1.8cm)이고, 피크 폭은 약 0.375 인치(9.5cm)였으며, 각 윤곽면의 피크는 제4도에 도시된 바와 같이 상쇄되었다. 각 피크의 밸리 또는 밑점은 0.25인치(0.64cm) 정도 수직적으로 상쇄되었다.

성형 필터의 압력 강하도는, 50, 100, 150, 200, 250 및 300 cfm (1.4, 2.8, 4.2, 5.7, 7.1 및 8.5㎥/분)의 체적 유속 하에 측정하였다. 이어서 샘플을 2.5×4인치(6.3×10.2cm)의 표면적을 갖도록 절단한 후, 상자 형태의 프레임으로 접착시켜 톨루엔 및 n-부탄의 제거 효율 시험을 수행하였다.

동일량의 탄소를 함유한 ‘평평한’ 또는 비 연장된 표면적의 탄소 필터와 비교하기 위해, 먼저, GC 16×35(3∼7 메쉬)의 탄소 응집체 157g을 첨가하여 표면적이 6.5×9인치(16.5×22.9cm)인 알루미늄 팬 주형을 제조하였다. 이 탄소 응집체는 15분 동안 165℃ 내지 175℃의 공기 재순환 오븐에서 가열하였다. 탄소 필터 케익을 꺼낸 후, 압력 강하 시험을 위해 프레임 형태로 접합시켰다. 이 샘플의 두께는 약 0.66 인치 내지 0.70 인치(1.68×1.78cm)였다. 이어서 표면적이 2.5×4인치(6.3×10.2cm)가 되도록 샘플을 절단한 후, 상자형 프레임으로 접합시켜 톨루엔 및 n-부탄 제거 효율 시험을 수행하였다.

넓은 표면적의 구조체를, 이와 동일한 압력 강하도를 가진 ‘평평한’ 탄소 필터와 비교하기 위해, 6.5×9인치(16.5×22.9cm)의 알루미늄 팬 주형을 사용하여 얇은 탄소 케익을 제조하였다. 이 탄소 케익을 10분 동안 165℃ 내지 175℃의 공기 재순환 오븐 내에서 가열하였다. 탄소 필터 케익을 꺼내어, 압력 강하 시험을 위해 프레임 형태로 접합시켰다. 이 샘플의 두께는 약 0.28인치 내지 0.33 인치(0.71×0.84cm)였다. 이어서 샘플을 2.5×4인치(6.3×10.2cm)의 표면적이 되도록 절단한 후, 상자형 프레임으로 접합시켜 톨루엔 및 n-부탄 제거 효율 시험을 수행하였다.

압력 강하도(파스칼)의 데이터는 표 6에 제시하였고, 가스 제거 효율 시험의 데이터는 표 7에 제시하였다(46%의 상대 습도 조건 하에 측정).

[표 6]

[표 7]

Claims (4)

1. 차량 객실 필터 등으로 유용한 단일 성형체 형태의 다공성 가스 필터로서, 상기 필터 성형체는, 평균 입자 크기가 약 1.3mm(15 메쉬) 이상인 응집체 입자로 융합된 흡착제 입자와 열가소성 결합제 입자를 포함하고, 상기 응집체는, 평균 입자 크기가 1.9mm(10 메쉬) 미만인 흡착제 입자와 상기 열 가소성 결합제 입자[ 이 결합제 입자의 평균 크기는 상기 흡착제의 평균 입자 크기보다 20% 정도 작음]를, 상기 열가소성 결합제의 연화점보다 높은 온도에서 융합시켜 형성시킨 것이며, 실질적인 합체화가 일어나는 압력을 가하지 않고 열가소성 결합제의 연화점 보다 높은 온도에서 응집체들을 추가로 융합시켜 응집체 사이에 개방된 틈이 형성된 필터 성형체로 성형한 것이 특징인 다공성 필터.
2. 제1항에 있어서, 상기 흡착제 입자의 평균 입자 크기가 약 0.14mm(100 메쉬) 이상이고, 결합제 입자의 평균 크기는 흡착제 입자의 평균 크기보다 20%정도 작으며, 상기 흡착제 입자가 탄소 입자를 포함하는 것이 특징인 다공성 필터.
3. 제1항에 있어서, 필터 성형체가 2개의 대향하는 윤곽면을 가지며, 이 윤곽면은 각각 밸리와 피크가 교대로 구성된 일련의 지그 재그 형태[한 윤곽면의 피크가 대향하는 윤곽면의 밸리와 직접 대향하는 형태임]인 것을 특징인 다공성 필터.
4. 평균 입자 크기가 1.9mm(10 메쉬)미만인 흡착제 입자를 열가소성 결합제 입자의 연화점 보다 높은 온도로 가열하는 단계, 상기 가열된 흡착제 입자를 상기 열가소성 결합제 입자와 혼합하는 단계[여기서, 상기 열가소성 결합제 입자의 평균 크기는 흡착제 입자의 평균 크기보다 20% 이상 작다]. 상기 흡착제 입자와 결합제 입자를 평균 입자 크기가 약 1.3mm(15 메쉬)이상인 응집체로 응집시키는 단계, 상기 응집체를 소정의 형태로 성형하는 단계, 및 상기 응집체를 상기 열가소성 결합제의 연화점 이상의 균일한 온도로 가열하므로써, 실질적인 합체화가 일어나는 일 없이 융합된 필터 성형체를 형성하는 단계를 포함하는 다공성 필터의 제조 방법.