KR100310274B1 - 정전기 에어 필터 소재 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기 압출 방식을 사용하여 여러 형태의 고분자 방사 섬유 필터 소재를 제조하면서, 이와 동시에 고분자 방사 섬유의 표면 전하 밀도를 증가시킴으로써 필터 소재에 정전기가 보유되어 여과능이 향상된 에어 필터 소재 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

정전기 에어 필터 소재 및 이의 제조 방법{Electrostatic Air Filter and the Process for preparing the same}

본 발명은 분진 제거를 위해 사용되는 에어 필터 소재 및 그의 제조 방법, 보다 구체적으로는 정전기를 보유함으로써 여과능이 향상된 고분자 필터 소재 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

종래의 분진 제거용 에어 필터로는 폴리프로필렌, 폴리에스테르 및 폴리아세탈 등의 고분자 합성 섬유를 직포 또는 부직포 형태로 가공한 백필터 및 판상 필터 등이 있으며, 이러한 에어 필터를 사용하여 대기 중에 함유된 불순물을 제거하여 왔다.

종래의 에어 필터는 기공이 20 내지 30 ㎛이어서 미세 분진의 제거가 불가능하기 때문에, 이러한 종래의 에어 필터를 사용하는 경우에는 운전 초기에 분진이 유출될 뿐만 아니라 탈진 후에도 필터 표면에 분진이 잔재하게 되는 현상이 빈번하게 발생된다. 그 결과, 미세 분진의 유출과 아울러 필터 표면 상의 분진 잔재로 인한 눈막힘 현상에 의해 필터의 여과 효율이 저하됨으로써 필터의 교환 주기가 짧아진다. 이 외에, 필터 시스템을 설치할 때 여과를 위한 설치 면적이 커지게 되어 설치비 및 보수 관리비가 많이 드는 단점을 가지고 있다.

이러한 상기 문제점들을 해결하기 위해 필터 소재의 성상을 보완한 필터 소재, 즉 종래의 직포 및 부직포 형태의 필터 소재에 다공성 고분자막을 접착시킴으로써 심층 여과와 표면 여과의 두가지 기능을 갖도록 하는 필터 소재가 개발되었고, 그 예로서 미국 특허 제5205938호, 동 제4917942호를 들 수 있다. 또한, 국내 특허 출원 제10-1997-002440호에는 열가소성 수지 분말과 흡착제 분말을 압출소결시킨 매트릭스를 고분자 수지의 수용액으로 표면 박막 코팅시켜 심층 여과와 표면 여과 외에 흡착 기능을 부여한 필터 소재가 기재되어 있다.

한편, 당업계에서는 에어 필터의 소재로서 통상 사용되는 고분자 합성 섬유에 정전기를 보유하도록 함으로써 놀랍게도 여과능이 크게 향상된다는 것이 밝혀졌다.

미국 특허 제5,807,425호는 유전 재료를 사용하여 정전기적인 힘을 갖도록 고안된 발명으로서, 유전재료를 다공성 소재로 제조한 다음 유전 성질을 갖는 다공성 소재에 고전압 발생기를 부착시킴으로써 다공성 소재 자체가 정전기 특성을 띠도록 고안된 것이다. 따라서, 이 발명에서는 강유전체 소재를 기본으로 하여 다공성 소재를 제조한 후에 외부로부터 고전압을 발생시킴으로써 정전기 특성을 나타내도록 한 것이다.

미국 특허 제5,871,567호는 부직포 형태로 만들어진 정전기 제품으로서, 2개의 부직포를 사용하는 것을 특징으로 하고 있다. 즉, 제1 부직포는 정전기를 띠고 있지 않으나 제2 부직포는 정전기를 띠고 있는 이중 부직포 형태의 정전기 필터 소재이다. 제2 부직포에 대한 정전기 부여 방법으로는 먼저, 부직포를 캘린더링 방식, 즉 부직포 소재 자체를 열압착시켜 부직포를 제조한 후에 고온 하에 고전압을 발생시킴으로써 정전기 부직포를 생산하는 2 단계 제조 공정을 갖추고 있다. 그러나, 이러한 2 단계 제조 공정은 캘린더링 방식의 설치비 및 2 단계 공정이라는 점으로 인해 그 제조원가가 비싸다는 단점을 지니고 있다.

본 발명의 목적은 종래 기술에서의 단점, 즉 부직포의 제조 단계와 정전기 부여 단계의 2 단계 제조 공정으로 인한 고비용 제조 공정을 개선함으로써, 경제성 및 여과 특성 조절이 향상된, 부직포 제조 과정 중에 정전기를 부여하는 하나의 단계로 정전기 에어 필터 소재를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

도 1은 고압의 공기에 의해 방사되는 미세 고분자 섬유를 드럼형의 회전체 표면에 침착시키는 공정을 나타낸 개략도.

도 2는 고압의 공기에 의해 방사되는 미세 고분자 섬유를 주름진 형태의 타겟에 침착시키는 공정을 나타낸 개략도.

도 3은 코로나 방전기를 예시하는 개략도.

도 4는 본 발명의 표면 전하 밀도의 효과를 측정하기 위한 장치의 개략도.

도 5는 방사된 섬유의 종류와 인가된 전기장의 세기에 따른 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 고분자 수지 입자

2: 공기 압출기

3: 다이헤드

4: 방사되는 섬유

5: 타겟

본 발명의 에어 필터 소재는 에어 필터 제조에 통상적으로 사용되는 고분자 수지의 용융물을 미세 고분자 섬유로 방사하여 회전하는 타겟에 침착시키고, 이 미세 고분자 섬유를 코로나 방전기로 방전시키면서 냉각시킴으로써 얻어진다. 여기서 상기 타겟은 드럼형이거나 주름진 형태일 수 있고, 상기 고분자는 폴리프로필렌이거나 폴리에틸렌, 또는 50:50의 폴리프로필렌과 폴리에틸렌의 혼합물과 같이 에어 필터에 통상 사용되는 것이면 무방하다.

본 발명에 있어서, 융점 이상의 높은 온도에서 용융 방사되는 섬유상 고분자 재료를 코로나 방전 하에 타겟 상에서 냉각시킨다. 코로나 방전 하에서 냉각되는 방사된 고분자 섬유는 표면 전하 밀도 (surface charge density)가 극대화되어 정전기를 보유하게 된다. 표면 전하 밀도가 증가된 에어 필터 소재는 오염 입자의 투과율을 저하시켜 향상된 여과능을 제공한다.

또한, 본 발명은

고분자 물질을 압출기 내에서 점성 유체가 될 때까지 가열하여 용융시키는 단계,

용융된 고분자 물질을 회전하는 타겟 상에 방사시켜 고분자 방사 섬유로 침착시키는 단계, 및

코로나 방전기 하에 방전시키면서 냉각시켜 표면 전하 밀도를 극대화하고, 이로써 정전기를 보유한 고분자 방사 섬유를 얻는 단계를 포함하는, 고분자 방사 섬유의 정전기 에어 필터 소재의 제조 방법에 관한 것이다.

도 1은 공기 압출기 내에 고분자 물질의 입자를 공급(1)한 후, 공기 압출기 (2)의 고압 공기 스프레이 헤드 장치 (3)을 사용하여 섬유를 방사시킨다 (4). 이 때 공기 압출기 스프레이 헤드의 온도는 고분자의 용융 온도를 넘는 온도로 유지하고, 고압 공기를 사용하여 압출기 스프레이 헤드를 통해 회전하는 타겟 상에 섬유를 침착시키는 과정을 예시하고 있다.

도 2는 회전 타겟으로 주름진 타겟을 사용한 점을 제외하고는 상기 도 1과 동일하게 수행되는 과정을 예시하고 있다.

도 3은 방사 섬유 타겟의 상부에 위치한 코로나 방전기로서, 극성 음하전을 인가하기 위해 DC 고전압 발생기를 사용하여 코로나 방전 전극에 전기장을 인가한다. 본 발명에서 코로나 방전 전극에 인가된 전압은 예를 들어, 10 내지 40 kV이고, 동시에 고분자 방사 섬유가 냉각된다. 강철 드럼에 침착되는 고온의 방사 섬유 두께는 예를 들어, 0.5 내지 1 mm로 일정하게 유지한다.

상기 도면의 설명에서와 같이, 본 발명자들은 도 1과 도 2에서와 같이 압출기에 공기를 불어 넣어 고분자 방사 섬유를 제작하면서 도 3의 고전압 발생 장치를 도 1 또는 도 2의 타겟에 직접 장착한 제조 방법인, 1 단계 정전기 부직포 제조 공정을 고안한 것이다. 다시 말해, 본 발명의 제조 공정은 용융 상태의 고분자 섬유가 타켓에 침착되면서 동시에 고전압을 발생시킴으로써 녹아 있는 고분자 내의 쌍극자들을 한 방향으로 향하도록 고안된 것이다. 고분자의 경우에 용융 상태에서 고전압을 걸어준면 고분자 내의 쌍극자들이 한 방향으로 정렬되며 그 결과 고분자에 정전기가 발생되고, 이후에 급냉시키면 고분자 내의 쌍극자들은 한 방향으로 고정되어 무전원 정전기 부직포 소재를 얻을 수 있는 것이다.

이하, 본 발명을 대표적인 몇가지 실시예를 들어 구체적으로 설명하지만, 이들 실시에는 단지 본 발명의 실시양태를 예시하기 위한 것이며 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

<실시예 1>

도 1에 도시된 바와 같이 공기 압출기 내에 폴리프로필렌 (용융 지수 : 32 - 40) 입자를 유입(1)한 후, 공기 압출기 (2)의 고압 공기 스프레이 헤드 장치 (3)을 사용하여 10- 15 ㎛ 직경을 갖는 섬유를 방사시켰다 (4). 이 때 공기 압출기 스프레이 헤드의 온도는 350 ℃로 유지하고, 고압 공기의 온도를 340 ℃로, 압력은 1.94 atm(2 kgf/㎠), 압출기 스크류의 회전 속도는 10 회전수/분으로 각각 유지시켰다. 고분자 방사 섬유의 타겟은 지름이 320 mm인 드럼 (5)을 사용하였으며, 회전속도는 0.3 회전수/분으로 일정하게 유지시켰다.

극성 음하전을 인가하기 위해 DC 고전압 발생기를 사용하여 코로나 방전 전극 (도 3)에 10 kV부터 30 kV 까지의 전기장을 인가하였다. 드럼 표면으로부터 25에서 30 mm에 드럼과 평행하게 직경 1 mm인 전선 전극을 장착하였다. 드럼과 평행하게 설치된 전선 전극들의 간격은 10 mm가 되도록 조절하였으며, 첫 번째 전선 전극의 위치는 고분자 공기 압출 방사 섬유의 타겟 상부에 오도록 장착시켰다. 코로나 방전 전극이 상부에 장착되어 회전하는 강철 드럼에 고온의 고분자 방사 섬유를 침착시키면서 10, 20 및 30 kV의 고전압이 걸린 코로나 방전 상태에서 고분자 방사 섬유를 냉각시켰다. 강철 드럼에 침착되는 고온의 방사 섬유 두께는 1 mm로 일정하게 유지하였다.

<실시예 2>

실시예 1과 같은 제조공정으로 공기 압출 고분자 섬유 필터 소재의 제조 및 정전기 부여 실험을 하였으나, 실시예 1과 상이한 점은 고분자 방사 섬유의 타겟 형태가 드럼 형태(5)가 아니라 지름이 230 mm인 도 2의 주름진 형태(5)의 타겟을 이용하여 정전기 필터 소재를 제조하였다는 것이다.

<실시예 3>

실시예 1과 같은 제조공정으로 공기 압출 고분자 섬유 필터 소재의 제조 및 정전기 부여 실험을 하였다. 실시예 1, 2와 상이한 점은 고분자 소재로서 폴리프로필렌 대신에 폴리에틸렌을 사용한 점이다.

<실시예 4>

실시예 1과 같은 제조공정으로 공기 압출 고분자 섬유 필터 소재의 제조 및 정전기 부여 실험을 하였다. 실시예 1,2,3과 상이한 점은 사용하는 고분자 소재가 폴리프로필렌과 폴리에틸렌을 50:50으로 혼합시킨 것이라는 점이다.

<비교예 1>

공기 압출기를 이용한 고분자 방사 섬유의 제조방식은 실시예 1,2,3 및 4와같으나 코로나 방전기를 통과하지 않은 순수한 폴리프로필렌 섬유를 제조하여 에어 필터 소재를 제조하였다.

<여과 효율 특성의 측정>

상기 기재된 바와 같이, 공기 압출기의 온도를 증가시켜 열가소성 소재인 폴리프로필렌이나 폴리에틸렌을 점성 유체로 조절한 후, 고온 고압의 공기를 불어넣으면서 두께 약 1 mm의 고분자 에어 필터 소재를 제조하였다. 공기 압출기로 제조된 에어 필터 소재의 여과 효율을 증가시키기 위해 코로나 방전 하에서 고분자 섬유 필터 소재를 냉각시킴으로써 고분자 섬유 자체에 정전기를 부여하고자 하였으며, 다음과 같은 측정 방법을 사용하여 여과효율의 변화 경향을 측정하였다.

고분자 방사 섬유에 대한 유효 표면 전하 밀도 (Effective Surface Charge Density)를 측정하기 위해 진동 전극을 사용하는 보정 방법 (도 4)을 사용하여 정전기적 효과를 측정하였다. 진동 전극으로는 부분적인 실린더 밴드 형태의 브라스(Brass) 전극을 사용하고, 전극의 테두리 부분과 바깥 쪽 표면에는 전기 절연을 위해 테플론(PTFE, 두께 3000 -3500 ㎛)를 코팅시켰다. 전극 사이의 간격은 2 -3 mm로 하여 그 내부에 정전기가 부여된 에어 필터 소재를 위치시킨 후 전압 발생기를 이용하여 전압을 인가하여 감쇄되는 값으로 보정 전압을 측정하였으며, 측정된 보정 전압을 필터 소재의 정전기도로 결정하였다. 정전기 에어 필터 소재의 여과 효율 측정은 KS 규격 (KS 6141)의 에어 필터 여과 시험기를 사용하였으며, 일정한 여과 면적과 일정한 풍량 하에서 정전기 필터 소재를 통과하는 공기의 압력 손실과 여과 효율을 측정하였으며, 아울러 오염 입자의 투과율(penetrationfactor)를 계산하였다. 다음과 같은 수식을 사용하여 정전기형 부직포 필터 소재의 여과 효율을 계산하였다.

여과효율 (E)=(C₁/C₂)×100

위 식에서 C₁과 C₂는 각각 필터링 전·후의 오염 입자 농도를 나타낸다.

위에서 제조한 실시예 1,2,3,4 및 비교예 1의 물성을 다음과 같이 측정하였으며, 그 결과를 표 1과 도 5에 각각 나타내었다.

1) 유효 표면 전하 밀도 (Effective Surface Charge Density, nC/㎠) 측정

2) 필터 소재의 공기 흐름 저항도 (Resistance of Filter Element, W=dyne·S/㎤) 측정

W=(ΔP·A)/Q=(dyne/㎠)/(㎤/s)=(dyne·s)/㎤

3) 여과입자 투과율 (Penetration, K) 측정

K= 1 - E

K: 여과 입자의 투과율

E: 여과 효율

제조 방법 및 고분자 방사 섬유의 종류에 따른 여러 가지 여과 특성을 표 1에 나타내었다. 고분자 방사 섬유의 종류와 무관하게 타겟에 침착시킬 때 인가된 전기장의 세기가 증가할수록 유효 표면 전하 밀도가 그에 비례하여 증가하였고, 이것을 방사 섬유의 종류와 가해진 전기장의 세기에 따른 그래프로 도 5에 나타내었다. 또한, 유효 표면 전하 밀도가 증가할수록 여과 효율 역시 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 폴리프로필렌 방사 섬유의 경우에 밀도가 더 높았고, 그에 따른 필터 소재의 저항도 역시 증가하는 것으로 나타났다.

본 발명의 목적은 공기 압출 방식을 사용하여 여러 형태의 고분자 방사 섬유 필터 소재를 제조하면서, 이와 동시에 고분자 방사 섬유의 표면 전하 밀도를 증가시키는 1 단계 제조공정으로써, 필터 소재에 정전기가 보유되어 에어 필터 소재의 여과능을 향상시키는 것이다. 본 발명에서 제조된 필터 소재는 인가된 전기장의 세기가 증가할 수록 유효 표면 전하 밀도(ESCD)도 증가하는 것으로 나타났다.

Claims (6)

1. 고분자 수지를 가열에 의해 점성 유체가 될 때까지 용융시키고, 이 용융물을 미세 고분자 섬유로 방사하여 회전하는 타겟에 침착시키고, 이 미세 고분자 섬유를 코로나 방전기로 방전시키면서 냉각시킴으로써 얻을 수 있는, 방사된 고분자 섬유의 표면 전하 밀도가 증가된 정전기 에어 필터 소재.
2. 제1항에 있어서, 상기 타겟이 드럼형이거나 주름진 형태인 정전기 에어 필터 소재.
3. 제1항에 있어서, 상기 고분자 수지가 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 또는 50:50의 폴리프로필렌과 폴리에틸렌의 혼합물인 정전기 에어 필터 소재.
4. 고분자 물질을 압출기 내에서 점성 유체가 될 때까지 가열하여 용융시키는 단계,

   용융된 고분자 물질을 회전하는 타겟 상에 고분자 방사 섬유로 침착시키는 단계, 및

   코로나 방전기 하에 방전시키면서 냉각시켜 표면 전하 밀도를 극대화하고, 이로써 정전기를 보유한 고분자 방사 섬유를 얻는 단계

   를 포함하는, 고분자 방사 섬유의 정전기 에어 필터 소재의 제조 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 코로나에 10 kV 내지 40 kV의 전기장을 인가하는 방법.
6. 제4항에 있어서, 상기 코로나가 방사 섬유 타겟의 상부에 위치하는 방법.