KR100358651B1 - 에어필터의 여과지 및 그의 제조방법 - Google Patents

에어필터의 여과지 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차용 에어필터의 여과지에 관한 것으로서, 차량용 에어필터에 사용되는 종이 여과지에 있어서, 상기 여과지의 일면에 다공질막이 형성되도록 폴리 우레탄을 베이스로 하는 수지층이 0.4-0.6㎛ 의 두께로 코팅(coating)된 것을 특징으로 함에 의해; 여과지 표면에 접하게 되는 대부분의 먼지는 코팅층에 부딪겨 떨어지게 된다. 이에 의해 에어필터의 수명이 신장되며, 그 표면에 부착된 먼지는 쉽게 떨어낼 수 있어 수명연장에 있어 더욱 유리하게 된다. 본 발명에 의한 에어필터에 의하면, 수분에 대한 저항력이 강하므로 수분에 의한 필터의 손상이 적다.

Description

에어필터의 여과지 및 그의 제조방법{Filter paper for air filter and method for manufacturing the paper}
본 발명은 필터에 관한 것으로서, 보다 특정적으로는 차량, 가스 터빈 등에 사용되는 에어필터의 여과지에 관한 것이다.
필터는 기계, 실내 또는 설비 내에 공기와 함께 유입되는 유해 분진 등을 제거 또는 차단하기 위한 수단으로서, 습식과 건식으로 대별된다. 필터는 또한 대용량으로 유입되는 공기를 정화하기 위한 집진기에 내장되어 사용되고 있다. 본 발명은 건식 필터에 관련된 것으로서 특히 자동차의 에어필터에 적용될 수 있는 개선된 여과지를 제공한다.
건식 필터에 사용되는 여과방식으로는 부직포를 이용한 Depth 여과방식과, 종이인 여과지를 이용한 Surface 여과방식이 있다. Depth방식은 접하게 되는 먼지를 부직포의 포집용량에 이르기까지 포집하는 방식이며, 표면여과방식은 필터에 부딪히게 되는 먼지를 표면에 결착시키거나 튀어 나가게 하는 방식이다.
승용차용으로 사용되어 왔던 여과방식으로는 표면여과방식이 대표적이다. 즉, 차량의 엔진으로 공급되는 공기는 에어필터가 장착되는 필터 하우징의 흡입구를 통해 인입된다. 에어필터는 여과지와 이 여과지를 특정한 형상으로 고정시키는 틀로 구성된다. 여과지는 단면적 증가를 위해 다수의 겹으로 폴딩되어 있는 것이 보통이며, 틀은 금속, 플라스틱 또는 고무로 되어 있다.
종래의 차량용 에어필터의 여과지로는 다공성으로서 두터운 특수 종이가 사용되어 왔다. 에어필터는 주기적으로 압축공기를 분사함으로써 그의 표면에 접착되어 있는 먼지층을 제거해주어야 하며, 여과지의 수명이 다하게 되면 필터를 교체해주어야 한다. 이는 표면여과방식이라 하여도 여과지가 종이로 되어 있기 때문에 에어필터의 사용기간이 지남에 따라 그 내부로 침투하여 고정되는 먼지 입자의 양이 증가하기 때문이다.
종이를 여지로 사용하는 에어필터는 장갑차, 전차와 같은 군수차량, 건설용 중장비 또는 가스 터빈 등 여러 곳에서 사용되고 있다. 종이 여과지를 사용하는 에어필터는, 장치 내에 유입되는 공기의 저항치가 설정값 이상이 되는 경우 에어의 반대방향으로 압축공기를 분사하여 쌓인 먼지를 자동적으로 제거하는 시스템(Pulsing system)을 가지는 경우가 있다.
한편, 부직포의 표면에 다공질 코팅을 함으로써 개선된 기능의 Depth 여과방식을 사용하는 집진기용 에어필터가 소개되어 왔다. 이러한 에어필터는 소각로, 시멘트 공장 등에서 사용되고 있는 상황이며, 미국특허 제 5,528,118호에 그에 대한 제조방법이 예시되고 있다. 상기 특허를 비롯하여 전세계에서 사용되고 있는 다공질 코팅방식을 채용하고 있는 필터는 그의 주요 재료가 부직포로 한정되어 있을 뿐이다.
또한, 이들의 원천기술이라 할 수 있는 수용성 다공질 코팅방법은 부직포 합성 피혁의 코팅방법으로도 널리 알려져 있는 기술이다. 종래에 시도되어 왔던 위와 같은 여과방식은 코팅기술 자체에 대해서만 그 노력이 있어 왔다. 즉, 코팅막의 밀도, 코팅되는 주요 재료에 첨가하는 보조재료의 개발 등이 주요 관심이었다.
이에 대해 본 발명은 종이 여지를 사용하는 에어필터의 수명을 연장할 수 있는 에어필터의 여과지를 제공하는데 그 목적을 가진다.
이를 위해 본 발명은 상기한 여과재 즉 부직포의 표면에 다공질 코팅을 하는 종래의 기술을 개선 및 응용하여 에어필터의 제작에 이용한다.
도 1은 본 고안에 의한 차량용 에어필터의 구성도 및 그의 부분확대도이다.
도 2는 본 발명에 의한 우레탄 베이스의 코팅층을 가지는 여과지와 종래의 여과지의 압력손실을 대비한 실험결과의 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
2 ; 차량용 에어필터 4 ; 여과지
6 ; 틀체 8 ; 코팅층
12 ; 종이층
상기의 목적은, 차량용 에어필터에 사용되는 종이 여과지에 있어서, 상기 여과지의 일면에 다공질막이 형성되도록 폴리 우레탄을 베이스로 하는 수지층이 얇게 코팅(coating)된 것을 특징으로 하는 차량용 에어필터의 여과지에 의해 달성된다.
본 발명에서 사용하는 우레탄 코팅기술은 현재 세계적으로 널리 시행되고 있는 방식 가운데 하나를 채용한다. 그러한 방식은 롤형태로 감긴 원재를 이완시켜가며, 액상인 폴리우레탄 에멀젼 수지 복합체에 침지시키는 공정을 기본으로 한다. 또는 역시 롤형태로 감긴 원재를 이완시켜가며 그의 표면에 상기 복합체를 균일하게 분사(Injection)하는 방식이 사용될 수 있다.
복합체는 주재가 폴리우레탄 수지이며, 이에 더하여 종래에 사용되어 왔던 각종의 보조재가 첨가될 수 있다. 이는 기본적으로 필터의 통기효율, 압력손실 또는 포집효율 등을 고려하여 선택될 것이며, 제조비용 또한 복합체의 조제에 있어 참조된다.
이하, 코팅되는 원료, 원리 및 방법의 개선사항을 더욱 상세하게 설명한다.
코팅원료의 주제는 폴리 우레탄(Poly uretane) 100% 또는 폴리 우레탄 50%와 아크릴 50%가 선택적으로 사용되어 전체 코팅원료의 72.8 ~76.1%를 차지한다. 아크릴은 hard type이 30%, soft type이 20%가 사용된다.
코팅원료의 조제는 안정제를 포함하는 폼(foam)제가 5%(고형분 20%), 가교제 4%(고형분 60%), PH조절제(암모니아) 0.5 - 1%, 증점제(우레탄 성분의 PH 정도에 따라 PH 조절제 미세조절) 1 - 2%, 발수제가 3 - 5%(고형분 30%), 촉매(NH4Cl)가 가교제의 10% 정도(고형분 100%, 0.4%), 카올린 탈크(kaoline talc), CaCO3와 같은 충진제가 10%로 구성된다. 여기서, 충진제에 TiO2를 미량 첨가할 수 있으며 이는 냄새제거기능을 하게 된다. 상술한 조제의 혼합량은 전체 코팅원료의 23.9 ~ 27.2%를 차지하도록 혼합되어 상기 주제와 함께 혼합제로서의 코팅원료로 혼합된다.
코팅의 원리 및 방법은 다음과 같다. 우레탄은 그 자체에 Foam을 일으키는 물질을 함유하고 있으며, Foam안정제는 Foam의 미세구멍(Pore)을 균일하고 안정화시키는 중요한 역할을 한다. 이들 제품의 성분은 계면활성제의 일종인 Sulfonate화 제품으로 비누화한 제품이다.
Foam의 중량은 200 - 250g/L가 적당하며, 300g/L 이상이 될 경우에는 Foam의 크기가 커져 사용하고자 하는 Cell(거품)의 크기가 커져서 코팅후 미세구멍이 커지게 되므로 바람직하지 않다. Foam Cell을 줄이려면 Foam제 속에 함유되어 있는 Na2SO3함량에 따라 Cell의 크기가 줄어든다.
한편, 우레탄 건조는 일반건조방법과는 달리 온도에 민감하다. 온도의 변화가 심하거나 고온에서 건조하게 되면, Cell에 함몰되거나 기공이 생성되지 않거나 막힐 염려가 있으므로 온도의 제어는 상당히 중요한 사항이다.
코팅후의 건조방법은 다음과 같다.
1단계 ; 온도를 건조실(Dry Chamber)별로 단계적으로 서서히 올리는 승온건조공정(전건조(Pre Dry) (at 100 - 120℃) -> 냉각롤 프레스(1kg/cm2) -> 건조(at 160℃).
2단계 ; 상기 1단계후, 120℃에서의 숙성공정.
위와 같은 공정을 거치게 되면 우레탄이 완전히 경화 및 숙성되어 반발탄성력 및 강도가 향상되며, 코팅층과 종이층과의 접착 강도가 2 - 3배 이상 증가하는 등 우수한 성질을 나타낸다.
위의 내용은 일반적으로 멤브레인(Membrane) 코팅을 하는 방법으로 이의 배합비 등은 우레탄 판매업체 및 Foam판매업체에서 기본적으로 제공되며, 이의 건조방법도 역시 기본적으로 제공된다. 단지 이들 제공되어진 것을 기초로 적정한 경험적 조건으로 위의 원료 배합 및 건조방법이 얻어진 것이다.
도 1은 본 고안에 의한 특히 승용차용 에어필터(2)의 구성도 및 그의 부분확대도이다.
여과지(4)는 플라스틱, 고무 또는 금속의 틀체(6)에 의해 다수의 겹으로 접혀진 상태에서 고정된다. 에어필터(2)는 차량 엔진의 연소를 위해 필요하게 되는 공기를 정화한후, 엔진의 흡기구에 공급하게 된다. 여과지는 그의 단면적을 증가하기 위하여 도시된 바와 같이 다수로 주름진 형태로 고정된다. 여과지(4)는 코팅층인 표층(8)과 종이층(12)의 2중층으로 구성되며, 코팅된 표층(8)이 공기 유입부에위치하도록 설치되된다.
여과지의 주름진 부분이 상호 접함으로써 야기될 수 있는 통기효율의 감소를 방지하기 위하여, 여과지는 엠보싱(10) 처리된후 접혀져 고정된다. 즉, 엠보싱의 볼록한 부분에 의해, 여과지의 접힌 부분은 상호 일정한 간격을 유지하게 된다.
여과지의 표층(8)의 우레탄 코팅은 기공 크기가 0 - 5㎛를 유지하도록 실시된다. 이에 의하면, 5㎛ 이상의 입도를 가지는 먼지 입자는 필터에 침투하지 못하고 표면에 접착되거나 또는 튕겨져 떨어지게 된다. 본 발명의 에어필터의 여과지에 의하면, 그의 표면이 우레탄에 의해 표면 마찰력이 1/2 이하로 감소하게 되며, 탄력을 가지게 되어 유입되는 먼지가 여과지의 종이층(12)을 뚫고 들어오는 경우가 적게 된다. 이에 의해, 여과지 및 이를 사용한 에어필터의 수명이 신장되는 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 우레탄 베이스의 코팅층을 가지는 여과지와 종래의 여과지의 압력손실을 대비한 실험결과의 그래프이다.
가로축은 시간(t)이며, 세로축은 압력(p)을 표시한다. 그래프는 여과지를 향해 먼지를 포함하는 에어를 송풍하는 송풍기에 걸리는 압력 부하의 증가를 시간에 대해 체크한 결과이다.
다음의 표는 코팅처리된 여과지와 그렇지 않은 여과지의 물성을 비교한 것이다.
중량(g/m2) 통기도(sec) 10mmΦ300cc 파열강도(kg/cm2) 후도(mm) 기공크기(㎛) 효율(%)
최대 평균 초기 수명
코팅후 117 1.3 1.6 0.68 92.1 88.4 98.21 98.50
코팅전 100 1.3 1.4 0.60 98.4 88.4 97.97 97.09
위의 결과를 설명하면, 코팅은 약 15 - 25g/m2정도 처리하여 코팅두께를 약 0.01mm - 0.1mm (보다 바람직하게는 0.02mm - 0.04mm)정도로 하였으며, 이결과 포집량이 약 두배로 증가되었으며, 파열강도 10% 정도 증가하여 절곡을 원활히 할 수 있으며 가공후 변형이 줄어든다. 또한 포집량이 증가하여도 오히려 수명효율이 증가함을 알 수 있다.
펄프를 원료로 한 종이를 여과지로 사용하는 경우 종래에 발수처리를 하고 있으나, 기본적으로 수분에 의해 장시간 방치시 변형이 가거나 성능저하의 원인으로 작용하였다. 그러나 본 발명은 폴리 우레탄을 기본 원료로 한 복합체로 코팅처리를 하므로 수분에 대한 저항을 증가시켜서 수분이 여과지의 셀룰로오즈층으로의 침투를 방지한다.
위와 같은 구성 및 특성을 가지는 에어필터용 여과지에 의하면, 여과지 표면에 접하게 되는 먼지는 코팅층에 부딪겨 떨어지게 된다. 이에 의해 에어필터의 수명이 신장되게 된다. 또한, 그 표면에 부착된 먼지는 압축공기에 의해 쉽게 떨어낼 수 있어 수명연장에 있어 더욱 유리하게 된다. 본 발명에 의한 에어필터에 의하면, 수분에 대한 저항력이 강하므로 수분에 의한 필터의 손상이 적다. 특히 도 1에 도시된 승용차용 에어필터에서와 같이, 주름진 여과지는 유입공기에 의해 미세한 진동을 하게 되므로 먼지를 떨어내는 작용을 배가하게 된다.
본 발명에 의한 에어필터는 강력한 필터링 작용 즉 먼지입자 배제능력에 의해 먼지가 많은 곳에서 운전하게 되는 것이 일반적인 전차 장갑차 등의 군수차량 또는 대형트럭을 포함하는 중장비에 특히 유리하게 된다. 또한, 본 발명은 종이 여과지를 사용하는 에어필터라면 어떠한 종류의 것에도 적용이 가능하다. 예를 들면, 화력발전소의 가스 터빈에도 적용할 수 있다. 또한 전술한 펄싱 시스템(Pulsing system)을 가지는 에어필터에 있어서, 본 발명에 의한 여과지는 재생효율이 극대화됨으로써 에어필터의 수명을 연장하는 효과를 발생시킨다.

Claims (6)

  1. 표면여과방식의 에어필터에 사용되는 종이 여과지에 있어서, 상기 여과지의 일면에 다공질막이 형성되도록 폴리 우레탄을 베이스로 하는 혼합제가 0.01mm - 0.1mm 의 두께로 코팅(coating)된 것을 특징으로 하는 에어필터의 우레탄 코팅 여과지.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 우레탄을 베이스로 하는 혼합제는, 상기 혼합제의 72.8 ~ 76.1%를 차지하는 폴리 우레탄(Poly uretane)이 주제로 사용되며; 안정제를 포함하는 폼(foam)제가 5%, 가교제가 4%, PH 조절제인 암모니아 0.5 ~ 1%, 증점제가 1~2%, 발수제가 3~5%, 촉매제인 NH4Cl이 0.4%, 충진제가 10%가 혼합되어 상기 혼합제의 23.9 ~ 27.2%를 차지하는 조제가 선택적으로 혼합되어 전체 혼합제의 100%를 이루는 것을 특징으로 하는 에어필터의 우레탄 코팅 여과지.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 우레탄을 베이스로 하는 혼합제는, 상기 전체 혼합제의 76.1%를 차지하는 주제가 우레탄(Uretane) 50%, 아크릴 50%로 혼합되며; 상기 혼합제의 23.9%를 차지하는 조제가 안정제를 포함하는 폼(foam)제가 5%, 가교제가 4%, PH 조절제인 암모니아 0.5%, 증점제가 1%, 발수제가 3%, 촉매로서의 NH4Cl이 0.4%, 충진제 10%가 혼합된 것을 특징으로 하는 에어필터의 우레탄 코팅 여과지.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 충진제는 카올린 탈크(kaoline talc) 및 CaCO3를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어필터의 우레탄 코팅 여과지.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 충진제는 TiO2가 미량 첨가되는 것을 특징으로 하는 에어필터의 우레탄 코팅 여과지.
  6. 표면여과방식의 에어필터 제조방법에 있어서, 종이의 일면에 폴리 우레탄을 베이스로 하는 혼합제를 얇게 코팅(coating)하는 단계와; 건조실 내에서 100 - 120℃ 사이에서 점차로 승온하여 건조하는 전건조(Pre dry)단계와; 냉각롤 프레스(1kg/cm2)에 의해 코팅면을 압착하는 단계와; 160℃의 온도에서 재건조하는 단계와; 120℃의 온도에서 숙성하는 숙성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어필터의 우레탄 코팅 여과지의 제조방법.
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