산업용 여과포는 미세한 공극을 이용하여 물, 기름과 같은 액상입자는 통과시키고 고체입자는 걸러내는 필터 부재로써, 공기나 액체, 고체 여과를 통해 수처리/공기정화/ 압축성형물을 얻는 부품산업 등 전분야에서 널리 사용되고 있다.
이 가운데, 슬러리 상태의 혼합물을 압축하여 함수율을 감소시키고 성형물을 얻는 습식 압축 성형분야에서 여과포의 사용은 일반적이다.
그러나 기계적 압력에 의해 슬러리를 탈수할 경우 , 슬러리 입자가 액체와 함께 이동하여 여과포를 막게 되므로 이를 극복하기 위해 상당한 압력을 가하여야 하므로, 이때 여과포가 손상될 뿐 아니라 에너지가 많이 소요되는 단점이 있다.
종래 고기능성 여과용 부직포로서 대한민국특허공개번호 특1998-0029645호는, 후물부직포층/ 합섬사 부직포층/ 해동형 복합섬유 등으로 구성된 다층 부직포를 제공하여 미세분진은 물론 액체 여과용으로 사용가능성을 제시하고 있지만,고 고압하에서 반복적으로 사용할 경우 쉽게 손상될 가능성이 있다.
또한, 대한민국실용신안 공고번호 제20-0202148호의 화섬사를 이용한 고밀도 여과포는, 위사의 표면층과 이면층이 일정하게 변화하면서 이중으로 제직하여 고밀도의 여과포를 제공하고 있지만, 이는 주로 여과성능을 향상시키기 위해 개발된 여과포이므로, 고압축용 반복사용에는 여전히 많은 문제점이 제기되었다.
한편 본 발명이 적용될 수 있는 습식 압축 성형분야에서, 자동차,가전제품,산업기계 등 다양한 분야에서 광업위하게 사용되는 페라이트(소결)자석을 예를 들어본다.
페라이트 자석의 생산공정은, 산화철로부터 염소를 분리하여 물과 함께 혼합하여 붕산을 적당량 첨가하여 슬러리 형태를 구성하고, 수분을 원심분리하여 탈수시킨 후 하소 로타리 킬론에 공급하여 건조,성구 및 하소반응을 실시하여 클링커를 제조,냉각시킨 후 분쇄기에서 분쇄하여 페라이트 분말을 얻고, 상기 페라이트 분말을 분산매에 분산시켜 소정 농도의 슬러리 (성형용 슬러리)를 조제하고, 자장 중에서 금형에 의해 압축성형하여 성형체를 얻어 소결하게 되는 것이다.
상기 과정 중 슬러리 중에 포함된 수분을 탈수하는 공정에서, 페라이트 성형체에 크랙이 발생하는 등 불량품이 다수 발생하고 그 결과 제품의 수율이 크게 저하하는 문제가 심각하였다.
또한 제품수율을 높이고 공정시간을 단축시키기 위해, 금형 내 슬러리의 주입속도 및 압축 속도를 높이거나, 금형 상의 수분배출 통로를 넓히는 방안들이 간구 되었지만, 슬러리의 주입속도나 피스톤의 압축속도 및 수분이 배출되는 속도보 다 섬유필터의 수분 흡수율이 빠르지 않을 경우, 금형 내부로 투입된 슬러리 자체에서 압력이 증가하여 원료가 주입구로 역류되어 버리고, 슬러리가 제대로 가압되지 않는 등 성형체의 저밀도로 이한 불량품이 문제가 되었다.
상기 과정에서 습식 이방성 페라이트 자석생산용으로 적용된 여과포의 기능을 구체적으로 살펴보면, 슬러리를 형틀에 주입하여 압축을 하면, 여과포를 통하여 슬러리내의 포함된 수분은 흡수되어 외부로 배출되고, 고체입자는 여과포를 통해 걸러져 형틀의 형상으로 고형화되는 것이다.
이때 금형의 압축력이 300~350㎏/㎠정도의 고압으로 작용하므로, 종래에 여과포를 사용할 경우 쉽게 찢어지거나 공극이 확장되어 여과기능을 제대로 수행하지 못함에 따라 수분과 함께 미세한 고체입자(예컨대, 1~2micron)가 함께 배출되는 문제점이 따랐다.
또한, 여과포를 통한 수분 배출속도가 곧 자석생산성과 직결됨에도 불구하고 고압으로 인한 여과포의 찢어짐을 우려하여 금형을 저압으로 서서히 가압하다 보니 생산성이 크게 저하(예컨대, 1사이클 타임이 70초이상 소요됨)됨는 물론 슬러리가 제대로 압축되지 않아 자석을 성형후 조직의 저밀도로 인해 총생산량의 30%정도가 불량(예컨대, 압축성형 후 수분잔류량이 15%이상이면 불량처리됨)처리되는 실정이다.
뿐만 아니라, 압축성형시 고체입자가 여과포에 마찰된 상태로 가압되므로 여과포의 표면 물성이 성형물 표면 조도에 직접적으로 영향을 미치게 된다. 즉, 상기한 종래의 여과포를 사용시 표면의 거친 조도로 인해 성형물의 외관이 매끄럽지 못 함은 물론 미세한 원사 보푸라기(기모)가 성형물과 함께 고착되어 금형을 개방시 여과포가 함께 분리/이탈되거나 성형물이 부서지는 폐단이 따랐다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 고압축 성형용 여과포의 구성을 나타내는 종단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 고압축 성형용 여과포의 코팅층을 형성하는 상태를 나타내는 구성도이며, 도 5 내지 도 6은 본 발명에 따른 고압축 성형용 여과포를 사용하여 판형, 유선형의 성형물을 압축성형하는 상태를 나타내는 구성도이며, 도 7 내지 도 10은 본 발명에 따른 고압축 성형용 여과포를 사용하여 습식 이방성 페라이트 자석의 압축성형하여 제작하는 과정을 나타내는 구성단면도이다.
본 발명은 고압축 성형용 여과포에 관련되며, 이때 고압축 성형용 여과 포(100)는 습식 압축성형기, 고압탈수기 등과 같은 다양한 산업분야장비에 고압여과용으로 적용되고, 고압상태에서 고체입자를 여과하고 액상입자(수분)는 신속하게 흡수배출되도록 필터층(10), 여과층(20), 흡입층(30), 코팅층(40)을 포함하여 주요구성으로 이루어진다.
본 발명에 따른 필터층(10)은 PET(Polyethylene Terephthalate)원사, 나일론(Nylon)-6원사 및 이들의 혼합사로 이루어진 군에서 하나 이상의 원사를 선택하여 직조되어 메쉬(Mesh)형으로 이루어진다. 직조는 능직, 평직 등과 통상의 직조방법을 채택할 수 있으나, 레로(Reno)직으로 직조되는 것이 바람직하다.
필터층(10)은 여과포(100)가 고압조건에서 우수한 내구성이 유지되도록 지지하는 보강층으로써, PET원사의 우수한 흡수성과 나일론-6원사의 고강력탄성 및 신축성을 모두 만족하기 위해 40~60% : 40~60% 비율의 혼합사를 사용하는 것이 바람직하다.
그리고, 레노조직은 도 3에 도시된 바와 같이 동일선상에 위치되는 복수의 경사 중 일측 경사가 다른 경사를 중심으로 좌우 왕복 운동하며 복수의 경사가 꼬여지면서, 그 사이로 위사에 의하여 제직되는 직조방법으로서, 조밀한 조직을 갖는 것이 특징이다.
본 발명의 필터층(10)을 레노 조직으로 직조하면, 조직의 특성상 신축성이 우수하여 탄성 변형에 따른 한계점이 향상되므로 고압이 작용시 유연성 있게 수축·이완되면서 찢어짐이 방지된다. 또한 메시형 구조로 구성되어, 반복사용에 따른 조직의 변형이 방지되어 여과포(100)를 초기상태로 유지시키는 보강재 역할을 수행 한다. 그러나 레노조직 보다 신축성은 떨어지나 능직(Twill Weave)(올이 비스듬한 방향으로 도드라지게 짜는 방법), 평직(Plain Weave) 씨실과 날실을 한올씩 엇바꾸어 짜는 방법)과 같은 조직으로 필터층(10)을 형성하는 구성도 본 발명의 권리범위에 속함은 물론이다.
이때, 필터층(10)의 경사는 400~440데니어로 인치당 13~15x2 밀도로 구성되고, 위사는 820~860데니어로 인치당 16~17 밀도 혹은 420데니어x2로 인치당 15~16 밀도 중에서 선택적으로 택일하여 구성한다.
필터층(10)은 아래 <도표 1 : 직조밀도에 따른 시간당 수분배출율(%)을 나타내는 실험도표>에서 알 수 있듯이, 위사와 경사의 직조밀도가 높으면 액상입자의 배출속도가 빠르게 진행되고, 직조밀도가 낮으면 상대적으로 액상입자의 배출속도가 느려지게 된다.
<도표 1 : 직조밀도에 따른 시간당 수분배출율(%)을 나타내는 실험도표>
이는 필터층(10)의 직조밀도가 고밀도일수록 팽윤(swclling)(섬유가 수분을 흡수하면 그 부피가 증가하여 섬유의 길이방향 또는 지름방향으로 치수가 늘어나는 현상)현상으로 인한 수분 흡수량도 함께 증가하므로 수분배출이 빠르게 진행된다.
따라서, 필터층(10)은 직조밀도에 따른 수분배출율을 감안하여 가장 높은 직 조밀도를 얻기 위해 경사 420데니어x2 : 위사 840데니어로 인치당 (15x2)x17의 밀도로 직조되는 것이 바람직하다.
또한, 필터층(10)은 양면에 후술하는 여과층(20)과 흡입층(30)을 니들펀칭시 형성시 15~17%수축된 상태로 여과포(100)를 구성한다. 즉, 여과층(20)과 흡입층(30)를 구성하는 PET원사, 나일론원사를 레노조직으로 직조된 필터층(10)상에 니들펀칭하면 필터층(30)의 경사와 위사 사이로 PET원사, 나일론원사가 삽입되어 필터층(10)이 수축되고, 이때 필터층(10)의 15~17%수축되도록 니들펀칭하므로 수축·이완에 따른 탄성력이 향상되어 도 5와 같이 판형 성형물은 물론 도 6처럼 유선형의 성형물을 압축성형하는 고압조건에서도 형틀을 따라 유연성 있게 변형되어 여과기능을 수행하게 된다.
여기서, 니들펀칭에 따른 필터층(10)의 수축률이 14%이하로 가공되면 수축·이완범위가 축소되어 압축조건에서 찢어질 우려가 있고, 또 18%이상의 수축률을 가지면 필터층(10)의 밀도가 낮아져 여과기능을 제대로 수행하지 못하면서 소재의 사용량이 증가되는 문제점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 여과층(20)은 필터층(10)의 일면에 니들펀칭되고, PET원사, 나일론원사 및 이들의 혼합사로 이루어진 군에서 하나 이상의 원사로 구성되는 화이버로 이루어진다. 여과층(20)은 습식 압축성형으로 성형물을 제조하는 용도로 사용시 후술하는 흡입층(30)과 필터층(10)을 통하여 여과되어 배출되는 수분을 빠르게 흡입배출하도록 니들펀칭되되, 여기서 니들펀칭은 기본적으로 적층된 섬유층의 표면 또는 이면에서 여러 종류의 니들을 사용하여 반복적으로 상하운동에 의 해 펀칭함으로써 기계적으로 서로 엉켜 일정한 두께와 섬유 밀도를 갖는 섬유층이 형성되게 하는 통상의 제조법이다.
그리고, 여과층(20)을 구성하는 PET원사와 나일론원사는 3~6데니어의 원사를 사용하고, 이들의 혼합사는 55~70%:30~45%의 비율로 혼합하여 이루어진다. 여과층(20)은 PET원사, 나일론원사 및 이들의 혼합사가 가지는 각각의 물성, 즉 탄성력 및 여과성, 흡수력 등을 고려하여 형성되고, 상기한 물성을 복합적으로 갖추기 위해 PET원사와 나일론원사의 혼합사로 형성된다.
또, 여과층(20)은 반복적으로 가해지는 압력에 대한 복원력 및 통기성이 우수하도록 비교적 고데니어인 3~6데니어를 사용하되, 혼합사의 경우 PET원사는 흡수력을 높이기 위해 6데니어의 원사를 60%사용하고, 나일론원사는 여과성 및 탄성력이 향상되도록 3데니어의 원사를 40%비율로 혼합하는 것이 바람직하다.
이처럼, 여과층(20)이 PET원사와 나일론원사의 혼합 화이버로 구성되어 반복적인 고압의 외력이 작용하더라도 쉽게 변형되지 않고 초기상태로 복원되면서 필터층(10)을 통하여 여과되어 배출된 액상입자 즉, 수분을 신속하게 흡수하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 흡입층(30)은 필터층(10)의 다른 일면에 니들펀칭되고, PET원사로 구성되는 화이버(fiber)로 이루어진다. 흡입층(30)은 여과포(100)를 습식 압축성형으로 성형물을 제조하는 용도로 사용시 후술하는 코팅층을 사이에 두고 성형물과 마찰되는 면으로써, 고체입자를 1차적으로 여과하고 수분만을 배출시키는 역할을 수행한다.
이때, 흡입층(30)의 PET원사는 1~3데니어 범위 내에서 선택된 서로 상이한 데니어를 가진 2종류 이상의 원사를 선택적으로 혼합하여 이루어진다. 흡입층(30)은 비교적 저데니어인 1~3데니어의 흡수성이 우수한 PET원사를 사용하여 고밀도조직으로 화이버를 형성함에 따라 1micron정도의 고체입자까지 여과되면서 수분배출성능은 우수하게 유지된다.
또, 흡입층(30)은 흡수성능만을 고려하여 저데니어의 원사를 고밀도조직으로 형성하다 보면 탄성력이 저하된다. 따라서 흡수성능에 영향을 주지 않으면서 자체적인 탄성력을 갖도록 1.5데니어의 PET원사와 3데니어의 PET원사를 50:50%의 비율로 혼합하여 화이버를 구성하는 것이 바람직하다.
그리고, 흡입층(30)을 구성하는 PET원사가 3데니어이하의 저데니어로 이루어짐에 따라 후술하는 멜팅가공시 열에 의해 쉽게 성형되어 코팅층(40) 표면이 보다 균일하게 평활도가 유지되는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 코팅층(40)은 흡입층(30)의 표면을 멜팅가공하여 고밀도로 형성된다. 코팅층(40)은 여과포(100)를 습식 압축성형으로 성형물을 제조하는 용도로 사용시 성형물과 직접적으로 마찰되는 부분으로써, 압축성형 후 성형물의 외관이 매끈하게 형성되도록 고밀도로 형성된다.
코팅층(40)은 도 4에 도시된 바와 같이 흡입층(30)의 표면을 가열하되, 열원에 의해 과다하게 용융되거나 용융속도가 지연되지 않도록 280~330℃의 온도, 바람직하게는 310℃의 온도로 열처리한 다음, 카렌다롤(R)을 밀착시켜 미세요철이 감소되도록 고밀도로 성형가공된다. 따라서 흡입층(30)의 표면이 코팅층(40)에 의해 고밀도의 매끈한 면으로 유지됨에 따라 PET원사의 보푸라기(기모)로 인해 성형물 표 면이 부서지거나 뜯겨지는 등의 불량발생률이 미연에 차단되면서 성형물의 외관 조도가 우수하게 유지된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 고압축 성형용 여과포를 사용하여 습식 이방성 페라이트 자석의 압축성형하여 제작하는 과정을 도 7 내지 도 10을 통하여 상세하게 살펴보면, 도 7과 같이 슬러리 투입구(60)를 통하여 페라이트 분말과 수분이 혼합된 슬러리 원료(A)의 투입이 완료되면, 도 8 내지 9처럼 하부금형(50)의 피스톤(80)이 상기 슬러리 원료(A)를 여과포(100)와 상부금형(52)에 이르기까지 가압하면, 슬러리 원료(A)내에 수분(C)은 코팅층(40), 흡입층(30), 필터층(10), 여과층(20)의 공극을 통하여 배출되고, 고체입자(B)는 걸러져 케이크 형태로 여과포(100)와 피스톤(80) 사이에 압축되어 페라이트 자석의 형태를 이루는 성형물로 형성된다.
이때, 슬러리 원료(A)와 직접적으로 마찰되는 코팅층은 높은 조도로 인해 성형물의 표면을 매끄럽게 형성시키고, 또 흡입층(30)은 굵기가 다른 PET재질의 원사가 혼합된 화이버로 이루어져 있어 수분(C)이 빠르게 흡수 배출된다.
그리고, 필터층(10)은 강도가 강하고 잘 늘어나는 나일론-6의 재질로 구성되어 반복적으로 가해지는 피스톤(80)의 압축 마찰에 잘 견딜 수 있어 여과포의 변형이 방지된다. 또 필터층(10)은 고체입자(B)를 여과하면서 공극사이로 수분이 배출되고, 배출된 수분(C)은 여과층(20)으로 흡입되어 상부금형(52)의 배출홈(70)을 통하여 외부로 탈수된다.
이때, 상기 여과층(20)은 흡입기능이 뛰어나면서도 마찰에 잘 견디는 탄성기 능까지 구비되어 수분(C)의 흡입 및 피스톤(80)의 가압을 통한 마찰현상에도 잘 견딜 수 있도록 구성되는 것이다.
이상과 같이 서술한 바에 따르면 본 발명의 여과포(100)는 탄성력이 우수한 재질로 구성되어 있으면서도 흡습력이 뛰어남에 따라 습식 이방성 페라이트 자석을제작하는 압축성형공정에서 슬러리 원료(A)내의 수분(C) 탈수효율이 높아져 조직의 저밀도로 인한 페라이트 성형체의 불량률이 줄어들면서도 압축성형의 공정 싸이클이 빨라져 제품의 수율이 높아지는 이점이 있다.