KR101013157B1 - 삼차원 초미세 기공을 포함하는 카트리지 필터의 제조방법 - Google Patents

삼차원 초미세 기공을 포함하는 카트리지 필터의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 삼차원 초미세 기공을 포함하는 집진용 카트리지 필터의 제조방법에 관한 것으로, 특히 부직포에 아크릴 수지를 담지시키고, 상기 아크릴 수지가 담지된 부직포의 표면에 수지거품을 코팅한 후, 상기 부직포를 건조하고 절곡하여 제조되는 집진용 카트리지 필터의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따라 제조된 삼차원 초미세 기공을 포함하는 집진용 카트리지 필터는 부직포가 풀어지지 않고 적당한 강도를 가져 용이하게 절곡하여 카트리지 필터로 제조함으로써 표면적이 3∼5 배 이상 증가되어 여과율이 우수하고, 탈진주기를 감소시켜 필터의 수명을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 평균직경이 최대 5 ㎛인 미세분진까지도 효과적으로 제거할 수 있고, 일괄 공정으로 제조공정을 단축하여 비용을 절감하고 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
집진필터, 카트리지 필터, 삼차원 초미세 기공, 수지거품

Description

삼차원 초미세 기공을 포함하는 카트리지 필터의 제조방법 {METHOD FOR PREPARING OF CARTRIDGE FILTER COMPRISING ULTRA MICROSCOPIC PORE}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수지거품 코팅장치의 개략적인 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 부직포의 양면에 수지 거품을 코팅하기 위한 수지거품 코팅장치의 개략적인 측면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 거품코팅기의 개략적인 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 제조한 카트리지 필터의 외형을 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 제조한 카트리지 필터의 기공분포를 나타낸 그래프이다.
도 6은 종래 카트리지 필터의 기공분포를 나타낸 그림이다.
도 7은 종래 카트리지 필터의 기공분포를 나타낸 그림이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 제조한 카트리지 필터와 종래 카트리지 필터의 압력손실을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따라 제조한 카트리지 필터와 종래 카트리지 필터의 탈진주기를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 제조한 카트리지 필터의 앞면 SME 사진이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 제조한 카트리지 필터의 측면 SEM 사진이다.
도 12는 종래 카트리지 필터의 앞면 SME 사진이다.
도 13은 종래 카트리지 필터의 측면 SEM 사진이다.
도 14는 종래 카트리지 필터의 앞면 SME 사진이다.
도 15는 종래 카트리지 필터의 측면 SEM 사진이다.
* 도면의 주요 부호에 대한 설명 *
1 : 거품발생기 2 : 거품코팅기
11 : 스테이터(stator) 21 : 거품공급 노즐
12 : 로터(rotor) 22 : 부직포
13 : 로터측 핀 23 : 수지거품
14 : 스테이터측 핀 24 : 롤러
15 : 에멀젼액 공급관 25 : 코팅 나이프
16 : 공기압 공급관 26 : 라운드
17 : 가교제 공급관
본 발명은 삼차원 초미세 기공을 포함하는 집진용 카트리지 필터의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부직포가 풀어지지 않고 적당한 강도를 가져 용이하게 절곡하여 카트리지 필터로 제조함으로써 표면적이 3∼5 배 이상 증가되어 여과율이 우수하고, 탈진주기를 감소시켜 필터의 수명을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 평균직경이 최대 5 ㎛인 미세분진까지도 효과적으로 제거할 수 있고, 일괄 공정으로 제조공정을 단축하여 비용을 절감하고 생산성을 향상시킬 수 있는 삼차원 초미세 기공을 포함하는 집진용 카트리지 필터의 제조방법에 관한 것이다.
최근 인구의 증가와 자연의 훼손으로 인한 환경문제가 사회적인 문제로 대두됨에 따라 대기, 수질, 및 토양의 오염을 해결하기 위한 대책이 시급한 사회문제로 대두되고 있다.
특히, 산업의 발전에 따라 각 산업공정에서 발생하는 분진, 매연, 폐가스, 연기, 휘발성 유기 화합물(Volatile organic chemicals : VOC's) 등 유해물질의 폐해는 더욱 늘어나고 있으며, 이에 따라 대기 오염을 해결하기 위한 대책이 시급히 요구되고 있다. 이에 따라, 공기정화수단 중 하나로 고분자 필터를 사용하고 있으나, 상기의 고분자 필터는 내열성, 내화학성, 내마모성, 및 난연성이 취약하다는 문제점이 있었다.
또한, 공기정화수단 중 하나로 사용되는 집진기용 백필터는 내부의 중심부에 공기에 대한 필터링을 수행하는 긴 원형 또는 비원형의 백(bag) 형태를 가진 집진필터를 장착하고 있다.
집진기는 공정 중 또는 공정 후 배출되는 함진공기를 함진공기 유입구와 청 정공기배출구 사이의 차압에 의하여 함진공기 유입구를 통하여 하우징 내로 유입하고, 이들을 순차적으로 함진공기실, 백케이지에 의하여 내부공간이 형성되도록 고정된 집진필터 및 청정공기실을 경유시킨 후, 청정공기배출구를 통하여 대기 중으로 배출된다. 함진공기는 집진필터를 통과하는 동안에 분진 및 오염물이 집진필터에 의해 여과되고, 중력에 의하여 하강하면서 분진배출구 근처에 수집되었다가 분진배출구를 통하여 배출된다. 따라서, 함진공기 중의 분진 및 오염물이 공기로부터 분리되어 별도로 수거될 수 있으며, 그에 의하여 함진공기가 청정공기로 여과되어 대기오염을 방지할 수 있게 된다.
상기와 같이 이용되는 집진기용 백필터의 집진필터는 우수한 통기성과 미세하고 균일한 공극을 가져 분진을 걸러 공기만을 잘 통과시킬 수 있는 고여과능이 요구되며, 이외에도 내열성, 방염성, 투습성, 방수성, 발수성 등의 특성이 요구된다.
그러나, 종래 사용되던 집진기용 백필터는 표면적이 한정되어 있어 여과율을 상승시키는데 그 한계가 있으며, 필터의 사용주기가 짧아 자주 갈아주어야 하는 등의 문제점이 있으며, 산업의 발달로 더욱 미세분진들이 다량으로 발생되고, 환경보호, 작업환경 등의 개선을 위해서는 미세분진들을 효과적으로 제거해야 하는 필요성이 더욱 요구되고 있다.
이에 따라, 같은 공간에 일반 집진용 백필터에 비해 여과면적이 3∼5 배 이상 확장할 수 있으며, 미세분진을 효율적으로 제거할 수 있는 카트리지 필터에 대한 연구가 계속되고 있으나, 집진기용으로 사용되는 카트리지 필터의 제조시 기재 로 사용되는 부직포 등의 섬유가 풀어져 부직포의 섬유조직, 밀도, 절곡성, 내열성, 성형성, 표면여과성능 등의 복합적인 문제로 카트리지 필터의 제조가 어렵다는 문제점이 있다.
따라서, 집진기용 백필터를 대체하여 사용될 수 있으며 미세분진을 효율적으로 제거할 수 있는 카트리지 필터에 대한 연구가 더욱 필요한 실정이다.
본 발명은 부직포가 풀어지지 않고 적당한 강도를 가져 용이하게 절곡됨으로써 집진기용 백필터를 대체하여 사용될 수 있는 삼차원 초미세 기공을 포함하는 카트리지 필터의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 집진기용 백필터를 대체하여 사용되어 넓은 표면적으로 미세분진에 대한 여과율이 우수하고, 탈진주기를 감소시켜 필터의 수명을 향상시킬 수 있는 삼차원 초미세 기공을 포함하는 카트리지 필터의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 평균직경이 최대 5 ㎛인 미세분진까지도 효과적으로 제거할 수 있고, 일괄 공정으로 제조공정을 단축하여 비용을 절감하고 생산성을 향상시킬 수 있는 집진기용 백필터를 대체하여 사용가능한 삼차원 초미세 기공을 포함하는 카트리지 필터의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 내산성, 내알칼리성, 내굴곡성, 피막강도, 가수분해에 대한 안정성 등 필터의 물리·화학적 성질을 현저히 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 동시에 공기압 조절이 용이하고, 통기도가 우수하며, 생산성이 현저히 향상된 삼차원 초미세 기공을 포함하는 카트리지 필터의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 넓은 표면적으로 미세분진에 대한 여과율이 우수하고, 필터의 수명이 향상될 수 있으며, 동시에 내산성, 내알칼리성, 내굴곡성, 피막강도, 가수분해에 대한 안정성 등 필터의 물리·화학적 성질이 우수한 삼차원 초미세 기공을 포함하는 카트리지 필터를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 삼차원 초미세 기공을 포함하는 집진용 카트리지 필터의 제조방법에 있어서,
a) 아크릴 수지를 부직포에 담지시키는 단계;
b) 상기 a)단계에서 아크릴 수지가 담지된 부직포의 표면에 수지거
품을 코팅하는 단계;
c) 상기 b)단계에서 수지거품을 코팅한 부직포를 건조하는 단계;
d) 상기 c)단계에서 건조된 부직포를 절곡하는 단계
를 포함하는 삼차원 초미세 기공을 포함하는 집진용 카트리지 필터의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 방법으로 제조된 삼차원 초미세 기공을 포함하는 카트리지 필터를 제공한다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명자들은 미세분진을 효율적으로 제거하면서도 집진기용 백필터를 대체 할 수 있는 카트리지 필터에 대하여 연구하던 중, 아크릴 수지를 부직포에 담지시켜 빳빳함(stiffness)을 부여하여 부직포의 절곡이 용이하고, 상기 아크릴 에멀젼이 담지된 부직포의 표면에 수지거품을 코팅한 결과, 평균직경이 최대 5 ㎛인 미세분진까지도 효과적으로 제거하면서도 집진기용 백필터를 대체하여 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 동시에 한번의 공정으로 제조공정을 단순화할 수 있음을 확인하고, 이를 토대로 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 삼차원 초미세 기공을 포함하는 카트리지 필터는 아크릴 수지를 부직포에 담지시킨 후, 상기 아크릴이 담지된 부직포의 표면에 수지거품을 코팅한 다음, 상기 수지거품이 코팅된 부직포를 건조하고, 상기 건조된 부직포를 절곡하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 카트리지 필터의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
a) 담지
본 단계는 부직포에 아크릴 수지를 담지하는 단계이다.
상기 아크릴 수지의 담지는 아크릴 수지를 분산매에 분산시켜 아크릴 에멀젼을 제조한 후 부직포에 아크릴 에멀젼을 도포하는 방법, 부직포를 아크릴 에멀젼에 침지시키는 방법, 또는 부직포에 아크릴 에멀젼을 살포(스프레이)하는 방법 등을 사용할 수 있다.
특히, 부직포에 아크릴 에멀젼이 충분히 함유되고 안착될 수 있도록 아크릴 에멀젼에 부직포를 담지시키고 짜는 과정을 2∼3 회 반복하여 실시하거나, 상기 부직포에 아크릴 에멀젼을 도포 또는 살포하고 짜는 과정을 2∼3 회 반복하여 부직포 100 중량부에 대하여 아크릴 수지가 30∼60 중량부를 담지시키는 것이 좋으며, 특히 35∼50 중량부를 담지시키면 더욱 좋다. 상기 범위내인 경우 후공정인 거품코팅과 건조가 용이하며, 제조되는 필터의 절곡이 풀어지지 않는 장점이 있다.
또한 상기 아크릴 수지가 하드아크릴 수지인 것이 좋으며, 상기 아크릴 에멀젼의 고형분 함량은 30∼60 중량%인 것이 좋으며, 특히 35∼50 중량%인 것이 바람직하다.
또한 상기 분산매는 아크릴 수지를 에멀젼화 할 수 있는 통상적인 물질이 사용될 수 있음은 물론이며, 바람직하기로는 물이다.
또한 본 발명에 사용되는 상기 부직포는 제조하고자 하는 카트리지 필터의 크기에 따라 그 크기를 달리할 수 있음은 물론이다.
상기 부직포는 단섬유 또는 장섬유를 이용하여 습식공법(wet-laid), 스폰본드(spandbond), 스판레이스(spanlace), 또는 카렌다본드(calender bond), 니들펀칭(needle punching) 등의 제조공법으로 섬유를 서로 엉키게 만든 형태로 특히 폴리에스테르(PET), 아크릴(acrylic), 폴리프로필렌(PP), 나일론(nylon), 비스코스(viscose), 유리섬유(glass fiber), 또는 금속섬유(steel fiber) 등을 사용할 수 있었다.
b) 수지거품 코팅
본 단계는 상기 a)단계의 아크릴 수지가 담지된 부직포의 표면에 수지거품을 코팅하는 단계이다.
본 단계의 수지거품 코팅은 ⅰ) 에멀젼액 준비단계, ⅱ) 상기 준비한 에멀젼 액을 교반하여 수지거품을 준비하는 단계, 및 ⅲ) 상기 수지거품을 부직포의 표면에 코팅하는 단계로 실시되는 것을 특징으로 한다.
상기 ⅰ)단계에서 에멀젼액은 수용성 수지를 주재로 충진제, 거품제, 거품안정제(정포제), 또는 분산제를 포함하여 균일하게 혼합한 후, 이를 증점제로 증점하여 준비할 수 있다. 특히, 상기 에멀젼액 성분 중 가교제와 결합제를 뒤에 이어지는 단계인 수지거품 준비단계에서 투입하는 것이 에멀젼액의 유동성과 보관성을 향상에 있어 좋다.
상기 수용성 수지는 아크릴 수지, NBR 라텍스, SBR 라텍스, 천연라텍스, 실리콘 고무, 수용성 우레탄, 멜라민 수지, 또는 불소계 수지 등을 사용할 수 있다. 상기 수용성 수지는 에멀젼액 총 100 중량부에 대하여 60 내지 90 중량부로 포함되는 것이 좋으며, 바람직하게는 70 내지 80 중량부로 포함되는 것이다.
상기 충진제는 탈크(talc), Al(OH)3, TiO2, 실리카, 또는 운모분말 등의 일반충진제나 PTFE powder, 도전성 카본, 또는 그라파이트 등의 기능성 충진제를 사용할 수 있으며, 그 함량은 에멀젼액 총 100 중량부에 대하여 5 내지 15 중량부로 포함되는 것이 좋다.
상기 거품제는 탄소수 12인 선상 알켈 유도체의 계면활성제인 소듐 리우릴 설페이트(sodium lauryl sulfate, SLS) 또는 소듐 도데실 설페이트(sodium dodecyl sulfate, SDS)를 사용할 수 있으며, 그 함량은 에멀젼액 총 100 중량부에 대하여 0.1 내지 1 중량부로 포함되는 것이 좋다.
상기 거품안정제(정포제)는 암모늄스테아레이트계 또는 실리콘계를 사용할 수 있으며, 그 함량은 에멀젼액 총 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부로 포함되는 것이 좋다. 특히, 암모늄스테아레이트계는 미세거품 발생, 거품유지능력, 및 유동성은 탁월하나, 거품코팅 제품의 피막강도를 약하게 할 수 있으므로, 피막강도를 보강할 수 있도록 암모늄스테아레이트계와 실리콘계를 함께 사용하는 것이 바람직하다.
상기 분산제는 포리카르복실산소다염 성분의 분산제 또는 포리인산나트륨을 사용할 수 있다. 특히, 포리인산나트륨은 pH 완충효과가 탁월하여 분산시 쇼크(shock)가 발생할 수 있는 에멀젼액의 분산시 효과적이다. 상기 분산제의 함량은 에멀젼액 총 100 중량부에 대하여 0.2 내지 2 중량부로 포함되는 것이 좋다.
상기 가교제는 멜라민-포름알데히드수지를 사용하는 것이 좋다. 멜라민 수지는 가교역할 뿐만 아니라 초기건조시 겔화가 빠르게 진행되어 미세거품을 유지시켜 주며, 특히 비중이 무거운 충진제가 거품을 부직포에 코팅한 후 자중에 의해 가라앉아 탈포를 촉진하는 것을 방지할 수 있다. 상기 가교제의 함량은 에멀젼액 총 100 중량부에 대하여 0.2 내지 2 중량부로 포함되는 것이 좋다.
상기 결합제는 실리콘결합제 또는 아미노기를 가진 금속유기물을 사용할 수 있으며, 상기 화합물들은 수용성 수지와 충진제의 접촉면의 결합력을 보강하고, 열팽창 계수가 다른 여러 물질 사이의 균열을 방지할 수 있다. 상기 결합제의 함량은 에멀젼액 총 100 중량부에 대하여 0.2 내지 2 중량부로 포함되는 것이 좋다.
상기 증점제는 아크릴계 증점제 또는 알긴산소다를 사용할 수 있으며, 그 함량은 에멀젼액 총 100 중량부에 대하여 0.2 내지 2 중량부로 포함되는 것이 좋 다. 특히, pH 값이 중성이나 산성일 때는 알긴산소다를 사용하는 것이 pH의 알칼리를 유지하기 위해 좋다.
상기 ⅱ)의 수지거품 준비단계는 상기와 같이 준비된 에멀젼액을 거품발생기에서 교반하여 수지거품을 생산하는 단계이다.
상기 수지거품 준비단계는 에멀젼액을 거품발생기에 투입하고 공기를 블로잉한 후, 50∼500 rpm의 속도로 교반하여 평균직경이 최대 5 ㎛인 수지거품을 발생시키고, 이때 상기 거품발생기 내의 회전 핀의 굵기를 4∼5 ㎜ 정도로 가늘게 하는 것이 바람직하다.
상기 에멀젼액을 균일하게 혼합하기 위해서는 교반이 필수적인데, 교반시 에멀젼액에서 열이 발생하게 되고, 이 열에 의하여 가교제나 결합제가 혼합과정에서 에멀젼액의 가교를 진행시키므로, 에멀젼액의 유동성을 떨어뜨린다. 또한 가교제나 결합제는 상온에서도 서서히 가교가 진행되므로 유동성 결여뿐만 아니라, 에멀젼액의 보관상 문제가 많다. 따라서, 가교제와 결합제를 에멀젼액의 혼합시 투입하지 않고, 수지거품생산시 별도의 공급관으로 투입하는 것이 바람직하다.
상기 에멀젼액을 거품발생기에 공급하는 펌프는 통상적인 펌프를 사용할 수 있으나, 거품발생기 내부의 압력이나 에멀젼의 공급압(에멀젼액의 수위 등에 따라 변화)에 관계없이 에멀젼액의 설정된 양을 균일하게 공급할 수 있는 모노펌프를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 거품발생기에 공급되는 공기압은 거품발생기 내부의 압력보다 높아야 하며, 특히 거품발생기 내부에서 공기가 에멀젼액에 균일하게 확산될 수 있도록 거 품발생기의 내부 압력보다 2 ㎏/㎠ 이상 높은 것이 바람직하다. 공기압이 상기 범위일 경우에는 공기공급관으로 에멀젼액이 역류하여 관의 단면적을 줄이거나 막는 문제점을 해결하여 균일한 공기를 공급할 수 있는 효과가 있다.
상기 거품발생기는 회전속도가 빠를수록, 미세한 핀의 개수가 많을수록 거품의 크기를 작게 형성할 수 있다. 상기 회전속도는 50∼500 rpm인 것이 바람직하며, 회전속도가 500 rpm을 초과할 경우에는 에멀젼액의 안정성이 결여될 수 있는 문제점이 있다. 또한 거품발생기 내의 로터(rotor)와 스테이터(stator)에는 약 600 여개 정도의 핀이 장착된 것이 바람직하다.
상기와 같이 제조된 수지거품의 평균직경은 최대 5 ㎛인 것이 바람직하다.
상기 ⅲ)의 수지거품 코팅단계는 상기와 같이 생산된 수지거품을 부직포에 코팅하는 단계이다.
상기 코팅은 코팅 나이프를 사용하여 수지거품이 고르게 코팅될 수 있도록 하는 것이 좋다. 또한 수지거품이 닿는 코팅 나이프의 부분은 수지거품이 누적되어 나이프가 오염되고, 미세한 수지거품의 평균직경이 나이프의 과도한 압력에 의해 커지는 것을 방지할 수 있도록 라운드(round)를 주는 것이 좋다.
상기 거품코팅기의 거품공급 노즐을 부직포 진행방향의 횡방향으로 하여 분당 5∼30 회 왕복의 빠른 속도로 거품을 공급함으로써 종래의 거품코팅기의 구조상 발포된 거품이 부직포에 코팅되기까지 소요되는 시간(15∼20 분, 도 1)을 단축하여 미세한 거품을 유지할 수 있는 장점이 있다. 또한, 발포된 거품이 15 분 이상 정체할 경우, 거품의 평균직경이 2 배 이상 증가하게 되는 문제점이 있다.
또한 거품이 코팅되는 시간을 단축할 경우 친수성이 강한 부직포나 거품이 접촉되는 부분이 많은 부직포에 코팅시 거품이 부직포에 흡수되어 탈포되는 것을 방지한다. 즉, 10,000 cps의 고점도에서는 약 15 분 소요시 수지거품의 평균 직경이 약 2 배로 커지게 되는데, 본 단계에서는 빠르게 왕복하는 거품공급 노즐을 사용하여 수지거품을 신속하게 공급함으로써 미세 거품의 평균직경이 시간이 경과함에 따라 커지는 현상을 방지할 수 있다. 또한, 5.000 cps 이하의 저점도에서는 발포 후 코팅 시간을 단축함으로써 탈포 현상을 방지할 수 있다.
상기 코팅은 부직포의 표면에 수지거품을 코팅하여 부직포의 표면에 수지거품이 망상구조(network structure) 그대로 적층되도록 하는 것이 바람직하며, 이때 수지거품은 부직포의 표면에 0.1 내지 0.3 ㎜의 두께로 코팅하는 것이 바람직하다.
또한 본 단계에서는 양쪽 롤러의 간격을 조절하여 침투정도를 조절하고, 공급된 거품을 코팅할 부직포의 한면 또는 양면에 거품을 유지하면서 침투시킬 수도 있다.
상기와 같이 수지거품이 코팅된 부직포는 거품의 평균직경이 최대 10 ㎛인 제품으로 제조할 수 있으며, 특히 후속 공정인 건조방법을 개선하여 거품의 평균직경이 5 ㎛ 이하인 제품도 제조가 가능하다.
또한 상기 수지거품 코팅은 로터와 로터측 핀, 스테이터측 핀, 에멀젼액 공급관, 공기압 공급관, 가교제 공급관으로 이루어진 거품발생기; 상기 거품발생기로부터 공급된 수지거품을 부직포에 공급하는 공급노즐, 부직포를 이송시키는 롤러로 이루어진 거품코팅기로 구성되는 수지거품 코팅장치를 이용할 수 있음은 물론이다.
이하 상기 수지거품 코팅장치를 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일실시예 따른 수지거품 코팅장치의 개략적인 측면도이고, 도 2는 본 발명일 일실시예 따른 부직포의 양면에 수지거품을 코팅하기 위한 수지거품 코팅장치의 개략적인 측면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 거품코팅기의 개략적인 측면도이다.
상기 도면에 의하면, 상기 거품발생기(1)는 외벽을 형성하는 스테이터(11), 중심부에 로터(12), 상기 로터(12)에 수직으로 고정되어 세워져 있으며, 핀의 굵기가 4∼5 ㎜인 로터측 핀(13), 상기 스테이터(11)에 고정되어 세워져 있으며, 핀의 굵기가 4∼5 ㎜인 스테이터측 핀(14)과 스테이터(11) 내로 원료를 투입하기 위하여 스테이터(11) 상단부에 설치된 에멀젼액 공급관(15), 공기압 공급관(16), 가교제 공급관(17)으로 구성된다.
상기 로터측핀(13), 및 스테이터측 핀(14)은 4∼5 ㎜의 굵기를 가지며, 각각 250∼350 여개의 개수로 스테이터(11) 중심부의 로터(12)와 스테이터(11)에 고정되어 세워지며, 상기 로터(12)가 50∼500 rpm의 속도로 회전하면서 스테이터(11) 상단부에 설치된 에멀젼액 공급관(15), 공기압 공급관(16), 가교제 공급관(17)을 통해 공급된 원료가 혼합하여 수지거품이 발생된다.
또한 상기 거품코팅기(2)는 거품발생기(1)에서 생성된 수지거품(23)을 부직포(22)에 공급하기 위한 거품공급 노즐(21), 상기 부직포(22)를 이송하기 위한 롤러(24), 및 상기 부직포(22)에 코팅된 수지거품(23)을 균일하게 코팅하기 위하여 부직포 상부에 수직 방향으로 위치하며, 부직포와 닿는 부분이 라운드(round)형인 코팅 나이프(25)로 구성된다.
상기 거품공급 노즐(21)은 부직포(22) 진행방향의 횡방향으로 설치되며, 분당 5∼30 회 왕복의 속도로 부직포(22)에 수지거품을 공급한다. 상기 거품공급 노즐(21)을 통하여 부직포(22)에 공급된 수지거품(23)은 거품코팅기(2) 외부에 위치하는 코팅 나이프(25)에 의하여 균일하게 부직포 위에 코팅되며, 상기 코팅 나이프(25)와 부직포(22) 표면에 공급된 수지거품(23)이 닿는 부분은 라운드(26)형으로 함으로써 코팅 나이프(25)에 수지거품(23)이 누적되거나, 수지거품(23)의 직경이 코팅 나이프(25)의 과도한 압력에 의해 커지는 것을 방지할 수 있다.
c) 건조
본 단계는 상기 b)단계에서 수지거품이 코팅된 부직포를 건조하는 단계이다.
상기 건조는 당업계에서 실시하는 통상의 방법으로 실시할 수 있으며, 특히 하기와 같이 겔화→건조→열처리의 3 단계로 구분하여 실시하는 것이 바람직하다.
즉, 상기에서 수지거품이 코팅된 부직포를 50∼90 ℃의 약풍(풍속 1 m/sec 이하)으로 30 초 내지 1 분 동안 코팅표면을 겔화시키고, 상기 겔화시킨 부직포를 100∼150 ℃의 온도로 1 분 내지 3 분 동안 건조시킨 후, 상기 건조된 부직포의 코팅피막을 150∼190 ℃의 온도로 20 초∼2 분 동안 열처리시키는 것이 바람직하다.
상기 겔화는 수지거품이 코팅된 부직포를 급격히 건조시킬 경우 거품이 커지고 파괴되는 것을 방지할 수 있으며, 상기 건조는 건조온도가 100 ℃ 미만일 경우에는 건조속도가 느리고, 150 ℃를 초과할 경우에는 균열이 생기고 코팅피막이 약 해진다는 문제점을 해결할 수 있다.
d) 절곡
본 단계는 상기 c)단계에서 건조된 부직포를 절곡하는 단계이다.
상기 절곡은 당업계에서 사용하는 통상의 절곡기를 사용하여 절곡할 수 있다. 이때, 부직포에는 상기 a)단계에서 담지된 아크릴 수지에 의하여 빳빳함이 부여되어 별도의 열처리 공정을 실시하지 않고도 용이하게 절곡할 수 있게 된다.
상기와 같이 부직포에 아크릴 수지 담지 → 수지거품 코팅 → 건조 → 절곡의 4 단계로 제조된 본 발명의 카트리지 필터는 그 표면에 평균입경이 최대 10 ㎛인 미세한 거품을 유지할 수 있다. 또한, 본 발명은 종래 부직포가 풀어져 절곡에 어려움이 있었던 문제점을 해결하여 삼차원의 초미세 기공을 가져 미세분진에 대한 여과율이 우수하면서도, 동시에 집진용으로 사용될 수 있는 카트리지 필터를 제조할 수 있다.
또한 본 발명은 상기의 방법으로 제조된 삼차원 초미세 기공을 포함하는 카트리지 필터를 제공하는 바, 상기 카트리지 필터는 종래 부직포가 풀어져 절곡에 어려움이 있었던 문제점을 해결하고, 부직포의 표면에 평균직경이 1~5 ㎛인 수지거품을 코팅시키고, 코팅된 수지거품을 건조시켜 평균직경이 1~10 ㎛인 삼차원 초미세 기공을 포함하여 미세분진에 대한 여과율이 현저히 향상시킬 수 있으며, 특히 집진용 백필터를 대체하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 카트리지 필터는 집진용으로 사용되어 평균입경이 최대 5 ㎛인 미세분진까지도 포집할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1
고형분 함량이 40 중량%인 아크릴 수지와 분산매로 물을 포함하는 아크릴 에멀젼에 1:1의 무게비로 부직포를 충분히 담지시킨 후, 짜는 과정을 3 회 반복하여 부직포 100 중량부에 아크릴 수지를 40 중량부를 담지시켰다.
그 다음, 수용성 수지로 아크릴수지(MMA) 76 중량부, 충진제로 Al(OH)3 7 중량부 및 탈크(talc) 5 중량부, 거품제로 소듐 라우릴 설페이트 1 중량부, 거품안정제로 암모늄스테아레이트계 7.5 중량부 및 실리콘계 0.5 중량부, 분산제로 포리카르복실산소다염(50 %) 0.5 중량부, 가교제로 멜라민-포름알데히드 수지 1.1 중량부(촉매 0.1 중량% 포함), 및 결합제로 실리콘 결합제 0.9 중량부를 균일하게 혼합하였다. 그 다음 증점제로 알긴산소다 0.5 중량부를 가하여 증점시켜 에멀젼액을 준비하였다.
상기 준비된 에멀젼액을 150 ㎏/h의 속도로 도 1의 장치에 의해 거품발생기에 공급하였다. 이때, 거품발생기의 압축공기(8 ㎏/㎠)를 플루오 메터(flow meter)의 수치가 7500 cc/min이 되도록 하고, 500 rpm의 속도로 교반하여 수지거품을 생산하였다.
그 다음, 상기 아크릴 에멀젼이 담지된 부직포의 표면에 상기와 같이 제조된 수지거품을 코팅하였다. 이때, 코팅은 수지거품을 거품코팅기에 투입한 후, 왕복속도가 6 회 왕복/분이고, 거품기로부터 공급노즐까지의 거리가 5 m인 공급노즐을 통하여 발포하는 방법으로 실시하였다. 또한, 부직포의 속도는 7 m/min이고, 부직포 좌우의 코팅두께가 균일하도록 코팅나이프의 높이를 조절하여 0.3 ㎜의 두께로 코팅하였으며, 발포 후 코팅까지의 시간은 1 분 30 초가 소요되었다.
상기와 같이 수지거품이 코팅된 부직포를 70 ℃의 약풍(1 m/sec 이내)으로 1 분간 코팅표면을 겔화시킨 후, 140 ℃의 강풍으로 2 분간 건조하고, 180 ℃로 30 초간 열처리하였다. 그 후, 상기 건조된 부직포를 절곡기에 넣어 절곡시켜 카트리지 필터를 제조하였다(도 4).
비교예 1
상기 실시예 1에서 아크릴 에멀젼을 대신하여 폴리테트라 플루오르 에틸렌 파우더 : 폴리테트라 플루오르 에틸렌 디스펄젼(dispersion)이 1 : 2의 비율로 혼합된 혼합물을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
본 발명에 따라 부직포를 아크릴 에멀젼에 담지시켜 빳빳함을 부여한 상기 실시예 1의 카트리지 필터는 절곡기에서 용이하게 절곡할 수 있는데 반하여, 비교예 1은 부직포가 풀어져 절곡이 용이하지 않음을 확인할 수 있었다.
비교예 2
미국 Nordson사의 카르트리 필터(한국대리점 (주)상산 Filtermedia)를 사용하였다.
비교예 3
일본 Toray의 AXTAR® G2260-IS를 사용하였다.
상기 실시예 1, 및 비교예 2 또는 3을 이용하여 하기와 같이 물성, 기공크기, 필터 효율, 탈진주기, 및 SEM 사진을 측정하였다.
ㄱ) 물성
상기 실시예 1, 및 비교예 2 또는 3의 카트리지 필터의 중량, 두께, 통기도, 인장강도, 및 신율을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 실시예 1 비교예 2 비교예 3
무게 (g/㎡) 235 257 280
두께 (㎜) 0.85 0.60 0.58
통기도 (㎤/㎠/sec) 16.0 12.0 13.0
인장강도 (㎏/5㎝) 길이 57.4 75.4 82.0
폭 75.1 106.6 111.3
신율 (%) 길이 23.9 45.8 41.1
폭 12.9 52.4 43.3
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 카트리지 필터는 비교예 2 또는 3과 비교하여 통기도가 3 ㎤/㎠/sec 이상 낮게 나타났으며, 이로부터 탈진효과가 동일하다는 조건하에서는 통기도가 높은 비교에 2 또는 3의 카트리지 필터일수록 압력손실을 낮게 유지하므로, 통기도가 높은 실시예 1의 카트리지 필터의 탈진주기가 길게 나타날 것임을 알 수 있었다.
ㄴ) 기공크기
상기 실시예 1, 및 비교예 2 또는 3의 카트리지 필터를 각각 읨으로 3 곳을 선정하여 샘플을 채취한 후, Perm Porometer(정확도 0.15 %)를 사용하여 기공의 크 기 및 분포를 3 회 반복 측정하고, 그 결과를 하기 표 2, 도 5∼7에 나타내었다.
구분 실시예 1 비교예 2 비교예 3
최소 기공크기
(㎛)		 1 회 1.086 2.892 1.869
2 회 2.724 33.558 4.518
3 회 2.752 3.774 4.448
평균 2.011 3.387 3.349
평균 기공크기
(㎛)		 1 회 1.3264 12.036 14.431
2 회 13.493 10.682 14.133
3 회 14.285 11.357 16.791
평균 13.673 11.345 15.073
최대 기공크기
(㎛)		 1 회 35.371 34.047 37.632
2 회 41.535 29.614 38.499
3 회 36.399 32.499 48.356
평균 37.675 32.000 41.224
상기 표 2, 도 5, 도 6, 및 도 7을 통하여, 본 발명에 다른 실시예 1, 및 비교예 2 또는 3의 카트리지 필터는 기공의 크기와 분포에 있어 별다른 차이를 없음을 알 수 있었다.
ㄷ) 필터 효율
상기 실시예 1, 및 비교예 2 또는 3에서 제조한 카트리지 필터의 효율을 측정하기 위하여 VDI 3926 type 2의 기준에 적합한 시험기기를 사용하여 측정하고, 그 결과를 하기 표 3 및 표 4에 나타내었다. 이때, 상기 실험시 입경분포가 1.5∼8.0 ㎛인 분진(3 ㎛ 이하의 입자 58.3 %, 개수기준 평균입경 2.72 ㎛, 중량기준 평균입경 4.59 ㎛)을 사용하였다. 또한, 하기 표 3은 유입농도 5 g/㎡에서 신뢰성 평가에 근거한 실험이고, 하기 표 4는 유입농도 1 g/㎡에서 저농도 조건에서의 실험이다.
구분 실시예 1 비교예 2 비교예 3
통기도
(L/d㎡/min, 200㎩)		 145 115 123
중량 (g) 235 258 274
탈진주기 (min/sec) 4/5 2/12 2/35
test시간 (시간/min) 2/12 1/13 54/54
clean gas 부피(㎡) 8.3 4.6 3.4
유입농도 (㎎/㎡) 5000 5000 5000
유출농도 (㎎/㎡) 0.120 0.872 1.899
효율 (%) 99.9976 99.9825 99.9620
구분 실시예 1 비교예 2
통기도 (L/d㎡/min, 200㎩) 153 125
중량 (g) 250 258
탈진주기 (min/sec) 9/58 7/43
test시간 (시간/min) 5/25 4/16
clean gas 부피(㎡) 20.4 16.2
유입농도 (㎎/㎡) 1000 1000
유출농도 (㎎/㎡) 0.108 0.192
효율 (%) 99.9892 99.9808
상기 표 3을 통하여, 신뢰성에 근거한 평가에서 본 발명에 따른 실시예 1의 카트리지 필터는 종래의 카트리지 필터인 비교예 2 또는 3과 비교하여 유출농도가 7배 내지 15배 이상 뛰어남을 알 수 있으며, 상기 표 4를 통하여 저농도 조건에서도 비교예 2와 비교하여 유출농도가 2배 이상 뛰어남을 확인할 수 있었다.
ㄹ) 압력손실 및 탈진주기
상기 ㄷ)에서 측정한 신뢰성 평가기준에 의하여 상기 실시예 1, 및 비교예 2 또는 3의 압력손실을 측정하여 도 8에 나타내었고, 탈진주기를 측정하여 도 9에 나타내었다.
도 8에 나타낸 바와 같은 압력손실은 비교예 3 > 비교예 2 > 실시예 1의 순으로 높게 나타났으며, 실시예 1의 경우 탈진 후의 압력손실을 가장 낮게 유지함으로써 필터의 수명이 비교예 2 또는 3과 비교하여 우수함을 알 수 있었다.
또한, 도 9에 나타낸 바와 같이 탈진주기는 실시예 1 > 비교예 2 > 비교예 3의 순으로 높게 나타났으며, 실시예 1의 경우 탈진주기가 최초 7 분인데 반하여, 비교예 2은 3분 30초 정도로서 약 2 배 이상의 차이를 나타냄을 확인할 수 있었다. 또한, 최종 30 사이클 이후의 탈진주기도 약 1.5 배 정도 실시예 1이 높게 나타내고 있어 본 발명에 따른 실시예 1의 필터 수명이 비교예 2 또는 3과 비교하여 우수함을 확인할 수 있었다. 또한 저농도에서도 동일한 정도의 실험 결과를 나타내었다.
ㅁ) SEM 사진
상기 실시예 1, 및 비교예 2 또는 3의 카트리지 필터의 앞면과 측면의 SEM 사진을 도 10∼15에 나타내었다.
도 10∼15에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 카트리지 필터는 비교예 2 또는 3에서는 관찰되지 않는 삼차원 초미세 기공이 확인되었으며, 이로부터 실시예 1의 카트리지 필터의 탈진 성능이 우수하고 압력손실 상승률이 낮음을 알 수 있었다.
본 발명에 따르면 부직포가 풀어지지 않고 적당한 강도를 가져 용이하게 절곡됨으로써 집진기용 백필터를 대체하여 사용될 수 있는 카트리지 필터를 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 넓은 표면적으로 미세분진에 대한 여과율이 우수하고, 탈진주기를 감소시켜 필터의 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 카트리지 필터는 평균직경이 최대 10 ㎛인 미세분진까지도 효과적으로 제거할 수 있고, 일괄 공정으로 제조공정을 단축하여 비용을 절감하고 생산성을 향상시킬 수 있는 집진기용 백필터를 대체하여 사용할 수 있으며, 동시에 내산성, 내알칼리성, 내굴곡성, 피막강도, 가수분해에 대한 안정성 등 필터의 물리·화학적 성질이 현저히 향상시킬 수 있고, 공기압 조절이 용이하며, 통기도가 우수하고, 생산성이 현저히 향상되는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 집진용 카트리지 필터의 제조방법에 있어서,
    외벽을 형성하는 스테이터와 중심부에서 회전하는 로터가 형성되고 상기 로터에 수직으로 고정되어 세워지는 로터측 핀과 상기 스테이터에 수직으로 고정되어 세워지는 스테이터측 핀과 아크릴 수지를 포함한 에멀젼액을 투입하기 위하여 상기 스테이터의 상단부에 형성된 에멀젼액 공급관을 포함한 거품 발생기; 및
    상기 거품 발생기의 하단부와 연결되고 상기 거품 발생기에서 상기 에멀젼액을 교반하여 생성된 수지 거품을 부직포에 공급하는 거품 코팅기를 포함하며,
    a) 상기 부직포에 아크릴 수지와 분산매인 물을 혼합한 아크릴 에멀젼에 담지시키는 단계;
    b) 상기 거품 발생기에서 상기 수지 거품의 평균 직경 1~5 ㎛이 되도록 상기 로터측 핀과 상기 스테이터측 핀의 개수와 굵기를 형성하여 상기 로터의 회전에 따라 상기 에멀젼액의 교반시 평균 직경 1~5 ㎛인 수지 거품을 생성하는 단계;
    c) 상기 거품 코팅기에서 상기 아크릴 에멀젼이 담지된 부직포의 표면에 상기 평균 직경 1~5 ㎛인 수지 거품을 코팅하여 평균 직경 1~10 ㎛인 삼차원 초미세 기공을 형성하는 단계;
    d) 상기 c)단계에서 수지거품을 코팅한 부직포를 건조하는 단계; 및
    e) 상기 d)단계에서 건조된 부직포를 절곡하는 단계
    를 포함하는 집진용 카트리지 필터의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에멀젼액은 상기 에멀젼액 총 100 중량부에 대하여 60 내지 90 중량부의 상기 아크릴 수지를 주재로 5 내지 15 중량부의 충진제, 0.1 내지 1 중량부의 거품제, 1 내지 10 중량부의 거품안정제 또는 0.2 내지 2 중량부의 분산제를 포함하여 균일하게 혼합한 후, 0.2 내지 2 중량부의 증점제로 증점하여 생성하는 것을 특징으로 하는 카트리지 필터의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 a)단계의 부직포가 습식공법(wet-laid), 스폰본드(spandbond), 스판레이스(spanlace), 카렌다본드(calender bond), 또는 니들펀칭(needle punching)의 공법으로 제조된 폴리에스테르(PET), 아크릴(acrylic), 폴리프로필렌(PP), 나일론(nylon), 비스코스(viscose), 유리섬유(glass fiber), 및 금속섬유(steel fiber)로 이루어지는 군으로부터 1 종 이상 선택되는 평균 직경 1~10 ㎛인 삼차원 초미세 기공을 포함하는 카트리지 필터의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 a)단계에서의 담지는 부직포 100 중량부에 대하여 아크릴 수지가 30 내지 60 중량부로 담지되는 것인 평균 직경 1~10 ㎛인 삼차원 초미세 기공을 포함하는 카트리지 필터의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 c)단계의 수지거품 코팅이
    ⅰ) 에멀젼액 준비단계;
    ⅱ) 상기 ⅰ)에서 준비한 에멀젼액을 교반하여 수지거품을 준비하는
    단계; 및
    ⅲ) 상기 ⅱ)에서 준비한 수지거품을 부직포의 표면에 코팅하는 단계
    를 포함하는 평균 직경 1~10 ㎛인 삼차원 초미세 기공을 포함하는 카트리지 필터의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 d)단계의 건조가 50∼90 ℃의 온도로 겔화시키는 단계, 100∼150 ℃의 온도로 건조시키는 단계, 및 150∼190 ℃의 온도로 열처리시키는 단계로 실시되는 삼차원 초미세 기공을 포함하는 평균 직경 1~10 ㎛인 삼차원 초미세 기공을 포함하는 카트리지 필터의 제조방법.
  7. 삼차원 초미세 기공을 포함하는 카트리지 필터에 있어서,
    외벽을 형성하는 스테이터와 중심부에서 회전하는 로터가 형성되고 상기 로터에 수직으로 고정되어 세워지는 로터측 핀과 상기 스테이터에 수직으로 고정되어 세워지는 스테이터측 핀과 아크릴 수지를 포함한 에멀젼액을 투입하기 위하여 상기 스테이터의 상단부에 형성된 에멀젼액 공급관과 상기 에멀젼액에 공기를 확산하기 위한 공기압 공급관을 포함한 거품 발생기; 및
    상기 거품 발생기의 하단부와 연결되고, 상기 거품 발생기로부터 발생된 상기 에멀젼액과 상기 공기가 혼합된 수지 거품을 아크릴 에멀젼―상기 아크릴 에멀젼은 상기 아크릴 수지와 분산매인 물을 혼합하여 형성함―에 담지된 부직포에 공급하기 위한 거품공급 노즐과 상기 부직포를 이송하기 위한 롤러와 상기 부직포에 상기 수지 거품을 균일하게 코팅하기 위한 코팅 나이프를 형성한 거품 코팅기를 포함하며,
    상기 공기압 공급관에서 공급되는 공기압이 상기 거품 발생기의 내부의 압력보다 높아야 하고, 상기 거품 발생기는 상기 수지 거품의 평균 직경 1~5 ㎛이 되도록 상기 로터측 핀과 상기 스테이터측 핀의 개수와 굵기를 형성하여 상기 로터의 회전에 따라 상기 에멀젼액의 교반시 평균 직경 1~5 ㎛인 수지 거품을 생성하고, 상기 거품 코팅기는 상기 생성한 수지 거품을 상기 부직포에 코팅하면, 평균 직경 1~10 ㎛인 삼차원 초미세 기공을 형성하는 것을 특징으로 하는 카트리지 필터.
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