KR101105197B1 - 액체여과용 원통형 카트리지 필터 및 이의 제조 방법 - Google Patents

액체여과용 원통형 카트리지 필터 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은　고유량 및 고여과효율 특성이 개선된 원통형 카트리지 필터 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 원통형 카트리지 필터에 있어서, 내부 중심으로부터 공극이 중간인 중밀도 심층부, 공극이 적은 고밀도 중층부 및 공극이 큰 저밀도 외층부로 이루어진 액체여과용 원통형 카트리지 필터에 관한 것이다.
본 발명의 원통형 카트리지 필터는 강도 및 통기량이 우수할 뿐만 아니라, 유량특성 및 입자제거성능이 우수하고, 또한 여재의 유출량이 없음에 따라, 종래 원통형 카트리지 필터에 있어서의 문제점인 조기 막힘으로 인한 유량저하, 불순물의 제거효율 저하를 해소할 수 있어, 본 발명의 원통형 카트리지 필터는 수처리용 및 화학물질 공정 처리용 전처리 필터로도 유용하게 적용할 수 있다.
고유량, 카트리지 필터, 여재, 공극, 밀도

Description

액체여과용 원통형 카트리지 필터 및 이의 제조 방법{CYLINDRICAL DEPTH FILTER FOR FILTERING FLUID AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 액체여과용 원통형 카트리지 필터 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 필터의 내부 중심으로부터 공극의 정도에 따라 중간밀도, 고밀도, 저밀도의 여재층이 다단밀도 구배로 적층된 구조로서, 전체적으로 원통형 카트리지 필터의 공극 분포가 모래시계와 같은 구조로 구현된 액체여과용 원통형 카트리지 필터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
산업발달에 따라 환경문제가 첨예한 문제로 대두되고 있으며, 이에 따라 다양한 방법으로 그 해결책이 모색되고 있다. 이러한 해결책의 하나로서 산업 전반에 걸쳐 실시되고 있는 폐수의 재활용 및 공업용수의 전처리 공정이나 역삼투압막의 가정용 식수 전처리 공정, 화학물질 처리 공정에 사용되는 원통형 카트리지 필터에 대한 다각적인 연구가 이루어지고 있는 실정이다.
액체용 카트리지 필터는 크게 수처리용 카트리지 필터, 오일 및 화학물질 처리용 카트리지 필터로 분류되며, 또한 그 용도에 따라 세분화되며, 각각의 용도에 따라 다양한 여재의 특성이 요구된다.
현재 액체용 카트리지 필터는 원수에 포함되어 있는 다양한 미생물과 각종 중금속 및 화학물질 등을 높은 효율로 제거하면서, 긴 사용주기를 갖는 성질이 절실하게 요구되고 있으며, 상기의 문제점을 해결하기 위한 종래의 기술로 유체로부터 하나 이상의 물질을 분리하기 위한 필터로 원통형 필터를 포함하는 액체여과용 필터가 공지되고 있다. 그러나, 필터의 핵심 성능인 유량, 제거효율, 사용수명이 급격히 감소되는 결과를 초래하고 있다.
종래 기술로서, 일본 실개소 제61-121922호 및 특공평 제1-53565호에서 부직포를 단순히 원통형으로 휘감은 형태의 카트리지 필터가 공지되어 있다.
일본 특개평 제7-328356호, 특개평 제8-206423호, 특개평 제5-146614호에서는 높은 여과성능을 위하여 분할형 또는 심초형 복합섬유를 극세 섬유화하여 필터의 공극을 미세하게 하고, 높은 교락도를 유지하고 있으며, 특개평 제8-257325호에서는 유량, 내열 및 내구성을 향상시키기 위하여 복합형 섬유를 사용한 부직포를 이용하였다.
대한민국 공개특허 제1994-0025612호에서는 고융점 성분과 저융점 성분으로 이루어지고 각각 용융 취입 방사공정에 의해 얻어진 적층식 극세 복합섬유로 이루어진 원통형 카트리지 필터가 기술되어 있는데, 여기서 섬유의 직경은 필터의 두께 방향으로 작아지고 여과될 유체의 통과 방향을 따라 작아지며, 복합섬유의 접촉점은 저융점 성분에 의해 용융접착됨을 특징으로 한다. 그러나, 상기 원통형 카트리지 필터는 절대여과능력 1㎛ 이하의 정밀여과에서 고유량, 고제거효율의 물성을 달성하기 어려운 문제가 있다.
대한민국 공개특허 제1995-0002824호에서는 경질의 유공 코어에 여과 정확도가 다 른 복수의 유리섬유 부직포를 감아죄는 힘을 조정하여 감아 부착하여 이루어진 유리섬유 부직포의 적어도 1종을 서로 접합제로서 페놀수지와 같은 열경화성 수지를 이용하여 교점 접합시키는 방법이 공지되어 있다. 그러나, 이는 기공 조절이 쉽지 않고 원하는 물성을 얻기 힘들어 용도 전개에는 한계가 있다.
대한민국 공개특허 제1997-0020147호에서는 열융착성 섬유를 함유하는 적층 및 권취(捲取)된 복합 부직포로 이루어진 필터가 기술되어 있는데, 여기서, 필터의 적층된 복합 부직포의 층간 박리강도는 외부층으로부터 내부층으로 연속적으로 또는 불연속적으로 증가하고, 내부층의 박리강도를 향상시키는 것이 기술되어 있으며, 적층형태에 있어서 핵심여재를 적층시키는 베이스 지지체로 적용한다.
대한민국 공개실용 제2000-0007631호에서는 다공성 정밀필터의 외주면에 직접 방사 사출에 의해 부직포 필터가 적층되는 구조를 취하여 두 필터층의 계면에서 확실한 접합을 이루어 필터층 간의 분리 방지와 정밀하고 많은 유량을 생성시키는 필터가 공지되어 있다. 그러나, 가장 많이 이용되는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌의 멜트블론법으로 제조된 부직포웹의 경우, 절대여과능력 1㎛ 이하의 정밀여과에서는 고유량, 고제거효율과 같은 물성 달성이 어렵고, 동일한 성분의 멜트블론을 적용해야 하는 점에서 한계를 나타낸다.
일본 특개소 제52-152575호에는 열융착성 복합섬유재를 미리 열융착 온도로 가열하여 겉보기 부피와 탄성을 감소시킨 상태에서 코어롤에 권취하고 원하는 공극률로 조정하고 냉각시킨 후 코어롤을 제거하는 방법이 개시되어 있다. 이와 같이 제조된 필터는 중공 원통형 필터의 내경부와 외경부의 공극률이 거의 동일한데, 이로 인하 여, 입도가 큰 불순물이 외경부에 막히면 필터의 내경부를 사용하지 못한 채, 필터를 교환해야 하는 조기막힘 현상이 발생하는 문제점을 갖는다.
또한, 대한민국 공개특허 제2007-0069285호에는 활성탄 또는 활성탄소 섬유로 형성된 원통 형상의 제1필터와 제1필터의 외면에 부직포를 밀착시키는 원통 형상의 제2필터를 포함하는 정수용 복합필터가 기술되어 있으며, 여기서, 특히 제2필터에 사용하는 폴리올레핀계 부직포나 폴리에스테르계, 폴리아미드계 부직포의 경우 멜트블론방식의 부직포웹을 사용하나, 상기에서 기술한 바와 같이 절대여과능력 1㎛ 이하의 정밀여과에서는 고유량, 고제거효율와 같은 특정 물성을 달성하기 어렵고 층간분리 등의 문제점이 존재한다.
지금까지 균일한 기공 직경을 갖는 필터에 대해 밀도 특성을 개량하기 위해 3개 이상의 멜트블론 폴리프로필렌 미세섬유의 부직포웹을 이용한 구배밀도 필터가 개시되어 있으나, 적용되는 여재 섬유의 섬도가 2~5㎛(1~2데니어급)의 일반 멜트블론 부직포웹으로 고유량 및 고제거효율의 특성을 가지는 원통형 카트리지 제조가 어렵다.
이에, 본 발명자들은 내부 중심으로부터 공극의 정도에 따라 중간밀도, 고밀도, 저밀도의 여재를 다단밀도 구배로 적층시겨 전체적으로 원통형 카트리지 필터의 공극 분포를 모래시계와 같은 구조로 구현시킴으로써, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 전술된 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 조기 막힘으로 인한 유량저하, 불순물의 제거효율 저하를 획기적으로 향상시킬 수 있는 원통형 카트리지 필터 및 이의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 내부 중심으로부터 공극률이 20 내지 40%인 중간밀도의 심층부, 공극률이 10 내지 30%인 고밀도의 중층부 및 공극률이 40 내지 60%인 저밀도의 외층부로 이루어진 액체여과용 원통형 카트리지 필터를 제공한다.
이때, 상기 심층부는 카트리지 필터의 전체 여재에 대하여 5 내지 15%의 용적비를 갖고, 상기 중층부는 카트리지 필터의 전체 여재에 대하여 45% 미만의 용적비를 갖는다.
상기 중층부는 섬도 100 내지 800nm의 나노섬유로 제조된 중량 1 내지 10 g/㎡ 인 나노 부직포웹으로 이루어진 것이 바람직하며, 상기 나노 부직포웹은 나일론6, 나일론 66을 포함하는 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리비닐플루오라이드, 폴리우레탄 및 개질된 공중합 폴리프로필렌이 전기 방사되어 형성될 수 있다.
나아가, 본 발명은 상기 원통형 카트리지 필터의 제조방법을 제공하며, 보다 구체적으로 공극률 20 내지 40%인 폴리프로필렌 멜트블론 부직포웹 및 폴리프로필렌/폴 리에틸렌 심초형 부직포웹을 이용하여 열을 가하면서 지지체 없이 중밀도의 심층부를 형성시키는 단계, 공극률 10 내지 30%인 나노 부직포웹 및 폴리프로필렌/폴리에틸렌 심초형 부직포웹을 이용하여 열을 가하면서 고밀도의 중층부를 형성시키는 단계; 및 공극률 40 내지 60%인 폴리프로필렌 멜트블론 부직포웹 및 폴리프로필렌/폴리에틸렌 심초형 부직포웹을 이용하여 열을 가하면서 저밀도의 외층부를 형성시키는 단계로 제조될 수 있다.
이때, 상기 심층부는 카트리지 필터의 전체 여재에 대하여 5 내지 15%의 용적비를 갖고 상기 중층부는 카트리지 필터의 전체 여재에 대하여 45% 미만의 용적비를 갖는 것이 바람직하다.
상기 심층부와 외층부를 형성하는 폴리프로필렌 멜트블론 부직포웹을 이루는 섬유는 섬도가 5 내지 20 데니어인 것이 바람직하며, 상기 폴리프로필렌/폴리에틸렌 심초형 부직포웹을 이루는 섬유는 섬도가 10 내지 30 데니어 이며, 베이스 지지체 및 열접합의 기능을 가질 수 있다.
상기 나노 부직포웹을 이루는 섬유는 섬도가 100 내지 800nm이며, 단위면적당 적층 중량이 1 내지 10g/㎡ 인 것이 바람직하며, 상기 나노 부직포웹은 나일론6, 나일론 66을 포함하는 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리비닐플루오라이드, 폴리우레탄 및 개질된 공중합 폴리프로필렌을 전기 방사시켜 제조될 수 있다.
본 발명의 원통형 카트리지 필터는 내부 중심에서부터 공극의 정도에 따라 중밀도 의 심층부, 고밀도의 중층부, 저밀도의 외층부로 이루어짐에 따라, 심층부에서 외층부에 걸쳐 공극률이 모래시계 구조처럼 다단계 구배를 갖는 구조를 형성하여, 카트리지 필터의 강도 및 통기량이 우수할 뿐만 아니라, 유량특성 및 입자제거성능이 우수하고 또한 여재의 유출량이 개선되어, 종래 원통형 카트리지 필터에 있어서의 문제점인 조기 막힘으로 인한 유량저하, 불순물의 제거효율 저하를 해소할 수 있으며, 사용수명이 우수하다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.
본 발명은 고유량, 고제거효율의 원통형 카트리지 필터에 관한 것으로, 구체적으로
원통형 카트리지 필터에 있어서, 내부 중심으로부터 공극률이 20 내지 40%인 중간밀도의 여재로 이루어진 심층부, 공극률이 10 내지 30%인 고밀도의 여재로 이루어진 중층부 및 공극률이 40 내지 60%인 저밀도의 여재로 이루어진 외층부로 이루어진 형태로서, 심층부에서 외층부에 걸쳐 공극률이 모래시계 구조처럼(도 3) 다단계 구배를 갖는 구조를 형성한다.
구체적으로 도 3을 참고하면, 본 발명의 원통형 카트리지 필터는 공극률이 40 내지 60%로 밀도가 낮은 필터의 외층부(30)에 다량의 원수가 유입되며, 원수가 공극률 10 내지 30%인 고밀도의 중층부(20)를 통과하면서 1㎛ 이하의 입자가 여과되어 정밀여과될 수 있으며, 여과수가 다시 공극률 20 내지 40%인 중밀도의 심층부(10)를 통과하면서 여재의 유량이 원활해 질 수 있다.
이때, 상기 필터의 여재는 여과효율, 사용수명 및 정밀여과를 최적화 하기 위하여, 심층부는 카트리지 필터의 전체 여재에 대하여 5 내지 15%의 용적비를 갖고, 상기 중층부는 카트리지 필터의 전체 여재에 대하여 45% 미만, 보다 바람직하게는 40%이하의 용적비를 갖는 것이 바람직하다.
상기 중층부는 섬도 100 내지 800nm의 나노섬유로 제조된 중량 1 내지 10 g/㎡ 를 만족하는 나노 부직포웹으로 구성됨으로써 정밀여과효율을 개선할 수 있다. 이때, 섬도가 100nm 미만이면 부직포웹 제조시 균일한 적층이 어렵고, 800nm를 초과하면 1㎛ 이하의 입자가 여과되기 어려운 문제가 있으며, 나노 부직포웹의 중량이 1 g/㎡ 미만이면 제거효율이 균일한 부직포웹의 제조가 어렵고, 10 g/㎡ 를 초과하면 일반 멜트블론 부직포웹과 제거효율의 차이가 없으며 1㎛ 이하의 입자가 여과되기 어려워 물성이 저하되어 바람직하지 않다.
이때, 상기 나노 부직포웹은 나일론6, 나일론 66을 포함하는 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리비닐플루오라이드, 폴리우레탄 및 개질된 공중합 폴리프로필렌이 전기방사되어 형성될 수 있다.
나아가, 본 발명은 상기 원통형 카트리지 필터의 제조방법을 제공하며, 보다 상세하게는 심층부(10)에 섬도가 약간 큰 섬유로 이루어진 중밀도의 여재를 배치하고, 중층부(20)에는 미세섬유로 이루어진 고밀도의 여재를 배치하고, 외층부(30)에는 섬도가 큰 섬유로 이루어진 저밀도의 여재를 용융 및 가압하여 별도의 지지체 없이 코어필터를 형성하는 원통형 카트리지 필터의 제조방법을 제공한다.
일반적으로 권취하는 방법에는 연속적으로 미세섬유로 이루어진 웹을 이용하여 일 정한 양만큼 저온, 저압상태에서 코어롤에 부직포를 소정 두께로 권취하여 중공 원통형 필터를 형성하는 방법과 코어롤을 가열한 상태에서 부직포를 권취함으로써 중공 원통형 카트리지 필터를 제조하는 방법이 있다. 이 중에서, 저온, 저압상태의 권취시에는 코어가 필요하고, 마무리시 최종적으로 부직포로 감싸야 하기 때문에 외관이 좋지 못하므로 코어롤에 열을 가하면서 권취하는 방식이 유효하다.
본 발명에 의해 제조되는 원통형 필터는 코어롤을 가열한 상태에서 부직포를 권취하는 방법으로 제조된 여재의 구성을 달리하여 적층하는 것이 바람직하다.
즉, 열을 가하지 않은 권취방법은 본래 여재의 기공구조의 변화가 거의 없으나, 코어롤을 가열하면서 권취한 방법의 경우 코어롤 부근에서 높은 열량을 받는 부직포는 자중 또는 외부롤에 의해 가해지는 하중에 의해 소성변형이 쉽게 되어 작은 공극률을 갖고, 코어롤에서 멀리 위치한 부직포일수록 소성 변형량이 줄어들어 큰 공극률을 갖는 다단밀도구배 구조를 형성한다. 특히, 고밀도의 여재를 적층하는 경우 불균일한 기공의 변화로 인하여 소기 목적의 물성을 얻기 힘들므로, 본 발명에 적용하는 나노 부직포웹은 권취시 폴리프로필렌/폴리에틸렌 심초형 부직포의 열접착을 위해 가해지는 온도보다 용융점이 30℃이상 높아 기공변화가 거의 일어나지 않는 여재를 선택하는 것이 바람직하다.
특히, 본 발명에서는 중간층을 이루는 절대여과효율을 갖는 고밀도 핵심여재의 배치가 중요하며, 기존에 주로 사용되어온 멜트블론방식의 적층 부직포 대신 전기방사법에 의한 나노 부직포웹 및 폴리올레핀의 이성분 복합 부직포를 신규 제조하여 사용할 수 있다.
또한, 중간층의 일 구성으로 적용되는 폴리올레핀 이성분 부직포의 일예로서 심초형 폴리프로필렌/폴리에틸렌을 사용하는데, 이는 열접합 부직포로서, 본원 발명에서는 핵심여재로 사용되지 않고, 핵심여재인 나노 부직포웹(2)을 적층시키는 베이스 지지체(1)로서 이용함을 특징으로 한다 (도 2).
본 발명의 일례로서 도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 원통형 카트리지 필터는 강도가 우수하고 정제된 여과수의 통수가 원활한 구조를 갖는 공극률 20 내지 40%인 중밀도의 폴리프로필렌 멜트블론 부직포웹과 폴리프로필렌/폴리에틸렌 심초형 부직포웹을 이용하여 열을 가하면서 지지체 없이 내부코어인 심층부(10)를 형성시키는 단계; 공극률이 10 내지 30%인 고밀도의 나노 부직포웹과 폴리프로필렌/폴리에틸렌 심초형 부직포웹을 이용하여 열을 가하면서 입자 제거성능이 우수한 중층부(20)를 형성시키는 단계; 및 공극률이 40 내지 60%인 저밀도의 폴리프로필렌 멜트블론 부직포웹과 폴리프로필렌/폴리에틸렌 심초형 부직포웹을 이용하여 열을 가하면서 외층부(30)를 형성시키는 단계를 통하여 제조될 수 있다.
이때, 각 층을 형성하는 여재는 열접착 베이스 지지체의 역할을 하는 폴리프로필렌/폴리에틸렌 심초형 부직포웹(1) 상에 핵심여재(2)가 적층되는 구조로, 폴리프로필렌/폴리에틸렌 심초형 부직포웹(1)은 10 내지 30데니어, 보다 바람직하게는 15 데니어의 섬도가 사용될 수 있으며, 상기 핵심여재(2)는 각 층의 기능을 구현하는 중밀도 폴리프로필렌 멜트블론 부직포웹, 고밀도 나노 부직포웹, 저밀도 폴리프로필렌 멜트블론 부직포웹을 나타낸다.
먼저, 심층부 형성 단계는 강도가 우수하고 정제된 여과수의 통수가 원활한 구조를 형성시키기 위한 단계로서, 이러한 단계에서 사용될 수 있는 중밀도 폴리프로필렌 멜트블론 부직포웹은 5 내지 20데니어의 섬도를 갖는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스테르 및 이들의 공중합체로 이루어지는 고분자 화합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 보다 바람직하게는 10데니어 섬도의 중밀도 폴리프로필렌 멜트블론 부직포웹이 사용될 수 있다,
중층부 형성 단계는 고밀도의 제거성능이 우수한 구조를 형성시키기 위한 단계로서, 이러한 단계에서 사용되는 나노 부직포웹은 본 발명의 원통형 카트리지 필터의 핵심여재로서, 권취시 폴리프로필렌/폴리에틸렌 심초형 부직포의 열접착을 위해 가해지는 온도보다 용융점이 30℃ 이상 높아 기공변화가 거의 일어나지 않는 여재를 선정하여야 한다. 이와 같은 여재의 일례로는 나일론6, 나일론 66을 포함하는 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리비닐플루오라이드, 폴리우레탄 및 개질된 공중합 폴리프로필렌을 전기 방사시켜 제조된 소재 또는 이에 상응하는 멜트블론 소재가 포함될 수 있다.
상기 나노 부직포 웹을 이루는 섬유의 섬도는 100 내지 800nm, 보다 바람직하게는 400nm가 사용될 수 있으며, 이의 단위면적당 적층 중량은 1 내지 10g/㎡인 것이 바람직하다. 이때, 상기 섬도가 100nm 미만이면 부직포웹 제조시 균일한 적층이 어렵고, 800nm를 초과하면 1㎛ 이하의 입자가 여과되기 어려운 문제가 있으며, 나노 부직포웹의 중량이 1g/㎡ 미만이면 제거효율이 균일한 부직포웹의 제조가 어렵고, 10 g/㎡ 를 초과하면 일반 멜트블론 부직포웹과 제거효율의 차이가 없으며 1㎛ 이하의 입자가 여과되기 어려워 여과효율의 물성이 저하되어 바람직하지 않다.
마지막으로, 외층부 형성 단계는 여재의 밀도가 가장 낮은 구조를 형성시키기 위한 것으로서, 상기 저밀도 폴리프로필렌 멜트블론 부직포웹은 5 내지 20데니어의 섬도를 갖는 폴리에틸렌, 폴리플로필렌, 폴리에스테르 및 이들의 공중합체로 이루어지는 고분자 화합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 보다 바람직하게는 10 데니어 섬도의 폴리프로필렌 멜트블론 부직포웹이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기와 같이 각 층별로 여재의 구성을 달리하는것 뿐만 아니라 각 층의 용적비를 특정함으로써 보다 우수한 효과를 얻을 수 있다.
보다 구체적으로, 심층부는 본 발명의 원통형 카트리지 필터 전체 직경에 대하여 5 내지 15%의 용적비를 가지도록 형성되며, 중층부는 본 발명의 원통형 카트리지 필터 전체 직경에 대하여 45% 미만, 보다 바람직하게는 40% 이하의 용적비를 가지도록 형성되며, 상기 심층부와 중층부의 누적비는 전체 용적비에 대해 60% 이내가 되는 것이 바람직하며, 특히 바람직하기로는 심층부 10%, 중층부 20% 및 외층부 70%로 이루어질 수 있다.
이때, 심층부와 중층부의 용적비가 지나치게 크면 총 불순입자의 포집량이 적어지며, 반대로 용적비가 지나치게 적으면 유량과 포집량은 많으나 불순물에 대한 절대 여과효율이 적어지게 되는 문제가 있다.
이러한 제조방법에 의해 전체적으로 원통형 카트리지 필터의 공극 구조를 모래시계와 같은 구조를 가지며, 이에 따라 고유량 및 고제거 효율이 발현되는 원통형 카트리지 필터를 완성할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.
본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1>
15데니어 섬도의 섬유를 사용하여 단위면적당 중량(이하 '중량'이라 칭함) 40g/㎡의 폴리프로필렌/폴리에틸렌 심초형 열접합 부직포와 10데니어 굵기의 60g/㎡의 폴리프로필렌 중밀도 부직포웹을 투입하면서 열을 가하여 최종 생성물의 총 여재에 대해 10%의 용적비를 갖는 내부코어(심층부)를 형성시켰다.
이후, 중량 40g/㎡의 폴리프로필렌/폴리에틸렌 심초형 열접합 부직포와 전기방사법에 의해 제조된 중량 4.0g/㎡의 나일론 66 나노 부직포웹을 투입하여 총 여재에 대해 20%의 용적비 (상기 내부코어를 포함한 누적 용적비 30%)를 갖는 중층부을 형성시켰다.
연속적으로, 중량 40g/㎡의 폴리프로필렌/폴리에틸렌 심초형 열접합 부직포와 멜트블론법으로 제조된 15데니어 굵기의 중량 40g/㎡의 폴리프로필렌 저밀도 부직포웹을 투입하여 총 여재에 대해 70%의 용적비(상기 내부코어 및 중간층을 포함한 누적 용적비 100%)의 외층부을 형성시켰다.
이후, 열원을 제거한 가압롤러를 이용하여 공기중에서 냉각시키면서 원통형 카트리지 필터를 제조하였다. 이때 최종적으로 카트리지 필터를 폭 간격 30mm의 줄무늬 롤로 온도 140℃에서 20초간 와인딩 한 후, 냉각시켜 카트리지 필터를 제조하였다.
< 실시예 2>
카트리지 필터의 용적비를 심층부 20%, 중층부 20%, 외층부 60%로 구성하는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 카트리지 필터를 제조하였다.
< 실시예 3>
중간층의 여재를 전기방사법에 의한 Nylon66 나노 부직포웹 대신에 중량 3.5g/㎡ 전기방사법에 의한 폴리에테르술폰(PES) 나노 부직포웹을 사용한 것을 제외하고, 용적비의 구성이나 기타 제조방법을 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 카트리지 필터를 제조하였다.
< 실시예 4>
카트리지 필터의 용적비를 심층부 20%, 중층부 20%, 외층부 60%로 구성하는 것을 제외하고, 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 수행하여 카트리지 필터를 제조하였다.
< 비교예 1>
15데니어 굵기의 섬유를 사용하여 단위면적당 중량(이하 '중량'이라 칭함) 40g/㎡의 폴리프로필렌/폴리에틸렌 심초형 열접합 부직포와 10데니어 굵기의 멜트블론법으로 제조된 중량 60g/㎡의 폴리프로필렌 중밀도 부직포웹을 투입하면서 열을 가하여 별도의 지지체 없이 최종 생성물의 총 여재에 대해 10%의 용적비를 갖는 내부코어(심층부)를 형성시켰다.
이후, 중량 40g/㎡의 폴리프로필렌/폴리에틸렌 심초형 열접합 부직포와 멜트블론법으로 제조된 중량 90g/㎡의 고밀도 부직포웹을 투입하여 총 여재에 대해 10%의 용적비 (상기 내부코어를 포함한 누적 용적비 20%)를 갖는 중층부를 형성시켰다.
연속적으로, 중량 40g/㎡의 폴리프로필렌/폴리에틸렌 심초형 열접합 부직포와 멜트블론법으로 제조된 15데니어 굵기의 중량 40g/㎡ 폴리프로필렌 저밀도 부직포웹을 투입하여 총 여재에 대해 80%의 용적비(상기 내부코어 및 중간층을 포함한 누적 용적비 100%)의 외층부를 형성시켰다.
이후, 열원을 제거한 가압롤러를 이용하여 공기 중에서 냉각시키면서 원통형 카트리지 필터를 제조하였다. 이때 최종적으로 카트리지 필터를 폭 간격 30mm의 줄무늬 롤로 온도 140℃ 에서 20초간 와인딩 한 후, 냉각시켜 카트리지 필터를 제조하였다.
< 비교예 2>
카트리지 필터의 용적비를 심층부 10%, 중층부 20%, 외층부 70%로 구성하는 것을 제외하고, 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 수행하여 카트리지 필터를 제조하였다.
< 비교예 3>
카트리지 필터의 용적비를 심층부 10%, 중층부 30%, 외층부 60%로 구성하는 것을 제외하고, 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 수행하여 카트리지 필터를 제조하였다.
< 비교예 4>
카트리지 필터의 용적비를 심층부 20%, 중층부 10%, 외층부 70%로 구성하는 것을 제외하고, 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 수행하여 카트리지 필터를 제조하였다.
< 비교예 5>
카트리지 필터의 용적비를 심층부 20%, 중층부 20%, 외층부 60%로 구성하는 것을 제외하고, 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 수행하여 카트리지 필터를 제조하였다.
< 비교예 6>
카트리지 필터의 용적비를 심층부 20%, 중층부 30%, 외층부 50%로 구성하는 것을 제외하고, 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 수행하여 카트리지 필터를 제조하였다.
< 비교예 7>
카트리지 필터의 용적비를 심층부 30%, 중층부 10%, 외층부 60%로 구성하는 것을 제외하고, 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 수행하여 카트리지 필터를 제조하였다.
< 비교예 8>
카트리지 필터의 용적비를 심층부 30%, 중층부 20%, 외층부 50%로 구성하는 것을 제외하고, 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 수행하여 카트리지 필터를 제조하였다.
< 비교예 9>
카트리지 필터의 용적비를 심층부 30%, 중층부 30%, 외층부 40%로 구성하는 것을 제외하고, 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 수행하여 카트리지 필터를 제조하였다.
< 실험예 >
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 9에서 제조된 카트리지 필터에 대하여, 유량, 제거효율 및 사용수명에 대하여 하기의 방법으로 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1및 표2에 나타내었다.
1. 유량측정
순수탱크에 18㏁의 순수를 넣고, 20psi의 압력하에 차압 약 0.2 Kg에서의 유량을 유량계로 평가하여 측정단위는 차압 psi당 lpm (리터/분) 로 나타내었다.
2. 여과효율(제거효율) 측정
여과효율 평가는 원통형 카트리지 필터를 평가장비에(HIAC ROYCO사, 8000A 제품)에 장착시켜 ASTM 795에 준하여 입자크기에 따른 입자수를 측정한 후, 표준입자 (ISO테스트 더스트) 100mg을 분산시킨 액체를 여과하여 여과되기 전의 액체 중 불순입자의 농도(A)와 여과 후의 불순입자의 농도(B)에서 하기의 수학식 1을 통하여 여과효율을 측정하였다.
이때, 하기 표에 있어서 「㎛ @ 99%」는 99%의 여과효율을 확보할 경우의 카트리지 공극크기를 나타낸다.
여과효율(%) = (A - B)/ A × 100
3. 카트리지 필터의 섬유 이탈여부 ( 여재유출량 ) 측정
카트리지 필터에 분당 1리터의 속도로 0.1㎛으로 여과된 물 10리터를 투여하고, 0.8㎛ 디스크 필터로 여과하여 30배율의 광학현미경으로 측정하여 검출된 섬유의 수를 측정하였으며, 도 4의 섬유 이탈 측정장치를 활용하였다.
항목 실시예1 　실시예2 　실시예3 　실시예4
외층부 　제조방법 PP/PE 심초형 폴리올레핀 부직포+
폴리프로필렌 멜트블론 부직포웹
중량(g/㎡) 40g/㎡ + 40g/㎡
　용적비 70% 60% 70% 60%

중층부		 　제조방법 PP/PE 심초형 부직포+
나노웹(Nylon66) 		PP/PE 심초형 부직포+
나노웹(PES)
중량(g/㎡) 40g/㎡ + 4g/㎡ 40g/㎡ + 3.5g/㎡
　용적비 20% 20%
심층부 　제조방법 PP/PE 심초형 폴리올레핀 부직포+
폴리프로필렌 멜트블론 부직포웹
중량(g/㎡) 40g/㎡ + 60g/㎡
　용적비 10% 20% 10% 20%
유량ℓ/(min*psi) 3.3 3.2 3.8 4.0
제거효율(㎛ @ 99%) 0.5 0.5 0.7 0.7
여재유출량 (mg) 0 0 0 0
항목 　 비교예
1		 　비교예
2		 　비교예
3		 비교예
4		 　비교예
5		 　비교예
6		 비교예
7		 비교예
8		 비교예
9
외층부 　제조방법 PP/PE 심초형 폴리올레핀 부직포+ 폴리프로필렌 멜트블론 부직포웹
중량
(g/㎡)		 40g/㎡ + 40g/㎡
　용적비 80% 70% 60% 70% 60% 50% 60% 50% 40%
중층부
　		 　제조방법 PP/PE 심초형 폴리올레핀 부직포+ 멜트블론 부직포웹
중량
(g/㎡)		 40g/㎡ + 90g/㎡
　용적비 10% 20% 30% 10% 20% 30% 10% 20% 30%
심층부 　제조방법 PP/PE 심초형 폴리올레핀 부직포+ 폴리프로필렌 멜트블론 부직포웹
중량
(g/㎡)		 40g/㎡ + 60g/㎡
　용적비 10% 20% 30%
유량ℓ/(min*psi) 4.2 3.5 2.8 4.5 3.0 2.6 4.1 3.2 2.0
제거효율
(㎛ @99%)		 3.5 2.5 1.5 3.7 2.2 1.2 3.5 2.2 1.1
여재유출량 (mg) 0 0 0 0 0 0 0 0 0
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 중층부에 나노 부직포웹을 권취한 실시예 1~4는 기존의 폴리프로필렌 멜트블론을 권취한 비교예 1 내지 9에 비하여, 고유량 특성과 제거효율이 1㎛ 이하까지 가능하며, 적정 용적비 및 나노 부직포웹을 적정 중량으로 적층시 절대 여과능력을 가지면서 고유량 특성을 확보한 원통형 필터의 제조가 가능함을 보이고 있다.
반면에, 상기 표 2에 나타난 바와 같이, 심층부의 중밀도 웹과 중층부의 고밀도 웹의 용적비가 클수록 유량은 적어지며, 기존의 멜트블론을 중심으로 한 핵심여재와 용적비의 적절한 비율조절로서는 절대여과능 1.0㎛이하이면서 고유량의 원통형 카트리지를 제조하는데에는 한계가 있음을 보여주고 있다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 심층부는 다단밀도구배를 가지는 구조로 형성되고, 중층부는 세섬도 나노 부직포웹을 이용하여 고밀도 층으로 형성되며, 외층부는 중밀도층으로 형성된 구조의 원통형 카트리지 필터를 제조함으로써, 본 발명에 따른 제조방법에 의하여 제조된 원통형 카트리지 필터는 강도 및 통기량이 우수할 뿐만 아니라, 유량특성 및 입자제거성능이 우수하고, 또한 여재의 유출량도 없다.
따라서, 종래 원통형 카트리지 필터에 있어서의 문제점인 조기 막힘으로 인한 유량저하, 불순물의 제거효율 저하를 해소할 수 있어, 본 발명의 제조방법에 의하여 제조되는 원통형 카트리지 필터는 물이나 화학물질 공정 처리용 전처리 필터로도 유용하게 적용할 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것 이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
도 1은 본 발명의 제조된 원통형 카트리지 필터 여재의 층별 단면을 개략적으로 나타낸 구성도이고,
도 2는 본 발명 각 층을 구성하는 베이스 지지체와 핵심여재층 구성을 나타낸 단면도이고,
도 3은 본 발명의 원통형 필터 여재층의 공극에 따른 층별 구성도이고,
도 4는 카트리지 필터의 섬유이탈 평가장치이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
10 : 심층부
20 : 중층부
30 : 외층부
1 : 베이스 지지체
2 : 핵심여재

Claims (12)

  1. 공극률 20 내지 40%인 폴리프로필렌 멜트블론 부직포웹 및 폴리프로필렌/폴리에틸렌 심초형 부직포웹을 이용하여 열을 가하면서 지지체 없이 형성된 중밀도의 심층부;
    나일론6, 나일론 66을 포함하는 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리비닐플루오라이드, 폴리우레탄 및 개질된 공중합 폴리프로필렌으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 나노섬유로서, 섬도 100 내지 800nm의 나노섬유로 제조된 중량 1 내지 10g/㎡, 공극율 10 내지 30%인 나노 부직포웹과 폴리프로필렌/폴리에틸렌 심초형 부직포웹을 이용하여 열을 가하면서 형성시킨 고밀도의 중층부; 및
    공극률 40 내지 60%인 폴리프로필렌 멜트블론 부직포웹 및 폴리프로필렌/폴리에틸렌 심초형 부직포웹을 이용하여 열을 가하면서 형성된 저밀도의 외층부로 이루어진 액체여과용 원통형 카트리지 필터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 심층부가 카트리지 필터의 전체 여재에 대하여 5 내지 15%의 용적비를 갖는 것을 특징으로 하는 상기 액체여과용 원통형 카트리지 필터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 중층부가 카트리지 필터의 전체 여재에 대하여 45% 미만의 용적비를 갖는 것을 특징으로 하는 상기 액체여과용 원통형 카트리지 필터.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 공극률 20 내지 40%인 폴리프로필렌 멜트블론 부직포웹 및 폴리프로필렌/폴리에틸렌 심초형 부직포웹을 이용하여 열을 가하면서 지지체 없이 중밀도의 심층부를 형성시키는 단계;
    공극률 10 내지 30%인 나노 부직포웹 및 폴리프로필렌/폴리에틸렌 심초형 부직포웹을 이용하여 열을 가하면서 고밀도의 중층부를 형성시키는 단계; 및
    공극률 40 내지 60%인 폴리프로필렌 멜트블론 부직포웹 및 폴리프로필렌/폴리에틸렌 심초형 부직포웹을 이용하여 열을 가하면서 저밀도의 외층부를 형성시키는 단계로 이루어진 액체여과용 원통형 카트리지 필터의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 심층부가 카트리지 필터의 전체 여재에 대하여 5 내지 15%의 용적비를 갖는 것을 특징으로 하는 상기 액체여과용 원통형 카트리지 필터의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 중층부가 카트리지 필터의 전체 여재에 대하여 45% 미만의 용적비를 갖는 것을 특징으로 하는 상기 액체여과용 원통형 카트리지 필터의 제조방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 심층부 및 외층부를 형성하는 폴리프로필렌 멜트블론 부직포웹을 이루는 섬유의 섬도가 5 내지 20 데니어인 것을 특징으로 하는 상기 액체여과 용 원통형 카트리지 필터의 제조방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 폴리프로필렌/폴리에틸렌 심초형 부직포웹을 이루는 섬유는 베이스 지지체 및 열접합의 기능을 하며 섬도가 10 내지 30 데니어인 것을 특징으로 하는 상기 액체여과용 원통형 카트리지 필터의 제조방법.
  11. 제 6항에 있어서, 상기 나노 부직포웹을 이루는 섬유의 섬도가 100 내지 800nm이며, 이의 단위면적당 적층 중량이 1 내지 10g/㎡ 인 것을 특징으로 상기 액체여과용 원통형 카트리지 필터의 제조방법.
  12. 제 6항에 있어서, 상기 나노 부직포웹이 나일론6, 나일론 66을 포함하는 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리비닐플루오라이드, 폴리우레탄 및 개질된 공중합 폴리프로필렌을 전기 방사시켜 제조된 소재인 것을 특징으로 하는 상기 액체여과용 원통형 카트리지 필터의 제조방법.
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