KR101126310B1 - 나노 웹에 의한 정전부직포의 제조방법 - Google Patents

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KR101126310B1
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곽규범
이재민
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Abstract

본 발명은 나노웹에 의한 정전부직포의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 비전도 열가소성 섬유로 이루어진 멜트블로운 부직포와 나노 웹이 적층된 부직포 적층체를 제조하는 단계, 상기 부직포 적층체에 고압의 물을 분사하여 하전시키는 단계, 상기 하전된 부직포 적층체를 건조시키는 단계 및, 상기 건조된 부직포 적층체에 코로나 방전하여 하전시키는 단계를 포함하여 이루어지는 정전부직포의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 먼지 로딩에 의하여 먼지포집효율이 떨어지지 않는 고효율의 필터 부재를 제조할 수 있다.

Description

나노 웹에 의한 정전부직포의 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING NONWOVEN ELECTRET FABRIC USING NANOWEB}
본 발명은 강유전체 섬유로 이루어진 나노 웹을 사용하여 먼지가 로딩되어도 먼지 포집효율이 저하되지 않도록 개선된 고효율의 필터 부재를 이룰 수 있는 정전부직포를 제조하는 방법에 관한 것이다.
정전부직포는 미립자 오염물질를 여과하는 목적으로 사용되고 있다. 예를 들면 마스크, 자동차 HVAC용 필터, 가정용 공기청정기용 필터, 건물 공조용 필터등의 에어필터와, 물를 정화하는 수처리용 필터 등에 사용되고 있다.
공기 중에 부양된 오염물을 제거하기 위해 에어필터가 사용되고 있다. 에어 필터는 통과하는 유량을 크게 하고, 기류의 통과 저항은 낮으며, 오염물의 제거 효율은 증가하는 방향으로 개발이 진행되고 있다. 그 하나의 방법으로 비전도성 열가소성 수지된 형성된 섬유에 정전기(static electricity) 를 부여하는 여러가지 방법들이 개발 되어 왔다
미국특허 제4,588,537호에는 코로나 방전장치로 연속적으로 공급되는 섬유상 웹에 전하를 부여하는 방법이 개시되어 있고, 미국 특허 제4,798,850호에는 단섬유(staple fiber)를 카딩 중에 대전되도록 섬유를 잘 혼합하는 기계적인 방법으로 섬유에 전하를 부여하는 방법이 개시되어 있다.
고속의 비하전된 기체나 액체가 유전필름의 표면 상에 통과될 때 마찰에 의해 유전필름에 대전되도록 하는 마찰 대전이 있다.
미국특허 제5,280,406호에는 비하전된 분사 유체가 유전필름의 표면과 충돌하여 그 표면이 하전됨이 개시되어 있고, 미국특허 제5,496,507호에는 열가소성 비전도 섬유의 부직포에 69 내지 3450 kPa의 수압으로 물을 분사하여 하전시키는 방법이 개시되어 있다.
미국 특허 제5,496,507호에 부직 섬유상 웹에 전하를 부여하기 위해 물을 사용하는 하이드로 차징(hydrocharging) 방법이 개시되어 있다. 전하는 가압된 분사수를 비전도성 미세섬유를 함유하는 부직 웹상에 충돌시킴으로써 생성된다.
다른 한편으로, 일렉트리트의 성능을 개선하기 위하여 특정 첨가제를 웹에 첨가하는 방법이 개발되어 왔다.
미국특허 제5,411,576호와 제5,472,481호에는 오일 미스트에 대한 저항성을 높이기 위해 멜트블로운 폴리프로필렌 미세섬유에 플루오르화합물 첨가제를 혼입하는 방법이 개시되어 있으며, 미국특허 제5,908,598호에는 첨가제가 열가소성 수지와 혼합되어 섬유상 웹을 생산하는 방법이 개시되어 있다. 즉, 분사수가 여과 향상을 위한 전하를 웹에 제공하기에 충분한 압력으로 웹상에 충돌된다. 그 웹은 이후에 건조 된다. 첨가제는 1) 1종 이상의 퍼플루오르화 성분을 함유하는 열안정성 유기화합물 또는 올리고머, 2) 트리아진 기에 있는 것 이외에 1개 이상의 질소 원자를 함유하는 열안정성 유기 트리아진 화합물 또는 올리고머, 또는 3) 1)과 2)의 혼합물일 수 있다.
미국특허 제5,057,710호에는 폴리프로필렌 일렉트리트가 힌더드 아민, 질소함유 힌더드 페놀 및 금속 함유 힌더드 페놀로부터 선택된 1종 이상의 안정화제를 함유하는 것으로, 상기 특허는 이들 첨가제를 함유하는 일렉트리트가 높은 열안정성을 제공할 수 있음이 개시되어 있다. 일렉트리트 처리는 비늘상 전극과 접지 전극 사이에 부직포 시트를 놓아둠으로써 실시된다.
한편, 최근 미국특허 제6,375,886호와 한국 등록특허 제10-0697125호에는 부직 섬유상 일레트리트 웹을 제조하는 방법이 개시되어 있으며, 이는 1) 비전도성 중합성 섬유 형성 재료로부터 하나 이상의 유리(遊離) 섬유를 형성하는 단계, 2) 유효량의 극성 액체를 유리 섬유 상에 분무하는 단계, 3) 분무된 유리 섬유를 수집하여 부직 섬유상 웹을 형성하는 단계, 4) 분무된 유리 섬유 또는 부직 섬유상 웹, 또는 둘다를 건조시켜 부직 섬유상 일렉트리트 웹을 형성하는 단계를 포함한다. 첨가제로 힌더드 아민 (polys[[(6-(1,1,3,3-tetramethylbutyl)amino]-s-triazine-2,4-dityl][(2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidiny)imino]-1,6-hexanediyl[(2,2,6,6-teramethyl-4-piperidinyl)imino]])를 첨가하여 일렉트리트의 성능을 향상시켰다.
본 발명은 기존의 부직포로 구성된 에어필터에 먼지가 쌓이게 되면 먼지 포집효율이 떨어지는 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 멜트블로운 부직포와 강유전체로 구성된 나노 웹을 적층하고 여기에 고압의 물분사에 의한 하전과 코로나 방전에 의하여 다시 하전시킬 경우, 먼지가 쌓임에 따른 먼지 포집효율 저하의 문제를 해결할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명은 나노 웹을 이용한 정전부직포의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 일례로서 본 발명의 정전부직포의 제조방법은, 정전부직포를 제조하는 방법에 있어서, 비전도 열가소성 섬유로 이루어진 멜트블로운 부직포와 나노 웹이 적층된 부직포 적층체를 제조하는 단계, 상기 부직포 적층체에 고압의 물을 분사하여 하전시키는 단계, 상기 하전된 부직포 적층체를 건조시키는 단계 및, 상기 건조된 부직포 적층체에 코로나 방전하여 하전시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 정전부직포의 제조방법을 단계별로 구체적으로 설명한다.
먼저, 부직포 적층체를 제조하는 단계이다.
상기 부직포 적층체는 비전도 열가소성 섬유로 이루어진 멜트블로운 부직포와 나노 웹이 적층된 것으로서, 상기 부직포 적층체는 멜트블로운 부직포와 나노 웹(nanoweb)의 적층체, 또는 멜트블로운 부직포 층간에 나노 웹이 삽입된 적층체일 수 있다. 특히, 도 2에 도시된 바와 같은 멜트블로운 부직포와 나노 웹 및 멜트블로운 부직포로 이루어진 적층체가 먼지포집효율이 저하되지 않고 오히려 향상되는 등 현저한 효과를 나타낸다.
상기 비전도성 열가소성 섬유로는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 또는 이들로 이루어진 섬유가 혼합사용될 수 있으며, 주로 폴리프로필렌으로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 비전도 열가소성 섬유로 이루어진 멜트블로운 부직포는 무게비 0.1 내지 10 중량% 범위의 힌더드 아민계열 또는 트리아진 첨가제를 포함하는 경우, 난연성을 비롯하여 정전특성이 더욱 우수하게 나타난다. 첨가제의 함량이 상기 범위 미만이면 첨가제 사용에 따른 효과가 미미하고, 첨가제 함량이 상기 범위를 초과하여 많으면 첨가제 사용과 이로부터 얻어지는 효과 면에서 실익이 적다.
상기 멜트블로운 부직포의 중량은 5 내지 100g/㎡ 범위인 것을 사용하는 것이 함께 사용되는 나노 웹과의 균형 차원에서 바람직하다.
상기 나노 웹은 PMMA(polymethylmethacrylate), PVDF(Polyvinylidene fluoride), PVA(polyvinylalcohol) 및 아크릴 등 중에서 선택된 강유전체 섬유로 이루어진 것을 사용하며, 상기 나노 웹의 중량은 0.1 내지 5g/㎡ 범위인 것을 사용하는 것이 멜트블로운 부직포와의 균형 차원에서 바람직하다.
다음으로 부직포 적층체에 하전시키는 단계이다.
상기 멜트블로운 부직포와 나노 웹을 고정시키지 않고 적층하여 도 3에 도시된 바와 같은 멜트블로운 부직포(6, 8)와 나노 웹(7)을 풀어서(unwinding), 다공성의 벨트(2)에 의하여 이동시켜 물분사 장치(1)와 흡입 장치(3) 사이를 분사되는 고압의 물에 의하여 멜트블로운 부직포와 나노 웹 및 멜트블로운 부직포가 층층이 3 겹으로 적층되어 결합되고 두께가 작아짐과 동시에 전하가 부여된다.
상기 물은 100 내지 350 bar의 압력으로 분사되는데, 수압이 상기 범위를 초과하면 수압 대비 최종 결과물의 먼지포집효율이 감소되는 경향이 있으므로 상기 범위로 유지되게 한다. 상기 부직포 적층체가 물분사 장치(1)와 벨트(2)를 통과하는 속도는 3 내지 5 m/min 범위가 되도록 조절하는 것이 충분한 하전을 위하여 바람직하다.
세 번째로, 부직포 적층체를 건조시키는 단계이다.
상기 단계에서 하전된 부직포 적층체는 건조되는데, 일례로는 도 3에 도시된 열풍 건조기(4)를 거치면서 건조된다. 상기 부직포 적층체는 60 내지 80 ℃에서 각 면당 1 내지 2 시간동안 충분히 건조시킨다.
네 번째로, 부직포 적층체를 다시 하전시키는 단계이다.
상기 단계에서 건조시킨 부직포 적층체는 다시 하전시키는데, 이를 위하여 코로나 방전을 수행한다. 상기 코로나 방전은 10 내지 100 kV의 인가전압으로 수행되며, 상기 코로나 방전에 의하여 부직포 적층체 전체적으로 전하 부여량이 증가되게 된다. 특히 강유전체 섬유로 구성된 나노 웹에 코로나 방전에 의하여 전하 부여가 극대화 된다. 따라서 먼지가 쌓이면서 정전기가 소실되어 포집효율이 떨어지는 문제점을 나노 웹 사용에 의하여 해결할 수 있다.
상기한 본 발명에 의하면, 멜트블로운 부직포와 강유전체 섬유로 이루어진 나노 웹을 적층하고, 물분사에 의한 하전과 코로나 방전에 의한 하전에 의하여 다량의 전하가 부여되어, 이로 제조된 에어필터의 경우 기존의 에어필터가 먼지가 쌓이면 먼지 포집효율이 떨어지던 것과는 달리, 정전기의 소실이 적어 먼지 포집효율이 감소되지 않고 유지되거나 향상되는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 실시예 1 내지 3에 의하여 제조된 부직포(적층체)의 먼지 포집효율을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 실시예 등에 의하여 구체적으로 설명하겠는 바, 다음 실시예 등에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 내지 3. 부직포 적층체의 제조
멜트블로운 법에 의하여 수지를 방사하여 제조된 섬유를 압출방사하여 멜트블로운 부직포를 제조하고, 강유전체 물질인 PMMA를 방사하여 제조된 섬유를 전기방사하여 나노 웹을 제조하였다.
상기 멜트블로운 부직포 제조시 사용된 수지는 열가소성 폴리프로필렌(㈜폴리미래, HP461X)이고, 힌더드 아민계 첨가제(Ciba-Geigy Corp., CHIMASSORB 944)((polys[[(6-(1,1,3,3-tetramethylbutyl)amino]-s-triazine-2,4-dityl][(2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidinyl)imino]-1,6-hexanediyl[(2,2,6,6-teramethyl-4-piperidinyl)imino]])을 사용된 수지의 무게비로 2%(w/w) 혼합하였다. 이때, 첨가제는 마스터 배치로 제조하여 사용하였다.
도 3에 제시된 구조를 가지는 장치에서 100 bar의 수압으로 물을 4 m/min 속도로 분사하여 웹을 결합시키고, 각 면당 70 ℃에서 1 시간동안 열풍건조기로 건조시켰다. 상기 건조시킨 부직포 적층체는 코로나 방전기를 사용하여 전압 30kV로 하전시켰다.
실시예 1은 멜트블로운 부직포 50g/㎡ 으로 구성되어 있고, 실시예 2는 멜트블로운 부직포 25g/㎡ 와 나노 웹 1g/㎡ 및 멜트블로운 부직포 25g/㎡으로 구성되어 있고, 실시예 3은 멜트블로운 부직포 25g/㎡ 와 멜트블로운 부직포 25g/㎡으로 구성되게 하였다.
실험예. 여과성능 평가
상기 실시예 1 내지 3에 의하여 제조된 부직포(적층체)를 적용한 필터 부재의 여과성능을 다음과 같은 방법으로 측정하여 다음 표 1 및 도 1에 나타내었다.
즉, NaCl입자 0.3㎛ 으로 5.3cm/초의 면속도로 시험하였다. 시험장비는 모델 TSI 8130 필터시험기를 사용하여 측정하였다. 상기 필터 부재 상태로 먼지 부하시험(Loading Test)을 실시하였다. 먼지(NaCl) 투입농도는 23mg/㎥이다.
시간(분) 포집효율(%)
실시예 1 실시예 2 실시예 3
1 99.988 99.991 99.991
2 99.987 99.991 99.990
3 99.985 99.992 99.989
4 99.983 99.991 99.988
5 99.981 99.991 99.986
6 99.978 99.992 99.984
7 99.975 99.991 99.982
8 99.972 99.992 99.980
9 99.970 99.992 99.980
10 99.969 99.992 99.981
11 99.968 99.992 99.981
12 99.969 99.993 99.982
13 99.970 99.992 99.983
14 99.971 99.993 99.985
15 99.973 99.993 99.986
16 99.975 99.994 99.987
17 99.977 99.995 99.988
18 99.980 99.995 99.990
19 99.981 99.996 99.992
20 99.982 99.997 99.993
21 99.983 99.998 99.994
22 99.985 100.00 99.996
시험조건: TSI 8130 필터시험기를 사용하여, DOP 입자 크기: 0.3 ㎛, 면속도: 5.3cm/sec, 차압: 8.0 ~ 9.0 mmAq의 조건으로 시험함.
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 멜트블로운 부직포에 코로나 방전으로 정전기를 부여한 실시예 1의 경우 먼지 포집효율 하락이 가장 크며, 나노웹 없이 멜트블로운 부직포를 2겹으로 하여 하이드로차징(hydrocharging) 한 실시예 3은 실시예 1 보다는 먼지 포집효율 하락이 적었다.
반면, 멜트블로운 부직포 사이에 나노 웹을 삽입하여 하이드로차징한 실시예 2는 먼지 포집효율 하락이 없이 계속 상승하는 결과를 나타냄을 확인할 수 있었다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
1 : 물분사 장치 2 : 벨트
3 : 흡입 장치 4 : 열풍건조기
5 : 코로나 방전기 6, 8, 10 : 멜트블로운 부직포
7, 12 : 나노 웹

Claims (8)

  1. 정전부직포를 제조하는 방법에 있어서,
    비전도 열가소성 섬유로 이루어진 멜트블로운 부직포와 나노 웹이 적층된 부직포 적층체를 제조하는 단계,
    상기 부직포 적층체가 100 내지 350 bar의 압력으로 분사되는 고압의 물을 3 내지 5 m/min 범위로 통과하도록 조절하여 부직포 적층체를 하전시키는 단계,
    상기 하전된 부직포 적층체를 건조시키는 단계 및,
    상기 건조된 부직포 적층체에 코로나 방전하여 하전시키는 단계
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전부직포의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 부직포 적층체는 멜트블로운 부직포와 나노 웹의 적층체, 또는 멜트블로운 부직포 층간에 나노 웹이 삽입된 적층체인 것을 특징으로 하는 정전부직포의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 비전도 열가소성 섬유로 이루어진 멜트블로운 부직포는 무게비 0.1 내지 10 중량% 범위의 힌더드 아민계열 또는 트리아진 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전부직포의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노 웹은 PMMA, PVDF, PVA 및 아크릴 중에서 하나 이상 선택된 강유전체 섬유로 이루어진 것을 특징으로 하는 정전부직포의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 멜트블로운 부직포의 중량은 5 내지 100g/㎡ 범위인 것을 특징으로 하는 정전부직포의 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노 웹의 중량은 0.1 내지 5g/㎡ 범위인 것을 특징으로 하는 정전부직포의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 코로나 방전은 10 내지 100 kV 의 사용전압으로 수행되는 것을 특징으로 하는 정전부직포의 제조방법.
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