KR101557195B1 - 다공성 물질을 이용한 기체 필터 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다공성 물질을 이용한 기체 필터에 관한 것으로, 접착제 대신에 저융점의 섬유물질을 사용하여 기체 필터를 제조하되, 특정한 형태의 기포지를 사용하지 않아도 다공성 물질이 안정적으로 내재되는 기체필터를 제조함으로써, 종래의 다공성 물질을 접착제를 사용하여 합지하는 방식의 문제점인 다공성 물질의 기공을 막는 것을 극복함과 아울러, 특정 복합원사를 사용하지 않아도 되어 원가적 측면의 효율과 공정효율을 달성할 수 있는 기체필터의 제조방법 및 그에 따른 기체 필터에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은, ⅰ) 다공성 물질과 저융점 섬유를 혼합하여 혼합물을 만드는 단계; ⅱ) 상기 혼합물을 제 1 기포지 위로 스캐터링하는 단계; ⅲ) 상기 혼합물이 스캐터링된 제 1 기포지 위로 제 2 기포지를 합지하는 단계; ⅳ) 합지된 제 1 기포지와 제 2 기포지를 열융착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 필터의 제조방법이다.

Description

다공성 물질을 이용한 기체 필터 및 그 제조방법{Gaseous filter using porous material and the method thereof}

본 발명은 다공성 물질을 이용한 기체 필터에 관한 것으로, 접착제 대신에 저융점의 섬유물질을 사용하여 기체 필터를 제조하되, 특정한 형태의 기포지를 사용하지 않아도 다공성 물질이 안정적으로 내재되는 기체필터를 제조함으로써, 종래의 다공성 물질을 접착제를 사용하여 합지하는 방식의 문제점인 다공성 물질의 기공을 막는 것을 극복함과 아울러, 특정 복합원사를 사용하지 않아도 되어 원가적 측면의 효율과 공정효율을 달성할 수 있는 기체필터의 제조방법 및 그에 따른 기체 필터에 관한 것이다.

각종 산업현장에서는 분진을 포함하는 배출가스가 발생하게 되고 그러한 배출가스 중에 포함된 분진 등은 집진장치를 거치면서 배출가스 허용기준치에 부합하는 정도로 분진이 제거된 상태의 기체만이 대기중으로 배출되어 진다. 여과에 의해 공기를 청정화하기 위해 사용되는 것이 기체 필터이며 기체 필터는 미세분진을 제거하기 위해 사용되는 여과 집진 장치에 사용되어 공기 중의 분진을 흡착 또는 부착시키는 역할을 한다. 이러한 기체필터는 그 용도 분야가 매우 넓다. 자동차 엔진용 또는 공조용 기체필터는 공기에 섞여있는 먼지 등의 분진을 걸러주어 엔진 효율이나 청정 효율을 증진시기기 위하여 채용되고, 그외, 발전서 가스터빈 필터, 반도체 에어 필터, 가정용 공기청정기용 필터 등 산업의 발달과 생활위생 인식 수준의 제고에 부응하여 기체 필터의 용도 및 시장이 증가하고 있다.

이와 같은 기체필터는 부직포가 많이 사용되어 왔는데, 초기의 단순한 구조에서부터 출발하여 그 층 구조, 결합방법, 소재면에서 꾸준히 다양화되고 기술이 발전되고 있다. 멜트브라운, 스펀 본딩, 니들 펀칭과 같이 전통적인 부직포 제조 공정을 통해 얻어진 수십 내지 수백 마이크로미터 크기의 섬유상으로 이루어진 부직포의 경우 높은 통기도를 지니고 있어 집진효율은 낮지만 공기 흐름에 대한 저항도가 낮기 때문에 차압에 의한 압력손실을 최소화할 수 있다. 한편, 분진 제거뿐만 아니라, 유해물질의 흡착 등을 위해 다공성 물질(공극을 포함하는 물질)을 포함하는 형태의 것들이 발전되어 왔다. IUPAC 정의에 따라 공극은 다음과 같이 분류된다. 미세공극은 2 nm미만이며, 중간공극은 직경이 2 내지 50 nm, 대공극은 직경이 50 nm초과이다. 이러한 공극을 가지는 다공성 물질이 사용되는 경우 열전도가 낮아 단열재로 사용되거나, 음 소거능이 있어 음향 흡수재료로도 사용될 수 있지만, 높은 다공도와 비표면적으로 인해 유해기체들의 흡수 재료로도 유용하다.

다공성 물질의 예로는 활성탄, 에어로겔 등을 들 수 있으며, 에어로겔이 대표적이다. 한편, 다공성 물질이 섬유웹에 적층되거나 결합되는 방식에 있어서 몇가지 방식이 사용되고 있다. 다공성 물질을 함유하는 시트 형태는 섬유 또는 섬유웹에 졸 상태의 에어로겔 전구체 용액을 함침하고 겔화반응을 섬유웹 내부에서 진행하여 습윤겔을 제조한 후 초임계 건조를 통하여 에어로겔-섬유 복합체를 제조하는 방법이 있다. 이러한 방법은 겔화 및 초임계 건조 등 에어로겔 제조에서 요구되는 공정이 섬유/섬유웹상에서 행하여지므로 공정상 많은 어려움이 따르며 생산원가가 크게 상승하는 단점이 있다. 예컨대, 초임계 장비는 간단한 것도 100 기압의 고압을 사용하며, 생산성을 높이기 위해 크기를 키우는 경우 공정 설비가격은 현저히 상승한다. 그외에도 섬유속에 함침되어 있는 습윤겔의 건조에도 많은 시간이 소요된다.

이를 극복하기 위해 건식방식도 도입되었다. 기포지로 사용하는 섬유웹상에 그 위로 다공성 물질과 열가소성 수지를 바인더(접착제)로 사용하여 다공성물질-고분자 복합체를 형성하는 방식이나, 또는 섬유웹 자체가 바인더 기능을 할 수 있도록 섬유웹 자체가 낮은 융점 영역과 높은 융점 영역을 갖는 이성분계 섬유를 사용하여 다공성 물질을 그 사이에 합지하는 방식이 있다.

복합체를 형성하는 방식에서는 대개가 열가소성 수지가 바인더로 사용되기 때문에 다공성 물질의 융착 시 열가소성 바인더에 의해 나노기공성이 막히게 되어 다공성 물질을 사용하는 의미를 잃게 되는 문제가 있는데, 비표면적이 높은 다공성 물질의 특성상 그 정도가 상당히 심각해진다. 특히 액상바인더의 형태를 사용하게 되는 경우라면 비표면적이 높은 다공성 물질이 바인더를 많이 흡수하므로 다공성 물질의 충진율을 높이기 어려운 문제가 있다.

이성분계 섬유를 사용하는 형태는 저융점 영역과 고융점 영역을 지니고 있는 복합섬유의 형태이다. 복합섬유는 두 종류 이상의 다른 고분자 재료를 동일 방사구로부터 압축하여 제조되는데 단면은 두 성분이 2층으로 나뉘어 접합된 구조를 보인다. 복합섬유의 대표적 형태가 사이드-바이-사이드 형태, 시스-코어 형태 등이 있다. 복합섬유로 만든 섬유웹상에 다공성 물질을 적층하고 그 위로 다시 복합섬유의 섬유웹을 적층하고 이를 열 압착하는 방식을 사용한다. 이 방식의 경우 기포지 제작시의 원가상승이 매우 크며, 복합섬유의 섬유웹의 제조공정 또한 복잡하여 문제점이 많다.

본 발명은 기본적으로 건식방식을 채택하되, 종래의 건식방식의 문제점을 해결함으로써 이를 완성하였다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 다공성 물질의 기공성이 유지되고, 다공성 물질이 견고하게 안착될 수 있도록 하며, 다공성 물질이 충분한 양으로 충진될 수 있으며, 제조공정의 단순화 및 효율성이 증대된 기체 필터를 제조하는 방법 및 그에 따른 기체 필터를 제공하고자 한다.

이를 위한 본 발명은, ⅰ) 다공성 물질과 저융점 섬유를 혼합하여 혼합물을 만드는 단계; ⅱ) 상기 혼합물을 제 1 기포지 위로 스캐터링하는 단계; ⅲ) 상기 혼합물이 스캐터링된 제 1 기포지 위로 제 2 기포지를 합지하는 단계; ⅳ) 합지된 제 1 기포지와 제 2 기포지를 열융착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 필터의 제조방법이다.

상기 저융점 섬유는 1 내지 4 mm로 절단되어진 것을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 다공성 물질은 활성탄, 크세로겔 및 에어로겔로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하고, 상기 혼합물은 다공성 물질 100 중량부에 대하여 저융점 섬유 30 내지 60 중량부인 것이 바람직하다.

상기 기포지는 직포가 사용될 수도 있고 부직포가 사용될 수도 있으며, 제 1 기포지와 제 2 기포지는 서로 동종을 사용하거나 이종인 형태를 사용할 수도 있다. 바람직하게는 상기 제 1 기포지와 제 2 기포지는 동종의 기포지이며, 상기 저융점 섬유는 기포지와 동종의 단섬유 형태의 저융점 섬유인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기한 방법에 의해 제조되는 기체 필터이다.

본 발명은 절단된 형태의 저융점 섬유를 사용하고 종래의 바인더로 사용되는 열가소성 수지를 사용하지 않아, 접착시 열가소성 수지가 다공성 물질의 기공 내로 들어가 기공성이 저하되는 것을 막을 수 있고, 또한 다공성 물질의 높은 표면적으로 인해 열가소성 수지를 사용한 경우의 다공성 물질의 충진율을 높일 수 없는 문제를 해결하였다. 또한, 종래의 복합섬유의 형태를 사용하는 경우의 복잡성과 경제적 효율성의 문제도 발생시키지 않으면서도 공정의 효율성을 충분히 달성하는 효과를 가지고 있다. 또한 다양한 기포지의 사용이 가능하므로, 보다 다양한 목적의 필터에 적용이 가능하다.

도 1은 기포지위로 다공성 물질과 저융점 섬유가 스캐터링 되는 개념을 설명한 것이며,
도 2는 본 발명의 전반적인 제조공정을 개념적으로 나타낸 것이다.

본 발명에서는 기체필터에 관한 것으로, 기본적인 분진 제거뿐만 아니라, 유해물질의 흡착 등을 위해 다공성 물질을 포함하는 형태의 것이다. 다공성 물질을 포함하는 형태의 것은 높은 다공도와 비표면적으로 인해 유해기체들의 흡수에 매우 유용할 뿐만 아니라, 공극을 가지는 다공성 물질로 인해 열전도도가 낮아 단열효과가 있을 뿐만 아니라, 음 소거능도 뛰어나기 때문에 기체 필터로의 사용시 다양한 장점이 있다.

도 1은 기포지위로 다공성 물질과 저융점 섬유가 스캐터링 되는 개념을 설명한 것이다. 본 발명에서는 다공성 물질과 저융점 섬유를 잘 섞어서 혼합하고 이를 기포지위로 균일하게 뿌려준다. 이러한 뿌려주는 행위를 스캐터링이라 한다. 다공성 물질은 활성탄의 형태이거나 크세로겔 내지 에어로겔의 형태일 수 있으며, 크세로겔이나 에어로겔은 건조겔의 형태를 사용한다. 크세로겔은 전형적으로 주위 압력 조건하에서 증발, 건조 단계를 이용하여 형성되며 일반적으로 모놀리식 내부 구조를 가지며 이는 60 내지 90%의 기공율을 갖는 저밀도 포말과 유사하다. 에어로겔은 초임계 건조와 같은 방법을 사용하여 생성될 수 있는데, 건조 단계 동안 크세로겔 만큼 수축하지는 않고 이에 따라 더 낮은 밀도(더 높은 기공율)을 갖는 경향이 있다. 본 발명에서는 물리적 특성과 흡착성을 고려하여 탄소질의 크세로겔 또는 탄소질의 에어로겔도 바람직하다. 방향족 알코올과 알테히드의 수성 중축합에 의해 크세로겔을 수득할 수 있으며, 이러한 방법 등은 공지사항으로 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다. 즉, 상기 언급한 다공성 물질은 제품으로 공급되어진다. 보다 바람직하게는 크세로겔이 사용되는 경우, 크세로겔은 중간 공극의 형태의 비중을 높이기 용이하기 때문에 본 발명에서 더욱 효과적일 수 있다. 다공성 물질은 이에 한정되지 않고, 당업자의 입장에서 채택가능한 다양한 것들이 될 수 있을 것이다.

저융점 섬유는 복합사 형태로 공급되는 것들과, 일반 섬유형태를 방사할 때 여러 물질을 조합하여 단섬유화하여 융점을 낮추는 형태의 것들이 존재한다. 복합사 형태의 것은 일반 수지를 코어(core)로 저융점 수지를 시이쓰(Sheath)로 하여 복합방사하는 방식이나, 점도나 성분이 다른 두 방사원액을 복합방사하여 사이드 바이 사이(side by side) 형태로 하거나, 매트릭스화 (matrix-fibril)하는 형태들이 있다. 복합사 형태의 것들을 직조하거나 부직조하여 섬유웹을 만드는 것이 아니라 이들을 절단하여 저융점 섬유형태로 사용할 수 있다. 그리고 여러 가지 단섬유 형태의 것들이 있다. 예를 들면 폴리프로필렌 단섬유의 제조는 통상의 폴리프로필렌 수지에 염화비닐을 적절히 혼합하여 섬유를 만드는 경우 통상적인 프로필렌의 용융점인 160 ℃ 이상이나, 염화비닐과의 혼합을 통해 100 ℃ 이하로 낮출 수 있다. 폴리에스테르계의 경우, 테레프탈산, 이소프탈산을 산성분으로 하고, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜을 디올 성분으로 중합되고 중합도를 낮추면 저융점의 폴리에스테르계 단섬유을 만들 수 있다. 이러한 저융점 섬유는 제품으로 공급되어지고 있다. 본 발명에서 저융점 섬유의 융점은 당연히 기포지의 연화점보다는 낮아야 한다.

저융점 섬유는 머리카락과 같은 두께의 섬유로 제공되고, 이를 길이 1 내지 4 mm정도로 절단하여 사용하는 것이 바람직하다. 저융점 섬유는 다공성 물질과 고정하고, 또한 기포지와의 합체를 이루기 위한 것으로 다공성 물질과 기포지를 접착시키는 기능을 하기 때문에 너무 작은 경우 이를 달성하기 어렵고 또한 너무 크면 장애물로 작용할 수 있다. 더욱 바람직하게는 2 내지 3 mm정도이며, 이 경우 더욱 특성이 좋아진다. 저융점 섬유와 다공성 물질은 잘 섞어서 혼합물의 형태를 만든다. 혼합이 잘 이루어져야 균일도가 보장되므로 혼합기에서 충분히 혼련한 후에 호퍼를 사용해 기포지에 스캐터링 한다. 도 1에서 보는 바와 같이 기포지(10)위로 호퍼(20)를 통해 혼합물을 뿌려준다. 원형태의 것은 다공성 물질을 표현한 것이며, 삼각형 형태의 것은 저융점 섬유를 표현한 것이다.

도 2는 본 발명의 전반적인 제조공정을 개념적으로 나타낸 것이다. 제 1 기포지(11)는 제 1 권취롤(30)에 감겨져 있고 이를 통해 공급된다. 호퍼(20)에는 다공성 물질과 저융점 섬유가 혼합된 혼합물이 담겨져 있고, 이동하는 제 1 기포지(11)위로 일정하게 스캐터링하게 된다. 제 2 권취롤(40)에는 제 2 기포지(12)가 감겨져 있고, 혼합물의 스캐터링 후에 그 위로 합지된다. 합지된 후에는 열융착 롤러(50)에 의해 열공급과 압착이 이루어진다. 저융점 섬유의 융점 이상으로 열을 가하고 압착하여 기포지들을 합체시킨다. 기포지들 사이에는 다공성 물질이 균일하게 안착되어 존재하게 된다. 이러한 과정을 정리하면 ⅰ) 다공성 물질과 저융점 섬유를 혼합하여 혼합물을 만드는 단계; ⅱ) 상기 혼합물을 제 1 기포지 위로 스캐터링하는 단계; ⅲ) 상기 혼합물이 스캐터링된 제 1 기포지 위로 제 2 기포지를 합지하는 단계; ⅳ) 합지된 제 1 기포지와 제 2 기포지를 열융착하는 단계; 로 표현될 수 있을 것이다.

한편, 다공성 물질과 저융점 섬유의 혼합비율은 기체필터의 용도, 두께 등에 따라 변할 수 있다. 부착력과 기공성 등을 고려한 경우, 다공성 물질 100 중량부에 저융점 섬유 30 내지 60 중량부의 비율로 혼합하는 것이 바람직하다. 저융점 섬유가 너무 적은 경우 저융점 섬유가 발휘하는 부착력이 부족할 수 있고, 너무 많은 경우 다공성 물질의 기능성을 발휘하기 어려울 수 있다. 바람직한 비율의 경우, 대략적으로 다공성 물질과 저융점 섬유가 7 : 3의 w%정도이며 이는 다공성 물질 100 중량부 기준으로 저융점 섬유 43 중량부 정도의 비율이다.

본 발명에서는 기포지로서 매우 다양한 형태가 사용가능하다는 장점이 있다. 일반적으로 다공성 물질의 함침한 형태는 부직포의 형태가 사용되고 있다. 일반적인 형태의 부직포이거나, 융점이 다른 섬유가 섞여 있는 부직포의 형태가 사용되는데, 본 발명에서는 부직포는 물론 직포 형태의 것도 가능하다. 또한, 제 1기포지와 제 2 기포지가 다른 종류가 사용될 수도 있다. 그리고 저융점 섬유는 제 1기포지나, 제 2기포지와 유사종류의 물질로 이루어진 단섬유 형태의 것을 사용하는 것이 부착력을 더욱 높이는데 용이하다. 더욱 바람직하게는 제 1기포지와 제 2 기포지가 동종의 형태이고, 저융점 섬유도 기포지와 융점이 다른 동종의 물질로 만들어진 것이 부착력의 측면에서 좋다.

그리고 본 발명은 상기 방법에 의한 기체 필터를 제공한다. 상기 방법에 의해 제조된 기체필터의 다양한 변형이 가능하며, 추가적인 시트의 부착 내지 추가적인 기능성 부가가 가능할 것이다. 본 발명의 기체 필터의 경우, 대형 공조기에 사용되거나 공장의 집진 설비에 사용되는 형태가 보다 바람직하다.

한편, 본 발명의 구체적 범위는 상기 기술한 실시형태보다는 특허청구범위에 의하여 한정지어지며, 특허청구 범위의 의미와 범위 및 그 등가적 개념으로 도출되는 모든 변경 및 변형된 형태를 본 발명의 범위로 포함하여 해석하여야 한다.

10 : 기포지
11 : 제 1 기포지
12 : 제 2 기포지
20 : 호퍼
30, 40 : 각각 제 1 권취롤, 제 2 권취롤
50 : 열융착 롤러

Claims (7)

1. ⅰ) 크세로겔 및 에어로겔로 이루어진 군으로부터 일 이상 선택되는 다공성 물질과 저융점 섬유를 혼련기를 사용하여 혼합하여 혼합물을 만드는 단계;
   ⅱ) 상기 혼합물을 호퍼를 통하여 제 1 기포지 위로 균일하게 스캐터링하는 단계;
   ⅲ) 상기 혼합물이 스캐터링된 제 1 기포지 위로 제 2 기포지를 합지하는 단계;
   ⅳ) 합지된 제 1 기포지와 제 2 기포지를 열융착하는 단계;를 포함하되,
   상기 제 1 기포지와 제 2 기포지는 동종의 기포지이며, 상기 저융점 섬유는 기포지와 동종의 단섬유 형태의 저융점 섬유인 것을 특징으로 하는 기체필터의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 저융점 섬유는 1 내지 4 mm로 절단되어진 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 기체필터의 제조방법.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 혼합물은 다공성 물질 100 중량부에 대하여 저융점 섬유 30 내지 60 중량부인 것을 특징으로 하는 기체필터의 제조방법.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1항, 제2항 및 제4항 중의 방법 중에서 하나 선택되는 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 기체필터.
   

Images