KR101685644B1

KR101685644B1 - 고내열성 폴리이미드섬유를 이용한 부직포형 나노 맴브레인 주름 백필터 제조방법

Info

Publication number: KR101685644B1
Application number: KR1020150034006A
Authority: KR
Inventors: 박종욱; 정승환
Original assignee: 주식회사 케이지에프; 다이텍연구원; 동화 바이텍스 주식회사; (주)상아프론테크; 금오공과대학교 산학협력단
Priority date: 2015-03-11
Filing date: 2015-03-11
Publication date: 2016-12-12
Also published as: KR20160109501A

Abstract

본 발명은 고내열성 폴리이미드섬유를 이용한 부직포형 나노 맴브레인 주름 백필터 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폴리이미드 섬유들을 준비하는 섬유준비단계와, 상기 섬유준비단계를 통해 준비된 상기 폴리이미드 섬유들로 부직포를 형성시키는 부직포 형성단계와, 상기 부직포 형성단계를 거처 제조된 부직포에 주름을 형성시키는 백필터 부재를 형성시키는 주름형성단계와, 상기 주름형성단계를 거친 백필터 부재를 절단하여 백필터를 형성시키는 가공단계로 이루어져, 미세먼지를 99.9% 이상 제거하며, 고온(200 이상)에서 사용 가능한 내열 집진필터 여재로서, 내구성, 내산성을 갖게 된다. 내산성이 약한 poly-imide 섬유에 내산, 내열성(내산성) foam 가공을 함으로써 내구성을 갖도록 하고, 폴리이미드섬유들로 부직포를 형성하되 부직포를 형성하는 과정은 수류교락법을 적용하여 형성시키고 주름을 형성시킴으로서, 고내열성을 갖으며 고밀도, 경량화된 부직포를 형성시킬 수 있게 됨과 아울러 주름에 의해 필터효율이 향상되는 효과가 있다.

Description

고내열성 폴리이미드섬유를 이용한 부직포형 나노 맴브레인 주름 백필터 제조방법 { Development of non-woven type nano membrane cartridge bag filter using the high heat resistance polyimide fiber }

본 발명은 고내열성 폴리이미드섬유를 이용한 부직포형 나노 맴브레인 주름 백필터 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미세먼지를 99.9% 이상 제거하며, 고온(200 이상)에서 사용 가능한 내열 집진필터 여재로서, 내구성, 내산성을 갖게 된다. 내산성이 약한 poly-imide 섬유에 내산, 내열성(내산성) foam 가공을 함으로써 내구성을 갖도록 하고, 폴리이미드섬유들로 부직포를 형성하되 부직포를 형성하는 과정은 수류교락법을 적용하여 형성시키고 주름을 형성시킴으로서, 고내열성을 갖으며 고밀도, 경량화된 부직포를 형성시킬 수 있게 됨과 아울러 주름에 의해 필터효율이 향상되는 고내열성 폴리이미드섬유를 이용한 부직포형 나노 맴브레인 주름 백필터 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 대기오염방지시설로 사용되는 집진기의 종류는 전기집진기, 여과집진기, 원심력집진기, 세정집진기 등이 있다.

그 중 여과집진기는 집진필터를 이용하여 처리 가스에 포함된 분진을 제거하는 장치를 말한다. 여과집진기의 집진필터에 분진이 쌓이게 되면 공기저항이 증가하기 때문에 주기적으로 집진필터 표면에 쌓인 분진을 탈리시키는 과정이 필요하며, 이를 탈진이라 한다. 일반적으로 사용되는 여과집진기의 탈진방법으로는 압축공기를 순간적으로 분사하여 탈진하는 충격기류 탈진방식, 처리가스가 집진필터를 통과하는 방향의 역방향으로 공기를 불어넣어 주어 탈진하는 역세정기류 탈진방식, 그리고 집진필터를 직접 진동시키는 진동탈진방식이 있다.

상기한 집진기에 적용되는 집진필터는 전체적인 형상이 백(Bag)과 유사하여 통상 백 필터(bag filter)로 불리우고 있으며, 대한민국 특허공개 제10-2012-0127993호와 같이 개발되어지고 있다.

이러한, 종래 집진 필터는 수지거품을 이용한 코팅층의 형성으로 두께 및 중량이 증가하는 것을 방지하고, 제조의 어려움을 해결하기 위해 기저층으로서 단일 섬유층을 이용하고 섬유층의 일면에 기포층을 형성 한 후 상기 기포층에 수지 거품을 코팅하여 코팅층의 형성을 제안한다.

그러나, 백필터로 사용되고 있는 원재료는 현재 폴리에스테르가 주로 사용되고 있고, 이는 저온용에서만 사용 가능하며, 내산성등의 내화학성이 부족하다.

이를 대체하여 고온용 필터로 유리섬유, PPS, PTFE가 생산되고 있지만, 내산성, 내알카리성, 내마모성 특성 및 고가의 재료비 등의 문제점이 있다. 유리섬유는 내열성 및 기계적강도가 뛰어나지만 내마모성이 취약하다.

또한, PTFE 섬유는 기능성은 뛰어나나 원재료가 고가로서 양산화에 적합하지 않은 문제점이 있다.

전술한 발명은 본 발명이 속하는 기술 분야의 배경기술을 의미하며, 종래 기술을 의미하는 것은 아니다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 미세먼지를 99.9% 이상 제거하며, 고온(200 이상)에서 사용 가능한 내열 집진필터 여재로서, 내구성, 내산성을 갖게 된다. 내산성이 약한 poly-imide 섬유에 내산, 내열성(내산성) foam 가공을 함으로써 내구성을 갖도록 하고 폴리이미드섬유들로 부직포를 형성하되 부직포를 형성하는 과정은 수류교락법을 적용하여 형성시키고 주름을 형성시킴으로서, 고내열성을 갖으며 고밀도, 경량화된 부직포를 형성시킬 수 있게 됨과 아울러 주름에 의해 필터효율이 향상되는 고내열성 폴리이미드섬유를 이용한 부직포형 나노 맴브레인 주름 백필터 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 집진기에 사용되는 고내열성 폴리이미드섬유를 이용하여 필터를 제조하는 방법에 있어서,

폴리이미드 섬유들을 준비하는 섬유준비단계;

상기 섬유준비단계를 통해 준비된 상기 폴리이미드 섬유들로 부직포를 형성시키는 부직포 형성단계;

상기 부직포 형성단계를 거처 제조된 부직포에 주름을 형성시키는 백필터 부재를 형성시키는 주름형성단계; 및

상기 주름형성단계를 거친 백필터 부재를 절단하여 백필터를 형성시키는 가공단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 부직포 형성단계에서는 부직포는 침 대신에 고속 제트(jet)의 물을 이용하여 웹의 섬유를 서로 교락시키는 방법인 수류교락법에 의해 형성된 스펀레이스 부직포(hydro-entanglement)인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 주름형성단계에서는 긴돌기들을 갖는 하부금형에 상기 부직포를 배치한 상태에서 상기 돌기가 인입되도록 홈을 갖는 상부금형을 상기 하부금형을 가압하여 상기 부직포에 요철형태의 주름이 형성되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 상부금형과 상기 하부금형에는 히팅 장치가 더 설치되어 가열된 상부금형으로 부직포를 가압하면서 가열하여 주름을 형성시키고,

상기 하부금형에는 다수의 배출공을 형성하여 상부금형의 가압에 의해 부직포에서 배출되는 물이 이동되도록 하고, 다수의 송풍공을 마련하여 상기 송풍공을 통해 바람이 배출되도록 함으로서, 가압에 의해 압축된 부직포가 상기 하부금형에서 용이하게 분리되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 부직포형성단계에서는 상기 부직포를 발포성형하여 형성시킨 것을 특징으로 한다.

본 발명인 고내열성 폴리이미드섬유를 이용한 부직포형 나노 맴브레인 주름 백필터 제조방법은 미세먼지를 99.9% 이상 제거하며, 고온(200 이상)에서 사용 가능한 내열 집진필터 여재로서, 내구성, 내산성을 갖게 된다. 내산성이 약한 poly-imide 섬유에 내산, 내열성(내산성) foam 가공을 함으로써 내구성을 갖도록 하고 폴리이미드섬유들로 부직포를 형성하되 부직포를 형성하는 과정은 수류교락법을 적용하여 형성시키고 주름을 형성시킴으로서, 고내열성을 갖으며 고밀도, 경량화된 부직포를 형성시킬 수 있게 됨과 아울러 주름에 의해 필터효율이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고내열성 폴리이미드섬유를 이용한 부직포형 나노 맴브레인 주름 백필터 제조방법을 나타낸 순서도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 고내열성 폴리이미드섬유를 이용한 부직포형 나노 맴브레인 주름 백필터 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 고안에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

또한, 하기 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 단지 예시로 제시하는 것이며, 본 기술 사상을 통해 구현되는 다양한 실시예가 있을 수 있다.

도면에 도시된 바와 같이 본 발명인 고내열성 폴리이미드섬유를 이용한 부직포형 나노 맴브레인 주름 백필터 제조방법(이하 설명의 편의상 백필터 제조방법이라 명명함)은 폴리이미드 섬유들을 준비하는 섬유준비단계(S1)와, 상기 섬유준비단계를 통해 준비된 상기 폴리이미드 섬유들로 부직포를 형성시키는 부직포 형성단계(S2)를 거치게 된다.

이후, 상기 부직포 형성단계를 거처 제조된 부직포에 주름을 형성시키는 백필터부재를 형성시키는 주름형성단계(S3)와, 상기 주름형성단계를 거친 백필터부재를 일정한 길이 및 형상으로 절단하여 백필터를 형성시키는 가공단계(S4)를 거치면서 이루어진다.

이때, 상기 부직포 형성단계(S2)에서 형성되는 부직포는 침 대신에 고속 제트(jet)의 물을 이용하여 웹의 섬유를 서로 교락시키는 방법인 수류교락법에 의해 형성된 스펀레이스 부직포이다.

여기서, 상기 수류교락법은 스펀 레이스(spun lace)법이라고도 명명되며, 상기 수류교락법(스펀 레이스법)에 의해 제조된 부직포를 스펀레이스 부직포라 명명된다. 이러한, 스펀레이스부직포는 영어로 hydro-entanglement 라고 하며, 수류를 이용하여 서로 얽히게 만든 부직포이다. 즉, 제조공정은 상기 폴리이미드 섬유들을 투입하면서 이물질을 제거하고 일정방향으로 배열시키면서 웹(web)을 만들고 이 웹상태를 고압의 수류압을 부여하여 실 가닥들이 서로 랜덤하게 결합되도록 한 후 물기를 제거하고 감아 부직포를 완성시키게 된다.

바람직하게는, 고온(160~180)에서 지속적으로 사용가능한 고내열성의 특성을 지닌 Polyimide소재를 기반으로한 백필터를 제조하기 위하여 고내열 백 필터에 최적화된 폴리이미드 전구체 PAA 수지 원재료를 합성하고, 이 방사용액을 전기방사하여 최적 조건을 선정한 뒤, 백필터 용 나노 멤브레인을 형성시키기 위한 전단계로 반제품 제조를 위해 폴리이미드 섬유를 고압 수류 교락으로 고밀도 펠트를 제조하고, 기재 상층부에 PAA 전기방사하여 나노 멤브레인 층을 이룬후 고온에서 열처리 하여 가교 후 폴리이미드화를 시켜 부직포를 형성시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 주름형성단계(S3)에서는 긴돌기들을 갖는 하부금형에 상기 부직포를 배치한 상태에서 상기 돌기가 인입되도록 홈을 갖는 상부금형을 상기 하부금형을 가압하여 상기 부직포에 요철형태의 주름이 형성되도록 한다.

즉, 상부금형으로 부직포 및 상기 하부금형을 가압하여 부직포에 물결 또는 요철형상의 주름을 형성시킴으로, 금형에 의해 압축되어 밀도가 향상되어 필터효율이 향상됨과 아울러 같은 길이에서 평면인 부직포에 비해 주름진 부직포가 필터링 되는 면적이 넓어져 재차 필터링 효율이 향상된다.

여기서, 부직포의 기능성 부여(내열성&내화학성 증대)를 위한 최적 수지폼(foam)가공, 페놀수지 함침을 한 후, 카트리지용 최적 절곡 공정 조건 설계하여 최종 카트리지 백필터 제품을 제작하는 것이 바람직하다.

이는 미세먼지(1 이하 포함)를 99.9% 이상 제거하며, 고온(200 이상)에서 사용 가능한 내열 집진필터 여재로서, 내구성, 내산성을 갖게 된다. 내산성이 약한 poly-imide 섬유에 내산, 내열성(내산성) foam 가공을 함으로써 내구성을 갖는 부직포를 제조하는 것이 바람직하다.

이때, 부직포는 Dry-laid로 제조된 폴리 이미드 부직포 모듈에 고압의 워터펀칭하게 되고, 폴리 이미드의 전구체 물질인 폴리 아믹 엑시드(Polyamic acid)를 DMAc 상에서 합성한 용액 제조를 한다. 또한, PAA solution을 이용한 나노 전기방사화하여 멤브레인화하게 되고, 내열, 내산성 수지처리를 하여 고 기능성 및 절곡성 확보 기술개발 확보하여 이를 광폭 절곡기를 사용하여 카트리지화(주름 백) 하게 된다.

이때, 상기 상부금형에는 열선으로 이루어진 히터인 히팅 장치가 더 설치되어 가열된 상부금형으로 부직포를 가압하면서 가열하여 주름을 형성시키는 것이 바람직하다. 상기한 히팅장치는 하부금형에 적용하여 설치하는 것도 가능하며, 상부금형 및 하부금형에 각각 설치하는 것도 가능하다.

또한, 상기 하부금형에는 다수의 배출공을 형성하여 상부금형의 가압에 의해 부직포에서 배출되는 물이 이동되도록 하여 배출되도록 하는 것이 바람직하며, 다수의 송풍공을 마련하여 에어펌프를 통해 상기 송풍공으로 바람이 배출되도록 함으로서, 가압에 의해 압축된 부직포가 상기 하부금형에서 용이하게 분리되도록 하는 것도 가능하다.

여기서, 상기 부직포형성단계(S2)에서는 상기 부직포를 발포성형하여 형성시켜 경량화 시키는 것이 바람직하다.

즉, 발포형성은 수지폼발포의 구성으로 폴리이미드섬유들 또는 웹들을 발포하여 부직포를 형성시키게 되므로서, 고밀도로 제조되는 부직포를 경량화시킬 수 있게 된다.

S1 : 섬유준비단계
S2 : 부직포형성단계
S3 : 주름형성단계
S4 : 가공단계

Claims

집진기에 사용되는 고내열성 폴리이미드섬유를 이용하여 집진용 필터를 제조하는 방법에 있어서, 폴리이미드 섬유들을 준비하는 섬유준비단계와, 상기 섬유준비단계를 통해 준비된 상기 폴리이미드 섬유들로 부직포를 형성시키는 부직포 형성단계와, 상기 부직포 형성단계를 거처 제조된 부직포에 주름을 형성시키는 백필터 부재를 형성시키는 주름형성단계와, 상기 주름형성단계를 거친 백필터 부재를 절단하여 백필터를 형성시키는 가공단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 고내열성 폴리이미드섬유를 이용한 부직포형 나노 맴브레인 주름 백필터 제조방법에 있어서,
상기 부직포 형성단계에서는 부직포는 침 대신에 고속 제트(jet)의 물을 이용하여 웹의 섬유를 서로 교락시키는 방법인 수류교락법에 의해 형성된 스펀레이스 부직포(hydro-entanglement)이며, 상기 부직포는 폴리이미드 섬유를 고압 수류 교락으로 고밀도 펠트를 제조하고, 기재 상층부에 전기방사하여 나노 멤브레인 층을 이룬 후 고온에서 열처리 하여 가교 후 폴리이미드화를 시켜 형성시키게 되고, 상기 주름형성단계에서는 긴돌기들을 갖는 하부금형에 상기 부직포를 배치한 상태에서 상기 돌기가 인입되도록 홈을 갖는 상부금형을 상기 하부금형을 가압하여 상기 부직포에 요철형태의 주름이 형성되도록 하고, 상기 상부금형과 상기 하부금형에는 히팅 장치가 더 설치되어 가열된 상부금형으로 부직포를 가압하면서 가열하여 주름을 형성시키고, 상기 상부금형으로 부직포 및 상기 하부금형을 가압하여 부직포에 물결 또는 요철형상의 주름을 형성시킴으로, 금형에 의해 압축되어 밀도가 향상되어 필터효율이 향상됨과 아울러 같은 길이에서 평면인 부직포에 비해 주름진 부직포가 필터링 되는 면적이 넓어져 재차 필터링 효율을 향상시키며, 상기 부직포는 기능성(내열성&내화학성 증대)이 부여되도록 수지폼(foam)가공 및 페놀수지 함침을 하고, 상기 하부금형에는 다수의 배출공을 형성하여 상부금형의 가압에 의해 부직포에서 배출되는 물이 이동되도록 하고, 다수의 송풍공을 마련하여 상기 송풍공을 통해 바람이 배출되도록 함으로서, 가압에 의해 압축된 부직포가 상기 하부금형에서 용이하게 분리되도록 하며, 상기 부직포형성단계에서는 폴리이미드섬유들 또는 웹들을 발포하여 부직포를 형성시키게 되므로서, 고밀도로 제조되는 부직포를 경량화시킬 수 있도록 상기 부직포를 발포성형하여 형성시킨 것을 특징으로 하는 고내열성 폴리이미드섬유를 이용한 부직포형 나노 멤브레인 주름 백필터 제조방법.
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