KR101732368B1 - 주름성형이 가능한 부직포 여과재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유해분진을 제거하는데 사용되는 주름 백필터용 부직포 필터 재료에 관한 관한 것이다.
본 발명의 부직포 여과재는 0.7 ∼ 0.8 데니어의 폴리에스테르로 이루어진 표면층과 직물기포(scrim)로 이루어진 중간층과 1.0 ∼ 1.4 데니어의 폴리에스테르로 이루어진 이면층이 니들펀칭에 의해 일체화되되, 일체화된 부직포의 질량 345 ∼ 390g/㎡ 중에 에폭시와 아크릴이 1:1의 중량비로 혼합된 수지가 25 ∼ 40g/㎡ 함유되어 주름성형이 가능하다.
본 발명에 따른 주름성형이 가능한 부직포 여과재는, 수지 가공처리에 의해서 부직포 내부에 고착상태로 함유된 수지 입자 중에서 아크릴 입자에 의해 경도가 증가되어 부직포의 꺽임(접힘) 가공이 원활해지게 되는 한편으로, 또 다른 수지인 에폭시에 의해서 부직포 자체에 반발탄성이 부여되어 펄싱에 대한 자기형태 유지성이 강화됨으로써 우수한 여과 성능을 발휘하는 백필터 제조용 부직포로 활용될 수 있다.

Description

주름성형이 가능한 부직포 여과재{PLEATABLE NONWOVEN FABRIC FOR FILTER MEDIA}
본 발명은 배출가스 중의 유해 분진을 제거하는데 사용되는 백 필터용 부직포 필터 재료에 관한 것으로, 특히 직포를 중심으로 폴리에스테르 표면층과 이면층의 3중층이 니들 펀칭에 의해 일체화된 부직포에 수지 가공을 행하여 주름성형이 가능하도록 한 부직포 여과재에 관한 것이다.
일반적으로 조업공정 중에 가열이나 연소과정을 포함하는 각종 산업현장에서는 분진을 포함하는 배출가스가 발생하게 되고, 그러한 배출가스 중에 포함된 분진은 집진장치를 거치면서 배출가스 허용기준치에 부합하는 정도로 분진이 제거된 상태의 기체만이 대기중으로 배출되어 진다.
이와 같은 배출가스 중에 포함된 분진을 집진 또는 제거하기 위한 집진설비로는 백 필터가 광범위하게 사용되고 있으며, 백 필터에서의 필터링 효율은 필터의 총 표면적과 연관성을 갖는다. 일반적으로 표면적이 증가하면 여과재를 통과하는 가스 및 입자의 속도가 감속되며, 이로 인해 바람직하지 못한 입자가 여과재를 통과할 확율이 감소된다. 또한 높은 표면적은 입자가 역류를 견디면서 여과재 내에 박혀버리는 가능성을 감소시킬 수 있어서 필터의 수명을 증가시키기 때문에 백 필터의 표면적을 증가시키는 방법이 모색된다.
여과재의 표면적 증대 방안으로는 자동차용 필터로 사용되는 종이 재질의 주름 필터에서와 같이 여과재에 주름을 형성하여 표면적을 확대시키는 것이 일차적으로 대두된다. 주름 형성된 백은 주름이 없는 백에 비해 표면적을 2배 내지 3배 정도 증가시킬 수 있기 때문에 백의 크기 내지는 갯수의 감소에 따른 집진 장치 자체의 크기를 줄일 수 있는 이점이 있다.
평탄한 표면의 원통형 필터 백에 비해 상기의 장점을 갖는 주름 백의 형성을 위해서는 여과재 자체가 주름형성이 가능한 (pleatable) 특성을 구비하여야 함과 아울러 주름 형성 후 주름 백의 사용시에 분진의 제거를 위해서 주기적으로 가해지는 높은 송풍압의 펄스 젯(pulse jet)을 견디면서 원래의 주름 형상을 지속적으로 유지하여야 할 것이 요구된다.
한편, 상기 백 필터용 여과재의 한 예로는 직포를 중심으로 그 표면과 이면에 폴리에스테르 부직포층을 형성해서 니들 펀칭에 의해 일체화한 3중층 구조의 부직포가 알려져 있다. 이와 같은 3중층 구조의 부직포 여과재는 상기 종이 재질의 차량용 주름 필터 재료에 비해서 상당히 두께가 두껍고(약 1mm 정도의 두께) 부드러운 특성을 지니고 있어서 근본적으로 주름 가공이 거의 불가능하며, 설사 주름이 형성된 경우라도 원래의 평평한 상태로 복귀하려는 경향이 크기 때문에 주름백용 부직포 필터재로의 적용에는 상당한 어려움이 있는 실정이다.
상기 부직포 여과재의 주름성형에 대한 어려움을 극복하기 위한 종래 기술로서, 공개특허 제10-2013-0109153호에는 부직포 펠트 페브릭 여과재의 주름 형성을 위한 방편으로 낮은 융점의 단섬유와 상대적으로 높은 융점의 단섬유가 혼합된 층 또는 이들 두 섬유층이 형성되도록 한 후 낮은 융점의 단섬유가 용융되도로 가열하여 고융점의 단섬유와 엉킨 상태로 냉각 및 고형화되도록 함으로써 주름가공에 적합한 경도가 제공되도록 한 기술이 개시되고 있다.
그리고, 공개특허 제10-2011-0094014호에는 주름형성이 불가능한 것으로 알려지 E-PTFE막으로 덮힌 PTFE펠트의 주름 성형을 위해 주름성형이 가능한 금속 스크림 상에서 PTFE 섬유가 펠트처리되도록 한 기술이 개시되고 있으며, 등록특허 제10-1325077호에는 부직포 여과재의 주름형상 절곡부를 따라 보강포를 덧대어 재봉함으로써 주름 형상이 유지되도록 한 필터가 알려져 있다.
그러나, 이들 종래의 주름 형성 기술들은 주름 성형 그 자체에만 치중하고 있음에 따라 적용 용도에 따른 여과특성에 부합되는 필터의 제작이 용이하지 않을 뿐 아니라, 사용 중에 행해지는 펄싱(pulsing)에 따라 주름 형상이 차츰 변형 또는 소실되어 주름 필터 특유의 장점을 기대할 수 없게 되는 문제점이 지적되고 있어서 이에 대한 보완이나 개선이 요망되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기 종래의 부직포 여과재의 주름 성형에 따른 제반 문제점을 감안하여 창안된 것으로, 직물 기포를 중심으로 폴리에스테르로 이루어진 표면층과 이면층의 3중층으로 구성되되 니들 펀칭 후의 수지 가공에 의해 여과재 내에 주름 성형성과 형태유지성을 부여하는 수지가 함유되도록 한 주름성형이 가능한 부직포 여과재를 제공함에 발명의 목적을 두고 있다.
본 발명의 상기 기술적 목적은, 0.7 ∼ 0.8 데니어의 폴리에스테르로 이루어진 표면층과 1000 데니어의 필라멘트로 이루어진 직물기포(scrim)의 중간층과 1.0 ∼ 1.4 데니어의 폴리에스테르로 이루어진 이면층이 니들펀칭에 의해 3중층으로 일체화되되, 부직포 여과재의 질량 345 ∼ 390g/㎡ 중에 에폭시와 아크릴이 1:1의 중량비로 혼합된 수지가 25 ∼ 40g/㎡ 함유된 주름성형이 가능한 부직포 여과재에 의해서 달성된다.
상기 본 발명의 부직포 여과재에서 표면층을 이루는 0.7 ∼ 0.8 데니어의 폴리에스테르는 세사 내지는 극세사로 이루어짐에 따라 표면층의 공극이 미세하면서도 전체 영역에서 균일한 통기도를 나타내어 분진을 포함하는 배출가스와의 직접 접촉과정에서 미세 또는 초미세 분진이 표면층을 통과하여 그 내부로 진입하는 것을 차단해서 표면층의 외면에서 미세 분진의 충분한 여과가 이루어지게 된다.
상기 중간층을 이루는 직물 기포는 폴리에스테르 필라멘트 얀을 기계로 꼬아서 변형시킨 상태의 변형사로 세팅하여 직조한 것으로, 상기 직물 기포는 4 ∼5 데니어 180 ∼ 250본을 로빙하여 얻어진 1000 데니어의 무지를 트위스트 공법으로 연사한 평직 형태이다. 상기 무지 중간층은 주름가공된 주름백의 형태안정성을 향상시키는 역할을 하게 된다.
다음, 이면층은 상기 표면층에 비해 상대적으로 굵은 굵기의 폴리에스테르 섬유로 이루어지는바, 상술한 바와 같이 배출가스 중의 분진은 대부분이 표면층에서 여과되기 때문에 이면층은 상대적으로 굵은 섬유로 구성되더라도 여과성능의 저하를 초래하지 않게 된다.
상기 표면층과 이면층의 중량비는 60 ∼ 70 : 30 ∼ 40가 바람직한바, 이와 같은 비율은 부직포의 여과효율을 감안하고 제조과정에서의 생산성 및 원재료의 단가 차이에 따른 제조비용을 종합적으로 고려하여 얻어진 비율이다.
이와 같은 본 발명의 주름성형이 가능한 부직포 여과재는 직물 기포를 중심으로 양 외면에 표면층과 이면층이 위치하여 니들펀칭을 통한 결속에 의해서 일체화된 구조를 취하게 된다. 상기 표면층 및 이면층에 대한 기포의 상대적인 함량은 본 발명의 부직포로 제작된 상온용 주름백의 사용환경에서 요구되는 필터의 강도수준에 따라 적정한 범위 내에서 정해지게 된다.
본 발명의 주름성형이 가능한 주름백용 부직포 여과재는 니들펀칭(needle punching) 방식에 의해서 각 층간의 결속이 이루어져서 일체화된 3중층의 부직포로 제조된다.
싱기 니들 펀칭에 의해서 일체화된 부직포 여과재는 이후에 아크릴과 에폭시가 1:1의 중량비로 혼합된 수지 수용액이 담긴 수조 내에 딥핑된 후 압착 롤을 거쳐 건조가 이루어지는 이른바 수지 가공이 행해지게 된다.
상기 수지 가공에 의해 부직포 여과재에 최종적으로 함유되는 수지의 양은 25 ∼ 40g/㎡ 이 바람직하고, 이때의 상기 수지를 포함한 부직포의 전체 질량은 345 ∼ 390g/㎡ 의 범위를 유지하게 된다.
상기 수지 가공에 사용되는 아크릴-에폭시 수지에서 아크릴은 내후성 및 내약품성을 비롯한 화학적 저항성이 높은 물질로서, 특히 Tg(유리전이온도) 이하에서 딱딱한(brittle) 특성을 나타냄에 따라 부직포 여과재의 주름 형성, 즉 꺽임 가공이 가능하도록 경도를 높이는 역할을 하게 된다.
그리고, 에폭시는 물과의 친화력이 높은 물질로서 에멀젼 상태에서 0.1 ∼ 10㎛의 입자 크기로 존재하며 습기가 있는 표면에 대해 높은 부착강도를 나타냄(excellent adhesion strength to damp surface)과 아울러 높은 반발 탄성을 지니고 있음에 따라, 일차적으로 부직포 여과재의 주름 성형 후 자기형태 유지가 지속되도록 하는 역할을 하게 된다. 다시 말하면, 주름 백의 사용 중에 부착된 분진의 제거를 위해 주기적으로 행해지는 펄싱시에 높은 송풍압이 인가되더라도 원래의 주름 형태가 지속되도록 하는 역할을 하게 된다. 그리고, 상기 에폭시는 습한 표면에 대한 높은 부착강도를 띰에 따라 부직포 여과재에 스며든 수지 입자가 여과재에 단단하게 들러붙어 주름 백의 사용 중에 수지 입자가 탈리되는 것이 방지되도록 하는 역할도 아울러 행하게 된다.
상기 수지가공은 니들 펀칭에 의해 일체화된 3중층의 부직포 여과재를 아크릴-에폭시가 10% 정도의 농도를 띠는 수지 수용액이 담긴 수조에 딥핑한 후 압축 롤을 통과시켜 수지가 부직포 내부에까지 침두할 수 있도록 한다. 이어서 압축 롤을 빠져나온 부직포는 건조로를 통과하면서 열 세팅(heat setting)이 이루어져서 수지 입자들이 부직포 여과재의 내부에 고착된다.
상기와 같은 수지 입자의 부직포 여과재 내부에서의 고착에 의해서 수지가공 전의 부직포 여과재의 기공에 비해서 그 크기가 줄어들게 되어 더욱 미세한 분진까지도 제거할 수 있게 되어 탈진 성능 및 포집력의 향상과 함께 부직포 여과재의 표면과 이면의 균제도가 개선된다.
한편, 상기 수지 가공에 의해서 부직포 여과재에 함유된 수지의 함유량은, 부직포의 질량 345 ∼ 390g/㎡ 중에 25 ∼ 40g/㎡ 함유되는 것이 바람직한 바, 만일 25g/㎡ 미만으로 되면 수지 가공을 통한 주름 성형성과 자기형태 유지성을 기대할 수 없고, 반대로 40g/㎡를 초과하는 경우에는 여과재의 기공이 너무 미세하게 되어 여과 특성이 저하될 우려가 있다.
한편 본 발명의 주름성형이 가능한 여과재에서는 제진 특성의 부여를 위해서 표면층과 중간층 및 이면층의 3중층으로 이루어진 부직포 여과재의 적어도 어느 한 층에 3 ∼ 4wt% 의 금속 섬유가 함유될 수 있으며, 이때 바람직한 금속 섬유로는 1 ∼ 2 데니어의 스테인레스 스틸 화이버를 들 수 있다.
본 발명에 따른 주름성형이 가능한 부직포 여과재는, 수지 가공처리에 의해서 부직포 내부에 고착상태로 함유된 수지 입자 중에서 아크릴 입자에 의해 경도가 증가되어 부직포의 꺽임(접힘) 가공이 원활해지게 되는 한편으로, 또 다른 수지인 에폭시에 의해서 부직포 자체에 반발탄성이 부여되어 펄싱에 대한 자기형태 유지성이 강화됨으로써 우수한 여과 성능을 발휘하는 백필터 제조용 부직포로 활용될 수 있다.
또한 본 발명의 부직포 여과재는 부직포의 표면층과 이면층 및 중간 기포층 전반에 걸쳐 아크릴-에폭시 수지 입자가 고착 형성되어 여과재의 기공을 한층 미세화함에 따라 미세 분진에 대한 집진 특성이 향상되는 장점이 있다.
도1은 본 발명의 주름성형이 가능한 부직포 여과재의 단면 확대사진
이하, 본 발명의 상기 목적과 특징적인 기술적 구성 및 구체적인 제조공정은 이하의 실시예 기재에 의해서 보다 명확하게 이해될 것이다.
먼저, 표면층 형성용 원료 섬유로서, 0.8 데니어 폴리에스테르 섬유와, 이면층 형성용으로는 1.3 데니어의 폴리에스테르 섬유를 마련하였다.
표면층과 이면층 성형을 위해 각기 혼타면기를 이용하여 혼타면을 한 후에 1차 개면을 행하여 가늘게 개면시켰다.
개면된 웨브를 카딩공정으로 이송시켜 일련의 롤러를 거치면서 미세하고 가늘게 교략되고 개섬되도록 하였다. 이때 중량조절은 피드롤러에서 행하고 전체 컨트롤은 메인실린더를 통하여 조절하였다.
개면이 완료된 웨브는 성형공정으로 이송시켜 벨트 위에서 여러 겹으로 적층되면서 소정의 형태가 부여되도록 하였다. 성형공정이 완료된 이면층 성형체의 일면에는 1000 데니어의 필라멘트로 제직된 직물 기포를 대고 프리 펀칭 (pre-punching)을 행하여 일차적인 결속이 이루어지도록 하였다.
한편, 표면층 형성용 성형체에 대하여도 프리 펀칭을 행하여 일차적인 결속이 이루어지도록 하였다.
이어서, 일면에 기포가 합봉된 2층 구조의 1차 결속체 기포면 상에 표면층 성형체를 맞대어 포갠 상태에서 4대의 펀칭 머신을 이용한 니들 펀칭으로 합봉결속을 행하고 마무리 공정으로서 표리가공(heat press calendering)을 수행하여 부직포 생지를 얻었다. 이때 사용된 펀칭 머신으로는 국내의 삼화기계에서 제작된 펀칭 머신과 독일에서 제작된 펀칭 기계로서 "NL-21", "NL-42" 및 "NL-21"이 순차적으로 사용되었다.
이렇게 해서 얻어진 부직포 생지에 대하여 150 ∼ 160℃ 온도하에서 일정한 압력을 가하는 열 셋팅 캘린더 가공 공정을 수행하여 부직포의 두께가 일정하게 유지되도록 하였다. 캘린더 가공 공정을 통과한 부직포는 표면층이 교락에 의해 기모상태가 불균일함에 따라 표면층을 직화열로 태우는 모소 공정을 수행하였다. 모소 공정은 1500 ∼ 1600℃ 범위의 높은 온도로 섬유에 손상을 가하지 않도록 하는 이동속도를 조절하였다.
다음, 모소가공된 부직포 여과재를 10% 농도의 아크릴-에폭시 수지 수용액이 담긴 수조에 딥핑한 후 꺼내어 압축롤을 통과시켜서 수지가 부직포 내부에까지 침두할 수 있도록 하였다. 이어서 압축롤을 빠져나온 부직포가 건조로를 통과하도록 하여 열 세팅(heat setting)에 의한 수지 입자들이 부직포 여과재의 내부에 고착되도록 하였다.
상기와 같은 공정을 통해서 얻어진 본 발명 실시예의 부직포에 대하여 100배 배율로 확대한 사진이 도1에 나타나 있다. 상기 도1의 사진에서 중앙에 횡방향으로 이어진 섬유 부분이 중간층으로서의 직물 기포이고, 그 직물 기포의 상부가 표면층이고 그 하부가 이면층이다. 사진에서와 같이 본 발명의 부직포에서 표면층의 표면은 모소가공에 의해 평활면을 이루며 니들 펀칭에 의해 표면층과 이면층의 일부 섬유들이 중간층을 통과하여 반대편으로 이동됨으로써 높은 인장강도를 나타내게 됨과 아울러 형태안정성 면에서도 유리하다.
아래의 표1은 본 발명의 실시예와 종래 제품(비교예)의 물성치를 비교하여 나타내고 있다. 표1은 실시예와 비교예 시편을 국내의 FITI 시험연구원에 시험의뢰하여 얻어진 결과치이다.
구 분 비교예 실시예 비 고
재 질 폴리에스테르 폴리에스테르 KS.K-0210
중량(g/m2) 359.8 368.7 KS.K-0514
섬도
(denier)		 표면층 2.22 0.88 현미경법
이면층 2.09 1.21
인장강도
(kgf)		 길이방향 110 207.7 KS.K-0520
폭방향 110 215.4
아크릴-에폭시 수지함유량(g/m2) 0 32
파열강도(kgf/cm2) 30.32 56.6 KS.K-3938
통기도(cm3/cm2/s) 19.0 8.3 KS.K-0570
평균기공크기(㎛) 21.4 13.4 ASTM F 316
상기 표1에서 비교예 및 실시예에서 중간층으로서의 직물 기포는 동일한 재질(DTY 무지)이 사용되었다. 실시예에서 표면층의 섬도가 원래의 0.8 데니어보다 높은 0.88로 나타난 것은 니들 펀칭에 의해 표면층의 섬유가 중간층을 통과하여 반대편의 이면층으로, 그리고 이면층의 섬유가 표면층으로 이동하여 교략된 결과이 다.
상기 표1에 나타난 바의 부직포의 성능 결과에 의하면, 실시예의 경우 비교예와 훨씬 높은 파열강도는 지니며, 통기도와 평균기공 크기에서 실시예가 비교예에 비해 훨씬 낮거나 적음에 따라 미세분진에 대한 제거효율이 우수함을 알 수 있다.
한편, 본 실시예의 부직포 여과재 원단을 이용하여 주름 성형을 한 후 주름 지름이 150 mm이고, 길이가 150 cm인 크기의 주름 백필터를 제작하여 그 내부로 4kg/cm2의 송풍압이 순간적으로 인가되도록 하는 펄싱을 매 3초마다 1,000회에 걸쳐 행한 후의 백필터를 육안으로 살펴본 바, 주름의 늘어짐이나 파열 또는 부풀음이 관찰됨이 없이 원래의 형태가 그대로 유지된 것으로 확인되었다.

Claims (5)

  1. 직물직포(scrim)를 중심으로 그 표면과 이면에 폴리에스테르 부직포층을 형성하여 니들 펀칭에 의해 일체화된 3중층 구조의 부직포로 이루어진 백필터용 부직포 여과재에 있어서, 상기 표면층은 0.7 ∼ 0.8 데니어로 이루어짐과 아울러 상기 이면층은 1.0 ∼ 1.4 데니어로 이루어지되 표면층과 이면층의 비율은 중량비로 60 ∼ 70 : 30 ∼ 40이고, 상기 직물직포는 4 ∼ 5 데니어 폴리에스테르 180 ∼ 250본을 로빙하여 얻어진 1000 데니어의 필라멘트로 이루어지고, 상기 일체화된 부직포의 질량 345 ∼ 390g/㎡ 중에 에폭시와 아크릴이 1:1의 중량비로 혼합된 수지가 25 ∼ 40g/㎡ 함유된 것을 특징으로 하는 주름성형이 가능한 부직포 여과재.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 표면층과 중간층 및 이면층 중의 적어도 어느 한 층에 3 ∼ 4wt% 의 금속 섬유가 함유됨을 특징으로 하는 주름성형이 가능한 여과재.
  5. 제4항에 있어서, 상기 금속 섬유는 1 ∼ 2 데니어의 스테인레스 스틸 화이버인 것을 특징으로 하는 주름성형이 가능한 여과재.
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