KR101734097B1 - 집진기용 고밀도 하이브리드 필터백용 여과재 제조방법 - Google Patents

집진기용 고밀도 하이브리드 필터백용 여과재 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 집진기용 고밀도 하이브리드 필터백용 여과재 제조방법은 집진기용 백필터의 내면을 형성할 직물 스크림(scrim)의 외면에 카딩된 단섬유 웹을 적층시켜 적층체를 형성하는 단계; 상기 적층체에 니들펀칭하여 부직포 적층체를 형성하는 단계; 상기 부직포 적층체의 워터 펀칭용 노즐을 이용하여 고압수류에 의해 워터펀칭하여 부직포 펠트를 형성하는 단계; 및 상기 부직포 펠트를 열풍건조 및 핫프레스 가공하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

집진기용 고밀도 하이브리드 필터백용 여과재 제조방법{Felt Manufacturing Method for High-density Hybrid Bag Filter of Dust Collector}
본 발명은 scrim(직물)이 손상을 방지하면서 밀도를 향상시킴으로써 내마모성, 인장, 파열 강도 등이 우수한 집진기용 고밀도 하이브리드 필터백용 여과재 제조방법에 관한 것이다.
집진기에서 사용하는 필터백은 1980년도 이전에는 대부분 직물을 사용하여 제조하였으나, 1980년 이후에는 여과성능이 뛰어나고 형태 안정성이 좋은 니들펀칭공법으로 제조하는 부직포로 대체되었으며 현재는 부직포 제조시 사용하는 단섬유를 1denier 미만의 미세한 섬유를 사용하여 여과성능 및 효율을 높이고 있다.
필터백용부직포의 구조는 3층 구조로 강도와 밀도를 위하여 중간층에 scrim(직물)을 사용하는데 원사는 300denier~1,000denier 굵기로 섬유를 사용하고, 300d 기준 28(in)ㅧ32(in), 1,000d 기준 14(in)ㅧ14(in) 직물의 밀도는 80~100g/m2 를 많이 사용한다.
최초 강화되는 환경규제에 대응하기 위해 부직포 표면에 다공질막, 멤브레인을 접착하거나, 다공질 코팅을 하여 미세분진을 걸러내는 것이 일반적인 추세로 되어 있다. 이러한 다공질막, 멤브레인의 접착 및 다공질 코팅을 이용하는 경우에는 여재의 가격상승 및 다공질막, 멤브레인 제조시 사용되는 발암성 물질 때문에 다른 재료의 백 필터 개발이 요구되고 있다.
이에 따라, 포집 효율을 극대화하면서 통기성이 우수하여 기체의 압력손실이 감소되고 장기간 사용 가능한 백필터의 제조 및 성능 평가에 관심을 가지기 시작했으며, 종래 백 필터로는 포집이 불가능한 미세분진의 포집 및 공기중 미세분진 함유에 대한 규제의 엄격화에 대응하고, 백 필터의 수명을 연장하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만, 고밀도 여과재를 만들기가 어려워 새로운 가공방법의 도입이 검토되고 있는 실정이다.
현재 사용하고 있는 필터백 제조용 부직포여과재 가공방법으로는 대부분 니들펀칭공법을 이용하여 제조하는데, 니들펀칭공법은 뜨개질용 바늘구조의 바늘이 위 아래로 고속으로 왕복하여 단섬유와 직물을 서로 교락시키는 과정을 반복하는 것인데 이 과정에서 강도와 밀도를 보강하기 위해 사용하는 scrim(직물)이 손상을 받아 미세한 섬유를 사용하더라도 평균기공 20㎛이하의 고밀도 여과재를 만들기가 거의 불가능하다.(현재 니들 펀칭 제품 평균 기공도: 30㎛임)
따라서, scrim(직물)이 손상을 방지하며 고밀도 여과재를 제조하기 위한 가공방법을 이용한 필터백 제조용 부직포여과재의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, scrim(직물)이 손상을 방지하며 고밀도 여과재를 제조하기 위한 집진기용 고밀도 하이브리드 필터백용 여과재 제조방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 집진기용 고밀도 하이브리드 필터백용 여과재 제조방법은, 집진기용 백필터의 내면을 형성할 직물 스크림(scrim)의 외면에 카딩된 단섬유 웹을 적층시켜 적층체를 형성하는 단계; 상기 적층체에 니들펀칭하여 부직포 적층체를 형성하는 단계; 상기 부직포 적층체의 워터 펀칭용 노즐을 이용하여 고압수류에 의해 워터펀칭하여 부직포 펠트를 형성하는 단계; 및 상기 부직포 펠트를 열풍건조 및 핫프레스 가공하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 직물 스크림의 밀도는 200~300g/m2 이며, 상기 카딩된 단섬유 웹의 섬유 굵기는 0.7~1.0 denier이고, 상기 카딩된 단섬유 웹의 밀도는 100~150g/m2인 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 니들펀칭시 펀칭 횟수는 50~100 stroke/cm2이고, 니들의 굵기는 1.0~2.0mm이며, 상기 워터 펀칭용 노즐의 직경은 0.07~0.15mm이고, 노즐 분사압력은 150~400 bar인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 직물 스크림과 카딩된 단섬유 웹은 폴리에스터 섬유, 폴리이미드 섬유, 폴리이미드 아미드 섬유, 폴리 아라미드 섬유, 폴리프로필렌 설파이드 섬유, 폴리 설펀 아마이드 섬유, 폴리 테트로 플루오로 에틸렌 섬유, 그라스 섬유 및 폴리에스터 니들 펀치 스판 본드로부터 선택되는 어느 하나의 재질로 된 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 열풍건조 및 핫프레스 가공시 120∼250 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 집진기용 고밀도 하이브리드 필터백용 여과재는 멤브레인 접착이나 다공질 코팅된 여과재에 비해 고압 워터 펀칭에 의해 형성된 고밀화 제품의 영향으로 내마모성, 인장, 파열 강도 등이 뛰어나서 필터수명이 길고 고온 고압의 악조건에서도 안정된 성능 및 긴 수명을 발휘할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 집진기용 고밀도 하이브리드 필터백용 여과재는 워터 펀칭에 의해 섬유조직을 재배열하여 조밀하게 되고 기공을 작게 함으로써, 미세분진을 효과적으로 여과할 수 있게 된다.
아울러, 3층 구조로 된 종래의 부직포여과재와는 달리 2층으로 구성하게 되므로 원가절감효과를 가져오게 된다.
도 1은 본 발명의 집진기용 고밀도 하이브리드 필터백용 여과재가 사용된 집진기를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 집진기용 고밀도 하이브리드 필터백용 여과재의 제조공정을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 집진기용 고밀도 하이브리드 필터백용 여과재의 제조공정에 의해 제조된 집진기용 고밀도 하이브리드 필터백용 여과재의 단면조직사진이다.
이하, 본 발명의 집진기용 고밀도 하이브리드 필터백용 여과재 제조방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 집진기용 고밀도 하이브리드 필터백용 여과재가 사용된 집진기를 나타낸 단면도이다.
도 1에서와 같이, 배출가스가 여러 개의 필터백(10)이 나란히 설치된 집진기(1)에 유입되면 분진이 필터백(10)에 부착되어 포집되게 된다. 상기 필터백(10)은 여과재로 형성되게 되며, 상기 필터백(10)에 부착된 분진은 간헐적으로 상기 필터백(10) 내부로 펄스형태로 고압의 압축공기가 유입되어 필터백(10)의 외부에 부착된 분진을 탈리시키게 된다.
따라서, 필터백(10)은 내마모성, 인장, 파열 강도 등의 특성이 우수하여야 안정된 성능 및 긴 수명을 발휘 할 수 있게 된다.
상기 필터백(10)의 특성향상을 위하여 여과재는 다음과 같은 방법에 의해 제조되게 된다.
도 2는 본 발명의 집진기용 고밀도 하이브리드 필터백용 여과재의 제조공정을 나타낸 순서도이다.
필터백(10)의 내면을 형성할 직물 스크림(scrim)(12)의 외면에 카딩된 단섬유 웹(11)을 적층시켜 적층체를 형성한다.
형성된 상기 적층체에 니들펀칭하여 부직포 적층체를 형성한다.
형성된 상기 부직포 적층체의 워터 펀칭용 노즐을 이용하여 고압수류에 의해 워터펀칭하여 부직포 펠트를 형성한다.
형성된 상기 부직포 펠트를 열풍건조 및 핫프레스 가공하여 필터백의 여과재를 제조한다.
상기와 같이 워터 펀칭에 의해 형성된 부직포 펠트를 일정한 온도와 압력으로 핫프레스 가공하여 열고정시킴으로써 직물스크림과 외면에 카딩된 단섬유 웹을 적층시킨 필터백의 여과재를 형성한다.
이렇게 본 발명의 필터백의 여과재는 고압의 수류 압력으로 워터젯 가공(spunlace 가공)을 하여 형성되게 되므로 표면 구조가 치밀해지고 전체적인 섬유 조직의 구조가 더욱 조밀하게 되고 기공을 작게 함으로써, 종래의 백 필터로는 포집할 수 없었던 극히 미세한 분진까지 포집할 수 있게 되는 것이다.
아울러, 3층 구조로 된 종래의 부직포여과재와는 달리 2층으로 구성하게 되므로 원가절감효과를 가져오게 된다.
이때, 상기 직물 스크림의 밀도는 200~300g/m2 이며, 상기 카딩된 단섬유 웹의 섬유 굵기는 0.7~1.0 denier이고, 상기 카딩된 단섬유 웹의 밀도는 100~150g/m2인 것이 바람직하다.
상기 직물 스크림(scrim)의 밀도가 200g/m2 미만이면 워터펀칭에 의해 평균 10 ㎛ 이하의 기공을 형성할 때 스크림의 손상이 되게 되어 스크림의 강도가 저하됨에 따라 내마모성, 인장, 파열 강도 등이 저하되게 되는 문제점이 있다.
반면에, 상기 직물 스크림(scrim)의 밀도가 300g/m2을 초과하게 되면 필터백의 중량이 크게 되며 워터펀칭시에 표면 구조가 너무 치밀하게 되어 기공이 너무 작게 되어 필터의 역할을 제대로 수행할 수 없게 되는 문제점이 있다.
상기 카딩된 단섬유 웹의 섬유 굵기가 0.7 데니어(denier) 미만이면, 통기 저항이 너무 커저서 전력 유지 비용이 과대하게 되는 문제점이 있다.
상기 카딩된 단섬유 웹의 섬유 굵기가 1.0 데니어(denier)를 초과하면, 통기 저항이 너무 낮아져서 미세 먼지가 유출되는 문제점이 발생된다.
상기 니들펀칭시 펀칭 횟수는 50~100 stroke/cm2이고, 니들의 굵기는 1.0~2.0mm이며, 상기 워터 펀칭용 노즐의 직경은 0.07~0.15mm이고, 노즐 분사압력은 150~ 400 bar인 것이 바람직하다.
상기 니들펀칭시 펀칭 횟수는 50 stroke/cm2미만이면, 기공이 형성 후 워터펀칭에 의해 섬유조직이 재배열될 때 너무 치밀하게 되어 기공을 막게 되어 필터역할을 수행하지 못하게 되며, 상기 니들펀칭시 펀칭 횟수는 100 stroke/cm2를 초과하면, 카딩된 단섬유 웹 및 스크림을 손상시키게 되어 필터백의 강도 등이 저하되어 수명을 저하시키는 문제점이 있다.
니들의 굵기가 너무 작게 되면 기공이 형성 후 워터펀칭에 의해 섬유조직이 재배열될 때 너무 치밀하게 되어 기공을 막게 되어 필터역할을 수행하지 못하게 되며, 니들의 굵기가 너무 크게 되면 기공이 너무 크게 형성되고 워터펀칭에 의해 섬유조직이 재배열되더라도 기공에 크게 영향을 주지 못하게 되므로 미세분진 여과효율이 저하되게 되는 문제점이 있다.
상기 워터 펀칭용 노즐의 직경이 0.07mm 미만이 되게 되면 표면 구조에 영향을 주지 못하게 되고 전체적인 섬유 조직의 구조가 재배열되는데에 영향을 주지 못하게 되어 섬유 조직이 조밀하지 못하게 되므로 니들펀칭에 의해 형성된 기공에 의한 필터링에 의존하게 된다. 이렇게 되면, 평균기공 20㎛이하의 고밀도 여과재를 만들 수 없게 되어 미세분진을 여과시키지 못하게 되는 문제점이 있다.
상기 워터 펀칭용 노즐의 직경이 0.15mm를 초과하게 되면 표면 구조에 영향을 크게 주게 되어 섬유 조직이 너무 조밀하게 되어 오히려 여과성능을 저하시키게 되는 문제점이 있다. 또한, 상기 워터 펀칭용 노즐의 직경이 과하게 크게 되면 섬유 조직 구조가 재배열되기는 하나 워터 펀칭이 행해지는 방향으로 기공이 남아있게 되어 이 기공에 의해 미세분진 여과효율이 저하되게 되는 문제점이 있다.
상기 워터 펀칭용 노즐의 노즐 분사압력이 150 bar 미만으로 너무 낮게 되면 워터 펀칭에 의해 섬유 조직이 재배열되는 데에 영향을 주지 못하게 되어 섬유 조직이 조밀하지 못하게 되며, 노즐 분사압력이 400 bar를 초과하게 되면 섬유 조직 구조가 재배열되기는 하나 여과재를 손상시키게 되므로 적당한 노즐 압력으로 분사되도록 한다.
워터 펀칭용 노즐 간의 간격은 30~50cm이며, 총 5~8개의 노즐 인젝터를 사용해서 부직포에 워터 펀칭이 되도록 하며 부직포의 이송속도는 평균 5~10m/min 가 적당하다.
부직포의 이송속도가 5m/min 미만이면 워터펀칭에 의해 섬유조직이 재배열되더라도 오히려 섬유 손상이 일어나서 여과효율이 저하되게 되며, 여과재를 손상시키게 되는 문제점이 있다. 또한, 부직포의 이송속도가 10m/min를 초과하게 되면 워터 펀칭에 의해 섬유 조직이 재배열되는 데에 효과적인 교락이 안 되어 섬유 조직이 조밀하지 못하게 되는 문제점이 있다.
이때, 상기 직물 스크림과 카딩된 단섬유 웹은 폴리에스터 섬유, 폴리이미드 섬유, 폴리이미드 아미드 섬유, 폴리 아라미드 섬유, 폴리프로필렌 설파이드 섬유, 폴리 설펀 아마이드 섬유, 폴리 테트로 플루오로 에틸렌 섬유, 그라스 섬유 및 폴리에스터 니들 펀치 스판 본드로부터 선택되는 어느 하나의 재질로 되는 것이 바람직하다.
상기 섬유들은 기계적 강도, 내열성, 내화학성이 우수하고, 워터펀칭에 의해 섬유조직 구조가 재배열되게 되어 조밀하게 되므로 극히 미세한 크기의 분진까지 포집할 수 있게 된다.
아울러, 상기 열풍건조 및 핫프레스 가공시 120∼250 ℃에서 수행되는 것이 바람직하다.
열풍건조 및 핫프레스 가공온도가 120℃ 미만으로 너무 낮게 되면 직물 스크림과 카딩된 단섬유 웹의 접합효율이 저하되게 되어 두 층이 분리될 수 있으며, 열풍건조 및 핫프레스 가공온도가 250℃를 초과하여 너무 높게 되면 직물 스크림과 카딩된 단섬유 웹의 열적손상을 가져올 수 있으므로 적당한 온도에서 가공되는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명의 집진기용 고밀도 하이브리드 필터백용 여과재의 제조공정에 의해 제조된 집진기용 고밀도 하이브리드 필터백용 여과재의 단면조직사진을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 워터펀칭에 의해 섬유 조직이 재배열된 것을 알 수 있다.
[실시예]
중량이 330g/m2 인 폴리에스터 스크림의 상부 표면에 굵기가 0.8 데니어로 된 폴리에스터 단섬유를 이용하여 카딩된 단섬유 웹을 제조하여 이를 서로 접착하여 적층체를 형성하였다. 이때, 카딩된 단섬유 웹의 밀도는 120g/m2 이었다.
형성된 적층체에 굵기가 1.5인 니들을 사용하여 펀칭 횟수를 80 stroke/cm2 로 니들펀칭하여 부직포 적층체를 형성하였다.
형성된 부직포 적층체에 직경이 0.1mm인 노즐을 이용하여 250bar 의 분사압력으로 워터 펀칭을 수행하여 부직포 펠트를 형성하였다.
형성된 부직포 펠트를 약 180℃로 열풍 건조하고 핫프레스기에서 약 200 ℃로 핫프레스하여 열고정하였다.
[비교예]
중량이 100g/m2 인 폴리에스터 스크림의 양 표면에 폴리에스터 단섬유를 이용하여 카딩된 단섬유 웹을 제조하여 이를 서로 접착하여 적층체를 형성하였다. 적층체의 총중량은 550g/m2 이었다.
형성된 적층체에 굵기가 1.5인 니들을 사용하여 펀칭 횟수를 80 stroke/cm2 로 니들펀칭하여 부직포 적층체를 형성하였다.
형성된 부직포 펠트를 약 180℃로 열풍 건조하고 핫프레스기에서 약 200 ℃로 핫프레스하여 열고정하였다.
상기 실시예와 비교예에 의해 제조된 부직포 여과재를 이용하여 인장강도 및 신률을 측정하였다. 또한, 상기 실시예와 비교예에 의해 제조된 부직포 여과재를 이용하여 백필터를 제작하고 이를 집진기의 내부에 장착하여 여과실험을 실시하였다.
측정결과를 아래 [표 1]에 나타내었다.
구분 종래의 니들펀칭부직포여과재(비교예) 본 발명의 고밀도하이브리드여과재(실시예)
평균기공 30μ 이상 10μ 이하
인장강도 100~150kg/cm2 150~200kg/cm2
신율 55% 25%
집진효율 75% 97%
평균기공 30 내지 45㎛ 4 내지 10㎛
평균기공의 측정은 다음과 같이 수행된다.
자연스럽게 기공으로 유입이 가능한 낮은 표면장력을 갖는 침윤재(wetting Fluid)를 사용하여 여과재를 침윤(wetting)한다.
완전히 침윤(wetting)이 이루어지게 되면 여과재에 대해 가스를 이용하여 가압하여, 기공의 분포량을 계산하게 된다.
기공크기의 측정은 기공을 채우고 있는 액체를 밀어내는데 필요한 압력과 기공 크기와의 상관관계를 나타내는 아래 식(1)의 Cantor equation을 사용한다. 식(1)의 Cantor equation에 의해 계산된 기공크기는 식(2)의 Hagen-Poiseulle equation으로 변환시켜 각 압력(p)에 해당하는 기공의 분포량을 계산한다.
d = 4γcosθ/p ------------------- (1)
(d = 한계직경, [㎛]
γ= 표면장력, [N/m, dyne/cm]
p = 압력, [Pa, cmHg]
θ= 접촉각 (완전히 침윤되는 경우 cosθ=1))
F = nπd4p/8ηL ------------------- (2)
(F = 공기 투과량
η= 침윤재(wetting fluid)의 점도
n = p 압력에서 d 직경의 크기를 갖는 기공의 개수
L = 기공의 깊이)
측정결과 신율은 비교예에 비해 약 절반정도 감소하였으나, 인장강도는 비교예에 비해 향상된 것으로 나타났다. 집진효율은 월등히 향상된 것으로 나타났다.
본 발명의 상기한 실시예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
1: 집진기
10: 필터백
11: 카딩된 단섬유 웹
12: 직물 스크림(scrim)

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 집진기용 백필터의 내면을 형성할 직물 스크림(scrim)의 외면에 카딩된 단섬유 웹을 적층시켜 적층체를 형성하는 단계;
    상기 적층체에 니들펀칭하여 부직포 적층체를 형성하는 단계;
    상기 부직포 적층체의 워터 펀칭용 노즐을 이용하여 고압수류에 의해 워터펀칭하여 부직포 펠트를 형성하는 단계; 및
    상기 부직포 펠트를 열풍건조 및 핫프레스 가공하는 단계;를 포함하여 이루어지며,
    상기 직물 스크림의 밀도는 200~300g/m2 이며,
    상기 카딩된 단섬유 웹의 섬유 굵기는 0.7~1.0 denier이고, 상기 카딩된 단섬유 웹의 밀도는 100~150g/m2이며,
    상기 니들펀칭시 펀칭 횟수는 50~100 stroke/cm2이고, 니들의 굵기는 1.0~2.0mm이며,
    상기 워터 펀칭용 노즐의 직경은 0.07~0.15mm이고, 노즐 분사압력은 310 내지 400 bar이고,
    상기 워터 펀칭용 노즐 간의 간격은 30~50cm이며, 상기 부직포 적층체의 이송속도는 평균 5~10m/min이고,
    상기 직물 스크림과 카딩된 단섬유 웹은 폴리에스터 섬유, 폴리이미드 섬유, 폴리이미드 아미드 섬유, 폴리 아라미드 섬유, 폴리프로필렌 설파이드 섬유, 폴리 설펀 아마이드 섬유, 폴리 테트로 플루오로 에틸렌 섬유, 그라스 섬유 및 폴리에스터 니들 펀치 스판 본드로부터 선택되는 어느 하나의 재질로 되며,
    상기 열풍건조 및 핫프레스 가공시 120∼250 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 집진기용 고밀도 하이브리드 필터백용 여과재 제조방법.
  6. 제 5 항에 의한 제조방법에 의해 제조된 집진기용 고밀도 하이브리드 필터백용 여과재.
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