KR101739845B1 - 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터 및 그 제조방법 - Google Patents

나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터 및 그 제조방법 Download PDF

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이승훈
장선호
조준근
석종수
소윤미
류중재
김도환
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Abstract

본 발명의 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터는 액체가 통과할 수 있는 복수의 구멍이 형성되는 코어와, 상기 코어에 권선되어 액체에 포함된 여과 대상물을 포집하는 여과재를 포함하고, 상기 여과재는 전기방사방법에 의해 제조되는 나노섬유가 축적된 나노섬유 웹을 다공성 부직포에 합지하여 슬리팅 및 연사공정으로 제조되는 복합 섬유사로 구성되어, 필터효율을 향상시키고 필터수명을 연장할 수 있다.

Description

나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터 및 그 제조방법{CARTRIDGE FILTER USING COMPOSITION ADIABATIC FIBER YARN AND THE MANUFACTURE METHOD THEREOF}
본 발명은 전기방사 방법으로 제조되는 나노섬유가 포함된 복합 섬유사를 이용한 다층 카트리지 필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
산업의 고도화 및 복잡화에 따라 다양한 용도의 액체필터가 요구되고 있으며, 탈부착이 용이한 정밀여과용 카트리지 필터(cartridge filter)의 수요가 대폭적으로 증가하고 있는 실정이다. 정밀여과용 카트리지 필터는 반도체 등 전자재료, 자동차 산업, 식음료 제조, 각종 안료 및 페인트 산업, 오폐수, 정수 등 전 산업 분야에서 공정용 필터로서 광범위하게 사용되고 있다.
액체여과용 필터는 다양한 소재와 방법으로 제조되고 있으며, 여과대상물질인 오염입자가 여과되는 발생부위에 따라 표면여과(screen, surface filtration)와 심층여과(depth filtration)로 구분할 수 있다. 표면여과는 필터의 기공 사이즈(pore size)에 따라 필터표면에서 입자여과가 발생되며, 심층여과는 밀도구배를 가진 두께방향(depth)에 따라 불규칙하게 배열된 섬유집합체에 포집대상 입자들이 포집되어 여과가 발생된다. 심층여과는 표면여과에 비해 기공의 크기가 불균일하여 여과효율이 일정하지 않으나 입자의 농도와 점도가 높은 여과공정에서는 상대적으로 긴 사용시간과 처리용량으로 인해 표면여과의 전처리 필터(pre filter)로서 광범위하게 사용되고 있다.
카트리지 필터(cartridge filter)는 원형의 하우징(housing) 형태로 천공구조의 중심부(central perforated core)에 수많은 여과재(filter media)로 둘러싸여 있는 구조이다. 유량의 흐름은 필터의 외부에서 여과재를 거쳐 중심부의 코어 내부나 외부를 통해 흐르게 된다. 이때 부유성 고형물질들은 필터 엘리먼트(filter element)의 외부 표면, 심층 여과(depth filtration)의 경우, 여과재 내부 틈새 사이사이에 축적됨으로 인해 제거기능이 일어난다. 또한 카트리지 필터는 하우징을 개방해서 카트리지 필터 교환을 쉽게 할 수 있다.
카트리지 필터용 엘리먼트는 크게 링(rings), 디스크(discs), 섬유사(yarns) 등의 부속품 상태로 제작되는 것과 섬유사 미디어(filter media)가 반제품 내지는 완제품 상태로 제작되는 것들이 있다.
부속품 상태로 제작되는 것들은 완제품 엘리먼트 상태로 조립이 이루어졌을 때 여과성능이 가능하며, 링(rings) 형태는 사이사이에 좁은 공간(narrow space)과 함께 적층된 스택(stack) 형태로 조립되며 섬유사(yarns) 제품은 여러 개의 층(successive layers)으로 중앙의 코어에 감겨있는 상태로 각층별로 약간의 각도를 가지고 권선이 이루어져 있다.
섬유사 미디어(filter media)의 경우, 엘리먼트(elements) 중앙 내부의 코어(core)와 일치되도록 일정한 크기로 제작되는 형태가 있다. 따라서 단섬유 부직포, 장섬유 부직포(spun-bonded) 혹은 멤브레인(membrane) 형태로 제작되는 제품은 적절한 보호용 메시 재질(mesh material)을 유지한 채 일정한 크기로 잘리거나, 주름진 형태로 되거나, 중앙의 코어(central core) 주위로 권선되는 형태로 만들어진다. 반면에 필터와 resin의 혼합물질이 코어(core)표면에 필요로 하는 두께를 갖도록 분사된 후 resin에 열을 가하여 레진접합 카트리지(resin-bonded cartridge)로 제작되는 경우도 있다. 그리고, 용융분사(melt-blown)방법에 의해 직접 방사된 섬유를 회전하면서 나권(spiral wound)하여 원통형으로 필터를 만드는 방식도 있다.
카트리지 필터는 중앙의 코어(core) 부품, 지지용 메시(supporting mesh) 및 spacers를 가진 filter media 부품 그리고 end-cap 부품으로 구성된다.
섬유사(yarn 또는 string) 권선의 엘리먼트는 액상 여과 공정에서 가장 보편적인 것으로 개별 섬유사 사이의 공간뿐만 아니라 섬유사로 이루어진 개별 섬유(fiber) 사이의 공간에서 여과작용이 이루어지는 장점을 가지고 있다. 그러나 이러한 대중성에도 불구하고 기공이 균일하지 않은 점, 그리고 특히 섬유사 조각들이 처리수로 이동되는 등의 단점이 있다. 또한 기존 합성섬유나 천연섬유의 경우 섬유의 직경이 수~수십 ㎛로 구성되어 있어 장섬유 섬유사(yarn)로 제조시 표면적의 한계로 동일 체적 내 여과면적을 증가시킬 수 없는 단점이 있어 필터의 제거효율과 포집량(필터 수명)에 있어 어느 정도 한계가 있었으며, 가격 또한 상대적으로 저렴한 특징이 있다.
최근 전통적인 섬유 제조방법인 용융방사(melt spinning)나 용액방사(solution spinning)의 한계 직경인 1㎛ 미만의 섬유를 고분자 용융물에 전계(電界)를 가해 제조하는 전기방사(electrospinning) 방법이 전 지구적으로 연구 붐(boom)을 형성하고 있다. 이러한 전기방사에 의해 제조되는 나노섬유는 광범위한 소재와 기공조절(pore control) 등이 용이하여 그 무한한 응용 가능성에도 불구하고 웹(web) 형태의 박막 부직포로 제조되어 낮은 기계적 강도와 취급성의 한계로 인해 응용의 제한이 있어왔다.
특히 필터로 응용하는 경우 부직포와 복합화하거나 다층구조로 제조되어 나권형(spiral wound) 내지는 절곡형 구조(pleated filter)로 여과면적을 증가시킨 액체필터용 엘리멘트로 사용되고 있다. 그러나 나노섬유를 부직포 형태로 응용하는 경우 나노섬유의 표면 기공구조에 기인한 표면여과에 그쳐 나권형 내지는 절곡형으로 여과 면적을 증가시키면 효율면에서는 우수하나 압력손실이 생겨 전체적인 필터시스템의 운전비용이 상승하게 된다.
또한, 필터시스템에 과도한 압력이 발생할 경우 통수압력을 상승시키면 나노섬유와 나노섬유간 융착이 발생하지 않는 부위에서 공간이 생기거나 섬유간 연신이 발생하여 여과대상보다 큰 공간이 형성되어 표면여과를 할 수 없는 경우가 발생할 우려가 있다.
종래의 액체 여과용 심층필터는 공개특허공보 10-2012-0078147(2012년 07월 10일)에 개시된 바와 같이, 이성분계 복합섬유 부직포로 구성되며 내부 중심에 위치하는 원통상의 코어와, 상기 코어에 지지체와 부직포로 구성된 여과재가 감긴 적층체로 구성된다.
하지만, 종래의 액체 여과용 심층필터는 코어에 지지체와 부직포로 구성된 여과재가 감긴 형태이기 때문에 부직포 특성상 평균기공 사이즈를 1㎛ 미만으로 제조하기 어려워 정밀한 필터링이 어려운 문제가 있다.
특허문헌 1: 공개특허공보 10-2012-0078147(2012년 07월 10일)
따라서, 본 발명의 목적은 전기방사 방법으로 제조된 나노섬유 웹을 다공성 기재에 합지하여 복합 섬유사를 제조하고, 이 복합 섬유사를 코어에 다층으로 권선함으로써, 평균 기공 사이즈를 1㎛ 미만으로 유지할 수 있어 정밀한 필터링이 가능한 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 다층 카트리지 필터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전기방사 방법으로 제조된 나노섬유를 기반으로 하여 필터를 제조하여 필터효율을 향상시키고 필터수명을 연장할 수 있는 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 다층 카트리지 필터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 나노섬유가 연사된 복합 섬유사를 사용함으로서 섬유사 사이의 공간 및 나노섬유 사이의 공간을 이용하여 여과면적을 획기적으로 증가시킬 수 있고 포집량을 향상시킬 수 있는 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 다층 카트리지 필터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 기존의 심층 여과필터에 나노섬유 기반 복합 섬유사를 권선시켜 기존 여과필터의 성능과 수명을 향상시킬 수 있는 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 다층 카트리지 필터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터는 액체가 통과할 수 있는 복수의 구멍이 형성되는 코어와, 상기 코어에 권선되어 액체에 포함된 여과 대생물을 포집하는 여과재를 포함하고, 상기 여과재는 전기방사방법에 의해 제조되는 나노섬유가 축적된 나노섬유 웹을 다공성 부직포에 합지한 복합 섬유사를 포함할 수 있다.
상기 복합 섬유사는 평균 기공 사이즈가 1㎛ 미만으로 형성될 수 있다.
상기 복합 섬유사는 나노섬유가 축적된 나노섬유 웹을 다공성 기재에 합지한 나노섬유 복합 멤브레인을 슬리팅하여 나노섬유 테이프사를 제조하고, 복수의 나노섬유 테이프사를 꼬아서 제조될 수 있다.
상기 여과재는 평균 기공 사이즈가 각기 다른 복수의 층으로 적층되고, 상기 코어에 가까워질수록 상기 여과재의 평균 기공 사이즈가 점차적으로 작아지도록 형성할 수 있다.
상기 여과재는 상기 코어의 외면에 권선되는 다공성 부재와, 상기 다공성 부재의 외면에 권선되고 전기방사방법에 의해 제조되는 나노섬유가 축적된 나노섬유 웹을 다공성 부직포에 합지한 복합 섬유사를 포함할 수 있다.
상기 다공성 부재는 PP, PE, PET, 천연섬유, 유리섬유, 아크릴 섬유사 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 여과재는 상기 코어의 외면에 권선되는 다공성 부재와, 상기 다공성 부재의 외면에 권선되는 제1부직포와, 상기 제1부직포의 외면에 권선되고 전기방사방법에 의해 제조되는 나노섬유가 축적된 나노섬유 웹을 다공성 부직포에 합지한 복합 섬유사를 포함할 수 있다.
상기 제1부직포는 PP, PE, PP/PE, PET 등이 웹 형태로 형성되는 스판 본드(Spun Bond) 내지는 서멀본드(Thermal Bond)부직포가 사용될 수 있다.
상기 여과재는 상기 코어의 외면에 권선되는 다공성 부재와, 상기 다공성 부재의 외면에 권선되는 제1부직포와, 상기 제1부직포의 외면에 권선되는 제2부직포와, 상기 제2부직포의 외면에 권선되고 전기방사방법에 의해 제조되는 나노섬유가 축적된 나노섬유 웹을 다공성 부직포에 합지한 복합 섬유사를 포함할 수 있다.
상기 제2부직포는 합성고분자를 방사하여 형성되는 멜트블로운(Melt Blown) 부직포가 사용될 수 있다.
전기방사방법에 의해 나노섬유를 제조하고, 상기 나노섬유를 축적하여 나노섬유 웹을 형성하는 단계와, 상기 나노섬유 웹과 다공성 부직포를 합지하여 나노섬유 복합 멤브레인을 제조하는 단계와, 상기 나노섬유 복합 멤브레인을 슬리팅하여 나노섬유 테이프사를 제조하는 단계와, 상기 나노섬유 테이프사를 가연하여 복합 섬유사를 제조하는 단계와, 상기 복합 섬유사를 코어에 권선하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 복합 섬유사의 꼬임이 풀리는 것을 방지하도록 열연신 또는 열고정하는 후처리 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 나노섬유 웹을 캘린더링하여 나노섬유 간 결합하여 고정 기공구조(Fix Pore Structure)를 구현할 수 있다.
상기 나노섬유 테이프사의 제조방법은 나노섬유 복합 멤브레인을 1차 슬리팅하여 슬리팅 롤을 제조하고, 상기 슬리팅 롤을 정밀 2차 슬리팅하여 슬리팅 롤에 비해 폭이 작은 나노섬유 테이프사를 제조할 수 있다.
상기 나노섬유 테이프사는 평량 0.5 내지 100gsm, 폭이 0.1 내지 5㎜ 범위로 설정될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 다층 카트리지 필터는 전기방사 방법으로 제조된 나노섬유 웹을 다공성 기재에 합지하여 복합 섬유사를 제조하고, 이 복합 섬유사를 코어에 다층으로 권선함으로써, 평균 기공 사이즈를 1㎛ 미만으로 유지할 수 있어 정밀한 필터링이 가능하다.
또한, 본 발명의 다층 카트리지 필터는 전기방사 방법으로 제조된 나노섬유를 기반으로 하여 필터효율을 향상시키고 필터수명을 연장할 수 있다.
또한, 본 발명의 다층 카트리지 필터는 나노섬유가 연사된 복합 섬유사를 사용함으로서 섬유사 사이의 공간 및 나노섬유 사이의 공간을 이용하여 여과면적을 획기적으로 증가시킬 수 있고 포집량을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 본 발명의 다층 카트리지 필터는 기존의 심층 여과필터에 나노섬유 기반 복합 섬유사를 권선시켜 기존 여과필터의 성능과 수명을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 카트리지 필터의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 복합 섬유사의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 카트리지 필터의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 카트리지 필터의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 카트리지 필터의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제5실시예에 따른 카트리지 필터의 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 카트리지 필터의 복합 섬유사 제조방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 8의 (A)는 나노섬유 복합 멤브레인이 롤링한 사진, (B)는 나노섬유 복합 멤브레인을 1차 슬리팅하는 과정을 나타낸 사진, (C),(D)는 나노섬유 테이프사의 주사전자 현미경 사진, (E)는 1차 슬리팅된 롤형 나노섬유 복합 멤브레인을 2차 슬리팅하는 과정을 나타낸 사진이다.
도 9의 (A)는 복합 섬유사가 롤에 권선된 사진, (B)는 복합 섬유사의 주사전자 현미경 사진이다.
도 10은 본 발명의 복합 섬유사가 코어에 권선된 사진이다.
도 11은 본 발명에 따른 카트리지 필터가 하우징에 장착된 사진이다.
도 12는 본 발명에 따른 카트리지 필터의 입자 사이즈에 따른 필터효율을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 카트리지 필터의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 카트리지 필터는 액체가 통과할 수 있는 복수의 구멍(12)이 형성되는 코어(10)와, 코어(10)에 권선되어 액체에 포함된 여과 대상물을 포집하는 섬유사 타입 여과재(20)를 포함한다.
코어(10)는 원통 형태이고 개방된 양단에는 커버가 장착될 수 있고, 커버에는 여과된 액체가 배출되는 배출구가 형성될 수 있다.
여과재(20)는 도 2에 도시된 바와 같이, 전기방사 방법에 의해 제조되는 나노섬유를 축적하여 나노섬유 웹(32)을 형성하고, 나노섬유 웹(32)을 다공성 부직포(34)에 합지하여 제조된 복합 섬유사(30)를 포함한다.
복합 섬유사(30)는 전기 방사방법에 의해 나노섬유를 제조하고, 이 나노섬유를 축적하여 평균 기공 사이즈가 1㎛ 미만인 나노섬유 웹(32)을 형성하고, 나노섬유 웹(32)을 다공성 부직포(34)에 합지하여 나노섬유 복합 멤브레인(36)을 만든다. 이렇게 만들어진 나노섬유 복합 멤브레인(36)을 슬리팅하여 나노섬유 테이프사를 제조하고, 복수의 나노섬유 테이프사를 꼬아서 복합 섬유사(30)를 형성한다.
다공성 부직포(34)는 멜트 블로운(melt-blown) 부직포, 스펀 본드(spun bond) 부직포, 서멀 본드 부직포, 캐미컬 본드 부직포, 웨트 레이드(wet-laid) 부직포 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
나노섬유 웹(32)은 전기 방사 가능한 고분자 물질과 용매를 일정 비율로 혼합하여 방사용액을 만들고, 이 방사용액을 전기 방사 방법에 의해 방사하여 나노섬유를 제조하고, 나노섬유가 축적되어 미세 기공을 갖도록 형성된다.
본 발명에서 사용되는 고분자물질은 전기방사가 가능한 것으로 예를 들면, 합성 및 천연 고분자가 사용될 수 있으며, 이러한 고분자들을 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
고분자물질 중에서 본 발명의 필터재료로 특히 바람직한 것은 폴리아크릴로 나이트릴(PAN), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF), 폴리에스테르 설폰(PES: Polyester Sulfone), 폴리스티렌(PS), 폴리비닐 클로라이드(PVC, Poly Vinychloride), 폴리카보네이트 (PC, Poly carbonate), 폴리우레탄 (PU, polyurethane) 등을 단독으로 사용하거나, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)와 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 혼합하거나, PVdF와 PES, PVdF와 열가소성 폴리우레탄(TPU: Thermoplastic Polyurethane), PVC, PC등을 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명에 적용되는 방사 방법으로는 노즐이 장착된 상향타입, 하향타입 및 노즐이 없이 방사 가능한 Nozzleless 타입이 사용 가능하며, 전기분사나 원심전기방사, 플래쉬 전기방사, 펄스전기방사 및 버블전기방사 방법 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
나노섬유 웹(32)은 전기 방사방법으로 제조되므로 고분자 물질의 방사량에 따라 두께가 결정된다. 따라서, 나노섬유 웹(32)의 두께를 원하는 두께로 만들기가 쉬운 장점이 있다. 즉, 고분자 물질의 방사량을 적게 하면 나노섬유 웹(32)의 두께를 얇게 만들 수 있다.
따라서, 나노섬유 웹(32)의 두께에 따라 기공수 및 기공의 평균 사이즈가 결정되므로 카트리지 필터의 목적에 따라 나노섬유 웹(32)을 다양한 두께로 조절하여 필터링 정밀도를 조절할 수 있다.
나노섬유의 직경은 0.1~1.0㎛ 범위이고, 평균 기공 사이즈는 1㎛ 미만인 것이 바람직하다.
제2실시예에 따른 카트리지 필터는 도 3에 도시된 바와 같이, 액체가 통과할 수 있는 복수의 구멍(12)이 형성되는 코어(10)와, 코어(10)의 외면에 권선되어 액체에 포함된 여과 대상물을 포집하고 다수의 층으로 적층되는 여과재(40)를 포함한다.
제2실시예에 따른 여과재(40)는 제1실시예에서 설명한 여과재(20)와 동일하고 다만, 평균기공 사이즈가 각기 다른 복수의 여과재가 코어(10)의 외면에 적층되는 형태를 갖는다. 즉, 본 발명의 나노섬유 웹(32)은 평균기공 사이즈를 각기 다르게 제조할 수 있기 때문에 각각 나노섬유 웹(32)의 평균기공 사이즈가 서로 다른 복수의 여과재를 제조한 후 코어(10)에 적층한다.
일 예로, 여과재(40)는 코어(10)의 외면에서 적층되는 제1여과재(42)와, 제1여과재(42)의 외면에 적층되는 제2여과재(44)를 포함할 수 있다. 이때, 제1여과재(42)의 평균기공 사이즈는 제2여과재(44)의 평균기공 사이즈에 비해 크게 형성된다. 즉, 코어(10)에 가깝게 권선되는 제1여과재(42)는 평균기공 사이즈가 크고, 코어(10)에서 멀게 권선되는 제2여과재(44)는 평균기공 사이즈가 작게 형성되어 코어(10)에서 멀어질수록 여과재의 평균기공 사이즈가 점차적으로 작아지는 형태를 갖는다.
제3실시예에 따른 여과재(50)는 도 4에 도시된 바와 같이, 코어(10)의 외면에 권선되는 다공성 부재(52)와, 다공성 부재(52)의 외면에 권선되고 전기방사방법에 의해 제조되는 나노섬유가 축적된 나노섬유 웹(32)을 다공성 부직포(34)에 합지한 복합 섬유사(30)를 포함한다.
복합 섬유사(30)는 제1실시예에서 설명한 복합 섬유사(30)와 동일하고, 다공성 부재(52)는 PP, PE, PE/PP, PET, 천연섬유, 유리섬유, 아크릴 섬유사 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
제4실시예에 따른 여과재(60)는 도 5에 도시된 바와 같이, 코어(10)의 외면에 권선되는 다공성 부재(52)와, 다공성 부재(52)의 외면에 권선되는 제1부직포(62)와, 제1부직포(62)의 외면에 권선되고 전기방사방법에 의해 제조되는 나노섬유가 축적된 나노섬유 웹(32)을 다공성 부직포(34)에 합지한 복합 섬유사(30)를 포함한다.
다공성 부재(52) 및 복합 섬유사(30)는 상기 제3실시예에서 설명한 다공성 부재(52) 및 복합 섬유사(30)와 동일하다.
여기에서, 제1부직포(62)는 PP, PE, PP/PE, PET를 방사하여 웹 형태로 형성되는 스판 본드(Spun Bond) 부직포 내지는 서멀본드(Thermal Bond) 부직포가 사용될 수 있다.
제5실시예에 따른 여과재(70)는 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 코어(10)의 외면에 권선되는 다공성 부재(52)와, 다공성 부재(52)의 외면에 권선되는 제1부직포(62)와, 제1부직포(62)의 외면에 권선되는 제2부직포(72)와, 상기 제2부직포(72)의 외면에 권선되고 전기방사방법에 의해 제조되는 나노섬유가 축적된 나노섬유 웹(32)을 다공성 부직포(34)에 합지한 복합 섬유사(30)를 포함한다.
여기에서, 제1부직포(62)는 PP, PE, PE/PP, PET를 방사하여 웹 형태로 형성되는 스판 본드(Spun Bond) 부직포 내지는 서멀본드(Thermal Bond) 부직포가 사용될 수 있고, 제2부직포(72)는 합성고분자를 방사하여 형성되는 멜트블로운(Melt Blown) 부직포가 사용될 수 있다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 복합 섬유사 제조방법을 다음에서 설명한다.
도 7은 본 발명의 복합 섬유사 제조방법을 나타낸 공정 순서도이다.
먼저, 전기방사 방법에 의해 나노섬유 웹(32)을 형성한다(S10).
고분자와 용매를 일정 비율로 혼합하여 전기방사 가능한 방사용액을 제조한다. 본 발명에 있어서 고분자 물질로는 열경화성이나 열가소성 고분자를 전기방사하여 나노섬유가 형성되는 고분자라면 특별히 제한되지 않는다.
방사용액 제조에 있어서 고분자 물질의 함량은 약 5 내지 50중량%가 적당하며, 5중량% 미만의 경우 나노섬유를 형성하기보다는 비드(bead)상으로 분사되어 멤브레인을 구성하기 어려우며, 50중량% 초과인 경우에는 방사용액의 점도가 너무 높아 방사성이 불량하여 섬유를 형성하기 곤란한 경우가 있다. 따라서 방사용액의 제조는 특별한 제약은 없으나, 섬유상 구조를 형성하기 쉬운 농도로 하여 섬유의 형상(morphology)을 제어하는 것이 바람직하다.
방사용액을 방사팩(spin pack)으로 이송하고, 이때 고전압장치를 사용하여 방사팩에 전압을 인가하여 전기방사를 실시한다. 이때 사용되는 전압은 0.5KV 내지 100KV까지 조절하는 것이 가능하며, 콜렉터(collector)는 접지를 하거나 (-)극으로 대전하여 사용할 수 있다. 콜렉터의 경우 방사시 섬유의 집속을 원활하게 하기 위해 포집장치(suction collector)를 부착하여 사용하는 것이 좋다.
또한, 방사팩과 콜렉터까지의 거리는 5~50㎝로 조절하는 것이 바람직하다. 방사시 토출량은 정량펌프를 사용하여 균일하게 토출하여 방사하고, 방사시 온도 및 습도를 조절할 수 있는 챔버(chamber)내에서 상대습도 30~80%의 환경에서 방사하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 전기방사방법을 이용하여 방사팩으로부터 방사용액을 하측의 콜렉터를 따라 이송되는 트랜스퍼 시트(transfer sheet)의 일면에 나노섬유를 전기방사하여 나노섬유가 축적된 나노섬유 웹(32)을 형성한다. 트랜스퍼 시트에 포집된 나노섬유 웹(32)은 나노섬유가 축적되어 3차원 미세 기공을 갖는다.
박막 나노섬유 웹 자체만으로 이루어진 경우 취급성이 불량하고, 인장강도가 낮어서 고속으로 이송되면서 건조, 캘린더링 및 롤링 공정이 이루어지는 것은 어렵다. 또한, 나노섬유 웹을 제조한 후 후속된 공정을 고속, 연속적으로 실행되기 어려우나 상기한 트랜스퍼 시트를 이용하는 경우 충분한 인장강도를 제공함에 따라 공정처리 속도를 크게 개선시킬 수 있다.
이렇게 제조된 나노섬유 웹을 캘린더링하여 나노섬유 간 결합을 형성하는 고정 기공구조(Fix Pore Structure)를 구현한다. 이때 캘린더링은 100℃~200℃, 0.5~1.5 Kgf/㎠ 조건에서 수행한다.
나노섬유 웹(32)을 다공성 부직포(34)에 합지하여 나노섬유 복합 멤브레인을 제조한다(S20).
나노섬유 웹(32)을 다공성 부직포(34)에 압착, 롤링, 열접합, 초음파 접합, 캘린더 접합 등의 다양한 방법으로 라미네이팅하여 평량 0.5 내지 100gsm이 되도록 나노섬유 복합 멤브레인을 제조한다.
라미네이팅은 열처리를 동반하면서 수행할 수 있는데 사용된 고분자가 용융되지 않는 범위인 50 내지 250℃의 온도범위에서 실시하는 것이 바람직하다. 50℃ 미만의 경우 열처리 온도가 너무 낮아 나노섬유 웹과 다공성 부직포 간 융착이 불안정하여 후속하는 복합섬유 테이프사 제조시 슬리팅이 원활하게 진행되지 않을 가능성이 높다. 또한 열처리 온도가 250℃를 초과하는 경우 나노섬유를 구성하는 고분자가 용융되어 섬유상 구조를 상실할 가능성이 높기 때문에 바람직하지 않다.
나노섬유 복합 멤브레인의 제조가 완료되면 나노섬유 복합 멤브레인을 슬리팅하여 복합섬유 테이프사를 제조한다(S30).
나노섬유 복합 멤브레인은 도 8 (A)와 같이, 롤에 감겨진 롤형으로 제조된다. 이때 롤형으로 제조된 나노섬유 복합 멤브레인의 폭은 방사장비에 따라 500~2,000mm로 다양하게 제조가능하나 길이는 대략 500M 내외로 제조된다.
롤형 나노섬유 복합 멤브레인을 보빈과 함께 정밀 슬리터 폭에 맞도록 1차 슬리팅하여 도 8 (B)와 같은 복수의 슬리팅 롤을 형성한다.
1차 슬리팅된 복수의 슬리팅롤은 커터나 슬리터 등의 정밀 슬리터에서 2차 슬리팅 작업을 수행하여 폭 0.1 내지 5mm가 되는 복합섬유 테이프사를 제조한다.
복합섬유 테이프사를 연사기 등을 이용하여 S연 내지는 Z연하여 복합 섬유사를 제조한다(S40).
복합섬유 테이프사를 연사장치를 통해 복수의 복합섬유 테이프사에 우연(S연) 내지는 좌연(Z연)을 주어 복합섬유 테이프사에 꼬임을 부여한다. 이때 꼬임 (T/M twisting/meter)은 고분자 종류나 최종 목적에 맞도록 500 이하의 감연사나 2500 이상의 극강 연사하여 실시할 필요가 있다.
또한, 복합섬유 테이프사에 장력을 부여하는 방법으로는 업디스크 텐셔와 다운디스크 텐셔 사이로 나노섬유 테이프사를 통과시켜 장력을 부여할 수 있으며, 고분자 종류에 따라 유리전이온도(Tg)와 용융온도(Tm) 사이의 온도범위에서 열연신 또는 열고정을 실시할 수 있다.
제조된 복합 섬유사를 후처리를 실시하여 꼬임이 풀리지 않도록 하거나 강한 연신력을 부여한다(S50).
제조된 복합 섬유사를 열연신, 열고정 등의 후처리를 실시하여 꼬임이 풀리지 않도록 하거나 강한 연신력을 부여할 수 있다. 연신 방법으로는 열연신, 냉연신 등 다양한 방법을 이용할 수 있으며, 열고정은 사용된 소재에 따라 꼬임이 풀리지 않는 온도범위에서 사용하는 것이 바람직하다. 바람직한 열연신, 열고정은 사용된 고분자의 유리전이온도(Tg)와 용융온도(Tm) 사이의 온도범위에서 실시한다. 또한, 상기 열연신, 열고정 공정은 복합 가연의 후공정 뿐 아니라 전 공정에서도 진행할 수 있다.
[실시예]
(실시예 1) PVDF 나노섬유 웹 제조 및 다공성 부직포에 합지
고분자 물질로 PVdF(Polyvinylidene fluoride)를 사용하고, DMAc:Acetone=7:3 용매에 15중량%가 되도록 용해하여 방사용액을 제조하였다.
상기 방사용액을 전기방사장치의 방사팩(spinning pack)으로 이동하여 인가전압 100kV, 방사노즐과 컬렉터와의 거리 20cm, 토출량 분당 20μl/hole이 되도록 하고, 30, 상대습도 60%의 방사분위기에서 전기방사 하여 중량 3gsm, 기공크기 1㎛의 나노섬유 웹을 제조하였다.
이렇게 얻어진 나노섬유 웹을 150℃, 1Kgf/㎠ 조건으로 캘린더링하여 나노섬유간의 결합을 형성시켜 고정 기공구조(Fixed pore structure)를 구현하고, 130℃, 1Kgf/㎠ 조건으로 PP/PE spunbond 부직포와 합지함으로써 나노섬유 복합 멤브레인을 제조하였다. 사용된 부직포는 PP/PE spunbond로 두께 160㎛, 40gsm인 것을 사용하여 도 8(A)와 같은 폭 1.7m, 길이 300m의 복합 나노섬유 롤(roll)을 얻었다.
실시예 1로부터 얻은 나노섬유 복합 멤브레인 소재의 기본 특성을 분석하기 위해, PMI사(Porous Materials, Inc.)의 Capillary porosimeter를 이용하여, ASTM E1294 규격으로 기공 크기 분포도(Pore size distribution)와 TEXTEST사의 FX3300을 이용하여, ASTM D737 규격에 따라 통기도(Air Permeability)를 측정하고, 그 결과를 각각 표 1과 2에 나타냈다.
특히, 나노섬유 복합 멤브레인의 기본 특성을 비교하기 위해 대조군으로 머크-밀리포어사(Merck-Millipore)의 상전이방식(Phase-separation)으로 제조된 기공크기 1㎛인 PVdF membrane(비교예1), H&V사(Hollingsworth & Vose Company)의 기공크기 1㎛인 melt-blown media(비교예 2)를 사용하였다.
기공크기 (pore size,㎛)
평균기공 최대기공
실시예 1 1.0 1.3
비교예 1 1.0 1.7
비교예 2 2.1 5.6
통기도(cfm@125Pa)통기도(cfm@125Pa)
실시예 1 2.5
비교예 1 0.8
비교예 2 0.7
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 나노섬유 복합 멤브레인은 평균 기공사이즈가 1.0㎛이고, 최대 기공 사이즈가 1.3㎛로서 비교예 1 내지 2의 상용화된 필터용 멤브레인과 동등수준 이상의 좁은 기공 사이즈 분포도를 가지고 있는 것으로 나타났다.
또한 상기 표 2에 기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 나노섬유 복합 멤브레인은 통기도가 2.5cfm@125Pa로 측정되었고, 비교예 1 내지 2의 상용화된 필터 멤브레인과 비교할 때 매우 우수한 통기도를 갖는 것으로 나타났다.
(실시예 2) 복합섬유 테이프사 제조
실시예 1의 방법에 의해 제조된 복합섬유 롤을 도 8(B)와 같이, 폭 5mm가 되도록 1차 슬리팅한 후, 도 8(E)와 같이, 각각의 폭이 3mm가 되도록 2차 정밀 슬리팅을 하여 복합 나노섬유 테이프사를 얻었다.
실시예 2의 방법으로 얻은 복합섬유 테이프사의 주사전자 현미경 사진을 도 8(C) 및 도 8(D에 나타냈다. 도 8(C)에 도시된 바와 같이, 표면에는 PVdF 나노섬유의 평균 직경이 약 300㎚로 구성되어 있으며, 실시예 1의 PMI 분석과 동일하게 평균세공 1급으로 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 나노섬유와 복합화된 PE/PP 스판본드 부직포의 주사전자 현미경 사진을 도 8(D)에 도시된 바와 같이, 직경 10㎛급의 폴리올레핀계 섬유가 랜덤하게 섬유간 융착이 발생하여 나노섬유에 비해 거대한 세공을 형성하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
상기 실시예 2의 방법으로 제조된 복합 나노섬유 테이프사를 2 for 1 연사기를 사용하여 분당 꼬임수(T/M, twist/munite) 700이 되도록 Z연하여 복합나노섬유로 구성된 복합 섬유사를 제조하였다. 도 9(A)는 복합 섬유사의 사진을 나타내고, 도 9(B)는 복합 섬유사 표면 주사전자 현미경 사진을 나타냈다.
도 9(B)의 사진에서 보는 바와 같이 직경 300급 나노섬유와 직경 10급 마이크로 섬유가 랜덤(random)하게 혼재되어 꼬여있는 것과 다양한 형태의 세공이 공존하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
(실시예 3) 복합 섬유사를 코어에 권선
실시예 2의 방법으로 제조된 복합 섬유사를 PP tow사가 50% 권취된 원통형 코어에 권선시켜 도 10에 도시된 바와 같은 2-Layer 형태의 필터 엘리먼트를 제작하였다. 이때 필터 엘리먼트의 규격은 내경 30mm, 외경 63mm, 길이 250mm가 되도록 하였다. 상기 제작된 필터 엘리먼트를 도 11에 도시된 바와 같은 PP 재질의 하우징에 결합하여 카트리지 필터를 제작하였으며, ASTM F795 규격에 따라 여과를 실시하고 필터여재에 걸리는 유량 및 차압을 측정하고, 그 결과를 표 3에 나타냈다. 특히, 나노섬유 복합사 기반 카트리지 필터의 기본 특성을 평가하기 위해 대조군으로 100% PP tow사로 동일 규격으로 제작된 국내 S사의 제품(비교예 3)을 비교 분석하였다.
측정유량
(/min)		 측정차압(kg/cm2)
실시예 3 비교예 3
#1 #2 Ave. #1 #2 Ave.
5 0.02 0.02 0.02 0.00 0.02 0.01
10 0.06 0.06 0.06 0.04 0.06 0.05
15 0.14 0.15 0.14 0.10 0.13 0.11
20 0.24 0.25 0.24 0.20 0.21 0.20
25 0.40 0.38 0.39 0.33 0.32 0.32
30 0.51 0.51 0.51 0.42 0.43 0.43
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 3의 카트리지 필터와 비교예 3의 경우 유량에 따른 압력강화는 비교예의 경우가 실시예에 비해 아주 근소하게 우수한 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 2-Layer 타입인 실시예 3의 경우가 비교예 3에 비해 보다 넓은 표면적에 기인한 것으로 예상된다.
또한, 측정유량에 따른 케이크 포집량과 차압의 관계를 표 4에 나타냈다. 이때 시험유량은 15L/min, 1회/30g/5분, 투입오염입자: Carborundum #600을 사용하였다.
투입량 (g) 측정차압(kg/cm2)
실시예 3 비교예 3
0 0.12 0.10
10 0.15 0.10
20 0.17 0.10
30 0.22 0.11
60 0.35 0.11
90 0.51 0.12
120 0.67 0.13
상기 표 4에 기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 3의 카트리지 필터와 비교예 3의 경우 케이크 포집량에 따른 압력강화는 비교예의 경우가 실시예에 비해 약간 우수한 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 2-Layer 타입의 실시예 3의 경우가 보다 많은 기공이 존재하여 형성된 결과로 해석할 수 있으며, 상기 표 3의 결과와도 일치한다.
측정 입자사이즈에 따른 필터효율을 표 5와 도 12의 그래프에 나타냈다. 상기 표 5에서와 같이 실시예 3의 경우가 비교예 3에 비해 전체적으로 필터효율이 우수한 것을 알 수 있었다. 이와 같은 결과는 복합 나노섬유 섬유사가 함유된 실시예 3이 보다 넓은 표면적을 가지고 있어 나타난 결과로 해석된다. 특히 도 12의 그래프와 같이 입자사이즈가 20㎛ 미만의 미립자의 경우 복합 나노섬유 섬유사를 포함한 실시예 3의 경우가 비교예 3에 비해 월등하게 우수한 필터효율을 나타낸 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과는 실시예 3과 같이 다층 카트리지 필터를 채용할 경우 단일필터로 다양한 크기의 입자를 동시에 제거할 수 있는 결과를 나타낸 것으로 공정필터로 사용할 필터운전에 필요한 에너지, 공간 등을 획기적으로 낮출 수 있을 것으로 파악된다.
측정 채널 측정차압(kg/cm2)
실시예 3 비교예 3
Up Down Effi.(%) Up Down Effi.(%)
5 16028.00 650.30 95.94 18791.00 4476.30 76.18
10 14990.00 420.67 97.19 18744.00 3826.00 79.59
15 11708.00 135.73 98.84 18706.00 1433.30 92.34
20 6676.70 16.93 99.75 18665.00 275.83 98.52
25 3258.40 5.73 99.82 18552.00 81.87 99.56
30 1462.70 4.07 99.72 4764.00 44.17 99.07
35 567.20 1.50 99.74 4681.40 28.30 99.40
40 210.30 0.60 99.71 3997.40 17.37 99.57
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
10: 코어 12: 구멍
20: 여과재 30: 복합 섬유사
32: 나노섬유 웹 34: 다공성 부직포
42:제1여과재 44: 제2연과재
52: 다공성 부재 62: 제1부직포
72: 제2부직포

Claims (15)

  1. 액체가 통과할 수 있는 복수의 구멍이 형성되는 코어와, 상기 코어에 권선되어 액체에 포함된 여과 대상물을 포집하는 여과재를 포함하고,
    상기 여과재는 상기 코어의 외면에 권선되는 다공성 부재; 및 상기 다공성 부재의 외면에 권선되는 복합 섬유사; 를 포함하고,
    상기 복합 섬유사는 전기방사 방법에 의해 제조되는 나노섬유가 축적된 나노섬유 웹을 다공성 부직포에 합지한 나노섬유 복합 멤브레인을 슬리팅하여 얻은 복수의 나노섬유 테이프사를 꼬아서 얻은 것이고,
    상기 다공성 부재는 천연섬유, 유리섬유, 및 아크릴 섬유사 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복합 섬유사는 평균 기공 사이즈가 1㎛ 미만인, 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 여과재는 상기 코어에 멀어질수록 상기 여과재의 평균 기공 사이즈가 점차적으로 작아지는, 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 부재와 상기 복합 섬유사 사이에는 제1부직포 층을 더 포함하는, 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1부직포 층은 PP, PE, PP/PE, PET 중 어느 하나를 전기방사에 의해 웹 형태로 형성된 스판 본드(Spun Bond) 부직포 또는 서멀 본드(Thermal Bond) 부직포로 형성되는, 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1부직포 층과 상기 복합 섬유사 사이에는 제2부직포 층을 더 포함하는, 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2부직포 층은 합성 고분자를 전기방사하여 형성되는 멜트 블로운(Melt Blown) 부직포로 형성되는, 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
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