KR101834931B1 - 전기방사법을 이용한 내열성 나노 멤브레인 카트리지 백 필터용 부직포 제조방법 - Google Patents

전기방사법을 이용한 내열성 나노 멤브레인 카트리지 백 필터용 부직포 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 전기방사법을 이용한 내열성 나노 멤브레인 카트리지 백 필터용 부직포 제조방법은 매트형태로 된 펠트(felt) 기재를 형성하는 제 1 단계; 형성된 기재를 워터 펀칭하여 기공을 형성하여 고밀도화하는 제 2 단계; 고밀도화된 기재의 표면에 폴리머 용액을 전기방사하여 나노섬유를 적층하는 제 3 단계; 나노섬유가 적층된 기재를 롤링 압착하여 나노섬유를 기재에 부착시키는 제 4 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

전기방사법을 이용한 내열성 나노 멤브레인 카트리지 백 필터용 부직포 제조방법{Felt Manufacturing Method for Nano Membrane Cartridge Bag Filter using Electrospinning}
본 발명은 백필터를 고밀도화시켜 소형화할 수 있도록 하여 이와 수반되는 모터의 용량 또한 소형화되도록 하기 위한 전기방사법을 이용한 내열성 나노 멤브레인 카트리지 백 필터용 부직포 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 열연, 후판 등의 제품을 생산하기 위한 중간 단계의 제품인 슬래브(반제품)을 생산하기 위해서는 철광석과 석탄을 이용해 소결광 및 코크스를 생산 후, 고로에 장입해 용선(쇳물)을 생산하고, 용선(쇳물)의 불순물을 제거하고 성분 조정을 통해 강종에 적합한 용강을 만드는 용광로공법을 이용한다.
이때, 용선을 생산하기 위한 고로, 코크스를 생산하기 위한 코크스로, 철광석을 가열해서 뭉쳐주는 소결로 및 용광로를 거치게 되는데 각 로에서 발생되는 공해물질을 정화시키기 위해 필터백을 설치하여 정화시키게 된다. 각 로에 필터백을 설치하게 되므로 유지비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.
아울러, 고로, 코크스로, 용광로에서 배출되는 배기가스는 대략 100℃ 정도이나, 소결로에서 배출되는 배기가스는 대략 200℃ 정도로 내열성 백필터를 사용하여야 한다. 또한, 각 로에서 발생되는 배기가스를 정화시키는 용량이 커야 하므로 백필터가 대형화되는 문제점이 있다. 아울러, 필터가 대형화됨에 따라 이와 수반되는 모터의 용량 또한 대형화되어야 하는 문제점이 있다.
공해물질의 배출을 대폭 줄일 수 있는 용광로공법의 문제점을 개선하기 위하여 최근에는 파이넥스 공법(FINEX, 직접제강법)이 제안된 바 있다.
파이넥스 공법(FINEX, 직접제강법)은 가루형태의 철광석과 일반 유연탄을 사용하여 쇳물을 생산하는 최첨단 기술로 철광석을 덩어리로 만드는 중간과정인 소결공정이 생략되어 설비투자비를 절감할 수 있을 뿐 아니라, 기존의 용광로공법에 비해 황산화물, 질소산화물 등 공해물질의 배출을 대폭 줄일 수 있는 환경친화적 기술이다.
이러한 파이넥스 공법은 로의 개수가 줄어들어 공해물질의 배출이 대폭 줄어들기는 하나, 이또한 배기가스를 정화시키는 용량이 커야 하므로 백필터가 대형화되는 문제점이 있다. 아울러, 필터가 대형화됨에 따라 이와 수반되는 모터의 용량 또한 대형화되어야 하는 문제점이 있다.
따라서, 백필터를 고밀도화시켜 소형화할 수 있도록 하여 이와 수반되는 모터의 용량 또한 소형화되도록 하기 위한 백필터용 부직포의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 백필터를 고밀도화시켜 소형화할 수 있도록 하여 이와 수반되는 모터의 용량 또한 소형화되도록 하기 위한 전기방사법을 이용한 내열성 나노 멤브레인 카트리지 백 필터용 부직포 제조방법을 제공하는 것이다.
아울러, 본 발명의 다른 목적은 표면여과가 이루어지도록 하여 필터의 청소가 용이하도록 함으로써 필터의 수명을 연장되도록 하는 전기방사법을 이용한 내열성 나노 멤브레인 카트리지 백 필터용 부직포 제조방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기방사법을 이용한 내열성 나노 멤브레인 카트리지 백 필터용 부직포 제조방법은 매트형태로 된 펠트(felt) 기재를 형성하는 제 1 단계; 형성된 기재를 워터 펀칭하여 기공을 형성하여 고밀도화하는 제 2 단계; 고밀도화된 기재의 표면에 폴리머 용액을 전기방사하여 나노섬유를 적층하는 제 3 단계; 나노섬유가 적층된 기재를 롤링 압착하여 나노섬유를 기재에 부착시키는 제 4 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제 1 단계에서 상기 기재는 아라미드, PPS, 폴리이미드, 폴리아미드, PSA, 테프론(PTFE), 노맥스로부터 선택되는 어느 하나의 재질 또는 이들의 혼합 재질로 된 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제 2 단계시 노즐직경은 0.07~0.15mm이고, 노즐 분사압력은 200~300bar인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기재의 중간부위에는 글래스 스크린(glass screen)이 개재된 것을 특징으로 한다.
또, 상기 제 2 단계에서 전기방사 전압은 50 내지 80 kV이고, 노즐 직경은 0.1 내지 0.3 mm이며, 방사압력은 0.5 내지 1.5 kgf/mm2 인 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제 1 단계에 의해 형성된 기재에 대한 상기 제 4 단계에 의해 롤링 압착된 기재의 통기도 변화율은 50 내지 80% 감소되며, 상기 제 3 단계에 의해 적층된 나노섬유에 대한 상기 제 4 단계에 의해 롤링 압착된 나노섬유의 통기도 변화율은 50 내지 70% 감소되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 폴리머 용액은 PVDF 71 내지 80 wt%, DMAc 13 내지 21 wt%, 아세톤 4 내지 7 wt%, 폴리우레탄 1 내지 3 wt%로 된 것을 특징으로 한다.
또, 상기 폴리머 용액의 점도는 3000 내지 4000 cP 이며, 고형분은 20 내지 30wt% 인 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 폴리머 용액은 PAA(폴리아크릴아미드) 85 내지 90 wt%, DMAc 2 내지 5 wt%, 아세톤 6 내지 10 wt%, 폴리우레탄 1 내지 3 wt%로 된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 폴리머 용액의 점도는 1500 내지 12000 cP 이며, 고형분은 15 내지 20wt% 인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 제 4 단계시 롤링 압착 압력은 150 내지 180kg/cm2 이며, 롤링 속도는 2 내지 5 m/min 이고, 롤링 온도는 200 내지 280 ℃ 인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 전기방사법을 이용한 내열성 나노 멤브레인 카트리지 백 필터용 부직포 제조방법에 의해 제조된 백 필터용 부직포는 백필터를 고밀도화시켜 소형화할 수 있도록 하여 이와 수반되는 모터의 용량 또한 소형화할 수 있어 설비비용 및 유지비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
아울러, 기재의 표면에 부착된 나노섬유에 의해 표면여과가 이루어지므로 필터의 청소가 용이하고 필터의 수명을 연장할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 전기방사법을 이용한 내열성 나노 멤브레인 카트리지 백 필터용 부직포 제조공정을 나타낸 공정도이다.
도 2는 본 발명의 전기방사법을 이용한 내열성 나노 멤브레인 카트리지 백 필터용 부직포 제조방법에 의해 제조된 백 필터용 부직포의 공기투과도에 대한 시험성적서이다.
이하, 본 발명의 전기방사법을 이용한 내열성 나노 멤브레인 카트리지 백 필터용 부직포 제조방법를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 전기방사법을 이용한 내열성 나노 멤브레인 카트리지 백 필터용 부직포 제조공정을 나타낸 공정도이다.
본 발명의 전기방사법을 이용한 내열성 나노 멤브레인 카트리지 백 필터용 부직포는 매트형태로 된 펠트(felt) 기재를 형성하는 제 1 단계; 형성된 기재를 워터 펀칭하여 기공을 형성하여 고밀도화하는 제 2 단계; 고밀도화된 기재의 표면에 폴리머 용액을 전기방사하여 나노섬유를 적층하는 제 3 단계; 나노섬유가 적층된 기재를 롤링 압착하여 나노섬유를 기재에 부착시키는 제 4 단계; 를 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 제 1 단계에서 상기 기재는 아라미드, PPS, 폴리이미드, 폴리아미드, PSA, 테프론(PTFE)으로부터 선택되는 어느 하나의 재질 또는 이들의 혼합 재질로 된다.
부직포 기재의 단사 섬도는 2 내지 5 denier이고, 최종 중량은 300 내지 400 gsm이며, 두께는 1.0 내지 1.5 mm이다.
부직포 기재의 단사 섬도가 2 denier 미만인 경우에는 통기 저항이 너무 커져서 전력 유지 비용이 과대하게 되는 문제점이 있다.
부직포 기재의 단사 섬도가 5 denier를 초과하는 경우에는 통기 저항이 너무 낮아져서 미세 먼지가 유출되는 문제점이 발생된다.
부직포 기재의 중량이 300g/m2 미만이면 워터펀칭에 의해 기공을 형성할 때 부직포 기재의 손상이 되게 되어 부직포 기재의 강도가 저하됨에 따라 내마모성, 인장, 파열 강도 등이 저하되게 되는 문제점이 있다.
반면에, 상기 부직포 기재의 중량이 400g/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.
부직포 기재의 두께가 1.0mm 미만으로 너무 얇으면 부직포 기재의 강도가 저하됨에 따라 내마모성, 인장, 파열 강도 등이 저하되게 되는 문제점이 있다.
부직포 기재의 두께가 1.5mm를 초과하여 너무 두꺼우면 부직포 기재의 강도는 개선되나 필터효율이 저하되는 문제점이 있다.
상기 제 2 단계에서 워터 펀칭(spun-lace)의 노즐직경은 0.07~0.15mm이고, 노즐 분사압력은 최적 고압(200~300bar)이다. 워터 펀칭은 고압의 워터 제트가 망 형태로 배열된 웹으로 펀칭하게 된다.
상기 워터 펀칭용 노즐의 직경이 0.07mm 미만이 되게 되면 표면 구조에 영향을 주지 못하게 되고 전체적인 섬유 조직의 구조가 재배열되는 데에 영향을 주지 못하게 되어 섬유 조직이 조밀하지 못하게 된다.
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.
상기 워터 펀칭용 노즐의 노즐 분사압력이 200 bar 미만으로 너무 낮게 되면 워터 펀칭에 의해 섬유 조직이 재배열되는 데에 영향을 주지 못하게 되어 섬유 조직이 조밀하지 못하게 되며, 노즐 분사압력이 300 bar를 초과하게 되면 섬유 조직 구조가 재배열되기는 하나 부직포 기재를 손상시키게 되므로 적당한 노즐 압력으로 분사되도록 한다.
워터 펀칭을 하게 되면 수류 교락에 의해 기재가 재배열되어 고밀도 부직포 기재를 제조할 수 있게 된다. 워터 펀칭은 기존의 니들펀칭에 비해 고밀도 부직포 기재를 제조할 수 있게 된다.
워터 펀칭에 의한 고내열성 백 필터 기재의 물성변화는 아래 [표 1]과 같다.
[표 1] 고내열성 백 필터 기재의 물성
Figure 112016038238948-pat00001
중량이 줄어들고 통기도는 감소한다는 것은 고내열성 백 필터 기재가 고밀도화된 것을 의미한다.
아울러, 상기 제 3 단계에서 전기방사는 Electro-Spinning에 의한 방법으로 방사되게 되고, 전기방사 전압은 50 내지 80 kV이고, 노즐 직경은 0.1 내지 0.3 mm이며, 방사압력은 0.5 내지 1.5 kgf/mm2 이다. 이렇게 방사된 나노 섬유 멤브레인은 직경이 대략 1,000nm이고, 방사중량은 15 내지 20gsm 가 된다.
노즐 직경이 0.1mm 미만이면 드롭렛(Droplet) 현상이 번번하게 발생되며, 0.3mm를 초과하면 나노섬유 멤브레인 형성이 불가능하게 될 수 있다.
방사전압이 50kV 미만이고 방사압력이 0.5 kgf/mm2 미만으로 너무 낮으면 폴리머 용액의 방사가 원활하지 않게 되어 드롭렛(Droplet) 현상이 발생되게 되어 균일한 나노섬유를 적층할 수 없게 된다.
반면에, 방사전압이 50kV를 초과하고 방사압력이 0.5 kgf/mm2를 초과하게 되면 폴리머 용액의 방사가 원활하게 되나 나노섬유의 강도가 저하되게 된다.
또한, 상기 기재의 중간부위에는 글래스 스크린(glass screen)이 개재된 것을 특징으로 한다. 상기 기재의 중간부위에는 글래스 스크린(glass screen)이 개재되게 되면 기재의 강도를 증가시키게 되고 부직포 절곡시 성형성을 향상시키게 된다.
아울러, 상기 제 1 단계에 의해 형성된 기재에 대한 상기 제 4 단계에 의해 롤링 압착된 기재의 통기도 변화율은 50 내지 80% 감소되며, 상기 제 3 단계에 의해 적층된 나노섬유에 대한 상기 제 4 단계에 의해 롤링 압착된 나노섬유의 통기도 변화율은 50 내지 70% 감소되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 폴리머 용액은 PVDF 71 내지 80 wt%, DMAc 13 내지 21 wt%, 아세톤 4 내지 7 wt%, 폴리우레탄 1 내지 3 wt%로 된 것을 특징으로 한다.
PVDF 용액의 원활한 섬유화를 위하여 Solvent에 아세톤을 첨가한다.
폴리우레탄을 첨가하게 되면 방사된 나노섬유가 기재에 점착되는 점착성이 증대되게 된다.
또, 상기 폴리머 용액의 점도는 3000 내지 4000 cP 이며, 고형분은 20 내지 30wt% 인 것을 특징으로 한다.
폴리머 용액의 점도가 3000 cP 미만으로 너무 낮거나 고형분이 20wt% 미만으로 너무 적게 되면 폴리머 용액의 방사는 원활하나 나노섬유의 강도가 저하되게 된다.
반면에, 폴리머 용액의 점도가 4000 cP를 초과하여 너무 높거나 고형분이 30wt%를 초과하여 너무 많게 되면 폴리머 용액의 방사가 원활하지 않게 되어 드롭렛(Droplet) 현상이 발생되게 되어 균일한 나노섬유를 적층할 수 없게 된다.
아울러, 상기 폴리머 용액은 PAA(폴리아크릴아미드) 85 내지 90 wt%, DMAc 2 내지 5 wt%, 아세톤 6 내지 10 wt%, 폴리우레탄 1 내지 3 wt%로 된 것을 특징으로 한다.
PAA 용액의 원활한 섬유화를 위하여 Solvent에 아세톤을 첨가한다.
폴리우레탄을 첨가하게 되면 방사된 나노섬유가 기재에 점착되는 점착성이 증대되게 된다.
또한, 상기 폴리머 용액의 점도는 1500 내지 12000 cP 이며, 고형분은 15 내지 20wt% 인 것을 특징으로 한다.
PAA 용액의 원활한 섬유화를 위하여 Solvent에 아세톤을 첨가한다.
폴리우레탄을 첨가하게 되면 방사된 나노섬유가 기재에 점착되는 점착성이 증대되게 된다.
전기방사에 의한 고내열성 백 필터 기재의 중량 및 통기도 변화는 아래 [표 2]와 같다.
[표 2] 고내열성 백 필터 기재의 중량 및 통기도 변화
Figure 112016038238948-pat00002
전사방사에 의해 중량변화는 커지나, 통기도는 감소하는 것을 알 수 있다. 이와 같이 통기도는 감소한다는 것은 필터링시 배기가스에 포함된 공해물질이 기재에 영향을 주지 않고 기재의 표면에 부착된 나노섬유에 의해 표면여과가 이루어지므로 필터의 청소가 용이하고 필터의 수명을 연장할 수 있는 효과가 있다.
아울러, 백필터 기재의 고밀도화됨에 따라 필터를 소형화할 수 있으며, 이와 수반되는 모터의 용량 또한 소형화할 수 있어 설비비용 및 유지비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또, 상기 제 4 단계시 롤링 압착 압력은 150 내지 180kg/cm2 이며, 롤링 속도는 2 내지 5 m/min 이고, 롤링 온도는 200 내지 280 ℃ 인 것을 특징으로 한다.
롤링 압착 압력이 150 kg/cm2 미만으로 너무 작거나 롤링 속도가 5 m/min을 초과하여 너무 빠르게 되면, 기재와 나노섬유의 부착력이 저하되게 되고 기재의 통기도 및 나노섬유의 통기도가 너무 높게 되어 미세 먼지가 유출되게 되는 문제점이 있다.
롤링 압착 압력이 180 kg/cm2를 초과하여 너무 크거나 롤링 속도가 2 m/min미만으로 너무 느리게 되면, 기재와 나노섬유의 부착력은 증가되나 기재의 통기도 및 나노섬유의 통기도가 너무 낮게 되어 필터 효율이 낮게 되는 문제점이 있다.
롤링온도는 기재와 나노섬유의 물성이 변화되지 않고 기공변화를 위한 롤링 압착이 가능한 온도로 되는 것이 바람직하다.
롤링 압착에 의한 고내열성 백 필터 기재의 물성변화는 아래 [표 3]과 같다.
[표 3] 고내열성 백 필터 기재의 롤링 압착에 의한 물성변화
Figure 112016038238948-pat00003
롤링 압착에 의해 중량변화는 줄어들고 통기도는 감소하는 것을 알 수 있다.
도 2는 본 발명의 전기방사법을 이용한 내열성 나노 멤브레인 카트리지 백 필터용 부직포 제조방법에 의해 제조된 백 필터용 부직포의 공기투과도에 대한 시험성적서이다.
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.

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  11. 매트형태로 된 펠트(felt) 기재를 형성하는 제 1 단계;
    형성된 기재를 워터 펀칭하여 기공을 형성하여 고밀도화하는 제 2 단계;
    고밀도화된 기재의 표면에 폴리머 용액을 전기방사하여 나노섬유를 적층하는 제 3 단계;
    나노섬유가 적층된 기재를 롤링 압착하여 나노섬유를 기재에 부착시키는 제 4 단계;를 포함하여 이루어지며,
    상기 제 1 단계에서 상기 기재는 아라미드, PPS, PSA, 테프론(PTFE), 노맥스로부터 선택되는 어느 하나의 재질 또는 이들의 혼합 재질로 되며, 단사 섬도는 2 내지 5 denier이고, 최종 중량은 300 내지 400 gsm이며, 두께는 1.0 내지 1.5 mm이고,
    상기 제 2 단계시 워터펀칭을 위한 노즐직경은 0.07~0.15mm이고, 노즐 분사압력은 200~300bar이며,
    상기 기재의 중간부위에는 글래스 스크린(glass screen)이 개재되고,
    상기 제 3 단계에서 전기방사 전압은 50 내지 80 kV이고, 전기방사를 위한 노즐 직경은 0.1 내지 0.3 mm이며, 전기방사를 위한 노즐 방사압력은 0.5 내지 1.5 kgf/mm2 이며,
    상기 제 1 단계에 의해 형성된 기재에 대한 상기 제 4 단계에 의해 롤링 압착된 기재의 통기도 변화율은 50 내지 80% 감소되며,
    상기 제 3 단계에 의해 적층된 나노섬유에 대한 상기 제 4 단계에 의해 롤링 압착된 나노섬유의 통기도 변화율은 50 내지 70% 감소되고,
    상기 폴리머 용액은 PVDF 71 내지 80 wt%, DMAc 13 내지 21 wt%, 아세톤 4 내지 7 wt%, 폴리우레탄 1 내지 3 wt%로 되며,
    상기 폴리머 용액의 점도는 3000 내지 4000 cP 이며, 고형분은 20 내지 30wt% 이고,
    상기 제 4 단계시 롤링 압착 압력은 150 내지 180kg/cm2 이며, 롤링 속도는 4 내지 5 m/min 이고, 롤링 온도는 200 내지 280 ℃ 인 것을 특징으로 하는 전기방사법을 이용한 내열성 나노 멤브레인 카트리지 백 필터용 부직포 제조방법.
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