KR101919253B1 - 정전필터 제조용 유전체 분말을 함유한 심초사 및 이를 이용한 부직포 기재 - Google Patents

정전필터 제조용 유전체 분말을 함유한 심초사 및 이를 이용한 부직포 기재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정전필터 제조용 유전체 분말을 함유한 심초사 및 이를 이용한 부직포 기재에 관한 것으로, 특히 본 발명은 의해 미세입자 및 이온성 물질에 대한 여과능력이 우수하면서도 여과효율이 저하되지 않는 특성을 갖는 고효율의 정전필터를 제공하기 위한 것이다.

Description

정전필터 제조용 유전체 분말을 함유한 심초사 및 이를 이용한 부직포 기재 { Sheath-core type composite yarn containing Dielectric Inorganic Compounds and Non-woven For Electrostatic Air Filter }
본 발명은 초부에 유전체 분말을 포함하는 심초사를 이용하여 제조된 부직포 기재에 코로나방전 처리를 실시하는 정전처리단계를 거쳐 제조되는 정전필터 제조용 유전체 분말을 함유한 부직포 기재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 미세입자 특히 이온성 물질에 대한 여과능력이 우수하고, 장기간 사용시 여과효율이 저하되지 않는 특성을 갖는 고효율의 정전필터 제조용 부직포 기재를 제공하기 위한 것이다.
필터(Filter)는 여과성능이 우선적으로 고려되어야 한다. 특히 종래의 필터 및 방진마스크들은 주로 기계적 여과(Mechanical filtering)에 주로 의존하였다. 근래에 들어 미세한 입자의 분진 및 이온성 물질 등을 여과할 목적으로 정전필터에 대한 연구가 많이 연구되고 있으나 필터가 전하를 띠는 정전기 보유기간이 매우 짧아 실용적이지 못한 문제점이 있었다.
종래기술로서, 대한민국 등록특허공보 제10-1126310호(2012. 03. 22.)에서는 비전도 열가소성 섬유로 이루어진 멜트블로운 부직포와 나노 웹이 적층된 부직포 적층체를 제조하는 단계, 상기 부직포 적층체에 고압의 물을 분사하여 하전시키는 단계, 상기 하전된 부직포 적층체를 건조시키는 단계 및, 상기 건조된 부직포 적층체에 코로나 방전하여 하전시키는 정전부직포의 제조방법이 개시되어 있고, 대한민국 공개특허공보 제10-2002-0081152호(2002. 10. 26.)에는 (a) 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF : poly vinylidene fluoride)와 폴리프로필렌 (PP : polypropylene)을 혼합방사하여 섬유를 제조하는 섬유제조단계, (b) 상기 섬유제조단계에서 제조된 섬유를 분극처리하여 유전율을 향상시키는 분극처리단계 및 (c) 상기 분극처리단계에서 유전율이 향상된 섬유로 부직포를 제조하는 부직포 제조단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고유전율 부직포 제조방법 및 일부터 제조되는 정전필터가 개시되어 있으며, 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0074334호(2017. 06. 30.)에는 폴리프로필렌 폴리머와 유전체 무기물을 혼합방사하여 제조된 섬유를 이용하여 제조된 정전필터로서, 미세입자 크기의 분진 및 이온성 물질 등에 대한 여과성능이 우수하여 여과효율이 높고, 정전기력을 장기간 유지하여 장시간 동안 여과성을 유지할 수 있는 고효율의 정전필터가 개시되어 있다. 또한 미국공개특허공보 2011/0275971호(2011. 11. 10.)에는 항균제, 항독소 등의 활성제 또는 알루미늄 등의 금속을 포함하는 니들펀칭 부직포를 코로나(corona) 처리에 의해 하전함으로써, 약 6개월 내지 2년 동안 전하를 보유할 수 있도록 정전기적으로 하전된 필터 매질이 개시되어 있고, 일본 공개특허공보 2000-504992호(2000. 04. 25.)에는 일렉트릿(electret) 섬유의 부직 웨브(web)를 개방 스크림 지지체에 니들 펀칭함으로써 형성된 섬유상 필터로서, 필터의 수명은 증가되며, 압력 강하는 낮아지고 여과 효율이 우수한 정전기 섬유상 필터 웨브 필터가 개시되어 있다
그런데 상기의 선행발명들은 필터여재에 양호한 정전기력을 갖지 못하여 사용중 여과성능이 급격하게 저하되는 문제점이 있다. 또한 정전필터의 소재를 구성하는 섬유의 제조시 섬유 전체에 유전체 무기물을 포함함으로써, 고가의 유전체 무기물의 사용량이 많아 제조비용이 상승하는 단점이 있다. 따라서 여과성능이 우수하고, 정전기 보유력이 우수하여 장기간 사용시 여과성능의 저하가 발생하지 않는 정전필터의 필요성이 여전히 존재하고 있다.
본 발명은 정전기력이 높아 미세입자 크기의 분진 및 이온성 물질 등에 대한 여과효율이 높고, 정전기력을 장기간 유지하여 사용중 오랜시간 동안 여과성능을 유지할 수 있는 고효율의 정전필터 제조용 유전체 분말을 함유한 부직포 기재 및 이를 제조하기 위한 심초사를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 유전체 분말을 포함하는 정전필터 제조용 심초사는 용융지수가 20 ~ 36 g/10min인 폴리프로필렌 95 내지 99.5 중량%에 BaTiO3, PMMA 또는 힌더드아민 광안정화제(HALS)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 유전체 분말 0.2 ~ 5 중량%를 포함하는 초부;와, 고유점도 0.6 ~ 1.2의 폴리에스테르로 이루어진 심부;로 구성되는 유전체 분말을 포함하는 정전필터 제조용 심초사로서, 상기 초부와 심부가 20 ~ 50 : 80 ~ 50 중량%로 구성되고, 단사섬도가 0.5 ~ 20 데니어인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 유전체 분말을 포함하는 정전필터 제조용 부직포 기재는 상기 유전체 분말을 포함하는 정전필터 제조용 심초사의 단섬유를 이용하여 제조된 습식 부직포를 코로나방전 처리함으로써 표면을 하전하어 제조되되, 상기 유전체 분말을 포함하는 정전필터 제조용 심초사의 단섬유는 섬유장이 2 ~ 25 mm 인 촙(chop) 형태의 단섬유인 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 유전체 분말을 포함하는 정전필터 제조용 부직포 기재는 상기 유전체 분말을 포함하는 정전필터 제조용 심초사의 단섬유를 이용하여 제조된 건식 부직포를 코로나방전 처리함으로써 표면을 하전하어 제조되되, 상기 유전체 분말을 포함하는 정전필터 제조용 심초사의 단섬유는 섬유장이 20 ~ 200 mm이고, 크림프가 5 ~ 20 개/인치인 크림프가 부여된 단섬유인 것이 바람직하다.
특히 본 발명의 유전체 분말을 함유한 정전필터 제조용 부직포 기재의 제조방법은 (a) BaTiO3, PMMA 또는 힌더드 아민 광 안정화제(HALS)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 유전체 분말 0.2 내지 5 중량%을 포함하는 폴리프로필렌 마스터배치를 제조하는 마스터배치 제조단계; (b) 상기 폴리프로필렌 마스터배치를 초부로, 폴리에스테르를 심부로 복합방사하여 단사섬도 0.5 내지 20 데니어인 심초사를 제조하는 섬유 제조단계; (c) 상기 섬유 제조단계에서 제조된 심초사를 섬유장이 2 ~ 25 mm 인 촙(Chop) 형태의 단섬유 또는 섬유장이 20 ~ 200 mm이고, 크림프가 5 ~ 20 개/인치인 크림프가 부여된 단섬유로 제조하는 단섬유 제조단계; (d) 상기 촙(Chop) 형태의 단섬유를 이용한 습식(Wet-Laid) 부직포 제조공정 또는 크림프가 부여된 단섬유를 이용한 건식(Air-Laid) 부직포 제조공정을 통해 부직포를 제조하는 부직포 제조단계; 및 (e) 상기 부직포 제조단계에서 제조한 부직포를 코로나방전 처리하는 정전처리단계;를 순차적으로 거쳐 제조되는 것이 바람직하다. 그리고 정전처리단계는 산소분위기하에서 수행되며, 인가전압은 10 내지 100 kV이며, 인가시간은 1 내지 5분인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 정전필터 제조용 유전체 분말을 함유한 심초사 및 이를 이용한 부직포 기재는 종래의 정전필터 제조용 부직포 기재에 비하여 이온성 물질에 대한 여과효율이 현저하게 우수하며, 특히 정전기 보유력이 우수하여 여과성능이 장기간 지속됨으로써 필터의 수명이 현저히 연장되는 효과를 갖는다.
또한 상기 부직포 기재를 구성하는 섬유를 심초사 형태로 제조함으로써, 상기 심초사의 초부에만 유전체 분말을 포함하여 고가의 유전체 분말의 사용량을 크게 절감함으로써, 정전필터 제조용 부직포 기재의 가격 경쟁력을 크게 높힐 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 심초사의 단면을 모식적으로 나타낸 단면도이며,
도 2는 본 발명의 일시예에 따른 정전필터 제조용 유전체 분말을 함유한 부직포 기재의 제조방법에 대한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실험예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실험예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실험예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실험예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
이하, 본 발명에 따른 정전필터 제조용 유전체 분말을 함유한 심초사 및 부직포에 대하여 첨부된 도면에 의거하여 구체적으로 설명하기로 한다. 본 발명에 첨부된 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 심초사의 단면을 모식적으로 나타낸 단면도이며, 도 2는 본 발명의 일시예에 따른 정전필터 제조용 유전체 분말을 함유한 부직포 기재의 제조방법에 대한 흐름도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 유전체 분말을 함유하는 정전필터 제조용 심초사형 복합섬유는 용융지수가 20 ~ 36 g/10min인 폴리프로필렌 95 내지 99.8 중량%에 BaTiO3, PMMA 또는 힌더드아민 광안정화제(HALS)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 유전체 분말 0.2 ~ 5 중량%를 포함하는 초부;와, 고유점도 0.6 ~ 1.2의 폴리에스테르로 이루어진 심부로 구성되는 것을 특징으로 한다. 특히 본 발명의 일실시예에 따른 심초사는 초부와 심부가 20 ~ 50 : 80 ~ 50 중량%로 구성되고, 단사섬도가 0.5 ~ 20 데니어로 제조되는 것이 바람직하다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 정전필터 제조용 유전체 분말을 함유한 부직포 기재는 도 1에 도시된 바와 같은 심초사 형태로 제조되는 것이 바람직하다. 상기 심초사는 섬유 내부에 위치하는 심부와 상기 심부의 외부를 둘러싸는 초부로 이루어지고, 상기 심부가 섬유 표면에 노출되지 않은 형상을 갖는 복합섬유를 가리킨다.
즉, 상기 정전필터 제조용 심초사형 복합섬유를 구성하는 심부에는 폴리에스테르를 이용하고, 이때 상기 폴리에스테르는 고유점도가 0.6 ~ 1.2인 것이 바람직하다. 이는 고유점도가 0.6 미만이면 섬유형성이 어렵고, 상기 고유점도가 1.2를 초과하게 되면 폴리프로필렌과의 흐름성 차이로 인해 두 폴리머에 의해 형성되는 단면이 불균일해지고 노즐면에서는 곡사현상이 발생하기 때문이다. 따라서, 본 발명의 심초사형 복합섬유의 제조시 폴리에스테르는 고유점도가 0.6 내지 1.2의 값을 갖는 것이 바람직하다.
또한 상기 정전필터 제조용 심초사형 복합섬유를 구성하는 초부는 용융지수가 20 ~ 36 g/10min인 폴리프로필렌 95 내지 99.8 중량%에 BaTiO3, PMMA 또는 힌더드아민 광안정화제(HALS)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 유전체 분말 0.2 ~ 5 중량%를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 폴리프로필렌은 용융지수(ASTM 1238)가 20 ~ 36 g/10min 이 바람직하다. 즉, 용융지수가 20 미만인 경우에는 복합방사하기 위한 흐름성이 너무 불량하며, 36을 초과하면 폴리프로필렌의 용융장력이 떨어지게 되어 섬유형성이 불량하게 되는 단점이 있다.
상기와 같이 초부는 용융지수가 20 ~ 36 g/10min인 폴리프로필렌 95 내지 99.8 중량%에 BaTiO3, PMMA 또는 힌더드아민 광안정화제(HALS)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 유전체 분말 0.2 ~ 5 중량%를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 유전체 분말은 본 발명의 정전필터 제조용 심초사형 복합섬유를 구성하는 초부에 혼입되어, 그 표면을 하전시키는 역할을 하게 된다. 즉, 부직포 기재를 하전시키기 위하여 코로나방전 처리를 하면, 상기 부직포 기재의 표면에서 하전현상이 발생하게 된다. 따라서 심초사의 표면 즉, 초부에 혼입되는 유전체 분말이 하전에 관여하며, 상기 심초사의 내부를 구성하는 심부는 직접적으로 하전되지 않는다. 따라서 코로나방전 처리에 의해 부직포 기재의 표면을 하전시킬 때 상기 부직포 기재를 구성하는 심초사의 표면 즉, 초부에 유전체 분말이 혼입되는 것이 정전필터의 여과능력과 경제성을 고려하여 볼 때 가장 바람직하다. 즉, 상기 유전체 분말이 0.2 중량% 미만인 경우에는 부직포 기재의 표면에서 충분하게 하전현상이 발생되지 않으며, 5 중량%를 초과하면 상기 유전체 분말의 함량이 과량이 되어 방사성이 불량하게 되며, 표면하전현상도 더 이상 크게 증가하지 않는다.
본 발명의 심초사는 초부용 유전체 분말을 함유하는 폴리프로필렌 및 심부용 폴리에스테르를 준비하는 단계와, 상기 폴리프로필렌 및 폴리에스테르를 각각 110℃ ~ 130℃ 하에서 3 ~ 5 시간 동안 건조시킨 후, 심초형 복합방사구금을 통하여 복합방사를 수행하여 심초사를 제조하는 통상의 공정을 수행하여 제조할 수 있다. 그리고, 심초사는 초부와 심부가 20 ~ 50 : 80 ~ 50 중량%로 구성되고, 단사섬도가 0.5 ~ 20 데니어인 것이 바람직하다.
상기 심초사의 단사섬도가 0.5 데니어 미만인 경우에는 여과효율은 좋으나, 부직포 기재의 제조시 밀도가 높아 부직포의 가공 불량을 초래할 수 있다. 또한, 단사섬도가 20 데니어를 초과하는 경우에는 통기도는 좋으나, 여과효율이 떨어지고 부직포 가공시 불량을 초래할 수 있다.
그리고 상기 심초사를 제조하는 단계에서 심초사 전체 중량 중 초부가 20 ~ 50 중량%이며, 심부가 50 ~ 80 중량%가 되는 것이 바람직하다. 이때, 심부의 중량이 50 중량% 미만이면 유전체 분말의 함유량이 증대되어 심초사의 가격이 상승하는 문제가 있을 수 있고, 80 중량%을 초과하면 상대적으로 초부의 중량이 작어서 충분한 하전효과가 발현되지 아니하여 필터의 성능의 증가 효과를 볼 수 없을 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 유전체 분말을 포함하는 정전필터 제조용 유전체 분말을 함유한 부직포 기재는 상기 심초사의 촙(chop) 형태의 단섬유로 구성되거나, 또는 연사공정을 통해 크림프가 부여되어 단섬유 형태로 제조된 후 이를 이용하여 부직포 기재를 제조하게 된다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 촙(chop) 형태의 단섬유는 섬유장이 2 ~ 25 mm인 것이 바람직하고, 또한 크림프가 부여되어 단섬유는 섬유장이 20 ~ 200 mm이고, 크림프가 인치(inch)당 5 ~ 20 개로 형성되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 본 발명의 심초사의 초부는 유전체 분말을 포함하는 폴리프로필렌으로 구성되는 것이 바람직하며, 상기 유전체 분말은 바륨타이타늄(Barium titanate, 이하 BiTiO3), 폴리메틸메타크릴레이트(Poly(methyl methacrylate), 이하 PMMA) 또는 힌더드 아민 광 안정화제(Hindered amine light stabilizers, 이하 HALS)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다. 특히, 상기 HALS는 UV에 의한 광화학반응(photo-oxidative degradation)을 감소시키거나 중단시킴으로써 폴리머의 변형을 방지하는 광안정제(photostabilizer)로서, 대부분의 HALS는 유전체로서의 특성을 갖는 것으로 알려져 있다. 상기 HALS는 본 발명에서 심초사의 초부에 혼입되는 유전체로 사용시 아래의 그림과 같은 구조를 갖는 독일의 BASF사에서 제조판매하는 chimassorb 944 ® 가 특히 바람직하다.
Figure 112017115741630-pat00001
본 발명에서는 상기 유전체 분말과 폴리프로필렌은 컴파운딩 공정을 거쳐 마스터배치를 제조한 후 방사공정에 투입되는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명의 심초사 표면의 초부에 상기 유전체 분말을 균일하게 분포시키기 위하여 마스터배치 형태로 방사공정에 투입하는 것이 바람직하다.
상기 마스터배치 제조단계에서 투입되는 상기 유전체 분말의 크기는 심초사의 방사성을 고려할 때, 1,000 nm 이하인 것이 바람직하며, 또한 상기 유전체 분말과 폴리프로필렌의 컴파운딩 공정시 상기 유전체 분말의 혼입양은 0.2 중량% 내지 5 중량%의 범위가 바람직하며, 폴리프로필렌은 95 내지 99.8 중량%로 구성되어 제조되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 일실시예에 따른 심초사는 섬유 횡단면에 있어서의 심부와 초부의 면적 비율이 3:1 ∼ 1:5인 것이 바람직하다. 즉, 상기와 같은 심부와 초부의 면적 비율을 갖는 심초사의 경우에 상기 심초사의 제조시 유전체 분말의 사용량을 절감하면서, 정전필터의 정전기 보유력의 장기간 지속이 가능하다.
상기와 같이 유전체 분말을 포함하는 폴리프로필렌 마스터배치를 제조한 후에는 이를 폴리에스테르와 함께 심초사로 복합방사한 후 연신공정을 거쳐 본 발명의 심초사를 제조한다. 이때 상기 심초사의 심부는 폴리에스테르로 구성되고, 초부는 상기 유전체 분말을 포함하는 폴리프로필렌으로 구성된다. 상기와 같이 제조된 심초사는 그 단사섬도가 0.5 ~ 20 데니어인 것이 바람직하다. 상기 심초사의 섬도가 0.5 데니어 미만인 경우에는 여과효율은 좋으나, 섬유 및 부직포의 제조가 어려워 부직포 가공 불량을 초래할 수 있다. 또한, 섬도가 20 데니어를 초과하는 경우에는 통기도는 좋으나, 여과효율이 떨어지고 부직포 가공시 불량을 초래할 수 있다.
상기와 같이 제조된 심초사는 부직포 기재를 제조하기 위하여 절단하여 단섬유로 제조하게 된다. 본발명의 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에서 심초사의 단섬유는 초퍼(chopper)에 공급하여 초핑(chopping) 공정을 거처 촙(chop) 형태의 단섬유를 제조하거나 또는 연사공정을 거쳐 크림프(crimp)를 부여한 후, 절단공정을 거쳐 크림프가 부여된 단섬유 형태로 제조하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 제조된 촙(chop) 형태의 단섬유는 섬유장이 2 ~ 25 mm 인 것이 바람직하다. 즉, 촙(chop) 형태의 단섬유의 섬유장이 2 mm 미만인 경우에는 가공이 어려울 뿐만 아니라, 부직포 제조시 교락이 불량하여 기계적 물성 및 성능 저하가 야기되며, 25 mm를 초과하는 경우에는 정전필터 제조 후에 통기도 저하가 야기되기 때문이다.
또한 상기 크림프가 부여된 단섬유는 섬유장이 20 ~ 200 mm 이며, 크림프가 5 ~ 20 개/인치인 것이 바람직하다. 즉, 상기 크림프가 부여된 단섬유는 크림프에 의해 섬유장이 20 mm 미만인 경우에는 부직포 기재의 기계적 물성 및 성능 저하가 야기되며, 섬유장이 200 mm를 초과하는 경우에는 정전필터 제조 후에 통기도 저하가 야기되기 때문이다.
상기와 같이 제조된 단섬유는 이후에 부직포 제조공정을 거쳐 부직포 기재로 제조된다. 상기 부직포 제조공정에서 섬유장이 2 ~ 25 mm 인 촙(chop) 형태의 단섬유의 경우에는 습식(wet-laid) 부직포 제조공정에 의해 부직포를 제조하는 것이 바람직하며, 섬유장이 20 ~ 200 mm 이며, 크림프가 5 ~ 20 개/인치인 크림프가 부여된 단섬유는 건식(air-laid) 부직포 제조공정을 거쳐 부직포를 제조하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 습식(wet-laid) 부직포 제조공정 및 건식(air-laid) 부직포 제조공정은 본 기술 분야에서 공지된 기술이므로 이와 관련한 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.
상기 습식(wet-laid) 부직포 제조공정에 의해 제조된 부직포는 단위중량이 40 ~ 70 g/m2 이며, 두께는 0.1 ~ 0.5 mm 이며, 통기도는 50 ~ 250 cm3/cm2/sec 인 것이 바람직하다. 상기 단위중량이 40 g/㎡ 미만에서는, 부직포가 지나치게 얇기 때문에, 강도가 지나치게 약해질 우려가 있고, 70 g/㎡를 초과하면, 부직포의 강성이 지나치게 높아질 우려가 있다. 또한 상기 부직포의 두께는 0.1 ~ 0.5 mm의 범위에서 강도 및 여과효율이 가장 우수하다. 그리고 상기 부직포를 이용하여 정전필터의 제조시 50 ~ 250 cm3/cm2/sec 의 통기도를 나타낼 때 여과효율과 제조원가를 고려할 때 가장 바람직하다.
또한 상기 건식(air-laid) 부직포 제조공정에 의해 제조된 부직포는 단위중량이 50 ~ 70 g/m2 이며, 두께는 0.3 ~ 1.0 mm 이며, 통기도는 100 ~ 400 cm3/cm2/sec 인 것이 바람직하다. 상기 건식 부직포 제조공정에 의해 제조된 부직포의 경우에도 정전필터용으로 사용시 상기와 같은 물성의 범위에서 정전필터의 물성 및 여과효율과 제조원가를 고려할 때 가장 바람직하다.
이때 부직포의 단위중량은 KS K ISO 9073-1(텍스타일-부직포 시험방법 - 제1부 : 단위면적당 질량 측정), 두께는 KS K ISO 9073-2(텍스타일-부직포 시험방법 - 제2부 : 두께 측정) 및 통기도는 ASTM D 737 (Frazier 시험방법)에 의거하여 측정하였다.
또한 상기와 같이 제조된 부직포는 와이어상 또는 판상의 전극을 이용하여 코로나 방전 처리공정을 통해 상기 부직포의 표면을 하전처리를 실시하여 다량의 양이온 또는 음이온을 형성하게 된다. 즉, 상기 부직포의 표면을 하전시키기 위하여 코로나방전 처리를 실시하는 정전처리단계를 수행하며, 상기 코로나방전은 직류고전압 발생기에 전원을 공급하면서 전압을 상승시키면 침전극의 선단에서 코로나방전이 발생하여 평판상 전극과 침전극 사이에는 고전계가 형성되므로 평판상 전극과 침전극 사이를 통과하는 부직포는 표면에 고전하를 띄게 된다. 상기와 같이 수행되는 코로나방전은 10 내지 100 kV의 인가전압으로 수행되며, 인가시간은 1 ~ 5분이 바람직하다. 상기와 같이 상기 코로나 방전에 의하여 부직포 표면 전체적으로 전하 부여량이 증가되게 된다.
특히 본 발명의 부직포 기재를 구성하는 심초사의 경우에 초부에 유전체 분말이 포함되어 있으므로, 상기와 같은 코로나방전 처리에 의하여 상기 부직포 기재를 구성하는 심초사의 표면에 전하 부여가 극대화된다. 따라서 정전필터로 제조하여 사용시 먼지 또는 이온성 물질이 쌓이면서 정전기가 소실되어 포집효율이 떨어지는 종래기술의 문제점을 해결할 수 있다.
상기와 같이 코로나방전 처리된 부직포 기재는 이후에 적절한 공정을 거쳐 정전필터로 제조하게 된다.
상기와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 정전필터 제조용 부직포 기재를 이용하여 제조된 정전필터는 정전기 보유력이 우수하며, 이에 따라 이온성 물질에 대한 여과 효율이 종래의 필터에 비하여 현저히 우수한 특징을 갖는다. 또한 기존의 정전필터는 사용시 포집효율이 급격하게 감소하는 것과 달리, 본 발명의 정전필터 제조용 부직포 기재를 이용하여 제조된 정전필터는 상기 심초사의 초부에 분산되는 유전체 분말에 의하여 정전기의 소실이 적어 포집효율이 감소되지 않고 장시간 유지되는 효과를 기대할 수 있다. 또한 상기 부직포 기재를 구성하는 섬유를 심초사 형태로 제조하고, 상기 심초사의 초부에만 유전체 분말을 포함함으로써, 고가의 유전체 분말의 사용량을 크게 절감함으로써, 정전필터 제조용 부직포 기재의 가격 경쟁력을 높힐 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 정전필터 제조용 부직포 기재의 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 정전필터 제조용 유전체 분말을 함유한 부직포 기재의 제조방법은 a) BaTiO3, PMMA 또는 힌더드 아민 광 안정화제(HALS)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 유전체 분말 0.2 내지 5 중량%을 포함하는 폴리프로필렌 마스터배치를 제조하는 마스터배치 제조단계; (b) 상기 폴리프로필렌 마스터배치를 초부로, 폴리에스테르를 심부로 복합방사하여 단사섬도 0.5 내지 20 데니어인 심초사를 제조하는 섬유 제조단계; (c) 상기 섬유 제조단계에서 제조된 심초사를 섬유장이 2 ~ 25 mm 인 촙(Chop) 형태의 단섬유 또는 섬유장이 20 ~ 200 mm이고, 크림프가 5 ~ 20 개/인치인 크림프가 부여된 단섬유로 제조하는 단섬유 제조단계; (d) 상기 촙(Chop) 형태의 단섬유를 이용한 습식(Wet-Laid) 부직포 제조공정 또는 크림프가 부여된 단섬유를 이용한 건식(Air-Laid) 부직포 제조공정을 통해 부직포를 제조하는 부직포 제조단계; 및 (e) 상기 부직포 제조단계에서 제조한 부직포를 코로나방전 처리하는 정전처리단계; 를 순차적으로 거쳐 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 상기 정전필터 제조용 유전체 분말을 함유한 부직포 기재의 제조방법을 자세히 살펴보면, 상기 정전필터 제조용 유전체 분말을 함유한 부직포 기재는 심부가 폴리에스테르로 이루어져 있고, 초부가 유전체 분말을 포함하는 폴리프로필렌으로 이루어지는 심초사로 구성되며, 도 2에 도시된 바와 같이 다음과 같은 단계를 거쳐 제조된다.
(마스터배치 제조단계)
본 발명의 일실시예에 따른 정전필터 제조용 부직포 기재를 제조하기 위하여 우선적으로 유전체 분말과 섬유제조용 폴리프로필렌을 혼합하여 마스터배치를 제조한다. 상기 마스터배치 제조단계는 폴리프로필렌과 유전체 분말 즉, BiTiO3, PMMA 또는 힌더드 아민 광 안정화제(HALS)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 분말을 투입하여 컴파운딩 공정을 진행한다. 상기 마스터배치 제조단계에 의해 상기 유전체 분말이 균일하게 혼합된 폴리프로필렌 마스터배치가 제조된다.
이 때 상기 폴리프로필렌 마스터배치에 포함되는 유전체 분말의 양을 조절하기 위하여 투입되는 폴리프로필렌의 양을 적절하게 조절할 수 있다. 즉, 상기 마스터배치 제조단계에서 폴리프로필렌 95 내지 99.8 중량%와 유전체 분말 0.2 내지 5 중량%을 컴파운딩하여 유전체 분말을 포함하는 폴리프로필렌 마스터배치를 제조하는 것이 바람직하다. 상기 유전체 분말은 BaTiO3, PMMA, HALS 에서 선택되는 어느 하나 이상인 것이 바람직하다.
(심초사 제조단계)
본 발명의 정전필터 제조용 유전체 분말을 함유한 부직포 기재를 제조하기 위한 심초사는 상기 마스터배치 제조단계에서 제조된 유전체 분말을 포함하는 폴리프로필렌 마스터배치를 초부로, 폴리에스테르를 심부로 하여 통상의 심초사 제조용 방사구금을 구비하는 방사장치에 투입하여 용융방사하여 제조하게 된다. 상기와 같이 용융방사된 심초사는 연신공정을 거쳐 권취함으로서 본 발명의 심초사를 제조한다.
상기 심초사 제조단계에서 심초사의 방사시 방사 온도는 초부와 심부의 상대점도 및 용융지수에 따라 적절하게 조절하여야 한다. 본 발명의 심초사의 경우에는 방사온도가 285 ~ 295 ℃인 것이 바람직하다. 상기 온도 범위에서 초부를 구성하는 유전체 분말을 함유하는 폴리프로필렌과 심부를 구성하는 폴리에스테르의 용융점도가 유사하여 상기 초부와 심부의 단면 형성이 균일해지고, 방사 중에 사절이 감소한다. 이후에 방사된 심초사는 목표로 하는 섬도, 강도, 신도를 얻기 위하여 연신 공정을 거치는데, 균일한 연신을 위해 90 ℃ ~ 120 ℃에서 열연신하는 것이 바람직하다. 또한 상기 심초사의 섬도는 0.5 ~ 20 데니어인 것이 바람직하다.
(단섬유 제조단계)
본 발명의 일실시예에 따른 단섬유 제조단계는 두가지 형태로 진행될 수 있다. 즉, 상기 심초사 제조단계에서 제조된 심초사를 공지된 방법에 의하여 섬유장이 2 ~ 25 mm 인 촙(chop) 형태의 단섬유 형태로 제조할 수 있고, 또는 섬유장이 20 ~ 200 mm이고, 크림프가 5 ~ 20 개/인치인 크림프가 부여된 단섬유 형태로 제조할 수 있다. 즉, 상기와 같이 두가지 형태로 제조된 단섬유는 이후에 각각 별도의 부직포 제조공정을 거쳐 부직포 기재로 제조된다.
(부직포 제조단계)
본 발명의 정전필터 제조용 부직포 기재는 습식(wet-laid) 공정 또는 건식(air-laid) 공정을 통해 부직포로 제조되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 단섬유 제조단계에서 섬유장이 2 ~ 25 mm 인 촙(chop) 형태의 단섬유로 제조된 경우에는 습식(wet-laid) 부직포 제조공정에 의해 부직포 기재를 제조하는 것이 바람직하다.
또한 상기 단섬유 제조단계에서 섬유장이 20 ~ 200 mm이고, 크림프가 5 ~ 20 개/인치인 크림프가 부여된 단섬유로 제조된 경우에는 건식(air-laid) 부직포 제조공정에 의해 부직포 기재를 제조하는 것이 바람직하다.
상기 부직포를 제조하기 위한 습식(wet-laid) 공정은 전통적인 제지 제조 시스템인 장망식 초지기(Fourdrinier machine), 환망식 초지기(Cylinder mould machine) 또는 경사형 초지기를 이용하여 수행할 수 있다. 본 발명의 습식(wet-laid) 공정에 의해 제조된 부직포는 결합제(binder) 없이 상기 단섬유 제조단계를 통해 제조된 섬유장이 2 ~ 25 mm 인 촙(chop) 형태의 단섬유로 형성된다. 즉, 상기 심초사를 초핑(chopping)하여 제조된 촙(chop) 형태의 단섬유를 물에 분산하여 슬러리를 제조한 후에 회전하는 와이어 벨트의 위에 분사하여 초지화한 후, 이를 탈수하여 부직포를 제조한다.
또한 상기 단섬유 제조단계에서 섬유장이 20 ~ 200 mm이고, 크림프가 5 ~ 20 개/인치인 크림프가 부여된 단섬유로 제조된 경우에는 건식(air-laid) 부직포 제조공정에 의해 부직포 기재를 제조하는 것이 바람직하다. 상기 건식(air-laid) 공정에 의한 부직포 제조는 구체적으로 건식 이해(離解)된 단섬유를 공기 중에 균일 분산시킨 후, 네트 상에 적층하여 부직포 기재를 형성하는 방법이다. 상기 건식(air-laid) 공정에 의하면 섬유 시트의 평면 방향과 두께 방향으로 랜덤하게 배열한 부피감이 있는 부직포를 얻을 수 있어, 물이나 기름 흡수성이 우수하고 저밀도로 감촉이 뛰어난 부직포를 얻을 수 있다.
상기 습식(wet-laid) 부직포 제조공정에 의해 제조되는 부직포는 단위중량이 40 ~ 70 g/m2 이며, 두께는 0.1 ~ 0.5 mm 이며, 통기도는 50 ~ 250 cm3/cm2/sec 인 것이 바람직하다.
또한 건식(air-laid) 부직포 제조공정에 의해 제조되는 부직포는 단위중량이 50 ~ 70 g/m2 이며, 두께는 0.3 ~ 1.0 mm 이며, 통기도는 100 ~ 400 cm3/cm2/sec 인 것이 바람직하다.
즉, 상기와 같은 물성을 갖는 부직포 기재에 의해 제조된 정전필터가 여과면적이 넓고 제조단가가 저렴한 정전필터를 제조할 수 있으며, 특히 유속이 빠른 곳이나, 유속의 변화가 심한 곳에서도 집진 효율이 떨어지지 않고 상대적으로 높은 집진 효율을 제공하는 효과를 갖는다.
(정전처리단계)
상기와 같이 습식(wet-laid) 또는 건식(air-laid) 공정에 의해 제조된 부직포 기재는 표면을 하전시키기 위하여 코로나방전 처리를 하는 정전처리단계를 거치게 된다. 즉, 상기 부직포 제조단계에서 제조된 부직포를 산소분위기하에서 코로나방전 처리하는 정전처리단계를 거치게 된다. 이때 상기 코로나방전은 10 내지 100 kV의 인가전압으로 수행되며, 상기 코로나 방전에 의하여 부직포의 표면에 전체적으로 전하 부여량이 증가되게 된다. 이 때 상기 정전처리단계의 수행시간은 1 ~ 5분이 바람직하다. 특히 상기 정전처리단계에서 수행되는 코로나방전을 통해 부직포 기재를 구성하는 심초사의 초부에 포함되는 유전체 분말에 의하여 부직포의 표면에는 전하 부여가 극대화 된다. 즉, 상기 코로나방전 처리하는 정전처리에 의하여 섬유의 동일 중량 대비 정전기력이 20 내지 50 % 상승될 수 있다. 따라서 필터의 제조후 사용중 장기간 먼지가 쌓이면서 전하가 소실되어 이물질의 포집효율이 떨어지는 문제점을 해결할 수 있다.
상기와 같이 정전처리단계를 마치면 본 발명의 유전체 분말을 포함하는 정전필터 제조용 부직포 기재가 완성된다.
상기와 같은 일련의 공정을 거쳐 본 발명의 정전기 보유력이 우수하며, 장기간 사용중 정전기의 소실이 적어 포집효율이 감소되지 않는 정전필터 제조용 유전체 분말을 함유한 부직포 기재를 제조할 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
용융지수가 30 g/10min 인 폴리프로필렌 98 중량%와 유전체 분말로서 크기가 250 nm인 BaTiO3 2 중량%를 컴파운딩하여 폴리프로필렌 마스터배치를 제조하였다. 그리고 상기 마스터배치를 초부로 하고, 고유점도가 1.0인 폴리에스테르를 심부로 하여 75/36 데이어인 심초사를 방사 및 연신하여 제조하였다. 이 때 초부와 심부는 중량비로 30:70으로 구성되며, 이후에 상기 심초사를 섬유장이 6 mm인 단섬유를 제조하고, 이를 통상적인 방법에 의거하여 단위중량이 50 g/m2이고, 두께가 0.5 mm이며, 통기도가 200 cm3/cm2/sec 인 습식(wet-laid) 부직포를 제조하였다. 상기와 같이 제조된 부직포를 20 cm X 20 cm 크기로 절단하고 연속식 코로나방전 가공 처리기기를 이용하여 산소분위기하에서 최대 처리속도 20 m/min, 30 kV의 출력으로 3분간 처리하여 본 발명의 정전필터 제조용 유전체 분말을 함유한 부직포 기재를 제조하여 시험편으로 사용하였다.
[실시예 2]
유전체 분말로서 250 nm의 크기를 갖는 PMMA를 사용한 것만을 제외하고, 상기 실시예 1와 동일한 방법을 사용하여 시험편을 제조하였다.
[실시예 3]
용융지수가 30 g/10min 폴리프로필렌 98 중량%와 유전체 분말로서 크기가 250 nm인 250 nm의 크기를 갖는 chimassorb 944® 2 중량%를 컴파운딩하여 폴리프로필렌 마스터배치를 제조하였다. 그리고 상기 마스터배치를 초부로 하고, 고유점도가 1.0인 폴리에스테르를 심부로 하여 75/36 데이어인 심초사를 방사 및 연신하여 제조하였다. 이 때 초부와 심부는 중량비로 50:50으로 구성되며, 이후에 상기 심초사를 섬유장이 125 mm인 단섬유를 제조하고, 이를 통상적인 방법에 의거하여 단위중량이 60 g/m2이며, 두께가 1.0 mm이며, 통기도가 250 cm3/cm2/sec를 갖는 건식(air-laid) 부직포를 제조하였다. 상기와 같이 제조된 부직포를 20 cm X 20 cm 크기로 절단하고 연속식 코로나방전 가공 처리기기를 이용하여 산소분위기하에서 최대 처리속도 20 m/min, 30 kV의 출력으로 3분간 처리하여 본 발명의 정전필터 제조용 유전체 분말을 함유한 부직포 기재를 제조하여 시험편으로 사용하였다.
[비교예 1]
유전체 분말을 포함하지 않은 폴리프로필렌을 초부로 하고, 폴리에스테르를 심부로 하였고, 코로나방전 처리 없이 시험편으로 사용한 점만을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 시험편을 제조하였다
[비교예 2]
상기 실시예 2로부터 유전체 분말인 PMMA를 사용하지 않고, 상기 실시예 2와 동일한 방법을 사용하여 시험편을 제조하였다.
[비교예 3]
상기 실시예 3로부터 유전체 분말인 Chimassorb 944®를 사용하지 않고, 상기 실시예 3과 동일한 방법을 사용하여 시험편을 제조하였다.
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본 발명에 의하여 제조된 정전필터 제조용 유전체 분말을 함유한 부직포 기재의 이온성 물질의 여과능력을 실험하기 위하여 NaCl 에어로졸(aerosol) 시험법에 따라 여과시험을 하였다. 즉, NaCl 입자 0.3㎛ 으로 5.3cm/초의 면속도로 시험하였다. 시험장비는 모델 TSI 8130 필터시험기를 사용하여 측정하였다. 이를 시험할 필터를 통과하도록 하여 통과 후의 공기중에 잔존하는 염화나트륨의 양을 측정하는 방법으로 상기 방법으로 실시하여 여과율을 백분율(%)로 나타내었다. 본 실험은 상기 실시예 1-3과 비교예 1-3의 부직포 시험편를 대상으로 초기여과율 및 12일 이후의 시험편의 여과율인 장기여과율을 측정하였다. 상기와 같은 방법으로 시험편의 여과율을 측정한 후 이를 표 1에 나타내었다.
초기여과율(%) 장기여과율(%)
실시예 1 99.29 96.79
비교예 1 82.43 68.93
실시예 2 99.64 97.97
비교예 2 81.37 70.31
실시예 3 99.39 98.09
비교예 3 84.24 73.21
상기 실험의 결과 본 발명에 따른 실시예 1-3의 부직포의 경우에는 초기여과율이 모두 99.0 % 이상으로 측정되었으나, 비교예 1-3의 경우에는 초기여과율이 80% 초반대로 측정되었다. 즉, 유전체를 포함하지 않은 부직포를 이용하여 코로나방전 처리를 실시하지 않은 시험편의 경우에 초기여과율(%)이 실시예 대비 약 15 %이상 떨어지는 것으로 측정되었다.
또한 12일 이후의 시험편의 여과율인 장기여과율(%)의 경우에도 실시예 1-3의 경우에는 약 1.5 % 정도의 여과율이 하락하는 것으로 측정되었으나, 비교예 1-3의 시험편의 경우에는 측정 시험편 모두 10% 이상의 여과율이 하락하는 것으로 측정되었다.
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 부직포 기재가 이온성 물질에 대하여 매우 우수한 초기여과율을 갖는 것을 알 수 있으며, 특히 코로나방전 처리를 할 경우 여과 성능이 더욱 우수해 지는 것을 확인할 수 있다. 또한 12일 이후 시험편의 여과율인 장기여과율(%)의 경우에 비교예 1-3의 시험편의 경우에 모두 10% 이상의 여과율이 감소되는 것으로 측정되었으나, 본 발명에 따른 실시예 1-3의 시험편의 경우에는 저장시간이 증가함에도 불구하고 12일 후에 약 1.5%의 미미한 여과율 감소를 나타내는 것을 알 수 있다.
상기 표 1의 결과로부터 본 발명에 따른 부직포 기재를 정전필터로 사용할 경우 종래의 필터에 비하여 여과성능이 우수하며, 장시간 사용시에도 성능이 거의 초기 수준으로 유지됨으로써 수명이 종래의 필터에 비하여 현저히 향상되는 것을 알 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실험예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실험예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
A : 심부, B : 초부, C : 유전체 분말

Claims (5)

  1. 용융지수가 20 ~ 36 g/10min인 폴리프로필렌 95 내지 99.8 중량%에 BaTiO3 또는 PMMA 로부터 선택되는 하나 이상의 유전체 분말 0.2 ~ 5 중량%를 포함하는 초부;와, 고유점도 0.6 ~ 1.2의 폴리에스테르로 이루어진 심부;로 구성되는 유전체 분말을 포함하는 정전필터 제조용 심초사로서,
    상기 초부와 심부가 20 ~ 50 : 80 ~ 50 중량%로 구성되고, 단사섬도가 0.5 ~ 20 데니어인 심초사형 모노필라멘트로 구성되는 유전체 분말을 포함하는 정전필터 제조용 심초사.
  2. 유전체 분말을 포함하는 정전필터 제조용 부직포 기재로서,
    청구항 1의 유전체 분말을 포함하는 정전필터 제조용 심초사의 단섬유를 이용하여 제조된 습식 부직포를 코로나방전 처리함으로써 표면이 하전되어 제조되되,
    상기 유전체 분말을 포함하는 정전필터 제조용 심초사의 단섬유는 섬유장이 2 ~ 25 mm 인 촙(chop) 형태의 단섬유인 것을 특징으로 하는 유전체 분말을 포함하는 정전필터 제조용 부직포 기재.
  3. 유전체 분말을 포함하는 정전필터 제조용 부직포 기재로서,
    청구항 1의 유전체 분말을 포함하는 정전필터 제조용 심초사의 단섬유를 이용하여 제조된 건식 부직포를 코로나방전 처리함으로써 표면이 하전되어 제조되되,
    상기 유전체 분말을 포함하는 정전필터 제조용 심초사의 단섬유는 섬유장이 20 ~ 200 mm이고, 크림프가 5 ~ 20 개/인치인 크림프가 부여된 단섬유인 것을 특징으로 하는 유전체 분말을 포함하는 정전필터 제조용 부직포 기재.
  4. (a) BaTiO3 또는 PMMA 로부터 선택되는 하나 이상의 유전체 분말 0.2 내지 5 중량%을 포함하는 폴리프로필렌 마스터배치를 제조하는 마스터배치 제조단계;
    (b) 상기 폴리프로필렌 마스터배치를 초부로, 폴리에스테르를 심부로 복합방사하여 단사섬도 0.5 내지 20 데니어인 심초사를 제조하는 섬유 제조단계;
    (c) 상기 섬유 제조단계에서 제조된 심초사를 섬유장이 2 ~ 25 mm 인 촙(Chop) 형태의 단섬유 또는 섬유장이 20 ~ 200 mm이고, 크림프가 5 ~ 20 개/인치인 크림프가 부여된 단섬유로 제조하는 단섬유 제조단계;
    (d) 상기 촙(Chop) 형태의 단섬유를 이용한 습식(Wet-Laid) 부직포 제조공정 또는 크림프가 부여된 단섬유를 이용한 건식(Air-Laid) 부직포 제조공정을 통해 부직포를 제조하는 부직포 제조단계; 및
    (e) 상기 부직포 제조단계에서 제조한 부직포를 코로나방전 처리하는 정전처리단계;
    를 순차적으로 거쳐 제조되는 유전체 분말을 함유한 정전필터 제조용 부직포 기재의 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 정전처리단계는 산소분위기하에서 수행되며, 인가전압은 10 내지 100 kV이며, 인가시간은 1 내지 5분인 것을 특징으로 하는 유전체 분말을 함유한 정전필터 제조용 부직포 기재의 제조방법.
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