KR102348819B1 - 활성탄소섬유, 활성탄 및 섬유상 바인더를 통해 유해가스 흡착거동이 제어된 필터 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 활성탄소섬유에 의해 유해가스 초기 흡착을 주도하면서 활성탄소섬유의 흡착률 급감을 활성탄소섬유 보다 흡착속도가 작은 흡착분말에 의해 보상하는 흡착거동을 발휘하는 필터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
필터의 제조방법은, 하면 웹(a) 상에 활성탄소섬유(b) 및 섬유상 바인더(c) 순서로 적층하는 제1단계; 제1단계의 적층체(1)를 니들펀칭하여 결합시키면서 섬유상 바인더(c)로부터 섬유 벌키층(c-1)을 형성하는 제2단계; 벌키층(c-1) 상에 흡착분말(d)을 산포 및 충진시키는 제3단계; 및 선택적으로 상면 웹(e)을 적층시키는 제4단계를 포함한다.

Description

활성탄소섬유, 활성탄 및 섬유상 바인더를 통해 유해가스 흡착거동이 제어된 필터 및 이의 제조 방법 { A filter whose adsorption behavior against harmful gas is controlled through activated carbon fibers, activated carbon particles and a fibrous binder and preparation method thereof }
본 발명은 활성탄소섬유에 의해 유해가스에 대한 초기 흡착을 주도하면서 활성탄소섬유의 흡착률 급감을 활성탄소섬유 보다 흡착속도가 작은 흡착분말에 의해 보상하는 흡착거동을 발휘하는 필터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 냉장고, 에어컨, 기저귀, 생리대, 담배, 신발장, 옷장 등의 생활용품을 사용할 때나, 침실, 화장실, 자동차 실내 등 일상 생활공간에는 김치, 생선, 담배연기, 배설물, 쓰레기 등으로부터 다양한 악취가 발생한다. 악취를 발생시키는 물질의 대표적인 예로는 암모니아(ammonia), 트리메틸아민(trimethyl amine), 아세트알데히드(acetaldehyde), 메틸메르캅탄 (Methanthiol) 등의 주요 악취원 외에, 황화메틸(methyl sulfide), 이황화메틸(dimethyl disulfide), 황화수소(hydrogen sulfide), 산화질소(nitric oxide), 이산화질소(nitrous oxide), 스티렌(styrene) 등이 있다. 이와 같은 악취를 제거하거나 반감시킬 목적으로 자동차나 실내에서는 활성탄 또는 제올라이트, 이산화티탄 광촉매 등의 탈취분말들을 이용한 필터가 사용되고 있다.
나아가, 청정한 공기는 사람의 건강에는 물론, 산업발전에 있어서도 빠질 수 없는 중요한 문제이다. 산업현장에서는 기술혁신에 따라 폭넓은 분야에서 고도의 청정공간이 요구되고 있다. 또한, 일하는 사람들에게 청결한 쾌적 공간을 주는 빌딩공조에서는 빌딩관리법을 만족시키기 위해 공조시스템 외에 담배의 연기 등을 효과적으로 제거하는 고성능 기체 필터(Air Filter)가 요구되고 있다.
필터는 전술한 탈취특성 뿐만 아니라 미세한 먼지를 집진하여 여과하는 여과특성도 양호해야 함은 당연하다 할 것이다. 기체 필터는 기체 속에 함유되어 있는 불순물입자들을 걸러주기 위한 것으로 그 용도분야가 매우 넓다. 예를 들어 자동차 엔진용 또는 공조용 기체 필터는 공기에 섞여있는 먼지 등의 분진을 걸러주어 엔진 효율이나 청정효율을 증진시키기 위하여 채용되고, 그 외 필터백, 자동차 캐빈필터, 발전소 가스터빈 필터, 반도체 에어필터, 가정용 공기청정기용 필터, 청소기 등, 산업의 발달과 생활위생 인식 수준의 제고에 부응하여 기체필터의 용도 및 시장은 매우 증가하고 있는 실정이다. 예컨대, 자동차의 캐빈 에어필터, 공조용 또는 공기청정용 필터 등이 있다.
한편, 활성탄, 제올라이트 등의 탈취분말들을 캐빈 에어필터, 공조용 또는 공기청정용 필터에 적용하는 방법으로는 여과 기능이 있는 부직포에 바인더를 이용하여(예를 들어 핫-멜트 파우더와 함께 분산한 다음 열접착) 탈취분말들을 부착시키는 방법이 이용되고 있다. 그러나, 바인더에 의해 활성탄의 유효량 감소, 탈취분말들의 기공을 막아 필터재 전체의 통기성 감소가 필연적이며, 탈취성능을 저하시키는 문제점을 발생시킨다. 이와 같은 문제점에도 불구하고 바인더를 사용해야 하는 이유는 탈취분말들이 부직포로부터 탈리되는 것을 방지하기 위함이다. 따라서, 바인더의 사용을 최소화하여 탈취분말들의 탈취성능 저하를 최소화시키면서 탈취분말들을 안정하게 충진할 수 있는 방법이 필요하다.
기공을 막는 바인더의 사용을 최소화하여 탈취분말들의 탈취성능 저하를 최소화시키면서, 활성탄소섬유에 의해 초기 흡착을 주도하면서 활성탄소섬유의 흡착률 급감을 활성탄소섬유 보다 흡착속도가 작은 흡착분말에 의해 보상하는 흡착거동을 발휘하는 필터를 제공하고자 한다.
본 발명의 제1양태는 활성탄소섬유(b)에 의해 초기 흡착을 주도하면서 활성탄소섬유(b)의 흡착률 급감을 활성탄소섬유(b) 보다 흡착속도가 작은 흡착분말(d)에 의해 보상하는 흡착거동을 발휘하는 필터의 제조방법에 있어서, 하면 웹(a) 상에 활성탄소섬유(b) 및 섬유상 바인더(c) 순서로 적층하는 제1단계; 제1단계의 적층체(1)를 니들펀칭하여 결합시키면서 섬유상 바인더(c)로부터 섬유 벌키층(c-1)을 형성하는 제2단계; 벌키층(c-1) 상에 흡착분말(d)을 산포 및 충진시키는 제3단계; 및 선택적으로 상면 웹(e)을 적층시키는 제4단계를 포함하는 필터의 제조방법을 제공한다.
이때, 흡착분말(d)은 예컨대 활성탄일 수 있다.
또한, 하면 웹(a), 섬유상 바인더(c) 및/또는 상면 웹(e)은 심초형(sheath-core type) 복합사를 이용하여 제조된 것일 수 있다.
본 발명의 제2양태는 활성탄소섬유(b)에 의해 초기 흡착을 주도하면서 활성탄소섬유(b)의 흡착률 급감을 활성탄소섬유(b) 보다 흡착속도가 작은 흡착분말(d)에 의해 보상하는 흡착거동을 발휘하는 유해가스 제거 필터로서, 하면 웹(a) 상에 활성탄소섬유(b) 및 섬유상 바인더(c) 순서로 적층하고 니들펀칭하여 결합시키면서 섬유상 바인더(c)로부터 형성된 섬유 벌키층(c-1)에 흡착분말(d)이 산포 및 충진되어 있는 것이 특징인 유해가스 제거 필터를 제공한다.
본 발명의 제3양태는 제2양태의 유해가스 필터를 사용한 공기 정화 방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 자세히 설명한다.
섬유상 활성탄인 활성탄소섬유(Active Carbon Fiber, ACF)은 공기정화 필터의 특성을 발휘할 수 있으며, 입상 활성탄에 비해서 흡착 속도가 10배 이상이다. 미량 오염물질과 접촉면적이 200~700배이고, 섬유 표면의 직접, 미량 오염물질을 포착하는 미크로포아가 발달되어 있다. 높은 흡착용량을 실현할 수 있다. 또한, 분진, 탄분의 비산이 없고 주위환경의 오염을 방지할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 활성탄(AC)만 넣은 부직포 필터 (비교예 1 및 2) 보다 여기에 활성탄소섬유(ACF)를 첨가한 부직포 필터(실시예 1)는 초기 유해가스 흡착률이 우수하고, 활성탄소섬유(ACF)만 넣은 부직포 필터 (비교예 3) 는 초기 유해가스 흡착률이 우수하나 유해가스 흡착률이 급감하는데 반해, 여기에 활성탄(AC)을 첨가한 부직포 필터(실시예 1)는 상기 흡착률 급감 문제를 해결할 수 있다는 발견에 기초하여 본 발명을 완성하였다.
즉, 본 발명은 활성탄과 활성탄소섬유의 가스 흡착거동이 상이한 것을 활용할 수 있는 필터의 각 층 미세구조를 설계하고, 접착제 또는 핫멜트를 쓰지 않고 섬유상 바인더를 이용하여 접착/합지하여 부직포 필터를 제조하는 공정을 제공하는 것이 특징이다.
따라서, 본 발명에 따라 활성탄소섬유(b)에 의해 초기 흡착을 주도하면서 활성탄소섬유(b)의 흡착률 급감을 활성탄소섬유(b) 보다 흡착속도가 작은 흡착분말(d)에 의해 보상하는 흡착거동을 발휘하는 필터는
하면 웹(a) 상에 활성탄소섬유(b) 및 섬유상 바인더(c) 순서로 적층하고 니들펀칭하여 결합시키면서 섬유상 바인더(c)로부터 형성된 섬유 벌키층(c-1)에 흡착분말(d)이 산포 및 충진되어 있는 것일 수 있다.
본 발명의 필터 적층체는 니들펀칭, 열접착 및/또는 라미네이팅을 통해 합지된 것일 수 있다.
전술한 본 발명의 필터의 제조방법은,
하면 웹(a) 상에 활성탄소섬유(b) 및 섬유상 바인더(c) 순서로 적층하는 제1단계;
제1단계의 적층체(1)를 니들펀칭하여 결합시키면서 섬유상 바인더(c)로부터 섬유 벌키층(c-1)을 형성하는 제2단계;
벌키층(c-1) 상에 흡착분말(d)을 산포 및 충진시키는 제3단계; 및
선택적으로 상면 웹(e)을 적층시키는 제4단계
를 포함한다.
[제1단계: 하면 웹(a) 상에 활성탄소섬유 (b) 및 섬유상 바인더(c) 순서로 적층하는 단계]
하면 웹(a)은 활성탄소섬유(b) 및 흡착분말(d)이 충진된 벌키층(c-1)을 적층 또는 형성하거나 필터 사용시 지지체 역할을 수행할 수 있다.
하면 웹(a) 및/또는 후술할 상면 웹(e)은 각각 독립적으로 카드 웹(carded web)을 열접착하여 형성된 것으로, ISO 9237 방법으로 측정된 공기투과도가 600cm3/cm2-sec 이상인 열접착 카드 웹(thermally bonded carded web, TBCW)일 수 있다.
열접착 카드 웹은 통상의 방법에 따라, 섬유소재를 카딩한 다음 열접착하는 방법으로 제조될 수 있다. 통기성이 높은 열접착 카드 웹을 얻기 위하여 심초형(sheath-core type)의 복합사를 사용할 수 있다. 이의 예로는 PP/PE 복합사 또는 LM-PET 등이 있다.
열접착 카드 웹을 제조하는데 사용되는 섬유소재는 2 내지 20 데니어인 것을 사용할 수 있다. 2 데니어 미만의 섬유소재를 사용하는 경우에는 제조되는 열접착 카드 웹의 통기성이 떨어진다. 이는 밀도가 너무 높거나 또는 섬유 사이에 형성되는 공간이 작기 때문일 수 있다. 전술한 재질과 섬도로 제조되는 열접착 카드 웹의 무게는 20 내지 150g/m2 일 수 있다. 웹의 무게가 20g/m2에 이르지 못하면 강도 저하로 인하여 지지체로 사용하는데 적합하지 않게 될 뿐만 아니라, 후술하는 니들펀칭 시 파손될 수 있다. 한편, 150g/m2을 초과하는 경우에는 통기성 저하가 뚜렷하게 된다. 다층으로 구성되는 필터에서 지지체로 사용되는 열접착 카드 웹 자체의 통기도는 600cm3/cm2-sec 이상인 것이 좋다.
지지체로 일반적으로 사용되는 소재는 폴리프로필렌 또는 폴리에스테르 소재의 스펀본드 부직포이나, 이들 부직포를 지지체로 사용하는 경우에는 자체의 낮은 통기성으로 인하여 그로부터 제조되는 필터여재 역시 차압이 크다는 문제점이 있다. 동일 중량의 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 스펀본드 부직포와, 폴리에틸렌테레프탈레이트 재질의 심초형 저융점 복합사(LM-PET)를 사용하여 제조된 열접착 카드 웹을 지지체로서 비교한 경우, 통기량이 약 2배 이상으로 차이가 날 수 있다.
하면 웹(a)은 충진되는 흡착분말의 탈리를 막기 위하여 일면에 필요한 가공이 선행된 것이 사용될 수 있다.
하면 웹(a), 후술할 섬유상 바인더(c), 벌키층(c-1) 및/또는 후술할 상면 웹(e)은 심초형(sheath-core type) 복합사로 제조된 것일 수 있다.
본 발명에서 심초형 복합사는, 제1 열가소성 고분자로 된 심부(芯部, core)와 제2 열가소성 고분자로 이루어진 초부(部, sheath)로 구성된 2성분계 복합방사섬유일 수 있으며, 상기 심초형 형태를 적어도 일부 포함하는 한 3성분계 이상의 복합사도 포함한다.
본 발명에서 하면 웹(a), 벌키층(c-1) 및 상면 웹(e)의 소재로서 심초형 복합사를 사용하는 것은 상기 심초형 복합사의 초부분의 부분용융을 이용하여 별도의 바인더의 사용 없이 탈취분말(d) 및/또는 활성탄소섬유(b)을 고정하는데 일조하기 위함이다.
심초형 복합사로는 심부 또는 초부를 구성하는 제1 열가소성 고분자 및 제2 열가소성 고분자의 비제한적인 예로는, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 또는 이들의 공중합체를 포함하는 폴리에스테르; 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌과 폴리프로필렌의 공중합체(PP-co-PE)를 포함하는 폴리올레핀; 나일론-6, 나일론-66 또는 이들의 공중합체를 포함하는 나일론(Nylon); 폴리스타이렌(PS); 폴리카보네이트(PC); 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA) 등을 포함하는 아크릴 계열의 섬유 등이 있다. 이들 중, PET(심부)/co-PET(초부)으로 이루어진 복합사를 사용하는 것이 바람직하다.
제1단계에서, 하면 웹(a) 상에 활성탄소섬유(b)를 후단에서 일정 장력하에서 언와인딩하는 방식으로 적층할 수 있다.
활성탄소섬유(ACF)는 새로운 타입의 섬유상 흡착제로 천연섬유 또는 인조유기물, 화학섬유를 원료로 소성, 부활시켜 만든 섬유상의 활성탄이다. 활성탄소섬유(ACF)는 팬(PAN)계, 피치(Pitch)계 또는 레이온(Rayon)계 탄소섬유일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 표면적은 1000~2000 m2/g으로 매우 크며 공경은 10~14Å으로 균등하며 작은 세공구조로 되어 있고 흡착속도가 매우 빠르며 활성탄의 약 10~100배이다. 여러 분야에서 분리나 정제에 사용되고 있는 분말이나 입상활성탄소에 비하여 10배의 높은 흡착력을 가지며 흡착제의 중량이 경량 및 소형화가 가능하다. ACF 재생 시 표면 코팅을 통해 탄분 비산으로 인한 마모율이 없고 100~200℃ 온도에서 스팀이나 온풍으로 간단히 재생이 가능하여 필터 재사용 시 3~5년의 수명이 연장될 수 있다.
본 발명에서 적층된 활성탄소섬유(b)는 종이형 또는 펠트형인 것일 수 있으 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 팬계 및 피치계 탄소섬유를 커팅하여 단섬유를 만들어 물에 분산시킨 뒤 제작된 종이형 탄소섬유를 제작할 수 있다.
한편, 제1단계에서 단섬유를 카딩하여 활성탄소섬유(b) 상에 섬유상 바인더(c)를 적층할 수 있다. 섬유상 바인더(c)는 20 데니어를 초과하는 섬유소재를 사용하는 경우에는 그 위에 산포되는 흡착분말(d)의 탈락이 발생할 수 있다.
섬유상 바인더(c)로서 단섬유의 소재는 예를 들어, 추가적으로 열접착 공정이 필요한 경우를 고려하면 전술한 하면 웹(a)과 동일한 것을 사용할 수 있다. 한편, 상기 단섬유의 섬도에 관한 제한은 특별히 없다. 단섬유의 길이는 30 내지 100mm 길이의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 단섬유의 길이가 30mm에 이르지 못하면 섬유간 교락이 충분치 않고, 100mm를 초과하는 경우에는 카딩공정시 롤에 섬유가 말리는 등의 공정상의 문제점이 발생할 가능성이 커진다.
[제2단계: 제1단계의 적층체(1)를 니들펀칭하여 결합시키면서 섬유상 바인더(c)로부터 섬유 벌키층(c-1)을 형성하는 단계]
제1단계에서는 하면 웹(a) 상에 활성탄소섬유(b) 및 섬유상 바인더(c) 순서로 적층한 적층체(1)을 제공할 수 있다. 제2단계는 하면 웹(a), 활성탄소섬유(b) 및 섬유상 바인더(c)를 구비한 적층체(1)를 니들펀칭하여 결합시키는 단계이며, 나아가 니들펀칭을 통해 섬유상 바인더(c)로부터 섬유 벌키층(c-1)을 형성시키는 단계이다.
예컨대, 섬유 벌키층(c-1)은 30 내지 100mm 길이의 단섬유를 카딩한 다음 니들펀칭하여 형성되고 무게가 20 내지 90 g/m2일 수 있다.
니들펀칭시 펀칭밀도는 최소한으로(예 펀칭밀도 10~20 cm-2) 하여 하면 웹(a)과 이후 단계에서의 상면 웹(e)을 연결하면서 동시에 흡착분말이 수직 배열하는 섬유 사이에 위치할 수 있는 공간을 제공하도록 섬유밀도를 낮게 하는 것이 바람직하다. 니들펀칭시 펀칭밀도를 높게 하면 섬유상 바인더가 수평배열이 이루어져 섬유상 바인더 사이사이에 위치해 있어야 할 흡착분말들이 섬유상 바인더 상부로 위치하게 되어 이후 상면 웹(e) 적층시 박리되는 문제점이 발생할 수 있기 때문이다. 또한 니들펀칭시 니들 심도를 너무 깊게(예 20mm)하면 상면 웹(a)과 하면 웹(e)이 섬유상 바인더로 연결되지 않아 최종 필터 제조시 박리의 원인이 될 수 있어 니들 심도를 10mm 이하로 설정하는 적절하다.
본 발명에서, 상기 벌키층(c-1)과 활성탄소섬유(b)와 하면 웹(a)을 고정하기 위한 니들펀칭의 침밀도와 펀칭 심도는 최대한 낮게, 예를 들어, 예비펀칭으로만 침밀도 15 cm-2, 펀칭 심도 9mm로 실시할 수 있다.
벌키층(c-1)은 활성탄 입자와 같은 흡착분말(d)을 고정하기 위한 층이다. 벌키층(c-1)의 무게는 20 내지 90g/m2인 것이 바람직하다. 상기 벌키층의 무게가 20g/m2에 이르지 못하면 흡착분말(d)의 고정이 충분치 못하여 다량의 흡착분말(d)을 고정하여야 하는 경우 입자의 탈락이 발생한다. 한편 90g/m2를 초과하는 경우에는 통기성 저하의 원인이 될 수 있다.
제2단계에서 형성되는 하면 웹(a), 활성탄소섬유(b) 및 섬유 벌키층(c-1) 순서의 적층체(2)는 ISO 9237 방법으로 측정된 공기투과도가 150cm3/cm2-sec 이상으로 조절하는 것이 이후 멜트블로운층 등을 적층하여 고효율 필터를 제조할 때 차압이 급격히 높아짐을 방지하기 위함이다.
[제3단계: 벌키층 (c-1) 상에 흡착분말(d)을 산포 및 충진시키는 단계]
흡착분말(d)로는 공기중의 휘발성 유기화합물(volatile organic compound, VOC)를 탈취할 수 있는 것이라면 모두 사용이 가능한데, 예를 들어 소취물질이 첨착된 활성탄 분말, 구형의 중공 코어부와 메조다공성의 카본 쉘부로 이루어진 나노 카본볼에 전이금속 등의 소취물질이 첨착된 나노 카본볼, 이온종이 NH4 +형이고 SiO2/Al2O3의 몰비가 소정 범위에 있으며 4급 암모늄염이 담지된 제올라이트 등을 사용할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
벌키층(c-1)상에 흡착분말(d)이 스프레이 되면 벌키층(c-1)의 단섬유(섬유상 바인더) 사이에 형성되는 공간에 흡착분말(d)가 위치하게 된다.
흡착분말(d)은 벌키층(c-1)을 통과하여 활성탄소섬유(b) 및/또는 하면 웹(a)에 부분적으로 분포할 수도 있다. 한편, 스프레이 하는 때, 하면 웹(a)의 아래에서 석션(Suction)을 행하면 흡착분말들의 충진밀도를 높일 수 있다. 이때, 활성탄소섬유(b) 및/또는 하면 웹(a)을 구성하는 개별 섬유들 사이에도 위치할 수 있다.
흡착분말(d)의 일례인 활성탄은 탄화수소가스나 기타 악취를 제거하는 기능을 갖는 것이면 제한 없이 사용될 수 있으며, 이를 위해 평균입경 200~1,200㎛인 것을 사용할 수 있다. 평균입경이 너무 작은 것을 사용하면 활성탄의 표면적이 높고 흡착효율이 증가할 수 있으나, 필터의 통기도를 매우 저하시키는 단점이 있고, 균일하게 분산하여 도포하기가 어렵고, 입경이 너무 큰 것을 사용하면 흡착효율이 떨어지고 필터의 무게가 불필요하게 증가되는 단점이 있다.
종래 부직포 사이에 활성탄을 고정하는 방법으로서 핫멜트 파우더를 이용하여 활성탄/활성탄 입자 사이 또는 활성탄/부직포층을 고정하는 방법이 사용되었으나 핫멜트 접착제를 사용하는 경우 통기성 저하의 원인이 될 뿐만이 아니라, 특히, 많은 양의 활성탄을 고정하는 경우에는 `활성탄/핫멜트 파우더`를 순서대로 다층으로 적층시켜야 한다는 문제점이 있다.
본 발명의 필터는 섬유 벌키층(c-1)을 형성하는 단섬유 사이에 형성된 공간에 활성탄 입자를 고정함으로써 상술한 문제점을 해결하여, 핫멜트 파우더와 같은 별도의 접착제 없이 많은 양의 활성탄 입자를 고정하면서도 통기도의 저하가 없는 탈취용 필터를 제조할 수 있다. 구체적으로, 30g/m2의 무게로 상기 벌키층을 형성하는 경우에 활성탄 입자 도포량을 200g/m2이상이 가능하고, 400g/m2까지도 도포할 수 있다. 예컨대, 제3단계에서 섬유 벌키층(c-1)의 단섬유 사이에 형성된 공간에 활성탄 입자 150 내지 350 g/m2가 고정될 수 있다.
[제4단계: 상면 웹(e)을 적층시키는 단계]
상면 웹(e)의 소재와 제조방법에 대한 설명은 전술한 하면 웹(a)과 동일하다.
제3단계 이후, 상면 웹(e)을 적층한 후 니들펀칭으로 결합시킬 수 있다.
상면 웹(e)은 심초형(sheath-core type) 복합사로 제조될 수 있으며, 상면 웹(e)으로 열접착 카드 웹이 적층된 경우 접착제의 개재 없이, 심초형 복합사의 저융점 시스 부분만을 용해시킴과 동시에 압착하는 방법으로 고정될 수 있다.
제4단계에서 또는 제4단계 이후 라미네이팅이 수행될 수 있고, 라미네이팅의 온도는 100~200℃의 범위에서 적절하게 조절될 수 있다. 온도와 압력이 가해진 상태에서 라미네이팅됨에 따라 심초형 복합사에서 저융점인 초부분이 일부 융해되면서 상면 웹과 하면 웹 사이에 부분접착이 이루어질 수 있다.
상면 웹(e)과 하면 웹(a)의 무게는 동일하거나 또는 다를 수 있다.
예를 들어, 제조된 탈취용 필터 단독으로 사용되는 경우에는 상면 웹(e)과 하면 웹(a)의 무게가 동일하게 설계될 수 있다. 다른 예로서, 이하에서 설명하는 바와 같이, 상면 웹(e)의 상면에 다른 소재가 적층되어 사용되는 경우에는 상면 웹(e)의 무게를 줄여 통기도의 손실을 최소화할 수 있다.
[제3단계 이후 분진 필터층을 추가로 적층하는 단계]
본 발명의 필터는 추가로 분진 필터층과 결합 또는 적층되어 탈취-방진기능을 동시에 가지는 복합필터로 제조될 수 있다.
상기 분진 필터층은 방진역할을 수행할 수 있는 일면에 적층된 멜트블로운 부직포일 수 있다. 멜트블로운 부직포는 중·고성능의 필터로서 우수한 특성을 발휘한다. 중·고성능 필터란 미국 공기필터규격 ANSI/ASHRAE 52.2(1999)의 MERV 7 내지 16 수준에 해당하는 필터들을 지칭하며, 이 규격에 부합하는 방진용 필터라면 제한없이 본 발명의 방진용 멜트블로운 부직포로 사용될 수 있다.
한편, 분진 필터층이 멜트블로운 부직포인 경우에는 활성탄 입자에 대한 지지 또는 고정기능을 동시에 수행할 수 있으며, 이 경우에는 멜트블로운 부직포에 접하는 열접착 카드 부직포가 생략되어, 복합필터가 제1 열접착 카드 웹, 활성탄소섬유, 활성탄이 고정된 벌키층 및 멜트블로운 부직포가 순서대로 적층 및 접착된 형태로 제작될 수 있다.
분진 필터층은 예를 들어, 니들펀칭, 칼렌더링과 같은 열접착, 감압성 점착제나 파우더나 부직포 형태의 핫멜트 접착제 등 접착제를 이용한 접착 등 다양한 공지의 수단으로 접착될 수 있다.
본 발명의 유해가스를 제거 필터는 일면 또는 양면에는 분진 필터층 뿐만아니라 다양한 목적을 가진 추가 층들이 구비될 수 있다. 예를 들어 상기 필터 위에, 또는 2이상의 기능을 발휘하도록 각 층들 사이에, 필터를 보호하거나 또는 복합필터의 형태안정성도 부여할 목적으로 스펀본드 부직포가 적층될 수 있다. 또한, 본 발명의 필터는 적층 후에 공지의 방법에 따라 정전처리가 추가로 수행될 수 있다. 널리 사용되는 정전처리 방식은 상온상태에서 와이어(wire) 타입의 코로나 대전방식으로 처리하는 것이나, 이에 한정되는 것은 아니다.
공기 정화를 위해 본 발명의 필터는, 자동차의 캐빈 에어필터, 공기청정용 필터, 화학 가스 방호 마스크용 필터, 화학공장 그리고 화물선, 여객선, 기차, 공항 등 사람이 많이 모이는 장소의 공조용 필터 등의 여재로 사용할 수 있다.
본 발명의 필터층 미세구조 설계를 통해 상이한 활성탄과 활성탄소섬유의 가스 흡착거동을 활용할 수 있어서, 활성탄소섬유(ACF)에 의해 5분 내 초기 유해가스 흡착률이 99% 이상으로 우수할 뿐만아니라, 유해가스 흡착률이 급감하는 문제점을 활성탄(AC)에 의해 해결할 수 있다는 현저한 효과를 발휘한다.
도 1은 본 발명의 일구체예에 따른 필터 적층체의 개념도이다.
도 2는 실시예 1에서 제조된 필터의 단면 SEM 사진이다.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1~3의 필터에서 시간에 따른 유해가스(톨루엔) 탈취율을 나타낸 그래프이다.
하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
초(sheath) 성분이 co-PET이고 심(core) 성분이 PET인 심초형 복합사(LM-PET, 10 데니어)를 카딩한 다음 열접착하여(130℃, 1ton/cm2) 30g/m2의 제1 열접착 카드 웹을 준비하였다. 상기 제1 열접착 카드 웹의 공기투과도가 700cm3/cm2-sec이었다.
이어서, 상기 제 1 열접착 카드 웹 상부로 활성탄소 섬유를 언와인딩- 적층하여 BET 1300이고 두께가 3mm인 활성탄소 섬유층 150g/m2 을 형성하였다. 활성탄소 섬유층 상에 10 데니어의 LM-PET를 카딩한 다음, 펀칭밀도가 10~20 cm-2 되도록 니들펀칭하여 벌키층을 형성하였다. 상기 제조된 제1 열접착 카드 웹/ 활성탄소 섬유층/ 벌키층으로 구성된 3층의 공기투과도는 150 cm3/cm2/sec이었다.
니들펀칭을 통해 결합된 상기 3층 적층체를 하부지지체로 하고, 그 위에 30~60 mesh 크기의 활성탄 입자(BET 1250)를 165g/m2의 양으로 균일하게 산포하였다.
활성탄 입자를 산포한 면 위에 심초형 복합사(LM-PET 10데니어)를 카딩하여 제2 열접착 카드 웹으로(제1 열접착 카드 웹과 동일한 무게) 덮은 후, 라미네이트를 이용하여 200℃의 온도에서 열접착하여 탈취용 필터를 제조하였다(도 2).
[비교예 1]
제 1 열접착 카드 웹 상에 활성탄소 섬유층을 형성하지 아니한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탈취용 필터를 제조하였다.
[비교예 2]
활성탄 입자의 산포량을 360g/m2으로 증량한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 탈취용 필터를 제조하였다.
[비교예 3]
활성탄 입자를 산포하지 아니한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탈취용 필터를 제조하였다.
평가
1. 두께 및 평량
시료의 두께는 KS K ISO 9073-1에 의거 MITUTOYO의 두께 측정기를 사용하였고 평량은 KS K 0514에 의거하여 g/m2로 계산하였다.
2. 공기투과도
제조된 활성탄 복합필터 여재의 공기투과도는 ISO 9237 규격의 프레지어형 공기투과도 시험기(AP-360)를 이용하여, 변부를 제외한 좌, 우, 중간부분에서 각각 샘플을 채취하여 3회 측정한 뒤 평균값을 계산하였다. 측정에 사용된 공기압력은 125Pa이었다.
3. 가스제거 효율
제조된 시료의 여재로 유닛을 제조하여 유해가스제거효율을 측정하였다. 유해가스제거효율 평가 장비(PAF 113,TOPAS GMBH)를 이용하여 유량을 150m3/h, 유해가스로서 톨루엔 가스 농도를 80ppm으로 설정하고 초기 유입가스의 농도를 측정한 다음 시간에 따른 유출농도를 측정하면서 5분 후의 유입가스 농도를 측정하여 흡착효율을 측정하였다.
실시예 및 비교예들에 대한 상기 물성평가결과를 아래의 표 1에 정리하였다.
실시예 1 : 활성탄 입자 AC 165g/m2 + 활성탄소 섬유 ACF 150g/m2 투입
비교예 1 : 활성탄 입자 AC 165g/m2 만 투입
비교예 2 : 활성탄 입자 AC 360g/m2 만 투입
비교예 3 : ACF 150g/m2만 투입
중량 통기도 가스제거효율(Toluene)
5분후 10분후
실시예1 500 66 cm3/cm2/s 99% 70%
비교예1 370 94 cm3/cm2/s 60% 40%
비교예2 550 80 cm3/cm2/s 85% 75%
비교예3 350 53 cm3/cm2/s 99% 10%
표 1 및 도 3에 나타난 바와 같이, 활성탄(AC)만 넣은 부직포 필터 (비교예 1 및 2) 보다 여기에 활성탄소섬유(ACF)를 첨가한 부직포 필터(실시예 1)는 초기 유해가스 흡착률이 우수하고, 활성탄소섬유(ACF)만 넣은 부직포 필터 (비교예 3) 는 초기 유해가스 흡착률이 우수하나 유해가스 흡착률이 급감하는데 반해, 여기에 활성탄(AC)을 첨가한 부직포 필터(실시예 1)는 상기 흡착률 급감 문제를 해결하였다.

Claims (14)

  1. 활성탄소섬유(b)에 의해 초기 흡착을 주도하면서 활성탄소섬유(b)의 흡착률 급감을 활성탄소섬유(b) 보다 흡착속도가 작은 흡착분말(d)에 의해 보상하는 흡착거동을 발휘하는 필터의 제조방법에 있어서,
    하면 웹(a) 상에 활성탄소섬유(b) 및 섬유상 바인더(c) 순서로 적층하는 제1단계;
    제1단계의 적층체(1)를 니들펀칭하여 결합시키면서 섬유상 바인더(c)로부터 섬유 벌키층(c-1)을 형성하는 제2단계;
    벌키층(c-1) 상에 흡착분말(d)을 산포 및 충진시키는 제3단계; 및
    선택적으로 상면 웹(e)을 적층시키는 제4단계를 포함하고,
    필터 적층체 고정을 위해 니들펀칭을 수행하고,
    상기 제2 단계에서 니들펀칭은 상기 흡착분말(d)이 수직 배열하는 상기 활성탄소섬유(b) 사이에 위치하도록 수행되고,
    상기 니들펀칭시 펀칭밀도는 10 pieces/cm2 내지 20 pieces/cm2이고,
    상기 제4단계 수행 후 제조된 상기 필터는 톨루엔을 포함하는 가스에 대하여 가스 노출 시작 후 5분 내 가스 흡착률이 99% 이상, 10분 내 가스 흡착률이 70% 이상인, 필터의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 제1단계에서 단섬유를 카딩하여 활성탄소섬유(b) 상에 섬유상 바인더(c)를 적층하는 것이 특징인 필터의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 흡착분말(d)은 활성탄인 것이 특징인 필터의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 하면 웹(a), 섬유상 바인더(c) 및 상면 웹(e) 중 적어도 하나는 심초형(sheath-core type) 복합사를 이용하여 제조된 것이 특징인 필터의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 제3단계 이후 분진 필터층을 추가로 적층하는 단계를 더 포함하는 것이 특징인 필터의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 하면 웹(a), 상면 웹(e) 또는 둘다는 카드 웹(carded web)을 열접착하여 형성된 것으로, ISO 9237 방법으로 측정된 공기투과도가 600cm3/cm2-sec 이상인 열접착 카드 웹(thermally bonded carded web, TBCW) 인 것이 특징인 필터의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 섬유 벌키층(c-1)은 30 내지 100mm 길이의 단섬유를 카딩한 다음 니들펀칭하여 형성되고 무게 20 내지 90g/m2인 것이 특징인 필터의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 제2단계에서 형성된 하면 웹(a), 활성탄소섬유(b) 및 섬유 벌키층(c-1) 순서의 적층체(2)는 ISO 9237 방법으로 측정된 공기투과도가 50~300 cm3/cm2-sec인 것이 특징인 필터의 제조방법.
  10. 제3항에 있어서, 흡착분말(d)인 활성탄은 평균입경이 200~1200 ㎛ 인 것이 특징인 필터의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서, 제3단계에서 섬유 벌키층(c-1)의 단섬유 사이에 형성된 공간에 활성탄 입자 150 내지 350 g/m2가 고정되는 것이 특징인 필터의 제조방법.
  12. 활성탄소섬유(b)에 의해 초기 흡착을 주도하면서 활성탄소섬유(b)의 흡착률 급감을 활성탄소섬유(b) 보다 흡착속도가 작은 흡착분말(d)에 의해 보상하는 흡착거동을 발휘하는 유해가스 제거 필터로서,
    하면 웹(a) 상에 활성탄소섬유(b) 및 섬유상 바인더(c) 순서로 적층하고 니들펀칭하여 결합시키면서 섬유상 바인더(c)로부터 형성된 섬유 벌키층(c-1)에 흡착분말(d)이 산포 및 충진되어 있고,
    상기 흡착분말(d)은 니들펀칭 후 수직 배열된 상기 활성탄소섬유(b) 사이에 위치하고,
    상기 니들펀칭시 펀칭밀도는 10 pieces/cm2 내지 20 pieces/cm2이고,
    상기 제4단계 수행 후 제조된 상기 필터는 톨루엔을 포함하는 가스에 대하여 가스 노출 시작 후 5분 내 가스 흡착률이 99% 이상, 10분 내 가스 흡착률이 70% 이상인, 유해가스 제거 필터.
  13. 삭제
  14. 삭제
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