KR102362232B1 - 여과 성능이 향상된 부직포의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 필터 재료로 적용되는 경우에 여과 성능을 향상시키는 부직포의 제조방법에 관한 것으로, 부직포를 구성하는 폴리에스테르 장섬유의 Y형 단면의 이형도를 조절함으로써 부직포의 비표면적을 증대시켜 필터에 적용할 경우에 여과 대상물질의 포집량을 증대하고 낮은 차압을 유지시켜 장기간 사용이 가능해진다.

Description

여과 성능이 향상된 부직포의 제조방법{Manufacturing method of non-woven with improved filtration performance}
본 발명은 필터 재료로 적용되는 경우에 여과 성능을 향상시키는 부직포의 제조방법에 관한 것이다.
필터(Filter)란 다른 상을 포함한 기체, 액체가 통과하는 격벽의 양측에 압력차를 만들어 기체, 액체로부터 그 안에 현탁되어 있는 다른 상의 입자를 효과적으로 분리하는 소재 또는 장치로 정의된다.
필터는 미세먼지를 비롯한 각종 오염과 세균 및 바이러스 등을 차단할 수 있다.
필터는 에어 필터, 수처리 필터, 가스 필터 등 여과대상에 따라 구분된다.
폴리에스테르 스펀본드 부직포는, 우수한 기계적 물성, 절곡성, 형태안정성, 작업성이 용이한 점으로 주로 필터용 여과소재로 많이 사용되고 있다.
Pool & Spa 필터의 경우, 수영장 등에서 사용되는 폴리에스테르 스펀본드 부직포가 포함된 수처리용 필터로서 물속의 각종 이물질을 효과적으로 제거하고 장시간 동안 사용할 수 있는 능력이 필요하다.
기존의 수처리용 필터 소재로서 폴리에스테르 스펀본드 부직포는, 세섬도의 원형단면 필라멘트로 구성되어 있어 직물과 대비하여 부직포를 구성하는 필라멘트의 표면적이 넓어 여과 효율과 각종 이물질의 포집량이 향상되나, 차압이 높고 수명이 짧은 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 제2015-0132741호(여과효율과 사용주기가 개선된 여과지용 습식부직포 및 그 습식 부직포용 단섬유)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 부직포를 구성하는 섬유의 비표면적을 조절하여 여과성능을 향상시키는 부직포의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은 융점이 250℃ 이상이고 Y형 단면을 가지는 폴리에스테르의 제1필라멘트 및 융점이 150~220℃이고 원형 단면을 가지는 폴리에스테르의 제2필라멘트를 포함하여 이루어진 혼섬사 장섬유 부직포에서, 상기 Y형 단면의 이형도(외접원의 반지름(B) / 내접원의 반지름(A))가 2.0~3.2이면서 단면적이 0.11~0.20㎟인 것을 특징으로 하는 여과 성능이 향상된 부직포를 제공한다.
한편, 본 발명은 융점이 250℃ 이상인 폴리에스테르의 제1필라멘트 80~95 중량% 및 융점이 150~220℃인 폴리에스테르의 제2필라멘트 5~20 중량%를 포함하여 혼섬방사하며, 상기 제1필라멘트는 Y형 단면으로 이형도(외접원의 반지름(B) / 내접원의 반지름(A))가 2.0~3.2이면서 단면적이 0.11~0.20㎟가 되도록 혼섬사를 제조하는 단계; 상기 혼섬사를 적층하여 웹을 형성하는 단계; 및 상기 웹을 캘린더 롤러를 통과시키고 열접착하는 캘린더링 공정을 수행하여 부직포를 제조하는 단계;를 포함한 여과 성능이 향상된 부직포의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 부직포를 구성하는 폴리에스테르 장섬유의 Y형 단면의 이형도를 조절함으로써 부직포의 비표면적을 증대시켜 필터에 적용할 경우에 여과 대상물질의 포집량을 증대하고 낮은 차압을 유지시켜 장기간 사용이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리에스테르 제1필라멘트의 Y형 단면의 모식도이다.
본 발명은 융점 및 단면의 형태가 서로 다른 2종의 폴리에스테르 섬유로 구성된 장섬유 스펀본드 부직포에서, 섬유의 단면의 조절을 통해 부직포의 비표면적을 증대시켜 필터용 소재로 적용될 경우에 여과성능이 향상되는 부직포에 관한 것이다.
본 발명의 부직포를 구성하는 섬유는, 융점이 250℃ 이상이고 Y형 단면을 가지는 폴리에스테르의 제1필라멘트 80~95 중량% 및 융점이 150~220℃이고 원형 단면을 가지는 폴리에스테르의 제2필라멘트 5~20 중량%를 포함하여 혼섬방사하고 연신하여 제조되는 혼섬사이다.
상기 제1필라멘트는 섬도가 3~7 데니어이고 Y형 단면이다.
제1필라멘트의 섬도가 3 데니어 미만이면 절사가 많이 발생하여 방사 작업성이 저하되며, 7 데니어를 초과하면 냉각부족으로 필라멘트의 뭉침 현상이 발생하여 방사 작업성이 저하하고 연속적으로 이어지는 부직포 웹의 형성에 있어 균일성을 유지하기 어렵다.
상기 제1필라멘트의 Y형 단면의 일 예는 하기 도 1에 나타난 바와 같다.
제1필라멘트의 Y형 단면사는, 폴리에스테르 고분자가 토출되는 구금의 노즐에서 Y형 단면의 폭(C) 및 팔(D)의 길이의 조절을 통해 필라멘트 단면의 이형도(외접원의 반지름(B) / 내접원의 반지름(A))를 제어하고, 노즐 홀(hole)의 단면적의 조절을 통해 방사 안정성을 제어하여 제조될 수 있다.
본 발명의 Y형 단면사의 이형도가 2.0~3.2이면서 단면적이 0.11~0.20㎟인 것이 바람직한데, Y형 단면사의 이형도가 3.2 이상 또는 단면적이 0.11㎟ 미만이면 방사할 때에 구금의 압력이 과도하게 증가하여 구금 변형과 손상 등이 발생할 수 있고, 이형도가 2.0 미만 또는 단면적이 0.20㎟ 이상이면 필라멘트의 방사성이 저하됨과 동시에 필터에 적용될 경우에 성능(여과효율, 압력손실)이 저하될 수 있다.
상기 제2필라멘트는 섬도가 1~5 데니어이고 원형 단면이다.
부직포에서 상기 제2필라멘트 함량비가 5 중량% 미만이면 필라멘트 간 결합력의 부족으로 부직포의 기계적 강도가 저하할 수 있다.
상기 제2필라멘트 함량비가 20 중량%를 초과하면 혼섬방사할 때에 필라멘트의 냉각 부족으로 필라멘트의 뭉침이 발생하여 방사 작업성이 저하할 수 있고, 부직포의 비표면적의 증대에 한계가 있어 바람직하지 못하다.
상기 혼섬사를 제조할 때에, 2성분의 폴리에스테르가 혼섬방사 형태로 방사된 필라멘트를 고압의 공기 연신장치를 이용하여 연신속도 4,500 ~ 5,500 m/분으로 충분히 연신할 수 있다.
이때 연신속도가 4,5000 m/분 미만이면 필라멘트의 결정화도가 낮아 부직포의 강도와 강력이 저하되며, 연신속도가 5,500 m/분을 초과하면 연신에어에 의해 필라멘트가 미끄러져 근접한 필라멘트와 엉킴이 발생하여 부직포의 균제도가 저하될 수 있다.
이후 상기 혼섬사를 적층하여 웹을 형성하는 단계를 실시한다.
이때 연속 이동하는 컨베이어 네트 위에 상기 혼섬사를 통상의 방법으로 적층하여 웹을 형성한다.
이후 상기 웹을 캘린더링 롤러에 통과시키고 열풍처리하는 캘린더링 공정을 실시하여, 필라멘트가 열접착함으로써 부직포의 강도가 부여되고, 부직포가 적정한 평활성 및 두께가 부여된다.
이때, 상기 캘린더링 롤러는 제2필라멘트를 용융시켜 접착 기능을 나타낼 수 있는 온도로 가열된다.
본 발명은, 부직포를 구성하는 필라멘트의 형태에 의해 섬유의 표면적이 결정되는데 착안하여, 동일한 굵기일 때 필라멘트 단면의 형태가 원형이 아닌 기타의 형태 즉, 이형일 때에 섬유의 표면적이 넓어지는 것을 이용한 기술이다.
즉, 이형단면 제1필라멘트 및 원형단면 제2필라멘트로 구성된 폴리에스테르 스펀본드 부직포를 제조하고, 이렇게 제조된 부직포를 수영장 등에 사용되는 수처리용 필터로 적용하면, 부직포의 비표면적의 향상에 의해 각종 이물질의 포집량이 증가되고, 차압을 감소시켜 필터의 수명이 향상될 수 있다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예와 비교예에 의거하여 좀 더 상세하게 설명한다.
단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 치환 및 균등한 타 실시예로 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
[실시예 1]
제1필라멘트로 255℃ 융점의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 제2필라멘트로 210℃ 융점의 공중합 폴리에스테르(CoPET)를 각각 방사온도 285℃에서 연속 압출기를 이용하여 용융시켰다.
이후 각각의 용융물을, 제1필라멘트는 하기 표 1의 이형단면을 형성하고, 제2필라멘트는 원형단면을 형성하도록 하는 방사구금의 모세공을 통해 토출하여 방출된 연속 필라멘트를 냉각풍으로 고화시킨 후, 고압의 공기 연신장치를 이용하여 방사속도가 5,000m/min이 되도록 연신시켜 필라멘트 섬유를 제조하였다.
이때 제1필라멘트와 제2필라멘트의 함량비가 80:20 wt%가 되도록 혼섬방사하여 혼섬사를 제조하되, 제1필라멘트의 섬도가 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 되도록 하고 제2필라멘트의 섬도는 3 데니어가 되도록 토출량과 방사구금의 모세공 수를 조절하였다.
다음에 상기 혼섬사를 연속으로 컨베이어 네트(net)상에 웹의 형태로 적층시킨 후 통상의 방법으로 130℃로 예열된 캘린더 롤 사이를 통과시키고 열풍접착하는 캘린더링 공정을 거쳐, 단위면적 당 중량이 100g/㎡(gsm)이고 후도가 0.43㎜인 부직포를 제조하였다.
[실시예 2~3] 및 [비교예 1~4]
상기 실시예 1에서 상기 제1필라멘트를 하기 표 1과 같이 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 부직포를 제조하였다.
구분 제1
필라멘트 단면		 제1
필라멘트
섬도(De)		 폭(C)
(㎜)		 길이(D)
(㎜)		 D/C 제1
필라멘트
단면적
(㎟)		 B/A
(이형도)
실시예 1 Y 3 0.09 0.55 6.1 0.137 2.5
실시예 2 Y 5 0.08 0.59 6.9 0.123 3.0
실시예 3 Y 7 0.12 0.58 4.8 0.189 2.1
비교예 1 ○(원형) 3 0.30 0.30 1.0 0.145 1.0
비교예 2 Y 5 0.07 0.55 7.9 0.109 3.7
비교예 3 Y 1 0.09 0.55 6.1 0.137 2.5
비교예 4 Y 3 0.15 0.55 3.7 0.216 1.5
상기 실시예 및 비교예의 부직포에 대해 하기의 시험방법을 이용하여 특성을 측정하고 그 결과를 하기의 표 2에 나타내었다.
1. 제1필라멘트의 이형도 및 폭과 길이의 비율 측정
주사전자현미경(SEM) 단면 이미지를 통해 이형(Y형) 필라멘트의 폭과 팔의 길이를 계산하여 이형도 및 비율을 측정한다.
2. 제1필라멘트의 비표면적 측정
ASTM F316법을 이용하여 측정한다.
직경 2㎝ 크기의 시편을 Porous Materials Inc.사의 ESA 측정장비를 이용하여 측정부에 고정된 시편에 0.019cP의 점도를 갖는 유체를 통과시켜 압력에 따른 유량으로 시편의 비표면적을 측정한다.
3. 부직포의 여과 성능
TOPAS AFC-131(에어 필터(Air Filter) 여과 성능 장치)를 이용하여 부직포의 여과 성능을 평가한다.
필터 여재로 가로 x 세로 = 0.525 x 0.225 ㎝ 크기의 시편을 이용하여 75.6 ㎥/h의 풍속에서 측정한다. 이때 사용되는 먼지 입자는 ISO-12103-1 A2 Fine TEST Dust를 사용하고, 농도는 20 mg/㎥으로 실시한다.
3-1. 포집율
필터 여재에 3.0~5.0㎛의 먼지 입자를 통과시켰을 때에 필터 여재에 포집되는 비율을 측정한다.
3-2. 압력 손실(Pa) :
75.6 ㎥/h의 풍속에서 필터 여재의 통과 전ㆍ후의 초기 압력손실을 측정한다(RS K 0011).
3-3. D.H.C(Dust Holding Capacity) :
동일한 샘플 규격과 풍속에서 먼지 입자의 농도를 70 mg/㎥으로 하고, 최종 압력이 100Pa이 되었을 때, 필터에 포집된 먼지 입자의 무게를 측정한다(RSK K 0011).
3-4. 여과 시간
동일한 샘플 규격과 풍속에서 먼지 입자의 농도를 70 mg/㎥으로 하고, 최종 압력이 100Pa에 도달할 때까지의 시간을 측정한다.
이 시간이 길어질수록 필터에서 부직포의 사용 수명이 길어지게 된다.
구분 비표면적
(㎡/g)		 여과 성능 방사성*
D.H.C
(g/㎡)		 포집률(%)
(3.0~5.0㎛)		 압력손실
(ΔP)		 여과 시간**
(분)
실시예 1 0.24 18.1 90.2 4.2 31 ◎
실시예 2 0.28 21.8 84.2 3.4 37 ○
실시예 3 0.25 22.9 81.4 2.4 44 ○
비교예 1 0.14 12.8 84.2 8.6 9 △
비교예 2 0.31 15.2 94.5 1.9 56 ×
비교예 3 0.16 16.8 95.2 6.8 18 △
비교예 4 0.16 28.3 74.2 8.6 9 ×
* 방사성 평가 기준
◎: 절사의 발생이 매우 적고 정상적인 필라멘트가 연속으로 네트에 적층되어 매우 균일한 부직포가 형성됨.
○ : 절사의 발생이 적고 정상적인 필라멘트가 연속으로 네트에 적층되어 비교적 균일한 부직포가 형성됨.
△ : 절사가 다수 발생하고 필라멘트가 정상적이지 않으나 부직포는 형성 가능함
× : 절사가 매우 많이 발생하고 필라멘트가 정상적이지 않아 부직포의 형성이 어려움
상기 표 2의 결과로부터, 이형도가 본 발명의 범위에 있는 경우에, 포집량, 여과효율, 압력손실 및 여과 시간의 성능이 균형이 있게 발현되는 것이 확인된다.
반면에 이형도가 너무 커지면 비표면적도 너무 넓어져 오히려 포집량이 감소하고(비교예 2 참조), 이형도가 너무 작아지면 비표면적도 너무 좁아져 포집량은 증가하나 압력손실과 여과효율이 나빠지게 되는 것(비교예 2 참조)이 확인된다.
A : Y형 단면에서 내접원의 반지름, B : Y형 단면에서 외접원의 반지름,
C : Y형 단면에서 폭, D : Y형 단면에서 길이

Claims (6)

  1. 융점이 250℃ 이상이고 Y형 단면을 가지는 폴리에스테르의 제1필라멘트 및 융점이 150~220℃이고 원형 단면을 가지는 폴리에스테르의 제2필라멘트를 포함하여 이루어진 혼섬사 장섬유 부직포에서,
    상기 Y형 단면의 이형도(외접원의 반지름(B) / 내접원의 반지름(A))가 2.0~3.2이면서 단면적이 0.11~0.20㎟인 것을 특징으로 하는 여과 성능이 향상된 부직포.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1필라멘트의 섬도는 3~7 데니어인 것을 특징으로 하는 여과 성능이 향상된 부직포.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 부직포의 비표면적이 0.2~0.3㎡/g인 것을 특징으로 하는 여과 성능이 향상된 부직포.
  4. 융점이 250℃ 이상인 폴리에스테르의 제1필라멘트 80~95 중량% 및 융점이 150~220℃인 폴리에스테르의 제2필라멘트 5~20 중량%를 포함하여 혼섬방사하며,
    상기 제1필라멘트는 Y형 단면으로 이형도(외접원의 반지름(B) / 내접원의 반지름(A))가 2.0~3.2이면서 단면적이 0.11~0.20㎟가 되도록 혼섬사를 제조하는 단계;
    상기 혼섬사를 적층하여 웹을 형성하는 단계; 및
    상기 웹을 캘린더 롤러를 통과시키고 열접착하는 캘린더링 공정을 수행하여 부직포를 제조하는 단계;를 포함한 여과 성능이 향상된 부직포의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1필라멘트는 섬도가 3~7 데니어이고,
    상기 제2필라멘트는 섬도가 1~5 데니어이고, 원형단면인 것을 특징으로 하는 여과 성능이 향상된 부직포의 제조방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 캘린더 롤러는 상기 제2필라멘트를 용융시켜 접착 기능을 나타낼 수 있는 온도로 가열된 것을 특징으로 하는 여과 성능이 향상된 부직포의 제조방법.
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