KR102433185B1

KR102433185B1 - 폴리이미드를 이용한 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR102433185B1
Application number: KR1020210013891A
Authority: KR
Inventors: 이은준; 전승한
Original assignee: 주식회사 전산텍스
Priority date: 2021-02-01
Filing date: 2021-02-01
Publication date: 2022-08-22
Also published as: KR20220110907A

Abstract

본 발명은 고내열 특성을 갖고, 상대적으로 가격이 저렴한 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)에 관한 것이며, 특히 수축을 방지함으로써 차압 증가를 막아 백필터로서의 기능을 연장하게 되는 폴리이미드를 이용한 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)를 제공하기 위한 것이다.

Description

폴리이미드를 이용한 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체 및 그 제조방법 { High-temperature hybrid bag filter structure using Polyimide and manufacturing method the same }

본 발명은 고온의 분진 기루를 필터링하는 집진기 내부에 장착되는 폴리이미드 단섬유를 포함하는 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 폴리이미드 단섬유로 제조되는 웹과, 폴리테트라플루오로에틸렌 또는 폴리이미드로 제직된 스크림 직물을 복합화함으로써 내열성 및 기계적 물성이 우수하면서 가격 경쟁력이 뛰어난 고내열성 백필터 제조용 구조체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

지난 수십년간 산업 발전과 업종의 다양화에 따라 대기오염물질의 배출량 및 종류가 크게 증가되고 있다. 대기오염물질 중 입자상 물질은 다양한 산업활동에서 배출되는 물질로서, 산업이 발전함에 따라 대기 중으로 배출되는 먼지의 배출량이 많아져서 부유하는 입자상 물질이 더욱 증가하였으며, 이에 따라 대기오염 문제가 심각하게 대두되었다.

백필터(Bag filter)는 여과 집진 장치의 일종으로 유리섬유, 양모, 합성 섬유, 석면 등으로 제조되어 분진 기류를 필터링하는 자루 모양의 필터를 가리킨다. 이러한 백필터는 니들펀칭 공정으로 제조된 폴리에스테르 부직포가 가장 일반적으로 사용되어 왔으나, 공해문제가 심각해지고 환경 기준이 엄격하게 강화됨에 따라 일반 폴리에스테르 부직포 만으로는 여과성능 향상과 고온환경에서 사용하기에는 한계가 있다.

상기와 같은 분진 기체에 함유된 입자상 물질을 완전히 포집 제거하기 위하여 대부분의 산업체에서는 전기 집진기술, 세정식 집진기술, 여과포 집진기술 등을 최종 집진장치에 장착하여 사용하고 있으며, 그 중 여과포 집진기술은 0.01 ㎛ 이상의 먼지 입자를 99.9 %까지 포집 제거할 수 있다.

여과포 집진장치에 사용되는 내열성 백필터가 유리섬유, 메타아라미드(노멕스, NOMEX), 및 테프론 등과 같은 섬유를 이용하여 부직포 형태로 제조되고 있다. 상기와 같은 재료의 특성에 따라 내열성, 내화학성 백필터로 개발되고 있으며, 백필터의 표면에 다공성 필름을 접착하여 사용되는 경우가 많으나, 여재의 가격상승 및 다공성 필름 제조시 사용되는 발암성 물질 때문에 새로운 재료의 백 필터 개발이 요구되고 있다.

이에 따라, 포집 효율을 극대화하면서 통기성이 우수하여 기체의 압력손실이 감소되고 장기간 사용 가능한 백필터의 제조 및 성능 평가에 관심을 가지기 시작했으며, 종래의 백필터로는 포집이 불가능한 미세분진을 포집하고, 백필터의 수명을 연장하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

한편 알루미늄 용해로 등에 사용되는 집진기는 보일러 연료로 벙커씨유 정제유를 주로 사용함에 따른 불완전연소에 의한 수분, 유분, 검뎅이 등이 발생되고, 알루미늄로에 투입되는 재활용 알루미늄에 의해서도 수분 및 유분 등이 많이 발생된다. 또한 알루미늄을 녹이는 과정에서 발생하는 염화수소는 PET 백필터를 가수분해시키며, 또한 순간적으로 160 ℃까지 올라가는 집진기 온도는 백필터의 수축을 일으킨다. 이러한 문제들로 인해 현재 알루미늄 용해로 등에 사용되는 PET 백필터는 집진기에 장착후 2개월 정도 지나면 유분, 수분 및 가수분해 등에 의해 차압이 증가하고, 특히 고온에서 수축이 발생함으로써 백필터로서의 기능을 상실하게 된다.

상기와 같은 문제의 해결 방법으로는 PET 백필터를 자주 교체하는 것이나, 이는 소요비용이 과다하고, 교체시간의 부족 등으로 해결되지 못하고 있다.

이와 같은 내열성 백필터에 대한 종래기술을 살펴보면, 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0046332호(2019. 05. 07.)에는 경사 50 ± 5/inch × 위사 40 ± 5/inch의 밀도와 2mm 이하의 두께를 가지는 원단이 이중 주자직으로 직조되며, 상기 원단의 경사 또는 위사를 이루는 텍스처사의 섬유 가닥들은 적어도 하나의 S-유리섬유로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고내열성 여과포 및 이를 이용한 필터백이 개시되어 있고, 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0134876호(2014. 11. 25.)에는 스크림과 상기 스크림의 양면에 니들펀칭으로 적층된 부직포 펠트로 이루어진 여과포에 있어서, 상기 스크림은 파라형 아라미드 직물로 구성되고, 상기 부직포 펠트의 각각은 폴리페닐렌설파이드(PPS) 부직포 펠트와 메타아라미드 부직포 펠트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고성능 내열성 여과포가 개시되어 있다.

그런데 종래기술에 따른 고온용 백필터는 폴리페닐렌설파이드 또는 메타-아라미드 등을 소재로 하여 생산되고 있으나, 재료비가 고가이므로 양산화에 적합하지 않고, 또한 내산성, 내알카리성, 내마모성 특성이 취약한 문제가 있다. 또한 일정수준의 여과효율은 달성할 수 있으나 압력손실이 크고 산(acid)에 대한 저항성이 떨어지는 문제점이 있다. 특히 집진기에 장착 후 2개월 정도 지나면 백필터의 수축으로 인한 면적감소로 차압이 증가하여 백필터로서의 기능을 상실하게 되고, 염화수소에 의한 백필터의 가수분해가 발생함으로써 상기 백필터의 기능이 상실되어 유해가스의 역류로 인한 근로자의 고통 및 백필터 기능상실에 의한 각종 비산물의 대기 방출에 의한 민원 등을 야기하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로, 고내열 특성을 갖고, 상대적으로 가격이 저렴한 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)를 제공하며, 특히 고온에서 수축을 방지함으로써 차압 증가를 막아 백필터로서의 기능 연장이 가능한 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)를 제공하기 위한 것이다. 그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 폴리이미드를 이용한 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)의 제조방법은, 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)의 내면을 형성하는 스크림(scrim) 직물(10)을 준비하는 단계; 단섬유를 개섬하여 단섬유 웹(web, 15)을 형성하는 개섬 단계; 상기 스크림 직물(10)의 양측면에 상기 단섬유 웹(15)을 적층하여 적층체(50)를 형성하는 단계; 상기 적층체(50)를 니들펀칭하여 부직포 펠트(20)를 형성하는 단계; 상기 부직포 펠트(20)를 열처리하여 수축시키는 제 1 열처리 단계; 상기 부직포 펠트(20)의 표면에 불소계 발수제를 처리하는 발수제 처리단계; 및 상기 부직포 펠트(20)를 제 2 열처리하는 제 2 열처리 단계;를 포함하고, 상기 스크림 직물(10)은 폴리테트라플루오로에틸렌 또는 폴리이미드로 제조되고, 상기 단섬유는 폴리이미드로 제조되며, 상기 폴리이미드 단섬유는, ⅰ) 폴리아믹산을 용매에 용해하여 습식방사하는 제 1 단계; ⅱ) 습식방사된 폴리아믹산 섬유를 이미드화하여 폴리이미드 섬유를 제조하는 제 2 단계; 및 ⅲ) 상기 폴리이미드 섬유를 단섬유화하는 제 3 단계;를 포함하여 제조되고, 상기 이미드화는 200 ~ 300 ℃의 온도에서 30 ~ 80 분 동안 수행되는 제 3 열처리를 통해 수행되며, 상기 상기 제 1 열처리 단계는 150 ~ 160 ℃에서 30 ~ 60 초 동안 진행되고, 제 2 열처리 단계는 먼저 100 ~ 120 ℃에서 60 ~ 120초 동안 열처리를 진행하고, 이후에 110 ~ 180 ℃에서 200 ~ 450초 동안 열처리를 진행하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 스크림(scrim) 직물과 상기 스크림 직물(10)의 양측면에 니들펀칭으로 적층된 단섬유 웹(15)으로 이루어진 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)에서 상기 스크림 직물(10)은 폴리테트라플루오로에틸렌 또는 폴리이미드이고, 상기 단섬유 웹(15)은 폴리이미드 단섬유로 구성되는 것이 바람직하고, 상기 폴리이미드 단섬유의 굵기는 0.5 ~ 2.5 데니어이며, 상기 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)의 평량은 400 ~ 600 g/m²인 것이 바람직하다.

본 발명의 폴리이미드를 이용한 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)는 기계적 강도 및 내열성이 우수하고, 또한 고온의 분진의 포집시 수축이 감소됨으로써 기체의 압력손실이 감소되어 차압 증가를 막아 백필터로서의 기능을 연장하게 되는 효과를 갖는다. 특히 폴리이미드를 사용하여 종래의 백필터 대비 기계적인 물성치 및 열안정성을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명에 따른 폴리이미드를 이용한 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)의 단면도이며,
도 2는 본 발명에 따른 습식방사 장치의 모식도이며,
도 3은 본 발명에 따른 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)의 제조공정을 나타내는 공정 흐름도이며,
도 4는 본 발명에 따라 제조된 폴리이미드를 이용한 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체 (100)의 제품 사진이다.

본 출원에서 “포함한다”, “가지다” 또는 “구비하다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명에 따른 폴리이미드를 이용한 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100) 및 그 제조방법에 대하여 첨부된 도면에 의거하여 구체적으로 설명하기로 한다. 본 발명에 첨부된 도 1은 본 발명에 따른 폴리이미드를 이용한 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)의 단면도이며, 도 2는 본 발명에 따른 습식방사 장치의 모식도이며, 도 3은 본 발명에 따른 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)의 제조공정을 나타내는 공정 흐름도이며, 도 4는 본 발명에 따라 제조된 폴리이미드를 이용한 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)의 제품 사진이다.

본 발명의 일실시예에 따른 폴리이미드를 이용한 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)는 쓰레기 소각로 및 알루미늄 용해로 등에서 배출되는 고온의 배기가스 중의 미립자를 포집하는 백필터(bag filter)의 제조에 사용되는 부직포 구조체를 가리킨다. 상기 폴리이미드를 이용한 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)는 스크림(scrim) 직물과 상기 스크림 직물(10)의 양측면에 니들펀칭으로 적층된 단섬유 웹(15)으로 구성된 것으로서, 상기 스크림 직물(10)은 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, 이하 PTFE) 또는 폴리이미드(polyimide, 이하 PI)로 구성되고, 상기 단섬유 웹(15)은 PI 단섬유로 구성되는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 폴리이미드를 이용한 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)의 단면도이다. 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 폴리이미드를 이용한 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)는 스크림 직물(10)과 단섬유 웹(15)으로 구성된다. 여기에서 상기 스크림 직물(10)은 PTFE 또는 PI로 구성되는 것이 바람직하다. 즉, PTFE 또는 PI로 구성되는 스크림 직물(10)은 내열성이 우수하여 제조되는 백필터의 내열성을 극대화할 수 있게 된다.

좀 더 구체적으로 상기 스크림 직물(10)은 백필터의 내면을 형성하고, 이후에 상기 스크림 직물(10)의 양면에 카딩된 단섬유 웹(15)을 적층시켜 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)를 형성하게 된다.

이때 상기 스크림 직물(10)의 평량은 100 ~ 200 g/m² 이며, 상기 스크림 직물의 평량이 100 g/m² 미만이면 니들펀칭 공정시 스크림 직물(10)의 손상이 되어 강도가 저하되고, 이에 따라 내마모성, 인장, 파열 강도 등이 저하되게 되는 문제점이 있다. 반면에, 상기 스크림 직물(10)의 평량이 200 g/m²을 초과하게 되면 백필터의 중량이 증가되고, 니들펀칭 시에 표면 구조가 너무 치밀하게 된다. 이에 따라 백필터에 형성되는 기공이 너무 작게 되어 필터의 역할을 제대로 수행할 수 없게 되는 문제점이 있다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 스크림 직물(10)의 양측면에 니들펀칭으로 적층되는 단섬유 웹(15)은 PI 단섬유로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 PI 단섬유는 섬유 굵기가 0.5 ~ 2.5 데니어(denier)인 것이 바람직하다. 즉, 상기 PI 단섬유의 굵기가 0.5 데니어 미만이면, 제조되는 백필터의 조직이 치밀하여 통기 저항이 너무 커저서 여과 효율이 떨어지게 된다. 또한 상기 PI 단섬유의 섬유 굵기가 2.5 데니어를 초과하면, 통기 저항이 너무 낮아져서 미세 먼지가 여과되지 않고 유출되는 문제점이 발생된다.

또한 상기 PI 단섬유의 섬유장은 45 ~ 60 mm 인 것이 바람직하다. 즉, 상기 PI 단섬유의 섬유장이 45 mm 미만인 경우에는 제조되는 백필터의 조직이 치밀하게 되어 공기투과도가 저하됨으로써 여과 효율이 떨어지게 된다. 반대로 상기 PI 단섬유들의 섬유장이 60 mm 를 초과하는 경우에는 압력손실이 발생하여 장기간 사용이 불가능하게 된다.

본 발명에 따르면, 상기 PI 단섬유는 폴리아믹산을 용매에 용해하여 습식방사하는 제 1 단계와, 상기 습식방사된 폴리아믹산 섬유를 이미드화하여 PI 섬유를 제조하는 제 2 단계 및 상기 PI 섬유를 단섬유화하는 제 3 단계;를 거쳐 제조될 수 있다.

일반적으로 PI는 방향족 테트라카르복실산 또는 그 유도체와 방향족 디아민 또는 방향족 디이소시아네이트를 축중합한 후, 이미드화하여 제조된다.

상기와 같은 PI 수지는 불융, 불용의 초고내열성 수지로서, 뛰어난 내열 산화성을 보유하며, 장기 사용온도는 약 260 ℃이며, 단기 사용온도는 480 ℃ 정도로 사용가능 온도가 매우 높은 내열특성을 갖는다. 또한, 뛰어난 전기화학적 및 기계적 특성과, 내방사선성과 난연성 및 내약품성 등이 매우 우수한 특성을 갖는다.

즉, PI 단섬유의 제조시 먼저 폴리아믹산을 중합하여 습식방사하고, 이를 이미드화함으로써 PI 섬유를 제조하게 된다,

본 발명에 따른 폴리아믹산은 제조시 방향족 디안하이드라이드, 디카르보닐 화합물, 및 방향족 디아민의 함량은 특별히 한정되지 않는다. 다만 상기 폴리아믹산을 디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide, DMAc), N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP) 또는 디메틸포름아마이드(Dimethylformamide, DMF)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 용매를 사용하여 용해함으로써 방사도프(dope, 110)를 제조하게 된다. 상기 폴라이믹산을 용해하여 습식방사하기 위한 방사도프(110)의 제조시 용매는 특히 디메틸아세트아미드가 바람직하다. 이때, 상기 방사도프(110)의 점도는 3,000 내지 20,000 cps인 것이 바람직하다.

상기 방사도프(110)의 제조시 폴리아믹산과 용매의 혼합비율은 중량비로 15 ~ 30 : 70 ~ 85 중량%인 것이 바람직하다. 만약, 상기 방사도프(110)의 제조시 폴리아믹산의 혼합비율이 15 중량% 미만인 경우에는 점도가 너무 낮아져서 섬유의 방사성이 불량하게 된다. 또한 상기 폴리아믹산의 혼합비율이 30 중량%를 초과하는 경우에는 점도가 높아 방사하기 부적당하게 될 수 있다.

상기 방사도프(110)는 용매에 폴리아믹산을 투입한 후, 80 ℃까지 서서히 온도를 올리면서 2시간 동안 용해함으로써 제조한다. 이후에는 탈포 및 여과를 거쳐 방사도프를 제조하게 된다.

이때 상기와 같이 폴리이미드의 전구체인 폴리아믹산이 용매에 용해된 방사도프(110)는 용매의 함량을 적절하게 조절함으로써 3,000 내지 20,000 cps 범위의 점도를 갖는 것이 바람직하다. 상기와 같은 점도를 갖는 경우에 이후의 방사공정에서 사절 등의 방사성의 저하를 방지하고 방사속도를 증대시킬 수 있다.

상기와 같이 제조된 방사도프(110)는 습식방사하는 것이 바람직하다. 상기 습식방사의 경우 물성면에서 우수한 제품생산이 가능하고, 응고욕에서 용매의 세척이 가능함으로써, 용매의 회수가 용이한 장점을 갖는다.

도 2는 본 발명에 따른 폴리아믹산 섬유속의 제조 장치인 습식방사 장치(200)의 모식도이다.

본 발명은 도 2에 도시된 바와 같은 습식방사 장치(200)를 이용하여 상기 방사도프(110)를 응고욕(150)에 방사하여 폴리아믹산 섬유속(140)을 제조한다.

즉, 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 폴리아믹산 섬유속(140)을 제조하기 위한 습식방사 장치(200)는 방사도프(110)를 일정한 압력으로 공급하기 위한 기어펌프(115), 상기 기어펌프(115)로부터 공급받은 방사도프(110)를 섬유의 형태로 방사하는 방사구금(120), 상기 방사구금(120)으로부터 토출되는 미응고 상태인 섬유속(140)을 응고시키기 위한 응고욕(150)을 구비한다.

상기 응고욕(150)에 구비되는 응고액(130)은 비용매로서 방사도프(110)의 제조시 사용된 유기용매와는 잘 호환되지만 중합체를 용해시키지 않아 중합체를 고화시킬 수 있는 용매를 제한없이 사용할 수 있다. 상기 비용매로는 물을 사용할 수 있고, 바람직하게는 물과 유기 용매의 혼합액을 사용할 수 있다.

상기 응고액(130)으로 비용매와 유기 용매의 혼합액을 사용할 경우에 상기 유기 용매의 함량은 35 내지 85 중량%로 균일하게 유지하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 응고욕(150)에서 응고액(130)의 온도는 30 내지 60 ℃ 범위로 조절하는 것이 바람직하다. 상기 응고액(130)의 온도가 상기 범위를 벗어나면, 방사도프(110)의 방사가 원활히 이루어지지 않아 방사 공정의 효율성이 저하되고, 또한 용매가 적절하게 제거되지 않을 수 있다.

상기 도 2에 도시된 바와 같이, 응고욕(150)을 통과한 폴리아믹산 섬유속(140)은 이후에 수세장치(160)에서 물을 이용하여 상기 폴리아믹산 섬유속(140) 등에 포함된 용매 등을 다시 한번 제거한다. 이어서, 상기 수세장치(160)를 거친 폴리이믹산 섬유속(140)은 이후에 건조장치(170)에서 건조된 후 권취된다.

이때 상기 방사구금(120)에 형성되는 오리피스(orifice)는 원형인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서는 원활한 방사조업성을 위하여 습식방사시 상기 방사도프(110)를 400 내지 1,500 psi의 압력하에서 방사구금(120)을 통해 압출함으로써 폴리아믹산 섬유속(140)에서 사절 등의 현상을 방지함으로써 방사성을 개선할 수 있다.

상기와 같이, 습식방사를 통해 제조된 폴리아믹산 섬유속(140)은 이후에 제 3 열처리를 통해 상기 폴리아믹산을 이미드화함으로써 PI로 전환하게 된다.

상기 이미드화시 제 3 열처리 조건은 상기 폴리아믹산 섬유속(140)을 200 ~ 300 ℃의 온도에서 30 ~ 80 분 동안 처리하여 수행할 수 있다.

즉, 상기와 같은 제 3 열처리에 의해 폴리아믹산 섬유속(140)은 이미드화되어 PI 섬유속으로 전환하게 된다.

상기와 같이 이미드화를 거쳐 제조된 PI 섬유속은 단섬유화 공정을 거쳐 단섬유 상태로 제조될 수 있다. 즉, 상기 이미드화 처리된 PI 섬유속을 단섬유로 제조하는 단계는 당업계에서 통상적으로 사용할 수 있는 단섬유 제조방법이라면 제한 없이 사용할 수 있다. 특히, 바람직하게는 컷팅 또는 파쇄를 통해 제조할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 파쇄를 통해 제조할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.

상기 단섬유화 단계를 수행하여 제조한 PI 단섬유는 통상적인 길이의 단섬유일 수 있으며, 바람직하게는 섬유장이 45 ~ 60 ㎜일 수 있다. 만일 상기 PI 단섬유의 섬유장이 45 ㎜ 미만이면 섬유의 접촉표면적이 작아서 여과성이 저하될 수 있으며, 섬유장이 60 ㎜를 초과하면 공극 형성이 불량하여 공기투과성이 떨어질 수 있다. 또한 PI 단섬유의 섬유장이 45 ~ 60 ㎜인 경우에 가장 우수한 카딩성을 나타낸다.

그리고 이후에 도 3에 도시된 바와 같이 상기 스크림 직물(10)의 양측면에 적층되는 단섬유 웹(15)을 카딩기(40)에서 카딩 공정을 통해 제조하게 된다. 즉, PI 단섬유를 카딩함으로써 단섬유 웹(15)을 제조하게 된다.

상기와 같이 PI 단섬유로 구성되는 단섬유 웹(15)은 스크림 직물(10)의 양측면에 적층하여, 적층체(50)를 형성한 후에 니들펀칭 공정을 통해 부직포 펠트(20)를 제조하게 된다.

본 발명에 따르면, 상기 부직포 펠트(20)의 평량은 300 ~ 400 g/m²인 것을 특징으로 한다. 상기 부직포 펠트(20)는 인장 강도 등의 역학적 물성을 보유함과 동시에 종래의 백필터 제품보다 높은 수준인 한계산소지수(limiting oxygen index, 이하 LOI) 30 이상의 우수한 내열성을 갖게 된다.

또한 상기 부직포 펠트(20)는 이후에 제 1, 2 열처리 공정 및 불소계 발수제 처리를 통해 수축을 방지하고, 발수기능을 부여함으로써 최종 제품을 제조하게 된다.

상기 제 1 열처리 공정은 텐터 등의 열처리기(60)를 이용하여 진행되며, 150 ~ 170 ℃에서 30 ~ 60초 동안 진행되는 것이 바람직하다. 상기 제 1 열처리 공정에서 수축된 부직포 펠트(20)는 백필터의 제조시 고온의 환경에서 사용시 수축이 방지되는 효과를 갖게 된다.

또한 불소계 발수제 처리에 의해 발수성이 부여됨으로써, 알루미늄 용해로 등에서 발생되는 염화수소 가스로부터 기인하는 가수분해 현상을 방지하게 된다.

이하에서는 본 발명의 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)의 제조방법에 대하여 도 3을 참조하여 설명한다.

본 발명에 따른 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)의 제조방법은 우선적으로 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)의 내면을 형성하는 PTFE 또는 PI 스크림 직물(10)을 준비한다.

상기 스크림 직물(10)은 50 데니어 이하의 굵기를 갖는 PTFE 또는 PI 필라멘트사를 경사 및 위사로 하는 직물(woven fabric)이며, 상기 스크림 직물(10)의 평량은 100 ~ 200 g/m²인 것이 바람직하다.

그리고 이후에 도 3에 도시된 바와 같이 상기 스크림 직물(10)의 양측면에 적층되는 단섬유 웹(15)을 카딩기(40)에서 카딩 공정을 통해 제조하게 된다. 즉, PI 단섬유를 카딩함으로써 단섬유 웹(15)을 형성하게 된다.

상기와 같이 제조된 단섬유 웹(15)은 스크림 직물 공급롤(70)에서 공급되는 스크림 직물(10)의 양측면에 적층되어 이층구조를 갖는 적층체(50)를 형성하게 된다. 상기와 같이 스크림 직물(10)의 상부 및 하부에 PI 단섬유로 제조되는 단섬유 웹(15)을 적층하여 제조되는 적층체(50)는 이후에 니들펀칭기(45)에서 니들펀칭함으로써 부직포 펠트(20)를 형성한다.

상기 니들펀칭 공정시 니들펀칭시 펀칭 횟수는 1,100 ~ 1,300 stroke/cm² 이고, 이때 사용되는 니들의 굵기는 0.4 ~ 0.6 mm인 것이 바람직하다.

즉, 상기 니들펀칭시 펀칭 횟수가 1,100 stroke/cm² 미만이면, 상기 부직포 펠트(20)의 조직이 치밀하지 못하게 되어 필터 역할을 수행하기 위한 기계적 물성이 확보되지 않는다. 또한 상기 니들펀칭시 펀칭 횟수가 1,300 stroke/cm² 를 초과하면, 상기 니들에 의해 부직포 펠트(20)가 손상되어 백필터 구조체의 강도 등이 저하되어 수명을 저하시키게 된다.

또한 니들펀칭 공정시 사용되는 니들의 굵기는 0.4 ~ 0.6 mm인 것이 바람직하며, 상기 니들의 굵기가 0.4 mm 미만인 경우에는 상기 부직포 펠트(20)의 조직이 너무 치밀하게 되어 기공을 막게 되어 필터역할을 수행하지 못하게 된다. 반대로 니들의 굵기 0.6 mm를 초과하는 경우에는 기공이 너무 크게 형성되어 미세분진 여과효율이 저하되게 되는 문제점이 있다.

상기 니들펀칭 공정은 부직포를 제조하는 분야에서 이미 공지된 사항이므로 그 상세한 설명은 생략한다.

상기와 같이 니들펀칭을 통해 제조된 부직포 펠트(20)는 이후에 제 1 열처리 공정을 거침으로서, 상기 부직포 펠트(20)를 수축시키게 된다. 상기 제 1 열처리 공정은 텐터 등의 열처리기(60)을 이용하여 진행되며, 150 ~ 170 ℃에서 30 ~ 60초 동안 진행되는 것이 바람직하다.

상기 제 1 열처리 공정에서 상기 부직포 펠트(20)는 수축함으로써, 백필터가 제조된 이후에 고온의 환경에서 사용시 수축이 방지되는 효과를 갖게 된다.

즉, 본 발명에 따라 제조된 부직포 펠트(20)는 상기와 같은 제 1 열처리 공정에 의해 충분한 수축을 부여함으로써, 사용중 백필터 수축으로 인한 면적감소로 차압이 증가하여 백필터로서의 기능을 상실하게 되는 것을 방지할 수 있게 된다.

상기와 같이 열처리된 부직포 펠트(20)는 이후에 불소계 발수제를 이용하여 발수제 처리를 하여 발수성을 부여하게 된다. 즉, 불소계 발수제를 물과 혼합하여 5 중량%로 희석한 후에 발수조(75)에서 상기 부직포 펠트(20)의 중량 대비 100 ~ 120 % 의 픽업율로 처리하게 된다. 상기와 같이 발수제 처리를 마친 후에는 열처리기(60)를 이용하여 제 2 열처리 공정을 거치게 된다.

상기 부직포 펠트(20)에 불소계 발수제를 처리한 후 진행되는 제 2 열처리 공정은 2단계로 진행되는 것이 바람직하다. 즉, 상기와 같이 불소계 발수제가 처리된 부직포 펠트(20)는 먼저 100 ~ 120 ℃에서 60 ~ 120초 동안 열처리를 진행하고, 이후에 110 ~ 180 ℃에서 200 ~ 450초 동안 열처리를 진행하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 제 2 열처리 공정을 거친 이후에 상기 부직포 펠트(20)를 권취롤(65)에 권취함으로써, 본 발명의 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)의 제조가 완료된다.

상기와 같이 제조된 본 발명의 폴리이미드를 이용한 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)의 평량은 400 ~ 600 g/m²이며, 공기투과도는 10 ~ 15 cc/cm³/sec이며, 수축율은 3.0 % 이하이며, LOI는 30 ~ 35의 범위를 갖는 것을 특징으로 한다.

이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 살펴본다. 그러나 하기의 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

폴리아믹산(수평균 분자량 : 1,000,000)을 디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide, DMAc)에 용해시켜, 15 질량％인 방사도프(110)를 제조하였다. 상기 방사도프(110)를 사용하여, 도 2와 같은 습식방사 장치(200) 즉, 홀(hole) 수가 1,000개 이며, 상기 홀의 직경이 80 ㎛ 인 방사구금(120)으로부터 1,000 psi의 압력을 가하여 90 ℃에서 폴리아믹산 섬유속(140)을 토출시켰다.

이때 35 중량% 농도의 디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide, DMAc) 수용액으로 이루어지고 30 ℃로 조절된 응고욕(150)에서 상기 폴리아믹산 섬유속(140)을 응고시켰다. 이후에 잔류용매를 제거하기 위하여 수세장치(160)에서 상기 폴리아믹산 섬유속(140)을 수세하고, 건조장치(170)에서 130 ℃에서 15분간 건조를 실시하였다.

상기와 같이 제조된 폴리아믹산 섬유속(140)은 단계적으로 5 배의 연신을 실시하고, 250 ℃에서 60분 동안 제 3 열처리 함으로써, 폴리이미드 섬유속을 제조하였다. 이후에 절단 공정을 거쳐 섬유장이 50 mm이고, 섬도는 1.0 데니어인 PI 단섬유를 제조하였다.

상기와 같이 제조된 PI 단섬유를 개섬하여 단섬유 웹(15)을 형성하였다. 상기와 같이 제조된 단섬유 웹(15)을 평량이 150 g/m²인 PTFE 스크림 직물(10)의 양측면에 적층하여 니들펀칭함으로써 부직포 펠트(20)를 제조하였다. 상기 니들펀칭시 펀칭 횟수는 1,100 stroke/cm²이고, 사용한 니들의 굵기는 0.4 mm인 것을 사용하였다. 이후에 텐터를 이용하여 150 ℃에서 30 초 동안 제 1 열처리 공정을 진행하고, 이후에 5 중량%로 희석된 불소계 발수제를 120 % 의 픽업율로 처리하였다. 이후에 제 2 열처리 공정은 먼저 110 ℃에서 60 초 동안 열처리를 진행하고, 이후에 120 ℃에서 300초 동안 열처리를 진행하여 시험편을 제조하였다.

<실시예 2>

실시예 1과 동일한 조건으로 시험편을 제조하였으며, 다만 니들펀칭시 펀칭 횟수는 1,200 stroke/cm² 이고, 이때 사용한 니들의 굵기는 0.5 mm인 것을 사용하였다. 이후에 텐터에서 155 ℃에서 45 초 동안 제 1 열처리 공정을 진행하고, 이후에 5 중량%로 희석된 불소계 발수제를 120 % 의 픽업율로 처리하였다. 이후에 제 2 열처리 공정은 먼저 110 ℃에서 90 초 동안 열처리를 진행하고, 이후에 140 ℃에서 350초 동안 열처리를 진행하여 시험편을 제조하였다.

<실시예 3>

실시예 1과 동일한 조건으로 시험편을 제조하였으며, 다만 니들펀칭시 펀칭 횟수는 1,300 stroke/cm²이고, 사용한 니들의 굵기는 0.5 mm인 것을 사용하였다. 이후에 텐터에서 160 ℃에서 60 초 동안 제 1 열처리를 진행하고, 이후에 5 중량%로 희석된 불소계 발수제를 120 % 의 픽업율로 처리하였다. 이후에 제 2 열처리 공정은 먼저 130 ℃에서 120 초 동안 열처리를 진행하고, 이후에 150 ℃에서 400초 동안 열처리를 진행하여 시험편을 제조하였다.

<실시예 4>

실시예 1과 동일한 방법으로 시험편을 제조하였으며, 다만 섬유장은 60 mm이고, 섬도는 2.0 데니어인 PI 단섬유를 개섬하여 단섬유 웹(15)을 제조하였다. 이후에는 실시예 1과 동일한 방법으로 시험편을 제조하였다.

<실시예 5>

150 g/m²인 PI 스크림 직물(10)을 이용하여 실시예 2와 동일한 방법으로 시험편을 제조하였다.

그리고 상기와 같이 제조된 시험편의 물성 즉, 평량, 인장강도, 공기투과도, 열수축율 및 한계산소지수에 대하여 아래와 같은 방법으로 평가하였다.

1) 평량

상기 시험편의 평량은 KSK 0516(천의 무게 측정 방법 : 필 단위법)에 의거하여 측정하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다. .

2) 인장강도

상기 시험편의 길이방향에 대한 인장강도는 KSK 0521(텍스타일-천의 인장 성질-인장 강도 및 신도 측정: 스트립법)에 의거하여 측정하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다. .

3) 공기투과도

상기 시험편의 공기투과도는 KS K ISO 9073-15(텍스타일－부직포 시험방법 - 제15부:공기 투과도 측정)에 의거하여 측정하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다. .

4) 열수축율

상기 시험편을 기계 방향 및 폭 방향을 25 cm × 25 cm의 길이로 잘라내고, 240 ℃의 순환 오븐 중에서 10 시간 방치한 후, 하기의 식에 의해 열수축율을 측정하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.

5) 한계산소지수

상기 시험편의 한계산소지수는 KS M ISO 4589-2: 2006의 시험방법에 의거하여 측정하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5
평량(g/m²)	415	442	450	530	600
인장강도(kgf)	112	115	123	118	122
공기투과도(cc/cm³/sec)	15	12	15	14	13
열수축율(%)	2.4	2.0	2.6	2.4	2.6
한계산소지수	32	35	34	33	32

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 폴리이미드를 이용한 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)의 평량은 400 ~ 600 g/m²이며, 또한 길이 방향의 인장강도는 모두 100 kgf 이상으로 측정되었다. 그리고 공기투과도는 모든 시험편에서 12 cc/cm³/sec 이상의 측정값을 나타내었고, 열수축율은 3.0 % 이하로 측정되었다.

특히, 본 발명의 폴리이미드를 이용한 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)는 PI 단섬유를 개섬하여 제조함으로써 통상의 PET 섬유의 LOI인 21 보다 월등히 우수한 30 이상의 측정값을 나타내는 것을 확인할 수 있다.

상기와 같은 측정 데이터로부터 본 발명의 폴리이미드를 이용한 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)는 기계적 강도 및 내열성이 우수한 백??터의 제조가 가능한 것을 확인할 수 있다. 특히 고온의 분진의 포집시 수축이 감소됨으로써 기체의 압력손실이 감소되어 차압 증가를 막아 백필터로서의 기능을 연장하게 되는 효과를 갖는 것을 알 수 있다.

또한 불소계 발수제가 처리됨으로써, 알루미늄 용해로 등에서 발생되는 분진 가스에 포함된 염화수소 가스로부터 기인하는 가수분해 현상을 방지되고, 내열성이 우수한 특징을 갖는 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. 또한 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하고, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10 : 스크림 직물
15 : 복합섬유 웹
20 : 부직포 펠트
50 : 적층체
100 : 고내열성 하이브리드 백필터 구조체

Claims

고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)의 내면을 형성하되, 폴리테트라플루오로에틸렌으로 제조되는 스크림(scrim) 직물(10)을 준비하는 단계;
폴리이미드 단섬유를 개섬하여 단섬유 웹(web, 15)을 형성하는 개섬 단계;
상기 스크림 직물(10)의 양측면에 상기 단섬유 웹(15)을 적층하여 적층체(50)를 형성하는 단계;
상기 적층체(50)를 니들펀칭하여 부직포 펠트(20)를 형성하는 단계;
상기 부직포 펠트(20)를 열처리하여 수축시키는 제 1 열처리 단계;
상기 부직포 펠트(20)의 표면에 불소계 발수제를 처리하는 발수제 처리단계; 및
상기 부직포 펠트(20)를 제 2 열처리하는 제 2 열처리 단계;를 포함하되,
상기 폴리이미드 단섬유는, ⅰ) 폴리아믹산을 용매에 용해하여 습식방사하는 제 1 단계; ⅱ) 습식방사된 폴리아믹산 섬유를 제 3 열처리 단계를 통해 이미드화하여 폴리이미드 섬유를 제조하는 제 2 단계; 및 ⅲ) 상기 폴리이미드 섬유를 단섬유화하는 제 3 단계;를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)의 제조방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 제 1 열처리 단계는 150 ~ 160 ℃에서 30 ~ 60 초 동안 진행되는 것을 특징으로 하는 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제 2 열처리 단계는 먼저 100 ~ 120 ℃에서 60 ~ 120초 동안 열처리를 진행하고, 이후에 110 ~ 180 ℃에서 200 ~ 450초 동안 열처리를 진행하는 것을 특징으로 하는 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)의 제조방법.
스크림(scrim) 직물과 상기 스크림 직물(10)의 양측면에 니들펀칭으로 적층된 단섬유 웹(15)으로 이루어진 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)에 있어서,
상기 스크림 직물(10)은 폴리테트라플루오로에틸렌이고,
상기 단섬유 웹(15)은 폴리이미드 단섬유로 구성되되,
상기 폴리이미드 단섬유는, ⅰ) 폴리아믹산을 용매에 용해하여 습식방사하는 제 1 단계; ⅱ) 습식방사된 폴리아믹산 섬유를 200 ~ 300 ℃의 온도에서 30 ~ 80 분의 열처리를 통해 이미드화하여 폴리이미드 섬유를 제조하는 제 2 단계; 및 ⅲ) 상기 폴리이미드 섬유를 단섬유화하는 제 3 단계;를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100).
청구항 5에 있어서,
상기 폴리이미드 단섬유의 굵기는 0.5 ~ 2.5 데니어인 것을 특징으로 하는 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100).
청구항 5에 있어서,
상기 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100)의 평량은 400 ~ 600 g/m²인 것을 특징으로 하는 고내열성 백필터 제조용 부직포 구조체(100).