KR20010081333A - 고성능 정전필터 여재의 제조방법 - Google Patents

고성능 정전필터 여재의 제조방법 Download PDF

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KR20010081333A
KR20010081333A KR1020000006689A KR20000006689A KR20010081333A KR 20010081333 A KR20010081333 A KR 20010081333A KR 1020000006689 A KR1020000006689 A KR 1020000006689A KR 20000006689 A KR20000006689 A KR 20000006689A KR 20010081333 A KR20010081333 A KR 20010081333A
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김준일
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Abstract

본 발명의 정전필터 여재의 제조방법은 절연성 정전섬유시트에 무기 또는 유기 미립자를 부착시켜 미립자가 부착된 섬유시트를 수득하는 공정; 전기 미립자가 부착된 섬유시트를 하전처리하여 대전된 섬유시트를 수득하는 공정; 및, 대전된 섬유시트 2매를 미립자가 부착된 쪽으로 융착시키는 공정을 포함한다. 본 발명에 의하면, 미립자의 포집효율이 높을 뿐만 아니라, 장기간의 사용에도 포집효율의 경시변화가 적은 고성능 정전필터 여재를 제조할 수 있는 바, 본 발명의 고성능 정전필터 여재는 각종 필터의 여재로서 널리 활용될 수 있을 것이다.

Description

고성능 정전필터 여재의 제조방법{Process for Preparing High-Performance Electret Filter Media}
본 발명은 고성능 정전필터 여재의 제조방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 절연성 정전섬유시트에 무기 또는 유기 미립자를 부착시킨 다음, 미립자가 부착된 섬유시트를 하전처리하고, 융착시켜 고성능 정전필터 여재를 제조하는 방법 및 그로부터 제조되는 정전필터 여재에 관한 것이다.
클린룸의 공기청정, 빌딩의 공기조화 및 공장 배기의 정화용 등의 에어필터, 공기청정기, 청소기, 복사기 등의 에어필터나 마스크 등에 사용되는 필터용 여재로서는 종이, 부직포 등이 사용되고 있는 바, 이들의 분진포집효율을 높이기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.
예를 들면, 일본특허공보 (소)56-27299호에는 정전처리한 필름 가느다란 섬유로 분할하여 시트화하여 필터를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이 방법은 필터의 대전량이 크지만 필름을 분할(split)을 미세하게 하는 것이 어렵기 때문에 기계적 포집효과가 적고, 이것이 원인이 되어 필터를 장기간 사용하면 정전기의 중화현상 때문에 포집효율이 경시적으로 저하되여 포집효율이 회복되지 않는 문제점이 있다. 또한, 일본특허공보 (소)53-40073호에는 절연필름을 접지전극상에 놓고 그 위에 섬유시트를 올려놓은 후 정전화하는 방법으로 필터를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이 방법에 의하여 제조된 필름은 섬유시트가 다공질이기 때문에 전하량이 적을 뿐만 아니라, 높은 포집효율을 얻기 어려운 문제점이 있다.
따라서, 이상에서 설명한 종래기술의 단점을 극복하고, 미립자 포집효율이 높은 필터용 여재를 제조할 수 있는 방법을 개발할 필요성이 끊임없이 대두되었다.
이에, 본 발명자들은 부직포 시트를 이용하여 미립자 포집효율이 높은 필터용 여재를 개발하고자 예의 노력한 결과, 절연성 정전섬유시트에 무기 또는 유기 미립자를 부착시킨 다음, 전기 미립자가 부착된 섬유시트를 하전처리하고 이를 이용하여 여제를 제조하는 경우, 미립자의 포집효율이 높을 뿐만 아니라 장기간의 사용에도 포집효율의 경시변화가 적음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
결국, 본 발명의 목적은 정전필터 여재의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전기 방법으로부터 제조되는 정전필터 여재를 제공하는 것이다.
본 발명의 정전필터 여재의 제조방법은 절연성 정전섬유시트에 무기 또는 유기 미립자를 부착시켜 미립자가 부착된 섬유시트를 수득하는 공정; 전기 미립자가 부착된 섬유시트를 하전처리하여 대전된 섬유시트를 수득하는 공정; 및, 대전된 섬유시트 2매를 미립자가 부착된 쪽으로 융착시키는 공정을 포함한다.
이하에서는 본 발명의 고성능 정전섬유 여재의 제조방법을 공정별로 나누어보다 구체적으로 설명하고자 한다.
제 1공정: 미립자가 부착된 섬유시트의 수득
절연성 정전섬유시트에 무기 또는 유기 미립자를 부착시켜 미립자가 부착된 섬유시트를 수득한다: 이때, 정전섬유로는 무기계열의 섬유 또는 유기계열의 섬유가 사용될 수 있는 바, 무기계열의 섬유로는 폴리규소산그라스, 석영그라스 등의 절연성 무기섬유가 사용될 수 있으며, 유기계열의 섬유로는 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리-3-메틸-1-부텐(poly-3-methyl-1-butene), 폴리-4-메틸-1-펜텐(poly-4-methyl-1-pentene), 폴리비닐리덴플루로라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리스티렌(polystylene), 폴리염화비닐리덴(polyvinylidenechloride),폴리염화비닐(polyvinylchloride), 폴리에틸렌테레프탈레이트 (polyethyleneterephthalate), 폴리아미드(polyamide), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리설폰(polysulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide) 등이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리-3-메틸-1-부텐(poly-3-methyl-1-butene), 폴리-4-메틸-1-펜텐(poly-4-methyl-1-pentene), 폴리비닐리덴플루로라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리카보네이트(polycarbonate) 등이 사용된다. 정전섬유는 단섬유나 장섬유이며 그 집합형태로서는 직물, 편물 및 부직포 등이 있다. 이러한 섬유의 단면형상은 원형, 삼각형, 사각형, 이형 등이 있고, 이들 섬유는 직경이 0.1 내지 100㎛, 바람직하게는 0.1 내지 40㎛, 보다 바람직하게는 0.5 내지 4㎛인 것을 사용한다. 또한, 본 발명의 정전섬유로서는 전하의 보지안정성 또는 전하의 대전량을 향상시키기 위하여, 그 섬유표면을 미리 자외선, 방사선 등의 고에너지 빛, 산 알칼리를 포함한 약품 등에 의하여 전처리된 것이 사용되거나 혹은 코팅처리된 것이 사용될 수도 있다.
또한, 본 발명에서 사용되는 미립자로서는 무기질, 유기질 또는 2종 이상 혼합된 상온에서 고체상의 미립자가 사용될 수 있는 바, 무기질 미립자로서는 그라스 등의 세라믹 미립자, 동, 니켈, 알루미늄 등의 금속 미립자, 산화티탄, 산화규소, 산화철, 티탄산, 바륨 등의 금속산화물 미립자, 질화니켈, 질화티탄 등의 금속질화물 미립자, 카본, 탈크 등이 사용될 수 있고, 유기질 미립자로서는 스테아릴산, 세바식산(sebacic acid), 아비에틴산 등의 카본산이나 그들의 금속염, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리스티렌, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 셀룰로오스, 폴리비닐알코올 또는 카르나우바왁스(carnauba wax)등이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 카본, 알루미늄, 폴리에틸렌, 세바식산, 카르나우바왁스, 더욱 바람직하게는 세바식산, 카르나우바왁스가 사용된다. 미립자의 크기는 1차입자로서 20㎛ 이하, 바람직하게는 10㎛이하, 보다 바람직하게는 2㎛이하의 것이 사용된다. 미립자의 크기가 작으면 작을수록 미립자의 단위중량당의 면적은 증가하고 정전섬유표면과의 접촉계면은 증가하기 때문에 미립자의 부착량이 적어도 높은 대전량의 효과를 얻을 수 있다. 이러한 섬유의 표면에 독립하여 개개로 부착되는 1차입자가 사용될 수도 있고, 응집된 2차 입자를 부착시켜도 좋다. 본 발명에서 미립자의 형상은 구상, 타원형상, 사각형상, 봉상 등 형태가 어떤 것이어도 좋다.
본 발명에서 미립자의 부착량은 정전섬유의 중량에 대해 0.01 내지 20중량%, 바람직하기는 0.02 내지 5중량%, 보다 바람직하기는 0.05 내지 1중량%이 되도록 한다. 정전섬유에 대한 미립자의 부착은 정전섬유와 미립자의 1차결합 또는 정전섬유와 미립자간의 정전기, 점착, 반델바알스나 모세관 부착수에 의한 결합 등 2차결합에 의하여 이루어지며, 정전섬유에 부착되어 있는 미립자는 여재사용시의 바람의 압력이나 진동에 용이하게 재비산하는 것은 사용될 수 없다.
본 발명에 있어서, 고성능 정전여재의 전구체인 섬유와 미립자와의 구조체는가스 중에 분산시킨 미립자를 섬유에 부착시키거나, 진공 중에서 발생된 미립자를 비산시켜 섬유에 부착시키는 등의 방법으로 제조한다. 고성능 정전섬유여재의 전구체인 섬유는 정전, 비정전의 어느 것도 좋고, 또한 섬유는 단일섬유로부터 집합형태로서의 벌크상이나 시트상의 형태가 있다.
본 발명에 있어서 정전섬유시트에의 미립자의 부착량 분포는 해당섬유의 두께방향으로 풍부하며, 다른 방향으로 적게 부착된 지수 함수적으로 격감한 분포를 이루고 있다. 해당 미립자가 풍부한 면으로 섬유시트를 서로 부착시킴에 의해 고성능 정전섬유여재를 만든다.
제 2공정: 대전된 섬유시트의 수득
전기 미립자가 부착된 섬유시트를 하전처리하여 대전된 섬유시트를 수득한다: 이때, 하전처리의 방법으로는 정전여재에 대전성을 부여하기 위하여 당업계에서 통상적으로 사용되는 방법들이 사용될 수 있는 바, 코로나 하전, 전계하전, 가열전계하전, 전자선 조사 등의 방법으로 하전이 수행될 수 있으며, 특히 어느 것에 한정하지는 않고, 섬유와 미립자로 된 구조체중에 전하를 주입하여 고하전량이며 전하가 안정하게 보지 되는 하전법이면 어떤 하전법을 사용하여도 좋다. 코로나 방전, 전계하전의 경우는 10㎸/㎝이상, 바람직하기는 15㎸/㎝이상의 전계강도가 적합하며, 전자선 조사의 경우는 0.1 내지 1 Mrad의 조사가 바람직하다.
제 3공정: 대전된 섬유시트의 융착
대전된 섬유시트 2매를 미립자가 부착된 쪽으로 융착시킨다:
정전여재를 장기간에 걸쳐 사용한 경우 분진에 의한 전하의 중화나 전하감쇠에 의해 여재가 가지고 있는 전하가 소실이 발생할 수 있는 바, 이를 방지하고 섬유시트로부터 미립자의 탈락이나 재비산이 일어나지 않으면서 여재의 성능이 장기간에 걸쳐 안정적인 특징을 발휘할 수 있도록, 본 발명에서는 미립자를 정전섬유의 두께방향으로 분포를 가지게 분포시킨 후, 2장의 시트를 미립자가 풍부한 면으로 부착시킨다. 이때, 섬유시트를 서로 부착시키는 방법은 엠보스 롤에 의한 열융착이나 다공질 접착제시트에 의한 융착이 사용될 수 있으며, 특히, 엠보스 열융착에 의한 접착은 엠보스롤에 의한 열 압착방식, 초음파 융착방식이나 고주파융착방식이 사용될 수 있다. 융착이 엠보스 열융착에 의하여 수행되는 경우, 엠보스 모양은 하나의 용착부의 면적이 10mm2이하인 둥근 형, 점형, 별모양, 선형, 사각형 등의 형상이 반복된 모양으로 전체의 여재에 걸쳐서 새겨지게 된다.
또한, 본 발명에 있어서 대전된 섬유시트의 융착은, 공기가 통과하는 미융착부분과 열융착에 의해 필름화된 용착부의 비율인 융착면적 백분율이 1내지 15%, 바람직하게는 1 내지 10%, 더욱 바람직하게는 1 내지 5%가 되도록 수행한다.
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1: 세바식산의 미립자를 이용한 정전필터 여재의 제조
섬유경 2㎛의 폴리프로필렌 멜트블로 부직포에 증발 응축으로 제조된 1㎛ 직경의 세바식산의 미립자를 10cm/sec의 속도로 침투시켜 섬유에 대하여 1중량%의 비율로 부직포시트에 부착시켰다. 이어서 코로나 핀전극을 사용하여 어스 전극면상에 세바식산 미립자를 부착시킨 멜트블로 부직포 시트를 올려놓고 20kv/cm 의 고전압을 10초간 인가하여 부직포시트를 대전시켰다. 다음으로, 대전된 부직포시트 2매를 세바식산 미립자가 풍부한 면으로 서로 겹친 후 200 mm2당 1개의 용착밀도로 1mm2의 면적을 가진 볼록면으로 열을 가하면서 융착하여 정전필터 여재를 제조하였다.
이상에서 제조된 고성능 정전여재를 풍속 5cm/sec로 0.3㎛의 NaCl입자의 포집효율을 측정하고, 동시에 여재의 압력손실을 측정하였다.
비교예 1: 종래의 방법에 의한 정전필터 여재의 제조
미립자를 부착시키지 않은 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방법으로 정전필터 여재를 제조한 다음, 실시예 1에서와 동일한 방법으로 NaCl 입자의 포집효율 및 여재의 압력손실을 측정하여, 그 결과를 실시에 1의 결과와 함께 표 1에 정리하였다.
특징 실시예 1 비교예1
입자포집효율(%)압력손실(mmAq)단섬유포집효율비(η/η0) 99.9916.21.88 99.35.21.0
표 1에서, 단섬유포집효율비(η/η0) 는 하기의 식(1)으로부터 구하여진 값이다.
η/η0=ln(1-E)/ln(1-Eo) (1)
상기 식에서,
η/η0: 종래 법으로 제조된 정전여재의 단섬유포집효율
η : 본 발명의 정전여재의 단섬유포집효율
Eo : 종래 법으로 제조된 정전여재의 실측된 입자포집효율
E : 본 발명의 고하전량 정전여재의 실측된 입자포집효율
여기에서, 종래의 방법으로 제조된 정전여재는 본 발명에서 미립자를 부착시키지 않고 본 발명과 동일한 방법으로 정전여재를 제조하는 것을 말한다. 입자포집효율의 측정은 0.3㎛ 직경의 NaCl 입자를 5 cm/sec의 속도로 시험용 필터에 공급한 경우, 여재의 상류 측과 하류 측의 NaCl 입자농도를 레이저 입자카운터로서 계측하여 하기의 식(2)에 의해 구한 것이다.
E =(C1 - C2)/C1 (2)
상기 식에서,
C1 : 시험용 여재의 상류 측에서의 0.3 ㎛ NaCl 입자의 농도
C2 : 시험용 여재의 하류 측에서의 0.3 ㎛ NaCl 입자의 농도
표 1에서 보는 바와 같이, 실시예 1의 압력손실은 비교예 1의 1.2배로 아주 조금 증가하였지만, 단섬유 포집효율비는 1.88로 현저히 증가한 것을 보이고 있으며, 본 발명에서 미립자의 부착효과가 명확한 것을 알 수있다.
비교예 2: 미립자의 침투 면을 바깥으로 한 정전필터 여재의 제조
세바식산 미립자의 침투 면을 바깥으로 하여 실시예 1과 같은 방법으로 엠보스롤에 의해 열용착하여 정전여재를 제조하였다.
실시예 1과 비교예 2의 여재를 사용하여 각각 1변의 길이가 300mm인 정방형의 플리트(Pleat)형 필터유니트(여과면적 2.5m2)를 제조하였다. 이 필터유니트에 대기진 농도가 0.05g/m2인 공기를 3m3/min의 풍량으로 1년간 공급하여, 대기진 부하후의 포집효율을 측정하였다. 또한, 동일한 대기진 농도와 풍량으로 필터에 적극적으로 진동을 가하면서 포집효율을 측정하였으며, 그 측정결과를 표 2에 나타내었다.
시험조건 실시예1의 필터유니트 비교예2의 필터유니트
포집효율 (%) 풍량 3 m3/min,무진동 99.97 99.96
풍량 3 m3/min, 진동 99.97 97.3
실시예 2: 카르나우바왁스 미립자를 이용한 정전필터 여재의 제조
섬유경 1.5㎛의 폴리프로필렌 정전 멜트블로 부직포시트에 증발 응축시켜 제조한 1.5㎛ 직경의 카르나우바왁스 미립자를 10cm/sec의 풍속으로 부직포 중에 침투시켜 섬유에 대하여 1중량%의 비율로 부직포시트에 부착시켰다. 이어서, 해당부직포 2매를 미립자가 풍부한 면으로 다공질 접착제시트를 사용하여, 70℃의 온도로 부착하여 고성능 정전여재를 제조하였다.
비교예 3: 종래의 방법에 의한 정전필터 여재의 제조
폴리프로필렌 정전 멜트블로 부직포 시트에 미립자를 부착하는 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법으로 정전여재를 제조하였다.
표 3에 실시예 2와 3의 평판 여재의 포집효율과 압력손실을 측정하여 결과를 나타내었다.
특 징 실 시 예 2 비 교 예 3
입자포집효율 (%)압력손실 (mmAq)η/ηo 99.9998.51.98 99.77.01
실시예 2의 압력손실은 비교예 3의 1.2배로 미약하게 증가하였으나, 단섬유포집효율 η/ηo는 1.98로 현저히 증가하여, 본 발명의 미립자 부착효과가 현저함을 나타내고 있다.
이상에서 상세하세 설명하고 입증한 바와 같이, 본 발명은 절연성 정전섬유시트에 무기 또는 유기 미립자를 부착시킨 다음, 미립자가 부착된 섬유시트를 하전처리하고 융착시켜 정전필터 여재를 제조하는 방법 및 그로부터 제조되는 정전필터 여재를 제공한다. 본 발명에 의하면, 미립자의 포집효율이 높을 뿐만 아니라 장기간의 사용에도 포집효율의 경시변화가 적은 고성능 정전필터 여재를 제조할 수 있게 되는 바, 본 발명의 고성능 정전필터 여재는 각종 필터의 여재로서 널리 활용될 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 절연성 정전섬유 시트에 무기 또는 유기 미립자를 부착시켜 미립자가 부착된 섬유시트를 수득하는 공정;
    전기 미립자가 부착된 섬유시트를 하전처리하여 대전된 섬유시트를 수득하는 공정; 및,
    대전된 섬유시트 2매를 미립자가 부착된 쪽으로 융착시키는 공정을 포함하는 정전필터 여재의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    절연성 정전섬유는 무기계열의 섬유 또는 유기계열의 섬유인 것을 특징으로 하는
    정전필터 여재의 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    무기계열의 섬유는 폴리규소산그라스 또는 석영그라스인 것을 특징으로 하는
    정전필터 여재의 제조방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    유기계열의 섬유는 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌 (polyethylene), 폴리-3-메틸-1-부텐(poly-3-methyl-1-butene), 폴리-4-메틸-1-펜텐(poly-4-methyl-1-pentene), 폴리비닐리덴플루로라이드 (polyvinylidenefluoride), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리스티렌(polystylene), 폴리염화비닐리덴(polyvinylidenechloride), 폴리염화비닐(polyvinylchloride), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리아미드(polyamide), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리설폰(polysulfone) 또는 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide)인 것을 특징으로 하는
    정전필터 여재의 제조방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항의 어느 한 항에 있어서,
    섬유의 직경은 0.1 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는
    정전필터 여재의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    무기 미립자는 무기질 미립자로서는 그라스, 동, 니켈, 알루미늄, 산화티탄, 산화규소, 산화철, 티탄산, 바륨, 질화니켈, 질화티탄, 카본 또는 탈크인 것을 특징으로 하는
    정전필터 여재의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    유기 미립자는 스테아릴산, 세바식산(sebacic acid), 아비에틴산, 스테아릴산 금속염, 세바식산 금속염, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리스티렌, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 셀룰로오스, 폴리비닐알코올 또는 카르나우바왁스(carnauba wax)인 것을 특징으로 하는
    정전필터 여재의 제조방법.
  8. 제 1항, 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
    미립자의 크기는 20㎛이하인 것을 특징으로 하는
    정전필터 여재의 제조방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    미립자의 부착량은 정전섬유의 중량에 대해 0.01 내지 20중량%인 것을 특징으로 하는
    정전필터 여재의 제조방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    융착은 융착면적 백분율이 0.1 내지 15%가 되도록 수행하는 것을 특징으로 하는
    정전필터 여재의 제조방법.
  11. 제 1항의 방법으로 제조되어, 섬유의 직경은 0.1 내지 100㎛이고, 미립자의 부착량은 정전섬유의 중량에 대해 0.01 내지 20중량%이며, 융착면적 백분율은 0.1 내지 15%인 정전필터 여재.
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