KR20050077411A

KR20050077411A - 필터용 여과재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20050077411A
Application number: KR1020040005244A
Authority: KR
Inventors: 이중재
Original assignee: 이중재
Priority date: 2004-01-28
Filing date: 2004-01-28
Publication date: 2005-08-02
Also published as: KR101013158B1

Abstract

본 발명은 필터용 여과재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 다공성 구조를 가지는 기재; 상기 기재의 평면상에 결합된 다수의 기공을 포함하는 다공성 폼 수지코팅층; 및, 한쪽 끝단이 상기 다공성 폼 수지코팅층상에 고정되는 다수의 단섬유로 구성되는 파일층을 포함하는 것을 특징으로 하는 필터용 여과재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면 소각로, 철강, 분체공업, 시멘트공업 등의 현장에서 발생하는 미세분진을 다층 여과를 통한 기계적 여과작용 뿐만 아니라 정전기적 여과작용을 복합하여 보다 효과적으로 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 집진기용 필터, 프리-필터(pre-filter), 포켓 필터(pocket filter), 카트리지 필터(cartridge filter), 자동차 에어크리너용 필터, 수처리용 필터 등의 다양한 용도로 사용할 수 있는 효과가 있다.

Description

필터용 여과재 및 그 제조방법 {FILTERING MATERIAL FOR FILTER AND METHOD OF PREPARING THEREOF}

본 발명은 필터용 여과재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미세 분진을 다층 여과를 통한 기계적 여과작용 뿐만 아니라 정전기적 여과작용을 복합하여 보다 효과적으로 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 용도로 사용할 수 있는 필터용 여과재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

철강공업, 시멘트공업, 분체를 원료로 하거나 분체 형태의 제품을 생산하는 공업현장 등에서는 많은 공정에서 다량의 분진을 포함하는 오염된 공기가 배출되며, 이와 같은 오염된 분진을 포함하는 공기가 그대로 대기 중으로 배출된 때는 심각한 대기오염을 초래할 수 있기 때문에 모든 업체에서는 오염된 공기의 분진을 정화하여 대기 중으로 방출하도록 의무화되어 있다.

이때 상기 분진을 포함한 공기를 정화하기 위한 수단으로 채용되는 것으로는 집진기용 백필터나 카트리지 필터 등을 들 수 있고, 집진기용 필터의 내부에는 공기에 포함되어 있는 분진에 대한 필터링을 수행하는 여과재가 백(bag)형상이나 절곡형상 등의 일정형상으로 성형되어 장착되어 있다.

상기와 같이 집진기용 여과재가 갖추어야 할 성능으로 가장 중요한 것은 공극이 미세하고, 균일하게 분포하면서 다공도가 높아야 한다. 즉, 공기에 대해서는 우수한 통기성을 가져 필터 장착에 따른 압력손실을 최소화하고 공기만을 잘 통과시키면서도 분진 등은 미세한 분진까지도 여과해내는 고여과 성능이 필요하다. 이 외에도 집진필터의 여과재는 내열성, 방염성, 투습성, 방수성, 발수성 등의 특성이 요구된다.

이에 따라 종래에는 상기 여과재로서 부직포를 이용하였는데 부직포의 경우는 부직포의 기공을 미세하게 하면 미세한 분진의 제거가 가능하기는 하나, 부직포 전체의 기공을 미세하게 하므로 여과재 전체의 구조가 미세기공 구조를 갖게되어 공기의 통과가 어려워지게 되며, 전체적으로 부직포 자체에 걸리는 차압이 높아져 여과효율, 여과속도 등이 저하되고, 집진기의 가동에너지 등이 많이 소요되는 문제점이 있다.

따라서 이러한 부직포의 단점을 해결하고자 다층구조의 가지는 여과재의 개발이 이루어 졌다. 즉, 실리콘처리 및 요철처리된 종이 위에 유기용매를 사용한 아크릴 수지나 우레탄 수지 용액을 나이프를 사용하여 코팅을 한 후, 이를 부직포와 함께 적층하고 캘린더 가공하여 종이 상의 필름을 부직포 표면에 이행시켜 요철부분의 기공에 의하여 집진필터를 제조하는 필름 라미네이팅법으로 집진필터용 여과재를 제조하는 방법을 이용하였으나 상기 방법들은 기공크기가 매우 크게 형성되어 미세 분진을 효과적으로 제거하지 못하며, 유기용매의 사용으로 작업환경이 열악하고, 화재의 위험성을 내포한다는 문제점이 있다.

또 다른 방법으로 아크릴 수지액과 공기를 혼합하여 거품을 제조한 후, 패드나 나이프를 사용하여 거품을 부직포 상에 패딩처리하는 방법이 있다. 그러나, 이 방법은 단순히 부직포 섬유간의 강도를 부여하는 것에 그칠 뿐, 나이프나 패드 자체의 물리적인 힘에 의하여 거품구조가 깨지기 때문에 부직포의 표면에 입체적인 거품구조를 형성하지 못하는 문제점이 있다.

이에 따라, 수지를 주재료로 하는 에멀젼액에 공기를 주입하여 수지거품을 발생시키고, 이를 거품코팅기를 이용하여 부직포의 표면에 코팅하는 기술이 소개되었으나 일반적인 거품코팅의 경우에는 거품의 크기가 커서 미세 분진을 거르지 못하는 문제가 있다. 또한 이러한 문제의 해결을 위하여 미세한 거품의 형성 및 유지를 위해 기 출원된 특허출원 10-2002-7373호의 삼차원 초미세 기공을 포함하는 필터 및 그의 제조방법이 제안되었다. 그러나, 산업의 발달로 점점 더 미세한 분진들이 더욱 다량으로 발생되고, 환경보호 및 작업환경 등의 개선을 위해서는 점점 더 미세해지는 분진들을 효율적으로 포집하여 제거하여야 하는 과제를 남기고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하고자, 본 발명은 여과재 통과시 압력손실이 적어 높은 차압이 요구되지 않으면서도 미세 분진까지 효율적으로 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 다양한 종류의 필터에 적용할 수 있는 필터용 여과재 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 기계적 여과 방법과 정전여과 방법을 함께 적용하여 보다 효율적으로 미세 분진까지도 제거할 수 있는 필터용 여과재 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 여과재의 여과층별로 기공의 크기가 다르거나, 여과수단을 달리함으로써 기공의 막힘 현상을 최소화하여 필터의 사용에 따른 압력손실을 저감하는 다층구조의 필터용 여과재 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

다공성 구조를 가지는 기재;

상기 기재의 평면상에 결합된 다수의 기공을 포함하는 다공성 폼 수지코팅층; 및,

한쪽 끝단이 상기 다공성 폼 수지코팅층상에 고정되는 다수의 단섬유로 구성되는 파일(pile)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 필터용 여과재를 제공한다.

또한 본 발명은

a) 에멀젼액을 거품발생기에서 교반하여 거품을 생산하는 수지거품 준비단계;

b) 상기 생산된 거품을 기재에 코팅하는 수지거품코팅단계;

c) 상기 코팅층에 단섬유를 플로킹 처리하여 파일층을 형성하는 단계; 및,

d) 상기 수지거품이 코팅되고 파일층이 형성된 기재를 건조시키는 건조단계

를 포함하는 플로킹 처리된 필터용 여과재의 제조방법을 제공한다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 필터용 여과재는 다공성 구조를 가지는 기재와, 상기 기재의 평면상에 결합된 다수의 기공을 포함하는 다공성 폼 수지코팅층 및 한쪽 끝단이 상기 다공성 폼 수지코팅층상에 고정되는 다수의 단섬유로 구성되는 파일층을 포함하는 구성을 가진다.

도 1에 본 발명의 일실시예의 개략도로서 나타낸 바와 같이 상기 기재는 여과재의 지지체 역할을 하는 것으로, 큰 기공을 가지며, 다공도가 높아, 여과재를 통과하는 공기에 대하여 차압을 줄이고, 압력 손실을 최소화한다. 따라서 이러한 기능을 위해서는 높은 다공도를 필요로 하므로 기공을 내부에 다수 포함하는 다공성 구조를 가진다. 상기 기재로는 다공성 구조를 가지는 부직포, 직포를 포함할 수 있고, 바람직하게는 부직포가 제조의 용이성 및 다공도, 기공의 크기조절 등의 측면에서 좋다. 또한 상기 기재의 기공은 여과재를 통과하는 공기의 압력손실을 막기 위하여 상기 폼 수지코팅층의 기공보다 큰 것이 바람직하다.

상기 기재상에 도포되는 폼 수지코팅층의 수지는 공기 주입과 교반을 통하여 기포(거품)형성이 가능한 모든 수지가 가능하고 바람직하게는 인체의 무해성 및 제작용이성을 고려할 때 수용성 수지를 사용하는 것이 바람직하고 상기 수용성 수지에는 아크릴 수지, NBR라텍스, SBR라텍스, 천연라텍스, 실리콘 고무, 수용성 우레탄, 멜라민 수지, 또는 불소계 수지가 포함될 수 있다.

또한 상기 수지에 기계적 특성의 향상이나 기능성 부과를 위해서는 다양한 형태의 충진제가 포함될 수 있고 바람직하게는 상기 충진제로 탈크(talc), Al(OH)₃, TiO₂, 실리카, 또는 운모분말 등의 일반충진제와 PTFE powder, 도전성 카본, 또는 그라파이트 등의 기능성 충진제를 사용할 수 있다. 이외에 상기 폼을 형성, 유지하기 위한 거품제, 거품안정제(정포제), 또는 분산제를 포함하여 증점제, 가교제, 또는 결합제 등이 더 포함될 수 있다.

상기 폼 수지코팅층은 여과재의 실질적인 미세 분진에 대한 여과를 담당하는 부분이므로 상기 기재보다 더욱 미세한 기공을 가지는 다공성 구조를 가지도록 한다. 또한 상기 여과되는 공기의 압력손실을 최소화하기 위해서 상기 폼 수지코팅층의 다공도는 높을수록 좋으며, 여과효율을 해치지 않는 범위내에서 상기 폼 수지코팅층의 두께는 얇을수록 좋다. 바람직하게는 상기 다공도는 50 내지 80 부피%를 가지는 것이 바람직하고 두께는 100 내지 300 ㎛의 범위에 있는 것이 좋다. 또한, 상기 폼 수지코팅층에 포함되는 기공의 크기는 상기 기재의 기공크기보다 더욱 미세한 것으로서 여과하고자하는 목표분진의 크기에 따라 적절한 크기의 기공을 가지도록 한다. 특히, 고도 집진 장치의 경우에는 미세 분진을 제거해야 하므로 상기 다공성 폼 수지코팅층에 포함되는 기공의 크기는 바람직하게는 평균직경이 10 내지 25㎛ 인 것이 좋다.

또한, 상기 다공성 폼 수지코팅층의 상면에는 한쪽 끝단이 상기 다공성 폼 수지코팅층상에 고정되는 다수의 단섬유(파일(pile), 플록(flock), 또는 토우사)로 구성되는 파일(pile)층이 포함된다.

상기 단섬유는 유기, 무기, 또는 금속 재료 등의 다양한 소재의 단섬유가 사용될 수 있고, 다양한 형태의 단섬유가 사용될 수 있다. 특히, 상기 단섬유는 본 발명의 필터용 여과재가 필터에 사용될 경우에 단섬유에 의한 기계적 여과뿐만 아니라 정전기력을 이용한 정전여과도 함께 이루어질 수 있도록 하기 위해서는 공기중에서 분진과 반대 전기를 띄는 재질을 사용할 수 있고, 바람직하게는 폴리에스테르(PET), 나일론(Nylon), 비스코스(Viscose), 아크릴(Acrylic), 폴리프로필렌(PP), PVC, PVC:탄소섬유(Carbon fibers), 탄소섬유, 유리섬유(Glass fibers), 활성탄소섬유(ACF) 또는 나일론/PET분할형 복합사 등이 사용될 수 있다. 또한 상기 단섬유의 형상은 폼 수지코팅층의 기공을 막지 않기 위하여 바람직하게는 상기 기공보다 직경이 작은 것이 좋다. 더욱 바람직하게는 상기 파일층을 구성하는 단섬유의 직경은 0.5 내지 3 데니아인 것이 좋다.

또한 상기 단섬유의 길이는 여과재의 필터내 사용형상에 따라 적절한 길이의 단섬유를 사용할 수 있고, 특히, 백필터의 백(bag)형상을 가지는 경우나 카트리지 필터내에 절곡형상으로 사용되는 경우에는 여과하고자 하는 분진의 크기, 여과 효율의 측면 및 단섬유의 쓰러짐 방지 등의 측면에서 적절한 길이의 단섬유를 사용할 수 있다. 특히, 단섬유의 쓰러짐 방지 및 여과효율을 위하여 0.3 내지 2 ㎜의 길이를 가지는 섬유로 구성하는 것이 바람직하다.

상기의 단섬유는 한쪽 끝단은 상기 다공성 폼 수지코팅층상에 다양한 방법으로 고정되고 반대쪽 끝단은 자유롭게 된 형태로, 서로 평행하게 다수개가 배치되도록 한다. 이를 통하여 분진이 상기 폼 수지코팅층에 접근하기 이전에 다수의 단섬유로 구성된 파일층을 통과하게되고 상기 파일층이 기계적 여과뿐만 아니라 정전기적 여과작용을 할 수 있도록 한다. 상기 단섬유는 상기 다공성 폼 수지 코팅층과 일정한 각도를 이루도록 고정될 수 있고, 필터가 사용되는 유로의 유동방향에 따라 여과효율이 최적화되는 적절한 각도를 가질 수 있고, 제작의 용이성 및 범용사양의 경우, 바람직하게는 상기 다공성 폼 수지코팅층의 상면에 수직하게 배치될 수 있다.

본 발명의 필터용 여과재는 필터내부에서 여과를 담당하는 물질로서 다양한 용도 및 형태의 필터에 사용될 수 있고, 필터내에 바로 사용되거나 필터 케이스나 카트리지 틀에 맞게 적절하게 성형 또는 제단되어 사용되어질 수 있다. 특히, 상기 여과재는 집진필터, 프리필터, 포켓필터, 카트리지 필터, 자동차 에어크리너용 필터, 수처리용 필터의 여과재로서 사용될 경우, 높은 여과 성능과 함께 낮은 압력손실을 가지는 우수한 필터를 제작할 수 있다.

또한, 본 발명은 에멀젼액을 거품발생기에서 교반하여 거품을 생산하는 수지거품 준비하고, 상기 생산된 거품을 기재에 코팅한 후, 상기 코팅층에 단섬유를 플로킹 처리한 후 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제조방법을 자세히 설명하면 다음과 같다.

에멀젼액 준비

본 발명에 사용되는 에멀젼액은 다양한 형태의 수지가 사용이 가능하고, 특히, 사용 및 작업의 편의성을 위해서는 수용성 수지를 주재로 하는 것이 바람직하고 여기에 충진제, 거품제, 거품안정제(정포제), 또는 분산제를 포함하여 균일하게 혼합한 후, 이를 증점제로 증점한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 본 발명에서는 에멀젼액 성분 중 가교제와 결합제를 수지거품준비단계에서 투입하여 에멀젼액의 유동성 저하와 보관상 문제를 해결하였다.

상기 수용성 수지는 아크릴 수지, NBR라텍스, SBR라텍스, 천연라텍스, 실리콘 고무, 수용성 우레탄, 멜라민 수지, 또는 불소계 수지가 바람직하고 그 함량은 70 내지 80 중량부가 바람직하다.

상기 충진제로는 탈크(talc), Al(OH)₃, TiO₂, 실리카, 또는 운모분말 등의 일반충진제와 PTFE powder, 도전성 카본, 또는 그라파이트 등의 기능성 충진제를 사용할 수 있고 그 함량은 5 내지 15 중량부가 바람직하다.

상기 거품제로는 탄소수 12인 선상 알켈 유도체의 계면활성제인 소듐 리우릴 설페이트(SLS, sodium lauryl sulfate), 또는 소듐 도데실 설페이트(SDS, sodium dodecyl sulfate)를 사용할 수 있고 그 함량은 0.1 내지 1.0 중량부가 바람직하다.

상기 거품안정제(정포제)로는 암모늄스테아레이트계, 또는 실리콘계를 사용할 수 있고 그 함량은 1.0 내지 10 중량부가 바람직하다. 암모늄스테아레이트계는 미세거품 발생, 거품유지능력, 및 유동성은 탁월하나, 거품코팅 제품의 피막강도를 약하게 할 수 있으므로, 피막강도를 보강할 수 있도록 암모늄스테아레이트계와 실리콘계를 함께 사용하는 것이 바람직하다.

상기 분산제로는 포리카르복실산소다염 성분의 분산제, 또는 포리인산나트륨을 사용할 수 있다. 특히, 포리인산나트륨은 pH 완충효과가 탁월하여 분산시 쇼크(shock)가 발생할 수 있는 에멀젼액의 분산시 효과적이고 그 함량은 0.2 내지 2.0 중량부가 바람직하다.

상기 가교제로는 멜라민-포름알데히드수지를 사용하는 것이 좋다. 멜라민수지는 가교 역할뿐만 아니라 초기건조시 겔화가 빠르게 진행되어 미세거품을 유지시켜 주며, 특히 비중이 무거운 충진제가 거품을 기재에 코팅한 후 자중에 의해 가라앉아 탈포를 촉진하는 것을 방지하는 역할을 한다. 그 함량은 0.2 내지 2.0 중량부가 바람직하다.

상기 결합제로는 실리콘결합제, 또는 아미노기를 가진 금속유기물을 사용할 수 있으며, 이는 수지와 충진제의 접촉면의 결합력을 보강하고, 열팽창 계수가 다른 여러 물질 사이의 균열을 방지하는 역할을 한다. 그 함량은 0.2 내지 2.0 중량부가 바람직하다.

상기 증점제는 아크릴계 증점제가 바람직하나, 그 특성상 pH를 알칼리로 유지해야 하므로, pH 값이 중성이나 산성일 때는 알긴산소다를 사용할 수 있고, 그 함량은 0.2 내지 2.0 중량부가 바람직하다.

수지거품준비단계

본 단계는 상기 준비된 에멀젼액을 거품발생기에서 교반하여 집진대상이 되는 분진의 크기에 따라 다양한 범위의 평균직경을 갖는 수지거품을 준비하는 단계이다. 특히, 고도 정화를 위한 경우에는 평균직경이 5 ㎛ 이하인 거품을 생산하는 것이 바람직하다.

상기 수지거품준비단계의 거품발생장치는 통상의 거품발생장치로 공지기술을 사용할 수 있고, 수지거품의 평균직경이 5 ㎛ 이상의 거품을 발생하는 경우에는 도 2에 일실시예로 나타낸 바와 같은 거품발생장치를 사용할 수 있고, 바람직하게는 고도 정화 장치용인 도 3에 일실시예로 나타낸 바와 같은 거품발생장치를 사용할 수 있다. 상기 도 3의 거품발생기(11)는 외벽을 형성하는 스테이터(21), 중심부에 로터(22), 상기 로터(22)에 수직으로 고정되어 세워져 있으며, 핀의 굵기가 4∼5 ㎜인 로터측 핀(23), 상기 스테이터(21)에 고정되어 세워져 있으며, 핀의 굵기가 4∼5 ㎜인 스테이터측 핀(24)과 스테이터(21) 내로 원료를 투입하기 위하여 스테이터(21) 상단부에 설치된 에멀젼액 공급관(25), 공기압 공급관(26), 가교제 공급관(27)으로 구성된다.

상기 로터측핀(23), 및 스테이터측 핀(24)은 4∼5 ㎜의 굵기를 가지며, 각각 250∼350 여개의 개수로 스테이터(21) 중심부의 로터(22)와 스테이터(21)에 고정되어 세워지며, 상기 로터(22)가 50∼500 rpm의 속도로 회전하면서 스테이터(21) 상단부에 설치된 에멀젼액 공급관(25), 공기압 공급관(26), 가교제 공급관(27)을 통해 공급된 원료가 혼합하여 수지 거품을 발생하게 된다.

본 단계에서 도 3의 장치를 사용하는 경우에는 상기 준비한 에멀젼액을 거품발생기에 투입하고, 공기를 블로잉한 후, 50∼500 rpm의 속도로 교반하여 수지거품을 발생시킨다. 또한 상기 거품발생기 내의 회전 핀의 굵기를 4∼5 ㎜ 정도로 가늘게 하는 것이 바람직하다.

상기 에멀젼액을 균일하게 혼합하기 위해서는 교반이 필수적인데, 교반시 에멀젼액에서 열이 발생하게 되고, 이 열에 의하여 가교제나 결합제가 혼합과정에서 에멀젼액의 가교를 진행시키므로, 에멀젼액의 유동성을 떨어뜨린다. 또한, 가교제나 결합제는 상온에서도 서서히 가교가 진행되므로 유동성 결여 문제뿐만 아니라, 에멀젼액의 보관상 문제가 많다. 따라서, 본 발명에서는 가교제와 결합제를 에멀젼액의 혼합시 투입하지 않고, 수지거품생산시 별도의 공급관으로 투입한다.

상기 에멀젼액을 거품발생기에 공급하는 펌프는 통상적인 펌프를 사용할 수 있으나, 거품발생기 내부의 압력이나 에멀젼의 공급압(에멀젼액의 수위 등에 따라 변화)에 관계없이 에멀젼액의 설정된 양을 균일하게 공급할 수 있는 모노펌프를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 거품발생기에 공급되는 공기압은 거품발생기 내부의 압력보다 높아야 하며, 바람직하게는 거품발생기의 내부 압력보다 2 ㎏/㎠ 이상 높아야 거품발생기 내부에서 공기가 에멀젼액에 균일하게 확산될 수 있어 좋다. 상기 거품발생기 내부의 압력보다 공급되는 공기압이 낮은 경우 공기공급관으로 에멀젼액이 역류하므로 주의를 요한다.

상기 거품발생기는 회전속도가 빠를수록, 미세한 핀의 개수가 많을수록 거품의 크기를 작게 형성할 수 있다. 상기 회전속도는 50∼500 rpm의 범위인 것이 바람직하다. 회전속도가 500 rpm을 초과할 경우에는 에멀젼액의 안정성이 결여될 수 있는 문제점이 있다. 또한 거품발생기 내의 로터(rotor)와 스테이터(stator)에는 약 600 여개 정도의 핀이 장착된 것이 바람직하다.

본 단계를 거쳐 제조된 거품의 평균직경은 최대 5 ㎛ 인 것이 바람직하다.

수지거품코팅단계

본 단계는 상기 생산된 수지거품을 기재에 코팅하는 단계이다. 본 단계에서 사용하는 수지거품 코팅기는 통상의 코팅기를 사용하여 공지의 기술로 실시할 수 있으며 특히, 코팅 나이프로 수지거품이 고르게 코팅될 수 있도록 거품을 공급하고, 바람직하게는 거품공급 노즐을 기재 진행방향의 횡방향으로 하여 분당 5∼30 회 왕복의 빠른 속도로 거품을 공급한다.

본 단계에서는 일단 생성된 수지거품을 거품상이 그대로 유지되는 상태로 기재의 표면에 적용시켜 기재 표면상에 수지거품이 망상구조(network structure) 그대로 적층되도록 하는 것으로, 수지거품이 부직포의 표면에 0.1 내지 0.3 ㎜의 두께로 적층되도록 하는 것이 좋다.

또한 상기 코팅 나이프의 수지 거품이 닿는 부분은 라운드(round)를 주는 것이 바람직하다. 이 경우 수지 거품이 누적되어 나이프가 오염되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 미세한 수지 거품의 평균직경이 나이프로부터의 과도한 압력에 의해 커지는 것을 방지할 수 있다.

상기 거품코팅기의 거품공급 노즐은 도 2에 나타낸 바와 같이 바로 기재에 코팅할 수도 있고, 바람직하게는 도 3에 나타낸 일실시예의 경우와 같이, 거품코팅기(12)는 거품발생기(11)에서 생성된 수지 거품(23)을 기재(22)에 공급하기 위한 거품공급 노즐(31), 상기 기재(32)를 이송하기 위한 롤러(34), 및 상기 기재(32)에 코팅된 수지 거품(33)을 균일하게 코팅하기 위하여 기재 상부에 수직 방향으로 위치하며, 기재와 닿는 부분이 라운드(round) 형인 코팅 나이프(35)로 구성된다.

상기 거품공급 노즐(31)은 기재(32) 진행방향의 횡방향으로 설치되며, 분당 5∼30 회 왕복의 속도로 기재(32)에 수지 거품을 공급한다. 상기 거품공급 노즐(31)을 통하여 기재(32)에 공급된 수지 거품(33)은 거품코팅기(12) 외부에 위치하는 코팅 나이프(35)에 의하여 균일하게 기재 위에 코팅되며, 상기 코팅 나이프(35)와 기재(32) 표면에 공급된 수지 거품(33)이 닿는 부분은 라운드(36) 형으로 함으로써 코팅 나이프(35)에 수지 거품(33)이 누적되거나, 수지 거품(33)의 직경이 코팅 나이프(35)의 과도한 압력에 의해 커지는 것을 방지할 수 있다. 따라서 상기 도 3에 나타낸 노즐을 이용하여 상기 노즐을 기재 진행방향의 횡방향으로 하여 분당 5∼30 회 왕복의 빠른 속도로 거품을 공급할 수도 있다.

도 2의 경우는 거품코팅기의 구조상 발포된 거품이 기재에 코팅되기까지 소요되는 시간이 길어져(15∼20 분) 거품의 크기가 커지며 상대적으로 굵은 거품을 형성하고 즉, 상기 발포된 거품이 15 분 이상 정체할 경우, 거품의 평균직경이 2 배 이상 증가된다. 미세한 거품을 사용하는 경우에는 도 3과 같이 소요시간을 단축하여 미세한 거품을 유지할 수 있다. 또한 상기와 같이 거품이 코팅되는 시간을 단축할 경우에는 친수성이 강한 기재나 거품이 접촉되는 부분이 많은 기재에 코팅시에도 거품이 기재에 흡수되어 탈포되는 것을 방지할 수 있다. 10,000 cps의 고점도 점도에서는 약 15 분 소요시 수지 거품의 평균 직경이 약 2 배로 커지게 되는데, 도 3의 빠르게 왕복하는 거품공급 노즐을 사용하여 수지 거품을 신속하게 공급함으로써 미세거품의 평균직경이 시간이 경과함에 따라 커지는 현상을 방지할 수 있다. 또한 5.000 cps 이하의 저점도 조건에서는 발포 후 코팅 시간을 단축함으로써 탈포 현상을 방지할 수 있다.

또한 본 단계에서는 나이프와 기재의 간격을 조절하여 침투정도를 조절할 수 있다.

본 단계를 거쳐 생산된 집진필터 제품은 거품의 평균직경을 다양한 범위에서 조절이 가능하고 특히, 도 3의 장치를 사용하는 경우에는 거품의 평균직경을 10 ㎛ 이하인 제품을 생산할 수 있으며, 특히 하기의 건조방법을 개선함으로써 거품의 평균직경이 5 ㎛ 이하인 제품도 생산이 가능하다.

파일(pile)층 형성단계

본 단계는 상기 코팅층에 단섬유를 플로킹(flocking) 처리하여 파일층을 형성하는 단계이다. 상기 수지거품코팅단계에 의하여 형성된 코팅층이 건조되기 전에 상기 코팅층이 형성된 기재를 전기장이 형성된 플로킹 쳄버내에 인입하고, 상기 건조전 코팅층을 접착제로 하여 단섬유를 정전기를 이용하여 대전시킨 후 플로킹 쳄버내의 전기장을 이용하여 세운 상태로 상기 코팅층위에 떨어뜨려 고착하도록 하는 것이다. 상기 파일층 형성단계는 코팅후 가능한 빨리 하는 것이 좋다.

본 단계의 플로킹 처리는 통상의 장치를 이용하여 공지기술을 적용하여 실시할 수 있고, 도 4에 나타낸 바와 같이 상기 일반적인 플로킹 공정에 사용되는 플로킹 장치는 최상부에 단섬유가 공급되는 단섬유공급부(41)가 있고, 상기 단섬유공급부(41)의 직하로는 전기장이 형성되도록 하는 전기장형성부(42)가 구비되며, 그 하부로는 기재가 지나가는 이송장치(43) 등으로 이루어진다. 또한 바람직하게는 상기 이송장치(43)의 출구단에 연속하여 건조장치(44)를 설치할 수 있다.

상기 단섬유는 유기, 무기, 또는 금속 재료 등의 다양한 소재의 단섬유가 사용될 수 있고, 다양한 형태의 단섬유가 사용될 수 있다. 특히, 상기 단섬유는 본 발명의 필터용 여과재가 필터에 사용될 경우에 단섬유에 의한 기계적 여과뿐만 아니라 정전기력을 이용한 정전여과도 함께 이루어질 수 있도록 하기 위해서는 공기중에서 분진과 반대 전기를 띄는 재질을 사용할 수 있고, 바람직하게는 폴리에스테르(PET), 나일론(Nylon), 비스코스(Viscose), 아크릴(Acrylic), 폴리프로필렌(PP), PVC, PVC:탄소섬유(Carbon fibers), 탄소섬유, 유리섬유(Glass fibers), 활성탄소섬유(ACF) 또는 나일론/PET분할형 복합사 등이 사용될 수 있다. 또한 상기 단섬유의 형상은 폼 수지코팅층의 기공을 막지 않기 위하여 바람직하게는 상기 기공보다 직경이 작은 것이 좋다. 더욱 바람직하게는 상기 파일층을 구성하는 단섬유의 직경은 0.8 내지 3 데니아인 것이 좋다.

또한 상기 단섬유의 길이는 여과재의 필터내 사용형상에 따라 적절한 길이의 단섬유를 사용할 수 있고, 특히, 백필터의 백(bag)형상을 가지는 경우나 카트리지 필터내에 절곡형상으로 사용되는 경우에는 여과하고자 하는 분진의 크기, 여과 효율의 측면 및 단섬유의 쓰러짐 방지 등의 측면에서 적절한 길이의 단섬유를 사용할 수 있다. 특히, 단섬유의 굵기가 단섬유의 쓰러짐 방지 및 여과효율을 위하여 0.3 내지 2 ㎜의 길이를 가지는 섬유로 구성하는 것이 바람직하다.

상기의 단섬유는 한쪽 끝단은 상기 다공성 폼 수지코팅층상에 다양한 방법으로 고정되고 반대쪽 끝단은 자유롭게 된 형태로, 서로 평행하게 다수개가 배치되도록 한다. 이를 통하여 분진이 상기 폼 수지코팅층에 접근하기 이전에 다수의 단섬유로 구성된 파일층을 통과하게되고 상기 파일층이 기계적 여과뿐만 아니라 정전기적 여과작용을 할 수 있도록 한다.

건조 단계

본 단계는 상기 플로킹이 완료된 기재를 건조시키는 단계이다. 상기 건조 단계도 일반적으로 적용되는 통상의 기술을 사용하여 건조할 수도 있고, 바람직하게는 상기 건조단계를 하기와 같은 3 단계로 구분하여 실시한다.

1. 겔화 단계

거품코팅된 기재를 급격한 건조시 거품이 커지고, 파괴되는 것을 방지하기 위하여, 50∼90 ℃의 약풍(풍속 1 m/sec 이하)으로 30 초 내지 1 분 동안 코팅표면을 겔화시킨다.

2. 건조 단계

상기 겔화시킨 기재를 100∼150 ℃의 온도로 1 분 내지 3 분 동안 건조한다. 이때 건조온도가 100 ℃ 미만일 경우에는 건조속도가 느리며, 150 ℃를 초과할 경우에는 균열이 생기고 코팅피막이 약해지는 문제점이 있다.

3. 열처리 단계

상기와 같이 건조한 기재의 코팅피막을 150∼190 ℃의 온도로 20 초∼2 분 동안 열처리시켜 준다.

상기와 같은 3 단계를 거쳐 건조된 기재는 10 ㎛ 이하의 미세한 거품을 유지할 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

실시예 1

(에멀젼 준비)

수용성 수지로 아크릴수지(MMA) 76 중량부, 충진제로 Al(OH)₃ 7 중량부, 및 탈크(talc) 5 중량부, 거품제로 소듐 라우릴 설페이트 1 중량부, 거품안정제로 암모늄스테아레이트계 7.5 중량부, 및 실리콘계 0.5 중량부, 분산제로 포리카르복실산소다염(50 %) 0.5 중량부, 가교제로 멜라민-포름알데히드 수지 1.1 중량부(촉매 0.1 중량% 포함), 및 결합제로 실리콘 결합제 0.9 중량부를 균일하게 혼합하였다. 그 다음 증점제로 알긴산소다 0.5 중량부를 가하여 증점시켜 에멀젼액을 준비하였다.

(수지거품준비단계)

상기와 같이 준비한 에멀젼액을 150 ㎏/h의 속도로 도 2의 장치에 의해 거품발생기에 공급하였다. 이때 거품발생기의 압축공기(8 ㎏/㎠)를 플루오 메터(flow meter)의 수치가 7500 cc/min이 되도록 하고, 500 rpm의 속도로 교반하여 수지거품을 생산하였다.

(수지거품코팅단계)

상기와 같이 도 2의 장치를 통하여 생산된 수지거품을 거품코팅기에 투입한 후, 거품기로부터 공급노즐까지의 거리가 5 m인 공급노즐을 통하여 발포하여 기재에 코팅하였다. 이때, 기재의 속도는 7 m/min하고, 이때 발포 후 코팅까지의 시간은 2 분 30 초가 소요되었다.

(파일층 형성단계)

플로킹 쳄버에 상기 기재를 인입하고, 2 ㎜의 길이를 갖고, 0.5 데니아의 굵기를 갖는 PET 단섬유를 5 kV/㎝로 대전되어 있는 전기장내에 공급하여 파일층을 형성한다.

(건조 단계)

상기와 같이 거품이 코팅된 기재를 70 ℃의 약풍(1 m/sec 이내)으로 1 분간 코팅표면을 겔화시킨 후, 140 ℃의 강풍으로 2 분간 건조하고, 180 ℃로 30 초간 열처리하여 집진필터를 제조하였다.

실시예 2

(에멀젼 준비)

(수지거품준비단계)

상기와 같이 준비한 에멀젼액을 150 ㎏/h의 속도로 도 3의 장치에 의해 거품발생기에 공급하였다. 이때 거품발생기의 압축공기(8 ㎏/㎠)를 플루오 메터(flow meter)의 수치가 7500 cc/min이 되도록 하고, 500 rpm의 속도로 교반하여 수지거품을 생산하였다.

(수지거품코팅단계)

상기와 같이 도 3의 장치를 통하여 생산된 수지거품을 거품코팅기에 투입한 후, 왕복속도가 6 회 왕복/분이고, 거품기로부터 공급노즐까지의 거리가 5 m인 공급노즐을 통하여 발포하여 기재에 코팅하였다. 이때, 기재의 속도는 7 m/min하고, 기재 좌우의 코팅두께가 균일하도록 코팅나이프의 높이를 조절하여 0.3 ㎜의 두께로 코팅하였으며, 이때 발포 후 코팅까지의 시간은 1 분 30 초가 소요되었다.

(파일층 형성단계)

(건조 단계)

실시예 3

상기 실시예 2의 수지거품준비단계에서 거품발생기를 250 rpm의 속도로 하고, 수지거품코팅단계의 공급노즐의 왕복속도를 20 회 왕복/분으로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 실시하였다.

실시예 4

상기 실시예 2의 수지거품준비단계에서 거품발생기를 50 rpm의 속도로 하고, 수지거품코팅단계의 공급노즐의 왕복속도를 30 회 왕복/분으로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 실시하였다.

상기 실시예 1 내지 4에서 제조한 필터의 표면을 전자현미경(×400)으로 촬영한 결과, 본 발명에 따른 상기 실시예 1의 필터는 도 5에 나타낸 바와 같이 평균직경이 25 ㎛ 이상의 기공을 포함하고, 실시예 2 내지 4의 필터는 도 6에 나타낸 바와 같이 평균직경이 5 내지 10 ㎛인 초미세 기공을 포함하는 것을 확인할 수 있었다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 필터용 여과재는 소각로, 철강, 분체공업, 시멘트공업 등의 현장에서 발생하는 미세분진을 기공의 크기를 달리하는 기재와 폼 수지코팅층으로 하는 다층 여과구조를 가져 보다 효율적인 필터링을 할 수 있을 뿐만 아니라 여과재 통과시 압력손실이 적어 높은 차압이 요구되지 않으면서도 미세 분진까지 효율적으로 제거할 수 있다.

또한 폼 수지코팅층상에 형성된 파일층에 의하여 기계적 여과작용 뿐만 아니라 정전기적 여과작용을 복합하여 보다 효과적인 필터링 효과를 거둘 수 있다. 즉, 폼 코팅(Foam coating)만의 제품은 100 mg/m³ 이하의 저농도 미세분진(주로 대기분진)의 여과에 있어서는 초기 효율이 매우 약한 단점이 있으나 본 발명의 미세 섬유(microfiber)를 플로킹 처리한 경우는 미세 분진의 충돌, 확산, 메쉬(mesh)효과와 아울러 공기층의 유속의 영향으로 인한 미세 섬유(microfiber)의 마찰에 의한 정전 효과의 상승작용으로, 고농도 분진 (100 mg/m³ 이상)은 물론 저농도 분진(100 mg/m³ 이하)까지 효율적으로 제거할 수 있는 필터용 여과재 및 그 제조방법을 제공하게 된다.

또한, 기공의 크기와 무관하게 미세 분진을 여과할 뿐만 아니라 분진을 표면에서 거의 걸러 냄으로써 필터의 사용에 따른 압력손실 발생을 줄이고, 재사용 또는 청소를 용이하는 효과를 가진다.

뿐만 아니라, 집진기용 필터, 프리-필터(pre-filter), 포켓 필터(pocket filter), 카트리지 필터(cartridge filter), 자동차 에어크리너용 필터, 수처리용 필터 등 다양한 종류의 필터에 적용할 수 있는 장점이 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되는 것은 아니고, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 기술분야의 당업자가 다양하게 수정 및 변경시킨 것 또한 본 발명의 범위 내에 포함됨은 물론이다.

도 1은 본 발명의 여과재의 일실시예에 대한 구조를 나타내는 개략적인 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 일반 기공을 포함하는 폼 수지코팅층을 형성하는 장치의 개략적인 측면도이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 삼차원 초미세 기공을 포함하는 폼 수지코팅층을 형성하는 장치의 개략적인 측면도이다.

도 4는 본 발명의 일실시예로서 제조한 여과재의 폼 수지코팅층의 SEM 사진(×400)이다.

도 5는 본 발명의 일실시예로서 제조한 여과재의 평균직경이 10 ㎛ 이하인 폼 수지코팅층의 SEM 사진(×400)이다.

* 도면의 주요 부호에 대한 설명 *

1 : 기재 2 : 폼 수지코팅층

3 : 파일(pile)층

11 : 거품발생기 12 : 거품코팅기

21 : 스테이터(stator) 22 : 로터(rotor)

23 : 로터측 핀 24 : 스테이터측 핀

25 : 에멀젼액 공급관 26 : 공기압 공급관

27 : 가교제 공급관

31 : 거품공급 노즐 32 : 기재

33 : 수지 거품 34 : 롤러

35 : 코팅 나이프 36 : 라운드 에지

41 : 단섬유공급부 42 : 전기장형성부

43 : 이송장치 44 : 건조장치

Claims

다공성 구조를 가지는 기재;

상기 기재의 평면상에 결합된 다수의 기공을 포함하는 다공성 폼 수지코팅층; 및,

한쪽 끝단이 상기 다공성 폼 수지코팅층상에 고정되는 다수의 단섬유로 구성되는 파일층을 포함하는 것을 특징으로 하는 필터용 여과재.
제1항에 있어서,

상기 다공성 폼 수지코팅층에 포함되는 기공의 크기는 상기 단섬유의 굵기보다 크고, 상기 파일층을 구성하는 단섬유의 굵기는 0.8 내지 3 데니아인 것을 특징으로 하는 필터용 여과재.
제1항에 있어서,

상기 파일층을 구성하는 단섬유의 길이는 0.5 내지 2 ㎜인 것을 특징으로 하는 필터용 여과재.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 여과재가 집진필터, 프리필터, 포켓필터, 카트리지 필터, 자동차 에어크리너용 필터, 수처리용 필터의 여과재로서 사용되는 것을 특징으로 하는 필터용 여과재.
a) 에멀젼액을 거품발생기에서 교반하여 거품을 생산하는 수지거품 준비단계;

b) 상기 생산된 거품을 기재에 코팅하는 수지거품코팅단계;

c) 상기 코팅층에 단섬유를 플로킹 처리하여 파일층을 형성하는 단계; 및,

d) 상기 수지거품이 코팅되고 파일층이 형성된 기재를 건조시키는 건조단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 필터용 여과재의 제조방법.
제5항에 있어서,

상기 a)단계는 거품의 직경이 5 ㎛ 이하인 거품을 생산하고, 상기 b)단계는 상기 생산된 거품을 거품의 평균직경이 10 ㎛ 이하가 되도록 유지시킨 채 기재에 코팅하는 것을 특징으로 하는 필터용 여과재의 제조방법.
제5항에 있어서,

상기 c)단계는 굵기는 0.5 내지 3 데니아인 단섬유를 플로킹 처리하는 것을 특징으로 하는 필터용 여과재의 제조방법.
제5항에 있어서,

상기 c)단계는 길이가 0.3 내지 2 ㎜인 단섬유를 플로킹 처리하는 것을 특징으로 하는 필터용 여과재의 제조방법.
제5항에 있어서,

상기 d)단계의 건조가 50∼90 ℃의 온도로 겔화시키는 단계, 100∼150 ℃의 온도로 건조시키는 단계, 및 150∼190 ℃의 온도로 열처리시키는 단계로 실시되는 것을 특징으로 하는 필터용 여과재의 제조방법.
제6항에 있어서,

상기 a)단계의 거품의 생산은 외벽을 형성하는 스테이터; 상기 스테이터 중심부에 세워진 로터; 상기 로터에 수직으로 고정되어 세워져 있으며, 핀의 굵기가 4∼5 ㎜인 로터측 핀; 상기 로터측 핀과 교차하지 않으며 평행하게 스테이터에 고정되어 세워져 있으며, 핀의 굵기가 4∼5 ㎜인 스테이터측 핀; 및 상기 스테이터의 상단부에 설치되어 에멀젼액, 공기압, 가교제를 스테이터 내에 투입시키는 공급관으로 이루어진 거품발생기에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 삼차원 초미세 기공을 포함하는 것을 특징으로 하는 필터용 여과재의 제조방법.
제6항에 있어서,

상기 b)단계의 코팅은 상기 거품발생기에서 생성된 수지 거품을 기재에 공급하는 거품공급 노즐; 상기 기재를 이송하기 위한 롤러; 및 상기 기재 상부에 수직 방향으로 위치하며, 기재와 닿는 부분이 라운드(round) 형인 코팅 나이프로 이루어진 거품코팅기를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 삼차원 초미세 기공을 포함하는 것을 특징으로 하는 필터용 여과재의 제조방법.