KR20060118033A

KR20060118033A - 필터용 소재 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR20060118033A
Application number: KR1020050040450A
Authority: KR
Inventors: 김학용; 박종철; 군 호 고; 근 표 김; 영 준 류; 관 우 김
Original assignee: 김학용; 박종철
Priority date: 2005-05-16
Filing date: 2005-05-16
Publication date: 2006-11-23
Also published as: KR100696292B1

Abstract

본 발명은 필터용 소재 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 필터용 소재는 섬유기재(A), 섬유기재(A) 상에 평균직경이 0.05~5.0㎛인 극세섬유가 0.1~15g/㎡의 단위중량으로 코팅되어 있는 극세섬유층(B) 및 극세섬유층 위에 위치하는 부직포(C)로 이루어진 3층 구조를 갖고, 아래 물성들을 동시에 만족하는 것을 특징으로 한다.

- 아 래 -

· 공기투과도 (Air Permeability) : 8~20 cc/㎠/초

· 압력 손실 (Pressure Drop) : 2~10 mmH₂O

· 여과효율 (Filtration Efficiency) : 99.9% 이상

상기의 필터용 소재는 섬유기재(A) 상에 극세섬유를 전기방사하여 극세섬유층(B)을 형성한 다음, 그 위에 부직포를 접착하여 제조된다. 본 발명은 섬유기재 상에 극세섬유들이 균일하게 코팅되어 있어서, 공기투과도가 높으면서도 여과효율이 높고 압력 손실이 낮은 장점이 있다.

필터, 소재, 극세섬유, 부직포, 전기방사, 코팅, 공기투과도, 압력손실, 여과효율.

Description

필터용 소재 및 그의 제조방법 {Filtration media and method of manufacturing the same}

도 1은 통상적인 전기방사 공정의 개략도

도 2는 본 발명의 공정 개략도

도 3은 도 1 중 노즐판(2)들이 나란히 반복, 배열된 상태를 나타내는 평면도

도 4는 도 1 중 노즐판(2)의 단면도

도 5는 노즐(3)과 부직포에 대한 수직선(C)과의 각도(θ)를 나타내는 모식도

도 6은 실시예 1로 제조되어 극세섬유가 코팅된 섬유기재의 표면을 나타내는 전자현미경 사진

도 7은 본 발명에 따른 필터용 소재의 단면개략도.

※ 도면 중 주요부분에 대한 부호 설명

1 : 방사용액 저장조 2 : 노즐판 2a : 노즐판 요홈

3 : 노즐 3a : 노즐팁 4 : 컬렉터 5 : 전압발생장치

6 : 노즐 각도 조절장치 7 : 노즐판 좌우 왕복장치

8 : 노즐판내 방사용액 9 : 방사용액 높이 조절용 저장조

A : 섬유기재 B : 극세섬유층(코팅층)

C : 부직포 D : 극세섬유가 코팅된 섬유기재

21 : 방사용액 주탱크 22 : 계량펌퍼

23 : 노즐 24 : 컬렉터

25 : 전압전달로드 26 : 전압발생장치

θ : 노즐(3)과 섬유기재(A)에 대한 수직선(C)와의 각도

본 발명은 필터용 소재 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전기방사 방식으로 섬유기재 상에 극세섬유가 균일하게 코팅되어 있어서 공기투과도 및 여과효율이 뛰어나고 압력 손실이 낮은 필터용 소재 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

섬유기재 상에 극세섬유가 균일하게 코팅된 필터용 소재(Filtration Media)는 공기청정기, 수처리용 기구, 의료용 기구 등의 필터 소재 및 의료용 소재 등으로 사용될 수 있다.

섬유기재 상에 극세섬유가 코팅되어 있는 구조를 갖는 필터용 소재(Filtration Media)를 지금부터는 "필터용 소재"로 약칭한다.

상기의 필터용 소재는 섬유기재 상에 극세섬유를 전기방사하는 방식으로 제조되어 왔으나, 지금까지 알려진 전기방사 장치로는 섬유기재 상에 극세섬유를 연속적으로 균일하게 코팅할 수 없어서 생산성 및 품질이 떨어지는 문제가 있었다.

구체적으로 종래의 통상적인 전기방사장치는 도 1에 도시된 바와 같이 방사 액을 보관하는 방사액 주탱크(21), 방사액의 정량 공급을 위한 계량펌퍼(22), 방사액을 토출하는 다수개의 노즐이 배열된 노즐블록(24), 상기 노즐 하단에 위치하여 방사되는 섬유들을 집적하는 컬렉터(25) 및 전압을 발생시키는 전압발생장치(26) 들로 구성되어 있다.

상기 전기 방사 장치를 이용한 전기방사 방법을 구체적으로 살펴보면, 방사액 주탱크(21) 내 방사액을 계량펌퍼를 통해 높은 전압이 부여되는 다수의 노즐 내로 연속적으로 정량 공급한다.

계속해서, 노즐들로 공급된 방사액은 노즐을 통해 높은 전압이 걸려있는 컬렉터(25) 상으로 방사되어 집속된다.

전기방사를 이용하여 섬유기재 상에 극세섬유를 코팅하는 종래기술로는 섬유기재를 전도성으로 된 컬렉터에 감거나 얹어 놓은 상태에서 컬렉터를 좌우로 이동시키면서 그 위에 고분자 방사용액을 소수의 노즐을 통해 전기방사하는 방법이 일반적으로 사용되어 왔다.

그러나, 상기 종래방법은 연속작업이 곤란하여 생산성이 저하될 뿐만아니라, 섬유기재 상에 방사용액이 덩어리 상태로 떨어지는 현상(이하 "드롭현상" 이라고 한다)이 발생하여 극세섬유를 균일하게 코팅할 수 없는 문제도 발생 하였다.

그로 인해, 상기와 같은 종래 전기방사 방법으로 제조된 필터용 소재는 공기투과도 및 압력손실이 전체 필터 면적에서 부분 부분 차이가 나는 치명적인 결함이 발생하였다.

본 발명의 목적은 이와 같은 종래 문제점을 해소하기 위하여 전기방사 방식 으로 섬유기재 상에 극세섬유를 연속적으로 균일하게 코팅되어 공기투과도가 높으면서도 여과 효율이 높고 압력손실이 낮으며 공기투과도, 여과효율, 압력손실 등이 전체 필터 면적에서 부분 부분 차이가 전혀 없는 필터용 소재 및 그의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 전기방사 방식으로 섬유기재 상에 극세섬유를 코팅할 때 드롭현상을 방지하므로서 섬유기재 상에 극세섬유를 보다 균일하게 코팅하고자 한다.

또한, 본 발명은 전기방사 방식으로 섬유기재 상에 극세섬유를 연속적으로 코팅함으로서 생산성을 향상시키고자 한다.

또한, 본 발명은 섬유기재 상에 극세섬유들이 균일하게 코팅되어 공기투과도가 높으면서도 여과효율이 높고 압력손실이 낮으며 공기투과도, 여과효율, 압력손실 등이 전체 필터 면적에서 부분 부분 차이가 전혀 없는 필터용 소재를 제공하고자 한다.

이와 같은 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 필터용 소재는 섬유기재(A), 섬유기재(A) 상에 평균직경이 0.05~5.0㎛인 극세섬유가 0.1~15g/㎡의 단위중량으로 코팅되어 있는 극세섬유층(B) 및 극세섬유층 위에 위치하는 부직포(C)로 이루어진 3층 구조를 갖고, 아래 물성들을 동시에 만족하는 것을 특징으로 한다.

- 아 래 -

· 공기투과도 (Air Permeability) : 8~20 cc/㎠/초

· 압력 손실 (Pressure Drop) : 2~10 mmH₂O

· 여과효율 (Filtration Efficiency) : 99.9% 이상

또한 본 발명에 따른 필터용 소재의 재조방법은 방사용액 보관용 노즐판 요홈(3a)과 노즐(3)이 형성되어 있는 다수의 노즐판(2)들을 노즐(3) 위치가 교호로 일치하도록 나란히 반복, 배열하여 노즐(3)들을 노즐판 연결면의 대각선 방향으로 배치시킨 다음, 상기 노즐판(2) 각각에 방사용액을 정량 공급하여 전기방사 중에 노즐판 요홈(3a) 내에 보관중인 방사용액의 최대 높이가 노즐(3) 입구의 높이와 일치하도록 유지하고, 상기 노즐(3)과 부직포(A)에 대한 수직선(C)과의 각도(θ)를 0~20°로 조절하여 섬유기재(A)상에 평균직경이 0.05~5.0㎛인 극세섬유를 0.1~15g/㎡의 단위중량으로 코팅하여 섬유기재(A) 상에 극세섬유층(B)을 형성한 다음, 상기 극세섬유층(B) 위에 부직포층(C)을 배열한 후 이들을 일체로 접착시킴을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면 등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 필터용 소재는 도 7에 도시된 바와 같이 (ⅰ) 섬유기재(A), (ⅱ) 섬유기재(A) 상에 평균직경이 0.05~5.0㎛인 극세섬유가 0.1~15g/㎡의 단위중량(코팅량)으로 균일하게 코팅되어 있는 극세섬유층(B) 및 (ⅲ) 극세섬유층(B) 위에 위치하는 부직포층(C)으로 이루어진 3층구조를 갖는다.

도 7은 본 발명에 따른 필터용 소재의 단면개략도이다.

상기의 섬유기재(A)는 부직포, 직물, 편물 등이며, 상기의 부직포(C)는 두께 가 1~60㎛인 것이 바람직하다.

극세섬유의 평균직경이 0.05㎛ 미만인 경우에는 극세섬유층(B)의 기계적 물성이 저하되고 압력손실이 증가되며, 5.0㎛를 초과하는 경우에는 공기투과도는 향상되나 여과효율이 떨어지게 된다.

한편, 극세섬유의 단위중량(코팅량)이 0.1g/㎡ 미만이면 여과효율이 저하되고, 15g/㎡을 초과하면 여과효율이 개선되는 정도는 미미하면서 압력손실이 상승하게 된다.

또한, 본 발명의 필터용 소재는 아래 물성들을 동시에 만족한다.

- 아 래 -

· 공기투과도 (Air Permeability) : 8~20 cc/㎠/초

· 압력 손실 (Pressure Drop) : 2~10 mmH₂O

· 여과효율 (Filtration Efficiency) : 99.9% 이상

상기 물성들의 평가방법을 후술한다.

다음으로는 본 발명의 필터용 소재를 제조하는 방법에 대하여 살펴본다.

본 발명에서는 도 2와 같이 일정속도로 연속적으로 전진하는 섬유기재(A) 상에 극세섬유를 전기방사하여 섬유기재(A) 상에 극세섬유를 균일하게 코팅하여 극세섬유층(B)을 형성한다.

상기 극세섬유의 평균 직경은 0.05~5.0㎛이고, 단위중량(코팅량)은 0.1~15g/㎡이다.

구체적으로, 본 발명에서는 상기 전기방사시에 도 4와 같이 방사용액 보관용 노즐판 요홈(3a)과 노즐(3)이 형성되어 있는 여러개의 노즐판(2)들을 도 3과 같이 노즐 위치가 교호로 일치하도록 나란히 반복, 배열 한다.

도 2는 본 발명의 공정 개략도이고, 도 3은 다수개의 노즐판이 나란히 반복, 배열된 상태를 나타내는 평면도이고, 도 4는 노즐판(2)의 단면도이다.

보다 구체적으로, 본 발명에서는 노즐(3) 위치가 서로 상이한 2종류의 노즐판(2)들을 교호로 반복 배열하여 노즐(3)들을 노즐판 연결면의 대각선 방향으로 배치된 도 3과 같은 노즐판 세트를 사용함을 특징으로 한다.

이와 같이, 본 발명에서는 다수개의 노즐판(3)들을 나란히 배열 사용하므로서 섬유기재의 진행속도가 빨라져도 노즐 수가 많아 섬유기재 상에 극세섬유를 충분하게 전기방사하여 코팅 할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 노즐(3)들이 노즐판 연결면의 대각선 방향으로 배열되어 섬유기재(A) 상에 극세섬유를 보다 균일하게 코팅 할 수 있다.

다음으로, 본 발명은 상기와 같이 배열된 각각의 노즐판(2)에 방사용액을 방사용액 저장조(1)로 부터 정량 공급 한다.

이와 같이 노즐판(2)에 공급된 방사용액은 노즐판 요홈(2a)에 보관되면서 노즐(3)을 통해 전기방사된 후 섬유기재(A) 위에 극세섬유 상태로 코팅된다. 이때, 본 발명에서는 전기방사 중에 노즐판 요홈(2a) 내에 보관중인 방사용액의 최대 높이가 노즐(3) 입구의 높이와 항상 일치하도록 유지시켜 준다.

이로인해, 본 발명에서는 과량의 방사용액이 노즐 내로 공급되지 않아 노즐 팁(3a)에서 테일러콘이 안정적으로 형성 된다. 그 결과, 본 발명에서는 전기방사시 드롭현상을 효과적으로 방지할 수 있어 최종 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.

노즐판 요홈(2a) 내에 보관중인 방사용액의 높이를 상기와 같이 유지 관리하기 위해서 본 발명에서는 각각의 노즐판(2) 양측에 방사용액 조절용 저장조(9)를 설치한다.

노즐판 요홈(2a)에 과량의 방사용액이 공급되면 방사용액이 오버플로우(Over flow)되어 상기 방사용액 조절용 저장조(9)에 저장된 후, 다시 펌프에 의해 방사용액 저장조(1)로 회수 된다.

또한, 본 발명은 전기방사시에 노즐(3)과 섬유기재(A)에 대한 수직선(C)과의 각도(θ)를 0~20°로 조절해 주는 것을 특징으로 한다. 상기 각도(θ)가 0°미만인 경우에는 방사용액의 흐름이 원활하지 못하게 되며, 20°를 초과할때는 테일러콘의 형성이 곤란하게 된다.

상기와 같이 노즐각도를 조절하기 위해서 본 발명에서는 노즐판들의 연결면 양측에 노즐각도장치(6)를 설치하고, 이를 이용하여 노즐판 세트 전체의 각도를 조절한다.

상기 노즐각도장치(6)로 홈이 파인 로울러 등이 사용될 수 있다. 예를들면, 노즐판 세트 양측 하단에 홈이 파인 로울러로 구성된 노즐각도장치(6)를 설치하여 홈이 파진 로울러의 회전으로 노즐판 세트의 각도를 조절할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 섬유기재(A) 상에 극세섬유를 보다 균일하게 코팅하기 위하여 노즐판(2)들을 섬유기재 진행방향과 수직방향으로 좌우 왕복운동 시켜 준 다. 이를 위해 본 발명에서는 노즐판 일측에 캠 등의 노즐판 좌우 왕복 운동장치(7)를 설치한다. 노즐팁(3a)은 탈착이 용이하도록 구성하는 것이 노즐 교체를 용이하게 하는데 바람직하다.

노즐판(2)내 노즐(3) 개수는 1,000개 이상이고, 부직포의 진행속도는 3m/분인 것이 바람직하다.

전기방사 방향은 수직하향 방향(노즐블럭이 상부에 위치하고 켈럭터가 하부에 위치함)과 수직상향 방향(노즐블럭이 하부에 위치하고 켈럭터가 상부 위치함) 중 어느 것이라도 무방하다.

본 발명의 고분자 방사용액 제조에 사용되는 고분자로는 유기용매에 용해가 가능한 폴리비닐알코올, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리비닐클로라이드, 폴리우레탄, 폴리아크릴로니트릴 등의 모든 유기 고분자와 유기-무기 졸 또는 겔 등이 모두 사용될 수 있다.

다음으로는 상기와 같이 섬유기재(A) 상에 형성된 극세섬유층(B) 위에 부직포[보호용 커버, (C)]를 올려놓고 고주파 주사등의 방법으로 이들을 접착시켜 3층 구조를 갖는 본 발명의 필터용 소재를 제조한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 살펴본다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에만 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

수평균 분자량이 140,000인 폴리스타이렌 수지(Aldrich Co. 제품)을 테트라하이드로퓨란에 25중량% 용해하여 고분자 방사용액을 제조 하였다. 한편, 노즐직 경이 8mm 이고, 노즐팁의 직경이 1.0mm인 노즐 50개가 형성된 노즐판 8개를 노즐이 연결면의 대각선 방향으로 배열되도록 나란히 배열하여 노즐판 블록을 형성 하였다. 다음으로, 상기와 같이 배열된 각각의 노즐판에 상기와 같이 제조된 방사용액을 공급한 후, 노즐을 통해 상기 방사용액을 10m/분의 속도로 전진하는 셀룰로우스 부직포(섬유기재) 상에 평균직경이 0.2㎛인 극세섬유를 1.2g/㎡의 코팅량으로 전기방사하여 섬유기재 상에 극세섬유층을 형성하였다. 이때 노즐판 요홈(3a) 내에 보관중인 방사용액의 최대 높이를 노즐(3) 입구의 높이와 일치하도록 유지 하였고, 노즐과 부직포에 대한 수직선(C)과의 각도(θ)는 5°로 하였고, 노즐판(2)들을 부직포 진행방향과 수직방향으로 15회/분의 속도로 좌우 왕복 시켰다. 다음으로, 상기와 같이 형성된 극세섬유층 위에 셀룰로우스 부직포(중량 10g/㎡)를 배열한 후 초음파를 주사하여 이들을 일체로 결합시켜 필터용 소재를 제조하였다. 이와 같이 제조된 필터용 소재의 표면을 전자현미경으로 촬영한 사진은 도 6과 같고, 각종 물성을 평가한 결과는 표 2와 같다.

실시예 2

수평균 분자량이 140,000인 폴리스타이렌 수지(Aldrich Co. 제품)을 테트라하이드로퓨란에 45중량% 용해하여 고분자 방사용액을 제조 하였다. 한편, 노즐직경이 8mm 이고, 노즐팁의 직경이 1.0mm인 노즐 50개가 형성된 노즐판 8개를 노즐이 연결면의 대각선 방향으로 배열되도록 나란히 배열하여 노즐판 블록을 형성 하였다. 다음으로, 이와 같은 노즐판 블록 2개를 이용하여 각각의 노즐판에 상기와 같이 제조된 방사용액을 공급한 후, 노즐을 통해 상기 방사용액을 10m/분의 속도로 전진하는 셀룰로우스 부직포(섬유기재) 상에 평균직경이 0.75㎛인 극세섬유를 2.4g/㎡의 코팅량으로 전기방사하여 섬유기재 상에 극세섬유층을 형성하였다. 이때 노즐판 요홈(3a) 내에 보관중인 방사용액의 최대 높이를 노즐(3) 입구의 높이와 일치하도록 유지 하였고, 노즐과 부직포에 대한 수직선(C)과의 각도(θ)는 5°로 하였고, 노즐판(2)들을 부직포 진행방향과 수직방향으로 15회/분의 속도로 좌우 왕복 시켰다. 다음으로, 상기와 같이 형성된 극세섬유층 위에 셀룰로우스 부직포(중량 10g/㎡)를 배열한 후 초음파를 주사하여 이들을 일체로 결합시켜 필터용 소재를 제조하였다. 이와 같이 제조된 필터용 소재의 각종 물성을 평가한 결과는 표 2와 같다.

물성평가결과

구분	실시예 1	실시예 2
공기투과도 (Air Permeability) (cc/㎠/초)	10.7	14.5
압력 손실 (Pressure Drop) (mmH₂O)	7.4	5.9
여과 효율 (Filtration Etticiency) (%)	99.999	99.999

본 발명에 있어서 필터용 여과재의 각종 물성은 아래와 같은 방법으로 평가 하였다.

· 공기투과도 [Air Permeability : cc/㎠/초]

KSK 0570 방법에 따라 측정하였다.

측정기기로는 텍테스트(Textest) 회사의 Fx 330 시험기를 사용하였으며, 압력은 125 Pa로 하였고, 측정면적은 38㎠으로 하였다.

· 압력손실 [Pressure Drop : mmH ₂ O]

TST회사의 TSI 8110 측정기로 측정하였다.

시료 100㎠의 면적에 분당 32ℓ의 유량을 통과시켰을 때 시료통과전의 압력과 시료 통과후의 압력간의 차이를 압력손실로 나타내었다.

· 여과효율 [Filtration Efficiency, %]

TST회사의 TSI 8110 측정기로 측정하였다.

시료 100㎠의 면적에 0.2㎛의 NaCl이 함유된 유체를 분당 32ℓ 통과 시켰을때 NaCl의 제거율을 여과효율로 나타내었다.

본 발명은 전기방사 방식으로 섬유기재 상에 극세섬유를 연속적으로 균일하게 코팅할 수 있어서 생산성 및 제품 품질이 크게 향상된다. 그 결과, 본 발명에 의해 제조된 필터용 소재는 공기투과도가 높으면서도 여과효율이 높고 압력 손실이 낮으며 필터 전체 면적에서 공기투과도, 여과효율, 압력손실 등이 균일성 우수한 장점이 있다.

Claims

섬유기재(A), 섬유기재(A) 상에 평균직경이 0.05~5.0㎛인 극세섬유가 0.1~15g/㎡의 단위중량으로 코팅되어 있는 극세섬유층(B) 및 극세섬유층 위에 위치하는 부직포(C)로 이루어진 3층 구조를 갖고, 아래 물성들을 동시에 만족하는 것을 특징으로 하는 필터용 소재

- 아 래 -

· 공기투과도 (Air Permeability) : 8~20 cc/㎠/초

· 압력 손실 (Pressure Drop) : 2~10 mmH₂O

· 여과효율 (Filtration Efficiency) : 99.9% 이상
1항에 있어서, 섬유기재(A)가 부직포, 직물 또는 편물인 것을 특징으로 하는 필터용 소재
1항에 있어서, 부직포층(C)의 두께가 1~60㎛인 것을 특징으로 하는 필터용 소재
방사용액 보관용 노즐판 요홈(3a)과 노즐(3)이 형성 되어 있는 다수의 노즐판(2)들을 노즐(3) 위치가 교호로 일치하도록 나란히 반복, 배열하여 노즐(3)들을 노즐판 연결면의 대각선 방향으로 배치시킨 다음, 상기 노즐판(2) 각각에 방사용액을 정량 공급하여 전기방사 중에 노즐판 요홈(3a) 내에 보관중인 방사용액의 최대 높이가 노즐(3) 입구의 높이와 일치하도록 유지하고, 상기 노즐(3)과 섬유기재(A)에 대한 수직선(C)과의 각도(θ)를 0~20°로 조절하여 섬유기재(A)상에 평균직경이 0.05~5.0㎛인 극세섬유를 0.1~15g/㎡의 단위중량으로 코팅하여 섬유기재(A) 상에 극세섬유층(B)을 형성한 다음, 상기 극세섬유층(B) 위에 부직포층(C)을 배열한 후 이들을 일체로 접착시킴을 특징으로 하는 필터용 소재의 제조방법
1항에 있어서, 노즐판(2)을 섬유기재(A) 진행방향과 수직방향으로 좌우 왕복운동 시켜주는 것을 특징으로 하는 필터용 소재의 제조방법
1항에 있어서, 노즐판(2) 내 노즐(3)의 개수가 100개 이상인 것을 특징으로하는 필터용 소재의 제조방법
1항에 있어서, 섬유기재(A)의 진행속도가 1 m/분 이상인 것을 특징으로 하는 필터용 소재의 제조방법
1항에 있어서 전기방사 방법은 수직하향 방향(노즐블럭이 상부에 위치하고 켈럭터가 하부에 위치함)과 수직상향 방향(노즐블럭이 하부에 위치하고 켈럭터가 상부 위치함)으로 전기방사하는 특징으로 하는 필터용 소재의 제조방법