KR20110131665A - 셀룰로오스 나노섬유를 이용한 에어 필터여재 및 그 제조방법 - Google Patents

셀룰로오스 나노섬유를 이용한 에어 필터여재 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 멜트 블로운 방법으로 제조된 필터여재에 전기방사로 셀룰로오스 나노웹을 부착하여 필터여재를 제조하는 방법 및 제조된 필터여재에 관한 것이다. 본 발명은 셀룰로오스 나노섬유를 이용한 에어 필터 여재의 제조방법에 있어서, 멜트블로운 방법으로 제조된 부직포 위에 셀룰로오스 방사용액을 직접 전기방사하여 셀룰로오스 나노웹을 형성시키는 것을 특징으로 하는 에어 필터여재의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 셀룰로오스 나노웹 복합필터는 기존의 에어필터보다 우수한 여과성능을 갖는다.

Description

셀룰로오스 나노섬유를 이용한 에어 필터여재 및 그 제조방법{Filter Media Using A Cellulose Nano-Fiber And Method For Preparing The Same}
본 발명은 멜트 블로운 방법으로 제조된 필터여재에 전기방사로 셀룰로오스 나노웹을 부착하여 필터여재를 제조하는 방법 및 제조된 필터여재에 관한 것이다.
최근 대기오염 및 신종인플루엔자 등의 바이러스에 증가로 인해 보다 고성능을 가진 필터, 특히 에어필터가 요구되고 있다. 필터의 성능은 먼지를 걸러내는 정도인 여과효율과 공기가 통과하는데 걸리는 압력의 차이인 차압에 의해 결정된다.
현재 필터소재 및 완제품의 제조기술은 많은 연구 개발을 통해 향상되었으나, 아직까지도 필터 소재 가공, 완제품 설계 등에서의 기술력 부족으로 인하여 선진 해외 기술에 뒤지고 있는 실정이다. 필터의 주원료인 부직포와 부직포를 구성하는 섬유 소재의 구성 성분 및 제조 방법의 연구가 미흡하며 필터의 구조적 결함을 향상시켜 필터의 성능을 향상시키는 효과적인 방안에 대한 연구가 요구되고 있다. 따라서 필터의 성능에 가장 중요한 역할을 하는 필터 여재를 해외 기업으로부터 수입하여 그것을 단순 가공을 통해 필터 유닛을 제조하고 있는 실정이다.
이에 본 발명자들은 상기의 문제점을 극복하고, 필터 성능을 향상시키기 위한 셀룰로오스 가열전기방사를 통하여 에어필터용 나노섬유 복합필터여재를 개발하였다. 또한 그에 따른 필터여재의 성능을 측정하여 필터여재의 성능을 평가해 제공하였다.
본 발명은 멜트 블로운(Melt-Blown) 방법으로 제조된 필터여재에 셀룰로오스 나노웹을 전기방사로 부착하여 에어필터 여재를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 본 발명에 제조된 에어필터 여재에 있어서, 나노웹의 두께에 따른 필터여재의 성능을 측정하여 나노 웹이 성능 변화에 미치는 영향을 확인하는 것을 목적으로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 셀룰로오스 나노섬유를 이용한 에어 필터 여재의 제조방법에 있어서, 멜트블로운 방법으로 제조된 부직포 위에 셀룰로오스 방사용액을 직접 전기방사하여 셀룰로오스 나노웹을 형성시키는 것을 특징으로 하는 에어 필터여재의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 셀룰로오스 방사용액은 물과 N-메틸몰포린-N-옥사이드가 중량비로 1:9로 혼합된 용매에 셀룰로오스를 5~10wt%로 용해시켜서 제조되고, 방사용액을 90~110℃로 가열하여 전기방사하는 것을 특징으로 하는 에어필터 여재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 방법으로 제조되고, 필터여재의 셀룰로오스 나노웹의 두께가 40㎛ 내지 140㎛인 에어 필터 여재를 제공한다.
본 발명은 기존의 필터여재보다 좋은 성능을 갖는 셀룰로오스 나노섬유를 이용한 에어필터소재를 제공한다. 종래 멜트블로운 부직포로 제조한 필터여재에 비해 셀룰로오스 나노웹을 부착한 복합필터여재는 높은 여과 효율을 갖고 기존의 필터의 차압성능보다 우수한 차압성능을 갖는다.
도 1은 본 발명의 가열전기방사 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 가열전기방사를 통한 셀룰로오스 나노웹을 멜트 블로운 웹에 부착한 필터여재의 단면의 주사전자현미경 사진이다.
도 3은 본 발명에 의해 제작된 복합 필터의 풍속 별 분진사이즈에 따른 여과효율 그래프이다.
도 4는 본 발명에 의해 제작된 복합 필터의 풍속 별 분진사이즈에 따른 차압 그래프이다.
도 5는 본 발명에 의해 제작된 복합 필터의 풍속 별 분진사이즈에 따른 퀄리티팩터(Qyuality factor)를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 셀룰로오스를 이용한 필터여재에 관한 것으로서, 멜트 블로운 방법으로 제조된 필터여재에 셀룰로오스 나노웹을 직접 전기방사하여 부착시켜서 제조하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 필터여재는 멜트 블로운 방법으로 제조된 나노웹에 셀룰로오스 방사용액을 직접 전기방사하여 멜트 블로운 웹과 셀룰로오스 나노웹이 잘 부착되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 멜트블로운 방법으로 제조되는 나노웹은 공지된 멜트블로운 방법으로 제조할 수 있으며, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리비닐, 폴리비닐알콜, 폴리올레핀계로 이루어진 군에서 선택되는 섬유로 제조되는 것이 바람직하다. 본 발명의 멜트블로운 나노웹은 평균근량이 150 내지 170g/m2이고, 나노웹의 평균 두께가 700~900㎛이며, 나노웹을 형성하는 섬유의 평균직경이 1~10㎛인 것이 바람직하고, 특히 폴리프로필렌 섬유로 형성되는 것이 바람직하다.
이하에서 첨부된 도면 등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
셀룰로오스 나노웹의 제조방법은 다음과 같다. 물과 N-메틸몰포린-N-옥사이드(N-methylmorpholine-N-oxide, NMMO)가 중량비로 1:9로 혼합된 용매에 셀룰로오스를 5~10wt%로 용해시킨 전기방사용액을 제조한다.
도 1은 전기방사장치를 이용한 필터 여재의 제조방법을 개략적으로 도시한 것이다.
상기 전기방사용액을 90~110℃로 가열을 한 후 전원공급원(11)을 통하여 5~20kV의 전압이 걸려있는 방사 노즐(12)을 통하여, 구리판으로 이루어진 컬렉터(13)를 수욕(14, water bath)에 절반 정도 침지한 후, 회전시키면서 전기방사하여 셀룰로오스 나노웹을 제조한다.
본 발명에서는 상기 나노웹 제조방법에서, 상기 콜렉트 위에 멜트 블로운 웹으로 구성된 필터여재를 위치시켜서, 멜트 블로운 웹 위에 직접 셀룰로오스를 전기방사하여 나노웹(Nano web)층을 적층하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 필터여재에서 멜트 블로운 웹과 셀룰로오스 나노웹을 부착하는 방법으로는 상기 방법으로 제조된 셀룰로오스 나노웹과 멜트블로운 웹을 접착제를 사용하여 직접 부착하는 경우와 비교하여, 상기의 방법으로 직접 멜트 블로운 웹 위에 셀룰로오스를 전기방사하여 적층함으로써 필터 소재 사이의 부착력을 향상시킬 수 있었다.
도 2는 가열전기방사를 통한 셀룰로오스 나노웹을 멜트블로운 부직포에 부착한 복합필터여재의 단면의 전자현미경 사진이다.
본 발명에서 제조된 복합필터여재는 여재의 두께가 850μm 이상이고 950μm 이하인 것이 바람직하다. 또한 멜트블로운 웹에 적층된 셀룰로오스 나노웹은 두께가 40 내지 140μm 이고 나노섬유의 직경이 0.1~1.0㎛인 것이 바람직하다.
이하에서 실시예를 들어서 본 발명을 상세하게 설명하지만, 실시예에 의해서 권리범위가 제한되는 것은 아니다.
비교예
폴리프로필렌을 이용하여 공지된 멜트블로운 방법으로 필터여재용 부직포를 제조하였다. 제조된 부직포는 평균 근량이 160(g/m2)이고, 두께가 811.66㎛이고 섬유의 직경이 3.006㎛였다.
실시예 1 내지 3
1:9 중량비로 혼합된 물과 NMMO의 혼합 용매에 셀룰로오스를 7중량%로 용해시켜서 전기방사 용액을 제조하였다. 전기방사장치의 콜렉터는 구리판을 원통형태가 되도록 제조하고, 수욕(water bath)에 넣어서 콜렉터를 회전하면서 전기방사가 되도록 하였다. 비교예 1에서 제조된 멜트 블로운 웹은 상기 콜렉터 위에 위치시키고, 방사노즐과 컬렉터 사이의 거리는 15cm가 되도록 전기방사장치를 준비하였다. 상기 전기방사 용액을 100 ℃로 가열하면서, 10kV의 전압이 걸려있는 방사노즐을 통하여 상기 컬렉터를 회전하면서, 컬렉터 위의 멜트 블로운 웹 위에 전기방사하여 본 발명의 필터여재를 제조하였다. 이때, 전기방사되는 셀룰로오스 나노웹의 평균근량 및 두께를 조절하여 실시예 1 내지 실시예 3으로 하였다.
아래의 표 1은 비교예　및 실시예에서 제조된 필터여재에서, 방사 조건별 필터의 평균 근량(Ave. Basis weight), 평균 두께(Ave. Thickness) 및 평균 섬유직경(Ave. Fiberdiameter)을 나타낸 것이다.
물성 PP 멜트블로운웹 PP 멜트 블로운 웹
+ 셀룰로오스 웹
비교예 1 실시예 1 실시예 2 실시예 3
평균근량(g/m2) 160 161.06 161.98 162.81
평균 두께(μm) 811.66 854.48 900.84 947.35
평균 섬유직경(μm) 3.006 3.006
+ 0.6		 3.006
+ 0.6		 3.006
+ 0.6
실험예
실시예 및 비교예에서 제조된 필터여재는 TSI Co. Inc.의 Frictional efficiency auto tester Model 3160을 이용하여 성능을 측정하였다. 0.3% NaCl 수용액을 먼지 대용의 에어로졸(Aerosol)로 사용하여, 입자의 크기별 여과 효율(filtration efficiency), 풍량별 여과 효율(filtration efficiency) 및 차압(pressure drop)을 측정하였다.
0.3% NaCl 수용액을 먼지 대용의 에어로졸(Aerosol)로 사용했다. 측정 환경은 온도 20℃, 습도 25%, 측정면적은 100cm2 필터성능 측정 시 효율은 입자의 크기별로 (0.1, 0.12, 0.16, 0.2, 0.25, 0.3μm) 측정하였으며, 풍속에 따른 영향을 보기 위해 풍속도 1cm/s, 3.16cm/s, 5.33cm/s, 13cm/s(6, 19, 32, 78 L/min)로 변화시켜가며 측정하였다.
도 3 내지 도 7은 상기에서 측정한 필터여재의 성능을 나타낸 그래프이다.
도 3(a) 내지 도 3(d)는 풍속이 (a) 1cm/s, (b) 3.16cm/s, (c) 5.33cm/s, (d) 13cm/s 인 경우의 분진사이즈별 여과 효율을 각각 나타낸 그래프이다.
도 3을 보면, 본 발명의 에어필터 여재에 있어서, 여재의 두께가 두꺼워질수록 여과효율이 향상되고, 특히 풍속이 강할 때 여재의 두께가 두꺼울수록 여과효율이 우수한 것을 알 수 있다.
도 4(a) 내지 도 4(d)는 풍속이 (a) 1cm/s, (b) 3.16cm/s, (c) 5.33cm/s, (d) 13cm/s 인 경우의 분진사이즈별 차압 효과를 각각 나타낸 그래프이다.
도 4는 분진사이즈별 차압을 나타낸 그래프로서, 차압이므로 낮을수록 에어필터로서 좋은 성능을 나타낸다. 도 4를 보면, 차압의 경우, 입자의 크기에 따라 차압의 변화가 크지 않은 것을 알 수 있다. 통상적으로 필터여재의 종류나 절곡의 형태에 따라 필터여재의 차압이 달라지게 된다.
도 4를 보면, 필터의 두께가 두꺼워질수록 차압이 증가하는 것을 알 수 있다.
도 5(a) 내지 도 5(d)는 풍속이 (a) 1cm/s, (b) 3.16cm/s, (c) 5.33cm/s, (d) 13cm/s 인 경우의 분진사이즈별 퀄리티팩터(quality factor)를 나타낸 그래프이다.
퀄리티팩터는 여과효율과 차압을 조합한 필터 성능을 표현하는 수단의 일종으로서 아래의 식으로 나타낼 수 있다.
[식 1]
Figure pat00001
상기 식에서 qF는 퀄리티팩터, P는 침투율(penetration), △p는 차압(pressure drop)을 나타낸다.
도 5를 보면, 풍속이 1cm/s으로 약한 경우에는 차압의 증가로 인하여 두께가 두꺼울수록 퀄리티팩터가 낮아지지만, 풍속이 3.16cm/s인 경우에는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2의 경우가 비교예와 대비하여 우수한 퀄리티팩터를 나타내는 것을 알 수 있다.
이로부터 셀룰로오스 나노웹과 멜트블로운 웹을 복합하여 제조된 필터에 있어서 필터의 두께가 850μm 이상이고 950μm 이하인 경우, 특히 셀룰로오스 나노웹의 두께가 40μm이상이고 140μm 이하인 경우가 다양한 분진사이즈에 대하여 최적의 여과효율을 나타내는 것을 알 수 있다.

Claims (3)

  1. 셀룰로오스 나노섬유를 이용한 에어 필터 여재의 제조방법에 있어서,
    멜트블로운 방법으로 제조된 폴리프로필렌 부직포 위에 셀룰로오스 방사용액을 직접 전기방사하여 셀룰로오스 나노웹을 형성시키는 것을 특징으로 하는 에어 필터여재의 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 셀룰로오스 방사용액은 물과 N-메틸몰포린-N-옥사이드가 중량비로 1:9로 혼합된 용매에 셀룰로오스를 5~10wt%로 용해시켜서 제조되고, 방사용액을 90~110℃로 가열하여 전기방사하는 것을 특징으로 하는 에어필터 여재의 제조방법.
  3. 청구항 1의 방법으로 제조되고, 필터여재의 셀룰로오스 나노웹의 두께가 40μm 내지 140μm인 에어 필터 여재.
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