KR20110131666A - 폴리아크릴로니트릴 나노섬유를 이용한 필터여재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 멜트 블로운 방법으로 제조된 필터여재에 전기방사로 제조한 나노웹을 부착하여 필터여재를 제조하는 방법 및 제조된 필터여재에 관한 것이다. 본 발명은 폴리아크릴로니트릴 나노섬유를 이용한 에어 필터 여재의 제조방법에 있어서, 멜트블로운 방법으로 제조된 폴리프로필렌 부직포 위에 폴리아크릴로니트릴 방사용액을 직접 전기방사하여 폴리아크릴로니트릴 나노웹을 형성시키는 것을 특징으로 하는 에어 필터 여재의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 나노웹 복합필터를 사용하면 기존의 에어필터보다 우수한 여과성능을 갖는 필터를 제조할 수 있다.

Description

폴리아크릴로니트릴 나노섬유를 이용한 필터여재 및 그 제조방법{Filter Media Using A Polyacrylonitril Nano-Fiber And Method For Preparing The Same}
본 발명은 멜트 블로운 방법으로 제조된 필터여재에 전기방사로 제조한 나노웹을 부착하여 필터여재를 제조하는 방법 및 제조된 필터여재에 관한 것이다.
최근 대기오염 및 신종인플루엔자 등의 바이러스에 증가로 인해 필터, 특히 에어필터의 성능 향상이 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 향상되엇으나, 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 해외의 선진 기업으로부터 수입하여 그것을 단순 가공을 통해 필터 유닛을 제조하고 있는 실정이다.
이에 본 발명자들은 상기의 문제점을 극복하고, 필터 성능을 향상시키기 위하여 전기방사를 통하여 에어필터용 나노섬유 필터여재를 개발하였다. 또한 그에 따른 필터여재의 성능을 측정하여 필터여재의 성능을 평가해 제공하였다.
본 발명은 멜트 블로운(Melt-Blown) 방법으로 제조된 필터여재에 폴리아크릴로니트릴 나노웹을 전기방사로 부착하여 에어필터 여재를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 본 발명에서 제조된 에어필터 여재에 있어서, 나노웹의 두께에 따른 필터여재의 성능을 측정하여 나노 웹이 성능 변화에 미치는 영향을 제공하는데 그 기술적 과제가 있다. 또한, 본 발명은 전기방사를 통한 나노웹을 제조하는 방법들을 제공한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 폴리아크릴로니트릴 나노섬유를 이용한 에어 필터 여재의 제조방법에 있어서, 멜트블로운 방법으로 제조된 폴리프로필렌 부직포 위에 폴리아크릴로니트릴 방사용액을 직접 전기방사하여 폴리아크릴로니트릴 나노웹을 형성시키는 것을 특징으로 하는 에어 필터 여재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 폴리아크릴로니트릴 방사용액은 폴리아크릴로니트릴을 용매인 디메틸포름아미드에 10~20wt%의 농도로 용해시켜서 제조되는 것을 특징으로 하는 에어 필터 여재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 방법으로 제조되고, 필터여재의 폴리아크릴로니트릴 나노웹의 두께가 40㎛ 내지 140㎛인 에어 필터 여재를 제공한다.
본 발명의 나노섬유기술을 이용한 에어필터소재는 기존의 필터여재보다 우수한 성능을 갖는 복합필터여재를 제공한다. 기존의 멜트 블로운 부직포로 만든 에어필터는 기공의 크기가 커서 여과효율이 좋지 않은 반면, 본 발명의 나노웹 필터여재의 경우 기공의 크기를 줄여서 여과효율를 향상시켰고 차압를 최대한 유지할 수 있는 두께로 제조되었기 때문에 필터로의 성능을 극대화하였다.
도 1은 본 발명의 전기방사 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 전기방사를 통한 나노웹을 멜트블로운 부직포에 부착한 필터여재의 단면의 전자현미경 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 퀄리티 팩터를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 의해 제작된 복합 필터의 분진사이즈 0.125μm, 풍속 5.3cm/s에서의 여과효율과 차압을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 의해 제작된 복합 필터의 분진사이즈 0.125μm, 풍속 5.3cm/s에서의 퀄리티 팩터를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 폴리아크릴로니트릴을 이용한 필터여재에 관한 것으로서, 멜트 블로운 방법으로 제조된 필터여재용 부직포에 폴리아크릴로니트릴 나노웹을 직접 전기방사하여 부착시켜서 필터로서 성능이 향상된 에어필터용 여재를 제조하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 필터 여재는 멜트블로운 부직포에 폴리아크릴로니트릴 방사용액을 직접 전기방사하여 폴리아크릴로니트릴 나노웹이 멜트블로운 부직포위에 부착된 것을 특징으로 한다.
상기 멜트블로운 부직포는 부직포의 제조방법으로 공지된 멜트블로운 방법으로 제조할 수 있으며, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리비닐, 폴리비닐알콜, 폴리올레핀계로 이루어진 군에서 선택되는 섬유로 제조되는 것이 바람직하다. 본 발명의 멜트블로운 부직포는 평균근량이 150 내지 170g/m2이고, 부직포의 평균 두께가 700~900㎛이며, 부직포를 형성하는 섬유의 평균직경이 1~10㎛인 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면 등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
먼저, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile)을 용매인 디메틸포름아미드(Dimethylformamide)에 10~20wt%의 농도로 용해시켜서 방사용액을 준비한다.
도 1은 전기방사 장치(10)의 개략도이다.
전원공급원(11)을 통하여 5~20kv 정도의 고전압을 방사노즐(12)에 부여하고, 상기 방사용액을 상기 방사 노즐(12)을 통하여, 접지가 되어 있고 구리판으로 이루어진 컬렉터(13) 상에 전기방사하여 나노웹을 제조한다.
본 발명에서는 멜트 블로운 부직포를 직접 콜렉터에 위치시킨 후, 멜트 블로운 부직포 위에 폴리아크릴로니트릴 방사용액을 직접 전기방사시켜서 나노웹을 적층하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 필터여재의 제조방법은 멜트블로운 부직포와 폴리아크릴로니트를 나노웹은 각각 제조한 후, 접착체 등을 사용하여 부착하는 경우와 비교하여, 직접 멜트 블로운 부직포 위에 폴리아크릴로니트릴을 전기방사하여 적층함으로써 필터 소재 사이의 부착력을 향상시킬 수 있었다.
도 2는 전기방사를 통하여 폴리아크릴로니트릴 나노웹을 멜트블로운 부직포에 부착한 복합필터여재의 단면을 주사전자현미경으로 찍은 사진이다.
본 발명에서 제조된 복합필터여재는 여재의 두께가 850μm 내지 950μm 인 것이 바람직하다. 또한 멜트블로운 부직포에 적층되는 폴리아크릴로니트릴 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 1
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
디메틸포름아미드 용액에 아크릴로니트릴을 전체 용액 중량 대비 18wt%가 되도록 용해시켜서 전기방사용액을 제조하였다. 비교예 1에서 제조된 멜트블로운 부직포를 콜렉터 위에 위치시키고, 방사노즐과 콜렉터 사이의 거리가 15cm가 되도록 전기방사장치를 준비하였다. 상기 전기방사용액을 10kV의 전압이 하전된 방사노즐을 통하여 콜렉터 위의 멜트블로운 부직포 위로 전기방사하여, 본 발명의 필터여재를 제조하였다. 이때, 전기방사되는 폴리아크릴로니트릴 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.
PP
멜트블로운웹		 PP 멜트블로운웹
+ PAN 전기방사웹
비교예 1 실시예 1 실시예 2 실시예 3
평균 근량(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. 입자의 크기별 여과 효율(filtration efficiency), 풍량 별 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, 0.3㎛) 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. 에어 필터의 경우 차압이 작고 여과효율이 높을수록 최선의 효과를 나타낸다.
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 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 퀄리티 팩터(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 퀄리티팩터이고, P는 침투율(penetration)이며, △p는 차압(pressure drop)이다.
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 비교예 1과 대비하여 우수한 퀄리티팩터를 나타내는 것을 알 수 있다.
도 6은 실시예 및 비교예에서 제조된 필터에 있어서, 분진사이즈 0.125㎛, 풍속 5.33cm/s인 경우의 여과효율 및 차압을 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예 및 비교예에서 제조된 필터에 있어서, 분진사이즈 0.125㎛, 풍속 5.33cm/s인 경우의 퀄리티팩터를 나타낸 그래프이다.
퀄리티팩터(quality factor)는 그 값이 높을수록 좋지만, 도 7의 경우 퀄리티팩터의 값이 실시예 1의 경우에는 비교예에 비해 좋은 성능을 가지지만, 실시예 2, 3의 경우에는 나노웹의 두께가 증가함에 따라 걸리는 차압이 커지므로 전체적인 퀄리티팩터가 감소하는 경향을 볼 수 있다.
본 발명에서는 나노웹의 두께가 854㎛(실시예 1)인 경우에 차압은 급속하게 증가하지만, 여과효율은 증가하는 것을 알 수 있다. 본 발명에 따르면, 폴리아크릴로니트릴 나노웹과 멜트블로운 부직포를 복합하여 제조된 필터여재에 있어서, 필터여재의 두께가 850μm 이상이고 950μm 이하인 경우, 특히 폴리아크릴로니트릴 나노웹의 두께가 40μm이상이고 140μm 이하인 경우가 다양한 분진사이즈에 대하여 최적의 여과효율을 나타내는 것을 알 수 있다.

Claims (3)

  1. 폴리아크릴로니트릴 나노섬유를 이용한 에어 필터 여재의 제조방법에 있어서,
    멜트블로운 방법으로 제조된 폴리프로필렌 부직포 위에 폴리아크릴로니트릴 방사용액을 직접 전기방사하여 폴리아크릴로니트릴 나노웹을 형성시키는 것을 특징으로 하는 에어 필터 여재의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 폴리아크릴로니트릴 방사용액은 폴리아크릴로니트릴을 용매인 디메틸포름아미드에 10~20wt%의 농도로 용해시켜서 제조되는 것을 특징으로 하는 에어 필터 여재의 제조방법.
  3. 청구항 1의 방법으로 제조되고, 필터여재의 폴리아크릴로니트릴 나노웹의 두께가 40μm 내지 140μm인 에어 필터 여재.
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