KR20130009081A - 멜트블로운 부직포를 이용한 전열교환소자의 제조방법 - Google Patents

멜트블로운 부직포를 이용한 전열교환소자의 제조방법 Download PDF

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Abstract

기존 종이 성분의 전열교환소재의 문제점인 결로 및 열악한 내구성을 개선하고, 종이소재를 대체하려고 시도한 기존의 PP 멜트블로운 부직포의 낮은 투습성과 투기성이 개선된 Nylon 멜트블로운 부직포의 전열교환소재를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면 멜트블로운 부직포에 후가공을 통한 투습도 및 투기성이 개선되며, 아울러 강도 및 내구성이 개선된 전열교환소재가 제공된다.

Description

멜트블로운 부직포를 이용한 전열교환소자의 제조방법{Preparation Method of Total Heat Exchanger Element by Melt Blown Nonwoven}
본 발명은 멜트블로운 부직포를 이용한 전열교환소자 제조방법에 관한 것으로, 기존 종이소재가 아닌 합성소재를 이용한 새로운 개념의 전열교환소재이다. 본 발명의 보다 상세한 내용은 기존 종이성능의 기체 차폐성 및 투습성을 만족하면서 내구성이 개선되어 고유량의 풍량에도 사용할 수 있는 장점이 있다.
현대의 건물은 점차 고층화되고 기밀화되고 있으며, 이에 따른 환기의 필요성이 증대되고 있다. 환기는 이산화탄소 혹은 휘발성 유기화합물과 같은 실내의 오염공기를 실외로 내보내고 실외의 신선한 공기를 실내로 유입시키는 것을 의미하며, 이 과정에서 오염공기가 가지고 있던 에너지가 현열 (sensible heat) 및 잠열 (latent heat) 의 형태로 실외로 빠져나가게 되어 에너지 손실이 일어나게 된다. 전열교환기는 환기할 때 손실되는 현열과 잠열을 회수하여 에너지 효율을 높여주는 장치로서 압력손실을 줄이기 위하여 허니컴 형태를 취하고 있으며, 실내공기와 실외공기는 서로 섞이지 않도록 설계되어 있다. 현열은 실내공기와 실외공기의 온도차에 의해 허니컴의 벽을 통해 회수되며, 잠열은 허니컴에 코팅 혹은 함침된 흡습제 혹은 제습제에 의해 회수된다. 전열교환기는 먼저 현열 및 잠열을 동시에 회수할 수 있는 종이 혹은 시트형태의 소재, 즉 전열교환용지를 제조한 후 이 전열교환용지를 골판지형태로 편파성형하며 최종적으로 연속적으로 만들어진 편파성형체를 허니컴 형태로 적층하여 제조한다. 전열교환기의 성능을 좌우하는 요소는 전열교환용지의 투습성 및 기체차폐성이며, 방염성 역시 하나의 요소로 작용하고 있다.
현재 전열교환소재로는 종이소재가 주로 사용되고 있다. 종이소재는 전열이 교환되는 과정에서 결로가 발생할 수 있으며, 습기의 생성으로 인한 곰팡이가 서식할 수 있어 부패가 발생할 수 있는 여지가 있다. 또한 충격 및 인장강도가 약하여 고유량 즉 8,000 CMH(Cubic Meter per Hour)의 이상의 전열교환기등에 적용이 어려운 단점이 있다. 이러한 종이소재의 단점을 개선할 수 있는 내구성이 개선된 새로운 에너지 절약형 전열소재의 개발이 시급히 요구되고 있다. 선행 특허로서는 기존 종이소재를 사용한 전열교환소재를 섬유소재인 PP 멜트블로운 부직포 소재로 대체하여 기존 종이 전열교환소재 특성이 갖고 있는 여러 문제점을 해결하고, 내구성 있는 새로운 전열교환소재의 제조 가능성에 관한 기초연구를 실시한 결과, 기존종이소재를 대체할 만한 성능에는 미치지 못하였지만, 전열교환소재로서의 대체 가능성을 입증을 하였다.
본 발명에서는 기존 종이소재를 사용한 전열교환소재를 섬유형 성능이 있는 멜트블로운 부직포 소재로 쓰이고 있는 Nylon 소재를 대체하여 기존 종이전열교환소재 특성이 갖고 있는 여러 문제점을 해결하고, 내구성 있는 새로운 전열교환소재의 제조 가능성을 제시 하였다. 참고로 PP 소재와 Nylon소재를 동일한 조건하에 비교하여 성능의 향상 결과를 제시 하였다.
본 발명은 상기의 점을 감안하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은 기존 종이 성분의 전열교환소재의 문제점인 결로 및 열악한 내구성을 개선하고, 종이소재를 대체하려고 시도한 기존의 PP 멜트블로운 부직포의 낮은 투습성과 투기성이 개선된 Nylon 멜트블로운 부직포의 전열교환소재를 제조하는 방법을 제안하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 전열교환기내에 장착이 되는 전열교환소자 즉, 실내외 공기간의 열교환 및 물질교환을 수행하는 환기장치용 소재를 말한다. 환기장치용 소재는 멜트블로운 방사가 가능한 폴리에스터, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리우레탄등으로부터 1종을 선택하여 멜트블로운 방법으로 랜덤한 구조의 부직포를 형성하여 제조된다.
상기의 환기장치용 소재는 멜트블로운 방사시 직경이 0.5~10um정도의 멜트블로운 부직포를 1차 방사하여 랜덤한 구조로 적층하는 1단계 방법: 상기 단계에서 형성된 멜트블로운 부직포 소재를 물리적인 열과 압력에 의해 부직포 후도 및 밀도를 낮추어 주는 2단계 방법: 형성된 소재에 폴리비닐알콜(PVA) 수용액을 침지하고 첨가제인 염화리튬(LiCl)을 포함하여 제조하는 3단계 방법을 제공한다.
또한 상기 2단계에서 PVA의 단순한 침지가 아닌 침지 함량(%), 검화도(mol%), 점도(cps), 침지 픽업율(%)까지 고려한 전열교환소재의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 기존 종이 성분의 전열교환소재의 문제점인 결로 및 열약한 강도 내구성을 개선이 1차 효과이며, 종이소재를 대체하고자 선행특허로서의 PP 멜트블로운 부직포 제조방법에 의해 제시된 성능보다 투기도, 투습도 및 강도를 한층 더 향상시킨 Nylon 멜트블로운 부직포 전열교환소재를 제공함이 2차 효과로 제시된다.
도 1은 하기에 최종 제조된 Nylon/PVA/Calendering 멜트블로운 부직포 소재의 투습도 및 공기투과도를 분석한 결과이다.
이하 본 발명을 보다 자세히 설명한다.
본 발명은 멜트블라운 방사에 의해 섬유상 웹으로 제조될 수 있는 고분자를 이용한다. 즉 본 발명의 첫번째 단계는 합성 고분자수지의 섬유형성능이 가능한 멜트블로운 방사가 가능한 폴리프로필렌계, 폴리에스테르계 및 폴리우레탄계 및 폴리아미드계로 이루어진 군으로 부터 선택된 1종의 합성 고분자수지를 멜트블로운 방사노즐을 통해 망상구조로 방사되어 섬유상으로 형성된 멜트블로운 부직포를 제조 한다.
멜트블로운 부직포 방사조건은 기기 설비조건에 따라 상이하며 본 발명에서는 방사 직경이 0.5~7um정도의 굵기로 방사한다. 방사 직경에 대해서는 특별히 제한되지 않는다.
멜트블로운 부직포로 방사 가능한 합성 고분자 수지중 1종을 선택하여 멜트블로운 부직포로 방사하는 1단계, 열과 온도를 통하여 밀도 및 후도를 감소시키는 2단계, 2단계 공정전 부직포 소재에 PVA 수용액을 침지하고 첨가제인 염화리튬(LiCl)을 포함하여 고 흡습성 및 고 투기성 성능의 멜트블로운 부직포를 제조하는 3단계로 포함한다. 또한 상기 1, 2단계 공정중 멜트블로운 부직포 소재의 후도가 100um이상을 넘지 않아야하며 통상적으로 판매되는 제품들은 50um를 넘지 않는다. 상기 언급한 후도는 특별히 명시되거나 제한된것은 아니다. 다만 100um이상이 넘을 경우, 전열교환기 가동 운영시 풍량의 과부화 및 에너지 과소비 및 성능이 감소할 우려가 있다.
본 발명은 상기의 멜트블로운 부직포를 방사하여 열과 압력에 따른 가공을 실시하며 특히 후가공제를 통하여 전열교환소재의 성능 향상을 하는데 목적이 있다. 따라서 본 발명에서는 후가공제를 통한 발명의 효과를 보다 상세하게 설명하도록 하겠다. 참고로 이하 발명의 내용에는 폴리프로필렌 멜트블로운 부직포와 비교하여 설명한다.
이하 본 발명의 실시예를 설명한다.
실시예 1
노즐의 형태가 35holes/inch인 멜트블로운 부직포 제조 설비로 나일론 고분자를 이용하여 멜트블로운 부직포(50gsm)를 제조하였다.(방사 온도: 260℃, 압력: 52kgf/cm2, 속도 16m/min)
제조된 멜트블로운 부직포(50gsm)를 가지고 5%/L PVA 수용액 및 PVA 함량 대비 5% 염화리튬(LiCl)을 이용하여 최종 가공제를 제조한 후 침지시켜 부직포의 픽업율(%)을 다양한 조건으로 테스트한 결과 최적의 조건인 8~10%내외로 제조하였다.(픽업율 조절은 패딩기의 압력을 통하여 조절하였음)
PVA의 상세 설명으로는 검화도가 86~89%, 점도는 44~52%, 중합도는 2,400g/mol%
PVA 수용액에 침지된 멜트블로운 부직포는 열 텐터에서 열처리하였다. 텐터 온도는 130℃, 시간은 1분으로 열 고정하였다.
PVA 수용액이 침지되어 열고정된 멜트블로운 부직포를 캘린더 가공, 즉 온도는 110~124℃로 변화를 주었고, 속도는 2m/분당, 압력은 55kpa로 고정하여 최종 전열교환소재를 제조하였다.
상기 실시예 1에서 제조된 나일론 멜트블로운 부직포 성능평가를 실시하였다 .
상기 실시예 1에서 제조된 나일론 부직포의 투습도 및 공기투과도 결과를 도 1에 나타내었다. 캘린더 온도가 110℃일때 투습도는 7,300g/m2·24hr이며, 124℃일때는 5,900g/m2·24hr로 점차 감소하는 경향이 있다. 이것은 캘린더 온도가 높아 짐에 따라 나일론 일부분들이 재용융되어 부직표 표면 및 내부에 필름화 되어 수분이 통과하기에 어려운 환경을 형성한다. 반면에 공기투과도는 캘린더 온도가 110℃일때 1,200초이며, 124℃일때는 약 8,000의 결과를 나타낸다. 이것은 투습도와 상반되는 효과를 가진다. 캘린더 온도가 높아질수록 나일론 멜트블로운 섬도들이 재용융되면서 부직포 표면에 필름을 형성하여 공기투과도를 억제시키는 효과이다. 본 투습도 및 공기투과도 결과는 현재 시판중인 종이소재(투습도: 6,000g/m2·24hr, 공기투과도 5,000초)와 비교 하였을때 보다 우수한 결과를 나타낸다. 상기의 가공조건에서 최적의 가공조건은 온도가 124℃이며, 캘린더 속도는 2m/분당, 압력은 55kpa, 픽업율(8~10%)으로 확인이 된다.
도2는 나일론 멜트블로운 부직포 성능을 비교하기 위하여 PP 멜트블로운 부직포를 이용하여 동일하게 가공처리를 한후 전자현미경으로 표면을 분석하였다.
각 그림에 해당되는 설명은 다음과 같다.
(a) PP: 미처리 폴리프로필렌 부직포, (b) PP/PVA: 폴리프로필렌 부직포에 PVA 처리, (c) PP/PVA/Calendering: 폴리프로필렌 부직포에 PVA처리후 캘린더 가공, (d) Nylon: 미처리 나일론 부직포, (e) Nylon/PVA: 나일론 부직포에 PVA 처리, (f) Nylon/PVA/Calendering: 나일론 부직포에 PVA처리후 캘린더 가공
(a),(d)와 (b),(e) 를 살펴보면, PVA가 침지된 (b),(e)의 표면에는 PVA일부분들이 막을 형성하는 것을 볼 수 있다. 이것으로 보아, PVA의 막 형성으로 인하여 기체차폐성이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 또한, (e),(f)를 보면 PVA 침지후 캘린더 가공을 한 표면인데, 표면이 다소 매끄럽게 변화된 것을 볼 수있다. 이결과는 기체차폐성을 높혀줌을 의미하며, PVA에 의하여 투습도도 증가하는 것을 볼 수있다.
도3 은 전자현미경 도2의 설명을 수치상으로 설명하기 위하여 나타낸 공기투과도 결과이다. PP와 비교시 PP/PVA/Calendering의 평균 기공은 7.33에서 0.52um로 감소하였으며, 압력 또한 0.9에서 2.9psi로 증가하였다. 결과적으로 PVA 함침 및 캘리더 가공의 영향으로 인한 공기투과도 성능에 많은 개선을 한 것으로 나타남. Nylon도 마찬가지로 PP결과와 비슷한 경향을 띈다. 하지만, 나일론 소재를 적용하였을 경우에는 평균 공기투과도를 PP소재와 비교하였을 경우, 0.52에서 0.23um로 저 작아짐을 볼 수있다. 그리고 압력 또한 12.6에서 28psi로 증가함을 알 수 있다.
이결과 전열교환소자로서의 소재선정에 있어서 PP소재보다 Nylon소재의 적용이 우수한 효과를 보인다.
도4 는 PP, PP/PVA, PP/PVA/Calendering 소재와 Nylon, Nylon/PVA, Nylon/PVA/Calendering소재의 인장강도를 측정한 것이다. PP 부직포 자체의 인장강도는 2.8kpa이며, 나일론 부직포의 인장강도는 20.2kpa이다. 기존부직포의 인장강도 비교시 Nylon이 우수한 것으로 나타났다. 또한, PP/PVA/Calendering 소재와 Nylon/PVA/Calendering 소재의 인장강도를 보면 99kpa에서 279kpa로 매우 높은 것으로 볼 수 있다. 이결과로 보았을때 PP소재보다 Nylon소재의 인장강도 매우 우수한 것으로 나타났다.
도 5는 Paper, PP/PVA/Calendering, Nylon/PVA/Calendering소재의 단면을 분석한 현미경 사진이다. Paper의 단면은 평활한데 반하여, PP/PVA/Calendering의 단면은 다소 단면이 고르지 못하다. 반면에, Nylon/PVA/Calendering의 단면은 Paper 와 비슷하게 매우 평활하며 섬유형성이 매우 조밀하게 되어 있다. 이결과로도 기체 차폐성이 우수한 것을 입증하였다.
도6은 Nylon부직포의 내구성을 분석한 것이다. 항온항습기 온도를 80℃로 하여 100시간동안의 투습도, 투기도, 강도결과를 나타내었다. 시간이 지남에 따라서 강도 및 투습도가 다소 감소하는 듯한 영향을 보였지만, 이 조건은 실제 전열교환기를 사용하는것 보다 매우 악조건으로 시험하여 나타난 결과이다. 통상 40℃이하의 온도에서 사용이 되기 때문에 내구성 또한 우수한 것으로 판단된다.
도 1은 Nylon 멜트블로운 부직포의 투습도 및 공기투과도
도 2는 PP 멜트블로운 부직포와 Nylon 멜트블로운 부직포의 표면 사진
도 3은 PP 멜트블로운 부직포와 Nylon 멜트블로운 부직포의 공기투과도
도 4는 PP 멜트블로운 부직포와 Nylon 멜트블로운 부직포의 인장강도
도 5는 Paper, PP 멜트블로운 부직포, Nylon 멜트블로운 부직포의 단면 사진
도 6은 Nylon 멜트블로운 부직포의 내구성

Claims (3)

  1. 멜트블로운 방사가 가능한 폴리프로필렌계, 폴리에스테르계 및 폴리우레탄계 및 폴리아미드계로 이루어진 군으로부터 선택된 1종의 합성 고분자수지 멜트블로운 부직포 중량은 40~60gsm, 3~10%/L PVA 수용액 및 PVA 함량 대비 5% 염화리튬(LiCl)을 이용하여 최종 가공제를 제조한후 멜트블로운 부직포를 침지한후 캘린더 가공하여 제조방법
  2. 제 1항에 있어서, 멜트블로운 부직포의 PVA 픽업율은 5~15% 내외로 제조이며, 사용된 PVA는 검화도가 84~94%, 점도는 5~60%, 중합도는 500~2,400g/mol%인 PVA 수용액에 침지하여 멜트블로운 부직포를 제조하는 방법
  3. 제 1항에 있어서, 캘린더 가공조건은 온도가 110℃~130℃이며, 캘린더 속도는 1~5m/분당, 압력은 40~60kpa으로 가공하여 멜트브로운 부직포를 제조하는 방법
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101525492B1 (ko) * 2014-05-23 2015-06-03 주식회사 애솔 에너지 회수 전열교환소자용 다공성 필름형 부직포 전열막의 제조방법
KR20150076665A (ko) * 2013-12-27 2015-07-07 도레이케미칼 주식회사 전열교환소자용 복합섬유집합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전열교환소자

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