KR20160006699A - 작은 입자의 열가소성 결합제를 혼입시킨 블록 제품 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

대체로 밀착된 다공성 구조물(generally coherent porous structure)을 형성하도록 활성 입자들과 융합된 평균 입자 크기가 20 마이크로미터 미만인 열가소성 결합제를 포함하는 블록 제품. 일부 경우에, 결합제의 평균 입자 크기는 12 마이크로미터 미만이다. 일부 경우에, 활성 입자는 활성탄 입자이다. 일부 경우에, 블록 제품은 폴리(비닐리덴 디플루오라이드) 결합제, 나일론-11, 및 나일론-12 또는 그러한 작은 입자 크기를 갖는 다른 홀수 번호 폴리아미드 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

Description

작은 입자의 열가소성 결합제를 혼입시킨 블록 제품 및 이의 제조 방법{BLOCK PRODUCTS INCORPORATING SMALL PARTICLE THERMOPLASTIC BINDERS AND METHODS OF MAKING SAME}
본 발명에서의 구현예는 일반적으로 블록 제품에 관한 것이며, 더 상세하게는 작은 입자의 열가소성 결합제를 사용하여 형성되는 블록 제품, 예컨대 활성탄 블록, 및 이의 형성 방법에 관한 것이다.
탄소 블록은 소비자용 및 공업용 워터 필터의 제조에서의 용도를 포함한 다양한 상업적 용도를 가질 수 있는 여과 매체이다. 일부 탄소 블록 제품은 대체로 밀착된 다공성 구조물(generally coherent porous structure)로 압축 및 융합된, 활성탄, 적어도 하나의 결합제 및 선택적으로 다른 첨가제를 포함하는 복합재이다.
일부 경우에, 탄소 블록 필터 제품은 관을 형성하도록 중공 구멍(hollow bore)(이 또한 원형일 수 있음)이 관통하고 있는 직원기둥으로서 형상화될 수 있다. 일부 응용에서, 물 또는 다른 유체의 유동은 (외향으로 또는 내향으로) 이 관의 벽을 통해 대체로 반경 방향으로 지향될 수 있다. 다공성인 이러한 탄소 블록 필터 제품을 통한 유체의 통과는 유체 내의 미립자 오염물 및 화학 오염물 중 하나 이상의 감소를 가져올 수 있다.
탄소 블록은 활성탄 분말과 분말형 폴리에틸렌 플라스틱 결합제의 혼합물을 압축 트랜스퍼 성형(compression transfer molding), 압출, 또는 어떠한 다른 공정에 의해 고체 다공성 모놀리스식(monolithic) 구조물로 변환시킴으로써 형성될 수 있다. 그러한 경우에, 활성탄과 분말형 폴리에틸렌 플라스틱 결합제의 혼합물을 압축시키고, 가열하고, 이어서 냉각시켜, 폴리에틸렌 입자들이 혼합물을 융합시켜 불포화 탄소 모놀리스 구조물이 된다. 그러한 불포화 구조물에서, 결합제는 탄소 블록의 기공들을 완전히 충전시키거나 포화시키지 않으며, 이에 따라 개방된 기공들이 남아 있게 된다.
탄소 블록의 이들 개방된 기공들은 탄소 블록을 통한 유체의 유동을 용이하게 한다. 이러한 방식으로, 탄소 블록은 유체 내의 미립자 오염물을 차단시킴으로써 이를 통과하는 유체의 유동을 여과할 수 있다. 이는 탄소 블록에 의한 특정 오염물의 직접 차단에 의해 또는 탄소 블록의 표면 상에의 특정 오염물의 흡착에 의해 일어날 수 있다.
탄소 블록은 또한 화학 오염물을 차단시킬 수 있는데, 이는 예를 들어 탄소 블록의 활성탄의 표면 상에서의 화학 반응에 참여함으로써, 흡착에 의해, 또는 활성탄 상의 하전된 또는 극성 부위와의 이온-교환 상호작용을 주도함으로써 행할 수 있다.
전통적으로, 탄소 블록 구조물은 폴리올레핀 중합체 결합제, 예컨대 폴리에틸렌을 사용하여 생산되어 왔다. 예를 들어, 일부 탄소 블록 구조물은 초고분자량 폴리에틸렌("UHMWPE") 결합제, 또는 저밀도 폴리에틸렌("LDPE") 결합제를 사용하여 생산되어 왔다. 다른 탄소 블록 구조물은 폴리(에틸렌 비닐 아세테이트)("(p(EVA))") 결합제를 사용하여 생산되어 왔다. 그러나, 이들 중합체 결합제를 사용하여 형성된 탄소 블록 구조물은 불량한 작동 온도, 불량한 내화학성, 및 저강도가 문제가 되는 경향이 있고 비교적 고가일 수 있다.
본 명세서에 포함된 도면은 본 발명의 시스템, 장치 및 방법의 다양한 예를 예시하기 위한 것이며, 어떠한 식으로든 교시되는 것의 범주를 제한하고자 하지 않는다. 도면에서:
도 1은 일 구현예에 따른 탄소 블록 필터의 개략도이다.
도 2는 일 구현예에 따른 탄소 블록을 형성하기 위한 방법의 흐름도이다.
본 발명에서의 구현예 중 하나 이상은 개선된 물리적 및 개선된 화학적 특성 중 하나 이상을 탄소 블록 구조물에 부여하도록 선택된 중합체 결합제를 포함하는 탄소 블록에 관한 것일 수 있다. 그러한 구현예는 또한 용매, 승온, 및 승압에 접할 수 있는 산업적 응용에서 탄소 블록을 사용하게 할 수 있다.
일부 구현예는 (매우 비용이 많이 들 수 있는) 물리적 그라인딩(grinding) 및 마찰분쇄(attrition)에 대한 필요성 없이 중합체 분말로서 직접 합성될 수 있는 중합체를 포함할 수 있다. 그러한 중합체 분말은 종래의 그라인딩을 통해 (그리고 심지어는 극저온 그라인딩에 의해) 전형적으로 가능한 것보다 훨씬 더 작을 수 있다.
일부 구현예에서, 중합체 분말은 적어도 중간 정도의 용융 지수를 갖고, 평균 입자 크기가 20 마이크로미터 미만, 15 마이크로미터 미만, 12 마이크로미터 미만, 10 마이크로미터 미만, 또는 심지어 대략 5 마이크로미터(또는 그 이하)인 열가소성 물질이다. 평균 입자 크기는 Mastersizer® 3000(Malvern사) 레이저 입자 크기 분석기를 사용하여 중합체 현탁액에 대해 측정된다. 바람직한 열가소성 중합체는 폴리(비닐리덴 디플루오라이드) 결합제, 나일론-11, 및 나일론-12 또는 그러한 작은 입자 크기를 갖는 다른 홀수 번호 폴리아미드를 포함하지만 이로 한정되지 않는다.
일부 구현예에 따르면, 탄소 블록은 활성탄 입자들의 네트워크를 지지하는 폴리(비닐리덴 디플루오라이드)("PVDF") 결합제, 예컨대 Kynar® 플루오로중합체 수지를 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 폴리(비닐리덴 디플루오라이드) 결합제 및 PVDF 결합제는 폴리(비닐리덴 디플루오라이드), 폴리(비닐리덴 디플루오라이드)에 관한 중합체, 및 적어도 70 중량%의 비닐리덴 디플루오라이드 단위를 함유하는 공중합체 중 하나 이상을 포함하는 결합제를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
폴리에틸렌계 결합제와는 달리, PVDF 결합제는 광범위 스펙트럼의 용매에 대해 대체로 저항성을 나타내며, 120℃ 초과의 온도에서 안전하게 사용될 수 있다. 더욱이, PVDF 결합제는 20 마이크로미터 미만의 입자 크기를 포함한 매우 작은 평균 입자 크기로 수득될 수 있다. 일부 경우에, PVDF 결합제는 10 마이크로미터 미만의 크기로, 그리고 일부 경우에는 심지어 약 5 마이크로미터(또는 그 이하)의 크기로 이용가능할 수 있다.
일부 응용(예를 들어, 고압 여과)에서, 탄소 블록은 여과 동안 발생되는 힘을 견디도록 고압축 강도를 가져야 한다.
이러한 요건을 만족시키기 위해, 전통적인 탄소 블록 제품은 통상 상당한 농도의 중합체 결합제를 포함한다. 예를 들어, LDPE 결합제를 사용하여 제조된 탄소 블록은 전형적으로 (중량 기준으로) 16% 초과의 결합제를 포함하며, 한편 UHMWPE 결합제를 사용하여 제조된 탄소 블록은 전형적으로 (중량 기준으로) 25% 초과의 결합제를 포함한다.
대조적으로, 예기치 않게도 본 발명자는 소정의 PVDF 결합제를 사용하여 제조된 탄소 블록은 (중량 기준으로) 단지 3 내지 14%, 바람직하게는 12% 이하, 바람직하게는 10% 이하, 바람직하게는 5 내지 8%의 결합제만으로 고압축 강도를 가질 수 있음을 발견하였다.
따라서, 전통적인 기법과 비교하여 (중량 기준으로) 상당히 더 적은 PVDF 결합제가 사용될 수 있다(일부 경우에, 2 내지 5배 더 적은 결합제). 이러한 감소된 양의 결합제는 (예를 들어, 폴리에틸렌 결합제의 가격과 비교하여) PVDF 결합제와 통상 관련된 더 높은 가격의 적어도 일부를 상쇄시킬 수 있다.
더욱이, 고압축 강도 탄소 블록을 제조하는 데 필요한 PVDF 결합제의 부피측정(volumetric) 양은 (폴리에틸렌 결합제의 필요 부피와 비교하여) 심지어 더 작을 수 있는데, 그 이유는 PVDF의 절대 밀도(대략 1.78 g/cm3)가 LDPE의 절대 밀도(대략 0.91 내지 0.94 g/cm3) 및 UWMWPE의 절대 밀도(0.93 내지 0.97 g/cm3)의 거의 2배이기 때문이다. 따라서, 고압축 강도 탄소 블록은 폴리에틸렌 결합제와 비교하여 (부피 기준으로) PVDF 결합제를 4 내지 10배 더 적게 필요로 할 수 있다.
탄소 블록 내의 결합제의 상대 부피는 다공성, 투과성, 탄소 표면 부착오염(fouling), 및 탄소 블록 내부의 활성탄의 양을 포함한 다수의 성능 특성에 기여한다. 이들 특성 각각은 일반적으로 결합제의 상대 부피의 감소와 함께 개선된다. 따라서, 작은 필요 부피의 PVDF 결합제를 사용하여 제조된 탄소 블록은 하기 중 적어도 하나를 나타낼 수 있다:
(i) 실질적으로 개방되고 결합제가 없어서 월등한 다공성 및 투과성을 가져오는 기공들;
(ii) 가공 동안 용융된 중합체에 의한 탄소 표면의 부착오염의 감소; 및
(iii) 결합제에 의한 활성탄 치환의 감소(이는 탄소 블록 내의 활성탄의 양을 증가시킴).
이에 상응하여, PVDF 결합제를 사용하여 제조된 탄소 블록은 종래의(예를 들어, 폴리에틸렌) 결합제를 사용하여 제조된 탄소 블록에 비하여 월등한 여과 성능을 가질 수 있다. 개선된 다공성 및 투과성은 유체가 탄소 블록을 통과하도록 더 많은 통로를 제공할 수 있다. 더 많은 통로는 탄소 표면의 부착오염의 감소 및 활성탄 양의 증가와 조합하여, 탄소 블록을 통과하는 유체 내의 오염물의 차단, 흡착 및 화학 반응을 위한 더 많은 부위를 생성할 수 있다.
PVDF 결합제를 사용하여 제조된 탄소 블록의 성능은 또한 소형인(예를 들어, 박형인) 탄소 블록이 종래의 결합제를 사용하여 제조된 대형인 종래의 탄소 블록과 비교하여 동일하게 잘 수행할 수 있게 한다. 그러한 소형인 탄소 블록은 추가의 비용 절감을 제공할 수 있는데, 이는 제조하는 데 더 적은 활성탄을 필요로 할 수 있기 때문이다. 소형 탄소 블록이 또한 더 바람직할 수 있는데, 그 이유는 이는 더 경량일 수 있고 설치시 더 작은 공간을 차지할 수 있기 때문이다.
일부 구현예에서는, 적합한 등급의 PVDF 결합제와 함께, 고속 압출 기계를 사용하여, 또는 압출 성형 기법을 사용하여 탄소 블록 제품이 제조될 수 있다. 탄소 블록의 제조는 일반적으로 (분말형 형태의) 결합제를 활성탄 분말과 혼합하는 단계를 포함한다. 2개의 분말을 통상 완전히 혼합하여 실질적으로 균질한 혼합물을 생성한다. 이어서, 혼합된 분말을, 예를 들어 압축 트랜스퍼 성형 또는 압출을 사용하여, 함께 융합시킨다.
일반적으로, 더 작은 평균 입자 크기를 갖는 분말들의 혼합물은 더 큰 평균 입자 크기를 갖는 혼합물과 비교하여 더 균질한 혼합물을 생성할 수 있다. 예를 들어, 완전히 혼합된 큰 입자들의 혼합물은 유사하게 혼합된 미세 분말들의 혼합물보다 통상 덜 균질할 것이다. 즉, 큰 입자들의 혼합물의 작은 크기의 샘플은 전체로서의 혼합물의 조성과 상당히 상이한 조성을 함유할 가능성이 더 높다.
더욱이, 완전히 혼합된 혼합물 내의 하나의 분말의 상대 부피가 감소됨에 따라, 그러한 하나의 분말의 평균 입자 크기가 감소되지 않는 한, 그러한 혼합물의 균질성은 또한 감소할 수 있다. 이러한 점을 예증하기 위하여, A, B 및 C로 표시된 3개의 예시적인 혼합물의 균질성을 고려한다:
[표 1] 예시적인 혼합물의 균질성
Figure pct00001
혼합물 A, B 및 C 각각에서, 분말 2 입자의 부피, 평균 입자 크기 및 양은 일정하게 유지된다. 혼합물 A와 비교하여, 혼합물 B는 500배 더 적은 부피의 분말 1 입자를 함유한다(그 이유는 1000 대신에 단지 2개의 입자만 있기 때문이다). 결과적으로, 완전히 혼합된 혼합물 B의 균질성은 완전히 혼합된 혼합물 A의 균질성보다 더 적을 것이다. 즉, 혼합물 B의 작은 크기의 샘플은 혼합물 A와 비교하여 전체로서의 혼합물의 조성과 상당히 상이한 조성을 함유할 가능성이 훨씬 더 높다.
대조적으로, 혼합물 C는 혼합물 B에서와 동일한 부피의 분말 1을 함유하지만, 이들 입자는 1000배 더 작으며, 이에 따라 개수가 1000배 더 크다. 결과적으로, 완전히 혼합된 혼합물 C의 균질성은 완전히 혼합된 혼합물 B보다 훨씬 더 클 것이다. 즉, 혼합물 B의 작은 크기의 샘플은 혼합물 C와 비교하여 전체로서의 혼합물의 조성과 상당히 상이한 조성을 함유할 가능성이 훨씬 더 높다.
이 예는 혼합물 내의 분말의 평균 부피의 감소로부터 기인되는 균질성의 손실이 그러한 분말의 평균 입자 크기를 감소시킴으로써 보상될 수 있음을 예증한다.
상기에서 논의된 바와 같이, PVDF 결합제를 함유하는 탄소 블록은 종래의 결합제(예를 들어, UHMWPE 또는 LDPE 결합제)와 비교하여 부피 기준으로 4 내지 10배 더 적은 결합제를 포함할 수 있다. 따라서, 균질 혼합물을 조장하기 위하여, 분말형 PVDF 결합제에 종래의 결합제의 입자 크기와 비교하여 더 작은 평균 입자 크기(즉, 4 내지 10배 더 작은 크기)가 제공될 수 있다.
종래의 결합제(예를 들어, UHMWPE 또는 LDPE 결합제)는 종종 그라인딩 또는 마찰분쇄를 통해 분말로 제조되며, 그 결과 비교적 조대한 분말이 생성된다. 대조적으로, 분말형 PVDF 결합제의 평균 입자 직경은 20 마이크로미터 미만, 10 마이크로미터 미만, 또는 심지어 대략 5 마이크로미터(또는 그 이하)일 수 있다.
그러한 작은 입자 크기는 종래의 기법, 예컨대 그라인딩 또는 마찰분쇄, 또는 심지어 극저온 그라인딩을 통해서는 용이하게 달성될 수 없다. 따라서, 일부 경우에, 분말형 PVDF 결합제는 물리적 그라인딩 및 마찰분쇄에 대한 필요성 없이 직접 합성될 수 있다.
직접 합성을 통해, 분말형 PVDF 결합제는 미세 및 초미세 분말로 일상적으로 이용가능하다. 직접 합성된 분말형 PVDF 결합제는 또한, 통상 유해한 추출가능한 오염물이 실질적으로 없는 초순수 분말(ultra-pure powder)로서 이용가능하다.
직접 합성은 비용이 많이 들 수 있으며, 작은 크기의 분말형 PVDF 결합제의 높은 가격에 기여할 수 있다. 다행히도, 본 명세서의 교시 내용에 따르면, 탄소 블록은 매우 적은 PVDF 결합제를 사용하여 제조될 수 있기 때문에, 이러한 더 높은 가격은 그다지 문제가 되지 않을 수 있다.
이제 도 1을 참조하면, 도 1에는 일 구현예에 따른 탄소 블록 필터(10)의 개략도가 예시되어 있다. 이 구현예에서, 탄소 블록 필터(10)는 중공 구멍(14)이 대체로 관통하고 있는 직원기둥(12)으로서 형상화되어 있다. 이 구현예에서, 중공 구멍(14)은 원형이어서 원기둥은 관을 형성한다. 일부 구현예에서 탄소 블록 필터(12)는 다른 적합한 형상을 가질 수 있음이 이해될 것이다.
일부 응용에서(예를 들어, 여과 응용에서), 물 또는 다른 유체는 (외향으로 또는 내향으로) 원기둥(12)의 벽(16)을 통해 대체로 반경 방향으로 지향될 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 액체는 구멍(14)으로부터 벽(16)을 통해 외향으로 지향될 수 있다. 탄소 블록 필터(10)의 벽(16)을 통한 유체의 통과는 유체 내의 미립자 오염물 및/또는 화학 오염물 중 하나 이상의 감소를 가져오는 경향이 있다.
이제 도 2를 참조하면, 도 2에는 일 구현예에 따른 탄소 블록을 형성하기 위한 방법(100)의 흐름도가 예시되어 있다.
단계(102)에서는, 폴리(비닐리덴 디플루오라이드) 결합제 분말을 활성탄 분말과 혼합한다. 일부 경우에, 폴리(비닐리덴 디플루오라이드) 결합제 분말은 평균 입자 크기가 20 마이크로미터 미만, 12 마이크로미터 미만, 또는 심지어 약 5 마이크로미터일 수 있다.
단계(104)에서는, 결합제와 활성탄 분말의 혼합물을 가열한다. 예를 들어, 혼합물은 425°F 또는 약 425°F인 오븐 내에서 가열될 수 있다.
이어서, 단계(106)에서는, 결합제와 활성탄 분말의 혼합물을 압축시킨다. 일부 구현예에서, 압축은 혼합물이 적어도 부분적으로 가열되거나 심지어 완전히 가열된 후에 행해질 수 있다. 일부 구현예에서, 압축은 가열과 적어도 부분적으로 동시에 행해질 수 있다.
일부 구현예에서, 압축은 혼합물을 압축 트랜스퍼 성형함으로써 수행될 수 있다. 일부 구현예에서, 혼합물의 압축은 혼합물을 압출함으로써 수행될 수 있다.
실시예
하기의 실시예는 PVDF 결합제를 사용하여 탄소 블록을 제조하는 방법을 보여준다. 이들 실시예는 또한 (중량 기준으로) 매우 낮은 양의 PVDF 결합제를 함유하는 탄소 블록이 고압 여과 응용에 대한 압축 강도 요건을 충족시킬 수 있음을 예시한다. 다른 양태 및 이점이 또한 존재할 수 있다.
실시예 1. PVDF 결합제에 대한 압축 트랜스퍼 성형 시험
PVDF 결합제(미국 펜실베이니아주 킹 오브 프러시아 소재의 Arkema Incorporated사, 등급 741 PVDF)와 활성탄(BET 표면적이 대략 1200 m2/g인 80 x 325 메시 코코넛 껍질계 활성탄)의 일련의 혼합물들을 이들 2개의 분말의 강력한 혼합에 의해 제조하였다. 이들 혼합물은 각각 중량 기준으로 8%, 10%, 12% 및 14%의 PVDF 결합제를 포함하였다. 각각의 혼합물을 내경이 2.54”인 적합한 구리 금형 내로 로딩하고, 425°F로 예열된 오븐 내에 넣었다. 30분 후에, 이들 금형을 오븐에서 꺼내고, (여전히 뜨거운 채로) 즉시 100 psi(pounds per square inch, 제곱인치당 파운드) 압력 초과의 압축을 가하고, 이어서 냉각되게 하였다. 냉각 후에, 샘플들을 금형으로부터 배출시켰다.
각각의 샘플로부터 제조된 탄소 블록은 고압 여과 응용에 대한 요건을 초과하는 압축 강도를 나타내었다. 이는 고압축 강도 탄소 블록이 중량 기준으로 8% 정도로 적은 양의 PVDF 결합제를 사용하여 제조될 수 있음을 나타낸다.
이러한 실험 하에서, 예기치 않게도, PVDF 결합제를 사용한 탄소 블록은 성형 다이의 벽에 대해 본질적으로 거의 또는 전혀 접착 또는 마찰을 갖지 않았음을 또한 발견하였다. 압출 다이의 표면에 대항하는 분말의 이동에 의해 생성된 배압이 거의 없었는데, 이는 결합제와 활성탄의 이러한 혼합물이 압출 응용, 특히 고속 압출 응용에 적합할 수 있음을 시사한다.
이와 비교하여, 이 실시예에서와 동일한 절차를 사용하여 제조된 폴리에틸렌계 탄소 블록(중량 기준 16% LDPE, MI = 6, Equistar Microthene 등급 51000)은 금형 벽에 대해 탄소 블록의 배출을 매우 어렵게 하기에 충분한 강력한 접착을 나타내었다.
실시예 2. 매우 낮은 PVDF 결합제 함량에 대한 압축 트랜스퍼 성형 시험
PVDF 결합제(미국 펜실베이니아주 킹 오브 프러시아 소재의 Arkema Incorporated사, PVDF 등급 741)와 활성탄(BET 표면적이 대략 1200 m2/g인 80 x 325 메시 코코넛 껍질계 활성탄)의 일련의 혼합물들을 이들 2개의 분말의 강력한 혼합에 의해 제조하였다. 이들 혼합물은 각각 중량 기준으로 8%, 7%, 6% 및 5%의 PVDF 결합제를 포함하였다. 각각의 혼합물을 내경이 2.54"인 적합한 구리 금형 내로 로딩하고, 425°F로 예열된 오븐 내에 넣었다. 30분 후에, 이들 금형을 오븐에서 꺼내고, (여전히 뜨거운 채로) 즉시 100 psi 압력 초과의 압축을 가하고, 이어서 냉각되게 하였다. 냉각 후에, 샘플들을 금형으로부터 배출시켰다. 모든 샘플들은 우수한 구조적 안전성을 가졌는데, 심지어는 5% 정도로 적은 양의 PVDF 결합제를 함유하는 샘플들에 대해서도 그러하였다. 그러나, 더 작은 양의 결합제를 함유하는 샘플들의 표면은 문질렀을 때 입자들을 방출시켰으며 더 낮은 상업적 품질을 갖는 것으로 여겨졌다.
실시예 3. 압출된 LDPE 탄소 블록과 비교하여 압출된 PVDF 탄소 블록의 성능
KYNAR® 수지(PVDF 결합제)를 사용하여 일련의 탄소 블록들을 제조하였으며, 이들을 LDPE를 사용하여 제조된 표준 시판 탄소 블록과 비교하였다. (중량 기준으로) 6%, 8%, 및 10% KYNAR를 포함하는 탄소 블록들을 제조하였으며, 이들을 (중량 기준으로) 16% LDPE를 포함하는 탄소 블록과 비교하였다. 목표 평균 유동 기공 크기(mean flow pore size, MFP)가 3 내지 4 마이크로미터인 응집 탄소 블록을 달성하기에 충분한 적용 압력으로 탄소 블록들의 압출을 달성하였다. 3 내지 4 마이크로미터의 기공 크기는 1 내지 2 마이크로미터의 공칭 마이크로미터 정격을 갖는 상품-등급(commodity-grade) 탄소 블록 제품에서 전형적이다. LDPE와 비교하여 압출기 표면에 대한 PVDF의 낮은 접착력으로 인해, PVDF계 혼합물은 동일한 최종 탄소 블록 기하학적 형태에서의 LDPE계 혼합물보다 최대 4배 더 큰 속도로 압출될 수 있다. 이는 제조 동안 크게 향상된 생산성을 가능하게 한다.
(중량 기준으로) 8% KYNAR, 10% KYNAR 및 16% LDPE를 함유하는 탄소 블록들의 멀티-포인트 질소-흡착 등온을 수행하여, 탄소 거대기공 및 미세기공의 표면에 대한 결합제의 영향을 관찰하였다. 표면적 분석 전에, 샘플들에 중간 정도의 온도에서 고진공을 가하였다. 하기 표 2에는 질소 흡착 등온 데이터의 결과가 요약되어 있다.
[표 2] 질소 흡착 데이터의 결과
Figure pct00002
이들 결과는 16% LDPE 탄소 블록과 비교하여, 8% KYNAR 탄소 블록이, 총 BET 표면적에서의 총 46.7%의 개선에 대해, g당 47% 더 큰 거대기공 표면적, 및 46% 더 큰 미세기공 표면적을 가졌음을 보여준다. 더욱이, 8% KYNAR 탄소 블록은 16% LDPE 탄소 블록과 비교하여 g당 36% 더 큰 기공 부피를 가졌으며, 이는 표면적 결과와 일치한다. 10% KYNAR 탄소 블록에 대한 결과는 8% KYNAR 탄소 블록과 16% LDPE 탄소 블록에 대한 결과들 사이에 온다.
표면적이 흡착률 및 용량과 양의 상관 관계가 있기 때문이다. 결과는 8% KYNAR 탄소 블록이 시험된 샘플들 중 최고 성능 특성을 나타내었음을 보여준다.
(중량 기준으로) 6% KYNAR, 8% KYNAR, 10% KYNAR, 및 16% LDPE를 함유하는 탄소 블록 샘플들에 대해 유동 기공률 측정(flow porometry) 시험을 수행하여, 평균 유동 기공 크기(MFP), 최대 기공 크기(기포점(bubble point)) 및 전체 투과성을 확인하였다. 일반적으로, 투과성은 유체가 소정의 압력에 있을 때 탄소 블록을 통한 유체의 유량을 측정한다. 더 높은 투과성은 더 높은 유량의 유체가, 감소된 압력 강하를 가지면서, 탄소 블록을 횡단될 수 있게 한다. 탄소 블록에 대해 측정된 최대 기공 크기(기포점)는 탄소 블록의 균일성의 지표이다. 더 큰 최대 기공 크기는 적어도 하나의 더 큰 공극(void)이 탄소 블록 내에 존재함을 나타내는데, 이는 원치 않는 미립자 오염이 구조물을 침투하도록 허용할 수도 있다. 기공률 측정 시험의 결과가 하기 표 3에 요약되어 있다.
[표 3] 기공률 측정 시험
Figure pct00003
결과는 8% KYNAR 탄소 블록이 시험된 샘플들 중 최대 투과성을 가졌으며, 16% LDPE보다 30% 더 큰 투과성을 가졌음을 보여준다. 또한, 8% KYNAR 탄소 블록은 시험된 샘플들 중 최저 기포점을 가졌는데, 이는 우수한 구조적 균일성을 나타낸다. 이들 결과는 8% KYNAR 탄소가 시험된 샘플들 중 최상의 성능 특성을 가졌음을 입증한다.
멀티-포인트 등온 및 유동 기공률 측정 시험의 결과는 8% KYNAR 탄소 블록이 16% LDPE 탄소 블록을 포함한 다른 시험된 탄소 블록 샘플들보다 월등한 성능 특성을 나타내었음을 보여준다. 일부 경우에, 8% KYNAR 탄소 블록 제품은 16% LDPE 탄소 블록 제품과 비교하여 35 내지 40%만큼 크기가 감소될 수 있으며, 비견되는 성능 특성을 나타낼 수 있다. 또한, KYNAR과 LDPE 사이의 밀도의 차이는 8% KYNAR 탄소 블록이 16% LDPE 탄소 블록보다 결합제의 부피가 72% 더 적었음을 의미한다. 따라서, 탄소 블록 제품에서의 8% KYNAR의 사용은 잠재적으로 더 낮은 가격으로 적어도 비견되는 성능을 제공하는, 더 적은 결합제를 함유하는 소형 제품을 가능하게 할 수 있다.
다른 적합한 결합제
일부 구현예에서, 대체로 밀착된 다공성 구조물에서 결합제에 의해 지지되는 활성 입자(예를 들어, 활성탄 입자 또는 다른 입자)를 갖는 블록 제품(예를 들어, 탄소 블록)을 형성하는 데 하나 이상의 다른 결합제가 적합할 수 있다. 일부 그러한 적합한 결합제는 평균 입자 크기가 20 마이크로미터인, 더 특히 평균 입자 크기가 약 12 마이크로미터 내지 1 마이크로미터인 열가소성 분말을 포함할 수 있다. 적합한 열가소성 중합체 분말은 또한 분말이 용융되고 입자들과 결합하여 다공성 구조물을 형성할 것을 보장하기에 충분히 높은 용융 유동 지수를 가질 수 있다.
일부 경우에, 적합한 결합제는 평균 입자 크기가 약 12 마이크로미터 미만인 작은 폴리아미드 입자(예를 들어, 나일론-11 또는 나일론-12의 입자)를 포함할 수 있다. PVDF 및 나일론-11 결합제가 결합제로서 사용하기에 특히 적합할 수 있음에 유의해야 하는데, 그 이유는 두 중합체 모두 강유전성이고 고도로 분극되기(polarized) 때문이다. 다른 홀수 폴리아미드, 예컨대 나일론-7도 유사한 특성을 갖는다. 그러한 중합체는 매우 분극되기 때문에, 이들은 탄소 표면을 습윤시켜 흡착제 표면의 부착오염을 야기시키는 경향이 감소될 수 있다.
일부 경우에, 다른 적합한 열가소성 중합체 분말이 탄소 블록 또는 다른 블록 제품을 형성하는 데 사용될 수 있다.

Claims (16)

  1. 대체로 밀착된 다공성 구조물(generally coherent porous structure)을 형성하도록 활성 입자들과 융합된 평균 입자 크기가 12 마이크로미터 미만인 열가소성 결합제를 포함하는 블록 제품.
  2. 제1항에 있어서,
    결합제의 평균 입자 크기가 약 5 마이크로미터인 블록 제품.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    활성 입자가 활성탄 입자인 블록 제품.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    열가소성 결합제가
    a) 폴리(비닐리덴 디플루오라이드) 결합제;
    b) 나일론-11;
    c) 나일론-12; 및
    d) 다른 홀수 번호 폴리아미드
    로 이루어진 군으로부터 선택되는 블록 제품.
  5. 활성탄과 융합된 폴리(비닐리덴 디플루오라이드) 결합제를 포함하는 탄소 블록.
  6. 제5항에 있어서,
    결합제의 평균 입자 크기가 20 마이크로미터 미만인 탄소 블록.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    폴리(비닐리덴 디플루오라이드) 결합제가 중량 기준으로 탄소 블록의 약 5 내지 14%를 구성하는 탄소 블록.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    결합제의 평균 입자 크기가 12 마이크로미터 미만인 탄소 블록.
  9. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    결합제의 평균 입자 크기가 약 5 마이크로미터인 탄소 블록.
  10. 탄소 블록의 제조 방법으로서,
    폴리(비닐리덴 디플루오라이드) 결합제 분말을 활성탄 분말과 혼합하는 단계;
    결합제와 활성탄 분말의 혼합물을 가열하는 단계;
    결합제와 활성탄 분말의 혼합물을 압축하는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    폴리(비닐리덴 디플루오라이드) 결합제 분말의 평균 입자 크기가 20 마이크로미터 미만인 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    폴리(비닐리덴 디플루오라이드) 결합제 분말의 평균 입자 크기가 12 마이크로미터 미만인 방법.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    혼합물의 압축이 혼합물을 압축 트랜스퍼 성형(compression transfer molding)함으로써 수행되는 방법.
  14. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    혼합물의 압축이 혼합물을 압출함으로써 수행되는 방법.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조되는 탄소 블록.
  16. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 탄소 블록을 포함하는 유체 필터.
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