KR20180035962A - 방사능 흡착 기능성 부직포 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 방사능 흡착 기능성 부직포의 제조방법에 관한 것으로, 융점이 250℃ 이상인 폴리에스테르와 제올라이트를 포함한 방사 조성물을 이형단면 형상의 토출공을 가진 방사구금을 통하여 방사하여 이형단면 필라멘트를 얻는 단계; 상기 이형단면 필라멘트를 웹 적층하는 단계; 및 상기 웹을 니들펀칭하여 교락하는 단계;를 포함하는 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 제올라이트를 함유한 폴리에스테르 이형단면사에 의한 부직포는, 표면적이 넓어져 여과재로 사용되는 경우에 오염수나 침출수 중에 용해된 방사성 오염물질을 고효율로 흡착하면서도 우수한 내구성이 유지되며, 또한, 이형단면 섬유 사이의 교락에 의해 공극이 부직포에서 증가하여 필터 여과재로 사용할 경우에 투과성이 향상되는 것이 가능해진다.

Description

방사능 흡착 기능성 부직포 및 이의 제조방법{Nonwoven having adsorption of radioactivity and manufacturing method thereof}
본 발명은 방사능 흡착 기능을 하면서도 내구성이 우수한 기능성 부직포에 관한 것이다.
원자력 발전소 건설의 증가와 함께 방사능 물질의 위험성에 대한 우려가 커지고있다. 방사능 물질은 원자력 발전소의 사고, 방사능 폐기물 또는 오래된 원자력 발전소 설비의 해체 등의 상황에서 노출될 수 있으며, 노출 시 방사능 물질의 확산은 대기와 물에 의해 이루어지므로 확산규모와 속도가 예측하기 어렵고 이에 노출된 인체 및 생태계에 심각한 피해를 줄 수 있어 안정적인 처리 기술 개발이 요구되고 있다. 특히 세슘과 중금속은 반감기와 생태계 및 인체에 미치는 영향 등의 이유로 효율적인 제거 방법이 필요하다.
기존의 방법으로, 방사능 오염 물질인 세슘(Cs137)을 흡착하는 기능성 물질로 알려진 제올라이트(Zeolite)와 프러시안 블루(Prussian blue) 분말을 이용하여 오염지역 및 토양에 도포하는 방법은, 도포 후에 회수가 어려운 점과 오염된 침전수(지하수)에 적용하기 어렵다는 점이 있다.
따라서 제올라이트와 프러시안 블루를 포함하고 있는 시트 및 원단 형식의 제품을 이용하는 방법이 최근 가장 많이 사용되고 있다. 시트 및 원단 형태를 이용할 경우, 회수가 간편하며, 필터링 방식으로 침전수의 오염물질을 제거할 수 있다.
기능성 물질 함유 시트는 일반적으로 오염물질을 흡착하는 기능성 물질을 별도로 시트표면에 접착제 또는 가열 공정을 통해 부착하게 되는데, 사용 환경(토양, 건물에 장시간 시공될 수 있음) 또는 외력에 의해 기능성 물질이 시트 표면에서 탈락하여 제거 효율이 떨어질 수 있다.
기능성 물질 함유 시트의 사용처는 건물, 토양, 침전수(지하수) 등 다양하므로 외부 환경에서 시트의 내구성이 중요하며, 사용처에 따른 다양한 두께, 밀도, 형태의 제품이 요구된다.
대한민국 공개특허 2015-0145807(방사성 세슘 흡착용 프러시안 블루 담지 나노섬유 복합체, 이를 이용한 필터 여재 및 방사성 세슘의 제염방법)
본 발명은 상기와 같은 문제점과 요구에 대응하여 방사성 오염물질의 흡착 성능이 향상되면서도 내구성이 향상되는 기능성 부직포를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 융점이 250℃ 이상인 폴리에스테르와 제올라이트를 포함한 방사 조성물을 이형단면 형상의 토출공을 가진 방사구금을 통하여 방사하여 이형단면 필라멘트를 얻는 단계; 상기 이형단면 필라멘트를 웹 적층하는 단계; 및 상기 웹을 니들펀칭하여 교락하는 단계;를 포함하는, 방사능 흡착 기능성 부직포의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 제올라이트를 함유한 폴리에스테르 이형단면사에 의한 부직포는, 표면적이 넓어져 여과재로 사용되는 경우에 오염수나 침출수 중에 용해된 방사성 오염물질을 고효율로 흡착하면서도 우수한 내구성이 유지되는 것이 가능하다.
또한, 이형단면 섬유 사이의 교락에 의해 공극이 부직포에서 증가하여 필터 여과재로 사용할 경우에 투과성이 향상되는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명에 따른 부직포를 구성하는 필라멘트의 이형단면 형상을 개략적으로 나타낸 그림이다.
본 발명은 기능성 물질인 제올라이트를 포함한 폴리에스테르를 방사하여 이형단면의 필라멘트를 제조하고, 상기 필라멘트로 웹을 형성한 후에 니들펀치 공법으로 교락시켜 부직포를 제조하는 방법으로 이루어진다.
폴리에스테르 섬유 부직포는, 내구성, 내화학성, 내환경성이 우수하고 특히 다른 섬유보다도 내방사선성이 우수하여 방사선에도 잘 분해되지 않으므로 사용환경의 제약을 받지 않으면서도, 어떤 형태로도 가공이 가능하여 부직포 단일체로 뿐만 아니라 필터 등 기타 완제품의 여과재로서 용도 확대가 가능하다. 본 발명에서는 융점이 250℃ 이상인 폴리에틸렌테레프탈레이트를 사용한 폴리에스테르 섬유 부직포를 이용하는 것이 좀 더 바람직하다.
본 발명에서는 폴리에스테르 섬유는 제올라이트를 포함한 폴리에스테르 섬유이다.
우선 섬유용 폴리에틸렌테레프탈레이트와 제올라이트를 혼합하여 방사 조성물을 준비하는데, 이때 조성물에서 상기 제올라이트의 함유량이 10~30중량%인 것이 바람직하다.
제올라이트는 SiO2·Al2O3의 화학조성을 가지며, 일정한 구경의 수많은 미세 기공을 갖는 다공성 물질로, 흡착성이 강하여 각종 유해 물질에 대한 흡착·제거 효과와 함께 악취제거 등의 탈취 작용 및 세균을 제거하는 정화 작용이 있다.
상기와 같은 작용 및 효과의 최대화를 고려할 때 제올라이트는 3~10㎛의 평균 입경을 가지는 것이 바람직하다.
본 발명의 방사 조성물에서 제올라이트의 함유량이 10중량% 미만이면 방사성 오염물질의 제거 성능이 저하되며, 30중량%를 초과하면, 제올라이트는 무기물 입자로서 고온에서 용융되지 않고 입자 형태로 존재하므로 방사 조성물에서는 이물질이 되므로, 용융 방사할 때에 용융된 폴리에스테르 방사 조성물을 압출하는 과정에서 용융물의 흐름이 균일하지 못하고 압출기 내부에서 정체시켜 성형되는 필라멘트가 균일해지지 않을 수 있다.
본 발명에서는 제올라이트를 방사 조성물에 포함시켜 섬유를 제조하므로 제올라이트가 포함된 상태로 다양한 형상으로 섬유가 제조되므로, 섬유를 제조한 다음에 제올라이트를 부착시키는 방법과 비교하여, 생산성이 향상되고 균일한 품질의 섬유가 제조될 수 있다.
이를 좀 더 구체화하여 설명하면, 섬유 표면에 제올라이트를 부착하는 방법은 섬유와 제올라이트의 균일한 접착이 어려워 부직포 전 표면에서 균일한 성능 발현이 어렵지만, 본 발명의 방사 조성물은 용융상태로 압출되는 공정에서 폴리에스테르와 제올라이트가 균일하게 혼합되기 때문에 부직포 전 표면에서 균일한 성능을 발현할 수 있다.
또한, 기능성 물질인 제올라이트의 탈락이 발생하지 않아 방사능 흡착 효율이 향상되면서도 장기간 흡착 성능이 유지될 수 있다.
본 발명의 폴리에스테르 섬유는, 융점이 250℃인 폴리에틸렌테레프탈레이트와 제올라이트가 혼합된 방사 조성물을 압출기에 공급하고 이형단면 형상(방사 조성물 이동 통로의 수직절단면 기준)의 토출공을 가진 방사 구금을 통해 방사된 필라멘트를 고압의 공기 연신장치를 이용하여 방사속도 4500~5000 m/min이 되도록 충분히 연신하여 3~7 데니어의 이형단면 필라멘트로 성형하여 제조될 수 있다.
상기 이형단면 필라멘트의 단면은 도 1에 도시된 바와 같이 Y형, 십자(＋)형,
Figure pat00001
,
Figure pat00002
등 중심선을 중심으로 방사 바깥방향으로 가지가 뻗어있는 형태를 가질 수 있다.
필라멘트가 상기 형태를 지님으로써, 니들펀칭에 의해 부직포를 제조할 때에 니들의 갯수, 밀도 및 니들 스트로크를 감소시켜도 섬유간 교락이 향상되면서 필라멘트의 손상이 최소화되어 부직포의 강도가 발현되면서도 높은 후도의 부직포를 제조할 수 있다.
또한, 상기 형태에 의해, 동일한 굵기의 필라멘트를 사용한 것과 비교하여, 본 발명에 의한 필라멘트의 표면적이 더 넓어져 여과재로 적용될 경우 접촉 면적이 증대하므로 제거 효율이 좀 더 우수해질 수 있다.
또한, 상기 형태에 의해 필라멘트간 교락에 의한 공극이 부직포에서 증가하여 필터 여과재로 사용할 경우에 투과성이 향상될 수 있다.
이때 상기 이형단면 필라멘트가 3 데니어 미만일 경우에는 필라멘트가 가늘고 강도가 약하며, 단위 면적당 필라멘트의 수가 많아지기 때문에 후술하는 니들펀칭 공정에서 필라멘트의 파손이 많이 발생하여 부직포의 물성 저하의 원인이 되며, 반대로 7 데니어를 초과하면 강도는 향상되나 여과재로 적용될 경우에 투수성과 방사성 오염물질의 제거 효율이 저하하므로 바림직하지 못하다.
이후 상기 이형단면 필라멘트를 컨베이어 위에 웹 형태로 적층하고 가열된 캘린더 롤(calender roll) 장치를 통과시켜 두께를 조정한 다음, 니들펀칭(Needle Punching)하여 필라멘트를 교락시켜 부직포를 제조한다. 이때 니들펀칭은 니들 밀도 1~5 ea/㎠, 니들펀치 600~1,000 스트로크(Stroke) 범위의 조건으로 할 수 있다.
본 발명에서는 이형단면 필라멘트의 웹을 니들펀칭하여 부직포를 제조함으로써, 물리적(Roll) 고압에 의한 열접착법, 공기 또는 물에 의한 압력이 동반되는 제트법과 같은 다른 부직포의 제조법과 비교하여, 높은 후도의 부직포를 얻을 수 있어서, 필터를 구성하는 필터미디어에서 부직포의 후도가 낮아질수록 필라멘트 사이의 기공의 크기와 수가 감소하여 표면적의 감소와 낮은 투과성으로 인해 사용 수명이 단축되는것을 억제할 수 있다.
또한, 부직포의 필라멘트 사이에 접착(융착)된 부분이 전혀 없으므로 부직포의 표면적이 증가하고 투과성이 향상될 수 있다.
이로 인하여 토양 및 수질 오염의 정화를 위한 필터에서 요구되는 필터 여과재로 사용할 수 있다.
본 발명에 따라 제조되는 제올라이트를 함유한 폴리에스테트 섬유의 부직포를 카트리지형, 절곡형, 평판형 등의 필터에 적용될 수 있도록 일반적인 필터 여과재와 동일한 구조로 가공하여 기능성 필터를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 기능성 필터는, 필터 여과재를 구성하는 부직포의 필라멘트의 표면적이 넓고 교락이 우수하며, 다양한 두께, 밀도, 형태의 제품으로 성형이 용이한 상기 부직포를 필터 여과재 사용하므로, 방사성 오염물질의 제거 효율이 향상되면서도 기계적 강도가 우수하여 지속적 필터링에서도 내구성이 우수해질 수 있다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예, 비교예와 시험예에 의거하여 좀 더 상세하게 설명한다.
단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 치환 및 균등한 타 실시예로 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
<실시예 1~4> 및 <비교예 1~4>
제올라이트 분말을 포함한 융점이 255℃인 폴리에틸렌테레프탈레이트를 연속압출기를 이용하여 288℃에서 용융시킨 다음 토출공을 포함한 방사구금을 통하여 방사하였다.
이때 제올라이트의 함량과 토출공의 형태는 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 하였다.
이어서, 방사구금에서 방출된 연속 필라멘트를 냉각풍으로 고화시킨 후, 고압의 공기 연신장치를 이용하여 방사속도가 5,000 m/min이 되도록 충분히 연신시켜 필라멘트 섬유를 제조하였다.
이때 제조된 필라멘트의 섬도는 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 되도록 토출량과 방사구금의 모세공 수를 조절하였다.
다음은 상기 제조된 필라멘트 섬유를 통상의 개섬법에 의해 컨베이어 네트(net) 상에 웹의 형태로 적층시킨 후, 니들펀치(needle punch) 공법으로 강도를 부여하여 단위 면적당 중량이 400gsm인 부직포를 제조하였다.
제올라이트
함량
(wt%)		 필라멘트
단면형태
(토출공 형상)		 섬도
(De')
실시예 1 10 Y형 4
실시예 2 20 Y형 4
실시예 3 20 Y형 6
실시예 4 30 Y형 4
비교예 1 20 O형(원형) 4
비교예 2 5 Y형 4
비교예 3 40 Y형 4
비교예 4 20 Y형 10
<시험예> 물성 측정
상기에서 제조된 실시예 및 비교예의 부직포 물성을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
인장강도는 KS K 0743 법을 이용하여 측정한다.
투수계수(단위: ㎝/sec)는 KS K ISO 11058 법을 이용하여 측정한다.
파열강도(단위: KPa)는 KS K ISO 13938-1 법을 이용하여 측정한다.
세슘 제거율은, 부직포로 만들어진 필터 카트리지에 1.98ppm의 세슘 조제수 100 L를 3.0 kgf/㎠의 압력으로 통과시켜 필터링된 세슘 조제수의 세슘 함유량을 측정하여 세슘 제거율을 측정한다.
인장강도
(N)		 투수계수
(㎝/sec)		 파열강도
(KPa)		 세슘 제거율
(%)
실시예 1 1090 2.8 × 10-1 2780 92.77
실시예 2 1240 3.0 × 10-1 3120 93.73
실시예 3 1320 4.0 × 10-1 3250 92.71
실시예 4 1130 2.9 × 10-1 2960 94.31
비교예 1 1210 3.4 × 10-1 3160 72.38
비교예 2 1050 3.1 × 10-1 2870 76.23
비교예 3 필라멘트 제조 불가능
비교예 4 1560 4.9 × 10-1 3390 78.96
상기 표 2로부터, 특히 실시예 3에 의한 부직포가 세슘 제거율이 우수하면서도 기계적 강도와 필터링 효율이 우수한, 균형있는 특성을 나타내는 것임을 확인하였다.
제올라이트 함량이 너무 많을 경우 무기물 입자가 불순물로 작용하여 섬유 필라멘트가 제조되기 어렵고(비교예 3), 섬유 필라멘트가 이형단면이 아닌 원형의 경우에 세슘 제거율이 저하되며(비교예 1), 섬도가 증가하여도 세슘 제거율이 저하됨을(비교예 4) 확인하였다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 부직포는 비교예에 비하여 세슘 제거율, 인장강도, 투수계수, 파열강도에서 우수하고 균형있는 특성을 나타냄을 확인할 수 있다.

Claims (5)

  1. 폴리에스테르와 제올라이트를 포함하는 이형단면 필라멘트로 이루어지며, 인장강도(KS K 0743 법)가 1000~1300 N이고, 파열강도(KS K ISO 11058 법)가 2700~3300 KPa인 방사능 흡착 기능성 부직포.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 이형단면 필라멘트에서 상기 제올라이트의 함량은 10~30 wt%인 것을 특징으로 하는 방사능 흡착 기능성 부직포.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 이형단면은 형상이 Y형, 십자(＋)형,
    Figure pat00003
    및
    Figure pat00004
    중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방사능 흡착 기능성 부직포.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 이형단면 필라멘트의 섬도는 3~7 데니어인 것을 특징으로 하는 방사능 흡착 기능성 부직포.
  5. 융점이 250℃ 이상인 폴리에스테르와 제올라이트를 포함한 방사 조성물을 이형단면 형상의 토출공을 가진 방사구금을 통하여 방사하여 이형단면 필라멘트를 얻는 단계;
    상기 이형단면 필라멘트를 웹 적층하는 단계; 및
    상기 웹을 니들펀칭하여 교락하는 단계;를 포함하는, 방사능 흡착 기능성 부직포의 제조방법.
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