KR20220164867A - 미세기공을 갖는 펄프 소재 종이 및 이를 활용한 에어 필터 - Google Patents

Abstract

미가공 펄프 시트로 이루어진 에어 필터를,
물 100 중량부에 대해서, TEMPO 0.012 내지 0.014, NaBr 0.12 내지 0.14 및 NaClO 0.05 내지 0.50중량부를 포함하는 미세펄프화 감량 수용액으로 처리하며,
상기 에어 필터를 감량 수용액으로 처리하여 미세기공이 점유할 공간을 확보하며, 상기 감량 수용액은 물 100 중량부에 대해서 수산화 나트륨 1 내지 10중량부, 및 요소 1 내지 16 중량부로 이루어지고,
그리고, 상기 에어 필터를 45℃ 내지 80℃에서 초음파 조사하여 미세기공을 형성한 에어 필터에 관한 것이다.

Description

미세기공을 갖는 펄프 소재 종이 및 이를 활용한 에어 필터{Sheet Of Pulp Material Having Fine Pore And Air Filter Thereof}

본 발명은 펄프 소재 필터에 관한 것으로서, 초음파 케비테이션(Ultrasonic Wave Cavitation) 현상을 활용하여 미세기공을 형성한 펄프 시트 및 이것을 활용하여 제조한 에어 필터에 관한 것이다.

최근 들어, 화석 연료의 사용이 증가되고 있다. 자동차 보유 대수 및 공장 조업에 필요한 석유 등의 연소로 인해서 대기 중 환경 오염이 심각하며, 이를 방지하기 위한 여러 가지 방법이 제안되어 있다.

예들 들어, 공장 및 자동차에서 사용되는 연료의 연소로 인해 발생되는 환경 오염 물질 생성을 감소시켜서 환경 오염을 방지하기도 한다. 그러나, 이러한 방법은 한계가 있어서, 대기 환경 전체에 대한 오염 방지를 할 수는 없다.

일부 국가들은 환경 오염 물질 배출에 대한 법적 규제를 엄격하게 실행하여 화석 연료 사용에 따른 미세먼지 증가에 대처하고 있다. 그러나, 규제 및 단속이 느슨한 국가에서 발생되는 환경 오염 물질, 특히, 미세먼지 등이 공기 중 대류를 타고 다른 국가로 유입되는 것을 단속하거나 규제할 수는 없는 실정이다.

이에 따라, 상기 미세먼지가 사람의 호흡기에 유입되지 않도록 미세먼지 필터를 갖춘 마스크를 착용하거나, 또는 사람이 점유하는 건물의 실내로 유입되는 공기 유입부 측에 미세먼지 필터를 설치하여 유입 공기 내의 미세먼지를 제거할 수 있는 미세먼지 제거 장치 또는 시스템이 사용되고 있다.

미세먼지의 증가가 인체의 건강에 영향을 미치면서 미세먼지를 제거할 수 있는 미세먼지 제거장치를 개선 시킬 필요성이 대두 되고 있다. 상기 미세먼지 제거 장치에서 가장 중요한 구성 요소는 공기 필터, 또는 에어 필터(이후, "에어 필터"로 언급)이다.

미국 특허등록번호 5,645,627호에는 합성 섬유, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리비닐 클로라이드, 폴리메틸렌메타크릴레이트로 이루어진 웹으로 구성되며, 기타 물질이 부가되어 처리된다.

상술한 바와 같이, 현재 많이 사용되고 있는 에어 필터는 합성섬유 또는 필라멘트 사로 이루어진 부직포로 제조된다.

합성 섬유 등은 나노 크기의 섬유를 기초로 미세 먼지를 필터링할 수 있는 미세한 기공을 갖는 구조를 제공할 수 있으며, 그 성능 또는 필터링 크기를 미세한 범위까지 적용할 수 있다.

그러나, 이러한 합성 섬유는 환경 오염을 야기하는 물질로 제조되어 재활용이 여의치 않으며, 앞으로 그 사용규제가 증가될것으로 예상되면서, 대체할 기재 또는 소재 개발의 필요성이 대두되고 있다.

대한민국 특허등록번호 제10-0358651호에는 종이 여과지에 폴리우레탄 코팅처리를 한 에어 필터가 기재되어 있다.

상술한 바와 같이, 펄프로 이루어진 종이는, 에어 필터의 소재로 적용하기 위해서 상기 문언에 기재된 바와 같이 다른 이종 물질로 코팅처리하여 사용되며, 순수한 펄프 소재로만 적용하는 것은 용이하지 않다.

현재 산업적으로 필요한 것은, SEMI HEPA 또는 HEPA등급의 필터링 성능을 갖는 에어 필터를 종이 소재로 구현하는 것이다.

본 발명은 펄프 소재를 미세기공을 형성하여 SEMI HEPA 또는 HEPA 등급의 에어 필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

통상적으로, 에어 필터는 부직포로 이루어지며, 부직포는 미세 크기의 미세 크기의 합성 섬유로 복수 층의 웹을 구성할 수 있어서, 에어 필터에 기공의 크기를 조절하여 제조하는 것이 용이하다.

반면, 펄프 소재로 이루어진 펄프 시트로 미세기공, SEMI HEPA 또는 HEPA 등급의 에어 필터를 제조하는 것 쉽지 않다. 펠트 형태로 가공되기도 하지만, 미세 크기의 펄프 소재만으로 고성능의 에어 필터를 제조하기는 힘들다. 통상적인 제지 공정에서 사용되는 에어 필터를 이루는 펄프 섬유는 직경이 커서 미세 기공을 형성하는 소재로 사용하기에는 용이하지 않다.

펄프 소재는 물리화학적 방법으로 미세 크기의 펄프, 예컨대 나노피브릴을 제조하여, 산업에 적용시키고 있다. 이러한 미세 크기의 펄프 섬유, 예컨대, 나노피브릴만으로, 미세 기공을 갖는 복수층의 웹으로 이루어진 에어 필터 시트를 구성하는 것은 용이하지 않다. 또한, 에어 필터 시트는 강제되는 공기의 압력을 견뎌내어야 하며, 이러한 조건을 만족하는 두께의 에어 필터 시트를 펄프로 제조하는 것이 용이하지 않다.

통상적으로, 미세 크기의 펄프 섬유, 예컨대, 나노피브릴은 다른 소재와 같이 사용되어 우수한 성능을 발현하고 있다.

본 발명은 펄프 소재, 즉 종이 소재만을 가공하여 SEMI HEPA 또는 HEPA 등급의 에어 필터 시트 또는 에어 필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 펄프 시트로서,

펄프 제조 공정에서 펄프 원료 시트를 감량 수용액에서, 초음파 케비테이션 가공하여 상기 펄프 원료 시트에 미세기공을 형성하도록 하는 미세기공을 갖는 펄프 시트를 제공함에 의해 달성된다.

바람직하게는, 상기 감량 수용액은 요소, 폴리에틸렌 글리콜, 또는 글리콜 에테르 중 적어도 하나 이상과, 그리고 수산화나트륨이 물에 용해된다.

바람직하게는, 상기 펄프 원료 시트를, 물 100 중량부에 대해서, TEMPO 0.012 내지 0.014, NaBr 0.12 내지 0.14 및 NaClO 0.05 내지 0.50중량부를 포함한다.

또한, 바람직하게는, 상기 펄프 원료 시트를 45℃ 내지 85℃에서 초음파 조사하여 미세기공을 형성한다.

본 발명의 또 다른 목적은

펄프 시트로 이루어진 에어 필터에 관한 것으로서,

상기 에어 필터를, 물 100 중량부에 대해서, TEMPO 0.012 내지 0.014, NaBr 0.12 내지 0.14 및 NaClO 0.05 내지 0.50중량부를 포함하는 미세펄프화 감량 수용액으로 처리하며,

상기 에어 필터를 감량 수용액으로 처리하여 미세기공이 점유할 공간을 확보하며, 상기 감량 수용액은 물 100 중량부에 대해서 수산화 나트륨 1 내지 10중량부, 및 요소 1 내지 16 중량부로 이루어지고,

그리고, 상기 에어 필터를 45℃ 내지 85℃에서 초음파 조사하여 미세기공을 형성한다.

본 발명은 펄프 시트 또는 에어 필터는 천연 소재로 이루어진 것으로서, SEMI HEPA 또는 HEPA 필터 등급까지 구현할 수 있음을 확인하였다.

본 발명의 펄프 시트 또는 에어 필터는 초음파 주파수와 감량 수용액의 농도를 변경함에 따라, 에어 필터를 필터 성능, 예컨대, E, H 등급별로 제조하는 것 또한 가능하다.

상술한 바와 같이, 공기 중 미세먼지 등의 유해 물질을 제거하여 실내 공기를 정화하는데 사용되는 에어 필터는 부직포를 기초 기재로 주로 사용한다.

에어 필터는 건물로 유입되는 실외 공기 중 유해 물질을 필터링할 수 있는 크기의 기공을 갖는 기본적인 구성을 가지며, 선택적으로는 유해 물질을 필터링할 수 있는 조성물이 코팅되어 사용될 수 있다.

상술한 바와 같이, 통상적인 에어 필터 소재는 나노 파이버로 제조되어, 웹 형성이 용이한 합성 섬유로 이루어지는 부직포로 제조된다.

본 발명은 펄프 원료 시트를 형성한 후, 상기 펄프 시트를 감량처리하여 체적을 확보하고, 확보된 체적에서 미세기공을 형성하여 펄프 시트를 형성한다. 펄프 시트를 이루는 펄프 원료는 그 제한이 없으며, 종이, 시트, 펠트 소재로서 가공가능한 셀룰로오스를 포함하는 소재는 모두 사용가능하다.

본 발명의 펄프 시트는 미세기공을 갖는 상기 종이, 펠트 등을 언급한 것이다. 종이는 제지 공정, 예컨대, 만드는 과정은 크게 고해, 사이징, 충전제 첨가, 정선, 초지, 및 완정 등의 6단계로 나뉘어진다.

상기 공정 중 초지는 용해된 섬유질을 종이 형태로 제조하는 단계이다. 상기 섬유질을 미세한 철망 위에 골고루 얹어 지층을 형성시킨다. 여기서의 지층을 "펄프 원료 시트"로 언급한다. 이 단계에서 미세 펄프화, 감량화를 수행하면서, 초음파 공정, 예컨대 초음파 케비테이션 가공을 수행하여 펄프 원료 시트를 형성한다. 이어서, 복수회로 롤러로 눌러 물을 제거하고, 평평하게 건조시켜서 종이 형태를 형성하는 단계이다.

이러한 공정을 거쳐서 펄프 원료 시트가 미세기공을 갖는 펄프 시트로 제조된다.

여기서, 초음파 케비테이션을 수반한 감량처리 가공을 하지 않은, 펄프 시트는 "미가공 펄프 시트"로 언급한다. 상술한 바와 같이, 상술한 지층을 "펄프 원료 시트"로 언급한다. 그리고, 미세기공을 갖는 것을 "펄프 시트"로 언급한다.

미가공 펄프 시트는 절곡하여 에어 필터의 기본 형태를 형성한 다음에, 이를 초음파 케비테이션을 수반한 감량처리로 미세기공을 형성하여 에어 필터를 제조한다. 한편, 상기 에어필터는 미가공 펄프 시트를 골판지로 가공하여 적층한 상태로도 제공가능하다. 이때, 골판지 적용시 문제가 되는 것은 미가공 펄프 시트로 이루어진 시트의 골심지와 이면지를 접착하는 접착제에 의해서 통기성에 장애를 일으킬 수 있다. 그러나, 본 발명의 초음파 케비테이션을 제공함에 의해 접착제 층에도 미세기공이 형성되어, 통기성을 유지할 수 있다.

상기 미가공 펄프 시트로 이루어진 에어필터는 펄프를 가공하는 공정에 종속되지 않으며, 사이징 처리와 같은 화학적 공정에도 종속되지 않는다. 모든 펄프 시트가 적용될 수 있다. 예를 들어, 사이징 가공에 의해 방수처리되어 물이 펄프 시트에 잘 스며들지 않더라도, 제조 시간 및 화학 처리에 의해 본 발명이 적용 가능하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서 미가공 펄프 시트로 이루어지는 에어필터는 감량 수용액으로 감량가공된다. 선택적으로는, 미가공 펄프 시트로 이루어지는 에어필터를 감량 수용액으로 처리하기 전에 미세 펄프화 수용액으로 처리하여 펄프를 미세 크기로 미세화할 수 있다.

펄프는 물리적 또는 기계적으로 미세화한 다음, TEMPO 촉매, 황산 등을 사용하여 미세 크기로 미세화할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는 TEMPO를 사용하는데, 미세 펄프화 감량 수용액은 상기 에어 필터를, 물 100 중량부에 대해서, TEMPO 0.012 내지 0.014, NaBr 0.12 내지 0.14 및 NaClO 0.05 내지 0.50중량부를 포함한다. 최저값에서는 기공의 미세화가 형성되지 않으며, 최대값 이상에서는 미세화된 펄프의 미세화의 정도에 대한 크기의 변동이 없다. 펄프의 미세화의 정도는 미세 기공 형성에 따른 필터 효율에 근거하여 가늠할 수 있다.

펄프는 셀룰로오스를 포함하며, 상기 셀룰로오스는 수산화나트륨 및 요소수로 이루어진 감량 수용액에 의해 용해된다. 또한, 상기 셀룰로오스는 수산화나트륨 및 폴리에틸렌 글리콜로 이루어진 감량 수용액 또는 수산화나트륨 및 글리콜 에테르로 이루어진 감량 수용액으로도 용해가 가능하다.

수산화나트륨 및 요소수로 이루어진 감량 수용액은 물 100 중량부에 대해서 수산화 나트륨 1 내지 10중량부, 및 요소 1 내지 16 중량부로 이루어진다. 또한, 수산화나트륨 및 폴리에틸렌 글리콜로 이루어진 감량 수용액은 물 100 중량부에 대해서 수산화나트륨 10 중량부, 및 폴리에틸렌 글리콜 1 내지 2중량부로 이루어진다. 그리고, 수산화나트륨 및 글리콜 에테르로 이루어진 감량 수용액은 물 100 중량부에 대해서 수산화나트륨 10 중량부, 및 글리콜 에테르 1 내지 2중량부로 이루어진다.

상기 조성물 중 수산화나트륨은 셀룰로오스에 작용하여 팽윤현상을 발현하게 되며, 이에 따라, 펄프 시트에서의 셀룰로오스의 점유 체적이 커지게 된다. 즉, 수산화나트륨이 과량 포함되면, 셀룰로오스의 체적을 감량하는 효과가 적어지게 될 수도 있다. 반면에, 수산화나트륨의 농도가 높아지면, 감량 정도가 증가되어 미세 기공의 크기가 크게 형성되어 바람직하지 않다.

요소, 폴리에틸렌 글리콜, 또는 글리콜 에테르의 첨가량이 작으면 용해능이 감소되어 작업효율이 현저히 떨어지며, 과량이 포함되면 펄프 시트 자체가 파손되어 변형될 가능성이 높다.

상기 감량 수용액을 펄프 시트에 적용할때, 처리 시간 및 반응성을 높이고, 상기 펄프 시트에 감량 수용액이 미세하게 침입되게 하여, 감량해 내도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 감량 수용액을 펄프 시트에 미세하게 침입시키도록 하는 것이 미세기공을 형성하는데 바람직하다.

본 발명에서는 초음파 케비테이션 현상을 활용하여 펄프 원료 시트를 감량 수용액에 침지하여 미세하게 미세기공을 형성하도록 한다. 초음파 케비테이션은 초음파가 유체에서 전파될 때 초음파의 큰 압력 변화에 의해 미세기포들이 발생되는데, 상당히 큰 압력을 동반하게 되며, 이러한 압력에 의해 물질 분산, 제거 등을 수행하게 된다.

본 발명의 일 실시예에서는 펄프 원료 시트를 감량 수용액이 담지된 수조에 담근 후, 바로 또는 소정의 시간이 경과된 후 초음파를 적용한다. 담지 시간은 제한이 없으며, 펄프 원료 시트에 구현하고자 하는 미세기공의 크기, 펄프 시트의 소재, 펄프 시트의 가공 양태, 감량 수용액의 농도, 초음파 에너지 유입량 등에 따라 다르게 적용된다.

본 발명에서 초음파는 20KHz 내지 400KHz까지 가능하며, 20KHz 이하에서는 펄프 시트에서 미세기공 생성이 일어나지 않으며, 400KHz이상에서는 감량 수용액이 기화되는 현상이 발생되어 감량 공정을 수행하는 것이 곤란하다. 그러나, 보다 구체적으로는 20KHz 내지 40KHz까지가 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에서, 펄프 원료 시트에 대해 25KHz 내지 40KHz의 초음파를 적용하여 0.3㎛ 내지 0.6㎛의 미세기공이 생성되며, 40KHz 내지 300KHz의 초음파를 적용하면 0.1㎛ 내지 0.3㎛의 미세기공이 생성되는데, 수조내의 감량 수용액의 온도와 농도에 따라 미세기공 형성 크기가 다르게 생성된다.

초음파를 적용할 때, 감량 수용액의 온도는 중요한 작업 인자이며, 30℃ 내지 90℃에서 감량 공정 수행이 가능하다. 바람직하게는 40℃ 내지 85℃이다. 온도가 낮으면 기포의 발생수가 떨어지는 반면에, 펄프 원료 시트에 대한 침투력이 세지게 된다. 이러한 경우에는 최종적으로 생성되는 펄프 원료 시트의 기공이 커지면서 필터 효율이 떨어진다. 반면에, 온도가 높으면, 기포의 발생수도 떨어짐과 함께 침투력도 약해져서 펄프 시트에 대한 감량 정도가 감소된다. 이에따라, 최종적으로 형성되는 펄프 원료 시트에서 미세기공이 형성되지 않는다.

초음파 주파수와 관련없이, 감량 수용액의 농도를 조절하여 미세 기공 형성을 제어가능하며, 농도를 높여서, 펄프 원료 시트에 대해 약해진 침투력을 보완하여, 펄프 원료 시트에 대한 감량 정도를 높여서, 미세기공을 형성할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서는, 절곡되거나, 골이 형성된 모양을 갖춘 미가공 펄프 시트 또는 골판지로 이루어진 에어 필터를 미세 펄프화 수용액, 감량 수용액들이 담긴 수조에 담궈서 초음파를 적용하여, 에어 필터에 미세기공을 형성할 수 있다. 상기 미세 펄프화 수용액, 감량 수용액의 성분, 농도, 온도 등은 동일하고, 적용되는 초음파도 동일하다. 그러나, 상기 미가공 펄프 시트로 이루어진 에어 필터가 복수층으로 형성될 경우에는 초음파의 적용 시간, 주파수를 달리 적용한다. 이는 당해업자에 의해 용이하게 고려될 수 있을 것이다. 또한, 골판지를 적층하여 제공된 에어필터의 경우, 앞서 언급한 바와 같은 골판지에 제공되는 접착제에도 본 발명의 상기 수용액 조성은 동일하게 적용되어도 통기성 개선이 우수하게 작용한다.

펄프 소재를 에어 필터 소재로 사용함에 있어서, 가장 문제가 되는 것은 소재에 흡수되어 있는 수분이다. 이에 따라, 펄프 시트 또는 에어 필터는 이것에 형성된 미세 기공에 소수성의 특성을 갖는 성분을 코팅하여 처리될 수 있다. 소수성 성분은 수용성 소재가 바람직하며, 초음파를 펄프 시트에 적용하여 펄프 시트를 코팅할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는, 소수성 성분으로 물 100중량부에 대해서, 알킬케텐 다이머(Alkyl ketene dimer)를 1 내지 3중량부를 포함한 코팅 수용액으로 미세기공을 코팅할 수 있다. 소수성 소재에 대한 제한은 없으며, 당해업자에 의해 용이하게 선택되어 적용될 수 있을 것이다.

실시예 1

m²당 60g의 30cm x 30cm 시편 3개에 대해, 증류수 1L에 TEMPO 0.1g, NaBr 1.4 및 NaClO 2중량부를 포함하는 미세펄프화 감량 수용액에 10분 동안 담지하였다.

증류수 1L에 수산화나트륨 50g와 요소수 50중량부가 포함된 수용액에 20분 동안 담지하고, 70℃에서 5분 동안 초음파 30KHz를 조사한 후, 증류수에서 세척하고 건조하였다.

이와 같이, 감량처리된 시편 3개에 대해, 필터 효율을 시험한 바, 99%이상, 0.3㎛의 필터 효율을 보였으며, 이는 E12 등급에 비교된다.

실시예 2

m²당 60g의 종이를 B골 편면골판지로 형성하여 5층으로 적층한 시편을 제작하여, 이에 대해, 증류수 1L에 TEMPO 0.1g, NaBr 1.4 및 NaClO 2중량부를 포함하는 미세펄프화 감량 수용액에 20분 동안 담지하였다.

증류수 1L에 수산화나트륨 50g와 요소수 50중량부가 포함된 수용액에 30분 동안 담지하고, 70℃에서 10분 동안 초음파 30KHz를 조사한 후, 증류수에서 세척하고 건조하였다.

이와 같이, 감량처리된 시편 3개에 대해, 필터 효율을 시험한 바, 99%이상, 0.3㎛의 필터 효율을 보였으며, 이는 E12 등급에 비교된다.

Claims (5)

1. 펄프 시트로서,
   펄프 제조 공정에서 펄프 원료 시트를 감량 수용액에서, 초음파 케비테이션 가공하여 상기 펄프 원료 시트에 미세기공을 형성하도록 하는 것을 특징으로 하는 미세기공을 갖는 펄프 시트.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 감량 수용액은 요소, 폴리에틸렌 글리콜, 또는 글리콜 에테르 중 적어도 하나 이상과, 그리고 수산화나트륨이 물에 용해된 것을 특징으로 하는 미세기공을 갖는 펄프 시트.
3. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 펄프 원료 시트를, 물 100 중량부에 대해서, TEMPO 0.012 내지 0.014, NaBr 0.12 내지 0.14 및 NaClO 0.05 내지 0.50중량부를 포함하는 미세 펄프화 수용액으로 처리하는 것을 특징으로 하는 미세기공을 갖는 펄프 시트.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 펄프 원료 시트를 45℃ 내지 85℃에서 초음파 조사하여 미세기공을 형성하는 것을 특징으로 하는 미세기공을 갖는 펄프 시트.
5. 미가공 펄프 시트로 이루어진 에어 필터를,
   물 100 중량부에 대해서, TEMPO 0.012 내지 0.014, NaBr 0.12 내지 0.14 및 NaClO 0.05 내지 0.50중량부를 포함하는 미세펄프화 감량 수용액으로 처리하며,
   상기 에어 필터를 감량 수용액으로 처리하여 미세기공이 점유할 공간을 확보하며, 상기 감량 수용액은 물 100 중량부에 대해서 수산화 나트륨 1 내지 10중량부, 및 요소 1 내지 16 중량부로 이루어지고,
   그리고, 상기 에어 필터를 45℃ 내지 80℃에서 초음파 조사하여 미세기공을 형성한 것을 특징으로 하는 미세기공을 갖는 에어 필터.