KR20230067220A - 이온교환수지 입자를 함유한 유해공기 정화용 복합필터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이온교환수지 입자를 함유한 유해공기 정화용 복합필터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 특정 이온교환수지 입자를 포함하는 정전섬유로 이루어지는 부직포로 필터를 구성함으로써, 반도체 제조 등 각종 산업분야에서 발생하는 휘발성 가스(VOC), 극성 가스 등 유해가스 및 초미세먼지를 효과적으로 제거할 수 있도록 개선된 유해공기 정화용 복합필터에 관한 것이다.
Description
본 발명은 이온교환수지 입자를 함유한 유해공기 정화용 복합필터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 특정 이온교환수지 입자를 포함하는 정전섬유로 이루어지는 부직포로 필터를 구성함으로써, 반도체 제조 등 각종 산업분야에서 발생하는 휘발성 가스(VOC), 극성 가스 등 유해가스 및 초미세먼지를 효과적으로 제거할 수 있도록 개선된 유해공기 정화용 복합필터에 관한 것이다.
반도체 산업 또는 일반 산업분야 등이나 공공장소, 특히 대기오염에 노출되어 있는 산업현장으로부터 유해가스를 제거하기 위해 여러 기능성이 부여된 케미컬필터가 사용되고 있다.
그 예로서, 반도체 산업 또는 일반산업 분야나 대기 오염물질은 입자상 분진과 가스상 물질로 분류되고 가스상의 오염물질을 효과적으로 제거하기 위해서는 활성탄, 첨착활성탄, 이온교환수지 등을 사용한 케미컬 필터가 필요하다.
일반적으로 케미컬 필터는 활성탄, 첨착활성탄, 이온교환수지 층과 같은 흡착소재를 통과하는 공기에 의해 발생되는 압력손실이 커서 유속감소율이 크게 발생한다는 단점을 가지고 있다. 대기오염에 노출된 장소로부터 유해가스 제거를 위해 사용되고 있는 케미컬 필터로는 V형, 평판형, tray 형태 등의 케미컬 필터가 있다. V형, 평판형, tray 형태와 같은 형태의 케미컬 필터는 투입되는 활성탄, 첨착활성탄, 이온교환수지 등의 흡착소재가 많이 함유되어 있기 때문에 고농도의 가스 포집에 유리하며 유해가스 포집량이 많아지는 장점을 보인다.
그러나 이러한 기존의 케미컬 필터는 유해가스 포집량이 많은 대신에 과량의 흡착 소재의 투입으로 인해 압력손실이 큰 단점이 있다.
또한, 이온교환 섬유 부직포는 저농도의 가스 포집에 유리하고, 압력손실이 적게 걸리고, 무게가 가볍다는 장점을 갖는 반면에, 가스 포집량이 활성탄, 첨착활성탄, 이온교환수지 등을 이용한 에어 필터에 비해 낮고, 가격이 비싸다는 단점을 가지고 있다.
따라서 이러한 필터들은 압력손실을 최소화해야 하는 산업 공정에서는 유지 비용이 높고 유해가스 포집 효율이 낮은 이온교환수지 형태의 에어필터 또는 이온교환 섬유 부직포의 적용이 불가피한 문제점을 가지고 있다.
기존의 상용화된 필터로서 입자형 필터와 섬유형 필터를 동시에 사용하는 복합 필터가 있는데, 이러한 복합 필터는 주로 활성탄, 첨착활성탄, 이온교환수지 등의 흡착소재를 부직포 등으로 이루어진 섬유형 필터 내에 내장시켜서 사용하고 있는데, 예컨대 흡착소재 입자들을 부착시키는 방법, 흡착소재 입자를 부직포 사이에 삽입되게 하고 융착시키는 방법, 흡착소재 입자를 부직포 웹 사이에 핫멜트브로운 방법으로 내장시키는 방법 등이 적용되고 있다. 그러나 이러한 기존의 케미컬 필터는 복합형으로 적용하였음에도 불구하고 분자량, 화학적 성질 등이 서로 다른 다양한 성질의 가스상 오염물질을 모두 흡착할 수 메커니즘을 다 갖추고 있지 못하기 때문에 오염물질을 포함하는 공기를 모두 정화시키는 데는 한계가 있다.
이러한 문제 해결을 위해 종래 공기정화필터로서, 한국특허공개 제10-2002-0072666호에서는 양이온교환수지, 음이온교환수지를 이용한 여재를 사용하는 필터 매체를 포함하는 케미컬 필터를 제안하고 있으며, 한국특허공개 제10-2002-0091527호에서는 이온교환섬유와 이온교환수지를 결합시킨 복합이온교환 필터와 이를 이용한 케미컬 필터를 제안하고 있다. 또한 한국특허공개 제 10-2007-0055213에서는 이온교환수지를 고밀도로 충전하기 위하여 멜트브로운 핫멜트를 시용하여 이온교환수지 및 이온교환섬유를 제안하고 있다
이러한 종래기술의 경우 예컨대 이온교환수지 및 이온교환섬유가 중량이 높고 두께가 커 여과면적을 적게하는 방법으로 화학적 기능성을 부여하고자 하지만, 그 방법이 초미세먼지를 포집하는 기능이 없고 장시간 사용함으로서 이온교환수지가 울파 필터쪽으로 이탈되는 현상이 있다. 이러한 흡착소재의 입자를 필터에 함유시키는 함량도 에어 부압을 고려하면 한계성이 있어서 일정 비율 이상으로 증가시키는 것도 어렵다.
또한, 활성탄에 화학적 기능기를 보다 많이 보다 효과적으로 부여한 새로운 형태의 흡착제로서, 한국특허공개 제10-2013-0091115호에서는 특정 크기의 활성탄 입자와 특정 물성의 이온교환수지가 혼합된 활성탄입자를 혼합하여 이루어진 흡착소재를 이용한 공기 정화용 필터가 제안되어 있다.
여기서는 이온교환수지를 적용하고 있는데, 이온교환수지의 입자와 함께 혼합되는 활성탄과 섬유형 필터의 기공과 유입되는 공기흐름을 막아 전체적인 흡착능과 필터 기능을 저하시키는 새로운 문제점이 있어서 그 사용상 한계가 나타나고 있다.
그 외에도, 한국특허공개 제10-2016-0074747호에서는 연속적인 공정이 아닌 물속에서 분말이온교환수지를 혼합한 후 건조 압축하는 이온교환 필터 부재의 제조방법도 제안되어 있다
정전섬유로는 한국특허공개 제 10-2009-0103351호애서는 올레핀 단섬유로 된 정전필터층을 포함하는 에어필터로 이형 단면 섬유로 낮은 압력손실과 높은 통기도를 가지는 에어필터를 제시하고 있고 한국특허공개 제 10-2020-0107664호에서는 정전분말 및 정전섬유로 이루어진 습식부직포로 정전분말과 정전물질이 포함된 초극세 섬유 정전섬유로 이루어진 습식부지포를 제시하고 있다. 콜게이터로는 한국특허공개 제 10-2002-00770722호에서는 활성탄 및 첨착물질로 콜게이터 제조 방법에 대한 것을 제시하고 있다.
그러나 이러한 필터의 경우도 공기흐름에 저항이 발생하여 소음의 원인이 되고, 필터의 기능을 저하시키는 문제점으로 나타나서 이를 시급히 개선하여야 하는 문제점으로 지적되고 있다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 개선하기 위하여, 본 발명은 이온교환수지와 정전섬유를 혼합하여 흡착성능을 개선하고 특히, 초미세먼지 포집 성능이 크게 개선된 필터소재를 제공하는 것을 해결 과제로 한다,
따라서 본 발명의 목적은 다양한 유해공기를 정화할 수 있는 화학적 흡착능과 초미세먼지 포집 성능을 모두 가지면서도 그 흡착성능과 초미세먼지 필터링 기능이 크게 개선된 유해공기 정화용 복합필터를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 이온교환수지 입자를 건식부직포 또는 습식부직포에 혼합 사용하는 방식으로 필터를 구성하되 이온교환수지의 입자크기와 함량을 특정 범위로 제한함으로써, 공기흐름을 방해하지 않으면서도 화학적 흡착성능 및 초미세먼지 입자를 현저하게 개선한 유해공기 정화용 복합필터를 제공하는데 있다.
위와 같은 과제의 해결을 위하여, 본 발명은
(1) 다공성 구조의 무정형 입자로서 이온결합형 기능기를 가지며, 이온교환용량이 1.2 meq/㎖ 이상인 이온교환수지 입자 70-90중량%와 이온교환수지 분말이 10-30중량%로 혼합된 이온교환수지 입자 40-80중량%를 화학적 흡착소재로 함유하고,
(2) 저융점 섬유에 정전물질이 함유된 정전섬유 20-60중량%를 포함하며,
(3) 상기 정전섬유는 건식부직포, 습식부직포 또는 이들의 혼합 형태로 이루어진
이온교환수지 입자를 함유한 유해공기 정화용 복합필터를 제공한다.
또한, 본 발명은 다른 형태로서,
(1) 다공성 구조의 무정형 입자로서, 이온결합형 기능기를 가지며, 이온교환용량이 1.2 meq/㎖ 이상인 이온교환수지 입자 70-90중량%와 이온교환수지 분말이 10-30중량%로 혼합된 이온교환수지 입자 40-60중량%를 화학적 흡착소재로 함유하고,
(2) 정전물질이 함유된 저융점 정전분말 수지를 1-10중량%로 함유하고,
(3) 저융점 섬유에 정전물질이 함유된 정전섬유 15-50중량%를 포함하며,
(4) 상기 정전섬유는 건식부직포, 습식부직포 또는 이들의 혼합 형태로 이루어진
이온교환수지 입자를 함유한 유해공기 정화용 복합필터를 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 이온교환수지 입자는 양이온수지, 음이온수지 중에서 선택된 어느 하나 이상이 사용된 이온교환수지 중에서 선택되며, 분말상과 비분말상의 무정형 입자로 이루어지고, 이 중에서 분말상의 이온교환수지는 10~30중량% 이내로 함유된 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 정전섬유는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 단독, 시스코어(PP/PE, PET/PE, PET/PP, PPS/PP), 사이드바이사이드(PET/PE, PP/PE, PET/PP, PPS/PP)중에서 선택된 하나이상의 섬유로서, 융점이 110℃ ~220℃인 것에 정전처리가 가능한 어느 하나 이상을 정전물질이 0.05~5% 중량으로 함유된 것이 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 정전물질은 BaTiO3, PMMA 또는 힌더드아민 광안정화제(HALS)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 선택된 물질이 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 저융점 정전분말 수지는 융점이 110℃ ~ 220℃인 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 중에 선택된 하나 이상의 수지에 정전물질이 함유된 저융점 정전분말 수지가 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 복합필터는 전체 중량 100~700g/m2, 두께 0.3~2.0mm, 통기도 5~300cc/cm2/sec 인 물성을 가질 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 복합필터는 건식부직포, 습식부직포 또는 이들의 혼합 형태의 원단을 포함하되 원단을 적층하여 사용하거나 원단의 단면이 V형 형태를 포함하는 형태 또는 콜게이터형 형태를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 유해공기 정화용 복합필터는 분말상과 비분말상의 이온교환수지 입자를 사용하여 화학적 흡착이 가능하고 초미세먼지 포집과 각종 휘발성 유기화합물과 강산 유기산 등의 유해물질들을 효과적으로 흡착할 수 있는 효과가 있다.
특히, 본 발명은 분말상의 이온교환수지 입자를 특정 조건으로 함유하고 있어서, 그 분말과 입자의 크기가 작고 그 함량이 많아도 분말 이온교환수지 입자가 필터의 미세기공을 막아버리는 것을 최소화하면서도 흡착성능을 우수하게 발휘하는 효과가 있다. 이러한 효과는 이온교환수지 입자의 물성과 분말상의 함량비율 등에 대하여 현저하게 우수한 효과로 나타날 수 있다.
특히, 본 발명의 필터에 저융점 정전분말 수지가 혼합되는 경우 더욱 현저한 효과를 나타낼 수 있다.
그러므로 본 발명에 따른 흡착성능이 개선된 이온교환수지 입자를 함유하는 유해공기 정화용 필터는 기존의 구형 이온교환수지를 과량 사용한 이온교환수지 흡착소재를 적용한 필터에 비해 각종 휘발성 유해 유기화합물의 흡착성능 및 초미세먼지 포집 효율등에서 우수한 효과를 나타내는 것으로 확인되었다.
도 1는 본 발명에 따른 건식, 습식부직포를 이용하여 제작한 원단 도면이다
도 2는 본 발명에 따른 습식부직포를 이용하여 제작한 정전섬유의 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예와 비교예에서 제조된 필터 원단에 대한 유해가스 필터 효율과 압력손실을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예와 비교예에서 제조된 필터 원단에 대한 탈취 효율을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 습식부직포를 이용하여 제작한 정전섬유의 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예와 비교예에서 제조된 필터 원단에 대한 유해가스 필터 효율과 압력손실을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예와 비교예에서 제조된 필터 원단에 대한 탈취 효율을 비교하여 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 하나의 구현예로서 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 일반적인 케미컬 필터에 이온교환수지 입자를 건식, 습식부직포의 문제점을 해결한 것이다.
이러한 본 발명은 종래와는 달리 분말상의 이온교환수지와 비분말상의 이온교환수지가 함유된 이온교환수지를 사용하는 등 이온교환수지 입자의 적용 조건을 특정 조건으로 설정하고, 또한 이러한 이온교환 입자가 적용되는 기질에 해당하는 섬유 역시 특정 정전섬유로 구성함과 동시에 건식, 습식부직포로 제조함으로써, 새로운 고성능 흡착소재를 제공할 수 있는 것이다.
본 발명에서 분말상의 이온교환수지는 상대적으로 입자 크기가 작은 형태의 이온교환수지를 의미하고 비분말상의 이온교환 상대적으로 입자 크기가 큰 형태의 이온교환수지를 의미한다. 여기서 분말상이나 비분말상은 그 입자의 형태가 무정형인 것을 전형적으로 사용할 수 있다. 비분말상의 이온교환수지는 예컨대 300-800㎛, 전형적으로는 대개 평균입경이 300-600㎛정도의 것이 사용될 수 있다. 특히, 비분말상의 이온교환수지는 입자형태를 가지지만, 그 입자가 무정형이고, 때로는 장방형, 원기둥형, 단섬유형, 작은 조각편, 납작한 형상 등을 모두 포함하는 것을 의미한다. 본 발명에서 광범위하게는 분말상의 이온교환수지나 비분말상의 이온교환수지가 혼합된 형태의 구성을 이온교환수지 입자로 칭한다.
일반적으로 섬유상 웹과 활성탄 등을 복합 사용하는 복합필터 형태의 공기정화용 필터는 섬유상 웹 형태의 필터보다는 그와 함께 사용되는 활성탄 등과 같은 흡착소재에 의해 주요 휘발성 성분에 대한 흡착기능이 발휘되므로, 섬유 필터보다는 활성탄에 의해 유효 사용기간이나 흡착효능이 좌우되는 것으로 알려져 있다.
그러므로 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 필터에서 흡착소재를 구성함에 있어서, 화학적 흡착능을 발휘하는 이온교환수지 입자의 물성과 함량 등의 구성이 중요하고, 섬유상 웹 형태의 정전섬유 기능의 중요한 요소가 될 수 있는 것이다,
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 필터에 흡착소재로 사용되는 성분으로 이온교환수지 입자가 사용되는 바, 이때의 사용되는 이온교환수지 입자는 양이온계, 음이온계를 각각 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 이때 정전섬유는 코로나 처리되거나 하이드로차징된 정전 여재를 사용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 이온교환형 기능기가 10~70중량% 이내로 함유된 분말상의 이온교환수지 입자는 그 평균입경이 10-150㎛, 더욱 바람직하게는 20-100㎛, 더 좋기로는 30-90㎛인 것이 바람직하고, 또 이온교환용량이 1.2 meq/㎖ 이상, 보다 바람직하게는 3.0 meq/㎖ 이상, 예를 들어 3-30meq/㎖인 것을 바람직하게 사용할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 이온교환수지 입자는 그 기능기의 종류에 따라 이에 적합한 유해공기를 흡착하는 작용을 하게 된다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명에서 사용되는 이온교환수지 입자는 그 입자에 함유되는 이온교환 작용기로서 가스상 오염물질을 제거하기 위한 기능기를 가지는 것이 바람직하게 사용될 수 있는데, 그 기능기로서는 예컨대 술폰산기, 아민기, 카르복실기, 암모니움기, 페놀기 및 인산기 중에서 선택된 하나 이상의 기능기를 갖는 것이 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 저융점 정전분말 수지를 5-50중량부로 함유할 수 있다. 이러한 저융점 정전분말 수지를 사용하는 경우 상기 이온교환수지 입자와 상승작용으로 우수한 필터링 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에서 사용되는 저융점 정전분말 수지는 융점이 110℃ ~220℃인 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, PET 중에 선택된 하나 이상의 수지에 정전특성이 부여된 분말상의 수지가 사용될 수 있다. 저융점 정전분말 수지는 수지 분말에 정전물질이 0.05-5중량% 함유된 것이 사용될 수 있고, 그 평균 입도가 30-450㎛인 것을 바람직하게 사용할 수 있다. 이러한 저융점 정전분말 수지는 이온교환수지 입자가 정전섬유에 바람직하게 고착되도록 하는데 매우 바람직하다. 여기서 사용되는 정전분말은 상기 예시한 성분이 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 활성탄 없이 이온교환수지 입자만을 단독 사용할 수 있고, 추가로 저융전 정전분말 수지를 사용할 수 있다. 이 경우가 현저한 필터링 효과가 발휘될 수 있다.
본 발명이 바람직한 구현예에 의하면, 이러한 이온교환수지 입자는 일예로 정전섬유 원단 내에 혼힙되는 것이 바람직하며, 일 예로서는 정전섬유 원단과 원단 사이에 샌드위치 방식으로 삽입하여 적용하는 것이 바람직하다. 그래야만 우수한 필터링 효과와 동시에 필터링되는 공기압을 최소화할 수 있다.
또한, 여기에 활성탄을 추가로 사용할 경우에는 정전처리된 원단(여재)만을 사용할 수 있다.
그러나, 본 발명은 흡착성 기능 소재로서 활성탄을 사용하지 아니하고 이온교환수지 입자만을 사용할 경우 흡착 및 정전성능을 개선하기 위하여 이온교환수지 입자를 정전물질이 함유된 정전섬유와 정전분말을 혼합 도입하여 코로나 정전처리하여 정전성능을 높여서 적용하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 이렇게 분말상이 함유된 이온교환수지 입자를 적용하되 이러한 이온교환수지 입자가 혼합된 정전섬유을 사용하는 경우에는 상기 제시한 조건의 이온교환수지 입자를 사용하면 되지만, 보다 바람직하게는 비표면적이 다소 높은 이온교환수지 입자를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 에컨대 건식, 습식부직포 원단인 정전섬유 15-50중량%에 대해 이온교환수지 입자 40-60중량%가 바람직하게 사용될 수 있다. 만일, 이온교환수지 입자의 사용량이 너무 적으면 필터링 효과가 저하되고, 너무 과량이면 필터링 과정에서 공기 흐름이 원활하지 못하여 바람직하지 않다.
또한, 이온교환수지 입자 중에서 분말상의 이온교환수지는 10~30 중량% 이내로 이온교환수지 입자에 혼합된 것이 바람직하다. 만일, 그 분말상의 이온교환수지의 함량이 상기보다 과량으로 사용하게 되면 정전섬유로 적용되는 저융점 섬유의 결합력이 약해 건식 또는 습식부직포를 제조할 수 없으며, 필터의 강성 등 물성 저하가 발생한다. 그러므로 필터 소재 형태 등으로 제조하는 경우 제품 불량 등이 발생할 수 있다. 또한, 분말상의 이온교환수지가 30%보다 과량이면 압력손실이 상승하고 V형 필터로 사용하지 못하고 콜게이터 형태로 사용할 수가 있다.
본 발명에 의하면, 만일 이온교환수지 입자의 함량을 상기보다 소량으로 사용하는 경우 원단 중량이 높아지고 두께가 두꺼워져 원단 면적을 증가시키지 못하기 때문에 압력손실을 상승시켜 필터 수명을 단축시키고 VOCs 등 각종 유해공기에 대한 화학적 흡착능이 저하되어 목적달성이 불가하다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 이온교환수지 입자의 함량이 과량이면 이온교환수지 입자와 정전 섬유의 결합력 약하며 결합력을 강화하기 위하여 별도의 저융점 분말 수지를 추가 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우 저융점 분말 수지 함량은 1-10중량%로 사용할 수 있는데, 이를 10중량% 이상으로 과량 사용하면 미세기공을 너무 막아서 흡착성능을 저하시키는 등 전체적인 흡착능력이 오히려 저하되는 문제가 있다. 특히, 이온교환수지 입자를 추가 사용되는 첨착물질 등과 독립적으로 섬유형 필터에 혼합하여 사용하는 경우에는 이온교환수지 입자를 고착시키는데 사용되는 바인더 또는 고착을 위한 과정에서 이온교환수지 입자가 과량 사용되어서 다른 흡착소재의 흡착능력을 상대적으로 저하시키는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명에서 사용되는 이온교환수지 입자는 다공성 구조의 양이온 교환수지 또는 음이온 교환수지를 무정형 입자로 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 무정형의 입자는 구형 입자에 비해 오히려 다양한 유해공기에 대한 흡착성능을 좋게 하는 데 유리하다.
특히, 본 발명에서는 이온교환수지 입자의 크기는 평균직경이 상기 범위보다 너무 크면 흡착효율이 현저하게 저하되고, 상기보다 적으면 필터 내에서 이탈하여 외부로 누출될 염려가 있어서 바람직하지 않게 된다. 그러므로 본 발명에 따르면 상기와 같은 입자크기를 특정 범위로 사용하는 것도 중요한 요소가 될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 흡착 소재로 적용되는 이온교환수지 입자의 크기가 150㎛ 보다 크면 건식부직포 제조과정 중에 혼합 사용하는 경우 두께가 커 V형 및 콜게이터 제조가 어렵고, 10㎛ 보다 작으면 저 융점 섬유 밖으로 빠져나가 작업성이 크게 저하된다.
본 발명에서는 상기와 같은 이온교환수지 입자 등의 흡착소재를 적용하기 위한 기재로서는 저융점 섬유에 정전물질이 함유된 정전섬유를 사용하여 건식부직포 또는 습식부직포나 이들이 혼합된 형태로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 건식, 습식부직포의 기재로 사용되는 저 융점 섬유로 이루어지는 정전섬유는 전체 필터 구성의 15-50중량%로 사용되는데, 만일 그 정전섬유의 함량이 상기 범위보다 많으면 순수한 물리적 흡착성능이 저하되고, 다양한 성분의 흡착능력을 발휘하는 데 한계가 있어서 바람직하지 않다.
본 발명에서 사용되는 저융점 섬유로서는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로피렌(PP) 단독, 시스코어(PET/PET, PP/PE, PET/NYLON, PPS/PP), 사이드바이사이드(PET/PET, PP/PE, PET/NYLON, PP/NYLON, PPS/PP)중에서 선택된 하나이상의 섬유로서, 융점이 110℃ ~220℃ 인 것 중에서 선택된 하나 이상이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로피렌(PP) 단독, 시스코어(PET/PP, PET/PE, PP/PE), 사이드바이사이드(PET/PP, PET/PE, PP/PE)이 사용될 수 있다. 이러한 저융점 섬유는 그 융점이 110℃ ~ 167℃, 더욱 좋기로는 110℃ ~ 167℃ 범위인 것이 바람직하다. 만일 그 융점이 상기 범위 보다 낮으면 필터 사용상 문제가 있고, 높으면 섬유를 결합하는데 고온의 건조기가 필요로 하는 문제가 있다
본 발명의 좀더 바람직한 구현예에 의하면, 상기 정전섬유는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로피렌(PP) 단독, 시스코어(PP/PE, PET/PE, PET/PP, PPS/PP), 사이드바이사이드(PET/PE, PP/PE, PET/PP, PPS/PP)중에서 선택된 하나이상의 저융점 섬유로서, 융점이 110℃ ~220℃ 인 것에 정전처리가 가능한 어느 하나 이상의 정전물질이 0.05~5% 중량으로 함유된 정전섬유가 사용될 수 있다. 상기 정전물질은 BaTiO3, PMMA 또는 힌더드아민 광안정화제(HALS)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 선택된 물질이 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면 정전물질은 BaTiO3, PMMA 또는 힌더드아민 광안정화제(HALS)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상이 폴리에틸렌(PE) 분말에 정전물질이 0.05~5% 중량으로 함유된 것이 바람직하며, 이를 과량 사용하면 섬유 방사가 어렵다
본 발명에서는 이렇게 특정 조건으로 이온교환수지 입자를 혼합한 흡착소재를 건식부직포 또는 습식부직포에 적용하여 필터를 구성함으로써 흡착성능을 현저하게 개선시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예로서는 이러한 이온교환수지 입자 및 정전물질을 혼합 사용하는 것이 고려될 수 있지만, 이들을 임의로 혼합하여 사용하는 것이 아니라 상기와 같은 특정 물성을 가진 이온교환수지 입자를 사용하고, 정전처리된 원단을 초음파 융착, 열융착이나 핫멜트 스프레이 방법으로 결합하여 흡착성능 및 정전성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 유해공기 정화용 복합필터는 원단기준으로 그 중량이 100~700g/m2, 더욱 바람직하게는 150~600g/m2 이내, 두께 0.3~2.0mm, 더 좋기로는 0.5~1.0mm, 그리고 통기도가 좋은 것이 유리하나 통기도가 5~300cc/cm2/sec 인 것으로 제조될 수 있다. 이러한 통기도 등의 우수한 물성은 상기와 같은 이온교환수지 입자 구성과, 정전섬유 함량, 그리고 필요에 따라 적용되는 저융점 분말 수지의 함량, 각 성분의 정전특성과 저융점 특성 등에 의한 상승효과에 의해 가능하게 되는 것이다.
본 발명에서 예시하고 있는 도 1, 2는 본 발명에 따른 이온교환수지 입자를 함유한 건식 부직포 또는 습식부직포 형태의 유해공기 정화용 복합필터의 여재 구성도를 각각 하나의 개략적인 예로서 보여주는 도면이다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 예컨대 건식 부직포 또는 습식부직포 제조시에 이온교환수지 입자, 정전섬유를 이용하여 도 1, 2과 같은 건식 부직포 또는 습식부직포 제조 공정으로 건식, 습식부직포 형태의 유해공기 정화용 복합필터를 제조할 수 있다. 이러한 필터 구성은 정전섬유 사이에 이온교환수지 입자가 부작위로 함유될 수도 있고, 교대로 적층하는 등의 여러 형태로 구성할 수 있다.
본 발명의 필터 원단의 제조공정은 예컨대, 건식부직포인 단섬유 정전섬유를 카딩 후에 웹을 형성한 다음, 분말 이온교환수지와 비분말 이온교환수지를 스캐터 장치를 통하여 스캐터링하고, 또 다른 정전섬유를 카딩 후에 웹과 이온교환수지가 혼합된 원단을 온도 80~220℃로 압력 50kN~150kN을 가하여 제조할 수 있다. 제조된 원단에 상온에서 20kV~100Kv로 코로나 정전처리를 일정한 속도로 처리하였다
본 발명의 필터 원단의 제조공정은 예컨대, 건식부직포인 스펀본드 정전섬유 폴리프로필렌/폴리에틸렌 정전 섬유 원단에 분말 이온교환수지와 비분말상의 이온교환수지가 혼합된 것에 폴리에틸렌 분말 수지를 일정량 혼합하여 스캐터 장치를 통하여 스캐터링하고 온도 80~220℃로 압력 50kN~150kN을 가하여 제조할 수 있다.
본 발명의 필터 원단의 제조공정은 예컨대, 습식부직포인 정전원료 배합, 분산, 해리 제조 단계를 거친 다음, 헤드박스에서 탈수 및 건조 단계를 거쳐서 제조할 수 있다. 제조된 원단에 상온에서 20kV~100Kv로 코로나 정전처리를 일정한 속도로 처리할 수 있다.
그러므로 본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기와 같이 본 발명에 따라 제조된 유해공기 정화용 필터는 필터 성능의 향상을 위해 건식, 습식부직포 원단 형태로 제조할 수 있다.
도 1, 2는 본 발명에 따른 건식, 습식부직포 원단을 이용하여 제작한 형태의 필터원단으로 적용한 유해공기 정화용 복합필터의 일예를 도시한 것이다.
이와 같이, 본 발명의 기존의 케미컬 필터, 특히 복합필터에서 문제가 되었던 점들을 개선하여, 유해가스 포집 매체인 흡착소재로서 이온교환수지 입자를 상기와 같은 특정 조건으로 복합적으로 조합하여 사용하기 때문에 유해가스의 포집량이 현저하게 증가하고, 고농도의 가스에 적용이 가능한 것이다. 특히, 본 발명에서는 건식, 습식부직포를 이용하여 이온교환수지 입자를 저융점 정전섬유와 함께 고르게 부착시키고 원단 밀도를 강화하여 공기 흐름을 저해하지 않으면서도 다량의 이온교환수지 입자를 적용할 수 있도록 함으로써 정화효율을 크게 개선할 수 있는 것이다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기와 같은 건식부직포 또는 습식부직포 형태의 원단을 콜게이터 형태로 제작하여 사용하는 경우 압력손실이 적다는 장점이 있다. 또한, 필터 원단이 물성이 우수하고 흡착소재의 분포가 안정되게 유지되며 필터 원단 자체가 강성이 있기 때문에, V형 및 콜게이터 형태를 A, B, E 골형으로 등으로 다양하게 제작하더라도 압력손실을 적게 하고 포집하고자 하는 가스 용량에 따라 크기와 형태를 자유롭게 제작할 수 있다는 장점이 있다.
따라서 본 발명에 따른 이온교환수지 입자를 사용한 건식부직포 또는 습식부직포 형태의 유해공기 정화용 필터는 특히 반도체 공정 등 산업현장에서 발생되는 유해가스를 처리하는 경우 매우 우수한 성능을 발휘할 수 있다. 특히, 본 발명에서는 유해가스의 제거 성능을 향상시키는 목적으로 휘발성 가스(VOC), 극성 가스와 이온교환할 수 있도록 특정 조건으로 이루어지는 양이온 교환수지 또는 음이온 교환수지의 입자를 건식, 습식부직포를 이용하여 원단을 제조할 수 있다. 또한, 이를 보다 바람직한 구조인 케미컬 필터의 콜게이터 형태로 사용할 경우 종래의 케미컬 필터에 비해 압력손실이 3-4배이상 감소하여 그 적용성이 매우 향상된 것이다.
또한, 본 발명의 필터는 건식, 습식부직포의 원단의 밀도가 높고 흡착소재의 충전량이 많아도 기존의 방식으로 활성탄, 첨착활성탄 및 이온교환수지가 이용된 필터에 비해 압력손실이 월등하게 적기 때문에 운전의 효율성이 증가하여 장기간 사용이 가능하다. 그러므로 유해가스를 제거하는 수단으로 사용되는 케미컬 필터의 교체주기를 연장할 수 있다.
또한, 본 발명의 필터는 일반 활성탄 및 이온교환수지를 사용한 필터에 비해 표면적이 1.5~4배 정도 증가하고, 우수한 흡착효율 등 현저하게 개선된 물성으로 정화효율이 매우 우수하므로 반도체 공장뿐만 아니라 화학 공장에서 배출되는 다양한 유해가스를 제거하는 케미컬 필터로 널리 활용될 수 있는 것이다.
또한, 본 발명의 공기정화용 필터는 화학공정용 부품으로서 반도체 유입공기를 사전에 정화하기 위한 필터나 차량 내부의 공기정화를 위한 필터 등 사전 유입되는 공기정화용, 실내 공기정화용 등으로 바람직하게 적용될 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따라 제조된 유해공기 정화용 복합필터는 기존의 흡착소재 함유 필터의 구성에서 활성탄을 특정 조건의 이온교환수지 입자로 대체하여 사용하고, 특히 이온교환수지 입자의 형태를 구형이 아닌 무정형으로 사용하고 특정 범위의 분말상의 입자가 함유되도록 구성하고, 그 함량을 특정 범위로 조절하여 적용함으로써, 활성탄의 고유 성능은 유지하면서도 활성탄의 기공 내부까지 다량의 화학적 기능기를 효과적으로 부여하여 가스상 오염물질과 입자상 오염물질을 처리능력을 현저하게 개선시키는 상승효과가 있는 것이다. 이러한 상승효과는 이온교환수지 입자를 특정 조건으로 적용함과 동시에 이를 건식, 습식부직포에 적용함으로써 가능하게 된 것이다.
특히, 본 발명에 따른 필터는 기존에 비해 다양한 유해가스의 흡착활성과 초미세먼지 포집 효율이 더욱 개선된 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 과다한 이온교환수지 입자의 사용으로 인해 필터의 물리적 특성을 저해하는 문제를 해결하여, 물리 화학적 특성이 우수한 흡착능력을 나타내며, 필터를 통과하는 공기의 통과압력도 높이지 않아서 공기정화 기능을 우수하게 개선한 효과가 있는 것이다.
이렇게 제조된 본 발명에 따른 유해공기 정화용 복합필터는 실내나 다양한 산업시설의 공기정화를 위한 필터로 다양한 형태로 적용될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 상세하게 설명하겠는바, 본 발명이 실시 예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1-6
(1) 다공성 구조의 무정형 입자로서 분말 이온교환 수지의 평균입경이 30~ 90㎛인 이온교환수지 분말 10~30중량%와, 이온교환수지의 평균입경이 325~700㎛인 이온교환수지 입자 70~90중량%가 혼합되어 있으면서, 이온결합형 기능기를 가지며, 이온교환용량이 2 meq/㎖ 이상인 혼합 이온교환수지 입자 150~210g/m2를 준비한다.
(2) 폴리프로필렌/폴리에틸렌 정전 단섬유, 스펀본드, 습식부직포 원단을 함유하고 폴리에틸렌 정전 분말 수지가 함유된 정전섬유 50-120g/m2를 준비한다.
(3) 저융점 정전분말 수지, 또는 비정전 저융점 분말 수지 10-25중량부를 준비한다.
상기 준비 공정의 일부 또는 전부가 동시 공정으로 이루어질 수 있다.
상기와 같이 구성되는 전체 복합필터 원단 구성으로, 중량 170~350g/m2, 두께 0.7~1.5mm의 건식, 습식부직포 원단을 제조하여 V형 필터를 제조하였다
하기 표 1, 2에 제시한 구성으로 분말상의 이온교환수지 입자 및 저 융점 분말 수지로 이루어진 이온교환수지 입자와. 저 융점 정전 부직포를 사용하여 흡착소재를 제작하였다. 하기 표에서 각성분의 함량 수치는 중량부이다.
상기 준비한 이온교환수지 입자, 저 융점 분말 수지 및 저 융점 섬유를 이용한 정전 건식, 습식부직포 원단 비율은 다음 표 1과 같다.
| 실시예 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 이온교환수지 입자 비율 (분말/비분말 중량%) (무정형, g/m2) |
90㎛/600㎛ (10/90) |
90㎛/600㎛ (20/80) |
90㎛/600㎛ (30/70) |
30㎛/325㎛ (10/90) |
30㎛/325㎛ (20/80) |
30㎛/325㎛ (30/70) |
| 150 | 180 | 210 | 210 | 180 | 210 | |
| 정전 섬유(g/m2) | 50(상층)/50 (하층) |
100 (혼합층) |
120 (혼합층) |
50(상층) /50(하층) |
100 (혼합층) |
120 (혼합층) |
| 정전 (건식) |
정전 (건식) |
정전 (습식) |
정전 (건식) |
정전 (건식) |
정전 (습식) |
|
| 저 융점 분말 수지 | 10(정전) | 15(정전) | 0 | 25(비정전) | 20(정전) | 25(정전) |
| 전체 필터원단 중량(g/m2) | 260 | 295 | 330 | 335 | 300 | 345 |
| 두께(mm) | 0.70 | 0.92 | 1.31 | 1.24 | 1.17 | 1.1 |
비교예 1-12
상기 실시예와 동일하게 실시하되 이온교환수지 입자는 구형입자를 사용하고, 그 입자크기는 달리 사용하였다. 각 성분의 사용함량과 사용조건은 다음 표 2, 3과 같은 조성으로 구성하여 필터를 제조하였다.
| 비교예 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 이온교환수지 입자 (무정형, g/m2) |
8㎛ | 8㎛ | 8㎛ | 150㎛ | 150㎛ | 150㎛ |
| 150 | 180 | 210 | 150 | 210 | 210 | |
| 저 융점 섬유(g/m2) | 50(상층)/50 (하층) |
100 (혼합층) |
120 (혼합층) |
50(상층) /50(하층) |
100 (혼합층) |
120 (혼합층) |
| 비정전 (건식) |
비정전 (건식) |
비정전 (습식) |
비정전 (건식) |
비정전 (건식) |
비정전 (습식) |
|
| 저 융점 분말 수지 | 10(정전) | 15(정전) | 20(정전) | 15(비정전) | 20(비정전) | 25(비정전) |
| 전체 필터원단 중량(g/m2) | 260 | 295 | 350 | 265 | 330 | 355 |
| 두께(mm) | 0.55 | 0.73 | 0.92 | 0.91 | 1.34 | 1.50 |
| 비교예 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
| 이온교환수지 입자 (분말/비분말) (무정형, g/m2) |
325㎛ | 325㎛ | 325㎛ | 600㎛ | 600㎛ | 600㎛ |
| 150 | 180 | 210 | 150 | 180 | 210 | |
| 저 융점 섬유(g/m2) | 50(상층) /50(하층) |
100 (혼합층) |
120 (혼합층) |
50(상층) /50(하층) |
100 (혼합층) |
120 (혼합층) |
| 비정전 (건식) |
비정전 (건식) |
비정전 (습식) |
비정전 (건식) |
비정전 (건식) |
비정전 (습식) |
|
| 저 융점 분말 수지 | 10(정전) | 15(정전) | 20(정전) | 15(비정전) | 20(비정전) | 25(비정전) |
| 전체 필터원단 중량(g/m2) | 260 | 295 | 350 | 265 | 295 | 355 |
| 두께(mm) | 1.05 | 1.21 | 1.60 | 1.15 | 1.35 | 1.75 |
실험예 1
상기 실시예와 비교예에 따라 제조된 원단에 대하여 TSI8130A 여과면적 100cm2 유속 5.3cm/sec로 NaCl 0.3㎛입자로 효율 및 압력손실을 측정하였다.
실험예 2
상기 실시예와 비교예에 따라 제조된 원단에 대하여 복합 유해가스의 제거효율 평가하기 위하여 가로(260mm) x 세로(225mm)에 1m3 챔버 내부에 장착하고, 챔버 내에 암모니아는 30ppm의 분위기로 흘려 준 후, 블로어(blower)로 순환시키면서 5분이 경과한 후, 복합 유해가스의 제거효율을 측정하였다.
그 평가는 암모니아에 대해 실시하고 그 결과는 다음 표 4 내지 표 7에 각각 나타내었다. 여기서 각 수치는 해당 성분의 제거효율(%)을 의미한다.
| 성분 | 시료번호 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 효율(%) / 압력손실(mmAq) |
실시예 | 97.5/1.5 | 99.8/2.01 | 98.5/2.5 | 98.1/1.8 | 99.9/3.0 | 98.8/3.2 |
| 비교예 | 25.3/7.5 | 26.2/9.6 | 27.5/11.4 | 22.1/1.1 | 23.2/1.2 | 23.6/1.3 |
| 성분 | 시료번호 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
| 효율(%) / 압력손실(mmAq) |
비교예 | 15.1/0.9 | 16.3/1.0 | 17.5/1.1 | 12.2/0.6 | 13.4/0.7 | 13.8/0.8 |
| 성분 | 시료번호 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 암모니아 효율(%) | 실시예 | 85.0 | 86.3 | 88.2 | 91.3 | 96.0 | 99.0 |
| 비교예 | 100 | 100 | 100 | 65.2 | 67.7 | 69.0 |
| 성분 | 시료번호 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
| 암모니아 효율(%) | 비교예 | 66.5 | 64.7 | 67.3 | 63.2 | 65.3 | 66.6 |
상기 실험결과에서와 확인되는 바와 같이, 실시예의 적용 필터는 우수한 물성을 나타낸다. 또한, 실시예의 흡착소재를 적용한 필터에서 유해가스에 대한 투과율이 비교예의 경우에 비해 현저히 높은 가스정화 효율 및 입자 포집 효율이 높은 것으로 나타내는 것으로 보아 기존 제품(비교예)에 비해 현격하게 우수한 공기정화 성능이 있음이 입증되었다.
Claims (8)
- 다공성 구조의 무정형 입자로서 이온결합형 기능기를 가지며, 이온교환용량이 1.2 meq/㎖ 이상인 이온교환수지 입자 70-90중량%와 이온교환수지 분말이 10-30중량%로 혼합된 이온교환수지 입자 40-80중량%를 화학적 흡착소재로 함유하고,
저융점 섬유에 정전섬유 20-60중량%를 포함하며,
상기 정전섬유는 건식부직포, 습식부직포 또는 이들의 혼합 형태로 이루어진
이온교환수지 입자를 함유한 유해공기 정화용 복합필터.
- 다공성 구조의 무정형 입자로서, 이온결합형 기능기를 가지며, 이온교환용량이 1.2 meq/㎖ 이상인 이온교환수지 입자 70-90중량%와 이온교환수지 분말이 10-30중량%로 혼합된 이온교환수지 입자 40-60중량%를 화학적 흡착소재로 함유하고,
정전물질이 함유된 저융점 정전분말 수지 또는 비정전 저융점 분말 수지를 1-10중량%로 함유하고,
저융점 섬유에 정전물질이 함유된 정전섬유 15-50중량%를 포함하며,
상기 정전물질은 정전섬유 또는 정전분말 수지 내에 0.05~5%를 포함하며
상기 정전섬유는 건식부직포, 습식부직포 또는 이들의 혼합 형태로 이루어진
이온교환수지 입자를 함유한 유해공기 정화용 복합필터.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 이온교환수지 입자는 양이온수지, 음이온수지 중에서 선택된 어느 하나 이상이 사용된 이온교환수지 중에서 선택되며, 분말상과 비분말상의 무정형 입자로 이루어지고, 이 중에서 분말상의 이온교환수지는 10~30중량% 이내로 함유된 것을 특징으로 하는 이온교환수지 입자의 함유한 유해공기 정화용 복합필터.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 정전섬유는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌 단독, 시스코어(PP/PE, PET/PE, PET/PP, PPS/PP), 사이드바이사이드(PET/PE, PP/PE, PET/PP, PPS/PP)중에서 선택된 하나이상의 섬유로서, 융점이 110℃ ~220℃인 것에 정전처리가 가능한 어느 하나 이상을 정전물질이 0.05~5% 중량으로 함유된 것인 이온교환수지 입자를 함유한 유해공기 정화용 복합필터.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 정전물질은 BaTiO3, PMMA 또는 힌더드아민 광안정화제(HALS)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 선택된 물질인 이온교환수지 입자를 함유한 유해공기 정화용 복합필터.
- 청구항 2에 있어서, 융점이 110℃ ~220℃인 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 중에 선택된 하나 이상의 수지에 정전물질이 함유된 저융점 정전분말 수지를 사용한 것을 특징으로 하는 이온교환수지 입자를 함유한 유해공기 정화용 복합필터.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 전체 중량 100~700g/m2, 두께 0.3~2.0mm, 통기도 5~300cc/cm2/sec 인 물성을 가지는, 이온교환수지 입자를 함유한 유해공기 정화용 복합필터.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 건식부직포, 습식부직포 또는 이들의 혼합 형태의 원단을 포함하되 원단을 적층하여 사용하거나 원단의 단면이 V형 형태를 포함하는 이온교환수지 입자를 함유한 유해공기 정화용 복합필터.
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|---|---|---|---|
| KR1020210153086A KR102720014B1 (ko) | 2021-11-09 | 이온교환수지 입자를 함유한 유해공기 정화용 복합필터 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR20230067220A true KR20230067220A (ko) | 2023-05-16 |
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