KR20240060072A - 대나무 섬유를 이용한 기능성 원지의 제조방법 및 이에 따른 기능성 원지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 (a) 대나무펄프 및 목재펄프를 분산시켜 1차 분산액을 형성하는 단계; (b) 상기 1 차 분산액을 고해시키는 단계; (c) 정전섬유, 바인더 및 이온교환수지를 분산시켜 2 차 분산액을 형성하는 단계; (d) 상기 고해된 1차 분산액에 2차 분산액을 혼합하여 교반하는 단계; 및 (e) 상기 교반이 완료된 분산액을 건조시키는 단계;를 포함하는 대나무 섬유를 이용한 기능성 원지의 제조방법를 제공한다.
본 발명의 기능성 원지의 제조방법은 바인더 섬유의 첨가, 고해 및 건조 조건의 조절로 원지의 강도를 개선할 수 있으며, 통기성 및 정전력을 유지할 수 있다. 또한, 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 기능성 원지는 친환경 섬유 원료를 이용하여 제조하기 때문에, 자연분해 될 수 있어 친환경적이다.
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Description
본 발명은 대나무 섬유를 이용한 기능성 원지의 제조방법 및 이에 따른 기능성 원지에 관한 것으로, 상세하게는 통기성 및 정전력을 가지며 강도가 개선된 대나무 섬유를 이용한 기능성 원지의 제조방법 및 이에 따른 기능성 원지에 관한 것이다.
지금까지 많은 연구에서 목질계 자원을 대체하기 위해 짚, 사탕수수, 인피섬유, 대나무와 같은 비목질계 자원을 이용하여 펄프화 가능성을 평가해 온 바 있다. 이러한 비목질계 섬유를 실제 산업에 적용하기 위해서는 발생량이 보장되어야 하고 수급이 용이해야 하는데, 대나무는 아시아 권역에서 크게 분포하고 있으며 속성수이기 때문에 목재펄프의 대체 원료로 수급 가능성이 높다.
즉, 대나무는 Gramineae과, Bambuseae아과에 속하는 다년생 초목으로 전세계에 75속 약 1,250종이 있으며 주로 중국, 인도, 태국, 방글라데시, 인도네시아 및 한국에 주로 분포하고 연간 총생산량은 600-700 만 톤이다. 대나무는 빠른 성장 속도를 보이기 때문에 높은 생산성을 보이므로 이러한 재료의 효과적인 활용에 대한 많은 연구와 개발이 관심을 끌고 있다.
특히, 맹종죽이라는 수종은 직경 20 cm까지 자라는 것으로 죽순을 먹을 수 있고 하루 동안에 1 m까지 자랄 수 있다고 한다. 유관속식물이지만 형성층이 없어 초여름 성장이 끝나고 나면 몇 년이 되어도 비대생장이나 수고생장은 하지 않고 부지런히 땅속줄기에 양분을 모두 보내 다음 세대 양성에 힘쓰는 것이 보통 나무와 대나무가 다른 점이다.
본 기술개발은 자연분해 될 수 있는 친환경 소재를 사용하여 국내 필터 기준(EN1822)에 맞게 필터를 제작할 수 있는 제조기술을 개발함과 동시에, 미세먼지 및 유해가스 등의 제거하고자 한다.
즉, 1) 야생식물로부터 친환경공정에 의해 섬유 혹은 용해물을 생산하고 생산된 섬유 혹은 용해물로부터 sheet 및 필라멘트를 제조하여 친환경 필터용 원료를 구축하는 것, 2) 친환경 섬유 원료로부터 전기방사 등을 통해 소규모에서 대규모 친환경 필터를 제조하는 것, 3) 친환경 필터에 미세먼지, 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 외에도 인체에 유해한 가스인 일산화탄소(CO), 휘발성유기화합물(VOC) 등을 제거할 수 있는 기능을 부여하고자 한다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 펄프화된 대나무 섬유를 이용한 wet-laid 공정 방식에 정전섬유 및 바인더를 배합함으로써, 통기성 및 정전력을 가진 기능성 원지를 제조할 수 있는 대나무 섬유를 이용한 기능성 원지의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 대나무 섬유를 이용한 기능성 원지의 제조방법은 (a) 대나무펄프 및 목재펄프를 분산시켜 1차 분산액을 형성하는 단계; (b) 상기 1 차 분산액을 고해시키는 단계; (c) 정전섬유, 바인더 및 이온교환수지를 분산시켜 2차 분산액을 형성하는 단계; (d) 상기 고해된 1차 분산액에 2차 분산액을 혼합하여 교반하는 단계; 및 (e) 상기 교반이 완료된 분산액을 건조시켜 기능성 원지를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 (a) 단계는 분산제를 추가적으로 포함할 수 있으며, 비이온성 고분자일 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계는 고해도가 23 내지 24°SR일 수 있다.
또한, 상기 (c) 단계의 바인더는 비닐론, 아크릴 및 LMPET에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 (c) 단계의 선택된 바인더에 미네랄, PVA수지, EVA를 포함하는 보조바인더가 더 혼합되되, 상기 바인더 100중량부에 있어서, 상기 보조바인더는 5 내지 10중량부일 수 있다.
또한, 상기 (e) 단계 이후, (f) 상기 기능성 원지에 5 내지 70kV의 인가 전압으로 5 내지 15분간 코로나방전 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 대나무 섬유를 이용한 기능성 원지에 있어서, 대나무펄프 및 목재펄프가 분산된 1차 분산액과 정전섬유, 바인더 및 이온교환수지가 분산된 2차 분산액이 혼합된 후 건조되어 원지 형태로 마련될 수 있다.
또한, 상기 1차 분산액은, 고해도가 23 내지 24°SR일 수 있다.
또한, 상기 바인더는 비닐론, 아크릴 및 LMPET에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
또한, 상기 선택된 바인더에 미네랄, PVA수지, EVA를 포함하는 보조바인더가 더 혼합될 수 있다.
본 발명의 기능성 원지의 제조방법은 바인더 섬유의 첨가, 고해 및 건조 조건의 조절로 원지의 강도를 개선할 수 있으며, 통기성 및 정전력을 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 기능성 원지는 친환경 섬유 원료를 이용하여 제조됨으로써, 자연적으로 분해되는 것으로 친환경적인 기능성 원지를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 대나무 펄프의 회분 분석을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 원지의 표면을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 원지 내 섬유길이 및 섬유장을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 원지의 표면을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 원지 내 섬유길이 및 섬유장을 도시한 것이다.
이하, 도면을 참조한 본 발명의 설명은 특정한 실시 형태에 대해 한정되진 않으며, 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있다. 또한, 이하에서 설명하는 내용은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하의 설명에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되는 용어로서, 그 자체에 의미가 한정되지 아니하며, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 이하에서 기재되는 "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다"등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로 해석되어야 하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 대나무 섬유를 이용한 기능성 원지의 제조방법 및 이에 따른 기능성 원지를 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명은 (a) 대나무펄프 및 목재펄프를 분산시켜 1차 분산액을 형성하는 단계; (b) 상기 1 차 분산액을 고해시키는 단계; (c) 정전섬유, 바인더 및 이온교환수지를 분산시켜 2 차 분산액을 형성하는 단계; (d) 상기 고해된 1차 분산액에 2차 분산액을 혼합하여 교반하는 단계; 및 (e) 상기 교반이 완료된 분산액을 건조시키는 단계;를 포함하는 대나무 섬유를 이용한 기능성 원지의 제조방법을 제공한다.
먼저, (a) 단계에 대하여 설명한다. 교반 설비인 팔파에 용수와 대나무펄프, 목재펄프를 분산(해리)시켜 1차 분산액을 형성한다.
이때, 대나무펄프는 대나무 잎을 제거한 후 대나무의 대를 세절(細切) 하거나 칩 형태로 마련하여 대나무의 섬유가 추출된 것일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는 목재펄프와 분산될 수 있는 펄프 형태로 마련될 수 있다.
목재펄프는 목재를 기계적 또는 화학적 처리해 제조된 펄프이다. 목재펄프는 쇄목펄프, 정쇄펄프, 열기계펄프, 황산염펄프, 아황산펄프 및 반화학펄프 등으로 마련될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 사항은 아니며, 원지로 제작이 가능하며 목재를 사용한 모든 펄프로 마련될 수 있다.
여기서, 목재는 소나무, 전나무 또는 단풍나무의 줄기 또는 가지를 이용하여 마련될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상술된 대나무 펄프는 전체 원료 대비 50 내지 60%, 목재펄프는 전체 원료 대비 20 내지 30%가 투입될 수 있다. 분산(해리) 시간은 10 내지 30분이며, 바람직하게는 15 내지 25분, 가장 바람직하게는 20분이다.
대나무펄프가 50% 미만으로 투입될 경우, 기능성 원지 내에 대나무 함유량이 적은 것으로 인해 대나무의 흡수력이 좋고 잘 찢어지지 않은 장점을 용이하게 나타낼 수 없다.
대나무펄프가 60% 초과로 투입될 경우, 대나무의 치밀한 구조적 특성으로 인해 목재펄프와 용이하게 분산되지 않거나 약품 및 에너지 소비가 많이 들어 비용이 높아지는 문제가 발생할 수 있다.
목재펄프가 20% 미만으로 투입될 경우, 대나무펄프의 중량이 많아 지는 것으로 1차 분산액을 형성할 시 약품 및 에너지 소비가 증가할 수 있으며, 목재펄프가 30% 초과로 투입될 경우, 대나무펄프의 함유량이 적어지게 되는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 분산이 10분 미만으로 진행될 경우, 대나무펄프와 목재펄프 간의 분산이 용이하게 이뤄지지 않아 품질이 불량인 기능성 원지가 제조될 수 있으며, 분산이 30분 초과로 진행될 경우, 분산 시간 대비 대나무펄프와 목재펄프 간의 분산량이 늘지 않아 비용이 낭비되는 문제가 발생할 수 있다.
이때, 분산제를 추가적으로 첨가하여 분산제 존재 하에서 분산시킬 수 있다. 본 발명에서 사용할 수 있는 분산제는 비이온성 고분자로, 알킬벤젠술폰산염, 디옥틸술폰말레인산나트륨, 스티렌-무수말레인산 공중합체의 부분에스테르화물, 아민유도체 및 PEO 등 중 하나가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 PEO(polyethylene oxide)가 사용될 수 있다.
알킬벤젠술폰산염(Alkylbenzene Sulfonate)은 음이온 계면활성제의 일종으로, 도료 잉크, 윤활유 등에 이용되나, 주로 중성세제로 많이 사용되기도 한다.
디옥틸술폰말레인산나트륨은 수계 또는 비수계 중 어느 계에서도 우수한 분산효과를 나타낸다.
스티렌-무수말레인산 공중합체의 부분에스테르화물은 도료 또는 잉크 등의 분산제로서 이용되나, 에스테르에 화학 반응을 가할 시 폭주 반응을 보이는 위험성을 보이기도 한다.
아민유도체는 염기로 질소 원자에 비공유전자쌍을 가진 유기 화합물과 작용기를 지칭하며, 지방산아미드, 폴리옥시에틸렌 알킬아민, 알킬아민초산염, 알킬아민지방산염, 알킬2급아민, 알킬이미다졸린 등을 포함한다. 이러한 아민유도체를 이용한 반응생성물이 도료 또는 잉크 등의 용제계에서의 안료분산, 색별, 대전 방지 등의 목적으로 이용되고 있고, 안료의 표면 개질 목적이나 아스팔트의 유화제로서도 이용되고 있다.
PEO는 에틸렌옥사이드를 이온 중합하여 제조한 분자량 500만 내지 600만 정도의 선상 비이온성 고분자로 정전기 인력이 아닌 수소결합이나 반데르발스 힘에 의해 섬유나 충전물에 흡착하는 특징이 있다.
PEO는 다른 펄프와는 친화성이 매우 적으나 미표백 펄프의 경우 높은 흡착성 및 보류 효과를 나타내며, 염소와 매우 민감하게 반응하여 분해되어 산화된다. 필터용 원지에 적합한 PEO 첨가량은 0.1 내지 0.2%(on pulp)로, 이 농도에서 Pulp 분산이 가장 양호하게 이루어 졌으며, 와이어(Felt)에서의 탈수성도 개선되어 건조가 향상된다.
다음으로, (b) 단계에서는 전단계에서 형성한 1차 분산액을 고해설비를 사용하여 고해시킨다.
고해는 지료의 농도가 높을수록 섬유의 절단이 감소하고 섬유의 피브릴화가 증가하며 지료의 농도는 2 내지 6%의 저농도, 8 내지 20%의 중농도 및 20 내지 40%의 고농도의 세가지로 분류하는데, 현재 대부분은 저농도에서 고해를 실시한다.
고해설비는 DDR(Double Disk Refiner)를 사용하며, 가동시간은 10 내지 40분, 바람직하게는 20 내지 40분, 가장 바람직하게는 30분이며, 이때 1차 분산액의 고해도는 23 내지 24°SR가 될 수 있다.
가동시간이 10분 미만으로 진행될 경우, 1차 분산액에 함유된 대나무펄프와 목재펄프의 섬유외층이 제거되지 않을 수 있으며, 가동시간이 40분 초과로 진행될 경우, 1차 분산액의 고해도보다 높게 고해 되는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 고해도가 23°SR 미만인 경우는 원지의 강도가 저하되며, 고해도 24°SR 초과시, 필터용 원지로서 통기성이 저하된다. 이후, 고해된 원료는 원료탱크(교반기)에 이송한다.
다음으로, (c) 단계에서는 정전섬유, 바인더 및 이온교환수지를 분산시켜 2 차 분산액을 형성한다. 정전섬유는 정전기가 발생하지 않도록 친수성기를 가진 표면 가공제로 처리한 섬유이다. 정전섬유는 5 내지 7mm, 가장 바람직하게는 6mm 크기의 chop fiber로 마련될 수 있으며, 상술된 길이의 섬유가 사용된 기능성 원지는 정전력이 오래 유지될 수 있다.
이때, 정전섬유는 장섬유로 마련될 수 있어, 나이프비터(회전축에 특수 형태로 설계된 회전칼날을 일정한 간격으로 배치시킨 구조로 한지의 원료인 섬유를 해리해주는 장비)를 이용하여 섬유가 분산될 수 있다.
이러한 정전섬유는 전체 원료 대비 2 내지 10%가 사용될 수 있다.
정전섬유가 2% 미만으로 사용될 경우, 기능성 원지에 정전력을 오래 유지시킬 수 없을 수 있으며, 정전섬유가 10% 초과로 사용될 경우, 정전 섬유 특유의 포집 기능으로 인해 기능성 원지의 통기성이 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 바인더는 비닐론, 아크릴, LMPET 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 LMPET가 사용될 수 있다.
본 발명의 바인더는 전체 원료 대비 10%를 사용하는 것이 바람직하며, 원지의 통기성 및 정전력 저하의 영향을 주지 않는다. 그러나, 10% 미만으로 투입하면 원지의 강도 발생되며, 10% 초과하여 투입하면 드럼 건조에서 달라붙어 작업이 원활하지 않다. 바인더 투입량은 이온교환수지 탈락 및 가공적성 관련 최적의 강도를 결정한다.
또한, 바인더는 비닐론, 아크릴, LMPET 중 선택된 하나의 바인더에 보조바인더가 더 혼합될 수 있다.
보조바인더는 미네랄, PVA수지 및 EVA를 포함할 수 있다.
미네랄은 무기물 바인더로, 물과 섞일 때 플라스틱 반죽을 형성하여 연속적으로 응고되어 모노리스(Monolith)에 느슨한 고형물을 결합 시킬 수 있다.
즉, 미네랄 바인더는 대나무펄프와 목재펄프가 용이하게 엉겨 붙도록 할 수 있어, 기능성 원지의 인장 강도를 늘릴 수 있는 효과가 있다.
PVA수지는 PVA(PolyVinyl Alcohol) 또는 PVOH 등으로 불리우고 있으며, 용제에는 녹지 않으나 물에 녹는 특성을 보유하고 있다. PVA수지는 접착 성능, 필름 형성 능력, 무독성 및 화학 안정성이 우수하여 접착, 코팅, 제지, 섬유, 도료 등에 사용되기도 한다.
EVA는 필름 형태로 마련되며, EVA 필름은 상온에서 고체 형태로 마련되나, 일정 온도로 가열될 시 녹아 액체 바인더로 마련될 수 있다. EVA는 액체 바인더로 마련되더라도 일정한 유연성 및 경도를 가지고 있어, 기능성 원지에 견고하고 내구성을 부여해줄 수 있다.
상술된 보조바인더는 미네랄, PVA수지 및 EVA 중 하나 이상이 선택되고 혼합될 수 있으나, 가장 바람직하게는 미네랄 10 내지 50중량부, PVA수지 30 내지 40중량부 및 EVA 20 내지 60중량부가 혼합될 수 있다.
미네랄이 10중량부 미만으로 혼합될 경우, 기능성 원지의 인장 강도가 용이하게 늘어나지 않을 수 있으며, 50중량부 초과로 혼합될 경우, 접착력이 강한 것으로 인해, 기능성 원지의 인장강도가 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.
PLA수지가 30중량부 미만으로 혼합될 경우, PLA수지 특유의 접착 성능, 무독성 및 화학 안정성이 기능성 원지에 나타나지 않을 수 있으며, PLA수지가 40중량부 초과로 혼합될 경우, PLA수지 특유의 흡습성 및 내열수성에 의해 대나무펄프 또는 목재펄프의 통기성 및 정전섬유의 정전력이 저하될 수 있다.
EVA가 20중량부 미만으로 혼합될 경우, EVA 특유의 유연성이 기능성 원지에 부여되지 않을 수 있으며, 60중량부 초과로 혼합될 경우, 접착성에 비해 높은 비용이 부가되며, 기능성 원지가 후가공성이 떨어지게 되는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 이온교환수지는 미세한 3차원 구조의 고분자에 이온교환기(functional group)를 결합시킨 것으로서, 극성, 비극성 용액 중에 녹아 있는 이온성 불순물을 교환, 정제하여 주는 고분자 물질이다.
이온교환수지는 Gel type 또는 Macroporos type 등으로 마련될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 사항은 아니며, 2차 분산액 내의 정전섬유 및 바인더의 이온을 교환시킬 수 있으며, 2차 분산액 내에 용이하게 분산 또는 고해될 수 있는 모든 타입 및 종류를 포함할 수 있다.
이러한 이온교환수지는 전체 원료 대비 5 내지 15%가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 10%가 사용될 수 있다.
이온교환수지가 5% 미만으로 사용될 경우, 정전섬유 및 바인더의 이온이 용이하게 교환되지 않을 수 있으며, 15% 초과로 사용될 경우, 정전섬유와 바인더 간의 가교도가 높아지는 것으로 기능성 원지의 통기성이 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.
또한, (d) 단계에서는 이송된 원료탱크에 분산된 정전섬유, 바인더, 이온교환수지를 이송하여 교반되어지고 있는 대나무펄프, 목재펄프와 1시간 이상 교반시킨다.
다음으로, (e) 단계에서는 교반이 완료된 분산액을 건조시킨다. 건조 온도는 100 내지 130℃로 분산액이 건조될 수 있으며, 바람직하게는 110 내지 120℃일 수 있다.
건조 온도가 100℃보다 낮을 때는 바인더가 녹지 않아 페이퍼의 결합력 저하로 필터용 원지 역할을 수행하기 어려우며, 130℃보다 높을 때는 바인더가 녹으면서 건조설비(드라이어)에 붙어서 떨어지지 않아 구멍이 발생하고 원지가 찢어진다.
또한, (e) 단계에서 건조온도가 110℃ 초과의 온도로 진행될 경우, 바인더로 사용된 LMPET에 의한 열융착 강도는 높지 않을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 대나무 섬유를 이용한 기능성 원지의 제조방법은 (f) 기능성 원지에 5 내지 70kV의 인가 전압으로 5 내지 15분간 코로나방전 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
인가 전압이 5kV 미만으로 설정될 경우, 기능성 원지에 용이하게 코로나방전 처리 되지 않을 수 있으며, 70kV 초과로 설정될 경우, 기능성 원지에 코로나방전 처리가 온전하게 되기 전에 기능성 원지에 연소 작용이 일어나는 문제가 발생할 수 있다.
처리 시간 역시 5분 미만으로 설정되거나 15분 초과로 설정될 경우, 인가 전압과 동일한 문제가 발생할 수 있어, 상술된 범위 내에서 코로나방전 처리가 진행되는 것이 가장 바람직하다.
상술된 바와 같이 기능성 원지에 코로나방전 처리를 하게 되면, 정전처리에 의하여 섬유의 동일 중량 대비 정전기력이 20 내지 50% 상승될 수 있다.
이에 따라, 코로나방전 처리가 된 기능성 원지는 필터로 사용될 경우, 사용 중 장기간 흡착된 미세먼지가 쌓이면서 전하가 소실되어 집진효율이 저하되는 문제를 개선할 수 있다. 즉, 기능성 원지의 정전력이 오래 유지될 수 있는 효과가 있다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 대나무 섬유를 이용한 기능성 원지에 대해 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 대나무 섬유를 이용한 기능성 원지는 대나무펄프 및 목재펄프가 분산된 1차 분산액과 정전섬유, 바인더 및 이온교환수지가 분산된 2차 분산액이 혼합된 후 건조되어 원지 형태로 마련될 수 있다.
대나무펄프는 대나무 잎을 제거한 후 대나무의 대를 세절하거나 칩 형태로 마련하여 대나무의 섬유가 추출된 것일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는 목재펄프와 분산될 수 있는 펄프 형태로 마련될 수 있다.
목재펄프는 목재를 기계적 또는 화학적 처리해 제조된 펄프이다. 목재펄프는 쇄목펄프, 정쇄펄프, 열기계펄프, 황산염펄프, 아황산펄프 및 반화학펄프 등으로 마련될 수 있다.
정전섬유는 정전기가 발생하지 않도록 친수성기를 가진 표면 가공제로 처리한 섬유이다. 정전섬유는 5 내지 7mm, 가장 바람직하게는 6mm 크기의 chop fiber로 마련될 수 있다.
바인더는 비닐론, 아크릴, LMPET 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 LMPET가 사용될 수 있다.
본 발명의 바인더는 전체 원료 대비 10%를 사용하는 것이 바람직하며, 원지의 통기성 및 정전력 저하의 영향을 주지 않는다.
이온교환수지는 미세한 3차원 구조의 고분자에 이온교환기(functional group)를 결합시킨 것으로서, 극성, 비극성 용액 중에 녹아 있는 이온성 불순물을 교환, 정제하여 주는 고분자 물질이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 기능성 원지의 섬유길이는 2.5 내지 3.0mm이며, 바람직하게는 2.5 내지 2.8mm, 가장 바람직하게는 2.6mm이다. 또한, 섬유장은 8 내지 14㎛이며, 바람직하게는 8 내지 12㎛로 마련될 수 있다.
본 발명의 기능성 원지는 필터 절곡을 위하여 평량 150~200g/㎡을 생산한다. 150g/㎡미만일 경우 절곡시 원지가 터질 수 있으며, 200g/㎡이상일 경우 절곡성이 유지되기 어렵다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 대나무 섬유를 이용한 기능성 원지는 상술된 바인더 섬유의 첨가, 고해 및 건조 조건의 조절로 원지의 강도를 개선할 수 있으며, 통기성 및 정전력을 유지할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에서 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
[실시예 1]
팔파에 10톤의 용수와 대나무펄프 50%, 목재펄프 25%를 투입하고 PEO(polyethylene oxide) 하에서 20분 동안 분산시켜 1차 분산액을 제조하였다. 이후 고해설비를 통하여 고해도를 23~4°SR 범위로 고해시키고, 고해된 원료는 원료탱크(교반기)에 이송하였다. 그런 다음 정전섬유 5%, LMPET(저융착사) 10%, 이온교환수지 10%를 나이프비터를 이용하여 2차 분산액을 제조하고, 이송하여 1차 분산액과 혼합하여 1시간 이상 교반시켰다. 교반이 끝나면 120℃에서 건조하였다.
[실시예 2]
팔파에 10톤의 용수와 대나무펄프 50%, 목재펄프 25%를 투입하고 PEO(polyethylene oxide) 하에서 20분 동안 분산시켜 1차 분산액을 제조하였다. 이후 고해설비를 통하여 고해도를 23~4°SR 범위로 고해시키고, 고해된 원료는 원료탱크(교반기)에 이송하였다. 그런 다음 정전섬유 5%, LMPET(저융착사) 10%, 이온교환수지 10%를 나이프비터를 이용하여 2차 분산액을 제조하고, 이송하여 1차 분산액과 혼합하여 1시간 이상 교반시켰다. 교반이 끝나면 120℃에서 건조하였다. 건조 후 55kV 출력으로 5분간 처리하였다.
[비교예 1]
분산제 PAM(polyacrylamide)를 사용한 것을 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 원지를 제조하였다.
[비교예 2]
LMPET(저융착사)를 10% 미만으로 투입하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 원지를 제조하였다.
[비교예 3]
LMPET(저융착사)를 10% 초과하여 투입하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 원지를 제조하였다.
[비교예 4]
고해하는 단계에서 고해도를 23°SR 미만으로 하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 원지를 제조하였다.
[비교예 5]
고해하는 단계에서 고해도를 24°SR 초과하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 원지를 제조하였다.
[실험예 1] 대나무 펄프 회분 평가
대나무 펄프를 575±25℃에서 완전 연소된 회분의 중량을 측정하여 시료의 전건중량에 대한 백분율로 나타내었다. 대나무 펄프 회분측정에 관하여는 ISO 1762, TAPPI T 211 등에 규정되어 있다.
이 때, TGA 시험기를 이용하여 40 내지 600℃까지 승온 시키면서 실시예 1의 대나무 펄프 내의 잔여 회분의 양을 측정하였다.
도 1에 도시된 바와 같이 회분의 양은 약 4.083%로 분석되었다.
[실험예 2] SEM 관찰
실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 기능성 원지를 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 관찰하였다. 도 2는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 기능성 원지의 표면을 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 시료의 표면을 실체영상현미경(Leica)으로 관찰한 결과로, PAM으로 분산시켜 초지한 원지는 대나무펄프와 목재펄프 간에 적절한 지합이 이루어지지 않는 것으로 나타났으며, PEO를 사용한 후 표면 광택성이 높아지고 섬유간의 지합도 양호하게 개선된 것을 확인할 수 있었다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원지 내 섬유길이 및 섬유장을 도시한 것이다. 도 3을 참조하면, 섬유길이는 약 2.6mm, 섬유장은 8 내지 14㎛임을 확인할 수 있었다.
[실험예 3] 기능성 원지의 물성 평가
실시예 1, 비교예 2 내지 5에 따라 제조된 기능성 원지의 물성을 측정하였다. 이때, 평량은 TAPPI T 410 규격에 따라 100㎠ 시료를 10개 이상 채취하여 각각의 무게를 측정한 후 평균값을 구하고, 이를 보정하여(보정값x100) 평량을 측정하였다. 두께는 TAPPI T 411 규격에 따라 이에 맞는 두께 측정기로 원지의 두께를 측정하였다. 인장강도와 신율은 JSI L 1096에 의거하여 만능재료시험기(HS-200A, Hanwon-Soway, Korea)을 이용하여 4회 측정하고 평균내었다. 이때, 인장강도 중 습인장은 종(MD) 방향으로 측정하였다. 투기도는 KSM ISO 5636-1 적용하여 측정하였다.
여과도는 NaCl 에어로졸(aerosol) 시험법에 따라 여과시험을 하였다. NaCl 입자 0.3㎛ 으로 5.3cm/초의 면속도로 시험하였다. 시험장비는 모델 TSI 8130 필터시험기를 사용하여 측정하였다. 이를 시험할 필터를 통과하도록 하여 통과 후의 공기 중에 잔존하는 염화나트륨의 양을 측정하는 방법으로 상기 방법으로 실시하여 여과율을 백분율(%)로 나타내었다.
그 결과는 표 1과 같다
| 평량 (g/m2) |
두께 (μm) |
인장강도 (kgf/cm2) |
신율 (%) |
투기도 (sec) |
여과도 | ||||
| MD | CD | 습인장 | MD | CD | 1장/300cc | ||||
| 실시예 1 | 118.86 | 587.0 | 5.24 | 5.42 | 0.90 | 2.97 | 2.86 | 0.90 | 95.40 |
| 실시예 2 | 118.81 | 585.1 | 5.12 | 5.29 | 0.88 | 3.22 | 2.99 | 0.90 | 98.10 |
| 비교예 2 | 117.10 | 579.4 | 3.95 | 4.85 | 0.75 | 2.47 | 2.08 | 0.78 | 83.12 |
| 비교예 3 | 117.35 | 575.2 | 3.94 | 4.73 | 0.72 | 2.46 | 2.05 | 0.77 | 80.12 |
| 비교예 4 | 118.76 | 583.4 | 4.10 | 5.07 | 0.76 | 2.24 | 1.96 | 0.74 | 85.40 |
| 비교예 5 | 118.76 | 584.4 | 4.12 | 5.10 | 0.74 | 2.56 | 1.95 | 0.73 | 83.10 |
상기 표 1을 통해 알 수 있듯이, 실시예 1 및 실시예 2의 제조방법으로 제조된 기능성 원지는 평량, 두께, 인장강도, 신율, 투기도 부분에서 비교예 2 내지 비교예 5의 제조방법으로 제조된 기능성 원지보다 우수한 것으로 확인되었다.또한, 실시예 2의 제조방법으로 제조된 기능성 원지는 실시예 1의 제조방법으로 제조된 기능성 원지보다 여과도가 더 높은 것으로 확인되었으며, 이로 인해 실시예 2의 제조된 기능성 원지가 실시예 1 및 비교예 2 내지 5의 제조방법으로 제조된 기능성 원지보다 정전력이 높은 것으로 확인되었다.
또한, 비교예 2 및 비교예 3의 제조방법으로 제조된 기능성 원지는 실시예 1의 제조방법으로 제조된 기능성 원지와 달리 인장강도가 저하되었다. 반면, 실시예 1의 제조방법으로 제조된 기능성 원지는 통기성과 정전기력을 확보 및 유지할 수 있었다. 따라서, 바인더는 전체 원료의 10%를 투입하는 것이 바람직하다.
또한, 비교예 4에 따라 제조된 기능성 원지는 원지의 강도가 저하되었고, 비교예 5에 따라 제조된 기능성 원지는 필터용 원지로서 투기도가 저하되었다. 반면, 실시예 1에 따라 제조된 기능성 원지는 원지의 강도, 통기성이 개선되어 필터용 원지로 사용하기에 적합하다. 따라서, 고해단계에서 고해도는 23 내지 24°SR인 것이 바람직하다.
전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (10)
- (a) 대나무펄프 및 목재펄프를 분산시켜 1차 분산액을 형성하는 단계;
(b) 상기 1 차 분산액을 고해시키는 단계;
(c) 정전섬유, 바인더 및 이온교환수지를 분산시켜 2차 분산액을 형성하는 단계;
(d) 상기 고해된 1차 분산액에 2차 분산액을 혼합하여 교반하는 단계; 및
(e) 상기 교반이 완료된 분산액을 건조시켜 기능성 원지를 제조하는 단계;를 포함하는 대나무 섬유를 이용한 기능성 원지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (a) 단계는 분산제를 추가적으로 포함할 수 있으며, 비이온성 고분자인 것을 특징으로 하는 대나무 섬유를 이용한 기능성 원지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (b) 단계는 고해도가 23 내지 24°SR인 것을 특징으로 하는 대나무 섬유를 이용한 기능성 원지의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (c) 단계의 바인더는 비닐론, 아크릴 및 LMPET에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 대나무 섬유를 이용한 기능성 원지의 제조방법.
- 제4항에 있어서,
상기 (c) 단계의 선택된 바인더에 미네랄, PVA수지, EVA를 포함하는 보조바인더가 더 혼합되되,
상기 바인더 100중량부에 있어서, 상기 보조바인더는 5 내지 10중량부인 것을 특징으로 하는 대나무 섬유를 이용한 기능성 원지의 제조방법
- 제1항에 있어서,
상기 (e) 단계 이후,
(f) 상기 기능성 원지에 5 내지 70kV의 인가 전압으로 5 내지 15분간 코로나방전 처리하는 단계를 더 포함하는 대나무 섬유를 이용한 기능성 원지의 제조방법
- 대나무 섬유를 이용한 기능성 원지에 있어서,
대나무펄프 및 목재펄프가 분산된 1차 분산액과 정전섬유, 바인더 및 이온교환수지가 분산된 2차 분산액이 혼합된 후 건조되어 원지 형태로 마련되는 것을 특징으로 하는 대나무 섬유를 이용한 기능성 원지
- 제7항에 있어서,
상기 1차 분산액은,
고해도가 23 내지 24°SR인 것을 특징으로 하는 대나무 섬유를 이용한 기능성 원지.
- 제7항에 있어서,
상기 바인더는 비닐론, 아크릴 및 LMPET에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 대나무 섬유를 이용한 기능성 원지
- 제9항에 있어서,
상기 선택된 바인더에 미네랄, PVA수지, EVA를 포함하는 보조바인더가 더 혼합되는 것을 특징으로 하는 대나무 섬유를 이용한 기능성 원지
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220141307A KR20240060072A (ko) | 2022-10-28 | 2022-10-28 | 대나무 섬유를 이용한 기능성 원지의 제조방법 및 이에 따른 기능성 원지 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR20240060072A true KR20240060072A (ko) | 2024-05-08 |
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ID=91074564
Family Applications (1)
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| KR (1) | KR20240060072A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102380847B1 (ko) | 2021-09-13 | 2022-04-01 | 주식회사 엔바이오니아 | 항균성, 생분해성 및 발수성을 갖는 에어필터용 여재 및 그 제조방법 |
-
2022
- 2022-10-28 KR KR1020220141307A patent/KR20240060072A/ko unknown
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