WO2017111317A1 - 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터 및 그 제조방법 - Google Patents

나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
WO2017111317A1
WO2017111317A1 PCT/KR2016/013253 KR2016013253W WO2017111317A1 WO 2017111317 A1 WO2017111317 A1 WO 2017111317A1 KR 2016013253 W KR2016013253 W KR 2016013253W WO 2017111317 A1 WO2017111317 A1 WO 2017111317A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
nanofiber
composite fiber
fiber yarn
nonwoven fabric
filter
Prior art date
Application number
PCT/KR2016/013253
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
김찬
이승훈
장선호
조준근
석종수
소윤미
Original Assignee
주식회사 아모그린텍
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 아모그린텍 filed Critical 주식회사 아모그린텍
Priority to CN201680072663.1A priority Critical patent/CN108472566B/zh
Priority to US16/064,155 priority patent/US11103817B2/en
Publication of WO2017111317A1 publication Critical patent/WO2017111317A1/ko

Links

Images

Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H1/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
    • D04H1/70—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres
    • D04H1/72—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged
    • D04H1/728—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres characterised by the method of forming fleeces or layers, e.g. reorientation of fibres the fibres being randomly arranged by electro-spinning
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D39/00—Filtering material for liquid or gaseous fluids
    • B01D39/02—Loose filtering material, e.g. loose fibres
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D24/00—Filters comprising loose filtering material, i.e. filtering material without any binder between the individual particles or fibres thereof
    • B01D24/007—Filters comprising loose filtering material, i.e. filtering material without any binder between the individual particles or fibres thereof with multiple filtering elements in series connection
    • B01D24/008—Filters comprising loose filtering material, i.e. filtering material without any binder between the individual particles or fibres thereof with multiple filtering elements in series connection arranged concentrically or coaxially
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D24/00—Filters comprising loose filtering material, i.e. filtering material without any binder between the individual particles or fibres thereof
    • B01D24/02—Filters comprising loose filtering material, i.e. filtering material without any binder between the individual particles or fibres thereof with the filter bed stationary during the filtration
    • B01D24/10—Filters comprising loose filtering material, i.e. filtering material without any binder between the individual particles or fibres thereof with the filter bed stationary during the filtration the filtering material being held in a closed container
    • B01D24/16—Upward filtration
    • B01D24/165—Upward filtration the filtering material being supported by pervious surfaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D27/00—Cartridge filters of the throw-away type
    • B01D27/04—Cartridge filters of the throw-away type with cartridges made of a piece of unitary material, e.g. filter paper
    • B01D27/06—Cartridge filters of the throw-away type with cartridges made of a piece of unitary material, e.g. filter paper with corrugated, folded or wound material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D29/00—Filters with filtering elements stationary during filtration, e.g. pressure or suction filters, not covered by groups B01D24/00 - B01D27/00; Filtering elements therefor
    • B01D29/01—Filters with filtering elements stationary during filtration, e.g. pressure or suction filters, not covered by groups B01D24/00 - B01D27/00; Filtering elements therefor with flat filtering elements
    • B01D29/016—Filters with filtering elements stationary during filtration, e.g. pressure or suction filters, not covered by groups B01D24/00 - B01D27/00; Filtering elements therefor with flat filtering elements with corrugated, folded or wound filtering elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D39/00—Filtering material for liquid or gaseous fluids
    • B01D39/14—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material
    • B01D39/16—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material of organic material, e.g. synthetic fibres
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D39/00—Filtering material for liquid or gaseous fluids
    • B01D39/14—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material
    • B01D39/16—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material of organic material, e.g. synthetic fibres
    • B01D39/1607—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material of organic material, e.g. synthetic fibres the material being fibrous
    • B01D39/1623—Other self-supporting filtering material ; Other filtering material of organic material, e.g. synthetic fibres the material being fibrous of synthetic origin
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D02—YARNS; MECHANICAL FINISHING OF YARNS OR ROPES; WARPING OR BEAMING
    • D02G—CRIMPING OR CURLING FIBRES, FILAMENTS, THREADS, OR YARNS; YARNS OR THREADS
    • D02G3/00—Yarns or threads, e.g. fancy yarns; Processes or apparatus for the production thereof, not otherwise provided for
    • D02G3/22—Yarns or threads characterised by constructional features, e.g. blending, filament/fibre
    • D02G3/26—Yarns or threads characterised by constructional features, e.g. blending, filament/fibre with characteristics dependent on the amount or direction of twist
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D02—YARNS; MECHANICAL FINISHING OF YARNS OR ROPES; WARPING OR BEAMING
    • D02G—CRIMPING OR CURLING FIBRES, FILAMENTS, THREADS, OR YARNS; YARNS OR THREADS
    • D02G3/00—Yarns or threads, e.g. fancy yarns; Processes or apparatus for the production thereof, not otherwise provided for
    • D02G3/44—Yarns or threads characterised by the purpose for which they are designed
    • D02G3/447—Yarns or threads for specific use in general industrial applications, e.g. as filters or reinforcement
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2239/00—Aspects relating to filtering material for liquid or gaseous fluids
    • B01D2239/02—Types of fibres, filaments or particles, self-supporting or supported materials
    • B01D2239/025—Types of fibres, filaments or particles, self-supporting or supported materials comprising nanofibres
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2239/00—Aspects relating to filtering material for liquid or gaseous fluids
    • B01D2239/06—Filter cloth, e.g. knitted, woven non-woven; self-supported material
    • B01D2239/0604—Arrangement of the fibres in the filtering material
    • B01D2239/0631—Electro-spun
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2239/00—Aspects relating to filtering material for liquid or gaseous fluids
    • B01D2239/06—Filter cloth, e.g. knitted, woven non-woven; self-supported material
    • B01D2239/069—Special geometry of layers
    • B01D2239/0695—Wound layers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2239/00—Aspects relating to filtering material for liquid or gaseous fluids
    • B01D2239/10—Filtering material manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2239/00—Aspects relating to filtering material for liquid or gaseous fluids
    • B01D2239/12—Special parameters characterising the filtering material
    • B01D2239/1216—Pore size
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D24/00—Filters comprising loose filtering material, i.e. filtering material without any binder between the individual particles or fibres thereof
    • B01D24/02—Filters comprising loose filtering material, i.e. filtering material without any binder between the individual particles or fibres thereof with the filter bed stationary during the filtration
    • B01D24/10—Filters comprising loose filtering material, i.e. filtering material without any binder between the individual particles or fibres thereof with the filter bed stationary during the filtration the filtering material being held in a closed container
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D24/00—Filters comprising loose filtering material, i.e. filtering material without any binder between the individual particles or fibres thereof
    • B01D24/02—Filters comprising loose filtering material, i.e. filtering material without any binder between the individual particles or fibres thereof with the filter bed stationary during the filtration
    • B01D24/10—Filters comprising loose filtering material, i.e. filtering material without any binder between the individual particles or fibres thereof with the filter bed stationary during the filtration the filtering material being held in a closed container
    • B01D24/12—Downward filtration, the filtering material being supported by pervious surfaces
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2505/00—Industrial
    • D10B2505/04—Filters

Definitions

  • the present invention relates to a cartridge filter using a nanofiber composite fiber yarn containing nanofibers produced by the electrospinning method and a method of manufacturing the same.
  • Precision filtration cartridge filters are widely used as process filters in electronic materials such as semiconductors, automotive industry, food and beverage manufacturing, various pigment and paint industries, waste water, and water purification.
  • Liquid filtration filters are manufactured by various materials and methods, and may be classified into screen filtration and depth filtration according to the generation area where contaminant particles, which are the filtration target substances, are filtered.
  • particle filtration occurs at the filter surface according to the pore size of the filter, and in the case of deep filtration, the particles to be collected are collected and collected in an irregularly arranged fiber assembly along a depth direction having a density gradient. Is generated.
  • Depth filtration is not uniform because of pore size compared to surface filtration, but the filtration efficiency is not constant, but in the filtration process with high particle concentration and viscosity, it is widely used as a pre-filter for surface filtration due to its relatively long service life and treatment capacity. Is being used.
  • the cartridge filter is a circular housing that is surrounded by a large number of filter media in the central perforated core.
  • the flow of flow flows through the filter medium from the outside of the filter and through the core inside or outside the center. At this time, the suspended solids are removed from the outer surface of the filter element and in the case of depth filtration, because they accumulate between the gaps in the filter medium.
  • the cartridge filter can also open the housing to facilitate cartridge filter change.
  • Cartridge filter elements are largely manufactured in the form of accessories such as rings, discs, yarns, and the like, and those in which the filter media is manufactured in a semi-finished or finished state.
  • the product consists of several layers, wound around a central core, with a slight angle to each layer.
  • the filter media there is a form that is manufactured in a constant size to match the core inside the center of the elements. Therefore, products manufactured in the form of short-fiber nonwovens, spun-bonded or membranes can be cut to a certain size, crimped or in the form of a central core while retaining a suitable protective mesh material. It is made in the form of winding around a central core.
  • the cartridge filter element is sprayed so that the mixture of the filter and the resin has the thickness required on the core surface, and then heats the resin to a resin-bonded cartridge. It may be produced.
  • the cartridge filter consists of a central core part, a filter part with supporting mesh and spacers, and an end cap part.
  • Elements of a yarn or string winding are the most common in the liquid filtration process and have the advantage that the filtration action is performed not only in the space between the individual fiber yarns but also in the spaces between the individual fibers made of the fiber yarns.
  • the pores are not uniform, and in particular, pieces of fiber yarn are transferred to the treated water.
  • the diameter of the fiber is composed of several tens to several tens of micrometers. There was some limitation in the removal efficiency and collection amount (filter life), and the price was relatively low.
  • the nanofibers produced by electrospinning are made of a thin film nonwoven fabric in the form of a web despite the limitless application possibilities due to its wide range of materials and pore control. There has been a limitation of the application.
  • a filter in the case of application as a filter, it is used as a liquid filter element that has increased the filtration area with a spiral wound or a pleated filter because it is complexed with a nonwoven fabric or manufactured in a multilayer structure.
  • nanofibers when nanofibers are applied in the form of non-woven fabrics, the surface filtration due to the surface pore structure of the nanofibers only increases the filtration area to spiral wound or bent form, which is excellent in terms of efficiency but causes pressure loss, resulting in an overall operating cost of the filter system. Will rise.
  • a conventional deep filter for filtration of liquid is a cylindrical core composed of a bicomponent composite fiber nonwoven fabric and positioned at an inner center, as disclosed in Korean Patent Application Publication No. 10-2012-0078147 (July 10, 2012). It consists of the laminated body wound around the filter medium which consists of a support body and a nonwoven fabric.
  • Such a deep filter for liquid filtration has a problem in that it is difficult to manufacture an average pore size of less than 1 ⁇ m due to the nature of the nonwoven fabric because the filter material composed of a support and a nonwoven fabric is wound around the core, and thus, precise filtering is difficult.
  • an object of the present invention is to manufacture a composite fiber yarn by laminating the nanofiber web prepared by the electrospinning method to a porous substrate, and winding the composite fiber yarn to the core, it is possible to maintain an average pore size of less than 1 ⁇ m It is to provide a multi-layer cartridge filter and a method of manufacturing the same using nanofiber composite fiber yarn capable of precise filtering.
  • Another object of the present invention is to prepare a filter based on nanofibers produced by the electrospinning method to provide a multilayer cartridge filter using a nanofiber composite fiber yarn which can improve the filter efficiency and extend the filter life, and a method of manufacturing the same. It is.
  • Another object of the present invention is to use a composite fiber yarn twisted with nanofibers, using the space between the fibers and the space between the nanofibers can significantly increase the filtration area and improve the amount of trapping nanofibers It is to provide a multi-layer cartridge filter and a manufacturing method using a composite fiber yarn.
  • Still another object of the present invention is to provide a multilayer cartridge filter using nanofiber composite fiber yarn which can improve performance and lifespan of a conventional filtrate filter by winding a nanofiber based composite fiber yarn on a conventional deep filtration filter, and a method of manufacturing the same. It is.
  • the cartridge filter of the present invention includes a core in which a plurality of holes through which a liquid passes, and a filter material wound on the core to collect a filtration object contained in the liquid, and the filter medium Includes a composite fiber yarn in which a nanofiber web in which nanofibers are produced by an electrospinning method is laminated on a porous nonwoven fabric /
  • the composite fiber yarns may use nanofiber composite fiber yarns having an average pore size of less than 1 ⁇ m.
  • the composite fiber yarn may be manufactured by slitting a nanofiber composite membrane in which a nanofiber web in which nanofibers are accumulated is laminated on a porous substrate, to prepare a nanofiber tape yarn, and twist a plurality of nanofiber tape yarns.
  • the filter medium may have a plurality of filter media having different average pore sizes stacked thereon, and the plurality of filter media may be stacked with a larger average pore size as they are wound closer to the core.
  • the filter medium may include a porous member wound on an outer surface of the core, and a composite fiber yarn laminated on a porous nonwoven fabric with a nanofiber web on which a nanofiber accumulated on the outer surface of the porous member and manufactured by an electrospinning method is accumulated.
  • the porous member may be any one of PP, PE, PP / PE, PET, natural fiber, glass fiber, and acrylic fiber yarn.
  • the filter medium is a porous member wound on the outer surface of the core, a first nonwoven fabric wound on the outer surface of the porous member, a nanofiber accumulated on the outer surface of the first nonwoven fabric and nanofibers produced by an electrospinning method It may comprise a composite fiber yarn in which the web is laminated to a porous nonwoven fabric.
  • the first nonwoven fabric may be a spun bond nonwoven fabric or a thermal bond nonwoven fabric which is formed into a web form by spinning any one of PP, PE, PP / PE, and PET.
  • the filter medium may be wound around an outer surface of the core, a porous member wound on an outer surface of the core, a first nonwoven fabric wound on an outer surface of the porous member, a second nonwoven fabric wound on an outer surface of the first nonwoven fabric, and an outer surface of the second nonwoven fabric. It may include a composite fiber yarn in which the nanofiber web accumulated nanofibers produced by the electrospinning method is laminated on a porous nonwoven fabric.
  • a melt blown nonwoven fabric formed by spinning synthetic polymer may be used as the second nonwoven fabric.
  • the cartridge filter manufacturing method of the present invention comprises the steps of preparing nanofibers by an electrospinning method, accumulating the nanofibers to form nanofiber webs, and laminating the nanofiber webs and a porous nonwoven fabric to produce a nanofiber composite membrane. And slitting the nanofiber composite membrane to prepare nanofiber tape yarn, flamming the nanofiber tape yarn to prepare composite fiber yarn, and winding the composite fiber yarn to a core. It includes.
  • It may further include a post-treatment step of hot stretching or heat setting to prevent the twisting of the composite fiber yarn.
  • a fixed pore structure may be implemented.
  • the method of manufacturing the nanofiber tape company manufactures a slitting roll by first slitting the nanofiber composite membrane, and manufactures a nanofiber tape company having a width smaller than that of the slitting roll by second slitting the slitting roll. can do.
  • the multilayer cartridge filter of the present invention manufactures a composite fiber yarn by laminating the nanofiber web prepared by the electrospinning method onto a porous substrate, and winding the composite fiber yarn in multiple layers on the core, thereby reducing the average pore size. It can be kept below 1 ⁇ m, enabling precise filtering.
  • nanofibers produced by the electrospinning method can improve the filter efficiency and extend the filter life.
  • the space between the fiber yarns and the space between the nanofibers can be significantly increased and the collection amount can be improved.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a cartridge filter according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a composite fiber yarn according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view of the cartridge filter according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the cartridge filter according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the cartridge filter according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a sectional view of the cartridge filter according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a process flowchart showing a method for manufacturing a composite fiber yarn of a cartridge filter according to the present invention.
  • Figure 8 (A) is a photograph of a rolled nanofiber composite membrane, (B) is a photograph showing a process of primary slitting the nanofiber composite membrane, (C), (D) is a scanning electron microscope of nanofiber tape Photograph (E) is a photograph showing the second slitting process of the first slitting roll-type nanofiber composite membrane.
  • 9A is a photograph of a composite fiber yarn wound on a roll, and (B) is a scanning electron micrograph of the composite fiber yarn.
  • FIG. 11 is a photograph of a cartridge filter mounted on a housing according to the present invention.
  • FIG. 12 is a graph showing the filter efficiency according to the particle size of the cartridge filter according to the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a cartridge filter according to a first embodiment of the present invention.
  • a cartridge filter according to a first embodiment of the present invention includes a core 10 having a plurality of holes 12 through which liquid passes, and wound around the core 10 to be contained in the liquid. It includes a fiber yarn type filter medium 20 for collecting the filtration object.
  • the core 10 may have a cylindrical shape and covers may be mounted at both ends of the open shape, and the cover may be provided with a discharge port through which the filtered liquid is discharged.
  • the filter medium 20 accumulates the nanofibers produced by the electrospinning method to form the nanofiber web 32, and the nanofiber web 32 is laminated on the porous nonwoven fabric 34. It includes a composite fiber yarn 30 produced.
  • the composite fiber yarn 30 produces nanofibers by an electrospinning method, accumulates the nanofibers to form a nanofiber web 32 having an average pore size of less than 1 ⁇ m, and the nanofiber web 32 is a porous nonwoven fabric.
  • the nanofiber composite membrane thus manufactured is slitted to produce a nanofiber tape yarn, and a plurality of nanofiber tape yarns are twisted to form a composite fiber yarn 30.
  • the porous nonwoven fabric 34 may be any one of a melt-blown nonwoven fabric, a spun bond nonwoven fabric, a thermal bond nonwoven fabric, a chemical bond nonwoven fabric, and a wet-laid nonwoven fabric.
  • the nanofiber web 32 mixes an electrospinable polymer material and a solvent at a predetermined ratio to form a spinning solution, and spins the spinning solution by an electrospinning method to produce nanofibers, and nanofibers are accumulated to form fine pores. It is formed to have.
  • polymer material used in the present invention electrospinning is possible, for example, synthetic and natural polymers may be used, and these polymers may be used alone or in combination of two or more.
  • the filter material of the present invention is polyacrylonitrile (PAN), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyester sulfone (PES: Polyester Sulfone), polystyrene (PS), polyvinyl chloride (PVC) , Poly vinychloride), polycarbonate (PC, Poly carbonate), polyurethane (PU, polyurethane), etc.
  • PAN polyacrylonitrile
  • PVdF polyvinylidene fluoride
  • PAN polyacrylonitrile
  • PVdF polyacrylonitrile
  • PVdF polyacrylonitrile
  • PVdF polyacrylonitrile
  • TPU Thermoplastic Polyurethane
  • a nozzle-mounted upward type, a downward type, and a nozzleless type that can be radiated without a nozzle are available, and can be used for electric spraying, centrifugal electrospinning, air electrospinning, flash electrospinning, pulse electrospinning, Any one of the bubble electrospinning methods may be used.
  • the thickness of the nanofiber web 32 is determined according to the radiation amount of the polymer material. Therefore, there is an advantage that it is easy to make the thickness of the nanofiber web 32 to the desired thickness. That is, if the radiation amount of the polymer material is reduced, the thickness of the nanofiber web 32 can be made thin.
  • the filtering precision can be adjusted by adjusting the nanofiber web 32 to various thicknesses according to the purpose of the cartridge filter.
  • the diameter of the nanofibers is in the range of 0.1 to 1.0 mu m, and the average pore size is preferably less than 1 mu m.
  • the cartridge filter according to the second embodiment includes a core 10 formed with a plurality of holes 12 through which liquid can pass, and wound around an outer surface of the core 10 and included in the liquid. And a filter medium 40 which collects the filtered object to be stacked and is stacked in a plurality of layers.
  • the filter medium 40 according to the second embodiment is the same as the filter medium 20 described in the first embodiment, except that a plurality of filter media having different average pore sizes are sequentially stacked on the outer surface of the core 10. . That is, since the nanofiber web 32 of the present invention can be produced in a different average pore size, each of the nanofiber web 32 has a plurality of filter media having a different average pore size are sequentially produced in the core 10 It is prepared by laminating.
  • the filter medium 40 may include a first filter material 42 stacked on the outer surface of the core 10 and a second filter material 44 stacked on the outer surface of the first filter material 42.
  • the average pore size of the first filter material 42 is larger than the average pore size of the second filter material 44. That is, the first filter material 42 wound close to the core 10 has a large average pore size, and the second filter material 44 wound away from the core 10 has a small average pore size and is formed at the core 10. As the distance increases, the average pore size of the filter medium gradually decreases.
  • a plurality of filter media having different average pore sizes may be sequentially stacked on the core 10 to improve the collection performance of the filtering object.
  • the filter medium 50 has a porous member 52 wound around the outer surface of the core 10, and wound around the outer surface of the porous member 52 and by an electrospinning method.
  • the composite includes a composite fiber yarn 30 in which the nanofiber web 32 in which the nanofibers are accumulated is laminated on the porous nonwoven fabric 34.
  • the composite fiber yarn 30 is the same as the composite fiber yarn 30 described in the first embodiment, and the porous member 52 is any one of PP, PE, PE / PP, PET, natural fiber, glass fiber, and acrylic fiber yarn. One can be used.
  • the porous member 52 is laminated on the inner surface of the composite fiber yarn 30, thereby enhancing the strength of the filter medium.
  • the filter medium 60 includes a porous member 52 wound on an outer surface of the core 10 and a first nonwoven fabric 62 wound on an outer surface of the porous member 52. ) And a composite fiber yarn 30 wound on an outer surface of the first nonwoven fabric 62.
  • the porous member 52 and the composite fiber yarn 30 are the same as the porous member 52 and the composite fiber yarn 30 described in the third embodiment.
  • the first nonwoven fabric 62 may be a spun bond nonwoven fabric or a thermal bond nonwoven fabric formed by spinning PP, PE, PP / PE, and PET in the form of a web.
  • the filter medium 70 includes a porous member 52 wound on an outer surface of the core 10 and a first nonwoven fabric wound on an outer surface of the porous member 52. 62), a second nonwoven fabric 72 wound on the outer surface of the first nonwoven fabric 62, and a nanofiber web in which the nanofibers wound on the outer surface of the second nonwoven fabric 72 and manufactured by an electrospinning method are accumulated.
  • stacked the 32 to the porous nonwoven fabric 34 is included.
  • the first nonwoven fabric 62 may be a spun bond nonwoven fabric or a thermal bond nonwoven fabric formed in a web form by spinning PP, PE, PE / PP, PET, and a second nonwoven fabric.
  • 72 may be a melt blown nonwoven fabric formed by spinning synthetic polymer.
  • FIG. 7 is a process flow chart showing a method for producing a composite fiber yarn of the present invention.
  • the nanofiber web 32 is formed by the electrospinning method (S10).
  • the polymer and the solvent are mixed in a predetermined ratio to prepare an electrospinable spinning solution.
  • the polymer material is not particularly limited as long as it is a polymer in which nanofibers are formed by electrospinning thermosetting or thermoplastic polymers.
  • the content of the high molecular material is about 5 to 50% by weight, and less than 5% by weight is difficult to form a membrane by spraying onto beads rather than forming nanofibers, and more than 50% by weight.
  • the viscosity of the spinning solution is so high that it is difficult to form fibers due to poor spinning properties. Therefore, the spinning solution is not particularly limited, but it is preferable to control the morphology of the fiber to a concentration that is easy to form a fibrous structure.
  • the spinning solution is transferred to a spin pack.
  • a high voltage device is used to apply a voltage to the spinning pack to perform electrospinning.
  • the voltage used can be adjusted to 0.5KV to 100KV, the collector (collector) can be grounded or charged to the (-) pole.
  • a suction collector it is preferable to attach a suction collector to facilitate the concentration of fibers during spinning.
  • the distance between the spin pack and the collector is preferably adjusted to 5 ⁇ 50 cm.
  • the discharge amount during spinning is uniformly discharged using a metering pump to spin, and it is preferable to spin in an environment with a relative humidity of 30 to 80% in a chamber that can control temperature and humidity during spinning.
  • the nanofiber web 32 is formed by electrospinning the nanofibers on one surface of the transfer sheet in which the spinning solution is transferred along the collector on the lower side by using the electrospinning method. do.
  • the nanofiber web 32 collected in the transfer sheet has three-dimensional micropores in which nanofibers are accumulated.
  • the thin film nanofiber web itself is made of poor handleability, low tensile strength, it is difficult to carry out the drying, calendering and rolling process while being transported at high speed. In addition, it is difficult to carry out the subsequent processes at high speed and continuously after fabricating the nanofiber web, but when using the above-described transfer sheet, it is possible to greatly improve the processing speed by providing sufficient tensile strength.
  • the prepared nanofiber web is calendered to implement a fixed pore structure (Fix Pore Structure) to form a bond between nanofibers.
  • a fixed pore structure Fix Pore Structure
  • the calendaring is performed at 100 °C ⁇ 200 °C, 0.5 ⁇ 1.5 Kgf / cm2 conditions.
  • the nanofiber web 32 is laminated on the porous nonwoven fabric 34 to prepare a nanofiber composite membrane (S20).
  • the nanofiber web 32 is laminated to the porous nonwoven fabric 34 by various methods such as pressing, rolling, thermal bonding, ultrasonic bonding, calender bonding, and the like to prepare a nanofiber composite membrane to have a basis weight of 0.5 to 100 gsm.
  • Laminating may be carried out with a heat treatment, it is preferable to carry out in a temperature range of 50 to 250 °C that the polymer used is not melted. If less than 50 °C heat treatment temperature is too low fusion between the nanofiber web and the porous nonwoven fabric is unstable, the slitting is likely to not proceed smoothly in the production of the subsequent composite fiber tape. In addition, when the heat treatment temperature exceeds 250 ° C., the polymer constituting the nanofibers may melt and lose the fibrous structure, which is not preferable.
  • the nanofiber composite membrane is slitted to manufacture a nanofiber tape yarn (S30).
  • the nanofiber composite membrane is manufactured in a roll shape wound on a roll, as shown in FIG. 8 (A).
  • the width of the nanofiber composite membrane manufactured in roll shape can be variously manufactured to 500 ⁇ 2,000mm depending on the spinning equipment, but the length is about 500M.
  • the rolled nanofiber composite membrane is first sled with the bobbin to fit the precision slitter width to form a plurality of slitting rolls as shown in FIG. 8 (B).
  • a plurality of primary slitting rolls are subjected to a secondary slitting operation in a precision slitter such as a cutter or a slitter to produce a composite fiber tape yarn having a width of 0.1 to 5 mm.
  • the composite fiber tape yarns are twisted using S yarns or the like, as shown in FIG. 8 (E), to produce composite yarns (S40).
  • the composite fiber tape yarn is given a twist (S lead) or a left edge (Z lead) to the plurality of composite fiber tape yarns through the twisting yarns to impart twist to the composite fiber tape yarns.
  • the twisting (T / M twisting / meter) needs to be carried out by the deduction yarn of 500 or less or the extreme steel yarn of 2500 or more to suit the polymer type or the end purpose.
  • the prepared composite fiber yarn may be subjected to post-treatment such as heat drawing and heat setting so as not to loosen the twist or impart a strong drawing force.
  • post-treatment such as heat drawing and heat setting so as not to loosen the twist or impart a strong drawing force.
  • various methods such as hot stretching and cold stretching can be used, and heat setting is preferably used in a temperature range where the kinks do not loosen depending on the material used.
  • Preferred thermal stretching and heat setting are carried out in a temperature range between the glass transition temperature (Tg) and the melting temperature (Tm) of the polymer used.
  • the thermal stretching and heat setting process can be carried out not only in the post-process of complex combustion but also in the entire process.
  • PVdF Polyvinylidene fluoride
  • the spinning solution is moved to the spinning pack of the electrospinning apparatus so that the applied voltage is 100kV, the distance between the spinning nozzle and the collector is 20cm, the discharge amount is 20 ⁇ l / hole per minute, and the electrospinning is performed in the spinning atmosphere with a relative humidity of 60%.
  • a nanofiber web having a weight of 3 gsm and a pore size of 1 ⁇ m was prepared.
  • Nanofiber web thus obtained is calendered at 150 ° C and 1Kgf / cm 2 to form bonds between nanofibers to realize a fixed pore structure, and a PP / PE spunbond nonwoven fabric at 130 ° C and 1Kgf / cm 2.
  • Nanofiber composite membranes were prepared by lamination.
  • the nonwoven fabric used was PP / PE spunbond with a thickness of 160 ⁇ m and 40 gsm, thereby obtaining a composite nanofiber roll having a width of 1.7 m and a length of 300 m as shown in FIG. 8 (A).
  • PVdF membrane (Comparative Example 1) having a pore size of 1 ⁇ m manufactured by Phase-separation of Merck-Millipore as a control (Comparative Example 1)
  • H & V Melting-blown media (Comparative Example 2) having a pore size of 1 ⁇ m from Hollingsworth & Vose Company was used.
  • the nanofiber composite membrane of Example 1 according to the present invention has an average pore size of 1.0 ⁇ m and a maximum pore size of 1.3 ⁇ m, which is equivalent to the commercially available filter membranes of Comparative Examples 1 and 2. It was found to have a narrow pore size distribution.
  • the nanofiber composite membrane of Example 1 according to the present invention was measured to have a ventilation of 2.5cfm@125Pa, and has a very good ventilation when compared to the commercialized filter membrane of Comparative Examples 1 and 2 Appeared.
  • FIG. 8 (C) and 8 (D) Scanning electron micrographs of the composite fiber tape yarn obtained by the method of Example 2 are shown in Figs. 8 (C) and 8 (D).
  • the average diameter of the PVdF nanofibers on the surface is composed of about 300nm, it was confirmed that the average pore grade was formed in the same manner as the PMI analysis of Example 1.
  • FIG. 8 (D) a scanning electron micrograph of a PE / PP spunbond nonwoven fabric composited with nanofibers, a 10 ⁇ m diameter polyolefin-based fiber randomly inter-fiber fusion occurs to the nanofibers. It was confirmed that a large pores were formed.
  • FIG. 9 (A) shows a photograph of a composite fiber yarn
  • FIG. 9 (B) shows a scanning electron micrograph of a surface of a composite fiber yarn.
  • Example 3 Winding a composite fiber yarn on a core
  • the composite fiber yarn prepared by the method of Example 2 was wound around a cylindrical core wound by 50% of the PP tow yarn to produce a filter element having a 2-layer shape as shown in FIG. 10.
  • the size of the filter element was such that the inner diameter 30mm, outer diameter 63mm, length 250mm.
  • the filter element was manufactured by combining the fabricated filter element with a housing made of PP as shown in FIG. 11. 3 is shown.
  • Example 3 Comparative Example 3 #One #2 Ave. #One #2 Ave. 5 0.02 0.02 0.02 0.00 0.02 0.01 10 0.06 0.06 0.06 0.04 0.06 0.05 15 0.14 0.15 0.14 0.10 0.13 0.11 20 0.24 0.25 0.24 0.20 0.21 0.20 25 0.40 0.38 0.39 0.33 0.32 0.32 30 0.51 0.51 0.51 0.42 0.43 0.43
  • Table 4 shows the relationship between the cake collection amount and the differential pressure according to the flow rate.
  • the test flow rate was 15 L / min, once / 30 g / 5 minutes, and used pollutant particles: Carborundum # 600.
  • Example 3 Comparative Example 3 0 0.12 0.10 10 0.15 0.10 20 0.17 0.10 30 0.22 0.11 60 0.35 0.11 90 0.51 0.12 120 0.67 0.13
  • Example 3 The filter efficiency according to the measured particle size is shown in Table 5 and the graph of FIG. As shown in Table 5, the case of Example 3 was found to be excellent overall filter efficiency compared to Comparative Example 3. Such a result is interpreted as the result shown that Example 3 containing the composite nanofiber fiber yarn has a larger surface area. Particularly, as shown in the graph of FIG. 12, in the case of the fine particles having a particle size of less than 20 ⁇ m, Example 3 including the composite nanofiber fiber yarn showed superior filter efficiency compared to Comparative Example 3. These results show that when the multi-layer cartridge filter is employed as in Example 3, particles of various sizes can be removed simultaneously with a single filter, and the energy and space required for the filter operation used as the process filter can be drastically lowered. It seems to be.
  • the present invention is widely used as a process filter in all industries including electronic materials such as semiconductors, automobile industry, food and beverage manufacturing, various pigment and paint industries, waste water, water purification, etc. Precise filtering is possible using the composite fiber yarn manufactured by lamination as a filter agent.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Filtering Materials (AREA)
  • Nonwoven Fabrics (AREA)

Abstract

본 발명의 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터는 액체가 통과하는 복수의 구멍이 형성되는 코어와, 상기 코어에 권선되어 액체에 포함된 여과 대상물을 포집하는 여과재를 포함하고 여과재는 전기방사방법에 의해 제조되는 나노섬유가 축적된 나노섬유 웹을 다공성 부직포에 합지한 복합 섬유사를 포함하여 내구성이 뛰어나고 여과성능을 향상시킨다.

Description

나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터 및 그 제조방법
본 발명은 전기방사 방법으로 제조되는 나노섬유가 포함된 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
산업의 고도화 및 복잡화에 따라 다양한 용도의 액체필터가 요구되고 있으며, 탈부착이 용이한 정밀여과용 카트리지 필터(cartridge filter)의 수요가 대폭적으로 증가하고 있다. 정밀여과용 카트리지 필터는 반도체 등 전자재료, 자동차 산업, 식음료 제조, 각종 안료 및 페인트 산업, 오폐수, 정수 등 전 산업 분야에서 공정용 필터로서 광범위하게 사용되고 있다.
액체여과용 필터는 다양한 소재와 방법으로 제조되고 있으며, 여과대상물질인 오염입자가 여과되는 발생부위에 따라 표면여과(screen, surface filtration)와 심층여과(depth filtration)로 구분할 수 있다. 표면여과는 필터의 기공 사이즈(pore size)에 따라 필터표면에서 입자여과가 발생되며, 심층여과는 밀도 구배를 가진 두께방향(depth)에 따라 불규칙하게 배열된 섬유집합체에 포집대상 입자들이 포집되어 여과가 발생된다. 심층여과는 표면여과에 비해 기공의 크기가 불균일하여 여과효율이 일정하지 않으나 입자의 농도와 점도가 높은 여과공정에서는 상대적으로 긴 사용시간과 처리용량으로 인해 표면여과의 전처리 필터(pre filter)로서 광범위하게 사용되고 있다.
카트리지 필터(cartridge filter)는 원형의 하우징(housing) 형태로 천공구조의 중심부(central perforated core)에 수많은 여과재(filter media)로 둘러싸여 있는 구조이다. 유량의 흐름은 필터의 외부에서 여과재를 거쳐 중심부의 코어 내부나 외부를 통해 흐르게 된다. 이때 부유성 고형물질들은 필터 엘리먼트(filter element)의 외부 표면, 심층 여과(depth filtration)의 경우, 여과재 내부 틈새 사이사이에 축적됨으로 인해 제거기능이 일어난다. 또한 카트리지 필터는 하우징을 개방해서 카트리지 필터 교환을 쉽게 할 수 있다.
카트리지 필터용 엘리먼트는 크게 링(rings), 디스크(discs), 섬유사(yarns) 등의 부속품 상태로 제작되는 것과 섬유사 미디어(filter media)가 반제품 내지는 완제품 상태로 제작되는 것들이 있다.
부속품 상태로 제작되는 것들은 완제품 엘리먼트 상태로 조립이 이루어졌을 때 여과성능이 가능하며, 링(rings) 형태는 사이사이에 좁은 공간(narrow space)과 함께 적층된 스택(stack) 형태로 조립되며 섬유사(yarns) 제품은 여러 개의 층(successive layers)으로 중앙의 코어에 감겨있는 상태로 각층별로 약간의 각도를 가지고 권선이 이루어져 있다.
섬유사 미디어(filter media)의 경우, 엘리먼트(elements) 중앙 내부의 코어(core)와 일치되도록 일정한 크기로 제작되는 형태가 있다. 따라서 단섬유 부직포, 장섬유 부직포(spun-bonded) 혹은 멤브레인(membrane) 형태로 제작되는 제품은 적절한 보호용 메시 재질(mesh material)을 유지한 채 일정한 크기로 잘리거나, 주름진 형태로 되거나, 중앙의 코어(central core) 주위로 권선되는 형태로 만들어진다.
그리고, 카트리지 필터용 엘리먼트는 필터와 레진(resin)의 혼합물질이 코어(core)표면에 필요로 하는 두께를 갖도록 분사된 후 레진(resin)에 열을 가하여 레진접합 카트리지(resin-bonded cartridge)로 제작되는 경우도 있다. 그리고, 용융분사(melt-blown)방법에 의해 직접 방사된 섬유를 회전하면서 나권(spiral wound)하여 원통형으로 필터를 만드는 방식도 있다.
카트리지 필터는 중앙의 코어(core) 부품, 지지용 메시(supporting mesh) 및 스페이서( spacers)를 가진 필터 부품 그리고 앤드캡 부품으로 구성된다.
섬유사(yarn 또는 string) 권선의 엘리먼트는 액상 여과 공정에서 가장 보편적인 것으로 개별 섬유사 사이의 공간뿐만 아니라 섬유사로 이루어진 개별 섬유(fiber) 사이의 공간에서 여과작용이 이루어지는 장점을 가지고 있다. 그러나 이러한 대중성에도 불구하고 기공이 균일하지 않은 점, 그리고 특히 섬유사 조각들이 처리수로 이동되는 등의 단점이 있다. 또한 기존 합성섬유나 천연섬유의 경우 섬유의 직경이 수~수십 ㎛로 구성되어 있어 장섬유 섬유사(yarn)로 제조시 표면적의 한계로 동일 체적 내 여과면적을 증가시킬 수 없는 단점이 있어 필터의 제거효율과 포집량(필터 수명)에 있어 어느 정도 한계가 있었으며, 가격 또한 상대적으로 저렴한 특징이 있다.
최근 전통적인 섬유 제조방법인 용융방사(melt spinning)나 용액방사(solution spinning)의 한계 직경인 1㎛ 미만의 섬유를 고분자 용융물에 전계(電界)를 가해 제조하는 전기방사(electrospinning) 방법에 대한 연구 개발이 진행되고 있다. 이러한 전기방사에 의해 제조되는 나노섬유는 광범위한 소재와 기공조절(pore control) 등이 용이하여 그 무한한 응용 가능성에도 불구하고 웹(web) 형태의 박막 부직포로 제조되어 낮은 기계적 강도와 취급성의 한계로 인해 응용의 제한이 있어왔다.
특히 필터로 응용하는 경우 부직포와 복합화하거나 다층구조로 제조되어 나권형(spiral wound) 내지는 절곡형 구조(pleated filter)로 여과면적을 증가시킨 액체필터용 엘리멘트로 사용되고 있다. 그러나 나노섬유를 부직포 형태로 응용하는 경우 나노섬유의 표면 기공구조에 기인한 표면여과에 그쳐 나권형 내지는 절곡형으로 여과 면적을 증가시키면 효율면에서는 우수하나 압력손실이 생겨 전체적인 필터시스템의 운전비용이 상승하게 된다.
또한, 필터시스템에 과도한 압력이 발생할 경우 통수압력을 상승시키면 나노섬유와 나노섬유간 융착이 발생하지 않는 부위에서 공간이 생기거나 섬유간 연신이 발생하여 여과대상보다 큰 공간이 형성되어 표면여과를 할 수 없는 경우가 발생할 우려가 있다.
종래의 액체 여과용 심층필터는 공개특허공보 10-2012-0078147(2012년 07월 10일)에 개시된 바와 같이, 이성분계 복합섬유 부직포로 구성되며 내부 중심에 위치하는 원통상의 코어와, 상기 코어에 지지체와 부직포로 구성된 여과재가 감긴 적층체로 구성된다.
이러한 액체 여과용 심층필터는 코어에 지지체와 부직포로 구성된 여과재가 감긴 형태이기 때문에 부직포 특성상 평균기공 사이즈를 1㎛ 미만으로 제조하기 어려워 정밀한 필터링이 어려운 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 전기방사 방법으로 제조된 나노섬유 웹을 다공성 기재에 합지하여 복합 섬유사를 제조하고, 이 복합 섬유사를 코어에 권선함으로써, 평균 기공 사이즈를 1㎛ 미만으로 유지할 수 있어 정밀한 필터링이 가능한 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 다층 카트리지 필터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전기방사 방법으로 제조된 나노섬유를 기반으로 하여 필터를 제조하여 필터효율을 향상시키고 필터수명을 연장할 수 있는 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 다층 카트리지 필터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 나노섬유가 연사된 복합 섬유사를 사용함으로써 섬유사 사이의 공간 및 나노섬유 사이의 공간을 이용하여 여과면적을 획기적으로 증가시킬 수 있고 포집량을 향상시킬 수 있는 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 다층 카트리지 필터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 기존의 심층 여과필터에 나노섬유 기반 복합 섬유사를 권선시켜 기존 여과필터의 성능과 수명을 향상시킬 수 있는 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 다층 카트리지 필터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 카트리지 필터는 액체가 통과하는 복수의 구멍이 형성되는 코어와, 상기 코어에 권선되어 액체에 포함된 여과 대상물을 포집하는 여과재를 포함하고, 상기 여과재는 전기방사방법에 의해 제조되는 나노섬유가 축적된 나노섬유 웹을 다공성 부직포에 합지한 복합 섬유사를 포함한다/
상기 복합 섬유사는 평균 기공 사이즈가 1㎛ 미만인 나노섬유 복합 섬유사를 사용할 수 있다.
상기 복합 섬유사는 나노섬유가 축적된 나노섬유 웹을 다공성 기재에 합지한 나노섬유 복합 멤브레인을 슬리팅하여 나노섬유 테이프사를 제조하고, 복수의 나노섬유 테이프사를 꼬아서 제조될 수 있다.
상기 여과재는 평균 기공 사이즈가 다른 복수의 여과재가 적층되고, 상기 복수의 여과재는 코어에 가깝게 권선될수록 평균 기공 사이즈가 큰 여과재가 적층될 수 있다.
상기 여과재는 상기 코어의 외면에 권선되는 다공성 부재와, 상기 다공성 부재의 외면에 권선되고 전기방사방법에 의해 제조되는 나노섬유가 축적된 나노섬유 웹을 다공성 부직포에 합지한 복합 섬유사를 포함할 수 있다.
상기 다공성 부재는 PP, PE, PP/PE, PET, 천연섬유, 유리섬유, 아크릴 섬유사 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
상기 여과재는 상기 코어의 외면에 권선되는 다공성 부재와, 상기 다공성 부재의 외면에 권선되는 제1부직포와, 상기 제1부직포의 외면에 권선되고 전기방사방법에 의해 제조되는 나노섬유가 축적된 나노섬유 웹을 다공성 부직포에 합지한 복합 섬유사를 포함할 수 있다.
상기 제1부직포는 PP, PE, PP/PE, PET 중 어느 하나를 방사하여 웹 형태로 형성되는 스판 본드(Spun Bond) 부직포 또는 서멀 본드(Thermal Bond) 부직포가 사용될 수 있다.
상기 여과재는 상기 코어의 외면에 권선되는 다공성 부재와, 상기 다공성 부재의 외면에 권선되는 제1부직포와, 상기 제1부직포의 외면에 권선되는 제2부직포와, 상기 제2부직포의 외면에 권선되고 전기방사방법에 의해 제조되는 나노섬유가 축적된 나노섬유 웹을 다공성 부직포에 합지한 복합 섬유사를 포함할 수 있다.
상기 제2부직포는 합성고분자를 방사하여 형성되는 멜트블로운(Melt Blown) 부직포가 사용될 수 있다.
본 발명의 카트리지 필터 제조방법은 전기방사방법에 의해 나노섬유를 제조하고, 상기 나노섬유를 축적하여 나노섬유 웹을 형성하는 단계와, 상기 나노섬유 웹과 다공성 부직포를 합지하여 나노섬유 복합 멤브레인을 제조하는 단계와, 상기 나노섬유 복합 멤브레인을 슬리팅하여 나노섬유 테이프사를 제조하는 단계와, 상기 나노섬유 테이프사를 가연하여 복합 섬유사를 제조하는 단계와, 상기 복합 섬유사를 코어에 권선하는 단계를 포함한다.
상기 복합 섬유사의 꼬임이 풀리는 것을 방지하도록 열연신 또는 열고정하는 후처리 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 나노섬유 웹을 캘린더링하여 나노섬유 간 결합하여 고정 기공구조(Fix Pore Structure)를 구현할 수 있다.
상기 나노섬유 테이프사의 제조방법은 나노섬유 복합 멤브레인을 1차 슬리팅하여 슬리팅 롤을 제조하고, 상기 슬리팅 롤을 2차 정밀 슬리팅하여 슬리팅 롤에 비해 폭이 작은 나노섬유 테이프사를 제조할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 다층 카트리지 필터는 전기방사 방법으로 제조된 나노섬유 웹을 다공성 기재에 합지하여 복합 섬유사를 제조하고, 이 복합 섬유사를 코어에 다층으로 권선함으로써, 평균 기공 사이즈를 1㎛ 미만으로 유지할 수 있어 정밀한 필터링이 가능하다.
또한, 전기방사 방법으로 제조된 나노섬유를 기반으로 하여 필터효율을 향상시키고 필터수명을 연장할 수 있다.
또한, 나노섬유가 연사된 복합 섬유사를 사용함으로써 섬유사 사이의 공간 및 나노섬유 사이의 공간을 이용하여 여과면적을 획기적으로 증가시킬 수 있고 포집량을 향상시킬 수 있다.
또한, 기존의 심층 여과필터에 나노섬유 기반 복합 섬유사를 권선시켜 기존 여과필터의 성능과 수명을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 카트리지 필터의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 복합 섬유사의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 카트리지 필터의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 카트리지 필터의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 카트리지 필터의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제5실시예에 따른 카트리지 필터의 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 카트리지 필터의 복합 섬유사 제조방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 8의 (A)는 나노섬유 복합 멤브레인을 롤링한 사진, (B)는 나노섬유 복합 멤브레인을 1차 슬리팅하는 과정을 나타낸 사진, (C),(D)는 나노섬유 테이프사의 주사전자 현미경 사진, (E)는 1차 슬리팅된 롤형 나노섬유 복합 멤브레인을 2차 슬리팅하는 과정을 나타낸 사진이다.
도 9의 (A)는 복합 섬유사가 롤에 권선된 사진, (B)는 복합 섬유사의 주사전자 현미경 사진이다.
도 10은 본 발명의 복합 섬유사가 코어에 권선된 사진이다.
도 11은 본 발명에 따른 카트리지 필터가 하우징에 장착된 사진이다.
도 12는 본 발명에 따른 카트리지 필터의 입자 사이즈에 따른 필터효율을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 카트리지 필터의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 카트리지 필터는 액체가 통과할 수 있는 복수의 구멍(12)이 형성되는 코어(10)와, 코어(10)에 권선되어 액체에 포함된 여과 대상물을 포집하는 섬유사 타입 여과재(20)를 포함한다.
코어(10)는 원통 형태이고 개방된 양단에는 커버가 장착될 수 있고, 커버에는 여과된 액체가 배출되는 배출구가 형성될 수 있다.
여과재(20)는 도 2에 도시된 바와 같이, 전기방사 방법에 의해 제조되는 나노섬유를 축적하여 나노섬유 웹(32)을 형성하고, 나노섬유 웹(32)을 다공성 부직포(34)에 합지하여 제조된 복합 섬유사(30)를 포함한다.
복합 섬유사(30)는 전기 방사방법에 의해 나노섬유를 제조하고, 이 나노섬유를 축적하여 평균 기공 사이즈가 1㎛ 미만인 나노섬유 웹(32)을 형성하고, 나노섬유 웹(32)을 다공성 부직포(34)에 합지하여 나노섬유 복합 멤브레인을 만든다. 이렇게 만들어진 나노섬유 복합 멤브레인을 슬리팅하여 나노섬유 테이프사를 제조하고, 복수의 나노섬유 테이프사를 꼬아서 복합 섬유사(30)를 형성한다.
다공성 부직포(34)는 멜트 블로운(melt-blown) 부직포, 스펀 본드(spun bond) 부직포, 서멀 본드 부직포, 캐미컬 본드 부직포, 웨트 레이드(wet-laid) 부직포 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
나노섬유 웹(32)은 전기 방사 가능한 고분자 물질과 용매를 일정 비율로 혼합하여 방사용액을 만들고, 이 방사용액을 전기 방사 방법에 의해 방사하여 나노섬유를 제조하고, 나노섬유가 축적되어 미세 기공을 갖도록 형성된다.
본 발명에서 사용되는 고분자물질은 전기방사가 가능한 것으로 예를 들면, 합성 및 천연 고분자가 사용될 수 있으며, 이러한 고분자들을 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
고분자물질 중에서 본 발명의 필터재료로 특히 바람직한 것은 폴리아크릴로 나이트릴(PAN), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF), 폴리에스테르 설폰(PES: Polyester Sulfone), 폴리스티렌(PS), 폴리비닐 클로라이드(PVC, Poly Vinychloride), 폴리카보네이트 (PC, Poly carbonate), 폴리우레탄 (PU, polyurethane) 등을 단독으로 사용하거나, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)와 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 혼합하거나, PVdF와 PES, PVdF와 열가소성 폴리우레탄(TPU: Thermoplastic Polyurethane), PVC, PC등을 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명에 적용되는 방사 방법으로는 노즐이 장착된 상향타입, 하향타입 및 노즐이 없이 방사 가능한 Nozzleless 타입이 사용 가능하며, 전기분사나 원심전기방사, 에어 전기방사, 플래쉬 전기방사, 펄스전기방사 및 버블전기방사 방법 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
나노섬유 웹(32)은 전기 방사방법으로 제조되므로 고분자 물질의 방사량에 따라 두께가 결정된다. 따라서, 나노섬유 웹(32)의 두께를 원하는 두께로 만들기가 쉬운 장점이 있다. 즉, 고분자 물질의 방사량을 적게 하면 나노섬유 웹(32)의 두께를 얇게 만들 수 있다.
따라서, 나노섬유 웹(32)의 두께에 따라 기공수 및 기공의 평균 사이즈가 결정되므로 카트리지 필터의 목적에 따라 나노섬유 웹(32)을 다양한 두께로 조절하여 필터링 정밀도를 조절할 수 있다.
나노섬유의 직경은 0.1~1.0㎛ 범위이고, 평균 기공 사이즈는 1㎛ 미만인 것이 바람직하다.
제2실시예에 따른 카트리지 필터는 도 3에 도시된 바와 같이, 액체가 통과할 수 있는 복수의 구멍(12)이 형성되는 코어(10)와, 코어(10)의 외면에 권선되어 액체에 포함된 여과 대상물을 포집하고 다수의 층으로 적층되는 여과재(40)를 포함한다.
제2실시예에 따른 여과재(40)는 제1실시예에서 설명한 여과재(20)와 동일하고 다만, 평균기공 사이즈가 각기 다른 복수의 여과재가 코어(10)의 외면에 순차적으로 적층되는 형태를 갖는다. 즉, 본 발명의 나노섬유 웹(32)은 평균기공 사이즈를 각기 다르게 제조할 수 있기 때문에 각각 나노섬유 웹(32)의 평균기공 사이즈가 서로 다른 복수의 여과재를 제조한 후 코어(10)에 순차적으로 적층하여 제조한다.
일 예로, 여과재(40)는 코어(10)의 외면에서 적층되는 제1여과재(42)와, 제1여과재(42)의 외면에 적층되는 제2여과재(44)를 포함할 수 있다. 이때, 제1여과재(42)의 평균기공 사이즈는 제2여과재(44)의 평균기공 사이즈에 비해 크게 형성된다. 즉, 코어(10)에 가깝게 권선되는 제1여과재(42)는 평균기공 사이즈가 크고, 코어(10)에서 멀게 권선되는 제2여과재(44)는 평균기공 사이즈가 작게 형성되어 코어(10)에서 멀어질수록 여과재의 평균기공 사이즈가 점차적으로 작아지는 형태를 갖는다.
이와 같은 제2실시예에 따른 여과재(40)는 평균 기공사이즈가 각기 다른 복수의 여과재를 코어(10)에 순차적으로 적층하여 여과 대상물의 포집 성능을 향상시킬 수 있다.
제3실시예에 따른 여과재(50)는 도 4에 도시된 바와 같이, 코어(10)의 외면에 권선되는 다공성 부재(52)와, 다공성 부재(52)의 외면에 권선되고 전기방사방법에 의해 제조되는 나노섬유가 축적된 나노섬유 웹(32)을 다공성 부직포(34)에 합지한 복합 섬유사(30)를 포함한다.
복합 섬유사(30)는 제1실시예에서 설명한 복합 섬유사(30)와 동일하고, 다공성 부재(52)는 PP, PE, PE/PP, PET, 천연섬유, 유리섬유, 아크릴 섬유사 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
이와 같이, 제3실시예에 따른 여과재(50)는 복합 섬유사(30)의 내면에 다공성 부재(52)가 적층되어 여과재의 강도를 강화시킬 수 있다.
제4실시예에 따른 여과재(60)는 도 5에 도시된 바와 같이, 코어(10)의 외면에 권선되는 다공성 부재(52)와, 다공성 부재(52)의 외면에 권선되는 제1부직포(62)와, 제1부직포(62)의 외면에 권선되는 복합 섬유사(30)를 포함한다.
다공성 부재(52) 및 복합 섬유사(30)는 제3실시예에서 설명한 다공성 부재(52) 및 복합 섬유사(30)와 동일하다.
여기에서, 제1부직포(62)는 PP, PE, PP/PE, PET를 방사하여 웹 형태로 형성되는 스판 본드(Spun Bond) 부직포 내지는 서멀본드(Thermal Bond) 부직포가 사용될 수 있다.
제5실시예에 따른 여과재(70)는 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 코어(10)의 외면에 권선되는 다공성 부재(52)와, 다공성 부재(52)의 외면에 권선되는 제1부직포(62)와, 제1부직포(62)의 외면에 권선되는 제2부직포(72)와, 상기 제2부직포(72)의 외면에 권선되고 전기방사방법에 의해 제조되는 나노섬유가 축적된 나노섬유 웹(32)을 다공성 부직포(34)에 합지한 복합 섬유사(30)를 포함한다.
여기에서, 제1부직포(62)는 PP, PE, PE/PP, PET를 방사하여 웹 형태로 형성되는 스판 본드(Spun Bond) 부직포 내지는 서멀본드(Thermal Bond) 부직포가 사용될 수 있고, 제2부직포(72)는 합성고분자를 방사하여 형성되는 멜트블로운(Melt Blown) 부직포가 사용될 수 있다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 복합 섬유사 제조방법을 다음에서 설명한다.
도 7은 본 발명의 복합 섬유사 제조방법을 나타낸 공정 순서도이다.
먼저, 전기방사 방법에 의해 나노섬유 웹(32)을 형성한다(S10).
고분자와 용매를 일정 비율로 혼합하여 전기방사 가능한 방사용액을 제조한다. 여기에서, 고분자 물질은 열경화성이나 열가소성 고분자를 전기방사하여 나노섬유가 형성되는 고분자라면 특별히 제한되지 않는다.
방사용액 제조에 있어서 고분자 물질의 함량은 약 5 내지 50중량%가 적당하며, 5중량% 미만의 경우 나노섬유를 형성하기보다는 비드(bead)상으로 분사되어 멤브레인을 구성하기 어려우며, 50중량% 초과인 경우에는 방사용액의 점도가 너무 높아 방사성이 불량하여 섬유를 형성하기 곤란한 경우가 있다. 따라서 방사용액의 제조는 특별한 제약은 없으나, 섬유상 구조를 형성하기 쉬운 농도로 하여 섬유의 형상(morphology)을 제어하는 것이 바람직하다.
방사용액을 방사팩(spin pack)으로 이송하고, 이때 고전압장치를 사용하여 방사팩에 전압을 인가하여 전기방사를 실시한다. 이때 사용되는 전압은 0.5KV 내지 100KV까지 조절하는 것이 가능하며, 콜렉터(collector)는 접지를 하거나 (-)극으로 대전하여 사용할 수 있다. 콜렉터의 경우 방사시 섬유의 집속을 원활하게 하기 위해 포집장치(suction collector)를 부착하여 사용하는 것이 좋다.
또한, 방사팩과 콜렉터까지의 거리는 5~50㎝로 조절하는 것이 바람직하다. 방사시 토출량은 정량펌프를 사용하여 균일하게 토출하여 방사하고, 방사시 온도 및 습도를 조절할 수 있는 챔버(chamber)내에서 상대습도 30~80%의 환경에서 방사하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 전기방사방법을 이용하여 방사팩으로부터 방사용액을 하측의 콜렉터를 따라 이송되는 트랜스퍼 시트(transfer sheet)의 일면에 나노섬유를 전기방사하여 나노섬유가 축적된 나노섬유 웹(32)을 형성한다. 트랜스퍼 시트에 포집된 나노섬유 웹(32)은 나노섬유가 축적되어 3차원 미세 기공을 갖는다.
박막 나노섬유 웹 자체만으로 이루어진 경우 취급성이 불량하고, 인장강도가 낮아서 고속으로 이송되면서 건조, 캘린더링 및 롤링 공정이 이루어지는 것은 어렵다. 또한, 나노섬유 웹을 제조한 후 후속된 공정을 고속, 연속적으로 실행하기 어려우나 상기한 트랜스퍼 시트를 이용하는 경우 충분한 인장강도를 제공함에 따라 공정처리 속도를 크게 개선시킬 수 있다.
이렇게 제조된 나노섬유 웹을 캘린더링하여 나노섬유 간 결합을 형성하는 고정 기공구조(Fix Pore Structure)를 구현한다. 이때 캘린더링은 100℃~200℃, 0.5~1.5 Kgf/㎠ 조건에서 수행한다.
나노섬유 웹(32)을 다공성 부직포(34)에 합지하여 나노섬유 복합 멤브레인을 제조한다(S20).
나노섬유 웹(32)을 다공성 부직포(34)에 압착, 롤링, 열접합, 초음파 접합, 캘린더 접합 등의 다양한 방법으로 라미네이팅하여 평량 0.5 내지 100gsm이 되도록 나노섬유 복합 멤브레인을 제조한다.
라미네이팅은 열처리를 동반하면서 수행할 수 있는데 사용된 고분자가 용융되지 않는 범위인 50 내지 250℃의 온도범위에서 실시하는 것이 바람직하다. 50℃ 미만의 경우 열처리 온도가 너무 낮아 나노섬유 웹과 다공성 부직포 간 융착이 불안정하여 후속하는 복합섬유 테이프사 제조시 슬리팅이 원활하게 진행되지 않을 가능성이 높다. 또한 열처리 온도가 250℃를 초과하는 경우 나노섬유를 구성하는 고분자가 용융되어 섬유상 구조를 상실할 가능성이 있기 때문에 바람직하지 않다.
나노섬유 복합 멤브레인의 제조가 완료되면 나노섬유 복합 멤브레인을 슬리팅하여 나노섬유 테이프사를 제조한다(S30).
나노섬유 복합 멤브레인은 도 8 (A)와 같이, 롤에 감겨진 롤형으로 제조된다. 이때 롤형으로 제조된 나노섬유 복합 멤브레인의 폭은 방사장비에 따라 500~2,000mm로 다양하게 제조가능하나 길이는 대략 500M 내외로 제조된다.
롤형 나노섬유 복합 멤브레인을 보빈과 함께 정밀 슬리터 폭에 맞도록 1차 슬리팅하여 도 8 (B)와 같은 복수의 슬리팅 롤을 형성한다.
1차 슬리팅된 복수의 슬리팅롤은 커터나 슬리터 등의 정밀 슬리터에서 2차 슬리팅 작업을 수행하여 폭 0.1 내지 5mm가 되는 복합섬유 테이프사를 제조한다.
복합섬유 테이프사를 연사기 등을 이용하여 도 8 (E)와 같이, S연 내지는 Z연하여 복합 섬유사를 제조한다(S40).
복합섬유 테이프사를 연사장치를 통해 복수의 복합섬유 테이프사에 우연(S연) 내지는 좌연(Z연)을 주어 복합섬유 테이프사에 꼬임을 부여한다. 이때 꼬임 (T/M twisting/meter)은 고분자 종류나 최종 목적에 맞도록 500 이하의 감연사나 2500 이상의 극강 연사하여 실시할 필요가 있다.
또한, 복합섬유 테이프사에 장력을 부여하는 방법으로는 업디스크 텐셔와 다운디스크 텐셔 사이로 나노섬유 테이프사를 통과시켜 장력을 부여할 수 있으며, 고분자 종류에 따라 유리전이온도(Tg)와 용융온도(Tm) 사이의 온도범위에서 열연신 또는 열고정을 실시할 수 있다.
제조된 복합 섬유사를 후처리를 실시하여 꼬임이 풀리지 않도록 하거나 강한 연신력을 부여한다(S50).
제조된 복합 섬유사를 열연신, 열고정 등의 후처리를 실시하여 꼬임이 풀리지 않도록 하거나 강한 연신력을 부여할 수 있다. 연신 방법으로는 열연신, 냉연신 등 다양한 방법을 이용할 수 있으며, 열고정은 사용된 소재에 따라 꼬임이 풀리지 않는 온도범위에서 사용하는 것이 바람직하다. 바람직한 열연신, 열고정은 사용된 고분자의 유리전이온도(Tg)와 용융온도(Tm) 사이의 온도범위에서 실시한다. 또한, 상기 열연신, 열고정 공정은 복합 가연의 후공정뿐 아니라 전 공정에서도 진행할 수 있다.
[실시예]
(실시예 1) PVDF 나노섬유 웹 제조 및 다공성 부직포에 합지
고분자 물질로 PVdF(Polyvinylidene fluoride)를 사용하고, DMAc:Acetone=7:3 용매에 15중량%가 되도록 용해하여 방사용액을 제조하였다.
상기 방사용액을 전기방사장치의 방사팩(spinning pack)으로 이동하여 인가전압 100kV, 방사노즐과 컬렉터와의 거리 20cm, 토출량 분당 20μl/hole이 되도록 하고, 상대습도 60%의 방사분위기에서 전기방사 하여 중량 3gsm, 기공크기 1㎛의 나노섬유 웹을 제조하였다.
이렇게 얻어진 나노섬유 웹을 150℃, 1Kgf/㎠ 조건으로 캘린더링하여 나노섬유간의 결합을 형성시켜 고정 기공구조(Fixed pore structure)를 구현하고, 130℃, 1Kgf/㎠ 조건으로 PP/PE spunbond 부직포와 합지함으로써 나노섬유 복합 멤브레인을 제조하였다. 사용된 부직포는 PP/PE spunbond로 두께 160㎛, 40gsm인 것을 사용하여 도 8(A)와 같은 폭 1.7m, 길이 300m의 복합 나노섬유 롤(roll)을 얻었다.
실시예 1로부터 얻은 나노섬유 복합 멤브레인 소재의 기본 특성을 분석하기 위해, PMI사(Porous Materials, Inc.)의 Capillary porosimeter를 이용하여, ASTM E1294 규격으로 기공 크기 분포도(Pore size distribution)와 TEXTEST사의 FX3300을 이용하여, ASTM D737 규격에 따라 통기도(Air Permeability)를 측정하고, 그 결과를 각각 표 1과 2에 나타냈다.
특히, 나노섬유 복합 멤브레인의 기본 특성을 비교하기 위해 대조군으로 머크-밀리포어사(Merck-Millipore)의 상전이방식(Phase-separation)으로 제조된 기공크기 1㎛인 PVdF membrane(비교예1), H&V사(Hollingsworth & Vose Company)의 기공크기 1㎛인 melt-blown media(비교예 2)를 사용하였다.
기공크기 (pore size,㎛)
평균기공 최대기공
실시예 1 1.0 1.3
비교예 1 1.0 1.7
비교예 2 2.1 5.6
통기도(cfm@125Pa)통기도(cfm@125Pa)
실시예 1 2.5
비교예 1 0.8
비교예 2 0.7
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 나노섬유 복합 멤브레인은 평균 기공사이즈가 1.0㎛이고, 최대 기공 사이즈가 1.3㎛로서 비교예 1 내지 2의 상용화된 필터용 멤브레인과 동등수준 이상의 좁은 기공 사이즈 분포도를 가지고 있는 것으로 나타났다.
또한 상기 표 2에 기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 나노섬유 복합 멤브레인은 통기도가 2.5cfm@125Pa로 측정되었고, 비교예 1 내지 2의 상용화된 필터 멤브레인과 비교할 때 매우 우수한 통기도를 갖는 것으로 나타났다.
(실시예 2) 복합섬유 테이프사 제조
실시예 1의 방법에 의해 제조된 복합섬유 롤을 도 8(B)와 같이, 폭 5mm가 되도록 1차 슬리팅한 후, 도 8(E)와 같이, 각각의 폭이 3mm가 되도록 2차 정밀 슬리팅을 하여 복합 나노섬유 테이프사를 얻었다.
실시예 2의 방법으로 얻은 복합섬유 테이프사의 주사전자 현미경 사진을 도 8(C) 및 도 8(D)에 나타냈다. 도 8(C)에 도시된 바와 같이, 표면에는 PVdF 나노섬유의 평균 직경이 약 300㎚로 구성되어 있으며, 실시예 1의 PMI 분석과 동일하게 평균세공 1급으로 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 나노섬유와 복합화된 PE/PP 스판본드 부직포의 주사전자 현미경 사진을 도 8(D)에 도시된 바와 같이, 직경 10㎛급의 폴리올레핀계 섬유가 랜덤하게 섬유간 융착이 발생하여 나노섬유에 비해 거대한 세공을 형성하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
상기 실시예 2의 방법으로 제조된 복합 나노섬유 테이프사를 2 for 1 연사기를 사용하여 분당 꼬임수(T/M, twist/munite) 700이 되도록 Z연하여 복합나노섬유로 구성된 복합 섬유사를 제조하였다. 도 9(A)는 복합 섬유사의 사진을 나타내고, 도 9(B)는 복합 섬유사 표면 주사전자 현미경 사진을 나타냈다.
도 9(B)의 사진에서 보는 바와 같이 직경 300급 나노섬유와 직경 10급 마이크로 섬유가 랜덤(random)하게 혼재되어 꼬여있는 것과 다양한 형태의 세공이 공존하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
(실시예 3) 복합 섬유사를 코어에 권선
실시예 2의 방법으로 제조된 복합 섬유사를 PP tow사가 50% 권취된 원통형 코어에 권선시켜 도 10에 도시된 바와 같은 2-Layer 형태의 필터 엘리먼트를 제작하였다. 이때 필터 엘리먼트의 규격은 내경 30mm, 외경 63mm, 길이 250mm가 되도록 하였다. 상기 제작된 필터 엘리먼트를 도 11에 도시된 바와 같은 PP 재질의 하우징에 결합하여 카트리지 필터를 제작하였으며, ASTM F795 규격에 따라 여과를 실시하고 필터여재에 걸리는 유량 및 차압을 측정하고, 그 결과를 표 3에 나타냈다. 특히, 나노섬유 복합사 기반 카트리지 필터의 기본 특성을 평가하기 위해 대조군으로 100% PP tow사로 동일 규격으로 제작된 국내 S사의 제품(비교예 3)을 비교 분석하였다.
측정유량(/min) 측정차압(kg/cm2)
실시예 3 비교예 3
#1 #2 Ave. #1 #2 Ave.
5 0.02 0.02 0.02 0.00 0.02 0.01
10 0.06 0.06 0.06 0.04 0.06 0.05
15 0.14 0.15 0.14 0.10 0.13 0.11
20 0.24 0.25 0.24 0.20 0.21 0.20
25 0.40 0.38 0.39 0.33 0.32 0.32
30 0.51 0.51 0.51 0.42 0.43 0.43
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 3의 카트리지 필터와 비교예 3의 경우 유량에 따른 압력강화는 비교예의 경우가 실시예에 비해 아주 근소하게 우수한 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 2-Layer 타입인 실시예 3의 경우가 비교예 3에 비해 보다 넓은 표면적에 기인한 것으로 예상된다.
또한, 측정유량에 따른 케이크 포집량과 차압의 관계를 표 4에 나타냈다. 이때 시험유량은 15L/min, 1회/30g/5분, 투입오염입자: Carborundum #600을 사용하였다.
투입량 (g) 측정차압(kg/cm2)
실시예 3 비교예 3
0 0.12 0.10
10 0.15 0.10
20 0.17 0.10
30 0.22 0.11
60 0.35 0.11
90 0.51 0.12
120 0.67 0.13
상기 표 4에 기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 3의 카트리지 필터와 비교예 3의 경우 케이크 포집량에 따른 압력강화는 비교예의 경우가 실시예에 비해 약간 우수한 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 2-Layer 타입의 실시예 3의 경우가 보다 많은 기공이 존재하여 형성된 결과로 해석할 수 있으며, 상기 표 3의 결과와도 일치한다.
측정 입자사이즈에 따른 필터효율을 표 5와 도 12의 그래프에 나타냈다. 상기 표 5에서와 같이 실시예 3의 경우가 비교예 3에 비해 전체적으로 필터효율이 우수한 것을 알 수 있었다. 이와 같은 결과는 복합 나노섬유 섬유사가 함유된 실시예 3이 보다 넓은 표면적을 가지고 있어 나타난 결과로 해석된다. 특히 도 12의 그래프와 같이 입자사이즈가 20㎛ 미만의 미립자의 경우 복합 나노섬유 섬유사를 포함한 실시예 3의 경우가 비교예 3에 비해 월등하게 우수한 필터효율을 나타낸 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과는 실시예 3과 같이 다층 카트리지 필터를 채용할 경우 단일필터로 다양한 크기의 입자를 동시에 제거할 수 있는 결과를 나타낸 것으로 공정필터로 사용할 필터운전에 필요한 에너지, 공간 등을 획기적으로 낮출 수 있을 것으로 파악된다.
측정 채널 측정차압(kg/cm2)
실시예 3 비교예 3
Up Down Effi.(%) Up Down Effi.(%)
5 16028.00 650.30 95.94 18791.00 4476.30 76.18
10 14990.00 420.67 97.19 18744.00 3826.00 79.59
15 11708.00 135.73 98.84 18706.00 1433.30 92.34
20 6676.70 16.93 99.75 18665.00 275.83 98.52
25 3258.40 5.73 99.82 18552.00 81.87 99.56
30 1462.70 4.07 99.72 4764.00 44.17 99.07
35 567.20 1.50 99.74 4681.40 28.30 99.40
40 210.30 0.60 99.71 3997.40 17.37 99.57
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명은 반도체 등 전자재료, 자동차 산업, 식음료 제조, 각종 안료 및 페인트 산업, 오폐수, 정수 등 전 산업 분야에서 공정용 필터로서 광범위하게 사용되는 것으로 전기방사 방법으로 제조된 나노섬유 웹을 다공성 기재에 합지하여 제조되는 복합 섬유사를 여과제로 사용하여 정밀한 필터링이 가능하다.

Claims (16)

  1. 액체가 통과하는 복수의 구멍이 형성되는 코어와, 상기 코어에 권선되어 액체에 포함된 여과 대상물을 포집하는 여과재를 포함하고,
    상기 여과재는 전기방사방법에 의해 제조되는 나노섬유가 축적된 나노섬유 웹을 다공성 부직포에 합지한 복합 섬유사를 포함하는 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복합 섬유사는 평균 기공 사이즈가 1㎛ 미만인 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복합 섬유사는 나노섬유가 축적된 나노섬유 웹을 다공성 기재에 합지한 나노섬유 복합 멤브레인을 슬리팅하여 나노섬유 테이프사를 제조하고, 복수의 나노섬유 테이프사를 꼬아서 제조되는 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 여과재는 평균 기공 사이즈가 다른 복수의 여과재가 적층되는 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 여과재는 코어에 가깝게 권선될수록 평균 기공 사이즈가 큰 여과재가 적층되는 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 여과재는 상기 코어의 외면에 권선되는 다공성 부재; 및
    상기 다공성 부재의 외면에 권선되고 전기방사방법에 의해 제조되는 나노섬유가 축적된 나노섬유 웹을 다공성 부직포에 합지한 복합 섬유사를 포함하는 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 다공성 부재는 PP, PE, PP/PE, PET, 천연섬유, 유리섬유, 아크릴 섬유사 중 어느 하나가 사용되는 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 다층 카트리지 필터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 여과재는 상기 코어의 외면에 권선되는 다공성 부재;
    상기 다공성 부재의 외면에 권선되는 제1부직포; 및
    상기 제1부직포의 외면에 권선되고 전기방사방법에 의해 제조되는 나노섬유가 축적된 나노섬유 웹을 다공성 부직포에 합지한 복합 섬유사를 포함하는 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1부직포는 PP, PE, PP/PE, PET 중 어느 하나를 방사하여 웹 형태로 형성되는 스판 본드(Spun Bond) 부직포 또는 서멀 본드(Thermal Bond) 부직포가 사용되는 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 여과재는 상기 코어의 외면에 권선되는 다공성 부재;
    상기 다공성 부재의 외면에 권선되는 제1부직포;
    상기 제1부직포의 외면에 권선되는 제2부직포; 및
    상기 제2부직포의 외면에 권선되고 전기방사방법에 의해 제조되는 나노섬유가 축적된 나노섬유 웹을 다공성 부직포에 합지한 복합 섬유사를 포함하는 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2부직포는 합성고분자를 방사하여 형성되는 멜트블로운(Melt Blown) 부직포인 것을 특징으로 하는 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터.
  12. 전기방사방법에 의해 나노섬유를 제조하고, 상기 나노섬유를 축적하여 나노섬유 웹을 형성하는 단계;
    상기 나노섬유 웹과 다공성 부직포를 합지하여 나노섬유 복합 멤브레인을 제조하는 단계;
    상기 나노섬유 복합 멤브레인을 슬리팅하여 나노섬유 테이프사를 제조하는 단계;
    상기 나노섬유 테이프사를 가연하여 복합 섬유사를 제조하는 단계; 및
    상기 복합 섬유사를 코어에 권선하는 단계;를 포함하는 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복합 섬유사의 꼬임이 풀리는 것을 방지하도록 열연신 또는 열고정하는 후처리 단계를 더 포함하는 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터 제조방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 나노섬유 웹을 캘린더링하여 나노섬유 간 결합하여 고정 기공구조(Fix Pore Structure)를 구현하는 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터 제조방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 나노섬유 테이프사의 제조방법은 나노섬유 복합 멤브레인을 1차 슬리팅하여 슬리팅 롤을 제조하고, 상기 슬리팅 롤을 2차 정밀 슬리팅하여 슬리팅 롤에 비해 폭이 작은 나노섬유 테이프사를 제조하는 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터 제조방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 나노섬유 테이프사는 평량 0.5 내지 100gsm, 폭이 0.1 내지 5㎜ 범위로 설정되는 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터 제조방법.
PCT/KR2016/013253 2015-12-22 2016-11-17 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터 및 그 제조방법 WO2017111317A1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201680072663.1A CN108472566B (zh) 2015-12-22 2016-11-17 利用纳米纤维复合纤维纱的筒式过滤器及其制备方法
US16/064,155 US11103817B2 (en) 2015-12-22 2016-11-17 Cartridge filter using nanofiber composite fiber yarn and method for manufacturing same

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150183575A KR101739845B1 (ko) 2015-12-22 2015-12-22 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터 및 그 제조방법
KR10-2015-0183575 2015-12-22

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017111317A1 true WO2017111317A1 (ko) 2017-06-29

Family

ID=59051899

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2016/013253 WO2017111317A1 (ko) 2015-12-22 2016-11-17 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터 및 그 제조방법

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11103817B2 (ko)
KR (1) KR101739845B1 (ko)
CN (1) CN108472566B (ko)
WO (1) WO2017111317A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113577909A (zh) * 2021-08-02 2021-11-02 东华大学 一种具有双重功能的复合过滤材料及其制备方法

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SG11202104143PA (en) * 2018-10-23 2021-05-28 Teijin Ltd Filtration filter, filter-equipped container, and method for removing foreign matter in cell suspension
KR20200094308A (ko) 2019-01-30 2020-08-07 전강진 다공성 코어 부직포 필터
KR102487103B1 (ko) * 2019-07-22 2023-01-10 주식회사 아모그린텍 필터여재 및 이를 포함하는 복합필터
GB2605041B (en) * 2019-11-04 2023-11-22 Cirrus Logic Int Semiconductor Ltd Methods, apparatus and systems for personal audio device diagnostics
KR102521663B1 (ko) * 2022-05-25 2023-05-11 주식회사 시노펙스 카트리지 필터

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5591335A (en) * 1995-05-02 1997-01-07 Memtec America Corporation Filter cartridges having nonwoven melt blown filtration media with integral co-located support and filtration
KR200186206Y1 (ko) * 2000-01-11 2000-06-15 주식회사청수테크노필 섬유상 카본필터
JP2011214170A (ja) * 2010-03-31 2011-10-27 Shinshu Univ 「高分子ナノ繊維からなる糸」の製造方法
KR20120002491A (ko) * 2010-06-30 2012-01-05 주식회사 아모그린텍 전기방사된 나노 섬유 웹을 이용한 액체 필터용 필터여재와 그 제조방법 및 이를 이용한 액체 필터
KR20150122282A (ko) * 2014-04-22 2015-11-02 삼성전기주식회사 여과 필터 및 여과 필터 카트리지

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4346647B2 (ja) * 2004-02-02 2009-10-21 キム，ハグ−ヨン ナノ繊維からなる連続状フィラメントの製造方法
EP2364196B1 (en) * 2008-12-05 2013-03-20 E. I. du Pont de Nemours and Company Filter media with nanoweb layer
CA2807915A1 (en) * 2010-08-09 2012-02-16 Ingolf Kristiansen Cartridge filter
KR20120078147A (ko) 2010-12-31 2012-07-10 웅진케미칼 주식회사 액체 여과용 원통상 심층필터
CN104947211A (zh) * 2015-05-27 2015-09-30 西安工程大学 膜裂法静电纺连续纳米纤维纱装置及制备纳米纤维纱方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5591335A (en) * 1995-05-02 1997-01-07 Memtec America Corporation Filter cartridges having nonwoven melt blown filtration media with integral co-located support and filtration
KR200186206Y1 (ko) * 2000-01-11 2000-06-15 주식회사청수테크노필 섬유상 카본필터
JP2011214170A (ja) * 2010-03-31 2011-10-27 Shinshu Univ 「高分子ナノ繊維からなる糸」の製造方法
KR20120002491A (ko) * 2010-06-30 2012-01-05 주식회사 아모그린텍 전기방사된 나노 섬유 웹을 이용한 액체 필터용 필터여재와 그 제조방법 및 이를 이용한 액체 필터
KR20150122282A (ko) * 2014-04-22 2015-11-02 삼성전기주식회사 여과 필터 및 여과 필터 카트리지

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113577909A (zh) * 2021-08-02 2021-11-02 东华大学 一种具有双重功能的复合过滤材料及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108472566A (zh) 2018-08-31
US20190001247A1 (en) 2019-01-03
CN108472566B (zh) 2021-10-15
US11103817B2 (en) 2021-08-31
KR101739845B1 (ko) 2017-05-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2017111317A1 (ko) 나노섬유 복합 섬유사를 이용한 카트리지 필터 및 그 제조방법
KR101308519B1 (ko) 전기방사된 나노 섬유 웹을 이용한 액체 필터용 필터여재와 그 제조방법 및 이를 이용한 액체 필터
KR102109724B1 (ko) 액체 필터용 필터여재 및 이를 이용한 액체 필터
WO2017026876A1 (ko) 필터여재용 나노섬유, 이를 포함하는 필터여재, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 필터유닛
US8206481B2 (en) HEPA (H-10) performance synthetic nonwoven and nanofiber composite filter media
US20110064928A1 (en) Nonwoven material
KR20200033669A (ko) 나노 섬유 시트를 포함하는 정전 필터용 여과재 및 이의 제조방법
WO2016195285A1 (ko) 기체 필터
KR20190011838A (ko) 개선된 먼지 포집 능력을 갖는 필터 구조
WO2016195288A1 (ko) 흡착 멤브레인
KR101628898B1 (ko) 이온 교환 수지 입자를 갖는 나노 섬유 웹을 이용한 액체처리 케미컬 필터 및 그 제조방법
KR101189637B1 (ko) 세경 섬유의 시트형상 집합체, 그 제조 방법 및 그 제조장치
KR101619235B1 (ko) 전기방사된 나노 섬유 웹을 이용한 액체처리 케미컬 필터 및 그 제조방법
WO2018110965A1 (ko) 필터여재, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 필터유닛
WO2016195284A1 (ko) 흡착식 액체필터
EP3508265B1 (en) Gradual density nanofiber media and method of making it
WO2016013836A1 (ko) 탈취용 필터재 및 이를 이용한 탈취방진 복합필터
WO2014126443A1 (ko) 필터 여재 및 그 제조방법과, 이를 이용한 필터 장치
KR102563110B1 (ko) 나노 섬유 필터 및 그 제조 방법
KR20110078293A (ko) 정전 스펀본드 부직포 및 그의 제조방법
KR102621800B1 (ko) 나노 섬유 필터 및 그 제조 방법
WO2015020337A1 (ko) 액체 필터용 필터여재 및 그의 제조방법
KR102153213B1 (ko) 다중 섬유의 동시 제조를 위한 멀티 원심방사디스크와 이를 이용한 단일층 복합 나노 필터의 제조 방법
KR101024091B1 (ko) 장섬유 스펀본드 부직포 및 이의 제조방법
KR102281271B1 (ko) 저차압 여재

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16879184

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16879184

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1