KR20200033669A - 나노 섬유 시트를 포함하는 정전 필터용 여과재 및 이의 제조방법 - Google Patents

나노 섬유 시트를 포함하는 정전 필터용 여과재 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폴리프로필렌 계열의 정전 부직포 원단; 및 상기 정전 부직포 원단의 적어도 일면에 나노 섬유 시트가 적층된 적층체를 하나 이상 포함하는, 정전 필터용 여과재 및 이의 제조방법을 제공한다.

Description

나노 섬유 시트를 포함하는 정전 필터용 여과재 및 이의 제조방법{FILTER MEDIA FOR ELECTRET FILTER COMPRISING NANO FIBER SHEET AND MANUFACTURING METHODE OF THE SAME}
본 발명은 나노 섬유 시트를 포함하는 정전 필터용 여과재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 산업의 발달 및 도시화에 의한 대기오염의 증가는 실내 및 실외공기의 심각한 오염을 수반하였으며, 이렇게 오염된 공기를 정화하기 위하여 에어필터가 사용된다.
상기 에어필터는, 냉 난방기, 공기청정기 및 자동차 등에 사용되며, 주로 부직포로 이루어져 있으며, 이러한 부직포 필터는 시빙(sieving), 인터셉션(interception), 임팩션(impaction) 또는 디퓨전(diffusion) 등의 기구에 의하여 공기중의 먼지를 포집, 여과하게 된다.
단순 부직포로 이루어진 에어필터는 제조공정이 단순하고 원가가 저렴한 장점이 있어 여러 가지 응용분야에 널리 사용되고 있다.
그러나, 부직포형 에어필터는 먼지의 여과효율이 떨어지는 단점이 있으며, 특히 인체에 유해한 크기 2.5㎛ 이하로 이루어진 미세먼지의 포집능력이 떨어진다.
이러한 미세먼지를 여과하기 위해서는 부직포 사이의 공간을 좁히기 위하여 부직포의 섬유밀도를 높여야 하나, 이 경우 지나치게 밀집된 섬유로 인하여 에어필터를 통한 공기의 순환이 자유롭지 못하게 되어 에어필터 통과 시에 지나치게 큰 압력손실이 유발된다.
따라서, 이러한 부직포형 에어필터의 경우, 공기정화를 위해 적절한 정도의 통풍량을 확보하기 위해서는 공기를 강제로 통과시키는 별도의 송풍기구가 사용되어야 할 뿐만 아니라, 상기 에어필터의 압력손실 정도에 따라 상기 송풍기구의 크기와 용량이 결정되는데 이로 인하여 에너지의 손실 및 공기정화장치의 비대화가 유발되는 단점이 있다.
다른 형태의 공기정화기구로는 먼지 및 필터에 전하를 부가하여 먼지를 제거하는 전기집진식 공기정화기가 있다.
코로나 방전을 통하여 먼지에 전하를 부가한 후 집진판에는 반대극성의 전압을 가하여 정전기력을 이용해 먼지를 포집하는 형태의 전기집진식 공기정화기는 주로 집진판이 판상구조로 이루어져 있고 집진판 사이의 간격이 넓다.
따라서, 공기정화기 내부로 공기의 유동이 자유로워 압력손실이 크게 개선되며 집진효율 또한 우수한 특성을 가지고 있다.
그러나, 먼지에 전하를 부가하기 위한 코로나 방전과, 집진판의 전압부가를 위하여 별도의 외부 전압이 필요하며, 적절한 전기회로를 구성해야 하므로 단순히 필터만을 이용하여 공기를 정화하는 방식보다는 장치가 비대해지고, 가격면에서도 불리한 문제점이 있다. 또한, 공기정화에 외부전력이 필요하므로 에너지 비용도 증가되는 단점이 있다.
상기 부직포형 에어필터의 단점 중 미세먼지 포집효율을 보완하기 위해 정전하가 부가된 부직포를 이용한 에어필터가 개발되었다.
이러한 정전부직포 에어필터는 멜트 블로잉(Melt blowing) 방식의 부직포 제작용 섬유 제조 시에 정전하를 부가하거나 또는 정전하가 부가된 고분자 필름을 섬유화한 후에 다시 부직포화하여 제조하는데, 상기 부직포형 에어필터의 포집기구들 외에 정전기력에 의한 포집기구가 추가되어 여과효율이 크게 향상되는 장점이 있다.
그러나, 정전 부직포형 에어필터 역시, 사용기간 및 환경에 따라 정전 필터로 사용되는 고분자 필름의 정전 특성이 감소하여, 집진 효율이 급격히 저하되는 문제가 있었다.
구체적으로, 정전 특성의 감소에 따른 집진 효율의 감소는 초기 99.97%의 집진 효율에서 약 30%까지 저하되었다.
이와 같은 집진 효율의 감소로 인해 필터의 사용 주기가 매우 짧아지며, 미세 먼지 등이 제거되지 못하는 문제도 발생하였다.
그러나, 현재까지는 외부 환경에서 정전 성능 소멸을 해결하는 것은 어려운 바, 상기 문제를 해결할 수 있는 정전 필터 자체의 기술 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 여과능력이 우수하면서도 여과 효율이 급격히 저하되지 않도록 개선된 정전 필터용 여과재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 폴리프로필렌 계열의 정전 부직포 원단; 및 상기 정전 부직포 원단의 적어도 일면에 나노 섬유 시트가 적층된 적층체를 하나 이상 포함하는, 정전 필터용 여과재를 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면,
정전 필터용 여과재의 제조방법으로서,
(a) 고분자를 용매에 용해 또는 용융시켜 방사 원액을 제조하는 과정;
(b) 상기 방사 원액을 전기 방사 또는 용액 방사에 의해, 폴리프로필렌 계열의 정전 부직포 원단의 적어도 일면에 방사 건조하여 적층체를 제조하는 과정; 및
(c) 상기 적층체를 하나 이상 결합하는 과정;
을 포함하는 정전 필터용 여과재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면,
정전 필터용 여과재의 제조방법으로서,
(a') 고분자를 용매에 용해 또는 용융시켜 방사 원액을 제조하는 과정;
(b') 상기 방사 원액을 전기 방사 또는 용액 방사에 의해, 기재의 적어도 일면에 방사 건조하여 나노 섬유 시트를 제조하는 과정;
(c') 상기 나노 섬유 시트를 폴리프로필렌 계열의 정전 부직포 원단에 부착하여 적층제를 제조하는 과정; 및
(d') 상기 적층체를 하나 이상 결합하는 과정;
을 포함하는 정전 필터용 여과재의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 폴리프로필렌 계열의 정전 부직포 원단의 적어도 일면에 나노 섬유 시트를 적층한 형태의 정전 필터용 여과재를 제공함으로써, 여과 능력이 우수하면서도 여과 효율이 급격히 저하되지 않아, 정전 부직포 원단의 정전 특성 소멸 이후에도 80% 이상의 먼지 포집 효율을 나타내며, 나노 섬유 시트의 물리적 포집 능력에 의해서도 먼지를 여과하므로, 사용 환경에 영향을 덜 받아, 사용 주기가 길고, 우수한 미세 먼지 제거 효과가 있다.
도 1은 실시예 1에서 제조된 여과재 1의 모식도이다;
도 2는 실시예 2에서 제조된 여과재 2의 모식도이다;
도 3은 실시예 3에서 제조된 여과재 3의 모식도이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 폴리프로필렌 계열의 정전 부직포 원단; 및 상기 정전 부직포 원단의 적어도 일면에 나노 섬유 시트가 적층된 적층체를 하나 이상 포함하는, 정전 필터용 여과재가 제공된다.
기존의 정전필터용 여과재에 사용되는 정전 부직포 원단은 사용 기간 및 환경에 따라 정전 특성이 감소하며 그로 인해 집진 효율이 급격히 저하되는 문제가 있었을 뿐 아니라, 이와 같은 집진 효율의 감소로 인해 필터의 사용 주기가 짧아지고, 미세먼지 등이 제거되는 문제가 있었다. 그러나, 현재까지는 외부 환경에서 정전 성능 소멸의 해결이 어려우며 급격한 여과 성능의 감소로 인해 자주 필터를 교체하는 수 밖에 없었다.
이에 본 발명자들은 보다 간단한 방법으로 여과 능력이 우수하면서도, 여과 효율이 급격히 저하되지 않는 정전 필터용 여과재 기술에 대해 연구를 거듭하였으며, 그 결과 본 발명을 완성하였다.
구체적으로, 본 발명에서는 정전 필터용 여과재에 사용되었던 정전 부직포 원단의 적어도 일면에, 전기 방사 또는 용액 방사에 의하여 제조된 나노 섬유 시트를 적층하여 적층체를 제조하고, 상기 적층체를 하나 이상 포함하여 물리적 포집 능력을 적용시킴으로써, 정전 부직포 원단의 정전 특성이 소멸된 이후에도 80% 이상의 먼지 포집 효율을 나타낼 수 있고, 사용 환경에 따른 포집 효율 감소가 적은 정전 필터용 여과재를 제공할 수 있다.
상기 적층체를 하나 이상 포함하면 되고, 이외에 정전 부직포 원단, 나노 섬유 시트를 추가로 포함하는 것도 본 발명에 포함됨은 물론이다.
여기서, 상기 나노 섬유 시트는, 나노 섬유층으로 이루어지거나, 기재의 적어도 일면에 나노 섬유층이 형성된 형태로 이루어질 수 있다. 이는 나노 섬유 시트의 제조방법에 따라 달라질 수 있다.
상기 나노 섬유층은, 평균 섬유 직경이 10 nm 내지 1000 nm일 수 있다.
상기 평균 섬유 직경이 1000 nm 보다 큰 경우에는, 극세화가 충분하지 않고, 섬유 표면적이 저하되어, 필터용 여과재로서 포집 효율이 떨어지게 되어 이후 미세먼지 등의 제거가 어렵고, 반대로 10 nm 보다 작은 경우에는 가공성이 저하되고, 밀도가 증가하여 차압이 증가하며, 강도가 떨어지고 생산이 어려운 문제가 있다.
상세하게는, 평균 섬유 직경이 10 nm 내지 800 nm일 수 있고, 더욱 상세하게는 10 nm 내지 700 nm일 수 있다.
상기 섬유의 평균 직경은, 제조한 나노 섬유층의 FE-SEM 분석을 진행한 후, 이미지(image)를 분석하여 측정하였다.
더 나아가, 상기 나노 섬유층의 기공은, 평균 직경이 0.01 ㎛ 내지 10 ㎛일 수 있고, 상세하게는, 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛, 더욱 상세하게는 0.3 ㎛ 내지 7 ㎛일 수 있다.
상기 범위를 벗어나, 기공의 평균 직경이 10 ㎛보다 크면 미세먼지의 포집 효율이 현저하게 떨어지고, 0.01 ㎛ 미만이면 공기 저항이 급격하게 증가하기 때문에 압력 손실이 증대되고, 여과 능력 및 에너지 효율에 문제가 있다.
상기 나노 섬유층의 기공의 평균 직경은 PMI(Porous Materials Inc)사의 Capillary flow porometer를 사용하여 측정될 수 있다.
상기 나노 섬유층은, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리우레탄, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐알코올, 폴리이미드, 폴리에테르 설폰, 폴리부틸렌 숙시네이트, 폴리 비닐 아크릴레이트, 폴리아크릴이미드, 및 폴리아크릴로니트릴로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상세하게는, 이들 중, 내열성 및 내약품성등의 강한 물질로서, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리이미드, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐알코올, 또는 폴리아크릴로니트릴일 수 있고, 더욱 상세하게는, 섬유화의 편의성과 포집 성능, 나노 섬유의 균일함 등을 고려하여, 폴리아크릴로니트릴이거나, 다양한 분자량을 통해 다양한 섬유 직경의 제조가 가능한 폴리에틸렌옥사이드일 수 있으며, 또는 섬유간 연결에 유리한 폴리비닐알코올일 수 있다.
상기 나노 섬유층의 면 밀도는 1 g/m2 내지 50 g/m2일 수 있고, 상세하게는 1 g/m2 내지 20 g/m2일 수 있고, 더욱 상세하게는, 1 g/m2 내지 10 g/m2일 수 있다.
상기 범위를 벗어나, 면 밀도가 너무 낮은 경우에는 큰 직경의 기공 크기로 인해 효율적으로 먼지를 포집하기 어려우며, 너무 높은 경우에는 차압이 증가하고 생산성이 나빠질 수 있다.
여기서, 상기 면 밀도는, 제조한 나노 섬유층을 3개의 4cm x 4cm 크기로 샘플링하고 각각의 샘플 무게를 측정하여, 그 평균값을 통해 면 밀도를 계산하였다.
한편, 본 발명에 사용되는 기재는, 일반적으로 잘 알려진 메쉬 또는 부직포 타입을 사용할 수 있으며, 그 종류에는 한정이 없으나, 예를 들어, 폴리에틸렌계, 폴리프로필렌계, 및 셀룰로오스계 기재 또는 아크릴 바인더를 사용한 레이온-폴리에스테르계로 구성된 합성 섬유 기재가 사용될 수 있다.
상기 셀룰로오스계 기재는 미세 다공 구조를 형성하고 있는 바, 고온에서 치수 안정성이 좋고, 내열성, 고결정성 등의 특성을 나타내므로, 본 발명은 이러한 기재 상에 별도의 접착제 사용 없이 나노 섬유층을 제조할 수 있다. 이때, 상기 셀룰로오스계 기재는 재생 셀룰로오스 기재일 수 있다.
상기 기재를 구성하는 섬유의 평균 섬유 직경은 1 ㎛ 이상일 수 있다. 평균 섬유 직경이 1 ㎛ 미만이면, 적층체의 인장 강력이 낮아, 필터로서 가공할 때의 가공성이 나빠질 뿐만 아니라, 필터로서의 내구성도 나빠진다. 상세하게는, 평균 섬유 직경은, 1 ㎛ 내지 50 ㎛, 더욱 상세하게는, 1 ㎛ 내지 30 ㎛일 수 있다.
한편, 이러한 나노 섬유 시트가 정전 부직포 원단의 적어도 일면에 적층된 형태의 적층체는, 예를 들어, 하기 두 가지 방법으로 제조된다.
하나의 예에서, 상기 적층체는 정전 부직포 원단의 적어도 일면에 고분자를 포함하는 용액을 직접 전기 방사 또는 용액 방사하여 형성될 수 있다.
또 하나의 예에서, 상기 적층체는, 기재의 적어도 일면에 고분자를 포함하는 용액을 전기 방사 또는 용액 방사하여 나노 섬유층을 형성하고, 이를 폴리프로필렌 계열의 정전 부직포 원단에 접착하여 형성될 수 있다.
상기 전기 방사(Electrospinning)는 전기적으로 하전된 고분자 용액 및 용융물의 젯(jet)을 통해 나노 섬유를 제조할 수 있는 공정이며, 용액 방사(Solution spinning)은 고분자 용액을 공기나 가스 속으로(건식 방사), 또는 냉각 고화시키는 액체 속으로(습식 방사) 밀어내어 섬유를 제조하는 공정이다.
본 발명에서는 상기 전기 방사 또는 용액 방사를 통하여 나노 섬유층을 제조하므로, 섬유 직경과 공극률을 보다 용이하게 조절할 수 있다. 상기 전기 방사 또는 용액 방사에 의한 적층체의 제조 방법은 이후 더욱 자세히 설명한다.
상기 나노 섬유 시트를 먼저 제조한 후에, 폴리프로필렌 계열의 정전 부직포 원단에 접착하는 경우, 상기 접착은, 한정되지 아니하고, 엠보스나 캘린더에 의한 서멀(thermal) 본드, 또는 각종 접착제에 의한 케미컬 본드 등에 의해 접착시켜 가능하고, 상세하게는, 열융착성 접착제 또는 우레탄계 접착제를 도포하여 수행될 수 있다.
한편, 상기 폴리프로필렌 계열의 정전 부직포 원단은, 스펀 본드법, 멜트 블로운법, 스펀 레이스법, 서멀 본드법, 케미컬 본드법, 에어 레이드법, 니들 펀치법 등으로 제조될 수 있고, 상세하게는 멜트블로운법으로 제작된 부직포로서, 섬유 제조시 정전하를 부가하여 정전기력에 의한 여과효율을 향상시킨 원단이다.
본 발명에 따른 정전 필터용 여과재는, 상기 폴리프로필렌 계열의 정전 부직포 원단과, 나노 섬유 시트가 적층된 적층체를 하나 이상 포함하며, 상세하게는 둘 이상 포함하여, 이들이 결합된 형태일 수 있다.
즉, 상기 정전 필터용 여과재로서, 적층체를 하나만 사용할 수도 있지만, 적층체가 둘 이상 결합된 형태를 사용할 수도 있다.
이때, 상기 결합은, 상기 정전 부직포 원단과 나노 섬유 시트의 적층에 대해 설명한 바와 같이, 한정되지 아니하고, 엠보스나 캘린더에 의한 서멀(thermal) 본드, 또는 각종 접착제에 의한 케미컬 본드 등에 의해 접착시켜 가능하고, 상세하게는, 열융착성 접착제 또는 우레탄계 접착제를 도포하여 수행될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면,
정전 필터용 여과재의 제조방법으로서,
(a) 고분자를 용매에 용해 또는 용융시켜 방사 원액을 제조하는 공정;
(b) 상기 방사 원액을 전기 방사 또는 용액 방사에 의해, 폴리프로필렌 계열의 정전 부직포 원단의 적어도 일면에 방사 건조하여 적층체를 제조하는 과정; 및
(c) 상기 적층체를 하나 이상 결합하는 과정;
을 포함하는 정전 필터의 제조방법이 제공된다.
상기 고분자는, 상기에서 설명한 바와 같이, 예를 들어, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리우레탄, 폴리비닐알코올, 폴리이미드, 폴리에테르 설폰, 폴리부틸렌 숙시네이트, 폴리 비닐 아크릴레이트, 폴리아크릴이미드, 및 폴리아크릴로니트릴로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 고분자의 중량평균분자량은 50000 내지 4000000 g/mol 범위일 수 있으며, 상세하게는, 100000 내지 2000000 g/mol범위일 수 있다. 중량평균분자량의 측정은 겔투과 크로마토그래피(GPC)를 이용하여 이루어질 수 있다.
상기 방사 원액의 제조에 사용될 수 있는 용매는 물 또는 유기 용제일 수 있으며, 상세하게는, 유기 용제일 수 있고, 상기 고분자를 용해시킬 수 있는 것이라면 한정되지 아니하고, 예를 들어 페놀, 포름산, 황산, m-크레솔, 티플루오르아세트앤하이드라이드/다이클로로메테인, 물, N-메틸모폴린 N-옥시드, 클로로폼, 테트라히드로푸란과 지방족 케톤군인 메틸이소부틸케톤, 메틸에틸케톤, 지방족 수산기 군인 m-부틸알콜, 이소부틸알콜, 이소프로필알콜, 메틸알콜, 에탄올, 지방족 화합물인 헥산, 테트라클로로에틸렌, 아세톤, 글리콜군으로서 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 에틸렌글리콜, 할로겐 화합물군으로 트리크롤로에틸렌, 다이클로로메테인, 방향족 화합물 군인 톨루엔, 자일렌, 지방족 고리 화합물군으로서 사이클로헥사논, 시클로헥산과 에스테르군으로 n-부틸초산염, 초산에틸, 지방족에테르군으로 부틸셀로살브, 아세트산2-에톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 디메틸포름아미드, 아미드로 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드 등을 사용할 수 있으며, 복수 종류의 용매를 혼합하여 이용할 수도 있다.
상세하게는, 고분자, 더 나아가, 폴리아크릴로니트릴을 사용하는 경우 용매는 아미드계 용매, 상세하게는 디메틸포름아미드일 수 있다.
상기 용매에 고분자를 용해 또는 용융시키고, 균일하게 입상 겔물을 없애 용해 또는 용융 시킨 것을 방사 원액으로 한다.
이때, 상기 방사 원액의 농도는 제조되는 나노 섬유의 직경과 방사성을 고려하여, 고분자가 방사 원액 전체 중량을 기준으로 1 내지 30 중량% 범위인 것이 바람직하며, 상세하게는 3 내지 20 중량% 범위인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 방사 원액의 점도는 25 ℃에서 10 cP 내지 5000 cP일 수 있다. 상기 점도는 브룩필드계 점도로 측정되며, 본 발명에서는 브룩필드사의 DV2T 모델을 사용하였다.
상기 방사 원액의 전기 방사는 특별히 한정되지 아니하고, 예를 들어 방사 원액을 공급할 수 있는 도전성 부재에 고전압을 인가함으로써, 접지된 대극 (對極) 측에 초극세 섬유를 퇴적시키는 방법을 취할 수 있다. 이로써, 원액 공급부로부터 토출된 방사 원액이 대전 분열되고, 이어서 전기장에 의해 액적의 일점(一點)로부터 화이버가 연속적으로 인출되어, 분할된 섬유가 다수 확산된다. 구체적으로, 상기 전기 방사는 온도 20℃ 내지 30℃, 습도 40 내지 80%, 전압 1 내지 30kV, 용액 토출 속도 1 내지 50 ml/h, 구금과 형성 시트 인취 장치 사이의 거리(tip-to collect distance) 5 내지 30 cm의 조건으로 방사한다.
여기서, 상기 제조방법에 따르면, 대극에는 본 발명의 폴리프로필렌 계열의 정전 부직포 원단을 위치시킬 수 있으며, 이로써 직접적으로 나노 섬유 시트가 폴리프로필렌 계열의 정전 부직포 원단 상에 형성되어 적층체가 제조된다.
한편, 용액 방사는, 노즐부의 공압에 의해 화이버를 제조하는 용액 블로잉 방사치를 이용하여 제조할 수 있다. 이때 노즐부는 0.05 ㎛ 내지 3 mm크기의 직경을 가질 수 있으며 동시에 포집부에 팬을 설치하여 나노 섬유들의 포집율을 높이며, 동시에 용매 건조가 진행될 수 있다.
용액 방사에 의해 제조하는 경우, 용액 방사 조건은 온도 20℃ 내지 30℃, 습도 40 내지 80%, 용액 토출 속도 1 내지 500ml/h, 구금과 형성 시트 인취 장치 사이의 거리(tip-to collect distance) 60 내지 300 cm의 조건으로 방사할 수 있다.
상기 나노 섬유층의 기공도는, sample의 크기와 무게 및 두께를 측정하여 그 측정치와 사용한 고분자의 밀도를 적용하여 기공도를 계산할 수 있으며 기공도가 1 내지 30 % 범위를 갖는다. 상기 범위의 기공도를 갖는 나노 섬유 시트는 여과재로의 활용에 적합하다.
상기 전기 방사 또는 용액 방사로 제조되는 나도 섬유층의 두께는, 0.1 내지 50 ㎛ 범위일 수 있고, 상세하게는 0.1 내지 40 ㎛ 범위일 수 있다. 만일 나노 섬유층의 두께가 지나치게 두꺼우면 공간 효율성이 저하되고, 지나치게 얇으면 소망하는 정도의 여과 능력을 나타내지 못하므로 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 상기 제조 방법 외에,
정전 필터용 여과재의 제조방법으로서,
(a') 고분자를 용매에 용해 또는 용융시켜 방사 원액을 제조하는 공정;
(b') 상기 방사 원액을 전기 방사 또는 용액 방사에 의해, 기재의 적어도 일면에 방사 건조하여 나노 섬유 시트를 제조하는 과정;
(c') 상기 나노 섬유 시트를 폴리프로필렌 계열의 정전 부직포 원단에 부착하여 적층제를 제조하는 과정; 및
(d') 상기 적층체를 하나 이상 결합하는 과정;
을 포함하는 정전 필터의 제조방법이 제공된다.
상기 방사 원액 및 전기 방사 또는 용액 방사에 대한 설명은 상기에서 설명한 바와 같고, 다만, 본 제조방법에 있어서는, 전기 방사에 의한 나노 섬유 시트 제조시 대극에 기재를 위치시킬 수 있다. 즉, 대극에 기재를 위치시켜 방사 건조를 통하여 나노 섬유 시트를 제조한 후, 폴리프로필렌 계열의 부직포 원단과 적층, 결합시켜 적층체를 제조할 수도 있다.
상기 기재는, 상기에서 설명한 바와 같다.
상기 기재의 두께는, 1 내지 300 ㎛ 범위일 수 있고, 상세하게는 1 내지 200 ㎛ 범위일 수 있다. 만일 기재의 두께가 지나치게 두꺼우면 공간 효율성이 저하되고, 지나치게 얇으면 소망하는 정도의 내구성을 나타내지 못하므로 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.
상기 나노 섬유 시트를 폴리프로필렌 계열의 정전 부직포 원단에 부착하는 방법은, 상기에서 설명한 바와 같이, 엠보스나 캘린더에 의한 서멀(thermal) 본드, 또는 각종 접착제에 의한 케미컬 본드 등에 의해 접착시켜 가능하고, 상세하게는, 열융착성 접착제 또는 우레탄계 접착제를 도포하여 수행될 수 있다.
상기 폴리프로필렌 계열의 정전 부직포 원단의 두께는, 1 내지 300 ㎛ 범위일 수 있고, 상세하게는 1 내지 200 ㎛ 범위일 수 있다. 만일 정전 부직포 원단의 두께가 지나치게 두꺼우면 공간 효율성이 저하되고, 지나치게 얇으면 소망하는 정도의 포집 효율을 나타내지 못하므로 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 두 가지의 제조방법들에서, '적층체를 하나 이상 결합하는 과정'이라 함은, 상기 적층체를 하나만 사용할 수 도 있고, 둘 이상을 결합하여 사용할 수 있음을 의미한다.
상기 결합 시에는, 상기에서 설명한 방법에 의해 결합할 수 있다.
이와 같이 제조된 정전 필터용 여과재는, 정전 특성을 가지는 정전 부직포 원단에 의해 집진 효율이 매우 높으면서도, 상기 정전 부직포 원단의 정전 특성이 소멸하는 이후에도, 나노 섬유 시트의 물리적인 포집 능력에 의해 집진 효율의 저하를 방지할 수 있는 바, 사용 주기가 길고, 미세 먼지 등의 제거 효율도 일정 수준으로 유지할 수 있다.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예들에 작성된 수치는 하기 방법으로 측정하였다.
* 섬유 직경 측정: 제조한 나노 섬유층의 FE-SEM 분석을 진행 후 이미지를 분석하여 섬유 직경을 측정하였다.
* 면 밀도 측정: 제조한 나노 섬유층을 3개의 4cm x 4cm 크기로 샘플링하였다. 각각의 샘플의 무게를 측정하여 그 평균값을 통해 평량을 계산하였다. 또한 디지털 두께 게이지를 이용하여 3개 샘플의 랜덤(random)한 위치의 두께를 측정하여 그 평균값을 나타내었다. 측정한 두께와 평량을 바탕으로 사용한 방사 고분자의 밀도를 적용하여 샘플의 밀도를 계산하였다.
* 기공의 크기 측정: PMI(Porous materials Inc)사의 Capillary flow porometer를 사용하여 측정하였으며, 나도 섬유층을 적절한 크기(3cm x 3cm)로 준비한 후 표면장력을 알고 있는 Galwick 용액을 이용하여 측정하였다.
실시예 1
1) 폴리프로필렌 정전 부직포 원단
Meltblown 부직포(웰크론사, MB20)을 사용하였다.
2) 전기방사 단계
중량 평균 분자량 150000의 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 디메틸포름아미드에 25 ℃ 에서 정치 (靜置) 용해시켜 8 질량%의 농도의 방사 원액을 얻었다.
상기 방사 원액을 사용하여 방사 장치(NanoNC사의 Machine 5)에 의해 전기 방사를 실시하였다.
구금으로서 내경이 0.86 ㎜ 인 니들을 사용하였다. 또, 구금과 형성 시트 인취 장치 사이의 거리는 15 ㎝ 로 하였다. 또한, 형성 시트 인취 장치에 폴리프로필렌 정전 부직포 원단(20g/m2)을 감았다. 이어서, 방사 원액을 20ml/h의 공급량으로 구금으로부터 압출하고, 구금에 30 ㎸ 인가 전압을 부여하고, 상기 폴리프로필렌 정전 부직포 원단 상에 면 밀도 1.54g/m2, 평균 섬유 직경이 300 ㎚ 이고 기공의 평균 직경이 1 ㎛인 초극세 섬유를 30 ㎛의 두께가 되도록 적층시켜, 적층체를 제조하였다.
3) 여과재의 제조
상기 적층체를 열융착성 접착제(3M사, 3748TC)을 사용하여 2개 결합시켜 여과재 1을 제조하였다. 여과재 1의 모식도를 도 1에 도시하였다.
실시예 2
상기 실시예 1에서, 형성 시트 인취 장치에 메쉬 타입의 폴리프로필렌 시트(3AC사, 초극세사 필터)를 감아 초극세의 섬유층(면 밀도 1.54g/m2, 평균 섬유 직경이 300 ㎚ 이고 기공의 평균 직경이 1 ㎛이며, 30 ㎛의 두께를 가짐)을 일면에 적층시켜 나노 섬유 시트를 제조하였고, 이후, 나노 섬유 시트를 상기 실시예 1의 폴리프로필렌 정전 부직포 원단(20g/m2)에 열융착성 접착제(3M사, 3748TC)을 사용하여 적층시켜 적층체를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 여과재 2를 제조하였다. 여과재 2의 모식도를 도 2에 도시하였다.
실시예 3
상기 실시예 1에서, 형성 시트 인취 장치에 부직포 타입의 폴리프로필렌시트(한일합섬사, 스펀본드)를 감아 초극세의 섬유층(면 밀도 1.54g/m2, 평균 섬유 직경이 300 ㎚ 이고 기공의 평균 직경이 1 ㎛이며, 30 ㎛의 두께를 가짐)을 양면에 적층시켜 나노 섬유 시트를 제조하였고, 이후, 나노 섬유 시트를 상기 실시예 1의 폴리프로필렌 정전 부직포 원단(20g/m2) 2개 사이에 개재하고 열융착성 접착제(3M사, 3748TC)을 사용하여 적층체를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 여과재 3을 제조하였다. 여과재 3의 모식도를 도 3에 도시하였다.
비교예 1
상기 실시예 1의 폴리프로필렌 정전 부직포 원단만으로 여과재 4를 제조하였다.
비교예 2
상기 실시예 1의 폴리프로필렌 정전 부직포 원단을 열융착성 접착제(3M사, 3748TC)에 의해 2장 결합시켜 여과재 5를 제조하였다.
실험예
입경이 0.1 내지 10 ㎛인 NaCl를 공기 상에 분산시키고, 이를 32L/min의 유량으로 상기 여과재 1 내지 5에 유통시킨 경우의 포집 효율을 측정하였다.
포집 효율은, 상기 미립자를 함유하는 공기를 32L/min의 유량으로 통과시키고, 흡광도법에 의해 통과 전후의 미립자 농도를 측정하여 포집 효율 1을 산출하였다.
또한, 상기 여과재 1 내지 5를 IPA(icosapentaenoic acid)로 6시간동안 처리하여 정전 특성을 제거한 후 상기 포집 효율 측정 방법을 다시 한번 수행하여 포집 효율 2를 산출하였다.
수치가 높을수록 포집 효율이 우수하다고 할 수 있다.
그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
포집 효율 1(%) 포집 효율 2(%)
실시예 1(여과재 1) 99.89 88.34
실시예 2(여과재 2) 100.0 93.34
실시예 3(여과재 3) 99.86 88.33
비교예 1(여과재 4) 97.64 34.00
비교예 2(여과재 5) 99.99 42.81
상기 표 1을 참조하면, 본 발명에 따라 나노 섬유 시트를 포함하는 적층체를 사용하는 경우, 정전 성능 소멸 후에도 88% 이상의 포집 효율을 보이는 반면, 정전 부직포 원단만으로 구성된 비교예들은 50%도 안되는 효율을 보임을 알 수 있다.

Claims (16)

  1. 폴리프로필렌 계열의 정전 부직포 원단; 및 상기 정전 부직포 원단의 적어도 일면에 나노 섬유 시트가 적층된 적층체를 하나 이상 포함하는, 정전 필터용 여과재.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 나노 섬유 시트는, 나노 섬유층으로 이루어지거나, 기재의 적어도 일면에 나노 섬유층이 형성된 형태로 이루어지는, 정전 필터용 여과재.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 나노 섬유층은, 평균 섬유 직경이 10 nm 내지 1000 nm인, 정전 필터용 여과재.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 나노 섬유층의 기공은, 평균 직경이 0.01 ㎛ 내지 10 ㎛인, 정전 필터용 여과재.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 나노 섬유층은, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리우레탄, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐알코올, 폴리이미드, 폴리에테르 설폰, 폴리부틸렌 숙시네이트, 폴리 비닐 아크릴레이트, 폴리아크릴이미드, 및 폴리아크릴로니트릴로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어진, 정전 필터용 여과재.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 나노 섬유층은, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌옥사이드, 또는 폴리비닐알코올로 이루어진, 정전 필터용 여과재.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 나노 섬유층의 면 밀도는 1 g/m2 내지 50 g/m2인, 정전 필터용 여과재.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 기재는 폴리에틸렌계, 폴리프로필렌계, 셀룰로오스계 기재, 및 아크릴 바인더를 사용한 레이온-폴리에스테르계 기재로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인, 정전 필터용 여과재.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 적층체는 정전 부직포 원단의 적어도 일면에 고분자를 포함하는 용액을 직접 전기 방사 또는 용액 방사하여 형성되는, 정전 필터용 여과재.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 적층체는, 기재의 적어도 일면에 고분자를 포함하는 용액을 전기 방사 또는 용액 방사하여 나노 섬유층을 형성하고, 이를 폴리프로필렌 계열의 정전 부직포 원단에 접착하여 형성되는, 정전 필터용 여과재.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 접착은, 열융착성 접착제 또는 우레탄계 접착제를 도포하여 수행되는, 정전 필터용 여과재.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 정전 필터용 여과재는 적층체를 둘 이상 포함하고, 상기 적층체들의 결합은, 열융착성 접착제 또는 우레탄계 접착제를 도포하여 수행되는, 정전 필터용 여과재.
  13. 제 1 항에 따른 정전 필터용 여과재의 제조방법으로서,
    (a) 고분자를 용매에 용해 또는 용융시켜 방사 원액을 제조하는 공정;
    (b) 상기 방사 원액을 전기 방사 또는 용액 방사에 의해, 폴리프로필렌 계열의 정전 부직포 원단의 적어도 일면에 방사 건조하여 적층체를 제조하는 과정; 및
    (c) 상기 적층체를 하나 이상 결합하는 과정;
    을 포함하는 정전 필터의 제조방법.
  14. 제 1 항에 따른 정전 필터용 여과재의 제조방법으로서,
    (a') 고분자를 용매에 용해 또는 용융시켜 방사 원액을 제조하는 공정;
    (b') 상기 방사 원액을 전기 방사 또는 용액 방사에 의해, 기재의 적어도 일면에 방사 건조하여 나노 섬유 시트를 제조하는 과정;
    (c') 상기 나노 섬유 시트를 폴리프로필렌 계열의 정전 부직포 원단에 부착하여 적층제를 제조하는 과정; 및
    (d') 상기 적층체를 하나 이상 결합하는 과정;
    을 포함하는 정전 필터의 제조방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 용매는 디메틸포름아미드인 정전 필터용 여과재의 제조방법.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 기재는, 폴리에틸렌계, 폴리프로필렌계, 셀룰로오스계 기재, 및 아크릴 바인더를 사용한 레이온-폴리에스테르계 기재로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인, 정전 필터용 여과재의 제조방법.
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