KR101416604B1 - 고온용 기체필터용 부직포 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고온에서 발생되는 유해가스 분진을 제거하기 위한 고온용 기체필터용 부직포에 관한 것이다.
본 발명은 고온에서 발생되는 유해가스 분진을 제거하기 위한 백필터용 부직포로서, 메타 아라미드(Nomex) 단섬유와 폴리페닐린설파이드(PPS) 단섬유가 혼합된 표면층과 테프론 코팅된 글라스(glass)로 이루어진 직물 기포 (scrim)의 이면층을 물리적인 힘으로 결합시킨 2층 구조의 고온용 기체필터용 부직포 구성으로 이루어져 있다.
상기 본 발명은 2데니어의 압축된 메타 아라미드 단섬유와 2데니어의 폴리페닐린 설파이드를 약 5:5의 중량비율로 혼합하여 혼타면에 이은 개면과 일련의 성형 및 니들 펀칭을 이용한 결속을 행하여 얻어진 웹의 이면에 테프론 코팅된 저밀도 글라스 기포를 적층해서 니들 펀칭 등의 물리적인 결속공정을 행함으로써 얻어지게 된다.

Description

고온용 기체필터용 부직포{UNWOVEN FABRIC FOR HIGH TEMPERATURE AIR FILTERING}
본 발명은 고온에서 발생되는 각종 유해분진을 제거하는데 사용되는 백 필터용 부직포에 관한 것으로, 특히 고온 배출가스의 농도를 저농도로 유지시키는 한편 강한 유해가스와의 장시간 접촉에도 집진효율이 떨어지는 것이 방지된 가운데 효율적으로 배출가스 중의 유해분진을 제거할 수 있는 고온용 기체필터용 부직포에 관한 것이다.
일반적으로 조업공정 중에 가열이나 연소과정을 포함하는 각종 산업현장에서는 분진을 포함하는 배출가스가 발생하게 되고, 그러한 배출가스 중에 포함된 분진은 집진장치를 거치면서 배출가스 허용기준치에 부합하는 정도로 분진이 제거된 상태의 기체만이 대기중으로 배출되어 진다.
이와 같은 배출가스 중에 포함된 분진을 집진 또는 제거하기 위한 집진설비로는 주로 백필터가 사용되고 있다. 최근에 이르러 환경에 대한 관심이 높아지고 대기환경에 대한 각종 기준이 강화됨에 따라 산업현장에서 발생되는 배출가스에 대한 분진의 허용기준치가 한층 엄격해지는 추세에 있다.
한편, 제철소나 제강공장을 비롯한 시멘트 공장 등에서 발생되는 배출가스 를 비롯한 각종 화학공장이나 연소과정을 거쳐 나오는 배출가스는 온도 자체가 상대적으로 높고, 황산화물(SOx)이나 질소산화물(NOx) 등의 산,알칼리 분진이 포함되어 있기 때문에 이러한 배출가스의 정화에 사용되는 백필터 소재는 내열성, 내화학성, 고온 형태안정성 및 고밀도 구조 등의 품질특성이 요구되고 있다.
상기 고온의 배출가스 중에 포함된 유해분진 제거용 백필터 소재의 대표적인 일예로 1969년부터 건분진의 집진용으로 사용되고 있는 듀폰사의 노멕스(Nomex) 아라미드 섬유가 알려져 있다. 상기 노멕스 아라미드 섬유는 200℃ 정도의 가동환경에서도 지속적으로 사용할 수 있는 내열성을 지니고 있으며, 또한 그 이전에 사용되어 오던 폴리에스터와 아크릴에 비해 내화학성 및 고온에서의 형태 안정성도 우수하다는 장점이 있다.
상기 노멕스 아라미드 섬유 이외의 고온용 백필터 소재로 테프론 불화탄소와 미세 유리섬유를 혼합해서 니들펀칭한 테페어(TEFAIRE, 상품명)와 유리섬유 등이 알려져 있다.
그러나, 상기 종래의 고온용 백필터 소재 섬유들은 가격이 상당히 비싸서 경제성면에서 문제점이 있으며, 최근에 한층 강화되고 또한 상향되고 있는 환경기준치 동향을 감안하는 경우, 향후에는 이들 소재를 원료로 하는 백필터의 경우에도 요구되는 품질특성에 부합하지 못하게 될 것으로 보여지기에, 한층 강화된 품질특성 요건을 만족시키면서도 경제성을 갖춘 새로운 고온용 기체필터용 부직포의 개발이 요망되고 있는 실정이다.
1. 대한민국 등록특허공보 제10-0490864 (2005.05.19.) 2. 대한민국 등록특허공보 제10-1130736 (2012.03.28.)
본 발명은 갈수록 엄격해지는 배출가스 허용기준치에 부합할 수 있는 고온 백필터용 부직포로서, 고온 노출환경에서도 형태안정성이 지속되며 황산화물이나 질소산화물 등의 유해가스 분진에 대한 포집성능이 장시간 유지되며 비용면에서 경제적인 고온용 기체필터용 부직포를 제공함에 발명의 목적을 두고 있다.
본 발명의 상기 기술적 목적은, 메타 아라미드(Nomex) 단섬유와 폴리페닐린설파이드(PPS) 단섬유가 혼합된 표면층과 글라스(glass)로 이루어진 직물 기포(scrim)의 이면층을 물리적인 힘으로 결합시킨 2층 구조의 고온용 기체필터용 부직포에 의해서 달성된다.
상기 본 발명 고온용 기체필터용 부직포에서 표면층을 이루는 메타 아라미드단섬유와 폴리페닐린 설파이드 단섬유는 모두 내열성이 우수하여 고온 백필터의 소재섬유로 사용되어 오고 있는 것으로, 본 발명에서는 2데니어의 압축된 메타 아라미드 단섬유와 2데니어의 폴리페닐린 설파이드를 중량비로 6:4 내지 4:6, 바람직하기로는 5:5의 비율로 혼합하여 혼타면에 이은 개면과 일련의 성형 및 니들 펀칭을 이용한 결속을 행하여 얻어진 웹의 이면에 글라스 기포를 적층해서 니들 펀칭 등의 물리적인 결속공정을 행함으로써 메타 아라미드와 폴리페닐린 설파이드의 표면층과 글라스 직물기포의 이면층으로 이루어진 2층 구조의 고온 백필터용 부직포가 얻어지게 된다.
상기 본 발명의 고온용 기체필터용 부직포에서 표면층을 이루는 섬유 중 하나인 메타 아리미드 단섬유는 우수한 내열성에 기인하여 200℃ 이상의 고온에서도 안정적인 형태유지가 지속되며 내화학성 및 내습성이 우수하고 고밀도 구조로서 미세분진 집진 성능이 우수하여 고온환경에서의 건분진 제거용 백필터 소재의 대표적인 하나로 알려져 있다.
그리고, 상기 메타 아라미드 단섬유와 함께 본 발명의 부직포 표면층을 구성하는 폴리페닐린 설파이드 역시 고온환경에서 기계적 강도가 높고, 낮은 열팽창계수 특성으로 온도의존성이 낮으며 우수한 내화학성 및 내열성을 지니고 있을 뿐 아니라 난연성이어서 상기 메타 아라미드와 함께 고온 배출가스 집진용 필터 소재의 하나로 알려져 있다.
상기 메타 아라미드 단섬유와 폴리페닐린 단섬유의 혼합비율은 중량비로 6:4 내지 4:6이고, 5:5 정도가 바람직하다.
한편, 이면층을 구성하는 기포로는 글라스 직물이 사용된다. 상기 글라스 직물은 1600℃의 고온에서 용융하여 100∼400본을 로빙한 것으로서, 제직형태는 평직을 취하고 있으며, 필라멘트의 직경은 대략 9㎛ 정도이다. 그리고 글라스 직포의 두께는 약 0.25mm 정도, 무게는 270g/㎡ 정도가 바람직하다.
알려진 바와 같이, 글라스 섬유는 기존의 다른 내열성 백필터용 섬유에 비해서 한층 높은 내열특성을 지니고 있으나, 물리적인 충격에 약하고 내화학성이 떨어지는 단점이 있다.
따라서, 이같은 일반적인 글라스 섬유로 제직된 직포를 상기의 표면층과 물리적인 결합을 시키는 과정, 즉 니들펀칭을 행하는 공정을 수행하게 되면 니들의 선단에 의해 가해지는 물리적인 충격에 의해 글라스 섬유가 손상되거나 절단되어 일체화된 부직포로의 가공이 불가능하게 된다.
이에 본 발명에서는 상기의 문제점을 해결하기 위한 방편으로서 글라스 직포를 액상의 테프론에 침지시키거나 테프론 용액조를 통과시켜 글라스 직물의 표면을 테프론 코팅처리한 것을 기술적 특징의 하나로 하고 있다.
이와 같이 테프론 코팅 처리된 글라스 직물 직포는 표면층과 이면층과의 결합을 위한 니들 펀칭시에 글라스 섬유의 표면을 감싸고 있는 고인성의 테프론 코팅층에 의해서 니들의 선단부에 의해 글라스 섬유에 가해지는 충격이 감쇄되는 한편 테프론 코팅층에 의한 글라스 섬유 자체의 충격저항성 증가로 니들펀칭 공정 중에 글라스 섬유가 손상되는 현상이 방지된다.
이때, 상기 글라스 직물에 도포되는 테프론 수지의 양은 감열감량(LOSS ON IGNITION)으로 10% 내외가 바람직하다. 상기 감열감량이란 테프론 코팅된 글라스 직물을 태웠을 때의 질량감소 백분율을 의미한다. 다시 말하면, 테프론 코팅된 글라스에 열을 가하여 연소시키게 되면 융점이 높은 글라스는 그대로 남고 코팅된 수지성분으로서의 테프론만이 연소되어 제거가 이루어지게 되므로, 감열감량은 테프론 코팅된 글라스 직물에서 차지하는 테프론의 코팅량을 의미하게 된다.
상기 테프론 코팅 글라스 직물의 감열감량이 10% 보다 적은 경우에는 테프론에 의한 글라스 섬유의 충격강도 보강이 미흡하게 되고, 10%를 상회하게 되면 니들펀칭시에 니들의 직포 통과가 방해되어 니들펀칭 공정의 수행에 지장이 초래된다.
상기 표면층을 이루는 섬유 소재와 이면층을 구성하는 테프론 코팅 글라스 직물에 대한 니들펀칭의 결과로 얻어진 고온 백필터용 부직포에서 표면층에 대한 표면층 대 이면층의 중량비율은 45:55 ∼ 55:45 범위가 바람직하다.
본 발명에 따른 고온용 기체필터용 부직포는 고온의 배출가스와 직접 접촉하는 표면층이 내열성과 내화학성이 우수한 메타 아라미드 단섬유 및 폴리페닐린 설파이드 단섬유로 이루어져 있어서 서브미크론 단위의 미세분진에 대해서도 제거가 가능함과 아울러 고온 노출 분위기에서의 장시간 사용에도 포집성능의 저하가 최소화되는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 내열성과 경제성이 우수하나 충격강도가 약하여 고온용 기체필터용 부직포의 직포로 사용되고 있지 못하던 유리섬유의 표면을 테프론 코팅처리하여 내충격 강도를 부여함으로써 표면층과의 결합을 위한 니들펀칭이 원활하게 이루어짐으로써 경제적인 제조비용으로 높은 포집특성을 발휘하는 고온용 기체필터용 부직포를 얻을 수 있다는 이점이 있다.
도1은 본 발명의 고온용 기체필터용 부직포 제조공정도
도2는 본 발명에 따른 글라스 기포 직물에 대한 확대사진
도3은 본 발명에 따른 테프론 코팅 글라스 섬유에 대한 확대사진
도4는 본 발명의 일실시예 고온용 기체필터용 부직포 확대사진
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 고온용 기체필터용 부직포의 제조공정도이 다.
먼저, 표면층 형성용 원료 섬유로서, 2데니어 압축된 메타 아라미드 단섬유와 2데니어 폴리페닐린 설파이드 단섬유를 마련하여, 이들 원료 단섬유를 1:1의 중량비율로 혼합하여 이송벨트 위에서 정전기 방지 및 수분을 함유할 수 있도록 정전기 방지제가 혼합된 물로 스프레이시키면서 혼타면기로 이송시켰다.
이송되어 온 혼합 원료섬유를 혼타면기 내부에서 일정하게 혼합되도록 이용하여 혼타면을 한 후에 스파이크 라티스(spike lattice)를 이용해서 프리하게 개면이 이루어지도록 하였다.
상기 개면된 표면층 원료 섬유를 1차 개면기로 이송시켜 개면기 내부에 위치하고 있는 와이어에 의해서 가늘게 개면이 이루어지도록 하였다.
이어서, 1차 개면된 웹(web)을 호퍼공정으로 이송시켜 고르게 배합될 수 있도록 스파이크 라티스로 2차 개면이 이루어지도록 하였다. 이와 같은 1차 개면공정을 통해서 혼합 원료섬유는 서로 미세하고 섬세하게 교략되면서 개면이 이루어지게 되는바, 이때 중량의 조절은 피드롤러(feed roller)와 메인실린더의 제어에 의해서 이루어지게 된다.
이와 같이 개면이 완료된 웹은 성형공정(cross lapping)을 거치면서 여러겹으로 적층되어 어느 정도의 형태가 유지되고 이어지는 1차 니들 펀칭을 통해서 엷게 결속이 이루어지게 된다.
다음, 상기 결속된 웹 위에 테프론 코팅된 글라스 직물 기포를 위치시키고 합봉결속(main punching)을 수행하여 2층 구조로의 결속이 이루어지도록 하였다.
이때 사용된 글라스 직물 기포는 글라스 직물은 고온에서 용융하여 약 300본 정도로 로빙된 것으로, 필라멘트의 직경은 대략 9㎛ 정도이고, 글라스 직포의 두께는 약 0.25mm, 무게는 대략 270g/㎡ 이며, 이같은 직포에 대하여 감열감량이 대략 10%로 되도록 테프론 코팅이 행해진 것이 사용되었다.
도2는 상기 글라스 기포 직물에 대한 확대사진이고, 도3은 글라스 필라멘트에 테프론이 코팅된 상태를 보여주는 테프론 코팅 글라스 섬유에 대한 확대사진이다.
상기 합봉결속시 스트로크 수는 적게하고 침심으로 층이 분리되지 않도록 조절한 가운데 결속이 이루어지도록 최상의 작업조건을 선정하여 작업을 행하였다. 아울러 꺽임성 및 탄성회복 특성 등이 유지됨과 아울러 적절한 통기성도 유지될 수 있도록 결속공정의 작업조건을 제어하였다.
이때, 표면층과 이면층의 교락의 편차가 발생할 수 있으므로, 이를 방지하기 위하여 마무리 결속공정을 수행하여 발생할 수도 있는 교락의 편차가 최소화되도록 하였다. 그리고, 외형상 나타나는 니들마크나 니들트랙을 억제하여 최상의 부직포 상태가 유지되도록 하였다.
펀칭공정이 완료된 웹은 표면층과 이면층의 이중층으로 형성되는바, 양면 모두에 대해 기모를 태우는 모소가공을 행하여 집진시 미세먼지가 원료 화이버에 달라붙이 못하도록 함으로써 탈진특성이 우수하면서도 포집력의 증대가 도모되도록 하는 한편 기공의 팽창억제를 통한 미세분진의 침투 방지로 차압이 낮아지도록 하여 부직포의 수명이 연장되도록 하였다.
도4는 상기의 제조공정을 통해서 얻어진 본 발명의 일실시예 고온용 기체필터용 부직포에 대한 단면확대사진이다.
도4에서와 같이 제작이 완료된 본 발명에 따른 부직포는 니들펀칭 공정의 수행을 거치면서도 유리섬유의 손상이나 절단이 발생하지 않았음을 알 수 있다.

Claims (6)

  1. 2데니어 메타 아라미드 단섬유와 2데니어 폴리페닐린설파이드단섬유가 혼합된 표면층과 테프론 코팅된 글라스 직물의 기포(scrim)로 이루어진 이면층이 물리적인 니들펀칭에 의해 결속된 2층 구조로서, 표면층과 이면층의 중량비율은 45:55 ∼ 55:45인 것을 특징으로 하는 고온용 기체필터용 부직포.
  2. 제1항에 있어서, 상기 표면층의 메타 아라미드 단섬유와 폴리페닐린 설파이드의 혼합비율은 중량비로 6:4 ∼ 4:6인 것을 특징으로 하는 고온용 기체필터용 부직포.
  3. 제2항에 있어서, 상기 표면층의 메타 아라미드 단섬유와 폴리페닐린 설파이드의 혼합비율은 중량비로 5:5인 것을 특징으로 하는 고온용 기체필터용 부직포.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 이면층의 테프론 코팅된 글라스 직물 기포는 감열감량이 10%인 것을 특징으로 하는 고온용 기체필터용 부직포.
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