KR102376501B1 - 미세먼지집진용 복합막 여과체 및 그의 제조방법 - Google Patents

미세먼지집진용 복합막 여과체 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세먼지집진용 복합막 여과체 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 섬유지지체상에 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 입자가 나노방사되어 상기 섬유지지체와 PTFE 막이 견고하게 라미네이팅됨으로써, PTFE 복합막 여과체의 산, 알칼리에 대한 우수한 내화학성, 내열성 및 박리강도를 높일 수 있고, 특히, 상기 PTFE 입자의 나노방사에 의해 기공크기를 조절하고, 평균기공크기 2.5㎛ 이하인 PTFE 막의 초미세기공을 유지하여 우수한 여과특성을 보이며, 특히 100회이상의 흡탈진 반복실험에서 압력손실율이 낮고 내구성이 유지되고, 낮은 미세먼지 방출량을 가지므로 미세먼지 여과집진기용 백필터로서 유용하다. 나아가, 본 발명의 제조방법은 라미네이팅 제조공정상에 일공정으로 여과체를 완성하므로 불량률을 줄이고 종래대비 공정이 단축된 경제적인 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

미세먼지집진용 복합막 여과체 및 그의 제조방법{COMPOSITE MEMBRANE FILTER FOR FINE DUST COLLECTION AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 미세먼지집진용 복합막 여과체 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 섬유지지체상에 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, 이하, “PTFE”라 함) 입자가 나노방사되어 상기 섬유지지체와 PTFE 막이 견고하게 라미네이팅되어 PTFE 복합막 여과체의 산, 알칼리에 대한 우수한 내화학성, 내열성 및 박리강도를 높일 수 있고, 상기 PTFE 입자의 나노방사에 의해 기공크기를 조절하고, 평균기공크기 2.5㎛ 이하인 PTFE 막의 초미세기공을 유지하여 우수한 여과특성을 보이며, 특히 100회이상의 흡탈진 반복실험에서 압력손실율이 낮고 내구성이 유지되고 낮은 미세먼지 방출량을 가지므로 여과집진기용 백필터로서 유용한, 미세먼지집진용 복합막 여과체 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
산업현장의 연소공정에서는 대기오염을 유발하는 먼지가 배출되어 대기환경에 악영향을 미치므로, 이를 처리하고 제어하기 위한 노력으로서, 대표적인 집진기로는 전기집진기(electrostatic precipitator), 여과집진기(Bag house), 원심력집진기(Cyclone) 등이 사용되고 있다.
특히, 상기에서 여과집진기는 가장 널리 사용되는 장치로서, 배출가스에 함유되어 있는 먼지를 백 필터(bag filter)에 의해서 분리하여 기계적 방법 등을 이용하여 탈리ㆍ포집함으로써, 먼지의 종류나 작업조건에 관계없이 매우 높은 집진성능을 보이며, 건식설비와 폐수발생이 전혀 없는 고성능 집진장치이다.
산업용 여과집진기의 성능은 내부에 장착되는 백 필터(bag filter)에 의해 좌우되는데, 초기 여과재에 부착된 입자층이 여과층으로 되며 1㎛ 이하의 입자에 대해서도 95% 이상의 높은 효율로 집진할 수 있다.
최근 정부에서는 이러한 백 필터가 주로 사용되는 미세먼지 다량배출 사업장의 배출허용기준을 2019년 1월부터 2배 이상 강화된 기준으로 적용하고 있어 미세먼지 집진성능이 우수한 백 필터의 필요성은 점차 증가하고 있다.
특히, 미세먼지 다량배출사업장으로 지정된 철강산업, 시멘트제조, 석유제조, 소각로 등의 산업현장에서 배출되는 미세먼지는 260∼280℃의 고온의 배기가스와 함께 배출되고 있어 고성능의 미세먼지 집진성능 뿐만 아니라 열적 안정성이 우수한 내열 필터 백의 개발이 필요하다.
배기가스의 온도범위에 따라 사용되는 여과백의 종류는 다양하나, 120~230℃의 범위에서는 NOMEX, PPS, P84, Laminated Membrane Filter, 그 이상의 온도에서는 금속필터(∼500℃) 및 세라믹 필터(∼1000℃)가 사용된다. 일반적으로 연소로에서 연소가 이루어지고 보일러를 거쳐 나오는 배기가스의 온도는 약 500℃ 영역이 되며, 이들이 다시 공기예열기를 거치면 약 350℃가 된다. 그러나 금속필터나 세라믹필터는 너무 고가이기 때문에 350℃의 열을 다시 열교환하여 온도를 200℃ 전후까지 떨어뜨린 후 여과집진을 실시하고 있다. 그러나, 이러한 시스템은 경제성 및 환경성 측면에서 문제점을 가지고 있다. 즉, 배기가스 내에는 먼지가 포함되어 있기 때문에, 이들이 열교환기 표면에 부착되어 파울링을 일으켜 열교환 효율을 떨어뜨리게 된다.
중온용으로 사용되는 여과체들(NOMEX, PPS, P84, 적층형 여과체(Laminated Membrane Filter)) 중 적층형 여과체가 비교적 높은 온도에서 여과집진을 할 수 있지만, 산성 및 알칼리성 오염물질이 다량 존재하는 조건에서 온도가 250℃ 이상이 되면 얇은 멤브레인층이 없어지는 문제점이 발생하게 된다.
따라서, 특허문헌 1에서는 폼코팅 공정을 이용하여 유리섬유 원단에 내열 소재의 PTFE를 발포시켜 250℃ 이상에서 사용할 수 있는 여과체가 개시된 바 있으며, 상기 여과체는 PTFE층의 두께가 100㎛이기 때문에 5㎛ 이하의 멤브레인층을 가지는 적층형 여과체에 비해 훨씬 뛰어난 내화학성, 내열성을 보인다고 보고되어 있다. 그러나, 상기 여과체는 기공의 크기가 10㎛이상으로서 초미세먼지의 제거에는 그다지 효과적이지 못한 문제점이 있다.
이를 개선하기 위하여 특허문헌 2에서는 PTFE 거품 코팅 여과체 표면에 얇은 PTFE 막을 열융착 또는 초음파융착법으로 라미네이트시켜 3중층 구조의 여과체를 제조함으로써 2.5㎛ 이하의 초미세먼지도 포집할 수 있는 미세먼지집진용 여과체를 제안하고 있다.
구체적으로, 상기 발명의 3중층으로 구성된 먼지포집용 여과체는 도 6에 도시된 바와 같이, 섬유지지체(100), 상기 지지체 상에 거폼코팅된 평균기공크기가 30㎛ 이하인 PTFE 층(200) 및 상기 거품 코팅된 PTFE 층상에 라미네이트된 평균기공크기 2.5㎛ 이하인 PTFE 막(300)을 포함한 3층 구조로서, 내화학성 및 내열성을 나타낼 뿐 아니라 2.5㎛ 이하의 초미세먼지도 포집할 수 있다고 보고하고 있다.
그러나 상기 먼지포집용 여과체를 제조하기 위해서는, 무기질 섬유(glass fiber) 직물에 PTFE 수지를 거품 코팅하여 2층구조를 형성하고(1단계), 이후 PTFE 막을 라미네이팅하여 3중층으로 형성(2단계)하는 방식으로 진행된다. 이때, 상기 거품 코팅시, PTFE 수지와 공기를 혼합하여 거품을 형성한 후 거품 코터에서 코팅을 진행한 후 건조 및 열처리과정을 거쳐서 권취(winding)한 후 다시 풀어서(unwinding) PTFE 막과 거품 코팅된 상층부를 갖는 섬유지지체를 고온의 롤과 롤 사이를 통과하여 라미네이팅하여 최종 복합체를 얻을 수 있다. 이 과정에서 여러 번의 열처리 과정과 감았다 다시 푸는 과정을 거쳐야 하기 때문에 높은 공정비용의 단점이 있으며, 상기 거품 코팅된 PTFE 층상에 PTFE 막이 라미네이트되어 통기도 및 여과 시 압력손실이 높은 단점을 가지고 있다.
이에, 본 발명자들은 종래의 문제점을 개선하고자 노력한 결과, 섬유지지체상에 PTFE 입자를 나노방사법에 의해 균일하게 코팅하고 이어서 평균기공크기 2.5㎛ 이하인 PTFE 막을 동시에 롤과 롤사이에 통과시켜 복합화된 막을 라미네이팅 공정상에서 일공정으로 제조하여, 열처리의 반복공정과 재권취(rewinding)와 다시 푸는 공정(unwinding)을 생략하고, 고가의 PTFE 소재를 나노 입자로 사용량을 절감하여 원가절감에 따른 경제적 효과가 크고, 섬유지지체와 PTFE 막을 견고하게 라미네이팅하여 산, 알칼리에 대한 뛰어난 화학적 저항성 및 PTFE 나노입자 방사량에 따라 PTFE 막을 강하게 라미네이팅할 수 있어 내열성을 증진시킬 수 있고, 통기성과 흡탈진시 압력손실율이 높아지지 않고 낮은 미세먼지 방출량을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.
대한민국특허 제0934699호 (2009.12.30. 공고) 대한민국특허 제1433774호 (2014.08.27. 공고)
본 발명의 목적은 내열 PTFE 소재를 포함한 미세먼지집진용 복합막 여과체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 일공정으로 수행된 내열 PTFE 소재를 포함한 미세먼지집진용 복합막 여과체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 섬유지지체 및 평균기공크기 2.5㎛ 이하인 PTFE 막이 라미네이션된 여과체이고, 상기 섬유지지체상에 PTFE 입자가 나노방사되어 상기 PTFE 막과 라미네이션된, 미세먼지집진용 복합막 여과체를 제공한다.
상기에서 섬유지지체는 유리섬유, 카본섬유, 세라믹 섬유 및 현무암 섬유로 이루어진 군에서 선택된 무기질 섬유지지체 또는 아라미드섬유, 폴리페닐설파이드 및 폴리이미드섬유로 이루어진 열경화성 부직포형태의 유기질 섬유지지체를 사용할 수 있다.
또한, 상기 나노방사된 PTFE 입자가 나노 입자 또는 상기 나노 입자의 응집형태인 마이크로 입자이며, 이때, PTFE 입자크기는 1000nm 이하를 충족한 입자로서 섬유지지체 상에 균일하게 코팅하여 고가의 PTFE 소재를 나노 입자물로 함량을 낮추면서 평균기공크기 2.5㎛ 이하인 PTFE 막과의 결합을 완성함으로써, 미세먼지집진용 특히 초미세먼지제거에 유용한 복합막 여과체를 제공할 수 있다.
본 발명은 섬유지지체가 일방향으로 이동되면서 공급되고, 상부에 설치된 방사장치의 방사노즐로부터 PTFE 입자 분산액이 방사되어, 상기 섬유지지체의 일면에 미소성상태의 PTFE 입자가 코팅되고,
상기 코팅되어 이동되는 상부에 평균기공크기 2.5㎛ 이하인 PTFE 막이 연속적으로 공급되어, 복합화된 막이 형성되고,
상기 복합화된 막이 합지부를 거쳐 열처리 후 권취되는 연속공정으로 완성된 미세먼지집진용 복합막 여과체의 제조방법 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 섬유지지체 상부에 방사장치의 방사노즐이 복수개 설치되어 PTFE 입자 분산액이 동시에 방사되도록함으로써, 넓은 폭을 가진 미세먼지집진용 복합막 여과체를 양산할 수 있다.
본 발명의 제조방법에 있어서, PTFE 입자 분산액은 PTFE 입자가 20 내지 60중량%가 함유된 것이 바람직하다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 섬유지지체의 일면에 PTFE 입자가 집적되도록 하는 수단으로는 PTFE 입자 분산액을 전압인가거리 5 내지 20㎝ 조건에서 고전압의 방사전압 30kV 이내로 나노방사하여 섬유지지체의 일면에 PTFE 입자를 코팅하는 것이다.
다른 수단으로는, 상기 PTFE 입자 분산액을 이용하되 분사거리 5 내지 20㎝ 조건에서 5 내지 20psi압축공기로 스프레이하여 섬유지지체의 일면에 PTFE 입자를 코팅하는 것이다.
또 다른 수단으로는, 상기 PTFE 입자 분산액을 이용하되 전압인가거리 및 분사거리 5 내지 20㎝ 조건에서 고전압의 방사전압 30kV 이내 및 5 내지 20psi 압축공기가 동시에 공급되는 듀얼노즐로부터 나노방사하여, 섬유지지체의 일면에 PTFE 입자를 코팅하는 것이다.
이상의 방사공정이후 코팅되어 이동되는 상부에 평균기공크기 2.5㎛ 이하인 PTFE 막이 연속적으로 공급되어, 복합화된 막이 형성되고, 상기 복합화된 막은 합지부를 통해 라미네이션된다. 이때, 상기 합지부는 상부 유도가열롤과 하부 압착롤로 구성되며, 상기 상부 유도가열롤은 PTFE 융점이상의 온도, 더욱 바람직하게는 최대400℃ 이하로 유지되어, 열처리와 동시에 압착될 것이다. 또한, 하부 압착롤에 의해 6kg/㎠ 이하인 라미네이션된 여과체가 제조된다.
본 발명은 미세먼지집진용 복합막 여과체는 섬유지지체상에 PTFE 입자의 방사코팅에 의해 평균기공크기 2.5㎛ 이하인 PTFE 막을 견고하게 라미네이팅하고 상기 PTFE 입자의 방사량에 따라 여과체 표면의 PTFE 막 물성향상, 공기투과도 및 기공크기를 조절하고, 평균기공크기 2.5㎛ 이하인 PTFE 막의 초미세기공을 그대로 유지하도록 함으로써 미세먼지집진용 특히 초미세먼지제거용으로 효율적이고, 특히 여과집진기용 백필터로서 유용하다.
또한, 섬유지지체와 PTFE 막이 PTFE 입자의 나노방사에 의해 견고하게 라미네이팅된 복합막 여과체를 제공함으로써, PTFE 복합막 여과체의 산, 알칼리에 대한 우수한 내화학성, 내열성 및 탈진시 우수한 박리강도를 달성할 수 있다.
특히, 본 발명은 미세먼지집진용 복합막 여과체의 제조방법을 통해, 종래 먼지제거용 여과체 제조공법의 전체 공정수를 줄이고, 특히 열처리공정을 2번 거치지 않고 한번으로 라미네이팅 제조공정상에서 일괄 수행하여 여과체를 완성하므로, 불량률을 줄이고 경제적인 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 미세먼지집진용 복합막 여과체의 단면 모식도이고,
도 2는 본 발명의 미세먼지집진용 복합막 여과체의 표면을 전자현미경으로 관찰한 결과이고,
도 3은 본 발명의 미세먼지집진용 복합막 여과체의 제조방법에 대한 공정 모식도이고,
도 4는 본 발명의 미세먼지집진용 복합막 여과체의 양산시 적용되는 방사공정에 대한 모식도이고,
도 5는 본 발명의 미세먼지집진용 복합막 여과체에 대한 흡탈진 반복실험 100회 수행 후 압력손실 및 내구성에 대한 물성결과이고,
도 6은 종래 미세먼지제거용 여과체의 단면 모식도이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.
본 발명은 섬유지지체 및 평균기공크기 2.5㎛ 이하인 PTFE 막이 라미네이션된 여과체를 제공한다.
더욱 구체적으로는, 도 1은 본 발명의 미세먼지집진용 복합막 여과체의 단면 모식도로서, 상기 섬유지지체(10)상에 PTFE 입자(20)가 나노방사되어 상기 PTFE 막(30)과 라미네이션된 미세먼지집진용 복합막 여과체(1)를 제공한다.
본 발명의 미세먼지집진용 복합막 여과체(1)의 일구성인 섬유지지체(10)는 연소 배가스의 미세먼지집진용 여과체에 적합한 내열성 및 내화학성을 갖는 섬유상의 지지체를 의미한다.
바람직한 일례로는 유리섬유, 카본섬유, 세라믹 섬유 및 현무암 섬유로 이루어진 군에서 선택된 무기질 섬유지지체 또는 아라미드섬유, 폴리페닐설파이드 및 폴리이미드섬유로 이루어진 열경화성 부직포형태의 유기질 섬유지지체를 사용할 수 있으며, 상기에서 선택된 어느 하나의 직물형태로 이루어지며, 본 발명의 실시예에서는 시판되는 유리섬유 직물원단을 사용하고 있으나, 이에 한정되지는 아니할 것이다.
또한, 섬유지지체(10)는 일정 두께를 가져 여과체에 강도를 제공할 수 있어야 하며, 바람직하게는 400 내지 1000㎛일 수 있다.
본 발명의 미세먼지집진용 복합막 여과체(1)는 섬유지지체(10) 상에 평균기공크기 2.5㎛ 이하인 PTFE 막(30)이 라미네이션된 2층 구조를 가지는 경제성 있고 고성능의 여과체로서, 상기 PTFE 막(30)은 PTFE 섬유로 이루어진 다공성 웹(web)의 구조이다. 이러한 다공성 웹의 구조를 통해 본 발명의 여과체는 초미세먼지도 포집할 수 있게 된다.
상기 PTFE 막은 하기 화학식 1로 표시되는 바와 같이, 폴리에틸렌의 수소를 모두 불소(fluorine)로 바꾸어 놓은 불소 화합물을 포함하는 불소계 수지로서, PTFE는 테플론(Teflon)이라는 상품명으로 알려져 있으며, 거의 모든 화학약품에 대해 내화학성이 있으며, 녹는점 327±2℃를 가지는 내열성 수지이다.
화학식 1
-(CF2CF2)n-
상기 화학식 1에서, n은 100∼10,000 사이의 정수이다.
이에, 본 발명의 미세먼지집진용 복합막 여과체는 시판되는 유리섬유 직물원단(GL-TEX-790)에는 일부 PTFE 성분이 포함되어 있어, 섬유지지체상에 올려질 유기질의PTFE 막과의 결합에 유익하고, 상기 섬유지지체(10)상에 PTFE 입자(20)를 나노방사하여 상기 PTFE 막(30)을 라미네이션시킴으로써, 더욱 견고한 결합을 구현할 수 있다.
도 2는 본 발명의 미세먼지집진용 복합막 여과체의 표면을 전자현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
그 결과, 섬유지지체와 접착된 형태로서, 굵고 하얀 부분이 접착면이고, 회색 부분이 미세먼지 집진면으로 확인되고, 상기 회색 부분에 대하여 배율 확대를 통해 관찰한 결과, 실핏줄처럼 형성되어 있는 나노섬유면을 확인할 수 있으며, 초미세기공이 그대로 유지되어 있음을 뒷받침한다.
이상으로부터, 섬유지지체(10)의 표면과 PTFE 막(30) 표면이 PTFE 입자 나노방사 코팅에 의해 매우 견고하게 라미네이팅되어 있음을 확인할 수 있다. 이때, 상기 나노방사된 PTFE 입자는 방사 시 나노 입자 또는 상기 나노 입자의 응집형태의 마이크로 입자일 수 있으며, 이때 나노 입자 또는 나노 입자의 응집형태의 입자크기는 1000nm 이하, 더욱 바람직하게는 300 내지 500nm 입자크기를 포함한다.
따라서, 섬유지지체 상에 상기 나노방사된 PTFE 입자가 균일하게 도포됨으로써, 층간 접착에 유리하고, 한편 고가의 PTFE 소재를 나노 입자물로 함량을 낮추면서 평균기공크기 2.5㎛ 이하인 PTFE 막(30)과의 결합을 완성함으로써, 초미세먼지제거에 유용한 복합막 여과체를 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명의 미세먼지집진용 복합막 여과체의 제조방법에 대한 공정 모식도로서, PTFE 복합막 여과체를 라미네이팅 공정상에서 일 공정(one step)에 의해 제조할 수 있다.
구체적으로, 본 발명은 섬유지지체(10)가 일방향으로 이동되면서 공급되고, 상부에 설치된 방사장치(20)로부터 PTFE 입자 분산액이 방사되어, 상기 섬유지지체(10)의 일면에 미소성상태의 PTFE 입자(20)가 코팅되고, 상기 코팅되어 이동되는 상부에 평균기공크기 2.5㎛ 이하인 PTFE 막(30)이 공급되어, 연속적으로 복합화된 막이 형성되고, 상기 복합화된 막이 합지부(40, 50)를 거쳐 열처리 후 권취되는 연속공정으로 미세먼지집진용 복합막 여과체(1)가 완성된 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 섬유지지체(10)는 상기에서 기술된 바와 동일하며, 연소 배가스의 미세먼지집진용 여과체에 적합한 내열성 및 내화학성을 갖는 섬유상의 지지체라면, 특별한 제한없이 사용 가능할 것이고, 바람직하게는 유리섬유, 카본섬유, 세라믹 섬유 및 현무암 섬유로 이루어진 군에서 선택된 무기질 섬유지지체 또는 아라미드섬유(일례로 NOMEX), 폴리페닐설파이드(PPS), 폴리이미드섬유(일례로 P84)로 이루어진 열경화성 부직포형태의 유기질 섬유지지체를 사용할 수 있으며 상기 열경화성 부직포는 일정온도의 열에 의해 녹아 않고 취성을 띠는 물성을 가지므로, 본 발명의 제조방법에 의해 PTFE 막과 라미네이션시켜 여과체를 제조할 수 있다. 이때, 상기에서 선택된 어느 하나의 섬유지지체는 직물형태로 이루어지며, 본 발명의 실시예에서는 시판되는 유리섬유 직물원단을 사용하고 있으나, 이에 한정되지는 아니할 것이다.
또한, 방사장치(20)는 고전압발생기, 펌프, 방사노즐, 콜렉터로 구성되어 수행되며, 상기 고전압발생기에 의해 노즐과 콜렉터 사이에 전압이 인가되고, 이때, 형성된 정전기력에 의해 미세입자들이 형성되는 것이다.
본 발명의 미세먼지집진용 복합막 여과체를 제공하기 위한 바람직한 방사는 PTFE 입자 분산액이 전압인가거리 5 내지 20㎝ 조건에서 방사전압 30kV 이내의 고전압으로 나노방사되도록 하여 PTFE 입자 액적이 섬유지지체의 일면에 균일하게 집적되도록 하는 것이다. 상기에서 방사전압조건은 섬유지지체의 일면에 수십 마이크로미터 이하의 액적으로 균일하게 방사 코팅되는 실험결과에 의해 결정되며, 더욱 바람직하게는 20 내지 25kV에서 수행되는 것이다.
상기PTFE 입자 분산액은 PTFE 입자 20 내지 60중량%가 함유된 액체로 제공되며, 상기 PTFE 입자 분산액 10㎕ 내지 3㎖ 용량으로 실린지펌프에 공급되어 방사가 진행될 수 있다. 이때, PTFE 입자 분산액의 농도가 20중량% 미만으로 함유되면, PTFE 입자가 상대적으로 낮아 방사 시 수용액상이 많아져 건조시간이 길어지고, 나노 입자 방사량이 상대적으로 낮아져 많은 방사시간을 요하게 된다. 반면에, PTFE 입자 분산액의 농도가 60중량%를 초과하면, 수용액상의 PTFE 입자 함량이 많아져 분산액에서부터 입자들끼리 서로 응집되는 현상이 발생되고 고농도로 입자가 나노방사되어 노즐이 막히는 공정상 트러블을 일으킬 수 있는 단점이 있어 바람직하지 않다.
이때, 상기 나노방사된 PTFE 입자는 방사 시 나노 입자 또는 상기 나노 입자의 응집형태의 마이크로 입자로 형성될 수 있으며, 이때 나노 입자 또는 나노 입자의 응집형태의 입자크기는 1000nm 이하, 더욱 바람직하게는 300 내지 500nm 인 것이다.
또한, 본 발명은 상기 PTFE 입자 분산액은 용매로 사용되는 물을 정전분무의 작동유체로 이용할 경우, 물이 가지는 높은 표면장력과 높은 전기전도도로 인하여, 공간방전이 없는 안정된 분무조건이나 연속된 액적 생성조건을 만들기 힘든 기술적 어려움을 가지고 있다.
따라서, 본 발명의 미세먼지집진용 복합막 여과체를 제공하기 위한 다른 방법으로는, 에어젯을 이용한 압축공기 스프레이(air-controlled electrospray) 시스템을 이용하여, PTFE 입자가 섬유지지체의 일면에 집적되도록 할 수 있다. 이때, 분사거리 5 내지 20㎝ 조건에서 5 내지 20psi, 더욱 바람직하게는 10 내지 15psi 압축공기만으로 스프레이하는 것이다.
더욱 바람직하게는, 본 발명의 미세먼지집진용 복합막 여과체를 제공하기 위하여 전압인가거리 및 분사거리 5 내지 20㎝ 조건에서 방사전압 30kV 이내 및 5 내지 20psi 압축공기가 동시에 공급되는 듀얼노즐로부터 방사하는 것이다. 상기 듀얼노즐을 통해 PTFE 입자 분산액이 고전압하에서 나노방사되는 동시에 에어젯을 공급함으로써, 상기 공급된 에어젯을 통해 작동유체인 물의 건조를 가속시키고, 정전입자의 크기를 더 미세화할 수 있다.
상기에서 전압인가거리 및 분사거리는 5 내지 20㎝ 조건, 바람직하게는 10 내지 ㎝ 조건에서도 수행할 수 있으며, 이에 따라 방사전압 및 압축공기 압력은 상기 제시된 범위내에서 적절히 변형 또는 조절되어 수행할 수 있다.
이상의 PTFE 입자 분산액을 나노방사법을 이용하여, PTFE 입자 방사 코팅량을 조절하여 그에 따라 기공크기를 조절할 수 있으므로 다양한 기공을 가지는 막 여과체를 제조할 수 있다.
또한, 상기 방사로부터 섬유지지체의 일면에 미소성상태의 PTFE 입자가 코팅되고, 상기 코팅되어 이동되는 상부에 평균기공크기 2.5㎛ 이하인 PTFE 막(30)이 연속적으로 공급되어, 복합화된 막을 형성할 수 있다.
상기 복합화된 막은 합지부를 통해 라미네이션된다. 이때, 상기 합지부는 상부 유도가열롤(40)과 하부 압착롤(50)로 구성되며, 상기 상부 유도가열롤은 PTFE 녹는점(327±2℃)이상의 온도, 더욱 바람직하게는 최대 400℃ 이하의 조건으로 유지되어, 열처리와 동시에 압착될 것이다.
또한, 하부 압착롤(50)은 서스(SUS) 롤 또는 플라스틱 롤을 사용할 수 있으며, 라미네이팅되면서 바로 롤링하여 제품으로 완성된다. 이때, 하부 압착롤에 의해 6kg/㎠ 이하인 라미네이션된 복합막 여과체로 제조될 수 있다. 이러한 방식으로 라미네이팅 공정상에서 복합 막 형태의 여과체를 일공정으로 제조함에 따라, 내열성과 우수한 박리강도를 달성할 수 있고 별도로 라미네이션 하는 방법 대비 불량률을 현저히 줄일 수 있다.
도 4는 본 발명의 미세먼지집진용 복합막 여과체의 양산시 적용되는 방사공정에 대한 모식도를 나타낸다.
본 발명은 미세먼지집진용 복합막 여과체에서 사용되는 무기섬유 지지체의 폭(W)이 실험실범위를 초과한 광폭일 경우, 일례로 2m 수준의 광폭일 때, PTFE 입자 분산액이 채워진 공급부(70)로부터 복수개의 방사노즐(20-1, 20-2, 20-3, 20-n)을 통해 무기섬유 지지체 상부에 PTFE 입자가 동시 나노방사 코팅되어 넓은 폭을 가진 미세먼지집진용 복합막 여과체를 대량으로 생산할 수 있어, 경제적인 제조방법을 제공한다.
이때, 섬유지지체의 일면에 PTFE 입자가 집적되도록 하는 수단은 고전압의 전압인가(60)를 통해 나노방사되거나, 에어젯(21-1, 21-2, 21-3, 21-n)을 이용한 압축공기 스프레이로 수행할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 상기 나노방사와 스프레이를 동시에 수행하여 작동유체인 물의 건조를 가속시키고, 정전입자의 크기를 더 미세화할 수 있다.
도 5는 본 발명의 미세먼지집진용 복합막 여과체에 대한 흡탈진 반복실험 100회 수행 후 압력손실 및 내구성에 대한 물성결과를 나타낸 것이다. 상기 100회 흡탈진 반복실험을 수행한 결과에도, 본 발명의 제조방법으로부터 제조된 미세먼지집진용 복합막 여과체는 압력손실율이 낮은 것으로 확인되었다. 이는 전형적인 PTFE 막 백 필터에서 보이는 양상이며, 제조된 여과체의 기공하나 하나가 보존됨을 의미한다. 따라서 기공특성을 최대한 발현 가능하므로 우수한 여과특성을 구현할 수 있다.
또한, 100회이상 흡탈진시 보통 일반적인 PTFE 막 여과체는 0.5㎎/㎥ 이상인 반면, 본 발명의 제조방법으로부터 제조된 미세먼지집진용 복합막 여과체는 0.094㎎/㎥으로 매우 낮은 먼지방출량을 보임으로써, 매우 우수한 백 필터 성능을 확인할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.
본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
권취롤에서 풀려 제공된 유리섬유 직물원단(GL-TEX-790)이 일방향으로 이동되면서 공급되고, 상기 유리섬유 직물원단이 이동하는 상부에서 정전분무 방식으로 PTFE 입자를 방사하여 코팅하였다. 이때, 상기의 PTFE 입자 분산액의 농도를 20중량%로 조절하였으며 상기 PTFE 입자 분산액 100㎖를 실린지펌프에 공급하고, 이때, 인가거리 및 분사거리 10㎝으로 설정하고 방사전압은 30kV이내에서 진행하고 동시에 에어압력 10psi의 압축공기를 에어젯으로 나노방사하였다. 상기의 유리섬유 직물원단 상에 PTFE 입자 액적을 미세화하여 코팅시키고 이어서 이동되는 방향의 상부로부터 PTFE 막을 공급하여 연속적으로 복합화하여 막을 형성하고 즉시 상부 유도가열롤과 하부 압착롤로 구성된 합지부에 공급하여, 400℃로 유지된 상부 유도가열롤과 합지되면서 열처리되어 접합시키고, 하부 압착롤을 통과하면서 6kg/㎠ 수준으로 라미네이션된 여과체를 제조하였다. 유리섬유 직물원단상에 PTFE 입자가 방사되어 PTFE 막과 라미네이션된 여과체 제조가 일 공정(one step)으로 수행되었다.
<실시예 2>
상기 실시예 1에서 PTFE 입자 분산액의 농도를 40중량%로 조절한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 라미네이션된 여과체를 제조하였다.
<실시예 3>
상기 실시예 1에서 PTFE 입자 분산액의 농도를 60중량%로 조절한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 라미네이션된 여과체를 제조하였다.
<실시예 4>
상기 실시예 1에서 방사조건이 인가거리 10㎝으로 설정하고 방사전압 25kV에서 방사하여 정전기력을 이용하여, 유리섬유 직물원단 상에 PTFE 입자 액적을 미세화하여 코팅하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 라미네이션된 여과체를 제조하였다.
<실시예 5>
상기 실시예 1에서 스프레이조건이 분사거리 10㎝으로 설정하고 에어압력 10psi의 압축공기를 에어젯으로 공급하여, 유리섬유 직물원단 상에 PTFE 입자 액적을 미세화하여 코팅하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 라미네이션된 여과체를 제조하였다.
<비교예 1>
상기에서 PTFE 방사 및 PTFE 막의 복합화없이, 유리섬유 직물원단(GL-TEX-790)으로만 이루어진 여과체를 준비하였다.
<비교예 2>
상기 실시예 1에서, PTFE 막의 복합화없이 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 라미네이션된 여과체를 제조하였다.
<비교예 3>
상기 실시예 1에서, PTFE 막의 복합화없이 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일하게 수행하여 라미네이션된 여과체를 제조하였다.
<비교예 4>
상기 실시예 1에서, PTFE 막의 복합화없이 수행한 것을 제외하고는, 상기 실시예 3과 동일하게 수행하여 라미네이션된 여과체를 제조하였다.
<실험예 1> 여과체 표면평가
상기 실시예 1에서 제조된 라미네이션된 여과체에 대하여, 전자현미경을 이용하여 50배, 500배, 1,000배 및 3,000배 비율별 촬영된 이미지를 관찰하였다.
도 2에서 확인된 바와 같이, 굵고 하얀 부분이 접착면이고, 회색 부분이 미세먼지 집진면으로 확인되고, 상기 회색 부분에 대하여 확대배율을 통해 관찰한 결과, 실핏줄처럼 형성되어 있는 면을 확인하였고, 초미세기공이 유지되어 있음을 확인하였다.
<실험예 2> 흡탈진 반복시험에 의한 물성평가
상기 실시예 1에서 제조된 라미네이션된 여과체에 대하여 여과집진기용 백 필터로서의 활용가능성을 파악하기 위하여 물성을 평가하였다.
표준시험방법(독일 VDI3926 type 1)에 따른 백 필터 여과성능 시험조건은 하기 표 1과 같으며, 일반적으로 100회의 흡탈진 시험을 반복하여 미세먼지방출량과 잔여차압상승율을 측정하였다. 그 결과를 도 5에 도시하였다.
Figure 112021071746350-pat00001
도 5는 실시예 1에서 제조된 미세먼지집진용 복합막 여과체에 대한 흡탈진 반복실험 100회 수행 후 압력손실 및 내구성에 대한 물성결과를 나타낸 것으로서, 100회 흡탈진 반복실험 결과에도, 실시예 1에서 제조된 미세먼지집진용 복합막 여과체는 압력손실율이 낮고, 막의 내구성 역시 일정하게 유지되는 결과를 확인하였다.
이상의 결과는 전형적인 PTFE 막 백 필터에서 보이는 양상이고, 본 발명의 복합 라미네이팅 방법으로부터 제조된 여과체가 여과집진기용 PTFE 막 백 필터로서 매우 효과적임이 입증되었다.
또한, 100회 흡탈진 시험결과로부터 미세먼지방출량을 산출한 결과, 도 6의 종래 3층 구조의 먼지포집용 여과체(비교예 5, 특허문헌2)는 0.5㎎/㎥ 이상인 반면, 실시예 1에서 제조된 미세먼지집진용 복합막 여과체는 0.094㎎/㎥으로 매우 낮은 먼지방출량을 보임으로써, 매우 우수한 백 필터 성능을 확인할 수 있다.
<실험예 3> 여과체의 성능 평가
1. 여과효율 및 압력손실 측정
상기 실시예 1∼3 및 비교예 1∼4에서 제조된 PTFE 막 여과체에 대하여, TSI8130 여과효율 시험장비를 이용하여, 0.3㎛ NaCl 입자의 여과효율 및 압력손실을 측정하였다. 이때, 5.3cm/sec의 유속 조건하에서 수행하였다.
2. 공기투과도 측정
상기 실시예 1∼3 및 비교예 1∼4에서 제조된 PTFE 막 및 복합여과체에 대하여, Textester3300 공기투과도 시험기를 이용하여 공기투과도를 측정하였다.
3. 입자크기분포 측정
상기 실시예 1∼3 및 비교예 1∼4에서 제조된 PTFE 막에 대하여, PMI 평균기공크기 측정시험기로 기공크기를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 2에 기재하였다.
Figure 112021071746350-pat00002
상기 표 2의 결과로부터, 0.3㎛ NaCl 입자의 여과효율 및 압력손실을 측정하였을 때 5.3cm/sec의 유속에서 실시예 1의 여과체는 0.3㎛ 입자의 여과효율은 99.381%, 압력손실 22mmAq로 매우 우수한 필터성능을 나타내었다. 반면에, PTFE 막 복합화하기 전의 무기질섬유(glass fiber) 지지체의 경우(비교예 1), 0.3㎛ NaCl 입자의 여과효율 및 압력손실은 각각 15.7%, 3.3mmAq를 보였다.
또한 PTFE 입자 분산액 20중량%, 40중량%, 60중량%에서 나노 입자 방사코팅하여 제조된 경우(비교예 2 내지 비교예 4)에도 각각의 여과효율은 14.9%, 15.2%, 15.4%로 낮은 결과를 보였다. 그러나 여기에 PTFE 막을 복합화함으로써, 실시예 1 내지 실시예 3의 복합막 여과체의 여과효율 향상을 확인할 수 있었다.
또한, 실시예 1 내지 실시예 3의 여과체의 경우, 각각의 공기투과도는 PMI 공기투과도 시험기에서 4.76cc, 4.37cc, 4.55cc로 안정적으로 나타났으며 기공크기분포(pore size distribution) 결과에서도 각각 1.0844㎛, 1.1196㎛, 1.2928㎛으로 매우 낮은 평균기공크기(pore size)를 나타내었다.
TSI 8130 입자여과 효율시험기 측정 결과, 종래 PTFE 막 여과체 (비교예 5, 특허문헌 2)의 경우, 0.3㎛의 NaCl 여과효율은 97% 이하 수준으로 확인되며, 압력손실 30mmAq 이상을 나타내고 있어 여과효율대비 상대적으로 압력손실이 매우 높은 결과를 확인하였다.
반면에, 본 발명에 의한 실시예 방법으로는 압력손실이 20mmAq 정도로서 50% 이하의 낮은 압력손실율 구현을 확인하였다.
또한, 실시예에서 제조된 PTFE 소재를 포함한 복합막 여과체는 PTFE 입자가 나노방사되어 섬유지지체와 PTFE 막이 견고하게 라미네이팅됨으로써, PTFE 소재로 인한 산, 알칼리에 대한 우수한 내화학성, 내열성 및 박리강도가 매우 우수하고 PTFE 막 자체가 가지고 있는 여과효율을 그대로 유지하면서 압력손실율을 크게 낮출 수 있었다.
또한, 종래 PTFE 막 여과체 (비교예 5, 특허문헌 2)는 3cc/㎠/sec 이하의 낮은 공기투과도를 나타내고 있어 운전시 초기 압력손실이 높아져 필터백 운전시 수명이 저하되는 단점을 가지고 있으나, 본 발명의 경우 공기투과도는 4.7cc/㎠/sec를 나타내고 있어 상대적으로 필터백 운전시 초기차압이 낮아 필터백 운전시 수명이 높은 장점을 가지고 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
10: 섬유지지체
20: PTFE 입자
30: PTFE 막
20-1, 20-2, 20-n: 복수개의 방사노즐
21-1, 21-2, 21-n: 복수개의 에어젯
40: 유도가열롤
50: 압착롤
60: 전압인가부
70: PTFE 입자 분산액 공급부
1: 라미네이션된 복합막 여과체

Claims (11)

  1. 섬유지지체 및 평균기공크기 2.5㎛ 이하인 PTFE 막이 라미네이션된 여과체이고,
    상기 섬유지지체상에 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE) 입자가 나노방사된 입자이며, 상기 나노방사된 PTFE 입자가 나노 입자 또는 상기 나노 입자의 응집형태의 입자로 코팅되어 상기 PTFE 막과 라미네이션되고,
    상기 평균기공크기 2.5㎛ 이하인 PTFE 막의 초미세기공이 유지된 초미세먼지집진용 복합막 여과체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 섬유지지체가 유리섬유, 카본섬유, 세라믹 섬유 및 현무암 섬유로 이루어진 군에서 선택된 무기질 섬유지지체 또는 아라미드섬유, 폴리페닐설파이드 및 폴리이미드섬유로 이루어진 열경화성 부직포형태의 유기질 섬유지지체인 것을 특징으로 하는 초미세먼지집진용 복합막 여과체.
  3. 삭제
  4. 섬유지지체가 일방향으로 이동되면서 공급되고, 상부에 설치된 정전분무 방식으로 방사장치의 방사노즐로부터 PTFE 입자 분산액이 나노방사되어, 상기 나노방사된 PTFE 입자가 나노 입자 또는 상기 나노 입자의 응집형태의 입자로 상기 섬유지지체의 일면에 미소성상태의 PTFE 입자가 코팅되고,
    상기 코팅되어 이동되는 상부에 평균기공크기 2.5㎛ 이하인 PTFE 막이 연속적으로 공급되어, 복합화된 막이 형성되고,
    상기 복합화된 막이 합지부를 거쳐 열처리 후 권취되는 연속공정으로 완성되어, 상기 평균기공크기 2.5㎛ 이하인 PTFE 막의 초미세기공이 유지된 초미세먼지집진용 복합막 여과체의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 섬유지지체 상부에 방사장치의 방사노즐이 복수개 설치되어 PTFE 입자 분산액이 동시에 방사된 것을 특징으로 하는 초미세먼지집진용 복합막 여과체의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 PTFE 입자 분산액이 PTFE 입자 20 내지 60중량%가 함유된 것을 특징으로 하는 초미세먼지집진용 복합막 여과체의 제조방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 PTFE 입자 분산액이 전압인가거리 5 내지 20㎝ 조건에서 방사전압 30kV 이내로 나노방사되어 섬유지지체의 일면에 PTFE 입자가 코팅된 것을 특징으로 하는 초미세먼지집진용 복합막 여과체의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 제4항에 있어서, 상기 PTFE 입자 분산액이 전압인가거리 및 분사거리 5 내지 20㎝ 조건에서 방사전압 30kV 이내 및 에어압력 5 내지 20psi압축공기가 동시에 공급되는 듀얼노즐로부터 나노방사되어 섬유지지체의 일면에 PTFE 입자가 코팅된 것을 특징으로 하는 초미세먼지집진용 복합막 여과체의 제조방법.
  10. 제4항에 있어서, 상기 합지부가 400℃로 유지된 상부 유도가열롤과 하부 압착롤로 구성된 것을 특징으로 하는 초미세먼지집진용 복합막 여과체의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 압착롤에 의해 6kg/㎠ 이하인 라미네이션된 여과체가 제조된 것을 특징으로 하는 초미세먼지집진용 복합막 여과체의 제조방법.
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