KR20040036774A - 고강도 고강성 배수필터재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고강도 고강성 배수필터재 및 그 제조방법으로서, 기존의 단섬유로 형성된 부직포에 비하여 우수한 인장강도, 인열강도 및 파열강도 등의 기계적 특성과 내화학성을 가지는 장섬유로 형성된 부직포 등의 물성과 동등한 물성을 나타내면서도 장섬유의 카딩시 발생하는 엉킴현상 등이 발생하지 않아 우수한 공정효율을 가지며 제조원가가 저렴할 뿐만 아니라, 초음파봉제시 봉제효과가 우수한 단섬유로 형성된 고강도, 고강성인 배수필터재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

고강도 고강성 배수필터재 및 그 제조방법{High-tenacity high-modulus drainage filter and preparation thereof}
본 발명은 연약지반에 사용되는 배수필터재 및 그 제조방법에 관한 것으로서 단섬유로 형성된 고강도 고강성 배수필터재에 관한 것이다.
연약지반 배수필터재는 골이 파여 있는 플라스틱 코아를 필터재로 감싸 놓은 2층구조로 구성되어 있으며 이를 연약지반 내에 수직으로 설치하면 지반내의 과잉간극수가 삼투압의 작용으로 필터재를 통과하고 내부 플라스틱 코아의 배수구를 통해 상부로 배출하게 된다. 필터재는 연약지반의 압밀과정중에서 합성수지 판체사이로 들어가지 않도록 젖은 상태에서 팽팽한 본래의 강도와 강성을 유지해야 하며, 흙입자에 의한 막힘현상(clogging)이 없으면서 충분한 투수성이 필요하다.
종래에는 단섬유에 의한 열융착 부직포 또는 바인더수지가 함유된 부직포등이 사용되어 왔으나 이러한 단섬유 부직포는 강도 및 강성을 포함한 역학특성이나 과대한 기공크기로 인한 흙입자의 막힘현상, 불량한 투수성으로 인해 필터재로는부적합하여 현재는 사용하지 않고 있다. 따라서 현재는 100% 폴리프로필렌 장섬유 스펀본드 부직포가 필터재로 널리 사용되고 있다.
장섬유 필터재의 제조방법으로는 방사된 폴리프로필렌 필라멘트를 가열로울러에 의해 연신하고 코로나 방전장치에 의해 필라멘트를 강제로 대전시켜 웹을 성형한 다음, 캘린더 로울러가 장치된 스팀챔버(steam chamber)내에서 융착시켜 스펀본드 부직포를 제조하는 방법이 있는데, 100% 폴리프로필렌 장섬유 스펀본드 부직포의 특성은 인장강도, 인열강도, 파열강도를 포함한 역학적특성과 내화학적특성, 박테리아와 미생물에 대한 저항성이 우수하다. 또한, 큰 압축력에 대해서도 크리프가 적으며 기공크기도 적절히 조절 가능한 장점을 가지고 있다. 그러나 상기 부직포는 장섬유를 사용하기 때문에 코로나 방전장치가 아닌 일반 카드기의 사용시에는 카드기의 침포에 섬유가 얽혀 웹을 형성할 수가 없으며 최종제품의 가격이 비싼 단점이 있다.
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 선행기술의 제반 문제점을 해소할 수 있는 단섬유로 형성된 고강도 고강성 배수필터재를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여 본 발명자는 기존의 장섬유를 사용하지 않고 섬유장이 짧은 합성섬유를 사용하면 원료의 선택폭이 넓어질 뿐만 아니라 일반 카딩기에서도 웹을 효율적으로 제공할 수 있어 공정효율 및 원가절감에 큰 효과를 얻을 수 있으며, 사용되는 섬유의 길이와 크림프수 , 니들펀칭의 펀칭밀도 및 열융착온도를 조절하면 단섬유부직포의 단점을 극복하고 장섬유부직포의 물성과 동등하면서도 보다 높은 밀도를 가진 판상형태의 우수한 물성의 배수필터재를 제조할 수 있다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하게 된 것이다.
그러므로 본 발명에 의하면 배수필터재를 제조하는 방법에 있어서, 섬유장 40∼65mm, 크림프수 5∼7개/cm, 섬도 4∼8데니어의 합성섬유를 카딩하고 적층한 후, 상기 적층된 섬유층을 니들펀칭하고 열융착하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 고강성 배수필터재의 제조방법이 제공된다.
또한 상기 제조방법에 의하면 단섬유의 합성섬유를 적층, 결합하여 형성된 시트로서 다음의 특성을 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 고강성 배수필터재가 제공된다.
(a)인장강도가 길이방향 950 ∼ 1100, 폭방향 930∼1100 kgf/m,
(b)초기강성율이 길이방향 4500∼7000, 폭방향 4000∼6000 kgf/㎠,
(c)밀도가 0.5∼0.8g/㎤,
(d)투수계수가 1×10-3∼ 9 ×10-3cm/초 및
(e)유효구멍크기(AOS)가 70∼110 ㎛.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명인 고강도 고강성 배수필터재는 섬유장이 짧은 합성섬유를 사용하여 적층하고 결합하여 제조된 것이다.
원료섬유는 매트릭스 섬유와 바인더 섬유로 구분되며 매트릭스섬유는 폴리프로필렌이나 폴리에스테르섬유와 같이 초기 강성율이 높고 범용적으로 사용할 수 있는 섬유가 바람직하다. 바인더섬유는 고강도·고강성의 기능 및 이로 인한 형태안정성을 추구하기 위해서 단일형 열융착섬유보다 복합형 열융착섬유의 선택이 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 매트릭스 섬유는 배수필터재로서 요구되는 투수계수와 유효구멍크기(AOS)를 만족하기 위해서 단섬유의 크림프수와 섬유장 섬유직경을 신중히 선택해야 한다. 단섬유의 크림프수는 5∼7개/cm가 바람직한데 크림프수가 너무 적으면 카딩공정이 불안정하며, 크림프수가 너무 많으면 얻어지는 웹이 벌키(bulky)하고 투수계수와 유효구멍크기가 작게 되고 형태안정성이 좋지 않다. 또한 섬유장(fiber length)은 40∼65mm 정도가 가장 바람직한데 40mm미만의 섬유장을 가진 섬유는 카딩기에서 부유섬유로 거동하여 웹의 불균일현상 및 손실율이 높아지며, 65mm를 초과하는 섬유는 카딩기의 침포사이에 얽히거나 절단되는 현상이 발생하여 카딩공정이 불안정하게 되며 유효구멍크기도 너무 크게되어 투수효과는 높아지나 구멍으로 흙이나 부유물이 침투하여 결국에는 배수작용을 할 수 없게 된다. 본 발명인 배수필터재로 사용하는 단섬유 직경은 4∼6데니어 범위가 바람직 한데 이보다 큰 섬도, 예를 들어 10데니어인 경우는 섬유웹의 균제도가 떨어지고 섬유웹의 표면이 거칠게 되는 단점이 있으며 반대로, 이보다 작은 섬도의 섬유웹은강도가 부족한 단점이 있다.
본 발명에서는 상기 준비된 섬유를 배열하여 웹을 형성하는데 그 방법으로는 건식법(aerodynamic method) 뿐만 아니라 일반 카딩기를 사용하여도 섬유웹을 형성할 수 있다.
상기 성형된 섬유웹은 복합웹 결합공정인 니들펀칭공정을 통해 강도를 1차로 향상시키는데 니들펀칭기의 분당 스트록(stroke)은 섬유웹 중량과 제조속도를 고려하여 선택한다. 펀칭밀도는 PPSC(punching per square centimeter) 단위를 적용하는 경우가 많은데 본 발명에서는 섬유웹 중량이 150∼300g/㎡인 경우에서는 200∼500 PPSC 정도가 바람직하다. 섬유웹 중량이 적은 경우는 섬유웹 구성섬유의 절단을 방지하기 위해 펀칭밀도를 적게 하는 것이 바람직하다. 가장 중요한 점은 섬유웹이 펀칭공정을 통해 인장강도를 최대한 향상시킬 수 있도록 펀칭밀도를 선정하는 것이 중요한데 특히 200g/㎡정도에서는 400 PPSC가 바람직하다. 이러한 니들펀칭은 하방향 스트로크(down-stroke), 상방향 스트로크 (up-stroke) 및 양방향 스트로크(double-stroke) 등 어떤 경우를 사용하여도 무방하다. 니들보드의 상하운동거리는 35∼40mm로 정하는 것이 좋은데 이는 단섬유가 약간씩 흩어지는 것을 최대한 방지하여 주기 때문이다. 또한, 예비펀칭을 하는 것도 좋은 방법인데 예비펀칭은 균일한 인장강도를 유지하기 위해서도 필요하다.
상기 니들펀칭이 끝난 후 섬유웹을 열풍공정이나 열캘린더공정을 통해 바인더섬유와 매트릭스섬유를 융착시켜 2차로 강도와 강성을 보강하게 된다. 현재 범용으로 사용하고 있는 저융점폴리에틸렌테레프탈레이트(LMPET)/폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE)/폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 폴리에틸렌(PE)/폴리프로필렌(PP) 등은 본발명에서 열캘린더공정의 처리온도를 100∼130℃ 범위에서 선정하는 것이 바람직하다. 열풍공정에서는 섬유에 직접 열을 가하지 않기 때문에 상기 열캘린더공정보다 10℃이상 고온에서 처리하는 것이 바람직하다. 매트릭스섬유로 폴리프로필렌(PP) 섬유를 사용한 경우, 처리온도를 130℃ 이상으로 하면 매트릭스섬유의 열수축이 크게 일어나며 황변현상이 심하게 나타나 필터재 제품 외관이 좋지 못하며, 110℃ 이하에서는 바인더섬유의 융착성이 부족하여 요구되는 인장강도가 떨어지는 단점이 있다.
배수필터재는 종이와 같이 두께가 얇아야 하기 때문에 본 발명에서의 열캘린더에서의 상하 로울러간의 닙포인트(nip point) 간격은 0.1∼0.3mm가 바람직하다. 상기 닙포인트 간격은 열풍처리시 일반 로울러에 대한 닙포인트 간격에서도 동일하게 적용된다.
본 발명에서는 상기와 같은 제조방법에 의하여 다음과 같은 배수필터재를 얻을 수 있다. 배수필터재에 있어서, 단섬유의 합성섬유를 적층, 결합하여 형성된 시트로서 다음의 특성을 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 고강성 배수필터재;
(a)인장강도가 길이방향 950 ∼ 1100, 폭방향 930∼1100 kgf/m,
(b)초기강성율이 길이방향 4500∼7000, 폭방향 4000∼6000 kgf/㎠,
(c)밀도가 0.5∼0.8 g/㎤,
(d)투수계수가 1×10-3∼ 9×10-3cm/초 및
(e)유효구멍크기(AOS)가 70∼110 ㎛.
연약지반에 사용되는 배수필터재는 두께가 얇아야 하고 연약지반에 타입하는 경우 이에 견딜수 있는 인장강도가 필요하며 연약지반의 압밀과정중에서 합성수지 판재사이로 흙 또는 부유물이 들어가지 않도록 젖은 상태에서도 팽팽한 본래의 강도와 강성을 유지해야 한다. 특히 초기강성율은 커야 이 상태를 그대로 유지할 수 있으며 투수성도 좋기 때문에 배수필터재로서는 이 초기강성율이 중요한 인자이다. 배수필터재의 밀도가 0.5g/㎤미만이 되는 경우에는 압력에 의해 배수재가 파손되어 충분한 배수필터역할을 할 수 없게 된다. 또한 유효구멍크기(AOS)가 110㎛를 초과하는 경우에는 흙입자가 배수필터재를 통과하여 막힘현상이 발생하므로 최대한 작게 하는 것이 바람직하나 웹의 구성상 한계로 인해 70㎛미만의 유효구멍크기(AOS)에서는 투수성이 현저히 떨어지는 단점이 있다. 따라서, 배수필터재는 투수계수를 보유함과 동시에 인장강도가 적어도 800kgf/m이상, 초기강성률이 3,500kgf/㎠이상이 요구되며 필터재의 막힘현상도 없어야 한다.
이하 다음의 실시예에서는 본 발명인 고강도 고강성 배수필터재를 제조하는 비한정적인 예시를 하고 있다.
[실시예 1]
바인더섬유로는 저융점 폴리에틸렌테레프탈레이트(LMPET)/폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)의 복합섬유를 사용하였으며 매트릭스섬유로는 폴리프로필렌(PP)섬유를 사용하여 혼합하였다. 바인더섬유와 매트릭스섬유의 섬도와 섬유장은 6데니어,64mm이다. 웹성형공정은 건식법(aerodynamic method)에 의한 랜덤웹을 제조하였으며 원료섬유(매트릭스섬유/바인더섬유)의 구성비는 15/85이다. 웹결합공정은 니들펀칭공정과 열융착공정의 복합공정을 사용하였으며 이때 웹중량은 190g/㎡을 선정하였다. 펀칭밀도는 약 400 PPSC이며 열융착공정에서 열캘린더 온도와 권취속도는 각각 110℃와 1.5m/min로 하여 배수필터재를 제조하였다.
[실시예 2]
원료섬유(매트릭스섬유/바인더섬유)의 구성비, 웹중량 및 열융착공정을 표1과 같이 변경하는 것을 제외하고는 실시예1의 방법과 동일하게 배수필터재를 제조하였다.
매트릭스/바인더 섬유비율 중량(g/㎡) 열융착방법
실시예 2 25/75 190 열캘린더법
실시예 3 35/65 190 열캘린더법
실시예 4 15/85 210 열풍처리
실시예 5 25/75 210 열풍처리
실시예 6 35/65 210 열풍처리
[비교예]
용융방사된 폴리프로필렌 필라멘트 장섬유를 가열로울러에 의해 연신하고 코로나 방전장치에 의해 필라멘트를 강제로 대전시켜 웹을 성형한 다음, 캘린더 로울러가 장치된 스팀챔버(steam chamber)내에서 융착시켜 스펀본드 시트를 제조하였다.
상기 실시예 및 비교예에 의하여 얻어지는 배수필터재의 기계적 특성을 측정하여 표2에 표시하였다.
인장강도(kgf/m) 초기강성율(kgf/m) 인열강도(kgf) 밀도(g/㎤) 투수계수(×10-3cm/초) 유효구멍크기(㎛)
길이방향 폭방향 길이방향 폭방향
실시예 1 1015 1006 6898 5863 7.6 0.63 1.5 108
실시예 2 984 958 5717 4810 7.9 0.58 2.4 97
실시예 3 954 931 5241 4629 9.1 0.53 5.8 92
실시예 4 1085 1047 6275 5476 9.6 0.73 2.3 103
실시예 5 1057 1043 5214 4819 9.6 0.64 3.8 91
실시예 6 1051 1021 4897 4359 9.5 0.62 6.4 78
비교예 1034 1079 4424 4132 10.5 0.52 3.2 98
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 배수재는 고강도 ·고강성이며 얇고 딱딱한 종이와 같은 촉감을 나타내는 시트로서 기존에 사용된 단순 열융착공정 또는 바인더수지에 의해 접착된 단섬유 부직포 필터재와는 다른 새로운 특성을 나타내고 있으며 연약지반 압밀과정중에서 투수효과를 내면서도 합성수지 판재사이로 흙 또는 부유물이 들어가지 않도록 젖은 상태에서도 팽팽한 본래의 강도와 강성을 유지할 수 있으며 제조공정중에서도 웹의 형성이 원활하여 공정효율을 증대시키는 장점이 있다.

Claims (5)

  1. 배수필터재를 제조하는 방법에 있어서, 섬유장 40∼65mm, 크림프수 5∼7개/cm, 섬도 4∼8데니어의 합성섬유를 카딩하고 적층한 후, 상기 적층된 섬유층을 니들펀칭하고 열융착하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 고강성 배수필터재의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 니들펀칭시 펀칭밀도를 200∼500 PPSC로 하고, 열융착온도를 100∼130℃에서 하는 것을 특징으로 하는 고강도 고강성 배수필터재의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 열융착방법은 열풍 또는 열캘린더공정으로 하는 것을 특징으로 하는 고강도 고강성 배수필터재의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 열캘린더공정으로 열융착하는 경우에 상하 로울러간의 닙포인트 간격이 0.1∼0.3mm인 것을 특징으로 하는 고강도 고강성 배수필터재의 제조방법.
  5. 배수필터재에 있어서,
    단섬유의 합성섬유를 적층, 결합하여 형성된 시트로서 다음의 특성을 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 고강성 배수필터재;
    (a)인장강도가 길이방향 950 ∼ 1100, 폭방향 930∼1100 kgf/m,
    (b)초기강성율이 길이방향 4500∼7000, 폭방향 4000∼6000 kgf/㎠,
    (c)밀도가 0.5∼0.8 g/㎤,
    (d)투수계수가 1×10-3∼ 9×10-3cm/초 및
    (e)유효구멍크기(AOS)가 70∼110 ㎛.
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