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KR20200066021A - 초발수 및 초발유 ptfe 여과체 및 그의 제조방법 - Google Patents

초발수 및 초발유 ptfe 여과체 및 그의 제조방법 Download PDF

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KR20200066021A
KR20200066021A KR1020180153048A KR20180153048A KR20200066021A KR 20200066021 A KR20200066021 A KR 20200066021A KR 1020180153048 A KR1020180153048 A KR 1020180153048A KR 20180153048 A KR20180153048 A KR 20180153048A KR 20200066021 A KR20200066021 A KR 20200066021A
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명에 따라, 압력손실을 최소화한 상태에서 미세먼지를 저감할 수 있는 초발수 및 초발유 여과체로서, PTFE 부직포 필터층; 상기 PTFE 부직포 필터의 일 측면에 부착되어 있으며 실질적으로 PTFE로 이루어진 PTFE 전기방사 섬유층; 및 PTFE 전기방사 섬유층 상에 위치한 PTFE 입자층;을 포함하여 이루어진 초발수 및 초발유 여과체가 제공되며, 또한, 상기 초발수 및 초발유 여과체는 에너지 소모를 적게 하면서 제조될 수 있다.

Description

초발수 및 초발유 PTFE 여과체 및 그의 제조방법 {Super-hydrophobic and super-oleophobic PTFE filter media and method of making the same}
본 발명은 초발수 및 초발유 PTFE 여과체 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
세계보건기구(WHO) 산하 국제암연구소(IARC)에서 1그룹의 발암물질로 지정한 미세먼지는 화석연료의 연소과정에서 주로 발생되고 있으며, 대기환경으로 배출된 미세먼지는 국민들의 건강에 악영향을 미치고 있다. 그러므로 이들의 배출을 억제하기 위한 많은 노력들이 이루어지고 있다. 최근에는 미세먼지를 제거하기 위하여 먼지의 종류나 작업조건에 관계없이 매우 높은 집진성능을 유지하는 여과집진장치가 주로 사용되고 있다. 이와 함께 발전소와 같이 대형 설비에서도 기존의 상대적으로 낮은 집진효율을 가지는 전기집진장치를 여과집진장치로 대체시키고자 하는 노력도 이루어지고 있다. 그렇지만 점착성이 높은 먼지가 포함된 배기가스를 기존의 여과체로 처리하고자 할 때에는 여과체가 막히는 문제가 발생할 수 있다. 그러므로 이에 대한 대안이 다각도로 연구되고 있다.
지금까지 집진공정에 적용되어온 여과체는 일반적으로 내부여과(depth filtration) 방식의 것이다. 이러한 내부여과방식 여과체의 경우, 미세먼지들이 여과체 내부에 축적됨에 따라 압력손실의 증가 및 여과체의 수명 단축 등의 문제점이 심각하다.
따라서, 압력손실의 급격한 증가 없이 미세먼지를 효과적으로 저감할 수 있도록 하는 표면여과방식의 여과체 제공이 당업계에서 해결하여야 할 하나의 과제로 남아있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 압력손실을 최소화한 상태에서 미세먼지를 저감할 수 있는 초발수 및 초발유 여과체를 제공하는 것에 목적을 두고 있다.
또한, 본 발명은 에너지 소모를 적게 하면서 초발수 및 초발유 여과체를 제조하는 방법을 제공하는 것에 목적을 두고 있다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 제1 양태에서는, 초발수 및 초발유 여과체로서, PTFE 부직포 필터층; 상기 PTFE 부직포 필터층의 일 측면에 부착되어 있으며 실질적으로 PTFE로 이루어진 PTFE 전기방사 섬유층; 및 PTFE 전기방사 섬유층 상에 위치한 PTFE 입자층;을 포함하여 이루어진 초발수 및 초발유 여과체가 제공된다.
본 발명의 제2 양태에서는, PTFE 부직포 필터 상에 PTFE 및 PVA 함유 용액을 전기방사하고 PVA 섬유를 휘발시켜서 실질적으로 PTFE로 이루어진 PTFE 전기방사 섬유층을 형성하는 제1단계; PTFE 전기방사 섬유층 상에, 정전분무법에 의해 PTFE 입자를 분사하여 PTFE 입자층을 형성하는 제2단계; 및 상기 PTFE 전기방사 섬유층과 PTFE 입자층이 형성된 PTFE 부직포 필터를 경화시키는 제3단계;를 포함하는, 초발수 및 초발유 여과체의 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따른 초발수 초발유 여과체는 마이크로미터 직경을 가지는 PTFE 부직포 필터 상층에 수백 나노미터 직경의 PTFE 전기방사 섬유층이 형성되어 있어 미세먼지의 저감에 유리한 동시에, 최상층의 PTFE 입자층은 초발수 초발유 특성을 구비하여, 여과된 먼지가 영구적으로 결착하지 않고 자체로 탈리되어 여과체의 운전 중에 따른 압력손실의 문제를 줄일 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 초발수 초발유 여과체는, 초발수 초발유 여과체를 구성하는 부직포 필터층, 전기방사 섬유층 및 입자층이 동일하게 PTFE로부터 형성되어 있어, 각 층간에 견고한 결합 혹은 부착이 이루어질 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시양태에 따른 초발수 및 초발유 여과체의 단면을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시양태에 따라 초발수 및 초발유 여과체를 제조하는 공정 라인 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본원 비교예 1에 따른 PTFE 부직포 필터의 광학현미경 이미지와 필터 표면에서의 물과 기름성분의 접촉각을 나타낸다.
도 4는 본원 비교예 2에 따라 PTFE 부직포 필터 표면에 PTFE 전기방사 섬유를 부착시킨 여과체의 광학현미경 이미지와 여과체 표면에서의 물과 기름성분의 접촉각을 나타낸다.
도 5는 본원 실시예 1에 따른 초발수 및 초발유 여과체의 광학현미경 이미지와 여과체 표면에서의 물과 기름성분의 접촉각을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 접촉각 측정시 접촉각의 정의를 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 7은 본원 비교예 1에 따른 PTFE 부직포 필터, 본원 비교예 2에 따른 PTFE 부직포 필터 표면에 PTFE 전기방사 섬유를 부착시킨 여과체, 본원 실시예 1에 따른 PTFE 부직포 필터 표면에 PTFE 전기방사 섬유를 부착시킨 여과체의 상층에 PTFE 입자를 부착시킨 초발수 및 초발유 여과체의 집진효율을 비교한 결과이다.
도 8은 본원 비교예 1에 따른 PTFE 부직포 필터, 본원 비교예 2에 따른 PTFE 부직포 필터 표면에 PTFE 전기방사 섬유를 부착시킨 여과체, 본원 실시예 1에 따른 PTFE 부직포 필터 표면에 PTFE 전기방사 섬유를 부착시킨 여과체의 상층에 PTFE 입자를 부착시킨 초발수 및 초발유 여과체의 압력손실을 비교한 결과이다.
도 9는 본원 비교예 1에 따른 PTFE 부직포 필터, 본원 비교예 2에 따른 PTFE 부직포 필터 표면에 PTFE 전기방사 섬유를 부착시킨 여과체, 본원 실시예 1에 따른 PTFE 부직포 필터 표면에 PTFE 전기방사 섬유를 부착시킨 여과체의 상층에 PTFE 입자를 부착시킨 초발수 및 초발유 여과체의 필터성능지수를 비교한 결과이다.
본 발명의 권리범위에는 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해하여야 한다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 한정되어서는 안된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해하여야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 또는 "직접 결합되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해하여야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본원 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지칭하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해하여야 한다.
이하, 본 발명에 의한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 본 실시예에서는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시한 것이며, 그 기술적인 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경이 가능하다.
도 1을 참조하여 본 발명의 일 양태에 따르면, 초발수 및 초발유 여과체로서, PTFE 부직포 필터층(110); 상기 PTFE 부직포 필터의 일 측면에 부착되어 있으며 실질적으로 PTFE로 이루어진 PTFE 전기방사 섬유층(120); 및 상기 PTFE 전기방사 섬유층(130) 상의 PTFE 입자층;을 포함하여 이루어진 초발수 및 초발유 여과체(100)가 제공된다.
본 발명에서 사용되는 용어 "폴리테트라플루오로에틸렌", "polytetrafluoroethylene" 또는 "PTFE"는 폴리에틸렌의 수소가 모두 불소(fluorine)로 치환된 하기 화학식 1로 표시되는 불소 화합물을 포함하는 불소계 수지를 의미한다:
[화학식 1]
-(CF2CF2)n-
상기 화학식 1에서, n은 100~10,000 사이의 정수이다.
이러한 "폴리테트라플루오로에틸렌"은 우수한 내열성, 화학적 불활성, 비접착성, 소수성, 강한 내구성 등의 장점을 가지고 있으나 용매에 녹지 않아 전기방사법을 이용하여 나노섬유로 제작하기 곤란하다는 단점을 갖는다.
상기 PTFE 부직포 필터층을 제외한 PTFE 전기방사 섬유층과 PTFE 입자 각각에 사용된 PTFE 중량평균분자량(Mw)은 10,000 ~ 100,000 이다.
상기 PTFE 부직포 필터층(110)은 형태 유지가 어려운 PTFE 전기방사 섬유층(120)과 PTFE 입자층(130)을 지지하기 위한 지지체로서의 역할을 하기 위한 것으로, 본 발명의 초발수 초발유 여과체(100)의 최하층을 형성한다.
상기 PTFE 부직포 필터층은 스펀본드 및 멜트블로운 방식으로 제조된 PTFE 부직포로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 PTFE 부직포 필터층은 0.5 내지 3.0 mm 또는 1.0 mm 내지 2.0 mm 또는 1.2 mm 내지 1.6 mm 두께를 가질 수 있다. 상기 PTFE 부직포 필터층의 두께가 이러한 범위를 만족하는 경우에 실제 사용되는 조건인 여과속도 1 m/min에서 높은 압력손실을 나타내지 않고 전 입경범위의 미세먼지에 대해서 50 %이상의 집진효율을 가질 수 있다.
상기 PTFE 부직포 필터층은 850 g/m2 내지 1100 g/m2 또는 950 g/m2 내지 1000 g/m2의 평량(basis weight or grammage)을 가질 수 있다. 상기 PTFE 부직포 필터층의 평량이 이러한 범위를 만족하는 경우에 단위 면적당 차지하는 섬유의 분포가 일정부분 균일할 수 있다.
상기 PTFE 부직포 필터층은 15 ㎛ 내지 70 ㎛의 직경 또는 40 ㎛ 내지 50 ㎛의 직경을 갖는 섬유로 형성된 것일 수 있다. 섬유 직경이 이러한 범위를 만족하는 경우에 큰 직경을 가지는 입자들을 효과적으로 제거할 수 있다.
상기 PTFE 부직포 필터층에 형성된 기공의 평균 크기는 20 ㎛ 내지 100 ㎛ 또는 50 ㎛ 내지 60 ㎛의 범위일 수 있다. 본원 명세서에서 PTFE 부직포 필터층에 형성된 기공의 평균 크기는 3차원 현미경으로 측정된 이미지로부터 얻어졌다. PTFE 부직포 필터층에 형성된 기공의 평균 크기가 이러한 범위를 만족하는 경우에 낮은 압력손실에서도 높은 집진효율을 나타낼 수 있다.
상기 PTFE 전기방사 섬유층(120)은 상기 PTFE 부직포 필터(110)의 미세먼지에 대한 집진효율을 향상시키는 작용을 하기 위한 것으로, 본 발명의 초발수 초발유 여과체(100) 중 PTFE 부직포 필터층(110)과 PTFE 입자층(130)의 사이에 위치한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 PTFE 전기방사 섬유층은 전기방사액이 노즐에서 토출되어 폴리비닐알코올(PVA)과 PTFE가 함께 섬유 형태로 형성되는 과정에서, PVA가 휘발되어 형성되면서 실질적으로 PTFE로만 이루어진 섬유로 형성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시에에 따르면, 상기 PTFE 전기방사 섬유층에는 실질적으로 PVA가 존재하지 않고, 바람직하게는 PVA 없이 PTFE로만 이루어질 수 있다. 이때, 섬유 형태에서 PVA가 있던 자리는 빈 공간(void)으로 남게 되어 상기 PTFE 부직포 필터 내부의 기공을 막지 않기 때문에 압력손실 측면에서 유리할 수 있다.
상기 PTFE 전기방사 섬유층은 10㎛ 내지 60㎛ 또는 20㎛ 내지 40㎛의 두께를 가질 수 있다. 상기 PTFE 전기방사 섬유층의 두께가 이러한 범위를 만족하는 경우에 상기 PTFE 부직포 필터의 손상을 예방할 수 있으며, 압력손실에 큰 영향을 주지 않고 미세입자들을 효율적으로 포집할 수 있다.
상기 PTFE 전기방사 섬유층을 구성하는 섬유는 200nm 내지 450nm 범위의 직경 또는 290nm 내지 310nm 범위의 직경을 가질 수 있다. PTFE 전기방사 섬유층을 구성하는 섬유의 직경이 이러한 범위를 만족하는 경우에 얇은 섬유로 인한 확산과 차단의 집진효율 향상을 기대할 수 있다.
상기 PTFE 전기방사 섬유층에 형성된 기공의 평균 크기는 3 ㎛ 내지 18 ㎛ 또는 8 ㎛ 내지 12 ㎛의 범위일 수 있다. 본원 명세서에서 PTFE 전기방사 섬유층에 형성된 기공의 평균 크기는 3차원 현미경으로 측정된 이미지로부터 얻어졌다. PTFE 전기방사 섬유층에 형성된 기공의 평균 크기가 이러한 범위를 만족하는 경우에 다공성 구조를 가지는 기공을 통해 미세먼지도 포집할 수 있다.
상기 PTFE 전기방사 섬유층은 6.5 g/m2 내지 8.0 g/m2 범위의 중량을 가질 수 있으며, 상기 중량으로 형성되는 경우에 상기 PTFE 부직포 필터에 큰 영향을 주지 않고 필터 성능의 향상 측면에서 유리할 수 있다.
상기 PTFE 입자층(130)은 물 또는 오일 성분의 침투를 방지하고 미세먼지의 제거 효율을 높이는 작용을 하기 위한 것으로, PTFE 전기방사 섬유층(120) 위에 형성되어 본 발명의 초발수 초발유 여과체(100)의 최상층을 형성한다.
상기 PTFE 입자층을 구성하는 PTFE 입자는 비제한적인 예로 구형, 타원형, 입방체, 직육면체의 형성을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 PTFE 입자층을 구성하는 PTFE 입자는 상기 PTFE 전기방사 섬유층에 형성된 기공보다 커서, PTFE 전기방사 섬유층에 형성된 기공 사이로 침투하지 않으면서 하나의 층을 형성하는 것이 바람직하다. 이를 위해 PTFE 입자는 0.25㎛ 내지 3.0㎛ 범위의 D50 평균 입경을 가질 수 있으며, PTFE 입자가 구형의 형상을 갖지 않는 경우, 상기 D50 평균 입경은 구형으로 환산한 값으로 간주한다.
본원 명세서에서 'D50 평균입경'이라 함은 2종류 이상의 입경을 가진 입자의 대표 지름으로 입도분포곡선에서 중량 백분율의 50%에 해당하는 입경 즉, 입도분포 곡선에서 누적중량의 50%가 통과하는 입자의 직경을 말하며, 전체에서 50%를 통과시킨 체의 크기에 해당하는 입자의 직경과 같은 의미로 이해한다.
또한, 상기 PTFE 입자층은 10 g/m2 내지 45 g/m2 범위의 평량을 가질 수 있으며, 상기 범위의 평량을 갖는 경우에 PTFE 섬유로 이루어진 다공성 구조에서 기공을 막지 않고 표면 거칠기를 조절할 수 있다는 측면에서 유리하다.
또한, PTFE 입자층은 표면 거칠기를 조절함으로써 표면 자유에너지를 낮추는 효과가 있으며, 소정 범위의 표면조도를 나타내는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로, PTFE 입자층은 0.1㎛ 내지 1.5㎛ 범위의 표면조도(Rms)를 가질 수 있으며, 이 때 표면조도(Rms)는 3차원 현미경을 이용하여 표면의 높이차이로 측정될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, PTFE 부직포 필터 상에 PTFE 및 PVA 함유 용액을 전기방사하고 PVA 섬유를 휘발시켜서 실질적으로 PTFE로 이루어진 PTFE 전기방사 섬유층을 형성하는 제1단계; PTFE 전기방사 섬유층 상에, 정전분무법에 의해 PTFE 입자를 분사하여 PTFE 입자층을 형성하는 제2단계; 및 상기 PTFE 전기방사 섬유층과 PTFE 입자층이 형성된 PTFE 부직포 필터를 경화시키는 제3단계를 포함하는, 초발수 및 초발유 여과체의 제조방법이 제공된다.
제1단계에서, PTFE 부직포 필터 상에 PTFE 및 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA) 함유 용액을 전기방사하고, 상기 PVA 섬유를 휘발시켜서 실질적으로 PTFE로 이루어진 PTFE 전기방사 섬유층을 형성한다.
먼저, 전기방사를 위해 PTFE와 PVA가 용제에 포함된 전기방사액을 준비한다.
상기 전기방사액 중 PTFE는 전기방사액 중 12 중량% 내지 24 중량%로 포함될 수 있다. 상기 PTFE가 상기 범위의 양으로 포함되는 경우에 PTFE 섬유가 형성되는 조건에서 최대한 많은 PTFE 섬유를 얻을 수 있다는 측면에서 유리한 효과를 가질 수 있다.
본 발명에서 상기 PVA는 전기방사액 중에 PTFE가 균일하게 분산되도록 하기 위해 사용된다.
본 발명에서 사용되는 PVA는 85,000 내지 124,000 범위의 중량평균 분자량을 갖는 것일 수 있다. PVA의 중량평균 분자량이 이러한 범위를 만족하는 경우에 PTFE dispersion 용액의 점도를 조절하여 전기방사를 가능하게 할 수 있다.
또한, 상기 PVA는 상기 PTFE 100 중량부를 기준으로 25 내지 67 중량부의 양으로 포함될 수 있다. PVA의 함량이 이러한 범위를 만족하는 경우에 상기 PTFE 함유 전기방사액에서 PTFE 입자들의 분산성을 높이는 역할을 할 수 있다.
상기 전기방사액에 사용되는 용제로는 물이 사용될 수 있으며, 상기 PTFE와 PVA를 합한 100 중량부 기준으로 50 내지 70 중량부가 사용될 수 있다. 상기 용제가 이러한 범위를 만족하는 경우에 상기 PVA를 잘 용해시킬 수 있고, 상기 용해된 PVA 용액을 PTFE 분산액(dispersion)과 혼합하여 전기방사가 가능한 전기방사액을 제조할 수 있다.
상기 전기방사는 PTFE와 PVA를 포함하는 전기방사액을 섬유화하여서, PTFE 부직포 필터를 향해 토출함으로써 수행될 수 있다.
본 발명의 일 양태에서 전기방사는 전압이 인가된 상태에서 20~50 %의 상대습도를 가지는 분위기 속에서 220 내지 300℃의 온도 범위에서 0.33 mm 내지 0.64 mm 크기의 전기방사 노즐을 통해, 상기 방사 노즐과 7 cm 내지 10 cm 거리에 배치된 PTFE 부직포 필터의 표면을 향해 방사액을 토출함으로써 상기 PTFE와 PVA의 혼합물을 섬유화할 수 있다. 상기 노즐로부터 전기방사액이 토출되는 속도는 0.8 ml/h 내지 1.0 ml/h의 범위일 수 있고, 방사 거리는 7 cm 내지 10 cm의 범위일 수 있다.
상기 전기방사는 220 내지 300℃ 범위의 온도 유지된 챔버 내에서 이루어짐으로써 상기 섬유에 포함된 PVA가 휘발된다. 상기 챔버 내의 온도가 상기 하한치보다 낮은 경우에는 PVA가 섬유 내에 잔류할 수 있게 되고, 상기 챔버 내의 온도가 상기 상한치보다 높은 경우에는 PVA 섬유는 휘발되어 PTFE 섬유만 잔류하게 된다. 상기 챔버가 20 % 내지 50 % 범위의 상대습도로 유지되는 것이 본 특허에서 제시한 전기방사 공정조건의 효과를 극대화할 수 있다는 측면에서 유리하다.
이어서, 제2단계에서, 상기 PTFE 전기방사 섬유층 상에, 정전분무법에 의해 PTFE 입자를 분사하여 PTFE 입자층을 형성한다.
이를 위해, 상기 PTFE가 분산매에 분산된 정전분무액을 준비한다. 정전분무액은 용액의 점도, 극성, 표면장력, 전기전도도 등을 고려하여 만들어질 수 있다. 정전분무액에서 증착되는 유기물질, 즉, PTFE와 분산매의 조성은 정전분무액이 분사되는 노즐의 크기에 따라 결정될 수 있다.
상기 정전분무액에 사용되는 분산매로는 물이 사용될 수 있다. PTFE가 분산매 100 중량부 기준으로 2.0 내지 4.2 중량부의 양으로 사용될 수 있다. PTFE의 함량이 이러한 범위를 만족하는 경우에 액적이 비행 도중에 완전히 건조되어 입자 형성에 용이하고, PTFE 섬유가 부착된 PTFE 부직포 필터 표면에 잘 결합될 수 있다.
상기 PTFE 전기방사 섬유층 표면에 상기 정전분무액을 분사함으로써 상기 PTFE 입자를 안정적으로 부가 및 고정시킬 수 있다. 상기 PTFE 입자가 분사되는 과정에서 분산매가 공기 중으로 증발할 수 있으며, 이에 따라, 입자 상태의 PTFE가 PTFE 전기방사 섬유층 상에 부착될 수 있다.
상기 정전분무액을 전압을 인가한 상태에서 노즐을 통해 분사시키는 단계는 정전분무 장치를 통해 수행될 수 있다.
이어서, 제3단계에서 상기 PTFE 전기방사 섬유층과 PTFE 입자층이 형성된 PTFE 부직포 필터를 경화시킨다.
상기 PTFE 전기방사층과 PTFE 입자층이 순차적으로 적층, 부착되어 있는 PTFE 부직포 필터를 220 내지 300 ℃에서 5 내지 10분간 소성하여 열처리 경화하여, 각 층간의 구성요소를 고착시킨다. 열처리 온도가 상기 범위를 만족하는 경우에, 상기 PTFE 섬유와 PTFE 입자의 경화가 충분히 진행되어 내마모성이 개선되고, 상기 PTFE 전기방사층과 PTFE 입자층이 순차적으로 적층되어 있는 PTFE 부직포 필터의 열변형이 방지될 수 있다.
도 2를 참조하여, 본 발명의 초발수 및 초발유 여과체의 공정 라인 시스템(process line system)의 일 실시양태를 살펴보면, 언와인더(200)으로부터 풀려나온 PTFE 부직포 필터가 이송되어, 전기방사 장치(300) 및 정전분무 장치(400)가 구비된 챔버 내로 유입될 수 있다. 상기 챔버 내에서 PTFE 전기방사 섬유층 및 PTFE 입자층이 구비된 PTFE 부직포 필터는 경화 장치(500)에서 경화되고, 이어서 와인더(600)에 권취된다.
본 발명의 일 실시예에서 전기방사 장치는 전기방사액을 섬유화하여 토출하는 전기방사 노즐과, 상기 전기방사 노즐에 고전압을 인가하는 고전압 발생기를 포함하는 구성을 가질 수 있다.
상기 전기방사 노즐은 별도의 전기방사액 공급부로부터 전기방사액을 공급받아 토출하는 방식으로 구성된다. 예를 들면, 전기방사액 공급부에는 전기방사액을 정량 공급하는 실린지 펌프(syringe pump)가 사용될 수 있고, 전기방사 노즐은 실린지 펌프로부터 전기방사액을 공급받아 토출하는 콘젯(cone-jet) 형태의 노즐이 적용될 수 있다.
상기 고전압 발생기에 의해 상기 전기방사 노즐에 고전압, 구체적으로는 15 kV 내지 25 kV의 전압이 인가될 수 있다. 이러한 고전압 발생기에 대응하여 PTFE 부직포 필터에 접지 전원이 연결될 수 있다. 이와 같은 구조에 따라 전기방사 노즐과 PTFE 부직포 필터 사이의 공간에 전기장이 형성되고, 이에 따라 전기방사 노즐로부터 토출되는 섬유는 정전기력에 의해 전기방사 노즐로부터 PTFE 부직포 필터를 향해 흘러가도록 유도될 수 있다.
상기 정전분무에 사용되는 정전분무 장치로는 당분야에서 통상적으로 사용하는 정전분무 장치라면 어느 것이나 사용할 수 있다.
상기 정전분무 장치의 비제한적인 예는 정전분무액이 저장되는 실린지, 상기 실린지에 라인을 통해 연결된 노즐, 상기 노즐에 전압을 인가하는 전압 공급 장치로 구성될 수 있다. 즉, 상기 정전분무액은 실린지에 저장되고, 저장된 정전분무액은 전압이 인가되는 노즐을 통해 분사될 수 있다. 상기 인가되는 전압은 고전압이 바람직하며, 구체적으로 18 내지 22 kV의 범위일 수 있다. 이 때, 전압 공급 장치에 의해 인가된 전압에 의해 액적은 쉽게 분극화되어, PTFE 전기방사 섬유층에 부착될 수 있다.　
상기 노즐의 규격은 정전분무액의 농도에 따라 결정될 수 있지만, 바람직하게는 외경이 0.8 내지 1.3 mm인 것으로, 복수개의 노즐이 구비될 수 있다. 또한, 상기 실린지는 분사 노즐로부터 홀(hole) 당 0.8 내지 1.2 ml/hr의 속도로 분사시킬 수 있는 것이 사용될 수 있으며, 전력 공급 장치는 수십 내지 수만 볼트의 고전압을 인가하는 것이 사용될 수 있지만, 이것으로 제한되는 것은 아니다.
상기 정전분무는, 전기방사 장치로부터 토출된 섬유가 PTFE 부직포 필터 상에 수집 부착된 후에 PVA가 휘발될 수 있는 시간적 간격을 두고 바로 수행될 수 있다. 전기방사 장치 및 정전분무 장치 각각은 PTFE 부직포 필터 또는 PTFE 전기방사 섬유가 부착된 PTFE 부직포 필터와의 사이에 정전기력이 작용하도록 구성되는데, 이 때, 전기방사 장치와 정전분무 장치가 서로 이격되게 배치되기 때문에, 각 정전기력의 서로에 대한 영향이 최소화되고 각각 독립적인 정전기력으로 작용하므로, 상기 PTFE 섬유 및 PTFE 입자가 모두 균일한 분포 상태를 가지며 형성될 수 있다. 전기방사장치와 정전분무장치 간에는 15cm 내지 30cm 간격이 확보되도록 설계되는 것이 바람직하다.
상기 거리가 너무 길어지는 경우에는 전기방사와 정전분무에 의한 전기장이 겹치는 구간이 없어져 전기방사와 정전분무에 사용된 전압의 상승효과를 얻을 수 없게 되므로, 가능한 한 전기방사와 정전분무의 거리를 5 내지 100㎝ 이내로 실시하는 것이 효과적이다. 이때 상기 집전체의 이송속도는 분당 1 내지 10m일 수 있으며, 캘린더의 온도는 상온에서 실시할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 경화 장치로는 당업계에서 통상적으로 사용되는 경화 장치라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다.
이하 실시예에서 본 발명의 양태가 개시되어 있으나, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것이며, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 아니된다.
비교예 1: PTFE 부직포 필터층으로 이루어진 여과체
PTFE 부직포 필터(제조사: Yingkou Hongyuan Fiberglass Technology Co., Ltd)를 준비하였다. 상기 PTFE 부직포 필터는 985 g/m2의 평량, 1.45 mm의 두께 및 57 ㎛의 평균 기공 크기를 가졌다.
비교예 2: PTFE 부직포 필터층과 PTFE 전기방사 섬유층으로 이루어진 여과체
제조에 사용된 고분자 PTFE(Mw 65,000)는 Chemours에서 구입하였고, PVA (Mw 100,000)는 Aldrich에서 구입하였다. 전기방사에 이용되는 전기방사액의 제조를 위해 용매로는 증류수(DI water)를 사용하였다. PVA 10 중량부를 증류수 90 중량부에 혼합하고, 80℃에서 24시간이상 교반하여 PVA를 완전히 용해시킨 PVA 수용액을 제조하였다. 제조된 PVA 수용액에 PTFE 24 중량부를 첨가하고, 25℃에서 4시간이상 교반하여 전기방사액을 제조하였다. 이때, 상기 전기방사액 중 PTFE는 전기방사액 중 24 중량%로 포함되었다.
상기에서 수득된 전기방사액을, 250 ℃로 유지되는 챔버 내에 배치된 전기방사 장치에 공급하고, 비교예 1에서 사용된 것과 동일한 PTFE 부직포 필터를 향해, 전압 18 kV, 방사거리 10 cm, 유체속도 1.0 ml/h로 고정시켜서 전기방사하였다. 전기방사액에 포함된 PVA가 챔버 내 온도로 인해 휘발되므로, 실질적으로 PTFE만으로 이루어진 섬유층이 형성되었다. 이때, 상기 PTFE 전기방사 섬유층을 구성하는 섬유의 직경이 300 nm이고, 상기 PTFE 전기방사 섬유층은 30 ㎛의 두께 및 7.4 g/m2 의 평량을 가졌다.
상기 PTFE 전기방사 섬유층에 형성된 기공의 평균 크기는 10 ㎛ 이었다.
실시예 1: PTFE 부직포 필터, PTFE 전기방사 섬유층 및 PTFE 입자층으로 이루어진 여과체
PTFE 수지(제조사: Dupont, 제품명: PTFE dispersion 30 Fluoropolymer Resin)을 25℃의 물에 분산시켜 정전분무액을 제조하였으며, 이 때 정전분무액 중 고형분의 함량은 60중량%이고 물의 함량은 40중량% 이었다. 제조된 정전분무액에 전압 25 kV, 방사구와 집전체와의 거리 10 ㎝, 노즐의 직경 0.84 ㎜를 사용하여, 비교예 2에서 제조된 여과체의 PTFE 섬유층 위에 정전분무하였다. 이때, 상기 PTFE 입자의 평균 입경이 1.3 ㎛ 이었고, 상기 PTFE 입자층은 26 g/m2의 평량을 가졌다. 전기방사 장치와 정전분무 장치간의 거리는 15 ㎝로 고정하여 실시하였다. 상기 PTFE 입자와 PTFE 섬유가 부착된 PTFE 부직포 필터를 경화장치에서 250℃로 10분동안 경화하여 최종적으로 초발수 및 초발유 여과체를 제조하였다. 이때 상기 초발수 및 초발유 여과체의 최상층에 있는 PTFE 입자층이 표면조도를 조절하는 역할을 하였다.
평가예 1: 접촉각
상기 비교예 1, 비교예 2 및 실시예 1의 여과체에 대한 대상 액체(물 및CH2I2)의 접촉각을 각각 측정하였고, 그 결과를 도 3 내지 5에 각각 나타내었다.
접촉각은 여과체 샘플을 준비하고, 그 위에 대상 액체(물 및 CH2I2)를 적가하여 형성된 접촉각을 한 후, 23도, 50%의 RH 조건 하에서 접촉각 측정기(KRUSSA사 DSA100)를 이용하여 측정하였다. 즉, 물에 대한 접촉각과 CH2I2에 대한 접촉각을 각각 측정하였다.
이때, 접촉각은, 도 6을 참고하면, 여과체(A)에 물 또는 CH2I2과 같은 대상 액체(B)의 방울이 접촉한 경우, 상기 여과체(A), 상기 대상 액체(B) 및 공기(C)의 세가지 상의 접촉점에서 상기 대상 액체(B)와 상기 여과체(A)가 접하는 점에서 상기 대상 액체(B) 의 방울의 표면으로 이끄는 접선과 상기 여과체(A)의 표면이 이루는 각도(θ)로 정의된다.
상기 대상 액체가 상기 여과체 표면과의 접촉하는 영역이 감소할 경우, 상기 접촉각은 증가하게 되므로, 상기 여과체의 발수성을 판단하는 척도로 이용될 수 있다.
즉, 상기 접촉각이 클 경우, 상기 대상 액체는 상기 여과체와 적은 영역과 접촉하므로, 상기 여과체는 발수성이 부여된 표면을 구비하고 있는 것으로 판단될 수 있다.
도 3 내지 도 5로부터, 비교예 1의 여과체보다 비교예 2의 여과체가 물 및 CH2I2 둘다에 대하여 접촉각이 큰 것으로 나타났고, 비교예 2의 여과체보다 실시예 1의 여과체가 물 및 CH2I2 둘다에 대하여 접촉각이 큰 것으로 나타나서, 실시예 1의 여과체가 발수 성능 및 발유 성능이 모두 가장 우수한 것으로 나타났다.
평가예 2: 집진효율
미세입자에 대한 필터의 집진효율 측정은 실험 필터의 전단, 후단에서 Scanning Mobility Particle Sizer(SMPS, TSI Inc.)를 사용하여 발생된 먼지의 개수농도를 측정하였고, 필터의 성능에 영향을 미치는 압력손실은 실험 필터의 전단, 후단의 정압차를 측정하여 평가한다.
30 내지 300 nm 범위의 입자크기의 미세먼지에 대하여 비교예 1, 비교예 2 및 실시예 1의 여과체의 집진효율을 평가하고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7로부터, 비교예 1의 여과체의 집진효율에 비해 비교예 2의 여과체의 집진효율이 높은 것을 확인할 수 있으며, 비교예 2의 여과체의 집전 효율에 비해 실시예 1의 여과체의 집진효율이 더욱 높은 것을 확인할 수 있다. 비교예 1, 비교예 2 및 실시예 1의 모든 여과체는 0.2 ㎛ 부근에서 가장 낮은 집진효율을 보였다.
평가예 3: 압력손실 테스트
압력손실은 미량차압계(Testo사, testo 510)을 사용하여 측정한 차압 변화로서 평가하였으며, 비교예 1, 비교예 2 및 실시예 1의 여과체의 표면여과속도에 따른 차압 변화를 도 8에 도시하였다.
도 8에 나타낸 바와 같이 압력손실은 비교예 1의 여과체에서 가장 낮은 반면, 비교예 2의 여과체는 비교예 1의 여과체보다 높은 압력손실을 나타내었으며, 실시예 1의 여과체는 비교예 2의 여과체보다 높은 압력손실을 나타내었다.
평가예 4: 여과성능 지수의 평가
상기 평가예 3과 평가예 4에서 수득된 집진효율 및 압력손실을, 여과성능 지수를 나타내는 하기 수학식 1에 적용하여 비교예 1, 비교예 2 및 실시예 1 각각의 여과체의 여과성능을 평가하였다. 그 결과를 도 9에 나타내었다.
Figure pat00001
상기 식에서, qF는 여과성능 지수를 나타내고, E는 집진 효율을 나타내며, △p는 차압변화를 나타낸다.
도 9의 결과로부터, 여과속도 1 m/min의 30~300 nm 입경범위에서 여과 성능 지수는 실시예 1의 여과체에서 가장 우수한 것으로 나타났다.
도 7 및 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1의 여과체는, 실제 연소공정에서 여과집진장치를 통과하는 여과속도인 1 m/min에서 최소의 집진효율을 보이는 0.1~0.3 um의 입자직경 범위에서는 60 %이상의 탁월한 집진효율을 나타내었으며, 각기 다른 필터들의 성능을 평가하기 위해 사용되는 필터성능지수는 0.07 Pa-1 이상의 높은 값을 나타내었다.

Claims (10)

  1. 초발수 및 초발유 여과체로서,
    PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 부직포 필터층;
    상기 PTFE 부직포 필터층의 일 측면에 부착되어 있으며 실질적으로 PTFE로 이루어진 PTFE 전기방사 섬유층; 및
    상기 PTFE 전기방사 섬유층 상에 위치한 PTFE 입자층;을 포함하는 초발수 및 초발유 여과체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 PTFE 부직포 필터층이 850 g/m2 내지 1100 g/m2 범위의 평량을 갖는 것을 특징으로 하는 초발수 및 초발유 여과체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 PTFE 전기방사 섬유층을 구성하는 섬유의 직경이 200 nm 내지 400 nm 범위인 것을 특징으로 하는 초발수 및 초발유 여과체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 PTFE 전기방사 섬유층의 평량이 6.5 g/m2 내지 8.0 g/m2 범위인 것을 특징으로 하는 초발수 및 초발유 여과체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 PTFE 입자층을 구성하는 PTFE 입자의 평균 입경이 0.25 ㎛ 내지 3.0 ㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 초발수 및 초발유 여과체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 PTFE 입자층을 구성하는 PTFE 입자의 평균 입경이 PTFE 전기방사 섬유층에 형성된 기공의 평균 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 초발수 및 초발유 여과체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 PTFE 입자층은 0.1㎛ 내지 1.5㎛ 범위의 표면조도를 나타내는 것을 특징으로 하는 초발수 및 초발유 여과체.
  8. PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 부직포 필터 상에 PTFE 및 PVA(폴리비닐알코올) 함유 용액을 전기방사하고 PVA 섬유를 휘발시켜서 실질적으로 PTFE로 이루어진 PTFE 전기방사 섬유층을 형성하는 제1단계;
    PTFE 전기방사 섬유층 상에, 정전분무법에 의해 PTFE 입자를 분사하여 PTFE 입자층을 형성하는 제2단계; 및
    상기 PTFE 전기방사 섬유층과 PTFE 입자층이 형성된 PTFE 부직포 필터를 경화시키는 제3단계;
    를 포함하는, 초발수 및 초발유 여과체의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전기방사와 정전분무가 220 내지 300 ℃ 온도의 하나의 챔버 내에서 이루어지는 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 경화가 220 내지 300 ℃ 범위에서의 열처리에 의해 이루어지는 제조방법.

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