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문제 정의
- 같이 섬유의 단점을 극복해야 할 필요성이 있다. 따라서 본 연구에서는 이온교환섬유의 장점과 수지의 장점을 살려 성능이 우수한 새로운 클린룸용 화학필터 소재를 제조하기 위하여 작업공정이 간편하고 공정부생가스 발생으로 인한 2차 오염이 없는 핫멜트를 이용한 web spray법을 이용하여 수지와 이온교환섬유가 이상적으로 결합된 HIEF를 제조하고 이들의 이온교환용량, 부착강도 모폴로지 등 기본 성질을 확인하였고 유속, 가스농도 등을 변수로 암모니아 가스에 대한 흡착 특성을 고찰하였다.
제안 방법
- HIEF의 물성 : 점착제의 함량에 따라 제조한 이온교환 섬유의 수지 부착강도를 측정하기 위하여직경 50 mm의 아크릴 칼럼에 섬유를 고정하고 일정 유속에서 시간에 따른 무게 변화를 즉정하여 수지의 섬유 부착 강도를 측정하였다. 한편 HIEF의 수지 부착에 따른 압력강하를 직경 50 mm의 아크릴 컬럼에 고정하고 유속을 0.
- HIEF의 제조: 자체 제작한 spray 장치를 이용하여 핫멜트 web spray 분사 방법으로 이온 교환수지와 섬유가 결합된 HEF를 제조하기 위하여 설폰형(K-1)과 카 복실(AK-22) 이온교환섬유를 40X 400 cm 크기로 절단하고 증류수로 세척, 건조한 후 건조된 시료의 무게를 측정하였다. 이들을 web spray 장치에 고정하고 일정량의 SIS, APA0 핫멜트를 분사 후 여기에 각기 다른 양의 수지를 부착 시켜 HIEF를 제조하였다.
- SEM 관찰 : HIEF의 수지 접착 상태 및 기공 변화를 관찰하기 위하여 JEOL사의 Model JSM-840A 전자현미경을 이용하여 시편을 홀더에 붙인 뒤 ion sputter 내에서 ion current 5 mA로 gold coating한 후 100 ~250배의 배율로 관찰하였다.
- 건조된 화학필터 소재를 정량하여 250 mL 삼각플라스크에 넣은 후 0.1 N NaOH 수용액 100 mL를 가하고 24시간 교반 하여 평형에 도달하도록 하였다. 교반 후상등액 20 ml를 분취하여 0.
- 무게를 측정하였다. 이들을 web spray 장치에 고정하고 일정량의 SIS, APA0 핫멜트를 분사 후 여기에 각기 다른 양의 수지를 부착 시켜 HIEF를 제조하였다. 본 실험의 구체적인 실험 조건을 Table 3에 나타내었다.
- 섬유 부착 강도를 측정하였다. 한편 HIEF의 수지 부착에 따른 압력강하를 직경 50 mm의 아크릴 컬럼에 고정하고 유속을 0.7~ 1.7 m/s로 변화시켜 압력변화로 HIEF내 수지 부착강도를 측정하였다.
대상 데이터
- 한편, 이온교환수지는 (주)삼양사 제품의 양이온 교환수지 (SRC-BH) 를 사용하였으며 이들의 기본 물성은 Table 1에 표시하였다. 또한 핫멜트 점착제는 빅 솔(주) 의 Table 2와 같은 물성을 지닌 styrene계 (SIS)와 polyolefin (APAO)계 점착제를 사용하였다. 암모니아 가스는 (주)대한표준가스에서 생산된 순도 99.
- 본 연구에 사용된 이온교환 섬유는 (주)시온텍에서 공급받은 Table 1과 같은 물성을 지닌 강산성 이온교환섬유(K-1) 와 약산성이온교환섬유(AK-22)를 사용하였다. 한편, 이온교환수지는 (주)삼양사 제품의 양이온 교환수지 (SRC-BH) 를 사용하였으며 이들의 기본 물성은 Table 1에 표시하였다.
- 또한 핫멜트 점착제는 빅 솔(주) 의 Table 2와 같은 물성을 지닌 styrene계 (SIS)와 polyolefin (APAO)계 점착제를 사용하였다. 암모니아 가스는 (주)대한표준가스에서 생산된 순도 99.9%의 표준가스를 구입하여 농도 기준에 따라 고 순도 질소로 일정 비율 희석하여 사용하였다.
- 약산성이온교환섬유(AK-22)를 사용하였다. 한편, 이온교환수지는 (주)삼양사 제품의 양이온 교환수지 (SRC-BH) 를 사용하였으며 이들의 기본 물성은 Table 1에 표시하였다. 또한 핫멜트 점착제는 빅 솔(주) 의 Table 2와 같은 물성을 지닌 styrene계 (SIS)와 polyolefin (APAO)계 점착제를 사용하였다.
데이터처리
- 1 N HC1 용액으로 적정한 후, 식(1)을 이용하여 이온교환용량을 측정하였다. 또한 각각의 이온교환 용량은 5회 측정하여 그 결과값의 평균치를 구하였다.
이론/모형
- Figure 9. Kinetic approach results with in NH3 gas by Thomas method (G)= 100 ppm, flow rate = 20 L/min).
- Figure 8. Kinetic approach results with inlet gas concentration in NH3 gas by Thomas method (flow rate = 20 L/min, 3 plies : 10.2 g).
- 의한 확대 접근법이 적용될 수 있다. 본 실험에서는 Thomas의 속도론적 접근법을 사용하였으며, 흡착 컬럼의식은 식 (2)와 식(3)을 이용하여 계산하였다.
성능/효과
- 1) 이온교환 섬유의 무게는 10분까지 0.05 g 감소하였고 그 이후에서는 무게 변화가 없는 것으로부터 HIEF의 기계적 물성 저하가 없는 것을 확인하였다. 또한 점착제가 이온교환 섬유 표면에 거미줄 형태로 분산되어 있어 점착제에 의한 이온교환용량의 저하가 없는 것을 확인하였다.
- 2) HIEF의 이온교환 용량은 수지 부착량이 증가함에 따라 증가하였으며 단일수지와 이온교환 섬유의 이온교환용량보다 크게 나타났다.
- 3) 암모니아 가스에 대한 흡착률은 수지의 적층량이 증가함에 따라 증가하였으며 최대 94%의 흡착률을 보였다. 또한 이들의 흡착률은 동일 조건 하에서 수지나 섬유에 비해 높게 나타났다.
- 4) 흡착소재의 충전량이 증가할수록 흡착 파과시간은 증가하였으며 최대 흡착 파과시간은 270분이었다. 또한 암모니아 흡착 파과시간은 유량이 증가함에 따라 빠르게 진행되었으며 유량 30 L/min 에서 흡착파과는 약 40분이었고 유량 5 L/min에서 흡착 파과시간은 200분이었다.
- 5) HIEF의 흡착반응 속도는 초기 농도 및 유량이 증가함에 따라 반응속도 상수 K가 증가하였고, 질량의 증가에 따른 반응속도 상수 A는는 감소하였다.
- Figure 4는 상온에서 100 ppm NH3를 5 L/min으로 고정하고 이온교환 섬유에 수지의 적층량을 달리하여 제조한 HIEF의 암모니아에 대한 흡착실험을 행한 결과로 암모니아 가스에 대한 흡착률은 수지의 적층량이 증가함에 따라 증가하였으며 R-4 소재의 경우 최대 94%의 흡착률을 보였으며 이들의 흡착률은 동일 조건 하에서 수지나 섬유에 비해 높게 나타났다 이들 소재에 대한 흡착파과시간 또한 적 층량이 증가할수록 증가하였으며 이들 결과는 앞에서 설명한 이온교환용량과 잘 일치하는 경향을 보였다.
- 05 g 감소하였고 그 이후에서는 무게 변화가 없는 것으로부터 HIEF의 기계적 물성 저하가 없는 것을 확인하였다. 또한 점착제가 이온교환 섬유 표면에 거미줄 형태로 분산되어 있어 점착제에 의한 이온교환용량의 저하가 없는 것을 확인하였다.
- 암모니아의 농도가 증가함에 따라 흡착파과시간은 짧아졌으며 흡착 효율은 95%로 높게 나타났다. 반면, 암모니아의 농도가 낮을경우 흡착 파과시간은 길어졌으나 흡착률은 낮아 암모니아의 농도가 25 ppm일 경우 파과시간은 300분이었으며 흡착률은 80%로 낮은 경향을 보였다. 따라서 본 연구 결과 흡착 소재의 암모니아에 대한 흡착효율과 파과시간을 증가시키기 위해서는 농도를 50 ppm 이상으로 유지하는 것이 바람직하다고 사료된다"14
- 05 g 감소하였고 그 이후에서는 무게 변화가 없었다. 이로부터 본 연구에서 제조한 HIEF의기계적 물성은 우수한 것으로 판단되었다.
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