w œwz 47«y 010 Textile Science and Engineering Vol 47 No 010 sx» p Á y û w œ w» lœw (010 1 3 /010 3 8 k) Structure and Filter Characteristics of Nonwoven Air-Filter Media Jin Ah Lee and Chang Whan Joo Department of Organic Materials and Textile SystemG Engineering Chungnam National University Daejeon 305-764 Korea (Received January 3 010/Accepted March 8 010) Abstract: Various air-filter media by using meltblown (MB) and spunbond () nonwovens were structurally designed with different laying methods to obtain the relationship between structure and characteristic of air filters Air permeability pore size filter efficiency and pressure drop of the designed filter media were investigated experimentally The layer sequences of designed media showed significant factor on filter efficiency and pressure drop The optimum filter media was determined as two layer structural design composed of calendering and MB nonwovens In addition a model equation to predict the pressure drop and filter efficiency of air filter media based on nonwovens was developed The calculated values from the equation showed good agreement with experimental ones Keywords: air filter media meltblown spunbond pressure drop filter efficiency quality factor 1 y w y ƒ wì w» p y w w» w Ÿ w š š» (HEPA ULPA) w z y w w sx w w z û w ƒ y w [1-3] p (meltblown: MB) s 1~5 µm š w ƒ w ƒ wš š w û ƒ r(wiper) y š p MB s j x t jš»œj»ƒ w ƒ» š š w MB s»» w x w k [45] w s v v s š w Correspondence to Chang Whan Joo (changjoo@cnuackr) 010 The Korean Fiber Society 15-1089/010-/133-08 t û»» ù w w [67]» w» z t (quality factor) sƒw w p (»œj» s ) ( ) p ( j» s ) w j [89] sx» w š vl t t w œ» š Ÿ w š w œ» e š š z w e w w [10-1] r p e w Kuwabara[13] Happel[14] w t š w»œ sƒ e w š [1516] wr Kanaoka [17] d w w Thomas [1819] š w (clogging) x w y w ù š ww ³ w š 133
134 y w ƒ jwš w s w w p s w w d w y w w s v v MB s wš s l r (spunbond: ) s w w d w sx» p» w œ»n»œj» w d z w w p dw» w» w sx» ww w x w w mw š» y Davies [0] z p w y j w š ( P) (1) w P 3/ 3 ρ F ( 1 + 56ρF ) = 64µvZ---------------------------------- Φ F» µ» v Z Ì ρ F Φ F w» t (surface filtration) ƒ w z (E) () ùkü E = 1 exp 4ρ F Zη ----------------------------- ( 1 ρ F )Φ F π» η x ƒ w s z w Davies œ» z w ̃ ³ w ƒ w ù w s w j d ³ Ì s» š w w sx œ» y w» w s» (G) š w s (ρ F ) (ρ PO ) sww s Ì(Z) (3) txw G Z = ------------------ ρ F ρ PO (1) () (3) (3) (1) w w sx ( P) (4) ƒ w P 1/ 3 ρ F ( 1 + 56ρF ) = 64µvG---------------------------------- Φ ρ PO F (4) w» e» w» z w () s Ì» š wš ƒ x ƒ w z (5) E = 1 exp 4Gη ----------------------------------------- ρ PO Φ F ( 1 ρ F )π wr» z sww w t (QF) (4) (5) l (6) tx ln( 1 E) QF = ----------------------- P (6) t œ s» y šz œ» t y ƒ w 3 x 31 x» s v v (MI 800) MB s wš t e œ w s w Table 1 s p ùkü Table d 4d w w 13 d y ùkü y t ƒ n x w t w s d q» w q 75 psi š 03 m/min w w 3 xk x (S-300N Hitachi) w w œ»n n x»(fx-3300 Textest) w KS K0570 (Frazier )» w xw w j» 0 cm š 15 Pa w»œp Capillary flow analysis(cfp-100-ael PMI) w (4) (5) (6) w œwz 47«y 010
부직포형 기체 여과재의 구조와 여과 특성 Material properties of media and substrate nonwovens Bonding G Nonwoven Material Symbol method (gsm) Through-air S1 305±308 Spunbond PET Calendering S 904±337 Meltblown PP M 301±35 135 Table 1 Table Sample 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 13 ΦF (µm) 339±650 304±97 6±1 Z (mm) 01 030 05 ρpo (g/m3) 134 134 091 ρf (g/m3) 18 10 6 10 59 10 Structural design conditions of samples ID Design structure Air direction and layer array S1 S M S1M SM S1MS S1MS1 SMS SMS1 S1MMS S1MMS1 SMMS SMMS1 여과특성 구조 설계된 시료의 여과특성은 여과효율시험기(Model 8130 TSI)를 사용하였다 이때 사용된 시료의 크기는 100 cm 이고 사용한 에어로졸은 NaCl이다 사용된 여과속 도는 83 10 531 10 138 10 m/sec 등 3단계로 변 화시켜 실험하였고 이때 여과속도에 따른 공기 이동량은 각각 16 3 48 /min에 해당한다 33 3 3 3 l 4 결과 및 고찰 형태학적 구조 1은 단층시료의 표면구조를 나타낸 SEM 사진이 다 부직포로 구성된 시료 (1)과 ()의 섬유직경은 MB 부직포로 구성된 시료 (3)의 섬유직경보다 크게 나타났다 특히 캘린더링 접착한 시료 ()의 표면이 열풍 접착한 시 료 (1)의 표면에 비해 구성섬유가 일정한 형태로 넓은 범 위에서 용융되고 기공크기가 매우 적게 나타난 반면 시료 (1)은 구성섬유의 표면이 열풍접착으로 벌키하고 불균일한 기공크기를 보여주며 좁은 범위에서 용융되는 것으로 관찰 되었다 는 층과 3층으로 설계된 다층구조 시료 (4)와 시료 (8)의 단면구조를 나타낸 것이다 와 MB 부직포의 모든 섬유가 비교적 랜덤배열하게 분포되어 있으며 MB 41 Textile Science and Engineering Vol 47 No 010 1 Morphological structures of samples 부직포 층이 부직포 층보다 극세섬유의 집합체로 형성 되어 조밀한 구조로 나타났다 공기투과도와 기공크기 3은 다층구조 여과재 설계에 사용된 단층 부직포 의 기공분포를 나타낸 것이다 열풍 접착한 시료 (1)의 기공이 캘린더링 접착한 시료 ()의 기공보다 크고 넓 게 분포되어 있으며 극세섬유로 구성된 MB 부직포인 시 료 (3)의 평균기공은 5 µm로 가장 적으며 기공도도 가장 좁게 분포됨을 알 수 있었다 4는 구조 설계된 13가지 시료의 최소 최대 평균 기공크기를 도식화한 것이다 시료 (1)의 기공크기는 시료 4
이진아ㆍ주창환 136 SEM images of structural designed samples 3 Pore size distribution of single layer samples 5 Variation of air permeability for designed samples 지만 캘린더링 접착된 시료 의 기공분포가 넓게 나타났다 한편 층 구조로 설계한 경우 양면에 열풍접착 적층된 시료 이 캘린더링 접착된 시료 보다 기공크기가 더 크게 나타났다 한편 시료 과 시료 를 비교하면 캘 린더링 접착 부직포가 상단에 적층된 시료 가 열풍 접착 부직포가 상단에 적층된 시료 보다 기공크기 도 작고 기공분포도 가장 좁게 나타났다 층 구조를 갖는 시료 을 살펴보면 층으로 구성된 시료에 비해 최소기공 크기는 전체적으로 작게 나타났지만 평균기공 크 기는 유사하게 나타났다 결과적으로 단층구조와 다층구조 를 비교하면 다층구조 시료의 기공크기가 단층구조 시료 에 비해 작게 나타났지만 다층구조 시료에서 기공변화는 크게 발생하지 않았다 는 다양한 적층구조로 제조된 시료의 공기투과 도를 종합적으로 나타낸 것이다 전체적으로 단층구조에 비해 다층구조일수록 공기투과도가 작게 나타나는 경향이 다 단층구조 시료를 비교하면 열풍 접착된 시료 에 비해 캘린더링 접착된 시료 의 공기투과도가 작 게 나타났고 시료에 비해 시료의 공기투과도가 훨 씬 작게 관찰되었다 이는 부직포와 부직포를 구 (3) 3 (6) (7) (8) (9) (9) (8) 4 (10)~(13) 3 Minimum mean and maximum pore size of designed samples 4 의 기공크기에 비해 전체적으로 크게 나타났는데 이는 시료 의 두께가 시료 보다 얇고 열풍에 의해 접착된 시료 의 구성섬유가 캘린더링에 의해 접착된 시료 를 구성섬유에 비해 불균일하게 분포하기 때문이다 또한 층 구조에서 시료의 평균 기공크기는 큰 차이를 보이지 않 () (1) () (1) () 5 (1) () MB MB 한국섬유공학회지 제 권 제 호 47 년 010
sx» p 137 w w» w wr d d œ»n d w 1/ w ù 3d 4d d û œ»n ùk ü w w ùkü w (4) (5) w e s d Table 3 Filter efficiency and pressure drop of samples with different flow rate Property P (mmh O) E (%) Sample Flow rate (l/min) 16 3 48 16 3 48 1 00 01 0 745 558 44 0 04 07 1140 103 853 3 14 8 30 808 7561 6560 4 15 33 53 9984 9945 9889 5 18 36 55 9988 9951 994 6 44 71 9900 997 9534 7 17 35 54 7936 6498 5680 8 3 49 75 996 9918 9886 9 5 51 79 8940 8590 8450 10 55 113 174 9803 97 9706 11 34 71 11 6510 6015 5491 1 49 100 151 9969 9967 9967 13 49 103 157 740 7370 730 ewš d MB s ew œ»ƒ»œ s m w w (5)ƒ (4) w œ»n ùkû ù d 3d œ»n j š 3d d (6) (7) d j œ»n w œ»n s ³»œj»»œj»»œ s w q 43 p Table 3 3ƒ z w x w ƒ ƒw ƒwš z w w z w d w š d p j w ùkû d : 6 d j» z y ùkü z j» j»ƒ j ƒ û z ƒw š w MB z ƒw w ùkþ p (1) () s d z r ƒ j MB s (3) 6 Graph plot between filter efficiency with flow rate and particle size 7 Graph plot between quality factor with flow rate and particle size Textile Science and Engineering Vol 47 No 010
138 y 8 Filter efficiency of designed samples with flow rate 9 Pressure drop of designed samples with flow rate ƒ ûš j»ƒ ƒw z ƒw w yw ùkû MB s w s w»œ j»»œ s ³» w q 7 d t ùkü t w MB j ùkþš w ƒ û ƒ j j ùk û s ƒ f» p (3) ƒ ƒ û 16 l/ min j»ƒ ƒw t ƒ ƒw ùkü l HEPA (999%) šz œ» MB s t y š w w ƒ d : 8 z ùkü 9 ùkü d w w d z ù d w ùkû p 3d 4d d û z ùkü d w d e ewš»œ MB ew (5) ƒ t MB w (4) w z û ùkü w 3d d wd e s ewš d MB s w (8) (1)» œ m w w (6) (10) ƒ û z ùkþ d ƒ ƒw ù z d w w d ƒ e MB ew w (5)ƒ œ» q 44 sx w» ³ w š»» jw sx xw w mw (4) (5) w m w» w Table 1 s p w (4) z (5) w w Table 4 d z t x ùkü x j ùkû ƒ x w wr z x w w ww q p MB w w j ùkû w t t x ùkû ƒ w ùkû MB s (3) x mw t w ùkù w q s w (1) () x ƒ j ùkû s p»œj» ³» w ƒ w»œj»ƒ jš ƒ û s w»œj»ƒ š ƒ w œwz 47«y 010
sx» p 139 Table 4 Calculated and experimental values of single-layer samples for filtration characteristic with filtration velocity Sample 1 3 Flow rate (l/min) P (mmh O) E (%) QF Calculate value Experiment value Calculate value Experiment value Calculate value Experiment value 16 050 000 805 745 017 000 3 17 010 554 558 004 057 48 09 00 43 44 00 0 16 044 00 1110 1140 07 061 3 085 040 101 103 013 07 48 138 070 78 853 005 013 16 14 140 801 808 114 118 3 89 80 748 7561 048 050 48 311 300 6485 6560 034 036 MB s w yw q wr d sx œ» w d d w»œ s s p š w ƒ w w ƒw 5 MB s wš s w d 4d w» w œ»n»œj» z w w 1»œj» œ»n d w d ùkù d w t s ƒ e s œ»n»œj»ƒ j ùkû š MB s s w œ»n»œ ùkü z ƒ ƒw ƒwš z w w wr w d d w z ƒw w w d w š d p x w j w ùkû 3 sx t ƒ e w s d wd ewš MB s d dw ù»œ m w w ùkû p d (4) (5)ƒ û z š z» q 4 w» z ( ) ( ) w»œj»ƒ jš ƒ û s w»œj»ƒ š ƒ MB s w yw ùkû w r d sx œ» w d d w»œ s s p š w ƒ w w : 007 û w y w š x 1 Q Wang B Maze H V Tafreshi and B Pourdeyhimi A Case Study of Simulating Submicron Aerosol Filtration via Lightweight Spun-bonded Filter Media Chem Eng Sci 006 61(15) 4871-4883 K Graham H S Gibson and M Gogins Incorporation of Electrospun Nanofibers into Functional Structure Int Nonwovens J 004 13() 1-7 3 A C Payatakes and K Okuyama Effects of Aerosol Particle Deposition on the Dynamic Behavior of Uniform of Multilayer Fibrous Filter J Colloid Inter Sci 198 88(1) 55-78 4 M Nifuku Y Zhou A Kisiel T Kobayashi and H Katoh Charging Characteristics for Electret Filter Materials J Electrostatics 001 51-5 00-05 5 D L Myers and B D Arnold Electret Media for HVAC Filtration Applications Int Nonwoven J Winter 003 1 43-54 6 G G Chase and D H Reneker Nanofibers in Filter Media Fluid/Particle Separation J 004 16() 105-117 7 K W Lee and B Y Liu Theoretical Study of Filtration by Fibrous Filters Aerosol Sci and Tech 198 1() 147-161 8 C E Billings Effects of Particle Accumulation in Aerosol Textile Science and Engineering Vol 47 No 010
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