한국염색가공학회지제 권제 3 호 1 년 연구논문 Textile Coloration and Finishing Vol., No. 3, 1 멜트블로운부직포의흡유도와흡유거동에관한연구 신현세 유주환 김로단국대학교파이버시스템공학과 A Study on Oil Absorption Rate and Oil Absorbency of Melt-blown Nonwoven Hyun Sae Shin, Joo Hwan Yoo and Lu Jin Department of Fiber System engineering, Dankook University, Yong In city, Gyeonggi-do, Korea (Received: July, 1/Revised: August 13, 1/Accepted: August 3, 1) Abstract Oil-absorbable nonwovens were produced by meltblown processing of polypropylene chips. In this study, experimental array and variance analysis of the design of experiment were used to increase the field repeatability and universality. Oil absorbency was decreased, as oil absorbable nonwovens of packing density and gearpump speed were increased. Oil absorption rate was increased, as packing density was increased. Also the oil absorption rate increased with increasing gear-pump speed. Keywords: oil absorbency, oil absoprtion rate, packing density, melt-blown, nonwoven 1. 서론 원유는현대인류사회에있어서대표적인에너지의원천이며공업원료의필수품으로서경제의발전과더불어사용량이점점늘어나는실정이다. 반면산유국은한정되어있어원유의운송과정이불가피하며이때초래되는기름유출오염은토양, 해양환경과도시주민들의생활환경에위협을주고있다 1,). 기름유출사건은세계적으로빈번히발생하고있으며, 최근우리나라서해안태안에서도 1 만 천톤의기름유출사고로바다생태계에엄청난파괴와천문학적인재정적, 정신적피해를준바있다. 이에따라기름유출사고시신속하고효과적인처리방법이필요하다. 현재기름유출사고시오염처리방법은생물법, 화학법및물리법의 3 종으로크게분류되며필요시복합적으로사용도실시되고있는실정이다. 첫째는생물법이라고하는데살아있는생물을사용하여기름을분해하는자연정화 ( 自然淨化 ) 법이다. 기름을분해할수있는미생물을활성화시켜오염지역의유류를분해한다. 화학적유처리방법에비해자연환경에미치는영향이적고최종적으로물과이산화탄소로분해 시켜유출유의독성이감소되는장점이있으나기름의신속한제거가어려운단점이있다 1). 둘째는유처리제를사용하여기름의표면장력을저하시켜기름덩어리를형성케한후쉽게회수처리하도록하는방법이다 3). 그러나해수에넓게확산된미세 oil 입자를새로운생물군들이흡수하여결국은사람들에게까지흡수되는심각한문제점들이발생되고있는방법으로유처리제자체가해양에 차오염을가져올수있다. 셋째는유흡착재인유흡착포를이용한기름회수방법이다. 유흡착포는물을배척하고기름을흡수및흡착하는성질을가지며부양성이있는물질로만들어져야하며짧은시간내에기름을흡수할수있어야하고회수와취급이용이하여야하며충분한강도를지니고있어야한다. 이상의방법중친환경, 시간등을고려한다면소극적인방법이지만유흡착포의사용이가장효과적인방법으로평가되어효율적인유흡착포의물성을명확히구명 ( 究明 ) 하는것은대단히중요하다고하겠다. 한편, 기존에유흡착재에관한연구를보면 B. Wu and M.H. Zhou ) 가 Waste Tyre Rubber 를 Corresponding author. Tel.: +-31--36; Fax.: +-31--361; e-mail: studyhaja@gmail.com c1 The Korean Society of Dyers and Finishers 19-33/1-9/7-63 Ⅰ7Ⅰ
ⅠⅠ 신현세 유주환 김로 이용한유흡착재를제안한바있으며, Lin Hailan and Liao Jianhe ) 가 SMA-BA-St Copolymer 에 NR 을중합한연구를보고된바있다. 또한 T.SHIMIZU and S. KOSHIRO 6) 는흡유성능이우수한 PU foam 을고안하였다. 국내에서도유흡착포의물리적특성에관한많은연구가진행되었으나 11-13) 기존의연구는 P.P 부직포의물리적특성을기체와의관계에서연구한것이대부분이며직접적인기름과의관계인유흡착포의흡유도및흡유거동에관한연구는극히미진한상태이며구명되어야할영역으로남아있었다. 따라서본연구에서는유흡착포의흡유도와흡유거동에미치는영향을구명하기위해 gearpump speed, 충진밀도와 oil 종류를채택하였으며흡유도는 gearpump speed, 충진밀도의 oil 과의관계를분산분석법으로재현성, 보편성을고려하였고, 흡유거동은상기와같은유흡착포인자인물성과 oil 간의흡유조건거동을현실적인실험방법을고안하여구명하고자노력하였다..1 재료. 실험 본실험에사용한폴리프로필렌칩은 폴리미래사의멜트블로운용으로사용되는 1% PP 칩을사용하였으며상온밀도는.9g/ cm3 ( ) 이고방사과정에서의용융밀도는.7g/ cm3 ( ) 였으며, 흡유실험에서실제유출상황을고려하여중유 ( 방카 b 유 ), 경유, 엔진 oil 등을사용하였다.. 시험포의제조 시험포의제조는멜트블로운시제품제조기 (MTS, Hills, USA) 를사용하여 웰크론의협조로 Table 1 과같이제조하였다. 단위면적당중량은 g/m 수준으로정하였다..3 토출량계산 방사노즐은 Hills 사모델명 3HPIS/C 사용하였고노즐직경은.mm 이고노즐밀도는 3 개 /inch 총길이는 1inch 이다. 방사온도는 로하였고공급장치는기어펌프두개로구성되고매개의기어펌프는두개의통로로연료를공급한다. 기어펌프의산출용량은 3. cm3 /rpm 이므로 rpm 일때의한개노즐의토출양을계산하면아래와같다. T = Gearpump Speed Gearpump Number Gearpump capacity ways Melt Density /Nozzle Number =.91g/min hole 이논문에서는기어펌프속도로토출양을표시하였다.. 흡유도측정 흡유도측정은한국산업규격유흡착재표준규격 (K16:) 에의하여실험하였다. 크기가 1cm 1cm 인시료를 의각각의 oil 유면에띄워 분간정지한후이것을철망위에 분간방치하여다시시료의무게를측정하였다 7). 흡유도 %= 흡유후의무게 흡유전의무게 1 흡유전의무게. 흡유거동의측정 흡유거동은 Precisa 사의 XBA 모델전자저울 ( 정밀도.1) 과초시계를사용하여 Fig. 1 과같이수직 Hanger 형으로측정하였다. 시료는 cm 1cm 크기로하였으며, 이시험법은시료를전자저울에고정하여시료가흡유하는기름의양을읽어내는방법으로시간에따른흡유거동을쉽게측정하였다. Table 1. Processing variables and conditions of meltblowing Processing variable Processing conditions Gearpump speed(rpm),, 1 Air pressure(psi) 6 DCD(cm) Fi g. 1. Oil absorption rate testing system. 한국염색가공학회지제 권제 3 호
멜트블로운부직포의흡유도와흡유거동에관한연구 Ⅰ9Ⅰ.6 충진밀도측정및변화 시료를 1cm cm 크기로겉보기무게를측정한다음두께를측정하였다. 충진밀도는식 (1) 를이용하여계산하였다. 충진밀도 단위면적당무게 표준상태에서의두께 섬유의비중 (1) 시료의충진밀도를변화시키기위해 Fig. 와같이장치를자체제작하였다. 이장치는아크릴판넬을이용하였으며, 시료의적층을보다효과적으로하기위해투명하게제작되었다. 또한 screw spike 를이용하여적층하는부직포의두께에따른높이조절과실험의재현성에노력하면서 Fig. screw mesh 장치를이용하여두께 1 cm를유지하면서시료는 1 매, 매, 3 매총 3 종으로중첩, 충진밀도에변화를주며흡유도와흡유거동을측정하였다. 그림 (a) 는충진밀도변화에따른흡유도측정을위한측정장치이며, (b) 는흡유거동을측정하기위해제작한장치이다. (a) (b) Fi g.. Instruments for changing packing density of the sample; (a) Use for testing oil absorbency (b) Use for testing oil absorption rate. 3. 결과및고찰 3.1 충진밀도변화에따른흡유도 흡유도를재현성있게규명하기위해 P.P 멜트블로운부직포의충진밀도와오일종류를인자로하고총 3 수준으로하여실험계획법 ) 을활용하였으며기본시료의제작조건은기어펌프속도 rpm, 에어압력 6psi, DCD cm 로시료를제작하였으며시료하나의충진밀도는.g/ cm3가되도록하였다. Table 에서는충진밀도와 oil 종류를분산분석하여표로나타내었다. 표에서와같이충진밀도는흡유도에 1% 의위험률로유의하였으나 oil 은 % 위험률에서도유의성이나타나지않아 oil 의종류급간변동이급내변동보다차이가크지않은상태, 즉오일종류변화에따른효과는없는것으로판단되어진다 9). Fig. 3 은충진밀도와흡유도에대한각수준의모평균을그래프화한것으로유흡착포의기본물성특성에충진밀도변화가크게영향하여흡유도는충진밀도가증가할수록감소하는경향이나타났으며이는충진밀도가증가함에따라흡착포의단위부피당 oil 을함유할수있는공극의감소로섬유와섬유사이에자유상태로존재하는 oil 의양이적어지기때문에나타나는현상으로생각되어지며유흡착포의충진밀도는흡유도의결정인자 (factor) 로사료되어진다. 3. 기어펌프속도변화에따른흡유도 방사공정인자중기어펌프속도는유흡착포의섬유직경, 통기성, 기공크기에영향을미치는중요한인자이다 13). 따라서기어펌프속도의변화가흡유도에미치는영향을규명하기위해충진밀도에서와같이이원배치의실험계획법을활용하였으며, 기어펌프속도 3 수준 (,, 1rpm) 과 oil 종류 3 수준 (diesel, engine, bunker b) 으로변화를준유흡착포의흡유도를측정하였다. Table 3 은기어펌프속도와 oil 종류를분산분석하여표로나타내었으며, 기어펌프속도와흡유도, oil 종류와흡유도는공히 1% 의위험률로유의하였으며, 기어펌프속도와 oil 종류에대해각수준의모평균을그래프화한것을각각 Figs., 에나타내었다. Textile Coloration and Finishing, Vol., No. 3
Ⅰ6Ⅰ 신현세 유주환 김로 Table. Analysis of variance for packing density S ø V F o F o' F(.1) F(.) A 11.3. 9. 31.3 1. 6.9 B 1.69...9 1. 6.9 e 1.17..9 Total 13.9. S: sum of square, ø: degree of freedom, V: mean squares, : Level of significance 1%, : Level of significance %, A: packing density, B: classify of oil 1 Oil absorbency (g/g) 1 16 1 1 1 Oil absorbnecy (g/g) 19 1 17 Oil absorbency (g/g)..6..1.1.1.16 Packing density (g/cm 3 ) Fig. 3. The effect of packing density on oil absorbency... 19. 19. 1. 1. 17. 6 1 1 1 Gear pump speed(rpm) Fi g.. The ef fect of gearpump speed on oi l absorbency. Table 3. Analysis of variance for gearpump speed 16 Bunber b Diesel Engine Fi g.. The effect of classify of oil on oil absorbency. S ø V F o F o ' F(.1) F(.) A 7.66..3 6.9 ** 1. 6.9 B 1.61. 6.3 1.91 ** 1. 6.9 e 1.33..33 Total 71.6. Fig. 에서흡유도는기어펌프속도가증가할수록감소하는경향을뚜렷이보이고있다. 이것은기어펌프속도가감소하면섬유직경의극세화가일어나며비표면적의증가및흡착포가 oil 을흡수하는모세관현상의확대로흡유도는증가하나기어펌프속도가증가되면흡유도는감소하고있음을보이고있으며이것은전보 13) 에나타난결과와동일한경향을잘보이고있다. Fig. 는 oil 종류에따른흡유도를그래프화하였으며, bunker b 가가장높은흡유도를나타내었으며다음으로 Diesel, Engine oil 순으로나타났다. 이것은 Boiler 용 bunker b 의점도가가장높아유흡착포의흡유후이탈이쉽지않은결과이며 engin oil 의경우는특성용도에맞게 S: sum of square, ø: degree of freedom, V: mean squares, : Level of significance 1%, : Level of significance %, A: gearpump speed, B: classify of oil 한국염색가공학회지제 권제 3 호
멜트블로운부직포의흡유도와흡유거동에관한연구 Ⅰ61Ⅰ 윤활제의첨부로점도와직접적인관계없이 diesel 보다낮게나타난것으로사료되어진다. 3.3 충진밀도의변화에따른흡유거동 충진밀도변화와흡유거동에미치는영향을알아보기위해앞절실험.6 에의하여시료의충진밀도를 3 수준 (.g/ cm3,.1g/ cm3,.1 g/ cm3 ) 과 oil 3 수준 (bunker b, engine oil, diesel oil) 으로변화시켜흡유거동을측정하였으며, 시료의제조는기어펌프속도 rpm, 에어압력 6psi, DCD cm 의충진밀도.g/ cm3로하였으며이것을 매, 3 매중첩하였다. Figs. 6, 7, 은충진밀도변화에따른 3 수준 oil 의흡유거동을나타내었으며그림에서 oil 의종류에관계없이흡유거동은충진밀도가증가할수록공히크게나타나고있고, 충진밀도.g/ cm3는 3 분경이면증가량이거의없으나충진밀도가큰것일수록 6 분이경과되어도흡유거동이증가하는경향을나타낸다. 또한, 흡유거동 3 분을기준으로 oil 종류에따른충진밀도별흡유량을보면충진밀도.g/ cm3시 bunker b g, diesel 1g, engine.g 이며충진밀도.1g/ cm3시 bunker 7.g, diesel g, engine oil g 으로충진밀도.g/ cm3와.1g/ cm3사이의흡유량은 oil 종류에관계없이약 배를나타내고있으며, 충진밀도.1g/ cm3경우에도각각중간크기로비례적으로나타나고있다. 이는유흡착포의물성특성인극세화에따른비표면적증가여부와공극의대소에따른모세관현상과 oil 종류즉, bunker b, diesel oil 과 engine oil 의점도의특성에기인한것으로사료된다 1). 3. 기어펌프속도의변화에따른흡유거동 기어펌프속도변화가흡유거동에미치는영향을알아보기위해기어펌프속도를 3 수준 (rpm, rpm, 1rpm) 과 oil 3 수준 (bunker b, engine oil, diesel oil) 으로변화시켜흡유거동을측정하였으며충진밀도는.g/ cm3로하였다. Figs. 9, 1, 11 은기어펌프속도변화에따른 3 수준 oil 의흡유거동을나타내었으며그림에서 oil 의종류에관계없이흡유거동은기어펌프속도가증가할수록공히크게나타나고있고, 기어펌프속도와관계없이 1 분이지나면거의흡유거동의증가폭이감소하다가 3 분이경과되면전반적으로거의흡유거동의변화가없다. 또한흡 유거동 1 분을기준으로 oil 종류에따른기어펌프속도별흡유량을보면기어펌프속도 rpm 에서 bunker b.g, engine.g, diesel.g 이며, 기어펌프속도 1rpm 시 bunker b 3.g, engine.g, diesel 6.g 으로기어펌프속도변화에따른흡유량은 oil 종류에관계없이증가하는경향은 Oil absorption (g) 1 6.g/cm 3.1g/cm 3.1g/cm 3 Fi g. 6. The effect of packing density on bunker b oil absorpti on rat e. Oil absorption (g) 6 3 1.g/cm 3.1g/cm 3.1g/cm 3 Fi g. 7. The effect of packing density on diesel oil absorpti on rat e. Oil absorption (g) 3 1 1.g/cm 3.1g/cm 3.1g/cm 3 Fi g.. The effect of packing density on engine oil absorpti on rat e. Textile Coloration and Finishing, Vol., No. 3
Ⅰ6Ⅰ 신현세 유주환 김로 Bunker b oil absorption (g) 3 1 Time (miniute) Gear pump speed rpm Gear pump speed rpm Gear pump speed 1rpm Fi g. 9. The effect of gearpump speed on bunker b oil absorpti on rate. Diesel oil absorption (g) 7 6 3 Gear pump speed rpm Gear pump speed rpm Gear pump speed 1rpm Fi g. 1. The effect of gearpump speed on diesel oil absorpti on rate. Engine oil absorption (g) 7 6 3 1 Gear pump speed rpm Gear pump speed rpm Gear pump speed 1rpm Fi g. 11. The effect of gearpump speed on engine oil absorpti on rate. 있으나큰차이가없다. 이것도앞절 3.3 에서언급했던바와같이기어펌프속도변화에따른부직포의극세화에따른비표면적증가와공극의대소및 oil 종류의점도의특성에기인한것으로사료된다. 또한앞절의충진밀도 변화에따른흡유량의변화보다기어펌프속도변화에서증감폭이작았으며, 충진밀도의변화는직접적으로흡유거동에영향을미치지만기어펌프의변화는흡유거동과직접적인관계는없는것으로사료된다.. 결론 본연구에서는유흡착포의흡유도와흡유거동에미치는영향을구명하기위해 gearpump speed, 충진밀도와오일종류를채택하였으며흡유도는 gearpump speed, 충진밀도의 oil 과의관계를분산분석법으로재현성, 보편성을고려하였고, 흡유거동은상기와같은유흡착포인자인물성과오일간의흡유조건거동을현실적인실험방법을고안하여구명하고자노력하여다음과같은결과를얻었다. 1. 흡유도는유흡착포의충진밀도가증가할수록, 기어펌프속도가증가할수록오일의종류에관계없이감소하였다.. 충진밀도변화에따른흡유거동은충진밀도가증가할수록오일의종류에관계없이증가하였고포화상태일때디젤오일이제일많은흡유량을보였다. 3. 기어펌프속도에따른흡유거동은기어펌프속도가증가할수록 oil 의종류에관계없이증가하는경향이나큰차이가없다.. 충진밀도는흡유도에 1% 의위험률로유의하였으나오일은 % 위험률에서도유의성이나타나지않았으며, 기어펌프속도와흡유도, 오일종류와흡유도는공히 1% 의위험률로유의하였다. 감사의글 이연구는단국대학교대학원연구보조장학금의지원으로이루어진것임. 참고문헌 1. J. Whitfield, How to Clean a Beach, Nature, pp.6-66, 3.. Hiroshi Moriwaki, Shiori Kitajima, Masahiro Kurashima, Ayaka Hagiwara, Kazuma Haraguchi, Koji Shirai, Rensuke Kanekatsu, and Kenji Kiguchi, Utilization of Silkworm Cocoon Waste 한국염색가공학회지제 권제 3 호
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