KR101543481B1 - 개선된 주름형 나노웨브 구조체 - Google Patents
개선된 주름형 나노웨브 구조체 Download PDFInfo
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Abstract
주름형 구조를 갖는 필터 매체를 포함하는 필터가 개시된다. 매체는 나노웨브 층 및 스크림을 포함하며, 나노웨브 층은 수평균 직경이 1 마이크로미터 미만인 섬유를 포함하고 층 두께가 50 마이크로미터 미만이다. 총 매체 두께 대 주름 간격의 비가 0.15 미만이며, 나노웨브 층은 평량이 약 0.6 gsm 초과이다. 부직 스크림은 스펀본드 웨브, 드라이-레이드 웨브, 웨트-레이드 웨브, 셀룰로오스 섬유 웨브, 멜트 블로운 웨브 및 유리 섬유 웨브일 수 있다.
Description
본 발명은 일반적으로 진공 청소기(vacuum cleaner), 집진기(dust collector), 가스 터빈 흡입 공기 필터 시스템(gas turbine inlet air filter system), 난방, 환기 및 공조 필터 시스템(heating, ventilating, and air conditioning filter system)을 포함하는 여과 응용, 또는 기체 또는 오염 공기 스트림으로부터 먼지, 오물 및 기타 미립자를 제거하는 다양한 다른 응용에 사용될 수 있는 필터 매체 및 필터 구조체에 관한 것이다.
기체 스트림은 흔히 미립자 물질을 지니고 운반된다. 많은 경우에서, 기체 유동 스트림으로부터 미립자 물질의 일부 또는 전부를 제거하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 동력 차량(motorized vehicle) 또는 발전 설비의 엔진으로의 공기 흡입 스트림, 가스 터빈으로 지향되는 기체 스트림, 및 다양한 연소로(combustion furnace)로의 공기 스트림은 흔히 혼입된 미립자 물질을 포함한다. 미립자 물질은 관련된 다양한 메커니즘의 내부 작동부에 도달한다면 상당한 손상을 야기할 수 있다. 관련된 엔진, 터빈, 노, 또는 기타 설비의 상류의 기체 유동으로부터 미립자 물질을 제거하는 것이 흔히 요구된다. 다른 예는 상업용 및 주거용의 난방, 환기 및 공조(HVAC) 필터 시스템이다. HVAC 시스템으로의 공기 스트림은 흔히 미립자 물질, 예컨대 꽃가루(pollen), 포자(spore), 대기중 먼지, 및 기타 서브-마이크로미터(sub-micron) 입자를 지니고 운반된다. 알레르기 반응 및 잠재적인 건강 상의 위험을 감소시키기 위해 미립자 물질을 제거하는 것이 바람직하다.
여과 응용에서, 유체 충돌에 이용가능한 유효 표면적을 증가시키기 위해 필터 매체에 주름을 형성하는 것이 통상 공지되어 있다. 멜트-블로운 합성 매체(melt-blown synthetic media) 생산자들은 수용가능한 초기 여과 효율 및 필터 저항을 달성하기 위해 정전기적으로 대전된 마이크로섬유 웨브(microfiber web)를 스크림 지지 층(scrim support layer)과 조합한다. 마이크로섬유 웨브가 멜트 블로운되는 경우, 멜트-블로운 층은 전형적으로 1 내지 5 마이크로미터 직경의 15 내지 40 gsm 섬유로 구성되며, 층의 두께는 약 0.2 내지 0.4 mm이다. 이러한 종류의 제품에는 결함이 존재한다. 매체의 총 두께는 전형적으로 0.6 mm를 초과하며, 이는 주름이 형성되면 그 두께가 유동 저항의 원인이 된다. 멜트-블로운 층이 비교적 두껍기 때문에, 층을 통한 유동 패턴은 층에 대해 완전히 수직이 되지 못하고 접선 방향의 유동이 더 높은 저항을 야기할 수 있다. 초기에 대전된 매체는 전형적으로 열, 습기 및 먼지 축적으로 인해 정전기 전하를 잃게 되며, 이는 여과 효율의 감소를 야기한다.
본 발명은 주름형 멜트-블로운 구조체에서의 유동 저항과 관련된 한계 및 대전된 매체와 관련된 사용에서의 효율의 감소를 극복한다.
본 발명은 나노웨브(nanoweb) 층 및 스크림(scrim)을 포함하는 주름형 구조를 갖는 필터 매체를 포함하는 필터에 관한 것으로서, 나노웨브 층은 수평균 직경이 1 마이크로미터 미만인 섬유를 포함하며 층 두께가 50 마이크로미터 미만이고, 총 매체 두께 대 주름 간격의 비가 0.15 미만이며, 나노웨브 층은 평량이 약 0.6 gsm 초과이고, 스크림은 스펀본드(spunbond) 섬유, 드라이-레이드(dry-laid) 섬유, 웨트-레이드(wet-laid) 섬유, 셀룰로오스 섬유, 멜트 블로운(melt blown) 섬유, 유리 섬유, 및 이들의 블렌드로 이루어진 군으로부터 선택되는 섬유로 제조되는 부직물(nonwoven)이다.
<도 1>
도 1은 비교예 1과 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3에 대한 필터 저항 대 편평 시트 저항의 선도.
<도 2>
도 2는 본 발명의 필터와 소정의 상용의 대전된 매체에 대한 효율 대 시간의 선도.
도 1은 비교예 1과 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3에 대한 필터 저항 대 편평 시트 저항의 선도.
<도 2>
도 2는 본 발명의 필터와 소정의 상용의 대전된 매체에 대한 효율 대 시간의 선도.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "나노웨브" 및 "나노섬유 웨브"라는 용어들은 동의어이다. 유사하게, "스크림" 및 "기재"라는 용어들도 동의어이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "부직 웨브" 또는 "부직 재료"라는 용어는, 미소섬유화된 편직 천 또는 필름에서와 같은 규칙적이거나 식별가능한 방식이 아닌, 사이사이에 넣어진(interlaid) 개별 섬유, 필라멘트(filament) 또는 스레드(thread)의 구조를 갖는 웨브를 의미한다. 부직 웨브 또는 재료는, 예를 들면 멜트블로잉(meltblowing) 공정, 스펀본딩(spunbonding) 공정, 및 본디드 카디드(bonded carded) 웨브 공정과 같은 많은 공정으로부터 형성되어 왔다. 부직 웨브 또는 재료의 평량은 대개 제곱야드당 재료의 온스(osy) 또는 제곱미터당 그램(gsm)으로 표현되며, 사용가능한 섬유 직경은 대개 마이크로미터로 표현된다.
"스크림"은 지지 층이며, 나노웨브가 접합, 접착, 또는 라미네이팅될 수 있는 임의의 평면 구조일 수 있다. 유리하게는, 본 발명에 유용한 스크림 층은 스펀본드 부직 층이지만, 부직 섬유 등의 카디드 웨브로부터 제조될 수 있다. 몇몇 필터 응용에 유용한 스크림 층은 주름 및 데드 폴드(dead fold)를 유지하기에 충분한 강성을 필요로 한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "나노섬유"라는 용어는 수평균 직경 또는 단면이 약 1000 ㎚ 미만, 심지어 약 800 ㎚ 미만, 심지어 약 50 ㎚ 내지 500 ㎚, 및 심지어 약 100 내지 400 ㎚인 섬유를 지칭한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 직경이라는 용어는 비원형 형상의 최대 단면을 포함한다.
"나노웨브"라는 용어는 나노섬유를 포함하는 부직 웨브를 지칭한다.
"주름 간격"은 주름형 구조 내의 피크(peak)와 피크 사이 또는 밸리(valley)와 밸리 사이의 거리이다.
본 발명은 주름형 구조를 갖는 매체를 포함하는 필터에 관한 것이다. 주름형 구조는, 수평균 직경이 1 마이크로미터 미만인 섬유를 포함하며 층 두께가 50 마이크로미터 미만인 나노웨브 층을 포함하며, 총 매체 두께 대 주름 간격의 비는 0.15 미만이다.
추가의 실시 형태에서, 필터는 나노웨브 층에 접합되는 스크림을 추가로 포함한다. 스크림은 스펀본드 섬유, 드라이-레이드 또는 웨트-레이드 섬유, 셀룰로오스 섬유, 멜트 블로운 섬유, 유리 섬유, 또는 이들의 블렌드를 포함하는 부직물을 추가로 포함한다.
방사된 상태 그대로의(as-spun) 부직 웨브는 일렉트로스피닝(electrospinning), 예컨대 전통적인 일렉트로스피닝 또는 일렉트로블로잉(electroblowing)에 의해, 그리고 소정 환경에서는 멜트블로잉 공정에 의해 생성되는 나노섬유를 주로 또는 나노섬유만을 포함한다. 전통적인 일렉트로스피닝은, 나노섬유 및 부직 매트(mat)를 생성하기 위해 고전압이 용액 내의 중합체에 인가되는, 전체적으로 본 명세서에 포함된 미국 특허 제4,127,706호에 예시된 기술이다. 그러나, 일렉트로스피닝 공정의 전체 처리량은 너무 낮아서 더 무거운 평량의 웨브를 형성함에 있어서 상업적으로 실용적이지 않다.
"일렉트로블로잉" 공정은 일렉트로스피닝 공정의 처리량 한계를 극복하며, 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된 국제 출원 공개 WO 03/080905호에 개시되어 있다. 일렉트로블로잉 공정은 약 1 gsm을 초과하는, 심지어 약 40 gsm 이상만큼 높은 평량의 나노웨브의 상업적 크기 및 수량의 형성을 비교적 단기간에 가능하게 한다.
기재 또는 스크림이 수집기 상에 배열되어 방사된 나노섬유 웨브가 기재 상에 수집 및 조합될 수 있어서, 조합된 섬유 웨브가 고성능 필터, 와이퍼 등으로서 사용된다. 기재의 예는 다양한 부직 천, 예컨대 멜트블로운 부직 천, 니들-펀칭된(needle-punched) 또는 스펀레이싱된(spunlaced) 부직 천, 직조 천, 편직 천, 종이 등을 포함할 수 있으며, 나노섬유 층이 기재 상에 추가될 수 있는 한 제한 없이 사용될 수 있다. 부직 천은 스펀본드 섬유, 드라이-레이드 또는 웨트-레이드 섬유, 셀룰로오스 섬유, 멜트블로운 섬유, 유리 섬유, 또는 이들의 블렌드를 포함할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 나노섬유는 중합체 용융물로부터 제조된 섬유를 포함할 수 있다. 중합체 용융물로부터 나노섬유를 생성하기 위한 방법은, 예를 들어 아크론 대학(University of Akron)으로 양도된 미국 특허 제6,520,425호; 미국 특허 제6,695,992호; 및 미국 특허 제6,382,526호, 토로빈(Torobin) 등에게 허여된 미국 특허 제6,183,670호; 미국 특허 제6,315,806호; 및 미국 특허 제4,536,361호, 그리고 미국 특허 출원 공개 제2006/0084340호에 설명되어 있다.
본 발명의 나노웨브를 형성하는 데 사용될 수 있는 중합체는 특정하게 제한되지 않으며, 부가 중합체 및 축합 중합체 둘 모두, 예컨대 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리에스테르, 셀룰로오스 에테르 및 에스테르, 폴리알킬렌 설파이드, 폴리아릴렌 옥사이드, 폴리설폰, 개질된 폴리설폰 중합체, 및 이들의 혼합물을 포함한다. 이들 포괄 부류에 속하는 바람직한 중합체는 가교결합 및 비-가교결합 형태의 다양한 가수분해도(87% 내지 99.5%)의 폴리비닐알코올, 폴리(비닐리덴 클로라이드), 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 그리고 폴리(비닐클로라이드), 폴리메틸메타크릴레이트(및 다른 아크릴 수지), 폴리스티렌, 및 (ABA형 블록 공중합체를 포함하는) 이들의 공중합체를 포함한다. 바람직한 부가 중합체는 유리질인 경향이 있다(Tg가 실온보다 높음). 이는 폴리비닐클로라이드 및 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스틸렌 중합체 조성물 또는 얼로이(alloy) 또는 저결정성 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 폴리비닐 알코올 재료의 경우에 해당한다. 폴리아미드 축합 중합체의 하나의 바람직한 부류는 나일론 재료, 예컨대 나일론-6, 나일론-6,6, 나일론 6,6-6,10 등이다. 본 발명의 중합체 나노웨브가 멜트블로잉에 의해 형성될 때, 폴리올레핀, 예컨대 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리부틸렌, 폴리에스테르, 예컨대 폴리(에틸렌 테레프탈레이트) 및 폴리아미드, 예컨대 상기 열거된 나일론 중합체를 포함하여, 나노섬유로 멜트블로잉될 수 있는 임의의 열가소성 중합체가 사용될 수 있다.
섬유 중합체의 Tg를 감소시키기 위해, 당업계에 공지된 가소제를 전술한 다양한 중합체에 첨가하는 것이 유리할 수 있다. 적합한 가소제는 일렉트로스피닝되는 또는 일렉트로블로잉되는 중합체, 및 나노웨브가 채용될 특정한 최종 용도에 좌우될 것이다. 예를 들어, 나일론 중합체는 물 또는 심지어 일렉트로스피닝 또는 일렉트로블로잉 공정으로부터 잔존하는 잔류 용매로 가소화될 수 있다. 중합체 Tg를 낮추는 데 유용할 수 있는 당업계에 공지된 다른 가소제로는 지방족 글리콜, 방향족 설파노미드, 다이부틸 프탈레이트, 다이헥슬 프탈레이트, 다이사이클로헥실 프탈레이트, 다이옥틸 프탈레이트, 다이아이소데실 프탈레이트, 다이운데실 프탈레이트, 다이도데칸일 프탈레이트 및 다이페닐 프탈레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하지만 이에 한정되지 않는 프탈레이트 에스테르 등을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 본 명세서에 참고로 포함된 문헌[Handbook of Plasticizers, edited by George Wypych, 2004 Chemtec Publishing]은 본 발명에 사용될 수 있는 다른 중합체/가소제 조합을 개시한다.
본 발명은 다양한 여과 방법 응용에서 편평 패널 또는 원통형 유닛의 형태로 사용될 수 있다. 그러한 응용은 기체 및 액체 유동 둘 모두의 여과, 먼지 제거, 자동차, 및 기타 운송용 응용(바퀴형 차량 및 항공기 장비의 여과 응용 둘 모두를 포함함), 가스 터빈 발전소 흡입 스트림의 여과, 군용, 주거용, 산업용 및 건강관리용의 실내 공기 여과, 작은 미립자의 감소가 건강, 생산 효율, 청정도, 안전성 또는 기타 중요 목적에 있어서 중요한 반도체 제조 및 기타 응용, 지역적 환경으로부터 생물학적 위험 또는 화학적 위험을 제거하기 위한 목적의 군용 응용에서의 공기 스트림의 여과, 예컨대 우주 왕복선, 항공기 공기 재순환, 잠수함, 청정실에 사용되는 폐쇄형 환기 장비용의 여과와, 공공 서비스/안전 요원, 예컨대 경찰관 및 소방관, 군인, 민간인, 병원 거주자, 산업 노동자, 및 흡입하는 공기로부터 작은 미립자를 제거하는 것에 있어서 높은 정도의 효율성을 필요로 하는 다른 사람에 의해 사용되는 호흡기 장치에서의 고효율 필터로서의 기타 그러한 폐쇄형 응용을 포함한다.
다양한 필터 설계가 필터 재료와 함께 사용되는 필터 구조 및 구조체의 다양한 태양을 개시하고 청구하는 특허들에 제시되어 있다. 엥겔(Engel) 등의 미국 특허 제4,720,292호는 대체로 원통형의 필터 요소 설계를 가진 필터 조립체에 대한 반경방향 시일(seal) 설계를 개시하며, 이 필터 요소는 원통형의 반경방향 내향으로 향한 표면을 갖는 비교적 부드러운 고무와 유사한 단부 캡에 의해 밀봉된다. 칼바우(Kahlbaugh) 등의 미국 특허 제5,082,476호는 본 발명의 마이크로섬유 재료와 조합된 주름형 구성요소를 구비한 폼(foam) 기재를 포함하는 심층 매체(depth media)를 사용하는 필터 설계를 개시한다. 질링엄(Gillingham) 등의 미국 특허 제5,820,646호는 적절한 여과 성능을 얻기 위해, 유체 스트림이 "Z" 형상의 통로 내의 필터 매체의 적어도 하나의 층을 통과해야 하는 플러그형 경로(plugged passage)를 수반하는 특정한 주름형 필터 설계를 사용하는 Z-필터 구조를 개시한다. 주름형 Z 형상의 형태로 형성된 필터 매체는 본 발명의 미세 섬유 매체를 포함할 수 있다. 마지막으로, 질링엄의 미국 의장 특허 제425,189호는 Z-필터 설계를 사용하는 패널 필터를 개시한다.
주름형성은 당업자에게 공지된 임의의 방법에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 스탬핑된(stamped) 돌출부를 갖는 주름형 필터 매체를 생성하는 방법이 미국 특허 제3,531,920호에 설명되어 있다. 이 방법에 따르면, 필터 재료는 롤로부터, 반대 방향으로 회전하는 2개의 가열된 실린더를 포함하는 프레스(press)로 통과된다. 실린더에는 메싱(meshing) 돌출부 및 대응하는 리세스가 제공되며, 이들 사이로 통과되는 필터 재료는 딥-드로잉(deep-drawing)에 의해 내구성있게 형상화된다. 형상화 공정은 딥-드로잉된 영역 내의 필터 재료의 구조에 영향을 주며, 그럼으로써 여과에 중요한 영역 내의 본래의 여과 특성을 변경시킨다.
전술한 방법에서의 개선이 유럽 특허 출원 공개 제0 429 805호에 설명된 방법에 의해 달성된다. 이 방법에서, 편평 필터 매체는 롤에 의해 주행 방향에 대해 횡방향으로 모아지며, 후속하여 형상화 장치의 다이에 의해 긴 돌출부가 모아진 재료 내에 스탬핑된다. 이러한 모아짐은 스탬핑되는 돌출부에 의해 요구되는 추가의 재료가 재료 내의 인장력을 야기하는 것을 방지하며, 구조체가 필터 매체의 딥-드로잉된 영역에서 변경되는 것을 방지한다.
독일 특허 출원 공개 제196 30 522호는 프로파일링된 캘린더 롤(profiled calender roll)들 사이의 신장된 및 신장되지 않은 합성 섬유들로 제조된 성형된 천을 스코어링(scoring) 및 접합하는 것을 설명한다. 이 방법에 의해, 필터 재료는 부직 천 외양의 균질성의 변경 없이 부직 천으로부터 생성될 수 있다.
2가지 일반적인 유형의 주름형성기, 즉 블레이드형(blade)과 로터리형(rotary)이 있다. 블레이드형 주름형성기의 작동은 웨브를 예열하고, 이어서 상하 운동되는 2개의 블레이드가 주름을 생성하는 것을 수반한다. 압력 하의 후열 구역이 주름을 안정화하기 위해 사용된다. 로터리형 주름형성기의 작동은 로터리 나이프(knife)에 의해 매체를 스코어링하고 스코어링 라인을 절첩하여 압력 하에 주름을 형성하는 것을 수반한다.
본 발명은 이제 하기의 실시예들에 의해 가장 잘 이해될 수 있다.
시험 방법
평량(Basis Weight, BW)은 본 명세서에 참고로 포함된 ASTM D-3776에 따라 측정하여 g/㎡(gsm)으로 기록하였다.
섬유 직경은 하기와 같이 측정하였다. 각각의 미세 섬유 층 샘플에 대해 10매의 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM) 이미지를 5,000x 배율로 촬영하였다. 사진들로부터 11개의 명확하게 구별가능한 미세 섬유의 직경을 측정하여 기록하였다. 결함(즉, 미세 섬유들의 덩어리(lump), 중합체 드롭(drop), 미세 섬유들의 교차)은 포함시키지 않았다. 각각의 샘플에 대한 평균 섬유 직경을 계산하였다.
웨브 공기 유동 투과율(air flow permeability)은 프래지어(Frazier) 측정법(ASTM D737)을 사용하여 통상 측정된다. 이러한 측정법에서, 적절하게 클램핑된 천 샘플에 124.5 N/㎡ (0.5 인치 수주(water column))의 압력차가 가해지며, 생성되는 공기 유량이 프래지어 투과율 또는 보다 간단하게는 "프래지어"로 측정된다. 여기서, 프래지어 투과율은 ㎥/㎡/분 단위로 기록된다. 높은 프래지어는 높은 공기 유동 투과율에 대응하며, 낮은 프래지어는 낮은 공기 유동 투과율에 대응한다.
웨브 두께는 주사 전자 현미경 또는 디지털 광학 현미경을 사용하여 측정된다. 매끈한 단면으로 절단된 샘플을 제조하였고, mm 또는 마이크로미터 단위로 기록되는 평균 값을 계산하기 위해 5회의 두께 측정을 사용하였다.
편평 시트 저항(flat sheet resistance)을 부분 효율 필터 시험기(Fractional Efficiency Filter Tester)(TSI 모델 번호 3160 또는 8130)에 의해 측정하였다. 유동 저항은 5.3 cm/초의 공기 유량에서 측정되며, mm 수주(water gauge)(W.G.) 단위로 기록된다. 높은 저항은 고정된 유량에서 편평 시트 매체를 가로지르는 높은 압력 강하에 대응한다.
필터 저항을 2가지의 상이한 방법에 의해 측정하였다. 캐빈(cabin) 공기 필터를 ISO 시험 사양[ISO Test Specification 11155-1 (2001), "Road Vehicles - Air Filters for Passenger Compartments - Part 1: Test for Particulate Filtration"]에 따라 시험하였다. 필터는 수직 덕트 내에 장착되며, 필터를 가로지르는 유동 저항은 170 ㎥/시의 공기 유량에서 측정된다. HVAC 필터를 ASHRAE 표준[ASHRAE Standard 52.2-1999, "Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size"]에 따라 시험하였다. ASHRAE는 미국 냉방, 난방 및 공조 기술자 학회(American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers, Inc.)의 약어이다. 공칭적으로 610 mm(길이) × 610 mm(폭) × 305 mm(깊이)의 필터가 ASHRAE 52.2 시험 표준에 따라 수평 덕트 내에 장착된다. 필터를 가로지르는 유동 저항이 3344 ㎥/시의 공기 유량에서 측정되며, 인치 수주 단위로 기록되고 파스칼(Pascal) 단위로 변환된다.
HVAC 필터 효율을, 일부 필터들이 실제 사용 중에 겪게 되는 여과 효율의 저하를 밝히기 위해 염화칼륨(KCl) 입자 컨디셔닝(conditioning) 단계의 이전 및 이후에 측정하였다. 이는, 본 명세서에 참고로 포함된, ASHRAE 표준[ASHRAE Standard 52.2-2007, Public Review Drafts, March 1, 2007]에 대한 제안된 "부록(Addenda) a"에 따라 수행하였다. 필터는 최대 72시간 동안 필터를 통해 ㎤당 3.6 × 105 내지 3.8 × 105개 입자의 밀도로 0.02 마이크로미터 직경의 염화칼륨 입자를 순환시킴으로써 컨디셔닝된다. 부분 여과 효율이 주기적으로 측정되며, 백분율 단위로 기록된다.
나노웨브
제조
모든 실시예에 대해, 국제 출원 공개 WO 03/080905호에 설명된 바와 같은 일렉트로블로잉에 의해 포름산 중의 중합체의 용액을 방사하였다. 달리 언급되지 않는 한, 포름산 중의 중합체의 24 중량% 용액을 일렉트로블로잉을 위해 사용하였다. 사용한 중합체는 폴리아미드-6, 6 (PA66) (자이텔(Zytel) 3218, 듀폰(Du Pont), 미국 델라웨어주 윌밍톤)이었다. 웨브의 배치(laydown)에 이어서, 달리 언급되지 않는 한, 웨브를 80℃에서 가열 공기로 건조시켰다. 방사구(spinneret)에 인가된 전압은 85 kV였다. 추가적인 공정 조건은 구체적인 실시예에서 설명된다.
주름형성
블레이드형 주름형성 기계 또는 로터리형 주름형성 기계를 사용하여 웨브에 주름을 형성하였다. 주름형성 기계는 전형적으로 온도 및 압력 하에서 주름을 안정화시키기 위한 가열 구역을 포함한다. 구체적인 공정 조건은 실시예에서 설명된다.
본 발명을 예시하기 위해 하기의 실시예들을 제조하였다.
실시예 1
나노웨브 구조체를 일렉트로블로잉 공정을 사용하여 제조하였으며, 진공 하에서 75 gsm 스펀본디드 폴리에스테르 스크림(콜론(Kolon)) 상으로 수집하였다. 평량 0.9 gsm의 나노웨브를 생성하였다.
미세 섬유들은 평균 섬유 직경이 0.3 마이크로미터였고, 미세 섬유 층의 두께는 대략 5 마이크로미터 (0.005 ㎜)였다. 조합된 층의 두께는 0.25 ㎜였다. 편평 시트 저항은 5.3 ㎝/초의 공기 속도에서 측정하였을 때 1.1 ㎜ W.G.였다.
블레이드형 주름형성기를 사용하여 매체의 조합된 층에 주름을 형성하였고, 캐빈 공기 패널 필터 내로 조립하였다. 주름 높이는 28 ㎜였고, 주름 간격은 5 ㎜였다. 필터의 치수는 길이가 22.5 ㎝였고 폭이 10.8 ㎝였다. ISO 시험 사양 11155-1에 따라 공기 덕트 내에서 필터의 저항을 측정하였으며, 결과는 170 ㎥/시의 유량에서 32 Pa이었다.
비교예
1
비교예 1은 스크림-멜트블로운-스크림(SMS) 구성의 멜트-블로운 매체를 사용하였다. 멜트-블로운 섬유는 7 마이크로미터의 평균 섬유 직경을 가졌고, 층의 두께는 0.44 ㎜였다. 상류 스크림 층은 110 gsm 스펀본디드 폴리에스테르 스크림이었고, 하류 스크림 층은 스펀본디드 폴리프로필렌 스크림이었다. 총 매체 두께는 0.80 ㎜였다. 편평 시트 저항은 5.3 ㎝/초의 공기 속도에서 측정하였을 때 0.7 ㎜ W.G.였다. 매체에 주름을 형성하였고 실시예 1에서 설명된 것과 동일한 구성의 필터 내로 조립하였으며 그에 따라 시험하였다. 필터의 저항은 170 ㎥/시의 유량에서 37 Pa였다.
실시예 1의 필터 저항은, 편평 시트 저항이 57% 더 높았음에도, 비교 실시예 1보다 14% 더 낮았다.
실시예
2 및
실시예
3
실시예 2 및 실시예 3의 웨브 구조체를 실시예 1에 설명된 것과 유사한 절차에 따라 제조하였다. 미세 섬유 크기 및 웨브의 평량을 변경시키기 위해 중합체 처리량 및 라인 속도를 조절하였다. 두 실시예 모두에서, 2개의 스크림-나노섬유(SN) 웨브 구조체를 제조하였으며, 이때 스크림은 제1 웨브의 경우 75 gsm 스펀본디드 폴리에스테르(콜론)이었고 제2 웨브의 경우에는 30 gsm 스펀본디드 폴리에스테르(콜론)였다. 2개의 웨브 구조체를 SN-NS 구성의 복합 층으로 초음파 접합하였다. 실시예 2 및 실시예 3의 상세한 특성은 표 1에 요약되어 있다.
도 1은 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1의 필터 저항 대 편평 시트 저항의 선도를 도시한다. 이 도면은, 주어진 필터 저항에 대하여 이러한 구성에서의 편평 시트 저항이 비교예의 멜트 블로운 웨브의 경우보다 본 발명의 웨브에서 더 높을 수 있다는 것을 보여준다. 이러한 것의 의미는 이중적인데, 즉 (1) 본 발명의 더 높은 저항 및 그에 따른 더 높은 효율의 필터 매체가 필터 저항 목표를 초과하지 않으면서 더 높은 필터 효율을 달성하도록 사용될 수 있으며, 또는 (2) 필터 효율을 희생함이 없이 본 발명의 웨브를 이용하여 더 낮은 필터 저항이 달성될 수 있다.
실시예 4
나노웨브 구조체를 일렉트로블로잉 공정을 사용하여 제조하였으며, 65 gsm 드라이-레이드, 수지-접합된 폴리에스테르 스크림(옥 수(Ok Soo)) 상으로 수집하였다. 생성된 나노웨브의 평량은 3.8 gsm이었다.
나노웨브의 미세 섬유들은 평균 섬유 직경이 0.3 마이크로미터였고, 미세 섬유 층의 두께는 대략 23 마이크로미터였다. 조합된 층의 두께는 0.55 ㎜였다. 편평 시트 저항은 5.3 ㎝/초의 공기 속도에서 측정하였을 때 3.6 ㎜ W.G.였다.
로터리형 주름형성기를 사용하여 조합된 매체에 주름을 형성하였고, 지지 폴리에스테르 측벽에 접착하여 주름형 필터 팩을 형성하였다. 주름 높이는 29 ㎜였고, 주름 간격은 5 ㎜였다. 매체 두께 대 주름 간격 비는 0.11이었다. 필터 팩의 치수는 길이가 550 ㎜였고 폭이 275 ㎜였다. 8개의 필터 팩을 플라스틱 프레임 내에 끼웠고, 공칭 치수가 610 ㎜(길이) × 610 ㎜(폭) × 305 ㎜ (깊이)인 HVAC 4V-뱅크 필터(bank filter) 내로 조립하였다. ASHRAE 52.2 시험 표준에 따라 수평 덕트 내에서 HVAC 필터의 저항을 측정하였으며, 결과는 3344 ㎥/시 (1968 ft3/분)의 유량에서 80 ㎩ (0.32 인치 WG)이었다.
비교예 2
종래의 멜트-블로운 매체를 비교 목적으로 사용하였다. 멜트-블로운 섬유는 약 3 마이크로미터의 평균 섬유 직경을 가졌다. 멜트-블로운 층의 두께는 0.32 ㎜ (320 마이크로미터)였고, 총 매체 두께는 0.78 ㎜였다. 편평 시트 저항은 5.3 ㎝/초의 공기 속도에서 측정하였을 때 2.7 ㎜ W.G.였다.
5 ㎜의 주름 간격으로 매체에 주름을 형성하여 필터 팩을 형성하였다. 매체 두께 대 주름 간격 비는 0.16이었다. 팩은 V-뱅크 필터 내로 조립하였고, ASHRAE 52.2 시험 방법에 따라 시험하였다. 필터 저항은 3344 ㎥/시 (1968 ft3/분)의 유량에서 80 ㎩ (0.32 인치 WG)이었다.
실시예 4의 필터는, 편평 시트 저항이 33% 더 높았음에도(3.6 ㎜ 대 2.7 ㎜ W.G.), 비교예 2의 필터와 동일한 저항을 가졌다.
실시예 5
본 발명의 필터의 유효성에 대한 추가의 실시예에서, 실시예 4에서 설명된 절차에 따라 실시예 5를 제조하였다. 차이점은 단지, 샘플을 100 gsm 드라이-레이드, 수지-접합된 폴리에스테르 스크림(옥 수, 한국) 상으로 수집하였고 생성된 나노웨브의 평량이 4.5 gsm이었다는 것이다. 전술한 KCl 에어로졸 컨디셔닝 단계를 사용하여, 조립된 V-뱅크 HVAC 필터의 여과 성능을 대전된 매체로 제조된 상용 필터와 비교하였다. 시험된 상용 샘플은 멜트 블로운 매체로 제조된 강성 셀 박스 필터(rigid cell box filter)(퓨롤레이터(Purolator) 모델 DC95-4412K) 및 V-뱅크 HVAC 필터(빌레돈(Viledon) MV95 필터)였다.
도 2는 본 발명의 필터의 유효성을 사용 시의 유지 효율로 도시한다. 본 발명의 필터는 매우 미세한 염화칼륨 에어로졸이 로딩되는 가속 조건 하에서 적어도 20시간 동안 그의 효율을 유지할 것으로 예상될 수 있다.
Claims (6)
- 나노웨브(nanoweb) 층 및 스크림(scrim)을 포함하는 주름형 구조를 갖는 필터 매체를 포함하는 필터로서,
나노웨브 층은 수평균 직경이 1 마이크로미터 미만인 섬유를 포함하며 층 두께가 0 초과 내지 50 마이크로미터 미만이고, 총 매체 두께 대 주름 간격의 비가 0 초과 내지 0.15 미만이며, 나노웨브 층은 평량이 0.6 gsm 초과이고, 스크림은 스펀본드(spunbond) 섬유, 드라이-레이드(dry-laid) 섬유, 웨트-레이드(wet-laid) 섬유, 셀룰로오스 섬유, 멜트 블로운(melt blown) 섬유, 유리 섬유, 및 이들의 블렌드로 이루어진 군으로부터 선택되는 섬유로 제조되는 부직물(nonwoven)인 필터. - 제1항에 있어서, 총 매체 두께 대 주름 간격의 비는 0 초과 내지 0.12 미만인 필터.
- 제1항에 있어서, 총 매체 두께 대 주름 간격의 비는 0 초과 내지 0.08 미만인 필터.
- 제1항에 있어서, 스크림은 나노웨브 층에 접합되는 필터.
- 제1항에 있어서, 매체의 필터 저항(filter resistance) 대 편평 시트 저항(flat sheet resistance)의 비가 35 ㎩/㎜ 미만이며, 여기서 편평 시트 저항은 5.3 ㎝/초의 공기 유량에서 측정되어 ㎜ 수주(water gauge) 단위로 기록되며, 필터 저항은 3344 ㎥/시의 공기 유량에서 측정되어 인치 수주 단위로 기록되고 파스칼(Pascal) 단위로 변환되는 필터.
- 제1항에 있어서, 3344 ㎥ /시의 공기 유량에서 ㎤당 3.6 × 105 내지 3.8 × 105 개 입자의 밀도로 0.02 마이크로미터의 염화칼륨 에어로졸의 로딩을 적용한 후에 20시간의 처리 동안 필터 효율이 감소되지 않는 필터.
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