KR100348728B1 - 부직필터매체 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따라 스펀본드 섬유 및 스테이플 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 크림프트 섬유로 된 부직 섬유 웹을 포함하고, 약 0.005 g/㎤ 내지 약 0.1 g/㎤의 밀도를 갖는 유체 부유 입자 여과용 높이형 필터 매체가 제공된다. 높이형 필터 매체는 전동액, 작동액, 수영장 물, 냉각제 오일 또는 금속 작업, 금속 성형 및 금속 롤링용 절삭액, 공중 부유 입자 여과 등을 위한 필터 매체와 같은 유체 부유 입자 여과용으로 매우 적합하다.

Description

부직 필터 매체{Nonwoven Filter Media}

본 발명은 필터 매체, 구체적으로는 부직 섬유 웹으로 만들어진 필터용 매체에 관한 것이다.

공기 필터, 물 필터, 유압 및 오일 필터, 냉각제 필터, 화학약품 필터 둥을 위한 매체를 비롯한 수많은 미립자 여과 매체가 당 분야에서 입수가능하고, 이들은 다양한 재료, 예를 들면 유리 섬유, 석면 섬유, 합성 중합체 섬유, 예를 들면 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리에스테르 등, 및 천연 섬유, 예를 들면 목재 펄프 등으로 부터 제조된다.

필터 매체는 높은 필터 효율을 제공, 즉 미립자들이 통과하지 않도록 해야 할 뿐만 아니라 높은 처리량을 제공, 즉 필터 매체를 가로지르는 압력 강하를 유효 수명 동안에 걸쳐 가능한 한 낮게 유지해야 할 필요가 있다. 또한, 필터 매체의 유효 수명은 빈번한 세정 또는 교환이 필요하지 않도록 너무 짧지 않아야 한다. 그러나, 이들 성능 필요 조건들은 서로 역으로 관련되기 쉽다. 예를 들면, 고효율 필터 매체는 높은 압력 강하를 일으켜 그의 처리 능력 및 유효 수명을 심각하게 제한하는 경향이 있다.

부직 섬유 웹 또는 부직물의 사용은 여과 기술 분야에서 공지되어 있으며, 이러한 부직 웹에는 멜트블로운 섬유 웹 및 스펀본드 섬유 웹이 있다. 멜트블로운섬유 웹으로 제조된 필터 매체는 섬유들이 치밀한 미소공 웹으로 모아지도록 만드는 멜트블로운 섬유의 순응성(conformability) 및 미세한 섬유 크기 때문에 높은 여과 효율을 제공하기 쉽다. 그러나, 멜트블로운 섬유 웹은 충분한 물성, 예를 들면 인장성, 인열성 및 파열성을 제공하지 못하고, 이러한 웹으로부터 제조된 필터의 유효 수명은 특정 용도에 사용할 수 있을 정도로 충분히 길지 않다. 멜트블로운 섬유 웹과 비교했을 때, 스펀본드 섬유 웹은 강한 물성을 갖는 조대하고 매우 연속성인 섬유 또는 필라멘트를 함유한다. 통상적으로. 스펀본드 섬유는 멜트블로운 섬유보다 높은 분자 배향도를 가지며, 스펀본드 섬유 및 이로부터 제조된 웹의 물성이 보다 강한 것은 스펀본드 섬유의 보다 높은 분자 배향도 때문인 것으로 생각된다. 그러나, 멜트블로운 섬유와 달리 스펀본드 섬유는 자생적으로 서로 부착하지 못하여, 물리적 응집성 및 일체성을 부여하기 위해 별도의 결합 방법으로 웹을 결합시켜야 한다. 종래의 결합 방법, 예를 들면, 웹을 압축시킬 뿐만 아니라 웹 전체에 불연속 결합 영역을 가하는 칼렌더 결합은 스펀본드 웹의 유효 여과 면적 및 유효 수명을 감소시킨다.

여과 기술 분야에서 공지되어 있는 바와 같이, 여과 효율의 중요한 결정인자 중의 하나는 필터 매체가 작동적으로 충분한 유량을 유지하면서 오염물을 기계적으로 포획할 수 있는 능력이다. 여과 매체의 높이(loft) 또는 두께는 여액의 흐름을 방해하지 않고서 그의 틈새 공간 또는 공극 내에서 오염물의 기계적 포획을 촉진시킨다. 이러한 여과 방법은 당업계에서 "깊이 여과(depth filtration)"로 알려져 있다. 깊이 여과 매체와는 달리, 납작한 "표면 여과(surface filtration)" 매체, 예를 들면 막 필터 매체 및 멜트블로운 섬유 필터 매체는 오염물을 그들의 표면 상에 축적시켜 이용할 수 있는 모든 채널 또는 공극들을 금방 막아버리고 필터 매체에 높은 압력 강하를 일으킨다. 깊이 여과 및 고효율성을 모두 나타내는 여과 매체를 제조하려는 시도가 많이 있어 왔다. 이러한 시도들 중의 한 가지는 상이한 다공성을 갖는 2개 이상의 부직 섬유 웹을 적충시킨 구조를 갖는 필터 매체를 제공하는 것이다. 라미네이트 필터 매체는 그의 깊이를 가로질러 다공성 구배를 갖는데, 이것은 필터 효율을 개선시키고 큰 입자가 보다 작은 공극에 도달하기 전에 큰입자를 포획함으로써 필터의 조기 막힘을 방지한다.

긴 유효 수명 뿐만 아니라 강한 물성을 갖는 고효율 필터 매체를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 변화하는 공극도 및 공극 밀도를 가지며, 상이한 입도 분포 및(또는) 상이한 유동성을 갖는 여액에 대해 최적화된 여과 성능을 갖는 매체를 제조할 수 있는, 적용성이 매우 높고 다루기 쉬운 필터 매체 제조 방법을 제공하는 것이 바람직하다.

발명의 요약

본 발명에 따라, 스펀본드 섬유 및 스테이플 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 크림프트(Crimped) 섬유로 된 부직 섬유 웹을 포함하고, 약 0.005 g/㎤ 내지 약 0.1 g/㎤의 밀도를 갖는, 유체 부유 입자(fluid-borne particle)를 여과하기 위한 높은(lofty) 필터 매체가 제공된다. 또한, 약10 ㎛ 내지 약 50 ㎛의 평균 직경을 갖는 크림프트 2성분 스펀본드 섬유로 된 섬유 웹을 포함하고, 약 0.005 g/㎤ 내지 약 0.1 g/㎤의 밀도를 갖는, 유체 부유 입자를 여과하는데 특히 적합한 높은부직 필터 매체가 제공된다. 추가로, 본 발명은 스펀본드 섬유를 용융 방사시키는 단계 이 섬유를 연신시키는 단계, 이 섬유를 크림핑(crimping)시키는 단계, 연신된 크림프트 섬유를 성형 표면상에 퇴적시켜 웹을 제조하는 단계, 및 웹을 결합시키는 단계를 포함하는, 약 0.005 g/㎤ 내지 약 0.1 g/㎤의 밀도를 갖는 높은 스펀본드 섬유 필터 웹의 제조 방법을 제공하는 것이다.

연장된 유효 수명 및 높은 필터 효율을 제공하는 높이형(lofty) 필터 매체는 전동액, 작동액, 수영장 물, 냉각제 오일 또는 금속 작업, 금속 성형 및 금속 롤링용 절삭액, 공중 부유 입자(air-borne particle) 여과 둥을 위한 필터 매체와 같은 유체 부유 입자 여과용으로 매우 적합하다.

도면의 간단한 설명

제1도는 본 발명의 필터 매체를 제조하는데 사용되는 2성분 스펀본드 웹 제조방법의 개략적 다이어그램이다.

제2 및 3도는 각각 2개의 예시적 2성분 스펀본드 필터 매체의 약 27배 및 22배 확대한 현미경 사진이다.

본 발명의 상세한 설명

본 발명은 고성능 필터 매체를 제공한다. 강한 물성을 나타내고 연장된 유효 수명을 제공하는 필터 매체는 매우 다공성인 높은 부직 섬유 웹이다. 높이형 필터 매체는 약 0.005 g/㎤ 내지 약 0.1 g/㎤, 바람직하게는 약 0.01 g/㎤ 내지 약 0.09 g/㎤, 보다 바람직하게는 약 0.02 g/㎤ 내지 약 0.08 g/㎤의 밀도를 갖는다. 필터매체의 기본 중량은 약 0.25 내지 약 15 온스/야드²(osy), 바람직하게는 약 0.4 내지 약 14 osy, 및 보다 바람직하게는 약 0.5 내지 약 13 osy이다.

본 발명의 필터 매체에 적합한 섬유에는 크림프트 스펀본드 섬유 및 크림프트 스테이플 섬유가 있고, 이들 섬유는 단일성분 섬유 또는 다성분 복합 섬유일 수 있다. 본 발명에 적합한 스펀본드 섬유 및 스테이플 섬유는 약 10 ㎛ 내지 약 50 ㎛의 평균 직경을 갖는다. 이들 크림프트 섬유들 중에서 특히 적합한 섬유는 2개 이상의 성분 중합체를 함유하는 다성분 복합 섬유이고, 특히 적합한 섬유는 상이한 융점을 갖는 중합체를 함유하는 다성분 복합 섬유이다. 바람직하게는, 복합 섬유의 최고 융점 중합체와 최저 융점 중합체 사이의 융점 차이는, 최저 융점 중합체가 최고 융점의 중합체의 화학적 및 물리적 일체성에 영향을 미치지 않고서 용융될 수 있도록 약 5 ℃ 이상, 보다 바람직하게는 약 30℃이어야 한다.

일반적으로, 단일성분 및 복합 스테이플 섬유를 비롯한 스테이플 섬유는 종래의 카딩 방법, 예를 들면 모 또는 면 카딩 방법을 사용하여 카딩시키거나 또는 에어 레잉(air laying)시켜 미결합 부직 섬유 웹을 제조할 수 있고, 스펀본드 섬유는 방사된 섬유를 직접 성형 표면상에 퇴적시켜 미결합 스펀본드 섬유 웹으로 제조한다. 용어 스펀본드 섬유 웹이란 용융된 열가소성 중합체를 다수의 비교적 미세하고 일반적으로 원형인 방사구 모세관으로부터 필라멘트 또는 섬유로서 압출시켜 제조된 부직 섬유 웹을 의미한다. 이어서, 압출된 필라멘트를 연신 기작 또는 기타 공지된 연신 기작으로 급속하게 연신시켜 필라멘트에 분자 배향 및 물리적 강도를부여하고, 매우 랜덤한 방식으로 성형 표면 상에 퇴적시켜 본질적으로 균일한 밀도를 갖는 부직 웹을 제조한다. 웹 균일성 및 공극 분포를 유지하기 위해서는, 스테이플 섬유 및 스펀본드 섬유를 웹으로 제조하기 전에 크림핑시키는 것이 바람직하지만, 복합 섬유는 섬유를 웹으로 제조한 후에 크림핑시킬 수 있다. 당 업계에 공지되어 있는 바와 같이, 단일성분 스테이플 섬유 및 복합 스테이플 섬유는 완전히 성형된 섬유를 예를 들면, 스터퍼 박스 또는 기어 크림퍼를 통해 통과시킴으로써 기계적으로 크림핑시킬 수 있고, 복합 스테이플 섬유는 섬유를 스테이플 길이로 절단하기 전에 완전히 성형된 섬유를 연신 또는 스트레칭시킴으로써 크림핑시킬 수 있다. 또한, 섬유는 방사시키는 동안에 크림핑시킬 수도 있다. 스펀본드 섬유 및 스테이플 섬유를 포함하는 단일성분 섬유 및 복합 섬유 상의 크림프(crimp)는 섬유의 횡단면 내에 고화 구배를 생성시켜 크림프, 특히 나선형 크림프를 형성시키는,섬유의 횡단면을 가로지르는 비대칭적 냉각을 통해 부여될 수 있다. 스펀본드 섬유 및 스테이플 섬유를 포함하고, 상이한 결정화도 및(또는) 고화 특성을 갖는 2종 이상의 성분 중합체로 구성되는 복합 섬유 상의 크림프는 성분 중합체의 차이가 섬유상에 크림프를 야기시키는 결정화도 및(또는) 고화 구배를 생성시키는, 섬유 방사 과정의 고화 단계 동안에 크림핑될 수 있다. 또한, 성형된 섬유의 성분 중합체가 상이한 열 수축도를 갖도록 하는 결정화도 및(또는) 고화 특성의 차이를 이용하여 완전히 성형된 복합 섬유 상에 크림프를 부여하거나 또는 추가로 부여할 수 있다. 적절한 열 처리에 노출시켰을 때, 상이한 열 수축도를 갖는 성분 중합체들이 섬유 상에 크림프를 생성시킨다. 이러한 "잠재 크림프(latent crimp)"의 활성화는 복합섬유를 웹으로 제조한 후에, 또는 본 발명의 특히 적합한 실시태양에 관하여 논의되는 바와 같이 웹 제조 전의 섬유 상에 행할 수 있다. 웹 제조 전의 섬유 상에서의 잠재 크림프의 활성화가 보다 균일하고 치수 안정적인 웹을 생산하기 때문에 보다 바람직하다.

복합 스테이플 섬유 웹 및 복합 스펀본드 웹을 포함하는 미결합 복합 섬유 웹은 이들 웹을 상당히 압축시키지 않는 종래의 결합 방법을 사용하여 결합시킬 수 있다. 이러한 방법에는 통기 결합, 분말 접착제 결합, 액상 접착제 결합, 초음파 결합, 니이들링 및 히드로인탱글링(hydroentangling)이 있다. 이들 결합 방법은 통상적인 것으로서 당업계에 공지되어 있다. 이들 결합 방법들 중에서, 통기 결합방법은 실질적인 어떠한 압축 압력도 가하지 않고서 복합 섬유 웹을 결합시키고, 따라서 압축되지 않은 높이형 필터 매체를 제조하기 때문에 본 발명에 특히 적합하다. 통기 결합 방법은 하기에서 추가로 논의된다. 유사하게, 스테이플 섬유 웹 및 스펀본드 섬유 웹을 포함하는 단일성분 섬유로 된 부직 웹은 통기 결합 방법 이외의 다른 상기한 결합 방법으로 결합시킬 수 있다. 결합을 효과적으로 행하기 위해서 웹 섬유를 용융시켜야 하는 통기 결합 방법은 불균일한 높이를 갖는 평평한 웹을 생산하기 때문에, 통기 결합 방법은 분말 접착제 결합 또는 유체 접착제 결합방법과 함께 사용하지 않는 경우에는 단일성분 섬유 웹에 특히 적합하지 않다.

본 발명의 특히 적합한 필터 매체는 크림프트 다성분 복합 섬유로부터 제조된 통기결합된 부직 웹이고, 특히 더욱 적합한 복합 섬유는 스펀본드 복합 섬유이다. 설명하기 위하여, 이하 본 발명은 2성분 스펀본드 복합 섬유(이하, 2성분 섬유로 언급함) 및 2성분 섬유 웹, 및 통기 결합 방법에 관한 것이지만, 상기한 바와 같이 기타 2종 이상의 중합체로 된 스펀본드 또는 스테이플 복합 섬유 및 기타 결합 방법들이 본 발명에 이용될 수 있다.

본 발명에 따라, 적합한 2성분 섬유는 섬유의 전체 길이를 따라 적어도 부분적으로 표면에 노출되는 저융점 성분 중합체를 갖는다. 2성분 섬유의 적합한 배위에는 병행(side-by-side) 배열 및 시드-코어형(sheath-core) 배열이 있고, 적합한 피복-코어형 배위에는 이심적 피복-코어형 및 동심적 피복-코어형 배위가 있다. 이들 피복-코어형 배위 중에서, 이심적 피복-코어형 2성분 섬유 상에서의 크림프 부여가 보다 용이하게 행해질 수 있기 때문에 이심적 피복-코어형 배위가 특히 유용하다. 피복-코어형 배위를 사용할 경우, 저융점 중합체가 피복을 형성하는 것이 매우 바람직하다.

선택된 중합체가 충분히 상이한 융점, 바람직하게는 상이한 결정화도 및(또는) 고화 특성을 갖기만 한다면, 섬유 및(또는) 필라멘트를 형성하는 것으로 공지된 열가소성 중합체들의 다양한 조합물을 사용하여 복합 섬유를 제조할 수 있다. 선택된 중합체들 사이의 융점 차이는 통기 결합 방법을 용이하게 하고, 결정화도 및 고화 특성의 차이는 섬유 크림핑. 특히 잠재 크림프의 열 활성화를 통한 크림핑을 촉진시킨다. 본 발명에 적합한 중합체로는 폴리올레핀류, 예를 들면 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 등: 폴리아미드류, 예를 들면 나일론 6, 나일론 6/6, 나일론 10, 나일론 12 등: 폴리에스테르류, 예를 들면 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 등: 폴리카르보네이트; 폴리스티렌; 열가소성 엘라스토머: 비닐 중합체: 폴리우레탄: 및 이들의 블렌드 및 공중합체를 들 수 있으나, 이들로만 제한되는 것은 아니다. 본 발명에 특히 적합한 중합체는 폴리에틸렌, 예를 들면 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 중간 밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌 및 이들의 블렌드; 폴리프로필렌; 폴리부틸렌; 및 이들의 공중합체 및 블렌드를 비룻한 폴리올레핀류이다. 추가로, 적합한 섬유 형성 중합체는 열가소성 엘라스토머를 그 안에 블렌딩시킬 수 있다. 이들 적합한 중합체 중에서, 고융점 성분에 특히 적합한 중합체에는 폴리프로필렌 및 폴리프로필렌과 에틸렌의 공중합체가 있고, 저융점 성분에 특히 적합한 중합체에는 폴리에틸렌, 특히 선형 저밀도 폴리에틸렌 및 고밀도 폴리에틸렌이 있다. 또한, 저융점 성분은 크림 프성(crimpability)을 향상시키고, 및(또는) 섬유의 결합 온도를 저하시키고, 생성된 웹의 내마모성, 강도 및 유연성을 향상시키기 위하여 첨가제를 함유할 수 있다. 예를 들면, 저융점 중합체 성분은 스티렌, 에틸렌-부틸렌 및 스티렌의 ABA' 블록 공중합체와 같은 열가소성 엘라스토머 약 5 내지 약 20 중량%를 함유할 수 있다. 이러한 공중합체는 시판되고 있으며, 이들 중 일부는 비스네스키(Wisneski) 등의 미합중국 특허 제4,663,220호에 기재되어 있다. 매우 적합한 엘라스토머 블록 공중합체의 한 예는 크라톤(KRATON) G-2740이다. 적합한 첨가제 중합체의 또다른 군은 에틸렌 알킬 아크릴레이트 공중합체, 예를 들면 에틸렌 부틸 아크릴레이트, 에틸렌 메틸 아크릴레이트 및 에틸렌 에틸 아크릴레이트이고, 바람직한 특성을 갖게하는 적합한 양은 저융점 중합체 성분의 총 중량을 기준으로 약 2 중량% 내지 약 50 중량%이다. 또다른 적합한 첨가제 중합체에는 폴리부틸렌 공중합체 및 에틸렌-프로필렌 공중합체이다.

2성분 섬유는 약 20 내지 약 80 중량%, 바람직하게는 약 40 내지 약 60 중량%의 저융점 중합체 및 약 80 내지 약 20 중량% 바람직하게는 약 60 내지 약 40 중량%의 고융점 중합체를 갖는다.

제1도를 살펴 보면, 본 발명 필터에 매우 적합한 스펀븐드 섬유 웹을 제조하는데 특히 적합한 방법(10)을 도시하고 있다. 공정 라인(10)에는 압출된 중합체 성분들인 고융점 중합체 및 저융점 중합체를 2성분 방사구(18)에 별도로 공급하기 위한 한 쌍의 압출기(12a 및 12b)가 포함된다. 2성분 섬유를 제조하기 위한 방사구는 당업계에 공지되어 있으므로 본 명세서에서는 설명하지 않는다. 일반적으로, 방사구(18)에는 고융점 및 저융점 중합체를 방사구 내의 각 섬유 형성 개구부로 향하게 하는 유로를 형성하도록 배열된 개구부 패턴을 갖는 다수의 플레이트를 포함하는 스핀 팩(spin pack)을 함유하는 하우징이 포함된다. 방사구(18)은 1줄 이상으로 배열된 개구부를 갖고, 개구부는 중합체를 방사구를 통해 압출시켰을 때 아랫쪽으로 연장되는 섬유 커튼(curtain)을 형성한다.

공정 라인(10)은 추가로 방사구(18)로부터 연장되는 섬유의 커튼(16)과 인접하게 위치하는 급냉 가스 배출구(20)을 포함하고, 배출구(20)으로부터 나오는 가스는 적어도 부분적으로 급냉시킨다. 즉, 섬유를 형성하는 중합체는 더이상 자유로이 유동할 수 없고, 연장되는 섬유(18)에 잠재 나선형 주름을 발전시킨다. 한 예로서, 약 100 내지 약 400 피트/분의 속도로 섬유의 길이에 대해 실질적으로 수직으로 향하는 약 45 ℉ 내지 약 90 ℉ 사이의 온도를 갖는 공기 스트림을 급냉 가스로서 효과적으로 이용할 수 있다. 비록 한 개의 배출구를 갖는 급냉 시스템을 사용하여 급냉 방법을 설명하였지만, 1개 이상의 급냉 가스 배출구를 사용할 수 있다.

섬유 연신 장치 또는 애스피레이터(aspirator)(22)가 급냉 가스 배출구 아래에 위치하여 급냉된 섬유를 수용한다. 중합체를 용융 방사시키는데 사용하기 위한 섬유 연신 장치 또는 애스피레이터는 당업계에 공지되어 있으며, 본 발명에 적합한 섬유 연신 장치의 예에는 마쯔끼(Matsuki) 등의 미합중국 특허 제11,802,817호에 나타낸 타입의 선형 섬유 애스피레이터 및 도쉬너(Dorshner) 둥의 미합중국 특허 제 3,692,618호 및 데이비스(Davies) 등의 미합중국 특허 제3,423,266호에 나타낸 타입의 이덕티브 건(eductive gun)이 있다.

섬유 연신 장치(22)는 일반적으로, 통과하는 동안에 애스피레이팅 가스에 의해 섬유가 연신되는 긴 통로를 갖는다. 애스피레이팅 가스는 섬유의 중합체와 나쁜 영향을 미치는 상호작용을 하지 않는 공기와 같은 임의의 가스일 수 있다. 본 발명에 따라, 애스피레이팅 가스를 예를 들면, 온도 조절 가능한 가열기(24)를 사용하여 가열시킨다. 가열된 애스피레이팅 가스는 급냉된 섬유를 연신시키고 섬유를 그 위의 잠재 크림프를 활성화시키는데 필요한 온도까지 가열시킨다. 섬유 상의 잠재 크림프를 활성화시키는데 필요한 온도는 약 110 ℉로부터 저융점 성분 중합체의 융점 미만의 최대치까지의 범위를 갖는다. 일반적으로, 보다 높은 공기 온도는 보다 많은 수의 크림프를 형성시킨다. 본 발명의 섬유 웹 제조 방법의 중요한 이점들 중의 하나는 애스피레이팅 가스의 온도를 조절함으로써 섬유의 크림프 밀도, 즉 섬유의 단위 길이 당 크림프 수 및 따라서 생성된 웹의 밀도 및 공극도 분포를 조절할수 있어, 부직 웹을 상이한 필터 적용 분야의 상이한 요구에 맞도록 공작하는 편리한 방법을 제공한다는 것이다. 추가로, 크림프 밀도는 가열 활성화 될 수 있는 가능한 잠재 크림프의 양을 조절함으로써 어느 정도까지는 조절될 수 있고, 가능한 잠재 크림프의 양은 방사 조건, 예를 들면 용융 온도 및 애스피레이팅 가스 속도와 같은 방사 조건을 변화시킴으로써 조절될 수 있다. 예를 들면, 보다 낮은 속도의 애스피레이팅 가스를 공급함으로써 폴리에틸렌/폴리프로필렌 2성분 섬유 상에 보다 많은 양의 가능한 잠재 크림프를 부여할 수 있다.

이어서, 연신된 크림프트 섬유를 무작위 방식으로 연속 성형 표면(26) 상에 놓는다. 섬유 놓는 방법은 바람직하게는 성형 표면 바로 아래에 위치하는 진공 장치(30)의 도움을 받는다. 진공력은 섬유의 바람직하지 않은 흩어짐을 크게 없애고, 섬유를 성형 표면 상으로 유도하여 연속 섬유의 균일한 미결합 웹을 제조한다. 생성된 웹은 웹에 결합 공정을 가하기 전에 미결합 웹의 일체성을 향상시키기 위해 웹의 가벼운 압축이 필요할 경우, 압축 롤러(32)에 의해 가볍게 압축될 수 있다.

미결합 웹은 이어서 결합기(bonder), 예를 들면 통기 결합기 중에서 결합되어 응집성 및 물리적 강도를 제공한다. 통기 결합기의 사용은 이 결합기가 상당한 압축 압력을 가하지 않고서도 고도로 결합된 부직 웹을 제공한다는 점에서 본 발명에 특히 유용하다. 통기 결합기(36)에서, 가열된 공기 흐름을 웹을 통해, 예를 들면 후드(40)로부터 다공 롤러(38)로 공급시켜 웹을 저융점 성분 중합체의 융점 이상, 그러나 고융점 성분 중합체의 융점 이하의 온도로 가열시킨다. 결합 방법은 다공 롤러(38) 바로 아래에 위치하는 진공 장치에 의해 도움을 받을 수 있다. 가열시에, 웹 섬유의 저융점 중합체 부분이 용융되어 섬유의 용융된 부분은 교차점에서 인접 섬유에 부착되는 반면, 섬유의 고융점 중합체 부분은 웹의 물리적 및 치수적 일체성을 유지하려는 경향이 있다. 이와 같이, 통기 결합 방법은 미결합 웹을 그의 원래 공작된 웹 치수, 밀도, 다공성 및 크림프 밀도를 상당히 변화시키지 않고서 응집성 부직 섬유 웹으로 전환시킨다.

결합 공기 온도는 상이한 성분 중합체의 상이한 융점에 맞도록 및 상이한 결합기의 온도 및 속도 제한에 맞도록 광범위하게 변할 수 있다. 또한, 공기 온도를 선택할 때에는 웹의 기본 중량을 고려하여야 한다. 결합 공정의 지속 기간은 웹의 상당한 수축을 유발시킬 정도로 너무 길어서는 안된다는 것을 유념해야 한다. 예로서, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌을 복합 섬유 웹용 성분 중합체로서 사용하는 경우, 통기 결합기를 통과하는 공기 흐름은 약 230 ℉ 내지 약 280 ℉ 의 온도 및 약 100내지 약 500 피트/분의 속도를 가질 수 있다.

본 발명에 따라 제조된 필터 매체는 여액의 흐름을 방해하거나 필터 매체를 가로지르는 높은 압력 강하를 야기시키지 않고서 다량의 오염물을 보유할 수 있는 높은 저밀도 매체이다. 본 발명의 필터 매체의 매우 다공성인 3차원적 높이는 그의 틈새 공간 내에서의 오염물의 기계적 포획을 촉진시키면서 여액이 통과할 수 있는 별도의 채널을 제공한다. 또한, 필터 매체는 본 발명의 필터 매체의 이점들에 추가하여 그의 깊이를 가로지르는 섬유의 밀도 구배를 함유할 수 있다. 상기한 바와 같이, 필터 매체 내의 섬유 밀도 구배는 필터 효율 및 유효 수명을 개선시킨다.

상기한 통기 결합 방법은 웹을 상당히 압축시키지 않고서 고강도의 섬유간결합을 행하는데 사용될 수 있을 뿐만 아니라 웹의 깊이를 가로지르는 밀도 구배를 부여하는 데에도 사용될 수 있는 매우 적합한 결합 방법이다. 통기 결합 방법으로 제조된 밀도 구배 부여된 필터 매체는 섬유가 웹 지지 표면, 예를 들면 다공 롤러(38)과 접촉하는 영역에서 최대 섬유 밀도를 갖는다. 어떠한 이론으로 성립되길 바라는 것은 아니지만, 통기 결합 과정 동안에 웹의 깊이를 가로질러 웹 지지 표면을 향하는 섬유는 웹 자체 중량 및 보조 진공 및 결합 공기 흐름의 증가하는 압축 압력을 받고, 따라서 결합기에 적절한 셋팅을 사용할 때 생성된 웹에 섬유 밀도 구배가 부여되는 것으로 생각된다. 제2 및 3도를 살펴 보면, 이 도면들은 상기한 스펀본드 웹 제조 방법 및 통기 결합 방법에 따라 제조되고 결합된, 섬유 구배 부여된 2성분 스펀본드 필터 매체의 주사 전자 현미경 사진이다. 제 2 및 3도의 필터 매체 및 이들을 제조하는데 사용된 방법들은 각각 하기 실시예 3 및 7에서 추가로 설명한다. 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 필터 매체는 깊이 방향으로 증가하는 섬유 구배 밀도를 갖는다.

별법으로, 섬유 밀도 구배를 함유하는 필터 매체는 상이한 섬유 밀도를 갖는 2개 이상의 필터 매체 층을 적층시켜 제조할 수 있다. 이러한 상이한 섬유 밀도를 갖는 성분 필터 매체는 예를 들면, 섬유 상에 상이한 정도의 크림프를 부여하거나 또는 상이한 크림프도 및(또는) 상이한 크기를 갖는 섬유를 이용하여 제조할 수 있다. 보다 편리하게는, 스펀본드 방법을 사용하여 본 발명의 필터 매체를 제조하는 경우, 상이한 크림프도 및(또는) 상이한 섬유 크기를 갖는 섬유를 순차적으로 방사 하고, 이 섬유를 성형 표면 상에 순차적으로 놓음으로써 섬유 밀도 구배를 부여할수 있다.

비록 본 발명에 특히 적합한 결합 방법이 통기 결합 방법이지만, 예를 들면 분말 접착제를 도포하거나 또는 액상 접착제를 분무하는 것과 같이 접착제를 사용하여 본 발명의 부직 웹의 높은 구조를 보존하면서 미결합 웹을 결합시킬 수 있다. 임의로, 필터 적용 분야가 필터 매체들로부터 상이한 특성들, 예를 들면 높은 인열 또는 파열 강도를 필요로 하는 경우, 부직 웹에 증가된 응집성 및 강도를 부여하기 위하여 저 압축 결합 방법, 예를 들면 통기 결합 방법 외에 포인트 결합, 초음파 결합 및 히드로인탱글링 방법을 비롯한 기타 결합 방법을 사용할 수 있다.

연속 다성분 복합 스펀본드 섬유로부터 제조된 필터 매체 외에, 유용한 부직필터 매체는 또한 복합 스테이플 섬유, 단일성분 스테이플 섬유 및 단일성분 스펀본드 섬유가 크림프트 섬유인 한 이들로부터도 제조될 수 있다.

그러나, 복합 스테이플 섬유, 단일성분 스테이플 섬유 및 단일성분 스펀본드 섬유를 사용하는 웹 제조 방법은 이들 방법이 추가의 제조 단계를 필요로 하기 때문에 다소 불리하다. 예를 들면, 복합 스테이플 섬유 웹을 제조하는 방법은 스테이플 섬유 성형 및 섬유 카딩 단계와 같은 추가의 단계들을 필요로 하고, 별도의 크림핑 단계를 필요로 할 수 있으며; 단일성분 스테이플 섬유 웹을 제조하는 방법은 추가의 기계적 크림핑 단계 및 접착제 도포 및 경화 단계를 필요로 할 수 있으면; 단일성분 스펀본드 섬유 웹을 제조하는 방법은 접착제 도포 및 경화 단계를 필요로 할 수 있다. 또한, 이들 웹 제조 방법은 섬유 크림프도의 온 라인 조절 및 밀도 구배의 온 라인 형성을 가능하게 하는 본 발명의 복합 스펀본드 섬유 웹 제조 방법만큼 다루기 쉽지 않다. 결과적으로, 고도로 조절가능하고 다루기 쉬운 방법인 스펀본드 복합 섬유 웹 제조 방법은 높이형 필터 매체를 경제적으로 제조하기 위한 특히 유리한 방법이다. 또한, 이 방법으로부터 제조된 스펀본드 복합 필터 매체는 상이한 적용 분야에 필요한 상이한 여과 특성을 제공하고 강화하도록 공작 될 수 있다. 높은 스펀본드 복합 필터 매체는 스펀본드 섬유 강도에 기인하는, 바람직한 높은 물리적 강도를 나타낼 뿐만 아니라 상이한 여과 요구사항에 맞도록 상이한 다공성 및 밀도 수준을 갖도록 만들어질 수 있다.

본 발명의 필터 매체는 천연 섬유, 예를 들면 면 섬유 및 목재 펄프, 및 스테이플 또는 연속 합성 섬유를 비롯한 기타 섬유, 및 활성탄, 냄새 흡착제, 계면활성제, 안정화제 등을 비롯한 첨가제를 함유할 수 있다. 천연 및 스테이플 섬유 및 입자상 또는 유체 첨가제는 예를 들면, 섬유 또는 첨가제를 연신 장치를 빠져나가는 연신된 섬유의 커튼 내로 블로우잉(blowing)시킴으로써 부직 웹에 첨가할 수 있다. 연속 합성 섬유는 예를 들면, 2성분 방사구 조립체의 스핀홀 중의 일부를 통해 상이한 중합체 용융물을 동시 방사시킴으로써, 예론 들면 단일성분 섬유는 2성분 섬유와 동시 방사시키거나 또는 한 개의 연신 장치에서 방사된 단일성분 및 2성분 섬유들을 별도로 동시 연신시킴으로써 필터 웹에 첨가할 수 있다.

본 발명의 필터 매체는 고 여과 효율, 연장된 유효 수명 및 우수한 물성을 제공하기 때문에 전동액, 작동액, 수영장 물, 냉각제 오일 또는 금속 작업, 금속 성형 및 금속 롤링용 절삭액, 공중 부유 입자 여과 등을 위한 필터 매체와 같은 유체 부유 입자 여과용으로 매우 적합하다. 높이형 필터 매체는 액체 여과용으로 매우 적합하다. 액상 여액의 압축 압력은 오염물을 신속하게 축적시켜 저높이 매체, 예를 들면 크림핑되지 않은 스펀본드 섬유 또는 스테이플 섬유 매체로부터 제조된 종래의 필터 매체의 이용가능한 공극을 막아버리는 반면, 본 발명 필터 매체의 구배 부여된 높은 구조는 틈새 유로 모두를 막아버리지 않고서 틈새 공간 내에 다량의 오염물을 포획하기 때문에 액체 압축 압력이 본 발명의 높이형 필터 매체, 특히 섬유 밀도 구배를 함유하는 매체에 신속하게 영향을 미치지 못한다. 적합한 액체 용용분야의 예로서는 금속 기계 가공 및 롤링 기계의 냉각제 및 절삭액용 필터 매체를 들 수 있다.

추가로, 본 발명의 높이형 필터 매체는 전문화된 필터 매체, 예를 들면 초고 필터 효율을 갖지만 제한된 유효 수명을 갖는 필터 매체와 함께 사용하여 2가지 매체의 유리한 특성을 이용하여 고효율 및 장기간의 유효 수명이 조합된 필터 조립체를 제공할 수 있다. 상기 조합 필터 매체는 예를 들면, 본 발명의 높이형 필터 매체와 마이크로 필터 매체, 예를 들면 막 필터, 멜트블로운 섬유 웹 필터 또는 습식 레잉(wet-laying)된 섬유 필터를 적층시켜 제조할 수 있다.

하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위해 제공된 것으로서 본 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예 1 내지 7(Ex. 1 내지 Ex. 7)

다우 케미칼(Dow Chemical)이 시판하는 선형 저밀도 폴리에틸렌인아스펀(Aspun) 6811A를 TiO₂50 중량% 및 폴리프로필렌 50 중량%를 함유하는 TiO₂농축물 2 중량%와 블렌딩시키고, 혼합물을 제1의 단일 스크류 압출기에 공급하였다. 엑손(Exxon)이 시판하는 폴리프로필렌인 PD3443을 상기한 TiO₂농축물 2 중량%와 블렌딩시키고, 혼합물을 제2의 단일 스크류 압출기에 공급하였다. 압출된 중합체를 0.6 mm의 스핀홀 직경 및 6:1의 L/D비를 갖는 2성분 방사 다이를 사용하여 병행 배위를 갖고 2가지 중합체의 중량비가 1:1인 둥근 2성분 섬유로 방사시켰다. 방사 다이로 공급되는 중합체의 용융 온도를 450 ℉로 유지시키고, 스핀홀 처리 속도는 0.5 g/홀/분이었다. 방사 다이를 빠져나가는 2성분 섬유를 45 SCFM/in. (방사구 폭)의 유속 및 65 ℉의 온도를 갖는 공기 흐름으로 급냉시켰다. 급냉 공기를 방사구의 약 5인치 아래에서 공급하고, 냉각된 섬유를 마쯔끼 둥의 미합중국 특허 제3,802,817호에 기재된 애스피레이팅 장치 내에서 연신시켰다. 애스피레이터에 온도 조절되는 애스피레이팅 공기 공급원을 장착시키고, 공급 공기 온도를 약 350 ℉로 유지시켰다. 애스피레이터로 들어오는 각 시험 표본용 섬유를 하기 표 1에 나타낸 유속의 가열된 공급 공기를 사용하여 연신시켰다.

[표 1]

연신시킨 섬유를 진공 흐름의 도움으로 작은 구멍이 있는 성형 표면 상에 퇴적시켜 미결합 섬유 웹을 제조하였다. 미결합 섬유 웹을 272 ℉의 공기 온도 및 200 피트/분의 공기 속도를 갖는 통기 결합기에 통과시켜 웹을 결합시켰다. 결합기 내에서의 각 웹 시험표본의 체류 시간은 상기 표 1에 나타낸 바와 같다.

비교실시예 1 내지 5 (C1 내지 C2)

비교 실시예 1 내지 3은 미합중국 테네시주 올드 힉코리 소재의 리메이 인크 (Reemay. Inc.)가 시판하는 리메이(Reemay™) 필터이었고, 비교 실시예 4는 뉴욕주 트로이 소재의 라이달 매닝 인크(Lydall Manning Inc.)가 시판하는 매니웹 (Manniweb™) 5163이었다. 리메이 필터는 칼렌더 결합된 폴리에틸렌 테레프탈레이트 스펀본드 섬유 웹이고, 매니웹 5163은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 섬유의 습식 레잉된 웹이다. 비교 실시예 5는 킴벌리-글라크(Kimberly-Clark)가 상품명 어코드 (Accord™)로 시판하는 포인트 결합된 폴리프로필렌 스펀본드 섬유 웹이었다.

시험방법

필터 시료의 효율 및 유효 수명을 다음과 같이 시험하였다. 필터 시험 장치는 유입구 및 유출구를 가지고 유입구를 통해 들어오는 유입 유체가 시료 필터 매체를 통과하도록 하는 90 mm 직경의 필터 홀더 조립체, 유입 유체를 필터 홀더 조립체로 공급하고 2 갤론/분/in.²의 유량을 유지할 수 있는 기어 펌프 및 필터 홀더 조립체의 유입구 쪽에 위치하는 압력 게이지를 포함한다. 필터 웹을 90 mm 직경의 필터 홀더에 맞도록 절단하여 필터 매체 시료를 제조하였다. 각 필터 매체를 칭량하여 필터 홀더 조립체 내에 장착시켰다. QP 24 비누/오일 유화액 3 부피% 및 물 93 부피%를 함유하는 시험액을 비이커 내에 넣은 다음 AC 미세 시험 입자 800 mg을 시험 유체에 첨가하였다. 시험 입자는 다음과 같은 입도 분포를 가졌다.

시험 유체를 자기 교반기로 계속 교반하였다. 펌프의 유입구를 비이커 내에 넣어 시험 유체를 시료 필터를 통해 펌핑시킨 다음, 다시 비이커로. 보내 연속 루우프를 형성시켰다. 초기 압력 및 시간을 기록하였다. 시험 입자 800 mg을 유입 압력이 필터 매체가 막힌 것으로 간주되는 30 psi에 도달할 때까지 5분 간격으로 비이커에 첨가하였다.

막힌 시간을 기록하고 필터 매체를 제거하였다. 제거한 필터 매체를 180 ℉로 셋팅한 오븐 내에서 완전히 건조시킨 후에 칭량하여 포획된 시험 입자의 양을구하였다. 포획된 시험 입자의 중량을 비이커에 첨가한 시험 입자의 총 중량으로 나누어 필터 매체의 효율을 구하였다.

프래지에르 프리시젼 인스트루먼트 캄파니(Frazier Precision Instrument Company)가 시판하는 프래지에르 공기 투과 시험기를 사용하여 프래지에르 다공성을 구하고, 연방 시험 방법 5450, 표준 번호 191A에 따라 측정하며 밀도를 스타렛 (Starret) 타입 벌크 시험기를 사용하여 0.5 psi에서 측정한 각 시험 표본의 캘리퍼(caliper)로부터 계산하였다. 영국 루톤 소재의 코을터 일렉트로닉스 리미티드 (Coulter Electronics Ltd.)가 시판하는 코울터 포로미터(Coulter Porometer) 및 코울터 프로필(Coulter Profil™) 시험액을 사용하는 액체 변위 기술에 의해 결정되는 바와 같은 평균 공극 직경의 척도인 평균 흐름 공극 크기(MFP)를, 시험 시료를 매우 낮은 표면 장력을 갖는 액체(즉, 코울터 프로필)로 습윤시켜 측정하였다. 공기 압력을 시료의 한 면에 가하고, 공기 압력을 증가시킬 때, 최대 공극 내에서의 유체의 모세관 인력을 극복하여 액체를 밖으로 내보내고 공기를 시료를 통해 통과시켰다. 공기 압력을 추가로 증가시키면, 점진적으로 더욱 더 작은 홀은 깨끗하게 될 것이다. 습윤 시료에 대한 흐름 대 압력 관계를 확립하여 건조 시료의 결과와 비교하였다. 건조 시료 흐름 대 압력의 50%를 나타내는 커브가 습윤 시료 흐름 대 압력을 나타내는 커브와 교차하는 지점에서 MFP를 측정하였다. 특정 압력 (즉,MFP)에서 개방되는 공극의 직경을 하기 식으로부터 구하였다.

공극 직경 (㎛) = (40τ)/압력

여기서, τ는 mN/M 단위로 표현되는 유체의 표면 장력이고, 압력은 밀리바로표현되는 가해진 압력이고, 시료를 습윤시키는데 사용된 액체의 매우 낮은 표면 장력은 시료 상의 액체의 접촉각을 약 0으로 가정할 수 있게 하였다.

시험 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

[표 2]

결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 2성분 섬유 필터 매체는 시판되는 필터 매체, 예를 들면 종래의 스펀본드 섬유 필터 매체보다 상당히 낮은 밀도를 갖고, 상당히 개선된 유효 수명 성능 뿐만 아니라 높은 필터 효율을 제공한다.

연장된 유효 수명 및 높은 필터 효율을 제공하는 본 발명의 높이형 필터 매체는 전동액, 작동액, 수영장 물, 냉각제 오일 또는 금속 작업, 금속 성형 및 금속 롤링용 절삭액, 공중 부유 입자 여과 등을 위한 필터 매체와 같은 유체 부유 입자 여과용으로 매우 적합하다.

Claims (14)

1. 나선형 크림프트 연속 다성분 스펀본드 섬유의 섬유 웹을 포함하는 유체 부유 입자 여과용 높이형(lofty) 부직 필터 매체로서, 상기 매체는 약 0.005 g/㎤ 내지 약 0.1 g/㎤ 의 밀도를 갖고 그의 깊이를 가로질러 섬유 밀도 구배를 가지며 상기 스펀본드 섬유의 평균 직경은 약 10 ㎛ 내지 약 50 ㎛인 필터 매체.
2. 제1항에 있어서, 상기 크림프트 섬유가 다성분 복합 섬유인 필터 매체.
3. 제2항에 있어서, 상기 복합 섬유가 상이한 융점을 갖는 2종 이상의 성분 중합체를 포함하고, 상기 성분 중합체가 최고 융점 중합체 및 최저 융적 중합체를 포함하는 필터 매체.
4. 제 3항에 있어서, 상기 복합 섬유가 최저 융점 성분 중합체의 융점 이상 내지 최고 융점 성분 중합체의 융점 미만의 온도에서 통기 결합된 필터 매체.
5. 제 2에 있어서 상기 복합 섬유가 2성분 섬유인 필터 매체.
6. 제 2항에 있어서, 상기 복합 섬유가 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리카르보네이트, 폴리스티렌, 및 이들의 블렌드 및 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 2개 이상의 상이한 중합체를 포함하는 필터 매체.
7. 제2항에 있어서, 상기 복합 섬유가 폴리올레핀 및 폴리에스테르를 포함하는 필터 매체.
8. 제 2항에 있어서, 상기 복합 섬유가 폴리올레핀 및 폴리아미드를 포함하는 필터 매체.
9. 제 2항에 있어서, 상기 복합 섬유가 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌을 포함하는 필터 매체.
10. 제 9항에 있어서, 상기 복합 섬유가 선형 저밀도 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌을 포함하는 필터 매체.
11. 제 2항에 있어서, 상기 복합 섬유가 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌을 포함하는 필터매체.
12. 유체 부유 입자의 여과에 적합한 부직 섬유 웹을 포함하는 높이형 부직 필터 메체로서, 상기 부직 필터는 일정 깊이를 갖고 나선형 크림프트 2성분 스펀본드 섬유의 섬유 웹을 포함하며, 약 0.005g/㎤ 내지 약 0.1 g/㎤ 의 밀도를 갖고 그의 깊이를 가로질러 섬유 밀도 구배를 가지며, 상기 스펀본드 섬유의 평균 직경은 약 10㎛ 내지 50㎛인 필터 매체
13. 제 12항에 있어서, 상기 스펀본드 섬유가 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리카르보네이트, 폴리스티렌, 및 이들의 블렌드 및 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 2개의 중합체를 포함하는 높이형 부직 필터 매체.
14. 제 12항에 있어서, 상기 스펀본드 섬유가 폴리올레핀으로 이루어진 군으로부터 선택된 2개의 상이한 중합체를 포함하는 높이형 부직 필터 매체.