KR100352506B1 - 공기청정용 필터 여재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수지접착제를 사용하지 않고 합성수지섬유만으로 성형되어 얻어지는 필터여재로 눈막힘현상이 없이 더스트의 여과효율을 높이면서도 분진유지용량을 높일 수 있도록 하는 공기청정기용 필터 여재 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 공기청정기용 여재는 섬유직경이 0.5~15 데니어이고 중량이 100~500g/㎡으로 폴리에스테르, 폴리프로필렌 등의 열가소성 합성섬유여재를 기초로 조밀층, 중간층, 벌키층을 구비하여 각층의 중량이 30∼100㎏/㎡으로 이루어지며, 본 공기청정기용 여재의 제조방법은 섬유직경이 0.5~15 데니어이고 중량이 100~500g/㎡으로 폴리에스테르, 폴리프로필렌 등의 열가소성 합성섬유여재를 기초로 조밀층, 중간층, 벌키층으로 적재된 합성수지섬유간을 니틀펀칭으로 일차 결합 한 후 열융착하여서 얻어진다. 이에 따라 수지접착제를 사용하지 않고 공기청정용 필터를 얻음으로써 수지접착제에 의한 눈막힘 현상을 현저히 줄임과 동시에 자동차에서 더스트의 여과 효율을 높이면서 분진포집 효율과 분진유지용량 그리고 통기저항을 함께 높여 필터의 사용 수명을 연장할 수 있다. 결과적으로 경제적이면서 안전한 사용을 이루는 효과를 제공한다.

Description

공기청정용 필터 여재 및 그 제조방법{Filter Element Air Filtering And Its Manufacturing Method}

본 발명은 자동차 엔진용 공기 청정기 및 공조용 공기 청정기에 사용되는 필터 여재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수지접착제를 사용하지 않고 합성수지섬유만으로 성형되어 얻어지는 필터여재로 눈막힘현상이 없이 더스트의 여과효율을 높이면서도 분진유지용량을 높일 수 있도록 하는 공기청정기용 필터 여재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차에는 엔진에 공급되는 공기를 여과하거나 공조장치에 주입되는 공기를 청정하기 위한 필터가 사용되고 있다. 이러한 필터는 여재에 의하여 만들어지고 있으며, 여재는 부직포 여재와 종이 여재가 사용되어지고 있다.

종래에 사용되는 종이여재의 경우에는 도 1b와 같이 단층구조로 이루어져 있으며, 그 두께가 0.5㎜ 정도로 얇고 조밀한 단일층으로 구성되어 있어 청정효율은 높아지는데 비해 분진이 포진되어 있을 공간이 부족하여 분진유지용량이 낮아 필터의 수명이 짧고, 통기저항이 높아 여재면적이 포집되어 있을 공간이 부족하여 분진 유지 용량이 낮아 필터의 수명이 짧고, 통기저항이 높아 여재 면적이 많이 소요된다.

그리고, 부직포 여재의 경우에는 도 1a에서와 같이 유입공기 상류 측에 구경이 큰 벌키층을, 공기 유출 측에는 구경이 미세한 조밀층을, 그것의 중간에는 양자의 중간 크기의 구경을 갖는 중간층이 형성되며, 이 다층의 섬유층을 니들펀칭과 수지 접착제를 병용하여 결속시켜 밀도 구배형 부직포를 형성하여 사용한다.

그러나, 상기 구배형 부합성섬유간에 형성되어 있는 공극이 도 2에서와 같이 수지접착제에 의해 좁아지거나 막힘으로서 눈막힘 현상이 일어나고 이에 따른 청정효율이 저하되는 문제가 있다.한편, 단일층과 복합구조물로 이루고 바람직한 고정수단으로 성형되는 부직웹에 관한 기술이 대한민국 공개특허 제1994-5308호에 소개되어 있다.이는 부직웹을 다수의 이격된 패들의 단부에 도입시키고, 패들의 단부사이의 간격을 감소시켜 부직웹을 파형 형성시키고, 직물을 파형의 밸리에서 파형 부직웹에 고정시킴으로써 웹로프트에 실질적으로 손상을 주지 않고 복합구조물을 제조할 수 있다.이러한 복합 구조물은 마스크나 의복단열재로 사용하도록 되어 있다.그러나, 상기 기술의 중합체 부직포웹은 구성원료가 폴리프로필렌웹(100%)와 스폰본드 폴리 프로필렌직물(100%)을 사용함으로 다양한 용도로 응용이 불가능하고 제품 중량, 두께, 통기성의 조절이 어려우며, 부드러운 제품으로 응용이 불가능하고,구조가 2층구조로 이루어져 초기 압력강화가 높고 사용수명이 짧고 분진유지용량이 낮아지는 결점이 있다.또한 15㎛ 미만의 폴리프로필렌웹으로 구성되어 있어서 통기성이 높게 요구되는 제품으로의 응용이 어렵고, 쉽게 통기성을 조절할 수 없다.따라서 다양한 용도의 제품이 요구하는 압력강화, 사용수명, 분지유지용량이 낮아지고, 160℃∼180℃의 높은 멜팅레인지(Melting Range)인 스폰본드폴리프로필렌을 사용하므로 접착공정이 용이하지 못하다.그리고 중합체부직포 웹사용 섬유형태가 연속 필라멘트이기에 강도가 약하고, 초음파접착법이 적용되어서 접착 및 가공방법이 다양하지 못하고, 접착력이 약한 결점이 있다.한편 폴리프로필렌웹 및 스폰본드 폴리프로필렌 직물의 원료를 이용하기 때문에 다양한 형태의 제품을 만들 수 없으며, 접착면적이 극소부위 접착이어서 접착력이 약하고, 초음파접착기로 접착하기 때문에 접착시 공정조건의 설정이 어렵다.그리고, 2층구조 중 제품의 효율에 한계되는 폴리프로필렌웹이 15㎛ 미만의 연속 필라멘트로 구성되어 제품의 기공사이즈가 작아서 실제적으로 중간 또는 큰 먼지를 포집하는 능력은 떨어진다.즉, 중간 또는 큰 먼지에 분진유지능력이 낮아지고, 제품의 지지체로 이용되는 스폰본드 폴리프로필렌 직물은 제품의 효율에 관계가 없고 단지 제품의 지지체로만 쓰이며, 스폰본드 폴리프로필렌 직물자체가 딱딱하기 때문에 부드러운 제품에 응용될 수 없는 문제가 있다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 수지접착제를 사용하지 않고 합성수지섬유만으로 열융착에 의한 필터여재를 성형하여 눈막힘현상이 없이 자동차에서 더스트의 여과 효율을 높이면서도 분진유지용량을 함께 높일 수 있으면서 필터의 사용수명을 연장할 수 있는 공기청정기용 필터 여재 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

도 1은 종래에 사용되는 필터에 분진이 포집된 상태의 요부단면도로서,

(a)는 열융착 필터여재에 포집된 상태이며,

(b)는 종이필터에 포집된 상태이다.

도 2는 종래에 부직포접착제를 사용한 부직포필터여재의 표면으로 수지접착제에 의해 기공이 막힌 상태의 요부 평면도이고,

도 3은 본 발명에 의한 열융착법 중 카렌다본딩법에 의한 개략적인 공정도이고,

도 4는 본 발명에 의한 열융착법 중 벨트프레싱법에 의한 개략적인 공정도이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라 섬유직경이 0.5~15 데니어이고 중량이 100~500g/㎡으로 폴리에스테르, 폴리프로필렌 등의 열가소성 합성섬유여재를 기초로 조밀층, 중간층, 벌키층을 구비하여 각층의 중량이 30∼100㎏/㎡으로 이루어지는 공기청정용 필터 여재에 의하여 달성된다.

상기 목적은, 본 발명에 따라 섬유직경이 0.5~15 데니어이고 중량이 100~500g/㎡으로 폴리에스테르, 폴리프로필렌 등의 열가소성 합성섬유여재를 기초로 조밀층, 중간층, 벌키층으로 적재된 합성섬유간을 니들펀칭으로 일차 결합 한 후 열융착하여서 이루어지는 공기청정용 필터여재 제조방법에 의하여 달성된다.

여기서, 니들펀칭 결합 후 이루어지는 열융착은 다층 적재한 합성섬유간을 열, 초음파, 고주파중 선택된 어느 하나의 열융착법에 의하여 열융착법으로 이루어지는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을용이하게 실시할 수 있도록 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 의한 열융착법 중 카렌다본딩법에 의한 개략적인 공정도이고, 도 4는 본 발명에 의한 열융착법 중 벨트프레싱법에 의한 개략적인 공정도이다.

본 발명의 합성섬유여재는 섬유직경이 0.5~15 데니어이고 중량이 100~500g/㎡으로 폴리에스테르, 폴리프로필렌 등의 열가소성 합성섬유의 단섬유로 이루어지며, 경우에 따라서는 단층구조 및 2층 이상의 다층구조의 여러가지 형태로 구비되고 있으며, 단층구조의 경우에 있어서는 중량이 100~350g/㎡, 합성섬유의 재질은 폴리에스테르, 폴리프로필렌 등을 한가지 또는 그 이상의 것을 혼합하여 사용을 하며, 단일층을 사용하므로써 부직포 필터 여재의 단점이 초기청정효율의 개선이 가능하며, 종이 필터여재의 단점인 압력손실의 상승없이 청정효율 성능과 분진유지용량을 높일 수 있다.

그리고, 다층구조로 이루어지는 열융착 필터여재는 합성섬유간의 결합을 니들펀칭으로 일차 결합후 열융착하는 방법과, 니들펀칭을 이루지 않고 열융착법으로만 결합하는 방법의 두가지가 있다. 열융착법에는 열, 초음파, 고주파 등이 있다.

위와 같은 방법에 의해서 수지접착제를 사용하지 않음으로써 수지접착제에 의한 눈막힘 현상을 현저히 줄임으로써 분진포집 효율과 분진유지 용량 그리고 통기저항을 이루게 한다.

본 발명에 있어서 다층구조 필터여재의 구성은 밀도 구배를 갖는 2층 이상의섬유층으로 이루어진 여재와, 단층구조를 갖는 여재로서 각 층의 섬유는 100% 열가소성 합성섬유를 사용하여 열융착에 의해 결속시킨 필터여재를 얻게 한다.

1)다층구조의 열융착 필터여재

종래의 부직포 필터여재는 밀도구배를 가진 다층구조로 되어 있으나 청정효율을 지배하는 것은 공기 유출측의 조밀층이며 청정효율을 높이기 위해서는 조밀층의 두께를 증가시키거나 수지 접착제의 양을 증가시키며 세공화를 추진한다. 그리고 분진유지용량을 좌우하는 층은 중간층과 벌키층에만 의존하게 되고, 조밀층은 그 역할이 미미하다. 자동차 엔진용 공기 청정용의 경우는 도로에서 발생하는 더스트 입경크기의 분포가 큰 것부터 작은 것까지 함께 존재하고 있다. 큰 입경의 더스트의 경우는 중간층과 벌크층에서 포집이되고 작은 입경의 더스트는 조일층에 의해 포집이 되는데 이와 같은 경우에는 청정효율을 높이기 위해 조밀층에 수지 접착제의 양을 증가시키면 공극이 작아지게 되어 눈막힘 현상이 발생하여 필터의 수명을 단축시키는 단점이 발생한다. 그리고 결속방법에 있어서는 니들펀칭과 수지접착제를 함께 사용을 하여 여재를 제조한다. 이와 같은 구조는 여재는, 조밀층이 중간층이나 벌키층에 비해 커튼이나 레이온 섬유를 많이 사용하기 때문에 수지 접착제 도포시 조밀층에 수지 접착제의 양이 상대적으로 높게 된다. 수지 접착제는 합성섬유들 간의 결속을 유지시켜줌과 동시에 합성섬유들 간의 공극을 좁혀 줌으로써 청정효율을 높게 유지시켜주는 역할을 한다. 그러나 더 높은 청정효율이 요구될 시에는 수지접착제의 양을 높임으로서 공극 사이를 많이 좁히거나 아예 공극이 막히는 현상이 발생하여 조밀층의 눈막힘이 빨라져서 여과 수명이 짧아지고 통기저항이 높아지며, 제조비용이 상승하게 된다. 이에 반하여 열융착 필터여재의 경우에는 수지 접착제를 사용하지 않고 각 섬유층간을 결속시키고, 열융착시 가해지는 온도와 압력으로 조밀층의 밀도가 종래의 여재에 비해 높게 유지가 되어 조밀층의 공극이 더 작게 그리고 더 많은 공극을 형성함으로서 세공화가 가능하고, 수지 접착제에 의해 발생하는 눈막힘 현상을 최소로하여 높은 청정효율을 유지함과 동시에 조밀층에서 분진유지용량을 크게 개선하여 필터의 여과수명을 길게 할 수 있다. 그리고 각층간의 합성섬유의 조성을 용융점 온도에 차등을 두어 각층을 구성함으로서 각층간의 밀도구배형성이 가능하여 높은 분진유지용량을 갖는다.

본 발명에 있어서 3층구조를 갖는 필터여재를 예를 들면 다음과 같이 만들어진다.

3층구조는 종래의 부직포 필터여재와 같이 조밀층, 중간층, 벌키층으로 구성이되며, 여기서 사용되는 원료는 100% 열가소성의 합성섬유만을 사용하고 최대한 동일계열의 합성섬유를 사용하는 것이 합성섬유간의 친화력이 유수하여 결속력이 우수하다. 그리고 합성섬유의 용융점의 범위는 100℃~260℃ 사이의 것을 선별하여 적절하게 각층간에 배분을 하여 밀도구배를 갖도록 설계를 하여 제조한다.

조밀층은 합성섬유의 직경이 작은 섬유가 주가되게 하고 용융점이 100℃~150℃ 정도의 저융점 합섬섬유를 80% 이상을 사용하고 나머지 부분은 융점이 160℃~260℃인 것을 사용되고 있으며, 중간층은 조밀층에서 구성한 섬유보다 평균 직경을 크게하고 저융점 합성섬유의 함유를 줄이고, 벌키층의 경우는 섬유의 평균 직경을 가장 크게하고, 저융점 합성섬유의 함유량을 가장 적게하여 구비된다.

이러한 각 층간의 결속방법은 1차로 니들펀칭을 한 후 서멀본딩법(열융착법)을 시행하는 방법과, 서멀본딩법만 시행하는 두가지 방법이 있으며, 서멀본딩법을 사용하며 결속시 온도는 두가지 결속방법 모두 150℃이상이며, 압력이 함께 가해지므로 제품의 두께를 얇게 제조하는 것이 가능하다. 서멀본딩법에는 도3에서와 같은 카렌다본딩법과, 도4에서와 같은 벨트프레싱법등을 사용할 수 있고, 서멀본딩법 이외에 초음파본딩법, 고주파 본딩법도 사용이 가능하다.

2) 단층구조의 열융착 필터여재

자동차 엔진은 사용하는 연료에 따라서 가솔린 엔진과 경유엔진으로 구별되고 있으며, 가솔린엔진은 점화플러그가 장착되어 있어 연료가 압축이 되었을 때 불꽃을 일으켜 폭발을 시키고, 디젤엔진은 연료가 압축이 될 때 압축열에 의해서 폭발을 일으키므로 불순물이 유입 공기중에 포함이 되어 있을 경우에는 엔진내 실린더 벽에 마모를 심하게 가져오는 원인이 되므로 필터여재의 청정효율이 높아야 한다. 그래서 가솔린 엔진에 사용되는 필터여재와 초기 청정 효율이 97.5% 이상이고, 경유 엔진 필터여재는 98.5% 이상을 요구한다.

부직포 필터 여재의 경우는 통기저항이 작고, 분진 유지용량이 큼에도 불구하고 경유 엔진 차량에는 위와 같은 이유로 사용하지 못하고, 가솔린 엔진용에만 한정적으로 사용이되고 있다. 종이 부직포 필터의 경우는 단일구조로서 밀도가 높아 초기 청정효율이 높게 유지되는 장점을 가지고 있으나 통기저항이 높고 분진 유지용량이 작은 단점을 가지고 있어서 현재 국내 상황은 부직포 필터여재가 중·대형 가솔린 승용차 중심으로 적용이 되고 있고, 승용·승차, 트럭 등 경유 엔진 차량을 중심으로 종이 필터여재가 사용되는 중이다. 본 발명에서는 부직포 필터여재로서 높은 초기 청정효율을 유지하면서 동기저항이나 분진유지용량이 높은 여재를 개발하여 가솔린엔진 차량과 경유 엔진차량에 동시에 적용을 시킬 수 있는 여재를 보급하는 것으로, 먼저 단층구조의 열융착 필터여재의 제조방법을 설명한다.

필터여재는 단층구조물을 가지며, 사용하는 원료는 수지 접착제를 사용하지 않고, 저융점 합성섬유와 일반 합성섬유만을 혼방하여 사용하여 수지접착제에 의한 눈막힘 현상을 줄여 필터 여재와 수명을 길게 한다. 또한 열융착 필터여재를 단층구조로 설계를 하여 제작한다고 할지라도 부직포의 경우에는 열이 직접도달하는 표면과 상태적으로 열이 적게 전달되는 중간층간에도 밀도의 구배가 발생되며, 카렌더물의 표면 모양 또는 벨트의 모양에 따라 열이 전도되는 양이 달라지게 되므로 대체적으로 밀도 구배가 형성되어 높은 분진유지분량을 유지하며, 공기저항의 상승을 방지한다. 섬유간의 결속방법은 다층구조의 열융착 필터여재와 동일하게 제조한다.

본 발명의 제조공정의 상세설명을 실시예에 의해 설명하고, 또한 종래의 여재와 비교한 실험결과를 설명한다.

실시예1(다층구조의 열융착 필터여재)

〈조밀층〉

저융점 폴리에스터(용융점: 110℃) 2.0D 100%

중량 : 80g/㎡

〈중간층〉

저융점 폴리에스터(용융점: 110℃) 2.0D 40%

저융점 폴리에스터(용융점: 110℃) 4.0D 40%

일 반 폴리에스터(용융점: 260℃) 3.0D 20%

중량 : 70g/㎡

〈벌키층〉

저융점 폴리에스터(용융점: 110℃) 4.0D 15%

일 반 폴리에스터(용융점: 260℃) 3.0D 30%

일 반 폴리에스터(용융점: 260℃) 7.0D 55%

중량 : 70g/㎡

총중량 : 220g/㎡

실시예2. (단층구조의 열융착 필터여재)

저융점 폴리에스터(용융점: 110℃) 1.7D 80%

일 반 폴리에스터(용융점: 260℃) 2.0D 20%

중 량 : 180g/㎡

실시예 1과 2는 수지 접착제를 사용하지 않고 합성섬유100%만으로 제조되며, 합성섬유의 처방 및 중량은 위와 같으며, 합성섬유의 결속방법은 니들펀칭을 철밀도 70분/㎠, 철심 4~5㎜ 정도로 약하게 일차적으로 결속을 시킨 다음 벨트프레싱 서멀본딩법으로 온도 200℃, 압력 5㎏f으로 2차 결속을 시행한다. 제품의 두께는 실시예 1은 2.3㎜, 실시예 2는 1.0㎜이다 결과 비교는 표1과 같다.

표1

필터종류	중 량(g/㎡)	두 께(㎜)	초기청정효율(%)	수명청정효율(%)	분진유진용량(g/530㎠)
실시예 1	220	2.2	98.5	99.0	60.1
실시예 2	180	1.0	98.8	99.3	39.8
비교예 1	250	3.0	97.7	98.8	62.3
비교예 2	140	0.65	98.8	99.3	23.2

위의 측정결과는 통기저항이 300㎜Aq 증가시 까지 측정한 결과이며, 실시예 1은 수지접착제를 사용한 종래의 부직포 필터 여재이고, 실시예 2는 종래의 필터여재이다. 위의 측정결과로 볼 때 실시예1은 높은 청정효율을 유지하면서도 분진유지용량이 비교예 1과 유사한 물성을 나타내어 종래의 부직포필터 여재의 청정효율을 충분히 개선이 가능하며, 실시예 2는 비교예 2와 비교하여 청정효율은 같은 수준을 유지하면서도 분지유지용량에서 성능이 많이 향상되어 있다는 것을 알 수가 있다.

본 발명은 수지접착제를 사용하지 않고 공기청정용 필터를 얻음으로써 수지접착제에 의한 눈막힘 현상을 현저히 줄임과 동시에 자동차에서 더스트의 여과 효율을 높이면서 분진포집 효율과 분진유지용량 그리고 통기저항을 함께 높여 필터의 사용 수명을 연장할 수 있다. 결과적으로 경제적이면서 안전한 사용을 이루는 효과가 있다.

Claims (5)

1. (정정) 자동차에 적용되는 다층구조의 공기청정용 필터여재에 있어서;

   섬유직경이 0.5~15데니어이고, 중량이 100~500g/㎡으로 폴리에스테르, 폴리프로필렌 등의 열가소성 합성섬유여재를 기초로 조밀층, 중간층, 벌키층를 구비하고 각층의 중량이 30~100kg/㎡으로 이루어짐을 특징으로 하는 공기청정용 필터여재.
2. (삭제)
3. (삭제)
4. (정정)자동차 공기청정용 필터여재를 제조함에 있어서;

   섬유직경 0.5~15 데니어이고 중량이 100~500g/㎡으로 폴리에스테르, 폴리프로필렌 등의 열가소성합성섬유여재를 기초로 조밀층, 중간층, 벌키층으로 적재된 합성섬유간을 니들펀칭으로 일차 결합한 후 열융착하여서 얻어짐을 특징으로 하는 공기청정용 필터여재 제조방법.
5. (정정)제 4항에 있어서;

   상기 니들펀칭 결합후 이루어지는 열융착은 다층 적재한 합성섬유간을 열, 초음파, 고주파 중 선택된 어느 하나의 열융착법으로 이루어짐을 특징으로 하는 공기청정기용 필터여재 제조방법.