KR100438331B1 - 내연기관 유입공기 정화용 여재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 대기중의 공기로부터 오염물질 등을 여과하여 정화하는 것으로, 장시간 사용이 가능한 내연기관 유입공기 정화용 필터 여재에 관한 것이며, 멜트 인덱스가 10 내지 400인 폴리프로필렌을 단독 또는 혼합하여, 섬유길이를 단섬유 내지 장섬유가 되도록 멜트브로운 방사하므로써 50 내지 390 g/m2중량이 되는 외재와; 멜트 인덱스가 60 내지 900인 폴리프로필렌을 단독 또는 혼합하여, 섬유길이를 단섬유 내지 장섬유가 되도록 멜트브로운 방사하므로써 10 내지 200 g/m2중량이 되는 내재를 포함하여 구성되고, 상기 외재의 통기량이 120~200cc/cm2/sec이고 내재의 통기량은 70~150cc/cm2/sec이며 전체 중량 60~400g/m2범위에서 전체 통기량이 60~150cc/cm2/sec가 되도록 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관 유입공기 정화용 여재를 제공하며, 또한, 외재와 내재용 원재료를 각각 투입하는 투입과정과; 투입된 원재료를 60도 내지 120도 각도를 갖는 노즐을 통하여 섭씨 170도 내지 350도 범위의 열풍 속으로 각각 방사하는 멜트브로운 과정과; 방사되는 섬유를 컨베이어 또는 드럼으로 포집하는 포집과정과; 포집된 여재의 경도를 높이기 위하여 지지재를 투입할 것인지 판단하는 판단과정과; 상기 판단과정을 거쳐 지지재를 투입하지 않는 경우 섬유를 영구적으로 대전시키는 정전처리과정과; 웹을 권취하는 권취과정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로하는 내연기관 유입공기 정화용 여재 제조방법을 제공한다.

Description

내연기관 유입공기 정화용 여재 및 그 제조방법{A MANUFACTURING METHOD AND A MATERIAL OF FILTERING INFLOW AIR FOR ENGINE}
본 발명은 대기중의 공기로부터 오염물질 등을 여과하여 정화하는 공기필터용 여재에 관한 것으로, 특히, 멜트브로운 공정에 의하여 사용수명을 연장하고 장시간 사용이 가능한 내연기관 유입공기 정화용 필터 여재에 관한 것이다.
공기정화 필터(FILTER)는 오염된 공기로부터 오염물질을 포집 또는 여과 또는 차단하므로써, 공기를 오염물질로부터 보호하는 것으로, 일반적으로 여과기라고도 하며, 여과방식에 따라 건식여과방식과 습식여과방식으로 분류된다.
상기와 같이 대기중의 공기로부터 오염물질을 필터, 여과하거나 또는 포집하는 방식은, 기계적 포집방식과 정전기 포집방식으로 구분되고, 사용되는 주변환경 온도도 중요한 분류 요인 중에 하나이다.
이하, 종래 기술에 의한 내연기관 유입공기 정화용 여재를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
종래 기술을 설명하기 위하여 첨부된 것으로, 도1 은 일반적인 기계적 필터의 포집개념도 이고, 도2 는 일반적인 정전기 필터의 포집개념도 이며, 도3 은 필터의 포집 방식별 입자크기 대 포집효율 관계도 이다.
상기 첨부된 도1을 참조하여 기계적 포집에 의한 대기 중의 오염입자 포집방식을 일 예로써 설명한다.
상기 기계적 포집은 관성효과, 차단효과, 확산효과와 중력효과로 구분되며, 첨부된 도1의 A를 참조하여 관성효과(INERTIAL EFFECT)를 먼저 설명한다.
대기 중의 공기에는 다양한 오염입자가 포함되어 있으며, 상기와 같은 오염입자 중에서 무거운 오염입자는 관성력에 의하여 여재 섬유 주위에서 발생하는 공기의 흐르는 방향으로 유동하지 못하고 직진하려는 경향이 있게 된다.
상기와 같이 중량이 비교적 무거운 오염입자는 관성에 의하여 여재 섬유와 직접 충돌되므로써 포집된다.
상기 관성효과는 유속과 오염입자의 크기가 증가할수록 그리고, 여재의 섬유 직경이 감소할수록 그 효과가 증가한다.
또한, 상기 도1의 B에 도시된 것과 같은 차단효과(INTERCEPTION EFFECT)는, 공기의 흐름방향으로 오염입자가 진행하는 경우, 상기 오염입자의 반경(r)보다 더 큰 반경(R)을 갖는 여재의 섬유상 옆을 지나갈 때, 상기 반경이 작은 입자(r)는 섬유에 부딪치게 되므로써 포집된다.
상기와 같은 차단효과는 공기의 흐름 형태가 변하지 않는 경우, 유속의 영향을 받지 않고, 오염입자의 크기가 증가할수록, 섬유사이의 간격이 감소할수록 포집효과가 증가하는 특징이 있다.
또한, 상기 도1의 C에 도시된 것과 같은 입자의 브라운(BROWN) 확산에 의한 확산효과(DIFFUSION EFFECT)는, 공기 중에 0.1 ㎛ 미만의 입자가 분자의 열적운동인 브라운 운동(BROWN MOTION)에 의하여 임의 확산을 하게 되는데, 상기와 같은 확산에 의하여 오염입자가 섬유상에 포집되는 것이다.
즉, 오염입자가 기류와 섬유표면간의 농도 차이로 섬유상에 부착하여 포집되는 것이다.
상기와 같은 확산효과는 유속이 느릴수록, 입자의 직경이 작을수록, 그리고 섬유의 직경이 감소할수록 그 효과가 증가하는 특성이 있다.
상기 도1의 D에 도시된 것과 같은 중력효과(GRAVITY EFFECT)는, 큰 직경을 갖는 오염물질의 느린 이동속도에 의하여, 상기 오염물질에 중력이 작용하고, 상기 중력에 의하여 섬유상에 떨어지는 오염입자를 상기 섬유상이 포집하는 것이다.
상기 정전기(ELECTRET) 포집방식은, 첨부된 도2에 상세히 도시되어 있으며, 정전기를 이용하여 오염입자를 포집하는 것으로서, 통상적으로 공기 중에 부유하는 오염물질 또는 입자는 전기적으로 + 또는 - 의 전하로 대전되어 있고, 정전기 처리된 여재 섬유와의 사이에서 발생하는 쿨롱력에 의하여 강하게 흡착되어 포집된다.
또한, 공기 중에 부유하는 입자 중에서 대전되어 있지 않은 입자는 여재가 형성하는 전계에 의하여 유전분극이 발생하고, 상기의 유전분극에 의하여 + 와 - 의 전하로 대전되므로, 상기 정전기 방식 필터 여재에 의하여 포집된다.
상기와 같은 정전기 방식 필터는 기계적 포집 필터 보다 입자 직경이 큰 오염물질에서 높은 포집효율을 나타내는 동시에 온도 의존성이 작은 특징이 있고, 일반적으로, 직경이 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛ 범위의 입자들은 정전기에 의하여 발생하는 인력에 의하여 용이하게 섬유상에 포집된다.
상기와 같은 기계적 및 전기적 방식의 공기정화기는 일반적으로 0.1 ㎛의 미립자로부터 수십㎛의 입자 크기를 갖는 미세한 오염물질을 포집한다.
상기와 같은 공기여과기에 사용되는 필터는 정화과정에서 낮은 압력손실과 높은 오염물질 포집 특성을 필요로 하고, 상기와 같은 특성을 비교적 만족하는 필터(FILTER)가 정전기(ELECTRET) 방식의 포집필터이다.
상기 첨부된 도3은, 기계적 방식과 정전기 방식 여재의 여과에 의한 포집효율 및 입자 크기에 따른 상관관계가 상세히 도시되어 있는 것으로, 정전기 방식 필터 여재의 포집효율이 가장 좋음을 알 수 있다.
상기 도3을 참조하면, 포집되는 입자의 직경 크기가 1 ㎛ 이상에서는 확산효과가 거의 없고, 주로 차단효과와 관성효과가 중요하게 작용하며, 투과율은 입자의 크기가 증가할수록 감소한다,
또한, 낮은 유속에서는 입자가 여재의 섬유표면에 확산될 충분한 시간적 여유가 있지만, 높은 유속에서는 관성효과가 더 큰 역할을 하며 차단효과는 유속에 관계없음을 알 수 있다.
상기와 같은 특성을 만족하는 필터의 여재로써, 일반적으로 부직포(NON WOVEN)를 많이 사용한다.
상기와 같은 부직포는, 다수의 단섬유(STAPLE FIBER)를 소면(CARDING) 하여 웹(WEB)을 형성하는 건식공정(DRY LAID), 다수의 섬유들을 부드럽고 균일하게 물 속에 분산한 후, 벨트 스크린(BELT SCREEN)에 의하여 추출되면서 물이 제거되고 결합공정을 거쳐 웹(WEB)을 형성하는 습식공정(WET LAID), 다수의 구멍(NOZZLE)으로부터 추출되는 장섬유가 뜨거운 공기에 의하여 연신되어 웹(WEB)을 형성하는 스펀본드(SPUN BOND)공정, 다수의 섬유가 접착제에 의하여 접착되어 웹(WEB)을 형성하는 접착제공정, 다수의 섬유가 가열된 회전실린더 사이를 통과하거나 또는 열풍에 의하여 결합되어 웹(WEB)을 형성하는 열적결합공정, 다수의 섬유가 다수의니들(NEEDLE)에 의하여 물리적으로 결합하므로써 웹(WEB)을 형성하는 니들링(NEEDLING)공정, 다수의 섬유가 고압의 수류(WATER-JET)에 의하여 결합하여 웹(WEB)을 형성하는 수류공정 등이 있다.
일반적으로, 종이류 여재는 압력손실이 낮으면서 통기저항이 크므로, 여과면적을 넓게 하여야 통기저항을 낮출 수 있고, 부직포류 여재는 통기저항은 적고 압력손실이 낮으나, 밀도가 작은 즉, 벌키(BULKY)한 여과층과 조밀한 여과층으로 결합한 구조로 형성하므로써, 상대적으로 초기 여과효율이 떨어지는 단점이 있다.
상기와 같은 자동차 내연기관용 필터 여재를 통과한 공기는 1 마이크로미터(㎛) 이상의 오염입자를 초기 97.5% 내지 99% 까지, 수명청정효율 98.5% 내지 99.9% 까지 제거한다.
상기의 부직포 여재의 제조 과정은, 일 예로, 원료배합, 카딩(CARDING), 웨브 압착(PRESS), 니들펀칭(NEEDLE PUNCHING), 수지결합, 열풍 및 캔드라이어를 이용한 건조, 권취, 절곡/성형 및 골격부착 등의 순서로 다소 복잡하게 이루어졌었으나, 원료배합, 카딩, 웨브압착, 니들펀칭, 열풍건조, 권취의 순서로써 일부 개선되었고, 또한, 원료배합, 카딩, 웨브압착, 건조, 건조의 순서로 좀더 개선되었었다.
상기와 같은 종래 기술에 의한 부직포는 제조과정이 복잡할 뿐만 아니라, 상대적으로 가격이 비교적 비싼 등의 문제가 있었다.
본 발명은 폴리에스터(PET), 나일론(NYLON), 폴리프로필렌(PP), 폴리부틸테레프탈레이트(PBT) 등과 같은 방사 가능한 합성섬유를 이용하여멜트브로운(MELTBLOWN) 방법으로 형성되는 웹 또는 부직포를 에틸비닐아세테이트(EVA), 나일론(NYLON), 폴리에스터(PET)를 사용하는 핫멜트(HOT MELT)로 상호부착 할 수 있고 또한 다른 종류의 부직포 및 종이 여과지를 부착하여, 성형이 용이하고 재활용이 가능하며 장시간 사용할 수 있고 제조공정이 단축되는 동시에 가격적 경쟁력 있는 내연기관 유입공기 정화용 여재 및 제조 방법을 제공하는 것이 그 목적이다.
도1 은 일반적인 기계적 필터의 포집개념도 이고,
도2 는 일반적인 정전기 필터의 포집개념도 이며,
도3 은 필터의 포집 방식별 입자 및 효율 관계도 이고,
도4는 본 발명에 의한 부직포 여재의 멜트브로운 공정개념도 이며,
도5는 본 발명의 일 예에 의한 여재 단면 구성상태도 이고,
도6은 본 발명에 의한 부직포 여재 제조방법 순서도 이며,
도7은 확산효과와 관성효과의 입자크기, 유속, 밀도에 대비한 포집효과 대비도 이고,
도8은 일반여재와 정전기여재의 포집개념도 이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 **
10 : 호퍼 20 : 다이
30 : 포집기 40 : 정전처리부
50 : 권취부 70 : 외재
80 : 내재 90 : 지지재
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 본 발명은, 내연기관 유입공기 정화용 여재에 있어서; 멜트 인덱스가 10 내지 400 범위에서 상기 멜트 인덱스가 상이한 다수의 폴리프로필렌을 단독 또는 혼합하여, 섬유길이를 단섬유 내지 장섬유가 되도록 멜트브로운 방사하므로써 50 내지 390 g/m2중량이 되는 외재와; 멜트 인덱스가 멜 내지 900 범위에서 상기 멜트 인덱스가 상이한 다수의 폴리프로필렌을 단독 또는 혼합하여 섬유길이를 단섬유 내지 장섬유가 되도록 멜트브로운 방사하므로써 10 내지 200 g/m2중량이 되는 내재를 포함하여 구성되고; 상기 외재의 통기량이 120~200cc/cm2/sec이고 내재의 통기량은 70~150cc/cm2/sec이며 전체 중량 60~400g/m2범위에서 전체 통기량이 60~150cc/cm2/sec가 되도록 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관 유입공기 정화용 여재를 제공한다.외재 여재가 멜트 인덱스 501 이상에서 폴리프로필렌 수지, 에어온도, 에어립 간격등을 조정하면 제조할 수 있으나 방사 온도를 높이면 섬유가 가늘어져 상기의 통기량을 가지는 섬유 웹을 제조할 수 없고, 멜트 인덱스가 60 미만에서 방사 온도를 낮추면 섬유가 하드하고 섬유 형상이 없어 내연기관 유입공기 정화용 여재 및 그 제조 방법에 적합치 않는 여재로 된다. 또한 내재 여재가 멜트 인덱스가 60 미만에서는 고온의 공기 및 수지 온도를 높여야 작업이 가능하고 멜트 인덱스가 901이상에서는 수지 온도를 270도 이하로 낮추어야 하고 보통의 경우 섬유가 가늘어 내연기관 유입공기 정화용 여재 및 그 제조방법에 적합하지 않다. 상기의 외재, 내재를 혼합하여 전체 중량 60~400g/m2에서 전체 통기도 60~150cc/cm2/sec를 가지는 여재가 가장 적당하며 전체 중량 60g/m2이상에서는 두께가 높아 사출 금형 및 절곡 공정등 여러 가지 제반 사항에서 내연기관 유입공기 정화용 여재 및 그 제조방법에 다른 물성이 맞지 않아 실용성에는 적합치 않다.또한, 본 발명은 내연기관 유입공기 정화용 여재 제조에 있어서, 외재와 내재용 원재료를 각각 투입하는 투입과정과; 상기 투입된 원재료를 노즐을 통하여 섭씨 170도 내지 350도 범위의 열풍 속으로 각각 방사하는 멜트브로운 과정과; 상기 과정에서 방사되는 섬유를 컨베이어 또는 드럼으로 포집하는 포집과정과; 상기 포집된 여재의 경도를 높이기 위하여 지지재를 투입할 것인지 판단하는 판단과정과; 상기 과정에서 판단하여 지지재를 투입하지 않는 경우는 섬유를 영구적으로 대전시키는 정전처리과정과; 상기의 웹을 권취하는 권취과정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연기관 유입공기 정화용 여재 제조방법을 제공한다.지지재를 핫멜트로 결합하는 경우에는 그 방법에 따라 그 결과가 다르게 나타난다. 핫멜트를 0.5g/m2이하로 접착하면 결합력이 떨어지고, 6g/m2이상에서는 통기성을 저하시키고 유입 먼지가 핫멜트로 접착되어 내재의 역할을 상실할 수 있다.초음파로 결합할 경우 외재 또는 내재가 합섬섬유로 이루어져야 하고, 지지재가 천연섬유를 적정함량이상 다량 함유 시에는 초음파 결합은 되나 그 작업성이 떨어진다.이때에는 외재 또는 내재가 프리필터 역할로 항시 지지재 앞에 사용되어야만 효과가 크다.이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 내연기관 유입공기 정화용 여재 및 제조방법을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명을 설명하기 위하여 첨부된 것으로, 도4는 본 발명에 의한 부직포 여재의 멜트브로운 공정개념도 이며, 도5는 본 발명의 일 예에 의한 여재 단면 구성상태도 이고, 도6은 본 발명에 의한 부직포 여재 제조방법 순서도 이며, 도7은 확산효과와 관성효과의 입자크기, 유속, 밀도에 대비한 포집효과 대비도 이고, 도8은 일반여재와 정전기여재의 포집개념도 이다.
내연기관의 성능향상 및 대기오염 방지와 같은 환경문제가 부각되면서 내연기관의 연료가 원활하게 연소되도록 기화시키는데 필요한 유입공기를 깨끗이 정화할 필요가 있게 되었다.
상기와 같은 유입공기는 대기중의 공기를 이용하며, 상기와 같은 대기중의 공기에는 많은 오염물질이 포함되어 있으므로, 그대로 내연기관에 유입되면, 기화된 연료가 불완전 연소를 하여 대기를 다시 오염시키는 동시에 내연기관의 수명을 단축시키었다.
상기와 같이 공기로부터 불필요한 오염물질을 분리 또는 제거하는 것을 여과기 또는 필터기 또는 포집기(이하 여과기라 함)라고 하며, 상기와 같은 여과기가오염물질을 여과하는 여재로써, 가격이 비교적 저렴하고 대량생산, 성형 및 관리가 용이한 부직포를 많이 사용하고 있다.
상기와 같은 내연기관 유입공기 정화용 여재의 성능에 의하여, 즉, 오염되지 않은 청정한 공기를 내연기관인 엔진(ENGINE)에 주입하는 정도에 의하여 해당 엔진의 수명이 좌우되고 주변의 대기 오염도 줄일 수 있게 된다.
상기와 같은 여재는 통기성이 우수하여야 하는 동시에 오염물질의 입자크기와 오염물질의 밀도에 대비하여 우수한 여과(FILTER) 성능을 발휘할 수 있어야 한다.
본 발명의 멜트브로운(MELTBLOWN) 공정에 의한 부직포 형성 과정을, 첨부된 도4를 참조하여 설명하면, 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에스터(PET) 또는 폴리부틸테레프탈레이트(PBT) 또는 나일론(NYLON) 중에서 하나의 종류에 의한 재료만으로 이루어지는 원재료를 호퍼(HOPPER)(10)에 장입하고, 상기 호퍼(10)에 장입된 원재료는 다이부(20)에 의하여 섬유로 방사된다.
상기 방사되는 섬유는 직경이 0.3 마이크로미터(㎛) 내지 30 마이크로미터(㎛) 범위이다.
상기와 같이 다이부(20)에서 연속 방사되는 섬유는 측면에서 60도 내지 120도의 각도로 분사되는 섭씨 170도 내지 350도의 뜨거운 열풍에 의하여 녹으면서 길이 2 밀리미터(㎜) 내지 102 밀리미터(㎜)의 단섬유(STAPLE FIBER) 또는 장 섬유 상태로 끊어지고, 드럼(DRUM) 또는 컨베이어(CONVEYER)로 이루어지는 포집기(30)에 의하여 웹(WEB), 즉, 부직포(NON WOVEN)가 형성된다.
상기 부직포는, 플러스(+) 10 내지 100 킬로볼트(KV), 마이너스(-) 10 내지 100 킬로볼트(KV), 바(BAR) 간격 3 내지 10 센티미터(cm) 환경으로 구성되는 정전처리부(40)를 초당 3 내지 50 미터(m)의 속도로 통과하므로써, 섬유에 일정한 하전처리를 하게 되고, 상기와 같은 섬유는 영구적으로 대전상태가 유지되며, 상기와 같이 완성된 부직포를 보관하기 위하여 권취부(50)에서 권취한다.
상기 첨부된 도5를 참조하여, 본 발명의 일 예에 의한 여재의 구성을 설명하면, 대기로부터 직접 공기를 유입하므로써 오염물질을 1차 여과하는 외재(70)와,
상기 외재(70)와 일체로 형성되고, 상기 외재(70)가 1차 여과한 공기로부터 미세한 오염물질을 2차 여과하는 내재(80)와,
상기 내재(80)와 일체로 형성되고, 상기 내재(80)가 2차 여과한 공기를 다시 여과하는 동시에 상기 외재(70)와 내재(80)에 경도(HARDNESS)를 부가하여 성형성을 제고하는 지지체 또는 지지재(이하 지지재로 함)(90)로 구성된다.
상기 첨부된 도6을 참조하여 본 발명에 의한 여재 제조방법을 설명하면, 내연기관 유입공기 정화용 여재 제조에 있어서,
외재(70)와 내재(80)용 원재료를 각각 투입하는 투입과정(S10)과,
상기 투입된 원재료를, 60도 내지 120도 각도를 갖는 노즐을 통하여 섭씨 170도 내지 350도 범위의 열풍 속으로, 각각 방사하는 멜트브로운 과정(S20)과,
상기 과정(S20)에서 방사되는 섬유를 컨베이어 또는 드럼으로 포집하여 웹을 형성하는 포집과정(S30)과,
상기 포집된 여재의 경도(HARDNESS)를 높이기 위하여 지지재(90)를 투입할것인지 판단하는 판단과정(S40)과,
상기 과정(S40)에서 판단하여 지지재(90)를 투입하지 않는 경우는 섬유를 영구적으로 대전시키는 정전처리과정(S50)과,
상기 판단과정(S40)에서 판단하여 지지재(90)를 투입하는 경우, 핫멜트(HOT MELT)의 함침(IMPREGNATION)방식 또는 멜트브로운 스프레이(SPRAY) 방식 또는 핫멜트 웹 접합 방식 중에서 하나를 이용하여 접합하는 핫멜트 과정(S70)과,
상기 과정에 의한 웹을 섭씨 70도 내지 150도 범위의 온도에서 열풍 또는 프레스처리 한 후 상기 정전처리 과정으로 진행하는 열처리과정(S80)과,
상기 판단과정(S40)에서 판단하여 지지재(90)를 투입하는 경우, 초음파를 이용하여 접합 한 후 상기 정전처리과정(S50)으로 진행하는 초음파 과정과,
상기의 정전처리과정(S50)에 의한 웹(WEB)을 권취하는 권취과정(S60)을 포함하여 구성된다.
상기 첨부된 도7을 참조하면, 오염입자의 크기가, 일 예로, 약 1 마이크로미터(㎛) 이상에서는 확산효과가 거의 없어지고 주로 차단효과와 관성효과가 중요하게 작용하는 것을 알 수 있으며, 낮은 유속에서는 오염입자가 여재의 섬유표면에 확산될 시간적 여유가 충분하지만, 높은 속도에서는 관성효과가 큰 역할을 하는 것을 알 수 있다.
또한, 종래 기술 설명에서 첨부된 도3을 참조하면, 정전기 작용에 의한 여과효과는 확산효과와 관성효과에 비하여 아주 미세한 오염입자까지 포집할 수 있는 것을 알 수 있다.
상기 첨부된 도8은 정전기처리를 하지 않은 일반 여재와 정전기처리를 한 정전기 여재에 의한 포집 원리를 도시한 것으로, 일반 여재는 관성/차단/확산/중력 효과 또는 작용이 미치지 못하는 미세한 오염입자가 여재의 섬유사이로 통과되지만, 정전기 여재는 정전기의 인력에 의하여 아주 미세한 오염입자 까지 포집되는 것을 보여준다.
상기와 같이 유입공기 정화용 여재는 대기 공기 중에 포함되는 것으로써, 무겁고 큰 입자는 물론 0.1 마이크로미터(㎛) 내지 5 마이크로미터(㎛) 범위의 먼지 또는 오염물질의 입자를 포집하므로써, 내연기관에 청정공기가 유입되도록 하며, 장시간 사용하여도 여과효과를 계속 유지할 수 있도록 한다.
상기 지지재(90)를 포함하는 여재는 재활용이 가능한 폴리프로필렌(PP), 폴리에스터(PET), 폴리부틸테레프탈레이트(PBT) 또는 나일론 등으로만 제작한다.
상기와 같은 본 발명의 필터 여재는, 동일한 밀도구배를 갖는 단층 부직포 섬유로 또는 밀도 구배가 상이한 2층 이상의 다층 부직포 섬유층으로 구성된다.
상기 각 부직포는 멜트브로운(MELTBLOWN) 공정을 이용하여 형성되는 부직포 여재와, 단섬유 또는 장섬유로 형성되는 지지재(90)로 구성되며, 프리필터(PRE FILTER)의 기능을 하는 통기성 부직포 여재와의 결합에 의하여서도 구성된다.
상기와 같이 다층구조로 된 여재는, 조성 및 굵기가 다른 섬유를 방사하는 멜트브로운 공정에 의하여 형성되는 것으로써, 조직형상이 다른 2 종류의 부직포를 결합하여 얻어진다.
일 예로써, 섬유의 직경 또는 굵기가 10 ㎛ 내지 30 ㎛ 인 외재(70) 부직포층과 섬유의 굵기가 0.3 ㎛ 내지 10 ㎛ 인 내재(80) 부직포 층, 즉, 조직형상이 상이한 부직포 2개 층을 결합하는 동시에 상기 결합된 부직포 여재의 외재(70)는 중량 50 g/m2내지 390 g/m2가 되어야 하고, 내재(80)는 중량 10 g/m2내지 200 g/m2가 되도록 한다.
상기와 같이 순수하게 100%의 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에스터(PET) 또는 폴리부틸테레프탈레이트(PBT) 또는 나일론(NYLON)만을 사용하고 멜트브로운 공정으로 방사되어 형성된 웹(WEB)의 부직포를 다수 층으로 접합하는 경우, 별도의 접착제를 사용하지 않고서도 상호 결합이 직접 가능하게 할 수 있으나, 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 또는 나일론(NYLON) 또는 폴리에스터(PET)를 이용하는 핫멜트(HOT MELT)를 접면에 방사하여 접착할 수도 있다.
상기 멜트브로운 공정에 의한 부직포 섬유의 원재료는 폴리프로필렌(PP)이 적당하며, 터보엔진과 같이 엔진 내부의 뜨거운 공기를 재사용하는 경우, 내열성이 요구되는 여재의 내재(80) 원재료로써 폴리에스터(PET)를 사용하는 것이 적당하다.
상기 폴리프로필렌(PP) 원재료 수지는 MFR(MELT FLOW RATE) 또는 MI(MELT INDEX)에 의하여 멜트브로운 되는 방사섬유의 물성이 다양하게 변화되는 것으로써, 일 예로, MFR이 낮을수록 방사되는 섬유의 경도가 높아지고, MFR이 높을수록 방사되는 섬유가 가늘고 부드러워진다.
따라서, 상기와 같이 MFR(MI)이 각기 다른 폴리프로필렌(PP) 수지를 사용하므로써, 방사되는 섬유의 조직을 굵게 또는 세밀하게 조정할 수 있고, 종래의 부직포 공정에서처럼, 여러 가지 원료를 배합하는 과정, 카딩(CARDING) 과정, 밀도 구배 조정을 위한 압착롤 및 건조 공정을 거쳐야 할 필요가 없다.
특히, 멜트브로운 공정은 원재료 수지를 1차 가공 제조할 필요 없이, 곧바로 섬유를 방사 및 부직포를 형성하는 일괄공정이므로, 전체 공정이 단축되고, 생산가격이 저렴해 지는 장점이 있다.
상기와 같이 서로 다른 구배 또는 다른 조직 형상을 갖는 부직포를 상호 결합 또는 접합하는 경우, MI가 낮은 원재료는 수지결합을 사용하지 않아도 용이하게 결합되고, MI가 높은 원재료는 핫멜트(HOT MELT) 수지를, 그 도포량 0.5 g/m2내지 6 g/m2범위에서 사용하여, 압력손실이 발생하지 않고 재활용이 가능하도록 한다.
상기 핫멜트 수지는 함침(IMPREGNATION)에 의하여 도포할 수 있고, 멜트브로운 방식으로 동시 분사(SPRAY) 할 수 있으며, 웹 형상으로 된 것을 이용할 수도 있으나, 본 발명에서는 스프레이 방식으로 부직포가 형성될 때 동시에 분사하여 도포한다.
상기와 같이 멜트브로운 공정과 스펀본드 공정에 의하여 형성된 웹(WEB)의 부직포 층을 상호 결합하는 경우에도, 상기와 같이 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 또는 나일론(NYLON) 또는 폴리에스터(PET)를 이용하는 핫멜트(HOT MELT)를 접면에 스프레이(SPRAY) 방사 또는 도포하여 접착한다.
일 예로써, 종래에 멜트브로운 공정에 의한 방사섬유로 형성된 부직포와 MFR(MI)이 낮은 폴리프로필렌(PP) 스펀본드(SPUNBOND)로 형성된 부직포를 상호 결합하는 구조로써, 스펀본드층 + 멜트브로운층 + 멜트브로운층 + 스펀본드층으로 구성되는 것이 있었으나. 통기성 및 압력손실(STIFFNESS)이 적당하지 못하여 필터 여재로 사용하지 못하고, 일반산업용으로 사용된다.
상기 종래 방식의 멜트브로운 공정은 형성된 부직포가 소프트(SOFT) 하면서도, 압력손실(STIFFNESS)이 높으므로, 마스크, 유흡착제, 진공청소기용 여재, 공조용 여재 등으로만 사용할 수 있고, 자동차용 내연가관의 필터 여재로 사용할 수 없었다.
본 발명의 부직포 제작에 이용되는 멜트브로운 공정에 사용되는 것으로써, 섭씨 170도 내지 350도 범위의 온풍 또는 열풍을 출력하는 노즐인 에어립(AIR LIP)은 60도 내지 120도의 범위로 이루어져 있으며, 상기 노즐의 각도가 60도인 경우는 방사되는 섬유가 장섬유화 되는 경향이 있어, 완성된 부직포의 압력손실이 상대적으로 높다.
일 예로, 자동차용 내연기관의 공조시스템에서, 여재의 통기도가 20 cc/cm2/sec 내지 130 cc/cm2/sec 범위이어야만, 엔진 내 적정 공기를 유입할 수 있으며 제거하고자 하는 오염입자인 먼지입자를 포집할 수 있다.
상기 에어립(AIR LIP)의 각도가 클수록 단섬유화가 되므로, 완성된 부직포인 여재의 압력손실이 적다.
상기와 같이 자동차용 공조시스템에 적당한 20 cc/cm2/sec 내지 130 cc/cm2/sec 범위의 통기도를 갖추기 위하여서는, 컨베이어 또는 드럼으로 이루어지는 포집기(30)에 의하여 웹(WEB)이 형성되는 과정을 주의할 필요가 있는데, 상기컨베이어 또는 드럼에 의한 포집기(30)가 형성하는 각도에 의하여 웹(WEB)의 경도(HARDNESS)가 달라진다.
상기 폴리프로필렌(PP) 원재료 수지는 MI 10 내지 MI 900 사이의 원재료를 사용하는 것이 적당하며, 각 제조 회사별로 약간의 차이는 있을 수 있다.
상기와 같은 여재를 내연기관인 엔진 룸(ROOM)의 협소한 공간에 적합하게, 필터의 완제품으로 사용하기 위하여서는, 적당한 가공공정이 필요하며, 절곡공정이 그 대표적인 가공공정 예이다.
상기와 같은 절곡공정은 여과면적을 크게 하고, 면유속을 완화시키며, 오염입자인 먼지 포집량을 극대화하여 사용주기의 연장 및 자동차 엔진룸 내부에서의 소음방지 역할을 한다.
다른 설계 인자에 의한 공간문제를 해소하기 위한 형태변환이 가능하며, 상기와 같이 절곡을 하기 위하여서는 여재의 경도(HARDNESS)가 높아야 된다.
그러나, 본 발명에서는 멜트브로운 공정에 의하여 방사되는 섬유의 경도를, 상기와 같이 MFR 또는 MI를 조정하여 강화시킬 수 있다.
상기와 같은 경도(HARDNESS)를 기대치 이상으로 강화할 필요가 있는 경우, 별도의 지지재(90)를 이용하면 가능하며, 상기 지지재(90)로써 폴리프로필렌(PP)을 사용하는 경우는 스펀본드 공정에 의한 웹(WEB)을 사용하면 인열강도를 높일 수 있고, 폴리에스터(PET) 스펀본드 공정에 의한 웹을 사용하면 인장강도 및 절곡성을 높일 수 있다.
또한, 니들펀칭 공정이나 열융착 공정에 의한 웹, 종이여과지 또는 통기성이있고 경도가 높은 메시(MESH) 등을 지지재(90)로써 사용할 수 있다.
상기 지지재(90)를 결합하는 방법은 여러 가지가 있으나, 본 발명에서는 상기와 같은 핫멜트(HOT MELT) 스프레이(SPRAY) 방법을 사용하고, 상기의 핫멜트 공정은 여러 종류 및 형태의 부직포를 결합하는데 사용될 뿐만 아니라, 종이류로 이루어지는 여재와 멜트브로운 공정에 의한 부직포를 결합하는데도 사용된다.
상기와 같은 핫멜트 스프레이 방법은 열가소성 물질을 용융하여, 블록단위의 부직포 롤에 상기 용융된 물질을 일정한 량으로 함침시켜 올림으로써 부착하는 방법, 일정한 형상의 천공 메시(MESH)에 미세한 입자크기로 이루어지는 열가소성 물질을 도포한 후, 열 롤러에 의하여 접착하는 방법, 멜트브로운 공정과 동일하게 수지를 녹여서 뜨거운 공기로 방사하여 미세한 섬유를 웹(WEB) 단위에 도포시키는 방법 등 다양한 형태를 취할 수 있다.
상기 지지체를 사용하여 절곡성을 높이는 경우는 핫멜트(HOT MELT) 스프레이(SPRAY) 방법을 사용하는 것이 가장 압력손실을 적게한다.
특히, 상기와 같이 절곡공정에 사용되는 핫멜트의 원재료는 절곡공정에서 발생하는 가공온도를 견딜 수 있는 것으로 사용하여야 되며, 폴리프로필렌(PP)을 핫멜트 재료로 사용하는 경우는 일반 절곡공정에서 발생하는 온도보다 낮은 섭씨 100도 내지 160도 범위에서 가공온도가 발생되도록 유지하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 절곡 가공된 필터 여재를 사출이나, 우레탄 폼, 철판 등으로 외형 가공하여 최종 내연기관 유입공기 정화용 여재로 제조한다.
상기와 같이 멜트브로운 공정을 이용하는 본 발명에 의한 필터 여재의 제조실시예를 도표로 설명한다.
제1 실시예 :
제2 실시예 :
제3 실시예 :
제4 실시예 :
제5 실시예 :
상기와 같은 실시예를 이용하여 성능을 평가한 실험 결과는 다음과 같다.
상기와 같은 실험에 사용된 먼지 입자는 자동차 시험 규격 먼지인 AC-FINE (JIS 8종)을 사용하였다.
상기 초기효율측정은 먼지를 초기 6분간 시험(TEST) 한 후, 절대 필터에 걸린 먼지량을 측정한 결과이고, 수명청정효율은 압력손실 400 mmAQ 까지 측정한 결과이다.
상기와 같은 본 발명은 요약하면, 폴리프로필렌(PP). 폴리에스터(PET), 폴리부틸테레프탈레이트(PBT) 중에서 하나만을 원재료로 사용하여 멜트브로운 공정에 의한 섬유방사로 성형된 웹(WEB)의 부직포를 필터 여재로 사용하는 것이다.
상기 여재는 절곡가공성을 높이고 오염입자의 포집효율을 높이며 압력손실과 통기저항을 줄이기 위하여 조직 형상이 상이한 부직포를 상호 결합하거나 또는 지지체를 결합하는 경우 핫멜트 스프레이 방법 또는 초음파 공정을 사용하여 결합한다.
상기와 같은 여재는 기계적 필터 특성과 정전기 필터 특성을 결합한 상태로써 사용수명을 연장하므로 폐기물 발생을 줄이는 동시에 폐기된 필터 여재의 웹을 재활용할 수 있으므로 친환경적이 된다.
상기와 같은 구성의 본 발명은 자동차 공기정화용 필터의 여재를 제조하는데 있어서, 생산공정을 단축하여 제조원가를 줄이는 효과가 있다.
또한, 조직구조가 상이한 부직포 여재를 결합하는데 있어서 동일한 계열의 수지를 이용하는 핫멜트 공정 또는 초음파 공정을 사용하므로 폐기된 여재를 용이하게 재활용 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 필터 여재를 대전시켜 정전기에 의한 포집도 이루어지도록 하므로써, 성능이 제고되고, 사용수명을 연장하는 친환경적 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 내연기관 유입공기 정화용 여재에 있어서,
    멜트 인덱스가 10 내지 400 범위에서 상기 멜트 인덱스가 상이한 다수의 폴리프로필렌을 단독 또는 혼합하여 섬유 길이를 단섬유 내지 장섬유가 되도록 멜트 브로운 방사하므로써 50 내지 390 g/m2중량이 되는 외재와,
    멜트 인덱스가 60 내지 900 범위에서 상기 멜트 인덱스가 상이한 다수의 폴리프로필렌을 단독 또는 혼합하여, 섬유길이를 단섬유 내지 장섬유가 되도록 멜트 브로운 방사하므로써 10 내지 200g/m2중량이 되는 내재를 포함하여 구성되고, 상기 외재의 통기량이 120~200cc/cm2/sec이고 내재의 통기량은 70~15Occ/cm2/sec이며 전체 중량 60~400g/m2범위에서 60~150cc/cm2/sec의 전체 통기량을 가지도록 구성된 것을 특징으로 하는 내연기관 유입공기 정화용 여재.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 외재를 구성하는 방사 섬유의 직경이 10 내지 30 마이크로미터이고,
    내재를 구성하는 방사 섬유의 직경은 0.3 내지 10 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 내연기관 유입공기 정화용 여재.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 여재는 폴리프로필렌을 스펀본드 공정, 드라이 레이드 공정, 열융착 공정, 니들펀칭 공정에 의하여 중량이 10 내지 100 g/m2가 되는 웹 중에서 하나를 지지재로 사용하거나 또는, 열가소성 합성섬유가 포함되고 열가소성 수지가 함침되며 중량이 50 내지 200 g/m2가 되는 종이 여과지를 지지재로 사용하여 구성되고, 상기 지지재가 상기 외재 또는 내재와 접합되도록 혼입구성되어 있는 것을 특징을 하는 내연기관 유입공기 정화용 여재.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 여재의 각 층이 에틸렌비닐아세테이트, 나일론, 폴리에스터 중에서 하나를 0.5 내지 6 g/m2의 범위로 도포하는 핫멜트 스프레이에 의하여 접착되어 있거나 또는 초음파 처리에 의하여 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관 유입공기 정화용 여재.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 내연기관 유입공기 정화용 여재 제조에 있어서,
    외재와 내재용 원재료를 각각 투입하는 투입과정과,
    상기 투입된 원재료는 노즐을 통하여 섭씨 170도 내지 350도 범위의 열풍 속으로 각각 방사하는 멜트브로운 과정과,
    상기 과정에서 방사되는 섬유를 컨베이어 또는 드럼으로 포집하여 웹을 형성하는 포집과정과,
    상기 포집된 여재의 경도를 높이기 위하여 지지재를 투입할 것인지 판단하는 판단과정과,
    상기 과정에서 판단하여 지지재를 투입하지 않는 경우는 섬유를 영구적으로 대전시키는 정전처리과정과,
    상기의 웹을 권취하는 권취과정을 포함하여 이루어지는 구성을 특징으로 하는 내연기관 유입공기 정화용 여재 제조방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
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