KR100485568B1 - 고성능의 투과성 섬유상 구조물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 신규한 고성능의 투과성 및 강연성 섬유상 구조물, 및 이 구조물의 제조방법에 관한 것이다. 섬유상 구조물은 개선된 섬유 균일성 및 미립자 분포의 안정화된 미세구조물을 포함한다. 유리하게, 섬유상 구조물은 두께 감소의 결과로서 개선된 구조적 일체성 및 강연성을 갖는다.

Description

고성능의 투과성 섬유상 구조물{HIGH PERFORMANCE, PERMEABLE FIBROUS STRUCTURE}

본 발명은 기능성 미립자 함유 섬유상 구조물에 관한 것이다.

기능성 미립자는 다양한 이유로 섬유상 구조물에 혼입될 수 있다. 예를 들면, 군사용 화학적 방어 직물은 활성탄과 같은 증기 수착성(sorptive) 입자를 함유할 수 있다. 필터 매질 또는 필터는 필터를 통과하는 액체 또는 기체의 특정 성분을 선택적으로 제거하기 위한 수착성 입자를 포함할 수 있다. 기능성 미립자는 활성 시약 또는 바람직한 시약을 유체 스트림으로 방출하기 위해 사용될 수 있고, 유체 스트림 구성성분과 화학적 또는 촉매적으로 반응성일 수 있다.

특정 기능을 얻기 위해 활성 미립자를 함유하는 여과 매질 및 이로부터 제조된 필터는 일반적으로 더욱 많은 기능성 미립자가 제공될 때 더욱 잘 작용한다. 이것은 활성입자의 충전량(loading)이 높을수록 일반적으로 압력 강하가 커진다는 점에서, 매질/필터에 낮은 압력 강하가 요구되는 점과는 모순적이다.

마켈(Markell) 등의 미국 특허 제 5,328,758 호에 의해 예시된 바와 같이, 미립자로 채워진 섬유상 구조물이 공지되어 있다. 마켈은 2초 이상의 굴리 타임(Gurley time)으로 환산된 투과성을 특정하고, 굴리 타임은 캘린더 롤 압력의 증가에 따라 증가된다고 교시하고 있으며, 웹 두께를 압축하기 위해 캘린더링 또는 프레싱을 사용한다.

당해 기술분야의 진보에도 불구하고, 개선된 충전량의 기능성 미립자를 함유하면서도 허용가능한 투과성을 갖는 섬유상 구조물이 요구된다. 섬유상 구조물로부터 제조된 필터에서 특히 유리한 이점은 압력 강하에 대한, 매질 충전량 및 그에 따른 기능성 미립자 충전량의 비율이 개선된다는 것이다.

발명의 개요

본 발명에 따르면, 단위 부피(면적×두께)당 개선된 충전량의 기능성 미립자를 가지면서도 허용가능한 투과성을 갖는 섬유상 구조물은 바람직하게는 크림핑된 복합 섬유로 이루어진 섬유상 매트릭스를 기초로 한다. 이와 관련하여, 본 발명은 섬유상 매트릭스 및 부동화된 기능성 미립자의 균일성이 개선될 수 있고, 또한 사이징에 의해, 고도로 충전된 섬유상 매트릭스가 강연성을 갖게 될 수 있으며 그 구조적 일체성이 증가될 수 있다는 것을 발견한 것에 기초한다. 본 발명에서 "사이징"이란 용어는 두께가 감소되었음을 의미한다.

유리한 용도에서, 강인성 및 강연성을 갖는 얇은 섬유상 구조물은 주름형성이 가능하고, 주름진 형태는 동적 조건하에서 섬유상 구조물의 강연성을 현저하게 유지하여 필터 공간의 특정 부피내에서 압력 강하에 대한 매질 충전량 및 그에 따른 기능성 미립자 충전량의 비율을 개선한다.

하기 실시예에서 상세하게 기술된 본 발명의 용도에서, 예비형성되고 부분적으로 예비결합된 웹 사이에 배치된, 기능성 미립자 충전된 섬유상 매트릭스로 이루어지는 섬유상 구조물이 기술된다. 명료하게 기재하기 위해, 이하에서 "거대구조물"이란 용어는 기능성 미립자 충전된 섬유상 매트릭스 또는 매트릭스들을 본 발명과 관련성이 없는 예비형성되고 부분적으로 예비결합된 웹과 같은 웹과 구별하는데 사용된다. 이해하기 쉽게 명료하게 말하자면, 본 발명에 따른 사이징의 목적 및 효과는, 거대구조물의 두께 및 부피는 상당히 감소시키면서도 예를 들어 사용된 조건하에서 예비형성되고 부분적으로 예비결합된 웹의 경우에는 최소한의 두께 및 부피만이 감소하게 하는 것이다.

유리하게, 본 발명에 따른 섬유상 거대구조물은 비충전량(specific loading) 0.25g/cm³ 이상의 기능성 미립자를 포함하면서도 200Pa에서 100ℓ/cm²/hr보다 큰 공기 투과성을 갖는다. 본원에서, "비충전량"은 거대구조물의 단위 부피당 정규화된 충전량을 정의하고, "정규화된 충전량"은 미립자의 충전 질량 및 정규화된 겉보기 밀도를 기준으로 한다. 본원에서, 비충전량값은 보통 0.5g/cc의 겉보기 밀도로 정규화된다. 미립자 및 섬유가 점유하는 부피가 투과성 및 굴곡성을 결정하기 때문에, 비충전량은 통상적인 섬유상 구조물의 비율에 대한 미립자의 비율 대신에 유효 웹 부피중의 미립자 충전량을 정의하는데 유리하게 사용된다.

섬유상 거대구조물은 열적으로 결합되고 일반적으로 균일한 섬유상 매트릭스, 및 상기 매트릭스의 간극내에 일반적으로 3차원상 등간격으로 포획되고 상기 매트릭스에 접착에 의해 고정되어 구불구불한 흐름 경로를 형성하는 기능성 미립자로 이루어진 안정화된 미세구조물을 포함한다. 본 발명에 따르면, 섬유상 매트릭스의 균일도 및 미립자의 3차원상 등간격도가 유리하게 개선된다. 유리하게, 거대구조물은 사이징되고, 그 결과 강인성 및 강연성을 갖게 되며 상기 기술된 비충전량 및 투과성을 갖는다.

유리하게, 섬유상 매트릭스는 열연화성의 구조적 성분 및 저용융 성분을 유리하게 포함하는 크림핑된 복합 섬유로부터 형성된다. 바람직하게는, 크림핑된 복합 섬유는 3차원적으로 크림핑된다.

고도로 충전된 섬유상 거대구조물의 제조시, 일반적으로 균일한 매트릭스 또는 웹은 기능성 미립자의 포획을 위해 개방되고, 상기 미립자는 유리하게 매트릭스의 간극에 포획된다. 매트릭스는 각각의 섬유의 교차지점에서 열 결합되고, 또한 저용융 복합 섬유 성분은 유리하게 섬유에 입자를 접착시켜 고정시킨다. 미세구조물 안정화는 유리하게는 압력을 가하지 않고 열 처리에 의해 수행된다.

미세구조물 안정화후에, 거대구조물은 가열되고 사이징된다. 미세구조물 내의 상대적인 공간 관계는 사이징에 의해 변화되지 않고, 따라서 섬유상 매트릭스 및 부동화된 기능성 미립자의 개선된 균일성이 유지된다. 또한, 사이징은 유리하게 구조적 일체성을 증가시키고, 그 결과로서 강인한 거대구조물을 생산하고, 강연성을 증가시키고, 굴곡성을 증가시킨다. 사이징이 투과성을 감소시키지만 사이징된 거대구조물의 투과성은 그럼에도 불구하고 앞서 특정된 바와 같다.

신규한, 고도로 충전된 투과성의 강인성 거대구조물은 초기에는 상기의 최종 형태로 제조될 수 없다. 오히려, 웹 구조물의 개방이 미립자 분포의 균일성 및 포획, 및 구불구불한 흐름 경로의 형성을 위해 초기에 요구된다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 유리하게는 구조적 성분 및 저용융 성분을 포함하는 크림핑된 복합 섬유로 이루어진 미립자 부동화 섬유상 매트릭스에 기초한다. 유리하게, 구조적 성분은 기능성 미립자로 고도로 충전될 때에도 높은 구조적 일체성을 제공하고, 저용융 성분은 섬유상 매트릭스의 자가-결합을 제공하고 복합 섬유에 대한 미립자의 접착을 위한 높은 결합력을 갖는다.

적합한 복합 섬유의 구조적 성분으로서는, 약 240 내지 256℃의 융점을 갖는 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 같은 폴리에스테르가 특히 유용하다. 그러나, 저용융 성분보다 실질적으로 고온에서 용융하는 기타 열가소성 중합체 또는 열연화성 물질도 사용될 수 있다. 일반적으로 말하면, 유용한 구조적 성분은 저용융 성분보다 바람직하게는 약 30 내지 50℃ 이상 더 높은 온도에서 용융한다. 저용융 성분은 전형적으로 복합 섬유에 대한 기능성 미립자의 용융-접착성 및 섬유 대 섬유 결합을 최적화하도록 선택된다. 적합한 복합 섬유는 구조적 성분 및 저용융 성분과 구별되는 제 3 열가소성 성분으로 이루어질 수도 있다.

유리하게, 저용융 성분은 미립자 대 섬유 결합을 위해 약 20℃ 미만의 뚜렷하거나 규정된 융점을 갖는다. 뚜렷한 융점을 갖는 예시적인 열가소성 중합체는 폴리아미드 및 폴리에스테르, 특히 단독중합체를 포함한다. 융점이 더 뚜렷하거나 더욱 규정될수록 섬유 대 섬유 결합 및 미립자 대 섬유 결합은 더욱 고도로 조절가능한 경향이 있다. 중합체성 물질이 뚜렷한 융점을 갖는지 여부를 측정할 때, 융점은 일반적으로 상기 물질이 연화되고 점착성이 될 때 시작하여 상기 물질이 완전히 액체일 때 끝나는 것으로 간주되어야 한다. 용융 및 냉각 주기를 적절히 조절할 수 없으면 불리하다.

또한, 적합한 저용융 성분은 유리하게는 기능성 미립자의 상이한 표면상으로 및 표면 안으로 흐르고 강한 물리적 결합을 형성하기에 적절한 용융 유동성을 갖고, 또한 미립자의 적하 또는 바람직하지 않은 피복을 배제하기에 충분한 용융 점도를 갖는다. 미립자의 피복 정도는 또한 미립자 크기 및 섬유 데니어에 의존한다. 저용융 성분에 의해 제공되는 고도로 유효한 결합은, 바람직하게는 미립자 표면의 약 1%만을 커버하며, 그 자체로는 미립자의 성능을 크게 감소시키지 않는다.

바람직한 저용융 성분은 나일론-11 및 나일론-12와 같은 폴리아미드를 포함한다. 그러나, 폴리에틸렌과 같은 폴리올레핀, 및 개질된 폴리에스테르를 비롯한 기타의 중합체성 물질도 개선된 공정 제어를 이용하면 유용한 것으로 밝혀졌다.

동심원 외피-코어 섬유는 본 발명의 실시에 유용한 복합 섬유의 일례이다. 적합한 복합 섬유는 또한 이심원 외피-코어 섬유, 및 나란한 배치를 갖는 섬유를 포함한다. 이들 유형의 복합 섬유는 이성분 또는 헤테로필 섬유로 공지되어 있다. 유리하게는, 방적된 헤테로필 섬유가 사용될 수 있다.

복합 섬유의 데니어는 섬유상 매트릭스의 목적하는 특성에 따라 변화할 수 있다. 유용한 복합 섬유는 전형적으로 약 10μ 초과의 평균직경을 갖는 거대섬유이다. 유용한 거대섬유에 대한 전형적인 평균 직경은 목적하는 용도에 따라 약 12 내지 25μ일 수 있다. 필요에 따라, 섬유상 매트릭스를 형성하여 강하면서도 더욱 유연한 구조물을 생성하기 위해 거대섬유 대신에 미세 데니어 복합 섬유, 예컨대 0.5 내지 3의 평균 dtex, 특히 0.8dtex를 갖는 미세 데니어 복합 섬유가 사용될 수 있다.

부동화 매트릭스는 또한 비복합 섬유 또는 다른 물질을 포함할 수 있다. 필터에 사용하기 위한 부동화 매트릭스는 강연성을 제공하기 위해 6 내지 10,000dtex를 갖는 구조적 섬유를 유리하게 포함할 수 있고, 특히 많은 기능성 미립자가 사용되면 분진 미립자의 효과적인 여과를 위한 미세번수(microdenier) 섬유를 또한 유리하게 포함할 수 있다. 미세번수 섬유 또는 강연성 섬유는 복합 또는 비복합 섬유 또는 이들의 블렌드일 수 있다. 기능성 미립자를 포함하는 섬유상 구조물은 0.5 내지 50mm 이상의 두께일 수 있다.

본 발명에 따른 미립자-포획의 섬유상 구조물은 카딩에 의해 건식 형성되는 것이 유리하다. 건식 형성은 일반적으로 균일한 구조를 형성하는데 이롭고, 유리하게 미립자로 충전된 구조물중에 공기 또는 유체 흐름을 위한 구불구불한 경로를 제공함과 함께 기능성 미립자와 같은 상이한 물질의 조절된 도입, 이격 및 포획을 제공한다.

유리하게, 본 발명에 따른 부직물의 섬유상 매트릭스는 기능성 입자의 포획을 다소 높게 향상시키기 위해 크림핑된 복합 스테이플 섬유로부터 형성된다. 2차원 또는 3차원의 크림핑된 섬유가 유리하게 사용된다. 이러한 경우에, 복합 섬유는 3차원의 일반적으로 균일한 구조를 형성하기에 충분한 양으로 분포되어 존재함으로써 기능성 입자를 포획하고, 상기 구조물에 대한 상기 미립자의 용융 접착성을 제공하고, 유리하게는 두 지점 이상에서 상기 구조물에 대한 입자의 결합을 제공해야 한다. 본 발명에 따른 높은 미립자 충전량과 부합하게, 복합 섬유는 미립자의 양에 비해 적은 양으로 존재한다. 따라서, 미립자로 충전된 거대구조물의 단지 약 5 내지 20중량%만이 섬유인 것이 일반적으로 바람직하다. 주지된 바와 같이, 복합 섬유의 구조적 성분은 높은 구조적 일체성을 유리하게 제공하여 미립자의 고충전을 가능하게 한다. 두 지점 이상에서 구조물에 입자가 결합되어 구조적 일체성을 증가시킨다.

본 발명에 따르면, 개선된 비충전량-투과성은 매트릭스 섬유의 개선된 일반적인 균일도 및 섬유상 매트릭스의 3차원 공간내의 기능성 미립자의 개선된 일반적 등간격도를 통해 얻어진다. 유리하게, 섬유상 매트릭스 및 미립자의 개선된 일반적 균일도의 결과로서, 섬유상 매트릭스의 비교적 큰 부피가 미립자에 의해 점유되거나, 구불구불한 흐름 및 또한 허용가능한 투과성을 제공한다. 또한, 증가된 굴곡성과 함께, 미립자가 점유하는 부피와 흐름에 유효한 부피 비의 개선이 달성된다. 증가된 흐름의 굴곡성은 유리하게도 기체/액체와 기능성 미립자 사이의 보다 높은 상호작용을 달성하여 동적 조건하에서 기능성 미립자에 의해 더욱 유효한 동력학을 달성하도록 한다.

본 발명에 따른 개선된 비충전량-투과성을 얻는데 또한 중요한 것은 미세구조물 안정화후에, 거대구조물 부피는 감소하되 상대적인 미세구조물 이격 관계는 변화하지 않도록 거대구조물이 얇은 구조물로 사이징되고 경화됨으로써, 매트릭스 구조물의 개선된 일반적인 균일성 및 미립자의 개선된 3차원상 일반적 등간격, 및 허용가능한 투과성이 유지되어야 한다는 것이다.

유리하게는, 본 발명에 따른 고성능의 투과성 및 강인성 섬유상 거대구조물은 비충전량 0.25g/cm³ 이상, 바람직하게 약 0.30 내지 0.35g/cm³ 이상의 기능성 미립자를 포함하면서도 200Pa에서 100ℓ/cm²/hr, 바람직하게는 약 175 내지 200ℓ/cm²/hr 이상의 큰 공기 투과성을 갖는다. 앞서 기술한 바와 같이, 비교적 높은 비충전량이 요구되는 것은 비교적 큰 투과성과 모순적이다. 따라서, 높은 비충전량은 일반적으로 낮은 투과성을 야기한다. 언급된 바와 같이, 미립자 및 섬유가 점유하는 부피는 투과성 및 굴절성을 결정하기 때문에 비충전량은 유효 웹 부피중의 미립자 충전량을 정의하는데 유리하게 사용된다.

본원에서, 비충전량값은 기능성 미립자의 0.5g/cc의 겉보기 밀도로 정규화되었다. 그러나, 적합한 정규화 값은 고려되는 기능성 입자의 유형에 의존할 것이다. 다른 유형의 입자는 다른 겉보기 밀도를 갖기 때문에 정규화가 필요하다.

유리하게, 사이징 및 경화후에, 비교적 얇으면서도 고도로 충전되고 허용가능하게 투과성이며 보다 강연성인 섬유상 구조물은 뚜렷한 V자형 주름을 형성하도록 주름질 수 있고, 필터로 구성될 때 낮은 압력 강하를 현저한 특징으로 하는 필터를 생성한다. 또한, 뚜렷한 V자형 주름은 주름 사이의 공간을 감소시킴과 함께 단위 길이당 주름수를 개선시킬 수 있고, 이로써 필터의 부피를 충전시키며, 매질 충전량 및 그에 따른 미립자 충전량 대 압력 강하의 비율을 개선시킨다. 이해될 수 있는 바와 같이, 주름진 필터를 제조할 때 최고의 기능성 미립자 충전량 및 최저의 압력 강하의 이론적 균형점을 달성하는 것이 목적이다. 본 발명에서, 이 균형점은 개선된 미립자 충전량 및 웹 강연성 및 두께를 비롯한 인자의 결과로서 접근된다.

사이징 및 경화된 후에라도, 섬유상 구조물은 강연성이고, 그럼에도 불구하고 개선된 구조적 일체성 때문에 강인하고, 그 결과로서 균열 또는 손상없이 보통의 주름 기계상에서 주름이 형성될 수 있다. 구조물의 연성 및 가요성은 또한 가공 및 그의 최종사용중 기계적 남용에 대한 견고성을 제공한다. 강연성 구조물은 유리하게는 높은 공기 속도에서도 직립된 표면을 보유하여, 주름진 형태로 사용될 때 견고한 주름 공간을 가능하게 하고, 유사한 제품에 대해 통상적인 것보다 더 적은 주름 공간을 보유한다. 강연성 구조물은 또한 유리하게 주름의 균일성을 돕는다. 섬유의 열가소성 성질 때문에 상기 구조물은 형성후에 주름진 필터에 대한 주름의 열경화 또는 성형부의 열경화와 같은 열경화가 실시될 수 있다.

매트릭스 섬유, 및 섬유상 매트릭스내의 3차원상 등간격의 기능성 미립자의 일반적인 균일도에 영향을 미치는 인자는 섬유 데니어, 절단길이 및 크림프의 유형 및 양; 웹 개방, 질량, 로프트 및 섬유 사이의 간극 공간의 구조; 크기, 기하학적 형상, 밀도, 표면 특성 및 다공성을 비롯한 미립자 물성; 및 웹형성 공정, 미립자 첨가 및 웹 교반의 동력학을 포함한다. 이들 인자들중 일부는 선행기술에 어느정도 상세하게 기술되어 있으므로 본원에서는 자세히 논의하지 않겠다. 따라서, 예를 들면 미세한 섬유는 굵은 섬유보다 더 많은 섬유 표면을 제공하고, 따라서 주어진 섬유 중량에 대한 유효 표면적을 증가시키는데 사용될 수 있지만, 반대의 경우 반대의 상황이 된다. 웹형성 공정의 동력학의 중요성은 그로에게르(Groeger) 등의 미국 특허 제 5,486,410 호에 기술되어 있다. 또한, 미립자의 물리적 특성은 웹의 미립자 포획 간극 공간의 크기 및 기하학적 구조와 상호연관되어 있다는 것이 중요하다. 또한, 둘 이상의 양으로 미립자의 주어진 양을 분할하고, 이런 방식으로 상기 웹에 첨가하는 것이 미립자의 단일 첨가보다 전형적으로 바람직하다. 더욱이, 미립자 첨가동안의 웹의 기계적 또는 다른 적합한 교반, 또는 수직방향 및 측방향 분포를 촉진하기 위한 경사진 램프 또는 몇가지 다른 기법의 사용은 전형적으로 미립자 분포의 균일성을 촉진시킬 것이다.

섬유상 매트릭스내의 3차원 공간내의 매트릭스 섬유 및 기능성 미립자의 개선된 일반적인 균일도를 수득할 때 본 발명에서 특히 중요한 인자는 섬유 크림프이다. 2차원 섬유 크림핑도 이롭지만 3차원 섬유 크림핑이 전형적으로 더욱 나은 것으로 밝혀졌다. 이러한 개선은 3차원의 개선된 균일성에 일부 기인하는 것으로 여겨진다. 더욱이, 3차원적으로 크림핑된 섬유의 경우, 상대적으로 높은 비율의 크림핑이 본 발명의 목적을 위해 더 바람직하다. 예를 들면, 약 30% 이상의 크림프가 매우 유리한 것으로 밝혀졌다. 개선된 일반적인 균일성의 수득시 중요한 것은 또한 미립자 첨가동안의 선속도이다. 너무 빠른 선속도는 균일성을 감소시킬 수 있다. 또한, 미립자의 측방향 및 수직방향 이동을 제공하기 위해 미립자 첨가와 미세구조물 안정화 사이에 웹을 기계적 교반하는 것이 유리하다. 더욱 상세한 것은 실시예로부터 이해될 수 있다.

본 발명에 의해, 구조물의 표면으로부터 표면까지 섬유상 매트릭스의 3차원 공간내의 기능성 미립자의 등간격 정도가 개선되었음이 입증되었다. 또한, 섬유상 구조물내의 층 또는 블렌드, 심지어 친밀한 블렌드 형태의 둘 이상의 유형의 미립자가 첨가될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 변형예에서는 둘 이상의 다른 유형의 미립자가 섬유상 웹내에 분포 및 포획되되, 먼저 제 1 유형의 미립자가 첨가되고, 이어서 제 2 유형 등이 첨가되어 웹내에 각각의 미립자 층을 형성할 수 있고, 이때 상기 층 형성의 순서는 첨가 순서에 의존한다. 유리하게, 각각의 이러한 미립자층은 본 발명에 따르면 미립자의 3차원상 등간격을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이, 기능성 미립자는 단일 또는 다회 적용으로 가해질 수 있다. 일반적으로, 비교적 덜 치밀한 웹이 미립자의 단일 적용(그러나 대량 적용은 아님)에 더 적합하다. 또한, 미립자 첨가 속도가 중요하다. 따라서, 큰 균일성은 일반적으로 비교적 더욱 느린 첨가로부터 비롯된다.

일단 웹 매트릭스내의 미립자의 일반적 3차원상 등간격이 본 발명에 따라 달성되면, 미세구조물은 웹 매트릭스에 미립자를 유리하게 용융 접착시켜 미립자를 고정시키고, 개별적인 섬유의 교차지점에서 웹을 열결합시킴으로써 안정화된다. 생성된 섬유-섬유 결합은 일반적으로 복합 섬유 자체보다 강하고, 마찬가지로 미립자-섬유 결합은 상기 구조물을 강화시킨다.

미세구조물의 안정화는 미립자 충전된 매트릭스를 저용융 섬유 성분의 융점보다 높은, 전형적으로 약간 높은 승온까지 가열하여 저용융 성분을 조절가능하게 용융시켜 미립자 표면적에 실질적인 악영향이 없이 미립자를 효과적으로 상기 섬유에 결합하고 섬유상 구조물을 자가 결합시킴으로써 유리하게 달성된다. 유용한 승온은 구조적 성분의 융점보다 상당히 낮고, 열은 목적하는 결합을 얻기에 적합한 시간동안 적용된다. 비교적 높은 열 처리 온도의 선택은 일반적으로 비교적 짧은 노출시간을 요구하고, 반면에 비교적 저온의 선택은 보통 비교적 긴 노출시간을 요구한다. 저용융 성분의 너무 많은 흐름 또는 구조적 분해를 초래할 수 있는 처리 조건은 피해야 한다.

상기 열처리는 유리하게는 압력의 적용이 없다. 미세구조물 안정화를 수행하는 매우 적합한 방법은, 특히 기능성 미립자가 저용융 성분보다 상당히 낮은 비열을 가질 경우에는 IR 오븐을 통해 충전된 웹을 통과시키는 것이다. 미세구조물의 안정화는 유리하게 상대적 기하학적 치수 또는 관계의 변화없이 거대구조물 두께의 후속적인 감소를 허용한다. 따라서, 본 발명에 따르면, 섬유상 구조물의 증가된 균일성, 섬유상 구조물내의 미립자의 개선된 일반적 3차원상 등간격, 및 구불구불한 굴절 흐름 경로를 특징으로 하는 안정화된 투과성 미세구조물이 제조된다.

그 후, 본 발명에 따르면 거대구조물 치수, 특히 두께는 유리하게 변화될 수 있으면서도 입자 사이의 상대적인 거리와 같은 미세구조물의 상대적인 기하학적 관계는 유지된다. 본 발명에 따른 고도로 충전된 섬유상 거대구조물은 유리하게 구조적 일체성이 증가되고, 더 얇게 제조되고, 강연화될 수 있고, 또한 허용가능한 투과성이 유지되는 것이 밝혀졌다. 이와 대조적으로, 불균일한 미립자 분포를 갖는 고도로 충전된 구조물은 구조적 일체성 또는 얇거나 강연하게 제조될 수 없고, 또한 허용가능한 투과성이 유지될 수 없으며, 미립자 분포의 불균일성은 섬유 이동을 비롯한 문제점을 초래하고, 따라서 섬유상 구조물의 균일성과 상반된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 안정화된 미세구조물을 갖는 고도로 충전된 섬유상 거대구조물은 동일한 충전량의 미립자 및 섬유의 비사이징된 구조에 비해 강인성을 갖고 강연성을 가지며 보다 얇은 구조물을 생성하도록 가열 및 사이징되고, 이로써 거대구조물은 부피가 감소면서도 허용가능한 투과성이 유지된다.

이 결과는, 높거나 가장 높은 유리 전이 온도를 갖는 복합 섬유 성분의 유리 전이 온도보다 훨씬 높되 저용융 성분의 융점보다는 낮은 승온까지 가열하고, 이로써 복합 섬유를 열성형을 위해 연화시키거나 달리 적합하게 제조함으로써 달성된다. 이 열성형 온도는 물론 미세구조물을 불안정화시키지 않기 위해 미세구조물 안정화에 사용된 승온보다는 낮고, 열은 목적하는 효과를 달성하기에 적합한 시간동안 적용된다. 이 열처리 단계는 IR 오븐을 사용하여 편리하게 수행될 수 있다. 비교적 높은 열처리 온도의 선택은 일반적으로 비교적 짧은 노출시간을 요구하는 반면에, 비교적 낮은 온도의 선택은 전형적으로 비교적 긴 노출시간을 요구한다. 미세구조물의 불안정화를 초래할 수 있는 처리 조건은 피해야 한다.

적절하게 가열된 섬유상 구조물의 사이징은 적절한 닙 갭을 사용하여 유리하게 수행된다. 따라서, 기능성 미립자의 0.25g/cm³ 이상의 비충전량의 경우, 거대구조물 두께에 비해 너무 작은 닙 갭은 거대구조물을 파괴하고 구조적 일체성을 파괴한다. 그 결과로서, 섬유-섬유 결합이 파괴될 뿐만 아니라 섬유-미립자 결합 및 섬유상 거대구조물이 전혀 함께 유지되지 않는다. 다른 한편으로, 너무 큰 닙 갭은 본 발명에 따른 강인하고 강연화된 섬유상 거대구조물을 생성하지 않을 것이다. 그러나, 닙 갭은 저충전량의 미립자를 갖는 섬유상 구조물에 대해서는 중요하지 않다. 따라서 미립자의 약 0.20g/cm³ 이하의 비충전량의 경우, 적합한 생성물을 산출하는데 유용한 닙 갭의 범위가 비교적 광범위하다. 따라서, 본 발명에 사용하기에 적합한 닙 갭은 개선된 일체성 및 증가된 강연성을 가지면서도 허용가능한 투과성을 갖는 고도로 충전된 거대구조물을 제조하는데 효과적이다. 또한, 미세구조물내의 상대적인 공간 관계가 변화되지 않기 때문에, 섬유상 매트릭스 및 분포된 미립자의 개선된 일반적 균일성은 유지된다. 흐름 경로의 굴곡성이 또한 증가한다. 또한 닙 갭 선택에 대한 상세한 사항은 실시예로부터 이해될 수 있다.

이와 대조적으로, 마켈(Markell)의 특별한 목적은 허용가능한 투과성을 유지하는 것과 반대로 미립자 충전된 섬유상 구조물을 압축시켜 구조적 일체성을 달성하는 것이다. 마켈의 특허의 교시에 따른 섬유상 웹은 캘린더링 또는 압축의 결과로서 200Pa에서 약 20ℓ/cm²/hr 이하의 투과성을 가질 것이다.

단지 고도로 충전된 웹은 본 발명의 목적이 아니다. 큰 두께를 기초로 한 높은 충전량은 매질이 주름진 필터로 제조될 때 매질 충전량 대 압력 강하의 비율을 개선하지 않을 것이다.

또한 강인성 및 강연성을 갖는 더욱 가는 섬유상 매질을 얻는데 중요한 것은 사이징 단계후의 적절한 냉각이다. 0.25g/cm³ 이상의 비충전량의 경우, 신속한 냉각 및 그에 따른 신속한 열경화가 유리하다. 더많은 냉각 에너지 및 강한 냉각은 특히 신속한 열경화에 유리하다. 강한 냉각은 전형적으로 열경화의 재현성 뿐만 아니라 경화를 개선시킬 것이지만, 주위 공기 온도가 빠른 냉각을 제공하기에 충분할 정도로 낮은 일부 경우에는 주위 공기 냉각이 충분할 수도 있다.

기술된 바와 같이 경화된 섬유상 거대구조물의 개선된 강연성은 섬유 및 미립자의 개선된 일반적인 균일성에 의해 얻어진다. 또한, 복합 섬유의 선택이 중요하고, 이와 관련하여 특정 저용융 및 구조적 성분, 및 섬유 데니어가 중요하다. 이들 성분은 바람직하게는 섬유 대 섬유 및 섬유 대 미립자의 효과적인 결합 및 효과적인 열성형 및 열경화를 제공하도록 선택된다. 비교적 높은 섬유 데니어는 비교적 더 많은 강연성을 제공하는 반면 낮은 섬유 데니어는 비교적 적은 강연성을 제공한다. 또한, 중요한 것은 섬유 및 미립자의 구조적 배열, 및 섬유 대 섬유 결합과 미립자 대 섬유 결합 사이의 거리이다. 바람직하게는, 각각의 섬유 및 미립자는 수회 결합된다. 결합지점이 가까울수록 더 강연성의 웹이 생성되는 반면, 결합지점의 거리가 멀수록 덜 강연성의 웹이 초래된다. 증가된 일반적인 균일성은 더욱 가깝지만 더욱 균일하게 이격된 결합지점을 유도한다.

기능성 미립자는 섬유상 구조물에 바람직하게 혼입되는, 일정한 기능을 갖는 광범위한 물질로부터 선택될 수 있다. 유리하게, 기능성 미립자는 저용융 섬유 성분보다 상당히 낮은 비열을 갖고, 따라서 빠르게 가열되어 저용융 섬유 성분의 국소화된 유동성 및 그에 따른 우수한 구조적 일체성을 제공한다. 활성탄 입자 및 무기 산화물 및 수화물은 상당히 낮은 비열을 특징으로 한다. 활성탄은 보통 바람직하지 않거나 위험한 기체를 제거하기 위해 사용된다.

기능성 미립자의 다른 유형은 실리카, 제올라이트, 분자 체, 점토, 알루미나, 중탄산나트륨, 이온 교환 수지, 효소시약을 비롯한 촉매 시약, 산화금속, 및 살생물성, 살진균성, 살균성, 공기 청정성 및 향신 미립자를 포함한다. 살균성 미립자는 순환공기로부터 곰팡이 및 곰팡이 냄새를 제거하기 위해 자동차 기후 조절 시스템용과 같은 필터 구조물에 혼입될 수 있다. 상기 열거한 것은 이용가능한 광범위한 기능성 미립자의 대표적인 것을 의미하는 것이지 본 발명의 실시에 사용하기에 적합한 물질을 제한하는 것은 아니다.

기능성 미립자는 평균 직경 약 1μ 이하 내지 약 3 내지 5mm 이상의 크기일 수 있고, 예를 들면 규칙적으로 형상화된 구형 비이드 및 실린더에서 불규칙적으로 형상화된 입자 또는 과립형까지 형상이 다양할 수 있다. 그러나, 언급된 바와 같이 미립자는 유리하게는 웹 구조물에 의해 포획되는 적당한 크기를 비롯한 적합한 물성을 갖는다. 약 400 내지 500μ의 활성탄 입자는 약 15μ의 평균 직경을 갖는 섬유로부터 제조된 일반적으로 균일한 웹에 포획하기에 매우 적합하다. 공극 공간의 크기가 일반적으로 기능성 미립자의 첨가로 인해 감소될 것이고, 따라서 더 큰 크기의 미립자가 일차로 포획되고, 그런 다음 다르게 포획될 수 없는 더 작은 크기의 미립자가 첨가되어 포획될 수 있다.

유리하게, 기능성 미립자의 높은 충전량 및 흐름 경로의 증가된 굴곡성의 결과로서, 상당한 분진 제거 효율성 및 분진 보유능이 존재한다.

또한 개선된 일반적인 균일성의 결과로서, 다중웹 섬유상 구조물의 개선된 균일성이 달성될 수 있고, 일체성이면서 겉보기에 단일층인 섬유상 구조물이 제조될 수 있다. 실시예에 예시된 바와 같은 다중웹 섬유상 구조물은 유리하게 웹 표면 아래로부터 대향면 아래까지 함유된 미립자에 의해 개선된 일체적 특성을 갖고, 이는 유리하게 미립자가 없는 표면을 제공한다. 계면결합이 접촉 웹의 섬유의 상호혼합으로부터 비롯되고, 상기 섬유는 열 적용시 단일 구조물을 생성하도록 섬유 대 섬유 결합을 형성한다.

비충전량 또는 미립자(예, 크기 또는 유형) 또는 섬유 면에서 또는 필요에 따라 다른 면에서 웹끼리 서로 다른 다중웹 섬유상 구조물이 제조될 수도 있지만, 어떤 경우에도 각각의 이러한 웹은 본 발명에 따라 매트릭스 섬유 및 미립자에 있어서 일반적으로 균일할 것이다. 미립자의 분포에서 구배가 함께 생기는 서로 다른 웹의 적층물이 구성될 수도 있다. 또한, 본 발명에 따라 제조된 코어 구조물내 또는 코어 구조물로의 상이한 물질의 적층 뿐만 아니라 편면 구조를 비롯한 기타 배열이 이루어질 수도 있다.

또한, 이러한 다중웹 섬유상 구조물의 적층물이 제조될 수 있다. 이들 적층물은 허용가능한 투과성을 갖는 고충전량의 두꺼운 구조물을 제조하기 위해 사용될 수 있다. 이들 적층물은 개인 보호 필터를 비롯한 필터로 구성하기 위해 필요에 따라 주름질 수 있다. 주름질 때 본 발명에 따른 비교적 얇은 적층물의 압력차는 흐름을 갖는 추가의 구조물 두께의 간섭을 비롯한 이유로 비교적 두꺼운 적층물의 압력 강하보다 작을 것이다.

본 발명에 따른 다중웹 섬유상 구조물은 하나 이상의 미세섬유 웹을 유리하게 포함할 수 있다. 이들 웹은 일반적으로 미세 간극 또는 공극을 특징으로 하는 흐름 경로를 형성한다. 미세 섬유 웹의 평균 공극 크기는 미세섬유의 양 또는 직경을 변화시켜 조절될 수 있지만, 유용한 미세섬유 웹은 전형적으로 약 3μ 이하의 미립자의 효과적인 제거에 적합한 다공성을 가질 것이다.

유리하게, 미세섬유 웹은 다중웹 섬유상 구조물내에 배치될 것이다. 전형적으로, 여과 용도의 경우, 미세섬유 웹은 기능성 미립자를 함유하지 않을 것이고, 최소량의 미세섬유가 목적하는 여과 효율성을 수득하는 것과 양립하도록 사용될 것이다.

미세섬유는 일반적으로 작은 직경, 전형적으로 10μ 미만의 평균 직경의 임의의 섬유일 수 있다. 예를 들면, 중합체성 미세섬유 또는 광물성 미세섬유, 또는 미세섬유 유형의 혼합물일 수 있다. 여과 구조물에 특히 적합한 미세섬유는 약 5μ 이하, 바람직하게는 약 1 내지 3μ, 매우 바람직하게는 약 1 내지 2μ의 평균 직경을 갖는다. 1μ 미만의 섬유를 비롯한 다른 섬유상 물질이 상기 구조물내에 또는 구조물상에 포함될 수도 있다. 상이한 직경의 미세섬유들이 조합될 수도 있다. 유리하게는, 용융 취입된 중합체성 미세섬유가 사용될 수 있다.

중합체성의 단일성분 미세섬유는 사용되는 가공온도를 실질적으로 초과한 온도에서 용융하는 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT)와 같은 폴리에스테르로 제조될 수 있다. 미세섬유는 증기 수착성 탄소 섬유와 같은 기능성 섬유일 수도 있다. 탄소/중합체성 미세섬유 블렌드 또는 기타 적합한 기능성 블렌드가 사용될 수도 있다.

웹은 상이한 유형의 미세섬유로부터 형성될 수 있다. 하나의 미세섬유 웹은 단지 여과에 적합한 섬유로 제조될 수 있고, 다른 미세섬유 웹은 증기 수착성 탄소섬유와 같은 기능성 섬유일 수 있다. 따라서, 다중웹 섬유상 구조물은 상이한 기능을 갖는 미세섬유 웹을 함유할 수 있다.

본 발명에 따른 다중웹 섬유상 구조물은 하나 이상의 직물층과 접촉할 수 있다. 이들 직물층은 본 발명의 섬유상 구조물밖에 또는 구조물내에 위치될 수 있다. 이들 직물층은 부분적으로 밀집된 부직물을 비롯한 부직물, 직물, 편직물, 다공성 부재 등일 수 있다. 이들 직물층은 적층되거나 섬유상 구조물에 달리 적절하게 부착될 수 있다. 이들 직물층은 발수성 등과 같은 유용한 기능을 가질 수 있다.

다른 물질과 조합된 본 발명의 섬유상 구조물은 수착성 라이너로서 및 신발, 차폐물, 방, 텐트, 차량 및 기타 용도를 위한 구조물로서 모든 종류의 필터에 유용하다. 열주형부는 안면 마스크, 후드 또는 다른 적합한 용도에 유용하다. 브라운(Braun)의 미국 특허 제 3,971,373 호는 선행기술의, 입 및 코 위에 착용하도록 된 컵 형상을 갖는 안면 마스크를 예시하고 있다. 마찬가지로, 본 발명의 섬유상 구조물을 포함하는 텐트 또는 다른 차폐물과 같은 봉입물이 열주형 또는 열성형에 의해 제조될 수 있다.

필터 용도는 자동차, 트럭, 기타 차량, 비행기, 잠수함 등에 적합한 캐빈 공기 필터를 포함한다. 필터는 가열, 통풍 및 공기 조절 및 체류 공기 정화제, 청결한 실내 처리, 식품 가공, 흡연실, 장례실 등에 사용할 수 있다. 용도는 고순도 물의 제조를 위한 여과 및 위스키, 식초 등의 제조시 색소 또는 부산물의 제거를 위한 액체 여과를 포함한다.

섬유상 구조물은 주름진 형태, 튜브, 포켓(포켓 필터에서와 같은), 블랭킷, 롤, 백, 공기 도관 등의 도관, 및 덕트라이너를 비롯한 다양한 형태로 사용될 수 있다. 섬유상 구조물은 단독으로 또는 적층되어 사용되거나, 또는 다른 직물, 필터 매질, 필름, 플라스틱 및 멤브레인과 조합하여 사용될 수 있다.

하기 실시예의 대부분에서는 기체 여과를 언급하지만, 기체 및 액체 가공 및 앞서 기술된 목적 뿐만 아니라 액체 여과에도 유용하다. 발명의 상세한 설명 및 이들 실시예에서 달리 기술되지 않는 한, 모든 공정은 주위온도 및 압력에서 수행되고, 모든 비율은 중량/중량이다.

실시예 1

3.2dtex, 38mm의 절단 길이, 나일론 외피/폴리에스테르 코어 헤테로필 스테이플 섬유의 2개의 개방 웹을 1.6dtex의 크림핑된 헤테로필 스테이플 섬유의 예비형성되고 부분적으로 예비결합된 웹상에 카딩하여 형성하였다. 개방 웹 섬유의 크림프는 3차원적이며 30 내지 35%의 크림프를 가져 매트릭스 섬유의 균일도를 개선한다. 각각의 개방 웹은 11g/m²의 섬유로 이루어지고, 개방 웹은 총 약 20mm의 두께이다.

0.45mm의 평균 직경 구형 활성탄을 중력에 의해 분포시키고, 2개의 개방 웹내에 포획하여 목적하는 섬유 대 미립자 중량비를 얻었다. 미립자의 측방향 이동을 제공하기 위해 경사진 램프의 사용을 비롯한 23m/분의 선속도, 2개의 거의 동일한 적용의 미립자 첨가 및 미립자 첨가와 미세구조물 안정화 사이의 구조물의 기계적 교반을 포함하는 가공 조건은 2개의 웹 각각의 섬유상 매트릭스내의 미립자의 3차원상 일반적 등간격도를 개선하는 것을 돕는다. 미립자 충전된 미세구조물을 안정화하고, 섬유에 미립자를 효과적으로 결합시키고 섬유상 구조물을 자가 결합하기 위해 IR 오븐에서 185℃보다 약간 높은 온도로 가열하여 외피 중합체를 조절가능하게 용융시킴으로써 단일의 웹 구조물을 형성하였다.

이어서, 섬유상 구조물을 약 5mm의 두께로 예비 사이징하였다. 미세구조물의 안정화 때문에 미세구조물의 변형없이 예비 사이징이 달성되었다.

첫 번째 것과 동일한 방법으로 유사한 구조물을 형성하고, 첫 번째 것의 절반을 두 번째 것의 상부에 거꾸로 적용하였고, 이는 매트릭스 섬유 및 다중웹 코어(또는 거대구조물)내에 부동화된 입자의 3차원상 등간격의 개선된 일반적인 균일도, 및 개선된 단일 특성도를 갖는 수직으로 대칭적인 구조물을 형성하기에 충분할 정도로 여전히 고온이었다. 이어서, 섬유상 구조물을 열성형을 위해 약 165℃로 IR 오븐에서 가열하여 섬유를 연화시키고, 가열된 구조물을 1.52mm의 닙 갭을 통과시켜 목적하는 두께를 얻고, 이를 주위 공기 냉각에 의해 경화하였다. 추운 기후 조건 때문에 공기 냉각이 충분하였다. 이렇게 하여, 섬유상 거대구조물을 사이징 및 경화하여 구조적 일체성 및 강연성을 증가시키면서도 허용가능한 투과성을 유지하였다. 미세구조물의 상대적인 기하학적 구조가 변화되지 않았기 때문에, 개선된 일반적 균일성이 유지되었다. 또한, 흐름 경로의 굴곡성이 증가되었다.

생성된 다중웹 섬유상 거대구조물은 1.65mm 두께이고 631g/m²의 활성탄 충전량(등가 부피는 1650cm³이다)을 가졌으며, 이는 0.44g/cm³(실제 탄소 충전량은 0.5g/cc의 겉보기 밀도를 기준으로 734g으로 정규화하였다)의 비충전량과 동일하다(정규화된 충전량은 정규화된 겉보기 밀도에 대해 조절된 충전 질량이다). 매질의 비충전량은 물론 매질이 추가의 섬유상 구조물을 함유함에 따라 더 적다. 매질은 물론 섬유상 거대구조물보다 작은 200Pa의 압력 강하에서 251ℓ/cm²/hr의 공기 투과성을 가졌다. 매질은 또한 우수한 일체성 및 강연성을 가졌다.

매질을 6.7mm의 주름 간격으로 주름지게 하고, V자형 주름을 열경화하고, 그런 다음 필터중에 457g의 활성탄을 갖고 및 6kg/분의 공기 흐름에서 95Pa의 압력 강하를 갖는 254×254×38mm 기상 차량 캐빈 공기 필터로 구성하였다. 상기 필터에 대한 동적 흡착능을 0.77m/초의 속도에서 80ppm의 톨루엔으로 충전시 흡착된 93.2g의 기체로서 측정되었다.

또한, 상기 매질은 분진 여과를 위한 미세섬유 또는 유사한 첨가제를 함유하지 않더라도 분진 필터로서 유용하다. 따라서, 상기 매질은 상당량의 분진 제거와 함께 흡착의 이점을 제공할 것이다.

비교 실시예 1

시판되는 선행기술의 유사한 사이징되고 경화되고 수직으로 대칭적인 단일의 다중웹 섬유상 구조물을 다른 활성탄을 사용하여 실시예 1과 같이 제조하였다. 다른 차이점은 2차원적으로 크림핑된 섬유, 28m/분의 높은 선속도, 및 기계적 교반 또는 경사진 램프의 무사용을 포함한다. 실시예 1의 섬유상 구조물에 비해, 이 섬유상 구조물은 매트릭스 섬유 및 미립자의 일반적인 균일도가 감소되었다. 그 결과로서, 이 섬유상 구조물이 실시예 1과 같이 높은 미립자 충전량을 갖는 것이 불가능하였다. 또다른 중요한 차이점은 0.52mm의 닙 갭의 사용이었다.

다중웹 섬유상 거대구조물은 1.62mm 두께이고 344g/m²의 활성탄(등가 용량은 1620cm³이다) 충전량을 가졌으며, 이는 0.20g/cm³의 비충전량과 동일하다(실제 탄소 하중은 0.5g/cc의 겉보기 밀도를 기준으로 331g/m²로 정규화하였다). 매질은 실시예 1과 비교하여 200Pa의 압력 강하에서 417ℓ/cm²/hr의 비교적 높은 공기 투과성을 가졌고, 양호한 일체성을 가졌고, 단일성이었다. 따라서, 낮은 미립자 충전량의 섬유상 거대구조물에 대해서는 작은 닙 갭이 가능하지만, 보다 큰 닙 갭이 보다 강연성의 구조물을 생성할 수 있는 것으로 현재 알려져 있다. 이와 대조적으로, 실시예 1의 섬유상 구조물은 더욱 강연성이고 더욱 단일성이었다.

상기 매질을 6.7mm의 주름 간격으로 주름지게 하고, V자형 주름을 열경화하고, 그 후 필터중에 253g의 활성탄을 갖고 6kg/분의 공기 흐름에서 135Pa의 압력 강하를 갖는 254×254×38mm 기상 차량 캐빈 공기 필터로 구성하였다. 따라서, 탄소 충전량은 실시예 1보다 상당히 작았지만, 이 주름진 필터의 압력 강하는 실시예 1보다 더 컸다(135 대 95Pa). 더 큰 압력 강하는 미세구조물의 적은 균일성 및 적은 강연성에 기인하는 것으로 여겨진다. 필터에 대한 동적 흡착능은 0.77m/초의 속도에서 80ppm 톨루엔으로 충전될 때 흡착된 42.2g의 기체로서 측정되었다.

실시예 2

실시예 1의 매질의 3개 층으로 이루어진 적층된 섬유상 구조물을 16.8mm의 이격된 주름으로 주름지게 하고, 열경화하고, 필터중에 990g의 활성탄을 갖는 357×244×65mm의 기상 차량 캐빈 공기 필터로 구성하였다. 필터는 8.5m³/분의 공기 흐름에서 320Pa의 압력 강하를 갖는 것으로 밝혀졌다. 필터에 대한 동적 흡착능을 0.62m/초의 속도에서 아세트알데히드 증기에 대해 시험한 바, 우수한 것으로 밝혀졌다.

실시예 3

3.6dtex, 38mm의 절단 길이를 갖는 폴리에틸렌 외피/폴리에스테르 코어 헤테로필 스테이플 섬유의 2개의 개방 웹을 1.2dtex 크림핑된 헤테로필 스테이플 섬유의 예비형성되고 부분적으로 예비결합된 웹상에 카딩하여 형성하였다. 섬유의 크림프는 2차원적이다. 각각의 개방 웹은 15g/m²의 섬유로 이루어지고, 총 개방 웹은 약 20mm의 두께이다.

30×50 메쉬 과립상 활성탄을 중력에 의해 분포시키고 목적하는 섬유 대 미립자 중량비가 얻어지도록 2개의 개방 웹내에 포획하였다. 실시예 1과 동일한 공정조건을 사용하여 본 발명에 따라 2개의 웹 각각의 섬유상 매트릭스내의 미립자의 3차원상 일반적 등간격도를 개선하였다. 미립자 충전된 미세구조물을 안정화하고, 단일의 다중웹 구조물을 실시예 1과 유사한 방법으로 형성한 다음 다중웹 구조물을 예비 사이징하였다.

첫 번째 것과 동일한 방법으로 유사한 구조물을 형성한 다음 다른 2개의 웹을 유사량의 섬유 및 이전과 같은 활성탄을 사용하여 이것의 상부에 형성하고, 이어서 처음의 다중웹 구조물을 두 번째 것의 상부에 거꾸로 적용하였다. 새롭게 형성된 2개의 웹을 또한 충분히 가열하여 개선된 일반적인 균일도 및 거대구조물내에 부동화된 미립자의 3차원상 등간격도 및 개선된 단일성도를 갖는 수직으로 대칭적인 구조물을 형성하였다.

이어서, 다중웹 구조물을 실시예 1과 같이 사이징하기 위해 제조중에 가열하고, 2.03mm의 닙 갭을 사용하여 사이징하고, 증가된 두께 및 다른 고려사항에 기인하여 적극적으로 냉각하였다. 생성된 섬유상 거대구조물은 2.56mm 두께이고 717g/m²의 활성탄 충전량(등가 부피는 2560cm³이다)을 가졌으며, 이는 0.37g/cm³의 비충전량과 동일하다(실제 활성탄 충전량은 0.5g/cc의 겉보기 밀도를 기준으로 943g/m²로 정규화하였다). 실시예 1과 비교하여, 이 거대구조물은 저비충전량을 가졌고, 이것은 2차원적으로 크림핑된 섬유의 사용에 일부 기인한다. 상기 매질은 200Pa의 압력 강하에서 253ℓ/cm²/hr의 공기 투과성을 가졌고, 매우 양호한 일체성 및 강연성을 가졌다.

상기 매질을 16.5mm의 주름 간격으로 주름지게 하고, 필터중에 4480g의 활성탄을 갖고 57m³/분의 공기 흐름에서 100Pa의 압력 강하를 갖는 610×610×140mm 기상 필터로 구성하였다. 상기 필터에 대한 동적 흡착능은 2.54m/초의 속도에서 400ppb H₂S로 충전시 흡착된 기체 117.2g으로서 측정되었다. 필터는 실내 공기 시스템, 휴대용 또는 고정형 공기 취급 장치 또는 연기 및 냄새 제거 후드에서 0.5㎛ 보다 큰 폐입자 및 기체성 성분의 제거에 유용하다.

실시예 4

사이징 및 경화되고 수직으로 대칭적인 유사한 단일형 다중웹 섬유상 매질을 실시예 1과 같이 제조하였다. 그러나, 상이한 미립자(평균 직경 0.5mm의 구형 제올라이트)를 사용하였다. 섬유상 거대구조물은 1.72mm 두께이고 907g/m²의 제올라이트 충전량(등가 용량은 1720cm³이다)을 가졌으며, 이는 0.35g/cm³의 비충전량과 동일하다(실제 제올라이트 충전량은 0.5g/cc의 겉보기 밀도를 기준으로 597g으로 정규화하였다). 매질은 200Pa에서 382ℓ/cm²/hr의 공기 투과성을 가졌고, 우수한 일체성 및 강연성을 가졌다.

상기 매질을 6.7mm의 주름 간격으로 주름지게 하고, 필터중에 227g의 제올라이트를 갖고 1.5m³/분의 공기 흐름에서 96Pa의 압력 강하를 갖는 140×140×44mm 건조제 필터로 구성하였다. 상기 필터는 수증기의 흡착 및 탈착을 위한 우수한 스윙(swing)능을 가졌다.

실시예 5

실시예 1의 매질의 3개 층으로 이루어진 적층된 섬유상 구조물을 13.1mm 이격된 주름으로 주름지게 하고, 열경화하고, 필터중에 104g의 활성탄을 갖고 85ℓ/분의 공기 흐름에서 47Pa의 압력 강하를 갖는 150×65×40mm의 기상 개인 보호 필터로 구성하였다. 상기 필터에 대한 흡착능은 64ℓ/분의 공기 흐름에서 1000ppm CCl₄로 충전시 10% 돌파까지 38분으로 측정되었다.

실시예 6

실시예 3에 따라 2개의 개방 웹을 형성하였다. 그런 다음, 30×50 메쉬 과립상 활성탄 및 연속적으로 30×50 메쉬 제올라이트상 과망간산칼륨을 웹에 가하여 60:40의 활성탄/과망간산칼륨 비를 갖는 목적하는 섬유 대 미립자 중량비를 얻었다. 웹 구조물을 비이터바(beater bar)에 의해 교반하여 두 개의 미립자의 일반적으로 균일한 분포를 촉진하였다. 각각의 미립자를 단일 적용물에 가했다. 본원에 특정된 것을 제외하고는 실시예 3과 유사한 공정 조건을 사용하여 미립자의 개선된 3차원상 일반적 등간격도를 달성하였지만, 이 경우에 2가지 유형의 미립자는 각각 일반적으로 균질한 층을 구조물내에 형성한다. 이어서, 미립자 충전된 미세구조물을 안정화하고 단일의 다중웹 구조물을 실시예 3과 동일한 방법으로 형성한 다음 예비 사이징하였다.

유사한 구조물을 첫 번째 것과 동일한 방법으로 형성한 다음 첫 번째 것의 절반을 두 번째 것의 상부에 거꾸로 적용하였고, 이는 본 발명에 따라서 개선된 일반적인 균일도, 거대구조물내의 부동화된 미립자의 3차원상 등간격도 및 단일 특성도를 갖는 수직으로 대칭적인 구조물을 형성하기에 충분할 정도로 여전히 고온이었다. 과망간산칼륨을 구조물의 코어에 위치하였고, 활성탄을 표면에 비교적 근접하게 위치하였다.

최종 단계로서, 섬유상 구조물을 열성형을 위한 제조시 가열하고, 1.52mm의 닙 갭을 사용하여 사이징하였다. 생성된 거대구조물을 1.79mm 두께이고 448g/cm²의 활성탄 및 과망간산칼륨 충전량(등가 부피는 1790cm³이다)을 가졌으며, 이는 0.28g/cm³의 비충전량과 동일하다(실제 충전량은 0.5g/cc의 겉보기 밀도를 기준으로 502g으로 정규화하였다). 상기 매질은 200Pa의 압력강하시 458ℓ/cm²/hr의 공기 투과성을 가졌고, 양호한 일체성 및 강연성을 가졌다.

실시예 7

실시예 1과 같이 2개의 개방 웹을 형성하고, 그 안에 활성탄을 포획하고, 다중웹 구조물을 예비 사이징하였다. 이어서, 유사한 구조물을 첫 번째 것과 동일한 방법으로 형성하되, 단 PBT 섬유의 11g/m²의 용융 취입 웹을 예비형성되고 부분적으로 예비결합된 웹에 또한 포함하였다. 첫 번째의 다중웹 구조물을 두 번째 것의 상부에 적용하였고, 이는 본 발명에 따라서 개선된 일반적인 균일도, 거대구조물내의 부동화된 미립자의 3차원상 등간격 및 단일 특성도를 갖는 단일형 섬유상 구조물을 형성하기에 충분할 정도로 여전히 고온이었다.

최종 단계로서, 섬유상 구조물을 열성형을 위해 제조시 가열하고, 1.52mm의 닙 갭을 사용하여 사이징하였다. 생성된 매질은 1.7mm 두께이고, 125Pa의 압력 강하에서 120ℓ/cm²/hr의 공기 투과성 및 우수한 일체성 및 강연성을 가졌다. 상기 매질은 우수한 흡착능 이외에, 전형적인 254×254×38mm 혼합 기상/미립자 제거용 차량 캐빈 공기 필터에서 약 1.6m/초의 속도에서 3㎛ 입자에 대해 95%보다 큰 미립자 제거 효율성을 제공한다.

본 발명은 이의 사상 및 본질적인 속성으로부터 벗어남이 없이 다양하게 변형되어 실시될 수 있고, 따라서 본 명세서보다는 본 발명의 범주를 나타내는 첨부된 청구의 범위를 참고해야 한다.

Claims (8)

1. 비충전량(specific loading)이 0.25g/cm³ 이상인 기능성 미립자로 충전된 매트릭스를 포함하는 투과성 섬유상 구조물의 제조방법으로서,

   (a) 고용융 열가소성 중합체 성분 및 저용융 열가소성 중합체 성분을 포함하는 3차원적으로 크림핑된 스테이플 복합 섬유를 포함하는 개방되고 일반적으로 균일한 섬유상 매트릭스를 포함하는 섬유상 구조물을 형성하는 단계(이때, 상기 섬유상 매트릭스는 카딩에 의해 건식 형성된다);

   (b) 상기 개방되고 일반적으로 균일한 섬유상 매트릭스의 간극내에, 적합한 물리적 특성을 갖는 기능성 미립자를 충분한 충전량으로 분포 및 포획시켜 기능성 미립자를 일반적으로 3차원상 등간격으로 이격시키고 구불구불한 흐름 경로를 형성하는 단계;

   (c) 상기 섬유상 구조물을 압력을 가하지 않고 제 1 승온에서 열처리함으로써 복합 섬유의 저용융 성분이 섬유 교차지점에서 섬유와 섬유를 결합시키고 기능성 미립자를 섬유상 매트릭스에 용융 접착시키도록 하여 안정화된 미세구조물을 형성하는 단계;

   (d) 압력을 가하지 않고 수행되는 추가의 열처리 단계에 의해, 상기 미세구조물 안정화된 섬유상 매트릭스를 상기 제 1 승온보다 낮은 제 2 승온까지 가열하는 단계(이때, 제 2 승온은 열성형 온도이다); 및

   (e) 열성형 온도까지 가열된, 상기 미세구조물 안정화된 섬유상 매트릭스를 적합한 닙 갭을 사용하여 사이징하여 두께를 감소시키면서도 미세구조물의 상대적인 기하학적 관계를 유지하여, 미립자 충전된 매트릭스의 구조적 일체성 및 강연성을 증가시키고, 0.25g/cm³ 이상의 비충전량을 가지면서도 200Pa에서 100ℓ/cm²/hr보다 큰 공기 투과성을 갖도록 부피를 감소시키는 단계

   를 포함하고, 상기 투과성 섬유상 구조물은 투과성의 주름형성 가능한 섬유상 구조물을 제조하도록 주름형성이 가능한 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   섬유상 매트릭스가 예비형성되고 부분적으로 예비결합된 웹상에 건식 형성되고, 제 1 승온에서의 열처리는 예비형성되고 부분적으로 예비결합된 웹에 섬유상 매트릭스를 결합시키고, 기능성 미립자가 수착성(sorptive) 미립자이고, IR 열이 제 1 승온에서의 열처리에 사용되는 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   투과성 섬유상 구조물이 미세섬유 웹을 추가로 포함하고, 상기 미세섬유 웹은 예비형성되고 부분적으로 예비결합된 웹내에 배치되는 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   복합 섬유가 30% 이상의 크림프 비율을 갖고, IR 열이 추가의 열처리 단계에 사용되며, (e) 단계후, 미립자 충전된 매트릭스가 0.30 내지 0.35g/cm³ 이상의 비충전량 및 200Pa에서 175 내지 200ℓ/cm²/hr 이상의 공기 투과성을 갖는 방법.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   두께가 감소된 섬유상 매트릭스를 적극적으로 냉각시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   제 1 승온에서 열처리를 수행하기 전에, 기능성 미립자를 각각 포함하는 섬유상 매트릭스의 적층된 구조물을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   (e) 단계후, 주름을 형성하여 투과성의 주름진 섬유상 구조물을 제조하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
8. 제 1 항에 있어서,

   기능성 미립자가 활성탄인 방법.