KR100508678B1 - 진공 청소기용 집진백 및 여과기 - Google Patents

진공 청소기용 집진백 및 여과기 Download PDF

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Abstract

분진을 흡입/수용한 후 걸러낼 수 있는 여과 장치가 포함된 집진백으로서, 제 1 여과층이 제 2 여과층의 기류 방향 상류에 위치하여 공기 투과율이 우수한 일회용 진공 청소기 집진백을 제작하였다. 이때 제 2 여과층으로는 습식 적층 여과지, 건식 적층 여과지 또는 스펀본드 부직포와 같은 소재가 사용될 수 있다. 제 1 여과층으로는 고체적 멜트블로운 부직포, 건식 적층 소재의 용량지 또는 습식 적층 소재로 대형 분진을 흡입/수용할 수 있을 만큼 용량이 큰 스펀블로운 모듈러 또는 미세 스펀본드로 된 용량지가 사용될 수 있다. 적용된 대형 분진 용량지는 종전의 진공 청소기 집진백 및 그 구조물에 통상 사용되던 여과지보다 두껍고 공기 투과율이 더 우수한 특징을 갖는 여과지이다.

Description

진공 청소기용 집진백 및 여과기{VACUUM CLEANER BAG AND FILTER THEREFOR}
본 발명은, 시판되는 고급형 진공 청소기의 집진백(vacuum cleaner bag)과 비교하여 양호한 여과 효율 수치를 달성하면서도, 먼지 수용 용량의 측면과, 먼지 적재에 따른 압력 강하 증대의 최소화의 측면과, 집진백의 제작 및 형상 유지의 용이 측면 등에 있어서 기존의 진공 청소기의 집진백 구성들보다 현저하게 우수한, 진공 청소기의 새로운 일회용 집진백에 관한 것이다.
본 명세서에서는 진공 청소기의 새로운 집진백 필터의 두 가지 주요 실시예에 대해서도 개시하는데, 이들은 다중층(multilayer)으로 이루어진 집진백과 관련된다는 점에서 발명의 단일성 개념을 형성하는 것이다.
지난 수 년에 걸쳐 다수의 제조업체는, 구식인 단일 층의 종이 집진백과, 하류의 여과지 및 상류의 티슈형 페이퍼(tissue paper)로 구성된 공지의 두 겹 집진백을, 본 명세서에서 종종 "여과용 MB 플리스(filtration grade MB flece)"라고 불리우는 멜트블로운(MB: meltblown) 극세 웹(web)과 같은 섬유 플리스나 혹은 습식(wet-laid) 티슈 중의 어느 하나로 이루어진 상류층을 가지는 집진백으로 대체하기 위하여, 진공 청소기 집진백에 필요한 원재료 및 부품을 개발해 왔다. 일부 제조사의 경우 집진백에 소요될 비용을 삭감하고자 먼지 주머니없는 청소기를 판매한 경우가 있다. 그러나, 이런 종류의 진공 청소기는 흡입력이 떨어지고 먼지를 수용하는 먼지 수용실을 수작업으로 비워야 하고, 이로 인해 작업자와 작업 환경을 밀집된 먼지에 노출시킴으로써 애초의 이점은 거의 사라진다. 그럼에도 불구하고, 먼지 주머니 없는 청소기는 제조 업체들로 하여금 집진백의 전체적인 성능을 지속적으로 개선하도록 촉진시켰다. 특히, 먼지 주머니 없는 청소기는, 높은 공기 투과율 및 분진 수용 용량을 갖는 저밀도 고체적의 신형 필터를 제공할 수 있도록 하기 위해 건식 적층(dry-laying) 및 습식 적층(wet-laying) 기술에 의해 3차원적으로 무작위로 적층된 섬유재와 관련된다.
진공 청소기 집진백에 향상된 여과 효율을 제공하는 문제를 다룬 종래 기술이 있다. 홈 케어 인더스트리스 인코포레이티드(Home Care Industries, Inc.)의 미국 특허 제5,080,702호는, 병렬 층(juxtaposed plies)의 조립체, 즉 공기 투과 재료로 된 내층 및 외층으로 구성된 소모성 필터 용기 형태의 집진백을 개시하고 있다. 또한 미국 특허 제5,647,881호(유럽 특허 공보 제EP 0 822 775 B1호)는 외부 지지층과, 고유한 특성을 가지는 중간의 대전된 섬유 필터 층과, 적어도 하나의 봉합선을 제외하면 섬유 필터 층에 결합되지 않은 내부 확산 층으로 이루어진 3층 복합재를 개시하고 있다. 상기 확산 층은 그 주요 기능으로서 충격 하중에 대한 내성을 필터 백에 제공하는 것으로 기술된다. 게스너(Gessner)의 유럽 특허 공보 제EP 0 338 479호에서는, 세섬유화 플리스로 안을 댄(fibrillated fleece-lined) 여과지의 외층을 구비하는 분진 필터 백이 개시된다. 이때 여과용 세섬유화된 플리스 층은 여과지의 상류에 위치해 있다.
본 발명의 진공 청소기용 집진백에서, 내층의 주요 기능은 분진 저장 용량을 높이는 것이고, 이러한 크기의 특성은 종래 기술에서는 아직 개시된 바 없다.
위에서 언급된 특허들에 개시된 전체 내용은 본 명세서 중에 참고 문헌으로 포함되어 있다.
정전기로 대전된 MB 플리스의 출현에 따라, 적절한 공기 흐름에서 미세 분진의 99.8 ~ 99.9% 정도의 여과 효율을 가진 박층형 집진백을 생산할 수 있게 되었다. 그러나, 기존의 MB 플리스 웹(web)은 본질적으로 평판형 필터이다. 결과적으로, MB 플리스 웹을 이용하는 필터 구조는 빠르게 분진으로 채워져서, 그 공기 흡입 성능은 감소되고, 나아가 진공 청소기의 분진 흡입 능력을 잃게 된다. 오늘날, 표준 집진백은 200 ~ 400 L/m2s의 공기 투과율을 가진다. 종이류의 라이너(liner)와는 다른 라이너들을 조합하여 사용하는 것이 바람직한데, 다른 라이너에는 99.9%의 고효율을 보장함은 물론 DIN 44956-2 시험에서 측정된 최소한의 압력 구배 증가를 허용하여 높은 유량을 갖는 MB 라이너(MB liner)가 포함된다.
본 발명의 첫번째 목적은, 미세한 분진에 대해 매우 높은 여과 효율이 가능하고, 집진백이 채워질 때까지 압력 강하의 현저한 증가 없이 분진을 흡입하기 위한 지속적인 높은 흡입력의 면에서 진공 청소기의 성능을 최대화할 수 있는 신형 진공 청소기 집진백 복합재(copmposition)를 제공하는 것이다.
본 발명의 두번째 목적은 종래의 진공 청소기용 집진백의 제조 설비로 제조 및 성형되기 위해 요구되는 강성을 갖도록 한 조성물을 구비한 집진백을 제공하는 것이다.
본 발명의 세번째 목적은 최근 유럽 시장의 신조류에 발 맞추어 크기가 작은 소형 진공 청소기는 물론 이에 걸맞는 소형 집진백에 가장 적합할 수 있도록, 탁월한 여과 효율성을 보이며 막힘 현상도 거의 없고 고속 기류 흡입성까지 구비한 진공 청소기 집진백 매체(media)들을 제작하는 것이다.
본 발명의 상기 목적들 및 다른 목적들은 이하의 개시로부터 당업자에게 명확해질 것이다.
부직포 산업 협회(Association of the Nonwoven Fabrics Industry)에서 발행한 1992년판 부직포 핸드북에 포함된 모든 내용은 본 명세서에서 참고 자료로 포함된다.
도 1은 습식 적층된 티슈(집진백의 내부)와 여과지(공기 출구측)로 구성된 종래의 진공 청소기 집진백 구조의 개략적인 단면도이다.
도 2는 집진백 내부에 있는 극세사의 멜트블로운 플리스가 분진 수용 및 여과 부품 모두로 작용하는 2층형 진공 청소기 집진백의 개략적인 단면도이다.
도 3은 분진 수용 용량을 거의 가지지 않는 습식 적층 티슈 플리스가 부가되어 멜트블로운 플리스의 마모를 방지하는 3층형 진공 청소기 집진백의 개략적인 단면도이다.
도 4는 여과용 멜트블로운 플리스 전방에 특수한 고체적의 멜트블로운이 위치하고 집진백의 외부에 스펀본드층이 위치한 본 발명에 따른 3층형 진공 청소기 집진백 구조의 개략적인 단면도이다.
도 5는 여과용 멜트블로운 플리스 전방에 습식 적층된 용량 여과지가 위치하고, 집진백의 외부 층이 스펀본드, 건식 적층, 습식 적층, 하이드로인탱글드 (hydroentangled) 부직포, 망직, 또는 기타 다른 유형의 부직포이거나 직포인 스크림일 수 있는 본 발명에 따른 3층형 진공 청소기 집진백 구조의 개략적인 단면도이다.
도 6은 멜트블로운 플리스 전방에 건식 적층된 특수 여과지가 위치하고 집진백의 외부 층이 스펀본드, 건식 적층, 습식 적층, 하이드로인탱글드 부직포 또는 기타 다른 유형의 부직포인 스크림일 수 있는 본 발명에 따른 3층형 진공 청소기 집진백 구조의 개략적인 단면도이다.
도 7은 플리스/탄소층이 먼지 여과만을 하는 필터 조합체와 기본적으로 동일한 여과 특성을 가지는 악취 흡수층으로 배치되어 있는 예 7의 최신 진공 청소기 집진백의 개략적인 단면도이다.
도 8a는 본 발명에 따른 진공 청소기 집진백 구조의 일 실시예에 대한 개략적인 단면도이다.
도 8b는 본 발명에 따른 진공 청소기 집진백 구조의 일 실시예에 대한 다른 개략적인 단면도이다.
도 8c는 본 발명에 따른 진공 청소기 집진백 구조의 일 실시예에 대한 또 다른 개략적인 단면도이다.
도 8d는 본 발명에 따른 진공 청소기 집진백 구조의 일 실시예에 대한 또 다른 개략적인 단면도이다.
도 8e는 본 발명에 따른 진공 청소기 집진백 구조의 일 실시예에 대한 또 다른 개략적인 단면도이다.
도 8f는 본 발명에 따른 진공 청소기 집진백 구조의 또 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 8g는 본 발명에 따른 진공 청소기 집진백 구조의 또 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 8h는 본 발명에 따른 진공 청소기 집진백 구조의 일 실시예에 대한 또 다른 개략적인 단면도이다.
도 8i는 본 발명에 따른 진공 청소기 집진백 구조의 일 실시예에 대한 또 다른 개략적인 단면도이다.
도 8j는 본 발명에 따른 진공 청소기 집진백 구조의 일 실시예에 대한 또 다른 개략적인 단면도이다.
도 8k는 본 발명에 따른 진공 청소기 집진백 구조의 또 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 8l은 본 발명에 따른 진공 청소기 집진백 구조의 일 실시예에 대한 또 다른 개략적인 단면도이다.
도 8m은 본 발명에 따른 진공 청소기 집진백 구조의 일 실시예에 대한 또 다른 개략적인 단면도이다.
도 8n은 본 발명에 따른 진공 청소기 집진백 구조의 일 실시예에 대한 또 다른 개략적인 단면도이다.
도 8o는 본 발명과 관련된 진공 청소기 집진백의 기타 실시예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 8p는 본 발명에 따른 진공 청소기 집진백 구조의 일 실시예에 대한 또 다른 개략적인 단면도이다.
도 8q는 본 발명에 따른 진공 청소기 집진백 구조의 일 실시예에 대한 또 다른 개략적인 단면도이다.
도 8r은 본 발명과 관련된 진공 청소기 집진백의 기타 실시예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 8s는 본 발명에 따른 진공 청소기 집진백 구조의 일 실시예에 대한 또 다른 개략적인 단면도이다.
도 8t는 본 발명과 관련된 진공 청소기 집진백의 기타 실시예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 8u는 본 발명에 따른 진공 청소기 집진백 구조의 일 실시예에 대한 또 다른 개략적인 단면도이다.
도 8v는 본 발명과 관련된 진공 청소기 집진백의 기타 실시예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 8w는 본 발명에 따른 진공 청소기 집진백 구조의 일 실시예에 대한 또 다른 개략적인 단면도이다.
도 8x는 본 발명에 따른 진공 청소기 집진백 구조의 일 실시예에 대한 또 다른 개략적인 단면도이다.
도 8y는 본 발명에 따른 진공 청소기 집진백 구조의 일 실시예에 대한 또 다른 개략적인 단면도이다.
도 8z는 본 발명과 관련된 진공 청소기 집진백의 기타 실시예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 8aa는 본 발명에 따른 진공 청소기 집진백 구조의 일 실시예에 대한 또 다른 개략적인 단면도이다.
도 9는 예 1 내지 예 3 및 예 5 내지 예 7에서 실시된 DIN 44956-2에 의한 미립 분진 부하(PTI/fine)에 대한 진공 청소기 집진백을 가로질러서의 압력 강하(밀리 바)를 나타내는 그래프이다.
도 10은 예 4의 에어플로(Airflo)와 예 2의 3M에 대해 실시된 DIN 44956-2에 의한 미립 분진 부하(PTI/fine)에 대한 진공 청소기 집진백을 가로질러서의 압력 강하(밀리 바)를 나타내는 그래프이다.
도 11은 공기 유량 대 미립 분진 부하(PTI/fine)를 비교한 그래프이다.
도 12는 종래의 진공 청소기 집진백 구조에 대한 단면도이다.
도 13은 다른 진공 청소기 집진백 구조 구조물에 대한 단면도이다.
도 14는 본 발명에 따른 멜트블로운 중간층을 구비하는 향상된 성능의 집진백 구조에 대한 실시예의 개략적인 단면도이다.
도 15는 본 발명에 따라 습식 적층 여과지 층의 상류에 라텍스(latex) 결합된 플러프 펄프 섬유인 높은 분진 용량의 건식 적층 다목적 층을 구비한 향상된 성능의 집진백 구조에 대한 다른 실시예의 개략적인 단면도이다.
도 16은 본 발명에 따른 습식 적층 여과지 층의 상류에 열 결합된 높은 분진 용량의 건식 적층 다목적 층을 구비한 향상된 성능의 집진백 구조에 대한 또 다른 실시예의 개략적인 단면도이다.
도 17은 미립 분진 부하에 대한 선택된 진공 청소기 집진백의 구조물을 가로질러서의 압력 강하 그래프이다.
도 18a ~ 18p는 습식 적층 여과지 층이 최하류에 위치하는 본 발명에 따른 향상된 성능의 집진백 구조의 선택된 실시예에 대한 개략적인 단면도들이다.
도 19q ~ 19af는 스펀본드 플리스층이 최하류에 위치하는 본 발명에 따른 향상된 성능의 집진백 구조의 선택된 실시예에 대한 개략적인 단면도들이다.
도 20a ~ 20bl은 인접한 층들이 고온 용융 접착제에 의해 결합되는 본 발명에 따른 향상된 성능의 집진백 구조의 선택된 실시예에 대한 개략적인 단면도들이다.
공기 투과율이 400 L/m2s 이상에 달하는 일회용 진공 청소기 집진백을 개발하였다. 집진백의 외부(즉, 기류의 하류측)에 여과지를 위치시키던 전형적인 기존의 방식 대신, 여과용 MB 플리스/스펀본드(spunbond)로 이루어지는 2층식 구성요소의 여과지를 기류의 상류측에 위치시킴으로써 이와 같은 투과율이 실현되었다. 그러나, 종래 기술에 의한 집진백 구조의 경우 MB 플리스의 마모 방지 및 지지를 위해 MB 플리스의 상류에 경량(보통 13 g/m2)의 티슈형 플리스를 위치시킨 점에 주의하여야 한다. 이와 같은 경량의 티슈형 플리스는 소정의 매우 큰 분진 입자들만을 여과시킨다.본 신형 필터 백 구조에서는, 집진백 내부의 최상류 층에, 흔히 "고 분진 수용 용량", "다용도" 또는 "용량"지(紙) 혹은 층이라고 본 명세서에서 지칭되는 눈이 굵고 거친 여과지(coarse filter paper)를 위치시켜 사용할 수 있다. 본 발명에서는 경량의 티슈형 플리스, 망직(netting) 또는 기타 스크림(scrim)을 여과지 상류의 가장 안쪽 내부 층에 또한 선택적으로 사용할 수도 있다. 따라서, 크기가 큰 분진 입자들은 눈이 굵고 거친 여과지에 의해(그리고 경량의 티슈형 플리스를 사용한다면, 이에 의해서도 약간은) 제거된다. 집진백의 섬유들 중 여과용 MB 부분은, 분진 덩어리를 수용할 필요가 없기 때문에, 막힘 현상 없이 효과적으로 필터 역할을 할 수 있다. 또한 필요에 따라, 습식 적층 티슈를 눈이 굵고 거친 여과지의 전방에서 사용할 수도 있다. 이러한 구조물은 집진백의 내부에 MB 라이너들을 사용하고 분진의 수용 및 여과 모두에 대해 MB 웹에 의존하던 종전의 집진백 구조과는 전혀 다른 것이다. 게다가, 이러한 여과지에 의해 종래의 진공 청소기 집진백을 제조하는 설비로 본 신형 집진백 복합재를 제조 및 성형하기에 요구되는 강성이 집진백에 부여될 수 있다.
이와 같이, 상기 최신 진공 청소기 집진백은 눈이 굵고 거친 여과층의 평판형 복합재를 포함하며; 상기 눈이 굵고 거친 여과층의 평판형 복합재는, 여과용 멜트블로운 플리스 층의 기류 방향 상류에 위치하게 되는, (a) 습식 적층된 높은 분진 수용 용량의 여과지, (b) 건식 적층된 높은 분진 수용 용량의 여과지, (c) 큰 체적의 멜트블로운 부직포(meltblown nonwoven), (d) 스펀블로운 (모듈러) 부직포[Spunblown (Modular) nonwoven], 그리고 (e) 극세(microdenier) 스펀블로운 부직포 중 적어도 하나를 포함하고; 상기 집진백은 평판형 복합재 내에 적어도 하나의 공기 흡입구를 한정하는 수단을 구비하고 상기 평판 복합재를 가지고 적어도 하나의 접합(seam) 선에 의해 형성된다.
기류 흡입 경로의 하류에 위치하는 본 발명에 따른 여과 층은, 본 명세서에서는 "제 2 여과" 층 또는 "고효율 여과" 층이라고 호칭된다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 성능이 개선된 진공 청소기 집진백을 위한 복합재 구조물을 제공하며, 이때 복합재 구조물은, (a) 약 30 ~ 100 g/m2의 기본 중량과 100 ~ 3000 L/m2s의 공기 투과율을 가지는 습식 적층 여과지, (b) 약 10 ~ 100 g/m2의 기본 중량과 500 ~ 10,000 L/m2s, 바람직하게는 약 2,000 ~ 6,000 L/m2s의 공기 투과율을 가지는 열 결합된(thermally-bonded) 스펀본드 부직포로부터 선택되어, 제 2 여과층의 기류 방향 상류에 위치하는 "높은 분진 수용 용량", "눈이 굵고 거친", 또는 "용량" 여과지 혹은 층이라고 본 명세서에서 호칭되는 다용도 여과 층을 포함한다.
바람직한 예시는, 플러프 펄프(fluff pulp), (열 결합을 위한) 2성분 섬유 및 정전기로 대전된 분할 필름 섬유(split film fiber)의 혼합재를 포함하는 열 결합 건식 적층된 높은 분진 용량의 여과지이다. 일 태양에서, 성능이 개선된 최신 진공 청소기 집진백의 복합재 구조물은, 기본적으로, 약 3,000 L/m2s에 달하는 공기 투과율의 습식 적층 여과지 전방에 8,000 L/m2s에 이르는 공기 투과율의 습식 또는 건식 적층된 용량 여과지를 위치시키는 것을 포함한다.
또 다른 태양에서, 본 발명은 다용도 여과 층과 제 2 여과 층 사이에 위치하는 기본 중량이 약 10 ~ 50 g/m2이고 공기 투과율이 약 100 ~ 150 L/m2s인 멜트블로운 플리스 중간층을 선택적으로 포함한다. 일 변형예에서, 선택적인 멜트블로운 플리스 중간층은 정전기로 대전될 수 있다.
내마모성의 개선과 집진백의 제작 용이성을 위하여, 보통 약 13 g/m2의 기본 중량을 가지는 스크림을 다용도 여과층/제 2 여과층 쌍의 양면 또는 한면에 위치시킬 수 있다. 바람직하게, 스크림은 구조물의 최상류 층에 위치된다. 그리고, 성능이 개선된 본 신형 집진백의 일부 또는 전체 여과층들은 고온 용융 접착제에 의해 또는 열 결합이나 초음파 결합에 의해, 또는 상기 적층 기법들의 조합에 의하여 접착된다.
본 발명의 개선된 성능의 복합재 구조물을 사용하는 진공 청소기 집진백은 다른 진공 청소기 집진백 구조과 비교하여 우수한 여과 효율 성능을 가지는 것으로 확인되었다. 대표적으로, 개선된 성능의 구조물은, DIN 44956-2 시험에서 거의 95% 이상의 효율을 보이고, 필적할만한 타종의 집진백보다 두 배 내지 세 배의 DIN 분진 부하 주기를 실행할 수 있다. 또한, 표준형 습식 적층 여과지 전방의 스크림 또는 표준형 습식 적층 여과지 전방의 MB 여과 플리스 중의 어느 하나에 의해 특징지워지는 종래의 집진백보다 다섯 배까지 DIN 부하 주기를 가진다. 정전기로 대전된 MB 중간 층을 선택적으로 사용하면, 신형 구조물은 0.1 ~ 0.3 ㎛ 인 염화나트륨 입자에 대하여 상당히 높은 미세 분진 여과 효율을 가진다.
정전기로 대전된 MB 소재, 스펀블로운 모듈러 및 극세 스펀본드 매체와 같이 여과성이 높은 플리스를 본 발명의 최신 구조물에 적용할 수 있다.
본 발명이 제안한 여과기의 구조물은 진공 청소기 집진백에 적용되며 나아가 일반적인 진공 여과기에도 적용된다. "진공 여과기(vacuum filter)"는, 건조한 고체 입자를 수반하는 기체, 바람직하게는 공기가 여과기의 구조물(filter structure)을 통과함으로써 작동하도록 된 여과기 구조물을 의미한다. 본 명세서에서는 기류 방향에 관련하여 구조물의 측면과 층들을 언급하기 위하여 종래의 관례가 적용되었다. 즉, 예를 들어, 여과기의 흡입구측은 "상류"이고, 여과기의 배출측은 "하류"이다. 종종, 본 명세서에서 의미하는 " ~ 의 전방에"와 " ~ 의 후방에"라는 용어는 구조물 층들의 상대적 위치를 각각 상류와 하류인 것으로 나타내기 위하여 사용된다. 물론, 여과중에는 여과기를 가로질러서 종종 "압력 강하"라고 표현되는 압력 구배가 존재할 것이다. 진공 청소기들은 전형적으로 백(bag) 형상의 여과기를 사용한다. 통상적으로, 진공 집진백 여과기 상류측이 내부이고 하류측이 외부가 된다.
DIN 44956-2: 0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5 그램(gram) 레벨의 미립 분진에 의해 분진을 부하(負荷)한 후, DIN 44956-2 시험을 이용하여 서로 다른 다섯 가지 예의 청소기 집진백의 구조물에서 압력 강하의 증가를 측정하였다.
미립 분진 부하 시험 후의 공기 투과율: 각 샘플의 7개 집진백에 대하여 0 부터 2.5 g/m2s까지 0.5 g/m2s씩 증가시키면서 DIN 44956-2 시험의 분진 적재 파트(dust loading part)가 수행되었다. 그러나, 이 때 압력 강하 값은 다시 기록되지 않았다. 그 다음, 특정 수준의 분진 부하량을 가진 집진백에 대하여 최대 지속 가능한 공기 투과치(maximum sustainable air permeability value)가 측정되었다.본 특허 출원에서 언급되는 여과지의 유형은 아래에 매우 상세히 기술된다.
표준형 진공 청소기 여과장치용 여과지:
기존에 사용되던 통상의 여과지들은 종류 별로 대개 한 겹으로 구성되는데, 분진의 여과 및 함유 뿐 아니라 진공 청소기 집진백에 요구되는 강도와 마모 방지의 기능까지 갖추고 있었다. 또한 이러한 여과지들은 표준형 청소기용 먼지 주머니를 제작하는 설비 상에서 별 어려움 없이 조립/가공될 수 있도록 적정한 강성도 갖추고 있게 마련이다. 즉, 이러한 여과지는 주로 PET(Poly Ethylene Terephthalate)등의 다염기성 폴리에스터와 같은 합성 섬유를 6 ~ 7 % 함유한 비표백제 목재 펄프로 구성되고 습식 층화 공정(wet laying process)에 의해 생산된다. 표준형 여과지의 기본 중량은 통상 평방 미터당 30 ~ 80 그램 가량이며 주로 50 g/m2인 것을 사용한다. PET 섬유 분말의 입도(fineness)는 보통 1.7 dtex이고 길이가 6 ~ 10 mm이다. 또한 이러한 여과지의 공기 투과율은 200 ~ 500 L/m2s 가량 되고 먼지를 통과시키기 위해 여과지 상에 존재하는 세공의 평균 크기는 대개 30 ㎛이다. 그러나, DIN 44956-2 시험에서 측정된 유효 투과율은 86 % 밖에 되지 않는다. 또 기타 결점으로 들 수 있는 것은, 여과지 상의 세공들이 분진에 의해 곧 막히게 되고, 더욱이 단지 0.20 mm 가량의 매우 가는 여과지 두께에 의해 분진 저장 용량이 극히 제한된다.
스펀본드 부직포(Spunbond Nonwoven)
스펀본드 중합체 섬유의 부직포가 눈이 굵고 거친 층을 갖는 여과지의 하류 방향에 위치시켜 제2 여과층(secondary filtration layer)으로 사용될 수 있다. 활용 가능한 소재로는 폴리아마이드, 폴리에스터 또는 폴리올레핀 등과 같이 스펀본드가 가능한 모든 중합체 섬유재이다. 스펀본드 부직포의 기본 중량은 10 ~ 100 g/m2 가량이고 바람직하게는 30 ~ 40 g/m2이어야 한다. 스펀본드 부직포의 공기 투과율은 DIN 53887 시험에서 측정된 때에 대략 500 ~ 10,000 L/m2s 이고 바람직하게는 대략 2,000 ~ 6,000 L/m2s이어야 한다. 이와 같은 스펀본드는 정전기로 대전된다.
스크림 또는 지지용 플리스(Scrim or Supporting Fleece)
스크림(scrim)은 일반적으로 기본 중량이 가벼운, 상당히 개방된 다공질 여과지 또는 부직포 웹(web)을 지칭한다. 스크림의 기본 중량은 전형적으로 10 ~ 30 g/m2이고 주로 13 ~ 17 g/m2인 것을 사용한다. 종종 지지용 플리스라고 부르기도 하는 이러한 스크림의 공기 투과율은 500 ~ 10,000 L/m2s 가량으로, 높은 분진 용량의 다용도 여과층을 마모로부터 보호하기 위하여 주로 활용되는 소재이다. 또한, 스크림은 매우 큰 분진들도 여과시킬 수 있다. 각 재질이 적당한 유전성(dielectric properties)을 가진다면, 집진백의 소정 여과 층 뿐 아니라 이러한 스크림은 정전기적으로 대전될 수 있다.
습식 적층 고 분진 용량지(Wet-laid High Dust Capacity Paper):
본 명세서에서, 습식 적층 고 분진 용량지란 "습식 적층 용량지(wet-laid capacity paper)"가 표준형 진공 청소기 집진백용 여과지보다 부피가 크고 두꺼우며 투과율이 우수한 것을 지칭한다. 그 기본적 기능이 진공 청소기 집진백 복합재에서 있어서 선-여과기(pre-filter)로서의 역할을 하는 것인 바, 본 여과지는 다양한 기능을 수행하게 된다. 즉, 급작스런 충격 부하(shock loading)를 견디고, 크기가 큰 오염 입자들을 여과시키며, 소형 분진 입자들의 상당한 부분을 여과하고, 다량의 입자들을 수용하면서도 공기가 원활하게 소통될 수 있도록 하고, 이에 따라 입자에 의한 고부하 발생 시에도 압력 강하를 낮춤으로써 진공 청소기 집진백의 수명을 연장시킨다.
일반적으로 이와 같은 습식 적층 용량지는 목재 펄프 섬유와 합성 섬유의 섬유 혼합물을 포함한다. 습식 적층 용량지는 전형적으로, 70 % 이하의 목재 펄프와, 이에 상응하여 표준형 여과지보다 더 많은 PET와 같은 합성 섬유를 함유한다. 본 여과지는 표준형 여과지에 비해 두꺼우며 기본 중량이 50 g/m2일 때의 두께가 보통 0.32 mm 가량된다. 투과용 세공의 크기 또한 커서, 세공의 평균 크기는 160 mm 이상 될 수 있다. 따라서, 분진으로 인해 여과 장치가 막히게 되는 현상이 발생하기 전까지는, 여과지의 세공 내에 더 많은 수의 분진 입자들을 수용할 수 있다. 습식 적층 용량지의 기본 중량은 통상 30 ~ 150 g/m2이고 50 ~ 80 g/m2인 것을 주로 사용한다.
DIN 44956-2 시험으로 측정된 습식 적층 용량지의 미립 분진 입자 여과 성능은 66 ~ 67% 가량 된다. 중요한 사실은, 습식 적층 용량지의 공기 투과율이 표준형 여과지보다 더 높다는 것이다. 따라서 투과율의 최소 한계가 적어도 500 L/m2s 이어야 하며, 1,000 L/m2s 이상의 것이면 좋고, 2,000 L/m2s 이상이면 가장 바람직하다. 종이 소재의 여과지가 10 mm 이상의 큰 분진 입자들의 대부분을 여과하고 수용하는 것을 보장하도록 공기 투과율의 상한 값이 정해진다. 결과적으로, 하류의 고효율 제2 여과기 매체는 여과기를 따라 압력 강하의 증가가 현격하게 나타나기 전까지는 매우 장시간 동안 미립 입자들을 걸러 내고 잡아 둘 수 있는 것이다. 이 경우 습식 적층 용량지의 공기 투과율의 상한 값은 8,000 L/m2s 가량은 되어야 하며, 5,000 L/m2s 이하이면 좋고, 4,000 L/m2s 이하이면 가장 바람직하다. 따라서 이와 같은 습식 적층 용량지는 고효율 제2 여과층의 상류에 위치하여 다용도 여과층으로서 사용될 때 특히 선호되는 여과지이다.
건식 적층 고 분진 용량지(Dry-laid High Dust Capacity Paper)
본 발명의 이전에, 본 명세서에서 "건식 적층 용량지"라고도 불리는 건식 적층 고 분진 용량지는 진공 청소기용 집진백에 여과지로서 사용되지 않았다. 건식 적층 여과지는 수성 슬러리(water slurry)로부터 형성되는 것이 아니라 공기 층화(air-laying) 기술에 의해 그리고 바람직하게는 플러프 펄프 공정(fluff pulp process)에 의해 생산된다. 분자간 상호 결합을 보다 활성화하는 큰 역활을 하는 수소 결합은 물 없이는 작용하지 않는다. 따라서, 동일한 기본 중량에서, 건식 적층 용량지가 표준형 여과지와 습식 적층 용량지에 비해 일반적으로 더 두껍다. 예를 들어, 전형적인 중량 70 g/m2에 대하여 두께가 0.90 mm에 달한다.
건식 적층 용량지 웹은 주로 다음의 두가지 방법으로 결합시킬 수 있다. 첫 번째 방법은, 라텍스 결합(latex bonding) 방식으로서 수성 분산체(water-based dispersion)에 의해 라텍스 접합제(binder)가 가해진다. 살포(spraying) 또는 함침(dipping) 및 압착(squeezing)과 같은 포화 기법(saturation techniques)들을 사용할 수 있고, 그 다음에 두 경우 모두 건조와 열 경화 공정이 실행된다. 또한, 라텍스 접합제는 그라비어 롤(gravure roll)에 의한 파선(wavy line) 또는 크로스 해칭(cross hatch), 도트 다이아몬드(dots diamond)와 같은 이산적 패턴(discrete pattern)에 적용될 수 있고, 그 뒤에 건조 및 경화를 실행한다.
두 번째 방법은, 예를 들어 접합 섬유(binder fiber)을 활용한 열 결합 방식이다. 본 명세서에서 종종 "열 결합 가능한 가용성 섬유(thermally bondable fusing fibers)"로 불리우는 접합 섬유는 "1992년판 부직포 핸드북(the Nonwoven Fabric Handbook, 1992 edition)"에 의하면 "웹 중의 타 섬유들보다 연화점(softening point)이 낮고, 열 및 압력을 가하면 접착제로서 작용하는 섬유"라고 정의된다. 통상 이와 같은 열 결합 가능한 가용성 섬유들은 웹에 충분한 열 및 압력이 가해지는 지점에서 완전히 용융되므로 매트릭스 섬유를 그 교차점에서 서로 부착시킨다. 그 예로는 열이 가해질 때 광범위한 섬유 재료를 부착시키는 코폴리에스터(co-polyester) 중합체들이 포함된다.
바람직한 실시예에서, 적어도 20%에서 바람직하게는 50%에 이르는 이성분(B/C:bicomponent) 중합체 섬유를 습식 적층 웹에 첨가하여 열 결합이 이루어질 수 있다. B/C 섬유의 예로는 열에 보다 민감한 폴리에틸렌("PE")의 외피(sheath)와 폴리프로필렌("PP")의 코어(core)를 가지는 섬유가 포함된다. 이 때에 "열에 민감한"이라는 용어는 열가소성 섬유가 용융점으로부터 3~5℃ 아래의 온도에서 연화되어 점착성 또는 열가용성이 되는 소재를 의미한다. 외피의 중합체(sheath polymer)는 용융점이 90~160℃인 것이 바람직하고 코어의 중합체보다 용융점이 더 높아 적어도 외피의 중합체보다 5℃ 가량 이상은 높아야 한다. 예를 들어, PE는 121℃에서 용융되고 PP는 161~163℃에서 용융된다. 이것은, 건식 적층 웹이 소량의 써멀 캘린더(nip of a thermal calendar) 사이를 통과하거나 또는 공기 매체 오븐(through-air oven)내를 지날 때, 열 결합되는 섬유가 더 적은 열과 압력에 의해 덜 밀집되고 더 개방되어 있고 호흡이 가능한 구조를 생성하는 것을 달성함으로써 건식 적층 웹을 결합시키는 데 도움이 된다. 더 바람직한 실시예에서, B/C 섬유의 코어/외피 중의 코어는 외피 중심에서 편심되어 위치한다. 코어가 섬유의 한쪽으로 위치하면 할수록 열 결합 단계에서 B/C 섬유에 더 크림프(crimp)화 되기 때문에 건식 적층 용량지의 부피가 증가한다. 물론, 이것은 분진의 수용 용량을 증가시킨다. 이와 같이, 또 다른 더 바람직한 실시예에서, 코어와 외피는 B/C 섬유에서 서로 나란하게 위치하고 공기 매체 오븐에 의해 결합이 이루어진다. 공기 매체 결합 하는 경우보다 웹을 더 압축하는 써멀 캘린더(thermal calendar)에 의한 방법은 이 경우에는 별로 바람직하지 않다. 코어/외피 또는 나란한 B/C 섬유에 사용될 수 있는 다른 중합체 조합은 코폴리에스터인 저융점 중합체와 PP, 그리고 나일론 6과 폴리에스터를 포함한다. 또한 건식 적층 고 용량지는 이성분 섬유(bicomponent fiber)에 의해서도 본질적으로 완전히 구성될 수 있다.
일반적으로, 건식 적층 용량지에 있는 세공의 평균 크기는 표준형 여과지의 세공 크기와 습식 적층 용량지의 세공의 크기의 중간이다. DIN 44956-2 시험에 의해 측정된 여과 효율은 대략 80%이다. 건식 적층 용량지의 기본 중량 및 투과율은 전술한 습식 적층 용량지의 기본 중량 및 투과율과 거의 동일해야 한다. 즉, 최소한 500 ~ 8,000 L/m2s의 범위는 되어야 하며, 바람직하게는 1,000 ~ 5,000 L/m2s의 범위, 더욱 바람직하게는 2,000 ~ 4,000 L/m2s이어야 한다. 즉, 본 여과지는 분진의 수용 용량이 뛰어나고 습식 적층 여과지에 비하여 중량 및 두께도 훨씬 더 균일한 이점을 가진다.
건식 적층 용량지의 바람직한 실시예들에 대해 고찰한다. 일 실시예는 라텍스 결합된 플러프 펄프 섬유 조성물이다. 즉, 여과지를 구성하는 섬유는 본질적으로 플러프 펄프로 이루어진다. "플러프 펄프"라는 용어는, 플러프 펄프는 나무의 섬유 재료인 펄프의 롤(roll)을 기계적으로 그라인딩한 후 그 펄프를 공기 층화 또는 건식 성형 기계 장치의 웹 형성 부분으로 공기역학적으로 운반하여 만들어지는, 본 발명의 진공 청소기 집진백의 부직포 성분을 의미한다. 펄프를 그라이딩하기 위해 윌리 제분기(Wiley Mill)가 사용될 수 있다. 건식 성형을 위해서는 소위 단 웹(Dan Web) 또는 엠 앤 제이 머신(M and J Machine)을 활용할 수 있다. 플러프 펄프 성분과 플러프 펄프의 건식 적층 여과층들은 등방성(isotropic)이므로 세 개의 직각 좌표계의 모든 방향으로 섬유가 무작위로 위치하는 특성이 있다. 즉, 이들은, 부직포 웹의 평면으로부터 벗어나는 방향으로 그 대부분이 위치하며, 특히, 3차원 비등방성의 부직포 웹 구조와 비교하여 부직포 웹의 평면에 대해 수직 방향으로 위치한다. 본 발명에서 사용된 플러프 펄프 소재 섬유들의 길이는 0.5 ~ 5 mm 가량 된다. 이 섬유들은 라텍스 접합제에 의해 지지될 수 있다. 이러한 접합제는 분말 또는 유탁액(emulsion) 중 하나의 형태로 적용될 수 있다. 일반적으로 접합제는 건식 적층 용적지 내에 섬유의 중량을 토대로 10 ~ 30 wt% 정도 그리고 바람직하게는 20 ~ 30 wt% 정도의 접합제 고형분(binder solids)의 범위로 존재한다.
다른 바람직한 실시예로서, 분할 필름 섬유 및 이성분 중합체 섬유 들 중 적어도 한 가지와 플러프 펄프 섬유를 열 결합으로 서로 혼합하여 건식 적층 용량지로 만드는 방법이 있다. 더 좋은 방법은, 플러프 펄프 섬유와 이성분 중합체 섬유를 서로 섞어 플러프 펄프 섬유 혼합재로 만드는 것이다.
분할 필름 섬유(split film fiber)는 본질적으로 평평한 직사각형의 섬유인데, 본 발명의 복합재 구조 내로 구성되기 전에 또는 후에 정전기로 대전될 수 있는 소재이다. 분할 필름 섬유의 두께는 2 ~ 100 ㎛의 범위 정도이고, 그 폭은 대개 5 ㎛에서 2 mm의 범위이며 길이는 0.5 ~ 15 mm의 범위이다. 하지만, 분할 필름 섬유의 바람직한 치수는 두께 5 ~ 20 ㎛, 폭 15 ~ 60 ㎛ 이고, 길이는 대략 0.5 ~ 3 mm인 규격이다.
본 발명에 적용될 분할 필름 섬유들은 폴리프로필렌(PP)과 같은 폴리올레핀 소재로 된 것이 바람직하다. 그렇지만, 섬유를 만드는데 적당한 모든 중합체들을 본 발명의 복합재 구조물의 분할 필름 섬유로 사용하여도 무방하다. 적당한 중합체의 예로서, 폴리에틸렌(polyethylene)의 단일중합체(homopolymer) 및 공중합체(copolymer)와 같은 폴리올레핀류(polyolefins)와, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(poly(ethylene terephthalate))(PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(poly (butylene terephthalate))(PBT) 및 폴리사이클로헥실-디메틸렌 테레프탈레이트 (poly(cyclohexyl-dimethylene terephtalate))(PCT)와 같은 폴리테레프탈레이트류(polyterephthalates)와, 폴리카보네이트(polycarbonate)와, 폴리클로로트리플루오르에틸렌(polychlorotrifluoroethylene)(PCTFE)이 있으며, 이들에 제한되지 않는다. 다른 적당한 중합체들로 나일론류(nylons), 폴리아미드류(polyamides), 폴리스티렌류(polystyrenes), 폴리-4-메틸페텐-1(poly-4-methylpehtene-1), 폴리메틸메트아크릴레이트류(polymethylmethacrylates), 폴리우레탄류(polyurethanes), 실리콘류(silicones), 폴리페닐렌 설파이드류(polyphenylene sulfides)가 있다. 이러한 분할 필름 섬유들은 단일중합체와 공중합체의 혼합물을 포함할 수도 있다. 본 명세서에서, 폴리프로필렌(polypropylene)으로 만들어진 분할 필름 섬유를 가지고 발명의 실시예를 제시한다.
박층형 필름 구조물에 분자 중량 및 형태학적 구조가 다양한 PP 중합체를 사용함으로써 분할 필름 섬유를 생산해 내는데 요구되는 기계적 성질 및 취성(brittleness)이 서로 잘 조화되는 특성을 지닌 필름을 생산하는 것을 보여주었다. 그 다음에, 이러한 PP 분할 필름 섬유들에는 요구되는 수준의 크림프도 주어지게 된다. 물론, 분할 필름 섬유의 모든 치수는 섬유의 제조 공정 중에 변화될 수 있다.
이와 같은 분할 섬유를 생산하기 위한 한 가지 방법이 미국 특허 제4,178,157호에서 개시된 바 있는데, 본 발명의 참고 자료로 포함되었다. 기존의 발포 신축가공 기술에 의하면 폴리프로필렌은 용융 압출되어 필름으로 성형되는데, 이때 주변 공기가 유입되거나 혹은 유입되도록 허용되는 대형 튜브(풍선과 같이 팽창됨)로 발포된다. 이와 같이 공기를 가지고 풍선으로 크게 팽창시키는 것은 필름을 급랭시키고 PP의 분자 결합체의 분자 구조를 2축성으로 향하게 하는 역할을 하여, 결과적으로 강도를 커지게 한다. 그리고 나서 풍선은 수축되고, 접촉하는 두 개의 롤러 사이의 압력의 양을 변화시킴으로써, 두 개의 롤러 사이의 접착점에 필름이 놓여지는 두 쌍 이상의 롤러들 사이에서 필름이 연신된다. 이후, 기계 방향으로 추가적 신축 가공을 하게 되며 이때 첫 번째 작업 때보다 더 빠른 표면 속력으로 두 번째 롤러 작업이 수행된다. 이와 같은 방식으로 필름에 대한 분자 배열이 매우 균일한 방향으로 진행되어 기계의 작업 방향에 따라 길이가 매우 긴 치수의 분할 필름 섬유로 탈바꿈 된다.
필름의 냉각 전 또는 후에 필름은 정전기로 대전될 수 있다. 정전기적으로 필름에 전하를 흘려주어 대전시키는 데에 다양한 기술이 활용될 수 있겠으나, 그 중 두 가지 방법이 가장 바람직한 것으로 판정되었다. 첫번째 방법은 두 개의 코로나 직류 전극 사이에 1.5에서 3 인치 가량의 틈을 두고 그 중간에 필름을 통과시키는 방식이다. 전하 방출용 핀으로서 금속재의 전선을 가지고 있는 코로나 봉(bar)을 사용할 수 있는데, 이 봉의 한 쪽 코로나 전극은 양의 직류 전압을 가지며 그 값은 20에서 30 kV 가량되고 반대 편 전극은 음의 전압을 가지며 역시 20 에서 30 kV 가량의 값이 된다.
보다 선호되는 방법은 두 번째 방식인데, 1995년 와즈워쓰(Wadsworth)와 차이(Tsai)의 미국 특허 제5,401,446호에 개시된 것으로 정전기에 의한 전하 발생 기술을 사용하는 것이며, 탄트렛. 티엠.(Tantret. TM.) Technique I 및 Technique II라고도 부르며 여기에서 상세히 설명한다. 각 쉘(shell)이 양의 값을 갖는 코로나 전선을 가지며, 필름이 음의 전하로 대전된 두 개의 금속 쉘 내부의 원주 주위를 따라 통과하면서, 절연된 롤러 위에서 그 필름이 현탁되는 방식이 바로 Technique II라고 알려져 있으며, 이 Technique II에 의해 필름으로 고전압에 의해 발생된 높은 전위차가 분배되어 전달되는 것이다. 일반적으로 Technique II를 적용할 경우 1,000 내지 3,000 볼트의 양의 값을 갖는 전하들이 대전된 필름의 한 쪽 면으로 전달되는 동시에 동일한 크기의 음의 전하들이 대전된 필름의 반대쪽 면으로 전달된다.
Technique I의 경우, 필름은 -1에서 -10 kV의 직류 전압을 가지는 금속재 롤러와 서로 접촉하고 +20에서 +40 kV의 직류 전압을 가지는 전선이 음의 전압으로 치우쳐진 롤러로부터 1에서 2 인치 가량 위에 위치하며 필름의 각 면이 롤러/ 전선에 의한 전하 발생 구조에 연속적으로 노출되어 있는데, 이러한 Technique I에 의해 필름의 표면에서 측정된 전압의 전위차가 낮아지게 된다. Technique I을 사용하면, 필름의 표면 상에서 300 에서 1,500 볼트의 전압을 전형적으로 얻어지며 이것은 일반적으로 각 면 위에서 그 크기는 같고 극성은 서로 반대인 특성을 지닌다. 그렇지만, Technique II에 의해 얻어지는 더 높은 표면 전위차가 분할 필름 섬유로부터 만들어진 웹에서 측정 가능한 여과 효율을 개선시킨다는 것은 밝혀진 바 없다. 이와 같은 이유로 인해, 또한 Technique I 장치를 사용하여 필름을 제작하는 과정이 보다 용이하기도 하므로, 분할 공정에 앞서 필름을 대전시키는 데에는 주로 Technique I이 사용되는 것이 현재의 추세이다.
냉각되고 연신된 필름은 열간 또는 냉간 상태에서 정전기로 대전되어 있을 것이다. 그 다음에, 필름은 연신되는 동시에 약 50 ㎛ 이하의 좁은 폭으로 분할 가공된다. 그리고 나서, 분할된 평평한 필라멘트들은 하나의 다발(tow)로 모아지게 되며 센티미터당 제어된 개수의 크림프로 크림프된 다음에 소정의 스테이플 길이로 절단된다.
특히 바람직한 실시예에서, 건식 적층 고 분진 용량지는 플러프 펄프 섬유, 이성분 중합체 섬유, 그리고 정전기로 대전된 분할 필름 섬유들을 모두 섞어 혼합물을 포함한다. 바람직하게, 플러프 펄프 섬유는 대략 5 ~ 85 wt%인 것이고 10 ~ 70 wt%이면 좋고 40 wt%이면 가장 바람직하고, 이성분 섬유는 최소한 10 ~ 60 wt %는 되어야 하고, 10 ~ 30 wt %이면 좋고 20 wt %이면 가장 바람직한 것이며, 정전기로 대전된 분할 필름 섬유는 최소한 20 ~ 80 wt%는 되어야 하고 20 ~ 80 wt %이면 좋고 40 wt%인 것이 가장 바람직하다. 이러한 건식 적층 고 분진 용량지는 열 결합된 것으로 열 결합 시의 온도는 90 ~ 160 ℃는 되어야 하고 90 ~ 110 ℃ 이면 좋고, 90 ℃이면 가장 바람직하다고 하겠다.
건식 적층 용량지의 다른 바람직한 실시예는 100%의 "혼합 정전기 섬유", 20 ~ 80%의 혼합 정전기 섬유와 20 ~ 80% B/C 섬유의 블렌드(blend), 그리고 20 ~ 80%의 혼합 정전기 섬유와 10 ~ 70%의 플러프 펄프와 10 ~ 70%의 B/C 섬유의 블렌드를 갖는 열 결합 여과지를 포함한다. 이때 "혼합 정전기 섬유" 여과지는 상당히 다른 마찰전기 특성을 갖는 섬유들을 섞은 후 이들을 서로 마찰 시키거나 소면(carding) 작업 중의 소면용 실린더 상의 와이어와 같은 기계의 금속재 부위와 서로 마찰시킴으로써 만들어진다.
이와 같은 방법에 의해 다른 종류의 섬유에 대하여 더 많은 양 또는 음의 전하를 띄며 대전된 섬유를 만들고 분진 입자들에 대한 쿨롱 인력(coulombic attraction)을 향상시킨다. 이러한 종류의 혼합 정전기 섬유들을 갖는 여과기의 제조는 미국 특허 제5,470,485호와 유럽 공개 특허 공보 제EP 02 246 811 A2호에 개시된다.
미국 특허 제5,470, 485호에 따르면, 여과기의 재질은 (I) 폴리올레핀 섬유와 (II) 폴리아크릴로니트릴르 섬유의 블렌드로 구성되어 있다. 이때 (I)항에 해당하는 섬유는 코어/외피 또는 서로 나란한 형태의 이성분 PP/PE 섬유이며, (II)항에 해당하는 섬유는 "할로겐 없는 섬유(halogen free)"이다. 또한 (I)항의 섬유는 "할로겐-치환 폴리올레핀류(halogen-substituted polyolefins)"를 어느 정도 함유하고 있는 반면, 아크릴로니트릴르 섬유에는 할로겐이 전혀 함유되어 있지 않다. 이 특허에 따르면 이러한 섬유들은, 어떠한 윤활제 또는 정전 방지제(antistatic agents)도 가지지 않도록, 혼합하기 전에 반드시 알칼리 성의 비이온성 세척제 또는 용매로 완전히 세정한 후 깨끗이 잘 헹구어야 한다. 상기 미국 특허에서 제시한 바에 따르면 이와 같이 생산된 섬유 매트(mat)는 침천 가공(needle punch)되어야 하지만, 이러한 섬유들은 5 ~ 20 mm의 길이로 절단되어 이와 유사한 길이의 이성분 열 결합 섬유와 혼합될 수 있고 경우에 따라 플러프 펄프를 첨가하여 혼합될 수 있으므로, 본 발명에 있어서 건식 적층 열 결합 여과지를 사용할 수 있다.
유럽 공개 특허 공보 제EP 02 246 811호에는 두 가지 서로 다른 종류의 섬유들을 상호 마찰 시킬 때 발생하는 마찰전기 효과에 관해 설명하고 있다. 이 유럽 공개 특허 공보에서는, 폴리아크릴로니트릴르 섬유의 -CN 계열 물질들을 할로겐(보통 불소 또는 염소)으로 치환한 것을 제외하면, 미국 특허 제5,470,485호에서와 유사한 유형의 섬유를 사용하고 있음을 나타낸다. 충분한 양의 -CN 계열 물질을 -CL 계열로 치환시키고 난 후, 공중합체가 35에서 85 중량%의 아크릴로니트릴르 단위를 포함하면 그 섬유를 "모드아크릴(modacrylic)" 섬유로 불리워 질 수 있다.
유럽 공개 특허 공보 제EP 0 246 811호에 의하면, 폴리올레핀 대 치환된 아크릴로니트릴르(보통 모드아크릴 섬유)의 조성비는 표면 면적을 기준으로 30:70로부터 80:20의 범위에 이르며 통상 40:60에서 70:30인 범위가 바람직하다. 유사하게 미국 특허 제5,470, 485호 역시 폴리올레핀 대 폴리아크릴로니트렐르 섬유의 조성비를 섬유 재질의 표면에 대해 30:70에서 80:20의 범위라고 제시하고 있다. 따라서, 이러한 범위의 폴리올레핀 대 아크릴 또는 모드아크릴 섬유의 조성비는 건식 적층 열 결합 용량지에 전술한 정도로 사용될 수 있다.
멜트블로운 플리스(Meltblown Fleece)
멜트블로운 플리스로 된 합성 중합 섬유도 다용도 여과층과 제 2 여과층 사이에 중간 층으로서 사용될 수 있다. 멜트블로운 플리스를 중간 층으로 사용하여 다용도 여과 층을 통과하는 일부 입자들을 여과시키면 총괄 여과 효율이 증가한다. 또한, 미립 분진 입자들의 여과 기능에 보다 도움을 주고자 한다면, 멜트블로운 플리스로 된 중간 층을 정전기로 대전시켜 사용할 수도 있다. 동일한 분진 부하 조건에서, 멜트블로운 플리스를 중간에 삽입하지 않은 경우와 비교해 볼 때 멜트블로운 플리스를 중간 층으로 삽입시키는 경우의 압력 강하량이 더 커진다.
멜트블로운 플리스은 약 10 ~ 50 g/m2s 의 기본 중량과 약 100 ~ 1,500 L/m2s의 공기 투과율을 가지는 것이 바람직하다.
고체적의 멜트블로운 부직포(High Bulk Meltblown Nonwoven)
개선된 진공 청소기 집진백을 개발하려는 본 발명에 의한 또 다른 발견은 고체적 MB 웹의 개발이었으며, 고체적 MB 웹은, 습식 적층 용량지 또는 건식 적층 용량지를 대신하여 여과용 MB 플리스의 상류에 위치하여 선-여과기로서 사용될 수 있다. 부피가 매우 큰 고체적 MB 선-여과기는 온도 10 ℃ 가량의 저온 상태에서 냉각된 공기를 사용하여 멜트블로운 공정에서 제작된다. 대조적으로, 기존의 MB 소재들은 보통 온도 35 ~ 45 ℃ 가량되는 일반 실내 공기를 사용한다. 또한 고체적 MB 공정의 경우 MB 다이(die)의 출구로부터 웹 권취 컨베이어까지의 회수 거리(collecting distance)는 400 ~ 600 mm에 달한다. 참고로, 표준형 MB 소재의 생산 공정에 적용되는 거리는 보통 200 mm 가량 된다. 추가적으로, 고체적 MB 플리스 부직포는, 통상적인 280 ~ 290 ℃의 미세화 공기(attenuation air) 온도 대신에, 대략 215 ~ 235 ℃의 보다 낮은 미세화 공기를 사용하여 제작되며, 여과용 MB 생산에 적용되는 260 ~ 280 ℃와 비하여 200 ~ 225 ℃ 더 낮은 MB의 용융 온도를 적용하여 제작된다. 이와 같이, 더 차가운 냉각 공기, 더 낮은 미세화 공기 온도, 더 낮은 용융 온도 및 더 긴 회수 거리에 의해, MB 필라멘트(filament)들이 더욱 더 냉각되는 것이다. 열을 제거해도 섬유 한 올마다 아래로 축 쳐지는 현상(drawn down of the filament)이 덜 발생하기 때문에, 대표적인 여과용 MB 웹에서 나타나는 것보다 더 큰 섬유 직경을 유지하게 된다. 회수 장치에 집적될 때, 이러한 더 냉각된 필라멘트들은 열에 의해 상호 융착하는 경향이 훨씬 더 적다. 따라서, 고체적 멜트블로운 부직포는 더 많은 통풍면(open area)을 가지고 있다고 할 수 있다. 즉, 기본 중량이 120 g/m2 밖에 되지 않더라도, 고체적 멜트블로운 부직포의 공기 투과율은 806 L/m2s에 이른다. 이와는 대조적으로, 훨씬 가벼운 중량(예를 들어, 22 g/m2)의 여과용 MB PP 웹의 최대 공기 투과율은 고작 450 L/m2s이다. DIN 44956-2 시험에 의해 측정된 고체적 MB 부직포의 여과 효율은 98 %였다. 집진백의 내부에 상기 두 가지 소재를 고체적 MB 부직포와 함께 넣었을 때, 공기 투과율은 여전히 295 L/m2s였고, 그 쌍의 여과 효율은 99.8 %였다. 고체적 멜트블로운 부직포는 대전되지 않을 수 있고, 또는 선택적으로, 그 부직포가 적당한 유전성(dielectric properties)을 갖는 재료로 이루어진다면 정전기로 대전될 수도 있다.
본 발명의 고체적 MB 부직포는 본 명세서 중의 다중층 진공 여과기 구조물에 또한 적용되는 "여과용 MB(filtration grade MB)"와는 구별되어야 한다. 여과용 MB 웹은 기존의 멜트블로운 부직포로서 대표적으로 약 22 g/m2s 의 낮은 기본 중량과 작은 세공 크기의 특징을 갖는 소재이다. 폴리프로필렌 소재의 여과용 MB 부직포에 대한 추가적인 대표 특성들이 표 1에 나타난다. 폴리프로필렌 소재의 고체적 MB 부직포는 5 ~ 20 wt% 가량되는 에틸렌 비닐 아세테이트를 함유하는 것이 최적의 상태이다. 일반적으로 여과용 MB 부직포는 분진의 제거 효율이 높아 99 % 이상에 달한다.
이와 같은 고체적 MB 부직포는 앞서 언급된 건식 적층 또는 습식 적층 용량지와 여과 효율이 서로 비슷하다. 따라서, 고체적 MB 부직포는 흔히 대형 분진 입자의 양이 많은 경우 이들을 제거할 목적으로 또, 다량의 분진을 수용해 두어야 할 경우 활용되는 소재이다. 따라서, 본 발명의 진공 여과기 구조물에서는 선-여과기로서의 역할을 할 수 있도록 여과용 MB 웹의 상류에 고체적 MB 부직포를 위치시키는 것이 적절하다.
표 I
여과용 MB PP의 특성 바람직한 수치 보다 바람직한 수치 가장 바람직한 수치
중량 [] 5 ~ 150 10 ~ 50 22
두께 [] 0.10 ~ 2 0.10 ~ 1 0.26
공기 투과율 [] 100 ~ 1500 200 ~ 800 450
인장 강도 [] 0.5 ~ 15 1.0 ~ 10 3.7
인장 강도 [] 0.5 ~ 15 1.0 ~ 10 3.2
섬유 직경 [] 1 ~ 15 1 ~ 5 2 ~ 3
고체적 MB PP의 특성
중량 [] 30 ~ 180 60 ~ 120 80
두께 [] 0.3 ~ 3 0.5 ~ 2 1.4
공기 투과율 [] 300 ~ 8000 600 ~ 3000 2000
인장 강도 [] 1.0 ~ 30 2 ~ 20 10
인장 강도 [] 1.0 ~ 30 2 ~ 20 9.2
섬유 직경 [] 5 ~ 20 10 ~ 15 10 ~ 12
스펀블로운 (모듈러) 부직포[Spunblown (Modular) Nonwoven]
워드 쥐(Ward, G.)의 부직포 세계(Nonwovens World), 1998년 여름 발행본의 제37쪽부터 제40쪽에 기재된 새로운 종류의 멜트블로운 기술은, 본 명세서에 참고 문헌으로 그 전체 개시 내용이 포함되어 있으며, 본 발명의 눈이 굵고 거친(coarse) 여과기 층으로 사용하기에 적합한 스펀블로운 (모듈러) 부직포를 생산하는 데 사용될 수 있다. 또한 신형 진공 청소기 집진백 구조에 필요한 때에는, 여과용 멜트블로운 플리스 층으로도 이러한 스펀본드 부직포를 선택하여 사용할 수 있다. 스펀블로운 (모듈러) 부직포의 상세한 제원에 관하여 표 II에 제시한다.
스펀블로운 (모듈러) 부직포의 제작 과정은 일반적으로 표면이 더욱 거친 모듈러 다이(rugged modular die)에 더 차가운 미세화 공기를 사용하여 멜트블로운하는 공정으로 이루어진다. 이와 같은 조건에 의해 기존의 멜트블로운 웹에 필적하는 기본 중량에서 더 높은 강도와 공기 투과율을 갖는, 눈이 굵고 거친 멜트블로운 웹이 생산된다.
극세 스펀본드 부직포(Microdenier Spunbond Nonwoven)
극세 스펀본드 부직포라고도 하는 스펀본드 부직포("SB: Spunbond")를 눈이 굵고 거친 여과 층 또는 여과용 멜트블로운 플리스 층으로 사용할 수도 있다. 이러한 극세 스펀본드 부직포의 제원에 관해 표 II에 제시한다. 극세 스펀본드는 특히 폴리프로필렌에 대하여 0.10 데니어(denier: 섬유/실의 굵기의 단위; 1데니어는 길이 450m, 무게 0.05g인 실의 굵기)에 해당하는 12 ㎛ 미만의 필라멘트라는 특징이 있다. 참고로 비교해보면, 기존의 일회용 SB 웹의 경우 필라멘트의 직경은 평균 20 ㎛이다. 이와 같은 극세 스펀본드는 다음의 3 사에서 제작 공급하므로 이들로부터 구할 수 있다: 라이펜하우저 게엠베하 계열 라이코필 III 사[Reifenhauser GmbH (Reicofil III)], 주식회사 코비 제강 계열 코베-코도시 스펀본드 기술[Koby Steel, Ltd.,(Kobe-Kodoshi Spunbond Technology)], 그리고 에이슨 엔지어링 주식회사 산하 에이슨 스펀본드 기술[Ason Engineering, Inc. (Ason Spunbond Technology)]이라는 업체이다.
표 II
스펀블로운(모듈러)의 특성 바람직한 수치 보다 바람직한 수치 가장 바람직한 수치
중량 [] 20 ~ 150 20 ~ 80 40
두께 [] 0.20 ~ 2 0.2 ~ 1.5 0.79
공기 투과율 [] 200 ~ 4000 300 ~ 3000 2000
인장 강도 [] 10 ~ 60 15 ~ 40 --
인장 강도 [] 10 ~ 50 12 ~ 30 --
섬유 직경 [] 0.6 ~ 20 2 ~ 10 2 ~ 4
극세 스펀본드 PP의 특성
중량 [] 20 ~ 150 20 ~ 80 40
두께 [] 0.1 ~ 0.6 0.15 ~ 0.5 0.25
공기 투과율 [] 500 ~ 10,000 2000 ~ 6000 3000
인장 강도 [] 10 ~ 100 20 ~ 80 50
인장 강도 [] 10 ~ 80 10 ~ 60 40
섬유 직경 [] 4 ~ 18 6 ~ 12 10
이제부터 도면들을 참조하면, 도 1부터 도 3은 상용화되어 사용되고 있는 기존의 진공 청소기 집진백 구조를 나타내는 도면이다. 도 1은 집진백 내부(상류측) 상에 있는 습식 적층 지지용 플리스(24)와 집진백의 외부(하류측) 상에 존재하는 습식 적층 여과지(25)로 구성된 종래의 구조물이다. 얇은 티슈형 플리스가 선-여과기로서의 역할을 하며 입자의 크기가 큰 분진들만을 제거한다. 여과지는 통상 10 ~ 20 ㎛ 이상의 입자들을 걸러내어 다공 구조물 내에 저장한다.
도 2는 2층형 진공 청소기 집진백 구조를 나타낸 것으로, 멜트블로운 (MB) 플리스(26)가 직경 5 ㎛ 미만의 입자들을 제거하며 선-여과기, 눈이 굵고 거친 여과기 그리고 정밀 여과기 모두로서 역할을 한다. 그러나, 이러한 MB 플리스는 기존의 진공 청소기 집진백용 여과지에 비하여 세공의 크기가 작아 효과적으로 분진을 수용할 수 없다. 더욱이, 여과 효율을 향상시키기 위하여 MB 플리스는 종종 정전기로 대전시켜 사용한다. MB 플리스가 분진으로 막히게 되면, 정전기의 전기장은 크게 감소하게 된다. 이와 같은 설계를 활용했던 종래 기술로는 유럽 특허 출원 번호 제89312886.8호, 유럽 특허 공고 번호 제0 375 234 B1호 및 유럽 공개 특허 공보 제0 375 234 A1호가 있다. 스펀본드(SB) 층(27)은 주로 MB 플리스를 지지하는데 사용되고 집진백 외측의 내마모성을 개선하는데 활용된다. 이와 유사한 또 다른 종래 기술로는 미국 특허 제4,589,894호(3M사) 및 유럽 특허 출원 제85302485.9호가 포함된다. 미국 특허 제4,589,894호 및 유럽 특허 출원 제85302485.9호에서는, SB 층이 집진백의 내부에 또한 사용되어 MB 플리스를 더욱 지지하고 보호하는 역할을 한다.
도 3은 3층형 진공 청소기 집진백 구조를 나타내며, 습식 적층 지지용 플리스(28)가 추가되어 단지 입자의 크기가 매우 큰 분진만을 위한 선-여과기로서의 기능을 하며 MB 플리스를 마모로부터 보호한다. MB 플리스(29)는 소형 및 대형의 입자 모두를 걸러내므로 단시간 내에 막히는 경향이 있어서, 통상의 여과지에 비하여 압력 강하의 증가가 훨씬 빨리 일어난다. 여과지(30)의 외부 층은 여과를 위해서는 사실상 중복적인 부분인데 주로 MB 플리스의 상부면을 지지하여 집진백의 강도를 향상시키고 집진백 외부면의 내마모성 개선하는데에 사용된다. 이와 유사한 설계로서 종래 기술의 예를 들면 유럽 특허 출원 제89106843.9호(게스너)와 미국 특허 제5,080,702호(홈케어 인더스트리스 인코포레이티드)가 있으며 이미 앞에서 한번 설명한 바 있다. 후자(홈케어 인더스트리스 인코포레이티드의 미국 특허)의 경우, 얇은 티슈형 플리스를 중간에 끼워 사용하지는 않았다.
도 4는 신형 3층형 진공 청소기 집진백의 여과기 구조물을 도시하며, 습식 적층 용량지, 건식 적층 용량지 및 기타 적당한 유형의 부직포의 눈이 굵고 거친 여과지(10)가 여과용 MB 플리스(11)의 상류에 위치하고 있다. 이러한 상류 층은 대형 분진 입자를 제거하여 그 구조물 내에 수용하는 역할을 한다. 이러한 여과층은 압력 강하의 증가없이도 다량의 분진을 수용할 수 있도록 훨씬 덜 조밀한 큰 체적의 구조로 되어 있는 것이 바람직하다. 도면에서 고체적 MB 부직포가 웹(10)으로 도시되어 있다. 내부 MB 웹은 웹(11)보다 덜 조밀하고 더 개방되어 있어서 압력 강하의 증가 없이도 더 많은 분진을 저장할 수 있다.
도 5는 3층 구조의 신형 진공 청소기 집진백 구조로서, 습식 적층 용량지(31)가 여과용 MB 플리스(32)의 전방에 위치하고 스펀본드(SB) 부직포(33)가 집진백의 외부에 위치한다. 적절한 다공성 및 분진 수용 용량을 가지는 습식 적층, 건식 적층, 스펀블로운 (모듈러), 극세 스펀본드 또는 기타의 다른 유형의 부직포 여과지를 내층(31)으로 사용할 수 있다. 내층은 종래 기술의 진공 청소기 집진백에서 사용되는 표준형 여과지보다 더 높은 다공성과 분진의 수용 용량을 가지는 것이 바람직하다. 외부의 눈이 굵고 거친 여과층은 스펀본드, 습식 적층, 건식 적층 또는 하이드로인탱글드 부직포, 망직 또는 다른 종류의 스크림 또는 기타 부직포를 사용할 수 있다.
도 6은 도 5에 도시된 구조와 동일한 진공 청소기 집진백이나, 건식 적층 용량지(34)가 MB 플리스(35)의 전방에 위치한다는 점에 차이가 있으며, 스펀본드 층(36)이 집진백의 외부에 역시 위치한다. 습식 적층 또는 건식 적층 여과지가 집진백 구조의 내부에 위치하여 MB 플리스를 지지하고 중형 및 대형 분진 입자들을 걸러내어 수용함으로써, 막힘 현상없이 소형 입자들까지도 MB 플리스가 효과적으로 여과할 수 있도록 한다.
도 7은 신형 진공 청소기 집진백 구조로서, 악취 흡수층의 역할을 하며 중량이 각각 50 g/m2 및 150 g/m2인 플리스/탄소 조합물(214+215)이 도 5의 SB(33)를 대체한 경우를 나타낸 것이다. 이 구조물에서 중요한 것은 활성 탄소 섬유의 하류에 있는 플리스(214)가 활성 탄소 섬유들이 진공 청소기의 집진백 구역 안쪽으로 들어가지 않도록 방지해주며 이에 따라 이러한 플리스는 바람직하게 정전기로 대전되어야 한다는 점이다.
도 8a부터 도 8aa까지의 도면은 최신 진공 청소기 집진백 구조의 적용 가능한 다양한 실시예들을 나타낸다. 도 8a에서, SB 층(37)이 집진백의 외층을 형성하고 집진백을 강화시키고 내부의 여과용 MB 플리스(38)를 보호하는 역할을 하고 있다.
정전기로 대전된 MB 플리스층은 직경 0.1 ㎛ 미만인 입자들을 효과적으로 제거해 낸다. 진공 청소기 집진백용 여과지(39)가 MB 플리스를 지지하며 중형 및 대형 분진 입자들을 여과하고 자체 구조 내에 수용한다. 또한, 이 여과지를 활용하면 표준형 진공 청소기 집진백을 제작하기 위한 설비 상에서도 최신 진공 청소기 집진백으로 쉽게 조립되는 구조물에 필요한 강성이 제공된다. 도 8a에 제시된 각 층들은 서로 접착되어 있지 않다.
도 8b에 제시된 구조와 도 8a는 서로 동일하나, 지지용 습식 적층 티슈형 플리스(43)가 여과지(42)의 상류에 위치한다는 것만 차이가 있다. 지지용 티슈형 플리스는 초대형 분진 입자들만을 여과시킬 수 있다.
도 8c에 제시된 구조와 도 8a는 서로 동일하나, 망직 스크림(netting srim)(47)이 열적으로 혹은 (접착제에 의한) 접착력으로 눈이 굵고 거친 여과지(46)의 상류에 봉합되어 있는 점만 차이가 있다. 즉, 스크림과 눈이 굵고 거친 여과지가 서로 접착되며, 바람직하게는 영구 접착된다. 적어도 집진백의 최소 두 개의 이웃한 층들은 서로 접착될 수 있다. "영구 접착"이라는 의미는, 집진백이 사용되는 정상적인 전체 수명 기간 동안 유효하게 접착되어 있다는 것을 뜻한다. 이러한 접착은 화학 접착제, 열 결합 또는 초음파 결합과 같은 방법을 활용하여 수행할 수 있다.
도 8d에서, SB 외층(48), 여과용 MB 플리스 층(49), 그리고 SB 지지층(50)이 서로 접착되어 있다. 여과층(51)이 SB/MB/SB 박층의 상류에 위치하여 집진백의 강성을 증가시킴으로써 이 역시 표준형 진공 청소기 집진백을 제작하기 위한 기존 설비 상에서 신형 진공 청소기 집진백을 쉽게 제작할 수 있게 해준다.
도 8e에서, SB 층(53), MB 층(55), 그리고 여과층(57)이 다공성 고온 용융 접착제(54, 56)에 의해 서로 접착되어 있다. 도 8f는 도 8e와 동일하나, 지지용 습식 적층 티슈형 플리스(64)가 고온 용융 접착제(63)에 의하여 구조물에 결합되어 있다는 점에 차이가 있다. 도 8g 역시 도 8d와 동일하나, 여과지(69)가 고온 용융 접착제(68)에 의해 서로 결합되어 있는 SB(65), MB(66) 및 SB(67) 박층에 접착되어 있다는 점에 차이가 있다. 도 8h는 도 8g와 동일하나, 습식 적층 티슈형 플리스(76)가 고온 용융 접착제(75)에 의해 구조물에 접착되어 있다는 점에 차이가 있다. 도 8i는 도 8e와 동일하나, 웹(82)이 고온 용융 접착제를 사용하지 않고 구조물에 봉합되어 있다는 점에 차이가 있다.
도 8j부터 도 8aa에 제시된 구조물들은 모두 악취 흡수층으로서 기능을 하는 플리스/탄소 복합재층을 포함한다. 이와 같은 복합재는 지지용 플리스 층의 상류에 위치한 활성 탄소 섬유 층으로 구성된다. 도 8j에서, 플리스/탄소 복합재층(83+84)은 집진백의 제일 아래 쪽 하류 방향에서 외부를 형성하며, 여과용 MB 플리스(85)가 직경 0.1 ㎛ 이하인 입자들을 효과적으로 여과시키고, 눈이 굵고 거친 여과지(86)는 크기가 중형 및 대형 분진 입자들을 여과하여 자체 구조 내에 수용한다.
도 8k는 도 8j와 서로 동일하나, 지지용 습식 적층 플리스(91)가 눈이 굵고 거친 여과지(90)의 상류에 위치한다는 점에 차이가 있다. 이때 지지용 플리스는 크기가 매우 큰 분진 입자들만을 걸러낸다. 도 8l도 도 8k와 서로 동일하나, 망직 스크림(96)이 눈이 굵고 거친 여과지(95)에 봉합되어 있다는 점이 다르다. 도 8m에서, SB 층(99), MB 층(100) 그리고 SB 층(101)은 서로 접착되어 있으므로 집진백의 강성을 증가시켜준다. 도 8n에서, 플리스/탄소 조합물(103 + 104)은 다공성 고온 용융 접착제(105)에 의해 여과용 MB 플리스(106)에 접착되어 있다. 이때에도 역시 눈이 굵고 거친 여과지(108)는 고온 용융 접착제(107)에 의해 같은 방식으로 MB 층(106)에 접착되어 있다. 도 8o 역시 유사한 구조로서 다공성 고온 용융 접착제(115)에 의해 지지용 플리스(116)가 여과지(114)에 접착되어 있다. 도 8p는 고온 용융 접착제(119, 123)를 가지는 또 다른 구조물을 보여주고 있다. 구조물의 강성을 증가시키고자 SB 층(120, 122)들이 여과용 MB 플리스(121)의 양면에 접착되어 있다.
도 8q는 도 8p와 동일하지만, 다공성 고온 용융제(133) 및 지지용 플리스(134)가 눈이 굵고 거친 여과지(132)의 상류에 추가된 점이 다르다.
도 8r에의 구조물은 눈이 굵고 거친 여과지 (142)의 상류 측에 봉합돤 망직 스크림(143)을 포함한다. 도 8s에서 탄소/플리스 조합물(146 + 147)은 눈이 굵고 거친 여과지(148)의 하류 방향 및 여과용 MB 플리스(145)의 상류 방향으로 이동되었다. MB 층(145)과 SB 층(144)은, 제시된 많은 실시예에서 보인 것보다도, 더 외부 측으로 이동되어 있다. 도 8t는 도 8s와 동일하나, 지지용 플리스(154)가 눈이 굵고 거친 여과지(153)의 상류에 위치한다. 도 8u에서는, 도 8t에 제시된 지지용 플리스가 눈이 굵고 거친 여과지(159)로 봉합된 망직 스크림(160)으로 대체되어 있다.
도 8v의 구조물은 외층에 SB(161)를 가지고 있으며, 여과용 MB 플리스 (162, 163)가 서로 봉합되어 있으며 탄소/플리스 조합물(164 + 165)이상기 봉합된 층들과 눈이 굵고 거친 여과지(166) 사이에 있다. 세 개의 여과층(161, 162, 163)들은 열적으로 점-결합(point-bonded)되어 있으며, 전체 결합 면적은 5 ~ 50 %, 바람직하게는 10 ~ 20 %이다. 선택적으로, 이와 같은 여과 층들을 접착제를 사용하여 결합시킬 수도 있다. 두 개의 여과층(164, 165)은 서로 접착제로 결합되는 것이 바람직하다. 세 개의 여과층(161/162/163) 복합재 및 두 개의 여과층(164/165) 복합재는 서로 결합되어 있지 않는 것이 바람직하다.
도 8w에서, SB(169)와 여과용 MB 플리스(171)는 다공성 고온 용융(170)에 의해 서로 접착되어 있으며 탄소/플리스 층이 고온 용융 접착층(172, 175)에 의해 눈이 굵고 거친 여과지 및 MB에 접착되어 있다. 도 8x는 도 8w와 동일한 구조이나, 여분의 지지용 플리스(186)가 다공성 고온 용융 접착제(185)에 의해 눈이 굵고 거친 여과지(184)에 접착되어 있는 점에 차이가 있다. 도 8y는 서로 봉합된 SB(187), MB(188) 및 SB(189)의 외부 복합재층을 나타내며, 다공성 고온 용융 접착제(190, 193)에 의해 탄소/플리스(191/192)층이 서로 봉합되어 있는 외부 복합재층과 눈이 굵고 거친 여과지에 접착되어 있다. 도 8z는 도 8y와 동일한 구조이나, 다공성 고온 용융 접착제(203)에 의해 눈이 굵고 거친 여과지(202)에 결합되어 있는 지지용 플리스(204)를 가지고 있는 점에 차이가 있다.
마지막으로, 도 8aa는 다공성 고온 용융 접착제(206)에 의해 SB(205)와 여과용 MB 플리스(207)가 서로 접착되어 있는 상태를 보여주고 있다. 다공성 고온 용융 접착제(208)에 의해 탄소/플리스(209 + 210) 층이 동일한 방식으로 MB(207)에 접착되어 있다. 눈이 굵고 거친 여과지(212)는 고온 용융(211)에 의해 접착되어 있고, 망직 스크림(213)은 눈이 굵고 거친 여과지(212)에 봉합되어 있다.
활성 탄소 섬유층들은, 부직포(플리스) 여과층들 사이의 탄소 입자, 활성 탄소 섬유를 포함하는 여과지, 활성 탄소 코울(coal)을 포함하는 여과지, 활성 탄소 섬유(부직포), 활성 탄소 섬유(직포), 타르 원유 등의 증류 후에 남는 끈적끈적한 검은 물질인 피치(pitch)로 만들어진 활성 멜트블로운, MB 층으로 방사된 활성 탄소 섬유 등의 구성을 가질 수 있다. 활성 탄소 층은 약 500 ~ 3000 g/m2의 표면적(BET N2 법), 약25 ~ 500 g/m2 범위의 중량과 약 500 ~ 3000 L/m2s의 공기 투과율(DIN 53887 시험)을 가진다.
또 다른 실시예에서, 성능이 향상된 집진백은 제 2 여과층의 상류에 위치한 다용도 여과층을 포함한다. 이때 다용도 여과층으로는 건식 적층 고 분진 용량지 또는 습식 적층 고 분진 용량지, 고체적 멜트블로운, 스펀블로운 (모듈러) 또는 극세 스펀본드들 중 하나를 사용할 수 있다. 제 2 여과층은 바람직하게는 집진백을 구성하기 전에 정전기로 대전될 수 있는, 습식 층형 여과지, 건식 층형 여과지 또는 스펀본드들 중 하나를 사용해야만 한다.
여기에 "다용도 여과층"이라는 용어는 건식 적층 또는 습식 적층 용량지로 된 선-여과층이 여러가지 기능을 동시에 수행할 수 있다는 것을 의미하기 위하여 사용된다. 이 여과층은 크기가 10 ㎛ 이상일 수 있는 대형 오염 입자들의 큰 버스트(burst)를 방지함으로써 충격 부하로부터 하류 방향의 제 2 여과층을 보호한다. 또한, 이와 같은 다용도 여과층들은 크기가 10 mm 가량되는 소형 입자들도 여과한다. 다용도 여과층은 그 다공성 및 두께가 충분히 크기 때문에, 복합 구조로 이루어진 여과층을 따라 급격한 압력 강하의 발생없이 기류가 고속으로 여과층을 통과할 수 있도록 해주는 동시에, 다량의 오염물 및 분진 입자들을 그 층 내부에 수용할 수 있는 용량을 가진다. 따라서, 집진백이 입자 수용 용량에 도달하기에 충분히 긴 시간 동안, 집진백은 진공 청소를 위한 최적의 기류 상태로 지속적으로 작동할 수 있다. 넓은 의미로 말하자면, 다용도 여과층은 제 2 여과층에 의해 제거되는 미립 분진 입자들을 제외하면 공기와 함께 빨려 들어오는 대부분의 입자들을 소제한다.
"제 2 여과층"이라는 용어는 다용도 여과층을 통과한 공기로부터 충분한 양의 미립 분진 입자들을 제거시킴으로써 매우 높은 총괄 여과 효율, 바람직하게는 99 % 이상의 효율에 이르도록 하는 여과층을 의미한다. 제 2 여과층은 다용도 층보다 다공성이 작다. 즉, 중간 수준의 다공성을 가지고 있는데 그 이유는 절대 다수의 여과 부하가 다용도 여과층에 의해 걸리기 때문에 소량의 미립 분진 크기의 입자들만이 남아 있게 되고 이 입자들은 고성능 여과층에 의해서만 제거되기 때문이다. 특히 이것은 다용도 여과층이 정전기로 대전된 분할 필름 섬유를 포함하고 있거나, 정전기로 대전된 고체적 멜트블로운, 스펀블로운 모듈러 또는 극세 스펀본드가 사용될 경우에 더욱 두드러진다. 이 경우 제 2 여과층에 의해 제거되어야 할 미세 분진도 더 적어지게 된다.
성능이 향상된 집진백의 다양한 여과층들은 보통 집진백의 흡입구와 출구, 그리고 간혹 집진백의 이음매 부분(seam)에서 이웃한 여과층들에 접착된다. 이와 같은 여과층들은 집진백 구조의 나머지 다른 부분에서는 이웃한 층들과 접착되지 않거나 또는 다양한 방법으로 접착될 수 있다. 예를 들면, 접착제, 열 결합, 초음파 결합 또는 이들 방법들의 조합에 의하여 여과층들을 접착시킬 수 있다.
[실시예]
방법론 및 시험법
아래에 제시된 예에서, 특별한 설명이 없는 한, 기본 중량은 I.S.O. 536, 두께는 DIN 53 105(0.2 bar), 공기 투과율은 DIN 53 887, 기계 방향(MD) 인장 강도 및 기계 횡단 방향(CD) 인장 강도는 DIN 53 112, 물렌의 버스트 압력(MBP: Mullen's burst pressure)은 DIN 53 141, 그리고 여과 특성은 T.S.I. 8160 여과기 시험장치에 의해 측정된다. 도면에서, 기류 방향은 화살표로 표시하였다.
미립 분진 입자의 여과에 대한 진공 청소기 집진백용 여과기 복합재들의 성능 특성을 나타내고자 DIN 44956-2(1980년 4월) 시험을 사용하였다. 본 시험은 30초의 시간 간격 내에 초당 10 리터의 기류를 사용하는 시험으로, 단면적 200 평방 센티미터인 원형 여과 매체를 통해 시험용 SAE 미립 분진 샘플 500 mg을 여과시키는 과정을 포함하고 있다. 여과 시험 전후로, 시험용 여과 매체를 통한 압력 강하를 측정한다. 시험용 여과기를 통과하는 입자들을 포획하기 위하여 절대 여과기를 사용한다. 시험용 여과기에 의해 포획된 샘플의 중량을 시험용 여과기가 포획한 샘플의 중량과 절대 여과기에 의해 포획된 샘플의 중량과의 총합으로 나누었을 때의 몫을 백분율로 표시하여 보존 계수(coefficient of retention)를 계산한다.
미립 분진 부하 후의 공기 투과율 시험: DIN 44956-2 시험의 분진 부하 파트가 각 샘플 당 7개의 집진백에 대하여 0.5 그램씩 증가시키며 실행되었다. 그러나, 이때 압력 강하 값을 다시 측정하지는 않았다. 미립 분진이 부하된 후, 특정 수준의 분진 부하가 걸린 집진백에 대하여 지속 가능한 최대 공기 투과율이 측정된다.
매체의 여과 효율을 측정하기 위하여 TSI 모델 8110이 사용되었다. 이 시험에서 모델 8110은 에어로졸 발생기에 의해 2.0 %의 염화나트륨 용액(1 리터의 수용액 내 20g의 염화나트륨 용해)이 연무되었다(aerosolized). 에어로졸 내의 염화나트륨 수용액 방울들이 가열되면 0.1 ㎛ 직경의 염화나트륨 결정들이 형성된다. 공기 내 염화나트륨의 질량 농도는 101 ㎎/m3였다. 매체의 상류 체적 내에 존재하는 공기의 체적 농도(Cu) 및 매체의 하류 체적 내에 존재하는 체적 농도(Cd)를 측정하고자 광도측정법(photometry)이 사용되었다. 염화나트륨의 침투율은 다음과 같이 계산된다:
침투율(Penetration) = P = [Cd/Cu] (100 %)
예 1∼7
도 1 내지 도 3 및 도 4 내지 도 7에 제시된 다양한 진공 청소기 집진백 구조의 샘플들을 제작하여 시험하였다. 예 1, 예 2, 예 3은 종래 기술에 의한 종래의 집진백 구조가며 예 4, 예 5, 예 6 및 예 7은 본 발명에 따른 집진백들을 나타낸다. 종래 기술에 의한 여과층 및 신형 집진백의 여과층들의 특성을 측정한 후 표 III과 표 IV에 제시하였다. 전체 복합재의 중량, 두께, 공기 투과율, 세공의 직경, 그리고 여과 수준 침투율이 표 V에 제시되어 있다. 또한 표 V에는 DIN 44956-2에 의해 0부터 2.5 그램까지 증가시켜 측정한 미립 분진 부하에서의 복합재를 통과하는 공기 유량 및 압력 강하도 제시되어 있다. 표 V의 압력 강하 데이터는 도 9와 도 10에 그래프로 도시되었다. 공기 유량 곡선도 도 11에 그래프화되었다.
도 9에서, 종래의 세가지 집진백 구조인 예 1, 예 2 및 예 3은 겨우 1.0 그램의 분진 부하 이후로는 압력 강하가 현저하게 증가하기 시작한다는 것이 도시되어 있다. 종래 기술인 예 2와 예 3은 모두 MB 섬유를 포함하고 있는데, 분진 부하 1.5 그램에 이르기까지는 압력 강하의 증가량이 훨씬 낮았다. 그러나, 그 이후로는, 예 2 및 예 3의 두 경우 모두 분진 부하의 증가에 따라 압력 강하도 증가하였으며, 그 이유는 MB 섬유 내에 존재하는 비교적 작은 세공들이 분진 입자 및 덩어리에 의해 막히게 되기 때문이다.
반면 본 발명에서 제안한 예 5, 예 6 및 예 7의 경우, 최대 분진 부하 2.5 그램 이후 조차 압력 강하는 매우 작았다. 특히, 예 5 내지 예 7의 경우 모두 초기 여과 효율은, MB 섬유들을 포함하는 종래 기술에 의한 샘플들 만큼 높은 99.6%였다. MB 플리스가 없는 예 1의 경우 여과 효율이 낮아 96%였고, 분진 부하 시의 압력 강하도 가장 높았다. 예 2 및 예 3과 예 5 내지 예 7 사이에 눈에 띄게 다른 차이점은 예 5 내지 예 7의 세 가지 경우 모두 MB 플리스의 상류에 눈이 굵고 거친 여과지가 위치하고 있다는 것이다. 이로 인해 여과지는 특별히 크기가 큰 분진 입자들을 여과하여 수용할 수 있어서, 2.5 g/m2의 분진 부하에서 조차 세공을 막는 현상 없이 소형의 분진 입자들까지 여과용 MB 플리스에 의해 여과될 수 있다.
또한, 예 4, 예 5, 예 6, 예 7에 사용된 MB 및 여과지 모두는 예 1, 예 2, 예 3 에서 사용된 대응하는 재료들에 비하여 세공이 더 많이 개방되어 있다. 공기 투과율이 매우 높다는 사실로 증명된 바와 같이, 이러한 특별한 눈이 굵고 거친 여과지는 훨씬 많이 세공이 개방되어 있다. 따라서, 이와 같은 특별한 여과지는 분진의 수용 용량도 더 크다. 이와 같이, 예 4, 예 5, 예 6, 예 7에 제시된 MB의 공기 투과율은 더 높고, 고체적 MB 부직포의 경우 투과율이 훨씬 높고 덜 밀집되어 있다. 이것은 MB의 제작 시 다양한 방법에 의해 구현될 수 있으나, MB 필라멘트의 냉각을 훨씬 용이하게 위하여 다이(die)로부터 회수 장치까지의 거리를 증가시키는 방법이 더 많이 사용되며, 이로 인해 반-용융된 필라멘트들이 더 많은 냉각 시간을 갖게 되어 회수 장치에 집적되기 전에 완전히 고형화될 수 있다. 압출된 MB 필라멘트들의 냉각을 가속시키기 위해 물 분무기 및 저온의 냉각 공기를 사용할 수도 있다.
MB 섬유들 사이의 차이는 도 10에 보다 상세히 제시되어 있다. 도 9의 예 2를 도 10에 다시 그려 놓았으며 "3M"이라고 표시하였다. "예 4 에어플로"라고 표시한 신형의 예는, 최상류층으로 사용되는 고다공성, 고투과성의 고체적 MB 부직포가 120 g/m2의 중량을 갖도록 만들어서 제조된다.
이러한 MB 웹은 예 2와 3에서 사용된 기존의 MB 섬유들보다 투과율이 더 높고 다공성도 우수하다. 따라서, 다량의 분진 입자들의 여과 및 수용을 수행하는 역할을 하였다. 주목할 사실은, 120 g/m2의 특별한 MB 내층 및 22 g/m2의 중간층을 가지는 경우 조차도, 예 4 에어플로의 경우 최대 분진 부하인 2.5 g/m2에 이르기까지 압력 강하의 증가량은 무시할만 하였다.
예 1에는 어떠한 종류의 MB 플리스도 포함되어 있지 않아서, 예 2 및 예 3에 비하여 압력 강하의 증가량이 더 작았지만, MB 플리스를 가지는 예 5와 예 6에 비하여 분진 부하에 따라 압력 강하의 증가량이 훨씬 더 많았다.
상기 세 개의 예에 사용된 MB 폴리프로필렌 웹의 중량이 22 g/m2 였다는 점은 주목할 필요가 있다. 하지만, 예 5와 예 6에 있는 눈이 굵고 거친 여과지와 여과용 MB 플리스를 적합한 위치에 놓으면 압력 강하의 증가를 상당히 줄일 수 있는데, 그 이유는, 여과지가 대형 및 중형 입자들을 여과시키고, 여과용 MB 플리스만이 미세 입자들을 제거하여 수용하기 때문이다. 최대 분진 부하 상태인 2.5 g/m2에서 조차 압력 강하에 있어서 예 5와 예 6 간의 차이는 거의 없었다. 다만, 습식 여과지가 있을 경우 압력 강하량이 다소 증가하였는데, 그 이유는 습식 공정 중에 섬유소(cellulose) 분자 체인 간의 수소 결합에 의해 동일 중량 상태에서 다소 세공을 작게 함으로써 습식 적층 여과지가 조밀해지기 때문이다.
도 11은 눈이 굵고 거친 여과지를 본 발명의 여과용 MB 플리스의 상류(집진백 내측)에 위치시킴으로써 구해진 상당한 개선을 보다 극적으로 나타낸 예들의 결과를 도시한다. 예 1 내지 예 3 및 예 5 내지 예 7의 별도의 집진백들에 미세 분진을 0.5 그램씩 증가시켜 0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 및 2.5 그램의 분진으로 부하되었다. 그 다음에, 상기 6개의 집진백은 상이한 분진 부하량에 따라 공기 투과율 행해지며, 공기 투과율 시험에서 지속 가능한 최대 공기량을 각 집진백 샘플로 통과시킨다. 도 11에 제시된 바와 같이, 예 6이라고 표시된 신형 집진백은, 종래 기술인 예 3의 단지 225 L/m2s 에 비하여, 분진 부하가 없을 때의 지속 가능한 최대 공기량이 445 L/m2s였다. 분진 부하 1.5 그램에서, 예 6의 지속 가능한 공기량은 265.4 L/m2s인 반면에 종래 기술인 예 3의 단지 34.9 L/m2s이었으며, 분진 부하 2.5 그램에서, 성능 차이는 훨씬 벌어져서 각각 199.8 및 21.9 L/m2s에 이르렀다. 예 2의 지속 가능한 최대 공기량은 411 L/m2s이었으나, 1.0 그램의 분진 부하에서 종래의 집진백 구조에서의 값으로 떨어진다.
6번째 분진 부하 시험이 종료된 후, 기존의 진공 청소기 집진백은 상대적으로 공기 유량이 작은 것으로 드러났는데, 도 11에 제시된 바와 같이 예 1, 예 2, 예 3의 공기 투과율은 각각 18, 14.9, 그리고 21.9 L/m2s에 불과했다. 유입 공기량을 급격하게 감소시키지 않고는 종래의 구조물에 새로운 재질의 여과층을 추가하기란 거의 불가능하다. 도 11에 있는 예 5 및 예 6에서, 신형 집진백 구조의 성능이 워낙 우수한 관계로, 진공 청소기 집진백에 더 많은 기능을 추가할 수있게 되었다. 오늘날의 진공 청소기에는 수많은 종류의 여과기가 사용되므로, 그 많은 여과기들 중에 활성 탄소 여과지는 악취를 흡수하는데 사용된다. 한 개의 진공 청소기 내에는 3 내지 5 가지의 서로 다른 여과지들이 사용되는데, 각각은 고유의 사용 수명을 가지고 있다.
본 발명의 높은 공기 유량으로 인하여, 별도의 여과기용 요소를 추가할 필요 없이 집진백 구조에 추가적인 활성 탄소 섬유층을 부가하는 등의 방법으로 기능을 증가시킬 수 있다. 이러한 집진백의 구조물은 다음과 같은 많은 이점이 있다.
1. 최종 사용자가 사용하기 편리한 진공 청소기로서, 별도의 악취 흡수용 여과기는 교체될 필요가 없다.
2. 종래 존재하는 형태의 탄소 여과기는 공기량에 부정적 영향을 미치고 때로는 진공 청소기의 전체 출력을 급격히 감소시킨다.
3. 그러한 탄소 여과기는 별도의 플라스틱 성형된 하우징 내에 설치되며, 이 탄소 여과기는 진공 청소기 내에 탄소층을 사용함으로써 없앨 수 있다.
4. 진공 청소기 집진백의 사용 수명으로 인하여, 진공 청소기 집진백이 사용되는 기간 동안 활성 탄소 섬유의 최적 기능을 기대할 수 있다.
5. 별도의 플라스틱 하우징이 더 이상 필요하지 않으므로, 진공 청소기의 제조가 훨씬 용이해지며 따라서 비용도 절감된다.
6. 진공 청소기의 사용 수명에 따라 활성 탄소 섬유의 양은 최적화될 수 있다.
7. 진공 청소기 내의 공간 상 제약으로 인하여, 활성 탄소 섬유 여과기는 비교적 작으며 종종 악취를 효과적으로 흡수하기에 충분할 만큼의 영역을 갖지 못한다.
8. 신형 집진백 구조에 활성 탄소 섬유로 된 여분의 여과층을 추가함으로써, 제한된 여과기 영역의 문제를 해결하였다.
표 III
예 1 예 3
도면 번호/여과층 번호 1/25 1/24 3/30 3/29 3/28
중량 ISO 536 g/m2 45 13 45 22 13
두께 DIN 53 105 0.2 bar mm 0.2 0.05 0.2 0.26 0.05
공기 투과율 DIN 53 887 L/m2s 400 2100 400 480 2100
인장 강도
기계 방향 DIN 53 112 N 37 > 6 37 2.8 > 6
횡단 방향 DIN 53 112 N 20 > 1.5 20 2.9 > 1.5
세공의 직경 MFP 23.43 1 MFP 23.43 1 MFP 39.57 2
물렌의 버스트 압력 DIN 53 141 bar 1.2 0.3 1.2 0.5 0.3
여과 특성 DIN 44956-2
여과 수준 침투율 % 86 86
1 최소 11.91, 최대 64
2 최소 16.52, 최대 > 300
표 IV
예4 예 5 예 6 예 7
도면번호/ 층번호 단위 4/(12+11)1 4/10 5/(33+32)1 5/31 6/(36+35) 6/34 7/(214+215)1 7/216 7/217
중량 ISO 536 g/m2 39 120 39 50 39 77 200 50 50
두께 DIN53 1050.2 bar mm 0.33 1.4 0.33 0.32 0.33 0.94 0.9 0.4 0.32
공기 투과율DIN 53 887 L/m2s 510 510 2900 510 1850 2000 470 2900
기계 방향인장 강도 DIN 53 112 N 11.6 11.6 16 11.6 6.1 2.9 16
횡단 방향인장 강도DIN 53 112 N 7.8 7.8 7 7.8 5.4 3 7
세공의 직경 μm MFP17.672 MFP17.672 MFP17.672 MFP7.692 MFP53.392
물렌의버스트압력DIN 53 141 bar 0.7 0.5 0.07
여과 특성DIN 44956-2
여과수준침투율 % 94 94 70.5 94 87 70.5
1 스펀본드 (17 g/m2) + 멜트블로운 (22 g/m2) 박층
2 최소 10.85, 최대 40.25
3 플리스 (50 g/m2) + 탄소 (150 g/m2) 박층,
내부 표면적 BET N2 법 1050 ~ 1400 m2/g, 미세 다공의 세공 크기 2 nm
4 최소 10.75, 최대 40.27
5 최소 17.67, 최대 > 300
표 V
예 1 예 2 예 3 예 4 예 5 예 6 예 7
도면번호 단위 1 2 3 4 5 6 7
중량 ISO 536 58 80 80 159 89 116 300
두께 DIN 53 105 0.2 bar 0.25 0.95 0.51 1.73 0.65 1.27 1.62
공기 투과율 DIN 53 887 330 450 225 465 420 400
세공의 직경 MFP16.531
여과 특성 DIN 44956-2여과 수준 침투율
% 96 99.6 99.6 99.8 99.7 99.8 99.7
2 mbar에서의 기류량 L 6.4 8.19 4.15 8.6 8 7.3
여과저항 압력강하 1 mbar 3.21 2.26 5.14 3.46 2.34 2.53 2.8
여과저항 압력강하 2 mbar 8.9 4.44 7.7 3.93 3.18 4.44 3.5
여과저항 압력강하 3 mbar 24.19 10.42 13.37 4.48 4.35 10.42 4.91
여과저항 압력강하 4 mbar 51.64 30.14 25.87 5.19 6.54 30.14 7.02
여과저항 압력강하 5 mbar 79.58 85.7 53.05 6.15 10.34 85.7 11.03
여과저항 압력강하 6 mbar 110 120 100.32 7.53 16.39 120 16.98
미세분진 유입시 유량0.0 gram 411 420 225 455 445 410
미세분진 유입시 유량0.5 gram 200.6 226 150 320 361 301
미세분진 유입시 유량1.0 gram 130.1 1365 101 258 310 235
미세분진 유입시 유량1.5 gram 71 62.4 34.9 183.7 265.4 162
미세분진 유입시 유량2.0 gram 44 27.4 27 149.6 224.1 135
미세분진 유입시 유량2.5 gram 18 14.9 21.9 109.7 199.8 105
1 최소 8.45, 최대 49.42
* 2 mbar 상태
비교 예 1
도 12는 시판되는 진공 청소기 집진백 구조(51')의 단면을 나타내며, 이러한 구조물은 집진백의 내부(기류면 상류)에 습식 적층 티슈형 플리스 라이너(52')와 집진백의 외부(기류면 하류)에 표준형 습식 적층 여과지(53')로 구성된다. 각 층들의 특성 및 복합재 구조물의 특성이 표 VI에 제시되어 있다. 라이너는 주로 습식 적층 여과지를 마모로부터 보호하게 되나, 일련의 초대형 입자들을 선-여과하는 역할도 수행한다. 습식 적층 여과지는 통상 입자의 크기가 10 ㎛ 가량되는 것과 이보다 작은 일부 소형 입자들을 여과한다.
비교 예 2
도 13은 종래의 3층형 진공 청소기 집진백 구조(54')의 단면을 나타내며, 이러한 구조물에서는, 분진 수용 용량이 거의 없는 습식 적층 티슈형 지지용 플리스(55')가 MB 플리스(56')의 상류에 부가되어 마모를 방지하고, 습식 적층 여과지(57')가 외부(하류)에 위치하여 집진백을 마모로부터 보호하고, 집진백 제작을 위한 강성을 개선시키며 추가적인 공기 여과의 기능을 제공한다. 각 층들의 특성 및 복합 구조의 특성이 표 VI에 제시되어 있다.
예 8∼10
도 14는 예 8의 최신 3층형 진공 청소기 집진백의 복합재 구조물(58')을 나타내며, 멜트블로운 여과 층(60')의 전방인 내부(상류의 기류측)에 습식 적층 고 분진 용량지 층(59')이 위치하고 있다. 공기 침투성이 상당히 우수한 습식 적층 여과지 층(61')은 외부(하류의 기류측)에 존재한다.
도 15는 예 9의 최신형 진공 청소기 집진백의 복합재 구조물(62')을 나타내며, 20 중량% 의 라텍스 접합제에 의해 지지되는 100 % 플러프 펄프 섬유로 구성된 습식 적층 고 분진 용량지(63')가 내층으로 위치하고 있고 기존의 습식 적층 여과지(64')가 외층에 위치하고 있다.
도 16은 예 10의 최신형 진공 청소기 집진백 구조(65')을 나타내며, 집진백 내부의 상류 기류 부분에 열 결합된 건식 적층 고체적 분진 용량지(66')와 집진백의 외부 상에 고 침투성 습식 적층 용량지(66')로 구성된다. 건식 적층 고 분진 용량지(66')의 섬유 내용물은 40 %의 플러프 펄프 섬유, 40 %의 분할 필름 섬유 그리고 20 %의 이성분 중합체 섬유의 블렌드로 구성된다. 각 층들 및 복합 구조의 특성에 대하여 표 VI에 제시해 두었는데, 여러 복합재 구조물의 여과 특성을 유량이 100 L/min 인 조건에서 비교하고 있다. 표 VI의 데이터에서 압력 강하의 증가량이 미세한 비교 예 1과 관련되어 예 8과 예 10의 구조물이 여과 효율을 급격하게 증가시키는 것을 알 수 있다. 또한, 예 8은 비교 예 2에서와 동일한 압력 강하에서 다소 낳은 여과 효율을 나타낸다. 예 9는 시판되는 비교 예 1의 구조물과 잘 비교된다.
위에서 설명된 구조물들의 각 예를 미세 분진 부하 조건에 대하여 시험하였고 그 결과를 표 VI에 제시하였다. 도 17은 집진백 구조를 따라서의 압력 강하 대 미세 분진 부하의 중량(그램)을 나타낸 곡선으로서 A-E 곡선은 각각 비교 예 1 및 예 2(A와 B)와 예 8 내지 예 10(C, D, E)을 각각 나타내고 있다. 그래프를 살펴 보면 종래의 집진백 구조의 경우 매우 낮은 부하에서 압력 강하가 급격히 증가하고 있음(즉, 2.5 g 보다 작은 중량에서 100 mbar인 상태)을 알 수 있다.
예 8은 분진 부하 3.5 g 이후에는 이에 상응하여 높은 압력 강하에 도달하였는데, 이것은 40 % 가량 개선된 결과이다. 예 9와 예 10은, 분진 부하량이 약 10 g 및 12.5 g일 때에 압력 강하가 100 mbar에 도달함으로써 매우 탁월한 미세 분진 부하 시험 결과를 산출하였으며, 미세 분진의 부하량이 6.5 g일 경우에도 압력 강하는 30 mbar를 초과하지 않았고 부하량이 7.5 g이 되고 난 후에야 비로소 압력 강하가 40 mbar 가량되는 결과를 보였다. 이러한 시험 결과는 종래의 여과기 구성물에 비하여 300 ~ 400 % 가량 여과 성능이 개선되었음을 나타낸다. 특히, 예 9 와 예 10에는 상류의 고 분진 용량의 다용도 층과 하류의 제 2 여과 층 사이에 MB 여과기인 중간층이 포함되어 있지 않다.
도 18부터 도 20에 도시된 성능이 개선된 진공 청소기 집진백의 복합재 구조물의 추가적 예들은 본 발명의 정의 범위내에 포함되는 것으로 고려되었다. 특히, 도 8a는 2층 구조물을 보여주고 있는데, 이러한 2층 구조는 상류의 다용도 층이 건식 라텍스 접합제에 의해 지지된 플러프 펄프 섬유만의 건식 적층 여과지이거나, 또는 플러프 펄프 여과지와 이성분 중합체 섬유가 열 결합된 블렌드(blend)로 되어 있는 건식 적층 여과지로 되어 있다. 이와 같은 다용도 여과층은 높은 공기 투과율과 분진 수용 용량을 가진다.
도 18b 역시 2층 구조물이며, 다용도 층은 플러프 펄프 여과지, 이성분 중합체 섬유, 그리고 정전기로 대전된 분할 필름 섬유의 세가지 성분의 블렌드로 구성된다. 상기 블렌드 또한 주로 융점이 낮은 이성분 중합체 섬유 조성물의 열 결합에 의해 상호 지지된다.
도 18c는 상류 위치에 특별히 개발된 고 분진 수용 용량의 습식 적층 여과지를 구비한 또 다른 2층 구조물이다. 습식 적층 여과지 내의 섬유들은 합성 섬유와 목재 펄프와 같은 천연 섬유의 블렌드이다. 통상, 합성 섬유로는 폴리에스터가 사용되며, 폴리에틸렌 테라프탈레이트이면 더 바람직하다고 할 수 있다. 이들 섬유는 섬유의 중량을 기준으로 10 ~ 30 wt % 가량되는 건조 고체인 라텍스 접합제에 의해 결합되어 있다.
도 18d도 상류의 다용도 층이 폴리올레핀, 바람직하게는 폴리프로필렌 섬유를 포함하는 2층 구조물이다. 본 여과층은 특히 탄트레트TM(TantretTM) 기술에 의해 정전기로 대전되어 있다.
도 18e 내지 도 18h는 도 18a 내지 도 18d에 제시된 것과 각각 동일한 구조물을 보여주고 있으나, 다용도 여과층과 제 2 여과층 사이에 선택적으로 멜트블로운 플리스 중간층이 삽입되어 있는 점에 차이가 있다.
도 18i 내지 도 18p는 도 18a 내지 도 18h에 나타난 것과 각각 동일한 구조물을 보여주고 있으나, 기류면에 노출되어 있는 진공 여과기 집진백측에 선택적인 플리스 스크림을 부가하여 이웃한 여과 층을 마모로부터 보호하고 매우 큰 분진 입자들을 여과시킨다는 점에 차이가 있다.
도 19q 내지 도 19af는 도 18a 내지 도 18p에 나타낸 것과 각각 동일한 구조물을 보여주고 있으나, 선택적인 스펀본드 플리스가 선택적으로 가장 하류층에 위치하여 진공 청소기 집진백의 외측에 위치하고 있다는 점에 차이가 있다.
도 20ag 내지 도 20bl은 도 18a 내지 도 19af에 나타낸 것들과 각각 동일한 구조물을 보여주고 있으나, 복합재의 이웃한 여과층들이 고온 용융 접착제에 의해 서로 결합되어 있다는 점에 차이가 있다. 이러한 고온 용융 결합은 또한 접착(gule) 결합, 열 결합, 그리고 초음파 결합 등을 포함하는 널리 알려져 있는 박층 방법으로 대체되거나 또는 이와 함께 사용될 수도 있다. 도면의낸 실시예들에서는 모든 이웃한 여과층들 사이 사이에 접착제가 존재하는 것으로 도시하였으나, 모든 층을 이런 방식으로 결합시킬 필요는 없다고 판단된다. 즉, 복합재의 일부 층들은 접착제를 사용해서 결합시키고 다른 층들은 결합되지 않을 수도 있다.
표 VI a
예 비교예 1 비교예 2 예 1
층/구조물 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61
기본 중량 58 13 45 80 13 22 45 117 50 22 45
두께 0.25 0.05 0.2 0.51 0.05 0.26 0.2 0.78 0.32 0.26 0.2
공기 투과율 330 2100 400 225 2100 480 400 255 2900 480 400
인장 강도 (MD) - > 6.0 37 - > 6.0 2.8 37 - 16 2.8 37
인장 강도 (CD) - > 1.5 20 - > 1.5 2.9 20 - 7 2.9 20
세공의 직경 - - 11.91~ 64 - 16.52~>300 11.91~ 64 - - 11.91~ 64
MFP bar - - 23.43 39.57 23.43 23.43
MBP bar - 0.3 1.2 - 0.3 0.5 1.2 - 0.7 0.5 1.2
여과 특성
유량 100.0 - - 100 - - - 100 - - -
압력강하 10.4 - - 17.5 - - - 17.1 - - -
침투율 % 72.7 - - 23.1 - - - 20.9 - - -
효율성 % 27.3 - - 76.9 - - - 79.1 - - -
표 VI b
예 예 2 예 3
층/구조 62 63 64 65 66 67
기본 중량 122 77 45 110 65 45
두께 1.14 0.94 0.2 1.11 0.91 0.2
공기 투과율 420 1850 400 330 3000 400
인장 강도 (MD) - 6.1 37 - 5.8 37
인장 강도 (CD) - 5.4 20 - 5.2 20
세공의 직경 - - 11.91~ 64 - - 11.91~ 64
MFP bar - - 23.43 - 23.43
MBP bar - - 1.2 - - 1.2
여과 특성
유량 100.0 - - 100 - -
압력강하 12.90 - - 10.20 - -
침투율 % 66.90 - - 27.30 - -
효율성 % 33.10 - - 72.70 - -
표 VII
비교예 1 비교예 2 예 1 예 2 예 3
효율성 (%) 96.0 99.6 99.6 99.7 99.8
기류 2 mbar(L) 7.00 4.15 4.4 5.90 6.40
분진부하량(g) 압력 강하 (mbar) 10 리터
0 3.21 5.14 4.86 3.44 3.20
0.5 8.90 7.70 6.02 4.05 4.48
1.0 24.19 13.37 7.87 5.79 6.25
1.5 51.64 25.87 11.80 7.20 8.45
2.0 79.58 53.06 19.03 8.61 11.30
2.5 110.00 100.32 33.22 10.14 13.70
3.0 56.56 11.98 16.16
3.5 96.30 13.87 18.33
4.0 16.07 20.62
4.5 18.26 22.62
5.0 20.81 24.61
5.5 23.46 26.83
6.0 27.23 29.19
6.5 31.21 31.09
7.0 35.68 32.99
7.5 42.74 36.00
8.0 50.70 39.60
8.5 62.02 43.95
9.0 74.20 48.28
9.5 89.20 53.20
10.0 106.36 58.68
10.5 65.57
11.0 73.80
11.5 81.75
12.0 93.04
12.5 106.11
지금까지 본 명세서에서 참조된 특허를 포함하는 모든 간행물들을 참고 문헌으로 포함된다. 본 발명은 당해 분야의 당업자를 위하여 충분히 그리고 빠짐없이 설명되었지만, 실질적으로 균등하거나 우수한 결과 및/또는 성능을 제공하는 다양한 치환 및 개량은 다음 청구항들의 범위 및 사상 범위 내에 안에 포함된다는 것을 이해하여야 한다.

Claims (52)

  1. 기체 내에 포함된 입자를 제거하기 위한 여과기에 있어서,
    기류 방향의 상류에 위치한 눈이 굵고 거친 여과층과, 멜트블로운 플리스층(meltblown fleece layer)(11; 32; 35; 217)을 포함하고,
    상기 눈이 굵고 거친 여과층은,
    (a) 500 ~ 8000 L/m2s의 공기 투과율과 30 ~ 150 g/m2의 기본 중량을 가지는 습식 적층 고 분진 용량지(31; 217),
    (b) 500 ~ 8000 L/m2s의 공기 투과율과 30 ~ 150 g/m2의 기본 중량을 가지는 건식 적층 고 분진 용량지,
    (c) 300 ~ 8000 L/m2s의 공기 투과율과 30 ~ 180 g/m2의 기본 중량을 가지는 고체적의 멜트블로운 부직포, 및
    (d) 200 ~ 4000 L/m2s의 공기 투과율과 20 ~ 150 g/m2의 기본 중량을 가지는 스펀블로운 (모듈러) 부직포[Spunblown (Modular) Nonwoven] 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 여과기.
  2. 제1항에 있어서, 여과용 멜트블로운 플리스층이 10 ~ 50 g/m2의 기본 중량과 100 ~ 1500 L/m2s의 공기 투과율을 가지는 것을 특징으로 하는 여과기.
  3. 제2항에 있어서, 습식 적층 고 분진 용량지가 적어도 160 ㎛의 세공 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 여과기.
  4. 제1항에 있어서, 여과용 멜트블로운 플리스층의 하류에 적어도 하나의 외층을 포함하고,
    상기 외층은,
    (a) 6 ~ 80 g/m2의 기본 중량과 500 ~ 12,000 L/m2s의 공기 투과율을 가지는 스펀본드, 습식 적층, 건식 적층 또는 하이드로인탱글드(hydroentangled) 부직포(10; 33; 36)나 망직포,
    (b) 15 ~ 100 g/m2의 기본 중량과 2,000 ~ 5,000 L/m2s의 공기 투과율을 가지는 지지용 플리스층(214)의 상류에 25 ~ 500 g/m2의 기본 중량과 500 ~ 3,000 L/m2s의 공기 투과율을 가지는 활성 탄소 섬유층(215)을 포함하는 악취 흡수용 복합재 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 여과기.
  5. 제1항에 있어서, 여과용 멜트블로운 플리스층의 상류에 지지층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 여과기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 지지층이 스펀본드 부직포인 것을 특징으로 하는 여과기.
  7. 제5항에 있어서, 상기 지지층이, 눈이 굵고 거친 여과층의 상류에 위치하고, (a) 눈이 굵고 거친 여과층에 결합된 망직 스크림(47; 82; 96; 143; 160; 213) 또는 (b) 습식 적층 티슈형 플리스(43; 64; 76; 91; 116; 134; 154; 186; 204) 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 여과기.
  8. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 층이 적절한 유전성(dielectric properties)을 가진 재료로 되어 있고 정전기로 대전되는 것을 특징으로 하는 여과기.
  9. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 층이 집진백의 하나의 인접한 층에 결합되는 것을 특징으로 하는 여과기.
  10. 제9항에 있어서, 모든 인접한 층들이 다공성 고온 용융 접착제에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 여과기.
  11. 제9항에 있어서, 모든 인접한 층들이 결합되는 것을 특징으로 하는 여과기.
  12. 삭제
  13. 제4항에 있어서, 외층이 10 ~ 40 g/m2의 기본 중량을 가지는 스펀본드 부직포이고, 눈이 굵고 거친 여과층이 30 ~ 180 g/m2의 기본 중량을 가지는 고체적의 멜트블로운 부직포인 것을 특징으로 하는 여과기.
  14. 제4항에 있어서, 외층이 10 ~ 40 g/m2의 기본 중량을 가지는 스펀본드 부직포이고, 눈이 굵고 거친 여과층이 500 ~ 8000 L/m2s의 공기 투과율을 가지는 습식 적층 고 분진 용량지인 것을 특징으로 하는 여과기.
  15. 제4항에 있어서, 외층이 10 ~ 40 g/m2의 기본 중량을 가지는 스펀본드 부직포이고, 눈이 굵고 거친 여과층이 500 ~ 8000 L/m2s의 공기 투과율을 가지는 건식 적층 고 분진 용량지인 것을 특징으로 하는 여과기.
  16. 제1항에 있어서, 건식 적층 고 분진 용량지가 하나의 중합체로 된 외피와 상기 중합체보다 용융점이 높은 다른 중합체로 된 코어를 가지는 이성분 섬유(bicomponent fibers)를 포함하는 것을 특징으로 하는 여과기.
  17. 제16항에 있어서, 이성분 섬유가 건식 적층 고 분진 용량지의 25 ~ 50 %를 구성하는 것을 특징으로 하는 여과기.
  18. 제16항에 있어서, 코어가 폴리프로필렌이고 외피가 폴리에틸렌인 것을 특징으로 하는 여과기.
  19. 제16항에 있어서, 코어가 외피에 대하여 편심되어 있는 것을 특징으로 하는 여과기.
  20. 제16항에 있어서, 이성분 섬유는 하나의 중합체를 상이한 중합체의 옆으로 위치하도록 한 것임을 특징으로 하는 여과기.
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 기체 내에 포함된 입자를 제거하기 위한 여과기에 있어서,
    제 2 여과층의 기류 방향 상류에 위치한 다용도 용량 여과층을 포함하고,
    상기 제 2 여과층은, (a) 30 ~ 100 g/m2의 기본 중량과 100 ~ 3000 L/m2s의 공기 투과율을 가지는 습식 적층 또는 건식 적층 여과지와, (b) 10 ~ 100 g/m2의 기본 중량과 100 ~ 3000 L/m2s의 공기 투과율을 가지는 열 결합된 부직포 중에서 선택되고,
    상기 다용도 용량 여과층은, (a) 30 ~ 150 g/m2의 기본 중량과 500 ~ 8000 L/m2s의 공기 투과율을 가지는 습식 적층 또는 건식 적층 고 분진 용량 여과지, (b) 30 ~ 180 g/m2의 기본 중량과 300 ~ 8000 L/m2s의 공기 투과율을 가지는 고체적의 멜트블로운 부직포, (c) 20 ~ 150 g/m2의 기본 중량과 200 ~ 3000 L/m2s의 공기 투과율을 가지는 스펀블로운 모듈러 여과지(Spunblown Modular paper) 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 여과기.
  27. 삭제
  28. 제26항에 있어서, 다용도 용량 여과층은, DIN 44956-2 시험에 의해 결정되는, 적어도 6.5 그램의 미립 분진 입자 부하에서 여과기에 최대 30 mbar의 압력 강하를 제공하도록 조작 가능한 것을 특징으로 하는 여과기.
  29. 제26항에 있어서, 습식 적층 고 분진 용량지가, 대전(帶電) 가능하거나 또는 대전 불가능한 적어도 15 %의 합성 섬유, 보충량의 목재 펄프 섬유 그리고 접합제를 포함하는 섬유들로 구성되는 것을 특징으로 하는 여과기.
  30. 제29항에 있어서, 합성 섬유가 폴리에스터인 것을 특징으로 하는 여과기.
  31. 제29항에 있어서, 합성 섬유가 폴리올레핀 섬유인 것을 특징으로 하는 여과기.
  32. 제31항에 있어서, 폴리올레핀 섬유가 정전기에 의해 대전된 폴리프로필렌인 것을 특징으로 하는 여과기.
  33. 제26항에 있어서, 다용도 용량 여과층이, (a) 라텍스 결합된 플러프 펄프 섬유, (b) 열 결합 가능한 가용성 섬유, (c) 열 결합 가능한 가용성 중합체 섬유와 플러프 펄프 섬유가 열 결합된 블렌드(blend), (d) 열 결합 가능한 가용성 섬유, 플러프 펄프 섬유와 분할 필름 섬유가 열 결합된 블렌드, (e) 혼합된 정전기 섬유들이 열 결합된 블렌드 중에서 선택된 복합재인 건식 적층 고 분진 용량지를 포함하는 것을 특징으로 하는 여과기.
  34. 제33항에 있어서, 열 결합 가능한 가용성 섬유가 이성분 주합체 섬유인 것을 특징으로 하는 여과기.
  35. 제34항에 있어서, 이성분 중합체 섬유가 폴리올레핀인 것을 특징으로 하는 여과기.
  36. 제35항에 있어서, 이성분 중합체 섬유가 폴리프로필렌의 코어와 폴리에틸렌의 외피를 가지는 것을 특징으로 하는 여과기.
  37. 제34항에 있어서, 이성분 중합체 섬유가 외피에 대해 편심되어 있는 코어를 가지는 것을 특징으로 하는 여과기.
  38. 제37항에 있어서, 코어가 외피의 옆에 위치하는 것을 특징으로 하는 여과기.
  39. 제33항에 있어서, 분할 필름 섬유가 정전기에 의해 대전되는 것을 특징으로 하는 여과기.
  40. 제26항에 있어서, 다용도 여과층과 제 2 여과층 사이에 위치하고 10 ~ 50 g/m2의 기본 중량과 100 ~ 1500 L/m2s의 공기 투과율을 가지는 멜트블로운 플리스층을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 여과기.
  41. 제40항에 있어서, 멜트블로운 플리스층이 정전기에 의해 대전되는 것을 특징으로 하는 여과기.
  42. 제26항에 있어서, 열 결합된 부직포가 구조물의 가장 하류인 층에 위치하는 것을 특징으로 하는 여과기.
  43. 제26항에 있어서, 구조물의 적어도 두 개의 인접한 층들이 결합된 것을 특징으로 하는 여과기.
  44. 제43항에 있어서, 두 개의 인접한 층들이 다용도 여과층과 제 2 여과층인 것을 특징으로 하는 여과기.
  45. 제43항에 있어서, 구조물의 모든 인접한 층들이 결합된 것을 특징으로 하는 여과기.
  46. 제26항에 있어서, 고체적의 멜트블로운 부직포가 정전기로 대전되는 것을 특징으로 하는 여과기.
  47. 제26항에 있어서, 상기 층들 중 적어도 하나의 층은 대전될 수 있는 재료로 이루어진 대전 가능한 층이고, 상기 대전 가능한 층은 정전기에 의해 대전되는 것을 특징으로 하는 여과기.
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  50. 삭제
  51. 삭제
  52. 제1항 내지 제11항, 제13항 내지 제20항, 제26항, 제28항 내지 제47항 중 어느 한 항에 따른 여과기를 포함하는 것을 특징으로 하는 일회용 진공 청소기 집진백.
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