KR100675945B1 - 자동차용 에어클리너 필터 미디어 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 에어클리너 필터 미디어 및 그 제조방법에 관한 것으로 재활용이 가능하고 효율, 통기저항, 포집량이 우수하며 엔진 연소실 내부로 습기나 수분이 유입되는 것을 방지하기 위해 1 내지 1.5 데니어(denier)의 PET 섬유 98.5 중량% 내지 99.9 중량%와 스프레이공정으로 처리되어 히트 세팅된 불소계 발수제 0.1 중량% 내지 1.5 중량%를 포함하는 조밀층 40 중량%; 2 내지 4 데니어(denier)의 PET 섬유 100%로 구성된 중간층 30 중량%; 3 내지 7 데니어의 PET 섬유 25 중량 % 내지 55 중량%와 6 내지 7 데니어의 소수성 폴리프로필렌 섬유 45 중량% 내지 75 중량%로 구성된 벌키층 30 중량%; 가 차례로 배치되고 니들링 결합되어 이루어진 자동차용 에어클리너용 미디어인 것을 특징으로 한다.

에어클리너 필터, 미디어

Description

자동차용 에어클리너 필터 미디어 및 그 제조방법 {The media of Air cleaner element for vehicle and method of thereof}

도 1은 종래 기술에 따른 함침공정도

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스프레이를 도시한 것

도 3은 필터 미디어별 침지시험도

도 4는 본 발명에 따른 카딩공정을 도시한 개략공정도,

도 5는 본 발명에 따른 니들링공정을 도시한 개략공정도

도 6은 본 발명에 의한 미디어의 습기노출 후 MD 강도의 변화 비교도

도 7은 본 발명에 의한 미디어의 습기노출 후 CD 강도의 변화 비교도

도 8은 필터 미디어의 발수 시험성능 결과표

도 9는 필터 미디어의 습기 시험성능 결과표

본 발명은 재활용이 가능하고 습기에 의한 저항을 최소화한 에어클리너용 필 터 미디어 제조방법 및 상기 방법에 의하여 제조된 에어클리너 필터에 관한 것이다.

일반적인 종이 및 일반 부직포로 제조된 필터의 경우 재활용이 되지 않기 때문에 환경분담금을 부담하는 상태에서 소각방법으로 처리할 수 밖에 없고 이때 발생하는 섬유상에 존재하는 독성물질로 인하여 환경호르몬이 발생하는 등의 문제를 가지고 있다. 이러한 문제로 인하여 재활용이 가능한 필터의 제조방법의 개발 및 이러한 제조방법에 의하여 만들어진 필터의 필요성 및 중요성은 점차 증대되고 있으며 특히 외국의 경우 이러한 목적의 제품개발이 활발히 이루어지고 있고 또한 이를 이용한 재활용 또는 재사용 등의 연구가 활발히 이루어지고 있다.

또한 국내의 완성차 업체에서도 자동차 관련 부품의 환경친화용 제품 또는 자동차 부품의 재활용율의 연구가 계속적으로 증가되고 있고 선진국에 자동차를 수출하는 국내의 여건상 환경친화용 제품이 절실히 요구되고 있다.

현재 전세계적으로 사용되고 있는 자동차용 에어클리너 필터에 사용하는 미디어(engine in-take air filter media)는 크게 종이와 부직포로 나뉘는데 종이는 셀룰로오스(cellulose)와 페놀 수지(phenolic resin)를 포함하고 있으며 부직포의 경우에는 셀룰로오스(cellulose), 폴리에스테르(PET), 폴리프로필렌(PP), 아크릴수지(acryl resin)등이 포함되어 이들 재질을 포함하여 구성된 필터의 재활용률은 전 혀 없다. 따라서 대부분의 사용한 에어클리너 필터들은 폐기시 매립이나 소각을 주로하고 있으며 이러한 폐기 과정에서 대기를 오염시키는 독성가스와 토양을 오염시키는 부유잔재가 나오게 된다.

자동차용 부품의 하나인 에어클리너 필터(engine in-take air filter)는 일반적으로 짧은 기간내에 교환을 하여 사용하여야 하는 소모성 부품으로 자동차 댓수가 기하급수적으로 증대하면서 폐기되어야 하는 필터도 기하급수적으로 증대하고 으며 환경문제를 일으키는 원인이 되고 있다.

재활용이 어려운 근본적인 이유는 위에서 언급한 바와 같이 에어클리너 필터 자체가 여러종류의 재질이 혼합되어 구성되고 특히 상용성이 없는 재질 및 소각시 유해한 재질들이 다량으로 함유되어 있어서 재활용이 거의 불가능하기 때문이다.

또한 종래의 기술인 특허 10-062548 에서는 필터의 미디어의 일반적인 기술에 사용원료(폴리프로필렌, 및 시스코아 폴리프로필렌(용융점 115℃))의 제한을 두었으나 이는 개발이 불가능한 원료를 사용하고 있어서 개발이 가능하지 못하다. 그 이유는 폴리프로필렌(용융점 165℃ 열변형온도 115℃)은 온도에 민감하여 제조시 부직포 필터 미디어를 만들 수 없고 설사 만든다고 하여도 후가공인 엘리먼트 사출시 고온(220℃)이상에서 견디기가 힘이들다. 특히 특허에 언급되는 시스코아 폴리프로필렌섬유의 경우 조밀층을 구성하는 원료로 사용되고 있으나 용융점이 110℃ 인 시스부분을 함유하고 있어서 필터성능을 가지는 단일재질의 부직포 필터 미디어를 만드는 것은 절대적으로 불가능하다.

설사 엘레먼트가 제조 되었더라도 자동차 성능시험인 열사이클시험에서 열변형온도가115℃ 폴리프로필렌이 견디기에는 가혹한 시험으로 통과를 하지 못한다.

열 사이클 시험 예)

125℃/4hr→23℃/0.5hr→-40℃/1.5hr→23℃/0.5hr→70℃.95RH%/3hr→23℃/0.5hr→-40℃/1.5h→23℃/0.5hr (1 cycle) 10회반복시험(7일간)

일반적으로 열변형온도 때문에 사용되는 프레임부의 수지는 열변형 온도와 내열성을 높인 복합폴리프로필렌을 사용하고 있다.

미국특허 5,674,302, 대한민국특허출원 제95-20126호 등에서 제안된 것을 검토하여 보면 대한민국특허출원 제95-20126호에서 100% 폴리프로필렌의 사용으로 필터 미디어를 제조하는 것이 불가능하다는 것을 알고 폴리에스터를 100%(일반 폴리에스터, 시스코아형 폴리에스터섬유)사용하여 일반적인 부직포 제조방법을 이용하여 제조된 필터 미디어와 이를 가지고 사출이 아닌 열과 압력을 가해 100% 폴리에스터 부직포를 만들고 필터 미디어 뿐만 아니라 이를 지지하는 프레임부를 구성하는 필터 엘리먼트를 제조하는 방법을 나타내었다. 이는 현재 실용화가 되어 자동차 메이커 특히 토요타 차종에 널리 사용되고 있다. 본 방법의 경우에는 일반적으로 사출방법이 아닌 열과 압력을 가해 가열압착하는 방법으로 국내의 경우에는 설비투자가 많이들고 생산성이 안나오며 따라서 가격이 고가인 단점이 있으며 배기량이 2000cc이상에서, 특히 정격공기량이 7m3/min이상에서는 자체 부직포로 프레임 부를 구성할 경우 지지가 어려운 점이 있어 완벽한 밀봉(sealing)기능을 담보할 수 없다는 단점이 있다. 그래서 토요타 자동차의 경우에도 중형차이상 특히 디젤용 SUV에는 아직 적용을 하고 있지 않다. 또한 일부의 차종에는 100% PET 외에 밀봉성을 증가시키기 위해 별도의 가스켓을 장착한 경우도 있다. 또한 오프로드에서 자동차를 운행할 경우에는 외부로부터 물이 흡기계통으로 유입되어 엔진내부로 흘러들어가게 되는데, 이를 방지하기 위해서는 에어클리너 필터의 발수성능이 필요하나 폴리에스터 재질의 부직포의 경우 물을 흡수하는 성질 때문에 발수성능을 기대할 수 없다는 단점이 있다. 따라서 습기의 노출 또는 순간적인 물의 흡입시 이를 효과적으로 제어하지 못하고 따라서 엔진에 물의 유입을 막을수 없으며 또한 필터 미디어에 물이 흡수될 경우 통기저항을 발생시킴으로서 엔진의 성능이 급격히 저하되게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해서는 일반적인 자동차용 에어클리너 필터에 발수성능을 부여하는 기술이 요구된다. 일반적으로 발수성능의 부여는 발수제를 물과함께 섞어서 필터미디어를 함침을 해야 하는 공정이 필요하나 도 1에서 볼 수 있는 것과 같은 함침공정을 거칠 경우 필수적으로 건조공정이 뒤따라야 하는데 건조공정시 열을 많이 받아 필터 미디어가 성능이 저하되는 등의 문제가 있을 뿐만 아니라 열에 의한 변형이 발생하는 문제도 있는 등 기술적 어려움이 있고 또한 가격이 비싼 발수제가 과량 투입이 되므로 필터 미디어의 가격이 상승하는 문제가 있을 뿐만 아니라 건조공정의 추가로 인한 설비투자의 확대 및 생산성이 저하되는 문제가 발생하고 있다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 발수성능을 갖는 에어클리너 필터를 제조하는 방법을 제안하는데 그 첫번째 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 발수성능을 부여하는 과정에 소요되는 비용을 최소화함으로서 경제성 있는 에어클리너 제조방법을 제안하는데 그 두번째 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 발수성능을 최대화하여 에어클리너 필터 미디어 자체가 물을 흡수하지 않고 습기 등에 노출되더라도 습기로 인한 통기저항을 최소화하여 성능의 저하가 없는 에어클리너 필터를 제공하는데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 필터 미디어는:

1 내지 1.5 데니어(denier)의 PET 섬유 98.5 중량% 내지 99.9 중량%와 스프레이공정으로 처리되어 히트 세팅된 불소계 발수제 0.1 중량% 내지 1.5 중량%를 포함하는 조밀층 40 중량%; 2 내지 4 데니어(denier)의 PET 섬유 100%로 구성된 중간층 30 중량%; 3 내지 7 데니어의 PET 섬유 25 중량 % 내지 55 중량%와 6 내지 7 데니어의 소수성 폴리프로필렌 섬유 45 중량% 내지 75 중량%로 구성된 벌키층 30 중량%; 를 포함한다.
상기 조밀층과 중간층 및 벌키층은 차례로 배치되고 니들링 결합되어 자동차용 에어클리너 필터 미디어를 형성한다. 니들링(needling) 또는 니들펀칭(needle punching) 결합방법은, 도 5를 참조하여 후술하지만, 니들이 상하방향으로 이동하면서 각 섬유층을 서로 얽히게 하는 것을 말한다. 다만, 이 결합방법 자체가 본 발명에서 특이한 것은 아니다.
상기 필터 미디어는 각 섬유층의 데니어 수치를 다르게 한정함으로써, 비교적 큰 입자의 먼지들이 데니어가 큰 벌키층에서 우선 포집되고, 보다 미세한 입자의 먼지들이 중간층 및 조밀층에서 차례로 걸러지게 된다. 이 구조는 필터의 효율, 포집량, 수명 등 성능 개선에 큰 영향을 미친다.

삭제

삭제

삭제

본 발명에 따른 에어클리너 필터 미디어를 제조하는 방법은: 열가소성 섬유 뭉치를 카딩(carding)하여 밀도 구배를 갖는 웨브(web)를 형성한 후, 상기 웨브를 니들링(needling) 결합시켜 자동차용 에어클리너 필터를 제조하는 방법에 있어서, 상기 웨브를 형성하는 단계는: 조밀층에는 1 중량% 발수제와 99 중량%의 물을 혼합하여 스프레이 장치에 의해 도포하는 단계; 상기 조밀층을 표면가공기에 순간적으로 통과시켜 물을 증발시키고 발수제만 남기는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

이하 본 발명을 실시예를 통해 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 조밀층에 발수성능을 부여하기 위하여 발수제를 도포하기 위한 스프레이 장치를 도시한 것으로서, 물과 발수제가 99 : 1 의 비율로 섞인 혼합물을 스프레이 장치를 이용해 도포한 후, 표면가공기를 통과시키게 된다.

삭제

표면가공기는 120℃ 내지 160℃의 온도를 갖는 제1 히트프레스 롤과 160℃ 내지 180℃를 갖는 제2 히트프레스 롤과 65℃ 내지 75℃의 온도를 가짐으로서 쿨링존의 역할을 하는 제3 히트프레스롤과 260℃ 내지 280℃의 온도를 갖는 제4 히트프레스 롤과 120℃ 내지 180℃의 온도를 갖는 제5 히트프레스 롤 등 5개의 롤로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 발수제 혼합물이 도포된 조밀층이 제1 히트프레스롤과 제2 히트프레스 롤을 통과할 때의 프레스 게이지는 1mm 내지 2mm인 것이 바람직하며, 제2 히트프레스롤과 제3 히트프레스롤을 통과할 때의 프레스게이지는 0.5mm 내지 1mm인 것이 바람직하다. 이렇게 2단 프레스된 조밀층이 제4 히트프레스롤과 제5 히트프레스 롤을 통과할때의 프레스 게이지는 1.2mm 내지 1.5mm인 것이 바람직하며 제4 히트프레스롤과 제5 히트프레스롤은 폭수축 및 후도의 불균일, 표면가공시 표면의 불균일등의 문제점을 해결하기 위해 테프론 코팅된 것이 바람직하다.

이렇게 표면가공기를 통과한 조밀층은 물이 증발되고 발수제가 최초 도포량의 약 10%이 남게되는 바, 발수제의 고형분을 제외한 90%의 물은 증발한다.

이렇게 발수제의 히트세팅이 이루어지면 조밀층이 발수성능을 가지게 되는 바, 조밀층의 발수성능의 기능은 물의 침투시 물을 빠져 나가지 못하게 하며 또한 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이 물에 젖어들어 점진적으로 퍼지는 것을 방지하여 에어클리너 필터 미디어의 저항증가를 막는 역할을 한다.

도 4 및 도 5는 일반적인 건식 에어클리너 필터의 제조방법을 도시한 것으로서 일반적인 건식에어클리너 필터의 제조방법은 먼저 웨브(web)를 형성하기 위하여 섬유뭉치를 카딩(carding)작업을 하고 카딩하는 공정은 도 4에 도시되어 있는 바, 컨베이어(13)에 의해 이송된 섬유뭉치(1)가 중심롤러(10) 주위로 큰롤러(11)와 작은 롤러(12)가 회전하면서 머리빗질의 경우처럼 연속적으로 특정양 만큼 빗질되어 고르게 웨브로 형성되고, 이 방법은 일반적인 섬유를 웨브화한다.
이렇게 웨브된 섬유가 웨브포밍단계를 거친 웨브를 표면 또는 뒷면을 각각 니들링하여 섬유간을 일차적으로 결합시킨다. 니들링하는 과정은 도 5에 도시되어 있고, 니들(31)이 화살표방향 즉, 상하방향으로 이동하면서 각 웨브(32)를 서로 얽히게 된다.

한편 본 발명에서의 벌키층의 45%~75%는 6 내지 7 데니어(denier)의 소수성 폴리프로필렌섬유를 포함하는데, 이러한 소수성 폴리프로필렌 섬유의 특정비율을 포함하는 이유는 폴리프로필렌은 내열성이 약하여 실험에 의해 내열성이 안정화 되는 비율을 찾았고 소수성 폴리프로필렌 섬유를 부여한것은 먼지의 흡착을 쉽게하여 효율을 증대시키며 air-in 면의 발수성을 보강하기 위함이다.

이렇게 제조된 자동차용 에어클리너 필터의 습기노출(HUMIDITY 8분간 LOADING)후 MD강도의 변화를 비교한 것은 도 6과 같고, 습기노출(HUMIDITY 8분간 LOADING)후 CD강도의 변화는 도 7과 같다.

또한 본 발명에 의한 에어클리너용 필터 미디어와 일반적인 필터 미디어의 발수 성능시험을 한 결과는 도 8와 같다. 미디어에 직접적인 수분(50ml/10min)을 노출했을 때 (유량 : 50LPM) 일반 필터 미디어의 통기저항은 5.3mmAq 에서 13.8mmAq로 8.5mmAq가 증가한 것에 반해 본 발명에 의한 에어클리너용 필터 미디어의 경우 통기저항이 6.3mmAq 에서 6.1mmAq 로 오히려 0.2mmAq감소하였음을 알 수 있었다. 이는 일반 필터 미디어가 직접적인 수분 노출 시 물을 투과시키는 반면 본 발명에 따른 미디어는 통기저항의 변화 없이 외부로부터의 수분 유입을 차단하고 있음을 보여주는 것이다.

삭제

한편 도 9는 본 발명에 의한 에어클리너용 필터 미디어와 일반적인 필터 미디어의 습기성능시험 결과로서, 습기(30cc/5min) 노출 시 (유량 : 50LPM) 본 발명에 의한 미디어의 실리카겔의 무게는 4.58g 증가한 반면, 일반 필터 미디어의 실리카겔의 무게 6.44g 증가하였으며, 미디어에 간접적인 습기(30cc/5min) 노출 시(유량 : 50LPM) 일반 필터 미디어의 통기저항은 22.0mmAq 에서 90.9mmAq로 68.9mmAq가 증가한 반면, 본 발명에 의한 미디어의 경우 통기저항이 21.3mmAq 에서 40.8mmAq 로 19.5mmAq밖에 증가하지 않았음을 알 수 있으며, 이는 본 발명의 필터 미디어가 기존의 필터 미디어에 비해 강도 및 발수 성능이 뛰어나다는 것을 보여주는 것이다.

이러한 본 발명에 의한 에어클리너 필터 미디어를 사용한 자동차용 에어클리너 엘리먼트의 경우 파쇄, 재생용 압출기를 사용한 재생칩의 제조, 사출시편제조 등의 과정을 거쳐 재활용될 수 있게 된다.

이러한 본 발명에 의할 경우 재활용이 가능한 환경 친화적인 에어클리너 엘리먼트를 생산할 수 있을 뿐만 아니라 그 엘리먼트의 효율, 통기저항, 포집량 등에서 우수한 결과를 가져오고 특히 엔진 연소실 내부로 습기나 수분이 유입되는 것을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

Claims (6)

1 내지 1.5 데니어(denier)의 PET 섬유 98.5 중량% 내지 99.9 중량%와 스프레이공정으로 처리되어 히트 세팅된 불소계 발수제 0.1 중량% 내지 1.5 중량%를 포함하는 조밀층 40 중량%; 2 내지 4 데니어(denier)의 PET 섬유 100%로 구성된 중간층 30 중량%; 3 내지 7 데니어의 PET 섬유 25 중량 % 내지 55 중량%와 6 내지 7 데니어의 소수성 폴리프로필렌 섬유 45 중량% 내지 75 중량%로 구성된 벌키층 30 중량%;가 차례로 배치되고 니들링 결합되어 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차용 에어클리너 필터 미디어.

제1항에 있어서 상기 불소계 발수제는 수용성인 것을 특징으로 하는 자동차용 에어클리너 필터 미디어.

열가소성 섬유 뭉치를 카딩(carding)하여 밀도 구배를 갖는 웨브(web)를 형성한 후, 상기 웨브를 니들링(needling) 결합시켜 자동차용 에어클리너 필터를 제조하는 방법에 있어서,

상기 웨브를 형성하는 단계는: 조밀층에는 1 중량% 발수제와 99 중량%의 물을 혼합하여 스프레이 장치에 의해 도포하는 단계; 상기 조밀층을 표면가공기에 순간적으로 통과시켜 물을 증발시키고 발수제만 남기는 단계를 포함하며;

상기 표면가공기는: 120℃ 내지 160℃의 온도를 갖는 제1 히트프레스 롤과 160℃ 내지 180℃를 갖는 제2 히트프레스 롤과 65℃ 내지 75℃의 온도를 가짐으로서 쿨링존의 역할을 하는 제3 히트프레스롤과 260℃ 내지 280℃의 온도를 갖는 제4 히트프레스 롤과 120℃ 내지 180℃의 온도를 갖는 제5 히트프레스 롤을 포함한 5개의 히트 프레스롤로 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 에어클리너 필터 미디어 제조방법.

삭제

제 3 항에 있어서

상기 발수제 혼합물이 도포된 조밀층이 제1 히트프레스롤과 제2 히트프레스 롤을 통과할 때의 프레스 게이지는 1mm 내지 2mm이고, 제2 히트프레스롤과 제3 히트프레스롤을 통과할 때의 프레스게이지는 0.5mm 내지 1mm이며, 제4 히트프레스롤과 제5 히트프레스 롤을 통과할때의 프레스 게이지는 1.2mm 내지 1.5mm인 것을 특징으로 하는 자동차용 에어클리너 필터 미디어 제조방법.

제 5 항에 있어서

상기 제4 히트프레스 롤과 제5 히트프레스 롤은 테프론 코팅된 것을 특징으로 하는 자동차용 에어클리너 필터 미디어 제조방법.

Images