KR100678338B1 - 공기 정화용 필터 소재 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 대기 중의 공기로부터 오염물질 등을 효과적으로 정화하고 장시간 사용 주기의 연장이 가능한 필터 여재 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 하나 또는 밀도 구배를 갖는 둘 이상의 층으로 이루어지고, 그 중 적어도 한층은 최종층으로서 수지로 코팅된 멜트블로운 층을 포함하는 필터 여재 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 수지 코팅된 여재는 절곡성 및 강도 등의 후가공성이 우수하여 자동차 또는 건물의 공조기 등의 여과 장치에서 다양하게 사용할 수 있다.
필터, 멜트블로운, 함침, 라미네이션

Description

공기 정화용 필터 소재 및 그의 제조 방법{Filter element for cleaning air and process for preparing the same}
도 1은 본 발명에 따른 에어 필터 소재의 제조 공정의 일 실시형태를 나타낸 개략도.
본 발명은 대기 중의 공기로부터 오염물질 등을 효과적으로 정화하고 장시간 사용 주기의 연장이 가능한 필터 여재 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 하나 또는 밀도 구배를 갖는 둘 이상의 층으로 이루어지고, 그 중 적어도 한층은 최종층(fine layer)으로써 수지로 코팅된 멜트블로운 층을 포함하는 필터 여재 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 내연기관의 엔진은 휘발유나 디젤유와 같은 액화연료와 LPG 등의 기체 연료를 공급하여 엔진을 구동시키는데, 연료는 공기 중의 산소와 혼합된 혼합가스 형태로 연소실 내로 공급되어 연소 폭발이 일어나게 된다. 이때 혼합 가스를 만들기 위해 엔진으로 유입되는 대기 중의 공기는 먼지 등의 이물질이 섞여 있으므로 불완전 연소를 유발하여 차량이나 장비의 원활한 운행을 어렵게 함과 동시에 엔 진 내부에 이물질이 유입되어 엔진의 실린더 벽에 쌍이게 되면 엔진의 내구성을 저하시키는 문제점을 초래한다.
종래의 자동차용 엔진에는 에어클리너에 공기의 여과 매체를 장착하게 되고 오일 필터에는 엔진 속에 들어있는 윤활유에 포함된 불순물을 제거하기위해 오일 여과매체가 장착된다.
이들 여과 매체 속에는 각종 이물질을 제거하기 위해 물질의 크기와 양에 따라 기술적으로 설계된 여러 종류의 여과지가 여과 매체로 장착되어 있다. 이들 여과 매체는 엔진이 구동하는 동안 필요로 하는 공기나 윤활유의 흐름과 그 양을 충분히 해주기 위하여 불순물을 거르는 여과 효율과 충분한 여과 수명을 만족하여야 한다.
그러나, 실제로 불순물을 충분히 포집하도록 여과 매체를 제작하려면 여과매체의 통기공을 미세하게 형성해줘야 하기 때문에 통기공이 빨리 막히게 된다. 즉, 이러한 매체는 장시간 사용할 수 없다는 단점이 있고, 반대로 통기공을 크게 형성하면 미세 먼지는 모두 빠져나가 여과 효율은 불량하게 된다. 따라서, 여과 효율과 수명을 모두 만족할 수 있는 여재의 설계가 필요하다.
현재, 자동차용 필터 소재로서는 여과지와 부직포가 주로 사용되고 있다. 여과지는 적용 분야에 따라서 천연 펄프와 합성 섬유를 적절히 배합한 후, 해리-고해-초지-함침-건조-와인딩의 과정에 의해 제조된다. 부직포는 그 제조 방식에 따라, 스펀본드, 스펀레이스, 케미컬본드, 써멀본드, 니들펀칭 그리고 멜트블로운 등 수많은 종류가 존재한다. 그러나 내연기관용 소재로 주로 사용되는 것은 적절한 배합 의 섬유를 카딩한 후 다층 구조로 제작하고, 니들펀칭, 열프레스, 케미컬 처리, 건조 등의 공정을 거쳐 최종적인 부직포 여재로 제작된다.
여과지와 부직포의 필터 성능을 비교하면, 위와 같은 각 여재의 제조 방식에 따라 제조한 여과지의 경우 두께가 작고 밀도가 높아 통기성이 낮은 반면 입자를 포집하는 포집 효율에서의 장점이 존재한다. 또한, 필터소재로 적용될 때 많은 면적이 소모되는 단점과 가공성이 우수한 장점이 있다. 부직포의 경우 두께가 두껍고 밀도가 낮아 통기성이 높아 입자를 포집하는 포집 수명이 매우 높은 장점이 있으나 미세 입자의 포집 효율이 낮고 후가공성에서의 단점이 있다.
멜트블로운의 경우 극세 섬유의 형성이 가능하여 공기청정기 등 다양한 필터의 소재로 사용되고 있으나, 이는 강도 및 섬유 이탈 그리고 절곡시 섬유 파단 등의 단점으로 단독으로 사용이 어렵다는 문제가 있었다.
독일특허공개 제4,443,158호에서는 양호한 정화 특성을 갖는 여재를 제공하기 위하여 내재를 멜트블로운 섬유로 사용하는 것을 개시하고 있으나, 이는 강도, 통기성 및 섬유 이탈의 문제로 인해 고도의 먼지 포집력 또는 심층 여과를 달성하기에는 부적합하다. 이러한 단점을 보강하기 위하여 미국특허 제6,315,805호에서는 멜트블로운 층을 외재로서 사용하는 방안이 시도된 바 있다. 그러나, 멜트블로운 소재를 여과 기능이 높은 극세 섬유 소재로서 활용하기 위해서는 여전히 문제점들이 개선되어야 할 필요가 있다.
본 발명자들은 종래의 부직포 및 여과지를 포함하는 여재의 단점을 해결하고 더욱 성능이 우수한 여재를 개발하기 위하여 예의 연구한 결과, 공기 유입층(외층)에 하나 또는 밀도 구배를 갖는 둘 이상의 부직포 섬유 층과 유체의 출구층(내층)에 극세 멜트블로운을 접착하고, 이 멜트블로운층을 수지로 함침시킴으로써 멜트블로운 여재를 최종층(내층)에 사용할 때의 문제점인 강도, 통기성 상승 및 섬유 이탈의 문제가 해소되고, 가공성이 우수할 뿐만 아니라 종래의 여재에 비하여 미세 입자의 포집 효율 및 포집량에 있어서도 우수한 에어필터 여재를 제공할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명의 목적은 멜트블로운 여재를 최종층(내층)에 사용할 때의 문제점인 강도, 통기성 상승 및 섬유 이탈의 문제가 해소되고, 가공성이 우수할 뿐만 아니라 종래 여재에 비하여 미세 입자의 포집 효율 및 포집량에 있어서도 우수한 에어필터 소재 및 그의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명은, 일면에 있어서, 하나 또는 밀도 구배를 갖는 둘 이상의 층으로 이루어지고, 그 중 적어도 한 층은 최종층(Fine Layer)으로서 수지가 함침된 멜트블로운층을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기정화용 필터 여재를 제공한다.
본 발명의 명세서 사용된 용어 "최종층(fine layer 또는 final layer)"은 공기 유입구측(air-inlet side)의 층을 일반적으로 외층(out layer) 또는 외재층이라고 한다면, 공기가 필터를 통하여 바깥으로 나가는 층을 의미하고, 이는 섬유의 밀도가 매우 높은 층이라는 의미에서 "Fine Layer"로 부르기도 하며, 이들 용어는 상호 교환적으로 사용될 수 있으며, 당해 기술분야에서 내층(air out-let) 또는 내재 층이라고 언급하기도 한다. 여기서, 필요에 따라 최종층에 유체 출구측으로 지지체 층이 첨가되는 경우 이를 후단층 또는 지지체층이라고 하며, 이것을 최종층이라고 부르지는 않음에 유의해야 한다.
본 발명에 따른 여재는 내연기관용이나 건물의 공기정화기용 등 다양한 분야에 적합하게 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 공기정화용 필터 여재는 공기유입측의 밀도가 가장 낮고, 최종층의 밀도가 가장 높은 방식으로 밀도 구배를 갖는 하나 이상의 섬유층으로 형성되며, 그 중 한 층은 수지가 함침된 멜트블로운으로 이루어지는 것이 바람직하다. 엔진에 장착되어 공기를 정화시키는 여과 매체의 경우, 여과 효율을 증대시키기 위해 극세 섬유 형성이 가능한 멜트블로운 부직포 여재와 포집량을 증대하기 위하여 부직포 또는 여과지 또는 이들의 혼합 여재를 사용하는 것이 더욱 바람직하고, 상기 각 여재의 층은 각각 밀도 구배를 주어 필터 성능을 최적화하는 것이 필요하다. 이와 같은 수지 함칭(코팅)에 의해 강도, 통기성 상승 및 섬유 이탈의 문제가 해소되고, 가공성이 우수할 뿐만 아니라 종래의 여재에 비하여 미세 입자의 포집 효율 및 포집량, 절곡성 및 내압력성도 현저히 개선될 수 있다.
본 발명에 따른 여재는 공기 유출측의 최종 층은 0.5 ~ 20 ㎛의 섬유경을 가지는 수지 함침된 멜트블로운 섬유를 포함하며, 상기 멜트블로운 섬유는 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 나일론, 폴리페닐렌설파이드, 폴리카아보네이트 또는 폴리에스터글리콜(PETG) 단독 또는 이들의 혼합 섬유로 이루어진 군 중에서 선택된 것을 사용할 수 있다.
최종층에 사용된 멜트블로운의 물성은 전체 여재 중량 대비 약 5 ~ 40 wt%로 구성되는 것이 바람직하고, 20 ~ 150 ㎛ 범위의 기공 크기, 10 ~ 120 g/㎡ 범위의 중량, 10~300 cfm(125 Pa에서) 범위의 공기투과도, 및 0.5 ~ 20 ㎛ 범위의 섬유경을 갖는 것이 바람직하다.
상기 수지는 열가소성 또는 열경화성 수지인 것을 사용한다. 특히, 이들의 예로서는, 제한되지는 않으나 페놀계, 아크릴계, 폴리비닐아세테이트계, 멜라민계, 에폭시계 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트계로 이루어진 군 중에서 선택된 것을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 여재는 추가로 공기 유입층으로부터 함침 또는 비함침된 외재층(pre-layer)를 포함할 수 있으며, 상기 외재는 스펀본드, 스펀레이스, 케미컬본드, 써멀본드, 니들 펀칭, 에어레이드 또는 멜트블로운으로 이루어진 군 중에서 선택된 부직포 또는 여과지(Filter paper) 또는 이들의 혼합 여재로 이루어질 수 있다.
상기 외재층으로 추가되는 경우의 부직포는 중량이 30 ~ 400 g/㎡의 범위이고, 통기도는 50 ~ 450 cfm (125 Pa에서)이며, 섬유경은 1 ~ 40 ㎛이고, 기공크기는 60 ~ 200 ㎛의 범위내이고, 하나 이상의 다층 구조인 것이 바람직하다.
외재층을 이루는 각 섬유층은 아크릴, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 비스코스레이온, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 나일론, 폴리페닐렌설파이드, 폴리카아보네이트 또는 폴리에스터글리콜 단독 또는 이들의 혼합 섬유로 이루어진 군 중에서 선택된 것을 사용할 수 있다.
외재층(Pre-layer)에 사용된 부직포의 물성은 각각 부직포 종류 및 요구하는 성능에 따라 다르지만 일반적으로 내연기관용 여재의 경우 통기도가 50 ~ 450 cfm(125 Pa에서) 범위, 1 ~ 3.5 mm의 두께 그리고 중량은 30 ~ 400g/㎡의 범위에서 가장 우수한 물성을 나타내는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 여재는, 필요에 따라서, 상기 멜트블로운층의 후단에 지지체를 포함하는 것이 더욱 바람직할 수 있다. 상기 지지체는 상기한 바와 같은 부직포로 이루어질 수 있고, 5 ~ 60 g/㎡의 중량을 갖는 것이 바람직하게 사용될 수 있다.
이러한 부직포 여재도 마찬가지로 통상의 제조 공법을 이용하여 제조할 수 있다. 일례로서, 스펀 본드(Spun Bond ), 스펀레이스, 니들펀칭(Needle Punching), 케미컬 본드(Chemical Bond), 써멀본드(Thermal Bond), 에어레이드(Air-Laid) 및 멜트블로운(Meltblown) 등의 공법 또는 공정을 사용할 수 있다.
최종적으로 제조된 복합 여재의 전체 중량은 160 ~ 400 g/㎡ 과 통기도는 30 ~150 cfm(125 Pa에서), 그리고 두께가 1.0 ~ 4 mm 일때 내연기관용 가장 적합한 필터 효과를 나타낼 수 있다.
따라서, 본 발명은 추가의 일면에 있어서 상기한 바와 같은 여재의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 여재의 제조 방법은, 수지를 이용하여 접착하는 경우에는
a) 수지가 함침되거나 함침되지 않은 하나 이상의 멜트블로운으로 이루어진 층을 최종층으로 하고, 필요에 따라 공기 유입구측으로부터 하나 이상의 부직포층 을 형성하여 각 섬유층을 형성하는 단계,
b) 상기 층들을 권회롤로부터 각각 이송하는 단계,
c) 상기 층들을 라미네이션시키는 단계,
d) 상기 라미네이션된 섬유층을 액상 수지로 도포하여 함침시키는 단계,
e) 수지가 함침된 여재를 건조 챔버에서 건조시키는 단계, 및
f) 건조된 여재를 권취하는 단계
를 포함한다.
상기 단계 a) ~ d)는 필요에 따라 순서를 바꾸어서 실시할 수도 있다. 즉, 개별적으로 함침된 섬유를 라미네이션시킬 수도 있고, 함침이 안된 각 층의 여재를 라미네이션시킨 다음 이를 수지 함침시킬 수도 있다.
본 발명에 따른 여재의 제조 방법은, 그 일례를 도 1에 간략히 나타낸 바와 같이, 통상의 제조 방법의 결합에 의해 제조할 수 있다. 이와 같은 다층 여재의 제조의 실시형태에 있어서, 수지 함침된 멜트블로운층이 최종층으로 적용되고 여기에 단층 또는 2층 이상의 부직포 섬유웹 또는 여과지로 이루어진 외재층 및(또는) 지지체층을 함침법을 통해 결합하는 제조 방법을 채용할 수 있다. 이때 함침법과 니들펀치법(Needle Punch) 또는 써멀본드법을 병행하여도 좋다. 즉 이러한 실시형태에 있어서는 라미네이션을 함침과 동시에 수행하는 것도 가능하다. 또한, 각 층을 접착할 때 수지를 함침하는 방법과 저융점 섬유를 사용하는 방법, 핫멜트(Hot-Melt)와 같은 용융성 접착 바인더를 사용하는 방법 또는 이들의 2가지 이상의 방법을 병행하는 것도 가능하다.
상기 제조 방법에 있어서, 추가로 후단의 강도를 증대하기 위해 상기 제조 공정의 어느 한 단계에서 지지체층을 상기 멜트블로운층의 후단에 접착시키는 것이 더욱 바람직할 수 있다
상기 제조 방식에 있어서, 상기 외재층의 부직포가 다층 케미컬본드 부직포인 경우, 최종층으로서 적용되는 멜트블로운은 별도로 통상의 방법(예, 한국 특허 10-0438331 참조, 원료배합-압출-방사-웨브결합-권취의 순서)에 따라 제조한 후, 부직포의 원료를 배합하여 카딩한 다음 케미컬 본딩 공정(예, 케미컬 본드 섬유의 원료 혼합, 개섬, 혼섬, 카딩, 래핑, 함침, 건조, 와인딩의 순서)의 함침 전단에 멜트블로운 웹을 투입하여 수지에 의한 결합 결합법을 수행함으로써 여재를 제조하는 것이 더욱 바람직할 수 있다.
한편, 함침형 케미컬본드(CB) 또는 일반 부직포 여재와 함침형 멜트블로운으로 이루어진 섬유층을 사용하여 본 발명에 따른 여재를 제조하는 경우에는 멜트블로운(중량: 10 ~ 120 g/㎡, 통기도: 10 ~ 300 cfm(125 Pa에서), 섬유경: 0.5 ~ 20 ㎛ 범위)을 상기한 바와 같은 통상의 방법에 따라 제조한 후, 다층 또는 단층 케미컬 본드 메디아의 제조 공정 중(개섬, 혼합, 카딩, 웹형성, 함침, 건조, 와인딩의 순서: 참조, 한국 특허 공개 제2001-0008271호)의 함침 전단에 투입하여 부직포 여재와 멜트블로운의 동시에 고분자 수지(열가소성, 경화성 수지) 함침하고 이를 건조함으로서 결합을 이룰 수 있다. 이때 멜트블로운과 부직포의 결합성을 향상하기 위해 0.5 ~ 15 데니어를 가지에는 저융점(Low Melting) 섬유를 5 ~ 40 %의 범위로 사용하거나 니틀 펀칭(Niddle Punching) 방법을 병행하여 수행함으로써 층간 결합 력을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 부직포가 케미컬본드 부직포가 아닌 경우(예컨대, 니들펀칭, 써멀본드, 에어레이드, 스펀본드의 부직포일 경우)에는 부직포층과 멜트블로운 층을 각각 생산하여 수지를 함침시킴과 동시에 라미네이션을 수행하는 것이 더욱 바람직할 수 있다. 또한 멜트블로운층 및 기타 부직포층을 각각 생산하여 함침한 후 별도의 공정을 통하여 라미네이션을 수행하는 것도 가능하다.
본 발명에 따른 여재의 각 층은 니들펀칭, 써멀 본딩, 케미컬 본딩, 수지 함침법, 도트(Dot) 방법 및 스프레이(spray) 방법에 의한 핫멜트 라미네이션 또는 초음파 본딩 또는 상기 2가지 이상의 방법을 혼용하여 적층시킨 후, 필요에 따라서 열가소성 수지 또는 경화성 수지 용액을 함침시키고, 이어서, 열처리에 의하여 건조 한 후에 와인딩하는 순서에 의해 여재를 제조할 수 있다. 또한, 초음파 본딩법을 이용하여 결합할 수 있으나 케미컬 본드 부직포 생산시 함침 공정에 투입하는 여재와 비교하여 Dead Space에 의한 압력손실이 나타난다.
부직포는 통상의 방식으로, 예를 들면, 니들펀치법, 써멀본드법, 케미컬본드법, 스펀본드법, 에어레이드법, 멜트블로운법, 스펀레이스법 등에 의해 제조할 수 있다. 또한 에어크리너법에 의해 원료배합-다층카딩-니들 펀칭-함침(Foam 코팅)- 건조(캔, 열풍)-권취의 순서에 의해 제조하거나 또는 별법으로 원료배합-다층 카딩-니들 펀칭-건조(캔, 열풍)-카렌더링-권취의 순서로 제조할 수 있다. 여과지는 통상의 방법에 따라 제조할 수 있다.
상기 함침(Impregnation 또는 Coating) 단계는 열경화성수지 고형분의 희석 비가 10% ~ 30% 범위로 하는 수용성 또는 유용성 수지액을 섬유층의 전체중량 10 ~ 400g/㎡ 대비 10% ~ 30%의 중량비로 함침시키는 것이 바람직하다. 별법으로 본 출원인의 등록 특허 제10-0358651호에 기재된 방식을 채용하여도 좋으며, 이 인용 문헌에 기재된 사항은 본 발명의 일부로서 참고로 인용한다.
상기 각 섬유층은 전체 중량 160 ~ 400 g/㎡ 범위로 사용하고, 수지액은 상기 여재의 전체 중량비가 10% ~ 30%가 되는 비율로 사용하여 수지액을 여재층에 함침시키는 것이 바람직하다. 수지는 열경화성 또는 열가소성 수지 고형분을 물과 10% 내지 30% 범위로 희석한 수용성 또는 유용성 수지액을 사용한다.
이때, 수지 액이 전체 중량 대비 10% 미만이면 여재가 소프트하고 강도가 없어 절곡을 할 수 없으며, 수지 액이 전체 중량 대비 30%를 초과하면 기공 구조를 막아 통기도 저하를 일으켜 필터 사용 주기가 줄어 들 수 있다.
수지로서는 페놀(레졸), 에폭시, 노블락 등과 같은 열경화성수지 또는 폴리비틸아세테이트(PVAC), 아크릴 등과 같은 열가소성 수지를 사용할 수 있다. 수지 함침 용액은 필요에 따라 계면활성제, 침투제, 촉매제, 물 및 핑크색등 밝은 색 계통의 안료를 복합하여 사용하여도 좋다.
수지액의 함침은 롤러코팅(Roller Coating) 또는 거품 코팅(Foam Coating)에 의하여 공기 압력이 상승하지 않고 적정하도록 함침량을 조절하면서, 즉, 10% 내지 30% 범위로 함침하여 함침부를 형성함으로써 수지 코팅된 여재를 제조할 수 있다.
특히, 상기 열가소성 수지는 단독 또는 혼합 방사하거나 각 성분을 분할 방사(Side by Side 또는 Sheath/Core)하는 것이 바람직할 수 있다.
건조 공정은 상기와 같이 형성된 웹을 휴징 오븐(Fusing oven), 벨트 프레스(Belt press) 카렌더(Calender) 또는 열풍(Hot air) 등의 열처리를 이용하여 건조(Dry)시켜 여재를 제조한다.
이와 같이 제조된 여재는 필요에 따라서, 추가로
g) 절곡기를 사용하여 해당 형상으로 절곡하는 단계,
h) 절곡된 형상 유지를 위하여 130 ~ 180 ℃ 범위에서 경화하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 추가의 단계는 후가공의 공정에 따라 상기 여재의 제조 방법에 선택적으로 적용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 여재를 니들펀치 방법에 의해 접착하는 경우에는
a) 부직포와 함침된 멜트브로운을 권회롤로부터 각각 이송하는 단계,
b) 상기 부직포 또는 멜트브로운 층을 적층한 후 다수의 니들(Needle)에 의해 웹을 결합하는 단계(니들펀치 부직포 결합법) 및
c) 니들(Needle)에 의해 접착된 여재를 권취하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기정화용 여재를 제조하는 방법을 포함한다.
이와 같이 제조된 여재는 필요에 따라서, 추가로
d) 절곡기를 사용하여 해당 형상으로 절곡하는 단계, 및
e) 절곡된 형상 유지를 위하여 130 ~ 180 ℃ 범위에서 경화하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 추가의 단계는 후가공의 공정에 따라 상기 여재의 제조 방법에 선택적 으로 적용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 여재를 핫멜트 방법에 의해 접착하는 경우에는
a) 부직포와 함침된 멜트블로운을 권회롤로부터 각각 이송하는 단계,
b) 상기 부직포 또는 멜트블로운 층에 접착제를 스프레이 방사하거나 도트형(Dot type) 도포하는 단계,
c) 접착제가 도포된 여재가 텐션롤에 의해 다른 여재와 라미네이션시키는 단계,
d) 라미네이션된 여재를 압착롤에 의해 압착하는 단계, 및
e) 압착에 의해 접착된 여재를 권취하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기정화용 여재를 제조하는 방법을 포함한다.
이와 같이 제조된 여재는 필요에 따라서, 추가로
f) 절곡기를 사용하여 해당 형상으로 절곡하는 단계,
g) 절곡된 형상 유지를 위하여 130 ~ 180 ℃ 범위에서 경화하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 추가의 단계는 후가공의 공정에 따라 상기 여재의 제조 방법에 선택적으로 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 여재는 절곡이 가능하다. 따라서, 절곡 공정은 상기와 같이 함침된 부직포 여재를 사용하고자 하는 형상에 적합하게 절곡하고, 해당 크기 별로 절단하며, 통상의 방식으로 소정의 온도에서 소정의 시간 동안 경화하는 순서로 이 루어진다. 이때 사용하는 수지 및 공정에 따라서는 경화 과정을 생략할 수도 있다. 따라서, 본 발명은 추가의 일면에 있어서 상기 여재를 절곡시켜 제조된 것을 특징으로 하는 필터 엘리먼트를 제공한다. 상기 필터 엘리먼트는 별모양(Star-Type) 또는 평편 판넬형(Flat Panel Type)인 것일 수 있다.
상기와 같은 성형을 위하여 절곡기를 사용하는 공정에 있어서, 절곡기는 로터리, 미니프리트, 나이프 절곡기 등을 사용할 수 있으며, 그 중 나이프 절곡기를 사용하여 여재를 절곡하는 것이 유리할 수 있으며, 절곡된 형상을 고정하는 경화 온도는 기존 부직포의 경화 온도와 거의 비슷한 130 ~ 180 ℃ 범위에서 경화시킨다.
이와 같이 제조된 최종 여재는 포어 사이즈(pore size)가 20 ~ 150 ㎛이고, 전체 중량은 160 ~ 400 g/㎡ 이며, 총 두께는 1.0 내지 4 mm이고, 통기도는 30 ~ 150 cfm(125 Pa에서) 인 것이 바람직하다. 섬유의 직경은 0.5 ~ 40 ㎛ 섬유를 배합하여 사용하는 것이 바람직하다.
<실시예>
이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나 이들은 단지 예시적인 것이며, 본원 발명을 이들에 한정하고자 의도한 것은 아니다. 시험 방법에 사용된 Dust는 AC fine을 사용했으며 시험유량은 25 ㎥/min, 여과 면적은 176.6 ㎠, 먼지투입량 0.5g/2min의 방법으로 종기압력손실 400 mmAq까지 측정하였다.
실시예 1: 각 여재의 단독 함침후의 시험 결과
아래의 표 1에 나타낸 각각의 메디아 중 CB(케미컬 본드 부직포, 2-Layer)를 제작하기 위해 다음의 성분을 같이 사용하였다.
1-Layer : 비스코스 레이온(3D), PET(2.5 D), PET(Conj), PET(6D)
2-Layer : PET(4D), PET(1.4D)
위와 같은 원료를 적절히 배합하여 다층 카딩-니들 펀칭-건조(캔, 열풍)-카렌더링-권취 방식으로 제조한 후 그 물성을 시험하고 아래에 나타내었다. 이때 사용한 수지 용액으로는 아크릴수지를 전체중량의 15~30%의 양으로 사용하였다.
또한 멜트블로운 부직포의 경우 PET(IV:0.8) 및 PBT(IV:0.8) 수지를 (압출-방사-웨브결합-권취)의 통상의 제조 방식에 따라 제조한 후 아크릴 수지를 함침 코팅한 후의 물성 및 필터 성능을 시험하고 그 결과를 아래의 표 1에 나타냈다.
순번 여재종류 중량(g/㎡) (함침전/함침) 두께 (mm) 통기도 (cfm, 125 Pa) 효율 (%, 초기/종기) 포집량 (g)
1 CB(2-layer) 130/160 2.1 180 94/87 30g이상
2 Meltblown 1 40/52 0.30 170 96.9/97.4 4
3 Meltblown 2 60/80 0.38 136 97.5/98.2 6
4 Meltblown 3 80/100 0.48 121 98.4/99.1 6
5 Meltblown 4 100/125 0.54 96 99.1/99.5 8
케미컬 본드법으로 제조된 CB(2-layer)와 중량 및 통기도 등의 물성을 달리한 멜트블로운 공법으로 제조한 각 여재를 필터링 시험한 결과 CB(2-Layer)의 경우 포집량이 30 g 이상으로 매우 높았으나 효율 등에서 초기/종기 효율이 94/87로 매우 낮았다. 이는 필터의 효율 및 포집량의 상관 관계에 의한 것으로 볼수 있다. 또한 Meltblown(40g, 60g, 80g,100g)의 경우 포집량은 각각 4g, 6g, 6g, 8g으로 매우 낮았으나 효율은 상대적으로 매우 높았다.
실시예 2: 케미컬본드(CB, 2층 구조) 및 멜트블로운 ( 함침 라미네이션 ) 여재의 시험 결과
실시예 1에서와 동일한 멜트블로운 여재[40g, 60g, 80g, 100g, 함침 라미네이션시킴)를 사용하였다. 실시예 1과 동일한 조건의 케미컬본드 부직포 제조 공정에 각각의 멜트블로운을 투입하여 전체 여재 중량대비 15-30%의 수지를 함침함으로써 3 층구조의 복합 여재를 제조한 후 물성 및 에어필터 성능 시험 결과를 다음의 표 2에 나타내었다.
중량 (g/㎡) 두께 (mm) 통기도 (cfm, 125 Pa) 효율 (%,초기/종기) 포집량 (g)
CB(2-Layer) 160 2.1 180 94/87 30g이상
CB(2-Layer)+Meltblown 1 210 2.12 95 99.4/99.6 22 g
CB(2-Layer)+Meltblown 2 235 2.58 93 99.5/99.68 24 g
CB(2-Layer)+Meltblown 3 260 2.89 92 99,56/99.85 28 g
CB(2-Layer)+Meltblown 4 295 3.34 88 99.61/99.91 28 g
위의 표에서 알 수 있는 바와 같이, 복합 여재의 경우 케미컬본드 부직포의 단점인 여과 효율 문제와 멜트블로운 부직포의 단점인 포집량이 개선되었으며, 더 나아가 케미컬본드 섬유의 제작시 함침 공정에 멜트블로운을 투입함으로써 별도의 라미네이션을 수행할 필요가 없다는 이점이 있었다.
또한, 외재층(Pre-layer) 케미컬본드 부직포의 원료 배합 및 층수에 따라 다르지만 일반적으로 함침전 멜트블로운의 중량이 100g/㎡ 이내에서 최적의 효과를 나타내었다. 상기 여재에 대하여 멜트블로운의 강도 및 절곡성을 시험한 결과 멜트블로운의 파열 강도의 경우 0.5 kgf에서 1.5 kgf 이상의 향상된 결과를 나타내었으며 절곡시 섬유의 파열 등 터짐 현상이 현저히 개선되었음을 알 수 있다.
실시예 3: 멜트블로운(MB) 및 스펀본드(SB) 복합 여재의 시험 결과
150 g/㎡의 중량을 가진 스펀본드 부직포와 이를 전체중량의 약 16%로 함침한 부직포의 시험 결과를 아래 표 3에 나타내었다.
중량 (g/㎡) 두께 (mm) 통기도 (cfm, 125 Pa) 효율 (%, 초기/종기) 포집량 (g)
Spun-Bond 1(비함침) 150 2.05 160 95.52/94.44 26
Spun-Bond 2(함침) 190 1.96 155 96.31/96.78 26
위 결과로 알 수 있는 바와 같이 함침을 수행한 여재가 필터 효율이 우수하였다. 이는 함침에 의해 기공 크기가 줄어든 영향도 있지만 함침된 여재의 섬유가 고정되어 있어서 높은 압력에서도 기공 크기가 확대되는 현상이 제거된 것으로 해석할 수 있다. 즉 비함침여재(Spun-bond 1)의 경우 종기 효율이 초기 효율보다 줄어든 것은 섬유 이동으로 인한 효율 저하 현상이 나타나지만 함침여지(Spun-bond 2)의 경우 종기 효율이 더 높은 것으로 나타났다.
또한, 이를 실시예 1의 3번 항의 멜트블로운 2 여재(함침전 중량: 60g/㎡)와 150 g/㎡의 중량을 가진 스펀본드 부직포(Spun-Bond 1)를 아크릴 수지로(전체 중량의 약 22%의 비) 함침 결합하여 나타난 물성 및 필터 성능을 아래 표 4에 나타내었다.
수지 함침 결합 물성 및 필터성능
중량 (g/㎡) 두께 (mm) 통기도 (cfm, 125 Pa) 효율 (%, 초기/종기) 포집량 (g)
Spun-Bond 1 +Meltblown 2 270 g 2.25 82 99.92/99.99 26
실시예 4: HOT 멜트 결합에 의한 복합 여재의 제조
실시예 1의 3번 항의 함침된 멜트블로운 2 여재(함침후 중량: 80g/㎡)와 150 g/㎡의 중량을 가진 스펀본드 부직포(Spun-Bond 1)를 Hot-Melt에 의해 결합한 여재의 물성 및 필터 성능을 아래의 표 5에 나타내었다.
Hot-Melt에 의한 결합 물성 및 필터성능
중량 (g/㎡) 두께 (mm) 통기도 (cfm, 125 Pa) 효율 (%, 초기/종기) 포집량 (g)
Spun-Bond 1 +Meltblown 2(함침) 238 g 2.29 87 99.85/99.94 28 g
실시예 5: 함침 멜트블로운(MB) 및 스펀본드(SB) 복합 여재의 시험 결과
실시예 1의 3번 항의 함침된 Meltblown 2 여재(함침후 중량: 80g/㎡)와 150 g/㎡의 중량을 가진 스펀본드 부직포(Spun-Bond 1)를 니들펀칭(Needle-Punching)에 의해 결합한 여재의 물성 및 필터 성능을 아래의 표 6에 나타내었다.
중량 (g/㎡) 두께 (mm) 통기도 (cfm, 125 Pa) 효율 (%, 초기/종기) 포집량 (g)
Spun-Bond 1 +Meltblown 2(함침) 230 g 2.32 94 99.84/99.90 30 g
이는 수지함침법 및 핫멜트 접찹법에 의한 여재에 비교하여 생산성의 단점이 존재하지만 접착제의 미사용 및 제조공정의 단순 및 핫멜트 접착법과 같이 케미컬본드를 제외한 부직포(스펀본드, 니들펀치, 써멀본드 등)와 같이 수지를 함침하지 않는 여재와 Meltblown여재와 결합에 장점이 있다.
위의 결과로부터 수지함침법에 의한 여재에 비교하여 접착공정이 늘어나지만 케미컬본드를 제외한 부직포(스펀본드, 니들펀치, 써멀본드 등)와 같이 수지를 함침하지 않는 여재와 멜트블로운 여재와 결합은 대단히 우수함을 알 수 있다.
최종 층에 사용된 멜트블로운의 물성은 부직포의 층의 중량 대비 약 5-40 wt%로서 중량이 약 10 ~ 120 g/㎡, 통기도 10 ~ 300 cfm, 평균 섬유경 0.5 ~20 ㎛의 분포를 가질 때 최적 효과를 나타내었다. 따라서 이들 복합여재의 전체 중량은 160-400 g/㎡, 통기도는 30 ~150 cfm, 그리고 두께가 1.0 ~ 4 mm 일때 내연기관용으로서 가장 적합한 필터 효과를 나타냄을 확인할 수 있다.
또한, 외재층(Pre-layer)에 사용된 부직포의 물성은 각각 부직포 종류 및 요구하는 성능에 따라 다르지만 일반적으로 내연기관용 여재의 경우 통기도가 50 ~ 450 cfm 범위와 1 ~ 3.5 mm의 두께 그리고 중량은 30 ~ 400g/㎡의 범위에서 가장 우수한 물성을 나타냄을 알 수 있다.
최종층(유체가 투과되어 나오는 층, Outlet)에 극세 멜트브라운 섬유을 함침하여 스펀본드와 결합한 형태로 필터 시험한 결과, 기존 멜트브라운을 적용하지 않은 부직포 필터나 여과지에 비해서 효율 및 수명이 매우 우수할 뿐만 아니라 멜트블로운의 강도 및 절곡성에서도 우수함을 알 수 있었다. 즉, 부직포 단독인 제품과 비교하여 여과 수명의 경우 10 ~ 100% 이상의 증대와 여과효율에 있어서 10 ~ 40% 이상의 증대를 나타내었다. 이는 여과재의 형태가 심층여과 방식을 취함에 따라 투과된 입자가 최종 극세 멜트블로운층에서 포집됨에 따라 효율 및 수명이 증대된다. 따라서 최종 극세 멜트블로운층도 심층여과를 수행함을 알 수 있다. 또한 멜트블로운의 가장 문제시 되었던 강도 및 절곡성(성형성)의 문제도 수지를 함침함으로써 개선됨을 알 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 수지 코팅된 여재는 멜트블로운 여재를 최종층(후단)에 사용할 때의 문제점인 강도 및 섬유이탈의 문제가 해소되고, 가공성이 우수할 뿐만 아니라 종래 여재에 비하여 미세 입자의 포집 효율 및 포집량에 있어서도 우수하며, 절곡성 및 강도 등의 후가공성이 우수하여 자동차 또는 건물의 공조기 등의 여과장치에서 다양하게 사용할 수 있다.

Claims (24)

  1. 하나 또는 밀도 구배를 갖는 둘 이상의 층으로 이루어지고, 그 중 적어도 한층은 최종층으로서 수지가 함침된 멜트블로운 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기정화용 필터 여재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 멜트블로운층은 20 ~ 150 ㎛ 범위의 기공 크기, 10 ~ 120 g/㎡ 범위의 중량, 10~300 cfm(125 Pa에서) 범위의 공기투과도, 및 0.5 ~ 20 ㎛ 범위의 섬유경을 갖는 것인 공기정화용 필터 여재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 멜트블로운은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 비스코스레이온, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 나일론, 폴리페닐렌설파이드, 폴리카아보네이트 또는 폴리에스터 글리콜 단독 또는 이들의 혼합 섬유로 이루어진 군 중에서 선택된 것인 필터 여재.
  4. 제1항에 있어서, 상기 수지는 열가소성 또는 열경화성 수지인 것인 필터 여재.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 수지는 페놀계, 아크릴계, 폴리비닐아세테이트계, 멜라민계, 에폭시계, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 이들의 혼합 수지로 이루어진 군 중에서 선택된 것인 필터 여재.
  6. 제1항에 있어서, 추가로 공기 유입층으로부터 함침 또는 비함침된 하나 이상의 부직포층을 포함하고, 상기 부직포층은 스펀본드, 스펀레이스, 케미컬본드, 써멀본드, 에어레이드, 니들 펀칭 및 멜트블로운으로 이루어진 군 중에서 선택된 것인 필터 여재.
  7. 제6항에 있어서, 상기 부직포는 중량이 30 ~ 400 g/㎡의 범위이고, 통기도는 50 ~ 450 cfm (125 Pa에서)이며, 기공크기는 60 ~ 200 ㎛인 것인 필터 여재.
  8. 제4항에 있어서, 상기 열가소성 수지는 단독 또는 혼합 방사하거나 각 성분을 분할 방사한 것인 필터 여재.
  9. 제1항 또는 제6항에 있어서, 추가로 후단에 지지체를 포함하는 것인 필터 여재.
  10. 제9항에 있어서, 상기 지지체는 부직포로 이루어지고, 10 ~ 60 g/㎡의 중량을 갖는 것인 필터 여재.
  11. 제1항에 있어서, 상기 여재의 각 층은 니들펀칭, 써멀 본딩, 케미컬 본딩, 수지 함침법, 도트(Dot) 방법 및 스프레이(spray) 방법에 의한 핫멜트 라미네이션 또는 초음파 본딩 또는 상기 2가지 이상의 방법을 혼용하여 적층된 것인 필터 여재.
  12. 제1항에 있어서, 상기 여재는 절곡이 가능한 필터 여재.
  13. 제1항에 따른 여재를 절곡시켜 제조된 것을 특징으로 하는 필터 엘리먼트.
  14. 제13항에 있어서, 상기 필터 엘리먼트는 별모양 또는 평편 판넬형인 것인 필터 엘리먼트.
  15. a) 수지가 함침된 하나 이상의 멜트블로운으로 이루어진 층을 최종층으로 하고, 필요에 따라 공기 유입구측으로부터 하나 이상의 부직포층을 형성하여 각 섬유층을 형성하는 단계,
    b) 상기 층들을 권회롤로부터 각각 이송하는 단계,
    c) 상기 층들을 라미네이션시키는 단계,
    d) 상기와 같이 라미네이션된 섬유층을 액상 수지로 도포하여 함침시키는 단계,
    e) 수지가 함침된 여재를 건조 챔버에서 건조시키는 단계, 및
    f) 건조된 여재를 권취하는 단계
    를 포함하며, 수지를 이용하여 접착하여 공기 정화용 필터 여재를 제조하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 부직포가 케미컬본드 부직포인 경우, 부직포의 원료를 배합하여 카딩한 다음 케미컬 본딩 공정의 함침 전단에 멜트블로운 웹을 투입하여 제조하는 것인 방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 부직포가 니들펀칭, 써멀본드, 스펀본드의 부직포일 경우에 부직포층과 멜트블로운 층을 각각 생산하여 수지를 함침시킴과 동시에 라미네이션을 수행하는 것인 방법.
  18. 제15항에 있어서, 추가로 후단의 강도를 증대하기 위해 상기 제조 공정의 한 단계에서 지지체층을 상기 멜트블로운층의 후단에 접착시키는 것인 방법.
  19. 제15항에 있어서, 추가로
    g) 절곡기를 사용하여 해당 형상으로 절곡하는 단계,
    h) 절곡된 형상 유지를 위하여 130 ~ 180 ℃ 범위에서 경화하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  20. 제15항에 있어서, 상기 함침 단계는 열경화성 또는 열가소성의 수지액을 섬유층의 전체중량 대비 10% ~ 30%의 중량비로 함침시키는 것인 방법.
  21. a) 부직포와 수지가 함침된 멜트브로운을 권회롤로부터 각각 이송하는 단계,
    b) 상기 부직포 또는 멜트브로운 층을 적층한 후 다수의 니들(Needle)에 의해 웹을 결합하는 단계, 및
    c) 니들(Needle)에 의해 접착된 여재를 권취하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 여재를 니들펀치 방법에 의해 접착하여 공기정화용 여재를 제조하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 추가로
    d) 절곡기를 사용하여 해당 형상으로 절곡하는 단계,
    e) 절곡된 형상 유지를 위하여 130 ~ 180 ℃ 범위에서 경화하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  23. a) 부직포와 수지가 함침된 멜트블로운을 권회롤로부터 각각 이송하는 단계,
    b) 상기 부직포 또는 멜트블로운 층에 접착제를 스프레이 방사하거나 Dot형 도포하는 단계,
    c) 접착제가 도포된 여재가 텐션롤에 의해 다른 여재와 라미네이션시키는 단계,
    d) 라미네이션된 여재가 압착롤에 의해 압착하는 단계, 및
    e) 압착에 의해 접착된 여재를 권취하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 핫멜트를 이용하여 접착하여 공기정화용 필터 여재를 제조하는 방법.
  24. 제23항에 있어서, 추가로
    f) 절곡기를 사용하여 해당 형상으로 절곡하는 단계,
    g) 절곡된 형상 유지를 위하여 130 ~ 180 ℃ 범위에서 경화하는 단계를 포함하는 것인 방법.
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