KR100819355B1 - 가스 터빈 흡입 시스템에서의 공기 여과방법 및 이에 사용하기 위한 필터 구조물 - Google Patents

가스 터빈 흡입 시스템에서의 공기 여과방법 및 이에 사용하기 위한 필터 구조물 Download PDF

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Abstract

가스 터빈 시스템의 공기 유입물을 정화시키는 방법은 일반적으로 주름형으로 미세 섬유 침착물로 처리된 차단 매체를 포함하는 필터 배열구조물을 이용하는 것을 포함한다. 당해 매체는 특히 높은 작동 온도(140 내지 350℉) 및/또는 다습(50 내지 90% 상대 습도) 환경에서 유리하다.
가스 터빈 시스템, 필터 여과재, 튜브형 구조, 개방형 필터 내부 구조, 매체 팩, 미세 섬유층, 필터 구조물.

Description

가스 터빈 흡입 시스템에서의 공기 여과방법 및 이에 사용하기 위한 필터 구조물{Methods for filtering air in a gas turbine intake system and a filter structure used therefor}
본 출원은 미국을 제외한 모든 국가를 지정국으로 하고, 2000년 9월 5일자로 출원된 미국 특허원 제60/230,138호와 2001년 5월 31일자로 출원된 미국 특허원 제09/871,169호를 우선권 주장하면서 미국 법인인 도날드슨 캄파니 인코포레이티드(Donaldson Company, Inc.)의 명의로 출원한 PCT 국제특허출원이다.
발명의 분야
본 발명은 필터 배열구조물 및 여과 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 가스 유동 스트림, 예컨대 공기 스트림으로부터 미립자 물질을 여과하는 배열구조물에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 가스 유동 스트림에서 목적하는 미립자 물질을 제거하는 방법에 관한 것이다.
발명의 배경
본 발명은 본 발명의 양수인인 미국 미네소타주 미니아폴리스에 소재하는 도날드슨 캄파니 인코포레이티드의 현재 진행중인 과제이다. 본 발명은 부분적으로는 미국 특허공보 제B2 4,720,292호; 미국 특허공보 제Des 416,308호; 미국 특허공보 제5,613,992호; 미국 특허공보 제4,020,783호; 및 미국 특허공보 제5,112,372호에 제시된 특징적인 과제와 관련이 있는 진행 중인 기술 개발 과제에 관한 것이다. 상 기 특허 문헌들은 각각 미국 미네소타주 미니아폴리스에 소재하는 도날드슨 캄파니 인코포레이티드가 권리자이며, 전문이 본원의 참조문헌으로 인용되고 있다.
또한, 본 발명은 열, 습도, 반응성 물질 및 기계적 응력에 대하여 향상된 환경적 안정성을 가진 것으로 제조될 수 있는 중합체 물질에 관한 것이다. 이와 같은 물질은 안정성과 강도가 향상된 마이크로섬유 물질 및 나노섬유 물질과 같은 미세 섬유 형성에 사용할 수 있다. 섬유의 크기가 감소되면 물질의 생존성이 오히려 더욱더 문제가 된다. 이와 같은 미세 섬유는 다양한 용도로 유용하다. 일예로서, 이와 같은 미세 섬유 기술을 사용하여 필터 구조물을 제조할 수 있다. 본 발명은 중합체, 중합체성 조성물, 섬유, 필터, 필터 구조물 및 여과하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 용도는 특히 유체 스트림, 예를 들어 공기 스트림과 액체(예, 비수성 및 수성) 스트림으로부터 입자를 여과하는 방법에 관한 것이다. 예시된 기술들은 필터 매체에 하나 이상의 미세 섬유층을 갖는 구조물에 관한 것이다. 본 발명의 조성물 및 섬유 크기는 성질과 생존성을 모두 고려하여 선택한다.
또한, 본 발명은 섬유, 미세 섬유, 마이크로섬유, 나노섬유, 섬유 웹, 섬유상 매트, 막과 같은 투과성 구조물, 피막 또는 필름의 형성을 비롯한 다양한 용도로 사용할 수 있는 개선된 성질을 갖는 중합체 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 중합체성 물질은 습기, 열, 공기 유속, 화학적 및 기계적 응력이나 충격의 분해 효과에 대한 내성이 있는 중합체성 물질을 다양한 물리적 형상 또는 형태로 제공하는 물리적 성질이 있는 조성물이다. 부직 미세 섬유 필터 매체를 제조하는데 있어서, 섬유 유리, 금속, 세라믹 및 다양한 중합체성 조성물을 비롯하여 다양한 물질이 사 용되었다. 작은 직경의 미세 섬유, 예컨대 마이크로섬유 및 나노섬유를 제조하는 데에도 다양한 기술이 사용되었다. 한 가지 방법은 상기 물질을 용융된 물질로서 또는 이후 증발되는 용액으로서 미세 모세관이나 틈(opening)을 통해 통과시키는 것을 포함한다. 섬유는 또한 나일론과 같은 합성 섬유를 제조하는 데 일반적인 "방적돌기(spinneret)"를 사용하여 제조할 수도 있다. 정전기적 방적 역시 알려져 있다. 이와 같은 기술은 피하 주사기, 노즐, 모세관 또는 이동성 방출기의 사용을 포함한다. 이 구조물들은 중합체의 액체 용액을 제공하며, 이 용액은 그 다음 고압 정전기장에 의해 회수 구역으로 유인된다. 이 물질이 방출기로부터 방출되어 정전기 구역을 통해 가속화되면 섬유는 박층이 되고 용매 증발에 의해 섬유 구조물로 형성될 수 있다.
여과 매체에 대한 보다 많은 용도가 예상되는 바, 예컨대 100℉ 내지 250℉, 최고 300℉까지의 고온과, 10 내지 90%, 최고 100% RH의 다습, 가스 및 액체 모두의 높은 유속의 악조건에 견디고, 마이크론 및 서브마이크론의 미립자(약 0.01에서 10 마이크론 이상까지의 미립자)를 여과하며, 유체 스트림으로부터 연마성 및 비연마성이며 반응성 및 비반응성의 미립자를 제거하는 유의적으로 개선된 물질이 요구된다.
따라서, 고온, 다습 및 높은 유속에서 가스 터빈 시스템으로 유입된 공기를 정화하는 데 개선된 성질을 제공하는 중합체성 물질, 마이크로섬유 및 나노섬유 물질 및 필터 구조물의 필요성이 절실히 요구되고 있다.
발명의 개요
본 명세서에서는 가스 터빈 시스템에 존재하는 공기 유입 스트림을 정화시키는 일반적 방법을 제공한다. 이 방법은 바람직한 필터 매체를 이용하는 것을 포함한다. 일반적으로, 바람직한 매체는 공기 필터내에, 일반적으로 주름진 매체인 차단 매체와 미세 섬유를 유리하게 이용하는 것이다.
필터 매체는 기계적으로 안정한 필터 구조물내에 기재 물질과 함께 하나 이상의 마이크로섬유 또는 나노섬유 웹 층을 포함한다. 이 층들은 함께 필터 매체를 통해 가스 또는 액체와 같은 유체가 통과할 때 최소 유속 제한에서 우수한 여과, 고 입자 포획율을 제공한다. 기재는 유체 스트림의 상류, 하류 또는 내부 층에 제공될 수 있다. 최근 다양한 산업에서는 여과용 여과 매체의 사용, 즉 가스 또는 액체와 같은 유체로부터 바람직하지 않은 입자의 제거에 상당한 관심을 기울이고 있다. 일반적인 여과 공정은 공기 스트림 또는 다른 가스 스트림을 포함하는 유체 또는 유압용 유체, 윤활유, 연료, 수증기 또는 다른 유체 등의 액체 스트림으로부터 미립자를 제거한다. 이와 같은 여과 공정은 마이크로섬유와 기재 물질의 기계적 강도, 화학적 안정성 및 물리적 안정성을 필요로 한다. 여과 매체는 다양한 범위의 온도 조건, 습도, 기계적 진동 및 쇼크, 유체류에 내포된 반응성 및 비반응성, 연마성 또는 비연마성 미립자들에 노출될 수 있다. 또한, 여과 매체는 종종 필터 매체를 역압 펄스(미립자의 표면 코팅을 제거하기 위한 유체류의 짧은 반전) 또는 필터 매체의 표면으로부터 내포된 미립자를 제거할 수 있는 다른 세정 기작에 노출시키는 자가세정성을 필요로 한다. 이와 같은 역세정은 펄스 세정 후의 실질적으로 향상된, 즉 감소된 압력 강하를 나타낼 수 있다. 입자 포획 효율은 일반적으로 펄스 세정 후 개선되지는 않으나 펄스 세정은 압력 강하를 감소시킬 수 있어 여과 조작 시의 에너지를 절감시킨다. 이와 같은 필터는 수리를 위해 분리하여 수성이나 비수성 세정 조성물로 세정할 수 있다. 이와 같은 매체는 종종 미세 섬유를 방적한 뒤 다공성 기재 상에 마이크로섬유의 연동 웹을 형성시켜 제조한다. 방적 과정에서 섬유는 섬유 사이에 물리적 결합을 형성하여 섬유 매트를 통합층으로 연동시킨다. 이와 같은 물질들은 그 다음 카트리지, 평면 디스크, 캐니스터(canister), 판넬, 백(bag) 및 파우치(pouch) 등의 목적하는 필터 형태로 가공될 수 있다. 이와 같은 구조물에서 매체는 지지체 구조 상에 실질적으로 주름을 형성하거나 압연되거나 또는 다른 방식으로 제공될 수 있다.
도면의 간단한 설명
도 1은 본 발명의 미세 섬유를 제조하는데 사용되는 일반적인 정전기적 방출기로 구동되는 장치를 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 제시된 미세 섬유 형성 기술로 필터 기재 상에 미세 섬유를 도입시키는 데 사용한 장치를 도시한 것이다.
도 3은 지지체 물질의 일반적인 내부 구조도 및 본 발명의 미세 섬유 물질을 작은 미립자, 즉 2 내지 5마이크론 미립자 물질과 비교하여 각각 나타낸 도면이다.
도 4 내지 도 11은 실시예 13과 관련하여 얻어진 분석용 ESCA 스펙트럼이다.
도 12는 실시예 5에서 얻은 본 발명의 0.23 내지 0.45 마이크로섬유 물질의 안정성을 도시한 것이다.
도 13 내지 도 16은 실시예 5 및 6에서 얻은 물질의 향상된 온도 및 습도 안 정성을 미변형된 나일론 공중합체 용매 가용성 폴리아미드와 비교하여 나타낸 도면이다.
도 17 내지 도 20은 두 공중합체, 즉 나일론 단독중합체와 나일론 공중합체의 배합물이 일단 열처리된 후 첨가제와 혼합되면 각각의 중합체 물질의 특징을 구별할 수 없고 가교되거나 그렇지 않으면 화학적으로 결합된 단일상으로 보이는 단일 성분 물질을 형성함을 입증한 도면이다.
도 21은 본 명세서에 제시된 방법들에 사용되는 가스 터빈 공기 유입 여과 시스템의 개략적인 횡단면도이다.
도 22는 본 명세서에 제시된 방법들에 사용되는 도 21에 도시된 시스템과 유사하지만 보다 작은 다른 가스 터빈 유입 여과 시스템의 개략적인 횡단면도이다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 개선된 중합체 물질을 제공한다. 이 중합체는 물리적, 화학적 안정성이 개선된 것이다. 이 중합체 미세 섬유(마이크로섬유 및 나노섬유)는 유용한 제품 형태로 제작될 수 있다. 나노섬유는 직경이 200나노미터 또는 0.2마이크론 미만인 섬유이다. 마이크로섬유는 직경이 0.2마이크론 보다 크지만 10마이크론 이하인 섬유이다. 이와 같은 미세 섬유는 개선된 다중층 미세여과 매체 구조 형태로 제조될 수 있다. 본 발명의 미세 섬유 층은 결합되어 연동된 망 구조를 형성할 수 있는 불규칙 분포된 미세 섬유를 포함한다. 여과 성능은 주로 미립자의 통과에 대한 미세 섬유의 차단 결과로서 얻어진다. 강성도, 강도, 주름성의 구조적 성질은 미세 섬유가 부착된 기재에 의해 제공된다. 미세 섬유 연동 망구조는 중요한 특징으로서 마이크로섬유 또는 나노섬유 형태의 미세 섬유와 이 섬유들 사이에 비교적 작은 공극을 가지고 있다. 이와 같은 공극은 섬유 사이에 일반적으로 약 0.01 내지 약 25마이크론 또는 종종 약 0.1 내지 약 10마이크론의 범위이다. 미세 섬유 층과 셀룰로오스 층을 포함하는 필터 생성물은 적당한 기재의 선택에 따라 얇아진다. 미세 섬유는 전체 미세 섬유와 기재 필터 매체에 1마이크론 미만으로 두께를 증가시킨다. 사용시 필터는 발생된 미립자가 미세 섬유 층을 통과하지 못하도록 정지시킬 수 있고 포획된 미립자의 실질적인 표면 적재물을 구성할 수 있다. 먼지 또는 다른 발생된 미립자를 포함하는 입자는 빠르게 미세 섬유 표면 상에 먼지 덩어리를 형성하고 미립자 제거의 높은 초기 및 총 효율을 유지한다. 입자 크기가 약 0.01 내지 약 1마이크론인 비교적 미세한 오염물인 경우에도 미세 섬유를 포함하는 필터 매체는 매우 높은 집진능을 나타낸다.
본 명세서에 개시된 중합체 물질은 열, 습도, 높은 유속, 역 펄스 세정, 작업에 의한 연마, 서브마이크론 미립자, 사용시 필터의 세정 및 다른 필요 조건의 바람직하지 않은 효과에 대한 실질적으로 개선된 저항성을 갖고 있다. 개선된 마이크로섬유 및 나노섬유 성능은 마이크로섬유 또는 나노섬유를 형성하는 중합체 물질의 개선된 특성의 결과이다. 또한, 본 발명의 개선된 중합체성 물질을 사용하는 본 발명의 필터 매체는 보다 높은 효율, 보다 적은 유동 제한성, 연마성 미립자의 존재하에 나타나는 높은 내구성(응력에 관한 내구성 또는 환경적으로 관련된 내구성) 및 풀린 섬유나 소섬유가 없는 매끈한 외측면을 비롯하여 수많은 장점을 제공한다. 필터 물질의 전체 구조는 단위 부피당 개선된 매체 영역, 매체를 통과하는 감소된 속도, 개선된 매체 효율 및 유동 제한성 감소를 제공하는 전반적으로 보다 얇은 매체를 제공한다.
본 발명의 바람직한 양태는 제1 중합체와 제2 중합체 외에 승온에서 처리되거나 컨디셔닝(conditioning)되는 다른 중합체(중합체 종류, 분자량 또는 물리적 성질이 상이함)를 포함하는 중합체 배합물이다. 이 중합체 배합물은 반응하여 단일 화합물종으로 제조되거나 또는 어닐링(annealing) 과정에 의해 물리적으로 결합되어 배합된 조성물을 형성할 수 있다. 어닐링은 결정성, 응력 이완 또는 배향과 같은 물리적 변화를 암시한다. 바람직한 물질은 시차 주사형 열량계로 분석시 단일 중합체성 물질로 나타나도록 단일 중합체 종으로 화학적으로 반응하는 것이다. 이와 같은 물질은 바람직한 첨가제와 배합하면 소유성, 소수성 또는 다른 관련된 고온, 다습 및 여러 작업 조건에 접촉했을 때의 개선된 안정성을 제공하는 첨가제의 표면 피막을 미세 섬유 상에 형성할 수 있다. 이와 같은 부류의 물질로 형성된 미세 섬유는 2마이크론 내지 0.01마이크론 미만까지의 직경을 가질 수 있다. 이와 같은 미세 섬유는 중합체 표면에 부분적으로 용해되거나 합금되거나 또는 용해 및 합금되는 첨가제의 외측 피막이나 첨가제의 독립 층을 포함하는 매끈한 표면을 가질 수 있다. 배합된 중합체 시스템에 사용하기에 바람직한 물질로는 나일론 6; 나일론 66; 나일론 6-10; 나일론(6-66-610) 공중합체 및 기타 일반적인 선형 지방족 나일론 조성물이 있다. 바람직한 나일론 공중합체 수지(SVP-651)는 말단기 적정법[참조: J.E.Walz and G.B.Taylor, determination of the molecular weight of nylon, Anal. Chem. Vol. 19, Number 7, pp 448-450(1947)]으로 분자량을 분석하였다. 수평균 분자량(Wn)은 21,500 내지 24,800 사이였다. 조성물은 3원 나일론, 즉 나일론 6 약 45%, 나일론 66 약 20% 및 나일론 610 약 25%의 용융 온도 상평형도로 평가하였다[참조: Page 286, Nylon Plastics Handbook, Melvin Kohan ed. Hanser Publisher, New York (1995)].
보고된 SVP 651 수지의 물리적 성질은 다음과 같다:
성질 ASTM 방법 단위 통상적인 값
비중 D-792 - 1.08
흡수력(24시간 침지) D-570 % 2.5
경도 D-240 Shore D 65
융점 DSC ℃(℉) 154(309)
생산시의 인장 강도 D-638 MPa(kpsi) 50(7.3)
파단 신도 D-638 % 350
굴곡 탄성율 D-790 MPa(kpsi) 180(26)
체적 저항율 D-257 ohm-cm 1012
가수분해도가 87 내지 99.9+%인 폴리비닐알코올은 이와 같은 중합체 시스템에 사용할 수 있다. 이는 가교된 것이 바람직하다. 가장 바람직하게는, 가교되고 유의적 양의 소유성 및 소수성 첨가제와 혼합된 것이 좋다.
본 발명의 또 다른 바람직한 양태는 섬유 수명이나 작업성을 향상시키기 위해 첨가제 조성물과 혼합된 단독 중합체성 물질을 포함하는 것이다. 이와 같은 본 발명의 양태에 유용한 바람직한 중합체는 나일론 중합체, 폴리비닐리덴 클로라이드 중합체, 폴리비닐리덴 플루오라이드 중합체, 폴리비닐알코올 중합체 및 보다 상세하게는 강한 소유성 및 소수성 첨가제와 혼합했을 때 첨가제가 미세 섬유 표면상에 코팅층으로 형성된 마이크로섬유 또는 나노섬유를 형성시킬 수 있는 기술된 물질을 포함한다. 또한, 유사한 나일론 배합물, 유사한 폴리비닐클로라이드 중합체 배합물 및 폴리비닐리덴 클로라이드 중합체 배합물과 같은 유사한 중합체 배합물도 본 발명에 유용하다. 또한, 상이한 중합체들의 중합체성 배합물이나 합금 역시 본 발명에 포함되는 것이다. 이와 관련하여 중합체들의 상용성 혼합물은 본 발명의 마이크로섬유 물질을 제조하는데 유용하다. 첨가제 조성물은, 예를 들어 플루오로 계면활성제, 비이온성 계면활성제, 저분자량 수지(예컨대 분자량이 약 3000 미만인 3급 부틸페놀 수지)를 사용할 수 있다. 이 수지는 메틸렌 가교기 없이 페놀 핵 사이에 올리고머 결합이 존재하는 것을 특징으로 한다. 환 주위에는 하이드록실기 및 3급 부틸기가 무작위적으로 위치할 수 있다. 페놀 핵 사이의 결합은 항상 하이드록실기 다음에 일정하게 일어난다. 이와 마찬가지로, 중합체성 물질은 비스페놀 A로부터 형성된 알코올 가용성 비선형 중합 수지와 혼합될 수 있다. 이 물질은 알킬렌기 또는 메틸렌기와 같은 임의의 가교기 없이 방향족 환과 방향족 환을 직접 연결하는 올리고머 결합을 사용하여 형성된다는 점에서 전술한 3급 부틸페놀 수지와 유사하다.
본 발명에 있어서 특히 바람직한 물질은 크기가 약 0.0001마이크론 내지 5마 이크론인 마이크로 섬유 물질을 포함한다. 가장 바람직한 섬유 크기는 0.001마이크론 내지 0.2마이크론 범위이다. 이와 같은 바람직한 크기를 갖는 섬유에 의하면, 탁월한 필터 활성, 역펄스 세정의 용이성 및 다른 특징이 제공된다. 본 발명의 특히 바람직한 중합체 시스템은, 셀룰로오스계 기재과 접촉하였을 때 충분한 강도로 기재에 접착함으로써 기재에 견고하게 결합되어 역펄스 세정 기법 또는 기타 기계적인 응력에 의한 유해한 영향에 견뎌낼 수 있을 정도의 접착 특성을 갖는다. 이러한 경우에, 중합체 물질은 필터 구조물을 가로질러 역방향으로 처리한다는 것을 제외하고는 전형적인 여과 조건과 거의 동일한 펄스 세정 입력으로 처리하는 동안 기재에 부착된 상태를 유지하여야 한다. 이러한 접착 특성은 섬유가 기재 또는 기재 상의 섬유 전처리제와 열 또는 압력하에서 접촉할 때 섬유 형성의 용매 효과로부터 기인하는 것일 수 있다. 그러나, 중합체의 특성이 접착력을 결정하는 데 있어서 중요한 역할을 하는 것으로 생각되는데, 이러한 중합체의 특성으로는 예컨대 수소결합과 같은 특정 화학 작용, Tg 이상 또는 이하의 온도에서 일어나는 중합체와 기재간의 접촉 및 첨가제를 포함하는 중합체 제형을 들 수 있다. 접착시에 용매 또는 증기로 가소화시킨 중합체가 높은 접착력을 가질 수 있다.
본 발명의 중요한 특징은 이와 같은 마이크로 섬유 또는 나노섬유 물질을 필터 구조물에 사용한다는 데 있다. 이와 같은 구조물에 있어서, 본 발명의 미세 섬유 물질은 필터 기재상에 형성되어 필터 기재에 접착된다. 천연 섬유와 합성 섬유 기재, 예를 들면 스펀 결합 직물, 합성 섬유로 된 부직포 및 셀룰로오스계 섬유, 합성 섬유 및 유리 섬유의 혼합물로 제조된 부직포, 유리 부직포와 직물, 가소성 스크린, 예컨대 유기 중합체로 제조되고 압출 및 천공된 UF 및 MF 막을 사용할 수 있다. 이어서, 시트형 기재 또는 셀룰로오스계 부직 웹을 필터 구조물로 제조하여, 공기 스트림 또는 액체 스트림을 포함하는 유체 스트림 중에 배치함으로써, 현탁되거나 혼합된 미립자를 그 유체 스트림으로부터 제거한다. 필터 물질의 형태와 구조는 그것을 설계하는 기술자에 의해 좌우된다. 제조 후 필터 요소의 한 가지 중요한 변수는 열이나 습도의 작용에 대한 저항성 또는 열과 습도의 작용에 대한 저항성이다. 본 발명의 필터 매체의 한 가지 양상은 필터 매체가 상당한 기간 동안 온수 중에 침지시킨 상태로 견뎌낼 수 있는 능력을 시험하는 것이다. 이러한 침지 시험은 미세 섬유가 고온의 습한 조건을 견뎌내는 능력과 상당한 분량의 강한 세정용 계면활성제와 강알칼리성 물질을 함유할 수 있는 수용액 중에서 필터 요소를 세정할 때의 저항 능력에 관한 중요한 정보를 제공할 수 있다. 본 발명의 미세 섬유 물질은 기재 표면상에 형성된 미세 섬유 중 50% 이상이 활성 필터 여과재로서 유지되는 상태로 온수 중에서의 침지 시험을 견뎌낼 수 있는 것이 바람직하다. 50% 이상의 미세 섬유가 활성을 보유함으로써 여과 성능을 손실하거나 역 압력을 증가시키는 일 없이 실질적인 섬유 효율을 유지할 수 있다. 가장 바람직하게는 75% 이상 유지하는 것이다.
본 발명의 마이크로섬유 또는 나노섬유 함유 층을 포함하는 미세 섬유는 섬유이고 직경이 약 0.001 내지 5마이크론, 0.001 내지 2마이크론, 0.05 내지 5마이크론, 바람직하게는 0.01 내지 0.2마이크론일 수 있다. 일반적인 미세 섬유 여과 층의 두께는 기본 중량이 약 0.01㎍-cm2 내지 240㎍-cm2 범위인 섬유 직경의 약 1 내지 100배인 0.1마이크론 내지 3마이크론 범위이다.
공기 스트림 및 가스 스트림과 같은 유체 스트림은 종종 미립자 물질을 운반할 수 있다. 이와 같은 유체 스트림으로부터 미립자 물질을 일부 또는 모두 제거할 필요가 있다. 예를 들어, 자동차의 캐빈(cabin)으로 유입되는 공기 유입 스트림, 컴퓨터 디스크 드라이브 중의 공기, HVAC 공기, 클린 룸 통풍장치 및 필터 백, 차단 직물, 직물을 사용하는 용도, 자동차 엔진의 공기 또는 동력 발생 장치의 공기; 가스 터빈으로 향하는 가스 스트림; 및 다양한 연소로로 향하는 공기 스트림은 종종 미립자 물질을 포함하고 있다. 캐빈 공기 필터의 경우에는, 탑승자의 편안함 및/또는 미적 정서를 위해 미립자를 없애는 것이 바람직하다. 엔진, 가스 터빈 및 연소로로 향하는 공기 및 가스 유입 스트림의 경우에는, 미립자가 다양한 기계류들의 내부 작동에 실질적인 손상을 일으킬 수 있기 때문에 미립자를 제거하는 것이 바람직하다. 다른 경우들에서는, 산업 공정이나 엔진 유래의 생산 가스 또는 폐가스가 미립자를 포함하고 있을 수 있다. 이와 같은 가스가 각종 하부 스트림 장치를 통해 대기로 방출되거나 방출되어야만 하기 전에 그 스트림으로부터 미립자를 실질적으로 제거하는 것이 바람직하다.
공기 필터 디자인에 관한 일부 기본적 원리와 문제점에 대한 일반적인 사항은 다음과 같은 필터 매체 종류, 즉 표면 적재 매체 및 심층 여과 매체를 고려하면 이해할 수 있을 것이다. 이와 같은 매체 종류들은 각각 상세하게 연구되어 있고 널 리 사용되고 있다. 이들에 관한 일부 원리에 대해서는 예를 들어 미국 특허공보 제5,082,476호; 미국 특허공보 제5,238,474호 및 미국 특허공보 제5,364,456호에 기술되어 있다. 이 특허 문헌들의 전문을 본원의 참조문헌으로 인용한다.
필터의 "수명(lifetime)"은 일반적으로 필터를 통한 소정의 한계 압력 강하에 따라 결정된다. 필터를 통한 압력 증강은 그 용도 또는 디자인에 한정된 소정 수준에서의 수명을 의미한다. 이와 같은 압력 증강이 적재 결과로서 동일한 효율의 시스템인 경우, 보다 긴 수명은 일반적으로 보다 높은 용량과 직접적인 관련이 있다. 효율은 미립자를 통과시키는 것이 아니라 포획하는 매체의 성질이다. 일반적으로, 가스 유동 스트림으로부터 미립자를 제거하는데 있어서 필터 매체가 보다 효율적일수록 일반적으로 필터 매체가 보다 급속하게 "수명" 압력차에 도달할 것이라는 것은 자명하다(다른 변수들이 일정하게 유지된다고 가정함). 본 명세서에 사용된 "여과용으로 불변성인"이란 용어는 소정 용도에 필요한 만큼 유체 스트림으로부터 미립자를 제거하기에 충분한 효율을 유지하는 것을 의미한다.
중합체성 물질은 부직포 및 직물, 섬유 및 마이크로섬유로 제조하였다. 중합체성 물질은 제품 안정성에 필요한 물리적 성질을 제공한다. 따라서, 이와 같은 물질은 크기를 크게 변화시키거나 분자량을 감소시키거나 가요성을 감소시키거나 응력 균열시키거나 또는 일광, 습도, 고온이나 기타 다른 환경적 악영향의 존재하에 물리적으로 유해한 작용을 하지 않아야 한다. 본 발명은 환경적 빛과 같은 전자기적 직사광, 열, 습도 및 기타 다른 물리적 요인에 직면했을 때 물리적 성질을 유지할 수 있는 개선된 중합체성 물질에 관한 것이다.
본 발명의 중합체성 조성물에 사용할 수 있는 중합체 물질로는 부가 중합체 및 축합 중합체 물질, 예컨대 폴리올레핀, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리에스테르, 셀룰로오스 에테르 및 에스테르, 폴리알킬렌 설파이드, 폴리아릴렌 옥사이드, 폴리설폰, 변형된 폴리설폰 중합체 및 이의 혼합물이 있다. 이와 같은 일반적인 부류에 속하는 바람직한 물질로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리(비닐클로라이드), 폴리메틸메타크릴레이트(및 다른 아크릴 수지), 폴리스티렌 및 이의 공중합체(ABA형 블록 공중합체 포함), 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 폴리(비닐리덴 클로라이드), 다양한 가수분해도(87% 내지 99.5%)의 가교 및 비가교 형태인 폴리비닐 알코올이 있다. 바람직한 부가 중합체는 유리질화(Tg가 실온 보다 높음)하는 경향이 있다. 이것은 폴리비닐클로라이드 및 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌 중합체 조성물이나 합금의 경우에는 마찬가지이고, 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 폴리비닐알코올 물질에 비해서는 결정도가 낮다. 폴리아미드 축합 중합체의 한 부류는 나일론 물질이다. "나일론"이란 용어는 장쇄의 모든 합성 폴리아미드에 대한 일반명이다. 일반적으로, 나일론 명칭에는 나일론-6,6과 같은 일련의 번호가 포함되는데, 이것은 출발 물질이 C6 디아민 및 C6 이산임을 나타낸다(첫번째 숫자는 C6 디아민을 나타내고, 두번째 숫자는 C6 디카복실산 화합물을 나타낸다). 또 다른 나일론은 소량의 물의 존재하에 입실론 카프로락탐을 다중축합시켜 제조할 수 있다. 이 반응은 선형 폴리아미드인 나일론-6(입실론-아미노카프로산으로도 알려져 있는 사이클릭 락탐으로부터 제조됨)을 형성한다. 또한, 나일론 공중합체도 포함될 수 있다. 공중합체는 각종 디아민 화합물, 각종 이산 화합물 및 각종 사이클릭 락탐 구조를 반응 혼합물로 혼합한 뒤 폴리아미드 구조내에 단량체 물질이 무작위로 위치한 나일론을 형성시켜 제조할 수 있다. 예를 들어, 나일론 6, 6-6, 10 물질은 C6및 C10 이산 물질의 배합물과 헥사메틸렌 디아민으로부터 제조된 나일론이다. 나일론 6-6, 6-6, 10 물질은 C6및 C10 이산 물질의 배합물, 입실론 아미노카프로산 및 헥사메틸렌 디아민을 공중합시켜 제조한 나일론이다.
블록 공중합체 역시 본 발명의 방법에 유용하다. 이와 같은 공중합체를 사용하는 경우에는 용매 팽윤제의 사용이 중요하다. 선택된 용매는 블록이 모두 용매에 가용성인 것으로 사용한다. 일예로, 메틸렌 클로라이드 용매 중의 ABA(스티렌-EP-스티렌) 또는 AB(스티렌-EP) 중합체가 있다. 한 성분이 용매에 용해되지 않으면 겔을 형성할 것이다. 이와 같은 블록 공중합체의 예로는 스티렌-b-부타디엔과 스티렌-b-수소첨가된 부타디엔(에틸렌 프로필렌)의 크래튼(KratonR)형, e-카프로락탐-b-에틸렌 옥사이드의 페박스(PebaxR)형, 폴리에스테르-b-에틸렌 옥사이드 심파텍스(SympatexR) 및 에틸렌 옥사이드와 이소시아네이트의 폴리우레탄이 있다.
부가중합체, 예를 들어 폴리비닐리덴 플루오라이드, 신디오탁틱 폴리스티렌, 비닐리덴 플루오라이드와 헥사플루오로프로필렌의 공중합체, 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 아세테이트, 무정형 부가 중합체, 예를 들어 폴리(아크릴로니트릴) 및 아크릴산과 메타크릴레이트와의 공중합체, 폴리스티렌, 폴리(비닐 클로라이드) 및 이의 다양한 공중합체, 폴리(메틸 메타크릴레이트) 및 이의 다양한 공중합체는 저압과 저온에서 가용성이기 때문에 비교적 용이하게 용액 방적될 수 있다. 하지만, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌과 같이 고결정성 중합체는 용액 방적되어야 한다면 고온과 고압의 용매를 필요로 한다. 따라서, 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 용액 방적은 매우 어렵다. 정전기적 용액 방적은 나노섬유와 마이크로섬유를 제조하는 한 가지 방법이다.
또한, 본 발명자들은 2종 이상의 중합체성 물질을 중합체 혼합물 또는 합금 형태 또는 화학적으로 가교 결합된 구조로 포함하는 중합체성 조성물을 제조하는 것이 실질적으로 유리하다는 것을 발견하였다. 본 발명자들의 생각으로는 이와 같은 중합체 조성물이 중합체 쇄의 가요성 또는 쇄 이동성을 개선시키고 총 분자량을 증가시키며 중합체성 물질의 망구조를 형성시켜 강화시키는 등의 중합체 속성을 변화시켜 물리적 성질을 향상시키는 것으로 사료된다.
이와 같은 관점의 한 가지 양태로서, 유리한 성질을 부여하기 위하여 2가지 관련 중합체 물질을 배합할 수 있다. 예를 들어, 고분자량의 폴리비닐클로라이드를 저분자량의 폴리비닐클로라이드와 배합할 수 있다. 이와 마찬가지로, 고분자량의 나일론 물질을 저분자량의 나일론 물질과 배합할 수 있다. 또한, 포괄적으로 하나의 중합체 종에 속하는 상이한 물질을 배합할 수 있다. 예를 들어, 고분자량의 스티렌 물질은 저분자량의 고충격 폴리스티렌과 배합할 수 있다. 나일론-6 물질은 나일론-6; 6,6; 6,10 공중합체와 같은 나일론 공중합체와 배합할 수 있다. 또한, 가수분해도가 낮은 폴리비닐알코올, 예컨대 87% 가수분해된 폴리비닐알코올은 가수분 해도가 98 내지 99.9% 또는 그 이상인 완전 또는 과가수분해된 폴리비닐알코올과 배합할 수 있다. 혼합물 중의 이들 물질은 모두 적당한 가교 메카니즘에 의해 가교될 수 있다. 나일론은 아미드 결합 중의 질소 원자와 반응성인 가교제를 사용하여 가교시킬 수 있다. 폴리비닐알코올 물질은 히드록실 반응성 물질, 예컨대 모노알데히드, 예를 들어 포름알데히드, 우레아, 멜라민-포름알데히드 수지 및 이의 유사체, 붕산 및 다른 무기 화합물, 디알데히드, 이산, 우레탄, 에폭시 및 다른 공지의 가교제를 사용하여 가교시킬 수 있다. 가교 기술은 공지된 현상으로, 가교 시약은 반응하여 중합체 쇄 사이에 공유 결합을 형성하여 분자량, 내화학성, 총 강도 및 기계적 분해에 대한 내성을 실질적으로 향상시킨다.
본 발명자들은 첨가제가 미세 섬유 형태인 중합체 물질의 성질을 유의적으로 향상시킬 수 있음을 발견하였다. 열, 습도, 충격, 기계적 응력 및 다른 환경적 악영향의 효과에 대한 내성은 첨가제의 존재하에 유의적으로 향상될 수 있다. 또한, 본 발명자들은 본 발명의 미세 섬유 물질을 가공하는 동안 첨가제가 소유성, 소수성을 향상시키고 물질의 화학적 안정성을 향상시키는데 도움을 주는 것으로 나타난다는 것을 발견하였다. 본 발명자들의 생각으로는 마이크로섬유 형태의 본 발명의 미세 섬유가 소유성 및 소수성 첨가제의 존재에 의해 개선되는 것이 이 첨가제들이 보호층 피막을 형성하거나 표면을 융해시키거나 표면을 어느 정도의 깊이로 투과하여 중합체성 물질의 성질을 향상시키기 때문인 것으로 사료된다. 따라서, 이와 같은 물질의 중요한 특성은 바람직하게는 소유성을 나타낼 수 있는 강한 소수성 기의 존재라고 생각한다. 강한 소수성 기로는 플루오로카본기, 소수성 탄화수소 계면활성제 또는 블록 및 실질적인 탄화수소 올리고머 조성물이 있다. 이와 같은 물질은 중합체 물질과 혼화성인 경향이 있어 중합체와 일반적으로 물리적 결합 또는 회합을 일으키는 분자의 일부를 갖는 조성물 중에서 제조되는 반면, 강한 소수성 또는 소유성 기는 중합체와 첨가제의 회합의 결과로서 표면상에 존재하거나 또는 중합체 표면 층으로 합금되거나 중합체 표면 층과 혼합되는 보호성 표면층을 형성한다. 첨가 수준이 10%인 0.2마이크론 섬유의 경우, 표면 두께는 첨가제가 표면쪽으로 이동했다면 약 50Å인 것으로 계산된다. 이동은 벌크 물질 중의 소유성 또는 소수성 기의 비혼화성으로 인해 나타나는 것으로 생각된다. 50Å의 두께는 보호 피막에 대하여 적당한 두께인 것으로 보인다. 직경이 0.05마이크론인 섬유일 경우, 50Å의 두께는 20질량%에 해당한다. 두께가 2마이크론인 섬유일 경우, 50Å의 두께는 2질량%에 해당한다. 첨가제는 약 2 내지 25 중량%의 양으로 사용되는 것이 바람직하다. 본 발명의 중합체 물질과 배합하여 사용할 수 있는 올리고머 첨가제로는 분자량이 약 500 내지 약 5000, 바람직하게는 약 500 내지 약 3000인 올리고머가 있으며, 그 예로는 플루오로화합물, 비이온성 계면활성제 및 저분자량 수지 또는 올리고머가 있다. 본 발명에 유용한 플루오로-유기 습윤제는 이하의 화학식 1로 표시되는 유기 분자이다.
R f -G
위의 화학식 1에서,
Rf는 플루오로지방족 라디칼이고,
G는 하나 이상의 친수성 기, 예컨대 양이온기, 음이온기, 비이온기 또는 양쪽성기를 포함하는 작용기이다. 비이온성 물질이 바람직하다. Rf는 탄소수 2 이상의 불화 1가 지방족 유기 라디칼이다. 바람직하게는, 이는 포화된 퍼플루오로지방족 1가 유기 라디칼이다. 하지만, 골격쇄 상의 치환체로서 수소 또는 염소 원자가 존재할 수도 있다. 다수의 탄소 원자를 함유하는 라디칼은 적당하게 작용할 수 있는 반면, 탄소수 약 20 이하의 화합물이 바람직한데, 그 이유는 이보다 큰 라디칼들이 일반적으로 플루오르의 이용면에서 보다 짧은 골격쇄에 의해 가능한 것보다 효율이 떨어지기 때문이다. Rf는 약 2 내지 8개의 탄소 원자를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 사용되는 플루오로-유기제에 사용할 수 있는 양이온기로는 무산소(예, -NH2) 또는 산소 함유(예, 아민 옥사이드)의 아민 또는 4급 암모늄 양이온기를 포함할 수 있다. 이와 같은 아민 및 4급 암모늄 양이온 친수성 기는 화학식, 예컨대 -NH2, -(NH3)X, -(NH(R2)2)X, -(NH(R2) 3)X 또는 -N(R2)2→O(여기서, X는 할라이드, 하이드록사이드, 설페이트, 비설페이트 또는 카복실레이트와 같은 음이온성 반대 이온이고, R2는 H 또는 C1-18 알킬기이고, 각 R2는 다른 R2 기와 동일하거나 상이할 수 있다)로 표시되는 것일 수 있다. R2는 H 또는 C1-16 알킬기이고 X는 할라이드, 하이드록사이드 또는 비설페이트인 것이 바람직하다.
본 발명에 사용된 플루오로-유기 습윤제에 유용한 음이온기로는 이온화에 의해 음이온 라디칼이 될 수 있는 기를 포함한다. 음이온기는 화학식, 예컨대 -COOM, -SO3M, -OSO3M, -PO3HM, -OPO3M2 또는 -OPO3 HM(여기서, M은 H, 금속 이온, (NR1 4)+ 또는 (SR1 4)+이고, 이 때 각 R1은 독립적으로 H 또는 치환되거나 치환되지 않은 C1 내지 C6 알킬이다)으로 표시되는 것일 수 있다. M은 Na+ 또는 K+인 것이 바람직하다. 본 발명에 사용된 플루오로-유기 습윤제의 바람직한 음이온기는 화학식 -COOM 또는 -SO3M으로 표시되는 것일 수 있다. 음이온 플루오로-유기 습윤제 그룹에 속하는 것은 플루오로카본 측기가 부착되어 있는 에틸렌계 불포화 모노카복실산 및 디카복실산 단량체로부터 일반적으로 제조된 음이온 중합체성 물질이다. 이와 같은 물질로는 FC-430 및 FC-431로 알려진 3M 코포레이션의 시판품인 계면활성제가 있다.
본 발명에 사용되는 플루오로-유기 습윤제에 유용한 양쪽성기는 전술한 하나 이상의 양이온기와 전술한 하나 이상의 음이온기를 함유하는 기를 포함한다.
본 발명에 사용되는 플루오로-유기 습윤제에 유용한 비이온기는 친수성이지만 일반적인 작물 용도의 pH 조건하에서는 이온화되지 않는 기를 포함한다. 비이온기는 화학식, 예컨대 -O(CH2CH2)XOH(여기서, X는 1보다 크다), -SO2NH2, -SO2NHCH2CH2OH, -SO2N(CH2CH2H)2 , -CONH2, -CONHCH2CH2OH 또는 -CON(CH2CH2OH) 2로 표시되는 것일 수 있다. 이와 같은 물질의 예로 하기 화학식 2의 물질이 있다.
F(CF2CF2)n-CH2CH2O-(CH2CH2O) m-H
위의 화학식 2에서, n은 2 내지 8이고, m은 0 내지 20이다.
다른 플루오로-유기 습윤제로는 미국 특허공보 제2,764,602호; 미국 특허공보 제2,764,603호; 미국 특허공보 제3,147,064호 및 미국 특허공보 제4,069,158호에 기술된 양이온 플루오로 화학 물질이 있다. 양쪽성 플루오로-유기 습윤제로는 예컨대 미국 특허공보 제2,764,602호; 미국 특허공보 제4,042,522호; 미국 특허공보 제4,069,158호; 미국 특허공보 제4,069,244호; 미국 특허공보 제4,090,967호; 미국 특허공보 제4,161,590호 및 미국 특허공보 제4,161,602호에 기술된 양쪽성 플루오로 화학 물질이 있다. 음이온성 플루오로-유기 습윤제로는 예컨대 미국 특허공보 제2,803,656호; 미국 특허공보 제3,255,131호; 미국 특허공보 제3,450,755호; 및 미국 특허공보 제4,090,967호에 기술된 음이온성 플루오로 화학 물질이 있다.
이와 같은 물질의 예로는 듀퐁 조닐(duPont Zonyl) FSN 및 듀퐁 조닐 FSO 비이온성 계면활성제가 있다. 본 발명의 중합체에 사용할 수 있는 또 다른 양상의 첨가제로는 하기 화학식 3으로 표시되는 3M의 스카치가드(Scotchgard) 물질과 같은 저분자량의 플루오로카본 아크릴레이트 물질이 있다.
CF3(CX2)n-아크릴레이트
위의 화학식 3에서, X는 -F 또는 -CF3이고, n은 1 내지 7이다.
또한, 저급 알코올 에톡실레이트, 지방산 에톡실레이트, 노닐페놀 에톡실레이트 등을 비롯한 비이온계 탄화수소 계면활성제 역시 본 발명의 첨가제로서 사용할 수 있다. 이와 같은 물질의 예로는 트리톤(Triton) X-100 및 트리톤 N-101이 있다.
본 발명의 조성물에 첨가제로서 사용하기에 유용한 물질은 3급 부틸페놀 올리고머이다. 이 물질은 상대적으로 저분자량의 방향족 페놀계 수지이기가 쉽다. 이 수지는 효소적 산화 커플링에 의해 제조된 페놀계 중합체이다. 메틸렌 가교의 부재는 고유한 화학적, 물리적 안정성을 제공한다. 이와 같은 폐놀계 수지는 다양한 아민 및 에폭시와 가교시킬 수 있어 다양한 중합체 물질과 혼화될 수 있다. 이들 물질의 일반적인 예로는 메틸렌 가교기는 없지만 페놀기와 방향족기를 보유하는 반복 모티프로 존재하는 페놀계 물질을 특징으로 하는 하기 화학식으로 예시되는 것이 있다.
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위의 화학식 4 내지 6에서, n은 2 내지 20 이다. 이와 같은 페놀계 물질의 예로는 미국 오하이오주 콜럼버스에 소재하는 엔자이몰 인터내셔날 인코포레이티드(Enzymol International Inc.)에서 입수한 Enzo-BPA, Enzo-BPA/페놀, Enzo-TBP, Enzo-COP 및 기타 관련 폐놀계 물질이 있다.
매우 다양한 섬유상 필터 매체가 상이한 용도에 사용된다는 것은 당연한 것이다. 본 발명에 제시된 내구성 나노섬유 및 마이크로섬유는 모든 매체에 첨가될 수 있다. 본 발명에 제시된 섬유는 또한 기존 매체의 섬유 성분 대신에 사용되어 작은 직경으로 인한 개선된 성능(개선된 효율 및/또는 감소된 압력 강하)이라는 뚜렷한 장점을 제공하는 동시에, 보다 큰 내구성을 나타낸다.
중합체 나노섬유 및 마이크로섬유는 공지되어 있으나, 그 용도는 기계적 응 력에 대한 취약성 및 섬유들의 높은 표면적 대 부피비에 의한 화학적 분해에 대한 민감성으로 인하여 매우 제한적이었다. 본 발명에 제시된 섬유들은 이와 같은 제한성을 해결하여, 여과, 직물, 막 및 기타 다른 다양한 용도 등에 매우 다양하게 사용될 수 있는 것이다.
도면의 상세한 설명
단위의 마이크로섬유 또는 나노섬유는 정전기적 방적법으로 제조할 수 있다. 섬유 방적에 적합한 장치는 도 1에 도시하였다. 이 장치는 미세 섬유 형성 중합체 용액을 함유하는 저장소(80), 펌프(81) 및 중합체 용액이 펌프 배출되는 회전형 배출 장치 또는 방사체(40)를 포함한다. 방사체(40)는 일반적으로 회전 유니온(41), 다수의 오프셋 구멍(44)을 포함하는 회전부(42) 및 전방 대향부와 회전 유니온을 연결하는 축(43)으로 이루어진다. 회전 유니온(41)은 중합체 용액을 중공 축(hollow shaft)(43)을 통해 전방 대향부(42)에 도입한다. 구멍(44)은 전방 대향부(42)의 가장자리 주위에 이격되어 있다. 또는, 회전부(42)는 저장소(80)와 펌프(81)에 의해 공급되는 중합체의 저장소에 침지되어 있을 수 있다. 이어서, 회전부(42)가 저장소로부터 중합체 용액을 공급받고, 정전기장에서 회전할 때 이 정전기장에 의해 하기 기술되는 바와 같이 용액의 액적이 수집 매체(70) 쪽으로 가속화된다.
방사체(40)에 대향하지만, 이 방사체로부터 이격되어, 수집 매체(70)(즉, 기재 또는 복합 기재) 위에 위치하는 거의 평면상의 그리드(grid)(60)가 있다. 공기는 이 그리드를 통해 배출될 수 있다. 수집 매체(70)는 그리드(60)의 대향 말단에 인접 위치한 로울러(71)와 로울러(72) 주위를 통과한다. 고압의 정전위는 적합한 정전압원(61) 및 각각 그리드(60)와 방사체(40)에 결합되는 연결부(62)와 연결부(63)에 의해 방사체(40)와 그리드(60) 사이에 유지된다.
중합체 용액은 사용시 저장소(80)로부터 회전 유니온(41)이나 저장소로 펌핑된다. 전방 대향부(42)는 액체가 구멍(44)으로부터 방출되는 동안 회전하거나 또는 저장소에서 선출되어 방사체의 외측 가장자리로부터 그리드(60) 상에 위치한 수집 매체(70)로 이동한다. 구체적으로, 그리드(60)와 방사체(40) 사이의 정전위는 액체를 박막 섬유로서 방출시키는 물질에 전하를 부여하여 이 박막 섬유를 그리드(60)쪽으로 인출시키고, 그리드에 도달하여 기재(12) 또는 효율층(14) 상에 수집된다. 중합체가 용액 상태인 경우, 용매는 그리드(60)로 비행하는 중에 섬유로부터 증발 제거되고, 따라서 섬유만 기재(12) 또는 효율층(14)에 도착한다. 이 미세 섬유는 그리드(60)에서 처음 접하는 기재 섬유에 결합한다. 정전기장의 강도는 중합체 물질이 방사체로부터 수집 매체(70)로 가속 이동될 때 그 가속이 물질을 고박막 마이크로섬유 또는 나노섬유 구조화하기에 충분한 정도가 되도록 선택한다. 수집 매체의 진행 속도의 증가 또는 서행은 형성 매체 상에 방사된 섬유의 양을 증가 또는 감소시켜 침착시킬 수 있어, 그 매체 상에 침착되는 각 층의 두께를 조절할 수 있다. 회전부(42)는 각종 유리한 위치에 장착될 수 있다. 회전부(42)는 그 회전면이 수집 매체(70)의 표면에 직각이 되게 배치하거나 또는 임의의 각을 형성하여 배치할 수 있다. 회전 매체는 평행하게 배치되거나 또는 평행 방향에서 약간 기울어지게 배치될 수 있다. 도 2는 시트형 기재 또는 매체 상에 미세 섬유 층을 형성시키 기 위한 방법 및 장치의 일반적 모식도이다. 도 2에서 시트형 기재는 스테이션(20)에서 권출된다. 시트형 기재(20a)는 그 다음 접합 스테이션(21)으로 향하여, 여기에서 여러 길이의 기재가 연속 조작으로 접합될 수 있다. 연속된 길이의 시트형 기재는 도 1에 도시한 방적 기술을 포함하는 미세 섬유 기술 스테이션(22)으로 향하는데, 여기서 방적 장치는 미세 섬유를 형성하여 시트형 기재 상의 여과층에 미세 섬유를 배치한다. 이 미세 섬유층이 형성 구역(22)에서 시트형 기재상에 형성된 다음, 미세 섬유층과 기재가 열처리 스테이션(23)으로 향하여 적당히 가공된다. 시트형 기재와 미세 섬유층은 그 다음 효능 모니터(24)(가공과 모니터링 목적으로 본원의 참조문헌으로 인용한 미국 특허공보 제5,203,201호를 참조함)에서 시험하고, 필요한 경우에는 닙 스테이션(nip station)(25)에서 니핑(nipping)한다. 시트형 기재와 섬유층은 그 다음 적당한 권선 스테이션으로 향하여 추가 가공(26 및 27)을 위해 적당한 회전봉에 권선시킨다.
도 3은 직경이 약 2 내지 약 5마이크론인 일반 먼지 입자와, 일반 셀룰로오스 매체 및 일반 미세 섬유 구조물 중의 기공 크기를 비교하여 나타낸 주사형 전자현미경 사진이다. 도 3A에서는 2마이크론 입자(31)와 5마이크론 입자(32)가, 일반 입자 직경 보다 다소 약간 큰 것으로 나타나는 기공 크기를 갖는 셀룰로오스 매체(33)에서 나타난다. 이와 정반대로, 도 3B에서는 2마이크론 입자(31)가 섬유 웹(35) 내 섬유 사이의 일반적인 틈과 거의 동일하거나 보다 큰 것으로 나타나는 반면, 5마이크론 입자(32)가 미세 섬유 웹(35) 내의 어떤 틈 보다도 더 큰 것으로 나타난다.
전술한 본 발명의 중합체성 물질, 마이크로섬유 및 나노섬유를 포함하는 본 발명의 미세 섬유 물질에 대한 다양한 양태 및 본 발명의 미세 섬유 물질로부터 유용한 필터 구조물의 구성에 대한 일반적 설명은 본 발명이 작동되는 일반적인 기술적 원리의 이해를 돕기 위한 것이다. 이하의 구체적인 물질의 예는 본 발명의 미세 섬유 물질의 형성에 사용할 수 있는 물질의 예로서 본 발명의 최상의 양태를 개시한 것이다. 다음의 예시적 물질은 다음과 같은 특징과 공정 조건을 염두에 두고 제조하였다. 직경이 10마이크론 미만인 작은 전기방적 섬유는 중합체 제트를 초미세 필라멘트로 연신시키기 위한 추진력으로 작용하는 강한 전기장에서 유래한 정전력을 사용하여 수득하였다. 이와 같은 전기방적법에는 중합체 용융물을 사용할 수 있으나 1마이크론 미만의 섬유는 중합체 용액으로부터 가장 잘 만들어진다. 중합체 크기가 직경이 보다 작게 인출될 때에는 용매가 증발하여 섬유 크기를 감소시키는데 도움을 준다. 따라서, 용매의 선택은 여러가지 이유로 인하여 중요하다. 용매가 너무 빠르게 건조되면 이 때 섬유는 편평하고 직경이 큰 경향이 있다. 용매가 너무 느리게 건조되면 용매는 형성된 섬유를 재용해시킨다. 따라서, 건조 속도와 섬유 형성을 매치시키는 것이 중요하다. 고속 생산시, 다량의 배출 공기 유량은 발화성 대기를 방지하고 화재 위험을 줄이는데 도움이 된다. 비연소성 용매가 도움이 된다. 생산 환경에서 가공 장치는 때로 세정을 필요로 한다. 따라서, 안전한 저독성 용매가 위험한 화학 물질에 대한 작업자의 노출을 최소화할 수 있다. 정전기적 방적은 방사체당 유속 1.5㎖/min, 표적 거리 8인치, 방사체 전압 88kV, 방사체 rpm 200 및 상대습도 45%에서 실시할 수 있다.
중합체 시스템의 선택은 소정의 용도에서 중요한 것이다. 펄스 세정 용도의 경우, 마이크로섬유의 최대 박막층은 압력 손실을 최소화하고 그 외측면이 입자 포획과 방출에 적당하도록 도움을 줄 수 있다. 직경이 2마이크론 미만, 바람직하게는 0.3마이크론 미만인 섬유의 박막 층이 바람직하다. 마이크로섬유 또는 나노섬유와 당해 마이크로섬유 또는 나노섬유가 침착되는 기재 사이의 우수한 접착성은 중요한 변수이다. 필터가 기재와 박층의 마이크로섬유 및 나노섬유의 복합물로 이루어지는 경우, 이와 같은 복합물은 자가 세정용으로 우수한 필터 매체가 된다. 반복적인 역펄스에 의한 표면 세정으로 필터 매체를 재생시킬 수 있다. 표면에 발휘되는 힘이 클수록 기재에 대한 접착성이 불량한 미세 섬유는 필터 내부로부터 기재를 통해 마이크로섬유로 통과하는 역펄스에 의해 층분리를 일으킬 수 있다. 따라서, 마이크로섬유 사이의 우수한 응집성과 기재 섬유와 전기방적된 섬유 사이의 접착성은 성공적인 사용의 중요한 요인이 된다.
상기 조건에 맞는 생성물은 상이한 중합체 물질로 만든 섬유를 사용하여 수득할 수 있다. 접착성이 우수한 작은 섬유는 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리비닐 알코올 및 다양한 나일론, 예를 들어 나일론 6, 나일론 4,6; 나일론 6,6; 나일론 6,10을 포함하는 중합체 및 공중합체, 및 이의 공중합체로부터 제조할 수 있다. 우수한 섬유는 PVDF로부터 만들 수 있으나, 충분히 작은 섬유 직경을 만들기 위해 염소화된 용매를 필요로 한다. 나일론 6, 나일론 6,6 및 나일론 6,10은 전기방적될 수 있다. 하지만, 포름산, m-크레졸, 트리플루오로 에탄올, 헥사플루오로 이소프로판올과 같은 용매는 취급이 어렵거나 매우 고가이다. 바람직한 용매로는 저독성인 물, 에탄올, 이소프로판올, 아세톤 및 N-메틸 피롤리돈이 있다. 이와 같은 용매 시스템과 상용성인 중합체는 신중하게 평가하였다. 본 발명자들의 연구결과, PVC, PVDC, 폴리스티렌, 폴리아크릴로니트릴, PMMA, PVDF로 제조한 섬유는 구조적 성질을 위해 추가 접착 수단을 필요로 하였다. 또한, 중합체가 물, 에탄올, 이소프로판올, 아세톤, 메탄올 및 이의 혼합물에 용해되고 섬유로 성공적으로 만들어질 때 이것이 기재에 우수한 접착성을 나타내게 되어 우수한 자가 세정용 필터 매체가 된다는 것을 발견하였다. 백 공기 펄스 또는 트위스트를 통한 자가 세정은 필터 매체가 매우 높은 집진 농축에 사용되는 경우 유용하다. 알코올 가용성 폴리아미드와 폴리(비닐 알코올) 유래의 섬유가 이와 같은 용도로 성공적으로 사용되었다. 알코올 가용성 폴리아미드의 예로는 Macromelt 6238, 6239 및 6900(Henkel 제품), Elvamide 8061 및 8063(듀퐁 제품) 및 SVP637 및 651[셰익스피어 모노필라멘트 캄파니(Shakespeare Monofilament Company) 제품]이 있다. 또 다른 알코올 가용성 폴리아마이드의 예로는 타입 8 나일론, 알콕시 알킬 변성 나일론 66[참조: page 447, Nylon Plastics handbook, Melvin Kohan ed. Hanser Publisher, New York, 1995]이 있다. 폴리(비닐 알코올)의 예로는 PVA-217, 224[일본에 소재하는 쿠라라(Kurara) 제품] 및 비놀(Vinol) 540[에어 프로덕트 앤드 케미칼 캄파니(Air Product and Chemical Company) 제품]이 있다. 본 발명자들은 필터가 극한 환경 조건에 노출될 수 있음을 발견하였다. 사우디 아라비아 사막에서 필터는 150℉ 이상의 높은 온도에 노출될 수 있다. 인도네시아 또는 미국 걸프 해안에 설치된 필터는 90% RH 이상의 높은 습도와 100℉의 고온에 노출될 수 있다. 또는, 필터는 빗속에도 노출될 수 있다. 본 발명자들은 차, 트럭, 버스, 트랙터 및 건설 장비와 같은 이동 장치의 후드 안에 사용된 필터가 고온(+200℉), 높은 상대습도 및 다른 화학적 환경에 노출될 수 있음을 발견하였다. 따라서, 본 발명자들은 혹독한 조건에서 마이크로섬유 시스템의 수행력을 평가하기 위한 시험 방법을 개발하였다. 즉, 온수(140℉)에 필터 매체 시료를 5분 동안 침지시키거나 고습, 고온 및 기류에 노출시킨다.
일단계 자가 세정 공기 필터 시스템이 알려져 있다. 이와 같은 시스템 중 하나는 시판되는 Donaldson GDXTM Pulse Cleaning Filter System(미국 미네소타주 미니아폴리스에 소재하는 도날드슨 캄파니 인코포레이티드의 제품)이다. 도 21에는 Donaldson GDXTM Pulse Cleaning Filter System 20의 개략적인 횡단면도를 제시하였다. 도 21의 시스템은 공기 유입 스트림을 여과하는 방법 중에 특히 바람직한 매체 제형을 사용한다는 점에서 종래 기술이 아니다. 도 21의 시스템에 사용되는 특히 바람직한 매체 제형 이외에, 도 21의 시스템의 구조는 본원의 참조문헌으로 인용하는 미국 특허공보 제6,123,751호에 기술되어 있으며, 도날드슨에 의해 시판되고 있다.
도 21을 살펴보면, 시스템(220)은 공기 유입 사이드(222)와 공기 배출 사이드(223)를 갖는 챔버(221)를 포함한다. 공기는 공기 유입 사이드(222)를 따라 배치된 수직으로 이격된 다수의 유입 후드(226)를 통해 챔버(221)로 유입된다. 유입 후드(226)는 비, 눈 및 태양의 영향으로부터 시스템(220)의 내부 필터들을 보호하는 기능을 한다. 또한, 유입 후드(226)는 유입 후드(226)로 들어가는 공기가 먼저 화살표(227)로 표시되는 상향으로 유입된 뒤, 편향판(228)에 의해 화살표(229)로 표 시된 하향으로 편향되도록 구성되어 있다. 공기의 초기 상향 이동은 공기 스트림의 일부 미립자 물질과 수분을 유입 후드(226)의 하부 영역(230)에 응결 또는 축적시킨다. 차후의 공기의 하향 이동은 챔버(221)내 먼지를 챔버(221)의 바닥에 위치한 집진 호퍼(232) 쪽으로 하향 이동시킨다.
시스템(220)의 챔버(221)는 파티션(238)에 의해 상부 스트림 체적(234)과 하부 스트림 체적(236)으로 나뉜다. 상부 스트림 체적(234)은 일반적으로 공기 정화 시스템(220)의 "오염 공기 구역"을 나타내고, 하부 스트림 체적은 일반적으로 시스템(220)의 "정화 공기 구역"을 나타낸다. 파티션(238)은 공기가 상부 스트림 체적(234)에서 하부 스트림 체적(236)으로 유동할 수 있도록 다수의 틈(240)을 갖고 있다. 각 틈(240)은 챔버의 상부 스트림 체적(234)에 위치한 공기 필터(242) 또는 필터 카트리지로 피복되어 있다. 필터(242)는 상부 스트림 체적(234)에서 하부 스트림 체적(236)으로 흐르는 공기가 틈(240)을 통과하기 전에 필터(242)를 통과하도록 배열되고 구성되어 있다.
제시된 구체적인 필터 배열에서, 각각의 공기 필터(242)는 한쌍의 필터 여과재를 포함한다. 예를 들어, 각각의 공기 필터(242)는 원통형 부재(244)와 약간 절두된 원뿔형 부재(246)를 포함한다. 각각의 절두된 원뿔형 부재(246)는 직경이 큰 제1 말단과 직경이 작은 제2 말단을 포함한다. 각 필터(242)의 원통형 부재(244)와 절두된 원뿔형 부재(246)는 동축으로 정렬되고, 각 원뿔형 부재(246)의 제2 직경 말단이 원통형 부재(244)의 한쪽 말단에 밀봉 방식으로 고정되게 말단과 말단이 연결되어 있다. 각각의 절두된 원뿔형 부재(246)의 제1 직경 말단이 파티션(238)에 고정되어 해당 틈(240) 주위에 사이클릭 밀봉부가 형성된다. 각 필터(242)는 일반적으로 해당 틈(240)에 대해 동축으로 정렬되고, 일반적으로 수평인 종축을 갖고 있다.
필터 여과재(242, 246) 각각은 튜브형 구조물(264, 266)을 형성하고 이 구조물 내에 개방형 필터 내부(268, 270)를 갖는 매체 팩(media pack)(260, 262)을 포함한다. 개방형 필터 내부(268, 270)는 또한 정화 공기 플레넘(plenum)이다. 바람직하게는, 각 매체 팩(260, 262)은 주름져 있고, 일부분 이상이 미세 섬유층으로 피복된 기재의 복합물을 포함한다. 바람직한 매체 복합물의 제형을 하기에 설명한다.
일반적으로, 공기는 여과하는 동안 상부 스트림 체적(234)으로부터 방사상으로 공기 필터(242)를 통해 필터(242)의 내부 체적(268, 270)(정화 공기 플레넘)으로 이동한다. 여과 후, 공기는 내부 체적(248)으로부터 파티션(238)을 통해, 틈(240)을 거쳐 하부 스트림 정화 공기 체적(236)으로 이동한다. 정화된 공기는 그 다음 하류 세척(236)으로부터 틈(250)을 통해 도시하지 않은 가스 터빈 유입구로 인출된다.
파티션(238)의 각 틈(240)은 하부 스트림 체적(236)에 장착된 펄스 제트 공기 정화기(252)를 포함한다. 주기적으로, 펄스 제트 공기 정화기(252)는 화살표(272)로 나타낸 공기의 펄스 제트를 결합된 공기 필터(242)를 통해 후방으로 작동하고, 즉 필터 여과재의 내부 체적(268, 270)으로부터 외측으로 작동하여 공기 필터(242)의 필터 매체 내 또는 그 매체 상에 포획된 미립자 물질을 진탕시키거나 제거한다. 펄스 제트 공기 정화기(252)는 챔버(221)의 상부에서부터 하부로 연속적으로 작동하여 필터로부터 송풍된 먼지 미립자 물질을 사실상 하부 호퍼(232)로 이동시켜 제거한다.
도 21에 제시된 바와 같은 배열 구조는 다소 큰 것일 수 있다. 이와 같은 배열 구조에 사용된 필터 쌍은 일반적으로 길이가 약 26인치이고 직경이 약 12.75인치인 원통형 필터와, 길이가 약 26인치이고 제2 직경이 약 12.75인치이며 제1 직경이 약 17.5인치인 절두된 원뿔형 필터를 포함한다. 이와 같은 배열 구조는 예를 들어 8000 내지 1.2x106ft3/분(cfm) 정도의 공기 유량이 요구되는 가스 터빈 시스템으로 유입되는 공기를 여과하는 데 사용할 수 있다.
도 22에는 가스 터빈에 사용할 수 있는 다른 공기 유입 여과 시스템을 예시하였다. 바람직한 매체 제형 이외에 도 22에 제시된 시스템은 도날드슨 캄파니에서 시판중인 Donaldson GDXTM Self-Cleaning Air Filter이다. 도 22에는, Donaldson GDXTM Self-Cleaning Air Filter 120의 개략적인 횡단면도를 제시하였다. 도 22의 시스템은 공기 유입 스트림을 여과하는 방법에 바람직한 특정 매체 제형을 이용한다는 점에서 종래 기술이 아니다. 도 22의 시스템(120)은 도 21의 시스템(20)과 유사하나, 시스템(120)이 보다 작고 축약된 장치로 도시되었다.
도 22에서, 시스템(120)은 공기 유입 사이드(122)와 공기 배출 사이드(123)를 갖는 챔버(121)를 포함한다. 공기는 공기 유입 사이드(122)를 따라 배치된 유입 후드(126)를 통해 챔버(121)로 유입된다. 유입 후드(126)는 유입 후드(126)로 들어가는 공기가 화살표(127)로 표시되는 상향으로 유입된 뒤, 편향판(128)에 의해 화살표(129)로 표시된 하향으로 편향되도록 한다. 공기의 하향 이동은 챔버(121)내 먼지를 챔버(121) 바닥에 위치한 집진 호퍼(132) 쪽으로 하향 이동시킨다.
도 21의 시스템(10)과 마찬가지로 시스템(120)의 챔버(121)는 파티션(138)에 의해 상부 스트림 체적(134)과 하부 스트림 체적(136)으로 나뉜다. 상부 스트림 체적(134)은 공기 정화 시스템(120)의 "오염 공기 구역"을 나타내고, 하부 스트림 체적은 일반적으로 공기 정화 시스템(120)의 "정화 공기 구역"을 나타낸다. 파티션(138)은 공기가 상부 스트림 체적(134)에서 하부 스트림 체적(136)으로 이동할 수 있도록 다수의 틈(140)을 갖고 있다. 각 틈(140)은 챔버의 상류 체적(134)에 위치한 공기 필터(142) 또는 필터 카트리지에 포함되어 있다. 필터(142)는 상부 스트림 체적(134)에서 하류 체적(136)으로 흐르는 공기가 틈(140)을 통과하기 전에 필터(142)를 통과하도록 배열되고 구성되어 있다.
각 공기 필터(142)는 한쌍의 필터 여과재를 포함한다. 예를 들어, 각 공기 필터(142)는 원통형 부재(144)와 약간 절두된 원뿔형 부재(146)를 포함한다. 각각의 절두된 원뿔형 부재(146)는 직경이 큰 제1 말단과 직경이 작은 제2 말단을 포함한다. 각 필터(142)의 원통형 부재(144)와 절두된 원뿔형 부재(146)는 동축으로 정렬되고, 각 원뿔형 부재(146)의 제2 직경 말단이 원통형 부재(144)의 한쪽 말단에 밀봉 방식으로 고정되도록 말단과 말단이 연결되어 있다. 각각의 절두된 원뿔형 부재(146)의 제1 직경 말단이 파티션(138)에 고정되어 해당 틈(140) 주위에 사이클릭 밀봉부가 형성된다. 각 필터(142)는 일반적으로 해당 틈(140)에 대해 동축으로 정렬되고, 일반적으로 수평인 종축을 갖고 있다.
필터 여과재(144, 146) 각각은 튜브형 구조물(164, 166)을 형성하고 이 구조물내에 개방형 필터 내부(168, 170)를 갖는 매체 팩(160, 162)을 포함한다. 바람직하게는, 각 매체 팩(160, 162)은 주름져 있고, 일부분 이상이 미세 섬유층으로 커버링된 기재의 복합물을 포함한다. 바람직한 매체 복합물의 제형을 하기에 설명한다.
일반적으로, 공기는 여과하는 동안 상부 스트림 체적(134)으로부터 방사상으로 공기 필터(142)를 통해 필터(142)의 내부 체적(168, 170)(정화 공기 플레넘)으로 이동한다. 여과 후, 공기는 내부 체적(168, 170)으로부터 파티션(138)을 통해, 틈(140)을 거쳐 하부 스트림 체적(136)으로 이동한다. 정화된 공기는 그 다음 하부 스트림 체적(136)으로부터 틈(150)을 통해 도시하지 않은 가스 터빈 유입구로 인출된다.
파티션(138)의 각 틈(140)은 하부 스트림 체적(136)에 장착된 펄스 제트 공기 정화기(152)를 포함한다. 주기적으로, 펄스 제트 공기 정화기(152)는 화살표(172)로 나타낸 공기의 펄스 제트를 결합된 공기 필터(142)를 통해 후방으로 작동하고, 즉 필터 여과재의 내부 체적(168, 170)으로부터 외측으로 작동하여 공기공기(142)의 필터 매체 내 또는 그 매체 상에 포획된 미립자 물질을 진탕시키거나 제거한다. 펄스 제트 공기 정화기(152)는 챔버(121)의 상부에서부터 하부로 연속적으로 작동하여 필터로부터 송풍된 먼지 미립자 물질을 사실상 하부 호퍼(132)로 이동시켜 제거한다.
바람직한 매체 제형
가스 터빈 공기 유입 시스템은 작동 중에 주위 온도 또는 장치 작동 온도가 때로 140℉ 이상에 도달할 수 있고, 종종 150 내지 350℉ 범위가 되기도 한다. 또한, 습도는 때로 75% RH 이상, 종종 85 내지 99+% RH 범위로 높을 수 있다. 이 온도 및/또는 습도는 필터 여과재의 작동 효율에 악영향을 미칠 수 있다. 미세 섬유의 바람직한 제형으로 처리된 차단 매체의 복합물 형태로 필터 매체(260, 262)를 제작하면 이와 같은 매체 복합물로 제작되지 않은 종래 기술의 필터 여과재에 비하여 필터 여과재의 성능을 향상시킬 수 있다.
미세 섬유 필터 구조물은 필터가 하나 이상의 합성, 셀룰로오스 또는 배합된 웹과 배합되거나 이에 의해 분리된 하나 이상의 미세 섬유 층을 포함하는 이층 또는 다층 구조물을 포함한다. 또 다른 바람직한 모티프는 다른 섬유의 매트릭스 또는 배합물 중에 미세 섬유를 포함하는 구조물이다.
본 발명자들이 생각하기로는 필터 구조물에 포함된 섬유층과 마이크로섬유 층의 중요한 특징은 내열성, 내습성 또는 방수성 및 내용매성에 관한 것으로서, 특히 마이크로섬유가 습기, 수분 또는 용매와 승온에서 접촉하는 경우에 중요할 것으로 사료된다. 또한, 본 발명의 물질들의 중요한 제2 성질은 기재 구조물에 대한 당해 물질의 부착성에 관한 것이다. 마이크로섬유 층의 부착은 필터 물질이 기재로부터 마이크로섬유 층을 층분리하지 않고 제조될 수 있게 하는 중요한 특징이며, 마이크로섬유 층과 기재는 유의적인 층분리 없이 주름, 압연된 물질 및 다른 구조물을 포함하는 필터 구조물로 가공될 수 있다. 본 발명자들은 제조 공정 중의 가열 단계에서 온도를 하나의 중합체 물질의 용융 온도 또는 그 부근이지만 그 온도 바로 아래의 온도, 일반적으로는 최저 용융 온도 보다 낮은 온도로 상승시키면 섬유 각각과 기재와의 부착성이 실질적으로 향상된다는 것을 발견하였다. 용융 온도나 그 온도 이상에서 미세 섬유는 자신의 섬유상 구조를 상실할 수 있다. 가열 속도를 조절하는 것 역시 중요하다. 섬유가 충분한 시간 동안 결정화 온도에 노출되는 경우에도 섬유상 구조를 상실할 가능성이 있다. 또한, 신중한 열 처리는 첨가제가 표면으로 이동하여 섬유 표면 상에 소수성기 또는 소유성기를 노출시킬 때 외측 첨가제 층의 형성에 의한 중합체 성질을 향상시켰다.
정상적인 작동 특성하에서 필터의 온도는 필터를 통해 흐르는 주위 공기의 온도와 동일하지만 필터가 고온에 노출될 수 있다. 필터가 제한된 공기 유동 시간, 작동이 정지한 경우의 시간 및 장치 온도가 고온이거나 비정상적 작동시에 고열에 노출될 수 있다. 성능의 기준은 물질이 본래의 다양한 작업 필터 온도, 즉 140℉, 160℉, 270℉, 300℉의 온도에서 목적 용도에 따라 1시간 또는 3시간 동안 견디면서 필터 효율을 30%, 50%, 80% 또는 90% 유지할 수 있어야 하는 것이다. 또 다른 성능의 기준은 물질이 본래의 다양한 작업 온도, 즉 140℉, 160℉, 270℉, 300℉의 온도에서 목적 용도에 따라 1시간 또는 3시간 동안 견디면서 목적 용도에 따라 필터 층 내에 유효 미세 섬유의 30%, 50%, 80% 또는 90%를 유지할 수 있어야 하는 것이다. 이와 같은 온도에서의 생존은 습도가 낮을 때, 습도가 높을 때, 그리고 수포화된 공기 중일 때 중요하다. 본 발명의 마이크로섬유 및 필터 물질은 이 물질이 160℉ 이상의 온도에서 침지에도 생존하면서 약 5분 이상 효능을 유지하는 경우에 방수성인 것으로 간주한다. 이와 마찬가지로, 본 발명의 마이크로섬유 물질 및 필터 물질의 내용매성은 에탄올, 탄화수소, 유압식 유체 또는 방향족 용매와 같은 용매와 70℉에서 약 5분 이상 접촉하여 50% 효능을 유지하면서 생존할 수 있는 물질 로부터 수득한다.
본 발명의 미세 섬유 물질은 다양한 필터 용도, 예컨대 집진용 펄스 세정 및 비펄스 세정 필터, 가스 터빈 및 엔진 공기 유입 또는 유도 시스템; 가스 터빈 유입 또는 유도 시스템, 대형 먼지 엔진 유입 또는 유도 시스템, 경차 엔진 유입 또는 유도 시스템; 지(Zee) 필터; 차량 캐빈 공기; 오프로드 차량의 캐빈 공기, 디스크 드라이브 공기, 복사기 토너 제거; 상업용 또는 가정용 여과 장치의 HVAC 필터 등에 사용할 수 있다.
종이 필터 여과재는 널리 사용되는 표면 적재 매체 형태이다. 일반적으로, 종이 부재로는 미립자 물질을 운반하는 가스 스트림을 가로질러 연신된 합성 섬유 또는 기타 다른 섬유 또는 치밀한 셀룰로오스의 매트를 포함한다. 종이는 일반적으로 가스류에 투과성이며, 소정의 크기보다 큰 입자의 통과를 억제하기에 충분히 미세한 기공 크기와 적당한 다공성을 갖는 것으로 제작한다. 가스(유체)가 필터지를 통과할 때, 필터지의 상부 스트림 측은 확산과 차단을 통해 가스(유체) 스트림 유래의 소정 크기의 입자를 포획하여 보유한다. 이 입자들은 필터지의 상부 스트림 측에 먼지 덩어리로서 수거된다. 이 때, 먼지 덩어리 역시 필터로서 작용하기 시작하여 효율을 증가시킨다. 이것은 때로 "시즈닝(seasoning)", 즉 초기 효율보다 큰 효율의 발생을 의미한다.
전술한 바와 같은 간단한 필터 디자인은 2가지 이상의 문제점이 있다. 첫째, 비교적 단순한 단점인 종이의 붕괴는 시스템을 손상시킨다. 둘째, 미립자 물질이 필터의 상부 스트림 측에 신속하게 쌓여 얇은 먼지 덩어리 또는 층을 형성하여 압 력 강하를 증가시킨다. 표면 적재된 필터 시스템, 예컨대 종이 필터의 "수명"을 증가시키기 위해 다양한 방법이 사용되었다. 한 가지 방법은 매체를 주름진 구조로 제공하여 가스 유동 스트림과 만나는 매체의 표면적을 주름지지 않은 편평한 구조에 비해 증가시키는 것이다. 이와 같은 구조는 필터 수명을 증가시키지만 실질적으로 한계가 있다. 이와 같은 이유로 표면 적재 매체는 필터 매체를 통해 흐르는 속도가 비교적 저속인 경우, 일반적으로 약 20 내지 30피트/분 이하, 보통 약 10피트/분 이하인 용도에 주로 사용되었다. 이와 관련하여 사용된 "속도"라는 용어는 매체를 통과하는 평균 속도(즉, 매체 면적당 유량)이다.
일반적으로, 공기 유속이 주름진 종이 매체를 통해 증가되므로 속도의 면적에 비례하여 필터 수명이 감소한다. 따라서, 표면 적재된 주름진 종이 필터 시스템을 상당한 유량의 공기를 필요로 하는 시스템의 미립자 필터로서 사용할 때에는 비교적 표면적이 큰 필터 매체가 요구된다. 예를 들어, 고속도로용 디젤 트럭의 일반적인 주름진 원통형 종이 필터 여과재는 직경이 약 9 내지 15인치이고 길이가 약 12 내지 24인치이며 주름의 깊이가 약 1 내지 2인치이다. 따라서, 매체의 여과 표면적(한쪽면)은 일반적으로 30 내지 300ft2이다.
수 많은 용도, 특히 유속이 비교적 높은 경우의 용도에는, 때로 "심도(depth)" 매체라고도 불리는 또 다른 형태의 필터 매체가 사용된다. 일반적인 심층 매체는 비교적 두꺼운 섬유상 물질 탱글(tangle)을 포함한다. 심도 매체는 일반적으로, 이의 다공성, 밀도 또는 백분율 고체 함량에 의해 정의된다. 예를 들어, 2 내지 3% 고형율의 매체는 총 부피의 약 2 내지 3%가 섬유상 물질(고체)을 포함하고 나머지가 공기 또는 가스 공간이 되게 배열된 섬유의 심도 매체 매트이다.
심도 매체를 정의하는 또 다른 유용한 변수는 섬유의 직경이다. 고형율(%)이 일정하게 유지되나, 섬유 직경(크기)이 줄어들면, 기공 크기 또는 섬유간 공극이 감소된다. 즉, 필터가 보다 효율적으로 되어 보다 작은 입자를 더욱 효과적으로 포획하게 된다.
일반적으로 종래의 심도 매체 필터는 깊고, 비교적 일정한(또는 균일한) 밀도의 매체, 즉 심도 매체의 고형률이 그 두께를 통해 거의 일정하게 유지된다. 이 문장에서 "거의 일정하게"란 용어는 경우에 따라 비교적 작은 밀도의 변동이 매체의 깊이를 통해 관찰되는 것을 의미한다. 이와 같은 변동은 예를 들어 필터 매체를 담고 있는 용기에 의한 체결된 외측 표면의 약간의 압축으로부터 생길 수 있다.
구배 밀도 심도 매체 배열구조물도 개발되었다. 이와 같은 배열구조물의 일부는 예를 들어 미국 특허공보 제4,082,476호; 미국 특허공보 제5,238,474호 및 미국 특허공보 제5,364,456호에 기술되어 있다. 일반적으로 심도 매체 배열구조물은 그 체적이나 깊이를 통해 실질적으로 미립자 물질이 "적재"될 수 있도록 디자인할 수 있다. 따라서, 이와 같은 배열구조물은 최종 필터 수명에 도달할 때 표면 적재 시스템에 비하여 보다 다량의 미립자 물질을 적재하도록 디자인할 수 있다. 하지만, 일반적으로 이와 같은 배열구조물은 실질적인 적재를 위하여 비교적 낮은 고형률의 매체가 필요로 되는 바 효능면이 상쇄되었다. 전술한 특허 문헌에 기술된 바와 같은 구배 밀도 시스템은 실질적인 효능과 보다 긴 수명을 제공하도록 디자인되 었다. 일부 경우에, 표면 적재 매체는 이와 같은 배열구조물로 "연마(polish)" 필터로서 사용된다.
본 발명에 의한 필터 매체 구성물은 제1 표면을 갖는 거친(coarse) 투과성 섬유상 매체 또는 기재로 된 제1 층을 포함한다. 미세 섬유 매체의 제1 층은 거친 투과성 섬유상 매체로 된 제1 층의 제1 표면에 부착된다. 거친 투과성 섬유상 물질로 된 제1 층은 평균 직경이 10마이크론 이상, 대개 바람직하게는 약 12(또는 14) 내지 30마이크론인 섬유를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 거친 투과성 섬유상 물질의 제1 층은 기본 중량이 약 200g/m2을 초과하지 않고, 바람직하게는 약 0.50 내지 150g/m2, 가장 바람직하게는 8g/m2 이상인 매체를 포함하는 것이 바람직하다. 거친 투과성 섬유상 매체의 제1 층은 두께가 0.0005인치(12 마이크론) 이상인 것이 바람직하고, 통상적으로는 두께가 약 0.001 내지 0.030인치(25 내지 800마이크론)인 것이 바람직하다.
바람직한 배열구조물에 있어서, 거친 투과성 섬유상 물질의 제1 층은 프라지에(Frazier) 투과성 시험법에 의해서 구성물의 잔여부로부터 분리시켜 평가하였을 때 1m/분 이상, 대개 바람직하게는 약 2 내지 900m/분의 투과능을 나타내는 물질을 포함한다. 이 때, 특별한 언급이 없는 한, 효율에 관해 언급할 경우, 그 효율은 본 명세서에 개시된 바와 같이 20fpm(6.1m/분)으로 0.78μ의 단일 분산 폴리스티렌 미소구 입자를 사용하여 ASTM-1215-89에 따라 측정한 효율을 의미한다.
거친 투과성 섬유상 매체 층의 제1 표면에 부착된 미세 섬유 물질 층은 나노섬유 및 마이크로 섬유 매체 층인 것이 바람직한데, 여기서 이 섬유들은 직경이 약 2마이크론을 넘지 않고, 일반적으로 약 1마이크론을 넘지 않는 것이 바람직하며, 대개의 경우에 섬유 직경이 0.5마이크론 이하이고 약 0.05마이크론 내지 0.5마이크론 범위내인 것이 바람직하다. 또한, 거친 투과성 섬유상 물질로 된 제1 층의 제1 표면에 부착된 미세 섬유 물질로 된 제1 층은 총 두께가 바람직하게는 약 30마이크론 이하, 더욱 바람직하게는 20마이크론 이하, 가장 바람직하게는 약 10 마이크론 이하인데, 대개의 경우에는 당해 층의 미세 섬유 평균 직경의 약 1배 내지 8배(더욱 바람직하게는 5배 이하)에 해당하는 범위내의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 특정 바람직한 실시 양태는, 전체 필터 구성물로서의 필터 매체에 관한 것이다. 이러한 용도에 있어서 일부 바람직한 양태는 일반적으로 종방향을 따라, 즉, 원통형 패턴의 종축과 동일한 방향으로 연장된 주름부를 갖는 주름진 원통형 구성으로 배열된 매체를 포함한다. 이러한 배열구조물에 있어서, 매체는 통상의 필터의 경우와 같이 단부 캡(cap)안에 매립될 수 있다. 이와 같은 배열은 통상적인 용도에 사용할 경우에, 필요에 따라서 상부 스트림 라이너와 하부 스트림 라이너를 포함할 수 있다.
일부의 용도에 있어서는, 본 발명에 의한 매체를 다른 유형의 매체, 예를 들면 종래의 매체와 함께 사용하여 전체적인 여과 성능 또는 수명을 개선시킬 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 의한 매체를 종래의 매체에 적층하거나, 적재된 배열로서 사용하거나, 또는 종래의 매체로 이루어진 영역을 하나 이상 포함하는 매체 구조물 내로 통합시킬 수 있다(일체화된 형태). 하중을 좋게 하기 위해서는 본 발명 에 의한 매체를 종래 매체의 상부 스트림에 사용하고/하거나, 고효율 연마 필터와 같이 종래의 매체로부터 하부 스트림에 사용할 수도 있다.
본 발명에 의한 특정 배열구조물은 액체 필터 시스템, 즉, 여과하고자 하는 미립자 물질이 액상내에 보유되어 있는 시스템에 사용할 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 특정 배열구조물은 안개 수집기, 예를 들면 공기로부터 미세한 안개를 여과하기 위한 장치에 사용할 수 있다.
본 발명에 따라서, 여과 방법이 제공된다. 이러한 방법은 일반적으로 전술한 바와 같은 본 발명의 매체를 여과 처리에 사용하는 방법을 포함한다. 본 명세서와 후술하는 실시예를 통해서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 매체는 비교적 효율적인 시스템에서 비교적 긴 수명을 제공하도록 구성된다는 잇점이 있다.
다양한 필터의 설계가 필터 구조물 및 필터 물질과 함께 사용되는 구조물의 다양한 특징을 개시하고 청구한 특허 공보에 나타나 있다. 엔겔(Engel) 등의 미국 특허공보 제4,720,292호는 일반적으로 원통형인 필터 여과재 디자인을 갖는 필터 어셈블리에 있어서 방사상의 밀봉 디자인을 개시하고 있는데, 여기서 필터 여과재는 방사상으로 내측을 향하는 원통형 표면을 갖고 비교적 연질인 고무상 단부 캡에 의해 밀봉된다. 칼바우(Kahlbaugh) 등의 미국 특허공보 제5,082,476호는 본 발명의 미세 섬유 물질과 배합된 주름진 성분을 갖는 발포 기재를 포함하는 심도 매체를 사용한 필터 디자인을 개시하고 있다. 스티플만(Stifelman) 등의 미국 특허공보 제5,104,537호는 액상 매체를 여과하는 데 유용한 필터 구조물에 관한 것이다. 액체는 필터 하우징 내로 공급되어 필터의 외부를 통해 내부 사이클릭 코어 내로 통과한 다음 구조물 내에서 다시 활용할 수 있도록 복귀된다. 이와 같은 필터들은 유압 유체를 여과하는 데 매우 유용하다. 엔젤 등의 미국 특허공보 제5,613,992호는 전형적인 디젤 엔진 공기 흡입 필터 구조물을 개시하고 있다. 이 구조물은 하우징의 외부로부터 공기를 수득하는데, 이 경우에 공기는 동반된 수분을 함유하거나 함유하지 않을 수 있다. 공기는 필터를 통과하고, 그 동안에 수분은 하우징의 바닥부를 통과하여 하우징으로부터 배출될 수 있다. 길링엄(Gillingham) 등의 미국 특허공보 제5,820,646호는 적당한 여과 성능을 수득하기 위해서 유체 스트림이 "Z"형 경로를 따라 하나 이상의 필터 매체 층을 통과할 필요가 있는 충전된 통로를 포함하는 특정 주름형 필터 디자인을 사용한 Z 필터 구조물을 개시하고 있다. 주름진 Z형 형태로 제조된 필터 매체는 본 발명의 미세 섬유 매체를 함유할 수 있다. 글렌(Glen) 등의 미국 특허공보 제5,853,442호는 본 발명의 미세 섬유 구조물을 함유할 수 있는 필터 여과재를 갖는 백 하우스(bag house) 구조물을 개시하고 있다. 버크호엘(Berkhoel) 등의 미국 특허공보 제5,954,849호는 작업 물질을 처리하여 주변의 공기에 상당한 양의 먼지가 발생한 후에 전형적으로 다량의 먼지를 함유하는 공기를 처리하여 공기 스트림으로부터 먼지를 여과하는 데 유용한 집진기 구조물을 개시하고 있다. 끝으로, 길링엄 등의 미국 특허공보 제425,189호는 Z필터 디자인을 사용한 패널 필터를 개시하고 있다.
실험예
이하의 전자 방적 처리 조건을 사용하여 이하의 물질들을 제조하였다.
이하의 물질들은 회전 방사체 시스템 또는 모세관 바늘 시스템을 사용하여 방적하였다. 2가지 경우 모두 실질적으로 동일한 섬유상 물질을 제조하는 것으로 밝혀졌다.
35rpm의 회전 방사체인 경우에 유속은 방사체당 1.5 mil/분이고, 표적 거리는 8인치이고, 방사체 전압은 88 kV이고, 상대 습도는 45%이었다.
실시예 1
섬유 크기가 미치는 영향
나일론 6,66,610 나일론 공중합체 수지(SVP-651)로부터 미세 섬유 시료를 제조하여, 말단기 적정법[참조: J.E.Walz and G.B.Taylor, determination of the molecular weight of nylon, Anal. Chem. Vol. 19, Number 7, pp 448-450(1947)]으로 분자량을 분석하였다. 수평균 분자량은 21,500 내지 24,800 사이였다. 조성물은 3원 나일론, 즉 나일론 6 약 45%, 나일론 66 약 20% 및 나일론 610 약 25%의 용융 온도 상평형도로 평가하였다[참조: Page 286, Nylon Plastics Handbook, Melvin Kohan ed. Hanser Publisher, New York (1995)]. 보고된 SVP 651 수지의 물리적 성질은 다음과 같다:
성질 ASTM 방법 단위 통상적인 값
비중 D-792 -- 1.08
흡수율(24시간 침지) D-570 % 2.5
경도 D-240 Shore D 65
융점 DSC ℃(℉) 154(309)
생산시의 인장강도 D-638 MPa(kpsi) 50(7.3)
파단 신도 D-638 % 350
굴곡 탄성율 D-790 MPa(kpsi) 180(26)
체적 저항율 D-257 ohm-cm 1012
상기 공중합체 수지로부터 직경이 0.23마이크론 내지 0.45마이크론인 섬유를 제조하였다. 시료를 실온수 중에 침지시킨 후에, 공기중에서 건조시켜서 그 효율을 측정하였다. 도 12의 그래프를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 섬유의 크기가 더 클수록 분해되는데 더 긴 시간이 소요되며, 분해 수준은 더 낮았다. 특정 이론을 고수하려는 의도는 아니지만, 표면/부피 비율이 더 높고 크기가 더 작은 섬유일수록 환경의 영향에 기인하여 더욱 쉽게 분해되는 것으로 생각된다. 그러나, 섬유의 크기가 더 클수록 효율적인 필터 매체를 만들기는 곤란해진다.
실시예 2
페놀 수지와 에폭시 수지를 함유하는 나일론 섬유의 가교
섬유의 내화학성을 향상시키기 위해서, 나일론 섬유의 화학적인 가교를 시도하였다. 전술한 바와 같은 코폴리아미드(나일론 6,66,610)를 Georgia Pacific 5137로 명명되는 페놀 수지와 혼합하여 섬유로 방적하였다. 나일론:페놀 수지 비율 및 그 배합물들의 융점은 다음과 같다:
조성물 용융 온도(℉)
폴리아미드:페놀 수지 = 100:0 150
폴리아미드:페놀 수지 = 80:20 110
폴리아미드:페놀 수지 = 65:35 94
폴리아미드:페놀 수지 = 50:50 65

이와 같은 배합물로부터 대등한 섬유를 제조할 수 있었다. 50:50 배합물은 열을 통해서는 가교될 수 없는데, 섬유상 구조가 파괴되기 때문이다. 65:35 배합물을 90이하로 12시간 동안 가열할 경우에는 생성된 섬유의 내화학성이 향상되어 알코올 중에서 용해 시험을 견뎌내었다. 폴리아미드와 에폭시 수지, 예컨대 쉘(shell)에서 시판하는 Epon 828 및 Epi-Rez 510의 배합물을 사용할 수 있다.
실시예 3
플루오로 첨가제(Scotchgard R ) 반발제를 통한 표면 개질
3M 캄파니에서 시판하는 알코올 혼화성 ScotchgardR FC-430 및 431을 폴리아미드에 첨가한 다음에 방적하였다. 첨가량은 고형분의 10%이었다. Scotchgard를 첨가하여도 섬유의 형성이 방해되는 일은 없었다. THC 벤치(bench) 시험 결과 Scotchgard와 같은 고분자량 반발제는 내수성을 향상시키지 않는 것으로 밝혀졌다. Scotchgard를 첨가한 시료는 제조업자가 제안한 바와 같이 300℉에서 10분 동안 가열하였다.
실시예 4
커플링제에 의한 개질
폴리아미드와 켄리치 페트로케미칼스 인코포레이티드(Kenrich Petrochemicals, Inc.)에서 시판하는 티타네이트 커플링제로부터 중합체성 필름을 주조하였다. 이 커플링제는 이소프로필 트리이소스테아로일 티타네이트(KRTTS), 네오펜틸(디알릴)옥시트리(디옥틸)포스페이토 티타네이트(LICA12), 네오펜틸(디알릴)옥시, 트리(N-에틸렌 디아미노)에틸 지르코네이트(NZ44)를 포함한다. 주조한 필름을 끓는 물에 침지시킨다. 커플링제 없이 제조한 대조 시료는 즉시 그 강도를 손실한 반면, 커플링제를 첨가한 시료는 10분 이하 동안 그 형태를 유지하였다. 이러한 커플링제를 첨가한 시료를 섬유로 방적하였다(0.2 마이크론의 섬유).
실시예 5
저분자량 p-3급-부틸 페놀 중합체에 의한 개질
분자량이 400 내지 1100인 파라-3급-부틸 페놀의 올리고머를 오하이오주, 콜럼버스에 소재하는 엔지몰 인터내셔날(Enzymol International)로부터 구입하였다. 상기 저분자량 중합체는 저급 알코올, 예를 들면 에탄올, 이소프로판올 및 부탄올 중에서 가용성이다. 이러한 중합체를 전술한 코폴리아미드에 첨가한 다음에, 0.2마이크론의 섬유로 전자 방적 처리한 결과, 나쁜 결과는 나타나지 않았다. 일부 중합체와 첨가제는 전자 방적 처리를 방해하였다. 실시예 2에 기술된 바와 같은 통상의 페놀 수지와는 달리, 이와 같은 부류의 중합체들은 섬유 형성 공정을 간섭하지 않는 것으로 밝혀졌다.
이와 같은 부류의 첨가제는 도면의 그래프에서 확인할 수 있는 바와 같이, 습윤 환경으로부터 미세 섬유를 보호하는 것으로 밝혀졌다. 도 13 내지 도 16은 올리고머가 140℉ 및 100% 습도하에서 매우 우수한 보호 작용을 제공하며, 그 성능이 160℉에서는 매우 좋지 못하다는 결과를 보여준다. 상기 첨가제는 사용된 중합체의 5% 내지 15%의 양으로 첨가하였다. 이와 같은 첨가제는 140℉에서 고습도에 노출시킬 때에도 마찬가지로 섬유를 효과적으로 보호하는 것으로 밝혀졌다. 또한, 성능은 섬유를 단시간 동안 150℃에서 처리할 경우에 향상되는 것으로 밝혀졌다.
하기 표 1은 폴리아미드 섬유에 10%의 첨가량으로 첨가제를 사용한 경우에 온도와 시간 노출이 미치는 영향을 제시한 것이다.
140℉ 침지 후에 보유된 효율
온도 가열 시간
1분 3분 10분
150℃ 98.9 98.8 98.8 98.9 98.5 98.8
130℃ 95.4 96.7 98.7 98.6 99.8 99.6
110℃ 82.8 86.2 90.5 90.9 91.7 85.7

위와 같은 결과는 의외의 결과이다. 본 발명자들은 전술한 부류의 첨가제를 사용할 경우에 내수성이 급격히 증가한다는 사실을 확인하였다. 이 부류의 첨가제가 어떻게 작용하는지를 알아보기 위해서, ESCA로 명명되는 표면 분석 기법을 사용하여 미세 섬유 매트를 분석하였다. 표 1에 제시된 바와 같은 10% 첨가량의 시료를 미네소타 주립대학에서 ESCA로 분석한 결과를 하기 표 2에 제시하였다.
표면 조성물(중합체:첨가비)
온도 가열 시간
1분 3분 10분
150℃ 40:60 40:60 50:50
130℃ 60:40 56:44 62:82
110℃ 63:37 64:36 59:41
가열하지 않음 77:23

처음에는, 체적 농도의 2배 이상인 첨가제의 표면 농도를 알아내기가 어려웠다. 그러나, 이것은 첨가제의 분자량에 의해 설명할 수 있다고 확신하였다. 첨가제의 분자량이 약 600이라면, 이는 호스트 섬유 형성 중합체의 분자량보다 더 작은 것이다. 첨가제의 크기가 작기 때문에, 이들은 증발하는 용매 분자를 따라서 이동할 수가 있다. 따라서, 첨가제의 표면 농도가 더 높아지는 것이다. 후처리할 경우 보호용 첨가제의 표면 농도는 더 증가한다. 그러나, 10분간 150℃에 노출시킨 후에는 농도가 증가하지 않았다. 이러한 현상은 장쇄 중합체가 주위로 이동할 시간을 갖게 될 때 코폴리아미드와 올리고머 분자의 2가지 성분이 혼합됨을 시사하는 것이다. 이러한 분석 결과가 교시하는 것은, 후처리 시간과 온도를 적절히 선택함으로써 성능을 증가시킬 수 있는 반면에, 지나치게 장시간 노출시킬 경우에는 유해한 영향을 미칠 수 있다는 것이다.
본 발명자들은 전술한 바와 같은 첨가제를 첨가한 마이크로섬유의 표면을 Flight SIMS 시간(Time of Flight SIMS)이라 명명되는 기법을 사용하여 추가로 조사하였다. 이 기법은 피검체에 전자를 투하한 다음에 표면으로부터 무엇이 유리되 는지를 관찰하는 것으로 이루어진다. 첨가제를 첨가하지 않은 시료는 전자를 투하했을 때 유기 질소 종이 유리되는 것으로 밝혀졌다. 이는 폴리아미드 종이 분해되었음을 시사한다. 또한, 나트륨 및 실리콘과 같은 소량의 불순물도 존재하는 것으로 밝혀졌다. 열처리없이 첨가제를 첨가한 시료(표면상에서의 첨가제 농도 23%)는 t-부틸 분절이 주요 화학종이었으며, 폴리아미드에 대해 관찰되는 피크가 작지만 명료하게 나타났다. t-부틸 페놀에 상응하는 질량차 148amu의 고질량 피크도 관찰되었다. 150℃에서 10분 동안 처리한 시료(ESCA 분석에 의한 표면 첨가제 농도 50%)의 경우에는, 대부분의 t-부틸 분절과 극미량의 폴리아미드 피크가 나타나는 것으로 조사되었다. t-부틸 페놀 전체 및 그 중합체와 관련된 피크는 나타나지 않았다. 또한, C2H3O 분절과 관련된 피크도 나타났다.
ToF SIMS 분석 결과, 순수한 폴리아미드 섬유는 이온 투하에 의해서 노출된 중합체 쇄와 표면상의 오염 물질로부터 분해된 질소 분절이 유리된다는 것을 확인하였다. 열처리없이 첨가제를 사용할 경우에는, 커버링 양상이 불완전한 것으로 나타나는데, 이는 첨가제가 표면 부분을 커버링하지 않았음을 시사한다. t-부틸 올리고머는 표면상에서 느슨하게 결합된다. 이온 빔이 표면을 강타하면, 전체 분자는 불안정한 t-부틸 분절과 함께 유리될 수 있다. 열처리와 첨가제를 병용할 경우에는 표면상의 완전한 커버링을 촉진한다. 또한, 분자들이 단단히 배열됨으로써, t-부틸 및 경우에 따라 CH=CH-OH와 같은 불안정한 분절만이 유리되고, t-부틸 페놀 전체 분자는 유리되지 않는다. ESCA 및 ToF SIMS 분석 결과 표면 깊이가 다른 것으로 나타났다. ESCA 분석 결과 표면 깊이는 100Å 이하에 이를 정도로 더 깊은 것으로 나타난 반면에, ToF SIMS 분석 결과 깊이는 10Å에 불과하였다. 분석 결과는 모순이 없었다.
실시예 6
표면 피복된 인터폴리머의 형성
8 유형의 나일론은 원래 피복 및 접착 용도에 사용되는 가용성 및 가교성 수지를 제조하기 위해 개발된 것이다. 이러한 유형의 중합체는 폴리아미드 66과 포름알데히드 및 알코올을 산의 존재하에 반응시킴으로써 제조된다[참조: Carins T.L., Foster H.D., Larcher A.W., Schneider A.K., Schreiber R.S., J. Am. Chem. Soc. 1949, 71, 651]. 이러한 유형의 중합체는 전자 방적되고 가교될 수 있다. 그러나, 이 중합체로부터 섬유를 제조하는 것은 코폴리아미드에 비해 곤란하며, 가교시키기도 까다롭다.
유형 8 나일론을 제조하기 위해서, 10갤런의 고압 반응기에 다음과 같은 물질들을 이하의 비율로 공급하였다:
나일론 66[듀퐁 지텔(duPont Zytel) 101] 10파운드
메탄올 15.1 파운드
물 2.0 파운드
포름알데히드 12.0 파운드
이어서, 반응기를 질소로 세정하고, 135℃ 이상으로 압력하에서 가열하였다. 소정의 온도에 도달하였을 때, 소량의 산을 촉매로서 첨가하였다. 산성 촉매로는, 트리플루오로아세트산, 포름산, 톨루엔 설폰산, 말레산, 무수말레산, 프탈산, 무수프탈산, 인산, 시트르산 및 이들의 혼합물을 들 수 있다. 나피온(NafionR) 중합체도 촉매로서 사용할 수 있다. 촉매를 첨가한 후에, 30분에 이르는 시간동안 반응을 진행시켰다. 이 단계에서 점성의 균일한 중합체 용액이 형성되었다. 정해진 반응 시간이 경과한 후에, 고압 용기의 내용물을 메탄올, 물 및 염기, 예컨대 수산화암모늄 또는 수산화나트륨을 함유하는 욕(bath)으로 옮겨서 반응을 중지시켰다. 용액을 충분히 급냉시킨 후에, 탈이온수 중에서 용액을 침전시켰다. 중합체는 깃털 모양의 과립으로서 형성되었다. 이어서 중합체 과립을 원심 분리하고 진공 건조시켰다. 이 중합체는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 및 이들의 혼합물과 물을 다양한 비율로 혼합한 혼합물 중에서 가용성이다. 또한, 상이한 알코올의 혼합물 중에서도 가용성이다.
이와 같이 형성된 알콕시 알킬로 개질된 유형 8 폴리아미드를 에탄올/물 혼합물 중에 용해시켰다. 중합체 용액을 배리스(Barris)의 미국 특허공보 제4,650,516호에 기술된 바와 같은 방식으로 전자 방적 처리하였다. 중합체 용액의 점도는 경시적으로 증가하는 경향이 있다. 이는 일반적으로 중합체 점도가 섬유 크기를 결정하는 데 지대한 영향을 미친다는 사실로 알려져 있다. 따라서, 상업적인 규모의 연속적인 제조 방법에서는 공정을 제어하기가 곤란하다. 더욱이, 동일한 조 건하에서, 유형 8 폴리아미드는 코폴리아미드와 같이 효율적으로 마이크로섬유를 형성하는 것이 아니다. 그러나, 톨루엔 설폰산, 무수말레산, 트리플루오로 메탄설폰산, 시트르산, 아스코르브산 등과 같은 산 촉매를 첨가하여 용액을 제조하고, 섬유가 형성된 후에 섬유 매트를 신중하게 열처리할 경우에는, 생성된 섬유가 매우 우수한 내화학성을 갖게 되었다(도 13). 가교 단계에서는 섬유상 구조가 파괴되는 일이 없도록 주의를 기울여야 한다.
본 발명자들은 유형 8 폴리아미드(중합체 B)를 알코올 가용성 코폴리아미드와 배합하였을 때 의외의 결과를 발견하였다. 알콕시 알킬로 개질된 폴리아미드 66 30중량%를 알코올 가용성 코폴리아미드, 예를 들면 SVP 637 또는 651(중합체 A), Elvamide 8061로 치환시킴으로써, 상승 효과를 발견하였다. 배합물의 경우에 각 성분을 단독으로 사용한 경우에 비해서 섬유의 형성이 더욱 효율적인 것으로 밝혀졌다. 에탄올 중에 침지시켜서, 여과 효율을 측정한 결과 98% 이상 여과 효율이 보유되는 것으로 밝혀졌으며, THC 벤치 시험 결과는 유형 8 폴리아미드를 단독으로사용한 것과 대등한 결과를 나타내었다. 이와 같은 유형의 배합물에 의하면, 가교형 8 폴리아미드가 갖는 우수한 내화학성이라는 장점과 함께, 코폴리아미드가 갖는 우수한 여과 특성 및 효율적인 섬유 형성의 장점을 모두 얻을 수 있는 것으로 밝혀졌다. 알코올 침지 시험 결과는, 비가교성 코폴리아미드가 가교에 참여함으로써 98% 여과 효율을 유지한다는 것을 강력하게 입증한다.
중합체 A와 B로 이루어진 배합물의 DSC(도 17 내지 도 20)는 중합체 A만을 250℃로 가열한 후에(완전히 가교시킴) 얻은 DSC 결과와 구분할 수 없게 되며, 뚜 렷한 융점도 나타나지 않았다. 이는 중합체 A와 B의 혼합물이 중합체 A에 의한 중합체 B의 가교에 의해서 완전히 일체화된 중합체로 존재함을 강력하게 시사한다. 이는 완전히 새로운 부류의 폴리아미드이다.
마찬가지로, 용융 배합된 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)와 폴리(부틸렌 테레프탈레이트)는 유사한 특성을 가질 수 있다. 각 성분의 융점보다 높은 온도에서 용융 처리하는 동안에, 에스테르기 교환 반응이 일어나고 PET와 PBT간에 인터폴리머가 형성된다. 또한, 이 경우의 가교 온도는 단독 성분만의 가교 온도보다 낮다. 이와 같이 낮은 온도에서는 에스테르기 교환 반응이 일어날 것으로 기대하지는 못했을 것이다. 그러므로, 본 발명자들은 유형 A와 유형 B 폴리아미드의 용액 배합과 각 성분의 융점보다 낮은 온도에서의 가교를 통해서 새로운 부류의 폴리아미드를 발견한 것이라 확신한다.
10중량%의 t-부틸 페놀 올리고머(첨가제 7)를 첨가하고 가교 온도에 필요한 온도로 가열 처리하였을 경우에는 더욱 우수한 결과를 얻을 수 있는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 이론상으로는 t-부틸 페놀 올리고머의 히드록실 관능기가 유형 8 나일론의 관능기와의 반응에 참여한다고 하겠다. 이와 같은 성분으로 이루어진 시스템은 우수한 섬유 형성, 고온 및 고습에 대한 개선된 내성 및 미세 섬유 층 표면에 대한 소수성을 제공하는 것으로 밝혀졌다.
중합체 A와 중합체 B의 혼합물 시료(시료 6A) 및 중합체 A, 중합체 B 및 첨가제로 이루어진 혼합물 시료(시료 6B)를 제조하였다. 이어서, 전자 방적 처리 공정에 의해서 섬유를 형성하고, 섬유 매트를 300℃에서 10분 동안 노출시킨 다음에, ESCA 표면 분석법에 의해서 표면 조성을 평가하였다.
시료 6A 및 6B의 ESCA 분석
조성물(%) 시료 6A 시료 6B
중합체 A 30 30
중합체 B 70 70
첨가제 7 0 10
표면 조성물 W/O 가열 W/가열 W/O 가열 W/가열
중합체 A 및 B(%) 100 100 68.9 43.0
첨가제 7 0 0 31.1 57.0

ESCA 분석법은 수소 농도를 제외한 표면 조성에 관한 정보를 제공한다. ESCA 분석법에 의하면, 탄소, 질소 및 산소에 관한 정보가 제공된다. 첨가제 7은 질소를 함유하지 않기 때문에, 질소를 함유하는 폴리아미드와 질소를 함유하지 않는 첨가제의 비율은 질소 농도를 비교함으로서 측정할 수 있다. 추가의 정량적인 정보는, 결합 에너지가 535eV 내지 527eV인 O 1s 스펙트럼을 조사함으로서 얻을 수 있다. C=O 결합의 결합 에너지는 약 531eV이고, C-O 결합의 결합 에너지는 533eV이다. 이러한 2가지 피크에서 피크 높이를 비교함으로써, C=O 결합이 많은 폴리아미드와 C-O기만을 갖는 첨가제의 상대적인 농도를 측정할 수 있다. 중합체 B는 개질 반응에 의해서 C-O 결합을 갖기 때문에, 가교시에 C-O 농도는 감소할 것이다. ESCA 분석 결과, C-O 결합이 상대적으로 감소하는 것을 통해서 이와 같은 반응이 실제로 일어남을 확인할 수 있다(열처리되지 않은 중합체 A와 중합체 B의 혼합물 섬유인 경우에는 도 4, 열처리된 중합체 A와 중합체 B의 혼합물 섬유인 경우에는 도 5 참조). 첨가제 7 분자가 표면상에 존재할 경우에는, C-O 결합이 더 많아진다고 생각할 수 있다. 도 6과 도 7을 통해 알 수 있는 바와 같이, 이와 같은 반응은 실제로 일어난다(중합체 A, 중합체 B 및 첨가제 7로 이루어진 방적된 상태의 혼합물 섬유인 경우에는 도 6, 중합체 A, 중합체 B 및 첨가제 7로 이루어진 열처리된 혼합물인 경우에는 도 7 참조). 도 6은 실시예 7에 있어서 C-O 결합의 농도가 증가함을 보여준다. 이러한 결과는 도 8 내지 도 11에 도시된 XPS 멀티플렉스 스펙트럼을 근거로 한 표면 농도와도 일치한다.
t-부틸 올리고머 분자는 미세 섬유의 표면을 향해 이동하여 약 50Å의 소수성 피막을 형성하는 것으로 보인다. 유형 8 나일론은 -CH2OH 및 -CH2OCH3와 같은 관능기를 가지며, 이러한 작용기는 t-부틸 페놀의 -OH기와 반응할 것으로 예상된다. 따라서, 섬유 표면상에서는 보다 적은 올리고머 분자가 발견될 것이다. 본 발명자들은 이와 같은 가정이 옳지 못한 것이며, 인터폴리머의 표면이 얇은 피막을 갖는다는 사실을 발견하였다.
시료 6A, 6B 및 섹션 5에 기술된 일련의 시료를 160℉에서 100% 상대 습도로 THC 벤치에 노출시켰다. 상기 섹션에서는, 시료를 140℉에서 100% 상대 습도하에 노출시켰다. 이러한 조건하에서, t-부틸 페놀은 3원 공중합체 코폴리아미드가 분해되지 못하도록 보호하였다. 그러나, 온도가 160℉ 및 100% 상대 습도로 증가할 경우에는, t-부틸 페놀 올리고머가 하부 3원 공중합체 고폴리아미드 섬유를 잘 보호하지 못하였다. 시료를 160℉ 및 100% 상대 습도에서 비교하였다.
160℉ 및 100% 상대 습도에 노출시킨 후에 보유된 미세 섬유 효율
시료 1시간 후 2시간 후 3시간 후
시료 6A 82.6 82.6 85.9
시료 6B 82.4 88.4 91.6
시료 5 10.1

상기 표 4의 결과는 시료 6B가 고온 및 고습에 노출시 섬유의 보호를 도모함을 보여준다.
섬유 매트상의 액적에 노출시킬 경우에는 더욱 현저한 차이가 나타난다. 탈이온수 한 방울을 시료 6A의 표면에 놓았을때, 그 물방울은 즉시 섬유 매트를 가로질러 퍼졌으며, 물방울은 기재인 종이를 습윤시켰다. 반면에, 물방울을 시료 6B의 표면상에 놓았을 때는 물방울이 비드(bead)를 형성하여 매트 표면상에 퍼지지 않았다. 본 발명자들은 p-t-부틸 페놀의 올리고머를 첨가함으로써 시료 16의 표면을 소수성으로 개질시켰다. 이러한 유형의 제품은 물안개 제거제로서 사용할 수 있는데, 물방울이 시료 6B의 미세 섬유 표면 층을 통과하지 않기 때문이다.
시료 6A, 6B 및 섹션 5에 기술된 일련의 시료를 온도가 310℉로 설정된 오븐에 넣었다. 하기 표 5는 시료 6A와 6B가 둘다 그대로 유지되는 반면에 섹션 5의 시료는 심각하게 손상됨을 보여준다.
310℉에 노출시킨 후에 보유된 미세 섬유 효율
시료 6시간 후 77시간 후
시료 6A 100% 100%
시료 6B 100% 100%
시료 5 34% 33%

올리고머를 중합체 A에만 첨가할 경우에는 미세 섬유 층의 내열성이 향상되는 반면에, 첨가제 7을 첨가할 경우에는 고온 노출에 미치는 영향이 중립적이었다.
위와 같은 결과로부터, 3원 공중합체 코폴리아미드, 알콕시알킬로 개질된 나일론 66 및 t-부틸 페놀의 올리고머로 이루어진 혼합물이, 3원 공중합체 코폴리아미드와 t-부틸 페놀 올리고머의 혼합물 또는 3종 공중합체 코폴리아미드와 알콕시 알킬로 개질된 나일론 66의 혼합물에 비해서, 극심한 조건하에서도 제조시에 향상된 생산성을 갖는 탁월한 제품을 제공함을 명백하게 알 수 있다. 상기 2성분 혼합물도 단독 성분 시스템에 비해서는 개선된 것이다.
실시예 7
폴리아미드와 비스페놀 A 중합체의 상용성 배합물
페놀 환의 산화성 커플링에 의해서 새로운 부류의 중합체를 제조하였다[참조: Pecora A., Cyrus W. 미국 특허공보 제4,900,671호(1990) 및 Pecora A., Cyrus W., Johnson M., 미국 특허공보 제5,153,298호(1992)]. 엔지몰 코포레이션에서 시판하는 비스페놀 A로 제조된 중합체가 특히 중요하다. 콩 퍼옥시다제를 촉매로 하는 비스페놀 A의 산화 반응은 비스페놀 A내의 2개의 -OH기의 양측으로부터 개시될 수 있다. 선형인 비스페놀 A계 폴리카보네이트와는 달리, 상기 유형의 비스페놀 A 중합체는 과분지된 중합체를 형성한다. 이러한 중합체의 다분지 특성 때문에, 이들은 중합체 배합물의 점도를 저하시킬 수 있다.
본 발명자들은 상기 유형의 비스페놀 A 중합체를 폴리아미드와 용액 배합시킬 수 있다는 사실을 발견하였다. 나일론의 한센 용해도 변수는 18.6으로 보고되어 있다[참조: Page 317, Handbook of Solubility Parameters and other cohesion parameters, A. Barton ed., CRC Press Boca Raton Florida, 1985]. 용해도 변수를 계산하면[참조: Page 61, Handbook of Solubility Parameters], 계산된 용해도 파라미터는 28.0이다. 용해도 변수의 차이에 기인하여, 이들이 서로 혼화될 수 없다고 생각할 수도 있을 것이다. 그러나, 본 발명자들은 이들이 적절하게 혼화되어 예기치 않은 특성을 제공함을 발견하였다.
분자량이 3000인 비스페놀 A 수지와 코폴리아미드의 50:50 배합물을 에탄올 용액 중에서 제조하였다. 용액 중의 총 농도는 10%이었다. 코폴리아미드를 단독으로 사용할 경우에는 직경이 0.2마이크론인 섬유가 형성되었다. 배합물은 약 1마이크론에 해당하는 높은 섬유 층을 형성하였다. 분자량이 7000인 비스페놀 A는 코폴리아미드 존재하에 불안정하며 침전되는 경향이 있다.
50:50 배합물의 DSC 분석 결과 융점이 없는 것으로 나타났다. 코폴리아미드의 융점은 약 150℃이며, 비스페놀 A 수지는 Tg가 약 100인 유리질 중합체이다. 배합물은 뚜렷하게 용융되지 않는 것으로 나타났다. 섬유 매트를 100℃에 노출시킨 경우, 섬유 매트는 소멸되었다. 이 배합물은 상한 사용 온도가 아주 높지 않지만, 낮은 압력 강하가 요구되는 경우에 탁월한 필터 매체로 제조될 것이다. 이 중합체 시스템은 적당한 방식으로 가교시킬 수 없었다.
실시예 8
배합물 중에서 용매 및 고체로서의 비스페놀 A 중합체의 이중 역할
비스페놀 A 중합체 배합물의 의외의 특성은, 비스페놀 A 중합체가 용액 형태일 때는 용매로서 작용하고, 고체 형태일 때는 고체로서 작용한다는 것이다. 이와 같은 비스페놀 A 중합체의 이중 역할은 실로 특이적인 것이다.
이하의 제형을 제조하였다:
알콕시 알킬로 개질된 PA66: 중합체 B 180g
비스페놀 A수지(분자량 3000): 중합체 C 108 g
에탄올 190 등급 827g
아세톤 218g
탈이온수 167 g
촉매 9.3 g
상기 배합물의 점도는 브룩필드 점도계로 측정했을 때 32.6센티포이즈였다. 총 중합체 농도는 19.2%이었다. 19.2% 농도에서 중합체 B의 점도는 200센티포이즈 이상이다. 유사한 용매 중에서 12% 중합체 B만의 점도는 약 60센티포이즈이다. 이는 비스페놀 A 수지가 용매로서 작용한다는 명백한 예가 되는데, 총 용액의 점도가 기대치보다 더 낮기 때문이다. 생성된 섬유 직경은 0.157마이크론이었다. 중합체 B만이 섬유를 형성하는데 참여한다면, 섬유 크기가 0.1마이크론 이하일 것으로 예상된다. 다시 말해서, 중합체 C 가 섬유 형성에 참여한다. 이와 같이 한 성분이 극적인 이중 역할을 수행하는 다른 경우에 대해서는 알려진 바가 없다. 시료를 에탄올 에 침지시킨 후에, 여과 효율과 섬유 크기를 측정하였다. 알코올에 침지시킨 후에, 여과 효율은 85.6%로 유지되었고, 섬유 크기는 불변하였다. 이는 중합체 C가 중합체 고체로서 작용하여 가교 반응에 참여하였음을 시사하는 것이다.
다음과 같은 방식으로 또 다른 중합체 용액을 제조하였다:
알콕시 알킬로 개질된 PA66: 중합체 B 225g
비스페놀 A수지(분자량 3000): 중합체 C 135 g
에탄올 190 등급 778g
아세톤 205g
탈이온수 157 g
촉매 11.6 g
상기 배합물의 점도는 90.2센티포이즈이었다. 이 값은 고형분 24%인 경우로는 매우 낮은 점도이다. 이것도 중합체 C가 용액중에서 용매로서 작용함을 시사하는 것이다. 그러나, 이 배합물을 섬유로 전자 방적한 경우에, 섬유 직경은 0.438 마이크론이었다. 중합체 B만을 사용한 15% 용액을 제조하였을 때 섬유 크기는 약 0.2마이크론이었다. 마지막 단계에서 중합체 C가 섬유 크기를 확대시키는 데 기여한다. 마찬가지로, 본 실시예는 상기 유형의 분지형 중합체가 용액중에서는 용매로서 작용하고, 최종 단계에서는 고체로서 작용함을 시사하는 것이다. 에탄올 용액에 침지시킨 후에, 여과 효율은 77.9%로 유지되었으며, 섬유 크기는 불변하였다.
실시예 9
가교된 폴리아미드/비스페놀 A 중합체 배합물의 형성
수지, 알코올 및 물을 60℃에서 2시간 동안 교반하여 혼합시킴으로써 3개의 상이한 시료를 제조하였다. 용액을 실온으로 냉각시키고, 촉매를 용액에 첨가한 후, 혼합물을 15분 동안 추가로 교반하였다. 이어서, 용액의 점도를 측정하고, 섬유로 방적하였다.
그 결과는 다음과 같다:
방법(g) 시료 9A 시료 9B 시료 9C
중합체 B 8.4 12.6 14.7
중합체 A 3.6 5.4 6.3
중합체 C 7.2 10.8 12.6
에탄올 190 등급 89.3 82.7 79.5
이소프로판올 23.5 21.8 21.0
탈이온수 18.0 16.7 15.9
촉매 .45 0.58 0.79
점도(cP) 22.5 73.5 134.2
섬유 크기(마이크론) 0.14 0.258 0.496

본 발명자들은 상기 배합물이 효율적으로 섬유를 생성하여, 중합체 A 제제에 비해서 약 50% 더 큰 섬유의 질량을 생산한다는 사실을 발견하였다. 또한, 생성된 중합체성 마이크로섬유는 내화학성이 보다 큰 섬유를 생성하였다. 알코올에 침지시킨 후, 이러한 섬유로부터 제조된 필터는 90% 이상의 여과 효율을 유지하였으며, 내부적으로 가교될 수 있는 중합체가 고체 조성물의 44%에 불과함에도 불구하고 섬유 직경은 불변하였다. 코폴리아미드, 알콕시 알킬로 개질된 나일론 66 및 비스페놀 A로 이루어진 상기 3종의 중합체 조성물은 섬유 형성이 우수한 내화학성 물질을 생성하였다.
실시예 10
알콕시 알킬로 개질된 나일론 66과 나일론 46의 공중합체
10갤론의 고압 반응기에서, 다음과 같은 반응을 수행하여 생성된 중합체를 분석하였다. 반응 온도에 도달한 후, 촉매를 첨가하고 15분 동안 반응시켰다. 이어서, 중합체 용액을 급냉시키고 침전시킨 다음 세척하여 건조시켰다:
반응기 충전(LB) 작업 10A 작업 10B 작업 10C 작업 10D 작업 10E
나일론 4,6(듀퐁 지텔) 101 10 5 5 5 5
나일론 6,6(DSM Stanyl 300) 0 5 5 5 5
포름알데히드 8 10 8 10 8
탈이온수 0.2 0.2 2 0.2 2
메탄올 22 20 20 20 20
반응온도(℃) 140 140 140 150 150
Tg(℃) 56.7 38.8 37.7 38.5 31.8
Tm(℃) 241.1 162.3 184.9 175.4 189.5
치환 알콕시의 수준(중량%) 11.9 11.7 7.1 11.1 8.4
메틸올(중량%) 0.14 0.13 0.14 0.26 0.24
나일론 46과 나일론 66으로 제조된 중합체의 DSC 분석 결과 광범위한 단일 융점이 나타났는데, 그 융점은 개질된 나일론 46의 융점(241℃) 및 개질된 나일론 66의 융점(210℃)보다 낮은 온도였다. 이는 반응하는 동안에, 2가지 성분이 모두 중합체 쇄를 따라서 불규칙하게 분포됨을 시사한다. 따라서, 알콕시 알킬로 개질된 나일론 46과 나일론 66의 랜덤 공중합체를 수득한 것으로 생각된다. 이러한 중합체는 알코올 및 알코올과 물의 혼합물에서 가용성이다.
성질 ASTM 나일론 6.6 나일론 4.6
Tm 265℃ 295℃
인장 강도 D638 13.700 8.500
파단 신도 D638 15-80 60
인장 수율 강도 D638 8000-12,000
굴곡 강도 D790 17,8000 11,500
인장 탄성율×103psi D638 230-550 250
노치의 Izod 임펙트 ft-lb/in D256A 0.55-1.0 17
굴곡 하중 264psi하에서의 편차 온도 D648 158 194

2가지 모두 결정도가 높고 일반 알코올류에는 불용성임
출처: [참조: Modern Plastics Encyclopedia 1998]
실시예 11
코폴리아미드와 알콕시알킬로 개질된 나일론 46/66 공중합체의 인터폴리머 형성 및 전자 방적 섬유의 형성
작업 10B 및 10D의 시료를 전술한 방법에 의해서 섬유로 제조하였다. 알콕시알킬로 개질된 나일론 46/66(중합체 D)을 단독으로 사용한 경우에는 성공적으로 전자 방적되었다. 하기 표를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 중합체 D와 중합체 A를 배합할 경우에는, 섬유가 보다 효율적으로 형성되는 동시에 중합체 D의 가교성을 손실하지 않고 보다 큰 섬유를 제조할 수 있다는 추가의 장점을 얻을 수 있다:
중합체 10B 중합체 10D
단독 w/30% 단독 w/30%
중합체 A 중합체 A
섬유 크기(마이크론) 0.183 0.464 0.19 0.3
섬유 질량비 1 3 1 2
여과효율 보유율(%) 87 90 92 90

섬유 질량비는 (섬유의 총 길이 ×단면적)에 의해 계산한 것이다. 여과 효율 보유율은 에탄올에 필터 시료를 침지시킨 후에 측정한다. 섬유 크기는 알코올에 침지시킨 후에도 불변하였다.
실시예 12
전자 방적된 가교 PVA
PVA 분말을 알드리치 케미칼즈(Aldrich Chemicals)로부터 구입하였다. 이 분말을 수중에, 또는 메탄올과 물의 50/50 혼합물중에 용해시켰다. 이들을 가교제 및 톨루엔 설폰산 촉매와 혼합한 후에 전자 방적하였다. 생성된 섬유 매트를 오븐에서 150℃하에 10분 동안 가교시킨 후에 THC 벤치에 노출시켰다.
시료 12A 시료 12B 시료 12C 시료 12D
PVA 가수분해 98-99 87-89 87-89 87-89
M.W. 31,500-50,000 31,500-50,000 31,500-50,000 31,500-50,000
PVA 농도(%) 10 10 10 10
용매 물 혼합물 혼합물(c) 혼합물(d)
기타 중합체 없음 없음 아크릴산 Cymel 385
기타 중합체/PVA(%) 0 0 30 30
%섬유 보유 THC, 1시간 0(a) 0(a,b) 95(b) 20(b)
%섬유 보유 THC, 3시간 90(a)

(a): 온도 160℉, 100% 습도
(b): 온도 140℉, 100% 습도
(c): 분자량 2000
(d): 사이텍(Cytec)으로부터 구입한 멜라민 포름알데히드 수지
실시예 13
통상의 셀룰로오스 공기 필터 매체를 기재로서 사용하였다. 이 기재의 기본 중량은 67파운드/3000ft2이고, 프라지에 투과능은 0.5인치의 수중 압력 강하일 때 16피트/분이며, 두께는 0.012인치이고, LEFS 효율은 41.6%이다. 실시예 1의 미세 섬유 층을 전술한 방법을 사용하여 표면에 첨가하였으며, 공칭 섬유 직경은 0.2마이크론이었다. 생성된 복합물의 LEFS 효율은 63.7%이었다. 140℉의 공기 및 100% 상대 습도에 1시간 동안 노출시킨 후, 기재만으로 된 시료를 냉각시키고 건조시킨 결과, LEFS 효율은 36.5%이었다. 복합물 시료를 140℉의 공기 및 100% 상대 습도에 노출시킨 후, 냉각시키고 건조시킨 결과, LEFS 효율은 39.7%이었다. 본 명세서에 기술된 수학식을 사용하여 계산하였을 때, 1시간 동안 노출시킨 후에 보유되는 미세 섬유층의 효율은 13%이었으며, 보유되는 유효 미세 섬유의 수는 11%이었다.
실시예 14
통상의 셀룰로오스 공기 필터 매체를 기재로서 사용하였다. 이 기재의 기본 중량은 67파운드/3000ft2이고, 프라지에 투과능은 0.5인치의 수중 압력 강하일 때 16피트/분이며, 두께는 0.012인치이고, LEFS 효율은 41.6%이다. 실시예 5의 미세 섬유 층을 전술한 방법을 사용하여 표면에 첨가하였으며, 공칭 섬유 직경은 0.2마이크론이었다. 생성된 복합물의 LEFS 효율은 96.0%이었다. 160℉의 공기 및 100% 상대 습도에 3시간 동안 노출시킨 후, 기재만으로 된 시료를 냉각시키고 건조시킨 결과, LEFS 효율은 35.3%이었다. 복합물 시료를 160℉의 공기 및 100% 상대 습도에 노출시킨 후, 냉각시키고 건조시킨 결과, LEFS 효율은 68.0%이었다. 본 명세서에 기술된 수학식을 사용하여 계산하였을 때, 3시간 동안 노출시킨 후에 보유되는 미세 섬유층의 효율은 58%이었으며, 보유되는 유효 미세 섬유의 수는 29%이었다.
실시예 15
통상의 셀룰로오스 공기 필터 매체를 기재로서 사용하였다. 이 기재의 기본 중량은 67파운드/3000ft2이고, 프라지에 투과능은 0.5인치의 수중 압력 강하일 때 16 피트/분이며, 두께는 0.012인치이고, LEFS 효율은 41.6%이다. 실시예 6에 기술된 중합체 A와 중합체 B의 배합물로 된 미세 섬유 층을 전술한 방법을 사용하여 표면에 첨가하였으며, 공칭 섬유 직경은 0.2마이크론이었다. 생성된 복합물의 LEFS 효율은 92.9%이었다. 160℉의 공기 및 100% 상대 습도에 3시간 동안 노출시킨 후, 기재만으로 된 시료를 냉각시키고 건조시킨 결과, LEFS 효율은 35.3%이었다. 복합물 시료를 160℉의 공기 및 100% 상대 습도에 3시간 동안 노출시킨 후, 냉각시키고 건조시킨 결과, LEFS 효율은 86.0%이었다. 본 명세서에 기술된 수학식을 사용하여 계산하였을 때, 3시간 동안 노출시킨 후에 보유되는 미세 섬유층의 효율은 96%이었으며, 보유되는 유효 미세 섬유의 수는 89%이었다.
실시예 16
통상의 셀룰로오스 공기 필터 매체를 기재로서 사용하였다. 이 기재의 기본 중량은 67파운드/3000ft2이고, 프라지에 투과능은 0.5인치의 수중 압력 강하일 때 16피트/분이며, 두께는 0.012인치이고, LEFS 효율은 41.6%이다. 실시예 6에 기술된 중합체 A, 중합체 B, t-부틸 페놀 올리고머의 미세 섬유 층을 전술한 방법을 사용하여 표면에 첨가하였으며, 공칭 섬유 직경은 0.2마이크론이었다. 생성된 복합물의 LEFS 효율은 90.4%이었다. 160℉의 공기 및 100% 상대 습도에 3시간 동안 노출시킨 후, 기재만으로 된 시료를 냉각시키고 건조시킨 결과, LEFS 효율은 35.3%이었다. 복합물 시료를 160 의 공기 온도 및 100% 상대 습도에 노출시킨 후에, 냉각시키고 건조시킨 결과, LEFS 효율은 87.3%이었다. 본 명세서에 기술된 수학식을 사용하여 계산하였을 때, 3시간 동안 노출시킨 후에 보유되는 미세 섬유층의 효율은 97%이었으며, 보유되는 유효 미세 섬유의 수는 92%이었다.
실시예 17
통상의 셀룰로오스 공기 필터 매체를 기재로서 사용하였다. 이 기재의 기본 중량은 67파운드/3000ft2이고, 프라지에 투과능은 0.5인치의 수중 압력 강하일 때 16피트/분이며, 두께는 0.012인치이고, LEFS 효율은 41.6%이다. 실시예 12에 기술된 폴리아크릴산에 의해 가교된 PVA로 이루어진 미세 섬유 층을 전술한 방법을 사용하여 표면에 첨가하였으며, 공칭 섬유 직경은 0.2마이크론이었다. 생성된 복합물 의 LEFS 효율은 92.9%이었다. 160℉의 공기 및 100% 상대 습도에 2시간 동안 노출시킨 후, 기재만으로 된 시료를 냉각시키고 건조시킨 결과, LEFS 효율은 35.3%이었다. 복합물 시료를 160℉의 공기 및 100% 상대 습도에 2시간 동안 노출시킨 후에, 냉각시키고 건조시킨 결과, LEFS 효율은 83.1%이었다. 본 명세서에 기술된 수학식을 사용하여 계산하였을 때, 2시간 동안 노출시킨 후에 보유되는 미세 섬유층의 효율은 89%이었으며, 보유되는 유효 미세 섬유의 수는 76%이었다.
실시예 18
실시예 1 내지 17에 기재된 방법에 따라 이하의 필터 매체를 제조하였다.
필터 매체예
기판 기판 영구성 (Frazier) 기판 기본 중량(1bs/3000sq ft) 기판 두께(in) 기판 효율(LEFS) 복합물 효율(LEFS)
단일 기판 위의 단일 미세 섬유 층(매체를 통해 어느 방향으로든 유동함) (+/-10%) (+/-10%) (+/-25%) (+/-5%) (+/-5%)
셀룰로오스 공기 필터 매체 58 67 0.012 11% 50%
셀룰로오스 공기 필터 매체 16 67 0.012 43% 58%
셀룰로오스 공기 필터 매체 58 67 0.012 11% 65%
셀룰로오스 공기 필터 매체 16 67 0.012 43% 70%
셀룰로오스 공기 필터 매체 22 52 0.010 17% 70%
셀룰로오스 공기 필터 매체 16 67 0.012 43% 72%
내습성 수지를 갖는 셀룰로오스/합성 배합물 14 70 0.012 30% 70%
난연성 셀룰로오스 공기 필터 매체 17 77 0.012 31% 58%
난연성 셀룰로오스 공기 필터 매체 17 77 0.012 31% 72%
난연성 합성 공기 필터 매체 27 83 0.012 77%
스펀본드 리메이(폴리에스테르) 1200 15 0.007 5% 55%
합성/셀룰로오스 공기 필터 매체 260 76 0.015 6% 17%
합성/유리 공기 필터 매체 31 70 0.012 55% 77%
합성/유리 공기 필터 매체 31 70 0.012 50% 90%
합성(루트라도-폴리에스테르) 300 25 0.008 3% 65%
합성(루트라도-폴리에스테르) 0.016 90%

매체는 평면형, 파형, 주름형, 파형이고, 주름형으로 만들어 평면형 시이트, 주름진 평면형 패널, 주름진 원형 필터 및 지(Zee) 필터에 사용하였다.
시험 방법
온수 침지 시험
구조물내에 유효하게 관능적으로 보유되는 미세 섬유 수의 척도로서 여과 효율을 사용하면, SEM 평가법과 같은 가능한 기타 방법에 비해서 다음과 같은 많은 장점을 갖는다.
- 여과 효율을 측정하면, SEM 현미경사진 분석법에서 보이는 좁은 면적(통상적으로 0.0001인치2 이하)과 달리 매체의 수 제곱 인치 면적을 평가하므로, 보다 우수한 평균치를 산출할 수 있다.
- 여과 효율을 측정하면, 구조물 내에 관능적으로 유지되는 섬유의 수를 정량할 수 있다. 그 상태로 유지되지만 함께 응집되거나 다른 변경된 구조로 존재하는 섬유는 측정된 효능 및 관능가에만 포함된다.
그럼에도 불구하고, 여과 효율이 쉽게 측정되지 않는 섬유상 구조물에 있어서는, 남아있는 섬유의 백분율을 측정하기 위해 다른 방법을 사용할 수 있으며 50% 보유율 기준에 대해서 평가하였다.
설명: 본 시험은 필터 매체의 내습성을 시사하는 것이다. 본 시험에서는 LEFS 시험 벤치를 사용하여 수중에 침지시켰을 때 필터 매체의 성능 변화를 측정한다. 수온은 임계적인 변수로서, 조사 대상인 매체의 생존 이력, 시험 기간을 최소화시키고자 하는 의도 및 시험에 의해 매체 유형들을 구분할 수 있는 능력을 근거 로 해서 선택한다. 전형적인 수온은 70℉, 140℉ 또는 160℉이다.
절차:
4인치 직경의 시료를 매체로부터 절단하였다. 시험 표본의 입자 포획 효율은 20FPM으로 작동하는 LEFS(LEFS 시험에 대한 설명일 경우, ASTM Standard F1215-89 참조) 벤치에 시험 처리용 오염 물질로서 0.8㎛ 라텍스 구를 사용하여 계산하였다. 이어서, 시료를 증류수(대개는 140℉)에 5분 동안 침지시켰다. 그 후에, 시료를 건조 랙(rack)위에 놓고 실온에서(대개는 밤새) 건조시켰다. 일단 시료를 건조시킨 후에는, 시료를 초기 계산시와 동일한 조건을 사용하여 LEFS 벤치에서의 효율에 대해 재시험하였다. 미세 섬유가 없는 미세 섬유 지지 기재에 대해서도 전술한 시험 단계를 반복하였다.
이상의 정보로부터, 미세 섬유에만 기인하는 효율 성분과 물에 의한 손상에 기인하는 효율의 손실을 계산할 수 있다. 미세 섬유에 기인하는 효율 손실이 결정된 후에는, 보유되는 효율의 양을 계산할 수 있다.
계산:
미세 섬유 층 효율:
Ei= 초기 복합물 효율;
Es= 초기 기재 효율;
Fe= 미세 섬유 층;
Fe= 1-EXP(Ln(1-Ei)-(Ln(1-Ex))
보유되는 미세 섬유 층 효율:
Fi= 초기 미세 섬유 층 효율;
Fx= 침지후 미세 섬유 층 효율;
Fr= 보유되는 미세 섬유
Fr= Fx/Fi
또한, 유효 관능가를 갖는 상태로 보유되는 미세 섬유의 백분율은 다음과 같이 계산할 수 있다:
%= log(1-Fx)/log(1-Fi)
통과/실패 기준: >50% 효율 보유
대부분의 공업용 펄스 세정 필터 용도에 있어서, 필터는 50% 이상의 미세 섬유 효율이 보유될 경우에 적절한 기능을 수행할 수 있다.
THC 벤치(온도, 습도)
설명: 본 벤치 시험의 목적은 동적 유동 조건하에서 승온 및 고습이 미치는 영향에 대한 미세 섬유 매체의 저항성을 평가하기 위한 것이다. 본 시험은 공업 여과 용도, 가스 터빈 주입구 용도 또는 고효율 엔진 공기 주입 환경과 같은 극심한 작동 조건을 모의하고자 한 것이다. 시료를 취하여 건조시키고, 시간 간격을 두고 LEFS 시험을 수행하였다. 이 시스템은 대개 고온의 습한 조건을 모의하는 데 사용되지만, 고온/저온 건조 상황을 모의하는 데에도 사용될 수 있다.
온도 -31 내지 390℉
습도 0내지 100% 상대 습도(100% 상대 습도인 경우 최고 온도는 160 ℉이고, 이 조건하에 최고 지속 기간은 16시간이다)
유속 1FPM 내지 35FPM
절차:
4인치 직경의 시료를 매체로부터 절단하였다.
시험 표본의 입자 포획 효율은 20FPM에서 작동하는 LEFS 벤치에서 시험 처리용 오염 물질로서 0.8㎛ 라텍스 구를 사용하여 계산하였다. 이어서 시료를 THC 매체 척(chuck) 내로 삽입하였다. 시험 기간은 시험 조건에 따라서 수 분 내지 수일의 범위일 수 있다. 이어서 시료를 건조 랙위에 놓고 실온에서(대개는 밤새) 건조시켰다. 일단 시료를 건조시킨 후에는, 시료를 초기 계산시와 동일한 조건을 사용하여 LEFS 벤치에서 효율에 대해 재시험하였다. 미세 섬유가 없는 미세 섬유 지지 기재에 대해서도 전술한 시험 단계를 반복하였다.
이상의 정보로부터, 미세 섬유에만 기인하는 효율 성분과 알코올에 의한 손상에 기인하는 효율의 손실을 계산할 수 있다.
미세 섬유에 기인하는 효율 손실이 결정된 후에는, 보유되는 효율의 양을 계산할 수 있다.
통과/실패 기준: >50% 효율 보유
대부분의 공업용 펄스 세정 필터 용도에 있어서, 필터는 50% 이상의 미세 섬유 효율이 보유될 경우에 적절한 기능을 수행할 수 있다.
알코올(에탄올) 침지 시험
설명: 본 시험은 LEFS 시험 벤치를 사용하여 실온의 에탄올에 침지시켰을 때 필터 매체 성능의 변화를 측정하는 시험이다.
절차:
4인치 직경의 시료를 매체로부터 절단하였다. 시험 표본의 입자 포획 효율은 20FPM하에 작동하는 LEFS 벤치에 시험 처리용 오염물질로서 0.8㎛ 라텍스 구를 사용하여 계산하였다. 이어서, 시료를 알코올에 1분 동안 침지시켰다.
그 후에, 시료를 건조 랙위에 놓고 실온에서(대개는 밤새) 건조시켰다. 일단 시료를 건조시킨 후에는, 시료를 초기 계산시와 동일한 조건을 사용하여 LEFS 벤치에서 효율에 대해 재시험하였다. 미세 섬유가 없는 미세 섬유 지지 기재에 대해서도 전술한 시험 단계를 반복하였다. 이상의 정보로부터, 미세 섬유에만 기인하는 효율 성분과 알코올에 의한 손상에 기인하는 효율의 손실을 계산할 수 있다. 미세 섬유에 기인하는 효율 손실이 결정된 후에는, 보유되는 효율의 양을 계산할 수 있다.
통과/실패 기준: >50% 효율 보유
이상에서는 상세한 설명, 실시예 및 데이터를 통해서 본 발명을 개시하였다. 그러나, 개시된 바와 같은 본 발명에 대하여 다양한 변경 및 양태를 실시할 수 있으며, 본 발명은 본원에 첨부된 청구의 범위에 의해서 구체화된다.


Claims (99)

  1. 흡입 공기가 주위 온도 및 50% 이상의 상대습도를 갖는 가스 터빈 흡입 시스템에서의 공기 여과용 필터 구조물로서,
    가스 터빈 시스템의 공기 흡입구에, 개방형 필터 내부 구조를 경계짓는 튜브형 구조를 구성하는 매체 팩(media pack)을 포함하는 하나 이상의 필터 여과재를 포함하고, 개방형 필터 내부는 정화된 공기 플레넘(plenum)이고, 매체 팩은 주름진 구조의 매체 복합물을 포함하며, 매체 복합물은 일부분 이상이 미세 섬유층으로 커버링된 기재를 포함하고, 미세 섬유는 사이클릭 락탐과 C6-10 디아민 단량체 또는 C6-10 이산 단량체로 제조한 공중합체 이외의 축합 중합체 또는 부가 중합체를 플루오로 계면활성제, 비이온성 계면활성제 및 저분자량 수지로부터 선택된 소유성 또는 소수성 첨가제와 함께 포함하는 중합체 조성물을 포함함을 특징으로 하는 필터 구조물.
  2. 제1항에 있어서, 기재가 셀룰로오스 섬유, 합성 섬유 또는 이들의 혼합물을 포함하는 필터 구조물.
  3. 제1항에 있어서, 첨가제가 분자량이 500 내지 3000이고 알킬 잔기 비함유 방향족 물질 특성을 보유한 올리고머를 포함하고, 축합 중합체에 대해 혼화성이며, 공기를 필터 여과재의 매체 팩을 통해 개방형 필터 내부로 유도하여 공기를 정화하는 단계를 포함하는 필터 구조물.
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  17. 제1항에 있어서, 첨가제가 하기 화학식 4의 올리고머를 포함하는 필터 구조물.
    화학식 4
    Figure 112006057325091-pct00005
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  33. 흡입 공기가 주위 온도 및 50% 이상의 상대 습도를 갖는 가스 터빈 흡입 시스템에서의 공기 여과방법에 있어서,
    가스 터빈 시스템의 공기 흡입구에 근접하게 필터를 장착시키는 단계로서, 필터는 개방형 필터 내부를 경계짓는 튜브형 구조를 구성하는 매체 팩을 포함하는 하나 이상의 필터 여과재를 포함하고, 개방형 필터 내부는 정화된 공기 플레넘이고, 매체 팩은 주름진 구조의 매체 복합물을 포함하며, 매체 복합물은 일부분 이상이 미세 섬유층으로 커버링된 기재를 포함하고, 미세 섬유는 사이클릭 락탐과 C6-10 디아민 단량체 또는 C6-10 이산 단량체로 제조한 공중합체 이외의 다른 축합 중합체 또는 부가 중합체를 플루오로 계면활성제, 비이온성 계면활성제 및 저분자량 수지로부터 선택된 소유성 또는 소수성 첨가제와 함께 포함하는 중합체 조성물을 포함하는 단계(a) 및
    유입 공기를 가스 터빈 시스템의 공기 유입구로 유도하는 단계(b)를 포함하는, 공기 여과방법.
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  67. 흡입 공기가 주위 온도 및 50% 이상의 상대 습도를 갖는 가스 터빈 흡입 시스템에서의 공기 여과방법에 있어서,
    하나 이상의 필터 여과재를 함유하는 가스 터빈 시스템의 공기 유입구로 유입 공기를 유도하는 단계로서, 필터 여과재는 개방형 필터 내부를 경계짓는 튜브형 구조를 구성하는 매체 팩을 포함하고, 개방형 필터 내부는 정화 공기 플레넘이고, 매체 팩은 주름진 구조의 매체 복합물을 포함하며, 매체 복합물은 일부분 이상이 미세 섬유층으로 커버링된 기재를 포함하고, 미세 섬유는 사이클릭 락탐과 C6-10 디아민 단량체 또는 C6-10 이산 단량체로 제조한 공중합체 이외의 다른 축합 중합체를 포함하고, 수지상 첨가제가 분자량이 500 내지 3000이고 방향족 특성을 갖는 올리고머를 포함하고, 첨가제가 축합 중합체에 혼화성인 단계(a) 및
    공기를 필터 여과재의 매체 팩을 통해 개방형 필터 내부로 유도하여 공기를 정화시키는 단계(b)를 포함하는, 공기 여과방법.
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