KR100952421B1 - 내연기관 유입공기 정화용 필터 소재 및 그의 제조 방법 - Google Patents

내연기관 유입공기 정화용 필터 소재 및 그의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대기 중의 공기로부터 오염물질 등을 효과적으로 정화하고 장시간 사용 가능한 내연기관 유입공기 정화용 필터 여재 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 밀도 구배를 갖는 둘 이상의 층으로 이루어지고, 공기 유입구측에 하나 이상의 스펀본드 부직포 섬유층과 유체의 출구측에 최종층으로서 여과지층 또는 멜트블로운, 특히 바람직하게는 용융 온도가 다른 2개 이상의 성분으로 이루어진 멜트블로운층을 포함하는 공기정화용 필터 여재 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 필터 여재는 여과지 단독으로 사용할 때의 문제점인 수명(포집량) 저하를 개선할 수 있으며, 부직포 필터의 문제점인 효율을 증대할 수 있다.
필터, 스펀본드, 멜트블로운

Description

내연기관 유입공기 정화용 필터 소재 및 그의 제조 방법{Filter element for cleaning inlet air of internal combustion engine and process for preparing the same}
도 1은 본 발명에 따른 공기정화용 필터 소재의 제조 공정의 일 실시형태를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 공기정화용 필터 소재의 제조 공정의 다른 실시형태를 나타낸 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 공기정화용 여재의 다른 실시형태를 나타낸 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 공기정화용 여재의 다른 실시형태를 나타낸 개략도.
도 5는 본 발명에 따른 공기정화용 여재의 다른 실시형태를 나타낸 개략도.
본 발명은 대기 중의 공기로부터 오염물질 등을 효과적으로 정화하고 장시간 사용 가능한 내연기관 유입공기 정화용 필터 여재 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 밀도 구배를 갖는 둘 이상의 층으로 이루어지고, 공기 유입구측에 하나 이상의 스펀본드 부직포 섬유층과 유체의 출구측에 최종층으로서 여과지층 또는 멜트블로운층을 포함하는 공기정화용 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 엔진 내부에 이물질이 유입되어 엔진의 실린더 벽에 쌍이게 되면 엔진의 내구성을 저하시키는 문제점을 초래한다. 또한 최근 개발되는 내연기관은 필요한 공기의 양을 측정하는 기기가 장착되는데 이 기기의 센서에 공기중에 존재하는 미세 탄소(검댕)가 센서를 오염시켜 엔진의 출력을 저하시킨다.
종래의 자동차용 엔진에 있어서 에어클리너에는 공기의 여과매체가 장착되고 오일필터에는 엔진 속에 들어있는 윤활유에 포함된 불순물을 제거하기 위해 오일 여과 매체가 장착된다.
이들 여과 매체 속에는 각종 이물질을 제거하기 위해 물질의 크기와 양에 따라 기술적으로 설계된 여러 종류의 여과지가 여과매체로서 장착된다. 이들 여과매체는 엔진이 구동하는 동안 필요로 하는 공기나 윤활유의 흐름과 그 양을 충분히 해주기 위하여 불순물을 거르는 여과 효율과 충분한 여과수명을 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 필터소재로서는 여과지와 부직포가 주로 사용되고 있다. 여과지는 적용 분야에 따라서 천연 펄프와 합성섬유를 적절히 배합한 후, 해리-고해-초지-함침-건조-와인딩의 과정에 의해 제조된다. 부직포는 그 제조 방식에 따라, 스펀본드, 스펀레이스, 케미칼본드, 써멀본드, 니들펀칭 그리고 멜트블로운 등 수많은 종류가 존재한다. 그러나 내연기관용 소재로 주로 사용되는 것은 적절한 배합의 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 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 포집효율이 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.
종래, 공기청정용 여과재로서는 미국특허 제6,315,805호에 여과지에 멜트블로운을 라미네이션하여, 공기의 유입측으로부터 유출측으로 2개 이상의 섬유층이 밀도 구배를 형성하며, 각층의 섬유는 수지접착제 또는 초음파 등을 이용하여 결합한 필터여재가 개시되어 있다. 그러나, 이들 종래의 멜트블로운 섬유와 여과지를 결합하는 것은 멜트블로운 자체의 비교적 섬유의 낮은 융점으로 인해 섬유의 열안정성이 낮아 후가공이 매우 제한적이며, 5000L/㎡(at 200Pa)의 고통기성과 비교적 작은 중량의(10-100 g/㎡, 일반적 25g/㎡ 이하) 멜트블로운을 사용함으로써 강도가 약해 라미네이션 작업이 매우 어려운 단점이 있을 뿐만 아니라 멜트블로운의 섬유가 비교적 넓은 범위의 섬유경을 나타내고 있어서 작은 섬유 직경의 경우 통기량이 증가하면 차압이 급격히 증가하는 현상이 나타난다.
본 발명자들은 종래의 부직포 여재의 단점을 해결하고 더욱 성능이 우수한 여재를 개발하기 위하여 예의 연구한 결과, 후술하는 바와 같이 공기 유입층(외층)에 하나 이상의 스펀본드 부직포 섬유와 유체의 출구층(내층)에 여과지 또는 멜트블로운층을 접착하여 제조된 여재가 멜트블로운 여재를 공기유입층에 사용된 여과지의 문제점인 섬유간 결합력, 열안정성, 고유량에서 통기성 및 탄소포집 성능이 우수하며, 여재 제조 공정 중 수반되는 라미네이션 작업성 및 접착성 그리고 필터 효율이 향상된 여재로서, 기존 여재의 단점인 미세 입자의 포집효율 및 포집량에 있어서도 우수한 에어필터 여재를 제공할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래의 여과지 단독으로 이루어진 여과재의 문제점인 수명 및 탄소포집량의 저하를 개선할 수 있으며, 부직포 필터의 문제점인 효율을 증대시킬 수 있는 에어필터 소재 및 그의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 추가의 목적은 비교적 큰 섬유 직경과 고른 분포도를 가지며, 섬유간 결합력이 우수한 스펀본드 부직포를 외재로 사용함으로써 열안정성 및 고유량에서 통기성이 우수하며 기존 여과지의 단점인 포집량과 부직포 필터의 단점인 효율이 우수한 에어필터 소재 및 그의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 밀도 구배를 갖는 둘 이상의 층으로 이루어지고, 공기 유입구측에 하나 이상의 스펀본드 부직포 섬유층과 유체의 출구측에 최종층으로서 여과지층 또는 멜트블로운층, 특히 용융 온도가 다른 2개 이상의 성분으로 이루어진 멜트블로운층을 라미네이션시킨 공기정화용 필터 여재 및 그의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 명세서 사용된 용어 "최종층(final layer)"은 공기 유입구측(air-inlet side 또는 pre-layer)의 층을 일반적으로 외층(out layer) 또는 외재층이라고 할 때, 공기가 필터를 통하여 바깥으로 나가는 층을 의미하고, 이는 섬유의 밀도가 매우 높은 층이라는 의미에서 "Fine Layer"로 부르기도 하며, 당해 기술 분야에서 내층(air-outlet) 또는 내재층이라고 부르기도 한다. 여기서, 필요에 따라 최종층에 유체 출구측으로 지지체 층이 첨가되는 경우 이를 후단층 또는 지지체층이라고 하며, 이것을 최종층이라고 부르지는 않음에 유의해야 한다.
위와 같은 본 발명의 여재는 종래의 효능상의 단점을 극복한 라미네이션 여재로서 비교적 큰 섬유 직경과 고른 분포도를 가지며, 섬유간 결합력이 우수한 스펀본드 부직포를 사용함으로써 열안정성 및 고유량에서 통기성이 우수하며 먼지 포집량 및 효율이 우수한 장점이 있다.
본 발명의 상기 목적을 달성하기 위하여 유체의 유입구측(pre-layer)에 하나 이상의 스펀본드 부직포 섬유층이 배치되고, 최종층(fine layer)으로 여과지 또는 멜트블로운, 특히 용융 온도가 상이한 이형 멜트블로운이 배치된다.
본 발명에 따른 여재는 공기 유입층에 하나 이상의 외층(pre-layer 또는 air-inlet layer)을 포함하며, 상기 외층은 스펀본드 부직포로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 외층(pre-layer)에 사용된 스펀본드 부직포의 물성은 요구하는 성능에 따라 다르지만 내연기관용의 경우 중량이 10 ~ 250 g/㎡의 범위이고, 통기도는 30 ~ 1500 cfm (125 Pa의 압력 및 20 ㎠의 면적에서)이며, 섬유경은 1 ~ 50 ㎛이며, 기공 크기가 10 ㎛ 이상이며, 하나 또는 하나 이상의 다층 구조로 형성하는 것이 바람직하다.
외층을 이루는 스펀본드 부직포의 재질은 폴리에스테르, 아크릴, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 비스코스레이온, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 나일론, 폴리페닐렌설파이드, 폴리카아보네이트 또는 폴리에스터글리콜 단독 또는 이들의 혼합 섬유로 이루어진 군 중에서 선택된 것을 사용할 수 있으며, 두개 이상 혼합하여 방사하거나 바이-콤포넌트(bi-component)(side by side, sheath/core, 또는 분할사) 형태로 방사하여 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 여재 는 최종층으로서 여과지 또는 멜트블로운, 특히 융점이 상이한 이형성분으로 이루어진 멜트블로운을 포함한다. 또한 상기 외층은 밀도 구배를 갖는 것이 바람직한데, 본 발명의 스펀본드 부직포에 밀도구배를 가지기 위해서 사용되는 부직포는 니들펀칭, 케미컬 본드, 써멀본드, 스펀본드, 또는 벌키 멜트블로운을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
최종층에 사용된 여과지 또는 멜트블로운 중, 특히 멜트블로운(바람직하게는 용융점이 상이한 2개 이상의 성분으로 구성된 여재)의 물성은 전체 여재 중량 대비 약 5 ~ 40 wt%로 구성되는 것이 바람직하고, 20 ~ 150 ㎛ 범위의 기공 크기, 10 ~ 350 g/㎡ 범위의 중량, 10 ~ 800 cfm(125 Pa의 압력에서) 범위의 공기투과도, 및 0.5 ~ 30 ㎛ 범위의 섬유경을 갖는 것이 바람직하다.
상기 여과지는 3 ~ 80 ㎛ 범위의 기공 크기, 30 ~ 350 g/㎡ 범위의 중량, 3 ~ 150 cfm(125 Pa의 압력에서) 범위의 공기투과도, 및 5 ~ 50 ㎛ 범위의 섬유경을 갖는 여재로서 셀룰로오스 섬유 단독 또는 합성 섬유로 이루어진 것이 바람직하고, 합성 섬유는 이에 한정되는 것은 아니나 PET 또는 PVA 등을 포함한다.
상기 최종층의 멜트블로운 부직포는 통상의 멜트블로운 중에서 선택될 수 있으며, 특히 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 나일론, 폴리페닐렌설파이드, 폴리카아보네이트(PC), 및 폴리에스터 글리콜(PETG)로 이루어진 군 중에서 선택된 두개 이상 혼합하여 방사하거나 바이-콤포넌트(bi-component)(side by side, sheath/core, 또는 분할사) 형태로 방사하여 이형 융점 섬유로 구성할 수 있으며, 예를 들면, 저융점 PET-고융점 PET, 저융점PET-고융점 PBT, 저융점 나일론-고융점나일론, PBT-나일론 등을 포함한다.
상기 각 섬유층을 라미네이션하는 방법은 초음파 융착 또는 폴리아마이드, 폴리에스터, 폴리우레탄, 습기경화형 폴리우레탄과 같은 내열성 핫멜트(Hot-Melt)로 접착하는 방법을 사용하는 것이 바람직하고, 접착성을 더욱 증대하기 위하여 상기 방법 중 두 가지 이상을 혼용하여 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 여재의 각 층은 니들펀칭법, 저융점 수지 또는 수용성 수지를 이용한 접착법을 단독으로 또는 병행 사용하여 접착을 수행할 수도 있다. 또한 접착이 더욱 용이하도록 후공정에 열처리 공정을 사용하는 것이 바람직하다. 열처리에 의한 접착 공정은 멜트블로운 웹을 휴징 오븐(Fusing oven), 벨트 프레스(Belt press), 카렌더(Calender) 또는 열풍(Hot air) 등으로 100~300 ℃의 열처리를 이용하면 멜트블로운 층에 존재하는 저융점 수지가 용융되어 접착된다. 이때 열처리의 결과로 용융점이 다른 이형 폴리머 섬유는 열에 의해 꼬임 및 뒤틀림이 발생하여, 기존 여재보다 기공도가 향상되어 필터 효율 및 수명 모두 증대되는 효과가 창출된다. 더욱이, 상기 방식에 의하면 각 부직포 층을 라미네이션하기 위한 공정이 단순화되고 라미네이션 중에 발생하는 부차적인 문제를 개선할 수 있다. 종래 니들 펀칭에 의해 접착한 여재는 니들에 의해 여재에 구멍이 발생하여 필터 성능을 저해하게 되었으나, 본 발명의 방식에 의해 니들 펀칭후 열처리 공정을 수행하면 니들에 의해 발생된 구멍이 용융된 섬유에 의해 어느 정도 회복되게 되며, 이 과정에서 별도의 접착 수지가 필요없고, 멜트블로운이 접착 기능을 수행하게 된다. 물론, 접착력을 더욱 극대화하기 위해 핫멜트와 같은 케미컬 수지를 필요에 따라 사용할 수도 있다.
본 발명에 따른 여재는, 필요에 따라서, 상기 멜트블로운층의 후단에 지지체를 포함하는 것이 더욱 바람직할 수 있다. 상기 지지체는 통상의 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 150 ~ 500 g/㎡, 기공 크기(pore size)가 10 ~ 100 ㎛, 통기도는 10 ~150 cfm(125 Pa의 압력에서)인 것이 가장 바람직하다.
본 발명은 추가의 일면에 있어서 상기한 바와 같은 여재의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 여재의 제조 방법은, 그 일례를 도 1과 도 2에 간략히 나타낸 바와 같이, 통상의 제조 방법의 결합에 의해 제조할 수 있다. 이와 같은 다층 여재의 제조의 실시형태에 있어서, 도 3~5에 그 예를 나타낸 바와 같이, 여과지층 또는 멜트블로운층이 최종층으로 적용되고 여기에 하나 이상의 스펀본드 부직포를 외층 및(또는) 지지체층을 결합하는 제조 방법을 채용할 수 있으며, 외층은 스펀본드 단독의 부직포 또는 부직포와 스펀본드 부직포가 결합된 형태를 취할 수 있다.
더욱 구체적으로, 본 발명에 따른 스펀본드 부직포와 여과지로 이루어진 여 재를 제조하는 방법은
a) 적어도 하나의 스펀본드 부직포와 여과지를 권회롤로부터 각각 이송하는 단계,
b) 필요에 따라, 상기 스펀본드 부직포, 및(또는) 여과지 층에 접착제(Hot-melt 또는 수용성 바인더)를 스프레이 방사하거나 도트형(Dot type) 도포하는 단계,
c) 접착제가 도포된 여재와 다른 여재를 텐션롤에 의해 라미네이션시키는 단계,
d) 초음파 융착에 의해 융착하는 단계 및
e) 융착에 의해 접착된 여재를 권취하는 단계
를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 스펀본드 부직포와 멜트블로운(바람직하게는 이형성분으로 이루어진 멜트블로운) 여과지로 이루어진 여재를 제조하는 방법은
a) 적어도 하나의 스펀본드 부직포와 멜트블로운을 권회롤로부터 각각 이송하는 단계,
b) 필요에 따라, 상기 스펀본드 부직포, 멜트블로운 층에 접착제(Hot-melt 또는 수용성 바인더)를 스프레이 방사하거나 도트형(Dot type) 도포하는 단계 및 접착제가 도포된 여재와 다른 여재를 텐션롤에 의해 라미네이션시키는 단계,
c) 필요에 따라, 상기 스펀본드 부직포 또는 멜트블로운 층을 적층한 후 다수의 니들(Needle)에 의해 웹을 결합하는 단계(니들 펀칭 부직포 결합법)
d) 라미네이션된 여재를 100-300 ℃의 휴징 오븐(Fusing oven), 벨트 프레스(Belt press), 카렌더(Calender) 또는 열풍(Hot air)에 의해 융착하는 단계, 및
e) 접착된 여재를 권취하는 단계
를 포함한다.
종래의 카렌다, 퓨징오븐 또는 벨트프레스 등을 이용하여 결합할 경우 외층의 접착면에 저융점 섬유가 다량으로 사용되고 열처리 온도가 매우 높다는 문제점이 있었으나, 위와 같은 방식으로 공기정화용 필터 여재를 제조할 경우, 멜트블로운에서 저융점 수지가 극세 섬유 형태로 배열됨에 따라 낮은 온도에서 접착이 가능하며, 외층에 저융점 섬유의 사용이 최소될 수 있다. 또한 별도의 접착제의 사용이 불필요함에 따라 생산성 및 비용 절감 등의 효과가 있다.
또한, 종래 니들 펀칭법을 사용할 때 필터 효율에 치명적인 단점인 섬유의 파단이 일어났으나, 상기의 방법에 있어서, 접착력을 높이기 위해 니들 펀칭법을 병행하는 경우에는 후가공에서 결합후 카렌다, 퓨징오븐 또는 벨트프레스법을 병행하여 파단의 복원이 가능하며, 저융점 멜트블로운이 용융되어 부직포 층과의 결합력이 증대된다. 또한 고융점 섬유가 포함되어 있으므로 섬유의 필름화에 따른 기공막힘 등이 최소화 되며 멜트블로운의 제조시 배합 비율에 따라 결합력 및 기공도를 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 여재는 절곡이 가능하다. 따라서, 절곡 공정은 상기와 같이 멜트블로운 여재를 사용하고자 하는 형상에 적합하게 절곡하고, 해당 크기 별로 절단하며, 통상의 방식으로 소정의 온도에서 소정의 시간 동안 경화하는 순서로 이루 어진다. 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 엘리멘트를 제공한다. 상기 필터 엘리멘트는 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.
최종적으로 제조된 복합 여재의 전체 중량은 150 ~ 500 g/㎡, 기공 크기(pore size)가 10 ~ 100 ㎛, 통기도는 10 ~150 cfm(125 Pa의 압력에서)인 것이 가장 바람직하다.
<실시예>
이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나 이들은 단지 예시적인 것이며, 본원 발명을 이들에 한정하고자 의도한 것은 아니다.
아래의 원료비를 이용하여 각 접착방법을 다르게 수행한 후 나온 여재에 대한 성능을 아래에 표기하였다. 시험 방법에 사용된 Dust는 AC fine을 사용했으며 시험유량은 25 ㎥/min, 여과 면적은 176.6 ㎠, 먼지투입량 0.5g/2min의 방법으로 종기압력손실 400 mmAq까지 측정하였다.
또한 탄소 포집성능의 측정하기위해 여과면적 : 216㎠, 유량 : 1.6㎥/min, 종료조건 : 초기압력 + 300mmAq 증가할 때까지, 알코올 램프 불꽃 크기 : 15 cm, 여과지와 알콜램프까지의 거리 : 440 cm 의 조건을 사용하였다.
실시예 1 ~ 5 및 비교예 1 및 2
다음의 표 1에 나타낸 바와 같이 여과지는 기존 자동차에서 사용되는 목재 펄프로 이루어진 것을 사용하여 일반적인 여과지 제조방법인 해리-고해-초지-건조-함침 등의 공정으로 제조하였다. 또한 멜트블로운과 여과지를 초음파에 의해 합지한 여재의 물성을 나타내었으며, 다양한 중량의 스펀본드에 대한 물성과 통상의 방식에 의해 제조된 멜트블로운(융점이 상이한 2개 이상의 성분으로 구성된 멜트블로운)의 물성을 나타내었다. 또한 카딩-니들 펀칭-카렌더링-권취 방식으로 제조한 니들펀칭 여재에 대한 물성도 나타내었다.
사용 여재 성분의 물성
중량 (g/m2) 두께 (mm) 섬유직경 (㎛) 통기도 (cfm,125Pa) 여재 재질
여과지 125 0.59 >10 90 Cellulose
Meltblown + 여과지 150 0.73 - 88 PBT+Cellulose
스펀본드 1 15 0.08 9-30 3400 PET
스펀본드 2 25 0.11 9-30 1200 PET
스펀본드 3 40 0.17 9-30 900 PET
멜트블로운 50 0.38 >1㎛ 250 PBT(IV 0.8) 50% PET(IV 0.8) 50%
니들펀치부직포 200 2.23 300 PET/VR
위 약어 중, PET는 폴리에틸렌테레프탈레이트 [Poly(Ethylene Terephthalate)], PBT는 폴리부틸렌테레프탈레이트 [Poly(Butylene Terephthalate)], VR은 비스코스 레이온을 나타낸다.
상기 표 1에 나타낸 바의 각각의 여재를 초음파, 핫멜트(Hot-melt) 또는 니들펀칭후 열처리하는 통상의 방법으로 라미네이션하고 이들 여재들의 성능을 비교하였다. 또한 이들과 라미네이션 하지 않은 여과지 단독의 여재 및 여과지와 멜트블로운이 라미네이션된 여재와 성능을 비교하고 그 결과를 표 2 및 표 3에 나타내었다.
최종층을 여과지로 적용한 여재의 물성 비교
통기도 (cfm) 먼지포집초기효율 (%) 먼지포집종기효율 (%) 먼지포집수명 (min) 탄소 포집량 (mg) 탄소 포집효율 (%)
비교예 1 여과지 95 99.14 99.75 6 17.6 95.14
비교예 2 멜트블로운 + 여과지 88 99.21 99.79 12 22.5 95.22
실시예 1 스펀본드 1 +여과지 93.2 99.19 99.77 10분 18.4 95.23
실시예 2 스펀본드 1 +스펀본드 2 + 여과지 90 99.27 99.89 16분 24.8 96.1
실시예 3 스펀본드 3 + 여과지 89 98.25 99.84 14분 23.9 95.7
상기 표에 나타낸 바와 같이, 비교예 1 및 2와 실시예 1의 여과지의 물성을 비교해보면, 동일 여과지에 15 g/m2 스펀본드 부직포를 초음파 융착법에 의해 라미네이션한 실시예 1의 여재는 먼지 포집 효과의 효율면에서 거의 동등한 수준을 나타내지만 포집량 즉, 수명에서 월등한 증가가 나타났다. 비교예 2의 멜트블로운 여재와 비교하여 수명이 약간 짧은 것은 중량차에 의한 것으로 판단된다. 또한 탄소포집효과에서도 포집량이 월등히 증가한 것을 알 수 있다.
또한 실시예 1 ~3의 여재를 비교해보면, 스펀본드의 중량을 15 g/m2에서 40 g/m2 으로 증대한 여재가 먼지 및 탄소 포집효과 모두 매우 뛰어난 것을 알 수 있으며, 동일 중량의 스펀본드 여재를 층구조를 적용한 실시예 2가 더 뛰어난 성능을 나타내었다. 즉 스펀본드 부직포가 외층에 멜트블로운 부직포를 적용한 여재와 같이 여과지의 외층에 프리필터로 사용될 수 있으며 가격 경쟁력, 작업성 및 후가공성을 고려할 때 그 효과가 멜트블로운을 외층에 적용한 것보다 더 뛰어난 것으로 판단된다.
이어서, 스펀본드와 멜트블로운을 니들펀치-열카렌다-권취의 공정, 즉 니들펀치법에 의해 라미네이션한 후 열카렌다법을 이용하여 멜트블로운을 표면처리하는 공정으로 여재를 제조하고(실시예 4), 카딩-니들 펀칭-카렌더링-권취의 공정을 수행하는 니들펀치 부직포를 제작할 때 스펀본드와 멜트블로운을 니들펀칭 전단에 삽입하여 여재를 제조하고(실시예 5) 각각의 필터 성능을 표 3에 나타내었다. 다음의 표 3은 최종층으로 멜트블로운을 적용한 여재의 물성 비교하고 그 결과를 나타낸 것이다.
통기도 (cfm) 먼지포집초기효율 (%) 먼지포집종기효율 (%) 먼지포집수명 (min) 탄소 포집량 (mg) 탄소 포집효율 (%)
실시예 4 스펀본드 3 +멜트블로운 87 98.95 99.41 12분 18.4 95.93
실시예 5 스펀본드 3 + 니들펀치 부직포 + 멜트블로운 87 98.92 99.35 26분 94.2 96.18
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 최종층에 멜트블로운을 사용한 실시예 4의 여재를 최종층에 여과지를 사용한 실시예 3의 여재와 비교해보면, 먼지 및 탄소에 대한 필터성능이 여과지를 사용한 실시예 3이 더 우수한 것으로 나타났다. 그러나 이는 최종층에 사용된 여과지와 멜트블로운의 중량차에 기인한 것으로 판단된다. 200 g/m2니들펀치 부직포를 적용한 실시예 5의 여재와 실시예 3의 것을 비교하면 실시예 5의 경우가 먼지포집에 대한 수명 뿐만 아니라 탄소 포집효과가 월등히 증가되었음을 알 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 필터 여재는 여과지 단독으로 사용할 때의 문제점인 수명(포집량) 저하를 개선할 수 있으며, 부직포 필터의 문제점인 효율을 증대할 수 있다. 또한 열안정성이 높은 스펀본드 부직포를 사용함으로써 기존 라미네이션 여재의 단점인 열 안정성이 매우 우수하며, 후가공성 뿐 만 아니라, 여재 제조 공정 중 수반되는 라미네이션 작업성 및 접착성 그리고 필터 효율이 향상된 여재이다. 또한 최근 내연기관 시스템의 전자동화로 센서의 오작동을 초래하는 탄소 포집성능이 매우 우수하여 내연기관과 특히 하이브리드 자동차에 주로 적용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 밀도 구배를 갖는 둘 이상의 층으로 이루어지고, 공기 유입구측에 하나 이상의 스펀본드 부직포 섬유층과 공기 출구측에 최종층으로서 여과지층 또는 멜트블로운층을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기정화용 필터 여재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스펀본드 부직포 섬유층은 10 ~ 250 g/㎡의 중량, 30 ~ 1500 cfm (125 Pa의 압력 및 20 ㎠의 면적에서)의 통기도, 1 ~ 50 ㎛의 섬유경을 가지며, 기공 크기가 10 ㎛ 이상인 것인 공기정화용 필터 여재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스펀본드 부직포 섬유층은 폴리에스테르, 아크릴, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 비스코스레이온, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 나일론, 폴리페닐렌설파이드, 폴리카아보네이트 및 폴리에스터글리콜로 이루어진 군 중에서 선택된 2가지 이상의 수지를 혼합하여 방사하거나 바이-콤포넌트(bi-component) 형태로 방사한 것인 공기정화용 필터 여재.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 멜트블로운층은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 나일론, 폴리페닐렌설파이드, 폴리카아보네이트, 및 폴리에스터 글리콜로 이루어진 군 중에서 선택된 2가지 이상의 수지를 혼합하여 방사하거나 바이컴포넌트 형태로 방사한 것인 공기정화용 필터 여재.
  5. 제1항에 있어서, 상기 멜트블로운층은 20 ~ 150 ㎛ 범위의 기공 크기, 10 ~ 350 g/㎡ 범위의 중량, 10 ~ 800 cfm(125 Pa의 압력에서) 범위의 공기투과도, 및 0.5 ~ 30 ㎛ 범위의 섬유경을 갖는 것인 공기정화용 필터 여재.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 여과지층은 3 ~ 80 ㎛ 범위의 기공 크기, 30 ~ 350 g/㎡ 범위의 중량, 3 ~ 150 cfm(125 Pa의 압력에서) 범위의 공기투과도, 및 5 ~ 50 ㎛ 범위의 섬유경을 갖는 여재로서 셀룰로오스 섬유 단독 또는 합성섬유로 이루어진 것인 정화용 필터 여재.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 추가로 상기 멜트블로운층의 후단에 지지체를 포함하는 것인 필터 여재.
  10. 제1항에 따른 여재를 절곡시켜 제조된 것을 특징으로 하는 필터 엘리멘트.
  11. a) 적어도 하나의 스펀본드 부직포와 여과지를 권회롤로부터 각각 이송하는 단계,
    b) 상기 스펀본드 부직포, 여과지 층에 접착제를 스프레이 방사하거나 도트형(Dot type) 도포하는 단계,
    c) 접착제가 도포된 여재와 다른 여재를 텐션롤에 의해 라미네이션시키는 단계,
    d) 초음파 융착에 의해 융착하는 단계 및
    e) 융착에 의해 접착된 여재를 권취하는 단계
    를 포함하는 공기 정화용 필터 여재의 제조 방법.
  12. a) 적어도 하나의 스펀본드 부직포와 멜트블로운을 권회롤로부터 각각 이송하는 단계,
    b) 상기 스펀본드 부직포, 멜트블로운 층에 접착제(Hot-melt 또는 수용성 바인더)를 스프레이 방사하거나 도트형(Dot type) 도포하는 단계 및 접착제가 도포된 여재와 다른 여재를 텐션롤에 의해 라미네이션시키는 단계,
    c) 상기 스펀본드 부직포 또는 멜트블로운 층을 적층한 후 다수의 니들(Needle)에 의해 웹을 결합하는 단계,
    d) 라미네이션된 여재를 100-300 ℃의 휴징 오븐(Fusing oven), 벨트 프레스(Belt press), 카렌더(Calender) 또는 열풍(Hot air)에 의해 융착하는 단계, 및
    e) 접착된 여재를 권취하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기정화용 여재의 제조 방법.
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