KR101367509B1 - 흡음 특성을 갖는 다층 용품과 이의 제조 및 사용 방법 - Google Patents

흡음 특성을 갖는 다층 용품과 이의 제조 및 사용 방법 Download PDF

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데이빗 에이. 올슨
에릭 엠. 무어
마이클 알. 베리건
데이빗 엘. 넬슨
브래들리 더블유. 이튼
웨인 에스. 마호니
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Abstract

흡음 특성을 갖는 다층 용품이 개시된다. 다층 용품의 제조 및 사용 방법이 또한 개시된다.
흡음, 다층 용품, 서브-미크론, 섬유층, 중합체, 섬유

Description

흡음 특성을 갖는 다층 용품과 이의 제조 및 사용 방법{MULTILAYER ARTICLES HAVING ACOUSTICAL ABSORBANCE PROPERTIES AND METHODS OF MAKING AND USING THE SAME}
우선권 주장
본 출원은 35 U.S.C. § 111(b)(1)에 따라 2005년 10월 19일자로 출원되고 전체 내용이 본 명세서에 참고로 포함된 미국 가특허출원 제60/728,230호에 대한 우선권을 35 U.S.C. § 119(e)(1)에 의해서 주장한다.
본 발명은 흡음 특성을 갖는 다층 용품과, 그러한 다층 용품의 제조 및 사용 방법에 관한 것이다.
당업계에서는 흡음 특성을 포함하는 음향(acoustical) 특성을 제공하는 용품을 계속적으로 필요로 하고 있다.
발명의 개요
본 발명은 흡음 특성을 포함하는 음향 특성을 제공하는 다층 용품에 관한 것이다. 본 발명의 예시적인 일 실시 형태에 따르면, 다층 용품은 지지층 및 지지층 상의 서브-미크론 섬유층 - 여기서, 서브-미크론 섬유층은 평균 섬유 직경이 1 미크론(㎛) 미만인 중합체 섬유를 포함함 - 을 포함한다.
본 발명은 또한 흡음 특성을 포함하는 음향 특성을 제공하는 다층 용품의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 예시적인 실시 형태에서, 본 방법은 (i) 평균 섬유 직경이 1 미크론(㎛) 미만인 복수의 섬유를 형성하는 단계; 및 (ii) 기재 상에 서브-미크론 섬유층이 형성되도록 복수의 섬유를 기재 상에 침착시키는 단계를 포함한다. 기재는 서브-미크론 섬유층을 위한 일시적 또는 영구적 지지층일 수 있다. 본 방법은 점-접합(point-bonding) 단계와 같은 추가 단계를 더 포함할 수도 있으며, 여기서 서브-미크론 섬유층은 지지층과 같은 기재에 추가로 접합된다.
본 발명은 더 나아가 다층 용품을 사용하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 예시적인 일 실시 형태에서, 본 방법은 일정 영역에서 흡음하는 방법을 포함하며, 여기서 본 방법은 상기 영역의 적어도 일부분을 서브-미크론 섬유층 - 여기서, 서브-미크론 섬유층은 평균 섬유 직경이 1 미크론(㎛) 미만인 섬유를 포함함 - 으로 둘러싸는 단계를 포함한다.
본 발명의 이들 특징 및 다른 특징과 이점들이 하기 개시된 실시 형태들의 상세한 설명 및 첨부된 청구의 범위를 검토한 후에 명백해질 것이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 추가로 설명된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 다층 용품의 도면.
도 2는 본 발명의 예시적인 다층 용품에 있어서 주파수에 대한 흡음 계수를 도시한 그래프.
도 3은 본 발명의 예시적인 다층 용품에 있어서 주파수에 대한 흡음 계수를 도시한 그래프.
도 4는 본 발명의 예시적인 다층 용품에 있어서 주파수에 대한 흡음 계수를 도시한 그래프.
도 5는 본 발명의 예시적인 다층 용품에 있어서 주파수에 대한 흡음 계수를 도시한 그래프.
도 6은 본 발명의 예시적인 다층 용품에 있어서 주파수에 대한 흡음 계수를 도시한 그래프.
도 7은 본 발명의 예시적인 다층 용품에 있어서 주파수에 대한 흡음 계수를 도시한 그래프.
본 발명은 흡음 특성 및 방음벽(sound barrier) 특성을 포함하나 이로 한정되지는 않는 음향 특성을 제공하는 다층 용품에 관한 것이다. 본 다층 용품(1)은 탁월한 흡음 특성을 가지며; (2) 다양한 응용에서의 사용을 가능하게 하는 구조적 특징부를 가지고; (3) 비용 효과가 큰 방식으로 제조될 수 있다. 본 발명은 또한 다층 용품을 제조하는 방법과, 다양한 흡음 응용에서 다층 용품을 사용하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 예시적인 다층 용품이 도 1에 도시되어 있다. 도 1의 예시적인 다층 용품(10)은 지지층(12) 상의 서브-미크론 섬유층(11)을 포함한다. 서브-미크론 섬유층(11)은 하나 이상의 추가층(도시하지 않음)으로 적어도 부분적으로 덮인 상부면(13)을 가진다. 게다가, 지지층(12)은 하기에 설명한 것과 같은 추가층들 및/또는 구성요소들(도시하지 않음)이 부착될 수 있는, 서브-미크론 섬유층(11)의 반대쪽의 하부면(14)을 가진다.
I. 다층 용품
본 발명의 다층 용품은 주어진 기재 및/또는 영역에 음향 특성을 제공하도록 설계된다. 본 발명의 다층 용품에 사용 가능한 구성요소들에 대한 설명과, 얻어지는 다층 용품의 특성이 하기에 제공된다.
본 발명의 다층 용품은 하나 이상의 하기 구성요소들을 포함할 수 있다.
A. 다층 용품 구성요소
본 발명의 다층 용품은 하나 이상의 하기 구성요소들을 포함할 수 있다.
1. 서브-미크론 섬유층
본 발명의 다층 용품은 도 1에 도시된 예시적인 다층 용품(10)의 서브-미크론 섬유층(11)과 같은 서브-미크론 섬유층을 하나 이상 포함한다. 각각의 서브-미크론 섬유층은 중합체 섬유를 포함하며, 이 중합체 섬유는 평균 섬유 직경이 1 미크론(㎛) 미만이다. 몇몇 예시적인 실시 형태에서, 서브-미크론 섬유층은 중합체 섬유를 포함하며, 이 중합체 섬유는 평균 섬유 직경이 약 0.3 ㎛ 내지 약 0.9 ㎛ 범위이다. 다른 예시적인 실시 형태에서, 서브-미크론 섬유층은 중합체 섬유를 포함하며, 이 중합체 섬유는 평균 섬유 직경이 약 0.5 ㎛ 내지 약 0.7 ㎛ 범위이다.
본 발명에서, 주어진 서브-미크론 섬유층 내 섬유의 "평균 섬유 직경"은 주사 전자 현미경을 사용하는 것과 같이 섬유 구조의 하나 이상의 이미지를 제공하고; 하나 이상의 이미지에서 명료하게 보이는 섬유의 섬유 직경을 측정하여 총 섬유 직경 수인 x를 얻고; x개의 섬유 직경들의 평균 섬유 직경을 계산하여 결정된다. 전형적으로, x는 약 50보다 크고, 바람직하게는 약 50 내지 약 200의 범위이다.
서브-미크론 섬유층의 섬유는 하나 이상의 중합체 재료를 포함할 수 있다. 적합한 중합체 재료는 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌과 같은 폴리올레핀; 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리부틸렌 테레프탈레이트와 같은 폴리에스테르; 폴리아미드(나일론-6 및 나일론-6,6); 폴리우레탄; 폴리부텐; 폴리락트산; 폴리비닐 알코올; 폴리페닐렌 설파이드; 폴리설폰; 액정 중합체; 폴리에틸렌-코-비닐 아세테이트; 폴리아크릴로니트릴; 사이클릭 폴리올레핀; 또는 그 조합을 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 예시적인 일 실시 형태에서, 서브-미크론 섬유층은 복수의 섬유를 포함하며, 여기서 섬유는 폴리프로필렌 섬유를 포함한다.
서브-미크론 섬유층은 상기한 중합체 또는 공중합체 중 임의의 하나를 포함하는 단일 성분 섬유를 포함할 수 있다. 이러한 실시 형태에서, 단일 성분 섬유는 하기에 설명한 것과 같은 첨가제를 포함할 수도 있으나, 상기에 설명한 중합체 재료로부터 선택된 단일 섬유-형성 재료를 포함할 수도 있다. 게다가, 이러한 실시 형태에서, 단일 성분 섬유는 전형적으로 적어도 75 중량%의 상기에 설명한 중합체 재료 중 임의의 하나를 25중량% 이하의 하나 이상의 첨가제와 함께 포함한다. 바람직하게는, 단일 성분 섬유는 상기에 설명한 중합체 재료 중 임의의 하나를 적어도 80 중량%, 더욱 바람직하게는 적어도 85 중량%, 적어도 90 중량%, 적어도 95 중량%, 및 100 중량%만큼 많이 포함하며, 여기서 모든 중량은 섬유의 총 중량을 기준으로 한다.
서브-미크론 섬유층은 (1) 2종 이상의 상기에 설명한 중합체 재료 및 (2) 하나 이상의 하기에 설명한 첨가제로부터 형성된 다성분 섬유를 또한 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "다성분 섬유(multi-component fiber)"는 2종 이상의 중합체 재료로부터 형성된 섬유를 칭하기 위하여 사용된다. 적합한 다성분 섬유 배열은 외피-코어(sheath-core) 배열, 나란한 배열, 또는 "해도형(islands-in-the-sea)" 배열을 포함하지만 이로 한정되지 않는다.
다성분 섬유로부터 형성된 서브-미크론 섬유층에 있어서, 바람직하게는 다성분 섬유는 섬유의 총 중량을 기준으로 (1) 2종 이상의 상기에 설명한 중합체 약 75 내지 99 중량% 및 (2) 하나 이상의 추가의 섬유-형성 재료 약 25 내지 약 1 중량%를 포함한다.
각각의 서브-미크론 섬유층은 용품의 특정한 최종 용도에 따라 달라지는 평량을 가질 수도 있다. 전형적으로, 각각의 서브-미크론 섬유층은 제곱미터 당 약 1000 그램(1000 gsm(grams per square meter)) 미만의 평량을 가진다. 몇몇 실시 형태에서, 각각의 서브-미크론 섬유층은 약 1.0 gsm 내지 약 500 gsm의 평량을 가진다. 다른 실시 형태에서, 각각의 서브-미크론 섬유층은 약 10 gsm 내지 약 150 gsm의 평량을 가진다.
평량에서와 같이, 각각의 서브-미크론 섬유층은 용품의 특정한 최종 용도에 따라 달라지는 두께를 가질 수 있다. 전형적으로, 각각의 서브-미크론 섬유층은 약 150 밀리미터(㎜) 미만의 두께를 가진다. 특정 실시 형태에서, 각각의 서브-미크론 섬유층은 약 0.1 ㎜ 내지 약 200 ㎜의 두께를 가진다. 몇몇 실시 형태에서, 각각의 서브-미크론 섬유층은 약 0.5 ㎜ 내지 약 100 ㎜의 두께를 가진다. 다른 실시 형태에서, 각각의 서브-미크론 섬유층은 약 1.0 ㎜ 내지 약 50 ㎜의 두께를 가진다.
대부분의 실시 형태에서, 서브-미크론 섬유층 내의 섬유는 층 내에 사실상 균일하게 분포된다. 그러나, 서브-미크론 섬유층 내에 섬유가 균일하지 않게 분포되는 것이 바람직한 몇몇 실시 형태가 존재할 수도 있다.
전술한 섬유-형성 재료 외에, 다양한 첨가제가 섬유 용융물에 첨가되고 압출되어 섬유 내에 첨가제가 혼입될 수 있다. 전형적으로, 첨가제의 양은 섬유의 총 중량을 기준으로 약 25 중량% 미만이며, 바람직하게는 약 5.0 중량% 이하이다. 적합한 첨가제는 충전제, 안정제, 가소제, 점착성 부여제(tackifiers), 유동 조절제(flow control agent), 경화 속도 지연제, 점착 촉진제(예를 들어, 실란 및 티타네이트), 보조제, 충격 보강제(impact modifier), 팽창성 미소구체, 열전도성 입자, 전기전도성 입자, 실리카, 유리, 점도, 활석, 안료, 착색제, 유리 비드 또는 버블, 산화방지제, 형광증백제(optical brightener), 항미생물제, 계면활성제, 난연제(fire retardant), 및 플루오로중합체를 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 하나 이상의 상기에 설명한 첨가제는 얻어지는 섬유 및 층의 중량 및/또는 비용을 감소시키거나, 점도를 조정하거나, 섬유의 열적 특성을 변경하거나, 또는 전기적 특성, 광학적 특성, 밀도-관련 특성, 액체 장벽(liquid barrier) 특성 또는 점착 점성(adhesive tack) 관련 특성을 포함하는 첨가제의 물리적 특성 상의 활성으로부터 유래되는 일련의 물리적 특성을 부여하는 데 사용될 수 있다.
2. 지지층
본 발명의 다층 용품은 도 1에 도시된 예시적인 다층 용품(10)의 지지층(12)과 같은 지지층을 추가로 포함할 수도 있다. 존재할 때, 지지층은 다층 용품의 강도의 대부분을 제공한다. 몇몇 실시 형태에서, 상기에 설명한 서브-미크론 섬유층은 매우 낮은 강도를 가지는 경향이 있어, 통상적인 취급 동안 손상될 수 있다. 서브-미크론 섬유층을 지지층에 부착하면, 서브-미크론 섬유층의 음향 특성을 유지하면서 서브-미크론 섬유층에 강도가 더해진다. 다층 구조는 또한 롤 형태로 감기, 롤로부터 제거하기, 성형, 주름잡기(pleating), 접기, 스테이플링(stapling) 및 직조(weaving)를 포함할 수 있으나 이로 한정되지는 않는 추가 처리에 충분한 강도를 제공한다.
다양한 지지층이 본 발명에 사용될 수 있다. 적합한 지지층은 부직 천, 직조 천, 편직 천, 폼 층(foam layer), 필름, 종이층, 접착제 배킹된 층(adhesive-backed layer), 포일, 메쉬, 탄성 천(elastic fabric)(즉, 탄성 특성을 가지는 상기에 설명한 임의의 직조, 편직 또는 부직 천), 천공 웨브(apertured web), 또는 이들의 임의의 조합을 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 예시적인 일 실시 형태에서, 지지층은 부직 천을 포함한다. 적합한 부직 천은 스펀-본디드 천(spun-bonded fabric), 멜트-블로운 천(melt-blown fabric), 스테이플 길이 섬유(staple length fiber)(즉, 약 100 ㎜ 미만의 섬유 길이를 가지는 섬유)의 카딩된 웨브(carded web), 니들-펀치드 천(needle-punched fabric), 스플릿 필름 웨브(split film web), 하이드로-인탱글드 웨브(hydro-entangled web), 에어레이드 스테이플 섬유 웨브(airlaid staple fiber web) 또는 그 조합을 포함하지만 이로 한정되지 않는다.
지지층은 다층 용품의 특정한 최종 용도에 따라 달라지는 평량 및 두께를 가질 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시 형태에서, 다층 용품의 전체 평량 및/또는 두께는 최소 수준으로 유지되는 것이 바람직하다. 다른 실시 형태에서, 최소 전체 평량 및/또는 두께가 주어진 응용에 필요할 수 있다. 예시적인 실시 형태에서, 지지층은 약 1 gsm(gram per square meter) 내지 약 200 gsm의 평량을 가질 수 있다. 전형적으로, 지지층은 약 100 gsm 미만의 평량을 가진다 몇몇 실시 형태에서, 지지층은 약 5.0 gsm 내지 약 75 gsm의 평량을 가진다. 다른 실시 형태에서, 지지층은 약 10 gsm 내지 약 50 gsm의 평량을 가진다.
평량에서와 같이, 지지층은 다층 용품의 특정한 최종 용도에 따라 달라지는 두께를 가질 수 있다. 전형적으로, 지지층은 약 150 밀리미터 ㎜) 미만의 두께를 가진다. 몇몇 실시 형태에서, 지지층은 약 1.0 ㎜내지 약 35 ㎜ 두께를 가진다. 다른 실시 형태에서, 지지층은 약 2.0 ㎜내지 약 25 ㎜ 두께를 가진다.
상기에 설명한 서브-미크론 섬유층은 영구적으로 또는 일시적으로 주어진 지지층에 접합될 수 있다. 본 발명의 대부분의 실시 형태에서, 서브-미크론 섬유층은 영구적으로 지지층에 접합된다(즉, 서브-미크론 섬유층은 영구적으로 접합되게 할 의도로 지지층에 부착된다). 본 발명의 몇몇 실시 형태에서, 상기에 설명한 서브-미크론 섬유층은, 이형 라이너(release liner)와 같이, 일시적으로 지지층에 접합된다(즉, 지지층으로부터 제거 가능함). 이러한 실시 형태에서, 서브-미크론 섬유층은 원하는 길이의 시간 동안 일시적 지지층 상에 지지될 수 있고, 선택적으로 일시적 지지층 상에서 추가로 처리된 후에 제2 지지층에 영구적으로 접합될 수 있다.
본 발명의 예시적인 일 실시 형태에서, 지지층은 폴리프로필렌 섬유를 포함하는 스펀-본디드 천을 포함한다. 본 발명의 추가의 예시적인 실시 형태에서, 지지층은 스테이플 길이 섬유의 카딩된 웨브를 포함하며, 여기서 스테이플 길이 섬유는 (i) 저융점 또는 바인더(binder) 섬유 및 (ii) 고융점 또는 구조 섬유(structural fiber)의 블렌드를 포함한다. 전형적으로, 바인더 섬유와 구조 섬유의 융점 사이의 차이는 10℃보다 클 수도 있지만, 바인더 섬유는 구조 섬유의 융점보다 적어도 10℃ 더 낮은 융점을 가진다. 적합한 바인더 섬유는 임의의 전술한 중합체 섬유를 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 적합한 구조 섬유는 임의의 전술한 중합체 섬유와, 세라믹 섬유, 유리 섬유 및 금속 섬유와 같은 무기 섬유; 및 셀룰로오스 섬유와 같은 유기 섬유를 포함하지만 이로 한정되지 않는다.
원하는 일 실시 형태에서, 지지층은 스테이플 길이 섬유의 카딩된 웨브를 포함하며, 여기서 스테이플 길이 섬유는 (i) 약 20 중량%의 2성분 바인더 섬유(인비스타, 인크.(Invista, Inc.(미국 켄자스주 위치타 소재))로부터 구매가능한 인비스타(Invista) T254 섬유 (12d x 3.81 ㎝(1.5"))")) 및 (ii) 약 80 중량%의 구조 섬유(인비스타 T293 PET 섬유 (32d x 7.62 ㎝(3"))의 블렌드를 포함한다.
상기에 설명한 바와 같이, 지지층은 서로 조합된 하나 이상의 층을 포함할 수도 있다. 예시적인 일 실시 형태에서, 지지층은 부직 천 또는 필름과 같은 제1 층 및 서브-미크론 섬유층 반대쪽의 제1 층 상의 접착제 층을 포함한다. 이러한 실시 형태에서, 접착제 층은 제1 층의 일부 또는 전체 외부 표면을 덮을 수 있다. 접착제는 감압 접착제, 열 활성화성 접착제 등을 포함하는 임의의 공지된 접착제를 포함할 수도 있다. 접착제 층이 감압 접착제를 포함할 때, 다층 용품은 감압 접착제를 일시적으로 보호하는 이형 라이너를 추가로 포함할 수도 있다.
3. 추가층
본 발명의 다층 용품은 서브-미크론 섬유층, 지지층, 또는 이 둘 모두와 조합된 추가층들을 포함할 수도 있다. 하나 이상의 추가층이 서브-미크론 섬유층의 외부 표면(예를 들어, 도 1에 도시된 서브-미크론 섬유층(11)의 외부 표면(13)) 위에, 지지층의 외부 표면 (예를 들어, 도 1에 도시된 지지층(12)의 외부 표면(14)) 위에, 또는 이 둘 모두에 존재할 수 있다.
적합한 추가층은 색함유 층 (예를 들어, 인쇄층); 임의의 상기에 설명한 지지층; 특유한 평균 섬유 직경 및/또는 물리적 구성을 가지는 하나 이상의 추가의 서브-미크론 섬유층; 추가의 절연 성능을 위한 하나 이상의 2차적인 미세 섬유층 (예를 들어, 멜트 블로운 웨브 또는 유리섬유 천); 폼; 입자의 층; 포일 층; 필름; 장식용 천 층; 막 (즉, 투석 막, 역삼투 막 등과 같이 제어된 투과성을 가지는 필름); 망상체(netting); 메쉬; 와이어링(wiring) 및 튜빙(tubing) 네트워크 (즉, 가열 블랭킷(heating blanket)용 와이어링 네트워크 및 냉각 블랭킷을 통한 냉각제 유동용 튜빙 네트워크와 같이, 전기를 전달하는 와이어의 층 또는 다양한 유체를 전달하는 튜브/파이프의 군의 층); 또는 그 조합을 포함하지만 이로 한정되지 않는다.
4. 부착구( Attachment Device )
본 발명의 다층 용품은 다층 용품이 기재에 부착될 수 있게 하는 하나 이상의 부착구를 추가로 포함할 수 있다. 상기에 논의된 바와 같이, 접착제를 사용하여 다층 용품을 부착할 수 있다. 접착제 외에, 다른 부착구를 사용할 수 있다. 적합한 부착구는 나사, 못, 클립, 스테이플, 스티칭, 스레드(thread), 후크 및 루프 재료 등과 같은 임의의 기계적인 체결구를 포함하지만 이로 한정되지 않는다.
하나 이상의 부착구를 사용하여 다층 용품을 다양한 기재에 부착할 수 있다. 예시적인 기재는 차량 구성요소; 차량 내부(즉, 객실, 동력실, 트렁크 등); 건물의 벽(즉, 내부 벽면 또는 외부 벽면); 건물의 천정(즉, 내부 천정 표면 또는 외부 천정 표면); 건물의 벽 또는 천정을 형성하기 위한 건축재(예를 들어, 천정 타일, 목재 구성요소, 석고 보드 등); 실내 격벽; 금속 시트; 유리 기재; 문; 창문; 기계 장치의 구성요소; 기구 구성요소(appliance component)(즉, 기구 내부 표면 또는 기구 외부 표면); 파이프 또는 호스의 표면; 컴퓨터 또는 전자 구성요소; 녹음 또는 재생 장치; 기구용 하우징 또는 케이스, 컴퓨터 등을 포함하지만 이로 한정되지 않는다.
II . 다층 용품의 제조 방법
본 발명은 또한 적어도 하나의 서브-미크론 섬유층을 포함하는 다층 용품의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 형태에서, 다층 용품의 제조 방법은 (i) 평균 섬유 직경이 1 미크론(㎛) 미만인 복수의 섬유를 형성하는 단계; 및 (ii) 지지층 또는 기재 상에 서브-미크론 섬유층이 형성되도록 복수의 섬유를 지지층 또는 기재 상에 침착시키는 단계를 포함한다. 본 방법은 지지층 또는 기재를 평균 섬유 직경이 1 미크론(㎛) 미만인 서브-미크론 섬유의 섬유 스트림(fiber stream)에 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 섬유 스트림을 통과하는 동안, 서브-미크론 섬유가 일시적으로 또는 영구적으로 지지층 또는 기재에 접합되도록 지지층 또는 기재 상에 침착된다. 특정한 처리 조건 하에, 섬유가 지지층 또는 기재 상에 침착될 때, 섬유는 서로에게 접합될 수 있으며, 지지층 또는 기재 상에 있는 동안 추가로 경화될 수도 있다.
예시적인 특정 실시 형태에서, 서브-미크론 섬유의 층은 지지층 상에 얽힐 수도 있다. 임의의 특정 이론에 의해 구애되고자 하는 것은 아니지만, 본 발명자들은 몇몇 실시 형태에서 서브-미크론 섬유의 층과 지지층 사이에 물리적 결합이 존재한다고 여긴다. 몇몇 실시 형태에서, 물리적 결합은 지지체가 추가의 처리 단계 및 취급의 부하를 지탱하게 할 수 있다. 지지체는 또한 서브-미크론 섬유의 흡음 성능에 악영향을 줄 수 있는 서브-미크론 섬유의 압축을 가져올 수 있는 임의의 압축 응력을 흡수할 수 있다.
많은 공정들을 이용하여 서브-미크론 섬유를 침착시킬 수 있다. 적합한 공정은 미국 특허 제4,536,361호(토로빈(Torobin)), 미국 특허 제6,183,670호(토로빈), 및 독일 특허 제19929709 C2호(게르킹(Gerking))에 개시된 공정들을 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 적합한 공정은 또한 전기-방사 공정을 포함한다.
본 발명의 다층 용품을 제조하는 방법을 사용하여 임의의 전술한 중합체 재료로부터 형성된 섬유를 포함하는 서브-미크론 섬유층을 형성할 수 있다. 전형적으로, 서브-미크론 섬유 형성 방법의 단계는 약 130℃ 내지 약 350℃ 범위의 용융 압출 온도에서 열성형성 재료를 용융 압출하는 단계를 포함한다. 다이 조립체 및/또는 동축 노즐 조립체(예를 들어, 토로빈의 공정 참조)는 복수의 방사구(spinneret) 및/또는 동축 노즐을 포함하며, 용융된 열성형성 재료가 여기를 통과하여 압출된다. 예시적인 일 실시 형태에서, 동축 노즐 조립체는 다중 스트림의 섬유를 지지층 또는 기재 상으로 압출하도록 어레이(array)로 형성된 복수의 동축 노즐을 포함한다. 예를 들어, 미국 특허 제4,536,361호 (도 1) 및 미국 특허 제6,183,670호 (도 1-2)를 참조한다.
서브-미크론 섬유층을 형성하는 단계 외에, 다층 용품의 제조 방법은 하나 이상의 하기 공정 단계를 포함할 수 있다:
(1) 다층 용품을 공정 경로를 따라서 추가의 공정 작업을 향해 전진시키는 단계;
(2) 하나 이상의 추가층이 서브-미크론 섬유층 및/또는 지지층의 외부 표면과 접촉되게 하는 단계;
(3) 다층 용품을 캘린더링(calendering)하는 단계;
(4) 다층 용품을 표면 처리제 또는 다른 조성물 (예를 들어, 난연 조성물, 접착제 조성물, 또는 인쇄층)로 코팅하는 단계;
(5) 다층 용품을 판지 또는 플라스틱 튜브에 부착하는 단계;
(6) 다층 용품을 롤의 형태로 감는 단계;
(7) 다층 용품을 2개 이상의 슬릿 롤을 형성하도록 슬릿팅(slitting)하는 단계;
(8) 다층 용품을 주형에 넣고 다층 용품을 성형하는 단계;
(9) 존재할 때, 노출된 감압 접착제 층 위에 이형 라이너를 적용하는 단계; 및
(10) 다층 용품을 접착제, 또는 클립, 브래킷, 볼트/나사, 못 및 스트랩(strap)을 포함하지만 이로 한정되지는 않는 임의의 다른 부착구를 통해 또다른 기재에 부착하는 단계.
III . 다층 용품의 사용 방법
본 발명의 다층 용품을 다양한 응용에 사용할 수 있다. 다층 용품은 특히 흡음 및 방음벽 응용과 같은 음향 응용에서 유용하다. 예시적인 일 실시 형태에서, 다층 용품의 사용 방법은 일정 영역에서 흡음하는 방법을 포함하며, 본 방법은 상기 영역의 적어도 일부분을 서브-미크론 섬유층 - 여기서, 서브-미크론 섬유층은 평균 섬유 직경이 1 미크론(㎛) 미만인 섬유를 포함함 - 으로 둘러싸는 단계를 포함한다. 일 실시 형태에서, 전체 영역을 단독의 또는 지지층 상의 서브-미크론 섬유층으로 둘러쌀 수 있다.
일정 영역을 둘러싸는 단계는 다층 용품을 상기 영역의 적어도 일부분 위에 위치 설정하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 다층 용품은 임의의 상기에 설명한 지지층 상에 서브-미크론 섬유층을 포함한다. 몇몇 실시 형태에서, 둘러싸는 단계는 다층 용품을 상기 영역의 적어도 일부분 위에 위치 설정하는 단계를 포함하며, 여기서, 상기 다층 용품은 지지층 상의 서브-미크론 섬유층을 서브-미크론 섬유층 위의 추가층과 함께 포함한다. 상기에 설명한 바와 같이, 적합한 추가층은 색-함유층 (예를 들어, 인쇄층); 임의의 상기에 설명한 지지층; 특유한 평균 섬유 직경 및/또는 물리적 구성을 가지는 하나 이상의 추가의 서브-미크론 섬유층; 추가의 절연 성능을 위한 하나 이상의 2차적인 미세 섬유층 (예를 들어, 멜트 블로운 웨브 또는 유리섬유 천); 폼; 입자의 층; 포일 층; 필름; 장식용 천 층; 막; 망상체; 메쉬; 와이어링 및 튜빙 네트워크; 또는 그 조합을 포함할 수 있다.
둘러싸는 단계는 서브-미크론 섬유층 또는 다층 용품을 기재에 부착하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 임의의 상기에 설명한 부착구를 사용하여 서브-미크론 섬유층 또는 다층 용품을 주어진 기재에 부착할 수 있다. 적합한 기재는 건물의 벽, 건물의 천정, 건물의 벽 또는 천정을 형성하는 건축재, 금속 시트, 유리 기재, 문, 창문, 차량 구성요소, 기계 장치의 구성요소, 또는 기구의 구성요소를 포함할 수 있지만 이로 한정되지 않는다.
본 발명의 다른 실시 형태에서, 다층 용품을 사용하는 방법은 소리-발생체(sound-generating object)와 일정 영역 사이에 방음벽을 제공하는 방법을 포함한다. 이러한 예시적인 방법에서, 본 방법은 소리-발생체와 상기 영역 사이에 서브-미크론 섬유층을 제공하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서 서브미크론 섬유층은 평균 섬유 직경이 1 미크론(㎛) 미만인 섬유를 포함한다. 소리-발생체는 차량 동력원, 기계 장치의 일부, 기구의 모터 또는 다른 움직이는 구성요소, 텔레비전과 같은 전자 장치, 동물 등을 포함하지만 이로 한정되지는 않는 소리를 발생시키는 임의의 물체일 수 있다.
상기 예시적인 다층 용품의 사용 방법들 중 어느 하나에서의 영역은 소리가 흡수 및/또는 제한되는 임의의 영역일 수 있다. 적합한 영역은 방의 내부; 차량의 내부; 기계 장치의 일부; 기구; 사무실 또는 산업 지대의 별도의 감음 영역; 녹음 또는 재생 영역; 극장 또는 콘서트 홀의 내부; 소리가 해로울 수 있는 무반향, 분석 또는 실험 장소 또는 챔버; 및 소음으로부터 귀를 단절시켜 보호하기 위한 귀마개 또는 귀덮개를 포함하지만 이로 한정되지 않는다.
본 발명이 상기에 기재되며 실시예에 의해 하기에 추가로 설명되고, 실시예는 본 발명의 범주를 어떤 방식으로든 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 이와는 반대로, 다양한 다른 실시 형태, 변경 및 이의 등가물이 사용될 수 있으며, 당업자라면 본 명세서의 상세한 설명을 읽은 후에, 본 발명의 사상 및/또는 첨부된 청구의 범위의 범주로부터 벗어남이 없이 이것을 떠올릴 수 있음이 분명하게 이해되어야 한다.
하기 실시예에서는, 스펀-본딩 공정 또는 멜트블로운 (즉, 블로운 마이크로파이버(blown microfiber)) 공정을 사용하여 다양한 지지체 또는 기재를 제조한다. 그러한 지지체를 제조하기에 적합한 공정들이 미국 특허 제4,729,371호에 기재되어 있다.
실시예 1:
공칭 110 gsm(gram per square meter) 평량을 갖는, 스펀-본딩 공정을 사용하여 제조된 폴리프로필렌 스펀-본디드 웨브를 서브-미크론 섬유의 코팅을 위하여 나노파이버 테크놀로지, 인크.(Nanofiber Technology, Inc., NTI) (미국 노스캐롤라이나주 애버딘 소재)로 보냈다. 상기 스펀-본디드 웨브는 100 gsm의 평량, 1.14 ㎜(0.045 인치)의 두께, 및 18 미크론의 EFD를 가지는 폴리프로필렌 스펀-본디드 웨브였다. 사용한 폴리프로필렌은 토탈 다이프로(Total Dypro) 3860 (토탈 페트로케미칼스(Total Petrochemicals), 미국 텍사스주 휴스턴 소재)이었다.
다양한 평량의 서브-미크론 폴리프로필렌 섬유를 미국 특허 제4,536,631호, 미국 특허 제6,183,670호 및 미국 특허 제6,315,806호(즉, 토로빈의 특허들)에 기초한 NTI의 공정을 사용하여 스펀-본디드 웨브 상에 침착시켰다. 얻어진 샘플들은 평균 섬유 직경이 약 0.56 미크론(㎛)인 14, 25, 및 50 gsm의 서브-미크론 섬유가 스펀-본디드 웨브 기재 상에 침착된 것이었다. 샘플들은 이하 각각 샘플 A, B, 및 C로 칭한다. 스펀-본디드 웨브 단독은 이하 샘플 D로 칭한다.
서브-미크론 섬유층은 엉킴(entanglement) 및 열 접합(thermal bonding) 둘 모두에 의해서 스펀-본디드 웨브 층에 본질적으로 접합시켰다. 서브-미크론 섬유가 스펀-본디드 웨브 기재 상에 침착되었을 때 접합이 발생하였다.
흡음성(즉, 음향 흡수)에 대하여 샘플들을 시험하였다. 63 ㎜ 튜브를 사용하여, ASTM 표준 E 1050에 따라서 시험을 행하였다. 샘플과 튜브 뒷벽 사이에 25 ㎜ 간격을 두고 샘플을 시험 튜브 안에 넣었다. 이렇게 하여 시험하는 동안 샘플들의 차별화를 향상시켰다. 도 2는 이 시험의 결과를 나타낸다.
도 2에 도시된 바와 같이, 스펀-본디드 웨브 단독과 비교하여 심지어 소량의 서브-미크론 섬유가 부가되어도 흡음성이 매우 증가하였다.
실시예 2:
평량이 35 gsm인 폴리프로필렌 스펀-본디드 웨브를 실시예 1에 기재된 바와 같은 나노섬유 공정의 섬유 스트림 아래로 통과시켰다. 스펀-본디드 웨브는 35 gsm의 평량, 0.46 ㎜(0.018 인치)의 두께, 및 20 미크론의 EFD를 가지는 폴리프로필렌 스펀-본디드 섬유 웨브였다. 사용한 폴리프로필렌은 토탈 다이프로 3860 (토탈 페트로케미칼스, 미국 텍사스주 휴스턴 소재)이었다.
스펀-본디드 웨브는 76.2 ㎝(30") 와이드 프로세스 라인(wide process line)을 사용하여 코팅하기 위하여 NTI로 보냈다. 나노섬유의 3가지 상이한 코팅 중량, 4.6 gsm, 7.0 gsm, 27.44 gsm을 사용하여, 각각 39.6, 42.0 및 62.4 gsm의 총 평량을 얻었다. 나노섬유는 평균 섬유 직경이 약 0.65 미크론(㎛)이었다. 코팅되지 않은 스펀본디드 웨브를 샘플 E로 칭하고, 3개의 코팅된 샘플을 나노섬유 평량의 증가 순서대로 샘플 F, G 및 H로 칭하였다. 샘플 평량, 두께 및 주어진 샘플을 가로지는 압력 강하를 하기 표 1에 제공한다.
4개의 샘플을 63 ㎜ 튜브를 사용하여 ASTM 표준 E 1050에 따라서 시험하였다. 각 샘플 뒤에 25 ㎜ 공기 간격(air gap)을 두고 각각의 샘플을 시험 튜브 내로 로딩하였다. 각 웨브의 흡음성을 시험하였고 그 결과를 도 3에 도시하였다.
도 3에 도시된 바와 같이, 스펀-본디드 웨브 단독(샘플 E)과 비교하여 샘플 F, G 및 H는 향상된 흡음성을 나타내었다. 게다가, 나노섬유 평량이 증가됨에 따 라, 흡음 성능이 증가하였다.
실시예 3:
천공된 오리피스 다이(drilled orifice die)를 사용하여 제조되고, 55 gsm의 평량, 1.02 ㎜ (0.040 인치)의 두께, 및 8.4의 EFD를 가지는 프로필렌 멜트-블로운 섬유 웨브를 쓰리엠 리서치 센터(3M Research Center) (미국 미네소타주 세인트 폴 소재)의 50.8 ㎝(20 인치) 와이드 라인에서 제조하고 NTI의 나노섬유 라인으로부터의 폴리프로필렌 나노섬유로 코팅하였다. 사용한 폴리프로필렌은 토탈 다이프로 3960 (토탈 페트로케미칼스, 미국 텍사스주 휴스턴 소재)이었다. 3가지 상이한 코팅 평량, 1.8 gsm, 3.0 gsm, 및 7.2 gsm을 사용하여 3가지 개별 샘플을 제조하였다. 나노섬유는 평균 섬유 직경이 약 0.77 미크론(㎛)이었다. 코팅되지 않은 멜트-블로운 웨브를 샘플 I로 칭한 반면, 나노섬유 코팅된 샘플들을 나노섬유 평량의 증가 순서대로 샘플 J, K 및 L로 식별하였다. 샘플 평량, 두께 및 주어진 샘플을 가로지는 압력 강하를 하기 표 1에 제공한다.
4개의 샘플을 실시예 2에 기재된 바와 같이 시험하였다. 결과를 도 4에 도시한다.
실시예 4:
에어-레이드(란도-웨버(Rando-Webber)) 부직 웨브를 서브-미크론 섬유의 코팅을 위하여 나노파이버 테크놀로지, 인크.(NTI) (미국 노스캐롤라이나주 애버딘 소재)로 보냈다. 에어-레이드 웨브를 30.48 ㎝(12"") 와이드 란도-웨버 기계에서 제조하였다. 공급 섬유 조성물은 80 중량%의 인비스타 T293 섬유 (32d x 7.62 ㎝(3") PET) 및 20 중량%의 인비스타 T254 섬유 (12d x 3.81 ㎝(1.5")의 2성분 섬유로서, 이는 약 110℃의 외피 융점을 가지는 coPET/PET 외피/코어 섬유를 포함하고 상표명 셀본드(Celbond)™로 시판됨)이었다. 에어-레이드 웨브는 평균 평량이 42 gsm이었다. NTI는 다양한 평량의 서브-미크론 폴리프로필렌 섬유를 실시예 1에 기재된 방법을 사용하여 에어-레이드 웨브 상에 침착시켰다. 제조된 샘플들은 평균 섬유 직경이 약 0.60 미크론(㎛)인 30, 41 및 126 gsm의 서브-미크론 섬유가 에어-레이드 웨브 상에 침착된 것이었다. 샘플들을 이하 각각 샘플 M, N 및 O로 칭한다. 샘플 평량, 두께 및 주어진 샘플을 가로지는 압력 강하를 하기 표 1에 제공한다.
Figure 112008027581162-pct00001
3개의 샘플에 더하여 2층의 샘플 M을 쓰리엠 센터(3M Center)에서 63 ㎜ 튜브를 사용하여 ASTM 표준 E 1050에 따라 시험하였다. 각각의 샘플을 시험 튜브의 뒤쪽에 안착시킨 채로 시험을 행하였다. 시험 결과가 도 5에 도시되어 있다. 또한, 문헌[Davies, C. N., "The Separation of Airborne Dust and Particles," Institution of Mechanical Engineers, London Proceedings 1B, (1952)]에 기재된 방법에 따라 실시예 2의 샘플 F를 주사 전자 현미경을 사용하여 조사하여 유효 섬유 직경(Effective Fiber Diameter, EFD)을 측정하였다. 132개의 섬유에 기초한 유효 섬유 직경의 수분포(number distribution)를 하기 표 2에 제시하는 반면, 분포의 통계학적 특성은 표 3에 제시한다.
Figure 112008027581162-pct00002
Figure 112008027581162-pct00003
실시예 5:
스테이플 섬유 웨브는 전기-방사 공정으로부터의 나노섬유로 코팅하였다. 기재 웨브는 아메리칸 넌우븐스(American Nonwovens) (RB 282-57 K/F)에 의해 제조된 폴리에스테르 섬유의 카딩된(carded) 수지 접합 웨브(resin bonded web)이다. 기재 웨브는 62 g/㎡의 평량을 가진다. 코팅되지 않은 기재를 샘플 P로 칭한다. 폴리카프로락톤(다우 케미칼 컴퍼니(Dow Chemical Company)의 톤(TONE)™ P-787)의 서브-미크론 섬유를 통상적인 니들-기반의 전기-방사 장치(needle-based electro-spinning device)를 사용하여 메틸 에틸 케톤 용액으로부터 기재 상으로 직접 전기-방사하였다. 3가지 상이한 평량의 서브-미크론 섬유를 기재 상에 방사하여 3개의 샘플을 생성하였다. 샘플 Q는 서브-미크론 섬유 평량이 6.0 g/㎡이다. 샘플 R은 서브-미크론 섬유 평량이 11.2 g/㎡이다. 샘플 S는 서브-미크론 섬유 평량이 32.1 g/㎡이다. 샘플 Q 내지 S에 있어서 합한 평량은 각각 68.0, 73.2 및 94.1 g/㎡이다. 서브-미크론 섬유는 평균 섬유 직경이 0.60 미크론(㎛)이다.
샘플 P, Q, R, 및 S를 쓰리엠 센터에서 63 ㎜ 튜브를 사용하여 ASTM 표준 E 1050에 따라 시험하였다. 각각의 샘플의 뒤쪽을 튜브 말단의 25 ㎜ 앞에 놓은 채로 시험을 행하였다. 이러한 시험의 결과를 도 6에 도시한다.
실시예 6:
폴리우레탄으로 제조된 서브-미크론 섬유를 김용학(Hak-Yong Kim)에 의해 출원된 국제특허 공개 WO2005/073441호에 기재된 방법을 사용하여 제조하였다. 서브-미크론 섬유 웨브는 14g/㎡의 평량을 가졌고, 평균 직경은 0.61 미크론(㎛)이었다. 이 웨브를 실시예 5에 기재된 카딩된 웨브로 냉간-용접하였다. 냉간-용접은 날카로운 다이를 사용하여 둘 모두의 웨브로부터 단일 샘플을 동시에 절단하여 사용하여 달성하였다. 샘플 절단 공정은 샘플의 에지로서 형성되는 견고한 용접부를 생성한다. 코팅되지 않은 서브-미크론 섬유 웨브를 샘플 T로 칭한다. 실시예 5에 기재된 바와 같이, 코팅되지 않은 카딩된 웨브는 샘플 P이다. 용접된 샘플을 샘플 U로 칭한다.
63 ㎜ 튜브를 사용하여 ASTM 표준 E 1050에 따라 샘플들을 시험하였다. 각각의 샘플의 뒤쪽을 튜브 말단의 25 ㎜ 앞에 놓은 채로 시험을 행하였다. 이러한 시험의 결과를 도 7에 도시한다.
본 명세서는 특정한 실시 형태에 대하여 상세히 설명하였으나, 당업자라면 전술한 내용을 이해한 때 이들 실시 형태의 변경, 변화, 및 등가물을 쉽게 안출해 낼 수 있음을 알아야 한다. 따라서, 본 발명의 범주는 첨부된 청구의 범위 및 이의 임의의 등가물의 범주로 평가되어야 한다.

Claims (23)

  1. 지지층; 및
    지지층 상의 서브-미크론 섬유층 - 상기 서브-미크론 섬유층은 섬유 중간 직경(median fiber diameter)이 1 미크론(㎛) 미만인 다수의 섬유 직경을 갖는 중합체 섬유를 포함함 -
    을 포함하고,
    상기 중합체 섬유는 서브-미크론 섬유층 내에 균일하게 분포되는, 다층 용품.
  2. 제1항에 있어서, 상기 중합체 섬유는 평균 섬유 직경이 0.3 ㎛ 내지 0.9 ㎛ 범위인 다층 용품.
  3. 제1항에 있어서, 상기 중합체 섬유는 폴리올레핀 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 섬유, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리우레탄 섬유, 폴리부텐 섬유, 폴리락트산 섬유, 폴리비닐 알코올 섬유, 폴리페닐렌 설파이드 섬유, 폴리설폰 섬유, 액정 중합체 섬유, 폴리에틸렌-코-비닐아세테이트 섬유, 폴리아크릴로니트릴 섬유, 사이클릭 폴리올레핀 섬유, 또는 그 조합을 포함하는 다층 용품.
  4. 제1항에 있어서, 상기 지지층은 부직 천, 직조 천, 편직 천, 폼 층(foam layer), 필름, 종이층, 접착제 배킹된 층(adhesive-backed layer), 스펀-본디드(spun-bonded) 천, 멜트블로운(meltblown) 천, 스테이플 길이 섬유의 카딩된 웨브, 또는 그 조합을 포함하는 다층 용품.
  5. 제1항에 있어서, 상기 지지층은 접합된 스테이플 섬유의 웨브를 포함하고, 상기 지지층은 열접합, 냉간-용접, 접착제 접합, 분말형 바인더(powdered binder), 하이드로인탱글링(hydroentangling), 전기-방사, 니들펀칭(needlepunching), 캘린더링(calendering), 또는 그 조합을 사용하여 접합되는 다층 용품.
  6. 제1항에 있어서, 서브-미크론 섬유층 위에 추가층을 추가로 포함하고, 상기 추가층은 색-함유층, 부직 천, 직조 천, 편직 천, 폼 층, 필름, 종이층, 입자의 층, 포일층, 장식용 천 층, 막, 망상체(netting), 메쉬, 와이어링 또는 튜빙 네트워크, 서브-미크론 섬유층 반대쪽의 지지층 상의 접착제 층, 또는 그 조합을 포함하는 다층 용품.
  7. 제1항에 있어서, 건물의 벽, 건물의 천정, 건물의 벽 또는 천정을 형성하는 건축재, 금속 시트, 유리 기재, 문, 창문, 차량 구성요소, 기계 장치의 구성요소, 또는 기구의 구성요소를 포함하는 기재에 부착된 다층 용품.
  8. 일정 영역의 적어도 일부분을 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 서브-미크론 섬유층으로 둘러싸는 단계를 포함하는, 일정 영역에서의 흡음 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 영역은 방의 내부; 차량의 내부; 기계 장치의 일부; 기구; 사무실 또는 산업 지대의 별도의 감음 영역; 녹음 또는 재생 영역; 극장 또는 콘서트 홀의 내부; 소리가 해로울 수 있는 무반향, 분석 또는 실험 공간 또는 챔버; 소음으로부터 귀를 단절시켜 보호하기 위한 귀마개 또는 귀덮개를 포함하는 방법.
  10. 제8항에 있어서, 둘러싸는 단계는 건물의 벽, 건물의 천정, 건물의 벽 또는 천정을 형성하는 건축재, 금속 시트, 유리 기재, 문, 창문, 차량 구성요소, 기계 장치의 구성요소, 또는 기구의 구성요소를 포함하는 기재에 서브-미크론 섬유층을 부착시키는 단계를 포함하는 방법.
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