KR101497166B1 - 백 하우스 필터 및 매체 - Google Patents

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글렌 에드워드 시몬즈
아닐 콜리
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이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니
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Abstract

필터 백의 천 조각에 싸인 지지 구조물을 갖는 백 필터가 개시된다. 상기 필터 백의 천 조각은 적어도 하나의 기재 층과 이에 대면 관계로 접합된 적어도 하나의 나노웨브의 복합재이다. 나노웨브는 고온 입자 동반 가스 스트림에 먼저 노출되는 필터 백의 표면에 위치되며, 평량이 약 2 gsm 초과일 수 있다.
필터, 매체, 나노웨브, 복합재, 평량, 접착제, 니들펀칭, 스크림

Description

백 하우스 필터 및 매체{BAG HOUSE FILTERS AND MEDIA}
본 발명은, 예를 들어 산업용 가스 스트림(stream)에서와 같은 유체 스트림으로부터의 고형물의 여과에 있어서의 필터 및 필터로서 유용한 복합재에 관한 것이다.
백 하우스(bag house)로도 알려진 집진기(dust collector)는 산업 폐기물 또는 배출가스(off-gas)로부터 미립자 물질을 여과하는 데 일반적으로 사용된다. 일단 여과되면, 깨끗해진 배출가스가 대기로 방출되거나 재순환될 수 있다. 그러한 백 하우스 집진기 구조물은 캐비닛 또는 유사한 구조물 내에 지지된 하나 이상의 가요성 필터 뱅크(bank)를 일반적으로 포함한다. 그러한 필터 캐비닛 및 뱅크에서, 필터 백은 캐비닛 내에 일반적으로 고정되며, 폐기물이 백을 통해 효율적으로 통과하게 함으로써, 동반된 미립자들을 제거하도록 하는 위치에서 유지된다. 캐비닛 내에 고정된 필터 백은 전형적으로, 효율적인 작동을 유지하도록 필터 백을 지지하고 상류측 및 하류측 공기를 분리하는 구조물에 의해 지지된다.
보다 구체적으로는, 소위 "백 하우스 필터"에서, 기상 스트림이 필터 매체를 통해 안내됨에 따라 미립자 물질이 스트림으로부터 제거된다. 전형적인 응용에서, 필터 매체는 일반적으로 슬리브형 관상 형태(sleeve-like tubular configuration) 를 가지는데, 이때 가스 유동은 여과되는 입자가 슬리브의 외부에 침착되도록 배열된다. 이러한 유형의 응용에서, 필터 매체는 매체를 펄스형 역-유동(pulsed reverse-flow)에 처하게 함으로써 주기적으로 청소되는데, 이러한 펄스형 역-유동은 백 하우스 필터 구조물의 하부에서의 수집을 위하여 여과된 입자 물질을 슬리브의 외부로부터 제거하도록 작용한다. 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제4,983,434호는 백 하우스 필터 구조물 및 종래 기술의 필터 라미네이트를 예시한다.
산업용 유체 스트림으로부터의 미립자 불순물의 분리는 흔히 천(fabric) 필터를 사용하여 달성된다. 이러한 직물계 필터 매체가 유체로부터 미립자를 제거한다. 필터 상에의 미립자의 축적에 의해 야기되는, 직물을 통한 유동 저항 또는 압력 강하가 상당하게 될 때, 필터는 청소되어야 하며, 미립자 케이크(cake)가 제거되어야 한다.
산업용 여과 시장에서는 필터 백의 유형을 청소 방법에 의해 특성화하는 것이 통상적이다. 청소 기술의 가장 통상적인 유형은 공기 역류(reverse air), 진동기(shaker) 및 펄스 제트(jet)이다. 공기 역류 및 진동기 기술은 저 에너지 청소 기술로 여겨진다.
이러한 공기 역류 기술은 내부에 먼지를 수집하는 필터 백 상에서의 공기의 온화한 역세척(backwash)이다. 역세척은 필터 백을 붕괴시키며, 필터 백의 바닥에서 호퍼(hopper)로 빠져나가는 먼지 케이크(cake)를 부서뜨린다.
진동기 기구도 또한 백의 내부에 수집되는 필터 케이크를 청소한다. 백의 상부는 진동 아암(arm)에 부착되며, 진동 아암은 백에서 사인파를 생성하여 먼지 케이크를 제거한다.
펄스 제트 청소 기술은 필터 튜브의 내부 상부로 들어오는 압축 공기의 단펄스(short pulse)를 이용한다. 펄스 청소 공기가 튜브 벤투리를 통과함에 따라, 이는 제2 공기를 흡인하고, 생성된 공기 덩어리는 백을 격렬하게 팽창시키고, 수집된 먼지 케이크를 방출시키게 된다. 백은 전형적으로 케이지(cage) 지지체로 곧바로 회복되어, 미립자를 수집하는 서비스로 곧바로 되돌아갈 것이다.
3가지 청소 기술 중, 펄스 제트가 필터 매체에 대하여 가장 부담을 많이 준다. 그러나, 근년에는, 산업 공정 엔지니어들은 펄스 제트 백 하우스를 점점 선택하고 있다.
백 하우스에서 고온(최대 200℃), 열 안정성, 내화학성 필터 매체에 대한 필요성은, 필터 매체의 선택을 펄스 제트 응용을 위한 적은 실행가능한 후보자만으로 좁힌다. 통상적인 고온 직물은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 유리 섬유 또는 폴리이미드(폴리이미드는 260℃까지의 연속 사용에 대하여 안정함)를 포함한다. 고온의 효과가 산화제, 산 또는 염기의 효과와 조합될 경우, 유리 섬유 및 폴리이미드 매체가 조기에 작동 불능되는 경향이 있다. 따라서, PTFE의 사용이 선호된다. 구매가능한 PTFE 천은 PTFE 섬유의 지지된 니들펠트(needlefelt)이다. 이들 펠트는 통상적으로 중량이 0.68 내지 0.88 ㎏/㎡ (20 내지 26 oz/yd2)이며, 다중필라멘트 직조 스크림(multifilament woven scrim) (0.14 내지 0.20 ㎏/㎡ (4 내지 6 oz/yd2))으로 보강된다. 펠트는 스테이플(staple) 섬유(통상적으로 6.7 데니어/필라멘트 또는 7.4 dtex/필라멘트)로 구성되며, 길이가 5 내지 15 ㎝(2 내지 6 인치)이다. 이 제품은 1차 먼지 케이크가 백을 "시즈닝한다(season)"는 점에서 많은 다른 펠트 매체와 유사하게 작용한다. 이러한 시즈닝 - 때때로 정밀 여과(in-depth filtration)라 불림 - 은 매체가 더욱 효율적으로 여과하도록 하지만, 사용 동안에 매체를 가로질러 압력 강하가 증가한다는 단점을 갖는다. 결국, 백은 블라인딩(blinding)되거나 막힐 것이고, 이러한 백은 세척되거나 교체되어야 할 것이다. 일반적으로, 매체는 고온에서의 치수 불안정성(수축), 블라인딩 및 낮은 여과 효율을 겪는다.
고온을 위해 설계된 다른 유형의 구조물이 미국 특허 제5,171,339호에 기술되어 있다. 필터 백의 천 조각(cloth)에 싸인 백 리테이너(bag retainer)를 포함하는 백 필터가 개시되어 있다. 상기 필터 백의 천 조각은 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드) 섬유의 얇은 부직 천이 니들링된 폴리(m-페닐렌 아이소프탈아미드), 폴리에스테르 또는 폴리페닐렌설파이드 섬유의 펠트의 라미네이트(laminate)를 포함하며, 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드) 천은 고온 입자가 동반된 가스 스트림에 먼저 노출되는 필터 백의 표면에 위치된다. 폴리(p-페닐렌 테레프탈아미드) 천은 평량이 0.03 내지 0.07 ㎏/㎡ (1 내지 2 oz/yd2)일 수 있다.
직조 다공성 확장 PTFE 섬유 천에 라미네이팅된 다공성 확장 PTFE 막(ePTFE)의 2층 제품이 또한 사용되어 왔다. 이 제품의 상업적 성공은 몇몇 이유로 실현되 지 못했는데, 왜냐하면 주로 직조 섬유 천 배킹(backing)이 펄스 제트 케이지 지지체 상에 잘 착용되지 않기 때문이다. 직조 얀(yarn)들은 그들 자체 상에서 미끄러지고 상기 막에 과도한 응력을 생성하여, 막 균열을 야기한다.
부직 천은 필터 매체의 제조에 유리하게 채용되어 왔다. 일반적으로, 이러한 유형의 응용에 채용되는 부직 천은 기계적 니들-펀칭(needle-punching) - 때때로 "니들-펠팅(needle-felting)"이라 불림 - 에 의해 얽히고 통합되었는데, 이는 섬유질 웨브(web) 구조물을 통한 바브-형성된 니들(barbed needle)의 반복된 삽입 및 인출을 수반한다. 이러한 유형의 가공은 섬유질 구조물을 통합하여 이에 완전성(integrity)을 제공하도록 작용하지만, 바브-형성된 니들은 다수의 구성 섬유를 불가피하게 전단시키고, 바람직하지 않게 섬유질 구조물에 천공(perforation)을 생성하는데, 이는 필터의 완전성을 저하시키도록 작용하여 효율적인 여과를 방해할 수 있다. 니들-펀칭은 생성된 천의 강도에 또한 해로울 수 있어, 여과 응용을 위한 충분한 강도를 나타내기 위하여 적합한 부직 천이 더 높은 평량을 가질 것을 필요로 한다.
키라요글루(Kirayoglu)의 미국 특허 제4,556,601호는 중작업용(heavy-duty) 가스 필터로서 사용될 수 있는 하이드로인탱글된(hydroentangled) 부직 천을 개시한다. 그러나, 이러한 여과 재료는 수축 작용을 받을 수 없다. 수축 작용에의 전술된 천의 노출은 여과 재료의 물리적 성능에 부정적인 영향을 미치는 것으로 여겨진다.
미국 특허 제6,740,142호는 백 하우스 필터에 사용하기 위한 나노섬유를 개 시한다. 평량이 0.005 내지 2.0 그램/제곱미터 (gsm)이고 두께가 0.1 내지 3 마이크로미터인 층에 의해 가요성 백이 적어도 부분적으로 덮인다. 상기 층은 직경이 약 0.01 내지 약 0.5 마이크로미터인 중합체 미세 섬유를 포함하지만, 이를 제조하는 데 사용되는 공정의 제한으로 인해 평량이 제한된다. 상기 '142호 특허에서의 층의 평량의 제한은 필터 매체의 수명을 상당히 단축시키며, 청소 사이클에도 불구하고 존속하는 필터의 능력을 심각하게 감소시킨다.
본 발명은 하이드로인탱글먼트, 니들 펀칭 또는 다른 접합 수단에 의한 기재(substrate)에의 나노웨브 층의 접합을 통하여 형성되는 필터 매체에 관한 것이다. 이러한 구성은 상기 '142호 특허의 제품의 제한된 성능을 가지지 않고 필요한 강도 특성을 갖는 필터 매체를 제공한다. 본 발명의 여과 매체는 비용-효과적인 사용을 위한 매우 바람직한 균일성을 또한 보여준다.
발명의 개요
본 발명의 제1 실시 형태는, 필터 백의 천 조각에 싸인 지지 구조물을 포함하며, 상기 필터 백의 천 조각이 적어도 하나의 기재 층과 이에 대면(face-to-face) 관계로 접합된 약 2 gsm 초과의 평량을 갖는 제1 나노웨브 층의 복합재를 포함하는 백 필터이다.
본 발명의 다른 실시 형태는, 필터 백의 천 조각에 싸인 지지 구조물을 포함하며, 상기 필터 백의 천 조각이 웨브에 대면 관계로 접합된 적어도 하나의 기재 층의 복합재를 포함하며, 상기 웨브가 약 0.1 gsm 초과의 평량을 갖는 나노웨브 층 및 나노웨브 층에 접합된 스크림을 포함하며, 상기 웨브가 필터 백의 상류측에 위 치되는 백 필터이다.
본 명세서에 사용되는 "나노섬유"라는 용어는 수평균(number average) 직경 또는 단면이 약 1000 ㎚ 미만, 심지어 약 800 ㎚ 미만, 심지어 약 50 ㎚ 내지 500 ㎚, 그리고 심지어 약 100 내지 400 ㎚인 섬유를 말한다. 본 명세서에 사용되는 "직경"이라는 용어는 비원형 형상의 최대 단면을 포함한다.
"부직"이라는 용어는 다수의 랜덤하게 분포된 섬유들을 포함하는 웨브를 의미한다. 이들 섬유는 일반적으로 서로 접합될 수 있거나 접합되지 않을 수 있다. 이들 섬유는 스테이플 섬유이거나 연속 섬유일 수 있다. 이들 섬유는 단일 재료 또는 다수의 재료를, 상이한 섬유들의 조합으로서 또는 상이한 재료로 각각 구성된 유사한 섬유들의 조합으로서 포함할 수 있다. "나노웨브"는 나노섬유를 포함하는 부직 웨브이다.
"스크림"은 지지 층이며, 나노웨브 층이 접합되거나, 부착되거나 라미네이팅될 수 있는 임의의 평면 구조물일 수 있다. 유리하게는, 본 발명에 유용한 스크림 층은 스펀본드(spunbond) 부직 층이지만, 부직 섬유 등의 카디드(carded) 웨브로부터 만들어질 수 있다.
본 발명의 목적은 배기 가스 집진을 위한 백 필터 유닛용 고효율 집진 필터 천 조각을 제공하는 것과 상기 필터 천 조각을 포함하는 백 필터를 제공하는 것이다. 상기 필터는 기계적으로 안정한 필터 구조물로 기재 층과 조합되어 있는 나노웨브 층을 적어도 포함한다. 이들 층은 함께 필터 매체를 통한 최소 유체 유동 제한으로 우수한 여과 및 높은 입자 포획 효율을 제공한다. 기재는 유체 스트림 상류, 하류 또는 내부 층 내에 위치될 수 있다.
일 실시 형태에서, 필터는 평량이 약 2 gsm 초과, 또는 약 3 gsm 초과, 또는 약 6 gsm 초과, 또는 심지어 약 10 gsm 초과인 나노웨브 층을 포함하는 여과 매체를 포함한다. 여과 매체는 나노웨브가 대면 관계로 접합되는 기재를 추가로 포함한다. 유리하게는, 나노웨브 층은 필터 백의 상류 표면 또는 상류측에, 즉 고온 입자-동반 가스 스트림에 먼저 노출되는 표면 상에 위치된다.
추가의 실시 형태에서, 필터는 웨브가 대면 관계로 접합된 적어도 하나의 기재 층의 복합재를 포함하며, 웨브는 필터 백의 상류측에, 즉 고온 입자-동반 가스 스트림에 먼저 노출되는 필터 백의 표면에 위치되고, 웨브는 평량이 약 0.1 gsm 초과인 나노웨브 층 및 나노웨브 층에 접합된 스크림을 포함한다. 일부 경우에, 스크림이 나노웨브와 기재 사이에 위치되는 것이 유리한 반면에, 다른 경우에는 나노웨브 층이 스크림과 기재 사이에 위치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 필터는 펄스 청소식 및 비-펄스 청소식 집진용 필터, 가스 터빈 및 엔진 공기 흡입 또는 유도 시스템, 가스 터빈 흡입 또는 유도 시스템, 중작업 엔진 흡입 또는 유도 시스템, 경차량 엔진 흡입 또는 유도 시스템, 지(Zee) 필터, 차량 캐빈(cabin) 공기, 오프 로드(off road) 차량 캐빈 공기, 디스크 드라이브 공기, 사진 복사기-토너 제거, 상업용 또는 주거용 여과 응용 둘 모두를 위한 HVAC 필터, 및 진공 청소기 응용을 포함한 다양한 여과 응용에서 사용될 수 있다.
본 발명의 기재 층은 셀룰로오스 섬유, 예를 들어 면, 마 또는 다른 천연 섬유, 유리 섬유, 탄소 섬유를 비롯한 무기 섬유, 또는 유기 섬유, 예를 들어 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리올레핀 또는 다른 통상의 섬유 또는 중합체 재료 및 이들의 혼합물을 포함한 다양한 통상의 섬유로부터 형성될 수 있다.
본 발명의 필터 백의 기재 층은 직조 또는 부직일 수 있다. 직조 백에서, 섬유는 전형적인 직조 형식의 섬유의 인터로킹 메쉬(interlocking mesh)로 전형적으로 형성된다. 부직 천은 섬유들을 특정 배향이 없는 상태로 짜임새 없이 형성하고, 이어서 이들 섬유를 필터 천 내로 결합시킴으로써 전형적으로 만들어진다. 본 발명의 요소들을 구성하는 바람직한 하나의 모드는 펠트 매체를 기재로서 사용하는 것을 포함한다. 펠트는 개별적인 천연 또는 합성 섬유들을 놓고, 당업자에게 알려져 있을 일반적으로 이용가능한 펠트 접합 기술을 사용하여 펠트 층 내로 이들 섬유를 압축함으로써 제조된 압축 다공성 부직 천이다.
공기 통과 및 미립자 포집의 효과에 대한 우수한 내성 및 탄성을 나타내는 섬유가 전형적으로 사용된다. 이러한 천은 화학 미립자에 대하여 안정성을 가질 수 있으며, 백 하우스를 통과하는 공기 및 필터 표면 상에 동반된 입자 둘 모두의 다양한 온도에 대하여 안정할 수 있다.
본 발명의 필터 구조물들은 백의 목부(neck)에서의 리테이너와 같은 적합한 지지 구조물 상에 기재 + 나노웨브 층 복합재를 지지함으로써 그들의 유용한 개방 형상으로 전형적으로 유지되거나, 지지 구조물은 백의 내부에 위치될 수 있다. 그러한 지지물은 권취 와이어(wound wire) 또는 케이지형 구조물의 형태로 선형 부재로부터 형성될 수 있다. 대안적으로, 지지물은 백의 형상을 모방한 천공된 세라믹 또는 금속 구조물을 포함할 수 있다. 지지 구조물이 그의 표면적의 상당한 부분에 걸쳐 필터 기재와 접촉하는 경우, 지지 구조물은 이 구조물을 통한 공기의 통과에 투과성이어야 하며, 필터 백에 걸친 압력 강하에 있어서 어떠한 증분된 증가도 제공하지 않아야 한다. 그러한 지지 구조물들은 그들이 필터 백의 내부 전체와 접촉하고 필터 백을 효율적인 여과 형상 또는 확립으로 유지하도록 형성될 수 있다.
나노웨브 층을 기재와 조합하여 본 복합재 구조물을 생성하는 공정은 특별히 제한되지 않는다. 나노웨브 층의 나노섬유들은 기재 층 내에서 물리적으로 얽힐 수 있거나, 그들은 예를 들어 열, 접착제 또는 초음파 라미네이션 또는 접합에 의한 기재의 섬유들과의 나노웨브 층의 섬유들의 상호 연합에 의해 접합될 수 있다.
기재 층을 나노웨브 층 또는 나노웨브 + 스크림 층에 접합하기 위한 열적 방법은 캘린더링(calendering)을 포함한다. "캘린더링"은 2개의 롤 사이의 닙(nip)을 통하여 웨브를 통과시키는 공정이다. 롤들은 서로 접촉되어 있을 수 있거나, 롤 표면들 사이에 고정 또는 가변 간극이 있을 수 있다. 유리하게는, 캘린더링 공정에서, 연질 롤과 경질 롤 사이에 닙이 형성된다. "연질 롤"은 인가된 압력 하에서 변형되어 캘린더 내의 2개의 롤을 함께 유지시킨다. "경질 롤"은 상기 공정의 압력 하에서 공정 또는 제품에 유의한 영향을 미치는 어떠한 변형도 일어나지 않는 표면을 갖는 롤이다. "비패터닝된" 롤은 그들을 제조하는 데 사용되는 공정의 능력 내에서 매끄러운 표면을 갖는 것이다. 웨브가 닙을 통과할 때, 점 접합 롤(point bonding roll)과는 달리, 웨브 상에 패턴을 계획적으로 생성하는 어떠한 점이나 패턴도 없다. 본 발명에 사용되는 캘린더링 공정에서의 경질 롤은 패터닝되거나 비패터닝될 수 있다.
접착제 라미네이션은 저온, 예를 들어 실온에서 용매계 접착제의 존재 하에, 캘린더링과 함께 또는 다른 수단에 의한 라미네이트에 대한 압력의 인가에 의해 수행될 수 있다. 대안적으로, 고온 용융(hot melt) 접착제가 승온에서 사용될 수 있다. 당업자는 본 발명의 방법에서 사용될 수 있는 적합한 접착제를 용이하게 인식할 것이다.
그러한 물리적 접합에 따라 섬유들을 얽히게 하는 방법의 예는 니들 펀치 가공 및 물-제트 가공 - 다르게는, 하이드로인탱글링 또는 스펀 레이싱(spun lacing)으로 알려짐 - 이다.
천 시트들을 함께 결합하기 위하여 천 제품 제조 산업에서 일반적으로 사용되는 하나의 공정은 기계적 인터로킹 - 니들 펀칭 또는 니들링으로도 알려짐 - 으로 불리며, 미국 특허 제3,431,611호 및 제4,955,116호에 개시된 바와 같이, 응집성(cohesive) 직물 구조물이 형성될 정도의 다수의 침투로 섬유들의 카디드 배트(carded batt)를 통하여 개개의 섬유들의 작은 번들(bundle)을 하방으로 터킹(tucking)하는 것으로 본질적으로 이루어진다.
본 발명의 필터의 제조 방법의 경우, 부직 천의 고-밀도 층(기재)측에서 니들 펀치 가공(또는 물-제트 가공)을 수행하는 것이 바람직하다. 니들 펀치 가공이 저-밀도 층(나노웨브)측에서 수행되는 경우와 비교하여, 고-밀도 층측에서의 니들 펀치 가공은 기공 크기의 바람직하지 않은 확대뿐만 아니라 상호얽힘(intertwining)에 수반되는 기공의 붕괴 또는 변형을 억제할 수 있다. 이러한 배열에 의해, 위에서 정의된 평균 기공 크기 및 총 기공 면적이 보장될 수 있으며, 이에 의해 더 작은 입자에 대한 초기 청소 효율의 저하를 억제할 수 있다. 니들 펀치 가공을 수행하기 위한 요건은 특별히 제한되지 않는다. 그러나, 니들 깊이를 과도하게 증가시키는 것은 복합재 필터 매체의 기공 크기(직경)를 바람직하지 않게 확대시킬 수 있다. 역으로, 니들 깊이를 과도하게 감소시키는 것은 웨브들과 섬유들의 충분한 상호얽힘을 달성할 수 없다. 일반적으로, 니들 깊이를 8 내지 15 ㎜의 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 니들 펀치 가공에서 공지된 임의의 종류의 니들이 본 발명에서의 니들 펀칭에 사용될 수 있다. 그러나, 니들 직경이 고밀도 층 내의 기공의 직경보다 더 크므로, 고밀도 층 내의 기공 직경은 니들 펀치 가공에 의해 증가될 수 있다. 따라서, 기공 직경의 바람직하지 않은 확대를 억제하고, 충분한 상호얽힘 작용을 수행하기 위해서, 단위 면적당 니들의 수(침투의 수)를 약 40 내지 약 100 천공수/㎠ 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 저밀도 층의 표면적의 약 25% 이하가 천공되어야 한다.
이러한 방사된 상태 그대로의 나노웨브는 전기 방사(electrospinning), 예를 들어 고전적 전기 방사 또는 일렉트로블로잉(electroblowing)에 의해, 그리고 소정의 환경에서는 멜트블로잉(meltblowing) 또는 기타 그러한 적합한 공정에 의해 유리하게 생성된 나노섬유를 주로 또는 나노섬유만을 포함한다. 고전적 전기 방사는 전체적으로 본 명세서에 포함된 미국 특허 제4,127,706호에 설명된 기술인데, 여기서 높은 전압이 용액 중 중합체에 인가되어 나노섬유 및 부직 매트(mat)를 생성한다. 그러나, 전기 방사 공정에서의 총 처리량은 너무 낮아서 더 무거운 평량의 웨브를 형성함에 있어서 상업적으로 실행가능하지 않다.
"일렉트로블로잉" 공정은, 전체적으로 본 명세서에 참조로 포함된 국제특허공개 WO 03/080905호에 개시되어 있다. 중합체 및 용매를 포함하는 중합체 용액의 스트림이 저장 탱크로부터, 고전압이 인가되고 중합체 용액이 방출되는 방사구(spinneret) 내의 일련의 방사 노즐로 공급된다. 한편, 선택적으로 가열된 압축 공기가 방사 노즐의 측면 또는 주연부에 배치된 공기 노즐로부터 방출된다. 공기는, 새로 방출된 중합체 용액을 둘러싸서 전진시키고 진공 챔버 위의 접지된 다공성 수집 벨트 상에 수집되는 섬유질 웨브의 형성을 돕는 블로잉 가스 스트림으로서 대체로 하향으로 지향된다. 일렉트로블로잉 공정은 상대적으로 단기간에 약 1 gsm 초과, 심지어 약 40 gsm 이상만큼 높은 평량에서의 나노웨브의 상업적 크기 및 양의 형성을 가능하게 한다.
스크림은 수집기 상에 배열되어 스크림 상에 방사되는 나노섬유 웨브를 수집하고 조합하도록 한다. 기재의 예에는 다양한 부직 천 조각, 예를 들어 멜트블로운 부직 천 조각, 니들-펀칭되거나 스펀 레이싱된 부직 천 조각, 직조 천 조각, 편직 천 조각 및 종이 등이 포함될 수 있으며, 나노섬유 층이 기재 상에 부가될 수 있는 한 제한 없이 사용될 수 있다. 부직 천 조각은 스펀본드 섬유, 드라이-레이드(dry-laid) 또는 웨트-레이드(wet-laid) 섬유, 셀룰로오스 섬유, 멜트블로운 섬유, 유리 섬유 또는 이들의 블렌드를 포함할 수 있다. 대안적으로, 나노웨브 층은 펠트 기재 상으로 직접 침착될 수 있다.
본 발명의 나노웨브를 형성하는 데 사용될 수 있는 중합체 재료는 특별히 제한되지 않으며, 부가 중합체 재료 및 축합 중합체 재료 둘 모두, 예를 들어 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리올레핀, 셀룰로오스 에테르 및 에스테르, 폴리알킬렌 설파이드, 폴리아릴렌 옥사이드, 폴리설폰, 개질된 폴리설폰 중합체, 폴리아미드이미드, 폴리이미드 및 이들의 혼합물을 포함한다. 이들 포괄 부류에 속하는 바람직한 재료는 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 가교결합 및 비-가교결합 형태의 다양한 가수분해도(87% 내지 99.5%)의 폴리비닐알코올, 폴리(비닐리덴 클로라이드), 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 그리고 폴리(비닐클로라이드), 폴리메틸메타크릴레이트(및 다른 아크릴 수지), 폴리스티렌, 및 (ABA형 블록 공중합체를 포함하는) 이들의 공중합체를 포함한다. 바람직한 부가 중합체는 유리질인 경향이 있다(Tg가 실온보다 높음). 이는 폴리비닐클로라이드 및 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌 중합체 조성물 또는 얼로이(alloy) 또는 저결정성 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 폴리비닐알코올 재료의 경우에 해당한다. 폴리아미드 축합 중합체의 하나의 바람직한 부류는 나일론 재료, 예를 들어 나일론-6, 나일론-6,6, 나일론 6,6-6,10 등이다. 본 발명의 중합체 나노웨브가 멜트블로잉에 의해 형성될 때, 폴리올레핀, 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리부틸렌, 폴리에스테르, 예를 들어 폴리 (에틸렌 테레프탈레이트) 및 폴리아미드, 예를 들어 상기 열거된 나일론 중합체를 포함하여, 나노섬유로 멜트블로잉될 수 있는 임의의 열가소성 중합체가 사용될 수 있다.
섬유 중합체의 Tg를 감소시키기 위해, 당업계에 공지된 가소제를 전술한 다양한 중합체에 첨가하는 것이 유리할 수 있다. 적합한 가소제는 전기 방사되는 또는 일렉트로블로잉되는 중합체, 및 나노웨브가 채용될 특정한 최종 용도에 좌우될 것이다. 예를 들어, 나일론 중합체는 물 또는 심지어 전기 방사 또는 일렉트로블로잉 공정으로부터 잔존하는 잔류 용매로 가소화될 수 있다. 중합체 Tg를 낮추는 데 유용할 수 있는 당업계에 공지된 다른 가소제로는 지방족 글리콜, 방향족 설파노미드, 다이부틸 프탈레이트, 다이헥슬 프탈레이트, 다이사이클로헥실 프탈레이트, 다이옥틸 프탈레이트, 다이아이소데실 프탈레이트, 다이운데실 프탈레이트, 다이도데칸일 프탈레이트 및 다이페닐 프탈레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하지만 이에 한정되지 않는 프탈레이트 에스테르 등을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 본 명세서에 참고로 포함된 문헌[Handbook of Plasticizers, edited by George Wypych, 2004 Chemtec Publishing]은 본 발명에 사용될 수 있는 다른 중합체/가소제 조합을 개시한다.
국제특허공개 WO 03/080905호의 방법을 사용하여 폴리아미드 PA 6/6 나노섬유로부터 방사된 2 내지 10 그램/제곱미터 (gsm)의 평량을 갖는 나노웨브를 생성하였다. 평균 섬유 직경은 약 400 ㎚였다. 나노웨브를 몇몇 기술에 의해 공칭 평량 500 gsm의 폴리에스테르 펠트에 접합시켰다.
니들펀칭
나노웨브를 30 gsm의 폴리에스테르 스펀 레이싱된 스크림(한국 소재의 코오 롱(Kolon)) 상으로 방사하였고, 이를 폴리에스테르 펠트 상으로 니들 펀칭하였다.
니들펀칭은 펠트 및 스크림 + 나노웨브 구조물을, 나노웨브가 펠트에 맞닿아 내측에 있고 펠트측으로부터 니들 펀칭하는 상태로, 접촉시키는 것을 수반하였다. 라인 속도는 1.5 미터/분이었다. 인치당 침투(penetrations per inch, PPI)의 수는 383이었다.
접착제 접합
나노웨브를 폴리에스테르 펠트에 접착제로 접합시켰다. 폴리우레탄 접착제를 130℃에서 펠트에 도포하였다. 이어서, 나노웨브를 가벼운 압력으로 접착제에 부착시켰다.
용매 접착제 접합
나노웨브를 폴리에스테르 펠트에 접착제로 접합시켰다. 라미네이션 공정은 트라이클로로에틸렌 중 폴리우레탄 접착제를 실온에서 펠트에 도포하는 것을 수반하였다. 이어서, 나노웨브를 가벼운 압력으로 접착제에 부착시켰다.
캘린더링
나노웨브를 2개의 롤 사이의 닙을 통해 나노웨브 + 펠트 + 접착제를 진행시킴으로써 폴리에스테르 펠트에 접착제로 접합시켰다. 라인 속도는 0.7 m/분 (0.8 야드/분)이었다. 롤 온도는 180℃였다.
비교예
나노웨브를 포함하는 필터를 구매가능한 필터 매체로부터 제조된 필터들과 비교하였다. 2.5 dtex의 스테이플 섬유로 제조된 폴리에스테르 펠트 (티티엘 저머 니(TTL Germany), 제품 PES 3455-3/01), 폴리에스테르 펠트 상에 라미네이팅된 ePTFE 막 (티티엘 저머니, 제품 PES 3054-1/01 T101T) 및 PTFE 중합체로 코팅된 폴리에스테르 펠트 (티티엘 저머니, 제품 PES 3455-3/01 T95)의 비교예들을 시험하였다. 그들 필터 모두는 유사한 중량(약 500 gsm) 및 두께의 것이었다.
그 본문이 본 명세서에 참고로 포함된 VDI 3926에 따라 여과 효율, 압력 강하 및 사이클 시간을 측정하였다.
VDI 3926에서, 여과 효율(먼지 누설(dust leakage)이라고도 불림)은 세제곱미터당 마이크로그램(㎍/㎥)으로 측정되며, 압력 강하는 파스칼(㎩)로 측정되며, 사이클 시간은 초(s)로 측정된다. 여과 효율은 필터를 통과하는 먼지의 양을 나타낸다. 압력 강하는 필터의 두 면 사이의 압력차이다. 사이클 시간은 먼지 케이크를 방출하기까지의 2개의 펄스 사이의 지속시간이다. 소정의 압력 강하가 얻어질 때(VDI 3926에서, 최대 압력 강하는 1000 ㎩로 설정된다), 펄스(역압(counter pressure))가 자동적으로 생성된다. VDI 3926은 초기 30 사이클, 이어서 필터 에이징을 시뮬레이션하기 위한 10,000 사이클, 그리고 마지막으로 추가 30 사이클에 기초한다. 필터 효율, 압력 강하 및 사이클 시간은 마지막 30 사이클의 종료시에 측정된다.
양호한 필터는 낮은 여과 효율 수(낮은 누설), 낮은 압력 강하 및 긴 사이클 시간을 보여준다. 낮은 압력 강하는 최종 사용자를 위한 에너지 절감(필터를 통하여 가스를 밀어내기 위한 더 적은 압력)에 대응할 것이며, 긴 사이클 시간은 더 오랜 필터 수명을 나타낸다. 실제로, 30 초 미만의 사이클 시간은 필터 백이 교체되 어야 함을 나타낸다.
하기 표 1은 VDI 3926에 따라 측정된 여과 효율, 압력 강하 및 사이클 시간을 나타낸다.
Figure 112009070634283-pct00001
표 1로부터, 나노웨브 함유 필터가 폴리에스테르 펠트 및 PTFE-코팅된 폴리에스테르 펠트와 대비하여 여과 효율에서 상당한 개선을 제공하며, ePTFE/폴리에스테르 펠트 라미네이트로 제조된 필터 매체와 사실상 동등함을 알 수 있다. 그러나, 이러한 마지막 필터 매체와 비교하여, 펠트에 접합된 나노웨브는 더 낮은 압력 강하 및 더 긴 사이클 시간이라는 이점을 제공한다.
표 2 는 펠트에 라미네이팅된 10 gsm의 나노웨브 및 펠트에 라미네이팅된 PTFE 막의 샘플들에 대한 온도의 함수로서의 여과 효율을 나타낸다.
Figure 112009070634283-pct00002
나노웨브는 시험의 최고 온도에서 ePTFE/펠트 라미네이트보다 우수하다.
미국 특허 제6,740,142호에서의 설명에 따라 비교예를 제조하였다. 국제특허공개 WO 03/080905호의 공정을 사용하여 폴리아미드 PA 6/6 나노섬유로부터 폴리에스테르 펠트 상으로 직접, 2 그램/제곱미터 (gsm)의 평량을 갖는 나노웨브를 방사함으로써 전구체 라미네이트를 생성하였다. 평균 섬유 직경은 약 400 ㎚였다. 상기 '142호 특허의 권장된 라미네이션 조건을 재현하기 위해 전구체 웨브를 60초 동안 프레스에서 227℃로 그리고 저압 하에서 유지함으로써 압밀된 웨브 샘플을 생성하였다.
압밀된 웨브 및 전구체 웨브 둘 모두는 펠트에 대한 나노웨브의 불량한 점착력을 가졌으며, 나노웨브는 엄지손가락에 의한 나노웨브 표면 상에서의 가벼운 긁힘에 의해 펠트로부터 용이하게 분리될 수 있을 것이다. 압밀된 샘플을 VDI 3926에 처하였으며, 이는 탈층 전에 30 미만의 사이클을 견디고 존속하였다.

Claims (12)

  1. 필터 백(filter bag)의 천 조각(cloth)에 싸인 지지 구조물을 포함하며, 상기 필터 백의 천 조각이 적어도 하나의 기재(substrate) 층과 이에 대면(face-to-face) 관계로 니들펀칭에 의해 접합된 3 gsm 초과의 평량을 갖는 제1 나노웨브(nanoweb) 층의 복합재로 이루어지며,
    상기 기재 층 및 나노웨브 층은 40 내지 100 천공수/㎠로 니들펀칭되고, 나노웨브 층의 25% 이하가 천공되는 백 필터.
  2. 제1항에 있어서, 나노웨브는 필터 백의 상류측에 위치되는 백 필터.
  3. 제1항에 있어서, 기재 층 및 나노웨브 층은 필터가 30 사이클 동안 VDI 3926에 처해진 후에 접합된 채로 유지되는 백 필터.
  4. 제1항에 있어서, 제1 나노웨브 층에 접합된 면과 반대인 면 상에서 기재 층에 접합되는 제2 나노웨브 층을 추가로 포함하는 백 필터.
  5. 제4항에 있어서, 제2 나노웨브 층에 접합되는 제2 기재 층을 추가로 포함하는 백 필터.
  6. 제1항에 있어서, 각각의 기재 층은 독립적으로, 폴리에스테르 섬유, 탄소 섬유, 폴리이미드 섬유, 유리 섬유 및 이들의 혼합물로부터 선택된 섬유를 포함하는 백 필터.
  7. 필터 백의 천 조각에 싸인 지지 구조물을 포함하며, 상기 필터 백의 천 조각이 웨브에 대면 관계로 니들펀칭에 의해 접합된 적어도 하나의 기재 층의 복합재를 포함하며, 상기 웨브가 0.1 gsm 초과의 평량을 갖는 나노웨브 층 및 나노웨브 층에 접합된 스크림(scrim)을 포함하며, 상기 웨브가 필터 백의 상류측에 위치되고,
    상기 기재 층 및 웨브는 기재 층 측에서 40 내지 100 천공수/㎠로 니들펀칭되고, 웨브의 25% 이하가 천공되는 백 필터.
  8. 제7항에 있어서, 스크림은 나노웨브와 기재 사이에 위치되는 백 필터.
  9. 제7항에 있어서, 나노웨브 층은 스크림과 기재 사이에 위치되는 백 필터.
  10. 제7항에 있어서, 기재 층 및 나노웨브 층은 필터가 30 사이클 동안 VDI 3926에 처해진 후에 접합된 채로 유지되는 백 필터.
  11. 삭제
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