KR101669306B1 - 전하 증대 첨가제를 갖는 일렉트릿 웨브 - Google Patents

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Abstract

열가소성 수지와 전하 증대 첨가제의 블렌드를 포함하는 일렉트릿 웨브가 제공된다. 전하 증대 첨가제는 플루오르화된 기가 없는 헤테로사이클릭 이미드 재료를 포함한다. 블렌드로부터 제조된 웨브는 필름 또는 부직 섬유질 웨브의 형태일 수 있다. 부직 미세섬유 웨브가 여과 매체로서 유용하다.

Description

전하 증대 첨가제를 갖는 일렉트릿 웨브{ELECTRET WEBS WITH CHARGE-ENHANCING ADDITIVES}
본 발명은 전하 증대 첨가제를 함유하는 부직 섬유질 웨브(non-woven fibrous web), 예컨대, 부직 열가소성 미세섬유(microfiber) 웨브를 포함한 일렉트릿 웨브 및 이의 용도에 관한 것이다.
일렉트릿은 반영구적인 전하를 나타내는 유전 재료이다. 일렉트릿은, 예를 들어 클링 필름(cling film), 공기 필터, 필터링 페이스피스(filtering facepiece), 및 마스크(respirator)를 비롯한 각종 장치에 유용하며, 전기음향 장치, 예컨대 마이크로폰, 헤드폰, 및 정전기 리코더의 정전기적 요소로서 유용하다.
에어로졸 여과를 위해 사용되는 미세섬유 웨브의 성능은 섬유에 전기적 전하를 부여하여, 일렉트릿 재료를 형성함으로써 개선될 수 있다. 특히, 일렉트릿은 에어로졸 필터의 입자 포획을 향상시키는 데 효과적이다. 미세섬유 웨브에 일렉트릿 재료를 형성하기 위한 다수의 방법이 알려져 있다. 이러한 방법은 예를 들어, 멜트-블로운 섬유 형성시, 다이 오리피스로부터 방출될 때, 섬유에 전기적으로 대전된 입자, 예컨대 전자 또는 이온으로 충격을 가하는 것을 포함한다. 다른 방법은, 예를 들어, 웨브가 형성된 후에 섬유를 DC 코로나 방전에 의해 대전시키거나, 또는 카딩(carding) 및/또는 니들 태킹(needle tacking)(마찰 대전(tribocharging))에 의해 전하를 섬유 매트에 부여하는 것을 포함한다. 최근에는, 여과 향상 일렉트릿 전하를 제공하기에 충분한 압력에서 분사수(jet of water) 또는 수적류(stream of water droplet)를 부직 웨브에 충돌시키는 방법이 개시되었다(하이드로차징(hydrocharging)).
특성이 개선된 일렉트릿 웨브가 필요하다. 본 발명은 전하 증대 첨가제를 함유하는 일렉트릿 웨브를 제공한다. 이러한 전하 증대 첨가제는 각종 상이한 대전 메커니즘, 예컨대, 마찰대전, DC 코로나 방전, 하이드로차징 또는 이들의 조합에 의해 대전시키기가 용이한 일렉트릿 웨브를 제공한다.
일부 실시 형태에서, 본 발명은 열가소성 수지, 및 플루오르화된 기가 없는 헤테로사이클릭 이미드 재료를 포함하는 전하 증대 첨가제를 포함하는 일렉트릿 웨브를 포함한다. 일렉트릿 웨브는 부직 섬유질 웨브 또는 심지어는 부직 미세섬유 웨브의 형태일 수 있다.
다른 실시 형태에서, 본 발명은 열가소성 수지, 및 플루오르화된 기가 없는 헤테로사이클릭 이미드 재료를 포함하는 전하 증대 첨가제의 블렌드를 포함하는 부직 미세섬유 웨브를 포함하는 일렉트릿 필터 매체를 포함한다. 일렉트릿 필터 매체는 마스크 필터, 실내 환기 시스템 필터, 차량 환기 시스템 필터, 공기 조화기 필터, 노(furnace) 필터, 실내 공기 청정기 필터, 진공청소기 필터, 또는 컴퓨터 디스크 드라이브 필터를 포함할 수 있다.
열가소성 재료를 제공하는 단계, 플루오르화된 기가 없는 헤테로사이클릭 이미드 재료를 포함하는 핫 멜트 가공가능한 전하 증대 첨가제를 제공하는 단계, 열가소성 재료와 전하 증대 첨가제를 핫 멜트 혼합하여 블렌드를 형성하는 단계, 핫 멜트 블렌드로부터 웨브를 형성하는 단계, 및 웨브를 정전기적으로 대전시키는 단계를 포함하는, 일렉트릿 웨브의 제조 방법이 또한 개시된다.
본 발명에 유용한 일렉트릿 웨브는 열가소성 수지와 전하 증대 첨가제의 블렌드를 포함한다. 이러한 블렌드로부터 제조된 웨브는 열가소성 수지 단독으로 제조된 웨브에 비해 개선된 특성을 나타낼 수 있다. 유용한 전하 증대 첨가제는 플루오르화된 기가 없는 헤테로사이클릭 이미드 재료를 포함한다.
일렉트릿 웨브는 다양한 형태의 것일 수 있다. 예를 들어, 웨브는 연속 또는 불연속 필름, 또는 섬유질 웨브일 수 있다. 섬유질 웨브는 여과 매체의 형성에 특히 유용하다. 일부 실시 형태에서, 웨브는 부직 미세섬유 웨브이다. 전형적으로 미세섬유는 유효 직경 (또는 주사 전자 현미경법과 같은 방법에 의해 측정되는 경우 평균 직경)이 1 내지 100 마이크로미터, 또는 더욱 전형적으로 2 내지 30 마이크로미터이며 미세 섬유는 원형 단면을 갖지 않아도 된다.
단수형 용어 ("a", "an", 및 "the")는 기재되어 있는 요소들 중 하나 이상을 의미하도록 "적어도 하나"와 서로 교환가능하게 사용된다.
용어 일렉트릿은 반영구적인 전하를 나타내는 재료를 지칭한다. 전하는 실시예 부분에 기재된 바와 같은 X-선 방전 시험에 의해 특징지워질 수 있다.
용어 "알킬"은 포화 탄화수소인 알칸의 라디칼인 1가 기를 지칭한다. 알킬은 선형, 분지형, 환형 또는 그 조합일 수 있으며, 전형적으로 1 내지 20개의 탄소 원자를 갖는다. 일부 실시 형태에서, 알킬기는 1 내지 18개, 1 내지 12개, 1 내지 10개, 1 내지 8개, 1 내지 6개 또는 1 내지 4개의 탄소 원자를 포함한다. 알킬기의 예로는 메틸, 에틸, n-프로필, 아이소프로필, n-부틸, 아이소부틸, tert-부틸(t-부틸), n-펜틸, n-헥실, 사이클로헥실, n-헵틸, n-옥틸, 및 에틸헥실이 포함되나, 이에 한정되지 않는다.
용어 "알케닐"은 적어도 하나의 탄소-탄소 이중 결합을 갖는 탄화수소인 알켄의 라디칼인 1가 기를 지칭한다. 알케닐은 선형, 분지형, 환형 또는 그 조합일 수 있으며, 전형적으로 2 내지 20개의 탄소 원자를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 알케닐은 2 내지 18개, 2 내지 12개, 2 내지 10개, 4 내지 10개, 4 내지 8개, 2 내지 8개, 2 내지 6개, 또는 2 내지 4개의 탄소 원자를 포함한다. 예시적인 알케닐 기에는 에테닐, n-프로페닐, 및 n-부테닐이 포함된다.
용어 "알키닐"은 적어도 하나의 탄소-탄소 삼중 결합을 갖는 탄화수소인 알킨의 라디칼인 1가 기를 지칭한다. 알키닐은 선형, 분지형, 환형 또는 그 조합일 수 있으며, 전형적으로 2 내지 20개의 탄소 원자를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 알키닐은 2 내지 18개, 2 내지 12개, 2 내지 10개, 4 내지 10개, 4 내지 8개, 2 내지 8개, 2 내지 6개, 또는 2 내지 4개의 탄소 원자를 포함한다. 예시적인 알키닐 기에는 에티닐, n-프로피닐, 및 n-부티닐이 포함된다.
용어 "헤테로알킬"은 헤테로원자를 포함하는 알킬 기를 지칭한다. 이러한 헤테로원자는 펜던트 원자, 예를 들어, 불소, 염소, 브롬, 또는 요오드와 같은 할로겐, 또는 카테나형(catenary) 원자, 예컨대, 질소, 산소 또는 황일 수 있다. 헤테로알킬기의 일례로는 폴리옥시알킬기, 예컨대 -CH2CH2(OCH2CH2)nOCH2CH3이 있다.
용어 "치환된 알킬"은 탄화수소 골격을 따라 치환기를 포함하는 알킬 기를 지칭한다. 이러한 치환기는 알킬 기, 헤테로알킬 기 또는 아릴 기일 수 있다. 치환된 알킬 기의 일례로는 벤질 기가 있다.
용어 "아릴"은 연결되거나 융합될 수 있는 1 내지 5개의 고리를 포함하는 라디칼인 방향족 탄소환식 기를 지칭한다. 아릴 기는 알킬 기 또는 헤테로알킬 기로 치환될 수 있다. 아릴 기의 예에는, 페닐 기, 나프탈렌 기 및 안트라센 기가 포함된다.
용어 "알킬렌"은 포화 탄화수소인 알칸의 라디칼인 2가 기를 지칭한다. 알킬렌은 선형, 분지형, 환형 또는 그 조합일 수 있으며, 전형적으로 1 내지 20개의 탄소 원자를 갖는다. 일부 실시 형태에서, 알킬렌 기는 1 내지 18개, 1 내지 12개, 1 내지 10개, 1 내지 8개, 1 내지 6개, 또는 1 내지 4개의 탄소 원자를 포함한다. 알킬렌 기의 예에는 메틸렌 (-CH2-), 에틸렌 (-CH2CH2-) 등이 포함되지만 이로 한정되지 않는다. 알킬렌 기는 또한 알킬 기로 치환될 수 있다.
용어 "아릴렌"은 연결되거나 융합될 수 있는 1 내지 5개의 고리를 포함하는 라디칼인 2가 방향족 탄소환식 기를 지칭한다. 아릴렌 기는 알킬기 또는 헤테로알킬기로 치환될 수 있다. 아릴렌 기의 예에는 페닐렌 기, 나프틸렌 기 및 안트릴렌 기가 포함된다.
용어 "아르알킬렌"은 화학식 -Ra-Ara-의 2가 기를 지칭하며, 여기서, Ra는 알킬렌이고 Ara는 아릴렌이다 (즉, 알킬렌이 아릴렌에 결합됨).
용어 "헤테로사이클릭 이미드"는 연결되거나 융합될 수 있는 1 내지 5개의 고리를 포함하는 라디칼이며 적어도 하나의 이미드 기로 치환된, 헤테로사이클릭 기, 즉, 고리 구조가 탄소 및 수소 원자뿐만 아니라 헤테로원자를 포함하는 환형 기를 지칭한다. 이미드 기는 구조식 -C(O)-NRa-C(O)-을 갖는 것으로, 여기서, C(O)는 카르보닐 기 (C=O)를 지칭하며 기 Ra는 수소, 알킬, 알케닐, 알키닐, 아릴, 헤테로알킬, 또는 치환된 알킬이다. 헤테로사이클릭 이미드의 예에는 말레이미드, 프탈이미드, 석신이미드 등이 포함된다. "헤테로사이클릭 이미드 재료"는 적어도 하나의 헤테로사이클릭 이미드를 포함하는 재료이다.
용어 "장애 아민"은 치환기에 의한 입체 장애를 갖는 아민 기를 지칭한다. 장애 아민의 예는, 예를 들어, 미국 특허 제3,925,376호(차머스(Chalmers) 등)에 기재되어 있다.
용어 "중합체" 및 "중합체성 재료"는 둘 모두, 하나의 단량체로부터 제조되는 재료, 예컨대, 단일중합체, 또는 2종 이상의 단량체로부터 제조되는 재료, 예컨대, 공중합체 또는 삼원공중합체 등을 지칭한다. 마찬가지로, 용어 중합한다 는 단일중합체, 공중합체, 삼원공중합체 등일 수 있는 중합체성 재료를 제조하는 공정을 지칭한다. 용어 "공중합체" 및 "공중합체성 재료"는 적어도 2종의 단량체로부터 제조되는 중합체성 재료를 지칭한다.
용어 "실온" 및 "주위 온도"는 20℃ 내지 25℃ 범위의 온도를 의미하는 것으로 서로 교환가능하게 사용된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이 "핫 멜트 가공가능한"이라는 용어는 조성물이, 예를 들어, 열 및 압력에 의해 고체로부터 점성 유체로 변환될 수 있음을 말한다. 상기 조성물은 사실상 화학적으로 변환되거나, 분해되거나, 의도된 응용에 사용불가능하게 되지 않으면서 핫 멜트 가공될 수 있어야 한다.
달리 표시되지 않는다면, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용되는 특징부의 크기, 양 및 물리적 특성을 표현하는 모든 수치는 모든 경우에 "약"이라는 용어로 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 표시되지 않는 한, 설명된 수치는 본 명세서에 개시된 교시를 이용하여 원하는 특성에 따라 달라질 수 있는 근사치이다.
본 발명에 유용한 열가소성 수지는 웨브로 형성되어 대전되는 경우에 다량의 포획 정전기 전하(trapped electrostatic charge)를 보유할 수 있는 임의의 열가소성 비전도성 중합체를 포함한다. 전형적으로, 이러한 수지는 목적 용도의 온도에서 1014 ohm-cm를 초과하는 DC(직류) 비저항을 갖는다. 포획 전하를 획득할 수 있는 중합체에는 폴리올레핀, 예컨대, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 및 폴리-4-메틸-1-펜텐; 폴리비닐 클로라이드; 폴리스티렌; 폴리카르보네이트; 폴리락타이드를 포함하는 폴리에스테르; 및 퍼플루오르화된 중합체 및 공중합체가 포함된다. 특히 유용한 재료로는 폴리프로필렌, 폴리-4-메틸-1-펜텐, 이들의 블렌드 또는 프로필렌 및 4-메틸-1-펜텐 중 적어도 하나로 형성된 공중합체를 들 수 있다.
일반적으로, 유용한 열가소성 중합체는 "용융 유동 지수"의 기술에 의해서 특징지워진다. 용융 유동 지수 (MFI)는 열가소성 중합체 용융물의 유동 용이성의 측정치이다. 이는, 대안적인 규정된 온도에 대해, 규정된 대안적인 중량 추를 통해 가해지는 압력에 의해서 특정 직경 및 길이의 모세관을 통해 10분 내에 유동하는 중합체의 질량(그램 단위)으로서 정의된다. 방법은 ASTM D1238 및 ISO 1133에서 제공된다. 전형적으로 폴리프로필렌의 용융 유동 지수는 230℃에서 측정된다.
적합한 열가소성 수지의 예에는, 예를 들어, 폴리프로필렌 수지: 미국 텍사스주 어빙 소재의 엑손-모빌 코포레이션(Exxon-Mobil Corporation)으로부터 구매가능한 에스코렌(ESCORENE) PP 3746G; 미국 텍사스주 휴스턴 소재의 토털 페트로케미칼스 유에스에이 인크.(Total Petrochemicals USA Inc.)로부터 구매가능한 토털(TOTAL) PP3960, 토털 PP3860, 및 토털 PP3868; 및 네덜란드 로테르담 소재의 라이온델바젤 인더스트리즈, 인크.(LyondellBasell Industries, Inc.)로부터 구매가능한 메토센(METOCENE) MF 650W; 및 폴리-4-메틸-1-펜텐 수지: 일본 도쿄 소재의 미츠이 케미칼스, 인크.(Mitsui Chemicals, Inc.)로부터 구매가능한 TPX-MX002가 포함된다.
전하 증대 첨가제는 플루오르화된 기가 없는 헤테로사이클릭 이미드 재료이다. 플루오르화된 기를 포함하는 다수의 전하 증대 첨가제가 사용되어 왔으나, 플루오르화된 기의 사용은 바람직하지 않을 수 있다. 플루오르화된 기, 특히 퍼플루오르화된 기의 사용은, 고가이며 쉽게 입수할 수 없는 불소-함유 시약의 사용을 필요로 하며 복잡한 반응 순서 및 처리 단계를 수반할 수 있다.
헤테로사이클릭 이미드 재료는 하기에 나타낸 3개의 일반 구조, 화학식 1, 화학식 2 및 화학식 3에 의해서 기술될 수 있다:
[화학식 1]
Figure 112011085781140-pct00001
[화학식 2]
Figure 112011085781140-pct00002
[화학식 3]
Figure 112011085781140-pct00003
화학식 1에서, 기 R1은 수소, 알킬, 아릴, 헤테로알킬, 또는 치환된 알킬 또는 치환된 아릴이다. 추가로, R1은 추가의 헤테로사이클릭 이미드 기에 부착될 수 있다. 기 R2 및 R3은 독립적으로 수소, 알킬, 아릴, 헤테로알킬, 또는 치환된 알킬 또는 치환된 아릴이거나, 또는 다른 헤테로사이클릭 이미드에 연결될 수 있다. 화학식 2에서, 기 R1은 상기에 기재된 것과 동일하다. 기 R4, R5, R6 및 R7은 독립적으로 수소, 알킬, 아릴, 헤테로알킬, 또는 치환된 알킬 또는 치환된 아릴이거나, 또는 다른 헤테로사이클릭 이미드에 연결될 수 있다. 화학식 3에서, 기 R1은 상기에 기재된 것과 동일하며; Ar은 방향족 고리, 예를 들어, 페닐, 나프탈릴, 안트라세닐 또는 다른 방향족 융합 고리 구조이며; Z1 및 Z2는 방향족 고리 상의 어디에나 위치될 수 있는, 방향족 고리 상의 치환기이고, 독립적으로 수소, 알킬, 아릴, 헤테로알킬, 또는 치환된 알킬, 니트로, 치환된 아릴일 수 있거나, 또는 다른 헤테로사이클릭 이미드에 연결될 수 있다. 추가로, 방향족 고리는 다른 헤테로사이클릭 이미드에 연결될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 전하 증대 첨가제는 화학식 1의 첨가제이다. 화학식 1에 의해 기술되는 다양한 상이한 재료가 전하 증대 첨가제로서 유용하다. 그러한 첨가제는 때때로 "말레이미드"라고 지칭되는데, 화학식 1에서 R1, R2 및 R3이 수소 원자인 경우, 분자가 말레이미드로서 알려져 있기 때문이다. 전형적으로, 기 R2 및 R3은 수소 원자이다. 적합한 말레이미드에는, 예를 들어, 다른 말레이미드 기에 연결된 말레이미드가 포함된다. 그러한 말레이미드에는 화학식 1에서 R1이 다른 말레이미드 기에 부착된 연결기인 예가 포함된다. 연결기의 예에는 알킬렌 기, 아릴렌 기, 아르알킬렌 기 등이 포함된다. 일부 실시 형태에서, 연결기는, 적어도 하나의 방향족 고리를 포함하는 연결기를 의미하는 방향족 연결기를 포함한다. 방향족 연결기의 예에는, 예를 들어, 아릴렌 기 (-Ar-), 및 예를 들어, -Ar-R8-Ar-,및 -R9-Ar-R9- (여기서, R8 및 R9는 알킬렌 기이고 Ar은 아릴렌 기를 나타냄)와 같은, 아릴 기 또는 알킬 기 중 어느 하나를 통해 연결될 수 있는 다양한 아르아킬렌 기가 포함된다. 일부 실시 형태에서, 전하 증대 첨가제는 화학식 4 또는 화학식 5 (하기)의 구조를 포함한다.
[화학식 4]
Figure 112011085781140-pct00004
[화학식 5]
Figure 112011085781140-pct00005
일부 실시 형태에서, 전하 증대 첨가제는 화학식 2의 첨가제이다. 화학식 2에 의해 기술되는 다양한 상이한 재료가 전하 증대 첨가제로서 유용하다. 그러한 첨가제는 때때로 "석신이미드"라고 지칭되는데, 화학식 2에서 R1, R4, R5, R6 및 R7이 수소 원자인 경우, 분자가 석신이미드로서 알려져 있기 때문이다. 적합한 석신이미드에는, 예를 들어, R1이 알킬, 아릴, 헤테로알킬, 치환된 알킬 또는 치환된 아릴을 포함하는 화학식 2의 석신이미드가 포함된다. R4, R5, R6 및 R7 기는 알킬, 또는 아릴 기일 수 있거나, 또는 석신이미드 기를 다른 석신이미드 기에 연결하는 연결 기일 수 있다. 일부 바람직한 실시 형태에서, 전하 증대 첨가제는 R1이 장애 아민 기를 포함하고, R4 및 R6 기가 석신이미드 기를 다른 석신이미드 기에 연결하는 연결기이며, R3 및 R5 기가 수소인 화학식 2의 석신이미드이다. 특히 적합한 실시 형태에서, 전하 증대 첨가제는 독일 루드비히샤펜 소재의 바스프(BASF)로부터 "유비눌(UVINUL) 5050H"로 구매가능하며, 이것은 장애 아민 N-치환된 석신이미드 올리고머로서 기술될 수 있다. 이러한 첨가제의 구조는, 분자량이 3,000 내지 4,000 그램/몰이고 따라서 n의 값이 약 5 내지 7인 화학식 6 (하기)으로 나타내어진다.
[화학식 6]
Figure 112011085781140-pct00006
일부 실시 형태에서, 전하 증대 첨가제는 화학식 3의 첨가제이다. 화학식 3에 의해 기술되는 다양한 상이한 재료가 전하 증대 첨가제로서 유용하다. 화학식 3의 첨가제는 아릴 기에 융합된 말레이미드로 간주될 수 있다. 그러한 재료의 한 가지 적합한 부류는 때때로 "프탈이미드"라고 지칭되는데, 화학식 3에서 R1, Z1 및 Z2가 수소 원자이고, Ar 기가 페닐 고리인 경우, 분자가 프탈이미드로서 알려져 있기 때문이다. 적합한 프탈이미드에는, 예를 들어, R1이 알킬, 아릴, 헤테로알킬, 치환된 알킬 또는 치환된 아릴을 포함하는 화학식 3의 프탈이미드가 포함된다. Z1 및 Z2 기는 독립적으로 수소, 알킬, 아릴, 또는 니트로 기일 수 있다. 일부 바람직한 실시 형태에서, 전하 증대 첨가제는 R1이 페닐 기와 같은 아릴 기를 포함하며, Z1 및 Z2 기 중 하나가 수소 원자이고 다른 하나가 니트로 기인 화학식 3의 프탈이미드이다. 적합한 프탈이미드의 예가 화학식 7 (하기)에 나타나있다.
[화학식 7]
Figure 112011085781140-pct00007
전형적으로, 전하 증대 첨가제는 열가소성 수지와 전하 증대 첨가제 블렌드 중에, 블렌드의 총 중량을 기준으로 최대 약 10 중량%, 더욱 전형적으로는 0.1 내지 5 중량% 범위의 양으로 존재한다. 일부 실시 형태에서, 전하 증대 첨가제는 0.1 내지 3 중량% 또는 0.25 내지 2 중량% 범위의 양으로 존재한다.
열가소성 수지와 전하 증대 첨가제의 블렌드는 잘 알려진 방법들에 의해 제조될 수 있다. 전형적으로, 블렌드는 용융 압출 기술을 사용하여 처리하므로, 배치(batch) 공정으로 블렌드를 예비블렌딩(preblend)하여 펠릿을 형성할 수 있거나, 또는 연속 공정으로 열가소성 수지와 전하 증대 첨가제를 압출기에서 혼합할 수 있다. 연속 공정이 사용되는 경우, 열가소성 수지 및 전하 증대 첨가제를 고체로서 예비혼합하거나, 또는 압출기에 별도로 첨가하여 용융 상태에서 혼합할 수 있다.
예비블렌딩된 펠릿을 형성하는 데 사용될 수 있는 용융 혼합기의 예로는 분산 혼합(dispersive mixing), 분배 혼합(distributive mixing), 또는 분산 혼합과 분배 혼합의 조합을 제공하는 것들이 포함된다. 배치(batch) 방법의 예로는 브라벤더(BRABENDER)(예를 들어, 미국 뉴저지주 사우스 핵켄삭 소재의 씨.더블유. 브라벤더 인스트루먼츠, 인크.(C.W. Brabender Instruments, Inc.)로부터 구매가능한 브라벤더 프레프 센터(BRABENDER PREP CENTER)) 또는 밴버리(BANBURY) 내부 혼합 및 롤 밀링 기기(예를 들어, 미국 코네티컷 주 안소니아 소재의 파렐 컴퍼니(Farrel Co.)로부터 입수가능한 기기)를 사용하는 것들이 포함된다. 배치 혼합 후에, 생성된 혼합물을 즉시 켄칭(quenching)하고 후속 처리를 위해 혼합물의 용융 온도 미만으로 보관할 수 있다.
연속 방법의 예로는 단축 압출, 이축 압출, 디스크 압출, 왕복동식(reciprocating) 단축 압출, 및 핀 배럴(pin barrel) 단축 압출이 포함된다. 연속 방법은 분배식 요소, 예컨대 캐비티 트랜스퍼 혼합기(cavity transfer mixer)(예를 들어, 영국 쉬류스버리 소재의 라프라 테크놀로지, 리미티드(RAPRA Technology, Ltd.)로부터 구매가능한 CTM)와 핀 혼합 요소 둘 모두, 정전 혼합 요소 또는 분산 혼합 요소(예를 들어, 매드독(MADDOCK) 혼합 요소 또는 색슨(SAXTON) 혼합 요소로 구매가능)를 이용하는 것을 포함할 수 있다.
배치 방법에 의해 제조되는 예비블렌딩된 펠릿을 압출하는 데 사용될 수 있는 압출기의 예로는 연속 처리에 관하여 상기에 기재된 것과 동일한 유형의 기기가 포함된다. 유용한 압출 조건은 통상 첨가제 없이 수지를 압출하는 데 적합한 것이다.
열가소성 수지와 전하 증대 첨가제의 압출된 블렌드는 필름 또는 시트로 캐스팅 또는 코팅될 수 있거나, 또는 알려진 기술을 사용하여 부직 섬유질 웨브로 멜트-블로운될 수 있다. 멜트-블로운 부직 미세섬유 웨브는 여과 매체로서 특히 유용하다.
멜트-블로운 부직 미세섬유 일렉트릿 필터는 마스크의 공기 필터 요소, 예컨대 필터링 페이스피스로서, 또는 가정용 및 산업용 공기 조화기, 공기 청정기, 진공청소기, 의료용 공기 라인 필터, 및 차량용 및 통상적인 기기, 예컨대 컴퓨터, 컴퓨터 디스크 드라이브 및 전자 기기를 위한 공조 시스템과 같은 용도에 특히 유용하다. 일부 실시 형태에서, 일렉트릿 필터는 마스크 조립체와 조합되어 개인에 의해 사용되도록 디자인된 호흡 기구를 형성한다. 마스크에 사용되는 경우에, 일렉트릿 필터는 성형되거나, 주름잡히거나, 또는 절첩된 반면형 (half-face) 마스크, 교환식 카트리지 또는 캐니스터, 또는 프리필터 (prefilter) 형태일 수 있다.
본 발명에 유용한 멜트-블로운 미세섬유는 문헌 [Van A. Wente, "Superfine Thermoplastic Fibers," Industrial Engineering Chemistry, vol. 48, pp. 1342-1346] 및 문헌[Report No. 4364 of the Naval Research Laboratories, published May 25, 1954, entitled "Manufacture of Super Fine Organic Fibers" by Van A. Wente et al.]에 기재된 바와 같이 제조될 수 있다.
섬유질 일렉트릿 필터용으로 유용한 멜트 블로운 미세섬유는, 문헌[Davies, C. N., "The Separation of Airborne Dust and Particles," Institution of Mechanical Engineers, London, Proceedings 1B, 1952]에 설명된 방법에 따라 계산할 때, 전형적으로 유효 섬유 직경이 약 1 내지 100 마이크로미터, 더욱 전형적으로는 2 내지 30 마이크로미터이고, 일부 실시 형태에서는, 약 7 내지 15 마이크로미터이다.
스테이플 섬유가 또한 웨브에 존재할 수 있다. 스테이플 섬유의 존재는 통상 블로운 미세섬유만으로 된 웨브보다 더욱 로프티(lofty)하고 덜 치밀한 웨브를 제공한다. 일반적으로, 약 90 중량% 이하, 더욱 전형적으로는 약 70 중량% 이하의 스테이플 섬유가 존재한다. 스테이플 섬유를 함유하는 웨브의 예는 미국 특허 제4,118,531호(하우저(Hauser))에 개시되어 있다.
흡착제 입자 물질(sorbent particulate material), 예컨대 활성탄 또는 알루미나가 또한 웨브에 포함될 수 있다. 이러한 입자는 웨브 내용물의 최대 약 80 부피%의 양으로 존재할 수 있다. 입자 로딩된(particle-loaded) 웨브의 예는 예를 들어, 미국 특허 제3,971,373호(브라운(Braun)), 미국 특허 제4,100,324호(앤더슨(Anderson)) 및 미국 특허 제4,429,001호(콜핀(Kolpin) 등)에 기재되어 있다.
예를 들어, 안료, 광 안정제, 일차 및 이차 산화방지제, 금속 불활성화제, 장애 아민, 장애 페놀, 지방산 금속 염, 트라이에스테르 포스파이트, 인산 염, 불소-함유 화합물 및 그 조합을 포함하는 다양한 선택적인 첨가제가 열가소성 조성물과 블렌딩될 수 있다. 추가로, 다른 전하 증대 첨가제가 열가소성 조성물과 조합될 수 있다. 가능한 전하 첨가제는 열 안정한 유기 트라이아진 화합물 또는 올리고머를 포함하며, 이들 화합물 또는 올리고머는 트라이아진 고리 내의 것에 더하여 적어도 하나의 질소 원자를 함유한다. 예를 들어, 루소(Rousseau) 등의 미국 특허 제6,268,495호, 제5,976,208호, 제5,968,635호, 제5,919,847호, 및 제5,908,598호를 참고한다. 일렉트릿을 향상시키는 것으로 알려진 다른 첨가제는 시바 스페셜티 케미칼스, 인크.(Ciba Specialty Chemicals, Inc.)로부터 입수가능한, "치마솔브"(CHIMASSORB) 944 LF: (폴리[[6-(1,1,3,3,-테트라메틸부틸)아미노]-s-트라이아진-2,4-다이일][[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딜)이미노]헥사메틸렌 [(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딜)이미노]])이다. 전하 증대 첨가제는 N-치환된 아미노 방향족 화합물, 특히 트라이-아미노 치환된 화합물, 예를 들어, 독일 루드비히샤펜 소재의 바스프로부터 "유비눌 T-150"으로 구매가능한, 2,4,6-트라이아닐리노-p-(카르보-2'-에틸헥실-1'-옥시)-1,3,5-트라이아진일 수 있다. 다른 전하 첨가제는 트라이스테아릴 멜라민 ("TSM")으로도 알려진 2,4,6-트리스-(옥타데실아미노)-트라이아진이다. 전하 증대 첨가제의 추가의 예는 미국 특허 출원 제61/058,029호, 미국 특허 출원 제61/058,041호, 미국 특허 제7,390,351호 (레이어(Leir) 등), 미국 특허 제5,057,710호 (니시우라(Nishiura) 등), 및 미국 특허 제4,652,282호 및 제4,789,504호 (오모리(Ohmori) 등)에서 제공된다.
또한, 웨브는 화학적으로 그의 표면을 개질하도록 처리될 수 있다. 표면 플루오르화는 중합체성 물품을 불소 함유 화학종(fluorine-containing species)과 불활성 기체를 포함하는 분위기에 배치하고, 그 후 중합체성 물품 표면의 화학적 성질이 개질되도록 전기 방전을 인가함으로써 달성될 수 있다. 전기 방전은 AC 코로나 방전과 같은 플라즈마의 형태일 수 있다. 이러한 플라즈마 플루오르화 공정에 의해 불소 원자가 중합체성 물품의 표면 상에 존재하게 된다. 플라즈마 플루오르화 공정은 존스/라이온스(Jones/Lyons) 등의 다수의 미국 특허 제6,397,458호, 제6,398,847호, 제6,409,806호, 제6,432,175호, 제6,562,112호, 제6,660,210호, 및 제6,808,551호에 기재되어 있다. 높은 플루오로포화 비를 갖는 일렉트릿 물품이 스파츠(Spartz) 등의 미국 특허 제7,244,291호에 기재되어 있으며, 헤테로원자와 함께, 낮은 플루오로포화 비를 갖는 일렉트릿 물품이 키르크(Kirk) 등의 미국 특허 제7,244,292호에 기재되어 있다. 플루오르화 기술을 개시하는 다른 공보에는 미국 특허 제6,419,871호, 제6,238,466호, 제6,214,094호, 제6,213,122호, 제5,908,598호, 제4,557,945호, 제4,508,781호, 및 제4,264,750호; 미국 특허 출원 공개 제2003/0134515 A1호 및 제2002/0174869 A1호; 및 국제 특허 공보 WO 01/07144호가 포함된다.
본 발명에 따라 제조된 일렉트릿 필터 매체는 일반적으로 평량 (단위 면적당 질량)이 약 10 내지 500 g/㎡, 일부의 실시 형태에서는 약 10 내지 100 g/㎡의 범위이다. 멜트-블로운 미세섬유 웨브를 제조함에 있어서, 평량은 예를 들어, 콜렉터 속도 또는 다이 스루풋(die throughput)을 변화시켜 조절될 수 있다. 필터 매체의 두께는 전형적으로 약 0.25 내지 20 밀리미터, 일부 실시 형태에서는, 약 0.5 내지 2 밀리미터이다. 다중 층의 섬유 일렉트릿 웨브가 필터 요소에 통상 사용된다. 섬유 일렉트릿 웨브의 고형도(solidity)는 전형적으로 약 1% 내지 25%, 더욱 전형적으로 약 3% 내지 10%이다. 고형도는 웨브의 고형물 분율을 정의하는 단위가 없는 파라미터이다. 일반적으로, 본 발명의 방법은 매체의 평량, 두께, 또는 고형도와 관계없이 웨브 전반에 일반적으로 균일한 전하 분포를 갖는 일렉트릿 웨브를 제공한다. 일렉트릿 필터 매체 및 이를 구성하는 수지는 이의 전기 전도도를 증가시킬 수도 있는 임의의 불필요한 처리, 예를 들어, 이온화 방사선, 감마선, 자외선 조사, 열분해, 산화에 대한 노출 등으로 처리되어서는 안된다.
일렉트릿 웨브는 웨브가 형성될 때에 대전될 수 있거나, 웨브는 웨브가 형성된 후에 대전될 수 있다. 일렉트릿 필터 매체에서, 매체는 일반적으로 웨브가 형성된 후에 대전된다. 일반적으로, 본 기술 분야에 알려진 임의의 표준 대전 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 대전은 마찰대전, DC 코로나 방전 및 하이드로차징을 포함하는 다양한 방식으로 수행될 수 있다. 방법들의 조합이 또한 사용될 수 있다.
적합한 DC 코로나 방전 공정의 예는 미국 재등록 특허 제30,782호(반 턴호우트(van Turnhout)), 미국 재등록 특허 제31,285호(반 턴호우트), 미국 재등록 특허 제32,171호 (반 턴호우트), 미국 특허 제4,215,682호 (데이비스(Davis) 등), 미국 특허 제4,375,718호 (워즈워스(Wadsworth) 등), 미국 특허 제5,401,446호 (워즈워스 등), 미국 특허 제4,588,537호 (클라세(Klaase) 등), 미국 특허 제4,592,815호 (나카오(Nakao)), 및 미국 특허 제6,365,088호 (나이트(Knight) 등)에 기재되어 있다.
웨브의 하이드로차징은 웨브에 여과 향상 일렉트릿 전하를 제공하기에 충분한 압력에서 분사수 또는 수적류를 웨브 상에 충돌시킴으써 행해진다. 최적의 결과를 달성하는 데 필요한 압력은 사용된 분무기의 유형, 웨브를 형성하는 중합체의 유형, 중합체에 대한 첨가제의 유형 및 농도, 웨브의 두께 및 밀도, 및 전처리, 예컨대, DC 코로나 표면 처리가 하이드로차징 이전에 행해졌는지의 여부에 따라 달라진다. 일반적으로, 약 69 내지 3450 ㎪ (10 내지 500 psi) 범위의 수압이 적합하다. DC 코로나 표면 처리는 또한, 원한다면, 하이드로차징 후 처리로서 사용될 수 있으나, 그러한 후 처리는 전형적이지 않다.
분사수 또는 수적류는 임의의 적합한 분무 수단에 의해 제공될 수 있다. 하이드로차징에서는 하이드로인탱글링(hydroentangling)에서 일반적으로 사용되는 것보다 더 낮은 압력에서 작업이 행해지지만, 수압에 의해 얽힌(hydraulically entangling) 섬유에 유용한 장치가 일반적으로 본 발명의 방법에 유용하다. 하이드로차징은 미국 특허 제5,496,507호(안가디반드(Angadjivand))에 기재된 방법, 그리고, 예를 들어, 일본 특허 출원 제2002161467호(호리구치(Horiguchi)), 일본 특허 출원 제2002173866호(타케다(Takeda)), 일본 특허 출원 제2002115177호(타케다), 일본 특허 출원 제2002339232호(타케다), 일본 특허 출원 제2002161471호(타케다), 일본 특허 제3,780,916호(타케다), 일본 특허 출원 제2002115178호(타케다), 일본 특허 출원 제2003013359호(호리구치), 미국 특허 제6,969,484호(호리구치), 미국 특허 제6,454,986호(에이츠맨(Eitzman)), 일본 특허 출원 제2004060110호(마스모리(Masumori)), 일본 특허 출원 제2005131485호(코다마(Kodama)), 및 일본 특허 출원 제2005131484호(코다마)에 기재된 것과 같은 유체 웨팅(wetting) 및 디웨팅(dewetting) 공정을 사용하여 일렉트릿 전하를 부여하기 위한 기타 각종 유도 방법을 포함하는 것으로 이해된다.
웨브의 하이드로차징은 또한 2008년 6월 2일자로 출원된 발명의 명칭이 "제타 전위에 기초한 일렉트릿 물품의 제조 방법"인 미국 특허 출원 (미국 특허 출원 제12/131770호)에 개시된 새로운 방법을 사용하여 수행될 수 있다. 이 방법은 (a) 대전될 중합체성 물품을 제공하는 단계; 및 (b) 대전될 중합체성 물품을 하기와 같은 pH 및 전도도를 가진 수성 액체와 접촉시키는 단계를 포함하며, 상기 pH 및 전도도는 (i) 만일 물품이 -7.5 밀리볼트 (㎷) 미만의 제타 전위를 가지면, 접촉하는 물은 약 5 내지 9,000 마이크로지멘스/센티미터 (microS/cm)의 전도도 및 7보다 큰 pH를 가지며; (ii) 만일 물품이 -7.5 ㎷ 보다 큰 제타 전위를 가지면, 접촉하는 물은 약 5 내지 5,500 마이크로지멘스/센티미터(microS/cm)의 전도도 및 7 이하의 pH를 가진다. 물품은 적극적으로(진공 또는 열로) 또는 수동적으로(걸어 말림) 또는 그 조합으로 건조될 수 있다.
여과 성능을 평가하기 위하여, 다양한 여과 시험 프로토콜이 개발되어 왔다. 이들 시험은 보통 필터 웨브를 통한 에어로졸 침투율의 퍼센트로서 나타내어지는, 다이옥틸프탈레이트(DOP)와 같은 표준 챌린지 에어로졸을 사용한 필터 웨브의 에어로졸 침투율 (% Pen)의 측정 및 필터 웨브를 가로지르는 압력 강하 (ΔP)의 측정을 포함한다. 이들 두 측정치로부터, 품질 계수(quality factor; QF)로서 알려진 양을 하기 방정식에 의해 계산할 수 있다:
QF = - ln(% Pen/100)/ ΔP,
여기서, ln은 자연 로그를 나타낸다. 더 높은 QF 값은 더 우수한 여과 성능을 나타내며, 감소된 QF 값은 감소된 여과 성능과 유효하게 상관관계가 있다. 이들 값을 측정하기 위한 세부 사항은 실시예 부분에 나타낸다. 전형적으로, 본 발명의 여과 매체는 6.9 센티미터/초의 면속도(face velocity)에서 측정된 QF 값이 0.3 (㎜ H2O)-1 이상이다.
특정 필터 매체가 자연적으로 정전기적으로 대전되는지를 확인하기 위하여, 이온화 X-선 방사에 노출 전 및 후에 그의 성능을 시험할 수 있다. 예를 들어, 문헌"[Air Filtration by R.C. Brown (Pergamon Press, 1993) and "Application of Cavity Theory to the Discharge of Electrostatic Dust Filters by X-Rays", A. J. WAKER and R. C. BROWN, Applied Radiation and Isotopes, Vol. 39, No. 7, pp. 677-684, 1988]에 기재된 바와 같이, 정전기적으로 대전된 필터가 X-선에 노출되면, 섬유들 사이의 기체 공극에서 X-선에 의해 생성되는 이온이 전하의 일부를 중화시키기 때문에, 필터를 통과하는 에어로졸의 침투율이 노출 전보다 노출 후에 더 클 것이다. 따라서, 누적 X-선 노출에 대한 침투율의 플롯이 얻어질 수 있으며, 이는 일정한 수준까지 꾸준한 증가를 나타내며 그 후의 추가적인 조사는 더 이상의 변화를 일으키지 않는다. 이 시점에서는, 모든 전하가 필터로부터 제거되어 있다.
이러한 관측은 여과 성능을 특성화하기 위한 다른 시험 프로토콜인 X-선 방전 시험의 채택으로 이어졌다. 이러한 시험 프로토콜에서는, 시험할 필터 매체의 선택된 조각을 X-선 방사에 노출시켜 일렉트릿 웨브를 방전시킨다. 이러한 시험의 한 가지 특징은 웨브가 일렉트릿임을 확인시켜 준다는 점이다. X-선은 일렉트릿 전하를 켄칭하는 것으로 알려져 있기 때문에, X-선에 대한 필터 매체의 노출 및 이러한 노출 전 및 후의 필터 성능의 측정 및 필터 성능의 비교는 필터 매체가 일렉트릿인지 아닌지를 나타낸다. X-선 방사에 노출된 후에 필터 성능이 변화되지 않는 경우, 이는 전하가 켄칭되지 않았으며 재료가 일렉트릿이 아님을 나타낸다. 그러나, X-선 방사에 노출된 후에 필터 성능이 감소된 경우, 이는 필터 매체가 일렉트릿임을 나타낸다.
시험이 진행될 때, 전형적으로, 여과 성능은 필터 매체가 X-선 방사에 노출되기 전 및 후에 측정된다. 하기 실시예 부분에 기재된 바와 같이, 여과 성능 시험 방법에 따라 시험될 때, 침투율 비(%)는 하기 방정식에 따라 계산될 수 있다: 침투율 비(%) = (ln(초기 DOP 침투율(%)/100) / (ln(X-선 노출 60분 후의 DOP 침투율(%))))×100. 웨브가 필터로서의 용도에 충분한 전하를 갖기 위해서, 침투율 비(%)는 전형적으로 300% 이상이다. 침투율 비(%)가 증가함에 따라, 웨브의 여과 성능이 또한 증가한다. 일부 실시 형태에서, 침투율 비(%)는 400% 이상, 500% 이상, 또는 600% 이상이다. 바람직한 실시 형태에서, 침투율 비(%)는 750% 이상 또는 800% 이상이다. 일부 실시 형태에서, 웨브는 1000% 이상, 또는 1250% 이상의 침투율 비(%)를 나타낸다.
초기 품질 계수 (X-선 노출 전)는 하기 실시예 부분에 기재된 바와 같은 여과 성능 시험 방법에 따라 시험할 때, 6.9 cm/s의 면 속도에 대해 전형적으로 0.3 (㎜ H2O)-1 이상, 더욱 전형적으로 0.4 또는 심지어 0.5 (㎜ H2O)-1 이상이다. 일부 실시 형태에서, 초기 품질 계수는 0.6 또는 0.7 (㎜ H2O)-1 이상이다. 다른 실시 형태에서, 초기 품질 계수는 0.8 (㎜ H2O)-1 이상, 0.90 (㎜ H2O)-1 이상, 1.0 (㎜ H2O)-1 이상, 또는 심지어 1.0 (㎜ H2O)-1 초과이다. X-선 노출 60분 후의 품질 계수는 전형적으로 초기 품질 계수의 50% 미만이다. 일부 실시 형태에서, 초기 품질 계수는 적어도 0.5 (㎜ H2O)-1 또는 그 이상이며 X-선 노출 60분 후의 품질 계수는 0.15 (㎜ H2O)-1 미만이다.
일렉트릿 필터 섬유의 유효 전하 밀도 (qf)는 필터 침투율 시험 측정치로부터 계산할 수 있다. 이러한 계산은 문헌[Brown, R. C. (1981) Capture of Dust Particles in Filters by Line-Dipole Charged Fibers, J. Aerosol Sci. 12:349-356]; 및 문헌[Otani, Y., Emi, H., and Mori, J. (1993), Initial Collection Efficiency of Electret Filter and Its Durability for Solid and Liquid Particles, J. Chem. Eng. Japan 11:207-214]에 기재되어 있다.
일렉트릿 필터 매체를 통과하는 필터 침투율에 대한 방정식은 기계적 입자 포획, 쌍극자 입자 포획 및 쿨롱 입자 포획 메커니즘에 대한 3가지 입자 계수와 관련된다.
Figure 112011085781140-pct00008
,
여기서,
ηM = 단일 섬유 효율: 기계적 포획 (대전되지 않은 섬유, 대전되지 않은 입자)
ηIn = 단일 섬유 효율: 유도 쌍극자 포획 (대전된 섬유, 대전되지 않은 입자)
ηC = 단일 섬유 효율: 쿨롱 포획 (대전된 섬유, 대전된 입자) = 대전되지 않은 입자에 대해서 0 유도 힘 단일 섬유 효율(induced force single fiber efficiency) (ηIn)은, 일렉트릿 필터 매체에 대한 대전되지 않은 입자 (ηC = 0) - 이는 대전된 섬유 (Pch) 및 대전되지 않은 섬유 (Punch)에 대한 침투율 분율(penetration fraction)을 제공함 - 를 사용하는 필터 시험의 결과 및 필터 구조로부터 계산할 수 있다:
Figure 112011085781140-pct00009
유도 힘 무차원 파라미터(Induced Force Dimensionless Parameter) (KIn)는 대전된 일렉트릿 섬유를 사용하는 대전되지 않은 입자의 포획과 관련된다.
Figure 112011085781140-pct00010
두 체계(regime)에 대한 오타니(Otani) (1993) 및 브라운(Brown) (1993)으로부터의 컴퓨터 분석 (하기)으로부터의 상관 관계를 역으로 하여, 유도 힘 파라미터, KIn을 섬유 주변의 유동장에 대한 보정치 (hk)를 사용하여 ηIn으로부터 계산할 수 있다. 이러한 연구의 경우, KIn < 1이고 첫번째 방정식을 사용하였다.
Figure 112011085781140-pct00011
ηIn으로부터 계산된 KIn의 값을 치환하고 상기 KIn에 대한 방정식을 역으로 하여, 일렉트릿 필터 중 섬유의 유효 전하 밀도 (qf)를 얻는다.
Figure 112011085781140-pct00012
여기서,
ηIn = 유도 쌍극자 단일 섬유 효율 (-)
df = 섬유 직경 (m) = 0.5 × (기류 시험으로부터의 유효 섬유 직경)
L = 필터 두께 (m)
α = 고형도 (-)
Pch = 침투율 - 대전된 섬유 (-)
Punch = 침투율 - 대전되지 않은 섬유 (-)
dp = 입자 직경 (m) = 0.2 마이크로미터
Cc = 입자 커닝햄 보정 계수 (Particle Cunningham Correction Factor) (-)
hk = 쿠와바라 유체역학 계수(Kuwabara hydrodynamic factor) (-)
qf = 유효 섬유 전하 밀도 (C/㎡)
∑p = 유전 상수 - 입자 (-) = 다이옥틸프탈레이트의 경우 5.1
∑0 = 자유 공간 유전 상수 = 8.8542E-12 (C2/Nm2)
∑f = 유전 상수 - 섬유 (-) = 폴리프로필렌의 경우 2.2
μ = 공기 점도 Pa s = 1.81E-05 (Ns/㎡)
U0 = 면 속도 (m/s) = 6.9 cm/s
KIn = 유도 쌍극자 힘 파라미터 (-)
TSI AFT 모델 8130 에어로졸 발생기 (하기에 설명됨)로부터 사용되는 입력 DOP 입자 크기 분포는 1.6의 기하 표준 편차(geometric standard deviation)로 0.2 마이크로미터의 기하 개수 평균 직경(geometric count mean diameter)을 갖는다. TSI AFT 모델 8130은 에어로졸 중화기(aerosol neutralizer)를 끈 채로 작동된다. TSI AFT 모델 8130 DOP 에어로졸 발생기의 디자인은 큰 데드-스페이스 부피(dead-space volume)를 갖는다. 데드-스페이스 부피 내의 이러한 액체 에어로졸 상에 생성된 물리적 및 정전기적 응집작용(agglomeration)은 매우 낮은 이극성의 정전기 전하를 갖는 에어로졸을 생성한다. 이러한 이극성 전하는 대전되지 않은 입자에 대해서는 0에 근접하며 중화기를 켠 것보다 훨씬 더 낮다 (볼츠만(Boltzmann) 전하 분포).
개수 중위 섬유 직경(count median fiber diameter)은 섬유 전하의 계산을 위해 사용된다. 이것은 유효 섬유 직경의 1/2로서 계산된다. 유효 섬유 직경(EFD)은 표면적 섬유 직경이며 해치-초트(Hatch-Choate) 방정식에 의해서 개수 섬유 직경(fiber count diameter)과 관련될 수 있다:
Figure 112011085781140-pct00013
여기서, dg = 기하 개수 평균 직경 = 산술 중위 직경
da = 면적 기하 평균 직경 = EFD
σg = 기하 표준 편차
계산을 수행하기 위한 절차의 상세한 내용은 하기의 실시예 부분에 포함된다. 일부 실시 형태에서, 계산된 유효 전하 밀도는 20 마이크로쿨롱/제곱미터 이상이다. 다른 실시 형태에서, 계산된 유효 전하 밀도는 30, 40 또는 심지어 50 마이크로쿨롱/제곱미터 이상이다.
실시예
이들 실시예는 단지 예시 목적만을 위한 것이며, 첨부된 특허청구범위의 범주를 제한하려는 것이 아니다. 달리 지시되지 않는 한, 실시예 및 본 명세서의 나머지 부분에서 모든 부, 백분율, 비 등은 중량을 기준으로 한다. 달리 지시되지 않는다면, 사용한 용매 및 기타 시약은 미국 위스콘신주 밀워키 소재의 시그마-알드리치 케미칼 컴퍼니로부터 입수하였다.
Figure 112011085781140-pct00014
시험 방법
여과 시험
샘플을 % DOP 에어로졸 침투율 (% Pen) 및 압력 강하(ΔP)에 대해 시험하고, 품질 계수 (QF)를 계산하였다. 부직 미세섬유 웨브의 여과 성능 (% Pen 및 QF)을 챌린지 에어로졸로서 다이옥틸프탈레이트(DOP)를 사용한 자동화 필터 테스터 (AFT) 모델 8130 (미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 티에스아이, 인크(TSI, Inc.)로부터 입수 가능)을 사용하여 평가하였다. DOP 에어로졸은 상류 농도가 70 내지 120 mg/m3인, 공칭 단분산 0.3 마이크로미터 질량 중위 직경(monodisperse 0.3 micrometer mass median diameter)이다. 에어로졸 TSI AFT 모델 8130 에어로졸 중화기를 끈 채로, 42.5 리터/분의 보정된 유량(6.9 cm/s의 면속도)으로 필터 매체 샘플을 통해 에어로졸을 강제하였다. 총 시험 시간은 23초(15초의 증가 시간(rise time), 4초의 샘플 시간, 및 4초의 퍼지 시간)이었다. % Pen과 동시에, 필터를 가로지르는 압력 강하 (㎜ H2O 단위의 ΔP)를 장비로 측정하였다. DOP 에어로졸의 농도는 보정된 광도계를 이용하여 필터 매체의 상류 및 하류 둘 모두에서 광 산란시킴으로써 측정하였다. DOP % Pen은 다음과 같이 정의한다: % Pen = 100∝(하류 DOP 농도/상류 DOP 농도). 각각의 재료에 대하여, BMF 웨브의 상이한 위치에서 6회의 개별 측정을 행하고, 그 결과를 평균하였다.
% Pen 및 ΔP를 사용하여, 하기 식에 의해 QF를 계산하였다:
QF = - ln(% Pen/100)/ ΔP,
여기서, ln은 자연 로그를 나타낸다. 더 높은 QF 값은 더 우수한 여과 성능을 나타내며, 감소된 QF 값은 감소된 여과 성능과 유효하게 상관관계가 있다.
X-선 방전 시험
상기에 기재된 시험 방법을 사용하여, X-선 방사에 노출시키기 전에, 시험할 샘플 웨브의 품질 계수 및 % 침투율을 결정하였다. 초기 품질 계수를 "QF0"로 표기하였다. 하기에 기재된 시스템을 사용하여 샘플 웨브의 양면을 X-선에 노출시켜, 샘플 전체가 균일하게 X-선 방사에 노출되도록 보장하였다. X-선 노출 후에, 필터 매체의 샘플을 다시 시험하여 그의 필터 성능 (QF 및 % Pen)을 측정하였다. 필터 성능이, 모든 샘플의 정전기적 전하가 중화되었음을 나타내는 평탄역 값에 도달할 때까지 절차를 반복하였다. 침투율 비(%) (Pen 비 (%))를 또한 기록하였다. % Pen 비는 하기 방정식을 사용하여 0분 및 60분에서의 % Pen로부터 계산하였으며, 여기서, In은 자연 로그를 나타낸다:
Figure 112011085781140-pct00015
X-선 노출은, 1.5 ㎜ × 1.5 ㎜의 초점으로부터 50 cm에서 최대 960 뢴트겐/분의 출력으로, 베릴륨 윈도우 (0.75 ㎜ 고유 여과)를 갖는, 100 KV 및 10 mA 정격의 정전위 단부 접지형 발전기(constant potential end grounded generator)로 이루어지는 발토그래프 (Baltograph) 100/15 CP (미국 코네티컷주 스탬포드 소재의 발튜 일렉트릭 코포레이션(Balteau Electric Corp.)) X-선 노출 시스템을 사용하여 수행하였다. 전압은 8 mA의 상응하는 전류로 80 KV로 설정하였다. 샘플 홀더를 초점으로부터 57.2 센티미터 (22.5 인치)의 대략적인 거리에 설치하여 약 580 뢴트겐/분의 노출을 제공하였다.
유효 전하 밀도 계산:
일렉트릿 필터 섬유의 유효 전하 밀도 (qf)는 필터 침투율 시험 측정치로부터 계산하였다. 일렉트릿 필터 매체를 통과하는 필터 침투율에 대한 방정식은 기계적 입자 포획, 쌍극자 입자 포획 및 쿨롱 입자 포획 메커니즘에 대한 3가지 입자 계수와 관련된다.
Figure 112011085781140-pct00016
,
여기서,
ηM = 단일 섬유 효율: 기계적 포획 (대전되지 않은 섬유, 대전되지 않은 입자)
ηIn = 단일 섬유 효율: 유도 쌍극자 포획 (대전된 섬유, 대전되지 않은 입자)
ηC = 단일 섬유 효율: 쿨롱 포획 (대전된 섬유, 대전된 입자) = 대전되지 않은 입자에 대해 0 유도 힘 단일 섬유 효율 (ηIn)은, 일렉트릿 필터 매체에 대한 대전되지 않은 입자 (ηC = 0) - 이는 대전된 섬유 (Pch) 및 대전되지 않은 섬유 (Punch)에 대한 침투율 분율을 제공함 - 를 사용하는 필터 시험의 결과 및 필터 구조로부터 계산할 수 있다:
Figure 112011085781140-pct00017
유도 힘 무차원 파라미터 (KIn)는 대전된 일렉트릿 섬유를 사용하는 대전되지 않은 입자의 포획과 관련된다.
Figure 112011085781140-pct00018
두 체계에 대한 오타니 (1993) 및 브라운 (1993)으로부터의 컴퓨터 분석 (하기)으로부터의 상관 관계를 역으로 하여, 유도 힘 파라미터, KIn을 섬유 주변의 유동장에 대한 보정치 (hk)를 사용하여 ηIn으로부터 계산할 수 있다. 이러한 연구의 경우, KIn < 1이고 첫번째 방정식을 사용하였다.
Figure 112011085781140-pct00019
ηIn으로부터 계산된 KIn의 값을 치환하고 상기 KIn에 대한 방정식을 역으로 하여, 일렉트릿 필터 중 섬유의 유효 전하 밀도 (qf)를 얻는다.
Figure 112011085781140-pct00020
여기서,
ηIn = 유도 쌍극자 단일 섬유 효율 (-)
df = 섬유 직경 (m) = 0.5 × (기류 시험으로부터의 유효 섬유 직경)
L = 필터 두께 (m)
α = 고형도 (-)
Pch = 침투율 - 대전된 섬유 (-)
Punch = 침투율 - 대전되지 않은 섬유 (-)
dp = 입자 직경 (m) = 0.2 마이크로미터
Cc = 입자 커닝햄 보정 계수 (-)
hk = 쿠와바라 유체역학 계수 (-)
qf = 유효 섬유 전하 밀도 (C/㎡)
ΣP = 유전 상수 - 입자 (-) = 다이옥틸프탈레이트의 경우 5.1
Σ0 = 자유 공간 유전 상수 = 8.8542E-12 (C2/Nm2)
Σf = 유전 상수 - 섬유 (-) = 폴리프로필렌의 경우 2.2
μ = 공기 점도 Pa s = 1.81E-05 (Ns/㎡)
U0 = 면 속도 (m/s) = 6.9 cm/s
KIn = 유도 쌍극자 힘 파라미터 (-)
TSI AFT 모델 8130 에어로졸 발생기로부터 사용되는 입력 입자 크기 분포는 1.6의 기하 표준 편차로 0.2 마이크로미터의 기하 개수 평균 직경을 갖는다.
개수 중위 섬유 직경은 섬유 전하의 계산을 위해 사용된다. 이것은 유효 섬유 직경의 1/2로서 계산된다. 유효 섬유 직경(EFD)은 표면적 섬유 직경이며 해치-초트 방정식에 의해서 개수 섬유 직경과 관련될 수 있다:
Figure 112011085781140-pct00021
여기서, dg = 기하 개수 평균 직경 = 산술 중위 직경
da = 면적 기하 평균 직경 = EFD
σg = 기하 표준 편차
열안정성 분석:
각각의 대전 첨가제의 열안정성을 열중량분석기 (TGA) 모델 2950 (TA Instruments 제 (New Castle, Delaware 소재))로 측정하였다. 대략 5 내지 10 밀리그램의 재료를 TGA에 넣고, 공기 환경 하에서 10℃/분의 비율로, 실온으로부터 500℃로 가열하면서 중량 손실을 측정하였다. 표 1은 2% 중량 손실이 검출된 온도 및 5% 중량 손실이 검출된 온도를 열거한다.
Figure 112011085781140-pct00022
실시예 1 내지 실시예 85 및 비교예 C1 내지 비교예 C83
실시예 및 비교예 각각에 대하여, 하기에 기재된 절차를 따랐다. 이들 실시예에 대한 데이터를 표 2, 표 3 및 표 4에 나타낸다.
샘플 제조:
단계 A - 미세섬유 웨브의 제조:
각각의 실시예 웨브 1 내지 20에 대하여, 상기에 기재된 대전 첨가제 중 하나 (첨가제 1, 2, 3 또는 4 중 어느 하나)를 선택하여, 표 2에 나타낸 농도로 폴리프로필렌 또는 폴리-4-메틸-1-펜텐의 등급들 중 하나와 건식 블렌딩하고, 블렌드를 문헌[Van A. Wente, "Superfine Thermoplastic Fibers," Industrial Engineering Chemistry, vol. 48, pp. 1342-1346]에 기재된 바와 같이 압출하였다. 압출 온도는 약 250℃ 내지 340℃ 범위였고 압출기는 약 2.5 내지 3 ㎏/hr (5-7 lb/hr)의 속도로 작동하는 브라벤더 원추형 이축 압출기 (브라벤더 인스트루먼츠, 인크.로부터 구매가능)였다. 다이는 센티미터당 10개의 구멍 (인치당 25개의 구멍)을 가지며, 폭이 25.4 센티미터 (10 인치)였다. 평량이 약 57 g/㎡이고, 유효 섬유 직경이 약 8.0 마이크로미터이며, 두께가 약 1 밀리미터인 멜트 블로운 미세섬유 (BMF) 웨브를 형성하였다. 마찬가지로, 각각의 비교예 C1 내지 비교예 C8에 대하여, 대응하는 실시예의 웨브와 동일한 등급의 폴리프로필렌으로 BMF 웨브를 제조하였으나, 대전 첨가제를 첨가하지 않거나, 대전 첨가제 5를 사용하였다. 표 2는 각각의 실시예 및 비교예에 대한 특정한 웨브 특성이 요약되어 있다.
단계 B - 일렉트릿 제조:
상기 단계 A에서 제조된 BMF 웨브 각각을 4가지 대전 방법: 코로나 전처리 및 50 PPM Na2CO3을 함유하는 물을 사용하는 하이드로차징; 코로나 전처리 및 탈이온수를 사용하는 하이드로차징; 50 PPM Na2CO3을 함유하는 물을 사용하는 하이드로차징; 또는 탈이온수를 사용하는 하이드로차징 중 하나에 의해서 대전시켰다. 표 3은 각각의 샘플에 적용한 특정 대전 방법을 요약한다.
대전 방법 1:
상기 단계 A에서 제조된, 선택된 BMF 웨브를 DC 코로나 방전에 뒤이어 50 PPM Na2CO3을 함유하는 물을 사용하는 하이드로차징에 의해서 대전시켰다. 약 3 cm/sec의 속도로 방전원 (discharge source) 길이 센티미터당 약 0.01 밀리암페어의 코로나 전류로 코로나 브러시 소스 하에 접지면에 웨브를 통과시킴으로써, 코로나 대전을 달성하였다. 웨브가 수송되는 접지면에서 약 3.5 센티미터 위쪽에 코로나 소스(corona source)를 배치하였다. 코로나 소스는 양의 DC 전압으로 구동시켰다. 코로나 대전 후에, 896 ㎪ (130 psig)의 압력 및 대략 1.4 리터/분의 유량에서 작동하는 노즐로부터 발생되는, 50 PPM Na2CO3이 용해되어 있는 물의 미세 스프레이를 사용하여 BMF 웨브를 하이드로차징하였다. 진공에 의해 물을 웨브를 통과해 아래로부터 끌어 당기면서, 단계 A에서 제조된 선택된 BMF 웨브를 대략 10 cm/sec의 속도로 물 스프레이를 통과해 다공성 벨트에 의해 운반하였다. 분무하면서 각각의 BMF 웨브를 2회(순차적으로 각 면에 1회씩) 하이드로차저(hydrocharger)에 통과시킨 다음, 분무 없이 단지 진공에서 2회 통과시켜 임의의 여분의 물을 제거하였다. 필터 시험 전에 공기 중에서 하룻밤 웨브를 완전히 건조시켰다.
대전 방법 2:
상기 단계 A에서 제조된, 선택된 BMF 웨브를 DC 코로나 방전에 뒤이어 탈이온수를 사용하는 하이드로차징에 의해서 대전시켰다. 50 PPM Na2CO3이 용해되어 있는 물 대신에 탈이온수를 사용하는 것을 제외하고는 대전 방법 1에서와 동일한 방법을 사용하였다.
대전 방법 3:
상기 단계 A에서 제조된, 선택된 BMF 웨브를 50 PPM Na2CO3을 함유하는 물을 사용하는 하이드로차징에 의해서 대전시켰다. 896 킬로파스칼 (130 psig)의 압력 및 대략 1.4 리터/분의 유량에서 작동하는 노즐로부터 발생되는, 50 PPM Na2CO3이 용해되어 있는 물의 미세 스프레이를 사용하여 BMF 웨브를 하이드로차징하였다. 진공에 의해 물을 웨브를 통과해 아래로부터 끌어 당기면서, 단계 A에서 제조된 선택된 BMF 웨브를 대략 10 cm/sec의 속도로 물 스프레이를 통과해 다공성 벨트에 의해 운반하였다. 분무하면서 각각의 BMF 웨브를 2회(순차적으로 각 면에 1회씩) 하이드로차저에 통과시킨 다음, 분무 없이 단지 진공에서 2회 통과시켜 임의의 여분의 물을 제거하였다. 필터 시험 전에 공기 중에서 하룻밤 웨브를 완전히 건조시켰다.
대전 방법 4:
상기 단계 A에서 제조된, 선택된 BMF 웨브를 탈이온수를 사용하는 하이드로차징에 의해서 대전시켰다. 896 킬로파스칼 (130 psig)의 압력 및 대략 1.4 리터/분의 유량에서 작동하는 노즐로부터 발생되는, 탈이온수의 미세 스프레이를 사용하여 BMF 웨브를 하이드로차징하였다. 진공에 의해 물을 웨브를 통과해 아래로부터 끌어 당기면서, 단계 A에서 제조된 선택된 BMF 웨브를 대략 10 cm/sec의 속도로 물 스프레이를 통과해 다공성 벨트에 의해 운반하였다. 분무하면서 각각의 BMF 웨브를 2회(순차적으로 각 면에 1회씩) 하이드로차저에 통과시킨 다음, 분무 없이 단지 진공에서 2회 통과시켜 임의의 여분의 물을 제거하였다. 필터 시험 전에 공기 중에서 하룻밤 웨브를 완전히 건조시켰다.
여과 시험 절차:
초기 여과 성능:
상기 단계 B에서 제조된, 각각의 대전된 샘플을 1미터 조각으로 절단하고, 이 조각을 그의 초기 상태에서 % DOP 에어로졸 침투율 (% DOP Pen) 및 압력 강하 (ΔP)에 대해 시험하고, 상기에 주어진 시험 방법에 기재된 바와 같이 품질 계수 (QF)를 계산하였다. 이러한 결과를 % DOP Pen, 압력 강하 및 QF로서 하기 표 3에 보고한다.
Figure 112011085781140-pct00023
Figure 112011085781140-pct00024
Figure 112011085781140-pct00025
Figure 112011085781140-pct00026
Figure 112011085781140-pct00027
일렉트릿 필터 매체의 X-선 방전:
상기 시험 방법에 기재된 절차를 사용하여, 필터 매체의 선택된 샘플을 이온화 X-선에 노출시켰다. 표 4는 X- 선 노출 전 (시간 = 0분), 총 X-선 노출 30분 후, 총 X-선 노출 40분 후, 및 총 X-선 노출 60분 후, 각각의 샘플의 여과 성능을 보고한다.
Figure 112011085781140-pct00028
유효 전하 밀도 계산:
60분 X-선 노출에 대해 상기 표 4에 제공된 데이터 및 상기 시험 방법에 기재된 절차를 사용하여, 필터 매체의 선택된 샘플에 대해 유효 전하 밀도를 계산하였다. 이러한 데이터가 표 5에 나타나있다.
Figure 112011085781140-pct00029

Claims (29)

  1. 열가소성 수지와
    플루오르화된 기가 없는 헤테로사이클릭 이미드 재료를 포함하는 전하 증대 첨가제의 블렌드
    를 포함하는 부직 미세섬유 웨브
    를 포함하는 일렉트릿 필터 매체.
  2. 제1항에 있어서, 플루오르화된 기가 없는 헤테로사이클릭 이미드 재료는 하기 구조식 (a), 구조식 (b) 또는 구조식 (c)를 갖는 적어도 하나의 재료, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 일렉트릿 필터 매체:
    Figure 112015019737771-pct00032

    [여기서, 기 R1은 헤테로사이클릭 이미드 기를 포함하는 기, 수소 원자, 알킬, 아릴, 헤테로알킬, 치환된 알킬, 또는 치환된 아릴을 포함하고;
    기 R2 및 R3은 독립적으로 헤테로사이클릭 이미드 기를 포함하는 기, 수소 원자, 알킬, 아릴, 헤테로알킬, 치환된 알킬, 또는 치환된 아릴을 포함하고;
    기 R4, R5, R6, 및 R7은 독립적으로 헤테로사이클릭 이미드 기를 포함하는 기, 수소 원자, 알킬, 아릴, 헤테로알킬, 치환된 알킬, 또는 치환된 아릴을 포함하며;
    Ar은 방향족 고리를 포함하고;
    각각의 Z1 및 Z2는 독립적으로 고리 상의 임의의 위치에 위치되는 방향족 고리의 치환기이며, 헤테로사이클릭 이미드를 포함하는 기, 수소 원자, 알킬, 아릴, 헤테로알킬, 치환된 알킬, 치환된 아릴, 또는 니트로 기를 포함함].
  3. 제1항에 있어서, 플루오르화된 기가 없는 헤테로사이클릭 이미드 재료는 하기 구조식 (d), 구조식 (e), 구조식 (f) 또는 구조식 (g)를 갖는 적어도 하나의 재료 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 일렉트릿 필터 매체:
    Figure 112016055264148-pct00033

    [여기서, n은 5 내지 7의 숫자임].
  4. 열가소성 재료를 제공하는 단계;
    플루오르화된 기가 없는 헤테로사이클릭 이미드 재료를 포함하는 전하 증대 첨가제를 제공하는 단계;
    열가소성 재료와 전하 증대 첨가제를 핫 멜트 혼합하여 열가소성 블렌드를 생성하는 단계;
    웨브를 형성하는 단계; 및
    웨브를 정전기적으로 대전시키는 단계를 포함하는 일렉트릿 웨브의 제조 방법.
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