KR102314309B1 - 궐련형 전자담배용 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 궐련형 전자담배용 필터에 관한 것으로, 더욱 상세히는 생분해성 고분자 원사를 연신율을 높이고 열셋팅 온도를 높여 고온의 전자담배 연기에도 멜팅되는 현상을 최소화하는 원사를 제조후 크림핑장치를 이용하여 벌키성을 부여한 원사다발을 만든 후 표면 경화 처리를 하여 벌키성, 공기 투과성, 생분해성능이 우수한 토우를 PAL 필름 및 필터용 권지로 합지하여 제조된 궐련형 전자담배용 필터에 관한 것이다.

Description

궐련형 전자담배용 필터{Filter for Ciga type Electronic Cigarette}

본 발명은 궐련형 전자담배용 필터에 관한 것으로, 더욱 상세히는 생분해성 고분자 원사를 연신율을 높이고 열셋팅 온도를 높여 고온의 전자담배 연기에도 멜팅되는 현상을 최소화하는 원사를 제조후 크림핑장치를 이용하여 벌키성을 부여한 원사다발을 만든 후 표면 경화 처리를 하여 벌키성, 공기 투과성, 생분해성능이 우수한 토우를 PAL 필름 및 필터용 권지로 합지하여 제조된 궐련형 전자담배용 필터에 관한 것이다.

현재 시판되고 있는 궐련형 전자 담배 필터로 사용되는 생분해성 담배필터는 2가지 형태의 구조로 대부분 제조되어 유통되고 있다.

첫 번째 사례는 폴리 락틴산 원료를 필름형태로 제조한후 필름에 주름가공을 하여 통기성을 확보한 후 이를 원통형으로 여러겹 롤링해서 필터의 기능을 하도록 제조 되고 있으며, 다른 경우는 역시 폴리 락틴산 원료를 사용하여 모노데니어 10-20den의 원사를 제조한 후 이를 원통형으로 편직(Knitting)하여 필터의 형태(core)를 만들고 이를 종이와 합지하여 필터를 제조한 후 이를 담배 필터의 길이로 절단하여 사용하는 방법을 갖고 있다.

그러나 상기의 필름으로 제조되어 사용되는 담배 필터의 경우 필름 을 롤링하여 원통형으로 제조하면 연기를 흡입하는 공극이 없기 때문에 필름 자체에 요철 프레싱을 가하여 요철 모양으로 변형시키면서 여러겹 말아서 원통을 만들고 이를 절단하여 필터 형태로 제조하게 된다.

이런 방법으로 제조되는 필터의 경우 제조 공정이 복잡하고 제조 속도가 느려져 생산성이 떨어지는 특성을 갖는다.

또한 필름을 롤링하는 공정에서 요철부위가 겹쳐서 말리면 연기가 흡입되는 공극면이 줄어들어 흡연시 연기의 흡입이 막혀 흡연장애에 의한 고객 불만의 사유가 되기도 한다. 따라서 복잡한 제조 공정으로 인한 제조단가 상승 및 제품 불량률이 높아지는 단점이 있다.

또다른 방법으로 제조되는 생분해성 원사를 제조후 원통형으로 니팅하여 절단 사용하는 경우는, 원사 제조 공정, 니팅 공정, 정원화를 위한 릴렉스 공정, 절단사용 공정 등으로 제조 공정이 여러 단계를 거쳐야 하고 니팅공정으로 제조되는 필터 코어의 모양이 완전한 구형체(정원)로 만들기 어려워 필터로 사용시 외관이 찌그러 지거나, 흡연 사용시 쉽게 형태가 변형되는 문제 등 제조상의 문제를 안고 있으며 기존 필터와 달리 내부 공극이 너무 커져 흡입을 통한 연기량의 조절이 어려운 문제를 갖고 있다.

종래의 궐련형 전자 담배 필터로 사용되는 외산 제품의 경우 요철이형성된 생분해성 필름을 여러겹 말아서 원통형으로 제조되는데, 궐련형 전자 담배는 고온의 발열체에 의해 가열된 가열체(tip)가 담배잎을 고온으로 가열하여 흡입용 연기를 만들고 이를 필터를 통하여 흡입하여 흡연을 하게 되는데 이때 발생한 고온의 연기는 필터로 제조된 필름과 접촉하게 되고, 접촉되는 필터역시 고온에 노출된다. 이때 필터의 전단부를 구성하는 생분해성(poly lactic acid)필름은 융점(Tm)이 낮아 고온에서 열변형을 일으키고 이것은 필터의 경우 일부분이 녹거나 열수축이 강하게 일어나면서 필름에 형성된 공극을 막아 흡입부분이 봉쇄되면서 흡연이 어려운 경우가 발생 하는데 이런 불량이 예상외로 많이 발생하여 판매 제품의 10-15% 정도가 불량일 정도로 소비자의 불만이 많은 상태이다.

이러한 흡입불량 제품은 외산 제품 흡연자의 가장 큰 불만사항으로 흡연필터의 기능을 상실하는 매우 중요한 문제이다.

또한 국내에서 개발되어 궐련형 전자 담배의 필터로 사용되는 편직(Knitting)포 형태의 필터는 생분해성 원사 ( Poly lactic acid fiber )를 제조한후 이를 원통형으로 편직하여 니팅포로 제작하고 이를 커팅하여 궐련형 전자 담배의 필터로 사용하는데, 편직포의 내부가 비어 있어 사용자 편의성 즉 흡연시 공기흡입량과 관련된 제품 불량률은 낮은 장점이 있으나, 원통형 편직물 내부가 비어 있어 외력에 의한 형태 변형이 심하여 최종제품으로 제조되는 과정에서 형태변형에 의한 불량제품이 생산되는 문제점이 있다.

또한 진원 형성성(편성포의 내부 가 완전 구형 )을 높이기 위한 릴렉스 공정 도입 등이 가능하나 이 경우 저속으로 생산되기 때문에 제조비용 상승 등의 경제성에 문제가 생긴다.

또한 원사를 이용해 편직포를 제조하는 공정은 편직포의 제조공정 특성상 고속 제조가 어렵고 저속으로 생산해야 하므로 비용이 상승하는 문제점도 있다.

또한 필터의 외형을 잘 유지하기 위해서 반드시 해결해야 하는 편직포의 진원 형성성은 편성포의 편직단계에서도 복잡한 구조로 편직해야 하는 어려움이 있어 진원도를 맞추기 어렵고, 이후 운반, 보관 과정에서도 상부의 무게에 하부제품이 눌려 제품이 변형되어 진원도가 깨지는 경우도 종종 발생 한다.

따라서 화물의 운송과 보관에서도 많은 주의를 기울여야 하며 비용도 많이 드는 단점이 있다.

또한 편성포로 제조된 필터는 담배 1개피의 용도에 맞는 길이로 절단 사용시 짧은 길이로 커팅하면 편성물 내부의 공간으로 인해 지지력이 약해 절단면이 일그러지거나 커팅면이 계속적으로 불규칙하게 되는 경우도 자주 발생하여 불량품 발생 및 생산성 저하, 이로 인한 제조 비용 증가 등 많은 문제점이 있다.

본 발명에서는 이러한 문제점을 개선하기 위해 경제성 및 후공정의 안정적 제조 편의성을 위해 기존 궐련형 담배의 필터로 사용되는 쎌룰로오즈(주로 Acetate ) 토우와 같은 형태로 생분해성 고분자 원사 토우(Tow)를 제조하는 방법을 목적으로 한다.

특히 이러한 생분해성 토우(Tow)를 사용하게 되면 필름형태의 외산 필터의 녹아내리는 현상(부분적 melting)에 의한 흡입불량, 필름 겹침에 의한 공극 감소 문제를 해결할 수 있는 있다.

또한 국내제품에 적용중인 편성포를 이용하는 필터의 진원 형성성 불량에 의한 합지공정 불량 및 커팅불량 문제도 생분해성 고분자 원사 토우를 사용하면서 모두 해결할 수 있다.

토우는 개별 원사의 다발체인데 이 다발체에 크림프(Crimp생성, 원사다발에 요철을 만드는 장치)를 부여하면 원사간의 집속과정에 공극이 존재하므로 필름의 겹침에 의해 문제가 되는 흡입불량 문제가 없으며, 편성물 필터에서 문제가 되는 진원 불량에 의한 종이와의 합지 문제도 손쉽게 해결 할 수 있다.

본 발명은 연신단계에서 원사의 분자쇄가 섬본 발명의 궐련형 전자담배용 필터는 연신단계를 거친 생분해성 고분자 원사를 다발화 한 후 다단열풍장치(10A,10B)로 이동시켜 열처리하는 제1단계;

열처리된 원사다발을 송풍장치(20)로 이동시켜 냉각시키는 제2단계;

냉각된 원사다발을 크림프장치(30)로 이동시켜 크림프가 형성된 벌키성 토우다발을 형성하는 제3단계;

상기 토우다발을 제1냉각장치(40)로 이동시켜 냉각시키는 제4단계;

냉각된 토우다발을 수분율 4-6wt%가 되게 습윤장치(50)로 이동시켜 수분을 공급하는 제5단계;

수분이 공급된 토우다발을 95~130℃의 온도로 가열되는 히팅장치(60)로 이동시켜 표면을 경화시키는 동시에 원통형의 필터용 토우로 성형시키는 제6단계;

원통형으로 성형된 상기 필터용 토우를 제2냉각장치(70)로 이동시켜 냉각시키는 제7단계;

냉각된 원통형 토우를 포장장치(80)로 이동시켜 포장하는 제8단계로 제조된 궐련형 전자담배 필터용 토우(100)를 1차로 PLA 필름(110)으로 감싼 후 2차 필터용 권지(111)로 합지하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 연신단계에서 원사의 분자쇄가 섬유축의 고배향으로 정렬되고 연신된 원사들은 다단열풍장치에서 고온으로 열처리된 후 송풍장치에서 원사다발이 충분히 냉각되고 크림프장치에 투입되어 원스텝으로 벌키성을 갖는 토우다발을 제조한 후 고온의 히팅장치를 통과 시켜 표면이 경화된 궐련형 전자담배 필터용 토우를 PAL 필름으로 1차적으로 감싼 후 필터용 권지로 2차로 합지하여 궐련형 전자담배용 필터로 제조하였기 때문에 취급이 용이하고 공기 투과성, 생분해성, 내열성과 저수축성이 우수하고 담배용 필터크기로 커팅이 용이하며 담배필터로 사용시 열 변형이 거의 없어 전자담배용 필터로 유용하게 사용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 궐련형 전자담배 필터용 토우 제조방법의 공정도.
도 2는 본 발명에 따른 궐련형 전자담배 필터용 토우 제조방법에 이용되는 장치의 구성도.
도 3 및 도 4는 도 2에 도시된 다단열풍장치의 상세도.
도 5는 도 2에 도시된 히팅장치의 측단면도.
도 6은 도 2에 도시된 히팅장치의 정단면도.
도 7은 본 발명에 따른 궐련형 전자담배용 필터의 단면도.

본 발명의 궐련형 전자담배용 필터는 연신단계를 거친 생분해성 고분자 원사를 다발화 한 후 다단열풍장치(10A,10B)로 이동시켜 열처리하는 제1단계;

열처리된 원사다발을 송풍장치(20)로 이동시켜 냉각시키는 제2단계;

냉각된 원사다발을 크림프장치(30)로 이동시켜 크림프가 형성된 벌키성 토우다발을 형성하는 제3단계;

상기 토우다발을 제1냉각장치(40)로 이동시켜 냉각시키는 제4단계;

냉각된 토우다발을 수분율 4-6wt%가 되게 습윤장치(50)로 이동시켜 수분을 공급하는 제5단계;

수분이 공급된 토우다발을 95~130℃의 온도로 가열되는 히팅장치(60)로 이동시켜 표면을 경화시키는 동시에 원통형의 필터용 토우로 성형시키는 제6단계;

원통형으로 성형된 상기 필터용 토우를 제2냉각장치(70)로 이동시켜 냉각시키는 제7단계;

냉각된 원통형 토우를 포장장치(80)로 이동시켜 포장하는 제8단계로 제조된 궐련형 전자담배 필터용 토우(100)를 1차로 PLA 필름(110)으로 감싼 후 2차 필터용 권지(111)로 합지하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

상기 다단열풍장치(10B)는 생분해성 고분자 원사가 이동되는 콘베이어벨트(11B)와, 콘베이어벨트(11B)의 상,하측으로 설치되며 콘베이어벨트(11B)의 진행방향으로 갈수록 높은 온도로 셋팅된 6단의 원적외선히터(12B) 및 열풍기(13B)가 설치되어 생분해성 고분자 원사다발을 고온으로 열처리하는 것을 특징으로 한다.

상기 히팅장치(60)는 내부 중공부를 갖으며 좌,우 개폐가능한 하우징(61)과, 하우징(61) 내부에 설치되며 내측으로 상기 토우다발이 이동되는 원통형성형관(62)과, 원통형성형관(62)을 지나는 토우다발의 표면을 고온으로 가열하여 경화시키도록 원통형성형관(62)의 외주둘레에 설치되는 다수개의 히터(63)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 생분해성 고분자 원사는 폴리락틴산, 지방족 폴리에스테르계 수지, 폴리 가프로락탐, 폴리숙실산 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘이상의 혼합물인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명 궐련형 전자담배용 토우의 제조방법부터 설명하도록 한다.

본 발명 궐련형 전자담배용 토우의 제조는 생분해성 고분자 원사인 폴리락틴산(poly latic acid, PLA) 수지의 연신율을 높이고 열셋팅 온도를 높여 고온의 전자담배 연기에도 멜팅되는 현상을 최소화하는 원사를 제조 후 별도로 클림프장치를 이용해 벌키성을 부여한 원사다발을 만든 후 표면을 경화 처리하여 필터 크기의 절단 제조성이 우수한 궐련형 전자담배 토우를 제조하기 위해 연신단계, 생분해성 고분자 원사다발 열처리 단계, 원사다발 냉각단계, 벌키성 토우다발 형성단계, 토우다발 냉각단계, 토우다발 냉각단계, 수분 공급단계, 토우 표면경화 및 성형단계, 필터용 토우 냉각단계, 포장단계가 원스텝 제조공정으로 이루어지도록 구성된다.

담배는 그 사용상의 특성상 흡연후 자연상태에서 매우 많은 양이 다양하게 폐기되므로 어떤 경우에도 친환경적으로 분해되어야 하므로 그 원료는 생분해가 가능한 고분자 여야만 한다.

따라서, 필터용 토우의 섬유재료로 사용될 수 있는 생분해성 고분자는 폴리락틴산(poly latic acid, PLA), 지방족 폴리에스테르계 수지, 폴리 가프로락탐, 폴리숙실산 및 이들의 혼합물인 것이 바람직하다.

그러나 생분해성 고분자는 대부분 낮은 내열성과 부족한 기계적 강도를 갖는 특성이 뚜렷하고, 열적 특성과 온도 변화에 따른 점도(viscosity)변화가 심하게 발현되므로 이러한 특성을 파악하여 방사 및 연신 조건을 확립하는 것이 중요하다.

궐련형 전자 담배의 용도에서 가장 중요하게 요구되는 특성은 열적 변성 및 외부 열에 의한 낮은 수축 특성 및 맞는 기계적 물성(Physical property)이다.

이를 획득하기 위해서는 각 소재에 맞는 방사 온도에 적합한 적정 점도를 찾아내고 공정의 안정성이 확보되는 압출온도의 세팅(setting)이 필수적이다.

현재 국내외적으로 사용되는 각종 생분해성 수지는 물리, 화학적 조성상 일반 합성섬유재에 비하여 융점이 낮고 가공성이 떨어져 다양한 용도 전개가 어려우며, 가격도 합성섬유 원료에 비하여 고가이고 대량생산에 한계가 있다.

다음 표 1은 궐련형 전자담배 필터에 응용가능한 생분해성 재료에 대한 각종 물성을 도표화 한 것이다.

수지종류 및 생산업체		PLA	지방족 polyester	ε-caprolactam	P(BH-HV)	전분/PVA계
		Nature works	소화 고분자	다이셀 화학	제네카	일본합성화학
비중	g/cm3	1.27	1.26	1.14	1.23	1.28
융점	℃	171	113	57	154	132
외관		투명	유백색	유백색	유백색	유백색
인장강도	kg/cm2	590	310	150	240	220
파단신도	%	2	350	430	7	125
굴곡강도	kg/cm2	730	320	160	250	300
굴곡탄성율	kg/cm2	30,400	6,500	3,600	9300	10,300
충격강도	kgcm/cm	2.4	7.5	n.b	7.6	2.1

상기 표1에 표시된 바와 같이, 모든 생분해성 고분자는 융점이 낮고 인장강도가 낮아 제조가 어려우며, 특히 내구성이 약하고 형태의 안정성이 저하되는 문제가 있다.

그 중, PLA 의 경우 외관이 투명하고 융점이 171℃로 다른 생분해성 수지에 비해 높다. 거의 PP, PE등 올레핀계 수지와 유사한 수준이다.

특히 인장강도는 590kg/cm² 정도로 월등하게 높아, 섬유제품으로 사용이 가능하고 내구성에 문제가 없다.

이러한 물리적 특성은 궐련형 전자담배 필터 소재로 사용되기에 적합한 특성이 있다.

다음 표2는 생분해성 수지 및 일반 PET수지의 열적 특성 및 물성을 나타낸다.

섬유명	일차구조	융점	결정화 온도	유리전이 온도	섬유물성
		Tm	Tc	Tg	강도 (g/d)	영율 (g/d)
PLA	H-(OCH(CH3)CO)n-OH	175	105	57	5.5	68
ε-caprolactam	H-(O(CH2)CO)n-OH	60	22	-60	4-5.5	10-20
PBS	H-(O(CH2)4OOCC2H4CO)n-OH	116	77	-32	4-5.5	15-25
PET	H-(C2H4OOC(CH)6CO)n-OC2H4OH	256	170	69	4.5-5.5	100-110

상기 표2를 살펴보면, 섬유제품 원사로 가장 많이 사용되고 있는 합성섬유 원료인 PET와 가장 유사한 기계적 물성을 보유하고 있는 것이 PLA 수지임을 알 수 있다.

다만, 융점이 낮고 비결정성인 PET 대비 결정성이 높은 다른 점이 있으나 섬유제품이 갖추어야 할 기계적 물성이 우수하므로 PLA 고분자가 가장 유리한 것임을 알 수 있다.

상기 폴리락틱산(PLA) 수지는 생산회사에 관계없이 모두 사용이 가능하며 PLA수지의 평균 분자량은 10,000 내지 250,000인 것이 바람직하다.

또한 이중 필터의 용도로 가장 중요한 것이 내열성 이므로 내열성이 높은 원사로 제조되기에 적합한 그래이드(grade)를 찾는 것이 중요하다.

원사 제조에 가장 유리한 점도는 MFI(Melt Flow Intex)가 5~30 수준이 적합하다.

PLA는 입체 이성질체로 L형과 D형의 이성질체로 나뉘는데, 필터용과 같이 멀티 필라멘트(multi filament)를 제조하기 위해서는 상대적으로 연신성(orientation)이 좋은 L형의 PLA수지, PLLA(poly Laevo Lenantiomer Lactic Acid)를 사용하는 것이 유리하다.

상기 PLLA는 녹는 점(Tm)이 180℃로 다른 친환경소재에 비해 높은 수준을 유지할 수 있어 필터용과 같이 고온의 온도에 접촉되는 용도에 적용이 유리한 고분자이다.

상기한 생분해성(biodegradable) 고분자 원사를 이용해 필터용 토우를 제조하기 위해서는 점도에 맞는 용융 온도를 적정화 하여 압출하고 미연신사(undrawn yarn)를 고온 냉각시켜 고화 시킨후 여러단계의 연신단계(drawing zone)을 거쳐 부분 배향사(POY, Pre Oriented Yarn)로 부터 완전 배향사( fully drawn yarn)를 만드는 과정이 필요하다.

본 발명에서는 내열성이 높은 토우사를 제조하기 위해 통상적인 4-9step의 멀티 연신공법을 적용하였는데 이러한 멀티 연신 공법은 생분해성 고분자와 같이 결정성이 높은 고분자를 고배율로 연신 할때 유용한 방법임을 확인 하였다.

일반적으로 합성 고분자는 3-5step에서 5-6배율의 연신 작업이 가능하나 생분해성 고분자는 결정이 빠르게 성장하여 연신성이 떨어지므로 낮은 배율의 연신을 여러(멀티)단계로 나누어서 이루어지는 것이 공정의 안정성이 높다.

그런데 이런 다단 연신을 위해서는 고분자 내부의 유동성을 계속 높여 주어야 가능 하므로 부분 배향사는 연신단계를 거치며 연신로라(Draw roll)을 통해 열을 흡수하해야 하고, 열을 흡수한 고분자는 분자들의 내부 에너지가 증가하면서 자연스럽게 분자간의 유동성(mobillity)가 높아져 배향성(orientation)이 쉽게 일어나도록 돕는다.

생분해성 고분자 원사의 특성은 저온에서 녹는 현상과 낮은 기계적 강도가 문제가 되는데 일반 합성섬유 대비 낮은 기계적 강도가 특히 문제가 되는 경우가 많다.

일반적인 합성 섬유의 경우 기계적 강도가 4.5g/den를 유지 하는 것이 일반적인데 생분해성 고분자의 경우 3g/den를 넘지 못하는 것이 일반적이다.

따라서, 내열성을 높이고 열수축 방지 및 기계적 강도를 올리기 위해 여러 셋트의 연신로러를 갖는 멀티 연신공법을 적용하여 높은 연신비에 의한 배향(orientation) 결정성을 높여 내열성을 떨어뜨리는 비정성(amolphos)을 줄이고 내열성을 증가 시켰으며, 이과정에서 부수적으로 기계적 강도가 높아지는 효과도 획득 하도록 본 발명에서는 생분해성 고분자 원사를 통상의 다단 연신장치를 이용하여 연신단계를 거치도록 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 연신단계를 거친 생분해성 고분자 원사는 열처리 장치를 이용해 열셋팅 및 열수축을 일으켜 열적으로 안정된 토우사를 제조하는 것이 중요한데 본 발명에서는 고온의 열풍기와 원적외선히터를 이용해 연신이 완료된 원사들에 열처리를 할 수 있도록 다단열풍장치(10A,10B)를 구성한다.

상기 다단열풍장치는 연신단계를 거친 원사들을 모아 다발화시킨 다발원사가 연속적으로 열처리가 이루어지도록 설치되며 다단열풍장치는 다수의 회전롤러에 의해 원사다발이 이동되면서 열이 가해지는 방법의 다단열풍장치(10A) 또는 콘베이어벨트를 타고 원사다발이 이동되면서 열이 가해지는 방법인 다단열풍장치(10B)로 구성된다.

상기 다단열풍장치(10A)는 도 3에 도시된 바와 같이, 고온의 가열실(11A) 내부에 상,하 지그재그 형태로 배열되어 원사다발을 이동시키는 다수개의 회전롤러(12A)와 상기 회전롤러(12A)를 타고 이동되는 원사다발에 고온의 열을 가하는 다수개의 원적외선히터(13A)와 다수개의 열풍기(14A)가 가열실(11A) 내부에 설치되어 생분해성 고분자 원사다발을 고온으로 열처리하도록 구성된다.

통상 연신단계에서 연신된 원사는 분자쇄의 배향이 강제로 이루어지기 때문에 원사를 제조한 후에 연신 중에 공급된 에너지 이상의 에너지가 투입되면 원사내부의 분자쇄들이 자유로운 운동이 일어나면서 배향성이 흩어지고 이는 결국 원사의 수축율이 높아지는 결과가 된다.

이러한 수축율이 높은 원사는 흡연을 통해 연기로 공급되는 열에너지에 의해 다양한 형태로 변형되어 결국 필터로서의 기능을 상실할 우려가 있다.

따라서 원사에 내열성과 저수축성을 부여하기 위해서 연신단계에서 연신된 원사는 상기 다단열풍장치(10A)를 거치면서 열 셋팅(heat setting)을 하게 된다.

즉, 상기 가열실(11A)에서는 다수개의 회전롤러(12A)가 상부와 하부에 서로 어긋난 지그재그 형태로 배치되어 상,하의 회전롤러(12A)에 의해 원사다발이 이동하면서 가열실(11A)을 통과하는 중에 고온의 원적외선히터(13A)와 열풍기(14A)에 의해 원사달발의 열셋팅이 이루어지게 된다.

또 다른 방법의 상기 다단열풍장치(10B)는 도 4에 도시된 바와 같이, 연신단계에서 사용되는 연신장치의 끝단에 연결된 콘베이어벨(11B)와 콘베이어벨트(11B)의 상,하측에 위치되며 콘베이어벨트(11B)의 진행방향으로 갈수록 높은 온도로 셋팅된 6단의 원적외선히터(12B) 및 열풍기(13B)가 콘베이어벨트(11B)를 타고 이동되는 생분해성 고분자 원사다발을 단계별로 고온으로 열처리하도록 구성된다.

즉, 연신단계를 거친 원사다발은 콘베이어벨트(11B)를 타고 이동시 1단의 원적외선히터 및 열풍기에서 50~60℃ 온도의 열이 서서히 가해지고 2단의 원적외선히터 및 열풍기에서는 60~70℃ 온도의 열 그리고 3단, 4단, 5단을 거치면서 점차 높은 온도의 열이 가해지며, 6단의 원적외선히터 및 열풍기에서 최종적으로 120~150℃ 온도의 고온의 열이 가해져 열처리가 이루어짐으로써 원사에 열에너지를 공급하여 내부에너지를 높이므로 열에 의한 변형을 방지하며 이로인해 뜨거운 담배연기와 접촉하는 담배 필터에서 가장 중요하게 되는 물성을 이루게 된다.

상기 다단열풍장치에서 고온으로 열처리된 원사다발은 송풍장치(20)로 공급되어 급냉과정을 거친 후 크림프 형성을 위한 크림프장치(30)로 이동된다.

상기 다단열풍장치에서 고온으로 열처리된 원사다발은 크림프장치(30)에서 원사다발이 불규칙하게 변하려면 인입되는 원사다발의 표면 온도가 낮을수록 불규칙하게 변하는 것을 수차례 실험을 통해 확인하였고, 이온도가 최소 40℃이하는 되어야 크림프장치(30)에서 벌키성이 극대화되므로 상기 다단열풍장치에서 130℃이상의 고온으로 열처리된 원사다발의 급냉과정을 위해 다단열풍장치를 통과한 원사다발은 송풍장치(20)로 공급되면서 원사다발의 온도를 급속히 냉각시키도록 한다.

상기 송풍장치(20)의 온도는 앞서 다단열풍장치에서 열처리된 원사다발이 크림프에 적합한 온도로의 냉각이 중요하므로 온도가 너무 낮으면 원사다발이 흩어져 집속이 불량하고 온도가 너무 높으면 냉각효율이 떨어지는 문제가 있어 송풍장치(20)에 의해 원사다발은 표면온도가 40℃ 이하가 되도록 급냉시켜주는 것이 바람직하다.

상기 송풍장치(20)에서 급냉과정을 거친 원사다발은 상기 크림프장치(30)로 이동되어 다수의 기어롤러에 의해 굴곡이 생기면서 크림프가 형성된 벌키성 토우다발로 형성되는데 필터로서 공기흡입량 유지와 공정불량 발생 억제를 위해 크림프수는 본 발명의 시험 결과 적정 범위는 길이 방향으로 크림프 수가 3-10ea/inch가 적정함을 확인 하였다.

3ea 미만에서는 벌키성이 떨어져 필터로 제조시 흡입 공기량이 적어 불량이되고 10ea 이상에서는 원사다발의 벌키성이 너무 많아 필라멘트간 엉킴 현상이 발생해 불량 및 종이 합지 공정불량의 요인이 되었다.

원사다발의 벌키성과 공정불량 요인을 감안하면 최적의 크림프 형성 수의 조건은 5-8ea/inch이 바람직하다.

상기 크림프장치(30)는 통상의 상,하 기어롤러 구조로 되어 있으며 기어의 크기 및 간격이 불규칙하게 형성되어 원사다발이 불규칙하게 눌려지면서 다양하게 굴곡진 형태의 다발형상으로 변하여 원사다발이 불규칙하게 벌키한 구조를 갖게되는 구성이다.

상기 벌키한 구조의 원사다발은 상기 송풍장치(20)에서 급냉과정을 거쳐야만 벌키성이 극대화될 수 있다.

상기 크림프장치(30)를 통과하면서 크림프가 형성된 벌키성 토우다발은 제1냉각장치(40)로 이동되면서 냉각되어 크림프에 안정성을 기하고 이후 습윤장치(50)로 이동되어 수분율 4-6wt%를 달성한 후 고온으로 가열된 히팅장치(60)로 공급되어 진다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 히팅장치(60)는 내부 중공부를 갖으며 좌,우로 개폐가능한 하우징(61)과, 상기 하우징(61)의 내부에 설치되고 내측으로 상기 습윤장치(50)를 거쳐 이동되는 원사다발이 공급되면서 원통형으로 성형되게하는 원통형성형관(62)과, 상기 원통형성형관(62)의 외주둘레에 설치되어 원통형성형관(62)을 95~130℃의 온도로 가열하는 다수개의 히터(63)로 구성되어 원통형성형관(62)을 통과하는 원사다발은 원통형성형관(62)의 내면과 접촉되는 표면이 고온에 의해 경화되면서 내부의 원사가 흩어지지 않고 보호되는 동시에 원통형의 필터용 토우로 성형될 수 있게 된다.

이때, 상기 원통형성형관(62)의 온도는 너무 높으면 대부분의 토우원사가 멜팅되어 벌키성이 떨어지고 너무 낮으면 표면 경화가 안일어나 토우의 형태유지가 불가능하므로 원통형성형관(62)은 95~130℃의 온도를 유지하도록 하는 것이 바람직하다.

상기 히팅장치(60)를 통과하면서 표면이 경화된 필터용 토우는 제2냉각장치(70)로 이동되어 냉각이 이루어진 후 포장장치(80)로 이동되어 최종적으로 필터용 토우로 제조된다.

상기 포장장치(80)는 상기 필터용 토우의 두께가 굵어 일반 권치기에서 권취가 불가능하므로 단섬유 공정에서 많이 이용되는 전후, 좌우로 이동이 가능한 박스형 포장기를 설치하여 포장로라를 지난 필터용 토우가 포장기안으로 낙하하면서 층층이 쌓이도록 포장장치를 구성한다.

이하, 본 발명의 궐련형 전자담배 필터용 토우의 제조방법은 다음과 같이 이루어진다.

먼저, 통상의 방사, 연신과정을 거친 폴리락틱산(poly lactic acid, PLA) 원사를 다발화 한 후 다단열풍장치(10A,10B)로 이동시켜 고온의 원적외선 히터 및 열풍기로 열처리를 한다.

그 후, 열처리된 원사다발을 송풍장치(20)로 이동시켜 고온으로 열처리된 원사다발을 40℃의 온도로 급냉시킨 후 원사다발을 크림프장치(30)로 이동시켜 원사다발이 불규칙하게 눌려지면서 다양한 굴곡진 형태의 크림프가 형성되어 불규칙하게 벌키한 구조의 벌키성 토우다발을 제조한다.

그리고 상기 크림프장치(30)에서 제조된 벌키성 토우다발을 다시 냉각시키기 위해 제1냉각장치(40)로 이동시켜 냉각과정을 거치면서 크림프에 안정화를 기하고 이후 습윤장치(50)로 이동시켜 4-6wt%의 수분율이 되게 원사다발에 수분을 공급시켜준다.

그후, 수분이 공급된 원사다발을 95~130℃의 고온으로 가열되는 히팅장치(60)로 이동시켜 원사다발이 원통형성형관(62)을 지나면서 고온에 의해 표면이 경화되고 원통형의 필터용 토우로 성형되게 한다.

상기 표면이 경화되고 원통형으로 성형된 필터용 토우는 제2냉각장치(70)로 이동시켜 표면 안정화를 기한 후 포장장치(80)로 이동시켜 필터용 토우를 포장상자 내부에 층층히 쌓는 포장과정에 의해 궐련형 전자담배 필터용 토우의 제조를 완료한다.

상기와 같은 방법에 의해 제조된 궐련형 전자담배 필터용 토우는 연신단계에서 원사의 분자쇄가 섬유축의 고배향으로 정렬되고 연신된 원사들은 다단열풍장치에서 고온으로 열처리된 후 송풍장치에서 원사다발이 충분히 냉각되고 크림프장치에 투입되어 원스텝으로 벌키성을 갖는 토우다발을 제조한 후 고온의 히팅장치를 통과 시켜 표면이 경화되어 취급이 용이하고 커팅성이 우수한 필터용 토우로 제조하였기 때문에 전자담배용 필터로서 후공정성이 우수하며, 또한 내열성과 저수축성이 우수하고 벌키성이 우수하며 표면이 경화되어 각종 종이와 합지시 고속으로 작업이 가능하고 담배용 필터크기로 커팅이 용이하고 가공후 담배필터로 사용시 열 변형이 거의 없어 전자 담배용 필터로 유용하게 사용할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 궐련형 전자담배 필터용 토우의 제조방법에 의해 제조되어 벌키성이 우수하며 표면이 경화된 궐련형 전자담배 필터용 토우는 토우의 집속성이 떨어지는 경우 표면의 요철이 엉키는 등의 문제가 발생하게 되므로 도 7에 도시된 바와 같이, PLA 필름(110)으로 표면을 1차적으로 감싼 후 2차적으로 필터용 권지(111)로 합지하는 제조공정에 의해 궐련형 전자담배용 필터로 제조된다.

상기 토우를 1차적으로 감싸주는 PLA 필름(110)은 필름의 곡률탄성이 낮아 접힘성이 우수한 재질의 필름을 사용하여 벌키성을 갖으며 표면이 부분적으로 경화된 토우를 안정적으로 감싸 토우의 집속성을 높여줄 수 있게 하고, 상기 필터용 권지(111)는 통상의 담배필터용 권지이며 상기 PLA 필름(110)을 2차적으로 감싸야 하므로 PLA 필름(110)과의 결합력이 좋고 친환경적인 접착제 성분이 내면에 도포되어 PLA 필름(110)의 외면에 합지된다.

상기 궐련형 전자담배용 토우를 PLA 필름(110) 및 필터용 권지(111)로 합지한 후에는 커팅공정에서 일정한 크기로 커팅되어 최종 궐련형 전자담배용 필터로 제조된다.

이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 게시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 게시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

10A,10B-다단열풍장치 20-송풍장치
30-크림프장치 40-제1냉각장치
50-습윤장치 60-히팅장치
70-제2냉각장치 80-포장장치
100-토우 110-PLA 필름
111-필터용 권지

Claims (5)

1. 연신단계를 거친 생분해성 고분자 원사를 다발화 한 후 다단열풍장치(10A,10B)로 이동시켜 열처리하는 제1단계;
   열처리된 원사다발을 송풍장치(20)로 이동시켜 냉각시키는 제2단계;
   냉각된 원사다발을 크림프장치(30)로 이동시켜 크림프가 형성된 벌키성 토우다발을 형성하는 제3단계;
   상기 토우다발을 제1냉각장치(40)로 이동시켜 냉각시키는 제4단계;
   냉각된 토우다발을 수분율 4-6wt%가 되게 습윤장치(50)로 이동시켜 수분을 공급하는 제5단계;
   수분이 공급된 토우다발을 95~130℃의 온도로 가열되는 히팅장치(60)로 이동시켜 표면을 경화시키는 동시에 원통형의 필터용 토우로 성형시키는 제6단계;
   원통형으로 성형된 상기 필터용 토우를 제2냉각장치(70)로 이동시켜 냉각시키는 제7단계;
   냉각된 원통형 토우를 포장장치(80)로 이동시켜 포장하는 제8단계로 제조된 궐련형 전자담배 필터용 토우(100)를 1차로 PLA 필름(110)으로 감싼 후 2차 필터용 권지(111)로 합지하여 제조되며,
   상기 다단열풍장치(10B)는 생분해성 고분자 원사가 이동되는 콘베이어벨트(11B)와, 콘베이어벨트(11B)의 상,하측으로 설치되며 콘베이어벨트(11B)의 진행방향으로 갈수록 높은 온도로 셋팅된 6단의 원적외선히터(12B) 및 열풍기(13B)가 설치되어 생분해성 고분자 원사다발을 고온으로 열처리하는 하고,
   상기 히팅장치(60)는 내부 중공부를 갖으며 좌,우 개폐가능한 하우징(61)과, 하우징(61) 내부에 설치되며 내측으로 상기 토우다발이 이동되는 원통형성형관(62)과, 원통형성형관(62)을 지나는 토우다발의 표면을 고온으로 가열하여 경화시키도록 원통형성형관(62)의 외주둘레에 설치되는 다수개의 히터(63)로 구성되며,
   상기 생분해성 고분자 원사는 폴리락틴산, 지방족 폴리에스테르계 수지, 폴리 가프로락탐, 폴리숙실산 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 궐련형 전자담배용 필터.
   
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