KR102461080B1 - 호흡 장치 및 안면 마스크용 용융 방사 여과 매체 - Google Patents

호흡 장치 및 안면 마스크용 용융 방사 여과 매체 Download PDF

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타오 후앙
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재커리 알. 딜워스
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듀폰 세이프티 앤드 컨스트럭션, 인크.
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Abstract

본 개시는, 개선된 나노섬유 일렉트릿 여과 매체에 관한 것으로, 이러한 매체의 자립형 일렉트릿 나노섬유 웨브는 호흡 장치 및 안면 마스크용으로 개선된 여과 매체로서의 사용을 위해 높은 공극률과 향상된 여과 효율에 의해 높은 통기성을 이끌어 내는 섬유 네트워크에 랜덤하게 뒤섞여 있는 단일 소스를 포함한다.

Description

호흡 장치 및 안면 마스크용 용융 방사 여과 매체{MELT SPUN FILTRATION MEDIA FOR RESPIRATORY DEVICE AND FACE MASKS}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2014년 11월 21일 출원되고, 명칭이 "호흡 장치 및 안면 마스크용 용융 방사 여과 매체(Melt Spun Filtration Media For Respiratory Devices And Face Masks)"인 미국 특허 가출원 제62/082,664호에 대해 우선권을 주장하며, 이 출원의 전체 내용은 모든 목적을 위해 본원에 참조로 포함된다.
기술분야
본 발명은 부직포(nonwoven) 나노섬유 웨브에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 호흡 장치 및 안면 마스크에서 여과 매체로서 유용한 나노섬유 웨브에 관한 것이다.
패브릭 시트 및 부직포 웨브는 소비자 및 산업용 분진-보호 안면 마스크, 호흡 보호 장치, 및 의료 장치 (예를 들면, 외과, 치과, 의료 시술, 격리, 및 레이저 마스크)에서 공기 여과 요소로서 사용되어 왔다. 일반 대중 및 산업 노동자에게 이용 가능한 다양한 형태의 안면 마스크 및 호흡기(respirator)는 분진, 오염원, 알레르기원(allergen), 병원체, 및 기타 유해한 입자성 물질의 흡입에 대한 보호용으로 착용된다.
안면 마스크 및 호흡기로 관찰되는 보호 효율에 관련된 인자는 여과 물질의 관통 효율 및 입자 로딩 특성을 포함한다. 안면 마스크 또는 호흡기의 착용감 또한 중요하다. 안면 마스크 및 호흡기에 의한 분진, 알레르기원, 및 전염성 에어로졸로부터의 보호는 화합물의 에어로졸 농도 및 전염량 또는 흡입량에 의존한다. 그러나, 종래의 안면 마스크 및 호흡기의 사용은 흡입되는 에어로졸에 대해 원하는 만큼의 보호를 제공하지 못할 수도 있다.
부직포 매체의 여과 효율은 사용된 섬유의 종류 및 구성에 어느 정도 영향을 받을 수 있다. 작은 공극 크기는 작은 직경을 갖는 섬유의 사용으로부터 기대될 수 있기 때문에, 나노섬유 매체는 더 큰 섬유로 만들진 매체보다 여과 효율을 향상시킬 수 있는 잠재력에 대해 고려되었다. 반면, 여과 성능의 다른 척도는 공극 크기가 감소할수록 대개는 증가하는 저항 또는 압력 강하이다. 저항이 더 커지면 안면 마스크는 통기성이 떨어지고 덜 편해진다.
또한, 알려진 나노섬유 매체는 일반적으로 연하고 부서지기 쉬워서, 자기 지지형이 아니고, 따라서 공기 여과 요소로서 단독으로는 사용될 수 없다. 따라서, 본 나노섬유는 일반적으로, 보다 견고한 기재 상에 코팅되거나 그렇지 않으면 지지되어 제조, 운송, 및 사용 과정에서 쉽게 취급할 수 있는 복합체를 형성한다. 기재는 흔히 별도의 부직포 마이크로섬유 매체이다. 코팅에 사용되는 나노섬유는 전기방사 또는 멜트-블로운(melt-blown) 공정에 의해 생산될 수 있다. 일부 경우에서 전기방사는 작은 직경의 섬유를 생산할 수 있지만, 대개는 생산 속도가 아주 낮아서 총경비가 매우 높다. 멜트 블로운 나노섬유는 또한 표준 필터 매체와 비교했을 때 상대적으로 비싸다. 빠른 속도로 생산될 수 있는 해도형(islands-in-the-sea) 나노섬유 조차도 별도의 공정 단계에서 제거되어야 하는 제거 가능한 해(sea) 성분이 필요하기 때문에 생산 비용이 많이 든다. 섬유를 랜덤하게 레이 다운(lay down)하는 멜트 블로운 나노섬유 공정 또는 용융 필름 소섬유화(fibrillation) 공정은 대부분의 최종 사용 용도에 대해 충분히 높은 처리량으로 적절한 균일성을 제공하지 못한다.
나노섬유는, 예컨대, 기재 상의 또는 기재와 적층된 코팅층으로서 또는 나노섬유 층 구조로서 안면 마스크에서의 사용을 위해 고려되어왔다. 일부 경우에 수득된 나노섬유 웨브(web)는 양호한 여과 효율을 갖지만, 일반적으로 매우 높은 저항(압력 강하)을 보이며, 이는 통기성이 좋지 않고 마스크 착용자에게 덜 편하다는 것을 암시한다.
필요한 것은, 바람직한 통기성 및 사용자 편의를 제공하면서, 효과적으로 미세 입자를 잡을 수 있는 안면 마스크, 호흡기, 및 유사한 개인용 보호 장치에 포함될 수 있는 저가의 여과 매체이다. 이상적으로, 이러한 매체로 구성된 보호 장비는, 대기 박테리아, 꽃가루, 바이러스-함유 미립자 에어로졸, 및 산업 공정에 의해 또는 다른 자연원으로부터 방출되는 분진을 여과시키기에 적합할 것이다.
일 양태에서, 본 개시는 단층, 자립형(stand-alone) 네트워크에서, 밀접하게 섞이고 얽혀있는 중합체 섬유를 포함하는 나노섬유 웨브를 제공하고, 여기서:
(a) 섬유는 개수 백분율로 적어도 70%의 나노섬유, 5%~25%의 마이크로섬유, 및 0%~5%의 굵은섬유를 포함하고;
(b) 모든 섬유의 수평균 직경은 1000 nm 미만이고 모든 섬유의 중앙값 직경은 500 nm 미만이고;
(c) 나노섬유 웨브는 0.01 내지 0.05 g/cm3의 겉보기 밀도, 25 mm 거리에서 측정된 적어도 12 kV의 정전하, 및 약 2.5 (Pa ㆍ g/cm3)- 1를 초과하는 유효 품질 인자(eQF)를 갖는다.
다른 양태는 전술한 나노섬유 웨브를 포함하는 여과 요소를 제공한다. 이러한 여과 요소를 포함하는 호흡 장치, 예컨대 안면 마스크 또는 호흡기를 또한 제공한다. 여과 요소는 호흡 장치에 부착되도록 구성된 여과 카트리지에 포함될 수도 있다.
또 다른 양태는 나노섬유 웨브를 생산하는 방법을 제공한다. 방법은:
(i) 용융 중합체 방사 용융물을 방출 모서리를 갖는 회전 부재의 표면에 공급하는 단계;
(ii) 부재 상에 용융물의 필름을 형성하기에 충분한 회전 속도로 회전 부재를 회전시키는 단계(필름은 회전 부재의 중심에서 그 모서리까지 방사상으로 외측을 향해 연장되는 기복이 있는 두께의 영역을 갖는 물결 모양의 불균일한 필름 두께를 특징으로 하는 불안정성을 가짐);
(iii) 필름 용융물로부터 얻은 복수의 개별적인 연속 필라멘트를 방출 모서리로부터 연신 구역으로 방출하는 단계;
(iv) 방출된 개별적인 필라멘트를 연신 구역에서 원심력에 의해 가늘게 하여(attenuating) 연속 섬유를 형성하는 단계;
(v) 연신 구역에서 필라멘트를 정전기적으로 대전시키는 단계; 및
(vi) 나노섬유 웨브를 단층 자립형 네트워크로서 형성하기 위해, 가늘어진 연속 섬유를 회수 표면 상에 회수하는 단계를 포함한다.
이러한 방법에서, 섬유는 개수 백분율로 적어도 70%의 나노섬유, 5%~25%의 마이크로섬유, 및 0%~5%의 굵은섬유를 포함하고, 모든 섬유의 수평균 직경은 1000 nm 미만이고 모든 섬유의 중앙값 직경은 500 nm 미만이다.
본 발명의 특정한 바람직한 구현예에 대한 다음의 상세한 설명 및 첨부된 도면이 참조될 때 본 발명은 보다 잘 이해될 것이고 다른 이점은 명백해질 것이며, 동일한 참조번호는 여러 도면에 걸쳐 유사한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 개시에 따른 웨브 내부의 나노섬유 및 마이크로섬유의 구성에 대한 개략적인 사시도이다.
도 2는 본원에서 후술되는 실시예 1의 웨브 내의 개수 백분율, 표면적 백분율, 비표면적 백분율 및 질량 백분율에 대한 섬유 직경 분포를 나타낸다.
도 3은 본원에서 후술되는 실시예 1의 웨브 내의 나노섬유, 마이크로섬유 및 굵은섬유의 개수 백분율, 표면적 백분율, 비표면적 백분율 및 질량 백분율을 나타낸다.
도 4는 본원에서 후술되는 실시예 1의 웨브의 섬유 직경의 함수로서의 비표면적 도표이다.
도 5는 본원에서 후술되는 실시예 1의 웨브의 섬유 직경의 함수로서의 상대 표면 전하 밀도 도표이다.
도 6은 TSI 초기 여과 시험 후, 본원에서 후술되는 실시예 1의 웨브에서 나노섬유 및 마이크로섬유에 의해 포획된 입자를 보여주는 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 7은 본원에서 후술되는 실시예 및 비교예의 웨브에 대한 유효 품질 인자 및 저항 사이의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 여과 매체에서 사용되는 섬유을 제조하기 위해 사용될 수 있는 방사 기구의 단면도를 묘사한다.
정의
본원에서 사용되는 바와 같은 용어 "웨브"는 부직포로 흔히 만들어진 섬유 네트워크의 층을 나타낸다.
본원에서 사용되는 바와 같은 용어 "부직포"는 섬유 배열에서 전체 반복 구조가 육안으로 구별될 수 없는 본질적으로 랜덤하게 배향된 다수의 섬유의 웨브를 나타낸다. 섬유는 서로 결합될 수 있거나, 또는 웨브에 강도 및 완전성(integrity)을 부여하기 위하여 무한하게 얽혀있을 수 있다. 각각이 서로 다른 물질을 포함하는 서로 다른 섬유의 조합 또는 유사한 섬유의 조합으로서, 이러한 섬유는 스테이플(staple) 섬유 또는 연속 섬유일 수 있고, 단일 물질 또는 다수의 물질을 포함할 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같은 용어 "나노섬유 웨브"는 대부분이 나노섬유로 구성된 웨브를 나타낸다. "대부분이"는 웨브 내에서 개수 백분율로 50%를 초과하는 섬유가 나노섬유임을 의미한다.
본원에서 사용되는 바와 같은 용어 "나노섬유"는 1000 nm 미만의 직경을 갖는 섬유를 나타낸다. 비원형 단면 섬유의 경우, 본원에서 사용되는 바와 같은 용어 "직경"은 최대 단면 치수를 나타낸다.
본원에서 사용되는 바와 같은 용어 "용융-방사 나노섬유"는 원심 용융 방사 공정, 예컨대, 미국특허 제8,277,711호에 개시된 공정으로부터 만들어진 나노섬유를 나타낸다.
본원에서 사용되는 바와 같은 "용융-방사 나노섬유 웨브"는 용융-방사 나노섬유로 만들어진 나노섬유 웨브를 나타낸다.
본원에서 사용되는 바와 같은 용어 "멜트-블로운 나노섬유"는 멜트 블로운 공정, 예컨대, 미국특허 제2008/0023888호에 개시된 공정으로부터 만들어진 나노섬유를 나타낸다.
본원에서 사용되는 바와 같은 "멜트-블로운 나노섬유 웨브"는 멜트-블로운 나노섬유로 만들어진 나노섬유 웨브를 나타낸다.
본원에서 사용되는 바와 같은 용어 "일렉트로블로운(electroblown) 나노섬유"는 일렉트로블로운 공정, 예컨대, 국제특허 제2003/080905호에 개시된 공정으로부터 만들어진 나노섬유를 나타낸다.
본원에서 사용되는 바와 같은 "일렉트로블로운 나노섬유 웨브"은 일렉트로블로운 나노섬유로 만들어진 나노섬유 웨브를 나타낸다.
본원에서 사용되는 바와 같은 "마이크로섬유"는 1.0 μm내지 3.0 μm의 직경을 갖는 섬유를 나타낸다. 이는 평균 또는 절대 한계이어야 하는가?
본원에서 사용되는 바와 같은 용어 "굵은(coarse) 섬유"는 3.0 μm 이상의 직경을 갖는 섬유를 나타낸다.
"스크림(scrim)"은 섬유 웨브가 부착 및/또는 지지될 수 있는 부직포 또는 직포 기재를 의미한다. 멜트-블로운 및 방사-결합 웨브는 스크림 물질로서 흔히 사용된다.
"일렉트릿(electret)"은 전기적으로-대전된 유전체 제품을 의미한다. 일렉트릿은 반-영구적인 전하 및 쌍극자 분극을 갖는 유전체 물질이다. 일렉트릿은 내부 및 외부 전기장을 발생시키고 영구 자석의 정전식 아날로그이다.
섬유 웨브와 관련하여 본원에서 사용되는 용어 "자립형(stand-alone)"은, 웨브가 자립되어 있고 그 자체가 스크림과 같은 임의의 지지 기재 없이 유지되는 그 구성을 위해 충분한 기계적인 완전성을 가지고 있음을 나타낸다.
섬유 웨브와 관련하여 본원에서 사용되는 용어 "단일 소스(source)"는, 웨브의 섬유가 모두 단일 방사 공정에서 생산되어, 웨브 형성이 개별적으로-소싱되는 섬유들의 혼합을 수반하지 않음을 나타낸다.
"원심 분사 공정"은 섬유가 회전 부재로부터 배출되어 형성되는 임의의 공정을 의미한다.
"스핀 디스크"는 회전 부재가 오목한, 원뿔대 또는 평평한 개방 내면의 디스크 형상을 갖는 것을 의미한다.
"스핀 볼(bowl)"은 회전 부재가, 제한 없이, 볼록한, 오목한, 또는 원뿔대일 수 있는 표면의 볼 형상을 갖는 것을 의미한다.
"필라멘트"는 전구체로서 필라멘트의 감쇠(attenuation)로부터 야기되는 미세섬유로 형성될 수 있는 신장된 구조를 의미한다. 필라멘트는, 유체가 통과하는 모서리, 톱니(serration), 오리피스가 될 수 있는 회전 부재의 방출 지점에서 방사 공정으로 형성된다.
"노즐-없는"은 필라멘트, 소섬유(fibril), 또는 섬유의 제품이 노즐을 통하는 방사 유체 또는 용융물의 경로를 수반하지 않거나 출구 유체의 형상을 한정하는 다른 유사한 수축을 수반하지 않는, 즉 방사 유체 또는 용융물이 통과하도록 지정된 노즐 또는 다른 유사한 수축을 갖는 임의의 회전 부재가 포함되는 방사 기구가 사용되지 않는 공정과 관련하여 본원에 사용된다.
"공기 유동장"은 본 개시의 공정에서 임의의 지점 또는 물리적 위치에서의 공기 속도 및 방향을 설명하는 벡터장을 의미한다.
"대전된"은 공정 내의 물체가 대전되지 않은 물체 또는 순전하(net electric charge)를 갖지 않는 그 물체에 대하여, 순전하, 양극 또는 음극을 갖는 것을 의미한다.
"방출 지점"은 소섬유 또는 섬유가 배출되는 방사 부재의 위치를 의미한다. 방출 지점은, 예를 들면, 소섬유가 압출되는 모서리, 또는 오리피스가 될 수 있다.
섬유의 총체와 관련하여 본원에서 사용된 용어 “비표면적”은 이러한 총체에서 섬유의 총 표면적을 섬유의 총질량으로 나누어진 것을 의미한다.
"전하 밀도"는 1, 2 또는 3 차원에서 공간의 단위 체적당 전하의 척도이다. 보다 구체적으로, 직선, 표면, 또는 체적 전하 밀도는 각각 단위 직선, 표면적, 또는 체적에 대한 전하량이다. 상대적으로 많은 양의 전하가 최대 곡률 위치에서 전형적으로 축적된다.
섬유 웨브와 관련하여 본원에 사용된 용어 "겉보기 밀도"는, 웨브 두께를 압축시키는 임의의 외력을 부과하지 않고 측정되는 자유-직립(free-standing) 웨브의 겉보기 밀도가 체적이 되는 질량 밀도, 또는 단위 체적당 질량을 나타낸다. 예를 들면, 두께 결정은 웨브의 자유-직립 높이를 측정하는 광학 이미징 기술에 의해 달성될 수 있다. 이후 겉보기 밀도는 웨브의 측정된 평량(즉, 단위 면적당 무게)을 웨브의 측정된 자유-직립 높이로 나눔으로써 계산될 수 있다.
"본질적으로"는, 파라미터가 특정값에 "본질적으로" 유지되면, 본 발명의 기능에 영향을 미치지 않는 그 값으로부터 멀리 떨어진 파라미터를 설명하는 수치 상의 변화가 파라미터의 설명의 범위 내에서 고려되어야 한다는 것을 의미한다.
설명
본 개시의 일 양태는 원심 용융 방사 공정과 같은 기술을 이용하여 만들어질 수 있는 나노섬유 웨브에 대한 것이다. 일 구현에서, 섬유는 용융된 중합체의 방사 용융물이 급속 회전 부재, 예컨대 스핀 디스크 또는 스핀 볼로 전달되는 공정에서 형성된다. 이러한 용융물은 상대적으로 얇은 막을 형성하기 위해서 회전 부재의 내부 표면에 펼쳐진다. 회전 부재의 방출 모서리로부터 배출되는 불연속적이고, 여전히-용융된 필라멘트의 형성과 함께, 소섬유화가 발생된다. 이러한 얇은 필라멘트 또는 실은 원심력에 의해 온전하게 직경 1 μm 미만일 수 있는 감소된 직경을 갖는 섬유로 연신된다. 대개는, 거의 완벽하게 원형을 유지한다. 필요하다면, 이러한 신축성을 유지하기 위하여, 열이, 예를 들면 가열된 공기의 형태로, 연신 구역에 공급될 수 있다. 이러한 연신 공정은 때때로 "감쇠(attenuation)"라 일컬어지고, 본원에서 "연신 구역"으로 일컬어지는 방사 기구 근처의 체적에서 발생한다.
연신 구역을 빠져나간 후, 가늘어진 섬유는 "성형 구역"이라 일컬어지는 체적을 통과하고 부직포, 나노섬유 웨브 네트워크를 형성하기 위하여 회수되거나 "레이 다운(lay down)"된다. 방사 및 레이다운(laydown) 공정 도중에, 자르거나, 썰거나, 부수거나, 그렇지 않으면 가늘어진 섬유의 길이를 정의하는 어떠한 동작도 취해지지 않기 때문에, 가늘어진 섬유의 길이는 정해지지 않을 수 있다. 방사 공정의 직접 이미징에 의해 섬유의 많은 우세함이 배출 지점에서 적어도 회수 지점까지는 그대로 유지되어, 임의의 자발적인 파단이 일어나기 전까지 섬유는 대개 적어도 30~50 cm, 보다 흔하게는 적어도 1 m 길이이다. 일부 예에서, 개별 섬유는 온전하게 1 m 이상의 파단되지 않는 길이를 가질 수 있다. 이에 따라, 섬유는 본원에서 "연속적인"으로 일컬어진다.
본 나노섬유 웨브는 적어도 하나의 중합체의 섬유를 포함하는데, 이는 임의의 용융-방사가능, 섬유-형성 중합체일 수 있다. 적절한 중합체는 폴리올레핀, 예컨대 폴리에틸렌 중합체 및 공중합체, 폴리프로필렌 중합체 및 공중합체; 폴리에스테르 및 코폴리에스테르, 예컨대 폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 바이오폴리에스테르, 열방성 액정 중합체 및 PET 코폴리에스테르; 폴리아미드(나일론); 폴리아라미드; 폴리카보네이트; 아크릴 및 메트-아크릴, 예컨대 폴리(메트)아크릴레이트; 폴리스틴렌계 중합체 및 공중합체; 셀룰로오스 에스테르; 열가소성 셀룰로오스; 셀룰로오스 제품(cellulosics); 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 수지; 아세탈; 염화폴리에스테르; 불소중합체, 에컨대 폴리클로로트리플루오로에틸렌(CTFE), 불화 에틸렌-프로필렌(FEP); 및 폴리비닐리덴 불화물(PVDF); 비닐; 생분해성 중합체, 바이오-기반 중합체, 이중-복합물(bi-composite) 엔지니어링 중합체 및 혼합물; 매립형 나노 복합물; 천연 중합체; 및 이들의 조합을 포함하는 열가소성 물질을 포함한다. 다양한 구현예에서, 이러한 중합체는 폴리프로필렌 또는 다수의, 서로 다른 폴리프로필렌의 혼합물일 수 있다.
본 여과 매체에 사용되는 중합체는 섬유에 직접 혼합되거나 그의 코팅으로서의 기능성 첨가제를 더 포함할 수 있다. 용어 "기능성 첨가제"는 본 나노섬유 웨브의 섬유를 형성하기 위한 중합체의 물질에서 제형화된 임의의 첨가제를 포괄적으로 나타내고, 이는 본 섬유 또는 그와 생산되는 섬유 웨브의 특성 및 공정에 물질적으로 영향을 미친다. 이러한 첨가제는, 제한 없이, 하나 이상의: 정전하를 받아들이고 유지시키기 위해 섬유의 성능을 향상시키는 대전 촉진제; 산화방지제; 항균제; 활성탄; 또는 다른 중합체 공정 향상제를 포함할 수 있다. 용융물에서 또는 섬유 감쇠 동안 중합체를 코로나 대전 시키는데 효과적인 대전 촉진제는, 제한 없이, 지방산 아미드 및 소중합체 힌더드 아민 광 안정제(oligomeric hindered amine light stabilizer), 예컨대 옥타데칸아미드(CAS No. 124-26-5) 및 시마솔브(Chimassorb) 944(CAS No. 71878-19-8)를 포함한다.
본 방사 공정의 동작은 온도, 용융물 공급률, 및 회전 부재의 속도를 포함하는 동작 파라미터에 의존한다. 이러한 파라미터의 조절이 생산되는 섬유 직경의 분포에 영향을 미친다고 밝혀졌다. 아래에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 회전 부재의 기하학적 구조 및 중합체 물질의 선택과 함께 이러한 동작 파라미터의 특정한 조합은 회전 부재 상의 방사 용융물에 놀랍고도 의외의 불안정성을 야기한다고 밝혀졌다. 특정 조건하에서, 일반적으로 회전 부재의 중심에서 그 모서리까지 방사상으로 외측을 향해 연장되는 교번 영역 또는 기복이 있는 두께의 밴드의 동적 패턴에 의해 특징지어지는 물결 모양의, 불균일한 필름 두께가 형성된다. 필름 두께의 이러한 변화는, 두꺼운 두께의 영역으로 부터 전형적으로 생산되는 대직경 필라멘트 및 얇은 두께의 영역으로부터의 소직경 필라멘트와 함께, 필름 용융물로 부터 얻은 직경이 변하는 개별적인, 연속 필라멘트의 배출을 결국 초래하게 된다. 필라멘트가 섬유로 가늘어진 이후 직경의 변화가 지속될 수 있다.
일 구현예에서, 웨브 매체를 형성하기 위해 섬유가 수평 벨트 회수기 상에 증착된다. 부직포 웨브가 정해지지 않은 길이의 시트로서 생산될 때, 연속적으로 전진하는 컨베이어 벨트 또는 유사한 조립체가 부직포 웨브를 회수하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 시트는 더욱 편리한 공정 또는 사용, 운송 등을 위해 시트를 감도록 지정된 장비에 전달될 수 있다.
소직경 섬유와 밀접하게 섞이고 얽혀 있는 대직경 섬유의 존재는 유리한 것으로 밝혀졌다. 특히, 보통의 개수의 마이크로섬유 및 심지어 굵은섬유의 존재는, 나노섬유가 배치된 상대적으로 개방된 네트워크를 지지 및 유지하면서, 더 큰 섬유는 양호한 웨브 강도 및 다른 바람직한 기계적 특성을 부여하는, 구조를 생성한다. 따라서 공극 크기는 증가되고, 여과 요소에서 압력 강하를 유리하게 감소시킨다. 이러한 개방 구조는 상대적으로 많은 개수의 나노 섬유를 수용하여 결국은 정전기적으로 대전될 수 있도록 높은 표면적을 웨브에 제공하고, 이는 입사 입자를 포획하는 웨브 구조의 성능을 향상시키는 것으로 여겨진다.
대조적으로, 이전의 여과 구조는 종종 나노섬유 및 보다 큰 마이크로섬유 및/또는 굵은섬유를 사용하지만, 그들을 여과층 및 지지층 스크림으로 각각 분리하였다. 이러한 구성은, 나노섬유가 상대적으로 개방되고 푹신한 구성에서 더 큰 섬유에 의해 유지되는 네트워크를 대개는 제공하지 못한다. 대신, 나노섬유 여과층은 보다 압축되는 경향이 있어서, 이롭지 못하게도 평균 공극 크기를 감소시키고 공기 유동 저항을 증가시킨다.
본 나노섬유 웨브의 개방 구조는 웨브가 실질적인 정전하를 받아들이고 유지시키도록 허용하는 것으로 또한 여겨진다. 대부분이 나노섬유를 가지며, 대전될 수 있는 넓은 표면적이 존재한다. 개방 구조는 또한, 섬유 접촉점의 상대적인 결핍으로 인한 표면적 및 대전의 손실이 최소화 되기 때문에 유리하다. 연속적인 본 용융-방사 나노섬유를 포함하는 것은, 1 cm 이하만큼 짧을 수 있는 용융-방사 또는 용액-방사 섬유와 같은 짧은 절단 섬유(chopped fiber)보다 유리하다고 여겨진다. 또한, 상술한 바와 같이, 인 시츄(in situ) 대전은, 섬유가 섬유 웨브에 이미 포함된 이후에만 대전되는 후대전 공정(post charging process) 보다 효과적인 것이라고 밝혀진다.
섬유의 본 부직포 웨브로의 웨브 레이다운은 유리하게 구성된 공기장 및 정전기적 대전 배열 중 적어도 어느 하나에 의해 일부 구현예에서 용이해진다. 공기 유동장의 신중한 사용은 배출에서부터 섬유 웨브에 결합까지 그 비행경로 내의 섬유를 안내한다. 공기 유동장을 특징 짓는 동작 파라미터는, 예를 들면, 연신 구역 및 성형 구역 내의, 공기 온도와 공기 유동 속도 및 방향을 포함한다. 이러한 공기 유동장은, 회전 기구의 하부에 위치하는 선회-방지 쉴드(anit-swirling shield)를 통해 전달될 수 있는 중심 구역에서의 공기 유동을 더 포함할 수 있다. 이러한 중심 공기는 일부 구현예에서 바람직하지 못한 와류-유사 작용을 억제하도록 작용하되, 방사 기구로부터 하측으로 떨어지는 배출된 섬유는 아래의 좁은 영역에서 꼬이고 얽히게 되어 방사 구조의 회전축의 연장선에 일반적으로 정렬된다. 이러한 와류의 형성은 매끄럽고 균일한 레이다운을 억제시키는 경향이 있다. 원심 용융 방사 공정과 관련된 중심 공기의 사용은 국제특허 제WO2013/096672호에 보다 자세히 논의된다. 본 섬유의 제조에서 적용될 수 있는 원심 용융 방사의 특정 양태가 Huang 등의 미국특허출원공개 제US2015/0111455A1호에 또한 논의된다. 이러한 참조 문헌 모두는 모든 목적을 위해 본원에 참조로 포함된다.
일 구현예에서, 본 공정에서의 공기 유동장은, 배출되는 섬유의 비행경로를 궁극적으로는 회수 지점으로, 안내하기 위해 단독으로 사용되며, 이러한 장을 통한 공기 속도가 상대적으로 보통의 값에서 유지될 수 있다. 그에 반해서, 멜트 블로운 공정은 섬유가 여전히 용융된 상태에서 섬유를 가늘게 하기 위하여 고속의 공기에 의존한다. 따라서, 아주 빠른 공기 속도, 예컨대 100~200 m/s가 전형적으로 요구되며, 반면에 본원의 섬유 방향은 최대 속도 5 m/s, 심지어 2 m/s, 또한 심지어 1 m/s 미만의 완만한 유동으로 달성될 수 있다. 멜트 블로운 공정에 사용된 높은 속도는, 예를 들면 생성되는 섬유에 블로잉 이온이 부착될 수 있기 전에 정전기장에 의해 생성된 블로잉 이온에 의해서, 정전하를 방해할 수 있다.
일부 구현예에서, 방사, 웨브 회수 및 조립 공정 중, 정전하는 하나 이상의 단계에서 개별 섬유에 주어질 수 있다. 중합체가 배출 전에 방사 표면 상에서 또는 가늘어짐에 따라 배출되는 섬유에서 용융되는 동안, 전하가 부과될 수 있다. 섬유의 대전은 또한, 섬유가 냉각되고 이미 가늘어진 이후에도 섬유 웨브로 조립되기 전에 일어날 수 있다. 다른 구현예에서, 대전은 임의의 하나 이상의 이러한 단계들에서 일어난다. 본 개시의 부직포 웨브에 섬유가 결합된 후에 섬유는 정전하를 유지한다.
예를 들면, 대전은 전기장의 부과에 의해 달성될 수 있다. 임의의 고전압 직류(d.c.)원 또는 심지어 교류(a.c.)원이 전기장을 공급하기 위해 사용될 수 있다. 방사 용융물, 필라멘트, 또는 섬유 조차도 회수기 상에서 또는 근처에서 유지되는 전하로부터의 유도(induction)에 의해 대전될 수 있다.
일 구현에서, 대전 배열은 회전 부재 근처에 위치하는 코로나 고리 및 회수기 벨트 모두에 전기를 통하게 하는 단계를 포함할 수 있다. 대개는, 서로 다른 신호 및 크기의 전압은, 전압 모두가 접지를 기준으로, 이러한 위치에 인가된다. 이러한 전압의 존재는 유리하게도 정전하를 유지하는 완성된 웨브를 야기한다.
대전 공정에서 인출되는 전류는 작을 것으로 기대된다 (바람직하게는 10 mA 미만). 소스는 가변 전압 설정, 예를 들면, 0 kV 내지 80 kV, 바람직하게는 코로나 고리용으로 -5 kV 내지 -15 kV 그리고 회수 플레이트용으로 +50 내지 +70 kV, 및 바람직하게는 정전기장을 확립하는데 있어서 조절을 허용하도록 (-)극 및 (+)극 설정을 포함해야 한다.
열자극 전류(TSCs)의 방법에 의해 입증된 바와 같이, 섬유가 용융점에 상대적으로 가깝게 있는 동안, 정전기적 대전이 매우 효과적으로 달성된다는 것이 또한 밝혀졌다. 폴리프로필렌에 대해, 중합체 용융물 및 소섬유실을 가장 효과적으로 대전시키기 위한 온도 체제는 약 165°C 내지 195°C 이어서, 코로나 대전은 이 범위의 온도에서 연신 구역에 있는 섬유에 유리하게 적용되고, 약 180°C가 바람직하다. 적절한 대전제를 비극성 중합체(예를 들면, 폴리올레핀)의 용융물에 결합시키면 용융점 부근에서의 대전이 더욱 향상된다.
임의의 이론에 구애됨이 없이, 생산 중에 인-시츄에서 섬유를 대전하는 것은 후대전 공정에서 획득할 수 없는 이익을 제공한다. 예를 들면, Angadjivand 등의 미국특허 제6,375,886호는 고압의 물이 완성된 웨브에 좋지 않은 영향을 주는 하이드로대전(hydrocharging) 공정을 기술한다. 웨브 구조를 방해할 수 있는 상대적으로 높은 유량이 요구되고, 특히 폴리프로필렌의 대전은 중합체의 용융점 또는 그 근처의 온도에서 보다 100°C 미만의 온도에서 일반적으로 덜 효과적이다.
본 섬유를 제조하는데 유용한 방사 기구의 일 구현이 도 8의 (200)에 일반적으로 묘사된다. 방사 볼(202)은 고속 회전 중공축(209)에 안착된다. 방사 볼(202)의 고속 회전 동안, 필라멘트(206)는 방사 볼(202)의 모서리의 방출 지점에서 배출된다. 방사 볼(202)과 대략 동일한 직경을 갖는 보호 쉴드(201)는 방사 볼의 내부 표면으로부터의 열 손실을 방지하기 위해 방사 볼(202)의 상부에 안착된다.
방사 볼을 위한 고정 쉴드(204)는 방사 볼의 하부에서 회전 중공축을 통해 고정축 상에 안착되어 열 손실을 더욱 최소화하고, 균일한 웨브 레이다운을 위하여 고속 회전 볼 아래에서 와류-유사 효과에 의한 섬유 스트림의 선회 및 뒤틀림을 억제한다. 선택적으로, 고정 쉴드(204)는, 바람직하지 않는 섬유 와류의 형성을 추가로 억제하기 위하여 완만하게 유동하고, 하측으로 향하는 소량의 공기(211)가 전달되는, 중심에 위치한 포트(미도시)를 포함한다.
회전 볼의 모서리를 둘러싸는 연신 구역(210)은 점선 직사각형 면적으로 표시된다. 연신 구역 온도는 세 가지 가능한 가열 공기 스트림 중 하나 이상으로부터 나오는 완만한 공기에 의해 확립된다. 첫 번째는 방사 볼 위의 완만한 가열 공기(207)에서 비롯되고; 두 번째는 방사 볼의 하부 및 고정 쉴드 사이의 갭(gap)을 통하여 연신 구역에 도달하도록 회전 중공축(209) 내의 정지 고온 공기 튜브로부터 온화한 가열 공기(205)의 스트림에서 비롯되고; 세 번째 완만한 가열 공기의 소스는 하측 유동(208)이다. 연신 구역 온도는 원심력에 의한 연신 또는 신장을 극대화하기 위하여 필라멘트를 용융 상태로 유지시키도록 설계 및 구현된다. 가능한 구현예에서, 연신 구역 직경은 방사 볼의 직경의 약 1.5배이다. 방사 폴리프로필렌 나노섬유에 대하여, 연신 구역 온도는 양호한 나노섬유 방사를 획득하기 위해서 그리고 선택적으로 섬유가 정전하를 취할 수 있도록 약 180°C에서 최적화되는 것이 바람직하다. 연신 구역을 통과하는 동안, 초기 필라멘트는 신장되거나 가늘어져 1 μm 미만의 직경을 갖는 온전하게 나노섬유가 될 수 있는 작은 직경의 섬유가 형성된다.
가늘어진 섬유는 수평 벨트 회수기(미도시)의 표면 상에 증착된다. 선택적으로 대전된 코로나 고리(212)는 방사 볼(202)로부터 배출되는 필라멘트(206)를 정전기적으로 대전시키기 위해 사용된다.
본 개시는 부분적으로 나노섬유 웨브 및 이로 제조된 여과 매체에 대한 것이다. 이러한 웨브는 단일층, 자립형 네트워크에서 밀접하게 섞이고 얽혀 있는 중합체 섬유를 포함한다. 일 구현에서, 섞임 및 얽힘은 1 μm (나노섬유) 내지 3 μm (마이크로섬유) 범위의 직경을 갖는 섬유를 제공하는 단일 방사 작업에서 섬유를 생산함으로써 얻어진다. 또한 바람직하게 3 μm를 초과하는 직경을 갖는 굵은섬유는 네트워크에서 생산되고 섞인다. 웨브는 낮은 겉보기 밀도로 표시되는 개방되고 푹신한 구조를 갖으며 정전기적으로 대전된다. 이러한 구조 및 대전의 결과로, 웨브는 양호한 여과 요소로서 기능하는 능력을 나타내는 높은 유효 품질 인자를 제공한다.
일 구현예에서, 웨브 섬유는: (a) 적어도 약 70%의 나노섬유, 약 5%~25%의 마이크로섬유, 및 0 내지 5%의 굵은섬유를 (개수로)포함한다. 모든 섬유의 수평균 직경은 약 1000 nm 미만이고 모든 섬유의 중앙값 직경은 약 500 nm 미만이다.
일 구현예에서, 웨브 섬유는: (a) 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 또는 700 nm의 하한 내지 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 또는 1000 nm의 상한 범위의 수평균 섬유 직경 및 200, 250, 300, 350, 또는 400 nm의 하한 내지 350, 400, 450, 500, 550, 또는 600 nm의 상한 범위의 중앙값 직경의 조합을 갖는 적어도 약 70%의 나노섬유; (b) 약 5%~25%의 마이크로섬유; 및 (c) 0%~5%의 굵은섬유를 (개수로) 포함하되, 나노섬유의 수평균 직경은 나노섬유의 중앙값 직경보다 크다는 것을 단서로 한다. 이러한 구현예는 수평균 섬유 직경 및 중앙값 섬유 직경의 범위가 중첩되지 않은 것을 더 포함한다.
또 다른 구현예에서, 웨브 섬유는 나노섬유, 마이크로섬유, 및 선택적으로 굵은섬유를 포함하되, 여기서: (a) 모든 섬유의 수평균 직경은 550, 600, 650, 700, 또는 750 nm의 하한 내지 800, 850, 900, 950, 또는 1000 nm의 상한의 범위이고 (b) 모든 섬유의 중앙값 직경은 150, 200, 250, 300, 또는 350 nm의 하한 내지 400, 450, 또는 500 nm의 상한의 범위이다.
또 다른 구현예에서, 웨브 섬유는, 마이크로섬유의 질량 백분율이 약 15% 내지 약 30% 범위이고 굵은섬유의 질량 백분율이 약 50% 내지 70% 범위인, 나노섬유, 마이크로섬유, 및 굵은섬유를 포함한다. 섬유 웨브 내부의 섬유 표면적은 나노섬유 상의 면적에 의해 지배되어, 나노섬유의 비표면적의 백분율은 전체 섬유 웨브의 비표면적의 90%를 초과할 수 있다. 따라서, 나노섬유 상에서의 상대 표면 전하 밀도는 마이크로섬유의 상대 표면 전하 밀도보다 약 10배 이상일 수 있다.
본 나노섬유 웨브의 구현예는 0.01, 0.015, 0.02, 0.025, 또는 0.03 g/cm3 의 하한 내지 0.035, 0.04, 0.045, 또는 0.05 g/cm3의 상한 범위의 겉보기 밀도를 보인다.
다양한 구현예에서, 나노섬유 웨브는: 약 10 g/m2 내지 약 40 g/m2의 평량; 적어도 약 94%, 95%, 96%, 또는 97%의 공극률; 약 8, 9, 또는 10 μm 내지 약 14, 15, 16, 또는 18 μm 범위의 평균 유동 공극 크기; 적어도 약 2, 2.2, 또는 2.4의 기포점과 평균 유동 공극 크기의 비; 125 N/m2의 공기압에서 측정된, 약 10, 13, 14 또는 16(m3/min)/m2을 초과하는(그리고 최대 약 30, 35, 또는 40 m3/min)/m2 ) 프래지어 공기 투과도 중 임의의 하나 이상을 갖는다. 전형적으로, 적어도 약 3 (m3/min)/m2, 그리고 바람직하게는 10 이상, 최대 90 (m3/min)/m2 (대략 10~300 (ft3/min)/ft2)의 프래지어 공기 투과도가 안면 마스크 또는 호흡기에 유용하다고 간주된다.
본 나노섬유 웨브의 구현예는 25 mm의 거리에서 측정된 적어도 +12, +14, +16, 또는 +18 kV의 정전하를 가질 수 있으며, 가능하게는 20 또는 25 kV 만큼 큰 전하를 가질 수 있다.
본 나노섬유 웨브는 아래에서 보다 상세하게 기술되는, 품질 인자(QF) 및 유효 품질 인자(eQF)의 바람직한 값을 보인다. 본 나노섬유 웨브의 구현예는 적어도 2.6, 2.8, 또는 3.0 (Pa × g/cm3)-1, 최대 4.5, 4.75, 5, 5.25, 5.5, 5.75, 또는 6 (Pa × g/cm3)-1의 유효 품질 인자(eQF)를 가질 수 있다.
또한, 앞서 언급한 치수적, 물리적, 또는 기능적 특성 중 임의의 두 개 이상의 조합을 포함하는 본 나노섬유 웨브의 구현예가 고려된다.
일 구현예에서, 나노섬유 웨브는 원심 용융 방사 공정에 의해 만들어진다.
다른 양태에서, 본원에 제공되는 섬유 웨브의 임의의 구현예는, 제한 없이, 안면 마스크 및 호흡기를 포함하는 폭넓게 다양한 호흡 장치에서의 여과 요소로서 포함될 수 있다. 본원에서 용어 "호흡 장치"는 사용자에 의해 흡입될 공기가 여과 요소를 먼저 통과하도록 구성된 사용자에 의해 착용되는 임의의 장치 또는 기구를 나타낸다. 본원에서 용어 "안면 마스크"는, 원치 않는 미세하게 나뉘어진 액체 또는 고체의 흡입 및 섭취를 경감시키기 위하여 착용자의 코 및 입을 가로질러 일반적으로 고정되도록 지정된 여과 성능을 갖는 물질로 만들어진 구조를 나타낸다. 이러한 많은 안면 마스크는, 안면 마스크를 착용자에게 고정시키도록 하는 부착된 밴드 또는 스트랩과 함께, 유연한 패브릭 또는 의복-유사 섬유 웨브 물질 (흔히 주름이 있는 것)로 전체적으로 구성된다. 대안적으로, 이러한 물질은 반-강체 및 착용자의 안면 구조에 일반적으로 순응하는 형상일 수 있다.
본원에서 "호흡기"는 유연한 주변 물질 및 부착된 밴드 또는 스트랩과 결합되는 여과 요소를 포함하는 구조를 나타내어, 이러한 구조는 착용자의 안면의 피부에 순응하여 얹혀지고 밀봉되며, 적어도 코 및 입, 그리고 선택적으로는 눈을 커버한다. 호흡기는, 적어도 실질적인 부위에서, 그리고 바람직하게는 모든 부위에서, 착용자에 의해 흡입된 공기가 여과 요소를 먼저 통과하도록 구조화된다. 선택적으로 여과 요소는 사용 후 버려질 수 있는 또는 세척 및 재사용될 수 있는 제거 가능하게 부착된 여과 카트리지에 포함된다.
본 섬유 웨브는 안면 마스크 또는 호흡기 또는 이들과 연관된 여과 카트리지를 구성하는데 사용될 수 있다. 물론, 또한 본 웨브는 사용자에 의해 흡입되는 공기의 여과에 의존하는 기타 개인용 보호 장비를 구성하는데 사용될 수 있다는 것도 고려된다.
시험 방법
다음의 비-제한적인 구현예에서, 다음의 시험 방법은 다양하게 보고된 특성 및 특징을 판단하기 위해 채용되었다. 이들 중 일부는, ASTM International, West Conshohocken, PA. 에 의해 공표된, 공지된 ASTM 표준 시험 방법에 따라 결정되었다. 본원에서 참조되는 이러한 ASTM 표준 각각은 모든 목적을 위해 본원에 참조로서 포함된다.
3D 웨브 이미징: 주사 전자 현미경(SEM) 및 기타 2D 이미징 기술은 섬유가 부직포 제품 내에서 깊이(두께) 방향으로 배향되는 방법 또는 나노웨브의 공극 구조의 위상적 특징을 충실하게 보여주지 못하는 투영된 이미지를 전형적으로 제공한다. 따라서, 나노웨브의 3D 체적 렌더링은 실제 나노웨브에서 표현되는 공극 구조 및 섬유 배향을 이해하기 위해 매우 중요하다.
광학 현미경은, 산란에 의한 노이즈뿐만 아니라 회절-한계로 인해, 지금까지는 나노웨브를 이미지화 하기 위한 용도로 폭넓게 사용되지 않았다. 아베 회절 한계(Abbe diffraction limit) 때문에, 현미경을 이용하여 서브-파장 구조를 특징짓는 것은 어렵다. 굴절률 n을 갖는 매체 내를 이동하고 각도 θ로 점에 수렴하는, 파장 λ를 갖는 광은 반경 d=λ/( 2nsinθ )의 점을 만들 것이다. 분모( nsinθ )는 최근 광학 장치에서 약 1.4에 도달할 수 있는 개구수(NA)로 명명된다. 따라서, 아베 한계는 대략적으로 d=λ/ 2 이다. 500 nm 파장을 갖는 녹색광에 대해, 아베 한계는 250 nm이다. 중합체 나노웨브는, 일부가 250 nm 이하의 작은 직경을 가질수 있는 나노섬유을 함유한다. 높은-개구 카디오이드 환형 콘덴서 및 높은 개구수를 갖는 광학 조명 시스템은 높은 메가픽셀 디지털 카메라 및 수직 해상도(10 nm 이하)의 정밀한 제어와 함께 나노웨브의 유용한 이미지 스택(stack)을 얻는 것을 가능하게 한다.
이미지의 스택은 10 nm 내지 100 nm의 해상도로 자동 z 범위 제어를 이용하여 촬영된다. 개별적으로, 이러한 이미지는 섬유가 구조적으로 관련되는 방법에 대해 거의 정보를 제공하지 못한다. 그러나, 3D 체적 이미지 재구성 알고리즘으로, 이미지의 스택이 나노섬유 웨브의 3D 체적 렌더링으로 변환될 수 있고, 수득된 3D 이미지는 서로 다른 시야 방향에서 렌더링될 수 있다. 정확성을 향샹시키기 위해, 단일 이미지 스택에서 제공되는 것으로부터 확장되었던 영역에 걸쳐 본원에 기록된 데이터를 얻었다. 따라서, 인접하는 개별 이미지 필드의 3x3 행렬로 형성된 유효 이미지 필드에 걸쳐 이미지 스택을 촬영하고 적절하게 조합하여, 여전히 관리할 수 있는 파일 크기를 유지하면서, 샘플링 면적을 약 7 인자 만큼, 대략적으로 271 μm x 210 μm 대 101 μm x 81 μm 까지 증가시킨다. 도 1 은 향상된 이미지 프로세싱 및 모폴로지 연산(morphological operation) 후에 이러한 이미지 필드에 걸쳐 촬영된 실시예 1의 나노웨브의 재구성된 3D 이미지를 보여준다.
SEM을 사용하여 섬유 크기 측정을 수행하였다. 서로 다른 세부 수준에서 섬유 모폴로지를 밝히기 위해, SEM 이미지를 X25, X100, X250, X500, X1,000, X2,000, X2,500, X5,000 및 X10,000의 공칭 배율(nominal magnification)에서 촬영하였다. 섬유 직경을 측정하기 위해, X1,000 또는 X2,000의 배율에서 적어도 두 개(최대 10개)의 이미지로부터 섬유의 개수를 세었다. 적어도 약 100 내지 200 개의 섬유가 개별적으로 표시되고 세어질 때까지 각각의 이미지 세트로부터 섬유의 개수를 세었다.
다르게 지시되지 않는 한, 세어진 모든 섬유에 근거하여 총 평균 섬유 직경 및 중앙값 섬유 직경을 계산하였다. 또한, 나노섬유, 마이크로섬유, 및 굵은섬유 크기 분포에서 섬유 직경에 대한 섬유 직경 평균 및 중앙값도 별도로 계산하였다.
섬유의 총수 대비 각각의 섬유 직경 그룹핑 내에 속하는 모든 섬유 직경의 합을 이용하여, 총 섬유수 내에서 나노섬유, 마이크로섬유, 및 굵은섬유의 개수 백분율을 계산하였다.
세어진 모든 섬유의 총질량 대비 각각의 섬유 직경 그룹핑 내에 속하는 모든 섬유 직경의 질량의 합을 이용하여, 총 섬유수 내에서 나노섬유, 마이크로섬유, 및 굵은섬유의 질량 백분율을 계산하였다. 모든 섬유가 길이가 같고 동일한 용적 중합체 밀도를 갖는다고 가정하여, 각각의 섬유의 질량을 단위 길이당 질량으로 계산하였다.
질량 단위 길이당 섬유 = V 단위 길이당 섬유 * ρ 용적 중합체 밀도
모든 섬유가 길이가 같다고 가정하여, 각각의 섬유의 체적을 단위 길이당 체적으로 계산하였다.
V 단위 길이당 섬유 = π r 섬유 ²
세어진 모든 섬유의 총표면적 대비 각각의 섬유 직경 그룹핑 내에 속하는 모든 섬유 직경의 표면적의 합을 이용하여, 총 섬유수 내에서 나노섬유, 마이크로섬유, 및 굵은섬유의 표면적 백분율을 계산하였다. 모든 섬유가 길이가 같다고 가정하여, 각각의 섬유의 표면적을 단위 길이당 표면적으로 계산하였다.
표면적 단위 길이당 섬유 = 2 π r 섬유
각각의 섬유의 단위 길이당 표면적 및 단위 길이당 질량을 이용하여 각각의 섬유의 비표면적을 계산하였다.
비표면적 섬유 = 표면적 단위 길이당 섬유 / 질량 단위 길이당 섬유
세어진 모든 섬유의 총비표면적 대비 각각의 섬유 직경 그룹핑 내에 속하는 모든 섬유 직경의 비표면적의 합을 이용하여, 총 섬유수 내에서 나노섬유, 마이크로섬유, 및 굵은섬유의 비표면적 백분율을 계산하였다.
ASTM D3776/D3776M - 09a (2013), "패브릭의 단위 면적(중량)당 질량에 대한 표준 시험 방법(Standard Test Methods for Mass Per Unit Area (Weight) of Fabric)"에 따라 평량(BW)를 측정하였고, g/m2 또는 gms로 기록하였다. 각 웨브별로 약 10 cm로의 핸드시트 커트를 특징짓기 위해 ASTM 방법의 옵션 C를 사용하였다.
광학 현미경 방법을 이용하여 웨브 두께를 측정하였다. 선택된 웨브 예의 대표 두께 측정을 얻기 위해, 각각의 예의 웨브 모폴로지가 보존되도록 비-접촉 측정 방법이 고안되었다. 두께를 계산하기 위해, 수직 및 수평 측정을 정확하게 얻기 위한 자동으로 레벨링 되는 스테이지를 활용하는 알리코나 무한 초점 현미경(Alicona Infinite Focus microscope)을 사용하였다. 알리코나 소프트웨어가 이미지화된 면적의 수평균 표면 높이(두께)를 산출하는 3D 광학 표면 프로파일을 산출하기 위해, 각 예의 3D 스캔을 수행하였다. 이러한 방법은 각 예별로 비-편향(non-bias) 및 비-손상(non-damaging) 측정을 산출한다.
웨브 공극은 여과 물질 내의 유체 공간의 체적을 여과 물질의 전체 체적으로 나눈 비율로 정의되고; 이는 측정된 공극 체적 및 물질의 용적 밀도로부터 계산된다. 각 샘플에 대한 평량 및 두께 측정으로부터 샘플의 공극을 계산하였다. 실제로, 시트의 평량(BW)은 샘플 면적(A)으로 나누어진 주어진 샘플 사이즈(W)의 중량으로 계산된다. 시트의 횡 방향을 가로지르는 고정된 영역의 세 개의 샘플을 펀칭하고 표준 저울을 사용하여 샘플의 무게를 측정함으로써 샘플 시트의 평량을 측정하였다. 이러한 샘플 크기의 체적은 따라서 A x δ이고 여기서 δ는 샘플의 두께이다. W가 샘플 체적 내의 섬유의 중량에 의해서만 결정되기 때문에, 고체 분율 φ는 φ = Bw/ρδ로 주어지고, 여기서 ρ는 고체 중합체의 밀도이다. 공극은 따라서 1 - φ로 계산될 수 있다.
프래지어 공기 투과도는 공기의 특정한 체적이 시험 시편을 통과하는데 요구되는 시간의 양의 척도이다. 공기압은 액체 밀봉제를 이용한 챔버 내에서 공기 체적을 포획하는 중력 부하 실린더에 의해 발생된다. 이러한 공기의 가압된 체적은 시험 시편을 고정하는 클램핑 개스킷 링을 향한다. 시편을 통과하는 공기는 하류 클램핑 플레이트 내의 구멍을 통해 대기로 배출된다. Frazier Precision Instrument Co Inc.(미국 매릴랜드주 헤이거스타운)에 의해 모두 제조된 FAP-5390F3 또는 FX3300 기기를 이용하여 프래지어 공기 투과도 측정을 수행하였다.
FAP-5390F3 기기를 사용할 때, 시험 시편은 샘플 스탠드에 안착된다. 펌프는 압력 조절 용도용 저항의 사용으로 조절되어 경사형 공기 압력 게이지가 물기둥에서 12.7 cm의 압력을 나타낸다. 수직 타입 공기압 게이지 및 일종의 사용된 오리피스의 관측된 스케일 표시로부터, 시험 시편을 통과한 공기의 양이 얻어진다. 물질의 공극에 따라 노즐의 크기를 변화시켰다.
FX3300 기기를 사용할 때, 강력한, 머플 진공 펌프는 원형 개구를 갖는 교환 가능한 시험 헤드를 통해 공기를 끌어당긴다. 측정을 위해, 선택된 시험 표준에 알맞는 시험 헤드가 기기에 안착된다. 진공 펌프를 자동으로 개시하는 클램핑 암을 아래로 가압함으로써, 시편은 시험 헤드 개구 위에서 클램프된다. 미리 선택된 시험 압력은 자동으로 유지되고, 몇 초후 시험 시편의 공기 투과도가 디지털 방식으로 측정의 미리 선택된 단위로 표시된다. 클램핑 암을 아래로 재차 가압함으로써, 시험 시편은 해제되고 진공 펌프는 차단된다. 시험 시편이 시험 헤드 개구 위의 위치에서 클램프될 때 진공 펌프가 자동으로 개시되기 때문에, 시험 시편이 클램프된 후에만 시험 압력이 형성된다. 시험 압력은 시험 표준에 따라 디지털 방식으로 미리 선택된다. 시험 압력은 기기에 의해 제어되고 유지된다. 실제의 차동 측정에 의해, 시험 압력은 높은 공기 유량에서 조차도 정확하게 측정된다. 시험 시편을 통한 공기 유동이 가변 오리피스로 측정된다. 시험 시편의 공기 투과도는 오리피스를 가로지르는 압력 강하로부터 결정되고, 직독을 위해 디지털 방식으로 측정의 선택된 단위로 표시된다. 높은 안정성의, 정밀 압력 센서는 시험 결과의 우수한 측정 정확성 및 재현성을 제공한다.
이러한 측정에서, 124.5 N/m2 의 압력차가 적절하게 클램프된 매체 샘플에 인가되고, 그에 따른 공기 유량은 프래지어 공기 투과도로 측정되고 cm3/min/cm2 단위로 기록된다. 프래지어 공기 투과도에 평량을 곱하고 34로 나눔으로써, 프래지어 공기 투과도를 34 g/m2 평량으로 정규화 하였고, cm3/min/cm2으로 기록된다. 높은 프래지어 공기 투과도는 높은 공기 유동 투과도와 대응되고 낮은 프래지어 공기 투과도는 낮은 공기 투과도와 대응된다.
정전하(E.S.)는 SIMCO FMX-003 정전기 측정기(electrostatic fieldmeter)를 이용하여 측정된다. FMX-003은 25 mm 거리에서 +/- 22 kV (접지를 기준으로 함)까지의 정전압을 측정한다.
평균 유동 공극 크기를 ASTM E 1294-89 (1999, 현재는 철회됨), "자동화된 액체 공극률 측정기를 이용한 멤브레인 필터의 공극 크기 특성에 대한 표준 시험 방법(Standard Test Method for Pore Size Characteristics of Membrane Filters Using Automated Liquid Porosimeter)"에 따라 측정하였다. 상술한 바와 같이 낮은 표면장력의 유체로 다른 크기(8 mm)의 개별 샘플을 습윤시켜 홀더에 위치시키고, 공기의 차압을 인가하여 샘플로부터 유체를 제거하였다. 습윤 유동(wet flow)이 건조 유동(dry flow)(습윤 용매가 없는 유동)의 절반과 동일해지는 차압은 제공된 소프트웨어를 사용하여 평균 유동 공극 크기를 계산하는 데 사용된다. 평균 유동 공극 크기는 μm로 기록하였다.
기포점을 ASTM F316-03 (2011), "기포점 및 평균 유동 공극 시험에 의한 멤브레인 필터의 공극 크기 특성에 대한 표준 시험 방법(Standard Test Methods for Pore Size Characteristics of Membrane Filters by Bubble Point and Mean Flow Pore Test)"에 따라 측정하였다. 상술한 바와 같이 낮은 표면장력의 유체로 개별 샘플(8 mm 직경)을 습윤시켰다. 샘플을 홀더에 위치시킨 후, 차압(공기)을 인가하고 샘플로부터 유체를 제거하였다. 기포점은 압축된 공기압이 샘플 시트에 인가된 후의 첫 번째 개방 공극이었으며 판매자가 제공한 소프트웨어를 사용하여 계산하였다.
여과 효율(FE) 및 압력 강하( ΔP ): 매체 및 마스크의 성능은 두 개의 주요 인자, 침투 비율(P) 및 압력 강하(ΔP)에 의해 특징지어진다. 침투 비율은 특정 시험 조건 하에서 제거되지 않고 필터를 관통하는 입사 입자의 일부를 나타낸다. 동일한 침투 개념이 백분율 여과 효율(FE)에 의해 유사하게 정량화 될 수 있는데, 다음 관계를 이용하여 보다 쉽게 측정되는 P값으로부터 결정될 수 있다
FE = 100 - P.
압력 강하(ΔP)는 공기 유동에 대한 필터의 저항을 특징짓는데, 이는 DIN 표준 EN 1822 (1998)에 기술된 시험 방법을 이용하여 편리하게 측정되며, ΔP는 mm H2O/cm2 또는 Pa 과 같은 압력 단위로 기록된다.
P 및 ΔP 모두 챌린지(challenge) 에어로졸 및 그 면속도의 함수로서 변화하는 것으로 알려져 있어서, 서로 다른 샘플에 대한 데이터 비교는 동일한 조건 하에서 측정이 행해진 경우에만 적절하다. 챌린지 에어로졸은 전형적으로 입자(또는 에어로졸) 피크 크기 및 분포, 화학적 성질 및 에어로졸(고체 대 액체)의 형태, 그리고 에어로졸의 전하 분포(중화된, 중성의, 또한 대전된)를 포함하는 변수에 의해 기술된다. 면속도는 시험 고정구 내에서 사용된 챌린지 유량 및 매체의 표면적에 대한 함수이다.
필터 효율 및 침투 대 입자 크기를 측정하기 위해서 TSI 8130 여과 측정기 (모델 8130 자동화된 필터 측정기)를 사용하였다. 알려진 입자 크기를 갖는 챌린징 필터 및/또는 필터 매체는 입자를 발생하기 위한 애토마이저(atomizer) 및 정전 분류기를 사용하여 달성된다. 상류 및 하류 입자 검출은 두 개의 응축 입자 계수기(condensation particle counter)를 사용하여 완수된다. 11.3 cm 직경(면적 = 100 cm2)의 원형 개구를 갖는 평평한-시트 매체 상에서 미세 입자 분진-로딩 시험을 수행하였다. 로딩 시험에서 사용되었던, 0.26 μm의 질량 평균 직경을 갖는 미세 에어로졸을 발생시키기 위해서 2 wt%의 염화나트륨 수용액을 사용하였다. 공기 유량은 5.3 cm/s의 면속도와 대응하는 32 리터/min이었다. 장비 제조사에 따르면, 에어로졸의 밀도는 약 16 mg/m3이었다. 여과 효율 및 초기 압력 강하는 시험 시작 때 측정되고 최종 압력 강하는 시험 종료 때 측정된다. 압력 강하의 증가는 최종 압력 강하에서 초기 압력 강하를 뺄셈하여 계산된다.
품질 인자 및 유효 품질 인자: 품질 인자(QF)는 서로 다른 매체 타입의 성능을 비교하는데 때때로 사용되어 왔고, 다음과 같이 정의된다:
QF = -ln(P/100)/ΔP,
여기서 P는 침투이고 ΔP는 압력 강하이다. 두 개 모두 상술한 TSI 기기에 의해 측정될 수 있다. 품질 인자 QF는 압력의 역단위, 예를 들면 (Pa)- 1으로 구체화될 수 있고, 여기서 1 pascal (Pa) = 1 N/m2이다. 나노섬유 부직포 매체의 두께, 공극률, 및 섬유 직경은 P 및 ΔP에 대한 그들의 영향에 의해 품질 인자(QF)에 간접적으로 들어있다. 그러나, 매체의 가장 작은 가능한 양의 여과를 완수하는 것이 바람직함을 설명하기 위하여, 이상적인 여과 매체는 낮은 평량 및 낮은 겉보기 밀도를 또한 보인다. 이에 따라, 여과 매체는, 겉보기 밀도 (ρ겉보기)로 나눈 품질 인자로 본원에서 정의된 유효 품질 인자(eQF)에 의해 또한 특징지어질 수 있다, 즉:
eQF = QF / ρ겉보기 = (-ln(P/100)/ΔP) / ρ겉보기
유효 품질 인자는 (Pa × g/cm3)-1의 단위로 구체화될 수 있다.
실시예
본 발명의 특정한 구현예의 동작 및 효과는 아래에 기술된 실시예로부터 보다 완전히 이해될 수 있다. 이러한 실시예를 기초로 하는 구현예는 단지 대표적인 것이며, 본 발명의 양태를 설명하기 위한 이러한 구현예의 선택은 실시예에서 기술되지 않는 물질, 성분, 반응물, 조건, 기술 및/또는 구성이 본원의 용도에 적합하지 않다는 것을 지시하는 것은 아니며, 또는 실시예에서 기술되지 않는 주제가 첨부된 도면 및 이의 동등물의 범위로부터 배재된다는 것을 지시하는 것도 아니다. 실시예의 중요성은 실시예로부터 얻어진 결과를 비교예 1~8로서 역할을 하도록 설계된 특정한 시험적 실행으로부터 얻어진 결과와 비교함으로써 더 잘 이해되며, 이러한 시험적 실행은 이러한 비교에 대한 기초를 제공하는데, 그들이 서로 다른 구성 및/또는 물질을 갖는 섬유 웨브를 제공하고 따라서 본 개시의 실시예 1~8에 대해 입증된 바와 같은 특성의 동일한 조합을 제공하지 않기 때문이다.
샘플 제작
원심 용융 방사 공정을 이용하여 다양한 직경을 갖는 연속 섬유를 포함한 여러 예시적인 나노섬유 웨브 매체를 만들었다. 각 실시예에 명시된, 특히 온도, 용융 공급율 및 볼 회전 속도를 포함하는 동작 파라미터의 조합을 이용하여 섬유 직경 분포를 얻었다. 이러한 조건은 서로 다른 두께를 갖는 필름 영역을 생산하는 용융 필름 불안정을 초래하였고 결국은 회전 부재로부터 넓은 범위의 직경을 갖는 필라멘트의 배출을 가져다 주었다. 가늘어진 섬유가 형성된 이후에서도 넓은 범위의 직경이 지속됨이 발견되었다.
중합체 웨브 매체를 형성하기 위하여 벨트 회수기 상에 가늘어진 섬유를 올려 놓았다. 적절한 공기 유동장 및 대전 배열의 조합으로 섬유의 웨브 레이다운을 제어하였다. 공기 유동장은 연신, 성형, 및 중심 구역 내의 공기 온도 및 공기 유량에 의해 특징지어진다. 대전은, 방사 볼 및 회수기 벨트 주변의 코로나 고리 모두에 인가된 고전압으로부터 야기된 정전기장에 의해 달성되었다. 방사 볼 아래로부터 일정 거리에 웨브를 놓았다.
다음의 일반적인 조건하에서 본 개시의 실시예를 모두 만들었다. 중합체 용융물을 용융물 전사 라인을 통해 회전 방사 볼로 전달하기 위해 기어 펌프를 갖는 프리즘(prism) 압출기를 사용하였다. 압출 온도를 200°C로 설정하였다. 용융물 전사 라인으로부터 방사 용융물의 온도를 200°C로 설정하고, 용융물 공급률은 10 그램/분/볼이었다. 회전 방사 볼은 직경이 152.4 mm이었다. 방사 볼의 회전 속도를 일정한 10,000 rpm으로 설정하였다. 회전 방사 볼을 가열하기 위해서 유도 열이 사용되었다. 연신 구역 공기 유동을 150°C 및 8.0 SCFM으로 설정하였다. 성형 공기 유동을 80°C 및 7.0 SCFM으로 설정하였다. 중공 회전축 및 선회-방지 허브를 통한 중심 공기 유동을 50°C 및 2.5 SCFM으로 설정하였다. 나노섬유 웨브를 127 mm의 레이다운 거리로 벨트 회수기 상에 놓았다.
실시예 1~8에 사용된 중합체는, LyondellBasell으로부터 입수한 폴리프로필렌(PP) 메토센(Metocene) MF650Y이었다. 이는, Mw = 75,381 g/mol, 용융물 유량 = 1800 g/10 min (230°C/2.16kg), 및 200°C에서 9.07 PaㆍS의 제로 전단 점도(zero shear viscosity)를 갖는다. 실시예 5~8에 대해, 옥타데칸아미드를 폴리프로필렌에 대한 대전 촉진제로서 압출기에 추가로 첨가하였다. 옥타데칸아미드(CAS No. 124-26-5)는 식 C18H37NO, 화학 명칭 N-(1,3-벤조디옥솔-5-일메틸)옥타데칸아미드, 98 ~ 102°C의 용융점 및 297.34°C의 인화점을 갖는 지방산 아미드이다. 이는 대안적으로 스테아로아미드 또는 아미드 C18로 알려져 있으며, Sigma-Aldrich로 부터 입수되었다.
방사 볼 온도, 방사 인클로저(enclosure) 온도 및 습도, 코로나 대전 전압 및 전류, 회수기 벨트 대전 전압 및 전류, 및 회수기 벨트 이동 속도 및 웨브 권취 속도를 포함하는 기타 실험 조건이 아래에 리스트된 각 실시예에 대해 선택되었다. 주어진 부재에 대하여 회전 속도 및 용융물 공급률, 회전 부재의 온도는 생산되는 섬유 직경의 분포에 영향을 미치는 중요한 파라미터이다. 웨브 레이다운 균일성 및 웨브 상에서의 정전기적 대전 강도는 방사 인클로저 온도 및 습도, 코로나 대전 전압 및 전류, 회수기 벨트 대전 전압 및 전류, 그리고 대전 첨가제가 방사 용융물에 포함되는지의 여부에 의해 주로 결정되었다. 주어진 섬유 방사 및 웨브 레이다운 조건에 대해, 수득된 웨브의 평량은 회수기 벨트 이동 속도에 의해 조절될 수 있다.
실시예 1
실시예 1의 웨브를 만들기 위한 구체적인 실험 조건은 206°C의 방사 볼 온도, 57°C의 방사 인클로저 온도, 및 13%의 습도를 포함하였다. 코로라 대전 전압은 -7.0 kV이었고 전류는 0.50 mA이었으며, 회수기 벨트 대전 전압은 +57 kV이었고 전류는 0.24 mA이었다. 회수기 벨트 이동 속도는 0.94 m/min이었다. 30 gsm의 평량 및 9.3 μm의 평균 유동 공극 크기를 갖는 자립형 단층으로서 실시예 1을 만들었다. 단층 매체는 개수로 약 85.4%, 질량으로 9.26%, 표면적으로 44.04%, 그리고 비표면적으로 97.78%의 나노섬유를 포함하였다. 단층 매체는 개수로 약 11.68%, 질량으로 30.46%, 표면적으로 32.22%, 그리고 비표면적으로 2.06%의 마이크로섬유를 포함하였다. 총 섬유의 수평균 섬유 직경은 약 0.655 μm이었고 중앙값은 약 0.331 μm이었다. 나노섬유의 수평균 섬유 직경은 약 0.338 μm이었고 중앙값은 약 0.281 μm이었다. 마이크로섬유의 수평균 섬유 직경은 약 1.808 μm이었고 중앙값은 약 1.667 μm이었다. 굵은섬유의 수평균 섬유 직경은 약 5.330 μm이었고 중앙값은 약 5.435 μm이었다. 실시예 1의 웨브는 99.730%의 여과 효율 및 39.2 Pa의 저항을 보였다. 유효 품질 인자는 4.07 (Pa ㆍ g/cm3)-1이었다.
상술한 바와 같이, 실시예 1의 나노섬유 웨브가 도 1에 개략적으로 묘사된다. 랜덤한 네트워크에서 다양한 섬유의 밀접한 섞임 및 얽힘이 쉽게 가시화된다.
실시예 2
실시예 2의 웨브를 만들기 위한 구체적인 실험 조건은 210°C의 방사 볼 온도, 56°C의 방사 인클로저 온도, 및 13%의 습도를 포함하였다. 코로라 대전 전압은 -7.0 kV이었고 전류는 0.48 mA이었으며, 회수기 벨트 대전 전압은 +57 kV이었고 전류는 0.24 mA이었다. 회수기 벨트 이동 속도는 0.94 m/min이었다. 30 gsm의 평량 및 10.1 μm의 평균 유동 공극 크기를 갖는 자립형 단층으로서 실시예 2를 만들었다. 단층 매체는 개수로 약 89.61%, 질량으로 9.30%, 표면적으로 49.89%, 그리고 비표면적으로 98.63%의 나노섬유를 포함하였다. 단층 매체는 개수로 약 7.14%, 질량으로 16.98%, 표면적으로 21.16%, 그리고 비표면적으로 1.19%의 마이크로섬유를 포함하였다. 단층 매체는 개수로 약 3.25%, 질량으로 73.72%, 표면적으로 28.94%, 그리고 비표면적으로 0.18%의 굵은섬유를 포함하였다. 총 섬유의 수평균 섬유 직경은 약 0.598 μm이었고 중앙값은 약 0.295 μm이었다. 나노섬유의 수평균 섬유 직경은 약 0.333 μm이었고 중앙값은 약 0.262 μm이었다. 마이크로섬유의 수평균 섬유 직경은 약 1.771 μm이었고 중앙값은 약 1.733 μm이었다. 굵은섬유의 수평균 섬유 직경은 약 5.329 μm이었고 중앙값은 약 4.331 μm이었다. 실시예 2의 웨브는 97.700%의 여과 효율 및 38.2 Pa의 저항을 보였다. 유효 품질 인자는 2.67 (Pa ㆍ g/cm3)-1이었다.
실시예 3
실시예 3의 웨브를 만들기 위한 구체적인 실험 조건은 196°C의 방사 볼 온도, 55.8°C의 방사 인클로저 온도, 및 14%의 습도를 포함하였다. 코로라 대전 전압은 -7.5 kV이었고 전류는 0.30 mA이었으며, 회수기 벨트 대전 전압은 +51 kV이었고 전류는 0.15 mA이었다. 회수기 벨트 이동 속도는 0.99 m/min이었다. 29 gsm의 평량 및 13.2 μm의 평균 유동 공극 크기를 갖는 자립형 단층으로서 실시예 3을 만들었다. 단층 매체는 개수로 약 69.91%, 질량으로 7.83%, 표면적으로 32.66%, 그리고 비표면적으로 91.85%의 나노섬유를 포함하였다. 단층 매체는 개수로 약 24.78%, 질량으로 27.53%, 표면적으로 39.28%, 그리고 비표면적으로 7.67%의 마이크로섬유를 포함하였다. 단층 매체는 개수로 약 5.31%, 질량으로 64.64%, 표면적으로 28.06%, 그리고 비표면적으로 0.49%의 굵은섬유를 포함하였다. 총 섬유의 수평균 섬유 직경은 약 0.953 μm이었고 중앙값은 약 0.559 μm이었다. 나노섬유의 수평균 섬유 직경은 약 0.445 μm이었고 중앙값은 약 0.421 μm이었다. 마이크로섬유의 수평균 섬유 직경은 약 1.511 μm이었고 중앙값은 약 1.487 μm이었다. 굵은섬유의 수평균 섬유 직경은 약 5.038 μm이었고 중앙값은 약 4.763 μm이었다. 실시예 3의 웨브는 97.860%의 여과 효율 및 26.5 Pa의 저항을 보였다. 유효 품질 인자는 5.45 (Pa ㆍ g/cm3)-1이었다.
실시예 4
실시예 4의 웨브를 만들기 위한 구체적인 실험 조건은 194°C의 방사 볼 온도, 54°C의 방사 인클로저 온도, 및 14%의 습도를 포함하였다. 코로라 대전 전압은 -7.5 kV이었고 전류는 0.34 mA이었으며, 회수기 벨트 대전 전압은 +60 kV이었고 전류는 0.28 mA이었다. 회수기 벨트 이동 속도는 1.17 m/min이었다. 27 gsm의 평량 및 14.1 μm의 평균 유동 공극 크기를 갖는 자립형 단층으로서 실시예 4를 만들었다. 단층 매체는 개수로 약 73.50%, 질량으로 8.89%, 표면적으로 36.19%, 그리고 비표면적으로 92.99%의 나노섬유를 포함하였다. 단층 매체는 개수로 약 21.37%, 질량으로 28.86%, 표면적으로 37.58%, 그리고 비표면적으로 6.54%의 마이크로섬유를 포함하였다. 단층 매체는 개수로 약 5.13%, 질량으로 62.24%, 표면적으로 26.23%, 그리고 비표면적으로 0.56%의 굵은섬유를 포함하였다. 총 섬유의 수평균 섬유 직경은 약 0.929 μm이었고 중앙값은 약 0.530 μm이었다. 나노섬유의 수평균 섬유 직경은 약 0.457 μm이었고 중앙값은 약 0.387 μm이었다. 마이크로섬유의 수평균 섬유 직경은 약 1.634 μm이었고 중앙값은 약 1.475 μm이었다. 굵은섬유의 수평균 섬유 직경은 약 4.752 μm이었고 중앙값은 약 4.051 μm이었다. 실시예 4의 웨브는 97.030%의 여과 효율 및 21.6 Pa의 저항을 보였다. 유효 품질 인자는 5.16 (Pa ㆍ g/cm3)-1이었다.
실시예 5
실시예 5의 웨브를 만들기 위한 구체적인 실험 조건은 200°C의 방사 볼 온도, 54.4°C의 방사 인클로저 온도, 및 13%의 습도를 포함하였다. 코로라 대전 전압은 -9.0 kV이었고 전류는 0.66 mA이었으며, 회수기 벨트 대전 전압은 +60 kV이었고 전류는 0.05 mA이었다. 회수기 벨트 이동 속도는 0.93 m/min이었다. 32 gsm의 평량 및 9.0 μm의 평균 유동 공극 크기를 갖는 자립형 단층으로서 실시예 5를 만들었다. 단층 매체는 개수로 약 86.24%, 질량으로 11.24%, 표면적으로 50.42%, 그리고 비표면적으로 97.51%의 나노섬유를 포함하였다. 단층 매체는 개수로 약 11.64%, 질량으로 26.27%, 표면적으로 30.73%, 그리고 비표면적으로 2.35%의 마이크로섬유를 포함하였다. 단층 매체는 개수로 약 2.12%, 질량으로 62.49%, 표면적으로 18.85%, 그리고 비표면적으로 0.14%의 굵은섬유를 포함하였다. 총 섬유의 수평균 섬유 직경은 약 0.659 μm이었고 중앙값은 약 0.364 μm이었다. 나노섬유의 수평균 섬유 직경은 약 0.385 μm이었고 중앙값은 약 0.335 μm이었다. 마이크로섬유의 수평균 섬유 직경은 약 1.740 μm이었고 중앙값은 약 1.479 μm이었다. 굵은섬유의 수평균 섬유 직경은 약 5.870 μm이었고 중앙값은 약 4.292 μm이었다. 실시예 5의 웨브는 99.000%의 여과 효율 및 37.3 Pa의 저항을 보였다. 유효 품질 인자는 3.11 (Pa ㆍ g/cm3)-1이었다.
실시예 6
실시예 6의 웨브를 만들기 위한 구체적인 실험 조건은 194°C의 방사 볼 온도, 57.4°C의 방사 인클로저 온도, 및 13%의 습도를 포함하였다. 코로라 대전 전압은 -9.0 kV이었고 전류는 0.65 mA이었으며, 회수기 벨트 대전 전압은 +60 kV이었고 전류는 0.04 mA이었다. 회수기 벨트 이동 속도는 1.33 m/min이었다. 22 gsm의 평량 및 11.7 μm의 평균 유동 공극 크기를 갖는 자립형 단층으로서 실시예 5를 만들었다. 단층 매체는 개수로 약 81.01%, 질량으로 8.09%, 표면적으로 38.40%, 그리고 비표면적으로 96.84%의 나노섬유를 포함하였다. 단층 매체는 개수로 약 14.53%, 질량으로 26.48%, 표면적으로 32.94%, 그리고 비표면적으로 2.85%의 마이크로섬유를 포함하였다. 단층 매체는 개수로 약 4.47%, 질량으로 65.43%, 표면적으로 28.67%, 그리고 비표면적으로 0.31%의 굵은섬유를 포함하였다. 총 섬유의 수평균 섬유 직경은 약 0.740 μm이었고 중앙값은 약 0.360 μm이었다. 나노섬유의 수평균 섬유 직경은 약 0.351 μm이었고 중앙값은 약 0.293 μm이었다. 마이크로섬유의 수평균 섬유 직경은 약 1.678 μm이었고 중앙값은 약 1.719 μm이었다. 굵은섬유의 수평균 섬유 직경은 약 4.747 μm이었고 중앙값은 약 4.303 μm이었다. 실시예 6의 웨브는 98.500%의 여과 효율 및 31.4 Pa의 저항을 보였다. 유효 품질 인자는 3.27 (Pa ㆍ g/cm3)-1이었다.
실시예 7
실시예 7의 웨브를 만들기 위한 구체적인 실험 조건은 200°C의 방사 볼 온도, 56.2°C의 방사 인클로저 온도, 및 13%의 습도를 포함하였다. 코로라 대전 전압은 -9.0 kV이었고 전류는 0.67 mA이었으며, 회수기 벨트 대전 전압은 +60 kV이었고 전류는 0.04 mA이었다. 회수기 벨트 이동 속도는 2.03 m/min이었다. 14 gsm의 평량 및 13.2 μm의 평균 유동 공극 크기를 갖는 자립형 단층으로서 실시예 7를 만들었다. 단층 매체는 개수로 약 82.98%, 질량으로 13.05%, 표면적으로 45.87%, 그리고 비표면적으로 96.75%의 나노섬유를 포함하였다. 단층 매체는 개수로 약 11.17%, 질량으로 24.56%, 표면적으로 24.39%, 그리고 비표면적으로 2.71%의 마이크로섬유를 포함하였다. 단층 매체는 개수로 약 5.85%, 질량으로 62.39%, 표면적으로 29.73%, 그리고 비표면적으로 0.54%의 굵은섬유를 포함하였다. 총 섬유의 수평균 섬유 직경은 약 0.774 μm이었고 중앙값은 약 0.443 μm이었다. 나노섬유의 수평균 섬유 직경은 약 0.428 μm이었고 중앙값은 약 0.393 μm이었다. 마이크로섬유의 수평균 섬유 직경은 약 1.691 μm이었고 중앙값은 약 1.406 μm이었다. 굵은섬유의 수평균 섬유 직경은 약 3.934 μm이었고 중앙값은 약 3.814 μm이었다. 실시예 7의 웨브는 92.200%의 여과 효율 및 17.7 Pa의 저항을 보였다. 유효 품질 인자는 5.22 (Pa ㆍ g/cm3)-1이었다.
실시예 8
29 gsm의 평량 및 9.9 μm의 평균 유동 공극 크기를 갖는 실시예 7에서의 매체의 두 개의 동일한 층을 적층함으로써 실시예 8를 만들었다. 실시예 8은 98.900%의 여과 효율 및 36.3 Pa의 저항을 가졌다. 유효 품질 인자는 4.49 (Pa ㆍ g/cm3)-1이었다.
비교예 C1
비교예 C1의 웨브는 멜트 블로운 공정에 의해 만들어진 멜트 블로운 폴리프로필렌 섬유를 포함하였다. 이러한 공정은 예를 들면, 미국특허 제3,849,241호에 개시되었다. 멜트블로운 섬유는, 용융된 열가소성 물질을 다수의 미세한, 보통은 원형의, 다이 모세관을 통해 용융된 열가소송 물질의 필라멘트를 가늘게 하여 그 직경을 감소시키는 수렴 고속 가열 가스(예를 들면, 공기) 스트림으로 용융 실 또는 필라멘트로서 압출함으로써 형성될 수 있다. 원하는 감쇠를 일으키도록 섬유 상에서 충분한 마찰 항력을 부여하기 위해 높은 가스 속도(전형적으로 100 ~ 200 m/s)가 필요하다. 그 후, 고속 가스 스트림에 의해 멜트블로운 섬유를 운반하였고 랜덤하게 분산된 멜트블로운 섬유를 형성하기 위하여 회수 표면 상에 증착하였다.
비교예 C1의 웨브는 50 gsm의 평량 및 12.1 μm의 평균 유동 공극 크기를 가졌다. 단층 매체는 개수로 약 1.37%, 질량으로 0.14%, 표면적으로 0.50%, 그리고 비표면적으로 3.09%의 나노섬유를 포함하였다. 단층 매체는 개수로 약 75.34%, 질량으로 37.92%, 표면적으로 58.71%, 그리고 비표면적으로 89.94%의 마이크로섬유를 포함하였다. 단층 매체는 개수로 약 23.29%, 질량으로 61.93%, 표면적으로 40.79%, 그리고 비표면적으로 11.97%의 굵은섬유를 포함하였다. 총 섬유의 수평균 섬유 직경은 약 2.483 μm이었고 중앙값은 약 2.072 μm이었다. 아주 적은 나노섬유가 이미지화 되었기 때문에, 통계적으로 유효한 평균 및 중앙값 직경을 얻을 수 없었다. 마이크로섬유의 수평균 섬유 직경은 약 1.935 μm이었고 중앙값은 약 1.853 μm이었다. 굵은섬유의 수평균 섬유 직경은 약 4.348 μm이었고 중앙값은 약 3.845 μm이었다. 비교예 C1은 99.851%의 여과 효율 및 45.1 Pa의 저항을 가졌다. 유효 품질 인자는 1.92 (Pa ㆍ g/cm3)-1이었다.
비교예 C2
비교예 C2는 서로 적층된 두 개의 동일한 층을 포함하는 이중 층의 멜트 블로운 폴리프로필렌 매체를 제공하였다. 각각의 층은 24 gsm의 평량 및 14.8 μm의 평균 유동 공극 크기를 가졌다. 단층 매체는 개수로 약 11.03%, 질량으로 1.18%, 표면적으로 4.30%, 그리고 비표면적으로 21.87%의 나노섬유를 포함하였다. 단층 매체는 개수로 약 73.10%, 질량으로 36.35%, 표면적으로 59.88%, 그리고 비표면적으로 72.29%의 마이크로섬유를 포함하였다. 단층 매체는 개수로 약 15.89%, 질량으로 62.47%, 표면적으로 35.83%, 그리고 비표면적으로 5.84%의 굵은섬유를 포함하였다. 총 섬유의 수평균 섬유 직경은 약 2.131 μm이었고 중앙값은 약 1.780 μm이었다. 나노섬유의 수평균 섬유 직경은 약 0.830 μm이었고 중앙값은 약 0.877 μm이었다. 마이크로섬유의 수평균 섬유 직경은 약 1.745 μm이었고 중앙값은 약 1.695 μm이었다. 굵은섬유의 수평균 섬유 직경은 약 4.812 μm이었고 중앙값은 약 3.934 μm이었다. 단층 매체는 93.880%의 여과 효율 및 19.6 Pa의 저항을 가졌다. 두 개의 동일한 층으로 만들어진 비교예 C2는, 11.6 μm의 평균 유동 공극 크기와 함께 47 gsm의 평량을 가진다. 비교예 C2는 99.630%의 여과 효율 및 41.2 Pa의 저항을 갖는다. 유효 품질 인자는 2.26 (Pa ㆍ g/cm3)-1이었다.
비교예 C3
비교예 C3은, 48 gsm의 조합된 평량 및 15.5 μm의 평균 유동 공극 크기를 갖는 멜트 블로운 폴리프로필렌 매체의 두 개의 서로 다른 층을 포함한다. 제1 층 매체는 개수로 약 7.29%, 질량으로 0.25%, 표면적으로 1.47%, 그리고 비표면적으로 29.87%의 나노섬유를 포함하였다. 제1 층 매체는 개수로 약 55.21%, 질량으로 16.73%, 표면적으로 35.62%, 그리고 비표면적으로 55.18%의 마이크로섬유를 포함하였다. 제1 층 매체는 개수로 약 37.50%, 질량으로 83.02%, 표면적으로 62.91%, 그리고 비표면적으로 14.95%의 굵은섬유를 포함하였다. 총 섬유의 제1 층 수평균 섬유 직경은 약 2.949 μm이었고 중앙값은 약 2.400 μm이었다. 나노섬유의 제1 층 수평균 섬유 직경은 약 0.596 μm이었고 중앙값은 약 0.622 μm이었다. 마이크로섬유의 제1 층 수평균 섬유 직경은 약 1.903 μm이었고 중앙값은 약 1.845 μm이었다. 굵은섬유의 제1 층 수평균 섬유 직경은 약 4.948 μm이었고 중앙값은 약 4.333 μm이었다. 제2 층 매체는 개수로 약 16.54%, 질량으로 0.85%, 표면적으로 4.66%, 그리고 비표면적으로 39.25%의 나노섬유를 포함하였다. 제2 층 매체는 개수로 약 55.64%, 질량으로 17.82%, 표면적으로 38.78%, 그리고 비표면적으로 51.67%의 마이크로섬유를 포함하였다. 제2 층 매체는 개수로 약 27.82%, 질량으로 81.33%, 표면적으로 56.56%, 그리고 비표면적으로 9.09%의 굵은섬유를 포함하였다. 총 섬유의 제2 층 수평균 섬유 직경은 약 2.650 μm이었고 중앙값은 약 2.006 μm이었다. 나노섬유의 제2층 수평균 섬유 직경은 약 0.746 μm이었고 중앙값은 약 0.788 μm이었다. 마이크로섬유의 제2 층 수평균 섬유 직경은 약 1.847 μm이었고 중앙값은 약 1.760 μm이었다. 굵은섬유의 제2 층 수평균 섬유 직경은 약 5.388 μm이었고 중앙값은 약 4.704 μm이었다. 비교예 C3의 매체는 99.600%의 여과 효율 및 36.3 Pa의 저항을 보였다. 유효 품질 인자는 1.78 (Pa ㆍ g/cm3)-1이었다.
비교예 C4
비교예 C4는, 88 gsm의 조합된 평량 및 9.1 μm의 평균 유동 공극 크기를 갖는 멜트 블로운 폴리프로필렌 매체의 서로 다른 세 개의 층을 포함한다. 제1 층 매체는 개수로 약 9.24%, 질량으로 0.39%, 표면적으로 2.29%, 그리고 비표면적으로 25.44%의 나노섬유를 포함하였다. 제1 층 매체는 개수로 약 54.62%, 질량으로 15.16%, 표면적으로 34.53%, 그리고 비표면적으로 59.18%의 마이크로섬유를 포함하였다. 제1 층 매체는 개수로 약 36.13%, 질량으로 84.45%, 표면적으로 63.18%, 그리고 비표면적으로 15.37%의 굵은섬유를 포함하였다. 총 섬유의 제1 층 수평균 섬유 직경은 약 3.147 μm이었고 중앙값은 약 2.225 μm이었다. 나노섬유의 제1 층 수평균 섬유 직경은 약 0.779 μm이었고 중앙값은 약 0.795 μm이었다. 마이크로섬유의 제1 층 수평균 섬유 직경은 약 1.989 μm이었고 중앙값은 약 1.924 μm이었다. 굵은섬유의 제1 층 수평균 섬유 직경은 약 5.503 μm이었고 중앙값은 약 4.970 μm이었다. 제2 층 매체는 개수로 약 2.54%, 질량으로 0.19%, 표면적으로 0.78%, 그리고 비표면적으로 6.56%의 나노섬유를 포함하였다. 제2 층 매체는 개수로 약 55.08%, 질량으로 19.79%, 표면적으로 36.18%, 그리고 비표면적으로 69.50%의 마이크로섬유를 포함하였다. 제2 층 매체는 개수로 약 42.37%, 질량으로 80.06%, 표면적으로 63.05%, 그리고 비표면적으로 23.94%의 굵은섬유를 포함하였다. 총 섬유의 제2 층 수평균 섬유 직경은 약 3.092 μm이었고 중앙값은 약 2.599 μm이었다. 나노섬유의 제2 층 수평균 섬유 직경은 약 0.944 μm이었고 중앙값은 약 0.986 μm이었다. 마이크로섬유의 제2 층 수평균 섬유 직경은 약 2.030 μm이었고 중앙값은 약 2.006 μm이었다. 굵은섬유의 제2 층 수평균 섬유 직경은 약 4.600 μm이었고 중앙값은 약 4.257 μm이었다. 제3 층 매체는 개수로 약 24.42%, 질량으로 3.54%, 표면적으로 11.06%, 그리고 비표면적으로 41.34%의 나노섬유를 포함하였다. 제3 층 매체는 개수로 약 60.47%, 질량으로 35.08%, 표면적으로 53.25%, 그리고 비표면적으로 53.78%의 마이크로섬유를 포함하였다. 제3 층 매체는 개수로 약 15.12%, 질량으로 61.38%, 표면적으로 35.69%, 그리고 비표면적으로 4.88%의 굵은섬유를 포함하였다. 총 섬유의 제3 층 수평균 섬유 직경은 약 1.836 μm이었고 중앙값은 약 1.400 μm이었다. 나노섬유의 제3 층 수평균 섬유 직경은 약 0.831 μm이었고 중앙값은 약 0.887 μm이었다. 마이크로섬유의 제3 층 수평균 섬유 직경은 약 1.617 μm이었고 중앙값은 약 1.447 μm이었다. 굵은섬유의 제3 층 수평균 섬유 직경은 약 4.335 μm이었고 중앙값은 약 4.379 μm이었다. 비교예 C4의 매체는 99.760%의 여과 효율 및 42.2 Pa의 저항을 보였다. 유효 품질 인자는 1.81 (Pa ㆍ g/cm3)-1이었다.
비교예 C5
비교예 C5는 서로 적층된 두 개의 동일한 층을 포함하는 이중 층 복합체 매체이었다. 12 gsm PP 방사결합(spunbond) 스크림 상에 약 8 gsm의 멜트 블로운 폴리프로필렌 나노섬유를 코팅함으로써 단층을 만들었다. 미국특허 제US20080023888호의 공정에 따라 힐스(Hills) 멜트 블로운 장비를 이용하여 나노섬유 물질을 만들었다. 용융 열가소성 물질을 필라멘트로서 원형 또는 다른 구성을 갖는 방사구(spinneret)의 복수의 모세관으로부터 압출함으로써 방사-결합 섬유 방사 공정을 이용한 방사결합 스크림을 만들었고, 이후 압출된 필라멘트의 직경은, 예를 들면, 미국특허 제4,340,563호에 개시된 방식으로 급격하게 감소되었다. 방사-결합 섬유는 일반적으로 연속적이고 때로는 약 10 μm를 초과하는 평균 직경을 갖는다.
단층은 22 gsm의 평량 및 6.4 μm의 평균 유동 공극 크기를 가졌다. 단층 매체는 개수로 약 72.28%, 질량으로 7.14%, 표면적으로 33.26%, 그리고 비표면적으로 92.10%의 나노섬유를 포함하였다. 단층 매체는 개수로 약 18.81%, 질량으로 18.72%, 표면적으로 28.08%, 그리고 비표면적으로 6.81%의 마이크로섬유를 포함하였다. 단층 매체는 개수로 약 8.91%, 질량으로 74.14%, 표면적으로 38.65%, 그리고 비표면적으로 1.09%의 굵은섬유를 포함하였다. 총 섬유의 수평균 섬유 직경은 약 1.181 μm이었고 중앙값은 약 0.638 μm이었다. 나노섬유의 수평균 섬유 직경은 약 0.543 μm이었고 중앙값은 약 0.503 μm이었다. 마이크로섬유의 수평균 섬유 직경은 약 1.762 μm이었고 중앙값은 약 1.576 μm이었다. 굵은섬유의 수평균 섬유 직경은 약 5.121 μm이었고 중앙값은 약 4.963 μm이었다. 43 gsm의 조합된 평량 및 5.2 μm의 평균 유동 공극 크기를 갖는 두 개의 동일한 층으로 만들어진 비교예 C5. 이러한 상대적으로 작은 평균 유동 공극 크기에도 불구하고, 비교예 C5는 87%의 상대적으로 낮은 여과 효율을 갖는데, 정전하를 거의 운반하지 못했기 때문이다. 또한 비교예 C5는, 작은 공극 크기 및 0.19 (Pa ㆍ g/cm3)-1의 낮은 유효 품질 인자에 의해, 113.8 Pa의 상대적으로 높은 저항을 갖는다. 이러한 높은 저항은 이 물질을 안면 마스크 여과 요소로서 사용하는데 바람직하지 않게 만든다.
비교예 C6
비교예 C6는, 국제특허 제WO 03/080905호에 기술되는 바와 같이 일렉트로블로운에 의해 섬유로 방사된 포름산에서 폴리아미드-6,6의 24% 용액으로부터 얻어진 용액 일렉트로블로운 나일론 매체를 제공하였다. 비교예 C6은 35 gsm의 평량 및 2.9 μm의 평균 유동 공극 크기를 가졌다. 단층 매체는 개수로 약 85.21%, 질량으로 16.97%, 표면적으로 55.51%, 그리고 비표면적으로 95.69%의 나노섬유를 포함하였다. 단층 매체는 개수로 약 11.27%, 질량으로 20.85%, 표면적으로 22.58%, 그리고 비표면적으로 3.91%의 마이크로섬유를 포함하였다. 단층 매체는 개수로 약 3.52%, 질량으로 62.18%, 표면적으로 21.91%, 그리고 비표면적으로 0.40%의 굵은섬유를 포함하였다. 총 섬유의 수평균 섬유 직경은 약 0.765 μm이었고 중앙값은 약 0.506 μm이었다. 나노섬유의 수평균 섬유 직경은 약 0.499 μm이었고 중앙값은 약 0.439 μm이었다. 마이크로섬유의 수평균 섬유 직경은 약 1.534 μm이었고 중앙값은 약 1.336 μm이었다. 굵은섬유의 수평균 섬유 직경은 약 4.763 μm이었고 중앙값은 약 4.093 μm이었다. 비교예 C6의 매체는 99.726%의 여과 효율 및 217.7 Pa의 저항을 보였다. 유효 품질 인자는 0.20 (Pa ㆍ g/cm3)-1이었다. 비교예 C6는, 다른 비교예와 비교하여, +14.8 kV의 상대적으로 높은 정전하를 운반하였다. 비교예 C6 매체가 양호한 여과 효율을 가지고 있지만, 그 높은 저항은 이 물질을 안면 마스크 여과 요소로서 사용하는데 바람직하지 않게 만든다.
비교예 C7
비교예 C7는, 국제특허 제WO 03/080905호에 기술되는 바와 같이 일렉트로블로운에 의해 섬유로 방사된 포름산에서 폴리아미드-6,6의 24% 용액으로부터 얻어진 용액 일렉트로블로운 나일론 매체를 제공하였다. 비교예 C7은 31 gsm의 평량 및 1.8 μm의 평균 유동 공극 크기를 가졌다. 단층 매체는 개수로 약 96.07%, 질량으로 49.40%, 표면적으로 81.60%, 그리고 비표면적으로 99.36%의 나노섬유를 포함하였다. 단층 매체는 개수로 약 3.93%, 질량으로 50.60%, 표면적으로 18.40%, 그리고 비표면적으로 0.64%의 마이크로섬유를 포함하였다. 총 섬유의 수평균 섬유 직경은 약 0.331 μm이었고 중앙값은 약 0.254 μm이었다. 나노섬유의 수평균 섬유 직경은 약 0.281 μm이었고 중앙값은 약 0.237 μm이었다. 마이크로섬유의 수평균 섬유 직경은 약 1.547 μm이었고 중앙값은 약 1.444 μm이었다. 본 비교예에서는 굵은섬유는 없었다. 비교예 C7는 99.997%의 여과 효율 및 381.5 Pa의 저항을 가진다. 유효 품질 인자는 0.18 (Pa ㆍ g/cm3)-1이었다. 비교예 C7는, 다른 비교예와 비교하여, +12.6 kV의 상대적으로 높은 정전하를 운반하였다. 비교예 C7 매체가 양호한 여과 효율을 가지고 있지만, 그 높은 저항은 이 물질을 안면 마스크 여과 요소로서 사용하는데 바람직하지 않게 만든다.
비교예 C8
비교예 C8는, 국제특허 제WO 03/080905호에 기술되는 바와 같이 일렉트로블로운에 의해 섬유로 방사된 포름산에서 폴리아미드-6,6의 24% 용액으로부터 얻어진 용액 일렉트로블로운 나일론 매체를 제공하였다. 비교예 C8은 23 gsm의 평량 및 4.9 μm의 평균 유동 공극 크기를 가졌다. 단층 매체는 개수로 약 78.57%, 질량으로 8.70%, 표면적으로 50.70%, 그리고 비표면적으로 90.24%의 나노섬유를 포함하였다. 단층 매체는 개수로 약 19.84%, 질량으로 11.30%, 표면적으로 29.14%, 그리고 비표면적으로 9.64%의 마이크로섬유를 포함하였다. 단층 매체는 개수로 약 1.59%, 질량으로 80.00%, 표면적으로 20.16%, 그리고 비표면적으로 0.12%의 굵은섬유를 포함하였다. 총 섬유의 수평균 섬유 직경은 약 0.955 μm이었고 중앙값은 약 0.680 μm이었다. 나노섬유의 수평균 섬유 직경은 약 0.616 μm이었고 중앙값은 약 0.587 μm이었다. 마이크로섬유의 수평균 섬유 직경은 약 1.402 μm이었고 중앙값은 약 1.392 μm이었다. 아주 작은 굵은섬유가 이미지화 되었기 때문에, 통계적으로 유효한 평균 및 중앙값 직경을 얻을 수 없었다. 비교예 C8는 96.440%의 여과 효율 및 86.3 Pa의 저항을 가진다. 유효 품질 인자는 0.39 (Pa ㆍ g/cm3)-1이었다. 비교예 C8는, 다른 비교예와 비교하여, +8.5 kV의 상대적으로 높은 정전하를 운반하였다. 비교예 C8 매체가 양호한 여과 효율을 가지고 있지만, 그 높은 저항은 이 물질을 안면 마스크 여과 요소로서 사용하는데 바람직하지 않게 만든다.
실시예 1~8 및 비교예 C1~C8의 다양한 섬유 물질의 측정 및/또는 계산된 특성이 아래의 표 1~4에 수집된다. 실시예 1~8이, 비교예와 비교하여, 높은 수치의 공극률, 프래지어 투과도, 및 정전하, 그리고 낮은 수치의 겉보기 밀도를 보여줬다는 데 주목한다. 일부 비교예가 실시예 1~8과 유사한 공극 크기를 가졌으나, 비교예는 또한 적은 개방 구조 및 높은 평량으로부터 야기되는 것으로 여겨지는 바람직하지 않는 높은 압력 강하를 보였다. 중합체에서 대전 촉진제로 제조된 실시예 5~8 이외에 모든 실시예는 우수한 정전기적 대전을 제공하였다. 실시예 1~8은 또한, 추가적인 롤투롤(roll-to-roll) 가공 및 8 개월 이상의 보관 이후에서도 적어도 +10.0 kV의 정전하를 유지하였다.
본 실시예는 또한, 실시예와 비교하여 균일하게 높은 유효 품질 인자를 제공하였으며, 이를 안면 마스크 및 기타 호흡 장치에서의 여과 요소로서 사용하는데 적절하게 만들었다.
[표 1]
매체에서의 섬유 개수 분산
Figure 112017058813579-pct00001
[표 2]
매체에서 섬유 질량 분포
Figure 112017058813579-pct00002
[표 3]
매체 특성
Figure 112017058813579-pct00003
[표 4]
공기 여과 특성
Figure 112017058813579-pct00004
보다 상세한 설명에서 본 발명을 기술함으로써, 이러한 상세한 설명은 반드시 고정될 필요는 없고, 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 바와 같은 본 발명의 범위 내로 하면서 보다 많은 변형과 수정이 당업자에게 제시될 수 있다는 것을 알게 될 것이다.
본원에서 수치 값의 범위가 언급되거나 확립될 경우, 그 범위는 그 종점 및 그 범위 내의 모든 개별 정수 및 분수를 포함하며, 또한 더 큰 군의 하위군을 형성하기 위한 이들 종점 및 내부의 정수 및 분수의 모든 가능한 다양한 조합에 의해 형성된 그 안의 더 좁은 각각의 범위를, 마치 이들의 더 좁은 각각의 범위기 명백하게 언급된 것과 동일할 정도로 포함한다. 수치 값의 범위가 기술된 값보다 큰 것으로 본원에 기술될 경우, 그 범위는 그럼에도 불구하고 유한하며, 본원에 개시된 본 발명의 내용 내에서 작동 가능한 값에 의해 그 상한점에서의 경계가 이루어진다. 수치 값의 범위가 기술된 값 미만인 것으로 본원에 기술될 경우, 그 범위는 그럼에도 불구하고 0이 아닌 값에 의해 그 하한점에서의 경계가 이루어진다. 양, 농도, 또는 다른 값 또는 파라미터가 범위, 바람직한 범위 또는 바람직한 상한값 및 바람직한 하한값의 목록으로 주어질 때, 이는 범위가 별도로 개시되는 지와는 상관없이 임의의 상한 범위 한계치 또는 바람직한 값 및 임의의 하한 범위 한계치 또는 바람직한 값의 임의의 쌍으로 형성된 모든 범위를 구체적으로 개시하는 것으로 이해되어야 한다.
본원에서, 명시적으로 달리 언급하거나 용법의 맥락에서 반하여 나타내지 않는 한, 본원 요지의 구현예가 특정 특징 또는 요소를 포함하거나, 내포하거나, 함유하거나, 갖거나, 이로 이루어지거나 또는 이에 의해 또는 이로 구성되는 것으로 언급되거나 설명되는 경우, 명시적으로 언급하거나 설명한 것 이외의 하나 이상의 특징 또는 요소가 구현예에 존재할 수 있다. 그러나, 본원에 개시된 요지의 대안적 구현예는 본질적으로 특정 특징 또는 요소로 이루어지는 것으로 언급되거나 설명되는데, 이러한 구현예에는 구현예의 작동 원리 또는 구별되는 특징을 실질적으로 변화시키는 특징 또는 요소가 존재하지 않는다. 본원에 기술된 요지의 또 다른 대안적 구현예는 특정 특징 또는 요소로 이루어지는 것으로 언급되거나 설명되는데, 이러한 구현예 또는 그 비실질적 변형예에는 구체적으로 언급하거나 설명한 특징 또는 요소만이 존재한다. 추가적으로, 용어 "포함하는"은 용어 "주성분으로 하는" 및 "이루어진"이 포함된 실시예를 포함하는 것으로 의도된다. 유사하게, 용어 "주성분으로 하는"은 용어 "이루어진"이 포함된 실시예를 포함하는 것으로 의도된다.
본 명세서에서, 달리 명백하게 기술되거나 용법 관계에 의해 반대로 표시되지 않는다면, 본원에서 언급한 양, 크기, 범위, 제형, 파라미터 및 다른 양과 특징은, 특허 용어 "약"에 의해 수식될 때, 정확할 필요는 없으며, 또한, 본 발명의 내용 내에서 기술된 값과 기능적 및/또는 작동 가능한 등가성을 갖는 그 바깥의 값들을 기술된 값 내에 포함시키는 것뿐만 아니라 허용오차, 변환 인자, 반올림, 측정 오차 등을 반영하여 근사값이고/이거나 기술된 것보다 (원하는 바대로) 더 크거나 작을 수 있다.

Claims (21)

  1. 단층 자립형 네트워크에서 밀접하게 섞이고 얽혀있는 중합체 섬유를 포함하는 나노섬유 웨브로서,
    (a) 상기 섬유는 개수 백분율로 적어도 70%의 나노섬유, 5%~25%의 마이크로섬유, 및 0%~5%의 굵은섬유를 포함하고;
    (b) 모든 상기 섬유의 수평균 직경은 1000 nm 미만이고 모든 상기 섬유의 중앙값 직경은 500 nm 미만이고;
    (c) 상기 나노섬유 웨브는 0.01 내지 0.05 g/cm3의 겉보기 밀도, 25 mm 거리에서 측정된 적어도 12 kV의 정전하, 및 2.5 (Pa ㆍ g/cm3)-1를 초과하는 유효 품질 인자(eQF)를 갖는, 나노섬유 웨브.
  2. 제1항에 있어서, 상기 섬유는 폴리올레핀으로 이루어진, 나노섬유 웨브.
  3. 제2항에 있어서, 상기 폴리올레핀은 폴리프로필렌 또는 다수의 서로 다른 폴리프로필렌의 혼합물을 포함하는, 나노섬유 웨브.
  4. 제2항에 있어서, 상기 폴리올레핀은 대전 촉진제를 포함하는, 나노섬유 웨브.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, (a) 상기 마이크로섬유의 질량 백분율은 15% 내지 30%의 범위이고; (b) 상기 굵은섬유의 질량 백분율은 50% 내지 70%의 범위인, 나노섬유 웨브.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 나노섬유의 비표면적의 백분율은 90%를 초과하고, 이에 따라 상기 나노섬유의 상대 표면 전하 밀도는 상기 마이크로섬유의 상대 표면 전하 밀도보다 10배 더 큰, 나노섬유 웨브.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 나노섬유 웨브는 적어도 94%의 공극률; 9 μm 내지 15 μm의 범위의 평균 유동 공극 크기; 10 (m3/min)/m2 초과의, 125 N/m2의 압력에서 측정된 프래지어 공기 투과도; 및 10 g/m2 내지 40 g/m2의 평량 중 임의의 하나 이상을 갖는, 나노섬유 웨브.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 나노섬유 웨브는 원심 용융 방사 공정에 의해 만들어진, 나노섬유 웨브.
  9. 제1항 또는 제2항의 나노섬유 웨브를 포함하는 여과 요소.
  10. 제1항 또는 제2항의 나노섬유 웨브를 포함하는 여과 요소를 포함하는 호흡 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 호흡 장치는 안면 마스크 또는 호흡기인, 호흡 장치.
  12. 호흡 장치에 부착되도록 구성되고 제1항 또는 제2항의 나노섬유 웨브를 포함하는 여과 카트리지.
  13. 나노섬유 웨브를 생산하는 방법으로서,
    (i) 용융 중합체 방사 용융물을 방출 모서리를 갖는 회전 부재의 표면에 공급하는 단계;
    (ii) 상기 부재 상에 상기 용융물의 필름을 형성하기에 충분한 회전 속도로 상기 회전 부재를 회전시키는 단계로서, 상기 필름은 상기 회전 부재의 중심에서 그 모서리까지 방사상으로 외측을 향해 연장되는 기복이 있는 두께의 영역을 갖는 물결 모양의 불균일한 필름 두께를 특징으로 하는 불안정성을 갖는 것인, 단계;
    (iii) 필름 용융물로부터 얻은 복수의 개별적인 연속 필라멘트를 상기 방출 모서리로부터 연신 구역으로 방출하는 단계;
    (iv) 방출된 상기 개별적인 필라멘트를 상기 연신 구역에서 원심력에 의해 가늘게 하여 연속 섬유를 형성하는 단계;
    (v) 상기 연신 구역에서 상기 필라멘트를 정전기적으로 대전시키는 단계; 및
    (vi) 상기 나노섬유 웨브를 단층 자립형 네트워크로서 형성하기 위해, 가늘어진 상기 연속 섬유를 회수 표면 상에 회수하는 단계를 포함하되,
    상기 섬유는 개수 백분율로 적어도 70%의 나노섬유, 5%~25%의 마이크로섬유, 및 0%~5%의 굵은섬유를 포함하고, 모든 상기 섬유의 수평균 직경은 1000 nm 미만이고 모든 상기 섬유의 중앙값 직경은 500 nm 미만인, 방법.
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