KR20020063561A - 비수성 극성 액체를 이용한 섬유상 일렉트리트 웹의 제조방법 - Google Patents

비수성 극성 액체를 이용한 섬유상 일렉트리트 웹의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에는 섬유상 웹을 비수성 극성 액체로 하전시키는 방법이 기재되어 있다. 비전도성 섬유를 함유하는 웹 (20)은 비수성 극성 액체 (14)로 습윤된다. 그후에, 웹 (20)은 실질적으로 건조되어 (22) 섬유상 일렉트리트 웹을 제공한다. 섬유상 일렉트리트 웹은 착용자의 코와 입을 덮기에 적합한 여과 안면 마스크 (40)에서 필터로서 사용될 수 있다. 본 발명은 비수성 액체가 수성 액체에 필요한 건조 에너지 보다 더 낮은 건조 에너지를 필요로 한다는 점에서 공지된 하전 방법에 비해 이점을 갖는다. 또한, 수성 액체로 쉽게 습윤될 수 없는 많은 필터 웹은 비수성 액체로 직접 습윤될 수 있다.

Description

비수성 극성 액체를 이용한 섬유상 일렉트리트 웹의 제조 방법{Method of Making a Fibrous Electret Web Using a Nonaqueous Polar Liquid}
대전된 부직 웹은 착용자가 공기 부양 오염물을 흡입하는 것을 막기 위한 호흡 마스크에서 필터로서 통상적으로 사용된다. 미국 특허 제4,536,440호, 제4,807,619호, 제5,307,796호 및 제5,804,295호는 이러한 필터를 사용하는 호흡 마스크의 예를 기술하고 있다. 전하는 유체 중에 현탁된 입자를 포획하는 부직 웹의 능력을 향상시킨다. 입자는 유체가 부직 웹을 통과할 때 포획된다. 부직 웹은 전형적으로 유전성, 즉 비전도성 중합체를 포함하는 섬유를 함유한다. 대전된 유전체는 종종 "일렉트리트 (electret)"로서 불리우며, 이 제품을 생산하기 위해 수년에 걸쳐 각종 기술이 개발되어 왔다.
중합체 호일을 대전시키는 것에 관한 초기 작업은 문헌 (P.W. Chudleigh in Mechanism of Charge Transfer to a Polymer Surface by a Conducting Liquid Contact, 21 APPL. PHYS. LETT., 547-48 (Dec. 1, 1972), and Charging of Polymer Foils Using Liquid Contacts, 47 J. APPL. PHYS., 4475-83 (October 1976))에 기술되어 있다. 츄들레이 (Chudleigh's) 방법은 전압을 호일에 인가하여 폴리플루오로에틸렌 중합체 호일을 하전시키는 것을 포함한다. 전압은 호일 표면과 접촉하는 전도액을 통해 인가된다.
중합성 일렉트리트를 섬유 형태로 제조하기 위한 초기에 알려진 기술은 큐빅 (Kubic) 및 데이비스 (Davis) 등의 미국 특허 제4,215,682호에 기술되어 있다. 이 방법에서, 섬유는 그들이 다이 오리피스로부터 나올 때 대전된 입자로 충격을 받는다. 그 섬유는 다이 오리피스 부근에서 고속으로 취입되는 기류가 압출된 중합성 재료를 인취시키고 그것을 고화된 섬유로 냉각시키는 "멜트블로운" 방법을 이용하여 생산된다. 충격받은 멜트블로운 섬유는 수집기 상에 무작위로 축적되어 섬유상 일렉트리트 웹을 생산한다. 이 특허는 멜트블로운 섬유가 이러한 방식으로 대전될 때 2가지 이상의 인자에 의해 여과 효능이 개선될 수 있음을 언급한다.
섬유상 일렉트리트 웹은 또한 그것을 코로나로 하전시킴으로써 생산되었다. 예를 들면, 클라아세 (Klaase) 등의 미국 특허 제4,588,537호는 실질적으로 폐쇄된 유전성 호일의 한 주요 표면에 인접하여 위치되어 있으면서 코로나 방전 장치로 연속적으로 공급되는 섬유상 웹을 나타낸다. 코로나는 반대로 하전된 얇은 텅스텐 와이어에 접속된 고전압원으로부터 형성된다. 부직 웹에 정전하를 부여하기 위한 또다른 고전압 기술은 나카오 (Nakao)의 미국 특허 제4,592,815호에 기술되어 있다. 이러한 하전 방법에서, 웹은 평활 표면의 접지 전극과 밀착된다.
섬유상 일렉트리트 웹은 반 턴하우트 (van Turnhout)의 미국 특허 등록 제30,782호, 특허 등록 제31,285호 및 특허 등록 제32,171호에 기술된 바와 같이중합체 필름 또는 호일로부터 제조될 수도 있다. 중합체 필름 또는 호일은 섬유로 피브릴화되기 전에 정전 대전되고, 피브릴화 섬유는 계속하여 수집되어 부직 섬유 필터로 가공된다.
기계적 방법은 또한 중합성 섬유에 전하를 부여하는데 이용되었다. 브라운 (Brown)의 미국 특허 제4,798,850호는 플리이스 (fleece)로 카딩되고 다음에 니들링되어 펠트를 생산한 2가지의 다른 크림프 합성 중합체 섬유의 혼합물을 함유하는 필터 재료를 기재한다. 이 특허는 카딩 중에 대전되도록 섬유를 잘 혼합하는 것을 기술한다. 브라운의 문헌에 기술된 방법은 통상적으로 "마찰대전"으로서 언급된다.
마찰대전은 고속의 비하전된 분사 기체 또는 액체가 유전 필름의 표면 상에 통과될 때 일어날 수도 있다. 미국 특허 제5,280,406호에서, 코우팔 (Coufal) 등은 비하전된 분사 유체가 유전 필름의 표면에 충돌할 때, 그 표면이 하전됨을 기술하고 있다.
더욱 최근에 개발된 방법은 부직 섬유상 웹에 전하를 부여하기 위해 물을 사용한다 (앙가드지방드 (Angadjivand) 등의 미국 특허 제5,496,507호). 가압된 분사수 또는 수적 (水滴) 흐름은 비전도성 미세섬유를 함유하는 부직 웹 상에 충돌하여 일렉트리트 웹을 생산한다. 형성된 전하는 여과 향상 특성을 제공한다. 히드로하전 작업 전에 웹을 공기 코로나 방전 처리하면 일렉트리트 성능을 더 향상시킬 수 있다.
특정 첨가제를 중합성 섬유상 웹에 첨가한 결과 일렉트리트의 여과 성능이개선되었다. 예를 들면, 유상 미스트 저항성 일렉트리트 여과재는 멜트블로운 폴리프로필렌 미세섬유에 플루오르화학 첨가제를 혼입시킴으로써 제공되었다 (존스 (Jones) 등의 미국 특허 제5,411,576호 및 동 제5,472,481호 참조). 플루오르화학 첨가제는 25 ℃ 이상의 융점 및 약 500 내지 2500의 분자량을 갖는다.
루소 (Rousseau) 등의 미국 특허 제5,908,598호는 첨가제가 열가소성 수지와 혼합되어 섬유상 웹을 생산하는 방법을 기술하고 있다. 분사수 또는 수적 흐름은 여과 향상 일렉트리트 전하를 웹에 제공하기에 충분한 압력으로 웹 상에 충돌된다. 그 웹은 이후에 건조된다. 첨가제는 (i) 1종 이상의 퍼플루오르화 성분을 함유하는 열안정성 유기 화합물 또는 올리고머, (ii) 트리아진 기에 있는 것 이외에 1개 이상의 질소 원자를 함유하는 열안정성 유기 트리아진 화합물 또는 올리고머, 또는 (iii) (i) 및 (ii)의 혼합물일 수 있다.
첨가제를 함유하는 다른 일렉트리트는 니시우라의 미국 특허 제5,057,710호에 기술되어 있다. 니시우라의 문헌에 기술된 폴리프로필렌 일렉트리트는 힌더드 아민, 질소 함유 힌더드 페놀 및 금속 함유 힌더드 페놀로부터 선택된 1종 이상의 안정화제를 함유한다. 이 특허는 이들 첨가제를 함유하는 일렉트리트가 높은 열안정성을 제공할 수 있음을 기술한다. 일렉트리트 처리는 바늘상 전극과 접지 전극 사이에 부직포 시트를 놓아둠으로써 실시된다. 미국 특허 제4,652,282호 및 4,789,504호는 장기간에 걸쳐 높은 제진 성능을 유지하기 위해 절연 중합체에 지방산 금속염을 혼화시키는 방법을 기술한다. 일본 특허 공고 JP60-947호는 폴리 4-메틸-1-펜텐과 (a) 페놀 히드록시기를 함유하는 화합물, (b) 고급 지방족 카르복실산 및 그의 금속염, (c) 티오카르복실레이트 화합물, (d) 인 화합물 및 (e) 에스테르 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물을 포함하는 일렉트리트를 기술하고 있다.
최근에 공개된 미국 특허는 섬유 또는 섬유 웹을 계획적으로 후-대전 또는 전화 (電化)시키지 않고 생산될 수 있는 섬유 웹을 기술한다 (쵸우 (Chou) 등의 미국 특허 제5,780,153호 참조). 그 섬유는 에틸렌, 5 내지 25 중량％의 (메트)아크릴산 및 임의로 더 적은 것이 바람직하긴 하지만, 40 중량％ 이하의, 알킬기가 1 내지 8개의 탄소 원자를 갖는 알킬 (메트)아크릴레이트의 공중합체를 포함하는 공중합체로부터 제조된다. 5 내지 70％의 산기는 금속 이온, 특히 아연, 나트륨, 리튬 또는 마그네슘 이온, 또는 이들의 혼합물로 중화된다. 그 공중합체는 10분 당 5 내지 1000 그람 (g)의 용융 지수를 갖는다. 나머지는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌과 같은 폴리올레핀일 수 있다. 섬유는 멜트블로운 방법을 통해 생산될 수 있으며 과잉 결합을 방지하기 위해 물로 신속하게 냉각될 수 있다. 이 특허는 그 섬유가 임의의 기존의 또는 계획적인, 특별하게는 유도된 정전하의 높은 정전 보유력을 가짐을 기술하고 있다.
발명의 요약
본 발명은 섬유상 일렉트리트의 새로운 제조 방법을 제공한다. 그 방법은 섬유와 비수성 극성 액체를 접촉시켜 비전도성 섬유를 함유하는 웹을 습윤시키는 것을 포함하는 것이 적합하거나 또는 본질적으로 포함할 수 있다. 습윤 후에, 그 웹은 섬유상 일렉트리트 웹을 생산하기 위해 실질적으로 건조된다. 본 발명은 본발명의 섬유상 일렉트리트 웹을 사용하는 여과 안면 마스크에 관한 것이다.
본 발명은 비수성 극성 액체를 사용하여 전하가 섬유상 웹 상에 부여된다는 점에서 공지된 하전 방법과 상이하다. 본 발명 전에, 섬유상 웹은 통상적으로 코로나 방전 장치에 의해 또는 히드로하전 작업에 의해 하전된다 (클라아세 등의 미국 특허 제4,588,537호, 나카오의 미국 특허 제4,592,815호 또는 앙가드지방드 등의 미국 특허 제5,496,507호 참조). 본 발명은 고전압 또는 물을 사용하지 않고 비수성 극성 액체를 사용한다. 그러한 액체의 사용은 고전압 및 그의 수반되는 에너지 요건을 필요로 하지 않는다는 점에서 코로나 하전 작업에 비해 유리하다. 또한, 비수성 액체는 일반적으로 물 보다 더 휘발성이므로, 본 발명의 방법은 건조와 관련된 에너지 요건을 더 줄일 수 있다는 점에서 히드로하전 작업에 비해 유리하다. 추가로, 비수성 액체로 직접 습윤될 수 있지만 물로 쉽게 습윤될 수 없는 필터 웹이 있다. 따라서, 비수성 극성 액체의 사용은 웹을 하전시키는데 물이 적절하게 사용될 수 없는 상황에서 바람직할 수 있다.
다음과 같은 용어가 본 발명에 사용된다:
"유효량"은 비수성 극성 액체가 섬유와 극성 액체를 접촉시키고 이어서 건조시켜서 일렉트리트가 생산되도록 하기에 충분한 양으로 사용되는 것을 의미한다.
"일렉트리트"는 적어도 준-영구 전하를 보유하는 제품을 의미한다.
"전하"는 하전 분리가 있는 것을 의미한다.
"섬유상"은 섬유 및 가능하게는 다른 성분을 갖는 것을 의미한다.
"섬유상 일렉트리트 웹"은 섬유를 함유하며 영구 전하를 보유하는 직물 또는부직 웹을 의미한다.
"액체"는 고체와 기체 사이의 물질 상태를 의미한다.
"비수성 액체"는 10 부피％ 미만의 물을 함유하는 액체이다.
"비전도성"은 실온 (22 ℃)에서 1014ohm·㎝를 넘는 체적 저항을 갖는 것을 의미한다.
"부직"은 섬유가 짜는 방법 이외의 수단에 의해 함께 유지되는 구조 또는 구조의 일부를 의미한다.
"극성 액체"는 약 0.5 Debye 이상의 이중극자 능률을 가지며 약 10 이상의 유전 상수를 갖는 액체를 의미한다.
"중합체"는 규칙적으로 또는 불규칙적으로 배열된 반복 결합된 분자 단위 또는 군을 함유하는 유기 재료를 의미한다.
"중합성"은 중합체 및 가능하게는 다른 성분을 함유하는 것을 의미한다.
"중합성 섬유 형성 재료"는 중합체를 함유하거나, 또는 중합체를 생산할 수 있는 단량체를 함유하고, 또한 가능하게는 다른 성분을 함유하고, 경질 섬유로 형성될 수 있는 조성물을 의미한다.
"준-영구"는 전하가 표준 대기 조건 (22 ℃, 101,300 파스칼 대기압 및 50％ 습도) 하에서 의미있는 측정을 하기에 충분히 긴 시간 동안 웹에 존재하는 것을 의미한다.
"포화"는 최대량 또는 실질적으로 가능한 최대량의 액체로 웹을 습윤시키는것을 의미한다.
"스테이플 섬유"는 일반적으로 한정된 길이로, 전형적으로 약 2 ㎝ 내지 약 25 ㎝로 절단되고, 또한 15 ㎛ 이상의 유효 섬유 직경을 갖는 섬유를 의미한다.
"열가소성"은 열에 노출될 때 연화되는 중합성 재료를 의미한다.
"웹"은 3차원적으로 보다 2차원적으로 상당히 더 큰 공기 투과성 구조를 의미한다.
"습윤"은 습윤될 필요가 있는 웹의 실질적으로 모든 표면적을 접촉하거나 또는 코팅하는 것을 의미한다.
본 발명은 비수성 극성 액체를 사용하여 섬유상 웹을 하전시키는 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 섬유상 웹 (20)을 습윤 및 건조시키기 위한 장치 (10)의 부분 개략 측면도이다.
도 2는 본 발명에 따라서 생산된 일렉트리트 여과재를 이용할 수 있는 여과 안면 마스크 (40)의 예이다.
본 발명에서, 정전하는 섬유상 웹을 비수성 극성 액체로 습윤시키고 이어서 건조시킴으로써 섬유상 웹에 부여된다. 섬유상 웹은 비전도성 섬유를 함유하며, 습윤되고 건조를 통해 비수성 극성 액체가 제거된 후에, 필터로서 사용되기에 적합할 수 있는 섬유상 일렉트리트 웹이 생산된다.
본 발명에 따라서 생산된 부직 섬유상 일렉트리트 웹은 적어도 준-영구 전하를 나타낸다. 바람직하게는, 부직 섬유상 일렉트리트 웹은 "영구" 전하를 나타내며, 이는 일렉트리트가 이용되는 제품의 통상적으로 허용되는 유효 수명 동안 전하가 섬유 및 그에 따른 부직 웹에 존재하는 것을 의미한다.
섬유상 웹의 여과 성능을 결정하기 위한 시험은 아래에 논의된 DOP 투과 및 압력 저하 시험으로서 알려져 있다. 그 시험은 디옥틸 프탈레이트 (DOP) 입자를 섬유상 웹을 통해 압입시키고 그 웹을 통한 입자의 투과 및 웹에 대한 압력 저하를 측정하는 것을 포함한다. 측정된 DOP 투과 및 압력 저하로부터, 양질 계수 (QF)가 계산될 수 있다. 일렉트리트의 여과 효능은 일반적으로 초기 양질 계수, QFi로부터 추정될 수 있다. 초기 양질 계수, QFi는 부직 섬유상 일렉트리트 웹이 부하되기 전에, 즉 웹이 여과되어야 할 에어로졸에 노출되기 전에 측정된 양질 계수, QF이다.
본 발명에 따라서 생산된 바람직한 부직 섬유상 일렉트리트 웹은 그 생산물이 아래에 설명된 DOP 투과 및 압력 저하 시험에 따라 시험될 때 0.10 (밀리미터(㎜) H2O)-1을 넘는, 더욱 바람직하게는 0.20 (㎜ H2O)-1을 넘는, 더더욱 바람직하게는 0.40 (㎜ H2O)-1을 넘는, 더더욱 바람직하게는 0.60 (㎜ H2O)-1을 넘는 QFi값을 나타내기에 충분한 전하를 가질 수 있다. 본 발명의 부직 섬유상 일렉트리트 웹의 양질 계수는 본질적으로 동일한 구성의 비처리된 웹의 QF 값을 바람직하게는 2 이상의 계수 만큼, 더욱 바람직하게는 5 이상의 계수 만큼 넘는다.
도 1은 본 발명에 따른 섬유상 일렉트리트 웹의 제조 방법을 나타낸다. 섬유상 웹 (20)은 비수성 극성 액체 (14)를 함유하는 용기 (12)를 포함하는 장치(10)으로 향한다. 롤러 (16,18)을 포함하는 닙은 그것이 액체 (14)에 침수되어 있는 동안 섬유상 웹 (20)을 압축하고 해제한다. 섬유상 웹 (20)이 다시 팽창할 때, 비수성 극성 액체 (14)는 섬유 사이의 간극에 유입되어 웹 (20)을 습윤시킨다. 닙은 웹으로부터 기체를 제거하는 것을 도우므로 습윤 단계에 유리하다. 그후에, 웹은 용기 (12)로부터 나온 후에 짜는 기계 (wringer) (24) 및 합치 롤러 (26 및 28)을 포함할 수 있는 능동 건조 장치 (22)로 향한다. 롤러 (26 및 28)은 웹 (20)이 그의 반대쪽에 배치된 발열체 (34,36)을 통과하기 전에 과량의 비수성 극성 액체를 웹 (20)으로부터 짜낸다.
능동 건조 장치는 습기가 웹으로부터 제거되는 것을 촉진시키기 위해 공급된 에너지를 소비하는 외부 원천일 수 있다. 능동 건조 장치는 열원, 예를 들면 유통 오븐, 진공원, 또는 공기원, 예를 들면 대류 공기 장치, 즉 건조 기류를 포함할 수 있다. 이 건조 기구는 극성 액체를 섬유상 웹으로부터 짜내기 위해 원심분리기 또는 롤러와 같은 기계적 기구와 함께 사용될 수 있거나 또는 함께 사용되지 않을 수 있다. 별법으로, 공기 건조가 일반적으로 고속 제조 요건에 실용적이지 않긴 하지만, 주위 공기 건조와 같은 수동 건조 기구는 섬유상 웹을 건조시키는데 사용될 수 있다. 본 발명은 본질적으로 최종 제품에 대한 상당한 구조적 손상을 일으키지 않고 습기가 웹으로부터 제거되는 것을 촉진시킬 수 있는 작업 또는 장치를 예상한다. 결과 일렉트리트 웹은 시트로 절단되고, 저장을 위해 롤링되거나 또는 호흡 마스크 또는 필터와 같은 각종 제품 내에 놓여질 수 있다.
건조되면, 부직 웹은 일렉트리트로서 작용하기에 충분한 전하를 갖는다. 형성된 일렉트리트 웹은 웹 상의 일렉트리트 전하를 더 증강시키거나 또는 가능하게는 여과 성능을 개선시킬 수 있는 일렉트리트 전하에 대한 다른 변화를 수행할 수 있는 추가의 하전 기술을 적용받을 수도 있다. 예를 들면, 부직 섬유상 일렉트리트 웹은 상기 방법을 이용하여 일렉트리트를 생산한 후에 (또는 경우에 따라서는 전에) 코로나 하전 작업에 노출될 수 있다. 그 웹은 예를 들면 클라아세 (Klaase) 등의 미국 특허 제4,588,537호 또는 나카오의 미국 특허 제4,592,815호에 기술된 바와 같이 하전될 수 있다. 웹은 별법으로 또는 언급된 하전 기술과 함께 앙가드지방드 등의 미국 특허 제5,496,507호에 기술된 바와 같이 추가로 히드로하전될 수도 있다. 섬유상 일렉트리트 웹의 전하는 본 출원과 동일자로 출원된, 일괄 양도된 미국 특허 출원 제09/415,566호 (발명의 명칭: Method and Apparatus for Making a Nonwoven Fibrous Electret Web from Free-Fiber and Polar Liquid) 및 미국 특허 출원 제09/415,291호 (발명의 명칭: Method and Apparatus for Making a Fibrous Electret Web Using a Wetting Liquid and an Aqueous Polar Liquid)에 기술된 하전 기술을 이용하여 보충될 수 있다.
그 웹은 장치를 통해, 본질적으로 웹을 습윤 기구로부터 건조기로 이동시킬 수 있는 임의의 장치에 의해 운반될 수 있다. 콘베이어, 벨트 또는 닙 뿐만 아니라 구동 롤러는 이 목적에 적합할 수 있는 운반 수단의 예이다.
습윤 단계에 사용된 비수성 극성 액체의 표면 장력은 섬유상 웹에 전하를 부여하는데 중요한 역할을 하는 것으로 보인다. 예를 들면, 비수성 극성 액체의 표면 장력이 웹의 표면 에너지 미만이면, 하전은 거의 또는 전혀 일어나지 않을 수있다. 그러므로, 본 발명에서 비수성 극성 액체는 섬유상 웹의 표면 에너지 보다 5 다인/센티미터 (dyne/㎝) 이상, 더욱 바람직하게는 10 dyne/㎝ 더 큰 표면 장력을 갖는 것이 바람직하다.
비수성 극성 액체 및 섬유상 웹의 조성에 따라서, 웹을 일정 기간 동안 비수성 극성 액체에 침연시키고, 웹을 액체로부터 꺼내고 그것을 공기 건조시키는 것과 같은 습윤 및 건조는 정지 과정일 수 있다. 추가로, 에너지 또는 기계적 작업은 예를 들면 상기 논의된 닙을 이용하여 습윤을 개선시키기 위해 비수성 극성 액체 및(또는) 섬유상 웹에 적용될 수 있다. 습윤 단계가 비수성 극성 액체에 섬유상 웹을 침수시킴으로써 수행되는 것으로 도 1에 도시되어 있긴 하지만, 임의의 다른 적합한 습윤 단계가 본 발명에서 예상될 수도 있다. 예를 들면, 섬유상 웹은 비수성 극성 액체의 흐름을 웹으로 향하게 하여, 예를 들면 앙가드지방드 등의 미국 특허 제5,496,507호에 기술된 방법 및 장치를 이용하여 웹을 분무함으로써 습윤될 수 있다. 별법으로, 습윤은 진공 막대, 가압 용기 및(또는) 기계적 교반, 예를 들면 초음파 진동을 이용하여 촉진될 수 있다. 이러한 기술은 이 출원과 동일자로 출원되어 동시 계류 중인 미국 특허 출원 제09/415,291호 (발명의 명칭: Method and Apparatus for Making a Fibrous Electret Web Using a Wetting Liquid and an Aqueous Polar Liquid)에 더욱 상세히 기술된다. 그러나, 습윤시키는데 과잉 에너지 또는 기계적 작업이 이용된다면 부직 섬유상 웹, 특히 미세섬유의 웹은 손상될 수 있다.
습윤 액체는 하전될 섬유의 모든 노출된 표면적을 습윤시켜야 한다. 비수성극성 액체는 섬유와 접촉, 바람직하게는 친밀 접촉할 수 있거나 또는 그것은 섬유 사이의 공극을 채울 수 있다. 바람직하게는, 습윤 단계는 웹이 비수성 극성 액체로 실질적으로 포화되도록 수행된다. 웹은 비수성 극성 액체가 습윤 단계 후에 웹으로부터 적하될 정도로 포화될 수 있다. 습윤 단계를 수행하기 위해 각종 기술이 이용될 수 있다. 습윤 단계가 비수성 극성 액체를 분무시키고, 웹 또는 극성 액체의 기계적 교반 또는 다른 기계적 방법에 의해 수행되는 용도의 경우, 부직 웹에 상대적인 비수성 극성 액체의 속도는 바람직하게는 약 50 m/초 미만, 더욱 바람직하게는 약 25 m/초 미만이다. 비수성 극성 액체는 바람직하게는 0.001초 이상 동안, 전형적으로는 수초 내지 수분 동안 섬유상 웹의 섬유 상에 습윤된다.
본 발명의 방법에 사용하기에 적합한 비수성 극성 액체는 약 0.5 Debye 이상, 더욱 바람직하게는 약 0.75 Debye 이상, 가장 바람직하게는 약 1.0 Debye 이상의 이중극자 능률을 갖는다. 유전 상수 (ε)는 약 10 이상, 더욱 바람직하게는 약 20 이상, 더더욱 바람직하게는 40 이상이다. 비수성 극성 액체는 바람직하게는 웹 상에 전하를 차폐시키거나 또는 소산시키는 전도성, 비휘발성 잔기를 남겨두지 않는다. 일반적으로, 액체의 유전 상수와 여과 성능 향상도 사이에는 상관 관계가 있는 경향이 있다. 더 높은 유전 상수를 갖는 액체는 더 큰 여과 성능 향상을 나타내는 경향이 있다. 본 발명에 사용하기에 적합한 비수성 액체의 예는 메탄올, 이소프로판올, 에틸렌 글리콜, 디메틸 술폭시드, 디메틸포름아미드, 아세토니트릴 및 아세톤, 및 이들 액체의 혼합물을 포함한다.
비수성 액체는 10 부피％ 미만의 물, 전형적으로 약 5 부피％ 미만의 물 및더욱 전형적으로 2 부피％ 미만의 물을 함유한다. 일부 예에서, 물은 비수성 극성 액체에 존재하지 않는다.
본 발명에 사용하기에 적합한 웹은 문헌 (Van A. Wente, Superfine Thermoplastic Fibers, 48 INDUS. ENGN. CHEM. 1342-46 and 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 기술된 것과 같은 에어 레이드법, 웨트 레이드법 및 멜트블로운 방법을 비롯한 각종 기술로부터 제조된다. 미세섬유, 특히 멜트블로운 미세섬유는 필터로서 사용되는 섬유상 웹에 사용하기에 특히 적합하다. "미세섬유"는 약 25 ㎛ 이하의 유효 직경을 갖는 섬유(들)을 의미한다. 유효 섬유 직경은 문헌 (Davies, C.N., The Separation of Airborne Dust and Particles, INST. MECH. ENGN. LONDON PROC. 1B (1952))에 기재된 방정식 12를 이용하여 계산될 수 있다. 여과 용도를 위하여, 미세섬유는 바람직하게는 20 ㎛ 미만, 더욱 바람직하게는 약 1 내지 약 10 ㎛의 유효 섬유 직경을 갖는다.
스테이플 섬유는 미세섬유와 혼합되어 더욱 치솟은, 덜 조밀한 웹을 제공할 수도 있다. 웹 밀도의 감소는 웹에 대한 압력 저하를 감소시킬 수 있다. 더 낮은 압력 저하는 호흡 마스크를 착용하기에 더욱 편안하게 할 수 있으므로 개인용 호흡 마스크에 바람직할 수 있다. 바람직하게는, 약 90 중량％ 이하의 스테이플 섬유가 존재하며, 더욱 바람직하게는 약 70 중량％ 이하의 스테이플 섬유가 존재한다. 스테이플 섬유를 함유하는 웹은 하우저 (Hauser)의 미국 특허 제4,118,531호에 기술되어 있다.
활성 입자는 흡착 목적, 촉매 목적 등을 비롯한 각종 목적을 위해 일렉트리트 웹에 포함될 수도 있다. 센쿠스 (Senkus) 등의 미국 특허 제5,696,199호는 예를 들면 적합할 수 있는 각종 활성 입자를 기술하고 있다. 수착 (收着) 특성을 갖는 활성 입자, 예를 들면, 활성화 탄소 또는 알루미나는 웹에 포함되어 여과 작업 중에 유기 증기를 제거할 수 있다. 활성 입자는 일반적으로 웹 함량의 약 80 부피％ 이하의 양으로 존재할 수 있다. 입자 부하된 부직 웹은 예를 들면 브라운 (Braun)의 미국 특허 제3,971,373호, 앤더슨 (Anderson)의 미국 특허 제4,100,324호 및 콜핀 (Kolpin) 등의 미국 특허 제4,429,001호에 기술되어 있다.
본 발명에 유용한 섬유를 생산하는데 적합할 수 있는 중합체는 열가소성 유기 비전도성 중합체를 포함한다. 이들 중합체는 일반적으로 다량의 포획된 전하를 유지할 수 있고, 예를 들어 멜트블로운 장치 또는 스펀 본딩 장치를 통해 섬유로 가공될 수 있다. 용어 "열가소성"은 열에 노출될 때 연화되는 중합성 재료를 의미한다. 용어 "유기"는 탄소 원자를 포함하는 중합체의 골격을 의미한다. 바람직한 중합체는 폴리올레핀, 예를 들면 폴리프로필렌, 폴리-4-메틸-1-펜텐, 1종 이상의 중합체를 함유하는 블렌드 또는 공중합체, 및 이들 중합체의 혼합물을 포함한다. 다른 중합체는 폴리에틸렌, 기타 폴리올레핀, 폴리비닐클로라이드, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 기타 폴리에스테르, 및 이들 중합체의 혼합물, 및 기타 비전도성 중합체를 포함할 수 있다.
섬유는 다른 적합한 첨가제와 함께 이들 중합체로부터 제조될 수 있다. 그 섬유는 또한 압출되거나 또는 다중 중합체 성분을 갖도록 형성될 수 있다 (크루에거 및 다이루드 (Krueger and Dyrud)의 미국 특허 제4,729,371호 및 크루에거 및 메이어 (Krueger and Meyer)의 미국 특허 제4,795,668호 및 제4,547,420호 참조). 다른 중합체 성분은 섬유의 길이를 따라 동심원으로 또는 세로방향으로 배열되어 예를 들면 이성분 섬유를 형성할 수 있다. 섬유는 각각 동일한 일반 조성을 갖는 섬유로부터 제조되는 웹인 거시적 균질 웹을 형성하도록 배열될 수 있다.
본 발명에 사용된 섬유는 여과 용도에 적합한 섬유상 생산물을 생산하기 위해 이오노머, 특히 에틸렌 및 아크릴산 또는 메타크릴산 또는 둘다의 금속 이온 중화된 중합체를 함유할 필요는 없다. 부직 섬유상 일렉트리트 웹은 금속 이온으로 부분적으로 중화된 산기를 갖는 5 내지 25 중량％ (메트)아크릴산을 함유하지 않고 상기한 중합체로부터 적합하게 생산될 수 있다.
일렉트리트 웹의 성능은 그것과 극성 액체가 접촉하기 전에 섬유 형성 재료에 첨가제를 혼입시킴으로써 향상될 수 있다. 바람직하게는, "유상 미스트 성능 향상 첨가제"가 섬유 또는 섬유 형성 재료와 함께 사용된다. "유상 미스트 성능 향상 첨가제"는 섬유 형성 재료에 첨가되거나, 또는 예를 들면 결과 섬유 상에 놓여질 때, 부직 섬유상 일렉트리트 웹의 유상 에어로졸 여과능을 향상시킬 수 있는 성분이다.
플루오르화학 화합물은 일렉트리트 성능을 향상시키기 위해 중합성 재료에 첨가될 수 있다. 존스 (Jones) 등의 미국 특허 제5,411,576호 및 제5,472,481호는 25 ℃ 이상의 용융 온도 및 약 500 내지 2500의 분자량을 갖는 용융 가공성 플루오르화학 첨가제의 사용을 기술하고 있다. 이 플루오르화학 첨가제는 더 양호한 유상 미스트 저항성을 제공하는데 이용될 수 있다. 분사수로 하전된 일렉트리트를 향상시키는 것으로 알려진 첨가제의 한 부류는 첨가제의 18 중량％ 이상의 불소 함량 및 퍼플루오르화 성분을 갖는 화합물이다 (루소 등의 미국 특허 제5,908,598호 참조). 이러한 유형의 첨가제는 미국 특허 제5,411,576호에 열가소성 재료의 0.1 중량％ 이상의 "첨가제 A"로서 기재된 플루오르화학 옥사졸리디논이다.
다른 가능한 첨가제는 트리아진 고리에 있는 것 이외에 1개 이상의 질소 원자를 함유하는 열안정성 유기 트리아진 화합물 또는 올리고머이다. 분사수에 의해 하전되는 일렉트리트를 증강시키는 것으로 알려진 또다른 첨가제는 시바-가이기 코포레이션 (Ciba-Geigy Corp.)으로부터 판매되는 치마소브 (Chimassorb)(상표명) 944 LF (폴리[[6-(1,1,3,3-테트라메틸부틸)아미노]-s-트리아진-2,4-디일]- [[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딜)이미노]헥사메틸렌[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딜)이미노]])이다. 치마소브 (상표명) 944 및 "첨가제 A"는 혼합될 수 있다. 바람직하게는, 첨가제 치마소브 (Chimassorb)(상표명) 및(또는) 상기 첨가제는 중합체의 약 0.1 내지 약 5 중량％의 양으로 존재하며, 더욱 바람직하게는 첨가제(들)은 중합체의 약 0.2 내지 약 2 중량％의 양으로 존재하며, 더더욱 바람직하게는 중합체의 약 0.2 내지 약 1 중량％의 양으로 존재한다. 다른 힌더드 아민도 웹에 부여된 여과 성능 향상 전하를 증가시키는 것으로 알려져 있다.
첨가제를 함유하는 섬유는 중합체 및 첨가제의 열용융 블렌드를 성형하고, 이어지는 어닐링 및 하전 단계 후에 급냉되어 일렉트리트 제품을 형성할 수 있다. 향상된 여과 성능은 일렉트리트를 이 방식으로 제조함으로써 제품에 부여될 수 있다 (국제 공보 WO 99/16533호에 해당하는 미국 특허 출원 제08/941,864호 참조). 첨가제는 또한 예를 들면 존스 (Jones) 등에 의해 1998년 7월 2일자로 출원된 미국 특허 출원 제09/109,497호에 기재된 표면 플루오르화 기술을 이용하여 그의 형성 후에 웹 상에 놓여질 수 있다.
중합성 섬유 형성 재료는 실온에서 1014ohm·㎝ 이상의 체적 저항을 갖는다. 바람직하게는, 체적 저항은 약 1016ohm·㎝ 이상이다. 중합성 섬유 형성 재료의 저항은 표준화된 시험 ASTM D257-93에 따라 측정될 수 있다. 멜트블로운 섬유를 형성하는데 사용된 섬유 형성 재료는 또한 전기 전도성을 증가시킬 수 있거나 또는 정전하를 받아들여 유지하는 섬유의 능력을 방해할 수 있는 정전기 방지제와 같은 성분이 실질적으로 없어야 한다.
본 발명의 부직 웹은 착용자의 적어도 코와 입을 덮기에 적합한 여과 마스크에 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따라서 생산되는 대전된 부직 웹을 함유하도록 구성될 수 있는 여과 안면 마스크 (40)을 예시한다. 일반적으로 컵 형태의 본체 부분 (42)는 착용자의 입과 코에 착용하기에 적합하다. 일렉트리트 여과재는 마스크 본체 (42)에, 전형적으로는 실질적으로 전체 표면적에 대해 배치되어 흡입된 공기로부터 오염물을 제거한다. 일렉트리트 여과재는 섬유가 섬유 교차점에서 다른 섬유에 결합할 수 있게 하는 외부 열가소성 성분을 갖는 이성분 섬유와 같은 열 결합된 섬유로부터 제조되는 성형층과 같은 다른 층에 의해 지지될 수 있다. 부직 섬유상 일렉트리트 웹이 사용될 수 있는 다른 여과 안면 마스크의 예는 버그 (Berg)의 미국 특허 제4,536,440호, 다이루드 (Dyrud) 등의 미국 특허 제4,807,619호, 자푼티크 (Japuntich)의 미국 특허 제4,883,547호, 크론저 (Kronzer) 등의 미국 특허 제5,307,796호 및 부르지오 (Burgio)의 미국 특허 제5,374,458호를 포함한다. 일렉트리트 여과재는, 예를 들면 브로스트롬 (Brostrom) 등의 미국 특허 등록 제35,062호 또는 번스와 레이쉘 (Burns and Reischel)의 미국 특허 제5,062,421호에 기술된 필터 카트리지와 같은 호흡 마스크용 필터 카트리지에 사용될 수도 있다. 마스크 (40)은 예시의 목적으로만 제시되며, 본 발명의 일렉트리트 여과재는 기술된 양태에 제한되지 않는다. 본체 부분 (42)는 흡입된 공기가 그것을 통과할 수 있을 정도로 다공성이다.
스트랩 (strap) 또는 하니스 (harness) 시스템 (44)는 착용자의 안면 위에 마스크 (40)을 지지하도록 제공될 수 있다. 단일 스트랩 (46)이 도 2에 예시되어 있긴 하지만, 하니스 (44)는 하나 이상의 스트랩 (46)을 이용할 수 있고 각종 형태를 가질 수 있다 (자푼티크 (Japuntich)의 미국 특허 제4,827,924호, 세팔라 (Seppalla) 등의 미국 특허 제5,237,986호 및 바이람 (Byram)의 미국 특허 제5,464,010호 참조).
출원인은 본 발명의 하전 방법이 양전하 및 음전하가 웹 전체에 무작위로 분산되도록 양전하 및 음전하 둘다를 섬유 상에 부착시키는 것으로 생각한다. 무작위 전하 분산은 비분극된 웹을 생산한다. 따라서, 본 발명에 따라서 생산된 부직 섬유상 일렉트리트 웹은 웹의 면에 대해 수직인 평면에서 실질적으로 비분극될 수있다. 이러한 방식으로 하전된 섬유는 이상적으로 미국 특허 출원 제08/865,362호의 도 5C에 나타낸 전하 배치를 나타낸다. 섬유상 웹이 코로나 하전 작업을 거치게 된다면, 그것은 그 특허 출원의 도 5B에 나타낸 배치와 유사한 전하 배치를 나타낸다. 본 발명의 방법을 단독으로 이용하여 하전된 섬유로부터 형성된 웹은 전형적으로 웹의 체적 전체에 대해 비분극된 포획 전하를 갖는다. "실질적으로 비분극된 포획 전하"는 TSDC 분석을 이용하여 분모가 전극 표면적인 1 μC/㎡ 미만의 검출가능한 방전 전류를 나타내는 섬유상 일렉트리트 웹을 의미한다. 이 전하 배치는 그 웹에 열 자극된 방전 전류 (TSDC)를 받게 함으로써 나타날 수 있다.
열 자극된 방전 분석은 일렉트리트 웹을 가열하여 동결되거나 또는 포획된 전하가 이동성을 회복하고 낮은 에너지 형태로 이동하여 검출가능한 외부 방전 전류를 발생시키는 것을 포함한다. 열 자극된 방전 전류에 관한 논의에 대해서는 문헌 (Lavergne et al., A review of Thermo-Stimulated Current, IEEE ELECTRICAL INSULATION MAGAZINE, vol. 9, no. 2, 5-21, 1993 and Chen et al., Analysis of Thermally Stimulated Process, Pergamon Press, 1981)을 참조하면 된다.
전하 분극은 중합체가 경질 및 비교적 무른 상태로부터 점성 또는 고무질 상태로 변화하는 온도인 중합체의 유리 전이 온도 (Tg) 이상의 수준으로 온도를 상승시킴으로써 본 발명에 따라서 하전된 웹에 도입될 수 있다. 유리 전이 온도, Tg는 중합체의 융점 (Tm) 미만이다. 중합체 온도를 그의 Tg이상으로 상승시킨 후에는, 샘플이 DC 전기장 존재 하에 냉각되어 포획된 전하의 분극이 동결된다. 그후에,열 자극된 방전 전류는 일정한 가열 속도로 일렉트리트 재료를 재가열하고 외부 회로에서 발생된 전류를 측정함으로써 결정될 수 있다. 분극 및 계속되는 열 자극된 방전을 수행하는데 유용한 장치는 써몰드 파트너, 엘.피. (TherMold Partners, L.P., Thermal Analysis Instruments of Stamford, Connecticut)에 의해 배급되는, 피벗 전극을 가진 솔로매트 (solomat) TSC/RMA 모델 91000이다.
방전 전류는 x축 (가로좌표) 상의 온도에 대해 y축 (세로좌표) 상에 플롯팅된다. 방전 전류의 피이크 (최대 전류) 위치 및 형태는 전하가 일렉트리트 웹에 저장되게 하는 기작의 특성이다. 전하를 함유하는 일렉트리트 웹의 경우, 최대 피이크 및 형태는 일렉트리트 재료에 포획된 전하의 배치와 관련이 있다. 일렉트리트 웹 내부의 전하가 가열 시에 저 에너지 상태로 이동함으로써 외부 회로에 생성된 전하량은 방전 피이크(들)을 통합함으로써 결정될 수 있다.
본 발명의 섬유상 일렉트리트 웹은 비분극된 포획 전하의 상대량의 척도인 측정 전하 밀도를 나타낸다. 측정 전하 밀도는 아래에 기술된 절차를 이용하여 확인될 수 있다. 본 발명의 섬유상 일렉트리트 웹은 바람직하게는 제곱 미터 당 약 0.12 마이크로쿨론 (μC/㎡) 이상의 측정 전하 밀도, 더욱 바람직하게는 약 0.2 μC/㎡ 이상의 측정 전하 밀도, 더더욱 바람직하게는 약 0.3 μC/㎡ 이상의 측정 전하 밀도를 나타낸다. 일부 예에서는, 측정 전하 밀도가 0.6 μC/㎡를 넘을 수 있다.
본 발명의 유리한 다른 특성 및 상세한 내용은 다음 실시예에 더 예시된다. 실시예가 이러한 목적으로 제공되긴 하지만, 사용된 특별한 성분 및 양 및 다른 조건이 본 발명의 영역을 부적당하게 제한하도록 해석되어서는 않된다. 예를 들면, 실시예가 개개의 기준으로 생산물을 생산하는 본 발명의 방법을 예시하긴 하지만, 그 방법은 연속적으로 수행될 수도 있다. 아래의 설명을 위해 선택된 실시예는 본 발명의 바람직한 양태를 어떻게 제조하고 제품이 일반적으로 어떻게 기능할 수 있는지를 단지 예시하는 것이다.
샘플 제조
부직 웹을 일반적으로 문헌 (Van A. Wente, 48 Indus. and Engn. Chem., 1342-46 (1956))에 기술된 바와 같이 제조하였다. 열가소성 수지는 달리 명시하지 않으면 피나 (FINA) 3860X 폴리프로필렌 (Fina Oil and Chemical Co. (Houston, Texas 소재)로부터 판매됨)이었다. 압출기는 버스토르프 (Berstorff) 60 밀리미터 (㎜), 44-1, 8 배럴 죤, 동시회전 이축 스크류 압출기 (Berstorff Corp. (Charlotte, North Carolina 소재)로부터 판매됨)였다. 첨가제가 수지에 포함되었을 때, 그것은 워너 플레이더러 30 ㎜, 36-1 동시회전 이축 스크류 압출기 (Werner ＆ Pfleiderer Corp. (Ramsey, New Jersey 소재)로부터 판매됨)에서 10-15 중량％ 농축물로서 제조되었다. 웹의 기초 중량은 달리 명시하지 않으면 약 54-60 g/㎡였다.
DOP 투과 및 압력 저하 시험
직경이 11.45 ㎝ (4.5 inch)인 부직 웹 샘플을 통해 디옥틸 프탈레이트 (DOP) 0.3 ㎛ 질량 중간 직경 입자를 42.5 리터/분의 속도로 압입시켜 DOP 투과 및압력 저하 시험을 수행하였다. 샘플 상의 면 속도는 6.9 ㎝/초였다. 207 킬로 파스칼 (kPa)(30 psi)의 청정 공기를 사용하여 약 70 내지 약 110 ㎎ DOP 입자/㎥의 농도를 가진 에어로졸을 발생시키는, 1개의 공기 투입구 및 4개의 오리피스를 가진 TSI 212호 분무기 (TSI (St. Paul, Minnesota 소재)로부터 판매됨)를 사용하여 DOP 입자를 발생시켰다. 샘플을 DOP 입자를 함유한 에어로졸에 30초 동안 노출시켰다. 그 샘플을 통한 DOP 입자의 투과를 광학 산란 챔버 (Percent Penetration Meter Model TPA-8F (Air Techniques Inc. (Baltimore, Maryland 소재)로부터 판매됨))로 측정하였다. 샘플에 대한 압력 저하 (ΔP)는 전자 압력계를 사용하여 측정하고 물의 ㎜ (㎜ H2O)-1로 보고하였다.
DOP 투과 및 압력 저하 값을 이용하여 다음 식에 의해 DOP 투과의 자연 대수 (ln)로부터 양질 계수 "QF 값"을 계산하였다.
QF[1/㎜ H2O] = -(Ln ((DOP Pen ％)/100))/압력 저하 [㎜ H2O]
에어로졸을 발생시키는 처리를 미리 받지 않은 생산물로부터 측정된 양질 계수는 초기 양질 계수, QFi로서 불리운다. 초기 QF 값이 높을수록 초기 여과 성능이 더 양호하였다. 이와 반대로, 더 낮은 초기 QF 값은 실제로 저감된 여과 성능과 상관 관계가 있다.
측정 전하 밀도
각 웹의 4개 샘플에서 (i) 각 샘플을 100 ℃의 온도로 가열하고, (ii) 각 샘플을 100 ℃에서 2.5 킬로볼트/밀리미터 (KV/㎜)의 DC계의 존재하에 5, 10, 15 또는 20분의 분극 기간 동안 분극시키고, (iii) 각 샘플을 DC계의 존재하에 -50 ℃로 냉각시켜 웹에 포획되고 분극된 전하를 "동결"시켜 전하 분극을 유도하였다. 그후에, 각 웹 샘플을 재가열하여 동결된 전하가 이동성을 회복하고 더 낮은 에너지 상태로 이동하게 됨으로써 검출가능한 외부 방전 전류가 발생되었다. 특별하게는, 상기한 DC계에서 분극시킨 후에, 각 웹 샘플을 약 -50 ℃에서 약 160 ℃까지 약 3 ℃/분의 가열 속도로 재가열하였다. 발생된 외부 전류는 온도의 함수로서 측정하였다. 각 샘플의 보정되지 않은 측정 전하 밀도는 방전 피이크 아래의 면적을 계산하고 그 결과를 샘플의 면적으로 나눔으로써 결정되었다. 각 웹의 보정되지 않은 측정 전하 밀도는 각 웹에 대해 분석된 4개 샘플 중에서 보정되지 않은 측정 전하 밀도의 최고 값과 동일하게 정해졌다. 분극 및 이후의 열-자극된 방전은 피벗 전극을 가진 솔로매트 TSC/RMA 모델 91000 (TherMold Partners, L.P., Thermal Analysis Instruments (Standford, Connecticut 소재)에 의해 배급됨)을 사용하여 수행하였다. 포획된, 비분극된 전하로부터 얻은 측정 전하 밀도는 동일한 조성 및 물리적 특성의 비처리된 웹을 분석함으로써 결정될 수 있다. 처리된 웹의 측정 전하 밀도는 처리된 웹의 보정되지 않은 측정 전하 밀도로부터 비처리된 웹의 보정되지 않은 측정 전하 밀도를 뺌으로써 결정되었다.
실시예 1-8 및 비교예 C1
피나 3860X 폴리프로필렌 (Fina Oil and Chemical Company로부터 판매됨)을 사용하여 상기한 바와 같이 취입 폴리프로필렌 미세섬유의 웹을 제조하였다. 그 웹의 기초 중량은 약 50-60 g/㎡였으며, 유효 섬유 직경 (EFD)은 약 8-9 ㎛였다.이 웹으로부터 약 22 inch x 약 11 inch (55.9 ㎝ x 27.9 ㎝)의 개개의 샘플을 절단하였다. 개개의 샘플을 비수성 액체에 침지시키고, 샘플을 압축시키고 그것을 액체에 여전히 침지시키면서 팽창되도록 하여 샘플을 비수성 액체로 포화시켰다. 그후에, 샘플을 액체로부터 꺼내어 공기 건조시켰다. 샘플로부터 직경이 약 5.25 inch (13.3 ㎝)인 원형 샘플을 절단하고 그것을 사용하고 각 원의 중심 4.5 inch (11.4 ㎝)를 이용하여 상기한 DOP 투과 및 압력 저하를 결정하였다. 초기 양질 계수, QFi는 각 샘플에 대해 상기한 바와 같이 결정되었다. 중복 샘플을 절단하고 각 샘플로부터 평가하였다. 또한, 샘플을 절단하고 비처리된 샘플로부터 평가하였다. 중복 평가의 결과를 평균하고 하기 표 1에 나타내었다.
여과 성능에 대한 비수성 처리의 효과
실시예 번호 액체 이중극자 능률(Debye) 유전 상수(ε) QFi(㎜ H2O)-1
1 아세톤 2.88 20.7 0.25
2 아세토니트릴 3.92 37.5 0.19
3 디메틸포름아미드 3.82 36.71 0.38
4 디메틸 술폭시드 3.96 46.6 0.22
5 에틸렌 글리콜 2.28 37.0 0.28
6 이소프로판올 1.66 18.3 0.09
7 메탄올 1.70 32.6 0.30
8 아세트산 1.77 6.15 0.14
Cl 없음 없음 없음 0.09
표 1의 데이타는 섬유상 웹을 선택된 비수성 극성 액체로 습윤시키고 그 웹을 건조시킴으로써 양호한 초기 양질 계수를 가진 웹이 제공됨을 나타낸다. 그 데이타는 또한 더 높은 유전 상수를 가진 액체가 더 높은 여과 성능 향상을 나타내는 경향이 있음을 나타낸다.
실시예 9-16 및 비교예 C2
미국 특허 제5,411,576호로부터 얻은 플루오르화학 첨가제 "첨가제 A"를 폴리프로필렌 수지의 약 1 중량％ 농도로 첨가하고 그 샘플을 약 140 ℃의 온도에서 약 10분 동안 어닐링시킨 것을 제외하고는, 멜트블로운 미세섬유를 함유한 웹을 실시예 1-8 및 비교예 C1에 기재된 바와 같이 제조하였다. 첨가제 A는 다음 화학식을 가졌다:
결과 웹은 첨가제 없이 제조된 것과 유사한 기초 중량 및 유효 섬유 직경을 가졌다. 개개의 샘플을 실시예 1-8에서와 같이 절단하고, 액체로 습윤시키고 건조시켰다. 원형 샘플을 이 샘플로부터 절단하고 이전과 같이 여과 성능에 대해 평가하였다. 중복 평가의 결과를 평균하고 하기 표 2에 나타내었다.
플루오르화학 첨가제 A에 의한 여과 성능에 대한 비수성 처리의 효과
실시예 번호 액체 이중극자 능률(Debye) 유전 상수(ε) QFi(㎜ H2O)-1
9 아세톤 2.88 20.7 0.23
10 아세토니트릴 3.92 37.5 0.30
11 디메틸포름아미드 3.82 36.71 0.22
12 디메틸 술폭시드 3.96 46.6 0.38
13 에틸렌 글리콜 2.28 37.0 0.62
14 이소프로판올 1.66 18.3 0.20
15 메탄올 1.70 32.6 0.40
16 아세트산 1.77 6.15 0.12
C2 없음 없음 없음 0.11
표 2의 데이타는 더 높은 유전 상수를 가진 액체가 더 높은 여과 성능 향상을 나타내는 경향이 있음을 입증한다. 시험된 모든 샘플은 또한 본 발명에 따라서 처리되지 않은 비교예의 개선을 나타내었다.
실시예 17-24 및 비교예 C3-C6
에스코렌 (ESCORENE) 3505G 폴리프로필렌 (Exxon Corp.로부터 판매됨)을 사용하여 섬유를 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1-8 및 비교예 C1에 기재된 바와 같이 제조된 취입 폴리프로필렌 미세섬유 웹으로부터 실시예 17-20 및 비교예 C3-C5의 샘플을 제조하였다. 실시예 21-24 및 C5-C6의 샘플이 미국 특허 제5,411,576호로부터 얻은 플루오르화학 첨가제 "첨가제 A"를 함유한 것을 제외하고는, 실시예 17-20 및 비교예 C3-C5와 동일하게 취입 폴리프로필렌 미세섬유 웹으로부터 실시예 21-24 및 비교예 C5-C6의 샘플을 별도로 제조하였다. 각 웹의 기초 중량은 약 50-60 g/㎡이고, 샘플의 유효 섬유 직경은 약 8-9 ㎛였다. 첨가제를 폴리프로필렌 수지의 약 1 중량％의 농도로 첨가하고 샘플을 약 140 ℃의 온도에서 약 10분 동안 어닐링하였다. 실시예 17-24 및 비교예 C3-C6 모두를 실시예 1-8 및 C1의 방법에 따라서 처리하였다. 각 샘플에 대해 QFi값을 결정하였다.
그후에, 웹을 상기한 측정 전하 밀도에 대해 평가하였다.
분극 후의 측정 전하 밀도
실시예 번호 비수성 극성 액체 QFi(㎜ H2O)-1 보정되지 않은측정 전하 밀도(μC/㎡) 측정 전하 밀도(μC/㎡)
C3 없음 0.09 0.05 0.00
17 아세톤 0.17 0.71 0.66
18 디메틸 술폭시드 0.66 1.61 1.56
C4 n-헥산 0.08 0.11 0.07
19 이소프로판올 0.09 0.07 0.02
20 모르폴린 0.17 0.66 0.61
C5 없음 0.14 8.95 0.00
21 아세톤 0.18 8.65 -0.35
22 디메틸 술폭시드 0.65 14.5 5.55
C6 n-헥산 0.12 11.3 2.35
23 이소프로판올 0.17 10.58 1.63
24 모르폴린 0.29 9.78 0.83
표 3의 데이타는 더 높은 유전 상수를 가진 액체로 습윤된 웹이 더 높은 측정 전하 밀도 및 여과 성능의 향상을 나타내는 경향이 있음을 나타낸다. 실시예 21 및 C6은 용매 및 플루오르화학 첨가제에 관한 효과 때문에 다른 것의 방향 (각각, 음성 값 및 높은 값)을 따르지 않는다.
실시예 25-26
실시예 25-26은 BMF 웹을 하전시키는 것에 대한 액체 표면 장력의 효과에 관한 것이다. 2가지의 다른 취입 미세섬유 웹의 11 inch x 21 inch (55.9 ㎝ x 27.9 ㎝) 크기의 샘플을 에탄올 및 물의 용액으로 습윤시켜 전하 생성에 대한 액체 표면 장력의 효과를 연구하였다. 사용된 두 웹은 다음으로부터 제조된 섬유를 함유하였다:
실시예 번호 설명 표면 에너지(단위)
25 FINA 3860 폴리프로필렌 + 폴리프로필렌의1 중량％인 플루오르화학
26 FINA 3860 폴리프로필렌
실시예 25 및 26의 샘플은 표 4의 재료를 이용하여 실시예 1의 방법에 따라서 제조되었다. 먼저, 각 샘플을 플라스틱 또는 알루미늄 팬에서 에탄올 약 200 ㎖로 처리하였다. 각 샘플을 압축시켜 그것이 완전히 습윤되고 실질적으로 모든 포획된 공기를 제거하였는지를 확인하였다. 그후에, 충분한 물을 팬에 첨가하여 8가지의 특정화된 표면 장력 중 하나를 얻었다: 24, 26, 28, 30, 35, 40, 50 또는 60 dyne/㎝. 각각의 특정화된 표면 장력에 대해 필요한 물 첨가량은 문헌 (The Properties of Gases and Liquids, their Estimation and Correlation by Reid, Prausnitz and Sherwood (pp. 622-634, 3rdedition, McGraw-Hill, Inc., New York, 1977)에 기술된 스지스즈코우스키 (Szyszkowski) 방정식을 기준으로 결정되었다. 연구된 표면 장력 및 조합된 에탄올 체적 분율 및 물 첨가량은 하기 표 5에 나타내었다.
추정 표면 장력(dyne/㎝) 에탄올의 체적 분율 에탄올 200 ㎖에 첨가된 물의 체적(㎖)
24 0.883 26.3
26 0.720 77.8
28 0.587 140.
30 0.480 217
35 0.294 480.
40 0.184 889.
50 0.074 2510.
60 0.027 7200.
물을 팬에 첨가한 후에, 침수되어 있는 약 30초 동안 샘플을 압축하고 해제하였다. 샘플을 물/에탄올 용액 중에 약 5분 동안 두고 또 약 30초 동안 압축하고 해제하였다. 추가로 5분 동안 둔 후에, 샘플을 다시 약 30초 동안 압축하고 해제하였다. 그후에, 샘플을 짜는 기계에 두번 통과시켜 과량의 액체를 제거하고 줄에매달아 밤새 건조시켰다. 5.25 inch 직경의 원형 3개를 각 샘플로부터 절단하고 2개의 원형을 상기한 DOP 투과 및 압력 저하 시험을 이용하여 여과 성능에 대해 분석하였다. 각 조건에 대한 평균 시험 결과를 하기 표 6에 나타내었다 (각 평균은 2회의 측정치를 기준으로 한다).
추정 표면 장력(dyne/㎝) 실시예 25양질 계수 평균(㎜H2O)-1 실시예 26양질 계수 평균(㎜H2O)-1
24 0.747 (0.088) 0.194 (0.033)
26 0.936 (0.006) 0.214 (0.036)
28 0.952 (0.124) 0.452 (0.008)
30 0.807 (0.239) 0.669 (0.023)
35 1.161 (0.079) 0.742 (0.056)
40 1.169 (0.042) 0.682 (0.064)
50 0.873 (0.053) 0.703 (0.043)
60 0.609 (0.008) 0.580 (0.020)
표준 편차는 괄호안에 나타내었다.
약 1 중량％의 플루오르화학 첨가제를 함유하는 실시예 25의 샘플을 약 140 ℃의 온도에서 약 10분 동안 어닐링시키고, 약 35 내지 약 40 dyne/㎝의 추정 표면 장력을 가진 물 에탄올 용액에 대해 얻은 최대 양질 계수에 의해 아주 완만한 곡선을 가졌다. 플루오르화학 첨가제를 함유하지 않은 실시예 26의 샘플은 약 24 내지 약 28 dyne/㎝의 추정 표면 장력의 범위에 대해 양질 계수의 급격한 증가를 나타내었다.
실시예 26의 샘플에 대한 양질 계수의 급격한 변화는 웹의 표면 에너지로 인해 가능하였다. 첨가제 없이 제조된 폴리프로필렌의 표면 에너지는 약 30 dyne/㎝이다. 이 값 아래의 표면 장력을 가진 액체는 필름으로서 웹 내의 섬유를 습윤시키는 반면, 그 표면 에너지 이상의 표면 장력을 가진 액체는 짜거나 또는 건조시키는 동안 어느 시점에서 액적을 형성하는 경향이 있다. 플루오르화학 첨가제를 함유하는 실시예 25의 샘플은 첨가제의 존재로 인해 실시예 26의 샘플 보다 훨씬 더 낮은 표면 에너지를 갖는 것으로 나타났다. 실시예 25의 샘플은 20 dyne/㎝ 이하의 표면 에너지를 갖는 것으로 예상되었다. 그러므로, 그것은 이 실시예에서 연구된 모든 표면 장력 보다 낮을 것이며, 그것은 표면 장력이 변화될 때 양질 계수의 급격한 변화가 없음을 설명하는 것으로 보인다.
배경 기술란에 인용된 것을 비롯하여 상기 인용된 특허 및 특허 출원은 전체적으로 참고로 포함된다.
본 발명은 위에 특별하게 상술되지 않은 임의의 요소 없이 적합하게 실행될 수 있다.

Claims (14)

  1. 비전도성 섬유를 포함하는 웹을 유효량의 비수성 극성 액체로 습윤시키는 단계; 및
    습윤된 웹을 실질적으로 건조시켜 섬유상 일렉트리트 (electret) 웹을 생산하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 섬유상 일렉트리트 웹의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 섬유상 일렉트리트 웹이 영구 전하를 나타내는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 섬유상 일렉트리트 웹이 미세섬유를 함유하는 부직 섬유상 웹인 방법.
  4. 제2항에 있어서, 섬유상 일렉트리트 웹이 DOP 투과 및 압력 저하 시험에 따라서 시험될 때 약 0.4 (㎜H2O)-1이상의 양질 계수 (QF)를 나타낼 수 있는 방법.
  5. 제1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유가 플루오르화학 첨가제를 포함하는 방법.
  6. 제1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서, 웹을 습윤시키는 단계 이전에 섬유상 웹을 어닐링하는 단계를 더 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 웹을 비수성 극성 액체에 침지되어 있는 동안 압축시키고 비압축된 상태로 회복되게 하고; 비수성 극성 액체의 흐름을 웹으로 향하게 하고; 음파 에너지를 비수성 극성 액체를 통해 웹으로 향하게 하고; 비수성 극성 액체를 웹과 접촉되어 있는 동안 가압하고(거나); 웹을 비수성 극성 액체에 침연시켜 웹을 습윤시키는 방법.
  8. 제1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서, 비수성 극성 액체가 메탄올, 이소프로판올, 에틸렌 글리콜, 디메틸 술폭시드, 디메틸포름아미드, 아세토니트릴 및 아세톤으로 이루어진 군에서 선택된 방법.
  9. 제1항에 있어서, 웹을 공기 건조시키고; 웹을 열에 노출시켜 건조시키고; 웹을 정적 진공에 노출시켜 건조시키고; 웹을 열 건조 기류에 노출시켜 건조시키고(거나); 비수성 극성 액체를 기계적으로 제거하여 건조시키는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 섬유가 폴리프로필렌, 폴리-4-메틸-1-펜텐, 또는 이들 중합체를 둘다를 함유하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 섬유가 유상 미스트 성능 향상 첨가제를 함유하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 비전도성 섬유가 약 1016ohm·㎝ 이상의 체적 저항을 갖는 방법.
  13. 제1항 내지 12항 중 어느 한 항에 있어서, 웹이 습윤 단계 중에 포화되는 방법.
  14. 제1항의 섬유상 일렉트리트 웹을 필터로서 포함하며 착용자의 적어도 코와 입을 덮기에 적합한 여과 마스크.
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