KR20030088439A - 3차원 몰드를 사용하여 포옴 사출을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

하기 단계로 이루어져 화이버 또는 특정한 재료의 부직포를 생산하는 방법이 개시되어 있다: 포옴 슬러리의 형성; 3차원 몰드를 구비하는 다공성 엘리먼트에 포옴 슬러리의 적층; 및 포옴의 제거에 의해 슬러리로부터 다공성 엘리먼트를 통하여 실질적으로 편평하지 않은 3차원 형상을 갖는 웹의 형성 및 웹을 건조. 그에 대한 장치가 또한 개시되어 있다. 상기 방법은 자동차용 플리트된 유체 및 공기 필터, 플리트된 가열 및/또는 공기조절(HVAC) 필터, 산소마스크형 필터 및 세균 필터를 포한하는 다양한 제품, 클리닝 걸레 헤드에 적합한 걸레 닦게 형상과 같은 고흡수성 증간츠을 지닌 라미네이트된 클리닝 제품, 및 기타 제품을 생산시 사용된다.

Description

3차원 몰드를 사용하여 포옴 사출을 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR FOAM CASTING USING THREE-DIMENSIONAL MOLDS}

포옴 공정은 통상적으로 웹 형성중에, 균일한 두께, 즉, 2차원 형상 포옴을 갖는 플래너를 만드는데 사용된다. 본 발명에 따르면, 3차원 형상 형성은 1개 이상의 포옴층(foam layer)으로부터 웹 형성중에 3차원 몰드를 사용함으로써 생성된다. 3차원 몰드, 예를 들면, 와이어 메시 몰드를 사용하면, 플리트된(pleated) 또는 그루브된(grooved) 필터 제품은, 예를 들면, 몰드에 적용될 때, 제품을 형성하는 화이버 또는 파티클을 갖는 포옴으로부터 직접적으로 형성될 수 있다. 매우 다양한 제품들은 포옴 공정과 본문에 개시된 3차원 몰드를 사용하여 생산될 수 있다. 예를 들면, 3차원 몰드와 포옴 공정은 플리트된 유체 및 공기 필터, 플리트된 난방 및/또는 공기 조절장치(HVAC) 필터, 산소마스크형 필터 및 세균필터를 포함하는 매우 다양한 필터 제품, 대걸레 헤드부에 적합한 형상을 갖는 걸레 닦개와 같은 고흡수성 중간층을 지닌 라미네이트된 클리닝 제품, 및 기타 제품들을 생산하는데 유용하다.

본 발명은 2차원 플래너 몰드와 포옴 공정을 사용하여 생성된 2차원 플래너 웹 시트에 플리트 및 그루브를 생성하는데 이미 사용된 후속의 기계적 플리트 생성 단계 또는 밀링 단계를 제거하는데 사용될 수 있다. 특히, 본 발명은 포옴 공정을 사용하여 형성된 이후에 3차원 플래너 형상 제품을 형성하기 위해 그루브 및 기타 형상을 기계적으로 절단하는 종래의 공정을 제거한다. 본 발명은 2차원 몰드에서 형성된 실질적인 플래너 중간 웹 제품을 3차원 최종 제품으로 형성하는 공정 기기의 종래 필요성을 회피시킨다. 본 발명은 특히 플리트되고 그루브된 필터지(filter paper)의 생산시, 특히 자동차에 활용을 갖는 종이의 생산시 사용하기에 적합하다.

웹 제조 포옴 공정은 제품들, 예를 들면, 파티클 또는 화이버, 예를 들면, 쇼트 커트 화이버, 합성 화이버 재료, 기계적 셀룰로오스 목재 펄프 또는 화학적 셀룰로오스 목재 펄프로부터의 화이버, 또는 기타 웹 재료를 사용하여 웹을 제조하는데 유용하다. 포옴 공정을 사용하면, 다양한 화이버, 파티클 또는 화이버와 파티클의 조합으로부터 3차원 부직포 웹을 생산하는 것이 가능하다.

본 발명의 한가지 활용예는 상세하게는 자동차용의 플리트된 또는 그루브된 필터지의 생산에 관한 것이다. 필터지는 약 40-50년전에 자동차에 사용되기 시작하여, 오늘날에는 연소 기관을 지닌 모든 자동차에 있어서 표준 기기이다. 오늘날 필터지에 대한 활용은 하기 카테고리 등급으로 분할 될 수 있다: 자동차 공기, 기름, 헤비-듀티(heavy-duty) 공기(HDA), 연료 매체, 및 선실(cabin) 공기. 자동 공기 매체/필터지는 공기와 함께 엔진으로 들어오는 파티클들을 거르도록 설계된다. HDA 필터지는 동일한 기능을 갖지만, 공기중에 다량의 먼지가 있는 더 까다로운 환경(예를 들면, 토공 기계 등)을 위해 설계된다. 기름 매체/필터지는 엔진에 들어오는 기름 스트림에서 파티클을 거르도록 설계된다. 연료 매체/필터지는 엔진에 들어가기전에 가솔린 또는 디젤 연료로부터 파티클을 필터링하도록 설계된다. 선실 공기 매체/필터지는 승객이 착석하는 선실 또는 객실로 들어오기 이전에 외부 파티클들을 거르도록 설계된다. 또한 그러한 필터지에 대한 다른 활용이 있다.

자동차 필터지는 1900년대의 초기로 돌아가서 웨트-레이드(wet-laid) 공정에 따라 이미 생산되어 왔다. 웨트-레이드 공정에 있어서, 화이버들은 펄프 제조기의 교반중에 파괴된다. 화이버들은 그후에 액체 슬러리로 디플레이커(deflaker)와 리화이너를 통하여 초지기(paper machine)로 펌핑된다. 디플레이커와 리화이너는 화이버들을 소산시키고, 그것들에게 결합 세기를 발생시키기 위한 더 양호한 표면을 제공한다. 초지기상의 주요 구성요소는 습윤 단부와 건조 단부이다. 펄프 제조기와 습윤 단부간에는, 다양한 유형의 습윤 및 건조 세기 향상 화학 물질이 또한 첨가된다. 습윤 단부는 헤드박스와 탈수 엘리먼트를 포함한다. 일반적으로 헤드박스는 평편한 포드리니어(fourdrinier), 인클라인 와이어, 또는 실린더형 다공성 엘리먼트를 구비한다. 탈수 엘리먼트는 이동 와이어(다공성 엘리먼트)상에서 대략 0.05% 화이버 경도 내지 25% 화이버 경도로 탈수시키기 위해 슬러리로부터 물을 흡수하도록설계된다. 습윤 단부이후, 매체는 건조 단부로 들어간다. 그곳의 목적은 필터 매체를 25% 내지 약 98-99% 화이버 경로로 건조시키는 것이다.

필터 매체는 현재 동일한 초지기 상에서 "온-라인" 침윤되거나, 또는 롤링되어 개별의 침윤 기계에서 "오프-라인" 침윤된다. 침윤 공정의 목적은 상기 매체를 수지 또는 유액으로 완전히 충전시켜, 상기 매체에 최종적인 기계적 세기를 제공할 뿐만 아니라 그것을 변환가능한 필터로 만드는 것이다. 침윤 공정은 기본적으로 침윤 유니트와 이어서 건조기들을 포함한다. 침윤 유니트는 사이즈-프레스, 롤 코팅기, 커튼 코팅기 등일 수 있으며, 상기 건조기들은 임의의 종래 접촉/비접촉형일 수 있다. 상기 매체가 약 0-15% 수분 함량에 도달하면, 기름 및 HDA 매체 유형들은 그루브되어, 그것들을 기계 방향에서 연속적인 S-형상으로 산출한다. 매체 유형을 그루빙하는 것은 전반적인 필터 표면을 증가시키며 상기 매체를 플리트하고 필터 엘리먼트를 이룰 때 후속적으로 형성된 주름들을 개별적으로 유지시킨다.

침윤 이후, 상기 매체는 패킹되어 소비자에게 전달되기 이전에 다양한 슬릿 폭 시트로 슬릿된다. 소비자측에서, 상기 매체는 종래의 플리팅 기계에서 기계적으로 플리팅된 필터지를 포함하는 필터 엘리먼트를 이루기전에 매체를 그 최종 물리적 구성으로 산출한다. 어떻게 매체의 결과물이 밀봉되며, 상기 매체가 더 중합되고, 이 특징이 특히 중요한지는, 소비자와 최종 활용에 좌우하며, 이 상세한 사항은 틀에 박혀 있다.

미국 특허 출원 제09/098,458호의 공정은 포옴 공정에 의한 필터지의 플래너 시트의 제조를 논하며, 그후에 이어서 상기 시트는 그루브 및 플리트된 실질적인필터 재료를 만든다. 본 발명은 몰드에서 필터지를 형성하며, 이는 그루브되며, 플리트되거나, 또는 자체적으로 그루브 및 플리트된다. 몰딩 공정으로부터 추출되는 웹 제품에 3차원 형상을 플리팅, 그루빙, 또는 이와 달리 부가하는 후속적인 기계적 단계를 실행할 필요가 없다.

화이버 또는 파티클 포옴으로부터 제품을 형성하는 것은 웨트-레이드 공정에서 바람직하다. 예를 들면, 필터지는 워터-레이드 공정을 사용하여 제조되어 왔다. 그 공정에서, 액체 현탁액속의 화이버들은 그루브된 몰드로 도입된다. 액체 슬러리의 깊이는 상대적으로 낮다. 화이버 현탁액의 도입이후, 슬러리 표면은 하부 몰드의 상부 부분보다 낮아져, 화이버 슬러리로부터 물을 제거하는 것을 회피하는 하위 몰드로부터 밀봉 허용 흡입력을 잃는다. 밀봉이 손실되면, 흡입력은 현탁된 화이버와 접촉이 없는 몰드의 부분에서 주로 작용한다. 결국, 몰드 하부에서의 화이버 형성이 낮으며 적합하지 않다. 부가적으로, 몰드 상부 부분이 하부 부분보다도 소수의 화이버를 수집할 가능성이 있는데, 왜냐하면 액체 슬러리속의 화이버들은 몰드의 하부에 침전 및 모이는 경향때문이다. 대조적으로, 본문에 개시된 포옴 공정들은 상대적으로 깊은 포옴 층을 3차원 몰드로 각각 형성하는 1개 이상의 포옴 층을 포함한다. 포옴의 깊이 때문에, 포옴의 상부 표면이 하부 몰드 표면의 최고점보다 낮아지기는 쉽지 않다. 게다가, 상부 몰드는 하부 몰드의 형상에 일치시켜 포옴 층을 통하여 완전히 연장하는 하부 몰드의 상부를 갖는 것을 회피시키기 위해서 포옴의 상부 표면을 형성하는 사용된다.

다른 문제점은, 필터지가 몇가지 상이한 층, 재료, 기질, 또는 그 조합을 사용하여 제조되는 웨트-레이드 공정에 존재한다. 희석된 현탁액의 이전 층(또는 층들)에 도입되는 동안, 후속 층들은 그루브의 하부에 있는 이전 층으로부터 화이버를 배향시키는 경향이 있다. 이는 최종 제품이 불규칙한 두께를 갖도록 야기하며, 차례로 여과 능력의 저하를 야기한다. 포옴 공정은 각 포옴 층이 상이한 경도의 화이버 또는 파티클을 갖는 상이한 포옴을 층으로 만드는데 더 적합하다. 포옴 층들은 무작위로 배향된 화이버들을 유지시키는 경향이 있으며, 이는 종종 바람직하다. 이와 달리, 포옴속의 화이버들은 포옴 주입 노즐의 유동 경로에 평행하게 배향될 수 있다. 포옴을 노즐로부터 수직으로 몰드에 주입함으로써, 몰드에 적층되는 것처럼 포옴에서 일반적으로 수직 화이버 배향을 유지시키는 것이 가능하다. 최종 웹 제품에서 수직 화이버 배향은 상대적으로 두꺼운 웹과 상대적으로 다공성 웹을 형성하는데 이로울 수 있다.

이러한 종래 웨트-레이드 포옴 공정에서는, 한편으로는 웨트-레이드 공정에서 형성함으로써, 다른 한편으로는 필터지를 별개의 포옴 공정에서 플리팅 및 그루빙함으로써 야기되는 잠재적인 문제점들이 있다. 첫째, 공정 단계를 증가시키는 것은 더 많은 제조 비용을 야기한다. 몇가지 공정 단계를 하나로 결합시킨다면, 전반적인 공정은 더 짧아지며, 결국에는 덜 비용이 든다. 둘째, 형성된 필터지에 기계적 변동은 최종 제품의 내구성을 감소시킨다. 플리트와 그루브를 형성하기 위해 형성된 플래너 필터지를 휘는 것은 휘여진 부분에 응력을 야기시키며, 그 응력은 빠른 저하를 통하여 최종 제품의 품질을 저하시킨다.

발명의 개요

본 발명은 포옴을 3차원 제품, 이를 테면 3차원 필터로 형성 및 건조시키기 위해 몰드를 사용하는 포옴 웹 제조 공정이다. 이러한 제품들은 포옴의 단일 도포로부터 형성된 단층이거나, 또는 상이한 포옴의 몇개 층으로 형성된 라미네이트이다. 간략하게 설명하면, 포옴은 공기, 물, 계면활성제, 및 화이버 또는 파티클의 슬러리를 포함한다. 화이버, 파티클, 또는 화이버와 파티클의 조합의 유형은 생산되는 제품에 좌우한다, 예를 들면, 포옴 속의 화이버들은 0.05mm(밀리미터) 또는 이사의 평균 길이를 갖는 짧은 화이버이다. 화이버 또는 파티클들은 포옴이 몰드에 적층될 때 3차원 몰드에 일치한다. 포옴이 몰드 상에 적층될 때, 물과 공기(이는 아주 다양한 상이한 직경을 갖는 공기 거품으로서 포옴속에 있음)는 몰드를 통하여 배출되며, 추출 및 재사용된다. 포옴의 화이버 또는 파티클들은 웹 제품을 형성하도록 몰드 상에 적층된다. 화이버 또는 파티클들은 몰드상에서 건조되며 완전한 3차원 제품이 몰드로부터 나온다. 웹 제품은 화이버와 파티클의 조합으로부터 형성되거나, 또는 포옴으로부터 적층되는 파티클로 전체적으로 형성된다.

3차원 몰드상에 포옴의 도입은 신중히 수행되어 워터-레이드 공정에 의해 겪었던 문제점들을 방지한다. 이러한 문제점들은 부분적으로 방지될 수 있는데, 왜냐하면 포옴의 경도가 1% 내지 10%이며(고흡수성 화이버를 지닌 포옴에 대해서는 20%), 종래의 워터-레이드 공정에서 일반적으로 0.01% 내지 0.5% 경도의 슬러리보다 더 높기 때문이다. 더 높은 경도의 결과로서, 포옴 공정의 사용은 더 두꺼운 제품, 이를 테면 더 두꺼운 필터지 또는 더 두꺼운 종이층의 형성을 단일 단계에서 가능하게 한다. 더 큰 경도가 액체-레이드 공정에서 사용된다면, 화이버들은 웹 형성이 일어나기 전에 솜 모양의 침전물(flocs)들을 응집 및 형성시키는 경향이 있다. 솜 모양의 침전물 형성은 필터지의 두께 및 기타 특성에서의 변동으로 인하여 최종 제품의 품질을 감소시키며, 이는 차례로 동일 제품에서 여과 능력의 변동을 야기한다.

게다가, 상기 포옴은 액체-레이드 공정보다도 훨씬 적은 액체를 요구하여 물 소비를 상당히 감소시킨다. 물 소비의 감소는 몰드의 액체 다운스트림을 이송하는데 필요한 기기 크기를 감소시킨다. 포옴이 몰드로부터 유출된 후, 상기 포옴은 실질적으로 재사용될 수 있다. 일반적으로, 화이버와 파티클, 그리고 가능하다면 계면활성제는 또 다른 몰드에서 적층되기 이전에 재사용되는 포옴에 첨가된다.

일실시예에서, 포옴이 하부 몰드에 도입된 이후, 상보적 상부 몰드가 상부에 위치된다. 바람직하게는, 상부 몰드는 실질적으로 하부 몰드의 반대부분으로, 상부 몰드의 융선은 실질적으로 하부 몰드의 그루브와 꼭 맞다. 유사하게, 상부 몰드의 그루브는 실질적으로 하부 몰드의 융선 주위에 꼭 맞다. 상부 몰드는 하부 몰드의 상부 부분이 포옴으로 커버되어 밀봉됨을 보장하는데 사용된다. 포옴이 하부 몰드의 상부 부분위에 남음을 보장함은 밀봉의 손실 및 상기된 흡입력과의 관련 문제점들을 방지한다. 게다가, 상부 몰드는 포옴에 압력을 인가하는데 사용되어, 포옴의 상부면에 압력을 증가시키고 필터 층으로부터 포옴의 제거를 조력한다.

필터 층이 실질적으로 형성된 후, 상부 몰드가 제거되고 필터지가 건조 단계로 취하여지거나 또는 포옴의 또 다른 층이 적층되는 단계로 취하여질 수 있다. 실질적으로, 동일한 포옴 재료가 상기된 방식으로 새로운 헤드박스를 사용하여 적층될 수 있더라도, 상이한 포옴 재료가 적층될 수 있다. 부가 층, 예를 들면, 3개 또는 그 이상의 층들이 형성된 층위에 적층될 수 있다. 최종 제품의 바람직한 특성에 따라 잠재적인 층의 개수가 부분적으로 결정된다.

다른 실시예에서, 생산 기계는 배치식(batch-type) 기계이며, 각 배치(batch)는 적어도 하나의 하부 몰드를 포함한다. 각 배치에 대해, 예를 들면, 5개 행과 5개 열의 하부 몰드를 포함하는 트로프(trough)가 있다. 헤드박스를 사용하여 바람직한 양의 포옴이 트로프의 하부 몰드에 적층된 후, 일치하는 개수의 상부 몰드를 포함하는 삽입부가 포옴의 상부에 위치된다. 상기 트로프와 삽입부는 생산 라인아래로 이동하며, 비어있는 트로프가 배치 공정을 새로이 시작한다.

또 다른 실시예에서, 생산 기계는, 상부 및 하부 몰드가 다공성 엘리먼트로 또한 불리우는 이동 와이어와 롤러 시스템에 채용되는, 연속식 기계이다. 하부 몰드 이동 와이어는 반복되는 하부 몰드를 포함하므로, 하부 몰드가, 예를 들면, 측방으로 또는 회전식으로 이동할 때, 새로운 하부 몰드가 헤드박스에 노출된다. 배치 공정에 유사하게, 헤드박스는 포옴을 하부 몰드 이동 와이어상에 장착된 하부 몰드에 적층시킨다. 따라서, 상부 몰드 벨트에 부착된 상보적 상부 몰드는 포옴을 포함하는 대응 하부 몰드의 상부에 위치된다.

또 다른 실시예에서, 층이 형성된 이후, 상기 몰드가 오픈된다. 상기된 실시예들에 유사한 절차가 수행되어 또 다른 층이 형성된다. 이와 달리, 최근에 형성된 층, 또는 층들은 건조 공정에 조력하는 송풍-건조 오븐 또는 유사한 기기를 통하여 주행된다.

또 다른 실시예에서, 포옴의 다중 이산층들은 상부 몰드가 포옴의 상부에 위치되기 이전에 하부 몰드에 침전된다. 각 포옴 층의 적층이후, 일부 포옴은 상부 몰드를 상부에 위치시킴없이 하부 몰드를 통하여 얻어질 수 있다. 일부 포옴을 제거하는 것은 포옴이 몰드에서 상당한 높이를 유지함을 보장하며 전반적인 공정 시간을 감소시킨다. 이와 달리, 포옴 제거는 모든 층들이 적층된 이후에 발생한다. 본 실시예에서, 상부 몰드는 포옴의 높이가 하부 몰드의 높이보다도 적을 때 유용하다. 그러한 환경에서, 상부 몰드없이, 포옴의 갭이, 하위 몰드의 상부 부분이 포옴을 통하여 연장하는 것처럼 형성된다면, 밀봉이 손실될 것이다. 상부 몰드는 포옴을 하위 몰드로 누르며, 포옴을 하위 몰드에 균등하게 분포시키고 포옴 층이 균일한 두께를 유지함으로 보장함으로써 포옴속에 갭을 방지한다. 상부 몰드는 일반적으로 와이어 메시인 하위 및 상위 몰드를 통하여 포옴에 힘을 가하는 압력을 부가함으로써 포옴의 양호한 배출을 제공하는데 또한 이롭다.

또 다른 실시예에서, 포옴 층들은 층 적층간에 많은 시간 지연없이 몰드에 빠른 순서로 적층된다. 예를 들면, 이는 다수의 헤드박스를 사용하여 행하여질 수 있으며, 각 헤드박스는 독립적인 특성을 지닌 상이한 포옴을 적층시킨다. 이와 달리, 이는 독립적인 특성을 지닌 상이한 포옴을 적층시키는 능력을 갖는 단일 헤드박스를 사용하여 행하여 질 수 있다. 두번째 예에서, 독립적인 포옴 층들은 동일한 헤드박스가 모든 층들에 사용되는 것을 제외하고는 순차적으로 적층된다.

본 발명을 사용하는데에는 다수의 이점들이 있으며, 하기에는 대략적인 목록의 이점들이 기술된다. 첫째, 공정이 상대적으로 빠르며, 활성 탄소와 같은 민감한또는 반발적 물질, 냄새 제거 물질, 염류, 고흡수성 제품 등은 특성의 실질적 저하 또는 실질적 손실없이 사용된다. 둘째, 공정은 배치식 또는 연속식 기계에서 작동되어, 기기 또는 공장 설계에 유연성을 제공한다. 세째, 공정은 포옴을 사용하며, 이는 상이한 층들을 혼합시킴없이 다수의 층들을 적층시키는 능력을 제공한다. 네째, 공정은 성형이후 필터지를 그루브 또는 플리트할 필요성을 제거한다. 상기 필터지는 성형이후에는 휨에 적용받지 않으므로, 필터지가 파손할 위험성이 감소된다. 다섯째, 공정은 짧은 화이버, 예를 들면, 50mm 또는 이하의 화이버, 이를 테면, 합성 화이버, 기계적 처리된 목재 펄프 또는 화학적 처리된 목잴 펄프에 유용하다.

본 공정은 필터를 형성하기 위해 사용되는 열성형 기술에 이점을 갖는다. 열성형(thermo-forming)은 필터 엘리먼트를 형성하는 사후 몰드 공정이다. 열성형 공정들은 화이버 포옴이 3차원 화이버 엘리먼트로 응고되는 동일한 몰드를 사용하여 필터 엘리먼트를 형성하는 본 발명에는 불필요하다. 게다가, 본 공정에 사용된 포옴은 열성형 공정을 포함하는 공정과 일반적으로 관련된 웨트-레이드 또는 드라이드-레이드(dried-laid) 화이버 공정들보다도 더 균일한 제품을 생산한다. 그러나, 열성형 공정은 몰드로부터 추출되며 본 발명으로 생산된 웹 제품에 사용될 수 있다.

본 발명은 필터지의 생산과 관련하여 기술되었지만, 발명은 포옴을 사용하여 다른 3차원 제품을 제조하는데 사용될 수 있다. 본 발명은 다른 이점들을 제공하며, 이는 첨부 도면과 관련하여 고려될 때 당업자에게 명확해진다.

본 발명은 특정한 원료를 사용하여 부직포 웹을 만들며, 특정한 최종 제품을 만들기 위한 포옴 공정의 이용에 관한 것이다. 포옴 공정은 기본적으로 미국 특허 제3,716,499호 제3,871,952호 및 제3,938,782호(본 설명은 참조로 본문에 채용됨)와, 1997년 9월 4일에 제출되어 계류중인 미국 특허출원 제08/923,900호(대리인 관리번호 30-441) 및 1998년 6월 17일 제출된 미국 특허출원 제09/098,458호(대리인 관리번호. 30-476)에 기술되어 있으며, 본 설명은 또한 참조로 본문에 채용된다.

도 1은 필터지를 생산하기 위한 종래 방법의 개략도이다.

도 2는 발명에 따른 필터지를 이용하는 자동차 필터의 개략도이다.

도 3은 필터지를 생산하기 위한 방법의 개략도이다.

도 4는 필터지를 생산하기 위한 기기의 개략도이다.

도 5는 다수의 하부 몰드를 포함하는 트로프(trough)의 개략도이다.

도 6은 하부 몰드의 개략도이다.

도 7은 필터지를 생산하기 위한 기기의 개략도이다.

도 1은 온-라인 방식으로 필터지를 생산하기 위해서 포옴을 사용하는 종래 공정의 개략도이다. 우선, 웹은 참조번호 10으로 지시된 것처럼 포옴-레이드 공정을 사용하여 형성되며, 공기, 물, 계면활성제, 및 화이버의 슬러리는 이동하는 다공성 콘베이어 엘리먼트와 접촉하여 이동되며 그후에 포옴은 슬로리로부터 엘리먼트를 통하여 제거되어 부직포 웹을 형성한다. 상기 화이버들은 50밀리미터 또는 이하의 길이를 갖는 짧은 화이버들이다. 상기 화이버들은 합성 재료, 기계적 목재 펄프, 화학적 목재 펄프 및 기타 화이버 재료로 형성된다. 건조 및 기타 종래의 단계들은 또한 포옴을 처리시 실행된다.

도 1에서 나머지 단계들은 워터-레이드 공정에 활용가능하여, 웹의 특성들을 향상시키는 종래의 수지 또는 유액의 침윤 단계는 단계 11에서 발생하며, 종래의 그루빙 단계는 단계 12에서 지시된 것처럼 실행된다. 단계 10, 11 및 12는 일반적으로 웹 생산 시설에서 실행된다. 종래의 플리팅 단계 13과 수지-경화 단계 14는 실제 필터지가 만들어지는 위치에서 실행되며, 아마도 종래의 캐니스터(canister)에 설치된다. 도 1에 도시된 동일한 공정들은, 침윤과 그루빙 단계가 포옴-레이드 웹 형성 단계가 이루어지는 곳으로부터 떨어진 시설에서 이루어지는, 오프-라인 방식으로 행하여질 수 있다(도시되지 않음).

도 2는 본 발명에 따라 생산된 필터지를 활용하여 만들어지는 자동차용 3차원 필터(20)를 개략적이며 간략하게 도시한다. 상기 필터지(21)는 포옴 공정에 의해 생산되며, 종래의 그루브(22) 및 종래의 플리트(23)들이 개략적으로 도시되어 있다. 플리트된 그리고 그루브된 필터지(21)는 그후에 적절한 캐니스터(24)에 위치된다. 상기 필터지(21)를 캐니스터(24)내에 위치시키기 위한 메카니즘과 어떻게 필터지(21)가 캐니스터에 배치되는지를 포함하는 캐니스터의 상세한 사항은 통상적이며 활용 또는 소비자의 특정한 선호도에 좌우한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예를 개략적으로 도시한다. 단계 30은, 단계 30에서 웹 형성을 형성하기 위해 사용된 몰드가 3차원 몰드, 예를 들면, 와이어 프레임 몰드인 반면에, 단계 10에서 사용된 몰드가 실질적으로 플래너인것을 제외하고 도 1의 단계 10과 동일하다. 바람직한 실시예에서, 몰드는 그루브와 플리트를 포함한다. 웹 형성중에 이러한 공정 단계들을 실행하는 것은 종래의 공정에서 요구되는 것처럼 웹 형성 이후에 그러한 단계들을 실행할 필요성을 제거한다. 기타 종래의 공정 단계들은 그루브와 플리트를 지닌 포옴-레이드 웹 형성이후에 실행된다. 건조 단계 31과 가열 단계 32는 포옴이 몰드로부터 배출된 이후에 몰드상의 화이버와 파티클을 건조 및/또는 가열하는데 사용된다. 포옴을 발생시킬 때, 그러한 것이 나중에 공정에서 가열-처리될 수 있도록 포옴에 약간의 열가소성 화이버 또는 파티클이 첨가되었다. 몰딩된 제품을 가열시, 열가소성 화이버 또는 파티클들은 제품에 세기 및 바람직한 특성들을 제공하도록 융합 또는 용융된다. 이러한 종류의 공정은 열몰딩이라 불리운다. 게다가, 웹의 특성들을 향상시키는 종래의 수지 또는 유액들은 공정 단계 33에서 첨가된다. 부가적으로, 수지-경화 단계 34는 침윤 단계 33 이후에 이루어진다. 단계 30, 31, 32 및 33은 통상적으로 웹 생산 시설에서 실행되지만, 수지-경화 단계 34는 통상적으로 실제 필터지가 만들어지는 위치에서 실행되며, 아마도 종래의 캐니스터에 설치된다.

본 발명의 실시예는 유사 부분들이 유사 참조번호로 매김된 도 4A, 4B, 5 및 6에 개략적으로 예시되어 있다. 도 4A와 4B는 그루브와 플리트를 지는 포옴-레이드 웹 형성을 위한 배치 공정을 도시한다. 도 4A에 도시된 것처럼, 하부 몰드는 포옴으로 충전되며, 그후에 상부 몰드는 도 4B에 예시된 것처럼 몰드로부터 포옴을 배출시 조력한다. 도 5는 배치 공정에서 유용한 단일 몰드를 포함하는 트로프(trough)을 도시한다. 도 6은 그루브와 플리트를 지닌 개개의 하부 몰드를 도시한다.

도 4A와 4B에 예시된 것처럼, 트로프(102)는 다공성 몰드 엘리먼트(110), 예를 들면, 바람직한 제품 형상(도시되지 않음)에 일치하는 형상을 갖는 3차원 와이어 메시위에 있다. 각 트로프(102) 아래에는 각 몰드(104)의 하부에 부착하는 흡착부(suction attachment)(106)와 흡입 라인(108)이 있다. 흡착부(106)는 각몰드(104)로부터 웹 형성중에 포옴 제거를 대비하며, 흡입 라인(108)은 트로프(102)에서 모든 몰드(104)로부터 전체 포옴 제거를 대비한다. 도 4A와 4B를 참조하여, 헤드박스(114), 예를 들면 몰드에 수직의 포옴 노즐은 포옴(116)을 트로프(102)의 각 몰드(104)(도 4A와 4B에 도시되지 않음)에 적층시킨다. 포옴 속의 화이버들은 일반적으로 헤드박스로부터 트로프(102)로 유동할 때 무작위 배향을 갖는다. 이러한 무작위 화이버 배향은 웹 제품에 구조적 지지를 제공하는데 바람직하다. 이와 달리, 헤드박스 노들은 포옴속의 화이버들이 상기 노즐을 통하여 유동 경로에 평행하게 배향되도록 선택된다. 만일 노즐이 포옴을 트로프(102)로 수직으로 적층한다면, 화이버들은 일반적으로 트로프에서 그리고 웹 제품에서 수직으로 배향될 것이다. 화이버들의 그러한 수직 배향은 웹 제품의 두께 및 공극률에 바람직하다.

포옴이 하부 몰드에 적층된 후, 상부 몰드 삽입부(118)는 몰드(104)에서 포옴(116)의 상부에 위치된다. 상기 삽입부(118)는 하부 몰드(104)에 상보적 형상의 몰드 형태를 가지므로, 하부 몰드(104)의 상위 부분의 밀봉이 유지된다. 상부 삽입부(118)와 트로프(102)가 포옴 주위에 밀봉을 형성한다. 밀봉을 유지하는 것은 하부 몰드(104)의 일부분에 흡입력의 손실없이 웹 형성중에 흡입 라인(108)이 포옴을 제거하도록 허용한다. 삽입부(118)는 흡착부(106)를 통하여 초과 포옴의 제거에 힘을 가하도록 약간의 압력을 가한다. 상기 삽입부(118)는 포옴의 상위 표면에 공기 압력을 인가하여, 하부 몰드에 더 잘 일치하도록 포옴에 힘을 가하는 송풍기 출력부를 포함한다. 게다가, 또 다른 흡입 라인은 상부 몰드에서 상부 몰드를 통하여포옴을 끌어당기며 상부 몰드의 와이어 메시를 통과하는 포옴을 추출한다.

트로프(102)는 다수의 하부 몰드(104)를 포함한다. 예를 들면, 도 5는 5개 열(120)과 5개 행(122)의 하부 몰드(104)를 나타낸다. 본 예시에서는, 25개 하부 몰드가 있다. 그러나, 본 실시예는 적어도 하나의 몰드(104)를 구비하며 트로프(102)에 한정된 개수의 몰드(104)를 구비한다. 도 6은 하부 몰드(104)를 개략적으로 도시한다. 상부 몰드 삽입부(118)는 각 하부 몰드에 일치하는 상부 몰드를 구비한다. 흡착부(106)는 몰드(104) 아래에 있으며, 흡착부(106)는 몰드(104)와 흡입 라인(108)간의 중간 단계이다(흡착부(106)는 도 5와 6에서 파이프 또는 유사 기기로서, 그리고 도 4A와 4B 및 7에서 박스로 도시되어 있다). 게다가, 몰드(104)의 3차원 성질은 플리트(126)와 그루브(124)로 예시되어 있다. 그러나, 발명의 범위는 단지 그루브 또는 플리크를 포함하는 형상 및 형태로 제한되지 않는다. 하부 몰드(104)는 그루브(124)와 플리트(126)를 구비하므로, 제품은 그루브(124)와 플리트(126)를 후속적으로 부가함없이 3차원 형상을 갖는다.

도 7은 연속 공정에서 그루브와 플리트를 지닌 포옴-레이드 웹 형성을 생산하는 다른 실시예를 개략적으로 도시한다. 도 4A, 4B, 5 및 6에 유사하게, 유사 항목들은 도 7에서 유사 참조번호로 매김된다. 일련의 개별 하부 몰드(104)들은 다공성 콘베이어 엘리먼트(128)에 부착된 것으로 도시되어 있다. 콘베이어 엘리먼트(128)는 롤러(130) 주위에서 시계 방향으로 회전하여, 기기의 연속 작동을 허용한다. 콘베이어(다공성) 엘리먼트(128)가 빈 하부 몰드(104)를 헤드박스(114) 아래로 이동시킬 때, 헤드박스(114)는 포옴(116)을 그 하부 몰드(104)에 적층한다.흡착부(106)는 하부 몰드(104)에 부착되며, 흡입 라인(108)은 공정중에 초과 포옴을 제거한다. 콘베이어(다공성) 엘리먼트(128)는 포옴(116)을 포함하는 충전된 하부 몰드(104)를 상기 하부 몰드(104)에 상보적 형상을 갖는 상부 몰드(136)들중 한개와 접촉하도록 이동시킨다. 상부 몰드(136)는 벨트(132)에 부착되어, 반시계 방향으로 롤러(134) 주위를 회전한다.

콘베이어 엘리먼트(128)는, 상부 몰드가 제거되고 몰드(104)속의 웹 제품이 건조기(138)와 가열기(140)에 의해 건조될 때, 하부 몰드(104)를 계속 이동시킨다. 공기 송풍기(142)는 필터 제품(143)을 추출하기 위해 하부 몰드(104)를 통하여 공기를 가한다. 가열기(140)는 몰드속에 있는 동안 3차원 제품을 열몰딩하는데 사용되지만, 필요한것은 아니다. 열몰딩에 관하여, 제품을 형성하는데 사용된 포옴은 열가소성 화이버 또는 재료, 소위 결합제를 포함한다. 상기 포옴은 몰드에 주입되고 결과의 제품은 열가소성 화이버 또는 파티클을 포함한다. 제품이 가열기(140)를 통과할 때, 이러한 화이버 또는 파티클들은 몰딩 단계 이후에 제품에 세기 및 기타 특성들을 제공하도록 제품내에서 융합 또는 용융된다. 게다가, 열몰딩 단계는, 열처리 이외에, 송풍기 또는 특별히 설계된 압력 몰드에 의해 실행될 수 있는 압력 처리를 또한 포함한다.

다수의 헤드박스는 예시적인 헤드박스(114)에 채용되며, 그 헤드박스(114)는 생산중에 1개 이상의 포옴 층을 적층시킨다. 다수의 포옴 층은 화이버 필터 엘리먼트(143)를 생산하는데 사용되며, 각 층은 상이한 화이버 재료 또는 상이한 밀도의 화이버를 갖는다. 게다가, 삽입부(118)와 상부 몰드(136)는, 웹 형성의 최종 단계까지, 예를 들면, 포옴 층의 높이가 하부 몰드의 높이보다 낮아질 때 까지 트로프(102)와 하부 몰드(104)에 각각 위치될 필요는 없다. 더욱이, 다수의 포옴 층(116)은 삽입부(118)를 트로프(102)위에 또는 상부 몰드(136)를 하부 몰드(104) 위에 위치시키기 이전에 적층될 수 있다. 게다가, 흡입 라인(108)을 통한 포옴 제거 양과 시간, 즉 공정 위치가 변경될 수 있다. 예를 들면, 다수의 포옴 층(116)이 적층되면, 포옴 제거는 모든 포옴 층들이 적층될 때 까지 일어나지 않는다. 게다가, 하부 몰드(104)는 플리트(126)없이 그루브(124)만을 포함하므로, 제품은 실질적인 플래너에서 작은 편차를 갖는다. 이와 달리, 하부 몰드(104)는 포옴-레이드 웹 형성에 사용되는 임의의 3차원 형상일 수 있다.

상부 몰드에 대한 가장 간단한 실시예는 포옴 층/층들의 상부에 삽입되는 플래스틱 또는 고무의 박막이다. 상기 박막의 목적은 몰드내 일정한 진공 조건을 유지하기 위해서 대기에 하부 몰드의 상부 부분의 노출을 방지하는 것이다.

발명은 가장 실용적이며 바람직한 실시예인 것으로 고려되는 것과 관련하여 기술되었지만, 발명은 개시된 실시예로 제한되지 않으며, 반대로, 첨부된 청구범위의 사상 및 범위내에 포함된 다양한 변형 및 등가의 배치를 포함한다.

Claims (33)

1. (a) 액체, 공기 및 화이버 또는 파티클의 포옴 슬러리를 발생시키는 단계;

   (b) 3차원, 비평면 하부 몰드 엘리먼트를 구비하는 몰드에 포옴 슬러리를 도입하는 단계; 및

   (c) 몰드 엘리먼트로부터 포옴을 제거함으로써 상기 3차원 하부 몰드 엘리먼트에 일치하는 3차원 형상을 갖는 웹 제품을 형성하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 웹 제품을 생산하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 단계 (c) 이후 웹 제품을 몰딩 하는 단계(d)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 단계 (c) 이후 웹 제품을 몰딩하는 단계(d)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 포옴 슬러리는 계면활성제를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 웹 제품은 그루브를 포함하는 3차원 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 3 항에 있어서, 웹을 필터 엘리먼트로 형성하기에 적절한 수지 또는 유액으로 웹 제품을 침윤시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 단계 (b)와 관련하여 콘베이어로 포옴 슬러리를 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 형성 단계 (c)는 연속적인 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 1 항에 있어서, 포옴 슬러리는 화이버 및 파티클을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 1 항에 있어서, 형성 단계 (c)는 배치 공정인 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 웹 제품은 그루브와 플리트를 포함하는 3차원 형상을 구비하는 필터 엘리먼트인 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제 8 항에 있어서, 수지 또는 유액으로 웹 제품을 침윤시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제 12 항에 있어서, 웹 제품을 침윤시키는 수지 또는 유액을 경화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 형성 단계 (c)는 배치식(batch-type) 기계를 사용하여 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 배치식 기계는 적어도 하나의 하부 몰드를 포함하는 트로프를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제 2 항에 있어서, 상기 몰딩 단계 (d)는 적어도 하나의 하부 몰드를 구비하는 배치식 기계를 사용하여 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 배치식 기계는 적어도 하나의 상부 몰드를 포함하는 삽입부를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 상부 몰드와 상기 적어도 하나의 하부 몰드는 상보적인 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제 1 항에 있어서, 상기 형성 단계 (c)는 연속식 기계로 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 연속식 기계는 다수의 하부 몰드를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
21. 제 2 항에 있어서, 상기 몰딩 단계 (d)는 다수의 하부 몰드를 구비하는 연속식 기계로 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
22. 제 21 항에 있어서, 상기 연속식 기계는 다수의 상부 몰드를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
23. 제 22 항에 있어서, 상기 다수의 상부 몰드와 상기 다수의 하부 몰드는 상보적인 것을 특징으로 하는 방법.
24. 제 1 항에 있어서, 단계 (a)-(c)는 상기 포옴 슬러리의 다수의 층에 대해 반복되는 것을 특징으로 하는 방법.
25. 제 1 항에 있어서, 단계 (a)-(c)는 상기 포옴 슬러리의 다수의 층에 대해 반복되는 것을 특징으로 하는 방법.
26. 제 17 항에 있어서, 포옴 슬러리의 다수의 층들은 상부 몰드를 포옴 슬러리의 상기 층들위에 위치시키기 이전에 상기 몰드에 인가되는 것을 특징으로 하는 방법.
27. 제 22 항에 있어서, 포옴 슬러리의 다수의 층들은 상부 몰드를 포옴 슬러리의 상기 층들위에 위치시키기 이전에 상기 몰드에 인가되는 것을 특징으로 하는 방법.
28. 제 24 항에 있어서, 일부 포옴은 포옴의 각 층이 몰드에 적층된 이후에 슬러리로부터 제거되는 것을 특징으로 하는 방법.
29. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서, 포옴은 포옴의 모든 층들이 적층된 이후에 슬러리로부터 제거되는 것을 특징으로 하는 방법.
30. 제 3 항에 있어서, 단계 (e)의 열몰딩은 웹 제품에 열과 압력을 인가함으로써 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
31. 제 30 항에 있어서, 상기 압력은 송풍기 또는 압력 몰드에 의해 인가되는 것을 특징으로 하는 방법.
32. 제 1 항에 있어서, 포옴 속의 화이버 또는 파티클들은 열가소성 화이버 또는열가소성 파티클을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
33. 제 3 항 및 제 32 항에 있어서, 상기 단계 (d)의 열몰딩은 웹 제품에 세기 및 기타 특징을 제공하기 위해 열가소성 화이버 또는 파티클을 융합 또는 용융시킴으로써 웹 제품을 결합시키는 것을 특징으로 하는 방법.