KR20070067884A - 공기 정화용 필터 소재 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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곽규범
이재민
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Abstract

본 발명은 대기 중의 공기로부터 오염물질 등을 효과적으로 정화하고 장시간 사용 주기의 연장이 가능한 필터 여재 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 밀도 구배를 갖는 둘 이상의 다층으로 이루어지고, 공기 유입구측으로부터 밀도구배를 갖는 하나 이상의 부직포 섬유층과 유체의 출구측에 최종층으로서 멜트블로운 층을 포함하고, 상기 멜트블로운층은 용융 온도가 다른 이성분으로 이루어진 공기정화용 필터 여재 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 필터 여재는 멜트블로운 여재를 최종층에 사용할 때의 문제점인 강도 저하 및 섬유이탈 그리고 후가공성 뿐만아니라, 여재 제조 공정 중 수반되는 라미네이션 작업성 및 접착성 그리고 필터 효율이 향상된 여재로서, 기존 여재의 단점인 미세 입자의 포집효율 및 포집량의 기능성이 우수하여 자동차 또는 건물의 공조기 등의 여과 장치에서 다양하게 사용할 수 있다.
필터, 멜트블로운, 부직포

Description

공기 정화용 필터 소재 및 그의 제조 방법{Filter element for cleaning air and process for preparing the same}
도 1은 본 발명에 따른 에어 필터 소재의 제조 공정의 일 실시형태를 나타낸 개략도.
본 발명은 대기 중의 공기로부터 오염물질 등을 효과적으로 정화하고 장시간 사용 주기의 연장이 가능한 필터 여재 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 밀도 구배를 갖는 둘 이상의 다층으로 이루어지고, 공기 유입구측으로부터 밀도구배를 갖는 하나 이상의 부직포 섬유층과 유체의 출구측에 최종층으로서 멜트블로운 층을 포함하고, 상기 멜트블로운층은 용융 온도가 다른 이성분으로 이루어진 공기정화용 필터 여재 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 내연기관의 엔진은 휘발유나 디젤유와 같은 액화연료와 LPG 등의 기체 연료를 공급하여 엔진을 구동시키는데, 연료는 공기 중의 산소와 혼합된 혼합가스 형태로 연소실 내로 공급되어 연소 폭발이 일어나게 된다. 이때 혼합 가스를 만들기 위해 엔진으로 유입되는 대기 중의 공기는 먼지 등의 이물질이 섞여 있으므 로 불완전 연소를 유발하여 차량이나 장비의 원활한 운행을 어렵게 함과 동시에 엔진 내부에 이물질이 유입되어 엔진의 실린더 벽에 쌍이게 되면 엔진의 내구성을 저하시키는 문제점을 초래한다.
종래의 자동차용 엔진에 있어서 에어클리너에는 공기의 여과매체가 장착되고 오일필터에는 엔진 속에 들어있는 윤활유에 포함된 불순물을 제거하기 위해 오일 여과 매체가 장착된다.
이들 여과 매체 속에는 각종 이물질을 제거하기 위해 물질의 크기와 양에 따라 기술적으로 설계된 여러 종류의 여과지가 여과매체로서 장착된다. 이들 여과매체는 엔진이 구동하는 동안 필요로 하는 공기나 윤활유의 흐름과 그 양을 충분히 해주기 위하여 불순물을 거르는 여과 효율과 충분한 여과수명을 만족하여야 한다.
그러나, 실제로 불순물을 충분히 포집하도록 여과 매체를 제작하려면 여과매체의 통기공을 미세하게 형성해줘야 하기 때문에 통기공이 빨리 막히게 된다. 즉, 이러한 매체는 장시간 사용할 수 없다는 단점이 있고, 반대로 통기공을 크게 형성하면 미세 먼지는 모두 빠져나가 여과 효율은 불량하게 된다. 따라서, 여과 효율과 수명을 모두 만족할 수 있는 여재의 설계가 필요하다.
현재, 자동차용 필터소재로서는 여과지와 부직포가 주로 사용되고 있다. 여과지는 적용 분야에 따라서 천연 펄프와 합성섬유를 적절히 배합한 후, 해리-고해-초지-함침-건조-와인딩의 과정에 의해 제조된다. 부직포는 그 제조 방식에 따라, 스펀본드, 스펀레이스, 케미칼본드, 써멀본드, 니들펀칭 그리고 멜트블로운 등 수많은 종류가 존재한다. 그러나 내연기관용 소재로 주로 사용되는 것은 적절한 배합 의 섬유를 카딩한 후 다층 구조로 제작하고, 니들펀칭, 열프레스, 케미컬 처리, 건조 등의 공정을 거쳐 최종적인 부직포 여재로 제작된다.
여과지와 부직포의 필터 성능을 비교하면, 위와 같은 각 여재의 제조 방식에 따라 여과지의 경우 두께가 작고 밀도가 높아 통기성이 낮은 반면 입자를 포집하는 포집 효율에서의 장점이 존재한다. 또한, 필터소재로 적용될 때 많은 면적이 소모되는 단점과 가공성이 우수한 장점이 있다.
부직포의 경우 두께가 두껍고 밀도가 낮아 통기성이 높아 입자를 포집하는 포집 수명이 매우 높은 장점이 있으나 미세 입자의 포집효율이 낮고 후가공성에서의 단점이 있다.
멜트블로운의 경우 극세 섬유의 형성이 가능하여 공기청정기 등 다양한 필터의 소재로 사용되고 있으나, 이는 강도 및 섬유 이탈 그리고 절곡시 섬유 파단 등의 단점으로 단독으로 사용이 어렵다는 문제가 있었다.
종래, 공기청정용 소재로서는 특허 출원 제 2000-0068955(2000.11.20)에 공기의 유입측으로부터 유출측으로 2개 이상의 섬유층이 밀도 구배를 형성하며, 각층의 섬유는 수지접착제를 사용하지 않고 열융착 결합하여 이루어진 필터여재가 개시되어 있고, 특허 출원제 1999-0058756호(1999.12.17)에는 멜트블로운 층과 부직포가 수지접착제에 의하여 부착된 필터여재가 개시되어 있으며, 특허 출원 제 1999-0039101호(1999.09.13)호에는 조밀층, 중간층, 벌키층이 수지접착제를 사용하지 않고 열융착에 의해 결합된 필터여재를 개시하고 있다.
그러나, 이들 종래 기술에 의해 멜트블로운 섬유와 통기성 부직포를 결합하 는 과정에서 니들 펀칭법을 사용할 경우 단섬유인 멜트블로운 섬유의 파열이 일어나며 니들에 의해 커다란 기공이 형성되어 필터의 효율이 저하되는 문제점이 있어서 필터효율을 높이기 위해 멜트블로운 소재를 최종층에 사용하는 것이 부적절하였다. 이는 멜트블로운 섬유의 특성상 단섬유로 구성되고 강도 및 인장력이 약하기 때문이다. 따라서 현재까지 멜트블로운 섬유를 다른 통기성 부직포와 결합하는 공정은 열융착 또는 수지 접착 방식이 있으나, 이들 공정은 원가 비용이 높고, 사용된 저융점 수지 및 접착제 등에 의해 섬유의 기공막힘 등이 초래되어 필터 성능에 문제점이 있었다. 한편, 멜트블로운 섬유가 적용되지 않은 써멀본드(Thermal bond) 또는 니들 펀칭(Needle punching)후 써멀 본드(Thermal bond)를 이용한 기존 여재의 경우에는 밀도 구배를 형성한 다층소재 중 최종층(Fine 층)을 구성하기 위해 극세 저융점 섬유 및 극세 섬유를 50% 이상 사용함에 따라 기공막힘에 따른 통기성 저하, 생산성 저하 및 고비용의 단점이 있었다.
이상 종래 기술에 따른 부직포의 결합 방식을 정리하자면, 부직포와 다른 부직포를 결합시킬 경우에는 1) 밀도구배 형성후 니들펀칭을 사용하여 결합하는 방법, 2) 케미컬을 이용하여 결합하는 방법, 3) 저융점 섬유를 혼합한 밀도구배를 사용하여 열융착(Thermal Bond)하는 방법 및 4) 핫멜트 접착제류 및 수지 바인더를 이용한 접착 방법 및 이들을 혼합한 방법이 사용될 수 있으나, 다층 중 최종층은 극세 섬유(1.5 데니어 이하의 섬유)의 비율이 증가함에 따라 혼섬 및 개섬시 생산성 저하 및 저융점 수지 사용에 따른 단가 상승의 문제가 있고, 니들 펀칭 결합시 니들에 의한 멜트블로운의 파단 및 부직포 층에 구멍(hole) 발생에 의해 필터 효율 이 감소하게 되며, 저융점 수지의 다량 사용에 의한 최종층의 기공 막힘 및 차압 상승의 문제가 야기되며, 케미컬 본드 또는 핫멜트 접착체을 사용하여 접착할 경우에는 접착제 또는 케미컬 수지에 의한 섬유 기공 막힘(통기 저항 상승), 단가상승 및 환경유해성의 문제가 있었다.
따라서, 멜트블로운 소재를 여과기능이 높은 극세 섬유 소재로서 활용하기 위해서는 여전히 문제점들이 개선되어야 할 필요가 있다.
본 발명자들은 종래의 부직포 여재의 단점을 해결하고 더욱 성능이 우수한 여재를 개발하기 위하여 예의 연구한 결과, 공기 유입층(외층)에 단층 또는 밀도 구배를 갖는 둘 이상의 부직포 섬유와 유체의 출구층(내층)에 극세 멜트블로운을 접착하고, 멜트블로운 여재는 용융점이 상이한 2개 이상의 성분으로 구성하여 여재를 제조함으로써 종래 멜트블로운 여재를 최종층에 사용할 때의 문제점인 강도 저하 및 섬유이탈 그리고 후가공성 뿐만아니라, 여재 제조 공정 중 수반되는 라미네이션 작업성 및 접착성 그리고 필터 효율이 개선되고, 미세 입자의 포집효율 및 포집량에 있어서도 우수한 에어필터 여재를 제공할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래의 멜트블로운 여재를 최종층에 사용할 때의 문제점인 강도 저하 및 섬유이탈 그리고 후가공성 뿐만아니라, 여재 제조 공정 중 수반되는 라미네이션 작업성 및 접착성 그리고 필터 효율이 향상되고, 미세 입자의 포집효율 및 포집량에 있어서도 우수한 에어필터 소재 및 그의 제조 방법을 제공하 는데 있다.
본 발명은, 일면에 있어서, 밀도 구배를 갖는 둘 이상의 다층으로 이루어지고, 공기유입구측으로부터 밀도구배를 갖는 하나 이상의 부직포 섬유층과 유체의 출구측에 최종층으로서 멜트블로운 층을 포함하고, 상기 멜트블로운층은 용융 온도가 다른 이성분으로 이루어진 공기정화용 필터 여재를 제공한다.
본 발명의 명세서 사용된 용어 "최종층(final layer)"은 공기 유입구측(air-inlet side 또는 pre-layer)의 층을 일반적으로 외층(out layer) 또는 외재층이라고 할때, 공기가 필터를 통하여 바깥으로 나가는 층을 의미하고, 이는 섬유의 밀도가 매우 높은 층이라는 의미에서 "Fine Layer"로 부르기도 하며, 이들은 상호 교환적으로 사용될 수 있으며, 당해 기술분야에서 내층(air-outlet) 또는 내재층이라고 부르기도 한다. 여기서, 필요에 따라 최종층에 유체 출구측으로 지지체 층이 첨가되는 경우 이를 후단층 또는 지지체층이라고 하며, 이것을 최종층이라고 부르지는 않음에 유의해야 한다.
본 발명에 따른 여재는 내연기관용이나 건물의 공기정화기용 등 다양한 분야에 적합하게 사용할 수 있다.
본 발명의 상기 목적을 달성하기 위하여 유체의 유입구측(pre-layer)에 하나 이상의 부직포 층이 배치되고, 최종층(fine layer)으로 멜트블로운이 배치된다. 유입구층의 부직포는 여재의 수명 증대의 기능을 부여하며, 최종층의 멜트블로운은 여과 효율 증대의 기능을 가진다.
엔진에 장착되어 공기를 정화시키는 여과 매체의 경우, 여과 효율을 증대시키기 위해 극세 섬유 형성이 가능한 멜트블로운 부직포 여재와, 포집량을 증대하기 위하여 부직포 또는 여과지 또는 이들의 혼합 여재를 사용하는 것이 더욱 바람직하고, 상기 각 여재의 층은 각각 밀도 구배를 주어 필터 성능을 최적화하는 것이 필요하다. 이와 같은 여재의 구성에 의해 강도, 통기성 상승 및 섬유이탈의 문제가 해소되고, 가공성이 우수할 뿐만 아니라 종래의 여재에 비하여 미세 입자의 포집 효율 및 포집량, 절곡성 및 내압력성도 현저히 개선될 수 있다.
본 발명에 따른 여재는 공기 유입층으로부터 하나 이상의 밀도구배를 갖는 외층(pre-layer 또는 외재)을 포함하며, 상기 외층은 스펀본드, 스펀레이스, 케미컬본드, 써멀본드, 니들 펀칭, 에어레이드법, 스펀레이스법 또는 벌키(bulky) 멜트블로운으로 이루어진 군 중에서 선택된 부직포 또는 여과지(filter paper) 또는 이들의 혼합 여재로 이루어질 수 있다. 이들 여재는 또한 에어크리너 제조법에 의해 원료배합-다층카딩-니들 펀칭-함침(Foam 코팅)- 건조(캔, 열풍)-권취의 순서에 의해 제조하거나 또는 별법으로 원료배합-다층 카딩-니들 펀칭-건조(캔, 열풍)-카렌더링-권취의 순서로 제조할 수 있다. 특히 부직포는 니들펀칭, 케미컬 본드, 써멀본드, 스펀본드, 또는 벌키 멜트블로운법에 의해 제조된 것이 더욱 바람직할 수 있다.
외층을 이루는 부직포층은 폴리에스테르, 아크릴, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 비스코스레이온, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 나일론, 폴리페닐렌설파이드, 폴리카아보네이트 또는 폴리에스터글리콜 단독 또는 이들 의 혼합 섬유로 이루어진 군 중에서 선택된 것을 사용할 수 있다.
상기 외층(pre-layer)에 사용된 부직포의 물성은 각각 부직포 종류 및 요구하는 성능에 따라 다르지만 일반적으로 내연기관용 여재의 경우 중량이 30 ~ 500 g/㎡의 범위이고, 통기도는 50 ~ 450 cfm (125 Pa에서)이며, 섬유경은 1 ~ 40 ㎛이고, 기공크기는 60 ~ 200 ㎛의 범위 내이고, 하나 이상의 다층 구조로 형성하는 것이 바랍직하다.
본 발명에서 사용된 바의 이형 성분으로 이루어진 멜트블로운은 부직포는 통상적인 방식으로 제조할 수 있으며, 간략히 원료배합-용융-토출 및 브로잉(Web 형성)-권취의 순서로 제조될 수 있다.
상기 멜트블로운 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 나일론, 폴리페닐렌설파이드, 폴리카아보네이트(PC), 폴리에스터 글리콜(PETG)을 두개 이상 혼합하여 방사하거나 바이-콤포넌트(bi-component)(side by side, sheath/core, 또는 분할사) 형태로 방사하여 이형 융점 섬유로 구성할 수 있으며, 예를 들면, 저융점 PET-고융점 PET, 저융점PET-고융점 PBT, 저융점 나일론-고융점나일론, PBT-나일론 등을 포함한다. 상기 멜트블로운은 고융점의 수지가 30~90중량%로 포함되는 것이 더욱 바람직하다.
최종층에 사용된 멜트블로운의 물성은 전체 여재 중량 대비 약 5 ~ 40 wt%로 구성되는 것이 바람직하고, 20 ~ 150 ㎛ 범위의 기공 크기, 10 ~ 300 g/㎡ 범위의 중량, 10~500 cfm(125 Pa에서) 범위의 공기투과도, 및 0.5 ~ 20 ㎛ 범위의 섬유경을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 여재의 각 층은 카렌다법, 퓨징오븐 또는 벨트프레스법의 열처리 공정과 니들펀칭법, 저융점 수지 또는 수용성 수지를 이용한 접착법을 단독으로 또는 병행 사용하여 접착을 수행할 수 있다. 또한 접착이 더욱 용이하도록 후공정에 열처리 공정을 사용하는 것이 바람직하다. 열처리에 의한 접착 공정은 상기와 같이 형성된 부직포 및 멜트블로운 웹을 휴징 오븐(Fusing oven), 벨트 프레스(Belt press), 카렌더(Calender) 또는 열풍(Hot air) 등으로 약 섭씨 100-300도의 열처리를 이용하면 멜트블로운 층에 존재하는 저융점 수지가 용융되어 접착된다. 이때 열처리의 결과로 용융점이 다른 이형 폴리머 섬유는 열에 의해 꼬임 및 뒤틀림이 발생하여, 기존 여재보다 기공도가 향상되어 필터 효율 및 수명 모두 증대되는 효과가 창출된다. 더욱이, 이 방식에 의하면 부직포와 멜트블로운을 라미네이션하기 위한 공정이 단순화되고 라미네이션 중에 발생하는 부차적인 문제를 개선할 수 있다. 종래 니들 펀칭에 의해 접착한 여재는 니들에 의해 여재에 구멍이 발생하여 필터 성능을 저해하게 된되었으나, 본 발명의 방식에 의해 니들 펀칭후 열처리 공정을 수행하면 니들에 의해 발생된 구멍이 용융된 섬유에 의해 어느 정도 회복되게 되며, 이 과정에서 별도의 접착 수지가 필요없고, 멜트블로운이 접착 기능을 수행하게 된다. 물론, 접착력을 더욱 극대화하기 위해 핫멜트와 같은 케미컬 수지를 필요에 따라 사용할 수도 있다.
본 발명에 따른 여재는, 필요에 따라서, 상기 멜트블로운층의 후단에 지지체를 포함하는 것이 더욱 바람직할 수 있다. 상기 지지체는 상기한 바와 같은 부직포로 이루어질 수 있고, 5 ~ 60 g/㎡의 중량을 갖는 것이 바람직하게 사용될 수 있 다.
이러한 부직포 여재도 마찬가지로 통상의 제조 공법을 이용하여 제조할 수 있다. 일례로서, 스펀 본드(Spun Bond), 스펀레이스, 니들펀칭(Needle Punching), 케미컬 본드(Chemical Bond), 써멀본드(Thermal Bond), 에어레이드(Air-Laid) 및 멜트블로운(Meltblown) 등의 공법 또는 공정을 사용할 수 있다.
최종적으로 제조된 복합 여재의 전체 중량은 150 ~ 500 g/㎡, 포어 사이즈(pore size)가 10 ~ 150 ㎛, 통기도는 30 ~150 cfm(125 Pa에서), 섬유의 직경은 0.5 ~ 40 ㎛, 그리고 두께가 1.0 ~ 4 mm인 것이 가장 바람직하다.
본 발명은 추가의 일면에 있어서 상기한 바와 같은 여재의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 여재의 제조 방법은, 그 일례를 도 1에 간략히 나타낸 바와 같이, 통상의 제조 방법의 결합에 의해 제조할 수 있다. 이와 같은 다층 여재의 제조의 실시형태에 있어서, 멜트블로운층이 최종층으로 적용되고 여기에 단층 또는 2층 이상의 부직포 섬유웹 또는 여과지로 이루어진 외층 및(또는) 지지체층을 결합하는 제조 방법을 채용할 수 있다.
더욱 구체적으로, 본 발명에 따른 여재의 제조 방법은
a) 적어도 하나의 부직포와 멜트블로운을 권회롤로부터 각각 이송하는 단계,
b) 필요에 따라, 상기 부직포 또는 멜트블로운 층에 접착제(Hot-melt 또는 수용성 바인더)를 스프레이 방사하거나 도트형(Dot type) 도포하는 단계,
c) 접착제가 도포된 여재와 다른 여재를 텐션롤에 의해 라미네이션시키는 단 계,
d) 라미네이션된 여재를 섭씨 100-300 ℃의 휴징 오븐(Fusing oven), 벨트 프레스(Belt press), 카렌더(Calender) 또는 열풍(Hot air)에 의해 융착하는 단계, 및
e) 압착에 의해 접착된 여재를 권취하는 단계
를 포함한다.
이와 같은 방식으로 공기정화용 필터 여재를 제조할 경우, 기존 카렌다 퓨징오븐 또는 벨트프레스 등을 이용하여 결합할 경우 부직포 접착면에 저융점 섬유가 다량으로 사용되고 열처리 온도가 매우 높았으나 멜트블로운에서 저융점 수지가 극세 섬유 형태로 배열됨에 따라 낮은 온도에서 접착이 가능하며 부직포에 저융점 섬유의 사용이 최소될 수 있다. 또한 별도의 접착제의 사용이 불필요함에 따라 생산성 및 비용 절감 등의 효과가 있다.
상기 제조 방법에 있어서, 추가로 후단의 강도를 증대하기 위해 제조 공정의 어느 한 단계에서 지지체층을 상기 멜트블로운층의 후단에 접착시키는 것이 더욱 바람직할 수 있다
또한 상기의 방법에 있어서, 접착력을 높이기 위해 니들 펀칭법을 병행하는 경우에는
a) 적어도 하나의 부직포와 멜트블로운을 권회롤로부터 각각 이송하는 단계,
b) 상기 부직포 또는 멜트브로운 층을 적층한 후 다수의 니들(Needle)에 의해 웹을 결합하는 단계(니들 펀칭 부직포 결합법)
c) 라미네이션된 여재를 휴징 오븐(Fusing oven), 벨트 프레스(Belt press) 카렌더(Calender) 또는 열풍(Hot air) 으로 융착하는 단계, 및
d) 접착된 여재를 권취하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기정화용 여재를 제조하는 방법을 포함한다.
상기방법은 멜트블로운 섬유를 부직포 층과 결합하는 방법에서 니들 펀칭법을 사용할 때 필터효율에 치명적인 단점인 섬유의 파단을 후가공에서 결합후 카렌다, 퓨징오븐 또는 벨트프레스법을 병행하여 복원 가능하며, 저융점 멜트블로운이 용융되어 부직포 층과의 결합력이 증대된다. 또한 고융점 섬유가 포함되어 있으므로 섬유의 필름화에 따른 기공막힘 등이 최소화 되며 멜트블로운의 제조시 배합 비율에 따라 결합력 및 기공도를 조절할 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 여재를 핫멜트 방법에 의해 접착하는 경우에는
a) 부직포와 멜트블로운을 권회롤로부터 각각 이송하는 단계,
b) 상기 부직포 또는 멜트블로운 층에 접착제를 스프레이 방사하거나 도트형(Dot type) 도포하는 단계,
c) 접착제가 도포된 여재가 텐션롤에 의해 다른 여재와 라미네이션시키는 단계,
d) 라미네이션된 여재를 휴징 오븐(Fusing oven), 벨트 프레스(Belt press) 카렌더(Calender) 또는 열풍(Hot air) 으로 융착하는 단계 및
e) 접착된 여재를 권취하는 단계를 포함한다.
상기 제조 방식에 있어서, 상기 외층의 부직포가 다층 케미컬본드 부직포인 경우, 최종층으로서 적용되는 멜트블로운은 별도로 통상의 방법(예, 한국 특허 10-0438331 참조, 원료배합-압출-방사-웨브결합-권취의 순서)에 따라 제조한 후, 부직포의 원료를 배합하여 카딩한 다음 케미컬 본딩 공정(예, 케미컬 본드 섬유의 원료 혼합, 개섬, 혼섬, 카딩, 래핑, 함침, 건조, 와인딩의 순서)의 전단에 멜트블로운 웹을 투입하여 수지에 의한 결합법을 수행함으로써 여재를 제조하는 것이 더욱 바람직할 수 있다.
이와 같이 제조된 여재는 필요에 따라서, 추가로
f) 절곡기를 사용하여 해당 형상으로 절곡하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 추가의 단계는 후가공의 공정에 따라 상기 여재의 제조 방법에 선택적으로 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 여재는 절곡이 가능하다. 따라서, 절곡 공정은 상기와 같이 부직포 여재를 사용하고자 하는 형상에 적합하게 절곡하고, 해당 크기 별로 절단하며, 통상의 방식으로 소정의 온도에서 소정의 시간 동안 경화하는 순서로 이루어진다. 이때 사용하는 수지 및 공정에 따라서는 경화 과정을 생략할 수도 있다. 따라서, 본 발명은 추가의 일면에 있어서 상기 여재를 절곡시켜 제조된 것을 특징으로 하는 필터 엘리멘트를 제공한다. 상기 필터 엘리멘트는 별모양(Star-Type) 또는 평편 판넬형(Flat Panel Type)인 것일 수 있다.
상기와 같은 성형을 위하여 절곡기를 사용하는 공정에 있어서, 절곡기는 로터리, 미니프리트, 나이프 절곡기 등을 사용할 수 있으며, 그 중 나이프 절곡기를 사용하여 여재를 절곡하는 것이 유리할 수 있으며, 절곡된 형상을 고정하는 경화 온도는 기존 부직포의 경화 온도와 거의 비슷한 130 ~ 180 ℃ 범위에서 경화시킨다.
이와 같이 제조된 최종 여재는 포어 사이즈(pore size)가 10 ~ 150 ㎛이고, 전체 중량은 150 ~ 500 g/㎡ 이며, 총 두께는 1.0 내지 4 mm이고, 통기도는 30 ~ 150 cfm(125 Pa에서) 인 것이 바람직하다. 섬유의 직경은 0.5 ~ 40 ㎛ 섬유를 배합하여 사용하는 것이 바람직하다.
<실시예>
이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나 이들은 단지 예시적인 것이며, 본원 발명을 이들에 한정하고자 의도한 것은 아니다.
아래의 원료비를 이용하여 각 접착방법을 다르게 수행한 후 나온 여재에 대한 성능을 아래에 표기하였다. 시험 방법에 사용된 Dust는 AC fine을 사용했으며 시험유량은 25 ㎥/min, 여과 면적은 176.6 ㎠, 먼지투입량 0.5g/2min의 방법으로 종기압력손실 400 mmAq까지 측정하였다.
비교예 , 실시예 1, 2
다음의 표 1에 나타낸 바의 원료를 적절히 배합하여 다층 카딩-니들 펀칭-건조(캔, 열풍)-카렌더링-권취 방식으로 제조한 후 그 물성을 시험하고 아래에 나타내었다.
또한 멜트블로운 부직포의 경우 수지를 압출-방사-웨브결합-권취의 통상의 제조 방식에 따라 제조한 후 물성 및 필터 성능을 시험하고 그 저융점 수지비에 따른 효율의 비교 결과를 아래의 표 2 및 표 3에 나타냈다. 표 2는 열칼렌다 방식을 사용한 경우의 결과이고, 표 3의 결과는 니들펀치만 사용했을 때의 결과를 나타낸다.
원료의 구성비
비교예 실시예 1 실시예 2 중량(g/㎡)
부직포 1 VR(3D) 10% PET(2.5D) 30% Conj.(3D) 20% PET(6D) 40% VR(3D) 10% PET(2.5D) 30% Con.(3D) 20% PET(6D) 40% VR(3D) 10% PET(2.5D) 30% Conj.(3D) 20% PET(6D) 40% 100
부직포 2 LM(4D) 25% VR(3D) 15% PET(2.5D) 60% VR(3D) 40% PET(2.5D) 60% VR(3D) 40% PET(2.5D) 60% 100
멜트블로운 PBT(IV 0.8) 100% PBT(IV 0.8) 50% PET(IV 0.8) 50% PBT(IV 0.54) 10% PBT(IV 0.8) 50% PET(IV 0.8) 40% 50
위 약어중 VR은 비스코스레이온이고, LM은 Low Melting Fiber이며, PET는 폴리에틸렌테레프탈레이트 [Poly(Ethylene Terephthalate)] 이고, Conj.은 Conjugation Fiber이고, PBT는 폴리부틸렌테레프탈레이트 [Poly(Butylene Terephthalate)] 을 나타낸다.
열 카렌다를(150 ℃) 이용 접착한 경우
여재 종류 중량(g/㎡) 두께(mm) 초기효율 포집량(g) 접착강도(kgf)
비교예 1 260 2.93 99.12 34 0.94
실시예 1 260 2.90 99.55 36 0.95
실시예 2 260 2.90 99.62 36 0.92
위 결과를 살펴보면 비교예 1의 경우 실시예와 비교하여 포집량이 낮게 나온 이유는 2번째 층의 저융점 수지가 접착되면서 멜트블로운의 기공을 막는 현상에 기인한다. 또한 효율적인 측면에서 멜트블로운에 이성분을 적용한 본 발명 실시예가 높게 나왔다. 이는 용융점이 낮은 PET 성분이 용융되어 두 여재층를 접착시킬 뿐 만 아니라 섬유의 비틀림 및 꼬임 그리고 기공 크기를 작게 만든 현상에 기인한 것이다. 특히 실시예 2의 경우 최종층의 미세 섬유 함량을 높이기 위해 PBT(IV 0.54) 10%를 혼합한 결과 더 높은 효율이 나온 것을 알 수 있다. 접착강도를 측면에서 부직포층에 저융점 수지(LM(4D) 25%)를 적용한 비교예 1과 저융점 수지가 적용되지 않은 실시예 1, 2 모두 비슷한 접착강도를 나타내었다.
니들 펀칭만 사용했을 때 접착력 및 효율
여재 종류 중량(g/㎡) 두께(mm) 초기효율 포집량(g) 접착강도(kgf)
비교예 1 260 2.92 98.87 38 0.73
실시예 1 260 2.92 98.85 38 0.67
실시예 2 260 2.92 98.98 38 0.66
멜트블로운과 부직포 층을 니들 펀칭을 사용하여 접착한 경우 열융착 방법과 비교하여 접착강도 및 효율이 매우 낮았으며 포집량은 상대적으로 상승되었다. 이는 니들에 의해 섬유가 파단되어 구멍이 발생한 것에 기인한다.
한편, 아래의 표 4는 니들 펀칭 후 써멀본드를(핫프레스) 사용했을때 접착력 및 효율의 비교 결과를 나타낸다. 각 예의 1, 2층을 니들펀칭법으로 접착한 후 열 카렌다를(150 ℃) 이용 접착한 경우이다.
여재 종류 중량(g/㎡) 두께(mm) 초기효율 포집량(g) 접착강도(kgf)
비교예 1 260 2.90 99.10 36 1.18
실시예 1 260 2.87 99.61 36 1.7 이상(섬유파열)
실시예 2 260 2.87 99.68 38 1.7 이상(섬유파열)
니들 펀칭 후 열융착을 사용하였을때 위 두 경우와 비교하여 매우 우수한 결과를 나타내었다. 즉 접착 강도 뿐만 아니라 효율 및 수명이 증대된 것을 알 수 있다. 이는 접착시 니들 펀칭에 의해 결합시 각 부직포층의 섬유가 멜트블로운 층에 혼합되고, 열 융착시 멜트블로운 층의 저융점 수지가 고정화하여 접착력이 향상된 것이다. 또한 열융착법만 사용할 경우 융착력을 증대하기 위하여 융착 온도 또는 압력을 증대함에 따라 발생하는 기공막힘 현상을 최소화 할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 필터 여재는 멜트블로운 여재를 최종층에 사용할 때의 문제점인 강도 저하 및 섬유이탈 그리고 후가공성 뿐만아니라, 여재 제조 공정 중 수반되는 라미네이션 작업성 및 접착성 그리고 필터 효율이 향상된 여재로서, 기존 여재의 단점인 미세 입자의 포집효율 및 포집량의 기능성이 증대되어 자동차 또는 건물의 공조기 등의 여과 장치에서 다양하게 사용할 수 있다.

Claims (10)

  1. 밀도 구배를 갖는 둘 이상의 다층으로 이루어지고, 공기유입구측으로부터 밀도구배를 갖는 하나 이상의 부직포 섬유층과 유체의 출구측에 최종층으로서 멜트블로운 층을 포함하고, 상기 멜트블로운층은 용융 온도가 다른 이성분으로 이루어진 공기정화용 필터 여재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 멜트블로운의 중량은 10 ~300 g/㎡, 전체 여재의 중량은 150 ~ 500g/㎡인, 포어 사이즈(pore size)가 10 ~ 150 ㎛, 통기도는 30 ~150 cfm(125 Pa에서), 섬유의 직경은 0.5 ~ 40 ㎛, 그리고 두께가 1.0 ~ 4 mm인 것을 특징으로 하는 공기정화용 필터 여재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 멜트블로운은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 나일론, 폴리페닐렌설파이드, 폴리카아보네이트(PC), 폴리에스터 글리콜(PETG) 등과 같이 융점이 다른 두개 이상의 수지를 혼합하여 방사하거나 바이컴포넌트 형태로 방사하여 이형 융점 섬유로 구성한 것인 공기 정화용 필터 여재.
  4. 제1항에 있어서, 각 여재의 층은 써멀 본딩을 기본으로 접착하며 접착력을 향상시키기 위해 니들 펀칭, 케미컬 본딩, 핫멜트 스프레이, 핫멜트 점 도포법 중 1가지 이상의 방법을 병행하여 적층된 것인 필터 여재.
  5. 제1항에 있어서, 상기 멜트블로운은 고융점의 수지가 30~90중량%로 포함되는 것인 필터 여재.
  6. 제1항에 있어서, 추가로 후단에 지지체를 포함하는 것인 필터 여재.
  7. 제1항에 따른 여재를 절곡시켜 제조된 것을 특징으로 하는 필터 엘리멘트.
  8. a) 적어도 하나의 부직포와 멜트블로운을 권회롤로부터 각각 이송하는 단계,
    b) 필요에 따라, 상기 부직포 또는 멜트블로운 층에 접착제를 스프레이 방사하거나 도트형(Dot type) 도포하는 단계,
    c) 접착제가 도포된 여재와 다른 여재를 텐션롤에 의해 라미네이션시키는 단계,
    d) 라미네이션된 여재를 섭씨 100-300 ℃의 휴징 오븐(Fusing oven), 벨트 프레스(Belt press), 카렌더(Calender) 또는 열풍(Hot air)에 의해 융착하는 단계, 및
    e) 압착에 의해 접착된 여재를 권취하는 단계
    를 포함하는 공기 정화용 필터 여재를 제조하는 방법.
  9. a) 적어도 하나의 부직포와 멜트블로운을 권회롤로부터 각각 이송하는 단계,
    b) 상기 부직포 또는 멜트브로운 층을 적층한 후 다수의 니들(Needle)에 의해 웹을 결합하는 단계,
    c) 라미네이션된 여재를 휴징 오븐(Fusing oven), 벨트 프레스(Belt press) 카렌더(Calender) 또는 열풍(Hot air) 으로 융착하는 단계, 및
    d) 접착된 여재를 권취하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기정화용 여재를 제조하는 방법.
  10. a) 부직포와 멜트블로운을 권회롤로부터 각각 이송하는 단계,
    b) 상기 부직포 또는 멜트블로운 층에 접착제를 스프레이 방사하거나 도트형(Dot type) 도포하는 단계,
    c) 접착제가 도포된 여재가 텐션롤에 의해 다른 여재와 라미네이션시키는 단계,
    d) 라미네이션된 여재를 휴징 오븐(Fusing oven), 벨트 프레스(Belt press) 카렌더(Calender) 또는 열풍(Hot air) 으로 융착하는 단계 및
    e) 접착된 여재를 권취하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기정화용 필터 여재의 제조 방법.
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