KR20090102835A - 마이크로섬유로 분할된 필름의 필터용 펠트 및 이의 제조 방법 - Google Patents

마이크로섬유로 분할된 필름의 필터용 펠트 및 이의 제조 방법

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KR20090102835A
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nonwoven material
felt
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nonwoven
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마르셀로 카타네오 아도르노
조세 안토니오 데 알메이다 네토
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테아디트 인더스트리아 이 코메르시오 엘티디에이
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Abstract

본 발명은 망상 구조체를 형성하도록 분할되고 피브릴화되며, 이어서 교락되는, 불소중합체 필름으로부터 형성된 부직포 펠트에 관한 것이다.

Description

마이크로섬유로 분할된 필름의 필터용 펠트 및 이의 제조 방법{MICROFIBER SPLIT FILM FILTER FELT AND METHOD OF MAKING SAME}
관련 출원에 관한 상호 참조
본원은 2008년 1월 6일자에 출원된 미국 정규 출원 번호 제11/969,904호의 이익 및 우선권을 주장하고, 2007년 1월 9일자에 출원된 미국 가출원 제60/884,078호의 이익을 주장하며, 이들 둘 다는 그 전문이 참조로 본원에 인용되어 있다.
정부 지원된 연구 또는 개발과 관련한 성명
이용가능하지 않음
별첨에 대한 참조문헌
이용가능하지 않음
발명의 분야
본원에 개시되어 있고 교시되어 있는 본 발명은 일반적으로 펠트에 관한 것이고, 보다 상세하게는 고온 가스에 대한 필터 매체로서 사용되는 펠트에 관한 것이다.
합성 섬유 펠트의 제조를 위한 기술은 당해 분야에 널리 공지되어 있다. 펠트(즉, 섬유간 교락으로부터 응집성 및 강도를 유도하고 마찰력을 수반하는 부직포 비결합 섬유 구조체)는 직물(textile fabric)의 오래된 형태를 나타낸다. 펠트 재료는 산업 이용분야에서 통상적으로 사용되어 왔다. 펠트 재료는 우수한 치수 안정성을 갖고 있으며 이용분야에 요구되는 기계적, 화학적 및 열적 요건을 견디도록 광범위한 천연 또는 합성 섬유로 제조할 수 있다.
지난 20년 동안, 듀폰(Dupont)의 등록상표 테플론(TEFLON)™이라 종종 호칭되는, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로부터 섬유 및 사(yarn)를 제조하기 위해 다수의 기술이 개발되어 왔다. PTFE는 모든 수소가 불소로 치환되어 고도로 불활성인 재료를 유도하게 되는 과불소중합체이기 때문에, 광범위한 유용한 특성을 갖는다.
고온, 내약품성 및 내후성 물품, 예컨대 필터 매체, 베어링 천, 레이더 커버링 등에 대한 PTFE 섬유 및 사의 용도를 기술하는 다수의 특허가 존재한다.
산업 재료, 예컨대 여과 재료로서, 예를 들면, PTFE는 보통 많은 종래의 금속 및 중합체 재료를 분해하는 가혹한 화학 환경에서 뛰어난 유용성을 나타낸다. 입자 여과의 분야에서의 상당한 발전은 확장된(expanded) PTFE(ePTFE) 막 여과 매체를 통상적인 필터 부재 상에 표면 라미네이트로서 혼입할 때 달성된다. PTFE 섬유로 구성된 펠트는 우수한 내약품성 및 내열성 및 원하는 기계적 특성, 특히 낮은 마찰 계수를 보유한다. 사용된 재료의 유형의 선택은 전형적으로 필터 부재가 접촉하고 있는 유체 스트림, 시스템의 조작 조건 및 여과하고자 하는 미립자의 유형을 기초로 한다.
많은 여과 이용분야의 경우, 바람직한 여과 매체는 마이크로다공성 막(예를 들면, 확장된 PTFE 필름)에 라미네이트화되는 펠트(예를 들면, PTFE, 확장된 PTFE, 폴리프로필렌, 섬유 유리 등)의 복합재를 포함한다. 이러한 유형의 적합한 재료는 상업적으로 상표명 고어-텍스(GORE-TEX)™ 막 관상 필터 슬리브 하에 더블유.엘. 고어 앤드 어소시에이트[W.L. Gore and Associate]로부터 구입가능하다.
라우터바흐(Lauterbach)에 양도된 미국 특허 제2,893,105호 및 제2,910,763호는 섬유에 의해 부직포 펠트형 제품을 형성하는 것에 관한 것이다. 이러한 펠트 제품은 니들 펀치 방법에 의해 PTFE 및 다른 합성 또는 천연 스테이플 섬유로부터 제조한다.
라우터바흐 특허는 합성 필라멘트 재료에 의해 부직포 펠트형 제품을 형성하는 것을 개시하고 있다. 이는 필라멘트 재료, 신축성이 있고 합성 조성물로 된 그 재료의 적어도 우세한 부분을 복수의 중첩된 실질적 수평 평행 층들로서 느슨한 배트로 형성시키고(여기서, 필라멘트 재료는 기본적으로 각각의 층에 공면으로 놓임), 각 층으로부터의 필라멘트 재료의 일부를 서로 실질적인 평행관계로 강제 배향시키며 그리고 배트 전체에 걸쳐 분포된 경우에 따른 간격에서 하나 이상의 인접한 층으로 강제 배향시키고, 이어서 섬유를 융합하는 일없이 신축성 성분을 신축하기에 효과적인 처리에 노출시켜 배트를 압축함으로써 달성한다.
미국 특허 제2,933,154호는 가스 매질로부터 현탁된 입자를 여과하는 방법에 관한 것이다. 펠트 재료는 스테이플 섬유를 사용하여 니들 펀치 공정에 의해 수득한다. 모노필라멘트 및 모노필라멘트와 스테이플 섬유의 조합물을 또한 사용할 수 있다.
미국 특허 제4,361,619호 및 제4,840,838호는 가스 여과를 위한 펠트의 제조에 적합한 PTFE 및 유리 스테이플 섬유 블렌드의 필터를 개시하고 있다. 이러한 복합재 펠트는 소면 웹(carded web)을 형성시키고, 이것을 교차 중첩하여(crosslapped) 배트를 형성시키고, 이어서 그 배트를 니들링하여 펠트를 형성시킴으로써 얻어지는 니들링된 부직포 배트로 구성된다. 이러한 교차 중첩된 배트는 또한 직물 PTFE의 지지 스크림에 니들링되어 펠트 또는 펠트화 스크림을 형성할 수 있다. 미국 특허 제6,468,930호 및 제6,151,763호는 또한 섬유유리 및 PTFE의 스테이플 섬유로부터 제조된 펠트를 기재하고 있다.
미국 특허 제4,983,434호(Sassa)는 확장된 다공성 PTFE 막을 PTFE 펠트와 접합하여 박층(laminar)으로 이용하는 것을 개시하고 있으며, 여기서 펠트는 직물 스크림에 의해 강화된다. 이 수득된 라미네이트는 필터 백 어셈블리(유체 스트림으로부터의 고체의 여과에서 사용되는 필터)에서 유용하다. 사용된 다공성 막은 다수의 상이한 공지된 공정에 의해 제조하지만, 바람직하게는 미국 특허 제4,187,390호, 제4,110,392호, 및 제3,953,566호에 기재된 바대로 PTFE를 확장시켜 확장된 다공성 PTFE를 수득함으로써 제조한다. 펠트는 라우터바흐 미국 특허 제2,893,105호에 일반적으로 기재된 바대로 PTFE 스테이플 섬유를 니들 펀칭하여 제조하고, 본원에 사용된 펠트는 종종 니들 펀치 펠트라 칭한다. 직물 스크림 부재는 임의의 PTFE로 제조할 수 있지만, 바람직하게는 확장된 다공성 PTFE이다. 니들 펀치 절차는 결과적으로 느슨한 웹을 니들 펀치 펠트로 전환시키고 동시에 단일의 응집성 재료를 형성하기에 충분할 정도로 스크림과 스테이플 섬유를 밀접하게 접촉시키게 된다. 중합체 접착제, 예컨대 불화 에틸렌 프로필렌(FEP) 공중합체를 펠트 상에 코팅하고 ePTFE 막 재료의 층을 FEP 함유 측면에 라미네이트한다.
미국 특허 제5,620,669호(Sassa 등)는 오염물 예컨대 NOx을 유체 스트림으로부터 제거하기에 사용되는 촉매 필터 재료를 개시하고 있다. 이러한 필터는 촉매 입자가 충전되어 있는 확장된 PTFE의 복합재 섬유를 이용한다. 복합재 테이프는 회전 핀휠(pinwheel) 위로 가공하여 토우 사(tow yarn)를 형성한다. 일단 그 토우 사가 핀휠을 통해 통과하면, 미세 섬유의 "스파이더 웹(spider web)"이 형성되고 토우를 따라 불규칙한 지점에서 함께 연결된다. 일단 토우가 형성되면, 토우 사는 이어서 짧은 스테이플 섬유로 초핑한다. 복합재 섬유는 스테이플 섬유로 초핑하고, 그 스테이플 섬유는 스크림 백킹 재료로 니들 펀칭하여 펠트를 형성한다. 이어서, 펠트 재료는 보호 마이크로다공성 막으로 적어도 한쪽 측면 상에 라미네이트화한다.
미국 특허 제6,133,165호는 일축 신장된 PTFE 필름을 니들 블레이드 롤에 의해 신장된 방향으로 분할함으로써 망상 구조체를 갖는 분할 사(split yarn)를 제조하는 방법, 분할 사의 망상 구조체를 길이 방향으로 절단함으로써 브렌치(branch)를 갖는 PTFE 필라멘트를 제조하는 방법, 및 추가로 PTFE 분할 사 또는 PTFE 필라멘트를 소정 길이로 절단하고 이어서 산개시킴으로써 코튼형 PTFE 재료를 제조하는 방법을 기재하고 있다. 이러한 공정의 주요 특징은 PTFE 필름의 일축 신장된 물품을, 스테이플 섬유로 직접 인열시키는 일없이, 1회 분할한다는 것이다. 이러한 망상 구조체를 얻기 위해, 일축 신장된 PTFE 필름의 공급 속도와 니들 블레이드 롤의 회전 속도와의 관계, 및 니들 블레이드 롤의 니들의 배열 및 수는 적절히 선택되어야 한다.
미국 특허 제6,156,681호(Daikin)는 PTFE 스테이플 섬유의 웹을 펠트의 적어도 하나 이상의 표면 위에 배치시키고 이어서 PTFE 스테이플 섬유와 그 펠트를 형성하는 섬유를 수류 제트 니들링 및 또는 니들 펀칭을 통해 혼섬하여 접합함으로써 다층 펠트를 제조하는 방법에 관한 것이다. PTFE 스테이플 섬유는 일축 신장된 PTFE 필름을 고속 회전하는 니들 블레이드 롤에 의해 인열하고 산개시킴으로써 수득하고, 산개 직후, PTFE 스테이플 섬유는 접합하고자 하는 펠트 상에 축적하여 웹을 형성시키는 것이 바람직하다.
여과 이용분야의 경우 마이크로섬유에 의해 형성된 부직포 펠트를 사용하는 이점이 존재하지만, 스테이플 섬유를 산개시키고, 세정하고, 웹(교차 중첩되어 배트로 형성됨)으로 배향시키는 소면 공정(carding process)에서는, 넵(nep)(얽힌 섬유의 작은 이음마디(Knot))의 양 및 섬유 파단 때문에 미세 섬유 및 마이크로섬유를 웹으로 전환하는 것이 극도로 어렵다. 본 발명의 목적은 연결된 미세 섬유 및 마이크로섬유를 갖는 망상 구조체를 형성하도록 분할된 일축 연신 필름으로부터 유래된 불소중합체 재료의 웹을 포함하는 펠트를 수득하는데 있다. 배트(교차 중첩된 재료)는 분리된 (스테이플) 섬유로부터 제조되지 않고, 교차 방향으로 전개될 때, 필름이 망상형이 되도록 니들 블레이드 롤을 사용하여 신장된 방향으로 분할함으로써 가공되는 신장된 필름으로부터 제조된다. 본 발명의 또 다른 목적은 작은 세공 크기, 고표면적, 및 우수한 분포도를 갖는 펠트를 제조하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 파열 강도를 개선시키는 것이다. 또한, 본 발명의 또 다른 목적은 높은 필터 효율 및 낮은 생산 비용을 갖는 집진용 필터 펠트를 제공하는 것이다.
본원에 개시되어 있고 교시되어 있는 본 발명은 망상 구조체를 형성하도록 분할되고 피브릴화되며 이후 교락되는 불소중합체 필름으로부터 형성된 개선된 부직포 펠트에 관한 것이다.
발명의 개요
출원인은 부직포 재료로서, 망상 구조체를 형성하도록 길이 방향으로 분할되는 일축 신장된 피브릴화 필름으로부터 유래된 불소중합체 필름 재료의 웹을 포함하고, 그 재료는 절단하는 일없이 배트(batt)로 형성되고 이어서 교락되는 것인 부직포 재료를 개발하였다.
본 발명은 망상 구조체를 형성하도록 분할되는 일축 연신된 필름으로부터 유래된 불소중합체 재료의 웹을 포함하는 펠트형 재료이고, 그 재료는 니들 펀칭에 의해 또는 수류 교락(hydroentanglement)에 의해 교락된다. 이러한 새로운 제품은 불연속 짧은 스테이플 섬유 대신에 미세 섬유 및 마이크로섬유가 서로 연결된 분할 필름(split film)을 사용한다. 펠트는 직물, 편물, 또는 다축 스크림에 의해 또는 교차 방향의 또는 길이 방향의 필라멘트 또는 이들의 조합에 의해 강화될 수 있다. 또한, 막은 접착제 또는 다른 방법에 의해 펠트로 라미네이트할 수 있다. 총 직물 부피에 대해 직물에 함유된 공기 또는 공극의 부피비는 공극도로 정의된다. 공극은 개별 섬유 사이에 발생하는 작은 공간에 의해 형성된다. 공극도의 양, 크기, 및 분포도는 여과 효율에 영향을 미친다. 필터 공극도가 증가함에 따라, 압력 강하가 감소한다. 그러나, 공극이 더 큰 경우, 더 큰 크기의 입자가 통과하면서, 필터 효율은 감소한다. 마이크로섬유를 함유하는 부직포 펠트는 주목적이 더 미세한 입자를 분리하는 것인 경우에 필요하다; 펠트는 작은 크기 및 우수한 분포도의 공극을 가져야 한다.
공극 크기보다 더 작은 입자인 경우 일어날 수 있는 5가지의 별도의 메카니즘이 존재한다는 것은 널리 공지되어 있다. (1) 차단 - 입자가 입자 반경보다 작은 간격으로 공간에서 섬유 표면을 통과하려고 시도할 때, 그 입자는 단지 섬유와 충돌하고 중지되거나 억류될 수 있다. (2) 관성 침착 - 유동 속도는 연속 방정식 때문에 필터 공간을 통해 통과할 때 증가한다. 무거운 입자가 유동에 의해 운반될 때, 그 입자는 그 입자의 관성(질량 X 속도)으로 인해 유동 스트림 라인으로부터 빠져나온다. 이는 그 입자가 다른 섬유에 의해 포획되도록 유발할 수 있다. (3) 무작위 확산(브라운 운동) - 유동 입자의 불규칙 진동 및 운동으로서 기재될 수 있는 브라운 유형 운동으로 인해, 입자는 필터의 개공부를 통한 직선 통과를 시도하는 대신에 섬유 재료에 의해 포획되는 가능성을 증가시키는 지그재그 경로를 따르게 된다. (4) 중력 - 중력의 영향하에, 가라앉는 입자는 섬유와 충돌하고 포획될 수 있다. (5) 정전기적 침착 - 마이크로 이하의 입자는 기계적 방법의 조합을 이용하더라도 포획하기 어렵다. 섬유의 강한 전정기력은 입자를 끌어당기는 것으로 널리 공지되어 있다. 따라서, 섬유는 작은 또는 중간 크기의 입자를 끌어당기도록 영구적인 전기 전하가 제공될 수 있다. 하전된 섬유는 여과 효율을 증가시킨다.
본 발명의 개선은 더 미세한 여과를 달성하기에 필요한 마이크로섬유(1 데니어보다 적은 섬유)의 존재이다. 니들 블레이드 롤에 의한 필름의 분할 동안, 많은 마이크로섬유가 형성되고 망상 구조체에 고정되어 남게 된다. 이러한 마이크로섬유는 총 이용가능한 섬유 표면적 및 정전기 전하를 증가시키고 펠트의 공극도를 감소시키는데, 이는 결과적으로 개선된 집진 효율을 발생시킨다. 종래 소면 공정에서는, 섬유의 산개의 부족이 넵 계수 및 섬유 파단의 증가와 함께 웹 품질을 열화시키므로, 미세 섬유 및 마이크로섬유를 웹으로 전환시키는 것이 극도로 어렵다. 소면 기계는 와이어로 커버된 일련의 롤러를 통해 섬유를 기계적으로 가공하도록 설계되고, 그 목적은 섬유를 산개시키고 빗질하여 웹을 형성시키는 것이다. 소면 공정은 먼지(특히 천연 섬유를 가공할 때), 짧은 섬유, 및 넵을 제거하지만, 넵의 오직 일부만이 실제로 제거되고 대부분 산개된다. 유감스럽게도, 마이크로섬유를 여과 이용분야에 매력적이게 만드는 마이크로섬유의 특성은 또한 바로 가공의 어려움을 유발한다는 것이다. 미세한 직경은 섬유 유연성을 증가시키고 소면 공정에서 넵 형성 및 섬유 파단의 더 많은 가능성이 존재한다. 본 발명에서의 마이크로섬유는 기계 방향으로 교차 중첩되거나 또는 배열되는 분할 필름의 일부이고 교락은 니들 펀칭 또는 수류 교락에 의해 제공될 수 있다. 본 발명의 배트는 소면 또는 다른 종래 시스템에 의해 형성되지 않지만, 연결된 미세 섬유 및 마이크로섬유를 지닌 분할 필름에 의해 형성된다. 분할 필름은 배트를 형성하기 전에 횡방향을 따라 신장될 수 있다; 이어서, 분할 필름의 몇몇 층은 단일의 분할 필름을 교차 중첩시킴으로써, 또는 몇몇 필름을 평행으로 조합함으로써 또는 이들 양자를 조합함으로써 배트로 형성된다.
본 발명의 또 다른 개선은 니들 펀치 공정 동안 파열되지 않는 평행 필라멘트에 의해 수득될 수 있는 파열 강도의 유의적인 증가이다. 이러한 연속 필라멘트는 강화재로서 작용할 수 있고 결과적으로 종래의 펠트와 비교할 때 재료의 강도 및 안정성을 개선시킬 수 있다. 펠트 면에 직교하는 압력의 인가는 펠트 면에 직교하는 2축 인장력을 발생시킬 수 있다. 압력의 결과로서 발생하는 탄성 및 인장의 모듈러스는 압력하에 펠트의 전체 확장 및 형상에 영향을 미칠 수 있다. 공기가 펠트를 통해 통과할 때, 압력은 그 펠트를 신장시킬 수 있다. 펠트가 충분하게 강하지 않은 경우, 산개 영역(open area)이 발생할 수 있고 커버 팩터(cover factor)가 감소할 수 있는데, 이는 그 펠트의 공극도 및 투과도를 증가시킬 수 있다. 또한, PTFE 섬유는 점탄성이고 하중하에 크리프될 수 있다. 펠트의 공기 투과는 연속적인 힘의 인가 때문에 시간에 따라 증가할 수 있다. 따라서, 펠트 모듈러스는 펠트가 형상으로부터 벗어나지 않도록, 왜곡되지 않도록, 산개되지 않도록 또는 펠트가 과다한 양의 가스를 누출시키거나 효과적인 필터가 되지 못하는 지점까지 산개되지 않도록 충분히 높은 것이 중요하다.
본 발명의 또 다른 이점은 펠트를 더 가벼운 스크림을 사용하여 제조할 수 있어서, 펠트의 전체 중량을 감소시키고 여과 효율을 증가시킨다. 본 발명의 다른 개선은 다른 종래 공정과 비교하여 비용 감소 및 단순화된 제조 공정이다.
도면의 간단한 설명
도 1은 분할 전에 및 후에 분할 필름의 도시적인 도면이다.
도 2는 연결된 미세 섬유 및 마이크로섬유를 갖는 횡방향으로 신장된 분할 필름의 도시적인 도면이다.
도 3은 필름을 분할시키는 피브릴화 시스템의 도식적인 도면이다.
도 4는 분할 필름을 횡방향으로 신장시키는 곡선 막대의 도식적인 도면이다.
도 5는 분할 필름을 본 발명의 횡방향에서 콘베이어 벨트에 전달하는 크로스랩퍼(crosslapper)의 도식적인 도면이다.
도 6은 분할 필름을 본 발명의 콘베이어 벨트 상에 길이 방향으로 직접 전달하는 메카니즘의 도식적인 도면이다.
도 7은 몇몇 분할 필름의 조합을 본 발명의 콘베이어 벨트 상에 길이 방향으로 직접 전달하는 메카니즘의 도식적인 도면이다.
발명의 상세한 설명
상기 기재된 도면 및 하기 특정한 구조 및 기능의 기재된 설명은 출원인이 고안하고자 하는 발명의 영역 또는 첨부된 청구 범위의 영역을 제한하는 것으로 제시되어 있지 않다. 오히려, 도면 및 기재된 설명은 당해 분야의 임의의 당업자가 특허 보호하고자 하는 본 발명을 구성하고 이용하도록 교시하기 위해서 제공된 것이다. 당해 분야의 숙련된 당업자라면, 본 발명의 상업용 실시양태의 특징은 명백한 이해를 위하여 모두 기재되거나 또는 도시되어 있지 않다는 점을 이해할 것이다. 당해 분야의 숙련된 당업자라면, 또한 본 발명의 양태를 구체화하는 실제적인 상업용 실시양태의 개발은 상업용 실시양태에 대한 개발자의 최종 목표를 달성하기에 위해 다수의 실행-특이적 결정을 필요로 한다는 것을 이해할 것이다. 이러한 실행-특이적 결정은 특정한 실행, 위치 및 시간마다 변할 수 있는 시스템-관련 제한, 사업-관련 제한, 정부-관련 제한 및 다른 제약에 대한 유연성을 포함할 수 있고 그러한 유연성에 제한되지 않을 것이다. 개발자의 노력이 절대적인 인식에서 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만, 그럼에도 불구하고 이러한 노력은 본 발명의 개시내용의 이점을 갖는 당해 분야의 숙련된 당업자를 위한 일상적인 업무이다. 본원에 개시되어 있고 교시되어 있는 본 발명은 수많은 다양한 변형 및 변경 형태에 영향을 받는 것으로 이해되어야 한다. 마지막으로, 단수 용어, 예컨대 "부정관사"(그러나, 이에 국한되지 않음)의 사용은 항목의 수를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 또한, 관련 용어, 예컨대, "상부", "하부", "좌측", "우측", "상위", "하위", "아래", "위", "측면" 등(그러나, 이들에 국한되지 않음)의 사용은 도면을 구체적으로 참조하여 석명성을 위한 기재된 설명에서 사용되며 본 발명의 영역 또는 첨부된 청구 범위의 영역을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
본 발명은 니들 펀칭에 의해 또는 수류 교락에 의해 교락되는 망상 구조체를 형성하도록 분할된, 일축 연신된 필름으로부터 유래된 불소중합체 재료의 웹을 포함하는 부직포 펠트형 재료이다. 확장된 PTFE 테이프는 다음의 방식으로 형성된다: 미세한 분말 PTFE 수지는 배합물이 형성될 때까지 각각 17% 내지 29%의 윤활제(lubricant) 및 83% 내지 71%의 PTFE 범위의 비율로 액체 윤활제와 혼합한다. 이러한 혼합물에는, 다른 성분, 예컨대 충전제, 안료 또는 다른 유기 또는 무기 성분을 또한 첨가할 수 있다. 후속적인 단계에서, 그 배합물은 빌렛(billet)을 형성하는 예비성형 기계에서 압축한다. 이어서, 이러한 빌렛은 압출 기계에서 넣고, 여기서 그 재료를 다이로 밀어 넣어 응집성 압출물을 형성한다. 이러한 공정으로 인하여 PTFE 입자를 피브릴(fibril)로 정렬시킬 수 있다. 약 10:1 내지 1000:1의 감소비를 사용할 수 있고, 대부분의 이용분야의 경우에, 25:1 내지 200:1의 감소비가 바람직하다. 이어서, 그 압출물은 55 내지 1500 ㎛ 범위의 두께를 갖는 테이프를 형성하기 위해 캘린더 롤을 통해 압축한다. 이어서, 캘린더 가공으로부터 수득된 테이프는 건조 오븐을 통해 통과시켜 액체 윤활제를 제거한다. 테이프는 하나 이상의 방향에서 이의 원래 길이의 약 1.1 내지 200 배로 신장시키는데, 약 2 내지 160 배가 바람직하다. 그 신장 공정은 건조 테이프를 100 내지 450℃의 온도에서 두 풀링 롤러 유닛 사이의 텐셔닝 롤러를 통해 통과시킴으로써 수행한다. 신장 공정은 가열하에 있는 1단계, 2단계 또는 그 이상의 단계에서 오븐, 열풍, 스트림 또는 고비점 액체 가열된 판 또는 가열된 실린더일 수 있는 가열 부재에 의해 수행할 수 있다. 일축 신장된 필름의 두께는 1 내지 100 ㎛, 바람직하게는 5 내지 40 ㎛이다. 신장 후에, 얇은 필름을 권취기에서 권취시킬 수 있다.
PTFE 필름(1)은 섬유의 망상체(3)가 형성되도록 1개 이상의 니들 블레이드 롤에 의해 이의 길이를 따라 기계적으로 분할시키는데, 이러한 섬유는 도 1 및 2에서 볼 수 있는 것과 같이 불규칙한 지점에서 서로 연결된다. 도 2에 도시된 바대로, 분할 필름(2)은 마이크로섬유(4)가 많이 매달려 있는 섬유(5)를 갖는다. 피브릴화 시스템은 필름을 물고 있는 2쌍의 실린더 사이에 위치한 1개 이상의 니들 블레이드 롤로 구성된다. 하나의 롤 피브릴화 시스템에 전형적인 구성은 도 3에 도시되어 있다. 닙 실린더(7) 속도는 1 내지 200 m/min이고, 니들 블레이드 롤(6) 속도는 2 내지 10000 m/min이다.
다음에, 종래 기술에서는 피브릴화 PTFE 필름이 교차 중첩 또는 다른 방법에 의해 후속적으로 소면되고 배트로 형성되는 짧은 스테이플 섬유를 형성하도록 소정 길이로 절단되지만, 본 발명에서는 분할 필름이 그 필름을 불연속 섬유로 절단하는 일없이 배트를 형성하도록 사용된다.
필름은 이의 외관이 어망 또는 스파이더 웹(도 4)과 유사하도록 이의 원래 너비의 1.1 내지 10 배 이하의 비로 교차 방향으로 신장된다; 이러한 단계는 면적당 중량을 감소시키고 결과적으로 최종 배트 중량에 도달하는데 필요한 층의 수를 증가시키면서 횡방향으로 웹을 점차적으로 산개시키는 커브 막대(8)를 사용하여 수행할 수 있다; 다층 필름의 형성은 또한 부직포 재료의 평활도를 개선시킨다. 커브 막대 대신에, 나사를 갖는 실린더 또는 웹을 점차적으로 산개시키는 임의의 다른 적합한 방법을 또한 사용할 수 있다. 이어서, 망상 필름의 몇몇 층은 배트를 형성하도록 조합된다. 이는 하나 이상의 필름이 도 5에 도시된 바대로 횡방향으로 위치하거나 하나의 분할 필름(도 6)과 나란히 위치하도록 그 하나 이상의 필름을 콘베이어 벨트(10) 위에 교차 중첩함으로써, 또는 또한 도 7에 도시된 바와 같이 콘베이어 벨트(10) 위에 길이 방향으로 몇몇 필름(9)을 직접 조합함으로써 수행할 수 있다. 조합하고자 하는 층의 수는 최종 부직포 재료에서 원하는 두께 및 중량을 달성하도록 존재해야 한다.
이어서, 배트는 스크림 백킹 재료로 니들 펀칭하여 부직포 재료를 형성한다. 스크림은 교차 또는 길이 방향의 일축 필라멘트에 의해, 또는 편물, 다축 스크림에 의해, 또는 이들의 일부 조합에 의해 대체할 수 있다. 강화 재료는 바람직하게는 PTFE이지만, FEP, 폴리옥시메틸렌(PFA), 에틸렌 테트라플루오로에틸렌(ETFE), 공중합체, 폴리에스테르(PES), 폴리비닐 알코올(PVA), 유리 섬유, 탄소 섬유 또는 다른 종류의 섬유와 같은 다른 것을 사용할 수 있다. 제2 배트는 스크림의 다른 측면 상에 형성할 수 있고 다시 니들 펀칭할 수 있다. 펠트는 분할 필름을 스크림에 충분히 연동시키기 위해서 수회 니들 펀칭하거나 또는 수류 젯트(수류 교락)로 혼섬해야 한다. 이어서, 이러한 생성물은 열 안정성을 개선시키기 위해 수분 동안 교차 기계 방향으로 제한하면서 열 고정될 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 최종 부직포는 바람직하게는 대략 50 내지 3000 g/m2의 중량을 갖는다. 또한, 확장된 PTFE 막은 접착제에 의해 펠트와 접합되어 라미네이트될 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 본 발명의 펠트는 626 g/m2의 중량, 1.1 mm의 두께, 510 lb/inch2의 파열 강도 및 26 cfm/ft2의 공기 투과를 보여준다.
실시예 1
본 발명의 펠트의 하나의 실시양태는 다음의 방식으로 제조하였다: 미세한 분말 PTFE 수지를 각각 22%의 윤활제 및 78%의 PTFE의 범위의 비율로 압축 조제인 액체 윤활제와 혼합하였다. 다음의 단계에서, 그 재료를 압축하고, 빌렛을 형성하고 램-타입 압출기에서 압출하여 압출된 예비성형품을 얻었다.
후속적으로, 압출된 예비성형품을, 두께 100 ㎛의 테이프를 형성하기 위해 캘린더 롤러를 통해 통과시키고, 이어서 액체 윤활제는 그 테이프를 220℃의 온도에서 오븐을 통해 통과시킴으로써 휘발하여 제거하였다. 건조 테이프를 6:1의 신장 비 및 350℃의 온도로 조작되는 텐셔닝 롤러를 통해 통과시킴으로써, 건조 테이프를 이의 원래 길이의 6 배로 종축 방향으로 일축 신장시켰다. 33 ㎛의 두께 및 2.0g/cm3의 밀도의 얇은 필름이 형성되었다. 다음 단계에서는, 필름을 망상을 생성하는 니들 블레이드 롤에 의해 분할시켰다. 망상을 곡선 막대에 걸쳐 통과시켜 원래 길이를 증가시키면서 교차 방향으로 추가로 신장시키고 이어서 크로스랩퍼에 의해 콘베이어 벨트 위에 올려놓아, PTFE 직물 스크림에 걸쳐 망상 구조체의 배트를 형성하였다. 이러한 재료는 니들 펀칭에 의해 가공하여 390 g/m2의 중량의 펠트를 얻고, 이를 롤 상에 권취시켰다. 이어서, 그 펠트를 뒤집어 니들 기계를 통해 다시 통과시켰다. 그 펠트의 후면 위에 망상 구조체의 또 다른 배트를 올려놓고 니들 펀칭에 의해 다시 혼섬하였다. 최종 니들 펀치 펠트는 45 cfm/ft2의 공기 투과도 및 620 g/m2의 중량을 보여주었다.
그 펠트 위에 불화탄소계 계면활성제를 코팅하고 오븐에서 열 경화시켰다. 이어서, 그 재료를 220℃에서 가열된 한쌍의 평활한 캘린더 롤을 통해 통과시킴으로써 치밀화시켰다. 롤 사이의 간격을 조정하여 1 mm의 최종 두께를 얻었다. 최종 라미네이트는 626 g/m2의 중량, 1.1 mm의 두께, 26 cfm/ft2의 공기 투과도 및 510 lb/inch2의 파열 강도를 보유하였다.
실시예 2
본 발명의 펠트의 하나의 실시양태는 상이한 테이프의 사용을 제외하고 실시예 1과 유사한 방식으로 제조하였다. 실시예 2에서 사용된 테이프는 1.1 g/cm3의 밀도를 보유하였다. 실시예 1에서와 동일한 압출물을, 1000 ㎛의 두께의 테이프를 형성하기 위해 캘린더 롤러를 통해 통과시키고, 이어서 액체 윤활제는 그 테이프를 220℃의 온도에서 오븐을 통해 통과시킴으로써 휘발하여 제거하였다. 건조 테이프를 이의 원래 길의의 150 배로 종축 방향으로 일축 신장시켜, 32 ㎛의 두께 및 1.1 g/cm3의 밀도의 얇은 필름을 형성하였다. 다음 단계에서는, 필름을 망상을 형성하는 니들 블레이드 롤에 의해 분할하였다. 망상은 곡선 막대 위로 통과시켜 원래 길이의 10 배로 교차 방향으로 추가로 신장시키고, 이어서 크로스랩퍼에 의해 콘베이어 벨트 위에 올려놓아, PTFE 직물 스크림에 걸쳐 망상 구조체의 배트를 형성하였다. 이러한 재료는 니들 펀칭에 의해 가공하여 385 g/m2의 중량의 펠트를 얻고, 이를 롤 상에 권취시켰다. 이어서, 그 펠트를 뒤집어 니들 기계를 통해 다시 통과시켰다. 그 펠트의 후면 위에 망상 구조체의 또 다른 배트를 올려놓고 니들 펀칭에 의해 다시 혼섬하였다. 최종 니들 펀치 펠트는 40 cfm/ft2의 공기 투과도 및 635 g/m2의 높이를 나타내었다.
그 펠트 위에 불화탄소계 계면활성제를 코팅하고 오븐에서 열 경화시켰다. 이어서, 그 재료를 220℃에서 가열된 한쌍의 평활한 캘린더 롤을 통해 통과시킴으로써 치밀화시켰다. 롤 사이의 간격을 조정하여 1.0 mm의 최종 두께를 얻었다. 최종 라미네이트는 639 g/m2의 높이, 21 cfm/ft2의 공기 투과도 및 580 lb/inch2의 파열 강도를 보유하였다.
상기 기재된 본 발명의 하나 이상의 양태를 이용하는 기타 실시양태 및 추가의 실시양태는 출원인의 발명의 사상을 벗어남이 없이 고안할 수 있다. 추가로, 본 발명의 다양한 방법 및 실시양태는 개시된 방법 및 실시양태의 변형을 형성하도록 서로 조합되어 포함될 수 있다. 단일의 구성요소에 대한 토의는 복수의 구성요소를 포함할 수 있고, 그 반대일 수 있다.
단계들의 순서는 달리 특별히 제한되지 않는 한 다양한 순서로 발생할 수 있다. 본원에 기재된 다양한 단계는 다른 단계와 조합되고/되거나, 정해진 단계가 삽입되고/되거나, 다단계로 나눠질 수 있다. 유사하게, 구성요소는 기능적으로 기재되어 있고 별도의 성분으로서 구현될 수 있거나 또는 다기능을 갖는 성분으로 조합될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시양태 및 기타 실시양태의 문맥에서 기재되어 있고 본 발명의 모든 실시양태가 기재되어 있는 것은 아니다. 기재된 실시양태에 대한 확실한 변형 및 변경은 당해 분야의 숙련된 당업자라면 이용가능하다. 개시된 실시양태 및 개시되지 않은 실시양태는 출원인에 의해 고안된 본 발명의 영역 또는 이용가능성을 제한하거나 한정하지 않는 것으로 의도되고, 그리나 오히려, 특허법에 부합하여, 출원인은 하기 청구의 범위의 등가물의 영역 또는 범위 내에 있는 모든 이러한 변형 및 개선을 충분히 보호하는 것으로 의도된다.

Claims (22)

  1. 부직포 재료로서,
    망상 구조체를 형성하도록 길이 방향으로 분할된 일축 신장된 피브릴화 필름으로부터의 불소중합체 필름 재료의 웹
    을 포함하고, 그 재료는 절단하는 일없이 배트(batt)로 형성되고 그 재료는 교락되는 것인 부직포 재료.
  2. 제1항에 있어서, 피브릴화 필름은 기계적으로 분할되는 것인 부직포 재료.
  3. 제1항에 있어서, 직물 스크림(woven scrim)을 추가로 포함하는 부직포 재료.
  4. 제3항에 있어서, 직물 스크림은 그 스크림과의 펠트의 니들 펀치 혼섬(needle punch intermingling)에 의해 펠트에 부착되는 것인 부직포 재료.
  5. 제4항에 있어서, 스크림의 다른 측면에는 제2 배트가 부착되고 다시 니들 펀칭되는 것인 부직포 재료.
  6. 제3항에 있어서, 부직포 재료에 대해 횡방향으로 필라멘트를 추가로 포함하는 부직포 재료.
  7. 제3항에 있어서, 부직포 재료에 대해 길이 방향으로 필라멘트를 추가로 포함하는 부직포 재료.
  8. 제3항에 있어서, 편물 재료를 추가로 포함하는 부직포 재료.
  9. 제3항에 있어서, 다축 직물 재료를 추가로 포함하는 부직포 재료.
  10. 제3항에 있어서, 부직포 재료에 대해 횡방향으로 필라멘트 및 부직포 재료에 대해 길이 방향으로 필라멘트를 추가로 포함하는 부직포 재료.
  11. 제1항에 있어서, 피브릴화 필름은 부직포 재료에 대해 횡방향으로 놓여 있는 것인 부직포 재료.
  12. 제1항에 있어서, 피브릴화 필름은 부직포 재료에 대해 길이 방향으로 놓여 있는 것인 부직포 재료.
  13. 제1항에 있어서, 피브릴화 필름은 폴리테트라플루오로에틸렌, 불화 에틸렌 프로필렌, 폴리옥시메틸렌, 에틸렌 테트라플루오로에틸렌 또는 또 다른 불소중합체를 포함하는 것인 부직포 재료.
  14. 제3항에 있어서, 강화재는 폴리테트라플루오로에틸렌, 불화 에틸렌 프로필렌, 폴리옥시메틸렌, 폴리에스테르, 폴리비닐 알코올, 유리 섬유, 또는 탄소 섬유를 포함하는 것인 부직포 재료.
  15. 제1항에 있어서, 분할 필름 층은 니들 펀치 혼섬에 의해 접합되는 것인 부직포 재료.
  16. 제1항에 있어서, 분할 필름 층은 수류 교락(hydroentanglement)에 의해 접합되는 것인 부직포 재료.
  17. 제1항에 있어서, 폴리테트라플루오로에틸렌 필름은 접착제에 의해 펠트에 부착되는 것인 부직포 재료.
  18. 제17항에 있어서, 접착제는 불화 중합체인 것인 부직포 재료.
  19. 제1항에 있어서, 부직포 재료는 필터 백 형태인 것인 부직포 재료.
  20. 마이크로섬유로 분할된 필름으로부터 부직포 재료를 제조하는 방법으로서,
    (a) 필름을 형성하는 단계;
    (b) 필름을 분할하여 섬유 망상체를 형성하는 단계;
    (c) 필름을 섬유 망상체로 절단하는 일없이 필름으로부터 배트를 형성하는 단계; 및
    (d) 배트를 교락시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  21. 제20항에 있어서, 단계(a)는
    (1) 폴리테트라플루오로에틸렌 수지 및 액체 윤활제를 혼합하여 배합물을 형성하는 단계;
    (2) 배합물을 압축하여 빌렛(billet)을 형성하는 단계;
    (3) 빌렛을 다이로 밀어 넣어 압출물을 형성하는 단계;
    (4) 압출물을 압축하여 테이프를 형성하는 단계;
    (5) 테이프를 건조시켜 액체 윤활제(lubricant)를 제거하는 단계;
    (6) 테이프를 신장시켜 필름을 형성하는 단계; 및
    (7) 필름을 권취시키는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
  22. 제20항에 있어서, 단계(d)는
    (1) 필름을 분할 필름과 관련하여 교차 방향으로 신장시켜 망상 필름을 형성하는 단계;
    (2) 망상 필름의 몇몇 층을 조합하여 배트를 형성하는 단계;
    (3) 배트를 스크림 백킹 재료로 니들 펀칭하는 단계;
    (4) 망상 필름의 몇몇 층을 조합하여 제2 배트를 형성하는 단계;
    (5) 제2 배트를 스크림 백킹 재료의 다른 측면 상에서 다시 니들 펀칭하는 단계; 및
    (6) 분할 필름과 스크림 백킹 재료를 연동(interlocking)하는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
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