KR20130020661A - 나노섬유 매트릭스를 포함하는 팽창된 복합 필터 매체 및 방법 - Google Patents
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Abstract
복합 필터 매체는 미세 섬유를 운반하는 팽창된 기재 매체를 포함하며, 여기서, 미세 섬유는 팽창형 기재 매체와 함께 연장되며, 이에 의해, 분진 포집 능력이 향상되고 압력 강하 증가를 늦춘다.
Description
본 발명은 일반적으로 필터 매체 및 특히 팽창된 기재 및 그 위에 운반되는 미세 섬유를 포함하는 복합 필터 매체, 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
액체 흐름 또는 기체 흐름(예컨대, 공기 흐름)과 같은 유체 스트림은 종종 유체 스트림에 혼입된(entrained) 원치않는 오염물질인 미립자를 운반한다. 필터는 통상 유체 스트림으로부터 미립자의 일부 또는 모두를 제거하기 위해 사용된다.
정전 방사(electrostatic spinning) 공정을 사용하여 형성된 미세 섬유를 포함하는 필터 매체도 또한 알려져 있다. 이러한 종래 기술은 미국 특허 제5,672,399호(발명의 명칭: Filter Material Construction and Method); 미국 특허 출원 공개 제2007/0163217호(발명의 명칭: Cellulosic/Polyamide Composite); 미국 가특허 출원 제60/989,218호(발명의 명칭: Filtration Medias, Fine Fibers Under 100 Nanometers, And Methods); 미국 가특허 출원 제61/047,459호(발명의 명칭: Integrated Nanofiber Filter Media); 및 미국 가특허 출원 제61,047,455호(발명의 명칭: Filter Media Having Bi-Component Nanofiber Layer)를 포함하며, 그들 전체 개시내용은 본 명세서에 참고로 포함된다. 이들 참고문헌에 나타나 있는 바와 같이, 나노섬유는 통상 완성된 예비형성(preformed) 필터 매체 기재 상에 적층된다.
본 발명은 미세 섬유를 포함하는 필터 매체에서의 개선을 제공한다. 본 발명의 상기 종래 기술들의 이점 및 다른 이점뿐 아니라 추가의 발명의 특징은 본 명세서에 제공된 본 발명의 설명으로부터 명백할 것이다.
발명의 요약
기재 매체 상에 적층되는 미세 섬유, 예컨대, 그리고 가장 바람직하게는 특정 실시형태에 따른 전기방사 나노섬유는 적층 후에, 기재 매체를 변경시킴으로써, 예컨대 미세 섬유가 배치된 후에 그 기재 매체의 두께를 변경시킴으로써 재배향시킬 수 있다. 예를 들어, 적어도 부분적으로 압축된 기재 매체(예컨대, 캘린더링된(calendared) 매체)를 팽창시킬 수 있으며, 여기서, 더 큰 섬유는 그들과 함께 더 작은 섬유를 운반하여, 이에 따라 미세 섬유층도 또한 팽창된다. 결과적으로, 몇몇 이점, 예컨대 나노섬유의 더 큰 체적 커버리지(coverage)(동일한 평량(basis weight) 적용에 대하여 더 많은 체적 커버리지 - 팽창이 개시되고 나노섬유를 3차원 매트릭스로 팽창시킬 수 있음에 따라); 팽창으로 인해 감소된 압력 강하; 및/또는 그것이 로드(load)될 때의 더 느린 압력 강하 증가를 비롯한 몇몇 이점이 이로부터 생길 수 있다. 추가로, 나노섬유 또는 다른 이러한 미세 섬유층의 파상(undulating)의 3차원 특징은 그것이 종래 시스템의 경우에서와 같은 단지 평평한 것과는 대조적으로, 훨씬 더 큰 체적의 포집 면적을 갖는 파상 표면을 효과적으로 생성하는 것으로 여겨지기 때문에 분진 포집 용량(dust holding capacity)을 크게 증가시키며 - 이에 따라, 나노섬유층의 유효한 체적 면적이 증가될 수 있다.
일 실시형태에서, 기재는 고융점 성분 및 저융점 성분을 포함하는 2-성분 스크림(scrim)이다. 미세 섬유는 전기방사 중합체 나노섬유이다. 고융점 성분 및 전기방사 중합체 나노섬유는 저융점 성분보다 더 높은 용융 온도를 갖는다. 2-성분 스크림은 팽창되지 않은 상태 및 팽창된 상태를 가지며, 여기서, 팽창된 2-성분 스크림은 팽창되지 않은 상태보다 더 큰 두께를 갖는다. 예를 들어, 팽창되지 않은 상태의 스크림을 사전형성시키고, 캘린더링시켜, 이에 의해 또는 다르게는 적어도 부분적으로 압축시킬 수 있으며, 여기서, 섬유는 접착되고 이에 의해 서로 고정됨으로써 편향된 상태로 적소에 고정된다(큰 섬유 대 섬유 접착은 이들 큰 섬유를 적소에 고정시킴). 일 실시형태에서, 미세 섬유를 운반하는 팽창되지 않은 2-성분 스크림은 가열에 의해 팽창되며, 여기서, 저융점 성분은 용융되거나 연화되고, 미세 섬유와 접착된다. 이러한 가열 동안, 기재의 더 큰 섬유가 또한 적어도 부분적으로 압축된 상태로부터 벗어나며, 사방에서 슬라이딩되고 더 천연의 상태를 향하여 - 예컨대, 적어도 부분적으로 압축되지 않고 팽창된 상태를 향하여(예컨대, 제1 장소에서 스크림의 형성 전에 발생되는 압축되지 않은 상태를 향하여) 다시 이동하게 한다. 가열 동안 그와 함께 훨씬 더 작은 미세 섬유를 운반하는 2-성분 스크림의 더 큰 섬유가 이완되고 재배향되며, 여기서, 미세 섬유는 팽창하는 2-성분 스크림과 함께 연장(extend)된다. 제조된 복합 필터 매체는 파상 표면 및 팽창된 두께를 가져, 미세 섬유가 단지 통상의 나노섬유 적층 기법의 경우와 같이 평면 특징을 갖지 않고 3차원 매트릭스를 갖게 야기한다. 팽창된 필터 매체는 향상된 분진 포집 용량, 분진의 로드시 더 느린 압력 강하 증가 및/또는 더 낮은 초기 압력 강하를 갖는다.
일 태양에서, 본 발명은 필터 매체의 제조 방법을 제공한다. 상기 방법은 평균 직경이 1 미크론 미만인 미세 섬유를 제1 두께로 갖는 기재의 표면 상에 배치하는 단계 및 그와 함께 미세 섬유를 운반하는 기재를 제1 두께보다 더 큰 제2 두께로 팽창시키는 단계를 포함한다.
다른 태양에서, 본 발명은 평균 섬유 직경이 1 미크론 미만인 미세 섬유를 운반하는 평균 섬유 직경이 1 미크론 초과인 제1 섬유의 기재를 포함하는 필터 매체를 제공한다. 기재는 파상 표면을 가지며, 여기서, 미세 섬유는 파상 표면의 제1 섬유와 함께 3차원 매트릭스로 통합된다.
본 발명의 다른 특징, 목적 및 이점은 첨부된 도면과 함께 취하는 경우 하기의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
상세한 설명에 포함되고 그의 일부를 형성하는 첨부된 도면은 본 발명의 몇몇 태양을 예시하며, 상세한 설명과 함께, 본 발명의 원리를 설명하는데 이용할 수 있다. 도면에서:
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 기재 매체에 의해 운반되는 미세 섬유를 포함하는 파상 표면을 갖는 팽창된 복합 필터 매체의 개략 단면도;
도 2는 일반적으로 평평한 표면을 갖는 그의 팽창되지 않은 상태의 도 1의 복합 필터 매체의 개략 단면도;
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 기재 매체의 동심의 쉬쓰/코어(sheath/core)형 2-성분 섬유의 개략도;
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 기재 매체의 편심의 쉬쓰/코어형 2-성분 섬유의 개략도;
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 기재 매체의 사이드-바이-사이드(side-by-side)형 2-성분 섬유의 개략도;
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 기재 매체의 파이 웨지(pie wedge)형 2-성분 섬유의 개략도;
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 기재 매체의 중공 파이 웨지(hollow pie wedge)형 2-성분 섬유의 개략도;
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 기재 매체의 해도(islands/sea)형 2-성분 섬유의 개략도;
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 기재 매체의 3엽(trilobal)형 2-성분 섬유의 개략도;
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 기재 매체의 팁(tipped)형 2-성분 섬유의 개략도;
도 11은 본 발명의 일 실시형태에 따른 팽창되지 않은 상태의 복합 필터 매체의 개략 단면도;
도 12는 팽창된 상태에 있는 도 11의 복합 필터 매체의 개략 단면도;
도 13은 본 발명의 상이한 실시형태에 따른 팽창된 복합 필터 매체의 개략 단면도;
도 14는 본 발명의 일 실시형태에 따른 팽창된 복합 필터 매체의 제조를 위한 시스템의 개략도;
도 15a는 확대 수준 300배에서 취한 도 1의 팽창된 복합 필터 매체의 기재 매체의 표면에 인접한 2-성분 섬유 및 미세 섬유의 스캐닝 전자 현미경 이미지;
도 15b는 확대 수준 1,000배에서 취한 도 1의 팽창된 복합 필터 매체의 기재 매체의 표면에 인접한 2-성분 섬유 및 미세 섬유의 스캐닝 전자 현미경 이미지;
도 15c는 확대 수준 2,000배에서 취한 도 1의 팽창된 복합 필터 매체의 기재 매체의 표면에 인접한 2-성분 섬유 및 미세 섬유의 스캐닝 전자 현미경 이미지;
도 15d는 확대 수준 10,000배에서 취한 도 1의 팽창된 복합 필터 매체의 기재 매체의 표면에 인접한 2-성분 섬유 및 미세 섬유의 스캐닝 전자 현미경 이미지;
도 16은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 팽창된 복합 필터 매체의 제조를 위한 시스템의 개략도;
도 17은 본 발명의 일 실시형태에 따른 팽창된 복합 필터 매체 및 2개의 다른 통상의 필터 매체의 MFP 효능 시험 결과를 보여주는 그래프;
도 18은 도 17의 팽창된 복합 필터 매체 및 2개의 다른 통상의 필터 매체의 200분 시험 기간에 걸친 MFP 분진 포집 시험 결과를 보여주는 그래프;
도 19는 도 17의 팽창된 복합 필터 매체 및 2개의 다른 통상의 필터 매체의 650분 시험 기간에 걸친 MFP 분진 포집 시험 결과를 보여주는 그래프;
도 20은 본 발명의 일 실시형태에 따른, 확대 수준 120배에서 취한 열 팽창 전의 스크림의 형태에 있는 팽창되지 않은 기재 매체의 광학 현미경 이미지;
도 21은 본 발명의 일 실시형태에 따른, 확대 수준 120배에서 취한 도 12의 팽창된 복합 매체와 같은 서로 대향하는 미세 섬유층과 함께 적층된, 2개의 미세 섬유 코팅된 기재 매체를 포함하는 팽창된 복합 매체의 광학 현미경 이미지;
도 22는 팽창된 복합 필터 매체를 플리팅(pleating)시킴으로써 형성되는 본 발명의 일 실시형태에 따른 플리팅된 필터 부재의 투시도;
도 23은 팽창된 복합 필터 매체로 형성된 본 발명의 일 실시형태에 따른 세로의 홈이 있는(fluted) 필터 부재의 투시도;
도 24는 본 발명의 일 실시형태에 따른 미세 섬유가 코팅되고 미세 섬유가 서로 대향하도록 서로 적층된 2개의 매체를 포함하는 복합 필터 매체의 확대 수준 2,500배에서 취한 스캐닝 전자 현미경 이미지; 및
도 25는 플리팅된 필터 매체가 팽창된 복합 필터 매체로 형성된 본 발명의 일 실시형태에 따른 패널(panel) 필터의 투시도;
도 26은 본 발명의 일 실시형태에 따른, 미세 섬유가 서로 대향하도록 적층되는 미세 섬유 코팅된 매체의 2개의 층을 포함하는 팽창된 복합 필터 매체의 제조를 위한 시스템의 개략도; 및
도 27은 본 발명의 일 실시형태에 따른, 미세 섬유 코팅된 매체의 2개의 층 및 매체 사이에 개재된 각 미세 섬유층과 함께 적층된 다른 매체층을 포함하는 팽창된 복합 필터 매체의 제조를 위한 시스템의 개략도이다.
본 발명은 특정 바람직한 실시형태와 관련되어 기재될 것이나, 이들 실시형태로 한정되려는 의도는 없다. 첨부된 특허청구범위에 의해 정해지는 본 발명의 목적과 범위에 포함되는 모든 대안, 변형 및 등가물을 포함하고자 한다.
발명의 상세한 설명
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 복합 필터 매체(10)의 개략 단면도이다. 나타낸 바와 같이, 복합 필터 매체(10)는 기재 매체(12), 및 기재 매체(12)의 표면(16)을 따라 운반되는 미세 섬유(14)를 포함한다. 복합 매체(10)는 파상 표면(18)을 가지며, 이는 도 1에 매우 개략적으로만 예시되어 있으며, 이는 기재 매체(12)의 팽창에 의해 형성된다.
도 1의 팽창된 복합 필터 매체(10)를 형성하기 위하여, 압축된, 그리고 적어도 부분적으로 압축된 매체는 도 2에 나타낸 바와 같이 사용된다. 도 2는 팽창 전의 팽창되지 않은 상태에 있는 도 1의 복합 필터 매체(10)의 개략 단면도이며, 이는 또한 팽창 전에 배치된 미세 섬유(14)로서 관찰될 수 있다. 도시된 바와 같이, 복합 필터 매체(10)는 일반적으로 팽창 전에는 평평한 표면(20)을 가지며, 여기서, 미세 섬유(14)는 일반적으로 평평한 층을 형성한다. 팽창되지 않은 상태에 있는 기재 매체(12)는 두께 t'를 갖는다. 복합 필터 매체(10)가 팽창으로 처리되는 경우, 기재 매체(12)의 두께는 도 1에 나타낸 바와 같은 t로 팽창하며, 표면이 이완되어, 도 1의 파상 표면(18)을 형성한다. 몇몇 실시형태에서, 두께 t는 원래 두께의 적어도 1.5배일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 거의 2배 또는 3배 또는 심지어 그 이상의 증가일 수 있다.
일 실시형태에서, 필터 매체(10)의 팽창은 열 처리를 통해 달성되지만, 다른 이완제, 예컨대 용매 분무(오직 기재에 대해 부분적으로 용해성) 또는 다른 가공을 이완을 위해 사용할 수 있다. 예를 들어, 팽창되지 않은 상태의 스크림이 사전형성되고 캘린더링되거나 다르게는 적어도 부분적으로 압축될 수 있으며, 여기서, 섬유는 접착되고 이에 의해 서로 고정됨으로써(큰 섬유 대 큰 섬유 접착은 이들 큰 섬유를 적소에 고정시킴) 편향된 상태로 적소에 고정된다. 일 실시형태에서, 미세 섬유를 운반하는 팽창되지 않은 2-성분 스크림은 가열에 의해 팽창되며, 여기서, 저융점 성분은 용융되거나 연화되고, 미세 섬유와 접착된다. 이러한 가열 동안, 기재의 더 큰 섬유가 또한 적어도 부분적으로 압축된 상태로부터 벗어나며, 사방에서 슬라이딩되고 더 천연의 상태를 향하여 - 예컨대, 적어도 부분적으로 압축되지 않고 팽창된 상태를 향하여(예컨대, 제1 장소에서 스크림의 형성 전에 발생되는 압축되지 않은 상태를 향하여) 다시 이동하게 한다. 열 처리 동안, 바람직한 특정 실시형태에 따르면, 기재 매체(12)의 섬유는 이완되고 재배향되어, 섬유 간의 평균 거리가 증가된다. 이와 같이, 기재 매체(12)는 팽창하며, 여기서, 기재 매체(12)의 두께가 증가하며, 기재 매체(12)의 표면은 평평한 것과 대조적으로 파상의 특징이 된다. 추가로, 기재 매체(12)의 표면에 인접한 섬유가 이완되고 재배향됨에 따라, 이들 섬유에 의해 운반되는 미세 섬유(14)가 이동하며, 섬유와 함께 재배향된다. 따라서, 미세 섬유(14)는 더 큰 섬유와 함께 연장되며, 밀리고 당겨진다.
이제, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 팽창된 두께 및 파상 표면을 갖는 복합 필터 매체가 일반적으로 기재되며, 이의 이점의 일부는 추가의 상세사항 및 복합 필터 매체의 다른 실시형태를 제공하기 전에 논의될 것이다.
필터 매체의 특징에 영향을 미치는 몇몇 인자가 존재한다. 필터 또는 여과 능력은 그의 서비스 수명 동안 필터가 포획하는 입자의 양이다. 일반적으로, 더 높은 필터 능력은 더 긴 필터 수명을 제공할 것이며, 이는 필터 교체 또는 서비스의 빈도를 줄일 수 있다. 필터 능력은 종종 원하는 유체 흐름에 대한 저항이 너무 높아지는 경우(이에 따라, 증가된 압력 강하) 압력 강하 또는 저항과 관련되고, 필터는 원하는 유체 유량을 조장하도록 변경시킬 필요가 있다. 압력 강하는 필터 매체에 의해 생성되는 유체 흐름에 대한 저항에 관한 것이다. 압력 강하는 매체의 더러운 측으로부터 깨끗한 측으로의 압력 차동이다. 일반적으로, 저항이 높으면, 주어진 유속에서 필요한 에너지가 더 크고/거나 압력 강하가 더 높다. 따라서, 모든 다른 고려사항이 동일하면, 더 낮은 압력 강하를 갖는 필터가 바람직하다. 필터 효능은 필터 매체에 의해 유체 스트림으로부터 제거되는 입자의 백분율이며, 통상 특정 입자 크기(들)에 대하여 제공된다. 물론, 유체 스트림으로부터 더 많은 입자를 제거하는 것이 종종 바람직하나, 동시에 유체 흐름을 너무 제한하지 않는 것이 바람직하다. 필터 수명은 필터가 너무 커지는 압력 강하 또는 타격 때문에 교체되거나 서비스받을 필요가 있기 전의 기간이다.
본 발명의 실시형태에 따른 복합 필터 매체는 팽창된 두께 및 파상 표면을 가져, 팽창 공정으로 처리하지 않은 팽창되지 않은 필터 매체에 비해 더 큰 필터 매체 체적을 제공한다. 이것이 특히 나노섬유층(14)과 관련됨에 따라, 이는 표면 로딩형 층인 것으로 여겨지며, 성질이 평면으로부터 파상으로 팽창되는 영역을 가짐으로써, 유효한 체적의 면적이 증가된다. 따라서, 팽창에 기초하여, 증가된 필터 매체 체적을 통해 더 많은 입자가 포획될 수 있다. 추가로, 그리고 상기 논의된 바와 같이, 기재 매체의 섬유 및 그 위에 운반되는 미세 섬유는 팽창 공정 동안 재배향된다. 이러한 섬유의 재배향은 향상된 필터 매체 포어(pore) 구조를 생성하여, 더 적은 유체 흐름 저항으로 입자를 더욱 효율적으로 포획할 수 있다. 또한, 이는 나노섬유 재배향 때문에 증가된 저항을 야기하지 않고, 나노섬유의 더 큰 커버리지 수준을 가능하게 할 수 있다. 따라서, 팽창된 복합 필터 매체는 팽창되지 않은 상태에 있는 복합 필터 매체에 비하여, 동일한 필터 효능을 유지하면서, 동일한 수준의 압력 강하 또는 더 낮은 압력 강하를 유지하는 한편, 필터 효능을 향상시킬 수 있다. 그러므로, 팽창된 두께 및 파상 표면을 갖는 복합 필터 매체는 증가된 분진 포집 용량, 감소된 압력 강하 및/또는 저항 및/또는 더 긴 필터 수명을 제공함으로써 필터 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1 및 2로 돌아가서, 복합 필터 매체(10)의 더욱 상세한 구조가 이제 논의될 것이다. 기재 매체(12)는 임의의 적합한 다공성 재료로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 기재 매체(12)는 다-성분 필터 매체로 형성된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같은 용어 "다-성분 필터 매체", "다-성분 매체" 및 다른 유사한 용어는 적어도 2개의 상이한 재료를 포함하는 필터 매체를 지칭하기 위하여 상호교환하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 다-성분 필터 매체는 제1 재료로 형성된 섬유 및 제2 재료로 형성된 섬유를 포함할 수 있으며, 여기서, 제1 재료 및 제2 재료는 상이한 재료이다. 대안적으로, 다-성분 필터 매체는 하기에 상세히 기재되는 바와 같이, 적어도 2개의 상이한 재료를 포함하는 섬유, 예컨대 제1 재료로 형성된 코어 및 제2 재료로 형성된 쉬쓰를 포함하는 섬유로 형성될 수 있다. 2개의 상이한 재료를 포함하는 다-성분 필터 매체는 본 명세서에서 "2-성분 필터 매체", "2-성분 매체" 등의 용어로 지칭된다.
바람직한 일 실시형태에서, 기재 매체(12)는 상이한 융점을 갖는 2개의 상이한 재료를 포함하는 2-성분 섬유로 형성된다. 미세 섬유 및 이러한 다-성분 섬유로 형성된 기재 매체를 포함하는 복합 필터 매체는 그 전체 개시내용이 본 명세서에 참고로 포함되는 본 출원의 양수인에 양도된 PCT 특허 출원 제PCT/US09/50392호(발명의 명칭: Multi-Component Filter Media with Nanofiber Attachment)에 기재되어 있다.
이러한 실시형태에서, 기재(12)의 2-성분 섬유의 하나의 성분은 다른 성분보다 더 낮은 융점을 갖는다. 저융점 성분은 임의의 적합한 중합체, 예컨대 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 또는 폴리에스테르일 수 있다. 다른 성분은 저융점 성분보다 더 높은 융점을 갖는 중합체 또는 다른 적합한 섬유 재료, 예컨대 유리 및/또는 셀룰로오스일 수 있다. 바람직하게는, 섬유를 압축시켜, 매체의 웨브(web) 또는 특정 두께를 갖는 스크림의 형태로 기재 매체(12)를 형성한다.
일 실시형태에서, 기재 매체(12)는 고융점 중합체 성분 및 저융점 중합체 성분을 포함하는 2-성분 섬유로 형성된 스크림이다. 예를 들어, 2-성분은 고융점 폴리에스테르 및 저융점 폴리에스테르를 포함할 수 있으며, 여기서, 하나는 다른 하나보다 더 큰 용융 온도를 갖는다. 도 3은 일 실시형태에 따른 2-성분 섬유(22)를 도식적으로 예시한 것이다. 나타낸 바와 같이, 2-성분(22)은 동심의 쉬쓰/코어형이며, 여기서, 코어(24)는 고융점 중합체 성분으로 형성되고, 쉬쓰(26)는 저융점 중합체 성분으로 형성된다.
고융점 중합체 성분은 저융점 중합체 성분보다 더 높은 용융 온도를 갖는 중합체로 형성된다. 적합한 고융점 중합체에는 폴리에스테르 및 폴리아미드가 포함되나 이에 한정되는 것은 아니다. 적합한 저융점 중합체에는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 코-폴리에스테르 또는 선택된 고융점 중합체보다 더 낮은 용융 온도를 갖는 임의의 다른 적합한 중합체가 포함된다. 예를 들어, 2-성분 섬유는 폴리에스테르 코어 및 폴리프로필렌 쉬쓰로 형성될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 2-성분 섬유는 2개의 상이한 유형의 폴리에스테르로 형성되며, 하나는 다른 것보다 더 높은 융점을 갖는다.
기재 매체(12)의 섬유는 미세 섬유(14)의 평균 섬유 직경보다 더 큰 평균 섬유 직경을 갖도록 형성된다. 바람직하게는 기재 매체(12)의 섬유는 평균 섬유 직경이 약 1 미크론 초과, 더욱 바람직하게는 5 미크론 초과이다. 일 실시형태에서, 기재 매체(12)의 섬유의 평균 직경은 약 1 미크론 내지 약 40 미크론이다. 팽창되지 않은 상태에서, 굵은 섬유를 예를 들어, 일련의 캘린더링 롤러를 통하여 압축시켜, 약 0.05 내지 1.0㎜, 바람직하게는 약 0.1 내지 0.5㎜의 두께를 갖는 기재 매체(12)를 형성한다. 이러한 2-성분 섬유 기재 매체(12)는 미세 섬유(14)에 필요한 구조적 지지체를 제공할 수 있다. 기재 매체(12)에 적절한 다양한 두께의 2-성분 스크림은 미국 테네시주 로저스빌 소재의 에이치디케이 인더스트리즈, 인코포레이티드(HDK Industries, Inc.) 또는 다른 필터 매체 공급처를 통해 상업적으로 입수할 수 있다. 따라서, 기재는 구입할 수 있는 2-성분 매체로부터 사전-형성될 수 있다.
다른 유형의 2-성분 섬유를 사용하여 다른 실시형태에서 기재 매체(12)를 형성할 수 있다. 2-성분 섬유의 상이한 유형의 일부 예는 도 4 내지 10에 개략적으로 예시되어 있다. 코어(30) 및 쉬쓰(32)를 포함하는 편심의 쉬쓰/코어형 2-성분 섬유(28)가 도 4에 나타나 있다. 이러한 섬유는 동심의 쉬쓰 코어 섬유(22)와 유사하나, 코어(30)가 중심을 벗어나 이동된다. 2가지 중합체 성분의 상이한 수축률은 가열시 섬유가 나선형으로 와인딩(winding)되게 한다. 이는 다른 평평한 섬유가 크림프(crimp) 및 체적 증대를 발생하도록 하며, 열 아래에서 상이한 섬유 재배향, 팽창 및/또는 파상 표면을 야기할 수 있다.
도 5는 제1 중합체 성분(36) 및 제2 중합체 성분(38)을 포함하는 사이드-바이-사이드형 2-성분 섬유(34)를 개략적으로 예시한 것이다. 응용에 따라, 제1 중합체 성분은 제2 중합체 성분보다 융점이 더 높거나 더 낮은 중합체일 수 있다. 이는 편심의 쉬쓰/코어 섬유의 추가의 연장이며, 여기서, 두 중합체 모두는 섬유 표면의 일부분을 점유한다. 적절한 중합체 선택과 함께, 이러한 섬유는 편심의 쉬쓰/코어 섬유(28)보다 더 높은 수준의 잠재적 크림프를 발생할 수 있다.
파이 웨지형 2-성분 섬유(40)는 도 6에 개략적으로 예시되어 있다. 파이 웨지형 섬유(40)는 제1 중합체 성분(42) 및 제2 중합체 성분(44)으로 형성된 다수의 인접한 웨지를 포함한다. 제1 중합체 성분(42)의 각각은 어느 하나의 측에 제2 중합체 성분(44)을 갖는다. 제1 중합체 성분(42)은 제2 중합체 성분(44)보다 융점이 더 높거나 더 낮은 중합체일 수 있다. 이들 섬유는 기계적 교반(전형적으로, 하이드로인탱글링(hydroentangling))에 의하여 성분 웨지로 분할되도록 설계되어, 필터 매체에 0.1 내지 0.2 데니어의 마이크로섬유를 제공한다.
도 7은 제1 중합체 웨지(48) 및 제2 중합체 웨지(50)를 포함하는 중공 파이 웨지형 2-성분 섬유(46)의 개략도이다. 다시, 응용에 따라, 제1 중합체 웨지(48)는 제2 중합체 웨지(50)보다 융점이 더 높거나 더 낮은 중합체로 형성될 수 있다. 중공 파이 웨지 섬유(46)는 파이 웨지 섬유(40)와 유사하나, 중공 중심(52) 코어가 웨지의 내측 끝이 연결되지 못하게 하여, 더 용이하게 분할되게 한다.
도 8은 해도형 2-성분 섬유(54)의 개략도이다. 이러한 섬유는 또한 "페퍼로니 피자(pepperoni pizza)" 형태로도 알려져 있으며, 여기서, 제1 중합체 성분(56)은 페퍼로니이며, 제2 중합체 성분(58)은 치즈이다. 일부 실시형태에서, 제1 중합체 성분(56)은 제2 중합체 성분(58)보다 융점이 더 높은 중합체로 형성되거나, 제2 중합체 성분(58)은 용해성 중합체로 형성된다. 이러한 실시형태에서, 이러한 섬유는 이후에 용융되거나 또는 용해되는 저융점 또는 용해성 중합체(58)의 매트릭스 내에서 고융점 중합체(56)의 많은 미세 가닥의 배치를 가능하게 한다. 이는 미세 마이크로섬유로 제조된 매체의 제조를 가능하게 하는데, 이는 섬유가 개별 "페페로니"보다는 "피자" 형태로 가공되기 더 용이하기 때문이다. 스테이플(staple) 섬유는 각 피자 상의 37개 페페로니로 만들어져, 약 0.04 데니어(약 2 미크론 직경) 또는 심지어 더 미세한 섬유를 제조할 수 있다.
2-성분 섬유는 상이한 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 일부 2-성분 섬유는 상술된 2-성분 섬유와 같이 원형의 단면을 갖는 원통 형상을 갖지 않을 수 있다. 도 9 및 10은 불규칙한 형상을 갖는 2-성분 섬유의 일부 예를 예시한다. 비록, 이들 섬유가 원형의 단면을 갖지 않지만, 각각은 본 발명의 문맥 내에서 소정의 직경을 갖는다. 비-원형 단면을 갖는 섬유의 직경은 섬유의 외주면으로부터 측정한다. 도 9는 삼엽형 2-성분 섬유(60, 62)의 개략도이다. 삼엽형 섬유(60, 62)의 각각은 제1 중합체 성분(64, 66) 및 제2 중합체 성분(68, 70)을 포함한다. 삼엽형 섬유(60, 62)는 각각 그의 직경(72, 74)을 측정한다. 일부 실시형태에서, 제1 중합체 성분(64, 66)은 제2 중합체 성분(68, 70)보다 융점이 더 높거나 더 낮은 중합체로 형성된다.
도 10은 팁형 2-성분 섬유(78, 80)의 개략도이다. 섬유(78)는 제1 중합체 중심(82) 및 제2 중합체 팁(84)을 갖는 팁형 삼엽형 2-성분 섬유이다. 섬유(80)는 제1 중합체 중심(86) 및 제2 중합체 팁(88)을 갖는 팁형 교차 2-성분 섬유이다. 바람직하게는 제1 중합체 중심(82, 86)은 제2 중합체 팁(84, 88)보다 더 융점이 높은 중합체로 형성된다.
미세 섬유(14)는 이들이 형성됨에 따라 기재 매체(12) 상에 배치될 수 있다. 대안적으로, 미세 섬유(14)는 별개로 매체의 웨브로 제조된 다음, 기재 매체(12)와 적층될 수 있다. 미세 섬유(14)가 다양한 섬유 직경을 갖는 섬유를 포함할 수 있지만, 바람직하게는 미세 섬유(14)는 매우 미세한 섬유 직경을 갖는 나노섬유이다. 이러한 미세 섬유(14)는 전기방사 또는 기타 적합한 공정에 의해 형성될 수 있다. 일 실시형태에서, 미세 섬유(14)는 평균 섬유 직경이 약 1 미크론 미만, 바람직하게는 0.5 미크론 미만, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.3 미크론인 전기방사된 나노섬유이다. 이러한 작은 직경의 미세 섬유는 필터의 전반적인 충실율(solidity)을 실질적으로 증가시키지 않고 더 많은 섬유를 함께 팩킹할 수 있어, 압력 강하의 증가 없이 필터 효능을 증가시킬 수 있다.
미세 섬유(14)는 다양한 적합한 중합체 재료에 의해 형성될 수 있다. 일 실시형태에서, 미세 섬유(14)는 전기방사를 통하여 나일론-6(폴리아미드-6, 본 명세서에서 "PA-6"으로도 지칭됨)으로 형성될 수 있으며, 여기서, 임의의 중합체가 사용될 수 있지만, 전기방사된 미세 섬유(14)가 기재 매체(12) 상에 직접 배치된다. 열 팽창 동안의 미세 섬유의 파괴를 피하기 위하여, 미세 섬유(14)는 2-성분의 저융점 중합체보다 용융 온도가 더 높은 재료로 형성된다. 이러한 실시형태에서, 기재 매체(12)는 고융점 폴리에스테르 코어 및 저융점 폴리에스테르 쉬쓰를 갖는 2-성분 스테이플 섬유로 형성된 스크림이다. 2-성분 스테이플 섬유는 일련의 캘린더링 롤러 사이에서 압축되어, 스크림 웨브를 형성한다. 기재 매체(12)와 미세 섬유(14) 간의 접착은 용매 접착, 가압 접착 및/또는 열 접착을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 저융점을 사용하여 도 15a 내지 15d에 나타낸 바와 같이, 미세 섬유를 기재의 굵은 섬유에 접착시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 굵은 기재 섬유가 도처의 슬라이딩 및 이완 공정을 통해 준비되는 경우, 그들은 그들에 접착된 더욱 복합한 미세 섬유를 운반한다.
팽창 전에 복합 필터 매체(10)는 도 2에 나타낸 바와 같이 두께 t' 및 실질적으로 평평한 표면(20)을 갖는다. 이러한 팽창되지 않은 복합 필터 매체(10)를 예를 들어, 250℉에서 5분 동안 열처리하여, 여기서, 기재 매체(12)의 압축된 섬유는 이완되고 재배향되어, 기재 매체(12)가 팽창된다. 결과적으로, 기재 매체(12)의 두께는 t로 팽창하며, 도 2의 실질적으로 평평한 표면(20)이 이완되어, 도 1에 나타낸 바와 같은 파상 표면(18)을 형성한다 - 파상 표면은 기재/스크림, 예컨대 상업적으로 입수할 수 있는 것의 통상의 평평한 성질과 대조적으로 불규칙적일 것으로 이해될 것이다. 실제로, 필터 매체 롤은 전형적으로 매체의 예비권선 롤이 되며, 이는 통상 많은 매체에 대하여 일반적으로 특징이 평평한 것으로 특성화된다. 굵은 기재 섬유가 인접하고, 기재 매체(12)의 표면이 이완되고 재배향됨에 따라, 이들 섬유에 의해 운반되는 미세 섬유(16)도 또한 섬유와 함게 이동하며, 팽창되고, 파상 표면의 섬유와 함께 3차원 매트릭스로 통합된다. 추가로, 2-성분 섬유의 저융점 폴리에스테르는 열 처리 동안 용융되거나 연화되고, 이는 인접한 미세 섬유가 저융점 폴리에스테르에 매립(embed)되게 하며, 2-성분 섬유와 미세 섬유(14) 간의 접착을 증가시킨다.
일 실시형태에서, 기재 매체(12)는 약 1 내지 40 미크론의 평균 섬유 직경 및 약 0.5 내지 15oz/yd2의 평량을 갖는 2-성분 섬유 스크림으로 형성된다. 미세 섬유(14)는 약 0.01 내지 0.5 미크론의 평균 섬유 직경 및 약 0.012g/㎡ 내지 0.025g/㎡의 미세 섬유 커버리지를 갖는다. 이러한 실시형태에서, 팽창된 복합 필터 매체(10)는 약 100 내지 200CFM의 프래지어 공기 투과도(Frazier air permeability); MERV 11 내지 16과 당량의 MFP 효능; 및 약 1.5 inch W.G.의 최종 압력 강하와 함께 약 400 내지 600mg/100㎠의 MFP 분진 포집 중량을 갖는다.
도 11 및 12는 본 발명의 상이한 실시형태에 따른 복합 필터 매체(90)를 예시한 것이다. 복합 필터 매체(90)는 도 2의 복합 필터 매체(10)의 기재 매체(12) 및 미세 섬유(14)에 더하여, 매체(92) 및 미세 섬유(93)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 복합 필터 매체(90)의 미세 섬유(14 및 93)는 기재 매체(12)와 매체(92) 사이에 개재된다. 매체(92) 및 기재 매체(12)는 동일한 스크림 또는 필터 매체 또는 상이한 스크림 또는 필터 매체로 형성될 수 있다. 복합 필터 매체(90)는 예를 들어, 도 2의 복합 필터 매체(10)의 2개의 층을 미세 섬유가 서로 대향하도록 적층하고, 기재 매체 층을 팽창시킴으로써 구성될 수 있으며, 여기서, 미세 섬유는 인접한 기재 매체와 함께 재배향된다.
일 실시형태에서, 기재 매체(12)는 이전 실시형태에서 기재된 바와 같은 저융점 폴리에스테르/고융점 폴리에스테르 2-성분 섬유로 형성된 스크림이다. 미세 섬유(14)는 기재 매체(12) 상에 배치된 전기방사된 나일론-6 나노섬유이다. 유사하게, 매체(92)에는 미세 섬유(93)를 형성하는 전기방사된 나일론-6 나노섬유가 배치된다. 미세 섬유(14)가 배치된 기재 매체(12) 및 미세 섬유(93)가 배치된 매체(92)를 미세 섬유(14) 및 미세 섬유(93)가 서로 대향하도록 함께 적층하여, 도 11의 복합 필터 매체(90)를 형성한다. 이러한 실시형태에서, 매체(92)는 기재 매체(12)에 사용된 동일한 스크림으로 형성된다. 미세 섬유(14) 및 미세 섬유(93)는 동일한 미세 섬유 커버리지 수준 또는 상이한 미세 섬유 커버리지 수준을 가질 수 있다. 예를 들어, 미세 섬유(14)는 약 0.005g/㎡ 내지 0.030g/㎡, 바람직하게는 약 0.012g/㎡ 내지 0.025g/㎡의 미세 섬유 커버리지 수준을 갖는다. 유사하게, 미세 섬유(93)는 약 0.005g/㎡ 내지 0.030g/㎡, 바람직하게는 약 0.012g/㎡ 내지 0.025g/㎡의 미세 섬유 커버리지 수준을 갖는다. 따라서, 적층시, 미세 섬유(14, 93)의 2개의 층은 약 0.010g/㎡ 내지 0.060g/㎡, 바람직하게는 약 0.024g/㎡ 내지 0.050g/㎡의 미세 섬유 커버리지 수준을 가질 수 있다. 복합 필터 매체(90)는 임의로 일련의 롤러를 사용하여 압축되어 층(12, 14, 93, 92) 사이의 접착이 촉진될 수 있다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 팽창되지 않은 복합 필터 매체(90)는 실질적으로 평평한 표면(94) 및 두께 t"를 갖는다. 이어서, 팽창되지 않은 복합 필터 매체(90)를 이전 실시형태에서와 같이 열 처리한다. 열 처리는 2-성분 섬유의 저융점 성분의 용융 온도에서 또는 용융 온도 부근에서 수행할 수 있다. 이러한 실시형태에서, 팽창되지 않은 복합 필터 매체(90)를 저융점 폴리에스테르의 용융 온도로 또는 용융 온도 부근으로 가열한다.
열 처리 동안, 기재 매체(12) 및 매체(92)의 2-성분 섬유는 이완되고 재배향되어, 도 12에 나타낸 바와 같이 복합 필터 매체(90)의 두께를 t"'로 팽창시키고 파상 표면(96)을 형성한다. 기재 매체(12)의 2-성분 섬유가 이완되고 재배향됨에 따라, 미세 섬유(14)는 또한 기재 매체(12)의 인접한 2-성분 섬유와 함께 이동한다. 유사하게, 매체(92)의 2-성분 섬유가 이완되고 재배향됨에 따라, 미세 섬유(93)는 또한 매체(92)의 인접한 2-성분 섬유와 함께 이동한다.
팽창된 두께 및 파상 표면을 갖는 이러한 복합 필터 매체(90)는 팽창되지 않은 복합 필터 매체 또는 다른 통상적인 필터 매체에 비하여, 뛰어난 분진 포집 능력 및 감소된 압력 강하를 가질 수 있다. 추가로, 이완을 통한 필터 매체 팽창으로 인한 증가된 필터 매체 체적은 팽창된 복합 필터 매체(90)(도 12)를 향상된 분진 포집 용량 및 더 낮은 압력 강하를 갖는 소정의 두께의 필터 매체에 매우 적합하게 만들며, 여기서, 더 많은 입자가 증가된 체적의 복합 필터 매체(90)의 도처에서 포획될 수 있으며, 미세 섬유층은 대부분 지나친 저항 없이, 최대 입자 포획 효율을 만들 수 있다.
도 11 및 12는 도식으로 나타내었으나, 도 20 및 21은 120배 배율에서 취한 기재 매체 및 팽창된 복합 필터 매체의 실제 광학 현미경 이미지를 보여준다. 도 20은 미세 섬유 배치 및 팽창 전의 기재 매체, 예컨대 도 11의 매체(12 및 92)의 광학 현미경 이미지이다. 도 21은 팽창된 복합 필터 매체의 광학 현미경 이미지이며, 여기서, 도 20의 매체의 2개의 샘플에는 미세 섬유가 배치되고, 도 12에 나타낸 팽창된 복합 필터 매체(90)와 같이, 2개의 샘플 매체 상의 미세 섬유가 서로 대향하도록 적층된다. 도 21의 복합 필터 매체가 이러한 이미지의 배율에서 미세 섬유를 포함하지만, 매체 층의 오직 굵은 섬유만이 관찰될 수 있다. 미세 섬유는 훨씬 더 작고, 굵은 섬유에 의해 운반되며, 이는 확대 수준 2,500배에서 취한 복합 필터 매체의 스캐닝 전자 현미경 이미지인 도 24를 참조하여 관찰될 수 있다. 도 24에서, 하나의 매체층 상에 코팅된 미세 섬유는 이미지에서 또렷하게 존재하나, 다른 매체층 상에 코팅된 미세 섬유는 이미지에서 희미하게 존재한다. 미세 섬유 코팅된 매체의 2개의 층은 서로 대향하는 미세 섬유가 적층되고, 열 팽창되어, 팽창된 복합 필터 매체를 형성한다.
심층 필터(depth filter) 매체는 실질적으로 체적 또는 깊이를 통하여 미립자를 로딩하며, 이에 따라, 심층 필터는 필터의 수명에 걸쳐 표면 로딩 시스템과 비교하여, 더 높은 중량 및 부피의 미립자가 로딩될 수 있다. 그러나, 보통 심층 매체 방식은 효능의 단점이 있다. 이러한 높은 포집 용량을 촉진시키기 위하여, 매체의 낮은 충실율이 종종 사용을 위해 선택된다. 이는 일부 미립자가 더욱 용이하게 통과되게 하는 능력을 갖는 큰 포어 크기를 야기한다. 본 발명의 실시형태에 따른 팽창된 복합 필터 매체는 뛰어난 분진 포집 능력 및 여과 효능을 제공하는 한편, 팽창된 매체 및 미세 섬유를 통하여 동일한 낮은 수준의 압력 강하를 유지할 수 있다.
다른 실시형태에서, 팽창된 복합 필터 매체는 다수의 미세 섬유층 및 다수의 필터층을 포함할 수 있다. 도 13은 본 발명의 일 실시형태에 따라, 3개의 필터층(12, 92, 104) 사이에 개재된 2개 미세 섬유층(16, 102)을 포함하는 복합 필터 매체(100)를 보여준다. 필터층(12, 92, 104)은 동일한 필터 매체 또는 스크림, 예컨대 이전 실시형태의 저융점 폴리에스테르/고융점 폴리에스테르 2-성분 섬유 스크림으로 형성될 수 있다. 대안적으로, 필터층(12, 92, 104)은 원하는 필터 매체 특징에 따라 상이한 필터 매체 또는 스크림으로 형성될 수 있다. 상이한 필터 매체 또는 스크림을 사용하여 필터층(12, 92, 104)을 형성하는 경우, 필터층(12, 92, 104)의 섬유는 팽창 동안 상이하게 이완되고 재배향될 수 있다. 이와 같이, 필터층(12, 92, 104)은 상이하게 팽창할 수 있다. 예를 들어, 필터층(12 및 92)의 두께는 두배일 수 있으나, 필터층(104)의 두께가 증가하지 않거나 매우 약간 증가할 수 있다.
추가로, 미세 섬유층(16, 102)은 동일한 양의 미세 섬유 또는 상이한 양의 미세 섬유를 포함할 수 있다. 필터층(12, 92, 104)의 재료 및 필터 섬유층(16, 102)의 미세 섬유의 양을 선택하여, 구배 심층 매체를 제조할 수 있다. 예를 들어, 필터층(12, 92, 104)은 이전 실시형태의 기재 매체(12) 및 필터층(92)에 사용되는 2-성분 스크림과 유사한 2-성분 섬유 스크림으로 형성될 수 있다. 그러나, 필터층(104)의 2-성분 섬유 스크림은 필터층(92)을 위해 선택된 스크림보다 더 적은 고체 밀도를 가질 수 있으며, 이에 의해, 더 적은 여과 효율을 가질 수 있다. 추가로, 기재 매체(12)를 위해 선택된 스크림은 필터층(92)에 사용되는 스크림보다 더 큰 고체 밀도를 가질 수 있다. 추가로, 미세 섬유층(16)은 미세 섬유층(102)보다 더 많은 미세 섬유를 포함하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 미세 섬유층(102)은 약 0.015g/㎡의 전기방사된 PA-6의 미세 섬유를 포함하도록 형성될 수 있는 한편, 미세 섬유층(16)은 약 0.025g/㎡의 전기방사된 PA-6의 미세 섬유를 포함하도록 형성된다. 바람직하게는, 다양한 실시형태에서, 미세 섬유층(들)의 각각은 약 0.005g/㎡ 내지 0.030g/㎡, 더욱 바람직하게는 0.012g/㎡ 내지 0.025g/㎡의 나노섬유 커버리지 수준을 갖는다. 파상의 3차원 매트릭스로의 배치/커버리지 후의 섬유의 재배향 때문에, 훨씬 더 많은 미세 섬유가 과도하게 저항 또는 압력 강하 이슈를 야기하지 않고 배치될 수 있으며(더 큰 미세 섬유 커버리지 또는 평량), 사실상 팽창의 결과로서 더 큰 유효한 체적 영역으로 인해 그 역이 참임을 주의해야 한다. 이러한 구배 복합 필터 매체(100)는 더 많은 분진 입자가 복합 필터 매체(100)의 깊이의 도처에 로딩되게 할 수 있다.
일 실시형태에서, 복합 필터 매체(100)는 그의 팽창되지 않은 상태에서, 약 0.019g/㎡의 커버리지 수준으로 전기방사된 PA-6 나노섬유를 포함하는 미세 섬유층(16, 102) 및 약 0.005"의 두께를 갖는 2-성분 섬유 스크림으로 형성된 필터층(12, 92, 104)을 포함한다. 팽창되지 않은 복합 필터 매체(100)는 약 0.015"의 전체 두께를 갖는다. 열 팽창 후에, 각 필터층(12, 92, 104)의 두께는 약 2 내지 3배 또는 심지어 더 크게 증가하여, 0.030" 또는 0.045" 또는 더 큰 전체 크기를 갖는 팽창된 복합 필터 매체(100)를 제공할 수 있다.
팽창된 복합 필터 매체의 다른 구조는 상이한 여과 응용에 유익하여, 분진 포집 및 압력 강하 특징을 최적화할 수 있다. 다른 실시형태에서, 팽창된 복합 필터 매체는 다양한 순서로 구성된 3개 초과의 필터층 및 2개 초과의 미세 섬유층을 포함할 수 있다.
또한, 미세 섬유의 재배향을 야기하는 매체의 팽창 후에, 팽창된 복합 필터 매체는 이어서 주름진 구조를 갖는 필터 부재, 예컨대 세로의 홈이 있는 필터 또는 플리팅된 필터 또는 다른 이러한 전형적인 필터 부재 방식으로 구성될 수 있다. 이러한 주름진 필터 방식은 단부 캡(end cap), 프레임 등 및 종종 본 명세서에 참고로 포함되는 특허의 일부에서 나타낸 바와 같이 고리모양 밀봉 개스킷(annular sealing gasket)이 있는 원통형 또는 타원형 부재의 형태일 수 있다. 또한, 이러한 매체는 이러한 필터 부재 내로 통합될 수 있다. 추가로, 팽창된 복합 필터 매체는 플리팅되고 패널 필터에서 사용될 수 있다.
도 22는 본 발명의 일 실시형태에 따른, 각 단부에 부착된 단부 캡(306, 308) 및 원통형 코어(304)에 대하여 와인딩되는 플리팅된 필터 매체(302)를 포함하는 플리팅된 필터 부재(300)를 보여준다. 플리팅된 필터 매체(302)는 파상 표면을 갖는 팽창된 복합 필터 매체, 예컨대 도 1, 12 및 13의 팽창된 필터 매체를 플리팅시킴으로써 형성될 수 있다. 이러한 플리팅된 필터 부재는 미국 특허 제4,184,966호에 개시되어 있으며, 그의 교시 및 개시내용은 본 발명과 일치하는 범위로 본 명세서에 그 전문이 참고로 포함된다.
도 23은 본 발명의 상이한 실시형태에 따른 세로의 홈이 있는 필터 부재(320)를 보여준다. 세로의 홈이 있는 필터 부재는 프레임(324), 필터 매체 밀봉재(326), 고리 모양의 밀봉재(328) 및 세로의 홈이 있는 필터 매체(330)를 포함한다. 세로의 홈이 있는 필터 매체(330)는 한 면에 인접하여 폐쇄된 제1 세로의 홈(flute) 및 다른 면에 인접하여 폐쇄된 제2 세로의 홈을 포함하는 다수의 세로의 홈(334)을 한정하도록 함께 고정되고 중심 프레임(332)에 대하여 와인딩되는 회선상(convoluted) 시트 및 페이스 시트(face sheet)를 포함한다. 이러한 실시형태에서, 페이스 시트 및/또는 회선상 시트는 파상 표면을 갖는 팽창된 복합 필터 매체, 예컨대 도 1, 12 및 13의 팽창된 복합 필터 매체로 형성될 수 있다. 이러한 세로 홈이 있는 필터 부재는 본 양수인에 양도된 미국 특허 제2009-0320424호(발명의 명칭: Filter Frame Attachment and Fluted Filter Having Same)에 개시되어 있으며, 그의 교시 및 개시내용은 본 개시내용과 일치하는 범위로 본 명세서에 그 전문이 참고로 포함된다.
도 25는 본 발명의 일 실시형태에 따른 패널 필터(350)를 보여준다. 필터 매체(352)는 팽창된 복합 필터 매체, 예컨대 도 12에 나타낸 팽창된 복합 필터 매체(90)를 포함한다. 팽창된 복합 필터 매체는 플리팅되어 필터 매체(352)를 형성하며, 이는 프레임(354) 내에 둘러싸여 패널 필터(350)를 형성한다.
이제, 본 발명에 따른 팽창된 복합 필터 매체의 상이한 실시헝태가 기재되며, 팽창된 복합 필터 매체의 형성 방법이 설명될 것이다.
도 14는 본 발명의 가공 실시형태에 따른, 상술된 실시형태 중 임의의 것을 제조할 수 있는 팽창된 복합 필터 매체의 대표적인 제조 방법을 개략적으로 예시한 것이다. 시스템(200)은 언와인딩 스테이션(unwinding station)(202), 전기방사 스테이션(204), 열 처리 스테이션(206) 및 리와인딩 스테이션(rewinding station)(208)을 포함한다.
시스템(200)에서, 스크림(210)의 롤은 언와인딩 스테이션(202)으로부터 언와인딩된다. 일 실시형태에서, 스크림(210)의 롤은 고융점 폴리에스테르 코어/저융점 폴리에스테르 쉬쓰 2-성분 스테이플 섬유로 형성되며, 이는 일련의 캘린더링 롤러를 통하여 이미 압축되어, 원하는 두께 및 충실율을 갖는 스크림(210)의 롤을 형성한다. 스크림(212)의 웨브는 전기방사 스테이션(204)을 향하여 기계 방향(214)으로 이동한다. 전기방사 스테이션(204)에서, 미세 섬유(216)가 형성되고 스크림(212)의 웨브 상에 배치되어, 복합 필터 매체(218)를 형성한다. 그 다음, 복합 필터 매체(218)는 열 처리 스테이션(206)으로 유입되고, 여기서, 복합 필터 매체(218)는 저융점 폴리에스테르의 용융 온도로 또는 용융 온도 부근으로 가열된다. 열 처리 동안, 복합 필터 매체(218)는 이완되고 팽창하여, 팽창된 복합 필터 매체(220)를 형성하며, 이는 리와인딩 스테이션(208)에서 리와인딩된다. 스크림(212)의 웨브와 미세 섬유(216) 간의 결합은 또한 열 처리 동안 증가된다. 시스템(200)의 각 성분은 하기에 상세히 논의된다.
스크림은 시스템(200)(및 연속 1 라인 공정 또는 단속 2 라인 공정의 어느 하나의 부분)의 업스트림 공정에서 형성되거나 에이치디케이 또는 다른 적합한 매체 공급처, 예컨대 에이치앤드브이(H&V) 또는 알스트롬(Ahlstrom) 등으로부터 롤 형태로 구매할 수 있다. 스크림은 다양한 적합한 재료, 예컨대 상술된 바와 같은 도 3 내지 10의 2-성분 섬유로 형성될 수 있다. 대안적으로, 매체는 용매 접착, 열 접착 등을 통하여 적소에서 압축되고 고정될 수 있는 다른 단일 성분 매체일 수 있다. 2-성분의 경우에, 예컨대 동심 쉬쓰/코어형 2-성분 섬유는 코어로써 고융점 폴리에스테르 및 쉬쓰로써 저융점 폴리에스테르를 사용하여 공압출될 수 있다. 이어서, 이러한 2-성분 섬유를 사용하여 스크림 또는 필터 매체를 형성할 수 있다. 일 실시형태에서, 2-성분 섬유를 스테이플 섬유로 사용하여, 통상의 건식 적층 또는 공기 적층 공정을 통하여 다-성분 필터 매체 또는 스크림을 형성한다. 이러한 공정에서 사용되는 스테이플 섬유는 상대적으로 짧고 비연속적이나, 통상의 장비에 의해 취급하기에 충분하게 길다. 2-성분 섬유의 베일(bale)은 슈트(chute) 공급을 통하여 공급되고 카딩(carding) 장치에서 개별 섬유로 분리될 수 있으며, 이는 이어서 섬유의 웨브(본 개시내용의 목적을 위해 그 자체는 기재로 간주될 수 있음)로 공기 적층된다. 이어서, 섬유의 웨브는 일련의 캘린더링 롤러를 사용하여 압축되어 스크림(210)의 롤(또한 기재로 간주될 수 있음)을 형성한다. 섬유의 웨브는 임의로 일련의 캘린더링 롤러에 유입되기 전에, 가열될 수 있다. 이러한 실시형태의 스크림(210)이 고융점 성분 및 저융점 성분을 비롯한 2-성분 섬유를 포함하기 때문에, 이는 또한 2-성분 필터 매체로 지칭된다. 일부 실시형태에서, 섬유의 웨브는 캘린더링되기 전에 폴딩되어, 더 두꺼운 2-성분 필터 매체를 형성한다.
상이한 실시형태에서, 고융점 중합체 섬유, 예컨대 폴리에스테르 섬유를 포함하는 웨브, 및 저융점 중합체 섬유, 예컨대 폴리프로필렌 섬유를 포함하는 웨브가 형성되고, 분리되고, 함께 적층되어, 2-성분 필터 매체 또는 스크림의 롤을 형성할 수 있다. 이러한 실시형태에서, 미세 섬유(216)는 스크림(212)의 저융점 측에 배치된다. 이러한 실시형태에서, 저융점 웨브는 저융점 성분이 가열 및 용융 시에 고융점 웨브의 표면을 막지 않도록 고융점 웨브보다 실질적으로 더 얇다.
다른 실시형태에서, 2-성분 섬유 스크림은 용융 취입 공정을 통하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 용융된 폴리에스테르 및 용융된 폴리프로필렌은 가열된 고속 공기를 사용하여 압출되고 연신되어, 굵은 섬유를 형성할 수 있다. 섬유는 무빙 스크린 상에서 웨브로 수집되어, 2-성분 스크림(210)을 형성할 수 있다.
다-성분 섬유 필터 매체 또는 스크림은 또한 적어도 2개의 상이한 중합체 재료를 사용하여 스펀-접착(spun-bounded)될 수 있다. 전형적인 스펀-접착 공정에서, 용융된 중합체 재료는 다수의 압출 오리피스(orifice)를 통과하여, 멀티필라멘트사 스핀라인(multifilamentary spinline)을 형성한다. 멀티필라멘트사 스핀라인을 연신시켜 그의 강도를 증가시키며, 급랭 구역(quench zone)을 통과하며, 여기서, 고형화가 발생하며, 이는 지지체, 예컨대 무빙 스크린 상에서 수집된다. 스펀-접착 공정은 용융 취입 공정과 유사하나, 용융 취입 섬유는 통상 스펀-접착된 섬유보다 더 미세하다.
다른 실시형태에서, 다-성분 필터 매체는 웨브-적층된다. 습식 적층 공정에서, 고융점 섬유 및 저융점 섬유는 컨베이어 벨트 상에 배치되며, 섬유는 고른 웨브에서 스프레딩는 한편 여전히 습윤 상태이다. 습식-적층 공정은 전형적으로 ¼" 내지 ¾" 길이의 섬유, 때때로 섬유가 강성이거나 두껍다면 더 긴 섬유를 사용한다. 다양한 실시형태에 따른 상술된 섬유를 압축하여, 원하는 두께를 갖는 스크림(210) 또는 필터 매체를 형성한다.
다시, 도 14를 참조하여, 스크림(212)의 웨브는 전기방사 스테이션(204)에 유입되며, 여기서, 미세 섬유(216)가 형성되고 스크림(212)의 웨브 상에 배치된다. 전기방사 스테이션(204)에서, 미세 섬유(216)는 전기방사 셀(222)로부터 전기방사되며, 스크림(212)의 웨브 상에 배치된다. 시스템(200)의 전기방사 공정은 본 출원의 양수인에게 양도된 미국 특허 출원 공개 제2009/0199717호(발명의 명칭: Fine Fibers Under 100 Nanometers, And Methods)에 개시된 전기방사 공정과 실질적으로 유사할 수 있으며, 상기 문헌의 전체 개시내용은 본 명세서에 참고로 포함된다. 대안적으로, 노즐 뱅크(nozzle bank) 또는 다른 전기방사 장비를 사용하여 미세 섬유를 형성할 수 있다. 이러한 대안적인 전기방사 장치 또는 셀(222)의 연쇄 전극의 리로팅(rerouting)은 섬유가 원하는 임의의 배향(예를 들어, 섬유는 또한 더 굵은 섬유를 운반하는 컨베이어 상으로 아래쪽으로, 수평으로 또는 대각선으로 방사될 수 있지만, 위쪽으로 나타냄)으로 배치되게 할 수 있다.
전기방사 공정은 나노섬유로도 알려져 있는 작은 직경의 합성 섬유를 제조한다. 정전 방사의 기본 공정은 강한 전기장, 예컨대 고전압 구배의 존재 하에서 중합체 용융물 또는 용액의 스트림으로의 정전하의 도입를 포함한다. 전기방사 셀(222) 내에서의 중합체 유체로의 정전하의 도입은 하전된 유체의 분사의 형성을 야기한다. 하전된 분사는 전기장에서 가속화되고 얇아지며, 그라운드 컬렉터(ground collector)를 향해 유인된다. 이러한 공정에서, 중합체 유체의 점탄력은 분사를 안정화시켜, 작은 직경의 필라멘트사를 형성한다. 섬유의 평균 직경은 전기방사 셀(222)의 설계 및 중합체 용액의 제제에 의해 조절될 수 있다.
미세 섬유를 형성하는데 사용되는 중합체 용액은 다양한 중합체 재료 및 용매를 포함할 수 있다. 중합체 재료의 예에는 폴리비닐 클로라이드(PVC), 폴리올레핀, 폴리아세탈, 폴리에스테르, 셀룰로오스 에테르, 폴리알킬렌 설피드, 폴리아릴렌 옥사이드, 폴리설폰, 개질된 폴리설폰 중합체 및 폴리비닐 알코올, 폴리아미드, 폴리스티렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리비닐리덴 플루오라이드가 포함된다. 정전 방사용 중합체 용액의 제조를 위한 용매에는 아세트산, 포름산, m-크레솔, 트라이-플루오로에탄올, 헥사플루오로 아이소프로판올 염소화된 용매, 알코올, 물, 에탄올, 아이소프로판올, 아세톤 및 N-메틸 피롤리돈 및 메탄올이 포함될 수 있다. 용매 및 중합체는 주어진 용매 및/또는 용매 혼합물(이들 둘 모두는 "용매"로 지칭될 수 있음) 중의 중합체의 충분한 용해성에 기초하여, 적절한 이용을 위해 매치될 수 있다. 예를 들어, 포름산은 통상 나일론-6으로도 알려져 있는 폴리아미드에 대하여 선택될 수 있다. 미세 섬유의 전기방사에서 추가의 상세사항에 대해서는 상술된 특허를 참조할 수 있다.
시스템(200)에서, 정전기장은 고전압 차등을 생성하는 고전압 전원 공급 장치에 의해 제공되는, 전기방사 셀(222)과 진공 컬렉터 컨베이어(224)의 전극 사이에 형성된다. 도 14에 나타낸 바와 같이, 다수 전기방사 셀(222)이 있을 수 있으며, 여기서, 미세 섬유(216)가 형성된다. 전기방사 셀(222)의 전극에서 형성된 미세 섬유(216)는 정전기장에 의해 제공되는 힘에 의해 진공 컬렉터 컨베이어(224)를 향해 연신된다. 진공 컬렉터 컨베이어(224)는 또한 기계 방향(214)으로 스크림(212)의 웨브를 고정하고 이동시킨다. 구성된 바와 같이, 스크림(212)의 웨브는 미세 섬유(216)가 스크림(212)의 웨브 상에 배치되게 전기방사 셀(222)과 진공 컬렉터 컨베이어(224) 사이에 배치된다. 스크림(212)의 웨브가 한 표면 상에 저융점 성분을 포함하고 다른 표면 상에 고융점 성분을 포함하는 다성분 필터 매체인 실시형태에서, 다-성분 스크림(212)은 다-성분 스크림의 저융점 성분 표면이 전기방사 셀(222)에 대향하도록 전기방사 셀(222)과 진공 컬렉터 컨베이어(224) 사이에 배치된다.
일 실시형태에서, 전기방사 셀(222)은 폴리아미드-6(PA-6) 및 2/3 아세트산 및 1/3 포름산으로 이루어진 적절한 용매를 포함하는 중합체 용액을 함유한다. 이러한 용매에서, 아세트산 및 포름산 둘 모두는 PA-6을 용해시키기 위한 용해제로 작용하며, 아세트산은 중합체 용액의 전도성 및 표면 장력을 조절한다. 전기방사 셀(222)은 스크림(212)의 웨브의 표면 상에 배치된 PA-6으로 형성된 미세 섬유를 생성한다. 미세 섬유(216)가 스크림(212)의 웨브의 표면 상에 배치됨에 따라, 일부 미세 섬유(216)는 전기방사 셀(222)에 대향하는 표면에 인접한 스크림의 섬유와 얽힌다. 일부 미세 섬유(216)가 스크림의 표면에 인접한 몇몇 섬유와 얽히는 경우, 전기방사 공정으로부터 미세 섬유(216)에 남아 있는 일부 용매는 미세 섬유(216)와 스크림(212)의 웨브의 섬유 사이의 용매 접착을 야기할 수 있다. 용매 접착을 야기하기 위하여, 스크림(212)의 웨브의 섬유는 용해성이거나 또는 적어도 미세 섬유 중의 용매와 반응해야 한다. 전기방사 스테이션(202)에서 형성된 복합 필터 매체(218)의 단면도는 도 2의 팽창되지 않은 복합 필터 매체(10)와 유사하게 보일 수 있다.
전기방사 스테이션(206)을 빠져나올 때, 복합 필터 매체(218)는 팽창 공정으로 진행된다. 이러한 실시형태에서, 복합 필터 매체(218)의 팽창은 열 처리 스테이션(206)에서 달성된다. 열 처리 스테이션(206)은 임의의 적절한 통상적인 오븐, 예컨대 컨벡션 오븐 또는 다른 적절한 유형의 가열 메커니즘, 예컨대 적외선 오븐을 사용하는 가열 장치일 수 있다. 스크림(212)이 고융점/저융점 2-성분 섬유를 포함하는 경우, 복합 필터 매체(218)는 2-성분 섬유의 저융점 중합체 성분의 용융 온도로 또는 용융 온도 부근으로 가열된다. 스크림(212)의 2-성분 섬유가 저융점 중합체 성분의 용융 온도로 또는 용융 온도 부근으로 가열됨에 따라, 2-성분 섬유는 이완되고 재배치된다. 일부 2-성분 섬유, 예컨대 도 4의 편심 쉬쓰/코어형 2-성분 섬유는 열 처리에 처하는 경우 다양한 방향으로 말리고 비틀릴 수 있다. 추가로, 예를 들어, 일련의 캘린더링 롤러를 통한 스크림의 형성 동안에 함께 압축된 2-성분 섬유는 열이 압축력을 없앰에 따라 감압되고, 2-성분 섬유가 재배치되게 하여, 섬유 간의 거리가 증가된다. 이와 같이 스크림(212)의 웨브는 그의 두께가 팽창하며, 물결 모양이 되어, 파상 표면을 형성한다.
추가로, 미세 섬유(216)를 운반하는 표면에 인접한 2-성분 섬유가 이동하고 재배향됨에 따라, 미세 섬유(216)는 또한 2-성분 섬유와 함께 이동한다. 상술된 바와 같이, 미세 섬유(216)는 스크림(212)의 웨브의 표면 상에 배치되며, 여기서, 일부 미세 섬유(216)는 스크림(212)의 웨브의 표면에 인접한 2-성분 섬유와 접촉하게 되며, 용매 접착을 통하여 접착될 수 있다. 2-성분 섬유의 외측 저융점 중합체 성분이 연화되거나 용융되고 미세 섬유(216)를 매립함에 따라, 열 처리 동안 2-성분 섬유와 미세 섬유(216) 간의 접착이 증가된다. 열 처리 동안, 복합 필터 매체(218)는 적어도 저융점 성분의 유리 전이 온도보다 높게, 더욱 바람직하게는 저융점 성분의 용융 온도로 또는 용융 온도 부근으로 가열된다. 예를 들어, 복합 필터 매체(218)는 2-성분 섬유의 외측 저융점 폴리에스테르 층이 용융되고 PA-6으로 형성된 미세 섬유(216)와 접착되도록 저융점 폴리에스테르의 융점으로 또는 융점 부근으로 가열된다. 이러한 실시형태에서, PA-6 미세 섬유(216) 및 2-성분 섬유의 고융점 폴리에스테르 코어는 용융되지 않는데, 이는 PA-6과 고융점 폴리에스테르가 저융점 폴리에스테르의 용융 온도보다 유의미하게 더 높은 용융 온도를 갖기 때문이다. 가장 낮은 용융 온도를 갖는 저융점 폴리에스테르는 용융되거나 부드럽게 되고, 인접한 PA-6 미세 섬유(216)는 연화되거나 용융된 저융점 폴리에스테르에 매립되며, 이에 의해 미세 섬유(216)와 스크림(212)의 웨브가 함께 접착된다. 이에 따라, 저융점 폴리에스테르는 2-성분 섬유 스크림(212)과 미세 섬유(216) 간의 접착제로 작용한다.
도 15a 내지 15d는 다양한 확대 수준에서 취한 스크림(212)의 웨브의 표면에 인접한 미세 섬유(216) 및 스크림(212)의 2-성분 섬유의 스캐닝 전자 현미경(SEM) 이미지이다. 도 15a 및 15b의 300배 및 1000배 확대 수준에서 취한 SEM 이미지에 나타낸 바와 같이, 스크림(212)의 웨브 상에 배치된 미세 섬유(216)는 스크림(212)의 표면에 인접하게 위치한 굵은 2-성분 섬유 사이에 거미줄 유사 섬유 구조를 형성한다. 더 높은 확대(2,000배의 도 15c 및 10,000배의 도 15d)에서 취한 SEM 이미지는 미세 섬유(216)와 2-성분 섬유 간의 접착을 보여준다. 도 15d에 명백하게 나타낸 바와 같이, 미세 섬유(216)는 2-성분 섬유의 저융점 폴리에스테르 표면 상에 매립된다.
2-성분 섬유의 표면 상에 매립된 미세 섬유(216)는 열 처리 동안 2-성분 섬유가 이완되고 재배향됨에 따라 2-성분 섬유와 함께 이동한다. 2-성분 섬유는 2-성분 섬유가 가열됨에 따라, 말리고 비틀리며, 상이한 방향으로 이동할 수 있다. 미세 섬유(216)를 운반하는 일부 2-성분 섬유는 팽창하는 표면 밖으로 이동할 수 있는 한편, 미세 섬유(216)를 운반하는 일부 2-성분은 원래의 표면 수준으로 머무르거나 심지어 반대 방향으로 안으로 이동할 수 있다. 이와 같이, 복합 필터 매체(218)의 실질적으로 평평한 표면은 섬유가 열 처리 동안 배향됨에 따라 파상형이 된다. 추가로, 스크림(212)의 표면 수준에서 배치된 미세 섬유(216)는 그들이 2-성분 섬유와 함께 이동함에 따라 연장되며, 이에 의해, 열 처리 동안 복합 필터 매체(218)가 팽창됨에 따라, 스크림(212)의 웨브로의 미세 섬유(216) 통합의 깊이가 증가한다. 2-성분 섬유 및 미세 섬유(216)의 재배향은 또한 팽창된 복합 필터 매체(218)의 전체 포어 구조를 향상시킬 수 있다. 따라서, 팽창(증가된 체적을 갖는 동일한 양의 섬유)으로 인한 고체 백분율의 감소 및 팽창된 복합 필터 매체(218)의 향상된 포어 구조는 향상된 필터 능력 및 더 느린 압력 강하 증가를 제공한다. 팽창된 복합 필터 매체(220)는 파상 표면 및 팽창된 두께를 갖는 도 1의 팽창된 복합 필터 매체와 유사할 수 있다.
일부 실시형태에서, 팽창된 복합 필터 매체(220)는 열 처리 스테이션의 다운스트림의 일련의 롤러를 통하여 가공될 수 있다. 소량의 압력을 팽창된 복합 필터 매체(220)에 인가하여, 미세 섬유(216)와 기질 스크림(212) 사이의 접착력을 촉진시키고/거나 복합 필터 매체(220)의 두께를 원하는 두께로 약간 감소시킬 수 있다. 그러나, 팽창된 복합 필터 매체(220)는 일련의 롤러를 통한 열 처리로부터 실질적으로 파상 표면 및 팽창된 두께를 유지한다.
도 16은 본 발명의 상이한 실시형태에 따른 팽창된 복합 필터 매체의 제조를 위한 시스템(230)을 개략적으로 예시한 것이다. 시스템(230)은 기재 매체(236)를 형성하기 위한 장비(232), 필터층(238)을 형성하기 위한 장비(234), 전기방사 스테이션(240), 일련의 롤러(242), 열 처리 스테이션(244) 및 리와인딩 스테이션(252)을 포함한다.
기재 매체(236) 및 필터층(238)은 다양한 적절한 재료 및 방법으로 형성될 수 있다. 추가로, 기재 매체(236) 및 필터층(238)은 동일한 필터 매체 또는 스크림, 또는 상이한 필터 매체 또는 스크림으로 형성될 수 있다. 일 실시형태에서, 기재 매체(236) 및 필터층(238)은 동일한 2-성분 섬유 스크림으로 형성된다. 이러한 실시형태에서, 고융점 폴리에스테르 코어 및 저융점 폴리에스테르 쉬쓰를 포함하는 2-성분 스테이플 섬유는 장비(232) 및 장비(234)에 원하는 두께와 폭을 갖는 스크림의 웨브로 형성된다.
2-성분 섬유 스크림을 포함하는 기재 매체(236)는 전기방사 스테이션(240)에 유입되며, 여기서, PA-6 나노섬유(254)는 도 14의 전기방사 스테이션(204)에 대해 기재된 방식으로 형성되며 기재 매체(236)의 표면 상에 배치된다. 미세 섬유(254)를 운반하는 기재 매체(236)에는 이어서, 일련의 롤러(242)를 통하여 필터층(238)이 적층된다. 나타낸 바와 같이, 필터층(238)은 복합 필터 매체(246)의 미세 섬유 배치된 면 상에 적층된다. 일련의 롤러(242)에 원하는 양의 압력을 인가하여, 미세 섬유(254)와 기재 매체(236) 사이의 접착 및 미세 섬유(254)와 필터층(238) 사이의 접착을 증가시킬 수 있다. 일련의 롤러(242)를 빠져 나오는 복합 필터 매체(248)는 도 11의 팽창되지 않은 필터 매체(90)와 유사하게 보일 수 있다.
그 다음, 복합 필터 매체(248)는 열 처리 스테이션(244)으로 유입된다. 열 처리 스테이션(244)에서, 복합 필터 매체(248)는 2-성분 섬유의 저융점 폴리에스테르 성분의 융점으로 또는 융점 부근으로 가열된다. 기재 매체(236)의 2-성분 섬유 및 필터(238)는 도 14의 실시형태에 관하여 상술된 바와 같이 이완되고 재배향된다. 상술된 바와 같이, 미세 섬유(254)는 또한 2-성분 섬유와 함께 재배향된다. 열 처리 스테이션(244)을 빠져 나오는 팽창된 복합 필터 매체(250)는 도 12의 팽창된 복합 필터 매체와 유사하게 보일 수 있다. 팽창된 복합 필터 매체(250)는 팽창된 두께 및 파상 표면을 갖는다. 마지막으로, 팽창된 복합 필터 매체(250)는 라와인딩 스테이션(252)에서 롤로 와인딩된다. 일부 실시형태에서, 팽창된 복합 필터 매체(250)는 열 처리 스테이션의 다운스트림의 일련의 롤러를 통해 가공될 수 있다. 소량의 압력을 팽창된 복합 필터 매체(250)로 인가하여, 상이한 층 간의 접착력을 촉진시킬 수 있고/거나 복합 필터 매체(250)의 두께를 원하는 두께로 약간 감소시킬 수 있다. 그러나, 팽창된 복합 필터 매체(250)는 실질적으로 일련의 롤러를 통한 열 처리로부터 파상 표면 및 팽창된 두께를 유지한다.
도 26은 본 발명의 상이한 실시형태에 따른 팽창된 복합 필터 매체의 제조를 위한 시스템(400)을 도식적으로 보여준다. 시스템(400)은 2개의 언와인드 스테이션(402, 404), 오븐(406) 및 리와인드 스테이션(408)을 포함한다. 기재 매체(414) 및 미세 섬유(418)를 포함하는 미세 섬유 코팅된 매체(410)의 롤은 언와인드 스테이션(402)으로부터 언와인딩되어, 미세 섬유(418)가 미세 섬유 코팅된 매체(412)의 미세 섬유(420)와 대향된다. 기재 매체(416) 및 미세 섬유(420)를 포함하는 미세 섬유 코팅된 매체(412)의 롤은 언와인드 스테이션(404)으로부터 언와인딩되어, 미세 섬유(420)가 미세 섬유(418)와 대향된다. 미세 섬유(418, 420)는 전기방사 방법, 예컨대 도 14의 시스템(200)에 기재된 전기방사 방법을 통하여 기재 매체(414, 416) 상에 배치된다. 이러한 실시형태에서, 미세 섬유(418, 420)는 이전 실시형태에 기재된 전기방사 나일론-6 나노섬유이다. 기재 매체(414, 416)는 이전 실시형태에 기재된 고융점 폴리에스테르/저융점 폴리에스테르 섬유를 포함하는 2-성분 섬유 스크림을 포함한다.
2개 층의 미세 섬유 코팅된 매체(410, 412)는 일련의 롤러(422) 사이에 함께 적층되며, 여기서, 압력은 층(414, 418, 420, 416) 간의 접착이 촉진되도록 인가된다. 일부 실시형태에서 일련의 롤러(422)를 가열하여 층(414, 418, 420, 416) 간의 접착을 증가시킬 수 있다. 오븐(406)에 유입되기 전에, 적층된 복합 필터 매체(424)는 도 11에 나타낸 팽창되지 않은 복합 필터 매체(90)와 유사하게 보인다. 복합 필터 매체(424)는 오븐(406)에 유입된다. 오븐에서, 복합 필터 매체(424)는 저융점 폴리에스테르의 융점으로 또는 융점 부근으로 가열되며, 여기서, 기재 매체(414, 416)는 이전 실시형태에 기재된 바와 같이 팽창한다. 기재 매체(414)가 팽창함에 따라, 기재 매체(414)의 굵은 2-성분 섬유에 의해 운반되는 미세 섬유(418)도 또한 3-차원 매트릭스로 이동하고 재배향된다. 유사하게, 기재(416)가 팽창함에 따라, 기재 매체(416)의 굵은 2-성분 섬유에 의해 운반되는 미세 섬유(420)는 3-차원 매트릭스로 이동하고 재배향된다. 추가로, 복합 필터 매체(424)가 가열됨에 따라, 열 접착이 야기되어, 층(414, 418, 420, 416) 간의 접착력이 증가될 수 있다. 오븐(406)에서의 열 팽창 후에, 팽창된 복합 필터 매체(426)는 도 12의 팽창된 복합 필터 매체(90)와 유사하게 보이며, 여기서, 미세 섬유층(418, 420)은 서로 대향하여 적층된다. 팽창된 복합 필터 매체(426)는 리와인드 스테이션(408)에서 롤로 와인딩된다.
도 27은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 팽창된 복합 필터 매체의 제조를 위한 시스템(430)을 도식적으로 예시한 것이다. 시스템(430)은 3개의 언와인드 스테이션(432, 434, 436), 오븐(438) 및 리와인드 스테이션(440)을 포함한다. 기재 매체(448) 및 미세 섬유(452)를 포함하는 미세 섬유 코팅된 매체(442)의 롤은 언와인드 스테이션(432)으로부터 언와인딩되며, 미세 섬유(452)는 미세 섬유 코팅된 매체(444)의 롤의 기재 매체(450)와 대향한다. 기재층(450) 및 미세 섬유(454)를 포함하는 미세 섬유 코팅된 매체(444)의 롤은 언와인드 스테이션(434)으로부터 언와인딩되며, 기재층(450)은 미세 섬유(452)와 대향한다. 미세 섬유 코팅된 매체(442) 및 미세 섬유 코팅된 매체(444)는 일련의 롤러(456) 사이에서 적층되며, 여기서, 압력은 층(448, 452, 450, 454) 간의 접착을 촉진시키기 위하여 인가된다. 일련의 롤러(456)를 가열하여, 열 접착을 통하여 층(448, 452, 450, 454) 간의 접착력을 증가시킬 수 있다. 매체(446)의 롤은 언와인드 스테이션(436)으로부터 언와인딩되며, 일련의 롤러(458)를 통하여 미세 섬유(454)의 상측에 적층된다. 추가의 압력을 일련의 롤러(458)에 의해 인가하여, 층 간의 적층을 용이하게 할 수 있다. 일련의 롤러(458)는 또한 가열되어, 층(448, 452, 450, 454, 446) 간의 접착력을 증가시킬 수 있다.
미세 섬유(452, 454)는 전기방사 방법, 예컨대 도 14의 시스템(200)에 기재된 전기방사 방법을 통하여 기재 매체(448, 450) 상에 배치된다. 이러한 실시형태에서, 미세 섬유(452, 454)는 이전 실시형태에 기재된 전기방사 나일론-6 나노섬유이다. 기재 매체(448, 450) 및 매체(446)는 이전 실시형태에 기재된 고융점 폴리에스테르/저융점 폴리에스테르 섬유를 포함하는 2-성분 섬유 스크림을 포함한다. 3개의 매체층(446, 448 450) 및 2개의 미세 섬유층(452, 454)을 포함하는 적층된 복합 필터 매체(460)는 오븐(438)에 유입되며, 여기서, 복합 필터 매체(460)는 이전 실시형태에 기재된 바와 같이 열을 통하여 팽창한다. 복합 필터 매체(460)는 오븐(438)에서 가열되며, 열 접착을 야기하여 층(448, 452, 450, 454, 446) 간의 접착력을 향상시킬 수 있다. 오븐(438)을 빠져 나올 때 팽창된 복합 필터 매체(464)는 도 13에 나타낸 팽창된 복합 필터 매체(100)와 유사하게 보인다. 팽창된 복합 필터 매체(462)는 리와인드 스테이션(440)에서 롤로 와인딩된다.
실시예 및 시험 결과
본 발명의 일 실시형태에 따른 도 13의 팽창된 복합 필터 매체(100)에 대한 실험 샘플을 실험실에서 준비하였다. 1.25 OSY의 평량을 갖는 고융점 폴리에스테르 코어 및 저융점 폴리에스테르 쉬쓰를 포함하는 2-성분 섬유 스크림을 기재 매체(12), 필터층(92) 및 필터층(104)에 사용하였다.
미세 섬유는 PA-6을 포함하는 중합체 용액으로부터 전기방사 공정을 통하여 형성하였다. PA-6 나노섬유가 형성되며, 약 0.019g/㎡의 커버리지 수준으로 2-성분 섬유 스크림에 배치하였다. 미세 섬유를 운반하는 이러한 2-성분 섬유 스크림 및 코팅되지 않은 2-성분 섬유 스크림의 2개의 층을 함께 적층하여, 미세 섬유가 도 13에 나타낸 바와 같은 2-성분 섬유 스크림층 사이에 개재되게 하였다. 그 다음, 복합 필터 매체 시험 샘플을 약 250℉에서 약 5분 동안 오븐에서 가열하였다.
샘플을 효능 및 분진 포집 용량에 대하여 시험하고, 샘플의 시험 결과를 시판되는 다른 비교가능한 필터 매체의 것과 비교하였다. MFP 분진 포집 시험에 대한 시험 프로토콜은 다음과 같다: 140㎎/㎥의 농도의 ISO 미세 시험 분진, 1002㎝의 샘플 크기, 면 속도(face velocity) 10㎝/초. MFP 효능 시험에 대한 시험 프로토콜은 다음과 같다: 70㎎/㎥의 농도의 ISO 미세 시험 분진, 1002㎝의 샘플 크기, 면 속도 20㎝/초. 도 17 내지 19는 라이달 인코포레이티드(Lydall Inc.)를 통해 입수할 수 있는 2개의 비교할 수 있는 필터 매체(라이달(Lydall) MERV 14 그레이드(Grade) SC8100 및 라이달 MERV 11 그레이드 SC8110)에 비한 복합 시험 샘플의 효능 및 분진 포집 시험 결과를 보여준다.
도 17에 나타낸 바와 같이, 복합 매체 시험 샘플(CLC 매체)은 라이달 SC8110보다 효능 시험에서 뛰어나게 수행되었으며, 라이달 SC8100과 매우 유사하게 수행되었다. 그러나, 복합 매체 시험 샘플(CLC 매체 샘플 1 및 CLC 매체 샘플 2)은 도 18 및 19에 나타낸 바와 같은 시험 기간에 걸쳐 더 낮은 압력 강하를 나타내는 분진 포집 시험에서 훨씬 더 잘 수행되었다.
본 명세서에 인용된 공보, 특허출원서, 및 특허를 포함한 모든 참고문헌은 각각의 참고문헌이 참고로 포함되는 것으로 개별적이고도 구체적으로 특정되고 그 전체가 본 명세서에 기재되는 것처럼 동일한 범위로 본 명세서에 참고로 포함된다.
본 발명을 기술하는 문맥(특히 하기의 특허청구범위의 문맥)에 사용된 "하나" 및 "상기" 등의 용어는 본 명세서에 달리 기재하거나 문맥상 명백히 모순되지 않는다면 단수 및 복수 형태를 모두 포함하는 것으로 해석해야 한다. "구비하는", "갖는", "포함하는" 및 "함유하는"이라는 용어는 달리 언급하지 않는 한 "제한 없는 용어(open ended term)"(즉, "포함하지만 그에 한정되지 않음"을 의미)로 해석해야 한다. 본 명세서에서 값의 범위를 기재하는 것은 본 명세서에 달리 기재되지 않는 한, 단지 그 범위에 속하는 각각의 별개의 값을 개별적으로 참조하는 축약 방법으로서 제공하고자 하며, 각각의 별개의 값은 그것이 본 명세서에 개별적으로 기재되는 것처럼 본 명세서에 포함된다. 본 명세서에 기재한 모든 방법은 본 명세서에 달리 기재하거나 문맥상 명백히 모순되지 않는다면 임의의 적절한 순서로 수행될 수 있다. 본 명세서에 제공된 임의의 또는 모든 예 또는 예시적인 용어(예를 들면 "예컨대")의 사용은 본 발명을 더 잘 설명하기 위한 것일 뿐이며 달리 청구되지 않는 한 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 어떠한 용어라도, 청구되지 않은 임의의 부재를 본 발명의 실시에 필수적인 것으로 나타내는 것으로 간주되어서는 안된다.
본 발명의 실시를 위해 발명자가 알고 있는 최선 방식을 포함하는 본 발명의 바람직한 실시형태가 본 명세서에 기재되어 있다. 해당 분야의 통상의 지식을 가진 자는 전술한 상세한 설명으로부터 바람직한 실시형태를 변형시킬 수 있음이 명백할 수 있다. 본 발명자들은 당업자가 그와 같은 변이를 적절하게 채용할 것을 예상하며, 본 발명자들은 본 발명이 본 명세서에 구체적으로 기재되는 것과 달리 실시되고자 하였다. 따라서, 본 발명은 적용가능한 법이 허용하는 한 첨부한 특허청구범위에 정의된 대상 물질의 모든 변형과 등가물을 포함한다. 또한, 그의 가능한 모든 변이의 전술한 부재의 모든 조합은 본 명세서에 달리 기재하거나 문맥상 명백히 모순되지 않는 한 본 발명에 포함된다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 기재 매체에 의해 운반되는 미세 섬유를 포함하는 파상 표면을 갖는 팽창된 복합 필터 매체의 개략 단면도;
도 2는 일반적으로 평평한 표면을 갖는 그의 팽창되지 않은 상태의 도 1의 복합 필터 매체의 개략 단면도;
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 기재 매체의 동심의 쉬쓰/코어(sheath/core)형 2-성분 섬유의 개략도;
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 기재 매체의 편심의 쉬쓰/코어형 2-성분 섬유의 개략도;
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 기재 매체의 사이드-바이-사이드(side-by-side)형 2-성분 섬유의 개략도;
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 기재 매체의 파이 웨지(pie wedge)형 2-성분 섬유의 개략도;
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 기재 매체의 중공 파이 웨지(hollow pie wedge)형 2-성분 섬유의 개략도;
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 따른 기재 매체의 해도(islands/sea)형 2-성분 섬유의 개략도;
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 기재 매체의 3엽(trilobal)형 2-성분 섬유의 개략도;
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 기재 매체의 팁(tipped)형 2-성분 섬유의 개략도;
도 11은 본 발명의 일 실시형태에 따른 팽창되지 않은 상태의 복합 필터 매체의 개략 단면도;
도 12는 팽창된 상태에 있는 도 11의 복합 필터 매체의 개략 단면도;
도 13은 본 발명의 상이한 실시형태에 따른 팽창된 복합 필터 매체의 개략 단면도;
도 14는 본 발명의 일 실시형태에 따른 팽창된 복합 필터 매체의 제조를 위한 시스템의 개략도;
도 15a는 확대 수준 300배에서 취한 도 1의 팽창된 복합 필터 매체의 기재 매체의 표면에 인접한 2-성분 섬유 및 미세 섬유의 스캐닝 전자 현미경 이미지;
도 15b는 확대 수준 1,000배에서 취한 도 1의 팽창된 복합 필터 매체의 기재 매체의 표면에 인접한 2-성분 섬유 및 미세 섬유의 스캐닝 전자 현미경 이미지;
도 15c는 확대 수준 2,000배에서 취한 도 1의 팽창된 복합 필터 매체의 기재 매체의 표면에 인접한 2-성분 섬유 및 미세 섬유의 스캐닝 전자 현미경 이미지;
도 15d는 확대 수준 10,000배에서 취한 도 1의 팽창된 복합 필터 매체의 기재 매체의 표면에 인접한 2-성분 섬유 및 미세 섬유의 스캐닝 전자 현미경 이미지;
도 16은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 팽창된 복합 필터 매체의 제조를 위한 시스템의 개략도;
도 17은 본 발명의 일 실시형태에 따른 팽창된 복합 필터 매체 및 2개의 다른 통상의 필터 매체의 MFP 효능 시험 결과를 보여주는 그래프;
도 18은 도 17의 팽창된 복합 필터 매체 및 2개의 다른 통상의 필터 매체의 200분 시험 기간에 걸친 MFP 분진 포집 시험 결과를 보여주는 그래프;
도 19는 도 17의 팽창된 복합 필터 매체 및 2개의 다른 통상의 필터 매체의 650분 시험 기간에 걸친 MFP 분진 포집 시험 결과를 보여주는 그래프;
도 20은 본 발명의 일 실시형태에 따른, 확대 수준 120배에서 취한 열 팽창 전의 스크림의 형태에 있는 팽창되지 않은 기재 매체의 광학 현미경 이미지;
도 21은 본 발명의 일 실시형태에 따른, 확대 수준 120배에서 취한 도 12의 팽창된 복합 매체와 같은 서로 대향하는 미세 섬유층과 함께 적층된, 2개의 미세 섬유 코팅된 기재 매체를 포함하는 팽창된 복합 매체의 광학 현미경 이미지;
도 22는 팽창된 복합 필터 매체를 플리팅(pleating)시킴으로써 형성되는 본 발명의 일 실시형태에 따른 플리팅된 필터 부재의 투시도;
도 23은 팽창된 복합 필터 매체로 형성된 본 발명의 일 실시형태에 따른 세로의 홈이 있는(fluted) 필터 부재의 투시도;
도 24는 본 발명의 일 실시형태에 따른 미세 섬유가 코팅되고 미세 섬유가 서로 대향하도록 서로 적층된 2개의 매체를 포함하는 복합 필터 매체의 확대 수준 2,500배에서 취한 스캐닝 전자 현미경 이미지; 및
도 25는 플리팅된 필터 매체가 팽창된 복합 필터 매체로 형성된 본 발명의 일 실시형태에 따른 패널(panel) 필터의 투시도;
도 26은 본 발명의 일 실시형태에 따른, 미세 섬유가 서로 대향하도록 적층되는 미세 섬유 코팅된 매체의 2개의 층을 포함하는 팽창된 복합 필터 매체의 제조를 위한 시스템의 개략도; 및
도 27은 본 발명의 일 실시형태에 따른, 미세 섬유 코팅된 매체의 2개의 층 및 매체 사이에 개재된 각 미세 섬유층과 함께 적층된 다른 매체층을 포함하는 팽창된 복합 필터 매체의 제조를 위한 시스템의 개략도이다.
본 발명은 특정 바람직한 실시형태와 관련되어 기재될 것이나, 이들 실시형태로 한정되려는 의도는 없다. 첨부된 특허청구범위에 의해 정해지는 본 발명의 목적과 범위에 포함되는 모든 대안, 변형 및 등가물을 포함하고자 한다.
발명의 상세한 설명
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 복합 필터 매체(10)의 개략 단면도이다. 나타낸 바와 같이, 복합 필터 매체(10)는 기재 매체(12), 및 기재 매체(12)의 표면(16)을 따라 운반되는 미세 섬유(14)를 포함한다. 복합 매체(10)는 파상 표면(18)을 가지며, 이는 도 1에 매우 개략적으로만 예시되어 있으며, 이는 기재 매체(12)의 팽창에 의해 형성된다.
도 1의 팽창된 복합 필터 매체(10)를 형성하기 위하여, 압축된, 그리고 적어도 부분적으로 압축된 매체는 도 2에 나타낸 바와 같이 사용된다. 도 2는 팽창 전의 팽창되지 않은 상태에 있는 도 1의 복합 필터 매체(10)의 개략 단면도이며, 이는 또한 팽창 전에 배치된 미세 섬유(14)로서 관찰될 수 있다. 도시된 바와 같이, 복합 필터 매체(10)는 일반적으로 팽창 전에는 평평한 표면(20)을 가지며, 여기서, 미세 섬유(14)는 일반적으로 평평한 층을 형성한다. 팽창되지 않은 상태에 있는 기재 매체(12)는 두께 t'를 갖는다. 복합 필터 매체(10)가 팽창으로 처리되는 경우, 기재 매체(12)의 두께는 도 1에 나타낸 바와 같은 t로 팽창하며, 표면이 이완되어, 도 1의 파상 표면(18)을 형성한다. 몇몇 실시형태에서, 두께 t는 원래 두께의 적어도 1.5배일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 거의 2배 또는 3배 또는 심지어 그 이상의 증가일 수 있다.
일 실시형태에서, 필터 매체(10)의 팽창은 열 처리를 통해 달성되지만, 다른 이완제, 예컨대 용매 분무(오직 기재에 대해 부분적으로 용해성) 또는 다른 가공을 이완을 위해 사용할 수 있다. 예를 들어, 팽창되지 않은 상태의 스크림이 사전형성되고 캘린더링되거나 다르게는 적어도 부분적으로 압축될 수 있으며, 여기서, 섬유는 접착되고 이에 의해 서로 고정됨으로써(큰 섬유 대 큰 섬유 접착은 이들 큰 섬유를 적소에 고정시킴) 편향된 상태로 적소에 고정된다. 일 실시형태에서, 미세 섬유를 운반하는 팽창되지 않은 2-성분 스크림은 가열에 의해 팽창되며, 여기서, 저융점 성분은 용융되거나 연화되고, 미세 섬유와 접착된다. 이러한 가열 동안, 기재의 더 큰 섬유가 또한 적어도 부분적으로 압축된 상태로부터 벗어나며, 사방에서 슬라이딩되고 더 천연의 상태를 향하여 - 예컨대, 적어도 부분적으로 압축되지 않고 팽창된 상태를 향하여(예컨대, 제1 장소에서 스크림의 형성 전에 발생되는 압축되지 않은 상태를 향하여) 다시 이동하게 한다. 열 처리 동안, 바람직한 특정 실시형태에 따르면, 기재 매체(12)의 섬유는 이완되고 재배향되어, 섬유 간의 평균 거리가 증가된다. 이와 같이, 기재 매체(12)는 팽창하며, 여기서, 기재 매체(12)의 두께가 증가하며, 기재 매체(12)의 표면은 평평한 것과 대조적으로 파상의 특징이 된다. 추가로, 기재 매체(12)의 표면에 인접한 섬유가 이완되고 재배향됨에 따라, 이들 섬유에 의해 운반되는 미세 섬유(14)가 이동하며, 섬유와 함께 재배향된다. 따라서, 미세 섬유(14)는 더 큰 섬유와 함께 연장되며, 밀리고 당겨진다.
이제, 본 발명의 일 실시형태에 따라, 팽창된 두께 및 파상 표면을 갖는 복합 필터 매체가 일반적으로 기재되며, 이의 이점의 일부는 추가의 상세사항 및 복합 필터 매체의 다른 실시형태를 제공하기 전에 논의될 것이다.
필터 매체의 특징에 영향을 미치는 몇몇 인자가 존재한다. 필터 또는 여과 능력은 그의 서비스 수명 동안 필터가 포획하는 입자의 양이다. 일반적으로, 더 높은 필터 능력은 더 긴 필터 수명을 제공할 것이며, 이는 필터 교체 또는 서비스의 빈도를 줄일 수 있다. 필터 능력은 종종 원하는 유체 흐름에 대한 저항이 너무 높아지는 경우(이에 따라, 증가된 압력 강하) 압력 강하 또는 저항과 관련되고, 필터는 원하는 유체 유량을 조장하도록 변경시킬 필요가 있다. 압력 강하는 필터 매체에 의해 생성되는 유체 흐름에 대한 저항에 관한 것이다. 압력 강하는 매체의 더러운 측으로부터 깨끗한 측으로의 압력 차동이다. 일반적으로, 저항이 높으면, 주어진 유속에서 필요한 에너지가 더 크고/거나 압력 강하가 더 높다. 따라서, 모든 다른 고려사항이 동일하면, 더 낮은 압력 강하를 갖는 필터가 바람직하다. 필터 효능은 필터 매체에 의해 유체 스트림으로부터 제거되는 입자의 백분율이며, 통상 특정 입자 크기(들)에 대하여 제공된다. 물론, 유체 스트림으로부터 더 많은 입자를 제거하는 것이 종종 바람직하나, 동시에 유체 흐름을 너무 제한하지 않는 것이 바람직하다. 필터 수명은 필터가 너무 커지는 압력 강하 또는 타격 때문에 교체되거나 서비스받을 필요가 있기 전의 기간이다.
본 발명의 실시형태에 따른 복합 필터 매체는 팽창된 두께 및 파상 표면을 가져, 팽창 공정으로 처리하지 않은 팽창되지 않은 필터 매체에 비해 더 큰 필터 매체 체적을 제공한다. 이것이 특히 나노섬유층(14)과 관련됨에 따라, 이는 표면 로딩형 층인 것으로 여겨지며, 성질이 평면으로부터 파상으로 팽창되는 영역을 가짐으로써, 유효한 체적의 면적이 증가된다. 따라서, 팽창에 기초하여, 증가된 필터 매체 체적을 통해 더 많은 입자가 포획될 수 있다. 추가로, 그리고 상기 논의된 바와 같이, 기재 매체의 섬유 및 그 위에 운반되는 미세 섬유는 팽창 공정 동안 재배향된다. 이러한 섬유의 재배향은 향상된 필터 매체 포어(pore) 구조를 생성하여, 더 적은 유체 흐름 저항으로 입자를 더욱 효율적으로 포획할 수 있다. 또한, 이는 나노섬유 재배향 때문에 증가된 저항을 야기하지 않고, 나노섬유의 더 큰 커버리지 수준을 가능하게 할 수 있다. 따라서, 팽창된 복합 필터 매체는 팽창되지 않은 상태에 있는 복합 필터 매체에 비하여, 동일한 필터 효능을 유지하면서, 동일한 수준의 압력 강하 또는 더 낮은 압력 강하를 유지하는 한편, 필터 효능을 향상시킬 수 있다. 그러므로, 팽창된 두께 및 파상 표면을 갖는 복합 필터 매체는 증가된 분진 포집 용량, 감소된 압력 강하 및/또는 저항 및/또는 더 긴 필터 수명을 제공함으로써 필터 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1 및 2로 돌아가서, 복합 필터 매체(10)의 더욱 상세한 구조가 이제 논의될 것이다. 기재 매체(12)는 임의의 적합한 다공성 재료로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 기재 매체(12)는 다-성분 필터 매체로 형성된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같은 용어 "다-성분 필터 매체", "다-성분 매체" 및 다른 유사한 용어는 적어도 2개의 상이한 재료를 포함하는 필터 매체를 지칭하기 위하여 상호교환하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 다-성분 필터 매체는 제1 재료로 형성된 섬유 및 제2 재료로 형성된 섬유를 포함할 수 있으며, 여기서, 제1 재료 및 제2 재료는 상이한 재료이다. 대안적으로, 다-성분 필터 매체는 하기에 상세히 기재되는 바와 같이, 적어도 2개의 상이한 재료를 포함하는 섬유, 예컨대 제1 재료로 형성된 코어 및 제2 재료로 형성된 쉬쓰를 포함하는 섬유로 형성될 수 있다. 2개의 상이한 재료를 포함하는 다-성분 필터 매체는 본 명세서에서 "2-성분 필터 매체", "2-성분 매체" 등의 용어로 지칭된다.
바람직한 일 실시형태에서, 기재 매체(12)는 상이한 융점을 갖는 2개의 상이한 재료를 포함하는 2-성분 섬유로 형성된다. 미세 섬유 및 이러한 다-성분 섬유로 형성된 기재 매체를 포함하는 복합 필터 매체는 그 전체 개시내용이 본 명세서에 참고로 포함되는 본 출원의 양수인에 양도된 PCT 특허 출원 제PCT/US09/50392호(발명의 명칭: Multi-Component Filter Media with Nanofiber Attachment)에 기재되어 있다.
이러한 실시형태에서, 기재(12)의 2-성분 섬유의 하나의 성분은 다른 성분보다 더 낮은 융점을 갖는다. 저융점 성분은 임의의 적합한 중합체, 예컨대 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 또는 폴리에스테르일 수 있다. 다른 성분은 저융점 성분보다 더 높은 융점을 갖는 중합체 또는 다른 적합한 섬유 재료, 예컨대 유리 및/또는 셀룰로오스일 수 있다. 바람직하게는, 섬유를 압축시켜, 매체의 웨브(web) 또는 특정 두께를 갖는 스크림의 형태로 기재 매체(12)를 형성한다.
일 실시형태에서, 기재 매체(12)는 고융점 중합체 성분 및 저융점 중합체 성분을 포함하는 2-성분 섬유로 형성된 스크림이다. 예를 들어, 2-성분은 고융점 폴리에스테르 및 저융점 폴리에스테르를 포함할 수 있으며, 여기서, 하나는 다른 하나보다 더 큰 용융 온도를 갖는다. 도 3은 일 실시형태에 따른 2-성분 섬유(22)를 도식적으로 예시한 것이다. 나타낸 바와 같이, 2-성분(22)은 동심의 쉬쓰/코어형이며, 여기서, 코어(24)는 고융점 중합체 성분으로 형성되고, 쉬쓰(26)는 저융점 중합체 성분으로 형성된다.
고융점 중합체 성분은 저융점 중합체 성분보다 더 높은 용융 온도를 갖는 중합체로 형성된다. 적합한 고융점 중합체에는 폴리에스테르 및 폴리아미드가 포함되나 이에 한정되는 것은 아니다. 적합한 저융점 중합체에는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 코-폴리에스테르 또는 선택된 고융점 중합체보다 더 낮은 용융 온도를 갖는 임의의 다른 적합한 중합체가 포함된다. 예를 들어, 2-성분 섬유는 폴리에스테르 코어 및 폴리프로필렌 쉬쓰로 형성될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 2-성분 섬유는 2개의 상이한 유형의 폴리에스테르로 형성되며, 하나는 다른 것보다 더 높은 융점을 갖는다.
기재 매체(12)의 섬유는 미세 섬유(14)의 평균 섬유 직경보다 더 큰 평균 섬유 직경을 갖도록 형성된다. 바람직하게는 기재 매체(12)의 섬유는 평균 섬유 직경이 약 1 미크론 초과, 더욱 바람직하게는 5 미크론 초과이다. 일 실시형태에서, 기재 매체(12)의 섬유의 평균 직경은 약 1 미크론 내지 약 40 미크론이다. 팽창되지 않은 상태에서, 굵은 섬유를 예를 들어, 일련의 캘린더링 롤러를 통하여 압축시켜, 약 0.05 내지 1.0㎜, 바람직하게는 약 0.1 내지 0.5㎜의 두께를 갖는 기재 매체(12)를 형성한다. 이러한 2-성분 섬유 기재 매체(12)는 미세 섬유(14)에 필요한 구조적 지지체를 제공할 수 있다. 기재 매체(12)에 적절한 다양한 두께의 2-성분 스크림은 미국 테네시주 로저스빌 소재의 에이치디케이 인더스트리즈, 인코포레이티드(HDK Industries, Inc.) 또는 다른 필터 매체 공급처를 통해 상업적으로 입수할 수 있다. 따라서, 기재는 구입할 수 있는 2-성분 매체로부터 사전-형성될 수 있다.
다른 유형의 2-성분 섬유를 사용하여 다른 실시형태에서 기재 매체(12)를 형성할 수 있다. 2-성분 섬유의 상이한 유형의 일부 예는 도 4 내지 10에 개략적으로 예시되어 있다. 코어(30) 및 쉬쓰(32)를 포함하는 편심의 쉬쓰/코어형 2-성분 섬유(28)가 도 4에 나타나 있다. 이러한 섬유는 동심의 쉬쓰 코어 섬유(22)와 유사하나, 코어(30)가 중심을 벗어나 이동된다. 2가지 중합체 성분의 상이한 수축률은 가열시 섬유가 나선형으로 와인딩(winding)되게 한다. 이는 다른 평평한 섬유가 크림프(crimp) 및 체적 증대를 발생하도록 하며, 열 아래에서 상이한 섬유 재배향, 팽창 및/또는 파상 표면을 야기할 수 있다.
도 5는 제1 중합체 성분(36) 및 제2 중합체 성분(38)을 포함하는 사이드-바이-사이드형 2-성분 섬유(34)를 개략적으로 예시한 것이다. 응용에 따라, 제1 중합체 성분은 제2 중합체 성분보다 융점이 더 높거나 더 낮은 중합체일 수 있다. 이는 편심의 쉬쓰/코어 섬유의 추가의 연장이며, 여기서, 두 중합체 모두는 섬유 표면의 일부분을 점유한다. 적절한 중합체 선택과 함께, 이러한 섬유는 편심의 쉬쓰/코어 섬유(28)보다 더 높은 수준의 잠재적 크림프를 발생할 수 있다.
파이 웨지형 2-성분 섬유(40)는 도 6에 개략적으로 예시되어 있다. 파이 웨지형 섬유(40)는 제1 중합체 성분(42) 및 제2 중합체 성분(44)으로 형성된 다수의 인접한 웨지를 포함한다. 제1 중합체 성분(42)의 각각은 어느 하나의 측에 제2 중합체 성분(44)을 갖는다. 제1 중합체 성분(42)은 제2 중합체 성분(44)보다 융점이 더 높거나 더 낮은 중합체일 수 있다. 이들 섬유는 기계적 교반(전형적으로, 하이드로인탱글링(hydroentangling))에 의하여 성분 웨지로 분할되도록 설계되어, 필터 매체에 0.1 내지 0.2 데니어의 마이크로섬유를 제공한다.
도 7은 제1 중합체 웨지(48) 및 제2 중합체 웨지(50)를 포함하는 중공 파이 웨지형 2-성분 섬유(46)의 개략도이다. 다시, 응용에 따라, 제1 중합체 웨지(48)는 제2 중합체 웨지(50)보다 융점이 더 높거나 더 낮은 중합체로 형성될 수 있다. 중공 파이 웨지 섬유(46)는 파이 웨지 섬유(40)와 유사하나, 중공 중심(52) 코어가 웨지의 내측 끝이 연결되지 못하게 하여, 더 용이하게 분할되게 한다.
도 8은 해도형 2-성분 섬유(54)의 개략도이다. 이러한 섬유는 또한 "페퍼로니 피자(pepperoni pizza)" 형태로도 알려져 있으며, 여기서, 제1 중합체 성분(56)은 페퍼로니이며, 제2 중합체 성분(58)은 치즈이다. 일부 실시형태에서, 제1 중합체 성분(56)은 제2 중합체 성분(58)보다 융점이 더 높은 중합체로 형성되거나, 제2 중합체 성분(58)은 용해성 중합체로 형성된다. 이러한 실시형태에서, 이러한 섬유는 이후에 용융되거나 또는 용해되는 저융점 또는 용해성 중합체(58)의 매트릭스 내에서 고융점 중합체(56)의 많은 미세 가닥의 배치를 가능하게 한다. 이는 미세 마이크로섬유로 제조된 매체의 제조를 가능하게 하는데, 이는 섬유가 개별 "페페로니"보다는 "피자" 형태로 가공되기 더 용이하기 때문이다. 스테이플(staple) 섬유는 각 피자 상의 37개 페페로니로 만들어져, 약 0.04 데니어(약 2 미크론 직경) 또는 심지어 더 미세한 섬유를 제조할 수 있다.
2-성분 섬유는 상이한 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 일부 2-성분 섬유는 상술된 2-성분 섬유와 같이 원형의 단면을 갖는 원통 형상을 갖지 않을 수 있다. 도 9 및 10은 불규칙한 형상을 갖는 2-성분 섬유의 일부 예를 예시한다. 비록, 이들 섬유가 원형의 단면을 갖지 않지만, 각각은 본 발명의 문맥 내에서 소정의 직경을 갖는다. 비-원형 단면을 갖는 섬유의 직경은 섬유의 외주면으로부터 측정한다. 도 9는 삼엽형 2-성분 섬유(60, 62)의 개략도이다. 삼엽형 섬유(60, 62)의 각각은 제1 중합체 성분(64, 66) 및 제2 중합체 성분(68, 70)을 포함한다. 삼엽형 섬유(60, 62)는 각각 그의 직경(72, 74)을 측정한다. 일부 실시형태에서, 제1 중합체 성분(64, 66)은 제2 중합체 성분(68, 70)보다 융점이 더 높거나 더 낮은 중합체로 형성된다.
도 10은 팁형 2-성분 섬유(78, 80)의 개략도이다. 섬유(78)는 제1 중합체 중심(82) 및 제2 중합체 팁(84)을 갖는 팁형 삼엽형 2-성분 섬유이다. 섬유(80)는 제1 중합체 중심(86) 및 제2 중합체 팁(88)을 갖는 팁형 교차 2-성분 섬유이다. 바람직하게는 제1 중합체 중심(82, 86)은 제2 중합체 팁(84, 88)보다 더 융점이 높은 중합체로 형성된다.
미세 섬유(14)는 이들이 형성됨에 따라 기재 매체(12) 상에 배치될 수 있다. 대안적으로, 미세 섬유(14)는 별개로 매체의 웨브로 제조된 다음, 기재 매체(12)와 적층될 수 있다. 미세 섬유(14)가 다양한 섬유 직경을 갖는 섬유를 포함할 수 있지만, 바람직하게는 미세 섬유(14)는 매우 미세한 섬유 직경을 갖는 나노섬유이다. 이러한 미세 섬유(14)는 전기방사 또는 기타 적합한 공정에 의해 형성될 수 있다. 일 실시형태에서, 미세 섬유(14)는 평균 섬유 직경이 약 1 미크론 미만, 바람직하게는 0.5 미크론 미만, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.3 미크론인 전기방사된 나노섬유이다. 이러한 작은 직경의 미세 섬유는 필터의 전반적인 충실율(solidity)을 실질적으로 증가시키지 않고 더 많은 섬유를 함께 팩킹할 수 있어, 압력 강하의 증가 없이 필터 효능을 증가시킬 수 있다.
미세 섬유(14)는 다양한 적합한 중합체 재료에 의해 형성될 수 있다. 일 실시형태에서, 미세 섬유(14)는 전기방사를 통하여 나일론-6(폴리아미드-6, 본 명세서에서 "PA-6"으로도 지칭됨)으로 형성될 수 있으며, 여기서, 임의의 중합체가 사용될 수 있지만, 전기방사된 미세 섬유(14)가 기재 매체(12) 상에 직접 배치된다. 열 팽창 동안의 미세 섬유의 파괴를 피하기 위하여, 미세 섬유(14)는 2-성분의 저융점 중합체보다 용융 온도가 더 높은 재료로 형성된다. 이러한 실시형태에서, 기재 매체(12)는 고융점 폴리에스테르 코어 및 저융점 폴리에스테르 쉬쓰를 갖는 2-성분 스테이플 섬유로 형성된 스크림이다. 2-성분 스테이플 섬유는 일련의 캘린더링 롤러 사이에서 압축되어, 스크림 웨브를 형성한다. 기재 매체(12)와 미세 섬유(14) 간의 접착은 용매 접착, 가압 접착 및/또는 열 접착을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 저융점을 사용하여 도 15a 내지 15d에 나타낸 바와 같이, 미세 섬유를 기재의 굵은 섬유에 접착시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 굵은 기재 섬유가 도처의 슬라이딩 및 이완 공정을 통해 준비되는 경우, 그들은 그들에 접착된 더욱 복합한 미세 섬유를 운반한다.
팽창 전에 복합 필터 매체(10)는 도 2에 나타낸 바와 같이 두께 t' 및 실질적으로 평평한 표면(20)을 갖는다. 이러한 팽창되지 않은 복합 필터 매체(10)를 예를 들어, 250℉에서 5분 동안 열처리하여, 여기서, 기재 매체(12)의 압축된 섬유는 이완되고 재배향되어, 기재 매체(12)가 팽창된다. 결과적으로, 기재 매체(12)의 두께는 t로 팽창하며, 도 2의 실질적으로 평평한 표면(20)이 이완되어, 도 1에 나타낸 바와 같은 파상 표면(18)을 형성한다 - 파상 표면은 기재/스크림, 예컨대 상업적으로 입수할 수 있는 것의 통상의 평평한 성질과 대조적으로 불규칙적일 것으로 이해될 것이다. 실제로, 필터 매체 롤은 전형적으로 매체의 예비권선 롤이 되며, 이는 통상 많은 매체에 대하여 일반적으로 특징이 평평한 것으로 특성화된다. 굵은 기재 섬유가 인접하고, 기재 매체(12)의 표면이 이완되고 재배향됨에 따라, 이들 섬유에 의해 운반되는 미세 섬유(16)도 또한 섬유와 함게 이동하며, 팽창되고, 파상 표면의 섬유와 함께 3차원 매트릭스로 통합된다. 추가로, 2-성분 섬유의 저융점 폴리에스테르는 열 처리 동안 용융되거나 연화되고, 이는 인접한 미세 섬유가 저융점 폴리에스테르에 매립(embed)되게 하며, 2-성분 섬유와 미세 섬유(14) 간의 접착을 증가시킨다.
일 실시형태에서, 기재 매체(12)는 약 1 내지 40 미크론의 평균 섬유 직경 및 약 0.5 내지 15oz/yd2의 평량을 갖는 2-성분 섬유 스크림으로 형성된다. 미세 섬유(14)는 약 0.01 내지 0.5 미크론의 평균 섬유 직경 및 약 0.012g/㎡ 내지 0.025g/㎡의 미세 섬유 커버리지를 갖는다. 이러한 실시형태에서, 팽창된 복합 필터 매체(10)는 약 100 내지 200CFM의 프래지어 공기 투과도(Frazier air permeability); MERV 11 내지 16과 당량의 MFP 효능; 및 약 1.5 inch W.G.의 최종 압력 강하와 함께 약 400 내지 600mg/100㎠의 MFP 분진 포집 중량을 갖는다.
도 11 및 12는 본 발명의 상이한 실시형태에 따른 복합 필터 매체(90)를 예시한 것이다. 복합 필터 매체(90)는 도 2의 복합 필터 매체(10)의 기재 매체(12) 및 미세 섬유(14)에 더하여, 매체(92) 및 미세 섬유(93)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 복합 필터 매체(90)의 미세 섬유(14 및 93)는 기재 매체(12)와 매체(92) 사이에 개재된다. 매체(92) 및 기재 매체(12)는 동일한 스크림 또는 필터 매체 또는 상이한 스크림 또는 필터 매체로 형성될 수 있다. 복합 필터 매체(90)는 예를 들어, 도 2의 복합 필터 매체(10)의 2개의 층을 미세 섬유가 서로 대향하도록 적층하고, 기재 매체 층을 팽창시킴으로써 구성될 수 있으며, 여기서, 미세 섬유는 인접한 기재 매체와 함께 재배향된다.
일 실시형태에서, 기재 매체(12)는 이전 실시형태에서 기재된 바와 같은 저융점 폴리에스테르/고융점 폴리에스테르 2-성분 섬유로 형성된 스크림이다. 미세 섬유(14)는 기재 매체(12) 상에 배치된 전기방사된 나일론-6 나노섬유이다. 유사하게, 매체(92)에는 미세 섬유(93)를 형성하는 전기방사된 나일론-6 나노섬유가 배치된다. 미세 섬유(14)가 배치된 기재 매체(12) 및 미세 섬유(93)가 배치된 매체(92)를 미세 섬유(14) 및 미세 섬유(93)가 서로 대향하도록 함께 적층하여, 도 11의 복합 필터 매체(90)를 형성한다. 이러한 실시형태에서, 매체(92)는 기재 매체(12)에 사용된 동일한 스크림으로 형성된다. 미세 섬유(14) 및 미세 섬유(93)는 동일한 미세 섬유 커버리지 수준 또는 상이한 미세 섬유 커버리지 수준을 가질 수 있다. 예를 들어, 미세 섬유(14)는 약 0.005g/㎡ 내지 0.030g/㎡, 바람직하게는 약 0.012g/㎡ 내지 0.025g/㎡의 미세 섬유 커버리지 수준을 갖는다. 유사하게, 미세 섬유(93)는 약 0.005g/㎡ 내지 0.030g/㎡, 바람직하게는 약 0.012g/㎡ 내지 0.025g/㎡의 미세 섬유 커버리지 수준을 갖는다. 따라서, 적층시, 미세 섬유(14, 93)의 2개의 층은 약 0.010g/㎡ 내지 0.060g/㎡, 바람직하게는 약 0.024g/㎡ 내지 0.050g/㎡의 미세 섬유 커버리지 수준을 가질 수 있다. 복합 필터 매체(90)는 임의로 일련의 롤러를 사용하여 압축되어 층(12, 14, 93, 92) 사이의 접착이 촉진될 수 있다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 팽창되지 않은 복합 필터 매체(90)는 실질적으로 평평한 표면(94) 및 두께 t"를 갖는다. 이어서, 팽창되지 않은 복합 필터 매체(90)를 이전 실시형태에서와 같이 열 처리한다. 열 처리는 2-성분 섬유의 저융점 성분의 용융 온도에서 또는 용융 온도 부근에서 수행할 수 있다. 이러한 실시형태에서, 팽창되지 않은 복합 필터 매체(90)를 저융점 폴리에스테르의 용융 온도로 또는 용융 온도 부근으로 가열한다.
열 처리 동안, 기재 매체(12) 및 매체(92)의 2-성분 섬유는 이완되고 재배향되어, 도 12에 나타낸 바와 같이 복합 필터 매체(90)의 두께를 t"'로 팽창시키고 파상 표면(96)을 형성한다. 기재 매체(12)의 2-성분 섬유가 이완되고 재배향됨에 따라, 미세 섬유(14)는 또한 기재 매체(12)의 인접한 2-성분 섬유와 함께 이동한다. 유사하게, 매체(92)의 2-성분 섬유가 이완되고 재배향됨에 따라, 미세 섬유(93)는 또한 매체(92)의 인접한 2-성분 섬유와 함께 이동한다.
팽창된 두께 및 파상 표면을 갖는 이러한 복합 필터 매체(90)는 팽창되지 않은 복합 필터 매체 또는 다른 통상적인 필터 매체에 비하여, 뛰어난 분진 포집 능력 및 감소된 압력 강하를 가질 수 있다. 추가로, 이완을 통한 필터 매체 팽창으로 인한 증가된 필터 매체 체적은 팽창된 복합 필터 매체(90)(도 12)를 향상된 분진 포집 용량 및 더 낮은 압력 강하를 갖는 소정의 두께의 필터 매체에 매우 적합하게 만들며, 여기서, 더 많은 입자가 증가된 체적의 복합 필터 매체(90)의 도처에서 포획될 수 있으며, 미세 섬유층은 대부분 지나친 저항 없이, 최대 입자 포획 효율을 만들 수 있다.
도 11 및 12는 도식으로 나타내었으나, 도 20 및 21은 120배 배율에서 취한 기재 매체 및 팽창된 복합 필터 매체의 실제 광학 현미경 이미지를 보여준다. 도 20은 미세 섬유 배치 및 팽창 전의 기재 매체, 예컨대 도 11의 매체(12 및 92)의 광학 현미경 이미지이다. 도 21은 팽창된 복합 필터 매체의 광학 현미경 이미지이며, 여기서, 도 20의 매체의 2개의 샘플에는 미세 섬유가 배치되고, 도 12에 나타낸 팽창된 복합 필터 매체(90)와 같이, 2개의 샘플 매체 상의 미세 섬유가 서로 대향하도록 적층된다. 도 21의 복합 필터 매체가 이러한 이미지의 배율에서 미세 섬유를 포함하지만, 매체 층의 오직 굵은 섬유만이 관찰될 수 있다. 미세 섬유는 훨씬 더 작고, 굵은 섬유에 의해 운반되며, 이는 확대 수준 2,500배에서 취한 복합 필터 매체의 스캐닝 전자 현미경 이미지인 도 24를 참조하여 관찰될 수 있다. 도 24에서, 하나의 매체층 상에 코팅된 미세 섬유는 이미지에서 또렷하게 존재하나, 다른 매체층 상에 코팅된 미세 섬유는 이미지에서 희미하게 존재한다. 미세 섬유 코팅된 매체의 2개의 층은 서로 대향하는 미세 섬유가 적층되고, 열 팽창되어, 팽창된 복합 필터 매체를 형성한다.
심층 필터(depth filter) 매체는 실질적으로 체적 또는 깊이를 통하여 미립자를 로딩하며, 이에 따라, 심층 필터는 필터의 수명에 걸쳐 표면 로딩 시스템과 비교하여, 더 높은 중량 및 부피의 미립자가 로딩될 수 있다. 그러나, 보통 심층 매체 방식은 효능의 단점이 있다. 이러한 높은 포집 용량을 촉진시키기 위하여, 매체의 낮은 충실율이 종종 사용을 위해 선택된다. 이는 일부 미립자가 더욱 용이하게 통과되게 하는 능력을 갖는 큰 포어 크기를 야기한다. 본 발명의 실시형태에 따른 팽창된 복합 필터 매체는 뛰어난 분진 포집 능력 및 여과 효능을 제공하는 한편, 팽창된 매체 및 미세 섬유를 통하여 동일한 낮은 수준의 압력 강하를 유지할 수 있다.
다른 실시형태에서, 팽창된 복합 필터 매체는 다수의 미세 섬유층 및 다수의 필터층을 포함할 수 있다. 도 13은 본 발명의 일 실시형태에 따라, 3개의 필터층(12, 92, 104) 사이에 개재된 2개 미세 섬유층(16, 102)을 포함하는 복합 필터 매체(100)를 보여준다. 필터층(12, 92, 104)은 동일한 필터 매체 또는 스크림, 예컨대 이전 실시형태의 저융점 폴리에스테르/고융점 폴리에스테르 2-성분 섬유 스크림으로 형성될 수 있다. 대안적으로, 필터층(12, 92, 104)은 원하는 필터 매체 특징에 따라 상이한 필터 매체 또는 스크림으로 형성될 수 있다. 상이한 필터 매체 또는 스크림을 사용하여 필터층(12, 92, 104)을 형성하는 경우, 필터층(12, 92, 104)의 섬유는 팽창 동안 상이하게 이완되고 재배향될 수 있다. 이와 같이, 필터층(12, 92, 104)은 상이하게 팽창할 수 있다. 예를 들어, 필터층(12 및 92)의 두께는 두배일 수 있으나, 필터층(104)의 두께가 증가하지 않거나 매우 약간 증가할 수 있다.
추가로, 미세 섬유층(16, 102)은 동일한 양의 미세 섬유 또는 상이한 양의 미세 섬유를 포함할 수 있다. 필터층(12, 92, 104)의 재료 및 필터 섬유층(16, 102)의 미세 섬유의 양을 선택하여, 구배 심층 매체를 제조할 수 있다. 예를 들어, 필터층(12, 92, 104)은 이전 실시형태의 기재 매체(12) 및 필터층(92)에 사용되는 2-성분 스크림과 유사한 2-성분 섬유 스크림으로 형성될 수 있다. 그러나, 필터층(104)의 2-성분 섬유 스크림은 필터층(92)을 위해 선택된 스크림보다 더 적은 고체 밀도를 가질 수 있으며, 이에 의해, 더 적은 여과 효율을 가질 수 있다. 추가로, 기재 매체(12)를 위해 선택된 스크림은 필터층(92)에 사용되는 스크림보다 더 큰 고체 밀도를 가질 수 있다. 추가로, 미세 섬유층(16)은 미세 섬유층(102)보다 더 많은 미세 섬유를 포함하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 미세 섬유층(102)은 약 0.015g/㎡의 전기방사된 PA-6의 미세 섬유를 포함하도록 형성될 수 있는 한편, 미세 섬유층(16)은 약 0.025g/㎡의 전기방사된 PA-6의 미세 섬유를 포함하도록 형성된다. 바람직하게는, 다양한 실시형태에서, 미세 섬유층(들)의 각각은 약 0.005g/㎡ 내지 0.030g/㎡, 더욱 바람직하게는 0.012g/㎡ 내지 0.025g/㎡의 나노섬유 커버리지 수준을 갖는다. 파상의 3차원 매트릭스로의 배치/커버리지 후의 섬유의 재배향 때문에, 훨씬 더 많은 미세 섬유가 과도하게 저항 또는 압력 강하 이슈를 야기하지 않고 배치될 수 있으며(더 큰 미세 섬유 커버리지 또는 평량), 사실상 팽창의 결과로서 더 큰 유효한 체적 영역으로 인해 그 역이 참임을 주의해야 한다. 이러한 구배 복합 필터 매체(100)는 더 많은 분진 입자가 복합 필터 매체(100)의 깊이의 도처에 로딩되게 할 수 있다.
일 실시형태에서, 복합 필터 매체(100)는 그의 팽창되지 않은 상태에서, 약 0.019g/㎡의 커버리지 수준으로 전기방사된 PA-6 나노섬유를 포함하는 미세 섬유층(16, 102) 및 약 0.005"의 두께를 갖는 2-성분 섬유 스크림으로 형성된 필터층(12, 92, 104)을 포함한다. 팽창되지 않은 복합 필터 매체(100)는 약 0.015"의 전체 두께를 갖는다. 열 팽창 후에, 각 필터층(12, 92, 104)의 두께는 약 2 내지 3배 또는 심지어 더 크게 증가하여, 0.030" 또는 0.045" 또는 더 큰 전체 크기를 갖는 팽창된 복합 필터 매체(100)를 제공할 수 있다.
팽창된 복합 필터 매체의 다른 구조는 상이한 여과 응용에 유익하여, 분진 포집 및 압력 강하 특징을 최적화할 수 있다. 다른 실시형태에서, 팽창된 복합 필터 매체는 다양한 순서로 구성된 3개 초과의 필터층 및 2개 초과의 미세 섬유층을 포함할 수 있다.
또한, 미세 섬유의 재배향을 야기하는 매체의 팽창 후에, 팽창된 복합 필터 매체는 이어서 주름진 구조를 갖는 필터 부재, 예컨대 세로의 홈이 있는 필터 또는 플리팅된 필터 또는 다른 이러한 전형적인 필터 부재 방식으로 구성될 수 있다. 이러한 주름진 필터 방식은 단부 캡(end cap), 프레임 등 및 종종 본 명세서에 참고로 포함되는 특허의 일부에서 나타낸 바와 같이 고리모양 밀봉 개스킷(annular sealing gasket)이 있는 원통형 또는 타원형 부재의 형태일 수 있다. 또한, 이러한 매체는 이러한 필터 부재 내로 통합될 수 있다. 추가로, 팽창된 복합 필터 매체는 플리팅되고 패널 필터에서 사용될 수 있다.
도 22는 본 발명의 일 실시형태에 따른, 각 단부에 부착된 단부 캡(306, 308) 및 원통형 코어(304)에 대하여 와인딩되는 플리팅된 필터 매체(302)를 포함하는 플리팅된 필터 부재(300)를 보여준다. 플리팅된 필터 매체(302)는 파상 표면을 갖는 팽창된 복합 필터 매체, 예컨대 도 1, 12 및 13의 팽창된 필터 매체를 플리팅시킴으로써 형성될 수 있다. 이러한 플리팅된 필터 부재는 미국 특허 제4,184,966호에 개시되어 있으며, 그의 교시 및 개시내용은 본 발명과 일치하는 범위로 본 명세서에 그 전문이 참고로 포함된다.
도 23은 본 발명의 상이한 실시형태에 따른 세로의 홈이 있는 필터 부재(320)를 보여준다. 세로의 홈이 있는 필터 부재는 프레임(324), 필터 매체 밀봉재(326), 고리 모양의 밀봉재(328) 및 세로의 홈이 있는 필터 매체(330)를 포함한다. 세로의 홈이 있는 필터 매체(330)는 한 면에 인접하여 폐쇄된 제1 세로의 홈(flute) 및 다른 면에 인접하여 폐쇄된 제2 세로의 홈을 포함하는 다수의 세로의 홈(334)을 한정하도록 함께 고정되고 중심 프레임(332)에 대하여 와인딩되는 회선상(convoluted) 시트 및 페이스 시트(face sheet)를 포함한다. 이러한 실시형태에서, 페이스 시트 및/또는 회선상 시트는 파상 표면을 갖는 팽창된 복합 필터 매체, 예컨대 도 1, 12 및 13의 팽창된 복합 필터 매체로 형성될 수 있다. 이러한 세로 홈이 있는 필터 부재는 본 양수인에 양도된 미국 특허 제2009-0320424호(발명의 명칭: Filter Frame Attachment and Fluted Filter Having Same)에 개시되어 있으며, 그의 교시 및 개시내용은 본 개시내용과 일치하는 범위로 본 명세서에 그 전문이 참고로 포함된다.
도 25는 본 발명의 일 실시형태에 따른 패널 필터(350)를 보여준다. 필터 매체(352)는 팽창된 복합 필터 매체, 예컨대 도 12에 나타낸 팽창된 복합 필터 매체(90)를 포함한다. 팽창된 복합 필터 매체는 플리팅되어 필터 매체(352)를 형성하며, 이는 프레임(354) 내에 둘러싸여 패널 필터(350)를 형성한다.
이제, 본 발명에 따른 팽창된 복합 필터 매체의 상이한 실시헝태가 기재되며, 팽창된 복합 필터 매체의 형성 방법이 설명될 것이다.
도 14는 본 발명의 가공 실시형태에 따른, 상술된 실시형태 중 임의의 것을 제조할 수 있는 팽창된 복합 필터 매체의 대표적인 제조 방법을 개략적으로 예시한 것이다. 시스템(200)은 언와인딩 스테이션(unwinding station)(202), 전기방사 스테이션(204), 열 처리 스테이션(206) 및 리와인딩 스테이션(rewinding station)(208)을 포함한다.
시스템(200)에서, 스크림(210)의 롤은 언와인딩 스테이션(202)으로부터 언와인딩된다. 일 실시형태에서, 스크림(210)의 롤은 고융점 폴리에스테르 코어/저융점 폴리에스테르 쉬쓰 2-성분 스테이플 섬유로 형성되며, 이는 일련의 캘린더링 롤러를 통하여 이미 압축되어, 원하는 두께 및 충실율을 갖는 스크림(210)의 롤을 형성한다. 스크림(212)의 웨브는 전기방사 스테이션(204)을 향하여 기계 방향(214)으로 이동한다. 전기방사 스테이션(204)에서, 미세 섬유(216)가 형성되고 스크림(212)의 웨브 상에 배치되어, 복합 필터 매체(218)를 형성한다. 그 다음, 복합 필터 매체(218)는 열 처리 스테이션(206)으로 유입되고, 여기서, 복합 필터 매체(218)는 저융점 폴리에스테르의 용융 온도로 또는 용융 온도 부근으로 가열된다. 열 처리 동안, 복합 필터 매체(218)는 이완되고 팽창하여, 팽창된 복합 필터 매체(220)를 형성하며, 이는 리와인딩 스테이션(208)에서 리와인딩된다. 스크림(212)의 웨브와 미세 섬유(216) 간의 결합은 또한 열 처리 동안 증가된다. 시스템(200)의 각 성분은 하기에 상세히 논의된다.
스크림은 시스템(200)(및 연속 1 라인 공정 또는 단속 2 라인 공정의 어느 하나의 부분)의 업스트림 공정에서 형성되거나 에이치디케이 또는 다른 적합한 매체 공급처, 예컨대 에이치앤드브이(H&V) 또는 알스트롬(Ahlstrom) 등으로부터 롤 형태로 구매할 수 있다. 스크림은 다양한 적합한 재료, 예컨대 상술된 바와 같은 도 3 내지 10의 2-성분 섬유로 형성될 수 있다. 대안적으로, 매체는 용매 접착, 열 접착 등을 통하여 적소에서 압축되고 고정될 수 있는 다른 단일 성분 매체일 수 있다. 2-성분의 경우에, 예컨대 동심 쉬쓰/코어형 2-성분 섬유는 코어로써 고융점 폴리에스테르 및 쉬쓰로써 저융점 폴리에스테르를 사용하여 공압출될 수 있다. 이어서, 이러한 2-성분 섬유를 사용하여 스크림 또는 필터 매체를 형성할 수 있다. 일 실시형태에서, 2-성분 섬유를 스테이플 섬유로 사용하여, 통상의 건식 적층 또는 공기 적층 공정을 통하여 다-성분 필터 매체 또는 스크림을 형성한다. 이러한 공정에서 사용되는 스테이플 섬유는 상대적으로 짧고 비연속적이나, 통상의 장비에 의해 취급하기에 충분하게 길다. 2-성분 섬유의 베일(bale)은 슈트(chute) 공급을 통하여 공급되고 카딩(carding) 장치에서 개별 섬유로 분리될 수 있으며, 이는 이어서 섬유의 웨브(본 개시내용의 목적을 위해 그 자체는 기재로 간주될 수 있음)로 공기 적층된다. 이어서, 섬유의 웨브는 일련의 캘린더링 롤러를 사용하여 압축되어 스크림(210)의 롤(또한 기재로 간주될 수 있음)을 형성한다. 섬유의 웨브는 임의로 일련의 캘린더링 롤러에 유입되기 전에, 가열될 수 있다. 이러한 실시형태의 스크림(210)이 고융점 성분 및 저융점 성분을 비롯한 2-성분 섬유를 포함하기 때문에, 이는 또한 2-성분 필터 매체로 지칭된다. 일부 실시형태에서, 섬유의 웨브는 캘린더링되기 전에 폴딩되어, 더 두꺼운 2-성분 필터 매체를 형성한다.
상이한 실시형태에서, 고융점 중합체 섬유, 예컨대 폴리에스테르 섬유를 포함하는 웨브, 및 저융점 중합체 섬유, 예컨대 폴리프로필렌 섬유를 포함하는 웨브가 형성되고, 분리되고, 함께 적층되어, 2-성분 필터 매체 또는 스크림의 롤을 형성할 수 있다. 이러한 실시형태에서, 미세 섬유(216)는 스크림(212)의 저융점 측에 배치된다. 이러한 실시형태에서, 저융점 웨브는 저융점 성분이 가열 및 용융 시에 고융점 웨브의 표면을 막지 않도록 고융점 웨브보다 실질적으로 더 얇다.
다른 실시형태에서, 2-성분 섬유 스크림은 용융 취입 공정을 통하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 용융된 폴리에스테르 및 용융된 폴리프로필렌은 가열된 고속 공기를 사용하여 압출되고 연신되어, 굵은 섬유를 형성할 수 있다. 섬유는 무빙 스크린 상에서 웨브로 수집되어, 2-성분 스크림(210)을 형성할 수 있다.
다-성분 섬유 필터 매체 또는 스크림은 또한 적어도 2개의 상이한 중합체 재료를 사용하여 스펀-접착(spun-bounded)될 수 있다. 전형적인 스펀-접착 공정에서, 용융된 중합체 재료는 다수의 압출 오리피스(orifice)를 통과하여, 멀티필라멘트사 스핀라인(multifilamentary spinline)을 형성한다. 멀티필라멘트사 스핀라인을 연신시켜 그의 강도를 증가시키며, 급랭 구역(quench zone)을 통과하며, 여기서, 고형화가 발생하며, 이는 지지체, 예컨대 무빙 스크린 상에서 수집된다. 스펀-접착 공정은 용융 취입 공정과 유사하나, 용융 취입 섬유는 통상 스펀-접착된 섬유보다 더 미세하다.
다른 실시형태에서, 다-성분 필터 매체는 웨브-적층된다. 습식 적층 공정에서, 고융점 섬유 및 저융점 섬유는 컨베이어 벨트 상에 배치되며, 섬유는 고른 웨브에서 스프레딩는 한편 여전히 습윤 상태이다. 습식-적층 공정은 전형적으로 ¼" 내지 ¾" 길이의 섬유, 때때로 섬유가 강성이거나 두껍다면 더 긴 섬유를 사용한다. 다양한 실시형태에 따른 상술된 섬유를 압축하여, 원하는 두께를 갖는 스크림(210) 또는 필터 매체를 형성한다.
다시, 도 14를 참조하여, 스크림(212)의 웨브는 전기방사 스테이션(204)에 유입되며, 여기서, 미세 섬유(216)가 형성되고 스크림(212)의 웨브 상에 배치된다. 전기방사 스테이션(204)에서, 미세 섬유(216)는 전기방사 셀(222)로부터 전기방사되며, 스크림(212)의 웨브 상에 배치된다. 시스템(200)의 전기방사 공정은 본 출원의 양수인에게 양도된 미국 특허 출원 공개 제2009/0199717호(발명의 명칭: Fine Fibers Under 100 Nanometers, And Methods)에 개시된 전기방사 공정과 실질적으로 유사할 수 있으며, 상기 문헌의 전체 개시내용은 본 명세서에 참고로 포함된다. 대안적으로, 노즐 뱅크(nozzle bank) 또는 다른 전기방사 장비를 사용하여 미세 섬유를 형성할 수 있다. 이러한 대안적인 전기방사 장치 또는 셀(222)의 연쇄 전극의 리로팅(rerouting)은 섬유가 원하는 임의의 배향(예를 들어, 섬유는 또한 더 굵은 섬유를 운반하는 컨베이어 상으로 아래쪽으로, 수평으로 또는 대각선으로 방사될 수 있지만, 위쪽으로 나타냄)으로 배치되게 할 수 있다.
전기방사 공정은 나노섬유로도 알려져 있는 작은 직경의 합성 섬유를 제조한다. 정전 방사의 기본 공정은 강한 전기장, 예컨대 고전압 구배의 존재 하에서 중합체 용융물 또는 용액의 스트림으로의 정전하의 도입를 포함한다. 전기방사 셀(222) 내에서의 중합체 유체로의 정전하의 도입은 하전된 유체의 분사의 형성을 야기한다. 하전된 분사는 전기장에서 가속화되고 얇아지며, 그라운드 컬렉터(ground collector)를 향해 유인된다. 이러한 공정에서, 중합체 유체의 점탄력은 분사를 안정화시켜, 작은 직경의 필라멘트사를 형성한다. 섬유의 평균 직경은 전기방사 셀(222)의 설계 및 중합체 용액의 제제에 의해 조절될 수 있다.
미세 섬유를 형성하는데 사용되는 중합체 용액은 다양한 중합체 재료 및 용매를 포함할 수 있다. 중합체 재료의 예에는 폴리비닐 클로라이드(PVC), 폴리올레핀, 폴리아세탈, 폴리에스테르, 셀룰로오스 에테르, 폴리알킬렌 설피드, 폴리아릴렌 옥사이드, 폴리설폰, 개질된 폴리설폰 중합체 및 폴리비닐 알코올, 폴리아미드, 폴리스티렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리비닐리덴 플루오라이드가 포함된다. 정전 방사용 중합체 용액의 제조를 위한 용매에는 아세트산, 포름산, m-크레솔, 트라이-플루오로에탄올, 헥사플루오로 아이소프로판올 염소화된 용매, 알코올, 물, 에탄올, 아이소프로판올, 아세톤 및 N-메틸 피롤리돈 및 메탄올이 포함될 수 있다. 용매 및 중합체는 주어진 용매 및/또는 용매 혼합물(이들 둘 모두는 "용매"로 지칭될 수 있음) 중의 중합체의 충분한 용해성에 기초하여, 적절한 이용을 위해 매치될 수 있다. 예를 들어, 포름산은 통상 나일론-6으로도 알려져 있는 폴리아미드에 대하여 선택될 수 있다. 미세 섬유의 전기방사에서 추가의 상세사항에 대해서는 상술된 특허를 참조할 수 있다.
시스템(200)에서, 정전기장은 고전압 차등을 생성하는 고전압 전원 공급 장치에 의해 제공되는, 전기방사 셀(222)과 진공 컬렉터 컨베이어(224)의 전극 사이에 형성된다. 도 14에 나타낸 바와 같이, 다수 전기방사 셀(222)이 있을 수 있으며, 여기서, 미세 섬유(216)가 형성된다. 전기방사 셀(222)의 전극에서 형성된 미세 섬유(216)는 정전기장에 의해 제공되는 힘에 의해 진공 컬렉터 컨베이어(224)를 향해 연신된다. 진공 컬렉터 컨베이어(224)는 또한 기계 방향(214)으로 스크림(212)의 웨브를 고정하고 이동시킨다. 구성된 바와 같이, 스크림(212)의 웨브는 미세 섬유(216)가 스크림(212)의 웨브 상에 배치되게 전기방사 셀(222)과 진공 컬렉터 컨베이어(224) 사이에 배치된다. 스크림(212)의 웨브가 한 표면 상에 저융점 성분을 포함하고 다른 표면 상에 고융점 성분을 포함하는 다성분 필터 매체인 실시형태에서, 다-성분 스크림(212)은 다-성분 스크림의 저융점 성분 표면이 전기방사 셀(222)에 대향하도록 전기방사 셀(222)과 진공 컬렉터 컨베이어(224) 사이에 배치된다.
일 실시형태에서, 전기방사 셀(222)은 폴리아미드-6(PA-6) 및 2/3 아세트산 및 1/3 포름산으로 이루어진 적절한 용매를 포함하는 중합체 용액을 함유한다. 이러한 용매에서, 아세트산 및 포름산 둘 모두는 PA-6을 용해시키기 위한 용해제로 작용하며, 아세트산은 중합체 용액의 전도성 및 표면 장력을 조절한다. 전기방사 셀(222)은 스크림(212)의 웨브의 표면 상에 배치된 PA-6으로 형성된 미세 섬유를 생성한다. 미세 섬유(216)가 스크림(212)의 웨브의 표면 상에 배치됨에 따라, 일부 미세 섬유(216)는 전기방사 셀(222)에 대향하는 표면에 인접한 스크림의 섬유와 얽힌다. 일부 미세 섬유(216)가 스크림의 표면에 인접한 몇몇 섬유와 얽히는 경우, 전기방사 공정으로부터 미세 섬유(216)에 남아 있는 일부 용매는 미세 섬유(216)와 스크림(212)의 웨브의 섬유 사이의 용매 접착을 야기할 수 있다. 용매 접착을 야기하기 위하여, 스크림(212)의 웨브의 섬유는 용해성이거나 또는 적어도 미세 섬유 중의 용매와 반응해야 한다. 전기방사 스테이션(202)에서 형성된 복합 필터 매체(218)의 단면도는 도 2의 팽창되지 않은 복합 필터 매체(10)와 유사하게 보일 수 있다.
전기방사 스테이션(206)을 빠져나올 때, 복합 필터 매체(218)는 팽창 공정으로 진행된다. 이러한 실시형태에서, 복합 필터 매체(218)의 팽창은 열 처리 스테이션(206)에서 달성된다. 열 처리 스테이션(206)은 임의의 적절한 통상적인 오븐, 예컨대 컨벡션 오븐 또는 다른 적절한 유형의 가열 메커니즘, 예컨대 적외선 오븐을 사용하는 가열 장치일 수 있다. 스크림(212)이 고융점/저융점 2-성분 섬유를 포함하는 경우, 복합 필터 매체(218)는 2-성분 섬유의 저융점 중합체 성분의 용융 온도로 또는 용융 온도 부근으로 가열된다. 스크림(212)의 2-성분 섬유가 저융점 중합체 성분의 용융 온도로 또는 용융 온도 부근으로 가열됨에 따라, 2-성분 섬유는 이완되고 재배치된다. 일부 2-성분 섬유, 예컨대 도 4의 편심 쉬쓰/코어형 2-성분 섬유는 열 처리에 처하는 경우 다양한 방향으로 말리고 비틀릴 수 있다. 추가로, 예를 들어, 일련의 캘린더링 롤러를 통한 스크림의 형성 동안에 함께 압축된 2-성분 섬유는 열이 압축력을 없앰에 따라 감압되고, 2-성분 섬유가 재배치되게 하여, 섬유 간의 거리가 증가된다. 이와 같이 스크림(212)의 웨브는 그의 두께가 팽창하며, 물결 모양이 되어, 파상 표면을 형성한다.
추가로, 미세 섬유(216)를 운반하는 표면에 인접한 2-성분 섬유가 이동하고 재배향됨에 따라, 미세 섬유(216)는 또한 2-성분 섬유와 함께 이동한다. 상술된 바와 같이, 미세 섬유(216)는 스크림(212)의 웨브의 표면 상에 배치되며, 여기서, 일부 미세 섬유(216)는 스크림(212)의 웨브의 표면에 인접한 2-성분 섬유와 접촉하게 되며, 용매 접착을 통하여 접착될 수 있다. 2-성분 섬유의 외측 저융점 중합체 성분이 연화되거나 용융되고 미세 섬유(216)를 매립함에 따라, 열 처리 동안 2-성분 섬유와 미세 섬유(216) 간의 접착이 증가된다. 열 처리 동안, 복합 필터 매체(218)는 적어도 저융점 성분의 유리 전이 온도보다 높게, 더욱 바람직하게는 저융점 성분의 용융 온도로 또는 용융 온도 부근으로 가열된다. 예를 들어, 복합 필터 매체(218)는 2-성분 섬유의 외측 저융점 폴리에스테르 층이 용융되고 PA-6으로 형성된 미세 섬유(216)와 접착되도록 저융점 폴리에스테르의 융점으로 또는 융점 부근으로 가열된다. 이러한 실시형태에서, PA-6 미세 섬유(216) 및 2-성분 섬유의 고융점 폴리에스테르 코어는 용융되지 않는데, 이는 PA-6과 고융점 폴리에스테르가 저융점 폴리에스테르의 용융 온도보다 유의미하게 더 높은 용융 온도를 갖기 때문이다. 가장 낮은 용융 온도를 갖는 저융점 폴리에스테르는 용융되거나 부드럽게 되고, 인접한 PA-6 미세 섬유(216)는 연화되거나 용융된 저융점 폴리에스테르에 매립되며, 이에 의해 미세 섬유(216)와 스크림(212)의 웨브가 함께 접착된다. 이에 따라, 저융점 폴리에스테르는 2-성분 섬유 스크림(212)과 미세 섬유(216) 간의 접착제로 작용한다.
도 15a 내지 15d는 다양한 확대 수준에서 취한 스크림(212)의 웨브의 표면에 인접한 미세 섬유(216) 및 스크림(212)의 2-성분 섬유의 스캐닝 전자 현미경(SEM) 이미지이다. 도 15a 및 15b의 300배 및 1000배 확대 수준에서 취한 SEM 이미지에 나타낸 바와 같이, 스크림(212)의 웨브 상에 배치된 미세 섬유(216)는 스크림(212)의 표면에 인접하게 위치한 굵은 2-성분 섬유 사이에 거미줄 유사 섬유 구조를 형성한다. 더 높은 확대(2,000배의 도 15c 및 10,000배의 도 15d)에서 취한 SEM 이미지는 미세 섬유(216)와 2-성분 섬유 간의 접착을 보여준다. 도 15d에 명백하게 나타낸 바와 같이, 미세 섬유(216)는 2-성분 섬유의 저융점 폴리에스테르 표면 상에 매립된다.
2-성분 섬유의 표면 상에 매립된 미세 섬유(216)는 열 처리 동안 2-성분 섬유가 이완되고 재배향됨에 따라 2-성분 섬유와 함께 이동한다. 2-성분 섬유는 2-성분 섬유가 가열됨에 따라, 말리고 비틀리며, 상이한 방향으로 이동할 수 있다. 미세 섬유(216)를 운반하는 일부 2-성분 섬유는 팽창하는 표면 밖으로 이동할 수 있는 한편, 미세 섬유(216)를 운반하는 일부 2-성분은 원래의 표면 수준으로 머무르거나 심지어 반대 방향으로 안으로 이동할 수 있다. 이와 같이, 복합 필터 매체(218)의 실질적으로 평평한 표면은 섬유가 열 처리 동안 배향됨에 따라 파상형이 된다. 추가로, 스크림(212)의 표면 수준에서 배치된 미세 섬유(216)는 그들이 2-성분 섬유와 함께 이동함에 따라 연장되며, 이에 의해, 열 처리 동안 복합 필터 매체(218)가 팽창됨에 따라, 스크림(212)의 웨브로의 미세 섬유(216) 통합의 깊이가 증가한다. 2-성분 섬유 및 미세 섬유(216)의 재배향은 또한 팽창된 복합 필터 매체(218)의 전체 포어 구조를 향상시킬 수 있다. 따라서, 팽창(증가된 체적을 갖는 동일한 양의 섬유)으로 인한 고체 백분율의 감소 및 팽창된 복합 필터 매체(218)의 향상된 포어 구조는 향상된 필터 능력 및 더 느린 압력 강하 증가를 제공한다. 팽창된 복합 필터 매체(220)는 파상 표면 및 팽창된 두께를 갖는 도 1의 팽창된 복합 필터 매체와 유사할 수 있다.
일부 실시형태에서, 팽창된 복합 필터 매체(220)는 열 처리 스테이션의 다운스트림의 일련의 롤러를 통하여 가공될 수 있다. 소량의 압력을 팽창된 복합 필터 매체(220)에 인가하여, 미세 섬유(216)와 기질 스크림(212) 사이의 접착력을 촉진시키고/거나 복합 필터 매체(220)의 두께를 원하는 두께로 약간 감소시킬 수 있다. 그러나, 팽창된 복합 필터 매체(220)는 일련의 롤러를 통한 열 처리로부터 실질적으로 파상 표면 및 팽창된 두께를 유지한다.
도 16은 본 발명의 상이한 실시형태에 따른 팽창된 복합 필터 매체의 제조를 위한 시스템(230)을 개략적으로 예시한 것이다. 시스템(230)은 기재 매체(236)를 형성하기 위한 장비(232), 필터층(238)을 형성하기 위한 장비(234), 전기방사 스테이션(240), 일련의 롤러(242), 열 처리 스테이션(244) 및 리와인딩 스테이션(252)을 포함한다.
기재 매체(236) 및 필터층(238)은 다양한 적절한 재료 및 방법으로 형성될 수 있다. 추가로, 기재 매체(236) 및 필터층(238)은 동일한 필터 매체 또는 스크림, 또는 상이한 필터 매체 또는 스크림으로 형성될 수 있다. 일 실시형태에서, 기재 매체(236) 및 필터층(238)은 동일한 2-성분 섬유 스크림으로 형성된다. 이러한 실시형태에서, 고융점 폴리에스테르 코어 및 저융점 폴리에스테르 쉬쓰를 포함하는 2-성분 스테이플 섬유는 장비(232) 및 장비(234)에 원하는 두께와 폭을 갖는 스크림의 웨브로 형성된다.
2-성분 섬유 스크림을 포함하는 기재 매체(236)는 전기방사 스테이션(240)에 유입되며, 여기서, PA-6 나노섬유(254)는 도 14의 전기방사 스테이션(204)에 대해 기재된 방식으로 형성되며 기재 매체(236)의 표면 상에 배치된다. 미세 섬유(254)를 운반하는 기재 매체(236)에는 이어서, 일련의 롤러(242)를 통하여 필터층(238)이 적층된다. 나타낸 바와 같이, 필터층(238)은 복합 필터 매체(246)의 미세 섬유 배치된 면 상에 적층된다. 일련의 롤러(242)에 원하는 양의 압력을 인가하여, 미세 섬유(254)와 기재 매체(236) 사이의 접착 및 미세 섬유(254)와 필터층(238) 사이의 접착을 증가시킬 수 있다. 일련의 롤러(242)를 빠져 나오는 복합 필터 매체(248)는 도 11의 팽창되지 않은 필터 매체(90)와 유사하게 보일 수 있다.
그 다음, 복합 필터 매체(248)는 열 처리 스테이션(244)으로 유입된다. 열 처리 스테이션(244)에서, 복합 필터 매체(248)는 2-성분 섬유의 저융점 폴리에스테르 성분의 융점으로 또는 융점 부근으로 가열된다. 기재 매체(236)의 2-성분 섬유 및 필터(238)는 도 14의 실시형태에 관하여 상술된 바와 같이 이완되고 재배향된다. 상술된 바와 같이, 미세 섬유(254)는 또한 2-성분 섬유와 함께 재배향된다. 열 처리 스테이션(244)을 빠져 나오는 팽창된 복합 필터 매체(250)는 도 12의 팽창된 복합 필터 매체와 유사하게 보일 수 있다. 팽창된 복합 필터 매체(250)는 팽창된 두께 및 파상 표면을 갖는다. 마지막으로, 팽창된 복합 필터 매체(250)는 라와인딩 스테이션(252)에서 롤로 와인딩된다. 일부 실시형태에서, 팽창된 복합 필터 매체(250)는 열 처리 스테이션의 다운스트림의 일련의 롤러를 통해 가공될 수 있다. 소량의 압력을 팽창된 복합 필터 매체(250)로 인가하여, 상이한 층 간의 접착력을 촉진시킬 수 있고/거나 복합 필터 매체(250)의 두께를 원하는 두께로 약간 감소시킬 수 있다. 그러나, 팽창된 복합 필터 매체(250)는 실질적으로 일련의 롤러를 통한 열 처리로부터 파상 표면 및 팽창된 두께를 유지한다.
도 26은 본 발명의 상이한 실시형태에 따른 팽창된 복합 필터 매체의 제조를 위한 시스템(400)을 도식적으로 보여준다. 시스템(400)은 2개의 언와인드 스테이션(402, 404), 오븐(406) 및 리와인드 스테이션(408)을 포함한다. 기재 매체(414) 및 미세 섬유(418)를 포함하는 미세 섬유 코팅된 매체(410)의 롤은 언와인드 스테이션(402)으로부터 언와인딩되어, 미세 섬유(418)가 미세 섬유 코팅된 매체(412)의 미세 섬유(420)와 대향된다. 기재 매체(416) 및 미세 섬유(420)를 포함하는 미세 섬유 코팅된 매체(412)의 롤은 언와인드 스테이션(404)으로부터 언와인딩되어, 미세 섬유(420)가 미세 섬유(418)와 대향된다. 미세 섬유(418, 420)는 전기방사 방법, 예컨대 도 14의 시스템(200)에 기재된 전기방사 방법을 통하여 기재 매체(414, 416) 상에 배치된다. 이러한 실시형태에서, 미세 섬유(418, 420)는 이전 실시형태에 기재된 전기방사 나일론-6 나노섬유이다. 기재 매체(414, 416)는 이전 실시형태에 기재된 고융점 폴리에스테르/저융점 폴리에스테르 섬유를 포함하는 2-성분 섬유 스크림을 포함한다.
2개 층의 미세 섬유 코팅된 매체(410, 412)는 일련의 롤러(422) 사이에 함께 적층되며, 여기서, 압력은 층(414, 418, 420, 416) 간의 접착이 촉진되도록 인가된다. 일부 실시형태에서 일련의 롤러(422)를 가열하여 층(414, 418, 420, 416) 간의 접착을 증가시킬 수 있다. 오븐(406)에 유입되기 전에, 적층된 복합 필터 매체(424)는 도 11에 나타낸 팽창되지 않은 복합 필터 매체(90)와 유사하게 보인다. 복합 필터 매체(424)는 오븐(406)에 유입된다. 오븐에서, 복합 필터 매체(424)는 저융점 폴리에스테르의 융점으로 또는 융점 부근으로 가열되며, 여기서, 기재 매체(414, 416)는 이전 실시형태에 기재된 바와 같이 팽창한다. 기재 매체(414)가 팽창함에 따라, 기재 매체(414)의 굵은 2-성분 섬유에 의해 운반되는 미세 섬유(418)도 또한 3-차원 매트릭스로 이동하고 재배향된다. 유사하게, 기재(416)가 팽창함에 따라, 기재 매체(416)의 굵은 2-성분 섬유에 의해 운반되는 미세 섬유(420)는 3-차원 매트릭스로 이동하고 재배향된다. 추가로, 복합 필터 매체(424)가 가열됨에 따라, 열 접착이 야기되어, 층(414, 418, 420, 416) 간의 접착력이 증가될 수 있다. 오븐(406)에서의 열 팽창 후에, 팽창된 복합 필터 매체(426)는 도 12의 팽창된 복합 필터 매체(90)와 유사하게 보이며, 여기서, 미세 섬유층(418, 420)은 서로 대향하여 적층된다. 팽창된 복합 필터 매체(426)는 리와인드 스테이션(408)에서 롤로 와인딩된다.
도 27은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 팽창된 복합 필터 매체의 제조를 위한 시스템(430)을 도식적으로 예시한 것이다. 시스템(430)은 3개의 언와인드 스테이션(432, 434, 436), 오븐(438) 및 리와인드 스테이션(440)을 포함한다. 기재 매체(448) 및 미세 섬유(452)를 포함하는 미세 섬유 코팅된 매체(442)의 롤은 언와인드 스테이션(432)으로부터 언와인딩되며, 미세 섬유(452)는 미세 섬유 코팅된 매체(444)의 롤의 기재 매체(450)와 대향한다. 기재층(450) 및 미세 섬유(454)를 포함하는 미세 섬유 코팅된 매체(444)의 롤은 언와인드 스테이션(434)으로부터 언와인딩되며, 기재층(450)은 미세 섬유(452)와 대향한다. 미세 섬유 코팅된 매체(442) 및 미세 섬유 코팅된 매체(444)는 일련의 롤러(456) 사이에서 적층되며, 여기서, 압력은 층(448, 452, 450, 454) 간의 접착을 촉진시키기 위하여 인가된다. 일련의 롤러(456)를 가열하여, 열 접착을 통하여 층(448, 452, 450, 454) 간의 접착력을 증가시킬 수 있다. 매체(446)의 롤은 언와인드 스테이션(436)으로부터 언와인딩되며, 일련의 롤러(458)를 통하여 미세 섬유(454)의 상측에 적층된다. 추가의 압력을 일련의 롤러(458)에 의해 인가하여, 층 간의 적층을 용이하게 할 수 있다. 일련의 롤러(458)는 또한 가열되어, 층(448, 452, 450, 454, 446) 간의 접착력을 증가시킬 수 있다.
미세 섬유(452, 454)는 전기방사 방법, 예컨대 도 14의 시스템(200)에 기재된 전기방사 방법을 통하여 기재 매체(448, 450) 상에 배치된다. 이러한 실시형태에서, 미세 섬유(452, 454)는 이전 실시형태에 기재된 전기방사 나일론-6 나노섬유이다. 기재 매체(448, 450) 및 매체(446)는 이전 실시형태에 기재된 고융점 폴리에스테르/저융점 폴리에스테르 섬유를 포함하는 2-성분 섬유 스크림을 포함한다. 3개의 매체층(446, 448 450) 및 2개의 미세 섬유층(452, 454)을 포함하는 적층된 복합 필터 매체(460)는 오븐(438)에 유입되며, 여기서, 복합 필터 매체(460)는 이전 실시형태에 기재된 바와 같이 열을 통하여 팽창한다. 복합 필터 매체(460)는 오븐(438)에서 가열되며, 열 접착을 야기하여 층(448, 452, 450, 454, 446) 간의 접착력을 향상시킬 수 있다. 오븐(438)을 빠져 나올 때 팽창된 복합 필터 매체(464)는 도 13에 나타낸 팽창된 복합 필터 매체(100)와 유사하게 보인다. 팽창된 복합 필터 매체(462)는 리와인드 스테이션(440)에서 롤로 와인딩된다.
실시예 및 시험 결과
본 발명의 일 실시형태에 따른 도 13의 팽창된 복합 필터 매체(100)에 대한 실험 샘플을 실험실에서 준비하였다. 1.25 OSY의 평량을 갖는 고융점 폴리에스테르 코어 및 저융점 폴리에스테르 쉬쓰를 포함하는 2-성분 섬유 스크림을 기재 매체(12), 필터층(92) 및 필터층(104)에 사용하였다.
미세 섬유는 PA-6을 포함하는 중합체 용액으로부터 전기방사 공정을 통하여 형성하였다. PA-6 나노섬유가 형성되며, 약 0.019g/㎡의 커버리지 수준으로 2-성분 섬유 스크림에 배치하였다. 미세 섬유를 운반하는 이러한 2-성분 섬유 스크림 및 코팅되지 않은 2-성분 섬유 스크림의 2개의 층을 함께 적층하여, 미세 섬유가 도 13에 나타낸 바와 같은 2-성분 섬유 스크림층 사이에 개재되게 하였다. 그 다음, 복합 필터 매체 시험 샘플을 약 250℉에서 약 5분 동안 오븐에서 가열하였다.
샘플을 효능 및 분진 포집 용량에 대하여 시험하고, 샘플의 시험 결과를 시판되는 다른 비교가능한 필터 매체의 것과 비교하였다. MFP 분진 포집 시험에 대한 시험 프로토콜은 다음과 같다: 140㎎/㎥의 농도의 ISO 미세 시험 분진, 1002㎝의 샘플 크기, 면 속도(face velocity) 10㎝/초. MFP 효능 시험에 대한 시험 프로토콜은 다음과 같다: 70㎎/㎥의 농도의 ISO 미세 시험 분진, 1002㎝의 샘플 크기, 면 속도 20㎝/초. 도 17 내지 19는 라이달 인코포레이티드(Lydall Inc.)를 통해 입수할 수 있는 2개의 비교할 수 있는 필터 매체(라이달(Lydall) MERV 14 그레이드(Grade) SC8100 및 라이달 MERV 11 그레이드 SC8110)에 비한 복합 시험 샘플의 효능 및 분진 포집 시험 결과를 보여준다.
도 17에 나타낸 바와 같이, 복합 매체 시험 샘플(CLC 매체)은 라이달 SC8110보다 효능 시험에서 뛰어나게 수행되었으며, 라이달 SC8100과 매우 유사하게 수행되었다. 그러나, 복합 매체 시험 샘플(CLC 매체 샘플 1 및 CLC 매체 샘플 2)은 도 18 및 19에 나타낸 바와 같은 시험 기간에 걸쳐 더 낮은 압력 강하를 나타내는 분진 포집 시험에서 훨씬 더 잘 수행되었다.
본 명세서에 인용된 공보, 특허출원서, 및 특허를 포함한 모든 참고문헌은 각각의 참고문헌이 참고로 포함되는 것으로 개별적이고도 구체적으로 특정되고 그 전체가 본 명세서에 기재되는 것처럼 동일한 범위로 본 명세서에 참고로 포함된다.
본 발명을 기술하는 문맥(특히 하기의 특허청구범위의 문맥)에 사용된 "하나" 및 "상기" 등의 용어는 본 명세서에 달리 기재하거나 문맥상 명백히 모순되지 않는다면 단수 및 복수 형태를 모두 포함하는 것으로 해석해야 한다. "구비하는", "갖는", "포함하는" 및 "함유하는"이라는 용어는 달리 언급하지 않는 한 "제한 없는 용어(open ended term)"(즉, "포함하지만 그에 한정되지 않음"을 의미)로 해석해야 한다. 본 명세서에서 값의 범위를 기재하는 것은 본 명세서에 달리 기재되지 않는 한, 단지 그 범위에 속하는 각각의 별개의 값을 개별적으로 참조하는 축약 방법으로서 제공하고자 하며, 각각의 별개의 값은 그것이 본 명세서에 개별적으로 기재되는 것처럼 본 명세서에 포함된다. 본 명세서에 기재한 모든 방법은 본 명세서에 달리 기재하거나 문맥상 명백히 모순되지 않는다면 임의의 적절한 순서로 수행될 수 있다. 본 명세서에 제공된 임의의 또는 모든 예 또는 예시적인 용어(예를 들면 "예컨대")의 사용은 본 발명을 더 잘 설명하기 위한 것일 뿐이며 달리 청구되지 않는 한 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 어떠한 용어라도, 청구되지 않은 임의의 부재를 본 발명의 실시에 필수적인 것으로 나타내는 것으로 간주되어서는 안된다.
본 발명의 실시를 위해 발명자가 알고 있는 최선 방식을 포함하는 본 발명의 바람직한 실시형태가 본 명세서에 기재되어 있다. 해당 분야의 통상의 지식을 가진 자는 전술한 상세한 설명으로부터 바람직한 실시형태를 변형시킬 수 있음이 명백할 수 있다. 본 발명자들은 당업자가 그와 같은 변이를 적절하게 채용할 것을 예상하며, 본 발명자들은 본 발명이 본 명세서에 구체적으로 기재되는 것과 달리 실시되고자 하였다. 따라서, 본 발명은 적용가능한 법이 허용하는 한 첨부한 특허청구범위에 정의된 대상 물질의 모든 변형과 등가물을 포함한다. 또한, 그의 가능한 모든 변이의 전술한 부재의 모든 조합은 본 명세서에 달리 기재하거나 문맥상 명백히 모순되지 않는 한 본 발명에 포함된다.
Claims (20)
- 제1 두께를 갖는 기재의 표면 상에 평균 직경이 1 미크론 미만인 미세 섬유를 배치하는 단계; 및
상기 미세 섬유를 운반하는 기재를 제1 두께보다 더 큰 제2 두께로 팽창시키는 단계를 포함하는 필터 매체의 제조 방법. - 제1항에 있어서, 상기 기재를 형성하는 단계를 추가로 포함하며, 여기서, 저융점 중합체 성분 및 고융점 중합체 성분을 갖는 다-성분 섬유가 압축되어, 상기 제1 두께를 갖는 기재를 형성하는 방법.
- 제2항에 있어서, 미세 섬유를 배치하는 단계가 상기 미세 섬유를 전기방사하고, 상기 미세 섬유를 상기 기재의 표면 상에 직접 배치하는 것을 포함하며, 여기서, 상기 미세 섬유의 일부가 상기 기재의 표면에 인접한 일부 다-성분 섬유에 부착되는 방법.
- 제3항에 있어서, 상기 미세 섬유를 전기방사하는 것이 상기 기재의 표면 상에 미세 섬유를 배치하여, 약 0.012g/㎡ 내지 0.025g/㎡의 미세 섬유 커버리지(coverag)를 수득하는 것을 포함하는 방법.
- 제3항에 있어서, 팽창시키는 단계가 상기 필터 매체를 가열하는 것을 포함하며, 여기서, 상기 기재의 다-성분 섬유가 이완되고 재배향되어, 이에 의해 상기 기재가 제2 두께로 팽창하고 파상 표면을 형성하며; 상기 미세 섬유가 상기 미세 섬유를 운반하는 다-성분 섬유와 함께 이동함에 따라 상기 미세 섬유가 연장되며, 상기 미세 섬유가 파상 표면의 다-성분 섬유와 함께 3-차원 매트릭스로 통합되는 방법.
- 제5항에 있어서, 가열하는 것이 상기 필터 매체를 대략 저융점 중합체 성분의 융점으로 가열하는 것을 포함하며, 여기서, 저융점 중합체 성분이 용융되거나 연화되고, 일부의 미세 섬유가 용융되거나 연화된 저융점 중합체 성분 내에 매립되는(embedded) 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 두께가 팽창 후에 상기 제1 두께의 적어도 1.5배인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 두께가 팽창 후에 상기 제1 두께의 적어도 2배인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 미세 섬유가 상기 기재 매체와 상기 필터층 사이에 개재되도록 상기 필터층을 적층하는 단계를 추가로 포함하며, 여기서, 상기 기재 매체, 상기 미세 섬유 및 상기 필터층을 포함하는 필터 매체가 가열되며, 상기 기재 및 상기 필터층이 팽창되고, 상기 미세 섬유가 연장되는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 각 미세 섬유층이 상기 기재 사이에 또는 상기 기재와 상기 필터층 사이에 개재되도록 상기 미세 섬유를 운반하는 다수의 기재층과 필터층을 적층하는 단계를 추가로 포함하며; 여기서, 상기 적층된 층이 가열되며, 상기 기재 및 상기 필터층이 팽창되며, 상기 미세 섬유가 연장되고 상기 기재의 파상 표면 내에 통합되는 방법.
- 평균 섬유 직경이 1 미크론 미만인 미세 섬유를 운반하는, 평균 섬유 직경이 1 미크론 초과인 제1 섬유의 기재로서, 파상 표면을 가져, 상기 미세 섬유가 파상 표면의 제1 섬유와 함께 3-차원 매트릭스로 통합되게 하는 기재를 포함하는 필터 매체.
- 제11항에 있어서, 상기 기재가 다-성분 섬유를 포함하는 팽창된 스크림(scrim)이며, 상기 팽창된 스크림이 팽창되지 않은 제1 상태를 가지며, 팽창되지 않은 제1 상태에 있는 스크림이 일반적으로 평평한 표면과, 팽창된 스크림의 두께 미만의 두께를 갖고, 상기 파상 표면이 팽창되지 않은 제1 상태로부터 팽창된 스크림으로의 팽창 동안 형성되는 필터 매체.
- 제12항에 있어서, 상기 다-성분 섬유가 제1 성분 및 제2 성분을 포함하며, 상기 제1 성분이 상기 제2 성분보다 더 높은 용융 온도를 가지며; 상기 미세 섬유가 상기 제2 성분을 통하여 상기 파상 표면의 다-성분 섬유에 부착되는 필터 매체.
- 제13항에 있어서, 상기 제1 성분이 고융점 폴리에스테르로 형성되며, 상기 제2 성분이 저융점 폴리에스테르로 형성되고; 상기 미세 섬유가 전기방사 폴리아미드 나노섬유인 필터 매체.
- 제12항에 있어서, 상기 스크림이 팽창되지 않은 제1 상태에서 표면 수준 상에 또는 그에 인접하여 상기 미세 섬유를 운반하며, 상기 제1 섬유가 팽창된 스크림에서 재배향되며, 상기 제1 섬유가 상기 미세 섬유를 운반하고 그와 함께 상기 미세 섬유가 연장되며, 미세 섬유가 표면 수준 아래로, 팽창되지 않은 상태에서보다 팽창된 스크림에서 더 큰 깊이로 통합되는 필터 매체.
- 제15항에 있어서, 상기 팽창된 스크림을 포함하는 상기 필터 매체가 팽창되지 않은 제1 상태에 있는 스크림을 포함하는 필터 매체보다 더 큰 분진 포집 용량(dust holding capacity) 및 더 느린 압력 강하 증가를 갖는 필터 매체.
- 제11항에 있어서, 스크림을 추가로 포함하며, 상기 미세 섬유가 상기 기재와 상기 스크림 사이에 적층되는 필터 매체.
- 제11항에 있어서, 상기 필터 매체가 상기 미세 섬유를 운반하는 다수의 기재층을 포함하며; 스크림을 추가로 포함하고; 각 미세 섬유층이 상기 기재의 층 또는 상기 기재와 상기 스크림 사이에 개재되는 필터 매체.
- 제18항에 있어서, 상기 각 기재층이 다-성분 섬유를 포함하는 다-성분 스크림으로 형성되며, 상기 다-성분 섬유가 고융점 성분 및 저융점 성분을 포함하며; 상기 미세 섬유가 전기방사 중합체 나노섬유로 형성되고; 상기 전기방시 중합체 나노섬유 및 상기 고융점 성분이 상기 저융점 성분보다 더 높은 용융 온도를 가지며; 상기 다-성분 스크림이 가열을 통하여 팽창되지 않은 상태로부터 팽창되며; 상기 저융점 성분이 가열 동안 용융되거나 연화되고, 상기 미세 섬유와 접착되고; 상기 미세 섬유가 다-성분 스크림이 팽창됨에 따라 연장되는 필터 매체.
- 제10항에 있어서, 상기 기재는 평균 섬유 직경이 약 1 내지 40 미크론이고 평량이 약 0.5 내지 15oz/yd2인 다-성분 섬유 스크림으로 형성되며; 상기 미세 섬유는 평균 섬유 직경이 약 0.01 내지 0.5 미크론이고; 상기 각 미세 섬유층은 미세 섬유 커버리지가 약 0.012g/㎡ 내지 0.025g/㎡이며; 상기 필터 매체는 프래지어 공기 투과도(Frazier air permeability)가 약 100 내지 200 CFM이고; 약 1.5 inch W.G.의 최종 압력 강하와 함께 MFP 분진 포집 중량이 약 400 내지 600mg/100㎠인 필터 매체.
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