KR20140114462A - 고 표면적 섬유를 가진 개선된 복합 필터 매질 - Google Patents

고 표면적 섬유를 가진 개선된 복합 필터 매질 Download PDF

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KR20140114462A
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베흐남 포월데이히미
왈터 차파스
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알라쏘 인더스트리스, 아이엔씨.
왈터 차파스
베흐남 포월데이히미
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Abstract

본 발명은 고 표면적 섬유 및 고 표면적 섬유로 제조된 개선된 필터 복합 매질에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 복합 매질은 증가된 흡수성과 강도를 위해 고 표면적 섬유를 가진 날개형-섬유층 및 추가적인 여과를 위해 멜트블로운층을 포함하는 것이 바람직하다. 선호적인 한 실시예에서, 고 표면적 섬유는 복수의 채널을 형성하는 복수의 돌출부를 가진 중간 영역을 포함하며 복수의 채널들로 인해 섬유의 표면적이 증가된다. 선호적인 한 실시예에서, 고 표면적 섬유는 약 140,000 cm2/g 또는 그보다 높은 비 표면적을 가지며 약 1.0 내지 약 2.0의 데니어를 가진다. 본 발명의 고 표면적 섬유는 열가소성 폴리머와 용해성 쉬쓰를 사용하여 2성분 압출 공정을 이용하여 제조된다.

Description

고 표면적 섬유를 가진 개선된 복합 필터 매질{AN IMPROVED COMPOSITE FILTER MEDIA WITH HIGH SURFACE AREA FIBERS}
본 출원서는 참조문헌으로 통합되며 2006년 11월 3일에 출원된 미국특허출원번호 11/592,370호의 일부계속출원이다.
본 발명은 증가된 내구성, 흡수성 및 그 외의 다른 바람직한 특성들을 나타내는 복합물에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 증가된 흡수력을 위해 고 표면적 특성들을 가진 날개형-섬유층(winged-fiber layer)을 포함하는 복합 매질에 관한 것이다.
멜트블로운 복합물(meltblown composite)은 여과 공법 및 여과 분야에서 사용하기 위해 종래 기술에 잘 알려져 있다. 멜트블로잉(melt blowing)이란 필라멘트를 희석시키기 위해 고속의 공기 또는 그 외의 다른 적절한 힘들을 사용하여 폴리머 또는 수지로부터 직접 섬유 웹 또는 층들을 제조하기 위한 공정을 말한다. 멜트블로운 섬유는 폴리프로필렌으로부터 가장 일반적으로 구성되는데, 이 폴리프로필렌은 멜트블로운 공정으로부터 용이하게 형성되고 충전된 매질을 형성하기 위해 정전기적으로 쉽게 충전된다. 멜트블로잉은 통상 2μm 내지 5μm 범위의 직경을 가지는 미세섬유(microfiber)를 가지지만, 이러한 미세섬유들은 더 높은 멜트플로우(meltflow) 폴리머를 사용함으로써 그리고 멜트블로운 기계장치의 폴리머 스루풋(throughput)과 같은 공정 변수들을 개조함으로써 최소 0.5μm 직경을 가질 수 있다. 극도로 작은 직경을 가진 멜트블로운 섬유를 생성하는 기능은 미세한 여과 분야에서 특히 유용하다. 멜트블로운 섬유가 여과용으로 효과적인 것으로 입증되었지만 몇몇 단점들이 있다. 대부분의 멜트블로운 섬유들은 취약하고 쉽사리 찢어져서 다수의 멜트블로운 섬유층들을 적재하고 층을 지게 할 필요성이 있거나 또는 멜트블로운 섬유의 강도와 여과 특성들을 최대화하기 위하여 서포트(support) 혹은 스크림(scrim)과 조합하여 멜트블로운 섬유층들을 사용할 필요성이 있다. 이 결과가 더 무겁고 보다 고가의 멜트블로운 복합물(meltblown composite)이다.
멜트블로운 섬유의 대안으로서 유리 미세섬유(glass microfiber)가 있는데, 이 유리 미세섬유도 여과를 위한 사용용도가 종래 기술에 잘 알려져 있다. 유리 미세섬유는 여과 특성들을 증가시키기 위해 미세한 직경에 기초한다. 게다가 유리 미세섬유들은 길이에 있어서 상대적으로 더 짧으며 피부를 자극하는 것으로 알려져 있는데 부직물(nonwoven)로 가공하는 동안 문제점과 한계를 야기한다.
멜트블로운 섬유의 또 다른 대안으로 전기방사 섬유(electrospun fiber)가 있다. 전기방사 섬유 또한 여과를 위한 사용용도가 종래 기술에 잘 알려져 있다. 전기방사 섬유는 종종 0.1 내지 1.0 마이크론 범위에 있으며 여과 특성들을 증가시키기 위해 미세한 직경에 기초한다. 전기방사는 매우 느린 공정이며 이에 따라 실질적으로 단지 조금만 사용된다. 이 섬유들도 상당히 깨어지기 쉽고 취약하기 때문에, 종종 강도와 주름(pleatability)를 제공해 주는 부직물의 그 외 다른 층들과 조합하여 사용된다.
통상, 복합물은 열가소성 수지를 압출하여, 다양한 부직 복합 매질(non-woven composite media)로 만들어지게 되는 웹 또는 층들을 성형(forming)하거나 스펀바운드-멜트블로운-스펀바운드(spunbound-meltblown-spunbound; SMS) 복합물 또는 스펀바운드-멜트블로운-플리티드(spunbound-meltblown-pleated) 복합물과 같은 라미네이트들을 성형함으로써 제조된다. 이 형상에서 멜트블로운층은 핵심 여과 요소로 작용하며 스펀바운드층들은 조성물 전체를 강화시킨다. 하지만 이러한 복합물에도 불구하고, 추가적인 서포트가 필요치 않는 고효율성 섬유층을 가지며 자체적인 필터로서 기능을 수행할 수 있는 개선된 복합 매질에 대한 필요성이 존재한다. 게다가 멜트블로운층 또는 또 다른 비-날개형-섬유층(non-winged fiber layer)과 고효율성 섬유층을 조합할 필요가 있다. 더욱이 증가된 내구성, 강도, 흡수성 및 고 표면적 특성들을 가진 신규한 날개형-섬유층으로 형성된 여과 기능들을 가진 개선된 복합 매질에 대한 필요성이 존재한다.
액체 또는 입자를 흡수하고 여과할 수 있는 섬유가 종래 기술에 알려져 있다. 섬유 표면은 액체 또는 입자를 보유하도록(hold) 섬유의 기능을 향상시키기 위해 종종 화학적으로 또는 물리적으로 처리된다. 예를 들어, 섬유의 표면적을 증가시기키 위하여 섬유 표면은 홈 및 채널을 생성하도록 거칠게 만들어진다. 종래 기술에 알려진 몇몇 흡수성 섬유는 유체 흐름에 영향을 끼치는 소수성 또는 친수성 화학물질로 처리된다.
흡수용도로 사용되는 이러한 섬유는 Eastman Chemical Company사가 원천적으로 개발하였으며 Fiber Innovation Technologies사로부터 구매가능한 4DG 섬유이다. 도 1은 표면 모세관 섬유(surface capillary fiber)로도 알려져 있는 4DG 섬유의 횡단면도이다. 도 1의 종래 기술의 섬유는 스파인(spine)의 한 측면으로부터 돌출하여 제 1 세트의 홈들을 형성하는 적어도 3개의 암(arm)들의 한 세트 및 스파인의 두 번째 측면으로부터 돌출하여 제 2 세트의 홈들을 형성하는 적어도 3개의 암들의 제 2 세트를 도시한다. 종래 기술의 섬유의 암들과 홈들은 모세관 작용에 의해 섬유의 길이를 따라 유체를 이송하기에 충분히 깊고 좁은 홈들을 생성하도록 불규칙적인 기하학적 형상을 가진다. 게다가, 도 1의 종래 기술의 섬유는 나노-섬유들이 요구되는 특정 분야에서의 사용을 제한하는 큰 데니어(denier)를 가진다.
4DG 섬유는 특정 횡단면 기하학적 형성을 가진 섬유를 제공함으로써 홈의 깊이를 증가시키도록 추구한다. 하지만 4DG 섬유 및 이와 유사한 구성을 가진 그 외의 다른 섬유는 몇몇 단점을 가진다. 다수의 이러한 섬유들은 약 50 내지 60 마이크론 미만의 섬유 직경들로 방사될 수 없으며, 이에 따라 이들 섬유를 사용하기에 잠재적으로 제한된다. 4DG 섬유로 구현할 수 있는 최소 데니어는 대략적으로 3이 된다. 게다가, 이 섬유의 암들 사이의 큰 홈들로 인해, 방사 공정 동안 이 암들이 종종 파열된다. 이러한 섬유들은 제한된 수의 암들과 홈들을 가져서 표면 대 체적 비율이 상대적으로 낮게 되어, 흡수될 수 있는 유체의 양을 제한한다. 4DG 섬유의 크기와 기하학적 형상으로 인해, 암들은 촘촘하며 압축된 재료들로 되는 직물 형성 동안 쉽사리 맞물릴 수 있어서(interlock) 여과 특성들과 흡수 특성들을 감소시킨다.
표면 모세관 특성들을 촉진시키기 위해 표면에 깊은 홈 또는 채널을 가진 특별한 섬유를 생성하기 위해 과거에 많은 시도가 이루어져 왔다. 이러한 섬유들은 표면 위에 깊은 채널을 형성하기 위해 통상 8개인 복수의 레그를 사용한다. 이 섬유들의 표면은 유체 흐름을 보다 용이하게 수용하고 촉진시키는 적절한 처리들로 처리될 수 있으며 따라서 유체 이동에 유용하다. 이 섬유들의 다수는 높은 수준의 벌크밀도(bulk density)를 가지며 이에 따라 단열 용도에 적절하다. 암이 입자들을 포획하고 포착할 수 있기 때문에 이 섬유들은 표면을 활성화(activate)시키도록 여과 용도 또는 표면 처리에 추가적으로 유용하다.
표면 홈들을 가진 섬유는 단일 성분의 섬유들로서 특별한 방적돌기(spinneret)들을 이용하여 생산된다. 이 섬유들은 압출되고 용융되며 스핀 빔과 방적돌기 모세관들을 통해 용융된 폴리머를 전달시켜 원하는 형태로 성형된다. 그 뒤 섬유는 방적돌기로부터 나올 때 냉각되며(quenched) 더 강하고 더 고운 섬유를 형성하기 위해 연속적으로 뽑아진다(drawn). 하지만 섬유의 깊은 홈 또는 암들로 인해, 섬유들은 업계에서 선호되고 사용되는 일반적인 섬유 크기들로 제조될 수 없다. 업계에서 현재 사용되는 대부분의 섬유들은 필라멘트 당 1 내지 3 데니어 사이이지만, 위에서 언급한 대로 증가된 표면적을 가진 대부분의 섬유들은 현재 6 데니어 또는 그보다 큰 것이 사용된다. 6 데니어 또는 그보다 큰 섬유들은 매우 거칠며, 처리하기에 더 어렵고 그리고 사용용도에 있어 제한적이다.
종래적으로 단일 성분의 원형 섬유들이 종래 기술에서 일반적으로 사용된다. 단일 성분의 원형 섬유의 횡단면 형상은 통상 원형이다. 단일 성분의 원형 섬유가 가지는 한 가지 문제점으로는, 섬유의 표면적을 증가시키기 위하여 횡단면적 또한 증가되며 이에 따라 큰 데니어를 가진 섬유가 형성된다는 점이다.
종래 기술에서 알려진 통상적인 섬유들의 표면적보다 적어도 2 내지 3배 증가된 표면적을 가지며 업계에서 사용되는 것과 같은 일반적인 섬유 크기를 유지하면서 표면 모세관 특성들을 촉진시키도록 표면 상에서 깊은 홈 또는 채널을 가진 섬유에 대한 필요성이 존재한다. 본 발명은 데니어 크기를 작게 유지시키면서도 증가된 표면적과 다수의 표면 채널들을 가지는 섬유 및 개선된 복합 매질 내에서 이러한 섬유의 용도를 개시한다.
본 발명은 위에서 논의된 문제점들과 그 외의 다른 문제점들을 해결하고 그리고 이러한 타입의 종래 섬유들과 복합물로는 제공되지 못하는 이점과 양태들을 제공하기 위함이다. 본 발명의 특징들과 이점들의 상세한 논의는 첨부된 도면들을 참조하여 하기 상세한 설명에서 제공된다.
본 발명의 제 1 형태는 개선된 복합 매질(composite media)를 제공하는 데 있다. 복합 매질은 제 1 면과 제 2 면을 가진 제 1 섬유층(fiber layer)을 가진다. 복합 매질은 제 1 섬유층의 제 1 면에 결합된 날개형-섬유층을 가진다. 날개형-섬유층은 고 표면적 섬유들의 웹(web)을 가진다. 고 표면적 섬유는 중간 영역(middle region)을 가진 횡단면을 포함하는 내부 섬유를 가진다. 중간 영역은 상기 중간 영역의 주변을 따라 그리고 중간 영역으로부터 연장되는 복수의 돌출부를 가진다. 복수의 돌출부는 복수의 채널을 형성한다. 한 실시예에서, 용해성 외부 쉬쓰(sheath)는 고 표면적 섬유를 둘러싼다. 한 실시예에서, 섬유층은 멜트블로운 섬유 또는 전기방사 섬유들을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 복합물은 제 1 섬유층의 제 2 면에 결합된 제 3 층을 가진다. 제 3 층은 날개형-섬유층, 스크림층(scrim layer), 유리 미세섬유층, 전기방사 웹 또는 멜트블로운 매질의 그 외 다른 층들이 된다.
날개형-섬유층은 고 표면적 섬유들의 웹을 포함한다. 고 표면적 섬유는 중간 영역을 가진 횡단면을 포함하는 내부 섬유를 가진다. 중간 영역은 상기 중간 영역의 주변을 따라 그리고 중간 영역으로부터 연장되는 복수의 돌출부를 가진다. 복수의 돌출부는 복수의 채널을 형성한다. 또한 섬유는 용해성 외부 쉬쓰를 가진다. 상기 외부 쉬쓰는 내부 섬유를 둘러싼다.
본 발명의 제 2 형태는 개선된 복합 매질을 제공하는 데 있다. 복합 매질은 제 1 면과 제 2 면을 가진 제 1 멜트블로운 또는 전기방사 섬유층을 가진다. 복합 매질은 제 1 멜트블로운 또는 전기방사 섬유층의 제 1 면에 결합된 날개형-섬유층을 가진다. 날개형-섬유층은 고 표면적 섬유들의 웹을 가진다. 고 표면적 섬유는 내부 섬유를 가지며, 그 안에서 내부 섬유는 열가소성 폴리머가 된다. 내부 섬유는 종축에 대해 횡단면을 가지며 종축으로부터 연장되는 복수의 돌출부들을 가진다. 종축의 주변을 따라, 복수의 돌출부들은 복수의 채널들을 형성한다. 이 채널들은 약 200 나노미터 내지 약 1000 나노미터의 폭을 가진다. 내부 섬유는 약 1 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터의 횡단면 길이 및 약 1 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터의 횡단면 폭을 가진다. 내부 섬유의 횡단면은 약 100,000 cm2/g 내지 약 1,000,000 cm2/g의 표면적을 가진다.
추가적으로, 본 발명은 개선된 복합 매질을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 이 방법들의 단계들은 제 1 면과 제 2 면을 가진 제 1 섬유층을 제공하는 단계를 포함한다. 고 표면적 섬유들의 웹을 가진 날개형-섬유층을 제공하는 단계는 내부 섬유와 외부 쉬쓰를 공압출함으로써 수행된다. 내부 섬유는 열가소성 폴리머이며 외부 쉬쓰는 용해성 폴리머이다. 내부 섬유는 중간 영역을 가진 횡단면을 포함한다. 중간 영역은 상기 중간 영역의 주변을 따라 그리고 중간 영역으로부터 연장되는 복수의 돌출부를 가진다. 복수의 돌출부는 복수의 채널을 형성한다. 내부 섬유와 외부 쉬쓰는 용융 방사되어(melt spun) 2성분 섬유(bicomponent fiber)를 형성한다. 외부 쉬쓰는 고 표면적 섬유 또는 날개형-섬유를 생산하기 위해 용매(solvent)로 제거된다. 날개형-섬유는 웹 또는 층 내에 형성된다. 날개형-섬유층은 제 1 섬유층의 제 1 면에 결합되어 복합 매질을 형성한다.
본 발명의 또 다른 형태에서, 직물 제품(textile product)이 제공된다. 직물 제품은 복합 매질을 가진다. 복합 매질은 제 1 면과 제 2 면을 가진 제 1 섬유층을 포함한다. 복합 매질은 섬유층의 제 1 면에 결합된 날개형-섬유층을 가진다. 날개형-섬유층은 고 표면적 섬유들의 웹을 포함한다.
따라서 본 발명은 개선된 내구성과 흡수성을 가진 전기방사 또는 멜트블로운 섬유층 및 날개형-섬유층으로부터 제조된 복합 매질을 제공한다.
본 발명의 이러한 형태들과 그 외의 다른 형태들은 도면들을 고려하여 하기 선호적인 실시예의 설명을 읽음으로써 종래 기술의 해당 업계 종사자들에게 명백하게 될 것이다.
도 1은 종래 기술의 섬유를 도시한 횡단면 투시도.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따라 외부 쉬쓰를 가진 섬유를 도시한 횡단면도.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따라 단일 섬유를 도시한 횡단면도.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따라 외부 쉬쓰 없는 섬유를 도시한 횡단면도.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따라 원형 형상을 가진 섬유를 도시한 횡단면도.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따라 부직포를 도시한 횡단면도.
도 7은 종래 기술의 부직포를 도시한 횡단면도.
도 8은 본 발명에 따른 섬유, 원형 섬유 및 4DG 섬유의 비 표면적 대 필라멘트 당 데니어를 비교한 그래프.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따라 복합 매질을 도시한 투시도.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따라 복합 매질 제조 방법을 도식적으로 도시한 도면.
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따라 복합 매질을 도시한 투시도.
하기 설명에서, 동일한 도면부호들은 도면들을 통해 동일하거나 또는 상응하는 부분들을 가리킨다. 또한 하기 설명에서, "전방으로", "후방으로", "전방", "후방", "우측", "좌측", "상부방향으로", "하부 방향으로" 및 이와 유사한 용어들은 편의상 이용되는 용어들로 이해되어야 하며 의미를 제한하는 용어들로써 이해해서는 안 된다. 도면에서의 예시들은 본 발명의 선호적인 실시예를 기술하기 위함이며 본 발명을 선호적인 실시예에만 제한하려는 의도가 아니다.
도면에서, 도 9는 도면부호 30으로 나타난 본 발명의 복합 매질(composite media)을 도시한 투시도이다. 도 9에 도시된 바와 같이 복합물(30)은 섬유층(32)과 날개형-섬유층(winged-fiber layer, 34)을 일반적으로 포함한다. 제 1 섬유층(32)은 제 1 면(36)과 제 2 면(38)을 가진다. 제 1 섬유층(32)은 제 1 면(36)과 제 2 면(38)을 가진다. 본 발명의 선호적인 실시예에서, 섬유층(32)은 멜트블로운 섬유층(meltblown fiber layer)이다. 멜르블로운층은 필라멘트를 형성하기 위해 복수의 스루풋(throughput)을 통해 용융 열가소성 폴리머를 압출시킴으로써 형성된 멜트블로운 섬유를 포함한다. 멜트블로운 섬유의 직경을 감소시키는 한 방법은 고속의 가스 스트림을 사용하여 필라멘트를 가늘게 함으로써(attenuating) 이루어진다. 원하는 분야에 따라, 멜트블로운 섬유는 폴리머로 형성되는 것이 바람직하며 보다 선호적으로는 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아미드 또는 열가소성 엘라스토머로 형성되는데, 이 열가소성 엘라스토머에는 폴리에테르, 폴레에테르 에스테르와 PBAX와 같은 열가소성 폴레우레탄 엘라스토머(TPU) 및 엘라스토머 올레핀이 포함되나 이에만 제한되는 것은 아니다. 한 실시예에서, 엘라스토머 및 보다 구체적으로 TPU가 복합 매질에 대해 신축성과 복원력 뿐만 아니라 향상된 강도를 제공하기 위해 바람직하다.
멜트블로운 TPU 섬유를 사용하는 한 가지 이점으로는, 섬유가 "점착(sticky)" 또는 "끈끈한(tacky)" 특성을 가지는 것인데, 이는 공기흐름(airflow)이 복합 매질의 그 다음 층에 도달하기 전 입자들을 포획하기 위한 사전필터(prefilter)로서 멜트블로운 섬유층 기능을 도와준다. 점착성 또는 끈적거림은 또한 밑에서 기술되는 바와 같이 라미네이션 단계의 필요성을 감소시키거나 또는 제거시킴으로써 다층 필터 제조 전체 공정에 도움을 준다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 제 1 층(32)은 전기방사 섬유(electrospun fiber), 유리 미세섬유(glass microfiber), 4DG 섬유(위에서 기술한), 또는 그 외의 다른 부직 재료(nonwoven material)와 같은 그 외의 다른 섬유들을 포함할 수 있지만 이들에만 제한되지 않는다. 예를 들어, 제 1 층(32)은 셀룰로스, 울, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 또는 그 외의 다른 미세섬유들과 같은 스테이플 섬유(staple fiber)로 만든 부직물이 될 수도 있으나 이에만 제한되지 않는다. 추가적으로 부직물은 습식집적 공정(wetlaid process)으로 제조될 수도 있다. 섬유가 TPU에서와 같이 고유적으로 점착성이 있거나 또는 끈적거리지 않는다면, 끈적거리는 스프레이 혹은 낮은 유리 전이 온도를 가진 아크릴, 라텍스, 폴리우레탄 화합물 또는 낮은 유리 전이 온도를 가진 그 외의 다른 자체 가교 재료와 같은 접착제로 처리될 수 있으나 이들에만 제한되지 않는다.
도 9에서, 복합 매질(30)의 날개형-섬유층(34)은 복수의 고 표면적 섬유를 포함한다. 도 2-4는 도면부호 10으로 표시되는 본 발명의 고 표면적 섬유의 횡단면을 개시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 섬유(10)는 통상 내부 섬유(12)와 외부 쉬쓰(14)를 포함한다. 섬유(10)는 일반적으로 난형의(oval) 횡단면으로 압출될 수 있는 2개의 상이한 폴리머 조성물로 구성되며 이에 따라 높은 처리가공성(processability)을 가질 수 있다. 대안으로 횡단면은 원형 또는 원하는 그 외의 다른 형태가 될 수 있다. 본 발명의 섬유(10)의 압출 공정 및 제조 방법은 하기에서 보다 상세하게 기술된다.
도 2-4에서 추가적으로 도시된 바와 같이, 내부 섬유(12)의 횡단면은 일반적으로 날개형 또는 아메바와 유사한 형태를 가진다. 내부 섬유(12)는 중간 영역(16)을 가지는데, 이 중간 영역(16)은 내부 섬유(12)의 중앙 하부로 형성되는 종축(17)이 된다. 종축(17)은 이 종축(17)으로부터 연장되는 복수의 돌출부(18)를 가지며, 이들은 도 2-4에 표시되어 있다. 선호적인 실시예에서, 복수의 돌출부는 종축(17)의 주변을 따라 연장된다. 원형 또는 이와 같은 형태에만 제한되지 않지만 원형 또는 이와 같은 형태와 같은 대안의 횡단면 형태는 허브로서 형성된 중간 영역(16)을 가질 수도 있으며, 상기 돌출부들은 이 허브로부터 연장된다. 복수의 돌출부(18)는 표면적 및 단일 섬유용 표면 모세관(surface capillary)을 증가시킨다. 선호적인 실시예에서, 복수의 돌출부(18)는 도 4에 도시된 바와 같이 복수의 채널(20)을 형성한다. 한 실시예에서, 복수의 채널(20)은 균일한 간격으로 배열된다. 채널(20)은 섬유(10)의 길이를 따라 표면 모세관 부분을 생성시켜 섬유(10) 내에서 액체의 흡수성을 촉진시킨다. 추가적으로 채널(20)은 잔해물과 먼지와 같은 입자들이 섬유(10) 내에 채집되고 보유되게 만든다. 따라서 본 발명의 섬유는 도 3에 도시된 바와 같이 섬유의 길이를 따라 연장되는 복수의 종방향 모세관 채널(21)들을 가진다. 본 발명은 또한 복수의 돌출부(18)들로 인해 내부 섬유(12)의 횡단면의 표면적을 증가시킨다. 내부 섬유(12)에 의해 생성된 증가된 표면적은 섬유(10)를 제조하는 동안 사용되는 세그먼트의 개수에 좌우되며 하기에서 상세하게 논의된다.
바람직하게, 채널(20)은 약 200 나노미터의 폭을 가지는 나노 크기가 된다. 대안으로, 채널(20)은 200 나노미터 내지 1000 나노미터가 될 수 있다. 채널(20)의 폭은 다양한 적용예들에 따라 적합하도록 수정될 수 있다. 본 발명의 나노 크기 채널들은 섬유(10)가 미세-여과 또는 미세-흡수가 필요한 분야에서 사용될 수 있게 한다. 예를 들어, 특정 여과 메커니즘은 약 300 나노미터의 채널 크기를 필요로 한다. 각각의 섬유에 대한 채널 크기가 조절될 수 있기 때문에, 본 발명은 상이한 채널 크기를 가진 섬유를 포함하는 복합 매질(30)을 생성하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 필터와 같은 복합 매질은 200 나노미터 채널과 500 나노미터 채널을 가진 섬유 다발을 포함할 수 있다. 한 실시예에서 채널이 약 200 나노미터의 폭을 가지는 경우 중간 영역(16)으로부터 연장되는 약 32의 돌출부(18)가 존재한다. 추가적으로, 채널은 여과 및 흡수 특성들을 더 향상시키기 위해 화학적으로 처리될 수 있다.
본 발명의 선호적인 실시예에서, 내부 섬유(12)는 종래 기술에서 공지된 열가소성 폴리머이다. 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 나일론, 폴리에틸렌, 열가소성 우레탄(TPU), 코폴리머 또는 액정 폴리머(liquid crystalline polyer)를 포함하는 임의의 개수의 열가소성 폴리머가 사용될 수 있으나 이들에만 제한되지 않는다.
선호적인 실시예에서, 섬유의 횡단면은 높은 가요성을 지니며 강성의 내부를 가진다. 대안으로, 한 실시예에서, 내부 섬유의 내부 또는 중간 영역 부분은 속이 비어 있다(void). 중앙이 빎에 따라 유체 흐름을 위한 채널이 추가적으로 형성된다. 도 5는 내부 섬유(12)의 중간 영역(16)이 없는 본 발명의 섬유의 횡단면을 도시한다. 외부 쉬쓰(14)는 하기에서 보다 상세하게 논의되는 것처럼 날개형-섬유 형태의 구조형성(formation)에 도움을 준다.
대안으로, 또 다른 실시예에서, 내부 섬유(12)의 중간 영역(16)은 압출 공정 동안 원형의 형상으로 형성될 수 있다. 속이 빈 공간은 내부 섬유(12)가 보다 강성이 되게 할 수 있으며 중앙의 빈 공간으로 인해 보다 큰 굽힘저항을 가지게 할 수 있다. 추가적으로 중앙의 빈 공간은 유체 흐름을 위한 채널을 추가적으로 형성한다. 빈 공간을 포함하는 원형의 횡단면을 가진 섬유는 섬유 자체적으로 덜 휘어지는 경향을 가진다.
도 2는 외부 쉬쓰(14)를 가진 섬유(10)를 도시한 횡단면도이다. 선호적인 실시예에서, 외부 쉬쓰(14)는 폴리락티드(PLA), 코폴리에스테르(PETG), 폴리비닐 알콜(PVA), 또는 에틸렌-비닐 알콜 코폴리머(EVOH)와 같은 용해성 열가소성 물질이 되지만 이들에만 제한되지 않는다. 종래 기술에서 공지된 어떠한 용해성 열가소성 물질도 본 발명과 관련하여 외부 쉬쓰(14)로서 사용될 수 있다. 선호적인 실시예에서, 외부 쉬쓰(14)는 도 2에 도시된 바와 같이 내부 섬유(12)를 둘러싼다.
본 발명의 한 형태에서, 섬유의 표면적이 증가되면서 섬유의 데니어는 1 내지 3으로 유지된다. 선호적인 실시예에서, 섬유의 데니어는 약 1.0 내지 약 2.0이다. 하지만, 대안으로, 섬유의 데니어는 약 1.0 내지 약 20.0 범위가 될 수 있다.
데니어는 얀(yarn)의 미세도(fineness)를 측정하도록 사용되는 단위이며 9,000미터의 얀의 그램 질량과 동일하다. 본 발명의 선호적인 실시예에서, 1 데니어 섬유에 대한 비 표면적은 약 28,000 cm2/g 내지 약 200,000 cm2/g이다. 섬유의 비 표면적[cm2/g]은 하기 식으로 측정된다.
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
L=길이, K 9x105cm
ρ=밀도, K 1.38g/cm3
Denier=선형 밀도
P=주변길이
A=횡단면적
본 발명의 선호적인 실시예의 비 표면적은 종래 기술에 공지된 전형적인 4DG 섬유보다 약 57-60배 더 크다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 섬유의 비 표면적은 동일한 데니어를 가진 전형적인 4DG 섬유 또는 전형적인 원형 섬유보다 현저하게 더 크다. 예를 들어, 3 데니어를 가진 원형 섬유는 1653 cm2/g의 비 표면적을 가진다. 3 데니어를 가진 4DG 섬유는 4900 cm2/g의 비 표면적을 가진다. 이와 반대로, 3 데니어를 가진 본 발명의 섬유는 약 80,000 cm2/g의 비 표면적을 가진다. 본 발명의 한 실시예에서, 내부 섬유의 횡단면은 약 140,000 cm2/g 또는 그보다 큰 비 표면적을 가진다. 본 발명은 복수의 돌출부와 복수의 채널의 고유한 기하학적 형상으로 인해 큰 비 표면적을 구현한다. 본 발명의 선호적인 실시예가 약 1.0 내지 약 2.0의 섬유 데니어를 가지지만, 4DG 섬유가 3 미만의 데니어로 제조될 가능성이 없기 때문에 위에서의 대조가 선택되었다.
선호적인 실시예에서, 내부 섬유(12)는 약 20 마이크로미터의 횡단길이를 가지며 약 10 마이크로미터의 횡단폭을 가짐으로써 약 1.5 데니어를 가진 섬유를 생산한다. 데니어는 섬유의 선형 밀도(linear density)를 말하는 것으로, 측정된 9,000 미터의 섬유에 대한 그램 중량이다. 또 다른 실시예에서, 내부 섬유(12)는 약 10 마이크로미터의 횡단길이와 약 10 마이크로미터의 폭을 가진다. 본 발명의 내부 섬유(12)는 약 1 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터의 횡단길이 및 약 1 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터의 횡단폭을 가질 수 있다. 대안으로, 본 발명의 또 다른 실시예에서, 섬유는 3 또는 그 이상의 데니어를 가질 수 있으며, 현저하게 큰 표면적을 가진 큰 섬유를 제공할 수 있다.
본 발명의 섬유 제조 방법은 종래 기술에서 공지된 압출 기술을 사용한다. 통상, 2성분 섬유는 동일한 방적돌기로부터 두 폴리머를 공압출 또는 압출시킴으로써 형성되며 이 두 폴리머는 동일한 필라멘트 또는 섬유 내에 함유된다. 압출 공정은 방적돌기를 통해 두껍고 점성을 가진 폴리머를 밀어내어 반고형 섬유(semi-solid fiber)를 형성한다. 본 발명의 선호적인 실시예에서, 압출 시스템은 두 폴리머를 적절하게 다이렉팅(directing)하고 채널링(channeling)함으로써 기술한 바와 같이 섬유를 형성할 것이며 이에 따라 보다 균일한 형태가 야기될 것이다. 플레이트 위의 홀의 개수는 섬유 내에 나타난 세그먼트의 개수에 상응한다. 그 뒤 이 필라멘트는 응고된다(solidified). 본 발명의 선호적인 실시예는 용융 방사되어 섬유를 형성하지만 종래 기술에서 공지된 그 외의 다른 방법들도 사용될 수 있다. 예를 들어 두 폴리머를 신중하게 선택하고 압출 공정을 제어함으로써 종축으로부터 연장되는 돌출부들로 섬유를 형성하도록 단편화된 파이 압출 시스템(segmented pie extrusion system)이 사용될 수 있다.
선호적인 실시예에서 섬유 제조 방법은 열가소성 폴리머를 포함하는 2성분 섬유, 내부 섬유(12) 및 용해성 열가소성 폴리머인 외부 쉬쓰(14)를 압출시킴으로써 시작된다. 2성분 섬유는 원하는 홀과 횡단 형태를 가지는 방적돌기를 통해 압출된다. 선호적인 실시예에서 방적돌기의 횡단면은 높은 처리가공성을 위해 난형이나 대안으로 원형의 횡단면 또는 원하는 그 외의 다른 형태들도 사용될 수 있다.
대안으로, 위에서 논의된 것처럼 날개 형태인 섬유의 최종 횡단면 형태가 압출 공정으로부터 형성된 세그먼트의 개수에 의해 결정된다. 이 세그먼트들은 "단편-파이(segmented-pie)" 2성분 섬유로 불리는 파이-조각들과 유사하다. 종래 기술의 전형적인 섬유들은 16개의 세그먼트들로 형성되지만 본 발명의 고 표면적 횡단면을 구현하기 위하여 섬유는 적어도 4개의 세그먼트를 가져야 한다.
본 발명의 한 실시예에서, 압출된 2성분 섬유는 적어도 4개의 세그먼트를 가진다. 대안으로 본 발명의 또 다른 실시예에서 내부 섬유의 날개형 횡단면은 이 내부 섬유가 64개의 세그먼트를 가진 2성분 섬유로 형성되기 때문에 매우 큰 표면적을 형성한다. 도 2-4에 도시된 바와 같이, 64개의 단편-파이 압출에 의해 생성된 카터필러(caterpillar)와 유사한 형태는 예상치못한 결과였다. 24개 이상의 세그먼트를 가지는 2성분 섬유를 형성하기가 어려우며 종래 기술의 섬유는 이들이 가질 수 있는 세그먼트의 개수가 제한된다.
세그먼트의 형태와 크기를 제어하기 위한 한 방법은 압출 공정 동안 2성분 섬유의 온도, 점성, 또는 압력을 변화시키는 것이다. 용융 방사는 섬유가 방적돌기로부터 압출되어 원형, 세 갈래진 형태(trilobal), 5각형, 8각형 및 그 외 다른 형태들과 같은 상이한 횡단면 형태가 되게 할 수 있다. 본 발명의 한 실시예의 2성분 세그먼트들은 최대 64개의 파이 조각들 중 하나를 가지는 단편 파이와 유사하다. 선호적인 실시예에서, 세그먼트들은 내부 섬유(12)와 용해성 외부 쉬쓰(14) 사이에서 교대로 배열된다(alternate). 외부 쉬쓰(14)가 세척되고 제거되고 나면 남아있는 세그먼트가 흡수와 여과를 위해 기저(basis)를 형성하는 복수의 돌출부를 형성하기 때문에 세그먼트들이 교대로 배열되는 것이 중요하다. 돌출부의 개수는 생성되는 전체 표면적에 직접적으로 비례한다. 따라서 정확하고 사전결정된 표면들을 가진 섬유가 형성될 수 있다.
선호적인 실시예에서, 2성분 섬유가 압출되고 용융 방사되고 난 뒤, 2성분 섬유는 날개형-섬유웹 또는 날개형-섬유층으로 형성될 수 있다. 2성분 섬유는 필터와 같은 복합 매질을 형성하도록 함께 속박될 수 있다(bound). 대안으로 2성분 섬유는 의복류(garment)와 같은 직물(woven fabric)로 형성될 수 있다. 본 발명의 날개형-섬유의 한 가지 이점으로, 웹이 만들어진 후까지 외부 쉬쓰가 제거될 필요가 없다는 점이다. 이에 따라 날개형-섬유의 취급작업이 개선되고 제조에 관련된 비용이 감소된다. 도 6은 본 발명의 부직포를 도시하며 웹(34)을 형성하기 위해 날개 형태의 섬유들이 어떻게 모이는지(assemble)를 예시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 섬유의 기하학적 형상과 채널의 크기로 인해 섬유들이 서로 인접하게 배열될 때 서로 촘촘하게 압축되어 맞물림(interlocking) 없이도 다발을 형성할 수 있다. 추가적으로, 외부 쉬쓰가 여전히 존재할 때 천 직물(textile fabric)이 제조될 수 있기 때문에 외부 쉬쓰는 섬유들이 서로 맞물리는 것을 추가적으로 방지한다. 도 7은 섬유들이 맞물리는 종래 기술의 직물을 도시한다. 본 발명의 날개형-섬유가 종래 기술에서 공지된 그 외의 유사한 다른 섬유들과 맞물리지 않기 때문에, 본 발명의 채널의 유효성이 떨어지지 않으며 흡수 또는 여과를 위해 유용한 채로 유지된다. 외부 성분은 날개형-섬유층(34)이 형성된 후 제거될 수 있다. 따라서 본 발명의 섬유 및 이들의 돌출부는 맞물릴 수 없다.
날개형-섬유층(34)이 형성되고 나면, 직물은 수산화나트륨(NaOH), 애시드(이들에만 제한되지 않음)와 같은 용매로 세척되거나, 또는 수 분산성 폴리머(water dispersible polymer)에 경우 용해성 외부 쉬쓰를 제거하기 위해 물이 사용된다. 대안으로 2성분 섬유는 필요 시에 날개형-섬유층(34)을 형성하기 전에 세척될 수 있다.
본 발명의 날개형-섬유층(34)을 형성하기 위하여, 고 표면적 섬유(10)는 열적, 화학적 또는 기계적 결합을 포함하는 여러 가지 서로 다른 기술을 이용하여 결합될 수 있다. 한 실시예에서, 날개형-섬유층(34)은 수역학적 힘을 사용하여 섬유를 얽히게 하고(entangle) 결합시키도록 사용되는 메커니즘인 하이드로인탱글먼트(hydroentanglement)를 이용하여 형성된다. 대안으로, 날개형-섬유층(34)은 스펀바운드(spunbound) 또는 카디드(carded) 웹을 기계적으로 배향시키고 맞물리게 하는 니들 펀칭(needle punching)으로 생성될 수 있다. 니들 펀칭은 웹 내부와 외부를 반복적으로 통과하는 다수의 바브 펠팅 니들(barbed felting needle)로 구현된다. 니들 펀칭과 하이드로인탱글먼트는 조밀한 구조를 형성하여 외부 쉬쓰가 제거될 때 날개는 높은 투과성을 가진 구조를 형성하는 위치에서 구속해제(release)될 것이다. 직물의 최종 용도가 어떤 결합 기술이 사용되어야 하는 지를 결정할 것이다. 예를 들어, 큰 입자를 여과시키기 위해 부직포가 사용되어야 한다면 직물(woven)이 아니라 무작위로 맞물려진 섬유인 스펀바운드 섬유들을 이용하여 제조될 수 있다. 상대적으로 작은 입자들을 여과시키기 위해 부직포가 필요하다면, 섬유를 서로 결합시키기 위해 고속의 공기 또는 또 다른 적절한 힘을 사용하는 멜트블로운 섬유들로 제조될 수 있다. 대안으로, 필라멘트가 압출될 수도 있으며, 상기 필라멘트가 주름지게 될 수 있고(crimped) 스테이플 섬유로 절단될 수 있으며 이로부터 웹이 형성될 수 있고 그 뒤 부직물(nonwoven)을 형성하기 위해 위에서 기술한 하나 또는 그 이상의 방법들로 결합될 수 있다. 동일한 스테이플 섬유 또는 필라멘트 섬유는 직조(woven), 편직(knitted) 또는 꼰 구조의(braided) 구조물 또한 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 2성분 섬유를 방사하고 섬유의 길이를 세그먼트로 절단하여 베일(bale) 내로 밀어넣음으로써 스테이플 부직포가 구성될 수 있다. 그 뒤, 베일은 습식집적 공정 또는 카딩(carding)에 의해 균일한 웹 내에서 펼쳐지며 이에 따라 종래 기술에 공지된 바와 같이 열-기계적 수단에 의해 결합된다.
3개의 모든 층들이 한 기계장치 위에서 조립된, 복합 매질(30)을 일렬로(in-line) 제조하기 위한 장치가 도 9에 예시되며, 이 장치는 도면부호 70으로 표시된다. 대안으로 복합 매질의 층들은 개별적으로 제조될 수 있으며 그 후 조합되고 복합 매질을 형성하기 위해 결합된다. 선호적인 실시예에서, 날개형-섬유층(34)은 복합 매질(30) 내로 형성되기 전에 완전히 처리되며 이는 외부 쉬쓰(14)가 제거된다는 의미이다. 외부 쉬쓰(14)가 복합물 구조형성(formation) 이전에 날개형-섬유층(34)으로부터 제거되어 외부 쉬쓰(14)를 용해시키는 세척작업이 그 외의 다른 층들의 일체성(integrity)와 조성을 손상시키지 않는 것이 바람직하다.
도 10에 도시된 장치(70)는 날개형-섬유층(34)를 고정시키는 제 1 롤(50)을 포함한다. 도 10의 선호적인 실시예에서, 날개형-섬유층(34)은 이 장치를 통해 공급되며, 여기서 멜트블로운 섬유(40)가 멜트블로운 웹 제조 섹션(52)으로부터 제공되고 날개형-섬유층(34) 위에 침적되어 멜트블로운 섬유층(45)이 형성된다.
결합이 필요하다면, 날개형-섬유층(34)이 유압식 니들링(hydraulic needling), 열 캘런더링(thermal calendearing), 초음파 결합 및/또는 접착 결합과 같은 종래 기술에 공지된 방법들을 사용하여 섬유층(32)의 제 1 면(36)에 결합되며, 이 방법들에만 제한되지는 않는다. 복합 매질(30)을 형성할 때 층들의 위치배열(positioining) 및 배향(orientation)은 복합 매질(30)의 원하는 결과 특성들에 기초한다. 예를 들어, 한 실시예에서, 복합 매질(30)은 멜트블로운 섬유층(45)와 날개형-섬유층(34)을 결합시킴으로써 형성될 수 있다(MW). 이 배향은 여과 용도에 있어서 최적이며, 여기서 공기흐름은 멜트블로운 섬유층(45)을 통과하기 전에 날개형-섬유층(34)에 우선적으로 접촉하여 보다 많은 입자들과 잔해물을 포획하고 고정시킨다.
도 11에서, 대안의 실시예에서, 제 2 날개형-섬유층(42)은 제 1 섬유층(32)의 제 2 면(38)에 포개어 질 수 있으며 이에 따라 3개 층들을 가진 필터 매질을 생성한다(순서는 날개형-섬유층, 멜트블로운층 그리고 날개형-섬유층이다).
도 10은 이 제 2 날개형-섬유층(42)이 어떻게 추가되는 지를 도시한다. 제 2 롤(54)은 제 1 멜트블로운층(45)의 제 2 면(38) 상에 제공된 제 2 날개형-섬유층(42)을 고정시킨다(이 구성은 날개형, 멜트블로운, 날개형으로서 "WMW"로 명명된다). 제 2 롤(54)과 제 2 날개형-섬유층(42)은 도 10에 도시된 것처럼 제 2 날개형-섬유층이 매질에 추가되는 경우에만 필요하다. 오직 2개 층(예를 들어, 위에 기술되고 도 9에 도시된 바와 같이 하나의 날개형-섬유층과 그 외 다른 하나의 섬유층)만이 사용되면, 제 2 롤(54)과 제 2 날개형-섬유층(42)은 필요 없게 된다. 또 다른 실시예에서, 유리 미세섬유층은 제 1 멜트블로운 섬유층(45)의 제 2 면(38)에 결합될 수 있는 반면, 날개형-섬유층(34)은 멜트블로운 섬유층(45)의 제 1 면(36)에 결합된다(WMG). 이는 서로 다른 크기의 입자들을 선택적으로 여과시킬 수 있는 구배 심층 필터(gradient depth filter)를 생성하게 한다. 대안으로, 멜트블로운 섬유층, 날개형-섬유층 및 그 뒤 또 다른 멜트블로운 섬유층(MWM); 스펀바운드 스크림층, 멜트블로운층 및 날개형-섬유층(SMW); 전기방사 섬유층 및 날개형-섬유층(EW); 날개형-섬유층, 전기방사 섬유층 및 날개형-섬유층(WEW); 스펀바운드 스크림층, 전기방사 섬유층 및 날개형-섬유층(SEW); 날개형-섬유층, 전기방사 섬유층 및 유리층(WEG); 또는 전기방사 섬유층, 날개형-섬유층 및 전기방사 섬유층(EWE)과 같이 어떠한 층들의 조합도 사용될 수 있으나 이들에만 제한되지 않는다. 플리팅(pleating)을 지지할 수 있는 날개형-섬유층의 강도 때문에, 멜트블로운 섬유층과 날개형-섬유층들을 플리트하는 것은 본 발명의 범위 내에 있게 된다.
바람직하게, 결합이 거의 필요 없게 되거나 또는 어떠한 결합도 필요 없다. 하지만, 도 10에 도시된 것처럼 결합이 필요한 경우, 날개형-섬유-멜트블로운-날개형-섬유층은 열적 결합 롤(56 및 58) 사이를 통과한다. 한 실시예에서, 결합 롤(56 및 58)은 열적 결합 용도로 가열되지만, 캘린더 결합(calendar bonding), 초음파 결합, 접착 결합 및 하이드로인탱글링(hydroentangling)도 대안으로서 가능하다.
복합 매질(30)의 층들은 각 층의 표면적이 방해받지 않고 최적의 여과와 흡수를 제공하기 위해 최대화되도록 결합될 수 있다. 예를 들어, 한 실시예에서, 초음파 마찰 또는 퀼팅(quilting)이 바람직한데 이는 결합된 층들의 표면적의 오직 1-5% 또는 그 미만 만큼 작게 사용되고 실시되기에 용이하기 때문이다. 또 다른 실시예에서, 열적 결합이 사용될 수도 있으나 이러한 기술들은 통상 층들의 표면적의 최대 약 8-10%를 사용한다. 또한 접착 기술도 결합 용도로 사용될 수 있지만 접착 기술은 결합된 층들의 표면적의 약 1-20%의 손실이 생긴다. 복합 매질을 위해 원하는 용도에 따라, 여러 가지 서로 다른 결합 기술들이 사용가능하며 종래 기술에 공지되어 있다.
본 발명의 섬유(10)는 또한 의복류 및 이와 유사한 것의 용도로 전형적인 직물을 제조하도록 사용될 수 있다. 본 발명의 섬유(10)가 강성이 있기 때문에, 상기 섬유(10)의 일체성을 손상시키지 않고 종래의 니팅(knitting) 및 브레이딩(braiding) 기술에 사용될 수 있다.
종래 기술에서 다양한 섬유들이 공지되어 있지만, 본 발명은 직물 및 부직포 용도로 복합 매질(30)을 형성하도록 사용될 수 있는 작은 데니어를 가진 고 표면적 섬유(10)를 개시한다. 본 발명의 복합물(30)은 종래 기술에 공지된 전형적인 복합물보다 더 높은 단열 기능을 지니고 있으며 개선된 여과 매질을 형성한다. 게다가, 본 발명의 복합물은 더 강하며, 보다 큰 가요성을 지니고 통기성이 보다 뛰어나다. 위에서 논의된 바와 같이, 날개형 섬유들이 압축 탄성을 가지기 때문에, 채널은 차단되지 않고 더 큰 모세관/위킹(wicking) 기능 뿐만 아니라 흡수 기능도 가진다. 추가적으로, 이러한 날개형-섬유들은 나노 크기의 입자들을 포획하기 위한 기능을 가진다. 본 발명의 날개형-섬유들이 강하며 그리고 전단력에 대해 저항성을 가지기 때문에, 날개형-섬유들은 고압에 견뎌낼 수 있으며 고압을 요하는 에어로졸 여과 용도 뿐만 아니라 액체 여과에도 사용될 수 있다. 이에 따라 본 발명은 직물 또는 부직물로부터 형성된 고효율의 저압 강하 필터(low-pressure drop filter)를 위해 제공된다.
본 발명에 대해 다수의 적용예들이 있다. 한 예에서, 본 발명은 청정실에서 공기 또는 액체를 여과하기 위해 필터 매질을 제조하도록 부직포에 사용될 수 있다. 또 다른 예에서, 본 발명의 날개형-섬유는 방적돌기를 사용하여 조합될 수 있거나 또는 이 후 제조 공정에서 조합될 수 있는 다층 섬유를 생산하기 위해 전형적인 원형 섬유들과 함께 사용될 수 있다. 본 발명의 날개형-섬유를 전형적인 원형 섬유와 조합하거나 또는 원형 섬유에 끼움으로써 단일 제품은 다수의 물리적 특성들을 가지게 되며 비용면에서도 효율적이다.
본 발명은 또한 개선된 와이프 재료(wipe material) 용도로 사용될 수 있다. 통상적인 용도에서, 와이프는 아기용 와이프와 같이 사용 전에 액체로 도포되어 있다(primed). 그러나 본 발명은 어떠한 입자들도 남기지 않고 불순물과 먼지 입자들을 골라내는 와이프 제품을 제조할 수 있게 하며 이는 섬유들의 채널 내부에 액체가 잔류하면서도 상기 입자들을 용해시켜 세척 작업에 도움을 주기 때문이다. 추가적으로, 본 발명은 위생용 재료 및 음향 재료, 단열, 건축자재용 재료, 건설 재료 및 시트 쿠션과 매트리스와 같은 압축 기능성 재료 용도로 사용될 수 있다.
전술한 내용을 읽음으로써 종래 기술의 해당 업계 종사자들은 특정 개조사항과 개선사항들을 찾아낼 것이다. 위에서 언급한 예들은 본 발명의 형태들을 명확하게 하기 위한 목적으로 제공된 것이며 이 예들이 본 발명의 범위를 제한하기 위해 제공된 것이 아님을 종래 기술의 해당 업계 종사자에게는 자명할 것이다. 간결성 및 가독성을 위하여 본 명세서에서는 모든 개조사항들과 개선사항들이 삭제되어 있지만, 이들은 적절하게 하기 청구범위에 속한다.

Claims (16)

  1. 제 1 면(36)과 제 2 면(38)을 가지는 섬유층(32) 및 상기 섬유층(32)의 제 1 면(36)에 인접한 날개형-섬유층(34)을 포함하여 구성되고, 상기 날개형-섬유층은 복수의 날개형-섬유(36)들을 포함하는 복합 매질(composite media)에 있어서,
    상기 날개형-섬유는 중간영역(16)으로부터 상기 중간영역의 주변을 따라 연장되는 12개 이상의 돌출부(18)를 가지는 중간영역을 포함하는 횡단면을 가지며, 상기 돌출부(18)는 복수의 채널(20)들을 형성하고,
    섬유층(32)의 제 2 면(38)에 인접한 제 2 날개형-섬유층(42)을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 매질.
  2. 제 1항에 있어서, 섬유층(32)의 제 2 면(38)에 인접한 스크림층(scrim layer)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 매질.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 섬유층은 멜트블로운 섬유층(45)을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 매질.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 멜트블로운 섬유층(45)은 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아미드, 엘라스토머, 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머, 폴리에테르, 폴리에테르 에스테르, 폴리에테르 아미드(PBAX) 및 엘라스토머 올레핀들로 구성된 군으로부터 선택된 복수의 멜트블로운 섬유들을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 매질.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 섬유층(32)은 전기방사 웹을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 매질.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 섬유층(32)은 부직 재료(nonwoven material)를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 매질.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 부직 재료는 스테이플 섬유(staple fiber)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 매질.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 부직 재료는 습식집적 공정(wetlaid process)으로 제조되는 것을 특징으로 하는 복합 매질.
  9. 제 1항에 있어서, 고 표면적 섬유(10)의 복수의 채널(20)이 균일한 간격으로 배열되는 것을 특징으로 하는 복합 매질.
  10. 제 1항에 있어서, 복수의 채널(20)들이 200 나노미터 내지 450 나노미터사이의 채널 폭을 가지고;
    날개형-섬유(10)들이 각각 1 마이크로미터 내지 100 마이크로미터사이의 횡단면 길이 및 1 마이크로미터 내지 100 마이크로미터 사이의 횡단면 폭 및 100000 cm2/g 내지 1000000cm2/g 의 표면적을 가지는 것을 특징으로 하는 복합 매질.
  11. 날계형 섬유(10)의 웹을 가지는 날개형-섬유층(34)을 제공하는 단계를 포함하여 구성되는 복합 매질 제조 방법에 있어서,
    하나이상의 플레이트를 통해 내부 섬유(12)와 외부 쉬쓰(14)를 공압출 시킴으로써 상기 제공단계가 수행되고,
    상기 내부 섬유(12)는 열가소성 폴리머이고, 외부 쉬쓰(14)는 용해성 폴리머이며, 내부 섬유(12)는 중간 영역과 상기 중간 영역으로부터 중간 영역의 주변을 따라 연장되는 12개 이상의 돌출부(18)를 포함하는 횡단면을 가지고, 상기 돌출부(18)이 채널(20)들을 형성하고;
    내부 섬유(12)와 외부 쉬쓰(14)를 용융 방사(melt spinning)시켜 2성분 섬유(bicomponent fiber)를 형성하는 단계;
    날개형-섬유(10)를 생산하기 위해 용매를 사용하여 2성분 섬유로부터 외부 쉬쓰를 제거하는 단계; 및
    날개형-섬유층(34)에 인접하게 섬유층을 배치시키는 단계를 포함하여 구성되며,
    상기 섬유층(32)은 제 1 면(36)과 제 2 면(38)을 가지며 이에 따라 날개형-섬유층(34)이 섬유층(32)의 제 1 면(36)에 인접하여 복합 매질(30)을 형성하는 것을 특징으로 하는 복합 매질 제조 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 섬유층의 제 1 측면(34)에 날개형-섬유층(34)을 접착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 매질 제조 방법.
  13. 제 11항 또는 제 12항에 있어서, 상기 2성분 섬유(bicomponent fiber)가 16개이상의 돌출부를 가지는 것을 특징으로 하는 복합 매질 제조 방법.
  14. 제 11항 또는 제 12항에 있어서, 용융 방사(melt spinning)가 내부 섬유를 외부 쉬쓰(14)로 교대하는 것을 특징으로 하는 복합 매질 제조 방법.
  15. 제 11항에 있어서, 제 2 날개형-섬유층(42)을 섬유층(32)의 제 2 면(38)에 인접하게 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 매질 제조 방법.
  16. 제 11항 또는 제 12항에 있어서, 섬유층(32)이 멜트블로운 섬유층을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 매질 제조 방법.
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