KR20150060989A - 사용 수명이 긴 필터 물질, 및 상기 필터 물질을 포함하는 필터 요소 - Google Patents

사용 수명이 긴 필터 물질, 및 상기 필터 물질을 포함하는 필터 요소 Download PDF

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KR20150060989A
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네나 게쓰너 게엠바하
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Abstract

본 발명은 필터 물질(filter material), 특히 액체 여과용 필터 물질에 관한 것이다. 필터 물질은, 반대쪽 면에는 결합제가 없도록, 한쪽 면만 결합제로 함침(impregnate)되며, 건조된 결합제의 함량은 필터 물질의 총 중량의 0.5 중량% 내지 50 중량%이다. 본 발명에 따른 필터 물질을 사용해, 긴 사용 수명(service life)을 유지하면서도 고 수준의 분리가 달성된다. 나아가, 본 발명은 본 발명에 따른 필터 물질을 포함하는 필터 요소(filter element)의 용도에 관한 것이다. 본 발명의 추가적인 측면은, 액체를 여과하기 위한 본 발명에 따른 필터 물질의 용도, 및 2종의 비-혼합성 액체를 분리하는 방법에 관한 것이며, 상기 액체는 본 발명에 따른 필터 물질을 통과한다.

Description

사용 수명이 긴 필터 물질, 및 상기 필터 물질을 포함하는 필터 요소{FILTER MATERIAL WITH LONG SERVICE LIFE, AND FILTER ELEMENT CONTAINING SAID FILTER MATERIAL}
본 발명은 액체로부터 액체 불순물 및 고체 불순물을 분리하기 위한, 사용 수명이 향상된 필터 물질, 이 필터 물질을 포함하는 필터 요소, 액체를 여과하기 위한 필터 물질의 용도, 및 2종의 비-혼합성 액체를 분리하는 방법에 관한 것이다.
다수의 여과 분야에서, 여과된 액체의 순도에 관한 요건이 보다 엄격해지고 있다. 이는, 내연 기관용 연료, 윤활유 또는 유압유(hydraulic oil)와 같이 산업적으로 사용되는 액체, 뿐만 아니라 식품, 및 의료 또는 약제학적 사용 분야의 액체 모두에 해당된다. 예를 들어, 내연 기관용 디젤 연료의 여과에서, ISO 19438에 따라 4 ㎛ 크기의 입자에 대한 분리 효율의 요건은 지난 15년 동안 50%에서 96%로 증가하였으며, 향후 99% 이상이 될 것이다. 따라서, 사용되는 필터 물질의 분리 효율을 계속해서 높이기 위한 상당한 노력들이 과거에 이루어진 바 있다. 안타깝게도, 대부분의 경우 분리 효율 및 사용 수명은 서로 상반되게 작용하며, 이는, 분리 효율이 증가함에 따라 더스트 저장 능력(dust storage capacity) 및 사용 수명이 저하되며, 또 그 반대임을 의미한다. 분리 효율을 높이면서도 사용 수명 및 필터 요소의 수명을 적어도 동일한 수준으로 유지시킬 수 있는 한 가지 방법은 필터 표면을 늘이는 것이다. 그러나, 이는 필연적으로 전체 필터 요소의 크기를 증가시키게 되어, 많은 경우 공간상의 이유로 바람직하지 못하다.
고성능 필터 매질의 사용 수명을 향상시키는 또 다른 방법은 프리필터 플라이(prefilter ply)를 사용하는 것이다. 프리필터 플라이는 필터 물질의 유입면(inflow side)에 위치되며, 고성능 필터 플라이보다 상당히 더 큰 기공을 가진다. 예를 들어, DE　10　2010　011　512 A1은 이와 같은 구배(gradient) 필터를 개시하고 있다. 사용 수명이 긴 동시에 높은 분리 효율에 관한 요건이 엄격해 질수록, 이들 요건을 충족시키기 위해서는 더 많이 조합된(coordinated) 필터 플라이가 필요하다. 그러나, 각각의 부가적인 플라이는 전체 필터 물질의 두께 및 비용을 증가시킨다.
함침된(impregnated) 필터 물질은, 필터 물질을 한쪽 면에만 함침함으로써 두께는 일정하게 유지시키면서도 사용 수명을 늘리는 방법을 제공해준다. 비-함침된 면에서는, 섬유는 함침제(impregnating agent)와 결합되어 있지 않아, 이들은 개방형 기공 구조를 유지하는 반면, 함침된 면의 기공은 함침제에 의해 크기가 줄어든다. 따라서, 필터 물질의 두께에 구배가 형성되어 긴 사용 수명과 높은 분리 효율을 겸비하게 되며, 액체는 항상 비-함침된 면 쪽으로 흐른다. 사용되는 섬유 및 함침제를 적절히 선별함으로써, 한 면만 함침된 필터 물질은 부가적으로는 2종의 비-혼합성 액체를 분리하는 데 사용될 수 있다. 이러한 액체 혼합물의 일례는 물로 오염된 연료이다. 혼합물 내의 물은 분산상으로 존재하고, 연료는 연속상으로 존재한다. 미세 분포된 물방울이 친수성의 비-함침된 섬유와 충돌하면, 이는 그자리에 유지된다. 계속해서 다른 물방울이 섬유 상의 물방울과 합체되어 시간이 경과함에 따라 큰 물방울을 형성하고, 마침내 정수압(hydrostatic pressure)에 의해 탈착되어, 필터 물질의 함침된 소수성 면을 통과하도록 밀리게 된다. 깨끗한 면에서, 물방울은 이의 큰 밀도 및 중력으로 인해, 필터 물질의 함침된 표면의 아래 방향으로 흘러, 수집 챔버에서 수집되고 분리된다. 이러한 시도에 의해, 물 분리의 원리가 더러워진 면 상에서의 물 분리기에서 코어레서(coalescer medium) 매질로 바뀌게 된다.
US 3,096,230 A는 한 면만 함침된 필터 제지를 기술하고 있으며, 함침제는 제지 두께의 약 1/3까지 제지에 침투된다. 전체 제지는 열 경화성 수지로 미리-함침된다.
US 3,106,528 A는 한 면만 함침된 필터 제지를 개시하고 있지만, 함침제는 제지 전체 두께에 침투된다. 함침제의 적절한 점도, 및 함침제가 제지로 압착되는 압력을 선별함으로써, 함침제 대부분은 함침된 면에 남게 되고 소량의 함침제만이 반대 면에 침투하게 된다.
US 3,116,245 A는 2회 함침된 100% 무명 린터(cotton linter) 필터 제지를 개시하고 있다. 무엇보다, 수지는 양면 모두에 적용되며, 이후 필터 제지의 한쪽 면은 이의 두께의 절반 정도까지 서로 다른 수지를 함침시킨다. 함침은, 기공 크기의 전체 두께를 유의하게 변화시키지 않는 방식으로 수행된다. 따라서, 이 필터 제지는 결합제를 포함하지 않는 면이 없다.
US 4,119,543 A는 한 면만 함침된 적어도 70% 셀룰로스로 된 필터 물질을 개시하고 있다. 이 필터 물질의 경우, 함침은 패턴 형태로 적용된다. 이 패턴은 함침제를 포함하는 표면, 및 함침제를 포함하지 않는 표면을 포함한다.
특히, 높은 분리 효율 및 긴 사용 수명에 대한 보다 엄격한 요건을 충족하는 동시에 비-혼합성 액체를 분리하는 데 사용될 수 있는, 액체 여과용 필터 물질이 요구되고 있다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 목적은 특히 액체 여과에 적합한 필터 물질에 의해 해결되며, 이 필터 물질은, 반대쪽 면에는 결합제가 없도록 한쪽 면만 결합제로 함침되어 있으며, 건조된 결합제의 비율은 필터 물질의 총 중량의 0.5 중량% 내지 50 중량%이다.
본 발명에 따른 필터 물질은 바람직하게는 습식-레이드(wet-laid) 부직포, 건식-레이드(dry-laid) 부직포, 직물 및 폼(foam)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함한다.
건식-레이드 부직포는 즉, 건식-레이드 섬유성 부직포, 용융 취입된(meltblown) 부직포 및 스펀본디드(spunbonded) 부직포로 이해되고자 한다.
건식-레이드 섬유성 부직포는 일정한 길이를 가진 섬유로 구성된다. 천연 섬유 및 합성 섬유 모두 건식-레이드 섬유성 부직포의 제조에 사용될 수 있다. 천연 섬유의 예로는 셀룰로스, 울, 면(cotton) 및 아마(flax)가 있다. 합성 섬유로는, 예를 들어, 폴리올레핀 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리테트라플루오로에틸렌 섬유 및 폴리페닐렌 설파이드 섬유가 있다. 사용되는 섬유는 직선형 또는 주름잡힌형(crimped)일 수 있다. 건식-레이드 스테이플(staple) 섬유 부직포는 또한, 에어-레이드(air-laid) 섬유성 부직포일 수 있다. 고형화를 위해, 건식-레이드 섬유성 부직포는, 다른 섬유의 용융점보다 낮은 온도에서 완전히 또는 부분적으로 용융되어 부직포를 고형화하는 일-성분 또는 다-성분 용융-본딩(melt-bonding) 섬유를 포함할 수 있다. 건식-레이드 섬유성 부직포의 제조는 "Vliesstoffe" by W. Albrecht, H. Fuchs, W. Kittelmann, Wiley-VCH, 2000 서적에 기술된 바와 같이 공지된 선행 기술에 따라 수행된다. 건식-레이드 섬유성 부직포는 상기 언급된 일-성분 또는 다-성분 용융-본딩 섬유에 의해 고형화될 수 있다. 추가적인 고형화 방법은, 예를 들어, 부직포를 액체 결합제로 니들링(needling), 워터-제트 니들링(water-jet needling) 또는 침지(soaking) 또는 분무한 후 건조하는 것이다.
용융 취입된 부직포는 폴리머 필라멘트로 구성된다. 본 발명에 따른 필터 물질용의 용융 취입된 부직포의 제조를 위해, 전문가들에게 알려진 용융 취입 방법이 이용되며, 이는 예를 들어, Van A. Wente, "Superfine Thermoplastic Fibers" Industrial Engineering Chemistry, vol. 48, 1342쪽 내지 1346쪽에 기술되어 있다. 적절한 폴리머는 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리부틸렌 나프탈레이트, 폴리아미드, 폴리페닐렌 설파이드 및 폴리올레핀이다. 전형적인 섬유 직경은 바람직하게는 0.5 ㎛ 내지 10 ㎛, 특히 바람직하게는 0.5 ㎛ 내지 3 ㎛이다. 요건에 따라, 친수성화제, 방수제, 결정화 가속화제 또는 염료와 같은 첨가제가 폴리머와 혼합될 수 있다. 요건에 따라, 용융 취입된 부직포의 표면은 코로나 처리 또는 플라즈마 처리와 같은 표면 처리 방법에 의해 그 특성이 변할 수 있다. 더욱이, 용융 취입된 부직포는 필요한 경우, 캘린더(calender)에 의해 압축될 수 있다.
스펀본디드(spunbonded) 부직포 또한, 폴리머 필라멘트로 구성되는데, 그러나 이의 섬유 직경은 대부분의 경우 용융 취입된 섬유의 직경보다 상당히 더 크다. 스펀본디드 부직포는 전문가에게 알려진 스펀본디드 부직포 공정에 따라 제조되며, 예를 들어, 특허 명세서 US 4,340,563 A, US 3,802,817 A, US 3,855,046 A 및 US 3,692,618 A에 기술되어 있다. 스펀본디드 부직포 공정에 적절한 폴리머는 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리부틸렌 나프탈레이트, 폴리아미드, 폴리페닐렌 설파이드 및 폴리올레핀이다.
폼은 유기 폴리머의 모든 개방-셀형 폼(open-cell foam)인 것으로 이해되고자 한다. 이의 개방-셀형 구조로 인해, 이들은 공기-침투성이며 다양한 여과 작업에 적절하다. 적절한 폼의 제조는 예를 들어, 명세서 US　3,171,820　A, DE 1504551 A, DE 601435 A 및 GB 1111928 A에 기술되어 있다.
본 발명의 의미에서 습식-레이드 부직포 또는 제지는 모두 전문가들에게 알려진 필터 제지의 습식-레잉(wet-laying) 제조 방법에 의해 제조될 수 있는 부직포이다. 본 발명에 따른 필터 물질용 제지는 바람직하게는 천연 섬유, 합성 섬유, 무기 섬유 또는 이들의 혼합물로 구성된다. 천연 섬유의 예로는, 셀룰로스, 면, 울 및 대마(hemp)이며, 사용되는 셀룰로스 물질은 목재-프리(wood-free) 셀룰로스 및/또는 침엽수 및/또는 활엽수의 목재-함유 셀룰로스, 재생된 셀룰로스 및 피브릴화된(fibrillated) 셀룰로스일 수 있다. 무기 섬유는 예를 들어, 유리 섬유, 현무암 섬유, 석영 섬유 및 금속 섬유이다. 폴리에스테르 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 개별 섬유의 용융점이 서로 다른 다-성분 섬유, 폴리아미드 섬유 및 폴리아크릴로니트릴 섬유가 예를 들어 합성 섬유로서 적절하다. 합성 섬유의 타이터(titer)는 전형적으로 0.1 dtex 내지 8.0　dtex, 특히 바람직하게는 0.5 dtex 내지 5 dtex이며, 절단 길이는 전형적으로 3 mm 내지 20 mm, 특히 바람직하게는 4 mm 내지 12 mm이다. 본 발명에 따른 필터 물질용 제지는 100% 천연 섬유, 합성 섬유 또는 무기 섬유로 구성될 수 있지만, 이들 섬유 유형의 혼합물이 또한 가능하다. 당해 기술분야의 당업자의 지식 및 경험으로 인해, 당업자는 필요한 제지 특성에 따라 올바른 조성을 구체적으로 선택하는 방법을 안다. 제지 플라이(paper ply)는 발생되어, 적절한 헤드박스(headbox)를 구비한 제지 기계에서 함께 합체되는 복수 개의 층으로 구성될 수 있거나, 또는 별도의 작업 단계에서 서로 연결되는 개별 제지 웹(web)으로 구성될 수 있다. 개별 층의 특성은 상이하게 배치될 수 있다.
액체 여과용 필터 물질은 통상 결합제를 사용해 함침된다. 결합제는 함침에 의해 필터 물질에 적용되며, 필터 물질의 적어도 일부에 침투한다. 필터 물질의 함침된 표면은 특히 액체에 침투성인 채 남아 있다. 함침으로 인해, 필터 물질에는 고 강성도 및 가열된 엔진 오일, 유압유, 연료, 산 및 가성소다(lye)와 같은 공격적인 액체에 대한 저항성이 제공된다. 대부분의 필터 물질은 추가적인 가공 단계에서 접히기 때문에, 고 강성도가 필요하다. 강성의 필터 물질은 더 접히기 쉬우며, 접힌 부분은 고 유속 및 고온에서도 여과압을 견딘다.
필터 물질은 통상적으로 침지 배쓰(soaking bath)에서 결합제로 완전히 함침되며 이후 건조된다. 완전한 함침은, 모든 섬유가 서로 고정식으로 연결되고 결합제로 피복된다는 이점을 가진다. 이로써, 섬유와 필터 물질은 공격적인 액체의 공격에 대해 보호된다. 최적의 강성도는 적절한 결합제의 선택에 의해 달성될 수 있다.
그러나, 결합제는, 개별 섬유들 간의 간극(interstice)을 채움으로써 필터 물질 내의 기공 크기를 줄이기도 한다. 이로 인해, 분리 효율이 개선되지만, 이와 동시에 필터 물질의 공기 투과성 및 특히 사용 기간과 수명이 줄어든다. 본 발명에 따른 필터 물질에서, 한쪽 면만 결합제로 함침되어 반대쪽 면에는 결합제가 없게 된다. 이 한쪽 면은 예를 들어, 점선, 직선, 곡선, 교차선, 직사각형, 마름모 및 삼각형과 같은 임의의 기하학적 형상을 가진 패턴으로 부분적으로 또는 전체적으로 (전체 표면을 의미함) 함침될 수 있으며, 바람직하게는 전체적으로 함침된다. 함침된 면은, 결합제가 적용되는 필터 물질의 표면에 의해 한정되는, 필터 물질의 일부인 것으로 이해된다. 반대쪽 면은, 함침된 면의 표면과 반대쪽에 있으며 결합제를 포함하지 않는 표면에 의해 한정되는, 필터 제지의 일부로 정한다. 본 발명에 따른 필터 물질은 바람직하게는 광범위하며 (즉, 넓게 펼쳐지되 두꺼운 표면을 취하지는 않음), 이는 두 개의 반대쪽 표면이 특히 바람직하게는 서로 평행하게 배열되는 것을 의미한다. 예를 들어, 롤러 적용 또는 분무에 의해 한쪽 면에 적용된 함침에 의해, 동일한 강성도 및 동일한 분리 효율이 완전히 함침된 물질에서처럼 달성되지만, 사용 수명은 상당히 더 길어 비-함침된 필터 물질에 맞먹는다. 이 효과를 달성하기 위해, 액체는 한쪽 면에 함침된 필터 물질을 비-함침된 면에서 반대쪽으로 흘러야 한다.
본 발명에 따른 필터 물질의 그래미지(grammage) (단위 면적 당 중량)는 바람직하게는 50 g/m2 내지 400 g/m2, 특히 바람직하게는 100 g/m2 내지 300 g/m2이다. 본 발명에 따른 필터 물질의 두께는 바람직하게는 0.1 mm 내지 2.0 mm, 특히 바람직하게는 0.5 mm 내지 1.5 mm이다. 본 발명에 따른 필터 물질의 두께는, 결합제가 적용되는 표면과 반대 표면 간의 거리에 관한 것이다. 본 발명에 따른 필터 물질은 바람직하게는 공기 투과성이 1 l/m2s 내지 1500 l/m2s, 특히 바람직하게는 공기 투과성이 5 l/m2s 내지 800 l/m2s이다. 본 발명에 따른 필터 물질의 공극률은 바람직하게는 50% 내지 90%, 특히 바람직하게는 60% 내지 80%이다. 공극률은 필터 매질의 실제 밀도와 사용되는 섬유의 평균 밀도 간의 비율에 관한 것이다. 본 발명에 따른 필터 물질은 바람직하게는 수지 함량이 0.5% 내지 50%, 특히 바람직하게는 5% 내지 20%이다. 본 발명에 따른 필터 물질은 바람직하게는, ISO 19438에 따라 4 ㎛ 입자에 대한 분리 효율이 50% 이상, 특히 바람직하게는 80% 이상이며, ISO 19438에 따른 사용 수명이 1.0 g 이상, 특히 바람직하게는 1.5 g 이상이다. 본 발명에 따른 필터 물질에서 유입량(inflow)이 4.5 ml/(cm2*min)인 ISO 19332에 따른 물 분리율(water separation)은 바람직하게는 30% 이상, 특히 바람직하게는 40% 이상이다.
그래미지가 50 g/m2 내지 400 g/m2, 바람직하게는 100 g/m2 내지 300 g/m2, 두께가 0.1 mm 내지 2.0 mm, 바람직하게는 0.5 mm 내지 1.5 mm, 공기 투과성이 1 l/m2s 내지 1500　l/m2s, 바람직하게는 5 l/m2s 내지 800 l/m2s이며, 공극률이 50% 내지 90%, 바람직하게는 60% 내지 80%이고, 수지 함량이 0.5% 내지 50%, 바람직하게는 5% 내지 20%인 필터 물질은 한쪽 면에만 함침되는 것이 특히 적합한 것으로 확인되었다. 필터 물질이 이 방식으로 배치되는 경우, ISO 19434에 따른 사용 수명은, 프리필터로서 용융 취입된 부직포로 완전히 함침된 유사한 필터 물질보다 상당히 더 길다. 이 효과는 예상되지 않았다. 선행 기술에 따라 한쪽 면에 함침된 제지는, 프리필터로서 용융 취입된 부직포로 완전히 함침된 유사한 필터 물질보다 상당히 더 높은 공기 투과성 및 두께를 가지며, 사용 수명과 물 분리율의 면에서는 상기 필터 물질과 최대한 유사하다.
본 발명에 따른 필터 물질이 2종의 비-혼합성 액체의 액체 혼합물을 분리하는 데 사용되는 경우, 이는 섬유와 함침제의 소수성(hydrophobia) 및 친수성의 선별로 인해 배치되어, 액체 혼합물의 분산상의 방울은 바람직하게는 섬유에 수집되고 증가되며, 한편 함침은 연속상의 용이한 유동을 보장하는 동시에 분산상의 방울의 유동을 보다 어렵게 만든다. 따라서, 섬유 및 함침은 친수성과 소수성의 면에서 서로 다르다. 친수성 섬유의 예는 셀룰로스 섬유, 면 섬유, 폴리아미드 섬유 및 친수성적으로 코팅된 섬유이다. 소수성 섬유는 예를 들어, 폴리올레핀 섬유, 테플론(teflon) 섬유 및 소수성적으로 코팅된 섬유이다.
비-혼합성 액체는 균질한 혼합물 또는 용액을 형성하지 않지만, 오일과 물과 같인 2-상 혼합물인 액체인 것으로 이해된다. 본 발명의 의미 내에서, 2종의 비-혼합성 액체는 실온 (20℃)에서 2종의 비-혼합성 액체의 100 중량%에 대해, 1종의 액체의 최대 10 중량%, 바람직하게는 최대 1 중량%가 각각의 나머지 다른 액체에 용해된다.
적절한 결합제는 예를 들어, 알코올 용액으로부터의 페놀 수지 또는 에폭시 수지일 뿐만 아니라, 예를 들어 아크릴레이트, 스티렌-부타다이엔, 폴리비닐 아세테이트, 페놀 수지 또는 폴리비닐 클로라이드의 수성 분산액이다. 추가적인 가능한 부류의 결합제는 예를 들어 폴리비닐 알코올, 멜라민 수지 또는 우레아 수지의 수용액이다. 액체 결합제와 더불어, 열가소성 폴리머의 고체, 분말형 결합제가 또한 사용될 수 있다.
요건에 따라, 다양한 부형제가 친수성화제, 방수제, 난연제 또는 염료와 같은 결합제와 함께 혼합될 수 있다.
필터 물질은 보다 조밀하고 보다 많이 개방된 면을 가져야 하며, 함침은 바람직하게는 보다 조밀한 면에 적용된다. 보다 조밀한 면은 평균 기공 크기가 더 작아서 보다 개방형인 면과 구별되며, 보다 조밀한 면의 평균 기공 크기는, 보다 개방형인 면의 평균 기공 크기보다 바람직하게는 5% 이상, 보다 바람직하게는 10% 이상, 특히 바람직하게는 20% 이상 더 작다.
결합제의 적용은 예를 들어, 결합제가 필터 물질의 함침된 표면으로부터 반대면 방향으로, 바람직하게는 필터 물질 두께의 절반 이상 ~ 최대 3/4, 특히 바람직하게는 두께의 2/3 ~ 3/4만큼 침투되도록 하는 공정 파라미터의 적절한 세팅에 의해 또는 결합제 용액의 점도에 의해 조절된다. 반대면은 본질적으로 결합제가 없는 채로 존재한다. 적절한 함침 방법은 예를 들어, 롤러 적용 또는 분무이다. 롤러 적용의 경우, 결합제의 침투 깊이가 조절될 수 있는 공정 파라미터는 예를 들어, 적용 롤러 상에서의 결합제의 필름 두께, 결합제의 점도 뿐만 아니라 결합제의 고체 함량이다. 어플리케이터(applicator)가 2개의 롤러, 예를 들어 터브(tub)와 같은 보관 용기로부터 결합제를 취해서 적용 롤러에 옮기는 딥 롤러(dip roller)와, 결합제를 필터 물질에 적용하는 적용 롤러로 구성되는 경우, 적절한 필름 두께는 2개 롤러의 서로 다른 속도, 및 롤러들 간의 갭에 의해 설정될 수 있다. 분무 적용을 의미하는 분무의 경우, 침투 깊이를 조절하는 데 사용되는 공정 파라미터는 예를 들어, 결합제의 점도, 결합제의 고체 함량, 스프레이 노즐의 직경, 및 단위 시간 당 분무되는 결합제의 양이다. 상기 파라미터 뿐만 아니라 결합제의 특정 침투 깊이를 달성하기 위한 정확하고 편리한 설정이 당해 기술분야의 당업자에게 알려져 있다. 결합제의 필터 물질로의 침투 깊이를 평가하는 것은 필터 물질의 단면에서 반사광학 현미경(reflected light microscope)에 의해 수행된다. 제지의 총 중량에 대한 건조된 결합제의 비율은 0.5 중량% 내지 50 중량%, 바람직하게는 5 중량% 내지 20 중량%이다. 본 발명의 의미 내에서, 건조된 결합제의 비율은, 순환식 건조 캐비넷(circulating drier cabinet)에서 100℃에서 30분간 건조된, 필터 물질 내 결합제의 비율에 관한 것이다.
본 발명에 따른 필터 물질의 바람직한 구현예는 천연 섬유, 합성 섬유, 무기 섬유 또는 이들의 혼합물의 제지로서, 결합제가 제지 두께의 약 2/3만큼 침투되도록 와이어 면은 결합제로 함침되며 이는 보다 조밀한 면을 의미하며, 반대쪽 면의 섬유는 결합제가 없는 채로 존재한다. 이 필터 물질은 하기의 바람직한 특성을 가진다: 50 g/m2 내지 400 g/m2, 특히 바람직하게는 100 g/m2 내지 300 g/m2의 그래미지; 0.1 mm 내지 2.0 mm, 특히 바람직하게는 0.5 mm 내지 1.5 mm의 두께; 1 l/m2s 내지 1500 l/m2s, 특히 바람직하게는 5 l/m2s 내지 800 l/m2s의 공기 투과성; 50% 내지 90%, 특히 바람직하게는 60% 내지 80%의 공극률; 0.5% 내지 50%, 특히 바람직하게는 5% 내지 20%의 수지 함량; ISO 19438에 따라 4 ㎛ 입자에 대한 50% 이상, 특히 바람직하게는 80% 이상의 분리 효율; ISO 19438에 따라 1.0 g 이상, 특히 바람직하게는 1.5 g 이상의 사용 수명; 및 4.5 ml/(cm2*min)의 유입량에서 ISO　19332에 따라 30% 이상, 특히 바람직하게는 40% 이상의 물 분리율.
본 발명의 범위 내에서, 본 발명에 따른 필터 물질은 복수 개의 플라이(ply) 또는 층으로 구성되는 것이 용이하게 가능하다. 더욱이, 기타 물질의 하나 또는 복수 개의 플라이가 본 발명에 따른 필터 물질의 전면 및/또는 후면에 제공되는 것이 또한 가능하다.
본 발명에 따른 필터 물질의 추가적인 바람직한 구현예는 제지와 용융 취입된 부직포의 조합으로서, 보다 조밀한 면을 가진 용융 취입된 부직포는 제지의 비-함침된 면에 위치한다. 제지는 천연 섬유, 합성 섬유, 무기 섬유 또는 이들의 혼합물로 구성되며, 결합제가 제지 두께의 약 2/3만큼 침투되도록 보다 조밀한 면을 의미하는 와이어 면에서 결합제로 함침되며, 반대면의 섬유는 결합제가 없는 채로 존재한다. 제지는 하기의 특성을 가질 수 있다: 50 g/m2 내지 400 g/m2, 바람직하게는 100 g/m2 내지 300 g/m2의 그래미지; 0.1 mm 내지 2.0 mm, 바람직하게는 0.5 mm 내지 1.5 mm의 두께; 1 l/m2s 내지 1500 l/m2s, 바람직하게는 5 l/m2s 내지 800 l/m2s의 공기 투과성; 50% 내지 90%, 바람직하게는 60% 내지 80%의 공극률; 및 0.5% 내지 50%, 바람직하게는 5% 내지 20%의 수지 함량. 용융 취입된 부직포는, 10 g/m2 내지 200 g/m2, 바람직하게는 20 g/m2 내지 120 g/m2의 그래미지; 0.05 mm 내지 1.5 mm, 바람직하게는 0.1 mm 내지 1.0 mm의 두께; 5 l/m2s 내지 4000 l/m2s, 바람직하게는 100 l/m2s 내지 500 l/m2s의 공기 투과성을 가질 수 있다. 제지 및 용융 취입된 부직포를 포함하는 이 구현예의 전체 필터 물질은 바람직하게는 하기의 특성을 가진다: 60 g/m2 내지 600 g/m2, 특히 바람직하게는 120 g/m2 내지 420 g/m2의 그래미지; 0.15 mm 내지 3.5 mm, 특히 바람직하게는 0.6 mm 내지 2.5 mm의 두께; 1 l/m2s 내지 1100 l/m2s, 바람직하게는 5 l/m2s 내지 300 l/m2s의 공기 투과성; 5% 내지 50%, 바람직하게는 5% 내지 20%의 수지 함량; ISO 19438에 따라 4 ㎛ 입자에 대한 50% 이상, 특히 바람직하게는 80% 이상의 분리 효율; 및 ISO 19438에 따라 1.0 g 이상, 특히 바람직하게는 1.5 g 이상의 사용 수명.
본 발명에 따른 필터 물질의 개별 플라이는 접착제, 웰드 본드법(weld bonding) 또는 이들의 조합에 의해 연결될 수 있다.
유리한 접착제는 200℃가 넘는 연화점(softening point)을 가진다. 본 발명에 따른 필터 물질은 바람직하게는 150℃ 이하의 온도 및 높은 정수압에서 사용되기에 적절하다. 이 적용에 적절한 접착제는 폴리우레탄 접착제, 폴리아미드 접착제 또는 폴리에스테르 접착제이다. 습도를 이용해 가교되는 폴리우레탄 접착제가 특히 바람직하다. 접착제는 분말로서 또는 용융된 대로, 조각 롤러(engraved roller) 또는 스프레이 노즐에 의해 적용될 수 있다. 접착제의 적용 중량은 전형적으로 5 g/m2 내지 20 g/m2, 바람직하게는 5 g/m2 내지 10 g/m2이다.
웰드 본드법은 초음파 시스템 및 서멀 캘린더(thermal calender) 둘 다에 의해 수행될 수 있다. 용접될 플라이의 폴리머는 용융된 다음, 전체 표면 또는 일부 영역에서 용접된다. 일부 영역에서의 웰드 본드법은 점, 직선, 곡선, 마름모 및 삼각형과 같은 임의의 기하학 모양을 가질 수 있다. 일부 영역에서의 웰드 본드법의 표면은 유리하게는 본 발명에 따른 필터 물질의 전체 표면의 10% 이하이다.
접착 및 용접은 또한 자유롭게 조합될 수 있다.
본 발명에 따른 필터 물질은 액체 여과에 사용될 수 있으며, 액체는 필터 물질을 비-함침된 면에서 반대쪽으로 흐르며, 이는 액체가 필터 물질을 통해 비-함침된 면에서 함침된 면으로 통과한다. 액체는 액체 내에서 불용성인 고체 물질을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 액체는 2종의 비-혼합성 액체를 포함한다.
2종의 비-혼합성 액체를 분리하는 본 발명에 따른 방법에서, 액체는, 액체가 필터 물질의 비-함침된 면에서 함침된 면으로 흘러 본 발명에 따른 필터 물질을 통과한다.
시험 방법
DIN EN ISO 536에 따라 그래미지(Grammage)
DIN EN ISO 534에 따라 두께
200 Pa의 압력차에서 DIN EN ISO 9237에 따라 공기 투과성
표본 표면이 200 cm2, 유입량 농도가 100 mg/l 및 유동 부피가 0.71 l/min인 경우, 4 ㎛ 입자의 초기 분리 효율 및 ISO　19438에 따른 더스트 저장 능력(dust storage capacity). 테스트의 종료 시, 차압(differential pressure) 증가는 0.7 bar임.
표 1에 따른 테스트 조건에서 225 cm2의 표면적을 가진 편평한 표본에서 ISO 16332에 따라 측정된 물 분리율. 표본은, 액체가 이의 표면에 수직인 면에서 반대쪽으로 흐르도록, 클램핑된다(clamped).
측정 온도 23℃±2℃
측정 유체 표면 장력이 15 mN/m±3 mN/m인 통상적인 디젤 연료
2개의 개구(aperture)들 간의 압력차 0.26 bar
유동 부피 1100 ml/min
유입량 4.5 ml/cm2min
디젤 연료에의 물 첨가 1500 ppm±170 ppm
매질 방울 크기 60 ㎛
공극률은 하기의 식에 따라 사용되는 섬유의 필터 매질의 실제 밀도 및 평균 밀도를 기준으로 계산한다:
공극률 = (1 - 필터 매질의 밀도 [g/cm3]/ 섬유의 밀도 [g/cm3])*100%
제지에서의 함침제의 비율은 하기의 식을 이용해 계산한다:
함침제의 비율% = (FM 함침제/FM 제지) * 100%
FM 함침제 = 제지 m2 당 건조된 함침제의 질량, 및
FM 제지 = 함침된 제지의 그래미지,
제지는 함침제의 비율을 결정하기 전에 100℃에서 30분 동안 순환식 건조 캐비넷에서 건조한다.
실시예
실시예 1 ( 비교예 )
일반적으로 알려진 제지 제작 방법에 따르면, 100% 셀룰로스의 제지 웹이 제지 기계에서 생성되었다. 개별의 작업 단계에서, 이 제지는 메탄계 페놀 수지로 전체적으로 완전히 함침하였으며 건조하였다. 제지는 독일 NEENAH Gessner GmbH, Bruckmuehl사로부터 제품명 K13i15SG 하에 입수가능하며, 235 g/m2의 그래미지, 0.55 mm의 두께, 72%의 공극률, 8 l/m2s의 공기 투과성 및 15 중량%의 수지 함량을 가진다.
이 필터 물질을 이용해, ISO 19438에 따라 4 ㎛ 입자에 대한 초기 분리 효율, ISO 19438에 따른 더스트 저장 능력, 및 ISO 16332에 따른 물 분리율을 결정하였다. 그 결과는 표 2에 나타낸다.
실시예 2 (본 발명)
일반적으로 알려진 제지 제작 방법에 따르면, 100% 셀룰로스의 제지 웹이 제지 기계에서 생성되었다. 개별의 작업 단계에서, 이 제지는 실시예 1에서와 동일한 함침제로 함침하였으며, 이때 함침제를 롤러 적용에 의해 한쪽 면에만, 즉 제지의 와이어 면에만 적용한다는 차이점만 존재한다. 건조한 후, 제지는 221 g/m2의 그래미지, 0.49 mm의 두께, 9 l/m2s의 공기 투과성, 70%의 공극률 및 10%의 수지 함량을 가진다.
결합제의 제지로의 침투 깊이는 제지 두께의 60%였다. 이 필터 물질을 이용해, ISO 19438에 따라 4 ㎛ 입자에 대한 초기 분리 효율, ISO 19438에 따른 더스트 저장 능력, 및 ISO 16332에 따른 물 분리율을 결정하였다. 그 결과는 표 2에 나타낸다.
실시예 1 (비교) 실시예 2 (본 발명)
ISO 19348에 따른 초기 분리 효율 98.10% 98.00%
ISO 19348에 따른 더스트 저장 능력 0.64 g 1.56 g
ISO 16332에 따른 물 분리율 13% 44%

Claims (13)

  1. 필터 물질(filter material), 특히 액체 여과용 필터 물질로서,
    상기 필터 물질은, 반대쪽 면에는 결합제가 없도록 한쪽 면만 결합제로 함침(impregnated)되어 있으며,
    상기 건조된 결합제의 비율은 상기 필터 물질의 총 중량의 0.5 중량% 내지 50 중량%인 것을 특징으로 하는, 필터 물질.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결합제는 상기 필터 물질의 상기 함침된 면에서 상기 반대쪽 면 방향으로 상기 필터 물질의 두께의 절반 이상 ~ 최대 3/4만큼 침투된 것을 특징으로 하는, 필터 물질.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 필터 물질은 습식-레이드(wet-laid) 부직포, 건식-레이드(dry-laid) 부직포, 직물 및 폼(foam)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는, 필터 물질.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터 물질의 그래미지(grammage)가 50 g/m2 내지 400 g/m2인 것을 특징으로 하는, 필터 물질.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터 물질의 두께가 0.1 mm 내지 2.0 mm인 것을 특징으로 하는, 필터 물질.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터 물질의 공기 투과성(air permeability)이 1 l/m2s 내지 1500 l/m2s인 것을 특징으로 하는, 필터 물질.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터 물질의 공극률이 50% 내지 90%인 것을 특징으로 하는, 필터 물질.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터 물질의 비-함침된 면이 용융 취입된 부직포(meltblown nonwoven)의 와이어 면(wire side)에 연결되는 것을 특징으로 하는, 필터 물질.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터 물질의 함침된 면이 캘린더(calender)에 의해 압축되는 용융 취입된 부직포에 연결되는 것을 특징으로 하는, 필터 물질.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 필터 물질을 포함하는 필터 요소(filter element).
  11. 액체를 여과하기 위한, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 필터 물질의 용도로서,
    상기 액체는 상기 필터 물질을 상기 비-함침된 면에서 반대쪽으로 흐르는 것을 특징으로 하는, 용도.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 액체는 상기 액체 내에서 불용성인 고체 물질을 포함하거나, 또는 상기 액체는 2종의 비-혼합성 액체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 용도.
  13. 2종의 비-혼합성 액체를 분리하는 방법으로서,
    상기 액체는, 상기 액체가 상기 필터 물질의 상기 비-함침된 면에서 상기 함침된 면으로 흘러, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 필터 물질을 통과하는 것을 특징으로 하는, 방법.
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