KR20160046797A - 필터 매체 - Google Patents

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산토쉬 차반
프라빈 자나
앤 비스카리
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알스트롬 코포레이션
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Abstract

본 발명은 기재 및 기재의 상부 상에 있는 미세 섬유 층을 포함하는 필터 매체에 관한 것이며, 기재는 제1 평균 직경 및 제1 최대 섬유 길이를 갖는 제1 섬유를 포함하는 제1 층; 제2 평균 직경 및 제2 최대 섬유 길이를 갖는 제2 섬유를 포함하는 제2 층; 및 제3 평균 직경 및 제3 최대 섬유 길이를 갖는 제3 섬유를 포함하는 제3 층을 포함하며, 제1 층과 제2 층 사이의 경계 영역은 제1 및 제2 섬유를 포함하는 제1 블렌딩된 영역을 형성하고; 제2 층과 제3 층 사이의 경계 영역은 제2 및 제3 섬유를 포함하는 제2 블렌딩된 영역을 형성하고; 제1 및 제3 평균 직경은 각각 제2 평균 직경보다 더 크다.

Description

필터 매체 {Filter Medium}
본 발명은 신규한 필터 매체, 매체의 제조 공정, 매체를 포함하는 필터 패키지 및 가스 또는 액체의 여과 방법에서의 매체의 용도에 관한 것이다. 구체적으로는, 본 발명은 상당한 압력 강하를 야기하지 않고서 미립자의 제거에 효율적인 필터 매체에 관한 것이다.
대기, 증기 및 유체로부터의 불순물의 여과에 대한 필요성이 증가하고 있다. 구체적으로는, 운송 부문에서뿐만 아니라 가스 터빈 분야에서의 공기 흡입 여과는 미립자 제거의 관점에서 효율적인 매체를 필요로 한다. 더욱이, 호흡기 질환, 알러지 및 천식 증상이 산업화된 문명사회에서 증가하는 빈도로 일어남에 따라 실내 공기 품질이 중요해지고 있다. 난방, 환기 및 공기 조화(heating, ventilation and air conditioning, HVAC) 필터는 높은 미립자 제거 용량을 제공할 수 있지만, 이들 필터는 또한 상당한 공기 유동 저항(air flow resistance)을 야기한다. 결과로서, 고효율 HVAC 필터 시스템은 공기를 이동시키기 위해 강력한 팬을 필요로 한다. 마찬가지로, 가스 터빈 및 운송수단에서의 공기 흡입 응용을 위한 종래 기술의 매체는 증가된 에너지 소비로 이어진다. 이에는 엄청난 CO2 방출이 동반된다.
종래 기술의 필터 매체는, 예를 들어 공기의 여과를 위하여 무기 및 합성 섬유를 사용한다. 정의에 의하면, 필터의 에너지 소비는 시간이 지남에 따라 증가하는데, 그 이유는 필터의 공기 유동 저항이 공기로부터 제거되는 미립자의 양에 따라 증가하기 때문이다.
불행하게도, 종래 기술의 매체는 그것이 분진 및 미세 미립자로 쉽게 가득 채워지기 때문에 그의 공기 유동 저항에 있어서 상당한 증가를 나타낸다. 따라서, 이들 미립자가 공기로부터 제거될 때, 에너지 소비가 증가한다.
충분한 입자 제거를 보장하기 위하여, 종래 기술은 상이한 다공도를 갖는 다수의 층들로 제조된 필터 매체를 제시한다. 미국 특허 제4,661,255호는 다공도가 유동 방향으로 감소하는 다층 재료의 사용을 교시한다. 즉, 개별 층들은 점점 더 미세하거나 좁은 기공들을 갖는다. 그러나, 그러한 매체는 만족스럽지 않은데, 그 이유는 작은 미립자 및 더 큰 미립자가 시간이 지남에 따라 매우 쉽게 매체를 막는 경향이 있기 때문이다. 결과적으로, 공기 유동 저항이 빠르게 증가한다.
따라서, 본 발명의 목적은 조기 막힘의 위험을 피하는 개선된 필터 매체를 제공하는 것이다. 본 발명의 추가의 목적은 시간이 지남에 따라 관찰되는 압력 강하를 피하거나 적어도 감소시켜 이로써 총 평균 공기 유동 저항을 최소화하는 필터 매체를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 증가하는 압력 강하의 조기 시작을 피하는 것이다.
따라서, 제1 태양에서, 본 발명은 청구항 1에 정의된 바와 같은 필터 매체에 관한 것이다. 바람직하게는, 본 필터 매체는 기재(substrate) 및 기재의 상부 상에 있는 미세 섬유(fine fiber) 층을 포함하며, 기재는
평균 직경이 6 내지 45 ㎛, 바람직하게는 7 내지 38 ㎛, 가장 바람직하게는 7 내지 17 ㎛인 합성 스테이플 섬유가 80% 이상인 제1 섬유를 포함하는 제1 층;
평균 직경이 0.4 내지 5 ㎛, 바람직하게는 0.6 내지 2.6 ㎛인 마이크로섬유가 10% 이상인 제2 섬유를 포함하는 제2 층; 및
평균 직경이 6 내지 45 ㎛, 바람직하게는 7 내지 38 ㎛, 가장 바람직하게는 7 내지 17 ㎛인 합성 스테이플 섬유가 80% 이상인 제3 섬유를 포함하는 제3 층을 포함하며,
제1 층과 제2 층 사이의 경계 영역, 즉 접촉 영역은 제1 및 제2 섬유를 포함하는 블렌딩된 영역을 형성하고;
제2 층과 제3 층 사이의 경계 영역은 제2 및 제3 섬유를 포함하는 블렌딩된 영역을 형성한다.
본 발명에 사용된 바와 같은 스테이플 섬유는 45 mm 이하의 짧게 자른 섬유(short cut fiber)이다.
본 발명에 사용된 바와 같은 마이크로섬유는 평균 직경이 0.4 내지 5 ㎛이고, 최대 길이가 45 mm, 바람직하게는 18 mm, 더 바람직하게는 10 mm, 가장 바람직하게는 3 mm인 섬유이다.
본 명세서에 기재된 필터 매체는 압력 강하에 있어서 상당한 증가를 야기하지 않고서 효율적인 방식으로 미립자를 제거할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 즉, 본 발명의 필터 매체는 종래 기술의 매체와 비교하여 주어진 입자 제거 효율에서 더 낮은 압력 강하를 나타낸다.
제2 태양에서, 본 발명은 청구항 16에 정의된 바와 같은 공정에 관한 것이다. 바람직한 실시 형태에서, 본 공정은
●제1, 제2 및 제3 균질 슬러리를 제공하는 단계;
●제1 슬러리를 탈수 스크린 상에 공급하여 제1 침적물을 형성하는 단계;
●제2 슬러리를 제1 침적물 상에 공급하여 제1 침적물의 상부 상에 제2 침적물을 형성하는 단계;
●제3 슬러리를 제2 침적물 상에 공급하여 제2 침적물의 상부 상에 제3 침적물을 형성하는 단계;
●침적물들로부터 물을 제거하여 습윤 섬유질 매트 또는 시트를 형성하는 단계;
●가열하면서 습윤 섬유질 매트 또는 시트를 건조시켜 기재를 형성하는 단계; 및
●기재의 상부 상에 미세 섬유 층을 적용하는 단계를 포함하며,
제1 슬러리는 평균 직경이 6 내지 45 ㎛, 바람직하게는 7 내지 38 ㎛, 가장 바람직하게는 7 내지 17 ㎛인 합성 스테이플 섬유가 80% 이상인 제1 섬유 및 물을 포함하고;
제2 슬러리는 직경이 바람직하게는 0.4 내지 5 ㎛이고, 가장 바람직하게는 직경이 0.6 내지 2.6 ㎛인 마이크로섬유가 10% 이상인 제2 섬유 및 물을 포함하고;
제3 슬러리는 평균 직경이 6 내지 45 ㎛, 바람직하게는 7 내지 38 ㎛, 가장 바람직하게는 7 내지 17 ㎛인 합성 스테이플 섬유가 80% 이상인 제3 섬유 및 물을 포함한다.
본 발명의 제3 및 제4 태양은 필터 매체를 포함하는 필터 요소, 및 가스 또는 액체의 여과 방법에서의, 특히 난방, 환기 및 공기 조화 필터 및 가스 터빈 흡입 공기 여과 응용에서의 필터 매체의 용도에 관한 것이다.
따라서, 본 발명의 필터 매체는 조기 막힘의 위험을 피하수 있고, 시간이 지남에 따라 관찰되는 압력 강하를 피하거나 적어도 감소시켜 이로써 총 평균 공기 유동 저항을 최소화할 수 있으며, 증가하는 압력 강하의 조기 시작을 피할 수 있다.
도 1은 구매가능한 필터 매체(MG 매체)에 대한, 구매가능한 나노층 구비 스펀본드(spunbond) 필터 매체에 대한, 그리고 본 발명의 생성물에 대한 주어진 효율에 있어서의 전형적인 압력 강하 곡선이다.
본 발명의 필터 매체는 기재 및 기재의 상부 상에 있는 미세 섬유 층을 포함한다. 바람직한 실시 형태에서, 미세 섬유 층은 제1 층 상에 침적된다. 기재는 제1, 제2, 및 제3 층을 포함한다.
<기재>
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 기재의 제1 층은 제1 평균 직경 및 제1 최대 섬유 길이를 갖는 제1 섬유를 포함한다.
제2 층은 제2 평균 직경 및 제2 최대 섬유 길이를 갖는 제2 섬유를 포함한다.
마찬가지로, 제3 층은 제3 평균 직경 및 제3 최대 섬유 길이를 갖는 제3 섬유를 포함한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 제1, 제2 및 제3 평균 직경은 각각 제1, 제2 및 제3 섬유의 평균 직경에 관한 것이다. 이들 제1, 제2 및 제3 섬유는 각각 제1, 제2 및 제3 층에 함유되어 있다.
바람직한 실시 형태에서, 제1, 및 제3 섬유는 각각 제1, 및 제3 층에서 주 재료를 형성한다. 이와 관련하여, 용어 주 재료는 제1, 및 제3 층이 각각 상당량의 제1, 제3 섬유를 함유한다는 것으로 이해되어야 한다. 바람직한 실시 형태에서, 이들 층은 이들 개별 섬유로 본질적으로 이루어진다. 즉, 제1 층은 제1 섬유로 본질적으로 이루어질 수 있고; 제3 층은 제3 섬유로 본질적으로 이루어질 수 있다. 가장 바람직한 실시 형태에서, 제1 및 제3 층은 각각 제1 및 제3 섬유를 최대 80 중량% 함유한다.
바람직한 실시 형태에서, 제2 섬유는 제2 층 내의 모든 섬유들 중 최소 평균 직경을 갖는 것들이다. 바람직한 실시 형태에서, 제2 층은 제2 층 내의 모든 섬유들 중 최소 직경을 갖는 이들 제2 섬유를 10 중량% 이상, 가장 바람직하게는 30 중량% 이상 함유한다.
제1, 제2 및 제3 섬유 각각은 둘 이상의 섬유들의 혼합물일 수 있다. 즉, 제1 섬유는 둘 이상의 유형의 섬유들의 혼합물일 수 있고; 제2 섬유는 둘 이상의 유형의 섬유들의 혼합물일 수 있고; 제3 섬유는 둘 이상의 유형의 섬유들의 혼합물일 수 있다.
제1 층과 제2 층 사이에는, 경계 영역(이하, 제1 경계 영역이라고도 지칭됨)이 존재한다. 제1 층과 제2 층 사이의 접촉 영역인 이 경계 영역은 제1 섬유와 제2 섬유의 혼합물을 포함하며, 이로써 블렌딩된 영역을 형성한다. 제1 섬유 및 제2 섬유 중 적어도 하나가 둘 이상의 종류의 섬유들을 포함하는 경우, 이러한 블렌딩된 영역은 바람직하게는 제1 및 제2 섬유를 형성하는 모든 성분들을 포함한다.
마찬가지로, 제2 층과 제3 층 사이에 경계 영역이 존재하며, 이 영역은 제2 섬유와 제3 섬유의 혼합물을 포함한다. 따라서, 제2 층과 제3 층 사이의 접촉 영역인 이 경계 영역(이하, 제2 경계 영역이라고도 지칭됨)은 제2 섬유와 제3 섬유의 블렌딩된 영역을 형성한다. 블렌딩된 영역은 바람직하게는 제2 및 제3 섬유를 형성하는 모든 성분들을 포함한다. 본 발명의 공정에 관하여 기재된 바와 같이 먼저 제1 슬러리를 탈수 스크린 상에 제공하여 제1 침적물을 형성한 후 제2 슬러리를 제1 침적물 상에 공급하는 것으로부터 제1 경계 영역이 생성되는 경우, 제2 경계 영역은 제1 경계 영역보다 더 작은 두께를 가질 수 있다.
제1 및 제3 평균 직경은 제2 평균 직경보다 더 크다. 섬유들의 이러한 배열은, 제1 및 제3 층이, 제1 층과 제3 층 사이 내에 위치된 제2 층보다 더 높은 다공도/개방도(openness)의 구조를 갖는 기재를 생성하는 것으로 여겨진다.
바람직한 실시 형태에서, 제1 및 제3 섬유의 평균 직경은 각각 독립적으로 6 내지 45 ㎛, 바람직하게는 7 내지 38 ㎛, 그리고 가장 바람직하게는 7 내지 17 ㎛이다.
추가 실시 형태에서, 제1 및 제3 섬유의 최대 섬유 길이(이하, 제1 및 제3 최대 섬유 길이라고도 지칭됨)는 서로 독립적으로 최대 45 mm, 바람직하게는 최대 24 mm, 그리고 가장 바람직하게는 최대 12 mm이다.
평균 섬유 직경 및 최대 섬유 길이는 파이버메트릭(Fibermetric) 소프트웨어(네덜란드 소재의 페놈 월드(Phenom World))와 통합된 페놈(Phenom) 주사 전자 현미경(FEI로부터 입수가능함)을 사용하여 주사 전자 현미경법(SEM)에 의해 결정될 수 있다.
제1 및 제3 섬유는 서로 독립적으로, 천연 섬유, 중합체 섬유 및 무기 섬유로 이루어진 군의 적어도 하나로부터 선택된다.
바람직하게는, 제1 및 제3 섬유는 서로 독립적으로, 중합체 섬유 및 무기 섬유로 이루어진 군의 적어도 하나로부터 선택된다.
천연 섬유의 예에는 섬유 또는 천연 섬유의 유도체, 예컨대 셀룰로스, 리오셀(lyocell), 비스코스 또는 셀룰로스성 섬유의 임의의 다른 유도체가 포함된다.
본 발명과 관련하여 중합체 섬유는 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리프로필렌, 아크릴, PET-CoPET, PE-PET의 이성분 섬유(bicomponent fiber) 등을 포함한다. 바람직한 실시 형태에서, 중합체 섬유는 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 및 폴리아미드로 이루어진 군으로부터 선택된다.
제1 및/또는 제3 섬유가 무기 섬유로부터 선택되거나 그러한 섬유를 포함하는 경우, 무기 섬유는 바람직하게는 유리 섬유 가닥 또는 현무암 섬유(basalt fiber)이다.
본 발명에 사용되는 바와 같은 합성 섬유는 중합체 섬유, 셀룰로스성 섬유 및 무기 섬유를 비롯한 임의의 인조 섬유이다.
추가 실시 형태에서, 본 발명은 필터 매체에 관한 것으로, 본 필터 매체에서 제1 층 내의 제1 섬유 및 제3 층 내의 제3 섬유는 서로 독립적으로, 각각 제1 및 제3 층의 총 섬유 중량을 기준으로 65 중량% 이상의 양으로 존재한다. 바람직한 실시 형태에서, 제1 및 제3 층 내의 각각 제1 및 제3 섬유의 양은 적어도 80 중량% 또는 그 이상이다.
필터 매체의 기재는 제2 섬유를 포함하는 제2 층을 포함한다. 이들 섬유는 일정 평균 직경(이하, 제2 평균 직경이라고도 지칭됨)을 갖는다. 바람직한 실시 형태에서, 제2 평균 직경은 0.4 내지 5 ㎛, 바람직하게는 0.6 내지 2.6 ㎛이고; 그리고/또는 제2 최대 섬유 길이는 18 mm, 바람직하게는 10 mm, 더 바람직하게는 3 mm이다. 제2 섬유는 바람직하게는 합성 섬유 및 마이크로유리 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된다. 합성 섬유의 예에는 폴리에스테르, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리프로필렌, 아크릴, PET-CoPET, PE-PET의 이성분 섬유 등을 포함한다. 합성 섬유의 바람직한 예는 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, PET-CoPET, PE-PET의 이성분 섬유 등이다. 마이크로유리 섬유의 예는 공기 감쇠(air attenuated) 및 화염 감쇠(flame attenuated) 둘 모두의 B 유리, C 유리이다. 마이크로유리 섬유의 바람직한 예에는 직경이 0.6 및 1.0 마이크로미터인 붕규산염 초핑 유리 섬유(독일 소재의 LFI)가 포함된다.
바람직한 실시 형태에서, 제2 층 내의 제2 섬유는 제2 층의 총 중량을 기준으로 10 중량% 이상, 바람직하게는 20 중량% 이상, 가장 바람직하게는 30% 이상의 양으로 존재한다.
본 명세서에 전술된 바와 같이, 제1 및 제3 섬유의 평균 직경(본 명세서에서 제1 및 제3 섬유라고도 지칭됨)은 제2 섬유의 평균 직경(제2 평균 직경)보다 더 크다.
이론에 의해 구애되고자 함이 없이, 이러한 특별한 선택은 기재의 제2 층이 기재 내에서 최소 섬유들을 포함하는 섬유들의 배열을 제공하는 것으로 여겨진다. 이러한 배열은 제2 층 내의 섬유들 사이의 기공들이 특히 작고, 한편 제1 및 제3 층은 더 높은 다공도 또는 개방도를 갖는 구조로 이어지게 하는 것으로 여겨진다. 제1 및 제3 평균 섬유 직경이 제2 평균 직경보다 더 큰 것을 고려해 볼 때, 이 프로파일은 수렴 및 확산 기공 크기(converging and diverging pore size)로 설명될 수 있다. 제1 및 제3 층 내에 소직경 섬유를 갖는 것이 바람직하지 않지만, 매체의 수렴-확산 기공 구조를 방해하지 않는 (소량의) 양은 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 여겨진다. 그러한 수렴 및 확산 기공 크기는, 더 낮은 압력 강하를 가지면서 미립자를 여과하며 이로써 HVAC 응용 및 다른 여과 응용에서의 에너지 절약에 있어서 특히 가치있는 것으로 여겨진다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 제1 평균 직경과 제2 평균 직경의 비(D1st / D2nd) 및 제3 직경과 제2 직경의 비(D3rd / D2nd)는 각각 서로 독립적으로 1.2 내지 115, 바람직하게는 1.4 내지 43이다.
본 발명의 추가 실시 형태에서, 제1, 제2 및 제3 층 중 적어도 하나는 제1, 제2 및 제3 섬유에 더하여 추가 종류의 섬유를 함유한다. 이러한 추가 종류의 섬유는 부가적인 구조 유형의 섬유로서 이해될 수 있다. 즉, 제1, 제2 및 제3 층은 제1, 제2 및 제3 섬유 이외의 섬유를 함유할 수 있다. 바람직하게는, 이러한 부가적인 종류의 섬유는 바인더 섬유(binder fiber), 바람직하게는 이성분 섬유 및 유리 섬유 가닥으로부터 선택된다. 가장 바람직한 실시 형태에서, 제1, 제2 및/또는 제3 층은 이성분 섬유 및 유리 섬유 가닥을 함유한다.
이성분 섬유는 하나 초과의 중합체를 통상 함유하는 섬유이다. 이것은 코어 및 시스 구조(core and sheath structure)를 가질 수 있다.
바람직하게는, 추가 종류의 섬유는 제1, 제2 및 제3 층의 총 섬유 중량을 기준으로 2 내지 70 중량%의 양으로 각각 제1, 제2 및/또는 제3 층 내에 함유된다.
추가의 바람직한 실시 형태에서, 제1, 제2 및 제3 층에는 천연 섬유, 예컨대 셀룰로스가 본질적으로 없다. 필터 효율 및 압력 강하 특성은, 기재가 수분 또는 오일을 끌어당기거나 주위환경으로부터의 염과 상호작용하는 경향이 있는 천연 섬유를 함유하지 않은 경우, 가스, 예컨대 공기의 여과 동안 특히 우수한 것으로 확인되었다. 이론에 의해 구애되고자 함이 없이, 그러한 천연 섬유는 물을 끌어당기는 것으로 여겨진다. 더욱이, 셀룰로스와 같은 섬유는 오일 및 염과 결합하는 것으로 밝혀졌다. 이는 섬유들의 팽윤 또는 막힘으로 이어질 수 있는데, 이는 필터 효율의 손실을 초래하고 또한 이에는 압력 강하의 상당한 증가가 동반된다.
<미세 섬유 층>
본 발명의 필터 매체는 기재의 상부 상에 있는 미세 섬유 층을 포함한다. 바람직한 실시 형태에서, 미세 섬유 층은 본 명세서에 전술된 제1 층의 상부 상에 침적된다. 추가 실시 형태에서, 미세 섬유 층은 접착제에 의해 필터 매체의 기재에, 바람직하게는 제1 층에 부착된다. 따라서, 필터 매체는 바람직하게는 기재, 바람직하게는 제1 층과 미세 섬유 층 사이에 접착제를 포함한다.
바람직한 실시 형태에서, 미세 섬유 층은 제1 층의 면 상에 서브마이크로미터 섬유(submicronic fiber)를 형성하는 임의의 공정에 의해 침적되는데, 제1 층의 면은 이러한 형성 공정 동안 탈수 스크린에 인접해 있던 면이다.
접착제는 기재 상에 분무-코팅되거나, 롤 코팅되거나, 로드 코팅되거나, 계량되거나 또는 달리 적용될 수 있는 임의의 접착제일 수 있다. 바람직하게는, 접착제는 폴리우레탄계 및 폴리아크릴계 접착제로 이루어진 군으로부터 선택된 수계 중합체 분산물로부터 선택된다. 바람직한 실시 형태에서, 접착제는 그것이 기재의 투과성에 영향을 주지 않도록 하는 방식으로 기재에 적용된다. 즉, 접착제는 바람직하게는 4 g/m2 미만의 코트 중량으로 적용된다.
추가 실시 형태에서, 미세 섬유 층은 라미네이션, 고온 용융 접착제, 초음파 접합 또는 포인트 접합에 의해 필터 매체의 기재에 부착된다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에서, 기재에 적용되는 미세 섬유 층은 제1, 제2 및 제3 층을 포함하는 기재에 전달되기 전에 추가 층(이하, 캐리어 및/또는 지지체라고도 지칭됨) 상에 침적될 수 있다. 이 실시 형태에서, 캐리어는 바람직하게는 캐리어/지지체에 인접한 기재의 층 내의 주 재료를 형성하는 섬유와 유사한 섬유를 포함한다. 본 발명과 관련하여 용어 "기재의 층 내의 주 재료를 형성하는 섬유와 유사한"은 캐리어/지지체 및 그것에 인접한 기재 층 둘 모두가 그의 원재료, 평균 직경 및/또는 최대 섬유 길이에 관하여 유사한 섬유를 포함함을 의미한다. 특히 바람직한 실시 형태에서, 캐리어/지지체 및 그것에 인접한 기재 층 내의 섬유는 각각의 층 내의 주 재료를 형성하는 섬유들이 유사한 평균 직경을 갖도록 선택된다. 본 발명의 추가의 또는 상이한 실시 형태에서, 제1 및/또는 제3 섬유는 최대 섬유 길이를 갖는 자른 섬유(cut fiber)일 수 있으며, 한편 캐리어/지지체는 상대적으로 더 높은 길이의 연속 섬유를 포함할 수 있는데, 여기서 둘 모두의 유형의 섬유는 동일한 유형의 중합체로부터 제조된다.
따라서, 미세 섬유 층이 캐리어/지지체 상에 침적되는 경우, 기재의 상부 상에 적용되는 미세 섬유 층은 중간 층을 통해 기재와 접촉한다. 이러한 중간 층은, 제1 및 제3 섬유의 평균 직경이 제2 섬유의 평균 직경보다 더 큰, 기재 내의 전체 배열을 변경시키지 않는다. 본 명세서에서 상기에 설명된 바와 같이, 제1 및 제3 섬유의 평균 직경을 제2 섬유보다 더 크도록 선택하는 것은, 기재의 제2 층이 기재 내에서 최소 섬유를 포함하는, 섬유들의 배열을 제공해준다. 이러한 배열은 제2 층 내의 섬유들 사이의 기공들이 특히 작고, 한편 제1 및 제3 층은 더 높은 다공도 또는 개방도를 갖는 구조로 이어지게 하는 것으로 여겨진다. 개별 평균 섬유 직경들의 이러한 프로파일은 미세 섬유 층이 캐리어 및/또는 지지체의 도움으로 기재에 적용될 때 변화되지 않는데, 여기서 캐리어/지지체는, 제1 또는 제3 층 중 어느 것이 캐리어/지지체와 접촉 상태에 있더라도 제1 또는 제3 층의 재료를 형성하는 재료와 유사한 재료로 본질적으로 이루어진다. 즉, 본 발명의 일 실시 형태에서, 캐리어/지지체 내의 주 재료는, 제1, 및 제3 층 내의 주 재료를 각각 형성하는, 제1 또는 제3 섬유와 동일할 수 있다. 이와 관련하여, "바람직하게는 동일한"이라는 표현은 이들 섬유를 형성하는 원재료, 평균 직경 및/또는 최대 섬유 길이에 관한 것이다. 본 발명의 특히 바람직한 실시 형태에서, 캐리어/지지체는 제1 또는 제3 층과 동일한 섬유로 본질적으로 이루어진다.
따라서, 그러한 일 실시 형태에서, 캐리어/지지체와 접촉 상태에 있는 기재 내의 제1 또는 제3 층은 변경된 제1 또는 제3 층(이하, 제1' 층 또는 제3' 층이라고도 지칭됨)을 형성하는 것으로서 동일하게 보일 수 있다. 그러한 관점에서 필터 매체를 볼 때, 캐리어/지지체는 또한 기재 내의 제4 층, 즉 별개의 층으로서 정의될 수 있음이 용이하게 이해된다. 캐리어/지지체가 제1' 또는 제3' 층의 일부로 여겨지는지, 또는 대안적으로 기재 내의 제4 층으로 여겨지는지의 여부는, 제2 층 내의 섬유들 사이의 기공들이 특히 작고, 한편 제1' 및 제3' 층은 더 높은 다공도 또는 개방도를 갖는 전체 섬유 배열을 캐리어/지지체가 변경시키지 않는 한 그다지 중요하지 않다. 따라서, 캐리어/지지체를 사용하여 미세 섬유 층을 기재에 부착하는 경우, 미세 섬유 층과 기재 사이에 접촉을 제공하는 캐리어/지지체는 바람직하게는 기재의 수렴-확산 기공 구조를 방해하게 될 양으로 소직경 섬유를 함유하지 않음이 용이하게 이해된다. 따라서, 캐리어/지지체를 사용하여 미세 섬유 층을 기재에 부착하는 것은, 더 낮은 압력 강하를 가지면서 미립자를 여과하며 이로써 HVAC 응용 및 다른 여과 응용에서의 에너지 절약에 있어서 특히 가치있는 것으로 확인된 수렴 및 확산 기공 크기를 변경시키지 않는다.
미세 섬유 층은 평균 직경이 최대 3 ㎛인 미세 섬유를 포함한다. 바람직한 실시 형태에서, 미세 섬유 층은 서브마이크로미터 섬유를 포함한다. 본 발명과 관련하여 서브마이크로미터 섬유는 1 ㎛ 미만의 평균 섬유 직경에 의해 정의된다. 따라서, 바람직한 실시 형태에서, 미세 섬유 층은 평균 섬유 직경이 0.08 내지 0.8 ㎛, 바람직하게는 0.1 내지 0.4 ㎛인 섬유를 포함한다.
바람직한 실시 형태에서, 서브마이크로미터 섬유는 중합체 섬유이다. 바람직하게는, 이들 섬유는 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리카르보네이트, 폴리우레탄, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 및 폴리비닐리덴 플루오라이드 섬유로 이루어진 군으로부터 선택된다. 추가 실시 형태에서, 미세 섬유 층은 이들 서브마이크로미터 섬유로 전적으로 이루어진다.
추가 실시 형태에서, 필터 매체는 미세 섬유 층의 상부 상에 있는 보호 층을 포함한다. 즉, 미세 섬유 층은 바람직하게는 보호 층에 의해 커버된다. 보호 층은 임의의 유형의 층일 수 있으며, 이것은 바람직하게는 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리아미드 또는 상기 섬유들의 임의의 조합, 및 PE-PET 또는 PET-coPET 이성분 섬유와 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
본 명세서에 기재된 필터 매체는 탁월한 기계적 특성을 갖는 것으로 확인되었다. 특히, 본 매체는 TAPPI 표준 T 543(걸리(Gurley)-유형 시험기)에 따른 그의 굽힘 저항으로부터 얻어진 바와 같이 500 mg 이상의 매우 높은 굽힘 강성을 나타낸다. 본 매체는 또한 주름형(pleated)일 수 있으며, 사용 동안 큰 변형 없이 그의 형상을 유지할 수 있다. 더욱이, 본 매체는 매체를 효과적으로 세정하기 위해 유체(즉, 액체 또는 가스)의 유동을 역전시키는 역펄스형(back-pulsed) 응용을 견디어낸다. 역펄스형 제트 응용에서, 미세 섬유 층은 매체의 상류 측 상에 있다. 본 매체는 또한 기재 내에 높은 기공 부피를 가지며, 이는 높은 투과성 값을 가능하게 한다. 바람직하게는, 본 발명의 매체의 공기 투과성은 38 ㎠의 면적 및 125 Pa의 압력에 대해 ASTM D737에 따라 측정할 때 5 cfm 이상이다. 본 발명에 따른 필터 매체는 EN 779 시험 방법에 따라 RBG 1000 분진 공급기에 연결된 팔라스(Palas) MFP-30000 필터 시험 시스템(독일 카를스루에 소재의 팔라스 게엠베하(Palas GmbH))을 사용하여 시험했을 때 5.3 cm/s의 면 속도(face velocity)의 0.4 마이크로미터 입자에 대해 35% 초과의 여과 효율을 갖는 것으로 추가로 확인되었다.
의외로, 본 매체는 유사한 기계적 특성 및 입자 제거 특성을 갖는 종래 기술의 필터 매체와 비교하여 시간이 지남에 따라 감소된 압력 강하를 보여준다.
<필터 매체의 제조 공정>
필터 매체의 제조 공정은 바람직하게는
●제1, 제2 및 제3 균질 슬러리를 제공하는 단계;
●제1 슬러리를 탈수 스크린 상에 공급하여 제1 침적물을 형성하는 단계;
●제2 슬러리를 제1 침적물 상에 공급하여 제1 침적물의 상부 상에 제2 침적물을 형성하는 단계;
●제3 슬러리를 제2 침적물 상에 공급하여 제2 침적물의 상부 상에 제3 침적물을 형성하는 단계;
●침적물들로부터 물을 제거하여 습윤 섬유질 매트 또는 시트를 형성하는 단계;
●가열하면서 습윤 섬유질 매트 또는 시트를 건조시켜 기재를 형성하는 단계; 및
●기재의 상부 상에 미세 섬유 층을 적용하는 단계를 포함하며,
제1 슬러리는 직경이 6 내지 45 ㎛인 합성 스테이플 섬유가 80% 이상인 본 명세서에 전술된 제1 섬유 및 물을 포함하고;
제2 슬러리는 평균 직경이 0.4 내지 5 ㎛인 마이크로섬유가 10% 이상인 본 명세서에 전술된 제2 섬유 및 물을 포함하고;
제3 슬러리는 직경이 6 내지 45 ㎛인 합성 스테이플 섬유가 80% 이상인 본 명세서에 전술된 제3 섬유 및 물을 포함한다.
이 공정에서는, 제1, 제2 및 제3 균질 슬러리가 제공된다. 이들 슬러리는 당업계에 공지된 임의의 방법에 의해, 예컨대 섬유를 물에 첨가하고 혼합함으로써 제공될 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 제1 균질 슬러리는, 바람직하게는 직경이 6 내지 45 ㎛인 합성 스테이플 섬유가 80% 이상인 제1 섬유 및 물을 포함한다. 마찬가지로, 제2 슬러리는, 바람직하게는 평균 직경이 0.4 내지 5 ㎛인 마이크로섬유가 10% 이상인 제2 섬유 및 물을 포함한다. 더욱이, 제3 슬러리는, 바람직하게는 직경이 6 내지 45 ㎛인 합성 스테이플 섬유가 80% 이상인 제3 섬유 및 물을 포함한다.
일단 제1, 제2, 및 제3 균질 슬러리가 제조되면, 이들은 탈수 스크린 상에 적용된다. 이 스크린은 제지 공정에서 통상 사용되는 임의의 스크린일 수 있다. 바람직하게는, 이 스크린은 탈수 엔드리스 스크린이다. 제1 슬러리를 탈수 스크린 상에 적용 시에, 제1 침적물이 스크린 상에 형성된다. 이어서, 제2 슬러리를 제1 침적물 상에 공급하여 그의 상부 상에 제2 침적물을 형성한다. 이어서, 제3 슬러리를 제2 침적물 상에 공급하여 제2 침적물의 상부 상에 제3 침적물을 형성한다. 제1, 제2 및 제3 슬러리의 공급은 습식 성형 기계(wetlaid forming machine)의 헤드박스의 상이한 채널들을 사용함으로써 수행될 수 있다. 대안적으로, 이들 슬러리는 테크팝 에스에이에스(Techpap SAS)(프랑스 그르노블 소재)로부터의 동적 핸드시트 성형기(dynamic handsheet former)를 사용하여 하나가 다른 하나 후에 적용될 수 있다.
개별 슬러리들의 침적 동안 또는 후에, 물을 제거하여 습윤 섬유질 매트 또는 시트를 형성한다. 이어서, 가열하면서 습윤 섬유질 매트 또는 시트를 건조시켜 기재를 형성한다. 이 기재 - 본 명세서에서 상기에 정의된 바와 같음 - 는 개별 섬유들을 포함하는 제1, 제2, 및 제3 층을 포함한다.
서로의 상부 상에 제1, 제2, 및 제3 슬러리를 적용하는 것이 인접한 층들 사이에 경계 영역을 생성하게 되고 이러한 경계 영역은 제1 및 제2 섬유 또는 제3 및 제2 섬유를 포함하는 블렌딩된 영역을 형성하는 것으로 여겨진다.
경계 영역 내에서, 제1 및 제2 층의 성분들 및 제3 및 제2 층의 성분들은, 개별 층들을 서로 분리시키게 될 날카롭고 뚜렷한 에지보다는 오히려 섬유상 상호얽힘(fibrous interlock)이 존재하도록 서로 섞인다.
이론에 의해 구애되고자 함이 없이, 본 발명자들은 이러한 경계 영역이, 기재 내에 함유된 섬유들의 섬유 평균 직경이 기재의 외부 층들로부터 중간층까지 감소되는 평탄하거나 반연속적인 구배를 생성하는 것으로 여긴다. 이러한 섬유 배열은 수렴-확산 기공 크기 분포를 생성하는 것으로 여겨지는데, 이러한 분포는 필터 매체의 두께에 걸친 수렴 및 확산 기공 크기로 간주될 수 있다. 이러한 배열은 여과 응용에서 특히 가치있는 것으로 확인되었다.
감소하는 기공 크기 구배를 갖는 종래의 매체와는 달리, 이러한 특유의 매체 구조는 필터 매체의 상류 영역에서의 큰 입자의 조기 포획을 가능하게 하고, 더 작은 입자가 수렴 영역 내에 가두어질 수 있게 하고, 이어서 남아 있는 입자들이 확산 영역으로 들어감에 따라 이들의 면 속도를 감소시킬 수 있게 하는 것으로 여겨진다. 면 속도의 이러한 감소 및 증가하는 기공 구조는 유체가 필터를 빠져나감에 따라 미세 섬유 층에 걸쳐 남아 있는 입자들의 더 우수한 분포를 가능하게 하고, 이에 따라 압력 강하에 대한 영향이 더 낮다.
따라서, 본 발명의 필터 매체는 바람직하게는 여과하고자 하는 유체가, 미세 섬유 층이 배정된 기재의 측에서 필터 매체를 빠져나가는 방식으로 사용된다.

Claims (20)

  1. 기재(substrate) 및 상기 기재의 상부 상에 있는 미세 섬유(fine fiber) 층을 포함하는 필터 매체로서, 상기 기재는
    제1 평균 직경 및 제1 최대 섬유 길이를 갖는 제1 섬유를 포함하는 제1 층;
    제2 평균 직경 및 제2 최대 섬유 길이를 갖는 제2 섬유를 포함하는 제2 층; 및
    제3 평균 직경 및 제3 최대 섬유 길이를 갖는 제3 섬유를 포함하는 제3 층을 포함하며,
    상기 제1 층과 상기 제2 층 사이의 경계 영역은 제1 및 제2 섬유를 포함하는 제1 블렌딩된 영역을 형성하고;
    상기 제2 층과 상기 제3 층 사이의 경계 영역은 제2 및 제3 섬유를 포함하는 제2 블렌딩된 영역을 형성하고;
    상기 제1 및 상기 제3 평균 직경은 각각 상기 제2 평균 직경보다 더 큰, 필터 매체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 평균 직경과 상기 제2 평균 직경의 비(d1st / d2nd) 및 상기 제3 평균 직경과 상기 제2 평균 직경의 비(d3rd / d2nd)는 각각 서로 독립적으로 1.2 내지 115, 바람직하게는 1.4 내지 43인, 필터 매체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 및 상기 제3 평균 직경은 서로 독립적으로 6 내지 45 ㎛, 바람직하게는 7 내지 38 ㎛, 가장 바람직하게는 7 내지 17 ㎛이고; 상기 제1 및 상기 제3 층 내의 직경이 5 ㎛ 미만인 섬유의 양은 상기 제1 또는 제3 층 각각의 총 중량을 기준으로 3 중량% 미만, 바람직하게는 1 중량% 미만, 그리고 가장 바람직하게는 0 중량%이고, 그리고/또는 상기 제1 및 상기 제3 최대 섬유 길이는 서로 독립적으로 최대 45 mm인, 필터 매체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 평균 직경은 0.4 내지 5 ㎛, 바람직하게는 0.6 내지 2.6 ㎛이고; 그리고/또는 상기 제2 최대 섬유 길이는 18 mm, 바람직하게는 10 mm, 더 바람직하게는 3 mm인, 필터 매체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 상기 제3 섬유는 서로 독립적으로 중합체 섬유 및 무기 섬유로 이루어진 군으로부터 선택되며, 상기 중합체 섬유는 바람직하게는 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리올레핀, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 및/또는 폴리아미드로부터 선택되고, 상기 무기 섬유는 바람직하게는 유리 섬유 가닥인, 필터 매체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 층 내의 상기 제1 섬유는 상기 제1 층의 총 섬유 중량을 기준으로 65 중량% 이상, 바람직하게는 80 중량% 이상의 양으로 존재하고; 그리고/또는 상기 제3 층 내의 상기 제3 섬유는 상기 제3 층의 총 섬유 중량을 기준으로 65 중량% 이상, 바람직하게는 80 중량% 이상의 양으로 존재하는, 필터 매체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1, 상기 제2 및/또는 상기 제3 층은 상기 제1, 상기 제2 및/또는 제3 층 각각의 총 중량을 기준으로 최대 50 중량%, 바람직하게는 2 내지 35 중량%, 더 바람직하게는 2 내지 25 중량%의 바인더 섬유(binder fiber)를 추가로 함유하는, 필터 매체.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 섬유는 합성 섬유 및 마이크로유리 섬유로 이루어진 군으로부터 선택되는, 필터 매체.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 층 내의 상기 제2 섬유는 상기 제2 층의 총 중량을 기준으로 10 중량% 이상, 바람직하게는 20 중량% 이상, 더 바람직하게는 30 중량% 이상의 양으로 존재하는, 필터 매체.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기재의 상부 상에 있는 상기 미세 섬유 층은 평균 섬유 직경이 3 ㎛ 미만인 미세 섬유를 포함하는, 필터 매체.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기재의 상부 상에 있는 상기 미세 섬유 층은 평균 섬유 직경이 1 ㎛ 미만; 바람직하게는 0.08 내지 0.8 ㎛, 가장 바람직하게는 0.1 내지 0.4 ㎛인 서브마이크로미터 섬유(sub-micronic fiber)를 포함하는, 필터 매체.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미세 섬유 층은 상기 제1 또는 제3 층의 상부 상에 침적되는, 필터 매체.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필터 매체는 상기 기재와 상기 미세 섬유 층 사이에 접착제를 포함하는, 필터 매체.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 서브마이크로미터 섬유는, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리카르보네이트, 폴리아미드 및 폴리비닐리덴 플루오라이드 서브마이크로미터 섬유로 이루어진 군으로부터 바람직하게 선택되는 중합체 섬유인, 필터 매체.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미세 섬유 층의 상부 상에 보호 층을 포함하는, 필터 매체.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 필터 매체의 제조 공정으로서,
    제1, 제2 및 제3 균질 슬러리를 제공하는 단계;
    상기 제1 슬러리를 탈수 스크린 상에 공급하여 제1 침적물을 형성하는 단계;
    상기 제2 슬러리를 상기 제1 침적물 상에 공급하여 상기 제1 침적물의 상부 상에 제2 침적물을 형성하는 단계;
    상기 제3 슬러리를 상기 제2 침적물 상에 공급하여 상기 제2 침적물의 상부 상에 제3 침적물을 형성하는 단계;
    상기 침적물들로부터 물을 제거하여 습윤 섬유질 매트 또는 시트를 형성하는 단계;
    가열하면서 상기 습윤 섬유질 매트 또는 시트를 건조시켜 기재를 형성하는 단계; 및
    상기 기재의 상부 상에 미세 섬유 층을 적용하는 단계를 포함하며,
    상기 제1 슬러리는 제1 섬유 평균 직경 및 제1 최대 섬유 길이를 갖는 제1 섬유 및 물을 포함하고;
    상기 제2 슬러리는 제2 섬유 평균 직경 및 제2 최대 섬유 길이를 갖는 제2 섬유 및 물을 포함하고;
    상기 제3 슬러리는 제3 섬유 평균 직경 및 제3 최대 섬유 길이를 갖는 제3 섬유 및 물을 포함하고;
    상기 제1 및 상기 제3 평균 직경은 각각 상기 제2 평균 직경보다 더 큰, 제조 공정.
  17. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 필터 매체를 포함하는, 필터 요소.
  18. 유체 여과 방법에서의 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 필터 매체 또는 제17항에 따른 필터 요소의 용도.
  19. 제17항에 있어서, HVAC 응용에서 사용하기 위한, 필터 요소.
  20. 제17항에 있어서, 가스 터빈 응용에서 사용하기 위한, 필터 요소.
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