KR20170021853A - 전하 증대 첨가제를 갖는 일렉트릿 웨브 - Google Patents

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KR20170021853A
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나탄 이 슐츠
푸밍 비 리
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 캄파니
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Abstract

일렉트릿 웨브(electret web)가 열가소성 수지 및 전하 증대 첨가제(charge-enhancing additive)를 포함한다. 전하 증대 첨가제는 융합된 방향족 티오우레아, 융합된 방향족 우레아 화합물, 또는 그들의 조합이다. 전하 증대 첨가제는 또한 장애형 아민 광 안정제 화합물을 포함할 수 있다. 일렉트릿 웨브는 부직 섬유 웨브(non-woven fibrous web) 또는 필름일 수 있다. 일렉트릿 웨브는 필터 매질(filter media)로서 사용하기에 적합하다.

Description

전하 증대 첨가제를 갖는 일렉트릿 웨브{ELECTRET WEBS WITH CHARGE-ENHANCING ADDITIVES}
본 발명은 전하 증대 첨가제(charge-enhancing additive)를 함유하는 부직 섬유 웨브(non-woven fibrous web), 예컨대, 부직 열가소성 미세섬유(microfiber) 웨브를 포함한 일렉트릿 웨브(electret web) 및 이의 용도에 관한 것이다.
일렉트릿은 반영구적인 전하를 나타내는 유전 재료이다. 일렉트릿은, 예를 들어 클링 필름(cling film), 공기 필터, 필터링 페이스피스(filtering facepiece), 및 마스크(respirator)를 비롯한 각종 장치에 유용하며, 전기음향 장치, 예컨대 마이크로폰, 헤드폰, 및 정전기 리코더의 정전기적 요소로서 유용하다.
에어로졸 여과를 위해 사용되는 미세섬유 웨브의 성능은 섬유에 전하를 부여하여, 일렉트릿 재료를 형성함으로써 개선될 수 있다. 특히, 일렉트릿은 에어로졸 필터의 입자 포획을 향상시키는 데 효과적이다. 미세섬유 웨브에 일렉트릿 재료를 형성하기 위한 다수의 방법이 알려져 있다. 이러한 방법은, 예를 들어, 멜트-블로운 섬유 형성시, 다이 오리피스로부터 방출될 때, 섬유에 전기적으로 대전된 입자, 예컨대 전자 또는 이온으로 충격을 가하는 것을 포함한다. 다른 방법은, 예를 들어, 웨브가 형성된 후에 섬유를 코로나 방전(corona discharge)에 의해 대전시키거나, 또는 카딩(carding) 및/또는 니들 태킹(needle tacking) (마찰 대전(tribocharging))에 의해 전하를 섬유 매트에 부여하는 것을 포함한다. 또한, 여과 증대 일렉트릿 전하를 제공하기에 충분한 압력에서 분사수(jet of water) 또는 수적류(stream of water droplet)를 부직 웨브에 충돌시키는 방법도 기술되어 있다 (하이드로대전(hydrocharging)).
다수의 재료가 중합체 조성물에 첨가되어 중합체 조성물의 특성을 개질한다. 예를 들어, 미국 특허 제5,914,186호 (야우(Yau) 등)에는, 적어도 1 마이크로미터의 직경을 갖는 미세입자 접착제가 기판 상에 코팅된 기판을 포함하는 내열성의 정전기 방지 감압 접착 테이프가 기술되어 있다. 미세입자는 중합체 전해질 기재 중합체, 적어도 1종의 알칼리 또는 알칼리 토금속의 이온성 염, 및 장애형 아민, 치환된 톨루이미다졸의 염 및 그들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 열 안정제로부터 형성된 전도성 코팅을 갖는다.
첨가제가 첨가된 일렉트릿의 예는 아미딘 또는 구아니딘 기를 함유하는 N-n-부틸카르밤산 3-9 요오도-2-프로피닐 에스테르, 및 2-(4-티아졸릴) 벤즈이미디졸을 기술하는 일본 특허 공개 제JP 08284063호, 및 장애형 아민 화합물, 질소 장애형 페놀 화합물, 금속 염 장애형 페놀 화합물, 페놀 화합물, 황 화합물, 및 인 화합물을 기술하는 PCT 공개 제WO 93/14510호에 기술된 바와 같은 항균성 첨가제를 갖는 일렉트릿을 포함한다. 일본 특허 공개 제JP 06254319호에는 대전량의 감쇠를 줄이기 위한 폴리올레핀 일렉트릿 중의 장쇄 유기산의 금속 염의 용도가 기술되어 있다. 유럽 특허 공개 제EP 623,941호에는 중합체 일렉트릿 중의 다양한 화학물질 부류로부터의 전하 제어제의 용도가 기술되어 있다. 미국 특허 제5,871,845호 (다링거(Dahringer) 등)에는 섬유-형성 중합체 또는 중축합물 또는 전자사진 공정을 위한 토너 중에 함유된 바와 같은 유기 또는 유기금속 전하 제어 화합물로 구성된 일렉트릿 섬유가 기술되어 있다.
고 안정성 일렉트릿의 제조 방법이 또한 기술되어 있는데, 예컨대 유럽 특허 공개 제EP 447,166호에는 전하를 적용하고, 그 후 가열하는 것을 적어도 두 사이클 번갈아 행하는 것을 포함하는 일렉트릿의 제조 방법이 기술되어 있고, 또한 극성 고분자량 화합물을 함유하는 일렉트릿이 기술되어 있으며, 미국 특허 제4,874,659호 (안도(Ando) 등)에는 비접촉식 전압-인가 전극과 접지 전극 사이에 섬유 시트를 배치하고, 전극들 사이에 전기를 공급하는 것을 포함하는 방법이 기술되어 있다.
본 발명은 일렉트릿 웨브 및 일렉트릿 필터 매질(electret filter media)을 기술한다. 일렉트릿 웨브는 부직 섬유 웨브 또는 필름일 수 있다. 일렉트릿 웨브는 열가소성 수지, 및 융합된 방향족 우레아 또는 티오우레아를 포함하는 전하 증대 첨가제를 포함한다. 일렉트릿 웨브는 필터 매질로서 사용하기에 적합하다.
특성이 개선된 일렉트릿 웨브가 필요하다. 본 발명은 전하 증대 첨가제를 함유하는 일렉트릿 웨브를 제공한다. 이러한 전하 증대 첨가제는 각종 상이한 대전 메커니즘, 예컨대, 마찰대전, 코로나 방전, 하이드로대전 또는 이들의 조합에 의해 대전시키기가 용이한 일렉트릿 웨브를 제공한다. 일부 실시 형태에서, 본 발명의 일렉트릿 웨브는 추가적인 대전 메커니즘을 필요로 하지 않으면서, 코로나 방전 단독, 특히 DC 코로나 방전에 의해서 대전될 수 있다.
본 발명에 유용한 일렉트릿 웨브는 열가소성 수지와 전하 증대 첨가제의 블렌드를 포함한다. 이러한 블렌드로부터 제조된 웨브는 열가소성 수지 단독으로 제조된 웨브에 비해 개선된 특성을 나타낼 수 있다. 유용한 전하 증대 첨가제는 융합된 방향족 우레아 또는 티오우레아를 포함한다. 추가로, 특히 융합된 방향족 우레아 전하 증대 첨가제와 함께, 특정 장애형 아민 광 안정제 화합물 (HALS)을 조합하여 사용하는 경우, 상승작용 효과가 관찰되었다. 상승작용 효과란, 전하 증대 첨가제의 조합의 효과가 개별적으로 사용된 전하 증대 첨가제 각각의 효과보다 더 큰 것을 의미한다.
일렉트릿 웨브는 다양한 형태로 존재할 수 있다. 예를 들어, 웨브는 연속 또는 불연속 필름, 또는 섬유 웨브일 수 있다. 섬유 웨브는 여과 매질의 형성에 특히 유용하다. 일부 실시 형태에서, 웨브는 부직 미세섬유 웨브이다. 전형적으로 미세섬유는 유효 직경 (또는 주사 전자 현미경법과 같은 방법에 의해 측정되는 경우 평균 직경)이 1 내지 100 마이크로미터, 또는 더욱 전형적으로 2 내지 30 마이크로미터이며 미세 섬유는 원형 단면을 갖지 않아도 된다.
단수형 용어("a", "an", 및 "the")는 기재되어 있는 요소들 중 하나 이상을 의미하도록 "적어도 하나"와 상호교환가능하게 사용된다.
용어 "일렉트릿"은 반영구적인 전하를 나타내는 재료를 지칭한다. 전하는 다양한 기술, 예컨대 하기에 더 상세하게 기재된 X-선 방전 시험에 의해서 특징지워질 수 있다.
용어 "알킬"은 포화 탄화수소인 알칸의 라디칼인 1가 기를 지칭한다. 알킬은 선형, 분지형, 환형, 또는 이들의 조합일 수 있으며, 전형적으로 1 내지 20개의 탄소 원자를 갖는다. 일부 실시 형태에서, 알킬 기는 1 내지 18개, 1 내지 12개, 1 내지 10개, 1 내지 8개, 1 내지 6개, 또는 1 내지 4개의 탄소 원자를 포함한다. 알킬기의 예로는 메틸, 에틸, n-프로필, 아이소프로필, n-부틸, 아이소부틸, tert-부틸 (t-부틸), n-펜틸, n-헥실, 사이클로헥실, n-헵틸, n-옥틸, 및 에틸헥실이 포함되나, 이에 한정되지 않는다.
용어 "헤테로알킬"은 헤테로원자를 포함하는 알킬 기를 지칭한다. 이러한 헤테로원자는 펜던트 원자, 예를 들어, 불소, 염소, 브롬, 또는 요오드와 같은 할로겐, 또는 카테나형(catenary) 원자, 예컨대, 질소, 산소 또는 황일 수 있다. 헤테로알킬 기의 예는 폴리옥시알킬 기, 예컨대 -CH2CH2(OCH2CH2)nOCH2CH3이다.
용어 "알콕시"는 유형 -OR의 기를 지칭하며, 여기서 R은 알킬, 치환된 알킬, 아릴, 또는 아르알킬 기이다.
용어 "치환된 알킬"은 탄화수소 골격을 따라 치환기를 포함하는 알킬 기를 지칭한다. 이러한 치환기는 알킬 기, 헤테로알킬 기 또는 아릴 기일 수 있다. 치환된 알킬 기의 일례로는 벤질 기가 있다.
용어 "아릴"은 연결되거나 융합될 수 있는 1 내지 5개의 고리를 포함하는 라디칼인 방향족 탄소환식 기를 지칭한다. 아릴 기는 알킬 기 또는 헤테로알킬 기로 치환될 수 있다. 아릴 기의 예에는, 페닐 기, 나프탈렌 기 및 안트라센 기가 포함된다. "융합된 방향족" 고리란 하나를 초과하는 화학 결합에 의해서 하나 이상의 다른 고리에 결합된 적어도 하나의 방향족 고리를 포함하는 고리 시스템을 의미한다. 본 발명에서, 융합된 방향족 고리는 적어도 하나의 방향족 고리 및 하나의 헤테로사이클릭 고리를 포함한다.
용어 "헤테로사이클릭 고리"는 고리 시스템 내에 또는 그것에 부착된 적어도 하나의 헤테로원자를 함유하는 탄소환식 고리를 지칭한다.
"중합체" 및 "중합체 재료"라는 용어는 둘 모두, 하나의 단량체로부터 제조되는 재료, 예컨대, 단일중합체, 또는 둘 이상의 단량체로부터 제조되는 재료, 예컨대, 공중합체 또는 삼원공중합체 등을 말한다. 마찬가지로, 용어 "중합하다"는 단일중합체, 공중합체 또는 삼원공중합체 등일 수 있는 중합체 재료의 제조 방법을 지칭한다. 용어 "공중합체" 및 "공중합체 재료"는 적어도 2종의 단량체로부터 제조되는 중합체 재료를 지칭한다.
용어 "실온" 및 "주위 온도"는 20℃ 내지 25℃ 범위의 온도를 의미하는 것으로 서로 교환가능하게 사용된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이 "핫 멜트 가공가능한"이라는 용어는 조성물이, 예를 들어, 열 및 압력에 의해 고체로부터 점성 유체로 변환될 수 있음을 말한다. 상기 조성물은 사실상 화학적으로 변환되거나, 분해되거나, 의도된 응용에 사용불가능하게 되지 않으면서 핫 멜트 가공될 수 있어야 한다.
달리 지시되지 않는 한, 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 특징부 크기, 양, 및 물리적 특성을 표현하는 모든 수치는 모든 경우에 용어 "약"에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 지시되지 않는 한, 설명된 수치들은 본 명세서에 개시된 교시 내용을 사용하여 원하는 특성에 따라 달라질 수 있는 근사치이다.
본 발명에 유용한 열가소성 수지는 웨브로 형성되어 대전되는 경우에 다량의 포획 정전기 전하(trapped electrostatic charge)를 보유할 수 있는 임의의 열가소성 비전도성 중합체를 포함한다. 전형적으로, 이러한 수지는 의도된 용도의 온도에서 DC (직류) 저항률이 1014 ohm-cm 초과이다. 포획 전하를 획득할 수 있는 중합체에는 폴리올레핀, 예컨대, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 및 폴리-4-메틸-1-펜텐; 폴리비닐 클로라이드; 폴리스티렌; 폴리카르보네이트; 폴리락타이드를 포함하는 폴리에스테르; 및 퍼플루오르화된 중합체 및 공중합체가 포함된다. 특히 유용한 재료로는 폴리프로필렌, 폴리-4-메틸-1-펜텐, 이들의 블렌드 또는 프로필렌 및 4-메틸-1-펜텐 중 적어도 하나로 형성된 공중합체를 들 수 있다.
적합한 열가소성 수지의 예에는 예를 들어, 폴리프로필렌 수지: 미국 텍사스주 어빙 소재의 엑손-모빌 코포레이션(Exxon-Mobil Corporation)으로부터 구매가능한 에스코렌(ESCORENE) PP 3746G; 미국 텍사스주 휴스턴 소재의 토탈 페트로케미칼즈 유에스에이 인코퍼레이티드(Total Petrochemicals USA Inc.)로부터 구매가능한 토탈(TOTAL) PP3960, 토탈 PP3860, 및 토탈 PP3868; 및 네덜란드 로테르담 소재의 라이온델바젤 인더스트리즈, 인코퍼레이티드(LyondellBasell Industries, Inc.)로부터 구매가능한 메토센(METOCENE) MF 650W; 및 폴리-4-메틸-1-펜텐 수지: 일본 도쿄 소재의 미츠이 케미칼스, 인코퍼레이티드(Mitsui Chemicals, Inc.)로부터 구매가능한 TPX-MX002가 포함된다.
전하 증대 첨가제는 융합된 방향족 우레아 또는 티오우레아이다. 이들 화합물은 하기에 도시된 화학식 1의 일반 구조식에 의해서 기술된다:
[화학식 1]
Figure pct00001
여기서, X = O인 경우, 그것은 우레아이고, X = S인 경우, 그것은 티오우레아이고, 기 R1 및 R2는 독립적으로 수소 원자, 또는 알킬 기를 포함하고; 기 R3, R4, R5, 및 R6은 독립적으로 수소 원자, 알킬, 아릴, 헤테로알킬, 치환된 알킬, 치환된 아릴, 또는 알콕시를 포함한다.
전형적으로, 융합된 방향족 티오우레아 전하 증대 첨가제는 기 R3, R4, R5, 및 R6 중 3개의 기가 수소 원자를 포함하고, 기 R3, R4, R5, 및 R6 중 1개의 기가 알킬 기를 포함하는 것을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 알킬 기는 메틸 기를 포함한다.
전형적으로, 융합된 방향족 우레아 전하 증대 첨가제는 기 R3, R4, R5, 및 R6 중 3개의 기가 수소 원자를 포함하고, 기 R3, R4, R5, 및 R6 중 1개의 기가 알킬 기를 포함하는 것을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 알킬 기는 메틸 기를 포함한다.
특히 적합한 전하 증대 첨가제의 예는 하기 화학식 2에 의해서 기술된 티오우레아 MTI, 및 하기 화학식 3에 의해서 기술된 우레아를 포함한다.
[화학식 2]
Figure pct00002
[화학식 3]
Figure pct00003
일부 실시 형태에서, 융합된 방향족 우레아 또는 티오우레아 전하 증대제와 장애형 아민 광 안정제 (HALS) 화합물의 조합이 융합된 방향족 우레아 또는 티오우레아 전하 증대제 자체보다 더 큰 전하 증대를 제공할 수 있다. HALS는 복잡한 입체 환경에 의해서 둘러싸인 아민 화합물의 널리 공지된 부류이다. 그것은 2,2,6,6-테트라메틸 피페리딘의 유도체이고, 대부분의 중합체의 광-유도된 분해에 대해서 매우 효율적인 안정제이다. 특히 적합한 HALS 화합물 중에는 독일 루드빅샤펜 소재의 바스프(BASF)로부터 입수가능한 "치마소르브(CHIMASSORB) 944" (폴리[[6-(1,1,3,3-테트라메틸부틸) 아미노]-s-트라이아진-2,4-디일][[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딜) 이미노] 헥사메틸렌 [(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딜) 이미노]])가 있다.
전하 증대 첨가제 또는 첨가제들의 조합은 임의의 적합한 양으로 첨가될 수 있다. 본 발명의 전하 증대 첨가제는 심지어는 비교적 소량에서도 효과적임을 발견하였다. 전형적으로, 전하 증대 첨가제 또는 첨가제들의 조합은 열가소성 수지 및 전하 증대 첨가제 또는 첨가제들 블렌드 중에, 블렌드의 총 중량을 기준으로 최대 약 10 중량%, 보다 전형적으로는 0.02 내지 5 중량% 범위의 양으로 존재한다. 일부 실시 형태에서, 전하 증대 첨가제 또는 첨가제들의 조합은 0.1 내지 3 중량%, 0.1 내지 2 중량%, 0.2 내지 1.0 중량%, 또는 0.25 내지 0.5 중량% 범위의 양으로 존재한다.
열가소성 수지 및 전하 증대 첨가제 또는 첨가제들의 조합의 블렌드는 널리 공지된 방법에 의해서 제조될 수 있다. 전형적으로, 블렌드는 용융 압출 기술을 사용하여 처리하므로, 배치(batch) 공정으로 블렌드를 예비블렌딩(preblend)하여 펠릿을 형성할 수 있거나, 또는 연속 공정으로 열가소성 수지 및 전하 증대 첨가제 또는 첨가제들을 압출기에서 혼합할 수 있다. 연속 공정이 사용되는 경우, 열가소성 수지 및 전하 증대 첨가제 또는 첨가제들을 고체로서 예비혼합하거나, 또는 압출기에 별도로 첨가하여 용융 상태에서 혼합할 수 있다.
예비블렌딩된 펠릿을 형성하는 데 사용될 수 있는 용융 혼합기의 예로는 분산 혼합(dispersive mixing), 분배 혼합(distributive mixing), 또는 분산 혼합과 분배 혼합의 조합을 제공하는 것들이 포함된다. 배치 방법의 예에는 브라벤더(BRABENDER) (예를 들어, 미국 뉴저지주 사우스 핵켄삭 소재의 씨.더블유. 브라벤더 인스트루먼츠, 인코퍼레이티드(C.W. Brabender Instruments, Inc.)로부터 구매가능한 브라벤더 프레프 센터(BRABENDER PREP CENTER)) 또는 밴버리(BANBURY) 내부 혼합 및 롤 밀링 기기 (예를 들어, 미국 코네티컷주 안소니아 소재의 파렐 컴퍼니(Farrel Co.)로부터 입수가능한 기기)를 사용하는 것들이 포함된다. 배치 혼합 후에, 생성된 혼합물을 즉시 켄칭하고(quenched) 후속 처리를 위해 혼합물의 용융 온도 미만으로 보관할 수 있다.
연속 방법의 예에는 단축 압출, 이축 압출, 디스크 압출, 왕복동식(reciprocating) 단축 압출, 및 핀 배럴(pin barrel) 단축 압출이 포함된다. 연속 방법은 분배 요소, 예컨대 캐비티 전달 혼합기(cavity transfer mixer) (예를 들어 영국 시루즈베리 소재의 라프라 테크놀로지, 리미티드(RAPRA Technology, Ltd.)로부터 구매가능한 CTM), 핀 혼합 요소 및 정적 혼합 요소 또는 분산 혼합 요소 (예를 들어 매드독(MADDOCK)으로부터 구매가능한 혼합 요소 또는 삭스톤(SAXTON)으로부터 구매가능한 혼합 요소)를 포함할 수 있다.
배치 방법에 의해 제조되는 예비블렌딩된 펠릿을 압출하는 데 사용될 수 있는 압출기의 예로는 연속 처리에 관하여 상기에 기재된 것과 동일한 유형의 기기가 포함된다. 유용한 압출 조건은 통상 첨가제 없이 수지를 압출하는 데 적합한 것이다.
열가소성 수지 및 전하 증대 첨가제 또는 첨가제들의 압출된 블렌드는 필름 또는 시트로 캐스팅 또는 코팅될 수 있거나, 또는 임의의 적합한 기술을 사용하여 섬유 웨브로 형성될 수 있다. 필름은 예를 들어, 미국 특허 제6,524,488호 (인슬레이(Insley) 등)에 기술된 방법에 의해서 여과 매질을 비롯한 다양한 물품으로 제조될 수 있다. 섬유 웨브는 예를 들어, 멜트-블로운 미세섬유, 스테이플 섬유, 피브릴화 필름 및 그들의 조합을 비롯한 다양한 섬유 유형으로부터 제조될 수 있다. 섬유 웨브의 제조 기술은 예를 들어, 에어 레이드 공정(air laid process), 습식 레이드 공정(wet laid process), 수력얽힘(hydro-entanglement), 스펀본드 공정(spunbond process), 멜트-블로운 공정 및 그들의 조합을 포함한다. 멜트-블로운 부직 미세섬유 웨브 및 스펀본드 부직 미세섬유 웨브가 여과 매질로서 특히 유용하다.
멜트-블로운 부직 미세섬유 일렉트릿 필터 및 스펀본드 부직 미세섬유 일렉트릿 필터는 마스크의 공기 필터 요소, 예컨대, 필터링 페이스피스로서, 또는 가정용 및 산업용 공기 컨디셔너, 공기 청정기, 진공청소기, 의료용 공기 라인 필터, 및 차량용 및 통상적인 기기, 예컨대 컴퓨터, 컴퓨터 디스크 드라이브 및 전자 기기를 위한 에어 컨디셔닝 시스템으로서의 목적을 위해서 특히 유용하다. 일부 실시 형태에서, 일렉트릿 필터는 마스크 조립체와 조합되어 개인에 의해 사용되도록 디자인된 호흡 기구를 형성한다. 마스크에 사용되는 경우에, 일렉트릿 필터는 성형되거나, 주름잡히거나, 또는 절첩된 반면형(half-face) 마스크, 교환식 카트리지 또는 캐니스터, 또는 프리필터(prefilter) 형태일 수 있다.
본 발명에서 유용한 멜트-블로운 미세섬유는 문헌 [Van A. Wente, "Superfine Thermoplastic Fibers," Industrial Engineering Chemistry, vol. 48, pp. 1342-1346] 및 문헌 [Report No. 4364 of the Naval Research Laboratories, published May 25, 1954, entitled "Manufacture of Super Fine Organic Fibers" by Van A. Wente et al.]에 기술된 바와 같이 제조될 수 있다.
스펀본드 미세섬유는, 예를 들어 미국 특허 제4,340,563호 및 제8,162,153호 및 미국 특허 공개 제2008/0038976호에 기술된 바와 같이 하나 이상의 연속식 중합체 무함유-섬유를 수집기 상에 압출하는 스펀본드 공정을 사용하여 형성될 수 있다.
섬유 일렉트릿 필터용으로 유용한 멜트 블로운 미세섬유 및 스펀본드 미세섬유는, 문헌[Davies, C. N., "The Separation of Airborne Dust and Particles," Institution of Mechanical Engineers, London, Proceedings 1B, 1952]에 설명된 방법에 따라 계산할 때, 전형적으로 유효 섬유 직경이 약 1 내지 100 마이크로미터, 더욱 전형적으로는 2 내지 30 마이크로미터이고, 일부 실시 형태에서는, 약 7 내지 15 마이크로미터이다.
스테이플 섬유가 또한 웨브에 존재할 수 있다. 스테이플 섬유의 존재는 통상 블로운 마이크로섬유만으로 된 웨브보다 더욱 로프티(lofty)하고 덜 치밀한 웨브를 제공한다. 일반적으로, 약 90 중량% 이하, 더 전형적으로는 약 70 중량% 이하의 스테이플 섬유가 존재한다. 스테이플 섬유를 함유하는 웨브의 예는 미국 특허 제4,118,531호 (하우저(Hauser))에 개시되어 있다.
흡착 미립자 물질(sorbent particulate material), 예컨대 활성탄 또는 알루미나가 또한 웨브에 포함될 수 있다. 이러한 입자는 웨브 내용물의 최대 약 80 체적%의 양으로 존재할 수 있다. 입자-로딩된 웨브의 예는 예를 들어, 미국 특허 제3,971,373호 (브라운(Braun)), 미국 특허 제4,100,324호 (앤더슨(Anderson)) 및 미국 특허 제4,429,001호 (콜핀(Kolpin) 등)에 기술되어 있다.
예를 들어, 안료, 광 안정제, 1차 산화방지제 및 2차 산화방지제, 금속 불활성화제, 핵화제, 장애형 아민, 장애형 페놀, 지방산 금속 염, 트라이에스테르 포스파이트, 인-함유 화합물, 황-함유 화합물, 불소-함유 화합물 및 그들의 조합을 비롯한 다양한 임의적인 첨가제가 열가소성 조성물과 블렌딩될 수 있다. HALS가 특히 적합한 안정제로서 이미 언급되어 있는데, 그 이유는 이들 첨가제의 사용은 안정제로서뿐만 아니라 전하 증대 첨가제로서도 역할을 할 수 있기 때문이다. 또한, 일부 예에서 산화방지제가 또한 전하 증대 첨가제로서 기능할 수 있다. 가능한 전하 첨가제는 열적으로 안정한 유기 트라이아진 화합물 또는 올리고머를 포함하며, 이 화합물 또는 올리고머는 트라이아진 고리 내의 것 외에도 적어도 하나의 질소 원자를 포함하고, 예를 들어, 루소(Rousseau) 등의 미국 특허 제6,268,495호, 제5,976,208호, 제5,968,635호, 제5,919,847호 및 제5,908,598호를 참고하기 바란다. 일렉트릿을 향상시킨다고 공지된 또다른 첨가제는 "치마소르브 944: 독일 루드빅샤펜 소재의 바스프로부터 입수가능한 (폴리[[6-(1,1,3,3-테트라메틸부틸) 아미노]-s-트라이아진-2,4-디일][[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딜) 이미노] 헥사메틸렌 [(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딜) 이미노]])이다. 전하 증대 첨가제는 독일 루드빅샤펜 소재의 바스프로부터 "유니눌(UVINUL) T-150"으로서 구매가능한 N-치환된 아미노 방향족 화합물, 특히 트라이-아미노 치환된 화합물, 예컨대 2,4,6-트라이아닐리노-p-(카르보-2'-에틸헥실-1'-옥시)-1,3,5-트라이아진일 수 있다. 다른 전하 첨가제는 트라이스테아릴 멜라민 ("TSM")으로도 알려진 2,4,6-트리스-(옥타데실아미노)-트라이아진이다. 전하 증대 첨가제의 추가의 예는 미국 특허 출원 제61/058,029호, 미국 특허 출원 제61/058,041호, 미국 특허 제7,390,351호 (레이어(Leir) 등), 미국 특허 제5,057,710호 (니시우라(Nishiura) 등), 및 미국 특허 제4,652,282호 및 제4,789,504호 (오모리(Ohmori) 등)에서 제공된다.
또한, 웨브는 화학적으로 그의 표면을 개질하도록 처리될 수 있다. 표면 플루오르화는 중합체 물품을 불소 함유 화학종과 불활성 기체를 포함하는 분위기에 배치하고, 그 후 중합체 물품 표면의 화학적 성질이 개질되도록 전기 방전을 인가함으로써 달성될 수 있다. 전기 방전은 AC 코로나 방전과 같은 플라즈마의 형태일 수 있다. 이러한 플라즈마 플루오르화 공정에 의해 불소 원자가 중합체 물품의 표면 상에 존재하게 된다. 플라즈마 플루오르화 공정은 다수의 미국 특허 제6,397,458호, 제6,398,847호, 제6,409,806호, 제6,432,175호, 제6,562,112호, 제6,660,210호, 및 제6,808,551호 (존스(Jones)/리온스(Lyons) 등))에 기술되어 있다. 높은 플루오로포화비(fluorosaturation ratio)를 갖는 일렉트릿 물품은 미국 특허 제7,244,291호 (스파츠(Spartz) 등)에 기술되어 있고, 헤테로 원자와 함께, 낮은 플루오로포화비를 갖는 일렉트릿 물품은 미국 특허 제7,244,292호 (키르크(Kirk) 등)에 기술되어 있다. 플루오르화 기술을 개시하는 다른 공보는 미국 특허 제6,419,871호, 제6,238,466호, 제6,214,094호, 제6,213,122호, 제5,908,598호, 제4,557,945호, 제4,508,781호 및 제4,264,750호와; 미국 특허 출원 공개 제2003/0134515 A1호 및 제2002/0174869 A1호와; 국제특허 공개 WO 01/07144호를 포함한다.
본 발명에 따라 제조된 일렉트릿 필터 매질은 일반적으로 평량 (단위 면적당 질량)이 약 10 내지 500 g/m2, 일부의 실시 형태에서는 약 10 내지 100 g/m2의 범위이다. 멜트-블로운 미세섬유 웨브를 제조함에 있어서, 평량은 예를 들어, 수집기 속도 또는 다이 스루풋을 변화시켜 조절될 수 있다. 필터 매질의 두께는 전형적으로 약 0.25 내지 20 밀리미터, 일부 실시 형태에서는, 약 0.5 내지 2 밀리미터이다. 다중 층의 섬유 일렉트릿 웨브가 통상 필터 요소에 사용된다. 섬유 일렉트릿 웨브의 고형성(solidity)은 전형적으로 약 1% 내지 25%, 더 전형적으로는 약 3% 내지 10%이다. 고형성은 웨브의 고체 분율을 정의하는 단위가 없는 파라미터이다. 일반적으로, 본 발명의 방법은 매질의 평량, 두께, 또는 고형도와 관계없이 웨브 전반에 일반적으로 균일한 전하 분포를 갖는 일렉트릿 웨브를 제공한다. 일렉트릿 필터 매질 및 이를 생성하기 위한 수지는 이의 전기 전도도를 증가시킬 수 있는 임의의 불필요한 처리, 예를 들어, 이온화 방사선, 감마선, 자외선 조사, 열분해, 산화 등에 대한 노출을 받아서는 안된다.
일렉트릿 웨브는 웨브가 형성될 때에 대전될 수 있거나, 웨브는 웨브가 형성된 후에 대전될 수 있다. 일렉트릿 필터 매질에서, 매질은 일반적으로 웨브가 형성된 후에 대전된다. 일반적으로, 본 기술 분야에 알려진 임의의 표준 대전 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 대전은 마찰대전, 코로나 방전 및 하이드로대전을 포함하는 다양한 방식으로 수행될 수 있다. 방법들의 조합이 또한 사용될 수 있다. 상기에 언급된 바와 같이, 일부 실시 형태에서, 본 발명의 일렉트릿 웨브는 추가적인 대전 방법을 필요로 하지 않으면서, 코로나 방전 단독, 특히 DC 코로나 방전에 의해서 대전될 수 있는 바람직한 특징을 갖는다.
적합한 코로나 방전 공정의 예는 미국 재발행 특허 제30,782호 (반 턴호우트(van Turnhout)), 미국 재발행 특허 제31,285호 (반 턴호우트), 미국 재발행 특허 제32,171호 (반 턴호우트), 미국 특허 제4,215,682호 (데이비스(Davis) 등), 미국 특허 제4,375,718호 (워즈워쓰(Wadsworth) 등), 미국 특허 제5,401,446호 (워즈워쓰 등), 미국 특허 제4,588,537호 (클라스(Klaase) 등), 미국 특허 제4,592,815호 (나카오(Nakao)), 및 미국 특허 제6,365,088호 (나이트(Knight) 등)에 기술되어 있다.
일렉트릿 웨브를 대전하는 데 사용될 수 있는 또 다른 기술은 하이드로대전이다. 웨브의 하이드로대전은 섬유에 전하를 부여하기에 충분한 방식으로 섬유를 물과 접촉시키고, 이어서 웨브를 건조함으로써 수행된다. 하이드로대전의 예는 웨브에 여과 증대 일렉트릿 전하를 제공하기에 충분한 압력으로 웨브 상에 물 제트 또는 수적(water droplet) 스트림을 충돌시키고, 이어서 웨브를 건조하는 것을 포함한다. 최적의 결과를 달성하는 데 필요한 압력은 사용된 분무기의 유형, 웨브를 형성하는 중합체의 유형, 중합체에 대한 첨가제의 유형 및 농도, 웨브의 두께 및 밀도, 및 전처리, 예컨대, 코로나 표면 처리가 하이드로대전 이전에 행해졌는지의 여부에 따라 달라진다. 일반적으로, 약 10 내지 500 psi (69 내지 3450 ㎪) 범위의 수압이 적합하다. 물 제트 또는 수적 스트림은 임의의 적합한 분무 장치에 의해서 제공될 수 있다. 유용한 분무 장치의 일례는 섬유를 유압으로 얽히게(hydraulically entangling) 하도록 사용되는 장치이다. 적합한 하이드로대전 방법의 예는 미국 특허 제5,496,507호(안가드지반트(Angadjivand) 등)에 기술되어 있다. 하이드로대전의 다른 방법은 미국 특허 제6,824,718호 (에이츠만(Eitzman) 등), 미국 특허 제6,743,464호 (인슬레이(Insley) 등), 미국 특허 제6,454,986호 (에이츠만 등), 미국 특허 제6,406,657호 (에이츠만 등), 및 미국 특허 제6,375,886호 (안가드지반트 등)에 기술되어 있다. 웨브의 하이드로대전은 또한 미국 특허 제7,765,698호 (세바스티안(Sebastian) 등)에 개시된 방법을 사용하여 수행될 수 있다.
여과 성능을 평가하기 위하여, 다양한 여과 시험 프로토콜이 개발되어 왔다. 이들 시험은 보통 필터 웨브를 통한 에어로졸 침투율의 퍼센트로서 나타내어지는, 다이옥틸프탈레이트 (DOP)와 같은 표준 챌린지 에어로졸을 사용한 필터 웨브의 에어로졸 침투율 (% Pen)의 측정 및 필터 웨브를 가로지르는 압력 강하 (ΔP)의 측정을 포함한다. 이들 두 측정치로부터, 품질 계수(quality factor; QF)로서 알려진 양을 하기 식에 의해 계산할 수 있다:
QF = - ln(% Pen/100)/ ΔP,
여기서 ln은 자연 로그를 나타낸다. 더 높은 QF 값은 더 우수한 여과 성능을 나타내며, 감소된 QF 값은 감소된 여과 성능과 유효하게 상관 관계가 있다. 이들 값을 측정하기 위한 세부 사항은 실시예 부분에 나타낸다. 전형적으로, 본 발명의 여과 매질은 6.9 센티미터/초의 면속도(face velocity)에서 측정된 QF 값이 0.3 (mm H2O)-1 이상이다.
특정 필터 매질이 자연적으로 정전기적으로 대전되는지를 확인하기 위하여, 이온화 X-선 방사에 노출 전 및 후에 그의 성능을 시험할 수 있다. 예를 들어, 문헌 [Air Filtration by R.C. Brown (Pergamon Press, 1993)] 및 문헌 ["Application of Cavity Theory to the Discharge of Electrostatic Dust Filters by X-Rays", A. J. WAKER and R. C. BROWN, Applied Radiation and Isotopes, Vol. 39, No. 7, pp. 677-684, 1988]에 기술된 바와 같이, 정전기적으로 대전된 필터가 X-선에 노출되는 경우, 필터를 통한 에어로졸의 침투는 노출 전보다 노출 후에 더 클 것인데, 그 이유는 섬유들 간의 기체 공동에서 X-선에 의해서 생성된 이온이 중화된 일부 전하를 가질 것이기 때문이다. 따라서, 누적 X-선 노출에 대한 침투율의 플롯이 얻어질 수 있으며, 이는 일정한 수준까지 꾸준한 증가를 나타내며 그 후의 추가적인 조사는 더 이상의 변화를 일으키지 않는다. 이 시점에서는, 모든 전하가 필터로부터 제거되어 있다.
이러한 관측은 여과 성능을 특성화하기 위한 다른 시험 프로토콜인 X-선 방전 시험의 채택으로 이어졌다. 이러한 시험 프로토콜에서는, 시험할 필터 매질의 선택된 조각을 X-선 방사에 노출시켜 일렉트릿 웨브를 방전시킨다. 이러한 시험의 한 가지 특징은 웨브가 일렉트릿임을 확인시켜 준다는 점이다. X-선은 일렉트릿 전하를 켄칭하는 것으로 알려져 있기 때문에, X-선에 대한 필터 매질의 노출 및 이러한 노출 전 및 후의 필터 성능의 측정 및 필터 성능의 비교는 필터 매질이 일렉트릿인지 아닌지를 나타낸다. X-선 방사에 노출된 후에 필터 성능이 변화되지 않는 경우, 이는 전하가 켄칭되지 않았으며 재료가 일렉트릿이 아님을 나타낸다. 그러나, X-선 방사에 노출된 후에 필터 성능이 감소된 경우, 이는 필터 매질이 일렉트릿임을 나타낸다.
시험이 진행될 때, 전형적으로, 여과 성능은 필터 매질이 X-선 방사에 노출되기 전 및 후에 측정된다. 하기 실시예 부분에 기재된 바와 같이, 여과 성능 시험 방법에 따라 시험 될 때, % 침투율비는 하기 식에 따라서 계산될 수 있다: % 침투율비 = (ln(초기 % DOP 침투율/100) / (ln(X-선 노출 60분 후의 % DOP 침투율))×100. 웨브가 필터로서의 용도에 충분한 전하를 갖기 위해서, % 침투율비는 전형적으로 적어도 300%이다. % 침투율비가 증가함에 따라, 웨브의 여과 성능이 또한 증가한다. 일부 실시 형태에서, % 침투율비는 적어도 400%, 500%, 또는 600%이다. 특히 바람직한 실시 형태에서, % 침투율비는 적어도 750% 또는 800%이다. 일부 실시 형태에서, 웨브는 적어도 1000%, 또는 적어도 1250%의 % 침투율비를 나타낸다.
초기 품질 계수 (X-선 노출 전)는 하기 실시예 부분에 기재된 바와 같은 여과 성능 시험 방법에 따라 시험할 때, 6.9 cm/s의 면 속도에 대해 전형적으로 적어도 0.3 (mm H2O)-1, 더욱 전형적으로 적어도 0.4 또는 심지어 0.5 (mm H2O)-1 이다. 일부 실시 형태에서, 초기 품질 계수는 적어도 0.6 또는 0.7 (mm H2O)-1이다. 다른 실시 형태에서, 초기 품질 계수는 적어도 0.8 (mm H2O)-1, 적어도 0.90 (mm H2O)-1, 적어도 1.0 (mm H2O)-1, 또는 심지어 1.0 (mm H2O)-1 초과이다. X-선 노출 60분 후의 품질 계수는 전형적으로 초기 품질 계수의 50% 미만이다. 일부 실시 형태에서, 초기 품질 계수는 적어도 0.5 (mm H2O)-1 이상이며 X-선 노출 60분 후의 품질 계수는 0.15 (mm H2O)-1 미만이다.
본 발명은 하기 실시 형태들을 포함한다.
실시 형태들 중에는 일렉트릿 웨브가 있다. 제1 실시 형태는 열가소성 수지; 및 융합된 방향족 티오우레아, 융합된 방향족 우레아 화합물, 또는 그들의 조합을 포함하는 전하 증대 첨가제를 포함하는 일렉트릿 웨브를 포함한다.
실시 형태 2는 부직 섬유 웨브를 포함하는 실시 형태 1의 일렉트릿 웨브이다.
실시 형태 3은 필름을 포함하는 실시 형태 1의 일렉트릿 웨브이다.
실시 형태 4는 융합된 방향족 티오우레아 화합물이, 하기 구조식 (a)를 갖는 화합물을 포함하는, 실시 형태 1 내지 실시 형태 3 중 어느 것의 일렉트릿 웨브이다:
(a)
Figure pct00004
상기 식에서, X = S이고; 기 R1 및 R2는 독립적으로 수소 원자, 또는 알킬 기를 포함하고; 기 R3, R4, R5, 및 R6은 독립적으로 수소 원자, 알킬, 아릴, 헤테로알킬, 치환된 알킬, 치환된 아릴, 또는 알콕시를 포함한다.
실시 형태 5는 기 R1 및 R2가 수소 원자를 포함하고; 기 R3, R4, R5, 및 R6 중 3개의 기가 수소 원자를 포함하고, 기 R3, R4, R5, 및 R6 중 1개의 기가 알킬 기를 포함하는, 실시 형태 4의 일렉트릿 웨브이다.
실시 형태 6은 융합된 방향족 티오우레아 화합물이, 하기 구조식 (c)를 갖는 화합물을 포함하는, 실시 형태 5의 일렉트릿 웨브이다:
(c)
Figure pct00005
실시 형태 7은 융합된 방향족 우레아 화합물이, 하기 구조식 (b)를 갖는 화합물을 포함하는, 실시 형태 1 내지 실시 형태 3 중 어느 것의 일렉트릿 웨브이다:
(b)
Figure pct00006
상기 식에서, X = O이고; 기 R1 및 R2는 독립적으로 수소 원자, 또는 알킬 기를 포함하고; 기 R3, R4, R5, 및 R6은 독립적으로 수소 원자, 알킬, 아릴, 헤테로알킬, 치환된 알킬, 치환된 아릴, 또는 알콕시를 포함한다.
실시 형태 8은 기 R1 및 R2가 수소 원자를 포함하고; 기 R3, R4, R5, 및 R6 중 3개의 기가 수소 원자를 포함하고, 기 R3, R4, R5, 및 R6 중 1개의 기가 알킬 기를 포함하는, 실시 형태 7의 일렉트릿 웨브이다.
실시 형태 9는 융합된 방향족 우레아 화합물이, 하기 구조식 (d)를 갖는 화합물을 포함하는, 실시 형태 8의 일렉트릿 웨브이다:
(d)
Figure pct00007
실시 형태 10은 전하 증대 첨가제가 적어도 1종의 장애형 아민 광 안정제 화합물을 추가로 포함하는, 실시 형태 1 내지 실시 형태 9 중 어느 것의 일렉트릿 웨브이다.
실시 형태 11은 열가소성 수지가 폴리올레핀; 폴리비닐 클로라이드; 폴리스티렌; 폴리카르보네이트; 또는 폴리에스테르를 포함하는, 실시 형태 1 내지 실시 형태 10 중 어느 것의 일렉트릿 웨브이다.
실시 형태 12는 전하 증대 첨가제 또는 첨가제들이 0.02 내지 5.0 중량%의 웨브를 포함하는, 실시 형태 1 내지 실시 형태 11 중 어느 것의 일렉트릿 웨브이다.
실시 형태 13은 웨브가 정전기 전하를 포함하며, 전하는 코로나 처리(corona treatment), 하이드로대전, 또는 그들의 조합을 통해서 부여되는, 실시 형태 1 내지 실시 형태 12 중 어느 것의 일렉트릿 웨브이다.
실시 형태 14는 안료, 광 안정제, 1차 산화방지제 및 2차 산화방지제, 금속 불활성화제, 핵화제, 장애형 아민, 장애형 페놀, 지방산 금속 염, 트라이에스테르 포스파이트, 인-함유 화합물, 황-함유 화합물, 불소-함유 화합물 및 그들의 조합으로부터 선택된 적어도 1종의 추가 첨가제를 추가로 포함하는 실시 형태 1 내지 실시 형태 13 중 어느 것의 일렉트릿 웨브이다.
또한 일렉트릿 필터 매질이 개시된다. 실시 형태 15는 열가소성 수지; 및 융합된 방향족 티오우레아, 융합된 방향족 우레아 화합물, 또는 그들의 조합을 포함하는 전하 증대 첨가제를 포함하는 웨브를 포함하는 일렉트릿 필터 매질이다.
실시 형태 16은 융합된 방향족 티오우레아 화합물이, 하기 구조식 (a)를 갖는 화합물을 포함하는, 실시 형태 15의 일렉트릿 필터 매질이다:
(a)
Figure pct00008
상기 식에서, X = S이고; 기 R1 및 R2는 독립적으로 수소 원자, 또는 알킬 기를 포함하고; 기 R3, R4, R5, 및 R6은 독립적으로 수소 원자, 알킬, 아릴, 헤테로알킬, 치환된 알킬, 치환된 아릴, 또는 알콕시를 포함한다.
실시 형태 17은 기 R1 및 R2가 수소 원자를 포함하고; 기 R3, R4, R5, 및 R6 중 3개의 기가 수소 원자를 포함하고, 기 R3, R4, R5, 및 R6 중 1개의 기가 알킬 기를 포함하는, 실시 형태 16의 일렉트릿 필터 매질이다.
실시 형태 18은 융합된 방향족 티오우레아 화합물이, 하기 구조식 (c)를 갖는 화합물을 포함하는, 실시 형태 17의 일렉트릿 필터 매질이다:
(c)
Figure pct00009
실시 형태 19는 융합된 방향족 우레아 화합물이, 하기 구조식 (b)를 갖는 화합물을 포함하는, 실시 형태 15의 일렉트릿 필터 매질이다:
(b)
Figure pct00010
상기 식에서, X = O이고; 기 R1 및 R2는 독립적으로 수소 원자, 또는 알킬 기를 포함하고; 기 R3, R4, R5, 및 R6은 독립적으로 수소 원자, 알킬, 아릴, 헤테로알킬, 치환된 알킬, 치환된 아릴, 또는 알콕시를 포함한다.
실시 형태 20은 기 R1 및 R2가 수소 원자를 포함하고; 기 R3, R4, R5, 및 R6 중 3개의 기가 수소 원자를 포함하고, 기 R3, R4, R5, 및 R6 중 1개의 기가 알킬 기를 포함하는, 실시 형태 19의 일렉트릿 필터 매질이다.
실시 형태 21은 융합된 방향족 우레아 화합물이, 하기 구조식 (d)의 화합물을 포함하는, 실시 형태 20의 일렉트릿 필터 매질이다:
(d)
Figure pct00011
실시 형태 22는 전하 증대 첨가제가 적어도 1종의 장애형 아민 광 안정제 화합물을 추가로 포함하는, 실시 형태 15 내지 실시 형태 21 중 어느 것의 일렉트릿 필터 매질이다.
실시 형태 23은 열가소성 수지가 폴리올레핀; 폴리비닐 클로라이드; 폴리스티렌; 폴리카르보네이트; 또는 폴리에스테르를 포함하는, 실시 형태 15 내지 실시 형태 22 중 어느 것의 일렉트릿 필터 매질이다.
실시 형태 24는 전하 증대 첨가제 또는 첨가제들이 0.02 내지 5.0 중량%의 웨브를 포함하는, 실시 형태 15 내지 실시 형태 23 중 어느 것의 일렉트릿 필터 매질이다.
실시 형태 25는 웨브가 정전기 전하를 포함하며, 전하는 코로나 처리, 하이드로대전, 또는 그들의 조합을 통해서 부여되는, 실시 형태 15 내지 실시 형태 24 중 어느 것의 일렉트릿 필터 매질이다.
실시 형태 26은 안료, 광 안정제, 1차 산화방지제 및 2차 산화방지제, 금속 불활성화제, 핵화제, 장애형 아민, 장애형 페놀, 지방산 금속 염, 트라이에스테르 포스파이트, 인-함유 화합물, 황-함유 화합물, 불소-함유 화합물 및 그들의 조합으로부터 선택된 적어도 1종의 추가 첨가제를 추가로 포함하는, 실시 형태 15 내지 실시 형태 25 중 어느 것의 일렉트릿 웨브이다.
실시 형태 27은 필터 매질이 X-선 방전 시험에 따라 시험할 때 6.9 센티미터/초의 면속도에서 % 침투율비가 적어도 300%인, 실시 형태 15 내지 실시 형태 26 중 어느 것의 일렉트릿 웨브이다.
실시 형태 28은 필터 매질이 X-선 방전 시험에 따라 시험할 때 6.9 센티미터/초의 면속도에서 초기 품질 계수가 적어도 0.3 (mm H2O)-1이고, X-선에 60분 동안 노출 후에는 그 품질 계수가 초기 품질 계수의 50% 미만인, 실시 형태 15 내지 실시 형태 27 중 어느 것의 일렉트릿 웨브이다.
실시 형태 29는 필터 매질이 71℃에서 72시간 노화 후에 품질 계수에 의해서 측정된 것과 같은 여과 성능을 적어도 85% 유지하는, 실시 형태 15 내지 실시 형태 28 중 어느 것의 일렉트릿 웨브이다.
실시예
이들 실시예는 단지 예시의 목적만을 위한 것이며 첨부된 청구범위의 범주를 제한하고자 하는 것은 아니다. 실시예 및 본 명세서의 나머지에서 모든 부, 백분율, 비 등은, 달리 언급되지 않는 한, 중량 기준이다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, mL = 밀리리터; mol = 몰; DI = 탈이온화된; N = 노르말; L = 리터; ㎏ = 킬로그램, g = 그램, cm = 센티미터; in = 인치; hr = 시간; m2 = 제곱미터; lb = 파운드; mm = 밀리미터; ㎪ = 킬로파스칼; Pa = 파스칼; mg = 밀리그램; s = 초; ㎥ = 세제곱미터이다.
약어표
Figure pct00012
첨가제 실시예
연구된 대전 첨가제는 하기 화학식 2로서 도시된 MTI (대전 첨가제-1) 및 하기 화학식 3으로서 도시된 대전 첨가제-2이다. MTI는 알티 반더빌트로부터 구매가능하고, 대전 첨가제-2는 합성 실시예 S1에서 하기에 기술된 바와 같이 합성하였다. 대전 첨가제-3은 바스프로부터 "치마소르브 944", 장애형 아민 광 안정제 (HALS)로서 구매가능하다.
[화학식 2]
Figure pct00013
[화학식 3]
Figure pct00014
합성예 S1 : 대전 첨가제-2의 합성:
대전 첨가제-2는 하기 반응식 1에 따라서 우레아를 3,4-다이아미노톨루엔과 축합시킴으로써 합성하였다.
[반응식 1]
Figure pct00015
1,3-다이아미노톨루엔 (1.23 mol) 150 그램, 우레아 (1.23 mol) 74 그램, 및 에틸렌 글리콜 400 mL 샘플을 질소 하에서 8시간 동안 150℃에서 환류시켰다. 혼합물을 냉각하고, 탈이온수(DI water) 2000 mL를 붓고, 밤새 방치하였다. 침전물을 진공 여과하고, 0.1 N HCl 1 L, 탈이온수 1 L, 및 90/10 탈이온수/메탄올 1 L로 순서대로 세척하였다. 수율은 60%였다. 다이아미노 출발 물질 및 생성물의 프로톤 NMR은 화학식 3의 구조와 일치하였다.
실시예 1 내지 실시예 44, 및 비교예 C1 내지 비교예 C15
실시예와 비교예의 각각의 경우, 후술하는 절차를 따랐다. 이들 실시예에 대한 데이터를 표 2 및 표 3에 나타낸다.
부직포 샘플 제조
단계 A - 미세섬유 부직 웨브 (멜트-블로운)의 제조:
각각의 실시예에 대해서, 상기에 기술된 대전 첨가제 중 하나를 선택하고, 표 1에 나타낸 농도의 4개 등급의 폴리프로필렌 중 하나와 건식 블렌딩하고, 블렌드를 문헌 [Van A. Wente, "Superfine Thermoplastic Fibers," Industrial Engineering Chemistry, vol. 48, pp. 1342-1346]에 기술된 바와 같이 압출하였다. 압출 온도는 약 250℃ 내지 300℃ 범위였고 압출기는 약 2.5 내지 3 ㎏/hr (5-7 lb/hr)의 속도로 작동하는 브라벤더 원추형 이축 압출기(BRABENDER conical twin-screw extruder) (브라벤더 인스트루먼츠, 인코퍼레이티드(Brabender Instruments)로부터 구매가능함)였다. 다이는 센티미터당 10개의 구멍 (인치당 25개의 구멍)을 가지며, 폭이 25.4 cm (10 in)였다. 평량이 약 50 내지 60 g/m2이고, 유효 섬유 직경이 약 6.5 내지 9.5 마이크로미터이고, 두께가 약 0.75 내지 2 밀리미터인 멜트-블로운 웨브를 형성하였다.
단계 B - 미세섬유 부직 웨브 (스펀-본드)의 제조:
미국 특허 공개 제2008/0038976호에 기술된 공정을 사용하여 상이한 PP 수지와 멜트 첨가제로부터 단성분 단층 부직 웨브를 제조하였다. 압출 헤드는 대략 900개 오리피스/미터의 선형 밀도를 갖는 패턴으로 구성된, 4:1 L/D(길이 대 직경) 비를 갖는 0.35 mm 직경의 오리피스들을 가졌다. 오리피스들은 이격되어 14 mm의 수집기 벨트의 이동 방향에 대해 90도 정렬된 밑변 및 9.5 mm의 높이를 갖는 인접하는 이등변 삼각형들을 형성하였으며, 구멍은 정점에 있었다. 13개 열의 구멍이 있었다. 용융된 PP 중합체의 유량은 대략 1.99 그램/오리피스/분이었으며, 이때 압출 온도는 대략 210 내지 260℃였다.
2개의 대향된 급랭 공기 스트림을 0.8 m/sec의 대략의 면 속도 및 주위보다 약간 냉각된 온도에서 높이 41 cm의 급랭 박스로부터 공급하였다. 0.51 mm의 에어 나이프 갭, 117 ㎪의 압력에서 에어 나이프에 공급되는 공기, 7.1 mm의 세장화기 상부 갭 폭, 7.1 mm의 세장화기 저부 갭 폭, 및 15 cm의 세장화 챔버 길이를 사용하는, 미국 특허 제6,607,624호 및 제6,916,752호에 도시된 것과 유사한 이동가능-벽 세장화기를 채용하였다. 압출 헤드로부터 세장화기까지의 거리는 대략 61 cm였고, 세장화기의 저부로부터 수집 벨트까지의 거리는 대략 66 cm였다. 대략 650 Pa의 진공이 수집 벨트 아래에 확립된 상태에서 멜트-스펀 필라멘트 스트림을 약 53 cm의 폭으로 수집 벨트 상에 침착하였다. 수집 벨트는 미국 뉴햄프셔주 로체스터 소재의 알바니 인터내셔널 코포레이션(Albany International Corp.)으로부터의 9 SS TC 모델이었고, 특정 속도 ("형성 속도")로 이동시켰다.
이어서, 수집된 멜트-스펀 부직 필라멘트의 집합체 (웨브)를 제어식-가열 결합 장치 아래로 통과시켜 필라멘트들 중 일부를 함께 자발 결합시켰다. 공기를 7.6 cm × 71 cm 출구 슬롯을 갖는 결합 장치를 통해 공급하였다. 공기 출구는 웨브가 결합 장치 아래를 통과할 때 수집된 웨브로부터 약 2.5 cm에 있었다. 가열 장치에 의해서 슬롯을 통과한 공기의 온도 및 속도를 제어하였다. 온도는 결합 장치의 하우징 내로의 가열된 공기에 대한 진입 지점에서 측정하였다. 웨브가 결합 장치 아래를 통과한 후에 주위 온도 공기를 웨브를 통해 강제로 취출하여, 웨브를 대략 주위 온도까지 냉각하였다.
생성된 부직 웨브를, 저장 롤 상에 권취되거나, 여과 장치로의 조립과 같은 다양한 작업을 가하는 것과 같이, 표준 공정 및 장비를 사용하여 취급가능하고 자립형이기에 충분한 완전성을 갖도록 결합하였다. 수집 벨트의 속도를 변화시킴으로써 생성되는 특정 평량에서 웨브를 수집하였다. 표 1에 기재된 바와 같이, 몇몇 상이한 웨브를 제조하였다.
단계 C - 일렉트릿 제조:
단계 A에서 제조된 멜트-블로운 웨브 각각 (실시예 1 내지 실시예 23, 및 비교예 C1 내지 비교예 C6) 또는 상기와 같이 단계 B에서 제조된 스펀-본드 웨브 각각 (실시예 24 내지 실시예 44, 및 비교예 C7 내지 비교예 C15)을 3종의 일렉트릿 대전 방법: 하이드로대전, 코로나 대전, 또는 코로나 예비-처리 및 하이드로대전 중 하나에 의해서 대전시켰다. 표 1은 각각의 샘플에 적용한 특정 대전 방법을 요약한다.
대전 방법 1 - 코로나 대전:
상기에 제조된 선택된 멜트-블로운 웨브를 DC 코로나 방전에 의해서 대전시켰다. 약 3 cm/sec의 속도로 방전원(discharge source) 길이 센티미터당 약 0.01 밀리암페어의 코로나 전류로 코로나 브러시 소스 하에 접지면에 웨브를 통과시킴으로써, 코로나 대전을 달성하였다. 코로나 공급원은 웨브가 운반되는 접지 표면 위로 약 3.5 cm에 있었다. 코로나 공급원은 양의 DC 전압에 의해 구동되었다.
대전 방법 2 - 하이드로대전:
전도도가 5 microS/cm 미만인 고순도 물의 미세 스프레이를, 896 킬로파스칼 (130 psig)의 압력 및 대략 1.4 리터/분의 유량에서 작동하는 노즐로부터 연속하여 발생시켰다. 진공에 의해 물을 아래로부터 웨브를 통과해 끌어 당기면서 동시에, 단계 A에서 제조된 선택된 멜트-블로운 웨브를 대략 10 센티미터/초의 속도로 물 스프레이를 통과해 다공성 벨트로 운반하였다. 각각의 멜트-블로운 웨브를 2회 (순차적으로 각 면에 1회씩) 하이드로대전기(hydrocharger)에 통과시킨 다음, 여과 시험 전에 하룻밤 동안 완전히 건조시켰다.
대전 방법 3 - 코로나 예비-처리 및 하이드로대전:
상기 단계 A에서 제조된 선택된 멜트-블로운 웨브를 대전 방법 1에 기재된 DC 코로나 방전으로 전처리한 다음에, 대전 방법 2에 기재된 하이드로대전으로 대전시켰다.
유사하게, 각각의 비교예에 대하여, 상응하는 실시예 웨브와 동일한 등급의 폴리프로필렌으로부터 멜트-블로운 웨브를 제조하였으나, 전하 첨가제는 첨가하지 않았다. 표 1은 각각의 실시예에 대한 특정 웨브 특성을 요약한다.
시험 방법
여과 성능 시험 방법, 부직 멜트-블로운 미세섬유 웨브
샘플을 %DOP 및/또는 %NaCl 에어로졸 침투율 (% Pen) 및 압력 강하 (ΔP)에 대해 시험하고, 품질 계수 (QF)를 계산하였다. 부직 미세섬유 웨브의 여과 성능 (% Pen 및 QF)은 챌린지 에어로졸로서 다이옥틸프탈레이트 (DOP) 또는 염화나트륨 (NaCl)을 이용하는 자동화 필터 시험기 AFT 모델 8127 (미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 티에스아이, 인코퍼레이티드(TSI, Inc.)로부터 입수가능함) 및 필터를 가로지르는 압력 강하 (ΔP (mm H2O))를 측정하는 MKS 압력 변환기를 이용하여 평가하였다. DOP 에어로졸은 상류 농도가 50 내지 200 mg/㎥이고, 타켓이 100 mg/㎥인 공칭 단분산 0.33 마이크로미터 질량 중위 (MMD) 직경(monodisperse 0.33 micrometer mass median diameter)이었다. NaCl 에어로졸 MMD는 상류 농도가 12 내지 20 mg/㎥이고, 타겟이 15 mg/㎥인 0.26이다. DOP 에어로졸의 경우 에어로졸 이온화기를 끄고, NaCl 에어로졸의 경우 에어로졸 이온화기를 켠 채로, 42.5 리터/분의 보정된 유량 (6.9 cm/s의 면속도) 또는 85 리터/분의 보정된 유량 (13.8 cm/s의 면속도)으로 필터 매질의 샘플을 통해서 에어로졸을 통과시켰다. 총 시험 시간은 23초 (15초의 증가 시간(rise time), 4초의 샘플 시간, 및 4초의 퍼지 시간)였다. DOP 에어로졸의 농도 및 NaCl 에어로졸의 농도는 보정된 광도계를 이용하여 필터 매질의 상류 및 하류 둘 모두에서 광 산란시킴으로써 측정하였다. DOP % Pen은 다음과 같이 정의된다: % Pen = 100ㅧ(DOP 농도 하류/DOP 농도 상류), NaCl의 대해서도 유사함. 각각의 재료에 대하여, 멜트-블로운 웨브의 상이한 위치에서 6회의 개별 측정을 행하고, 그 결과를 평균하였다.
% Pen 및 ΔP를 이용하여 하기 식에 의해 QF를 계산하였다:
QF = - ln(% Pen/100)/ ΔP,
여기서 ln은 자연 로그를 나타낸다. 더 높은 QF 값은 더 우수한 여과 성능을 나타내며, 감소된 QF 값은 감소된 여과 성능과 유효하게 상관 관계가 있다. 기타 환경에 노출되지 않은 그대로의 웨브의 품질 계수는 전형적으로 "Q0" 초기 품질 계수로 나타낸다.
가속 노화 성능
여과 성능의 안정성을 측정하기 위해, 가속 노화는 상이한 기간 동안 상이한 온도에서 보관한 후에 대전된 멜트-블로운 웨브의 초기 품질 계수를 이의 품질 계수와 비교함으로써 시험되었다.
한 시험에서, 웨브는 공기 중에서 71℃에서 72시간 동안 보관된다. 이러한 조건에서의 노화 후의 이러한 품질 계수는 전형적으로 "Q3"으로 나타낸다. 성능 유지력은 하기 식에 의해 계산된다:
% 유지력 (Q3) = (Q3 (71℃에서의 72시간 노화 후) / Q0 (초기) × 100%
[표 1]
Figure pct00016
Figure pct00017
[표 2]
Figure pct00018
Figure pct00019

Claims (22)

  1. 열가소성 수지; 및
    융합된 방향족 티오우레아, 융합된 방향족 우레아 화합물, 또는 그들의 조합을 포함하는 전하 증대 첨가제(charge-enhancing additive)
    를 포함하는 일렉트릿 웨브(electret web).
  2. 제1항에 있어서, 부직 섬유 웨브(non-woven fibrous web)를 포함하는 일렉트릿 웨브.
  3. 제1항에 있어서, 필름을 포함하는 일렉트릿 웨브.
  4. 제1항에 있어서, 상기 융합된 방향족 티오우레아 화합물이, 하기 구조식 (a)를 갖는 화합물을 포함하는, 일렉트릿 웨브:
    (a)
    Figure pct00020

    상기 식에서, X = S이고; 기 R1 및 R2는 독립적으로 수소 원자, 또는 알킬 기를 포함하고; 기 R3, R4, R5, 및 R6은 독립적으로 수소 원자, 알킬, 아릴, 헤테로알킬, 치환된 알킬, 치환된 아릴, 또는 알콕시를 포함한다.
  5. 제4항에 있어서, 상기 기 R1 및 R2가 수소 원자를 포함하고;
    상기 기 R3, R4, R5, 및 R6 중 3개의 기가 수소 원자를 포함하고, 상기 기 R3, R4, R5, 및 R6 중 1개의 기가 알킬 기를 포함하는, 일렉트릿 웨브.
  6. 제1항에 있어서, 상기 융합된 방향족 우레아 화합물이, 하기 구조식 (b)를 갖는 화합물을 포함하는, 일렉트릿 웨브:
    (b)
    Figure pct00021

    상기 식에서, X = O이고; 기 R1 및 R2는 독립적으로 수소 원자, 또는 알킬 기를 포함하고; 기 R3, R4, R5, 및 R6은 독립적으로 수소 원자, 알킬, 아릴, 헤테로알킬, 치환된 알킬, 치환된 아릴, 또는 알콕시를 포함한다.
  7. 제6항에 있어서, 상기 기 R1 및 R2가 수소 원자를 포함하고;
    상기 기 R3, R4, R5, 및 R6 중 3개의 기가 수소 원자를 포함하고, 상기 기 R3, R4, R5, 및 R6 중 1개의 기가 알킬 기를 포함하는, 일렉트릿 웨브.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전하 증대 첨가제가 적어도 1종의 장애형 아민 광 안정제 화합물을 추가로 포함하는, 일렉트릿 웨브.
  9. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 수지가 폴리올레핀; 폴리비닐 클로라이드; 폴리스티렌; 폴리카르보네이트; 또는 폴리에스테르를 포함하는, 일렉트릿 웨브.
  10. 제1항에 있어서, 상기 전하 증대 첨가제 또는 첨가제들이 상기 웨브의 0.02 내지 5.0 중량%를 차지하는, 일렉트릿 웨브.
  11. 제1항에 있어서, 상기 웨브가 정전기 전하를 포함하며, 상기 전하는 코로나 처리(corona treatment), 하이드로대전(hydrocharging), 또는 그들의 조합을 통해서 부여되는, 일렉트릿 웨브.
  12. 제1항에 있어서, 안료, 광 안정제, 1차 산화방지제 및 2차 산화방지제, 금속 불활성화제, 핵화제, 장애형 아민, 장애형 페놀, 지방산 금속 염, 트라이에스테르 포스파이트, 인-함유 화합물, 황-함유 화합물, 불소-함유 화합물 및 그들의 조합으로부터 선택된 적어도 1종의 추가 첨가제를 추가로 포함하는 일렉트릿 웨브.
  13. 열가소성 수지; 및
    융합된 방향족 티오우레아, 융합된 방향족 우레아 화합물, 또는 그들의 조합을 포함하는 전하 증대 첨가제
    를 포함하는 웨브를 포함하는 일렉트릿 필터 매질(electret filter media).
  14. 제13항에 있어서, 상기 융합된 방향족 티오우레아 화합물이, 하기 구조식 (a)의 화합물을 포함하는, 일렉트릿 필터 매질:
    (a)
    Figure pct00022

    상기 식에서, X = S이고; 기 R1 및 R2는 독립적으로 수소 원자, 또는 알킬 기를 포함하고; 기 R3, R4, R5, 및 R6은 독립적으로 수소 원자, 알킬, 아릴, 헤테로알킬, 치환된 알킬, 치환된 아릴, 또는 알콕시를 포함한다.
  15. 제14항에 있어서, 상기 기 R1 및 R2가 수소 원자를 포함하고;
    상기 기 R3, R4, R5, 및 R6 중 3개의 기가 수소 원자를 포함하고, 상기 기 R3, R4, R5, 및 R6 중 1개의 기가 알킬 기를 포함하는, 일렉트릿 필터 매질.
  16. 제13항에 있어서, 상기 융합된 방향족 우레아 화합물이, 하기 구조식 (b)를 갖는 화합물을 포함하는, 일렉트릿 필터 매질:
    (b)
    Figure pct00023

    상기 식에서, X = O이고; 기 R1 및 R2는 독립적으로 수소 원자, 또는 알킬 기를 포함하고; 기 R3, R4, R5, 및 R6은 독립적으로 수소 원자, 알킬, 아릴, 헤테로알킬, 치환된 알킬, 치환된 아릴, 또는 알콕시를 포함한다.
  17. 제16항에 있어서, 상기 기 R1 및 R2가 수소 원자를 포함하고;
    상기 기 R3, R4, R5, 및 R6 중 3개의 기가 수소 원자를 포함하고, 상기 기 R3, R4, R5, 및 R6 중 1개의 기가 알킬 기를 포함하는, 일렉트릿 필터 매질.
  18. 제13항에 있어서, 상기 전하 증대 첨가제가 적어도 1종의 장애형 아민 광 안정제 화합물을 추가로 포함하는, 일렉트릿 필터 매질.
  19. 제13항에 있어서, 상기 열가소성 수지가 폴리올레핀; 폴리비닐 클로라이드; 폴리스티렌; 폴리카르보네이트; 또는 폴리에스테르를 포함하는, 일렉트릿 필터 매질.
  20. 제13항에 있어서, 상기 전하 증대 첨가제 또는 첨가제들이 상기 웨브의 0.02 내지 5.0 중량%를 차지하는, 일렉트릿 필터 매질.
  21. 제1항에 있어서, 상기 웨브가 정전기 전하를 포함하며, 상기 전하는 코로나 처리, 하이드로대전, 또는 그들의 조합을 통해서 부여되는, 일렉트릿 필터 매질.
  22. 제13항에 있어서, 상기 웨브가, 안료, 광 안정제, 1차 산화방지제 및 2차 산화방지제, 금속 불활성화제, 핵화제, 장애형 아민, 장애형 페놀, 지방산 금속 염, 트라이에스테르 포스파이트, 인-함유 화합물, 황-함유 화합물, 불소-함유 화합물 및 그들의 조합으로부터 선택된 적어도 1종의 추가 첨가제를 추가로 포함하는, 일렉트릿 필터 매질.
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