KR20180059543A - 내열성이 우수한 필터 매체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내열성 및 여과효율이 개선된 필터 매체에 관한 것이다.

Description

내열성이 우수한 필터 매체
본 발명은 내열성 및 여과효율이 개선되어, 온도가 일반적으로 100℃ 내지 150℃인 자동차 연소 엔진의 오일 필터로 사용될 수 있는 필터 매체에 관한 것이다.
자동차의 연소 엔진용 필터 매체는 보통 수년간 공지되어 왔으며 기술문헌에 상세하게 기재되어 왔다. 연소 엔진은 오일을 윤활제로 사용하므로, 연소 엔진용 필터 매체는 보편적으로 엔진 내부에서 열적으로 분해되는 상당량의 오일, 금속 마모 및 기타 오염물(예컨대, 그을음)을 여과하여 연소 엔진의 윤활상태가 유지되도록 한다. 보편적으로, 이러한 필터 매체에서 합성 섬유는 오일을 여과하는데 필요한 고온 파열 강도를 제공하기 위해서 결합 수지로 함침되거나 낮은 융점의 바인더 섬유와 접착한다.
그러한 필터 매체의 한 가지 단점은 공지된 바인더 수지 또는 바인더 섬유가 보편적으로 낮은 융점을 가져, 100℃ 내지 150℃, 특히 140℃ 내지 150℃ 범위인 연소 엔진의 지배적인 고온 상태에서 이미 용융되는 점이다. 이러한 녹은 성분들은 필터의 기공을 막히게 하여 필터 성능을 열화시키고, 결국 더 낮아진 파열 강도로 인해 필터의 수명을 상당히 감소시킬 수 있다. 막힌 필터는 불가피하게 일반적인 서비스 주기 이전에 교체될 것이다. 이러한 문제점을 피하기 위해서, 필터 매체는 보편적으로 직경을 크게 하고 있으나, 그로 인해 필터 매체 및 연소 엔진 내부의 필요한 연결부품 모두에 대해서 더욱 고가의 재질 비용을 초래하고 있다.
저온 적용용으로 공지된 필터 매체의 또 다른 단점은 이들의 낮은 내열성으로 인해 연소 엔진의 지배적인 온도에서 변형 및 수축될 수 있어, 필터 매체의 파열 저항성을 감소시키고 다시 필터의 수명을 단축시키는 점이다. 더욱이, 통상의 필터 매체에서는 필터 표면을 증가시키는 필터 매체의 주름형 구조를 확보하기 위해서 지지성 와이어 메쉬(supporting wire meshes)를 종종 이용하고 있다. 이는 대부분의 필터 매체가 특히, 연소 엔진과 같은 고온하에서 저절로 주름형 구조를 유지할 수 없으므로 필요하다.
정상 또는 고온 가스용으로 공지된 필터 매체는 액체가 이들 필터 매체에 가하는 더 높은 힘을 견딜 수 없기 때문에 고온 액체 여과 적용에는 일반적으로 적합하지 않다.
본 발명자들은 상기 문제점들 및 관련된 기술적 과제가 필터 매체상에서 액체에 의해 가해지는 고온 및/또는 고압하에서 변하지 않는 기계적 및 화학적 성질을 가짐으로써 고온의 액체 여과 적용에 특히 적합한 필터 매체를 제공하는 것임을 인식하였다. 그러므로, 본 발명의 기초를 형성하는 목적은 자동차에서 오일 여과와 같은 고온 액체 적용을 위해 개선된 필터 매체를 제공하는 것이다. 이러한 배경에서, 본 발명은 상기에 기술한 바와 같은 공지된 필터 매체의 문제점을 해결하기 위해서 청구항 1에 따른 필터 매체를 제안한다.
특히, 적어도 150℃까지 내열성이 개선되어 변형 및 수축이 보다 적고, 이 온도에서 높은 파열 저항성 및 개선된 여과효율을 나타내는 필터 매체가 제공된다.
추가로, 본 발명에 따른 필터 매체는 다루기가 쉬우며, 주름화 이후에 주름형 구조를 이상적으로 유지한다.
본 발명은 청구범위에 따른 필터 매체에 관한 것이다. 또한, 본 발명에 따른 필터 매체를 포함하는 필터 부재 및 본 발명의 필터 매체를 제조하는 공정이 제공된다.
본 발명에 따른 필터 매체는 연소 엔진에서 오일과 같은 고온 액체의 개선된 여과에 특히 적합하다.
도 1은 DSC 측정을 이용하여 결정될 수 있는 관련된 온도 특징들을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 종래 기술에 따른 보편적인 오일 필터(1: 필터 매체, 2: 담체로서의 메쉬)를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 "자가-지지성(self-supporting)" 필터 매체(11: 주름형 필터 매체)를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 4는 코어-피복 구조를 갖는 바인더 섬유로부터 얻은 DSC 측정결과(1. 열시험: 위쪽 그래프; 1. 냉각 시험: 중간 그래프; 2. 열시험: 아래쪽 그래프; DSC 측정은 실시예 1에 기술된 바와 같이 수행함)를 나타낸 것이다.
상세한 설명 및 청구범위에 사용된 용어 "포함하는"은 "적어도 일부분을 이루고 있음"을 의미한다. 본원의 상세한 설명 및 청구범위에서 용어 "포함하는"이 포함된 서술을 해석할 때, 각 서술에서 이 용어에 의해 기술되는 특징 이외에 다른 특징이 존재할 수 있다. "포함시키다" 또는 "포함되다" 등의 관련된 용어도 유사한 방식으로 해석되어야 한다.
용어 "이루어진다"는 각 서술에서 상기 용어에 의해 기술되는 특징 이외에 다른 특징이 존재하지 않는 의미를 갖는다.
본 발명의 적어도 바람직한 구체예의 부가적 또는 대안적 목적은 공중에게 유용한 선택을 제공하는 것이다.
본원의 상세한 설명에서 인용된 특허, 기타 외부 문헌들, 또는 기타 정보 공급원은 일반적으로 본 발명의 특징을 논의하기 위한 맥락을 제공할 목적으로 제시된 것이다. 달리 구체적으로 언급하지 않는 한, 그러한 외부 문헌들 또는 정보 공급원의 인용이 이들이 어떠한 관할권에서도 당해 분야의 공통의 일반적인 지식의 종래 기술임을 허용하는 것으로 이해되어서는 안된다.
종속항 또는 바람직한 구체예에 기재된 특징들은 달리 명확하게 언급하지 않는 한 자유롭게 병합될 수 있다.
추가로, 본원에서 단수형 용어(즉, "a" 또는 "an")의 사용은 복수형을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본원에 기재된 각각의 수치 또는 범위는 +/- 10%까지 변형될 수 있음을 의미한다. 수치범위에서, 하한치는 10%까지 감소될 수 있고, 상한치는 10%까지 증가될 수 있음을 의미한다.
본 발명에 따르면, 앞서 기술된 문제점은 적어도 하나의 습식처리된(wet-laid) 섬유층을 포함하거나 상기 섬유층으로 이루어진 필터 매체에 의해 해결된다. 상기 섬유층은 (i) 융점이 155℃ 보다 높은 합성 중합체 섬유; 및 (ii) 코어-피복 구조를 갖는 바인더 섬유의 2가지 섬유를 포함하거나 이들로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 상기 바인더 섬유의 코어는 코어는 코어 중합체 물질을 포함하거나 이로 이루어지고, 이러한 코어는 적어도 부분적으로, 바람직하게는 완전히 상기 피복을 구성하는 피복 중합체 물질로 둘러싸이는 것을 특징으로 한다. 상기 코어 중합체 물질 및 상기 피복 중합체 물질 모두의 융점이 155℃ 보다 높고, 상기 피복 중합체 물질의 융점이 상기 코어 중합체 물질의 융점 보다 낮다. 상기 적어도 하나의 습식처리된 섬유층의 평균 기공 크기는 바람직하게는 20㎛ 이상, 더욱 바람직하게는 20㎛ 내지 200㎛의 범위, 더더욱 바람직하게는 30㎛ 내지 150㎛의 범위, 가장 바람직하게는 35㎛ 내지 125㎛의 범위이다.
이하에서는, 본 발명에 따른 필터 매체의 성분들, 본 발명에 따른 필터 부재 및 본 발명의 필터 매체를 제조하는 방법에 대해서 상세히 기술한다.
필터 매체
본 발명에 따른 필터 매체는 적어도 하나의 습식처리된 섬유층을 포함하거나 상기 섬유층으로 이루어진다. 부가의 섬유층들이 임의로 적용될 수 있다. "부직포(nonwoven)"는 상당 부분에서 완전히 또는 적어도 섬유들로 이루어진 직물이며, 본 발명에 따르면, 이들 섬유들이 하기에 기술되고, 세장비(slenderness ratio, 섬유 직경(mm) 대비 섬유 길이(mm)의 비)가 적어도 150인 섬유일 수 있다.
상기 섬유층은 (i) 합성 중합체 섬유; 및 (ii) 바인더 섬유의 2가지 섬유 성분을 포함하거나 이들로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 바람직하게, 상기 섬유층은 오로지 합성 섬유 및 바인더 섬유로 이루어진다. 바람직하게, 상기 섬유층은 오로지 피브릴화되지 않은 합성 섬유 및 바인더 섬유를 이루어진다. 대안적으로, 적어도 하나의 습식처리된 섬유층 (또는 습식처리된 부직포)는 페놀 수지, 아크릴 수지, 멜라민 수지, 실리콘 수지, 플루오로카본 수지/플루오로 중합체, 에폭시 수지 및/또는 이들의 혼합물과 같은 바인더 수지를 포함할 수 있다. 가능한 경우, 상기 적어도 하나의 습식처리된 섬유층은 상기 바인더 수지로 함침되거나 포화될 수 있다. 일부 구체예에서, 상기 바인더 수지의 농도는 상기 습식처리된 섬유층의 10 내지 30 중량%, 바람직하게는 15 내지 23 중량%일 수 있다.
상기 습식처리된 섬유층은 임의로 당해 분야에 공통적인 적어도 하나의 첨가제를 포함할 수 있다.
이하에서는, 상기 합성 중합체 섬유 및 바인더 섬유에 대해서 상세히 기술한다.
합성 중합체 섬유
상기 합성 중합체 섬유는 이론적으로 155℃ 보다 높고, 바람직하게는 180℃ 보다 높고, 더욱 바람직하게는 200℃ 보다 높고, 가장 바람직하게는 230℃ 보다 높은 융점을 갖는다.
본원에서 사용된 용어 "융점"은 시차 주사 열량 분석법(differential scanning calorimetry, DSC)으로 측정된 흡열 최대 피크 온도(Tmax)를 의미한다(도 1 참조). DSC로 측정되는 융점 및 기타 모든 온도 특징들은 실시예에서 기술되는 바와 같이, 바람직하게는 DSC 조건에서 결정된다.
본원에서 사용된 용어 "합성 섬유"는 천연 공급원의 물질로부터 수득가능한 천연 섬유와 구별하기 위해 사용된다. 그러므로, 합성 섬유들은 단량체 부분들의 중합에 의해 합성된 중합체 물질, 천연 섬유의 재생에 의해 수득되는 섬유, 예를 들어 용매에 용해시킨 후 재생하여 얻은 섬유, 및 (마이크로-) 유리 섬유들을 포함한다.
본원에서 사용된 용어 "섬유" (또는 "스테이플 섬유")는 필라멘트, 즉 평균 섬유 길이가 45mm 보다 긴 섬유들과 구별하기 위해 사용된다.
본 발명에서 사용하기에 적합한 합성 중합체 섬유는 바람직하게 하기 리스트로부터 선택된다: 폴리에스테르류(예컨대, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT) 등과 같은 폴리알킬렌 테레프탈레이트); 폴리알킬렌류(예컨대, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등); 폴리아크릴로니트릴류(PAN); 폴리아미드(예컨대, 나일론-6, 나일론-6.6, 나일론-6.12 등과 같은 나일론); 및/또는 그 혼합물. 바람직한 구체예에서, 상기 합성 섬유는 열가소성 중합체 또는 열가소성 중합체들의 혼합물을 포함하거나 이들로 이루어진다. 상기 합성 섬유는 더욱 바람직하게는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 포함하거나 이로 이루어진다.
바람직하게, 상기 합성 섬유는 스테이플 섬유이다.
일 구체예에서, 상기 합성 중합체 섬유의 함량은 상기 적어도 하나의 섬유층에서 섬유들의 전체 함량을 기준으로, 10 내지 50 중량%, 바람직하게는 20 내지 40 중량%, 더욱 바람직하게는 25 내지 35 중량%의 범위일 수 있다. 대안적으로, 상기 합성 중합체 섬유의 함량은 적어도 하나의 섬유층에서 섬유들의 전체 함량을 기준으로, 10 내지 90 중량%, 바람직하게는 30 내지 80 중량%, 예컨대 30, 40, 50, 60, 70 또는 80 중량%일 수 있다.
상기 합성 중합체 섬유는 3 내지 15 mm, 예컨대 3 내지 7 mm, 바람직하게는 4 내지 6 mm 범위의 평균 섬유 길이를 갖는다. 상기 평균 섬유 길이는 현미경 분석(현미경 모델: NIKON ECLIPSE ME600; 배율: 100x)을 통해 측정된다. 상기 합성 중합체 섬유는 3.3 내지 10 ㎛, 바람직하게는 4.5 내지 6.5 ㎛ 범위의 평균 섬유 직경을 가지며, 이는 현미경 분석(현미경 모델: NIKON ECLIPSE ME600; 배율: 100x)을 통해 측정된다.
추가로, 상기 합성 중합체 섬유는 0.1 내지 1.0 g/9000m, 바람직하게는 0.2 내지 0.6 g/9000m 범위의 선형 질량 밀도를 가지며, 이는 ASTM D 1577에 따라 측정된다.
바인더 섬유
바인더 섬유, 특히 이성분(bicomponent) 바인더 섬유가 본 발명에 따른 필터 매체의 상기 적어도 하나의 섬유층의 섬유들을 결합하는데 사용된다. 이러한 바인더 섬유는 열가소성 코어 중합체 물질을 포함하며 상기 열가소성 코어 중합체 물질은 이보다 융점이 낮은 열가소성 피복 중합체 물질의 용융가능한 표면층에 의해 적어도 부분적으로, 바람직하게는 완전히 둘러싸인다.
본원에서 사용된 용어 "바인더 섬유"는 코어-피복 구조를 갖고 바람직하게는 필터 매체중의 합성 섬유 보다 융점이 낮은 섬유로서 이해되어야 하며, 상기 바인더 섬유는 열 및/또는 압력 하에서 바인더로서 작용한다. 이는 열 및/또는 압력 하에서 열적으로 결합하는 성분으로서 피복 중합체 물질이 적어도 부분적으로 용융되어 매트릭스 섬유로서 합성 중합체 섬유 및 바인더 섬유의 코어 중합체 물질을 결합함으로써 달성된다.
본 발명에 따르면, 바인더 섬유, 즉 피복 및 코어 중합체 물질들의 융점은 적어도 155℃이고, 상기 피복 중합체 물질의 융점은 상기 코어 중합체 물질의 융점 보다 낮다. 이 차이는 바람직하게는 20℃ 보다 크고, 특히 50℃ 또는 75℃ 보다 크다. 용어 "융점"은 앞서 언급한 바와 같은 흡열 최대 피크 온도(Tmax)를 의미한다(도 1 참조).
바람직한 구체예에서, 상기 코어 중합체 물질의 융점은 200℃ 보다 높고, 바람직하게는 230℃ 보다 높고, 더욱 바람직하게는 250℃ 보다 높다. 특히, 상기 코어 중합체 물질의 융점, 즉 피크 온도(Tmax)는 DSC에 따라 측정시, 바람직하게 257℃이다. 상기 DSC 특정은 바람직하게는 실시예에서 기술한 바와 같은 DSC 조건하에 수행된다.
바람직한 구체예에서, 상기 피복 중합체 물질의 융점은 적어도 155℃이고, 바람직하게는 적어도 160℃이고, 더욱 바람직하게는 적어도 165℃이며, 예컨대 155℃ 내지 180℃, 바람직하게는 160℃ 내지 170℃이다.
상기 피복 중합체 물질은 DSC를 이용한 측정시, 용융 시작 온도(Tm onset)가 바람직하게는 적어도 130℃, 더욱 바람직하게는 적어도 135℃이다. 예를 들어, ISO 11357-3:1999(E)를 참조할 때, 공통적으로 기술되는 바에 따르면, 용어 "용융 시작 온도(Tm onset)"는 DSC로 측정시, 용융 시작에 대한 곡선의 가역점이 용융 전이 곡선의 추정 바탕선을 컷트하는 온도를 의미한다(도 1 참조). DSC에 의해 측정되는 상기 용융 시작 온도(Tm onset) 및 기타 모든 온도 특징들은 실시예에 기술되는 바와 같이, 바람직하게는 DSC 조건에서 결정된다.
상기 피복 중합체 물질은 DSC를 이용한 측정시, 용융 종결 온도(Tm end)가 바람직하게 적어도 160℃, 바람직하게는 적어도 170℃, 더욱 바람직하게는 적어도 180℃이다. 예를 들어, ISO 11357-3:1999(E)를 참조할 때, 공통적으로 기술되는 바에 따르면, 용어 "용융 종결 온도(Tm end)"는 DSC로 측정시, 용융 종결에 대한 곡선의 가역점이 용융 전이 곡선의 추정 바탕선을 컷트하는 온도를 의미한다(도 1 참조). DSC에 의해 측정되는 상기 용융 종결 온도(Tm end)는 실시예에 기술되는 바와 같이, 바람직하게는 DSC 조건에서 결정된다.
바람직하게, 상기 피복 중합체 물질은 20% 내지 80%, 바람직하게는 25% 보다 큰, 예컨대 25% 내지 60% 또는 30 내지 50% 범위의 결정화도를 갖는 것을 특징으로 하며, 이는 X-선 회절에 의해 측정된다(참조문헌: European Pharmacopoeia, 8th edition, 2014, chapter 2.9.33: "Characterization of crystalline and semi-crystalline solids using XRPD"). 상기 용어 "결정화도" (또는 "결정성" 또는 "결정성 정도")는 상기 바인더 섬유의 반-결정성(semi-cyrstalline) 중합체의 결정성 부분을 의미한다.
본 발명에 따르면, 상기 피복 중합체 물질은 DSC를 이용한 측정시, 용융 시작 온도(Tm onset)와 용융 종결 온도(Tm end)의 차이가 바람직하게는 적어도 30℃, 더욱 바람직하게는 적어도 35℃, 가장 바람직하게는 적어도 40℃, 45℃, 50℃ 또는 60℃이다. 이러한 차이는 상기 피복 중합체 물질의 용융 범위 (또는 "용융 간격")을 의미하고, 한편으로는 앞서 정의한 바와 같은 용융 시작 온도(Tm onset), 및 다른 한편으로는 용융 종결 온도(Tm end)에 의해 특징지어진다(도 1 참조).
따라서, 상기 바인더 섬유는 이의 코어-피복 구조로 인해 2개의 흡열성 DSC 피크를 나타내며, 이들 피크는 코어 중합체 물질 및 피복 중합체 물질에 해당될 수 있다(도 4 참조). 이들 2개의 피크는 바람직하게는 앞서 정의되고 구체화된 바와 같이 코어 및 피복의 중합체 물질들에 대한 Tmax, Tm onset 및 Tm end의 온도 특징들에 의해 특징지어 진다.
바람직하게, 본 발명에 따른 필터 매체는 피복 부분이 완전한 무정형인 바인더 섬유를 포함하지 않는다.
바람직한 구체예에서, 코어-피복 구조를 갖는 바인더 섬유의 결정화 온도는 DSC를 이용한 측정시, 140℃ 내지 180℃의 범위, 예컨대 160℃이다. 용어 "결정화 온도"는 DSC를 이용하여 측정되는 발열 최대 피크 온도를 의미한다.
상기 바인더 섬유의 유리전이온도(Tg)는 DSC를 이용한 측정시, 바람직하게는 적어도 50℃, 더욱 바람직하게는 적어도 55℃ 또는 60℃이다. 용어 "유리전이온도"는 (초기에 고체인) 바인더 섬유가 라텍스(latex) 형태 또는 점성의 용융물로 전환되는 온도를 의미한다.
바람직하게, 상기 바인더 섬유의 코어 중합체 물질은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 포함하거나 이로 이루어진다. 상기 피복 중합체 물질은 바람직하게 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 1,4-부탄디올, 폴리테트라메틸렌 글리콜 및 아디프산의 코-폴리에스테르를 포함하거나 이로 이루어진다.
바람직하게, 상기 바인더 섬유는 스테이플 섬유이다.
상기 바인더 섬유의 함량은 적어도 하나의 섬유층에서 섬유들의 전체 함량을 기준으로, 10 내지 90 중량%, 예컨대 50 내지 90 중량%, 바람직하게는 60 내지 80 중량%, 더욱 바람직하게는 65 내지 75 중량%의 범위이다.
상기 바인더 섬유는 4 내지 8 mm, 바람직하게는 5 내지 7 mm 범위의 평균 섬유 길이를 갖는다. 상기 평균 섬유 길이는 현미경 분석(현미경 모델: NIKON ECLIPSE ME600; 배율: 100x)을 통해 측정된다. 상기 바인더 섬유는 10 내지 23 ㎛, 바람직하게는 12 내지 22 ㎛ 범위의 평균 섬유 직경을 가지며, 이는 현미경 분석(현미경 모델: NIKON ECLIPSE ME600; 배율: 100x)을 통해 측정된다.
추가로, 상기 바인더 섬유는 ASTM D 1577에 따라 측정시, 1 내지 5 g/9000 m, 바람직하게는 1.5 내지 4.5 g/9000 m 범위의 선형 질량 밀도를 갖는다.
필터 매체의 성질
본 발명에 따른 필터 매체는 기계적 물성이 우수하다. 바람직하게, 상기 필터 매체의 기본 중량은 120 내지 250 g/m2, 바람직하게 130 내지 180 g/m2(DIN EN 29073-1(부직포))이다. 125Pa의 차압(differential pressure)에서의 공기 투과도는 적어도 320 l/m2s 또는 30 내지 250 cfm, 바람직하게는 30 내지 200 cfm(DIN EN ISO 9237)이다. 바람직하게, 본 발명에 따른 필터 매체의 파열 강도는 4bar 보다 크고, 바람직하게는 5bar 보다 크고, 더욱 바람직하게는 6bar 보다 크고, 가장 바람직하게는 7bar 보다 크다(EN ISO 2758). 더욱이, 상기 필터 매체는 주름형일 수 있으며, 그 형태가 바람직하게는 5% 이하의 수축을 부가적으로 초래하는 150℃의 공기 온도하에서 24시간 저장 후에 상당한 변형 없이 유지된다. 본 발명에 따른 필터 매체의 오일 여과 효율은 20㎛ 크기의 입자에 대해서 50% 이상, 바람직하게는 80% 이상, 더욱 바람직하게는 85% 이상(ISO 4548-12)이다. 본 발명에 따른 필터 매체의 강성도(stiffness)는 1800 내지 5500 mg(ASTM 6125-97)이다.
놀랍게도, 상기 필터 매체는 유사한 기계적 물성을 갖는 종래의 필터 매체에 비해 개선된 내열성 및 여과효율을 갖는다.
필터 매체의 제조방법
본 발명에 따른 필터 매체는 하기의 습식처리 공정으로 제조된다:
제1 단계에서, 앞서 정의한 바와 같은 합성 섬유 및 바인더 섬유를 물에서 혼합함으로써 균일한 수(水) 중 슬러리를 제공한다.
앞서 정의한 바와 같은 합성 섬유 및 바인더 섬유는 이하에서 "섬유 성분들"로 언급한다.
제2 단계에서, 상기 균일한 섬유 성분들을 이어서 혼합한다. 상기 혼합물은 일반적인 혼합 장치를 이용하여 제조한다. 임의로, 섬유 성분들은 동시에 첨가되어 혼합된다.
이후, 제2 단계의 섬유 성분들의 혼합물을 탈수 스크린상에 공급한다. 상기 스크린은 제지 공정에서 통상적으로 사용되는 어떠한 스크린일 수 있다. 바람직하게, 상기 스크린은 탈수 엔드리스(endless) 스크린이다. 상기 슬러리의 공급 (또는 코팅)시에, 침착물이 상기 스크린 상에 형성된다. 상기 공급은 종래 기술에 통상적인 방식으로 수행될 수 있다.
상기 슬러리의 침착 과정 또는 그 이후에, 물을 제거하여 습식 섬유질 매트 또는 시트를 형성한다. 이어서, 상기 습식 섬유질 매트 또는 시트를 상기 습식 섬유질 매트 또는 시트를 적어도 상기 바인더 섬유의 피복 중합체 물질의 융점에 상응하고 상기 바인더 섬유의 코어 중합체 물질의 융점 보다 낮은 온도로 가열하는 동안 건조한다. 바람직하게, 상기 건조는 100℃ 내지 200℃, 더욱 바람직하게는 120℃ 내지 180℃, 가장 바람직하게는 145℃ 내지 175℃의 온도 범위에서 수행된다. 이러한 방식으로, 섬유들의 결합 (또는 "본딩")이 바인더 섬유의 코어 중합체물질과 합성 섬유를 연결하는 바인더 섬유의 피복 중합체 물질을 단지 융합시킴으로써 달성된다.
상기 건조 과정에서, 섬유층은 적합한 물결모양으로 바람직하게 제공될 수 있다.
몇몇 구체예에서, 종래 기술에 통상적으로 알려진 바인더 수지로의 함침은 수행되지 않는다.
부가 단계에서, 이와같이 수득된 필터 매체는 임의로 롤상에 권취될 수 있다.
필터 부재
본 발명에 따르면, 필터 부재가 유사한 방식으로 제조된다. 구체적으로, 이러한 필터 부재는 튜브형 지지체, 상기 지지체 위에 배치되는 앞서 정의한 바와 같은 주름형 필터 매체 및 상기 필터 매체의 전면(front side)에 배치되는 끝단 캡(end cap)을 포함하고, 상기 끝단 캡은 필터 매체로 접착되거나 열-밀봉된다. 본 발명에 따르면, 상기 필터 매체는 임의로 저지성 담체로서 와이어 메쉬와의 조합으로 필터 부재에서 주름을 형성함으로써 여과 표면을 증가시킨다. 구체적으로, 주름형성 또는 ("접힘")은 스탠드 업(stand-up) 주름(또한 지그재그 접힘으로 언급함)으로 수행된다. 종래 기술에 알려진 주름형성 공정으로, 예를 들어 나이프 주름형성 기계 및 윤전기(rotary press)를 이용하여 주렴형성을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 필터 매체는 용이하게 주름 형성되고 "자가 지지성(self supporting)", 즉 지지체로서 통상적으로 사용되는 와이어 또는 와이어 메쉬 없이 다루어질 수 있는 점이 특징이며, 예를 들어 연소 엔진에서 지배적인 온도 조건하에서도 주름화 이후 주름형태를 기본적으로 유지한다. 와이어에 의해 지지되는 종래 기술의 필터 매체가 도 2에 도시되어 있다. 한 가지 구체예에서, 주름형의 필터 매체는 30° 미만, 바람직하게는 25° 미만의 날까로운 각도를 갖는 주름 형태일 수 있다(도 3에 개략적으로 표시한 본 발명에 따른 필터 매체 참조). 이는 필터 매체를 간단히 다룰 수 있게 하며, 특히 재료 비용이 덜 들게 하고 필터 부재의 경량 구성을 가능케 한다.
놀랍게도, 본 발명에 따른 필터 매체는 심지어 오일 접촉 후, 특히 연소 엔진과 같이 적어도 150℃까지의 온도를 갖는 뜨거운 오일과의 접촉 후에도 주름형태를 유지할 수 있다.
그러므로, 본 발명에 따른 필터 매체는 뜨거운 액체, 예컨대 자동차 연소 엔진의 오일을 여과하는데 특히 적합하다.
바람직한 구체예에서, 본 발명의 필터 부재는 자동차의 연소 엔진용 오일 필터이다.
필터 매체 및 필터 부재의 용도
본 발명에 따르면, 필터 매체 및 필터 부재는 자동차의 연소 엔진용 오일 필터로서의 사용이 예상된다. 그러나, 본 발명에 따른 필터 매체 및 필터 부재는 또한 다른 여과 적용에서도 사용될 수 있다.
실험
하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것이며, 본 발명의 보호 범위를 한정하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
DSC 측정
DSC 측정은 펄킨(Perkin) 엘머(Elmer) 사의 펄킨엘머(PerkinElmer, Daimond DSC) 장치를 이용하여 하기 조건하에서 수행되었다. 모든 DSC 측정은 표준 도가니(알루미늄)에서 10℃/분의 가열 속도 및 10℃/분의 냉각 속도로 30℃ 내지 300℃의 온도 범위에서 수행되었다. 샘플 중량은 7.8mg이었다. 자료 분석은 "Pyris Series Software"를 사용하여 수행하였다. 2가지의 가열 시험 및 1가지의 중간 냉각 시험을 수행하였다.
실시예 1
본 발명에 따른 필터 매체로서 습식처리된 부직포를, 69.2 중량%의 바인더 섬유(폴리에틸렌 테레프탈레이트, 1,4-부탄디올, 폴리테트라메틸렌 글리콜 및 아디프산의 코-폴리에스테르) 및 30.8 중량%의 PET 섬유(Denier: 0.3 g/9000 m; 섬유 직경: 5mm)의 균일한 슬러리 탈수 스크린 상에서 습식 처리하고, 가열하는 동안 건조시킴으로써 제조하였으며, 상기 바인더 섬유는 하기의 성질들을 갖는다.
성질 표준
융점 DSC, 10℃/분 164 ± 3.0℃
데니어(Denier) ASTM D 1577 3.80 ± 0.35 g/9000　m
강도 ASTM D 3822 4.5 ± 0.5 g/De
신장 ASTM D 3822 35 ± 7.0 %
섬유 강도 6.0 ± 1.0 mm
열수축 (75℃×15분) 8.0 ± 2.0 %
오일 픽업(pick up) KS K0327 0.30 ± 0.05 %
수분 함량 12.0 ± 2.0 %
상기 필터 매체는 하기의 성질들을 갖는다.
성질 표준
기본 중량 DIN EN 29073-1 (부직포) 163 g/m2
두께 DIN EN ISO 9073-2 (부직포), 20 kPa 1.03 mm
공기 투과도 차압: 125 Pa 126 cfm/sq.ft
강성도 ASTM D6125-97 2300 mg
기공 크기 ASTM 316-03, 버블 시험 MHN 610 110 102㎛ (최대)
89㎛ (최소)
생성된 필터 매체의 파열 강도는 뮬렌(Mullen)에 따른 저장(150℃의 온도에서 깨끗한 오일(Castrol 0W30) 중에 500 시간 저장) 후에 측정하였다(DIN EN ISO 2758, MHN 610 110에 따라 측정). 평균 및 최대 기공 크기는 ASTM 316-03(버블 시험)에 따라 측정하였다. 생성된 필터 매체의 기계방향(machine direction, MD) 및 폭방향(cross-machine direction, CD)으로의 수축율을 150℃의 공기 온도에서 24시간 동안 저장후 측정하였다(MHN 610 110에 따라 측정). 여과 효율을 ISO 4548-12에따라 측정하였다. 그 결과를 표 3에 나타내었다.
시험 표준 결과
파열 강도 DIN EN ISO 2758
MHN 610 110		 > 7 bar
수축율(MD) MHN 610 110 0.96%
수축율(CD) MHN 610 110 -0.75%
여과 효율 ISO 4548-12 18㎛: 50%
24㎛: 75%
30㎛: 90%
40㎛: 98.7%
43㎛: 99.0%
실시예 2 내지 4
본 발명에 따른 예시적인 필터 매체로서 습식처리된 부직포를 실시예 1 및 하기 표 4에 주어진 자료에 따라 제조하였다. 수득된 필터 매체의 성질을 표 5에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4
매체중의 섬유% 100.0% 78.0% 89.2% 89.2%
바인더 섬유 (4D*6mm) 69.2% 60.0% 19.7% 33.4%
PET fibers (0.06dt*3mm) 　 　 14.8% 10.8%
PET 섬유 (0.3dt*5mm) 30.8% 40.0% 65.5% 35.6%
유리 섬유 (C04F) 　 　 　 10.1%
유리 섬유 (C26R) 　 　 　 10.1%
열경화성 수지 0.0% 22.0% 10.8% 10.8%
기본 중량
웹(web)/수지없음(no resin)		 163 132 119 120
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4
단위면적당 질량 g/m2 SD 168 169 133 134
SDC 162 166 130 131
두께 mm 평탄한 시트의 캘리퍼(Caliper) 1.03 0.94 0.832 0.78
공기 투과도 cfm/sf - 126 94 51 30
파열 강도 kgf/cm2 SD >7 7.26 5.0 4.63
강성도 mg SD 2300 5156 2090 3734
기공 크기 ㎛ 최대(Max) 102 81 51 43
　 　 평균(Mean) 89 71 47 36
수축율 % MD 0.96 0.79 　 　
　 　 CD -0.75 0.08 　 　
효율(Oil) ISO 4548-12 % 시트(Sheet) >50%@20㎛ >50%@20㎛ >99%@20㎛ >90%@20㎛
결과
이러한 결과는 7bar 보다 큰 우수한 파열 강도가 150℃에서 500시간 후에 본 발명에 다른 필터 매체를 이용하여 달성될 수 있음을 증명하는 것이다. 그러므로, 본 발명에 따른 필터 매체는 150℃에서 우수한 내열성을 갖는다. 추가로, 본 발명의 필터 매체의 파열 강도는 필터 매체의 평균 및 최대 기공 크기와 관련이 있다(예를 들어, 실시예 2 대비 실시예 3 및 4 참조). 더욱이, 본 발명에 따른 필터 매체는 최고로 치수안정성을 가져 150℃에서 24시간 저장 후에도 매우 낮은 수축율(MD 및 CD 모두)을 나타낸다. 나아가, 생성된 필터 매체는 높은 여과효율을 나타내며, 이는 이러한 효율 등급에서 예를 들어 오일 필터의 일반적인 여과효율을 상당히 뛰어 넘는 수준이다. 이는 아마도 본 발명에 따른 필터 매체가 일반적인 바인더 수지로의 함침이 없는 사실에 어느 정도 기인한 것이다(실시예 1). 일반적인 바인더 수지는 150℃에서 용융하기 시작하여 필터의 기공을 막히게 하고, 이로 인해 여과 성능 및 특히 분진 보지 용량(dust holding capacity)을 감소시키는 경향이 있기 때문이다. 그러나, 바인더 수지가 사용되었음에도 비교적 높은 여과효율이 달성될 수 있었다(실시예 2 내지 4 참조).
종합적으로, 본 발명에 따른 필터 매체는 여과효율과 동시에 적어도 150℃까지 내열성을 유사하게 개선시킨다. 그러므로, 본 발명에 따른 필터 매체는 온도가 100℃ 내지 150℃인 자동차의 연소 엔진에서 오일 필터로서 매우 적합하다.

Claims (28)

  1. 적어도 하나의 습식처리된(wet-laid) 섬유층을 포함하고, 상기 적어도 하나의 습식처리된 섬유층이
    (i) 융점이 155℃ 보다 높고, 바람직하게는 180℃ 보다 높고, 더욱 바람직하게는 200℃ 보다 높고, 가장 바람직하게는 230℃ 보다 높은 합성 중합체 섬유; 및
    (ii) 코어-피복 구조를 가지며, 상기 코어를 구성하는 코어 중합체 물질이 적어도 부분적으로, 바람직하게는 완전히 상기 피복을 구성하는 피복 중합체 물질로 둘러싸여 있는 바인더 섬유를 포함하며,
    상기 코어 중합체 물질 및 상기 피복 중합체 물질 모두의 융점이 155℃ 보다 높고,
    상기 피복 중합체 물질의 융점이 상기 코어 중합체 물질의 융점 보다 낮으며;
    상기 적어도 하나의 습식처리된 섬유층의 평균 기공 크기는 ASTM 316-03에 따라 측정시, 바람직하게는 20㎛ 이상, 더욱 바람직하게는 20㎛ 내지 200㎛의 범위, 더더욱 바람직하게는 30㎛ 내지 150㎛의 범위, 가장 바람직하게는 35㎛ 내지 125㎛의 범위인 필터 매체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 합성 중합체 섬유가 폴리에스테르류(예컨대, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT) 등과 같은 폴리알킬렌 테레프탈레이트); 폴리알킬렌류(예컨대, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등); 폴리아크릴로니트릴류(PAN); 폴리아미드(예컨대, 나일론-6, 나일론-6.6, 나일론-6.12 등과 같은 나일론); 및/또는 그 혼합물을 포함하거나 이로 이루어진 필터 매체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 합성 중합체 섬유가 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 포함하거나 이로 이루어진 필터 매체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피복 중합체 물질은 155℃ 보다 높고, 바람직하게는 160℃ 보다 높고, 예컨대 155℃ 내지 180℃ 범위의 융점을 갖는 필터 매체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코어 중합체 물질이 폴리에틸렌 테레프탈레이트를 포함하거나 이로 이루어지고, 상기 피복 중합체 물질이 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 1,4-부탄디올, 폴리테트라메틸렌 글리콜 및 아디프산의 코-폴리에스테르를 포함하거나 이로 이루어진 필터 매체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코어 중합체 물질은 200℃ 보다 높고, 바람직하게는 230℃ 보다 높고, 더욱 바람직하게는 250℃ 보다 높은 융점을 갖는 필터 매체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피복 중합체 물질은 X-선 회절을 이용한 측정시, 20% 내지 80%, 바람직하게는 25% 내지 60%, 더욱 바람직하게는 30 내지 50% 범위의 결정화도를 갖는 필터 매체.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피복 중합체 물질은 X-선 회절을 이용한 측정시, 20% 내지 80%, 바람직하게는 25% 내지 60%, 더욱 바람직하게는 30 내지 50% 범위의 결정화도를 갖는 필터 매체.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피복 중합체 물질은 DSC를 이용한 측정시, 용융 시작 온도(Tm onset)가 적어도 130℃, 더욱 바람직하게는 적어도 135℃인 필터 매체.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피복 중합체 물질은 DSC를 이용한 측정시, 용융 종결 온도(Tm end)가 적어도 160℃, 바람직하게는 적어도 170℃, 더욱 바람직하게는 적어도 180℃인 필터 매체.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피복 중합체 물질은 DSC를 이용한 측정시, 용융 시작 온도(Tm onset)와 용융 종결 온도(Tm end)의 차이가 적어도 30℃, 더욱 바람직하게는 적어도 35℃, 가장 바람직하게는 적어도 40℃, 45℃, 50℃ 또는 60℃인 필터 매체.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결합제 섬유의 피복이 완전한 무정형이 아닌 필터 매체.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 합성 섬유 및 상기 바인더 섬유가 스테이플 섬유인 필터 매체.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    (i) 상기 합성 중합체 섬유의 함량이 적어도 하나의 섬유층에서 섬유들의 전체 함량을 기준으로, 10 내지 90 중량%, 바람직하게는 20 내지 40 중량%, 더욱 바람직하게는 25 내지 35 중량%의 범위이고,
    (ii) 상기 바인더 섬유의 함량이 적어도 하나의 섬유층에서 섬유들의 전체 함량을 기준으로, 10 내지 90 중량%, 바람직하게는 60 내지 80 중량%, 더욱 바람직하게는 65 내지 75 중량%의 범위인 필터 매체.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    (i) 상기 합성 중합체 섬유는 3 내지 15 mm, 바람직하게는 4 내지 6 mm 범위의 평균 섬유 길이, 및/또는 ASTM D 1577에 따라 측정시 0.1 내지 1.0 g/9000m, 바람직하게는 0.2 내지 0.6 g/9000m 범위의 선형 질량 밀도를 갖고/갖거나;
    (ii) 상기 바인더 섬유는 4 내지 8 mm, 바람직하게는 5 내지 7 mm 범위의 평균 섬유 길이, 및/또는 ASTM D 1577에 따라 측정시 1 내지 5 g/9000m, 바람직하게는 1.5 내지 4.5 g/9000m 범위의 선형 질량 밀도를 갖는 필터 매체.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    (i) 상기 합성 중합체 섬유는 현미경 분석시, 3.3 내지 10 ㎛, 바람직하게는 4.5 내지 6.5 ㎛ 범위의 평균 섬유 직경을 갖고/갖거나;
    (ii) 상기 바인더 섬유는 현미경 분석시, 10 내지 23 ㎛, 바람직하게는 12 내지 22 ㎛ 범위의 평균 섬유 직경을 갖는 필터 매체.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 합성 중합체 섬유 및 상기 바인더 섬유의 혼합물을 습식 처리하고, 상기 습식처리된 혼합물을 적어도 상기 피복 중합체 물질의 융점이고 상기 코어 중합체 물질의 융점 보다 낮은 온도로 가열함으로써 수득된 필터 매체.
    (a) 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, DIN EN 29073-1에 따라 측정된 기본 중량이 120 내지 250 g/m2, 바람직하게는 130 내지 180 g/m2의 범위인 필터 매체(부직포).
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    DIN EN ISO 9237에 따라 측정된 공기 투과도가 적어도 320 1/m2s인 필터 매체.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    EN ISO 2758에 따라 측정된 파열 강도가 4bar 보다 크고, 바람직하게는 5bar 보다 크고, 더욱 바람직하게는 6bar 보다 크고, 가장 바람직하게는 7bar 보다 큰 필터 매체.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    150℃의 공기 온도하에서 24시간 저장 후 5% 이하로 열수축되는 필터 매체.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    ISO 4548-12에 따라 측정된 20㎛ 크기 입자에 대한 오일 여과효율이 50% 이상, 바람직하게는 80% 이상, 더욱 바람직하게는 85% 이상인 필터 매체.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    ASTM 6125-97에 따라 측정된 강성도(stiffness)가 1800 내지 5500 mg인 필터 매체.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 습식처리된 섬유층은 ASTM 316-03에 따라 측정시, 최대 기공 크기가 20㎛ 이상이고, 바람직하게는 20㎛ 내지 200㎛의 범위이고, 더욱 바람직하게는 30㎛ 내지 150㎛의 범위이고, 가장 바람직하게는 40㎛ 내지 130㎛의 범위인 필터 매체.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 필터 매체의 제조방법으로서,
    - 합성 섬유 및 바인더 섬유의 균일한 수(水) 중 슬러리를 제공하는 단계;
    - 상기 슬러리를 탈수 스크린상에 공급하여 침착물을 형성하는 단계;
    - 상기 침착물로부터 물을 제거하여 습식 섬유질 매트 또는 시트를 형성하는 단계;
    - 상기 습식 섬유질 매트 또는 시트를 적어도 상기 바인더 섬유의 피복 중합체 물질의 융점에 상응하고 상기 바인더 섬유의 코어 중합체 물질의 융점 보다 낮은 온도로 가열하는 동안 건조시켜 기재를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 건조는 100℃ 내지 200℃, 더욱 바람직하게는 120℃ 내지 180℃, 가장 바람직하게는 145℃ 내지 175℃의 온도 범위에서 수행되는 방법.
  26. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 필터 매체를 포함하는 필터 부재.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 필터 매체가 주름형이고, 상기 필터 매체와 함께 주름을 형성하는 지지층으로서 와이어 메쉬를 임의로 포함하는 필터 부재.
  28. 제26항 또는 제27항에 있어서,
    연소 엔진용 오일 필터인 필터 부재.
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