KR20210035256A

KR20210035256A - 리로프팅된 스펀본디드 웨브를 포함하는 공기 필터 매체, 및 제조 및 사용 방법

Info

Publication number: KR20210035256A
Application number: KR1020217005340A
Authority: KR
Inventors: 량 청; 샤오슈안 푸; 즈춘 장
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2018-08-03
Filing date: 2018-08-03
Publication date: 2021-03-31
Also published as: JP2023052207A; CN112888492A; TW202019544A; EP3829744A1; WO2020024245A1; US20210308610A1; EP3829744A4; JP2022501172A; JP7237142B2

Abstract

8.0% 미만 내지 3.0% 이상의 충전도를 나타내고 0.30 이상의 품질 계수를 나타내는 리로프팅된 스펀본디드 부직 웨브. 리로프팅된 웨브를 제조하는 방법; 및 리로프팅된 웨브를 공기 여과 웨브로서, 예컨대 필터 매체 또는 그의 층으로서 사용하는 방법.

Description

리로프팅된 스펀본디드 웨브를 포함하는 공기 필터 매체, 및 제조 및 사용 방법

공기로부터 미립자 물질을 제거하는 목적을 위해 공기 필터 매체가 널리 사용된다.

광범위하게 요약하면, 8.0% 미만 내지 3.0% 이상의 충전도(solidity)를 나타내고 0.30 이상의 품질 계수(Quality Factor)를 나타내는 리로프팅된 스펀본디드 부직 웨브(relofted, spunbonded nonwoven web)가 본 명세서에 개시된다. 리로프팅된 웨브를 제조하는 방법이 또한 개시된다. 공기 여과 웨브로서의, 예컨대 필터 매체 또는 그의 층으로서의 리로프팅된 웨브의 사용이 또한 개시된다. 이들 및 다른 태양이 아래의 상세한 설명으로부터 명백할 것이다. 그러나, 어떠한 경우에도, 청구가능한 발명 요지가 최초 출원된 출원의 청구범위에 제시되든 또는 보정되거나 또는 달리 절차 진행 중에 제시된 청구범위에 제시되든 간에, 이러한 개략적인 요약은 이러한 청구가능한 발명 요지를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

도 1은 예시적인 리로프팅된 스펀본디드 부직 웨브의 일부분의, 1250배 배율의 주사 전자 현미경 사진의 평면도.
도 2는 예시적인 리로프팅된 스펀본디드 부직 웨브의 다른 부분의, 740배 배율의 주사 전자 현미경 사진의 평면도.
도 3은 리로프팅된 웨브가 얻어질 수 있는 예시적인 전구체 스펀본디드 부직 웨브의 일부분의, 20배 배율의 광학 사진의 평면도.
도 4는 예시적인 리로프팅된 스펀본디드 부직 웨브의 일부분의, 20배 배율의 광학 사진의 평면도.
도 5는 본 명세서에 개시된 바와 같은 리로프팅된 스펀본디드 부직 웨브를 포함하는 예시적인 공기 필터 매체의 일부분의 사시도.
다양한 도면에서 유사한 도면 부호들은 유사한 요소들을 표시한다. 일부 요소는 동일하거나 균등한 다수로 존재할 수 있으며; 이러한 경우에 하나 이상의 대표적인 요소만이 도면 부호에 의해 지정될 수 있지만, 이러한 도면 부호가 모든 동일한 요소에 적용된다는 것을 이해할 것이다. 달리 표시되지 않는 한, 본 명세서 내의 모든 도면은 축척대로 그려진 것이 아니며 본 발명의 상이한 실시 형태들을 예시하려는 목적으로 선택된다. 특히, 다양한 구성요소의 치수는 단지 설명적인 관점에서 도시되며, 다양한 구성요소들의 치수들 사이의 관계는 그렇게 표시되지 않는 한 도면으로부터 추론되어서는 안 된다. "상단부", "저부", "상부", "하부", "아래", "위", "전방", "후방", "외향", "내향", "상방" 및 "하방", 및 "제1" 및 "제2"와 같은 용어가 본 개시 내용에 사용될 수 있지만, 이들 용어는 달리 언급되지 않는 한 그들의 상대적 의미로만 사용되는 것이 이해되어야 한다.
특성 또는 속성에 대한 수식어로서 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "대체로"는, 달리 구체적으로 정의되지 않는 한, 특성 또는 속성이 높은 근사도를 요구함이 없이(예를 들어, 정량화할 수 있는 특성에 대해 +/- 20% 이내) 당업자에 의해 용이하게 인식가능할 것임을 의미한다. 용어 "실질적으로"는, 달리 구체적으로 정의되지 않는 한, 높은 근사도(예컨대, 정량화할 수 있는 특성에 대해 +/- 10% 이내)를 의미한다. 용어 "본질적으로"는 매우 높은 근사도(예컨대, 정량화가능 특성에 대해 +/- 2% 이내)를 의미하며; 어구 "적어도 본질적으로"가 "정확한" 일치라는 특정 경우를 포함한다는 것이 이해될 것이다. 그러나, "정확한" 일치, 또는 예컨대 같은, 균등한, 동일한, 균일한, 일정한 등과 같은 용어를 사용한 임의의 다른 특성화는 절대적인 정밀도 또는 완벽한 일치를 요구하기보다는 특정 환경에 적용가능한 통상의 공차 또는 측정 오차 내에 있는 것으로 이해될 것이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "본질적으로 없는" 등과 같은 용어가 예컨대 통상적인 세정 절차를 거치는 대규모 생산 장비를 사용할 때 발생할 수 있는 바와 같이, 일부 극히 낮은, 예컨대 0.1% 이하의 양의 재료의 존재를 배제하지 않는다. 용어 "~ 하도록 구성되는" 및 유사한 용어는 적어도 용어 "~ 하도록 적용되는"만큼 제한적이며, 이러한 기능을 수행하는 단순한 물리적 능력보다는 특정 기능을 수행하는 실제 설계 의도를 요구한다. 수치 파라미터(치수, 비 등)에 대한 본 명세서에서의 모든 언급은 (달리 언급되지 않는 한) 파라미터의 다수의 측정치로부터 도출되는 평균 값의 사용에 의해 계산가능한 것으로 이해된다.

용어 "스펀본디드"는 멜트스펀(meltspun) 섬유들로 구성된 부직 웨브를 지칭하며, 이 섬유들 중 적어도 일부는 예컨대 본 명세서에서 나중에 기술되는 바와 같은 자발 접합(autogenous bonding)에 의해 제공되는 바와 같은 섬유-섬유 접합부를 나타낸다.

용어 "멜트스펀"은 일 세트의 오리피스들로부터 필라멘트를 압출하고 이 필라멘트를 냉각 및 고형화되게 하여 섬유를 형성함으로써 형성된 섬유를 지칭하며, 이때 필라멘트는 필라멘트를 냉각시키는 것을 돕기 위해 공기 공간(air space)(이동하는 공기의 스트림(stream)을 포함할 수 있음)을 통과하고 필라멘트를 적어도 부분적으로 인발하기 위해 세장화(attenuation)(즉, 인발) 유닛을 통과한다.

용어 "충전도"는 고형(예컨대, 중합체 섬유상) 재료에 의해 점유되는 섬유상 웨브의 총 체적의 비를 나타내는 무차원 분율(보통 백분율로 보고됨)을 나타낸다. 추가의 설명 및 충전도를 획득하기 위한 방법이 실시예 섹션에서 보여진다. 로프트(loft)는 100%에서 충전도를 뺀 것이며, 고형 재료에 의해 점유되지 않은 웨브의 총 체적의 비를 나타낸다.

용어 "품질 계수"는 공기로부터 입자를 여과함에 있어서 필터 매체의 전체 성능에 대한 성능 지수(figure of merit)이며, 본 명세서에서 이후에 정의되고 논의된다.

용어 "자립형(self-supporting)"은 취급되고 종래의 웨브 취급 공정(예컨대, 권취, 풀림 등)을 겪기에 충분한 기계적 완전성을 나타내는 스펀본디드 웨브(리로프팅되었든 안되었든 간에)를 나타낸다.

8.0% 미만 내지 3.0% 이상의 충전도를 나타내고 0.30 이상의 품질 계수를 나타내는 리로프팅된 스펀본디드 부직 웨브를 포함하는 공기 필터 매체가 본 명세서에 개시된다. 용어 "스펀본디드"는 멜트스펀 섬유들로 구성된 부직 웨브를 지칭하며, 이 섬유들 중 적어도 일부는 예컨대 본 명세서에서 나중에 기술되는 바와 같은 자발 접합에 의해 제공되는 바와 같은 섬유-섬유 접합부를 나타낸다. 용어 "멜트스펀"은 일 세트의 오리피스들로부터 필라멘트를 압출하고 이 필라멘트를 냉각 및 고형화되게 하여 섬유를 형성함으로써 형성된 섬유를 지칭하며, 이때 필라멘트는 필라멘트를 냉각시키는 것을 돕기 위해 공기 공간(이동하는 공기의 스트림을 포함할 수 있음)을 통과하고 필라멘트를 적어도 부분적으로 인발하기 위해 세장화(즉, 인발) 유닛을 통과한다. 멜트블로잉(meltblowing)이 압출 오리피스에 매우 근접하게 위치된 에어-블로잉(air-blowing) 오리피스에 의해 도입된 고속의 수렴 공기 스트림 내로 필라멘트를 압출하는 것을 포함한다는 점에서, 멜트스피닝(meltspinning)은 멜트블로잉과 구별될 수 있다.

웨브(10)는 리로프팅된 스펀본디드 웨브이다. 용어 "리로프팅된"은 스펀본디드 부직 웨브의 로프트를 증가시키는(충전도를 낮추는) 후가공 단계를 겪은 스펀본디드 부직 웨브를 나타낸다. 정의상, 리로프팅된 웨브는 위에서 정의된 바와 같이 자립형일 것이다. 리로프팅된 스펀본디드 웨브는, 본 명세서에서 이후에 상세히 논의되는 바와 같이, 적어도 파단된 섬유-섬유 접합부의 존재에 의해, 식별될 수 있고, 리로프팅되지 않은 스펀본디드 웨브와 구별될 수 있다. 리로프팅된 웨브(10)의 섬유(11)의 예시적인 파단된 섬유-섬유 접합부(12)가 도 1 및 도 2에 제시된 주사 전자 현미경 사진에서 지적되어 있다.

특히 고 로프트(즉, 10% 미만의 충전도로서 나타내어지는 바와 같음)를 이미 포함하는 스펀본디드 전구체 웨브 상에서 수행될 때, 리로프팅 공정이 상당한 이점을 부여하는 것으로 밝혀졌다. 예를 들어, 리로프팅된 스펀본디드 웨브는 전구체 스펀본디드 웨브에 비해 공기 유동 저항(본 명세서의 실시예 섹션에서 논의된 바와 같은 압력 강하 측정에 의해 나타내어지는 바와 같음)에서 상당한 감소(예컨대, 최대 50%)를 나타낼 수 있다. 그러나, 리로프팅된 스펀본디드 웨브는 공기 중 미립자가 웨브를 통해 투과하는 능력(본 명세서의 실시예 섹션에서 논의된 바와 같이 투과율(Percent Penetration) 측정에 의해 나타내어지는 바와 같음)에 있어서 단지 다소 작은 증가를 나타낼 수 있다. 특성들의 이러한 유리한 조합은, 본 명세서의 실시예 섹션에서 논의된 바와 같은, 공기 필터 매체에 대해 종종 사용되고 압력 강하 및 투과율 둘 모두를 고려하는 잘 알려진 성능 지수인 품질 계수에 의해 포착된다. 고 로프트 스펀본디드 웨브를 리로프팅하는 것은 품질 계수를 (예컨대, 최대 50, 70, 또는 심지어 90% 이상만큼) 상당히 향상(증가)시키는 것으로 밝혀졌는데, 이는 고 로프트 스펀본디드 웨브가 처음에 상대적으로 높은 품질 계수를 종종 나타낸다는 것을 고려하면 놀라운 결과이다. 더 더욱, 리로프팅된 스펀본디드 웨브는 본 명세서의 작동예에서 입증되는 바와 같이, 상당히 향상된 먼지 보유 능력을 나타내는 것으로 밝혀졌다.

리로프팅된 웨브(10)는 전구체 스펀본디드 웨브(9)를 후가공함으로써 생성된다. 예시적인 전구체 스펀본디드 웨브(9)가 도 3의 광학 사진에 나타나 있다. 전구체 웨브(9)는 멜트스펀 섬유(11)를 포함한다. 위에 제공된 멜트스펀 섬유의 정의 및 설명으로부터, 멜트스펀 섬유 및 생성된 스펀본디드 웨브가 (예컨대, 세장화 공정 동안 멜트스펀 섬유에 부여된 분자 배향에 의해) 멜트블로운 웨브와 구별될 수 있음이 명백할 것이다. 멜트스펀 섬유는 또한, 가끔의 통계적으로 발생하는 섬유 파단을 제외하고는 전형적으로 연속적인 멜트스펀 섬유와는 대조적으로, 전형적으로 원하는 길이로 절단된 스테이플(staple) 섬유와 구별될 수 있다. 멜트스펀 섬유 및 스펀본디드 웨브는 또한, 예컨대 카디드(carded) 웨브(이는 전형적으로 스펀본디드 웨브에 존재하지 않는, 카딩(carding) 공정에 의해 부여되는 현저한 섬유 정렬을 나타냄), 및 또한 에어레이드(airlaid) 웨브, 웨트레이드(wetlaid) 웨브 등과 구별될 수 있다.

멜트스펀 섬유(11)는 멜트스펀될 수 있는 임의의 적합한 유기 중합체 재료로 제조될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 그러한 섬유는 폴리올레핀(예컨대, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등), 폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 나일론, 및 이들 중 임의의 것의 공중합체 및/또는 블렌드로 구성될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 멜트스펀 섬유(11)들 중 적어도 일부 또는 전부는 1성분 섬유이다. 용어 "1성분"은 섬유의 유기 중합체 재료를 말하며, 균일한 중합체 조성의 연속 상(phase)이 섬유의 단면을 가로질러 그리고 섬유의 길이에 걸쳐 연장되는 섬유를 나타낸다. 일부 편리한 실시 형태에서, 1성분 섬유는 폴리프로필렌 섬유일 수 있다. 용어 "1성분"은 유기 중합체 성분 물질이 섬유의 유일한 성분임을 필요로 하지는 않는다. 오히려, 다양한 실시 형태에서, 임의의 적합한 첨가제, 예컨대 산화방지제, 가소제, 가공 보조제 등 중 하나 이상이 임의의 원하는 목적을 위해 존재할 수 있다. 특정 실시 형태에서, 섬유는 안정한 전하("일렉트릿(electret)")가 섬유에 부여되게 할 목적으로 대전 첨가제를 포함할 수 있다.

위에 정의되고 기술된 바와 같은 1성분 섬유는 2성분 섬유와 같은 다성분 섬유를 배제한다. 그러나, 대안적인 실시 형태에서, 멜트스펀 섬유(11)들 중 적어도 일부 또는 전부는 상이한 유기 중합체 조성들의 적어도 2개의 상을 포함하는 다성분 섬유일 수 있다. 그러한 섬유는 예컨대 시스-코어(sheath-core), 병렬형(side-by-side), 해도형(islands-in-the-sea) 등으로부터 선택되는 임의의 적합한 구성을 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 그러한 섬유는 멜트스펀 섬유들의 서로에 대한 접합, 예컨대 용융 접합을 촉진 또는 향상시키는 조성물을 갖는 적어도 하나의 유기 중합체 상을 포함할 수 있다. 다성분 섬유는 섬유의 상들 중 적어도 하나에서 전술된 첨가제들 중 임의의 것, 예컨대 대전 첨가제를 적합하게 포함할 수 있다.

멜트스펀 섬유는 임의의 적합한 멜트스피닝 방법을 사용하여 생성(예컨대, 압출, 응고 및 세장화)되고 수집될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제8240484호에 제시된 장치 및 방법이 사용될 수 있다. '484 특허에 상세히 기술된 바와 같이, 본 명세서에 개시된 접근법은, 예컨대 가령 8.0% 미만의 충전도에 의해 나타내어지는 바와 같은, 상대적으로 높은 로프트를 나타내는 전구체 멜트스펀 웨브의 형성을 허용할 수 있다.

멜트스펀 섬유는, 예컨대 통계적으로 의미있는 개수의 섬유들의 광학 검사에 의해 결정되는 바와 같은, 임의의 적합한 평균 직경을 가질 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 멜트스펀 섬유는 1, 2, 4, 6, 10, 15, 또는 20 마이크로미터 이상의 평균 섬유 직경을 나타낼 수 있고, 추가의 실시 형태에서, 멜트스펀 섬유는 50, 40, 30, 25, 18, 또는 12 마이크로미터 이하의 평균 섬유 직경을 나타낼 수 있다. 많은 실시 형태에서, 멜트스펀 섬유는 단봉(unimodal) 섬유 직경 분포를 나타낼 것인데, 즉 그러한 실시 형태에서, 전구체 웨브(9) 및 이로부터 유래된 리로프팅된 웨브(10)는, 예컨대 미세한 섬유 및 굵은 섬유의 별개의 집단들을 나타내는 복합 혼합물을 포함하지 않을 것이다. (일반적으로, 예컨대 본 명세서에 기술된 바와 같은 섬유 직경과 같은 섬유 특성이 전구체 웨브(9) 및 이로부터 유래된 리로프팅된 웨브(10) 둘 모두에 적용되는 것으로 이해될 것임에 유의한다.)

전구체 웨브(9)(및 이로부터 유래된 리로프팅된 웨브(10))는 적어도 일부의 섬유-섬유 접합부를 포함하는 웨브를 의미하는 스펀본디드 웨브이다. 섬유-섬유 접합부는 작은 개수의 섬유들(전형적으로 5개 이하; 대부분의 경우에, 2개) 간의, 섬유들이 서로 접촉한 위치에서의 접합부(예컨대, 용융 접합부)를 의미한다. 섬유-섬유 접합부에서, 각각의 섬유는 그의 개별 특성(예컨대, 외양 및 형상)을 실질적으로 유지한다. 정의상, 섬유-섬유 접합부는, 선택적으로 존재할 수 있고 본 명세서에서 나중에 논의되는, 많은 개수의 섬유들이 서로 접합되는 다중-섬유 접합부와 구별된다. 많은 실시 형태에서, 섬유-섬유 접합부는 자발 접합부이다. 이는, 웨브 상으로 확실한 접촉 압력을 적용함이 없이, 멜트스펀 섬유들의 수집물이 승온(예컨대, 오븐 및/또는 제어된 온도의 공기의 스트림의 사용에 의해 달성되는 바와 같음)을 받게 함으로써 얻어지는 섬유-섬유 용융 접합부를 의미한다. 일부 실시 형태에서, 그러한 접합은, 예컨대 이러한 목적을 위해 본 명세서에 전체적으로 참고로 포함된 미국 특허 출원 공개 제2008/0038976호에 상세히 논의된 바와 같은 제어식-가열 장치의 사용에 의해, 가열된 공기를 웨브 상으로 그리고 웨브를 통해 지향시킴으로써 수행되는 소위 스루-에어(through-air) 접합일 수 있다. 특정 실시 형태에서, 접합은, 이러한 목적을 위해 본 명세서에 전체적으로 참고로 포함된 미국 특허 제9976771호에 개시된 장치 및 방법의 사용에 의해 수행될 수 있다. 자발 접합, 예컨대 스루-에어 접합이 섬유들을 서로 접합시켜, 웨브를 상당히 압밀 또는 치밀화함(예컨대, 웨브의 로프트를 파괴 또는 달리 현저하게 감소시킴) 없이 자립형 웨브를 형성할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 자발 접합 및 생성된 접합부는, 예컨대 캘린더링, 초음파 접합, 및 유사 공정에 의해 수행되는 접합과 구별된다. 일부 실시 형태에서, 섬유-섬유 접합은 (예컨대, '771 특허에 기술된 바와 같이) 1성분 섬유들 사이에 있을 수 있거나, 다른 실시 형태에서, 섬유-섬유 접합은 다성분(예컨대, 2성분) 섬유들의 특정 성분들 사이에 있을 수 있다.

일부 실시 형태에서, 스펀본디드 전구체 웨브, 및 이에 따라 이로부터 유래된 리로프팅된 웨브는 선택적으로 (전술된 섬유-섬유 접합부에 더하여) 캘린더링, 초음파 접합 등에 의해 달성되는 접합부에 의해 예시된 유형의 다중-섬유 영역 접합부를 포함할 수 있다. 예시적인 캘린더링된 영역 접합부(14)를 도 3의 광학 사진에서 볼 수 있다. 그러한 영역 접합부의 특징인 바와 같이, 각각의 접합부(14)는 접합된 영역에서 섬유 세그먼트들의 개별 특성(외양 및 형상)을 실질적으로 상실하도록 비교적 넓은 영역에 걸쳐 함께 용융 및 압밀된 다수의(예컨대, 10개 이상의) 섬유 세그먼트를 포함하는 것으로 보인다. 일부 실시 형태에서, 스펀본디드 웨브는 상대적으로 낮은 수준의 그러한 영역 접합부들을 포함하고, 그러한 수준은 웨브의 특성(예컨대, 여과 성능)에 상당히 악영향을 미침이 없이 웨브의 기계적 완전성을 향상시킬 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 그러한 영역 접합부는 0% 초과이지만 5.0, 4.0, 3.0, 2.5, 2.0, 1.5, 1.0, 또는 0.5% 미만인 웨브의 면적 백분율로 전구체 웨브 내에 또는 이로부터 유래된 리로프팅된 웨브 내에 존재할 수 있다. 특정 예로서, 도 3의 웨브는 1.3 내지 1.5%의 범위 내에 있는 것으로 추정되는 면적 백분율로 존재하는 것으로 보이는 다중-섬유 영역 접합부들을 포함한다.

다양한 실시 형태에서, 리로프팅된 웨브가 유래되는 전구체 스펀본디드 부직 웨브는 10.0, 9.0, 8.0, 또는 7.0% 이하의 (평균 값으로서의) 충전도를 나타낼 수 있다. 일부 실시 형태에서, 리로프팅된 웨브가 유래되는 전구체 스펀본디드 부직 웨브는 전하(예컨대, 통상적으로 일렉트릿으로 지칭되는 반영구적 전하)가 부여된 적어도 일부 섬유를 포함할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 웨브는 예컨대 코로나 대전되거나 하이드로 대전될 수 있다. 그러한 실시 형태에서, 일렉트릿 전하를 허용할 수 없을 정도로 감소시키지 않도록 임의의 후속 리로프팅 공정이 수행되어야 한다는 것이 이해될 것이다. 섬유 및 웨브를 대전시키는 방법, 및 전하를 수용 및 보유하는 섬유의 능력을 향상시킬 수 있는 첨가제가, 예컨대 미국 특허 제8613795호 및 제8790449호에 그리고 미국 특허 출원 공개 제2016/0206984호에 개시되어 있으며, 이들 모두는 이러한 목적을 위해 본 명세서에 전체적으로 참고로 포함된다.

본 명세서에 개시된 바와 같은 리로프팅 공정은 임의의 적합한 스펀본디드 웨브에 대해 수행될 수 있다. 특히 적합할 수 있는 스펀본디드 웨브는, 예컨대 베리건(Berrigan)의 미국 특허 출원 공개 제20080038976호에 기술된 일반적인 유형의 것들을 포함한다. 필요할 경우, 임의의 그러한 매체가 일렉트릿을 형성하도록 대전될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 스펀본디드 웨브는 고 로프트 스펀본디드 웨브일 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 이는 10.0% 미만의 충전도를 나타내는 웨브를 의미한다. 리로프팅에 적합할 수 있는 특정 고 로프트 스펀본디드 웨브(예컨대, 8.0% 미만의 충전도를 가짐) 및 그러한 웨브의 제조 방법이 본 명세서에 전체적으로 참고로 포함된 폭스(Fox)의 미국 특허 제8162153호에 개시되어 있다.

전구체 스펀본디드 웨브(9)는 리로프팅된 웨브(10)를 형성하기 위한 리로프팅 공정을 받는다. 앞서 언급된 바와 같이, 리로프팅 공정은 전구체 스펀본디드 웨브에 적용되어 웨브의 로프트를 증가시키는(충전도를 낮추는) 후가공 단계이다. 이러한 공정에서, 전술된 섬유-섬유 접합부의 상당한 백분율(예컨대, 5% 초과)이 파단되어, 파단된 접합부(12)가 예컨대 도 1에서와 같이 보이게 된다. 당업자는 작은 개수의 파단된 섬유-섬유 접합부들이 스펀본디드 웨브의 종래의 취급 및 가공에서 발생할 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 그러나, 스펀본디드 웨브를 제조 및 취급하는 당업자는, 임의의 실생활 웨브 제조 공정에서 통계적으로 가끔 발생할 수 있는 것과 같은 그러한 현상이 웨브의 로프트를 증가시키기 위해 섬유-섬유 접합부들의 상당한 백분율이 의도적으로 파괴되는 본 경우와 구별가능할 것임을 쉽게 이해할 것이다.

스펀본디드 웨브가 파단된 상당한 개수의 섬유-섬유 접합부들의 존재에 의해 리로프팅된 웨브로서 식별될 수 있다. 리로프팅된 웨브는 다른 식별 특징부를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 리로프팅된 웨브에서, 섬유들 중 적어도 일부가 물리적으로 이동되거나, 서로 분리되거나, 변형되거나, 재배열되는 등하여, 웨브가 더욱 피브릴화된(fibrillated) 외양을 나타낼 수 있게 한다. 다시 말하면, 리로프팅된 웨브는 그것이 유래되는 전구체 웨브보다 시각적으로 더 많이 "보풀로 덮일(fuzzy)" 수 있다. 실제로, 리로프팅된 웨브는 약식의 시각적 검사에서 전형적인 스펀본디드 웨브보다 더 많이 "보풀로 덮일" 수 있다.

그러한 특성은 웨브가 선택적인 다중-섬유 영역 접합부를 포함하는 실시 형태에서 특히 명백할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같은 전구체 웨브(9)에 의해 입증되는 바와 같이, 전형적인 스펀본디드 웨브에서, 임의의 다중-섬유 영역 접합부(14)는, 접합된 영역 위에 개별 섬유들이 매우 적게 놓이거나 전혀 놓이지 않는 상태로, 섬유들이 그들의 개별 정체성(identity)을 상실한 평탄화된 영역으로서 용이하게 관찰가능하다. 도 4에 도시된 바와 같이, 그러한 전구체 웨브로부터 유래된 리로프팅된 웨브는 영역 접합부들 중 일부 또는 대부분이 위에 놓인 섬유들에 의해 적어도 부분적으로 가려지도록 리로프팅된 웨브의 섬유들 중 적어도 일부가 재배열되었을 수 있다.

일부 경우에, 리로프팅된 웨브의 적어도 일부 섬유는, 섬유들이 리로프팅 공정에 맞는 상당한 전단(shear)에 노출됨을 가리키는 특징(예컨대, 응력 백화(stress whitening), 응력 균열, 잔금(crazing), 배향, 네킹(necking) 등)을 나타낼 수 있다. 따라서, 통상의 기술자는, 리로프팅 공정으로부터 기인하는, 개별 섬유들의 그리고/또는 웨브의 몇몇 특징들 중 임의의 것 또는 전부에 의해 리로프팅된 스펀본디드 웨브가 식별될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 하기에 논의되는 바와 같이, 니들 펀칭(needle-punching) 및/또는 하이드로인탱글링(hydroentangling)과 같은 방법에 의해 리로프팅된 스펀본디드 웨브는, 도 2에서 (아이템 15로서) 보이는 바와 같은 파단된 섬유들의 존재에 의해, 그러한 공정을 받은 것으로서 용이하게 식별될 수 있다.

리로프팅의 패턴 및 영역 커버리지는, 리로프팅된 웨브가 웨브의 거시적 영역(예컨대, 10 ㎠ 이상)에 걸쳐 평균화된, 전체적인 방식으로 원하는 특성을 나타낼 것이다. 따라서, 충전도, 입자의 투과율, 압력 강하, 품질 계수 등과 같은 특성들은 리로프팅된 웨브의 적합한 거시적 영역에 걸쳐 취해진 평균 특성인 것으로 이해될 것이다. 용어 "리로프팅된"은 웨브의 면적의 30% 이상이 리로프팅되어, 예컨대 전체로서 웨브에 대한 품질 계수의 전체적인 향상이 얻어질 수 있게 한다. 다양한 실시 형태에서, 웨브의 면적의 적어도 약 40, 60, 80, 90, 95, 98, 또는 본질적으로 100%가 리로프팅될 수 있다. 그러한 면적 백분율은 웨브의 총 면적에 대한 (리로프팅된 영역(들)의 주연부에 의해 한정되는 바와 같은) 웨브의 리로프팅된 면적(들)의 비(ratio)로부터 얻어지는 것으로 이해될 것이다.

일부 실시 형태에서, 리로프팅 공정은 전구체 웨브 내로의 그리고/또는 이를 통한 엔티티(entity)의 다수의 국부적 충돌 및 투과에 의해 수행함으로써 달성될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 그러한 리로프팅 공정은 니들 펀칭 공정이다. 따라서, 리로프팅되고 니들 펀칭된 웨브에 대한 본 명세서에서의 언급은, 리로프팅되고 또한 일부 다른 목적을 위해 니들 펀칭된 웨브보다는 니들 펀칭에 의해 리로프팅된 웨브를 나타낸다. 니들 펀칭은 다수의 바브형(barbed) 니들이 섬유들의 덩어리 내로 그리고/또는 이를 통해 투과되고 나서 후진되어 섬유들이 엉키게 하는 공정을 지칭한다. 당업자는 카딩, 가네팅(garnetting), 에어-레잉(air-laying)(예컨대, 란도-웨버(Rando-Weber)) 등과 같은 드라이-레이드(dry-laid) 공정에서 수집된 섬유들을 기계적으로 상호로킹하는 방법으로서 니들 펀칭이 전형적으로 사용된다는 것을 이해할 것이다. 즉, 니들 펀칭은 통상적으로, 예컨대 자립형 웨브를 형성하도록, 섬유들을 함께 "접합시키는" 데 사용되는 공정으로서 생각된다. 대조적으로, 본 작업에서는, 본 명세서에서 앞서 논의된 바와 같은 섬유-섬유 접합부를 포함하도록 이미 접합된 부직 웨브에 니들 펀칭이 적용된다. 즉, 본 경우에, 도 1에 도시된 니들 펀칭된 웨브의 주사 전자 현미경 사진에서 파괴되거나 파단된 접합부(12)로 보이는 것에 의해 입증되는 바와 같이, 스펀본디드 웨브의 이미 존재하는 섬유-섬유 접합부들 중 적어도 일부를 파단시키기 위해 니들 펀칭이 사용된다.

니들 펀칭은, 도 2에 도시된 니들 펀칭된 웨브의 주사 전자 현미경 사진에서 파단된 섬유 단부(15)에 의해 입증되는 바와 같이, 섬유들을 파단시키는 것으로 역사적으로 고려되었다. 실제로, 니들 펀칭은 웨브 내에 천공부를 생성함으로 인해 여과 효율에 악영향을 주는 것으로 언급되었다(예를 들어, 미국 특허 제7015158호 내의 배경기술 논의를 참조). 따라서, 본 작업에서, 니들 펀칭이, 예컨대 품질 계수에 의해 그리고 먼지 보유 능력에 의해 나타내어지는 바와 같은 우수한 여과 성능을 나타내고 증가된 로프트를 나타내는 공기 여과 웨브를 제공하도록 스펀본디드 부직 전구체 웨브를 리로프팅하는 편리하고 성공적인 방법인 것으로 밝혀진 것은 놀라운 결과이다.

니들 펀칭은 임의의 적합한 방식으로 수행될 수 있다. 각각의 개별 니들 투과가 웨브의 국부 구역에만 영향을 미치는 것으로 생각될 수 있지만, 니들 펀칭된 구역들이 집합적으로 웨브의 또는 그의 리로프팅된 영역(들)의 길이 및 폭에 걸쳐 비교적 균일한 특성을 나타내는 리로프팅된 웨브(또는 웨브의 총 면적의 30% 이상을 구성하는 영역 또는 영역들)를 제공하도록 니들 펀칭이 수행될 수 있다는 것이 본 작업에서 밝혀졌다. 따라서, 다양한 실시 형태에서, 웨브는 웨브의 제곱 센티미터당 4, 8, 12, 16, 20, 24, 30, 35, 또는 40개 이상의 펀치의 펀칭 밀도로 니들 펀칭될 수 있다. 니들들의 간격/밀도, 니들들의 타격률(strike rate), 니들 펀칭 장치를 통해 웨브를 전진시키는 속도 등과 같은 공정 및 장치 파라미터들이 원하는 균일성을 달성하기 위한 것뿐만 아니라 로프트의 원하는 증가를 달성하기 위해 원하는 대로 조절될 수 있다. 웨브는 다수의 니들 펀칭 패스(pass)를 겪을 수 있고/있거나, 예컨대 영역 균일성을 추가로 향상시키기 위해 웨브의 양면으로부터 니들 펀칭될 수 있지만, 이는 필요하지 않을 수 있다.

일부 실시 형태에서, 리로프팅 공정은 하이드로인탱글링 공정일 수 있다. 따라서, 리로프팅되고 하이드로인탱글링된 웨브에 대한 본 명세서에서의 언급은, 리로프팅되고 또한 일부 다른 목적을 위해 하이드로인탱글링된 웨브보다는 하이드로인탱글링에 의해 리로프팅된 웨브를 나타낸다. 하이드로인탱글링은 섬유들을 얽히게 하기 위해 (바브형 니들 이외의) 매우 미세한 고속 물 제트가 사용되는 공정을 지칭한다. 따라서, 하이드로인탱글링에서, 충돌/투과 엔티티는 물 제트이며, 하이드로인탱글링은 때때로 "유압 니들링"으로 지칭된다. 당업자는 카딩, 가네팅, 에어-레잉(예컨대, 란도-웨버) 등과 같은 드라이-레이드 공정에서 수집된 섬유들을 기계적으로 "접합"하는 데 (예컨대, 니들 펀칭 대신에) 하이드로인탱글링이 종종 사용되었다는 것을 이해할 것이다. 대조적으로, 본 명세서에 개시된 바와 같이, 본 명세서에서 앞서 논의된 바와 같은 섬유-섬유 접합부를 포함하도록 이미 접합된 부직 웨브에 하이드로인탱글링이 적용된다. 즉, 향상된 공기 여과 특성을 나타내는 공기 여과 웨브를 제공하기 위해 스펀본디드 웨브의 이미 존재하는 섬유-섬유 접합부들 중 적어도 일부를 파단시키는 데 하이드로인탱글링이 사용된다.

하이드로인탱글링은 임의의 적합한 방식으로 수행될 수 있다. 따라서, 물 제트들의 간격 밀도, 물 속도 및 압력, 웨브 상으로의 물의 충돌 각도, 하이드로인탱글링 장치를 통해 웨브를 전진시키는 속도 등과 같은 공정 및 장치 파라미터들이 원하는 대로 조절될 수 있다. 특히, 물 제트들이 스펀본디드 웨브 상에 충돌되는 밀도(예컨대, 웨브가 하이드로인탱글링 장치를 통과하는 속도 및 물 제트 간격에 의해 확립된 바와 같음)는 임의의 적합한 값, 예컨대 웨브의 제곱 센티미터당 4, 8, 12, 16, 20, 24, 30, 35, 또는 40회 이상의 충돌일 수 있다. 웨브는 다수의 하이드로인탱글링 패스를 겪을 수 있고/있거나 원하는 경우 웨브의 양면으로부터 하이드로인탱글링될 수 있다.

통상의 기술자는 니들 펀칭 및 하이드로인탱글링과 같은 공정이 물리적 "접합부"로서 역할할 수 있는 섬유 얽힘부를 야기할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 그러한 섬유 얽힘부는, 비교적 적은 섬유-섬유 접합부들이 파손되지 않은 상태로 남아 있을지라도, 리로프팅된 웨브의 완전성/자립 특성에 기여할 수 있다. 그러나, 많은 실시 형태에서, 이러한 방식으로 리로프팅된 웨브 내에 다수의 파단되지 않은 섬유-섬유 접합부가 여전히 존재할 수 있다.

개선된 여과 성능을 부여하는 것이 요구되는 임의의 공기 여과 웨브에 대해 리로프팅 공정이 수행될 수 있다. 그러나, (어떤 방식으로라도 수행되는) 리로프팅 공정이 비교적 높은 로프트를 이미 갖는 웨브에 대해 수행되는 데 특히 적합한 것으로 밝혀졌다. 즉, 고 로프트 웨브를 리로프팅하는 것은 웨브를 통한 입자의 투과율에 대해 작거나 무시해도 될 정도의 영향을 미치면서 웨브를 통한 압력 강하를 상당히 낮추는 것으로 밝혀졌다. 이는 상당히 개선된 품질 계수를 초래한다. 비교적 낮은 로프트의 웨브(예컨대, 10% 이상의 충전도를 가짐)에 대해 리로프팅이 수행된 때, 압력 강하가 다시 상당히 낮아졌지만, 웨브를 통한 입자의 투과율은 상당히 증가하였다. 따라서, 이들 인자 둘 모두를 고려하는 품질 계수는 상당히 개선되지 않았다.

따라서, 본 명세서에 개시된 바와 같은 리로프팅 공정은 비교적 높은 로프트의 웨브를 취하고 로프트를 훨씬 더 높은 값으로 증가시킬 수 있으며, 그렇게 함에 있어서 품질 계수 및 먼지 보유 용량과 같은 여과 파라미터들을 증가시킬 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 리로프팅될 전구체 웨브는 10.0, 9.0, 8.0, 7.0, 또는 6.0% 미만의 충전도를 나타낼 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 리로프팅 공정은 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 또는 3.0% 이상만큼 충전도를 감소시킬 수 있다. (이러한 백분율은 실제 충전도 그 자체에 의해 표현되는데, 즉, 8.0%의 충전도를 갖는 전구체 웨브가 6.5%의 충전도를 갖도록 리로프팅되는 경우, 이는 1.5%의 충전도의 감소이다.) 다양한 실시 형태에서, 리로프팅된 웨브는 9.0, 8.0, 7.0, 6.0, 5.0, 또는 4.0% 미만의 충전도를 나타낼 수 있다. 추가의 실시 형태에서, 리로프팅된 웨브는 1.0, 2.0, 또는 3.0% 초과의 충전도를 나타낼 수 있다. 품질 계수에 의해 특성화되는 바와 같은 여과 성능의 현저하고 유용한 증가가 측정된 충전도의 큰 감소를 반드시 필요로 하는 것은 아님에 유의한다. 따라서, 일부 경우에, 예컨대 0.2, 0.1, 또는 심지어 0.05%만큼 작은 충전도 감소는 그럼에도 불구하고 품질 계수의 유용한 증가에 대응할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 리로프팅된 공기 여과 웨브는 0.5, 0.7, 1.0, 1.3, 또는 1.5 이상의 품질 계수를 나타낼 수 있다.

리로프팅된 웨브는 임의의 적합한 평량을 포함할 수 있다. 예컨대 리로프팅 공정이 웨브 상에 전체적인 파급 효과를 갖는 기계적 작업 공정인 실시 형태에서, 평량은 전구체 웨브의 평량으로부터 약간 감소할 수 있으며, 그렇지 않으면 평량은 비교적 변화되지 않은 상태로 유지될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 리로프팅된 웨브는 제곱 미터당 300, 200, 150, 100, 90, 또는 80 그램 이하의 평량을 나타낼 수 있다. 추가의 실시 형태에서, 리로프팅된 웨브는 제곱 미터당 30, 40, 또는 50 그램 이상의 평량을 나타낼 수 있다. 이미 고 로프트인 공기 여과 웨브를 리로프팅하는 것이, 웨브가 높은 평량(예컨대, 제곱미터당 100 그램 이상)을 포함하거나 깊게 엠보싱된(예컨대, 백-유사(bag-like)) 포켓을 포함할 필요 없이, 먼지 보유 용량에서 (예컨대, 본 명세서에서의 작동예에 의해 입증되는 바와 같이, 2배 이상만큼) 상당한 증가를 부여할 수 있다는 것이 주목할 만하다. 다양한 실시 형태에서, 리로프팅된 공기 여과 웨브는 제곱미터당 30, 40, 50 또는 60 그램 이상의 먼지 보유 용량을 나타낼 수 있다.

앞서 언급된 바와 같이, 일부 실시 형태에서, 리로프팅된 공기 여과 웨브(10)는 주름 형성될 수 있다. 따라서, 도 5의 예시적인 실시 형태에 도시된 바와 같이, 리로프팅된 공기 여과 웨브(10)는 주름(401)들 및 주름 팁(402)들을 포함하도록 주름 형성된 공기 필터 매체(1)를 제공할 수 있거나 그의 층일 수 있다. "주름진"은, 통상의 기술자에 의해 잘 이해되는 바와 같이, 대체로 평행하고 반대로 배향된 절첩부들의 열(row)들을 형성하도록 적어도 일부분들이 절첩된 기재(substrate)(단층이든 다층이든 간에)를 의미한다. 공기 여과 매체의 주름 형성은 전형적으로 공칭 (평면-투영된) 영역 내에서 이용가능한 매체의 총 표면적을 증가시키는 역할을 하며, 주름 형성은 전형적으로, 예컨대 로프트 및 입자의 투과율과 같은 매체의 고유 특성을 상당히 변화시키지 않는다.

주름 형성된 웨브의 주름 높이 및 주름 간격은 임의의 적합한 범위 내에 있을 수 있다. 주름 높이(주름 진폭(amplitude))는 주름 형성된 웨브의 전체 주 평면에 직교하는 방향을 따른, 상류 팁으로부터 하류 팁까지의 거리이다. 다양한 실시 형태에서, 주름 높이는 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 30, 또는 40 mm 이상일 수 있다. 추가의 실시 형태에서, 주름 높이는 110, 90, 70, 50, 35, 25 또는 14 mm 이하일 수 있다. 주름 간격은 필터 매체의 주 평면 내에 있는 방향을 따른, 가장 가까운 이웃하는 동일측 주름 팁들 사이의 거리이다. 다양한 실시 형태에서, 주름 간격은 약 30, 25, 20, 15, 12, 10, 8, 6 또는 4 mm 이하일 수 있다. 추가의 실시 형태에서, 주름 간격은 약 3, 5, 7, 9 또는 11 mm 이상일 수 있다. 주름들은 임의의 원하는 곡률 반경을 가질 수 있는데, 예를 들어, 이들은 외양이 비교적 사인파형일 수 있거나, 이들은 비교적 예리한 팁형일 수 있다.

원한다면, 주름 형성된 공기 필터 매체(1)(리로프팅된 공기 여과 웨브(10) 단독의 형태이든, 웨브(10)가 여과 층인 다층 구조물의 형태이든 간에)는 임의의 적합한 방식으로 안정화될 수 있다. 이는 예를 들어 리로프팅 공정이 매체의 강성을 현저하게 낮추는 경우에 특히 유용할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 일부 실시 형태에서, 공기 필터 매체에는 임의의 적합한 주름 안정화 아이템 또는 아이템들이 설비될 수 있다. 일반적으로, 그러한 아이템은 부재(member), 스트립(strip), 필라멘트, 필라멘트들의 집합체, 천공된 판지 시트(cardboard sheet) 등의 형태를 취할 수 있다. 그러한 주름 안정화 물품들은 (도 5에 도시된 바와 같은 예시적인 지지 스크림(scrim)(403)에서와 같이) 단지 주름들의 팁들과 접촉(예컨대, 접합)될 수 있거나, 이들은 매체의 주름들을 적어도 부분적으로 따를 수 있고, 따라서 또한 주름 벽들 및/또는 골(valley)들에 접합될 수 있다. 전자의 유형의 주름 안정화 아이템은 예컨대 판지 스트립, 중합체 스트랜드(strand) 등을 포함할 수 있다. 후자의 유형의 주름 안정화 아이템은, 예컨대 (예컨대, 필터 매체에 적용되고 나서 그와 함께 주름 형성되는) 와이어 메시 또는 치킨-와이어 유형 금속 그리드(grid), 주름 형성된 매체에 적용되는 드리즐 접착제(drizzle glue)의 비드(bead), 주름 형성되기 전에 매체의 표면 상으로 압출되는 필라멘트 등을 포함할 수 있다.

일부 실시 형태에서, 주름 형성된 매체에는 매체와 불연속적으로 접촉하도록 주름 형성된 매체의 주 면의 주름 팁들에 접합되는 브리징(bridging) 필라멘트들이 제공될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 브리징 필라멘트는 미국 가특허 출원 제62/346179호 및 PCT 특허 출원 공개 WO 2017/213926호에 기술된 일반적인 유형의 것일 수 있으며, 이들 둘 모두는 이러한 목적을 위해 본 명세서에 전체적으로 참고로 포함된다. 일부 실시 형태에서, 주름 형성된 매체에는 주름 형성된 매체와 연속 접촉하는(즉, 매체와 함께 주름 형성된) 연속-접촉 필라멘트가 제공될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 연속-접촉 필라멘트는, 이러한 목적을 위해 본 명세서에 전체적으로 참고로 포함된, 발명의 명칭이 "국부적으로 박화된 굽힘 구역을 포함하는 보강 필라멘트를 갖는 주름 형성된 공기 필터(PLEATED AIR FILTER WITH REINFORCING FILAMENTS COMPRISING LOCALLY-THINNED BENDING ZONES)"인 미국 가특허 출원 제__/______ 호(대리인 관리 번호 80992US002)에 기술된 일반적인 유형의 것일 수 있다.

원한다면, 주연부 지지 프레임(404)은, 예컨대 도 5에 예시적인 방식으로 도시된 바와 같이, 리로프팅된 공기 여과 웨브(10)를 포함하는 공기 필터 매체(1)(예컨대, 주름 형성된 공기 필터 매체(1))의 주 에지(major edge)들 상에 장착될 수 있다. 도 5에서, 주름(401)들을 보여주기 위해 프레임(404)의 일부분이 생략되었고, 또한, 도 5가 예시적인 표현이며 매체(1)의 특정 특징부(예컨대, 주름 팁(402)의 형상)가 도시된 것과 다를 수 있음이 강조된다. 많은 편리한 실시 형태에서, 공기 필터 매체는 주연부 지지 프레임이 장착되는 4개의 주 에지를 갖는 직사각형(이 용어는 정사각형 형상을 포함함)이다. 그러한 프레임은 결과적인 프레임 생성된 공기 필터가 적합한 위치, 예컨대 HVAC 시스템의 공기 귀환 덕트 내, 실내 공기 정화기의 격실 내 등등에 설치될 수 있도록 지지 및 견고화를 제공할 수 있다.

통상의 기술자는 고 로프트 스펀본드 웨브(특히, 예컨대 6.0% 미만의 충전도를 갖는 매우 높은 로프트의 웨브)들이, 이들이 예컨대 점보(jumbo)로 감기고 다음의 가공 단계를 기다리는 동안 그 상태로 유지 또는 보관된다면, 압밀에 취약할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 그러한 압밀은 오래 지속되거나 영구적일 수 있고, 여과 성능에 악영향을 미칠 수 있다. 그러나, 주름 형성 및/또는 프레임 형성과 직접 연관되어 멜트스피닝/접합 공정을 작업하는 것이 번거로울 수 있다. 따라서, 고 로프트 스펀본디드 웨브를 제조하고 이를 로프트가 유지되도록 주름 형성 및/또는 프레임 형성 공정 내로 직접 공급하는 것이 어려울 수 있다.

대조적으로, 주름 형성 및/또는 프레임 형성 공정과 연관되어 리로프팅 공정을 작업하는 것(예컨대, 니들 펀칭 작업 및/또는 하이드로인탱글링 작업)은 비교적 간단할 수 있다. 따라서, 일부 실시 형태에서, 공기 여과 웨브를 리로프팅하는 공정은 웨브에 주름 형성하는 공정 및/또는 웨브에 프레임 형성하는 공정과 연관되어 수행될 수 있다. 이는 유리하게도, 리로프팅된 웨브가 점보로 결코 감겨질 필요 없이, 리로프팅된 웨브가 주름 형성 및/또는 프레임 형성의 공정 내로 직접 투입되게 할 수 있다.

본 명세서에 개시된 바와 같은 리로프팅된 웨브는 정의상 공기 여과 웨브이다. 이는, 리로프팅된 웨브가 이동하는 가스 스트림의 미립자 여과를 수행하도록 의도적으로 구성됨을 의미하고, 구체적으로는 리로프팅된 웨브가 0.30 이상의 품질 계수를 나타냄을 의미한다. (본 명세서에서 품질 계수에 대한 모든 언급은, 달리 명시되지 않는 한, 다이옥틸 프탈레이트(DOP)를 이용하여 시험함으로써 얻어지는 품질 계수를 지칭한다.) 그러한 리로프팅된 웨브는 공기 여과 매체로서 독립형 기준(stand-alone basis)으로 역할할 수 있거나, 리로프팅된 웨브는 다층 공기 여과 매체의 여과 층으로서 사용될 수 있다. 리로프팅된 공기 여과 웨브는, 예를 들어, 예컨대 위생 제품, 기저귀 구성요소, 세정 와이프(wipe) 등과 같은 응용을 위해, 액체를 흡수하기 위한 흡수성 재료로서 구성된 부직 웨브와 구별될 것이다. 특히, 공기스트림으로부터 입자를 포획하는 향상된 능력을 제공하기 위해 대전되는 리로프팅된 공기 여과 웨브는 액체를 흡수하도록 구성된 웨브와 구별될 것이다.

특정 실시 형태에서, 리로프팅된 공기 여과 웨브(예컨대, 대전된 웨브)에는 친수성 섬유, 분말 또는 유사한 것(예컨대, 물 흡수를 촉진하기 위해 부직 웨브에 종종 포함되는 바와 같은 셀룰로오스 펄프 섬유)이 적어도 본질적으로 없을 것이다. 공기 여과 웨브에 대해 예상되는 바와 같이, 적어도 일부 실시 형태에서, 리로프팅된 공기 여과 웨브는 임의의 관통 구멍, 관통 슬릿, 관통 개구; 또는 일반적으로는, 공기 중 입자가 임의의 섬유와 마주침이 없이 웨브를 통과하게 할 임의의 통로를 포함하지 않을 것이다.

예시적인 실시 형태들의 목록

실시 형태 1은 공기 필터 매체로서, 8.0% 미만으로부터 3.0% 이상까지의 충전도를 나타내고 0.30 이상의 품질 계수를 나타내는 리로프팅된 스펀본디드 부직 웨브를 포함하고, 리로프팅된 스펀본디드 부직 웨브는 니들 펀칭된 웨브, 하이드로인탱글링된 웨브, 또는 니들 펀칭되고 하이드로인탱글링된 웨브인, 공기 필터 매체이다.

실시 형태 2는 실시 형태 1의 공기 필터 매체로서, 리로프팅된 웨브는 약 7.0% 미만 내지 4.0% 이상의 충전도를 포함하는, 공기 필터 매체이다.

실시 형태 3은 실시 형태 1 또는 실시 형태 2의 공기 필터 매체로서, 리로프팅된 웨브는 대전된 적어도 일부의 멜트스펀 섬유들을 포함하는, 공기 필터 매체이다.

실시 형태 4는 실시 형태 1 내지 실시 형태 3 중 어느 한 실시 형태의 공기 필터 매체로서, 리로프팅된 웨브는 하이드로 대전된 적어도 일부의 멜트스펀 섬유들을 포함하는, 공기 필터 매체이다.

실시 형태 5는 실시 형태 1 내지 실시 형태 4 중 어느 한 실시 형태의 공기 필터 매체로서, 리로프팅된 웨브는 1성분 섬유들인 적어도 일부의 대전된 멜트스펀 섬유들을 포함하는, 공기 필터 매체이다.

실시 형태 6은 실시 형태 1 내지 실시 형태 5 중 어느 한 실시 형태의 공기 필터 매체로서, 공기 여과 웨브는 약 0.70 이상의 품질 계수를 포함하는, 공기 필터 매체이다.

실시 형태 7은 실시 형태 1 내지 실시 형태 5 중 어느 한 실시 형태의 공기 필터 매체로서, 상기 웨브는 약 1.0 이상의 품질 계수를 포함하는, 공기 필터 매체이다.

실시 형태 8은 실시 형태 1 내지 실시 형태 7 중 어느 한 실시 형태의 공기 필터 매체로서, 리로프팅된 웨브는 섬유-섬유 접합부들을 포함하고, 또한 파단된 섬유-섬유 접합부들을 포함하는, 공기 필터 매체이다.

실시 형태 9는 실시 형태 1 내지 실시 형태 8 중 어느 한 실시 형태의 공기 필터 매체로서, 리로프팅된 웨브는 2.5% 이하의 면적비로 존재하는 다중-섬유 영역 접합부들을 포함하는, 공기 필터 매체이다.

실시 형태 10은 실시 형태 1 내지 실시 형태 9 중 어느 한 실시 형태의 공기 필터 매체로서, 리로프팅된 웨브는 주름 형성된 리로프팅된 웨브인, 공기 필터 매체이다.

실시 형태 11은 실시 형태 1 내지 실시 형태 10 중 어느 한 실시 형태의 공기 필터 매체로서, 공기 필터 매체의 4개의 주 에지들 각각 상에 장착된 주연부 지지 프레임을 더 포함하는, 공기 필터 매체이다.

실시 형태 12는 실시 형태 1 내지 실시 형태 11 중 어느 한 실시 형태의 공기 필터 매체로서, 웨브는 니들 펀칭된 웨브인, 공기 필터 매체이다.

실시 형태 13은 실시 형태 1 내지 실시 형태 11 중 어느 한 실시 형태의 공기 필터 매체로서, 웨브는 하이드로인탱글링된 웨브인, 공기 필터 매체이다.

실시 형태 14는 유동하는 공기의 스트림을 여과하는 방법으로서, 유동하는 공기의 스트림을 실시 형태 1 내지 실시 형태 13 중 어느 한 실시 형태의 공기 필터 매체를 통해 통과시키는 단계를 포함하는, 방법이다.

실시 형태 15는 스펀본디드 전구체 웨브를 리로프팅하는 공정으로서, 10% 이하의 충전도를 포함하는 스펀본디드 전구체 웨브를 니들 펀칭 및/또는 하이드로인탱글링하여, 8.0% 미만 내지 3.0%의 충전도를 포함하고 0.30 이상의 품질 계수를 포함하는 리로프팅된 스펀본디드 공기 여과 웨브를 생성하는 단계를 포함하는, 공정이다.

실시 형태 16은 실시 형태 15의 공정으로서, 리로프팅 공정은 니들 펀칭 공정인, 공정이다.

실시 형태 17은 실시 형태 15의 공정으로서, 리로프팅 공정은 하이드로인탱글링 공정인, 공정이다.

실시 형태 18은 실시 형태 15 내지 실시 형태 17 중 어느 한 실시 형태의 공정으로서, 리로프팅 공정은 리로프팅된 스펀본디드 공기 여과 웨브에 주름 형성하는 후속 공정과 연관되어 수행되는, 공정이다.

실시 형태 19는 실시 형태 15 내지 실시 형태 18 중 어느 한 실시 형태의 공정으로서, 리로프팅 공정은 리로프팅된 스펀본디드 공기 여과 웨브의 주 에지들 상에 주연부 지지 프레임을 장착하는 후속 공정과 연관되어 수행되는, 공정이다.

실시예

시험 방법

충전도 및 로프트

충전도는 부직 섬유상 웨브의 측정된 벌크 밀도를, 웨브의 고형 부분을 구성하는 재료의 밀도로 나눔으로써 결정된다. 웨브의 벌크 밀도는 먼저 웨브의 (예컨대, 10 cm × 10 cm 섹션의) 중량을 측정함으로써 결정될 수 있다. 웨브의 측정된 중량을 웨브 면적으로 나누어, g/m² 단위로 보고되는 웨브의 평량을 제공한다. 웨브의 두께는 (예컨대, 다이 커팅(die cutting)에 의해) 웨브의 135 mm 직경의 디스크를 획득하고, 100 mm 직경의 230 g 추(weight)가 웨브 위에 중심설정된 상태에서 웨브 두께를 측정함으로써 측정될 수 있다. 웨브의 벌크 밀도는 웨브의 평량을 웨브의 두께로 나눔으로써 결정되고, g/㎥ 단위로 보고된다.

이어서 부직 섬유질 웨브의 벌크 밀도를 웨브의 고형 필라멘트를 구성하는 재료(예컨대, 중합체)의 밀도로 나눔으로써 충전도가 결정된다. 벌크 중합체의 밀도는, 공급자가 재료 밀도를 명시하지 않은 경우, 표준 수단에 의해 측정될 수 있다. 충전도는 보통 백분율로 보고되는 무차원 분율이다.

로프트는 보통 100%에서 충전도를 뺀 것으로 보고된다(예컨대, 7%의 충전도는 93%의 로프트와 동등하다).

투과율(%), 압력 강하, 및 품질 계수

부직 섬유상 웨브의 (입자) 투과율(%), 압력 강하 및 여과 품질 계수(QF)를, (달리 지시되지 않는 한) 14 cm/s의 면 속도(face velocity)를 제공하도록 85 리터/분의 유량으로 전달되는, DOP(다이옥틸 프탈레이트) 액적을 함유하는 챌린지 에어로졸(challenge aerosol)을 사용하여 결정하였고, 티에스아이(TSI)(등록 상표) 모델 8130 고속 자동화된 필터 시험기(미국 미네소타주 쇼어뷰 소재의 티에스아이 인크.(TSI Inc.)로부터 구매가능함)를 사용하여 평가하였다. DOP 시험의 경우, 에어로졸은 직경이 약 0.185 μm인 입자를 함유할 수 있고, 자동화된 필터 시험기는 히터가 꺼진 상태로 그리고 입자 중화기가 켜진 상태로 작동될 수 있다. 입자 농도 및 필터를 통한 입자 투과율(%)을 측정하기 위해 교정된 광도계가 필터 입구 및 출구에 채용될 수 있다. 필터를 통한 압력 강하(ΔP, mm H2O)를 측정하기 위해 엠케이에스(MKS) 압력 변환기(미국 매사추세츠주 윌밍턴 소재의 엠케이에스 인스트루먼츠(MKS Instruments)로부터 구매가능함)가 채용될 수 있다. 하기의 수학식:

을 사용하여 압력 강하 및 (입자) 투과율(%)로부터 QF를 계산할 수 있다.

먼지 보유 용량 ( DHC )

필터의 먼지 보유 용량(및 예컨대 포획 효율, 포집률(Arrestance), 및 최소 효율 보고 값(Minimum Efficiency Reporting Value, MERV)과 같은 다른 여과 특성)을 ASHRAE 표준 52.2("입자 크기별 제거 효율을 위한 일반적인 통기 공기-청정 장치의 시험 방법(Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size)")에서의 일반적인 방법에 따라 측정한다. 먼지 보유 용량 시험은 웨브를 필터(예컨대, 주름 형성된 그리고/또는 프레임 형성된 필터)로서 구성하는 것, 필터를 시험 덕트 내로 설치하는 것, 및 ASHRAE 52.2 표준에 명시된 바와 같은 합성 먼지를 사용하여 필터가 증분식 먼지 로딩 단계들을 받게 하는 것을 수반한다. 먼지 보유 용량은 증분식 먼지 로딩 단계들 모두에 걸쳐 공기 필터 샘플에 의해 포획된 합성 먼지의 총 중량이다. 본 경우에, 먼지 보유 용량에 대해 시험된 샘플들에 하기에 기술된 바와 같이 주름 형성하였다. 따라서, 모든 샘플에 대한 먼지 보유 용량을 공기 필터 샘플의 표면적에 대해 정규화하고, 제곱미터당 먼지의 그램으로 보고한다.

작동예

고 로프트 스펀본디드 웨브를 획득하였다. 일반적으로 미국 특허 제8240484호의 실시예에 기술된 절차에 따라 멜트스펀 섬유들을 제조하고 수집하였다. 수집된 섬유들은 일반적으로 미국 특허 제9976771호에 기술된 절차에 따라 자발적으로 접합되어 자립형 스펀본디드 웨브를 형성하였고, 또한 '484 특허에 기술된 일반적인 방식의 캘린더링 방법을 사용하여 영역 접합되었다. 영역 접합부들은 대략 1.5 내지 1.6%의 웨브의 면적 백분율로 존재하는 것으로 추정되었다. 웨브는 일반적으로 미국 특허 출원 공개 제2012/0017910호에 개시된 절차에 따라 하이드로 대전되었다. 웨브들을 2개의 등급, 즉 대략 55 그램/제곱미터의 평량 및 대략 7.5의 충전도를 나타내는 등급 55; 및 대략 75 그램/제곱미터의 평량 및 대략 7.9의 충전도를 나타내는 등급 75로 획득하였다. 재료의 둘 모두의 등급을 평탄 웨브 샘플들로서 획득하였다.

평탄 웨브 샘플들을 니들 펀칭에 의해 리로프팅하였다. 니들들이 32개의 열로 (사이에 대략 50 mm 수직 간격을 둔 상부 구멍 보드(board) 및 저부 구멍 보드를 포함하는 상측 펀칭 배열로) 제공되었는데, 각각의 열은 85 cm 측방향(웨브 횡단) 폭을 가로질러 연장되었고, 이때 열들은 28.5 cm 웨브 하류측 범위를 따라 이격된다. 각각의 열은 104개의 니들을 가졌다(따라서, 행 내의 니들 간격이 대략 8 mm였음). 니들은 미국 위스콘신주 매니토웍 소재의 포스터 니들 컴퍼니(Foster Needle Co.)에 의한 상표명 F20-9-28-7-B, 니들 # 5230160, 15 × 18 × 30 × 3.5 RB로 입수가능한 일반적인 유형의 것이었다. 웨브를 분당 약 1.5 미터의 속도로 연속 방식으로 니들 펀처를 통과시켰다. 웨브가 니들 펀칭 유닛을 통과함에 따라, 웨브를 60 mm의 스트로크 깊이로 분당 대략 150 스트로크(stroke)의 속도로 니들 펀칭하였다. 이들 파라미터로부터, 웨브가 웨브 재료의 제곱 센티미터당 대략 40개 펀치의 밀도로 펀칭된 것으로 추정되었다. 펀칭은 단지 하나의 측(상부 측)으로부터 수행되었다.

웨브의 로프트의 증가는 약식의 시각적 검사 시에도 현저히 분명하였다. 즉, 리로프팅된 웨브는 입수한 그대로의 웨브보다 현저하게 더 두껍고 "더 보풀로 덮였고", 영역-접합된 영역들 중 매우 적은 영역들이 여전히 보였으며; 오히려, 이들은 그 위에 놓여 있는 섬유들에 의해 가려지는 것처럼 보였다. 리로프팅된 웨브는 매우 균일한 외양을 나타냈다.

입수한 그대로의 웨브들과 함께, 이들 리로프팅된 샘플에 대한 충전도 및 품질 계수가 표 1에 제시되어 있다. 이들을 평탄 웨브 샘플들에 대해 실행하였다. 각각의 데이터 점은 다수의 측정치에 대한 평균된 값이다. 본 명세서에 언급된 바와 같이, 모든 그러한 측정치들은 리로프팅된 웨브의 거시적 영역들에 걸쳐 얻어졌으며, 따라서, 결과는 전체 값들이다.

리로프팅된 등급 55 샘플에 대한 먼지 보유 용량(DHC)이 또한 포함된다. DHC 시험의 경우, 샘플에 주름 형성하여 16 인치 × 20 인치의 전체 (공칭) 크기를 갖고 0.75 인치의 주름 높이 및 인치당 대략 1.1개 주름의 주름 밀도를 갖는 주름 형성된 필터를 형성하였다. "있는 그대로의" (리로프팅되지 않은) 등급 55 대조 샘플에 유사하게 주름 형성하였다.

[표 1]

표 1로부터 명백한 바와 같이, 이들 리로프팅된 샘플은 대략 70% 내지 대략 80%의 품질 계수의 향상(입수된 그대로의 샘플에 대한 증가율(%))을 나타내었다. 먼지 보유 용량에 대해 시험된 리로프팅된 샘플(등급 55)은 "있는 그대로의" 웨브에 비해 먼지 보유 용량의 매우 큰 향상을 나타내었다.

변형예

다른 니들 펀칭 조건

샘플들을 제곱 cm당 대략 30개 펀치 내지 제곱 cm당 280개 펀치의 범위인 것으로 추정되는 다양한 펀칭 밀도로 니들 펀칭하였다. 이들 샘플 모두가 품질 계수 또는 먼지 보유 용량에 대해 특성화되지는 않았지만, 이들은 전술된 샘플들과 물리적으로 유사한 것으로 보였으며, 이들이 전술된 예들과 적어도 대체로 유사하게(또는 그보다 우수하게) 수행하였을 것으로 여겨졌다.

코로나 대전

등급 55와 대체로 유사하지만 대략 50의 평량을 나타내는 샘플들을 획득하였고, 하이드로 대전시키기보다는 당업계에서 통상적인 방법을 사용하여 코로나 대전시켰다. 샘플들을 전술된 바와 유사한 방식으로 니들 펀칭함으로써 리로프팅하였다. 리로프팅된 샘플들은 대략 0.55의 품질 계수를 나타내는 입수한 그대로의 샘플들과 비교하여 대략 1.0의 품질 계수를 나타내었다.

전술한 실시예들은 단지 명확한 이해를 위해 제공되었고, 그로부터 불필요한 제한이 이해되어서는 안 된다. 실시예들에 기술된 시험과 시험 결과는 예측적이기보다는 예시적인 것으로 의도되고, 시험 절차의 변화가 상이한 결과를 산출할 것으로 예상될 수 있다. 실시예들에서의 모든 정량적 값들은 사용된 절차에 수반된 일반적으로 알려진 허용오차의 측면에서 근사치로 이해된다. 본 명세서에 개시된 예시적인 특정 요소, 구조, 특징, 상세 사항, 구성 등이 다수의 실시 형태에서 변형 및/또는 조합될 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 모든 그러한 변형과 조합은 단지 예시적인 설명으로서의 역할을 하도록 선택된 그러한 대표적인 설계가 아니라 구상된 발명의 범위 내에 있는 것으로 본 발명자에 의해 고려된다. 따라서, 본 발명의 범주는 본 명세서에 기재된 예시적인 특정 구성으로 제한되는 것이 아니라, 오히려 적어도 청구범위의 표현에 의해 설명되는 구성 및 이들 구성의 등가물로 확대되어야 한다. 본 명세서에 대안으로서 분명하게 언급된 임의의 요소는, 필요에 따라 임의의 조합으로, 청구범위에 명시적으로 포함될 수 있거나 청구범위로부터 배제될 수 있다. 본 명세서에 개방형 언어(예를 들어, '포함한다' 및 이의 변형)로 언급된 임의의 요소 또는 요소들의 조합은 폐쇄형 언어(예를 들어, '이루어진다' 및 이의 변형) 및 부분 폐쇄형 언어(예를 들어, '본질적으로 이루어진다' 및 이의 변형)로 부가로 언급되는 것으로 여겨진다. 다양한 이론 및 가능한 메커니즘이 본 명세서에 논의되었을 수 있지만, 어떠한 경우에도 그러한 논의는 청구가능한 발명 요지를 제한하는 역할을 하지 않는다. 서면으로 된 본 명세서와 본 명세서에 참고로 포함되어 있지만 우선권이 주장되지 않은 임의의 문헌의 개시내용 간에 상충 또는 모순이 있는 경우에는, 서면으로 된 본 명세서가 우선할 것이다.

Claims

공기 필터 매체로서,
8.0% 미만 내지 3.0% 이상의 충전도(solidity)를 나타내고 0.30 이상의 품질 계수(Quality Factor)를 나타내는 리로프팅된 스펀본디드 부직 웨브(relofted, spunbonded nonwoven web)를 포함하고,
상기 리로프팅된 스펀본디드 부직 웨브는 니들 펀칭된(needle-punched) 웨브, 하이드로인탱글링된(hydroentangled) 웨브, 또는 니들 펀칭되고 하이드로인탱글링된 웨브인, 공기 필터 매체.
제1항에 있어서, 상기 리로프팅된 웨브는 7.0% 미만 내지 4.0% 이상의 충전도를 포함하는, 공기 필터 매체.
제1항에 있어서, 상기 리로프팅된 웨브는 대전된 적어도 일부의 멜트스펀(meltspun) 섬유들을 포함하는, 공기 필터 매체.
제1항에 있어서, 상기 리로프팅된 웨브는 하이드로 대전된 적어도 일부의 멜트스펀 섬유들을 포함하는, 공기 필터 매체.
제1항에 있어서, 상기 리로프팅된 웨브는 1성분 섬유들인 적어도 일부의 대전된 멜트스펀 섬유들을 포함하는, 공기 필터 매체.
제1항에 있어서, 상기 공기 여과 웨브는 약 0.70 이상의 품질 계수를 포함하는, 공기 필터 매체.
제1항에 있어서, 상기 웨브는 약 1.0 이상의 품질 계수를 포함하는, 공기 필터 매체.
제1항에 있어서, 상기 리로프팅된 웨브는 섬유-섬유 접합부들을 포함하고, 또한 파단된 섬유-섬유 접합부들을 포함하는, 공기 필터 매체.
제1항에 있어서, 상기 리로프팅된 웨브는 2.5% 이하의 면적비로 존재하는 다중-섬유 영역 접합부(multi-fiber area-bond)들을 포함하는, 공기 필터 매체.
제1항에 있어서, 상기 리로프팅된 웨브는 주름 형성된 리로프팅된 웨브인, 공기 필터 매체.
제1항에 있어서, 상기 공기 필터 매체의 4개의 주 에지(major edge)들 각각 상에 장착된 주연부 지지 프레임을 더 포함하는, 공기 필터 매체.
제1항에 있어서, 상기 웨브는 니들 펀칭된 웨브인, 공기 필터 매체.
제1항에 있어서, 상기 웨브는 하이드로인탱글링된 웨브인, 공기 필터 매체.
유동하는 공기의 스트림(stream)을 여과하는 방법으로서,
상기 유동하는 공기의 스트림을 제1항의 공기 필터 매체를 통해 통과시키는 단계를 포함하는, 방법.
스펀본디드 전구체 웨브를 리로프팅하는 공정으로서,
10% 이하의 충전도를 포함하는 스펀본디드 전구체 웨브를 니들 펀칭 및/또는 하이드로인탱글링하여, 8.0% 미만 내지 3.0%의 충전도를 포함하고 0.30 이상의 품질 계수를 포함하는 리로프팅된 스펀본디드 공기 여과 웨브를 생성하는 단계를 포함하는, 공정.
제15항에 있어서, 상기 리로프팅 공정은 니들 펀칭 공정인, 공정.
제15항에 있어서, 상기 리로프팅 공정은 하이드로인탱글링 공정인, 공정.
제15항에 있어서, 상기 리로프팅 공정은 상기 리로프팅된 스펀본디드 공기 여과 웨브에 주름 형성하는 후속 공정과 연관되어 수행되는, 공정.
제15항에 있어서, 상기 리로프팅 공정은 상기 리로프팅된 스펀본디드 공기 여과 웨브의 주 에지들 상에 주연부 지지 프레임을 장착하는 후속 공정과 연관되어 수행되는, 공정.