KR20210153137A - 폴리아마이드 나노섬유 층을 포함하는 필터 매체 - Google Patents
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Abstract
폴리아마이드 나노섬유 층을 포함하는 필터 매체가 개시된다. 상기 폴리아마이드는 2 내지 200의 상대 점도를 가질 수 있다. 상기 폴리아마이드 나노섬유 층은 225℃ 이상의 융점을 가질 수 있다. 상기 나노섬유는 1000 nm(1 마이크론) 미만의 평균 섬유 직경을 가질 수 있다. 상기 필터 매체의 제조 방법도 개시된다. 일반적으로, 상기 방법은, (a) 방사가능 폴리아마이드 중합체 조성물을 제공하는 단계로서, 상기 폴리아마이드는 2 내지 200의 상대 점도를 갖는, 단계; (b) 상기 폴리아마이드 중합체 조성물을, 1 마이크론 미만의 평균 섬유 직경을 갖는 다수의 나노섬유로 용융-방사하는 단계; 및 이어서 (c) 폴리아마이드 나노섬유 층을 형성하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은, 폴리아마이드 나노섬유 부직물의 하나 이상의 층을 포함하는 필터 매체 뿐만 아니라, 2 내지 200의 상대 점도를 갖는 폴리아마이드를 사용하여 용융-취입 공정에 의해 하나 이상의 층을 제조하는 방법에 관한 것이다.
우선권 주장
본원은, 2019년 5월 1일자로 출원된 미국 특허 가출원 제62/841,485호를 우선권으로 주장하며, 상기 가출원의 전체 내용을 본원에 참조로 인용한다.
통상적인 여과 공정은, 유체(예컨대, 공기 스트림 또는 기타 기체 스트림) 또는 액체 스트림(예컨대, 유압 유체, 윤활유, 연료, 물 스트림 또는 기타 유체)로부터 미립자를 제거한다. 이러한 여과 공정은 마이크로섬유 및 기재 물질의 기계적 강도, 화학적 및 물리적 안정성을 필요로 한다. 필터 매체는 광범위한 온도 조건, 습도, 기계적 진동 및 충격, 및 유체 유동에 동반된 반응성 및 비반응성 연마성 또는 비연마성 미립자에 노출될 수 있다. 필터는 운용을 위해 제거될 수 있으며, 수성 또는 비수성 세척 조성물로 세척될 수 있다. 상기 매체는 흔히, 마이크로섬유를 방사 또는 용융-취입하고, 이어서 다공성 기재 상에 마이크로섬유의 맞물림(interlocking) 웨브를 형성함으로써 제조된다. 용융-취입 공정에서, 상기 마이크로섬유는 섬유들 간의 물리적 결합을 형성하여, 섬유 매트를 통합된 층으로 맞물리게 할 수 있다. 이어서, 상기 물질은 목적하는 필터 포맷(예컨대, 카트리지, 플랫 디스크, 캐니스터, 패널, 백 및 파우치)으로 제조될 수 있다. 이러한 구조 내에서, 상기 매체는 실질적으로 주름지거나, 말리거나 또는 달리 지지 구조체 상에 배치될 수 있다.
기존의 필터 매체는 당분야에 기술되어 있다. 예를 들어, 미국 특허 제6,746,517호는, 통상적인 기술을 사용하여 미세 섬유를 전기-방사함으로써 제조된, 약 0.0001 내지 0.5 마이크론의 섬유 직경을 갖는 미세 섬유(들)의 사용을 개시하고 있다.
미국 특허 제7,115,150호는, 일반적으로 주름지고 미세 섬유 침착물로 처리된 장벽 매체를 포함하는, 미스트 제거용 필터 장치를 개시하고 있다. 필터 배열은 관형 방사상 밀봉 부재; 관형 축방향 밀봉 부재; 순방향 공기 청정기; 역류 공기 청정기; 및 패널 필터의 형태를 취할 수 있으며, 주름진 매체를 포함하는 미세 섬유의 다수의 층을 가질 수 있다.
미국 특허 제6,716,274호는, 일반적으로 주름지고 미세 섬유의 침착물로 처리된 장벽 매체를 포함하는, 산업용 공기 청정기용 필터 배열을 개시하고 있다. 상기 매체는, 고온(60℃ 이상) 작동 환경에서 특히 유리하다.
미국 특허 제6,955,775호; 제7,070,640호; 제7,179,317호; 제7,270,693호; 제7,316,723호; 제8,366,797호; 제8,709,118호; 및 제9,718,012호는, 마이크로섬유 및 나노섬유 구조 형태의 개선된 중합체 물질로부터 제조될 수 있는 개선된 중합체 물질 및 미세 섬유 물질을 개시하고 있다. 상기 마이크로섬유 및 나노섬유 구조는 필터 물질의 형성을 비롯한 다양한 유용한 용도에 사용될 수 있다.
미국 특허 제8,512,432호는, 스펀-본딩(spunbond) 공정을 사용하여 복수의 섬유로부터 형성된 합성 부직물을 포함하는 베이스 기재를 포함하는 복합 필터 매체 구조를 개시하고 있다. 상기 베이스 기재는, EN 1822(1998) 시험 절차에 따라 측정시 약 35% 내지 50% 미만의 여과 효율을 가진다. 나노섬유 층이 상기 베이스 기재의 하나의 면에 침착된다. 상기 복합 필터 매체 구조는, EN 1822(1998) 시험 절차에 따라 측정시 약 70%의 최소 여과 효율을 가진다.
미국 특허 출원 공개 제2007/0074628호는, 기체 스트림으로부터 액체 에어로졸, 오일 및/또는 물을 제거하기 위한 유착(coalescing) 여과 매체를 개시하고 있다. 상기 매체는, 연속적이고 실질적으로 폴리올레핀이 없는 중합체성 나노섬유의 적어도 하나의 나노섬유 층의 나노섬유 웨브를 함유하고, 각각의 나노섬유 층은 약 800 nm 미만의 평균 섬유 직경 및 약 2.5 g/m2 이상의 평량을 가진다. 상기 나노섬유 층의 나노섬유 웨브는, 나일론 6,6 중합체 용액을 전기-취입함으로써 제조되었다.
필터 매체에 대한 다양한 설계가 또한 당분야에 기술되어 있다. 예를 들어, 미국 특허 제7,877,704호는, 복수의 필터 매체를 포함하는 교체가능 필터 부재 및 관련 여과 시스템, 기술 및 방법을 기술하고 있다. 개시된 바와 같이, 상기 필터 부재는 외부 필터 매체 및 내부 필터 매체를 포함한다. 상기 외부 필터 매체는, 유체의 유동 내에 존재하는 미립자를 제거하고/하거나 유체의 유동 내에 포함된 물을 유착시키도록 작동가능하다. 상기 내부 필터 매체는 유체의 유동으로부터 미립자를 제거하고, 유체의 유동으로부터 물을 분리하고, 유체의 유동으로부터 미립자를 제거하도록 작동가능하다.
미국 특허 제8,784,542호는, 0.01 내지 50 g/m2의 평량 및 60 내지 95%의 다공도를 갖고, 50 내지 600 nm 범위의 수평균 섬유 직경을 갖는 중합체성 나노섬유로 제조된 나노웨브를 포함하고, 5.5 이하의 C/N 비를 갖는 반결정질 폴리아마이드를 포함하는 중합체 조성물로 이루어진 나노섬유 막 층을 개시하고 있다. 상기 발명은 또한, 상기 나노섬유 막 층을 포함하는, 물 및 공기 여과 장치에 관한 것이다.
다층 구조도 기술되었다. 예를 들어, 미국 특허 제8,308,834호는, 스펀-본딩 공정을 사용하여 복수의 섬유로부터 형성된 합성 부직물을 포함하는 베이스 기재를 포함하는 복합 필터 매체를 개시하고 있다. 상기 베이스 기재는, ASHRAE 52.2-1999 시험 절차에 따라 측정시 약 50%의 최소 여과 효율을 가진다. 상기 베이스 기재의 하나의 면에 나노섬유 층이 침착된다. 상기 복합 필터 매체 구조는, ASHRAE 52.2-1999 시험 절차에 따라 측정시 약 75%의 최소 여과 효율을 가진다.
유럽 특허 제2321029호는, 2종 이상의 상이한 물질을 포함하는 다성분 필터 매체(이때, 상기 물질 중 적어도 하나는 저융점 성분임); 상기 다성분 필터 매체에 의해 수반되는 미세 섬유(상기 미세 섬유는 중합체성 물질로 형성되고, 약 500 nm 미만의 평균 섬유 직경을 가짐)를 포함하는 복합 필터 매체를 개시하고 있으며, 상기 미세 섬유는 상기 다성분 필터 매체에 열 결합된다.
미국 특허 제8,679,218호는, 다중 층을 갖는 필터 매체를 개시하고 있다. 개시된 바와 같이, 상기 필터 매체는 또다른 층에 부착된 나노섬유 층을 포함한다. 상기 나노섬유 층이 부착되는 층은 다수의 섬유 유형(예를 들어, 상이한 공기 투과도 및/또는 압력 강하를 갖는 구조를 발생시키는 섬유들)으로 형성된다. 개시된 나노섬유 층은 단일 상 또는 다중 상 층에 부착될 수 있다. 개시된 나노섬유 층은 용융-취입 공정으로부터 제조될 수 있다. 상기 필터 매체는, 몇몇 경우, 높은 먼지 입자 포집 효율 및/또는 높은 먼지 보유 용량을 포함하는 유리한 특성을 갖도록 설계될 수 있다.
필터 구성요소를 제조하는 다양한 방법이 당분야에 개시되어 있다. 예를 들어 미국 특허 출원 공개 제2015/0157971호는, 마이크로섬유와 서로 교차된(interlaced) 중합체성 나노섬유를 포함하는 하나 이상의 장벽 층, 및 중합체성 마이크로섬유를 포함하는 하나 이상의 기재 층을 포함하는 여과 장벽을 개시하고 있다. 상기 여과 장벽은 전기-방사 공정으로 제조될 수 있다.
상기 제시된 바와 같이, 나노섬유 및 마이크로섬유 부직포를 포함하는 중합체 막은 당분야에 공지되어 있으며, 다양한 목적(예컨대, 필터 매체 및 의류와 관련된 것)을 위해 사용된다. 미세 다공성 중합체 구조를 형성하기 위한 공지된 기술은 크세로겔(xerogel) 및 에어로겔 막 형성, 전기-방사, 용융-취입 뿐만 아니라, 회전 방사구(spinneret)를 사용한 원심-방사 및 추진제-기체를 사용한 박형 채널을 통한 2상 중합체 압출을 포함한다.
미국 특허 출원 공개 제2014/0097558호는, 여과 매체(예컨대, 개인 보호 장비 마스크 또는 호흡기)의 제조 방법에 대해 개시하고 있으며, 상기 방법은, 볼록한 주형(예를 들면, 이는 인간 얼굴 형태일 수 있음) 상에 나노섬유를 형성하기 위한 전기-방사 공정을 포함한다. 또한, 미국 특허 출원 공개 제2015/0145175호를 참조한다. 국제 특허 출원 공개 제WO 2014/074818호는, 액체로부터 표적 화합물 또는 원소를 선택적으로 여과하는데 사용되는 나노섬유 메쉬 및 크세로겔을 개시하고 있다. 또한, 나노섬유 메쉬 및 크세로겔의 형성 방법, 나노섬유 메쉬 및 크세로겔을 이용한 액체 처리 방법, 및 나노섬유 메쉬 및 10개의 크세로겔을 이용하여 표적 화합물 또는 원소를 분석하는 방법이 기술되어 있다.
제안된 다양한 기술 및 물질에도 불구하고, 통상적인 필터 매체는 제조 비용, 가공성 및 제품 특성 면에서 필요한 부분이 많이 남아 있다.
몇몇 실시양태에서, 본 발명은, 나노섬유 부직포 층을 포함하는 필터 매체에 관한 것이며, 이때 상기 나노섬유 부직포 층은, 1 마이크론(1000 nm) 미만의 평균 섬유 직경을 갖는 나노섬유로 방사되어 상기 층으로 형성되는 2 내지 200의 상대 점도의 폴리아마이드를 포함한다. 상기 나노섬유 부직포 층은 폴리아마이드를 포함할 수 있으며, 상기 폴리아마이드는 1 마이크론(1000 nm) 미만의 평균 섬유 직경을 갖는 나노섬유로 방사되어 상기 층으로 형성되고, 상기 층은 225℃ 이상의 융점을 가진다. 상기 필터는 공기 필터, 오일 필터, 백 필터, 액체 필터, 또는 호흡 필터(예컨대, 안면 마스크, 수술용 마스크 또는 개인 보호 장비)일 수 있다. 몇몇 양태에서, 상기 폴리아마이드는 나일론 6,6일 수 있다. 다른 양태에서, 상기 폴리아마이드는 나일론 6,6 및 나일론 6의 유도체, 공중합체, 블렌드 또는 얼로이(alloy)일 수 있다. 몇몇 양태에서, 상기 폴리아마이드는 고온 나일론이다. 몇몇 양태에서, 상기 폴리아마이드는, N6, N6T/66, N612, N6/66, N11 및 N12로 이루어진 군으로부터 선택되는 장쇄 지방족 나일론이며, 이때 "N"은 나일론을 의미하고 "T"는 테레프탈산을 지칭한다. 상기 나노섬유 부직포 층은 200 CFM/ft2 미만의 공기 투과도 값을 가질 수 있다. 몇몇 양태에서, 상기 나노섬유 부직포 층은 50 내지 200 CFM/ft2의 공기 투과도 값을 가진다. 상기 나노섬유는 100 내지 907 nm, 예를 들어, 300 내지 700 nm, 또는 350 내지 650 nm의 평균 섬유 직경을 가질 수 있다. 상기 부직포 제품은 150 g/m2(gsm) 이하, 예를 들어 5 내지 150 gsm, 또는 10 내지 125 gsm의 평량을 가질 수 있다. 상기 필터 매체는 스크림 층을 추가로 포함할 수 있다. 몇몇 양태에서, 상기 나노섬유 부직포 층은 스크림 층 상에 방사될 수 있다. 다른 양태에서, 상기 나노섬유 부직포 층은 스크림 층 이외의 층 상에 방사될 수 있다. 몇몇 양태에서, 상기 나노섬유 부직포 층은 상기 스크림 층과 적어도 하나의 다른 층 사이에 개재된다. 다른 양태에서, 상기 나노섬유 부직포 층은, 상기 스크림 층 이외의 2개 이상의 층 사이에 개재된다. 또다른 양태에서, 상기 나노섬유 부직포 층은 최외곽 층이다. 상기 필터 매체는 적어도 하나의 추가 층을 추가로 포함할 수 있고, 상기 나노섬유 부직포 층은 상기 적어도 하나의 추가 층 중 하나 상에 방사될 수 있다. 상기 나노섬유 부직포 층 내의 폴리아마이드의 상대 점도는 상기 층의 방사 및 형성 전의 폴리아마이드에 비해 적어도 20%만큼 감소될 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 본 발명은, 폴리아마이드 나노섬유 층을 포함하는 필터 매체의 제조 방법에 관한 것이며, 상기 방법은, (a) 방사가능 폴리아마이드 중합체 조성물을 제공하는 단계로서, 상기 폴리아마이드는 2 내지 200의 상대 점도를 갖는, 단계; (b) 상기 폴리아마이드 중합체 조성물을 1 마이크론(1000 nm) 미만의 평균 섬유 직경을 갖는 복수의 나노섬유로 용융-방사하는 단계; 및 (c) 기존 필터 매체 층 상에 상기 나노섬유를 형성하는 단계를 포함하며, 이때 상기 폴리아마이드 나노섬유 층은 1000 nm 미만의 평균 나노섬유 직경을 가진다.
몇몇 실시양태에서, 본 발명은, 폴리아마이드 나노섬유 층을 포함하는 필터 매체의 제조 방법에 관한 것이며, 상기 방법은, (a) 방사가능 폴리아마이드 중합체 조성물을 제공하는 단계; (b) 상기 폴리아마이드 중합체 조성물을 1 마이크론(1000 nm) 미만의 평균 섬유 직경을 갖는 복수의 나노섬유로 용융-방사하는 단계; 및 (c) 기존 필터 매체 층 상에 상기 나노섬유를 형성하는 단계를 포함하며, 이때 상기 폴리아마이드 나노섬유 층은 1000 nm 미만의 평균 나노섬유 직경 및 225℃ 이상의 융점을 가진다. 상기 폴리아마이드 나노섬유 층은, 다이를 통해 고속 기체 스트림으로 용융-취입함으로써 용융-방사될 수 있다. 상기 폴리아마이드 나노섬유 층은, 가압 기체를 사용하여 섬유-형성 채널을 통해 액체 형태의 폴리아마이드 중합체 조성물을 압출하는 것을 포함하는 2상 추진제-기체 방사에 의해 용융-방사될 수 있다. 상기 폴리아마이드 나노섬유 층은, 이동식 벨트 상에 상기 나노섬유를 수집함으로써 형성될 수 있다. 몇몇 양태에서, 상기 폴리아마이드 조성물은 나일론 6,6을 포함한다. 다른 양태에서, 상기 폴리아마이드 조성물은 나일론 6,6 및 나일론 6의 유도체, 공중합체, 블렌드 또는 얼로이를 포함한다. 또다른 양태에서, 상기 폴리아마이드는 HTN을 포함한다. 몇몇 양태에서, 상기 폴리아마이드는, N6, N6T/66, N612, N6/66, N11 및 N12로 이루어진 군으로부터 선택된 장쇄 지방족 나일론이며, 이때 "N"은 나일론을 의미하고 "T"는 테레프탈산을 지칭한다. 상기 폴리아마이드 나노섬유 층은 150 gsm 이하의 평량을 가질 수 있다. 상기 필터 매체는 스크림 층을 추가로 포함할 수 있다. 몇몇 양태에서, 상기 폴리아마이드 나노섬유 층은 상기 스크림 층 상에 방사될 수 있다. 다른 양태에서, 상기 폴리아마이드 나노섬유 층은 상기 스크림 층 이외의 층 상에 방사될 수 있다. 또다른 양태에서, 상기 폴리아마이드 나노섬유 층은 상기 스크림 층과 적어도 하나의 다른 층 사이에 개재될 수 있다. 또다른 양태에서, 상기 폴리아마이드 나노섬유 층은 상기 스크림 층 이외의 2개 이상의 층 사이에 개재될 수 있다. 몇몇 양태에서, 상기 폴리아마이드 나노섬유 층은 최외곽 층이다. 몇몇 양태에서, 상기 필터 매체는 적어도 하나의 추가 층을 추가로 포함할 수 있고, 상기 나노섬유 부직포 층은 상기 적어도 하나의 추가 층 중 하나 상에 방사될 수 있다. 상기 폴리아마이드 나노섬유 층 내의 폴리아마이드의 상대 점도는, 상기 층의 방사 및 형성 이전의 폴리아마이드에 비해 적어도 20%만큼 감소될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 하기에서 상세히 기술되며, 이때 유사한 번호는 유사한 부분을 지정한다.
도 1 및 도 2는, 본 발명과 관련하여 유용한 2상 추진제-기체 방사 시스템의 개별 개략도이다.
도 3은, 7.3의 RV를 갖는 부직포로 용융-방사된 나일론 66 나노섬유의 50배 배율 현미경 사진이다.
도 4는, 7.3의 RV를 갖는 부직포로 용융-방사된, 도 3으로부터의 등급의 나일론 66 나노섬유의 8000배 배율 현미경 사진이다.
도 1 및 도 2는, 본 발명과 관련하여 유용한 2상 추진제-기체 방사 시스템의 개별 개략도이다.
도 3은, 7.3의 RV를 갖는 부직포로 용융-방사된 나일론 66 나노섬유의 50배 배율 현미경 사진이다.
도 4는, 7.3의 RV를 갖는 부직포로 용융-방사된, 도 3으로부터의 등급의 나일론 66 나노섬유의 8000배 배율 현미경 사진이다.
개요
본 발명은, 부분적으로, 폴리아마이드를 포함하는 나노섬유 부직포 층을 포함하는 여과 매체에 관한 것이다. 상기 폴리아마이드는 225℃ 초과의 융점을 가질 수 있다. 상기 폴리아마이드는 2 내지 200, 예를 들어, 2 내지 100, 2 내지 60, 20 내지 50, 20 내지 13, 13 내지 20, 또는 2 내지 12의 상대 점도를 가질 수 있다. 상기 폴리아마이드는, 1000 nm(1 마이크론) 미만의 평균 섬유 직경을 갖는 나노섬유로 방사되거나 용융-취입되어, 부직포 제품으로 형성될 수 있다. 이어서, 상기 폴리아마이드를 포함하는 나노섬유 부직포 층은 필터 내로 혼입될 수 있다. 상기 층은, 용융-취입될 수 있는 방사가능 폴리아마이드 중합체 조성물을 제공하는 단계(이때, 상기 폴리아마이드는 2 내지 200의 상대 점도를 가짐); (b) 상기 폴리아마이드 중합체 조성물을, 액체 형태의 상기 폴리아마이드 중합체 조성물을 섬유-형성 채널을 통해 가압 기체로 압출하는 것을 포함하는 2상 추진제-기체 방사와 관련된 공정으로 1 마이크론 미만의 평균 섬유 직경을 갖는 복수의 나노섬유로 방사 또는 용융-취입하는 단계; 및 이어서 (c) 상기 나노 섬유를 제품으로 형성하는 단계에 의해 제조될 수 있다. 용융-취입 기술에 대한 일반적인 공정은 도 1 및 도 2에 예시된다.
특히 바람직한 폴리아마이드는,
하기 나일론 6,6:
나일론 6,6과 하기 나일론 6의 공중합체, 블렌드 및 얼로이:
를 포함한다.
다른 실시양태는, 나일론 6,6 또는 나일론 6, 또는 상기 언급된 반복 단위를 갖는 공중합체(예컨대, 비제한적으로, N6T/66, N612, N6/66, N11 및 N12, 이때 "N"은 나일론을 의미하고 "T"는 테레프탈산을 지칭함)를 함유하거나 이들로부터 제조된 나일론 유도체, 공중합체, 블렌드 및 얼로이를 포함한다. 또다른 바람직한 실시양태는, 고온 나일론("HTN") 뿐만 아니라, 이를 함유하는 블렌드, 유도체 또는 공중합체를 포함한다. 또한, 또다른 바람직한 실시양태는, 장쇄 이산으로 제조된 장쇄 지방족 폴리아마이드 뿐만 아니라, 이를 함유하는 블렌드, 유도체 또는 공중합체를 포함한다.
본 발명은, 나노섬유의 제조에 유용한 2상 추진제-기체 방사 공정 및 일반적인 용융-취입 기술을 각각 도시하는 도 1 및 2를 참조하여 이해된다. 특히, 나노섬유 부직포 제품의 제조 방법이 본원에 개시되며, 이때 부직물은 방사구를 통해 고속 기체 스트림으로 용융-취입됨으로써 용융-방사된다. 더욱 구체적으로, 상기 부직물은, 액체 형태의 폴리아마이드 중합체 조성물을 섬유-형성 채널을 통해 가압 기체로 압출하는 것을 포함하는 2상 추진제-기체 방사에 의해 용융-방사된다.
정의 및 시험 방법
본원에 사용된 용어는, 하기 기술되는 정의와 일치하는 이의 일반적인 의미로 사용된다. "gsm"은, 제곱미터당 그램 단위의 평량을 지칭하고, "RV"는, 상대 점도를 지칭한다.
백분율, 백만분율(ppm) 등은, 달리 제시되지 않는 한, 조성물의 중량을 기준으로 한 중량% 또는 중량부를 지칭한다.
전형적인 정의 및 시험 방법은 미국 특허 출원 공개 제2015/0107457호 및 제2015/0111019호에 추가로 인용된다. 예를 들어, 용어 "나노섬유 부직포 제품"은, 섬유 배열에서 육안으로 전체 반복 구조를 식별할 수 없는 본질적으로 무작위 배향된 다수의 섬유의 웨브를 지칭한다. 상기 섬유들은 서로 결합될 수 있거나, 웨브에 강도 및 무결성을 부여하기 위해 결합되지 않고 얽힐 수 있다. 상기 섬유는 스테이플 섬유 또는 연속 섬유일 수 있고, 단일 물질을 포함할 수 있거나, 상이한 섬유들의 조합으로서 또는 각각 상이한 물질을 포함하는 유사한 섬유들의 조합으로서 다수의 물질을 포함할 수 있다. 상기 나노섬유 부직포 제품은 주로 나노섬유로 구성된다. "주로"는, 웨브 중의 섬유의 50% 초과가 나노섬유임을 의미한다. 용어 "나노섬유"는, 1000 nm 또는 1 마이크론 미만의 수평균 섬유 직경을 갖는 섬유를 지칭한다. 비-원형 단면의 나노섬유의 경우, 본원에서 용어 "직경"은, 최대 단면 치수를 지칭한다.
평량은 ASTM D-3776에 의해 결정될 수 있으며 gsm(g/m2)으로 보고된다.
"~로 본질적으로 이루어진" 및 이와 유사한 용어는, 인용된 구성요소를 지칭하며, 조성물 또는 물품의 기본적이고 신규한 특성을 실질적으로 변경하는 다른 구성요소는 배제한다. 달리 제시되지 않거나 용이하게 명백하지 않는 한, 조성물 또는 물품이 90 중량% 이상의 인용된 또는 열거된 성분을 포함하는 경우, 상기 조성물 또는 물품은 상기 인용된 또는 열거된 성분으로 본질적으로 이루어진다. 즉, 상기 용어는 10% 초과의 비-언급된 성분을 배제한다.
달리 제시되지 않는 정도로, 평균 섬유 직경을 결정하기 위한 시험 방법은, 달리 명시되지 않는 한, 문헌[Hassan et al., J 20 Membrane Sci., 427, 336-344, 2013]에 제시된 바와 같다.
공기 투과도는, 미국 메릴랜드주 헤이거스타운 소재의 프리시즌 인스트루먼트 캄파니(Precision Instrument Company)로부터 입수가능한 공기 투과도 시험기를 사용하여 측정된다. "공기 투과도"는, 23±1℃에서, 지정된 압력 헤드 하에 물질의 시트를 통과하는 공기의 유속으로 정의된다. 이는 일반적으로, 0.50 in(12.7 mm) 수압에서의 평방 ft당 분당 입방 ft, 평방 cm당 초당 cm3 또는 시트의 단위 면적당 제시된 부피에 대한 경과 시간 단위로서 표현된다. 상기 언급된 장치는, 시험 영역의 평방 ft당 분당 0 내지 약 5000 입방 ft의 투과도를 측정할 수 있다. 투과도를 비교하기 위해, 5 gsm 평량으로 표준화된 값을 표현하는 것이 편리하다. 이는, 샘플의 공기 투과도 값과 평량(일반적으로, 0.5" H2O에서)을 측정하고, 이어서 실제 공기 투과도 값에, 5에 대한 실제 평량(gsm)의 비를 곱함으로써 수행된다. 예를 들어, 15 gsm 평량의 샘플이 10 CFM/ft2의 값을 갖는 경우, 이의 표준화된 5 gsm 공기 투과도 값은 30 CFM/ft2이다.
본원에서 "폴리아마이드 조성물" 및 유사 용어는, 폴리아마이드의 공중합체, 삼원공중합체, 중합체 블렌드, 얼로이 및 유도체를 비롯한 폴리아마이드-함유 조성물을 지칭한다. 또한, 본원에서 "폴리아마이드"는, 하나의 분자의 아미노 기와 다른 분자의 카르복실산 기의 연결부를 갖는 중합체를 성분으로서 갖는 중합체를 지칭한다. 몇몇 양태에서, 상기 폴리아마이드는 가장 많은 양으로 존재하는 성분이다. 예를 들어, 40 중량%의 나일론 6, 30 중량%의 폴리에틸렌 및 30 중량%의 폴리프로필렌을 함유하는 폴리아마이드는 본원에서 폴리아마이드로서 지칭되며, 그 이유는, 나일론 6 성분이 가장 많은 양으로 존재하기 때문이다. 추가적으로, 20 중량%의 나일론 6, 20 중량%의 나일론 66, 30 중량%의 폴리에틸렌 및 30 중량%의 폴리프로필렌을 함유하는 폴리아마이드는 본원에서 폴리아마이드로 지칭되며, 그 이유는, 총 나일론 6 성분과 나일론 66 성분이 가장 많은 양으로 존재하기 때문이다. 적합한 얼로이는, 예를 들어 20 중량%의 나일론 6, 60 중량%의 나일론 6,6 및 20 중량%의 폴리에스터를 포함할 수 있다.
예시적인 폴리아마이드 및 폴리아마이드 조성물은 문헌[Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology, Vol. 18, pp. 328371 (Wiley 1982)]에 기술되어 있으며, 상기 문헌의 개시내용을 참고로 인용한다.
간단히 말해서, 상기 폴리아마이드는, 주요 중합체 쇄의 필수 부분으로서 반복 아마이드 기를 포함하는 생성물이다. 선형 폴리아마이드가 특히 관심 대상이며, 당분야에 널리 공지된 바와 같이 이작용성 단량체의 축합으로부터 형성될 수 있다. 상기 폴리아마이드는 흔히 나일론으로 지칭된다. 이는 일반적으로 축합 중합체로 간주되지만, 폴리아마이드는 부가 중합에 의해서도 형성된다. 이러한 제조 방법은, 단량체가 환형 락탐(예컨대, 나일론 6)인 일부 중합체의 경우 특히 중요하다. 특정 중합체 및 공중합체 및 이들의 제조는 다음 특허에서 알 수 있다: 미국 특허 제4,760,129호; 제5,504,185호; 제5,543,495호; 제5,698,658호; 제6,011,134호; 제6,136,947호; 제6,169,162호; 제7,138,482호; 제7,381,788호; 및 제8,759,475호.
일부 용도에 특히 바람직한 폴리아마이드 부류는 문헌[Glasscock et al., High Performance Polyamides Fulfill Demanding Requirements for Automotive Thermal Management Components, (DuPont), http://www2.dupont.com/Automotive/en_US/assets/downloads/knowledg e%20center/HTN-whitepaper-R8.pdf available online June 10, 2016]에 기술된 고온 나일론(HTN)을 포함한다. 상기 중합체는 전형적으로 하기 도시되는 구조 중 하나 이상을 포함한다:
폴리아마이드의 상대 점도(RV)는, 25℃에서 모세관 점도계로 측정된 용액 또는 용매 점도의 비를 지칭한다(ASTM D 789). 본 발명의 목적을 위해, 상기 용매는, 10 중량%의 물과 90 중량%의 폼산을 함유하는 폼산 용액이다. 이 용액은, 용매에 용해된 8.4 중량%의 중합체이다.
상대 점도(ηr)는, 폼산의 절대 점도에 대한 중합체 용액의 절대 점도의 비이다:
ηr = (ηp/ηf) = (fr × dp × tp)/ηf
상기 식에서,
dp는, 25℃에서의 폼산-중합체 용액의 밀도이고,
tp는, 폼산-중합체 용액의 평균 유출 시간(s)이고,
ηf는, 폼산의 절대 점도(kPa × s(E + 6cP))이고,
fr은, 점도계 튜브 인자(mm2/s(cSt)/s = ηr/t3)이다.
50 RV 시편에 대한 전형적인 계산은 다음과 같다:
ηr = (fr × dp × tp)/ ηf
상기 식에서,
fr은, 점도계 튜브 계수(전형적으로, 0.485675 cSt/s)이고,
dp는, 중합체 밀도 - 폼산 용액의 밀도(전형적으로, 1.1900 g/mL)이고,
tp는, 중합체의 평균 유출 시간 - 폼산 용액의 평균 유출 시간(전형적으로, 135.00초)이고,
ηf는, 폼산의 절대 점도(전형적으로, 1.56 cP)이며,
따라서 ηr의 RV는, (0.485675 cSt/s × 1.1900 g/mL × 135.00 s)/1.56 cP = 50.0이다.
"t3"라는 용어는, ASTM D789에서 요구하는 폼산의 절대 점도 결정에 사용되는 S-3 보정 오일의 유출 시간이다.
본 발명의 추가적 실시양태는, 1 마이크론 미만의 평균 섬유 직경 및 2 내지 200의 RV를 갖는 폴리아마이드 나노섬유를 포함하는 필터 매체 층의 제조를 포함한다. 상기 대안적 실시양태에서, 바람직한 RV 범위는 2 내지 200, 2 내지 100, 2 내지 60, 및 5 내지 60을 포함한다. 상기 나노섬유는 후속적으로 부직포 웨브로 전환된다. RV가 약 20 내지 30 초과로 증가함에 따라, 작동 온도는 더 많이 고려해야 할 매개변수가 된다. 약 20 내지 30 범위 초과의 RV에서, 상기 온도는 중합체가 가공 목적을 위해 용융되도록 주의 깊게 제어되어야 한다. 용융 기술의 방법 또는 예는 미국 특허 제8,777,599호에 기술되어 있을 뿐만 아니라, 섬유 생산 장치의 온도를 독립적으로 제어하기 위해 장치에 사용될 수 있는 가열원 및 냉각원이다. 이의 비제한적인 예는 저항 가열기, 복사 가열기, 차가운 기체 또는 가열된 기체(공기 또는 질소), 또는 전도, 대류 또는 복사 열 전달 메커니즘을 포함한다.
나일론 6,6을 방사할 때, RV를 줄이는 것은 일반적으로 바람직하지 않지만, 나노섬유 생산에서는 실제로 이점이 될 수 있다. 본 발명의 특정 양태에서, 나노섬유 필라멘트의 생산에서 최소 필라멘트 직경을 달성하기 위해, 가능한 한 최소 RV에서 나일론 6,6을 용융-방사하는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다. 공정 온도를 높이면 점도가 단지 약간만 낮아진다. 유리하게는, 수분을 첨가하여 중합체를 해중합함으로써 나일론 6,6의 점도를 낮추는 것이 가능하다. 이는, 폴리프로필렌과 같은 부가 중합체에 비해 이점이다. 몇몇 양태에서, 상기 폴리아마이드 나노섬유 층의 RV는, 방사 또는 용융-취입 및 층 형성 이전의 폴리아마이드의 RV보다 적어도 20% 미만, 예를 들어 적어도 25% 미만, 적어도 30% 미만, 적어도 35% 미만, 적어도 40% 미만, 또는 적어도 45% 미만이다.
상기 중합체의 비제한적인 예는 폴리아마이드, 폴리프로필렌 및 공중합체, 폴리에틸렌 및 공중합체, 폴리에스터, 폴리스타이렌, 폴리우레탄, 및 이들의 조합물을 포함한다. 열가소성 중합체 및 생분해성 중합체가 또한 본 발명의 나노섬유로의 용융-취입 또는 용융-방사에 적합하다. 본원에서 논의된 바와 같이, 상기 중합체는 용융-방사 또는 용융-취입될 수 있으며, 액체 형태의 폴리아마이드 중합체 조성물을 섬유-형성 채널을 통해 가압 기체로 압출하는 것을 포함하는 2상 추진제-기체 방사에 의한 용융-방사 또는 용융-취입이 바람직하다.
본 발명의 나노섬유에 사용될 수 있는 다른 중합체 물질은 부가 중합체 및 축합 중합체 물질 둘 다, 예를 들어 폴리올레핀, 폴리아세탈, 폴리아마이드(상기 논의됨), 폴리에스터, 셀룰로스 에터 및 에스터, 폴리알킬렌 설파이드, 폴리아릴렌 옥사이드, 폴리설폰, 변형된 폴리설폰 중합체 및 이들의 혼합물을 포함한다. 이러한 일반적인 부류에 속하는 바람직한 물질은 폴리아마이드, 폴리에틸렌, 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리프로필렌, 폴리(비닐클로라이드), 폴리메틸메타크릴레이트(및 기타 아크릴 수지), 폴리스타이렌 및 이의 공중합체(ABA 유형 블록 공중합체 포함), 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 폴리(비닐리덴 클로라이드), 및 다양한 가수분해도(87% 내지 99.5%)를 갖는 가교 및 비가교 형태의 폴리비닐알코올을 포함한다. 부가 중합체는 유리질(실온 초과의 Tg)인 경향이 있다. 이는, 폴리비닐클로라이드 및 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스타이렌 중합체 조성물 또는 얼로이의 경우이거나, 저 결정화도의 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 폴리비닐알코올 물질의 경우이다. 본원에서 구현된 나일론 공중합체는 다양한 다이아민 화합물, 다양한 이산 화합물 및 다양한 환형 락탐 구조를 반응 혼합물에 합치고, 이어서 폴리아마이드 구조에서 무작위 배치된 단량체성 물질로 나일론을 형성함으로써 제조될 수 있다. 예를 들어, 나일론 6,6-6,10 물질은, 헥사메틸렌 다이아민 및 C6과 C10 이산의 블렌드로부터 제조된 나일론이다. 나일론 6-6,6-6,10은, ε-아미노카프로산, 헥사메틸렌 다이아민, 및 C6과 C10 이산 물질의 블렌드를 공중합함으로써 제조된 나일론이다.
블록 공중합체가 또한 본 발명의 방법에 유용하다. 상기 공중합체의 경우, 용매 팽창제의 선택이 중요하다. 선택된 용매는, 상기 블록 둘 다가 모두 용매에 가용성이 되도록 하는 것이다. 하나의 예는, 메틸렌 클로라이드 용매에 용해된 ABA(스타이렌-EP-스타이렌) 또는 AB(스타이렌-EP) 중합체이다. 하나의 성분이 용매에 가용성이 아닌 경우, 겔이 형성된다. 이러한 블록 공중합체의 예는 크라톤(Kraton)(등록상표) 유형의 스타이렌-b-부타다이엔 및 스타이렌-b-수소화된 부타다이엔(에틸렌 프로필렌), 페박스(Pebax)(등록상표) 유형의 ε-카프로락탐-b-에틸렌 옥사이드, 심파텍스(Sympatex)(등록상표) 폴리에스터-b-에틸렌 옥사이드, 및 에틸렌 옥사이드와 이소시아네이트의 폴리우레탄이다.
폴리비닐리덴 플루오라이드, 신디오택틱(syndiotactic) 폴리스타이렌, 비닐리덴 플루오라이드와 헥사플루오로프로필렌과의 공중합체, 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 아세테이트, 비정질 부가 중합체, 예컨대 폴리(아크릴로나이트릴) 및 이와 아크릴산 및 메타크릴레이트와의 공중합체, 폴리스타이렌, 폴리(비닐 클로라이드) 및 이의 다양한 공중합체, 폴리(메틸 메타크릴레이트) 및 이의 다양한 공중합체가 비교적 용이하게 용액 방사되는 것으로 공지되어 있으며, 그 이유는, 이들이 낮은 압력과 온도에서 가용성이기 때문이다. 이들은, 나노섬유를 제조하는 하나의 방법으로서, 본 발명에 따라 용융-방사될 수 있는 것으로 생각된다.
중합체 혼합물, 얼로이 형식 또는 가교결합된 화학적 결합 구조로 둘 이상의 중합체 물질을 포함하는 중합체 조성물을 형성하는 것은 상당한 이점이 있다. 본 발명자들은, 상기 중합체 조성물이 중합체 속성을 변경함(예를 들면, 중합체 쇄 유연성 또는 쇄 이동성을 개선하고, 전체 분자량을 증가시키며, 중합체 물질의 네트워크 형성을 통해 강화를 제공함)으로써 물리적 특성을 개선한다고 믿는다.
상기 개념의 하나의 실시양태에서, 유익한 특성을 위해 2개의 관련 중합체 물질이 혼합될 수 있다. 예를 들어, 고분자량 폴리비닐클로라이드가 저분자량 폴리비닐클로라이드와 배합될 수 있다. 유사하게, 고분자량 나일론 물질이 저분자량 나일론 물질과 혼합될 수 있다.
몇몇 실시양태에서, 미국 특허 제5,913,993호에 기술된 것과 같이, 소량의 폴리에틸렌 중합체가, 바람직한 특성을 갖는 나노섬유 부직포를 형성하는 데 사용되는 나일론 화합물과 배합될 수 있다. 폴리에틸렌을 나일론에 첨가하면 특정 특성(예컨대, 연성)이 향상된다. 폴리에틸렌의 사용은 또한 생산 비용을 낮추고, 추가의 하류 처리(예컨대, 다른 직물 또는 그 자체에 대한 결합)를 용이하게 한다. 개선된 직물은, 나노섬유 용융-취입 직물 제조에 사용되는 나일론 공급물 물질에 소량의 폴리에틸렌을 첨가함으로써 제조될 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 직물은, 폴리에틸렌과 나일론 6,6의 블렌드를 형성하고, 상기 블렌드를 복수의 연속 필라멘트 형태로 압출하고, 상기 필라멘트를 다이에 통과시켜 상기 필라멘트를 용융-취입하고, 상기 필라멘트를 수집 표면 상에 침착하여 웨브를 형성함으로써 제조될 수 있다.
본 발명의 상기 실시양태의 방법에 유용한 폴리에틸렌은 바람직하게는 약 5 g/10분 내지 약 200 g/10분, 더욱 바람직하게는 약 17 g/10분 내지 약 150 g/10분의 용융 지수를 가진다. 상기 폴리에틸렌은 바람직하게는 약 0.85 g/cc 내지 약 1.1 g/cc, 가장 바람직하게는 약 0.93 g/cc 내지 약 0.95 g/cc의 밀도를 가져야 한다. 가장 바람직하게는, 상기 폴리에틸렌의 용융 지수는 약 150이고, 밀도는 약 0.93이다.
본 발명의 상기 실시양태의 방법에 사용된 폴리에틸렌은 약 0.05% 내지 약 20%의 농도로 첨가될 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 상기 폴리에틸렌의 농도는 약 0.1% 내지 약 1.2%일 것이다. 가장 바람직하게는, 상기 폴리에틸렌은 약 0.5%로 존재할 것이다. 기술된 방법에 따라 생산된 직물 중의 폴리에틸렌 농도는, 제조 과정 동안 추가된 폴리에틸렌의 %와 거의 같을 것이다. 따라서, 본 발명의 상기 실시양태의 직물 중의 폴리에틸렌의 %는 전형적으로 약 0.05% 내지 약 20%의 범위일 것이고, 바람직하게는 약 0.5%일 것이다. 따라서, 상기 직물은 전형적으로 약 80 내지 약 99.95 중량%의 나일론을 포함할 것이다. 상기 필라멘트 압출 단계는 약 250℃ 내지 약 325℃에서 수행될 수 있다. 바람직하게는, 온도 범위는 약 280℃ 내지 약 315℃이지만, 나일론 6을 사용하는 경우 더 낮을 수 있다.
폴리에틸렌과 나일론의 블렌드 또는 공중합체는 임의의 적합한 방식으로 형성될 수 있다. 전형적으로, 상기 나일론 화합물은 나일론 6,6이다. 그러나, 나일론 계열의 다른 폴리아마이드를 사용할 수 있다. 또한, 나일론 혼합물을 사용할 수 있다. 하나의 특정 예에서, 상기 폴리에틸렌은, 나일론 6과 나일론 6,6의 혼합물과 배합된다. 상기 폴리에틸렌 및 나일론 중합체는 전형적으로 펠릿, 칩, 플레이크 등의 형태로 공급된다. 폴리에틸렌 펠렛 또는 칩의 목적하는 양이, 적합한 혼합 장치(예컨대, 회전 드럼 텀블러 등)에서 나일론 펠렛 또는 칩과 배합될 수 있고, 생성된 블렌드는 통상적인 압출기의 공급 호퍼 또는 스펀-본딩 라인에 도입될 수 있다. 상기 블렌드 또는 공중합체는 또한, 적절한 혼합물을 연속 중합 방사 시스템에 도입함으로써 생성될 수 있다.
또한, 일반적인 중합체 속의 상이한 화학종이 배합될 수 있다. 예를 들어, 고분자량 스타이렌 물질이 저분자량의 고충격 폴리스타이렌과 배합될 수 있다. 나일론-6 물질은 나일론 공중합체(예컨대, 나일론-6; 6,6; 6,10 공중합체)와 배합될 수 있다. 또한, 낮은 가수분해도를 갖는 폴리비닐알코올(예컨대, 87% 가수분해된 폴리비닐알코올)은 98 내지 99.9% 및 그 이상의 가수분해도를 갖는 완전- 또는 과-가수분해된(superhydrolyzed) 폴리비닐알코올과 배합될 수 있다. 혼합물 중의 이러한 모든 물질은 적절한 가교결합 메커니즘을 사용하여 가교될 수 있다. 나일론은, 아마이드 결합부에서 질소 원자와 반응성인 가교제를 사용하여 가교결합될 수 있다. 폴리비닐 알코올 물질은, 하이드록실 반응성 물질, 예를 들면 모노알데하이드, 예컨대 폼알데하이드, 우레아, 멜라민-폼알데하이드 수지 및 이의 유사체, 붕산 및 기타 무기 화합물, 다이알데하이드, 이산, 우레탄, 에폭시 및 기타 공지된 가교제를 사용하여 가교될 수 있다. 가교결합 기술은, 가교결합 시약이 반응하고 중합체 쇄들 사이에 공유 결합을 형성하여 분자량, 내화학성, 전체 강도 및 기계적 분해 내성을 실질적으로 향상시키는 널리 공지되고 이해되는 현상이다.
상기 나노섬유는 중합체 물질 또는 중합체 및 첨가제로 제조될 수 있다. 본 발명의 하나의 바람직한 방식은, 승온에서 컨디셔닝하거나 처리된, 제1 중합체 및 상이한(중합체 유형, 분자량 또는 물리적 특성 면에서 상이함) 제2 중합체를 포함하는 중합체 블렌드이다. 상기 중합체 블렌드를 반응시키고, 단일 화학종으로 형성할 수 있거나, 어닐링 공정에 의해 물리적으로 합쳐 배합된 조성물을 수득할 수 있다. 어닐링은 물리적 변화, 예컨대 결정화도, 응력 완화 또는 배향을 암시한다. 시차 주사 열량계(DSC) 분석이, 단일 중합체 물질이 고온, 고습 및 어려운 작동 조건과의 접촉시 개선된 안정성을 제공함을 나타내도록, 바람직한 물질을 단일 중합체 화학종으로 화학적으로 반응시킨다. 이러한 부류의 물질의 나노섬유는 약 0.01 내지 5 마이크론의 직경을 가질 수 있다. 배합된 중합체 시스템에 사용하기에 바람직한 물질은 나일론 6; 나일론 66; 나일론 6-10; 나일론(6-66-610) 공중합체 및 기타 선형의 일반적으로 지방족인 나일론 조성물을 포함한다.
본 발명의 나노섬유 부직포를 제조하는 실시양태는, 미국 특허 제8,668,854호에 일반적으로 기재된 바와 같이, 방사 채널을 통해 추진제-기체로 2상 방사 또는 용융-취입하는 것에 의한 것이다. 상기 공정은, 박형의 바람직하게는 수렴 채널로의, 중합체 또는 중합체 용액 및 압축된 추진제-기체(전형적으로, 공기)의 2상 유동을 포함한다. 상기 채널은 일반적으로 및 바람직하게는 구성이 환형이다. 상기 중합체가 상기 박형의 바람직하게는 수렴 채널 내에서 기체 유동에 의해 전단되어 상기 채널의 양쪽 면에 중합체성 필름 층을 생성하는 것으로 생각된다. 상기 중합체성 필름 층은 추진제-기체 유동에 의해 섬유로 추가로 전단된다. 여기서 다시, 이동식 수집기 벨트가 사용될 수 있으며, 상기 나노섬유 부직포의 평량은 상기 벨트의 속도를 조절함으로써 제어된다. 상기 수집기의 거리가 또한, 상기 나노섬유 부직포의 섬도(fineness)를 제어하는데 사용될 수 있다. 도 1을 참조하면, 상기 공정이 더 잘 이해된다.
도 1은, 중합체 공급물 조립체(110), 공기 공급물(1210), 방사 실린더(130), 수집기 벨트(140) 및 권취 릴(150)을 포함하는, 나노섬유 부직포를 방사하기 위한 시스템의 개략적인 작동을 도시한다. 작동 동안, 중합체 용융물 또는 용액은 방사 실린더(130)로 공급되며, 여기서 상기 용액은 고압 공기에 의해 상기 실린더의 박형 채널을 통해 흐르면서 상기 중합체가 나노섬유로 전단된다. 자세한 사항은 전술된 미국 특허 제8,668,854호에 제공된다. 처리율(throughput rate) 및 평량은 상기 벨트의 속도에 의해 제어된다. 임의적으로, 기능성 첨가제(예컨대, 목탄, 구리 등)가, 목적하는 경우, 공기 공급물과 함께 추가될 수 있다.
도 1의 시스템에 사용된 방사구의 대안적인 구성에서, 마샬(Marshall) 등의 미국 특허 제8,808,594호에서 알 수 있는 바와 같이, 미립자 물질이 별도의 주입구로 추가될 수 있다.
사용될 수 있는 또다른 방법은, 본 발명의 폴리아마이드 나노섬유 웨브를 용융-취입하는 것이다(도 2). 용융-취입은, 중합체를 비교적 고속의 전형적으로 뜨거운 기체 스트림으로 압출하는 것을 포함한다. 적합한 나노섬유를 제조하려면, 문헌[Hassan et al., J Membrane Sci., 427, 336-344, 2013], 문헌[Ellison et al., Polymer, 48 (11), 3306-3316, 2007], 및 문헌[International Nonwoven Journal, Summer 2003, pg 21-28]에서 알 수 있는 바와 같이, 오리피스 및 모세관 기하구조 뿐만 아니라 온도의 조심스러운 선택이 필요하다.
몇몇 양태에서, 상기 폴리아마이드 나노섬유는 용융-취입된다. 용융-취입은 유리하게는 전기-방사보다 저렴하다. 용융-취입은, 섬유 및 부직포 웨브의 형성을 위해 개발된 공정 유형이며, 상기 섬유는, 용융된 열가소성 중합체 물질 또는 중합체를 복수의 작은 구멍을 통해 압출함으로써 형성된다. 결과적인 용융된 실 또는 필라멘트는 수렴하는 고속 기체 스트림으로 전달되며, 이는 용융된 중합체의 필라멘트를 약화시키거나 끌어 당겨 상기 필라멘트의 직경을 줄이다. 그 후, 용융-취입된 섬유는 고속 기체 스트림에 의해 운반되고, 수집 표면 또는 형성 와이어 상에 침착되어, 무작위로 분산된 용융-취입된 섬유의 부직 웨브를 형성한다. 용융-취입에 의한 섬유 및 부직 웨브의 형성은 당분야에 널리 공지되어 있다. 예로서, 미국 특허 출원 공개 제3,016,599호; 제3,704,198호; 제3,755,527호; 제3,849,241호; 제3,978,185호; 제4,100,324호; 제4,118,531호; 및 제4,663,220호를 참조한다.
미국 특허 제7,300,272호는, 각각의 분할된 분배 플레이트가 섬유 압출 팩 내에 층을 형성하도록 스택 내에 배열된 다수의 분할된 분배 플레이트를 포함하는 섬유 어레이를 형성하기 위한, 용융된 물질의 압출용 섬유 압출 팩을 개시하고 있으며, 상기 분할된 분배 플레이트 상의 특징부는, 상기 용융된 물질을 상기 섬유 압출 팩의 오리피스로 전달하는 분배 네트워크를 형성한다. 각각의 상기 분할된 분배 플레이트는 인접한 플레이트 분절들 사이에 배치된 간격을 갖는 플레이트 분절 세트를 포함한다. 상기 플레이트 분절의 인접한 가장자리는, 상기 간격을 따라 저장소를 형성하도록 형성되고, 밀봉 플러그가 상기 저장소에 배치되어, 용융된 물질이 상기 간격으로부터 누출되는 것을 방지한다. 상기 밀봉 플러그는, 상기 간격 내로 누출되어 상기 저장소 내에서 수집 및 고화되는 용융된 물질에 의해 형성될 수 있거나, 팩 어셈블리에서 상기 저장소 내에 플러깅 물질을 배치함으로써 형성될 수 있다. 상기 팩은, 전술된 특허에 기술된 용융-취입 시스템으로 나노섬유를 제조하는 데 사용될 수 있다.
이러한 용융-취입은, 214 내지 4162 ppm의 산화 분해 지수("ODI")를 갖는 폴리아마이드 나노섬유 웨브를 형성할 수 있다. ODI는, 형광 검출기를 갖는 겔 투과 크로마토그래피(GPC)를 사용하여 측정된다. 상기 장치는 퀴닌(quinine) 외부 표준물로 보정된다. 0.1 g의 나일론을 10 mL의 90% 폼산 용액에 용해시킨다. 이어서, 이 용액을 형광 검출기를 갖는 GPC로 분석한다. ODI용 검출기 파장은, 여기의 경우 340 nm이고, 방출의 경우 415 nm이다. 추가적으로, 이러한 용융-취입은 26 내지 1129 ppm의 열 분해 지수("TDI")를 제공할 수 있다. TDI는, TDI용 검출기 파장이 여기의 경우 300 nm이고 방출의 경우 338 nm라는 점을 제외하고는, ODI와 동일하게 측정된다. 용융-취입은 또한, 본원에 기술된 바와 같은 상대 점도를 제공할 수 있다. TDI 및 ODI 시험 방법은 또한 미국 특허 제3,525,124호에 개시되어 있다.
필터 매체
본원에 기술된 폴리아마이드 나노섬유는 다양한 필터 매체 용도, 예컨대 공기 필터, 오일 필터, 백 필터, 액체 필터, 호흡 필터, 연료 필터, 유압 오일 필터 등에 유리하게 사용된다. 상기 폴리아마이드 나노섬유는 전형적으로 필터 내의 유일한 층으로 생각되지 않으며, 전통적인 필터에 추가로 사용되거나 전통적인 필터 내의 하나 이상의 층을 대체하는 것으로 생각된다. 상기 폴리아마이드 나노섬유 층은 또한 폴리아마이드를 포함하는 나노섬유 부직포 층으로도 지칭된다.
여과 매개변수
필터 매체의 하나의 공통 매개변수 특성은 필터 매체의 "효율"이다. "효율"은, 미립자를 여과하지 않고 대신 매체를 통과하도록 하는 것과 대조적으로, 미립자를 포획하는 매체의 경향이다. 또다른 공통 특성은, 매체 전반에 걸친 압력 강하이며, 이는 흔히 전통적으로 매체의 다공성과 관련이 있다. 압력 강하는, 필터 매체가 유체 유동에 대해 얼마나 제한적인가와 관련이 있다. 더 큰 기공 크기는 전형적으로 더 큰 유체 유동을 허용하지만, 또한 불행히도 전형적으로 더 많은 미립자를 통과시킨다. 결과적으로, 효율은 흔히 압력 강하와 상충된다. 특히, 다량의 미립자를 포획하는 것이 흔히 바람직하지만, 이러한 고효율을 제공하는 것은 흔히 매체의 제한성을 증가시켜 매체에 걸친 압력 강하를 증가시키는 바람직하지 않은 효과를 가졌다. 이는, 필터의 수명을 단축시킨다.
효율은 흔히 초기 효율(이는, 제조 이후 사용 이전의, 미립자로 적재된 필터 매체의 효율임)을 의미하거나 지칭한다. 사용 동안, 상기 필터 매체는 미립자를 먼지 케이크로서 및/또는 달리 상기 매체 내에 포획하고 이에 따라 흡인한다. 이러한 여과되어진 미립자는 상기 매체 내의 더 큰 구멍을 막음으로써 더 작은 입자가 통과하는 구멍을 방지하고, 이로써 시간에 따른 매체의 효율을 초기 효율보다 더 큰 작동 효율로 증가시킨다. 그러나, 유체 유동 경로를 막음으로써, 이러한 여과되어진 미립자는 유체 통로를 제거하거나 부분적으로 막고, 이로써 상기 매체가 유체 유동에 대해 더 제한적이 되도록 상기 매체에 걸친 압력 강하를 증가시킨다.
일반적으로, 필터 수명은 필터에 걸친 압력 강하(ΔP)에 의해 결정된다. 하나의 실시양태에서, ΔP는 0.5 내지 10 mm H2O, 예를 들어, 0.5 내지 5 mm H2O, 또는 0.5 내지 3 mm H2O일 수 있다. 점점 더 많은 입자가 유체 유동으로부터 여과되어지고 필터 매체에 의해 포획됨에 따라, 상기 필터 매체는 유체 유동에 대해 더욱 제한적이 된다. 결과적으로, 필터 매체에 걸친 압력 강하는 더 높아진다. 결국, 상기 매체는 너무 제한적이 되어, 제시된 용도의 유체 요구 사항에 불충분한 양의 유체 유동을 제공하게 된다. 필터 교체 간격은 이러한 사건과 거의 일치하도록(예컨대, 불충분한 유체 유동 상황에 도달하기 전에) 계산된다. 필터 교체 간격은 또한, 상기 매체에 걸친 압력 강하 부하를 측정하는 센서를 통해 결정될 수 있다.
일반적으로, 전기-방사된 나노섬유 매체는 탁월한 여과 효율을 제공할 것으로 기대된다. 이는, 더 작은 섬유가 더 큰 섬유보다 적은 부피를 차지한다는 사실을 감안할 때, 상기 매체의 전체 충전도(solidity)를 증가시키지 않고도 더 작은 직경의 나노섬유들을 함께 패킹할 수 있기 때문이다. 따라서, 전기-방사된 나노섬유 매체는, 거친 섬유로 형성된 필터 매체(예컨대, 용융-취입된 섬유 필터 매체)가 포획할 수 없는 미세 입자를 효과적으로 포착할 수 있다. 그러나, 더 큰 크기의 입자는 전기-방사된 나노섬유 매체의 상류 표면 상의 기공을 빠르게 막음으로써 필터 매체의 압력 강하를 허용할 수 없는 수준으로 증가시켜 필터 수명을 단축시킬 수 있다. 폴리아마이드 나노섬유 층을 포함하는 다층 필터 매체는 상기 필터 매체를 개선하여, 용융-방사된 폴리아마이드 나노섬유 층의 깊이 내에 더 작은 입자가 포획되도록 함으로써, 필터 수명을 개선하면서 높은 여과 효율을 유지한다.
상기 폴리아마이드 나노섬유는 전통적인 필터 물질(예컨대, 폴리프로필렌 층을 포함하는 필터)에 비해 몇 가지 이점을 제공한다. 용융-취입에 의해 폴리아마이드 나노섬유 층을 형성하면, 전통적인 필터 물질(예컨대, 폴리프로필렌 층을 포함하는 필터)에 비해 증가된 강도, 더 높은 융점, 특정 액체에서의 증가된 내화학성, 더 작은 기공 크기 및 더 낮은 용융 유동 지수를 제공한다는 것이 놀랍고도 예기치 않게 발견되었다. 폴리아마이드 나노섬유를 필터에 혼입함으로써, 다른 공정(예컨대, 전기-방사)에 비해, 용융-방사 공정으로 인해 필터 제조 비용을 낮출 수 있다. 상기 폴리아마이드 나노필터는 또한, 전통적인 필터 물질에 비해, 이의 작은 기공 크기로 인해 여과 효율을 증가시킨다. 또한, 폴리아마이드 나노섬유 층을 갖는 필터는, 전통적인 필터에 비해 감소된 중량을 가질 수 있고, 폴리아마이드 나노섬유를 사용함으로써 나타나는 효율 증가로 인해 필터의 구성 층조차도 단순화될 수 있다. 폴리아마이드 나노섬유를 사용하는 추가적 이점은, 후술되는 바와 같이 주름진 필터의 경우, 폴리아마이드 나노섬유가 스크림 또는 기재과 조합되어, 전통적인 필터에 비해 주름 가공(pleating) 공정 동안 더 적은 시간 및 더 낮은 온도가 사용됨으로 인해, 주름 가공 동안 더 적은 에너지가 사용되게 할 수 있다. 마지막으로, 폴리아마이드 나노섬유 층을 포함하는 것은 일반적으로, 필터를 사용한 작업을 위해 특별히 제작된 장비(예컨대, 필터를 둘러싸는 캐니스터)의 크기 변경을 필요로 하지 않을 것이다.
필터 매체 층
상기 필터 매체는 일반적으로 여러 층을 포함하며, 이때 각각의 층은 상이한 여과 특성을 제공한다. 상기 층 중 하나는 스크림 층, 예를 들어 강화 층이다. 몇몇 양태에서, 상기 스크림 층은 상당한 여과 용량 및 효율을 갖도록 선택된다. 그러나, 다른 양태에서, 상기 스크림 층은 여과 용량 또는 효율을 거의 또는 전혀 갖지 않을 수 있다. 상기 스크림 층은 0.1 내지 0.81 mm, 예를 들어, 0.2 내지 0.3 mm, 또는 약 0.25 mm의 두께를 가질 수 있다. 상기 스크림 층의 평량은 5 내지 203 gsm, 예를 들어, 5 내지 60 gsm, 15 내지 45 gsm, 또는 이들 사이의 임의의 값일 수 있다. 상기 스크림 층의 섬유는 1 내지 1000 마이크로미터, 예를 들어 1 내지 500 마이크로미터, 1 내지 100 마이크로미터, 또는 이들 사이의 임의의 값의 중간 섬유 직경을 가질 수 있다. 상기 두께, 평량 및 중간 섬유 직경은, 상기 스크림이 사용되는 필터 매체의 유형에 따라 선택될 수 있다. 일반적으로, 상기 스크림은 111 CFM 내지 1675 CFM, 예를 들어, 450 내지 650 CFM, 500 내지 600 CFM, 550 내지 1675 CFM, 또는 이들 사이의 임의의 값의, 물의 0.5 in 차압에서의 프라지르(Frazier) 공기 투과도를 가질 수 있다. 상기 스크림 층의 여과 효율은, 팔라스(PALAS) MFP-2000(독일) 장치를 사용하여 측정시, 스크림의 상류 및 하류 면에서 0.3 μm 내지 10 μm 범위의 입자 크기를 갖는 먼지 입자의 개수를 비교함으로써 특성분석될 수 있다. 하나의 실시양태에서, 상기 스크림 층을 위해 선택된 스크림의 여과 효율은, 70 mg/m3 먼지 농도를 갖는 ISO 미세 먼지, 1002 cm의 샘플 시험 크기 및 20 cm/s의 면 속도(face velocity)를 사용하여 측정된다. 적합한 스크림은, 일반적으로 시판되는 스크림으로부터 선택될 수 있거나, 스펀-본딩 공정, 카딩(carding) 공정, 배팅(batting) 공정, 또는 적합한 중합체를 사용하는 또다른 공정을 통해 형성될 수 있다. 상기 스크림에 적합한 중합체는, 비제한적으로, 폴리에스터, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리아마이드, 예를 들어 나일론, 또는 이들 중합체 중 둘 이상의 조합물을 포함한다. 예를 들어, 상기 스크림 층에 적합한 스크림은, 특히, 미국 테네시주 올드 히코리 소재의 베리 플라스틱스(Berry Plastics)(이전 명칭: 화이버웨브 인코포레이티드(Fiberweb Inc.)) 또는 미국 플로리다주 캔톤먼트 소재의 세렉스 어드밴스드 패브릭스 인코포레이티드(Cerex Advanced Fabrics, Inc.)를 비롯한 공급업체로부터 다양한 두께로 입수가능하다. 하나 초과의 스크림 층이 상기 필터 매체에 혼입될 수 있다.
필터 매체의 추가 층은 폴리아마이드 나노섬유 층이다. 몇몇 양태에서, 상기 층은 스크림 층(들) 상으로 직접 방사되거나 용융-취입된다. 몇몇 실시양태에서, 상기 폴리아마이드 나노섬유 층은 1 mm 이상, 전형적으로 1.0 mm 내지 6.0 mm, 바람직하게는 0.07 mm 내지 3 mm, 하나의 실시양태에서 약 0.13 mm의 두께; 및 150 gsm(g/m2) 미만의 평량, 예를 들어 120 gsm 미만의 평량, 또는 100 gsm 미만의 평량을 가진다. 범위와 관련하여, 상기 평량은 5 내지 150 gsm, 예를 들어, 10 내지 150 gsm, 10 내지 120 gsm, 또는 10 내지 100 gsm일 수 있다. 상기 폴리아마이드 나노섬유 층의 섬유는, 본원에 기술된 바와 같이, 1 nm 내지 1000 nm의 중간 섬유 직경을 가지며, 1000 nm 미만, 예를 들어, 907 nm 미만, 900 nm 미만, 800 nm 미만, 700 nm 미만, 600 nm 미만 또는 500 nm 미만일 수 있다. 하한 면에서, 상기 부직포의 섬유 층에서 나노섬유의 평균 섬유 직경은 100 nm 이상, 110 nm 이상, 115 nm 이상, 120 nm 이상, 125 nm 이상, 130 nm 이상, 150 nm 이상, 300 nm 이상, 또는 350 nm 이상의 평균 섬유 직경을 가질 수 있다. 하나의 실시양태에서, 상기 폴리아마이드 나노섬유 층의 여과 효율은, 팔라스 MFP-2000(독일) 장치를 사용하여 측정시, 매체의 상류 및 하류 면에서 0.3 μm 내지 10 μm 범위의 입자 크기를 갖는 먼지 미립자의 수를 비교함으로써 특성분석될 수 있다.
본원에서 "층"이라는 용어는, 방사된 표면을 폴리아마이드 나노섬유가 완전히 덮는 것을 필요로 하지 않는다. 상기 층은 하부 층의 표면적을 완전히 덮을 수 있거나, 표면적의 99% 미만, 예를 들어, 90% 미만, 80% 미만, 70% 미만 또는 60% 미만을 덮을 수 있다. 몇몇 양태에서, 상기 폴리아마이드 나노섬유 층은 하부 층의 표면적의 5% 이상, 예를 들어, 10% 이상, 20% 이상, 30% 이상, 또는 40% 이상을 덮을 수 있다. 범위 면에서, 상기 폴리아마이드 나노섬유 층은, 상기 폴리아마이드 나노섬유 층이 상부에 방사된 층의 5 내지 100%, 예를 들어, 5 내지 99%, 10 내지 90%, 20 내지 80%, 30 내지 70%, 또는 40 내지 60%를 덮을 수 있다. 상기 폴리아마이드 층 상에 방사된 층의 경우에도 마찬가지이다.
상기 스크림 층 및 상기 폴리아마이드 나노섬유 층에 더하여, 통상적인 층들도 포함될 수 있다. 이러한 통상적인 층은 용융-방사 또는 전기-방사에 의해 형성될 수 있다.
통상적인 필터 매체 층에 대한 추가 설명은 본원의 배경기술에 개시된 몇몇 참고 문헌에 개시되어 있다. 몇몇 양태에서, 추가 층은 중합체, 예컨대 폴리비닐 클로라이드(PVC), 폴리올레핀, 폴리아세탈, 폴리에스터, 셀룰로스 에터, 폴리알킬렌 설파이드, 폴리아릴렌 옥사이드, 폴리설폰, 변형된 폴리설폰 중합체 및 폴리비닐 알코올, 폴리아마이드, 폴리스타이렌, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리메틸 메타크릴레이트, 및 폴리비닐리덴 플루오라이드를 포함할 수 있다.
정전-방사(electrostatic spinning) 미세 섬유용 중합체 용액에 사용되는 용매는 아세트산, 폼산, m-크레졸, 트라이플루오로에탄올, 헥사플루오로이소프로판올 염소화된 용매, 알코올, 물, 에탄올, 이소프로판올, 아세톤, N-메틸피롤리돈, 및 메탄올을 포함할 수 있다. 상기 용매는, 중합체 용해도 및 목적하는 미세 섬유 크기에 따라 적절하게 선택된다. 예를 들어, 폼산과 아세트산의 혼합물은, 통상적으로 나일론으로도 공지된 폴리아마이드와 함께 사용되어, 평균 미세 섬유 직경이 100 nm 미만일 수 있는 나일론 미세 섬유를 생성할 수 있다.
전술된 바와 같이, 몇몇 양태에서, 상기 폴리아마이드 나노섬유 층은 스크림 층 상에 직접 용융-방사된다. 특정 실시양태에서, 나노섬유 필라멘트 층을 제조할 때 용매가 사용되지 않는다. 이어서, 하나 이상의 추가 층, 예를 들어 2개 이상의 층, 3개 이상의 층, 4개 이상의 층, 또는 5개 이상의 층이 상기 폴리아마이드 나노섬유 층의 상부에 침착될 수 있다. 다른 양태에서, 추가 층이 상기 폴리아마이드 나노섬유 층으로부터 상기 스크림 층의 대향 측면 상에 침착될 수 있다. 또다른 양태에서, 하나 이상의 추가 스크림 층이 상기 필터에 포함될 수 있다. 상기 폴리아마이드 나노섬유 층이 또한 1회 초과로 포함될 수 있다. 또다른 양태에서, 상기 폴리아마이드 나노섬유 층은 상기 스크림 층 상으로 직접 용융-방사되지 않고, 대신에 상이한 층 상에 용융-방사된다. 또다른 실시양태에서, 상기 스크림 층이 생략되고, 상기 필터는 상기 폴리아마이드 나노섬유 층 및 본원에 기재된 다른 층으로 구성된다. 전술된 각각의 양태에서, 상기 폴리아마이드 나노섬유 층은 다른 용융-방사 층들 사이, 전기-방사 층들 사이, 또는 용융-방사 층과 전기-방사 층 사이에 개재될 수 있다.
본 발명의 또다른 양태에서, 하나 이상의 층이 조합되어, 더 큰 두께를 갖는 필터 매체를 생성할 수 있다. 추가 층은 또한 상기 매체의 먼지 보유 용량을 증가시킨다. 흥미롭게도, 더 많은 층이 추가될수록 직물의 효율이 많이 증가하지는 않는다. 이는, 층을 추가해도 평균 유동 기공 크기는 크게 변하지 않으며 첫 번째 층을 통과하는 더 작은 입자는 다른 층을 계속 통과하기 때문이다. 직물을 적층(layering)하면, 더 두꺼운 매체가 제공되어 매체의 먼지 보유 용량은 증가하지만 여과 효율은 크게 증가하지 않는다. 더 높은 필터 효율을 갖는 다른 층을 추가하여 구배 필터를 생성할 수 있다. 상기 구배 필터는 더 높은 여과 효율을 제공할 것이다.
전술된 설명은 일반적으로 필터 매체의 다양한 용도에 적용되지만, 특정 유형의 필터에 대한 추가 설명은 하기에 제공된다.
공기 필터
본원에 기술된 바와 같이, 상기 폴리아마이드 나노섬유 층은 공기 필터에 사용될 수 있다. 공기 필터는, 건물, 차량, 진공 세척기, 안면 마스크, 호흡기 필터에서의 공기 순환 시스템, 및 여과된 공기를 필요로 하는 기타 용도를 비롯한 용도에 유용할 수 있다. 유체 스트림, 예컨대 공기 및 기체 스트림은 흔히 내부에 미립자 물질을 수반한다. 유체 유동으로부터 미립자 물질의 일부 또는 전부를 제거하는 것이 필요하다. 예를 들어, 자동차의 캐빈으로의 공기 흡입구 스트림, 컴퓨터 디스크 드라이브 내의 공기, HVAC 공기, 청정실 환기, 또는 필터 백, 차단 직물, 직조 물질을 사용하는 용도, 또는 자동차용 엔진 또는 발전 장비로의 공기; 기체 터빈으로 향하는 기체 스트림; 및 다양한 연소로로의 공기 스트림은 흔히 내부에 미립자 물질을 포함한다. 캐빈 공기 필터의 경우, 승객의 편안함 및/또는 미관을 위해 미립자 물질을 제거하는 것이 바람직하다. 엔진, 기체 터빈 및 연소로로의 공기 및 기체 유입 스트림과 관련하여, 미립자는 관련된 다양한 메커니즘의 내부 작업에 상당한 손상을 야기할 수 있기 때문에, 미립자 물질의 제거가 필요하다. 다른 경우, 산업 공정 또는 엔진으로부터의 생산 기체 또는 오프-가스는 내부에 미립자 물질을 포함할 수 있다. 상기 기체가 다양한 하류 장치를 통해 대기로 배출될 수 있거나 배출되어야 하기 전에, 상기 스트림으로부터 미립자 물질을 실질적으로 제거하는 것이 바람직할 수 있다.
공기 필터 설계의 몇 가지 기본 원리와 문제에 대한 일반적인 이해는 하기 유형의 필터 매체를 고려함으로써 이해될 수 있다: 표면-적재(surface loading) 매체 및 심층(depth) 매체. 상기 유형의 매체는 각각 잘 연구되었으며 널리 활용되었다. 이와 관련된 특정 원리는, 예를 들어 미국 특허 출원 공개 제5,082,476호; 제5,238,474호; 및 제5,364,456호에 기술되어 있다. 이들 3개 특허의 전체 개시 내용을 본원에 참고로 인용한다.
몇몇 양태에서, 상기 폴리아마이드 나노섬유는 필터 기재 상에 형성되고 이에 부착될 수 있다. 천연 섬유 및 합성 섬유 기재, 예를 들어 스펀-본딩된 직물, 합성 섬유의 부직물; 셀룰로스 화합물, 합성 및 유리 섬유로부터 제조된 부직포; 부직 및 직조 유리 직물, 플라스틱 스크린(예컨대, 압출되고 홀-펀칭된 물질) 및 유기 중합체의 UF 및 MF 막이 사용될 수 있다. 이어서, 시트-유사 기재 또는 셀룰로스 부직 웨브는, 현탁된 또는 동반된 미립자를 해당 스트림으로부터 제거하기 위한 목적을 위해, 유체 스트림(예컨대, 공기 스트림 또는 액체 스트림)에 놓이는 필터 구조로 형성될 수 있다. 필터 물질의 형태 및 구조는 설계 엔지니어에게 달려 있다. 형성 후 필터 부재의 중요한 매개변수 중 하나는 열, 습도 또는 이들 둘 다의 영향에 대한 내성이다. 본 발명의 필터 매체의 중요한 양태는, 따뜻하고 습한 공기와의 접촉을 견디는 필터 매체의 능력이다. 이러한 고온 다습한 공기 스트림과 접촉시, 상기 폴리아마이드 나노섬유는, 60℃의 온도 및 100% 상대 습도를 갖는 공기에 16시간 동안 노출된 후 상기 섬유의 50% 초과가 여과 목적에 대해 불변함을 유지해야 한다. 본 발명의 필터 매체의 하나의 양태는, 상당한 기간 동안 따뜻한 물에 침지된 상태에서 견디는 필터 매체의 능력에 대한 시험이다. 상기 침지 시험은, 고온 다습한 조건을 견디고 수용액(이는, 상당한 비율의 강력한 세척 계면활성제와 강한 알칼리성 물질을 함유할 수 있음) 내에서 필터 부재의 세척에 견디는 상기 폴리아마이드 나노섬유의 능력에 대한 귀중한 정보를 제공할 수 있다. 바람직하게는, 본 발명의 폴리아마이드 나노섬유는, 기재의 표면 상에 형성된 미세 섬유의 적어도 50% 또는 심지어 적어도 75%를 활성 필터 성분으로서 유지하면서 뜨거운 물에 대한 침지에 견질 수 있다. 상기 폴리아마이드 나노섬유의 50% 이상을 유지하면, 여과 용량의 손실이나 배압의 증가 없이 상당한 섬유 효율을 유지할 수 있다. 전형적인 폴리아마이드 나노섬유 여과 층의 두께는 0.001 내지 5 마이크론, 예를 들어 0.01 내지 3 마이크론의 범위이며, 이때 상기 폴리아마이드 나노섬유의 평량은 약 0.01 내지 240 마이크로그램/cm2 범위이다. 상기 필터의 기재 상에 형성된 폴리아마이드 나노섬유 층은 여과 성능 및 섬유 위치 둘 다에서 실질적으로 균일해야 한다. "실질적인 균일성"은, 피복된 기재 전체에 걸쳐 적어도 일부 측정가능한 여과 효율을 갖기에 충분한 기재 피복율을 필터가 가짐을 의미한다. 다양한 필터 애드-온(add-on)을 사용하여 적절한 여과가 일어날 수 있다. 따라서, 상기 폴리아마이드 나노섬유 층은 섬유 피복율, 평량, 층 두께 또는 섬유 애드-온의 다른 측정치 면에서 다를 수 있고, 여전히 본 발명의 범위 이내이다. 심지어 미세 섬유의 비교적 작은 애드-온이 전체 필터 구조에 효율을 더할 수 있다.
필터의 "수명"은 전형적으로, 필터에 걸친 선택된 제한적 압력 강하에 따라 정의된다. 필터에 걸친 압력 구축(buildup)은, 해당 용도 또는 설계에 대해 정의된 수준에서의 수명을 정의한다. 상기 압력 구축은 부하의 결과이기 때문에, 동일한 효율의 시스템의 경우, 더 긴 수명은 전형적으로 더 높은 용량과 직접적인 관련이 있다. 효율은, 매체가 미립자를 통과시키기보다는 포획하는 경향이다. 전형적으로, 필터 매체가 기체 유동 스트림으로부터 미립자를 제거하기에 더 효율적일 수록, 일반적으로, 필터 매체가 "수명" 압력 구배에 더 빨리 접근한다(다른 변수는 일정하게 유지된다고 가정함). 본원에서 "여과 목적에 대해 불변함"이라는 용어는, 선택된 용도에 필요한 만큼 유체 스트림으로부터 미립자를 제거하기에 충분한 효율을 유지함을 의미한다.
종이 필터 부재는 널리 사용되는 표면-적재 매체의 형태이다. 일반적으로, 종이 부재는, 미립자 물질을 수반하는 기체 스트림을 가로질러 배향된 셀룰로스, 합성 섬유 또는 기타 섬유의 조밀한 매트를 포함한다. 종이는 일반적으로, 기체 유동에 대해 투과가능하도록 및 또한 선택된 크기 초과의 입자의 통과를 억제하기에 충분히 미세한 기공 크기 및 적절한 다공도를 갖도록 구성된다. 기체(유체)가 여과지를 통과할 때, 여과지의 상류 면은, 기체(유체) 스트림으로부터 선택된 크기의 입자를 확산 및 차단(interception)을 통해 포획하고 함유하도록 작동된다. 상기 입자는 여과지의 상류 면에 먼지 케이크로서 수집된다. 시간이 지나면, 상기 먼지 케이크도 필터로서 작동하기 시작하여 효율이 높아진다. 이는, 때때로 "시즈닝(seasoning)", 즉 초기 효율보다 더 큰 효율의 발달로서 지칭된다.
전술된 것과 같이 단순한 필터 설계는 적어도 두 가지 유형의 문제의 지배를 받는다. 첫째, 상대적으로 단순한 결함(즉, 종이의 파열)으로 인해 시스템이 고장난다. 둘째, 미립자 물질이 필터의 상류 면에 얇은 먼지 케이크 또는 층으로서 빠르게 축적되어 압력 강하를 증가시킨다. 표면-적재 필터 시스템(예컨대, 종이 필터)의 "수명"을 늘리기 위해 다양한 방법이 적용되었다. 한 가지 방법은, 매체를 주름진 구조로 제공하여, 평평하고 주름지지 않은 구조에 비해, 기체 유동 스트림과 만나는 매체의 표면적이 증가되게 하는 것이다. 이는 필터 수명을 늘리지만, 여전히 상당히 제한적이다. 이러한 이유로, 표면-적재 매체는, 필터 매체를 통한 비교적 낮은 속도(일반적으로 분당 약 20 내지 30 ft 이하, 전형적으로 대략 분당 약 10 ft 이하)가 수반되는 용도에 주로 사용되었다. 이와 관련하여 "속도"라는 용어는, 매체를 통한 평균 속도(즉, 매체 영역당 유동 부피)이다.
일반적으로 주름진 종이 매체를 통해 공기 유동 속도가 증가함에 따라, 필터 수명은 속도의 제곱에 비례하는 인자만큼 감소한다. 따라서, 주름진 종이의 표면-적재 필터 시스템이, 상당한 공기 유동을 필요로 하는 시스템의 미립자 필터로서 사용되는 경우, 필터 매체에 대해 상대적으로 큰 표면적이 필요하다. 예를 들어, 고속도로 위의 디젤 트럭의 전형적인 원통형 주름진 종이 필터 부재는 직경이 약 9 내지 15 in이고, 길이가 약 12 내지 24 in이며, 주름은 깊이가 약 1 내지 2 in일 것이다. 따라서, 매체의 여과 표면적(한 면)은 일반적으로 30 내지 300 평방 ft이다.
다수의 용도, 특히 비교적 높은 유속을 포함하는 용도에는, 일반적으로 "심층" 매체로서 지칭되는 대안적 유형의 필터 매체가 사용된다. 전형적인 심층 매체는 섬유상 물질의 비교적 두꺼운 얽힘(tangle)을 포함한다. 심층 매체는 일반적으로 이의 다공도, 밀도 또는 고형분 함량% 면에서 정의된다. 예를 들어, 2 내지 3% 고형비(solidity)의 매체는, 전체 부피의 약 2 내지 3%가 섬유상 물질(고체)을 포함하고 나머지는 공기 또는 기체 공간이 되도록 배열된 섬유의 심층 매체 매트일 것이다.
심층 매체를 정의하기 위한 또다른 유용한 매개변수는 섬유 직경이다. 고형도%는 일정하게 유지되지만 섬유 직경(크기)이 감소하면, 기공 크기 또는 섬유간 공간이 감소한다(즉, 필터가 더 효율적이 되고, 더 작은 입자를 더 효과적으로 포획할 것임).
전형적이고 통상적인 심층 매체 필터는 심층적이고 비교적 일정한(또는 균일한) 밀도의 매체(즉, 심층 매체의 고형비가 이의 두께 전체에 걸쳐 실질적으로 일정하게 유지되는 시스템)이다. 이와 관련하여 "실질적으로 일정하다"란, 밀도의 존재하더라도 단지 비교적 작은 변동이 매체의 깊이 전체에 걸쳐 발견됨을 의미한다. 예를 들어, 이러한 변동은, 필터 매체가 배치되는 용기에 의해 외부 결합 표면이 약간 압축된 결과일 수 있다.
구배 밀도 심층 매체 배열이 개발되었다. 일부 이러한 배열은, 예를 들어 미국 특허 출원 공개 제4,082,476호; 제5,238,474호; 및 제5,364,456호에 기술되어 있다. 일반적으로, 심층 매체 배열은, 실질적으로 이의 부피 또는 깊이 전체에 걸쳐 미립자 물질의 "적재량"을 제공하도록 설계될 수 있다. 따라서, 상기 배열은, 완전 필터 수명에 도달할 때 표면-적재 시스템에 비해 더 많은 양의 미립자 물질을 적재하도록 설계될 수 있다. 그러나, 일반적으로, 상기 배열에 대한 절충안은 효율이었으며, 그 이유는, 상당한 적재량을 위해서는 비교적 낮은 고형비 매체가 필요하기 때문이다. 구배 밀도 시스템(예컨대, 전술된 특허에서의 시스템)은 상당한 효율과 더 긴 수명을 제공하도록 설계되었다. 몇몇 경우, 표면-적재 매체는 상기 이러한 배열에서 "연마" 필터로서 활용된다.
본 발명에 따른 필터 매체 구조는, 제1 표면을 갖는 투과성의 거친 섬유 매체 또는 기재의 제1 층을 포함한다. 폴리아마이드 나노섬유 매체의 제1 층이, 상기 투과성의 거친 섬유 매체의 제1 층의 제1 표면에 고정되고, 폴리아마이드 나노섬유의 제2 층이 상기 기재에 고정된다. 바람직하게는, 상기 투과성의 거친 섬유상 물질의 제1 층은, 10 마이크론 이상, 전형적으로 및 바람직하게는 약 12(또는 14) 내지 30 마이크론의 평균 섬유 직경을 갖는 섬유를 포함한다. 또한, 바람직하게는, 상기 투과성의 거친 섬유상 물질의 제1 및 제2 층은 약 200 gsm(g/m2) 이하, 바람직하게는 약 0.50 내지 150 gsm, 가장 바람직하게는 8 gsm 이상의 평량을 갖는 매체를 포함한다. 바람직하게는, 상기 투과성의 거친 섬유상 매체의 제1 층은 0.0005 in(12 마이크론) 이상의 두께를 갖고, 전형적으로 및 바람직하게는 약 0.001 내지 0.030 in(25 내지 800마이크론) 두께를 가진다.
일부 배열에서, 상기 투과성의 거친 섬유상 물질의 제1 층은, 프라지르 투과도 시험에 의해 상기 구성의 나머지 부분과 별도로 평가되는 경우, 1 m/min 이상, 전형적으로 및 바람직하게는 약 2 내지 900 m/min(약 0.03 내지 15 m·sec-1)의 투과도를 나타낼 수 있는 물질을 포함한다. 본원에서 효율에 대한 언급이 있을 때, 달리 명시되지 않는 한, 상기 언급은, 본원에 기술된 바와 같이 20 fpm(6.1 m/min)에서 0.78 μ 단분산 폴리스타이렌 구형 입자를 사용하여 ASTM-1215-89에 따라 측정시의 효율을 의미한다.
몇몇 양태에서, 상기 투과성의 거친 섬유상 매체 층의 제1 표면에 고정된 폴리아마이드 나노섬유 층은 나노섬유 및 마이크로섬유 매체 층이며, 이때 상기 섬유는 약 2 마이크론 이하, 일반적으로 바람직하게는 1 마이크론 이하의 평균 섬유 직경을 가지며, 전형적으로 및 바람직하게는 0.5 마이크론 미만 및 약 0.05 내지 0.5 마이크론 범위 내의 섬유 직경을 가진다. 또한, 바람직하게는, 상기 투과성의 거친 섬유상 물질의 제1 층의 제1 표면에 고정된 마이크로섬유 물질의 제1 층은 약 30 마이크론 이하, 더욱 바람직하게는 20 마이크론 이하, 가장 바람직하게는 약 10 마이크론 이하, 전형적으로 및 바람직하게는 상기 층의 마이크로섬유 평균 섬유 직경의 약 1 내지 8배(더욱 바람직하게는 5배 이하)의 두께 이내인 전체 두께를 가진다.
특정 양태는, 전체 필터 구성 내에, 일반적으로 정의된 바와 같은 필터 매체를 포함한다. 상기 용도를 위한 몇몇 바람직한 배열은, 일반적으로 길이방향으로(즉, 원통형 패턴의 길이방향 축과 동일한 방향으로) 주름이 연장되는, 원통형의 주름진 구성으로 배열된 매체를 포함한다. 상기 배열을 위해, 상기 매체는 통상적인 필터와 같이 말단 캡 내에 함입될 수 있다. 상기 배열은, 필요한 경우, 전형적이고 통상적인 목적을 위한 상류 라이너 및 하류 라이너를 포함할 수 있다.
몇몇 용도에서, 본 발명에 따른 매체는 전체 여과 성능 또는 수명을 개선하기 위해, 다른 유형의 매체(예를 들어, 통상적인 매체)와 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 매체는 통상적인 매체에 접합될(laminated) 수 있거나, 스택 배열에 이용될 수 있거나, 또는 통상적인 매체의 하나 이상의 영역을 포함하는 매체 구조에 통합될 수 있다(통합적 특징). 이는 우수한 적재를 위해 상기 매체의 상류에 사용할 수 있고/있거나, 통상적인 매체의 하류에 고효율 연마 필터로서 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 특정 배열은 또한 액체 필터 시스템(즉, 여과될 미립자 물질이 액체 내에 수반됨)에 사용될 수 있다. 특정 용도(예컨대, 고온 유체)에서, 나일론 나노섬유 직물의 융점이 이점을 제공한다. 나일론 나노섬유 직물의 융점은 223℃ 내지 360℃, 예를 들어 225℃ 내지 350℃일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 특정 배열은 미스트 수집기에 사용될 수 있다(예를 들어, 공기로부터 미세한 미스트를 여과하기 위한 배열).
다양한 필터 설계가, 필터 물질과 함께 사용되는 필터 구조(들)의 다양한 양태를 개시하고 주장하는 특허에 제시되어 있다. 미국 특허 제4,720,292호는, 일반적으로 원통형의 필터 부재 설계를 갖는 필터 조립체를 위한 방사상 밀봉 설계를 개시하고 있으며, 상기 필터 부재는, 원통형의 반경 방향 내향 표면을 갖는 비교적 연질의 고무-유사 말단 캡으로 밀봉되어 있다. 미국 특허 제5,082,476호는, 해당 발명의 마이크로섬유 물질과 조합된 주름진 구성요소를 갖는 폼 기재를 포함하는 심층 매체를 사용하는 필터 설계를 개시하고 있다. 미국 특허 제5,104,537호는, 액체 매질을 여과하는데 유용한 필터 구조에 관한 것이다. 액체는 필터 하우징내로 혼입되고, 필터 외부를 통과해 내부 환형 코어로 들어하고, 이어서 상기 구조에서의 활성 용도로 되돌아간다. 상기 필터는 유압 유체를 여과하는 데 고도로 유용하다. 미국 특허 제5,613,992호는, 전형적인 디젤 엔진 공기 흡입 필터 구조를 보여준다. 상기 구조는, 동반된 수분을 포함하거나 포함하지 않을 수 있는 하우징의 외부 측면으로부터 공기를 수득한다. 상기 공기는 상기 필터를 통과하고, 이때 수분은 하우징 하부로 전달되어 하우징으로부터 배출될 수 있다. 미국 특허 제5,820,646호는, 적절한 여과 성능을 수득하기 위해 "Z"-형태 경로에서 필터 매체의 적어도 하나의 층을 통과하는 유체 스트림을 필요로 하는 막힌(plugged) 통로를 포함하는 특정한 주름진 필터 설계를 사용하는 Z 필터 구조를 개시한다. 주름진 Z-형태 포맷으로 형성된 필터 매체는 해당 발명의 미세 섬유 매체를 함유할 수 있다. 미국 특허 제5,853,442호는, 해당 발명의 미세 섬유 구조를 함유할 수 있는 필터 부재를 갖는 백하우스 구조를 개시하고 있다. 미국 특허 제5,954,849호는, 가공소재의 처리가 주변 공기에 상당한 먼지 적재량을 생성한 후, 전형적으로 큰 먼지 적재량을 갖는 공기를 처리하여 공기 스트림으로부터 먼지를 여과하는데 유용한 먼지 수집기 구조를 제시한다. 마지막으로, 미국 디자인 특허 제425,189호는, Z 필터 설계를 사용한 패널 필터를 개시한다.
상기 매체는 폴리에스터 합성 매체, 셀룰로스로부터 제조된 매체, 또는 이러한 유형의 물질들의 블렌드일 수 있다. 사용가능한 셀룰로스 매체의 하나의 예는 다음과 같다: 약 45 내지 55 lb/3000 ft2(84.7 g/m2), 예를 들어 48 내지 54 lb/3000 ft2의 평량; 약 0.005 내지 0.015 in, 예를 들어 약 0.010 in(0.25 mm)의 두께; 약 20 내지 25 ft/분, 예를 들어 약 22 ft/분(6.7 m/분)의 프라지르 투과도; 약 55 내지 65 마이크론, 예를 들어 약 62 마이크론의 기공 크기; 적어도 약 7 lb/in, 예를 들어 8.5 lb/in(3.9 kg/in)의 습윤 인장 강도; 약 15 내지 25 psi, 예를 들어 약 23 psi(159 kPa)의, 기계로부터의 습윤 제거시 파열 강도(burst strength wet off of the machine). 상기 셀룰로스 매체는 미세 섬유, 예를 들어, 5 마이크론 이하, 몇몇 경우 서브마이크론의 크기(직경)를 갖는 섬유로 처리될 수 있다. 미세 섬유를 사용하는 것이 바람직한 경우, 미세 섬유를 상기 매체에 적용하기 위해 다양한 방법이 이용될 수 있다. 이러한 접근 방식 중 일부는, 예를 들어 미국 특허 제5,423,892호의 컬럼 32의 48 내지 60행에서 특징이 기술된다. 더욱 구체적으로, 상기 방법은 미국 특허 제3,878,014호; 제3,676,242호; 제3,841,953호; 및 제3,849,241호에 기술되어 있으며, 이들 특허를 본원에 참고로 인용한다. 결과적인 매체 구성이, SAE J726C에 따라 SAE 미세 먼지를 사용하여 시험시 50 내지 90%의 개별 시험 및 90% 이상의 전체 효율을 가질 때까지, 충분한 미세 섬유가 전형적으로 적용될 것이다.
사용가능한 필터 구성의 예는 미국 특허 제5,820,646호에 기술되어 있다. 또다른 예시적인 실시양태에서, 플루티드(fluted) 구조(도시되지 않음)는 테이퍼링된 플루트(flute)를 포함한다. "테이퍼링된"은, 플루트의 하류 개구부가 상류 개구부보다 더 크도록 플루트가 이의 길이를 따라 확장됨을 의미한다. 이러한 필터 구성은 미국 특허 출원 제08/639,220호에 기술되어 있으며, 상기 출원 전체를 본원에 참고로 인용한다. 미세 섬유 및 이의 물질 및 제조에 대한 자세한 내용은 미국 특허 출원 제09/871,583호에 개시되어 있으며, 상기 출원을 본원에 참고로 인용한다.
다양한 필터 설계가, 필터 물질과 함께 사용되는 필터 구조(들)의 다양한 양태를 개시하고 주장하는 특허에 나와 있다. 미국 특허 제7,008,465호는, 습윤-건식 진공에 사용될 수 있는 필터 설계를 개시한다. 미국 특허 제4,720,292호는, 일반적으로 원통형의 필터 부재 설계를 갖는 필터 조립체를 위한 방사상 밀봉 설계를 개시하고 있으며, 상기 필터 부재는, 원통형의 반경 방향 내향 표면을 갖는 비교적 연질의 고무-유사 말단 캡에 의해 밀봉된다. 미국 특허 제5,082,476호는, 해당 발명의 마이크로섬유 물질과 조합된 주름진 구성요소를 갖는 폼 기재를 포함하는 심층 매체를 사용하는 필터 설계를 개시하고 있다. 미국 특허 제5,104,537호는, 액체 매질을 여과하는데 유용한 필터 구조에 관한 것이다. 액체는 필터 하우징 내로 혼입되어, 필터 외부를 통과하여 내부 환형 코어로 들어하고, 이어서 상기 구조에서의 활성 용도로 되돌아간다. 상기 필터는 유압 유체를 여과하는 데 고도로 유용하다. 미국 특허 제5,613,992호는, 전형적인 디젤 엔진 공기 흡입 필터 구조를 보여준다. 상기 구조는, 동반된 수분을 포함하거나 포함하지 않을 수 있는 하우징의 외부 측면으로부터 공기를 수득한다. 상기 공기는 상기 필터를 통과하고, 이때 수분은 하우징 하부로 전달되어 하우징으로부터 배출될 수 있다. 미국 특허 제5,820,646호는, 적절한 여과 성능을 수득하기 위해 "Z"-형태 경로에서 필터 매체의 적어도 하나의 층을 통과하는 유체 스트림을 필요로 하는 막힌 통로를 포함하는 특정한 주름진 필터 설계를 사용하는 Z 필터 구조를 개시한다. 주름진 Z-형태 포맷으로 형성된 필터 매체는 해당 발명의 미세 섬유 매체를 함유할 수 있다. 미국 특허 제5,853,442호는, 해당 발명의 마이크로섬유 구조를 함유할 수 있는 필터 부재를 갖는 백하우스 구조를 개시하고 있다. 베르크횔(Berkhoel) 등의 미국 특허 제5,954,849호는, 가공소재의 처리가 주변 공기에 상당한 먼지 적재량을 생성한 후, 전형적으로 큰 먼지 적재량을 갖는 공기를 처리하여 공기 스트림으로부터 먼지를 여과하는데 유용한 먼지 수집기 구조를 제시한다. 마지막으로, 길링햄(Gillingham)의 미국 디자인 특허 제425,189호는, Z 필터 설계를 사용한 패널 필터를 개시한다.
오일 필터
연소 엔진에 사용하도록 의도된 오일 필터는 통상적으로, 목재 펄프로부터 수득된 섬유를 갖는 필터 매체를 포함한다. 이러한 목재 펄프 섬유는 전형적으로 길이가 1 내지 7 mm이고 직경이 15 내지 45 마이크론이다. 천연 목재 펄프는, 이의 비교적 저렴한 비용, 가공성, 다양한 기계적 및 화학적 특성, 및 최종 용도에서의 내구성으로 인해, 여과 매체를 생산하는 데 주로 선호되는 원료였다. 상기 필터 매체는 오일 유동 방향에 대해 횡방향으로 여과 표면적을 증가시키기 위해 주름이 잡혀 있다.
미국 특허 제3,288,299호는, 이중 유형의 오일 필터 카트리지를 개시하고 있으며, 이때 유동의 일부는 표면 유형의 필터 부재(예컨대, 주름진 종이)를 통과하고, 나머지 유동은 심층 유형의 필터 부재(예컨대, 두꺼운 섬유상 덩어리)를 통과한다. 오일 필터 및 어댑터는 미국 특허 출원 제3,912,631호에 개시되어 있다.
전형적인 오일 필터는 주름진 필터 매체(또는 여과 매체) 및 배면(backing) 구조를 포함한다. 통상적인 필터 매체는 낮은 강성을 나타내며, 인장 강도 및 파열 강도 면에서 불량한 기계적 강도를 가진다. 따라서, 상기 필터 매체는 최종 용도에 사용시 금속 메쉬 또는 다른 유형의 주름 형태와 함께 사용된다.
그럼에도 불구하고, 낮은 기계적 강도의 관점에서, 상기 필터 매체는, 연소 엔진에서 직면하는 온도(예컨대, 125 내지 135℃)에서 엔진 오일에 노출될 때 시간에 따라 파열되는 경향이 있다.
주로 목재 펄프로 생산되는 필터 매체 제품이 대부분의 자동차 및 해비 듀티(heavy duty) 오일 여과 용도를 위한 여전히 탁월한 선택이지만, 최종 적용 환경의 다양한 화학적, 열적 및 기계적 응력에 매체가 노출됨에 따라, 시간에 따른 증가된 강도 및 내구성을 나타내는 오일 여과 제품에 대한 시장 요구가 증가하고 있다. 상기 요구는, 매체가 노출되는 더 가혹한 최종 적용 조건뿐만 아니라, 파열 또는 고장 없이 점점 더 긴 시간 동안 최종 적용에 안전하게 사용될 수 있는 필터 매체에 대한 수요 증가로부터 비롯된다.
상기 요구에 대해 오랫동안 광범위하게 적용된 해결책은, 약간 소량의 합성 섬유(전형적으로, PET 폴리에스터)를 약 5 내지 20%의 양으로 포함하는 것이었다. 이러한 방식으로 섬유 퍼니시를 강화한 결과는, 합성 섬유 자체의 탁월한 화학적, 열적 및 기계적 내구성으로 인해, 더 높은 매체 강도 뿐만 아니라 매체가 최종 적용 환경에 노출되는 경우의 개선된 화학적 및 기계적 내구성이다.
공기 필터의 경우, 당분야에 기술된 비-천연 섬유를 주로 기반으로 하는 대안적인 기술적 해결책이 존재한다. 미국 특허 제7,608,125호는 약 20 내지 60 중량%의 유리 섬유, 약 15 내지 60 중량%의 중합체 섬유, 및 약 15 내지 40 중량%의 섬유 결합용 결합제를 포함하는 습식(wet laid) 섬유상 매트로 구성된 MERV 필터를 개시하고 있다. 해당 발명의 결합제는 멜라민 폼알데하이드로 개질된 라텍스이다.
미국 특허 출원 공개 제2012/0175298호는, 2개의 상이한 섬유 성분의 부직 웨브를 포함하는 HEPA 필터를 개시하고 있다. 제1 섬유 성분은, 폴리에스터, 폴리아마이드, 폴리올레핀, 폴리락타이드, 셀룰로스 에스터, 폴리카프로락톤의 섬유로 형성되며, 웨브 중량의 적어도 20% 이상이다. 제2 섬유는 셀룰로스 섬유(라이오셀(Lyocell)), 유리 또는 이들 둘의 조합으로 구성될 수 있다. 아크릴 중합체, 스타이렌계 중합체, 비닐 중합체 폴리우레탄, 및 이들의 조합물에 의해 형성된 추가의 결합제 성분이 존재한다.
미국 특허 출원 공개 제2013/0233789호는, 스테이플 합성 섬유와 피브릴화된 셀룰로스 섬유의 블렌드로 구성된 무-유리 부직 연료 여과 매체를 개시하고 있다.
미국 특허 제7,488,365호, 제8,236,082호 및 제8,778,047호는, 섬유상 웨브 중량의 50 내지 100%의 합성 섬유를 함유하는 추가 여과 매체를 개시하고 있다. 사실, 높은 %의 합성 섬유를 포함하는 공지된 여과 매체는 주름지지 않거나 그 자체로 자가-지지되지 않으며, 일종의 추가의 기계적 지지 층(예컨대, 플라스틱 또는 와이어 메쉬 배면)으로 강화되어야 한다.
높은 수준의 합성 섬유로 제조된 매체는 전형적으로 드레이프(drape)를 나타내는 경향이 있으며, 충분한 강성도 및 강성이 부족하여 추가 지지 없이는 주름이 무너진다. 당분야에 개시된 100% 합성 매체는, 합성 섬유의 열적 및 기계적 특성으로 인해, 그루빙 패턴(예컨대, 물결주름(corrugation) 또는 주름진 구조)를 유지할 수 없다. 본 발명에 따른 섬유 매체는 용이하게 그루빙될 수 있고(즉, 물결주름 가공될 수 있고), 주름 가공될 수 있다. 또한, 상기 물질은, 예를 들어 140℃의 온도를 갖는 뜨거운 엔진 오일에 장시간 노출된 후에도, 이의 원래의 그루브 깊이(또는 물결주름 깊이)의 대부분을 유지할 수 있다. 이러한 특징은 또한 본 발명의 섬유 매체의 연장된 작동 수명에 기여한다.
몇몇 오일 필터는 값비싼 배면 물질을 생략할 수 있어서, 더 용이하게 그루빙될 수 있고(즉, 물결주름 가공될 수 있고), 주름 가공될 수 있는 필터를 허용한다. 최종 결과는, 지지 배면 물질 없이 본 발명의 섬유 매체를 사용하여 필터를 생산하면서, 목재 펄프를 포함하는 전통적 스타일의 오일 여과 매체로 가능한 것보다 상당히 더 높은 파열 강도, 글리콜-보조된 붕해에 대한 탁월한 내성 및 탁월한 먼지 여과 용량 및 입자 제거 효율을 달성하는 능력이다.
폴리아마이드 나노섬유 층을 오일 필터에 통합함으로써, 전술된 문제 중 몇 가지가 상기 폴리아마이드 나노섬유 층의 전술된 이점으로 인해 완화될 수 있다.
본원에 기술된 다른 필터 매체와 같이, 오일 필터는 전형적으로 다층 필터이다. 오일 필터의 추가 층에 적합한 예시적인 열가소성 섬유는 폴리에스터(예를 들어, 폴리알킬렌 테레프탈레이트, 예컨대 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT) 등), 폴리알킬렌(예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등), 폴리아크릴로나이트릴(PAN) 및 추가의 폴리아마이드 층(나일론, 예를 들어 나일론-6, 나일론-6,6, 나일론-6,12 등)을 포함한다. 오일 필터로서의 상기 매체의 용도에 중요한 특성인 우수한 내화학성 및 내열성을 나타내는 PET 섬유가 바람직하다.
하나의 실시양태에서, 상기 열가소성 합성 섬유는, 0.1 μm 내지 15 μm, 예컨대 0.1 μm 내지 10 μm의 평균 섬유 직경 및 1 내지 50 mm, 예컨대 1 내지 20 mm의 평균 길이를 갖는 섬유로부터 선택된다. 일반적으로, 5 mm 초과, 특히 10 mm 초과의 길이를 갖는 섬유가 우수한 파열 강도를 위해 바람직하다. 본 발명과 관련하여 "규소질(silicaceous) 섬유"는, 주로 "유리" 섬유, 예컨대 미세유리 섬유를 나타낸다.
상기 섬유는 일반적으로 1,000 대 1의 종횡비(길이 대 직경의 비율)를 가진다. 하나의 실시양태에서, 상기 유리 섬유는 0.1 μm 내지 5 μm의 평균 섬유 직경, 및 1,000 대 1의 종횡비를 가진다. 특히, 상기 유리 섬유는 0.4 내지 2.6 μm의 평균 섬유 직경을 가질 수 있다. 상기 유리 섬유는, 필터로서의 상기 섬유 매체의 효율을 향상시키기에 충분한 양으로 포함되는 것이 바람직하다. 하나의 실시양태에서, 상기 합성 섬유는 상기 섬유의 총 중량을 기준으로 30 중량% 이하, 바람직하게는 20 중량% 이하의 유리 섬유를 포함한다. 상기 합성 섬유가 상기 섬유의 총 중량을 기준으로 단지 30 중량% 이하, 또는 20 중량% 이하의 유리 섬유를 포함하지만, 상기 양은 필터 실시예를 위한 섬유 매체를 제조하기에 충분하다. 전형적으로, 종래 기술의 합성 필터 매체는, 심지어 고온 조건(예컨대, 150℃) 하에서도 기체 또는 액체의 충분한 여과 효율을 달성하기 위해 다량의 유리 섬유를 포함한다. 그러나, 본원 청구범위에 개시된 바와 같이 상기 섬유상 매체에 유리 섬유를 적게 사용함으로써, 입자 제거 효율 및 고온 오일 파열 강도 면에서 우수한 여과 특성을 갖는 섬유 매체를 제공할 수 있다. 특히 바람직한 실시양태에서, 적어도 2가지 종류의 유리 섬유(즉, 1 μm 미만의 평균 섬유 직경을 갖는 제1 그룹의 섬유 및 2 μm 이상의 평균 섬유 직경을 갖는 제2 그룹의 섬유)가 존재한다. 상기 섬유들의 두 그룹의 중량비는 전형적으로 1:100 내지 100:1, 특히 약 1:10 내지 10:1이다. 상기 합성 섬유는 또한, 상기 섬유의 총 중량을 기준으로 40 중량% 이하, 바람직하게는 30 중량% 이하의 재생 셀룰로스 물질, 예컨대 라이오셀(Lyocell), 비스코스 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다.
상기 필터 매체는 캐니스터(예컨대, 단일 또는 이중 캐니스터)에 포함될 수 있다. 각각의 캐니스터는 오일 유동을 도입하고 필터 오일을 제거하기 위한 입구 및 출구를 각각 가질 수 있다. 각각의 캐니스터 내의 필터 매체는 상이한 여과 용량을 허용하기 위해 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1 캐니스터는 전체 유동 경로 여과를 위한 필터 하우징을 포함하고, 제2 캐니스터는 감소된 유동 경로 여과를 위한 필터 하우징을 포함할 것이다. 미국 특허 출원 공개 제2008/0116125호는, 상기 이중 캐니스터를 상세히 기술하고 있다.
백 필터
백 필터는 미국 특허 제7,318,852 및 미국 특허 출원 공개 제2009/2055226호에 기술되었다. 백하우스(bag house)로도 공지된 먼지 수집기는 일반적으로, 산업 유출물 또는 오프-가스로부터 미립자 물질을 여과하는 데 사용된다. 정화된 오프-가스는, 일단 여과되면, 대기로 배출되거나 재활용될 수 있다. 상기 백하우스 먼지 수집기 구조는 일반적으로, 캐비닛 또는 유사한 구조 내에 지지된 하나 이상의 가요성 필터 뱅크를 포함한다. 상기 필터 캐비넷 및 뱅크에서, 필터 백은 일반적으로 캐비넷 내에 고정되고, 유출물이 상기 백을 효율적으로 통과하여 혼입된 미립자를 제거하게 하는 위치에 유지된다. 상기 캐비닛 내에 고정된 필터 백은 전형적으로, 상류 및 하류 공기를 분리하고 효율적인 작동을 유지하도록 필터 백을 지지하는 구조에 의해 지지된다.
더욱 구체적으로, 소위 "백하우스 필터"에서, 기체 스트림이 상기 필터 매체를 통과할 때, 미립자 물질이 상기 기체 스트림으로부터 제거된다. 전형적인 용도에서, 상기 필터 매체는 일반적으로 슬리브-유사 관형 구성을 가지며, 이때 기체 유동은 슬리브 외부에서 여과되는 입자를 침착시키도록 배열된다. 이러한 유형의 용도에서, 상기 필터 매체는, 상기 매체를 펄스 역류에 적용함으로써 주기적으로 세척되며, 이는, 여과된 미립자 물질을 백하우스 필터 구조의 하부에 수집하기 위해 슬리브 외부로부터 제거하는 역할을 한다. 미국 특허 제4,983,434호는, 백하우스 필터 구조 및 종래 기술의 필터 라미네이트를 예시한다.
산업용 유체 스트림으로부터 미립자 불순물을 분리하는 것은 흔히 직물 필터를 사용하여 수행된다. 이러한 텍스타일-기반 필터 매체는 유체로부터 미립자를 제거한다. 필터 상에 미립자가 축적되어 텍스타일을 통한 압력 강하 또는 유동에 대한 저항이 심각해지면, 필터를 세척하고 미립자 케이크를 제거해야 한다.
산업용 여과 시장에서는 세척 방법에 의해 필터 백의 유형을 특성분석하는 것이 통상적이다. 가장 통상적인 유형의 세척 기술은 역 공기, 셰이커 및 펄스 제트이다. 역 공기 및 셰이커 기술은 저에너지 세척 기술로 간주된다.
역 공기 기술은, 내부에 먼지를 수집하는 필터 백 상에서 공기를 부드럽게 역세척하는 것이다. 역 세척은 상기 백을 붕괴시키고, 상기 백의 하부에서 호퍼로 배출되는 먼지 덩어리를 파쇄한다. 셰이커 메커니즘은, 상기 백 안쪽에 수집된 필터 케이크도 세척한다. 상기 백의 상단은, 먼지 케이크를 제거하기 위해 상기 백에 사인파를 생성하는 진동 암에 부착되어 있다. 펄스 제트 세척 기술은, 필터 튜브의 내부 상단 부분으로 도입되는 압축 공기의 짧은 펄스를 사용한다. 펄스 세척 공기가 튜브 벤츄리를 통과함에 따라, 이는 2차 공기를 흡인하고, 생성된 공기 덩어리는 상기 백을 격렬하게 팽창시키고, 수집된 먼지 케이크를 제거한다. 상기 백은 전형적으로 케이지 지지대로 바로 다시 스냅되고, 미립자를 수집하는 서비스로 바로 돌아간다.
상기 세 가지 세척 기술 중, 펄스 제트가 상기 필터 매체에 가장 큰 응력을 준다. 그러나, 최근 수 년 동안, 산업 공정 엔지니어들은 펄스 제트 백하우스를 점점 더 많이 선택하고 있다.
백하우스에서 고온(200℃ 이하)의 열적으로 안정하고 내화학성인 필터 매체에 대한 필요성은, 필터 매체 선택을 펄스 제트 적용을 위한 단지 몇개의 이용가능 후보로 좁힌다. 통상적인 고온 텍스타일은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 유리 섬유 또는 폴리이미드(폴리이미드는 260℃까지 연속 사용에 대해 안정적임)를 포함한다. 고온의 영향이 산화제, 산 또는 염기의 영향과 조합되면, 유리 섬유 및 폴리이미드 매체가 조기에 파손되는 경향이 있다. 따라서, PTFE를 사용하는 것이 선호된다. 상업적으로 이용가능한 PTFE 직물은 PTFE 섬유의 니들펠트로 지지된다. 상기 펠트의 무게는 일반적으로 20 내지 26 oz/yd2이며, 멀티필라멘트 직조 스크림(4 내지 6 oz/yd2)으로 강화된다. 상기 펠트는 스테이플 섬유(일반적으로, 6.7 데니어/필라멘트 또는 7.4 dtex/필라멘트)로 구성되고, 길이가 2 내지 6 in이다. 이 제품은, 기본 더스트 케이크가 상기 백을 "시즈닝(season)"한다는 점에서 다른 많은 펠트 매체와 유사하게 작동한다. 종종 심층 여과로도 불리는 상기 시즈닝은, 상기 매체가 더욱 효율적으로 여과하게 하지만, 사용 동안 상기 매체 전체에 걸쳐 압력 강하가 증가한다는 단점을 가진다. 결국, 상기 백은 블라인딩(blinding)되거나 막힐 것이고, 상기 백은 세척 또는 교체되어야 할 것이다. 일반적으로, 상기 매체는 고온에서 낮은 여과 효율, 블라인딩 및 치수 불안정성(수축)을 겪는다.
고온용으로 설계된 또다른 유형의 구조는 미국 특허 출원 공개 제5,171,339호에 기술되어 있다. 필터 백 내에 클로딩된(clothed) 백 리테이너를 포함하는 백 필터가 개시된다. 상기 필터 백의 천은 폴리(m-페닐렌 이소프탈아마이드), 폴리에스터 또는 폴리페닐렌설파이드 섬유(이는, 이에 바느질된 폴리(p-페닐렌 테레프탈아마이드) 섬유의 얇은 부직물을 가짐)의 펠트의 라미네이트를 포함하며, 상기 폴리(p-페닐렌 테레프탈아마이드) 직물은, 뜨거운 입자가 가득한 기체 스트림에 먼저 노출되는 상기 필터 백의 표면에 배치된다. 상기 폴리(p-페닐렌 테레프탈아마이드) 직물은 1 내지 2 oz/yd2의 평량을 가질 수 있다.
직조된 다공성 팽창된 PTFE 섬유 직물에 접합된 다공성 팽창된 PTFE(ePTFE) 막의 2층 제품도 사용되었다. 상기 제품의 상업적 성공은 여러 가지 이유로 실현되지 않았지만, 그 이유는 주로, 펄스 제트 케이지 지지체 상의 잘 마모되지 않는 직조 섬유 직물 배면 때문이다. 직조된 얀이 그 자체 상에서 미끄러져 막에 과도한 응력을 생성함으로써, 막 균열을 제공한다.
부직물은 필터 매체의 제조에 유리하게 사용되어 왔다. 일반적으로 이러한 유형의 용도에 사용되는 부직물은, 섬유 웨브 구조를 통해 가시 바늘(barbed needle)을 반복적으로 삽입 및 빼는 것을 수반하는 기계적 니들 펀칭(이는 종종 "니들 펠팅"으로도 지칭됨)에 의해 얽히고 통합되었다.
미국 특허 제4,556,601호는, 헤비-듀티 기체 필터로서 사용될 수 있는 유체-얽힘(hydroentangle) 부직물을 개시하고 있다.
미국 특허 제6,740,142호는, 백하우스 필터에 사용하기 위한 나노섬유를 개시하고 있다. 가요성 백은 0.005 내지 2.0g/㎡(gsm)의 평량 및 0.1 내지 3 마이크론의 두께를 갖는 층으로 적어도 부분적으로 덮여 있다. 상기 층은, 약 0.01 내지 약 0.5 마이크론의 직경을 갖는 중합체성 미세 섬유를 포함하지만, 이를 제조하는 데 사용되는 공정의 한계로 인해 평량이 제한된다.
몇몇 양태에서, 상기 필터는, 약 0.1 gsm 초과, 또는 약 0.5 gsm 초과, 또는 약 5 gsm 초과, 또는 심지어 약 10 gsm 초과 및 약 90 gsm 이하의 평량을 갖는 열적-안정화된 나노웨브 층을 포함하는 여과 매체를 포함할 수 있다. 상기 여과 매체는, 나노웨브가 면대면 관계로 결합된 기재를 추가로 포함한다. 유리하게는, 상기 나노웨브 층은 상기 필터 백의 상류 표면 또는 측면 상에(즉, 뜨거운 입자가 가득한 기체 스트림에 먼저 노출되는 표면 상에) 배치된다.
다른 실시양태에서, 상기 필터는, 열적-안정화된 나노웨브가 면대면 관계로 결합된 제1 기재 층(이때, 상기 나노웨브는 상기 필터 백의 상류 쪽에, 즉, 뜨거운 입자가 가득한 기체 스트림에 먼저 노출되는 상기 필터 백의 표면에 배치되고, 상기 나노웨브는 약 0.1 gsm 초과의 평량을 가짐)과, 상기 나노웨브 층에 결합된 제2 기재 층의 복합체를 포함한다. 몇몇 경우, 상기 제2 기재 층이 상기 나노웨브와 상기 제1 기재 층 사이에 배치되는 것이 유리하고, 다른 경우, 상기 나노웨브 층이 상기 제1 및 제2 기재 층 사이에 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 전기-취입 또는 용융-취입 나노섬유 웨브에 유용한 중합체는 폴리아마이드(PA)이고, 바람직하게는 폴리아마이드 6, 폴리아마이드 6,6, 폴리아마이드 6,12, 폴리아마이드 11, 폴리아마이드 12, 폴리아마이드 4,6, 반방향족 폴리아마이드, 고온 폴리아마이드 및 이들의 임의의 조합물 또는 블렌드로 이루어진 군으로부터 선택되는 폴리아마이드이다. 본 발명의 배합 조성물을 제조하는데 사용되는 폴리아마이드(PA)는 당분야에 널리 공지되어 있다. 대표적인 폴리아마이드는, 예를 들어 미국 특허 제4,410,661호; 제4,478,978호; 제4,554,320호; 및 제4,174,358호에 기재된 바와 같이, 5,000 이상의 분자량을 갖는 반결정질 및 비정질 폴리아마이드 수지를 포함한다.
본 발명에 따라, 상기 중합체들 중 2개의 공중합에 의해, 또는 상기 중합체 또는 이의 성분 단량체의 삼원공중합에 의해 수득된 폴리아마이드, 예를 들면 아디프산, 이소프탈산 및 헥사메틸렌다이아민의 공중합체, 또는 폴리아마이드의 배합된 혼합물, 예컨대 폴리아마이드 PA 6,6과 PA 6의 혼합물도 사용될 수 있다. 바람직하게는, 상기 폴리아마이드는 선형이고, 200℃ 초과의 융점 또는 연화점을 가진다.
전기-방사에 의해 형성된 상기 폴리아마이드가, 용융-방사에 의해 형성된 본 발명의 폴리아마이드 나노섬유 층에 더하여 사용될 수 있다. 섬유를 방사하는 데 사용되는 폴리아마이드는 열안정성 첨가제(예컨대, 산화방지제)를 포함한다. 본 발명에 사용하기에 적합한 산화방지제는, 폴리아마이드가 용액으로부터 방사되는 경우, 폴리아마이드와 함께 방사 용매에 가용성인 임의의 물질이다. 상기 물질의 예는 구리 할라이드 및 입체 장애 페놀이다. "입체 장애 페놀"은, 이의 분자 구조가, 하이드록실 잔기에 대해 시스인 탄소 원자들 중 하나 또는 둘 다가 알킬 기를 보유하는 페놀 고리를 함유하는 화합물을 의미한다. 상기 알킬 기는 바람직하게는 3급-부틸 잔기이고, 인접한 탄소 원자 둘 다는 3급-부틸 잔기를 보유한다.
산화방지제는, 비제한적으로, 페놀성 아마이드, 예컨대 N,N'-헥사메틸렌 비스(3,5-다이-(3급)-부틸-4-하이드록시하이드로신남아마이드)(이르가녹스(Irganox) 1098); 아민, 예컨대 다양한 변형된 벤젠아민(예컨대, 이르가녹스 5057); 페놀성 에스터, 예컨대 에틸렌비스(옥시에틸렌)비스-(3-(5-3급-부틸-4-하이드록시-m-톨릴)-프로피오네이트(이르가녹스 245)(모두 미국 뉴욕주 태리타운 소재의 시바 스페셜티 케미칼스 코퍼레이션(Ciba Specialty Chemicals Corp.)으로부터 입수가능); 유기 또는 무기 염, 예컨대 폴리애드(Polyad) 201(미국 뉴욕주 태리타운 소재의 시바 스페셜티 케미칼스 코퍼레이션)로서 입수가능한 제2 염화구리, 염화 칼륨과 옥타데칸산의 아연 염의 혼합물, 및 폴리애드 1932-41(미국 미주리주 얼쓰 시티 소재의 폴리애드 서비시스 인코포레이티드(Polyad Services Inc.))로서 입수가능한 아세트산 제2 구리, 브롬화 칼륨과 옥타데칸산의 칼슘 염의 혼합물; 입체 장애 아민, 예컨대 1,3,5-트라이아진-2,4,6-트라이아민, N,N'"-[1,2-에탄-다이일-비스[[[4,6-비스-[부틸(1,2,2,6,6-펜타메틸-4-피페리디닐)아미노]-1,3,5-트라이아진-2-일]이미노]-3,1-프로판다이일]]비스[N',N''-다이부틸-N',N"-비스(1,2,2,6,6-펜타메틸-4-피페리디닐)(키마소르브(Chimassorb) 119 FL), 1,6-헥산다이아민, N,N'-비스(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리디닐)-중합체와 2,4,6-트라이클로로-1,3,5-트라이아진의 반응 생성물, N-부틸-1-부탄아민과 N-부틸-2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딘아민의 반응 생성물(키마소르브 2020), 및 폴리[[6-[(1,1,3,3-테트라메틸부틸)아미노]-1,3,5-트라이아진-2,4-다이일][2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리디닐)이미노]-1,6-헥산다이일[(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리디닐)이미노]])(키마소르브 944)(모두 미국 뉴욕주 태리타운 소재의 시바 스페셜티 케미칼스 코퍼레이션으로부터 입수가능); 중합체성 장애 페놀, 예컨대 2,2,4-트라이메틸-1,2-다이하이드록시퀴놀린(미국 코네티컷주 06749 미들버리 소재의 크롬프톤 코퍼레이션(Crompton Corporation)(켐투라 코퍼레이션(Chemtura Corporation)의 자회사)로부터의 울트라녹스(Ultranox) 254)); 입체 장애 포스파이트, 예컨대 비스(2,4-다이-t-부틸페닐)펜타에리트리톨 다이포스파이트(미국 코네티컷주 06749 미들버리 소재의 크롬프톤 코퍼레이션(켐투라 코퍼레이션의 자회사)로부터의 울트라녹스 626); 트리스(2,4-다이-3급-부틸-페닐)포스파이트(미국 뉴욕주 태리타운 소재의 시바 스페셜티 케미칼스 코퍼레이션으로부터의 이르가포스 168); 3-(3,5-다이-3급-부틸-4-하이드록시페닐)프로피온산(미국 뉴욕주 태리타운 소재의 시바 스페셜티 케미칼스 코퍼레이션으로부터 입수가능한 파이버스탭(Fiberstab) PA6), 및 이들의 조합물 및 블렌드를 포함한다.
안정화제로서 사용되는 산화방지제는, 전기-방사에 의해 형성된 폴리아마이드 층에 대해 0.01 내지 10 중량%, 특히 0.05 내지 5 중량%일 수 있다.
백 필터의 기재 층은 통상적인 섬유, 예를 들면 셀룰로스 섬유, 예컨대 면, 대마 또는 기타 천연 섬유; 무기 섬유, 예컨대 유리 섬유, 탄소 섬유; 유기 섬유, 예컨대 폴리에스터, 폴리이미드, 폴리아마이드, 폴리올레핀, 또는 다른 통상적인 섬유 또는 중합체성 물질; 및 이들의 혼합물로부터 형성될 수 있다.
본 발명의 필터 백의 기재 층은 직조이거나 부직일 수 있다. 직조 백에서, 상기 섬유는 전형적으로, 전형적인 직조 형식으로 섬유의 맞물린 메쉬로 형성된다. 부직물은 전형적으로, 섬유를 특정 배향 없이 느슨하게 형성하고 이어서 상기 섬유를 필터 직물에 결합함으로써 제조된다. 본 발명의 부재를 구성하는 하나의 방식은, 펠트 매체를 기재로서 사용하는 것을 포함한다. 펠트는, 별개의 천연 또는 합성 섬유를 놓고, 당업자에게 공지된 통상적으로 이용가능한 펠트 결합 기술을 사용하여 섬유를 펠트 층으로 압축함으로써 제조된 압축된 다공성 부직물이다.
섬유가 전형적으로 사용되어, 공기 통과 및 미립자 포획 효과에 대한 내성 및 탁월한 탄력성을 나타내는 직물이 제공된다. 상기 직물은 화학적 미립자에 대해 안정성을 가질 수 있고, 백하우스를 통과하는 공기 및 필터 표면에 동반된 미립자 둘 다의 다양한 온도에 대해 안정할 수 있다.
본 발명의 필터 구조는 전형적으로, 적합한 지지 구조체(예컨대, 백의 넥에서의 리테이너) 상의 나노웨브 층 복합재 및 기재를 지지함으로써 유용한 개방 형태로 유지되거나, 지지 구조체가 상기 백의 내부에 배치될 수 있다. 상기 지지체는 감긴 와이어 또는 케이지-유사 구조 형태의 선형 부재로부터 형성될 수 있다. 대안적으로, 상기 지지체는 상기 백의 형태를 모방하는 천공된 세라믹 또는 금속 구조를 포함할 수 있다. 상기 지지 구조체가 이의 표면적의 상당 부분에 걸쳐 상기 필터 기재와 접촉하는 경우, 상기 지지 구조체는 상기 구조체를 통한 공기 통과에 대해 투과성이어야 하며, 상기 필터 백에 대한 압력 강하의 점진적 증가를 제공하지 않아야 한다. 상기 지지 구조체는, 상기 필터 백 내부 전체와 접촉하고 상기 필터 백을 효율적인 여과 형태 또는 확인 상태로 유지하도록 형성될 수 있다.
상기 나노웨브 층을 상기 기재와 조합하여 본 발명의 복합 구조체를 제조하는 공정은 특별히 제한되지 않는다. 상기 나노웨브 층의 나노섬유를 상기 기재 층에 물리적으로 엮을 수 있거나, 상기 나노웨브 층의 섬유와 상기 기재의 섬유의 상호-융합(예를 들어, 열, 접착제 또는 초음파 접합 또는 결합)에 의해 결합될 수 있다.
상기 기재 층을 상기 나노웨브 층 또는 나노웨브 및 기재 층에 결합하기 위한 열적 방법은 캘린더링을 포함한다. "캘린더링"은, 두 롤 사이의 닙을 통해 웨브를 통과시키는 공정이다. 롤들은 서로 접촉할 수 있거나, 롤 표면 사이에 고정형 또는 가변형 간격이 존재할 수 있다.
유리하게는, 캘린더링 공정에서, 상기 닙은 연질 롤과 경질 롤 사이에 형성된다. "연질 롤"은, 캘린더의 두 롤을 함께 유지하기 위해 적용되는 압력 하에서 변형되는 롤이다. "경질 롤"은, 공정 또는 제품에 중대한 영향을 미치는 변형이 공정의 압력 하에 발생하지 않는 표면을 갖는 롤이다. "패턴화되지 않은" 롤은, 롤을 제조하는 데 사용되는 공정의 능력 내에서 매끄러운 표면을 갖는 롤이다. 이는, 포인트 결합 롤과 달리, 닙을 통과할 때 웨브 상에 의도적으로 패턴을 생성하는 포인트나 패턴이 존재하지 않는다. 본 발명에 사용되는 캘린더링 공정에서 경질 롤은 패턴화되거나 패턴화되지 않을 수 있다.
접착제 접합은 캘린더링과 함께, 또는 용매계 접착제의 존재 하에 저온(예를 들어, 실온)에서 다른 수단에 의해 라미네이트에 압력을 가함으로써 수행될 수 있다. 다르게는, 고온에서 핫멜트 접착제를 사용할 수 있다. 당업자는 본 발명의 방법에 사용될 수 있는 적합한 접착제를 쉽게 인식할 것이다.
이러한 물리적 결합에 따라 섬유를 엮는 방법의 예는 니들 펀치 가공 및 워터젯 가공(이는 유체-얽힘 또는 스펀-레이싱으로 달리 공지됨)이다. 니들 펀칭(또는 니들링)은, 미국 특허 제3,431,611호 및 제4,955,116호에 개시된 바와 같이, 응집성 텍스타일 구조가 형성되는 다수의 관통부 내의 섬유의 카딩된 속솜(carded batt)을 통해 개별 섬유의 작은 다발을 터킹(tucking)하는 것으로 본질적으로 이루어진다.
본 발명의 필터를 제조하는 방법의 경우, 부직물의 고밀도 층(기재) 면에 니들 펀치 가공(또는 워터젯 가공)을 수행하는 것이 바람직하다. 저밀도 층(나노웨브) 면에 니들 펀치 가공을 수행하는 경우에 비해, 고밀도 층 면에 니들 펀치 가공을 수행하면, 상호얽힘(intertwining)에 의한 기공의 붕괴나 변형 뿐만 아니라 기공의 바람직하지 않은 확대를 억제할 수 있으며, 이로써 더 작은 입자에 대한 초기 세척 효율의 저하를 억제할 수 있다. 기공 직경의 바람직하지 않은 확장을 억제하고 충분한 상호얽힘 작업을 수행하기 위해, 단위 면적당 니들의 개수(침투 수)를 약 40 내지 약 100개의 천공/cm2의 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 저밀도 층의 표면적의 약 25% 이하가 천공되어야 한다.
방사된 그대로의 나노웨브는, 유리하게는 전기-방사(예컨대, 고전적 전기-방사 또는 전기-취입)에 의해, 및 특정 경우, 용융-취입 또는 기타 적합한 공정에 의해 생성된 나노섬유를 주로 또는 독점적으로 포함할 수 있다. 고전적 전기-방사는, 미국 특허 제4,127,706호에 예시된 기술이며, 여기서는 나노섬유 및 부직포 매트를 생성하기 위해 용액 중의 중합체에 고전압이 전용된다. 그러나, 전기-방사 공정의 총 처리량은 너무 낮아서, 더 무거운 평량의 나노웨브를 형성하기에는 상업적으로 실행가능하지 않다.
"전기-취입" 공정은 국제 특허 출원 공개 제WO 03/080905호에 개시되어 있다. 중합체 및 용매를 포함하는 중합체 용액의 스트림은 저장 탱크로부터 방사구(여기에 고전압이 적용되고 이를 통해 중합체 용액이 배출됨) 내의 일련의 방사 노즐로 공급된다. 한편, 임의적으로 가열되는 압축 공기는 방사 노즐의 측면 또는 주변에 배치된 에어 노즐로부터 토출된다. 상기 공기는 일반적으로, 새로 토출된 중합체 용액을 둘러싸고 전달하며 섬유상 웨브의 형성을 돕는 취입 기체 스트림으로서 아래쪽으로 유도되며, 상기 섬유상 웨브는 진공 챔버 위의 접지된 다공성 수집 벨트 상에 수집된다. 전기-취입 공정은 비교적 짧은 기간에 약 1 gsm 초과의 평량, 심지어 약 40 gsm 이상 정도로 높은 평량에서 나노웨브의 상업적 크기 및 양의 형성을 허용한다.
기재 상에 방사된 나노섬유 웨브를 수집 및 조합하기 위해 수집기 상에 기재가 배열될 수 있다. 기재의 예는 다양한 부직 천, 예컨대 용융-취입 부직 천, 니들펀칭되거나 스펀-레이싱된 부직 천, 직조 천, 편직 천, 종이 등을 포함할 수 있으며, 나노섬유 층이 기재 상에 추가될 수 있는 한, 제한 없이 사용될 수 있다. 부직 천은 스펀-본딩된 섬유, 건식 또는 습식 섬유, 셀룰로스 섬유, 용융-취입 섬유, 유리 섬유, 또는 이들의 블렌드를 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 나노웨브 층은 상기 펠트 기재 상에 직접 침착될 수 있다.
섬유 중합체의 Tg를 감소시키기 위해, 당분야에 공지된 가소제를 전술된 다양한 중합체에 첨가하는 것이 유리할 수 있다. 적합한 가소제는, 전기-방사 또는 전기-취입될 중합체 뿐만 아니라 나노웨브가 도입될 특정 최종 용도에 따라 달라질 것이다. 예를 들어, 나일론 중합체는 전기-방사 또는 전기-취입 공정에서 남은 물 또는 심지어 잔류 용매로 가소화될 수 있다. 중합체의 Tg를 낮추는 데 유용할 수 있는 다른 공지된 가소제는, 비제한적으로, 지방족 글리콜, 방향족 설파노마이드, 프탈레이트 에스터, 예컨대, 비제한적으로, 다이부틸 프탈레이트, 다이헥실 프탈레이트, 다이사이클로헥실 프탈레이트, 다이옥틸 프탈레이트, 다이이소데실 프탈레이트, 다이운데실 프탈레이트, 다이도데카닐 프탈레이트, 및 다이페닐 프탈레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 것들을 포함한다. 문헌[The Handbook of Plasticizers, edited by George Wypych, 2004 Chemtec Publishing]은 본 발명에서 사용될 수 있는 다른 중합체/가소제 조합을 개시하고 있으며, 상기 문헌을 본원에 참고로 인용한다.
액체 필터
액체 여과 매체는 흔히 미생물 여과에 사용된다. 생물약제 제조는, 작업을 능률화하고 단계를 조합 및 제거하고 약제 성분의 각각의 배취를 가공하는 데 걸리는 시간을 줄이는 방법을 끊임없이 찾고 있다. 동시에, 시장 및 규제 압력은 생물약제 제조업체가 이의 비용을 절감하도록 밀어붙이고 있다. 세균, 마이코플라즈마 및 바이러스 제거는 의약품 성분 정제의 총 비용에서 상당한 비율을 차지하기 때문에, 다공성 막의 여과 처리량을 증가시키고 정제 처리 시간을 단축하는 접근법이 매우 요구되고 있다.
새로운 사전여과 매체의 도입 및 이에 따른 세균, 마이코플라즈마 및 바이러스-보유성(retentive) 필터의 처리량 증가로 인해, 공급물 스트림의 여과가 플럭스-제한적이 되고 있다. 따라서, 세균, 마이코플라즈마 및 바이러스-보유성 필터의 투과도의 극적인 개선은 세균, 마이코플라스마 및 바이러스 여과 단계의 비용에 직접적인 유익한 영향을 미칠 것이다.
액체 여과에 사용되는 필터는 일반적으로 섬유상 부직포 매체 필터 또는 다공성 필름 막 필터로 분류될 수 있다.
다공성 필름 막 액체 필터 또는 기타 유형의 여과 매체는 지지되지 않은 채로 또는 다공성 기재 또는 지지체와 함께 사용될 수 있다. 전형적으로, 다공성 섬유상 부직포 매체보다 작은 기공 크기를 갖는 다공성 필름 액체 여과 막은, (a) 정밀여과(MF)(여기서는, 액체로부터 여과된 미립자가 전형적으로 약 0.1 마이크론(μm) 내지 약 10 μm 범위임); (b) 한외여과(UF)(여기서는, 액체로부터 여과된 미립자가 전형적으로 약 2 nm 내지 약 0.1 μm 범위임); 및 (c) 역삼투(RO)(여기서는, 액체로부터 여과된 미립자 물질이 전형적으로 약 1 Å 내지 약 1 nm 범위임)에 사용될 수 있다.
레트로바이러스-보유성(Retrovirus-retentive) 막은 일반적으로, 한외여과 막의 개방 단부 부분에 있는 것으로 간주된다.
높은 투과도 및 높은 신뢰할만한 보유력(retention)은 액체 여과 막에서 요구되는 두 가지 매개변수이다. 그러나, 상기 두 매개변수 사이에는 절충점이 있으며, 동일한 유형의 액체 여과 막의 경우, 투과도를 희생함으로써 더 큰 보유력을 달성할 수 있다. 액체 여과 막을 제조하는 통상적인 공정의 고유한 한계는, 막이 다공도의 특정 임계값을 초과하는 것을 방지하고, 이에 따라 임의의 제시된 기공 크기에서 달성될 수 있는 투과도의 크기를 제한한다.
섬유상 부직 액체 여과 매체는, 비제한적으로, 스펀-본딩되거나 용융-취입되거나 또는 스펀-레이싱된 연속 섬유로부터 형성된 부직포 매체, 카딩된 스테이플 섬유로부터 형성된 유체-얽힘 부직포 매체, 및/또는 이들의 조합물을 포함한다. 전형적으로, 액체 여과에 사용되는 섬유상 부직포 매체 필터는 일반적으로 약 1 μm 초과의 기공 크기를 가진다.
부직포 물질은 여과 제품 제조에 널리 사용된다. 주름진 막 카트리지는 일반적으로 배수(drainage) 층으로서의 부직포 물질을 포함한다(예를 들어, 각각 팔 코퍼레이션(Pall Corporation)에 양도된 미국 특허 제6,074,869호, 제5,846,438호 및 제5,652,050호; 및 쿠노 인코포레이티드(Cuno Inc)(현재 3M)에 양도된 미국 특허 제6,598,749호 참조).
부직 미세다공성 물질이 또한, 이의 상부에 배치된 인접한 다공성 막 층(예컨대, 미국 매사추세츠주 빌레리카 소재의 이엠디 밀리포어 코퍼레이션(EMD Millipore Corporation)의 바이오맥스(Biomax)(등록상표) 한외여과 막)을 위한 지지 스크린으로서 사용될 수 있다.
부직 미세다공성 물질이 또한, 상기 부직포 미세다공성 구조 상에 위치된 다공성 막(예컨대, 이엠디 밀리포어 코퍼레이션으로부터 입수가능한 밀리가드(Milligard)(상표명) 필터)의 강도를 증가시키기 위한 지지 골격으로서 사용될 수 있다.
부직 미세다공성 물질이 또한, 일반적으로 약 1 μm 초과의 직경을 갖는 현탁 입자를 제거함으로써, 상기 부직 미세다공성 물질의 하류에 배치된 다공성 막의 용량을 증가시키기 위한 "거친 사전여과"에 사용될 수 있다. 상기 다공성 막은 일반적으로, 잘 정의된 기공 크기 또는 분자량 컷오프를 갖는 중요한 생물학적 안전성 장벽 또는 구조를 제공한다. 임계(critical) 여과는, 미생물 및 바이러스 입자의 높은(전형적으로, 명시된 시험에 정의된 바와 같이, 99.99% 초과) 제거도에 대한 예상되고 검증가능한 보증을 특징으로 한다. 임계 여과는, 다수의 제조 단계 뿐만 아니라 사용 시점에서 액체 약물 및 액체 생물약제 제형의 무균성을 보장하기 위해 관행적으로 필요하다.
용융-취입 및 스펀-본딩된 섬유 매체는 흔히 "전통적인" 또는 "통상적인" 부직포로서 지칭된다. 이러한 전통적인 부직포의 섬유는 일반적으로 약 1,000 nm 이상의 직경을 가지며, 따라서 전통적인 부직포의 유효 기공 크기는 약 1 마이크론 초과이다. 전통적인 부직포의 제조 방법은 전형적으로 고도로 불균일한 섬유 매트로 이어진다.
역사적으로, 용융-취입 및 스펀-본딩과 같은 통상적인 부직포 매트 형성의 무작위적인 성질은, 부직포 매트가 액체 스트림의 임의의 임계 여과에 부적합하며 마찬가지로 통상적인 부직포 매트를 포함하는 여과 장치는 전형적으로 통상적인 부직포 매트의 하류에 배치된 다공성 임계 여과 막의 용량을 증가시키기 위한 사전여과 목적으로만 사용된다는 기본적인 가정을 야기하였다.
또다른 유형의 부직포는 전기-방사된 나노섬유 부직포 매트를 포함하며, 이는, "전통적인" 또는 "통상적인" 부직포와 같이, 액체 스트림의 임계 여과에 적합하지 않은 것으로 일반적으로 가정되었다(예를 들어, 문헌[Bjorge et al., Performance Assessment of electrospun nanofibers for filter applications, Desalination, 249, (2009), 942-948] 참조).
전기-방사된 중합체성 나노섬유 매트는 고도로 다공성이며, 여기서 "기공" 크기는 섬유 직경에 대략적으로 선형으로 비례하고, 다공도는 섬유 직경에 상대적으로 독립적이다. 전기-방사된 나노섬유 매트의 다공도는 일반적으로 약 85% 내지 90%의 범위 내에 들며, 유사한 두께 및 기공 크기 등급을 갖는 침지 캐스팅된 막에 비해 극적으로 개선된 투과도를 나타내는 나노섬유 매트를 제공한다. 다공성 막에 비해 전기-방사된 중합체성 나노섬유 매트의 다공도 이점은, 상기 논의된 UF 막의 감소된 다공성으로 인해, 바이러스 여과에 전형적으로 필요한 더 작은 기공 크기 범위에서 증폭되게 된다.
전기-방사된 나노섬유 부직포 매트는, 통상적인 또는 전통적인 부직포 제조에 사용되는 용융-취입, 습식 또는 압출 제조 공정보다는, 전위를 사용하여 중합체 용액 또는 용융물을 방사함으로써 생산된다. 전형적으로 전기-방사에 의해 수득되는 섬유 직경은 10 nm 내지 1,000 nm 범위이며, 통상적인 또는 전통적인 부직포보다 1 내지 3 자릿수 더 작다.
전기-방사된 나노섬유 매트는, 용해되거나 용융된 중합체 물질을 제1 전극에 인접하게 놓고, 상기 용해되거나 용융된 중합체 물질이 제1 전극으로부터 제2 전극 쪽으로 섬유로서 연신되도록 전위를 인가함으로써 형성된다. 전기-방사된 나노섬유 매트를 제조하는 과정에서, 상기 섬유는, 뜨거운 공기를 취입함으로써 또는 매우 넓은 기공 크기 분포를 유발할 수 있는 다른 기계적 수단에 의해 매트로 놓이도록 강요되지 않는다. 오히려, 전기-방사된 나노섬유는, 전기-방사된 나노섬유들 간의 상호 전기적 반발 때문에 매우 균일한 매트를 형성한다.
이엠디 밀리포어 코퍼레이션에 양도된 국제 특허 출원 공개 제WO 2010/107503호는, 특정 두께 및 섬유 직경을 갖는 나노섬유 매트가 액체 투과도와 미생물 보유력의 개선된 조합을 제공한다고 교시하고 있다. 교시된 가장 얇은 샘플은 55 μm의 두께 및 4,960 lmh/psi의 투과도를 갖지만, 보유력 보장을 결정하는 방법이나 달성된 보장 수준은 기술되어 있지 않다. 일반적으로, 나노섬유 매트는, 필적하는 보유력의 다공성 막 대응물보다 2 내지 10배 더 우수한 투과도를 제공하며, 이는, 상기 나노섬유 매트가 더 높은 다공도(약 90%, 전형적인 습식 캐스팅 다공성 막의 경우에는 70 내지 80%)를 가진 결과라고 생각된다.
전기-방사된 나노섬유 매트는 통상적인 스펀-본딩된 부직포 상에 섬유를 침착시킴으로써 제조될 수 있다(부직포 및 나노섬유 층의 면대면 계면의 예는, 엘마르코 에스알오(Elmarco sro)에 양도된 국제 특허 출원 공개 제WO 2009/010020호; 및 클라르코르 인코포레이티드(Clarcor Inc.)에 양도된 미국 특허 출원 공개 제2009/10199717호에 교시되어 있으며, 이들 출원 전체를 본원에 참고로 인용함). 이러한 각각의 접근법에서, 지지 부직물 표면의 거칠기는 나노섬유 층으로 전파되어, 나노섬유 구조의 잠재적인 불균일성을 야기함으로써, 잠재적으로 보유 특성을 손상시킬 수 있다.
지르삭(Jirsak) 등에게 허여된 미국 특허 제7,585,437호는, 정전-방사를 사용하여 중합체 용액으로부터 나노섬유를 제조하기 위한 무-노즐 방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 장치를 교시하고 있다.
나노 테크닉스 캄파니 리미티드(Nano Technics Co. LTD.)에 양도된 국제 특허 출원 공개 제WO 2003/080905호(상기 출원을 본원에 참고로 인용함)는, 전기-취입 공정을 교시하고 있으며, 여기서는, 중합체 및 용매를 포함하는 중합체성 용액의 스트림이 저장 탱크로부터 방사구(여기에 고전압이 인가되고 이를 통해 중합체 용액이 배출됨) 내의 일련의 회전 노즐로 공급된다. 임의적으로 가열될 수 있는 압축 공기가, 방사 노즐의 측면 또는 주변에 배치된 공기 노즐로부터 방출된다. 상기 압축 공기는일반적으로, 새로 토출된 중합체성 용액을 둘러싸고 전달함으로써 나노섬유 웨브의 형성을 돕는 취입 기체 스트림으로서 아래쪽으로 유도되고, 상기 나노섬유 웨브는 진공 챔버 위에 배치된 접지된 다공성 수집기 벨트 상에 수집된다.
쉐퍼(Schaefer) 등에게 허여된 미국 특허 출원 공개 제2004/0038014호는, 오염물을 여과하기 위해 정전-방사에 의해 형성된 미세 중합체성 마이크로섬유 및 나노섬유의 두꺼운 집합체의 하나 이상의 층을 포함하는 부직포 여과 매트를 교시하고 있다.
그린(Green)의 미국 특허 출원 공개 제2009/0199717호는, 기재 층 상에 전기-방사 섬유 층을 형성하는 방법을 교시하며, 이때 상당량의 전기-방사 섬유는 100 nm 미만의 직경을 갖는 섬유를 가진다.
브조르게(Bjorge) 등의 문헌[Desalination 249 (2009) 942-948]은, 약 50 nm 내지 100 nm의 나노섬유 직경 및 약 120 μm의 두께를 갖는 전기-방사된 나일론 나노섬유 매트를 교시하고 있다. 표면 처리되지 않은 섬유에 대해 측정된 세균 LRV는 1.6 내지 2.2이다. 브조르게 등은, 나노섬유 전기-방사 매트의 세균 제거 효율이 불만족스럽다는 결론을 내렸다.
고팔(Gopal) 등은 문헌[Journal of Membrane Science 289 (2007) 210-219]에서, 전기-방사된 폴리에터설폰 나노섬유 매트를 교시하고 있으며, 여기서는 나노섬유가 약 470 nm의 직경을 가진다. 액체 여과 동안, 상기 나노섬유 매트는 1 마이크론(μm) 초과의 입자를 여과해 내는 스크린으로서 및 1 마이크론 미만의 입자에 대한 심층 필터(예컨대, 사전 필터)로서 역할을 한다.
문헌[Aussawasathien et al., Journal of Membrane Science, 315 (2008) 11-19]은, 약 0.5 μm 내지 10 μm의 직경을 갖는 폴리스타이렌 입자의 제거에 사용되는, 약 30 nm 내지 110 nm의 직경을 갖는 전기-방사된 나노섬유를 교시하고 있다.
수집 전극 특성을 조사하는 한 가지 이유는, 상기 전극 상의 수집된 나노섬유의 배향을 제어하기 위한 것이다. 리(Li) 등의 문헌[Nano Letters, vol. 5, no. 5 (2005) 913-916]에서는, 수집 전극에 절연 갭을 도입하고 이렇게 도입된 절연 갭의 면적 및 기하학적 형태의 영향에 대해 기술하고 있다. 이는, 수집 전극 패턴을 변화시킴으로써, 나노섬유의 조립과 정렬이 제어될 수 있음을 입증하였다.
기하학적 표면 특성(예컨대, 거칠기)에 초점을 맞춘 다수의 방법이 공개되었다. 예를 들어 미국 특허 출원 공개 제2011/0305872호는, 기재 상의 생물학적 제제(biologicals)의 결합 특성을 변화시키기 위해, 중합체 층을 그래프팅함으로써 기재의 표면 거칠기를 변화시키는 것을 기술하고 있다. 올림푸스 넥스트(Olympus LEXT) OLS4000 레이저 공초점 현미경을 사용하여 기재의 표면 거칠기를 결정하기 위한 광학 프로필로메트리(profilometry) 방법이 기술되었다.
임계 여과 용도의 경우, 그 자체로 높은 미생물 보유력을 달성하는 것만으로는 충분하지 않으며, 높은 보장과 함께 신뢰할 수 있는 방식으로 이를 수행하는 것이 필요하다. 보유력 보장을 예측하기 위해, 통계적 방법, 예컨대 검열 데이터 회귀(censored data regression)가 흔히 사용되어, 수명이 끝난 경우의 신뢰성에 대해 수명 데이터를 분석한다(문헌[Blanchard, (2007), Quantifying Sterilizing Membrane Retention Assurance, BioProcess International, v.5, No. 5, pp. 44-51] 참조)
미국 특허 출원 공개 제2014/0166945호는, 지지체 상의 다공성 중합체성 나노섬유 층을 포함하는 액체 필터를 개시하고 있으며, 이때 상기 중합체성 나노섬유 층을 향하는 지지체의 표면에서 적어도, 표면의 평균 제곱근 높이는 약 70 마이크로미터 미만이다. 상기 출원은, 나노섬유 층 및 지지체에 사용될 수 있는 다양한 중합체를 개시하고 있다.
전기-방사된 나노섬유는, 열가소성 및 열경화성 중합체를 비롯한 광범위한 중합체 및 중합체 화합물로부터 제조될 수 있다. 적합한 중합체는, 비제한적으로, 나일론, 폴리이미드, 지방족 폴리아마이드, 방향족 폴리아마이드, 폴리설폰, 셀룰로스, 셀룰로스 아세테이트, 폴리에터 설폰, 폴리우레탄, 폴리(우레아 우레탄), 폴리벤즈이미다졸(PBI), 폴리에터이미드, 폴리아크릴로나이트릴(PAN), 폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 폴리프로필렌, 폴리아닐린, 폴리(에틸렌 옥사이드), 폴리(에틸렌 나프탈레이트), 폴리(부틸렌 테레프탈레이트), 스타이렌 부타다이엔 고무, 폴리스타이렌, 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐 알코올), 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 폴리(비닐 부틸렌), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 이들의 공중합체, 유도체 화합물 및 블렌드 및/또는 조합물을 포함한다.
단층 또는 다층 다공성 기재 또는 지지체의 비제한적인 예는 매끄러운 부직포를 포함한다. 다른 비제한적인 예에서, 매끄러운 부직포 지지체는 실질적으로 균일한 두께를 가진다. 매끄러운 부직포는 다양한 열가소성 중합체, 예컨대 폴리올레핀, 폴리에스터, 폴리아마이드 등으로부터 생산된다.
전기-방사된 나노섬유를 포획하거나 수집하는 복합 여과 매체의 부직포 기재의 균일성은 최종 복합 여과 구조의 생성된 나노섬유 층의 특성을 적어도 부분적으로 결정할 수 있다. 예를 들어, 전기-방사된 나노섬유를 수집하는 데 사용되는 기재의 표면이 더 매끄러울수록, 생성되는 나노섬유 층 구조가 더 균일해진다.
지지 부직포의 매끄러움은 기하학적 매끄러움, 또는 부직포의 섬유 직경보다 큰 치수를 갖는 거친 표면 특징부의 결여 뿐만 아니라, 적은 잔털(hairiness)(즉, 표면 너머로 돌출된 적은 수의 섬유 및/또는 루프)과 관련이 있다. 기하학적 매끄러움은 다수의 통상적인 기술, 예를 들어 기계적 및 광학적 프로필로메트리, 가시광 반사율(광택 측정) 및 당업자에게 공지된 기타 기술에 의해 용이하게 측정될 수 있다.
몇몇 양태에서, 전기-방사된 나노섬유 층은 매끄러운 부직포 지지체에 결합된다. 결합은 당분야에 널리 공지된 방법, 예컨대, 비제한적으로, 가열된 매끄러운 닙 롤들 사이의 열 캘린더링, 및 초음파 결합에 의해 및 기체 결합을 통해 달성될 수 있다. 전기-방사된 나노섬유 층을 부직포 지지체에 결합하는 것은, 복합체의 강도 및 복합체의 압축 저항을 증가시켜, 생성된 복합 여과 매체가, 복합 여과 플랫폼을 유용한 필터 형태 및 크기로 형성하는 것과 관련된 힘 또는 복합 여과 플랫폼을 여과 장치에 설치할 경우의 힘을 견딜 수 있도록 한다.
복합 액체 여과 플랫폼의 다른 실시양태에서, 상기 다공성 전기-방사된 나노섬유 층의 물리적 특성(예컨대, 두께, 밀도, 및 기공의 크기 및 형태)은 상기 나노섬유 층과 상기 매끄러운 부직포 지지체 사이에 사용되는 결합 방법에 따라 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 열 캘린더링이 사용되어, 상기 전기-방사된 나노섬유 층의 두께를 감소시키고 밀도를 증가시키고 다공성을 감소시키고 기공 크기를 감소시킬 수 있다. 이는 결국, 제시된 적용된 차압에서 복합 여과 매체를 통한 유속을 감소시킨다.
일반적으로, 초음파 결합은 열 캘린더링보다 전기-방사된 나노섬유 층의 더 작은 영역에 결합할 것이며, 따라서 전기-방사된 나노섬유 층의 두께, 밀도 및 기공 크기에 영향을 덜 미친다.
고온 기체 또는 고온 공기 결합은 일반적으로, 전기-방사된 나노섬유 층의 두께, 밀도 및 기공 크기에 최소한의 영향을 미치며, 따라서 상기 결합 방법은, 더 높은 유체 유속을 유지하는 것이 요구되는 용도에 바람직할 수 있다.
열 캘린더링이 사용될 때, 전기-방사된 나노섬유 층이 과도하게 결합되어, 나노섬유가 용융되고 개별 섬유로서의 이의 구조를 더이상 유지하지 못하지 않도록 주의해야 한다. 극단적으로, 과도한 결합은 나노섬유가 완전히 용융되어 필름이 형성되는 결과를 낳을 것이다. 사용된 닙 롤 중 하나 또는 둘 다는 대략 주위 온도(예컨대, 약 25℃) 내지 약 300℃의 온도로 가열된다. 상기 다공성 나노섬유 매체 및/또는 다공성 지지체 또는 기재는 닙 롤들 사이에서 약 0 lb/in 내지 약 1000 lb/in(178 kg/cm) 범위의 압력으로 압축될 수 있다.
캘린더링 조건, 예컨대 롤 온도, 닙 압력 및 라인 속도를 조정하여 목적하는 고형비를 달성할 수 있다. 일반적으로, 더 높은 온도, 압력, 및/또는 승온 및/또는 승압 하의 체류 시간을 적용하면 증가된 고형비를 제공한다.
다른 기계적 단계, 예컨대 연신, 냉각, 가열, 소결, 어닐링, 릴링, 언릴링 등이, 필요한 경우, 상기 복합 여과 매체의 형성, 성형 및 제조의 전체 공정에 임의적으로 포함될 수 있다.
호흡 필터
미국 특허 출원 공개 제2014/0097558호는, 다양한 유형의 호흡 필터가 당분야에 공지되어 있음을 개시하고 있다. 개인 보호 장비(PPE), 특히 일회용 안면 마스크는 설계 및 제조 동안 특정 규정을 준수하는 것이 필요할 수 있다. 마스크를 쓸 수 있는 사용자의 핏과 편안함 뿐만 아니라 마스크 착용 동안 사용자의 능력과 호흡의 용이성이 고려될 수 있다. 마스크의 일회용 특성으로 인해 저 비용의 제조 공정이 필요할 수 있다. 특정 규제 표준, 예를 들면 유럽의 경우 EN149:2001 또는 미국의 경우 42 CFR 파트 84 또는 ISO 17420을 충족해야 할 수도 있다. 이러한 규제 하의 PPE는, 유럽 또는 세계 다른 지역의 PPE 지침에 따른 부류 III 제품이다. PPE, 예컨대 일회용 마스크 또는 재사용가능 카트리지는, 용융-취입된 섬유 및/또는 마이크로 유리 물질로 제조될 수 있는 여과 매체를 포함할 수 있다. 마스크에 의한 여과는, 마스크의 여과 매체에 포함된 섬유 매트릭스에 공기 중의 입자가 포획될 때 달성된다.
중합체 용액의 전기-방사에 의해 형성된 나노섬유는, 상기 중합체 용액에 또다른 물질을 첨가함으로써 기능화될 수 있다. 추가의 기능화 물질은 기체를 제거하도록 작동될 수 있고, 기체를 포획할 수 있는 하나 이상의 화학 물질을 포함할 수 있다(이때, 상기 기체는 휘발성 유기 화학 물질(VOC), 산성 증기, 이산화탄소(CO2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 오존(O3), 시안화수소(HCN), 아르신(AsH3), 불화수소(HF), 이산화염소(ClOC2), 에틸렌 옥사이드(C2H4O), 폼알데하이드(CH2O), 브롬화메틸(CH3Br), 및/또는 포스핀(PH3)일 수 있음). 하나의 실시양태에서, 상기 기능화된 물질은 살생물제(즉, 화학적 또는 생물학적 수단에 의해 임의의 유해 유기체를 막거나, 무해하게 만들거나, 또는 제어 효과를 발휘할 수 있는 화학 성분 또는 미생물), 바이러스 박멸제(즉, 바이러스를 비활성화하거나 파괴하는 물리적 또는 화학적 제제) 및/또는 살균제(즉, 세균를 죽이는 성분, 예를 들어 소독제, 방부제 또는 항생제)를 포함할 수 있다. 다른 실시양태에서, 기능화된 나노섬유는 습도를 제거하고/하거나, 온도를 제어하고/하거나, 서비스 수명의 종료를 표시하고/하거나, 막힌 물질을 표시하고/하거나, 마스크 내부에 신선한 냄새를 제공하도록 작동가능하다.
상기 여과 층은 격리되어 형성되기 보다는 지지체 층 상에 직접 형성될 수 있다. 상기 여과 층은, 동일하거나 상이한 중합체성 섬유-형성 물질로부터 제조된 하나 이상의 유형의 섬유를 함유할 수 있다. 상기 여과 층 내의 대부분의 섬유는, 만족스러운 일렉트릿 전하(electret charge)를 수용하고 적절한 전하 분리를 유지할 수 있는 섬유-형성 물질로부터 형성된다. 바람직한 중합체성 섬유-형성 물질은 실온(22℃)에서 1014 옴-센티미터 이상의 체적 저항률을 갖는 비전도성 수지이다. 상기 수지는 약 1016 옴-센티미터 이상의 체적 저항률을 가질 수 있다. 상기 중합체성 섬유-형성 물질의 저항률은 표준화된 시험 ASTM D 257-93에 따라 측정될 수 있다. 사용될 수 있는 중합체의 몇몇 예는, 폴리올레핀(예컨대, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리(4-메틸-1-펜텐) 및 환형 올레핀 공중합체, 및 이들 중합체의 조합물)을 함유하는 열가소성 중합체를 포함한다. 사용될 수 있지만 충전하기 어려울 수 있거나 빨리 전하를 잃을 수 있는 다른 중합체는 폴리카보네이트, 블록 공중합체, 예컨대 스타이렌-부타다이엔-스타이렌 및 스타이렌-이소프렌-스타이렌 블록 공중합체, 폴리에스터, 예컨대 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리아마이드, 폴리우레탄, 및 당업자에게 친숙할 다른 중합체를 포함한다. 상기 여과 층 섬유의 일부 또는 전부는, 필요한 경우, 다성분 섬유, 예컨대 분할가능 섬유로부터 제조될 수 있다. 적합한 다성분(예를 들어, 이성분) 섬유는 외피-코어, 분절화된 파이, 해도, 팁핑되고 분절화된 리본 섬유를 나란히 포함한다. 분할가능 섬유가 사용되는 경우, 당업자에게 친숙할 다양한 기술(예컨대, 카딩, 에어 제트, 엠보싱, 캘린더링, 유체-얽힘 또는 니들 펀칭)을 사용하여 분할을 수행하거나 권장할 수 있다. 상기 여과 층은 바람직하게는, 폴리-4-메틸-1 펜텐 또는 폴리프로필렌의 단일성분 섬유, 또는 층상화되거나 코어-외피 구성의 폴리-4-메틸-1 펜텐 및 폴리프로필렌의 이성분 섬유로부터, 예를 들어, 외부 표면에 4-메틸-1 펜텐 또는 폴리프로필렌을 사용하여 제조된다. 가장 바람직하게는, 특히 습한 환경에서 전하를 유지하는 폴리프로필렌의 능력으로 인해, 상기 여과 층은 폴리프로필렌 단독중합체 단일성분 섬유로부터 제조된다. 여과 성능, 일렉트릿 대전 능력, 기계적 특성, 에이징 특성, 착색, 표면 특성 또는 기타 관심 특성을 향상시키기 위해 첨가제를 상기 중합체에 첨가할 수 있다. 대표적인 첨가제는 충전제, 핵형성제(예컨대, 밀라드(MILLAD)(상표명) 3988 다이벤질리덴 소르비톨, 밀리켄 케미칼(Milliken Chemical)로부터 상업적으로 입수가능), 일렉트릿 대전 향상 첨가제(예컨대, 트라이스테아릴 멜라민, 및 다양한 광 안정화제, 예컨대 시바 스페셜티 케미칼스로부터의 키마소르브(상표명) 119 및 키마소르브 944), 경화 개시제, 강성화제(stiffening agent)(예를 들어, 폴리(4-메틸-1-펜텐)), 표면 활성제 및 표면 처리제(예를 들어, 미국 특허 제6,398,847 B1호, 제6,397,458 B1호 및 제6,409,806 B1호(존스(Jones) 등)에 기술된 바와 같은, 오일성 미스트 환경에서 여과 성능을 개선하기 위한 불소 원자 처리제)를 포함한다. 상기 첨가제의 유형 및 양은 당업자에게 친숙할 것이다. 예를 들어, 일렉트릿 대전 향상 첨가제는 일반적으로 약 5 중량% 미만, 더욱 적형적으로 약 2 중량% 미만의 양으로 존재한다. 상기 중합체성 섬유-형성 물질은 또한 바람직하게는, 전기 전도도를 상당히 증가시키거나 정전기 전하를 수용하고 유지하는 섬유의 능력을 달리 방해할 수 있는 정전기 방지제와 같은 성분이 실질적으로 없다.
상기 여과 층은 다양한 평량, 섬유 크기, 두께, 압력 강하 및 기타 특성을 가질 수 있으며, 그 자체로 롤-투-롤 가공이 불가능할 정도로 충분히 취성일 수 있다. 상기 여과 층은, 예를 들어 약 0.5 내지 약 300 g/m2(gsm), 약 0.5 내지 약 100 gsm, 약 1 내지 약 50 gsm, 또는 약 2 내지 약 40 gsm 범위의 평량을 가질 수 있다. 비교적 낮은(예컨대, 약 2, 5, 15, 25 또는 40 gsm) 평량이 상기 여과 층에 바람직하다. 상기 여과 층의 섬유는, 예를 들어 약 10 μm 미만, 약 5 μm 미만, 또는 약 1 μm 미만의 중간 섬유 크기를 가질 수 있다. 상기 여과 층 두께는, 예를 들어 약 0.1 내지 약 20 mm, 약 0.2 내지 약 10 mm, 또는 약 0.5 내지 약 5 mm일 수 있다. 일부 지지체 층(예컨대, 거칠게 텍스쳐화된 지지체 층)에 매우 낮은 평량으로 적용된 나노섬유 여과 층은 전체 매체 두께를 변경하지 않을 수 있다. 상기 여과 층의 평량 및 두께는, 예를 들어 수집기 속도 또는 중합체 처리량을 변경함으로써 제어 또는 조정될 수 있다.
상기 지지체 층은, 상기 여과 층이 상기 지지체 층 상에 형성될 수 있고 생성된 매체가 롤-투-롤 처리 장비를 사용하여 필요에 따라 추가로 전환될 수 있도록 충분히 강건하다. 상기 지지체 층은 다양한 물질로 형성될 수 있으며, 다양한 평량, 두께, 압력 강하 및 기타 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 지지체 층은 부직포 웨브, 직물, 편직물, 개방형 셀 발포체 또는 천공된 막일 수 있다. 부직 섬유상 웨브가 바람직한 지지체 층이다. 상기 부직 웨브를 제조하기에 적합한 섬유상 전구체는, 상기 논의된 중합체성 섬유-형성 물질, 및 정전하를 쉽게 수용하거나 보유하지 않는 다른 중합체성 섬유-형성 물질을 포함한다. 상기 지지체 층은 또한 천연 섬유 또는 합성 및 천연 섬유들의 블렌드로부터 형성될 수 있다. 상기 지지체 층은, 부직 웨브로부터 제조되는 경우, 예를 들어, 용융된 열가소성 중합체로부터 용융-취입, 용융-방사 또는 다른 적합한 웨브 가공 기술을 사용하여 형성될 수 있거나, 천연 섬유 또는 합성 또는 천연 섬유들의 블렌드로부터 카딩 또는 란도-웨버(Rando-Webber) 기계로부터의 침착을 사용하여 형성될 수 있거나, 또는 당업자에게 친숙할 다른 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 지지체 층은, 직조 웨브 또는 편직물로부터 제조된 경우, 예를 들어, 마이크로데니어 연속 필라멘트 또는 스테이플 섬유 얀(즉, 약 1 미만의 필라멘트당 데니어(dpf)를 갖는 얀)으로부터 형성되고, 당업자에게 친숙할 적합한 가공 기술을 사용하여 직조 또는 편직 지지체 직물로 가공될 수 있다. 상기 지지체 층은, 예를 들어 약 5 내지 약 300 gsm, 더욱 바람직하게는 약 40 내지 약 150 gsm 범위의 평량을 가질 수 있다. 상기 지지체 층의 두께는, 예를 들어, 약 0.2 내지 약 40 mm, 약 0.2 내지 약 20 mm, 약 0.5 내지 약 5 mm, 또는 약 0.5 내지 약 1.5 mm일 수 있다.
상기 폴리아마이드 나노섬유 층에 더하여, 필요한 경우, 상기 개시된 매체에 추가 층이 추가될 수 있다. 대표적인 추가 층은 당업자에게 친숙할 것이며, 보호 층(예를 들어, 탈피-방지(anti-shedding) 층, 자극 방지 층, 및 기타 커버 층), 강화 층 및 흡착제 층을 포함한다. 흡착제 입자(예를 들어, 활성탄 입자 또는 알루미나 입자)가 또한 당업자에게 친숙할 방법을 사용하여 상기 매체에 도입될 수 있다.
개시된 다층 매체의 유체-대전(hydrocharging)은, 다양한 기술(예를 들면, 상기 매체 상에 극성 유체를 충돌, 침지 또는 응축시키고 이어서 건조시켜 매체를 대전시키는 것)을 사용하여 수행될 수 있다. 유체-대전을 기술하는 대표적인 특허는 전술된 미국 특허 제 5,496,507호, 및 미국 특허 제5,496,507호, 제5,908,598호, 제6,375,886호, 제6,406,657호, 제6,454,986호, 및 제6,743,464호를 포함한다. 바람직하게는, 물이 극성 유체-대전 액체로서 사용되며, 상기 매체는 바람직하게는, 임의의 적합한 분무 수단에 의해 제공되는 액적의 스트림 또는 액체의 제트를 사용하여 극성 유체-대전 액체에 노출된다. 섬유들을 수력학적으로 얽기에 유용한 장치가 일반적으로 유체-대전을 수행하는 데 유용하지만, 상기 작업은 일반적으로, 유체-얽힘에 사용되는 것보다 유체-대전에서 더 낮은 압력으로 수행된다. 미국 특허 제5,496,507호는, 후속-건조되는 매체에 여과-강화 일렉트릿 전하를 제공하기에 충분한 압력에서 상기 매체에 물의 제트 또는 물방울의 스트림이 매체에 충돌하는 예시적인 장치를 기술하고 있다. 최적의 결과를 달성하기 위해 필요한 압력은, 사용된 분무기의 유형, 여과 층을 형성하는 중합체의 유형, 매체의 두께 및 밀도, 유체-대전 전에 전처리(예컨대, 코로나 대전)가 수행되었는지 여부에 따라 달라질 수 있다. 일반적으로, 약 69 kPa 내지 약 3450 kPa 범위의 압력이 적합하다. 바람직하게는, 물방울을 제공하는 데 사용되는 물은 비교적 순수하다. 증류수 또는 탈이온수가 수돗물보다 바람직하다.
상기 개시된 매체는 유체-대전 전후에 다른 대전 기술, 예를 들면, 정전기 대전(예컨대, 미국 특허 제4,215,682호, 제5,401,446호, 및 제6,119,691호에 기술됨), 마찰 대전(tribocharging)(예컨대, 미국 특허 제4,798,850호에 기술됨) 또는 플라즈마 불소화(예컨대, 미국 특허 제6,397,458 B1호에 기술됨)에 적용될 수 있다. 코로나 대전 및 이어서 유체-대전 및 플라즈마 불소화 및 이어서 유체-대전이 바람직한 조합 대전 기술이다.
추가의 호흡 필터는, 예를 들어, 섬유상 공기 여과 웨브가 기술되어 있는, 예를 들어 미국 특허 출원 공개 제4,011,067호; 제4,215,682호; 제4,592,815호; 제4,729,371호; 제4,798,850호; 제5,401,466호; 제5,496,507호; 제6,119,691호; 제6,183,670호; 제6,315,806호; 제6,397,458호; 제6,554,881호; 제6,562,112 B2호; 제6,627,563호; 제6,673,136호; 제6,716,274호; 제6,743,273호; 및 제6,827,764호; 및 문헌[Tsai et al., Electrospinning Theory and Techniques, 14th Annual International TANDEC Nonwovens Conference, Nov. 9-11, 2004]에 기술되어 있다. 다른 섬유상 웨브는, 예를 들어 미국 특허 출원 공개 제4,536,361호 및 제5,993,943호에 기술되어 있다.
실시양태
본 발명은 하기 실시양태를 포함한다:
실시양태 1: 나노섬유 부직포 층을 포함하는 필터 매체로서, 상기 나노섬유 부직포 층은, 1 마이크론(1000 nm) 미만의 평균 섬유 직경을 갖는 나노섬유로 방사되어 상기 층으로 형성되는 2 내지 200의 상대 점도의 폴리아마이드를 포함하는, 필터 매체.
실시양태 2: 실시양태 1에 있어서, 상기 나노섬유 부직포 층이, 1 마이크론(1000 nm) 미만의 평균 섬유 직경을 갖는 나노섬유로 방사되어 225℃ 이상의 융점을 갖는 상기 층으로 형성되는 폴리아마이드를 포함하는, 필터 매체.
실시양태 3: 실시양태 1 또는 2에 있어서, 상기 필터가 공기 필터, 오일 필터, 백 필터, 액체 필터, 또는 호흡 필터인, 필터 매체.
실시양태 4: 실시양태 1 또는 2에 있어서, 상기 폴리아마이드가 나일론 6,6인, 필터 매체.
실시양태 5: 실시양태 1 또는 2에 있어서, 상기 폴리아마이드가 나일론 6,6 및 나일론 6의 유도체, 공중합체, 블렌드 또는 얼로이인, 필터 매체.
실시양태 6: 실시양태 1 또는 2에 있어서, 상기 폴리아마이드가 고온 나일론인, 필터 매체.
실시양태 7: 실시양태 1 또는 2에 있어서, 상기 폴리아마이드가, N6, N6T/66, N612, N6/66, N11, 및 N12로 이루어진 군으로부터 선택되는 장쇄 지방족 나일론이고, 이때 "N"은 나일론을 의미하고, "T"는 테레프탈산을 지칭하는, 필터 매체.
실시양태 8: 실시양태 1 내지 7 중 어느 하나에 있어서, 상기 나노섬유 부직포 층이 200 CFM/ft2 미만의 공기 투과도 값을 갖는, 필터 매체.
실시양태 9: 실시양태 1 내지 8 중 어느 하나에 있어서, 상기 나노섬유 부직포 층이 50 내지 200 CFM/ft2의 공기 투과도 값을 갖는, 필터 매체.
실시양태 10: 실시양태 1 내지 9 중 어느 하나에 있어서, 상기 나노섬유가 100 내지 907 nm, 예를 들어, 300 내지 700 nm, 또는 350 내지 650 nm의 평균 섬유 직경을 갖는, 필터 매체.
실시양태 11: 실시양태 1 내지 10 중 어느 하나에 있어서, 상기 부직포 제품이 150 GSM 이하의 평량을 갖는, 필터 매체.
실시양태 12: 실시양태 1 내지 11 중 어느 하나에 있어서, 상기 필터 매체가 스크림 층을 추가로 포함하는, 필터 매체.
실시양태 13: 실시양태 12에 있어서, 상기 나노섬유 부직포 층이 상기 스크림 층 상에 방사된, 필터 매체.
실시양태 14: 실시양태 12에 있어서, 상기 나노섬유 부직포 층이 상기 스크림 층 이외의 층 상에 방사된, 필터 매체.
실시양태 15: 실시양태 12에 있어서, 상기 나노섬유 부직포 층이 상기 스크림 층과 적어도 하나의 다른 층 사이에 개재된, 필터 매체.
실시양태 16: 실시양태 12에 있어서, 상기 나노섬유 부직포 층이 상기 스크림 층 이외의 2개 이상의 층 사이에 개재된, 필터 매체.
실시양태 17: 실시양태 12에 있어서, 상기 나노섬유 부직포 층이 최외곽 층인, 필터 매체.
실시양태 18: 실시양태 1 내지 11 중 어느 하나에 있어서, 상기 필터 매체가 적어도 하나의 추가 층을 추가로 포함하고, 상기 나노섬유 부직포 층이 상기 적어도 하나의 추가 층 중 하나 상에 방사된, 필터 매체.
실시양태 19: 실시양태 1 내지 18 중 어느 하나에 있어서, 상기 나노섬유 부직포 층 내의 폴리아마이드의 상대 점도가, 상기 층의 방사 및 형성 전의 폴리아마이드에 비해 적어도 20%만큼 감소된, 필터 매체.
실시양태 20: 폴리아마이드 나노섬유 층을 포함하는 필터 매체의 제조 방법으로서, 상기 방법은, (a) 방사가능 폴리아마이드 중합체 조성물을 제공하는 단계로서, 상기 폴리아마이드는 2 내지 200의 상대 점도를 갖는, 단계; (b) 상기 폴리아마이드 중합체 조성물을, 1 마이크론(1000 nm) 미만의 평균 섬유 직경을 갖는 복수의 나노섬유로 용융-방사하는 단계; 및 (c) 기존 필터 매체 층 상에 상기 나노섬유를 형성하는 단계를 포함하고, 이때 상기 폴리아마이드 나노섬유 층은 1000 nm 미만의 평균 나노섬유 직경을 갖는, 필터 매체의 제조 방법.
실시양태 21: 폴리아마이드 나노섬유 층을 포함하는 필터 매체의 제조 방법으로서, 상기 방법은, (a) 방사가능 폴리아마이드 중합체 조성물을 제공하는 단계; (b) 상기 폴리아마이드 중합체 조성물을, 1 마이크론(1000 nm) 미만의 평균 섬유 직경을 갖는 복수의 나노섬유로 용융-방사하는 단계; 및 (c) 기존 필터 매체 층 상에 상기 나노섬유를 형성하는 단계를 포함하고, 이때 상기 폴리아마이드 나노섬유 층은 1000 nm 미만의 평균 나노섬유 직경 및 225℃ 이상의 융점을 갖는, 필터 매체의 제조 방법.
실시양태 22: 실시양태 20 또는 21에 있어서, 상기 폴리아마이드 나노섬유 층이 다이를 통한 고속 기체 스트림으로의 용융-취입에 의해 용융-방사되는, 필터 매체의 제조 방법.
실시양태 23: 실시양태 20 또는 21에 있어서, 상기 폴리아마이드 나노섬유 층이, 액체 형태의 상기 폴리아마미드 중합체 조성물을 섬유-형성 채널을 통해 가압(pressurized) 기체로 압출하는 것을 포함하는 2상 추진제-기체 방사에 의해 용융-방사되는, 필터 매체의 제조 방법.
실시양태 24: 실시양태 20 내지 23 중 어느 하나에 있어서, 상기 폴리아마이드 나노섬유 층이 상기 나노섬유를 이동식 벨트 상에 수집함으로써 형성되는, 필터 매체의 제조 방법.
실시양태 25: 실시양태 20 내지 24 중 어느 하나에 있어서, 상기 폴리아마이드 조성물이 나일론 6,6을 포함하는, 필터 매체의 제조 방법.
실시양태 26: 실시양태 20 내지 24 중 어느 하나에 있어서, 상기 폴리아마이드 조성물이 나일론 6,6 및 나일론 6의 유도체, 공중합체, 블렌드 또는 얼로이를 포함하는, 필터 매체의 제조 방법.
실시양태 27: 실시양태 20 내지 24 중 어느 하나에 있어서, 상기 폴리아마이드가 HTN을 포함하는, 필터 매체의 제조 방법.
실시양태 28: 실시양태 20 내지 24 중 어느 하나에 있어서, 상기 폴리아마이드가, N6, N6T/66, N612, N6/66, N11 및 N12로 이루어진 군으로부터 선택되는 장쇄 지방족 나일론이고, 이때 "N"은 나일론을 의미하고, "T"는 테레프탈산을 지칭하는, 필터 매체의 제조 방법.
실시양태 29: 실시양태 20 내지 28 중 어느 하나에 있어서, 상기 폴리아마이드 나노섬유 층이 150 GSM 이하의 평량을 갖는, 필터 매체의 제조 방법.
실시양태 30: 실시양태 20 내지 29 중 어느 하나에 있어서, 상기 필터 매체가 스크림 층을 추가로 포함하는, 필터 매체의 제조 방법.
실시양태 31: 실시양태 20 내지 30 중 어느 하나에 있어서, 상기 폴리아마이드 나노섬유 층이 상기 스크림 층 상에 방사되는, 필터 매체의 제조 방법.
실시양태 32: 실시양태 31에 있어서, 상기 폴리아마이드 나노섬유 층이 상기 스크림 층 이외의 층 상에 방사되는, 필터 매체의 제조 방법.
실시양태 33: 실시양태 31에 있어서, 상기 폴리아마이드 나노섬유 층이 상기 스크림 층과 적어도 하나의 다른 층 사이에 개재되는, 필터 매체의 제조 방법.
실시양태 34: 실시양태 31에 있어서, 상기 폴리아마이드 나노섬유 층이 상기 스크림 층 이외의 2개 이상의 층 사이에 개재되는, 필터 매체의 제조 방법.
실시양태 35: 실시양태 31에 있어서, 상기 폴리아마이드 나노섬유 층이 최외곽 층인, 필터 매체의 제조 방법.
실시양태 36: 실시양태 20 내지 31 중 어느 하나에 있어서, 상기 필터 매체가 적어도 하나의 추가 층을 추가로 포함하고, 상기 나노섬유 부직포 층이 상기 적어도 하나의 추가 층 중 하나 상에 방사되는, 필터 매체의 제조 방법.
실시양태 37: 실시양태 20 내지 36 중 어느 하나에 있어서, 상기 폴리아마이드 나노섬유 층 내의 폴리아마이드의 상대 점도가, 상기 층의 방사 및 형성 이전의 폴리아마이드에 비해 적어도 20%만큼 감소되는, 필터 매체의 제조 방법.
본 발명은 하기 비제한적인 실시예에 의해 추가로 이해된다.
실시예
실시예 1
미국 특허 제8,668,854호에 기술된 절차 및 장치(일반적으로 도 1에 도시됨)를 사용하여, 나일론 6,6을 용융-방사 기술에 의해 이동식 드럼 상에 2개의 평량으로 부직포로 방사하였다. 245℃, 255℃ 265℃의 온도 프로파일과 함께 20 RPM으로 작동하는 고압축 스크류를 갖는 압출기를 사용하였다. 중합체 온도는 252℃였고, 공기를 기체로서 사용하였다. 더 높은 평량을 갖는 샘플을, 동일한 공정을 사용하지만 나노섬유를 스크림 상에 회전시킴으로써 제조하였다. 이때, 상기 스크림은, 단지 본 발명의 나노섬유 웨브에 무결성을 추가하기 위해 사용되는 본 발명의 중성 물품이다. 상기 수지는 7.3의 상대 점도를 가졌다. 저 RV 수지의 점도가 일정하게 유지되도록 보장하기 위해, 약 5% 과량의 아디프산을 사용하여 중합체를 제조하였다.
상기 부직포를, 전술된 한센(Hassan) 등의 문헌[J Membrane Sci., 427, 336-344, 2013]에 따라 평균 섬유 직경, 평량, 공기 투과도를 특성분석하였다. 수증기 투과율도 측정하였다(g/m2/24hr).
결과 및 세부 사항을 하기 표 1에 제시하며, 생성된 부직포는 도 3 및 4의 현미경 사진에 도시된다. 상기 부직포의 평균 섬유 직경은 470 nm 내지 680 nm(평균 575 nm) 범위였다.
상기 표 1로부터, 본 발명의 용융-방사 나노섬유 부직포가 7.3의 RV의 경우 평균 570의 평균 섬유 직경을 가짐을 알 수 있다. 공기 투과도는 약 182.8 CFM/ft2이고, 수증기 투과율은 평균 약 1100 g/m2/24시간이었다.
약 20 내지 30 초과의 RV를 갖는 나노섬유로 제조된 폴리아마이드는, 더 낮은 RV 값을 갖는 폴리아마이드에 비해 더 높은 분자량을 가질 것이다. 생성된 중합체 특성은, 특히 탄성, 강도, 열적 또는 화학적 안정성, 외관 및/또는 표면 특성의 영역에서, 20 미만의 RV 값을 갖는 중합체와 상이할 수 있다. 부직 웨브에 저분자량 중합체와 고분자량 중합체의 혼합물을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 더 저분자량 중합체는 더 쉽게 피브릴화되어, 상이한 직경을 갖는 섬유를 생성할 수 있다. 상기 중합체들이 배합되지 않으면, 상이한 분자량의 중합체에 대해 별도의 노즐을 사용할 수 있다.
20 내지 30 초과 200 미만의 RV를 갖는 폴리아마이드의 경우, 상기 부직포의 섬유 층 내의 상당수의 섬유의 평균 섬유 직경은 1 마이크론 미만, 더욱 바람직하게는 약 0.1 내지 1 마이크론, 또는 더욱 바람직하게는 0.1 내지 약 0.6 마이크론일 수 있다. 생성된 부직포는 1 마이크론 미만의 평균 섬유 직경을 가질 것이다.
본 발명의 실시양태에서, 목적하는 특성을 위해 배합된, 상이한 RV 값을 갖는 2개의 관련 중합체(이들 둘 다 200 미만의 RV 및 1 마이크론 미만의 평균 섬유 직경을 가짐)를 갖는 이점이 구상된다.
실시예 2
본 발명 하에 나노섬유를 제조하기 위해, 미국 특허 제7,300,272호에 기술된 팩과 함께 용융-취입 공정을 사용하였다. 36 RV의 나일론 6,6을 용융-방사하고, 용융-취입 다이로 펌핑하였다. 상기 수지의 수분 수준은 약 0.2% 내지 약 1.0% 범위였다. 4개의 구역을 갖는 압출기를 233 내지 310℃ 범위의 온도로 사용하였다. 286 내지 318℃ 범위의 다이 온도를 사용하였다. 가열된 공기를 용융-취입 공정에서 기체로서 사용되었다. 상기 나노섬유를, 상표명 PBN-II(등록상표) 하에 세렉스 어드밴스드 패브릭스 인코포레이티드(Cerex Advanced Fabrics, Inc.)로부터 상업적으로 입수가능한 열 결합된 나일론 스펀-본딩된 스크림 상에 10 g/㎡(gsm)로 침착하였다. 다른 스펀-본딩된 직물을 사용할 수 있다. 다른 직물, 예를 들면 폴리에스터 스펀-본딩된 직물, 폴리프로필렌 스펀-본딩된 직물, 나일론 용융-취입된 직물 또는 기타 직조, 편직, 니들 펀칭된 또는 기타 부직 직물을 사용할 수 있다. 용매 또는 접착제는 사용하지 않았다. 나노섬유 층으로 다양한 직물을 제조하였다. 상기 나노섬유 층의 평량은 약 0.7 gsm 내지 약 23 gsm 범위였다. 상기 나노섬유 층의 평균 섬유 직경은 약 0.36 마이크론 내지 약 0.908 마이크론 범위였다. 상기 나노섬유 층의 상대 점도는 약 22 내지 약 31의 범위였다. 시작 RV는 34 내지 37 및 약 36의 범위였다. 0.3 마이크론의 시험 유체와 함께 TSI 8130을 사용하여 측정한 상기 직물의 효율은 약 2.71% 내지 약 76.7%였다. 상기 직물의 평균 기공 크기는 약 4.5 마이크론 내지 약 84.1 마이크론의 범위였다. 상기 직물의 공기 투과도는 21 내지 1002 cfm/ft2 범위였다.
실시예 3
34 내지 37 범위의 RV를 갖는 수지를, 미국 특허 제7,300,272호에 기술된 팩과 함께 사용하여, 약 16.8의 RV를 갖는 나노섬유를 제조하였다. 수지에서 직물로의 RV 감소는 약 17.2 내지 20.2 RV 단위였다. 상기 수지는 약 1 중량%의 수분을 함유하였으며, 233 내지 310℃의 온도 범위의 4개의 대역을 갖는 소형 압출기에서 작업하였다. 약 308℃의 다이 온도를 사용하였다.
실시예 4
34 내지 37 범위의 RV를 갖는 수지를, 미국 특허 제7,300,272호에 기술된 팩과 함께 사용하여, 약 19.7의 RV를 갖는 나노섬유를 제조하였다. 수지에서 직물로의 RV 감소는 약 14.3 내지 17.3 RV 단위였다. 상기 수지는 약 1 중량%의 수분을 함유하였으며, 233 내지 310℃의 온도 범위의 4개의 대역을 갖는 소형 압출기에서 작업하였다. 약 277℃의 다이 온도를 사용하였다.
실시예 5
34 내지 37 범위의 RV를 갖는 수지를, 2% 나일론 6과 배합하여 사용하였다. 미국 특허 제7,300,272호에 기술된 팩을 사용하여, 약 17.1의 RV를 갖는 나노섬유를 제조하였다. 수지에서 직물로의 RV 감소는 약 16.9 내지 19.9 RV 단위였다. 상기 수지는 1 중량%의 수분을 함유하였으며, 233 내지 310℃의 온도 범위의 4개의 대역을 갖는 소형 압출기에서 작업하였다. 약 308℃의 다이 온도를 사용하였다. 나일론의 다른 블렌드 또는 공중합체를 사용할 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 나일론 6과 나일론 6,6의 블렌드를 사용할 수 있다. 상기 나일론 6과 나일론 6,6 블렌드는 약 220℃에서의 나일론 6의 융점과 약 260℃에서의 나일론 6,6의 융점 사이의 융점을 가질 것이다.
실시예 6
3 내지 6층의 나노섬유 부직물을 조합하여, 더 높은 평량 및 두께를 갖는 매체를 생성하였다. 각각의 층은, 미국 플로리다주 캔톤먼트 소재의 세렉스 어드밴스드 패브릭스 인코포레이티드로부터 상표명 "PBN-II"로 입수가능한 10 gsm 나일론 스펀-본딩된 스크림 상의 나일론 6,6 나노섬유의 웨브를 포함하였다. 하기 표 2에 제시되는 바와 같이, 상이한 평량(13.3, 21.2, 13.2 및 20.2)을 갖는 4개의 상이한 웨브를 사용하였다. 하기 표 2는, 평량, 0.3 마이크론의 시험 유체와 함께 TSI 8130을 사용하여 측정된 여과 효율, 평균 유동 기공 크기, 및 TSI 8130을 사용하여 측정된 평균 압력 강하(PD)를 제시한다. 평균 유동 기공 크기, 효율 및 압력 강하에 대한 평균을 보고하기 위해 2개의 샘플을 측정하였다.
상기 직물은 13.2 gsm 내지 127.2 gsm 범위의 평량, 3.9 내지 5.8 마이크론 범위의 평균 유동 기공, 및 전술된 바와 같이 TSI 장치로 측정시 63.5% 내지 80.2% 범위의 여과 효율을 가졌다.
실시예 7 - 세균 및 입자 여과 효율 시험
폴리아마이드 66 나노섬유 웨브를 사용하여, 2개의 샘플 필터를 제조하였다. 필터 1의 평량은 8.2 gsm이었고, 이의 나노섬유는 612 nm의 평균 섬유 직경 및 440 nm의 중간 섬유 직경을 가졌다. 이의 공기 투과도는 72.1cfm/ft2이었고, 평균 유동 기공 직경은 7.2였고, 기포점(bubble point)은 28.1 마이크론이었다. 필터 2의 평량은 11.1 gsm이었고, 이의 나노섬유는 621 nm의 평균 섬유 직경, 및 469 nm의 중간 섬유 직경을 가졌다. 이의 공기 투과도는 39.2 cfm/ft2이었고, 평균 유동 기공 직경은 5.9였고, 기포점은 25.7 마이크론이었다. 각각의 필터의 두께는 약 20 mm였다. 각각의 필터는 약 174 mm x 약 178 mm의 치수를 가졌다.
필터 1 및 필터 2를 세균 여과 효율(BFE) 및 입자 여과 효율(PFE)에 대해 시험하였다. 필터 1과 필터 2를, 스펀-본딩된 폴리프로필렌/용융-취입된 폴리프로필렌/스펀-본딩된 폴리프로필렌의 3개 층으로 제조된 표준 필터와 비교하였다.
BFE 시험을 수행하여, 상기 시험 필터의 상류의 세균 제어 카운트를 하류의 세균 카운트를 비교함으로써, 상기 시험 필터의 여과 효율을 결정하였다. 스타필로코커스 아우레우스(Staphylococcus aureus)의 현탁액을 분무기를 사용하여 에어로졸화하고, 일정한 유속(28.3 L/m) 및 고정된 공기 압력(2.8 x 103 CFU)으로 시험 물품에 전달하였다. 조건화 매개변수는 최소 4시간 동안 85%±5% 상대 습도 및 21℃±5℃였다. 과제 전달을, 3.0±0.3 μm의 평균 입자 크기(MPS)와 함께 1.7 내지 3.0 x 103 집락 형성 단위(CFU)로 유지하였다. 수집을 위해, 6단계 생물성(viable) 입자의 앤더슨(Andersen) 샘플러를 통해 에어로졸을 인출하였다. 이 시험 방법은 ASTM F2101-19 및 EN 14683:2019, 부록 B를 준수한다.
압력 강하(ΔP) 시험을 수행하여, 일정한 유속에서 압력계를 사용하여 시험 물품의 양쪽에 대한 차압을 측정함으로써 시험 필터 물품의 호흡가능성(breathability)을 결정하였다. ΔP 시험은 EN 14683:2019, 부록 C 및 ASTM F2100-19를 준수한다.
PFE 시험을 수행하여, 시험 필터 물품(11.1 gsm, 8.2 gsm 및 표준)의 비-생물성(non-viable) 입자 여과 효율(PFE)을 평가하였다. 단분산된 폴리스타이렌 라텍스 구체(PSL)를 분무하고(nebulized, atomized), 건조시키고, 상기 시험 필터 물품에 통과시켰다. 상기 시험 필터 물품을 통과한 입자를 레이저 입자 계수기를 사용하여 계수하였다.
상기 시스템에 상기 시험 필터를 사용하여 1분 카운트를 수행하였다. 상기 시스템에서, 시험 필터 물품 없이, 각각의 시험 물품 전후에 1분 대조군 카운트를 수행하고, 카운트를 평균냈다. 대조군 카운트를 수행하여, 상기 시험 필터 물품에 전달된 입자의 평균 수를 결정하였다. 여과 효율은, 상기 대조군 값의 평균에 비해 상기 시험 필터 물품을 투과하는 입자의 개수를 사용하여 계산하였다.
상기 절차는, 일부 예외를 제외하고, ASTM F2299에 기술된 기본 입자 여과 방법을 사용하였으며, 특히, 상기 절차는 비-중화된 과제를 포함하였다. 실제 사용시, 입자는 전하를 수반하며, 따라서 상기 과제는 더 자연스러운 상태를 나타낸다. 비-중화된 에어로졸은 또한, 수술용 안면 마스크에 대한 FDA 지침 문서에도 명시되어 있다.
BFE 및 PFE 시험의 결과를 하기 표 3에 제시한다. 하기 표 3에 제시되는 결과는 평균 결과이다. 8.2 gsm 용융-취입된 폴리아마이드 및 폴리프로필렌 표준의 경우, 5개의 샘플을 평균냈다. 11.1 및 11.1 gsm 용융-취입된 폴리아마이드의 경우, 4개의 샘플을 평균냈다.
11.1 gsm 및 8.2 gsm 용융-취입된 폴리아마이드 66 나노섬유 둘 다는, 모두 표준물과 유사한 유리한 PFE를 나타냈다. 유리하게는, 11.1 gsm은 또한 BFE에서 뛰어났지만, 표준물에 비해 ΔP를 개선하였다(감소시켰다). 이는, 현저하고 예상치 못한 개선이다. 유사하게, 8.2 gsm 용융-취입된 폴리아마이드 66 나노섬유는 BFE가 약간 더 낮았지만, 상당히 더 낮은 ΔP를 나타냈다. 본 발명의 용융-취입된 나노섬유는 폴리프로필렌 표준물에 비해 개선된 성능과 함께 기능적 효율을 제공할 수 있다.
본 발명이 상세히 기술되었지만, 본 발명의 진의 및 범위 내에서의 변형이 당업자에게 용이하게 자명할 것이다. 이러한 변형 역시 본 발명의 일부로 간주되어야 한다. 전술된 논의, 당분야의 관련 지식 및 본 발명의 배경기술과 관련하여 상기 논의된 참고 문헌의 관점에서, 이들 개시 내용을 모두 본원에 참고로 인용하며, 추가의 설명은 불필요한 것으로 간주한다. 또한, 본 발명의 양태 및 다양한 실시양태의 부분이 전체적으로 또는 부분적으로 조합되거나 상호교환될 수 있음을 전술된 논의로부터 이해해야 한다. 또한, 당업자는, 전술된 설명이 단지 예시일 뿐이며 본 발명을 제한하려는 의도가 아님을 이해할 것이다. 마지막으로, 본원에 언급된 모든 특허, 공개 및 출원 전체를 본원에 참고로 인용한다.
Claims (37)
- 나노섬유 부직포(nonwoven) 층을 포함하는 필터 매체(filter media)로서,
상기 나노섬유 부직포 층은, 1 마이크론(1000 nm) 미만의 평균 섬유 직경을 갖는 나노섬유로 방사되어 상기 층으로 형성되는 2 내지 200의 상대 점도의 폴리아마이드를 포함하는, 필터 매체. - 나노섬유 부직포 층을 포함하는 필터 매체로서,
상기 나노섬유 부직포 층은, 1 마이크론(1000 nm) 미만의 평균 섬유 직경을 갖는 나노섬유로 방사되어 225℃ 이상의 융점을 갖는 상기 층으로 형성되는 폴리아마이드를 포함하는, 필터 매체. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 필터가 공기 필터, 오일 필터, 백(bag) 필터, 액체 필터 또는 호흡(breathing) 필터인, 필터 매체. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 폴리아마이드가 나일론 6,6인, 필터 매체. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 폴리아마이드가 나일론 6,6 및 나일론 6의 유도체, 공중합체, 블렌드 또는 얼로이(alloy)인, 필터 매체. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 폴리아마이드가 고온 나일론인, 필터 매체. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 폴리아마이드가, N6, N6T/66, N612, N6/66, N11, 및 N12로 이루어진 군으로부터 선택된 장쇄 지방족 나일론이고, 이때 "N"은 나일론을 의미하고, "T"는 테레프탈산을 지칭하는, 필터 매체. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노섬유 부직포 층이 200 CFM/ft2 미만의 공기 투과도(permeability) 값을 갖는, 필터 매체. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노섬유 부직포 층이 50 내지 200 CFM/ft2의 공기 투과도 값을 갖는, 필터 매체. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노섬유가 100 내지 907 nm의 평균 섬유 직경을 갖는, 필터 매체. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 부직포 제품이 150 GSM 이하의 평량(basis weight)을 갖는, 필터 매체. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 필터 매체가 스크림(scrim) 층을 추가로 포함하는, 필터 매체. - 제12항에 있어서,
상기 나노섬유 부직포 층이 상기 스크림 층 상에 방사되는, 필터 매체. - 제12항에 있어서,
상기 나노섬유 부직포 층이 상기 스크림 층 이외의 층 상에 방사되는, 필터 매체. - 제12항에 있어서,
상기 나노섬유 부직포 층이 상기 스크림 층과 적어도 하나의 다른 층 사이에 개재되는, 필터 매체. - 제12항에 있어서,
상기 나노섬유 부직포 층이 상기 스크림 층 이외의 2개 이상의 층 사이에 개재되는, 필터 매체. - 제12항에 있어서,
상기 나노섬유 부직포 층이 최외곽(outermost) 층인, 필터 매체. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 필터 매체가 적어도 하나의 추가 층을 추가로 포함하고,
상기 나노섬유 부직포 층이 상기 적어도 하나의 추가 층 중 하나 상에 방사되는, 필터 매체. - 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노섬유 부직포 층 내의 폴리아마이드의 상대 점도가, 상기 층의 방사 및 형성 전의 폴리아마이드에 비해 적어도 20%만큼 감소된, 필터 매체. - 폴리아마이드 나노섬유 층을 포함하는 필터 매체의 제조 방법으로서,
상기 방법은,
(a) 방사가능 폴리아마이드 중합체 조성물을 제공하는 단계로서, 상기 폴리아마이드는 2 내지 200의 상대 점도를 갖는, 단계;
(b) 상기 폴리아마이드 중합체 조성물을, 1 마이크론(1000 nm) 미만의 평균 섬유 직경을 갖는 복수의 나노섬유로 용융-방사하는 단계; 및
(c) 기존(existing) 필터 매체 층 상에 상기 나노섬유를 형성하는 단계
를 포함하고, 이때 상기 폴리아마이드 나노섬유 층은 1000 nm 미만의 평균 나노섬유 직경을 갖는, 필터 매체의 제조 방법. - 폴리아마이드 나노섬유 층을 포함하는 필터 매체의 제조 방법으로서,
상기 방법은,
(a) 방사가능 폴리아마이드 중합체 조성물을 제공하는 단계;
(b) 상기 폴리아마이드 중합체 조성물을, 1 마이크론(1000 nm) 미만의 평균 섬유 직경을 갖는 복수의 나노섬유로 용융-방사하는 단계; 및
(c) 기존 필터 매체 층 상에 상기 나노섬유를 형성하는 단계
를 포함하고, 이때 상기 폴리아마이드 나노섬유 층은 1000 nm 미만의 평균 나노섬유 직경 및 225℃ 이상의 융점을 갖는, 필터 매체의 제조 방법. - 제20항 또는 제21항에 있어서,
상기 폴리아마이드 나노섬유 층이 다이를 통한 고속 기체 스트림으로의 용융-취입에 의해 용융-방사되는, 필터 매체의 제조 방법. - 제20항 또는 제21항에 있어서,
상기 폴리아마이드 나노섬유 층이, 액체 형태의 상기 폴리아마미드 중합체 조성물을 섬유-형성 채널을 통해 가압(pressurized) 기체로 압출하는 것을 포함하는 2상 추진제-기체 방사(2-phase propellant-gas spinning)에 의해 용융-방사되는, 필터 매체의 제조 방법. - 제20항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 폴리아마이드 나노섬유 층이 상기 나노섬유를 이동식 벨트 상에 수집함으로써 형성되는, 필터 매체의 제조 방법. - 제20항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 폴리아마이드 조성물이 나일론 6,6을 포함하는, 필터 매체의 제조 방법. - 제20항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 폴리아마이드 조성물이 나일론 6,6 및 나일론 6의 유도체, 공중합체, 블렌드 또는 얼로이를 포함하는, 필터 매체의 제조 방법. - 제20항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 폴리아마이드가 HTN을 포함하는, 필터 매체의 제조 방법. - 제20항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 폴리아마이드가, N6, N6T/66, N612, N6/66, N11, 및 N12로 이루어진 군으로부터 선택된 장쇄 지방족 나일론이고, 이때 "N"은 나일론을 의미하고, "T"는 테레프탈산을 지칭하는, 필터 매체의 제조 방법. - 제20항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 폴리아마이드 나노섬유 층이 150 GSM 이하의 평량을 갖는, 필터 매체의 제조 방법. - 제20항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 필터 매체가 스크림 층을 추가로 포함하는, 필터 매체의 제조 방법. - 제20항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 폴리아마이드 나노섬유 층이 상기 스크림 층 상에 방사되는, 필터 매체의 제조 방법. - 제31항에 있어서,
상기 폴리아마이드 나노섬유 층이 상기 스크림 층 이외의 층 상에 방사되는, 필터 매체의 제조 방법. - 제31항에 있어서,
상기 폴리아마이드 나노섬유 층이 상기 스크림 층과 적어도 하나의 다른 층 사이에 개재되는, 필터 매체의 제조 방법. - 제31항에 있어서,
상기 폴리아마이드 나노섬유 층이 상기 스크림 층 이외의 2개 이상의 다른 층 사이에 개재되는, 필터 매체의 제조 방법. - 제31항에 있어서,
상기 폴리아마이드 나노섬유 층이 최외곽 층인, 필터 매체의 제조 방법. - 제20항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 필터 매체가 적어도 하나의 추가 층을 추가로 포함하고,
상기 나노섬유 부직포 층이 상기 적어도 하나의 추가 층 중 하나 상에 방사되는, 필터 매체의 제조 방법. - 제20항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 폴리아마이드 나노섬유 층 내의 폴리아마이드의 상대 점도가, 상기 층의 방사 및 형성 전의 폴리아마이드에 비해 적어도 20%만큼 감소되는, 필터 매체의 제조 방법.
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