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KR101395450B1 - 주름잡을 수 있는 부직 재료 및 이를 제조하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

주름잡을 수 있는 부직 재료 및 이를 제조하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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KR101395450B1
KR101395450B1 KR1020087026111A KR20087026111A KR101395450B1 KR 101395450 B1 KR101395450 B1 KR 101395450B1 KR 1020087026111 A KR1020087026111 A KR 1020087026111A KR 20087026111 A KR20087026111 A KR 20087026111A KR 101395450 B1 KR101395450 B1 KR 101395450B1
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안케 정
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이레마-필터 게엠베하
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Abstract

본 발명은 형태를 제공하는 두꺼운 섬유 및 필터 효과를 결정하는 얇은 섬유를 포함하는 주름잡을 수 있는 부직 재료에 관한 것으로서, 여기서 얇은 섬유는 부직 재료의 표면에 대해서 평행한 방향을 따라서 두꺼운 섬유에 거의 균일하게 삽입되며, 얇은 섬유가 중심 영역에 또는 2개 외면 중 하나에 가장 집중되도록 부직 재료의 표면에 수직으로 얇은 섬유에 분포 밀도 구배가 있으며, 두꺼운 섬유와 얇은 섬유는 용융 조건 하에서 고체화에 의해 함께 결합되며, 동일한 재료로 제조된다.

Description

주름잡을 수 있는 부직 재료 및 이를 제조하기 위한 방법 및 장치{PLEATABLE NON-WOVEN MATERIAL AND METHOD AND DEVICE FOR PRODUCTION THEREOF}
본 발명은 지지성의, 형태를 제공하는 두꺼운 섬유 및 필터 효과를 결정하는 얇은 섬유를 포함하는 주름잡을 수 있는 부직 재료(pleatable nonwoven material) 뿐 아니라, 이를 제조하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
이러한 유형의 부직 재료가 DE 103 10 435 B3에 개시되어 있다. 이 종래 기술의 필터 요소에는 나노 섬유 또는 마이크로 섬유로 구성된 섬유 코팅으로 양 면이 코팅된 공기 투과성 지지 재료가 제공되는데, 여기서 코팅 두께는 유입면에서 유출면으로 증가하여 혁신적인 필터 요소를 형성시킨다. 이전 종래 기술의 필터 재료와 관련하여, 이 구체예로 이미 필터 성능이 상당히 개선되었다.
종래대로 주름잡히고 차량용 내 공기 필터로서 사용되는 이러한 필터 재료에 있어서, 공기가 통과시 압력 감소가 가능한 한 낮은 것이 중요한 데, 이는 압력 감소가 낮다는 것은 송풍기 전동기의 크기가 작다는 뜻이며, 따라서 에너지 소비가 낮고 소음 발생이 적기 때문이다.
압력 차이가 적은 필터 시스템에 대한 이러한 요구는 분리 성능 필요성 및 서비스 수명 요구와는 대조적이다.
이러한 2가지 요구는 주로 일반적으로 한 쪽은 약 20 ㎛이고 다른 한 쪽은 약 4 ㎛인 두께가 상이한 섬유에 의해 충족될 수 있다.
제조 동안 부직 재료가 놓여진 부직 재료의 면을 필터에 삽입시 유출면으로서 사용하는 섬유 밀도의 혁신적인 설계가 달성되었다.
필터 특성의 추가 개선을 위해, 업계는 필터 제조에 사용하기 위한, 직경이 훨씬 더 작은 섬유의 개발에 초점을 맞추었다.
소위 멜트 블로우 공정이 현재 미세 섬유를 제조하는 가장 흔한 기술이다. 구조적인 설계로 인해, 이 공정은 크기가 2 ㎛를 초과하는 섬유에 한정되어 왔다. 이 공정에서, 섬유 두께를 감소시키기 위한 시도로서 해체된 저점도 매체를 사용한다.
그러나, 결과로 생기는 압력 손실의 증가를 최소화하면서 필터의 분리 성능을 증가시키기 위해, 매우 미세한 섬유가 중요한데, 이것이 내표면적을 증가시켜 서비스 수명을 동시에 증가시키면서 더욱더 미세한 입자를 분리시킬 수 있기 때문이다.
섬유 크기가 약 500 nm보다 작으면 소위 미끄러짐 유동 효과(slip-flow effect)가 생기는데, 이는 두꺼운 섬유가 아닌 경우, 매우 얇은 섬유(나노 섬유)의 표면에서 유동 속도가 0으로 감소되지 않아, 더 쉽게 끊어지고 수집되면서 공기 스트림에 함유된 미세 입자를 더 용이하게 확산시킬 수 있기 때문이다.
종래 기술에 따르면, 이러한 유형의 나노 섬유는 예컨대 DE 103 10 435 B3에 개시된 바와 같이 소위 전자 방사 공정을 이용하여 용액으로부터 제조된다. 이 공 정에서, 중합체를 용매에 용해시켜, 고전압을 인가함으로써 최소 직경이 50 nm 이하인 섬유를 제조한다.
이 전자 방사 공정의 중요한 단점은 다량의 용매를 사용한다는 것이다. 이 공정에서 발생하는 증기 및 동시에 인가하는 고전압으로 인해, 폭발 위험이 크다. 다른 중요한 측면은, 증기가 환경에 유해하여 작업 직원에게 건강상의 위험이 있다는 것이다. 다른 단점은, 필터 재료의 코팅이 개별적인 단계로 수행되기 때문에, 나노 섬유가 실질적으로 코팅 표면에만 위치하는 결과가 생기는 것이다. 이 다수의 층으로 인해 부직 재료에 주름잡는 것이 상당히 어려워진다. 따라서, 종래대로 스팟 결합(spot bonding)에 의해서만 재료를 접을 수 있다.
마찬가지로, 섬유 두께가 1 ㎛ 이하인 섬유 유리 매체도 공지되어 있다. 이 재료는 취성이 매우 커서 기계적 부하를 받으면 부서진 후 입자가 방출될 수 있기 때문에, 이 재료는 발암성 물질로 분류되어야 한다. 또한, 섬유 유리 매체는 분리 성능과 관련하여 매우 높은 압력 차이를 나타낸다.
DE 10 2004 036 440 A1은 나노 섬유가 지지 프레임 전체에 분포된 필터 재료를 개시한다. 전자 방사가 가능한 제조 방법이라고 언급되어 있다. 유사한 필터 재료가 또한 WO 2006/049664 A1에 개시되어 있다.
JP 02-264057 A는 상이한 재료를 상이한 방사 구금(spinneret)으로부터 압출하는 멜트 블로우 공정으로 제조된 부직 재료를 개시한다. 제1군의 방사 구금의 직경은 약 8 ㎛인데 반해, 제2군의 방사 구금의 직경은 8 ㎛ 이하이다.
DE 693 22 572 T2는 방사 구금이 서로에 대해 비스듬히 배치된 구체예를 개 시한다.
EP 0 674 035 A2는 측면으로부터 공기가 공급되는 방사 빔(spinning beam)을 개시한다.
이를 기초로 하여, 본 발명의 목적은 한 편으로는 예외적인 필터 특성, 특히 낮은 압력 차이와 동시에 높은 분리 성능을 특징으로 하면서, 다른 한편으로는 높은 처리량 성능을 달성하기 위해 환경 친화적이고 비용 효율적인 방식으로 제조할 수 있는 것을 특징으로 하는, 주름잡을 수 있는 부직 재료를 제조하는 것이다.
본 발명에 따르면, 얇은 섬유는 부직 재료의 표면과 평행한 방향을 따라서 두꺼운 섬유 내에 거의 균일하게 삽입되며, 얇은 섬유가 중심 영역에 또는 2개 외면 중 하나에 가장 집중되도록 부직 재료의 표면에 수직인 방향으로 얇은 섬유에 분포 밀도 구배(distribution-density gradient)가 있으며, 두꺼운 섬유와 얇은 섬유는 용융 조건 하에서 고체화에 의해 함께 결합되며, 동일한 재료로 제조되는 것에 의해 상기 목적이 달성된다.
두꺼운 섬유는 직경이 2 ㎛보다 크고, 얇은 섬유는 직경이 1000 nm보다 작은 것이 유리하다. 특히, 두꺼운 섬유는 직경이 2 내지 200 ㎛인 반면, 얇은 섬유는 직경이 50 내지 1000 nm여야 한다. 이렇게 상당이 얇은 나노 섬유로 인해 특히 양호한 필터 효과가 달성될 수 있다.
섬유는 유리하게는 폴리아미드, 폴리프로필렌, 폴리에스테르 또는 이의 혼합물로 구성될 수 있다.
본 발명은 또한 중합체를 용융시키고 방사 빔의 방사 구금을 통해 가압하며, 이렇게 제조한 중합체 실을 컨베이어 벨트 상에 놓아 부직층을 형성시키는 주름잡을 수 있는 부직포의 제조 방법에 관한 것으로서, 직경이 상이한 방사 구금을 사용하여 단일 공정 단계에서 두께가 두꺼운 중합체 실 및 두께가 얇은 중합체 실을 제조하여 놓으며, 여기서 단일 공정 단계에서 두께가 두꺼운 중합체 실 및 두께가 얇은 중합체 실을 동시에 제조하여 놓으면서 직경이 다양한 방사 구금을 사용하며, 얇은 섬유에 대한 방사 구금의 직경은 0.2 mm 보다 작고, 바람직하게는 0.15 mm이며, 두께가 두꺼운 섬유에 대한 방사 구금의 직경은 0.2 mm보다 크고, 바람직하게는 0.3 내지 0.4 mm이고, 용융 유동 지수 "mfi"가 500 이하인 고점도 중합체 용융물을 사용하는 것이 본 발명에 따라 제공된다.
이 방법을 이용하여, 두꺼운 섬유로 형성된 지지 프레임에서 원하는 균일한 분포를 갖는 얇은 섬유가 얻어진다.
바람직하게는, 서로에 대해 비스듬히 배치된 2개 이상의 방사 빔이 제공되며, 여기서 각각의 방사 빔의 방사 구금에서 배출되는 중합체 실은 컨베이어 벨트와 접촉하기 전에 또는 늦어도 기재와 접촉하는 순간에 서로 엉키고 얽힌다.
특히, 제1방사 빔은 직경이 큰 방사 구금을 포함하고 제2방사 빔은 직경이 작은 방사 구금을 포함하는 2개의 방사 빔을 사용할 수 있다.
직경이 매우 작은 장섬유를 얻기 위해, 용융 흐름 지수 "mfi"가 500 이하인 고점도 중합체 용융물을 사용하는 것이 중요하다.
다른 중요한 측면은, 방사 빔에 공급되는 공기가 500 mbar 정도의 비교적 약한 초과 압력을 갖는다는 것이다.
본 발명은 또한 서로의 옆에 배치된 복수의 방사 구금을 포함하는 방사 빔, 및 방사 구금에서 배출되는 중합체 실을 놓기 위한 컨베이어 벨트를 포함하는, 상기 설명한 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는 방사 구금에서 배출될 때 중합체 실이 컨베이어 벨트와 접촉하기 전에 또는 적어도 컨베이어 벨트와 접촉하는 순간에 엉키도록 서로에 대해 배치된 2개 이상의 방사 빔이 제공되고, 여기서 제1방사 빔은 직경이 큰 방사 구금을 포함하고, 제2방사 빔은 직경이 작은 방사 구금을 포함하며, 직경이 작은 방사 구금의 직경은 0.2 mm 보다 작고, 바람직하게는 약 0.15 mm이고, 직경이 큰 방사 구금의 직경은 0.2 mm 보다 크고, 바람직하게는 0.3 내지 0.4 mm인 사실에 그 자체로 특징이 있다.
특히, 방사 빔이 서로에 대해 비스듬히 배치되어, 배출시 얇은 섬유 및 두꺼운 섬유가 서로 엉키고 얽힌다.
특히, 제1 방사 빔은 직경이 큰 방사 구금을 포함할 수 있고, 제2 방사 빔은 직경이 작은 방사 구금을 포함할 수 있다.
마지막으로, 500 mbar 정도의 공기 스트림을 형성시키기 위해 방사 구금의 출구 영역에 팬이 제공될 수 있다.
방사 구금은 레이저링에 의해 제조되고 직경이 0.20 nm 보다 작은 것이 특히 유리하다. 이로써 직경이 작은 고밀도 방사 구금을 경제적인 방식으로 제조할 수 있다.
본 발명을 이하 주사 전자 현미경으로 찍은 사진 및 도면을 이용하여 더욱 상세하게 설명할 것이다.
하기 도 3a 및 3b는 다양한 섬유 크기의 분포를 보여준다(도 3a 및 3b 참조).
굵은 섬유(직경 약 15 ㎛)는 대부분 다수의 섬유의 형태로 존재한다. 굵은 단일 섬유를 서로 결합시켜 다수의 섬유를 형성시키는데, 여기서 섬유 복합체(200 ㎛까지)는 서로 느슨하게 접촉하고 있을 뿐 아니라, 이의 표면이 대부분 함께 용융되어 있다.
중간 섬유 직경(약 1 내지 2 ㎛)은 대부분 단일 섬유 형태로, 드물게는 최대 3개의 섬유를 포함하는 섬유 복합체의 형태로 존재한다.
개략 사진은 훨씬 얇은 섬유(나노 섬유 1 ㎛ 보다 작다)의 웹이 직경이 굵은 섬유 및 직경이 중간인 섬유의 섬유 구조물을 통과함을 명백히 보여준다. 가장 미세한 섬유는 단일 섬유의 형태로만 존재한다. (도 3c 참조).
얇은 섬유의 직경은 각각 733 nm 또는 857 nm이다. 직경이 1 ㎛ 이하인 섬유는 나노 섬유 뿐이다. (도 3d 참조).
높은 비율로 확대하면 직경이 약 11 ㎛인 "표준" 섬유와 직경이 약 750 nm인 주위 나노 섬유 사이의 상당한 차이가 보인다. (도 3e 참조).
사진은 재료 단면 전체의 섬유 구조를 예증하기 위해 70°의 각으로 찍었다.
사진 하부는 두꺼운 결합 섬유의 기본 구조를 보여준다. 사진의 중심부는 미세 섬유 및 나노 섬유를 포함하는 부분을 보여준다. 상부는 중간 직경의 섬유로 형성되어 있다. (도 3f 참조).
나노 섬유(측정값: 522 nm)가 직경이 약 1 내지 2 ㎛인 섬유 옆에 있다. (도 3g 참조).
(입자 필터 시험 작업대에서 약 15 분 동안) 필터 매체를 NaCl 입자에 노출시키면:
배경에 굵은 섬유(직경 약 10 내지 15 ㎛)가 존재한다. 부분적으로 직경이 매우 작은(0.5 ㎛보다 훨씬 작은) NaCl 입자가 섬유 표면에 놓여 있다.
가장 미세한 섬유의 직경은 굵은 섬유의 겨우 약 1/25이긴 하지만, 앞에 있는 매우 얇은 나노 섬유 위에 놓인 입자 수(측정 값: 직경 426 nm)는 두꺼운 섬유 위의 입자 수와 유사하다.
도 3h는 NaCl 입자에 노출시 굵은 섬유, 중간 섬유 및 나노 섬유의 개략 사진을 보여준다. (도 3h 참조).
본 발명의 장치를 이하 도 1 및 도 2와 관련하여 설명할 것이다:
이하 설명하는 도 1은 압축된 액상 중합체의 원뿔(4)이 화살표(3)로 도시하는 바의 압력 하에서 배출되는, 서로의 옆에 배치된 복수의 방사 구금(2)을 포함하는 방사 빔(1)의 개략 단면도를 도시한다. 팬에 의해 생성된 약 500 mbar의 압력을 갖는 공기 스트림을 풍동(air channel; 5)을 거쳐 제공한다.
도 2는 서로 예각(β)을 형성하며 방사 빔(1) 아래 쪽에 배치된 컨베이어 벨트(7)에 대한 수직 방향에 대해 비스듬히(α) 배치된 2개의 방사 빔(1)의 개략도를 도시한다.
도 2의 왼쪽에 있는 방사 빔(1)은 직경이 큰 방사 구금(2)을 포함하는 반면, 도 2의 오른쪽에 있는 방사 빔(1)은 직경이 작은 방사 구금을 포함하여, 영역(10)에서 직경이 큰 중합체 실(8)이 직경이 작은 중합체 실(9)과 엉키고 얽힌 후, 이들이 컨베이어 벨트(7) 상에 놓여서 부직 필터 재료(11)를 형성한다. 이 공정으로 얇은 중합체 실(9)이 두꺼운 중합체 실(8) 사이에 거의 균일하게 분포된다.

Claims (17)

  1. 복수의 제 1 섬유 및 복수의 제 2 섬유를 포함하는 주름잡을 수 있는 부직 재료(pleatable nonwoven material)로서,
    상기 복수의 제 1 섬유는 지지성이면서 부직 재료의 형태를 안정화시키며,
    상기 복수의 제 2 섬유는 부직 재료의 필터 효과를 결정하며,
    상기 제 1 섬유는 상기 제 2 섬유보다 두꺼우며,
    상기 제 2 섬유들은 부직 재료의 표면에 평행한 방향을 따라서 상기 제 1 섬유들 간에 균일하게 삽입되며,
    상기 제 2 섬유들은 부직 재료의 단면의 중심 영역에 또는 부직 재료의 단면의 2 개 외측 중 하나에 최고의 분포 농도를 가지도록 부직 재료의 표면에 수직인 방향으로 상기 제 2 섬유들의 분포 밀도 구배(distribution-density gradient)가 형성되어 있으며,
    상기 제 1 섬유들 및 제 2 섬유들은 용융된 상태에서 고체화되어서 서로 함께 결합되며 서로 동일한 재료로 구성되는,
    주름잡을 수 있는 부직 재료.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 섬유의 직경은 2 ㎛ 보다 크며,
    상기 제 2 섬유의 직경은 1000 nm 보다 작은,
    주름잡을 수 있는 부직 재료.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 섬유의 직경이 2 내지 200 ㎛인,
    주름잡을 수 있는 부직 재료.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 섬유의 직경이 50nm 내지 1000 nm인,
    주름잡을 수 있는 부직 재료
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 섬유와 제 2 섬유는 폴리아미드, 폴리프로필렌, 폴리에스테르 또는 이의 혼합물로 구성되는,
    주름잡을 수 있는 부직 재료.
  6. 제 1 항에 따른 주름잡을 수 있는 부직 재료의 제조 방법으로서,
    중합체가 용융되며 방사 빔(spinning beam)의 방사 구금(spinneret)을 통해서 가압되어 중합체 실들이 형성되며,
    상기 중합체 실들이 컨베이어 벨트 상에 놓이면서 부직층이 형성되며,
    직경이 서로 상이한 방사 구금들(2)이 사용되고,
    단일 공정 단계에서 복수의 제 1 중합체 실(8) 및 복수의 제 2 중합체 실(9)이 동시에 형성되어서 상기 컨베이어 벨트 상에 놓이며,
    상기 제 1 중합체 실은 상기 제 2 제 중합체 실보다 두꺼우며,
    상기 제 2 중합체 실에 대한 방사 구금의 직경은 0.2 mm 보다 작고,
    상기 제 1 중합체 실에 대한 방사 구금의 직경은 0.2 mm 보다 크고,
    상기 용융된 중합체의 용융 유동 지수(melt flow index)가 500보다 작은,
    주름잡을 수 있는 부직 재료의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    서로에 대해 비스듬히 배치된 적어도 2개 이상의 방사 빔(1)이 사용되고,
    상기 각 방사 빔(1)의 방사 구금(2)에서 배출되는 중합체 실들(9)은 상기 컨베이어 벨트와 접촉하기 전에 서로 엉키고 얽히는,
    주름잡을 수 있는 부직 재료의 제조 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    2 개의 방사 빔이 사용되고,
    상기 2 개의 방사 빔 중 하나는 상기 제 1 중합체 실에 대한 것이며 나머지 하나는 상기 제 2 중합체 실에 대한 것인,
    주름잡을 수 있는 부직 재료의 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 방사 빔에 500 mbar의 압력을 갖는 공기가 공급되는,
    주름잡을 수 있는 부직 재료의 제조 방법.
  12. 제 6 항 내지 제 8 항, 제 11 항 중 어느 한 항의 방법을 수행하기 위한 부직 재료 제조 장치로서,
    제 1 방사 구금을 포함하는 제 1 방사 빔과,
    상기 제 1 방사 빔에 인접하여 배치되되 제 2 방사 구금을 포함하는 제 2 방사 빔과,
    상기 제 1 방사 구금 및 제 2 방사 구금에서 배출되는 중합체 실들을 놓기 위한 컨베이어 벨트를 포함하며,
    상기 제 1 방사 빔 및 제 2 방사 빔은 상기 제 1 방사 구금 및 제 2 방사 구금에서 배출되는 중합체 실들이 상기 컨베이어 벨트(7)와 접촉하기 전에 서로 엉키도록 서로를 향해서 배치되며,
    상기 제 1 방사 구금의 직경은 상기 제 2 방사 구금의 직경보다 크며,
    상기 제 1 방사 구금의 직경은 0.2 mm보다 크며,
    상기 제 2 방사 구금의 직경은 0.2 mm보다 작은,
    부직 재료 제조 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 방사 빔 및 제 2 방사 빔은 서로에 대해 비스듬히 배치되는,
    부직 재료 제조 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    500 mbar의 압력을 갖는 공기 스트림을 형성하기 위해 상기 제 1 방사 구금 및 제 2 방사 구금의 출구에 각기 팬(fan)이 배치되는,
    부직 재료 제조 장치.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 방사 구금 및 제 2 방사 구금은 레이저 드릴링에 의해서 형성되는,
    부직 재료 제조 장치.
  16. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 중합체 실에 대한 방사 구금의 직경은 0.15 mm 보다 작고,
    상기 제 1 중합체 실에 대한 방사 구금의 직경은 0.3 mm 내지 0.4 mm인,
    주름잡을 수 있는 부직 재료의 제조 방법.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 방사 구금의 직경은 0.3 mm 내지 0.4 mm이며,
    상기 제 2 방사 구금의 직경은 0.15 mm보다 작은,
    부직 재료 제조 장치.
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