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1. (KR1019930700723) 부직 필터 및 제조방법
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명 세 서
[발명의 명칭]
부직필터 및 제조방법
[발명의 상세한 설명]
[발명의 분야]
본 발명의 부직 유체 필터에 관한 것이다. 하나의 실시예에서, 본 발명은 용융취입 웹으로 제조된 공기필터, 특히 담배 필터에 관한 것이다. 또 다른 실시예에서, 본 발명은 용융취입 웹으로 필터 및 조방사를 제조하는 방법과 그 장치에 관한 것이다.
[발명의 배경]
용융취입 제품은 열가소성 수지의 랜덤 수집으로 구성되며, 일반적으로 평균직경이 1 내지 10 미크론(μ)인 미세화된 섬유로서, 부직 물질의 특정한 유형이다. 이 제품은 천이나 원주 및 조방사의 형태로 사용될 수 있으며, 랜덤하게 수집된 섬유 조직내에 있는 극히 작은 크기의 구멍으로 인해 꽤 좋은 필터를 만든다.
담배 필터는 용융취입 부직으로 만들지만 그다지 성공적인 것은 아니었다. 바람직한 여과성 및 투과성을 가지면서 담배 필터용으로 제조하는데 필요한 작은 원주형상의 부직을 만드는 것에는 몇가지 문제점이 있다.
미합중국 특허 제 3,595,245 호에는 폴리프로필렌 용융취입 담배필터가 공지되어 있다. 이 필터는 담배 용융취입 다이에 의해서 제조된 조방사의 형태를 갖는다. 이 원형 다이는 비싸며 조작하는 것도 어렵다. 더욱이 이것은 담배 필터에서 요구하는 질의 필터를 견실하게 만들 수 없다. 이러한 이유때문에, 원형 다이로써 제조된 용융취입 조방사의 담배필터은 그다지 상업적인 용도로 주목받지는 못했다.
용융취입 조방사와 함께 부식 물질로부터 담배필터를 만들려는 노력이 있었다. 미합중국 특허 제 3,346,682호에는 박막의 중합체로 제조한 담배필터가 공지되어 있다. 이 박막은 캘린더로 만들어져 테이프로 갈라지는데; 각각의 테이프는 담배필터용으로서 적절한 형상을 갖는 소정의 부피로 만들어진 다음 모아진다.
미합중국 특허 제 3,888,610호에는 담배필터로서 유용한 부직 조방사를 만드는 방법이 공지되었다. 이 조방사는 각각의 노즐에 의해서 제조된다.
미합중국 특허 제 4,059,121 호에는 다량의 부직 중합 섬유로 가득찬 필터의 작은 디스크부가 공지되었다.
캐나다 특허 제 841,368호에는 아크릴니트릴의 미세 구조로 만든 담배필터가 공지되었다. 이 섬유는 용매인 아크릴로 니트릴용액의 증발 및 중합체가 응고되는 것에 의해서 제조된다.
미합중국 특허 제 3,444,863호 및 제 3,704,192호에는 담배필터로서 유용한 여러가닥의 길게 늘인 필라멘트가 공지되었다. 이 필라멘트는 10에서 60 μ까지 분포하는 직경을 갖으며 필라멘트내의 다양한 직경의 변화에 따라 요구되는 공기투과성을 얻을 수 있다.
미합중국 특허 제 4,189,511 호에는 섬유성 매트릭스 내에 몇갈래로 갈라인 필름 단면을 이용함으로써 압력강하 및 여과성 사이의 균형을 이루는 필터가 공지되었다.
앞에서 설명한 몇가지 특허, 특히 특허 '511호에는 압력강화 및 여과성사이에 균형을 이루는 문제가 제기되었다. 가령, 매우 조밀한 필터는 비교적 높은 압력강하에서 효과적인 여과작용을 제공할 수 있지만, 흡연자가 그것을 통해 연기를 빨아들이는 것을 어렵게 한다. 따라서 담배필터는 반드시 비교적 낮은 압력강하에서 효과적인 여과성을 나타내어야 한다.
[발명의 요약]
본 발명에서의 필터는 랜덤 섬유의 부직웹을 유체필터 또는 조방사로 변형시켜서 다시 필터로 가공할 수 있는 방법에 의해서 제조된다. 이 필터는 적절한 압력차에서 좋은 여과성을 보임에 따라 담배필터로서 특히 적합하다.
필터는 원통체를 통해 축방향으로 연장되고 랜덤하게 뒤섞여서, 벌킹된 웹의 주름을 포함하는 원통의 형상을 갖는다. 이 주름은 배향된 세로 섬유 및 가로 섬유로 이루어져 있다. 일정한 부피로 만드는 벌킹은, 일차주름내에 형성된 이차주름과 세로섬유에 의해 규정된 상부 및 하부표면에서 바깥으로 연장되거나 돌출하는 부분을 갖는 교차섬유에 의해서 제공된다. 아래에 더욱 상세하게 설명한 바와같이, 벌킹은 혼합된 주름을 통해 균일한 여과성을 제공한다.
부직웹은 평균 직경이 1 내지 10 μ, 일반적으로 2 내지 8μ 의 크기를 갖으며, 랜덤하게 혼합된 열가소성 섬유를 포함하는 용융취입 웹으로 하는 것이 바람직하다.
필터를 제조하는 방법은 평면형성단 및 나팔관사이에 있는 웹의 중간부를 가열하는 동안 오리피스관(나팔관으로 말하는)을 통해 웹을 수렴적으로 당기는 것과 웹의 평면부를 유지하는 것으로 이루어진다. 바람직하게는, 나팔관은 담배필터의 외경과 거의 동일하거나, 조금 작은 내경으로 하는 것이 약간의 스프링백을 허용하게 끔 한다. 웹의 평면 형성부 사이에서 수렴하는 나팔관의 각도는 점차로 10°내지 30°의 각도를 갖는다. 나팔관을 통해 웹을 인출함으로써 섬유를 늘이고 로드 또는 조방사를 형성하며, 더욱 가공되어 필터를 형성할 수 있게 한다. 이와는 달리 하나의 시스템은 나팔관내에서, 또는 필터로드를 형성하는 바로 아래에서 로드나 조방사를 가공하기 위한 직렬구조의 설비를 포함할 수 있다.
신장력은 기계방향(MD)의 배향을 각 방향의 섬유에 전달하며, 그것을 MD로 정렬시키고 가득채운다. MD로 정렬되고 신장 -배향된 섬유를 본 명세서에서는 세로 방향 섬유로 편의상 설명한다. 수렴하는 나팔관을 통과해 웹이 인출됨으로써 랜덤하게 혼합되는 일차주름 및 이차주름을 형성하여 조방사를 만든다. MD 내에 정렬되지 않은 섬유는 교차섬유이다. 웹이 수렴함에 따라서, 교차 섬유는 비틀리고/비틀리거나 굽혀지며 세로섬유에 의해 형성된 층의 바깥으로 돌출하는 단부 및 고리부를 갖는다. 이것은 웹을 소정의 형태로 만들고 혼합된 주름에 대한 투과성을 제공한다. 웹에 가해진 열은 섬유를 연화시키고 세로섬유의 MD 배향과 교차 섬유의 휨 및 굽힘을 증가시킨다. 웹이 수렴하는 나팔관의 입구로 유입되어 더욱 늘어남에 따라 이차주름은 일차주름의 각레그에 형성되기 시작한다. 이차주름은 굽힘저항을 더욱 줄이며, 웹이 나팔관을 통해 인출됨에 따라 주름이 랜덤하게 접히고, 꽉 채워지며, 혼합되는 것을 증가시킨다.
본 발명의 중요한 하나의 요소로는 교차섬유에 의해서 들어지는 벌킹 효과가 있다. 가열 및 신장은 일차주름 및 미세주름(이차주름)을 형성하고 꽉채움으로써 주름이 꽉찬 덩어리를 만든다. 본 발명의 필터는 흡연자에게 알맞는 압력 강하에서 효과적임이 시험을 통해 밝혀졌다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명의 공정을 실행하는 장치의 측면입면도이고.
제2도는 필터 형상에서의 웹의 형태를 나타내는 제1도의 부분평면도로서, 전단면 2-2를 통한 제1도의 장치에 대한 부분단면도.
제3도는 제2도에 도시한 웹의 부분확대 평면도.
제4도는 대략 편평하며 벌킹되지 않은 웹을 도시하는 MD와 평행하게 전단면 4-4 로 전단한 것으로서 제3도에 도시한 웹의 단면도.
제5도는 제2도에 도시한 웹의 부분 확대 단면도.
제6도는 주름의 형성 및 섬유의 벌킹을 나타내는 것으로 MD의 오른쪽각에서 전단면 6-6으로 나타낸, 제5도에 도시한 웹의 단면도.
제7도는 웹에 소정의 부피가 가해진 섬유의 돌출부 및 섬유 얽힘의 상태를 상세히 도시한, 제6도에 나타낸 웹의 확대 측면도(DM와 평행).
제8도는 웹의 가열 및 신장후의 상태로서, 제2도에 나타낸 전단면 8-8로써 도시한 웹의 부분 평면확대도.
제9도는 제2도의 전단면 9-9로써 도시한 것으로 필터 나팔관의 정면 단면도.
제10도는 감싸진 담배를 나타낸 것으로 본 발명에 의해 제조된 필터의 사시도.
제11도는 본 발명에 의해 제조된 필터 및 조방사의 확대 단면도.
제12도는 펼친부를 도시함으로써 일차주름 및 미세주름의 형상을 나타내는 것으로 본 발명에서 제조된 담배 필터의 사시도.
제13도는 MD 신장없이 나팔관을 통해 웹을 끌어당김에 의해서 제조된 조방사의 확대 단면도이다.
[바람직한 실시예의 설명]
본 발명은 원통형 담배필터에 관해 설명하겠지만, 본 발명에 따라 만들어지는 필터 및 조방사는 크로마토그래피 및 흡수 제품과 같은 다른 유체 여과 장치에도 적용할 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에서의 담배필터(10)는 원통형 형상을 가지며, 제10도에 도시된 바와같이, 포장지(12)(예를들어, 종이와 같은)속에 포장되어 있고 부직웹으로 형성된 랜덤 주름(11)의 다발을 포함한다. 주름(11)은 원통을 형성하도록 랜덤하게 만들어져 있고 대개는 원통 축에 대해 세로로 연장된다. 제11도에 도시한 바와같이, 주름(11)의 형상과 섬유의 배열에는 벌킹에 의해서 요구되는 여과작용과 압력강하의 균형이 제공된다. 비록 연기의 성분이 벌킹된 웹 조방사내에 확산될 수 있더라도 제10도에 화살표(13)로 표시된 필터(10)를 통과하는 공기의 흐름은 일반적으로 세로로 연장되는 주름(11)과 평행하다.
필터(10)를 제조하는 가공단계는 제1도 및 제2도에 도시한 장치를 참고로 하여, 그리고 부직웹 섬유상의 이러한 단계의 효과는 제3도 내지 제9도를 참고로 하여 설명하겠다.
본 발명에 따라 장치는 4개의 주요 구성품을 포함하는데; (a) 일반적으로 평면의 배치내에 부직웹을 분배하는 수단과; (b) 오리피스관(예를들면, 나팔관)과 (c) 나팔관을 통과하는 웹을 끌어당기는 것과, 웹의 양면에서 웹을 섬유 방향으로 잡아늘이기 위한 MD 인장력 및 인출력을 위한 수단 및 (d) 나팔관의 앞에서 웹의 중간부를 가열하는 수단을 갖는다. 본 명세서에서 사용된 바와같이, 평면이라는 말은 편평한 상태나, 또는 구부러인 경우 울퉁불퉁하지 않는 것을 뜻한다.
나팔관을 통하는 부직웹을 끌어 당김으로써 필터나 조방사가 제조되며, 나팔관은 웹이 모아지도록 하며, 일차주름과 이차주름을 형성한다. 일차주름과 미세주름(이차주름)은 제11도에 도시된 구조의 나팔관내로 끌려들어 감에 따라 서로 랜덤하게 묶여진다.
제1도에 도시한 바와같이, 부직웹(16)의 롤(15)은 롤축(17)에 의해 프레임(20)에 장착된다. 축(17)의 반대편은 프레임(20)에 제공된 이격된 수직 슬록(21로서 한개만 도시)에 고정되어 있으므로 롤(15)은 슬롯(2)내에서 수직으로 자유롭게 움직일 수 있다. 제어롤러(18)는 롤러(15)의 하부면을 지지하는 프레임(20)위에 장착된다. 제어롤러(18)는 구동롤러(19)와 맞물리는데, 이 구동롤러는 적절한 기어감속수단을 구비한 전동모타의 다양한 속도변화에 의해 구동됨으로써 롤러(18)의 회전 및 웹롤(15)로부터 분배되는 웹(16)의 이송 속도를 조절한다.
웹(16)은 롤(15)에서 분배되어 아이들 롤러(22)둘레에 보내지는데, 아이들롤러의 반대단은 축(23)에 의해 프레임(20)에 저널지지된다. 웹(16)은 아이들롤러(22)둘레에서 연장되어 오리 피스관(나팔관, 24)으로 보내진다. 웹(16)은 벨트 조립체(26)에 의해 나팔관(24)를 통과해 끌어당겨진다. 담배필터의 제조에서 나팔관(24)은 테이퍼진 개방단(24a)과 유지부(24b)를 갖는 통상적인 나팔관을 사용할 수 있다. 나팔관(24)은 또한 작업 개시점에서 웹을 쉽게 삽입하도록 개방을 허용할 수 있게, 수시로 길이를 조정할 수 있는 경주로 단면과 같은 그러한 조정가능한 크기의 단면을 갖는다. 유지부(24b)는 오리피스 평면관을 형성하며 배필터의 직경과 거의 같거나 조금작은 내경(ID)을 갖는다. 나팔관(24)은 제1도에 도시한 바와같이 프레임(20)에 의해 지지된다.
나팔관(24)을 통해 웹(16)이 통과함에 따라서 원형 조방사(또는 로드)(25)의 형상으로 만들어진다. 조방사(25)의 양쪽면에 접하는 벨트 조립체(26)는 나팔관(24)를 통해 당겨지는 웹(16)을 인출하기 위해 설치한다. 벨트 조립체(26)는 롤러(28)(29)(30)에 장착되며, 프레임(20)위에 지지되는 구동 스티프 벨트(27) 및 (31)을 포함한다. 롤러(28)(32)는 각기 적절한 기어 감속 수단을 구비한 다양한 변속 전동 모타에 의해 구동되어 제1도에 도시한 바와같이 바람직한 선형속도로서 벨트(27)를 반시계방향으로 구동할 수 있다. 롤러(32)(33)둘레에 연결된 벨트(31)는 벨트(27)와 수직방향으로 배치된다. 벨트(27)표면에 제공된 이송 고무 클리트(34)는 조방사(25)를 잡고 인장력을 가한다. 따라서 벨트(27)(31)는 조방사(25)의 양쪽면에 접함으로써 벨트(27)의 운동을 조방사를 제1도에 도시한 바와같이 오른쪽으로 움직이게 한다.
벨트(27)(31)는 조방사(25) 표면에 적절한 접촉력을 제공하도록 충분한 폭을 갖는다.
조방사(25)는 필터를 가공하는 다음 공정을 위해 적절한 컨테이너(35)내에 모아지게 된다. 히타박스(36)는 프레임(20)위에 장착되며 웹(16)에 열을 공급함으로써 롤러(22)에서 나팔관(24)까지 집합적으로 이동한다. 웹은 개방슬롯(37)을 통과해 박스(36)로 들어가며 슬롯(38)을 통과해 빠져나간다. 노와 송풍기(도시하지 않음)에 의해서 공급된 고온의 공기는 흡기구(39)를 통해 박스(36)로 유입된 후 출구(40)를 통해 공기가 빠져나간 다음, 노로 유도되어 재순환된다. 박스(36)에는 그안에 있는 공기의 흐름(제2도에 화살표(41)로 나타냄)을 유동적인 형태로 하는 갈라진 차단장치를 구비할 수도 있다. 이와는 달리, 공기는 웹의 각각의 표면(수직방향)에 수직방향으로 가해질 수도 있다. 가열된 공기는 박스(36)내에 있는 웹(16)의 상부 및 기부표면에 접촉한다. 전기 히터와 같은 다른 유형의 히터가 사용될 수 있다.
제2도에 대해 설명하면, 대략 편평한 구속단(16a)에서부터 나온 웹(16)은 수렴적으로 히타박스(36)와 나팔관(24)을 통과해 원형인 조방사(25)를 형성하는데, 이 형상은 나팔관(24)의 단면에 따라 다르게 할 수 있다. 웹(16)은 편평한 웹(16a)을 원형이나 개략적인 타원 또는 꽉찬 조방사(25)로 만드는 세개의 영역을 연속적으로 통과하는데; 세개의 영역은, 웹이 큰 주름의 형상으로 되는 영역(16b)과; 웹의 섬유가 일정한 온도로 가열되어 섬유가 연화된 후 기계방향으로 늘어나게 하고 횡방향으로는 좁게하는 영역(16c)과; 주름의 섬유가 이차주름의 형태로 되어 나팔관(24)으로 모이는 동안 랜덤하게 묶여지는 영역(16d)으로 구성된다.
대부분의 중합체에 대한 가열대의 온도는 45℃ 내지 200℃(폴리올레핀에 대해서는 바람직하게는 100℃ 내지 175℃)로 분포하는 것이 좋다. 바람직하게는 공급된 열이 웹의 온도를 적어도 20℃나, 바람직하게는 35℃, 그리고 더욱 바람직하게는 적어도 50℃만큼 상승시켜 채용된 중합체의 탄력상태 또는 그 부근의 온도(예를들면 10℃ 이내)가 되게 하는 것이다.
본 발명에 따르는 직렬 웹 제조 및 가공과 같은 그러한 어떤 장치에 있어서, 부직라인의 수집기로부터 분배된 고온의 웹은 중합체를 탄력상태에 놓게 하기 위해서 단지 10℃ 내지 20℃의 열로 가열할 수 있다.
제3도 및 제4도에 도시한 바와같이, 평면의 웹(16a)섬유(45)는 웹(16)의 평면내에서 랜덤하게 펼쳐진 섬유내에 대략 랜덤하게 놓인다. 설명을 돕기 위해 X를 기계방향(MD)으로 Y를 횡방향(TD), Z를 수직방향(VD)으로 한다.
비록 용융취입 웹은 대체로 연속적인 많은 필라멘트로 구성되어 있지만 본 명세서에서는 설명을 돕기 위해 필라멘트를 직선섬유로 설명한다. 따라서 끓어진 연속적인 필라멘트를 웹내에서는 섬유의 하나의 집합체로 간주한다.
점(16a)에서 MD 인장된 웹은 제4도의 X-Y 평면내에서 대략 평행을 이룬다. 웹(16)이 영역(16b)으로 들어감에 따라 인장된 웹(16)은 양면에서 수렴하고 일차주름을 형성한다.
영역(16b)의 대략 주름진 평면의 웹이 영역(16c)으로 들어감에 따라 웹은 가열되고 인장되며, 섬유(42)는 몇개의 다른 방향을 가지는데; 대부분의 섬유(45a)는 MD(X 방향)로 인장되고 늘여져서 세로 섬유가 되며, 그 밖의 약간의 섬유(45b)는 압축되고 비틀려서 세로섬유와 교차하게 된다. 이 섬유(45b)를 교차섬유로 부르기로한다(제5도에서 세로 섬유(45a) 및 교차섬유(46b)가 도시되어 있다). (16c)대에서 섬유의 배향 및 변형의 결과로 생긴 큰 주름을 제6도에 도시하였다. MD로 늘여진 세로섬유(45a)의 배향은 교차 섬유(45b)를, Z 방향에서 세로섬유(45a)에 의해 형성된 상부 및 하부 표면의 바깥으로 돌출되고 접히게 한다. 제4도 및 제6도를 비교하면, 교차섬유(45b)에 의해 생긴 비틀림 각도를 볼 수 있다. 세로섬유(45a)에 의해 형성된 웹의 두께(Z2)는 교차섬유(45b)에 의해 생긴 웹의 두께(Z3)보다 작다. 이것은 비틀린 교차섬유(45b)가 세로섬유(45a)의 배열로 조금 확장되고, 세로섬유(45a)에 의해서 형성된 폭의 바깥으로 돌출하기 때문이다. Z2는 제4도의 Z1과 거의 같다. 제7도는 벌킹이 발생한 교차 섬유(45b)의 실상을 현미경으로 400 배 확대한 것을 나타낸 도면이다. 도면에서 보는 바와같이 벌킹은 교차섬유가 Z 방향으로 세로섬유(45a)를 넘어서 접히고 뻗어 나옴에 의해 생긴다.
수렴하는 웹(16)이 영역(16c)을 통과해 지남에 따라, 가열되어 연화된 섬유(45a)(45b)는 세로섬유(45a)의 MD 배향이 더욱 진행되고, 교차섬유(45b)의 굽힘 및/또는 구부러짐은 더욱 증가된다. 웹이 계속해서 수렴함에 따라, 제8도에 도시한 바와같이 아코디언 형상과 같은 웹(16)의 큰 주름을 만든다. 그러므로 웹(16)이 경계역(16d)을 지남에 따라, 유연한 교차섬유(45b)와 이차주름을 갖는 웹(16)은 랜덤하게 구부러지고, 접혀서, 웹이 나팔관(24)을 통과해 인출됨에 따라 조밀하게 꽉차게 된다. 이차주름과 일차주름은 또한 웹(16)의 벌킹을 증가시킨다(제8도의 Z4). 비틀림 조합에서, 가열 및 늘임에 의해 수렴하는 웹의 벌킹 작용 및 증가된 굽힘성은, 제11도에 도시한 바와같은 균일한 구조를 갖는 필터를 제공한다.
제11도에는 최종 조방사(25)내에서 벌킹된 웹(16)의 랜덤패킹을 도시하였다. 이차주름은 각각의 주름내에 무수히 많은 굽힘을 제공함으로써, 웹(16)이 나팔관(24)내로 가해질 때, 웹은 쉽게 원형의 형상으로 만들 수 있다. 각각의 이차주름은 수렴하는 웹에 전위 굽힘 위치를 제공한다. 시험을 통해 웹(16)의 나팔관의 입구부로 다가옴에 따라, 이차주름에 의해 제공된 전위 위치의 선에 의해 일차주름의 수가 증가됨을 알았다. 나팔관내에서 혼합될 때 일차주름 및 이차주름은 랜덤하게 꾸불꾸불한 형태로 접히고 굽혀진다. 일차주름에서 이차주름을 구별하는 것은 어렵다.
겹쳐진 일차주름 및 이차주름은 그것의 물결 모양의 형상으로 인해 제11도에 도시한 바와같이, 그것의 사이에 복수개의 공기통로(46)를 제공한다. 필터를 통과하는 공기 흐름 통로(46)는 대략 주름과 평행하고, 필터를 통과하는 투과성은 벌킹된 섬유에 의해서 크게 유지된다는 중요한 사실을 알 수 있다. 또한 이차주름은 큰 비균일한 공기의 공간이 없이도 일관된 투과성을 갖는 꽉찬 패킹을 가능케 한다.
앞에서 나타낸 바와같이, 웹(16)이 벌킹이란 Z방향에서 교차섬유의 팽창 또는 돌출과 이차주름이 일차주름에 포개지는 것을 말한다. 바람직하게는, 벌킹이 적어도 20% 나, 적어도 30% 인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 적어도 50%는 되어야 하는데; 다시 말해, 웹(16)의 폭(Z4)은 적어도 30%까지, 더욱 바람직한 것은 Z 1의 적어도 50%까지는 증가되는 것이다. 벌킹의 상한선은 몇개의 요인에 따라 다르지만 최대의 벌킹은 200 내지 300%까지 가능하다.
시험에서 보는 바와같이 벌킹이 없다면, 웹(16)의 주름은 너무 조밀해져서 적절한 압력차로서 필터를 통과해 흐를 수가 없다. 제13도는 벌킹되지 않은 섬유로 제조된 필터의 확대단면도이다. 일차주름은 존재하는 반면 이차주름은 존재하지 않음을 알 수 있다. 또한, 만일 이차주름이 웹(16)내에 형성되지 않는다면, 웹의 굽힘은 점(47)에서와 같이 불균일한 바늘귀를 만든다.
위에서 설명한 바와같이, 본 발명에 따른 제조방법은 3개의 (a) 대략 평면의 배치(16a 에서와 같이)내로 웹(16)을 분포 시키는 단계와 (b) 웹(16)을 거의 필터와 동일한 직경을 갖는 오리피스 관(24)을 통과해 인출하는 단계(c) 점(16a)과 오리피스관(24)사이의 중간영역에서 웹을 가열하는 단계를 포함한다.
나팔관(24)을 통해 압축된 웹(16)을 인출하는 것에 의해 웹을 신장시키고 웹의 수렴을 통해 주름을 형성하며, 가열단계에서 ND 신장 및 섬유의 배향을 증가시키도록 섬유(41)를 연화시킨다. 생성된 TD 수축은 웹(16)의 미세주름 형성, 및 교차섬유의 휨 및 비틀림을 향상시킨다.
본 발명에 있어서의 중요한 고찰은 재료 및 공정변수에 대한 것이다.
[재료 변수]
용융취입 웹 : 특정 유형의 용융취입 웹을 중량 기준 및 치수에 따라 사용할 수 있음은 본 발명의 목적에 중요하다.
용융취입 공정은 마이크로섬유를 2차원(즉, X-Y 평면)으로 일반적으로 랜덤 배치한 부직웹의 제조방법이다. 간단하게 말하면, 용융취입 공정은 다이에 형성된 오리피스 열로부터 용융된 수지를 압출시킴을 포함한다. 오리피스로부터 방출된 섬유를 연신시키고, 오리피스 열의 반대쪽위의 다이로부터 방출되는 고온 공기에 의해 직세화(織細化)시킨다. 섬유를 랜덤한 방식으로 수집장치 드럼 또는 콘베이어상에 놓고, 접착시키고 수집한다(대표적으로 제3도 및 제4도에 예시한 바와같음). 용융취입 웹의 제조장치 및 방법은 본 발명에 참고로 인용한 미합중국 특허 제4,818,463 호 및 제 3,978,185호에 개시되어 있다.
용융취입 공정을 변화시켜 다양한 종목 및 크기의 웹을 생산할 수 있다. 웹의 표면 및 벌크 텍스쳐는 웹 생산시 공기 방출 속도(수집기 간격에 기인함), 수집장치 텍스쳐 및 다른 가공 변수를 조합하여 사용하므로써 (특정 적용을 위해) 변형시킬 수 있다. 이러한 변화는 이 분야에 숙련된 자들에 의해서 특정 최종 적용을 위해 쉽게 최적화될 수 있다. 본 발명에 유용한 열가소성 중합체 및 웹은 하기에 개시되어 있다.
열가소성 수지 : 폴리올레핀(폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 그의 공중합체 및 삼원공중합체 포함), 폴리에스테르, 나일론, EVA, 엘라스토머, 폴리아미드, 폴미스티렌, 폴리트리플루오로클로로 에틸렌, 및 이들의 블렌드, 바람직한 수지는 폴리프로필렌, 폴리 에틸렌 및 고급 폴리올레핀족의 단독중합체 및 공중합체를 포함하여 폴리올레핀이다. 가장 바람직한 수지는 에틸렌과 프로필렌의 단독중합체 및 공중합체이다. 폴리에틸렌은 LDPE, HDPE, LLDPE 및 매우 저밀도의 폴리에틸렌을 포함한다. 폴리프로필렌은 사용된 가장 흔한 수지이다. 용융취입 수지의 MFR 및 MW는 이 분야에 숙련된 자에게 잘 알려져 있다. 가소성 웹 : 본 발명에서 사용할 수 있는 용융취입 웹의 물성은 다음과 같다:
표 1
상기에 나타낸 섬유크기, 종횡비(두께 및 너비에 따라 변함) 및 기본중량의 값은 서로 교환할 수 있다.
마이크로 크기의 섬유는 여과에 이상적으로 적합하다. 상기 섬유는 다른 유형의 직물과 비교하여 저중량 밀도의 웹을 생산한다. 본 발명의 작업 조건하에서 마이크로크기의 섬유는 전술한 바와같이 쉽게 벌크된다.
웹(16)의 두께는 본 발명에 특히 중요하다. 약 25 밀보다 큰 두께는 벌크되기 어려우므로 나팔관에 채워넣는데 필요한 주름을 형성하지 않는다. 가장 우수한 성능은 15 밀이하, 바람직하게는 8 밀 이하의 두께에서 얻을 수 있다.
중합체 또는 웹에 첨가제를 사용하여 여과능력 및 흡수성을 증대시킬 수 있다.
[공정 조건]
공정조건은 (16a)에서의 웹의 충분한 너비(제2도에서 도시한 바와같이 A)로부터 나팔관(24b)에서의 최소 치수로의 수렴각, 연신량, 열의 적용량 및 임의로 조방사(25)의 직경을 유지시키는 수단의 적용을 포함한다.
표 2
물론 상기 공정조건의 실제값은 웹의 성질, 온도 및 작동속도에 따라 다소 변할 것이다. 최적 조건을 얻기 위해 공정조건을 웹에 적절히 맞출 수 있다. 상기에 나타낸 값은 상호 교환가능하다.
[작업]
웹롤(15)을 슬롯(21)에 놓고 웹(16)을 롤러(22)주위로 이동시키고 나팔관(24)을 통해 공급한다(실제로, 나팔관(24)은 나팔관의 개방, 웹의 삽입 및 가공개시시 웹주위에서 나팔관의 폐쇄를 허용하는 틈이 있는 구조일 수 있다). 조방사(25)는 벨트(27)과 (31)사이에 놓이고 수집장치(35)로 공급된다.
구동롤러(18)과 (28)의 원하는 속도를 세트하고 작업을 개시한다. 가열공기를 박스(36)를 통해 흘린다.
인장하에, 가열되지 않는 웹(16)이 영역(16b)에 모여질 때, 웹에서 일차주름이 형성된다.
가열웹(16)을 (16c)와 나팔관(24)사이에서 인장시킬 때 유의 대부분은 MD로 배열되고 세로 섬유(45a)가 된다. 남은 섬유(45b)는 MD를 대략 가로질러 펼쳐진 교차섬유와 함께 권축된다. 웹(16)은 그러므로 수렴이외에도 TD 방향으로 좁아진다.
제6도 및 제7도는 영역(16c)에서, 일차주름을 갖는 웹을 연산시키는 초기 효과를 도시한다. 세로 섬유(45a)를 MD로 배열하고 교차섬유(45b)를 웹이 좁아짐에 따라 권축시킨다(굽힌다). 교차섬유(45b)중에 분배된 세로섬유(45a)는 함께 더 밀접히 꽉 채워져 교차섬유(45b)는 접혀지고 웹을 첨가하는 Z 방향 벌크로부터 바깥쪽으로(Z 방향으로) 돌출되어 있다.
웹(16)이 가열 영역에 머물고 있음에 따라, 주름수는 증가하고 주로 이차주름이 형성됨에 따라 이들의 폭은 감소된다. 주름수는 나팔관(24)의 바로 최대 상부 스트림에 도달한다.
나팔관(24)에 들어갈 때, 주름은 제11도에 도시한 바와같이 조방사(25)형태로 랜덤하게 배열된다. 이차주름의 벌킹은 주름에 평행한 방향으로 투과성을 제공한다. 만약 주름(48)이 벌킹되지 않는다면, 이들은 제13도에 도시한 바와같이 공기 흐름을 위한 공간이 없이 함께 밀폐될 것이다(즉, 일반적으로 밀폐된 구조).
나팔관(24)을 나올 때 조방사(25)는 일반적으로 단지 약간의 탄성과 함께 일반적으로 우수한 안정성을 갖는다. 그러나, 치수 안정성은 (a) 로드 주변을 가열하여 적어도 일부분의 섬유를 용융시키거나, 또는 (b) 나팔관에서 또는 나팔관의 하부스트림에서 접착제를 조방사(25)에 가하므로써, 또는 (c) 조방사(25)를 종이 또는 필름으로 감싸거나, 또는 (d) 나팔관내에서 로드를 어닐링 시키거나, 또는 (e) 상기를 조합함로써 증대시킬 수 있다. 조방사(25)를 모으고, 그후 담배에 사용하기에 적합한 길이로 절단할 수 있다.
[필터 특징]
제11도 및 제12도에 도시한 바와같이, 담배필터(10)는 필터축에 대해 세로로 펼쳐져 있고 랜덤하게 둘둘말린 패턴으로 다발로 묶여진 벌크되고 주름진 다수의 부분(48)과 (49)으로 이루어진다. 필터에서 각 주름(11)의 폭은 웹두께, 텍스쳐, 너비, 종횡비 및 연신도를 포함하여 여러 인자에 따라 다양한 범위내에서 다양할 것이다. 폭은 그러나 일반적으로 2 내지 15 개의 웹두께 범위내일 것이다. 3 내지 8밀의 웹두께의 경우, 예를들어 주름폭은 약 6밀 내지 80 밀로 다양할 것이다. 이차주름이 일차주름위에 겹쳐져 있음을 제11도로부터 쉽게 알 수는 없지만, 제12도는 이러한 경우를 나타낸다. 필터(11)의 웹(16)의 말단부위가 제12도에 도시한 바와같이 분리될 때, 거대한 일차주름(11)은 웹의 파상 배열을 한정하고, 이차주름(49)은 일차주름(48)의 각각의 레그(leg)에 파상 형태를 생성시킨다. 일반적으로 일차주름(11)의 각 레그에 5 내지 25개의 이차주름(49)이 있다.
필터(10) 담배 적용은 하기 성능특성을 가져야 한다 :
표 3
[실험]
용융취입 웹의 롤을 담배 필터를 제조하는데 사용했다. 웹은 하기 특성을 갖는다:
상기 웹으로부터 제조한 용융취입 담배필터를 상이한 연신비(MD 연신)로 따로 가공하여 레귤라(Regulars) 및 라이트(Lights) 로 전형적인 산업상 특징을 맞춘 2가지 수준의 여과율 및 압력 강화 성능을 갖는 필터를 제조했다. 용융취입 롤(15)을 제1도에 도시한 장치에 놓았다. 수렴각(A)은 약 17°였다. 나팔관 오리피스 수단은 직경은 6mm(0.24in)였다. 가열영역에서 웹(16)에 취입된 공기의 온도는 140℃였다.
용융취입 레귤라 필터의 경우 조립체(26)를 통한 조방사(25)의 선속도가 롤(15)로부터 방출된 웹(16)의 선속도보다 50% 빠르도록 웹 제어롤러(18)와 벨트 구동조립체(26)를 조정하여 MD 연신율 50% 를 제공했다. 웹 신장의 대부분은 가열 영역에서 발생했다.
용융취입 라이트 필터의 경우, 조립체(26)를 통한 조방사(25)의 선속도가 롤(15)로부터 방출된 웹(16)의 선속도보다 25% 더 빠르도록 웹 제어롤러(18)와 벨트 구동조립체(26)를 조정하여 MD 연신율을 25% 제공했다. 이로부터 여과율 및 압력 강하가 라이트 범주에 속하는 필터를 생산했다. 라이트는 일반적으로 보다 높은 압력 강하에서 보다 높은 여과효율을 갖는다. 연신의 대부분은 가열 영역에서 일어났다.
조방사(25)를 모으고 약 25mm의 길이로 절단하여 직경 8mm를 갖는 불투과성 플라스틱과의 구멍에 삽입하여 담배 필터 모양으로 만들었다.
상업적으로 대중적인 상표의 레귤라 및 라이트로부터 얻은 담배 막대(즉, 필터를 제거한 담배)를 플라스틱 관에 삽입하고, 본 발명에 따라 제조한 레귤라 및 라이트 용융취입 필터 모두의 견본에 밀봉시켰다. 여과 효율성능을 희석 효과로부터 단리시키기 위해 필터에 공기가 누출되지 않도록 했다. 용융취입 필터와 비교한 상업용 필터는 희석 효과를 이용하지 않는다. 상업용 필터 담배의 견본 및 담배 막대에 붙은 용융취입 필터의 견본에 대해 여과 효율 및 압력강하를 시험했다. 담배필터와 펌프사이에 0.225㎛(공칭 공극 크기)의 맴브레인 필터 트랩을 갖는, 흡연기로부터의 진공간에 각각의 필터 담배 견본을 부착시킨다. 각각의 견본에 대해 2.5초간의 한모금을 8회 또는 9회 흡연한다. 담배막대를 제거한 각각의 필터를 통과할 때의 압력 강하는 프레지어(Frazier) 공기 투과능 기계상에서 공칭 공기 흐름 속도 15cc/sec 으로 수행했다. 입자 제거 효율(PRE)은 하기에 나타낸 바와같이 결정했다.
PRE = (dwf/(dwf + dwt)) x 100
상기식에서,
dwf는 각각의 시험시 필터의 중량 변화이고,
dwt는 시험시 트랩의 중량 변화이다.
그러므로 입자 제거 효율은 필터와 트랩에 의해 수집된 총 미립자와 비교한 필터에 의해 포획된 미립자 물질의 측정치이다.
실험 입자 제거효율(희석시키지 않은 경우) 및 압력 강하를 하기 표4에 나타낸다.
표 4
상업용 레귤라 및 MD 연신되지 않은 필터의 경우 각각 54 및 51 의 PRE%를 갖는데 비해 용융취입 레귤라 필터는 66%의 PRE를 갖는다는데 주목해야 한다. 용융취입 라이트는 상업용 라이트의 PRE가 67% 인데 비해 88%의 PRE를 갖는다. 용융취입 필터의 압력강하는 각각의 상업용 필터에 필적했음을 관측해야 한다. 여과 효율에 대한 MD 연신효과는 시험번호 제3 및 제4와 실험 번호 제5를 비교하므로써 알 수 있다.
PRE와 압력 바하(MMH O로 표시)의 균형은 PRE/PD의 비(본 명세서에서는 비율로 표시)나타낼 수 있다. 표4에 나타낸 바와같이, 본 발명의 필터의 상기 비는 1보다 작지 않은 반면 다른 모든 필터는 1보다 적은 비율을 갖는다. 레귤라 및 라이트의 경우 압력 강하면에서 차이가 나기 때문에 그 비율은 상이하다. 레귤라는 라이트 범주의 필터보다 덜 한 압력 강하를 필요로 한다.
레귤라 범주내에 있는 본 발명의 필터의 경우(압력 강하 70이하), 그 비율은 바람직하게는 0.95 이상, 가장 바람직하게는 1.0이상이다. 라이트 범주내에 있는 본 발명의 필터의 경우(압력 강하가 70 보다 높은 경우) 그 비율은 바람직하게는 0.85 이상, 가장 바람직하게는 0.90이상이다. 상기 비율은 상기 표1의 데이타로부터 입증되듯이 상업용 필터에 의해서는 얻을 수 없다.
본 발명은 바람직한 용융취입 웹을 특히 참조하여 기술했다. 그러나, 본 발명에 기타 부직 웹(랜덤하게 수집된 섬유), 특히 스펀본드 웹의 사용을 고려할 수 있다. 기타 부직 웹이 필요한 MD 연신을 나타내고 본원에 개시된 나머지 필터 특성을 갖는 필터를 생산한다면, 이들을 사용할 수 있다.
본 발명의 원칙으로부터 벗어나지 않고 본 발명에 대한 많은 변화가 가능하다. 예를들면, 용융취입 담배필터에 희석 공기를 사용하는 것과 같은 다른 메카니즘을 사용하여 여과를 증대시킬 수 있다.
또한, 가열 영역과 나팔관 사이에서 웹을 냉각(또는 냉각을 허용)하여 주름을 열고정하고 웹을 나팔관을 통해 인장 시킬 때 미세주름을 유지시킬 수 있다.
또 다른 변화는 부직 라인과 직렬라인으로 본 발명을 사용하는 것이며, 여기에서 웹은 수집장치로부터 직접 취하여 본 발명에 의해 가공한다.
여전히 또 다른 변화는 부직 라인의 수집장치 스크린 상에서 특별한 패턴을 사용하여 웹 표면상에 스코어 라인 또는 위크니스 라인을 생성시켜 소정의 미세주름 접힘을 만들 수 있다. 예를들어, 패턴은, 필터를 통해 축방향으로 간헐적인 흐름 통과를 제공하도록 오프셋을 교차시켜 간헐적인 세로 라인을 생성시킬 수 있다.
최종적으로, 본 발명에 의해 제조한 조방사를 흐름이 주름과 미세주름의 방향을 교차하는 다른 필터 타입에서 사용할 수 있다. 예를들면, 유체 흐름이 조방사의 축을 교차하는 오일 또는 공기 필터 형태로 조방사를 원형으로 배열할 수 있다.