JP2004513762A

JP2004513762A - 静電繊維フィルタウェブおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2004513762A
Application number: JP2002533980A
Authority: JP
Inventors: ヘンドリク・ボト
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2004-05-13
Also published as: CA2422769A1; DE60129722D1; CA2422769C; KR100826326B1; WO2002030544A1; MXPA03003101A; ES2290180T3; EP1324813B1; EP1324813A1; AU1347202A; CN1213786C; EP1197252A1; DE60129722T2; AU2002213472B2; KR20030059192A; CN1469769A; ATE368497T1

Abstract

本発明は、不織布フィルタウェブ全体にわたって分布した複数のスポットで互いに超音波接合された、帯電フィブリル化繊維の不織布フィルタウェブを含むエレクトレット不織布フィルタ媒体であって、前記スポットに占められた全表面が前記不織布フィルタウェブの表面の５％未満であり、スポット／ｃｍ^２の個数が少なくとも２個である、エレクトレット不織布フィルタ媒体を提供する。また、本発明は、前記エレクトレット不織布フィルタ媒体を製造する方法を提供する。

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、複数のスポットで超音波圧密化されているエレクトレット不織布フィルタ媒体に関する。更に、本発明は、前記不織布フィルタ媒体を製造する方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
エレクトレット繊維の不織布ウェブは通常、結合が弱い繊維から形成されている。不織布ウェブに形成される前、間または後にフィルタを帯電することができる。不織布エレクトレット繊維フィルタを形成する特に効果的な方法は、再発行特許米国第Ｒｅ．３０，７８２号（Ｖａｎ　Ｔｕｒｎｈｏｕｔ氏等）に記載されている。この特許における前記エレクトレット繊維は、帯電繊維を形成するようにフィブリル化されたコロナ帯電フィルムから形成されている。次に、カーディングまたはエア施工などの一般的な方法により前記帯電繊維で不織布ウェブを形成することができる。この帯電方法は、超高密度の注入電荷を提供する。しかし、これらの事前帯電フィブリル化繊維からウェブを形成する際に問題が生じる。前記繊維は、一般にかなり大きくかつ捲縮していない。また、前記繊維は曲げ抵抗性を有する。ある程度これらの特性のために、前記繊維は、特に低い坪量で均一なコヒーレントウェブを形成しにくい。米国特許第５，２３０，８００号には、ウェブ全体にわたって実質的に均一な特性を有するフィルタを製造するように強化スクリムに対するフィブリル化繊維のフィルタウェブのニードル打抜きが提案されている。しかし、この方法における強化スクリムの強制的な使用により、前記フィルタの更なる圧力低下が生じることがある。また、得られた均一性を望ましくは更に向上させるべきである。更に、前記ニードル打抜きのために、フィルタ媒体の製造速度がかなり制限される。
【０００３】
米国特許第４，３６３，６８２号には、より均一なウェブを製造する別の方法が提供されている。よりコヒーレントなウェブを提供するために、繊維を取り除きにくいウェブだけでなく、この特許では、後エンボス処理が提案されている。このエンボス処理では、フェースマスクとして使用されるよりコヒーレントで快適なウェブを提供するとされている外面繊維を一緒に溶接する。しかし、この処理も、より凝縮されたウェブになりやすく、フィルタ全体にわたって圧力低下を増やすことになる。
【０００４】
米国特許第５，１４３，７６７号には、自己除塵が無い高強度のウェブを得るように帯電されかつフィブリル化された誘電繊維の不織布ウェブを強化する熱スポットエンボス工程が記載されている。この米国特許に記載のエンボス比率は、フィルタの全表面の２〜３５％である。また、米国特許第５，１４３，７６７号には、前記不織布ウェブの熱エンボス加工の代わりに超音波溶接の使用が考えられることが記載されている。しかし、米国特許第５，１４３，７６７号によれば、これは困難であり、薄いフィルタを製造することができない。また、前記フィルタは、靭性が不十分であるとされている。更に、超音波機器はかなり狭い幅のウェブに一般に制限されているので、典型的な超音波機器の幅を超える寸法を有するフィルタウェブを製造する際に更なる困難が生じる。
【０００５】
米国特許第５，９００，３０５号には、高性能フィルタを製造するようにメルトブローン繊維の複数の不織布フィルタウェブをスポット積層する超音波溶接技法の使用が教示され、その全幅にわたって積層物を溶接できるように互いに隣接して数台の超音波装置を配置することが開示されている。次に、１台の制御器により異なる前記装置に電源を供給する。そのような配置は、フィルタの表面全体にわたって均一な特性を有するフィルタを製造するように不織布フィルタウェブを圧密化するのに適していないと思われる。
【０００６】
米国特許第５，４３６，０５４号には、エレクトレットフィルタの寸法安定性を向上させるようにエレクトレット部分スプリットフィルムの網状フリースの網状組織を一緒に接合するエンボス加工、超音波溶接およびニードル打抜きが記載されている。しかし、これらの方法の具体的な詳細は与えられていない。
【０００７】
従って、本発明の要望は、表面全体にわたって均一な特性を有し、一層高速でよって一層低コストで製造可能なエレクトレット不織布フィルタ媒体を設ける更なる方法を提供することにある。最小限の製造負担でプリーツフィルタに容易に変換可能なエレクトレット不織布フィルタ媒体を設けることが更に望ましい。前記エレクトレット不織布フィルタ媒体は、広範囲の坪量にわたって製造可能であることが好ましく、低い圧力低下を有することが好ましい。前記フィルタ媒体の性能、例えば前記フィルタ媒体の濾過効率および粒子負荷容量などを向上させることが望ましい。
【０００８】
（発明の開示）
１つの態様において、本発明は、不織布フィルタウェブ全体にわたって分布した複数のスポットで互いに超音波接合された、帯電フィブリル化繊維の不織布フィルタウェブを含むエレクトレット不織布フィルタ媒体を提供する。前記スポットに占められた全表面は、前記不織布フィルタウェブの表面の５％未満であり、前記スポットに占められた表面は、０．２〜２％の範囲であることが好ましく、０．５〜１．５％の範囲であることが一層好ましい。前記スポットの形状は、特に限定されていないが、通常、正方形、長方形または円形である。個々のスポットの各々のサイズは、通常１０^−２ｃｍ^２未満であり、１０^−３〜１０^−２ｃｍ^２の範囲であることが好ましい。スポット／ｃｍ^２の個数は、少なくとも２個であり、通常２〜５個の範囲であることが好ましい。ｃｍ^２当たりの必要なスポットの個数は、前記不織布フィルタウェブの坪量によって一般に決まり、軽い坪量はより多いスポットを必要とし、重い坪量はより少ないスポットを一般に必要とする。
【０００９】
本発明によるエレクトレット不織布フィルタ媒体は、前記ウェブ全体にわたって非常に均一なフィルタ特性を有し、ニードル打抜きを含む方法に対して高速で製造され、よって製造コストを最小にすることができることが見出された。更に、スクリム層の使用は前記均一フィルタ特性を維持するのに必要でなく、前記エレクトレット不織布フィルタ媒体を都合よく使用して、前記フィルタ媒体にプリーツをつけることができるように必要な剛性を前記媒体に与える前記フィルタ媒体に網を超音波溶接することによりプリーツフィルタを製造することができる。前記エレクトレット不織布フィルタ媒体は、種々のフィルタ用途に適している優れた強度および寸法安定性を有することが更に見出された。例えば、少なくとも５０ｇ／ｍ^２の坪量を有するウェブの場合、超音波溶接は、網またはスクリムなどのあらゆる追加の支持層を必要とせずに、よって圧力低下の減少をもたらし、寸法的に安定したウェブを得るのに十分であることが見出された。
【００１０】
本発明の別の態様では、上述のようなフィルタ媒体を製造する方法を提供する。本発明の前記フィルタ媒体を製造する方法によれば、帯電誘電フィブリル化繊維を製造する。これは、再発行米国特許第Ｒｅ．３０，７８２号（Ｖａｎ　Ｔｕｒｎｈｏｕｔら）および再発行米国特許第Ｒｅ．３１，２８５号（Ｖａｎ　Ｔｕｒｎｈｏｕｔら）に記載されている方法により容易に達成可能である。これらの特許に記載の方法は、高分子量無極性物質のフィルムを供給する工程と、前記フィルムを延伸する工程と、コロナ成分を用いて前記延伸フィルムを同極帯電させる工程と、前記延伸帯電フィルムをフィブリル化する工程とを含む。材料を形成する適当なフィルムには、ポリプロピレン、線状低密度ポリエチレン、ポリ−１−ブテン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリトリフルオロクロロエチレンなどのポリオレフィン、またはポリ塩化ビニル、芳香族ポリアレーン（ポリスチレン、ポリカーボネート、およびポリエステルなど）、ならびに共重合体およびその配合物がある。好ましいのは、枝分かれアルキル基が無いポリオレフィンおよびその共重合体である。特に好ましいのは、ポリプロピレンおよびポリプロピレン共重合体である。当業界で知られている種々の機能性添加剤は、米国特許第４，８７４，３９９号に教示のようなポリ（４−メチル−１−ペンテン）などの誘電重合体または共重合体、米国特許第４，７８９，５０４号に開示のような脂肪酸金属塩、または米国特許第４，４５６，６４８号に記載のような粒子に配合可能である。
【００１１】
前記フィルムを、任意の既知の方法で帯電させることもできる。例えば、前記フィルムの何れかの側で等しいが逆の電位を保持するコロナ成分によって前記フィルムを局所的に両側で帯電させることもできる。これにより、片側かつ同一のコロナ電圧で片側帯電によって電圧を約２倍高く前記フィルムを帯電させる。帯電高分子フィルム材料は、幾つかの方法でフィブリル化可能である。例えば、前記フィルムに逆らって動作する金属ニードルを有するニードルローラを使用することができる。その後、連続繊維を所望の長さに切断することもできる。
【００１２】
次に、得られた帯電繊維で、カーディングやエア施工または任意の他のウェブ形成方法によって不織布ウェブ層を形成することができる。不織布フィルタウェブの坪量を増加させるために、更にランダム化装置またはクロスラッピング操作にかけることもできる。
【００１３】
前記不織布フィルタウェブを圧密化するために、前記不織布フィルタウェブの表面の５％未満を占める複数のスポット（少なくとも２個／ｃｍ^２）で互いに前記繊維を超音波接合する。この圧密化を達成するために、前記不織布フィルタウェブは通常、超音波装置の超音波振動ユニットと嵌合ツールとの間に維持されるギャップを通って移送される。前記ギャップ、すなわち前記超音波装置の前記振動ユニットと前記嵌合ツールとの間の距離は通常、前記不織布フィルタウェブを圧密化している間、一定に維持される。これに関連して「一定」により、前記ギャップが目標値の２０％を超えて外れるべきでない、好ましくは１０％以下であることを意味する。前記不織布フィルタウェブが３０ｃｍ〜５０ｃｍを超える寸法を有する場合、前記ウェブが移送されている方向と垂直な前記ウェブの方向に沿って互いに隣接して平行に数台の超音波装置を置くことが好ましい。最大６０ｃｍの幅を有するホーンを現在利用できるけれども、そのようなホーンは望ましい均一性を与えないこともある。非常に均一なウェブを製造するために、２つ以上のホーンを平行に置いた場合、個々の超音波装置の各々における前記ギャップ（ホーン−アンビル配置）を独立して制御することが好ましい。すなわち、前記超音波装置の各々における前記ギャップを、別の超音波装置における前記ギャップとは独立して制御する。
【００１４】
本発明に関連して使用するのに特に適した超音波装置は、ＷＯ９６／１４２０２に記載されており、ドイツのＨｅｒｒｍａｎｎ　Ｕｌｔｒａｓｃｈａｌｌｔｅｃｈｎｉｋから市販されている。そのような超音波装置は、一体に取り付けられた振動ユニットと、回転ドラムであることが好ましい嵌合ツールとを含む。ギャップは前記振動ユニット（溶接ホーン）と嵌合ツール（アンビル）との間で維持され、一体に取り付けられた調整装置によって超音波溶接動作の前および間にこのギャップを調整することができる。前記嵌合ツールと振動ユニットとの間の前記ギャップは、変化したギャップを示す測定値に応じて前記調整装置を操縦する制御器によって一定に維持される。例えば、前記ギャップは、前記回転アンビルドラムに取り付けられた誘導動作センサにより制御可能である。前記センサからの信号は、目標値との差を検出し前記調整装置によって任意の変化を補償する前記制御器に無線で伝送される。あるいは、力センサを前記振動ユニットに含めて、前記溶接力を一定の間隔で、例えば前記アンビルドラムの１回転当たり１回測定することができる。次に、前記制御器は、測定された力を目標値と比較し、必要ならば前記調整装置によって前記ギャップを調整することができる。この方法は、前記ギャップの力制御と呼ばれることもある。前記力制御方法では、前記ホーンとアンビルとの間の距離だけでなく前記ウェブの厚さに前記溶接力が左右されるので、前記ギャップは変動することもある。前記ウェブの厚さ変動の結果、前記ギャップが変動して目標溶接力を維持することができる。力制御は、この発明で好ましい方法である。電圧制御は、前記ギャップを一定に維持するのに使用可能な更に別の方法である。この方法において、前記振動ユニットおよび嵌合ツールは、低電圧回路の一部である。前記振動ユニットが前記アンビルドラムに触れる直前に、前記回路は閉じ、前記制御器は信号を受信して前記振動ユニットを前記調整装置によってプログラム位置に後退させる。次いで、次の後退が必要であるまで前記振動ユニットを段階的に再度自動的に下げる。このループは、前記ホーンとアンビルとの間の正確な小ギャップを保証する。
【００１５】
上述のように、前記超音波装置の前記嵌合ツール、すなわちアンビルは、回転ドラムであることが好ましい。この回転ドラムの表面は通常、前記ウェブの前記繊維を圧密化する前記不織布フィルタウェブにおけるスポットの所望のパターンを生成するようにパターン形成されている。前記パターンは、前記スポットを前記ウェブ全体にわたって不規則に分布させる不規則なパターンでもよい。また、前記パターンは、規則正しいまたは反復不規則パターンでもよい。使用可能なパターンの例を、後で図示する。
【００１６】
前記不織布フィルタウェブは、スクリム層を要すれば、前記超音波装置の前記振動ユニットと嵌合ツールとの間の前記ギャップを通ってスクリム層の上に移送されることもできる。スクリム材料は通常、前記スポットでの前記不織布フィルタウェブの圧密化と同時に前記スクリム層を前記スポットで前記不織布フィルタウェブに超音波接合できるように熱可塑性材料を含む。前記スクリム層材料は、何れの知られている強化スクリム、織布または不織布でもよい。不織布スクリムは通常、コストおよび開放度の点から好ましい。また、前記スクリム材料は、高分子材料であることが好ましく、リサイクル可能性の目的で、エレクトレット不織布ウェブの材料と超音波接合可能な重合体から形成されることが好ましい。通常、不織布材料のスクリムを処理して、例えば熱エンボス加工、カレンダ加工、音波接合、バインダ繊維などにより引張特性を向上させる。典型的なスクリム材料は、スパン結合ポリプロピレン不織布ウェブである。この発明用の別のスクリム層は、米国特許第５，８００，７６９号に開示されている。この後の特許に開示のスクリムは、少なくとも０．２５ｍｍ^２、通常０．２５ｍｍ^２〜１０ｍｍ^２の前記フィルタ媒体の平面から見て平均断面積を有する離散的な個々の開口領域を有する。このスクリムの重量は通常、０．１ｇ／ｍ^２〜０．４ｇ／ｍ^２である。この発明で使用されることが好ましい米国特許第５，８００，７６９号に開示のスクリムは、この発明の前記フィルタ媒体に容易に超音波接合可能なポリエチレン繊維の直交積層ウェブである。前記不織布フィルタウェブを前記スクリム層の上に移送した場合、前記スクリム層は通常、前記フィルタウェブの下に置く。しかし、前記超音波装置において後で圧密化されスクリム層に接合されることができる２つ以上の不織布ウェブ層の間にスクリム層を含むこともできる。
【００１７】
あるいは、前記不織布フィルタウェブは、超音波溶接作業により影響を受けないペーパーウェブの上に移送されることもできる。スクリム層を有しない超音波圧密化フィルタウェブを残す超音波溶接作業の後、このペーパーウェブを再収集することができる。
【００１８】
プリーツ可能なエレクトレット不織布フィルタ媒体を要望する場合、網を前記不織布フィルタ媒体に積層して、必要な剛性を与えてプリーツをつけることができる。本発明に関連して用語「網」は、かなり厚い繊維の非常に目の粗い網状物を意味する。通常、網の繊維は、０．５〜１．５ｍｍの厚さを有し、１ｍｍ^２〜２０ｍｍ^２の平均断面積の略規則正しい形状の開口領域を前記繊維間で規定する。本発明の製造方法の更なる利点は、前記ウェブの超音波圧密化と同時にそのような網を前記不織布フィルタ媒体に積層できることである。特に、前記網は通常、熱可塑性材料を含み、前記網は、前記ウェブの前記繊維を複数のスポットで互いに超音波接合する前記超音波装置の前記ギャップを通って前記不織布フィルタウェブと一緒に移送可能である。同時に、熱可塑性網は、これらのスポットで前記不織布フィルタウェブに超音波接合された状態になる。任意の既知のプリーツ技法により、こうして得られたエレクトレット不織布フィルタ媒体にプリーツをつけることができ、よって、プリーツフィルタの製造に適している。従って、均一な特性を有するプリーツ可能なエレクトレット不織布フィルタ媒体を、便利でコスト効率のよいやり方で製造することができる。特に、本発明の方法は、網材料を別個の積層工程で前記フィルタウェブに接着剤でつけるまたは別の方法で積層する必要がある先行技術方法よりも便利でコスト効率がよい。
【００１９】
本発明の前記エレクトレット不織布フィルタ媒体を、別のフィルタ層に更に積層することもできる。例えば、前記エレクトレット不織布フィルタ媒体を、メルトブローン超極細繊維の不織布フィルタ層（ＢＭＦ層）に積層することもできる。そのような積層物の利点は、前記エレクトレット不織布フィルタ媒体が、さもないと簡単に目詰まりするメルトブローン超極細繊維の前記不織布フィルタ層に対して前置フィルタとしての機能を果たすことである。従って、前記ＢＭＦ層よりも一般に目の粗い構造である本発明の前記エレクトレット不織布フィルタ媒体は、濾過されるべき流体内の大きい粒子を収集し、前記ＢＭＦは、本発明の前記エレクトレット不織布フィルタ媒体を通過する粒子を濾過する。前記不織布フィルタウェブを超音波圧密化している間に前記ＢＭＦ層を前記不織布フィルタウェブに超音波接合できるので、本発明の方法は、そのような積層物の便利でコスト効率のよい確実な製造を考慮に入れる。更に、本発明の前記フィルタウェブでは、効率が向上し、よって、そのような前置フィルタを含むフィルタ配置のより長い寿命をもたらす一層効果的な前置フィルタになることが分かっている。
【００２０】
本発明を、以下の図面を参照して更に説明するが、前記図面に限定するつもりはない。
【００２１】
（発明を実施するための最良の形態）
図１は、エレクトレット不織布フィルタ媒体１２の超音波接合用の装置１０を示す。前記装置の基本構成要素は、駆動ユニットにより駆動される溶接ホーンの形態の振動ユニット１４、１６である。通常、数個の溶接ホーン１４、１６が互いに隣接して配置されて、比較的広いエレクトレット不織布フィルタ媒体１２の超音波接合を可能にする。前記溶接ホーン１４、１６は、この実施形態において回転ドラム１８の形態を有する嵌合ツールまたはアンビルと協働する。前記ドラム１８自体とその軸２０のみを図１に示す。前記回転ドラム１８は、外側の、要するに円筒面２２を有し、前記円筒面２２には多数の突起２４が設けられている。前記超音波接合の間中、前記エレクトレット不織布フィルタ媒体は矢印２６の方向に移動しており、前記回転ドラムは矢印２８の方向に移動している。前記溶接ホーン１４、１６および回転ドラム１８の前記突起２４は、（前記フィルタ媒体を前記溶接ホーン１４、１６と前記ドラムの前記突起２４との間に配置した状態で）それらが小さいギャップを形成するやり方で配置されており、前記ギャップは非常に小さいので、前記突起２４の先端でエネルギー密度は超音波溶接を実現するのに十分高い。
【００２２】
図２は、前記回転ドラム１８の前記表面２２および前記突起２４の拡大図を示す。これらの突起は、機械加工、スパーク溶接などの周知の方法によって前記回転ドラムの前記表面２２と一体形成されている。前記回転ドラムは、長さが１ｍ以上までであり、数ｄｍの直径を有する。
【００２３】
別の方法を図３および図４に示す。軸２０を有する回転ドラム１８には、図３から分かるように螺旋木立ち３０が設けられている。実質的な長さの金属帯３２は、機械加工やスタンピングなどの既知の方法によって別々に製造されている。通常、所与の幅３４の帯は、供給ロールから巻出され、スタンピング装置を通過する。図３および図４に示すような形状を打抜いて、台形の断面を有する一連の突起３６を生成する。図４は、図１と同様に、前記帯３２が挿入されている螺旋状に巻かれた木立ち（図示せず）を有する回転ドラム１８の一部を示す。これは、突起２４が回転ドラム１８の表面２２上に生成されている図２に示すパターンと同様なパターンを上面３８付き前記突起３６が形成するようなやり方で行われる。
【００２４】
帯３２は、前記回転ドラム１８の前記木立ちに螺旋状に巻かれて、図４から分かるようにジグザグ形状の突起３６を実現する。目的は、隣の列における突起３８を突起４０および４２の間に、好ましくはそれらの突起の中間に配置するようなやり方で配置された１列の２つの隣接する突起４０、４２を有することである。フィルタウェブ上の得られる溶接パターンは、図５および図６から分かる。図５は、実質的に規則正しい配置の溶接スポット４６を有する超音波接合されたエレクトレット不織布フィルタ媒体４４上の平面図を示す。図６は、多少不規則であるが繰り返すパターンで配置された溶接スポットを有する対応するフィルタ媒体４８を示す。螺旋巻きの帯３２のために、例えば、溶接スポット５０は、次の列の溶接スポット５２、５４の間に正確に配置されていない。よって、図３および図４による回転ドラムで製造されたフィルタ媒体４８の外観は異なる。前記エレクトレットフィルタ媒体の機能性に関して、これは全く重要でない。
【００２５】
図１および図２による突起２４のサイズおよび数と図３および図４による突起３６、３８のサイズおよび数とは、前記突起に占められた全表面が、前記超音波接合された不織布フィルタ媒体で略同一割合になる前記回転ドラムの表面の５％未満であるような状態になる。本発明によれば、前記不織布フィルタ媒体上の溶接スポット／ｃｍ^２の個数は２個を超えるべきである。図３および図４の場合、例えば帯３２は、０．６〜１．０ｍｍ、好ましくは０．８ｍｍの幅を有する。更に、前記突起３６、３８の端部での表面積は、円形、楕円形、正方形、長方形または他の形状の何れかであってもよい。具体的な実施形態では、前記帯の前記幅、すなわち０．６〜１．０ｍｍ、好ましくは０．８ｍｍと同一寸法を有する正方形の形状が好ましい。例えば図４における前記突起４０と４２との間のような２つの隣接する突起の間の距離は、６〜１０ｍｍのオーダー、好ましくは７ｍｍであってもよく、隣接する帯の間の距離は、４〜６ｍｍの範囲、好ましくは５ｍｍであってもよい。更に、これは、図３に示すような前記螺旋木立ちにおける２つの隣接する巻きの間の距離である。基本的に、前記突起を機械加工、放電加工または別の方法で生成する図１および図２に示すような前記実施形態について同じことが当てはまる。寸法は、基本的に同一である。上記の数は好ましい形状の場合の大まかな目安としてのみ役立つが、決定的な特徴は、前記突起の接触部分の全表面積が前記回転ドラムの表面の５％未満、好ましくは２％未満であり、スポット／ｃｍ^２の個数が少なくとも２個であることである。
【００２６】
図７〜図９は、繊維の超音波接合に使用される機器および静電不織布フィルタ媒体の他の構成要素の側面図を示す。前記フィルタ媒体１２は、帯電フィブリル化繊維の不織布フィルタウェブを製造する周知の機器６０から得られる。これらの繊維は、図１〜図４に示され上述のような前記超音波装置１０に案内される。溶接ホーン１４の形態の振動ユニットは、ギャップを制御する手段に加えて超音波振動を生成するのに必要な全機能を含むユニット６２により駆動される。前記溶接ホーン１４は、上述のように前記方向２８に回転するドラム１８の形態を有する前記嵌合ツールまたはアンビルに対応する。超音波処理されたウェブ４４は、ローラ６４により巻き取られる。前記超音波処理ウェブ４４は、例えば溶接されないまたは無用な場合もある両面上のウェブ４４を切断する機能を同時にまたは更に取り入れることもできる１対のローラ６６、６８を通過し、更にローラ６４により巻き上げられた前記超音波処理ウェブ４４のより小さい部分を生成するためにウェブ４４の幅に沿って切断ナイフを追加する場合もある。
【００２７】
未処理ウェブ１２が前記超音波装置１０に入ることを、拡大断面Ａでより詳しく示す。下端部７０を有する前記溶接ホーン１４と前記回転ドラム１８上の突起２４とはギャップ７２を形成することが分かる。更に、入力ウェブ１２は出力超音波処理ウェブ４４よりもかなり厚いことが分かる。前記ギャップ７２に入ると、部分７４および７６から分かる前記入力ウェブ１２は圧縮される。この圧縮は、自動的にまたは追加案内手段（図示せず）を用いて行われる。更に、前記溶接ホーン１４は、前記突起２４よりもかなり広くてもよい。通常、溶接ホーン１４の前記下端部７０上に構造物はない。
【００２８】
前記超音波処理ウェブ４４の断面形状を拡大断面Ｂに示す。ウェブ４４の繊維は部分７８で超音波接合されており、ウェブ４４の溶接部分と通常部分との間に滑らかな移行部８０および８２がある。更に、前記超音波処理ウェブ４４の厚さは超音波処理から生じる元の前記ウェブ１２の厚さよりもかなり薄いことが分かる。また、前記突起２４のみが下側で前記ウェブ１２と接触しているけれども、前記溶接部分７８は、両側、上側および下側の上に窪みを有することが分かる。しかし、両側８０および８２上の移行部が観測されるように上部を圧縮させる全圧縮が行われる。
【００２９】
図８は、超音波機器用の別の配置を示す。ここでも、元のウェブ１２は、ユニット６０から得られ、逆の配置で示された超音波装置１０に案内される。回転ドラム１８は上側にあり、溶接ホーン１４および対応する駆動ユニット６２は下側にある。基本的な違いは、元の未処理ウェブに加えて、第２の層８４を巻心８６および２本の案内ロール８８および９０の使用によって前記超音波装置１０に案内するという点にある。この追加層８４は、前記ウェブを超音波接合できる網である。網８４およびウェブ１２を接合して、巻取ローラ６４および案内ロール６６および６８により巻き取られる構造９２をもたらす。
【００３０】
図７に示す前記実施形態に対する違いは、２つの拡大部分ＣおよびＤで再度分かる。元の前記ウェブ１２および前記網８４は、前記溶接ホーンと前記ドラム１８の突起２４とにより形成されるギャップ７２に案内され、積層物９２を生成する。ここでも、部分７４および７６でのウェブ１２および網８４の案内および圧縮が見られる。超音波溶接工程中に前記網がほんの僅かに圧縮されながら、前記圧縮は元の前記ウェブ１２上で最初に行われる。拡大図Ｄは、超音波溶接によって圧縮された部分７８および移行領域８０および８２も示す図７の前記図Ｂと同様な構造を示す。
【００３１】
図９は、符号が前述の図におけるものと同一である超音波機器の第３の構造を示す。ここで追加された特徴は、第３の層９４をローラ９６から供給することである。これは、スクリム層である。この場合、超音波装置１０は、図７と同じように再度配置され、これは基本的に、処理における実用性に左右される。部分Ｅは、それぞれ図７および図８における部分ＡおよびＣと基本的に比較できる。部分Ｆは、上述と同様にしてローラ６４により後で巻き取られる積層物９８に合わせられている網８４、フィルタウェブ１２およびスクリム９４を全部有する３層構造があることを再度示す。これらは３つの典型的な構造であるが、更に多数の変更、例えばスパン結合繊維またはメルトブローン繊維の層を含む多数の層を考えることができることに留意すべきである。
【００３２】
図１０は、下側に軸２０付きの前記回転ドラム１８および他の側に駆動ユニット６２付きの前記溶接ホーン１４を示し、その間を前記ウェブ１２が通過するようにそれらの全部が配置されている前述の図面による超音波機器の側面図を提供する。前記超音波機器は、全部互いに独立して動作する４台の個々の超音波振動装置１００、１０２、１０４、１０６を含む。それらの各々は、ホーンおよびアンビルとアクチュエータ１１０との間のギャップを監視するセンサ１０８を有する前記駆動ユニット６２内に装備されている。センサ１０８およびアクチュエータ１１０は、前記ウェブ４４または積層物９２、９８の構成要素の超音波接合を保証するために十分小さい許容差の範囲内にギャップ７２を維持することを保証し、更にホーンおよびアンビルが互いに触れるのを防止する電子制御ユニット１１６に電気配線１１２および１１４を介して電気的に接続されている。これらの制御は、各々の個々の超音波振動装置１００、１０２、１０４、１０６について独立して処理される。次に、制御ユニット１１６は、中央電源ユニット１１８に接続されている。
【００３３】
図１１は、個々の超音波振動装置、例えば図１０の構成要素１００を示す。利用可能な異なる種類の制御があり、最も好ましいものは所謂力制御である。この機器の２つの主目的は、超音波溶接用の振動を生成すること、および前記回転ドラム１８と前記溶接ホーン１４との間のギャップ７２の制御を保証することである。図１０に示すように、前記駆動ユニット６２は、センサ１０８およびアクチュエータ１１０を含む。前記ギャップ７２用の制御の説明のために、更なる詳細を図１１に示す。アクチュエータ１１０は、溶接ホーン１４に振動を与える。更に、力センサ１０８は、前記アクチュエータ１１０または前記溶接ホーン１４に直接接触している。その目的は、接合されるべき材料の上へ前記溶接ホーンが作動している力を検出することである。このセンサは、任意の種類、例えばある種のピエゾセンサであってもよい。力信号は、前記電気接続１１２を介して前記電子制御ユニット１１６に渡される。測定力が予め設定されている閾値未満であると前記電子制御ユニット１１６が識別した場合、アクチュエータ１１０、センサ１０８および溶接ホーン１４を含む全装置は、配線１２２を介して前記電子制御ユニット１１６に電気的に接続されている駆動手段１２０を介して下方に移動される。アクチュエータ１１０は、制御ユニット１１６とアクチュエータ１１０との間の相対移動が可能なやり方で配線システム１２４を介して接続されている。また、前記溶接ホーン１４は、順応性もある配線１２６を介して前記電子制御ユニットに電気的に接続されている。回転ドラム１８は、配線１２８を介して前記電子制御ユニット１１６にその軸２０で接続されている。前記ホーン１４が前記回転ドラム１８の突起または任意の他の部分と接触するとすぐに、短絡が生じて前記配線１２６、１２８を介して検出される。次に、前記電子制御ユニット１１６は、最小ギャップ７２を再生することを保証する。
【００３４】
本発明の方法によれば、超音波接合されるべき材料はギャップ７２（図示せず、前述の図面を参照）を通過しており、制御機構は次のようにして動作する。センサ１０８が小さすぎる力を検出すると、アクチュエータ１１０は、前記力用の閾値が得られるまで駆動手段１２０を介して下に移動される。前記力が大きすぎると、同じことが逆方向に生じる。従って、前記ギャップ７２の連続制御は、従来の電子制御システムを使用することにより保証される。更に、溶接ホーン１４と回転ドラム１８との間の導電率の追加制御は、最小ギャップを維持することを保証し、よってホーンおよびアンビルが互いに触れるのを回避する。
【００３５】
前記ギャップを制御する別の方法は、前記回転ドラム１８内に配置されたセンサを介して前記溶接ホーン１４と前記回転ドラム１８の表面との間の距離を検出することである。前記ギャップを制御する方法に関する更なる詳細は、ＷＯ９６／１４２０２に見られる。
【００３６】
実施例
本発明を、以下の実施例およびテスト結果により更に説明する。
【００３７】
実施例１
多数熱結合され任意に配置されている繊維から既知の方法で製造された不織布スパン結合材料を含むスクリム層９４（図９参照）を使用した。この不織布スパン結合材料の坪量は、１０ｇ／ｍ^２であった。スパン結合ウェブは、側面図で１０×４０μの代表寸法を有する帯電誘電フィブリル化またはスプリット繊維からなるエレクトレットフィルタ材料の不織布材料と合わせた。この不織布材料の坪量は、約３０ｇ／ｍ^２であった。このエレクトレットフィルタ層用の材料として、Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ，Ｍｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｃｏｍｐａｎｙにより３Ｍ　Ｆｉｌｔｒｅｔｅ（登録商標）の名称で配布されている製品を使用した。次に、前記２層、１０ｇ／ｍ^２の坪量を有する前記スクリム層および３０ｇ／ｍ^２の坪量を有する前記エレクトレットフィルタ層を、０．８１×０．８１ｍｍの帯３２の上端領域３８と６．９ｍｍの２つの隣接する突起３８間の間隔と４．８３ｍｍの続きの２列間の距離とを用いて図３および図４による上記の寸法の回転ドラムで図８に記載の機器を利用した図８に示すような方法を用いて超音波接合した。これは、超音波接合繊維の部分が前記回転ドラムの部分よりも面積で僅かに大きいという事実のためにウェブにおける面積の約２％に対応する前記回転ドラムにおける全面積の１．５％のフィルタウェブの超音波接合領域の部分になる。スポット／ｃｍ^２の個数は、約２．３個である。こうして接合された積層物のフィルタ媒体およびスクリムを、熱可塑性網または網状支持構造物に付着した。この網は、約０．４５ｍｍの直径を有する繊維からなる。前記支持構造物の開口部は、菱形であり、約３．６×４．１ｍｍのサイズを有する。前記支持構造物の厚さは、約０．８５ｍｍである。前記繊維は、ポリプロピレンまたは他の高分子からなる。前記網または網状支持構造物を、従来使用の接着剤を利用して前記繊維媒体およびスクリムの積層物に付着した。次に、こうして得られた構造物にプリーツをつけ、３１個のプリーツになる２５ｍｍのプリーツ高さ、９．４ｍｍのプリーツ間隔および２９０×１００ｍｍのフィルタの全寸法を有するフィルタを形成した。次いで、この構造物を、接着またはインサート成形によりフレームに適切に取り付けた。
【００３８】
実施例２
この実施例は、１０ｇ／ｍ^２の前記スクリムに加えて５０ｇ／ｍ^２の全坪量が得られるように４０ｇ／ｍ^２に選んだエレクトレット不織布フィルタ媒体の坪量だけ実施例１と異なる。
【００３９】
実施例３
実施例３は、スクリム層に加えて網も５０ｇ／ｍ^２の重量を有する前記ウェブに超音波溶接したという点を除いて実施例２と同様である。この構造は、図９に示す方法に従って超音波接合された。
【００４０】
実施例４
実施例４は、前記スクリムを省略したという事実だけ実施例３と異なる。前記ウェブの坪量を５０ｇ／ｍ^２に選び、前記網が上述の通りであり、超音波処理を図８に記載のように行った。
【００４１】
比較例
多数の比較例は、超音波接合の代わりにニードル処理を使用したという点が基本的に異なる前記実施例１〜４の場合と同様にして生成された。比較のために、実施例１〜４と同一の圧力低下を示す比較サンプルを選んだ。従って、基本的に同一の初期性能を有するフィルタを比較した。
【００４２】
上述のサンプルフィルタに関して、比較測定を行った。
【００４３】
テスト規格ＤＩＮ　７１　４６０，ｐａｒｔ　１に従って効率を測定した。
【００４４】
効率の測定は、次の通り行われる。ＤＩＮ　ＩＳＯ　５０１１に従うテスト塵「粗」は、ＤＩＮ　７１　４６０の§４．４に従って導入される。この塵は、テストされるべきフィルタを通って入る前後に粒子計数器で測定される。前記粒子計数器は、少なくとも０．５〜１５μの範囲の異なる粒径の粒子を測定する性能を有する。次に、この粒子範囲内の比率は、パーセントでの効率である。ＤＩＮ　７１　４６０，§１−４．４．２に従う全規定を考慮に入れた。テストされるべきフィルタは、サイズが同一であり、異なるサンプルに関して上述のような構造であることが特に重要である。
【００４５】
結果は、図１２から得ることができる。前記比較例と比べて実施例１、２および４を示す。０．１〜１０μの粒径のテスト範囲の場合、効率は約１０％ずつ増加することが分かる。
【００４６】
更に、参照実施例と比べて４つの全実施例について捕獲塵を測定した。この場合も、テスト規格ＤＩＮ　７１　４６０，ｐａｒｔ　１に従ってテストを行った。
【００４７】
前記捕獲塵の測定は、次の通り行われた。前記捕獲塵の測定に関連がある（特に§６．３）ＤＩＮ　７１　４６０，ｐａｒｔ　１の全規定を考慮に入れた。圧力低下がそれぞれ２５、５０、７５および１００Ｐａのレベルに増加されるまで前記測定を初期圧力低下から行った。前記テストの前後に前記フィルタを計量した。この特定の場合、前記実施例１〜４と前記比較例との間の比率を考慮に入れ、前記比較例に関する前記捕獲塵の百分率増加を測定した。また、計量の場合、ＤＩＮ　ＩＳＯ　５０１１を適用した。
【００４８】
結果は、表１に記載され、ニードル型比較例と比べて追加荷重を示す。異なる工程は、それぞれ２５、５０、７５および１００Ｐａの圧力低下の増加になっている。スクリム層を含まない実施例４で最も著しい改善が得られたことが分かる。
【００４９】
【表１】

【図面の簡単な説明】
【図１】振動ユニットと回転ドラムの形態の嵌合ツールとを含む超音波装置の部分概略図である。
【図２】図１に示すような前記回転ドラムの部分拡大図である。
【図３】回転ドラムの第２の実施形態の概略図である。
【図４】図３に示すような回転ドラムを含む超音波装置の前記第２の実施形態の拡大部分の概略図である。
【図５】図１および図２による回転ドラム構成を含む超音波装置の使用により得られる超音波接合された不織布エレクトレットフィルタ媒体の平面図である。
【図６】図３および図４による回転ドラム構成を含む超音波装置の使用により得られる超音波接合された不織布エレクトレットフィルタ媒体の平面図である。
【図７】図１による不織布エレクトレットフィルタ媒体の超音波接合用の機器の側面図である。
【図８】熱可塑性網と一緒の不織布エレクトレットフィルタ媒体の超音波接合用の第２の実施形態の側面図である。
【図９】熱可塑性網およびスクリムと一緒の不織布フィルタ媒体を超音波接合する第３の実施形態の側面図である。
【図１０】互いに隣接して配置された数台の超音波振動ユニットを含む図１による超音波装置による側面図である。
【図１１】ギャップ制御の１つの方法を示す図１０による前記超音波装置の１つの側面図を示す。
【図１２】ニードル打抜きフィルタ媒体と比較した本発明による不織布フィルタ媒体に関する塵粒径対効率の図を示す。

Claims

不織布フィルタウェブ全体にわたって分布した複数のスポットで互いに超音波接合された帯電フィブリル化繊維の不織布フィルタウェブを含むエレクトレット不織布フィルタ媒体であって、前記スポットに占められた全表面が前記不織布フィルタウェブの表面の５％未満であり、スポット／ｃｍ^２の個数が少なくとも２個である、エレクトレット不織布フィルタ媒体。
スポット／ｃｍ^２の個数が少なくとも８個である、請求項１に記載のエレクトレット不織布フィルタ媒体。
前記スポットに占められた全表面が前記不織布フィルタウェブの全表面の０．２％〜２％である、請求項１に記載のエレクトレット不織布フィルタ媒体。
前記スポットの各々のサイズが１０^−２ｃｍ^２以下である、請求項１に記載のエレクトレット不織布フィルタ媒体。
前記フィルタ媒体が、前記スポットで前記不織布フィルタウェブに超音波接合されたスクリム層を更に含む、請求項１に記載のエレクトレット不織布フィルタ媒体。
前記フィルタ媒体が、前記スポットで前記不織布フィルタウェブに超音波接合された網を更に含む、請求項１に記載のエレクトレット不織布フィルタ媒体。
前記フィルタ媒体が、前記スポットで前記不織布フィルタウェブに超音波接合された不織布メルトブローン繊維の層を更に含む、請求項１に記載のエレクトレット不織布フィルタ媒体。
各々３０ｃｍ以上の幅および長さを有する、請求項１に記載のエレクトレット不織布フィルタ媒体。
（ａ）高分子フィルムを帯電させる工程と、
（ｂ）帯電フィブリル化繊維を形成するように、こうして得られた帯電フィルムをフィブリル化する工程と、
（ｃ）帯電誘電フィブリル化繊維を不織布フィルタウェブに形成する工程と、
（ｄ）スポットに占められた全表面が前記不織布フィルタウェブの表面の５％未満であり、スポット／ｃｍ^２の個数が少なくとも２個であるように、前記不織布フィルタウェブ全体にわたって分布した複数のスポットで互いに前記誘電フィブリル化繊維を超音波接合することにより前記不織布フィルタウェブを圧密化する工程と、
を含む、エレクトレット不織布フィルタ媒体を製造する方法。
前記方法が、超音波溶接ステーションを通って前記不織布フィルタウェブを移送する工程を含み、前記超音波溶接ステーションが、前記不織布フィルタウェブを移送する方向に垂直な方向へ互いに隣接して配置された２台以上の超音波装置を含み、前記超音波装置の超音波振動ユニットと嵌合ツールとの間のギャップを通って前記不織布フィルタウェブを移送し、前記２台以上の超音波装置の各々における前記ギャップのサイズを互いに独立して制御する、請求項９に記載の方法。
前記嵌合ツールが、前記不織布フィルタウェブ上の前記スポットの所望のパターンを生成するようにパターン形成された表面を有する回転ドラムである、請求項１０に記載の方法。
前記不織布フィルタウェブをスクリム層の上に形成し、前記誘電フィブリル化繊維を前記スポットで互いに接合しながら前記不織布ウェブ層も前記スポットで前記スクリム層に接合する、請求項９に記載の方法。
網が、前記不織布フィルタウェブに接合された前記誘電フィブリル化繊維の超音波接合と同時に存在する、請求項９に記載の方法。