JP2005329354A

JP2005329354A - 不織布フィルター

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Publication number: JP2005329354A
Application number: JP2004151681A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Hironaka; 大介弘中; Hiroaki Yamamoto; 浩章山本
Original assignee: Asahi Kasei Fibers Corp
Current assignee: Asahi Kasei Corp
Priority date: 2004-05-21
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2005-12-02

Abstract

【課題】液体中の微粒子を除去する際に、単位時間当り高い除去性能を示す不織布フィルターを提供する。
【解決手段】比表面積の相異なる二つ以上の不織布フィルター要素を交互に配して１単位とし、これが繰り返し２単位以上に積層された不織布フィルターであって、繰り返し単位内における被処理液上流側の不織布フィルター要素Ｂ（２）と、それと隣り合う下流側の不織布フィルター要素Ａ（１）において、下流側の不織布フィルター要素Ａ（１）の比表面積が隣り合う上流側の不織布フィルター要素Ｂ（２）の比表面積の２．０倍以上の関係にあることを特徴とする不織布フィルター。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体中に含まれる微粒子を除去するための不織布フィルター、及び、それから構成される水処理フィルター及び血液成分除去フィルターに関する。

従来より、液体中に含まれる微粒子を除去する方法として、例えば、分割繊維やメルトブロー法で得られる極細繊維不織布から成るフィルターが用いられているが、除去性能を向上させると処理時間が増大し、逆に、処理時間を短縮しようとすると除去性能が低下するという相反する問題があった。

このような問題を解決するために、特許文献１、特許文献２には、上流側と下流側で異なる平均孔径を有するシートを２層以上積層させる手段が開示されている。しかしながら、これらは単一の密度勾配型であり、平均孔径の小さなシートが設置されている下流側での目詰まりが生じると、通液性が著しく悪化し、微粒子を高い効率で除去する際には、処理時間が増大するという問題があった。

一方、積層方法を工夫して、密度勾配に変化をつけることにより上記問題を解決する手段が、特許文献３に開示されている。しかし、特許文献３に特定されている積層フィルター要素の平均繊維直径の組合せでは、除去性能の向上と処理時間の短縮を十分に満足させることはできなかった。

特開平５−４９８２５号特開２０００−２１８１１３号特開２００２−２０４９１０号

本発明は、微粒子を除去する際に、単位時間当り高い除去性能を示す不織布フィルターを提供することを目的とするものである。

本発明は下記の通りである。
１．比表面積の相異なる二つ以上の不織布フィルター要素を交互に配して１単位とし、これが繰り返し２単位以上に積層された不織布フィルターであって、繰り返し単位内における被処理液上流側の不織布フィルター要素（Ｂ）と、それと隣り合う下流側の不織布フィルター要素（Ａ）において、下流側の不織布フィルター要素（Ａ）の比表面積が隣り合う上流側の不織布フィルター要素（Ｂ）の比表面積の２．０倍以上の関係にあることを特徴とする不織布フィルター。

２．比表面積の相異なる三つ以上の不織布フィルター要素を交互に配して１単位とすることを特徴とする上記１に記載の不織布フィルター。
３．被処理液最上流側の不織布フィルター要素の比表面積が０．４〜１．２ｍ^２／ｇであることを特徴とする上記１または２記載の不織布フィルター。

４．平均粒子径が２．６μｍのポリスチレン粒子の単位時間あたりの除去性能が、１．４０×１０^−３（―ｌｏｇ／ｓｅｃ）以上であることを特徴とする上記１〜３のいずれかに記載の不織布フィルター。
５．上記１〜４のいずれかに記載の不織布フィルターから構成される水処理フィルター又は血液成分除去フィルター。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明でいう不織布フィルターは、比表面積が特定の比である不織布フィルター要素が、複数層積層されたものであり、被処理液上流側から不織布フィルター要素（Ｂ）、（Ａ）を１単位とし、これが繰り返し２単位以上交互に積層されていることを特徴とする。
本発明の不織布フィルターを構成する不織布フィルター要素においては、互いに隣り合う不織布フィルター要素の比表面積が２．０倍以上であれば特に限定されるものではない。

不織布フィルター要素（Ａ）の比表面積は、好ましくは１．３〜３．０ｍ^２／ｇ、より好ましくは１．５〜２．５ｍ^２／ｇである。また、不織布フィルター要素（Ｂ）の比表面積は、好ましくは０．４〜１．２ｍ^２／ｇ、より好ましくは０．５〜１．２ｍ^２／ｇである。

不織布フィルター要素（Ａ）の比表面積が１．３ｍ^２／ｇ未満である場合、或いはフィルター要素（Ｂ）の比表面積が０．４ｍ^２／ｇ未満である場合は、粒子との接触面積が低下するため除去性能が劣る傾向がある。また、不織布フィルター要素（Ａ）の比表面積が３．０ｍ^２／ｇを超える場合、或いは不織布フィルター要素（Ｂ）の比表面積が１．２ｍ^２／ｇを超える場合では、捕集粒子により目詰まりが生じてしまい、処理時間が長くなり、単位時間あたりの除去性能が低下する傾向がある。

通常、不織布の繊維空隙特性がフィルター性能において重要であり、その性能を示す特性としては、従来、不織布を構成する繊維の平均繊維径を用いて表現されることが多い。しかしながら、メルトブロー不織布やフラッシュ不織布の様な極細繊維不織布の場合、不織布を構成する繊維において、繊維径に分布を有する場合が多く、この場合、平均繊維径では、不織布の繊維空隙特性を充分に表現することはできない。
そのため、本発明者らは鋭意検討した結果、不織布の繊維空隙特性の指標として、平均繊維径よりも、不織布の比表面積の方が簡便、且つ、的確に表されることを見出した。

従って、極細繊維を用いた不織布において、その繊維空隙特性と関係の深い微粒子除去フィルター性能を評価する場合、平均繊維径よりも比表面積を指標とする方が適切であるといえる。さらに、測定方法を考えると、比表面積の測定に用いるサンプル量は、平均繊維径のそれに比べてはるかに多く必要になり、不織布全体の特性を的確に評価でき、測定誤差も小さく、簡便で精度の高い評価が得られる。

本発明を、図面により具体的に説明する。
図１は、本発明の一態様を模式的に示したものであり、被処理液の上流側から不織布フィルター要素（Ｂ）、不織布フィルター要素（Ａ）の順に配したものを１単位とし、これを２単位積層してなる不織布フィルターである。

図１において、タテ方向の実線の矢印は正常な流れを示し、タテ方向の点線の矢印は遅い流れを示す。ヨコ方向の矢印は、通液方向に対して垂直方向への流れ（以下、クロスフローという）を示すものであり、被処理液の上流側の第一層の不織布フィルター要素（Ｂ）と中間の第三層の不織布フィルター要素（Ｂ）で、クロスフローにより被処理液の分配が行なわれる。

本発明において、下流側の不織布フィルター要素（Ａ）の比表面積が隣り合う上流側の不織布フィルター要素（Ｂ）の比表面積の２．０倍以上であると、図１に示すように、上流側の比表面積の小さい不織布フィルター要素（Ｂ）においては、通液方向（タテ方向の矢印）だけでなく、クロスフローも生じ易くなるという特異的な流れ現象を生じる。

このクロスフロー現象により、通液方向（タテ方向）のみではなく、ヨコ方向に対しても、液の流れが生じるので、通液が、不織布フィルター層の全方向域に分配されることになる。この現象は、繰り返し単位内だけではなく、単位間でも生じるものである。図１では、クロスフロー（ヨコ方法の矢印の液の流れ）は、第一層と第三層で生じており、この結果、被処理液の分配能が高くなり、各不織布フィルター要素の濾過有効面積が増加するため、除去性能が向上し、且つ、目詰まりが起こり難く、ろ過速度が向上するものと考えられる。

図２及び図３は従来の不織布フィルターの例であり、ヨコ方向へのクロスフロー現象が少なく、被処理液はタテ方向へ主体的に流れ、本発明のような濾過有効面積の増加は期待できないといえる。なお、図２及び図３において、タテ方向の実線の矢印は正常な流れを示し、タテ方向の点線の矢印は遅い流れを示す。

本発明では、繰り返して配置される１単位内での不織布フィルター要素の構成は、二つ以上の要素から構成されており、例えば、上流側から（Ｂ）＋（Ａ）や、（Ｂ）＋（Ａ）＋（Ｃ）や、（Ｂ）＋（Ａ）＋（Ｃ）＋（Ｄ）の構成でも良い。このような場合、比表面積の関係は、（Ａ）は（Ｂ）の２．０倍以上、（Ｃ）は（Ａ）の２．０倍以上、（Ｄ）は（Ｃ）の２．０倍以上であることが好ましい。通常、比表面積の範囲を考慮すると、二つから四つの要素による構成が好ましい。

なお、捕集対象である微粒子の他に被処理液中に不純物がある場合は、その不純物の大きさに応じたプレフィルターを設置することが好ましい。

本発明の優れた除去性能効果は、次のような作用に基づいているものと推定される。
除去性能を左右する因子は、不織布フィルター要素の比表面積であり、互いに大きく異なる比表面積を有する数種の不織布を隣り合わせに組み合わせることが重要である。単に、除去性能を向上させるだけなら不織布フィルター要素の比表面積を増大するだけでよいが、しかし、単に比表面積を増大させるだけでは、除去性能の向上と共に処理時間も長くなり、単位時間当りの除去性能が向上したとは言えない。

本発明者等は、鋭意研究の結果、互いに重なり合う比表面積のギャップが大きな不織布フィルター要素を交互に積層させることによって、不織布フィルターの単位時間当りの除去性能が大きく向上することを見出した。

本発明において、不織布フィルター要素に用いられる不織布の目付は、特に限定されるものではないが、各不織布フィルター要素の特徴を効果的に発揮させるために、５〜２００ｇ／ｍ^２であることが好ましく、より好ましくは１０〜１００ｇ／ｍ^２であり、更に好ましくは２０〜８０ｇ／ｍ^２である。

目付が５ｇ／ｍ^２より小さいと、不織布フィルター要素（Ｂ）においてクロスフローが生じ難くなり、また、不織布フィルター要素（Ａ）での除去性能が劣る場合がある。また、目付が２００ｇ／ｍ^２より大きいと、不織布フィルター要素（Ａ）での目詰まりが生じ易くなり、本発明の積層構造であっても処理時間は増加する場合がある。

次に、不織布フィルター要素の製造方法について説明する。
不織布フィルター要素の具体例としては、メルトブロー不織布、フラッシュ不織布、スパンボンド不織布、スパンレース不織布、湿式不織布、乾式不織布、或いはニードルパンチ不織布などを挙げることができるが、これら製造方法に限定されるものではない。また、繊維素材としては、例えば、ポリエステル、ポリアミド、芳香族ポリアミド、ポリオレフィン、ポリメチルメタアクリレート、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニル、ポリ乳酸等の合成繊維や、セルロース、セルロースアセテート等の再生繊維などがあるが、これらの繊維素材に限定されるものではない。また、上記に例示した製造方法、繊維素材を二種類以上組み合わせることも可能である。

不織布フィルターの形成方法としては、例えば、不織布フィルター要素（Ｂ）を作製した後、該不織布フィルター要素（Ｂ）の上に直接不織布フィルター要素（Ａ）を吹き付けて、それを積層させフィルターを形成する方法、あるいは、不織布フィルター要素（Ａ）、（Ｂ）を別々に作製した後、フィルター組立て時に、本発明で規定する積層構造となるように積層することによって、不織布フィルターを形成する方法等が挙げられるが、これらの形成方法に限定されるものではない。

本発明の不織布フィルターは、微粒子を含む被処理液を濾過する場合、従来のフィルターに比べて、単位時間当り高い除去性能を示すという優れた効果を発揮する。

以下、実施例を挙げて本発明をさらに説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。なお、本発明で用いた物性値の測定方法は下記の通りである。

（１）比表面積（ｍ^２／ｇ）
自動比表面積測定装置（ジェミニ２３６０：島津製作所製）を用い、ＢＥＴ多点法により測定した。吸着ガスとしては、純度９９．９９％の窒素ガスを用いた。

（２）目付（ｇ／ｍ^２）
不織布の長手方向をタテ方向として、タテ２０ｃｍ、ヨコ５ｃｍの矩形シートを全幅で切り出して、精密天秤で秤量した。測定値を算術平均することにより、１ｍ^２当りの質量に換算して目付とした。

（３）除去性能（−ｌｏｇ）
特開平１１−７６３９６号公報に開示されている方法に準じて測定を行った。
市販の蒸留水２．５リットルにクエン酸（健栄製薬製）３３．８ｇ、燐酸水素２ナトリウム（和光純薬製）５１．０ｇ、ポリビニルピロリドン（和光純薬製）６２．５ｇを加え、撹拌して分散媒を作製した。該分散媒のｐＨをｐＨメーター（Ｆ−２２型：堀場製作所製）で測定したところｐＨ３．９であった。また、該分散媒の粘度を粘度計（ＴＶ−２０型：トキメック社製）にて測定したところ８．９ｍＰａ・ｓであった。

該分散媒に、捕集対象物である微粒子として、予め黄色の蛍光色素（Ｃｏｕｍａｒｉｎ系）で染色されている平均粒子径２．６μｍのポリスチレン粒子（ＹｅｌｌｏｗＦｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔＰＳＭｉｃｒｏｓｐｈｅｒｅ：ＭＡＧ社製）を分散させ、濾過試験に用いる被処理液を調整した。

所定の組合せの不織布フィルター要素を、直径２５．５ｍｍφの塩化ビニルフォルダーにセットして不織布フィルターを組立て、該被処理液を用いて濾過試験を行った。微粒子の供給側／透過側溶液の蛍光強度を分光蛍光光度計（ＲＦ−５３００ＰＣ型、島津製作所製）を用いて測定し、その蛍光強度を供給側／透過側溶液濃度の代替とした。除去性能については、それら蛍光強度より下記式に従って求めた。

除去性能＝−ｌｏｇ［（透過側蛍光強度）／（供給側蛍光強度）］
さらに、上記式で求めた除去性能を、処理時間（被処理液が通液完了するまでの時間）で除した値を、単位時間当りの除去性能とした。

（４）平均繊維径（μｍ）
不織布フィルター要素を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察し、その中から繊維１００本をランダムに選択してその直径を測定し、それらの平均値を平均繊維径とした。

［実施例１］
ポリエチレンテレフタレート製メルトブロー不織布の製法により、不織布要素を作製した。不織布フィルター要素（Ａ）は、比表面積２．３ｍ^２／ｇ（平均繊維径０．７μｍ）で目付２０ｇ／ｍ^２であった。不織布フィルター要素（Ｂ）は、比表面積０．８ｍ^２／ｇ（平均繊維径２．４μｍ）で目付２０ｇ／ｍ^２であった。

被処理液上流側から、不織布フィルター要素（Ｂ）、（Ａ）の順番で各４枚の不織布フィルター要素を交互に積層させて不織布フィルターを組立て、上記被処理液３０ｍＬを用いて濾過試験を行った。除去性能は０．７２３、処理時間は４２９秒であった。得られた結果を表１に示す。

［比較例１］
被処理液上流側から不織布フィルター要素（Ｂ）を４枚積層し、不織布フィルター要素（Ａ）４枚を積層して、単一密度勾配となるように積層させて不織布フィルターを組立てた以外は、実施例１と同様にして、不織布フィルターを組立て、濾過試験を行った。
除去性能は０．７１７、処理時間は５４８秒であった。得られた結果を表１に示す。不織布フィルター要素は実施例１と全く同じであるが、実施例１よりも単位時間当りの除去性能が２９％も劣るものであった。

［実施例２］
不織布フィルター要素（Ａ）として比表面積２．３ｍ^２／ｇ（平均繊維径０．７μｍ）で目付２０ｇ／ｍ^２、不織布フィルター要素（Ｂ）として比表面積０．５ｍ^２／ｇ（平均繊維径４．０μｍ）で目付２０ｇ／ｍ^２のポリエチレンテレフタレート製メルトブロー不織布を作製した。
被処理液上流側から、不織布フィルター要素（Ｂ）、（Ａ）の順番で各６枚の不織布を交互に積層させてフィルターを組立て、上記被処理液３０ｍＬを用いて濾過試験を行った。除去性能は１．５２２、処理時間は８５３秒であった。得られた結果を表１に示す。

［比較例２］
不織布フィルター要素（Ａ）として比表面積１．９ｍ^２／ｇ（平均繊維径１．０μｍ）で目付２０ｇ／ｍ^２、不織布フィルター要素（Ｂ）として比表面積１．１ｍ^２／ｇ（平均繊維径１．８μｍ）で目付２０ｇ／ｍ^２のポリエチレンテレフタレート製メルトブロー不織布を用いた以外は、実施例２と同様にして濾過試験を行った。
除去性能は０．９５４、処理時間は７８２秒であった。得られた結果を表１に示す。実施例２より平均比表面積がやや大きいにもかかわらず、実施例２よりも単位時間当りの除去性能が４６％も劣るものであった。

［実施例３］
不織布フィルター要素（Ａ）として比表面積２．３ｍ^２／ｇ（平均繊維径０．７μｍ）で目付２０ｇ／ｍ^２、不織布フィルター要素（Ｂ）として比表面積１．１ｍ^２／ｇ（平均繊維径１．８μｍ）で目付２０ｇ／ｍ^２のポリエチレンテレフタレート製メルトブロー不織布を用いた以外は、実施例２と同様にして濾過試験を行った。除去性能は１．４７９、処理時間は９２３秒であった。得られた結果を表１に示す。

［比較例３］
不織布フィルター要素（Ａ）として比表面積１．９ｍ^２／ｇ（平均繊維径１．０μｍ）で目付２０ｇ／ｍ^２、不織布フィルター要素（Ｂ）として比表面積１．５ｍ^２／ｇ（平均繊維径１．２μｍ）で目付２０ｇ／ｍ^２のポリエチレンテレフタレート製メルトブロー不織布を用いた以外は、実施例２と同様にして濾過試験を行った。
除去性能は１．１０１、処理時間は７９６秒であった。得られた結果を表１に示す。実施例３と平均比表面積がほぼ同じであるにもかかわらず、実施例３よりも単位時間当りの除去性能が１６％も劣るものであった。

［実施例４］
不織布フィルター要素（Ａ）として比表面積２．３ｍ^２／ｇ（平均繊維径０．７μｍ）で目付２０ｇ／ｍ^２、不織布フィルター要素（Ｂ）として比表面積０．５ｍ^２／ｇ（平均繊維径４．０μｍ）で目付２０ｇ／ｍ^２、不織布フィルター要素（Ｃ_１）として比表面積１．１ｍ^２／ｇ（平均繊維径１．８μｍ）で目付２０ｇ／ｍ^２のポリエチレンテレフタレート製メルトブロー不織布を作製した。これらを、被処理液上流側から不織布フィルター要素（Ｂ）、（Ｃ_１）、（Ａ）の順番で各４枚の不織布を繰り返し積層させてフィルターを組立て、上記被処理液３０ｍＬを用いて濾過試験を行った。除去性能は１．０１０、処理時間は６９９秒であった。得られた結果を表１に示す。

［比較例４］
不織布フィルター要素（Ａ）として比表面積１．９ｍ^２／ｇ（平均繊維径１．０μｍ）で目付２０ｇ／ｍ^２、不織布フィルター要素（Ｂ）として比表面積０．８ｍ^２／ｇ（平均繊維径２．４μｍ）で目付２０ｇ／ｍ^２、不織布フィルター要素（Ｃ_１）として比表面積１．１ｍ^２／ｇ（平均繊維径１．８μｍ）で目付２０ｇ／ｍ^２のポリエチレンテレフタレート製メルトブロー不織布を用いた以外は、実施例４と同様に濾過試験を行った。
除去性能は０．７７９、処理時間は６５９秒であった。得られた結果を表１に示す。実施例４と平均比表面積がほぼ同じであるにもかかわらず、実施例４よりも単位時間当りの除去性能が１７％も劣るものであった。

本発明の不織布フィルターは、液体中に含まれる微粒子を除去するためのフィルターとして有用であって、水処理フィルター、血液成分除去フィルターなどの広い分野で好適に利用できる。

本発明の不織布フィルターの一例を、被処理液の流れの方向との関係にて模式的に示す図である。従来の不織布フィルター（単一勾配積層）の例を、被処理液の流れの方向との関係にて模式的に示す図である。従来の不織布フィルター（不織布フィルター要素の比表面積比が小さな交互積層）の例を、被処理液の流れの方向との関係にて模式的に示す図である。

符号の説明

１…不織布フィルター要素（Ａ）
２…不織布フィルター要素（Ｂ）

Claims

比表面積の相異なる二つ以上の不織布フィルター要素を交互に配して１単位とし、これが繰り返し２単位以上に積層された不織布フィルターであって、繰り返し単位内における被処理液上流側の不織布フィルター要素（Ｂ）と、それと隣り合う下流側の不織布フィルター要素（Ａ）において、下流側の不織布フィルター要素（Ａ）の比表面積が隣り合う上流側の不織布フィルター要素（Ｂ）の比表面積の２．０倍以上の関係にあることを特徴とする不織布フィルター。
比表面積の相異なる三つ以上の不織布フィルター要素を交互に配して１単位とすることを特徴とする請求項１に記載の不織布フィルター。
被処理液最上流側の不織布フィルター要素の比表面積が０．４〜１．２ｍ^２／ｇであることを特徴とする請求項１または２記載の不織布フィルター。
平均粒子径が２．６μｍのポリスチレン粒子の単位時間あたりの除去性能が、１．４０×１０^−３（―ｌｏｇ／ｓｅｃ）以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の不織布フィルター。
請求項１〜４のいずれかに記載の不織布フィルターから構成される水処理フィルター又は血液成分除去フィルター。