JP2006526503A - 一定のレオロジー特性を有するポリオレフィンを用いるフィルタ・エレメントの製造方法 - Google Patents

Abstract

本開示は、フィルタ・エレメント、さらに具体的には、特定のレオロジーを特徴とする改良されたポリオレフィン・ポリマー、好適にはポリプロピレンから製造されたフィルタ・エレメントに関する。最も具体的には、本開示は、特に他の特性及び／又は特徴の中で、特定の分子量と分子量分布を有するポリプロピレン、及び／又は特に他の特性及び／又は特徴の中で、粘度、分子量及び分子量分布が調整されたポリプロピレン、及び深層フィルタ・エレメントにおけるその使用に関する。本開示は、さらに、改良ポリオレフィン・ポリマー、例えばポリプロピレンを製造するためのプロセス及び／又はシステムと、有効なフィルタ・エレメントの製造における使用とに関する。

Description

関連出願
この出願は、マーク・シメル（Mark Schimmel）の２００３年６月５日出願の、「フィルタ・エレメントの製造における管理されたレオロジー」と題する米国特許仮出願第６０／４７６，２５４号の一部継続出願であり、この出願の開示事項が、本開示と矛盾しない程度に参照により本明細書に取込んである。

開示の背景
本開示は、フィルタ・エレメントに関し、さらに具体的には、特定のレオロジーにより特徴付けられる、改良ポリオレフィン・ポリマー、好適にはポリプロピレンから製造されるフィルタ・エレメントに関する。最も具体的には、本開示は、他の特性及び／又は特徴の中で特定の分子量と分子量分布を有するポリプロピレン、及び／又は、他の特性及び／又は特徴の中で粘度、分子量及び分子量分布が調整されたポリプロピレン、及び深層フィルタ・エレメントの製造へのポリプロピレンの使用に関する。本開示は、さらに、改良ポリオレフィン・ポリマー、例えばポリプロピレンを製造する方法及び／又はシステム、及び有利なフィルタ・エレメントの製造へのそれらの使用に関する。

流体円筒形深層フィルタが、用途で意にかなったろ過性能を提供するために、フィルタは、フィルタの使用寿命に渡って定常的粒子除去効率を提供し、差圧が供給の間に増加するに従い既に捕捉した汚染物を取除くまたは迂回することなく、低い初期差圧を提供し、長い有用な供給寿命を提供し、処理流体に露出されたとき低い抽出物を示さなくてはならない。極めて重要なことは、また、製造されるフィルタのロット間の一致を提供する、信頼可能な製造方法を有することである。

上述の好適なフィルタ性能特性が典型的に得られる、円筒形深層フィルタ・カートリッジに関する一定の特定の物理的特性が存在する。長い使用期間に渡って変形しないように十分に硬質の繊維構造体を有する円筒形深層フィルタ・カートリッジは、典型的に、フィルタの有用寿命に渡って定常的粒子除去効率を提供し、差圧が供給の間に増加するに従い、既に捕捉した汚染物を開放せず又は迂回させない。高い空隙容積及び／又は大きな表面積を有する円筒形深層フィルタ・カートリッジは、典型的に、低い初期差圧と長い供給寿命を与える。ポリオレフィンは、大部分の処理流体に低い抽出物を与えることが知られている。

ポリプロピレンを用いるフィルタ・エレメントの製造が、広く知られる。上述の好適な物理特性の全てを所有する深層フィルタ・カートリッジを製造する多くの試みがなされてきたが、典型的に、これらの試みは、１つ以上の領域で達成されていない。従って、これらの試みは、所望のフィルタ性能特性の全ては達成していない。例えば、硬質の円筒形ポリプロピレン深層フィルタ・カートリッジを製造すると、また、密度が高くなった低空隙容積の繊維構造体をつくることが多くなり、定常的粒子除去効率及び低い差圧及び／又は長いフィルタ寿命の間で相殺される結果になる。別の具体例では、高空隙容積の円筒形ポリプロピレン深層フィルタ・カートリッジをつくると、圧縮性の繊維基材構造体が与えられることが多く、この構造体は、低差圧下でさえフィルタが崩壊しないように維持するために、別に成形された又は金属のセンタ支持コアを必要とする。得られるフィルタは、低差圧と長供給寿命を提供するが、有用な寿命に渡る定常粒子除去効率、及び／又は差圧が増加するにしたって既に補足された汚染物を開放する又は迂回させる傾向が、相殺される。

既知の課題を克服するための試みが成されてきた。例えば、溝付きフィルタが、利用できるフィルタ表面積を増加するための試みで開発された。しかしながら、ポリプロピレンから製造された従来からの円筒形深層フィルタは、大きな外表面積を提供するための試みでは機械でつくられるとき、溶融し、部分的に溶融し、引裂け、切れ切れに裂け、崩壊し及び／又はまくれが生じる傾向を有する。この機械加工により、乏しい美しさ及び／又は意にかなわない短寿命の結果になることが多い。ダイナジェット社（DynaJet Co., Korea）及びヒドロフィルタ社（Hidrofilter, Brazil）で製造されるものを含むいくつかの既知に市販製品は、溝を備えるプロピレン深層フィルタであるが、これらの製品は、非常に重く、濃密で且つ低空隙容積を有し、もっと重要なことには、部分的に溶融した表面を有するようであり、明らかに短有用寿命である。目下既知の先行技術利用の溝付きフィルタは、許容できないほどの短い寿命を示す故に、完全には満足されていない。

上述の欠点に向けるために機械加工又は溝付けを利用しない円筒形深層フィルタを製造する別の試みが成されてきた。提案された１つの技法は、中心に向かって漸進的に高い多孔度／密度と共にフィルタの外表面で低い多孔度／密度を有する、次第に変化する構造体をつくることである。そのような構造体では、汚染物が、フィルタのマトリクスに入り、これにより深層フィルタの繊維性孔構造体のより多くを利用する。しかしながら、この次第に変化する孔／密度技法の有効性は、フィルタ層の孔径分布と汚染物の粒子径分布とに大きく左右される。一部の用途では、汚染物は、フィルタの全深さに浸透して使用することがあり、しかしながら、他の用途では、汚染物が、丁度１つの層の孔を塞いで非常に短いフィルタ寿命をもたらすことがある。それ故、この特定の種類の深層フィルタ構造体は、全ての用途に最適であるとは信じられない。

米国特許第３，８０１，４００号明細書は、変化する密度を有する深層フィルタ・カートリッジを開示し、米国特許第５，４０９，６４２号明細書は、しだいに変化する多孔度を持って製造することができるカートリッジを開示している。

米国特許第５，５９１，３３５号明細書は、完全に互いに一緒に配置される不織布メルトブロー支持体とろ過繊維の塊から形成されるろ材を開示している。支持体の繊維は、平均的に、完全に一緒に配置されるろ過繊維に比較して、相対的に大きな寸法を有する。ろ材は、ろ過エレメント、例えばろ材で取囲まれている軸方向の細長い中央中空通路を有する使い捨て可能な円筒形フィルタ・カートリッジの少なくとも１つの環状ゾーン内に配置される。この特許明細書に従えば、深層フィルタ・カートリッジは、相互に環状の関係で１つ以上の付加ろ過ゾーン（付加ろ過ゾーンが、完全に一緒に配置される支持体繊維をそれぞれに与えられることがあり、又は与えられることがない。）を持って形成される。大径繊維の細かい繊維との配合により、また、次第に変化する繊維／多孔度構造体がつくられるが、依然として、支持用コアを必要とする。

米国特許第５，３４０，４７９号明細書は、第１直径を有する支持フィラメントから形成される中央支持ゾーンと、直径が異なる又はフィラメントが異なる物質から構成される第２直径のフィラメントを有するろ過フィラメントから形成されるフィルタ・ゾーンとを備え、複数の実質的に連続し撚り合わされたフィラメントから形成される深層フィルタ・カートリッジを開示する。深層フィルタは、コアレスの不織布深層フィルタ・エレメントであり、次第に変化する繊維エレメントである。フィラメントは、フィルタ構造体の残部を支持するために十分に強い構造体中に熱的に結合するために十分に大きい直径を持つフィルタの中央領域で支持体フィラメントを含む。前述の次第に変化する多孔度設計の反対のものであるろ材ゾーンの領域量を増加するために今回繊維を外表面に配置することと、繊維性コアを形成するために粗く結合した繊維を内側に配置することとにより、前述のことが、達成される。深層フィルタの外側に位置するろ材ゾーンを設置することは、深層フィルタの内側にろ過材ゾーンを設置することに比較して、有効面積を増加するけれども、円筒形深層フィルタの外側表面積が依然として相対的に低いので、フィルタは、依然として短いフィルタ寿命を示すようである。

別の試みは、別の方法では使用されなかったであろう又は使用されたであろう内部ろ材層が使用されるように、１つの層を貫通して次の層へ妨害されずに汚染物の一部を通過させる、巻きカートリッジを製造することである。しかしながら、巻き深層フィルタは、一般的に多くの材料と構成要素を必要とし、カートリッジ・アセンブリの複雑性とこの経費が追加される。米国特許第６，３９１，２００号明細書は、ろ材と拡散材の交互層を備えるフィルタを開示する。交互層が、フィルタ・エレメントの半径方向に最も内側の層からフィルタ・エレメントの半径方向に最も外側の層に延在し、拡散材が、メッシュ材料の連続する長いシートにより画定され、且つ、ろ材が、メッシュ材料の連続シートの長さに沿って配置されるろ過材料の少なくとも１枚のシートにより画定される。ろ材と拡散材の交互層は、円筒形コアを取囲み３つの別個の半径方向に配置される層状ろ過セクションを画定し、半径方向に外側の事前クオリファイ層を有する第１ろ過セクションと、中間の事前クオリファイ層を有する第２ろ過セクションと、半径方向に内側にクオリファイ層を有する第３ろ過セクションとを備える。半径方向に外側の事前クオリファイ層と中間の事前クオリファイ層が、フィルタ・エレメントの半径方向に最も外側の層からフィルタ・エレメントの半径方向に最も内側の層までの半径方向間隔の約三分の二を画定する。半径方向外側の事前クオリファイ層内のろ過材料は、中間の事前クオリファイ層の少数の開口及び開口なしの内部クオリファイ層と共に、半径方向に延びるバイパス開口を形成する多くの孔を備える。通路開口により形成される孔により、ろ材の至るところの改良された流体分布、低い圧力低下、及び長い供給寿命が提供される。しかしながら、かなり複雑な設計により、別の既知のメルトブロー法を用いて製造されたフィルタに比較して、フィルタの製造が、高価になる。

ポリプロピレン材料からつくられる意にかなった円筒形深層フィルタを製造するためには、改質ポリプロピレンを使用する必要がある。改質ポリプロピレンは、フィルタが品質低下なしに機械加工されるように、狭い分子量分布、低い分子量及び／又は高いメルト・フロー・インデックスを有する。

典型的には、チグラー−ナッタ触媒を用いて製造したポリプロピレンは、高い分子量と幅広い分子量分布を有する。このことは、効率の良い加工を制約すると共に特に本明細書で意図する用途には製品品質を悪化する、低いメルト・フロー・インデックス（「ＭＦＩ」）を伴う高い溶融粘度として明らかになる。

所望のＭＦＩを有するポリマー材料は（低い平均分子量と狭い分子量分布の結果として）、そのような合成法が最適化できると共に工業的に可能である場合は、理論的には、合成により直接的に得られる。現実には、分子量と分子量分布は、特にチグラー−ナッタ・タイプの触媒を採用の場合、従来からのプロピレン重合では管理が困難なパラメーターである。チグラー−ナッタ・タイプの触媒の代替としてプロピレン重合におけるメタロセン触媒の使用が、提案され、ポリプロピレンの合成により有利なルートであることを示す。しかしながら、重合の間のそのようなパラメーターの管理は、鎖停止剤又は転移剤の使用を必要とし、得られた結果は、重合条件に強く影響される。

所望の特性を有する市販の商業的材料が全く存在しないときに、合成後処理の実施により、これらの課題を克服する試みを行った。１つのそのような試みは、異なる分子量及び／又は分子量分布の樹脂を配合することによる。樹脂配合に伴う困難は、しかしながら、配合組成と非均一分子量分布の再現性であった。

ポリマー、例えばポリプロピレンの狭い分子量を得ること及び／又はメルト・フロー・インデックスを高くすることに向けられる既知の合成後処理方法は、ポリマー／ポリプロピレンのレオロジーを「改質すること」又は「管理すること」、即ち、ポリプロピレンを所望の用途に適するようにするためにレオロジーを変えることとして知られる。粘度低減は、また、「ビスクブレーキング（viscbreaking）」として記述される。

ポリプロピレンを種々の最終用途に適するようにするべくポリプロピレンを改質することは、既に提案されている。これらの最終用途には、しかしながら、遭遇する種々の処理要求を達成するために、異なる分子量及び／又は分子量分布のプロピレン・ポリマーを必要とする。

重合反応に過度の制約を課するよりもむしろプロピレン・ポリマーを所望の分子量範囲に化学的分解することが、より目的にかなうことが判明した。代表的には、ポリマーは、熱化学的分解の影響を受ける押し出し加工操作に付される。しかしながら、この方法で最終的な分子量又は分子量分布に渡って管理を達成することは、困難であった。押出し加工の間に空気又は別の酸素含有気体をプロピレン樹脂と混合することによって管理可能にプロピレン・ポリマーを化学的分解する更なる試みが、行われた。押出し機背圧スクリュー速度、温度及び酸素添加速度を監視し規制して、得られる分子量及び分子量分布の管理を達成するために、かなり複雑な技法が開発された。さらに、これらの技法は、多くの用途に要求される高溶融流量を達成するために高溶融温度の使用を必要とする。高溶融温度により、得られる製品に望ましくない着色が起きることが多い。このうえ、過酸化物のような酸素源が使用される場合、有効で十分な化学的分解に要する過酸化物濃度により、最終製品に臭気問題が発生し、作業員に不快なことがある製造ライン回りに好ましくない環境が生じる。

ポリプロピレンの粘度低減のための別の方法は、有機過酸素化合物（「peroxygen」）の存在下約１８０−２６０℃での押出し加工である。この目的に商業的に使用される典型的有機過酸素化合物は、アトフィナ・ケミカル社（Atofina Chemicals, Inc.）から「ルペロックス（Luperox）（登録商標）１０１」として市販される２，５−ジメチル−２，５−ジ（ｔ−ブチルパーオキシ）ヘキサンである。この過酸素化合物は、９１．０−９３．０％の間の純度、８℃の融点及び１０．０３−１０．２５％の活性酸素含量を有する液体である。あるいは、この過酸素化合物は、充填剤として炭酸カルシウム（ルペロックス（登録商標）１０１ＸＬ４５、純度４５．０−４８．０％、活性酸素含量４．９６−５．２９％）又は充填剤としてポリプロピレン（ルペロックス（登録商標）１０１ＰＰ２０、純度１９．０−２１．０％、活性酸素含量２．０９−２．３１％）を有する固態で目下商業的に入手できる。同じ化学会社系列からの別の有機過酸素化合物が、粘度低減処理に使用されることがある。

遊離基の機構は、過酸素化合物の適用によるポリプロピレンの化学的分解を説明すると信じられている。即ち、初めに、過酸素化合物が化学的分解して遊離基が生成する、次に、これらの遊離基が、ポリオレフィン主鎖の第３炭素から水素を引き抜きポリマー上に遊離基を形成する。これによって、形成された遊離基の鎖開裂が生じる。このプロセスは、ポリマー遊離基の再配列により停止することができる。

開示の概要
この開示の目的は、約３５−約３５０のメルト・フロー・インデックス、約１４０，０００−約１８０，０００の分子量（Ｍ_P）を示すと共に５未満のポリディスパーシティを有するポリプロピレン・ポリマーからつくられるフィルタ・エレメントを提供することである。

この開示の別の目的は、その粘度と分子量分布が、有利な特性を有するフィルタ・エレメントの製造における使用に特に適するポリプロピレンが得られるように調整された、ポリプロピレン・ポリマーを製造することである。

この開示のさらに別の目的は、フィルタ・エレメントの製造における使用に、より意にかなうポリプロピレンを製造するために所望の粘度と分子量分布を有するポリプロピレンを再現可能で予測可能で且つ管理可能な方法で製造することである。

この開示のさらなる目的は、ポリプロピレンからフィルタ・エレメントを製造することである。

この開示の別の目的は、粘度と分子量分布の点で調整されたポリプロピレンから、さらに具体的には、レオロジーの変更（例えば、ポリプロピレンの粘度低減）に基づく低いポリマー分子量と狭い分子量分布を有するポリプロピレンからフィルタ・エレメントを製造することである。

本開示の更なる目的は、製造操業の間に所望のポリマー変更を有効に行うことによってのみ実現されると目下信じられている経済的な有利性を提供することである。

本開示の１つの局面は、約３５−約３８０のメルト・フロー・インデックス、約１１０，０００−約１８０，０００の分子量（Ｍ_P）、５未満のポリディスパーシティを示すポリプロピレン・ポリマーと約７０％を超える空隙容積とを含むフィルタ・エレメントを含む。

本開示の別の局面は、溶融形態で押出し加工するに先立ち、得られた樹脂が約３５−約３８０のメルト・フロー・インデックス、約１１０，０００−約１８０，０００の分子量（Ｍ_P）、及び、５未満のポリディスパーシティを示すように、ポリプロピレン樹脂を化学的分解するために、ポリプロピレン樹脂を管理された化学的分解に付す工程と、約７０％の空隙容積を有するフィルタ・エレメントを形成するために得られた樹脂を押出し加工する工程と、を含むポリプロピレンからメルトブローされたフィルタ・エレメントを製造する方法を含む。

本開示のなお別の目的は、そのポリプロピレン・ポリマーからつくられたフィルタ・エレメントが約７０％の空隙容積を有するように管理された化学的分解により製造された、約３５−約３８０のメルト・フロー・インデックス、約２０−約４０Ｐ・ｓ（約２００−約４００ポアズ）の相対粘度、約１１０，０００−約１８０，０００の分子量（Ｍ_P）、及び５未満のポリディスパーシティを示すポリプロピレン・ポリマーを含む。

本開示の別の目的と局面は、以下の記述に十分に係っている。

代表的実施例の詳細な開示
本開示によれば、所望の特性を有する市販のポリオレフィンの先の不存在において、高分子量（低ＭＦＩ）と広い分子量を特徴とするポリオレフィン出発物質の管理された化学的分解により、一般的にはフィルタ・エレメント、具体的には円筒形深層フィルタ・エレメントの製造に使用する、所望の特性を所有する改質ポリプロピレンが得られることがいまや見出された。

本開示の１つの代表的実施例では、フィルタ・エレメントが、約３５−約３５０のメルト・フロー・インデックス、約１４０，０００−約１８０，０００の分子量（Ｍ_P）、及び、５未満のポリディスパーシティを示すポリプロピレン・ポリマーから製造される。ポリプロピレン・ポリマーは、テキサス州ヒューストンのアトフィナ・ペトロケミカル社（Atofina Petrochemicals, Inc.）から入手する等級ＥＯＤ−９９−１０であった。

本開示の別の代表的実施例では、約３５−約３５０のメルト・フロー・インデックス、約１４０，０００−約１８０，０００の分子量（Ｍ_P）、及び、５未満のポリディスパーシティを示す所望のポリプロピレン・ポリマーを製造するために、管理された化学的分解が、酸素を使用したり使用しなかったりして、又は、過酸化物のような１つ以上の種々の試薬により加熱時に発生する遊離基の作用により、熱的に実施される。ポリプロピレンのレオロジーと物理特性の有利な改質が、このようにして、ポリマーの管理された化学的分解により実現する。

別に指示がなければ、以下に記述される用語は、次のような意味を有する。

用語「メルト・フロー・インデックス」又は「ＭＦＩ」は、またＭＦＲ又はメルト・フロー・レートとも種々に称され、試験方法ＡＳＴＭ１２３８により詳細に定義される。本開示のポリマーは、ＡＳＴＭ１２３８の「方法Ｂ」変法を用いて測定される。

用語「分子量」は、ポリマー（この場合ポリプロピレン）の分子量を称し、ポリマー鎖の反復単位（例えば、プロピレンは、ポリプロピレンが構成されるモノマーであり約４２．１の分子量を有する。）の分子量（分子の構成原子の原子量の総和）の「重合度」倍により定義される。重合度は、ポリマー鎖における反復単位の数である。重合反応は、正確ではないので、ある範囲のポリマー鎖長が生成し、これにより、分子量の分布、又は「分子量分布」又は「ＭＷＤ」に至る。ポリマーの分子量の記述に使用する２つの一般的単位は、「数平均分子量」又は「Ｍ_n」及び「重量平均分子量」又は「Ｍ_w」である。Ｍ_nは、分子量分布曲線のピーク値よりも幾分小さい値になる傾向がある。Ｍ_wは、重さ平均であり、長く重い分子を強調し、より高い値になる傾向がある。言及される分子量の第３の尺度は、「ピーク分子量」又は「Ｍ_p」であり、ＧＰＣによるポリプロピレンの分光写真分析では、分布曲線のピーク（最大確立分子量）が計算される。

用語「ポリディスパーシティ」は、比Ｍ_w／Ｍ_nによるポリマーの分子量分布を記述する。

用語「メルトブロー法」は、１つ以上の孔からなるダイを通して熱可塑性ポリマーを押出すことにより細い繊維をつくることを称する。繊維がダイから出現するので、繊維は、出現する繊維に平行に又は接線方向に多少流れる空気流により細長くされる。

用語「空隙容積」は、フィルタの重量と容積を測定して次にフィルタ重量を理論重量、同じ容積の同じ構成材料の固体重量に比較することにより計算されるパーセンテイジを称する。例えば、ポリプロピレン・フィルタは、１３６ｇの重量と５８４ｃｃの容積を持つことがある。ポリプロピレンは、約０．９の比重を有する。それ故、同じ容積の理論的固体は、約５８４ｃｃ×０．９ｇ／ｃｃ＝５２４．６ｇである。ポリプロピレンの容積は、実際の重量を理論的固体重量で割ることにより計算される、即ち１３６ｇ／５２４．６ｇ＝２５．９％。空隙容積は、１引く容積％ポリプロピレン、即ちこの場合は１−０．２５９＝０．７４１、又は約７４％である。

用語「熱化学的分解」は、押出し機に典型的に存在する熱と関連機械的作用とによるポリマーの処理を称し、ポリマー鎖の切断を引起す。

用語「管理された化学的分解」は、特定の熱とせん断の入力速度又はポリマー鎖を破断する試薬の導入のような管理可能な手段による、ポリマーの分子量の低減と分子量分布の狭幅化を称する。試薬は、化学的分解反応でポリマーの量に比例して消費される。

本開示にて使用される用語「多孔度」は、フィルタにおける孔又はボイドの相対的大きさを意味する。低い多孔度は、比較的小さな孔を称し、高い多孔度は、比較的大きな孔を称し、勾配付き多孔度は、一部設計された又はそうでなければ自然に出現する、フルタの深さを貫通する勾配における孔径の変化を示す構造体を称する。

用語「管理されたレオロジー」は、ポリプロピレンのようなポリオレフィンのレオロジー特性（例えば、粘度と分子量分布）を化学的分解により調整するための、照射、過酸化物又は遊離基試薬の使用として定義されることがある。

用語「高密度化」は、フィルタ巻きアーバ又はマンドレル上に直接又は間接に堆積された繊維が、堆積の前に又は後で圧縮される共に、設計により、又は形成する又は形成されたフィルタを取り扱うある方法の加工品として、全般的に又は局部的に低い多孔度の領域を形成するようになされた、フィルタ製品の文献に記述される方法を称する。

ポリマー鎖のランダム切断により、本開示の有効な方法により製造された、ポリプロピレンのような改質ポリマーは、予めモノマーから直接合成された対応ポリマーに比較して、低分子量（高ＭＦＩ）、狭い分子量分布を有し、優れた機械的強度及び／又は関連物理特性を所有する。

ポリプロピレンのレオロジー特性と物理特性は、出発ポリマーのＭＦＩを調整することにより本開示の１つの局面に従って管理される。本開示の代表する模範的実施例によれば、出発ポリプロピレンは、約３５のＭＦＩを有する。出発ポリプロピレンの管理された改質を通して、ＭＦＩは、約１６０に有利に増加される。特に、ポリマーが、調整前に狭い分子量分布（ＭＷＤ）のポリマーである場合、４０を超える高いＭＦＩのポリマーで始めることは、本開示によれば有利でないことがある。

理論的には、本開示による一般的に有効なフィルタ・エレメントと特に円筒形深層フィルタ・エレメントは、例えば約３５０ＭＦＩまでの１６０ＭＦＩ以上の狭いＭＷＤのポリプロピレンを用いて製造できたであろう、又はそのようなフィルタ・エレメントは、４０を超えるが１６０未満のＭＦＩを持つ狭いＭＷＤのポリプロピレンを用いることにより少ない調整でつくられる。１６０を超える高いＭＦＩのポリマーを用いることは、ポリマーが調整前に狭い分子量分布（「ＭＷＤ」）を持たない場合、有効ではないことがある。理論的には、有効なフィルタ・エレメントは、商業的入手できる例えば約１６０以上の所望の範囲のＭＦＩを持つ狭いＭＷＤのポリプロピレンを出発物質として使用して製造できたであろう、又は、フィルタ・エレメントは、４０を超えるが、好適には１６０未満の、ＭＦＩを持つ狭いＭＷＤのポリプロピレンを用いることにより少ない調整でつくることができる。

その点において、我々は、仮出願を出願したので、これらの特性を示す商業的に入手できる物質に気付くようになった。我々は、これらの特定の物質がどのようにしてつくられるのかはっきりと知らない。さらに、我々は、仮出願以降、前述の所望の特性を示すこれらの商業的に入手できる物質の１つを用いて首尾よくフィルタをつくった。具体的には、所望のろ過特性を示すフィルタは、最近、我々の好適なＭＦＩの範囲にあるポリプロピレン材料を用いてさらに化学的分解による調整をせずに作った。ポリプロピレン材料は、製造業者から直接受け取った。代表的には、繊維等級（典型的に製造業者から狭いＭＷＤを示す）として市販されるポリプロピレンは、本開示によれば最良に作用する。射出成形又は押出し加工用に意図される等級は、調整処理中に広いＭＷＤから狭いＭＷＤへ改質される場合、首尾よく使用される、−使用された−ことがある。

このようにして、本開示に従って使用されるポリプロピレンの好適な出発ＭＦＩは、約３５−約３５０であり、ポリプロピレンは、約１４０，０００−約１８０，０００の分子量（Ｍ_p）と５未満のポリディスパーシティを有する。

これらの特性を有しない使用プロピレンに対する開示されたレオロジー調整は、例えば、上述のような種々の方法を用いて実現できる。本開示の１つの目下好適で代表的な実施例によれば、管理された改質が、有機過酸化物、２，５−ジメチルー２，５−ジ−第３−ブチルパーオキシ−ヘキサンの添加により遂行される。この特定の過酸化物は、耐衝撃性であり貯蔵時の緩慢分解に対して安定であるパーオキシアルカンの群に属する。高度の安定性にもかかわらず、これは、都合のよい使用条件下では活性な分解薬品である。出発ポリプロピレンは、目下好適には約３５のＭＦＩを有し、このＭＦＩを約１６０の最終ＭＦＩに調整する／改質するように、処理される。

開示されるレオロジー改質プロセスを実施する１つの代表的目下好適な方法は、押出し機のスロートにフィードされる固態の過酸化物の添加による。これは、代わりに、液態の過酸化物とフィーダーとしての計量ポンプとの使用により、又は、ポリマーと過酸化物の事前配合バッチをホッパーに投入することにより行うことが可能である。添加される過酸化物の量を管理する１つの代表的目下好適な方法は、押出し機の出口で且つダイの前で正の置換ポンプの速度に釣り合った速度で運転するためにフィーダーを同期することによる。この方法（又は事前配合方法）は、ポリマー・レオロジーが正しく調整されていることを確実にするために、品質管理工程の包含から一般に有利である。

代わりに、過酸化物の量は、設定ＭＦＩを維持するためにオンライン・レオメーターでＭＦＩを測定すると共にフィーダーの速度を管理する管理ループの出力に比例して管理することができる。この代表的代替方法では、好適にはポリプロピレンの分子量のパラメーターを連続的に監視するための押出し機−反応器の手段と測定された分子量のパラメーターに対応して押出し機−反応器の条件を変更するための手段とを備える、ポリプロピレンの管理された化学的分解のためのシステムが、準備される。システムに設置される連続レオメーターは、分子量のパラメーターの測定に有効である。

ポリプロピレンの管理された分解が、所望の分子量のポリマーをフィードするために起きたという確実性は、最も有効なフィルタ・エレメントを製造するための品質管理努力に有効であり、ＭＦＩレオメーターを出て行くポリマー試料を集めることにより達成される。代わりに、フィルタの代表的部分を徐々に溶融することにより生成する試料が、ポリマーのＭＦＩを測定するために入手され、評価され得る。効率と経済性のためには、前者の手順が、目下好適である。

別に指示がなければ、以下に使用される構成成分、分子量のような特性、及び反応条件等の量を表す全てに数は、全ての場合用語「約」により修正されていると理解されるべきである。従って、反対に指示されない場合は、以下の請求項に係る数値パラメーターは、本開示により得られると考えられる所望の特性によって変化することがある概数である。かなり稀に、且つ請求の範囲に等価であるとの見解の出願を限定しようとするわけではないが、各数値パラメーターは、少なくとも報告された重要な１〜９を考慮に入れると共に通常の概数で表す技法を適用することにより、ある解釈を与えられるべきである。

有利なポリプロピレン材料は、約１４０,０００−約１８０，０００の分子量（Ｍ_p）、好適には約１７０，０００の分子量（Ｍ_p）、及び５未満のポリディスパーシティを示す。これらの特性に合致する材料は、約１−約７５μｍ又は１００μｍ以上の公称フィルタ等級に関して広範囲のろ材製造ラインの製造を可能にする。低分子量と類似ポリディスパーシティのポリプロピレン材料は、製造ラインのより密な（低マイクロメーター等級の）の末端で同様に有効なフィルタの製造に使用されることがあり、又は記述された約１μｍ−約１００μｍの範囲より密なフィルタの製造にすら使用されることがある。逆に、高分子量と類似のポリディスパーシティのポリプロピレン材料は、製造ラインのよりオープンな（高マイクロメーター等級の）の末端で同様に有効なフィルタの製造に使用されることがあり、又は記述された約１μｍ−約１００μｍの範囲よりオープンなフィルタの製造にすら使用されることがある。

本開示による有利な改質されたポリプロピレン材料の目に見かけ粘度は、約７００−約３５００sec^-1のせん断速度で測定された、約２０−約４０Ｐａ・ｓ（約２００−約４００ポアズ）である。

フィルタ・エレメントは、典型的に、メルトブロー方法を用いて製造される。熱可塑性ポリマー樹脂から不織布マットのようなメルトブロー製品を製造するためのマルト・ブロー方法は、既知であり、例えば、米国特許第３，８４９，２４１号、米国特許第３，７５５，５２７号、及び米国特許第３，９７８，１８５号のような文献に記述され、これらの開示事項は、本開示と矛盾しない程度に本明細書に参照により取込んである。

この方法の１つの代表的具体例は、以下のように説明される。使用される材料は、例えば、ブラスケム（Braskem）Ｈ１０３（ブラジルのブラスケム（Braskem S. A.））のようなポリプロピレンと、例えば、アトフィナ・ルペロックス（Atofina Ruperox）１０１のような有機過酸化物とを含んでいる。この方法で使用される装置は、当業者に知られるように、高ＭＦＩポリマーを処理するために設計された押出し機と、ポリプロピレンを押出し機のスロート中へ向けるためのホッパーと、ポリプロピレンと共に押出し機のスロートへ有機過酸化物を添加するための追加フィーダーとを備えた。さらに、押出し機の出口に作動可能に配置されるオンライン・レオメーターが、存在することがあり、又は存在しないことがあり、溶融ポリプロピレンをろ過するために押出し機の出口に作動可能に配置されるスクリーン・チェンジャーが存在することがあり、又は存在しないことがあり、且つ、ポリプロピレンのフィード速度を正確に管理するために作動可能に配置される正置換ポンプが存在することがあり、又は存在しないことがある。なおまた、この方法の代表的具体例は、当業者に知られる種々の典型的メルトブロー・ダイの１つ及び関連工程空気フィード機と、回転シャフトから形成フィルタ・カートリッジを実質的に連続的に押し引きするために設計されたある種のフィルタ・カートリッジ抜取り装置を備えた、巻き用マンドレル又は回転片持ち軸上に個別のフィルタを作動可能に形成させるカートリッジ巻き機構と、を最も備えそうである。

運転中、この方法は、押出し機のホッパーにポリプロピレンを導入することで開始された。押出し機は、ポリプロピレンを、バレルを通して押出した、一方、実質的に同時に、添加フィーダーが、正置換ポンプの速度、存在する場合は押出し機の速度により決められるように、又はオンライン・レオメーターにより測定された正しいパラメーターを維持するために必要とされるように、ポリプロピレンの消費に比例して有機過酸化物物質を添加した。

オンライン・レオメーターが存在しなかった場合、この方法の操業員は、所望のＭＦＩを達成するために、オフラインＭＦＩ測定を行うことと有機過酸化物フィード速度調整することを必要とする。１つの代表的具体例では、ＭＦＩが、測定され、有機過酸化物フィーダーが、押出し機を出るポリプロピレンを約６０のＭＦＩに維持するように調整された。調整されたポリプロピレンが、当業者に知られるように、繊維を形成させるメルトブロー・ダイ紡糸口金通過圧力によりポンプで送られた。このように形成された繊維は、当業者に知られるように、典型的メルトブロー方法と同様にプロセス空気により細長化され、次に回転マンドレル、又は回転軸上で集積された。メルトブロー法の当業者に典型的に使用されるプロセス調整、ポリマー溶融温度、プロセス空気の速度と温度、ダイ温度、ポリマー押出し量、コレクターまでのダイ間隔は、全て、繊維径と得られるフィルタ・カートリッジの空隙容積との変更に使用することがある。しかしながら、購入された又は記述された方法により改質されたポリプロピレンからメルトブロー方法を用いてつくられた深層フィルタ・エレメントは、濃密化工程又はプロセスを要せずに著しく高い又は低いＭＦＩ又は広い分子量分布のポリプロピレンからつくられるフィルタ・エレメントの性能を超えている、少なくとも約７０％を超える空隙容積と、繊維間結合の意味ある程度と、個別の成形された／押出し加工された又は濃密化された繊維コアを要しない剛直な自立ろ材構造（この方法が、繊維を、そのような支持コア上に形成されるこの開示と矛盾しないようにするために使用されないようにするなにもないけれども）と、有利な剛直性と機械加工性（光沢及び／又は裂け無しに、寿命／通過量を増加するために及び／又は圧力低下を低減するために外部表面に溝をカットする性能）と、広範囲の粒子保持等級を生み出すためにつられる性能とを示した。さらに具体的には、本開示により製造されたフィルタ・エレメントは、約４００−１５００超のＭＦＩを有する、メルトブロープロセスに使用される従来からのポリプロピレン材料と、典型的に約３５のＭＦＩを示す、スパンボンド法に使用されるポリプロピレン材料とから製造されたフィルタ・エレメントに比較して、有利な特性を示した。これらの材料の全てが、所望のレオロジー特性を有してなく、且つフィルタ・エレメントの製造における本開示に記述される管理されたレオロジー材料としてもまた作用しない。

所望のメルト・フロー特性と分子量特性を有する改質ポリプロピレンを使用して７０％を超える空隙容積を示す繊維をつくることにより、メルト・フロー方法により調製された深層フィルタの性能と寿命が、製品の美しさに逆に影響することなく、又は望まれないつや、裂け、砕片化、溶融まくれをつくることなく、例えば溝付けのような機械加工により延長される可能性がある。溝は、必要により所定の形状と深さにカットすることができる。溝は、連続的に又は図１−図３に示す溝が付いていない部分によりグループに分離されて切られることが可能である。溝は、フィルタの長さの一部又は全て覆って、周囲の様式で又は縦方向の様式で切られることがある。

溝がフィルタ・エレメントの外側に延びる連続スパイラル溝を形成するように、溝が切られる可能性が、また、ある。そのようなスパイラル溝は、適用できる外側表面の全体を覆って又は溝が付けられていない区分により分離される１つの区分として備えることができる。フィルタ・エレメントは、円筒形又は実質的に円筒形として記述された。フィルタ・エレメントは、取囲むカートリッジの形状に相当の程度で従って例えば長円形のような他の形状につくられるであろうことが予想される。

この開示に記述されるフィルタ製造方法は、ポリプロピレンのレオロジー的改質と深層フィルタ・エレメントの形成とを含み、細かい繊維の柔らかく圧縮可能な不織布ウェブ又は米国特許第４，５９４，２０２号明細書に開示されるような繊維から区別するための、最も適切な用語の「硬質押出し加工結合された」（ＲＥＢ）技法である。

得られる深層フィルタ・エレメントは、７０％を超える高空隙容積と、広い目的に使用できる十分に剛直な自立ろ材構造により明白であるかなりの程度の繊維間結合とを特徴とし、必ずしも押出し加工しないけれども、個別に成形／押出し加工された、又は濃密化された繊維コアを必要としない。得られた深層フィルタ・エレメントは、外部／内部表面積を増加するために機械加工（溝付け）して、寿命／通過量を増加し圧力低下を小さくすることができると共に、広い範囲の粒子保持等級品を製造するためにつくることができる。

代表的フィルタ・エレメントが、図に示されている。特に、図１は、本開示に記述される種類の代表的フィルタ・エレメントを示す。図２は、本開示の有用な結果である−接着継ぎ手を示さない−連続した長さで製造される代表的フィルタ・エレメントを示す。残りの図は、当業者に知られるように、普通のフィルタ・ハウジングの範囲で得られたフィルタの使用を容易にするために、種々のエンド・キャップ、コネクタ、及びガスケットの付加により修飾された、本開示によってつくられるフィルタの代表的説明図である。

さらに具体的には、約４００−１５００超の範囲のＭＦＩを持つ、メルトブロー方法に使用された普通のポリプロピレン材料と、典型的に約３５のＭＦＩを示す、スパンボンド方法に使用した材料とから製造されたフィルタ・エレメントに比較した場合に、本開示に従って製造されたフィルタ・エレメントは、有利な特性を示した。これらの材料は、全て、以下の表１に示すように、フィルタ・エレメントの製造における本開示に記述された、管理されたレオロジー材料と同じ様には作用しない。

列１、３、６及び７は、それらのそれぞれの製造方法でつくられたポリプロピレンの試験結果に関する。空隙容積が示され、フィルタは、受け入れたポリマーにレオロジー調整がされずに、製造された。

列２のフィルタは、本開示の好適な実施例の製造試料の具体例である。

列４のフィルタは、本開示に記述される全ての所望の特性を発揮する実験用フィルタである。このフィルタは、目下最も好適な出発材料より高い出発ＭＦＩを有するポリプロピレンからつくられた。この材料が約１６０ＭＦＩに調整されたとき、列２に示す製品に比較して、製造プロセスにおけるより大きなエネルギ入力を必要とする好適なフィルタ製品を製造するためのポリディスパーシティに著しい低下はなかった。

列５のフィルタは、列４のフィルタと同じ出発材料からつくられた実験用フィルタである。しかしながら、ＭＦＩは、プロセス設定が列２に示す製品により要求されるものと同一であったとき、好適なフィルタ特性が達成された点に増加した。

列６のフィルタは、製造業者により供給されるように、その後の調整を必要とせずに我々の所望の製品をつくるためのポリプロピレン材料の我々の品質規格に従う、アトフィナ（Atofina）により供給される材料でつくられた。

列７のフィルタは、全範囲のフィルタ製品を製造するための最適条件より高い、アトフィナにより供給される材料からつくられた。我々は、我々の現在の製品系統の低い多孔性範囲で所望のフィルタをつくることができた。我々は、また、本開示に記載される所望の特性の一部または全てを発揮することがある、現在の製品系統よりも著しく緻密なフィルタをつくることができた。

列８のフィルタは、ポール社（Pall Corporation）によりつくられた製品（クラリス（Claris）CLR ３−１０）、３ミクロンの公称等級のフィルタである。クラリス・フィルタがつくられるポリマーは、我々の製品構造の低多孔性範囲でフィルタをつくることができると我々が特許請求する範囲にあるけれども、このフィルタにより示される７０％未満の空隙容積により、その中に溝を機械加工しようと試みたとき困難が生じた。このようにして、我々が製造業者を信じる少なくとも１つの理由は、この製品に溝を付けない。このフィルタは、また、本開示の教示によりつくられた同じ効率のフィルタよりも供給中に著しく高い洗浄圧力低下を示す。

列９のフィルタは、韓国製品（R.O. Korea）、DYNA-WYND １０ミクロンである。このフィルタは、極めて低い空隙容積とその結果の短い供給寿命とを示すけれども、製造業者により溝を付けられている。

列１０のフィルタは、オスモニクス（GE Osmonics）によりつくられた製品、ハイトレックス（Hytrex）GX03-10 であり、３ミクロン公称等級フィルタである。この製品は、その表面に溝をつけようと試みるとき、裂け且つまくれる。それは、この開示の教示によりつくられた同様の効率のフィルタに比較して極めて低い空隙容積と極めて高い洗浄圧力低下を示す。

列１１のフィルタは、ブラジルのハイドロフィルタ（Hydrofilter）によりつくられた製品である。これは、その製造業者により溝を付けられている製品である。このフィルタに使用されたポリプロピレン材料は、ある範囲の所望のフィルタをつくるために使用可能のようであるが、この製品の空隙容積が極めて低いので、溝が付けられた一部の場合では短い供給寿命と堆積された表面に至る。

列１２のフィルタは、オスモニクス（GE Osmonics）によりつくられた製品、ゼット・プレックス（Z.Plex）RO.Zs01 であり、１ミクロン公称等級フィルタである。この製品は、所望の空隙容積を示すが、高MFIのポリマーでつくられているので、高空隙容積の達成が、著しい繊維間結合の犠牲で行われた。この製品は、柔軟で圧縮性があり、それに溝をつける試みにより、その構造体が裂ける結果になった。

このようにして、上記から分かるように、本開示に記載の所望の性質又は特性を有する材料からつくられたフィルタ・エレメントは、その表面に溝を形成するために機械加工できるけれども、所望の性能を達成する。

本開示は、特定の代表的実施例を参照して行われたけれども、本開示はこれらに限定されない。むしろ、開示された代表的実施例に対する修正及び／又は変更が、本開示の精神又は範囲から逸脱せずに行われる。

本開示による代表的深層フィルタ・エレメントの模式的説明図である。 深層フィルタ・エレメントの連続製造を示すと共に接着継ぎ手を示さない、本開示による代表的深層フィルタ・エレメント構造体のさらに代表的な実施例の模式的説明図である。 一般的なフィルタ・ハウジングの範囲で代表的フィルタの使用を容易にするために使用される代表的端部キャップ、コネクタ及び／又はガスケットを備える、深層フィルタ・エレメント構造体のさらに代表的実施例の模式的説明図である。 図３の代表的端部キャップ、コネクタ及び／又はガスケットの端面図である。 図３の代表的端部キャップ、コネクタ及び／又はガスケットの端面図である。 一般的なフィルタ・ハウジングの範囲で代表的フィルタの使用を容易にするために使用される代表的端部キャップ、コネクタ及び／又はガスケットを備える、深層フィルタ・エレメント構造体の別の代表的実施例の模式的説明図である。 図４の代表的端部キャップ、コネクタ及び／又はガスケットの端面図である。 図４の代表的端部キャップ、コネクタ及び／又はガスケットの端面図である。 一般的なフィルタ・ハウジングの範囲で代表的フィルタの使用を容易にするために使用される代表的端部キャップ、コネクタ及び／又はガスケットを備える、深層フィルタ・エレメント構造体の別の代表的実施例の模式的説明図である。 図５の代表的端部キャップ、コネクタ及び／又はガスケットの端面図である。 図５の代表的端部キャップ、コネクタ及び／又はガスケットの端面図である。 一般的なフィルタ・ハウジングの範囲で代表的フィルタの使用を容易にするために使用される代表的端部キャップ、コネクタ及び／又はガスケットを備える、深層フィルタ・エレメント構造体のさらに別の代表的実施例の模式的説明図である。 一般的なフィルタ・ハウジングの範囲で代表的フィルタの使用を容易にするために使用される代表的端部キャップ、コネクタ及び／又はガスケットを備える、深層フィルタ・エレメント構造体のなお別の代表的実施例の模式的説明図である。 一般的なフィルタ・ハウジングの範囲で代表的フィルタの使用を容易にするために使用される代表的端部キャップ、コネクタ及び／又はガスケットを備える、深層フィルタ・エレメント構造体のさらになお別の代表的実施例の模式的説明図である。

Claims (22)

1. ３５−３８０のメルト・フロー・インデックス、１１０，０００−１８０，０００の分子量（M_p）、５未満のポリディスパーシティを示すポリプロピレン・ポリマー及び７０％超の空隙容積を含むフィルタ・エレメント。
2. 前記フィルタ・エレメントが、管理された化学的分解によりつくられたポリプロピレンからつくられる、請求項１に記載のフィルタ・エレメント。
3. 前記フィルタ・エレメントが、ポリマー製造業者によりつくられると共にフィルタ製造プロセス中に改質無しに使用されるポリプロピレンからつくられる、請求項１に記載のフィルタ・エレメント。
4. 前記フィルタ・エレメントが、硬質押出し加工結合を利用するメルトブロー・プロセスによりつくられ、前記フィルタ・エレメントの機械加工が表面堆積又は裂け無しに達成されるように前記フィルタ・エレメントが、高度の繊維間結合を発揮する、請求項１に記載のフィルタ・エレメント。
5. 前記ポリマーのメルト・フロー・インデックスが、７０−２７０である、請求項４に記載のフィルタ・エレメント。
6. 前記ポリマーのメルト・フロー・インデックスが、１２０−２００である、請求項４に記載のフィルタ・エレメント。
7. 外部表面に作用可能に形成された少なくとも１つの溝を有する、請求項４に記載のフィルタ・エレメント。
8. 内部表面に作用可能に形成された少なくとも１つの溝を有する、請求項４に記載のフィルタ・エレメント。
9. 溶融形態におけるポリプロピレンの押出し加工に先立ち、得られた樹脂が３５−３８０のメルト・フロー・インデックス、１１０，０００−１８０，０００の分子量（M_p）、及び５未満のポリディスパーシティを示すようにポリプロピレン樹脂を化学的分解するためにポリプロピレン樹脂を管理された化学的分解に付す工程と、
   ７０％の空隙容積を有するフィルタ・エレメントを形成するために、前記得られた樹脂を押出し加工する工程と、
   を含む、メルトブローされたフィルタ・エレメントをポリプロピレンから製造する方法。
10. 前記管理された化学的分解が、熱手段により達成される、請求項９に記載の方法。
11. 前記管理された化学的分解が、遊離基の使用により達成される、請求項９に記載の方法。
12. 前記管理された化学的分解が、ガンマ線照射の使用により達成される、請求項９に記載の方法。
13. 前記管理された化学的分解が、ビス（第３−アルキルパーオキシ）アルカンの使用により達成される、請求項９に記載の方法。
14. 前記ビス（第３−アルキルパーオキシ）アルカンが、２，５−ジメチル−２，５−ジ−第３ブチルパ−オキシヘキサンを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記管理された化学的分解が、
    押出し加工反応器と、
    前記押出し加工反応器を通過するポリプロピレンの分子量のパラメーターを連続的に監視するために、前記押出し加工反応器に作動可能に連結された手段と、
    を含むシステムにより達成される、請求項９に記載の方法。
16. 監視されるパラメーターが、ポリプロピレンのメルト・フロー又は別の粘度特性を含む、請求項１５に記載の方法。
17. 連続的に監視する手段が、連続レオメーターを含む、請求項１５に記載の方法。
18. 前記連続レオメーターが、監視される分子量のパラメーターに対応して前記押出し加工反応器の条件を変更するためのフィード・バック手段を備える、請求項１７に記載の方法。
19. 請求項９に記載の方法によりつくられたフィルタ・エレメント。
20. 管状で円筒形を有し、３５−３８０のＭＦＩ、１１０，０００−１８０，０００の分子量（M_p）、及び５未満のポリディスパーシティを有するポリプロピレンを含む深層フィルタ・エレメント。
21. 前記フィルタ・エレメントが、自立し、コアレスである、請求項２０に記載の深層フィルタ・エレメント。
22. つくられたフィルタ・エレメントが７０％の空隙容積を有するように、管理された化学的分解によりつくられ、３５−３８０のメルト・フロー・インデックス、２０−４０Ｐａ・ｓの相対粘度、１１０，０００−１８０，０００の分子量（M_p）、及び５未満のポリディスパーシティを示すポリプロピレン・ポリマー。
    
    

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