JP2010240576A - フィルターの表面加工方法、ニードルフィルター、織フィルター - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はカットファイバーの繊維をより細かいナノファイバーを使用したフィルタ表面加工方法に関し、過性能を損なわずに耐熱性、耐薬品性、撥水性、低摩擦抵抗、ダスト剥離性を向上することを目的とする。
【解決手段】太さ１μ未満のフッ素系繊維、ガラス系繊維、カーボン、シリカ系繊維、２フッ化塩化ビニリデン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエステル繊維又はアミド系繊維のファイバーを０．４ｍｍ〜５ｍｍの範囲でカットし、フッ素系樹脂微粒子とポリイミド樹脂微粒子を含む分散液に混合した液で含浸して、１５０度〜３３０度に加熱して樹脂を固定乾燥する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、フィルターの表面加工方法は、PTFEメンブレンが利用できる分野のメンブレンの代替として、１）粒子の分離、水の分離膜等薄膜の分野のフィルターのメンブレンの代替 ２）さらに詳しくは主として集塵機のバグフィルターに使用されるニードルフィルター、織フィルターに耐熱性、耐薬品性、耐久性を付与する加工方法、およびそのニードルフィルター、織フィルターのろ過性能に貢献する方法である。

ダイオキシン類など有害物質による環境汚染は深刻な地球環境問題となり世界的に規制が強化され、ボイラ、焼却炉など産業燃焼炉においては確実な集塵除去が義務付けられている。

ダイオキシン類は、燃焼温度が比較的低い不完全燃焼時に炭化水素と塩素が金属化合物の触媒作用で生成するといわれており、焼却室で厳格な管理の下に完全燃焼を行っても、排ガスの冷却過程で飛灰中の金属類を触媒として極微量の前駆物質から合成される。従って高温の燃焼室排ガスは、急冷してダイオキシン類生成温度域にある時間を短くして、バグフィルターで集塵するときには２５０℃以下になるようにしている。バグフィルターでの排ガス温度が下がったことで、バグフィルター素材として有機繊維の使用が可能となったが、一方で、排ガス温度を低くしたことから排ガス中の硫酸ミスト、塩酸ミストなど酸性物質が水分に溶解して凝縮し、酸によりバグフィルター素材を傷めるという問題がでてきた。従って、バグフィルター素材に使用される有機繊維の耐薬品性（耐酸性、耐アルカリ性）が強く要求されるようになってきた。

バグフィルターの耐薬品性向上には、濾過布をメラミン系樹脂や尿素系樹脂で被覆する方法〔例えば、特許文献１参照〕、全芳香族ポリアミド繊維及び布帛をフッ素系樹脂エマルションで処理する方法〔例えば、特許文献２参照〕、チップ状のフッ素繊維を表面コートさせる。〔例えば、特許文献３参照〕などがの提案があり、バグフィルター素材の表面に耐酸性の化合物で覆う方法が中心である。

PTFEメンブレンは有効な排ガス浄化の手法の一つであり、国内外とも数社（ゴア社、テトラテック社 等）のメンブレン製が製作可能である。 しかしコストは高く、メンブレン膜の剥がれ、破れによる性能の劣化が問題となっている。
特開昭４８−３６７７０号公報 特開昭５６−１０７０７３号公報 特願２００４-３０００７９号公報

これらの方法では、PTFE膜のセル径より微細にすることは非常に困難である。一時層として付いたダスト及びプレコート材は、時間経過とともに内部に浸透してゆきいずれ性能劣化の要因となってしまう。一次層の管理が難しいという問題点に鑑み、本発明の目的は、カットファイバーの繊維をより細かいナノファイバーを使用するとした事である。ろ過性能を損なわずに耐熱性、耐薬品性、撥水性、低摩擦抵抗、ダスト剥離性を向上することができるフィルターの表面加工方法、およびこの加工方法が施されたニードルフィルター、織フィルターを提供することにある。

かかる目的を達成すべく請求項１の発明は、フィルターの表面加工方法に係り、耐熱のカットナノファイバーを混合して、フッ素系樹脂微粒子とポリイミド樹脂微粒子混合液にさらに混合して使用するものである。

請求項２の発明は、請求項１記載のフィルターの表面加工方法に係り、フッ素系樹脂微粒子とポリイミド樹脂微粒子混合液を利用して、ろ過性能向上の程度にあわせて、
１００：（５〜７０）（重量比）で混合することからなっている。

請求項３の発明は、請求項１または２記載のフィルターの表面加工方法に係り、フッ素系樹脂は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレンから選ばれる一種以上である。

請求項４の発明は、請求項１または２記載のフィルターの表面加工方法に係り、ポリイミド樹脂は、ポリ（Ｎ，Ｎ'− ｐ−フェニレン−ピロメリット酸イミド）、ポリ（Ｎ，Ｎ'− ｐ−フェニレン−ベンゾフェノンテトラカルボン酸イミド）、ポリ（Ｎ，Ｎ'− ｐ−フェニレン−トリメリット酸アミドイミド）から選ばれる一種以上である。

請求項５の発明は、請求項１記載のフィルターの表面加工方法に係り、前記フッ素系樹脂微粒子とポリイミド樹脂微粒子を含む分散液のフィルターへの含浸は、ローラーコート法、ディッピング法のいずれかによっている。スプレーコートの場合は混合の繊維の量に制限が加わるが簡易塗布が可能となる。

請求項６の発明は、請求項１ないし５いずれか１項記載のフィルターの表面加工方法が施されたニードルフィルターである。

請求項７の発明は、請求項１ないし５いずれか１項記載のフィルターの表面加工方法が施された織フィルターである。

本発明は、耐熱ナノファイバー群をフッ素系樹脂微粒子とポリイミド樹脂微粒子を含む分散液をフィルターに含浸し、これを１５０〜３３０℃に加熱することにより固着させるフィルターの表面加工方法である。

本発明が対象とするフィルターの素材は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリイミド、アラミド、ポリフェニレンサルフィド、ポリエステル、ポリアクリロニトリル、金属繊維、ガラス繊維を含む無機繊維などである。

フッ素系樹脂微粒子は、フィルター表面において耐熱性、耐薬品性、撥水性、低摩擦抵抗、ダスト剥離性を向上させる成分である。ここで、フッ素系樹脂は、ポリテトラフルオロエチレン（四フッ化エチレン樹脂）、ポリクロロトリフルオロエチレン（三フッ化塩化エチレン樹脂）が好ましく選ばれる。この他、テトラフルオロエチレンやクロロトリフルオロエチレンとエチレンなど他のビニル系モノマーとのコポリマーでも可能であるが、含水素モノマーの混合比が高くなると、フッ素系樹脂の特性が損なわれるので好ましくない。フッ素系樹脂微粒子は、旭硝子株式会社、シャムロックテクノロジー社（米国）から市販されており、これらを使用することができる。
ポリイミド繊維、Ｐ８４（Inspec Fiber社）、ポリイミドアミド繊維、ｍ−アラミド繊維（帝人・デュポン社）シリカ繊維（ニチヤス、３Ｍ、belChem社製/belCoTex）等選択される。また用途によっては、炭素繊維、バサルト繊維も選択される。
表面のチップファイバー（短繊維）は、目的に合わせて選択されるが２フッ化ビニリデン繊維、ポリプロピレン繊維、ｍ−アラミド繊維、無機繊維が選択される。
使用繊維は使用目的によるが、本発明において太さは１ミクロン未満であるが、５０ナノミクロン（平均値）から５００ナノミクロン（平均値）が好ましい。混合樹脂との混合比は、５−５０％が好ましく、加工上からすると、１０％〜３０％の範囲が特にのぞましい。

一方、ポリイミド樹脂微粒子は、前記フッ素系樹脂微粒子をフィルター表面に固着させる作用をするが、同時に耐表面摩耗を向上させ、高温でフィルター表面の堆積物によりフィルター材料が伸びて形体が損なわれるのを抑える成分である。ここで、ポリイミド樹脂は、ポリ（Ｎ，Ｎ'− ｐ−フェニレン−ピロメリット酸イミド）、ポリ（Ｎ，Ｎ'− ｐ−フェニレン−ベンゾフェノンテトラカルボン酸イミド）、ポリ（Ｎ，Ｎ'− ｐ−フェニレン−トリメリット酸アミドイミド）が好ましく選ばれ、これらは東レ・デュポン株式会社、東洋紡績株式会社（Ｐ８４繊維・InspcFiber社製）などから市販されており、これらを使用することができる。この他、下記式で表すポリ（Ｎ，Ｎ'− ｐ−フェニレン−ビフェニルテトラカルボン酸イミド）、ポリ（Ｎ，Ｎ'− ｍ−フェニレン−ピロメリット酸イミド）なども使用できるが、前記のものより耐熱性が低くなる。

フッ素系樹脂微粒子、ポリイミド樹脂微粒子の粒子の大きさは、両方とも細かいほど好ましいが、実用上は５ナノミクロン〜50ナノミクロンである。添加されるチップドファイバーより細い事が望ましい。

フッ素系樹脂微粒子とポリイミド樹脂微粒子の混合比（重量比）は、好ましくは１００：（５〜７０）、さらに好ましくは１００：（２０〜４０）である。フッ素系樹脂微粒子１００（重量部）に対しポリイミド樹脂微粒子が７０（重量部）より多くなるとフッ素系樹脂微粒子がポリイミド樹脂にコーティングされて、特に撥水性においてポリイミド樹脂微粒子のもつ効果が充分に発揮されず、５（重量部）より少ないと、ポリイミド樹脂微粒子が脱落し易くなり耐久性に劣ることになる。

混合するカットファイバーを均一に分散させるため、フッ素系樹脂微粒子とポリイミド樹脂微粒子は、それらを含む分散液、好ましくは水を分散媒体にした水分散液にして、これをフィルターに含浸させる。分散液中の固体分濃度は高いほど一度に多く付着させることができるが、固体分１０〜６０重量％程度が取扱い上から好ましい。さらに好ましいのは、１５−３０重量％程度である。分散液を製造する際に、界面活性剤などの分散安定剤を加えることがあるが本発明はこれらの添加についてなんら制限するものではない。

フィルターに上記分散液を含浸させるには、ローラーコート法、ディッピング法、（簡易法としてはスプレーコート法も考えられる。）などによってできる。これらの方法によりカットファイバーを含有の、フッ素系樹脂微粒子とポリイミド樹脂微粒子をフィルターに付着させるが、分散液の濃度や含浸方法によって一度の含浸では必要な付着量が得られないことがあり、この場合には固体分をできるだけ少なくして、含浸と乾燥を繰り返して所定の付着量を満たすようにする。

フィルター上に付着するカットファイバーはフッ素系樹脂微粒子とポリイミド樹脂微粒子により固定されるが、好ましくは合計で１０〜１００ｇ／ｍ^２、さらに好ましくは２０〜６０ｇ／ｍ^２である。この付着量の範囲は、本発明の目的とするフィルターの耐熱性、耐薬品性、耐久性の点から最適値として求められたものであり、使用するカットファイバーの線径と樹脂の固化により確定する。１００ｇ／ｍ^２より多いと、効果は充分であるが、付着量の増加に伴う効果のさらなる向上が少なく、経済的に見て不利になることがあり、さらに通気性や硬さなどフィルターの特性が損なわれることがある。逆に、１０ｇ／ｍ^２より少ないと本発明の目的が充分達せられないことがある。

カットファイバーをフィルターに固着させるには、フッ素系樹脂微粒子とポリイミド樹脂微粒子を含む分散液に均一にカットファイバーを分散させ含浸させた後、予備乾燥で水分のほとんどを蒸発させた後、１５０〜３３０℃、好ましくは１８０〜２００℃にて、５〜６０分間、好ましくは１０〜３０分間加熱し樹脂をキュアリングさせる。この加処理により、フィルター表面のポリイミド樹脂微粒子が軟化し、部分的にカットファイバーが、フィルター表面に固定することになる。従って、この加熱温度は、用いるポリイミド樹脂の種類を考慮して選ぶべきである。

フッ素系カット繊維を使用する場合、融点の３２７度近辺で加工することにより、より繊維を被服布に均一に固定する。（高温カレンダー処理等）
フィルター効果の性能を向上させることができる。

上記加熱処理ではカットファイバーは変形しながら、フィルターを構成する繊維表面にポリイミド樹脂が薄くコートされ、そのポリイミド樹脂によりカットファイバーが固定された状態になっている。ポリイミド樹脂のコートによりフィルターの耐薬品性、耐酸性が実現する。この状態でフィルターを使用してPTFE樹脂がカットファイバー等の表面構成に付加され、メンブレン膜に匹敵する性能向上となる。

本発明のフィルターの表面加工方法により得られたフィルターは、ろ過特性を損なわずに、耐熱性、耐薬品性、撥水性、低摩擦抵抗、ダスト剥離性を向上することができる。さらに、ダストの付着による、丈伸びを少なく、より安定した寸法変化により劣化(濾布破れ)を防止できる利点もある。また、ガラス繊維を用いたフィルターでは、屈曲摩耗の問題が発生することがあるが、本発明の表面加工処理によりこの問題も軽減される。

実施例１
ポリエステル不織布からなる目付５００ｇ／ｍ^２のフィルターを、３００ナノミクロン（平均）のポリプロピレンチップドファイバー１５％重量比を分散、ポリテトラフルオロエチレンからなるフッ素系樹脂微粒子（粒径：約１μｍ）とポリ（Ｎ，Ｎ'− ｐ−フェニレン−ピロメリット酸イミド）からなるポリイミド樹脂微粒子（粒径：約１μｍ）を重量比１００：２０で含む水分散液に含浸し、フィルター表面に固形分２０ｇ／ｍ^２を付着させた。水分のほとんどを蒸発させた後、１２０℃にて処理した。これをバグフィルターとしで使用した。無処理のフィルターが従来約２ヶ月で目詰まりによって使用不可能となっていた特別条件の悪いパートで使用した。約６ヶ月以上使用経過しても目詰まり現象が発生しなかった。同時に使用時の抜き取り検査で無処理品の通気度が0.28cm３／ｃｍ^２／ｓｅｃまで落ち込んでいたのに対して、本発明の加工品は約2.3ｃｍ^３／ｃｍ^２／ｓｅｃと良好な通気性を保っている（新品時の通気度5ｃｍ^３／ｃｍ^２／ｓｅｃ）。また、バグフィルターへのダスト付着量は無処理品が1000ｇ／ｍ^２を越えていたのに対して、加工品では150ｇ／ｍ^２程度であり、ダストの払落しが良好であることが確認できた。

実施例２
メタアラミド繊維からなる目付４８０ｇ／ｍ^２のフィルターを、実施例１、300ナノミクロン（平均）のポリエステルのカットファイバー１５％重量比を分散と同じフッ素系樹脂微粒子とポリイミド樹脂微粒子の水分散液に含浸し、フィルター表面に固形分２５ｇ／ｍ^２を付着させた。水分のほとんどを蒸発させた後、１４０℃にて、３０分間加熱し樹脂をキュアリングしてバグフィルターとし、酸性雰囲気の強い石炭コークス炉で使用した。従来の無処理品が約６ヶ月の使用でバグフィルター同時に使用時の抜き取り検査で無処理品の通気度が0.25cm３／ｃｍ^２／ｓｅｃであるのに対して、本発明の加工品は約2.7ｃｍ^３／ｃｍ^２／ｓｅｃと良好な通気性を保っている（新品時の通気度6ｃｍ^３／ｃｍ^２／ｓｅｃ）ことが確認された。

実施例３
300ナノミクロン（平均）のポリフッ化ポリビニリデンカットファイバー、300ナノミクロンの無機繊維ナノファイバー重量比６０：４０の混合比で、実質塗布量３０G/m²となる量をポリイミド樹脂・PTFE樹脂混合液に混合させ、実施例１と同様PPS不織布６５０ｇ／Ｍ２の不織布にコート塗布し乾燥後、１４０度にて２分間加熱乾燥させた。分散、フッ素系樹は高温でやわらかくなる特性があり、実施例１よりパルステスト機での目詰まりテストで性能の向上がみられた。

実施例４；
１００％ＰＴＦＥからなる目付７００ｇ／ｍ^２のフィルター表面に、300ナノミクロン（平均）の無機カットファイバー/１ミクロンの炭素ファイバー（混合比５０：５０）を、ポリテトラフルオロエチレンからなるフッ素系樹脂とポリ（Ｎ，Ｎ'− ｐ−フェニレン−ピロメリット酸イミド）からなるポリイミド樹脂を重量比１００：２０で含む水分散液に含浸し、フィルター表面に固形分２０ｇ／ｍ^２を付着させた。水分のほとんどを蒸発させた後、２００℃にて、３０分間加熱し樹脂をキュアリングして、さらにPTFE溶融温度以上の３３０度ヒートセットをおこなった。常温および高温（１８０℃）時の滑り性、および耐摩耗性を評価した。比較として、ポリテトラフルオロエチレンに代えてブチルゴム等の混合品のフッ素系樹脂を用い、固形分１００ｇ／ｍ^２をフィルター表面に付着させ、水分がなくなるまで乾燥、１８０℃で１０分間キュアリングした。 ＰＴＦＥフィルターの高温時の寸法不安定が一部改善された。
同一の丈６００ｃｍ半年使用（使用温度平均：１８０度Ｃ）の比較で処理品の伸びは３ｃｍであったが、無処理品の伸びは２５ｃｍと改善があった。
（イミドの効果）
従来他社品は、耐摩耗強度をアップできないが本発明に使用されているイミド樹脂は下表にて示すように耐摩耗効果に優れていることが確認できた。
本発明 樹脂のみの処理 他社表面処理
滑り性（常温）25℃ ◎ 0.11 ◎ 0.16 ◎ 0.18
滑り性（高温時）180℃ ◎ 0.13 ◎ 0.17 ○ 0.29（ゴム軟化）
耐摩耗性 ◎ 27000回 ○ 21000回 × 17000回

※滑り性は、傾斜法により静摩擦係数を測定。
※ＪＩＳ１０９６.８.１７.３Ｃ法（テーパ形法）→基布が露出するまでの摩耗テストのこすり回数

実験例１；
本発明A, 他社PTFEメンブレンＢ、本発明樹脂のみＣ、無処理Ｄをミニチュアのバグフィルターテスト機でろ過性能を確認した。テスト用ダストはフライアッシュ１０種、ろ過速度３．０ｍ／ｍｉｎ，ダスト濃度は１０g/m³， テスト時間は７時間であり、ろ過性能は下表のようであった。

サンプル ダスト通過量 ダスト通過割合
A 0.00009g/m² 99.9991 %
B 0.00011g/m² 99.9992 %
C 0.00016g/m² 99.9987 %
D 0.00021g/m² 99.9989 %

パルステスト機での目詰まりテストでPTFEメンブレン品と同程度以上であること確認された。
（混合繊維の効果）
単に樹脂コートしただけより、より細かいナノファイバーを混入した、本発明がよりフィルター、の剥離性を向上させた。ろ過性向上も認められた。

Claims (7)

1. 太さ１μ未満のフッ素系繊維、ガラス系繊維、カーボン、シリカ系繊維、２フッ化塩化ビニリデン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエステル繊維又はアミド系繊維のファイバーを０．４ｍｍ〜５ｍｍの範囲でカットし、フッ素系樹脂微粒子とポリイミド樹脂微粒子を含む分散液に混合した液で含浸して、１５０度〜３３０度に加熱して樹脂を固定乾燥することを特徴とするフィルターの表面加工方法。
2. カットファイバーはできるだけ細く長い方が効果的であるが、加工時の都合により１−３ｍｍにカットし、塗布液に混合して、被服の布（不織布又は織布）に塗布しカットファイバーと被服布の耐熱温度に合わせて加熱固定するフィルターの表面加工方法。
3. フッ素系樹脂は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレンから選ばれる一種以上であることを特徴とする請求項１または２記載のフィルターの表面加工方法。
4. ポリイミド樹脂は、ポリ（Ｎ，Ｎ'− ｐ−フェニレン−ピロメリット酸イミド）、ポリ（Ｎ，Ｎ'− ｐ−フェニレン−ベンゾフェノンテトラカルボン酸イミド）、ポリ（Ｎ，Ｎ'− ｐ−フェニレン−トリメリット酸アミドイミド）から選ばれる一種以上であることを特徴とする請求項１または２記載のフィルターの表面加工方法。
5. 前記フッ素系樹脂微粒子とポリイミド樹脂微粒子を含む分散液のフィルターへの含浸は、ローラーコート法、ディッピング法のいずれかによることを特徴とする請求項１記載のフィルターの表面加工方法。平板以外の場合等で、スプレーコート法も使用する場合もあるフィルターの表面加工方法。
6. 請求項１ないし５いずれか１項記載のフィルターの表面加工方法が施されたニードルフィルター。
7. 請求項１ないし５いずれか１項記載のフィルターの表面加工方法が施された織フィルター。