JP2011504414A - 抗菌性多孔質基材並びにそれを作製及び使用する方法 - Google Patents

Abstract

多孔質材料を銀ナノ粒子コロイド中に浸漬するステップ、及び銀ナノ粒子の損失が減少するように、銀ナノ粒子を包埋した多孔質材料をシラン四級アンモニウムポリマーでコーティングするステップを含む、抗菌性エアフィルタを調製する方法。生成するフィルタは、空気処理装置中で使用することができる。
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

［発明の分野］
本発明は、抗菌性エアフィルタ、それを作製及び使用する方法に関する。

［発明の背景］
人類は、細菌、カビ、酵母、ウイルスのような微生物、及び生活環境中の他の感染性因子により、しばしば感染される。研究は、種々の天然及び無機物質、とりわけ茶抽出物、キトサン、銀、銅、亜鉛などを含む抗菌性材料についての探索にこれまで集中してきた。銀は抗菌活性を有することが知られている。銀は６５０株を超える細菌に対して有効となり得る。銀の抗細菌活性は、銀カチオン（Ａｇ＋）に依存しており、それは、硫黄、酸素又は窒素を含む生体分子の電子供与基に強く結合する。銀イオンは、Ｃａ２＋又はＺｎ＋などの他の必須金属イオンを置換することにより作用する。重金属はタンパク質と反応して、それがタンパク質の不活性化をもたらすと一般に信じられている。重金属は、酵素の−ＳＨ基と連結することによりタンパク質と反応し、それがタンパク質の不活性化をもたらすと一般に信じられている。

ナノ粒子の使用は、現在集中的に研究されており、数通りのコーティング法があり、また表面処理が提案されている。粒子サイズがナノメートル範囲の材料を合成するためには、一般的に特別の技法が必要である。また、大部分の形成技法はエネルギー集約的であるから、ナノ粒子を含む材料を得るためには、従来と異なった方法が必要である。多数の物理的及び化学的方法、すなわち、真空蒸着、分子線エピタキシー、スパッタリング、レーザ応用真空切除、化学蒸着が使用されてきた。これらの技法は、特別の設備を必要とし、非常に高い温度で実施される。

数種の低温の方法及び工程が、ナノ粒子で材料を形成するために開発されている。イオン埋め込み、イオンビーム支援蒸着（ＩＢＡＤ）及びマグネトロンスパッタリングなどの方法は、全て非常に高い初期投資を必要とし、高い保守及び稼動コストがかかり、しかも非常に特殊な操業技術が必要である。無電解メッキ及びパジング若しくはローリングなどのより簡単な方法が導入されたが、しかしこれらの方法は、堆積率が低くなり、ナノ粒子スラッジの廃棄率が高くなり、ナノ粒子の接着力が弱くて容易にはげ落ちる傾向がある。

スピンコーティングは、薄膜を塗布するために数十年間使用されてきたが、現在ナノ粒子の堆積のために使用されている。求心加速度によって、樹脂が基材の端まで広がり、最終的にそこから離れるが、表面上に樹脂の薄膜が残ることになる。スピンコーティングについての難点の１つは再現性である。スピン工程を決めるパラメータの僅かな変動が、塗膜の大幅な変動を生じさせ得る。スピンコーティングで生じる他の難点には、堆積率の低下が含まれ、そのため９８％にもナノ粒子の廃棄率が上昇する。この工程に関与する化学物質は有害である。ナノ粒子の接着力は弱く、容易にはがれ落ちる傾向がある。

過去数十年において、増えつつある一連の科学的証拠は、最も大きく且つ工業化された都市においてさえ、家庭、オフィス、商業的建築物及び車の内部における空気が、外気よりも深刻に汚染されている可能性があることを示した。他の調査は、人々が、彼らの時間のおよそ９０パーセントを室内で過ごすことを示す。したがって、多くの人々にとって、健康に対するリスクは、外気よりも室内の空気汚染に曝されることが原因で大きくなり得る。

有機官能性シラン（ｏｒｇａｎｏｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ）技法は、衣類などの表面を処理して、それらに抗菌性を与えるために使用されてきた。

本発明は、従来の方法の上記欠点の幾つかを少なくとも一部克服することを企てる。

［発明の概要］
本文書全体を通して、特に断らない限り、「を含む」、「からなる」等の用語は非排他的、すなわち換言すれば、「を含むがそれに限定されない」と解釈されるべきである。

本発明の第１の態様に従えば、多孔質材料を銀ナノ粒子コロイド中に浸漬するステップ、及び銀ナノ粒子の損失が減少するように、銀ナノ粒子を包埋した多孔質材料をシラン四級アンモニウムポリマーでコーティングするステップを含む、フィルタとして使用するための抗菌性基材を調製する方法が提供される。

如何なる理論にも拘束されることは望まないが、粒子の細菌に対する結合は、相互作用に利用され得る表面積に依存し得る。相互作用に利用できるより大きい表面積を有する、より小さい粒子は、より大きい粒子よりも強力な抗菌効果を有するとみなすことができる。

この新しい方法は、非常に低いコストの初期投資並びに費用がかからない保守及び操業コストで、コスト効果的に達成され得る。さらに、本方法は、周囲条件で、技術的熟練のレベルが比較的低い人々により実施され得る、非常に簡単な工程である。純粋な銀ナノゾルが、銀ナノ粒子包埋ステップ中に如何なる追加の化学物質も使用せずに、周囲条件で使用されるので、使用されなかった銀ナノゾルを全て再使用のために捕集することが可能である。このことは銀ナノゾルの廃棄率を減少させ得る。この工程は、良好な接着及び銀ナノ粒子の均一性をもたらすことができる。ポリマー被膜は、銀ナノ粒子を初期堆積の状態に保つことができ、それにより銀ナノ粒子のフィルタ基材からの漏出を減少させることができる。さらに、本工程は、廃棄スラッジの発生を少なくすることができるので、非常に清浄な工程にし得る。

本方法は、さらに、塩酸若しくは硝酸若しくは硫酸若しくはオゾン若しくはＵＶなどの作用因子による多孔質材料の表面エッチングステップ、及び又はアセトン若しくはアルコールによる多孔質材料の洗浄及び又は抗菌性基材の乾燥という前処理ステップを含むことができる。

本発明の別の態様に従えば、銀ナノ粒子を包埋し、シラン四級アンモニウムポリマー被膜を有する多孔質材料を含む、フィルタとして使用するための抗菌性基材が提供される。

本発明のさらなる態様に従えば、銀ナノ粒子を包埋し、シラン四級アンモニウムポリマー被膜を有する多孔質材料を含む抗菌性フィルタを備える空気処理装置が提供される。

本装置は、脱臭剤及び又は空気清涼剤（ａｉｒ ｆｒｅｓｈｅｎｅｒ）又は芳香剤カートリッジをさらに含んでもよい。

ここで、添付図面を参照して、例示として説明する。

本発明の第１の実施形態により、フィルタとして使用するための抗菌性基材を調製する方法のフローチャートである。 処理された表面上の有機官能性シラン共有結合の効果を示す図である。 多孔質材料の表面に結合したシラン四級アンモニウムのポリマー化学を示す図である。 表面に永久的に結合してさらに洗浄したシラン四級アンモニウムポリマーの、銀ナノ粒子の漏出試験に対する効果を示す図である。 銀ナノ粒子を包埋し、シラン四級アンモニウムポリマー被膜を有する多孔質材料を含む抗菌性フィルタを組み込んだ空気処理装置の側面図である。 銀ナノ粒子を包埋し、シラン四級アンモニウムポリマー被膜を有する多孔質材料を含む抗菌性フィルタを組み込んだ空気処理装置の平面図である。 銀ナノ粒子を包埋し、シラン四級アンモニウムポリマー被膜を有する多孔質材料を含む抗菌性フィルタを組み込んだ空気処理装置の断面図である。

本発明は、空気濾過における上乗せの消毒のためのナノサイズの銀粒子の使用を開示する。銀ナノ粒子の直径は１００ｎｍ以下である。それに加えて、ナノサイズの銀は、酸素に対する感受性が高く、化学吸着した銀イオンとともに部分的に酸化された銀の形成を生じて、それが銀の殺菌性に付加的寄与を有する。ナノサイズの銀は、細菌、カビ及び真菌の成長を安全に且つ効果的に阻害するために使用することができる。

本発明により、銀ナノ粒子は、表面積の比較的大きいフィルタ材料（金属発泡体又はポリウレタン又はポリエステル又は不織紙のいずれかで作製された独占権のある材料）上にコーティングされる。３次元格子構造を有し、高い多孔性及び高い比表面積を示し、均一な強度及び靭性もある、金属発泡体又はポリウレタン又はポリエステル又は不織紙のいずれかで作製された材料は、銀ナノ粒子をコーティングするためのフィルタとして使用するのに適している。

図１を参照すると、銀ナノ粒子は、フィルタ基材、実例ではニッケル発泡体上にコーティングされている。前処理工程は、表面清浄化さらにフィルタ基材のエッチングのために、アセトン及び塩酸を使用して最初に実施される。これは、フィルタ基材上に接着性の銀被膜を形成させるのに有利である。ニッケル発泡体基材は、表面から脱脂するためにアセトン中に浸漬してから空気中で乾燥される。この工程の後、ニッケル発泡体基材を２５℃で２０分間３Ｍ ＨＣｌ中に浸漬し、如何なる酸化物層も除去して、ニッケル発泡体表面をエッチングする。

塩酸は、「超清浄平滑層」を調製してその上への銀ナノ粒子のコーティングを容易にする目的で、ニッケル発泡体などのフィルタ基材を「エッチングする」ために使用され、その酸化物層及び／又はニッケル表面上の如何なる反応性の化学物質も除去する。それに加えて、この工程は、被膜の接着及び均一性も改善して、ニッケル発泡体などの前記基材のナノ銀被覆表面の「剥離効果」を防止するであろう。

調製後、ニッケル発泡体基材は、さらに使用する前に脱イオン水ですすいで化学物質を除去する。前処理された基材は、次に好ましくは約０．１〜約１０ｇ／リットルの銀ナノ粒子を含み、室温に保たれたコロイド状銀ゾル溶液中に、好ましくは終夜浸漬される。これにより被覆は飽和に達する。部分的被覆は、より短い浸漬時間で達成することができる。生成した被覆ニッケル発泡体は、次に１回又は複数回、水で、好ましくは脱イオン水ですすぎ、如何なる未被覆銀粒子も除去して風乾する。

１，３，ジデシル−２−メチルイミダゾリンクロリドなどのシラン四級アンモニウム化合物、活性な抗菌剤及びジメチル，メチル（ポリエチレンオキシド）シロキサン、「活性な抗菌剤を被覆表面に結合させる接着剤」として作用するシラン系有機シランポリマー。その場合、抗菌性ポリマー被膜は除去不可能で且つ耐久性である。コーティングは、銀ナノ粒子を包埋したニッケル発泡体の表面上に、噴霧を利用して１段階の湿式仕上げ工程で適用される。この表面への付着技法は２通りの手段を含む。まず最も重要なことは、フィルタをカチオン種で（物理吸着）、１分子の厚さでコーティングする、非常に急速な工程であることである。これは、シラン四級アンモニウム化合物のカチオンがフィルタ表面上の水又は化学物質からのプロトンを置き換えるイオン交換工程である。第２の機構は、シラン四級アンモニウム化合物などの材料に独特である。この場合、シラノールは、共有結合が受容表面に生ずることを可能にする（化学吸着）。その場合、基材へのこの結合は、単独重合を可能にするシラノールの官能性により、より一層耐久性になる。このようにしてそれらが表面にコーティングされた後、それらは、共有結合で反応し得ない表面においてさえ、実質的に除去不可能になる（図２）。

フィルタ表面上に結合したシラン四級アンモニウムポリマーの付加は、漏出による銀ナノ粒子の損失を減少させることにより、銀ナノ粒子の抗菌性機能を増強する。シラン四級アンモニウムポリマーの有機官能性シランは、基材に固定されてとどまり、それを施してある表面に微生物が接触したときに死滅させる；その技法は基材と実際に重合して表面を抗菌性にする。ひとたび重合されると、処理は、阻害の区域を移動させず又は創り出さず、その結果、順応した生物を許容する条件を設定しない。銀ナノ粒子が包埋され、シラン四級アンモニウムポリマー被膜を有する生成抗菌性基材は、漏出も減少もせず、その代わり、時間が経過しても適用された表面に永久的に固定されてとどまる。それは微生物を毒しない。

図３を参照すると、基材に結合したシラン四級アンモニウムポリマーは銀ナノ粒子の漏出を阻止することが明確に見て取れる。銀ナノ粒子が堆積した寒天（１０）は漏出する。銀ナノ粒子が堆積した寒天は、数回の洗浄後多量漏出し（１２）、寒天上に置いた、銀ナノ粒子を包埋した多孔質材料（１４）は漏出し、寒天上に置いた、銀ナノ粒子を包埋し、シラン四級アンモニウムポリマーで被覆した多孔質材料（１６）は、極小の漏出を示し、寒天上に置いた、数回洗浄した、銀ナノ粒子を包埋し、シラン四級アンモニウムポリマーで被覆した多孔質材料（１８）も、極小の漏出を示した。

フィルタの有機官能性シランで処理した表面（２２）に微生物（２０）が接触したときに、細胞は剣のような作用により物理的に破壊されて、次いで正に荷電した窒素分子（図４）により感電死させられる。

図５、６及び７を参照すると、シラン四級アンモニウムポリマーと一緒に「ナノ銀」被覆フィルタ（２４）は、空気処理装置中のフィルタのような好ましい実施形態として使用される。この独特の抗菌性表面活性フィルタは、風媒の病原菌、グラム（＋）細菌、グラム（−）細菌、真菌、カビ、白カビ、酵母及び藻類を接触で破壊し、一方、フィルタそれ自体は微生物汚染するその後の増殖部位にはならない。「ナノ銀」被覆フィルタとシラン四級アンモニウムポリマーとの永久結合処理は、臭気、移染又はガス放出がなく且つ生物変異を起こさない無類の生物学的制御を提供する。それ故、「ナノ銀」でコーティングされ、シラン四級アンモニウムポリマーで結合処理されたフィルタは、増大したレベルの抗菌性活性を有する。

脱臭（臭気除去手段）
現在市場に出ている大部分の脱臭剤は、臭気を抑えるために隠蔽作用を使用している。これらの「マスキング剤」も脱臭剤と呼ばれるが、マスキング剤は、多量の香料を含み、不快な臭いの上に心地よい匂いを重畳する試みにすぎない。

この実施形態によれば、シラン四級アンモニウムポリマー溶液は、活性な抗菌性と、悪臭を一時的に遮蔽するのではなく、環境的に責任を果たして強化する方法で、ヒトに不快な臭気及び毒性のガスと化学的に反応し、それを相殺し、中和し、及び溶解することにより、悪臭を除去する脱臭剤特性とを有する悪臭吸収脱臭剤である。シラン四級アンモニウムポリマー溶液は、無毒性、非腐食性及び非引火性である。化合物は、臭気がもはや存在しないように、分子と反応して分解する。フィルタは、酸性（硫化水素、メチルメルカプタン）からアルカリ性（アンモニア、トリメチルアミン）の広範囲の臭気ガスと自動的に且つ同時に反応して、臭気及びそれらの対応ガスの存在を排除する。

広い範囲で温度を変えても、銀ナノ粒子とシラン四級アンモニウムポリマー溶液との組合せに影響はなく、この組合せは高温に曝される可能性がある自動車環境のための理想的な脱臭剤になる。この塩基性脱臭剤は蒸発しないので、蒸発期間中に、脱臭の有効性が変化することはない。

それに加えて、実施形態は、製造中に、半多孔質のセルロースエステルの芯（２６）をシラン四級アンモニウムポリマー溶液中に入れることを含む。半多孔質セルロースエステルの芯及びシラン四級アンモニウムポリマー溶液の両方が、アロマテラピー芳香剤の遊離／放出を制御し、並びに逆流するガス／化学物質、悪臭及び吸入可能な懸濁粒子又は微粒子の再放出を防止する特別の基盤を形成した。半多孔質の芯は、芳香剤の遊離を制御するために使用されるだけでなく、シラン四級アンモニウムポリマー溶液の寿命を、本発明により必要とされる６週間まで延長させるためにも使用される。

空気清涼剤又は芳香剤カートリッジ
この実施形態も、シラン四級アンモニウムポリマー溶液と空気清涼剤（２８）との間の相互作用を組み込んでいる。精油が空気清涼剤中で使用される。

精油の特別のブレンドによる高品質の芳香剤が、空気清涼剤中で使用されることが好ましい。芯（２６）は、空気清涼剤からの芳香剤がゆっくりした放出を維持し、且つファン（３０）からの遊離を制御することを可能にする。実施形態は、室内の空気からガス汚濁物質及び悪臭を除去するために使用される２種の主要な処理技法である、最も重要な吸着及びガス洗浄の両方を、さらに組み込んでいる。

種々の実施形態及び更なる特徴が本発明に関連して想定される。当業者には明らかと思われる改変及び変形は、本発明の範囲内とみなされる。

Claims (12)

1. 多孔質材料を銀ナノ粒子コロイド中に浸漬するステップ、及び
   銀ナノ粒子の損失が減少するように、銀ナノ粒子を包埋した多孔質材料をシラン四級アンモニウムポリマーでコーティングするステップ
   を含む、フィルタとして使用するための抗菌性基材を調製する方法。
2. 多孔質材料の表面を作用因子でエッチングするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記作用因子は、塩酸又は硝酸又は硫酸又はオゾン又はＵＶを含む、請求項２に記載の方法。
4. 多孔質材料をアセトン又はアルコールで洗浄する前処理ステップをさらに含む、請求項１又は２に記載の方法。
5. 抗菌性基材を乾燥するステップをさらに含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 半多孔質の芯をシラン四級アンモニウムポリマー中に入れるステップをさらに含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 銀ナノ粒子を包埋し、シラン四級アンモニウムポリマー被膜を有する多孔質材料を含む、フィルタとして使用するための抗菌性基材。
8. 多孔質材料が、金属発泡体又はポリウレタン又はポリエステル又は不織紙を含む、請求項７に記載の抗菌性基材。
9. シラン四級アンモニウムポリマー被膜が、１，３，ジデシル−２−メチル−イミダゾリンクロリド及びジメチル，メチル（ポリエチレンオキシド）シロキサンを含む、請求項７又は８に記載の抗菌性基材。
10. 銀ナノ粒子を包埋し、シラン四級アンモニウムポリマー被膜を有する多孔質材料を含む、抗菌性フィルタを備える空気処理装置。
11. 臭気除去手段及び又は清涼剤又は芳香剤カートリッジをさらに備える、請求項１０に記載の空気処理装置。
12. 清涼剤又は芳香剤カートリッジが半多孔質の芯を通してフィルタに接続されている、請求項１１に記載の空気処理装置。

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