JP2013032514A - ポリテトラフルオロエチレン多孔質膜およびエアフィルタ濾材 - Google Patents

ポリテトラフルオロエチレン多孔質膜およびエアフィルタ濾材 Download PDF

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Abstract

【課題】高いPF値を有し、材料使用効率の観点からも有利である、エアフィルタ濾材に適した新たなポリテトラフルオロエチレン(PTFE)多孔質膜を提供する。
【解決手段】PF値が36以上、目付量が0.90g/m2以下のPTFE多孔質膜を提供する。ここで、PF値={−log(PT(%)/100)/(PL(Pa)/9.8)}×100である。PT(透過率)はPT(%)=100−CE(%)により、CE(捕集効率)は粒子径0.10〜0.20μmのジオクチルフタレートを用いて透過流速5.3cm/秒の条件で測定したときの値により、PL(圧力損失)は透過流速5.3cm/秒の条件で測定したときの値により、それぞれ定められる。
【選択図】図1

Description

本発明は、ポリテトラフルオロエチレン(以下、「PTFE」という)多孔質膜およびこれを用いたエアフィルタ濾材に関する。
一般に、PTFE多孔質膜は、PTFEファインパウダーと押出助剤である液状潤滑剤とを混合して得た混合物を押し出して成形し、得られた成形体をシート状に圧延し、圧延して得たPTFEシートから液状潤滑剤を除去し、液状潤滑剤を除去したPTFEシートを延伸して多孔化することにより、製造される(例えば特許文献1)。こうして得られたPTFE多孔質膜は、よく知られているとおり、ノード(結節)とフィブリル(繊維)とから構成された多孔構造を有する。
エアフィルタ濾材の捕集層として用いる場合、必要な強度を付与するために、PTFE多孔質膜は、通常、不織布などの通気性支持材と接合される。通気性支持材との接合は、熱ラミネート、接着剤を用いたラミネート(接着剤ラミネート)などによって行われる。
エアフィルタ濾材の特性としては、圧力損失および捕集効率が重要であるが、この2つの特性は、一方を上げれば他方が下がる傾向を有し、その両立が難しい。圧力損失と捕集効率とのバランスの優劣を評価するための指標としてはPF値がよく用いられる。PF値は、以下の式(1)により算出され、その値が高いほど、エアフィルタ濾材が高性能であることを示す。式(1)における透過率PTは、捕集効率CEと式(2)に示された関係を有する。PLは圧力損失を示す。
PF値={−log(PT(%)/100)/PL(mmH2O)}×100 (1)
PT(%)=100−CE(%) (2)
圧力損失と捕集効率とのバランスに優れたエアフィルタ濾材を得るためには、高いPF値を有するPTFE多孔質膜が必要とされる。高いPF値を有するPTFE多孔質膜を製造するために、従来から、PTFE多孔質膜の製造方法の各工程における種々の改善が提案されてきた。
例えば、特許文献1には、PTFEシートを延伸して多孔化する工程において、長手方向(MD方向)への延伸に引き続いて実施されるPTFEシートの幅方向(TD方向)への延伸に、大きい延伸速度を適用することが提案されている(段落0023)。また例えば、特許文献2には、PTFEファインパウダーと液状潤滑剤とを混合する工程において、液状潤滑剤を多量に配合することが提案されている(段落0053〜0055)。
特開2001−170461号公報 特開2002−301343号公報
特許文献1に開示されている製造方法によれば、PTFE多孔質膜を構成するフィブリルの径が細くなり、PF値が向上する。しかし、この改善によるPF値の向上には限界がある。特許文献2に開示されている製造方法によれば、フィブリルが小径化するとともにフィブリル間の距離が拡大し、PF値がさらに向上する。しかし、この改善は、PF値の向上と引き換えに、PTFE多孔質膜の単位膜厚あたりの捕集性能の低下をもたらす。これを補うためには、PTFE多孔質膜を厚膜化すればよい。しかし、PF値の向上に適した膜厚とすると、PTFE多孔質膜の目付量が大きく増加する。目付量の増加は、多孔質膜を製造するために要するPTFEの使用量、言い換えると原材料コストが増加することを意味する。
従来知られているPF値向上の提案には未だ改善の余地がある。そこで、本発明は、高いPF値を有し、PTFEの材料使用効率の観点からも有利である新たなPTFE多孔質膜を提供することを目的とする。本発明のまた別の目的は、本発明によるPTFE多孔質膜を用いた、新たなエアフィルタ濾材を提供することにある。
本発明は、上記式(1)により定められるPF値が36以上であり、目付量が0.90g/m2以下である、PTFE多孔質膜を提供する。
式(1)は、圧力の単位としてPaを用いて書き直すと以下のとおりとなる。
PF値={−log(PT(%)/100)/(PL(Pa)/9.8)}×100
この式において、PTは、透過率であって、式(2)として記載したとおり、PT(%)=100−CE(%)により定められる。CEは、捕集効率であって、粒子径0.10〜0.20μmのジオクチルフタレートを用いて透過流速5.3cm/秒の条件で測定したときの値により定められる。PLは、圧力損失であって、透過流速5.3cm/秒の条件で測定したときの値により定められる。
本発明は、さらに別の側面から、
本発明によるPTFE多孔質膜と通気性支持材とが積層されてなるエアフィルタ濾材、を提供する。
本発明によれば、高いPF値を有するとともに、目付量が小さくてそれ故にPTFEの材料使用効率の観点からも従来より有利であるPTFE多孔質膜とこれを用いたエアフィルタ濾材を提供することが可能となる。小さい目付量は、製品の軽量化にも寄与する好ましい特徴である。
実施例2により得られたPTFE多孔質膜のSEM(走査型電子顕微鏡)写真である。 比較例3により得られたPTFE多孔質膜のSEM写真である。 比較例4により得られたPTFE多孔質膜のSEM写真である。 エアフィルタユニットの一例を示す斜視図である。
本発明のPTFE多孔質膜は以下の製造方法により得ることができる。以下の方法は、目付量の増大を抑制しながらPTFE多孔質膜のPF値を向上させたPTFE多孔質膜の製造に適しており、特に本発明のPTFE多孔質膜の製造に適しているが、本発明のPTFE多孔質膜が以下の方法により製造されたものに限られるわけではない。
本発明のPTFE多孔質膜の製造に適した本実施形態の方法は、
標準比重が2.19以下であるPTFEファインパウダーと液状潤滑剤とを含む混合物を、フラットダイを用いてシート状に押し出し、PTFEシートを得る工程Aと、
前記PTFEシートを、前記工程Aにおける押し出し方向である前記シートの長手方向に沿って一対のロールの間を通過させて圧延する工程Bと、
前記PTFEシートを、前記シートの長手方向に直交する幅方向に延伸する工程Cと、
前記工程Bおよび前記工程Cにおいて圧延および延伸されたPTFEシートから前記液状潤滑剤を除去する工程Dと、
前記工程Dにおいて前記液状潤滑剤が除去されたPTFEシートを、当該シートの長手方向および幅方向のそれぞれについて延伸して、PTFE多孔質膜を得る工程Eと、を具備するPTFE多孔質膜の製造方法、である。この製造方法は、前記PTFE多孔質膜をPTFEの融点以上の温度で焼成する工程Fをさらに具備していてもよい。
従来、PTFEファインパウダーと液状潤滑剤とを含む混合物は、丸棒状に押し出されていた(特許文献1段落0075、特許文献2段落0080)。引き続き実施される圧延工程で丸棒体はシート状に押し広げられるため、PTFEシートを得ることだけを考えれば、混合物をシート状に押し出す必要はないためである。これに対し、本実施形態の製造方法では、混合物がフラットダイ(Tダイ)を用いてシート状に押し出される(工程A)。
次いで、ダイから押し出されたPTFEシートが、その長手方向(MD方向;機械流れ方向;工程Aにおける押し出し方向に同じ)に沿って一対のロールの間を通過させて圧延される(工程B)。ロールを用いた圧延は従来から実施されていた。しかし、従来は、丸棒状に押し出されたPTFE成形体(PTFE棒状体)に対して圧延が行われていたため、PTFE成形体は、その長手方向に直交する幅方向(TD方向;機械流れ方向に直交する方向)に大きく押し広げられてシート状に成形されていた。
これに対し、本実施形態では、予めシート状に押し出されたPTFE成形体(PTFEシート)が圧延される。このため、PTFE成形体が引き延ばされる方向は、主として、ロール表面の回転方向、すなわちその長手方向となる。したがって、工程Bは、実質的には、シートの長手方向へのロール延伸工程である。用いる装置は従来と基本的に同じであるが、PTFE成形体が受ける応力およびそれによる延伸の方向は、従来とは大きく異なる。
引き続き、圧延されたPTFEシートがその幅方向に延伸される(工程C)。この延伸により、PTFEシートは、長手方向および幅方向について、液状潤滑剤を含んだ状態で順次引き伸ばされることになる。
工程Cは工程Bの前に実施してもよい。すなわち、工程Aにより得られたPTFEシートをその幅方向に延伸し(工程C)、その後、その長手方向についてロールを用いて圧延(あるいは延伸;工程B)を実施しても構わない。
この後の工程DおよびEは、基本的に、従来と同様に実施される。具体的には、まず、PTFEシートを加熱することにより液状潤滑剤が除去される(工程D)。引き続き、PTFEシートがその長手方向および幅方向に延伸され、PTFE多孔質膜が製造される(工程E)。工程Eは、PTFEの融点未満の温度で実施することが好ましい。その後、PTFE多孔質膜は、PTFEの融点以上の温度に加熱され、焼成されてもよい(工程F)。従来から実施されてきたように、工程Eにおいては、所望の諸特性、例えば所望の捕集効率および圧力損失、が得られるように延伸倍率は適宜調整される。本実施形態の製造方法では、長手方向についての延伸倍率と幅方向についての延伸倍率との積により算出される延伸面倍率は150〜700倍が適切である。
上記工程を経て得られたPTFE多孔質膜の膜構造には従来のPTFE多孔質膜では観察されなかった新たな特徴が顕著に現れることがある。この特徴の発現には、フラットダイを用いた押し出しと、長手方向および幅方向についてのPTFEシートの逐次湿式延伸とが寄与していると考えられる。より具体的には、フラットダイの内部において加わる応力および逐次湿式延伸により加わる応力によって、PTFEファインパウダーのフィブリル化特性が影響を受け、これが膜の構造の変化の要因となっていると考えられる。
この膜構造の特徴を、従来の典型的な製造方法、すなわち丸棒状に押し出したPTFE成形体をシート状に圧延し、幅方向への湿式延伸を実施することなく多孔化のための延伸を実施する製造方法、により得られたPTFE多孔質膜の膜構造と比較して述べると、以下のとおりとなる。
第一に、フィブリルが小径化する。第二に、ノードが小さくなり、膜単位体積当たりのノードの個数が増加する。第三に、延伸方向以外の方向に延びるフィブリルの比率が高くなる、言い換えればフィブリルの配向がよりランダムになってフィブリルがより等方的に延びる。これらの特徴を見ると、本発明の製造方法の適用により、PTFEファインパウダーは、よりフィブリル化しやすくなったと考えるのが妥当である。そして、細いフィブリルが特定の方向への偏りが少ない状態で延び、しかもノードが小さく分割された膜構造は、基本的に、PTFE多孔質膜のPF値の向上に適している。
なお、添付する図1に示されているように、ここでは「ノード」と呼ぶことにした微小な粒子の大きさおよび形状は、従来のノード(図3参照)とは大きく異なる。この粒子を従来のノード(結節)と同一視してよいかについては検討の余地があるが、ここでは便宜的にこの称呼を用いていることを断わっておきたい。
原料としては、標準比重が2.19以下であるPTFEファインパウダーを使用することが好ましい。標準比重(standard specific gravity)は、SSGとも称され、日本工業規格(JIS) K6892に規定される測定法により規定される比重であって、平均分子量と負の相関を示す傾向があることが知られている(標準比重が小さいほど平均分子量は大きくなる)。例えば、旭フロロポリマーズ社製フルオンCD−123は、標準比重2.155、平均分子量1200万、同社製フルオンCD−145は、標準比重2.165、平均分子量800万、同社製フルオンCD−1は、標準比重2.20、平均分子量200万である。
標準比重が上記の上限値よりも大きいPTFEファインパウダーを用いた混合物に、上述の改良された方法を適用すると、液状潤滑剤を除去した後の延伸工程においてPTFEシートに欠陥が発生しやすくなり、望ましい特性を有するPTFE多孔質膜を得ることが困難となる。これは、PTFEファインパウダーの分子量が小さすぎると、延伸により形成される細いフィブリルが破断しやすくなるためであると考えられる。
従来提案されていたPTFE多孔質膜のPF値の向上は、フィブリルの径を小さく抑制するとともにフィブリル間距離を大きくすることにより、実現されてきた。フィブリル間距離の拡大に着目せずフィブリル径の減少のみに着目した特許文献1では、PF値の最高値は35である(実施例2)。実際のところ、フィブリルの小径化のみによるPF値の向上は、35程度にその限界があると考えられる。特許文献2によると、フィブリル相互の干渉により、フィブリル1本あたりの捕集効率が低下し、これによってPF値の向上が妨げられることになる(段落0007−0012)。特許文献2では、PTFEファインパウダーと混合する液状潤滑剤の量を増やしてPTFE多孔質膜の充填率を低下させることにより、フィブリル間距離の拡大が図られている。特許文献2の実施例の欄には、実施例1および2として、フィブリルの平均径(平均繊維径)が49〜53nmであってPF値が39.2〜42.0であるPTFE多孔質膜が開示されている。これらの膜の充填率は4.0〜4.5%であり、膜厚は15.0〜16.0μmである。したがって、これらの膜の目付量をPTFEの比重に基づいて計算すると1.30〜1.56g/m2程度となる。この値は、PTFEの材料使用効率の観点からは改善の余地がある。
特許文献2に開示されたPTFE多孔質膜は、従来の膜に一般に見られたフィブリルおよびノードの形状を基本的に維持したままフィブリル間距離が大きくなるように調整されたものである。このPTFE多孔質膜の単位膜厚あたりの捕集効率CE(t)は基本的に従来と変わりがない。後述する方法により計算すると、特許文献2の実施例のPTFE多孔質膜のCE(t)は58〜60%程度であって、比較例によるCE(t)と変わりがない。特許文献2に開示されたPTFE多孔質膜が高いPF値を実現できている実質的な理由は圧力損失の低下にあると考えられる。
上記のように、膜を構成するフィブリルおよびノードの形状を改善することにより、後述する実施例により確認されているように、PF値が36以上であり、目付量が0.90g/m2以下であるPTFE多孔質膜の提供が可能となる。
本発明によれば、具体的には、PF値を37以上、さらには38以上、特に39以上、場合によっては40以上にまで向上させたPTFE多孔質膜を提供することも可能である。この程度に高いPF値を有しながらも、本発明によるPTFE多孔質膜は、0.90g/m2以下、さらには0.87g/m2以下、特に0.85g/m2以下の目付量を有することができる。小さい目付量は、言うまでもなく、原料コストおよび製品重量の削減に直結する望ましい特徴である。目付量の下限に特に制限はないが、本発明によるPTFE多孔質膜の目付量は、例えば0.40g/m2以上、特に0.50g/m2以上である。
PTFE多孔質膜のフィブリルの平均径(平均繊維径)を過度に小さくすることなく、PF値の向上を図ることも可能である。本発明によるPTFE多孔質膜のフィブリルの平均径は、例えば55nm以上、さらには57nm以上である。細すぎないフィブリルは膜の強度維持に役立つ。フィブリルの平均径の上限に特に制限はないが、本発明によるPTFE多孔質膜のフィブリルの平均径は、例えば83nm以下、特に80nm以下である。本発明によるPTFE多孔質膜は、PF値が同程度となる範囲内で比較する限りにおいて、特許文献2に開示されているような従来のPTFE多孔質膜よりも、太いフィブリル径を確保できる。
本発明によるPTFE多孔質膜の充填率は、例えば2.7%以上、さらには2.9%以上であり、また例えば3.9%以下である。
なお、充填率(FF)は、下記の式(3)に示すとおり、膜の気孔率(VC)と関連づけることができる。
FF(%)=100−VC(%) (3)
本発明によれば、以下の式(4)により算出されるPTFE多孔質膜の膜厚1μmあたりの捕集効率(CE(t))を76%以上、さらには80%以上、場合によっては82%以上、とすることが可能である。
CE(t)(%)={1−(1−CE(%)/100)1/t}×100 (4)
ここでも、CE(捕集効率)は、上記で説明した測定条件に基づく値を採用する。tは、PTFE多孔質層の膜厚であってその単位はμmである。
なお、式(4)は、透過率PT、単位膜厚あたりの透過率PT(t)、捕集効率CE、および単位膜厚あたりの捕集効率CE(t)が、PT=PT(t)t、CE(t)=1−PT(t)、CE=1−PTの関係を満たすことに基づいて導いたものである。
従来の製造方法によるPTFE多孔質膜は、その膜厚1μmあたりの捕集効率を76%程度以上に調整すると、エアフィルタ濾材の用途においては高すぎる圧力損失を示すことが通例であったが、本発明によれば、上記程度にPTFE多孔質膜の膜厚1μmあたりの捕集効率を引き上げても圧力損失の大幅な上昇を防ぐことが可能である。
したがって、本発明は、また別の観点から、膜厚1μmあたりの捕集効率CE(t)が76%以上85%未満であって、以下の式(5)により算出されるPTFE多孔質膜の膜厚1μmあたりの圧力損失PL(t)が13Pa以上20Pa未満、より具体的には15Pa以上19.5Pa以下であるPTFE多孔質膜を提供する。
本発明は、またさらに別の観点から、膜厚1μmあたりの捕集効率CE(t)が85%以上90%以下であって、以下の式(5)により算出されるPTFE多孔質膜の膜厚1μmあたりの圧力損失PL(t)が18Pa以上25Pa以下、より具体的には20Pa以上25Pa以下であるPTFE多孔質膜を提供する。
PL(t)(Pa)=PL(Pa)/t(μm) (5)
ここでも、圧力損失PLは、上記で説明した測定条件に基づく値を採用する。
特許文献2において提案されている改善が、単位膜厚あたりに換算した捕集効率を改善するものでないことは既に述べた。また、本発明による改良を十分に適用しない製造方法においては、その製造条件を当業者に公知の手法、具体的には延伸倍率の調整、によって修正したとしても、膜厚1μmあたりの捕集効率が74〜75%程度に調整された多孔質膜の1μmあたりの圧力損失は20Paを大きく上回る(後述する比較例1を参照)。
本発明によれば、ホモPTFE多孔質膜についても、上記程度に、高いPF値と高すぎない目付量とを両立させることが可能である。ホモPTFEという用語は、周知のとおり、TFE(テトラフルオロエチレン)のみを単量体とする重合体を意味する。これに対し、TFEとともにそれ以外の単量体を含む共重合体は、変性PTFEと呼ばれる。ただし、ホモPTFE多孔質膜には、必要に応じて、光触媒、カーボンブラック、吸湿剤などの機能性材料が添加されることがあり、この意味において、ホモPTFE多孔質膜は、ホモPTFEのみからなる膜でないことには留意する必要がある。本明細書における「ホモPTFE多孔質膜」は、具体的には、膜を構成する重合体が単量体としてTFEのみを含む多孔質膜を意味する。
また、本発明によれば、複数層のPTFE多孔質層を用いることなく、単層の状態において、PTFE多孔質膜の高いPF値と高すぎない目付量とを両立させることが可能である。単層膜は、一般に複層膜よりも製造コストの面で有利である。すなわち、本発明によるPTFE多孔質膜は、単層膜であることが好ましい。
以下、本実施形態の製造方法を構成する各工程をより詳細に説明する。
工程AにおけるPTFEファインパウダーと液状潤滑剤との混合比は、例えばPTFEファインパウダー100質量部に対し、液状潤滑剤5〜50質量部、特に5〜30質量部が好適である。液状潤滑剤としては、従来から使用されてきた炭化水素油、例えば流動パラフィン、ナフサなどを使用すればよい。
工程Aでは、PTFEファインパウダーを含む混合物の押し出しにフラットダイが用いられる。フラットダイ(Tダイ)としては、ストレートマニホールド型Tダイ、コートハンガー型Tダイ、フィッシュテール型Tダイが挙げられる。工程Aにおける押出成形は、熔融物の押出成形ではなく、助剤を混合したペーストの押出成形であるため、押し出すべき混合物の粘度が高い。このため、上記のダイの中では、フィッシュテール型Tダイ(フィッシュテールダイ)の使用が適している。
工程Aにおいて押し出すPTFEシートの厚さは、0.5〜5.0mm、特に1.2〜2.0mmが適切である。
工程Bでは、PTFEシートが液状潤滑剤を含んだ状態で圧延され、PTFEシートが押出時よりも薄く引き延ばされ、厚さが均一化される。この圧延は、例えば、PTFEシートの幅方向の長さが実質的に変化しないプロセスとして実施することができる。この場合、工程Bにおける圧延は、PTFEシートを実質的にその長手方向のみに引き延ばすプロセスである。
工程Bにおける圧延は、具体的には、一対の圧延ロールよりもシート流れ方向の下流側に配置した引っ張りロールによりPTFEシートを引っ張りながら、そのPTFEシートを当該一対の圧延ロールの間を通過させて圧延することにより、実施することができる。このとき、引っ張りロールの回転速度を圧延ロールの回転速度よりもやや高く設定すると、PTFEシートがその幅方向の長さを実質的に一定に保ちながらその長手方向に延伸される。
工程BにおけるPTFEシートの圧延は、圧延前の幅方向の長さに対する圧延後の幅方向の長さが90〜110%、好ましくは95〜105%の範囲となるように、実施することが好ましい。本明細書では、幅方向の長さの変化が上記範囲内にある場合に、「幅方向の長さを実質的に維持しながら」圧延したものとする。
工程Bにおいては、圧延後のPTFEシートの厚さを、50〜2000μm、特に100〜300μmとすることが好ましい。また、工程Bでは、PTFEシートの厚さを、圧延前の厚さと比較して、30%以下、例えば10〜15%とすることが好ましい。
工程Cでは、PTFEシートが液状潤滑剤を含んだ状態でその幅方向に延伸される。この延伸は、従来から幅方向への延伸に多用されてきたテンターを用いて実施するとよい。工程Cにおける延伸倍率は、1.2〜10倍、特に2.0〜5.0倍が適当である。この延伸倍率が低すぎると、膜構造を十分に変化させることが難しくなる。他方、この延伸倍率が高すぎると、長手方向における強度低下や膜厚の不均一化が生じることがある。
工程Dでは、幅方向に延伸したPTFEシートから液状潤滑剤が除去される。この工程は、従来どおり、PTFEシートを乾燥させることにより、具体的には液状潤滑剤を含むPTFEシートを液状潤滑剤の除去に適した温度に維持することにより、実施するとよい。乾燥に適した温度は100〜300℃程度である。
なお、工程Bにおける圧延および工程Cにおける延伸は、PTFEシートに液状潤滑剤が保持された状態で実施する必要がある。このため、PTFEシートの温度を、100℃以下、好ましくは40℃以下に保ちながら実施することが好ましい。
工程Eでは、液状潤滑剤を除去したPTFEシートがその長手方向および幅方向に逐次延伸されて多孔化する。長手方向および幅方向への延伸には、従来どおり、それぞれ、ロールの回転速度の相違を利用するロール延伸法、テンターを用いるテンター延伸法により実施するとよい。長手方向への延伸と幅方向への延伸とはいずれを先に実施しても構わない。
工程Eにおける延伸倍率は、得られるPTFE多孔質膜の膜構造および膜特性に大きな影響を与える。工程Eにおける延伸倍率は、所望の膜特性に応じて、適宜、適切に設定すればよい。一般に、高すぎる延伸倍率は、例えば低すぎる捕集効率をもたらし、低すぎる延伸倍率は、例えば高すぎる圧力損失をもたらす。
適切な延伸倍率は、工程Eに至るまでの各工程における圧延、延伸等の条件に応じて変化するため、その好ましい範囲を一律に述べるのは難しいものの、通常は、その長手方向への延伸倍率については5〜30倍、特に10〜20倍が、その幅方向への延伸倍率については10〜40倍、特に20〜30倍が好適である。
延伸面倍率は、圧力損失が適切な値にまで低下するように、150倍以上、さらには250倍以上、特に300倍以上が好適である。また、延伸面倍率は、捕集効率の大幅な低下を防ぐために、700倍以下、さらには600倍以下が好適である。なお、延伸面倍率は、既に述べたように、長手方向への延伸(縦延伸)の倍率と幅方向への延伸(横延伸)とを積算して求められる倍率である。
工程Eにおける延伸は、PTFEの融点(327℃)未満の温度、例えば60〜300℃、特に110〜150℃で実施することが好ましい。融点未満の温度における延伸により細いフィブリルの生成が促進される。
工程Fでは、PTFE多孔質膜がPTFEの融点以上の温度に加熱される。この加熱工程は、一般に「焼成」と呼ばれ、PTFE多孔質シートの強度の向上をもたらす。焼成温度は327〜460℃が適切である。
上述したように、本発明によれば、単位膜厚あたりに換算して把握される膜の特性を改善することが可能となる。単位膜厚あたりに換算した捕集効率と圧力損失とを高いレベルで両立できるPTFE多孔質膜の膜構造は、エアフィルタ濾材以外のPTFE多孔質膜の用途においても要求特性をより高いレベルで満たすことに適していると考えられる。PTFE多孔質膜には、遮蔽性と透過性との両立、言い換えれば対象物またはエネルギーの選択的透過が求められることが多く、本発明によるPTFE多孔質膜が特徴的に有する膜構造は、基本的に、選択的透過のレベルの向上に適していると考えられるためである。
例えば、近年、特に携帯電話に代表される電子機器において需要が拡大している通音防水膜については、耐水圧と通音特性または通気特性との高いレベルでの両立、すなわち水の浸入を防ぎながらできるだけ多量の音響エネルギーまたは気流を通過させること、が求められている。このような要求の実現にも、上述の膜構造、具体的には、細くより等方的に延びるフィブリルと微細に細分化されたノードとを備えた膜構造は適している。本発明によるPTFE多孔質膜は、その用途がエアフィルタ濾材に限定されるものではない。
本発明は、フィブリルの平均径(平均繊維径)の大きな低下を防ぎながらPF値を向上させたPTFE多孔質膜を提供するものでもある。すなわち、本発明によれば、平均繊維径を55nm以上、さらには57nm以上、特に58nm以上、場合によっては60nm以上、例えば55〜83nm、特に55〜80nmに保ちながら、PF値を36以上、さらには37以上、特に38以上、場合によっては40以上にまで向上させたPTFE多孔質膜を提供できる。平均繊維径が大きいPTFE多孔質膜は、強度の保持に有利である。
また、本発明によれば、99.999%以上(9が連続する個数を用いる形式により表示して5N以上)、さらには99.9999%(6N)以上、特に99.99999%(7N)以上、とりわけ99.999999%(8N)以上、の捕集効率を有するPTFE多孔質膜を提供することが可能である。この程度に高い捕集効率を有しつつ、本発明のPTFE多孔質膜は、例えば220Pa以下、場合によっては200Pa以下の圧力損失を同時に示すことができる。
なお、本発明によるPTFE多孔質膜の膜厚は、特に制限されないが、5〜15μm、さらには7〜13μmが好適であり、例えば8〜12μmとしてもよい。
得られたPTFE多孔質膜をエアフィルタ用濾材として使用するためには、通気性支持材と積層することが望ましい。この積層工程は、従来から実施されてきた方法に従って、PTFE多孔質膜と通気性支持材とを接合することにより実施すればよい。
通気性支持材を構成する繊維は、熱可塑性樹脂、具体的にはポリオレフィン(例えばポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP))、ポリエステル(例えばポリエチレンテレフタレート(PET))、ポリアミド、あるいはこれらの複合材から構成されたものが好ましい。
通気性支持材としては、織布、不織布、フェルトなどを使用することができるが、不織布が多用されている。好ましい通気性支持材として知られている代表的な不織布は、芯鞘構造を有する複合繊維からなり、芯成分(例えばPET)の融点が鞘成分(例えばPE)の融点よりも高いものである。この不織布は、鞘成分を溶融させてPTFE多孔質膜と接合させる熱ラミネートに適している。
PTFE多孔質膜と通気性支持材との積層は、上述の熱ラミネートに加え、接着剤ラミネートなどによって実施することもできる。接着剤ラミネートでは、例えばホットメルトタイプの接着剤の使用が適当である。
PTFE多孔質膜と通気性支持材との積層構造は、特に限定されるわけではないが、PTFE多孔質膜の両面に少なくとも1層の通気性支持材を配置した構成(典型的には、通気性支持材/PTFE多孔質膜/通気性支持材の3層構成)とすることが好ましい。ただし、必要に応じ、2層のPTFE多孔質膜を用いた構成(例えば、通気性支持材/PTFE多孔質膜/通気性支持材/PTFE多孔質膜/通気性支持材の5層構成)などとしてもよい。また、用途によっては、径が細い通気性支持材をプレフィルタとして使用する構成(例えば、気流上流側から、通気性支持材(プレフィルタ)/通気性支持材/PTFE多孔質膜/通気性支持材の4層構成)を採用することも可能である。
通常、エアフィルタ濾材は、これも公知の手法によってプリーツ加工される。プリーツ加工は、例えばレシプロ式の加工機を用いて、交互かつ平行に濾材の表面上に設定された山折り線および谷折り線で濾材を連続したW字状に折り込むことにより、実施される。プリーツ加工されたエアフィルタ濾材は、エアフィルタパックと呼ばれることがある。エアフィルタパックには、プリーツ加工された形状を維持するためにスペーサーが配置されることがある。スペーサーとしては、ビードと呼ばれる樹脂の紐状体がよく用いられる。ビードは、山折り(谷折り)線に直交する方向(山を越え谷を渡って進む方向)に沿って、好ましくは複数本のビードが所定の間隔を保持しつつこの方向に沿って進むように、濾材上に配置される。ビードは、好ましくは濾材の表裏面双方の上に配置される。ビードは、典型的には、ポリアミド、ポリオレフィンなどの樹脂を熔融して塗布することにより形成される。
プリーツ加工されたエアフィルタ濾材(エアフィルタパック)は、必要に応じ、その周縁部を枠体(支持枠)により支持して、エアフィルタユニットへと加工される。枠体としては、エアフィルタの用途などに応じ、金属製または樹脂製の部材が用いられる。樹脂製の枠体を用いる場合には、射出成形法により枠体を成形すると同時にこの枠体に濾材を固定してもよい。図4にエアフィルタユニットの一例を示す。エアフィルタユニット10は、プリーツ加工されたエアフィルタ濾材1と、エアフィルタ濾材1の外縁部を固定する枠体2とを含む。
本発明は、またさらに別の側面から、1枚の単層のPTFE多孔質膜と、この多孔質膜の両面に配置された通気性支持材とから構成され、捕集効率が99.999999%(8N)以上、圧力損失が250Pa以下、PF値が35以上45以下である、エアフィルタ濾材が提供される。従来、単層のPTFE多孔質膜1枚のみを粒子捕集層とするエアフィルタ濾材の捕集効率は、圧力損失を250Pa程度以下に抑えるという条件の下では、8N台には達していなかった。この濾材の作製例は、以下に記述する実施例の一部(実施例1〜3)として示されている。
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明が以下の実施例に限定されるわけではない。
PTFE多孔質膜およびエアフィルタ濾材の特性の測定方法は、以下のとおりとした。
[圧力損失]
サンプル(PTFE多孔質膜、濾材)を有効面積100cm2の円形のホルダーにセットし、入口側と出口側に圧力差を与え、サンプルの透過流速を流量計で5.3cm/secに調整したときの圧力損失を圧力計(マノメーター)で測定した。測定は、1サンプルについて8つの部位で実施し、その平均値を圧力損失とした。
[捕集効率]
圧力損失の測定と同一の装置を用い、サンプル(PTFE多孔質膜およびエアフィルタ濾材)の透過流速を5.3cm/secにして、上流側に多分散ジオクチルフタレート(DOP)を0.10μm〜0.20μmの粒子が約107 /リットルになるように流し、これを下流側の濃度をパーティクルカウンターで測定し、以下の式(6)に基づいて捕集効率CE(%)を求めた。
CE(%)={1−(下流濃度/上流濃度)}×100 (6)
ただし、測定の対象とした粒子は0.10〜0.20μmの範囲のものである。
[平均繊維径]
PTFE多孔質膜を膜面に垂直な方向から撮影したSEM写真(倍率10000倍)を準備した。この写真をA4サイズで印刷し、この写真に、PTFE多孔質膜の長手方向に相当する方向に沿って1本の測定線を引き、その線上にある繊維(フィブリル)の直径を、ノギスを用いて測定した。ただし、上記の測定線は写真の中央に引くこととした。また、繊維が重なり合って測定線上においてその繊維の径を測定できないときは、写真上でその繊維を辿り、測定可能な箇所で径を測定した。測定値から、SEM写真における実寸を示す基準線(図1〜3の右下に表示)を標線として実際の径に換算した。
[充填率]
PTFE多孔質膜を直径47mmの円形に打ち抜いて試料とした。この試料の膜厚を倍率1000倍の断面SEM写真より測定した。また、この試料の重量を測定し、以下の式(7)に基づいて充填率を測定した。
充填率(%)=(W/SG)/(T×S)×100 (7)
ここで、Wは試料の重量(単位[g])、SGはPTFE樹脂の比重(単位[g/cm3])、Tは膜厚(単位[cm])、Sは試料の面積(17.349cm2)である。
(実施例1)
PTFEファインパウダー(ダイキン社製「ポリフロンF−104」、SSG2.171)100重量部に液状潤滑剤(ドデカン)19重量部を均一に混合して混合物を得た。次いで、この混合物を、フィッシュテールダイを装着した押出機を用いてシート状に押し出した。押し出したPTFEシートの厚みは1.5mm、幅は20cmであった。
さらに、PTFEシートを1対の金属圧延ロールの間を通過させて圧延した。この圧延は、圧延の前後においてPTFEシートの幅方向の長さに変化がないように、圧延ロールの下流側に配置したロールを用いてPTFEシートをその長手方向に引っ張りながら実施した。圧延して得たPTFEシートの厚みは200μmであった。
引き続き、テンターを用い、圧延したPTFEシートを、液状潤滑剤を含んだままの状態でその幅方向に4倍に延伸した。その後、延伸したPTFEシートを150℃に保持して液状潤滑剤を除去した。
次いで、液状潤滑剤を除去したPTFEシートを、ロール延伸法により280℃の延伸温度でその長手方向に12倍に延伸し、さらにテンター延伸法により110℃の延伸温度でその幅方向に30倍に延伸し、未焼成PTFE多孔質膜を得た。液状潤滑剤を除去してから実施した延伸の延伸面倍率は360倍である。
最後に、未焼成PTFE多孔質膜を、熱風発生炉を用いて400℃で焼成し、帯状のPTFE多孔質膜を得た。
上記PTFE多孔質膜を、2枚の芯鞘構造の不繊布(目付量30g/m2、芯成分PET、鞘成分PE、見掛け密度0.158g/cm2、エンボス面積比率15%、厚み0.19mm)で挟持し、これを180℃に加熱された一対のロール間を通過させることにより熱ラミネートして、3層構造のエアフィルタ濾材(幅1200mm、長さ200mの長尺濾材)を得た。
次いで、得られたエアフィルタ濾材にプリーツ加工(山高さ(プリーツ幅)50mm、山数186)を施した。プリーツ加工されたエアフィルタ濾材を切断し、その周縁部を金属製の支持枠に接着剤を用いて接合し、エアフィルタユニット(大きさ:610mm×610mm、厚さ65mm)を得た。
(実施例2)
液状潤滑剤を除去したPTFEシートの長手方向への延伸倍率を14倍とした以外は実施例1と同様にして、PTFE多孔質膜を作製した。また、このPTFE多孔質膜を用い、実施例1と同様にしてエアフィルタユニットを作製した。
(実施例3)
液状潤滑剤を除去したPTFEシートを幅方向に延伸するときの延伸温度を60℃とした以外は実施例2と同様にして、PTFE多孔質膜を作製した。また、このPTFE多孔質膜を用い、実施例1と同様にしてエアフィルタユニットを作製した。
(実施例4)
液状潤滑剤を除去したPTFEシートを幅方向に延伸するときの延伸温度を160℃とした以外は実施例2と同様にして、PTFE多孔質膜を作製した。また、このPTFE多孔質膜を用い、実施例1と同様にしてエアフィルタユニットを作製した。
(実施例5)
液状潤滑剤を除去したPTFEシートの長手方向への延伸倍率を27倍とした以外は実施例2と同様にして、PTFE多孔質膜を作製した。また、このPTFE多孔質膜を用い、実施例1と同様にしてエアフィルタユニットを作製した。
(実施例6)
PTFEファインパウダーとして旭フロロポリマーズ社製「フルオンCD−145」(SSG2.165)を用いた以外は実施例2と同様にして、PTFE多孔質膜を作製した。また、このPTFE多孔質膜を用い、実施例1と同様にしてエアフィルタユニットを作製した。
(実施例7)
PTFEファインパウダーとして旭フロロポリマーズ社製「フルオンCD−123N」(SSG2.155)を用いた以外は実施例2と同様にして、PTFE多孔質膜を作製した。また、このPTFE多孔質膜を用い、実施例1と同様にしてエアフィルタユニットを作製した。
(実施例8)
液状潤滑剤を除去したPTFEシートの長手方向への延伸倍率を18倍とした以外は実施例7と同様にして、PTFE多孔質膜を作製した。また、このPTFE多孔質膜を用い、実施例1と同様にしてエアフィルタユニットを作製した。
(比較例1)
圧延した後の液状潤滑剤を含んだ状態にあるPTFEシートをその幅方向に延伸する工程を省略し、液状潤滑剤を除去したPTFEシートの長手方向への延伸倍率を10倍とした以外は実施例2と同様にして、PTFE多孔質膜を作製した。また、このPTFE多孔質膜を用い、実施例1と同様にしてエアフィルタユニットを作製した。
(比較例2)
液状潤滑剤を除去したPTFEシートの長手方向への延伸倍率を14倍とした以外は比較例1と同様にして、PTFE多孔質膜を作製した。また、このPTFE多孔質膜を用い、実施例1と同様にしてエアフィルタユニットを作製した。
(比較例3)
液状潤滑剤を除去したPTFEシートの長手方向への延伸倍率を18倍とした以外は比較例1と同様にして、PTFE多孔質膜を作製した。
また、このPTFE多孔質膜を用い、実施例1と同様にしてエアフィルタユニットを作製した。ただし、比較例3では、エアフィルタ濾材を、PTFE多孔質膜2枚と不織布3枚とをPTFE多孔質膜の両側に不織布が配置されるように積層した5層構成とした。
(比較例4)
PTFEファインパウダーとして旭フロロポリマーズ社製「フルオンCD−1」(SSG2.20)を用いた以外は実施例2と同様にして、PTFE多孔質膜を作製しようとした。しかし、液状潤滑剤を除去した後に幅方向に延伸する工程でシートが破断し、多孔質膜を得ることができなかった。このため、幅方向への延伸倍率を10倍に減らす一方、膜の多孔化を促進するために長手方向への延伸倍率を20倍に引き上げた。これによって、実施例2と膜厚が同じPTFE多孔質膜を得た。なお、この比較例では、焼成工程(工程F)における焼成温度を360℃とした。また、このPTFE多孔質膜を用い、実施例1と同様にしてエアフィルタユニットを作製した。
各実施例および比較例から得たPTFE多孔質膜およびエアフィルタユニットについて、特性を測定した結果を表1および2に示す。また、実施例2、比較例3および比較例4から得たPTFE多孔質膜のSEM写真を図1〜3に示す。
表1に示したように、各実施例からは、PF値が36以上、目付量が0.90g/m2以下、平均繊維径が55〜83nmであるPTFE多孔質膜が得られた。図1より、PTFE多孔質膜のフィブリルが細く、その延びる方向がランダムであり、ノードが細分化されていることが確認できる。なお、実施例5から得られたPTFE多孔質膜は、延伸面倍率がやや高すぎたために、捕集効率が低くなった。
比較例1〜3では、幅方向への湿式延伸を実施しなかったため、PF値の向上は限られたものとなった。これらの比較例からは、図2に示したように、フィブリルがやや太いPTFE多孔質膜が得られた。比較例4から得られたPTFE多孔質膜のPF値は極めて不十分であった。この多孔質膜は、図3に示したように、ノードが微細化せず、またフィブリルの延びる方向も延伸した2方向にほぼ限定された構造を有していた。
また、実施例2,6〜8から得たPTFE多孔質膜は、膜厚1μmあたりの捕集効率が76%以上85%未満、膜厚1μmあたりの圧力損失が13Pa以上19.5Pa以下のPTFE多孔質膜となった。実施例1,3から得たPTFE多孔質膜は、膜厚1μmあたりの捕集効率が85%以上90%以下、膜厚1μmあたりの圧力損失が20Pa以上25Pa以下のPTFE多孔質膜となった。この程度にまで単位膜厚あたりの特性が良好なPTFE多孔質膜が製造できたのは、上述した製造方法の改良によるものである。
さらに、実施例1〜3から得られたエアフィルタ濾材は、単層のPTFE多孔質膜1枚と、この多孔質膜の両面にそれぞれ1枚ずつ配置された不織布2枚とから構成された簡素な3層構成の濾材であるにもかかわらず、捕集効率8N以上、圧力損失250Pa以下、PF値35以上45以下(実施例1,2についてはPF値37以上)の特性を示した。
実施例1〜3のエアフィルタ濾材は、極めて高い捕集効率とともに実用的な範囲の圧力損失を有するものであって、粒子の捕捉を重視するフィルタリング用途に特に適している。従来から知られていたPF値が高いPTFE多孔質膜は、PF値を上げるためにフィブリル間距離を大きくすることを優先していたため、その膜を用いた濾材の実体的な特徴は捕集効率の高さではなく圧力損失の低さにあった(特許文献2)。これを考慮すると、圧力損失ではなく捕集効率を大幅に改善してPF値を向上させたものとして、本発明によるエアフィルタ濾材、特に実施例1〜3の濾材は、これまでの濾材には見られなかった特徴を有する。
1 エアフィルタ濾材
2 枠体
10 エアフィルタユニット

Claims (10)

  1. 下記式により定められるPF値が36以上であり、目付量が0.90g/m2以下である、ポリテトラフルオロエチレン多孔質膜。
    PF値={−log(PT(%)/100)/(PL(Pa)/9.8)}×100
    ここで、PTは、透過率であって、PT(%)=100−CE(%)により定められ、
    CEは、捕集効率であって、粒子径0.10〜0.20μmのジオクチルフタレートを用いて透過流速5.3cm/秒の条件で測定したときの値により定められ、
    PLは、圧力損失であって、透過流速5.3cm/秒の条件で測定したときの値により定められる。
  2. 多孔構造を構成するフィブリルの平均径が55nm以上83nm以下である、請求項1に記載のポリテトラフルオロエチレン多孔質膜。
  3. 前記PF値が38以上である、請求項2に記載のポリテトラフルオロエチレン多孔質膜。
  4. 膜を構成する重合体が単量体としてテトラフルオロエチレンのみを含む請求項1〜3のいずれかに記載のポリテトラフルオロエチレン多孔質膜。
  5. 単層膜である請求項1〜4のいずれかに記載のポリテトラフルオロエチレン多孔質膜。
  6. 下記式により定められる膜厚1μmあたりの捕集効率CE(t)が76%以上である、請求項1〜5のいずれか1項に記載のポリテトラフルオロエチレン多孔質膜。
    CE(t)(%)={1−(1−CE(%)/100)1/t}×100
    ここで、tは、ポリテトラフルオロエチレン多孔質膜の膜厚であり、その単位はμmである。
  7. 前記CE(t)が80%以上である、請求項6に記載のポリテトラフルオロエチレン多孔質膜。
  8. 請求項1〜7のいずれか1項に記載のポリテトラフルオロエチレン多孔質膜と通気性支持材とが積層されてなるエアフィルタ濾材。
  9. 請求項8に記載のエアフィルタ濾材をプリーツ加工してなるエアフィルタパック。
  10. 請求項9に記載のエアフィルタパックと前記エアフィルタパックの周縁部を支持する枠体とを備えたエアフィルタユニット。
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