JP2017077516A - 気体フィルタ用濾材 - Google Patents

Abstract

【課題】製造及び加工が容易であり、加工による物性変化が生じ難い気体フィルタ用濾材を提供する。【解決手段】基材層２１の両面それぞれにナノファイバー層２１ａ、２１ｂを形成した積層体単位２を２つ以上積層して構成されており、ナノファイバー層２１ａ、２１ｂが、エレクトレット化されたナノファイバーから形成されており、互いに隣接するナノファイバー層２１ａ、２１ｂ同士が静電気力によって積層状態を保っている。【選択図】図１

Description

本発明は、ナノファイバーを用いた気体フィルタ用濾材に関するものである。

室内空気中の微粒子の除去には空気清浄機を使用することが一般的である。家庭用においては気体フィルタや電気集塵機を搭載した空気清浄機による微粒子除去方法が挙げられる。特に家庭用空気清浄機には、ＨＥＰＡや準ＨＥＰＡの気体フィルタが搭載されていることが多い。

従来、家庭用空気清浄機に搭載されるＨＥＰＡや準ＨＥＰＡの気体フィルタは、メルトブロー装置などで紡糸された細繊維を荷電処理した濾材や荷電処理されたポリプロピレンフィルムを開繊して得られた濾材と、スパンボンド装置などで紡糸された太繊維濾材を積層または接着剤を使用し一体化させたものが素材として使用されている。しかし、ＨＥＰＡや準ＨＥＰＡは圧力損失が高く、大風量での運転時の騒音や消費電力量の増加に繋がるため、低圧力損失など気体フィルタの高性能化が求められている。

気体フィルタの高性能化は、低圧力損失および高集塵効率を合わせて達成する必要があり、その解決策としてナノファイバーを使用した気体フィルタの検討が進められている。

電界紡糸法などで紡糸されるナノファイバーとは繊維径１μｍ以下の繊維であり、繊維径が比較的均一であることが特徴である。また、繊維径が細くなるとスリップフロー（すべり流れ）と呼ばれる圧力低減効果が生じるとともに、各々の繊維のさえぎり効果などにより集塵効率が増加するため、気体フィルタの高性能化には有望とされている。

ナノファイバーは上述したように低圧力損失な濾材を作製できる可能性を持つ素材だが、適度な空隙を持たせた不織布にする必要がある。しかし、ナノファイバーは非常に繊維径が細いため、嵩の厚い３次元構造を作製しにくく、単に紡糸しただけでは空隙率が小さく緻密な構造を持つ高圧力損失なフィルタとなってしまう。

ここで、特許文献１に示すように、ナノ繊維の集合体よりなるナノ繊維層と非ナノ繊維よりなる非ナノ繊維層が積層した積層構造体からなる気体フィルタ用濾材が考えられている。具体的にこの気体フィルタ用濾材は、非ナノ繊維層とナノ繊維層を一層ずつ、電界紡糸法により形成している。また、エンボス処理やカレンダー処理による熱圧融着（サーマルボンド）、各種接着剤によるケミカルボンドなどによってナノ繊維層と非ナノ繊維層との接着を行っている。

しかしながら、非ナノ繊維層とナノ繊維層とを電界紡糸法により一層ずつ形成した場合には、製造時間の短縮が難しい。また、非ナノ繊維層及びナノ繊維層を熱圧溶着又は接着剤等を用いて接着しているので、フィルタの目が潰れてしまい、圧損が増大してしまうという問題がある。さらに、各層が接着されているので、気体フィルタ用濾材を形成した後の曲げ加工の際に、折り曲げ部分に作用する圧縮応力及び引っ張り応力が大きくなり、折り目が付けにくいという問題がある。その上、前記折り曲げ部分に作用する圧縮応力及び引っ張り応力が大きいことから、この部分でフィルタの三次元構造が潰れ緻密な構造になる等の構造変化の結果、通気量が減る、圧損が上昇するといった物性変化が生じてしまう。

特許第５１６５４３５号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、製造及び加工が容易であり、加工による物性変化が生じ難い気体フィルタ用濾材を提供することを主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る気体フィルタ用濾材は、基材層の両面それぞれにナノファイバー層を形成した積層体単位を２つ以上積層して構成されており、前記ナノファイバー層が、エレクトレット化されたナノファイバーから形成されており、互いに隣接する前記ナノファイバー層同士が静電気力によって積層状態を保っていることを特徴とする。

また本発明に係る気体フィルタ用濾材の製造方法は、基材層の両面それぞれに、荷電処理された高分子有機化合物を電界紡糸法によってナノファイバー層を形成し、前記基材層の両面にナノファイバー層を形成した積層体単位を２つ以上積層し、互いに隣接する前記ナノファイバー層同士を静電気力によって接着させることを特徴とする。

このようなものであれば、基材層の両面それぞれにエレクトレット化されたナノファイバーからなるナノファイバー層を有する積層体単位を形成し、この積層体単位をナノファイバー層同士の静電気力によって積層して構成しているので、電界紡糸法により一層ずつ形成した場合に比べて製造時間を短縮できるとともに、製造工程を簡略化することができる。また、互いに隣接するナノファイバー層同士が静電気力によって積層状態を保っているので、熱圧溶着又は接着剤等を用いて接着する必要が無く、それら接着による圧損の増大を防ぐことができる。さらに、互いに隣接するナノファイバー層同士が静電気力によって積層状態を保っているので、折り曲げ加工時において、折り曲げ部分に作用する圧縮応力及び引っ張り応力を小さくすることができ、折り目が付き易くなる等の加工性に優れ、フィルタの構造変化による物性変化が生じ難い。

前記基材層が、１μｍよりも大きい繊維径を有する繊維から形成された不織布であることが望ましい。

前記基材層が、ガラス繊維、炭素繊維、無機繊維、パルプ繊維、高分子繊維、又は、これらの少なくとも２つから形成されていることが望ましい。

前記ナノファイバー層を形成する工程が、ポリプロピレン及び溶剤の混合物を熱溶融してなる高分子溶液を電界紡糸法によって前記基材層の表面に直接紡糸するものであることが望ましい。

このように構成した本発明によれば、製造及び加工が容易であり、加工による物性変化が生じ難い気体フィルタ用濾材を提供することができる。

本実施形態における気体フィルタ用濾材の構成を示す模式図である。 実施例１〜３及び比較例の気体フィルタ用濾材の総目付量に対する圧力損失を示す図である。 実施例１〜３及び比較例の気体フィルタ用濾材の総目付量に対する集塵効率を示す図である。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態の気体フィルタ用濾材１００は、空気清浄機、プリンタ又は複合機等に搭載される気体フィルタに用いられるものである。なお、気体フィルタは、例えばプリーツ形状又は平板形状の気体フィルタ用濾材１００を有する。
具体的にこの気体フィルタ用濾材１００は、図１に示すように、基材層２１の両面それぞれにナノファイバー層２１ａ、２１ｂを形成した積層体単位２を２つ以上積層して構成されたものである。

基材層２１は、１μｍよりも大きい繊維径を有する繊維から形成された不織布である。具体的に基材層２１は、メルトブローン、スパンボンド、エアレイド、湿式もしくは乾式法により製造されたガラス繊維、パルプ繊維、高分子繊維、無機繊維、炭素繊維又はこれらの少なくとも1つを含む繊維によって形成されたものである。

ナノファイバー層２１ａ、２１ｂは、１μｍ以下の繊維径を有する有機重合体からなる繊維（ナノファイバー）から形成された層である。このナノファイバー層２１ａ、２１ｂは、エレクトレット化されたナノファイバーから形成されている。

そして、本実施形態の気体フィルタ用濾材１００は、基材層２１の両面それぞれにナノファイバー層２１ａ、２１ｂを形成した積層体単位２を、互いに隣接するナノファイバー層２１ａ、２１ｂ同士が静電気力によって積層させて構成されている。つまり、気体フィルタ用濾材１００は、積層された状態で、互いに隣接するナノファイバー層２１ａ、２１ｂ同士が静電気力によって、その積層状態を維持するように構成されている。

次にこのように構成した気体フィルタ用濾材１００の製造方法について説明する。
（１）基材層２１の両面それぞれに、荷電処理された高分子有機化合物を電界紡糸法によってナノファイバー層２１ａ、２１ｂを形成する。具体的にこのナノファイバー層２１ａ、２１ｂを形成する工程は、ポリプロピレン及び溶剤の混合物を熱溶融してなる高分子溶液を電界紡糸法によって基材層の表面に直接紡糸する。
（２）基材層２１の両面にナノファイバー層２１ａ、２１ｂを形成した積層体単位２を２つ以上積層する。このとき、互いに隣接するナノファイバー層２１ａ、２１ｂ同士を静電気力によって吸着固定させる。

次に本発明に係る気体フィルタ用濾材１００の実施例について説明する。なお、本発明は、以下に示す実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
ナノファイバーの作製には、熱溶融型電界紡糸装置を使用し、５００μｍの厚みを持つポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂からなる基材の両面に、ナノファイバーを直接紡糸することで気体フィルタ用濾材の積層体単位を作製した。ナノファイバーは、シリンジと基材との間に２５ｋＶ印加し、デカリンとジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）に１５０℃でポリプロピレン（ＰＰ）を溶解させ、ポリマー濃度を１５％としたポリマー溶液を、１．２ｍｌ／ｈの速度でシリンジから噴霧し、基材の両面に堆積させ、ナノファイバー層／基材層／ナノファイバー層の３層構造を持つ積層体単位を作製した。なお、ナノファイバーの平均繊維径は０．４１４μｍであった。

この積層体単位を２枚作製した。２枚の積層体単位それぞれの総目付量は１．９６ｇ／ｍ^２及び２．１０ｇ／ｍ^２であった。これらの積層体単位を２枚重ね（静電気力によってのみ積層状態を保持させる。）にして、総目付量４．０６（＝１．９６＋２．１０）ｇ／ｍ^２の気体フィルタ用濾材を作製した。
この２枚重ねの気体フィルタ用濾材を用いて、濾過面積４６８ｃｍ^２、風速０．０５ｍ／ｓにおける集塵効率及び圧力損失の測定を行った。

（実施例２）
実施例１と同様の作製方法で総目付量３．１２ｇ／ｍ^２及び２．８９ｇ／ｍ^２の２枚の積層体単位を作製し、これらの積層体単位を２枚重ね（静電気力によってのみ積層状態を保持させる。）にして、総目付量６．０１（＝３．１２＋２．８９）ｇ／ｍ^２の気体フィルタ用濾材を作製した。
この２枚重ねの気体フィルタ用濾材を用いて、実施例１と同様の方法で性能評価を行った。

（実施例３）
実施例１と実施例２で作製した４枚の積層体を４枚重ね（静電気力によってのみ積層状態を保持させる。）にして気体フィルタ用濾材を作製した。この濾材の総目付量は１０．０７（＝１．９６＋２．１０＋３．１２＋２．８９）ｇ／ｍ^２であった。
この４枚重ねの気体フィルタ用濾材を用いて、実施例１と同様の方法で性能評価を行った。

（比較例）
実施例と同様の作製方法で、総目付量１１．１３ｇ／ｍ^２の１枚の３層積層体を作製した。この１枚の３層積層体を気体フィルタ用濾材とし、実施例１と同様の方法で性能評価を行った。

実施例および比較例の実験結果を表１に示す。

実施例１、２、３の比較から目付量の増加に伴い、集塵効率が増加することがわかる。
フィルタの性能指標を示す値としてＱｆ（Quality Factor）があり、これは透過率（Ｐ［−］）の対数と圧力損失（Δｐ［Ｐａ］）の対数の比（Qｆ＝−ｌｎ（Ｐ）／Δｐ）で表される。すなわちこの値が大きければ大きいほど、高集塵で低圧損な性能の高いフィルタという事を示す。
本実施例１、２、３の捕集粒子径０．３μｍにおけるＱｆは０．１８以上であり、実施例のナノファイバー濾材は先行文献の発明（例えば特開２００８−２２１０７３、特許第５５３７８３１号公報等）と比較して高いＱｆ値を示す性能の良いフィルタ濾材である事が分かる。

また、実施例１、２、３及び比較例で作製した1枚の３層積層体の総目付量に対する圧力損失及び集塵効率を図２及び図３に示す。

図２及び図３から、上記のナノファイバー層／基材層／ナノファイバー層の３層構造を持つ積層体単位を２枚以上重ねた積層体は、単位積層体１枚だけの比較例と比べて、目付量が増加しても、低圧損、高集塵となることが分かる。例えば、比較例の構造の場合、総目付量が約１０ｇ／ｍ^２であれば、圧力損失は３．７ｍｍＡｑ、集塵効率は９９．００％と推測されるが、目付量１０．０７ｇ／ｍ^２の実施例３では、圧力損失が２．６２ｍｍＡｑと低く保たれている。一方、表1より集塵効率は９９．６０％という高い値を示しており、高Ｑｆの濾材となっていることが分かる。

本発明のナノファイバーは荷電処理されやすい高分子材料を溶融し、高電界を印加してターゲットである基材層に付着させるので、荷電処理されたナノファイバーとなって基材層に付着している。よって、実施例１、２、３も比較例１も遮り等の一般的な機構以外に静電気力による粒子の除去も行われる。

実施例３では、比較例の１１．１３ｇ／ｍ^２と同程度の目付量のナノファイバー層があるが、一つの層にナノファイバーが集中して付着していないので、ファイバー間の空間が維持され、積層体単位４枚中にある８層のナノファイバー層の合計厚さは、比較例の２層のナノファイバー層よりも厚くなっていると推測される。また、基材層も比較例では１枚であるのに対し、実施例３では４枚使用していることから、フィルタ中を粒子が通過する距離が格段に長くなっており、粒子に静電気力が影響する区間が長くなっている。また、基材層も繊維がランダムに積層された不織布であり、ここを通過する距離が長くなる程、気流が乱流となり、特に０．３μm程の微小粒子では、より激しい動きをするはずである。よって、粒子が通過する区間が長い方（つまり積層体全体の厚みが厚い方）が、乱流で良く動く上、静電気力に曝される区間も長くなるから、静電気力による引力でナノファイバー繊維に付着する確率も上がる。

上記の理由により、実施例３では、比較例の総目付量１１．１３ｇ／ｍ^２の積層体と比べ遮り等の一般的な機構による粒子の除去量は少ないかもしれないが、静電気力による粒子の除去が効果的に働くため、圧力損失が低く維持されたまま、同程度の集塵効率が維持されると考えられる。

このように構成した本実施形態の気体フィルタ用濾材１００によれば、基材層２１の両面それぞれにエレクトレット化されたナノファイバーからなるナノファイバー層２１ａ、２１ｂを有する積層体単位２を形成し、この積層体単位２をナノファイバー層２１ａ、２１ｂ同士の静電気力によって積層して構成しているので、電界紡糸法により一層ずつ形成した場合に比べて製造時間を短縮できるとともに、製造工程を簡略化することができる。また、互いに隣接するナノファイバー層２１ａ、２１ｂ同士が静電気力によって積層状態を保っているので、熱圧溶着又は接着剤等を用いて接着する必要が無く、それら接着による圧損増大が増大を防ぐことができる。さらに、互いに隣接するナノファイバー層２１ａ、２１ｂ同士が静電気力によって積層状態を保っているので、折り曲げ加工時において、折り曲げ部分に作用する圧縮応力及び引っ張り応力を小さくすることができ、折り目が付き易くなる等の加工性に優れ、フィルタの構造変化による物性変化が生じ難い。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

前記実施形態では、積層体単位を２枚重ねたもの、積層体単位を４枚重ねたものを例示したが、３枚重ねたものであっても良いし、５枚以上重ねたものであっても良い。

また、前記実施形態では、各積層体単位の構成を同一構成としているが、互いに異なる積層体単位を重ねて気体フィルタ用濾材を構成しても良い。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。

１００・・・気体フィルタ用濾材
２・・・積層体単位
２１・・・基材層
２２ａ、２２ｂ・・・ナノファイバー層

Claims (9)

1. 基材層の両面それぞれにナノファイバー層を形成した積層体単位を２つ以上積層して構成されており、
   前記ナノファイバー層が、エレクトレット化されたナノファイバーから形成されており、
   互いに隣接する前記ナノファイバー層同士が静電気力によって積層状態を保っている気体フィルタ用濾材。
2. 前記基材層が、１μｍよりも大きい繊維径を有する繊維から形成された不織布である請求項１に記載の気体フィルタ用濾材。
3. 前記基材層が、ガラス繊維、炭素繊維、無機繊維、パルプ繊維、高分子繊維、又は、これらの少なくとも２つから形成されている請求項１又は２記載の気体フィルタ用濾材。
4. 基材層の両面それぞれに、荷電処理された高分子有機化合物を電界紡糸法によってナノファイバー層を形成し、
   前記基材層の両面にナノファイバー層を形成した積層体単位を２つ以上積層し、
   互いに隣接する前記ナノファイバー層同士を静電気力によって吸着固定させる気体フィルタ用濾材の製造方法。
5. 前記ナノファイバー層を形成する工程が、ポリプロピレン及び溶剤の混合物を熱溶融してなる高分子溶液を電界紡糸法によって前記基材層の表面に直接紡糸するものである請求項４記載の気体フィルタ用濾材の製造方法。
6. 請求項１乃至３の何れか一項に記載の気体フィルタ用濾材をプリーツ形状又は平板形状で用いられる気体フィルタ。
7. 請求項６記載の気体フィルタを搭載した空気清浄機。
8. 請求項６記載の気体フィルタを搭載したプリンタ。
9. 請求項６記載の気体フィルタを搭載した複合機。