JP2017524526A

JP2017524526A - 混合繊維フィルタ

Info

Publication number: JP2017524526A
Application number: JP2017517200A
Authority: JP
Inventors: ザッカリーリー; プラシャントデサイ
Original assignee: ファイバービジョンズリミテッドパートナーシップ
Priority date: 2014-06-11
Filing date: 2015-06-10
Publication date: 2017-08-31
Also published as: US20150360159A1; DE112015002324T5; CN106457098A; WO2015191676A1

Abstract

混繊不織布を備えるフィルタが示され、混繊不織布は、単一成分繊維に結合された複合繊維を備える。複合繊維は、芯と鞘とを備える。鞘および芯は、異なる融点を有し、鞘の融点は芯の融点よりも低い。単一成分繊維は、成形断面を有する。

Description

発明の詳細な説明

［関連出願の相互参照］
本願は、ファイバ―ビジョンズ・コーポレーションによって、２０１４年６月１１日に出願された、“Ｂｉ−ＣｏｍｐｏｎｅｎｔａｎｄＳｈａｐｅｄＭｏｎｏ−ＣｏｍｐｏｎｅｎｔＦｉｂｅｒＢｌｅｎｄｓｆｏｒＡｉｒａｎｄＬｉｑｕｉｄＦｉｌｔｒａｔｏｎ”という表題を有する米国仮特許出願第６２／０１０，７４３号の利益を主張するものであり、この仮出願の全体を参照により本明細書に援用する。
［背景］
［開示分野］
本開示は、一般的には織物に関し、より具体的には不織布に関する。
［関連技術の説明］
不織布（不織布とも称する）およびその関連産業は非常に重要なので、例えばＥＤＡＮＡおよびＩＮＤＡなどの団体が、例えばＡＳＨＲＡＥ５２．２およびＥＲＴＥＤＡＮＡ１４０．２−９９に提示される手法などを含む、不織布の捕集効率や透過率を評価するための様々な手法をサポートしている。この産業では、濾過性能をより良くするために継続的な努力が行われている。
［概要］
本開示は、混繊不織布を備えるフィルタを提供する。混繊不織布は、単一成分繊維に結合された複合繊維を備える。複合繊維は、芯と鞘とを備える。鞘および芯は、異なる融点を持ち、鞘の融点は芯の融点よりも低い。単一成分繊維は、成形断面を有する。

他のシステム、装置、方法、特徴、および利点は、当業者ならば以下の図面および詳細な説明を検証することで明らかであるか、または、明らかとなるであろう。そのような追加のシステム、方法、特徴、および利点の全ては、この明細書に含まれ、本開示の範囲内にあり、そして、添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図される。

本開示の多くの局面は、以下の図面を参照することで、より良く理解することができる。図中の構成要素は、必ずしも拡大することが必要なのではなく、むしろ本開示の原理を明確に例示することに重要性を置いている。またさらに、図面では、同じ参照符号は、幾つかの図面において対応する部分を指定する。
円形繊維間の結合の電子顕微鏡写真を示す図である。本発明の一実施形態に係る、複合繊維と成形単一成分繊維との間の結合の電子顕微鏡写真を示す図である。本発明の別の実施形態に係る、複合繊維と成形単一成分繊維との間の結合の電子顕微鏡写真を示す図である。図１の不織布と図２または図３の不織布との間の気流圧力降下の実験比較を示す表である。ポリプロピレン（ＰＰ）単一成分繊維とポリエステル（ＰＥＴ）単一成分繊維との間の引張強度および結合特性の比較を示す実験データを示す表である。図５のデータのプロットを示す図表である。

［実施形態の詳細な説明］
不織布からフィルタを設計する場合には、製造者は、通常、織物の基本重量、多孔性、繊維デニール、およびその他の要素を考慮する。これらの要素は、例えば濾過効率、粉塵保持能力、気体透過性などの濾過性能に影響を与える。通常、これらのフィルタを設計する場合にはトレードオフが存在する。濾過効率を高めると、通常、気体透過性の低下、織物の基本重量の増加、あるいはその両者のある組み合わせがある。

より高い濾過効率への要求が増大しているので、織物の基本重量を増加させず、または透過性を犠牲にすることがない、これらの効率への要求を満たす不織布が必要とされている。さらに、不織布は、フィルタアセンブリの作製に必要となり得る支持体を減らすように、十分な剛性を有することが望ましい。円形繊維（即ち、円形断面を有する繊維）のみで作製される不織布の効率と他の要素との間に適切なバランスを見つけることは特に困難である。残念ながら、不織布は、通常、円形繊維のみで製造される。

開示した実施形態は、成形単一成分繊維に結合された複合繊維を有する混繊不織布を備えるフィルタを提供することにより、この問題を解決する。複合繊維は、成形単一成分繊維および他の複合繊維に（例えば、赤外線（ＩＲ）または高周波（ＲＦ）加熱などを使った通気ドライヤまたは結合用オーブンなどで）適切に熱結合することができる。成形単一成分繊維は、円形繊維を有する等しい基本重量の不織布と比べて、透過性に著しい悪影響をもたらすことなく濾過効率を高める。

以下に詳細に示すように、（乾式処理または通気結合を使用することで開発させる）複合繊維と成形単一成分繊維との混合不織布は、より高い濾過効率を達成でき、さらに円形繊維のみを有する混合布と実質的には同等の基本重量および引張強度を有することができる。ある実施形態では、複合繊維は、約０．５デシテックス（ｄｔｅｘ）と約３０ｄｔｅｘとの間の線形質量密度（あるいはタイター）を有する熱可塑性ステープルファイバである。ある実施形態では、単一成分繊維もまた、約０．５ｄｔｅｘと約３０ｄｔｅｘとの間の線形質量密度を有する熱可塑性ステープルファイバである。様々な異なる実施形態では、成形単一成分繊維は、円形、三葉形状、五葉形状、デルタ形状、中空、扁平、または十字形状の断面形状を有する。

本発明の一実施形態について概ね説明したが、ここで、図面に例示されるような実施形態の説明を詳細に行う。幾つかの実施形態を図面と関連させて説明するが、本開示は、本明細書に開示される一実施形態または複数の実施形態に限定することを意図していない。それとは反対に、全ての代替、変更または均等を網羅することを意図する。

図１は、不織布において円形断面を有する繊維（本明細書では、円形繊維とも称する）の間の結合の電子顕微鏡写真を示す図である。図１の不織布は、交差部１３０で相互に結合されている２つの円形繊維１１０、１２０を示す。基本的に、図１は、円形繊維のみを使用する従来の不織布の顕微鏡写真を示す。

図２は、本発明の一実施形態に係る、複合繊維と成形単一成分繊維との間の結合の電子顕微鏡写真を示す図である。具体的には、図２は、２つの成形単一成分繊維２１０、２３０と交差する複合繊維２２０を示し、２つの成形単一成分繊維２１０、２３０は、この実施形態では、三葉形状のポリプロピレン繊維である。図２に示すように、第１の単一成分繊維２１０は、交差部２５０で複合繊維２２０に結合し、第２の単一成分繊維２３０は、別の交差部２４０で複合繊維２２０と結合する。この顕微鏡レベルで、図２の実施形態は、図１の従来の円形繊維のみの不織布とは著しく異なるように見える。この差異により、図１比べて図２でより高い濾過効率がもたらされるが、基本重量に著しい増加をきたすことなく、または、透過性の著しい低下をきたすこともない。例えば、Ｈｉｌｌ等による米国特許第４，４０６，８５０号（Ｓｐｉｎｐａｃｋａｎｄｍｅｔｈｏｄｆｏｒｐｒｏｄｕｃｉｎｇｃｏｎｊｕｇａｔｅｆｉｂｅｒｓ）（「Ｈｉｌｌ特許」）などに記載されるように、複合繊維は知られているので、ここでは複合繊維の説明を単に省略するが、その全体が明記されているかのようにＨｉｌｌ特許を参照によりここに援用する。

ある実施形態では、複合繊維２２０は、芯と鞘とを備え、芯は鞘よりも融点が高い。また図２では、単一成分繊維２１０、２３０もまた複合繊維２２０の鞘よりも高い融点を有する。したがって、加熱すると、鞘は、芯または単一成分繊維２１０、２３０のいずれか一方よりも先に溶ける。これにより、複合繊維２２０の鞘が、結合材料として機能する一方で、単一成分繊維２１０、２３０および芯が、不織布の構造的完全性を維持する。換言すれば、複合繊維２２０の芯および単一成分繊維２１０、２３０は、不織布に引張強度、剛性および多孔性をもたらすように必要な網目構造を提供する。複合繊維２２０は、約０．５ｄｔｅｘと約３０ｄｔｅｘとの間の線形質量密度を有することが好ましい。同様に、単一成分繊維２１０、２３０は、約０．５ｄｔｅｘと約３０ｄｔｅｘとの間の線形質量密度を有する。これらの値は、不織布に十分な構造的完全性と適切な濾過特性とをもたらす。

複合繊維２２０の芯は、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアミド、ポリ乳酸、あらゆる種類の生物分解性熱可塑性ポリマー、または種々の他の種類のポリマーであってもよいことを理解すべきである。同様に、芯を囲繞する鞘は、鞘の融点が芯の融点よりも低い限り、例えばポリオレフィン、コポリエステル、コポリアミドなどのあらゆる種類のポリマーであってもよい。さらに、単一成分繊維２１０、２３０は、単一成分繊維２１０、２３０が複合繊維２２０の鞘よりも高い融点を有する限り、ポリオレフィン、コポリエステル、コポリアミド、ポリプロピレンなどであってもよい。

単一成分繊維２１０、２３０の成形断面では、濾過中、単一成分繊維２１０、２３０の利用可能な表面積が増大するので、単一成分繊維２１０、２３０が濾過中に拡散粒子と相互作用できる界面が増大する。非円形断面形状を提供することで、単一成分繊維２１０、２３０は、拡散路のねじりを増加させるので、基本重量を増加させることなく濾過効率が高まる。図２に三葉形状断面を有する単一成分繊維２１０が示されているが、他の形状の断面（例えば、五葉、デルタ、中空、扁平、十字形状など）も円形断面よりも表面積を増加させることになるので、濾過効果が高まることを理解すべきである。

単一成分繊維の適切な形状および表面積は、濾過されている粒子の大きさに依存するので、表面積が大きくなると濾過中に粒子が接近し易くなることを理解すべきである。したがって、過剰に回旋した表面積は、より単純な断面（例えば三葉形状断面など）よりも粒子の接近がより少なくなることもあるということに限れば、過剰に複雑化させた断面は、特定の適用においては望ましくないこともある。換言すれば、適切な断面形状に到達することは、単なる設計事項や日常の実験ではなく、むしろ粒子の大きさおよび所望の濾過特性に基づく機能的な検討である。

また、単一成分繊維は、主要な結合繊維ではないので、熱可塑性物質である必要がないことに留意すべきである。したがって、単一成分繊維は、アクリル、ガラス、または他の非熱可塑性繊維であってもよい。しかしながら、熱可塑性単一成分繊維は、例えば、複合繊維に対してより良好な結合親和性があるなどの利点を有し得る。ある実施形態では、ポリプロピレン成形単一成分繊維が好ましい。その理由は、ポリプロピレンが所定の線形質量密度（例えば、所定のｄｔｅｘ）に対して最低密度を有するポリマーであることにより、他のポリマーに比べて、所定のｄｔｅｘに対してより大きな表面積を提供するからである。そのため、より低い密度により、フィルタへの高い濾過能力、より高い結合特性、溶剤の付与に対するより良好な能力、および摩擦電気の影響への利点を示すことになる。

ある実施形態では、（成形単一成分繊維のみで使用する場合に比べてその程度は低いが）表面積を増加させるために、円形単一成分繊維が成形単一成分繊維と共に使用できることに留意すべきである。他の実施形態では、成形複合繊維もまた、さらに表面積を増大させるために使用できることを理解することができる。しかしながら、成形複合繊維は、表面積の増加による恩恵を上回り得るコストの増加をもたらし得る。次に、より高い溶融温度のポリエステル芯を有するポリプロピレン鞘をポリプロピレン単一成分繊維とともに使用することができることにも留意すべきである。しかしながら、鞘および単一成分繊維の溶融温度が近似しているために、結合処理中、例えば通気結合中に問題が生じることがある。したがって、注意深い処理制御によって、これらの種類の問題の可能性が低減し得る一方で、ポリプロピレン鞘をポリプロピレン単一成分繊維と共有することは好ましくない可能性がある。

図３は、本発明の別の実施形態に係る、複合繊維３３０と成形単一成分繊維３１０、３５０との間の結合の電子顕微鏡写真を示す図である。図２と同様に、図３の実施形態は、第１の成形単一成分繊維３１０に交差部３２０で結合され、また第２の成形単一成分繊維３５０に別の交差部３４０で結合された、複合繊維３３０の鞘を示す。図２を参照して、複合繊維と成形単一成分繊維とを有する混合不織布に限って詳細に説明されているが、このような混合不織布についてさらに説明することはここで省略する。

複合繊維および成形単一成分繊維を有する混合不織布の効率を試験するために、カーディング処理および通気結合処理を用いて幾つかの異なる試料を製造した。これらの試料は、１．３３ｄｔｅｘの三葉形状のポリプロピレン単一成分繊維と混合された３．３ｄｔｅｘの（ポリエチレンの鞘およびポリエステルの芯を有する）複合繊維を用いた。異なる混合、つまり、（ａ）約８５％の複合繊維および約１５％の単一成分繊維を備える混合不織布、（ｂ）約７５％の複合繊維および約２５％の単一成分繊維を備える混合不織布、および（ｃ）約６５％の複合繊維および約３５％の単一成分繊維を備える混合不織布が作製された。図２および図３は、複合繊維が如何に良好に成形単一成分繊維と結合されるかを表している。この点で、特定の濾過作用の必要性に応じて、複合繊維と単一成分繊維との比率が変わり得ることは留意するに値する。したがって、ある実施形態は、約５０％までの単一成分繊維を有することもある一方で、他の実施形態は、約５％という低い単一成分繊維を有する。

図４は、図１の不織布と図２または図３の不織布との間の気流圧力降下の実験比較を示す表である。図４に示すように、一方で、７５％の複合繊維と２５％の成形（三葉形状）単一成分繊維とを混合した不織布について気流圧力降下が比較され、他方で、７５％の複合繊維と２５％の円形単一成分繊維とを混合した不織布について気流圧力降下が比較された。これらの詳細な結果は、非常に高い不織布に起因して非常に低い圧力降下を示している。

気体の濾過作用および機械的特性は、織物が結合されることでさらに圧縮されて、非常に高められ得ることを理解すべきである。通常、布をオーブンに入れる前に厚みを制御して巻取りをする。しかしながら、布はオーブン内でリバウンドして再び厚みが高くなり得る。したがって、布がオーブンから出されたすぐ後に織物を圧縮することが（布をオーブンに入れる前に織物を圧縮するよりも）好ましい可能性がある。布がまだ熱いうちに、オーブンの出口で（あるいはオーブンの出口の非常に近くで）すぐに圧縮することで、厚みが高くなることを制御できる。

図５は、ポリプロピレン（ＰＰ）単一成分繊維とポリエステル（ＰＥＴ）単一成分繊維との間の比較を示す実験データを示す表であり、図６は、図５のデータのプロットを示す図表である。図５および図６に示すように、この実施形態では、ＰＰは、複合成分鞘のポリマーとより適合性が高いため、より高い引張強度をもたらす。逆に、この実施形態では、ＰＥＴ単一成分繊維は、複合繊維と結合しない。図５および図６はまた、全てが複合成分である繊維が非常に強力であることを示すが、これは全ての繊維が結合繊維であるからである。したがって、（複合繊維と良好な結合をする）ＰＰ単一成分混合物は、（複合繊維と良好に結合しない）ＰＥＴ単一成分混合物よりも強い。

例示的な実施形態を示し、説明したが、記載された本開示に対して多くの変更、修正あるいは変形をしてもよいことは、当業者にとって明白であろう。例えば、構造的および性能による利益が本発明の様々な実施形態とともに記載されたが、美的目的のために繊維の異なる組み合わせを用いることができることを理解すべきである。例えば、見て美しい不織布を提供するために、着色繊維を使用することができる。さらに、フィルタ上の汚れを隠すために、あるいは逆に、フィルタの交換時期を知らせるためにフィルタ上の汚れを目立たせるように着色繊維を使用することができる。さらに、フィルタの特定の使用に応じて、繊維または不織布は抗菌薬あるいは他の薬品を含浸させることができることを理解すべきである。

よって、これらおよび他のこのような変更、修正、および変形は本開示の範囲内であるとみなされるべきである。

Claims

フィルタであって、
混繊不織布であって、
約０．５デシテックス（ｄｔｅｘ）と約３０ｄｔｅｘとの間の線形質量密度を有する複合繊維であって、
第１の融点を有する芯であって、第１のポリマーを備え、前記第１のポリマーは、
ポリオレフィンと、
ポリエステルと、
ポリアミドと、
ポリ乳酸と、
生物分解性熱可塑性ポリマーと
からなる群から選択された１つである、芯と、
前記芯を囲繞する鞘であって、第２の融点を有し、前記第２の融点は前記第１の融点よりも低く、前記鞘は第２のポリマーを備え、前記第２のポリマーは、
ポリオレフィンと、
コポリエステルと、
コポリアミドと
からなる群から選択された１つである、鞘と
を備える複合繊維と、
前記複合繊維に結合された単一成分繊維であって、約０．５ｄｔｅｘと約３０ｄｔｅｘとの間の線形質量密度を有し、第３のポリマーを備え、前記第３のポリマーは、
ポリオレフィンと、
コポリエステルと、
コポリアミドと、
ポリプロピレンと
からなる群から選択された１つである、単一成分繊維と
を備え、
前記単一成分繊維は、成形断面を有し、前記成形断面は、
三葉形状断面と、
五葉形状断面と、
デルタ形状断面と、
中空断面と、
扁平断面と、
十字形状断面と
からなる群から選択された１つである、
混繊不織布を備える、フィルタ。
請求項１に記載のシステムであって、
前記混繊不織布は、約５０％未満の単一成分繊維と、約５％より多い単一成分繊維と備える、システム。
請求項１に記載のシステムであって、
前記混繊不織布は、約７５％の複合繊維と約２５％の単一成分繊維とを備える、システム。
請求項３に記載のシステムであって、
前記複合繊維は、ポリエチレンの鞘とポリエステルの芯とを備え、
前記単一成分繊維は、三葉形状のポリプロピレン繊維である、システム。
請求項３に記載のシステムであって、
前記複合繊維は、ポリエチレンの鞘とポリエステルの芯とを備え、
前記単一成分繊維は、円形状のポリプロピレン繊維である、システム。
請求項１に記載のシステムであって、
前記混繊不織布は、約６５％の複合繊維と約３５％の単一成分繊維とを備える、システム。
フィルタであって、
芯部を備える複合繊維であって、前記芯は第１の溶融温度を有し、前記複合繊維は、さらに、前記芯を囲繞する鞘を備え、前記鞘は、第２の溶融温度を有し、前記第２の溶融温度は、前記第１の溶融温度よりも低い、複合繊維と、
前記複合繊維に結合された単一成分繊維であって、前記単一成分繊維は、成形断面を有し、前記単一成分は、第３の溶融温度を有し、前記第３の溶融温度は、前記第２の溶融温度未満ではなく、前記複合繊維および前記単一成分繊維は混繊不織布中に位置する、単一成分繊維と
を備える、フィルタ。
請求項７に記載のフィルタであって、
前記複合繊維は、約０．５デシテックス（ｄｔｅｘ）と約３０ｄｔｅｘとの間の線形質量密度を有する、フィルタ。
請求項７に記載のフィルタであって、
前記単一成分繊維は、約０．５デシテックス（ｄｔｅｘ）と約３０ｄｔｅｘとの間の線形質量密度を有する、フィルタ。
請求項７に記載のフィルタであって、
前記芯は、第１のポリマーを備える、フィルタ。
請求項１０に記載のフィルタであって、
前記第１のポリマーは、
ポリオレフィンと、
ポリエステルと、
ポリアミドと、
ポリ乳酸と、
生物分解性熱可塑性ポリマーと
からなる群から選択された１つである、フィルタ。
請求項１０に記載のフィルタであって、
前記鞘は、第２のポリマーを備え、
前記第２のポリマーは、第１のポリマーとは異なる、フィルタ。
請求項１２に記載のフィルタであって、
前記第２のポリマーは、
ポリオレフィンと、
コポリエステルと、
コポリアミドと
からなる群から選択された１つである、フィルタ。
請求項１２に記載のフィルタであって、
前記単一成分繊維は、第３のポリマーを備える、フィルタ。
請求項１４に記載のフィルタであって、
前記第３のポリマーは、
ポリオレフィンと、
コポリエステルと、
コポリアミドと、
ポリプロピレンと
からなる群から選択された１つである、フィルタ。
請求項７に記載のフィルタであって、
前記成形断面は、
三葉形状断面と、
五葉形状断面と、
デルタ形状断面と、
中空断面と、
扁平断面と、
十字形状断面と
からなる群から選択された１つである、フィルタ。
請求項７に記載のフィルタであって、
前記単一成分繊維は、
ポリオレフィン繊維と、
コポリエステル繊維と、
コポリアミド繊維と、
ポリプロピレン繊維と
からなる群から選択された１つである、フィルタ：。
請求項７に記載のシステムであって、
前記混繊不織布は、約８５％の複合繊維と約１５％の単一成分繊維と備える、システム。
請求項７に記載のシステムであって、
前記混繊不織布は、約７５％の複合繊維と約２５％の単一成分繊維と備える、システム。
請求項７に記載のシステムであって、
前記混繊不織布は、約５％より多く約５０％未満の単一成分繊維を備える、システム。