JP2021030226A - 気相濾材及び濾過ユニット - Google Patents
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Abstract
【解決手段】気相濾材10は、気流の上流側から順に、通気性被覆層、プレ捕集層、主捕集層、通気性支持層が重なって構成され、主捕集層は、rGO−g−PLLAナノ粒子がドープされた多孔PLAマイクロナノ繊維膜を含む。濾過ユニット1は、山折り及び谷折りにより折り畳まれて形成されたジグザグ形状に保持されている気相濾材と、枠とを含む。
【効果】本発明の気相濾材は、主捕集層用の多孔PLAマイクロナノ繊維膜の繊維の直径が小さく、比表面積が大きく、孔体積が大きく、優れた力学的性質、静菌性及び耐高温性を有し、PM2.5等の粒子状物質に対する捕集能力が強く、抵抗圧力降下が低下し、主捕集層の厚さが低い場合にも優れた空気濾過性能を有する。
【選択図】図1
Description
気流の上流側から順に、通気性被覆層、プレ捕集層、主捕集層、通気性支持層が積層された気相濾材であって、前記主捕集層は、rGO−g−PLLAナノ粒子がドープされた多孔PLAマイクロナノ繊維膜を含む。
GOとL−乳酸単量体をインサイチュ重縮合してGO−g−PLLAナノ粒子を得て、
GO−g−PLLAナノ粒子を還元してrGO−g−PLLAナノ粒子を得て、
rGO−g−PLLAナノ粒子及びPLAを溶媒に溶解して紡糸液を得て、
紡糸液を電界紡糸して多孔PLAマイクロナノ繊維膜を得る。
1)N−メチルピロリドンにGO超音波を固液比1:5−10で分散させた後、L−乳酸単量体を仕込み、GOとL−乳酸単量体の重量比が1:1〜5であり、窒素を通して空にし、均一に混合して30−60min内で100〜130℃に昇温し、撹拌速度400〜500rpmで10〜15h撹拌して重縮合反応を行い、反応終了後に濾過、乾燥してGO−g−PLLAナノ粒子を得て、
2)GO−g−PLLAナノ粒子を、固液比1:4−6でNH2OH・HCl溶液中に超音波分散し(pH=7)、窒素を通して空にし、温度60〜80℃、攪拌速度400〜500rpmで2〜5h攪拌反応させ、反応終了後ろ過、乾燥し、rGO−g−PLLAナノ粒子を得て、
3)rGO−g−PLLAナノ粒子をジクロロメタンに超音波分散した後、PLAを加えて完全に溶解するまで撹拌して紡糸液を得て、紡糸液中のPLAの質量分率は5〜15wt%であり、rGO−g−PLLAナノ粒子の質量分率は0.1〜1%であり、
4)紡糸液を電圧20〜25kV、流速0.5〜1.0mL/h、受信距離10〜15cmの条件で電界紡糸して多孔PLAマイクロナノ繊維膜を得る。
多孔PLAマイクロナノ繊維膜は以下のステップにより製造される:
1)N−メチルピロリドンにGO超音波を固液比1:6で分散させた後、L−乳酸単量体を仕込み、GOとL−乳酸単量体の重量比が1:3であり、窒素を通して空にし、均一に混合して45min内に120℃まで昇温し、撹拌速度500rpmで12h撹拌して重縮合反応を行い、反応終了後に濾過、乾燥してGO−g−PLLAナノ粒子を得て、
2)GO−g−PLLAナノ粒子を、固液比1:5でNH2OH・HCl溶液に超音波分散し(pH=7)、窒素を通して空にし、温度65℃、攪拌速度500rpmで3h攪拌反応させ、反応終了後ろ過、乾燥し、rGO−g−PLLAナノ粒子を得て、
3)rGO−g−PLLAナノ粒子をジクロロメタンに超音波分散した後、PLAを加えて完全に溶解するまで撹拌して紡糸液を得て、紡糸液中のPLAの質量分率は10wt%であり、rGO−g−PLLAナノ粒子の質量分率は0.5%であり、
4)紡糸液を電圧24kV、流速0.6mL/h、受信距離12cmの条件で電界紡糸して多孔PLAマイクロナノ繊維膜を得る。
多孔PLAマイクロナノ繊維膜は以下のステップにより製造される:
1)N−メチルピロリドンにGO超音波を固液比1:6で分散させた後、L−乳酸単量体を仕込み、GOとL−乳酸単量体の重量比が1:3であり、窒素を通して空にし、均一に混合して45min内に120℃まで昇温し、撹拌速度500rpmで12h撹拌して重縮合反応を行い、反応終了後に濾過、乾燥してGO−g−PLLAナノ粒子を得て、
2)GO−g−PLLAナノ粒子を、固液比1:5でNH2OH・HCl溶液に超音波分散し(pH=7)、窒素を通して空にし、温度65℃、攪拌速度500rpmで3h攪拌反応させ、反応終了後ろ過、乾燥し、rGO−g−PLLAナノ粒子を得て、
3)rGO−g−PLLAナノ粒子をジクロロメタンに超音波分散した後、PLA、ポリビニルピロリドン及びポリa−アミノ酸を加え、完全に溶解するまで撹拌して紡糸液を得て、紡糸液中のPLAの質量分率は10wt%であり、rGO−g−PLLAナノ粒子の質量分率は0.5%であり、ポリビニルピロリドン及びポリa−アミノ酸の添加量はそれぞれPLAの質量の3%及び0.3%であり、
4)紡糸液を電圧24kV、流速0.6mL/h、受信距離12cmの条件で電界紡糸して多孔PLAマイクロナノ繊維膜を得る。
図2−4に示すように、気相濾材10は、気流の上流側から順に、通気性被覆層101、プレ捕集層102、主捕集層103、通気性支持層104が積層され、通気性被覆層101は、平均繊維直径15μmのポリカプロラクトン繊維からなるスパンボンド不織布を選択し、気流中の塵埃を通過させ、外部からの押圧に対して前記濾材の表面が変形することを抑制し、プレ捕集層102は、平均繊維直径2μmのポリカプロラクトンからなる不織布を用い、通気性被覆層101とプレ捕集層102とをホットメルト接着剤で110℃で熱ラミネートして積層体Iを得て、気流中の塵埃の一部を捕集し、主捕集層103は、実施例1で得られた多孔PLAマイクロナノ繊維膜を含み、前記プレ捕集層を通過した塵埃を捕集し、通気性支持層104は、芯にPET、鞘にPEの芯/鞘構造を用いた繊維からなるスパンボンド不織布を採用し、また、主捕集層103の両面に、ラミネート装置を用いてスパンボンド不織布を熱融着により接合し積層体IIを得ることで、主捕集層103を支持する。その後、積層体Iと積層体IIとをホットメルト接着剤を用いて110℃で熱ラミネートして図2に示す層構造の濾材10を得た後、ロータリー式折り畳み機を用いて260mm毎に山折り、谷折りを形成するようにプリーツ加工して、図3−4に示すようなジグザグ形状の濾材10を得た。
気相濾材10は、主捕集層103が実施例2で得られた多孔PLAマイクロナノ繊維膜を含む点で、実施例3と異なる。
図1に示すように、濾過ユニット1は、実施例3の気相濾材10と、枠12とを含む。気相濾材10の形状は、山折り及び谷折りにより折り畳まれて形成されたジグザグ形状に保持されている。枠体12は、気相濾材10の外周部を囲んでおり、気相濾材10を一体に形成している。
濾過ユニット1は、実施例4の気相濾材10を含む点で、実施例5と異なる。
比較例1の実施例3と異なる点は、多孔PLAマイクロナノ繊維膜を以下の手順で作製したことである:
PLAを体積比10:1のジクロロメタンとN,N−ジメチルアセトアミド混合溶媒に溶解して紡糸液を得、紡糸液中のPLAの質量分率は10wt%であり、
紡糸液を電圧24kV、流速0.6mL/h、受信距離12cmの条件で電界紡糸して多孔PLAマイクロナノ繊維膜を得た。
比較例2の実施例3との違いは、主捕集層103が比較例1の多孔PLAマイクロナノ繊維膜を含む点である。
比較例3は、濾過ユニット1が、比較例2の気相濾材10を含む点で実施例5と異なる。
多孔PLAマイクロナノ繊維膜の性能特徴づけ
実施例1及び実施例2で得られた多孔PLAマイクロナノ繊維膜をそれぞれ導電性接着剤の貼り付けられたサンプル台にメタルスプレーイングした後に,放射走査型電子顕微鏡を用いて多孔PLAマイクロナノ繊維膜の形態を観察して写真を撮る。SEM写真は、図5に示すように、比較例1と比較して、実施例2で得られた多孔PLAマイクロナノ繊維膜表面のナノ孔が大きく、分布が密であることから、rGO−g−PLLAの導入により、多孔PLAマイクロナノ繊維膜の空隙構造を調整することができることがわかる。実施例2は、実施例1と比較して、多孔PLAマイクロナノ繊維膜表面のナノ孔分布がより密集しており、繊維間の空隙が小さく、平均直径変化が目立たないことから、これはポリa−アミノ酸の添加により、ポリビニルピロリドンとのゲイン作用を発揮させ、気相濾材の空気濾過性能をより優れたものとすることができることがわかる。
異なるPCLナノ繊維複合濾過膜のガス濾過性能を、TSI8130型自動濾材試験装置を用いて測定し、サンプルを14cm×14cmの円形に裁断し、エアロゾル粒子の直径が約75nmであり、ガス流速が85L/minである。異なるナノ繊維濾過膜の濾過性能を総合的に評価するために、異なる濾過膜の品質係数をQF=ln(1−η)/Δpで算出し、
前記ηは、濾過効率を表し、
前記Δpは、濾過圧力降下を表す。
万能強力試験機を用いて、実施例1及び比較例1の繊維膜の引張強度と破断伸度を測定する。サンプル幅5mm、長さ40mm、治具間距離20mm、引張速度5mm/min、サンプル毎に5回測定して平均値を取る。実施例1は、引張強度が7.02MPa、破断伸度が108.57%であり、実施例2は、引張強度が7.74MPa、破断伸度が126.82%であり、比較例1は、繊維膜の引張強度が1.53MPa、破断伸度が62.47%である。以上の結果により、rGO−g−PLLAは、多孔質PLAマイクロナノ繊維中に均一に分散することができ、PLAの異相の核生成作用を速め、強化の効果を高めることができ、気相濾材用多孔PLAマイクロナノ繊維膜は優れた力学的性質を有し、引張強度および破断伸度が高いことが示された。紡糸液中のポリビニルピロリドンとポリa−アミノ酸は、紡糸液中でのPAO−g−rGOナノ粒子の分散性を向上させ、紡糸を円滑に進行させ、繊維膜上にPAO−g−rGOナノ粒子を均一に分布させ、多孔PLAマイクロナノ繊維膜の力学的性質をさらに向上させることもできる。
気相濾材の捕集効率測定
濾材10の圧力損失に用いた試験サンプルと同じ試験サンプルをフィルタの濾材ホルダーにセットし、空気流を調整し、空気の濾材通過速度が5.3cm/秒となるようにし、前記空気流の上流側に直径0.3μmのPSL(PolystyreneLatex:ポリスチレンラテックス)粒子を導入し、光散乱式粒子カウンターを用いて試験サンプルの上流側と下流側のPSL粒子の濃度を測定し、下記式に従って濾材10の捕集効率を求める。
捕集効率(%)=[1−(下流側のPSL粒子の濃度/上流側のPSL粒子の濃度)]×100
10 濾材
101 通気性被覆層
102 プレ捕集層
103 主捕集層
104 通気性支持層
12 枠
Claims (10)
- 気相濾材であって、
気流の上流側から順に、通気性被覆層(101)、プレ捕集層(102)、主捕集層(103)、通気性支持層(104)が積層され、
前記主捕集層(103)は、rGO−g−PLLAナノ粒子がドープされた多孔PLAマイクロナノ繊維膜を含む、
ことを特徴とする気相濾材。 - 前記多孔PLAマイクロナノ繊維膜は、
GOとL−乳酸単量体とをインサイチュ重縮合してGO−g−PLLAナノ粒子を得るステップと、
前記GO−g−PLLAナノ粒子を還元してrGO−g−PLLAナノ粒子を得るステップと、
前記rGO−g−PLLAナノ粒子およびPLAを溶媒に溶解して紡糸液を得るステップと、
前記紡糸液を電界紡糸して多孔PLAマイクロナノ繊維膜を得るステップと、により調製される、
ことを特徴とする請求項1に記載の気相濾材。 - 前記GOと前記L−乳酸単量体との重量比は、1:1〜5である、
ことを特徴とする請求項2に記載の気相濾材。 - 前記紡糸液における前記rGO−g−PLLAナノ粒子の質量分率が0.1〜1%である、
ことを特徴とする請求項2に記載の気相濾材。 - 前記多孔PLAマイクロナノ繊維膜は、平均直径が200〜500nmである、
ことを特徴とする請求項2に記載の気相濾材。 - 前記溶媒は、ジクロロメタンである、
ことを特徴とする請求項2に記載の気相濾材。 - 前記通気性被覆層(101)は、気流中の塵埃を通過させ、外部からの押圧に対して前記濾材の表面が変形することを抑制し、
前記プレ捕集層(102)は、気流中の塵埃の一部を捕集し、
前記主捕集層(103)は、前記プレ捕集層を通過した塵埃を捕集し、
前記通気性支持層(104)は、前記主捕集層(103)を支持する、
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の気相濾材。 - 濾過ユニット(1)であって、請求項1〜7のいずれかに記載の前記気相濾材(10)と、枠(12)と、を含む、
ことを特徴とする濾過ユニット。 - 前記気相濾材(10)の形状は、山折り及び谷折りにより折り畳まれて形成されたジグザグ形状に保持されている、
ことを特徴とする請求項8に記載の濾過ユニット。 - 前記枠(12)は、前記気相濾材(10)の外周部を囲み、前記気相濾材(10)を一体に形成した、
ことを特徴とする請求項8に記載の濾過ユニット。
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