JP2022077933A

JP2022077933A - フィルター及びマスク

Info

Publication number: JP2022077933A
Application number: JP2020189040A
Authority: JP
Inventors: 信裕梅原; Nobuhiro Umehara
Original assignee: Air&d Co Ltd
Current assignee: Air&d Co Ltd
Priority date: 2020-11-12
Filing date: 2020-11-12
Publication date: 2022-05-24

Abstract

【課題】ウイルスの捕集率が高く、かつ、圧力損失の小さいフィルター及びマスクを提供する。【解決手段】両側の外面部に形成され発泡体または不織布からなる外面部基材２，２と、両外面部基材２，２の間に配置され不織布または発泡体からなり通気性を有する２枚の中間部基材３とを備え、各外面部基材２における内側の面２ａ及び中間部基材３の両面に、ナノファイバー５を内部に向けて浸透させた。ナノファイバー５が浸透したナノファイバー含浸層４は、静電紡糸法により各基材に形成した。【選択図】図３

Description

本発明は、ウイルスを除去するフィルター及びこれを用いたマスクに関するものである。

ウイルス感染防止のためのマスクに使用されるフィルターは、ウイルスが非常に小さい粒子であることから繊維径の非常に小さいナノファイバーにより形成されたものがあり、かかるフィルター、マスクに関して、特許文献１、２に記載された技術が開示されている。特許文献１には、無機多孔質物質を含むマイクロファイバー不織布または織布層と、この不織布または織布層に積層されたナノファイバー不織布層と、を備えるマスクが記載されている。特許文献２には、ナノファイバー不織布層と、少なくとも１層の布帛との複合ファブリックで構成された顔部用保護具が記載されている。

特開２００８－１８８０８２号公報特開２０１４－２３４５６１号公報

しかし、従来の、ナノファイバーを用いてなるフィルターは、ウイルスの捕集率を上げるべく繊維層の目を細かくしたり目付量を多くすると、圧力損失が大きくなり吸込み抵抗が大きくなって息苦しさを覚え長時間の着用に適しなかった。

そこで、本発明は、ウイルスの捕集率が高く、かつ、圧力損失の小さいフィルター及びマスクの提供を課題とするものである。

請求項１のフィルターは、両側の外面部に形成され発泡体または不織布からなる外面部基材と、前記両側の外面部基材の間に配置され不織布または発泡体からなり通気性を有する一または複数の中間部基材と、を備え、前記各外面部基材における内側の面及び前記中間部基材の両面は、ナノファイバーが内部に向けて浸透している。

請求項２のフィルターは、ナノファイバーが、静電紡糸法により各基材に形成されている。
請求項３のフィルターは、ナノファイバーが、ポリビニルアルコールを含むポリウレタン樹脂エマルジョンから静電紡糸法により形成されている。
請求項４のフィルターは、ナノファイバーが、前記外面部基材及び前記中間部基材が平面方向に展伸された状態で静電紡糸法により形成されている。

請求項５のマスクは、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のフィルターを用いて形成されている。

本発明のフィルターは、中間部基材及び外面部基材を不織布または発泡体で形成し、これらの基材に繊維径が非常に小さいナノファイバーを静電紡糸法等により形成しているので、ナノファイバーは、基材の深部にまで浸透し、フィルターは、立体的にウイルス等の微粒子との接触面積が大きく、かつ、通気性が良くて圧力損失が小さい。このため、このフィルターをマスクに用いたとき、捕集率を大きくしても息苦しさを感じるのが防止される。

また、中間部基材及び外面部記載が平面方向に展伸された状態にあると各基材の目は拡張するので、この状態で静電紡糸法によりナノファイバーが塗布されると、ナノファイバーは各基材の深部にまでより侵入し易くなり、捕集率は更に大きくなる。

本発明の実施形態のフィルターを模式的に示す断面図であり、(a)はラミネート前の状態を示し、(b)はラミネート後の状態を示す。図１の外面部基材に形成したナノファイバーの断面観察による顕微鏡写真である。本発明の別の実施形態のフィルターを模式的に示す断面図であり、(a)はラミネート前の状態を示し、(b)はラミネート後の状態を示す。

以下、本発明の実施形態のフィルターを図に基づいて説明する。なお、以下の実施形態においては、図１及び図３の上下方向を上下の位置関係として説明する。

図１において、フィルター１は、図１の上下両側の外面部に形成された外面部基材２，２と、両外面部基材２，２の間に配置された一枚のシート状の中間部基材３と、を備え、両側の外面部基材２，２における各内側の面２ａ及び中間部基材３の両面は、ナノファイバー５が内部に向けて浸透し、この部分にナノファイバー５が含浸したナノファイバー含浸層４が形成されている。すなわち、フィルター１は、外面部基材２が上下両側の外面部にそれぞれ形成され、両外面部基材２，２の間に中間部基材３が配置されるとともに、ナノファイバー含浸層４が両側の外面部基材２の各内側の面２ａ及び中間部基材３の両面に計４層形成され、全体としてナノファイバー含浸層４を含めて合計７層構造となっている。

以下、各層について説明する。
外面部基材２は、連続気泡発泡体で構成されており、原料合成樹脂としては、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレンであり、他に、フェノール樹脂、ポリ塩化ビニル、ユリア樹脂、シリコーン、ポリイミド、メラミン樹脂などが挙げられる。このうち、ポリウレタンの発泡体が望ましい。連続気泡ポリウレタン発泡体は、通気性を有し、柔軟で、弾力性と復元性に富み、接着性を有する。連続気泡ポリウレタン発泡体は、厚みが、０．５～５．０ｍｍ程度であり、フィルター１をマスクに用いたときに顔面の肌との感触がよい。

なお、外面部基材２は、これらのウレタン発泡体などの発泡体に限られるものではなく、通気性が良く、顔面の肌との感触がよければ、不織布など他の素材を用いてもよい。

次に、中間部基材３は、不織布からなる。不織布は、長繊維からなるメルトブロー不織布、スパンボンド不織布や、短繊維で構成されるサーマルボンド不織布、あるいは、ケミカルボンド不織布、スパンレース不織布、湿式不織布などを使用することができる。メルトブロー不織布やスパンボンド不織布の素材は、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）のいずれであっても特に差支えないが、ポリウレタン（ＰＵ）であることが望ましい。サーマルボンド不織布は、素材としてポリエステルやポリオレフィン等が用いられる。ケミカルボンド不織布、スパンレース不織布、湿式不織布は、ポリエステル、レーヨン、ポリビニルアルコール、ポリプロピレンを含むポリオレフィン、綿またはパルプのいずれか１種または数種類から構成される。なお、中間部基材３は、発泡体など他の素材を用いてもよい。

不織布を構成する繊維の平均繊維径は、１～３０μｍの範囲から選ばれることが好ましい。また、不織布の目付重量は５．０～１２０ｇ／ｍ^２、厚みは０．２５～１．０ｍｍの範囲にあることが望ましい。更に、不織布は、剛性が大きく、２００％以上の伸びを有することが望ましい。

次に、ナノファイバー含浸層４は、各基材の表面から内部に向けて浸透し、各基材にナノファイバー５が一定の厚みに含浸して層状をなしている部分をいう。ナノファイバー含浸層４は、フィルター１の厚みによるが、外面部基材２及び中間部基材３の各表面から０．２～５ｍｍ程度内部にまでナノファイバー５が浸透している。

ナノファイバー５は、原料素材として、ポリビニルアルコール（以下、「ＰＶＡ」と略記することがある。）と、イソシアネート基をもつポリウレタンのエマルジョンと、を用いることを特徴とする。ＰＶＡは、ビニルエステル系モノマーの重合体であるポリビニルエステル系樹脂をケン化して得られる。そして、ポリウレタンは、カチオン性ポリウレタンを含有することを特徴とする。

上記エマルジョン系樹脂の粒径は、小さいものほど溶融し易く、加熱にかける温度を低くすることができる。また、粒径が小さいものほどＰＶＡとの複合ナノファイバーを形成し易く、基材との密着性も確保し易い。

ＰＶＡとポリウレタンのエマルジョン系中の固形分に対する媒体の含有量は、特に限定されないが、例えば１～１００質量％であるとよい。媒体の含有量が上記範囲内である場合、樹脂のナノファイバー性を向上させることができるので好ましい。

ナノファイバー５は、発泡体または不織布からなる基材に積層してナノファイバー含浸層４に形成される。ナノファイバー５は、静電紡糸法により製造され、エレクトロスピニングにより原料素材である混合溶液に高電圧が印加され、その電界によって混合溶液が引き出されて紡糸が発泡体あるいは不織布からなる基材上に浸透、積層され、ナノファイバー含浸層４が形成される。

ナノファイバー含浸層４は、ナノファイバー５を発泡体または不織布からなる基材に積層した後、５０～２５０℃で加熱することで、ポリビニルアルコールとポリウレタンとが反応する。そして、その反応と同時に、ナノファイバー５と基材とが接着される。

次に、フィルター１の製造について説明する。
まず、上下両側の外面部基材２を平面的に伸長し、クランプ、治具等で固定して縦横にそれぞれ１２０％程度展伸させた状態で、静電紡糸法であるエレクトロスピニングにより上下両側の外面部基材２の内側の面２ａそれぞれにナノファイバー５を塗布してナノファイバー含浸層４を形成する。

外面部基材２の内側の面２ａにナノファイバー５を塗布したら、ナノファイバー５を含浸させた外面部基材２を、０．１～１．５ＭＰａの正圧下で展伸させた状態で熱処理する。ここで、熱処理は、大気、窒素等のガス中で行なわれる。処理温度は、５０～３００℃、処理時間は０．１～６０秒とするのが好ましい。これらの条件は、ポリビニルアルコールとポリウレタンのエマルジョンとの混合溶液の混合割合、粘度、所望とするナノファイバーの繊維径等に応じて設定すればよい。この熱処理とともに上記正圧下で展伸させることにより、フィルター１の通気性は更に向上し、圧力損失は低下する。このようにして通気性を更に付与したら、ナノファイバー５含浸の外面部基材２のシートをローラに巻き取る。

なお、ナノファイバー５を含浸させた後の外面部基材２の展伸は、外面部基材２に対して上下方向から吸引して所定の負圧下で行なうこともできる。あるいは、所定の水圧、所定の蒸気圧下で行なうこともできる。

同様にして、中間部基材３を平面的に引張って縦横にそれぞれ１２０％程度展伸させた状態で、エレクトロスピニングにより中間部基材３の両面それぞれにナノファイバー５を塗布してナノファイバー含浸層４を形成する。そして、外面部基材２と同様に、ナノファイバー５を含浸させた中間部基材３を、０．１～１．５ＭＰａの正圧下で展伸させた状態で熱処理する。あるいは、ナノファイバー５を含浸させた後の中間部基材３を所定の負圧で展伸させる。次いで、ナノファイバー５含浸の中間部基材３のシートをローラに巻き取る。

その後、各ローラからそれぞれシートを引き出しつつ、上下一対の、ナノファイバー含浸の外面部基材２のシートの間に、ナノファイバー含浸の中間部基材３のシートを送り込み、図１(a)に示す配置状態で、上下から加圧加熱してラミネートする。これにより、図１(b)に示すフィルター１が形成される。

図２に、ウレタン発泡体にナノファイバー５が積層された積層体の断面観察による顕微鏡写真を示す。図２から明らかなように、ナノファイバー５は、一部がウレタン発泡体の表面の内部にまで食い込んでおり、ナノファイバー５と基材のウレタン発泡体との層間剥離が生じ難くなっていることが分かる。

次に、本実施形態のフィルター１の作用を説明する。
フィルター１は、ウイルスの捕集率を上げるために、単にナノファイバー５を基材に吹付け乾燥して層を形成し、このナノファイバー含浸層４を複数積層して厚く形成したものは、基材の表面を平面的に厚く覆うことになるので、圧力損失は大きくなり通気抵抗は増大してしまう。しかし、本発明のフィルター１は、中間部基材３及び外面部基材２は、表面部が凸凹し目が粗く繊維間や発泡粒子間の隙間が大きいとともにナノファイバー５を静電防止法により吹き付けているので、ナノファイバー５はこれらの基材の表面から前記隙間を通過して内部に深く浸透する。このため、ナノファイバー５は各基材の表面に単に平面的に付着しているのではなく、目の粗い基材の繊維間や発泡粒子間の隙間を通過して内深部まで入り込んで絡み合う。つまり、ナノファイバー含浸層４は、平面的ではなく、深部方向の距離が長く、立体的に厚さ方向の全体に形成され、それにより、ウイルスとの接触面積が増大するから、この部分でウイルスは補足され、捕集率は大きくなる。

一方で、厚く形成されたナノファイバー含浸層４は、平面的に目が細かくなるのではなく、目の粗い各基材の繊維間や発泡粒子間に立体的に浸透しているので、通気性が良く、圧力損失は小さい。このため、マスクに使用したとき、息苦しさを覚えるのを防止できる。

また、外面部基材２及び中間部基材３が平面方向に展伸された状態にあると、各基材の目は拡張し、ナノファイバー５は容易に基材の深部にまで侵入し、ナノファイバー含浸層４を厚く形成できるので、捕集率を更に高めることができる。

フィルター１及びこれを用いたマスクは、加熱により、各層間が溶着されるとともに、ポリウレタン樹脂エマルジョンとポリビニルアルコールとの架橋により強度が大きくなって耐水性が向上する。

次に、本実施形態の別のフィルター１を図３に基づいて説明する。
図３に示すフィルター１は、両側２枚のシート状の外面部基材２，２と、両外面部基材２，２の間に上下に間隔をおいて配置された２枚のシート状の中間部基材３とを備え、両外面部基材２，２の各内側の面２ａ及び各中間部基材３の両面は、ナノファイバー５が内部に向けて浸透し、この部分にナノファイバー５が含浸したナノファイバー含浸層４が形成されている。すなわち、フィルター１は、外面部基材２が上下両側の外面部にそれぞれ形成され、両外面部基材２，２の間に２枚のシート状の中間部基材３が配置されるとともに、ナノファイバー含浸層４が両側の外面部基材２の内側の面２ａ及び中間部基材３の両面に計６層形成され、全体としてナノファイバー含浸層４を含めて合計１０層構造となっている。

図３に示すフィルター１において、２枚の中間部基材３を設けたのは、両外面部基材２，２の間に１枚の中間部基材３のみを配置しその両面にナノファイバー含浸層４を形成した前述の図１に示したフィルター１の場合には、基材にナノファイバー５を吹き付けたとき、ナノファイバー５は基材に均一に塗布されず、粗密のむらのある状態に塗布されることがあるため、中間部基材３を１枚増やすことによって均一なナノファイバー含浸層４を安定して得るためである。

図３のフィルター１は、図１のフィルター１と比較して、中間部基材３が１層多く、ナノファイバー含浸層４が２層多いので、ナノファイバー含浸層４を薄く形成して、フィルター１全体としては図１のフィルター１と同程度の厚さに形成するのが好ましい。

なお、外面部基材２及び中間部基材３に塗布するナノファイバー５の目付量、厚さは、求められるフィルター１の厚さに応じて適宜調整すればよい。

ところで、中間部基材３は、両外面部基材２，２の間において、上記各実施形態においては、１枚または２枚が配設されているが、本発明を実施する場合は、３枚以上を設けてもよい。この場合も、各中間部基材３の両面には、ナノファイバー含浸層４が形成される。

マスクは、作製されたフィルター１を用いて所定形状に裁断して作製する。ウレタン発泡体とナノファイバー５とを積層してなるマスクは、顔面への密着性に優れているため、顔面との間からの空気の漏れを低減できる。

１フィルター
２外面部基材
２ａ内側の面
３中間部基材
４ナノファイバー含浸層
５ナノファイバー

Claims

両側の外面部に形成され、発泡体または不織布からなる外面部基材と、
前記両側の外面部基材の間に配置され、不織布または発泡体からなり通気性を有する一または複数の中間部基材と、を備え、
前記各外面部基材における内部側の面及び前記中間部基材の両面は、ナノファイバーが内部に向けて浸透していることを特徴とするフィルター。
前記ナノファイバーは、静電紡糸法により前記各基材に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のフィルター。
前記ナノファイバーは、ポリビニルアルコールを含むポリウレタン樹脂エマルジョンから静電紡糸法により形成されたことを特徴とする請求項２に記載のフィルター。
前記ナノファイバーは、前記外面部基材及び前記中間部基材が平面方向に展伸された状態で静電紡糸法により形成されたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のフィルター。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のフィルターを用いて形成されたことを特徴とするマスク。