JP2732652B2 - フィルタ用積層体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は、室内の空気を吸引し、浄化して排出する空
気清浄機などにフィルタとして用いられるフィルタ用積
層体に関する。

発明の技術的背景 近年、煙草から生じる煙は、喫煙者と同室する非喫煙
者の肺癌罹病率を増加させるという統計結果が紹介され
るなどの理由により、特に室内の空気を清浄にする装置
への需要が高まってきている。

そこで、室内の空気を吸引し、フィルタを通過させて
浄化し排出する各種空気清浄機が使用されているが、従
来用いられているフィルタは、塵芥の捕集能力に劣るた
め未だに充分な性能を備えた空気清浄機は得られていな
い。

たとえば、不織布を用いたフィルタは、煙草から生ず
る煙に含まれる成分粒子のうち比較的大きなミクロンオ
ーダーの粒子はかなり捕集することができるが、悪臭成
分などは有効に除去することができないという問題点が
あった。

このため、悪臭成分などを除去できる素材として活性
炭が注目されており、たとえば、粉状または粒状をなす
活性炭を、セラミック、ピッチ、熱硬化性樹脂などの基
材に混合し、成形したフィルタ用材料が提案されてい
る。

このフィルタ用材料は、粉状または粒状をなす活性炭
をそのまま用いた場合と比較して取扱いが容易であると
いう利点があり、上記の不織布とともに併用することに
より、空気中に浮遊するミクロンオーダーの粒子と、サ
ブミクロンオーダーの粒子とを同時に除去できるフィル
タを得ることが可能である。

しかしながら、このフィルタ材料は、活性炭の表面の
一部が基材によって覆われるため活性炭の脱臭能力が低
く、脱臭性能が劣ったフィルタしか得られないという問
題があった。

また、このフィルタ材料は、上記した基材と活性炭と
の接着性が低く、空気清浄機作動中に基材から活性炭が
遊離し、微細な粉状物となって空気中を浮遊するため、
かえって環境を損なうなどの問題もあった。

発明の目的 本発明は、上記のような従来技術に伴う問題点を解決
しようとするものであって、煙草から生じる煙に含まれ
るミクロンオーダーの粒子と、サブミクロンオーダーの
粒子とを同時に効率良く吸着でき、しかも空気清浄機作
動中に粉状活性炭を発生させるようなことがないような
フィルタ用積層体を提供することを目的としている。

発明の概要 本発明に係るフィルタ用積層体は、フェノール樹脂発
泡体が炭化、賦活されてなり、密度0.05〜0.5g/cm³、炭
素含有率85〜95重量％および比表面積500m²/g以上であ
り、かつ発泡体セル構造と、細孔を無数に有する微細構
造とを有する活性化炭素多孔体からなる活性化炭素多孔
体層と、 ポリオレフィン繊維またはポリエステル繊維を主成分
としてなる不織布層とが積層されていることを特徴とし
ている。

本発明に係るフィルタ用積層体では、上記不織布層は
主に煙草から生ずる煙に含まれるミクロンオーダーの粒
子を濾過するために設けられており、エレクトレット化
されていることが好ましい。

本発明に係るフィルター用積層体は、フェノール樹脂
発泡体を炭化、賦活してなる活性化炭素多孔体層と、不
織布層とを用いているため、活性化炭素多孔体層の発泡
体セル構造および微細構造を有する活性炭で悪臭成分な
どのサブミクロンオーダーの粒子を、不織布層でミクロ
ンオーダの粒子を各々効率よく且つ長期間にわたって除
去できる他、各層の構造上だけでなく積層構造上からも
圧力損失が少ないため、室内の空気を急速に浄化でき、
かつ組み立てが簡単であり、積層時および使用時に粉状
物を発生させて環境を悪化させることがない。

発明の具体的説明 以下本発明に係るフィルタ用積層体について具体的に
説明する。

本発明に係るフィルタ用積層体は、フェノール樹脂発
泡体を炭化し、次いで賦活して得られる活性化炭素多孔
体からなる活性化炭素多孔体層と、不織布層とを備え
る。

また、本発明で用いられるフェノール樹脂発泡体は、
フェノール樹脂を発泡硬化させて得られ、このようなフ
ェノール樹脂としては、レゾール型フェノール樹脂が用
いられる。

レゾール型フェノール樹脂は、公知の方法にしたがっ
て、たとえばフェノール類とアルデヒド類とをアルカリ
触媒の存在下で、80℃〜100℃の温度まで加熱して縮合
させ、次いで減圧下にて固形分が60〜80重量％となるま
で水を留去して得られる。得られたレゾール型フェノー
ル樹脂としては、具体的には、常温での粘度が1000〜20
000cpsの液状体が好ましく用いられる。

フェノール類としては、具体的には、フェノール、ク
レゾール、キシレノールおよびレゾルシンなどが用いら
れる。

アルデヒド類としては、具体的には、ホルムアルデヒ
ド、アセトアルデヒドおよびフルフラールなどが用いら
れる。

アルカリ触媒としては、具体的には、KOH、Ca（OH）
_２、Ba（OH）_２、 NH₂（CH₂CH₃）、 NH（CH₂CH₃）_２ およびＮ（CH₂CH₃）_３などが用いられる。

レゾール型フェノール樹脂を発泡させるための発泡剤
としては、従来公知の種々の分解型発泡剤および蒸発型
発泡剤が用いられる。

分解型発泡剤としては、アルカリ金属炭酸塩、アルカ
リ金属重炭酸塩、アゾビスイソブチリロニトリル、アゾ
ジカルボン酸アミドなどが好ましく用いられる。

上記のようなアルカリ金属炭酸塩としては、具体的に
は、 Na₂CO₃、NaHCO₃、K₂CO₃、 CaCO₃、MgCO₃、BaCO₃などが用いられる。

蒸発型発泡剤としては、パラフィン系炭化水素、アル
コール、エーテル、ハロゲン化炭化水素などが好ましく
用いられる。

パラフィン系炭化水素としては、具体的には、プロパ
ン、ブタン、ペンタンなどが用いられる。

ハロゲン化炭化水素としては、具体的には、クロロホ
ルム、四塩化炭素、ジクロロフルオロメタン、トリクロ
ロフルオロメタン、1,1,2,2−テトラクロロ−1,2−ジフ
ルオロエタン、1,1,2,2−テトラクロロ−1,2,2−トリフ
ルオロエタン、1,1,2,2−テトラクロロ−1,1,2,2−テト
ラフルオロエタンなどが用いられる。

このような発泡剤は、フェノール樹脂100重量部に対
し、通常0.1〜20重量部、好ましくは0.5〜５重量部の量
で用いられ、用いられる発泡剤の量により得られる樹脂
発泡体の密度が調節される。

レゾール型フェノール樹脂を発泡硬化させるために発
泡剤とともに硬化剤が用いられるが、この硬化剤として
は、公知の種々の硬化剤が、レゾール型フェノール樹脂
の種類に応じて選択され使用される。

このような硬化剤としては、無機強酸、有機強酸ある
いはこれらの混合物が好ましく用いられる。

無機強酸としては、具体的には、硫酸、塩酸、硝酸、
リン酸、ピロリン酸およびポリリン酸などが用いられ
る。

有機強酸としては、具体的には、フェノールスルホン
酸、ベンゼンスルホン酸、トルエンスルホン酸、メタク
レゾールスルホン酸、レゾルシノールスルホン酸、ブチ
ルスルホン酸、プロピルスルホン酸などが用いられる。

このような硬化剤は、通常レゾール型フェノール樹脂
100重量部に対して、３〜30重量部の量で用いられる。
また本発明においては、必要に応じてさらに他の成分、
たとえば整泡剤や充填剤を併用してもかまわない。

上記のようなレゾール型フェノール樹脂、発泡剤およ
び硬化剤を一挙にもしくは逐次に混合撹拌して得られ
た、クリーム状のフェノール樹脂プレポリマー組成物を
たとえば保温された金型内もしくは２重帯状コンベアー
上に供給すると、フェノール樹脂プレポリマー組成物は
発泡硬化される。得られた樹脂発泡体は、必要に応じて
切断してもよい。

このようにして得られたフェノール樹脂発泡体は、通
常発泡倍率３〜20倍、好ましくは発泡倍率５〜15倍、特
に好ましくは７〜12倍とされる。

このような範囲の発泡倍率を有するフェノール樹脂発
泡体は、炭化、賦活して得られる活性化炭素多孔体は吸
着性能が高く、しかも強度が高いため、フィルタ使用時
あるいは再生時に破損して粉状化することがない。

このようにして得られたフェノール樹脂発泡体は、不
活性雰囲気下で600℃〜1100℃、好ましくは700℃〜1000
℃の温度に加熱して炭化される。

上記のような炭化温度で炭化処理を行なうと、フェノ
ール樹脂発泡体の炭化を充分に行なうことができ、比表
面積が大きく、かつ吸着性能の高い炭素多孔体が得られ
る。また、次の賦活処理で寸法変化を生ずるため炭素多
孔体に亀裂を生じ、圧壊強度を低下させたり、細孔数を
減少させて、比表面積を小さくすることもない。

このような炭化処理は、不活性雰囲気下で行なわれる
が、具体的には、窒素、アルゴンなどの雰囲気下で行な
われる。

上記のようにフェノール樹脂発泡体を不活性雰囲気下
で500〜1000℃の温度に加熱して炭化することにより、
発泡体を構成するフェノール樹脂に含まれる酸素および
水素原子は、水または低分子量有機化合物に分解されて
発泡体外に除去され、その結果、得られる炭素多孔体の
炭素含有率は90％近くなり、かつ低分子量物が揮発した
あとがμｍオーダーの細孔となる。また、レゾール型フ
ェノール樹脂は水分を大量に含有しており、これを原料
として得られるフェノール樹脂発泡体内にも水分が大量
に存在しているため、このフェノール樹脂発泡体を加熱
して炭化する際に大量の水が揮発し、得られる炭素多孔
体は多数の細孔を有する。

したがって、このような温度範囲内でフェノール樹脂
発泡体を炭化して得られる炭素多孔体は、発泡体セル構
造と、細孔を無数に有するという微細構造とを有し、そ
のため比表面積が大きく、不充分ではあるが活性炭とし
ての吸着性能を示す。

このようにして得られた炭素多孔体は、さらに酸化性
ガス雰囲気下で700〜1000℃の温度で加熱される賦活処
理により活性化される。

酸化性ガスとしては、活性炭の賦活処理に使用される
従来公知の各種酸素含有気体が用いられ、酸素または水
蒸気などの酸化性ガスと不活性ガスとの混合気体などが
好ましく用いられる。

不活性ガスと酸化性ガスとの混合比は、処理温度に応
じて決定されるが、作業性を考慮すると、不活性ガス１
モルに対し、酸化性ガスは0.01〜0.5モル、好ましくは
0.1モル〜0.3モルの割合で混合される。

上記のような賦活処理時間は、前述した酸化性ガスの
濃度に応じて変化するが、作業性を考慮すると通常１分
〜24時間の範囲であることが好ましい。

このようにして得られた活性化炭素多孔体は、密度が
0.05〜0.5g/cm³の範囲にある。

この範囲内の嵩密度を有する活性化炭素多孔体は、賦
活操作が容易で、得られた多孔体の脱臭性能が極めて優
れている。

また、活性化炭素多孔体の比表面積は500m²/g以上で
あり、この範囲の比表面積を有する活性化炭素多孔体
は、サブミクロンオーダーの粒子を吸着する能力が極め
て優れている。なお、本明細書における比表面積とは、
BET法によるN₂の等温吸着曲線により求めた値である。

さらに、活性化炭素多孔体の炭素含有率は、85〜95重
量％、好ましくは88〜92重量％であり、この範囲の活性
炭素多孔体は脱臭性能が極めて優れている。

このような活性化炭素多孔体からなる活性化炭素多孔
体層とともに、フィルタ用積層体を構成する不織布層と
しては、公知の各種繊維状物からなる不織布が用いられ
る。

繊維状物としては、樹脂製繊維、あるいは樹脂製フィ
ルムを切断して得た線状物が用いられる。

樹脂製繊維および樹脂製フィルムの原料は加工しやす
く安価であることが好ましく、この原料としては、具体
的には、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレ
フィン、ポリエチレンフタレートなどのポリエステルな
どが用いられる。

また、不織布は、空気中に浮遊する粒子を付着しやす
くするために、エレクトレット化されていることが好ま
しい。

エレクトレット化された不織布は、この不織布を構成
する繊維状物を予めエレクトレット化して得られる。

不織布をエレクトレット化するには、公知各種の方法
を用いることができ、具体的には、コロナ放電を利用す
る方法、イオン注入法などが用いられる。

本願発明に係るフィルタ用積層体は、上記したような
活性化炭素多孔体層を、不織布層と積層して構成されて
おり、活性化炭素多孔体層と不織布層の数は特に限定さ
れない。

したがって、本発明に係るフィルタ用積層体として
は、具体的には、活性化炭素多孔体層と不織布層とを１
層づつ備えた積層体、１層の活性化炭素多孔体層とこの
活性化炭素多孔体層をはさむ２層の不織布層とを備えた
積層体、各々複数の活性化炭素多孔体層と不織布層とを
交互に積層された積層体などが、フィルタとして好まし
く用いられる。

活性化炭素多孔体層と不織布とを積層するには、接着
剤は不要であり、単に一体的に活性炭素多孔体層と不織
布層とが配列・積層されていればよい。

なお本発明では、活性炭素繊維層と不織布層との間に
本発明の目的を損わない範囲で他の層、たとえば金属、
プラスチックなどの網状体層および紙、多孔質セラミッ
ク、多孔状プラスチックなどの層が設けられていてもよ
い。

発明の効果 本発明に係るフィルタ用積層体は、フェノール樹脂発
泡体を炭化、賦活してなる活性化炭素多孔体層と、不織
布層とを用いているため、活性化炭素多孔体層の発泡体
セル構造および微細構造を有する活性炭で悪臭成分など
のサブミクロンオーダーの粒子を、不織布層でミクロン
オーダの粒子を各々効率よく且つ長期間にわたって除去
できる他、各層の構造上だけでなく積層構造上からも圧
力損失が少ないため、室内の空気を急速に浄化でき、か
つ組み立てが簡単であり、積層時および使用時に粉状物
を発生させて環境を悪化させることがない。

以下本発明を実施例により説明するが、本発明はこれ
らの実施例に限定されるものではない。

実施例１ ［活性炭素多孔体の製造］ レゾール100重量部、硬化剤としてのパラトルエンス
ルホン酸10重量部、および発泡剤としてのフロンガス
（フレオン11）５重量部を高速ミキサーで充分に撹拌し
た後、該混合物を木型内に流し込み蓋をした後、80℃の
エアーオーブン内に30分放置することにより、密度0.15
g/cm³のフェノール樹脂発泡体を得た。この発泡体から
厚さ5cmの板を切り出し、この板を内径50mmの石英製カ
ラムに入れ、該カラム内の雰囲気をN₂に置換した後、外
部のヒーターにより昇温速度60℃／分で800℃の温度ま
で昇温し、次いでN₂ガスと水蒸気との混合モル比が0.8:
0.2である混合ガスを10／分の速度で流し、30分間賦
活処理した後冷却することにより、炭素含有率90重量
％、密度0.14g/cm³、比表面積1200m²/gの活性化炭素多
孔体を得た。

［不織布の製造］ ポリプロピレン92重量％、ポリエチレンテレフタレー
ト５重量％と無水マレイン酸グラフトポリプロピレン
（マレイン化率３重量％）３重量％を同時に押出機にて
280℃で混練し、厚さ30μｍのインフレフィルムを成形
した。

このフィルムを、エレクトレット化装置に供給し、印
加電圧12KV（直流）、電極間隔27mm、コロナ放電板の滞
留時間0.8秒でエレクトレット化を行なった。

得られたエレクトレット化フィルムを、加熱ロール温
度110〜120℃、長手方向の延伸倍率約６〜８倍でロール
延伸し、厚味10〜20μｍの延伸フィルムとした。

次に、延伸エレクトレットフィルムを、針山状ロール
で網目状に解繊し、ドラムに巻取った。

この解繊フィルムを、反毛根で網目状の結節点を引き
裂き、カッターにて繊維長20〜50mmに切断した。

得られた小繊維（ステーブル繊維）をウェッブ・フォ
ーミング・マシンに供給してウェッブに成形し、ニード
ルパンチングして、フィルタ目付重量300g/m²、厚み5mm
のフィルタ材を得た。

［積層フィルタの製造］ 上記活性炭素多孔体から縦10cm、横10cm、厚さ5mmの
板を切り出し、該板にボール盤で5mmφの穴を144個開け
た。一方、上記不織布から10cm×10cmのシートを切り出
した。この不織布層と、上記活性炭素多孔体板とを重ね
合わせ、それを20g/m²のポリプロピレン不織布製の袋に
入れた後、４周を溶断ヒートシールしてフィルタを作製
した。このフィルタを用い、以下に示すように性能評価
を行なった。

［性能評価］ 集塵効率 チャンバー（内部寸法1m×1m×3m）と、このチャンバ
ーに連結される排気管内に配設されるフィルタホルダ
を、このフィルダホルダの上・下流側おのおのに配設さ
れる１対の粉塵計および１対の圧力計と、チャンバー内
の空気を排気管を介して外部に排出する送風機とを備え
る装置を用いて集塵効率を測定した。

測定は以下の手順で行なった。

フィルタホルダ内にフィルタを装着した後、チャンバ
ー内の煙草の煙を導入する。次に送風機を駆動し、チャ
ンバー内の煙を含んだ空気を50cm/秒の速度で排気管を
介して排出し、上・下流側の粉塵計により粉塵濃度を測
定する。

なお粉塵計としては、柴田化学機械工業（株）製デジ
タル粉塵計Ｐ−５型を用い、光散乱方式に基づき相対質
量濃度を求める。

集塵効率は下記式により算出する。

なお式中Cinはフィルタ上流側の粉塵濃度（mg/m²）で
あり、フィルタ下流側の粉塵濃度（mg/m²）である。

圧力損失 上記集塵効率で使用した装置でフィルタの上流側およ
び下流側の圧力計により気圧を測定し、その気圧差を圧
力損失（mmH₂O）とする。

脱臭率 チャンバー内に空気がリサイクルするように導管を循
環式に設ける。チャンバー内にアセトアルデヒドを濃度
が100ppmになるよう導入した後、送風機の回転を開始
し、チャンバー内の空気を導管を介して循環させる。そ
の後30分経過後のチャンバー内のアセトアルデヒドの濃
度をガス検知管により求める。

脱臭率は下記式より算出する。

脱臭率＝〔（初期濃度−30分経過後の濃度） ／初期濃度〕×100（％） 以上の測定結果を表１に示す。

実施例２ 炭素多孔体として密度が0.19g/cm³のものを用いる以
外は実施例１と同様にフィルタを製造し、このフィルタ
の性能評価を行なった。評価結果を表１に示す。

比較例１ 実施例１で用いた炭素多孔体の代わりに、市販のポリ
ウレタン系添着活性炭（嵩密度0.1g/cm³、厚さ5mm）を
用いる以外は実施例１と同様にフィルタを製造し、この
フィルタの性能評価を行なった。評価結果を表１に示
す。

比較例２ 実施例１で用いた炭素多孔体の代わりに、市販の活性
炭素繊維（原料：ポリアクリロニトリル、嵩密度0.04g/
cm³、厚さ3mm）を用いる以外は実施例１と同様にフィル
タを製造し、このフィルタの性能評価を行なった。評価
結果を表１に示す。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】フェノール樹脂発泡体が炭化、賦活されて
   なり、密度0.05〜0.5g/cm³、炭素含有率85〜95重量％お
   よび比表面積500m²/g以上であり、発泡体セル構造と、
   細孔を無数に有する微細構造とを有する活性化炭素多孔
   体からなる活性化炭素多孔体層と、 ポリオレフィン繊維またはポリエステル繊維を主成分と
   してなる不織布層とが積層されていることを特徴とする
   フィルタ用積層体。
2. 【請求項２】前記不織布層は、エレクトレット化されて
   いることを特徴とする請求項１記載のフィルタ用積層
   体。