JP3657406B2 - 濾材 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願発明は、濾材に関するものであり、とくにヘパ（ＨＥＰＡ）フィルターなどの高性能フィルターにも用いることができ、しかも有機物質から構成されているので焼却による廃棄が容易な濾材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ヘパフィルターなどの高性能フィルターには直径０．１〜１μｍのガラス繊維製フィルターが使用されていたが、繊維が折れやすく、脱落しやすいため加工時や使用時に問題があった。
また、ガラス繊維製フィルターは焼却できないため、廃棄物処理の点でも問題があった。更に、ガラス繊維製フィルターはホウ素を含むことが多いが、例えば半導体工業では、このホウ素が悪い影響を与えるため、特別な対策をとる必要があった。
【０００３】
一方、ガラス繊維を使用しない高性能フィルターとして、ポリテトラフルオロエチレンの微孔膜を利用したフィルターが知られているが、このフィルターは高価であるため広く使用されていない。
【０００４】
また、廃棄処理などを考慮して有機材料だけを利用した高性能フィルターとしてメルトブロー法などにより得られる平均繊維径数μｍのポリプロピレン繊維からなるフィルターが検討されたが、捕集能力が不足し、圧力損失も高くなりすぎ、さらに自己保持性がないという問題があった。
このような問題を解決する濾材として、特開平２−１０４７６５号公報には、メルトブロー法により得られた平均繊維径数μｍの有機繊維と、開繊された短繊維または長繊維とを混合し、直流電場内で捕集したエレクトレット不織布のフィルターが提案されている。
このフィルターは、エレクトレット化された繊維による静電気的な吸引力により微細な粒子を吸着できるため、微粒子を捕集することができ、しかも、解繊された短繊維または長繊維が混合されることによって圧力損失を低下させることができるという効果がある。
しかし、このエレクトレット不織布のフィルターは、長期間使用を続けると吸着したイオン性の粒子により電荷が中和されたり、使用環境によっては熱、湿気、溶剤などによって繊維の電荷が消失して、時間が経過するにしたがって捕集能力が低下するという問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この出願発明者はこれらの従来技術の問題点を解決するためにいろいろ検討した結果、いわゆるヘパグレード以上の高い捕集能力を得ることができ、長期間捕集能力が低下せず、しかも、材料として有機物を使用することにより、廃棄処理の容易な高性能フィルターを開発することによって、これらの問題を解決することに成功した。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この出願発明は、メルトブロー法によつて製造された平均繊維経１μｍ未満の極細有機繊維４０〜９０重量％と、平均繊維径５〜１００μｍの短繊維からなる熱融着性繊維６０〜１０重量％とを混合した繊維ウェブが、熱融着性繊維により結合されている濾材であって、該濾材のエレクトレット化されていない状態において、風速５．３ｃｍ／秒の条件下で直径０．３μｍの粒子の捕集効率が９９％以上であるエアフィルター用濾材に関する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
この出願発明の濾材は、平均繊維径１μｍ未満の極細有機繊維が５０〜９０重量％、平均繊維径５〜１００μｍの熱融着性繊維が５０〜１０重量％含まれていることが好ましい。
【０００８】
また、この出願発明の濾材は、厚みが０．１〜１．５ｍｍであることが好ましい。
【０００９】
また、この出願発明の濾材は、極細有機繊維と熱融着性繊維とを混合した繊維ウェブが、熱融着性繊維に含まれる低融点成分の融点以下の温度で、加圧処理されていることが好ましい。
【００１０】
また、この出願発明の濾材は、熱融着性繊維に含まれる低融点成分の融点以上で、しかも、極細有機繊維の融点より低い温度で、実質的に加圧せずに加熱処理されていることが好ましい。
【００１１】
また、この出願発明の濾材は、メルトブロー法による極細有機繊維が、ショットがないか、あるいはショットが少ない繊維であることが好ましい。
【００１２】
また、この出願発明の濾材は、風速５．３ｃｍ／秒の条件下で、直径０．３μｍの粒子の捕集効率が９９．９７％以上であることが好ましい。
【００１３】
メルトブロー法により得られる極細有機繊維の原料樹脂は、ポリプロピレン系、ポリエチレン系などのポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリウレタン系樹脂などが使用されるが、細い繊維が得やすいポリプロピレン系樹脂がとくに好ましい。
また、極細有機繊維の平均繊維径は１μｍ未満であり、０．０５〜１μｍであることが好ましく、０．１〜０．６μｍであることがとくに好ましい。極細有機繊維の平均繊維径が１μｍより太くなると、高い捕集効率の濾材を得るのが難しくなることがある。
【００１４】
この出願発明に使用する極細有機繊維はメルトブロー法により製造されるが、従来のメルトブロー法では平均繊維径が１μｍ未満の微細なものを作ろうとすると、紡糸時に繊維切れが生じてショット（樹脂の塊）が多数発生するという問題があった。
この出願発明では、通常よりノズルから吐出する樹脂量を大幅に少なくし、通常ではショットの数が増大するために行われていない範囲にまでノズル近傍から吹き出す加熱気流の流量を増やすことにより、驚くべきことにショットをほとんど発生させることなく平均繊維径が１μｍ未満の極細有機繊維を製造することができる。
例えば、メルトインデックスが５００〜１０００のポリプロピレン樹脂を使用して、一つのノズル孔から吐出する樹脂量を０．２ｃｍ3／分以下、好ましくは０．００１〜０．１５ｃｍ3／分とし、１ｍ幅当りの加熱気流の流量を０．５Ｎｍ3／分以上、好ましくは１〜１０Ｎｍ3／分とし、単位幅当りの加熱気流の量と樹脂量との重量比（Ａ／Ｐ）を１０〜１０００、好ましくは３０〜８００とすると、平均繊維径１μｍ未満の繊維を実質的にショットの発生なく製造できる。
【００１５】
メルトブロー法により得られるショットがないか、あるいはショットが少ない極細有機繊維を使用することにより、濾材の折り加工時などにショット周辺で生じるクラックにより、大きな空隙が濾材内に生じて、捕集効率が低下することを防止できる。
なお、この出願発明でいうショットとは、直径約１０μｍ以上の樹脂の塊を言う。
また、ショットが発生しなくなる加熱気流の流量やノズルから吐出する樹脂量は、メルトブロー法により繊維を製造する装置の構造、樹脂の種類、及び樹脂の紡糸温度や加熱気流の温度などの製造条件などにより変動する。
【００１６】
熱融着性繊維は、極細有機繊維を熱融着できるものであればよく、低融点成分の全溶融型繊維、高融点成分と低融点成分の熱融着性複合繊維などが使用できる。
熱融着性複合繊維は接着後も高融点成分の骨格が残り、濾材の空隙を保持できるのでより好ましい。
【００１７】
熱融着性複合繊維は、高融点成分が芯、低融点成分が鞘となる芯鞘型複合繊維、偏芯芯鞘型複合繊維、高融点成分と低融点成分が貼り合せ構造となるサイドバイサイド型複合繊維、低融点成分の海に高融点成分の島が分布した海島型複合繊維などがとくに好ましい。
【００１８】
熱融着性繊維の低融点成分は、極細有機繊維の融点よりも低いものであり、２０℃以上低いものが好ましい。
２０℃以上低くすることにより、熱融着性繊維の低融点成分により接着する際に、極細有機繊維が溶融したり、フィルム化が生じないため、極細有機繊維による微細な空隙を有する構造にすることができる。
【００１９】
熱融着性繊維の平均繊維径は５〜１００μｍであり、１０〜５０μｍであることがとくに好ましい。
熱融着性繊維の平均繊維径が５μｍよりも細いと、圧力損失を低く保つことが難しくなると共に濾材の強度が不足気味となることがあり、一方、１００μｍよりも太いと、極細有機繊維との均質な混合が難しくなり、局所的に圧力損失の高い部分が生じたり、十分な捕集能力が得られないことがある。
【００２０】
熱融着性繊維は、極細有機繊維との混合のし易さなどを考慮すると短繊維が好ましい。
また、ステープルファイバーなどの繊維製造工程で延伸処理されたものを使用すると、濾材の空隙を保持するのに十分な強度が得られるのでより好ましい。
【００２１】
極細有機繊維と熱融着性繊維の配合割合（重量比）は、９０：１０〜５０：５０であることが好ましく、とくに９０：１０〜６０：４０であることが好ましい。
極細有機繊維の量が５０より少ない場合には、捕集効率が低くなることがあり、一方、熱融着性繊維の量が１０より少ない場合には、圧力損失が上昇したり、得られる濾材の表面耐性や強度が不足することがある。
【００２２】
極細有機繊維と熱融着性繊維とを混合して繊維ウェブを形成する方法としては、例えば、メルトブロー法により形成された加熱気体流中の紡糸された繊維流に、開繊された熱融着性繊維を供給して両者を混合し、捕集体上に捕集して繊維ウェブを形成することにより製造することが好ましい。
【００２３】
また、極細有機繊維と熱融着性繊維とを混合した繊維ウェブは、熱融着性繊維に含まれる低融点成分の融点以下の温度で加圧処理することが好ましい。
具体的には、例えば、低融点成分がポリエチレン樹脂の場合には表面温度８０〜１２０℃のプレス機やロールなどで加圧して厚みを圧縮することが好ましい。
このようにすると、極細有機繊維と熱融着性繊維のいずれをもフィルム化させることなく、繊維ウェブを緻密にできるため、得られる濾材の圧力損失を増大させずに捕集効率を向上できる。
【００２４】
加圧処理することにより製造されたウェブは、熱融着性繊維に含まれる低融点成分の融点以上で極細有機繊維を構成する樹脂の融点より低い温度で、実質的に加圧せずに加熱処理することが好ましい。
実質的に加圧せずに加熱処理するとは、加熱カレンダーロールや熱プレス機などのように加圧状態で加熱処理するものではないことを意味しており、例えば、雰囲気温度を上記の温度に調節したドライヤー内を通す方法や、上記の温度の気体を繊維ウェブ内に通過させる方法などによる無圧状態での加熱処理をいう。
具体的には、例えば、低融点成分がポリエチレン樹脂、極細有機繊維がポリプロピレン樹脂からなる場合には、熱風ドライヤーなどを用いて１４０〜１５０℃の熱風で処理することが好ましい。
このようにすると、加熱ロールなどにより接着する場合のように、接着が繊維ウェブの表層付近に偏って生じたり、ロールの接触圧などにより低融点成分がフィルム化することがなく、繊維ウェブの全体にわたって熱融着性繊維の低融点成分が他の繊維との接触点で接着するため、均質で強固な結合が得られる。
【００２５】
このような条件で加圧処理及び熱風処理により製造された濾材は、内部まで均質に繊維接着されているため、薄く、表面の磨耗耐性が優れており、強度があって折り加工などができ、緻密であって微粒子の捕集性能に優れている。
しかも、繊維の接着の際に繊維がフィルム化して空隙を塞ぐことがないため、圧力損失もあまり大きくならないという効果がある。
【００２６】
この出願発明の濾材は、メルトブロー法によって製造された平均繊維径１μｍ未満の極細有機繊維と、平均繊維径５〜１００μｍの熱融着性繊維とを混合した繊維ウェブが、熱融着性繊維により結合されているため、風速５．３ｃｍ／秒の条件下で、直径０．３μｍの粒子の捕集効率が９９．９７％以上となるように調整することができる。
また、この出願発明により、有機材料のみからなり、しかも、エレクトレット化などの処理をせずにヘパフィルターのグレードの捕集効率、圧力損失を始めて実現することができる。
【００２７】
なお、より高い捕集能力を要求される場合には、濾材又は濾材を構成する繊維にエレクトレット化処理を施しても良い。
【００２８】
また、この出願発明の濾材の厚みは０．１〜１．５ｍｍ、とくには０．３〜１．０ｍｍの範囲にあることが好ましい。
この範囲にすることにより、折り加工などにより大きな表面積のユニットを構成できるのでとくに好ましい。
【００２９】
この出願発明の濾材の製造方法の一例を以下に説明する。
図１の濾材の製造工程図に示すように、この出願発明の濾材１は、メルトブロー装置用のダイ５を用いて極細有機繊維２を形成すると共に、開繊機６により開繊した熱融着性繊維３をこの極細有機繊維と混合し、この混合した繊維をコンベヤーベルトなどの捕集体７上に捕集して繊維ウェブ４とした後、ドライヤーなどの加熱処理装置８を通して熱融着性繊維により構成繊維を結合することにより製造することができる。
【００３０】
極細有機繊維２はメルトブロー装置用のダイ５を使用してメルトブロー法により形成される。図２に示すように、ダイ５には溶融樹脂を吐出するノズル５１とこのノズル近傍から加熱気流を吹き出す熱気流吹出し口５２とが設けられており、ノズルから押出した溶融樹脂を加熱気流により細化して極細有機繊維を形成する。
通常、ノズル５１は複数個、所定間隔で直線上に並んでおり、この両側に連続したスリットの形状で熱気流吹出し口５２を設ける。
また、この出願発明では溶融樹脂の吐出量を大幅に制限すると共に、加熱気流の流量を高めることにより、平均繊維径１μｍ未満でショットがほとんどない極細有機繊維を供給することができる。
【００３１】
熱融着性繊維３は開繊機６を使用して開繊した繊維を、上記の極細有機繊維の繊維流に供給して混合する。
開繊機６としては、カード機、ガーネット機などが使用できるが、図３に示すように、複数の開繊シリンダー６１をハウジング６２に収納した開繊機が好ましい。
この開繊機は、シリンダーの遠心力により繊維をハウジング内壁に衝突させることにより開繊している。このため、カード機などのように繊維にクリンプがなくても開繊できる。
また、この開繊機では繊維の長さや太さなどの制約もカード機に比べて受けにくい。
【００３２】
開繊された熱融着性繊維を極細有機繊維の繊維流に供給する場合には、極細有機繊維の繊維流に対して、できるだけ垂直な方向から供給した方が繊維を均質に混合しやすくなるので好ましい。
メルトブロー法による極細有機繊維の繊維流が水平方向に形成される場合には、上部より熱融着性繊維を落下させて供給しても良いが、図１のように、極細有機繊維の繊維流が垂直方向に形成される場合には、図３の開繊機６のように、エアーノズル６３などを設けて熱融着性繊維を水平方向（繊維流に垂直方向）に供給することが好ましい。
【００３３】
なお、必要な場合には、熱融着性繊維の供給角度を調節して、厚み方向の熱融着性繊維の分布を変えて、厚み方向に粗密構造ができるようにしても良い。
【００３４】
混合された極細有機繊維２と熱融着性繊維３とをコンベヤーベルトなどの捕集体７に捕集して繊維ウェブ４を形成する。
捕集体としては、ロール、ネットなども使用できる。気体流の衝突で繊維ウェブが乱れたり、飛散したりしないように、捕集体は通気性であることが好ましく、更には捕集体の捕集面の反対側へ気体を吸引していることが好ましい。
【００３５】
ついで、繊維ウェブ４を加熱処理装置８により加熱処理して、熱融着性繊維３により構成繊維を結合することにより濾材１を製造する。
この加熱処理装置８としては、ドライヤー、熱風ドライヤー、吸引付きのドライヤーなどを使用することが好ましく、実質的に加圧しない状態（無圧下）で加熱処理することが好ましい。
また、加熱条件は極細有機繊維が溶融しない融点未満の温度で、熱融着性繊維が接着する低融点成分の融点以上の温度とすることが好ましい。
このような条件下で熱融着性繊維を加熱接着させると、繊維ウェブの厚み方向に均質に接着することができ、しかも、極細有機繊維が形成する微細な空隙構造が加熱処理により潰れないので良い。
【００３６】
なお、濾材１をより緻密な構造にする場合、及びより薄い厚みにする場合には、加熱処理の前に、加圧処理装置９により加圧処理することが好ましい。
この加圧処理装置９としては、加圧ロール、プレス機などが使用できるが、図１に示すような加熱装置９１を内側に配置した一対の無限軌道９２の間で加圧処理する装置がとくに好ましい。
この装置９では、加圧ロールなどに比べて加圧している時間が長いため、強いせん断力が繊維ウェブに加わりにくく、得られる濾材の圧力損失を上昇させにくいので良い。
加圧処理は熱融着性繊維３がフィルム化して濾材の微細な空隙を塞がないように、熱融着性繊維３の低融点成分が溶融しない融点未満の温度で行われることが好ましい。
【００３７】
【実施例】
以下、この出願発明を実施例により具体的に説明する。
【００３８】
実施例１
図１に示す製造工程により濾材を製造した。また、メルトブロー装置用のダイとして、図２に示すダイを使用した。
ダイには、直径０．２ｍｍのノズルが０．８ｍｍ間隔で直線状に９００個設けられており、その両側にスリット状の加熱気流の吹出し口が形成されている。
ノズル近傍の温度を３３０℃に調整し、溶融したポリプロピレン樹脂（メルトインデックス＝約６００）を一つのノズル当り０．０３３ｃｍ3／分の樹脂量で吐出する。また、加熱気流の流量は１ｍ幅当り２Ｎｍ3／分とする。
これにより、ダイからメルトブローされた平均繊維径０．５μｍの極細有機繊維のショットが実質的に含まれない繊維流を形成する。
一方、図３に示す開繊機により、芯がポリプロピレン樹脂、鞘がポリエチレン樹脂である平均繊維径１６μｍ、長さ５１ｍｍの熱融着性繊維を開繊し、エアーノズルにより、極細有機繊維の繊維流に略直角方向から供給し、混合した。
混合された繊維をコンベヤーベルト上に捕集して繊維ウェブを形成した。なお、ベルトはメッシュ体であって、ベルトの捕集面から裏面へと厚さ方向に吸引し、繊維ウェブの繊維の乱れを防いだ。得られた繊維ウェブには、極細有機繊維が８５ｇ／ｍ2、熱融着性繊維が３０ｇ／ｍ2含まれており、全体の重さは１１５ｇ／ｍ2であった。
この繊維ウェブをポリエチレン樹脂の融点より低い１２０℃の温度で２０秒間加圧処理した後、ポリエチレン樹脂の融点より高く、ポリプロピレン樹脂の融点より低い１４５℃の雰囲気温度のドライヤーで、気流を繊維ウェブの厚み方向に通過させて加熱処理して、熱融着性繊維で結合し、厚み０．９ｍｍの濾材を得た。
この濾材の初期圧力損失は、３５０Ｐａ、捕集効率は９９．９９％で、ヘパグレードの能力を示した。なお、測定は風速５．３ｃｍ／秒の条件で行い、試験粒子としては粒径０．３μｍのポリスチレン粒子を使用した。
この捕集効率は、通常の大気を３か月間通風した後も同じであり、安定した能力を示した。
また、この濾材は強度にも優れ、プリーツ加工などの折り加工を施しても問題がなく、繊維が折れたり、脱絡したりすることもなかった。更には、有機繊維だけで構成されているため、焼却が可能で廃棄の問題もない。
【００３９】
比較例１
極細有機繊維の平均繊維径を２μｍとし、極細有機繊維と熱融着性繊維との配合量、装置および製造工程を実施例１と同様にして濾材を作成した。
この濾材の初期圧力損失は、２１０Ｐａ、捕集効率は８７．９％であり、捕集能力が明らかに不足していた。
【００４０】
比較例２
比較例１で得られた濾材をコロナ放電法によりエレクトレット化処理した。
得られた濾材の初期圧力損失は、２１０Ｐａ、捕集効率は９９％であったが、この濾材の捕集効率は通常の大気を３か月間通風した後、９５％まで低下し、安定した捕集能力は得られなかった。
【００４１】
実施例２
メルトブローされた平均繊維径０．３μｍの極細有機繊維を５０ｇ／ｍ2と、芯がポリプロピレン樹脂、鞘がポリエチレン樹脂からなる平均繊維径１６μｍ、長さ５１ｍｍの熱融着性繊維を３０ｇ／ｍ2とを使用し、実施例１と同様にして厚さ０．６ｍｍ、面密度８０ｇ／ｍ2の濾材を作成した。
この濾材の初期圧力損失は、３５０Ｐａ、捕集効率は９９．９９％で、ヘパグレードの能力を示した。また、捕集効率は通常の大気を３か月間通風した後も同じであり、安定した能力を示した。
また、この濾材は強度にも優れ、プリーツ加工などの折り加工を施しても問題がなく、繊維が折れたり、脱絡したりすることもなかった。更には、有機繊維だけで構成されているため、焼却が可能で廃棄の問題もない。
【００４２】
実施例３
メルトブローされた平均繊維径０．５μｍの極細有機繊維を４５ｇ／ｍ2と、芯がポリプロピレン樹脂、鞘がポリエチレン樹脂からなる平均繊維径１６μｍ、長さ５１ｍｍの熱融着性繊維を６０ｇ／ｍ2とを使用し、実施例１と同様にして厚さ０．８ｍｍ、面密度１０５ｇ／ｍ2の濾材を作成した。
この濾材の初期圧力損失は、１０７Ｐａ、捕集効率は９９％であった。また、捕集効率は通常の大気を３か月間通風した後も同じであり、安定した能力を示した。
また、この濾材は強度にも優れ、プリーツ加工などの折り加工を施しても問題がなく、繊維が折れたり、脱絡したりすることもなかった。更には、有機繊維だけで構成されているため、焼却が可能で廃棄の問題もない。
【００４３】
【発明の効果】
この出願発明の濾材は、メルトブロー法によって製造された平均繊維径１μｍ未満の極細有機繊維と、平均繊維径５〜１００μｍの熱融着性繊維とを混合した繊維ウェブが、熱融着性繊維により結合されているため、低い圧力損失を維持した状態で高い捕集効率を得ることができる。このため、この出願発明の濾材はエレクトレット化処理などを施さずに、ヘパグレードの捕集能力を持つ濾材を提供することもできる。
また、この濾材はエレクトレット化処理を施した濾材のように捕集能力が使用時間と共に低下することがなく、長期に亘り安定した捕集能力を有する。
さらには、有機材料のみから構成されているため焼却が可能で廃棄も容易であり、ホウ素などを含まないので、半導体工業用の濾材としても問題なく使用できる。
【００４４】
とくに、平均繊維径１μｍ未満の極細有機繊維を５０〜９０重量％、平均繊維径５〜１００μｍの熱融着性繊維を５０〜１０重量％の割合で含む場合には、ヘパグレードの高い捕集効率が実現できる。
【００４５】
また、この出願発明の濾材は、熱融着性繊維に含まれる低融点成分の融点以上で、極細有機繊維の融点より低い温度で実質的に加圧せずに加熱処理されている場合、内部まで均質に繊維接着されるため、薄く、表面の耐磨耗性が優れており、強度があるので折り加工などができ、緻密であるので微粒子の捕集性能に優れている。
しかも、繊維の接着する際に繊維がフィルム化して空隙を塞ぐことがないため、初期圧力損失もあまり大きくならないという優れた効果がある。
【００４６】
さらに、不織布の厚みが０．１〜１．５ｍｍの場合には、折り加工などをすることにより大きな表面積のユニットを構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 濾材の製造工程の一例を示す図
【図２】 メルトブロー装置用ダイの一例の断面模型図
【図３】 開繊機の一例の断面模型図
【符号の説明】
１ 濾材
２ 極細有機繊維
３ 熱融着性繊維
４ 繊維ウェブ
５ メルトブロー装置用ダイ
５１ ノズル
５２ 熱気流吹き出し口
６ 開繊機
６１ 開繊シリンダー
６２ ハウジング
６３ エアーノズル
７ 捕集体
８ 加熱処理装置
９ 加圧処理装置
９１ 加熱装置
９２ 無限軌道
【発明の属する技術分野】
この出願発明は、濾材に関するものであり、とくにヘパ（ＨＥＰＡ）フィルターなどの高性能フィルターにも用いることができ、しかも有機物質から構成されているので焼却による廃棄が容易な濾材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ヘパフィルターなどの高性能フィルターには直径０．１〜１μｍのガラス繊維製フィルターが使用されていたが、繊維が折れやすく、脱落しやすいため加工時や使用時に問題があった。
また、ガラス繊維製フィルターは焼却できないため、廃棄物処理の点でも問題があった。更に、ガラス繊維製フィルターはホウ素を含むことが多いが、例えば半導体工業では、このホウ素が悪い影響を与えるため、特別な対策をとる必要があった。
【０００３】
一方、ガラス繊維を使用しない高性能フィルターとして、ポリテトラフルオロエチレンの微孔膜を利用したフィルターが知られているが、このフィルターは高価であるため広く使用されていない。
【０００４】
また、廃棄処理などを考慮して有機材料だけを利用した高性能フィルターとしてメルトブロー法などにより得られる平均繊維径数μｍのポリプロピレン繊維からなるフィルターが検討されたが、捕集能力が不足し、圧力損失も高くなりすぎ、さらに自己保持性がないという問題があった。
このような問題を解決する濾材として、特開平２−１０４７６５号公報には、メルトブロー法により得られた平均繊維径数μｍの有機繊維と、開繊された短繊維または長繊維とを混合し、直流電場内で捕集したエレクトレット不織布のフィルターが提案されている。
このフィルターは、エレクトレット化された繊維による静電気的な吸引力により微細な粒子を吸着できるため、微粒子を捕集することができ、しかも、解繊された短繊維または長繊維が混合されることによって圧力損失を低下させることができるという効果がある。
しかし、このエレクトレット不織布のフィルターは、長期間使用を続けると吸着したイオン性の粒子により電荷が中和されたり、使用環境によっては熱、湿気、溶剤などによって繊維の電荷が消失して、時間が経過するにしたがって捕集能力が低下するという問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この出願発明者はこれらの従来技術の問題点を解決するためにいろいろ検討した結果、いわゆるヘパグレード以上の高い捕集能力を得ることができ、長期間捕集能力が低下せず、しかも、材料として有機物を使用することにより、廃棄処理の容易な高性能フィルターを開発することによって、これらの問題を解決することに成功した。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この出願発明は、メルトブロー法によつて製造された平均繊維経１μｍ未満の極細有機繊維４０〜９０重量％と、平均繊維径５〜１００μｍの短繊維からなる熱融着性繊維６０〜１０重量％とを混合した繊維ウェブが、熱融着性繊維により結合されている濾材であって、該濾材のエレクトレット化されていない状態において、風速５．３ｃｍ／秒の条件下で直径０．３μｍの粒子の捕集効率が９９％以上であるエアフィルター用濾材に関する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
この出願発明の濾材は、平均繊維径１μｍ未満の極細有機繊維が５０〜９０重量％、平均繊維径５〜１００μｍの熱融着性繊維が５０〜１０重量％含まれていることが好ましい。
【０００８】
また、この出願発明の濾材は、厚みが０．１〜１．５ｍｍであることが好ましい。
【０００９】
また、この出願発明の濾材は、極細有機繊維と熱融着性繊維とを混合した繊維ウェブが、熱融着性繊維に含まれる低融点成分の融点以下の温度で、加圧処理されていることが好ましい。
【００１０】
また、この出願発明の濾材は、熱融着性繊維に含まれる低融点成分の融点以上で、しかも、極細有機繊維の融点より低い温度で、実質的に加圧せずに加熱処理されていることが好ましい。
【００１１】
また、この出願発明の濾材は、メルトブロー法による極細有機繊維が、ショットがないか、あるいはショットが少ない繊維であることが好ましい。
【００１２】
また、この出願発明の濾材は、風速５．３ｃｍ／秒の条件下で、直径０．３μｍの粒子の捕集効率が９９．９７％以上であることが好ましい。
【００１３】
メルトブロー法により得られる極細有機繊維の原料樹脂は、ポリプロピレン系、ポリエチレン系などのポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリウレタン系樹脂などが使用されるが、細い繊維が得やすいポリプロピレン系樹脂がとくに好ましい。
また、極細有機繊維の平均繊維径は１μｍ未満であり、０．０５〜１μｍであることが好ましく、０．１〜０．６μｍであることがとくに好ましい。極細有機繊維の平均繊維径が１μｍより太くなると、高い捕集効率の濾材を得るのが難しくなることがある。
【００１４】
この出願発明に使用する極細有機繊維はメルトブロー法により製造されるが、従来のメルトブロー法では平均繊維径が１μｍ未満の微細なものを作ろうとすると、紡糸時に繊維切れが生じてショット（樹脂の塊）が多数発生するという問題があった。
この出願発明では、通常よりノズルから吐出する樹脂量を大幅に少なくし、通常ではショットの数が増大するために行われていない範囲にまでノズル近傍から吹き出す加熱気流の流量を増やすことにより、驚くべきことにショットをほとんど発生させることなく平均繊維径が１μｍ未満の極細有機繊維を製造することができる。
例えば、メルトインデックスが５００〜１０００のポリプロピレン樹脂を使用して、一つのノズル孔から吐出する樹脂量を０．２ｃｍ3／分以下、好ましくは０．００１〜０．１５ｃｍ3／分とし、１ｍ幅当りの加熱気流の流量を０．５Ｎｍ3／分以上、好ましくは１〜１０Ｎｍ3／分とし、単位幅当りの加熱気流の量と樹脂量との重量比（Ａ／Ｐ）を１０〜１０００、好ましくは３０〜８００とすると、平均繊維径１μｍ未満の繊維を実質的にショットの発生なく製造できる。
【００１５】
メルトブロー法により得られるショットがないか、あるいはショットが少ない極細有機繊維を使用することにより、濾材の折り加工時などにショット周辺で生じるクラックにより、大きな空隙が濾材内に生じて、捕集効率が低下することを防止できる。
なお、この出願発明でいうショットとは、直径約１０μｍ以上の樹脂の塊を言う。
また、ショットが発生しなくなる加熱気流の流量やノズルから吐出する樹脂量は、メルトブロー法により繊維を製造する装置の構造、樹脂の種類、及び樹脂の紡糸温度や加熱気流の温度などの製造条件などにより変動する。
【００１６】
熱融着性繊維は、極細有機繊維を熱融着できるものであればよく、低融点成分の全溶融型繊維、高融点成分と低融点成分の熱融着性複合繊維などが使用できる。
熱融着性複合繊維は接着後も高融点成分の骨格が残り、濾材の空隙を保持できるのでより好ましい。
【００１７】
熱融着性複合繊維は、高融点成分が芯、低融点成分が鞘となる芯鞘型複合繊維、偏芯芯鞘型複合繊維、高融点成分と低融点成分が貼り合せ構造となるサイドバイサイド型複合繊維、低融点成分の海に高融点成分の島が分布した海島型複合繊維などがとくに好ましい。
【００１８】
熱融着性繊維の低融点成分は、極細有機繊維の融点よりも低いものであり、２０℃以上低いものが好ましい。
２０℃以上低くすることにより、熱融着性繊維の低融点成分により接着する際に、極細有機繊維が溶融したり、フィルム化が生じないため、極細有機繊維による微細な空隙を有する構造にすることができる。
【００１９】
熱融着性繊維の平均繊維径は５〜１００μｍであり、１０〜５０μｍであることがとくに好ましい。
熱融着性繊維の平均繊維径が５μｍよりも細いと、圧力損失を低く保つことが難しくなると共に濾材の強度が不足気味となることがあり、一方、１００μｍよりも太いと、極細有機繊維との均質な混合が難しくなり、局所的に圧力損失の高い部分が生じたり、十分な捕集能力が得られないことがある。
【００２０】
熱融着性繊維は、極細有機繊維との混合のし易さなどを考慮すると短繊維が好ましい。
また、ステープルファイバーなどの繊維製造工程で延伸処理されたものを使用すると、濾材の空隙を保持するのに十分な強度が得られるのでより好ましい。
【００２１】
極細有機繊維と熱融着性繊維の配合割合（重量比）は、９０：１０〜５０：５０であることが好ましく、とくに９０：１０〜６０：４０であることが好ましい。
極細有機繊維の量が５０より少ない場合には、捕集効率が低くなることがあり、一方、熱融着性繊維の量が１０より少ない場合には、圧力損失が上昇したり、得られる濾材の表面耐性や強度が不足することがある。
【００２２】
極細有機繊維と熱融着性繊維とを混合して繊維ウェブを形成する方法としては、例えば、メルトブロー法により形成された加熱気体流中の紡糸された繊維流に、開繊された熱融着性繊維を供給して両者を混合し、捕集体上に捕集して繊維ウェブを形成することにより製造することが好ましい。
【００２３】
また、極細有機繊維と熱融着性繊維とを混合した繊維ウェブは、熱融着性繊維に含まれる低融点成分の融点以下の温度で加圧処理することが好ましい。
具体的には、例えば、低融点成分がポリエチレン樹脂の場合には表面温度８０〜１２０℃のプレス機やロールなどで加圧して厚みを圧縮することが好ましい。
このようにすると、極細有機繊維と熱融着性繊維のいずれをもフィルム化させることなく、繊維ウェブを緻密にできるため、得られる濾材の圧力損失を増大させずに捕集効率を向上できる。
【００２４】
加圧処理することにより製造されたウェブは、熱融着性繊維に含まれる低融点成分の融点以上で極細有機繊維を構成する樹脂の融点より低い温度で、実質的に加圧せずに加熱処理することが好ましい。
実質的に加圧せずに加熱処理するとは、加熱カレンダーロールや熱プレス機などのように加圧状態で加熱処理するものではないことを意味しており、例えば、雰囲気温度を上記の温度に調節したドライヤー内を通す方法や、上記の温度の気体を繊維ウェブ内に通過させる方法などによる無圧状態での加熱処理をいう。
具体的には、例えば、低融点成分がポリエチレン樹脂、極細有機繊維がポリプロピレン樹脂からなる場合には、熱風ドライヤーなどを用いて１４０〜１５０℃の熱風で処理することが好ましい。
このようにすると、加熱ロールなどにより接着する場合のように、接着が繊維ウェブの表層付近に偏って生じたり、ロールの接触圧などにより低融点成分がフィルム化することがなく、繊維ウェブの全体にわたって熱融着性繊維の低融点成分が他の繊維との接触点で接着するため、均質で強固な結合が得られる。
【００２５】
このような条件で加圧処理及び熱風処理により製造された濾材は、内部まで均質に繊維接着されているため、薄く、表面の磨耗耐性が優れており、強度があって折り加工などができ、緻密であって微粒子の捕集性能に優れている。
しかも、繊維の接着の際に繊維がフィルム化して空隙を塞ぐことがないため、圧力損失もあまり大きくならないという効果がある。
【００２６】
この出願発明の濾材は、メルトブロー法によって製造された平均繊維径１μｍ未満の極細有機繊維と、平均繊維径５〜１００μｍの熱融着性繊維とを混合した繊維ウェブが、熱融着性繊維により結合されているため、風速５．３ｃｍ／秒の条件下で、直径０．３μｍの粒子の捕集効率が９９．９７％以上となるように調整することができる。
また、この出願発明により、有機材料のみからなり、しかも、エレクトレット化などの処理をせずにヘパフィルターのグレードの捕集効率、圧力損失を始めて実現することができる。
【００２７】
なお、より高い捕集能力を要求される場合には、濾材又は濾材を構成する繊維にエレクトレット化処理を施しても良い。
【００２８】
また、この出願発明の濾材の厚みは０．１〜１．５ｍｍ、とくには０．３〜１．０ｍｍの範囲にあることが好ましい。
この範囲にすることにより、折り加工などにより大きな表面積のユニットを構成できるのでとくに好ましい。
【００２９】
この出願発明の濾材の製造方法の一例を以下に説明する。
図１の濾材の製造工程図に示すように、この出願発明の濾材１は、メルトブロー装置用のダイ５を用いて極細有機繊維２を形成すると共に、開繊機６により開繊した熱融着性繊維３をこの極細有機繊維と混合し、この混合した繊維をコンベヤーベルトなどの捕集体７上に捕集して繊維ウェブ４とした後、ドライヤーなどの加熱処理装置８を通して熱融着性繊維により構成繊維を結合することにより製造することができる。
【００３０】
極細有機繊維２はメルトブロー装置用のダイ５を使用してメルトブロー法により形成される。図２に示すように、ダイ５には溶融樹脂を吐出するノズル５１とこのノズル近傍から加熱気流を吹き出す熱気流吹出し口５２とが設けられており、ノズルから押出した溶融樹脂を加熱気流により細化して極細有機繊維を形成する。
通常、ノズル５１は複数個、所定間隔で直線上に並んでおり、この両側に連続したスリットの形状で熱気流吹出し口５２を設ける。
また、この出願発明では溶融樹脂の吐出量を大幅に制限すると共に、加熱気流の流量を高めることにより、平均繊維径１μｍ未満でショットがほとんどない極細有機繊維を供給することができる。
【００３１】
熱融着性繊維３は開繊機６を使用して開繊した繊維を、上記の極細有機繊維の繊維流に供給して混合する。
開繊機６としては、カード機、ガーネット機などが使用できるが、図３に示すように、複数の開繊シリンダー６１をハウジング６２に収納した開繊機が好ましい。
この開繊機は、シリンダーの遠心力により繊維をハウジング内壁に衝突させることにより開繊している。このため、カード機などのように繊維にクリンプがなくても開繊できる。
また、この開繊機では繊維の長さや太さなどの制約もカード機に比べて受けにくい。
【００３２】
開繊された熱融着性繊維を極細有機繊維の繊維流に供給する場合には、極細有機繊維の繊維流に対して、できるだけ垂直な方向から供給した方が繊維を均質に混合しやすくなるので好ましい。
メルトブロー法による極細有機繊維の繊維流が水平方向に形成される場合には、上部より熱融着性繊維を落下させて供給しても良いが、図１のように、極細有機繊維の繊維流が垂直方向に形成される場合には、図３の開繊機６のように、エアーノズル６３などを設けて熱融着性繊維を水平方向（繊維流に垂直方向）に供給することが好ましい。
【００３３】
なお、必要な場合には、熱融着性繊維の供給角度を調節して、厚み方向の熱融着性繊維の分布を変えて、厚み方向に粗密構造ができるようにしても良い。
【００３４】
混合された極細有機繊維２と熱融着性繊維３とをコンベヤーベルトなどの捕集体７に捕集して繊維ウェブ４を形成する。
捕集体としては、ロール、ネットなども使用できる。気体流の衝突で繊維ウェブが乱れたり、飛散したりしないように、捕集体は通気性であることが好ましく、更には捕集体の捕集面の反対側へ気体を吸引していることが好ましい。
【００３５】
ついで、繊維ウェブ４を加熱処理装置８により加熱処理して、熱融着性繊維３により構成繊維を結合することにより濾材１を製造する。
この加熱処理装置８としては、ドライヤー、熱風ドライヤー、吸引付きのドライヤーなどを使用することが好ましく、実質的に加圧しない状態（無圧下）で加熱処理することが好ましい。
また、加熱条件は極細有機繊維が溶融しない融点未満の温度で、熱融着性繊維が接着する低融点成分の融点以上の温度とすることが好ましい。
このような条件下で熱融着性繊維を加熱接着させると、繊維ウェブの厚み方向に均質に接着することができ、しかも、極細有機繊維が形成する微細な空隙構造が加熱処理により潰れないので良い。
【００３６】
なお、濾材１をより緻密な構造にする場合、及びより薄い厚みにする場合には、加熱処理の前に、加圧処理装置９により加圧処理することが好ましい。
この加圧処理装置９としては、加圧ロール、プレス機などが使用できるが、図１に示すような加熱装置９１を内側に配置した一対の無限軌道９２の間で加圧処理する装置がとくに好ましい。
この装置９では、加圧ロールなどに比べて加圧している時間が長いため、強いせん断力が繊維ウェブに加わりにくく、得られる濾材の圧力損失を上昇させにくいので良い。
加圧処理は熱融着性繊維３がフィルム化して濾材の微細な空隙を塞がないように、熱融着性繊維３の低融点成分が溶融しない融点未満の温度で行われることが好ましい。
【００３７】
【実施例】
以下、この出願発明を実施例により具体的に説明する。
【００３８】
実施例１
図１に示す製造工程により濾材を製造した。また、メルトブロー装置用のダイとして、図２に示すダイを使用した。
ダイには、直径０．２ｍｍのノズルが０．８ｍｍ間隔で直線状に９００個設けられており、その両側にスリット状の加熱気流の吹出し口が形成されている。
ノズル近傍の温度を３３０℃に調整し、溶融したポリプロピレン樹脂（メルトインデックス＝約６００）を一つのノズル当り０．０３３ｃｍ3／分の樹脂量で吐出する。また、加熱気流の流量は１ｍ幅当り２Ｎｍ3／分とする。
これにより、ダイからメルトブローされた平均繊維径０．５μｍの極細有機繊維のショットが実質的に含まれない繊維流を形成する。
一方、図３に示す開繊機により、芯がポリプロピレン樹脂、鞘がポリエチレン樹脂である平均繊維径１６μｍ、長さ５１ｍｍの熱融着性繊維を開繊し、エアーノズルにより、極細有機繊維の繊維流に略直角方向から供給し、混合した。
混合された繊維をコンベヤーベルト上に捕集して繊維ウェブを形成した。なお、ベルトはメッシュ体であって、ベルトの捕集面から裏面へと厚さ方向に吸引し、繊維ウェブの繊維の乱れを防いだ。得られた繊維ウェブには、極細有機繊維が８５ｇ／ｍ2、熱融着性繊維が３０ｇ／ｍ2含まれており、全体の重さは１１５ｇ／ｍ2であった。
この繊維ウェブをポリエチレン樹脂の融点より低い１２０℃の温度で２０秒間加圧処理した後、ポリエチレン樹脂の融点より高く、ポリプロピレン樹脂の融点より低い１４５℃の雰囲気温度のドライヤーで、気流を繊維ウェブの厚み方向に通過させて加熱処理して、熱融着性繊維で結合し、厚み０．９ｍｍの濾材を得た。
この濾材の初期圧力損失は、３５０Ｐａ、捕集効率は９９．９９％で、ヘパグレードの能力を示した。なお、測定は風速５．３ｃｍ／秒の条件で行い、試験粒子としては粒径０．３μｍのポリスチレン粒子を使用した。
この捕集効率は、通常の大気を３か月間通風した後も同じであり、安定した能力を示した。
また、この濾材は強度にも優れ、プリーツ加工などの折り加工を施しても問題がなく、繊維が折れたり、脱絡したりすることもなかった。更には、有機繊維だけで構成されているため、焼却が可能で廃棄の問題もない。
【００３９】
比較例１
極細有機繊維の平均繊維径を２μｍとし、極細有機繊維と熱融着性繊維との配合量、装置および製造工程を実施例１と同様にして濾材を作成した。
この濾材の初期圧力損失は、２１０Ｐａ、捕集効率は８７．９％であり、捕集能力が明らかに不足していた。
【００４０】
比較例２
比較例１で得られた濾材をコロナ放電法によりエレクトレット化処理した。
得られた濾材の初期圧力損失は、２１０Ｐａ、捕集効率は９９％であったが、この濾材の捕集効率は通常の大気を３か月間通風した後、９５％まで低下し、安定した捕集能力は得られなかった。
【００４１】
実施例２
メルトブローされた平均繊維径０．３μｍの極細有機繊維を５０ｇ／ｍ2と、芯がポリプロピレン樹脂、鞘がポリエチレン樹脂からなる平均繊維径１６μｍ、長さ５１ｍｍの熱融着性繊維を３０ｇ／ｍ2とを使用し、実施例１と同様にして厚さ０．６ｍｍ、面密度８０ｇ／ｍ2の濾材を作成した。
この濾材の初期圧力損失は、３５０Ｐａ、捕集効率は９９．９９％で、ヘパグレードの能力を示した。また、捕集効率は通常の大気を３か月間通風した後も同じであり、安定した能力を示した。
また、この濾材は強度にも優れ、プリーツ加工などの折り加工を施しても問題がなく、繊維が折れたり、脱絡したりすることもなかった。更には、有機繊維だけで構成されているため、焼却が可能で廃棄の問題もない。
【００４２】
実施例３
メルトブローされた平均繊維径０．５μｍの極細有機繊維を４５ｇ／ｍ2と、芯がポリプロピレン樹脂、鞘がポリエチレン樹脂からなる平均繊維径１６μｍ、長さ５１ｍｍの熱融着性繊維を６０ｇ／ｍ2とを使用し、実施例１と同様にして厚さ０．８ｍｍ、面密度１０５ｇ／ｍ2の濾材を作成した。
この濾材の初期圧力損失は、１０７Ｐａ、捕集効率は９９％であった。また、捕集効率は通常の大気を３か月間通風した後も同じであり、安定した能力を示した。
また、この濾材は強度にも優れ、プリーツ加工などの折り加工を施しても問題がなく、繊維が折れたり、脱絡したりすることもなかった。更には、有機繊維だけで構成されているため、焼却が可能で廃棄の問題もない。
【００４３】
【発明の効果】
この出願発明の濾材は、メルトブロー法によって製造された平均繊維径１μｍ未満の極細有機繊維と、平均繊維径５〜１００μｍの熱融着性繊維とを混合した繊維ウェブが、熱融着性繊維により結合されているため、低い圧力損失を維持した状態で高い捕集効率を得ることができる。このため、この出願発明の濾材はエレクトレット化処理などを施さずに、ヘパグレードの捕集能力を持つ濾材を提供することもできる。
また、この濾材はエレクトレット化処理を施した濾材のように捕集能力が使用時間と共に低下することがなく、長期に亘り安定した捕集能力を有する。
さらには、有機材料のみから構成されているため焼却が可能で廃棄も容易であり、ホウ素などを含まないので、半導体工業用の濾材としても問題なく使用できる。
【００４４】
とくに、平均繊維径１μｍ未満の極細有機繊維を５０〜９０重量％、平均繊維径５〜１００μｍの熱融着性繊維を５０〜１０重量％の割合で含む場合には、ヘパグレードの高い捕集効率が実現できる。
【００４５】
また、この出願発明の濾材は、熱融着性繊維に含まれる低融点成分の融点以上で、極細有機繊維の融点より低い温度で実質的に加圧せずに加熱処理されている場合、内部まで均質に繊維接着されるため、薄く、表面の耐磨耗性が優れており、強度があるので折り加工などができ、緻密であるので微粒子の捕集性能に優れている。
しかも、繊維の接着する際に繊維がフィルム化して空隙を塞ぐことがないため、初期圧力損失もあまり大きくならないという優れた効果がある。
【００４６】
さらに、不織布の厚みが０．１〜１．５ｍｍの場合には、折り加工などをすることにより大きな表面積のユニットを構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 濾材の製造工程の一例を示す図
【図２】 メルトブロー装置用ダイの一例の断面模型図
【図３】 開繊機の一例の断面模型図
【符号の説明】
１ 濾材
２ 極細有機繊維
３ 熱融着性繊維
４ 繊維ウェブ
５ メルトブロー装置用ダイ
５１ ノズル
５２ 熱気流吹き出し口
６ 開繊機
６１ 開繊シリンダー
６２ ハウジング
６３ エアーノズル
７ 捕集体
８ 加熱処理装置
９ 加圧処理装置
９１ 加熱装置
９２ 無限軌道
Claims (7)
- メルトブロー法によつて製造された平均繊維経１μｍ未満の極細有機繊維４０〜９０重量％と、平均繊維径５〜１００μｍの短繊維からなる熱融着性繊維６０〜１０重量％とを混合した繊維ウェブが、熱融着性繊維により結合されている濾材であって、該濾材のエレクトレット化されていない状態において、風速５．３ｃｍ／秒の条件下で直径０．３μｍの粒子の捕集効率が９９％以上であることを特徴とするエアフィルター用濾材。
- 平均繊維径１μｍ未満の極細有機繊維を５０〜９０重量％、平均繊維径５〜１００μｍの熱融着性繊維を５０〜１０重量％含むことを特徴とする請求項１に記載のエアフィルター用濾材。
- 厚みが０．１〜１．５ｍｍであることを特徴とする請求項１または２に記載のエアフィルター用濾材。
- 極細有機繊維と熱融着性繊維とを混合した繊維ウェブが、熱融着性繊維に含まれる低融点成分の融点以下の温度で、加圧処理されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエアフィルター用濾材。
- 熱融着性繊維に含まれる低融点成分の融点以上で、しかも、極細有機繊維の融点より低い温度で、実質的に加圧せずに加熱処理されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のエアフィルター用濾材。
- メルトブロー法による極細有機繊維が、ショットがないか、あるいはショットが少ない繊維であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のエアフィルター用濾材。
- 濾材が、風速５．３ｃｍ／秒の条件下で、直径０．３μｍの粒子の捕集効率が９９．９７％以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のエアフィルター用濾材。
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