JP3988110B2 - 低圧力損失不織布状活性炭素繊維及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【従来の技術】
現在、連続式のガス吸着処理装置では、吸脱着速度が速く、小型化できることから不織布状活性炭素繊維（以下シート状ＡＣＦ）を円筒エレメントに積層加工して吸着塔充填する方法が主に用いられている。このシート状ＡＣＦは、ピッチ系、フェノール系、セルロース系、アクリル系等の前駆体繊維を炭化、賦活処理をすることにより得られる。
【０００２】
特に、繊維強度に優れたフェノール系では繊維直径が長径１６μｍで、不織布（以下シート）状にした時の嵩密度が５９ｋｇ／ｍ3の物が用いられていた。しかし、一般に繊維径を小さくすると表面積が大きくなり、吸着性能は向上するが、逆に充填密度が上がり、圧損が大きくなるという問題がある。また、繊維径を大きくして、充填密度を上げると、不織布全体の容積が大きくなり嵩張り操作性が低下する。また、嵩さ密度を大きくするために圧縮して充填塔に詰める場合は、加工性が悪く、必要以上に外圧をかけることになり活性炭素繊維（以下ＡＣＦ）の脱落・飛散等が増加し、二次公害の問題となる。
【０００３】
このため近年、特許開平５−５９６２９公報では、繊維直径が２０μｍ以上でＢＥＴ比表面積が５００ｍ2／ｇ以上であるピッチ系の活性炭繊維で、ピッチを溶融紡糸して嵩密度が１０〜２５ｋｇ／ｍ3の繊維シートとし、該繊維シートを不融化後賦活処理することで一定通気抵抗下での充填度に優れたＡＣＦが得られることが記載されている。さらに、実公平７−２０２８には、ピッチ系活性炭素繊維をガス吸着エレメントとして充填密度５０ｋｇ／ｍ3で円柱状に成型したものが用いられている。しかし、従来のフェノール系シート状ＡＣＦの代替として用いる場合には、嵩密度が１０〜２５ｋｇ／ｍ3（従来の１／２〜１／６）と低いためにガス処理装置では嵩高となり円筒エレメントに積層加工して用いる場合にエレメントが２〜６倍大きなものとなり装置コストがアップし使用できない。また、経方向の吸着材に密度むらが発生し装置性能を得られない。さらに、ピッチ系繊維は、強度は強いが柔軟性に欠け脆いため通常フェルト等のシートで使用される場合は、補強材が必要である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
嵩密度が大きく、通気抵抗が小さく、また吸着性能（重量吸着能・容積吸着能）が高く、しかも加工の際に嵩密度の調整が不要なシート状ＡＣＦを提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記の如き課題解決の為、フェノール系のＡＣＦの前駆体繊維としてフェノール系の繊度（繊維径）が大きい繊維を用いて、さらにニードルパンチ方式により、不織布状活性炭素繊維前駆体（以下シート状ＡＣＦ前駆体）を製造するものである。また、ニードルパンチ加工においては、針密度３７０本／ｃｍ2以上、針深度を１０ｍｍ以上、３０ｍｍ以下としてシート状ＡＣＦの嵩密度を調整することにより、得たいＡＣＦの嵩密度を調整することを可能とした。このようにシート加工時の嵩密度を調整することで、従来のように賦活後に積層して用いる場合に圧密化の必要がない。また、円筒エレメントとして用いる場合必要以上の張力をかけてＡＣＦを巻き取る必要や金網を強く締め付ける必要がなくなる。したがって、ＡＣＦの脱落・飛散が少なくなる。また、金網を強く締め付ける際に生じる吸着材の経方向の密度むらがなくなる。
【０００６】
この結果、シート状ＡＣＦを円筒エレメントとして積層して充填塔に搭載する時、嵩密度調整が不要となり、嵩密度調整時に圧密化による必要以上の外圧をかける必要もなくなる。従って、ＡＣＦの脱落・飛散が少なくなり吸着材の形状保持性が向上し寿命延長の効果を得ることができる。このため、寿命延長効果とともに、シート状ＡＣＦを円筒エレメントに加工する工程が簡略化され設備運転費が安価となりガス処理装置が低価格にもなる。
【０００７】
【本発明の実施の形態】
活性炭素繊維の前駆体繊維としてはセルロース系繊維、ピッチ系繊維、フェノール系繊維、アクリル系繊維が用いられるが、特に強度の点でフェノール系繊維を用いた。
【０００８】
フェノール系繊維の繊度を大きくし、繊度は５ｄｔｅｘ以上、好ましくは２０ｄｔｅｘ以下、さらに好ましくは１５ｄｔｅｘ以下である。５ｄｔｅｘ未満であれば、得られたＡＣＦの圧力損失が高くなり、また２０ｄｔｅｘ以上であればシート加工時の充填密度が大きくなる。さらに、繊維分の発生による作業環境悪化の問題がある。また、繊維長は３５ｍｍ以上、１２７ｍｍ以下、好ましくは５１ｍｍ以上、１０２ｍｍ以下である。５１ｍｍ未満であれば、得られたＡＣＦの絡みが悪く引張強度が低くなる、また１０２ｍｍ以上であれば絡ませ易いが加工性が悪くなる。密度と強度を向上させるために繊度の低いものと混合して用いても良いが多すぎると圧力損失が大となるため適量が望ましい。
【０００９】
フェノール系繊維を加工する方法としては、繊維径の変化に応じて針密度、針深度の調整でシート密度が容易に調整できる点からニードルパンチ法が好ましいが、特に限定されるものではない。繊維径を大きくした場合、針密度を３７０本／ｃｍ2、針深度を１０ｍｍ以上、３０ｍｍ以下,好ましくは１２ｍｍ以上、２０ｍｍ以下である。１０ｍｍ未満であれば嵩高となり、また２０ｍｍ以上であれば針折れやシートに縞が多くなり問題となる。
【００１０】
前記、シート状ＡＣＦ前駆体をニードルパンチやウオーターパンチ等によりシート状に加工して用いる実施態様では、繊維間の絡みを十分に行い且つ、加工時の繊維切れや針折れを防止したパンチ条件を選定する。ニードルパンチ条件としては、総針密度を増すと繊維間の絡みが増加し、それにともなってシート密度が増加するが、総針密度を増加しすぎると繊維切れが発生し密度が下がり、引張強度が低下することが一般に知られている。また、本発明により数種類の異なったニードルパンチ針を用いてもシート密度が同じであればシートでの繊維特性（引っ張り強度、圧力損失定数）がほぼ同等であることを見い出した。言い換えれば、シート密度は、繊維の絡みを代表する指標となりシート密度がわかれば繊維特性の把握が可能である。
【００１１】
前記、シート状ＡＣＦ前駆体の耐炎化処理を通常の条件で行った。
【００１２】
耐炎化処理後、炭化炉を用い温度２００度以上、５００℃以下で炭化後、賦活炉を用いて温度５００℃以上の水蒸気等の賦活ガス雰囲気中で賦活処理を行う。
【００１３】
この結果、嵩密度６８ｋｇ／ｃｍ3以上、単板圧力損失定数０．６以下、引張破断強度０．３ｋｇ／ｃｍ2以上、伸度１５％以下、短繊維直径２０μｍ以上であるシート状ＡＣＦを得る。
【００１４】
以上より得られたシート状ＡＣＦは、充填塔に搭載時に再度圧力をかけて密度調整をする必要もない。また、下記式（１）を満たしていることからも,シート状ＡＣＦ前駆体よりシート状ＡＣＦを予測することも可能となった。
【００１５】
（数１）シート状ＡＣＦ前駆体嵩密度（γｆ）＝シート状ＡＣＦの嵩密度（γａ）×嵩密度減量率（Ｙ）
【００１６】
実施例を以下に示す。
短繊維直径は高精細デジタルマイクロスコープ ＶＨ−６３００（ＫＥＹＥＮＣＥ製）を用いＪＩＳＫ１４７７ ５．１繊維径試験方法に準じて測定した。だだし、異形繊維については、明記がないため長径と短径を測定した。断面嵩密度は、目付と０．３ｇ／ｃｍ2の荷重下での厚みの測定値より計算して求める。また、単板圧力損失定数には特開昭５７−１６７７１５記載の通気圧力損失（ｍｍＨ2Ｏ）＝圧損定数×シート厚さ（ｃｍ）×ろ過風速（ｃｍ／ｓｅｃ）の関係式を用いて求めた。引張破断強度と伸度は、幅方向及び、長さ方向から、それぞれ５本の試験片（幅２５ｍｍ、長さ１００ｍｍ）を切り取り、インストロン型引っ張り試験機（例えば株式会社東洋ボールドウイン社製「ＳＴＭ−Ｔ−２００ＢＰ」）でつかみ間隔５０ｍｍ、引っ張り速度２０ｍｍ／分（伸長率４０％／分）で測定した。円筒エレメント積層加工時の積層体圧密率（α）は、α（％）＝１−シート状ＡＣＦ密度／円筒エレメント積層加工時の密度×１００の式より求めた。円筒エレメント積層加工時の積層体密度調整の有無は、加工時引張り破断強度以上の引張り荷重が必要である積層体圧密率１０％を基準とし１０％以上を有りとした。また、圧力損失定数は、シート密度の約１．５〜１．８乗に比例するため圧密率を１０％以上にすると圧力損失定数が指数関数的に上昇するため好ましくない。
【００１７】
【実施例１】
ＡＣＦの前駆体としてフェノール系のノボロイド繊維（日本カイノール製）繊の繊度５ｄｔｅｘ、繊維長７０ｍｍ、繊維クリンプなしを針密度４２０本／ｍ2、針深度１２ｍｍの条件でニ−ドルパンチ法を用いてシート目付６００ｇ／ｍ2、シート嵩密度１１０ｋｇ／ｍ3の不織布状活性炭素前駆体繊維（以下シート状ＡＣＦ前駆体）を形成した。そのシート状ＡＣＦ前駆体を４００℃で６０ｍｉｎ炭化後、９００℃の水蒸気ガス中で６０ｍｉｎ賦活し、シート状ＡＣＦを得た。そのシート状ＡＣＦを１２０℃で２ｈｒ乾燥後、デシケーター中で放冷し性能を評価しシート状ＡＣＦ目付４００ｇ／ｍ2、シート状ＡＣＦ嵩密度６８ｋｇ／ｍ3、単板圧力損失定数０．５１、引っ張り破断強度０．５ｋｇ／ｃｍ2、伸度１４％、トルエン吸着性能をＪＩＳ Ｋ １４７７繊維状活性炭試験方法 ５．７シート状ＡＣＦトルエン吸着性能に準じて測定し重量吸着能０．４３ｇ／ｇ、シート状ＡＣＦ容積吸着能０．０３３ｇ／ｍ3の結果を得た。また、得られたシート状ＡＣＦを内径２００ｍｍ、外径４５０ｍｍ、長さ１１００ｍｍの円筒エレメント構造体に引張り破断強度の１／３のテンションで積層加工（巻き付け）し、積層体嵩密度７５ｋｇ ／ｍ3、積層体圧密率９．３％の円筒エレメントを得た。
【００１８】
【実施例２】
ＡＣＦの前駆体としてフェノール系のノボロイド繊維（日本カイノール製）の繊度５ｄｔｅｘ、繊維長７０ｍｍ、繊維クリンプなしを針密度４５０本／ｍ2、針深度１４ｍｍの条件でニ−ドルパンチ法を用いてシート目付６００ｇ／ｍ2、シート嵩密度１１０ｋｇ／ｍ3、のシート状ＡＣＦ前駆体を形成した。そのシート状ＡＣＦ前駆体を３００℃で６０ｍｉｎ炭化後、９００℃の水蒸気ガス中で６０ｍｉｎ賦活後、シート状ＡＣＦを得た。そのシート状ＡＣＦを１２０℃で２ｈｒ乾燥後、デシケーター中で放冷し性能を評価し目付４００ｇ／ｍ2、嵩密度６８ｋｇ／ｍ3、単板圧力損失定数０．６０、引っ張り破断強度０．７ｋｇ／ｃｍ２、伸度１５％、トルエン吸着性能０．４３ｇ／ｇ（０．０３９ｇ／ｍ3）の結果を得た。また、得られたシート状ＡＣＦを内径２００ｍｍ、外径４５０ｍｍ、長さ１１００ｍｍの円筒エレメント構造体に引張り破断強度の１／３のテンションで積層加工（巻き付け）し、積層体嵩密度８９ｋｇ／ｍ3、積層体圧密率８％の円筒エレメントを得た。
【００１９】
【実施例３】
ＡＣＦの前駆体としてフェノール系のノボロイド繊維（日本カイノール製）の繊度１０ｄｔｅｘ、繊維長７０ｍｍ、繊維クリンプなしを針密度６００本／ｍ2、針深度１７ｍｍの条件でニ−ドルパンチ法を用いてシート目付６００ｇ／ｍ2、シート嵩密度１１０ｋｇ／ｍ3、のシート状ＡＣＦ前駆体を形成した。そのシート状ＡＣＦ前駆体を３００℃で６０ｍｉｎ炭化後、９００℃の水蒸気ガス中で６０ｍｉｎ賦活後、シート状ＡＣＦを得た。そのシート状ＡＣＦを１２０℃で２ｈｒ乾燥後、デシケーター中で放冷し性能を評価しシート状ＡＣＦ目付４００ｇ／ｍ2、シート状ＡＣＦ嵩密度６８ｋｇ／ｍ3、単板圧力損失定数０．３８、引っ張り破断強度０．３ｋｇ／ｃｍ2、伸度１２％、シート状ＡＣＦトルエン吸着性能０．４３ｇ／ｇ（０．０３３ｇ／ｍ3）の結果を得た。また、得られたシート状ＡＣＦを内径２００ｍｍ、外径４５０ｍｍ、長さ１１００ｍｍの円筒エレメント構造体に引張り破断強度の１／３のテンションで積層加工（巻き付け）し、積層体嵩密度７５ｋｇ／ｍ3、積層体圧密率９．３％の円筒エレメントを得た。
【００２０】
【比較例１】
ＡＣＦの前駆体としてフェノール系のノボロイド繊維（日本カイノール製）の繊度２ｄｔｅｘ、繊維長７０ｍｍ、繊維クリンプなしを針密度３５０本／ｍ2倍、針深度１０ｍｍの条件でニ−ドルパンチ法を用いてシート目付６００ｇ／ｍ2、シート嵩密度１１０ｋｇ／ｍ3のシート状ＡＣＦ前駆体を形成した。そのシート状ＡＣＦ前駆体を４００℃で６０ｍｉｎ炭化後、９００℃の水蒸気ガス中で６０ｍｉｎ賦活後、シート状ＡＣＦを得た。そのシート状ＡＣＦを１２０℃で２ｈｒ乾燥後、デシケーター中で放冷し性能を評価しシート状ＡＣＦ目付４００ｇ／ｍ2、シート状ＡＣＦ嵩密度６８ｋｇ／ｍ3、単板圧力損失定数０．９０、引っ張り破断強度０．７ｋｇ／ｃｍ2、伸度１５％、シート状ＡＣＦトルエン吸着性能０．４３ｇ／ｇ（０．０３３ｇ／ｍ3）の結果を得た。また、得られたシート状ＡＣＦを内径２００ｍｍ、外径４５０ｍｍ、長さ１１００ｍｍの円筒エレメント構造体に引張り破断強度の１／３のテンションで積層加工（巻き付け）し、積層体嵩密度７５ｋｇ／ｍ3、積層体圧密率９．３％の円筒エレメントを得た。
【００２１】
【比較例２】
ＡＣＦの前駆体としてフェノール系のノボロイド繊維（日本カイノール製）の繊度５ｄｔｅｘ、繊維長７０ｍｍ、繊維クリンプなしを針密度３５０本／ｍ2倍、針深度１０ｍｍの条件でニ−ドルパンチ法を用いてシート目付６００ｇ／ｍ2、シート嵩密度１１０ｋｇ／ｍ3のシート状ＡＣＦ前駆体を形成した。そのシート状ＡＣＦ前駆体を３００℃で６０ｍｉｎ炭化後、９００℃の水蒸気ガス中で６０ｍｉｎ賦活後、シート状ＡＣＦを得た。そのシート状ＡＣＦを１２０℃で２ｈｒ乾燥後、デシケーター中で放冷し性能を評価しシート状ＡＣＦ目付２００ｇ／ｍ2、シート状ＡＣＦ嵩密度４５ｋｇ／ｍ3、単板圧力損失定数０．４９、引っ張り破断強度０．４ｋｇ／ｃｍ2、伸度１３％、シート状ＡＣＦトルエン吸着性能０．４３ｇ／ｇ（０．０２９ｇ／ｍ3）の結果を得た。また、得られたシート状ＡＣＦを内径２００ｍｍ、外径４５０ｍｍ、長さ１１００ｍｍの円筒エレメント構造体に引張り破断強度の１／３のテンションで積層加工（巻き付け）したがシート状ＡＣＦが外径をはみ出してしまった。積層加工時の巻き付けテンションを引っ張り破断強度の１／２、３／４と段階的に上げ、積層体嵩密度７０ｋｇ／ｍ3、積層体圧密率１６％を得たが、テンションを引っ張り破断強度以上に上げたためシートの切断が発生した。金網と針金による締め付けにより、嵩密度７５ｋｇ／ｍ3を得たが、シート状ＡＣＦが変形し粉塵が多量に発生した。
【００２２】
【表１】
【００２３】
【発明の効果】
表１の比較例１の繊度２ｄｔｅｘと同じニードルパンチ条件で繊度５ｄｔｅｘのシートフェルト状ＡＣＦ前駆体に加工した場合の比較例２のように繊維径が太いために絡みにくく、嵩高なシートとなり、炭化・賦活後に得たシート状ＡＣＦの圧力損失は低下するものの容積吸着能が低下する問題があった。しかし、実施例１のようにニードルパンチでの針密度を１．２倍、針深度を１．２倍とし繊維切れや針折れが起こらない条件で実施し、シート状ＡＣＦ前駆体での密度を次式シート嵩密度（γｆ）＝シート状ＡＣＦの嵩密度（γａ）×嵩密度減量率（Ｙ）となるように調整することで、繊度を大きくしても嵩密度が同じでトルエン吸着性能も同じシート状ＡＣＦを得ることができた。また、実施例２のように嵩密度をさらに上げ、トルエン容積吸着能の高いＡＣＦ集合体を得ることも可能となった。また、実施例３のように繊度１０ｄｔｅｘと繊維径をさらに太くすることで実施例１よりも圧力損失係数の低く、吸着性能の高いシート状ＡＣＦを得ることが可能となった。
【００２４】
従って、これまでのようにシート状ＡＣＦを円筒エレメントのような積層体等に成型しガス処理装置に用いる際に嵩密度調整が不要となり、繊維繊度が大きくて繊維強度が弱くても成型時の外圧をかける必要がなくなり、ＡＣＦの脱落・飛散が少なくなった。また、吸着材をガス処理装置へ適用した場合、設備費の低減できるとともに運転費の低減ができガス処理装置の省力化に貢献でき、産業界への寄与は大である。
【従来の技術】
現在、連続式のガス吸着処理装置では、吸脱着速度が速く、小型化できることから不織布状活性炭素繊維（以下シート状ＡＣＦ）を円筒エレメントに積層加工して吸着塔充填する方法が主に用いられている。このシート状ＡＣＦは、ピッチ系、フェノール系、セルロース系、アクリル系等の前駆体繊維を炭化、賦活処理をすることにより得られる。
【０００２】
特に、繊維強度に優れたフェノール系では繊維直径が長径１６μｍで、不織布（以下シート）状にした時の嵩密度が５９ｋｇ／ｍ3の物が用いられていた。しかし、一般に繊維径を小さくすると表面積が大きくなり、吸着性能は向上するが、逆に充填密度が上がり、圧損が大きくなるという問題がある。また、繊維径を大きくして、充填密度を上げると、不織布全体の容積が大きくなり嵩張り操作性が低下する。また、嵩さ密度を大きくするために圧縮して充填塔に詰める場合は、加工性が悪く、必要以上に外圧をかけることになり活性炭素繊維（以下ＡＣＦ）の脱落・飛散等が増加し、二次公害の問題となる。
【０００３】
このため近年、特許開平５−５９６２９公報では、繊維直径が２０μｍ以上でＢＥＴ比表面積が５００ｍ2／ｇ以上であるピッチ系の活性炭繊維で、ピッチを溶融紡糸して嵩密度が１０〜２５ｋｇ／ｍ3の繊維シートとし、該繊維シートを不融化後賦活処理することで一定通気抵抗下での充填度に優れたＡＣＦが得られることが記載されている。さらに、実公平７−２０２８には、ピッチ系活性炭素繊維をガス吸着エレメントとして充填密度５０ｋｇ／ｍ3で円柱状に成型したものが用いられている。しかし、従来のフェノール系シート状ＡＣＦの代替として用いる場合には、嵩密度が１０〜２５ｋｇ／ｍ3（従来の１／２〜１／６）と低いためにガス処理装置では嵩高となり円筒エレメントに積層加工して用いる場合にエレメントが２〜６倍大きなものとなり装置コストがアップし使用できない。また、経方向の吸着材に密度むらが発生し装置性能を得られない。さらに、ピッチ系繊維は、強度は強いが柔軟性に欠け脆いため通常フェルト等のシートで使用される場合は、補強材が必要である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
嵩密度が大きく、通気抵抗が小さく、また吸着性能（重量吸着能・容積吸着能）が高く、しかも加工の際に嵩密度の調整が不要なシート状ＡＣＦを提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記の如き課題解決の為、フェノール系のＡＣＦの前駆体繊維としてフェノール系の繊度（繊維径）が大きい繊維を用いて、さらにニードルパンチ方式により、不織布状活性炭素繊維前駆体（以下シート状ＡＣＦ前駆体）を製造するものである。また、ニードルパンチ加工においては、針密度３７０本／ｃｍ2以上、針深度を１０ｍｍ以上、３０ｍｍ以下としてシート状ＡＣＦの嵩密度を調整することにより、得たいＡＣＦの嵩密度を調整することを可能とした。このようにシート加工時の嵩密度を調整することで、従来のように賦活後に積層して用いる場合に圧密化の必要がない。また、円筒エレメントとして用いる場合必要以上の張力をかけてＡＣＦを巻き取る必要や金網を強く締め付ける必要がなくなる。したがって、ＡＣＦの脱落・飛散が少なくなる。また、金網を強く締め付ける際に生じる吸着材の経方向の密度むらがなくなる。
【０００６】
この結果、シート状ＡＣＦを円筒エレメントとして積層して充填塔に搭載する時、嵩密度調整が不要となり、嵩密度調整時に圧密化による必要以上の外圧をかける必要もなくなる。従って、ＡＣＦの脱落・飛散が少なくなり吸着材の形状保持性が向上し寿命延長の効果を得ることができる。このため、寿命延長効果とともに、シート状ＡＣＦを円筒エレメントに加工する工程が簡略化され設備運転費が安価となりガス処理装置が低価格にもなる。
【０００７】
【本発明の実施の形態】
活性炭素繊維の前駆体繊維としてはセルロース系繊維、ピッチ系繊維、フェノール系繊維、アクリル系繊維が用いられるが、特に強度の点でフェノール系繊維を用いた。
【０００８】
フェノール系繊維の繊度を大きくし、繊度は５ｄｔｅｘ以上、好ましくは２０ｄｔｅｘ以下、さらに好ましくは１５ｄｔｅｘ以下である。５ｄｔｅｘ未満であれば、得られたＡＣＦの圧力損失が高くなり、また２０ｄｔｅｘ以上であればシート加工時の充填密度が大きくなる。さらに、繊維分の発生による作業環境悪化の問題がある。また、繊維長は３５ｍｍ以上、１２７ｍｍ以下、好ましくは５１ｍｍ以上、１０２ｍｍ以下である。５１ｍｍ未満であれば、得られたＡＣＦの絡みが悪く引張強度が低くなる、また１０２ｍｍ以上であれば絡ませ易いが加工性が悪くなる。密度と強度を向上させるために繊度の低いものと混合して用いても良いが多すぎると圧力損失が大となるため適量が望ましい。
【０００９】
フェノール系繊維を加工する方法としては、繊維径の変化に応じて針密度、針深度の調整でシート密度が容易に調整できる点からニードルパンチ法が好ましいが、特に限定されるものではない。繊維径を大きくした場合、針密度を３７０本／ｃｍ2、針深度を１０ｍｍ以上、３０ｍｍ以下,好ましくは１２ｍｍ以上、２０ｍｍ以下である。１０ｍｍ未満であれば嵩高となり、また２０ｍｍ以上であれば針折れやシートに縞が多くなり問題となる。
【００１０】
前記、シート状ＡＣＦ前駆体をニードルパンチやウオーターパンチ等によりシート状に加工して用いる実施態様では、繊維間の絡みを十分に行い且つ、加工時の繊維切れや針折れを防止したパンチ条件を選定する。ニードルパンチ条件としては、総針密度を増すと繊維間の絡みが増加し、それにともなってシート密度が増加するが、総針密度を増加しすぎると繊維切れが発生し密度が下がり、引張強度が低下することが一般に知られている。また、本発明により数種類の異なったニードルパンチ針を用いてもシート密度が同じであればシートでの繊維特性（引っ張り強度、圧力損失定数）がほぼ同等であることを見い出した。言い換えれば、シート密度は、繊維の絡みを代表する指標となりシート密度がわかれば繊維特性の把握が可能である。
【００１１】
前記、シート状ＡＣＦ前駆体の耐炎化処理を通常の条件で行った。
【００１２】
耐炎化処理後、炭化炉を用い温度２００度以上、５００℃以下で炭化後、賦活炉を用いて温度５００℃以上の水蒸気等の賦活ガス雰囲気中で賦活処理を行う。
【００１３】
この結果、嵩密度６８ｋｇ／ｃｍ3以上、単板圧力損失定数０．６以下、引張破断強度０．３ｋｇ／ｃｍ2以上、伸度１５％以下、短繊維直径２０μｍ以上であるシート状ＡＣＦを得る。
【００１４】
以上より得られたシート状ＡＣＦは、充填塔に搭載時に再度圧力をかけて密度調整をする必要もない。また、下記式（１）を満たしていることからも,シート状ＡＣＦ前駆体よりシート状ＡＣＦを予測することも可能となった。
【００１５】
（数１）シート状ＡＣＦ前駆体嵩密度（γｆ）＝シート状ＡＣＦの嵩密度（γａ）×嵩密度減量率（Ｙ）
【００１６】
実施例を以下に示す。
短繊維直径は高精細デジタルマイクロスコープ ＶＨ−６３００（ＫＥＹＥＮＣＥ製）を用いＪＩＳＫ１４７７ ５．１繊維径試験方法に準じて測定した。だだし、異形繊維については、明記がないため長径と短径を測定した。断面嵩密度は、目付と０．３ｇ／ｃｍ2の荷重下での厚みの測定値より計算して求める。また、単板圧力損失定数には特開昭５７−１６７７１５記載の通気圧力損失（ｍｍＨ2Ｏ）＝圧損定数×シート厚さ（ｃｍ）×ろ過風速（ｃｍ／ｓｅｃ）の関係式を用いて求めた。引張破断強度と伸度は、幅方向及び、長さ方向から、それぞれ５本の試験片（幅２５ｍｍ、長さ１００ｍｍ）を切り取り、インストロン型引っ張り試験機（例えば株式会社東洋ボールドウイン社製「ＳＴＭ−Ｔ−２００ＢＰ」）でつかみ間隔５０ｍｍ、引っ張り速度２０ｍｍ／分（伸長率４０％／分）で測定した。円筒エレメント積層加工時の積層体圧密率（α）は、α（％）＝１−シート状ＡＣＦ密度／円筒エレメント積層加工時の密度×１００の式より求めた。円筒エレメント積層加工時の積層体密度調整の有無は、加工時引張り破断強度以上の引張り荷重が必要である積層体圧密率１０％を基準とし１０％以上を有りとした。また、圧力損失定数は、シート密度の約１．５〜１．８乗に比例するため圧密率を１０％以上にすると圧力損失定数が指数関数的に上昇するため好ましくない。
【００１７】
【実施例１】
ＡＣＦの前駆体としてフェノール系のノボロイド繊維（日本カイノール製）繊の繊度５ｄｔｅｘ、繊維長７０ｍｍ、繊維クリンプなしを針密度４２０本／ｍ2、針深度１２ｍｍの条件でニ−ドルパンチ法を用いてシート目付６００ｇ／ｍ2、シート嵩密度１１０ｋｇ／ｍ3の不織布状活性炭素前駆体繊維（以下シート状ＡＣＦ前駆体）を形成した。そのシート状ＡＣＦ前駆体を４００℃で６０ｍｉｎ炭化後、９００℃の水蒸気ガス中で６０ｍｉｎ賦活し、シート状ＡＣＦを得た。そのシート状ＡＣＦを１２０℃で２ｈｒ乾燥後、デシケーター中で放冷し性能を評価しシート状ＡＣＦ目付４００ｇ／ｍ2、シート状ＡＣＦ嵩密度６８ｋｇ／ｍ3、単板圧力損失定数０．５１、引っ張り破断強度０．５ｋｇ／ｃｍ2、伸度１４％、トルエン吸着性能をＪＩＳ Ｋ １４７７繊維状活性炭試験方法 ５．７シート状ＡＣＦトルエン吸着性能に準じて測定し重量吸着能０．４３ｇ／ｇ、シート状ＡＣＦ容積吸着能０．０３３ｇ／ｍ3の結果を得た。また、得られたシート状ＡＣＦを内径２００ｍｍ、外径４５０ｍｍ、長さ１１００ｍｍの円筒エレメント構造体に引張り破断強度の１／３のテンションで積層加工（巻き付け）し、積層体嵩密度７５ｋｇ ／ｍ3、積層体圧密率９．３％の円筒エレメントを得た。
【００１８】
【実施例２】
ＡＣＦの前駆体としてフェノール系のノボロイド繊維（日本カイノール製）の繊度５ｄｔｅｘ、繊維長７０ｍｍ、繊維クリンプなしを針密度４５０本／ｍ2、針深度１４ｍｍの条件でニ−ドルパンチ法を用いてシート目付６００ｇ／ｍ2、シート嵩密度１１０ｋｇ／ｍ3、のシート状ＡＣＦ前駆体を形成した。そのシート状ＡＣＦ前駆体を３００℃で６０ｍｉｎ炭化後、９００℃の水蒸気ガス中で６０ｍｉｎ賦活後、シート状ＡＣＦを得た。そのシート状ＡＣＦを１２０℃で２ｈｒ乾燥後、デシケーター中で放冷し性能を評価し目付４００ｇ／ｍ2、嵩密度６８ｋｇ／ｍ3、単板圧力損失定数０．６０、引っ張り破断強度０．７ｋｇ／ｃｍ２、伸度１５％、トルエン吸着性能０．４３ｇ／ｇ（０．０３９ｇ／ｍ3）の結果を得た。また、得られたシート状ＡＣＦを内径２００ｍｍ、外径４５０ｍｍ、長さ１１００ｍｍの円筒エレメント構造体に引張り破断強度の１／３のテンションで積層加工（巻き付け）し、積層体嵩密度８９ｋｇ／ｍ3、積層体圧密率８％の円筒エレメントを得た。
【００１９】
【実施例３】
ＡＣＦの前駆体としてフェノール系のノボロイド繊維（日本カイノール製）の繊度１０ｄｔｅｘ、繊維長７０ｍｍ、繊維クリンプなしを針密度６００本／ｍ2、針深度１７ｍｍの条件でニ−ドルパンチ法を用いてシート目付６００ｇ／ｍ2、シート嵩密度１１０ｋｇ／ｍ3、のシート状ＡＣＦ前駆体を形成した。そのシート状ＡＣＦ前駆体を３００℃で６０ｍｉｎ炭化後、９００℃の水蒸気ガス中で６０ｍｉｎ賦活後、シート状ＡＣＦを得た。そのシート状ＡＣＦを１２０℃で２ｈｒ乾燥後、デシケーター中で放冷し性能を評価しシート状ＡＣＦ目付４００ｇ／ｍ2、シート状ＡＣＦ嵩密度６８ｋｇ／ｍ3、単板圧力損失定数０．３８、引っ張り破断強度０．３ｋｇ／ｃｍ2、伸度１２％、シート状ＡＣＦトルエン吸着性能０．４３ｇ／ｇ（０．０３３ｇ／ｍ3）の結果を得た。また、得られたシート状ＡＣＦを内径２００ｍｍ、外径４５０ｍｍ、長さ１１００ｍｍの円筒エレメント構造体に引張り破断強度の１／３のテンションで積層加工（巻き付け）し、積層体嵩密度７５ｋｇ／ｍ3、積層体圧密率９．３％の円筒エレメントを得た。
【００２０】
【比較例１】
ＡＣＦの前駆体としてフェノール系のノボロイド繊維（日本カイノール製）の繊度２ｄｔｅｘ、繊維長７０ｍｍ、繊維クリンプなしを針密度３５０本／ｍ2倍、針深度１０ｍｍの条件でニ−ドルパンチ法を用いてシート目付６００ｇ／ｍ2、シート嵩密度１１０ｋｇ／ｍ3のシート状ＡＣＦ前駆体を形成した。そのシート状ＡＣＦ前駆体を４００℃で６０ｍｉｎ炭化後、９００℃の水蒸気ガス中で６０ｍｉｎ賦活後、シート状ＡＣＦを得た。そのシート状ＡＣＦを１２０℃で２ｈｒ乾燥後、デシケーター中で放冷し性能を評価しシート状ＡＣＦ目付４００ｇ／ｍ2、シート状ＡＣＦ嵩密度６８ｋｇ／ｍ3、単板圧力損失定数０．９０、引っ張り破断強度０．７ｋｇ／ｃｍ2、伸度１５％、シート状ＡＣＦトルエン吸着性能０．４３ｇ／ｇ（０．０３３ｇ／ｍ3）の結果を得た。また、得られたシート状ＡＣＦを内径２００ｍｍ、外径４５０ｍｍ、長さ１１００ｍｍの円筒エレメント構造体に引張り破断強度の１／３のテンションで積層加工（巻き付け）し、積層体嵩密度７５ｋｇ／ｍ3、積層体圧密率９．３％の円筒エレメントを得た。
【００２１】
【比較例２】
ＡＣＦの前駆体としてフェノール系のノボロイド繊維（日本カイノール製）の繊度５ｄｔｅｘ、繊維長７０ｍｍ、繊維クリンプなしを針密度３５０本／ｍ2倍、針深度１０ｍｍの条件でニ−ドルパンチ法を用いてシート目付６００ｇ／ｍ2、シート嵩密度１１０ｋｇ／ｍ3のシート状ＡＣＦ前駆体を形成した。そのシート状ＡＣＦ前駆体を３００℃で６０ｍｉｎ炭化後、９００℃の水蒸気ガス中で６０ｍｉｎ賦活後、シート状ＡＣＦを得た。そのシート状ＡＣＦを１２０℃で２ｈｒ乾燥後、デシケーター中で放冷し性能を評価しシート状ＡＣＦ目付２００ｇ／ｍ2、シート状ＡＣＦ嵩密度４５ｋｇ／ｍ3、単板圧力損失定数０．４９、引っ張り破断強度０．４ｋｇ／ｃｍ2、伸度１３％、シート状ＡＣＦトルエン吸着性能０．４３ｇ／ｇ（０．０２９ｇ／ｍ3）の結果を得た。また、得られたシート状ＡＣＦを内径２００ｍｍ、外径４５０ｍｍ、長さ１１００ｍｍの円筒エレメント構造体に引張り破断強度の１／３のテンションで積層加工（巻き付け）したがシート状ＡＣＦが外径をはみ出してしまった。積層加工時の巻き付けテンションを引っ張り破断強度の１／２、３／４と段階的に上げ、積層体嵩密度７０ｋｇ／ｍ3、積層体圧密率１６％を得たが、テンションを引っ張り破断強度以上に上げたためシートの切断が発生した。金網と針金による締め付けにより、嵩密度７５ｋｇ／ｍ3を得たが、シート状ＡＣＦが変形し粉塵が多量に発生した。
【００２２】
【表１】
【発明の効果】
表１の比較例１の繊度２ｄｔｅｘと同じニードルパンチ条件で繊度５ｄｔｅｘのシートフェルト状ＡＣＦ前駆体に加工した場合の比較例２のように繊維径が太いために絡みにくく、嵩高なシートとなり、炭化・賦活後に得たシート状ＡＣＦの圧力損失は低下するものの容積吸着能が低下する問題があった。しかし、実施例１のようにニードルパンチでの針密度を１．２倍、針深度を１．２倍とし繊維切れや針折れが起こらない条件で実施し、シート状ＡＣＦ前駆体での密度を次式シート嵩密度（γｆ）＝シート状ＡＣＦの嵩密度（γａ）×嵩密度減量率（Ｙ）となるように調整することで、繊度を大きくしても嵩密度が同じでトルエン吸着性能も同じシート状ＡＣＦを得ることができた。また、実施例２のように嵩密度をさらに上げ、トルエン容積吸着能の高いＡＣＦ集合体を得ることも可能となった。また、実施例３のように繊度１０ｄｔｅｘと繊維径をさらに太くすることで実施例１よりも圧力損失係数の低く、吸着性能の高いシート状ＡＣＦを得ることが可能となった。
【００２４】
従って、これまでのようにシート状ＡＣＦを円筒エレメントのような積層体等に成型しガス処理装置に用いる際に嵩密度調整が不要となり、繊維繊度が大きくて繊維強度が弱くても成型時の外圧をかける必要がなくなり、ＡＣＦの脱落・飛散が少なくなった。また、吸着材をガス処理装置へ適用した場合、設備費の低減できるとともに運転費の低減ができガス処理装置の省力化に貢献でき、産業界への寄与は大である。
Claims (5)
- 繊度５ｄｔｅｘ以上、２０ｄｔｅｘ以下、繊維長５１ｍｍ以上、１０２ｍｍ以下のフェノール系繊維をニードルパンチ法又はウォーターパンチ法により不織布加工し、嵩密度１１０ｋｇ／ｍ3以上の不織布状ＡＣＦ前駆体とした後、炭化・賦活処理して得られる短繊維直径が２０μｍ以上、嵩密度６８ｋｇ／ｍ3以上の不織布状活性炭素繊維を巻きつけてなることを特徴とする円筒エレメント。
- 請求項１に記載の不織布状活性炭素繊維が、単板圧力損失定数０．６以下、引っ張り破断強度０．３ｋｇ／ｃｍ2以上、伸度１５％以下、トルエン吸着能２０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の円筒エレメント。
- 吸着塔に充填時、密度調整を不要としたことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の円筒エレメントの製造方法。
- 円筒エレメントに積層加工して用いる時のエレメント巻き付け張力が引張破断強度の１／３以下、充填後の圧密率が２０％以下であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の円筒エレメントの製造方法。
- 繊度５ｄｔｅｘ以上、２０ｄｔｅｘ以下、繊維長５１ｍｍ以上、１０２ｍｍ以下のフェノール系繊維を、針密度３７０本／ｃｍ2以上、針深度が１０ｍｍ以上、３０ｍｍ以下でニードルパンチ法により不織布加工し、嵩密度１１０ｋｇ／ｍ 3 以上の不織布状ＡＣＦ前駆体とした後、炭化・賦活処理することを特徴とする短繊維直径が２０μｍ以上、嵩密度６８ｋｇ／ｍ3以上である不織布状活性炭素繊維の製造方法。
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