JP4457223B2

JP4457223B2 - 複合材及びその製造方法

Info

Publication number: JP4457223B2
Application number: JP2000078988A
Authority: JP
Inventors: 善之横川; 哲也亀山; 光史岡田; 雅彦奥山
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2000-03-21
Filing date: 2000-03-21
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2020-03-21
Also published as: JP2001261314A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合材及びその製造方法に関する。更に詳しくは、気体或いは液体中の細菌、ウィルス、動植物細胞及び悪臭成分等を吸着し、除去することができる複合材及びその製造方法に関する。本発明の複合材は、空気清浄用フィルタ、マスク用フィルタ等、各種のフィルタなどとして有用である。
【０００２】
【従来の技術】
従前より、活性炭、ゼオライト、粘土等の多孔性物質などが固体物質捕捉用フィルタとして知られており、特に、活性炭及びゼオライトは悪臭成分等の特定の気体を吸着する物質としても多用されている。また、水酸アパタイト等のリン酸カルシウム系化合物が細菌及びウィルス等、並びに悪臭成分などを吸着する性質を利用したリン酸カルシウム系フィルタ（特開昭６１−２３５７５２号公報）も知られている。
【０００３】
更に、繊維、紙等の有機高分子基材の表面にリン酸カルシウム系粒子を結合剤を使用して担持させたもの（特開平３−２０７４１４号公報、特開平５−１１５５７２号公報及び特開平６−１０６０１２号公報）、或いは予め繊維パルプ及びリン酸カルシウム系粒子と結合剤とを混合し、抄紙して複合フィルタとしたものも知られている。また、生体内の骨形成反応を模倣し、結合剤を使用しないで基材の表面に水酸アパタイト皮膜を形成したフィルタ材も開示されている（特開平１０−０９９６２２号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、リン酸カルシウム系粒子を高分子基材に担持したもの、及び抄紙により形成される複合フィルタでは、結合剤によりリン酸カルシウム系粒子の一部が被覆されてしまい本来の吸着性能が損なわれる傾向にある。更に、結合剤を用いずに形成された水酸アパタイト皮膜を有する上記のフィルタ材では、水酸アパタイト結晶が細かいため、水に溶解することがある等の理由により、ウィルス等に対する吸着性能が十分に発揮されないことがある。
【０００５】
そこで、本発明者等は、水酸アパタイトの特定の結晶面を成長させた板状の水酸アパタイト結晶からなる皮膜を有するフィルタ材を開発し、先に出願した。このフィルタ材では、水酸アパタイト結晶が従来のものに比べて大きいため、水に対する溶解性が低下し、吸着性能の向上が見られた。しかし、長期に渡って高湿度雰囲気に晒された場合、或いは水中で使用された場合など、使用環境等によっては必ずしも十分な吸着性能が維持されないことがある。
【０００６】
本発明は、フッ素を含む板状の水酸アパタイト結晶の集合体と、これらの結晶の間に形成される空隙とを有する複合材及びその製造方法を提供することを目的とする。空隙は皮膜の表面に開口しており、この複合材は、細菌、ウィルス、動植物細胞及び悪臭成分等に対する優れた吸着性能を有する。また、高湿度雰囲気、或いは水中における水酸アパタイト結晶の水への溶解が抑えられ、高い吸着性能が長期に渡って維持される。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１発明の複合材は、基材と、該基材の表面に形成される皮膜とを備える複合材であって、該皮膜は、板状のフッ素含有水酸アパタイト結晶の集合体と、該フッ素含有水酸アパタイト結晶の間に形成され、該皮膜の表面に開口する空隙とを有することを特徴とする。
【０００８】
上記「板状のフッ素含有水酸アパタイト結晶」（以下、「ＨＡｐ結晶」と略記する。）は、それぞれランダムな方向を有し、これらのＨＡｐ結晶の間に上記「空隙」が形成される。また、少なくとも一部のＨＡｐ結晶は相互に連接していてもよい。そして、各々の空隙は上記「皮膜」の表面に開口しており、細菌、ウィルス、動植物細胞及び悪臭成分等が効率よく吸着され、除去される。尚、これらの空隙の少なくとも一部は相互に連通していてもよい。更に、皮膜は、ＨＡｐ結晶の間に形成される閉鎖孔を有していてもよい。
【０００９】
上記「板状」とは、針状或いは球状等の形状ではなく、ほぼ平板な形状であり、その最大厚さの、平面方向の最小長さに対する比が０．５以下、特に０．０５〜０．３、更には０．０２〜０．１であることを意味する。そして、このＨＡｐ結晶の表裏面には、突起、或いは凹部等があってもよく、略平坦であればよい。更に、全面が平坦であっても、湾曲していてもよく、一部が平坦であり、他の部分が湾曲していてもよい。
【００１０】
ＨＡｐ結晶の厚さは、第２発明のように、０．０３〜０．５μｍであることが好ましい。この厚さは、特に０．０７〜０．５μｍ、更には０．１〜０．５μｍであることがより好ましい。この結晶の厚さが０．０３μｍ未満であると、その部分での結晶の強度が小さくなり、破損し易くなる。一方、厚さが０．５μｍを越える場合は、結晶間に形成される空隙が減少し、細菌、ウィルス、動植物細胞及び悪臭成分等を吸着する作用が低下する。
【００１１】
また、ＨＡｐ結晶の表裏面における平面方向の長さは、第３発明のように、０．２５〜１０μｍであることが好ましい。この表裏面は種々の平面形状を有し、平面方向の最大長さ、最小長さ及び面積も異なるが、その最小長さは０．２５〜１０μｍ、特に０．３〜８μｍ、更には０．５〜５μｍであることが好ましい。一方、最大長さは０．５〜１０μｍ、特に０．６〜８μｍ、更には１〜５μｍであることが好ましい。
【００１２】
ＨＡｐ結晶の平板な面の間に形成される空隙は、針状及び球状等の結晶により形成される空隙に比べて十分な広さ及び深さを有している。そのため、細菌等の比較的大きなものも効率よく吸着することができる。一方、悪臭成分等の比較的小さな分子を吸着する際には、より多くの吸着点が存在することが好ましい。そのためには、より表面積の大きいＨＡｐ結晶とする必要があり、表裏面の平面方向における最小長さの最大長さに対する比は、０．３以上、特に０．５以上であることが好ましい。
【００１３】
尚、ＨＡｐ結晶の厚さが０．０３〜０．５μｍであり、且つ表裏面の平面方向における最小長さが１〜１０μｍであり、最大長さが２〜１０μｍであることが好ましい。更に、厚さが０．０７〜０．５μｍであり、且つ最小長さが１〜８μｍであり、最大長さが２〜８μｍであることがより好ましく、厚さが０．１〜０．５μｍであり、且つ最小長さが１〜５μｍであり、最大長さが２〜５μｍであることが特に好ましい。
【００１４】
ＨＡｐ結晶に含有されるフッ素は、第４発明のように、０．００１〜０．１５質量％であることが好ましい。このようにフッ素を含有させることにより水への溶解を十分に抑えることができる。例えば、複合材を中性付近の水と所定時間接触させた際のＨＡｐ結晶からのカルシウムの溶出量は、フッ素を含有しないＨＡｐ結晶の場合と比べて３０〜４０％程度少なくすることができる。そのため、この複合材は、高湿度雰囲気、或いは水中において長期に渡って使用することができる。フッ素の含有量が０．００１質量％未満であると、水への溶解を十分に抑えることができない。一方、この含有量が０．１５質量％を越える場合は、結晶形態が変化し、板状であるゆえに得られる優れた吸着性能が低下する。
【００１５】
皮膜の厚さは、第５発明のように０．２５〜３０μｍであることが好ましい。この厚さは０．５〜２５μｍ、特に１〜２０μｍであることがより好ましい。皮膜の厚さが０．２５μｍ未満であると、細菌、ウィルス、動植物細胞及び悪臭成分等を吸着する作用が不十分となり、特に、高湿度雰囲気等における長期間の使用も困難になる。一方、この厚さが３０μｍを越える場合は、皮膜が基材の表面から剥離し易くなる。
【００１６】
上記「基材」は、穴、溝及び貫通孔等を有していることが好ましく、これらの貫通孔が連通していることがより好ましい。このような基材としては、第６発明のように、繊維が挙げられる。また、第７発明のように、織物、不織布、編物、フェルト、樹脂発泡体、多孔質フィルム又は多孔質中空糸膜が挙げられる。織物、不織布、編物、フェルトとしては各種の天然繊維及び合成繊維からなるものを使用することができる。樹脂発泡体としては、ポリオレフィン、ポリスチレン及びポリウレタン等からなるものを使用することができ、多孔質フィルム及び多孔質中空糸膜としては、ポリエチレン及びポリプロピレン等の樹脂からなるものを使用することができる。これらの基材は、複合材の目的、用途等に応じて適宜のものを選んで使用することができる。
【００１７】
穴、溝、特に貫通孔を有する基材を備える複合材であれば、細菌等を含む気体或いは液体の流通、透過が容易となり、優れた吸着性能を有するフィルタ材とすることができる。更に、ＨＡｐ結晶の間に形成される空隙が基材の穴、溝、貫通孔と連通しておれば、気体或いは液体の流通、透過はより容易となり、特に優れた吸着性能を有するフィルタ材とすることができる。
【００１８】
また、これらの基材は親水性であることが好ましい。基材が疎水性である場合は、基材と水との親和性に劣り、水酸アパタイト結晶が成長するサイトが均一に形成されず、結晶の速やかな成長も損なわれる。そのため、疎水性の基材には、親水基を導入することが好ましく、或いは基材の表面を予め粗面化しておくことが好ましい。
【００１９】
第８発明の複合材の製造方法は、カルシウムイオンを含み、リン酸イオンを含まない第１水溶液に基材を浸漬し、該第１水溶液から該基材を取り出して乾燥し、その後、この基材を、リン酸イオンを含み、カルシウムイオンを含まないｐＨ８以上の第２水溶液に浸漬し、該第２水溶液から該基材を取り出し、次いで、この基材を、フッ素イオン濃度が０．００５〜０．０２５ｍＭであり、マグネシウムイオン及び炭酸イオンを含まず、且つ実質的に飽和乃至過飽和濃度の水酸アパタイト成分が溶解している第３水溶液に浸漬し、上記基材の表面にＨＡｐ結晶を生成させることを特徴とする。
【００２０】
第８発明において、上記「第１水溶液」は「リン酸イオン」を、上記「第２水溶液」は「カルシウムイオン」を実質的に含まない。第１及び第２水溶液の少なくとも一方が、リン酸イオンとカルシウムイオンとを含む場合は、リン酸カルシウム化合物が生成し、沈殿する。そのため、これらの水溶液において水酸アパアタイト結晶を生成させるためのリン酸イオン及びカルシウムイオンの濃度が維持されず、結晶が生成しない。
【００２１】
第２水溶液のｐＨは「８以上」であり、８．５以上、特に９以上のアルカリ性領域に調整することが好ましい。このように、基材近傍をリン酸カルシウム化合物が析出し易い塩基性にすることにより、基材の表面に中性付近で析出するリン酸カルシウム化合物をより多く析出させることができる。それによって、ＨＡｐ結晶の集合体、或いはこの結晶と、その前駆体とが混在する集合体を、効率よく生成させることができる。
【００２２】
上記「第３水溶液」では、フッ素イオンの濃度により、ＨＡｐ結晶の水への溶解性を調整することができる。即ち、フッ素イオンの濃度が高くなるとともに、ＨＡｐ結晶の水への溶解性が低下し、高湿度雰囲気、或いは水中において長期に渡って使用し得る複合材とすることができる。
【００２３】
この第３水溶液は、マグネシウムイオン及び炭酸イオンを実質的に含まない。マグネシウムイオンが含有される場合は、水酸アパタイトの結晶性が低下する。また、炭酸イオンが含有される場合は、水酸アパタイトの結晶性が低下したり、生成する結晶の寸法が小さくなる。尚、第８発明では、これら２種類のイオンを溶液に含有させる必要がないため、溶液を容易に調製することができる。
【００２４】
このように、特定の３種類の水溶液を用い、所定の操作により水酸アパタイト結晶を生成させた場合は、特定の結晶面の成長を促進することができるため、結晶の形状は板状となる。更に、これらの結晶を、基材の表面と２０〜９０°の角度のランダムな方向へと成長させることができ、結晶の間に多くの空隙を容易に形成することができる。尚、基材を第２水溶液から取り出した後、乾燥することが好ましい。この乾燥によりＨＡｐ結晶の核が基材に強固に固着される。また、基材を第２水溶液から取り出した後に水洗により基材表面の過剰のリン酸イオンを除去することが好ましい。この水洗により、第３水溶液に浸漬した際の沈殿生成を防止することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、実施例によって本発明を更に詳しく説明する。
実施例１
（１）第１水溶液への不織布の浸漬
純水に塩化カルシウムを５０ｍＭの濃度となるように溶解し、第１水溶液を調製した。この水溶液に重量０．１ｇの１００％セルロースからなる不織布（旭化成株式会社製、商品名「ベンリーゼ」、目付量；１３．５ｇ/ｍ²、厚み；０．０５ｍｍ、以下、単に「不織布」という。）を浸漬した。浸漬時間は６０分とした。その後、この不織布を表面に水溶液が付着したまま６０℃に調温された恒温槽に入れて乾燥させた。
【００２６】
（２）第２水溶液への不織布の浸漬
乾燥後の不織布を、第二リン酸カリウムの濃度が５０ｍＭであり、ｐＨが約８．９になるように調整された第２水溶液に浸漬した。浸漬時間は６０分とした。次いで、不織布をこの水溶液から引き上げ、水で洗浄した後、６０℃に調温された恒温槽に入れて乾燥させた。
【００２７】
（３）第３水溶液への不織布の浸漬
乾燥後の不織布を、更に、表１に示す各イオン組成及び濃度であり、塩酸とトリスヒドロキシアミノメタンによりｐＨが７．４になるように調整された５００ｍｌの第３水溶液に浸漬した。浸漬時間は７日間とし、温度は恒温槽にて３６．５℃に保持し、ＨＡｐ結晶を析出させた。その後、不織布をこの水溶液から引き上げ、水で洗浄した後、６０℃に調温された恒温槽に入れて乾燥させた。
【００２８】
【表１】

【００２９】
このようにして得られた不織布を形成する繊維の表面にはＨＡｐ結晶が析出しており、結晶中のフッ素含有量をイオンクロマトグラフィーにより定量したところ０．００１質量％であった。また、約０．２ｇの不織布を、ｐＨ５、６及び７のトリス緩衝液１リットルにそれぞれ２４時間攪拌しながら浸漬し、浸漬後の不織布の質量変化（下記の式により算出した。）及び緩衝液に溶出したカルシウムイオンの濃度（イオンクロマトグラフィーにより定量した。）を評価した。その結果、ｐＨ５、６及び７の緩衝液のそれぞれで、不織布の質量減少率は８０％、７０％及び３５％であり、カルシウムイオン濃度は２５μｇ／リットル、２３μｇ／リットル及び１１μｇ／リットルであった。
質量減少率（％）＝［（浸漬前質量−浸漬後質量）／浸漬前質量］×１００
【００３０】
この不織布を走査型電子顕微鏡により５０００倍にて観察し、撮影した写真を図１に示す。これによれば、多くのＨＡｐ結晶の平面方向が不織布の繊維表面に対して４５〜９０゜の角度を有し、結晶間には皮膜の表面に開口する多数の空隙が形成されていることが分かる。これは、細菌、ウィルス等の吸着性能が高いことを示唆するものである。尚、この写真より読みとったＨＡｐ結晶の厚さは約０．１μｍ、平面方向の最大長さは３〜５μｍ、最小長さは１〜２μｍであった。
【００３１】
実施例２
第３水溶液のイオン組成及び各イオンの濃度を表２のようにした他は、実施例１と同様にして繊維表面にＨＡｐ結晶の集合体を備える皮膜が形成された不織布を作製した。
【００３２】
【表２】

【００３３】
得られた不織布について、実施例１と同様にして結晶中のフッ素含有量を定量したところ０．１５質量％であった。また、実施例１と同様にして不織布の質量変化及び緩衝液に溶出したカルシウムイオンの濃度を評価した。その結果、ｐＨ５、６及び７の緩衝液のそれぞれで、不織布の質量減少率は５８％、５０％及び２５％であり、カルシウムイオン濃度は２１μｇ／リットル、１７μｇ／リットル及び９μｇ／リットルであった。
【００３４】
比較例１
第３水溶液のイオン組成を表３のようにフッ素イオンを含まないものとした他は、実施例１と同様にして繊維表面にＨＡｐ結晶の集合体を備える皮膜が形成された不織布を作製した。
【００３５】
【表３】

【００３６】
得られた不織布について、実施例１と同様にして結晶中のフッ素含有量を定量したがフッ素は含まれていなかった。また、実施例１と同様にして不織布の質量変化及び緩衝液に溶出したカルシウムイオンの濃度を評価した。その結果、ｐＨ５、６及び７の緩衝液のそれぞれで、不織布の質量減少率は９７％、８６％及び４０％であり、カルシウムイオン濃度は３０μｇ／リットル、２６μｇ／リットル及び２４μｇ／リットルであった。
【００３７】
このように水酸アパタイト結晶にフッ素が含有されていない場合は、中性付近のトリス緩衝液に溶解し易くなり、この複合材をフィルタ材等として高湿度雰囲気、或いは水中等で使用した際に、その吸着性能が十分に維持されないことが推察される。
【００３８】
尚、本発明においては、上記の具体的な実施例に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。即ち、第１乃至第３水溶液の組成及び基材の種類等は、得られる複合材の吸着性能等に実質的に影響を及ぼさない範囲で変更することができる。また、硫酸イオン、マグネシウムイオン及び炭酸イオンは、不可避不純物程度は含まれていてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
第１発明によれば、繊維等の表面に、フッ素を含む板状の水酸アパタイト結晶の集合体と、これらの結晶の間に形成される空隙とを備える皮膜が形成された複合材が得られる。空隙は皮膜の表面に開口しており、この複合材は、細菌、ウィルス、動植物細胞及び悪臭成分等の吸着性能に優れる。また、第２乃至第７発明によれば、より優れた吸着性能を有する複合材とすることができる。更に、第８発明によれば、第１乃至第７発明の複合材を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１において作製した皮膜を備える不織布を走査型電子顕微鏡により観察し、撮影した倍率５０００倍の写真である。

Claims

基材と、該基材の表面に形成される皮膜とを備える複合材であって、該皮膜は、板状のフッ素含有水酸アパタイト結晶の集合体と、該フッ素含有水酸アパタイト結晶の間に形成され、該皮膜の表面に開口する空隙とを有することを特徴とする複合材。
上記フッ素含有水酸アパタイト結晶の厚さが０．０３〜０．５μｍである請求項１記載の複合材。
上記フッ素含有水酸アパタイト結晶の表裏面における平面方向の長さが０．２５〜１０μｍである請求項１又は２記載の複合材。
上記フッ素含有水酸アパタイト結晶が０．００１〜０．１５質量％のフッ素を含有する請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載の複合材。
上記皮膜の厚さが０．２５〜３０μｍである請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載の複合材。
上記基材が繊維である請求項１乃至５のうちのいずれか１項に記載の複合材。
上記基材が織物、不織布、編物、フェルト、樹脂発泡体、多孔質フィルム又は多孔質中空糸膜である請求項１乃至５のうちのいずれか１項に記載の複合材。
カルシウムイオンを含み、リン酸イオンを含まない第１水溶液に基材を浸漬し、該第１水溶液から該基材を取り出して乾燥し、その後、この基材を、リン酸イオンを含み、カルシウムイオンを含まないｐＨ８以上の第２水溶液に浸漬し、該第２水溶液から該基材を取り出し、次いで、この基材を、フッ素イオン濃度が０．００５〜０．０２５ｍＭであり、マグネシウムイオン及び炭酸イオンを含まず、且つ実質的に飽和乃至過飽和濃度の水酸アパタイト成分が溶解している第３水溶液に浸漬し、上記基材の表面に板状のフッ素含有水酸アパタイト結晶を生成させることを特徴とする複合材の製造方法。