JP4465785B2

JP4465785B2 - エレクトレット繊維シートの製造方法および製造装置

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Publication number: JP4465785B2
Application number: JP2000070087A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　　誠; 和宏福島; 栄一西浦
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2000-03-14
Filing date: 2000-03-14
Publication date: 2010-05-19
Anticipated expiration: 2020-03-14
Also published as: JP2001262463A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高密度の表面電荷密度を有するエレクトレット繊維シートの製造方法および該エレクトレット繊維シートの製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、エレクトレット化された繊維シートの製造法として、特公平56-47299号公報に記載されているように、ワイヤー電極と導体アース電極、例えば体積抵抗率１０^-6Ω・ｃｍの鉄のような金属板アース電極上に被処理シートを配置して高圧印加によりエレクトレット化する方法を用いていた。この方法を用いた場合、繊維シートのように塵埃、とくに導電性のものが付着していると、高圧印加する場合、火花放電を起こして繊維シートに孔があくとともに高密度な表面電荷も得られず、フィルタなどに用いる場合は不適当であった。
【０００３】
また上記問題を解決するために、特公昭49-4433号公報に記載されているように、繊維シートと誘電体材料を挟持して印加する方法や、特公昭63-52149号公報に記載されているように、アース電極と繊維シートの間に抵抗性の材料として導電性粒子を混合した有機材料、例としてカーボン粒子混入ポリエチレンフィルムを使用してエレクトレット化する方法が知られている。
【０００４】
しかしながらこれらの従来技術では、繊維シートへの注入電荷不足や製造方法の処理均一性やメンテナンス性の面で課題があった。例えば、特公昭49-4433号公報に記載されているように、繊維シートと誘電体材料を挟持して印加する場合、誘電体材料によって繊維シートへの注入電荷が阻害され、高度に表面電荷密度を有するエレクトレット繊維シートを得ることができなかった。また、特公昭63-52149号公報に記載されているように、半導体材料に導電性粒子を混合した材料を使用する場合、その導電性粒子の混在ムラにより半導体材料表面に抵抗ムラが生じ、そのムラにより繊維シートの表面電荷密度分布にムラができる不具合があった。エレクトレット繊維フィルタにとって、表面電荷密度やその分布ムラに不具合があれば、捕集効率が下がりフィルタとしての性能が悪化するという問題があった。
【０００５】
さらに前記特公昭63-52149号公報に記載されているようなカーボン粒子入りフィルムを使用する場合、フィルム状であるため傷みやすく付設材料の交換回数が増え、また火花放電が生じたときにフィルム上に傷ができ、品質上の問題が生じていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、火花放電によるトラブルがなく、かつ誘電体材料による注入電荷の阻害がなく、高度な表面電荷密度を均一に有し、優れた捕集性能を持つエレクトレット繊維シートの製造方法を提供すること、さらに耐久性、メンテナンス性に優れたエレクトレット繊維シート製造装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、相対する非接触型印加電極とアース電極との間に繊維シートを介在させて、前記両電極間に直流印加して該繊維シートをエレクトレット化するエレクトレット繊維シートの製造方法において、前記アース電極上に導電性ゴムからなり体積抵抗率の異なる複数の抵抗層を積層付設し、その上に被処理繊維シートを接触させてエレクトレット化するエレクトレット繊維シートの製造方法、および相対する非接触型印加電極とアース電極との間に繊維シートを介在させて、前記両電極間に直流印加して該繊維シートをエレクトレット化するエレクトレット繊維シートの製造装置において、アース電極上に導電性ゴムからなり体積抵抗率の異なる複数の抵抗層を積層してアース電極部を構成し、前記複数の抵抗層のうち表層の抵抗層の体積抵抗率が１０^−１〜１０^８Ω・ｃｍであり、積層した全抵抗層の単位面積あたりの抵抗値が１０^２〜１０^１０Ω・ｃｍ^２であるエレクトレット繊維シートの製造装置である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明のエレクトレット繊維シートの製造方法は、相対する非接触型印加電極とアース電極との間に繊維シートを介在させて、前記両電極間に印加して該繊維シートをエレクトレット化するエレクトレット繊維シートの製造方法において、前記アース電極上に体積抵抗率の異なる複数の抵抗層を積層付設し、その上に被処理繊維シートを接触させてエレクトレット化するものである。
【０００９】
本発明において、アース電極上に積層付設する体積抵抗率の異なる複数の抵抗層は、火花放電の発生を抑制するために付設するものであり、火花放電を抑制するためには抵抗値が高い方が好ましい。本発明でいう抵抗値は、繊維シート面と平行な面における単位面積あたりの抵抗値をいう。具体的には抵抗層の体積抵抗率にその厚さをかけた値で求める。また本発明でいう体積抵抗率は、物質の単位長さを１辺とする立方体の抵抗率をいう。
【００１０】
本発明において、体積抵抗率の異なる抵抗層を付設することで、非接触型印加電極とアース電極間に電圧を印加した際に、抵抗層における電圧降下により非接触型印加電極と抵抗層間の電位差を低下させ、火花放電発生を抑制する効果を発揮する。火花放電発生を抑制する効果を高めるために、積層付設する抵抗層全体の抵抗値は大きくすることが好ましい。
【００１１】
積層する前記抵抗層は何層でもよいが、エレクトレット化する際に抵抗層に生じる表面電荷ムラや表面電荷密度は、繊維シートと接触する最表の抵抗層に強く影響を受けるため、最表の抵抗層の体積抵抗率は１０^-1〜１０⁸Ω・ｃｍであるのが好ましい。
【００１２】
本発明において、積層した全抵抗層の単位面積あたりの抵抗値が１０²〜１０¹⁰Ω・ｃｍ²であることが好ましい。１０²Ω・ｃｍ²未満では、繊維シートに付着する半導体、導体の塵埃およびその他付着物によって火花放電を生じ、繊維シートに孔を開けるとともに、エレクトレット化が充分に行われないので好ましくない。１０¹⁰Ω・ｃｍ²を越えると、非接触型の印加電極から発生する電子、あるいはイオンの繊維内への注入時にアース電極から注入される電荷が充分に得られないので、安定なエレクトレット化ができないので好ましくない。ここでいう単位面積とは、繊維シート面に平行な面における面積のことである。ただし、全ｎ層の抵抗層があるとき、全抵抗層の単位面積あたりの抵抗値Ｒは、各抵抗層の体積抵抗率をＲ₁、Ｒ₂、・・・、Ｒ_n（Ω・ｃｍ）、各層の厚さをｔ₁、ｔ₂、・・・、ｔ_n（ｃｍ）としたときに以下の式で求めるものとする。
【００１３】
Ｒ＝Ｒ₁ｔ₁＋Ｒ₂ｔ₂、・・・＋Ｒ_nｔ_n （Ω・ｃｍ²）
以下、本発明のエレクトレット繊維シートの製造方法を図面により詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明のエレクトレット繊維シートの製造装置の一態様を示す模式図であり、１は繊維シート、２は最表の抵抗層、３は他の抵抗層、４はアース電極、５は非接触型針状印加電極、７は直流高圧発生器、８はアースを示す。
【００１５】
図２は本発明のエレクトレット繊維シートの製造方法に使用されるエレクトレット化装置の一態様を示す模式図である。
【００１６】
本発明のエレクトレット処理を連続的に行う方法は、図２に示すようにアース電極をロール状にし、繊維シート１をそのロールに接触させて巻き付かせながら該ロールを回転させて、ロール上にある６の非接触型ワイヤ状印加電極の高圧印加により連続的にエレクトレット化する方法を用いることができる。図２に示すように、接地したロールに本発明の最表の抵抗層２および他の抵抗層３を付設したものを使用することにより、連続処理にも用いることができる。また、前記複数の抵抗層に導電性ゴムを使用すれば、弾性、耐熱性、耐磨耗性に優れており、加工性、耐久性、メンテナンス性が向上するので好ましい。
【００１７】
本発明において、エレクトレット化される繊維シートとしては、不織布、織布、紙、編物などを好ましく使用できるが、繊維シートの繊度を細くし、目付の小さい均一な繊維シートとして、メルトブロー不織布が最も好ましい。繊維シートを構成する素材は、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリフッ素系樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリエステル、ガラスや無機化合物などを好ましく使用できるが、このうち、ポリオレフィン系樹脂は、無極性であるため比抵抗が大きく、表面電荷密度を大きく与えられるので最も好ましい。
【００１８】
本発明において、繊維シートの目付は８０ｇ／ｃｍ²以下であることが好ましい。目付が８０ｇ／ｃｍ²を越えると繊維シートの内部まで電荷注入されずに表面だけにとどまり、表面電荷密度が上がらないので好ましくない。
【００１９】
本発明において、繊維シートのカバーファクターは６０％以上であることが好ましい。６０％未満であると注入電荷が繊維シート間隙を通過してしまい、繊維シートにトラップされず、表面電荷が上がらないので好ましくない。
【００２０】
本発明において、繊維シートの見掛密度は０．０１ｇ／ｃｍ²以上が好ましい。０．０１ｇ／ｃｍ²未満では、注入電荷が内部まで入らないので好ましくない。
【００２１】
また、繊維シートの平均繊度は５．５ｄｔｅｘ以下が好ましい。５．５ｄｔｅｘを越えると表面電荷密度が少なくなるので好ましくない。繊維シートの平均繊度が１．１ｄｔｅｘ以下であればさらに好ましい。
【００２２】
本発明において、抵抗層を構成する素材として、カーボン粒子や金属粒子のような導電性粒子を配合した合成樹脂からなる半導体特性を有するものを用いることが好ましい。ただし、導電性粒子を配合した抵抗層は、その配合比が低いと抵抗層に抵抗ムラが生じてしまい、アース電極からの注入電荷の量が不均一になってしまうため、エレクトレット化の際に繊維シートに表面電荷分布のムラが生じてしまう。この抵抗ムラは、抵抗層の体積抵抗率が低い方が生じにくい、つまり導電性粒子の配合率が高い方が生じにくいので、抵抗ムラによるエレクトレット化のムラを抑制するためには、繊維シートと接触する抵抗層の体積抵抗率は低い方がよい。また、前記抵抗層の体積抵抗率が低い方が、エレクトレット化の際にアース側から繊維シートに注入される電荷が入りやすく、表面電荷密度を上げられ、優れた捕集性能を有することができるので、抵抗層の体積抵抗率は１０^-1〜１０⁸Ω・ｃｍであることが好ましい。
【００２３】
本発明において、抵抗層を構成する素材は、耐久性やメンテナンス性、柔軟性を考慮すると、カーボン粒子や金属粒子のような導電性粒子を配合したゴム材が好ましい。このような導電性ゴムの基材としては、イソプレンゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、フッ素ゴム、ＳＢＲ、エチレンプロピレンゴム、シリコンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、これらのブレンドゴム等を用いることができるが、特にシリコンゴム、クロロプレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、エチレンプロピレンゴムが、エレクトレット処理用として必要な耐熱性や耐オゾン性に優れており、最も好ましい。
【００２４】
本発明において、抵抗層の厚さとしては、各抵抗層の導電性ゴムの厚さが０．５から５ｍｍの範囲内であるのが好ましく、かつ複数の抵抗層全体の厚さが１〜１０ｍｍであるのが好ましい。
【００２５】
本発明に用いる非接触型印加電極としては針状電極、ワイヤー電極、ナイフエッジ状、鋸歯状電極を好ましく用いることができる。これらの電極の素材としては、体積抵抗率が１０^-4Ω・ｃｍ以下の導電性金属が好ましい。
【００２６】
本発明において、エレクトレット化の条件として、印加側電圧を１〜１００ｋＶとし、印加側電極と抵抗材料からなる電極間間隙を１０〜１００ｍｍの範囲にするのが好ましい。印加側電圧が１ｋＶよりも低く、電極間の間隙が１００ｍｍを越えると表面電荷密度を上げることが困難になるので好ましくない。印加側電圧が１００ｋＶを越え、電極間の間隙が１０ｍｍ未満であると、印加電界強度を大きくした場合に火花放電を生じ、得られるエレクトレット繊維シートの表面電荷密度を増加させることができないので好ましくない。
【００２７】
【実施例】
次に、本発明を実施例に基づき説明する。本発明において、カバーファクター、捕集効率、体積抵抗率はそれぞれ次の方法で測定した。
（１）カバーファクター
拡大投影器を用いて試料（２ｃｍ×２ｃｍ）の陰影を作り、光の透過してできた明るい面積部分をＢ（ｃｍ²）、繊維によって光が遮られてできた影面積部分をＣ（ｃｍ²）として下式により求めたものである。
【００２８】
カバーファクター（％）＝Ｃ／（Ｂ＋Ｃ） ×１００
（２）捕集効率
試料（直径１０ｃｍの円形）１枚を用いて、１．５ｍ／分の風速下で、アトマイザーを用いて０．３３μｍポリスチレンエアロゾルを発生させて、試料前後の粒子カウント数をエアロゾルモニターで測定する。得られた粒子カウント数を基に下式で捕集効率を求める。
【００２９】
捕集効率（％）＝100−｛（フィルター通過後の粒子カウント数）／（フィルター通過前の粒子カウント数）×100｝
（３）抵抗層の体積抵抗率
ＪＩＳ−Ｃ−１３０２法により、アース電極に被覆する抵抗層と同じ材料を厚さ１ｍｍのシート状に加工し、体積抵抗率測定器（KEITHLEY社製エレクトロメータ610Cおよび体積抵抗率測定用チャンバ6105）に取り付け、印加電圧１Ｖの条件で、体積抵抗率を求めた。
実施例１
図２において、２層の抵抗層で被覆したアース電極を用い、ポリプロピレンメルトブロー不織布（平均繊維直径２．５μｍ、厚さ０．５ｍｍ、目付５０ｇ／ｍ²、カバーファクター９９％、体積抵抗率１０¹⁶Ω・ｃｍ）を連続的にエレクトレット加工した。２層の抵抗層のうち、表層は体積抵抗率９×１０³Ω・ｃｍ、厚さ１ｍｍのシリコンゴム、下層に体積抵抗率８×１０⁷Ω・ｃｍ、厚さ１ｍｍのシリコンゴムを付設した。抵抗層全体での単位面積あたりの抵抗値は８×１０⁶Ω・ｃｍ²となる。非接触印加電極は直径０．１ｍｍのタングステンワイヤを使用し、印加電圧＋３５ｋＶ、電極−抵抗層表層間距離５０ｍｍでエレクトレット加工した。
【００３０】
このエレクトレット繊維シートの捕集効率および圧力損失を測定したところ、捕集効率９６％、圧力損失０．９３ｍｍＡｑであり、極めて高いフィルタ性能を有していることが分かった。
比較例１
アース電極に抵抗層を被覆しないステンレス製ロールを使用したこと以外は実施例１と同じ方法で、不織布のエレクトレット加工を実施した。加工中、断続的に火花放電を観測した。不織布の放電箇所には直径０．５ｍｍ程度の孔が観察された。得られたエレクトレット繊維シートの捕集効率は９５．６％、圧力損失０．９３ｍｍＡｑであった。
実施例２
印加電圧を＋４０ｋＶとした以外は実施例１と同じ方法で、不織布のエレクトレット加工を実施した。加工中断続的に火花放電を観測した。不織布の放電箇所には直径０．５ｍｍ程度の孔が観察されたが抵抗層のシリコンゴム表面には傷は一切見られなかった。
比較例２
抵抗層として、カーボン粒子を混入したポリエチレンからなる厚さ１００μｍのフィルム（体積抵抗率は１０³Ω・ｃｍ、単位面積あたりの抵抗値は１０¹Ω・ｃｍ²）１枚を金属ロール上に巻き付け、アース電極とした以外は実施例２と同じ方法で、不織布のエレクトレット加工を実施した。加工中に断続的に火花放電を観測した。不織布の放電箇所には直径０．５ｍｍ程度の孔が観察した。また抵抗層のカーボン粒子入りポリエチレンフィルム表面も長さ１ｍｍ程度の傷が見られ、その部分に凸状の膨らみが見られた。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、火花放電が起きにくくかつ表面電荷ムラが生じにくいエレクトレット繊維シートの製造が可能となり、耐久性、メンテナンス性に優れたエレクトレット繊維シート製造装置を提供できる。
【００３２】
本発明のエレクトレット繊維シートの製造方法および製造装置によって得られるエレクトレット繊維シートは、火花放電に基づく放電孔もなく、高い捕集性能を有することができ、フィルターとしては勿論のこと、吸着材、自己付着材などの有用な用途に安定した電荷を持って使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエレクトレット繊維シート製造装置の一態様を示す模式図である。
【図２】本発明のエレクトレット繊維シートの製造方法に使用されるエレクトレット化装置の一態様を示す模式図である。
【符号の説明】
１：繊維シート
２：最表の抵抗層
３：他の抵抗層
４：アース電極
５：非接触型針状印加電極
６：非接触型ワイヤ状印加電極
７：直流高圧発生器
８：アース

Claims

相対する非接触型印加電極とアース電極との間に繊維シートを介在させて、前記両電極間に直流印加して該繊維シートをエレクトレット化するエレクトレット繊維シートの製造方法において、前記アース電極上に導電性ゴムからなり体積抵抗率の異なる複数の抵抗層を積層付設し、その上に被処理繊維シートを接触させてエレクトレット化することを特徴とするエレクトレット繊維シートの製造方法。
アース電極がロール形状であり、被処理繊維シートを導電性ゴム被覆ロール上に接触させながら該ロールを回転させてシートを連続的にエレクトレット化することを特徴とする請求項１に記載のエレクトレット繊維シートの製造方法。
繊維シートがメルトブロー不織布であることを特徴とする請求項１または２に記載のエレクトレット繊維シートの製造方法。
相対する非接触型印加電極とアース電極との間に繊維シートを介在させて、前記両電極間に直流印加して該繊維シートをエレクトレット化するエレクトレット繊維シートの製造装置において、アース電極上に導電性ゴムからなり体積抵抗率の異なる複数の抵抗層を積層してアース電極部を構成し、前記複数の抵抗層のうち表層の抵抗層の体積抵抗率が１０^−１〜１０^８Ω・ｃｍであり、積層した全抵抗層の単位面積あたりの抵抗値が１０^２〜１０^１０Ω・ｃｍ^２であることを特徴とするエレクトレット繊維シートの製造装置。
前記複数の抵抗層がカーボン粒子あるいは金属粒子を含有してなることを特徴とする請求項４に記載のエレクトレット繊維シートの製造装置。
導電性ゴムがシリコンゴム、クロロプレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、エチレンプロピレンゴムの少なくともいずれかの基材よりなることを特徴とする請求項４または５に記載のエレクトレット繊維シートの製造装置。
各抵抗層の導電性ゴムの厚さが０．５から５ｍｍであり、かつ複数の抵抗層全体の厚さが１〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載のエレクトレット繊維シートの製造装置。
非接触型印加電極が針状、ワイヤ状、ナイフエッジ状、鋸歯状の少なくともいずれかの電極であることを特徴とする請求項４に記載のエレクトレット繊維シートの製造装置。
非接触型印加電極とアース電極上の抵抗層の表層との距離が１０〜１００ｍｍであり、印加電圧が１〜１００ｋＶであることを特徴とする請求項４に記載のエレクトレット繊維シートの製造装置。