JP4657782B2

JP4657782B2 - 高捕集効率と低圧力損失とを兼ね備えたフィルター

Info

Publication number: JP4657782B2
Application number: JP2005110852A
Authority: JP
Inventors: あや嘉数
Original assignee: Teijin Techno Products Ltd
Current assignee: Teijin Techno Products Ltd
Priority date: 2005-04-07
Filing date: 2005-04-07
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2025-04-07
Also published as: JP2006289209A

Description

本発明は不織布で構成され、気体中を浮遊する固体や液体ミストをろ過するフィルターに関するものである。さらに詳しく述べれば、エアフィルターやマスクなどに好適に使用することができるフィルターである。

一般にフィルター性能は、圧損、塵埃捕集効率、フィルター寿命などにより評価され、使用目的に合わせて織布や不織布などの目付け、繊維密度および繊維径などを変化させたシート状繊維構造体が使用されている。

フィルターには捕集塵埃の粒径のサイズおよび捕集効率により性能が分類され、昨今では０．１ｍｍ以下の塵埃を捕集することを目的とするフィルターが存在する。このフィルターは、繊維径がマイクロ、ナノオーダーの繊維を用いることで目的の達成が試みられており、スパン・ボンデッド・ファブリック、不織布、プラスチックスクリーンなどのフィルター基体上にナノファイバーを接着させる方法が開示されている（例えば特許文献１など）。

しかしながら、マイクロ、ナノオーダーの繊維を用いることで塵埃の高捕集効率を達成できても、フィルター基体の構成によっては、圧力損失が高くなる問題がある。

さらに、上記のマイクロ、ナノオーダーの繊維からなる不織布を他の不織布、例えば短繊維を原料とするカーディング法や、連続繊維を原料とするスパンボンド法により作製される不織布と組み合わせてフィルターと作製したところ、圧力損失がより高いものとなり実用的ではなかった。よって、従来提案されているフィルターでは、塵埃の高捕集効率と低圧力損失とを同時に達成するのは困難である。
特表２００４−５０８１６９号公報

本発明の目的は、上記従来技術の有する問題点を解決し、高い捕集効率と低い圧力損失を有するフィルターを提供することにある。

本発明者らは上記目的を達成するために鋭意検討した結果、繊維径を互いに異にする複数の不織布を積層し、かつ一方の不織布の繊維軸配列をコントロールしたとき、高捕集効率と低圧力損失とを同時に有するフィルターが得られることを究明した。

すなわち、本発明によれば、繊維径が５０００〜２００００ｎｍの繊維で構成され、かつ不織布平面軸に対する繊維軸角度が４０〜１４０度である繊維を５０〜８０重量％含有する不織布（Ａ）の層と、繊維径が１〜５００ｎｍの繊維で構成されるナノファイバー不織布（Ｂ）の層とが少なくとも２層以上積層してなる、高捕集効率と低圧力損失とを兼ね備えたフィルターが提供される。

本発明のフィルターは、特定の繊維軸配向を有する不織布と、ナノファイバーより構成される不織布とが積層されており、かかる構造により、高捕集効率でありながら圧力損失が増大しないため、エアフィルターやマスクなどの用途に好適に使用することができる。

本発明のフィルターは不織布（Ａ）の層と、ナノファイバー不織布（Ｂ）の層からなるものである。

本発明において不織布（Ａ）を構成する繊維としては、天然繊維、合成繊維などを用いることができるが、具体的には、ポリエチレン繊維、ポリエステル繊維、ポリアミド繊維、芳香族ポリアミド繊維、アクリル繊維、ポリ塩化ビニル繊維、ポリオレフィン繊維、ポリアクリルニトリル繊維が好ましい。

一方、ナノファイバー不織布（Ｂ）を構成する繊維としては、無機繊維、ポリエチレン繊維、ポリエステル繊維、ポリアミド繊維、芳香族ポリアミド繊維、アクリル繊維、ポリ塩化ビニル繊維、ポリオレフィン繊維などの合成繊維などを用いることができるが、特にポリアクリルニトリル繊維が好ましい。

本発明においては、不織布（Ａ）が次に述べる繊維径の繊維で構成されかつ繊維軸配向を有すること、またナノファイバー不織布（Ｂ）が後述する繊維径の繊維で構成されていること、さらに本発明のフィルターが上記不織布（Ａ）の層と該ナノファイバー不織布（Ｂ）の層とが少なくとも２層以上積層してなるフィルターであることが肝要である。

すなわち、不織布（Ａ）を構成する繊維の繊維径が５０００〜２００００ｎｍ、好ましくは９０００〜１５０００ｎｍである必要がある。上記繊維径が、５０００ｎｍ未満では不織布の強度が弱くなり、一方、２００００ｎｍを超えると捕集効率が悪くなり、好ましくない。

また、不織布（Ａ）は、これを構成する繊維の不織布平面軸に対する繊維軸角度が４０〜１４０度である繊維を該不織布（Ａ）の重量を基準として５０〜８０重量％、好ましくは５５〜７０重量％含有している必要がある。上記繊維軸角度を有する繊維の割合が、５０重量％未満であると高い圧力損失を示し、一方、８０重量％を越えると圧力損失は低くなる傾向にあるものの不織布としての構成を維持させることが困難となる。

なお、本発明でいう「繊維軸角度」とは、図１に示すように、繊維の両端を直線で結んだ軸と不織布平面軸との角度θをいう。

本発明において、不織布（Ａ）の目付は好ましくは１０〜２５０ｇ／ｍ^２であり、より好ましくは１５０〜２００ｇ／ｍ^２である。

ナノファイバー不織布（Ｂ）を構成する繊維は、単繊維の直径が１〜５００ｎｍ、好ましくは５０〜２００ｎｍである必要がある。繊維径が１ｎｍ未満の場合は、得られるナノファイバー不織布の強度が低下し、一方、５００ｎｍを超える場合は、ナノファイバー繊維の優位性が発現せず、捕集効率が悪くなる。

また、本発明においては、ナノファイバー不織布（Ｂ）の目付けは０．０１〜１．０ｇ／ｍ^２であることが好ましく、０．０５〜０．７ｇ／ｍ^２であることがより好ましい。
目付けが０．０１ｇ／ｍ^２未満では、不織布（Ａ）表面に一様にナノファイバーを被覆するのが難しくなる傾向にあり、一方、１．０ｇ／ｍ^２を超えると、圧力損失が高くなる傾向にある。

以上に説明した本発明のフィルターは、例えば、次のように製造することができる。
不織布（Ａ）の層は、エアレイド不織布製造法によって好ましく成形することができ、これにより容易に繊維軸角度が４０〜１４０度の繊維の割合が５０〜８０重量％である不織布とすることができる。具体的には、繊維径が５０００〜２００００ｎｍ、繊維長１〜１００ｍｍの乾燥した短繊維を、例えば特開２０００−１１０２７号公報に記載された製造を用いて、空気の流れに乗せて搬送し、ネット上にウェブを成形する。このウェブは、ネット下から空気を吸引する圧力を０．２〜０．４ＭＰａに調節するより、任意の繊維軸角度に調整することができる。太い繊維径を有する繊維を用いるときには吸引圧力を高くし、短い繊維径を有する繊維を用いるときには吸引圧力を低くすることが好ましい。

一方、ナノファイバー不織布（Ｂ）は、エレクトロスピニング法によって成形されていることが好ましい。この方法は、基板上に位置するポリマー溶液に高電圧を印加することによって溶液をスプレーすることで、ナノファイバーを形成させる方法であり、得られる不織布の繊維径は、印加電圧、溶液濃度、スプレーの飛散距離などに依存し、これらの条件を調整することで任意の繊維径とすることができる。

例えば、ポリアクリロニトリル繊維の場合は、ポリアクリロニトリルを主成分とする粉末状態と溶媒Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミドを５：９５〜１５：８５の重量比で溶解させたポリマー溶液を調整し、５〜３０ｋＶの電圧下で作製することができる。

また、上記の方法を用いれば、平面的な不織布はもとより、立体的な網目構造を持つ三次元的な不織布を成形することも可能である。

本発明のフィルターは、低圧力損失を保ったまま捕集効率を高めるために不織布（Ａ）とナノファイバー不織布（Ｂ）とを２層以上積層させるが、その際、積層させる不織布の層数としては２〜５層が好ましい。層間の接着は、不織布（Ａ）のみを製造した後に接着処理を施し、ナノファイバー不織布（Ｂ）を積層させても良いし、不織布（Ａ）上にナノファイバー不織布（Ｂ）を積層したものを製造した後に接着処理を施しても良いし、さらに、不織布（Ａ）とナノファイバー不織布（Ｂ）の間をすでに接着処理を施したものの上に不織布（Ａ）もしくはナノファイバー不織布（Ｂ）を積層させても良いし、不織布（Ａ）もしくはナノファイバー不織布（Ｂ）を数層積層した後に、一度に接着処理を施しても良い。

この際、接着処理は、例えば、不織布（Ａ）を構成する繊維に熱融着性繊維を用いナノファイバー不織布（Ｂ）と積層させた後で熱融着させる方法、熱融着性の粉末を一方に不織布に付与し他方の不織布を積層した後これらを熱融着させる方法、水溶性バインダを不織布間に付与し接着させる方法などが好ましく採用される。

以下、実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。なお、実施例における各物性は、以下の方法により求めたものである。
（１）繊維径
不織布（Ａ）、ナノファイバー不織布（Ｂ）を繊維の厚さ方向に切断した切片を作製し、不織布（Ａ）は光学顕微鏡を用いて、ナノファイバー不織布（Ｂ）は走査型電子顕微鏡を用いて測定した。結果を表１に示す。
（２）繊維軸の角度
不織布（Ａ）を切断しその断面を観察し、図１で示した繊維軸角度が４０〜１４０度である繊維が任意に選んだ１ｃｍ^２中に占める割合を計算した。結果を表１に示す。
（３）目付
２１．０ｃｍ×２９．７ｃｍにおける重量を量り、１ｍ^２あたりに換算した。
（４）フィルター性能（捕集効率、圧力損失）
使用ダストは、ＪＩＳ試験用標準ダスト８種を用い、捕集効率は、不織布（Ａ）およびナノファイバー不織布（Ｂ）が少なくとも２層以上積層されたフィルターを通過したダスト濃度から次式を用いて算出した。数値が高いほど、捕集効率に優れており、９９．９８％以上を合格とした。
捕集効率＝［（ダスト供給濃度−吹き漏れダスト濃度）／ダスト供給濃度］×１００
圧力損失は、ダストを負荷しないで測定したフィルター前後の空気圧力を測定しその圧力損失とした。数値が低いほど優れており、７０Ｐａ以下を合格とした。結果を表１に示す。

［実施例１］
不織布（Ａ）は、繊維径１１８００ｎｍ（１．５ｄｔｅｘ）のポリエステル系バインダ繊維（芯：ポリエチレンテレフタレート、鞘：モル比でテレフタル酸成分：イソフタル酸成分＝６５：３５、ジオール成分がエチレングリコール、Ｔｇ６５℃）を特開２００４−１１０２７号公報に記載のエアレイド法不織布製造装置により、装置下部より吸引圧力を０．２ＭＰａとして、目付が２００ｇ／ｍ^２となるようにウェブを成形した。さらに該ウェブに熱風処理機により１７０℃で熱処理を施し、目付が２００ｇ／ｍ^２の不織布（Ａ）を成形した。

次に、ナノファイバー不織布（Ｂ）は、ポリアクリロニトリルを主成分とする粉末状態と溶媒Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミドを１１：８９の重量比で溶解させたポリマー溶液を調整し、エレクトロスピニング法にて印加電圧２５ｋＶ下で、ポリアクリルニトリルナノファイバーの繊維径が５０ｎｍ、目付が０．５ｇ／ｍ^２となる条件により不織布（Ａ）上に直接積層するように成形した。
次に１７０℃の熱風処理機で熱処理をし、不織布（Ａ）とファイバー不織布（Ｂ）とを熱融着させることによって、２層からなるフィルターを作製した。結果を表１に示す。

［実施例２］
不織布（Ａ）として用いるエアレイド法不織布の作成において、繊維径１４３００ｎｍ（２．２ｄｔｅｘ）のポリエステル系バインダ繊維を用い、吸引の圧空を０．２３ＭＰａとし、目付を１５０ｇ／ｍ^２となるように繊維量を調整しウェブを成形した以外は実施例１と同様にしてフィルターを作成した。結果を表１に示す。

［実施例３］
ナノファイバー不織布（Ｂ）の作成において、エレクトロスピニング法での印加電圧を２０ｋＶとし、該不織布（Ｂ）を構成するポリアクリルニトリルナノファイバーの繊維径を２００ｎｍ、該不織布（Ｂ）の目付を０．１ｇ／ｍ^２となるようにした以外は実施例１と同様にしてフィルターを作成した。結果を表１に示す。

［実施例４］
実施例１で作成した不織布（Ａ）及びナノファイバー不織布（Ｂ）の２層からなる不織布積層体にさらにナノファイバー不織布（Ｂ）の上に実施例１で作成した不織布（Ａ）を積層し、不織布（Ａ）／ナノファイバー不織布（Ｂ）／不織布（Ａ）の３層からなるフィルターを作成した。結果を表１に示す。

［比較例１］
不織布（Ａ）として用いるエアレイド法不織布の作成において、吸引圧力を０．４ＭＰａとし、該不織布（Ａ）の目付を２００ｇ／ｍ^２となるように繊維量を調整しウェブを成形した以外は実施例１と同様にしてフィルターを作成した。結果を表１に示す。

［比較例２］
不織布（Ａ）として用いるエアレイド法不織布の作成において、繊維径２４８００ｎｍ（６．６ｄｔｅｘ）のポリエステル系バインダ繊維を用い、吸引圧力を０．３ＭＰａとし、該不織布（Ａ）の目付を１５０ｇ／ｍ^２となるように繊維量を調整しウェブ形成した以外は実施例１と同様にしてフィルターを作成した。結果を表１に示す。

［比較例３］
ナノファイバー不織布（Ｂ）の作成において、ポリアクリロニトリル：Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミドの重量比を２：９８とし、該不織布（Ｂ）を構成するポリアクリルニトリルナノファイバーの繊維径を５５０ｎｍ、該不織布（Ｂ）の目付が０．５ｇ／ｍ^２となるようにした以外は実施例１と同様にしてフィルターを作成した。結果を表１に示す。

［比較例４］
不織布（Ａ）として用いるエアレイド法不織布の作成において、吸引圧力を０．０５ＭＰａとし、該不織布（Ａ）の目付を２００ｇ／ｍ^２となるように繊維量を調整しウェブ形成した以外は実施例１と同様にしてフィルターを作成した。結果を表１に示す。

本発明のフィルターは、特定の繊維軸配向を有する不織布と、ナノファイバーより構成される不織布とが積層されており、かかる構造により、高捕集効率でありながら圧力損失が増大しないといった優れた特徴を有しており、エアフィルターやマスクなどの用途に好適に使用することができ、その工業的利用価値が極めて高いものである。

不織布（Ａ）を構成する繊維の繊維軸角度を説明するための模式図。

符号の説明

ａ：繊維軸
ｂ：不織布平面軸
ｃ：短繊維
θ：繊維軸角度

Claims

繊維径が５０００〜２００００ｎｍの繊維で構成され、かつ不織布平面軸に対する繊維軸角度が４０〜１４０度である繊維を５０〜８０重量％含有する不織布（Ａ）の層と、繊維径が１〜５００ｎｍの繊維で構成されるナノファイバー不織布（Ｂ）の層とが少なくとも２層以上積層してなる、高捕集効率と低圧力損失とを兼ね備えたフィルター。
不織布（Ａ）の層と、ナノファイバー不織布（Ｂ）の層とが、その層間で実質的に接着している、請求項１または２に記載の高捕集効率と低圧力損失とを兼ね備えたフィルター。
不織布（Ａ）の目付が１０〜２５０ｇ／ｍ^２であり、ナノファイバー不織布（Ｂ）の目付が０．０１〜１．０ｇ／ｍ^２である、請求項１または２に記載の高捕集効率と低圧力損失とを兼ね備えたフィルター。
不織布（Ａ）がエアレイド法により作製された不織布である、請求項１〜３のいずれかに記載の高捕集効率と低圧力損失とを兼ね備えたフィルター。
ナノファイバー不織布（Ｂ）がエレクトロスピニング法により作製された不織布である、請求項１〜４のいずれかに記載の高捕集効率と低圧力損失とを兼ね備えたフィルター。