JP5009479B2 - 空気の流れを濾過してその流れの中に混入している粒子状物質を除去するためのエアフィルタ・アセンブリ - Google Patents

Description

【０００１】
本願は、米国内の企業であり米国に居所を有するＤｏｎａｌｄｓｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｉｎｃ．の名義で、米国を除く全ての国を指定国として２００１年８月１０日にＰＣＴ国際特許出願として出願されたものであり、かつ２０００年９月５日出願の米国出願第６０／２３０，１３８号および２００１年５月３１日出願の米国出願第０９／８７１，５７５号に基づく優先権を主張するものである。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、フィルタ装置およびフィルタ方法に関する。より詳細には、本発明は、気体流の流れ、例えば空気の流れから粒子状物質を取り除く（濾過する）ための装置に関する。また本発明は、そのような気体流の流れから粒子状物質を望ましい状態で除去するための方法に関する。
【０００３】
本発明は、本発明の譲受人であるミネソタ州ミネアポリスのＤｏｎａｌｄｓｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｉｎｃ．が現在開発中のものである。この開示は、一部が米国特許：Ｂ２ ４，７２０，２９２；意匠第４１６，３０８号；第５，６１３，９９２号；第４，０２０，７８３号；および第５，１１２，３７２号に特徴付けられた内容に関係する継続中の技術開発に関する。前述の文章で特定された特許のそれぞれは、やはりミネソタ州ミネアポリスのＤｏｎａｌｄｓｏｎ，Ｉｎｃ．が所有するものであり、それぞれの完全な開示を参照により本明細書に組み込む。
【０００４】
本発明は、熱、湿度、反応性物質、および機械的応力に対する環境安定性を高めた状態で製造することができるポリマー材料にも関する。そのような材料は、安定性および強度が高められたマイクロファイバやナノファイバ材料などのファインファイバを形成する際に使用することができる。ファイバのサイズが小さくなるにつれ、材料の残存性が徐々に大きい問題になりつつある。そのようなファインファイバは様々な適用例で有用である。ある適用例では、このファインファイバ技術を使用してフィルタ構造を作製することができる。本発明は、ポリマー、ポリマー組成物、ファイバ、フィルタ、フィルタ構造、およびフィルタ方法に関する。本発明の適用例は、特に、流体の流れ、例えば空気の流れや液体（例えば非水性または水性）の流れから粒子を取り除く（濾過する）ことに関する。記述される技法は、フィルタ媒体（メディア：ｍｅｄｉａ／ｍｅｄｉｕｍ）中に１つまたは複数のファインファイバ層を有する構造に関する。組成物およびファイバのサイズは、性質および残存性の組合せに対して選択される。
【０００５】
（発明の背景）
気体中に浮遊する粒子状物質は多くの産業で見られる。いくつかの産業では、そのような粒子状物質は回収されるべき価値ある生成物であり、例えばデンプンである。金属加工工業などのその他の産業では、粒子状物質は空気から除去されるべき単なる塵埃と考えられる。粒子状物質を含む空気または気体の流れを清浄化するためのシステムは、ハウジング内に配置されたフィルタエレメント（フィルタエレメント）を有するエアフィルタ・アセンブリを含む。フィルタエレメントは、適切な布地またはひだ付きペーパのバッグまたはソックス状のものでよい。クリーニングは、フィルタエレメントを通る空気流が逆向きになるように、加圧空気の短い噴流をフィルタエレメント内部に定期的にパルス送出することによって行われる。そのようなエアフィルタ・アセンブリは、例えば米国特許第４，２１８，２２７号や米国特許第４，３９５，２６９号に開示されており、これらの特許を本明細書に参照により組み込む。
【０００６】
加圧空気の噴流をフィルタエレメントに向け、空気がフィルタエレメントから出るときに圧力エネルギーを回復させるため、ベンチュリエレメント（要素）がときどき使用される。しばしばベンチュリエレメントの入口端は、フィルタチャンバの外側にあり、またはフィルタエレメントの内部に延在する。例えば米国特許第４，２１８，２２７号は、べンチュリエレメントの入口がフィルタエレメントの反対側のフィルタ・チャンバの仕切りの側に支持されているベンチュリを取り付けることを開示している。米国特許第３，２１８，２２７号は、ベンチュリ入口部分がフィルタエレメントの内部に延在するベンチュリエレメントを開示している。
【０００７】
本発明は、ファイバ、マイクロファイバ、ナノファイバ、ファイバ・ウェブ、繊維状マット、膜やコーティング、被膜などの透過性構造の形成を含めた様々な適用例で使用することができる、改善された性質を有するポリマー組成物に関する。本発明のポリマー材料は、様々な物理的形状または形態のポリマー材料が、湿度、熱、空気流、化学的および機械的応力または衝撃による悪影響に耐えることが可能な物理的性質を有する組成物である。
【０００８】
不織布ファインファイバフィルタ媒体（メディア：ｍｅｄｉａ／ｍｅｄｉｕｍ）の形成には、ガラス繊維、金属、セラミックス、および広範囲にわたるポリマー組成物を含む様々な材料が使用されている。直径が小さいマイクロファイバおよびナノファイバの製造には、様々な技法が使用されている。ある方法は、材料を、溶融材料として、または後で蒸発させる溶液中に溶かした状態で、微細なキャピラリまたは開口に通すことを含む。ファイバは、ナイロンなど合成繊維の製造に一般的な「紡糸口金」を使用することによって形成することもできる。静電紡糸も知られている。そのような技法は、皮下針、ノズル、キャピラリ、または可動エミッタの使用を含む。これらの構造によれば、後で高電圧静電場によって収集ゾーンに引き付けられるポリマー溶液が得られる。材料がエミッタから引き離され、静電ゾーン内で加速するにつれ、ファイバは非常に細くなり、溶媒蒸発によってファイバ構造に形成することができる。フィルタ媒体にはより厳しい用途が考えられるので、１００°Ｆから２５０°Ｆ、最高３００°Ｆまでの高温、１０％から９０％、最高１００％ＲＨまでの高湿度、気体と液体の両方が高流量で、ミクロンおよびサブミクロンの微粒子（約０．０１ミクロンから１０ミクロンを超える範囲）を取り除き（濾過し）、研磨性および非研磨性で反応性および非反応性の微粒子を流体の流れから除去するという過酷な条件に耐えられるように、著しく改善された材料が必要である。
【０００９】
したがって、高温・高湿度で流量が大きく前記ミクロンおよびサブミクロンの粒状物質を含む流れを濾過するために、改善された性質をもたらすポリマー材料、ミクロファイバおよびナノファイバ材料とフィルタ構造が、非常に求められている。微粒子除去のため、様々なエアフィルタまたはガス・フィルタ装置が開発されてきた。しかし一般に、引き続き改良することが求められている。
【００１０】
（発明の概要）
ここでは、フィルタ装置の設計および適用例に関する一般的な技法について述べる。この技法は、好ましいフィルタ媒体を含む。一般に好ましい媒体は、バリア媒体、典型的にはひだ（ｐｌｅａｔ）付き媒体とファインファイバとをエアフィルタ内で有利にするために利用することに関する。フィルタ媒体は、少なくともマイクロファイバまたはナノファイバ・ウェブ層を基体材料と組み合わせて機械的に安定なフィルタ構造にしたものを含む。これらの層が一緒になると、気体や液体などの流体がフィルタ媒体を通過するときに、最小限の流動制限で多量の粒子を捕捉する優れたフィルタ効率を提供する。基体は、流体の流れの上流、下流、または内部中に位置決めすることができる。近年、様々な産業では、濾過のためにフィルタ媒体を使用することがかなり注目されており、すなわち気体や液体などの流体から望ましくない粒子を除去することに、関心が持たれている。一般的なフィルタプロセスは、空気の流れまたはその他の気体状の流れを含めた流体から、あるいは作動液や潤滑油、燃料、水の流れなどの液体の流れまたはその他の流体から微粒子を除去する。そのようなフィルタプロセスでは、マイクロファイバおよび基体材料が機械的に強く、化学的物理的に安定であることが必要である。フィルタ媒体は、広範囲に及ぶ温度条件、湿度、機械的振動および衝撃、また、流体の流れに混入した反応性および非反応性の研磨性または非研磨性の微粒子に曝される可能性がある。さらにフィルタ媒体は、フィルタ媒体を逆圧パルスに曝す自己清浄能力（流体の流れを短時間逆方向にして、微粒子の表面コーティングを除去する）、または混入している微粒子をフィルタ媒体の表面から除去することができるその他のクリーニング機構をしばしば必要とする。そのような逆クリーニングによれば、パルス・クリーニング後の圧力低下を改善すること、すなわち減少させること、ができる。粒子捕捉効率は、典型的な場合パルス・クリーニング後に改善されないが、パルス・クリーニングは圧力低下を減少させ、フィルタ動作に必要なエネルギーが節約される。フィルタ媒体は、振動清浄法、すなわち媒体を振動させて表面に収集された微粒子をばらばらにする方法を使用して、清浄にすることができる。そのようなフィルタは、保守のため、および水性または非水性のクリーニング用組成物中でクリーニングするために取り外すことができる。そのような媒体は、ファインファイバを紡糸し、次いでマイクロファイバの格子状ウェブを多孔質の基体上に形成することによって、しばしば製造される。紡糸プロセスでは、ファイバはファイバ間に物理的結合を形成することができ、それによって、ファイバ・マットを一体化した層に結合させる。次いでそのような材料を、カートリッジや平らなディスク、キャニスタ、パネル、バッグ、ポーチなどの所望のフィルタ形態に作製することができる。そのような構造内で、媒体を実質上ひだ付きのロール形にすることができ、または別の手法で基体構造上に位置決めすることができる。
【００１１】
本発明は、改善されたポリマー材料を提供する。このポリマーは、改善された物理的化学的安定性を有する。ポリマー・ファインファイバ（０．０００１〜１０ミクロン、０．００５〜５ミクロンまたは０．０１〜０．５ミクロン）は、有用な製品形態に作り上げることができる。ナノファイバは、直径が２００ナノメータ未満（約０．２ミクロン）のファイバである。ミクロファイバは、直径が０．２ミクロンより大きいが１０ミクロン以下のファイバである。このファインファイバは、改善された多層のミクロフィルタ媒体構造の形に作製することができる。本発明のファインファイバ層は、結合して絡み合った状態のネットを形成することができるファインファイバのランダム分布を含む。微粒子の通過をファインファイバが阻む結果、高いフィルタ性能が得られる。剛性、強度、透過性といった構造上の性質は、ファインファイバが接着される基体によって得られる。ファインファイバが絡み合った網状組織は、重要な特徴として、マイクロファイバまたはナノファイバの形をとるファインファイバと、そのファイバ間にある比較的小さいスペースを有する。そのようなスペースは一般に、ファイバ間において、約０．０１ミクロンから約２５ミクロンに及び、またはしばしば約０．１ミクロンから約１０ミクロンに及ぶ。ファインファイバ層およびセルロース層を含むフィルタ製品は薄く、適切な基体の選択の余地がある。ファインファイバに基体を加えたフィルタ媒体全体の厚さは、ファインファイバによってミクロン未満だけ増加する。使用中、フィルタは、ファインファイバ層を通過して流入する微粒子を止めることができ、捕捉された粒子の十分な表面負荷を得ることができる。ダストまたはその他の流入微粒子を含む粒子は、ファインファイバの表面にダスト・ケーキを素早く形成し、微粒子を除去するための初期効率および全体効率が高く維持される。粒径が約０．０１〜約１ミクロンの比較的微細な汚染物質であっても、ファインファイバを含むフィルタ媒体は、非常に高いダスト容量を有する。
【００１２】
本明細書に開示されるポリマー材料は、熱、湿度、高流量、逆パルス・クリーニング、動作上の摩耗、サブミクロン粒子、使用中のフィルタのクリーニング、およびその他の厳しい条件による望ましくない影響に対する抵抗性が、大幅に改善された。改善されたマイクロファイバおよびナノファイバの性能は、このマイクロファイバまたはナノファイバを形成するポリマー材料の特性を改善することによって得られる。さらに、本発明の改善されたポリマー材料を使用した本発明のフィルタ媒体は、研磨性微粒子と、ばらばらのファイバまたはフィブリルを含まない滑らかな外面の存在下、高効率、低い流量制限、高い耐久性（応力に関係する、または環境に関係する）を含めた、いくつかの有利な特徴をもたらす。フィルタ材料の構造全体は、全体的により薄い媒体を提供し、単位体積当たりの媒体面積が広くなり、媒体を通る速度が遅くなり、フィルタ効率が高くなり、かつ流量制限が低くなる。
【００１３】
本発明の好ましい形態は、第１のポリマーと、これとは異なる第２のポリマー（ポリマーのタイプ、分子量、または物理的性質が異なる）であって、高温で調製されまたは処理されたものを含むポリマー・ブレンドである。ポリマー・ブレンドは、反応させて単一の化学種に形成することができ、またはアニール・プロセスによって物理的に結合（ｃｏｍｂｉｎｅｄ）させ、それによってブレンド済みの組成物にすることができる。アニールとは、結晶化度や応力緩和、配向などの、物理的変化を意味する。示差走査熱量計分析によって単一のポリマー材料であることが明らかにされるように、好ましい材料を化学的に反応させて単一のポリマー種にする。そのような材料は、好ましい添加剤材料と合わせた場合、疎油性、疎水性、または高温多湿の厳しい動作条件に接触させたときにその他の関連する改善された安定性をもたらす添加剤の表面コーティングを、マイクロファイバの表面に形成することができる。このクラスの材料のファインファイバは、直径が２ミクロンから０．０１ミクロン未満でよい。そのようなマイクロファイバは、部分的にポリマー表面に溶解しまたはポリマー表面とアロイ状態になり、あるいはその両方の状態になる、添加剤材料の別個の層または添加剤材料の外部コーティングを含んだ滑らかな表面を有することができる。ブレンド・ポリマー系で使用される好ましい材料には、ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン６−１０、ナイロン（６−６６−６１０）コポリマー、およびその他の直線状の、一般に脂肪族のナイロン組成物が含まれる。好ましいナイロンコポリマー樹脂（ＳＶＰ−６５１）の分子量を、末端基滴定により分析した（Ｊ．Ｅ．ＷａｌｚおよびＧ．Ｂ．Ｔａｙｌｏｒ、ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ｎｙｌｏｎ、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．Ｖｏｌ．１９、Ｎｕｍｂｅｒ ７、第４４８〜４５０ページ（１９４７））。数平均分子量（Ｗ_ｎ）は、２１，５００から２４，８００の間であった。組成物を、３成分ナイロン、すなわちナイロン６が約４５％、ナイロン６６が約２０％、ナイロン６１０が約２５％の溶融温度の状態図によって評価した（第２８６ページ、Ｎｙｌｏｎ Ｐｌａｓｔｉｃｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ、Ｍｅｌｖｉｎ Ｋｏｈａｎ編、Ｈａｎｓｅｒ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（１９９５））。
【００１４】
報告されたＳＶＰ６５１樹脂の物理的性質は、以下の通りである。
【００１５】
【表１】

【００１６】
そのようなポリマー系には、加水分解の程度が８７〜９９．９＋％のポリビニルアルコールを使用することができる。これらは架橋していることが好ましい。またこれらは、相当な量の疎油性および疎水性の添加材料に架橋して結合していることが最も好ましい。
【００１７】
本発明の別の好ましい形態は、ファイバの寿命または動作上の性質が改善されるよう、添加剤組成物に結合した単一のポリマー材料を含む。本発明のこの態様に有用な好ましいポリマーには、ナイロン・ポリマー、ポリ塩化ビニリデンポリマー、ポリフッ化ビニリデンポリマー、ポリビニルアルコールポリマーが含まれ、特に、疎油性および疎水性が高い添加剤と合わせた場合にはこれら列挙された材料が含まれ、添加剤材料がファインファイバの表面にコーティングして形成されているマイクロファイバまたはナノファイバを得ることができる。この場合も、同様のナイロン、同様のポリ塩化ビニルポリマーのブレンド、ポリ塩化ビニリデンポリマーのブレンドが、本発明では有用である。さらに、異なるポリマーのポリマー・ブレンドまたはアロイも本発明により企図される。この点に関しては、相溶性のポリマーの混合物が、本発明のマイクロファイバ材料を形成する際に有用である。フッ素系界面活性剤、非イオン性界面活性剤、低分子量樹脂（例えば）分子量が約３０００未満の第３級ブチルフェノール樹脂などの添加剤組成物を使用することができる。この樹脂は、メチレン架橋基が存在しない状態でフェノール核同士がオリゴマー結合していることを特徴とする。ヒドロキシル基および第３ブチル基の位置は、環の周りにランダムに位置決めすることができる。フェノール核同士の結合は常にヒドロキシル基の隣で生じ、ランダムではない。同様に、ポリマー材料は、ビスフェノールＡから形成されたアルコール可溶性の非直線状ポリマー樹脂と組み合わせることができる。そのような材料は、アルキレン基やメチレン基などのいかなる架橋基も存在しない状態で芳香環と芳香環を直接結び付けるオリゴマー結合を使用して形成される点が、上述の第３級ブチルフェノール樹脂と同様である。
【００１８】
本発明の特に好ましい材料は、寸法が約０．０１〜２ミクロンのマイクロファイバ材料を含む。最も好ましいファイバのサイズは、０．０５ミクロン〜０．５ミクロンの範囲である。そのような好ましいサイズのファイバは、優れたフィルタ機能をもたらし、逆パルス・クリーニングおよびその他の態様を容易にする。本発明の非常に好ましいポリマー系は、セルロース系基体に接触したときに、その基体にしっかりと結合して逆パルス・クリーニングおよびその他の機械的応力による層剥離に耐えることができるようその基体に十分な強度で接着するような、接着特性を有する。そのような形態では、ポリマー材料は、フィルタ構造上で逆方向であること以外は典型的なフィルタ条件に実質上等しいパルス・クリーン入力を受けながら、基体に取着されたままでなければならない。そのような接着は、ファイバが基体に接触するときのファイバ形成時の溶媒効果により、または基体上のファイバを熱または圧力で後処理することにより、行うことができる。しかしポリマー特性は、水素結合のような特定の化学的相互作用、Ｔｇよりも高くまたは低い温度で生じるポリマーと基体との接触、添加剤を含むポリマー形成などの接着性を決定する際に、重要な役割を果たすと考えられる。接着時に溶媒または水蒸気で可塑化したポリマーは、接着性を増大させることができる。
【００１９】
本発明の重要な態様は、フィルタ構造に形成されたそのようなマイクロファイバまたはナノファイバ材料を有効利用できることである。そのような構造では、本発明のファインファイバ材料をフィルタ基体上に形成して接着させる。スパン・ボンデッド・ファブリック、合成繊維の不織布、セルロース系、合成、およびガラス繊維のブレンドから作製された不織布、ガラス不織および織布、押し出されかつ穴があけられた材料のようなプラスチック・スクリーン、有機ポリマーのＵＦおよびＭＦ膜など、天然繊維および合成繊維の基体を使用することができる。流れの中に懸濁しまたは混入した微粒子をその流れから除去するため、シート状基体またはセルロース系不織ウェブを、空気の流れまたは液体の流れを含めた流体の流れの中に配置されるフィルタ構造に形成することができる。フィルタ材料の形状および構造は、設計技術者いかんによる。形成後のフィルタエレメントの１つの重要なパラメータは、熱、湿度、またはその両方の影響に対する抵抗性である。本発明のフィルタ媒体の一態様は、長時間にわたる温水への浸漬に耐えられるかどうか、試験をすることである。浸漬試験は、ファインファイバが高温多湿の条件に耐えられるかどうか、また、強力なクリーニング用界面活性剤および強アルカリ性材料をかなりの割合で含有する可能性のある水溶液中でのフィルタエレメントのクリーニングに耐えられるかどうかに関し、価値ある情報を提供することができる。本発明のファインファイバ材料は、基体の表面に形成されたファインファイバを少なくとも５０％保ちながら、温水への浸漬に耐えられることが好ましい。少なくとも５０％のファインファイバが保たれることによって、フィルタ能力を失うことなく、または背圧を増大させることなく、十分なファイバ効率を維持することができる。少なくとも７５％保たれることが、最も好ましい。
【００２０】
（発明の詳細な説明）
本発明のマイクロファイバまたはナノファイバを含有する層を構成するファインファイバは、ファイバでよく、直径は約０．００１〜２ミクロン、好ましくは０．０５〜０．５ミクロンでよい。典型的なファインファイバフィルタ層の厚さはファイバ直径の約１〜１００倍に及び、その坪量は約０．０１〜２４０μｇ／ｃｍ ² に及ぶ。
【００２１】
空気や気体の流れなどの流体の流れは、その内部にしばしば粒子状物質を含有する。粒子状物質の一部または全ては、流体の流れから除去する必要がある。例えば、モータ作動式車両のキャビン（客室）への吸気流、コンピュータ・ディスク・ドライブ内の空気、ＨＶＡＣの空気、フィルタ・バッグ、バリア用布地、織布を使用したクリーン・ルームの換気および施工、モータ作動式車両用エンジンまたは発電装置への空気、ガス・タービンに向けられた気体の流れ、様々な燃焼炉への空気の流れは、その内部にしばしば粒子状物質を含んでいる。キャビンのエアフィルタの場合、乗客が快適であるように、かつ／または美的な観点から、粒子状物質を除去することが望ましい。エンジン、ガス・タービン、および燃焼炉への空気および気体の吸入流に関しては、微粒子によって、関係する様々な機構の内部の仕組みにかなりの損傷が生じる可能性があるので、粒子状物質を除去することが望ましい。その他の場合、工業プロセスまたはエンジンからの生成ガスまたは排ガスは、その内部に粒子状物質を含有する可能性がある。そのようなガスは、様々な下流装置を通して大気中に排出することができ、または排出すべきであるが、その前に、これらの流れから粒子状物質を実質上除去することが望ましいと考えられる。
【００２２】
エアフィルタ設計の基本原理および問題のいくつかの一般的な理解は、以下のタイプのフィルタ媒体、すなわち表面負荷媒体と深さ媒体を考えることによって、理解することができる。これらのタイプの媒体のそれぞれは十分に研究されており、それぞれ広く利用されている。これらに関するある特定の原理が、例えば米国特許第５，０８２，４７６号、第５，２３８，４７４号、および第５，３６４，４５６号に記載されている。これら３つの特許の完全な開示を、参照により本明細書に組み込む。
【００２３】
フィルタの「寿命」は、一般に、フィルタを横切る選択された限界の圧力低下によって定められる。フィルタを横切る圧力増大は、その適用例またはデザインに応じて定められたレベルでの寿命を規定する。この圧力増大は負荷がかかることによって生じるので、システムの効率が等しい場合、より長い寿命であることは一般により高い能力に直接関連する。効率とは、媒体が微粒子を通過させるのではなくて捕捉する傾向をいう。一般に、気体流の流れから微粒子を除去する際のフィルタ媒体の効率が高いほど、概してフィルタ媒体はより素早く「寿命」圧力差に近付くことになる（他の変数は一定に保たれると仮定する）ことは明らかであろう。本願で、「フィルタ目的のために変化しない」という文言は、選択された適用例に必要とされるように、流体の流れから微粒子を除去するのに十分な効率が維持されることを指す。本発明のフィルタの基体上に形成されたファインファイバ層は、フィルタ性能とファイバの位置の双方が実質上均一であるべきである。実質上均一とは、ファイバが基体を十分コーティングして、その覆われた基体全体を通して少なくとも若干の測定可能なフィルタ効率を有することを意味する。広く様々なファイバの添加量で、適切な濾過を行うことができる。したがってファインファイバ層は、ファイバのコーティング面積、坪量、層の厚さ、またはその他のファイバ添加量の測定値を様々にすることができ、それでもなお本発明の範囲内に十分包含されるものである。ファイバの添加量が比較的少ない場合であっても、フィルタ構造全体の効率を高めることができる。
【００２４】
ポリマー材料は、不織布および織布、ファイバおよびマイクロファイバに作製されてきた。ポリマー材料は、製品の安定性に必要とされる物理的な性質を提供する。これらの材料は、日光、湿度、高温、またはその他のネガティブな環境上の影響のもと、その寸法が大幅に変化してはならず、分子量が低下してはならず、可撓性が低下してはならず、あるいは応力亀裂または物理的劣化が生じてはならない。本発明は、環境内の光などの電磁放射線の入射、熱、湿度、およびその他の物理的な問題に直面した場合に物理的性質を維持することができる、改善されたポリマー材料に関する。
【００２５】
本発明のポリマー組成物に使用することができるポリマー材料には、付加重合体（付加ポリマー）材料と縮合重合体（縮合ポリマー）の材料の両方が含まれ、例えばポリオレフィンやポリアセタール、ポリアミド、ポリエステル、セルロースエーテルおよびエステル、ポリアルキレンスルフィド、ポリアリーレンオキシド、ポリスルホン、変性ポリスルホンポリマー、およびこれらの混合などが含まれる。これらの一般的なクラスに包含される好ましい材料には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ（塩化ビニル）、ポリメチルメタクリレート（およびその他のアクリル樹脂）、ポリスチレン、およびこれらのコポリマー（ＡＢＡタイプのブロックコポリマーを含む）、ポリ（フッ化ビニリデン）、ポリ（塩化ビニリデン）、様々な程度に加水分解した（８７％〜９９．５％）ポリビニルアルコールであって、架橋した形および架橋していない形のものが含まれる。好ましい付加重合体は、ガラス状になる傾向がある（Ｔｇが室温よりも高い）。これは、ポリ塩化ビニルおよびポリメチルメタクリレート、ポリスチレンポリマーの組成物またはアロイの場合に生じ、ポリフッ化ビニリデンおよびポリビニルアルコール材料の場合には結晶化度が低くなる。ポリアミド縮合重合体の１つのクラスは、ナイロン材料である。「ナイロン」という用語は、全ての長鎖合成ポリアミドの総称である。一般にナイロンという呼称には、出発材料がＣ_６ジアミンおよびＣ_６の２価の酸であることを示すナイロン６，６のように、一連の番号が含まれる（第１の桁は示すＣ_６ジアミンを示し、第２の桁はＣ_６ジカルボン酸を示す）。別のナイロンは、少量の水の存在下でε−カプロラクタムを縮重合することによって作製することができる。この反応によって、直線状ポリアミドであるナイロン６（環状ラクタムから形成され、ε−アミノカプロン酸とも呼ばれる）が形成される。さらに、ナイロンコポリマーも考えられる。コポリマーは、様々なジアミン化合物、様々な２価の酸の化合物、および様々な環状ラクタム構造を反応混合物で結合させ、次いでポリアミド構造中にランダムに位置決めされたモノマー材料でナイロンを形成することによって、作製することができる。例えばナイロン６，６−６，１０の材料は、ヘキサメチレンジアミンと、Ｃ_６およびＣ_１０の２価の酸のブレンドから製造されたナイロンである。ナイロン６−６，６−６，１０は、ε−アミノカプロン酸と、ヘキサメチレンジアミンと、Ｃ_６およびＣ_１０の２価の酸の材料のブレンドから製造されたナイロンである。
【００２６】
ブロックコポリマーは、本発明のプロセスにおいても有用である。そのようなコポリマーでは、物質を膨潤させる溶媒の選択が重要である。選択される溶媒は、両方のブロックを溶媒に溶解させるようなものである。一例は、ＡＢＡ（スチレン−ＥＰ−スチレン）ポリマーまたはＡＢ（スチレン−ＥＰ）ポリマーを塩化メチレン溶媒に溶解させたものである。１つの成分が溶媒に溶解しない場合、ゲルが形成される。そのようなブロックコポリマーの例として、Ｋｒａｔｏｎ（登録商標）タイプのスチレン−ｂ−ブタジエン、スチレン−ｂ−水素化ブタジエン（エチレンプロピレン）、Ｐｅｂａｘ（登録商標）タイプのｅ−カプロラクタム−ｂ−エチレンオキシド、Ｓｙｍｐａｔｅｘ（登録商標）のポリエステル−ｂ−エチレンオキシド、エチレンオキシドとイソシアネートのポリウレタンがある。
【００２７】
付加重合体、例えばポリフッ化ビニリデンやシンジオタクチックポリスチレン、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンのコポリマー、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、と、非晶質付加重合体、例えばポリ（アクリロニトリル）と、そのアクリル酸およびメタクリレートとのコポリマー、ポリスチレン、ポリ（塩化ビニル）、およびその様々なコポリマー、ポリ（メチルメタクリレート）、およびその様々なコポリマーは、低圧および低温で可溶であるので、比較的容易に溶液紡糸することができる。しかし、ポリエチレンやポリプロピレンのような高度に結晶化したポリマーは、それらを溶液紡糸する場合には高温高圧の溶媒を必要とする。したがって、ポリエチレンおよびポリプロピレンの溶液紡糸は非常に困難である。電界溶液紡糸は、ナノファイバおよびマイクロファイバを作製する一方法である。
【００２８】
本発明者等は、ポリマー混合物、アロイ形態中に、または架橋した化学結合構造中に２種以上のポリマー材料を含むポリマー組成物を形成することの相当な利点も見出した。本発明者等は、そのようなポリマー組成物がポリマーの属性を変えることによって物理的性質を改善すると考え、例えば、ポリマー鎖の柔軟性または鎖の移動性が改善され、全体的な分子量が増加し、ポリマー材料の網状組織の形成により強化されると考えている。
【００２９】
この概念の一実施形態では、有益な性質を得るために、２つの関連するポリマー材料をブレンドすることができる。例えば、高分子量のポリ塩化ビニルを低分子量のポリ塩化ビニルとブレンドすることができる。同様に、高分子量のナイロン材料を低分子量のナイロン材料とブレンドすることができる。さらに、一般的なポリマーの種類の中でも異なる種類のものをブレンドすることができる。例えば高分子量のスチレン材料を、低分子量の耐衝撃性ポリスチレンとブレンドすることができる。ナイロン６の材料は、ナイロン６；６，６；６，１０コポリマーなどのナイロンコポリマーとブレンドすることができる。さらに、８７％が加水分解したポリビニルアルコールのように、加水分解の程度が低いポリビニルアルコールは、加水分解の程度が９８％から９９．９％の間、またはそれ以上の、完全にまたは高度に加水分解したポリビニルアルコールとブレンドすることができる。混合物中のこれらの材料の全ては、適切な架橋機構を使用して架橋することができる。ナイロンは、アミド結合中の窒素原子と反応する架橋剤を使用して、架橋することができる。ポリビニルアルコール材料は、モノアルデヒドなど、例えばホルムアルデヒドや、尿素、メラミンホルムアルデヒド樹脂およびその類似体、ホウ酸、およびその他の無機化合物、ジアルデヒド、２価の酸、ウレタン、エポキシ、およびその他の既知の架橋剤など、ヒドロキシル反応性材料を使用して架橋することができる。架橋技術は十分に知られており理解されている現象であって、架橋試薬が反応してポリマー鎖同士の間に共有結合を形成し、それによって、分子量、耐薬品性、全体強度、機械的劣化に対する抵抗力が大幅に改善されるものである。
【００３０】
本発明者等は、添加された材料が、ファインファイバの形をとるポリマー材料の性質を著しく改善することを見出した。熱、湿度、衝撃、機械的応力の影響、およびその他の負の環境の影響に対する抵抗力は、添加された材料を存在させることによって著しく改善することができる。本発明者等は、本発明のマイクロファイバ材料を加工しながら、添加された材料が疎油性および疎水性を改善することができ、材料の化学的安定性の改善を助けることができるようになることを見出した。本発明者等は、これら疎油性および疎水性の添加剤が保護層のコーティング・アブレティブ（ａｂｌａｔｉｖｅ）表面を形成し、またはその表面から若干の深さまで浸透してポリマー材料の性質を改善するので、これらの添加剤を存在させることによって、マイクロファイバの形をとる本発明のファインファイバの性質が改善されると考えている。本発明者等は、これらの材料の重要な特徴は、非常に疎水性の高い基であって好ましくは疎油性も有することができる疎水基が存在することであると考える。疎水性が非常に高い基には、フルオロカーボン基、疎水性炭化水素界面活性剤またはブロック、および実質上の炭化水素オリゴマー組成物が含まれる。これらの材料は、一般にポリマーとの物理的な結合または会合が得られるように、ポリマー材料に対して相溶性の傾向がある分子の一部を有する組成物に製造されるが、疎水性または疎油性が非常に高い基は、添加剤がポリマーと会合する結果、その表面に保護表面層を形成し、またはポリマー表面層とのアロイまたは混合物を形成するようになる。添加剤のレベルが１０％の０．２ミクロンのファイバでは、添加剤が表面に向かって移行した場合、表面の厚さが５０Å程度になるよう計算される。移行は、バルク材料中で疎油性または疎水性の基が非相溶性であることにより生じると考えられる。５０Åの厚さは、保護コーティングに妥当な厚さであると考えられる。直径０．００５ミクロンのファイバでは、５０Åの厚さは２０質量％に相当する。厚さ２ミクロンのファイバでは、５０Åの厚さは２質量％に相当する。添加剤材料は、約２〜２５重量％の量で使用されることが好ましい。本発明のポリマー材料と組み合わせて使用することができるオリゴマー添加剤には、フッ素系化学物質、非イオン性界面活性剤、および低分子量の樹脂またはオリゴマーを含む、分子量が約５００〜約５０００、好ましくは約５００〜約３０００のオリゴマーが含まれる。
【００３１】
本発明で有用なフッ素系有機湿潤剤は、式
Ｒ_ｆ−Ｇ
で表される有機分子であり、ただしＲ_ｆはフルオロ脂肪族ラジカルであり、Ｇは、カチオン基、アニオン基、非イオン性基、または両性基など、少なくとも１個の親水基を含有する基である。非イオン性材料が好ましい。Ｒ_ｆは、少なくとも２個の炭素原子を含有する、フッ素化した１価の脂肪族有機ラジカルである。これは、飽和パーフルオロ脂肪族の１価の有機ラジカルであることが好ましい。しかし、水素原子または塩素原子を、骨格鎖上に置換基として存在させることができる。多数の炭素原子を含有するラジカルは十分に機能することができるが、大きいラジカルの場合、通常は骨格鎖が短い場合に可能であるよりもフッ素を十分に利用できないので、約２０個以下の炭素原子を含有することが好ましい。Ｒ_ｆは、炭素原子を約２〜８個含有することが好ましい。
【００３２】
本発明で使用されるフッ素系有機剤に使用可能なカチオン基には、アミンまたは第４級アンモニウムカチオン基であって、酸素を含まず（例えば−ＮＨ_２）または酸素を含有する（例えばアミンオキシド）ことができるものが含まれる。そのようなアミンおよび第４級アンモニウムカチオン親水基は、式−ＮＨ_２、−（ＮＨ_３）Ｘ、−（ＮＨ（Ｒ^２）_２）Ｘ、−（ＮＨ（Ｒ^２）_３）Ｘ、または−Ｎ（Ｒ_２）_２→Ｏで表すことができ、ただしｘは、ハロゲン化物、水酸化物、スルフェート、重硫酸塩、またはカルボキシレートなどのアニオン性対イオンであり、Ｒ^２はＨまたはＣ_１〜１８アルキル基であり、各Ｒ^２は他のＲ^２基と同じかまたは異なるものにすることができる。Ｒ^２はＨまたはＣ_１〜１６アルキル基であり、Ｘはハロゲン化物、水酸化物、または重硫酸塩であることが好ましい。
【００３３】
本発明で使用されるフッ素系有機湿潤剤に使用可能なアニオン基には、イオン化によってアニオンラジカルになることができる基が含まれる。アニオン基は、−ＣＯＯＭ、−ＳＯ_３Ｍ、−ＯＳＯ_３Ｍ、−ＰＯ_３ＨＭ、−ＯＰＯ_３Ｍ_２、または−ＯＰＯ_３ＨＭなどの式を有することができ、ただしＭはＨ、金属イオン、（ＮＲ^１ _４）^＋、または（ＳＲ^１ _４）^＋であり、各Ｒ^１は独立にＨ、あるいは置換されまたは置換されていないＣ_１〜Ｃ_６アルキルである。Ｍは、Ｎａ^＋またはＫ^＋であることが好ましい。本発明で使用されるフッ素系有機湿潤剤の好ましいアニオン基は、式−ＣＯＯＭまたは−ＳＯ_３Ｍを有する。アニオン性のフッ素系有機湿潤剤の基は、一般に、エチレン不飽和モノカルボン酸およびジカルボン酸モノマーであってそこにフルオロカーボン側基が結合しているモノマーから製造されるアニオン性ポリマー材料を含む。そのような材料には、３Ｍ社から得られるＦＣ−４３０およびＦＣ−４３１と呼ばれる界面活性剤が含まれる。
【００３４】
本発明で使用されるフッ素系有機湿潤剤に使用可能な両性基には、上記定義された少なくとも１個のカチオン基と、上記定義された少なくとも１個のアニオン基を含有する基が含まれる。
【００３５】
本発明で使用されるフッ素系有機湿潤剤に使用可能な非イオン性基には、親水性であるが農業で通常使用されるｐＨ条件下ではイオン化しない基が含まれる。非イオン性基は、−Ｏ（ＣＨ_２ＣＨ_２）_ｘＯＨであってｘが１より大きいものや、−ＳＯ_２ＮＨ_２、−ＳＯ_２ＮＨＣＨ_２ＣＨ_２ＯＨ、−ＳＯ_２Ｎ（ＣＨ_２ＣＨ_２Ｈ）_２、−ＣＯＮＨ_２、−ＣＯＮＨＣＨ_２ＣＨ_２ＯＨ、または−ＣＯＮ（ＣＨ_２ＣＨ_２ＯＨ）_２などの式を有するものでよい。そのような材料の例には、以下の構造の材料が含まれる。
【００３６】
Ｆ（ＣＦ_２ＣＦ_２）_ｎ−ＣＨ_２ＣＨ_２Ｏ−（ＣＨ_２ＣＨ_２Ｏ）_ｍ−Ｈ
ただしｎは２〜８であり、ｍは０〜２０である。
【００３７】
その他のフッ素系有機湿潤剤には、例えば米国特許第２，７６４，６０２号、第２，７６４，６０３号、第３，１４７，０６４号、および第４，０６９，１５８号に記載されているカチオン性フルオロケミカルが含まれる。そのような両性フッ素系有機湿潤剤には、例えば米国特許第２，７６４，６０２号、第４，０４２，５２２号、第４，０６９，１５８号、第４，０６９，２４４号、第４，０９０，９６７号、第４，１６１，５９０号、および第４，１６１，６０２号に記載されている両性フルオロケミカルが含まれる。そのようなアニオン性フッ素系有機湿潤剤には、例えば米国特許第２，８０３，６５６号、第３，２５５，１３１号、第３，４５０，７５５号、および第４，０９０，９６７号に記載されているアニオン性フルオロケミカルが含まれる。
【００３８】
そのような材料の例には、ｄｕＰｏｎｔ Ｚｏｎｙｌ ＦＳＮおよびｄｕＰｏｎｔ Ｚｏｎｙｌ ＦＳＯ非イオン性界面活性剤がある。本発明のポリマーに使用することができる添加剤の別の態様には、一般構造が
ＣＦ_３（ＣＸ_２）_ｎ−アクリレート
であり、ただしＸが−Ｆまたは−ＣＦ_３、ｎが１〜７である、３ＭのＳｃｏｔｃｈｇａｒｄ材料などの低分子量フルオロカーボンアクリレート材料が含まれる。
【００３９】
さらに、低級アルコールエトキシレート、脂肪酸エトキシレート、ノニルフェノールエトキシレートなどを含む非イオン性炭化水素界面活性剤も、本発明の添加剤材料として使用することができる。このような材料の例には、Ｔｒｉｔｏｎ Ｘ−１００およびＴｒｉｔｏｎ Ｎ−１０１が含まれる。
【００４０】
本発明の組成物の添加剤材料として使用するのに役立つ材料は、第３級ブチルフェノールオリゴマーである。そのような材料は、分子量が比較的低い芳香族フェノール樹脂になる傾向がある。そのような樹脂は、酵素酸化カップリングによって調製されたフェノールポリマーである。メチレン架橋が存在しないと、独自の化学的物理的な安定性が得られる。これらのフェノール樹脂は、様々なアミンおよびエポキシと架橋することができ、様々なポリマー材料に対して相溶性がある。これらの材料は一般に、フェノール基および芳香族基を有するメチレン架橋基が存在しない繰返しモチーフのフェノール材料を特徴とする、以下の構造式によって例示される。
【００４１】
【化４】

【００４２】
上式で、ｎは２〜２０である。これらフェノール材料の例には、Ｅｎｚｏ−ＢＰＡ、Ｅｎｚｏ−ＢＰＡ／フェノール、Ｅｎｚｏ−ＴＢＰ、Ｅｎｚｏ−ＣＯＰ、およびその他関連するフェノール類が含まれ、これらはオハイオ州ＣｏｌｕｍｂｕｓのＥｎｚｙｍｏｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ．から得られた。
【００４３】
極めて広く様々な繊維状フィルタ媒体が種々の用途のため存在することを理解されたい。本発明で述べる耐久性あるナノファイバおよびマイクロファイバは、媒体のいずれかに添加することができる。本発明で述べるファイバは、これら既存の媒体のファイバ構成エレメント（要素）の代わりに使用することもでき、その直径が小さいので性能が改善されるといる利点が得られ（効率が高まり、かつ／または圧力低下が減少する）、それと共に耐久性がより向上したことが示される。
【００４４】
ポリマーナノファイバおよびマイクロファイバが知られているが、これらは表面積と体積の比が非常に大きいので、機械的応力に対して脆弱であり、また化学的分解を受け易く、そのためこれらファイバの用途には非常に制約があった。本発明で述べるファイバは、これらの制約に対処するものであり、したがって非常に広く様々なフィルタ、織物、膜、およびその他多様な適用例で使用可能になる。
【００４５】
（図面の詳細な説明）
このユニットのマイクロファイバまたはナノファイバは、静電紡糸プロセスによって形成することができる。ファイバの形成に適切な装置を図１に示す。この装置は、ファインファイバ形成ポリマー溶液が入っているリザーバ８０と、ポンプ８１と、ポリマー溶液が送出される回転式放出装置またはエミッタ４０を含む。エミッタ４０は一般に、回転ユニオン４１と、複数のオフセット・ホール４４を含む回転部分４２と、前面部分および回転ユニオンを接続するシャフト４３とからなる。回転ユニオン４１によって、ポリマー溶液は、中空シャフト４３を通して前面部分４２に導入される。ホール４４は、前面部分４２の周辺の周りに間隔を空けて配置されている。あるいは、回転部分４２を、リザーバ８０およびポンプ８１によって供給されたポリマーのリザーバに浸漬することができる。次いで回転部分４２はリザーバからポリマー溶液を得、その部分が電場内で回転するにつれ、溶液の小滴が静電場によって、以下に論じる収集媒体７０に向けて加速される。
【００４６】
エミッタ４０に面するように、しかしそこから間隔を空けて、略平面グリッド６０が配置されており、その表面には収集媒体７０（すなわち基体または結合基体）が位置決めされている。空気は、このグリッドを通して引き込むことができる。収集媒体７０は、グリッド６０の両端に隣接して位置決めされたローラ７１および７２の周りを通過する。エミッタ４０とグリッド６０の間では、適切な静電圧電源６１と、それぞれがグリッド６０およびエミッタ４０に接続される接続６２および６３とによって、高圧静電電位が維持される。
【００４７】
使用中、ポリマー溶液は、リザーバ８０から回転ユニオン４１またはリザーバに送出される。前面部分４２は回転するが、このとき液体はホール４４から出ていき、またはリザーバから引き上げられ、エミッタの外縁からグリッド６０上に位置決めされている収集媒体７０に向かって移動する。具体的には、グリッド６０とエミッタ４０との間の静電電位によって材料に電荷が与えられ、そこから液体が細いファイバとして放出されてグリッド６０に向かって引き出され、そこに到達すると基体１２または効率層１４上に収集される。溶融状態のポリマーの場合、溶媒は、ファイバがグリッド６０に飛ばされる間にファイバから蒸発し、したがってファイバは、基体１２または効率層１４に到達する。ファインファイバは、グリッド６０で最初に出会った基体ファイバに結合する。静電場の強度は、エミッタから収集気体７０へと加速されるにつれて、ポリマー材料が確実に得られるように選択されるが、この加速は、材料を非常に細いマイクロファイバまたはナノファイバ構造にするのに十分なものである。収集媒体の前進速度を速め、または遅くすることによって、放出されたファイバを形成媒体上に多かれ少なかれ成膜させることができ、それによって、その媒体上に成膜した各層の厚さを制御することが可能になる。回転部分４２は、様々な有益な位置を有することができる。回転部分４２は、回転平面内に、すなわちその平面が収集媒体７０の表面に垂直になるように、または任意のどのような角度でも位置決めされるように、回転平面内に配置することができる。回転媒体は、平行な向きに平行に、またはその向きからわずかにずれた状態で、位置決めすることができる。
【００４８】
図２は、シート状基体または媒体上にファインファイバ層を形成するためのプロセスおよび装置の概略図である。図２で、シート状基体は、ステーション２０で巻き解かれる。次いでシート状基体２０ａをスプライシング・ステーション２１に向け、そこで複数の長さの基体を、連続動作のためにスプライスすることができる。連続した長さのシート状基体を、図１の紡糸技術を含むファインファイバ技術ステーション２２に向け、そこで紡糸装置によりファインファイバを形成し、そのファインファイバを、シート状基体上のフィルタ層に重ねる。形成ゾーン２２内でファインファイバ層をシート状基体上に形成した後、ファインファイバ層および基体を、熱処理ステーション２３に向け、適切な処理を行う。次いでシート状基体およびファインファイバ層を、効率モニタ２４（プロセスおよびモニタリング目的で参照により本明細書に明示的に組み込まれる米国特許第５，２０３，２０１号を参照されたい）で試験し、必要な場合はニップ・ステーション２５でニップ処理する。次いでシート状基体およびファインファイバ層を適切な巻きステーションに送り、そこで適切なスピンドルに巻き付けて、さらに処理２６および２７を行う。
【００４９】
図３は、典型的なセルロース媒体の細孔径および典型的なファインファイバ構造での細孔径に対する、直径が約２ミクロンと約５ミクロンの典型的なダスト粒子の関係を示す、走査電子顕微鏡写真である。図３（ａ）では、典型的な粒子径よりもかなり大きく示されている細孔径を有するセルロース媒体３３中に、２ミクロン粒子３１および５ミクロン粒子３２があることを示している。これとは全く対照的に、図３（ｂ）では、２ミクロン粒子はファイバ・ウェブ３５のファイバ間の典型的な開口にほぼ等しいかそれよりも大きく見えるが、５ミクロン粒子３２は、ファインファイバ・ウェブ３５の開口のいずれよりも大きく見える。
【００５０】
本発明のポリマー材料の様々な態様、マイクロファイバとナノファイバの両方を含む本発明のファインファイバ材料、および本発明のファインファイバ材料から得られる有用なフィルタ構造の構成に関する上記概略的な記述は、本発明の作用の一般的技術原理の理解をもたらすものである。以下の特定の例示的な材料は、本発明のファインファイバ材料の形成に使用することができる材料の例であり、以下の材料は、最良の形態を開示する。以下の例示的な材料は、以下の特徴およびプロセス条件を念頭において製造した。電界紡糸による直径が１０ミクロン未満の小さいファイバは、ポリマー・ジェットを非常に微細なフィラメントに延伸するための引張り力として働く強電場からの静電力を使用して得られる。この電界紡糸ではポリマー・メルトを使用することができるが、１ミクロンよりも小さいファイバが、ポリマー溶液から最良の状態で形成される。ポリマーの塊が引き出されてより小さい直径になるにつれ、溶媒が蒸発してファイバ・サイズの縮小に寄与する。溶媒の選択はいくつかの理由で極めて重要である。溶媒の乾燥が速すぎると、ファイバは平らになり、かつ直径が大きくなりがちである。溶媒の乾燥が遅すぎると、形成されたファイバが再び溶媒に溶解することになる。したがって、乾燥速度とファイバ形成との釣合いをとることが極めて重要である。生成速度が速いと、大量の排気流が、引火性雰囲気の防止および火災のリスクの低下を助ける働きをする。可燃性ではない溶媒が有用である。生成環境では、処理装置をときどきクリーニングする必要がある。毒性の低い安全な溶媒によって、有害な化学物質への作業者の曝露が最小限に抑えられる。静電防止は、エミッタ当たり１．５ｍｌ／分の流量、目標距離８インチ、エミッタ電圧８８ｋＶ、エミッタｒｐｍが２００、および相対湿度４５％で行うことができる。
【００５１】
ポリマー系の選択は、所与の適用例では重要である。パルス・クリーニングの適用例の場合、極めて薄いマイクロファイバ層によって圧力損失を最小限に抑えるのを助けることができ、粒子の捕捉および解放のために外面を提供することができる。直径が２ミクロン未満、好ましくは直径が０．３ミクロン未満の薄いファイバ層が好ましい。マイクロファイバまたはナノファイバと、このマイクロファイバまたはナノファイバが成膜される基体とが良好に接着することが重要である。フィルタが、基体とマイクロファイバおよびナノファイバの薄層との複合体で作製される場合、そのような複合体は、自己清浄性の適用例に向けて優れたフィルタ媒体を形成する。逆パルシングによる表面のクリーニングは、フィルタ媒体を繰り返し新品同様にする。その表面に大きい力がかかると、基体への接着性に乏しいファインファイバは、フィルタ内部から基体を経てマイクロファイバに至る逆パルスによって、層剥離する可能性がある。したがって、良好なマイクロファイバ間の凝集と、基体ファイバと電界紡糸ファイバとの接着性は、首尾良く使用するために極めて重要である。
【００５２】
上記要件に適合する製品は、異なるポリマー材料から作製されたファイバを使用して得ることができる。接着性が良好な小さいファイバは、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコールなどのポリマーと、ナイロン６やナイロン４，６、ナイロン６，６、ナイロン６，１０、およびこれらのコポリマーなど、様々なナイロンを含むポリマーおよびコポリマーから作製することができる。優れたファイバは、ＰＶＤＦから作製することができるが、ファイバ直径を十分小さくするには、塩素化溶媒が必要である。ナイロン６、ナイロン６６、およびナイロン６，１０は、電界紡糸することができる。しかし、ギ酸やｍ−クレゾール、トリフルオロエタノール、ヘキサフルオロイソプロパノールなどの溶媒は、その取扱いが難しく、または非常に高価である。好ましい溶媒には、その毒性が低いことから、水、エタノール、イソプロパノール、アセトン、およびＮ−メチルピロリドンが含まれる。そのような溶媒系に対して相溶性を有するポリマーを、広範囲に渡って評価した。本発明者等は、ＰＶＣ、ＰＶＤＣ、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、ＰＭＭＡ、ＰＶＤＦから作製されたファイバが、構造上の性質を得るために追加の接着手段を必要とすることを見出した。また本発明者等は、ポリマーを水、エタノール、イソプロパノール、アセトン、メタノール、およびこれらの混合物に溶かして首尾良くファイバを作製したときに、そのファイバが基体に対して優れた接着性を有し、それによって自己清浄性の適用例に向けた優れたフィルタ媒体が作製されることを見出した。逆空気パルスまたはツイストを介した自己清浄は、フィルタ媒体を非常に高いダスト濃度で使用する場合に有用である。そのような適用例では、アルコール可溶性ポリアミドおよびポリ（ビニルアルコール）から得られたファイバを首尾良く使用した。アルコール可溶性ポリアミドの例には、ＨｅｎｋｅｌのＭａｃｒｏｍｅｌｔ ６２３８、６２３９、および６９００、ｄｕＰｏｎｔのＥｌｖａｍｉｄｅ ８０６１および８０６３、Ｓｈａｋｅｓｐｅａｒｅ Ｍｏｎｏｆｉｌａｍｅｎｔ ＣｏｍｐａｎｙのＳＶＰ ６３７および６５１が含まれる。別の群のアルコール可溶性ポリアミドは、タイプ８ナイロン、アルコキシアルキル変性ナイロン６６である（参考文献、第４４７ページ、Ｎｙｌｏｎ Ｐｌａｓｔｉｃｓ ｈａｎｄｂｏｏｋ、Ｍｅｌｖｉｎ Ｋｏｈａｎ編、Ｈａｎｓｅｒ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９９５）。ポリ（ビニルアルコール）の例には、日本の（株）クラレからのＰＶ−２１７、２２４と、Ｐｒｏｄｕｃｔｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ＣｏｍｐａｎｙのＶｉｎｏｌ ５４０が含まれる。
【００５３】
本発明者等は、フィルタが極端な環境条件に曝される可能性があることを見出した。サウジアラビアの砂漠でのフィルタは、１５０°Ｆ（６６°Ｃ）以上ほどに高い温度に曝さらされる可能性がある。インドネシアまたは米国の湾岸に設置されたフィルタは、９０％ＲＨを超える高い湿度および１００°Ｆ（３８°Ｃ）という温度に曝される可能性がある。または、それらのフィルタは雨に曝される可能性がある。本発明者等は、自動車やトラック、バス、トラクタなどの移動機器および建設用機器のフード下で使用されるフィルタが、高温（＋２００°Ｆ（９３°Ｃ））、高相対湿度、およびその他の化学的環境に曝される可能性があることを見出した。本発明者等は、過酷な条件下でのマイクロファイバ系の残存性を評価する試験方法を開発した。フィルタ媒体サンプルを温水（１４０°Ｆ（６０°Ｃ））中に５分間浸し、または高湿、高温、および空気流に曝す。
【００５４】
図２１を参照すると、空気フィルタシステムまたはアセンブリが一般に１１０で示されている。システム１１０は、３個のユニットまたはモジュールが一緒に並んで配置された構成が示されている。この装置は、例えば６フィート（１．８ｍ）×１０フィート（３ｍ）のスペースに適合するサイズにすることができる。
【００５５】
図２１のシステム１１０は、汚れた空気または汚染された空気（すなわち粒子状物質）を取り込むための入口またはコンジット１１１を含む。フィルタ・アセンブリ１１０から清浄な空気または濾過された空気を排出するために、出口またはコンジット１１２が設けられている。システム１１０の内部には、アクセス・ドア１１３を通して触れることができる。
【００５６】
図２１をさらに参照すると、このアセンブリの様々なエレメント（要素）の配置構成を示すために、１つの側壁パネル１１７が破断状態で示されている。この実施形態では、空気入口１１１が上壁パネル１１６に位置決めされ、その結果、流入する塵埃含有空気またはその他の汚染された流体が下向きになって汚れた空気のチャンバ１２２内に導かれるようになっている。このためアセンブリは、アセンブリ１１０を通して収集領域１１４に塵埃を移動させるのに重力を利用することができる。汚れた空気のチャンバ１２２は、ドア１１３、上壁パネル１１６、２対の対向する側壁パネル１１７（上部パネルから下向きに延在）、ステップ付き壁構造１２９、および１対の傾斜面１２３、１２４によって画定される。傾斜面１２３、１２４は、アセンブリのベース部内に収集領域またはホッパ１１４を部分的に画定する。
【００５７】
側壁パネル１１７のそれぞれに沿った構造フレーム部材には、ステップ状のデザインのスペーサ壁またはチューブ・シート構造１２８がシールされ、そこにはアセンブリ１１０の別個のフィルタエレメント１３２が取り付けられている。チューブ・シート構造１２８は、汚れた空気のチャンバ１２２を清浄空気チャンバ１６０から密封状態にシールするように、全ての面でシールされている。ステップ状のチューブ・シート構造１２８に取り付けられたフィルタエレメント１３２は、上面パネル１１６の水平面に対し急傾斜角でほぼ下向きに、部分的に重なる状態である距離をおいてまたは間隔をあけて、汚れた空気のチャンバ１２２内に位置決めされている。このように、分配スペース１３３は、フィルタ・アセンブリ１１０の最上部に画定される。汚れた空気が入口１２０からアセンブリ１１０に入るにつれ、その空気は分配スペース１３３に受容され、その後、濾過される。
【００５８】
図示される個々のフィルタエレメント１３２は、それぞれが端部を有する円筒形チューブエレメント（要素）内に形成されたひだ付き媒体１３５含む。以下に述べる好ましい媒体開発品以外、各エレメント１３２の構造とそれがチューブ・シート構造１２８にどのように支持されるかは、米国特許第４，３９５，２６９号および米国特許第５，５６２，７４６号のフィルタエレメントと同様であり、そのそれぞれを本明細書に参照により組み込む。フィルタエレメントの構造と、フィルタ媒体がどのように安定な円筒形状に作り上げられかつエンド・キャップに収められるかの詳細については、米国特許第４，１７１，９６３号（Ｓｃｈｕｌｅｒ）に開示されており、これを本明細書に参照により組み込む。
【００５９】
次に図２３および２４を参照すると、フィルタエレメント１３２の１つが斜視図および断面図で示されている。一般に、フィルタエレメント１３２は、第１および第２の対向するエンド・キャップ１３３、１３４を含み、その間には管状の、好ましくは円筒形構造のフィルタ媒体１３５が延在する。媒体構造１３５は、開放フィルタ内部１３８を画定し、これが、使用中には清浄な空気のコンジットまたはプレナムにもなる。フィルタ媒体１３５の管状構造は、エンド・キャップ１３３、１３４に固定されまたは結合され、多くの場合、エンド・キャップ１３３、１３４のポリウレタン材料中に成型される。図示されるフィルタエレメント１３２には、内部支持チューブまたはライナ１３６、および外部支持チューブまたはライナ１３７もある。ライナ１３６、１３７のそれぞれは、構造上の完全性を提供し、または媒体１３５を支持するのに役立つ。
【００６０】
図２５は、図示される特定のフィルタエレメント１３２がチューブ・シート１２８に対してどのようにシールされるか、その一例を示す。特に、第１のエンド・キャップ１３３は、軸方向に延在するガスケット１４０を含む。ガスケット１４０は、米国特許第５，８０３，９４１号に記載されるように、ヨーク・アセンブリによってチューブ・シート１２８に対して圧縮されて、チューブ・シート１２８と共にシール１４１を形成する。
【００６１】
再び図２１を参照すると、図示される装置では、フィルタエレメント１３２が対になってその端部と端部が結合する状態に配置されている。チューブ・シート１２８に最も隣接するフィルタエレメント１３２のそれぞれはチューブ・シート１２８に、一方、ステップ状パネル１２９に最も隣接するエレメント１３２のそれぞれはステップ状パネル１２９に、ヨーク・アセンブリによってシールされる。さらに、互いに隣接して互いの端部と端部が積み重ねられるフィルタエレメント１３２のそれぞれは、それぞれのエンド・キャップ間で、隣接するフィルタエレメント１３２に対してシールされる。
【００６２】
図２２は、空気フィルタシステム１１０’の代替の実施形態を示す。図２２の装置は、図１１の装置と同様であり、入口１１１’、出口１１２’、アクセス・ドア１１３’および側部パネル１１６’、１１７’を含む。さらに、汚れた空気のチャンバ１２２’、清浄空気チャンバ１６０’、およびチューブ・シート１２８’がある。チューブ・シート１２８’は、汚れた側１２２’と清浄な空気の側１６０’とを分離する。空気フィルタシステム１１０’内ではチューブ・シート１２８’に対し、フィルタエレメント１３２’が取り付けられている。図２２のシステム１１０’と図２１のシステム１１０との１つの相違は、以下にさらに述べるベンチュリエレメント１７０の存在である。図２６は、チューブ・シート１２８’内でそれに対して動作可能に設置されたフィルタエレメント１３２’の１つを概略的に示す。エンド・キャップ１３３’上のガスケット部材１４０’は、チューブ・シート１２８’に対して圧縮されて、チューブ・シート１２８’と共にシール１４１’を形成する。
【００６３】
フィルタエレメント１３２、１３２’のそれぞれをクリーニングするためのシステムも、清浄空気チャンバ１６０、１６０’に設けられている。図２２を参照すると、このシステムは、複数のパルス・タイプの弁１６５とノズルまたはブロー・パイプ１９７を含む。弁１６５およびブロー・パイプ１９７の装置は、チューブ・シート構造１２８’内で出口開口１３４（図２６）と同一直線上に直接位置決めされ、それによって、圧縮された噴流が１対のフィルタエレメント１３２、１３２’の開放内部１３８に向かうようになされている。加圧空気を供給するためのパルス・タイプの弁（または逆パルス弁）、ブロー・パイプ、パイプ接続構成の種類と、それらの制御または動作は、当技術分野で知られている。
【００６４】
次に図２６および２７を参照すると、図示される各ベンチュリエレメント１７０は、釣鐘形の入口部分（またはベンチュリ入口部分）１７４と、のど部分１７６を含む。図示される実施形態では、ディフューザ部分（またはベンチュリ出口部分）１７２も存在する。のど部分１７６は、ディフューザ部分１７２とベンチュリ入口部分１７４との間に介在してそれらを相互に接続する。空気が、正常なフィルタ空気の流動パターンで（すなわち逆パルス送出がない）、汚れた空気のチャンバ１２２’から濾過されてフィルタエレメント１３２’を通過するとき、その空気はディフューザ１７２を通ってベンチュリエレメント１７０から出て行き、清浄空気チャンバ１６０’に入る。図示されるディフューザ部分１７２は、末広がりの（またはフレア状の）本質的に真っ直ぐな壁１７７を有し、それによって、正常なフィルタ条件下での圧力回復を容易にする。のど部分１７６は、米国特許第５，５６２，７４６号に開示されるように、その内側方向に窪ませることができ、または図２６に示されるものでは、米国特許第６，０９０，１７３号に記載されるように、その直径がベース・ライン１０６から出口部分１７２に向かって徐々に小さくなるよう輪郭を付けることができる。
【００６５】
ベンチュリ１７０は、ベンチュリ入口部分１７４が清浄空気チャンバ１６０’内に配置されるように、フィルタエレメント１３２’に関連してチューブ・シート構造１２８’上に位置決めされる。
【００６６】
さらに図２６を参照すると、ベンチュリエレメント１７０は、ベース・ライン１０６とチューブ・シート１２８’とを接続する適切なファスナ１８１によってチューブ・シート１２８’に固定されることがわかる。ベンチュリエレメント１７０のその他の詳細が米国特許第５，５６２，７４６号および第６，０９０，１７３号に記載されており、そのそれぞれを参照により本明細書に組み込む。
【００６７】
図２７に、ベンチュリエレメント１７０からある距離１８２だけ離して配置されたパルス・ジェット・システムのノズルまたはブロー・パイプ１９７を概略的に示す。空気がブロー・パイプ１９７を通って出て行くとき、非対称な空気噴流は完全な乱流であり、ウォールフリー剪断流として振る舞う。このタイプの空気流では、経路１８３で示されるように、噴流がブロー・パイプ１９７から出て行って流入する空気の流れに逆らって移動するときに、速度プロフィルが拡がる。ベンチュリエレメント１７０により、エンド・キャップ１３３と１３４の間のフィルタ媒体１３５、１３５’の全長に渡って均一な空気圧分布が得られる手法で、経路８３からのこの空気噴流をフィルタエレメント１３２、１３２’の内部１３８、１３８’に進入させることが可能になる。
【００６８】
ブロー・パイプ１９７からベンチュリエレメント１７０のベース・ライン１０６までの距離１８２は、典型的な場合２５インチ（６３．５ｃｍ）未満であり１０インチ（２５．４ｃｍ）よりも長い。いくつかの装置では、その距離は約２２〜２３インチ（５５．９〜５８．４ｃｍ）である。その他の装置では、その距離は２０〜２１インチ（５０．８〜５３．３ｃｍ）またはそれ以下である。これらのタイプの装置は、フィルタ媒体１３５、１３５’の延長部のほぼ全長に沿ってポジティブ・クリーニング圧力差をもたらす。
【００６９】
動作中、空気またはその他の微粒子を含む気体状の流体は、空気入口１２０、１２０’を通って汚れた空気のチャンバ１２２、１２２’およびフィルタエレメント１３２、１３２’に入る。粒子状物質は、フィルタ媒体１３５，１３５’によって空気の流れから除去される。以下に述べるように、好ましい媒体開発品を利用して有利な性能を得る。清浄化された空気は開放フィルタ内部１３８、１３８’に流入し、さらに清浄空気チャンバ１６０、１６０’に流入する。ベンチュリエレメント１７０が存在する場合、清浄な空気は、開放フィルタ内部１３８、１３８’から出て清浄空気チャンバ１６０、１６０’に入りながらベンチュリエレメント１７０内を流れる。清浄化された空気は、出口１１２、１１２’を通ってエアクリーナ１１０、１１０’から出て行く。
【００７０】
フィルタの間、フィルタエレメント１３２、１３２’は、塵埃またはその他の粒子状物質でコーティングされるようになる。フィルタエレメント１３２、１３２’のそれぞれは、そのそれぞれの弁１６５およびブロー・パイプ１９７によってパルス・ジェット・クリーニングされ、すなわちこれらの弁１６５およびブロー・パイプ１９７が、ある量の加圧空気をブロー・パイプ１９７から開放フィルタ内部１３８、１３８’に向けて放出するのである。ベンチュリエレメント１７０が存在する場合、加圧空気は、ベンチュリエレメント１７０のディフューザ部分１７２に向けられる。ジェット噴流は開放フィルタ内部１３８内に移動し、フィルタの際に空気の流れが正常に流れる方向とは反対の方向で媒体１３５、１３５’を通過する。この空気のジェット・パルスは、フィルタ媒体１３５、１３５’の外側からダスト・ケーキおよびその他の微粒子を取り払い、重力によってホッパ１４に落下させる。
【００７１】
好ましい媒体開発品
図２１および２２で既に述べたタイプのエアクリーナ・システムを高温高湿環境（すなわち温度が１２０°Ｆ（４９°Ｃ）より高くしばしば１４０〜３００°Ｆ（６０〜１４９°Ｃ）であり、湿度が３０％ＲＨより高くしばしば５０〜９０％ＲＨである）で使用する場合、ある媒体開発品が媒体１３５、１３５’に有利であることがわかった。一般にそのようなタイプの媒体は、ファインファイバ層で少なくとも部分的に覆われた基体を含むひだ付きフィルタ媒体複合体である。基体は、ファインファイバの分布またはコーティングで処理されたセルロース媒体を含むことが好ましい。
【００７２】
ファインファイバ・フィルタ構造は、２層または多層構造を含み、すなわちフィルタが、１つまたは複数の合成ウェブ、セルロース・ウェブ、またはブレンド・タイプのウェブに結合されまたはそれらによって分離された、１つまたは複数のファインファイバ層を含む。別の好ましいモチーフは、ファインファイバを、その他のファイバのマトリックスまたはブレンドに含む構造である。
【００７３】
本発明者等は、フィルタ構造内のファイバ層およびマイクロファイバ層の重要特徴が、特にマイクロファイバを高温で湿気、湿分、または溶媒に接触させる場合は耐熱性、耐湿性または防湿性、耐溶媒性に関係すると考える。さらに本発明の材料の第２の重要な性質は、この材料の基体構造に対する接着性に関する。マイクロファイバ層の接着性は、フィルタ材料の重要な特徴であり、基体からマイクロファイバが層剥離することなくその材料を製造することができるように、またマイクロファイバ層に基体を合わせたものを、著しい層剥離を引き起こすことなく、ひだ付きのロール形材料を含んだフィルタ構造およびその他の構造に加工することができるようにする。本発明者等は、製造プロセスの加熱ステップ、すなわち温度を１つのポリマー材料の溶融温度またはその付近であるがその直ぐ下の温度、典型的には最も低い溶融温度よりも低い温度に上昇させるステップによって、ファイバ同士の接着性およびファイバと基体との接着性がかなり改善されることを見出した。溶融温度またはそれよりも高い温度で、ファインファイバはその繊維構造がばらばらになる可能性がある。加熱速度を制御することも極めて重要である。ファイバをその結晶化温度に長時間曝す場合、やはり繊維構造がばらばらになる可能性がある。慎重に熱処理することによってポリマーの性質も改善されるが、これは外部添加剤層の形成によってもたらされるものであり、添加剤材料が表面に移行して疎水基または疎油基がファイバ表面に露出するからである。
【００７４】
性能に関する基準は、最終用途に応じ様々な動作温度で、すなわち１４０°Ｆ（６０°Ｃ）、１６０°Ｆ（７１°Ｃ）、２７０°Ｆ（１３２°Ｃ）、３００°Ｆ（１４９°Ｃ）の温度で１時間または３時間にわたり材料が無傷のまま残存可能であり、同時に３０％、５０％、８０％、または９０％のフィルタ効率が保持されることである。性能に関する別の基準は、最終用途に応じて様々な動作温度で、すなわち１４０°Ｆ（６０°Ｃ）、１６０°Ｆ（７１°Ｃ）、２７０°Ｆ（１３２°Ｃ）、３００°Ｆ（１４９°Ｃ）の温度で１時間または３時間にわたり材料が無傷のまま残存可能であり、同時に最終用途に応じてフィルタ層内部に有効なファインファイバが３０％、５０％、８０％、または９０％保持されることである。これらの温度で残存することは、低湿度、高湿度、および水が飽和した空気で重要である。本発明のマイクロファイバおよびフィルタ材料は防湿性と考えられ、材料は、約５分よりも長い時間、１６０°Ｆ（７１°Ｃ）よりも高い温度で浸漬に耐えることができると同時に効率が維持される。同様に、本発明のマイクロファイバ材料およびフィルタ材料の耐溶媒性は、７０°Ｆ（２１°Ｃ）で約５分よりも長い時間、エタノールや炭化水素、作動液、芳香族溶媒などの溶媒との接触に耐えることができると同時に５０％の効率が維持される材料から得られる。
【００７５】
本発明のファインファイバ材料は、集塵用パルス・クリーンおよび非パルス・クリーン・フィルタ、ガス・タービンおよびエンジン空気吸入または導入システム；ガス・タービン吸入または導入システム、重負荷エンジン吸入または導入システム、軽車両エンジン吸入または導入システム；車両キャビン空気；オフロード車両キャビン空気、ディスク・ドライブ空気、フォトコピア−トナー除去；ＨＶＡＣフィルタであって商用と住宅用両方のフィルタ適用例を含めた様々なフィルタの適用例で使用することができる。
【００７６】
ペーパ・フィルタエレメントは、表面負荷媒体の広く様々に使用されている形である。一般にペーパエレメントは、粒子状物質を含む気体の流れを横切るように配置されたセルロース、合成、またはその他のファイバの稠密なマットを含む。ペーパは一般に、気体流を通すように構成され、また選択されたサイズよりも大きい粒子が内部を通過しないよう十分微細な孔径および適切な多孔率を有するようにも構成される。気体（流体）がフィルタ・ペーパを通過するとき、フィルタ・ペーパの上流側は拡散および遮断によって、気体（流体）の流れから選択されたサイズの粒子を捕捉し保持するよう動作する。粒子はフィルタ・ペーパの上流側にダスト・ケーキとして収集される。時間と共にダスト・ケーキもフィルタとして動作し始め、効率を高める。これは、ときどき「シーズニング」と呼ばれ、すなわち初期効率よりも高い効率が得られるのである。
【００７７】
上述のような簡単なフィルタ設計には、少なくとも２つのタイプの問題がある。第１は、比較的単純な欠陥であり、すなわちペーパが破れてシステムが故障する。第２は、粒子状物質がフィルタの上流側に薄いダスト・ケーキまたは層として急速に蓄積され、圧力低下を増大させる。ペーパ・フィルタなどの表面負荷フィルタ・システムの「寿命」を延ばすため、様々な方法が利用されてきた。１つの方法は、気体流の流れに直面する媒体の表面積が、ひだのない平らな構造に比べて増大するように、ひだ付き構造の媒体を提供することである。これによってフィルタ寿命が延びるが、依然としてかなりの制限がある。このため表面負荷媒体は、フィルタ媒体を通過する速度が比較的遅い適用例、一般には分当たり約２０〜３０フィート（６．１〜９．１ｍ）以下であり、典型的には分当たり約１０フィート（３ｍ）程度以下である適用例に、主にその用途を見出した。本明細書で「速度」という用語は、媒体を通る平均速度である（すなわち媒体面積当たりの流量）。
【００７８】
一般に、ひだ付きペーパ媒体を通る空気流速が速くなるにつれ、フィルタ寿命は速度の２乗分の１に比例して短くなる。したがって、ひだ付きペーパの表面負荷型フィルタ・システムを、かなりの空気の流れを必要とするシステムで微粒子フィルタとして使用する場合、比較的広い表面積のフィルタ媒体が必要である。例えば、長距離輸送用ディーゼル・トラックの典型的な円筒形ひだ付きペーパ・フィルタエレメントは、直径約９〜１５インチ、長さ約１２〜２４インチ（３０．５〜６１ｃｍ）、ひだの深さが約１〜２インチ（２．５〜５ｃｍ）である。したがって媒体のフィルタ表面積（片面）は、典型的な場合３０〜３００平方フィート（２．８〜２８０ｍ ² ）である。
【００７９】
多くの適用例、特に流量が比較的高い場合は、代替のタイプのフィルタ媒体、すなわちときどき一般に「深さ」媒体と呼ばれるものが使用される。典型的な深さ媒体は、繊維が絡まった状態の比較的厚い材料を含む。深さ媒体は一般に、その多孔率、密度、または固形分パーセントによって定義される。例えば中実度２〜３％の媒体は、全体積の約２〜３％が繊維状材料（固形分）を含んで残りは空気または気体のスペースであるように配置されたファイバの、深さ媒体マットと考えられる。
【００８０】
深さ媒体を定義するための別の有用なパラメータは、ファイバ直径である。中実度パーセントが一定に保たれるがファイバ直径（サイズ）が減少する場合、細孔径または繊維間のスペースが減少し、すなわちフィルタがより効率的になり、より効果的により小さい粒子を捕捉することになる。
【００８１】
典型的な従来の深さ媒体フィルタは、深く、比較的一定の（または均一な）密度の媒体であり、すなわち深さ媒体の中実度がその厚さ全体に渡って実質上一定に保たれる系である。本明細書で「実質上一定」とは、媒体の深さ全体にわたり、あるとしても比較的小さい密度のばらつきしか見られないことを意味する。例えばそのようなばらつきは、内部にフィルタ媒体が位置決めされている容器によって外部係合面がわずかに圧縮されることから生じる可能性がある。
【００８２】
勾配密度深さ媒体装置が開発されてきた。いくつかのそのような装置が、例えば米国特許第４，０８２，４７６号、第５，２３８，４７４号、および第５，３６４，４５６号に記載されている。一般に深さ媒体装置は、実質上その体積または深さ全体に渡って粒子状物質の「負荷」をもたらすよう設計することができる。したがってそのような装置は、フィルタがその寿命に達したときに、表面負荷システムに比べてより大量の粒子状物質の負荷がかかるように設計することができる。しかし一般にそのような装置では、相当な負荷のために中実度が比較的低い媒体が望ましいので、効率が犠牲になっていた。上記参照した特許に記載されているような勾配密度システムは、十分な効率およびより長い寿命が得られるように設計されてきた。ある場合には、表面負荷媒体は、そのような装置において「研磨」フィルタとして利用される。
【００８３】
本発明によるフィルタ媒体構造は、第１の面を有する透過性の粗い繊維状媒体または基体の第１の層を含む。ファインファイバ媒体の第１の層は、透過性の粗い繊維状媒体の第１の層の第１の面に固定される。透過性の粗い繊維状材料の第１の層は、平均直径が少なくとも１０ミクロン、典型的にかつ好ましくは約１２（または１４）〜３０ミクロンのファイバを含むことが好ましい。また、透過性の粗い繊維状材料の第１の層は、坪量が約２００ｇ／ｍ ^２ 以下、好ましくは約０．５０〜１５０ｇ／ｍ^２、最も好ましくは少なくとも８ｇ／ｍ^２の媒体を含むことが好ましい。透過性の粗い繊維状媒体の第１の層は、厚さが少なくとも０．０００５インチ（１２ミクロン）、典型的にかつ好ましくは厚さが約０．００１〜０．０３０インチ（２５〜８００ミクロン）であることが好ましい。
【００８４】
好ましい装置では、透過性の粗い繊維状材料の第１の層は、フレージャー透過性試験によって構造の残りとは別に評価した場合に少なくとも１メートル／分の透過度を示し、典型的にかつ好ましくは約２〜９００メートル／分の透過度を示す材料を含む。ここで効率について述べるとき、その効率は、特に明記しない限り本明細書で述べるように、２０ｆｐｍ（６．１メートル／分）で０．７８μ単分散ポリスチレン球状粒子を用いてＡＳＴＭ−１２１５−８９に従って測定したときの効率を意味するものである。
【００８５】
透過性の粗い繊維状媒体層の第１の面に固定されたファインファイバ材料層は、ナノファイバおよびマイクロファイバ媒体の層であることが好ましく、このファイバの平均ファイバ直径は約２ミクロン以下であり、一般にかつ好ましくは約１ミクロン以下であり、典型的にかつ好ましくはファイバ直径が０．５ミクロンより小さく約０．０５〜０．５ミクロンの範囲内のものである。また、透過性の粗い繊維状材料の第１の層の第１の面に固定されたファインファイバ材料の第１の層は、その全厚が約３０ミクロン以下であり、より好ましくは２０ミクロン以下であり、最も好ましくは約１０ミクロン以下であり、典型的にかつ好ましくは、この層のファインファイバ平均直径の約１〜８倍（より好ましくは５倍以下）の厚さであることが好ましい。
【００８６】
本発明によるある好ましい装置は、フィルタ構造全体に一般的に定義したようなフィルタ媒体を含む。そのような用途に向けたいくつかの好ましい装置は、円筒形のひだ付き構成であってひだがほぼ縦方向に延在する構成、すなわち円筒形パターンの縦軸と同じ方向に延在する構成に配置された媒体を含む。そのような装置では、従来のフィルタと同様に、媒体をエンド・キャップに埋め込むことができる。そのような装置は、典型的な従来の目的で、望むなら上流ライナおよび下流ライナを含むことができる。
【００８７】
いくつかの適用例では、本発明による媒体をその他のタイプの媒体と共に、例えば従来の媒体と共に使用して、全体的なフィルタ性能または寿命を改善することができる。例えば、本発明による媒体を従来の媒体に重ねることができ、スタック状の配置構成で利用することができ、あるいは、従来の媒体の１つまたは複数の領域を含む媒体構造に組み込む（一体化フィーチャ）ことができる。これは、良好な負荷のためにそのような媒体の上流で使用することができ、かつ／または従来の媒体の下流で高効率研磨フィルタとして使用することができる。
【００８８】
本発明によるある装置は、液体フィルタ・システムで利用することもでき、すなわち濾過される粒子状物質が液体に含まれる系で利用することもできる。また、本発明によるある装置はミスト・コレクタ、例えば微細なミストを空気から取り除く（濾過する）ための装置で使用することもできる。
【００８９】
本発明によれば、濾過するための方法が提供される。この方法は一般に、上述の媒体を濾過のために有利に利用することを含む。以下の記述および実施例からわかるように、本発明による媒体は、比較的効率的なシステムに比較的長い寿命を有利に提供できるよう、特に形成し構成することができる。
【００９０】
様々なフィルタ・デザインが、フィルタ材料と共に使用されるフィルタ構造の様々な態様を開示し主張する特許に示されている。Ｅｎｇｅｌ他の米国特許第４，７２０，２９２号は、ほぼ円筒形のフィルタエレメントデザインを有するフィルタ・アセンブリ用のラジアル・シール・デザインを開示しているが、このフィルタエレメントは、円筒形で半径方向内向きの面を有する比較的軟質のゴム状エンド・キャップによってシールされるものである。Ｋａｈｌｂａｕｇｈ他の米国特許第５，０８２，４７６号は、ひだ付き構成エレメントが本発明のマイクロファイバ材料に結合しているフォーム基体を含む媒体を使用したフィルタ・デザインを開示する。Ｓｔｉｆｅｌｍａｎ他の米国特許第５，１０４，５３７号は、液体媒体を濾過するのに有用なフィルタ構造に関する。液体はフィルタ・ハウジング内に閉じ込められ、フィルタの外部を通って内部環状コアに入り、次いで構造に戻って有効利用される。そのようなフィルタは、作動液を濾過するのに非常に有用である。Ｅｎｇｅｌ他の米国特許第５，６１３，９９２号は、典型的なディーゼル・エンジン吸気フィルタ構造を示す。この構造は、混入水分を含有しても含有しなくてもよい空気をハウジングの外面から得る。空気はフィルタを通過し、一方水分はハウジングの底部に移動して、ハウジングから排水することができる。Ｇｉｌｌｉｎｇｈａｍ他の米国特許第５，８２０，６４６号はＺフィルタ構造を開示しているが、この構造は、適正なフィルタ性能を得るために、「Ｚ」形通路のフィルタ媒体の少なくとも１つの層に流体の流れを通すことが必要な閉塞した通路を含む、特定のひだ付きフィルタ・デザインを使用する。ひだ付きＺ形態様に形成されたフィルタ媒体は、本発明のファインファイバ媒体を含むことができる。Ｇｌｅｎ他の米国特許第５，８５３，４４２号は、本発明のファインファイバ構造を含むことができるフィルタエレメントを有するバッグ・ハウス構造を開示する。Ｂｅｒｋｈｏｅｌ他の米国特許第５，９５４，８４９号は、製造中の加工品を処理してかなりのダスト負荷が環境空気中に生じた後、一般にダスト負荷が大きい空気を処理する際に空気の流れからダストを取り除く（濾過する）のに有用な集塵器構造を示す。最後に、Ｇｉｌｌｉｎｇｈａｍの米国意匠特許第４２５，１８９号は、Ｚフィルタ・デザインを使用したパネル・フィルタを開示する。
【００９１】
（実験）
以下の材料を、以下の電界紡糸プロセス条件を使用して生成した。以下の材料を、回転エミッタ・システムまたはキャピラリ・ニードル・システムを使用して紡糸した。いずれも実質上同じ繊維性材料を生成することがわかった。流量は、エミッタ当たり１．５ｍｉｌ／分、目標距離８インチ、エミッタ電圧８８ｋＶ、相対湿度４５％、回転エミッタ３５ｒｐｍであった。
【００９２】
実施例１：
ファイバのサイズの効果
ファインファイバ・サンプルをナイロン６、６６、６１０のコポリマーから調製し、ナイロンコポリマー樹脂（ＳＶＰ−６５１）の分子量について、末端基滴定により分析をした（Ｊ．Ｅ．ＷａｌｚおよびＧ．Ｂ．Ｔａｙｌｏｒ、ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ｎｙｌｏｎ、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．Ｖｏｌ．１９、Ｎｕｍｂｅｒ ７、第４４８〜４５０ページ（１９４７））。数平均分子量は、２１，５００から２４，８００の間であった。組成物は、３成分ナイロン、すなわちナイロン６ 約４５％、ナイロン６６ 約２０％、およびナイロン６１０ 約２５％の溶融温度の状態図によって推定した（第２８６ページ、Ｎｙｌｏｎ Ｐｌａｓｔｉｃｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ、Ｍｅｌｖｉｎ Ｋｏｈａｎ編、Ｈａｎｓｅｒ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（１９９５））。報告されたＳＶＰ ６５１樹脂の物理的性質は、以下の通りであり、
【００９３】
【表２】

直径０．２３ミクロンおよび０．４５ミクロンのファイバが生成された。サンプルを室温の水に浸し、空気乾燥し、その効率を測定した。図１２のグラフからわかるように、ファイバが大きいほど分解にかかる時間は長く、分解のレベルは低かった。ある特定に理論に拘泥するものではないが、表面／体積の比がより大きい、より小さいファイバが、環境の作用に起因して分解し易くなるようである。しかし、より大きいファイバは効率的なフィルタ媒体を形成しない。
【００９４】
実施例２：
ナイロン・ファイバとフェノール樹脂およびエポキシ樹脂との架橋
ファイバの耐薬品性を改善するため、ナイロン・ファイバの化学的架橋を試みた。既述のコポリアミド（ナイロン６、６６、６１０）を、Ｇｅｏｒｇｉａ Ｐａｃｉｆｉｃ ５１３７であるフェノール樹脂と混合し、紡糸してファイバにした。ナイロン：フェノール樹脂の比、およびそのブレンドの溶融温度を以下に示す。
【００９５】
【表３】

【００９６】
このブレンドからは、比較可能なファイバを生成することができた。５０：５０のブレンドは、熱を介して繊維性構造が破壊されたので架橋することができなかった。６５：３５のブレンドを９０℃よりも低い温度で１２時間加熱することにより、得られたファイバの耐薬品性が改善され、その結果、アルコールに溶解しにくくなった。ポリアミドとエポキシ樹脂、例えばＳｈｅｌｌのＥｐｏｎ ８２８やＥｐｉ―Ｒｅｚ５１０などとのブレンドを使用することができる。
【００９７】
実施例３：
フッ素系添加剤（Ｓｃｏｔｃｈｇａｒｄ（登録商標））撥水剤による表面改質
３Ｍ社のアルコール混和性Ｓｃｏｔｃｈｇａｒｄ（登録商標）ＦＣ−４３０および４３１をポリアミドに添加した後、紡糸した。添加量は固形分１０％であった。Ｓｃｏｔｃｈｇａｒｄの添加は、ファイバ形成を妨げなかった。ＴＨＣベンチでは、Ｓｃｏｔｃｈｇａｒｄ状の高分子量撥水剤による仕上げによって、耐水性が改善されなかったことを示す。Ｓｃｏｔｃｈｇａｒｄを添加したサンプルを、製造業者から示されるように、３００°Ｆで１０分間加熱した。
【００９８】
実施例４：
カップリング剤による改質
ポリマー・フィルムを、Ｋｅｎｒｉｃｈ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｉｎｃ．のチタニウム系カップリング剤と共にポリアミドから流延した。このカップリング剤には、イソプロピルトリイソステアロイルチタネート（ＫＲＴＴＳ）、ネオペンチル（ジアリル）オキシトリ（ジオクチル）フォスファトチタネート（ＬＩＣＡ１２）、ネオペンチル（ジアリル）オキシ、トリ（Ｎ−エチレンジアミノ）エチルジルコネート（ＮＺ４４）が含まれる。流延フィルムを沸騰水に浸した。カップリング剤を含まない対照サンプルはその強度をすぐに失ったが、カップリング剤を添加したサンプルは、その形を最長１０分間維持した。これらのカップリング剤を添加したサンプルを紡糸してファイバにした（０．２ミクロンファイバ）。
【００９９】
実施例５：
低分子量ｐ−ｔｅｒｔ−ブチルフェノールポリマーによる改質
分子量が４００〜１１００の範囲のｐ−ｔｅｒｔ−ブチルフェノールのオリゴマーを、オハイオ州コロンバスのＥｎｚｙｍｏｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌから購入した。これら低分子量ポリマーを、エタノール、イソプロパノール、ブタノールなどの低級アルコールに溶解した。これらのポリマーを既述のコポリアミドに添加し、悪い結果をもたらすことなく０．２ミクロンのファイバに電界紡糸した。一部のポリマーおよび添加剤は電界紡糸プロセスを妨げる。実施例２で述べた従来のフェノール樹脂とは異なり、本発明者等は、この群のポリマーがファイバ形成プロセスを妨害しないことを見出した。
【０１００】
本発明者等は、グラフに見られるように、この群の添加剤が、ファインファイバを湿潤環境から守ることを見出した。図１３〜１６は、オリゴマーが、１４０°Ｆ（６０°Ｃ）および１００％の相対湿度で非常に良好な保護をもたらすことを示し、その性能は、１６０°Ｆ（７１°Ｃ）で非常に良くないことを示している。この添加剤を、使用されるポリマーの５％から１５％の量で添加した。本発明者等は、それらの添加剤が、ファイバが１４０°Ｆ（６０°Ｃ）で高い湿度に曝されるのを等しく効果的に防止することを見出した。また本発明者等は、ファイバを短時間１５０℃に曝すことによって、性能が高められることを見出した。
【０１０１】
表１は、添加量１０％のポリアミド・ファイバの、温度および時間暴露の影響を示す。
【０１０２】
【表４】

【０１０３】
これは驚くべき結果であった。この種類の添加剤に関しては、耐水性の劇的な向上が見られた。この群の添加剤がどのように働くかを理解するため、ファインファイバ・マットをＥＳＣＡと呼ばれる表面分析技法で分析した。表１に示される添加量１０％のサンプルを、ミネソタ大学でＥＳＣＡを用いて分析したが、その結果を表２に示す。
【０１０４】
【表５】

【０１０５】
初めに、添加剤の表面濃度がバルク濃度の２倍よりも高いことを見出したことは理屈に合わないと思われた。しかし本発明者等は、このことを、添加剤の分子量によって説明することができると考える。約６００という添加剤の分子量は、主体となるファイバ形成ポリマーの分子量よりも非常に小さい。添加剤はサイズがより小さいので、蒸発する溶媒分子に合わせて移動することができる。したがって、添加剤の表面濃度をより高くすることができる。さらに処理することによって、保護添加剤の表面濃度が増大する。しかし、１０分間、１５０℃に曝すと、濃度は増大しなかった。これは、長鎖ポリマーが動き回るための時間があるので、コポリアミドとオリゴマー分子の２成分混合が生じていることを示すと考えられる。この分析により教示されることは、後処理の時間および温度を適正に選択することによって性能を高めることができるが、暴露が長すぎると悪影響が生じる可能性がある、ということである。
【０１０６】
さらに、飛行時間ＳＩＭＳと呼ばれる技法を使用して、このような添加剤を含んだマイクロファイバの表面について試験をした。この技法は、対象物に電子を衝突させることを含み、その表面から何が来るかを観察する。添加剤を含まないサンプルは、電子を衝突させると有機窒素種が取れることを示す。これは、ポリアミド種が取れることを示している。また、ナトリウムやシリコーンなど、少量の不純物が存在することも示している。熱処理をしない、添加剤を含むサンプル（表面の添加剤濃度２３％）は、大部分を占める種がｔ−ブチル断片であることを示し、小さいがはっきりとしたポリアミドのピークが観察される。また、質量差１４８ａｍｕで高い質量ピークも観察され、これはｔ−ブチルフェノールに相当する。１５０℃で１０分間処理したサンプル（ＥＳＣＡ分析による表面添加剤濃度５０％）の場合、検査によって、その大部分をｔ−ブチル断片が占め、存在するとしても、ポリアミドを示す非常に小さいピークが示されるだけである。これは、ｔ−ブチルフェノールおよびそのポリマー全体に関連するピークを示していない。またこれは、Ｃ_２Ｈ_３Ｏ断片に関連するピークも示している。
【０１０７】
飛行時間ＳＩＭＳ分析は、剥き出しのポリアミド・ファイバが、イオン衝撃によって、露出したポリマー鎖から破断した窒素断片を放出し、表面に汚染物質が生じることを示している。熱処理をしない添加剤はコーティングが不完全であることを示すが、これは、添加剤が表面の一部を覆わないことを示している。ｔ−ブチルオリゴマーは、表面上に緩く組織化される。イオン・ビームがその表面にぶつかると、分子全体が不安定なｔ−ブチル断片と共に取れる可能性がある。熱処理した添加剤は、表面の完全なコーティングを促進させる。さらに分子は、ｔ−ブチルや、あるいはＣＨ＝ＣＨ−ＯＨなど、不安定な断片のみが外れて、ｔ−ブチルフェノールの分子全体は外れないように、緊密に配置される。ＥＳＣＡと飛行時間ＳＩＭＳは、表面の異なる深さを見る。ＥＳＣＡは、１００オングストロームまでのより深い面を見るが、飛行時間ＳＩＭＳは、１０オングストロームの深さだけを見る。これらの分析は一致する。
【０１０８】
実施例６：
表面コーティングされたインターポリマーの開発
コーティングおよび接着剤の適用例に向けた可溶性および架橋可能な樹脂を調製するために、初めにタイプ８ナイロンを開発した。このタイプのポリマーは、酸の存在下、ポリマー６６とホルムアルデヒドおよびアルコールとの反応によって形成する（参考文献 Ｃａｉｒｎｓ，Ｔ．Ｌ．；Ｆｏｓｔｅｒ，Ｈ．Ｄ．；Ｌａｒｃｈｅｒ，Ａ．Ｗ．；Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ，Ａ．Ｋ．；Ｓｃｈｅｒｅｉｂｅｒ，Ｒ．Ｓ． Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１９４９、７１、６５１）。このタイプのポリマーは、電界紡糸することができ、架橋することができる。しかし、このポリマーからのファイバ形成はコポリアミドよりも劣り、架橋しにくくなる可能性がある。
【０１０９】
タイプ８ナイロンを調製するため、１０ガロンの高圧反応器に以下の比で投入した。
【０１１０】
【表６】

【０１１１】
次いで反応器に窒素を流し、加圧下で、少なくとも１３５℃に加熱した。所望の温度に達したら、少量の酸を触媒として添加した。酸性触媒には、トリフルオロ酢酸、ギ酸、トルエンスルホン酸、マレイン酸、無水マレイン酸、フタル酸、無水フタル酸、リン酸、クエン酸、およびこれらの混合物が含まれる。Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）ポリマーも触媒として使用することができる。触媒を添加した後、反応を最長３０分間進行させる。粘性の均質ポリマー溶液をこの段階で形成する。指定された反応時間が経過した後、高圧容器の内容物を、メタノール、水、水酸化アンモニウムや水酸化ナトリウムなどの塩基が入っている浴に移して、反応を抑止する。溶液を十分に急冷した後、その溶液を脱イオン水中に沈殿させる。綿毛状のポリマー顆粒が形成される。次いでポリマー顆粒を遠心分離し、真空乾燥する。このポリマーは、水が様々な割合で含まれるメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、およびこれらの混合物に溶解する。これらは異なるアルコールのブレンドにも溶解する。
【０１１２】
このように形成されたアルコキシアルキル変性タイプ８ポリアミドは、エタノール／水の混合物に溶解する。ポリマー溶液は、Ｂａｒｒｉｓの米国特許第４，６５０，５１６号に記載した手法で電界紡糸される。ポリマー溶液の粘度は、時間と共に増大する傾向がある。ポリマーの粘度は、ファイバのサイズを決定する際に大きな影響を与えることが、一般に知られている。そのため、商用規模の連続生産において、そのプロセスを制御することが困難である。さらに、同じ条件下で、タイプ８ポリアミドはコポリアミドほど効率的にマイクロファイバを形成しない。しかし、トルエンスルホン酸や無水マレイン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、クエン酸、アスコルビン酸などの酸性触媒を添加して溶液を調製し、ファイバ形成後にファイバ・マットを慎重に熱処理する場合、得られるファイバは非常に良好な耐薬品性を有する（図１３）。架橋段階中は、繊維性構造が破壊されないように注意を払わなければならない。
【０１１３】
本発明者等は、タイプ８ポリアミド（ポリマーＢ）とアルコール可溶性コポリアミドとをブレンドする場合に驚くべき結果を見出した。アルコキシアルキル変性ポリアミド６６ ３０重量％を、ＳＶＰ ６３７または６５１（ポリマーＡ）、Ｅｌｖａｍｉｄｅ ８０６１などのアルコール可溶性コポリアミドに代えることによって、相乗効果があることを見出した。ブレンドのファイバ形成は、いずれかの成分単独の場合よりも効率的である。エタノールに浸漬し、フィルタ効率を測定することによって、９８％よりも良好なフィルタ効率が保持されることが示され、ＴＨＣベンチ試験では、タイプ８ポリアミド単独の場合に匹敵する結果を示す。このタイプのブレンドは、効率的なファイバ形成およびコポリアミドの優れたフィルタ特性の利点を、架橋したタイプ８ポリアミドの優れた耐薬品性の利点と共に得ることができることを示す。アルコール浸漬試験は、非架橋性コポリアミドが架橋に寄与してフィルタ効率９８％が維持されることを、強く示している。
【０１１４】
ポリマーＡおよびＢのブレンドのＤＳＣ（図１７〜２０参照）は、２５０℃に加熱された後、ポリマーＡ単独でのＤＳＣと区別できなくなっており、（完全に架橋された状態で）明確な溶融温度を示さない。このことは、ポリマーＡおよびＢのブレンドが、ポリマーＢがポリマーＡと架橋したことによって、完全に一体化されたポリマーになっていることを強く示している。これは、完全に新しい種類のポリアミドである。
【０１１５】
同様に、ポリ（エチレンテレフタレート）とポリ（ブチレンテレフタレート）とのメルトブレンドは、同様の性質を持つ。どちらかの成分の溶融温度よりも高い温度で溶融処理を行う間、エステル基の交換が引き起こされ、ＰＥＴとＰＢＴのインターポリマーが形成される。さらに、本発明者等の架橋温度はいずれかの単一成分よりも低い。そのような基の交換がこの低い温度で生じるとは予想され難い。したがって本発明者等は、タイプＡとタイプＢのポリアミドの溶液ブレンドと、いずれかの成分の融点よりも低い温度での架橋によって、新しい種類のポリアミドを見出したと考える。
【０１１６】
本発明者等は、ｔ−ブチルフェノールオリゴマー（添加剤７）１０重量％を添加し、架橋温度に必要な温度で熱処理した場合、さらに良好な結果が得られることを見出した。本発明者等は、ｔ−ブチルフェノールオリゴマーのヒドロキシル官能基が、タイプ８ナイロンの官能基との反応に寄与する可能性があると理論付けた。本発明者等が見出したことは、この成分系では、ファイバ形成が良好であり、高温高湿に対する耐性が改善され、ファインファイバ層の表面に疎水性がもたらされるということである。
【０１１７】
ポリマーＡとポリマーＢの混合物サンプル（サンプル６Ａ）、ポリマーＡ、ポリマーＢ、および添加剤の混合物サンプル（サンプル６Ｂ）を調製した。次いで電界紡糸プロセスによってファイバを形成し、ファイバ・マットを３００°Ｆに１０分間暴露し、ＥＳＣＡ表面分析によって表面組成を評価した。
【０１１８】
表はサンプル６Ａおよび６ＢのＥＳＣＡ分析を示す。
【０１１９】
【表７】

【０１２０】
ＥＳＣＡは、水素濃度以外の表面組成に関する情報を提供する。ＥＳＣＡは、炭素、窒素、および酸素に関する情報を提供する。添加剤７は窒素を含有しないので、窒素濃度を比較することによって、窒素含有ポリアミドと窒素を含有しない添加剤との比を推定することができる。追加の定量的情報は、５３５ｅＶから５２７ｅＶの間の結合エネルギーのＯ １ｓ スペクトルを試験することによって、入手可能である。Ｃ＝Ｏ結合は、５３１ｅＶ付近の結合エネルギーを有し、Ｃ−Ｏ結合は、５３３ｅＶ付近の結合エネルギーを有する。これら２つのピークのピーク高さを比較することによって、ポリアミドの相対的な濃度を推定することができ、大部分を占めるのがＣ＝Ｏ基であり、追加としてＣ−Ｏ基だけ存在する。ポリマーＢは変性によりＣ−Ｏ結合を有し、架橋すると、Ｃ−Ｏ濃度は低下することになる。ＥＳＣＡはそのような反応が実際に生じたことを確認し、Ｃ−Ｏ結合が相対的に減少したこを示している（図１は、熱処理していないポリマーＡとポリマーＢの混合ファイバに関し、図２は、ポリマーＡとポリマーＢの熱処理済み混合ファイバに関する）。添加剤７の分子が表面に存在する場合、Ｃ−Ｏ結合がより多いと予想することができる。これは実際に、図３および４に見られるようなケースである（図３は、ポリマーＡ、ポリマーＢ、および添加剤７の紡糸状態の混合ファイバに関する。図４は、ポリマーＡ、ポリマーＢ、および添加剤７の熱処理済み混合ファイバに関する）。図３は、実施例７に関してＣ−Ｏ結合の濃度が増大することを示す。これらの調査結果は、図５から図８までのＸＰＳ多重スペクトルに基づく表面濃度に一致している。
【０１２１】
ｔ−ブチルオリゴマー分子はファインファイバの表面に向かって移行し、約５０Åの疎水性コーティングを形成することが明らかである。タイプ８ナイロンは−ＣＨ_２ＯＨや−ＣＨ_２ＯＣＨ_３などの官能基を有し、これらは本発明者等が、ｔ−ブチルフェノールの−ＯＨ基と反応すると予想したものである。このため本発明者等は、より少ないオリゴマー分子がファイバ表面に見られると予想した。本発明者等は、自らの仮説が正しくなく、インターポリマーの表面に薄い被膜があることを見出した。
【０１２２】
サンプル６Ａ、６Ｂおよびセクション５で述べたサンプルの繰返しを、１６０°Ｆ（７１°Ｃ）、１００％ＲＨのＴＨＣベンチにかけた。前述のセクションでは、サンプルを１４０°Ｆ（６０°Ｃ）および１００％ＲＨに暴露した。このような条件下、ｔ−ブチルフェノールは、ターポリマーコポリアミドが分解するのを防止した。しかし、１００％ＲＦで温度が１６０°Ｆ（７１°Ｃ）まで上昇すると、ｔ−ブチルフェノールオリゴマーは、下に在るターポリマーコポリアミドファイバを十分に保護することができない。これらのサンプルについて、１６０°Ｆ（７１°Ｃ）、１００％ＲＨで比較した。
【０１２３】
【表８】

【０１２４】
表は、サンプル６Ｂが、高温高湿への暴露を防止するのに役立つことを示している。
【０１２５】
より著しい相違は、ファイバ・マット上の水滴に曝したときに見られる。ＤＩ水の小滴をサンプル６Ａの表面に置くと、その水滴はすぐファイバ・マット全体に広がり、基体ペーパまで濡らす。一方サンプル６Ｂの表面に水滴を置くと、水滴はビーズを形成し、マット表面上に広がらない。ｐ−ｔ−ブチルフェノールのオリゴマーを添加することによって、サンプル１６の表面が疎水性になるよう改質した。このタイプの製品は、水滴がサンプル６Ｂのファインファイバの表層を通り抜けないので、ウォータ・ミスト・エリミネータとして使用することができる。
【０１２６】
サンプル６Ａ、６Ｂおよびセクション５の繰返しサンプルを、温度を３１０°Ｆに設定した炉内に置いた。表は、サンプル６Ａおよび６Ｂの両方が無傷のままであり、セクション５のサンプルはひどい損傷を受けたことを示している。
【０１２７】
【表９】

【０１２８】
ポリマーＡのみにオリゴマーを添加すると、ファインファイバ層の耐熱性が向上するが、添加剤７を添加した場合には、高温暴露に対してはっきりした効果がない。
【０１２９】
ターポリマーコポリアミド、アルコキシアルキル変性ナイロン６６、およびｔ−ブチルフェノールのオリゴマーの混合物は、ターポリマーコポリアミドとｔ−ブチルフェノールオリゴマーの混合物、またはターポリマーコポリアミドとアルコキシアルキル変性ナイロン６６の混合物よりも、製造の際の生産性を改善した状態で過酷な環境下のファインファイバを助けるのにより優れた製品を提供することが、明らかに示された。これら２成分の混合物も、単一成分系より改善されている。
【０１３０】
実施例７：
ポリアミドとビスフェノールＡポリマーの相溶性ブレンド
新しい種類のポリマーは、フェノール環の酸化カップリングによって調製することができる（Ｐｅｃｏｒａ，Ａ；Ｃｙｒｕｓ，Ｗ． 米国特許第４，９００，６７１号（１９９０）およびＰｅｃｏｒａ，Ａ；Ｃｙｒｕｓ，Ｗ．；Ｊｏｈｎｓｏｎ，Ｍ． 米国特許第５，１５３，２９８号（１９９２））。特に興味深いのは、Ｅｎｚｙｍｏｌ Ｃｏｒｐ．から販売されているＢｉｓｐｈｅｎｏｌ Ａ（ビスフェノールＡ）で作製したポリマーである。大豆ペルオキシダーゼの触媒作用によるビスフェノールＡの酸化は、ビスフェノールＡの２つの−ＯＨ基のどちらの側からも開始することができる。直線状の、ビスフェノールＡをベースとしたポリカーボネートとは異なり、このタイプのビスフェノールＡポリマーは、高度に枝分かれしたポリマーを形成する。このポリマーは高度に枝分かれする性質を持つので、ポリマー・ブレンドの粘度を低くすることができる。
【０１３１】
本発明者等は、このタイプのビスフェノールＡポリマーとポリアミドを溶液ブレンドできることを見出した。ナイロンに関して報告されたハンセンの溶解度パラメータは、１８．６である（第３１７ページ、Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｃｏｈｅｓｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ、Ａ．Ｂａｒｔｏｎ編、ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ、Ｂｏｃａ Ｒａｔｏｎ Ｆｌｏｒｉｄａ、１９８５）。溶解度パラメータを計算する場合（第６１ページ、Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ）、計算された溶解度パラメータは２８．０である。溶解パラメータに差があるので、双方が互いに対して混和性であると予想することができない。しかし本発明者等は、双方が完全に混和性を有し、予期しない性質をもたらすことを見出した。
【０１３２】
エタノール溶液中に、分子量３，０００のビスフェノールＡとコポリアミドが５０：５０のブレンドを形成した。溶液中の全濃度は１０％であった。コポリアミド単独では、ファイバ直径が０．２ミクロンになった。ブレンドの場合、約１ミクロンのファイバの厚い層になった。分子量７，０００のビスフェノールＡは、コポリアミドと共にあるときには安定でなく、沈殿する傾向がある。
【０１３３】
５０：５０のブレンドのＤＳＣは、溶融温度が不十分であることを示す。コポリアミドの溶融温度は約１５０℃であり、ビスフェノールＡ樹脂はＴｇが約１００のガラス状ポリマーである。このブレンドは、明確な溶融が不十分であることを示す。ファイバ・マットを１００℃に暴露すると、ファイバ・マットは消失する。このブレンドは、上限使用温度があまり高くなく、圧力低下が低い必要がある場合に、優れたフィルタ媒体を作製すると考えられる。このポリマー系は、妥当な手法で架橋することができなかった。
【０１３４】
実施例８：
ビスフェノールＡの、ブレンドにおける溶媒および固体としての２重の役割
ビスフェノールＡポリマー・ブレンドの驚くべき特徴とは、溶液の形態の場合にはビスフェノールＡポリマーが溶媒のように振る舞い、固体の形態ではそのポリマーが固体として機能することである。本発明者等は、ビスフェノールＡポリマーの２重の役割が、全く固有のものであることを見出した。
【０１３５】
下記の配合を行った。
【０１３６】
【表１０】

【０１３７】
このブレンドの粘度は、ブルックフィールド粘度計によれば３２．６センチポアズであった。全ポリマー濃度は１９．２％であった。１９．２％でのポリマーＢの粘度は２００センチポアズを超える。同様の溶媒中、１２％ポリマーＢ単独での粘度は、約６０センチポアズである。これは、溶液全体の粘度が予想よりも低いので、ビスフェノールＡ樹脂が溶媒のように振る舞う明らかな例である。得られるファイバの直径は０．１５７ミクロンであった。ポリマーＢのみがファイバの配合に寄与したなら、予想されるファイバのサイズは０．１ミクロン未満になる。言い換えれば、ポリマーＣがファイバの配合に寄与したのである。このように、成分が劇的な２重の役割をする、他のどのようなケースも知られていない。サンプルをエタノールに浸漬した後、フィルタ効率およびファイバ・サイズを測定した。アルコール浸漬後、８５．６％というフィルタ効率が保持され、ファイバ・サイズに変化はなかった。これは、ポリマーＣが、ポリマー固体のように架橋動作に寄与したことを示している。
【０１３８】
別のポリマー溶液を以下の手法で調製した。
【０１３９】
【表１１】

【０１４０】
このブレンドの粘度は９０．２センチポアズであった。これは、固体２４％の場合、非常に低い粘度である。これは、ポリマーＣが、溶液中では溶媒のように振る舞うことも示している。しかし、電界紡糸を行ってファイバにする場合、ファイバ直径は０．４３８ミクロンになる。ポリマーＢ単独の１５％溶液は、約０．２ミクロンのファイバを生成すると考えられる。最終の状態では、ポリマーＣが寄与することによってファイバ・サイズが大きくなる。やはりこの例でも、このタイプの枝分かれポリマーが溶液中では溶媒として働き、最終の状態では固体として働くことを示している。エタノール溶液に浸漬した後、７７．９％というフィルタ効率が保持され、ファイバ・サイズに変化はなかった。
【０１４１】
実施例９：
架橋されたポリアミド／ビスフェノールＡポリマー・ブレンドの開発
樹脂、アルコール、および水を合わせ、６０℃で２時間撹拌することによって、３つの異なるサンプルを調製した。溶液を室温に冷却し、触媒を溶液に添加して、その混合物をさらに１５分間撹拌した。その後、溶液の粘度を測定し、紡糸してファイバにした。
【０１４２】
下記の表はこれらの例を示す：
【０１４３】
【表１２】

本発明者等は、このブレンドがファイバを効率的に生成し、ポリマーＡ配合に比べてファイバの質量が約５０％多くなることを見出した。さらに、得られるポリマー・マイクロファイバは、耐薬品性がより高いファイバを生成する。アルコール浸漬後、本質的に架橋可能なポリマーが固体組成物のわずか４４％であっても、これらのファイバから作製されたフィルタは９０％よりも高いフィルタ効率を維持し、ファイバ直径に変化はなかった。このコポリアミド、アルコキシアルキル変性ナイロン６６、およびビスフェノールＡの３成分ポリマー組成物は、優れたファイバを形成する、化学的に耐久力のある材料を生成する。
【０１４４】
実施例１０：
ナイロン６６とナイロン４６の、アルコキシアルキル変性コポリマー
１０ガロン高圧反応器で以下の反応を行い、得られたポリマーについて分析した。反応温度に達した後、触媒を添加して１５分間反応させた。その後、ポリマー溶液を急冷し、沈殿させ、洗浄して乾燥させた。
【０１４５】
【表１３】

【０１４６】
ナイロン４６およびナイロン６６で形成したポリマーのＤＳＣは、変性ナイロン４６の溶融温度（２４１℃）または変性ナイロン６６の溶融温度（２１０℃）よりも低い、ブロードな単一の溶融温度を示す。これは、反応中に、両方の成分がポリマー鎖に沿ってランダムに分布することを示す。したがって、アルコキシアルキル変性により、ナイロン４６とナイロン６６のランダムコポリマーが得られたと考えられる。これらのポリマーはアルコールに溶解し、また、アルコールと水の混合物に溶解する。
【０１４７】
【表１４】

【０１４８】
両方とも結晶化度が高く、共通のアルコールに溶解しない。出所：Ｍｏｄｅｒｎ Ｐｌａｓｔｉｃｓ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ １９９８。
【０１４９】
実施例１１：
コポリアミドとアルコキシ変性ナイロン４６／６６コポリマーのインターポリマーの開発、および電界紡糸ファイバの形成
実験１０Ｂおよび１０Ｄのサンプルを、上述の方法によってファイバに作製した。アルコキシアルキル変性ナイロン４６／６６（ポリマーＤ）のみを首尾良く電界紡糸した。ポリマーＤとポリマーＡをブレンドすることによって、下記の表に見られるようにポリマーＤの架橋性を犠牲にすることなく、より効率的にファイバを形成することができ、より大きいファイバを作製することができるという追加の利益を得ることができる。
【０１５０】
【表１５】

【０１５１】
ファイバ質量比を、（ファイバの全長×断面積）によって計算した。保持効率保持は、フィルタ・サンプルをエタノールに浸漬して測定した。ファイバ・サイズは、アルコール浸漬によって変化しなかった。
【０１５２】
実施例１２：
架橋電界紡糸ＰＶＡ
ＰＶＡ粉末を、Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓから購入した。この粉末を、水、またはエタノールと水が５０／５０の混合物に溶解した。これらを架橋剤およびトルエンスルホン酸触媒と混合して、電界紡糸した。得られたファイバ・マットを１５０℃の炉内で１０分間架橋し、その後、ＴＨＣベンチにかけた。
【０１５３】
【表１６】

【０１５４】
実施例１３
従来のセルロース・エアフィルタ媒体を基体として使用した。この基体の坪量は、３０００平方フィート（２８０ｍ ² ）当たり６７ポンド（３０．４ｋｇ）であり、フレージャー透過率は、水の圧力低下が０．５インチ（１３ｍｍ）で１分当たり１６フィート（４．９ｍ）であり、厚さが０．０１２インチ（０．３ｍｍ）であり、ＬＥＦＳ効率が４１．６％であった。実施例１のファインファイバ層を、０．２ミクロンの公称ファイバ直径について述べたプロセスを使用して、表面に添加した。得られた複合体のＬＥＦＳ効率は６３．７％であった。１００％相対湿度で１４０Ｆの空気に１時間暴露した後、基体のみのサンプルを冷却して乾燥した結果、そのＬＥＦＳ効率は３６．５％であった。１００％相対湿度で１４０°Ｆ（６０°Ｃ）の空気に１時間暴露した後、複合体サンプルを冷却して乾燥した結果、そのＬＥＦＳ効率は３９．７％であった。記述した数式を使用すると、１時間暴露した後に保持されるファインファイバ層の効率は１３％であり、保持される有効なファインファイバの数は１１％であった。
【０１５５】
実施例１４
従来のセルロース・エアフィルタ媒体を基体として使用した。この基体の坪量は、３０００平方フィート（２８０ｍ ² ）当たり６７ポンド（３０．４ｋｇ）であり、フレージャー透過率は、水の圧力低下が０．５インチ（１３ｍｍ）で１分当たり１６フィート（４．９ｍ）であり、厚さが０．０１２インチ（０．３ｍｍ）であり、ＬＥＦＳ効率が４１．６％であった。実施例５のファインファイバ層を、０．２ミクロンの公称ファイバ直径について述べたプロセスを使用して、表面に添加した。得られた複合体のＬＥＦＳ効率は９６．０％であった。１００％相対湿度で１６０Ｆの空気に３時間暴露した後、基体のみのサンプルを冷却して乾燥した結果、そのＬＥＦＳ効率は３５．３％であった。１００％相対湿度で１６０°Ｆ（７１°Ｃ）の空気に３時間暴露した後、複合体サンプルを冷却して乾燥した結果、そのＬＥＦＳ効率は６８．０％であった。記述した数式を使用すると、３時間暴露した後に保持されるのファインファイバ層の効率は５８％であり、保持される有効なファインファイバの数は２９％であった。
【０１５６】
実施例１５
従来のセルロース・エアフィルタ媒体を基体として使用した。この基体の坪量は、３０００平方フィート（２８０ｍ ² ）当たり６７ポンド（３０．４ｋｇ）であり、フレージャー透過率は、水の圧力低下が０．５インチ（１３ｍｍ）で１分当たり１６フィート（４．９ｍ）であり、厚さが０．０１２インチ（０．３ｍｍ）であり、ＬＥＦＳ効率が４１．６％であった。実施例６で述べたポリマーＡとポリマーＢのブレンドのファインファイバ層を、０．２ミクロンの公称ファイバ直径について述べたプロセスを使用して、表面に添加した。得られた複合体のＬＥＦＳ効率は９２．９％であった。１００％相対湿度で１６０°Ｆ（７１°Ｃ）の空気に３時間暴露した後、基体のみのサンプルを冷却して乾燥した結果、そのＬＥＦＳ効率は３５．３％であった。１００％相対湿度で１６０°Ｆ（７１°Ｃ）の空気に３時間暴露した後、複合体サンプルを冷却して乾燥した結果、そのＬＥＦＳ効率は８６．０％であった。記述した数式を使用すると、３時間暴露した後に保持されるのファインファイバ層の効率は９６％であり、保持される有効なファインファイバの数は８９％であった。
【０１５７】
実施例１６
従来のセルロース・エアフィルタ媒体を基体として使用した。この基体の坪量は、３０００平方フィート（２８０ｍ ² ）当たり６７ポンド（３０．４ｋｇ）であり、フレージャー透過率は、水の圧力低下が０．５インチ（１３ｍｍ）で１分当たり１６フィート（４．９ｍ）であり、厚さが０．０１２インチ（０．３ｍｍ）であり、ＬＥＦＳ効率が４１．６％であった。実施例６で述べたポリマーＡ、ポリマーＢ、ｔ−ブチルフェノールオリゴマーのファインファイバ層を、０．２ミクロンの公称ファイバ直径について述べたプロセスを使用して、表面に添加した。得られた複合体のＬＥＦＳ効率は９０．４％であった。１００％相対湿度で１６０°Ｆ（７１°Ｃ）の空気に３時間暴露した後、基体のみのサンプルを冷却して乾燥した結果、そのＬＥＦＳ効率は３５．３％であった。１００％相対湿度で１６０°Ｆ（７１°Ｃ）の空気に３時間暴露した後、複合体サンプルを冷却して乾燥した結果、そのＬＥＦＳ効率は８７．３％であった。記述した数式を使用すると、３時間暴露した後に保持されるのファインファイバ層の効率は９７％であり、保持される有効なファインファイバの数は９２％であった。
【０１５８】
実施例１７
従来のセルロース・エアフィルタ媒体を基体として使用した。この基体の坪量は、３０００平方フィート（２８０ｍ ² ）当たり６７ポンド（３０．４ｋｇ）であり、フレージャー透過率は、水の圧力低下が０．５インチ（１３ｍｍ）で１分当たり１６フィート（４．９ｍ）であり、厚さが０．０１２インチ（０．３ｍｍ）であり、ＬＥＦＳ効率が４１．６％であった。実施例１２で架橋したＰＶＡとポリアクリル酸のファインファイバ層を、０．２ミクロンの公称ファイバ直径について述べたプロセスを使用して、表面に添加した。得られた複合体のＬＥＦＳ効率は９２．９％であった。１００％相対湿度で１６０Ｆの空気に２時間暴露した後、基体のみのサンプルを冷却して乾燥した結果、そのＬＥＦＳ効率は３５．３％であった。１００％相対湿度で１６０°Ｆ（７１°Ｃ）の空気に２時間暴露した後、複合体サンプルを冷却して乾燥した結果、そのＬＥＦＳ効率は８３．１％であった。記述した数式を使用すると、２時間暴露した後に保持されるのファインファイバ層の効率は８９％であり、保持される有効なファインファイバの数は７６％であった。
【０１５９】
実施例１８
以下のフィルタ媒体を、実施例１〜１７で述べた方法により作製した。
【０１６０】
【表１７】

【０１６１】
【表１８】

【０１６２】
【表１９】

【０１６３】
媒体は、平らな、波形の、ひだ付きの、波形かつひだ付きの状態で、フラットシート、ひだ付きフラット・パネル、ひだ付きラウンド・フィルタ、および他のフィルタ構造および構成に使用した。
【０１６４】
試験方法
温水浸漬試験
構造内に有効かつ機能的に保持されるファインファイバの数を測定する際の、フィルタ効率の使用には、ＳＥＭ評価などその他の可能な方法に勝るいくつかの利点がある。
【０１６５】
フィルタ測定では、ＳＥＭ顕微鏡写真に見られるわずかな面積（通常、０．０００１平方インチ未満）よりも良好な平均を得る、数平方インチの媒体を評価する。
【０１６６】
フィルタ測定では、構造内で機能的であり続けるファイバの数を定量する。変化した構造内にそのまま残されるが凝集しまたは別の態様で存在するこれらのファイバは、その測定された有効性および機能性に関してのみ含まれる。
【０１６７】
それにもかかわらず、フィルタ効率が容易に測定されない繊維性構造では、残されたファイバのパーセントを測定するためにその他の方法を使用することができ、５０％保持基準に照らして評価することができる。
【０１６８】
説明：この試験は、フィルタ媒体の防湿性を加速的に示すものである。この試験は、ＬＥＦＳ試験ベンチを使用して、水中に浸漬したときのフィルタ媒体性能の変化を測定する。水温は、極めて重要なパラメータであり、検査中の媒体の残存性履歴、試験時間を最小限に抑えたいという要望、媒体のタイプを識別する試験能力に基づいて選択される。典型的な水温は、７０°Ｆ（２１°Ｃ）、１４０°Ｆ（６０°Ｃ）、または１６０°Ｆ（７１°Ｃ）である。
【０１６９】
手順：
直径４インチのサンプルを媒体から切り取る。２０ＦＰＭで動作するＬＥＦＳ（ＬＥＦＳ試験の説明に関しては、ＡＳＴＭ規格Ｆ１２１５−８９参照）ベンチで、０．８μｍラテックス球を試験用汚染物質として使用して、試験片の粒子捕捉効率を計算する。次いでサンプルを、蒸留水中に５分間沈める（典型的な場合、１４０°Ｆ）。次いでサンプルを乾燥ラック上に置き、室温で乾燥させる（典型的な場合、一晩）。サンプルが乾燥したら、初期計算を行った場合と同じ条件を使用して、ＬＥＦＳベンチ上で効率を再試験する。
【０１７０】
ファインファイバを含まないファインファイバ基体に関し、前のステップを繰り返す。
【０１７１】
上述の情報から、ファインファイバのみに起因する効率成分と、水による損傷に起因する効率損失を、計算することができる。ファインファイバによる損失効率が決定されると、保持される効率の量を計算することができる。
【０１７２】
計算：
ファインファイバ層の効率：
Ｅ_ｉ＝初期複合体効率；
Ｅ_ｓ＝初期基体効率；
Ｆ_ｅ＝ファインファイバ層
Ｆ_ｅ＝１−ＥＸＰ（Ｌｎ（１−Ｅｉ）−Ｌｎ（１−Ｅｘ））
保持されるファインファイバ層効率：
Ｆ_ｉ＝初期ファインファイバ層効率；
Ｆ_ｘ＝浸漬後のファインファイバ層効率；
Ｆ_ｒ＝保持されるファインファイバ
Ｆ_ｒ＝Ｆ_ｘ／Ｆ_ｉ
有効な機能性を備えた状態で保持されるファインファイバのパーセンテージも、
％＝ｌｏｇ（１−Ｆ_ｘ）／ｌｏｇ（１−Ｆ_ｉ）
によって計算することができる。
【０１７３】
合格／不合格基準：＞５０％効率保持
ほとんどの工業用パルス・クリーニング・フィルタへの適用例において、フィルタは、少なくとも５０％のファインファイバ効率が保持される場合、十分に機能すると考えられる。
【０１７４】
ＴＨＣベンチ（温度、湿度）
説明：このベンチの目的は、動的流動条件下での高温高湿の影響に対するファインファイバ媒体の抵抗力を評価することである。試験は、工業用フィルタの適用例、ガス・タービン吸気口の適用例、または高荷重エンジンの空気取入れ環境の極端な作動条件をシミュレートすることを目的とする。間隔をおいて、サンプルを取り出し、乾燥させ、ＬＥＦＳ試験を行う。このシステムはたいていの場合、高温高湿条件を刺激するために使用されるが、温／冷乾燥状態を刺激するためにも使用することができる。
【０１７５】
温度 −３１〜３９０°Ｆ
湿度 ０〜１００％ＲＨ（１００％ＲＨの場合に最高温度は１６０°Ｆであり、この条件での最長連続所要時間は１６時間である）
流量 １〜３５ＦＰＭ
手順：
直径４インチのサンプルを媒体から切り取る。
【０１７６】
２０ＦＰＭで動作するＬＥＦＳベンチで、０．８μｍラテックス球を試験用汚染物質として使用して、試験片の粒子捕捉効率を計算する。次いでサンプルを、ＴＨＣ媒体チャックに挿入する。試験時間は、試験条件に応じて数分から数日にすることができる。次いでサンプルを乾燥ラック上に置き、室温で乾燥させる（典型的な場合、一晩）。サンプルが乾燥したら、初期計算を行った場合と同じ条件を使用して、ＬＥＦＳベンチ上で効率を再試験する。ファインファイバを含まないファインファイバ基体に関し、前のステップを繰り返す。上述の情報から、ファインファイバのみに起因する効率成分と、アルコールによる損傷に起因する効率損失を、計算することができる。ファインファイバによる損失効率が決定されると、保持される効率の量を計算することができる。
【０１７７】
合格／不合格基準：＞５０％効率保持
ほとんどの工業用パルス・クリーニング・フィルタへの適用例において、フィルタは、少なくとも５０％のファインファイバ効率が保持される場合、十分に機能すると考えられる。
【０１７８】
アルコール（エタノール）浸漬試験
説明：この試験は、室温のエタノールに浸漬したときのフィルタ媒体性能の変化を測定するために、ＬＥＦＳ試験ベンチを使用する。
【０１７９】
手順：
直径４インチのサンプルを媒体から切り取る。２０ＦＰＭで動作するＬＥＦＳベンチで、０．８μｍラテックス球を試験用汚染物質として使用して、試験片の粒子捕捉効率を計算する。次いでサンプルを、アルコール中に１分間沈める。
【０１８０】
次いでサンプルを乾燥ラック上に置き、室温で乾燥させる（典型的な場合、一晩）。サンプルが乾燥したら、初期計算を行った場合と同じ条件を使用して、ＬＥＦＳベンチ上で効率を再試験する。ファインファイバを含まないファインファイバ基体に関し、前のステップを繰り返す。上述の情報から、ファインファイバのみに起因する効率成分と、アルコールによる損傷に起因する効率損失を、計算することができる。ファインファイバによる損失効率が決定されると、保持される効率の量を計算することができる。
【０１８１】
合格／不合格基準：＞５０％効率保持
上述の仕様、実施例、およびデータは、本発明を説明するものである。しかし、開示された本発明に関し、多くの変形例および実施形態を提示することができる。本発明は、上述の特許請求の範囲において具体化される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のファインファイバを生成するための、典型的な静電エミッタ駆動装置を示す図である。
【図２】 ファインファイバをフィルタ基体上に導入し、さらに図１に示されるファインファイバ形成技術に導くのに使用される装置を示す図である。
【図３】 小さい粒子状物質、すなわち２および５ミクロンの粒子状物質と比較した、支持材料の典型的な内部構造を示す図および本発明のファインファイバ材料を示す別の図である。
【図４】、
【図５】、
【図６】、
【図７】、
【図８】、
【図９】、
【図１０】、
【図１１】 実施例１３に関する分析ＥＳＣＡスペクトルを示す図である。
【図１２】 実施例５から得られた本発明の０．２３および０．４５マイクロファイバ材料の安定性を示す図である。
【図１３】、
【図１４】、
【図１５】、
【図１６】 非変性ナイロンコポリマー溶媒可溶性ポリアミドと比較した場合の、実施例５および６の材料の、改善された温度および湿度安定性を示す図である。
【図１７】、
【図１８】、
【図１９】、
【図２０】 熱処理してから添加剤に結合させた２つのコポリマー、ナイロンホモポリマーとナイロンコポリマーのブレンドが、２つの別個のポリマー材料の区別可能な特徴を示さずに、架橋しまたは別の方法で化学的に接合された単一相であることがわかる、単一成分材料を形成することを示す図である。
【図２１】 本発明によるフィルタエレメントを含んだ空気フィルタシステムの一実施形態を示す、一部破断側面図である。
【図２２】 本発明によるフィルタエレメントおよびベンチュリエレメントを含んだ空気フィルタシステムの別の実施形態を示す、一部破断側面図である。
【図２３】 図２１および２２のシステムで使用可能なフィルタエレメントの概略斜視図である。
【図２４】 図２３の線２４−２４に沿って得られた、図２３のフィルタエレメントの概略断面図である。
【図２５】 図２１または２２に示されるシステム内にシールされた、図２３および２４のフィルタエレメントの拡大概略断面図である。
【図２６】 ベンチュリエレメントが取り付けられたフィルタエレメントであって、図２２のシステムで使用可能なフィルタエレメントの実施形態の、部分断面図である。
【図２７】 パルス・ジェット・クリーニングシステムおよびベンチュリエレメントの平面図である。

Claims (17)

1. エアフィルタ・アセンブリであって、
   （ａ）前記エアフィルタ・アセンブリは、空気入口と、空気出口と、ハウジングをフィルタチャンバと清浄空気チャンバとに分離するスペーサ壁とを含むハウジングを有し、前記スペーサ壁は、その内部に第１の空気流アパーチャを含み、
   （ｂ）前記エアフィルタ・アセンブリは、空気流を介して前記スペーサ壁の前記第１の空気流アパーチャに連絡するよう位置決めされた第１のフィルタ構造を含み、前記第１のフィルタ構造は、フィルタ構造内部清浄空気チャンバを画定するひだ付きフィルタ媒体複合体の延長部を含み、
   （ｉ）前記第１のフィルタ構造が、空気流を介して前記スペーサ壁の前記第１の空気流アパーチャに連絡するように、前記フィルタ内部清浄空気チャンバと共に位置が定められ、
   （ｉｉ）前記ひだ付きフィルタ媒体複合体がポリマーのファインファイバの層で少なくとも部分的に覆われた基体を含み、
   （Ａ）前記ファインファイバは、前記ひだ付きフィルタ媒体複合体の状態で１６時間の試験時間中６０°Ｃ（１４０°Ｆ）の空気および相対湿度１００％の雰囲気中に曝露された後に前記ファインファイバの３０％よりも多い量をフィルタとして作用するために変化しない状態で保持している、約０．０１〜０．５ミクロンの直径を有するファインファイバであり、
   （ｃ）前記エアフィルタ・アセンブリは、前記フィルタ構造内部清浄空気チャンバに空気のパルスを向けるよう配置されたパルスジェット・クリーニングシステムを含むことを特徴とするエアフィルタ・アセンブリ。
2. 前記ポリマーが縮合ポリマーまたは付加ポリマーを含むことを特徴とする請求項１に記載のエアフィルタ・アセンブリ。
3. 前記ポリマーが、約１〜４０重量％の架橋剤で架橋されていることを特徴とする請求項２に記載のエアフィルタ・アセンブリ。
4. 環状ラクタムと、Ｃ_６〜１０ジアミンモノマーまたはＣ_６〜１０二酸モノマーとから形成されたコポリマー以外の縮合ポリマーと、分子量が約５００〜３０００でかつ芳香族の特性を有するオリゴマーを含む樹脂状添加剤とを含み、前記樹脂状添加剤が、前記縮合ポリマーに対して混和性であることを特徴とする請求項２に記載のエアフィルタ・アセンブリ。
5. 前記縮合ポリマーが、ナイロン６を含むことを特徴とする請求項２に記載のエアフィルタ・アセンブリ。
6. （ａ）前記スペーサ壁の第１の空気流アパーチャ中に取り付けられ、前記第１のフィルタ構造内部清浄空気チャンバ内に突出するよう位置決めされた、第１のベンチュリエレメントをさらに含み、
   （ｉ）前記パルスジェット・クリーニングシステムが、前記清浄空気チャンバから前記第１のフィルタ構造に向かって、空気パルスを前記第１のベンチュリエレメントに向けるよう配置された第１のブロー・パイプを含んでいることを特徴とする請求項１に記載のエアフィルタ・アセンブリ。
7. （ａ）前記第１のフィルタ構造が、中心アパーチャを有する第１のエンド・キャップを含み、前記フィルタ媒体の延長部が前記第１のエンド・キャップ内に埋め込まれていることを特徴とする請求項１に記載のエアフィルタ・アセンブリ。
8. （ａ）前記第１のフィルタ構造が、軸方向に位置合わせされた第１および第２のフィルタエレメントを含み、
   （ｉ）ひだ付きフィルタ媒体複合体の前記延長部が、前記第１のフィルタエレメント内に媒体の第１の延長部と、前記第２のフィルタエレメント内に媒体の第２の延長部とを含むことを特徴とする請求項１に記載のエアフィルタ・アセンブリ。
9. （ａ）前記スペーサ壁が、その内部に第２の空気流アパーチャを含み、
   前記アセンブリが、
   （ｉ）空気流を介して前記スペーサ壁の前記第２の空気流アパーチャに連絡するよう位置決めされた第２のフィルタ構造をさらに含み、前記第２のフィルタ構造が第２のフィルタ構造内部清浄空気チャンバを画定するひだ付きフィルタ媒体複合体の延長部をさらに含み、
   （Ａ）前記第２のフィルタ構造が、空気流を介して前記スペーサ壁の第２の空気流アパーチャに連絡するよう前記第２のフィルタ内部清浄空気チャンバと共に位置が定められ、
   （Ｂ）前記第２のフィルタ構造の前記ひだ付きフィルタ媒体複合体が、ファインファイバ層で少なくとも部分的に覆われた基体を含むことを特徴とする請求項１に記載のエアフィルタ・アセンブリ。
10. （ａ）前記スペーサ壁が、その内部に第２の空気流アパーチャを含み、
    前記アセンブリが更に、
    （ｉ）空気流を介して前記スペーサ壁の前記第２の空気流アパーチャに連絡するよう位置決めされた第２のフィルタ構造を含み、前記第２のフィルタ構造は、第２のフィルタ構造内部清浄空気チャンバを画定するひだ付きフィルタ媒体複合体の延長部を含み、
    （Ａ）前記第２のフィルタ構造が、空気流を介して前記スペーサ壁の第２の空気流アパーチャに連絡するよう前記第２のフィルタ内部清浄空気チャンバと共に位置が定められ、
    （Ｂ）前記第２のフィルタ構造の前記ひだ付きフィルタ媒体複合体が、ファインファイバ層で少なくとも部分的に覆われた基体を含み、
    （ｉｉ）前記アセンブリが更に、前記スペーサ壁の第２の空気流アパーチャ内に取り付けられ、前記第２のフィルタ構造内部清浄空気チャンバ内に突出するよう位置決めされた、第２のベンチュリエレメントを含み、
    （ｉｉｉ）前記アセンブリが更に、前記清浄空気チャンバから前記第２のフィルタ構造に向けて、空気パルスを前記第２のベンチュリエレメントに向けるよう配置された第２のブロー・パイプを含むことを特徴とする請求項１に記載のエアフィルタ・アセンブリ。
11. 空気を濾過するための方法であって、
    （ａ）前記方法は、空気を請求項１に記載のエアフィルタ・アセンブリを通して導く工程を含み、
    （ｂ）前記方法は、前記空気を前記フィルタチャンバに向けた後、前記空気を第１のフィルタ構造のひだ付きフィルタ媒体複合体の延長部に通してフィルタ構造内部清浄空気チャンバに向ける工程を含み、前記第１のフィルタ構造が、空気流を介して前記スペーサ壁の第１の空気流アパーチャに連絡するよう位置決めされ、前記ひだ付きフィルタ媒体複合体の延長部がフィルタ構造内部清浄空気チャンバを画定し、
    （ｉ）前記第１のフィルタ構造が、空気流を介して前記スペーサ壁の第１の空気流アパーチャに連絡するよう前記フィルタ内部清浄空気チャンバと共に位置が定められ、
    （ｉｉ）前記媒体複合体は、層で少なくとも部分的に覆われた基体を含み、前記層が、ファインファイバを含み、
    （ｃ）前記方法は、前記空気を第１のフィルタ構造のひだ付きフィルタ媒体複合体の延長部に通してフィルタ構造内部清浄空気チャンバに向けた後で、前記空気を前記清浄空気チャンバに向けて前記ハウジングから出す工程を含むことを特徴とする方法。
12. 前記ひだ付きフィルタ媒体複合体に収集された微粒子を少なくとも部分的に除去するため空気のパルスを前記フィルタ構造内部清浄空気チャンバに向ける工程をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記ひだ付きフィルタ媒体複合体に収集された微粒子を少なくとも部分的に除去するため空気のパルスを前記フィルタ構造内部清浄空気チャンバに向ける前記工程は、前記第１のフィルタ構造内部清浄空気チャンバ内に突出するよう取り付けられたベンチュリエレメントに空気のパルスを向ける工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記ハウジングのスペーサ壁が、複数のフィルタ構造のひだ付きフィルタ媒体複合体の複数の延長部を含み、前記ひだ付きフィルタ媒体複合体の延長部のそれぞれが、それぞれフィルタ構造内部清浄空気チャンバを画定することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
15. 前記ひだ付きフィルタ媒体複合体のそれぞれに収集された微粒子を少なくとも部分的に除去するために、空気のパルスを前記フィルタ構造内部清浄空気チャンバのそれぞれに向ける工程をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
16. 前記ひだ付きフィルタ媒体複合体のそれぞれに収集された微粒子を少なくとも部分的に除去するために、空気のパルスを前記フィルタ構造内部清浄空気チャンバのそれぞれに向ける前記工程が、それぞれのフィルタ構造内部清浄空気チャンバ内に突出するようそれぞれ取り付けられた複数のベンチュリエレメントに空気のパルスを向ける工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
17. 前記ひだ付きフィルタ媒体複合体に収集された微粒子を少なくとも部分的に除去するために前記媒体を振動させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。

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