JP5211037B2 - プリーツを付けることの可能な不織布材料を製造するための方法と装置 - Google Patents

Description

本発明は、支持し、形状付与する太めの繊維（以下、太繊維とも称する）とフィルター効果を決定する細めの繊維（以下、細繊維とも称する）とを備えて成るプリーツを付けることの可能な不織布材料を製造するための方法と装置とに関する。

DE10310435B3 DE102004036440A1 WO2006/049664A1 JP02-264057A DE69322572T2 EP0674035A2

このタイプの不織布材料は、特許文献１に開示される。この従来技術のフィルターエレメントでは、ナノ繊維（nanofibers）又はマイクロ繊維（microfibers）から成る繊維コーティングで両面を覆われた通気性支持材料が提供される。被覆厚さは、漸進的なフィルター要素を形成するように流入側面から流出側面へ増加する。先の従来技術のフィルター材料に対して、この実施形態は、既にフィルター性能の相当な改良に結び付いた。

従来プリーツを付けられ、それ自体では自動車におけるエアフィルターとして用いられるこの種のフィルター材料において、低い圧力低下は、小さいサイズの送風機モータ、故に、対応して低いエネルギー消費及び低い騒音発生と同義であるため、空気が通過する際における可能な限り最低の圧力低下がきわめて重要である。

低い圧力差を有するフィルターシステムのためのこの要求は、必要とされる分離性能と要求される耐用寿命とで対照的である。

主として、これら２つの要求を、通常一方ではおよそ２０μｍ、他方ではおよそ４μｍでの異なる太さの繊維によって達成することが可能である。

繊維密度の漸進的な構成は、製造の間に不織布材料が敷設乃至置かれる不織布材料の側面が、不織布材料がフィルターに挿入されるときの流出側として用いられることで達成される。

フィルター特性のさらなる改良のために、産業界は、フィルター製造に用いられる、ますます小さくなっていく繊維直径の開発に重点を置く。

現在、所謂メルトブロープロセス（melt blowing process）が細い繊維を作りだす最も共通の技術である。構造的な構成に起因して、このプロセスは、今までのところ２μｍ以上の繊維サイズに限定されている。このプロセスでは、低粘度媒体が用いられ、当該低粘度媒体は、より細い繊維太さを達成するための試みでは分裂する。

しかしながら、圧力損失で生じる増加を最小限にする一方でフィルターの分離性能を増加するために、非常に細い繊維が重要である。それらは内部表面積の増加につながるため、かくして、耐用年数を増加させる一方で同時にますます細い粒子を分離することを可能にするからである。

およそ５００ｎｍよりも小さな繊維サイズは、太めの繊維の場合の他に、非常に細い繊維（ナノ繊維）の表面で流れ速度がゼロにまで減少させられないことにより、所謂すべり流れ効果（slip-flow effect）を発生させ、かくして、気流中に含まれる細かい粒子がより大きな程度で遮断され集積される一方でより容易に拡散させることが可能になる。

従来技術にしたがって、このタイプのナノ繊維は、例えば特許文献１に記述されるような所謂エレクトロスピニングプロセス（electrospinning process）を用いて溶液から作り出される。このプロセスでは、高電圧を印加することにより５０ｎｍまでの最小直径を備えた繊維を作り出すために、ポリマーが溶媒乃至溶剤を用いて溶解させられる。

このエレクトロスピニングプロセスの著しい欠点は、大量の溶媒の使用である。このプロセスで発生する蒸気と同時に印加される高電圧に起因して、著しい爆発リスクが存在する。別の重大な側面は、蒸気が環境乃至周囲に対して有害であり、したがって、運転員に対して健康上のリスクを有することである。別の欠点は、フィルター材料のコーティングが別個のステップで実行され、その結果として、ナノ繊維が実質的にコーティング表面上にだけ配置されることである。この多重の層は、不織布材料のプリーツ付けを非常に困難にさせる。それにより、従来は、材料の折り畳みは、スポット接合を用いてのみ達成することができる。

同様に、１μｍ以下の繊維太さを有するガラス繊維媒体がよく知られている。この材料は、非常にもろく、粒子を放出させる機械的な負荷を受けると壊れるので、該材料は、発がん性物質として分類されなければならない。また、ガラス繊維媒体は、分離性能に対して非常に高い圧力差を示す。

特許文献２は、ナノ繊維が支持フレームにわたって分散されるフィルター材料を開示する。エレクトロスピニングが、考えられうる製造方法であると述べられている。同様なフィルター材料が特許文献３にも記述される。

特許文献４は、メルトブロープロセスで製造される不織布材料を開示し、そこでは、異なった材料が異なる紡糸口金から押出される。紡糸口金の第一グループの直径は、およそ８μｍになる一方で、紡糸口金の第二グループの直径は、８μｍと同じかそれ以下になる。

特許文献５は、紡糸口金が互いに対して斜めに配置される実施形態を記述する。

特許文献６は、空気が側面から供給されるスピニングビームを開示する。

これに基づき、本発明の目的は、一方では、非常に優れたフィルター特性、特に低い圧力差と同時に高い分離性能とによって特徴付けられる一方で、他方では、高いスループット性能を達成するように環境に優しく且つコスト効果の高い方法で製作することのできるプリーツを付けることの可能な不織布材料を作り出すことである。

本発明にしたがい、この目的は、請求項１に記載の製造方法により、また請求項５に記載の製造装置により、達成される。これらの方法、装置によってもたらされる不織布材料は、細繊維と太繊維とが溶融された状態からの固化により一緒に結合され、同一材料から作られるものであり、細繊維が不織布材料の表面に沿った方向で太繊維に大部分均一に組み込まれ、また不織布材料の表面に垂直な方向において細繊維の分布密度勾配（distribution-density gradient）が、細繊維の最も高い集中（concentration）が２つの外側面の一方で、又は、中央領域にあるように、存在し、太繊維が２μｍ以上の直径を有し、細繊維が１０００ｎｍ以下の直径を有する。

特に、太めの繊維が２〜２００μｍの間の直径を有するべきである一方で、細めの繊維は、５０〜１０００ｎｍの間の直径を有するべきである。このような極度に細いナノ繊維によって、特に良好なフィルター効果を達成することが可能になる。

繊維は、有利には、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリエステル、又は、その混合物から成りうる。

本発明に係る、プリーツを付けることの可能な不織布を作り出す方法では、ポリマーが溶融され、スピニングビームの紡糸口金を通じて押圧され、かくして作り出される同一材料の複数のポリマー糸が不織布層を形成するように搬送ベルト上に置かれる。本発明にしたがって、多様な直径の紡糸口金が単一のプロセスステップで第一太さ及び第二太さのポリマー糸を作り出し且つ置くために用いられることが提供され、第一繊維のための紡糸口金の直径は、０．２ｍｍ未満、好ましくは０．１５ｍｍであり、且つ、第二繊維のための紡糸口金の直径は、０．２ｍｍより大きく、好ましくは０．３〜０．４ｍｍであり、また、そのメルトフローインデックス「ｍｆｉ」（メルトフローレート）が５００未満の高粘度ポリマー溶融物が用いられる。

この方法を用いて、太繊維によって形成される支持フレームでの細繊維の所望の均一な分布が達成される。

有利には、互いに対して斜めに配置される少なくとも２つのスピニングビームが設けられ、各スピニングビームの紡糸口金を離れたポリマー糸は、搬送ベルトと接触する前に、又は、少なくとも搬送ベルトと接触する瞬間に互いにもつれ、絡み合う。

特に、第一スピニングビームが相対的に大径の紡糸口金を備えて成り、第二スピニングビームが相対的に小径の紡糸口金を備えて成る２つのスピニングビームを用いることができる。

非常に小さな直径を備えた長い繊維を得るために、そのメルトフローインデックス「ｍｆｉ」が５００をはるかに下回る高粘度ポリマー溶融物を用いることが重要である。

別の重要な態様は、スピニングビームに供給される空気が５００ｍｂａｒ程度の比較的僅かな過圧（overpressure）を有することである。

本発明に係る、プリーツを付けることの可能な不織布を作り出す方法の実施のための装置は、互いに隣り合って配置された複数の紡糸口金を含むスピニングビームと、紡糸口金から離れたポリマー糸を置くための搬送ベルトとを備えて成り、当該装置は、同一材料のポリマー糸が異なる孔径の紡糸口金を離れるときに搬送ベルトと接触する前に又は遅くともそこに接触する瞬間に絡み合うように、互いに対して配置された少なくとも２つのスピニングビームが設けられるという事実によって特徴付けられ、そこでは、第一スピニングビームが相対的に大径の紡糸口金を備えて成り、第二スピニングビームが相対的に小径の紡糸口金を備えて成り、小径の紡糸口金の直径は、０．２ｍｍ未満、好ましくはおよそ０．１５ｍｍであり、大径の紡糸口金の直径は、０．２ｍｍより大きく、好ましくは０．３〜０．４ｍｍである。

特に、スピニングビームが互いに対して斜めに配置され、細めの繊維と太めの繊維とが放出される際に互いに絡み合い、もつれ合わされることが提供される。

特に、第一スピニングビームが大きめの直径の紡糸口金を備えて成り、第二スピニングビームが小さめの直径の紡糸口金を備えて成る。

最後に、５００ｍｂａｒ程度の空気流の発生のために、紡糸口金の排出口領域にファンを設けることができる。

紡糸口金は、特に有利には、レーザー加工によって作り出され、０．２０ｍｍ以下の直径を有する。これは、小さな直径の紡糸口金の高い密集状態を経済的な方法で作り出すことを可能にする。

本発明は、走査型電子顕微鏡で撮った写真と図面とを用いて、以下により詳細に記述される。

以下の図解乃至写真（illustration）１／図３及び写真２／図４は、多様な繊維サイズの分散乃至分布を示す（写真１／図３及び写真２／図４を参照）。

きめの粗い繊維（およそ１５μｍの直径）は、大部分は多重の繊維の形態で存在している。きめの粗い単一の繊維は、多重の繊維を形成するために共に結びつけられ、そこでは、繊維の混合物（２００μｍまで）は、互いに緩く接触しているだけであるが、その表面は、大部分共に溶融させられる。

中間繊維直径（およそ１〜２μｍ）は、ほとんどが単一の繊維の形態で、まれに最大で３繊維を備えて成る繊維混合物の形態で存在している。

概観写真では、多数の細めの繊維（１μｍ以下のナノ繊維）のウェブ（web）が、きめが粗く且つ中間の繊維直径の繊維構造を貫通していることをはっきりと示している。最も細い繊維は、単一の繊維の形態で存在しているだけである（写真３／図５を参照）。

細い繊維の直径は、７３３ｎｍ又は８５７ｎｍにそれぞれなる。１μｍをはるかに下回る直径を備えた繊維は、もっぱらナノ繊維である（写真４／図６を参照）。

高倍率は、およそ１１μｍの直径を備えた「標準的な」繊維と周囲のおよそ７５０ｎｍのナノ繊維との間の極端な相違を示す（写真５／図７を参照）。

材料断面にわたる繊維構造を図解するために、写真は７０°の角度で撮られた。

写真の下側部分は、太い結合繊維の基礎構造を示す。写真の中央部は、細い繊維とナノ繊維とを備えて成る部分を示す。カバー層が、中間直径を備えた繊維によって形成される（写真６／図８を参照）。

ナノ繊維（測定値：５２２ｎｍ）は、およそ１〜２μｍの直径を有する繊維と隣り合う（写真７／図９を参照）。

フィルター基材が塩化ナトリウム粒子にさらされる（粒子フィルター試験台でおよそ１５分間）。

背面にはきめの粗い繊維（およそ１０〜１５μｍの直径）が存在する。部分的に乃至一部分は非常に小さな直径（０．５μｍよりもはるかに小さい）を備えた塩化ナトリウム粒子が、繊維の表面に析出乃至堆積した。

非常に細いナノ繊維（測定値：４２６ｎｍの直径）上で前面に堆積した粒子数は、最も細い繊維の直径がきめの粗い繊維の直径のおよそ１／２５しかないのにもかかわらず、太い繊維上の粒子数と同様である。

写真８／図１０は、塩化ナトリウム粒子にさらされた際におけるきめの粗い、中間繊維及びナノ繊維の概観写真を示す（写真８／図１０を参照）。

本発明の装置が図１及び２に関して以下に記述される。

以下に記述される図１は、互いに隣り合って配置される複数の紡糸口金（spinnerets）２を備えて成るスピニングビーム（spinning beam）１の概略的な断面図を示し、当該紡糸口金を介して、圧縮液体ポリマーの円錐４が矢印３によって示されるように圧力下で放出される。ファンによって発生させられるおよそ５００ｍｂａｒの圧力を備えた空気流が、空気経路５を介して供給される。

図２は、互いと鋭角βを形成し、且つ、スピニングビーム１の下部に配置される搬送ベルト７に対して垂直方向に角度αで配置される２つのスピニングビーム１の概略図を示す。

図２の左側のスピニングビーム１は、大きめの直径の紡糸口金２を備えて成る一方で、図２の右側のスピニングビーム１は、小さめの直径の紡糸口金を備えて成るので、大きめの直径のポリマー糸８は、小さめの直径のポリマー糸９と、それらが不織布フィルター材料１１を形成するように搬送ベルト７上に置かれる前の領域１０で、もつれ合い、絡み合う。このプロセスは、細めのポリマー糸９が太めのポリマー糸８の間に広く均一に分布されることを確実にする。

互いに隣り合って配置される複数の紡糸口金を備えて成るスピニングビームの概略的な断面図を示す。 互いと鋭角βを形成し、且つ、スピニングビームの下部に配置される搬送ベルトに対して垂直方向に角度αで配置される２つのスピニングビームを概略的に示す。 多様な繊維サイズの分布を示す図である。 多様な繊維サイズの分布を示す図である。 多数のナノ繊維のウェブが中間繊維直径の繊維構造を貫通していることを示す図である。 １μｍをはるかに下回る直径を備えた繊維はナノ繊維であることを示す図である。 およそ１１μｍの直径を備えた「標準的な」繊維と周囲のおよそ７５０ｎｍのナノ繊維との間の極端な相違を示す図である。 下側部分が太い結合繊維の基礎構造を、中央部が細い繊維とナノ繊維とを備えて成る部分を示す図である。 ナノ繊維がおよそ１〜２μｍの直径を有する繊維と隣り合っていることを示す図である。 塩化ナトリウム粒子にさらされた際における、きめの粗い中間繊維及びナノ繊維を概略的に示す図である。

符号の説明

１ スピニングビーム
２ 紡糸口金
７ 搬送ベルト
８ ポリマー糸
９ ポリマー糸

Claims (8)

1. ポリマーが溶融され、スピニングビームの紡糸口金を通って押圧され、かくして作り出されたポリマー糸が搬送ベルト上に置かれて不織布層を形成する、プリーツを付けることのできる不織布を作り出す方法において、
   異なる直径の複数の紡糸口金（２）が用いられ、同一材料である第一太さ及び第二太さのポリマー糸（８、９）が同時に作り出され、且つ、単一のステップで置かれ、第一繊維のための紡糸口金（２）の直径は、０．２ｍｍ未満で、第二繊維のための紡糸口金（２）の直径は、０．２ｍｍより大きく、５００未満のメルトフローレートを備えた高粘度ポリマー溶融物が用いられることを特徴とする方法。
2. 互いに斜めに配置される少なくとも２つのスピニングビーム（１）が用いられ、各スピニングビーム（１）の紡糸口金（２）を離れたポリマー糸（９）が搬送ベルトに接触する前に互いと絡み合い、もつれ合うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. ２つのスピニングビーム（１）が用いられ、第一スピニングビーム（１）は、相対的に大径の紡糸口金を備えて成り、第二スピニングビーム（１）は、相対的に小径の紡糸口金を備えて成ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. スピニングビームが５００ｍｂａｒの圧力を有する空気を供給されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. ポリマーが溶融され、スピニングビームの紡糸口金を通って押圧され、かくして作り出されたポリマー糸が搬送ベルト上に置かれて不織布層を形成する、プリーツを付けることのできる不織布を作り出す方法の実施のための装置であって、互いに隣り合って配置される複数の紡糸口金を含むスピニングビームと、紡糸口金から出たポリマー糸を置くための搬送ベルトとを備えて成る装置において、
   異なる直径の複数の紡糸口金から出た同一材料のポリマー糸が搬送ベルト（７）に接触する前に互いと絡み合うように、互いに対して配置される少なくとも２つのスピニングビーム（１）が設けられ、第一スピニングビーム（１）が相対的に大径の紡糸口金（２）を備えて成り、第二スピニングビーム（１）が相対的に小径の紡糸口金（２）を備えて成り、相対的に小径の紡糸口金（２）の直径が０．２ｍｍ未満であり、相対的に大径の紡糸口金（２）の直径が０．２ｍｍより大きいことを特徴とする装置。
6. 少なくとも２つのスピニングビーム（１）が互いに対して角度（β）で配置されることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. ファンが５００ｍｂａｒの圧力を備えた空気流の発生のために紡糸口金（２）の排出口領域に設けられることを特徴とする請求項５に記載の装置。
8. 紡糸口金（２）がレーザードリルによって作り出されることを特徴とする請求項５に記載の装置。

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