JP5379935B2 - 液体用プリーツ式フィルターカートリッジ - Google Patents

Description

この発明は、液体濾過用フィルターとして使用し得る耐圧性を有する高分子ナノファイバー不織布を使用した新規プリーツ式フィルターカートリッジに関する。

高分子ナノファイバー不織布は、通常繊維間の結合力が弱いので、粘性が低く大きな差圧が発生しない気体濾過用フィルターとして知られている。しかし、流体に対する耐圧性が要求される液体用フィルターとして産業上使用し得る耐圧性を有するフィルターは知られていない。

液体用プリーツ式フィルターカートリッジ、特に完全性を保証するような精密濾過膜（ＰＴＦＥ膜やＰＥ膜）を使用したフィルターカートリッジにおいては、メインの濾過材となる精密濾過膜を保護する目的で、濾過材の前後にサポート材が用いられている。このサポート材としては、強度が高いほどサポート効果が上がるので、スパンボンド（ＳＢ）のような繊維径の太い不織布が使用されていた。

高分子ナノファイバー不織布は、この膜フィルター並みの濾過精度が期待されるので、精密濾過材としてナノファイバー不織布が使用できれば、膜フィルターよりも空隙率を上げることが可能となるので、圧力損失を小さくできるという点で有利である。

上記のような利点が期待されることから、高分子ナノファイバー不織布の両面をサポート材で挟持した積層体を液体用プリーツ式フィルターとすることを試みたが、プリーツ加工時に濾材にピンホールが発生するとか、膜フィルターのサポート材として通常使用される強度の強い、繊維径の太い、粗いサポート材を二次側にすると、液圧で高分子ナノファイバー不織布が目開きし、濾過精度が低下することが判明した。

これを解決するため、従来膜フィルターのサポート材としては、目の粗いスパンボンド不織布（ＳＢ）よりは、サポート材として効果的でなかった目の細かいサポート材を図１に示すように流体流出側である、フィルターの二次側とすることによって、高分子ナノファイバー不織布の目開きが低減することを見出したが、このフィルターは、完全性及び耐圧性能は要求水準に達しないことが判明した。

この発明は、このような点に着目してなされたものであり、完全性及び耐圧性が要求水準に達し、且つ安定して作製し得る、高分子ナノファイバー不織布を使用した液体用プリーツ式フィルターカートリッジを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明者は、鋭意研究の結果、図１に示す二次側を繊維径１〜１０μｍのサポート材にすると共に、挟持する両サポート材と高分子系ナノファイバー不織布とをラミネート加工により、ナノファイバー不織布が溶融しないで、濾材の空隙率を有するように圧着一体化することにより、完全性及び耐圧性が要求水準に達した液体用プリーツ式フィルターカートリッジを安定して作製し得ることを見出し、本発明に到達した。

即ち本発明は、高分子ナノファイバー不織布を濾過前の液側となる一次側のサポート材と濾過後の液側となる二次側のサポート材とで挟持して、ラミネート加工により該両サポート材と前記ナノファイバー不織布とを、ナノファイバー不織布と両サポート材とが溶融しないように圧着一体化してなり、前記二次側は繊維径１〜１０μm、目付１０〜１００ｇ／ｍ^２のサポート材で形成したことを特徴とする。

サポート材に高分子ナノファイバー不織布を積層した濾過材とサポート材とを、ラミネート加工により圧着一体化するのが好ましい（請求項２）。
カレンダリングによるラミネート加工により、濾材の空隙率５０〜８０％に圧着一体化するのが好ましい（請求項３）。

前記ラミネート加工は、エンボスロールによるラミネート加工であるのが、圧着面積が小さく、全体の空隙率を高く保持できることから好ましい（請求項４）。

前記エンボスロールにより、非圧縮部の周りに閉鎖形状若しくは隣接する非圧縮部が連通する連通部を持つ殆ど閉鎖した形状の圧着部を多数形成するのが好ましい（請求項５）。前記閉鎖若しくは殆ど閉鎖された非圧縮部の単一面積が、２０ｍｍ^２以下であるのが好ましい（請求項６）。

前記隣接する非圧縮部が連通する複数の連通部は、連通方向の同一直線状に無いのが好ましい（請求項７）。連通部が２以上ある場合に、少なくとも２つでも同一直線上に無いのが好ましい。
前記エンボスロールによるラミネート加工により、圧着面積率を全体の２０〜６０％、圧着部の濾材の空隙率を１０〜７０％、とするのが好ましい（請求項８）。

前記サポート材は、高分子ナノファイバー不織布と同一かそれよりも高い温度で融解するのが、溶着部プレートへの刺さりこみ強度が高められるので、プリーツフィルター端面の熱溶着加工時の封止を完全に行うことができることから好ましい（請求項９）。

前記ナノファイバー不織布の繊維径は５〜１０００ｎｍであり、目付は０．２〜１０ｇ／ｍ^２である（請求項１０）。

前記一次側のサポート材は、繊維径が１０〜３０μmであり、前記二次側のサポート材は、繊維径は１〜１０μmであるのが好ましい（請求項１１）。前記一次側のサポート材の目付が、１０〜１００ｇ／ｍ^２であるのが好ましい（請求項１２）。

本発明によれば、従来液体用プリーツ式フィルターの精密濾過材として使用し得ないと考えられていた高分子ナノファイバー不織布を、耐圧性を有する液体用プリーツ式フィルターの精密濾過材とすることに初めて成功したものであって、膜フィルターよりも空隙率の大きいフィルターとすることが可能となり、圧力損失の低下が期待されるほか、コストダウンも期待されるという絶大な効果を奏する。

本発明の効果の原因は、二次側に目の細かいサポート材を使用し、ナノファイバー不織布と表裏のサポート材とを、ラミネート加工により圧着一体化したことにある。本発明で圧着一体化というのは、各層が自由には移動しないが、ナノファイバー不織布が溶融しない程度にフィルターの一部若しくは全部に圧着することを意味する。

次に、本発明の実施の形態を説明する。

高分子ナノファイバー不織布をサポート材で挟持して、ラミネート加工により圧着して一体化するには、サポート材にナノファイバー不織布を積層した濾過材を用いて、これとナノファイバー不織布の表層を保護するサポート材とを圧着一体化するのが良い。

液体用プリーツ式フィルターカートリッジの二次側は、１〜１０μmの繊維径を有するサポート材とする。このようなものとしてはメルトブロー（ＭＢ）不織布が挙げられる。このような繊維径のサポート材を二次側に使用することによって、ナノファイバー不織布の目開きを効果的に防止することができる。

カレンダリングによるラミネート加工により、濾材の空隙率５０〜８０％に圧着一体化するのが好ましい。濾材の空隙率が少なすぎると、ΔＰが上昇するし、多すぎると、耐圧性能が低下する。

前記カレンダリングによるラミネート加工は、通常のラミネート加工で行えばよいが、高分子ナノファイバー不織布が溶融しない程度に圧着する必要がある。

エンボスロールによるラミネート加工を行って、圧着面積率を２０〜６０％、圧着部の濾材の空隙率を１０〜７０％とすると、ΔPをあまり上昇させないで、耐圧性能を高めることができることから好ましい。これは、通常のエンボス加工のように、ナノファイバー不織布は溶融させない。尚、圧着面積率（％）は、図２に示すように、圧着面積率（％）＝（B 部面積）／（A 部面積＋B 部面積）×１００から求められる。

エンボスロールにより、非圧縮部の周りに閉鎖形状若しくは隣接する非圧縮部が連通する連通部を持つ殆ど閉鎖した形状の圧着部を多数形成する（多数の非圧着部が互いに独立するように）方が、圧着面積が低減でき、全体の濾材の空隙率を高く保って、閉鎖形状若しくは殆ど閉鎖した形状内のナノファイバー不織布の目開きを防ぎ、耐圧性能を向上させることができる。閉鎖形状としては、多角形、円形、楕円形等が挙げられるが特に限定されない。六角形、四角形、三角形などとすれば、同形状のエンボス部を多数連設できるので好ましい。
図２に示すように、前記閉鎖若しくは殆ど閉鎖された非圧縮部の個々の面積（A部）が、２０ｍｍ^２以下であるのが好ましい。また、前記隣接する非圧縮部が連通する複数の連通部（開口部）は、図３Aのa及びbに示すように、連通方向の同一直線状にあると、連通方向の目開きが起きる。図３Bに示すように、連通部が連通方向の同一直線上に無い場合は、目開きは防止される。

前記サポート材は、高分子ナノファイバー不織布と同一かそれよりも高い温度で融解する材料とするのが良い。そのためには、サポート材の融点が同一かそれよりも高い融点のものを使用すればよいが、サポート材の融点がナノファイバー不織布より若干低くとも、繊維径が太い関係でナノファイバー不織布よりも同一かそれよりも高い温度で融解すれば差し支えない。このようなサポート材を使用すれば、プリーツフィルター端面の熱溶着加工時の封止を完全に行うことができる。

前記ナノファイバー不織布の繊維径は、５〜１０００ｎｍであり、目付は０．２〜１０ｇ／ｍ^２ である。繊維径が小さすぎるとポアサイズが安定しないし、大きすぎると精密濾過材として不適当となる。
前記二次側のサポート材の繊維径は１〜１０μmであり、前記一次側のサポート材は、繊維径が１０〜３０μmとするのが好ましい。

前記二次側のサポート材の目付は、１０〜１００ｇ／ｍ^２であり、前記一次側のサポート材の目付は、１０〜１００ｇ／ｍ ^２ であるのが好ましい。目付が小さすぎると、ナノファイバー不織布が露出する場合が生じるからである。

高分子ナノファイバー不織布としては、電解紡糸法で形成したものが好適に使用されるが、例えば、ＰＡ、ＰＶＡ、ＰＡＮ、ＰＶＤＦ、ＰＥＳ、ＰＳ、ＰＥＴ、ＰＵ、ＰＰ等の単独若しくは複数の樹脂から製造されたものが挙げられる。
サポート材としては、例えば、ＰＡ、ＰＶＡ、ＰＶＤＦ、ＰＥＳ、ＰＳ、ＰＥＴ、ＰＵ、ＰＰ、ガラス、セラミックス、カーボン等を好適に使用することができる。

次に実施例、比較例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されない。尚実施例、比較例で使用した高分子ナノファイバー不織布は、電解紡糸法で形成したものを使用した。
比較例 １
スパンボンド（ＳＢ）上に積層した高分子ナノファイバー不織布（表中●印）に次表１に記載のサポート材を単に積層して、液体用プリーツ式フィルターカートリッジを作製し、フィルター成形性、完全性、耐圧性及びΔＰ（圧力損失）を測定した。結果を次表１に示す。

表中、●印は、高分子ナノファイバー不織布の基材（ナノファイバー不織布が積層されている）であることを意味する。

上記結果より、二次側に目の細かいメルトブロー繊維（ＭＢ）を使用したほうが（ｃ）、フィルターの耐圧性が向上する。しかしこの構造でも、目標耐圧性能(０．５５ＭＰａ×１０回パルス負荷)には達していない。

実施例 １
スパンボンド（ＳＢ）上に積層した高分子ナノファイバー不織布（表中●印）に次表２に記載のサポート材を積層して、カレンダリング（d ,e）及びエンボスロール（f）によるラミネート加工により一体化した後、液体用プリーツ式フィルターカートリッジを作製し、フィルターの成形性、完全性、耐圧性及びΔＰを測定した。結果を次表２に示す。

上記結果から明らかなように、二次側に目の細かいサポート材（ＭＢ）を使用し、サポート材・ナノファイバー不織布・二次側サポート材の三層を一体化させることによって、耐圧性能が飛躍的に向上した。
上記実施例に使用したｆを図４に示す。図４に示すように、ｆ（圧着部の比率：約３０％）の●に圧力が掛かった場合、矢印の方向に繊維が目開きすると考えられる。
上記したように、ｆは、目開きする範囲が小さいため、高い耐圧性能を有していると考えられる。また、ｅが一番高い耐圧性能であったのは、全体が三層一体化していて目開きしにくいためと考えられる、しかし、カレンダリングによるラミネート品は、ΔＰが上昇する。
比較例 ２
スパンボンド（ＳＢ）上に積層した高分子ナノファイバー不織布（表中●印）にサポート材として次表３に記載のカレンダー加工したＭＢ不織布を積層して、液体用プリーツ式フィルターカートリッジを作製し、フィルター成形性、完全性、耐圧性及びΔＰを測定した。結果を次表３に示す。
カレンダー加工したＭＢ不織布を使用しても、ラミネート加工により圧着一体化していないので、耐圧性が低く、液体用プリーツ式フィルターカートリッジとしては使用し得ない。
実施例 ２
次に、上記フィルターを使用して、耐圧性能試験と流量特性測定を行った。試験条件は、次の通りである。
（耐圧性能試験条件）
目詰まり物質 ：牛乳
試験圧力 ：正圧（０．２、０．３、０．４、０．５５ＭＰａ）
温度 ：常温
流量 ：１０〜１３Ｌ／ｍｉｎ
インターバル ：加圧１０秒、休止５秒
（耐圧性能試験方法）
（１）
牛乳にてフィルターを目詰まりさせる。
（２）
上記試験流量、所定圧力で脈動をかける。
（完全性確認試験）
ディフュージョンテストにて確認した。
（３）
完全に水で濡らしたフィルターをハウジングにセットし、０．０２ＭＰａに加圧する。
（４）
二次側に押し出されてきた気体の流量を測定する。
上記結果より明らかな如く、本発明の液体用プリーツ式フィルターｅ及びｆは、二次側を繊維径１〜１０μｍのサポート材としラミネート加工により一体化することによって、ディフュージョンａｉｒ流量が上昇しないことから、完全性を保証し、耐圧性を有するフィルターカートリッジとすることができることがわかる。
実施例 ３
フィルターをハウジングにセットし、フィルターのＩＮ側及びＯＵＴ側に圧力計を設置し、各流量時におけるＩＮ側、ＯＵＴ側の圧力を測定しその差を差圧（ＭＰａ）として記録した。結果を次表５に示す。
（流量特性の測定条件）
流体 ：精製水
温度 ：常温
流量 ：１０，２０，３０，４０Ｌ／ｍｉｎ
フィルターサイズ：２５０ｍｍ
上記結果より、カレンダリングによるラミネート加工により全体を圧着一体化したものは（ｅ）エンボスロールによるラミネート加工により一部圧着一体化したもの（ｆ）よりは、圧力損失が高くなっているが、本発明の液体用プリーツ式フィルターe及びfの流量特性は、十分実用に適うものである。
実施例 ４
次表６に記載の高分子ナノファイバー不織布及びサポート材から作製したプリーツをプレートに熱溶着加工をして、完全性を確認した。結果を次表６及び図５に示す。
表６及び図５より明らかな如く、ＰＰはＰＡよりも融点が低いので、フィルター（１）は、一次側サポート材のＰＰが溶けて、ナノファイバー不織布層が露出して傷が付く。また、プレート端面からの発泡も確認された。
フィルター（２）は、一次側サポート材にナノファイバー不織布層と同じＰＡを使用しているので、融点が同じであるから、プレート端面からの発泡は生じない。
次に、上記実施例及び比較例で使用したプリーツフィルターの詳細な構造を示す。
bの詳細な構造
cの詳細な構造
dの詳細な構造
eの詳細な構造
ｆの詳細な構造
ｇの詳細な構造

本発明のナノファイバー不織布を使用したプリーツ式フィルターカートリッジの斜視図である。 本発明のエンボスロールによりラミネート加工したフィルターの概略図（閉塞形状）である。 本発明のエンボスロールによりラミネート加工した殆ど閉塞した形状のフィルターの概略図であり、（Ａ）開口部連続構造、（Ｂ）開口部不連続構造である。 本発明のエンボスロールによりラミネート加工したフィルターの写真（×２５倍）である。 表６−（１）に記載の構成からなるプリーツをプレートに熱溶着して完全性試験を行った結果の写真（×１００倍）である。

Claims (12)

1. 高分子ナノファイバー不織布を濾過前の液側となる一次側のサポート材と濾過後の液側となる二次側のサポート材とで挟持して、ラミネート加工により該両サポート材と前記ナノファイバー不織布とを、ナノファイバー不織布と両サポート材とが溶融しないように圧着一体化してなり、前記二次側は繊維径１〜１０μm、目付１０〜１００ｇ／ｍ^２のサポート材で形成したことを特徴とする液体用プリーツ式フィルターカートリッジ。
2. サポート材に高分子ナノファイバー不織布を積層した濾過材とサポート材とを、ラミネート加工により圧着一体化する請求項１に記載のフィルターカートリッジ。
3. カレンダリングによるラミネート加工により、濾材の空隙率５０〜８０％に圧着一体化する請求項１又は２に記載のフィルターカートリッジ。
4. 前記ラミネート加工は、エンボスロールによるラミネート加工である請求項１又は２に記載のフィルターカートリッジ。
5. 前記エンボスロールにより、非圧縮部の周りに閉鎖形状若しくは隣接する非圧縮部が連通する連通部を持つ殆ど閉鎖した形状の圧着部を多数形成した請求項４に記載のフィルターカートリッジ。
6. 前記閉鎖若しくは殆ど閉鎖された非圧縮部の単一面積が、２０ｍｍ^２以下である請求項５に記載のフィルターカートリッジ。
7. 前記隣接する非圧縮部が連通する複数の連通部は、連通方向の同一直線状に無い請求項５又は６に記載のフィルターカートリッジ。
8. 前記エンボスロールによるラミネート加工により、圧着面積率を全体の２０〜６０％、圧着部の濾材の空隙率を１０〜７０％、とする請求項６又は７に記載のフィルターカートリッジ。
9. 前記サポート材は、高分子ナノファイバー不織布と同一かそれよりも高い温度で融解する請求項１〜８のいずれかに記載のフィルターカートリッジ。
10. 前記高分子ナノファイバー不織布の繊維径は、５〜１０００ｎｍであり、目付は、０．２〜１０ｇ／ｍ^２である請求項１〜９のいずれかに記載のフィルターカートリッジ。
11. 前記一次側のサポート材は、繊維径が１０〜３０μｍである請求項１〜１０のいずれかに記載のフィルターカートリッジ。
12. 前記一次側のサポート材の目付が、１０〜１００ｇ／ｍ^２である請求項１〜１１のいずれかに記載のフィルターカートリッジ。