JP5537831B2

JP5537831B2 - エアフィルタ用ろ材並びにエアフィルタ

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Publication number: JP5537831B2
Application number: JP2009097526A
Authority: JP
Inventors: 理包; 誠小林; 嗣郎林; 文男中島; 仁新沼
Original assignee: Nippon Muki Co Ltd
Current assignee: Nippon Muki Co Ltd
Priority date: 2009-04-13
Filing date: 2009-04-13
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2029-04-13
Also published as: JP2010247035A

Description

本発明は、ファイバーとビーズが一体化された数珠状繊維からナノファイバー製のろ材並びにこのろ材を用いた高風量低圧損型の高性能エアフィルタに関する。

エアフィルタ用ろ材の高性能化は、高効率と低圧損を併せて達成することである。ナノファイバーは繊維径が1μｍ未満(５０〜８００ｎｍ)の繊維から構成され、細い繊維が多く、繊維径が揃っているのが特徴である。一般的に繊維径が細ければ細いほど、1本1本の繊維がより有効に粒子捕集に働くと共に受ける抵抗もより小さくなる。つまり、効率が高くなると共に圧損が低くなる。さらに、極細繊維表面でのすべり流れ、いわゆるスリップフローによる圧損低減効果もあることなどから、ナノファイバーはろ材の高性能化に有望と考えられている。
また、半導体の配線間隔をナノサイズまで小さくすると、半導体製造工場や半導体取扱工場等において清浄化される粒子もナノサイズとなり、こうしたナノ粒子をエアフィルタにより捕集するには、ろ材にナノファイバーを使用することがより有効である。
ナノファイバーの製造方法としては、静電紡糸法（エレクトロスピニング法）と呼ばれるものがある。詳細には、ポリマー溶液にプラスの高電圧を印加し、これをマイナスに帯電したターゲットに吹き付けることによってナノファイバーをつくるものが知られており、そのナノファイバーを利用して高性能エアフィルタ用のろ材を作製することも研究されている（非特許文献１参照）。この静電紡糸法でナノファイバーを作成する場合、電圧を制御することにより、繊維径をコントロールしている。
尚、多数のナノファイバーと多数の骨格粒子とを所定の比率で水等の溶媒に分散させ、その混合物分散溶液から溶媒を除き作製した多孔性圧縮層をろ材として利用する場合には、つぎの問題がある。すなわち、ナノファイバーと骨格粒子とが別部材として混合するため、混合方法として乾式法（溶媒を介さず空気中で混合する方法）によれば、混合時の不均一が原因で集綿後の乾式不織布層において繊維同士で、又は、繊維と粒子とで形成される空隙の分布にばらつきが生じる。また、混合方法として通常の抄造によれば、粒子の沈降により粒子が集面ネット側の表面に偏り、全体に均一に分散しないため、抄造後の湿式不織布層において繊維と粒子とで形成される空隙の分布にばらつきが生じる。
よって、エアフィルタの性能として、ナノファイバー製のろ材を使用しながら例えば処理風量５０ｍ³／ｍｉｎ時の初期圧損をコンスタントに２２０Ｐａ以下に抑えることは難しく、そのような高風量時の初期圧損の大きさが、省エネなどの観点から実用上十分なメリットを得るのに妨げとなり、高風量低圧損型の高性能なエアフィルタの製品化を困難としていた。

「静電紡糸法を用いたナノファイバーフィルタの作製及びその性能評価」（日本エアロゾル学会第２４回エアロゾル科学・技術研究討論会論文集２００７年８月９日発行）

そこで、本発明は、ファイバーとビーズが一体化された数珠状繊維からなるナノファイバー製のろ材を使用しつつ、高風量低圧損型の高性能なエアフィルタを提供することを課題としている。

上記課題を解決するため、本発明者らは、鋭意研究の結果、静電紡糸法において実際は繊維径に最も影響を与えるのは電流値であり、電流を制御することにより繊維径をコントロールすれば、繊維径の分散を小さく抑え安定した繊維径が得られること、ビーズと繊維が同時に形成される数珠状繊維が得られること、繊維径を細くできると同時に必要な繊維間距離も確保でき、このような前記数珠状繊維を用いたろ材からなるエアフィルタは更なる高性能化を図れることを見出した。
本発明のエアフィルタ用ろ材は、前記知見に基づきなされたもので、請求項１記載の通り、ファイバーとビーズが一体化された数珠状繊維からなるナノファイバーろ材から構成されるエアフィルタ用ろ材であって、前記ナノファイバーろ材は、ろ材通過風速５.３cm/sの場合、捕集対象粒子径０.３μｍの性能指標が０.０７０(1/Ｐａ)以上、捕集対象粒子径０.１μｍの性能指標が０.０５０(1/Ｐａ)以上、捕集対象粒子径０.０５μｍの性能指標が０.０８０(1/Ｐａ)以上であり、前記数珠状繊維の平均繊維径を、ガス分子の平均自由行程(２０℃空気、１大気圧では６５ｎｍ)の２倍以下とし、前記数珠状繊維の繊維径の分散を、０．３以下とし、前記数珠状繊維の平均繊維径が０．００１〜０．１３μｍで、前記数珠状繊維のビーズ径がその平均繊維径の２〜１０倍であるナノファイバーろ材から構成されることを特徴とする。
また、請求項２記載のエアフィルタ用ろ材は、請求項１記載のエアフィルタ用ろ材において、前記数珠状繊維の平均繊維径が０．０１〜０．１μｍで、前記数珠状繊維のビーズ径がその平均繊維径の４〜７倍であることを特徴とする。
また、請求項３記載のエアフィルタ用ろ材は、請求項１又は２記載のエアフィルタ用ろ材において、前記数珠状繊維が、ポリアクリロニトリル(ＰＡＮ)で製作されたものであることを特徴とする。
また、本発明のエアフィルタは、請求項４記載の通り、ナノファイバーろ材が折り畳まれてなるフィルタパックがシール材を介してフィルタ枠に取り付けられるエアフィルタであって、前記ナノファイバーろ材として請求項１乃至４の何れかに記載のエアフィルタ用ろ材が用いられることを特徴とする。
また、請求項５記載のエアフィルタは、請求項４の記載のエアフィルタにおいて、処理風量５０ｍ^３／ｍｉｎ時の初期圧損が１６５Ｐａ以下で、０．３μｍ粒子の捕集効率が９９．９７％以上であることを特徴とする。

本発明のファイバーとビーズが一体化された数珠状繊維からなるナノファイバーろ材から構成されるエアフィルタ用ろ材によれば、ろ材通過風速５.３cm/sの場合、捕集対象粒子径０.３μｍの性能指標が０.０７０(1/Ｐａ)以上、捕集対象粒子径０.１μｍの性能指標が０.０５０(1/Ｐａ)以上、捕集対象粒子径０.０５μｍの性能指標が０.０８０(1/Ｐａ)以上としたため、ファイバーとビーズが一体化された数珠状繊維からなるナノファイバー製のろ材を使用しつつ、高風量低圧損型の高性能なエアフィルタを提供することができる。
また、前記数珠状繊維の平均繊維径を、ガス分子の平均自由行程(２０℃空気、１大気圧では６５ｎｍ)の２倍以下とした場合、繊維に衝突するガス分子の数が減るため、ガス分子は繊維に妨害されることが少なくなり、ろ材を通過することができるため、低圧力損失とすることができる。特に、前記数珠状繊維の平均繊維径を０．００１〜０．１３μｍ、好ましくは０．０１〜０．１μｍ、前記数珠状繊維のビーズ径をその平均繊維径の２〜１０倍、好ましくは、４〜７倍とした場合、平均繊維径が小さく且つ繊維同士、或いは、繊維とビーズ間に形成されるろ材空隙を高風量低圧損型の高性能なエアフィルタ用のろ材として理想的なものとすることができる。
また、前記数珠状繊維の繊維径の分散を、０．３以下とした場合、繊維径が揃うので、高捕集効率及び低圧力損失とすることができる。
また、数珠状繊維をポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）とした場合、ＰＡＮは非吸着性、耐薬品性、耐油性にすぐれているので、耐薬品性などを備えたエアフィルタを得ることができる。
また、本発明のエアフィルタ用ろ材に用いる数珠状繊維の製造方法によれば、静電紡糸法により電流値が一定となるようにコントロールして、数珠状繊維を製造するようにしたため、ファイバーとビーズが一体に形成される際、ビーズの形成がファイバーを細く伸ばす働きをして繊維径を細くでき、しかも繊維径が分散することなく数珠状の所定形状に製造することができる。
また、本発明のナノファイバーろ材が折り畳まれてなるフィルタパックがシール材を介してフィルタ枠に取り付けられるエアフィルタによれば、前記ナノファイバーろ材として本願発明のエアフィルタ用ろ材を用いるようにしたため、処理風量５０ｍ³／ｍｉｎ時の初期圧損が１６５Ｐａ以下で、０.３μｍ粒子の捕集効率が９９.９７％以上であるような高風量低圧損型の高性能なエアフィルタを提供することができる。

発明を実施するための最良の形態に係るエアフィルタを示す説明図である。エアフィルタに用いるファイバーとビーズが一体化された数珠状繊維からなるナノファイバーろ材を示す電子顕微鏡写真である。ろ材を作製するための製造装置を示す説明図である。静電防止法による数珠状繊維の製造方法における電流値の制御を示す説明図である。

以下、本発明に係るエアフィルタを実施するための最良の形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１に示すように、本形態に係るエアフィルタ１は、ろ材２がジグザグ状に折り畳まれ、この折り畳まれたろ材２の各部分が他の部分と接して重なり合わないようにセパレータ３が介装されてフィルタパック４が構成され、このフィルタパック４が、シール材５を介してフィルタ枠６に取り付けられて構成されている。

前記エアフィルタに用いるろ材２は、後記する実施例１の場合を例に説明すると、図２に示すように、線状の超極細繊維７と粒状のビーズ８とが連なった数珠状繊維（ナノファイバー）９と、数珠状繊維９間に形成された空隙１０とにより構成されている。ろ材２を製造するには、原理的には例えば図３に示すように静電紡糸法を用いればよく、ナノファイバーの原料を溶媒に溶解させたポリマー溶液１１をシリンジ１３に入れ、このシリンジ１３側と、アース電極であるアルミニウム板１４との間に高電圧電源１７から高電圧を印加し、ポリマー溶液１１をシリンジポンプ１２の圧力によりシリンジ１３から噴霧させることによって、アルミニウム板１４上にろ材２を作製することができる。繊維径の分散が揃った数珠状繊維（ナノファイバー）９を作製するには、例えば、図４に示す具体的な電流制御に従って、電場を常に安定にするために、アルミニウム板１４での電場の変化を電流計１５で常時測定してそのデータをパソコン１６で読み取るようにして、そのデータよりパソコン１６で制御して高電圧電源１７からの電圧をこまめに変えることによって、電流の値を一定となるよう調整すればよい。

数珠状繊維からなるナノファイバーの原料としては、一般的に使用されているポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリビニールアルコール（ＰＶＡ）、ポリ酢酸ビニール（ＰＶＡｃ）、ナイロンが使用でき、特に耐候性、耐薬品性を考慮した時はポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリビニールアルコール（ＰＶＡ）を使用することが好ましい。
一方、溶媒としては、例えばＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）を用いることができる。ポリマー溶液の濃度は、２ｗｔ％未満であると繊維化することができず、１０ｗｔ％超であるとシリンジからスプレーすることができないので、２〜１０ｗｔ％であることが好ましい。特に、５〜８ｗｔ％であることが最も好ましい。

また、捕集効率と圧力損失を同時に考慮した性能を評価する指標として、透過率の対数と圧力損失の比(−lnＰ/ΔＰ)がよく用いられるが、これは一般的に、Ｉ値(Performance Index)またはＱ値(Quality Factor)と呼ばれる。性能指標は風速依存性と、粒径依存性があるため、本願発明においては、代表的な風速と粒径で考えると、数珠状繊維からなるナノファイバーから構成されるろ材について、ろ材通過風速５.３cm/sの場合、捕集対象粒子径０.３μｍの性能指標が０.０７０(1/Ｐａ)以上、捕集対象粒子径０.１μｍの性能指標が０.０５０(1/Ｐａ)以上、捕集対象粒子径０.０５μｍの性能指標が０.０８０(1/Ｐａ)以上とした。

さらに、数珠状繊維の平均繊維径（平均繊維径dfは繊維径の分布が１つの対数正規分布に従うと見なし、平均繊維径dfを次式より求められる。d_f=d_fgexp(0.5ln²σ_g) ここで、d_fg、σ_gはそれぞれ幾何平均径、幾何標準偏差である）は、それが小さければ高性能(高捕集効率・低圧力損失)に対して有効に働く。スリップフロー効果を活かし一層の圧力損失の低下を実現するため、静電紡糸法における電流を制御することにより、数珠状繊維の平均繊維径をガス分子の平均自由行程(２０℃、１大気圧では６５ｎｍ)の２倍以下とすることが好ましい。ビーズ径は、それが小さすぎると繊維間距離を広げることができず、高捕集効率にはなるが高圧力損失にもなりかねない。一方、それが大きすぎると、ろ材厚みにおいて、高捕集効率に必要な単位面積あたりの繊維全長(繊維投入量)を確保することができなくなる。したがって、高性能(高捕集効率・低圧力損失)を得るためには、数珠状繊維の平均繊維径が０．００１〜０．１３μｍであって、前記数珠状繊維のビーズ径は数珠状繊維の平均繊維径の２〜１０倍、数珠状繊維の平均繊維径が０．０１〜０．１μｍであって、前記数珠状繊維のビーズ径は数珠状繊維の平均繊維径の４〜７倍あることが好ましい。
数珠状繊維の繊維径の分散（分散σは繊維径の分布が１つの対数正規分布に従うと見なし、繊維径の分散σを次式より求められる。σ=exp(ln²σ_g)−1 ここで、d_fg、σ_gはそれぞれ幾何平均径、幾何標準偏差である）は、その値が小さければ繊維径が揃っていることを示すことから、高性能(高捕集効率・低圧力損失)に対して有効に働く。したがって、静電紡糸法における電流を制御することにより、０．３以下とすることが好ましい。
このように、本発明では数珠状繊維からなるナノファイバーの生産性を高めるため、静電紡糸法により電流値を一定に制御することにより、ファイバーとビーズを同時かつ一体化された数珠状繊維を製造するものである。さらに、ビーズ径に応じた微細な繊維径を持つファイバー及びファイバーとビーズ間の距離を保つように製造することができる。

以下に本発明の実施例を対照のための比較例とともに説明する。

［実施例１］
まず、ファイバーとビーズが一体化された数珠状繊維からなるナノファイバーろ材について説明する。シリンジ側とアルミニウム板との間に電圧８〜１２ｋＶを印加し、ＤＭＦにＰＡＮを溶解させた温度７ｗｔ％のポリマー溶液をシリンジから流量４〜６μｌ／ｍｉｎで噴霧させ、図３と図４のように、電流制御で繊維径をコントロールすることにより、平均繊維径が１３０ｎｍ、ビーズ径が６５０ｎｍ、繊維径の分散が０．４である数珠状繊維をアルミニウム板に推積させ、ろ材を作成した後、ろ材がジグザグ状に折り畳まれ、この折り畳まれたろ材の各部分が他の部分と接して重なり合わないようにセパレータが介装されてフィルタパックが構成されている。
そして、ポリウレタン製のシール材でフィルタパックと金属又は木製のフィルタ枠の上下面とを面シールし、フィルタパックとフィルタ枠の側面とを線状にポリウレタン等のシール剤によりシールして、保護層など込みで厚さが０．３８ｍｍ、目付が９１ｇ／ｍ²となる６１０×６１０×２９０ｍｍのエアフィルタを作製した。

［実施例２］
ろ材をＰＡＮからなる平均繊維径が１３０ｎｍ、ビーズ径が６５０ｎｍ、繊維径の分散が０．３、保護層など込みで厚さが０．３８ｍｍ、目付が９１ｇ／ｍ²の数珠状繊維からなるナノファイバー製としたほかは、実施例１と同様にしてエアフィルタを作製した。
［実施例３］
ろ材をＰＶＰからなる平均繊維径が１３０ｎｍ、ビーズ径が６５０ｎｍ、繊維径の分散の分散が０．３、保護層など込みで厚さが０．３８ｍｍ、目付が９１ｇ／ｍ²の数珠状繊維からなるナノファイバー製としたほかは、実施例１と同様にしてエアフィルタを作製した。
［実施例４］
ろ材をＰＡＮからなる平均繊維径が１００ｎｍ、ビーズ径が５００ｎｍ、繊維径の分散が０．２、保護層など込みで厚さが０．３８ｍｍ、目付が９１ｇ／ｍ²の数珠状繊維からなるナノファイバー製としたほかは、実施例１と同様にしてエアフィルタを作製した。
［比較例１］
ろ材をＰＡＮからなる平均繊維径が１３０ｎｍ、ビーズ径が６５０ｎｍ、繊維径の分散が０．３、保護層など込みで厚さが０．３８ｍｍ、目付が９１ｇ／ｍ²の数珠状繊維ではないナノファイバー製としたほかは、実施例１と同様にしてエアフィルタを作製した。
［比較例２］
ろ材をＰＡＮからなる平均繊維径が１４０ｎｍ、ビーズ径が７００ｎｍ、繊維径の分散が０．３、保護層など込みで厚さが０．３８ｍｍ、目付が９１ｇ／ｍ²の数珠状繊維からなるナノファイバー製としたほかは、実施例１と同様にしてエアフィルタを作製した。
［比較例３］
ろ材をＰＡＮからなる平均繊維径が１４０ｎｍ、ビーズ径が７００ｎｍ、繊維径の分散が０．４、保護層など込みで厚さが０．３８ｍｍ、目付が９１ｇ／ｍ²の数珠状繊維からなるナノファイバー製としたほかは、実施例１と同様にしてエアフィルタを作製した。

［従来例１］
静電防止法において電圧制御で繊維径をコントロールすることにより、ろ材をＰＡＮからなる平均繊維径３００ｎｍ、ビーズ径が１５００ｎｍ、繊維の分散が０．５、厚さが０．３８ｍｍ、目付が７０ｇ／ｍ²のナノファイバー製としたほかは、実施例１と同様にしてエアフィルタを作製した。
これらの実施例１乃至４及び比較例1乃至３及び従来例１で得られた各エアフィルタの特性につき、捕集効率、圧力損失をＪＩＳＢ９９０８（換気用エアフィルタ、電気集じん機の性能試験方法）の形式１（計数法）を適用して試験した。その結果を表１に示す。

表１において、平均繊維径の欄の「○」はガス分子の平均自由行程(２０℃、１大気圧では６５ｎｍ)の２倍以下であるものを、「×」は２倍超であるものとした。繊維径の分散の欄の「○」は数珠状繊維の繊維径の分散が０．３以下であるものを、「×」は０．３超であるものとした。捕集効率の欄の「◎」は捕集効率が９９．９９５％以上、「○」は９９．９９％以上９９．９９５％未満、「△」は９９．９％以上９９．９９％未満、「×」は９９．９％未満のものであることを示す。圧力損失の欄の「◎」は１５０Ｐａ未満のもの、「○」は１５０Ｐａ以上１８０Ｐａ未満のもの、「×」は１８０Ｐａ以上のものであることを示す。総合評価の欄では、「◎」は０．３μｍ粒子の捕集効率が９９．９９５％以上かつ、処理風量が５０ｍ³／ｍｉｎのときに初期圧損が１５０Ｐａ未満であるもの、「○」は０．３μｍ粒子の捕集効率が９９．９％以上９９．９９５未満かつ処理風量が５０ｍ³／ｍｉｎのときに初期圧損が１５０Ｐａ以上１８０Ｐａ未満であるもの、「×」は０．３μｍ粒子の捕集効率が９９．９％未満または処理風量が５０ｍ³／ｍｉｎのときに初期圧損が１８０Ｐａ以上であるものを示す。

実施例１乃至４はすべて総合評価は「○」以上であった。また、平均繊維径が１３０ｎｍ以下および繊維径の分散が０．３以下である実施例２乃至４は粒子捕集性能の捕集効率と圧力損失をともに満たしており、特に、実施例４は平均繊維径が１００ｎｍ及び繊維径の分散が０．２と小さな値であるため、実施例１乃至３に比べてさらに粒子捕集性能がよく総合評価が「◎」となっている。これに対し、比較例および従来例の総合評価は全て「×」であった。比較例１は、数珠状繊維を用いていないので、圧力損失の値が高い。比較例２では、数珠状繊維を用いているものの、繊維径が１３０ｎｍ以上であるので、捕集効率が低くかつ圧力損失の値が高い。比較例３は、繊維径が１３０ｎｍ以上および繊維径の分散０．３以上であることから、粒子捕集性能に関して捕集効率と圧力損失がともに満たされていない。また、従来例では、静電紡糸法において繊維径を電圧によってコントロールしているために、繊維径が１３０ｎｍ以上および繊維径の分散が０．３以上と、ともに大きな値のものであり、比較例以上に粒子捕集性能を満たしていない結果となっていた。

なお、本発明は以上説明した形態に限られるものではなく、例えばろ材を実施例以外の原料により作製したり、フィルタパックにおけるろ材の折畳方法を変更したりしてもよい。

本発明は、主に高風量低圧損型のＨＥＰＡに適用し得るが、繊維径、繊維充填率、ろ材厚み等を適宜調整することによってＵＬＰＡ等にも適用することができ、産業上の利用可能性を有する。

１エアフィルタ
２ろ材
３セパレータ
４フィルタパック
５シール材
６フィルタ枠
７超極細繊維
８ビーズ
９数珠状繊維
１０空隙
１１ポリマー溶液
１２シリンジポンプ
１３シリンジ
１４アルミニウム板
１５電流計
１６パソコン
１７高電圧電源

Claims

ファイバーとビーズが一体化された数珠状繊維からなるナノファイバーろ材から構成されるエアフィルタ用ろ材であって、前記ナノファイバーろ材は、ろ材通過風速５.３cm/sの場合、捕集対象粒子径０.３μｍの性能指標が０.０７０(1/Ｐａ)以上、捕集対象粒子径０.１μｍの性能指標が０.０５０(1/Ｐａ)以上、捕集対象粒子径０.０５μｍの性能指標が０.０８０(1/Ｐａ)以上であり、
前記数珠状繊維の平均繊維径を、ガス分子の平均自由行程(２０℃空気、１大気圧では６５ｎｍ)の２倍以下とし、
前記数珠状繊維の繊維径の分散を、０．３以下とし、
前記数珠状繊維の平均繊維径が０．００１〜０．１３μｍで、前記数珠状繊維のビーズ径がその平均繊維径の２〜１０倍であることを特徴とするエアフィルタ用ろ材。
前記数珠状繊維の平均繊維径が０．０１〜０．１μｍで、前記数珠状繊維のビーズ径がその平均繊維径の４〜７倍であることを特徴とする請求項１記載のエアフィルタ用ろ材。
前記数珠状繊維はポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）であることを特徴とする請求項１又は２記載のエアフィルタ用ろ材。
ナノファイバーろ材が折り畳まれてなるフィルタパックがシール材を介してフィルタ枠に取り付けられるエアフィルタであって、前記ナノファイバーろ材として請求項１乃至３の何れかに記載のエアフィルタ用ろ材が用いられることを特徴とするエアフィルタ。
処理風量５０ｍ³／ｍｉｎ時の初期圧損が１６５Ｐａ以下で、０.３μｍ粒子の捕集効率が９９.９７％以上であることを特徴とする請求項４記載のエアフィルタ。