JP5607748B2 - フィルター用多層ろ材およびフィルター - Google Patents
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Description
しかしながら、繊維繊度の勾配を付けたエアレイド多層ろ材では、低圧力損失、高フィルター寿命は達成されるものの、細かいダストを捕集するには不十分であった。また、汎用的な不織布の表層に超極細繊維を積層させたろ材では、超極細繊維が面状にコーティングされた状態となるため、圧力損失が上昇し易かったり、基材となる不織布との接着性が不十分となり繊維が脱落しやすい、などの問題があった。
なお、ナノファイバーをカットしてなる短カットナノファイバーからなる不織布の提案もなされているが(例えば、特許文献4参照)、初期効率を達成することに重点をおき、フィルター寿命の点でまだ十分とはいえなかった。
かくして、本発明によれば
「フィルターの構成部材として用いられかつ多層構造を有する、フィルター用多層ろ材であって、
繊維形成性熱可塑性ポリマーからなり単繊維繊径(D)が100〜1,000nmかつ該単繊維繊径(D)に対する繊維長(L)の比(L/D)が100〜2,500の範囲内となるようにカットされた短カットナノファイバーを層重量対比0.5〜20重量%含み、かつ単繊維繊径が5μm以上の芯鞘複合型バインダー繊維を含む湿式不織布層Aと、
該湿式不織布層Aよりも低密度の不織布層B
とを含むことを特徴とするフィルター用多層ろ材」
が提供される。
その際、前記短カットナノファイバーが、繊維形成性熱可塑性ポリマーからなりかつその島径(D)が100〜1,000nmである島成分と、前記の繊維形成性熱可塑性ポリマーよりもアルカリ水溶液易溶解性ポリマーからなる海成分とを有する複合繊維の海成分を溶解除去したものであることが好ましい。
また、前記の複合繊維において、海成分が、5−ナトリウムスルホン酸を6〜12モル%および分子量4,000〜12,000のポリエチレングリコールを3〜10重量%共重合したポリエチレンテレフタレートであることが好ましい。
さらに、前記の複合繊維において、島成分がポリエステルであることが好ましい。
さらに、前記の複合繊維において、島数が100以上であることが好ましい。
本発明のフィルター用多層ろ材において、不織布層Bが、繊維長が10mm以下の繊維で構成されるエアレイド不織布からなることが好ましい。
また、不織布層Bは、バインダー繊維を少なくとも30重量%以上含むものが好ましい。
さらに、不織布層Bの密度(MB)と湿式不織布層Aの密度(MA)との比MB/MAが0.1〜0.8の範囲内であることが好ましい。
さらに、湿式不織布層Aと不織布層Bとの重量比率が90/10〜10/90の範囲内であることが好ましい。
さらに、不織布層Bが2層以上含まれることも好ましい。
次に、本発明によれば、前記のフィルター用多層ろ材を用いてなり、かつ不織布層Bが流体流入側に配されてなるフィルターが提供される。その際、フィルターが内燃機関用エアーフィルターであることが好ましい。
<湿式不織布層A>
本発明のフィルター用多層ろ材を構成する湿式不織布層Aは、短カットナノファイバーおよび芯鞘複合型バインダー繊維を含むものである。
本発明において、短カットナノファイバーは、繊維形成性熱可塑性ポリマーからなり、繊径(D)が100〜1,000nm、好ましくは300〜800nm、特に好ましくは550〜800nm、かつ該繊径(D)に対する繊維長(L)の比(L/D)が100〜2,500、好ましくは300〜1,500、特に好ましくは500〜1,000の範囲内となるようにカットされていることが肝要である。前記繊径(D)が1,000nmよりも大きいと、湿式不織布表面に現れる孔の孔径が不均一(すなわち、平均孔径と最大孔径との比が大きい)となるため好ましくない。逆に、前記繊径(D)が100nmよりも小さいと、抄紙の際に網から脱落しやすくなり好ましくない。また、前記の比(L/D)が2,500よりも大きいと、抄紙の際に繊維同士が絡みを発生し分散不良となるため、湿式不織布表面に現れる孔の孔径が不均一(すなわち、平均孔径と最大孔径との比が大きい)となるため好ましくない。逆に、前記の比(L/D)が100よりも小さいと、繊維と繊維とのつながりが極めて弱くなり、抄紙工程の際にワイヤーパートから毛布への移行が困難となり工程安定性が低下し好ましくない。
好ましい溶融粘度比(海/島)は、1.1〜2.0、特に1.1〜1.5の範囲である。この比が1.1倍未満の場合には溶融紡糸時に島成分が接合しやすくなり、一方2.0倍を超える場合には、粘度差が大きすぎるために紡糸調子が低下しやすい。
浴比(%)=〔繊維重量(gr)/アルカリ水溶液重量(gr)〕×100
また、アルカリ減量加工の処理時間は、5〜60分であることが好ましく、さらには10〜30分であることが好ましい。5分未満では、アルカリ減量が不十分となるおそれがある。一方、60分を超えると、島成分までも減量されるおそれがある。
なお、アルカリ減量加工時の処理温度は、通常、50〜90℃、好ましくは60〜80℃程度である。
また、アルカリ減量加工に用いられるアルカリとしては、水酸化ナトリウムなどが挙げられる。
本発明に用いられる湿式不織布層Aは、単繊維繊径が5μm以上、好ましくは5〜20μm、さらに好ましくは7〜15μmの芯鞘複合型バインダー繊維の接着によって構造を維持される。ここで、芯鞘複合型バインダー繊維の単繊維繊径が5μm未満の場合、繊維そのものの剛性が低くなり湿式不織布層Aの構造が維持されにくくなり好ましくない。一方で、20μmを超える場合、湿式不織布中に占めるバインダー繊維の構成本数が少なくなり、接着点が減少し剛性が低くなるおそれがある。
また、芯鞘複合型バインダー繊維の繊維長は、3〜100mmに裁断されていることが好ましい。
かかる芯鞘複合型バインダー繊維としては、前記短カットナノファイバーを形成するポリマーよりも40℃以上低い融点を有するポリマーが熱融着成分としてその表面に配されたものが好ましい。
これらのポリマーのうちで、特に好ましいのはポリオールとしてはポリテトラメチレングリコール、またはポリ−ε−カプロラクタムあるいはポリブチレンアジペートを用いたポリウレタンである。この場合の有機ジイソシアネートとしては、p,p’−ビスヒドロキシエトキシベンゼンおよび1,4−ブタンジオールを挙げることができる。
なお、湿式不織布層Aにおいて、前記の短カットナノファイバーおよびバインダー繊維以外のその他の繊維として、各種合成繊維(ポリエチレンテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート、ナイロン、オレフィン系、アラミド系)、木材パルプやリンターパルプなどの天然パルプ、アラミドやポリエチレンを主成分とする合成パルプなどを用いることが出来る。特に、単繊維繊維径2〜30μm、繊維長3〜10mmの延伸されたポリエチレンテレフタレートからなるポリエチレンテレフタレート短繊維が寸法安定性等の観点から好ましい。
以上のその他の繊維の割合は、湿式不織布層A中に、80重量%以下、好ましくは60〜80重量%程度である。
なお、湿式不織布層Aの目付けは、通常、30〜150g/m2、好ましくは50〜120g/m2、特に好ましくは80〜100g/m2程度である。
次に、本発明の湿式不織布層Aを製造する方法としては、通常の長網抄紙機、短網抄紙機、円網抄紙機、あるいはこれらを複数台組み合わせて多層抄きなどとして、抄紙した後、熱処理することにより製造する方法が好ましい。その際、熱処理工程としては、抄紙工程後、ヤンキードライヤー、エアースルードライヤーのどちらでも可能である。また、必要に応じて、カレンダーやエンボス加工を施しても良い。
本発明において、不織布層Bの密度は、前記湿式不織布層Aよりも小さいことが肝要である。特に、不織布層Bの密度(MB)と湿式不織布層Aの密度(MA)との比MB/MAが0.1〜0.8の範囲内であることが好ましい。さらに好ましくは、0.1〜0.6、特に好ましくは、0.12〜0.5である。
本発明のフィルター用多層ろ材をフィルターとして用いる場合、不織布層Bは流体流入側(ダストサイド)に配置されることが好ましく、不織布層Bが流体流入側(ダストサイド)に配置されることにより、比較的大きなダストを捕集する役割を奏する。比MB/MAが0.8を超える場合、例えば不織布層Bの密度が前記湿式不織布層Aと同じか大きい場合は、比較的大きなダストだけでなく小さなダストも捕集するため、表面でダストが堆積し目詰まりを生じ、湿式不織布層Aを有効に活用出来なくなるだけでなく、フィルターとしての寿命が短くなるため好ましくない。一方、比MB/MAが0.1未満の場合には、不織布層Bには殆どダストが捕集されずに通過するため、湿式不織布層Aへの負担が大きくなり、ダスト保持量(寿命)が短くなり好ましくない。
すなわち、かかる不織布層Bに用いられるバインダー繊維のうち、芯鞘複合型バインダー繊維は、単繊維繊径が5μm以上、好ましくは5〜20μm、さらに好ましくは7〜15μmで、繊維長は3〜100mmに裁断されていることが好ましい。
当該芯鞘複合型バインダー繊維のその他の構成および作用は、不織布層Aに用いられる芯鞘複合型バインダー繊維と同様であるので、省略する。
なお、不織布層Bがエアレイド法で製造される場合には、繊維の繊維長は、10mm以下が好ましい。
なお、不織布層Bの目付けは、通常、20〜100g/m2、好ましくは30〜80g/m2、特に好ましくは40〜60g/m2程度である。
本発明のフィルター用多層ろ材において、湿式不織布層Aと不織布層Bとの重量比率としては90/10〜10/90の範囲内であることが好ましい。また、不織布層Bが2層以上含まれることが好ましい。
湿式不織布層Aと不織布層Bの一体化方法の具体例としては、140〜160℃に昇温した熱風サクション式乾燥炉に、湿式不織布層Aと不織布層Bを積層し、積層した状態での厚みに対して5%圧縮するようにクリアランスを設定して熱処理することで一体化するなどが挙げられる。
次に、本発明のフィルターは、前記のフィルター用多層ろ材を用いてなり、かつ不織布層Bが流体流入側に配されてなるフィルターである。かかるフィルターにおいて、流体流入側(ダストサイド)に配置された不織布層Bにより、比較的大きなダストが捕集され、流体流出側(クリーンサイド)に配された湿式不織布層Aにより、微小ダストが捕集される。そしてその結果、高捕集効率、低圧力損失、および高フィルター寿命が得られる。
本発明のフィルターは、高捕集効率と低圧力損失とを有しかつ高フィルター寿命を有するので、吸気用内燃機関用エアーフィルターなどの内燃機関用エアーフィルターとして好適に用いることができるが、他の用途のフィルターとして用いてもさしつかえない。
かかるフィルターの総目付けは、通常、60〜200g/m2、好ましくは80〜180g/m2、特に好ましくは100〜150g/m2程度である。
また、不織布層B、湿式不織布層Aを組み合わせて得られるフィルターの通気度は、通常、20〜150cc/cm2/s、好ましくは50〜80cc/cm2/s程度である。
乾燥処理後のポリマーを紡糸時のルーダー溶融温度に設定したオリフィスにセットして5分間溶融保持したのち、数水準の荷重をかけて押し出し、そのときのせん断速度と溶融粘度をプロットする。そのプロットをなだらかにつないで、せん断速度−溶融粘度曲線を作成し、せん断速度が1,000秒−1の時の溶融粘度を測定した。
透過型電子顕微鏡TEMで、倍率30,000倍で繊維断面写真を撮影し、測定した。TEMの機械によって測長機能を活用して測定し、またTEMがない場合については、撮った写真を拡大コピーして、縮尺を考慮した上で定規にて測定すればよい。ただし、繊維径は、繊維断面における長径と短径の平均値(n数=20)を用いた。
走査型電子顕微鏡(SEM)により、海成分溶解除去前の超極細短繊維を基盤上に寝かせた状態とし、20〜500倍で測定した。SEMの測長機能を活用して測定した。
(4)目付
JIS P8124(紙のメートル坪量測定方法)に基づいて実施した。
(5)厚み
JIS P8118(紙及び板紙の厚さと密度の試験方法)に基づいて実施した。
(6)密度
JIS P8118(紙及び板紙の厚さと密度の試験方法)に基づいて実施した。
ISO FINEダストを用い、サンプル通過時の流速16.7cm/sec、ダスト濃度を1g/m3とした時、サンプル前後のダスト重量の透過率を捕集効率とした。
(8)圧力損失
前記捕集効率を実施する(流速16.7cm/sec)時の圧力損失とした。
(9)フィルター寿命(DHC)
前記捕集効率試験を実施し、圧力損失の増加が2kPaとなった時のダスト保持量(重量増加)をDHCとした。
(10)通気度
JIS L1096(一般織物試験方法)に基づいて実施した。
島成分に285℃での溶融粘度が120Pa・secのポリエチレンテレフタレート、海成分に285℃での溶融粘度が135Pa・secである、平均分子量4,000のポリエチレングリコールを4重量%、5−ナトリウムスルホイソフタル酸を9mol%共重合した改質ポリエチレンテレフタレートを使用し、海:島=10:90の重量比率で島数400の口金を用いて紡糸し、紡糸速度1,500m/minで引き取った。アルカリ減量速度差は1,000倍であった。これを3.9倍に延伸した後、ギロチンカッターで1,000μmにカットして、超極細短繊維前駆体を得た。これを4%NaOH水溶液で75℃にて10%減量したところ、繊維径と繊維長が比較的均一である超極細短繊維が生成していることを確認、本繊維を短カットナノファイバーとした(750nm、0.8mm、L/D=1,067)。
両者を積層し、150℃で再熱処理することで、各々に含まれる芯鞘複合型バインダー短繊維が再溶融し、一体化されたシートを得た。フィルター性能測定時には、低密度層(不織布層B)サイドを流体流入側(ダストサイド)として、基本性能評価を実施した結果を表1に記す。
実施例1において、湿式不織布層A、B、各々の目付を変更し(湿式不織布層A:91→51、不織布層B:39→81)、それ以外は同様の方法でシートを作成した。そのシートの性能評価結果を表1に記す。なお、この湿式不織布層Aの通気度は、230cc/cm2/s、不織布層Bの通気度は、131cc/cm2/sであった。
実施例1において、湿式不織布層Aの混合比率を、短カットナノファイバー/バインダー繊維/その他繊維=15/50/35に変更した以外は、同様の方法でシートを作成した。そのシートの性能評価結果を表1に記す。なお、この湿式不織布層Aの通気度は、61cc/cm2/sであった。
実施例1において、湿式不織布層Aの混合重量比率を、短カットナノファイバー/バインダー繊維/その他繊維=1/50/49に変更した以外は、同様の方法でシートを作成した。そのシートの性能評価結果を表1に記す。なお、この湿式不織布層Aの通気度は、209cc/cm2/sであった。
実施例1において、湿式不織布層Aの混合重量比率を、短カットナノファイバー/バインダー繊維/その他繊維=25/50/25に変更した以外は、同様の方法でシートを作成した。そのシートの性能評価結果を表2に記す。なお、この湿式不織布層Aの通気度は、9cc/cm2/sであった。
実施例1において、湿式不織布層Aの混合重量比率を、短カットナノファイバー/バインダー繊維/その他繊維=0.1/50/49.9に変更した以外は、同様の方法でシートを作成した。そのシートの性能評価結果を表2に記す。なお、この湿式不織布層Aの通気度は、241cc/cm2/sであった。
実施例1において、湿式不織布層Aの構成を用いて単独とし、目付を上げた不織布(91→141)シートを得た。そのシートの性能評価結果を表2に記す。なお、この湿式不織布層Aの通気度は、53cc/cm2/sであった。
Claims (9)
- フィルターの構成部材として用いられ、かつ多層構造を有するフィルター用多層ろ材であって、
繊維形成性熱可塑性ポリマーからなり、単繊維繊径(D)が100〜1,000nmかつ該単繊維繊径(D)に対する繊維長(L)の比(L/D)が100〜2,500の範囲内となるようにカットされた短カットナノファイバーを層重量対比0.5〜20重量%含み、かつ単繊維繊径が5μm以上の芯鞘複合型バインダー繊維を含む湿式不織布層Aと
該湿式不織布層Aよりも低密度の不織布層Bであって、該不織布層Bの密度(MB)と湿式不織布層Aの密度(MA)との比であるMB/MAが0.1〜0.8の範囲内にある不織布層B
とを含むフィルター用多層ろ材を用いてなり、かつ不織布層Bが流体流入側に配されてなる内燃機関用エアーフィルター。 - 前記短カットナノファイバーが、繊維形成性熱可塑性ポリマーからなりかつその島径(D)が100〜1,000nmである島成分と、前記の繊維形成性熱可塑性ポリマーよりもアルカリ水溶液易溶解性ポリマーからなる海成分とを有する複合繊維の海成分を溶解除去したものである、請求項1に記載の内燃機関用エアーフィルター。
- 前記の複合繊維において、海成分が、5−ナトリウムスルホン酸を6〜12モル%および分子量4,000〜12,000のポリエチレングリコールを3〜10重量%共重合したポリエチレンテレフタレートである、請求項2に記載の内燃機関用エアーフィルター。
- 前記の複合繊維において、島成分がポリエステルである、請求項2に記載の燃機関用エアーフィルター。
- 前記の複合繊維において、島数が100以上である、請求項2に記載の内燃機関用エアーフィルター。
- 不織布層Bが、繊維長が10mm以下の繊維で構成されるエアレイド不織布からなる、請求項1に記載の内燃機関用エアーフィルター。
- 不織布層Bが、バインダー繊維を少なくとも30重量%以上含む、請求項1に記載の内燃機関用エアーフィルター。
- 湿式不織布層Aと不織布層Bとの重量比率が90/10〜10/90の範囲内である、請求項1に記載の内燃機関用エアーフィルター。
- 不織布層Bが2層以上含まれる、請求項1に記載の内燃機関用エアーフィルター。
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