JP5756690B2 - フィルター成形体の製造方法 - Google Patents
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Description
また、必要加熱時間が長いため単位時間あたりの生産率が悪く、生産量を増やすには多数の型モジュールを用意する必要があった。
これを防止するためには、特許文献1の発明のように、流動性が小さく、メルトインデックスが1.1〜2.3g/10min(ASTM D1238、190℃、15kg Load)の低メルトインデックスのバインダーを使用しなければならず、これらは比較的高価であるため、製造コストが上昇していた。また、使用できる樹脂が制限されることで、フィルター成形体の設計の自由度が低下していた。
第1の発明は、吸着材料と熱溶融性バインダーとを含む混合物を型モジュール内に充填する第一工程と、型モジュール内で加熱して熱溶融性バインダーを溶融する第二工程と、上記混合物を型モジュールから離型する第三工程とからなるフィルター成形体の製造方法であって、上記第二工程では、マイクロ波を照射して上記混合物を加熱することを特徴とする。
加熱時間を短縮することができるので、長時間の加熱によって溶融した熱溶融性バインダーが重力にしたがって下方に移動してしまい、熱溶融性バインダーの均一分散性が低下することがない。このため、メルトインデックスの高い熱溶融性バインダーも使用することができ、製造コストを低減させることができる。また、使用できる熱溶融性バインダーの選択肢が広がり、フィルター成形体の設計の自由度が向上し、フィルター成形体の性能を向上させることが容易になる。
なお、本発明ではマイクロ波による加熱によって混合物全体の熱溶融性バインダーがほぼ同時に溶融するため、圧縮による嵩体積の減少率が小さくても成形不良を防止することができる。
本発明では、マイクロ波による加熱によって、熱溶融性バインダーが溶融している軟化時間を短縮することができるので、繊維状活性炭および粒状活性炭を混合して使用しても、熱溶融性バインダーの溶融中に両者が分離してしまうことがなく、均一な分散性のフィルター成形体を製造することができる。
本発明では、マイクロ波による加熱によって、熱溶融性バインダーが溶融している軟化時間を短縮することができるので、側面型を2つの側面分型で形成しても、2つの側面分型の合わせ面にバリが発生しにくい。
また、側面型を2つの側面分型から構成し、2つの側面分型の間の距離を縮小して圧縮する場合には、側面分型の合わせ面で、フィルター成形体の表面から外部に突出するバリが発生する問題が起こりやすく、特に側面型を圧縮に不向きな低誘電率材料で形成した場合に、その問題が大きくなる。しかし、第5の発明では、上面型と下面型との距離を縮小して混合物を圧縮するため、バリを発生させることなく良好なフィルター成形体を形成することができる。
このフィルター成形体は、水や空気から汚染物質、不純物を吸着除去する吸着材料と、この吸着材料を結合して所望の形に成形するための熱溶融性バインダーとを混合した混合物を加熱して形成される。
また、活性炭としては、繊維状活性炭および粒状活性炭を用いることができる。
0.1mm未満では小さすぎ、バインダーが活性炭を保持しきれず、使用時に黒粉が発生する原因となる。さらに0.2mm以上が好ましく、特に0.3mm以上が好ましい。
また1mmより大きくなると、混合物において過度な隙間を生じやすくなり、混合物全体の密度が小さくなり充填量が不足してしまう。さらに0.8mm以下が好ましく、特に0.6mm以下が好ましい。
40メッシュパス未満では粒状活性炭が大きくなり、体積に対する表面積の割合が小さくなり、水との接触効率が低下するため浄化性能が不足する。さらに50メッシュパス以上が好ましく、特に60メッシュパス以上が好ましい。
また、200メッシュパスより大きくすると粒状活性炭が小さすぎ、バインダーが活性炭を保持しきれず、使用時に黒粉が発生する原因となる。さらに120メッシュパス以下が好ましく、特に140メッシュパス以下が好ましい。
両方を用いると、繊維状活性炭によって初期の浄化能力を高めるとともに、粒状活性炭によって長期にわたって浄化性能を維持できるため、望ましい。
重金属吸着セラミックは粒状に加工し、粒径は10〜100μmの範囲が好ましい。
10μm未満では、小さすぎて型に混合物を充填する際に粉塵が発生したり、各作業工程における不可避の振動によって材料の均一分散性が失われてしまう。さらに、20μm以上、特に30μm以上が好ましい。
100μmより大きくなると、体積に対する表面積の割合が小さくなり、水との接触効率が低下するため浄化性能が不足する。さらに80μm以下が好ましく、さらには60μm以下が好ましく、特に50μm以下が好ましい。
50重量部未満では、フィルター成形体の浄化性能が不足してしまう。さらに55重量部以上が好ましく、特に65重量部以上が好ましい。
また、85重量部より大きくなると、熱溶融性バインダーの比率が低下してフィルター成形体の強度が不足し崩壊するおそれがある。さらに80重量部以下が好ましく、特に70重量部以下が好ましい。
10重量部未満では、フィルター成形体の浄化性能が不足してしまう。さらに15重量部以上が好ましく、特に18重量部以上が好ましい。
また、30重量部より大きくなると、活性炭など重金属吸着セラミック以外の吸着材料の比率が低下し、浄化性能が低下してしまう。さらに25重量部以下が好ましく、特に23重量部以下が好ましい。
本発明では、熱溶融性バインダーのメルトインデックスについては、特に限定されない。
5重量部未満では、フィルター成形体の強度が不足して崩壊するおそれがある。さらに10重量部以上が好ましく、特に12重量部以上が好ましい。
また、30重量部より大きくなると熱溶融性バインダーによってフィルター成形体中の通路がふさがれてしまうため、通水抵抗が高くなってしまう。さらに20重量部以下が好ましく、特に17重量部以下が好ましい。
混合は、たとえばミキサーを用いた乾式混合により行うことができる。
例として、円筒形状のフィルター成形体を成形するため、図1に示す型モジュール1を用いる。
型モジュール1は、フィルター成形体の外周側面を画成する側面型2と、この側面型2の上端に組みつけられてフィルター成形体の軸方向上端部を画成する上面型3と、この側面型2の下端に組みつけられてフィルター成形体の軸方向下端部を画成する下面型4と、側面型2内に挿入されフィルターの中央空間部を形成する軸型5とを、上スペーサ6、下スペーサ7、上止リング8および下止リング9によって一体に組み立ててなる。
また、側面型2の内周面の上部および下部には、それぞれ上スペーサ6および下スペーサ7の抜けを防止するための凹部10を刻設している。
2つの側面分型2a、2bは、マイクロ波によって効率的に混合物を加熱するため、誘電損失係数が低い低誘電率材料によって形成される。この低誘電率材料の誘電損失係数は、0.015以下であることが好ましい。
誘電損失係数が低く、かつ、フィルター成形体を離型しやすい点で、特にPTFE等のフッ素樹脂、ポリフェニルサルファイド樹脂を用いるのが好ましい。
なお、剛性を高めるために、低誘電率材料に短繊維等の繊維材料を混在させてもよく、たとえばガラス繊維等を使用することができる。
小径部3bは上スペーサ6および側面型2に内接する外径に形成され、上方から側面型2に進入して、側面型2に充填された混合物を加圧する。
大径部3aは、上スペーサ6に戴置されるとともに、外周面に形成した雄ネジによって上スペーサ6の内周面に形成された雌ネジと螺合する。
上面型3の中心には、軸型5を挿通させて保持する貫通孔が形成されている。
小径部4bは下スペーサ7および側面型2に内接する径に形成され、下方から側面型2に進入して、側面型2の栓となる。
大径部4aは、下スペーサ7に当接するとともに、外周面に形成した雄ネジによって下スペーサ7の内周面に形成された雌ネジと螺合する。
下面型4の中心には、軸型5を挿通させて保持する貫通孔が形成されている。
なお、上面型3と下面型4との両方に軸型5を挿通させて保持する貫通孔を形成する代わりに、一方に貫通孔の変わりに有底の凹穴を形成し、凹穴に軸型5を嵌合させて保持してもよい。
このネジ孔11に止ネジ12を挿通させて締め付けることで、軸型5が上面3型および下面型4の貫通孔から抜け落ちないように保持固定する。
ネジ孔11および止ネジ12は、下面型4のみに設けるほか、上面型3のみに設けてもよく、上面型3と下面型4との双方に設けてもよい。
なお、上面型3および下面型4も、側面型2と同様に低誘電率材料で形成することが好ましい。
側面型2に挿入される下部外周面には凸部13が突設され、側面型2の凹部10に嵌合することで抜けが防止される。
上部は大径に形成され、上面型3を戴置するとともにその外周面を包囲している。上部の内周面には雌ネジが形成され、上面型3の大径部3aの雄ネジと螺合する(ネジ結合14)。
側面型2に挿入される上部外周面には凸部13が突設され、側面型2の凹部10に嵌合することで抜けが防止される。
下部は大径に形成され、下面型4の上側に当接するとともにその外周面を包囲している。下部の内周面には、雌ネジが形成され、下面型4の大径部4aの雄ネジと螺合する(ネジ結合15)。
上スペーサ6および下スペーサ7も、側面型2と同様に低誘電率材料で形成することが望ましい。
軸型5は、金属で形成することが好ましい。軸型5を金属で形成することによって、型モジュール1の組み立て時や、マイクロ波での加熱時において、軸型5が側面型2の方向へ変形するのを防止でき、成形されるフィルター成形体の寸法精度を高めることができる。また、加熱時に照射されるマイクロ波を反射して、周囲の混合物を加熱することができる。
型モジュール1に混合物を充填する工程は以下の通りである。
まず、上スペーサ6および下スペーサ7に2つの側面分型2a、2bを取り付け、側面型2が外れないように上止リング8および下止リング9で固定する。
次に、固定された下スペーサ7の下方に下面型4を挿し込み、螺合させて取り付ける。
次いで、下面型4の貫通孔に軸型5を挿通させる。このとき、下面型4の下端と軸型5の下端とが同じ高さで一致するようにし、軸型5が側面型2内に位置するようにして、ネジ孔11に止ネジ12を螺合させて軸型5を固定する。
混合物を所定の高さまで充填した後、上スペーサ6および軸型5に上面型3を取り付けて螺合し、上面型3によって混合物を押圧し嵩体積を減少させる。
これにより、図2に示すように、型モジュール1内の円筒状の空間に混合物を充填することができる。
また、軸型5をより長く形成して、軸型5の下端と下面型4の下端とが一致するとともに、軸型5の上端と上面型3の上端とが一致するようにしてもよい。軸型5をさらに長く形成して、軸型5が上面型3または下面型4の先端から一部突出するように形成してもよい。
また、止ネジ12によって軸型5を固定する代わりに、上面型3および/または下面型4の内周面と軸型5の外周面との一方に凹部(図示せず)を設け、他方にスプリングで突出量が変化可能な突出量可変機構(図示せず)を設けて、スプリングの付勢力によって突出量可変機構が凹部に当接することで軸型5を保持固定するようにしてもよい。
次いで、型モジュール1に充填した混合物にマイクロ波を照射して加熱する。
本発明では、マイクロ波によって混合物の加熱を行うため、オーブン等で加熱する場合に比べて、炉(加熱装置)本体や炉内雰囲気、型モジュールを加熱する必要がなく、混合物を直接加熱することができ、しかも混合物の内部まで同時に加熱することができて、加熱に要する熱量および時間を大幅に節減し、製造コストを低減することができる。
オーブンによる加熱では30〜120分を要していたのに対し、マイクロ波による加熱では1.5〜4分で混合物の加熱(第二工程)が完了する。
また、混合物の全体をほぼ同時に加熱できて加熱時間を短縮することができるので、使用可能な熱溶融性バインダーが、粘度の高い低メルトインデックスのものに限定されることがなく、製造コストを低減させることができる。
また、加熱室内には、ベルトコンベアの進行方向に沿って複数のマイクロ波照射装置を配置し、各マイクロ波照射装置から照射されるマイクロ波が、加熱室内を通過する型モジュール1に照射され、混合物を加熱する。
また、マイクロ波照射装置のマイクロ波の照射方向は、軸型5および混合物の軸方向とほぼ一致するように設定するのが好ましい。
これにより、金属で形成した軸型5がマイクロ波を遮蔽してその背後の混合物に加熱不足を生じるというようなことが起こらず、混合物全体を均一に加熱することができる。
0.4kw未満では出力が不足し加熱に要する時間が長くなる。さらに0.5kw以上が好ましく、特に0.7kw以上が好ましい。
また、1.5kwより大きくなると混合物が過熱状態となり、熱溶融性バインダーが脱脂されてしまうとともに、型モジュールが破損するおそれがある。さらに1.0kw以下が好ましく、特に0.8kw以下が好ましい。
マイクロ波を連続で照射し続けると、熱溶融性バインダーが急激に加熱されて、溶融して吸着材料を結合する前に劣化してしまい、フィルター成形体の成形不良や強度低下の原因となる。また、型モジュールも、急激な加熱によって破損するおそれがある。
マイクロ波の出力を下げることによって急激な加熱を防止することもできるが、一つの加熱装置では出力を調整できる範囲に限界があり、小さなフィルター成形体を成形する場合と大きなフィルター成形体を成形する場合とで、一つの加熱装置では適当な出力に調整できない場合がある。
マイクロ波を間欠照射する場合には、照射時間と停止時間との長短を調整することで、一つの加熱装置であっても、大小に異なるフィルター成形体を成形することができる。
照射時間および停止時間の下限は、それぞれ、さらに0.5秒以上とするのが好ましく、特に1秒以上とするのが好ましい。また、上限は、それぞれ、さらに4秒以下とするのが好ましく、特に3秒以下とするのが好ましい。
間欠照射の照射時間が75秒未満では、熱溶融性が均一かつ十分に溶融することができない。さらに80秒以上が好ましく、特に85秒以上が好ましい。
また、120秒以上では過熱状態となり、型モジュール1の破損や熱溶融性バインダーの脱脂の原因となる。さらに100秒以下が好ましく、特に90秒以下が好ましい。
1つのマイクロ波照射装置はある程度広い範囲にマイクロ波を及ぼして加熱するため、各マイクロ波照射装置の間欠照射を同期させないと、或るマイクロ波照射装置が停止しているときにも他のマイクロ波照射装置がマイクロ波を照射することになり、混合物においては間断なく照射し続けるのと変わらなくなってしまうからである。
第二工程の加熱完了後且つ熱溶融性バインダーが溶融状態にあるうちにおいて上記混合物を押圧して嵩体積を減少させる圧縮工程Cの場合にも、負荷機構や油圧機構を用いて混合物を圧縮することができる。その際にも、溶融状態での加圧時間、加圧時の混合物の反力、圧縮度合い等を考慮して負荷機構ないし加圧機構の圧力を設定する。
他方、圧縮工程Bや圧縮工程Cでは、混合物をより確実に圧縮することができ、特に圧縮工程Cを採用することが好ましい。
その後、型モジュール1および混合物(フィルター成形体)を自然冷却させた後、まず、上面型3および下面型4を取り外し、次いで上止リング8および下止リング9を外して、2つの側面分型2a、2b、上スペーサ6および下スペーサ7を分解し、最後に軸型5を抜き取って、フィルター成形体を離型する。
なお、自然冷却に代えて、送風による空冷等の方法で強制冷却してもよい。
従来のフィルター成形体の製造方法では、側面型2を2分割の側面分型2a、2bから構成すると、合わせ面に沿ってフィルター成形体の側面にバリが発生し、後処理を要することがある。
しかし、本発明では、マイクロ波によって加熱時間を短縮することができるため、熱溶融性バインダーの溶融による軟化時間が短くなり、合わせ面にバリが発生するおそれを大幅に低減させることができる。また、仮にバリが発生しても極めて小さなものとなるため、仕上げ工程を容易にし、コストを低減することができるとともに、フィルター成形体の品質を向上させることができる。
このようなフィルター成形体では、熱溶融性バインダーが吸着材料を網目のように結合して、フィルター成形体を良好な強度に成形するとともに、吸着材料の間に水が浄化されながら通過する微細な通路を形成することができる。
上記体積比が1.5より大きくなると、過剰な圧縮状態となり、離型したフィルター成形体が膨張しようとする復元力が働いて、この復元力に熱溶融性バインダーによる結合が耐えられず、フィルター成形体が破損してしまう。さらに1.4以下とするのが好ましく、特に1.3以下とするが好ましい。
一般に、フィルター成形体において上記体積比を大きくすると、時間当たりの水流量が低下する代わりにコンパクト性と浄化能力が向上する。本発明によれば、上記体積比を高く設定しても良好なフィルター成形体を実現することができる。
本発明の実施形態にしたがって円筒形状のフィルター成形体を製造し、性状の試験を行った。
この実施例では、混合物100重量部において、吸着材料として0.1〜0.5mmにカットした繊維状活性炭を61重量部、60−140メッシュパスの粒状活性炭を4重量部、粒径40μmのアルミノケイ酸塩を主成分とするゼオライト(Selecto Scientific, Inc製 ALUSIL40)を20重量部、熱溶融性バインダーとして24g/10min(ATSM D1238、190℃、15kg Load)のポリエチレン(セイシン企業 SK-PE-20L パウダー)を15重量部とし、これらをミキサーで混合した。
なお、この混合物において、繊維状活性炭の重量/粒状活性炭の重量は15.25である。
型モジュール1は、軸型5および混合物の軸方向がベルトコンベアの進行方向に対して垂直になるように、ベルトコンベアに乗せた。このとき、各マイクロ波照射装置の照射方向は、軸型5および混合物の軸方向に一致するようにした。
得られたフィルター成形体では、型モジュールに充填した直後の混合物の嵩体積/完成したフィルター成形体の体積の比が1.18であった。
ろ過流量試験は、フィルター成形体に初期通水後、さらに10分間連続通水してから、動水圧0.1MPaとしたときの単位時間あたりのフィルター成形体を透過する流量を測定するものである。
遊離残留塩素ろ過能力試験は、遊離残留塩素濃度を2.0±0.2mg/Lに調整した水をフィルター成形体でろ過し続け、塩素の除去率が所定の値に低下するまでの総ろ過水量を測定するものである。本試験では、塩素除去率が80%に低下するまでの総ろ過水量を測定した。
結果は、表1の通りとなった。
また、浄水器に用いるフィルター成形体としては、遊離残留塩素ろ過能力試験において1200L以上の水をろ過処理できることが好ましいが、実施例では2100Lであった。
2 側面型
2a,2b 側面分型
3 上面型
3a 大径部
3b 小径部
4 下面型
4a 大径部
4b 小径部
5 軸型
6 上スペーサ
7 下スペーサ
8 上止リング
9 下止リング
10 凹部
11 ネジ孔
12 止ネジ
13 凸部
14 ネジ結合
15 ネジ結合
Claims (2)
- 吸着材料と熱溶融性バインダーとを含む混合物を型モジュール内に充填する第一工程と、
型モジュール内で加熱して熱溶融性バインダーを溶融する第二工程と、
上記混合物を型モジュールから離型する第三工程とからなるフィルター成形体の製造方法であって、
上記型モジュールが、上記フィルター成形体の外周側面を画成する側面型と、この側面型の上端に組みつけられ上記フィルター成形体の軸方向上端部を画成する上面型と、上記側面型の下端に組みつけられ上記フィルター成形体の軸方向下端部を画成する下面型と、上記側面型内に挿入され上記フィルター成形体の中央空間部を形成する軸型とを具備し、円筒形状の上記フィルター成形体を成形するとともに、
上記側面型は、2つの側面分型で形成され、この2つの側面分型の合わせ面が上記フィルター成形体の軸方向に延在し、
かつ、2つの上記側面分型、上記上面型および上記下面型は誘電損失係数が0.015以下の低誘電率材料からなり、上記軸型は金属からなり、
かつ、上記第二工程では、マイクロ波を一定時間照射した後に一定時間照射を停止することを繰り返す間欠照射によって上記混合物を加熱するとともに、
上記マイクロ波の照射方向が、上記軸型および上記混合物の軸方向とほぼ一致することを特徴とするフィルター成形体の製造方法。 - 吸着材料と熱溶融性バインダーとを含む混合物を型モジュール内に充填する第一工程と、
型モジュール内で加熱して熱溶融性バインダーを溶融する第二工程と、
上記混合物を型モジュールから離型する第三工程とからなるフィルター成形体の製造方法であって、
上記型モジュールが、上記フィルター成形体の外周側面を画成する側面型と、この側面型の上端に組みつけられ上記フィルター成形体の軸方向上端部を画成する上面型と、上記側面型の下端に組みつけられ上記フィルター成形体の軸方向下端部を画成する下面型と、上記側面型内に挿入され上記フィルター成形体の中央空間部を形成する軸型とを具備し、円筒形状の上記フィルター成形体を成形するとともに、
上記側面型は、2つの側面分型で形成され、この2つの側面分型の合わせ面が上記フィルター成形体の軸方向に延在し、
かつ、2つの上記側面分型、上記上面型および上記下面型は誘電損失係数が0.015以下のフッ素樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリフェニルサルファイド樹脂、ポリエチレンテレフタレート、またはこれらの混合物からなり、上記軸型は金属からなり、
かつ、上記第二工程では、マイクロ波を一定時間照射した後に一定時間照射を停止することを繰り返す間欠照射によって上記混合物を加熱することを特徴とするフィルター成形体の製造方法。
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