JP6143131B2 - 自浄式空気濾過材料及びその調製方法 - Google Patents

Description

本発明は、濾過の技術分野に属し、自浄式空気濾過材料及びその調製方法に関する。

内燃機関用の空気循環システム及び吸気フィルタといった空気浄化システムにおいて、空気濾過材料は一般的に使用されている。現代の工業の急速な発展に伴って環境の清浄度に対する要件はますます高まっており、高いレベルの空気清浄度を達成するために、選択される濾過材料の濾過性能に対する要件もますます高まっている。このような要求を満たすために、いくつかの複合体濾過材料が案出されている。従来の電気紡糸技術によって形成された電気紡糸層は、強度が低すぎて耐久性に乏しく、また剥がれやすかったり、損傷を受けやすかったりする。一方、メルトブロー技術によって形成されたメルトブロー繊維層もまた強度が低く、加工プロセス中に容易に毛羽立ってしまい損傷を受ける。メルトブロー技術によって形成されたメルトブロー繊維層は更に、基材及びメルトブロー層をそれぞれ形成した後に再合成することによって結合されるため、層間の結合強度が低くなり、加工プロセス中及び使用中に容易に層間剥離又は剥落してしまう。

従って、新規の空気濾過材料及びその調製方法を提供する必要が今なお存在する。

本発明の目的の１つは、自浄式空気濾過材料を提供することである。

本発明の別の目的は、上述の自浄式空気濾過材料を調製するための方法を提供することである。

本発明の以上の目的は、以下の技術的解決策によって達成される。

一態様によると、本発明は自浄式空気濾過材料を提供し、この自浄式空気濾過材料はサブミクロン繊維層、支持領域、サブミクロン繊維層と支持領域との間の混合領域を備え、上記混合領域は、サブミクロン繊維層及び支持領域の形成中に、サブミクロン繊維層及び支持領域の繊維の一部を互いに接触させて混合することで形成される。混合領域は、サブミクロン繊維と支持領域の繊維とを共に含むことを特徴とし、混合領域の存在により、サブミクロン繊維層及び支持領域は望ましい結合強度を有することができ、加工プロセス中及び使用中に剥落及び層間剥離が容易に発生しなくなる。サブミクロン繊維とは、直径１μｍ未満の繊維を指す。

好ましくは、サブミクロン繊維層はフィブリル化サブミクロン繊維等のサブミクロングレードの繊維からなる。

好ましくは、フィブリル化サブミクロン繊維は、フィブリルを生成できる繊維であり、テンセル繊維、Ｒｉｃｈｃｅｌ繊維、アラミド繊維からなる群のうちの１つ又は複数選択される。

好ましくは、フィブリル化サブミクロン繊維の叩解度は２０°ＳＲ〜９５°ＳＲである。

好ましくは、フィブリル化サブミクロン繊維の平均繊維長は０．１〜５ｍｍ、平均直径は２０〜１０００ｎｍである。

好ましくは、フィブリル化サブミクロン繊維の主幹繊維の平均長は０．１ｍｍ〜１０ｍｍ、平均直径は０．５〜１５μｍである。フィブリル化のプロセスは、フィブリル構造を有する繊維に機械的力を印加し、フィブリルを主幹繊維から徐々に剥落させるというプロセスである。このフィブリル化プロセスにおいて、主幹繊維から完全に剥落するフィブリルもあれば、主幹繊維から部分的に剥落するフィブリルもある。

好ましくは、支持領域は植物繊維及び／又は非植物繊維製である。

好ましくは、植物繊維は、木繊維、葉繊維、綿繊維、靱皮繊維、マーセル化繊維、その他の植物繊維からなる群のうちの１つ又は複数選択される。

好ましくは、植物繊維の平均繊維長は０．５〜１０ｍｍ、平均直径は５〜３０μｍである。

好ましくは、非植物繊維は、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、ポリプロピレン繊維、アラミド繊維、アクリル繊維、ポリテトラフルオロエチレン繊維、ポリビニルアルコール繊維、テンセル繊維、Ｒｉｃｈｃｅｌ繊維、ガラス繊維、その他の非植物繊維からなる群のうちの１つ又は複数選択される。

好ましくは、非植物繊維の平均繊維長は０．５〜１０ｍｍ、平均直径は５〜２０μｍである。

好ましくは、サブミクロン繊維層の坪量は０．１〜１０ｇ／ｍ²、支持領域の坪量は１０〜１５０ｇ／ｍ²である。

別の態様では、本発明は上述の自浄式空気濾過材料を調製するための方法を提供し、この方法は、二重層ヘッドボックスによってサブミクロン繊維層及び支持領域を同時に形成することを含む。

好ましくは、サブミクロン繊維層及び支持領域を同時に形成することは、以下のステップ：
サブミクロン繊維層及び支持領域用の繊維懸濁液を二重層ヘッドボックスによって成形ワイヤへと送るステップ。このステップでは、サブミクロン繊維層を支持領域上に形成できるよう、支持領域用繊維懸濁液はサブミクロン繊維層用繊維懸濁液より先に成形ワイヤに到達する；並びに
サブミクロン繊維及び支持領域の繊維の両方を含む混合領域を形成するために、成形プロセス中に、サブミクロン繊維層と支持領域との間で繊維の一部を互いに接触及び混合させるステップ
を含む。

好ましくは、自浄式空気濾過材料は、好ましくは逆流する空気流を吹き付けることによる自己洗浄を実施し、又は濾過材料に付着した塵芥を機械的力によって落とす、その他の様式の自己洗浄を実施する。

要約すると、耐用年数を延長するために逆流洗浄による自己洗浄を実施する空気濾過材料は、流入表面として機能するサブミクロン繊維層、混合領域、支持用の支持領域からなる構造を有する。空気濾過材料のサブミクロン繊維層及び支持領域は、二重層ヘッドボックスによって１回のステップで形成され、この方法により、合成を２回行う必要なしに、可撓性の調整を実施でき、また性能の広範囲な制御を実行でき、サブミクロン繊維及び支持領域の繊維を含む混合領域が、サブミクロン繊維層と支持領域との間に形成される。この混合領域では、サブミクロン繊維及び支持領域の繊維は、繊維間結合力によって自然に交互配置されることで、ある一定の結合力で結合され、はっきりとした境界面は存在しない。その一方で、表面濾過はサブミクロン繊維層によって容易に達成でき、サブミクロン繊維層に作用する抗力は、サブミクロン繊維層が捕捉する大きな粒子に作用する力より低いため、サブミクロン繊維層が濾過した粒子は、逆流する空気流によって容易に吹き飛ばすことができ、これによって濾過性能が回復する。従ってサブミクロン繊維層を流入表面として使用する濾過材料は、自浄式濾過システムに極めて適しており、高い初期精度を有する。

従って、本発明が提供する空気濾過材料は、サブミクロン繊維の表面濾過及び高精度濾過を達成でき、これによって自浄式空気濾過材料の要件を満たすことができる。更に本発明は、サブミクロン繊維によって合成される自浄式空気濾過材料の製造に、二重層ヘッドボックスによる１ステップ形成の技術を応用し、この技術は可撓性の調整を実施でき、また性能の広範囲な制御を実行でき、またこのようにして製造されたサブミクロン繊維によって合成された自浄式空気濾過材料は、従来の製品と同等の濾過性能を有する一方で、より良好な加工及びサービス性能を有する。これにより特に、サブミクロン繊維層は従来通り加工でき、基材と結合させた場合に損傷及び層間剥離が発生しにくくなる。これと対照的に、電気紡糸技術によって形成されたサブミクロン繊維層（電気紡糸層）は、強度が低すぎて耐久性に乏しく、また剥がれやすいか又は損傷を受けやすい。一方、メルトブロー技術によって形成されたサブミクロン繊維層（メルトブロー繊維層）もまた強度が低く、加工プロセス中に容易に毛羽立ってしまい損傷を受ける。メルトブロー技術によって形成されたサブミクロン繊維層は更に、基材及びメルトブロー層をそれぞれ形成した後に合成することによって結合され、これによって層間の結合強度が低くなり、加工プロセス中及び使用中に容易に層間剥離又は剥落してしまう。

本発明が提供する自浄式空気濾過材料は、産業塵芥除去システム、エアコンプレッサの吸気システム、内燃機関（自動車エンジンを含む）の濾過システム等、多くの分野において空気濾過のために使用できる。

これ以降、本発明の実施形態について、添付の図面を使用して詳細に説明する。

図１は、本発明が提供する自浄式空気濾過材料の概略構造図であり、１は空気流の方向、２はサブミクロン繊維層、３は支持領域、４はフィブリル化繊維、５は混合領域を表す。 図２は、本発明によるサブミクロン繊維層中のフィブリル化サブミクロン繊維の電子顕微鏡写真である。 図３は、本発明による自浄式空気濾過材料の調製を説明する概略図である。

本発明について、具体的な実施例を参照して説明する。これらの実施例は本発明の例示を目的としたものに過ぎず、本発明の範囲を決して限定するものではないことは、当業者には理解できるであろう。

以下の実施例及び比較例において、繊維の断面が円形でない場合、繊維の直径は繊維の最大突出幅で表す。使用する植物繊維は、木繊維、葉繊維、綿繊維、靱皮繊維、マーセル化繊維、その他の植物繊維からなる群のうちの１つ又は複数選択される。使用する非植物繊維は、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、ポリプロピレン繊維、アラミド繊維、アクリル繊維、ポリテトラフルオロエチレン繊維、ポリビニルアルコール繊維、テンセル繊維、Ｒｉｃｈｃｅｌ繊維、ガラス繊維、その他の非植物繊維からなる群のうちの１つ又は複数選択される。使用するフィブリル化繊維は、フィブリル化テンセル繊維、Ｒｉｃｈｃｅｌ繊維、アラミド繊維、フィブリルを生成できるその他の繊維からなる群のうちの１つ又は複数選択される。

実施例１ 本発明の自浄式空気濾過材料
この実施例は、自浄式空気濾過材料を調製するための方法を提供する。

自浄式空気濾過材料を調製するためのプロセスを図３に示し、以下に詳細に説明する。
１）スラリープール内において、サブミクロン繊維層形成用のフィブリル化テンセル繊維のスラリー及びフィブリル化アラミド繊維のスラリーを重量比１：９で混合し、ある特定の濃度のサブミクロン繊維層用繊維懸濁液を得た；
２）別のスラリープール内において、支持領域形成用の木繊維のスラリー及びポリエステル繊維のスラリーを重量比６：４で混合し、ある特定の濃度の支持領域用繊維懸濁液を得た；
３）サブミクロン繊維層用繊維懸濁液及び支持領域用繊維懸濁液をそれぞれ二重層ヘッドボックスによって成形ワイヤへと送り（なお、サブミクロン繊維層を支持領域上に形成できるよう、支持領域用繊維懸濁液はサブミクロン繊維層用繊維懸濁液より先に成形ワイヤに到達する）、その後脱水及び乾燥を実施して完成品のペーパーを得た。

自動車エンジン用自浄式空気濾過材料の概略構造図を図１に示す。この自浄式空気濾過材料は、空気流の方向１に従って、サブミクロン繊維層２、支持領域３、サブミクロン繊維層２と支持領域３との間の混合領域５に分けられる。

サブミクロン繊維層２は、坪量１ｇ／ｍ²のフィブリル化繊維からなる。このフィブリル化繊維は、フィブリル化テンセル繊維１０％とフィブリル化アラミド繊維９０％との混合物であり、図３の電子顕微鏡写真に示す構造を有する。フィブリル化テンセル繊維とフィブリル化アラミド繊維とのこの混合物の平均直径は１５０ｎｍ、平均長は０．５ｍｍである。

支持領域３は植物繊維及び非植物繊維からなり、坪量は９０ｇ／ｍ²である。植物繊維の質量分率は６０％であり、非植物繊維の質量分率は４０％である。この支持領域では、植物繊維は木繊維であり、非植物繊維はポリエステル繊維である。植物繊維の平均直径は１３μｍ、平均長は７ｍｍである。ポリエステル繊維の平均直径は８μｍ、平均長は６ｍｍである。

比較例１ 電気紡糸によって合成された自浄式空気濾過材料
この比較例は、形成された支持領域上に、電気紡糸技術によって電気紡糸サブミクロン繊維層が合成されていることを除いて、基本的には実施例１と同一である。電気紡糸繊維の平均直径は１３０ｎｍである。

比較例２ メルトブロー繊維によって合成された自浄式空気濾過材料
この比較例は、形成された支持領域上に、メルトブロー技術によってメルトブローサブミクロン繊維層が合成されていることを除いて、基本的には実施例１と同一である。メルトブロー繊維の平均直径は１７０ｎｍである。

比較例３ フィブリル化繊維によって合成された自浄式空気濾過材料
この比較例は、形成された支持領域上に、湿式合成技術によってフィブリル化繊維層が合成されていることを除いて、基本的には実施例１と同一である。フィブリル化繊維の平均直径は１６０ｎｍである。

実施例１、比較例１〜３で調製した上述の空気濾過材料の濾過性能を試験した。その結果を以下の表に示す。

実施例１の最大細孔サイズ、平均細孔サイズ、初期濾過効率は、比較例１〜３のそれに近いものであるが、耐折度試験を２０回実施した後では、実施例１の自浄式濾過材料は一体構造を依然として損傷なく維持できることが判る。これは、本発明においてサブミクロン繊維によって合成された自浄式濾過材料が、その他の物理的性能を維持したまま、良好な加工及びサービス性能を有することを示している。

実施例２ 本発明の自浄式空気濾過材料に対する考察
この自浄式空気濾過材料のサブミクロン繊維層の坪量について、実施例１の調製方法を参照して考察を行った。支持領域は、木繊維６０％及び直径９μｍのポリエステル繊維４０％を含み、坪量は９０ｇ／ｍ²である。結果を表１に示す。

サブミクロン繊維層の坪量の増大と共に濾過効率が上昇するが、濾過効率の上昇速度は濾過抵抗の上昇速度より有意に低いことが表１から分かる。抵抗が高過ぎることは、濾過プロセスにおいて極めて不都合である。従ってサブミクロン繊維層の坪量は、１０ｇ／ｍ²を超えないことが好ましい。

Claims (8)

1. サブミクロン繊維層、支持領域、前記サブミクロン繊維層と前記支持領域との間の混合領域を備える、自浄式空気濾過材料であって、
   前記混合領域は、前記サブミクロン繊維層及び前記支持領域の形成中に、前記サブミクロン繊維層及び前記支持領域の繊維の一部を互いに接触させて混合する部分に形成された領域であり、
   前記支持領域に含まれる繊維の平均長および平均直径は、前記サブミクロン繊維層に含まれる繊維の平均長および平均直径より大きく、
   前記サブミクロン繊維層は、フィブリル化テンセル繊維１０％とフィブリル化アラミド繊維９０％の混合物であるフィブリル化繊維からなり、前記支持領域は、植物繊維６０％と非植物繊維４０％の混合物からなることを特徴とする、自浄式空気濾過材料。
2. 前記フィブリル化サブミクロン繊維の叩解度は２０°ＳＲ〜９５°ＳＲであり、
   前記フィブリル化サブミクロン繊維の平均繊維長は０．１〜５ｍｍ、平均直径は２０〜１０００ｎｍである、請求項１に記載の自浄式空気濾過材料。
3. 前記支持領域は、植物繊維及び非植物繊維からなり、
   前記植物繊維は、木繊維、葉繊維、綿繊維、靱皮繊維、マーセル化繊維からなる群のうちの１つ又は複数選択され、
   前記非植物繊維は、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、ポリプロピレン繊維、アラミド繊維、アクリル繊維、ポリテトラフルオロエチレン繊維、ポリビニルアルコール繊維、テンセル繊維、Ｒｉｃｈｃｅｌ繊維、ガラス繊維からなる群のうちの１つ又は複数選択される、請求項１または２に記載の自浄式空気濾過材料。
4. 前記植物繊維の平均繊維長は０．５〜１０ｍｍ、平均直径は５〜３０μｍであり、
   前記非植物繊維の平均繊維長は０．５〜１０ｍｍ、平均直径は５〜２０μｍである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の自浄式空気濾過材料。
5. 前記サブミクロン繊維層の坪量は０．１〜１０ｇ／ｍ ² 、前記支持領域の坪量は１０〜１５０ｇ／ｍ ² である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の自浄式空気濾過材料。
6. 前記自浄式空気濾過材料は、逆流する空気流を吹き付けることによる自己洗浄を実施する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の自浄式空気濾過材料。
7. サブミクロン繊維層及び支持領域を、二重層ヘッドボックスによって同時に形成することを含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の自浄式空気濾過材料を調製するための方法。
8. 前記サブミクロン繊維層及び前記支持領域を同時に形成することは、以下のステップ：
   前記サブミクロン繊維層及び前記支持領域用の繊維懸濁液を前記二重層ヘッドボックスによって成形ワイヤへと送るステップであって、前記サブミクロン繊維層が前記支持領域上に形成されるよう、前記支持領域用繊維懸濁液を前記サブミクロン繊維層用繊維懸濁液より先に前記成形ワイヤに到達するように送るステップ；並びに
   前記サブミクロン繊維及び前記支持領域の繊維の両方を含む混合領域を形成するために、成形プロセス中に、前記サブミクロン繊維層と前記支持領域との間で前記繊維の一部を互いに接触及び混合させるステップ
   を含む、請求項７に記載の方法。