JP6161285B2 - 抗菌性ナノファイバー・シート、その製造方法およびフィルター - Google Patents
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Description
前記ナノファイバーの平均単繊維径が10〜500nmであり、かつ
前記ナノファイバーが交差する単繊維交点を中心として、膜状化した単繊維間の膠着が抑制されているナノファイバー・シートである。
前記溶媒が、沸点が80℃以下の溶媒(例えばヘキサフロロイソプロパノールなど)であり、
前記ポリマー溶液調整段階において、ナノファイバーの平均単繊維径よりも大きく、かつ、平均単繊維径の40倍よりも小さい平均粒子径を有する無機系抗菌剤が加えられて、前記無機系抗菌剤が混合分散した紡糸溶液を用いてナノファイバーを形成し、シート状に集積することを特徴とする、抗菌性ナノファイバー・シートの製造方法である。
本発明の抗菌性ナノファイバー・シートを構成するポリマーは、静電紡糸法によりナノファイバーを形成することができるポリマーであれば特に限定されなく、例えば、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、ポリブチレンテレフタレート、ポリヘキサメチレンテレフタレート等の芳香族ポリエステル、ポリ乳酸、ポリエチレンサクシネート、ポリブチレンサクシネート、ポリブチレンサクシネートアジペート、ポリヒドロキシブチレート-ポリヒドロキシバリレート共重合体、ポリカプロラクトン等の脂肪族ポリエステルおよびその共重合体、ナイロン6、ナイロン66、ナイロン610、ナイロン10、ナイロン12、ナイロン612等の脂肪族ポリアミドおよびその共重合体、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリブテン、ポリメチルペンテン等のポリオレフィンおよびその共重合体、ポリビニルアルコール、エチレン−ビニルアルコール共重合体、ポリスチレン系、ポリジエン系、塩素系、ポリオレフィン系、ポリウレタン系、芳香族ポリアミド系、フッ素系のエラストマー等の中から少なくとも一種類を選んで用いることができる。もちろん、これらのポリマーは、共重合成分により共重合されていても良い。例えば、上記芳香族ポリエステルでは、テレフタル酸の一部やジオールの一部が他のジカルボン酸やジオールで置換されていてもよい。
本発明に係る抗菌性ナノファイバー・シートをフィルターとくにエアフィルターまたは水フィルターとして用いる場合には、ナノファイバー・シートと基材層(ポリビニルアルコール系繊維シートなどの親水系ポリマー繊維系シート)との剥離が生じにくいエチレン−ビニルアルコール系重合体を用いるのが好ましい。
本発明において用いられるエチレン−ビニルアルコール共重合体は、水中における形態安定性と親水性とのバランスから、エチレン含有量が3〜70モル%の範囲にあることが好ましく、さらに好ましくは、20〜55モル%である。また、ケン化度は80モル%以上であることが好ましく、さらに好ましくは98モル%以上である。ケン化度が80モル%未満では、エチレン−ビニルアルコール共重合体の結晶化度が低下してナノファイバーの強度的性質にとって好ましくない。また、エチレン−ビニルアルコール共重合体として、エチレン含有量が20〜55モル%の共重合体とエチレン含有量が3〜20モル%の共重合体との組合せのような、エチレン含有量の異なる共重合体を混合したものを用いてもよい。
エチレン−ビニルアルコール共重合体は、エチレン−酢酸ビニル共重合体をケン化することにより得られるが、エチレン−酢酸ビニル共重合体として、エチレンと酢酸ビニルを共重合する際に、その他の脂肪酸ビニルエステル(プロピオン酸ビニル、ピバリン酸ビニルなど)を少量(酢酸ビニルに対して20モル%以下)併用したものも含まれる。エチレン−ビニルアルコール共重合体としては、通常、数平均分子量約8000〜20000のものを使用するのがよい。また、ナノファイバー形成後に、必要に応じてアルデヒド、ジアルデヒドなどによりアセタール化、架橋処理を行ったものでもよい。
エチレン−ビニルアルコール系共重合体は、例えば(株)クラレより「エバール」の商品名で、また日本合成化学工業(株)より「ソアノール」の商品名で市販されており、容易に入手可能である。
本発明を構成するナノファイバー・シートを製造するためには、(I)ポリマーを溶解させ得る溶媒にポリマーを溶解させた溶解液を調製する工程、(II)前記溶解液を用いて静電紡糸法によりナノファイバーを基材に積層する工程、を備えていることが必要である。
まず、ナノファイバーの原液を調製する。この原液は、ポリマーを溶解させることのできる溶媒に溶解させた溶解液であり、溶媒としては、ポリマーを溶解することができる溶媒を適宜選択して使用される。ここで重要な点は、沸点が80℃以下の溶媒を利用することにより、静電紡糸工程で細繊度化を行った場合であっても、溶媒の揮発速度を速めることにより、シート形成後の溶媒残存量を低減させることができ、細繊度の繊維間で膠着して膜状物を形成するのを抑制することができる点である。
沸点が80℃以下の溶媒としては、たとえば、アセトン、クロロホルム、シクロペンタン、シクロペンテン、ジエチルエーテル、ジメチルエーテール、エタノール、メタノール、酢酸エチル、酢酸メチル、ジエチルメチルエーテル、ブチルメチルエーテル、テトラヒドロフラン、ヘキサフロロイソプロパノールなどが挙げられ、これらのうち、ポリマーの溶解性からヘキサフロロイソプロパノールが好ましく用いられる。この溶媒にポリマーを溶解し、粒状ゲル物を含まないようにポリマーを均一に溶解したものを紡糸原液として用いることができる。
無機系抗菌剤は、得られるナノファイバーの平均単繊維径よりも大きく、かつ、平均単繊維径の40倍よりも小さい平均粒子径を有するものを選択し、ポリマーを溶媒に溶解する工程において加えられるのが好ましい。あらかじめ、無機系抗菌剤をポリマーチップまたはフレークに配合したものを調整し、溶媒を加えてポリマーを溶解させるとともに、無機系抗菌剤を溶液に均一に分散させてもよく、または、無機系抗菌剤が配合されたポリマーチップまたはフレークを押出溶解させてもよい、
また、予め、無機系抗菌剤をポリマーに高濃度に配合したマスターバッチを作製し、このマスターバッチと、無機系抗菌剤の配合させていないポリマーとを、無機系抗菌剤が所定の量配合されるように、混合しながら紡糸液を調整してもよい。
無機系抗菌剤の配合量としては、ポリマーと無機系抗菌剤とを加えた重量に対して10〜30重量%配合されていることが好ましい。10重量%未満では、十分な抗菌活性が得られない場合があり、30重量%を超えると、紡糸性に影響が出やすくなり、また、得られたナノファイバーの強度が不十分となる場合がある。
次に、上記紡糸溶液を用いて、静電紡糸法によりポリマーを分裂させてナノファイバー状に形成しながら、形成されたナノファイバーを集積面上または集積面上に配置した不織布(乾式不織布、湿式不織布など)、織物、または編物である基材上に積層することにより、ナノファイバー・シートを形成することが可能である。
静電紡糸の方法としては特に制限はなく、紡糸液を供給できる導電性部材(ノズルなど)に高電圧を印加することで、接地した対極側に集積面を設けて、ナノファイバーを堆積させる方法をとるのが好ましい。これにより、原液供給部から吐出された紡糸原液が帯電分裂され、ついで電場により液滴の一点からナノファイバーが連続的に引き出され、分割された繊維が多数拡散する。このことにより、ポリマー液に含有されている無機系抗菌剤は、分裂・極細化されたナノファイバーから粒子が突出した状態で、ナノファイバーに内包されている。
堆積されたシートには、基材シートなどとの接着性を向上させるために、ナノファイバーを形成するポリマーの融点未満の温度での熱プレス処理などが行われてもよい。
ナノファイバーの繊維径は、通常10〜500nm程度であり、好ましくは30〜300nm程度、さらに好ましくは60〜150nm程度である。本発明において混合される無機系抗菌剤粒子の平均粒子径は、ナノファイバーの平均単繊維径よりも大きい方が、ナノファイバー形成後に抗菌剤粒子がナノファイバーから突出して、使用時に菌との接触がしやすくなり、高い抗菌活性を有することができる。しかしながら、ナノファイバーの平均単繊維径の40倍を超えると、無機系抗菌活性剤の粒子の重さにそれを内包するナノファイバー層の壁面が耐えられなくなり、それを保持することが困難となるので、無機系抗菌剤の平均粒子径は40倍以下にすることが必要であり、ナノファイバーの平均単繊維径の10倍〜30倍の範囲にすることが好ましい。
なお、無機系抗菌剤の粒子径は、形成されるナノファイバーの平均単繊維径を考慮して選択されるが、抗菌剤のポリマー溶液中への分散性と、ナノファイバーからの露出性を考慮すると、0.01〜15μmの範囲内にあることが好ましく、なかでも、0.1〜10μmの範囲内にあることが好ましい。0.01μm未満であると、粒子径が小さすぎてナノファイバー中に内包されて抗菌性が十分に発揮されなくなる場合があり、15μm以上に粒子径が大きくなると、ポリマー溶液中での粒子の分散性が乏しくなり、紡糸性が不十分となる虞がある。
本発明において用いられる無機系抗菌剤としては、例えば銀、銅、亜鉛等の金属を有効成分とする抗菌剤や抗菌性ガラス等が使用できる。銀を有効成分とする抗菌剤として具体的には、例えば銀ゼオライト、銀−リン酸ジルコニウム複合体、銀セラミックスなどを利用することが可能である。またプロテイン銀やスルファジアジン銀など、金属の有機化合物錯体も本発明において無機系抗菌剤として使用することが可能である。これらの無機系抗菌剤のうち、本発明においては銀系抗菌剤もしくは抗菌性ガラスが好ましく用いられ、中でも銀ゼオライトがさらに好ましく用いられる。
本発明に係る抗菌性ナノファイバー・シートをフィルターに用いる場合、ナノファイバー層が0.1〜10g/m2であることが好ましい。該ナノファイバー層が0.1g/m2未満であると、捕集ダストを十分防止できなくなる。逆にナノファイバー層が10g/m2を越えると、通気抵抗が高くなり、フィルター寿命が劣る。好ましくは、0.3〜8g/m2、更に好ましくは0.5〜6g/m2である。
ナノファイバー・シートの厚みとしては、用途に応じて適宜設定することが可能であるが、1〜50μmの範囲内にあるのが好ましい。
ナノファイバー・シート形成のポリマー溶液には、紫外線吸収剤、酸化防止剤、光安定剤、顔料、難燃剤、帯電防止剤、表面処理剤、離型剤等の各種の添加剤を必要に応じて添加してもよい。
本発明に係るナノファイバー・シートは、エアーなどの気体フィルター、水などの液体フィルターなどの各種フィルターのほか、ワイパー、マスク、病院用ガウン、シーツ、食品包装材などに用いることができる。
本発明に係るナノファイバー・シートは、粒子捕捉率が高く、圧力損失の小さい気体フィルターを形成することができるが、粒子捕捉率を高くすれば、圧力損失が大きくなり、一方、圧力損失を小さくしようとすれば、粒子捕捉率は低下する傾向にあるので、粒子捕捉率と圧力損失とを勘案しながら、ナノファイバーの繊維径を選択するのが好ましい。
フィルターは、粒子補足率が高く、たとえば、風速5.3cm/分における0.1μm粒子の捕捉率が、例えば95%以上であってもよく、好ましくは96%以上、より好ましくは97%以上であってもよい。
また、フィルターは、圧力損失を低くすることが可能であり、風速5.3cm/分における圧力損失が、例えば90Pa以下であってもよく、好ましくは85Pa以下、より好ましくは80Paであってもよい。
顕微鏡により倍率5000倍で撮影した不織布構成繊維の断面の拡大写真から、無作為に100本の繊維を選び、それらの繊維径を測定し、その平均値を求めて平均繊維径とした。
無機系抗菌剤粒子に、水を加えて十分に撹拌して、水中に均一に分散させた。この分散液を用いて、レーザー回折散乱式粒度測定装置(堀場製作所製「LA−920」)を使用して、測定時、測定装置に内蔵されている超音波ホモジナイザーにより超音波を1分間照射した後に測定を行い、体積基準の粒度分布により計算される算術平均値(μm)を無機系抗菌剤微粒子の平均粒径とした。
JIS L 1902(2008)の定量試験法に準拠して、大腸菌、MRSA、黄色ブドウ球菌または緑膿菌を供試菌として静菌活性値を測定した。
0.1μmの粒子を含む液を、所定面積(径2cmφ)で本発明のシートに通して自然流下させた。原液と、ろ過液についてそれぞれの粒子数を粒子カウンターで測定し、ろ過率(粒子捕捉率)を算出した。
試験サンプルに風速5.3m/minの室温空気を通過させた際の試験サンプルの前後での静圧差(Pa)を測定した。
顕微鏡により倍率10000倍で撮影した不織布構成繊維の表面の拡大写真から、無作為に100箇所の繊維同士の交点を選び、単繊維間の交点において、繊維同士の膠着により膜状化した箇所の存在について判定した。この場合、交点における最大の太さが、交点において交わる単繊維の繊維径の2倍以上であるという交点が100箇所中20箇所以上で確認できた場合、膠着による膜状化が存在する(有)と判定し、20箇所未満である場合、膠着による膜状化が存在しない(無)と判定した。
エチレン−ビニルアルコール共重合体((株)クラレ製:EVAL−G)および銀ゼオライト粒子(シナネンゼオミック社製、商品名「ゼオミック」、立方体形状、平均粒子径2.5μm)を表1に示す重量%になるようにHFIP溶媒に投入後、25℃で該共重合体を静置溶解し、銀ゼオライトが均一に分散した紡糸原液を得た。得られた紡糸原液を用いて静電紡糸を行った。
紡糸装置では、口金として内径が0.9mmのニードルを使用し、口金と形成シート引取り装置との間の距離を8cmとした。また、形成シート引取り装置にナノファイバー捕集用シート[ポリエステルスパンボンド(PET−SB)、東レ株式会社製、商品名「アクスター H505−10」50g/m2]を巻き付けて、その上にナノファイバー層を集積するようにした。次いでコンベア速度0.1m/分、原液を所定の供給量で口金から押し出し、口金に20kV印加電圧を与えて、捕集用シート上に繊維径が50〜100nmのナノファイバーを1g/m2になるよう積層させ、平均繊維径70μmのナノファイバー・シートを得た。
紡糸原液中のポリマー濃度を変えることにより、ナノファイバーの繊維径を、90〜160nmと変化させて表1に示す平均繊維径を有するナノファイバー・シートを製造した。捕集シートとナノファイバー・シートとの積層体について性能測定を行った結果を表1に示す。
(1)実施例では、平均繊維径が130nm以下の小さい場合であっても、十分な静菌活性を得ることができるだけでなく、交点での皮膜化を抑制して高い粒子補足率および低い圧力損失を達成することができた。
(2)一方、比較例1では、平均繊維径を小さくすることができるものの、単繊維間の交点が膠着して膜状化する箇所が多く存在し、その結果、圧力喪失を低減することができなかった。
(3)比較例2では、太い平均繊維径のためか、交点における膜状化は依然として存在しているものの圧力損失の低減をすることができた。しかし、太い平均繊維径に起因してか、実施例1および2と比較すると、粒子補足率は低下する傾向にあった。
(4)抗菌剤を含まない比較例3では、静菌活性が満足する値ではなかった。
Claims (11)
- 静電紡糸法により形成されたナノファイバー・シートであって、ナノファイバー平均単繊維径よりも大きく、かつ、ナノファイバー平均単繊維径の40倍以下である平均粒子径を有する無機系抗菌剤を内包するナノファイバーを含有し、
前記ナノファイバーの平均単繊維径が10〜500nmであり、
前記ナノファイバーを構成するポリマーがエチレン−ビニルアルコール系共重合体であり、かつ
顕微鏡により倍率10000倍で撮影した前記ナノファイバーの表面の拡大写真から無作為に選んだ100箇所の繊維同士の交点において、交点における最大の太さが、交点において交わる単繊維の繊維径の2倍以上であるという交点が100箇所中20箇所未満である抗菌性ナノファイバー・シート。 - 請求項1において、前記ナノファイバーの平均単繊維径が60〜150nm未満であり、前記無機系抗菌剤の平均粒子径が1μm以上である抗菌性ナノファイバー・シート。
- 請求項1または2において、前記無機系抗菌剤が銀ゼオライトである抗菌性ナノファイバー・シート。
- 請求項1〜3のいずれか1項において、前記無機系抗菌剤の含有率が、無機系抗菌剤を含有するナノファイバーの重量に対して10〜30重量%である、抗菌性ナノファイバー・シート。
- 請求項1〜4のいずれか1項において、JIS−L−1902(2002)に規定された菌液吸収法による静菌活性値が2.5以上である抗菌性ナノファイバー・シート。
- 請求項1〜5のいずれか1項において、前記無機系抗菌剤の平均粒子径が前記ナノファイバーの平均単繊維径の10倍以上である抗菌性ナノファイバー・シート。
- 請求項1〜6のいずれか1項において、親水系ポリマー繊維系シートである基材層に積層されている抗菌性ナノファイバー・シート。
- ポリマーを溶媒に溶解したポリマー溶液を、高電圧に印加されたノズルから吐出して、極細化されたナノファイバーを形成し、シート状に集積するナノファイバー・シートの製造方法において、
前記溶媒が、沸点が80℃以下の溶媒であり、
前記ポリマーがエチレン−ビニルアルコール系共重合体であり、
前記ポリマー溶液調整段階において、ナノファイバーの平均単繊維径よりも大きく、かつ、前記平均単繊維径の40倍以下である平均粒子径を有する無機系抗菌剤が加えられて、前記無機系抗菌剤が混合分散した紡糸溶液を調整し、この紡糸溶液を用いてナノファイバーを形成し、シート状に集積することを特徴とする、顕微鏡により倍率10000倍で撮影した前記ナノファイバーの表面の拡大写真から無作為に選んだ100箇所の繊維同士の交点において、交点における最大の太さが、交点において交わる単繊維の繊維径の2倍以上であるという交点が100箇所中20箇所未満である抗菌性ナノファイバー・シートの製造方法。 - 請求項8において、溶媒がヘキサフロロイソプロパノールである製造方法。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載のナノファイバー・シートから構成されるフィルター。
- 請求項10において、風速5.3cm/分における0.1μm粒子の捕捉率が95%以上であり、そのときの圧力損失が90Pa以下である、フィルター。
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