JP6349556B2 - 吸湿材およびこれを用いた除湿機 - Google Patents

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Description

本発明は、吸湿材およびこれを用いた除湿機に関する。
除湿装置又は調湿装置としては、冷凍サイクル式と、ゼオライト式との2タイプが一般的である。冷凍サイクル式は、コンプレッサ(圧縮機)を内蔵し、エバポレータ(蒸発器)で室内空気を冷却することにより空気内の湿分を結露させて除湿する方式である(例えば、特許文献1等参照)。ゼオライト式とは、ゼオライト等の吸湿性多孔質材料をローター状に加工したものを利用し、一旦、室内の空気の水分を当該ローターに吸湿させ、吸湿させたローターに電気ヒーターで発生させた高温の温風を当て、ローター内の水分を高温高湿の空気として取り出し、その空気を室内空気で冷却することにより高温高湿の空気内の湿度を結露させ除湿する方式である(例えば、特許文献2、3等参照)。また、両方式の特徴を合わせた方式も用いられている(例えば、特許文献4等参照)。さらに、大規模空調システムとして、吸着剤(シリカゲル、活性炭、ゼオライト等)を用いた水分の吸脱着を利用して冷房等の空調を行う、いわゆるデシカント空調システムも普及し、地球環境保護の要請から現在も盛んに高効率な調湿システムが開発されている(例えば、特許文献5、6等参照)。
日本国公開特許公報「特開2002−310485号公報(2002年10月23日公開)」 日本国公開特許公報「特開2001−259349号公報(2001年9月25日公開)」 日本国公開特許公報「特開2003−144833号公報(2003年5月20日公開)」 日本国公開特許公報「特開2005−34838号公報(2005年2月10日公開)」 日本国公開特許公報「特開平5−301014号公報(1993年11月16日公開)」 日本国公開特許公報「特開2010−54184号公報(2010年3月11日公開)」
しかしながら、上述のような従来技術は、過冷却や大きな熱量を用いずに効率よく除湿するという点で十分ではない。
すなわち、冷凍サイクル式では、環境破壊につながるハロゲン系ガスを使ったり、コンプレッサを搭載するために除湿装置又は調湿装置が大型化しがちであったり、騒音が大きかったりなどといった問題が依然として存在する。一方、ゼオライト式においては、200℃以上の再生熱が必要で効率が悪い。これらを融合したハイブリッドタイプはコンプレッサの圧縮熱をゼオライトロータの再生に一部利用するなど改善されており、ゼオライト式の利用範囲を広げることができるが、複雑な空気経路や機構が必要になり、大型化は避けられない。また、吸着するなどして集めた水蒸気を過飽和冷却することで凝縮させることには変わりない。
また、デシカント空調システムにおいても、水分の脱着に依然大きな熱量が必要である。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、過冷却や大きな熱量を用いずに効率よく除湿することを可能とする吸湿材およびこれを用いた除湿機を実現することにある。
本発明に係る吸湿材は、前記課題を解決するために、外部刺激に応答して水との親和性が可逆的に変化する刺激応答性高分子と、親水性高分子とを含む高分子ゲルの乾燥体を含有する吸湿材であって、前記刺激応答性高分子と、前記親水性高分子とが、相互浸入高分子網目構造またはセミ相互浸入高分子網目構造を形成していることを特徴としている。
本発明に係る除湿機は、前記課題を解決するために、前記吸湿材と、前記吸湿材に外部刺激を付与するための刺激付与部とを備えていることを特徴としている。
本発明に係る吸湿材は、以上のように、外部刺激に応答して水との親和性が可逆的に変化する刺激応答性高分子と、親水性高分子とを含む高分子ゲルの乾燥体を含有する吸湿材であって、前記刺激応答性高分子と、前記親水性高分子とが、相互浸入高分子網目構造またはセミ相互浸入高分子網目構造を形成している構成を備えているので、除湿材として用いた場合に過冷却や大きな熱量を用いずに効率よく除湿することができるという効果を奏する。
本発明に係る除湿機は、以上のように、前記吸湿材と、前記吸湿材に刺激を付与するための刺激付与部とを備えているので、過冷却や大きな熱量を用いずに効率よく除湿することができるという効果を奏する。
本発明に係る吸湿材に含有される高分子ゲルおよびその製造方法の一例を示す図である。 本発明の実施例において、吸湿材の温度変化に伴う相転移挙動を評価した結果を示す図である。 本発明の実施例において、吸湿材の吸湿挙動を評価した結果を示す図である。 本発明の実施例において、吸湿材の脱水挙動を評価した結果を示す図である。 本発明に係る吸湿材の脱水挙動を模式的に示す図である。 本発明に基づく実施の形態1および2に係る除湿機において、外部刺激の付与により吸湿材から滲出した水を、水集積部により集積する様子を模式的に示す図である。 本発明に基づく実施の形態1に係る除湿機に備えられた吸湿ユニットの正面図である。 本発明に基づく実施の形態1に係る除湿機に備えられた吸湿ユニットの縦断面図である。 本発明に基づく実施の形態1に係る除湿機に備えられた吸湿ユニットの横断面図である。 本発明に基づく実施の形態1に係る除湿機の縦断面図である。 本発明に基づく実施の形態1に係る除湿機の横断面図である。 本発明に基づく実施の形態2に係る除湿機に備えられた吸湿ユニットの正面図である。 本発明に基づく実施の形態2に係る除湿機に備えられた吸湿ユニットの縦断面図である。 本発明に基づく実施の形態2に係る除湿機に備えられた吸湿ユニットの横断面図である。 本発明に基づく実施の形態2に係る除湿機の縦断面図である。 本発明に基づく実施の形態2に係る除湿機の横断面図である。 本発明の比較例において合成した共重合ゲルおよびその製造方法を示す図である。 本発明の比較例において、共重合ゲルの温度変化に伴う相転移挙動を評価した結果を示す図である。 本発明の実施例において、吸湿材の吸湿挙動を評価した結果を示す図である。 本発明の実施例において、吸湿材の脱水挙動を評価した結果を示す図である。
以下、本発明について詳細に説明する。なお、本明細書において特記しない限り、数値範囲を表す「A〜B」は、「A以上、B以下」を意味する。また、「アクリル」または「メタアクリル」のいずれをも意味する場合「(メタ)アクリル」と表記する。
(I)吸湿材
本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意検討した結果、刺激応答性高分子と親水性高分子とが、相互浸入高分子網目構造またはセミ相互浸入高分子網目構造を形成している高分子ゲルの乾燥体を吸湿材として用いることにより、従来の吸湿材とは全く異なる機構により、過冷却や大きな熱量を用いずに効率よく除湿することができることを見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明に係る吸湿材は、外部刺激に応答して水との親和性が可逆的に変化する刺激応答性高分子と、親水性高分子とを含む高分子ゲルの乾燥体を含有する吸湿材であって、前記刺激応答性高分子と、前記親水性高分子とが、相互浸入高分子網目構造またはセミ相互浸入高分子網目構造を形成している構成を備えている。
(高分子ゲルの乾燥体)
本発明において高分子ゲルとは、高分子が架橋されて形成された3次元の網目構造が、水、有機溶媒等の溶媒を吸収して膨潤したものをいう。
本発明では、高分子ゲルの乾燥体を吸湿材として用いる。ここで、高分子ゲルの乾燥体とは、高分子ゲルを乾燥することによって溶媒を除去したものをいう。なお、本発明において、高分子ゲルの乾燥体は、高分子ゲルから溶媒が完全に除去されている必要はなく、空気中の水分を吸収することができれば、溶媒又は水を含んでいてもよい。したがって、前記高分子ゲルの乾燥体の含水率は、該乾燥体が空気中の水分を吸収することができれば、特に限定されるものではないが、例えば、40重量%以下であることがより好ましい。なお、ここで含水率とは、高分子ゲルの乾燥重量に対する水分の割合をいう。
前記高分子ゲルは、外部刺激に応答して水との親和性が可逆的に変化する刺激応答性高分子と、親水性高分子とを含んでおり、当該刺激応答性高分子と、親水性高分子とは、相互浸入高分子網目構造またはセミ相互浸入高分子網目構造を形成している。
ここで、相互浸入高分子網目構造とは、異なる種類の高分子が、いずれも架橋高分子であり、それぞれの高分子の架橋網目が化学的に結合することなく独立に存在する状態で相互に絡み合った構造をいう。また、セミ相互浸入高分子網目構造とは、異なる種類の高分子の一方が架橋高分子であり、他方が直鎖状高分子であり、それぞれの高分子が化学的に結合することなく、独立に存在する状態で相互に絡み合った構造をいう。
前者の場合は、前記刺激応答性高分子と親水性高分子とは、いずれも架橋網目を有する架橋高分子であり、前記刺激応答性高分子の架橋網目と、親水性高分子の架橋網目とが、化学的に結合することなく相互に絡み合った構造、すなわち、相互浸入高分子網目構造を形成している。
後者の場合は、前記刺激応答性高分子および前記親水性高分子の何れかが、架橋網目を有する架橋高分子であり、他方は直鎖状高分子であり、前記刺激応答性高分子と、親水性高分子とが、化学的に結合することなく相互に絡み合った構造、すなわち、セミ相互浸入高分子網目構造を形成している。
(外部刺激に応答して水との親和性が可逆的に変化する刺激応答性高分子)
刺激応答性高分子とは、外部刺激に応答して、その性質を可逆的に変化させる高分子をいう。本発明においては、外部刺激に応答して水との親和性が可逆的に変化する刺激応答性高分子を用いる。
前記外部刺激としては、特に限定されるものではないが、例えば、熱、光、電場、pH等を挙げることができる。
また、外部刺激に応答して水との親和性が可逆的に変化するとは、外部刺激に応答して、その外部刺激に晒された高分子が、親水性と疎水性との間で可逆的に変化することをいう。
中でも、熱に応答して水との親和性が可逆的に変化する刺激応答性高分子、すなわち、温度応答性高分子は、簡易な加熱装置を用いて温度を変化させることにより、空気中の水分の吸収と吸収した水分の放出を可逆的に行えることから、除湿機に特に好適に用いることができる。
かかる温度応答性高分子は、下限臨界溶液温度(LCST(Lower Critical Solution Temperature)、以下、本明細書において「LCST」と称することがある。)を持つ高分子であれば特に限定されるものではない。LCSTを持つ高分子は低温では親水性であるが、LCST以上になると疎水性となる。なお、ここで、LCSTとは、高分子を水に溶解したときに、低温では親水性で水に溶解するが、ある温度以上になると疎水性となって不溶化する場合の、その境となる温度をいう。
前記温度応答性高分子としては、より具体的には、例えば、ポリ(N−イソプロピル(メタ)アクリルアミド)、ポリ(N−ノルマルプロピル(メタ)アクリルアミド)、ポリ(N−メチル(メタ)アクリルアミド)、ポリ(N−エチル(メタ)アクリルアミド)、ポリ(N−ノルマルブチル(メタ)アクリルアミド)、ポリ(N−イソブチル(メタ)アクリルアミド)、ポリ(N−t−ブチル(メタ)アクリルアミド)等のポリ(N−アルキル(メタ)アクリルアミド);ポリ(N−ビニルイソプロピルアミド)、ポリ(N−ビニルノルマルプロピルアミド)、ポリ(N−ビニルノルマルブチルアミド)、ポリ(N−ビニルイソブチルアミド)、ポリ(N−ビニル−t−ブチルアミド)等のポリ(N−ビニルアルキルアミド);ポリ(N−ビニルピロリドン);ポリ(2−エチル−2−オキサゾリン)、ポリ(2−イソプロピル−2−オキサゾリン)、ポリ(2−ノルマルプロピル−2−オキサゾリン)等のポリ(2−アルキル−2−オキサゾリン);ポリビニルメチルエーテル、ポリビニルエチルエーテル等のポリビニルアルキルエーテル;ポリエチレンオキサイドとポリプロピレンオキサイドの共重合体;ポリ(オキシエチレンビニルエーテル);メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース等のセルロース誘導体等、および上記のポリマーの共重合体を挙げることができる。セルロース誘導体を前記温度応答性高分子として用いる場合には、重合を行う必要がないため吸湿剤の製造が容易である。また、セルロース誘導体は、安全で且つ生分解性を有するため、環境負荷が小さいという利点がある。セルロース誘導体としてヒドロキシプロピルセルロースを用いる場合には、ヒドロキシプロピルセルロースの好ましい平均分子量は2,000〜2000,000、同様に好ましい置換度は1〜3である。温度応答性高分子は、これらの高分子の架橋体であることがより好ましい。
なお、本発明では、刺激応答性高分子と親水性高分子とは、相互浸入高分子網目構造またはセミ相互浸入高分子網目構造を形成するので、刺激応答性高分子および親水性高分子の少なくとも何れかは架橋体である。
温度応答性高分子が架橋体である場合、かかる架橋体としては、例えば、N−イソプロピル(メタ)アクリルアミド、N−ノルマルプロピル(メタ)アクリルアミド、N−メチル(メタ)アクリルアミド、N−エチル(メタ)アクリルアミド、N−ノルマルブチル(メタ)アクリルアミド、N−イソブチル(メタ)アクリルアミド、N−t−ブチル(メタ)アクリルアミド等のN−アルキル(メタ)アクリルアミド;N−ビニルイソプロピルアミド、N−ビニルノルマルプロピルアミド、N−ビニルノルマルブチルアミド、N−ビニルイソブチルアミド、N−ビニル−t−ブチルアミド等のN−ビニルアルキルアミド;ビニルメチルエーテル、ビニルエチルエーテル等のビニルアルキルエーテル;エチレンオキサイドとプロピレンオキサイド;2−エチル−2−オキサゾリン、2−イソプロピル−2−オキサゾリン、2−ノルマルプロピル−2−オキサゾリン等の2−アルキル−2−オキサゾリン等のモノマーまたはこれらのモノマーの2種類以上を、架橋剤の存在下で重合して得られる高分子を挙げることができる。
上記架橋剤としては、従来公知のものを適宜選択して用いればよいが、例えば、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、プロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、N,N’−メチレンビス(メタ)アクリルアミド、トリレンジイソシアネート、ジビニルベンゼン、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート等の重合性官能基を有する架橋性モノマー;グルタールアルデヒド;多価アルコール;多価アミン;多価カルボン酸;カルシウムイオン、亜鉛イオン等の金属イオン等を好適に用いることができる。これらの架橋剤は単独で用いてもよく、また2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
或いは、温度応答性高分子が架橋体である場合、かかる架橋体は、架橋されていない温度応答性高分子、例えば上記で例示した温度応答性高分子を、前記架橋剤と反応させて網目構造を形成させることによって得られた架橋体であってもよい。
また、光に応答して水との親和性が可逆的に変化する刺激応答性高分子としては、アゾベンゼン誘導体、スピロピラン誘導体等の、光により親水性または極性が変化する光応答性高分子、それらと温度応答性高分子およびpH応答性高分子の少なくともいずれかとの共重合体、前記光応答性高分子の架橋体、または、前記共重合体の架橋体を挙げることができる。
また、電場に応答して水との親和性が可逆的に変化する刺激応答性高分子としては、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、アミノ基等の解離基を有する高分子、カルボキシル基含有高分子とアミノ基含有高分子との複合体のような静電相互作用や水素結合などによって複合体を形成した高分子、または、これらの架橋体を挙げることができる。
また、pHに応答して水との親和性が可逆的に変化する刺激応答性高分子としては、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、アミノ基等の解離基を有する高分子、カルボキシル基含有高分子とアミノ基含有高分子との複合体のような静電相互作用や水素結合などによって複合体を形成した高分子、または、これらの架橋体を挙げることができる。
前記刺激応答性高分子の分子量も特に限定されるものではないが、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により決定された数平均分子量が3000以上であることが好ましい。
(親水性高分子)
本発明に係る吸湿材に用いられる親水性高分子は、当該親水性高分子とともに、相互浸入高分子網目構造またはセミ相互浸入高分子網目構造を形成している刺激応答性高分子以外の親水性の高分子であれば特に限定されるものではない。
かかる親水性高分子としては、例えば、水酸基、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基、アミノ基等の親水性基を側鎖または主鎖に有する高分子を挙げることができる。前記親水性高分子のより具体的な一例としては、例えば、アルギン酸、ヒアルロン酸等の多糖類;キトサン;カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース等のセルロース誘導体;ポリ(メタ)アクリル酸、ポリマレイン酸、ポリビニルスルホン酸、ポリビニルベンゼンスルホン酸、ポリアクリルアミドアルキルスルホン酸、ポリジメチルアミノプロピル(メタ)アクリルアミド、これらと(メタ)アクリルアミド、ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、(メタ)アクリル酸アルキルエステル等との共重合体、ポリジメチルアミノプロピル(メタ)アクリルアミドとポリビニルアルコールとの複合体、ポリビニルアルコールとポリ(メタ)アクリル酸との複合体、ポリ(メタ)アクリロニトリル、ポリアリルアミン、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリ(メタ)アクリルアミド、ポリ−N,N’-ジメチル(メタ)アクリルアミド、ポリ−2−ヒドロキシエチルメタクリレート、ポリ−アルキル(メタ)アクリレート、ポリジメチルアミノプロピル(メタ)アクリルアミド、ポリ(メタ)アクリロニトリルおよび上記ポリマーの共重合体等を挙げることができる。また、親水性高分子は、これらの架橋体であることがより好ましい。
本発明では、刺激応答性高分子と親水性高分子とは、相互浸入高分子網目構造またはセミ相互浸入高分子網目構造を形成するので、刺激応答性高分子および親水性高分子の少なくとも何れかは架橋体である。
親水性高分子が架橋体である場合、かかる架橋体としては、例えば、(メタ)アクリル酸、アリルアミン、酢酸ビニル、(メタ)アクリルアミド、N,N’-ジメチル(メタ)アクリルアミド、2−ヒドロキシエチルメタクリレート、アルキル(メタ)アクリレート、マレイン酸、ビニルスルホン酸、ビニルベンゼンスルホン酸、アクリルアミドアルキルスルホン酸、ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリルアミド、(メタ)アクリロニトリル等のモノマーを、架橋剤の存在下で重合して得られる高分子を挙げることができる。
上記架橋剤としては、従来公知のものを適宜選択して用いればよいが、例えば、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、プロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、N,N’−メチレンビス(メタ)アクリルアミド、トリレンジイソシアネート、ジビニルベンゼン、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート等の重合性官能基を有する架橋性モノマー;グルタールアルデヒド;多価アルコール;多価アミン;多価カルボン酸;カルシウムイオン、亜鉛イオン等の金属イオン等を好適に用いることができる。これらの架橋剤は単独で用いてもよく、また2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
或いは、温度応答性高分子が架橋物である場合、かかる架橋物は、架橋されていない前記親水性高分子、例えば、前記モノマーを重合して得られた高分子、または、アルギン酸、ヒアルロン酸等の多糖類;キトサン;カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース等のセルロース誘導体を、前記架橋剤と反応させて網目構造を形成させることによって得られた架橋体であってもよい。
前記親水性高分子の分子量も特に限定されるものではないが、GPCにより決定された数平均分子量が3000以上であることが好ましい。
(吸湿材)
従来溶媒中で外部刺激に応答して膨潤と収縮を繰り返す刺激応答性ゲルは知られているが、その乾燥体を吸湿材として用いても、空気中の水分を吸収する能力は十分ではない。高い吸湿性を持つ材料としては、水酸化ナトリウム等の塩、吸水性高分子等が知られているが、水酸化ナトリウム等の塩は吸湿とともにゾル化してしまうため、形のくずれない吸湿材が求められる。また、吸水性高分子を用いる場合、吸湿材からの水分の脱離のためには、水分を気化する必要がある。
本発明は、外部刺激に応答して水との親和性が可逆的に変化する刺激応答性高分子と親水性高分子とを含み、前記刺激応答性高分子と前記親水性高分子とが、相互浸入高分子網目構造またはセミ相互浸入高分子網目構造を形成している高分子ゲルの乾燥体が、外部刺激に応答して、水分を吸収する状態と、吸収した水分を放出する状態との間で変化するという刺激応答性高分子の機能を備えるとともに、高い吸湿能力を併せ持つことを見出したことに基づく。
それゆえ、前記高分子ゲルの乾燥体を吸湿材として用いれば、該吸湿材に空気中の水分を吸収させ、外部刺激を加えるだけで、水分を吸収した吸湿材は疎水性となり、吸収した水分を放出する。それゆえ、従来の吸湿材のように、吸収した水分に大きい熱量を加えて蒸発させる必要がなく、直接液体の水として取り出すことができる。例えば、前記刺激応答性高分子として、温度応答性高分子を使用し、そのLCSTが、室温を超える程度の温度、例えば40℃以上の比較的低温の温度応答性高分子を用いることにより、従来の除湿機のように、過冷却や大きな熱量を用いずに、吸湿材がLCST以上となるように加熱するだけで吸収した水分を取り出すことができる。
なお、前記高分子ゲルの乾燥体に、空気中の水分(水蒸気)が吸着され、且つ、吸収されることを、学術的には収着と称する。しかし、本発明においては、該乾燥体の内部に吸収された水分を、外部刺激を与えることにより放出することを主眼としているため、該乾燥体の内部に空気中の水分が吸収される現象を「吸湿」または「水分の吸収」と称し、外部刺激を与えることにより液体の水を水滴として放出する現象を、「水(水分)の放出」または「脱水」と称する。
なお、外部刺激に応答して水との親和性が可逆的に変化する刺激応答性高分子と親水性高分子とを含んでいても、これらを共重合して得られる高分子ゲルでは本発明の効果を得ることができない。後述する比較例に示すように、温度応答性高分子と親水性高分子とを共重合した高分子ゲルでは、ある温度で急激に親水性から疎水性に変化するという、温度応答性ゲルの特質が失われる。それゆえ、刺激応答性高分子と親水性高分子とを共重合して得られる高分子ゲルの乾燥体を用いた吸湿材では、吸収した水分を放出する性能が低下する。また、後述する比較例に示す温度応答性高分子と親水性高分子とを共重合した高分子ゲルでは、親水性高分子を70重量%共重合させると、温度に応答して、親水性から疎水性に変化する性質自体も失われる。
また、本発明に係る吸湿材によれば、外部刺激に応答して水分との親和性が可逆的に変化するため、吸湿材による水分の吸収と、吸収した水分の放出とを繰り返し行うことができる。それゆえ、吸湿材を繰り返し利用することができる。
前記高分子ゲルに含まれる、前記刺激応答性高分子と前記親水性高分子との割合は特に限定されるものではないが、架橋剤の重量を除いた重量の割合で、前記刺激応答性高分子に対して、前記親水性高分子は、より好ましくは5重量%以上含まれ、さらに好ましくは20重量%以上含まれ、また、より好ましくは1000重量%以下含まれ、さらに好ましくは700重量%以下含まれる。
本発明に係る吸湿材の形状は特に限定されるものではなく、板状、シート状、フィルム状でもよいし、粒子状でもよい。粒子状の吸湿材の形状も特に限定されるものではないが、例えば、略球状、板状等の形状であり得る。また、本発明に係る吸湿材の大きさも特に限定されるものではなく、除湿機の構成に応じて適宜選択すればよい。
前記高分子ゲルは、外部刺激に応答して水との親和性が可逆的に変化する刺激応答性高分子と親水性高分子とを含んでいればよいが、本発明の効果に好ましくない影響を与えない範囲において、他の高分子を含んでいてもよい。
(II)吸湿材の製造方法
本発明に係る吸湿材の製造方法は、前記刺激応答性高分子と前記親水性高分子とを含む高分子ゲルであって、前記刺激応答性高分子と前記親水性高分子とが、相互浸入高分子網目構造またはセミ相互浸入高分子網目構造を形成している高分子ゲルを製造する高分子ゲル製造工程と、前記高分子ゲル製造工程で得られた高分子ゲルを乾燥する乾燥工程とを少なくとも含んでいればよい。本発明に係る吸湿材の製造方法は、さらに、前記乾燥工程により得られた高分子乾燥体を粉砕する粉砕工程を含んでいてもよい。
(高分子ゲル製造工程)
高分子ゲル製造工程は、前記高分子ゲルを製造することができる工程であれば特に限定されるものではないが、前記高分子ゲルは、例えば、以下の方法により製造することができる。
〔1〕前記刺激応答性高分子を構成するモノマーを重合および架橋することにより、前記刺激応答性高分子の架橋体の架橋網目(a)を形成する工程(i)と、
架橋網目(a)の存在下で、前記親水性高分子を構成するモノマーを重合および架橋することにより、架橋網目(a)と、前記親水性高分子の架橋体の架橋網目(b)とからなる相互浸入高分子網目構造を形成する工程(ii)とを含む方法。
〔2〕前記刺激応答性高分子を構成するモノマーを重合および架橋することにより、前記刺激応答性高分子の架橋体の架橋網目(a)を形成する工程(i)と、
架橋網目(a)の存在下で、前記親水性高分子を構成するモノマーを重合することにより、架橋網目(a)と、直鎖状の前記親水性高分子とからなるセミ相互浸入高分子網目構造を形成する工程(ii)とを含む方法。
〔3〕前記刺激応答性高分子を構成するモノマーを重合することにより、直鎖状の前記刺激応答性高分子を製造する工程(i)と、
直鎖状の前記刺激応答性高分子の存在下で、前記親水性高分子を構成するモノマーを重合および架橋することにより、直鎖状の前記刺激応答性高分子と、前記親水性高分子の架橋体の架橋網目(b)とからなるセミ相互浸入高分子網目構造を形成する工程(ii)とを含む方法。
前記〔1〕〜〔3〕の方法において、モノマーを重合するための重合方法としては、特に限定されるものではなく、ラジカル重合、イオン重合、重縮合、開環重合等を好適に用いることができる。また、重合に用いられる溶媒としても、モノマーに応じて適宜選択すればよいが、例えば、水、リン酸緩衝液、Tris緩衝液、酢酸緩衝液、メタノール、エタノール等を好適に用いることができる。
重合開始剤としても、特に限定されるものではなく、例えば、過硫酸アンモニウム、過硫酸ナトリウム等の過硫酸塩;過酸化水素;t−ブチルハイドロパーオキシド、クメンハイドロパーオキシド等のパーオキシド類、アゾビスイソブチロニトリル、過酸化ベンゾイル等を好適に使用することができる。これらの重合開始剤の中でも、特に、過硫酸塩やパーオキシド類等のような酸化性を示す開始剤は、例えば、亜硫酸水素ナトリウム、N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン等とのレドックス開始剤としても用いることができる。あるいは、光、放射線等を開始剤として用いてもよい。
また、重合温度は特に限定されるものではないが、通常5℃〜80℃である。また、重合時間も、特に限定されるものではないが、通常4時間〜48時間である。
重合の際の、モノマー、架橋剤等の濃度は、前記刺激応答性高分子、前記親水性高分子またはこれらの架橋体が得られる濃度であれば特に限定されるものではない。また、前記重合開始剤の濃度も特に限定されるものではなく適宜選択すればよい。
前記〔1〕〜〔3〕の方法において、モノマーを重合および架橋することにより、前記刺激応答性高分子または前記親水性高分子の架橋体の架橋網目を形成する方法とは、モノマーを架橋剤の存在下で重合する方法であってもよいし、モノマーを重合して高分子とした後に架橋剤により架橋する方法であってもよい。
前記〔1〕〜〔3〕の工程(ii)では、工程(i)で形成された高分子またはその架橋体との間に、架橋が形成されないような重合条件または架橋条件を適宜選択すればよい。
前記〔1〕〜〔3〕の方法において、前記刺激応答性高分子を構成するモノマー、前記親水性高分子を構成するモノマー、および架橋剤については、上記(I)で説明したとおりである。
また、前記刺激応答性高分子または前記親水性高分子が、最初から、例えばセルロース誘導体、多糖類等の高分子である場合は、前記〔1〕〜〔3〕の方法において、「前記刺激応答性高分子を構成するモノマーを重合および架橋する」は、「前記刺激応答性高分子を架橋する」に、「前記親水性高分子を構成するモノマーを重合および架橋する」は、「前記親水性高分子を架橋する」に、読み替えるものとする。
また、前記〔1〕〜〔3〕の方法においては、前記刺激応答性高分子またはその架橋体を製造した後に、得られた前記刺激応答性高分子またはその架橋体の存在下で、前記親水性高分子またはその架橋体を製造しているが、前記親水性高分子またはその架橋体を製造した後に、得られた前記親水性高分子またはその架橋体の存在下で、前記刺激応答性高分子またはその架橋体を製造してもよい。
また、前記〔1〕〜〔3〕の方法においては、相互浸入高分子網目構造またはセミ相互浸入高分子網目構造は、前記刺激応答性高分子またはその架橋体を製造した後に、得られた前記刺激応答性高分子またはその架橋体の存在下で、前記親水性高分子またはその架橋体を製造する2段階の工程で製造しているが、前記刺激応答性高分子またはその架橋体と、前記親水性高分子またはその架橋体を、前記刺激応答性高分子またはその架橋体と、前記親水性高分子またはその架橋体との間に架橋が形成されないような重合条件または架橋条件を選択すれば、1段階で同時に行うこともできる。例えば、前記親水性高分子またはその架橋体の製造に用いる重合方法と架橋剤と、前記親水性高分子またはその架橋体の製造に用いる重合方法と架橋剤とが、異なるような組合せを用いれば、前記高分子ゲルを1段階の工程により製造することができる。
(乾燥工程)
乾燥工程では、前記高分子ゲル製造工程で得られた高分子ゲルを乾燥して、高分子ゲルの乾燥体を得る。
高分子ゲルを乾燥する方法は特に限定されるものではなく、従来公知の方法を適宜用いることができる。高分子ゲルを乾燥する方法としては、例えば、加熱による乾燥、減圧下での乾燥、凍結乾燥、溶媒置換法等を挙げることができる。
(粉砕工程)
乾燥工程によって得られた、前記高分子ゲルの乾燥体は、必要に応じて、粉砕工程において、粉砕する。
粉砕の方法としても、特に限定されるものではないが、例えば、ローター等の機械式粉砕機、ボールミル、気流式粉砕機等を用いて前記高分子ゲルの乾燥体を粉砕し、必要に応じてさらに分級して粒子状の吸湿材とすることができる。
また、粒子状の吸湿材は、高分子ゲル製造工程において、乳化重合を用いることにより、高分子ゲル微粒子を合成することによっても製造することができる。
(III)除湿機
本発明に係る吸湿材は上述した構成を備えていることにより、該吸湿材を用いた除湿機によれば、過冷却や大きな熱量を用いずに効率よく除湿を行うことができる。それゆえ、本発明の吸湿材を利用した除湿機も本発明に含まれる。以下、本発明に係る除湿機の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
(実施の形態1)
図10は本発明の実施の形態1に係る除湿機101の縦断面図を示し、図11は除湿機101の横断面図を示す。図10に示すように、除湿機101は、吸気口9と、排気口10とを有する除湿機本体8を備え、除湿機本体8の内部には、本発明の吸湿材を担持した複数の吸湿ユニット1と、吸湿ユニット1が空気中の水分を吸収する領域である吸湿エリア16と、空気中の水分を吸収した吸湿ユニット1が吸収した水分を水として放出する領域である脱水エリア17と、放出された水を貯水する排水タンク14と、除湿される空気を吸気口9から取り込み、除湿された空気を排気口10から排出するための送風ファン11とが備えられている。なお、本実施の形態では、吸湿材としては、前記刺激応答性高分子として温度応答性高分子を含む吸湿材を用いている。
吸気口9は、除湿機本体8の1つの側面に設けられており、排気口10は、当該側面に対向する側面に設けられている。これにより、吸気口9から取り込まれた空気は、除湿機本体8内を水平方向に流れるようになっている。また、吸湿エリア16と、脱水エリア17とは、吸気口9から取り込まれた空気が流れる経路の、吸気口9側に配置され、送風ファン11は、吸気口9から取り込まれた空気が流れる経路の、排気口10側に配置される。排水タンク14は、脱水エリア17の下方に備えられている。
前記複数の吸湿ユニット1は、吸気口9が設けられている除湿機本体8の側面、および排気口10が設けられている除湿機本体8の側面と平行な面上に、図11に示すように、ユニット回転軸13を中心とする円の円周上に、間隔をあけて放射状に配置されており、ユニット回転軸13のまわりを回転可能となっている。ユニット回転軸13の回転は、ユニット回転用モーター12によって駆動される。
複数の吸湿ユニット1が、ユニット回転軸13のまわりを回転する領域は、上方に位置する吸湿エリア16と、下方に位置する脱水エリア17とに区分されており、吸湿ユニット1は、回転によって、吸湿エリア16と、脱水エリア17との間を移動可能となっている。吸気口9から取り込まれた空気は、吸湿エリア16を通過し、脱水エリア17には流れないようになっている。脱水エリア17には、吸湿ユニット1の加熱ヒーター5のヒーター電極6と接触して加熱ヒーター5を通電できる位置に、ヒーター用固定電極15が配置されている。
吸湿ユニット1の構造を、図7〜図9に示す。図7は、吸湿ユニット1の正面図を、図8は吸湿ユニット1の縦断面図を、図9は吸湿ユニット1の横断面図を示す。吸湿ユニット1は、板状の基材2上に本発明に係る吸湿材7が積層されてなる積層体の、基材2側に、基材2に接するように板状の加熱ヒーター5が設けられた板状部材である。基材2には、図7および図9に示すように、吸湿材7に接する面に、互いに平行な、直線状に延びる複数の吸水溝3が設けられている。そして、基材2の、吸水溝3が延びる方向の端部の片方の中央部に、吸湿材7から放出された水を吸湿ユニット1の外部に滴下により排出するための滴下口4が設けられている。
次に除湿機101による除湿作用について、図10を参照して説明する。まず、除湿機101が運転されると、吸湿ユニット1は、ユニット回転用モーター12によって、ユニット回転軸13のまわりを回転する。除湿機101内の空気が流れる経路では、送風ファン11が動作されて、吸気口9から除湿される空気(湿り空気)18が除湿機101内に取り込まれる。
除湿機101に吸気された空気(湿り空気)18は、吸湿エリア16を通過するときに、吸湿ユニット1の吸湿材7と接触する。室温において親水性である吸湿材7は、空気(湿り空気)中の水分を吸収し、これによって、吸湿エリア16を通過するときに湿り空気は除湿され、除湿された空気(乾燥空気)19が排気口10から排気される。
空気(湿り空気)中の水分を吸収した吸湿ユニット1は、ユニット回転軸13が回転することにより、ユニット回転軸13のまわりに回転し、吸湿エリア16から脱水エリア17内へと移動する。脱水エリア17内で、吸湿ユニット1の加熱ヒーター5のヒーター電極6がヒーター用固定電極15と接触して通電することにより、脱水エリア17へと移動した吸湿ユニット1は、加熱ヒーター5により加熱される。加熱ヒーター5により、基材2と、基材2を介して吸湿材7とが加熱されることにより、吸湿材7の温度はLCST以上となり、吸湿材7は疎水性となる。その結果、吸湿材7が吸収した水分は、水として吸湿材7から放出される。図6に、加熱により吸湿材7から滲出した水が、基材2の吸水溝3により、毛細管現象により集積される様子を模式的に示す。このように、吸水溝3を備えた基材2は、水集積部としての機能を有する。そして、放出された水は、吸水溝3を通って滴下口4から、排水タンク14に排出される。
ここで、図5は、吸水溝3が形成されていない基材2に吸湿材7を積層し、基材に埋め込まれた加熱ヒーター5によって、基材2および吸湿材7を加熱する場合の、吸湿材7の脱水挙動を模式的に示すものである。図5に示すように、吸湿材7から滲出した微量の水分は吸湿材7上に水滴として付着する。このように、従来、吸湿材7から滲出した微量の水を取り出すことは難しいと考えられていた。これに対して、吸水溝3を備えた基材2を用いれば、微量の水は、熱が伝わりやすい、基材2との接触面側に滲出する。そして、基材2との接触面側に滲出した水は、毛細管現象により基材2の微細な吸水溝3に吸い取られ、効率的に集積される。また、吸水溝3を備えた基材2を用いることにより、基材2および吸湿材7の加熱を容易にするという効果得られる。
本実施の形態では、吸湿ユニット1は、脱水エリア17に移動したときに滴下口4が排水タンク14側に位置するように備えられる。
基材2の材料は、加熱ヒーター5の熱を、当該基材2を介して吸湿材7に伝えることができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、アルミニウム、ステンレス等の金属をより好適に用いることができる。また、基材2の材料は、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリカーボネート(PC)、ポリオレフィン、ポリアクリレート等の樹脂;シリカ、セラミック等であってもよい。基材2の材料として、ポリジメチルシロキサン(PDMS)等を用いる場合は、基材2の表面に、カーボンブラック、酸化鉄粒子等の光熱変換材、または、酸化鉄系セラミック粒子、マグネタイトナノ粒子等の磁気熱変換材を塗布したものであることがより好ましい。これにより、光照射や磁場等の投入によって、基材2を加熱することができ、よって、吸湿材7を加熱することができる。
本発明の吸湿材を用いることにより、吸収された水分を液体状態で直接取り出すことができるため、熱交換機を必要としない。さらに、吸湿材7として、そのLCSTが、室温を超える程度の温度、例えば40℃以上の比較的低温の温度、例えば40℃〜100℃、より好ましくは40℃〜70℃の応答性高分子を用いることにより、従来の除湿機のように、過冷却や大きな熱量を用いずに、吸湿材7がLCST以上となるように加熱するだけで吸収した水分を液体状態で直接取り出すことができる。
本実施の形態では、吸湿材7を含む複数の吸湿ユニット1が放射状に配置されて、回転する仕組みとなっているので、吸湿エリア16内にある複数の吸湿ユニット1を吸湿に用いつつ、脱水エリア17内にある残りの複数の吸湿ユニット1において刺激を与えて水を取り出すことができる。すなわち、吸湿と脱水とを並行して行なうことができる。複数の吸湿ユニット1は、一定速度で連続的に回転させてもよいし、または、断続的にステップ状に回転させてもよい。
また、上述した例では、基材2には、吸湿材7に接する面に、互いに平行な、直線状に延びる複数の吸水溝3が設けられているが、吸水溝3の形状は直線状に限定されるものではなく、曲線状であってもよい。また、吸水溝3は、互いに平行な溝に限定されるものではなく、放出された水が溝の底部を通って滴下口4に流れる構造であれば、どのような形状であってもよい。したがって、吸水溝3は例えば、複数個所で曲線状の溝が交差している不規則な形状であってもよいし、また、規則的な格子状であってもよい。
また、吸水溝3の大きさは、毛細管現象により水を集積することができる大きさであれば特に限定されるものではないが、微細な吸水溝であることが好ましく、例えば、吸水溝3の断面における溝(凹部)の幅は例えば10μm〜10mmであり、吸水溝3の深さは例えば1μm〜10mmである。また、吸水溝3が規則的に互いに平行な、直線状に延びる複数の吸水溝3である場合、または、規則的な格子状である場合は、吸水溝3の断面における溝の中心と隣接する溝の中心との間隔は、例えば10μm〜500μmである。かかる微細な吸水溝は、どのような方法で形成されてもよいが、例えばリソグラフィー、MEMS技術、ナノインプリント等を好適に用いることができる。また、基材2の厚さも、上記吸水溝3を形成することができるものであれば特に限定されないが、例えば、1mm〜10mmである。
また、上述した例では、吸湿材としては、前記刺激応答性高分子として温度応答性高分子を含む吸湿材を用いているが、他の刺激に応答する刺激応答性高分子を含む吸湿材を用いることもできる。かかる場合は、加熱ヒーター5の代わりに、刺激付与部として、赤外線、紫外線、可視光等の光、電場等、対応する刺激を与える装置を用いればよい。
また、上述した例では、吸湿材7に効率的に熱による刺激を付与するために、板状の加熱ヒーター5を用いているが、加熱ヒーター5の形状は板状に限定されるものではなく、吸湿材7に沿って配置することができるものであればよい。また、上述した例では、吸湿材7に熱による刺激を与えるために加熱ヒーター5を用いているが、吸湿材7に熱による刺激を与えることができれば、加熱ヒーター5以外の加熱装置を用いてもよい。かかる加熱装置としては、例えば、ハロゲンランプ、赤外線ランプ、キセノンランプ等を挙げることができる。
また、上述した例では、吸湿材7として、板状または層状の吸湿材を用いているが、吸湿材7の厚さも、特に限定されず、例えば、1mm〜10mmである。また、吸湿材7の形状も、これに限定されるものではなく、例えば粒子状であってもよい。
また、上述した例では、上記吸湿ユニット1の滴下口4は、吸水溝3が延びる方向の端部の片方の中央部に設けられているが、滴下口4は、吸水溝3を通って水が滴下する位置であればどこに設けられていてもよい。
(実施の形態2)
図15は本発明の実施の形態2に係る除湿機102の縦断面図を示し、図16は除湿機102の横断面図を示す。また、除湿機102の吸湿ユニット1の構造を、図12〜図14に示す。
なお、説明の便宜上、前記実施の形態1にて説明した図面と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
図15に示すように、除湿機102は、吸気口9と、排気口10とを有する除湿機本体8を備え、除湿機本体8の内部には、吸湿ユニット1と、吸湿エリア16と、脱水エリア17と、排水タンク14と、送風ファン11とが備えられている。
実施の形態2では、吸気口9は、除湿機本体8の1つの側面の下部に設けられており、排気口10は、除湿機本体8の上面に設けられている。これにより、吸気口9から取り込まれた空気は、除湿機本体8の内部を下から上に向かって流れるようになっている。また、吸湿エリア16と、脱水エリア17とは、吸気口9から取り込まれた空気が流れる経路の、吸気口9側に配置され、送風ファン11は、吸気口9から取り込まれた空気が流れる経路の、排気口10側の領域に配置される。排水タンク14は、脱水エリア17の下方に備えられている。
前記複数の吸湿ユニット1は、除湿機本体8内に鉛直方向に延びるユニット回転軸13を中心軸とする円筒の側面に相当する面上に、図16に示すように、間隔をあけて水平方向に相互に隣り合うように並べて配置され、ユニット回転軸13を回転軸として回転可能となっている。ユニット回転軸13の回転は、ユニット回転用モーター12によって駆動される。
図12は、吸湿ユニット1の正面図を、図13は吸湿ユニット1の縦断面図を、図14は吸湿ユニット1の横断面図を示す。吸湿ユニット1は、基材2上に本発明に係る吸湿材7が積層されてなる積層体の、基材2側に、基材2に接するように加熱ヒーター5が設けられた部材である。実施の形態2では、吸湿ユニット1は、ユニット回転軸13を中心軸とする円筒の側面に相当する面上に、隣接して並べて配置した場合に、全体として、ユニット回転軸13を中心軸とする円筒形を形成するように、横断面が円弧状の形状を有している。すなわち、基材2、吸湿材7および加熱ヒーター5は、横断面が円弧状に曲がった板状の形状を有する。このとき、図16に示すように、吸湿ユニット1は、吸湿材7が円弧の外側に、加熱ヒーター5が円弧の内側に配置されるように構成されている。基材2には、図12および図14に示すように、吸湿材7に接する面に、互いに平行な、直線状に延びる複数の吸水溝3が設けられている。そして、基材2の、吸水溝3が延びる方向の端部の片方の中央部に、吸湿材7から放出された水を吸湿ユニット1の外部に滴下により排出するための滴下口4が設けられている。
本実施の形態では、図16に示すように、前記複数の吸湿ユニット1が形成する円筒形の外側、すなわち吸湿材7と接する領域が、水平方向に、吸湿エリア16と、脱水エリア17とに区分されており、吸湿ユニット1は、回転によって、吸湿エリア16と、脱水エリア17との間を移動可能となっている。図15に示すように、吸気口9から取り込まれた空気は、吸湿エリア16を通過し、脱水エリア17には流れないようになっている。脱水エリア17には、吸湿ユニット1の加熱ヒーター5のヒーター電極6と接触して加熱ヒーター5を通電できる位置に、ヒーター用固定電極15が配置されている。
そして、本実施の形態では、吸気口9から除湿機102に吸気された空気(湿り空気)18は、上記複数の吸湿ユニット1と、除湿機本体8の側面との間の吸湿エリア16を通過するときに、吸湿ユニット1の吸湿材7と接触する。室温において親水性である吸湿材7は、空気(湿り空気)中の水分を吸収し、これによって、吸湿エリア16を通過するときに湿り空気は除湿され、除湿された空気(乾燥空気)19が排気口10から排気される。
空気(湿り空気)中の水分を吸収した吸湿ユニット1は、ユニット回転軸13が回転することにより、ユニット回転軸13のまわりに回転し、脱水エリア17内へと移動する。そして脱水エリア17内で、加熱ヒーター5により加熱され、吸湿材7が吸収した水分は、水として吸湿材7から放出される。放出された水は、基材2の吸水溝3により、毛細管現象により集積され、吸水溝3を通って滴下口4から、排水タンク14に排出される。
なお、吸湿ユニット1は、滴下口4が排水タンク14側に位置するように備えられる。
本実施の形態における、本発明の吸湿材を用いることによる効果、吸湿ユニット1を回転させることによる効果については、実施の形態1と同じである。
また、基材2の材料および厚さ、吸湿ユニット1の回転方法、並びに、吸水溝3の大きさは実施の形態1と同じである。また、吸水溝3の形状、吸湿材7に含まれる刺激応答性高分子、刺激付与部、加熱ヒーター5の形状および種類、滴下口4の位置、並びに吸湿材7の形状については、実施の形態1と同様に変更可能である。
なお、上述した例では、吸湿ユニット1は、吸湿材7が円弧の外側に、加熱ヒーター5が円弧の内側に配置されるように構成されているが、これとは逆に、吸湿ユニット1は、吸湿材7が円弧の内側に、加熱ヒーター5が円弧の外側に配置されるように構成されていてもよい。かかる場合は、ヒーター用固定電極15は、吸湿ユニット1の外側に配置される。
また、上述した例では、前記複数の吸湿ユニット1は、除湿機本体8内に鉛直方向に延びるユニット回転軸13を中心軸とする円筒形の側面上に、備えられているが、前記複数の吸湿ユニット1は、円筒形ではなく、断面が多角形の筒の側面上に備えられてもよい。
また、本発明の吸湿材を、特願2013−252901号を含め、除湿機に関する本願出願人の全ての出願の明細書に記載の除湿機に吸湿材として用いた構成も本発明に含まれる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
〔まとめ〕
本発明の態様1に係る吸湿材は、外部刺激に応答して水との親和性が可逆的に変化する刺激応答性高分子と、親水性高分子とを含む高分子ゲルの乾燥体を含有する吸湿材であって、前記刺激応答性高分子と、前記親水性高分子とが、相互浸入高分子網目構造またはセミ相互浸入高分子網目構造を形成している構成を備えている。
上記の構成によれば、除湿材として用いた場合に過冷却や大きな熱量を用いずに効率よく除湿することができるという効果を奏する。
本発明の態様2に係る吸湿材は、上記態様1において、前記外部刺激が熱、光、電場、またはpHであってもよい。
上記の構成によれば、空気中の水分を吸収した吸湿材を、LCST以上となるように加熱するだけで吸収した水分を、液体状態で直接取り出すことができる。
本発明の態様3に係る吸湿材は、上記態様1または2において、前記刺激応答性高分子が、ポリ(N−アルキル(メタ)アクリルアミド)、ポリ(N−ビニルアルキルアミド)、ポリ(N−ビニルピロリドン)、ポリ(2−アルキル−2−オキサゾリン)、ポリビニルアルキルエーテル、ポリエチレンオキサイドとポリプロピレンオキサイドの共重合体、ポリ(オキシエチレンビニルエーテル)、セルロース誘導体、およびこれらの共重合体からなる群より選択される少なくとも1種類の高分子またはその架橋体であってもよい。
上記の構成によれば、空気中の水分を吸収した吸湿材を、LCST以上となるように加熱するだけで吸収した水分を、液体状態で直接取り出すことができる。
本発明の態様4に係る吸湿材は、上記態様1〜3のいずれかにおいて、前記親水性高分子は、アルギン酸、ヒアルロン酸、キトサン、セルロース誘導体、ポリ(メタ)アクリル酸、ポリエチレングリコール、および、これらの共重合体からなる群より選択される少なくとも1種類の高分子またはその架橋体であってもよい。
上記の構成によれば、除湿材として用いた場合に過冷却や大きな熱量を用いずに効率よく除湿することができるという効果を奏する。
本発明の態様5に係る除湿機は、上記態様1〜4のいずれかの吸湿材と、前記吸湿材に刺激を付与するための刺激付与部(加熱ヒーター5)とを備えている。
上記の構成によれば、過冷却や大きな熱量を用いずに効率よく除湿することができるという効果を奏する。
本発明の態様6に係る除湿機は、上記態様5において、さらに、前記吸湿材に接して配置され、刺激の付与により前記吸湿材から滲出した水を集積する水集積部(基材2)を備えている。
上記の構成によれば、吸湿材が吸収した空気中の水分を、効率的に取り出すことが可能となるという効果を奏する。
本発明の態様7に係る除湿機は、上記態様6において、前記水集積部(基材2)が、その前記吸湿材に接する面に吸水溝を有する構成を備えている。
上記の構成によれば、吸湿材から滲出する微量の水分を、毛細管現象により集積することによって、効率的に取り出すことが可能となるという効果を奏する。また、基材および吸湿材への刺激の付与を容易にするという効果が得られる。
(実施の形態3)
実施の形態3として、以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明は実施例によって限定されるものではない。
〔実施例1〕
<アルギン酸とポリN−イソプロピルアクリルアミドとが相互浸入高分子網目構造を形成する高分子ゲルの合成>
N−イソプロピルアクリルアミド(NIPAMと略称することがある。)700mg、アルギン酸ナトリウム(Algと略称することがある。)700mg、およびメチレンビスアクリルアミド(MBAAと略称することがある。)58mgを純水23mLに溶解した。得られた溶液に、0.8mol/LのN,N,N´,N´−テトラメチルエチレンジアミン(TEMEDと略称することがある。)および0.1mol/Lの過硫酸アンモニウム(APSと略称することがある。)をそれぞれ1mLずつ加え、氷浴下で6時間反応させることにより、ポリN−イソプロピルアクリルアミドがMBAAで架橋されたヒドロゲルを製造した。その後、得られたヒドロゲルを、0.25mol/Lの塩化カルシウム水溶液100mLに浸漬し、2日間静置することにより、カルシウムイオンでAlgを架橋させた。このようにして、ポリN−イソプロピルアクリルアミドとアルギン酸とが相互浸入高分子網目構造を形成する高分子ゲル(Alg/PNIPAM IPNゲルと略称することがある。)を合成した。合成したAlg/PNIPAM IPNゲルおよびその製造方法を図1に示す。
<Alg/PNIPAM IPNゲルの相転移挙動>
得られたAlg/PNIPAM IPNゲルを純水に浸漬し、一定の温度下で24時間静置した後、ゲルの重量を測定した。その後、ゲルを加熱乾燥させて乾燥重量を測定した。24時間静置後のゲルの重量および乾燥重量から、下記式により含水率を算出した。
含水率=(24時間静置後のゲルの重量−乾燥重量)/乾燥重量
ゲルを15℃、25℃、30℃、35℃、40℃、および50℃の一定温度下でそれぞれ24時間静置したときの含水率を算出し、温度変化に伴うAlg/PNIPAM IPNゲルの相転移挙動について検討した。
図2にその結果を示す。図2中、縦軸は含水率(図2中、「Amount of water absorption」と記載。含水率は、言い換えれば、水中で吸収した水分の量である。単位:g/g−乾燥ゲル)を示し、横軸は温度(単位:℃)を示す。図2に示されるように、得られたAlg/PNIPAM IPNゲルは、35℃と40℃の間に含水率が急激に変化する温度、言い換えれば水との親和性が急激に変化する温度が存在することが判る。すなわち、Alg/PNIPAM IPNゲルは、35℃以下では親水性であるが、40℃を超えると疎水性に転換することが判る。
<Alg/PNIPAM IPNゲルの吸湿挙動>
得られたAlg/PNIPAM IPNゲルを−20℃で凍結し、20Paの減圧条件下で24時間乾燥させた。このようにして得られたAlg/PNIPAM IPNゲルの乾燥体を、温度20℃、湿度80%RHの恒温恒湿条件下で静置し、重量変化を経時的に測定することにより、Alg/PNIPAM IPNゲルの乾燥体の吸湿挙動について検討した。
図3にその結果を示す。図3の(a)中、縦軸は含水率(図3中、「Amount of moisture absorption」と記載。含水率は、言い換えれば、気中で吸湿した水分の量である。単位:g/g−乾燥ゲル)を示し、横軸は時間(単位:時間)を示す。図3の(a)に示されるように、乾燥したAlg/PNIPAM IPNゲルは、高い吸湿能力を有する。なお、図3の(b)は、吸湿挙動の検討が、温度21〜22℃、湿度約80%RHの恒温恒湿条件下で行われたことを示すグラフである。
<Alg/PNIPAM IPNゲルの乾燥体の脱水挙動>
Alg/PNIPAM IPNゲルの乾燥体を、温度25.5℃、約80%RHの恒温恒湿条件下で80時間静置して十分に吸湿させた。このようにして吸湿させたAlg/PNIPAM IPNゲルの乾燥体を、ヒーターを用いて60℃で加熱し、ゲル表面の様子を動画撮影して脱水挙動について検討した。
図4にその結果を示す。図4の(a)、(b)および(c)は、それぞれ、60℃で加熱直後、1分後および3分後のAlg/PNIPAM IPNゲルの乾燥体表面の様子を示す。図4に示されるように、60℃の熱を加えることにより、Alg/PNIPAM IPNゲルの乾燥体に吸収されていた水分が、該乾燥体から、液体状態で滲出していることが判る。
〔比較例1〕
<N−イソプロピルアクリルアミドとアクリル酸ナトリウムとの共重合ゲルの合成>
N−イソプロピルアクリルアミド(NIPAM)538.6mg、アクリル酸ナトリウム(AAcNa)191.8mg、メチレンビスアクリルアミド(MBAA)77.8mgを純水3.4mLに溶解した。得られた溶液に、0.8mol/LのN,N,N´,N´−テトラメチルエチレンジアミン(TEMED)および0.4mol/Lの過硫酸アンモニウム(APS)をそれぞれ1mLずつ加え、氷浴下で6時間反応させることにより、AAcNaの含有量(AAc contentと略称する。)が30mol%のN−イソプロピルアクリルアミドとアクリル酸ナトリウムとのランダム共重合体からなるヒドロゲル(以下、PNIPAM/PAAcNa共重合ゲルと略称する。)を合成した。合成した共重合ゲルおよびその製造方法を図17に示す。
N−イソプロピルアクリルアミド(NIPAM)と、アクリル酸ナトリウム(AAcNa)との割合を変更し、同様にして、それぞれ、AAc contentが2.5mol%、5mol%、10mol%、および30mol%のPNIPAM/PAAcNa共重合ゲルを製造した。
<PNIPAM/PAAcNa共重合ゲルの相転移挙動>
測定温度を、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、50℃および60℃とした以外は、実施例1と同様にして、得られたPNIPAM/PAAcNa共重合ゲルを純水に浸漬し、一定温度下でそれぞれ24時間静置したときの含水率を算出し、温度変化に伴うPNIPAM/PAAcNa共重合ゲルの相転移挙動について検討した。
図18にその結果を示す。図18中、縦軸は20℃における含水率を1とするように規格化した含水率(図18中「Normalized water content」と表示)を示し、横軸は温度(単位:℃)を示す。図18に示されるように、PNIPAM/PAAcNa共重合ゲルでは、含水率は連続的に変化しており、含水率が大きく変化する温度は見られなかった。また、PNIPAM/PAAcNa共重合ゲルでは、AAc contentすなわち親水性高分子の割合が増えるほど、温度に応答して、親水性から疎水性に変化する性質自体も失われていくことが判る。
〔実施例2〕
<アルギン酸とヒドロキシプロピルセルロース(以下、HPCと略称することがある。)とがセミ相互浸入高分子網目構造を形成する高分子ゲルの合成>
ヒドロキシプロピルセルロース(和光純薬工業株式会社、ヒドロキシプロピルセルロース150〜400cP)700mg、およびアルギン酸ナトリウム700mgを純水25mLに溶解した。得られた溶液に、0.5mol/Lの塩化カルシウム水溶液100mLを流し込み、2日間静置することにより、ヒドロキシプロピルセルロースとアルギン酸とがセミ相互浸入高分子網目構造を形成する高分子ゲル(HPC/Alg セミIPNゲルと略称することがある。)を調製した。
<HPC/Alg セミIPNゲルの吸湿挙動>
得られたHPC/Alg セミIPNゲルを−30℃で凍結し、20Paの減圧条件下で24時間乾燥させた。このようにして得られたHPC/Alg セミIPNゲルの乾燥体を、温度25℃、湿度80%RHの恒温恒湿条件下で静置し、重量変化を経時的に測定することにより、HPC/Alg セミIPNゲルの乾燥体の吸湿挙動について検討した。
図19にその結果を示す。図19中、縦軸は含水率(図19中、「吸湿量」と記載。含水率は、言い換えれば、吸収した水分の量である。単位:g/g)を示し、横軸は時間(単位:分)を示す。なお、前記含水率は、吸湿により増加した重量(増加重量)を、乾燥体の重量(乾燥重量)で割った値である。図19に示されるように、乾燥したHPC/Alg セミIPNゲルは、高い吸湿能力を有する。
また、図19に、HPC/Alg セミIPNゲルの乾燥体を、温度25℃、湿度80%RHの恒温恒湿条件下で1000分静置した後に、板状のヒーターを用いて60℃で加熱し、滲出した水分を濾紙により除いた後の含水率を併せて示す(図19中、「加熱脱水時」と記載。)
<HPC/Alg セミIPNゲルの乾燥体の脱水挙動>
HPC/Alg セミIPNゲルの乾燥体を、温度25℃、約80%RHの恒温恒湿条件下で24時間静置して十分に吸湿させた。このようにして吸湿させたHPC/Alg セミIPNゲルの乾燥体を、ヒーター温度60℃で加熱し、ゲル表面の様子を動画撮影して脱水挙動について検討した。
図20にその結果を示す。図20の(a)および(b)は、それぞれ、加熱前および加熱30秒後のHPC/Alg セミIPNゲルの吸湿した乾燥体表面の様子を示す。図20に示されるように、60℃の熱を加えることにより、HPC/Alg セミIPNゲルの乾燥体に吸収されていた水分が、該乾燥体から、液体状態で滲出していることが判る。
〔実施例3〕
HPCとして、ヒドロキシプロピルセルロース6.0〜10.0(和光純薬工業株式会社)を用いた以外は実施例2と同様にして、アルギン酸とHPCとがセミ相互浸入高分子網目構造を形成する高分子ゲルの製造及び評価を行った。その乾燥体が、高い吸湿・脱水能力を有することが確認された。
〔実施例4〕
HPCとして、ヒドロキシプロピルセルロース1000〜5000cP(和光純薬工業株式会社)を用いた以外は実施例2と同様にして、アルギン酸とHPCとがセミ相互浸入高分子網目構造を形成する高分子ゲルの製造及び評価を行った。その乾燥体が、高い吸湿・脱水能力を有することが確認された。
本発明に係る吸湿材は、刺激を付与することにより、吸収した水分を、液体状態で直接取り出すことができるので、除湿材として用いた場合に過冷却や大きな熱量を用いずに効率よく除湿することができる。
それゆえ、本発明に係る吸湿材は、除湿材として非常に有用であり、除湿機に好適に用いることができる。
1 吸湿ユニット
2 基材(水集積部)
3 吸水溝
4 滴下口
5 加熱ヒーター(刺激付与部)
6 ヒーター電極
7 吸湿材
8 除湿機本体
9 吸気口
10排気口
11 送風ファン
12 ユニット回転用モーター
13 ユニット回転軸
14 排水タンク
15 ヒーター用固定電極
16 吸湿エリア
17 脱水エリア
18 吸気(湿り空気)
19 排気(乾燥空気)

Claims (7)

  1. 外部刺激に応答して水との親和性が可逆的に変化する刺激応答性高分子と、親水性高分子とを含む高分子ゲルの乾燥体を含有する吸湿材であって、
    前記刺激応答性高分子と、前記親水性高分子とが、相互浸入高分子網目構造またはセミ相互浸入高分子網目構造を形成していることを特徴とする吸湿材。
  2. 前記外部刺激は熱、光、電場、またはpHであることを特徴とする請求項1に記載の吸湿材。
  3. 前記刺激応答性高分子は、ポリ(N−アルキル(メタ)アクリルアミド)、ポリ(N−ビニルアルキルアミド)、ポリ(N−ビニルピロリドン)、ポリ(2−アルキル−2−オキサゾリン)、ポリビニルアルキルエーテル、ポリエチレンオキサイドとポリプロピレンオキサイドの共重合体、ポリ(オキシエチレンビニルエーテル)、セルロース誘導体、およびこれらの共重合体からなる群より選択される少なくとも1種類の高分子またはその架橋体であることを特徴とする請求項1または2に記載の吸湿材。
  4. 前記親水性高分子は、アルギン酸、ヒアルロン酸、キトサン、セルロース誘導体、ポリ(メタ)アクリル酸、ポリエチレングリコール、およびこれらの共重合体からなる群より選択される少なくとも1種類の高分子またはその架橋体であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の吸湿材。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の吸湿材と、
    前記吸湿材に外部刺激を付与するための刺激付与部と、
    を備えていることを特徴とする除湿機。
  6. さらに、前記吸湿材に接して配置され、刺激の付与により前記吸湿材から滲出した水を集積する水集積部を備えていることを特徴とする請求項5に記載の除湿機。
  7. 前記水集積部は、前記吸湿材に接する面に吸水溝を有することを特徴とする請求項6に記載の除湿機。
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