JP6528243B2 - 不織布、空気清浄機、および不織布の製造方法 - Google Patents
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Description
前記ナノファイバは、第1誘電体を含み、前記帯電粒子は、第2誘電体を含み、
前記ナノファイバの平均繊維径D f は、100nm以上1000nm未満であり、
前記帯電粒子の平均粒子径D p は、50〜200nmであり、
前記第2誘電体の量は、前記第1誘電体100質量部に対して、10〜30質量部である、不織布に関する。
前記ナノファイバは、第1誘電体を含み、
前記帯電粒子は、第2誘電体を含み、
前記第1誘電体またはその前駆体と平均粒子径D p が50〜200nmの前記帯電粒子とを含む分散液Aを調製する工程と、
ナノファイバ形成空間において、前記分散液Aから静電気力により平均繊維径D f が100nm以上1000nm未満の前記ナノファイバを生成させることにより、生成した前記ナノファイバを堆積させて、前記第2誘電体の量が、前記第1誘電体100質量部に対して、10〜30質量部である不織布を形成する工程と、を含む、不織布の製造方法に関する。
前記ナノファイバは、第1誘電体を含み、
前記帯電粒子は、第2誘電体を含み、
前記第1誘電体またはその前駆体と平均粒子径D p が50〜200nmの前記帯電粒子の前駆体粉末とを含む分散液Bを調製する工程と、
ナノファイバ形成空間において、前記分散液Bから静電気力により平均繊維径D f が100nm以上1000nm未満の前記ナノファイバを生成させ、生成した前記ナノファイバを堆積させて、前記第2誘電体の量が、前記第1誘電体100質量部に対して、10〜30質量部である不織布を形成する工程と、
前記不織布に電圧を印加して、前記前駆体粉末を帯電させて、前記帯電粒子に変換する工程と、を含む、不織布の製造方法に関する。
本発明の一実施形態に係る不織布は、ナノファイバと帯電粒子とを含む不織布であって、ナノファイバは、第1誘電体を含み、帯電粒子は第2誘電体を含む。帯電粒子は、第1誘電体の内部もしくは表層に分散していてもよく、第1誘電体の表面に付着していてもよい。
帯電粒子の平均粒子径Dpは、不織布の作製に使用される帯電粒子(または後述する帯電粒子の前駆体粉末)について求められる、体積基準の粒度分布におけるメディアン径(D50)である。
DfおよびDpや比率Df/Dpが、上記のような範囲である場合、帯電粒子の第1誘電体からの露出度を調節し易くなる。また、高い集塵性能を確保し易くなる。
(第1誘電体)
第1誘電体は、ナノファイバのマトリックスを構成する。第1誘電体としては、ナノファイバを形成可能なポリマーが挙げられる。第1誘電体は、電界紡糸可能であることが望ましい。第1誘電体は、第2誘電体より誘電率が高い傾向がある。なお、ポリマーの帯電性は誘電率(比誘電率ε)で表すことができる。
なお、本明細書中、誘電体の重量平均分子量および数平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフにより測定される分子量分布から求められる値である。
不織布は、第2誘電体として帯電粒子を含む。不織布において、帯電粒子は、第1誘電体中に分散しているか、および/または第1誘電体の表面に付着している。
帯電粒子が第1誘電体中に分散している場合とは、各帯電粒子の少なくとも一部が、第1誘電体で構成されたナノファイバのマトリックス中に埋め込まれている場合を言う。この場合、帯電粒子は、第1粒子、第2粒子および/または第3粒子を含む。
第1誘電体の誘電率と第2誘電体の誘電率との差は、例えば、0.5以上であり、好ましくは0.7以上、さらに好ましくは0.9以上であってもよい。
第2誘電体の重量平均分子量Mwは、ポリマーの種類にもよるが、例えば、30000〜150000であり、40000〜120000であってもよい。
上記の不織布は、例えば、第1誘電体(またはその前駆体)と、帯電粒子(またはその前駆体粉末)とを含む分散液を用いる電界紡糸法により得ることができる(第1製法)。帯電粒子の前駆体粉末を用いる場合には、前駆体粉末をエレクトレット処理して帯電粒子に変換することで、帯電粒子を含む不織布を得ることができる。このような製造方法では、第1誘電体中に帯電粒子が分散したナノファイバを含む不織布を得ることができる。
第1製法は、
第1誘電体またはその前駆体と帯電粒子(またはその前駆体粉末)とを含む分散液を調製する工程(第1工程)、
ナノファイバ形成空間において、静電気力により分散液からナノファイバを生成させ、生成したナノファイバを堆積させて不織布を形成する工程(第2工程)、および
必要に応じて、不織布に電圧を印加して、前駆体粉末を帯電させて、帯電粒子に変換する工程(第3工程)、を有する。
第1工程において、分散液(第1分散液)の調製方法は特に制限されず、例えば、第1誘電体(またはその前駆体)が溶媒に溶解したポリマー溶液に、帯電粒子またはその前駆体粉末を分散させることにより調製してもよい。帯電粒子またはその前駆体粉末は粉末の形態で使用してもよいが、分散液(第2分散液)の形態で使用することもできる。例えば、帯電粒子またはその前駆体粉末を、第1誘電体(またはその前駆体)を溶解する溶媒に分散させた第2分散液に、第1誘電体を添加して溶媒に溶解させることで、第1分散液を調製してもよい。また、ポリマー溶液と帯電粒子またはその前駆体粉末を含む第2分散液とを混合して、第1誘電体と帯電粒子またはその前駆体粉末とを含む第1分散液を調製すると、粒子の分散性を高め易い。なお、第1分散液のうち、第1誘電体またはその前駆体と、帯電粒子とを含むものを分散液A、第1誘電体またはその前駆体と、帯電粒子の前駆体粉末とを含むものを分散液Bと呼ぶ場合がある。
第1分散液は、必要に応じて、電界紡糸で使用される公知の添加剤を含んでもよい。
第2工程では、第1工程で得られた第1分散液(分散液Aまたは分散液B)を電界紡糸により繊維化し、不織布を形成する。
電界紡糸法では、静電延伸現象によりナノファイバを生成させる。より具体的には、第1分散液を電界紡糸の原料液として用いると、帯電された空間中に流出された原料液からは、空間を飛行中に徐々に溶媒が蒸発していく。これにより、飛行中の原料液の体積は徐々に減少していくが、原料液に付与された電荷は、原料液に留まる。その結果、空間を飛行中の原料液の電荷密度は、徐々に上昇することとなる。そして、原料液の電荷密度が高まり、原料液の中に発生する反発方向のクーロン力が原料液の表面張力よりも勝った時点で、原料液が爆発的に線状に延伸される現象が生じる。この現象が静電延伸現象である。静電延伸現象によれば、ナノファイバを効率よく製造することができる。
不織布形成装置40は、電界紡糸機構を具備する。より具体的には、電界紡糸機構は、装置内の上方に設置された原料液を放出するためのノズル(放出体)を含む放出部42Aと、放出された原料液(第1分散液)を帯電させる帯電手段と、放出部42Aと対向するように不織布Eを上流側から下流側に搬送する搬送コンベア41と、を備えている。搬送コンベア41は、基材Eとともに繊維を収集するコレクタ部として機能し、基材Eの表面(主面)には、放出部42Aから放出されたナノファイバが堆積される。
なお、上記の不織布の製造システムは、不織布を製造するために用いることができる製造システムの一例に過ぎない。不織布の製造方法は、上述のような工程を有する限り、特に限定されない。
第1工程で、帯電粒子の前駆体粉末を用いた場合には、前駆体粉末を第3工程でエレクトレット処理することにより帯電粒子に変換する。具体的には、第3工程では、不織布に電圧を印加することにより、前駆体粉末を帯電させる。
第2製法は、
第1誘電体またはその前駆体を含むポリマー溶液(溶液C)を調製する工程(第4工程)、
ナノファイバ形成空間において、溶液Cから静電気力により第1誘電体を含むナノファイバを生成させ、生成したナノファイバを堆積させて不織布(前駆体不織布)を形成する工程(第5工程)、
不織布(前駆体不織布)に、帯電粒子を含む分散液D1または帯電粒子の前駆体粉末を含む分散液D2を含浸させて、第1誘電体の表面に帯電粒子または前駆体粉末を付着させる工程(第6工程)、および
必要に応じて、不織布(前駆体不織布)に電圧を印加して、前駆体粉末を帯電させて、帯電粒子に変換する工程(第7工程)を有する。
第4工程において、溶液Cの調製方法は特に制限されず、第1誘電体またはその前駆体を、溶媒に溶解することにより調製することができる。溶媒としては、第1誘電体またはその前駆体の種類に応じて、第1工程について例示したものから適宜選択できる。なお、第1誘電体がポリイミドなどの場合には、ポリイミド前駆体(ポリアミド酸など)を含む溶液Cを用い、不織布の製造過程で適宜加熱することなどにより、ポリイミド前駆体からポリイミド(第1誘電体)を生成させてもよい。溶液C中の第1誘電体の濃度は、第1分散液中の濃度として記載した範囲から適宜選択できる。溶液Cは、必要に応じて、公知の添加剤を含んでもよい。
第5工程では、溶液Cから電解紡糸法により繊維化し、帯電粒子やその前駆体粉末を付着させる前の前駆体不織布を形成する。電解紡糸法の詳細については、第2工程を参照できる。
第6工程では、分散液D1または分散液D2を前駆体不織布に含浸させる。分散液D1は、帯電粒子を分散媒に分散させることにより調製される。分散液D2は、帯電粒子の前駆体粉末を分散媒に分散させることにより調製される。分散媒としては、揮発性で、第1誘電体を溶解しないものが好ましく、例えば、水、有機溶媒、またはこれらの混合物などが挙げられる。有機溶媒としては、例えば、エタノールなどのアルコール、アセトンなどのケトン、アセトニトリルなどのニトリルなどが挙げられる。
第6工程で、帯電粒子の前駆体粉末を用いた場合には、第7工程で不織布(前駆体不織布)に電圧を印加することにより前駆体粉末を帯電粒子に変換する。第7工程は、第3工程に準じて行うことができる。
本発明の一実施形態に係る空気清浄機は、濾材としての上記の不織布を備えていればよく、これ以外の構成要素は公知のもので構成できる。空気清浄機は、例えば、気体(具体的には、空気)の吸い込み部と、気体の吐き出し部と、これらの間に配置された上記の不織布とを備えていてもよい。濾材は、1枚の不織布で構成してもよく、2枚以上の不織布を積層した積層体で構成してもよい。
空気清浄機100は、不織布10と、気体の吸い込み部60と、気体の吐き出し部61とを備える。不織布10は、主面2Aが吸い込み部60に対向するように、吸い込み部60と吐き出し部61との間に配置される。不織布10は、蛇腹状にプリーツ加工されて配置されても良い。
(1)分散液Aの調製
PANをDMAcに溶解させてポリマー溶液(濃度10質量%)を調製した。
ポリマー溶液と、PP粉末(平均粒子径Dp:20nm)を含むスラリー(PP粉末の濃度15質量%)とを、PANとPP粉末との質量比が1:0.1となるように混合することにより、PAN溶液中にPP粉末が分散した分散液(分散液A)を調製した。
図3に示すような製造システムにより、上記(1)で得られた分散液Aを原料液として用いて、下記の条件で、電界紡糸することにより基材の主面にナノファイバを堆積させ、不織布(前駆体不織布)を作製した。
電界紡糸条件:
印加電圧:60kV
溶液吐出圧:25kPa
温度:26℃
湿度:37%RH
上記(2)で得られた前駆体不織布に、120℃の環境温度にて80kVの電圧を所定時間印加した。これにより、PP粉末は帯電して、帯電粒子に変換された。なお、PP粉末が帯電したことは、帯電計により確認することができる。
このようにして得られた不織布のTEM写真およびSEM写真に基づいて、既述の方法により、第1粒子、第2粒子および第3粒子の平均的個数を求めたところ、N1>N2+N3であった。
不織布を用いて、下記の手順で集塵効率および圧力損失を評価した。
(a)集塵効率(計数法)
不織布を縦12cm×横12cmのサイズに裁断し、サンプルとした。このサンプルに、大気粉塵を、面風速5.3cm/secで吸引させた。サンプルの上流側の粉塵濃度(個数濃度)をC0、下流側の粉塵濃度(個数濃度)をC1として、集塵効率(=1−C1/C0)×100(%)を算出した。個数濃度は、光散乱式自動粒子計数器を用いて求めた。
上記(a)と同様に集塵試験を行い、サンプルの上流側の空気圧P0と下流側の空気圧P1とを測定し、圧力損失(=P0−P1)を算出した。空気圧の測定には、JIS B 9908形式1(計数法)の規格に準拠して、マノメータを使用した。
比較例1では帯電処理を行わなかった。つまり、実施例1の(2)で得られた不織布を用いて実施例1と同様の評価を行った。
比較例2では、PP粉末を用いなかった。つまり、実施例1の(1)で得られたポリマー溶液を分散液Aの代わりに用いて、電界紡糸により不織布を作製し、(3)と同様の条件で不織布に電圧を印加した。電圧を印加したあとの不織布を用いて、実施例1と同様の評価を行った。
実施例1の(1)で得られたポリマー溶液を分散液Aの代わりに用いて、電界紡糸により不織布(前駆体不織布)を作製した。得られた前駆体不織布を、PP粉末(平均粒子径Dp:20nm)を含む水分散液(PP粉末の濃度15質量%)に浸漬し、取り出して、乾燥させた。乾燥物に、実施例1の(3)と同様の条件で電圧を印加して、PP粉末を帯電させることにより帯電粒子を含む不織布を得た。得られた不織布を用いて、実施例1と同様の評価を行った。
実施例、参考例および比較例の結果を表1に示す。実施例1および参考例1は、A1およびA2であり、比較例1および2は、B1およびB2である。
Claims (11)
- ナノファイバと帯電粒子とを含む不織布であって、
前記ナノファイバは、第1誘電体を含み、
前記帯電粒子は、第2誘電体を含み、
前記ナノファイバの平均繊維径D f は、100nm以上1000nm未満であり、
前記帯電粒子の平均粒子径D p は、50〜200nmであり、
前記第2誘電体の量は、前記第1誘電体100質量部に対して、10〜30質量部である、不織布。 - 前記第2誘電体の誘電率は、前記第1誘電体の誘電率よりも低い、請求項1に記載の不織布。
- 前記帯電粒子は、前記第1誘電体中に完全に埋め込まれた第1粒子を含み、
前記帯電粒子に占める前記第1粒子の比率が50個数%以上である、請求項1または2に記載の不織布。 - 前記帯電粒子は、前記第1誘電体の表面から一部が露出した第2粒子および/または第3粒子を含み、
前記第2粒子は、前記第1誘電体の表面から露出した部分の体積V2oと、前記第1誘電体に埋め込まれた部分の体積V2iとが、V2o<V2iを充足し、
前記第3粒子は、前記第1誘電体の表面から露出した部分の体積V3oと、前記第1誘電体に埋め込まれた部分の体積V3iとが、V3o≧V3iを充足する、請求項3に記載の不織布。 - 前記ナノファイバの単位長さ当たりの前記第1粒子の平均的個数N1、前記第2粒子の平均的個数N2、および前記第3粒子の平均的個数N3は、N1>N2+N3を充足する、請求項4に記載の不織布。
- 前記帯電粒子は、前記第1誘電体の表面に付着した第4粒子を含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の不織布。
- 前記平均繊維径Dfの前記帯電粒子の平均粒子径Dpに対する比率Df/Dpは、2〜10である、請求項6に記載の不織布。
- 前記第1誘電体は、ポリエーテルスルホン、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキサイド、およびフッ素樹脂からなる群より選択される少なくとも一種であり、
前記第2誘電体は、ポリオレフィン、芳香族ビニル樹脂、およびアクリル樹脂からなる群より選択される少なくとも一種である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の不織布。 - 気体の吸い込み部と、
気体の吐き出し部と、
前記吸い込み部と前記吐き出し部との間に配置された請求項1〜8のいずれか1項に記載の不織布と、を備えた空気清浄機。 - ナノファイバと帯電粒子とを含む不織布を製造する方法であって、
前記ナノファイバは、第1誘電体を含み、
前記帯電粒子は、第2誘電体を含み、
前記第1誘電体またはその前駆体と平均粒子径D p が50〜200nmの前記帯電粒子とを含む分散液Aを調製する工程と、
ナノファイバ形成空間において、前記分散液Aから静電気力により平均繊維径D f が100nm以上1000nm未満の前記ナノファイバを生成させることにより、生成した前記ナノファイバを堆積させて、前記第2誘電体の量が、前記第1誘電体100質量部に対して、10〜30質量部である不織布を形成する工程と、を含む、不織布の製造方法。 - ナノファイバと帯電粒子とを含む不織布を製造する方法であって、
前記ナノファイバは、第1誘電体を含み、
前記帯電粒子は、第2誘電体を含み、
前記第1誘電体またはその前駆体と平均粒子径D p が50〜200nmの前記帯電粒子の前駆体粉末とを含む分散液Bを調製する工程と、
ナノファイバ形成空間において、前記分散液Bから静電気力により平均繊維径D f が100nm以上1000nm未満の前記ナノファイバを生成させることにより、生成した前記ナノファイバを堆積させて、前記第2誘電体の量が、前記第1誘電体100質量部に対して、10〜30質量部である不織布を形成する工程と、
前記不織布に電圧を印加して、前記前駆体粉末を帯電させて、前記帯電粒子に変換する工程と、を含む、不織布の製造方法。
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