JP6751146B2 - 触媒フィルタ材料 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は２０１５年１２月１７日に出願された米国仮特許出願第６２／２６８，８３２号、発明の名称「触媒フィルタ材料」の優先権を主張し、その開示内容全体を参照により本明細書に取り込む。

分野
本開示は流体流から望ましくない種を除去することができる改良された触媒ろ過材料に関する。

背景
触媒フィルタは様々な流体ろ過用途に使用されている。典型的には、これらのフィルタはマトリックス内で触媒材料（例えば、ＴｉＯ_２、Ｖ_２Ｏ_５、ＷＯ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_２、ゼオライト及び／又は遷移金属化合物及びそれらの酸化物）を組み合わせる。流体がマトリックス上を又はそれを通して通過するときに、流体中の標的種は触媒粒子と反応して、標的種をより望ましい副生成物又は最終生成物に転化させ、したがって流体流から標的種を除去する。このような触媒の例としては、

触媒フィルタデバイスを製造するための従来の試みの例としてはＰｉｒｓｈの米国特許第４，２２０，６３３号明細書及び米国特許第４，３０９，３８６号明細書に記載されているものが挙げられ、ここで、フィルタバッグはＮＯｘの接触還元法を促進するのに適した触媒によりコーティングされている。Ｔｏｍｉｓａｗａらの米国特許第５，０５１，３９１号明細書において、直径が０．０１〜１μｍである金属酸化物から作られた触媒粒子がフィルタ及び／又は触媒繊維によって担持されていることを特徴とする触媒フィルタは開示されている。Ｋａｌｉｎｏｗｓｋｉらの米国特許第４，７３２，８７９号明細書において、多孔性の、好ましくは触媒活性な金属酸化物コーティングが繊維形態の比較的に無多孔性の基材に適用される方法は記載されている。Ｒａｎｌｙの特許ＤＥ３，６３３，２１４Ａ１明細書において、触媒をフィルタ材料の層に挿入することにより、触媒粉末を多層フィルタバッグに取り込む。触媒フィルタデバイスを製造するためのさらなる例としては、Ｆｕｊｉｔａらの特開平８−１９６８３０号公報に示されたものが挙げられ、ここで、フィルタ層内部に吸着剤、反応体などの微粉末を担持させている。Ｓａｓａｋｉらの特開平９−１５５１２３号公報において、フィルタ布上に脱窒層が形成されている。Ｋａｉｈａｒａらの特開平９−２２０４６６号公報において、ガラス繊維の布に酸化チタンゾルを含浸させ、次いで、熱処理し、さらにメタバナジン酸アンモニウムを含浸させることにより触媒フィルタを作製している。Ｓａｋａｎａｙａらの特開平４−２１９１２４号公報において、触媒分離を防止するために、コンパクトで、厚く、通気性の高いフィルタ布にバッグフィルタ材料用触媒を充填している。Ｐｌｉｎｋｅらの米国特許第５，６２０，６６９号明細書において、フィルタはノード及びフィブリル構造を有する延伸ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）の複合材繊維を含み、ここで、触媒粒子は構造内に繋がれている。Ｗａｔｅｒｓらの米国特許第６，３３１，３５１号明細書はポリマー接着剤により多孔性基材に付着された化学活性粒子を教示している。多孔質基材の少なくとも１つの面に、又は、多孔性基材の内部に微孔性層は付着されている。得られたフィルタ材料は、ダストが活性触媒部位を閉塞させうる前にフィルタストリームからダストなどの汚染物質を除去し、また、触媒作用又は反応により望ましくない種を除去する。

フィルタ操作の間に、従来の構造では２つの主な問題、すなわち化学的劣化及び機械的劣化が典型的に起こる可能性がある。化学的劣化によって、フィルタの化学的機能は、事実上すべての従来の活性フィルタデバイス、特に触媒フィルタデバイスにとって重大な問題である汚染により有用でなくなる可能性がある。定義によると、触媒は触媒反応の間に消費されないが、触媒フィルタは流体流（すなわち、微細なダスト粒子、金属、シリカ、塩、金属酸化物、炭化水素、水、酸性ガス、リン、アルカリ金属、ヒ素、アルカリ酸化物など）からの粒子、液体及び気体汚染物により、限定的な操作寿命を有することがある。フィルタ内の活性粒子上の活性部位が物理的にマスクされ又は化学的に変化されることが原因で脱活性化は起こる。これらの汚染物質がフィルタから流出されない限り、フィルタは交換されなければならなくなるまで効率が急速に低下する。さらに、幾つかの場合には、製造に使用される加工助剤は触媒の劣化を引き起こすことがある。フィルタ（例えば、シェーカーフィルタバッグ、バックパルスフィルタバッグ及びカートリッジ、リバースエアフィルタバッグなど）からダストを除去するための様々な洗浄装置が存在するが、これらのデバイスはフィルタ材料の内部に埋め込まれたダストを除去するのに特に有効ではない。

化学的劣化の別の形態は、操作中の挿入触媒の損失によるものである。多くの場合に、触媒粒子は正常操作の厳しさに耐えるためにホスト繊維に十分に強く付着されていない。結果として、触媒粒子がフィルタから落ち、フィルタの有効性が低下するだけでなく、清浄な流体流を汚染する。

機械的劣化に関して、フィルタの機械的機能は操作中のフィルタ繊維の磨耗によって、又は、フィルタ内のダスト汚染物の浸透及び収集によって悪化する可能性がある。別の機械的故障はダスト粒子のブレークスルーによるものである。さらに、典型的なろ過システム及びバッグハウス内の高温（例えば、少なくとも１６０℃）操作及び反応性化学種は、数年又は場合によっては数ヶ月にわたってろ過媒体を劣化させることがある。

ＡＢＢ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．に譲渡された特願平１０−２３０１１９号明細書は、フィルタ布を形成しようとする繊維を液体触媒中に浸漬し、触媒を乾燥し、繊維をフィルタ布に成形し、そして前記フィルタ布にエチレンテトラフルオリド樹脂連続多孔性薄膜を適用することにより形成されるフィルタ材料に関する。先に記載した米国特許第５，６２０，６６９号明細書は、微孔性膜による触媒粒子保護の概念と、強い接着及び低い圧力低下のためにノード及びフィブリルに直接付着した触媒粒子の取り込みとを組み合わせている。先に記載した米国特許第６，３３１，３５１号明細書は、記載の化学的及び機械的課題の多くに取り組んでいる。しかしながら、性能の改善はなおも必要とされている。

要旨
１つの実施形態は、（１）第一の多孔性基材、（２）第二の多孔性基材及び（３）前記第一及び第二の基材の間に配置され、それらに付着されたスクリムを含む物品であって、前記第一及び第二の基材は湿潤性高温ステープル繊維を含み、前記第一及び第二の多孔性基材の少なくとも一方は、ポリマー接着剤によって前記基材の表面に触媒粒子が付着されている。触媒粒子はポリマーのストリングによる接着剤によって繋がれている。少なくとも１つの実施形態において、第一及び第二の基材はスクリムと交絡されている繊維バットである。スクリムは織物又は不織布材料であってよい。第一の基材の上流側に保護微孔性層を付着させてもよい。

第二の実施形態は高温フルオロポリマースクリム上にフェルト化された水湿潤性高温ステープル繊維を含む多孔性基材を含む物品に関する。多孔性基材はその表面にポリマー接着剤によって触媒粒子が付着している。例示的な実施形態において、粒子はポリマー接着性ストリングによって基材に繋がれている。基材の上流側に保護微孔性層を付着させてもよい。

第三の実施形態は、高温フルオロポリマースクリム上にフェルト化された水湿潤性高温ステープル繊維の少なくとも１つの多孔性層を含む少なくとも１つの多孔性基材を含む流体流に使用するためのフィルタに関する。基材はその表面にポリマー接着剤によって触媒粒子が付着されている。例示的な実施形態において、触媒粒子はポリマー接着性ストリングによって基材に繋がれている。

第四の実施形態は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）スクリム上にニードル加工された不織布ポリイミド繊維の少なくとも１つの多孔性層を含む少なくとも１つの多孔性基材を含む、流体流に使用するためのフィルタに関する。フィルタは、ポリマー接着剤によって多孔性層に付着したアナターゼ型二酸化チタン粒子の上にＶ_２Ｏ_５を有する。

図面の簡単な説明
添付の図面は、本開示のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書中に組み込まれ、それらの一部を構成し、実施形態を例示し、記載と共に、本開示の原理を説明する役割を果たす。

図１は１つの実施形態による織布スクリム支持体に付着された多孔性基材を含むフィルタ材料の概略図である。

図２は、少なくとも１つの実施形態による、活性触媒粒子を基材に繋いで接着するポリマー接着剤の概略図である。

図３は、１つの実施形態による３５倍倍率で撮った水湿潤性高温繊維を含む多孔性基材の断面の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。

図４は、少なくとも１つの実施形態による、付着した触媒粒子を示す２５０倍倍率で撮った多孔性基材の表面の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。

図５は、１つ以上の実施形態による、１０００倍倍率で撮った触媒粒子が付着した三葉形の水湿潤性高温繊維を示す多孔性基材の断面の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。

図６は、別の実施形態による、触媒粒子が付着した三葉形の水湿潤性高温繊維を示す多孔性基材の長手方向図の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。

図７は、少なくとも１つの例示的な実施形態による、第一の多孔性基材の上流側に微孔性層が設けられているフィルタ材料の断面図の概略図である。

図８は、なおも別の実施形態による、１５００倍倍率で撮ったＰＴＦＥ多孔性基材においてポリマー接着剤によってポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）繊維に付着した活性触媒粒子の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。

図９は、実施例に記載のコーティングされた基材に対する固形分吸収量のグラフである。

図１０は、実施例に記載のサンプルによる、コーティングされた基材の固形分吸収量の最大値に対する百分率としてのグラフである。

詳細な説明
当業者は、本開示の様々な態様は目的の機能を発揮するように構成された任意の数の方法及び装置によって実現されうることを容易に理解するであろう。本明細書で参照される添付図面は、必ずしも縮尺通りに描かれているわけではなく、本開示の様々な態様を例示するために誇張されていてよく、その点で図面は限定的なものと解釈されるべきではない。

本明細書で使用されるときに、用語「水湿潤性」は、付着した水滴が９０°未満の接触角を形成する表面を指すことが意図され、表面の湿潤性が良好であることを示し、流体は表面の広い領域に広がるであろう。一方、９０°より大きい接触角は、一般に、表面の湿潤性が好ましくないことを意味し、それにより、流体が表面との接触を最小限にし、コンパクトな液滴を形成する。本明細書で使用されるときに、用語「フィルタ」は、デバイスを通過する粒子又は分子をブロック、トラップ及び／又は変更する任意のデバイスを包含することが意図されていることも理解されたい。本出願における用語「流体」の使用は、液体及び気体を含む、任意の形態の易流動性材料を包含することが意図される。用語「触媒」は、フィルタが、触媒作用により流体流の１つ以上の成分又は「標的種」に作用して、変性された種を形成させることができることを意味することが意図される。本明細書で使用されるときに、用語「高温繊維」は、有意な熱分解なしに少なくとも１６０℃の温度への連続的暴露に耐えることができる任意の繊維を包含することが意図される。

本開示は、流体流中に見出される標的種を除去するのに使用するための改良された触媒フィルタ材料に関する。フィルタ材料は高温フルオロポリマースクリムに付着した多孔性基材の形態の水湿潤性高温ステープル繊維を含む。例示的な実施形態において、スクリムは織布スクリムである。他の実施形態において、スクリムは不織布スクリムである。多孔性基材はその表面に触媒粒子がポリマー接着剤によって付着されている（例えば、繋がれている）。場合により、少なくとも１つの微孔性層はフィルタ材料に隣接して又はフィルタ材料内に配置されている。このフィルタ材料で、汚染物質ガス成分又は「標的種」、例えば、ダイオキシン、フラン、ＮＯｘ、ＣＯなどは流体流から効果的に除去されうる（すなわち、触媒されうる）。

図１を参照すると、例示的なフィルタ材料５が示されている。フィルタ材料５は第一の多孔質基材１０及び第二の多孔性基材２０に付着されたスクリム１２（例えば、織布スクリム）を含む。少なくとも１つの実施形態において、多孔性基材１０，２０は水湿潤性高温繊維バットであり、それはスクリム１２内に交絡している。水湿潤性繊維、高温繊維は、例えば、限定するわけではないが、ポリイミド、ポリアミド、ポリアラミド、ポリフェニレンスルフィド、ガラス繊維、又は、三葉形（ｔｒｉ−ｌｏｂａｌ）ポリイミドステープル繊維で作られたステープル繊維は、多孔性基材１０，２０を形成するのに使用されうる。さらに、フルオロポリマーステープル繊維（例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）又は延伸ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ））を、水湿潤性高温耐性ステープル繊維とブレンドして、スクリム１２に付着される高温繊維基材１０，２０の機械的耐久性を改善することができる。幾つかの実施形態において、スクリム１２は、織布又は不織布ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）布帛を含むことができる。

触媒粒子１４はポリマー接着剤によって第一及び第二の基材１０，２０に付着される。少なくとも１つの実施形態において、触媒粒子１４は第一の多孔性基材１０（例えば、上流側基材）に付着されているが、第二の多孔性基材２０（例えば、下流側基材）に付着されていない。本明細書で使用されるときに、用語「ポリマー接着剤」は、ポリマーストリングを形成することができる液体中に懸濁した固体粒子の形態の少なくとも１種の熱可塑性エラストマー又はフッ素化ポリマーと、活性粒子を基材に繋いでいる分散一次粒子、ならびに、ポリマー接着剤の得られる固定形態を含むことが意図される。適切なポリマー接着剤としては、限定するわけではないが、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、高分子量ポリエチレン（ＨＭＷＰＥ）、高分子量ポリプロピレン（ＨＭＷＰＰ）、ペルフルオロアルコキシポリマー樹脂（ＰＦＡ）、ポリ二フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン及びフッ化ビニリデン（ＴＨＶ）及びクロロフルオロエチレン（ＣＦＥ）のポリマーが挙げられる。ポリマー接着剤及び多孔性基材の組成は同じであっても又は異なっていてもよい。

ポリマー接着剤は、第一及び／又は第二の基材１０，２０中に浸透させる前に触媒粒子とともにスラリー化させることができ、又は、触媒粒子を添加する前又は後に接着剤を所望の基材に添加することができる。次いで、ポリマー接着剤を固定（ｆｉｘ）して粒子を多孔性基材に付着させる。本明細書中で使用されるときに、用語「固定された（ｆｉｘｅｄ）」又は「固定する（ｆｉｘｉｎｇ）」は、揮発性物質を除去するための乾燥、加熱、硬化又は溶融流動を指すことが意図される。最終フィルタ材料複合材中のポリマー接着剤固形分の含有量は１〜９０質量％、好ましくは５〜１０質量％であることができる。

同じ層又は隣接層のいずれかに、複数種の活性粒子が存在してもよい。これらの隣接層は同一の又は異なる基材材料のいずれかを有することができる。所与のシステムの所望の機能及び空間の考慮に応じて、２つ以上のタイプの活性粒子を同一の基材に又は同一の組成又は異なる組成の隣接基材層に添加することができる。例えば、触媒粒子及び反応性粒子は、２つの異なる機能を発揮するために同一の基材に取り込まれることができる。別の例では、活性粒子は異なる層に存在することができる。これらの例は、フィルタの所望の性能（温度、活性など）に応じて選択することができる異なるポリマー接着剤を使用することによってさらに変更可能である。

図２は、ポリマー接着剤が活性触媒粒子１４を第一の基材１０にどのように保持し得るかを示すフィルタ材料２００の概略図である。図示されるように、触媒粒子１４は、小さなポリマー接着剤ストリング１６ｂによって基材１０に付着されうる。 「ストリング」は、小さなポリマーストランド（例えば、数ミクロン以下の直径）を規定することが意図される。触媒粒子は、基材１０，２０の厚さ全体にわたって実質的に均一に分布している。「実質的に均一に分布している」とは、触媒粒子が基材１０，２０の厚さ全体にわたって均一又はほぼ均一に分布していることを表すことが意図される。

本発明の活性フィルタ材料５の重要な特徴は、ポリマー接着剤を介してフィルタ材料への活性粒子の緊密な接着と組み合わせて高い強度を提供することである。これらの特性により、フィルタ材料はシェーカーバッグ、リバースエア又はパルスジェットフィルタクリーニングアセンブリなどの厳しい環境での使用に理想的となる。多孔性基材が織布又は不織布延伸ＰＴＦＥ繊維を含む実施形態において、延伸ＰＴＦＥ繊維材料は非常に強く、耐摩耗性であるので、フィルタクリーニングシステムの屈曲及び激しい取り扱いに容易に耐えることができる。

さらに、フィルタ材料は、流体中の標的種との優れた反応性を有する。フィルタを通過する流体の経路は曲がりくねっている。なぜなら、基材に真っ直ぐな孔がほとんど又は全く存在しないからであり、このようにして、流体がフィルタ材料を通過するときに流体が活性部位と良好に接触することができる。

少なくとも１つの例示的な実施形態において、少なくとも１つの微孔性保護層を多孔性基材上又は多孔性基材内に取り付けることができる。例示的な実施形態において、微孔性層は活性フィルタの少なくとも上流側（すなわち、ろ過された流体流がフィルタを出るフィルタの下流側とは対照的に、ろ過されるべき流体流に接触するフィルタの側）に配置される。本明細書で使用されるときに、用語「微孔性層」は、少なくとも１マイクロメートルの厚さを有し、横断方向に０．０５〜１０マイクロメートル程度のミクロ細孔を有する層を指すことが意図される。例示的な実施形態において、微孔性層２２は、延伸微孔性ＰＴＦＥ膜を含む。

図７は、保護微孔性層２２を含む層状アセンブリ５を含むフィルタ材料２００の断面透視図を示す。微孔性層２２は、第二の多孔性基材２０に隣接する第一の多孔性基材１０の上流側に設けられている。これらの活性層は、異なる基材、ポリマー接着剤及び活性粒子から構成することができ、その組み合わせは特定の用途に適している。スクリム層１２は、第一の多孔性基材１０と第二の多孔性基材２０との間に配置されている。ろ過されるべき要素（例えば、ダスト粒子及び汚染物質）を含む流体流（流れの方向は矢印１５によって表される）は、最初に微孔性膜２２に接触する。図示の構成において、第一の基材１０内の活性粒子を汚染物（例えば、ダスト又は活性部位をブロックする他の材料）から保護するために、微孔性層２２は、触媒粒子が含浸された第一の基材１０にラミネート化される。ダスト粒子及びこれらのダスト粒子上に存在しうる吸着された汚染物質は、微孔性層によってブロックされ、それによって、多孔性基材に付着した活性粒子との接触を防止する。保護層２２は、微孔性層を有しないフィルタと比較して、活性フィルタ材料の保護が有意に改善され、有効寿命がより長くなる。

驚くべきことに、微孔性層２２は、活性粒子の活性に影響を与えることなく、第一の多孔性基材１０及び／又は第二の多孔性基材２０にラミネート化されるか、又は、別の方法で付着されうることが見出された。基材、ポリマー接着剤、粒子及び微孔性層の適切な選択及び組み合わせは機能性を維持するために不可欠である。適切な微孔性層の例としては、限定するわけではないが、微孔性ｅＰＴＦＥ膜、他のポリマー（有機又は無機）膜、多層膜、非対称膜及び他の不織又は織物材料が挙げられる。

様々な微孔性層を使用することができるが、Ｇｏｒｅの米国特許第３，９５３，５６６号明細書、Ｂａｃｉｎｏの米国特許第５，４７６，５８９号明細書及び米国特許第５，８１４，４０５号明細書に記載されているような延伸ＰＴＦＥ膜を使用することが特に好ましく、これらの特許の主題を、その例外的なろ過特性のために、本明細書中に参照により特に取り込む。膜の形態の延伸ＰＴＦＥ（ｅＰＴＦＥ）は、特に望ましいろ過材料とする多くの望ましい特性を有する。例えば、ｅＰＴＦＥは、流体分子を通過させるが、微細ダストなどの微粒子の通過を制限する、横断方向で０．０５〜１０μｍ程度などの多くの微小孔又は「微細孔」を有する。さらに、延伸ＰＴＦＥ膜の表面は、蓄積した汚染物質を容易に洗浄することができ、フィルタの動作寿命を大幅に改善する。

幾つかの用途では、追加のろ過レベルを提供するために、充填材又は他の材料を含んで又は含まないで、２つ以上の微孔性層又はさらなる多孔性基材フィルタ層を含むことも有用であることができる。そのような実施形態において、全体的な活性フィルタ材料構成におけるより多くの設計パラメータを得ることができる。層の数、層の位置（例えば、多孔性基材の上流、内部又は下流）及び層の組成を変えることにより、活性フィルタ材料の所望の用途の要件に応じて、様々な特性を有するフィルタ材料を作製することができる。

本開示の例示的な材料は以下のように作製される。

活性粒子及びポリマー接着剤の多孔性構造への含浸を可能にするのに適した孔サイズを有する多孔性基材を提供する。「粒子」とは任意のアスペクト比を有する材料を意味し、したがって、フレーク、繊維ならびに球状及び非球状粉末を含む。活性粒子及びポリマー接着剤のスラリーは機械手段の援助なしに又は援助を得て基材の細孔中に流れ込む。ポリマー接着剤の量は粒子を基材に保持するのに十分な接着剤が存在するが、最少限の接着剤のみが活性触媒粒子の表面を覆い、それによって活性粒子の反応性を最大化するように選択される。あるいは、活性粒子及びポリマー接着剤は多孔性基材構造の形成中に基材に取り込むことができ、例えば、基材成分、活性粒子及びポリマー接着剤を混合して、合着した多孔性構造を形成することなどによる。さらなる別形態として、ポリマー接着剤が多孔性基材内に取り込まれる前又は後に活性粒子を基材に添加することができる。

そこで、含浸された基材は、多孔性基材内、基材の下流側又は最も好ましくは上流側に、少なくとも１つの微孔性層、例えば、微孔性膜が設けられる。この保護層は、ラミネーション、溶接、縫製、タック留め、クランプ締め又は他の適切な取り付け手段などによって、連続的に又は不連続的に付着されうる。保護微孔性層は、場合により、フィルタの残りの部分を乱すことなく、必要に応じて、取り外し及び交換することができるように構成することができる。

適切な粒子は、流体流からの標的種を触媒するか、又は、さもなければ標的種と反応するものである。適切な触媒粒子としては、貴金属、非貴金属、金属酸化物（遷移金属及び遷移金属化合物を含む）、ならびに、アルカリ及びアルカリ土類、それらの酸化物及び炭酸塩を挙げることができる。好ましい触媒粒子は、貴金属（例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ及びＲｈであり、それらの化合物を含む）、バナジア、遷移金属（例えば、Ｆｅ、Ｃｕ及びＡｌであり、それらの化合物を含む）から選択される活性表面を、上に有するチタニア、アルミナ、シリカ及びゼオライトなどの粒子を挙げることができる。特に好ましい触媒は、アナターゼ型二酸化チタン上にＶ_２Ｏ_５を含む。別の方法で反応する粒子の例としては、限定するわけではないが、炭酸ナトリウム、ヨウ化カリウムなどの塩で処理された活性炭及び水酸化ナトリウムを挙げることができる。上記の記載は網羅的であることが意図されない。むしろ、他の好適な触媒及び反応性粒子も同様に使用することができる。さらに、所与のタイプの反応性粒子が異なる環境で異なる作用をすることがあり、すなわち、時に触媒として作用することがあり、そして別のときには反応性材料として作用することがあることを理解することが重要である。活性粒子に加えて、所望の結果に応じて、本開示のデバイスに吸着剤などの他の任意要素である粒子を含めることが望ましい場合がある。

活性粒子は、最終複合材材料との関係において、基材中で７０質量％以下又はそれ以上、又は、１０質量％〜３０質量％などの広い範囲の量を提供する量でフィルタに含まれる。

本開示に適した触媒粒子は、小さく、すなわち、通常４０ミクロン未満のサイズである傾向がある。好ましいサイズは使用される基材の細孔サイズ及び使用される活性粒子のサイズに対する活性の関係に依存する。

本開示に従って作製されうる多数のフィルタ材料の置換が存在することを理解されたい。本開示によって考えられる材料の組み合わせには、（１）１つ以上のｅＰＴＦＥ膜の層などの少なくとも１つの微孔性層を上流側に、内部に又は下流側に設けること、（２）所与の多孔性基材内に異なる組成の活性粒子を提供すること、（３）同一の組成又は異なる組成（すなわち、多孔性層組成物、活性粒子組成物、ポリマー接着剤組成物）の多孔性基材の複数の層を含むフィルタを作ることなどが存在する。

本開示の１つの特に好ましい実施形態において、汚染物質ガス、他の標的種、及び、流体流からの微粒子を処理する際の使用に特に適したフィルタを提供することができる。例えば、ＴｉＯ_２、Ｖ_２Ｏ_３及びＷＯ_３の触媒を用いることにより、ＮＯ、ＮＯ_２及びＮＨ_３の汚染物質は酸素の存在下でＨ_２Ｏ及びＮ_２に容易に改質される。また、以下に説明する図３〜６は多孔性基材の様々な実施形態の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）を示す。

図３は１つの実施形態による３５倍倍率で撮った水湿潤性高温繊維を含む多孔性基材３００の断面の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。多孔性基材３００は、図１に示すフィルタ材料５と同様に、スクリム３１２に交絡した第一の多孔性基材３１０及び第二の多孔性基材３２０を含む。図４は、少なくとも１つの実施形態による、水湿潤性高温繊維４０２に付着した触媒粒子４０４を示す２５０倍倍率で撮った多孔性基材４００の表面の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。

図５は、１つ以上の実施形態による１０００倍倍率で撮った触媒粒子４０４が付着した三葉形水湿潤性高温繊維４０２を示す、多孔性基材５００の断面の走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。図６は、別の実施形態による、触媒粒子６０４が付着した三葉形水湿潤性高温繊維６０２を示す、多孔性基材６００の長手方向で見た走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。

図８は、１５００倍倍率で撮ったｅＰＴＦＥフェルト基材のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）繊維の繊維１４にポリマー接着剤１６によって活性触媒粒子１４が付着した多孔性基材８００を示す走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。

このフィルタ材料は、独自の製造プロセスと同様に、活性粒子装填、フィルタ厚さ、フィルタ透過性、活性粒子周囲での流動場（すなわち、フィルタ内の、ろ過すべきガスが流れる体積）などの広い範囲のフィルタパラメータを可能にし、それにより、優れたガス／触媒接触性、フィルタ強度、活性粒子保護、フィルタ孔サイズ分布及び近接性、活性粒子サイズ、活性粒子形状及び活性粒子表面積を得る。

別の実施形態は、水湿潤性高温ステープル繊維を含む少なくとも１つのニードルフェルト化基材を含むフィルタ材料に関する。このような構造により、高い空気透過性を維持しながら、触媒粒子の高い質量装填（例えば、少なくとも２５０ｇ／ｍ^２の触媒粒子の質量装填）をフェルトに適用することが可能になる。触媒粒子の高装填は厳しい環境規制を満たすための触媒材料の高いＮＯｘ除去効率を可能にする。高い空気透過率値は許容可能な操作流量及び低い圧力低下を有するフィルタバッグで触媒フィルタ材料を使用可能にするために重要である。

例
例１
４１．５質量％の触媒、８．５質量％のＰＴＦＥ及び５０質量％のＰ８４基材を含むフィルタ材料を、以下に記載のように製造した。

４．５インチ×４．５インチ、厚さ０．１０５インチであり、質量６．４グラムであるＰ８４スクリムを有するニードルドポリイミド繊維Ｐ８４のフェルト基材を得た（Ｓｏｕｔｈｅｒｎ Ｆｅｌｔ Ｃｏ．， Ｎｏｒｔｈ Ａｕｇｕｓｔａ， ＳＣ）。６０質量％ポリマー接着剤溶液（ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）水性分散液）１．９ｇ、脱イオン水２７．５ｇ及び触媒５．９ｇ（ＴｉＯ_２上の３％Ｖ_２Ｏ_５、平均直径１ミクロン、Ｓ０９６として押出物形態として販売、ＣＲＩ， Ｈｏｕｓｔｏｎ Ｔｅｘ．）を含むスラリーを調製し、次いで、１分間振盪して成分を混合した。

得られたスラリーを、フェルト基材の表面上に注ぎ、フェルト全体に分散させて、円形のガラスペトリ皿を用いてスラリーをフェルト中に押し込んだ。フェルト基材を反転させ、ペトリ皿で再びプレスして、基材中のスラリーの均一性を向上させた。次いで、含浸したフェルト基材をワイヤフレーム上に置き、２４５℃のオーブン内で１時間加熱した。コーティング後のサンプルの最終質量は１２．８ｇであり、その結果、全固形分吸収量は６．４ｇであった。含浸されたフェルトは、スラリー溶液からの固形分の９８％を保持し、全基材の質量で４１．５％の触媒を含有していた。

例２
４．５インチ×４．５インチ、厚さ０．０９インチであり、質量６．０５ｇであるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）スクリムを有するニードルドポリイミド繊維Ｐ８４のフェルト基材を得た（Ｓｏｕｔｈｅｒｎ Ｆｅｌｔ Ｃｏ．， Ｎｏｒｔｈ Ａｕｇｕｓｔａ， ＳＣ）。この材料を、例１に記載したのと同じ手順及びコーティングスラリーを用いてコーティングした。コーティング後のサンプルの最終質量は１２．１ｇであり、その結果、総固形分吸収量は６．０５ｇであった。含浸されたフェルト基材は、スラリー溶液からの固形分の９３％を保持し、全基材の質量で４１．５％の触媒を含有していた。

比較例
４．５インチ×４．５インチ、厚さ０．０４インチであり、質量９．８ｇであるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）スクリムを有するニードルド延伸ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）スクリムのフェルト基材を得た（ＷＬ Ｇｏｒｅ＆Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ， Ｉｎｃ．， Ｅｌｋｔｏｎ Ｍｄ．）。この材料を、例１に記載したのと同じ手順及びコーティングスラリーを用いてコーティングした。コーティング後のサンプルの最終質量は１１．５ｇであり、その結果、総固形分吸収量は１．７ｇであった。含浸されたフェルトは、スラリー溶液からの固形分の２６％を保持し、全基材の質量の１２．５％の触媒を含有していた。

図９は、Ｐ８４フェルト、９０２、ＰＴＦＥフェルト、９０４、及び、ＰＴＦＥスクリムを有するＰ８４フェルト、９０６を含む、上記例に記載のコーティングされた基材の固形分吸収量を示すグラフ表示、９００である。

図１０は、Ｐ８４スクリムを有するＰ８４、１００２、ＰＴＦＥフェルトのみ、１００４（比較例として）、及び、ＰＴＦＥスクリムを有するＰ８４、１００６を含む、上記例に記載のサンプルによる最大値のパーセントとしての、コーティングされた基材の固形分吸収量を示すグラフ表示、１０００である。

本出願の発明は、一般的に、そして特定の実施形態に関して上述してきた。当業者には、本開示の範囲から逸脱することなく、実施形態に様々な変更及び変形を加えることができることが明らかであろう。したがって、実施形態は、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等の範囲内に入るならば、本発明の変更及び変形を網羅することが意図される。
（態様）
（態様１）
高温フルオロポリマースクリム上にフェルト化された水湿潤性高温ステープル繊維を含む多孔性基材を含む物品であって、前記多孔性基材は前記基材の表面にポリマー接着剤によって触媒粒子が付着されており、前記粒子はポリマーの接着性ストリングにより前記基材に繋げられている、物品。
（態様２）
前記触媒粒子は１種より多くの組成の粒子を含む、態様１記載の物品。
（態様３）
前記触媒粒子は酸化チタン上に酸化バナジウムを含む、先行の態様のいずれか１項記載の物品。
（態様４）
前記ポリマー接着剤はＦＥＰ、ＰＴＦＥ、ＨＭＷＰＥ及びＨＭＷＰＰ、ＰＦＡ、ＰＶＤＦ、ＴＨＶ及びＣＦＥからなる群より選ばれる少なくとも１つの材料を含む、先行の態様のいずれか１項記載の物品。
（態様５）
前記ステープル繊維は曲がりくねった表面形状をさらに含む、先行の態様のいずれか１項記載の物品。
（態様６）
前記表面形状は三葉形である、態様５記載の物品。
（態様７）
前記物品内の触媒粒子の質量装填量は少なくとも２５０ｇ／ｍ ^２ である、先行の態様のいずれか１項記載の物品。
（態様８）
前記物品内の触媒粒子の質量装填量は少なくとも４００ｇ／ｍ ^２ である、態様７記載の物品。
（態様９）
前記水湿潤性高温ステープル繊維はポリイミド、ポリアミド、ポリアラミド、ポリフェニレンスルフィド又はガラス繊維を含む、先行の態様のいずれか１項記載の物品。
（態様１０）
前記高温フルオロポリマースクリムはＰＴＦＥを含む、先行の態様のいずれか１項記載の物品。
（態様１１）
少なくとも１つの微孔性層をさらに含む、先行の態様のいずれか１項記載の物品。
（態様１２）
前記少なくとも１つの微孔性層は前記多孔性基材の少なくとも一部に付着されている、態様１１記載の物品。
（態様１３）
前記微孔性層は前記多孔性基材にラミネート化されている、態様１１記載の物品。
（態様１４）
前記微孔性層は、縫製、タック留め及びクランプ締めのうちの少なくとも１つによって前記多孔性基材の少なくとも一部に付着されている、態様１１記載の物品。
（態様１５）
前記少なくとも１つの微孔性層は延伸ＰＴＦＥ膜を含む、態様１１〜１４のいずれか１項記載の物品。
（態様１６）
前記少なくとも１つの微孔性層の少なくとも１つは前記多孔性基材の上流側にある、態様１１〜１５のいずれか１項記載の物品。
（態様１７）
少なくとも１つの微孔性層の少なくとも１つは多孔性基材内にある、態様１１〜１５のいずれか１項記載の物品。
（態様１８）
前記多孔性基材の下流側に少なくとも１つの微孔性層をさらに含む、態様１７記載の物品。
（態様１９）
少なくとも１つの微孔性層の少なくとも１つは多孔性基材の下流側にある、態様１１〜１５のいずれか１項記載の物品。
（態様２０）
前記多孔性基材及び少なくとも１つの微孔性層はフィルタバッグの形態で構成されている、先行の態様のいずれか１項記載の物品。
（態様２１）
前記フィルタバッグは２バッグシステムにおいて内側フィルタバッグであり、前記内側フィルタバッグの周りに配置された外側フィルタバッグをさらに含む、態様２０記載の物品。
（態様２２）
高温フルオロポリマースクリム上にフェルト化された水湿潤性高温ステープル繊維の少なくとも１つの多孔性層を含む少なくとも１つの多孔性基材を含み、前記基材はポリマー接着剤によってその表面に複数の触媒粒子が付着しており、前記触媒粒子はポリマー接着性ストリングによって前記基材に繋がれている、流体流に使用するためのフィルタ。
（態様２３）
前記触媒粒子は、酸化チタン、酸化アルミニウム、シリカ及びゼオライトからなる群より選ばれる粒子上のＰｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｌ及びそれらの化合物及びそれらの組み合わせ、ならびに酸化バナジウムからなる群より選ばれる、態様２２記載のフィルタ。
（態様２４）
前記触媒粒子は、金属酸化物粒子上の酸化バナジウム及び金属酸化物粒子上の白金からなる群より選ばれる少なくとも１つの組成物を含み、さらに、ラミネーション、溶接、縫製、タック留め及びクランプ締めのうちの少なくとも１つによって少なくとも１つの多孔性基材の少なくとも一部に付着された微孔性層を含む、先行の態様のいずれか１項記載のフィルタ。
（態様２５）
ＰＴＦＥスクリム上でニードリングされた不織布ポリイミド繊維の少なくとも１つの多孔性層を含む少なくとも１つの多孔性基材を含む、流体流に使用するためのフィルタであって、前記フィルタはアナターゼ形態の二酸化チタン粒子上にＶ _２ Ｏ _５ を有し、前記粒子は前記少なくとも１つの多孔性層に、ポリマーのストリングを含むポリマー接着剤によって付着されており、前記粒子はポリマーのストリングによって繋がれている、フィルタ。
（態様２６）
第一の多孔性基材、
第二の多孔性基材、及び、
前記第一の多孔性基材と前記第二の多孔性基材との間に配置され、それらに付着された織布スクリム、
を含む、物品であって、
前記第一及び第二の基材は湿潤性高温ステープル繊維を含み、
前記第一の多孔性基材及び前記第二の多孔性基材の少なくとも一方はその表面にポリマー接着剤によって触媒粒子が付着しており、
前記触媒粒子はポリマーストリングによって前記ポリマー接着剤に繋がれている、物品。
（態様２７）
前記第一及び第二の基材は繊維バットであり、前記バットが前記スクリムと交絡している、態様２６記載の物品。
（態様２８）
前記織布スクリムとは反対側の前記第一の基材の側に付着された微孔性層をさらに含む、先行の態様のいずれか１項記載の物品。
（態様２９）
高温フルオロポリマースクリム上にフェルト化された水湿潤性高温ステープル繊維を含む多孔性基材を含む物品であって、前記多孔性基材は触媒粒子が前記基材の表面にポリマー接着剤によって接着されており、前記粒子は（ａ）ポリマーのストリング及び（ｂ）分散体一次ポリマー粒子を含む接着剤により繋げられている、物品。

Claims (18)

1. 高温フルオロポリマースクリムに取り付けられた水湿潤性ステープルポリイミド繊維から本質的になる多孔性フェルト基材を含む物品であって、前記多孔性フェルト基材は前記多孔性フェルト基材の表面にポリマー接着剤によって触媒粒子が付着されており、前記触媒粒子はポリマーの接着性ストリングにより前記多孔性フェルト基材に繋げられており、
   前記物品内の触媒粒子の質量装填量は少なくとも２５０ｇ／ｍ^２である、物品。
2. 前記触媒粒子は酸化チタン上に酸化バナジウムを含む、請求項１記載の物品。
3. 前記ポリマー接着剤はＦＥＰ、ＰＴＦＥ、ＨＭＷＰＥ及びＨＭＷＰＰ、ＰＦＡ、ＰＶＤＦ、ＴＨＶまたはＣＦＥの少なくとも１つを含む、請求項１記載の物品。
4. 前記水湿潤性ステープルポリイミド繊維は曲がりくねった表面形状または三葉形の表面形状をさらに含む、請求項１記載の物品。
5. 前記高温フルオロポリマースクリムはＰＴＦＥを含む、請求項１記載の物品。
6. 前記多孔性フェルト基材の少なくとも一部に付着されている少なくとも１つの微孔性層をさらに含む、請求項１記載の物品。
7. 前記微孔性層は延伸ＰＴＦＥ膜を含む、請求項６記載の物品。
8. 前記微孔性層は前記多孔性フェルト基材の上流側にあるか、多孔性フェルト基材内にあるか、前記多孔性フェルト基材の下流側にある、請求項６記載の物品。
9. 前記微孔性層は第一の微孔性層であり、そして前記第一の微孔性層の反対側の前記多孔性フェルト基材の上流側または下流側の１つの上に第二の微孔性層をさらに含む、請求項８記載の物品。
10. 前記多孔性フェルト基材及び少なくとも１つの微孔性層はフィルタバッグの形態で構成されており、前記フィルタバッグは２バッグシステムにおいて内側フィルタバッグおよび前記内側フィルタバッグの周りに配置された外側フィルタバッグを含む、請求項６記載の物品。
11. 高温フルオロポリマースクリムに取り付けられた水湿潤性ステープルポリイミド繊維から本質的になる少なくとも１つの多孔性フェルト基材を含み、前記多孔性フェルト基材はポリマー接着剤によってその表面に複数の触媒粒子が付着しており、前記触媒粒子はポリマー接着性ストリングによって前記多孔性フェルト基材に繋がれており、
    フィルタ内の触媒粒子の質量装填量は少なくとも２５０ｇ／ｍ^２である、フィルタ。
12. 前記触媒粒子は、酸化チタン、酸化アルミニウム、シリカ、ゼオライト、またはそれらの組み合わせの少なくとも１つから選ばれる粒子上のＰｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｌ、それらの化合物またはそれらの組み合わせの少なくとも１つ、ならびに酸化バナジウムから選ばれる、請求項１１記載のフィルタ。
13. 前記触媒粒子は、金属酸化物粒子上の酸化バナジウム、金属酸化物粒子上の白金またはそれらの組み合わせの少なくとも１つから選ばれる少なくとも１つの組成物を含み、さらに少なくとも１つの多孔性フェルト基材の少なくとも一部に付着された微孔性層を含む、請求項１１記載のフィルタ。
14. 前記触媒粒子はアナターゼ形態の二酸化チタン粒子上にＶ_２Ｏ_５を含む、請求項１１記載のフィルタ。
15. 第一の多孔性フェルト基材、
    第二の多孔性フェルト基材、及び、
    前記第一の多孔性フェルト基材と前記第二の多孔性フェルト基材との間に配置され、それらに付着された織布スクリム、
    を含む、物品であって、
    前記第一及び第二の多孔性フェルト基材の少なくとも１つは水湿潤性ステープルポリイミド繊維から本質的になり、
    前記第一の多孔性フェルト基材または前記第二の多孔性フェルト基材の少なくとも一方はその表面にポリマー接着剤によって触媒粒子が付着しており、
    前記触媒粒子はポリマーストリングによって前記ポリマー接着剤に繋がれており、
    前記物品内の触媒粒子の質量装填量は少なくとも２５０ｇ／ｍ^２である、物品。
16. 前記第一及び第二の多孔性フェルト基材は繊維バットであり、前記繊維バットが前記織布スクリムと交絡している、請求項１５記載の物品。
17. 前記織布スクリムとは反対側の前記第一の多孔性フェルト基材の側に付着された微孔性層をさらに含む、請求項１５記載の物品。
18. 前記ポリマー接着剤は分散体一次ポリマー粒子をさらに含む、請求項１５記載の物品。