JP6926699B2 - エレクトレット材料およびそれを用いたフィルター、並びにエレクトレットフィルターの製造方法 - Google Patents

Description

本発明はエレクトレット材料およびそれを用いたフィルター等に関する。

従来、各種空調用エレメント、空気清浄機、キャビンフィルター、各種装置、防塵マスク等において集塵、保護、通気などを目的とし、多孔質フィルターが用いられている。

多孔質フィルターのうち、繊維状物からなるフィルターは高い空隙率を有し、長寿命、低通気抵抗という利点を備えており、幅広く用いられている。これら繊維状物からなるフィルターは、さえぎり、拡散、慣性衝突などの機械的捕集機構により繊維上に粒子を捕捉するが、実用的な使用環境において捕捉する粒子の空気力学相当径が０．１〜１．０μｍ程度の場合に、フィルター捕集効率の極小値を取ることが知られている。

上記の極小値におけるフィルター捕集効率を向上させるため、電気的な引力を併用する方法がある。たとえば、被捕集粒子に電荷を与える方法、またはフィルターに電荷を与える方法、さらには両者の組み合わせが用いられる。フィルターに電荷を与える方法としては、電極間にフィルターを配置し通風時に誘電分極させる方法や絶縁材料に長寿命の静電電荷を付与する方法が知られており、特に後者の手法は外部電源などのエネルギーを必要としないため、エレクトレットフィルターとして幅広く用いられている。

エレクトレットフィルターには、初期捕集効率を高めるため、またフィルター加工や保管時における静電電荷の減衰による性能低下を抑制するため、エレクトレット化が可能で耐湿安定性および耐熱安定性に優れたエレクトレット濾材が用いられる。

エレクトレット濾材の耐熱安定性を高めるために、各種添加剤を添加する方法が開示されている（特許文献１参照）。また、フィルターの静電電荷量を向上させ、初期捕集効率を向上させるために、静電電荷強化添加剤を混合した不織布と液体とを接触させることで、電荷量を高める方法が知られている（特許文献２参照）。

特開平１−２８７９１４号公報 特表２０１１−５２２１３７号公報

しかしながら、静電電荷強化添加剤を混合した場合には、エレクトレット濾材の表面張力が増加し、とりわけ表面張力の小さなオイルミストや有機溶媒と接触した場合には、繊維表面が被覆されることで電荷の消失が著しく促進されるという問題があることを、発明者等は確認した。

すなわち、従来のエレクトレットフィルターは、各種鉱油、植物油、ポリαオレフィン（ＰＡＯ）、フタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）およびタバコ煙などに代表されるオイルミストや、エタノール、２−プロパノール（ＩＰＡ）などの有機溶媒の接触に対しては材料特性として十分な撥油性を示さない。そのため、初期捕集効率は高いものの、オイルミストや有機溶媒の接触における耐久性が乏しく、平均捕集効率が低下するという問題がある。

また、従来のエレクトレット濾材は、それ自体の強度が弱いため、強度の高い補強材を積層し製品化されていることが多い。ここで、特に空気清浄機に用いられているような、フィルターエレメント内に折り込まれる濾材量が多い、すなわちプリーツのピッチが小さいものは、タバコ煙などのオイルミストと接触させた際、補強材の強度が劣化する。そのため、十分な強度が得られず、濾材同士が密着して通気抵抗が大幅に上昇するといった問題がある。

特に、静電電荷量を向上させるために静電電荷強化の効果が大きいことで知られるヒンダードアミン系またはトリアジン系添加剤を混合した繊維にフッ素原子を付与した場合において、（１）初期の静電電荷量は高いが、オイルミスト存在下における耐久性が低くなるという問題、（２）オイルミスト存在化におけるエレクトレット濾材と補強材との積層物の強度が低下する問題がある。

そこで、本発明は、静電電荷の減衰を抑制させ、また、強度が低下し難いエレクトレット材料等を得ることを課題とするものである。

上記課題を解決するために発明者らは鋭意検討し、その結果、遂に本発明を完成するに到った。すなわち、本発明は下記の通りである。

１．静電電荷を付与されフッ素を担持している担体に補強材が積層されて成り、２０本相当のタバコ煙を吸引させるタバコ煙吸引試験前後のガーレー剛軟度比が７０％以上であることを特徴とするエレクトレット材料。
２．タバコ煙吸引試験前のガーレー剛軟度が１００ｍＮ以上であることを特徴とする上記１に記載のエレクトレット材料。
３．前記担体に静電電荷強化剤が添加されていることを特徴とする上記１または２に記載のエレクトレット材料。
４．前記担体は、前記フッ素としてポリテトラフルオロエチレンを０．１〜２．０ｇ／ｍ^２担持していることを特徴とする上記１から３のいずれか１つに記載のエレクトレット材料。
５．前記担体は、融点３２０℃以下の熱可塑性樹脂からなるメルトブローン不織布であることを特徴とする上記１から４のいずれか１つに記載のエレクトレット材料。
６．上記１から５のいずれか１つに記載のエレクトレット材料を用いたフィルター。
７．担体に静電電荷を付与する工程と、担体にフッ素を蒸着により担持させる工程とを含むことを特徴とする上記１から６のいずれか１つに記載のエレクトレット材料の製造方法。

本発明により、高い帯電性を有し、強度が低下し難く、性能維持率が高いエレクトレット材料およびそれを用いたフィルターを得ることが可能となる。

以下に本発明の実施形態について説明するが、本発明の趣旨に則り用途毎に最適な構成を選択することができる。なお、以下、材料としての低表面張力性能を撥油性、オイルミストに対する効率低下抑制性能を耐油性と記載する。また、本明細書では、撥油性とは低表面張力性能により液体の広がりを抑制する性能を意味するものであり、濡れの原理から鑑みて表面張力値の大きな水に対しての作用（撥水性）も含まれるものである。

本実施形態のエレクトレット材料は、静電電荷が付与されフッ素樹脂を担持している担体に補強材が積層されて成り、２０本相当のタバコ煙を吸引させるタバコ煙吸引試験前後のガーレー剛軟度比が７０％以上である。

ここで、本実施形態において、後述でも説明するが、静電電荷が付与された担体とは、担体自体に静電電荷が付与されているものと、担体に担持されたフッ素静電電荷が付与されているものと、両方に静電電荷が付与さているものと、を含む。

本実施形態のエレクトレット材料に用いられる担体は、所望の特性を有するものであれば特に制限されないが、形状の自由度および素材自身の電荷安定性を考慮し、電気抵抗の高い合成樹脂からなることが好ましい。特に、電荷保持の点から体積抵抗率１０^１４Ωｃｍ以上の材料を少なくとも一種類以上含むことが好ましい。もし、該多孔性誘電体シートが体積抵抗率１０^１４Ωｃｍ未満の材料のみで構成されていれば、電荷が蓄積しにくく、高度にエレクトレット化することはできない。また、電荷寿命が極端に短くなってしまうという問題が生じる。

本実施形態の担体の材料として具体的には、非フッ素系合成樹脂であるポリエステル、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリオレフィン、環状オレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンオキサイド、フェノール樹脂などがあげられ、なかでもポリエチレン、ポリブテン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリスチレン、環状オレフィン等のポリオレフィンが好ましい。ポリオレフィンからなる場合は、疎水性、電気抵抗、成形性などのバランスが良好であり、実用性に優れた担体が得られる。

撥油性をより高めるために担体にフッ素原子を含有した合成樹脂を用いることも好ましく、例えばポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロエチレンプロペンコポリマー（ＦＥＰ）、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、エチレン・テトラフルオロエチレンコポリマー（ＥＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン・ビニリデンフロライドコポリマー（ＴＨＶ）などであり、撥油性の観点からはポリテトラフルオロエチレン、ＦＥＰ、ＰＦＡ、ＥＴＦＥがより好ましい。

上記合成樹脂には樹脂自体の劣化を抑制し、さらには静電電荷を付与された担体の初期電荷量および電荷安定性を高めるために、従来公知の配合剤および配合組成を好ましく用いることができる。たとえば、配合剤としては各種金属塩、酸化防止剤、光安定化剤、アイオノマー樹脂などであり、配合組成としては、異なる樹脂成分を混合することにより得られるブレンドポリマーなどである。静電電荷を付与された担体としての初期電荷量および電荷安定性を考慮した場合、少なくとも１種がエレクトレット化可能な合成樹脂であることが好ましい。

上記合成樹脂には静電電荷を向上させるための添加剤として、公知のものを使用することができ、含有量としては、担体に対して０．０１〜１５．０重量％含まれており、０．０５〜１０．０重量％含まれるのが好ましい。含有量が０．０１重量％未満であると十分な静電電荷向上の効果を付与することができないため好ましくなく、逆に含有量１５．０重量％を超えても均一性が著しく悪化するため好ましくない。

添加剤としては、ヒンダードフェノール系添加剤、ヒンダードアミン系添加剤、トリアジン系添加剤、硫黄系安定剤、リン系安定剤、脂肪酸金属塩、結晶核剤等が挙げられる。

ヒンダードフェノール系添加剤としては、特に限定するわけではないが、具体的には、ペンタエリスリチル−テトラキス［３−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシフェニル）プロピオネート］（Ｉｒｇａｎｏｘ１０１０、ＢＡＳＦ社製）、オクタデシル−３−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシフェニル）プロピオネート（Ｉｒｇａｎｏｘ１０７６、ＢＡＳＦ社製）、トリス−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシベンジル）−イソシアヌレイト（Ｉｒｇａｎｏｘ３１１４、ＢＡＳＦ社製）、３，９−ビス−｛２−［３−（３−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシ−５−メチルフェニル）−プロピオニルオキシ］−１，１−ジメチルエチル｝−２，４，８，１０−テトラオキサスピロ−［５，５］ウンデカン（スミライザーＧＡ−８０、住友化学社製）等が挙げられる。

ヒンダードアミン系もしくはトリアジン系添加剤としては、特に限定するわけではないが、具体的には、ポリ〔（６−（１，１，３，３，−テトラメチルブチル）イミノ−１，３，５−トリアジン−２，４−ジイル）（（２，２，６，６，−テトラメチル−４−ピペリジル）イミノ）ヘキサメチレン（（２，２，６，６，−テトラメチル−４−ピペリジル）イミノ）〕（キマソーブ９４４ＬＤ、チバガイギー社製）、ハコク酸ジメチル−１−（２−ヒドロキシエチル）−４−ヒドロキシ−２，２，６，６−テトラメチルピペリジン重縮合物（チヌビン６２２ＬＤ、チバガイギー社製）、２−（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシベンジル）−２−ｎ−ブチルマロン酸ビス（１，２，２，６，６−ペンタメチル−４−ピペリジル）（チヌビン１４４、チバガイギー社製）、ジブチルアミン・１，３，５−トリアジン・Ｎ，Ｎ’−ビス（２，２，６，６ーテトラメチルー４−ピペリジル−１，６−ヘキサメチレンジアミン・Ｎ−（２，２，６，６ーテトラメチルー４−ピペリジル）ブチルアミンの重縮合物（キマソーブ２０２０ＦＤＬ、チバガイギー社製）、２−（４，６−ジフェニル−１，３，５−トリアジン−２−イル）−５−（（ヘキシル）オキシ）−フェノール（チヌビン１５７７ＦＦ、チバガイギー社製）などが挙げられる。

上記硫黄系安定剤として、特に限定するわけではないが、具体的には、ジ−ラウリル−３，３−チオジプロピオン酸エステル（ＤＬＴＤＰ）、ジ−ステアリル−３，３−チオジプロピオン酸エステル（ＤＳＴＤＰ）等が挙げられる。

上記リン系安定剤として、特に限定するわけではないが、具体的には、トリス（２，４−ジ−ｔ−ブチルフェニル）フォスファイト（Ｉｒｇａｆｏｓ１６８、ＢＡＳＦ社製）、ジ（２，６−ジ−ｔ−ブチル−４−メチルフェニル）−ペンタエリストール−ジフォスファイト（ＰＥＰ−３６、ＡＤＥＫＡ社製）、９，１０−ジヒドロ−９−オキサ−１０−フォスファフェナントレン−１０−オキサイド（ＨＣＡ、三光社製）等が挙げられる。

上記脂肪酸金属塩として、特に限定するわけではないが、直鎖状脂肪酸基を有するものが好ましい。また脂肪酸基は炭素数１０〜２０のものが好ましい。具体的には、ラウリル酸アルミニウム、ミリスチン酸アルミニウム、パルミチン酸アルミニウム、ステアリン酸アルミニウム、ラウリル酸マグムシウム、ミリスチン酸マグムシウム、パルミチン酸マグムシウム、ステアリン酸マグムシウム等が挙げられる。

上記結晶核剤として、特に限定するわけではないが、具体的にはリン酸ビス（４−ｔ−ブチルフェニル）ナトリウム（ＮＡ−１０、ＡＤＥＫＡ社製）、リン酸２，２'−メチレンビス（４，６−ジ−ｔ−ブチルフェニル）ナトリウム（ＮＡ−１１、ＡＤＥＫＡ社製）、ロジン系結晶核剤パインクリスタルＫＭ−１５００（荒川化学工業社製）等が挙げられる。

本実施形態の担体の形状としては、射出成型体、フィルム形状、繊維状物、粉末状物、粒子状物のいずれの形状であっても好ましく用いられるが、粒子除去および通気用途に用いる場合には繊維状物であることがより好ましい。

本実施形態において繊維状物とは、長繊維または短繊維からなる織編物、不織布、綿状物等の繊維状物や延伸フィルムから得られる繊維状物を含むものであり、用途に応じて適当な形状および厚みに成形したものを使用することができる。エレクトレット材料をフィルター用途として利用する場合は、不織布であることが好ましい。

不織布を得る方法としては、単成分繊維、芯鞘繊維やサイドバイサイド繊維といった複合繊維、分割繊維等の短繊維をカーディング、エアレイド、湿式抄紙法などによりシート化する方法、連続繊維をスパンボンド法、メルトブローン法、エレクトロスピニング法、フォーススピニング法などによりシート化する方法など、従来公知の方法を用いることが可能である。なかでも、機械的捕集機構を効果的に利用する観点から緻密で細繊度を容易に得られるメルトブローン法、エレクトロスピニング法やフォーススピニング法で得られる不織布が好ましく、残溶剤の処理を必要としない観点からメルトブローン法、溶融エレクトロスピニング法や溶融フォーススピニング法で得られる不織布がより好ましい。

繊維状物が、ポリプロピレンからなるメルトブローン不織布の場合、目付は５〜１００ｇ／ｍ^２であるのが好ましく、より好ましくは１０〜６０ｇ／ｍ^２である。また、繊維状物に用いられる繊維の直径は、０．００１〜１００μｍであることが好ましく、０．００５〜２０μｍであることがより好ましく、０．０１〜１０μｍであることがさらに好ましく、０．０２〜５μｍであることが特に好ましく、０．０３〜３μｍであることが最も好ましい。繊維の直径が１００μｍよりも太い場合には、実用的な捕集効率を得ることが困難であり、電荷減衰時の効率低下が大きい。繊維の直径が０．００１μｍよりも細い場合には、エレクトレット材料としての静電電荷を付与することが困難である。

本実施形態において、繊維状物は単独の製法、素材からなる均一物であってもよく、製法、素材および繊維径の異なる２種以上の素材を用いてなる混合物であってもよい。

繊維状物のオイルミストなどの液体粒子に対する耐久性を向上させる方法として、構成繊維の表面張力を下げることで撥油性を与え繊維表面でのミストの広がりや繊維素材内部への吸収拡散を抑制することで電荷の消失を低減させ、捕集されたミストを球体に近づけることで目詰まり効果による機械的捕集効率を向上させる方法が知られている。

具体的には、撥油性を高めるために樹脂内にパーフルオロ基を有した添加剤を混合する方法、熱可塑性フッ素樹脂を溶融紡糸する方法、パーフルオロ基を有したエマルジョン加工剤で表面をコーティング処理する方法、プラズマおよびフッ素ガスなどを用い水素原子を置換することによりフッ素原子を導入する方法等が挙げられる。

しかしながら、フッ素系樹脂やフッ素系低分子添加剤は、熱分解物としてフッ化水素やフッ化カルボニルなどの生成がみられるため溶融紡糸には不適である。また、フッ素ガスやプラズマ処理によるフッ素原子導入では、フッ素ガスの漏洩防止や親水化を抑制するために酸素、水分量管理を厳密に行う必要があり、気密性の高い特殊設備が必要となる。

また、テキスタイル用に開発されたアクリレート系加工剤を使用する方法が挙げられるが、テキスタイル用に開発されたアクリレート系加工剤には乳化剤や製膜助剤が含有され、さらにＰＦＯＡならびにＰＦＯＳ規制に対応させるためＣ₆Ｆ₁₃以下の短鎖パーフルオロ基が側鎖として用いられるために結晶性を失っており、加工剤自身がエレクトレット性を有さないばかりか、低付着量であっても基材となる繊維素材のエレクトレット性を著しく阻害するという問題があり好ましくない。

また、アモルファス化により可溶性と熱可塑性を付与し、エレクトレット性とコーティング性を両立したフッ素系樹脂を使用する方法も知られているが、主骨格として特殊なモノマーを用いる必要があり、製造コストが著しく大きくなるという問題があり好ましくない。

上記の問題を回避すべく、本実施形態において担体へのフッ素の付与には、溶媒に溶解させて付与する溶液法、またはフッ素含有物質をガス化させて付与する蒸着法などの手法によりフッ素を付与することが好ましい。

本実施形態のエレクトレット材料は、担体の少なくとも一部にフッ素としてポリテトラフルオロエチレンが担持されてなり、撥油性が付与されてなる。ポリテトラフルオロエチレンの融点としては融点３５℃以上３２０℃以下が挙げられ、６０℃以上３１５℃以下が好ましく、８０℃以上３００℃以下がより好ましく、１００℃以上２９０℃以下がさらに好ましい。融点が上記範囲であれば分子量に分布を有したポリテトラフルオロエチレンでもよいし、単一構造の分子であっても、混合物であっても好ましく用いることができる。

上記融点を有するポリテトラフルオロエチレンを用いる理由としては、（１）融点が３２０℃以上となる高分子量の場合は溶融粘度が高くコーティング困難であること、（２）融点が高いため担体への担持加工温度が高くなると、担体（とりわけ合成高分子）の劣化および耐熱性に問題が生じること、（３）本実施形態で用いられる低融点ポリテトラフルオロエチレン（最小表面張力１３〜１７．５ｍＮ／ｍ）は一般的なポリテトラフルオロエチレン（最小表面張力１７.５ｍＮ／ｍ）に比して結晶形やＣＦ₃基末端密度により表面張力が小さく撥油性効果が高いこと、（４）エピタキシャル成長を利用した場合、結晶性分子の規則構造により、ＣＦ₃基が有する平面上分子における最小表面張力（６ｍＮ／ｍ）を発現すること、（５）分子量が小さく粉砕処理が可能なこと、（６）実用可能な温度範囲で融点および沸点を有しており、常圧、減圧、真空条件下で加熱することにより物理蒸着処理（ＰＶＤ処理）が可能なこと、（７）付着成分の分子量や構造制御が困難できないプラズマ処理（炭化フッ素化）と異なりＰＦＯＡやＰＦＯＳ規制の観点から有利であること、（８）常温で固体であり結晶性を有しているため分子配向の変化による撥油性変化が抑制されること、（９）融点を有しているため熱処理により自己接着性を有すること、（１０）一般の高融点ポリテトラフルオロエチレンが有していないフッ素系溶剤に対する溶解性があること、などを例示することができる。

上記特性を利用し本実施形態にて用いられるポリテトラフルオロエチレンの担体への担持方法としては、（１）粒子化されたポリテトラフルオロエチレン粒子を散布し、担体またはポリテトラフルオロエチレンの融点以上で熱処理を行うことで固定化する方法、（２）ポリテトラフルオロエチレン粒子を気流中に分散させ担体表面および内部に浸透後、担体またはポリテトラフルオロエチレンの融点以上で熱処理を行うことで固定化する方法、（３）ポリテトラフルオロエチレン粒子を液体中に分散させ担体に塗布浸透後、液体を乾燥除去し、担体またはポリテトラフルオロエチレンの融点以上で熱処理を行うことで固定化する方法、（４）ポリテトラフルオロエチレンを融点以上熱分解温度以下の温度で蒸散させ担体上で冷却固化、必要に応じてポリテトラフルオロエチレンの融点以上で熱処理を行うことで固定化する方法、（５）ポリテトラフルオロエチレンをスパッタ法により担体に付着させ、必要に応じてポリテトラフルオロエチレンの融点以上で熱処理を行うことで溶融固定化する方法、（６）ポリテトラフルオロエチレンを溶媒に溶解させ担体に塗布、噴霧、浸漬する、いわゆるコーティング加工した後溶媒を除去し、必要に応じてポリテトラフルオロエチレンの融点以上で熱処理を行うことで溶融固定化する方法、などを例示することができる。

これらの手法は単独でもよいし、組み合わせて用いることもできる。たとえば、粉末状で担持させた後に再加熱を行うことで蒸散再付着させる方法、粒子状で担持させた後にポリテトラフルオロエチレンまたは担体に対する溶剤を接触させることで接着固定する方法などを用いることで、密着性、分散性、撥油性、耐熱性などの諸特性を向上させることができる。

粒子の直接散布または液体もしくは気流中に分散させ付着させる方法においては、ポリテトラフルオロエチレンの粒子径は０．１ｎｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以上１μｍ以下であることがより好ましく、５ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることがさらに好ましく、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが最も好ましい。粒子経が１０μｍより大きい場合には分散時の均一性や取り扱いが困難となるとともに、コーティングの層厚みが過大となる。一方で粒子経が０．１ｎｍ未満であると直鎖からなるポリテトラフルオロエチレン分子としての特性維持が困難となる。とりわけ、担体自身の寸法や形状に特徴がある場合に、均一性と寸法維持の観点から微細粒子であることが好ましい。

上記粒子径を調整する手法としては、（１）乳化重合ならびに懸濁重合の粒子として重合時に調整する方法、（２）衝撃、摩擦などの物理的作用により粉砕する方法、（３）フッ素系溶媒、超臨界二酸化炭素などに溶解させ、噴霧や再析出などの手法により粒子化する方法などがあげられ、目的とする粒子径に応じて好ましい手法を用いることができる。乳化重合や懸濁重合により得られる粒子の場合には、固液混合状態で加工剤としてそのまま用いてもよいし、乾燥工程を経て粒子として取り出すことも好ましい。

物理的作用により粉砕する方法としては、湿式もしくは乾式の各種粉砕機を用いることが可能であり、具体的にはボールミル、ビーズミル、ジェットミル、ホモジナイザーなどを例示することができ、粉砕と同時に乳化、懸濁させて用いることも好ましい。

液体に分散して用いる場合には分散媒として、水、炭化水素系有機溶媒、ハロゲン系有機溶媒などを好ましく用いることが可能であり、２種以上を混合して用いることも好ましい。有機溶媒を用いた場合には、担体として用いる合成樹脂との親和性により、浸透性やコーティングの均一性を高めることができる。分散媒を水とする場合には各種界面活性剤を用いることもできる。

分散時に用いられる界面活性剤としては３２０℃以下の沸点または熱分解温度を有していることが好ましく、２５０℃以下がより好ましく、２００℃以下がさらに好ましく、１５０℃以下が最も好ましい。界面活性剤は撥油性の付与およびエレクトレット性を阻害するため、熱処理により蒸散させる、または熱分解により不活性化させることが好ましい。

また、界面活性剤の他の除去方法としては、酸またはアルカリ溶液による加水分解、次亜塩素酸、過酸化水素などを用いた酸化分解、グリシジル基などを有した反応性有機物、金属イオン、金属アルコキシドなどで官能基を封止する方法も好ましく用いられる。

本実施形態に用いられるポリテトラフルオロエチレンは、熱分解温度となる３２０℃以下に融点を有しており、融点以上の温度においては明確な揮発蒸散性が確認される。したがって、担体に対して蒸着法で担持させて用いることも好ましい。たとえば常圧（大気中1気圧）における融点に関し、ｎ−Ｃ₁₀Ｆ₂₂からなる場合には融点３６℃、ｎ−Ｃ₁₂Ｆ₂₆からなる場合には融点７６℃、ｎ−Ｃ₁₄Ｆ₃₀からなる場合には融点１０３℃、ｎ−Ｃ₁₆Ｆ₃₄からなる場合には融点１２５℃、ｎ−Ｃ₂₀Ｆ₄₂からなる場合には融点１６７℃、ｎ−Ｃ₃₁Ｆ₆₄からなる場合には融点２１９℃を有している。

また、市販混合物として、セントラル硝子株式会社製低分子量ＰＴＦＥセフラルルーブＶにおいては、融点範囲として１００〜２９０℃（ピーク温度２７０℃）を有しており、融解が開始される温度以上で加熱することにより蒸着源として用いることが可能であり、全体が液状化する２９０℃以上３２０℃以下で加熱して用いることも好ましい。

これらのポリテトラフルオロエチレンは、使用時には固体としての安定性を発現し、加熱時には液体および気体としての特性を有し物理蒸着法（ＰＶＤ法）の素材として好ましく用いることができる。これらは熱分解温度以下で加熱を行うことにより、ポリテトラフルオロエチレンの構造を保持することができるため、分子量や構造の面で不定形なフッ素重合体の生じるプラズマ処理や高分子量ポリテトラフルオロエチレンを原料とした高温での熱分解蒸着法に対し、有利な特徴である。

蒸着加工の手法としては、各種熱源によりポリテトラフルオロエチレンを加熱することで蒸気を発生させ、より低温に保持した担体表面に液滴または結晶として析出させる方法が用いられる。かかる手法は、加工面全体を一度に処理するバッチ法であっても、担体または反応槽を移動させることで、担体の異なる加工面を連続的に処理する方法のいずれであっても好ましく用いられる。

本実施形態における蒸着加工は加圧、常圧、減圧、真空状態およびその圧力のスイング、大気中および不活性ガスいずれの雰囲気においても好ましく実施することができる。ここで、減圧もしくは真空状態とすることで、蒸散速度の向上および蒸散温度の低減が可能であり、加圧により蒸散物の析出を促進することができる。また、真空または不活性雰囲気とすることでポリテトラフルオロエチレンや担体の酸化を抑制することが可能であるが、本実施形態は熱分解温度以下で低温処理が可能であるため、コスト面で大気雰囲気を用いることも可能である。

本実施形態においては、ポリテトラフルオロエチレンの担持条件の調整により目的に応じて好ましい付着状態を得ることができる。とりわけ、繊維状物などの多孔質構造体の場合には真空度が高い場合には、分子の平均自由工程が大きくポリテトラフルオロエチレンは蒸散側の担体表面に偏在し、低真空または常圧、加圧条件の場合には回り込みによる均一性向上が可能となる。付着面を調整するために、同一担体において圧力のスイングや加工面（表裏）を変えた処理なども好ましい方法である。

本実施形態においては、蒸着加工時または蒸着加工後に担体が６０℃以上１４０℃以下に処理されることが好ましく、７０℃以上１４０℃以下がより好ましく、８０℃以上１４０℃以下がさらに好ましい。かかる処理により担体との接着性向上、低分子量物の除去による静電電荷が付与された担体の安定化効果や遊離されるＶＯＣ成分が低減されるためである。具体的には蒸着加工時には蒸着槽温度、担体の冷却、加熱により調整することが可能であり、加工後には加熱による方法が用いられる。

本実施形態においては蒸気の状態で付着させた後冷却固化させてもよいし、凝集させた液体や固体粒子として付着させることも好ましい。担体表面へのポリテトラフルオロエチレンの担持を微細な凹凸構造とすることで撥油性を向上させるとともに、担体表面積の増加により総電荷量およびオイルミスト捕集可能な表面積を増加させることができる。
ポリテトラフルオロエチレンの蒸気が存在する雰囲気に凝縮核となる高融点ポリテトラフルオロエチレンや有機、無機粒子を同時に供給する方法も好ましい。

前記微細な凹凸構造としては、捕集対象とする液滴よりも微細であることが好ましい。表面積の増加による濡れ仕事の増加のみならず、付着した粒子と担体の間に空気層が存在することで、Ｃａｓｓｉｅ−Ｂａｘｔｅｒ理論に沿った高い撥油表面を得ることができるためである。

融点が３３０℃以上のポリテトラフルオロエチレンは分子量が数万から数十万を有するため炭化水素系、ハロゲン系溶剤いずれにも溶解させることができない。それに対し、本実施形態で用いられる融点が３５℃以上３２０℃以下のポリテトラフルオロエチレンは、炭化水素系溶剤に不溶である一方、ハイドロクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣ）、パーフルオロカーボン（ＰＦＣ）、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）および環状フッ素化物、芳香族フッ素化物からなる含フッ素溶媒に可溶であるため、溶剤系のコーティング剤として用いることもできる。

コーティング剤としての使用においては、従来公知の方法を用いることが可能であり、本実施形態で用いられるポリテトラフルオロエチレンの少なくとも一部を上記溶媒に溶解した状態で塗布、噴霧、浸漬などの手法により担体に付着させた後、必要に応じて熱処理を行うことでコーティング層を得ることができる。

上記のコーティング加工法に関しては担体の形状に応じて好ましい方法が用いられるが、担体が繊維状物や粒子状物などの多孔質形状であれば、平面状での連続加工のみならず、ロール状、積層体などの状態で溶媒を浸漬させ、乾燥させることによっても製造することが可能である。

コーティング層の被覆率ならびに凹凸については、塗布量、塗布濃度で調整することが可能であり、コーティング剤として用いる場合には、予め微粒子による凹凸を有した構造に塗布する方法やコーティング剤として微粒子を含んでなることも好ましい。

コーティング剤として予め配合する微粒子としてはポリテトラフルオロエチレンの未溶解物または４０℃以上のガラス転移温度もしくは融点を有する有機もしくは無機材料を用いることができる。粒子直径としては０．１ｎｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以上１μｍ以下であることがより好ましく、５ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることがさらに好ましく、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが最も好ましい。アスペクト比が１を超える粒子の場合には短径側を直径として定義する。

蒸着加工同様に、担体表面へのポリテトラフルオロエチレンの担持を凹凸構造とし、その凹凸構造は、捕集対象とする液滴よりも微細であることが好ましい。表面積の増加による濡れ仕事の増加のみならず、付着した粒子と担体の間に空気層が存在することで、Ｃａｓｓｉｅ−Ｂａｘｔｅｒ理論に沿った高い撥油表面を得ることができるためである。

本実施形態においては、コーティング加工時またはコーティング加工後に、好ましくは６０℃以上１４０℃以下、よりこのましくは７０℃以上１４０℃以下、さらに好ましくは８０℃以上１４０℃以下に加熱処理されてなることも好ましい。かかる処理により接着性向上、ポリテトラフルオロエチレン分子の構造安定化、低分子量物の除去により撥油性および静電電荷が付与された担体の安定化効果と遊離される低分子成分が除去されるためである。

本実施形態におけるエレクトレット材料およびそれを用いたフィルターは、担体自体または担体に担持されたフッ素（例えば、ポリテトラフルオロエチレン）の少なくとも一方が、エレクトレット化され、静電電荷を付与されてなる。よって、静電電荷が付与された担体とは、担体自体に静電電荷が付与されているものと、担体に担持されたフッ素静電電荷が付与されているものと、両方に静電電荷が付与さているものと、を含む。エレクトレット化法は使用時に所望の特性が得られるものであれば特に制限されず、ポリテトラフルオロエチレンの担持前、担持後いずれでも好ましく用いられる。前者であれば、ポリテトラフルオロエチレン粉末を静電的な引力にて引き寄せることで付着や加工に利点があり、後者であれば電気力線が遮蔽されないため、静電電荷を付与された担体としての効果をより発現させることができる。

具体的なエレクトレット化法としては、コロナ荷電法、液体接触荷電法、摩擦帯電法、電界荷電法、熱間電界荷電法、電子線照射法といった公知の帯電方法を施すものから任意に選択することができる。

本実施形態により得られる撥油性に関しては、必要とされる特性（たとえば防水、防汚、撥水、撥油）に応じて調整することが可能であるが、例えば不織布、織布等の繊維状物からなるフィルターとして用いられる場合には、ＪＩＳ Ｋ６７６８およびＡＡＴＣＣ１１８法により用いられる表面張力試験液において、１０秒以内の浸透性を与える表面張力として少なくとも無加工品（たとえばＰＰメルトブローンにおける代表値としては３６ｍＮ／ｍ）よりも向上していれば好ましく用いることができる。具体的には３１ｍＮ／ｍ以下が好ましく、２９ｍＮ／ｍ以下がより好ましく、２７ｍＮ／ｍ以下がさらに好ましく、２５ｍＮ／ｍ以下が最も好ましい。これらは防じんマスクの国家検定オイルミストの試験液体であるＤＯＰが３１ｍＮ／ｍ、ＰＡＯ（たとえばＥｍｅｒｙ３００４）が２９ｍＮ／ｍであり、実使用における鉱物および植物性オイルミストへの対応を考慮したものである。本発明者らの検討によると、シート形状での撥油性とフィルターとしての耐油性には相関があり、毛管現象により吸収が生じない程度の撥油性が得られていれば、フィルターとしても明確な耐油性（効率低下の抑制）が確認される。これは素材表面の耐油性（接触角）と多孔質体への吸収現象に相関があるためであり、ミスト試験時における繊維表面に捕集されたエアロゾルの接触角や捕集状態との相関がある。また混合物であるタバコ煙自体の表面張力値は明確ではないが、上記液体における浸透性低下とともに、明確な耐久性向上効果が確認される。

本実施形態における担体と積層させる補強材はタバコ煙などのオイルミストの移行性が少ない材質、移行性があっても強度が維持される材質であれば特に限定されないが、特に、ガラス、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリメチルペンテン、ポリエステルなどが好ましい。

担体と補強材とを積層する方法においては、熱可塑性樹脂、常温粘着性樹脂などを補強材に吹き付け、担体を重ね合わせることで担体と補強材との積層体であるエレクトレット材料を得ることができる。

本発明のエレクトレット材料は、必要な寸法とした後に、単体もしくは他の濾材や枠材等と組み合わせてフィルター（またはフィルターユニット）として用いることができる。本発明のフィルターは、本発明の濾材を備えていればよく、例えば、プリーツ加工、支持体や枠などへの取付加工などが施されていてもよい。また、本発明のフィルターは、本発明の濾材に他の材料を組み合わせて形成されていてもよい。

本実施形態のエレクトレット材料およびそれを用いたフィルターは、本実施形態により得られる集塵、保護、通気、防汚、防水などの機能により幅広く用いることが可能であり、とりわけ、防塵マスク、各種空調用エレメント、空気清浄機、キャビンフィルター、各種装置の保護を目的としたフィルターとして好適に用いることができる。

以下、本発明の実施例について説明する。まず、処理方法、試験方法を下記に示す。

（荷電処理）
シリコンシートを敷いたアルミ平板の接地電極上にポリプロピレンメルトブローン不織布を置き、ポリプロピレンメルトブローン不織布との１ｃｍの距離から針状電極を用いて電圧２０ｋＶ、１０秒間のコロナ荷電処理を実施後、通気度１２０ｃｍ³／ｃｍ²／秒の網状支持体（９６メッシュ）に載せ、不織布の上方３ｃｍに位置する直径０．１ｍｍφ、ピッチ０．６ｍｍのノズルから１．０ＭＰａの圧力で水溶液噴射処理を行う。なおベースとなる水は、一般的な水道水を逆浸透膜処理、次いでイオン交換膜処理を施した高純度の水とし、そのベース水に炭酸カリウム（ナカライテスク社製）を１００ｐｐｍ溶解させ、ｐＨが１０．６の噴射水溶液を調製した。支持体の搬送速度を４ｍ／分とし、ノズル直下の網状支持体の下方を１５００ｍｍＡｑの減圧状態とする。この処理をシートの表面について２回行った。その後このシートを自然乾燥、または１００℃の熱風オーブン中に２０秒間滞留させて乾燥させ、エレクトレット化したシートを得る。

（蒸着処理）
実施例における蒸着加工の手法としては、ポリプロピレンメルトブローン不織布を８０℃に保った恒温板に張り付け、ステンレス製の反応容器天井に、底部に３００℃に加熱した熱板を設置した。容器内を２３０℃に設定し、主原料がＣ_１６Ｆ_３４からなるポリテトラフルオロエチレンを反応容器内部の金属製ボート上から蒸散させることで、任意の担持量の加工シート（エレクトレット材料）を得する。

（捕集効率試験）
エレクトレット材料の捕集効率試験は以下の方法にて実施する。
評価粒子：大気塵
風速 ：１０ｃｍ／秒
効率算出：光散乱計数法による０．３〜０．５μｍ間の粒子個数
捕集効率（％）＝（１−（下流側個数÷上流側個数））×１００
透過率（−）＝下流側粒子個数÷上流側粒子個数

（タバコ煙吸引試験）
日本電機工業会規格（ＪＥＭ１４６７；家庭用空気清浄機）の附属書Ｂに記載のアクリル製の密封可能な測定ボックス（１ｍ×１ｍ×１ｍ）内に、０．７ｍ^３／分の撹拌ファン、タバコ煙発生器（ＪＥＭ１４６７附属書Ｂ．１．４参照）を用いて、タバコ煙（メビウスオリジナル；日本たばこ産業株式会社製）を５本燃焼させ、１５ｃｍ×１５ｃｍの通風面を有するサンプルホルダーにエレクトレット材料を固定し、風速１０ｃｍ／秒でタバコ煙を１０分間吸引させる。この一連の操作を４回行ない、２０本相当のタバコ煙を吸引させる。

（ガーレー剛軟度試験）
ガーレー剛軟度の計測は、ＪＩＳ Ｌ−１０９６（曲げ反発性Ａ法）に基づいて実施する。タバコ負荷試験前後の試験片（長さ８９ｍｍ×幅２５ｍｍ）は採取する角度によっては剛軟度が変化するため、同一方向から採取する。

＜実施例１＞
ヒンダードフェノール系添加剤であるＩｒｇａｎｏｘ１０１０（ＢＡＳＦ社製）を０．０１重量％含有するポリプロピレンメルトブローン不織布（目付２２ｇ／ｍ²、平均繊維直径１．５μｍ、厚み０．２３ｍｍ)に対し、荷電処理を実施した。その後、荷電処理したメルトブローン不織布に、ポリテトラフルオロエチレンを蒸着処理にて０．２ｇ／ｍ^２担持させ、静電電荷を付与された担体を得た。次いで、補強材としての目付７０ｇ／ｍ^２のポリエステル製サーマルボンド不織布に合成ゴム系接着剤を２．０ｇ／ｍ^２塗布し、上記得られた静電電荷を付与された担体に積層させ、エレクトレット材料を得た。得られたエレクトレット材料にガーレー剛軟度試験を実施した。その後、エレクトレット材料にタバコ煙吸引試験を行い、捕集効率試験並びにガーレー剛軟度試験を実施した。また、タバコ煙吸引試験前後でガーレー剛軟度比を算出した。これらの結果を表１に示す。

＜実施例２＞
実施例１と同様のポリプロピレンメルトブローン不織布に荷電処理した後、ポリテトラフルオロエチレンを蒸着処理にて１．０ｇ／ｍ^２担持させ、静電電荷を付与された担体を得た。補強材として、ビニロン／ポリエステル製不織布にスチレン−ブタジエン樹脂を塗布した総目付が４５ｇ／ｍ^２の不織布を用いた。この補強材に合成ゴム系接着剤を２．０ｇ／ｍ^２塗布し、上記得られた静電電荷を付与された担体に積層させ、エレクトレット材料を得た。得られたエレクトレット材料にガーレー剛軟度試験を実施した。その後、エレクトレット材料にタバコ煙吸引試験を行い、捕集効率試験並びにガーレー剛軟度試験を実施した。また、タバコ煙吸引試験前後でガーレー剛軟度比を算出した。これらの結果を表１に示す。

＜実施例３＞
実施例１と同様のポリプロピレンメルトブローン不織布に荷電処理した後、ポリテトラフルオロエチレンを蒸着処理にて０．５ｇ／ｍ^２担持させ、静電電荷を付与された担体を得た。補強材として目付が３６ｇ／ｍ^２のガラス繊維性不織布を用いた。この補強材に合成ゴム系接着剤を２．０ｇ／ｍ^２塗布し、上記得られた静電電荷を付与された担体に積層させ、エレクトレット材料を得た。得られたエレクトレット材料にガーレー剛軟度試験を実施した。その後、エレクトレット材料にタバコ煙吸引試験を行い、捕集効率試験並びにガーレー剛軟度試験を実施した。また、タバコ煙吸引試験前後でガーレー剛軟度比を算出した。これらの結果を表１に示す。

＜比較例１＞
実施例１と同様のポリプロピレンメルトブローン不織布に荷電処理した後、補強材として実施例１と同様のサーマルボンド不織布を用いて、合成ゴム系接着剤を２．０ｇ／ｍ^２塗布して積層し、エレクトレット材料を得た。実施例と同様に得られたエレクトレット材料にガーレー剛軟度試験を実施した。その後、エレクトレット材料にタバコ煙吸引試験を行い、捕集効率試験並びにガーレー剛軟度試験を実施した。また、タバコ煙吸引試験前後でガーレー剛軟度比を算出した。これらの結果を表１に示す。

＜比較例２＞
実施例１と同様のポリプロピレンメルトブローン不織布に荷電処理した後、蒸着処理にてポリテトラフルオロエチレンを０．２ｇ／ｍ^２蒸着させた。これに、補強材として実施例２と同様のビニロン／ポリエステル製不織布にスチレン−ブタジエン樹脂を塗布した総目付が４５ｇ／ｍ^２の不織布を用い、合成ゴム系接着剤を２．０ｇ／ｍ^２塗布し、積層し、エレクトレット材料を得た。このエレクトレット材料に、実施例と得られたエレクトレット材料にガーレー剛軟度試験を実施した。その後、エレクトレット材料にタバコ煙吸引試験を行い、捕集効率試験並びにガーレー剛軟度試験を実施した。また、タバコ煙吸引試験前後でガーレー剛軟度比を算出した。これらの結果を表１に示す。

表１より明らかなように、実施例１、２、３では、比較例１、２と比較して、タバコ煙吸引試験後でも高い捕集効率を示すことがわかる。また、実施例１、２、３では高い剛軟度比を示している。これに対して比較例１、２は、実施例１、２、３よりも低い剛軟度比に留まり、担体が保有する強度が不十分であることが確認できる。

本発明により、簡便な装置や工程で高い帯電性を有し、オイルミストなどの液体粒子に対する静電電荷の維持率を高めたエレクトレット材料およびそれを用いたフィルターを得ることが可能となり、産業界へ大きく寄与できる。

Claims (7)

1. 静電電荷が付与されフッ素を担持している担体に補強材が積層されて成り、２０本相当のタバコ煙を吸引させるタバコ煙吸引試験前後のガーレー剛軟度比が７０％以上であることを特徴とするエレクトレット材料。
2. タバコ煙吸引試験前のガーレー剛軟度が１００ｍＮ以上であることを特徴とする請求項１に記載のエレクトレット材料。
3. 前記担体に静電電荷強化剤が添加されていることを特徴とする請求項１または２に記載のエレクトレット材料。
4. 前記担体は、前記フッ素としてポリテトラフルオロエチレンを０．１〜２．０ｇ／ｍ^２担持していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のエレクトレット材料。
5. 前記担体は、融点３２０℃以下の熱可塑性樹脂からなるメルトブローン不織布であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のエレクトレット材料。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のエレクトレット材料を用いたフィルター。
7. 担体に静電電荷を付与する工程と、担体にフッ素を蒸着により担持させる工程とを含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のエレクトレット材料の製造方法。