JP6975546B2 - フィルター成形体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、水などの液体や大気などの気体から汚染物質や不純物を除去するために用いられ、浄化材と高分子量で低メルトインデックスの重合体結合材とを含むフィルター成形体の製造方法に関する。

従来、水などの液体や大気などの気体から汚染物質や不純物を除去する浄水器や空気清浄機に用いられるフィルターとして、活性炭を浄化材として用いた成形体が知られている。この活性炭を用いたフィルター成形体の製造方法としては、湿式成形加工方法と、乾式成形加工方法とがある。

特許文献１，２には、この乾式成形加工方法によるフィルター成形体の製造方法が記載されている。まず、浄化材（活性炭粉末）と重合体結合材（樹脂粉末）とを、混合機などで一定比率に均一に混合した混合粉末を、円筒状の金型内に充填する。つぎに、充填された混合粉末を加熱して重合体結合材（樹脂粉末）を溶融させた状態で、上型のみまたは上下両型を押し込むことで混合粉末を加圧して所定形状（円筒状）に成形する。そして、冷却固化させた後、下型を外して上型を押し込むことによりフィルター成形体を側型から脱型する。もしくは、冷却固化させた後、上下両型を外して脱型具を側型内に押し込むことによりフィルター成形体を側型から脱型する方法である。

一方、特許文献３，４には、湿式成形加工方法によるフィルター成形体の製造方法が開示されている。活性炭やバインダー等の材料を水に分散させたスラリー状にして、多数の細孔をもつ円筒形コアをセットした成形用金型をスラリー中に入れる。つぎに、スラリー中に浸積した円筒形コアの内側から吸引することにより、円筒形コアの表面に成形体を形成する。そして、この成形体を円筒形コアとともに脱型した後、乾燥及び加熱処理を施して成形体を完成させる方法である。

特開２００１−１８７３０５号公報 特開２００３−２６６４６２号公報 実用新案登録第３１６４４７０号公報 特開２００８−７３６１７号公報

しかしながら、湿式成形加工方法によるフィルター成形体の製造方法は、コアを起点に、その外周に活性炭を積み上げていく方式なので、フィルター成形体の外形が太鼓状になりやすい。すなわち、寸法安定性に欠けるという問題がある。

それに対し、乾式成形加工方法によるフィルター成形体の製造方法は、金型で外形が型付けされる方式なので所定の形状が安定して得られ、寸法精度もよい。しかし、この乾式成形加工方法では、コアを用いないフィルター成形体となるため、原料の配合組成によっては金型から脱型後に反りが生じやすいという問題がある。

そこで、本発明は、原料の配合組成に係わらず、寸法精度が良く所定の形状が安定して得られ、反りのないフィルター成形体が得られるフィルター成形体の製造方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明のフィルター成形体の製造方法は、水などの液体または大気などの気体から汚染物質または不純物を除去するために用いられ、浄化材と高分子量で低メルトインデックスの重合体結合材とを含む浄化部を備えるフィルター成形体の製造方法であって、
筒形に形成されている側型と、前記側型の筒軸方向の一方側に配置され、前記筒形内の前記筒軸方向に延在する中子を有する下型と、前記側型の前記筒軸方向の他方側に前記筒形内を移動可能に配置され、前記中子が挿入される孔を有する上型と、を備えており、前記側型の筒形内面と前記下型の端面及び前記中子外面と前記上型の端面によって、前記フィルター成形体を成形するキャビティが形成される金型を使用し、
前記浄化材と前記重合体結合材との混合原料を得る混合工程と、
前記中子に、多数の細孔を有する筒形コアを被せ、前記金型内に、前記混合原料を充填する充填工程と、
前記混合原料を前記重合体結合材が溶融する温度まで加熱し、さらに加圧した後、冷却により硬化させて前記浄化部を成形すると共に、前記筒形コアと前記浄化部とを一体化してフィルター成形体とする成形工程と、
前記金型から、前記フィルター成形体を取り出す脱型工程と、を有することを特徴とする。

この構成によると、フィルター成形体は、金型で型付けされるため、所定の形状が安定して得られ、寸法精度もよい。また、筒形コアと浄化部とを一体成形することにより、寸法精度よく所定の形状が安定して得られ、反りのないフィルター成形体が得られる。すなわち、この構成によると、寸法精度が良く所定の形状が安定して得られると共に、反りのないフィルター成形体が得られる。

本発明のフィルター成形体の製造方法は、前記浄化材が、繊維状活性炭を含むものであってもよい。

この構成によると、繊維状活性炭を多く含む場合、異方性のある浄化部となり、反り易くなる。この場合、硬質の筒形コアによる反り抑制は有効に働く。

本発明のフィルター成形体の製造方法は、前記筒型コアの前記多数の細孔は、前記浄化部に対するアンカー効果がある表面粗度を備えるものが好ましい。

この構成によると、アンカー効果により、浄化部と筒形コアとを一体化し易い。

本発明の実施形態に係る製造方法で得られるフィルター成形体を用いた蛇口直結型水処理器の断面図である。 本発明の実施形態に係る製造方法において、金型に原料を充填した状態を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る製造方法において、フィルター成形体を成形している状態を示す部分拡大断面図である。 本発明の実施形態に係る製造方法において、フィルター成形体を側型から外している途中の状態を示す断面図である。 本発明の変形実施形態に係る製造方法で得られるフィルター成形体を用いた蛇口直結型水処理器の断面図である。 本発明の変形実施形態に係る製造方法において、金型に原料を充填した状態を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態の製造方法によって得られるフィルター成形体１は、多数の細孔をもつ円筒形コア１１の外周に浄化部１０が一体化されたものであって、全体として円筒状である。
このフィルター成形体１は、例えば図１に示すような蛇口直結型の水処理器１００の水処理器用フィルター１０１に使用される。
水処理器用フィルター１０１は、水処理器１００内に形成されたフィルター収容室１００ａに収容される。水処理器用フィルター１０１は、フィルター成形体１と、フィルター成形体１の外周面を被覆する濾過層１０２と、フィルター成形体１の上面及び下面に取り付けられる一対のキャップ１０３で構成される。キャップ１０３は、フィルター成形体１に密着して（水密性をもって）取り付けられている。水処理器１００内には、蛇口１０６から供給される水の流れを切り換える切換板１０４が配置されており、図１に実線で示す位置に切換板１０４が配置されている状態では、蛇口１０６から供給された水は水処理器用フィルター１０１を通過する。具体的には、水処理器用フィルター１０１を通過する水の流れは、まず、濾過層１０２を通過して比較的大きなごみ等が除去された後、フィルター成形体１の浄化部１０を通過することで塩素や有機物等が除去されて、その後、浄水口１０５から外部に流出する。
このとき、多数の細孔をもつ円筒形コア１１があるため、フィルター中央の孔部に配置され浄化材を通過した水が、円筒形コア１１表面の細孔から円筒内部の空間に入り、浄水口１０５へ流れていく。

このフィルター成形体１は、多数の細孔をもつ円筒形コア１１の外周に浄化部１０が一体化されたものである。

円筒形コア１１は、例えば、樹脂、金属、セラミックスなどの硬質材料で形成される。この円筒形コア１１は、硬質材料であるので、浄化部１０を支えて、補強する形状保持機能を備える。
また、多数の細孔は、浄化部１０を通過した水が、円筒形コア１１の中心孔に向かって流出することを許容する程度に設けられている。
さらに、多数の細孔は、多孔質な表面、すなわち粗い表面を形成する。この表面粗度の程度は、浄化部１０に対するアンカー効果を発揮する程度である。このアンカー効果により浄化部１０と円筒形コア１１とは一体化され、上記形状保持機能が確保される。
具体的には、多数の細孔の大きさは、０．００１〜０．２ｍｍのものが好ましい。また、表面粗度でいうときは、算術平均粗さＲａが、０．８〜１００のものが好ましい。

浄化部１０は、活性炭からなる浄化材を、高分子量で低メルトインデックスの重合体結合材をバインダーとして固化した固体活性炭成形体である。重合体結合材には、平均分子量が数十万〜数百万程度の超高分子量ポリエチレンなどの粒子状の樹脂が用いられる。 フィルター成形体１は、浄化材が重合体結合材により結合することで多数の空隙を含む多孔質体となっている。浄化材は、この空隙に露出するように重合体結合材に固着しており、空隙を通る水に含まれる不純物（塩素、有機物等）を吸着できる。

（浄化材）
原料の浄化材としては、６０メッシュパス程度の粒状または粉末状の活性炭を用いることが好ましい。「メッシュ」は、網目の大きさを表す尺度である。「メッシュパス」は、そのメッシュを通過する全ての粒子を意味し、メッシュパスが大きいほど粒径が小さいことを示す。６０メッシュパスは、６０メッシュ（１インチ（＝２５．４ｍｍ）平方中に縦６０本横６０本の網目）の篩を通過する全ての粒子を意味する。６０メッシュパス未満の比較的大きな径の粒状の活性炭を用いると、重合体結合材で活性炭を固めることが困難になるので好ましくない。
また、繊維状の活性炭を用いてもよい。繊維状活性炭としては、比表面積１０００ｍ^２／ｇ以上、繊維長２ｍｍ以下、繊維径１ｍｍ以下のものが好ましい。
特に、繊維状活性炭を多く配合したような異方性がある成形体の場合に、反りが生じやすい。そこで、硬質の円筒形コア１１を用いることで反りを抑制することができる。すなわち、特に異方性がある成形体において、円筒形コア１１の反り抑制効果が大きく発揮される。
なお、フィルター成形体１の浄化材には、繊維状の活性炭だけを用いてもよく、粒状又は粉末状の活性炭と繊維状の活性炭とを混合して用いてもよい。
また、フィルター成形体１の浄化材は、活性炭に加えて、もしくは活性炭の代わりに、例えば、ゼオライト、キレート繊維、シリカ、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ウォラストナイト、ガラス繊維、珪酸チタニウム、ヒドロキシアパタイト、イオン交換樹脂、銀添着活性炭などを含んでいてもよい。

（重合体結合材）
原料の重合体結合材としては、例えば、平均粒径が約１０〜２００μｍのオレフィン系の熱可塑性樹脂である粉末状の超高分子量ポリエチレンを用いる。超高分子量ポリエチレンは、単体の粒子であってもよく、粒子同士がぶどう房状に結合した嵩密度０．３ｇ／ｃｍ³未満の複合粒子であってもよい。重合体結合材は溶融時に流動しにくい、または、流動しないことが好ましい。重合体結合材のメルトインデックスは、２．３ｇ／１０ｍｉｎ（ＡＳＴＭ Ｄ１２３８、１９０℃、１５ｋｇＬｏａｄ）以下が好ましく、１．０ｇ／１０ｍｉｎ以下がより好ましく、０ｇ／１０ｍｉｎがさらに好ましい。「メルトインデックス」は、高分子材料の溶融時の流動性を表す尺度であり、この値が小さいほど流動性が低いことを示す。重合体結合材のメルトインデックスが、２．３ｇ／１０ｍｉｎを超えると、フィルター成形体１の成形時に溶融したポリマーが活性炭の細孔部を覆ってしまい、不純物等を吸着する機能が低下するので好ましくない。
なお、フィルター成形体１の重合体結合材は、高分子量で低メルトインデックスであれば、超高分子量ポリエチレン以外の熱可塑性樹脂を用いてもよい。また、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂を用いてもよい。

以下、フィルター成形体１を製造する際に使用する金型２について説明する。

図３に示すように、金型２は、円筒状の側型３と、上型４と、下型５とを有しており、これらはアルミや鉄などの金属で形成されている。

円筒状の側型３は、その筒軸方向が上下方向となるように配置される。この側型には、図示されない加熱・冷却機能が備えられている。

下型４は、側型３の筒軸方向の下方（一方側）に着脱可能に配置されている。この下型４は、側型３の下方（一方側）に配置される円盤状の底板４ａと、底板４ａの上面の中心から筒軸方向上方に延在した中子４ｂとを有する。底板４の上面には、側型３の下側部分の内側に嵌合される凸部が形成されている。中子４ｂは、フィルター成形体１の中央の孔を形成するためのものであり、側型３内の上方の位置まで延びている。この中子４ｂは、別体とし、底板４ａに、嵌め込んで又はねじ込んで用いられるものが好ましい。これにより、下型４は、底板４ａに対して中子４ｂを取り外し自在又は交換自在に有することができる。

上型５は、側型３の筒軸方向の上方（他方側）に、筒形内を移動可能に配置されている。この上型５は、円筒状に形成されており、上型５の中央の孔５ａには、中子４ｂが挿入される。上型５の外径は、一定であって、側型３の内面 を上下方向に直線状に移動可能である。これにより、金型２内を加圧できる。
なお、中央の孔５ａの下方端には、フィルター成形体１の円筒形コア１１の先端が入る逃がし孔５ｂが設けられている。これにより、円筒形コア１１が加圧によりつぶされることはない。

図３のように、側型３の下方が下型４で閉じられ、側型３の筒内に上型５が挿入され、上型５の孔５ａ内に中子４ｂの上端が挿入されると、側型３の筒形内面と、下型４の上端面及び中子４ｂ外面と、上型５の下端面とによって、フィルター成形体１を成形するキャビティ（成形空間）が形成される。キャビティは、直線状の円筒状である。

以下、フィルター成形体１の製造方法について説明する。

（混合撹拌工程）
円筒形フィルター成形体１の浄化部１０を形成する原料の浄化材、重合体結合材を、ヘンシェルミキサーやタンブラー等の混合装置の撹拌槽に投入して、撹拌することにより均一に混合する。混合原料９に対する重合体結合材の含有率は、例えば３〜７０質量％であって、５〜５０質量％が好ましい。

（充填工程）
図２には、図３で説明した金型２を用いた充填工程の様子が示される。
まず、中子４ｂの外周に多数の細孔をもつ円筒形コア１１を被せてセットする。そして、金型２内に混合原料９を充填する。
金型２内に混合原料９を充填する際には、図２に示すように、上型５は外しておき、側型３と下型４とを組み付ける。この状態で、図示しない漏斗を上方から側型３内に挿入して、漏斗の先端を下型４の上端面に接触させる。そして、漏斗に混合原料９を投入した後、漏斗を徐々に上方に移動させて側型３から抜き取る。これにより、混合原料９が金型２内に充填される。なお、混合原料９は漏斗を用いずに金型２内に充填してもよい。

（成形工程）
金型２内に混合原料９を充填した後、図３に示すように、上型５の孔５ａに中子４ｂを挿入しながら上型５を側型３内に挿入して、所定温度（例えば２００℃）で所定時間（例えば１時間）加熱して、重合体結合材を溶融させる。その後、上型５を下方に移動させることによって混合原料を加圧する。その後、冷却して重合体結合材を固化させて、円筒形コア１１と浄化部１０とが一体化したフィルター成形体を１成形する。

（脱型工程）
成形されたフィルター成形体１を金型２から脱型する。具体的には、先ず、下型４を下方に抜き取る。次に、図４に示すように、上型５を下方に押し込むことにより、フィルター成形体１を下方に押圧してフィルター成形体を側型３から押し出す。その後、フィルター成形体１を上型５から外す。以上により、フィルター成形体１が脱型される。

（切断工程）
脱型されたフィルター成形体１は、充填工程における充填量を調整するなどにより、所定長さになるように成形される。しかし、円筒形コア１１の特に上端が必要以上にはみ出す場合がある。この場合、はみ出した部分をカットして、両端からのはみ出しをなくする。そして、所定長さのフィルター成形体１とされる。なお、数本分の長いフィルター成形体１とし、その途中をカットして所定の長さにしてから、水処理器等に使用してもよい。

（切断工程のない変形実施形態）
図５に示すように、所定長さの浄化部１０の上下両側に、ほぼ均等に円筒形コア１３の両端がはみ出したフィルター成形体１２であると、脱型工程後に、直接製品が得られる。両側に円筒形コア１３がはみ出す場合、上下のキャップ１０３に座ぐり１０３ａを設け、この座ぐり１０３ａに円筒形コア１３のはみ出し部分を嵌め込む使い方になる。
このようなフィルター成形体は、図６に示す金型２を用いて得られる。底板４ａの中子４ｂ周りに、円筒形コア１３下端のはみ出し部分が嵌まる座ぐり４ｃが設けられている。金型２に充填される混合材料の量を所定量とし、中子４ｂに被せられる円筒形コア１２の長さを所定長さにし、成形条件を適切に調整すると、所定長さの浄化部１０の上下両側に、ほぼ均等に円筒形コア１３の両端がはみ出したフィルター成形体１２が得られる。

上記の実施形態によると、以下の効果を奏する。
従来の湿式成形加工方法は、コアを起点に、その外周に活性炭を積み上げていく方式なので、フィルター成形体の外形が太鼓状になりやすい。それに対し、本実施形態では、金型２で外形が型付けされる方式なので所定の形状が安定して得られ、寸法精度もよい。
しかし、従来の乾式成形加工方法でもコアを用いないフィルター成形体では、原料の配合組成によっては金型から脱型後に反りが生じやすい。そこで、本実施形態のように、硬質の円筒形コア１１を用いることで反りを抑制することができる。特に異方性があるフィルター成形体１で反り抑制効果が大きい。
すなわち、原料の配合組成に係わらず、本実施形態により、円筒形コア１１と浄化部１０とを一体的に成形することで、寸法精度よく所定の形状が安定して得られ、反りのないフィルター成形体１が得られる。

しかも、本実施形態に用いられる金型２は、従来の乾式成形加工方法に用いられる金型を殆どそのまま流用できる。すなわち、中子４ｂに円筒形コア１１を被せ、この円筒形コア１１と浄化部１０とを一体的に成形するという点が加わるだけである。そのため、装置的にも、工程的にも、付加・変更を最小限にして、形状安定性に優れたフィルター成形体１を得ることができる。

また、円筒形コア１１は、多数の細孔を有する多孔質であるので表面が粗く、アンカー効果により浄化部１０と一体化しやすい。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能である。

本発明の製造方法で製造されるフィルター成形体１の形状は円筒状に限らない。また、フィルター成形体１の断面形状は、楕円状や矩形状など円形状以外の筒状であってもよい。また、円筒形コア１１の断面形状も、同様に、楕円状や矩形状など円形状以外のものであってもよい。

本発明の製造方法で製造されるフィルター成形体１は、蛇口直結型の水処理器の他、種々の形態の水処理器に使用できる。例えば、フィルター成形体１は、シンク内に配置されて蛇口とホースを介して接続される浄水器に使用してもよく、また、シャワーのハンドルを兼ねて構成された浄水器に使用してもよい。さらには、ポットピッチャー型浄水器に使用してもよい。また、本発明の製造方法で製造されるフィルター成形体１は、空気から汚染物質を除去する空気清浄機に使用してもよい。

以下、本発明の具体的な実施例について説明する。

浄化材として、６０メッシュパスの粒状の活性炭と、繊維状活性炭（比表面積１３００ｍ^２／ｇ、繊維径１６．５μｍ）とを、１対１の割合で混合したものを使用した。重合体結合材は、平均分子量が２０万〜５００万の高分子量でメルトインデックスが１．５ｇ／１０ｍｉｎ（ＡＳＴＭ Ｄ１２３８、１９０℃、１５ｋｇＬｏａｄ）の超高分子量ポリエチレン（Ｔｉｃｏｎａ Ｇｍｂｈ製、ＧＵＲ２１０５）を使用した。原料における重合体結合材の含有率は１０質量％とした。
円筒形コアとして外径８．３ｍｍ、内径５．１ｍｍ、長さ９５ｍｍのＰＴＦＥ製多孔質パイプを用い、加熱温度２００℃、加熱時間１時間の条件で、外径２５ｍｍ、長さ９０ｍｍのフィルター成形体を作製した結果、反りの無い成形体が得られた。

１、１２ フィルター成形体
２ 金型
３ 側型
４ 下型
４ｂ 中子
５ 上型
９ 混合材料
１０ 浄化部
１１、１３ 円筒形コア（筒形コア）

Claims (3)

1. 水などの液体または大気などの気体から汚染物質または不純物を除去するために用いられ、浄化材と高分子量で２．３ｇ／１０ｍｉｎ（ＡＳＴＭ Ｄ１２３８、１９０℃、１５ｋｇＬｏａｄ）以下の低メルトインデックスの重合体結合材とを含む浄化部を備えるフィルター成形体の製造方法であって、
   筒形に形成されている側型と、
   前記側型の筒軸方向の一方側に配置され、前記筒形内の前記筒軸方向に延在する中子を有する下型と、
   前記側型の前記筒軸方向の他方側に前記筒形内を移動可能に配置され、前記中子が挿入される孔を有する上型と、を備えており、
   前記側型の筒形内面と前記下型の端面及び前記中子外面と前記上型の端面によって、前記フィルター成形体を成形するキャビティが形成される金型を使用し、
   前記浄化材と前記重合体結合材との混合原料を得る混合工程と、
   前記中子に、多数の細孔を有し、樹脂、金属、又はセラミックスの硬質材料で形成された円筒形コアを被せ、前記金型内に、前記混合原料を充填する充填工程と、
   前記混合原料を前記重合体結合材が溶融する温度まで加熱し、さらに加圧した後、冷却により硬化させて前記浄化部を成形すると共に、前記円筒形コアと前記浄化部とを一体化してフィルター成形体とする成形工程と、
   前記金型から、前記フィルター成形体を取り出す脱型工程と、
   を有することを特徴とするフィルター成形体の製造方法。
2. 前記浄化材が、繊維状活性炭を含む請求項１に記載のフィルター成形体の製造方法。
3. 前記円筒形コアの前記多数の細孔は、前記浄化部に対するアンカー効果がある表面粗度を備える請求項１又は２に記載のフィルター成形体の製造方法。

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