JP7017624B2 - エレクトレット化シート及びフィルター - Google Patents
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Description
(1)熱可塑性樹脂を含有する多孔性フィルムであるコア層(A)と、
前記コア層(A)の一方の面側に設けられた表面層(X)と、他方の面側に設けられた裏面層(Y)と、を有し、
前記表面層(X)及び裏面層(Y)の最表面が帯電しているエレクトレット化シートであって、
前記エレクトレット化シートの水蒸気透過係数が、0.1~2.5g・mm/m2・24hrであり、
前記コア層(A)の空孔のアスペクト比が5~50であり、かつ空孔の平均高さが2.5~15μmであり、
前記表面層(X)及び裏面層(Y)の厚みが、各々5~200μmであり、
前記表面層(X)が、前記最表面を含むヒートシール層(B)を含み、
前記ヒートシール層(B)の融点が、50~140℃であり、前記コア層(A)の融点よりも低く、
前記コア層(A)が、金属石鹸を0.07~10質量%含有する、
ことを特徴とするエレクトレット化シート。
ことを特徴とする前記(1)に記載のエレクトレット化シート。
ことを特徴とする前記(1)又は(2)に記載のエレクトレット化シート。
ことを特徴とする前記(1)~(3)のいずれかに記載のエレクトレット化シート。
ことを特徴とする前記(1)~(4)のいずれかに記載のエレクトレット化シート。
前記無機フィラー及び有機フィラーの体積平均粒径が、0.1~30μmである、
ことを特徴とする前記(1)~(5)のいずれかに記載のエレクトレット化シート。
前記(1)~(6)のいずれかに記載のエレクトレット化シートであって波板状のエレクトレット化シートと、前記(1)~(6)のいずれかに記載のエレクトレット化シートであって平板状のエレクトレット化シートと、が交互に積層され、
前記積層された各エレクトレット化シートが互いに熱融着された接合部を有する、
ことを特徴とするフィルター。
以下の説明において、「(メタ)アクリル」の記載は、アクリルとメタクリルの両方を示す。また、「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
本発明のエレクトレット化シートは、熱可塑性樹脂を含有する多孔性フィルムであるコア層(A)と、コア層(A)の一方の面側に設けられた表面層(X)と、他方の面側に設けられた裏面層(Y)と、を有する。表面層(X)及び裏面層(Y)の最表面は帯電しており、表面層(X)はその最表層を含むヒートシール層(B)を有する。なお本発明のエレクトレット化シートは、裏面層(Y)も、その最表層を含むヒートシール層(B)を有することができる。
図1に示すように、エレクトレット化シート11は、コア層2、ヒートシール層3及び裏面層4を有する。ヒートシール層3はコア層2の一方の面に積層され、裏面層4はコア層2の他方の面に積層されている。エレクトレット化シート11の例では、表面層(X)はヒートシール層(B)からなる。
図2に示すように、エレクトレット化シート12は、コア層2と、コア層2の両面にそれぞれ積層された表面層4a及び裏面層4を有する。表面層4aは、コア層2の一方の面上の最表層としてヒートシール層3を有し、コア層2とヒートシール層3間に中間層5を有する。エレクトレット化シート12の例では、表面層(X)はヒートシール層(B)と中間層(C)からなる。
コア層(A)は、上述のように、少なくとも熱可塑性樹脂を含有する多孔性フィルムである。コア層(A)は、エレクトレット化によって、表面又は内部に電荷を保持して帯電し、塵、埃等の異物を吸着する静電吸着力をエレクトレット化シートに付与する。
コア層(A)として用いることができる熱可塑性樹脂は、特に限定されないが、絶縁性に優れた熱可塑性樹脂は、コア層(A)内部に蓄積した電荷が保持されやすいため、好ましい。
エチレン-酢酸ビニル共重合体、エチレン-(メタ)アクリル酸共重合体、エチレン-(メタ)アクリル酸共重合体の金属塩(アイオノマー)、エチレン-(メタ)アクリル酸アルキルエステル共重合体(アルキル基の炭素数は1~8であることが好ましい)、マレイン酸変性ポリエチレン、マレイン酸変性ポリプロピレン等の官能基含有オレフィン系樹脂;
芳香族ポリエステル(ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等)、脂肪族ポリエステル(ポリブチレンサクシネート、ポリ乳酸等)等のポリエステル系樹脂;
ナイロン-6、ナイロン-6,6、ナイロン-6,10、ナイロン-6,12等のポリアミド系樹脂;
シンジオタクティックポリスチレン、アタクティックポリスチレン、アクリロニトリル-スチレン(AS)共重合体、スチレン-ブタジエン(SBR)共重合体、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン(ABS)共重合体等のスチレン系樹脂 ;
ポリ塩化ビニル樹脂;
ポリカーボネート樹脂;
ポリフェニレンスルフィド等が挙げられる。
ポリプロピレン系樹脂としては、例えば結晶性ポリプロピレン、低結晶性ポリプロピレン、非晶性ポリプロピレン、プロピレン・エチレン共重合体(ランダム共重合体又はブロック共重合体)、プロピレン・α-オレフィン共重合体、プロピレン・エチレン・α-オレフィン共重合体等)等が挙げられる。
なお前記α-オレフィンとしては、エチレン及びプロピレンと共重合可能であれば特に限定されず、例えば、エチレン、プロピレン、1-ブテン、1-ペンテン、1-ヘキセン、4-メチル-1-ペンテン、1-ヘプテン、1-オクテン等を挙げることができる。
これら熱可塑性樹脂のなかでも、絶縁性と加工性に優れるポリオレフィン系樹脂又は官能基含有オレフィン系樹脂が好ましい。
また、上述したポリオレフィン系樹脂のなかでも、ポリプロピレン系樹脂が、絶縁性、加工性、耐水性、耐薬品性、コスト等の観点から特に好ましい。ポリプロピレン系樹脂には、フィルム成形性の観点からプロピレン単独重合体よりも融点が低い樹脂を、熱可塑性樹脂全量に対して2~25質量%配合して使用することが好ましい。そのような融点が低い樹脂としてはポリエチレン系樹脂が挙げられ、なかでも高密度又は低密度のポリエチレンが好ましい。
コア層(A)は、無機フィラー及び有機フィラーからなる群より選ばれる少なくとも1つを含有することが好ましい。無機フィラー又は有機フィラーの含有により、コア層(A)中に空孔(ボイド)を形成し、熱可塑性樹脂と空気との界面(表面積)を増加させることで、コア層(A)の帯電性が向上しやすくなる。また、コア層(A)の表面に無機フィラー又は有機フィラーに起因する起伏(突起構造)を形成して、コア層(A)の表面を粗面とすることができる。粗面化により、コア層(A)の表面積が増大し、エレクトレット化シートの吸着面積が大きくなる結果、フィルターの集塵効果を高めることができる。
なおフィラーの体積平均粒径は、コア層(A)の切断面を電子顕微鏡で観察し、少なくとも10個の粒子の最大径を測定したときの平均値を、溶融混練と分散により熱可塑性樹脂中に分散したときの体積平均粒子径として求めることができる。
コア層(A)は、金属石鹸を含有することができる。従来、樹脂フィルムが金属石鹸を含むと、樹脂フィルムの誘電率が高くなって電荷保持性能が低下するとともに、耐熱性が低下すると考えられていた。ところが、本発明者らの検討により、実は金属石鹸を含有することにより、帯電性を低下させることなく耐熱性を向上させることができることが判明した。すなわち、コア層(A)が金属石鹸を含有することにより、コア層(A)の電荷保持性能を高めやすく、このコア層(A)をエレクトレット化して得られたエレクトレット化シートは、高温環境下で保管又は使用された場合でもその電荷保持性能の低下を抑えやすくなる。また水洗後に加熱乾燥した場合も、電荷保持性が低下しないため好ましい。
さらに、金属石鹸を適量配合することにより、得られるエレクトレット化シートの水洗後の帯電性の低下を抑制する効果も増大することが判明した。
一方で、金属石鹸の十分な効果が得つつ、ブリードアウト等の発生を抑制する観点から、コア層(A)における金属石鹸の含有量は、10質量%以下が好ましく、5質量%以下がより好ましく、3質量%以下がさらに好ましく、1.0質量%以下が特に好ましく、0.7質量%以下が最も好ましい。
コア層(A)は、必要に応じて、熱安定剤(酸化防止剤)、光安定剤、分散剤、滑剤等の添加剤を含有することができる。コア層(A)が熱安定剤を含有する場合、その含有量は通常0.001~1質量%である。熱安定剤としては、例えば立体障害フェノール系、リン系、アミン系等の安定剤等が挙げられる。コア層(A)が光安定剤を使用する場合、その含有量は通常0.001~1質量%である。光安定剤としては、例えば立体障害アミン系やベンゾトリアゾール系、ベンゾフェノン系の光安定剤等が挙げられる。分散剤又は滑剤は、例えば無機フィラー又は有機フィラーを分散させる目的で使用することができる。分散剤又は滑剤の使用量は、通常0.01~4質量%の範囲内である。分散剤又は滑剤としては、例えばシランカップリング剤、オレイン酸やステアリン酸等の高級脂肪酸、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、それらの塩等が挙げられる。
コア層(A)は、単層構造であってもよいし、多層構造であってもよい。
多層構造のコア層(A)は、エレクトレット化によって電荷を注入するときの耐電圧性能の向上、注入した電荷が外部に逃げないように封じこめる機能の向上、エレクトレット化シート同士の接合等の2次加工適性、帯電防止性等の様々な機能を付与することが可能となる。
コア層(A)は、押出成形によりフィルム成形されることが好ましい。押出成形としては、例えばコア層(A)の融点又はガラス転移温度よりも高い温度に設定した押出機でコア層(A)の原料を溶融混練し、Tダイ、Iダイ等を使用してシート状に押出し、金属ロール、ゴムロール、金属ベルト等で冷却するシート成形や、円形のダイを使用してチューブ状に押出しチューブ内の内圧力により一定の倍率に膨らませながら、空気や水で冷却するインフレーション成形等が挙げられる。コア層(A)をシート成形する場合は、冷却用の金属ロール又はゴムロールとして表面が凹凸形状を有するロールを使用して、表面を粗面化してもよい。粗面化により、エレクトレット化シートの吸着面積が大きくなり、フィルターの集塵効果が向上する。
コア層(A)は、少なくとも1軸方向に延伸された延伸フィルムであることが好ましい。樹脂フィルムの延伸は、通常用いられる種々の方法のいずれかによって行うことができる。 コア層(A)が単層である場合は、当該層が1軸延伸又は2軸延伸によって形成された層であることが好ましく、コア層(A)が多層構造である場合は、例えば各層の延伸軸数がそれぞれ、1軸/1軸、1軸/2軸、1軸/1軸/2軸、1軸/2軸/1軸、1軸/2軸/2軸、2軸/2軸/2軸等である積層構造を含むものが挙げられる。
表面層(X)は、コア層(A)の一方の面側に設けられ、帯電処理によってコア層(A)に形成された電気双極子に対して、結露水等の外部の影響を受けにくくする保護層としての機能を持つ。表面層(X)は後述するヒートシール層(B)のみからなる単層であってもよく、コア層(A)とヒートシール層(B)の間に、後述する中間層(C)を有していてもよい。なお中間層(C)は一層であっても、二層以上であってもよい。
ヒートシール層(B)は、上述のように表面層(X)の最表層に位置し、このヒートシール層(B)を熱融着させることにより、エレクトレット化シート同士を接合することができる。
ポリプロピレン系樹脂としては、結晶性の比較的低い樹脂が好ましく、例えば非晶性ポリプロピレン、プロピレン・エチレン共重合体(ランダム共重合体又はブロック共重合体)、プロピレン・α-オレフィン共重合体、プロピレン・エチレン・α-オレフィン共重合体等)等が挙げられる。
なお上記α-オレフィンとしては、エチレン及びプロピレンと共重合可能であれば特に限定されず、例えば、エチレン、プロピレン、1-ブテン、1-ペンテン、1-ヘキセン、4-メチル-1-ペンテン、1-ヘプテン、1-オクテン等を挙げることができる。
なかでも帯電性が良好なポリオレフィン系樹脂が好ましく、熱融着性を向上させる観点から、低密度ポリエチレン又はプロピレン・エチレン共重合体(ランダム共重合体又はブロック共重合体)がより好ましく、低密度ポリエチレンがさらに好ましい。
中間層(C)は、上述のように、表面層(X)の一部として、コア層(A)とヒートシール層(B)の間に設けることができる。中間層(C)により表面層(X)の厚みを調整して、コア層(A)の表面電荷の移動をより抑制することができる。また、中間層(C)の比誘電率を調整することによって、コア層(A)の電荷保持性能を向上させることもできる。
中間層(C)は延伸された層であると、表面層(X)の厚みの均一性を高めることができるため好ましい。表面層(X)の厚みの均一性が高いと、エレクトレット化時の高電圧下において薄い箇所への放電の局所集中を減らすことができ、表面層(X)の電気特性の均一性を向上させることができる。
裏面層(Y)は、上述のように、コア層(A)に対してヒートシール層(B)が設けられる面と反対の面側に設ける。裏面層(Y)がコア層(A)の他方の面を覆うことにより、コア層(A)の他方の面からの電荷の移動を減らすことができる。また、裏面層(Y)によって、エレクトレット化の際に高電圧下でより多くの電荷を注入しやすくなる。
エレクトレット化シートは、コア層(A)、ヒートシール層(B)を含む表面層(X)及び裏面層(Y)を含む積層シートにエレクトレット化処理を施し、積層シートの表面又は内部に電荷を保持させることにより得られる。
積層シートのエレクトレット化は、後述するフィルターの製造プロセスの前でも後でも途中でもよい。立体構造物を均一にエレクトレット化するためにはエレクトレット化装置の構成が複雑になる。そのため、簡易な構成の装置によりエレクトレット化する観点からは、あらかじめ積層シートをエレクトレット化し、得られたエレクトレット化シートを用いてフィルターを構成することが好ましい。
エレクトロエレクトレット化法としては、例えば直流高圧電源に接続された印加電極とアース電極の間に積層シートを固定するバッチ方式か、又は通過させる搬送方式が好ましい。エレクトロエレクトレット化方法では、針状の電極を等間隔で無数に配置するか、金属ワイヤーを使用し、アース電極には平らな金属板か金属ロールを使用することが好ましい。
図3は、直流式コロナ放電処理に使用される、バッチ方式のエレクトレット化装置の一例を示している。図3に示すように、エレクトレット化装置70は、直流高圧電源71に、針状の主電極(印加電極)72と、平板状の対電極(アース電極)73が接続されている。エレクトレット化装置70では、主電極72と対電極73の間にエレクトレット化するフィルム10(例えば前述の積層シート)を設置する。直流高圧電源71により主電極72と対電極73間に直流高電圧を印加して、コロナ放電を生じさせることにより、フィルム10に電荷を注入することができる。
直流式コロナ放電処理によってコア層(A)に導入される電荷の量は、処理時に主電極と対電極に流れた電流量に依存する。電流量は両電極間の電圧が高いほど多くなる。そのため、印加電圧は、より高い処理効果を望む場合、コア層(A)が絶縁破壊しない程度に高く設定することが好ましい。一方、一般的な直流コロナ放電処理を想定した場合、印加電圧は、具体的には1~100kVが好ましく、3~70kVがより好ましく、5~50kVの範囲がさらに好ましく、10~30kVが特に好ましい。
主電極と対電極の材質は、導電性の物質から適宜選択されるが、通常は鉄、ステンレス、銅、真鍮、タングステン等の金属製又はカーボン製の材料が用いられる。
<厚み>
コア層(A)の厚みは、好ましくは10μm以上、より好ましくは20μm以上、さらに好ましくは30μm以上である。コア層(A)が厚いほど、コア層(A)に十分な電荷を蓄積できるため、耐水性の優れたエレクトレット化シートが得られやすい。一方で、コア層(A)の厚みは、好ましくは300μm以下、より好ましくは200μm、より好ましくは100μm以下である。コア層(A)が薄いほど、コルゲート加工等の波板状にするための曲げ加工の際に空孔がつぶれにくく、細かいピッチのコルゲート加工が容易となるため、集塵効果の高いフィルターが得られやすい。
一方、コア層(A)とヒートシール層(B)の間に中間層(C)を設ける場合、ヒートシール層(B)と中間層(C)の厚みの合計が表面層(X)の厚みに相当する。この場合、ヒートシール層(B)の厚みは1μm以上であることが好ましく、2μm以上であることがより好ましく、3μm以上であることが更に好ましい。ヒートシール層(B)の厚みを下限値以上とすることにより、安定した接着強度を発現するため好ましい。一方、電荷保持の観点から、ヒートシール層(B)の厚みは50μm以下であることが好ましく、20μm以下であることがより好ましく、10μm以下であることが更に好ましく、7μm以下であることが特に好ましい。
また、エレクトレット化シートを構成する各層の厚みは、次のようにして測定することができる。測定対象試料を液体窒素にて-60℃以下の温度に冷却する。ガラス板上に置いた試料に対して、カミソリ刃(シック・ジャパン(株)製、商品名:プロラインブレード)を直角に当てて切断し、断面観察用の試料を作成する。走査型電子顕微鏡(日本電子(株)製、商品名:JSM-6490)を使用して、得られた試料の断面画像を観察し、空孔形状及び組成外観から各層の境界線を判別する。各層の境界線から、エレクトレット化シートの総厚みに対する各層の厚み比率を算出する。厚み計で測定したエレクトレット化シートの総厚みと、断面画像の倍率比及び各層の厚み比率から、各層の厚みを求める。
コア層(A)及びコア層(A)を有するエレクトレット化シートは、内部に微細な空孔を有する。コア層(A)中の空孔の割合を表す空孔率は、1%以上であることが好ましく、より好ましくは5%以上であり、さらに好ましくは25%以上である。空孔率が大きいほど、帯電減衰速度が遅くなり、フィルター性能の持続性が向上しやすい。一方、コア層(A)の空孔率は、70%以下が好ましく、より好ましくは60%以下であり、さらに好ましくは55%以下である。空孔率が小さいほど、互いに連通する空孔が減り、電荷の保持能力が向上する傾向がある。したがって、コア層(A)の空孔率は、1~70%であることが好ましく、より好ましくは5~60%であり、さらに好ましくは25~55%である。空孔率を上記範囲に制御することにより、埃等の吸着力が安定しやすい。
コア層(A)及びエレクトレット化シートの空孔界面数は、好ましくは50個/mm以上、より好ましくは70個/mm以上、さらに好ましくは100個/mm以上である。空孔界面数が多いほど、コア層(A)は十分な電荷を保持しやすくなり、耐水性に優れたエレクトレット化シートが得られる傾向がある。一方で、コア層(A)の空孔界面数は、好ましくは1000個/mm以下、より好ましくは800個/mm以下、さらに好ましくは600個/mm以下、特に好ましくは500個/mm以下である。空孔界面数が少ないほど、空孔の高さ(コア層(A)の厚み方向における空孔の直径)を充分に確保でき、空孔内部に電荷を保持しやすい傾向がある。以上より、コア層(A)及びエレクトレット化シートの空孔界面数は、50~1000個/mmが好ましく、70~800個/mmがより好ましく、100~800個/mmがさらに好ましく、100~600個/mmが特に好ましく、100~500個/mmが最も好ましい。
コア層(A)の厚み方向における空孔の平均直径(以下、単に「空孔の平均高さ」と称することがある)は、好ましくは2.5μm以上、より好ましくは3.0μm以上、さらに好ましくは4.0μm以上である。空孔の平均高さが大きいほど、空孔内部に電荷を蓄積しやすい傾向があり、耐水性に優れたエレクトレット化シートが得られやすい。一方で、コア層(A)の空孔の平均高さは、好ましくは15μm以下、より好ましくは12μm以下、さらに好ましくは10μm以下である。空孔の平均高さが小さいほど、空孔内部に電荷を蓄積しやすい傾向があり、耐水性に優れたエレクトレット化シートとなる傾向がある。以上より、空孔の平均高さは、2.5~15μmが好ましく、3.0~12μmがより好ましく、4.0~10μmがさらに好ましい。
コア層(A)の空孔のアスペクト比は、好ましくは5以上、より好ましくは10以上、さらに好ましくは15以上である。コア層(A)の空孔のアスペクト比が大きいほど、空孔内部に電荷を維持しやすい傾向があり、耐水性に優れたエレクトレット化シートが得られやすい。一方、コア層(A)の空孔のアスペクト比は、好ましくは50以下、より好ましくは45以下、さらに好ましくは40以下である。空孔のアスペクト比が小さいほど、空孔同士が連通し、端面から空気又は水が流入して電荷が消失することを回避しやすい。
エレクトレット化シートの水蒸気透過係数は、連通する空孔の有無を判断するものであり、水蒸気透過係数が大きければ、連通空孔表面や介在する水蒸気により電荷が放電されやすくなる。
本発明のエレクトレット化シートの水蒸気透過係数は、2.5g・mm/m2・24hr以下が好ましく、2.0g・mm/m2・24hr以下がより好ましく、1.8g・mm/m2・24hr以下がさらに好ましい。水蒸気透過係数が2.5g・mm/m2・24hr以下であると、高湿度下での帯電性の低下を抑えやすく、本発明の所期の性能を発揮しやすい。一方、エレクトレット化シートを構成する各層が含有する熱可塑性樹脂、例えばポリオレフィン系樹脂の水蒸気透過係数が0.1g/m2・24hr前後であることから、エレクトレット化シートの水蒸気透過係数は、通常0.1g/m2・24hr以上であり、0.2g・mm/m2・24hr以上であってもよく、0.3g・mm/m2・24hr以上であってもよい。したがって、上記水蒸気透過係数は、好ましくは0.1~2.5g・mm/m2・24hrであり、より好ましくは0.2~2.0g・mm/m2・24hr、さらに好ましくは0.3~1.8g・mm/m2・24hrである。
エレクトレット化シートは、フィルターを構成する部材であるとともに、電荷がフィルター外部に逃げないように封じこめる役割を有する。この電荷を封じ込める能力は、エレクトレット化シートの比誘電率ε(エレクトレット化シートの誘電率εBと真空の誘電率ε0の比εB/ε0)で表すことができる。
通常、エレクトレット化シートの比誘電率が低いほど、同じ電荷量であっても表面電位が高くなる傾向があり、埃塵の集塵効果に優れたフィルターが得られやすい。エレクトレット化シートの比誘電率は、誘電率が低い絶縁性の樹脂を含むこと、又はエレクトレット化シートの内部に空孔を形成することにより、より低い所望の範囲とすることができる。
εr = Cx × h /(ε0 × A)
εr: エレクトレット化シートの比誘電率(-)
Cx: エレクトレット化シートの静電容量(pF)
h : エレクトレット化シートの厚み(m)
ε0: 真空の誘電率 = 8.854(pF/m)
A : 主電極の面積 = 3.848×10-4(m2)
エレクトレット化シートの表面は、フィルター製造時の加工性の観点からは平滑であることが好ましいことから、エレクトレット化シートの表面の中心面平均粗さ(SRa)は、5μm以下が好ましく、4μm以下がより好ましい。一方、フィルターが吸着した異物を保持する観点からは、エレクトレット化シートの表面は凹凸を有することが好ましい。そのため、エレクトレット化シートの表面の中心面平均粗さ(SRa)は、0.1μm以上が好ましく、0.3μm以上がより好ましい。以上より、エレクトレット化シートの表面の中心面平均粗さ(SRa)は、0.1~5μmであることが好ましく、0.3~4μmであることがより好ましい。
表面層(X)、コア層(A)及び裏面層(Y)を有する積層シートをエレクトレット化してエレクトレット化シートを得るために、表面層(X)及び裏面層(Y)の表面抵抗率は、1×1013~9×1017Ωであることが好ましい。該表面抵抗率は、5×1013~9×1016Ωであることがより好ましく、1×1014~9×1015Ωであることがさらに好ましい。表面抵抗率が1×1013Ω以上であると、エレクトレット化時に付与した電荷がフィルム表面を伝って移動しにくくなり、積層シートへの電荷注入の効率の低下を抑えやすい。その結果、エレクトレット化シート表面の電荷密度の低下、空間電荷密度の低下及び静電吸着性能の低下も抑えやすい。また、エレクトレット化に必要なエネルギーも減らすことができる。一方、該表面抵抗率が9×1017Ω以下であると、公知の材料を使用してこのような高絶縁性の表面を形成しやすく、コストも下げやすい。
本発明のフィルターは、波板状のエレクトレット化シートと、平板状のエレクトレット化シートと、が交互に積層されて、空気の流路が形成され、積層された各エレクトレット化シートが互いに熱融着された接合部を有する。本発明のフィルターに使用されるエレクトレット化シートは、上述した本発明のエレクトレット化シートであるため、洗浄後の帯電性の低下及びシート同士の剥がれが少ないフィルターが得られる。
図4に示すように、本実施形態のフィルター50は、波板状のエレクトレット化シート11と平板状のエレクトレット化シート11が交互に繰り返し積層されてなる。波板状と平板状の各エレクトレット化シート11の立体構造によって、フィルター50には、空気の流路となる空間が設けられている。フィルター50は、各エレクトレット化シートがその接触部分で互いに熱融着された接合部11aを有する。
空気の流路が設けられたフィルターの立体構造は、コルゲート加工等によって形成できる。立体構造を形成した後、積層した各エレクトレット化シートが接触する部分のヒートシール層(B)を熱融着させることで、シート同士を接合し、フィルターの立体構造を固定できる。接合方法は特に限定されず、例えばコルゲート加工時にエレクトレット化シートを積層し、加熱した加圧ロールでシート表面を加熱することにより、隣接するエレクトレット化シートの接触部分を熱融着させて接合部を設けることができる。また、積層された各エレクトレット化シートを電熱線カッター等で断裁することで断裁部分を熱融着させることができる。
エレクトレット化シートをコルゲート加工してフィルターを製造する場合は、通常の紙製ハニカムコアの製造に使用するハニカムマシン等、通常の紙製段ボールの製造に使用するシングルフェーサー等のコルゲートマシンを、適宜利用して製造することができる。
<空間電荷密度>
フィルターの空間電荷密度は、フィルターの空間容積を占める電荷の総量を示す。空間電荷密度は、値が高いほど、塵や埃の捕集性能が高いことを示す。具体的には、フィルターの空間電荷密度は、フィルターのシート基材が有する電荷量を該シート基材が形成する空間容積で除算することで得られる。フィルターのシート基材が有する電荷量は実測値を用い、空間容積はフィルター形状から論理的に求めてもよく、フィルターの密度から求めてもよい。
Ss(cm2/cm3)= Ls(cm/cm2)×1cm/1cm
= Ls(cm/cm2)
Qa(nC/cm3)= Ss(cm2/cm3)× Qs(nC/cm2)
= Ls(cm/cm2)× Qs(nC/cm2)
空間電荷密度は、捕集効率を高める観点から、その下限は10nC/cm3以上であり、50nC/cm3以上が好ましく、80nC/cm3以上がより好ましく、110nC/cm3以上が特に好ましい。一方、シート基材が保有できる電荷量の制約から、その上限は5000nC/cm3以下であるが、シート基材製造上の簡便さから、2000nC/cm3以下が好ましく、1000nC/cm3以下がより好ましい。
フィルターの空気の流路断面率は、フィルターの断面に対して空気の流路が占める割合である。したがって、流路断面率は、その値が低いほどフィルターの強度が増加するとともに、空気の流通に対する抵抗となって圧力損失が増加する傾向がある。
具体的には、空気の流路断面率は、フィルターの断面積から、シート基材厚みと流路成形に使用したシート基材の長さの積であるシート基材の断面積を除算することで得られる。また、流路断面率は、断面の画像観察から求めることもできる。
空気の流通に対する圧力損失を少なくする観点から、フィルターの空気の流路断面率は、10%以上が好ましく、30%以上がより好ましく、50%以上がさらに好ましい。一方、フィルターの強度の観点から、フィルターの空気の流路断面率は、99%以下が好ましく、97%以下がより好ましく、95%以下がさらに好ましい。
(原料)
<空孔形成核剤>
・重質炭酸カルシウム(備北粉化工業(株)製、商品名:BF100、メディアン径(D50):10.1μm、密度:2.7g/cm3)
・重質炭酸カルシウム(備北粉化工業(株)製、商品名:ソフトン1800、メディアン径(D50):2.2μm、密度:2.7g/cm3)
<熱可塑性樹脂>
・プロピレン単独重合体(日本ポリプロ(株)製、商品名:ノバテックPP FY4、
MFR(230℃、2.16kg荷重):5g/10分、融点:162℃、密度:0.91g/cm3)
・プロピレン・α-オレフィンランダム共重合体 (日本ポリプロ(株)製、商品名:ノバテックPP FX4G、MFR(230℃、2.16kg荷重):5.0g/10分、融点:127℃、密度:0.90g/cm3)
・ポリプロピレン系エラストマー(三井化学(株)製、商品名:タフマー XM-7070、
MFR(230℃、2.16kg荷重):7.0g/10分、融点:75℃、密度:0.90g/cm3)
・プロピレン・エチレンランダム共重合体 (日本ポリプロ(株)製、商品名:ノバテックPP FW4B、MFR(230℃、2.16kg荷重):7.0g/10分、融点:140℃、密度:0.90g/cm3)
・高密度ポリエチレン(日本ポリエチレン(株)製、商品名:ノバテックHD HJ360、MFR(190℃、2.16kg荷重):5.5g/10分、融点:131℃、密度:0.95g/cm3)
・低密度ポリエチレン(日本ポリエチレン社製、商品名:カーネル KS340T)、MFR(190℃、2.16kg荷重):3.5g/10分、融点:60℃、密度:0.880g/cm3)
<添加剤>
・オクタデカン酸ジヒドロキシアルミニウム(和光純薬工業(株)製、試薬、融点:172℃)
・エチレンビスオレイン酸アミド(和光純薬工業(株)製、試薬、融点:115℃)
<樹脂組成物(a)~(d)、(f)及び(g)>
プロピレン単独重合体、高密度ポリエチレン、重質炭酸カルシウム及び添加剤を、表1に示すように配合し、210℃に設定した2軸混練機にて溶融混練した。次いで、230℃に設定した押出機にてストランド状に押し出し、冷却後にストランドカッターにて切断してペレットを作成し、以降の製造において使用した。
表1に記載の低密度ポリエチレン及び添加剤を120℃に設定した2軸混練機にて溶融混練した。次いで、120℃に設定した押出機にてストランド状に押し出し、冷却後にストランドカッターにて切断して樹脂組成物(e)のペレットを作成し、以降の製造において使用した。
ポリプロピレン系樹脂、高密度ポリエチレン、重質炭酸カルシウム及び添加剤を、表1に示すように配合し、200℃に設定した2軸混練機にて溶融混練した。次いで、200℃に設定した押出機にてストランド状に押し出し、冷却後にストランドカッターにて切断してペレットを作成し、以降の製造において使用した。
<製造例1>
樹脂組成物(a)を230℃に設定した押出機で溶融混練した後、250℃に設定した押出ダイスに供給してシート状に押し出し、これを冷却装置により60℃まで冷却して無延伸シートを得た。この無延伸シートを145℃に加熱し、ロール群の周速差を利用して縦方向に5倍延伸して1軸延伸フィルムを得た。次いで、樹脂組成物(b)を250℃に設定した押出機で溶融混練した後、押出ダイスよりシート状に押し出し、上記1軸延伸フィルムの裏面に積層した。また、樹脂組成物(b)と樹脂組成物(e)を250℃に設定した押出機でそれぞれ溶融混練した後、押出ダイス内で積層してシート状に押し出し、上記1軸延伸フィルムの表面に樹脂組成物(e)が外側になるように積層し、図2に記載の構造と同じ4層構造の積層体を得た。
樹脂組成物(a)、(b)及び(e)の代わりに、それぞれ表2に記載の樹脂組成物を使用したこと以外は、製造例1と同様に4層構造の積層シートを得た。
また、製造例1と同様に、断面観察により、コア層(A)の空孔率、空孔界面数、空孔の平均高さ及びアスペクト比を測定した。測定結果を表2に示す。
樹脂組成物(c)を230℃に設定した押出機で溶融混練した後、250℃に設定した押出ダイスに供給してシート状に押し出し、冷却装置により60℃まで冷却して無延伸シートを得た。得られた無延伸シートを145℃に加熱し、ロール群の周速差を利用して縦方向に5倍延伸して1軸延伸フィルムを得た。次いで、樹脂組成物(d)を250℃に設定した押出機で溶融混練した後、押出ダイスよりシート状に押し出して、上記1軸延伸フィルムの裏面に積層した。また、樹脂組成物(d)を250℃に設定した押出機で溶融混練した後、押出ダイスよりシート状に押し出して、上記1軸延伸フィルムの表面に積層し、3層構造の積層体を得た。
樹脂組成物(h)、樹脂組成物(a)及び樹脂組成物(e)を230℃に設定した2台の押出機にてそれぞれ別個に溶融混練した後、230℃に設定した1台の共押出ダイに供給し、ダイ内部で積層した後にこれをシート状に押し出し、これを冷却装置により60℃まで冷却して無延伸シートを得た。この無延伸シートを145℃に加熱し、ロール群の周速差を利用して縦方向に5倍延伸して1軸延伸フィルムを得た。得られた1軸延伸フィルムを60℃まで冷却し、テンターオーブンを用いて再び150℃に加熱して横方向に9倍延伸した後、さらにオーブンで160℃まで加熱して熱処理を行った。次いで、60℃まで冷却し、耳部をスリットして3層構造(層構成:h/a/e、各層厚み:2/60/2μm、各層延伸軸数:.2軸/2軸/2軸)の積層シートを得た。
また、製造例1と同様に、断面観察により、コア層(A)の空孔率、空孔界面数、空孔の平均高さ及びアスペクト比を測定した。測定結果を表2に示す。
<製造例13>
コア層(A)の厚みを60μmとし、無延伸シートの縦延伸の温度を130℃とし、3層構造の積層体の横延伸の温度を140℃と変更した以外は製造例2と同様に3層構造の積層シートを得た。得られた樹脂シートにつき、製造例1と同様に、断面観察により、コア層(A)の空孔率、空孔界面数、空孔の平均高さ及びアスペクト比を測定した。測定結果を表2に示す。
<実施例1~12及び比較例1~3>
図3に示す構成と同様のエレクトレット化装置において、主電極の針間距離10mm、主電極-アース電極間距離10mmに設定し、アース電極盤上に製造例1により得られた積層シートの裏面がアース電極面と接触するように置いた。次いで、表3に示す印加電圧にて積層シートに電荷注入を行って、実施例1のエレクトレット化シートを得た。また製造例3~11、14及び15により得られた積層シートを用いたこと以外は、実施例1と同様にして実施例2~12のエレクトレット化シートを得た。さらに、製造例2、12及び13にて得られた積層シートを用いたこと以外は、実施例1と同様にして比較例1~3のエレクトレット化シートを得た。
<ヒートシール性>
各実施例及び比較例のエレクトレット化シートを、各々2枚、ヒートシール層同士が接するように重ねて熱傾斜試験機(TYPE HG-100、株式会社東洋精機製作所製)に挟持し、90~140℃の10℃刻みの温度設定で5秒間圧着させた。2枚のエレクトレット化シートが接着した時の温度から、ヒートシール性を以下の評価基準で判定した。
A:90℃以上120℃未満で接着した。
B:120℃以上130℃未満で接着した(実用下限)。
C:140℃で接着しない(実用に適さない)。
各実施例及び比較例のエレクトレット化シートにつき、JIS-Z-0208に準拠して、カップ法により、40℃、90%RHの条件下にて測定した。得られた透湿度(g/(m2・24hr))とフィルムの厚み(mm)から、水蒸気透過係数(g・mm/m2・24hr)を求めた。
各実施例及び比較例のエレクトレット化シートの洗浄前後の電位差と、減衰率を次のようにして測定した。測定結果を表3に示す。
洗浄前の電位差:エレクトレット化シートをアルミ板上に乗せ、除電ブラシで表面の電荷を除去し、表面電位を測定した。
洗浄後の電位差:容器に溜めたイオン交換水中にエレクトレット化シートを浸漬して1分間静置した後、エレクトレット化シートを取り出した。ティッシュで余分な水をふき取り、温度23℃、相対湿度50%の条件下で24時間吊るして乾燥させた試料をアルミ板上に乗せ、除電ブラシで表面の電荷を除去し、表面電位を測定した。
減衰率:{(洗浄前の電位差)-(洗浄後の電位差)}×100/(洗浄前の電位差)
図5に示すように、金属製のラックギア21(山ピッチ3.0mm、山高さ3.5mm)、金属製のピニオンギア22及び加圧ロール23を使用して、製造例1と製造例2の積層シートを次のようにしてコルゲート加工し、それぞれ20枚のコルゲートシートを得た。
2 コア層(A)
3 ヒートシール層(B)
4 裏面層(Y)
4a 表面層(X)
5 中間層(C)
Claims (7)
- 熱可塑性樹脂を含有する多孔性フィルムであるコア層(A)と、
前記コア層(A)の一方の面側に設けられた表面層(X)と、他方の面側に設けられた裏面層(Y)と、を有し、
前記表面層(X)及び裏面層(Y)の最表面が帯電しているエレクトレット化シートであって、
前記エレクトレット化シートの水蒸気透過係数が、0.1~2.5g・mm/m2・24hrであり、
前記コア層(A)の空孔のアスペクト比が5~50であり、かつ空孔の平均高さが2.5~15μmであり、
前記表面層(X)及び裏面層(Y)の厚みが、各々5~200μmであり、
前記表面層(X)が、前記最表面を含むヒートシール層(B)を含み、
前記ヒートシール層(B)の融点が、50~140℃であり、前記コア層(A)の融点よりも低く、
前記コア層(A)が、金属石鹸を0.07~10質量%含有する、
ことを特徴とするエレクトレット化シート。 - 前記コア層(A)の空孔界面数が、50~1000個/mm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化シート。 - 前記コア層(A)が含有する熱可塑性樹脂が、ポリオレフィン系樹脂である、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のエレクトレット化シート。 - 前記ヒートシール層(B)が、低密度ポリエチレンを含有する樹脂フィルムである、
ことを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載のエレクトレット化シート。 - 前記エレクトレット化シートが、少なくとも1軸方向に延伸されたフィルムである、
ことを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載のエレクトレット化シート。 - 前記コア層(A)が、無機フィラー及び有機フィラーから選択される少なくとも1つを含有し、
前記無機フィラー及び有機フィラーの体積平均粒径が、0.1~30μmである、
ことを特徴とする請求項1~5のいずれか一項に記載のエレクトレット化シート。 - 空気の流路が設けられたフィルターであって、
請求項1~6のいずれか一項に記載のエレクトレット化シートであって波板状のエレクトレット化シートと、請求項1~6のいずれか一項に記載のエレクトレット化シートであって平板状のエレクトレット化シートと、が交互に積層され、
前記積層された各エレクトレット化シートが互いに熱融着された接合部を有する、
ことを特徴とするフィルター。
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