JP7049720B2 - 油脂吸着用ナノファイバー集積体 - Google Patents

Description

本発明は、油脂吸着に用いられるナノファイバー集積体に関する。

油脂吸着材は、例えば、海面や湖面、池面、川面、貯水池面などの水面上の油類、床上、道路上などに散乱した油類の吸着除去に用いられる。また、油脂吸着材は、食堂やレストラン等の厨房から排出される汚染水からの油脂の吸着除去にも用いられる。

従来の油脂吸着材が特許文献１に開示されている。この油脂吸着材は、繊維径が１００ｎｍ～５００ｎｍのポリプロピレン繊維を積層したものである。

特開２０１３－１８４０９５号公報

油脂吸着材の性能の指標として、自重に対する吸着可能な油脂量の比率（吸着率）がある。これ以外にも、指標として油脂の吸着速度がある。吸着速度が遅い油脂吸着材は、作業効率が悪く、実作業において使用できる場面が限られるため、より高い吸着速度を有する油脂吸着材が求められている。

そこで、本発明は、油脂の吸着率を確保するとともに吸着速度を効果的に高めた油脂吸着用ナノファイバー積層体、ならびに、油脂吸着用ナノファイバー集積体の油脂吸着率推定方法および油脂吸着後体積推定方法を提供することを目的とする。

本発明者は、油脂吸着に用いるナノファイバー集積体の平均繊維径およびかさ密度に着目し、これらパラメータと油吸着率および吸着速度との関係について鋭意検討した。その結果、油脂の吸着量および吸着速度を高いレベルで実現できる平均繊維径およびかさ密度を見出し、本発明に至った。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る油脂吸着用ナノファイバー集積体は、
油脂吸着用ナノファイバー集積体であって、
前記油脂吸着用ナノファイバー集積体の平均繊維径をｄとし、前記油脂吸着用ナノファイバー集積体のかさ密度をρ_ｂとしたとき、以下の式（ｉ）および（ｉｉ）を満足することを特徴とする。
（ｉ） １０００ｎｍ≦ｄ≦２０００ｎｍ
（ｉｉ） ０．０１ｇ／ｃｍ^３≦ρ_ｂ≦０．２ｇ／ｃｍ^３

本発明において、以下の式（ｉ´）をさらに満足することが好ましい。
（ｉ´） １３００ｎｍ≦ｄ≦１７００ｎｍ

本発明において、以下の式（ｉｉ´）をさらに満足することが好ましい。
（ｉｉ´） ０．０１ｇ／ｃｍ^３≦ρ_ｂ≦０．０５ｇ／ｃｍ^３

本発明において、前記油脂吸着用ナノファイバー集積体の厚さをｔとしたとき、以下の式（ｉｉｉ）をさらに満足することが好ましい。
（ｉｉｉ） ２ｍｍ≦ｔ≦５ｍｍ

上記目的を達成するために、本発明の他の一態様に係る油脂吸着用ナノファイバー集積体における油脂吸着前の質量ｍに対する油脂吸着後の質量Ｍの比を示す油脂の吸着率Ｍ／ｍを推定する油脂吸着率推定方法であって、前記油脂吸着用ナノファイバー集積体の空隙率ηと、前記油脂吸着用ナノファイバーを構成する繊維の密度ρと、油脂の密度ρ_ｏとを用いて、以下の式（ｉｖ）により油脂の吸着率Ｍ／ｍを推定することを特徴とする。

上記目的を達成するために、本発明の他の一態様に係る油脂吸着用ナノファイバー集積体における油脂吸着後の体積Ｖを推定する油脂吸着後体積推定方法であって、前記油脂吸着用ナノファイバー集積体の空隙率ηと、前記油脂吸着用ナノファイバーを構成する繊維の密度ρと、油脂の密度ρ_ｏとを用いて、以下の式（ｉｖ）により油脂吸着用ナノファイバー集積体における油脂吸着前の質量ｍに対する油脂吸着後の質量Ｍの比を示す油脂の吸着率Ｍ／ｍを推定し、前記油脂の吸着率Ｍ／ｍと、油脂吸着用ナノファイバー集積体における油脂吸着前の質量ｍと、前記油脂吸着用ナノファイバーを構成する繊維の密度ρと、油脂の密度ρ_ｏとを用いて、以下の式（ｖ）により油脂吸着後の体積Ｖを推定することを特徴とする。

本発明によれば、油脂の吸着率を確保するとともに吸着速度を効果的に高めることができる。

また、本発明によれば、油脂吸着前に取得可能なパラメータ（空隙率、繊維の密度、および、油脂の密度）を用いて、油脂の吸着率を予測（推定）することができる。

また、本発明によれば、油脂吸着前に取得可能なパラメータ（空隙率、繊維の密度、油脂の密度、油脂吸着前の質量）を用いて、油脂吸着後の体積を予測（推定）することができる。

本発明の一実施形態に係る油脂吸着用ナノファイバー集積体を説明する図である。 図１の油脂吸着用ナノファイバー集積体の作製に用いる製造装置の一例を示す斜視図である。 図２の製造装置の一部断面を含む側面図である。 図２の製造装置によるナノファイバーが堆積される捕集網の正面図である。 繊維集積体の構造のモデルを説明する図である。 図５のモデルを各軸方向から見た図である。 繊維集積体における空隙率と繊維間距離との関係を示すグラフである。 繊維集積体が油脂を吸い上げる様子を模式的に示す図である。 繊維集積体における平均繊維系と吸着率との関係を示すグラフである。 繊維集積体における試験片の厚さと吸着率との関係を示すグラフである。 繊維集積体における平均繊維系と係数拡大率および体積膨張率との関係を示すグラフである。 繊維集積体におけるかさ密度と吸着率との関係を示すグラフである。 繊維集積体における吸い上げ時間と吸い上げ高さとの関係を示すグラフである。 繊維集積体における体積膨張率と吸着率との関係を示すグラフである。 繊維集積体における空隙率と吸着率との関係を示すグラフである。

本発明の一実施形態に係る油脂吸着用ナノファイバー集積体について説明する。

（油脂吸着用ナノファイバー集積体の構成）
まず、本実施形態の油脂吸着用ナノファイバー集積体の構成について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る油脂吸着用ナノファイバー集積体を説明する図である。具体的には、図１（ａ）は、油脂吸着用ナノファイバー集積体の一例を撮影した正面写真である。図１（ｂ）は未成形のナノファイバー集積体の一例を撮影した写真である。図１（ｃ）は油脂吸着用ナノファイバー集積体の一例を電子顕微鏡で拡大して撮影した写真である。

本実施形態の油脂吸着用ナノファイバー集積体１は、食堂やレストラン等の厨房から排出される汚染水から油脂を吸着除去する油脂吸着装置に用いられる。このような装置は、一般的にグリーストラップと称される。レストラン、ホテル、食堂、給食センターなど業務用厨房から排出される汚染水は、グリーストラップで浄化してから排出することが義務付けられている。また、油脂吸着用ナノファイバー集積体１は、海面上や湖面、池面、川面、貯水池面などの水面上の油類、床上、道路上などに散乱した油類の吸着にも有用である。

油脂吸着用ナノファイバー集積体１は、繊維径がナノメートルオーダーとなる微細繊維、いわゆるナノファイバーを集積して構成されている。油脂吸着用ナノファイバー集積体１は、平均繊維径が１０００ｎｍ～２０００ｎｍであり、平均繊維径が１５００ｎｍのものが特に好ましい。油脂吸着用ナノファイバー集積体１は、例えば、図１（ａ）に示すように正方形のマット状に成形される。油脂吸着用ナノファイバー集積体１は、正方形以外にも、円形や六角形など使用態様等に応じた形状に成形されてもよい。図１（ｂ）に平均繊維径が１５００ｎｍのナノファイバーの未成形の集積体を示す。図１（ｃ）に、平均繊維径が１５００ｎｍのナノファイバー集積体を電子顕微鏡で拡大した様子を示す。

本実施形態において、油脂吸着用ナノファイバー集積体１を構成するナノファイバーは合成樹脂からなる。合成樹脂としては、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）やポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等が挙げられる。これら以外の材料でもよい。

特に、ポリプロピレンは、撥水性と油吸着性を有している。ポリプロピレン繊維の集積体は自重の数十倍の油脂を吸着する性能を有している。そのため、ポリプロピレンは、油脂吸着用ナノファイバー集積体１の材料として好ましい。ポリプロピレンの密度（材料密度）は、原材料メーカーによって開示されている数値に０．８５～０．９５程度の幅がある。また、ポリプロピレンの油脂に対する接触角は２９度～３５度である。本明細書では、ポリプロピレンの密度として０．８９５ｇ／ｃｍ^３を用いている。

油脂吸着用ナノファイバー集積体１は、平均繊維径をｄとし、かさ密度をρ_ｂとしたとき、以下の式（ｉ）および（ｉｉ）を満足する。
（ｉ） １０００ｎｍ≦ｄ≦２０００ｎｍ
（ｉｉ） ０．０１ｇ／ｃｍ^３≦ρ_ｂ≦０．２ｇ／ｃｍ^３

油脂吸着用ナノファイバー集積体１は、以下の式（ｉ´）および（ｉｉ´）を満足することがより好ましい。
（ｉ´） １３００ｎｍ≦ｄ≦１７００ｎｍ
（ｉｉ´） ０．０１ｇ／ｃｍ^３≦ρ_ｂ≦０．０５ｇ／ｃｍ^３

平均繊維径は、次のようにして求める。油脂吸着用ナノファイバー集積体１において複数箇所を任意に選択して電子顕微鏡で拡大する。電子顕微鏡で拡大した複数箇所のそれぞれにおいて複数本のナノファイバーを任意に選択して径を測定する。そして、選択した複数本のナノファイバーの径の平均値を平均繊維径とする。本実施形態では、油脂吸着用ナノファイバー集積体１の任意に選択した５箇所において２０本ずつ任意に選択したナノファイバーの径を測定した。そして、これら１００本のナノファイバーの径の平均値を平均繊維径とした。変動係数（標準偏差を平均値で割った値）は、０．６以下であることが好ましい。

（油脂吸着用ナノファイバー集積体の製造装置および製造方法）
本実施形態の油脂吸着用ナノファイバー集積体１は、図２～図４に示す製造装置を用いて製造される。図２は、図１の油脂吸着用ナノファイバー集積体の作製に用いる製造装置の一例を示す斜視図である。図３は、図２の製造装置の一部断面を含む側面図である。図４は、図２の製造装置により製造されたナノファイバーが堆積される捕集網の正面図である。

図２および図３に示すように、製造装置５０は、ホッパー６２、加熱シリンダー６３、ヒーター６４、スクリュー６５、モーター６６およびヘッド７０を有している。

ホッパー６２には、ナノファイバーの素材となるペレット状の合成樹脂が投入される。加熱シリンダー６３は、ヒーター６４によって加熱され、ホッパー６２から供給された樹脂を溶融させる。スクリュー６５は、加熱シリンダー６３内に収容されている。スクリュー６５は、モーター６６によって回転され、溶融樹脂を加熱シリンダー６３の先端に送る。円柱状のヘッド７０は、加熱シリンダー６３の先端に設けられている。ヘッド７０には、ガス供給管６８を介してガス供給部（図示なし）が接続されている。ガス供給管６８はヒーターを備えており、ガス供給部から供給された高圧ガスを加熱する。ヘッド７０は、正面に向けて高圧ガスを噴射するとともに、高圧ガス流に乗るように溶融樹脂を吐出する。ヘッド７０の正面には、捕集網９０が配置されている。

本実施形態の製造装置５０の動作について説明する。ホッパー６２に投入されたペレット状の原料（樹脂）が加熱シリンダー６３内に供給される。加熱シリンダー６３内で溶融された樹脂は、スクリュー６５によって加熱シリンダー６３の先端に送られる。加熱シリンダー６３の先端に到達した溶融樹脂（溶融原料）は、ヘッド７０から吐出される。溶融樹脂の吐出にあわせて、ヘッド７０から高圧のガスを噴出する。

ヘッド７０から吐出された溶融樹脂は、ガス流に所定の角度で交わって、引き延ばされながら前方に運ばれる。引き延ばされた樹脂は微細繊維となり、図４に示すように、ヘッド７０の正面に配置された捕集網９０上に集積される（集積工程）。そして、この集積された微細繊維９５を、所望の形状（例えば正方形マット状）に成形する（成形工程）。このようにして、本発明の油脂吸着用ナノファイバー集積体１を得る。

なお、上記製造装置５０では、原料となる合成樹脂を加熱して溶融した「溶融原料」を吐出する構成であったが、これに限定されるものではない。これ以外にも、例えば、所定の溶媒に対して溶質としての固形の原料または液状の原料を所定濃度となるようにあらかじめ溶解した「溶剤」を吐出する構成としてもよい。本出願人は、油脂吸着用ナノファイバー集積体１の製造に用いることができる製造装置の一例として、特願２０１５－０６５１７１にナノファイバー製造装置およびナノファイバー製造方法を開示している。この出願は特許を受けており（特許第６０４７７８６号、平成２７年３月２６日出願、平成２８年１２月２日登録）、本出願人がその権利を保有している。

（繊維集積体のモデル化）
本発明者は、多数の繊維が複雑に絡み合う構造を有する繊維集積体について、その構造の特定を試みた。本発明者は、繊維集積体の構造を簡略化してとらえ、繊維集積体が立方体形状の最小計算ユニット内に互いに直交する３方向に延在する複数の繊維を含むものとみなしてモデルを作成した。

図５および図６に作成したモデルを示す。図５（ａ）は繊維集積体の３方向モデルおよび単位計算ユニットを示す斜視図である。図５（ｂ）は最小計算ユニットの斜視図である。図６（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、最小計算ユニットをＹ軸方向、Ｘ軸方向およびＺ軸方向から見た図である。図６（ｃ）では、隣接する最小計算ユニット（Ａｄｊａｃｅｎｔ Ｕｎｉｔ）を点線で表記している。

図５および図６に示すように、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸で表される三次元空間において、最小計算ユニット１０は各辺の長さが２Ｌとなる立方体形状を有している。最小計算ユニット１０は、繊維部分２０ｘ、繊維部分２０ｙおよび繊維部分２０ｚを含む。繊維部分２０ｘの中心軸は、Ｘ軸およびＺ軸に平行な２つの平面上に位置し、Ｘ軸方向に延在する。繊維部分２０ｘの断面形状は円を二等分した半円形である。繊維部分２０ｙの中心軸は、Ｙ軸と平行な４つの辺と重なり、Ｙ軸方向に延在する。繊維部分２０ｙの断面形状は円を四等分した扇形である。繊維部分２０ｚの中心軸は、Ｘ軸およびＹ軸に平行な２つ平面の中央を通りＺ軸方向に延在する。繊維部分２０ｚの断面形状は円形である。繊維部分２０ｘ、繊維部分２０ｙおよび繊維部分２０ｚは、互いに間隔を空けて配置されている。繊維部分２０ｘの合計体積、繊維部分２０ｙの合計体積および繊維部分２０ｚの体積は同一である。

最小計算ユニット１０において、繊維径をｄとし、繊維半径をｒとし、平行な繊維同士の中心軸の距離を２Ｌとすると、長さ係数εは次の式（１）で表すことができる。

また、最小計算ユニット１０の質量をｍとし、体積をＶとし、繊維径をｄ＝２ｒとし、繊維の密度をρとすると、次の式（２）の関係が成り立つ。なお、本実施形態の油脂吸着用ナノファイバー集積体１を構成する一本一本の繊維の密度ρは、固体状態のポリプロピレンの密度と同等と考えられる。そのため、本明細書の式を用いた計算において、繊維の密度ρとしてポリプロピレンの密度を用いている。

繊維集積体のかさ密度ρ_ｂは、次の式（３）で表すことができる。

繊維集積体の空隙率η（Ｆｒｅｅ ｖｏｌｕｍｅ η）は、次の式（４）で表すことができる。

繊維間距離ｅ_１（Ｇａｐ ｅ_１）は、次の式（５）で表すことができる。

図７に、式（５）の算出結果を用いて作成したグラフを示す。このグラフは、平均繊維径ｄの異なる繊維（１０００ｎｍ、１５００ｎｍ、２０００ｎｍ）からなる複数の繊維集積体のそれぞれの空隙率ηと繊維間距離ｅ_１との関係を示す。

繊維集積体である油脂吸着用ナノファイバー集積体１において、平均繊維径ｄが１０００ｎｍでかつかさ密度が０．２ｇ／ｃｍ^３（空隙率が０．７７６５）となる構成では、式（５）より繊維間距離ｅ_１が２．３μｍとなる。油脂吸着用ナノファイバー集積体１において、平均繊維径ｄが２０００ｎｍでかつかさ密度が０．０１ｇ／ｃｍ^３（空隙率が０．９８８８）となる構成では、式（５）より繊維間距離ｅ_１が２７．０μｍとなる。

図６（ａ）および図８より、吸着対象となる油脂の表面張力をＴとし、油脂の接触角をθとし、油脂の密度をρ_ｏとし、重力加速度をｇとし、吸い上げ高さをｈとすると、Ｚ方向（鉛直方向）の力が平衡状態にあるとき、次の式（６）が成立する。

上記式（６）は、次の参考文献に基づく。
（ａ）Ｙｕｅｈｕａ ＹＵＡＮ ａｎｄ Ｔ． Ｒａｎｄａｌｌ ＬＥＥ， Ｃｏｎｔａｃｔ Ａｎｇｌｅ ａｎｄ Ｗｅｔｔｉｎｇ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ， Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ， ＩＳＢＮ： ９７８－３－６４２－３４２４２－４， （２０１３）， ｐｐ． ３－３４．
（ｂ）Ｔｉｉｎａ Ｒａｓｉｌａｉｎｅｎ， Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｏｎ ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｗｉｔｈ ｍｉｃｒｏ－ａｎｄ ｍｉｃｒｏ／ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ， Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ ＣＨＥＭＩＳＴＲＹ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅａｓｔｅｒｎ Ｆｉｎｌａｎｄ， （２０１０）， ｐｐ． １－４２．
（ｃ）Ｔｈａｗａｔｃｈａｉ Ｐｈａｅｃｈａｍｕｄ ａｎｄ Ｃｈｉｒａｙｕ Ｓａｖｅｄｋａｉｒｏｐ， Ｃｏｎｔａｃｔ Ａｎｇｌｅ ａｎｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｅｎｓｉｏｎ ｏｆ Ｓｏｍｅ Ｓｏｌｖｅｎｔｓ Ｕｓｅｄ ｉｎ Ｐｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌｓ， Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌ， Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， ＩＳＳＮ：０９７５－８５８５， Ｖｏｌ．３， Ｉｓｓｕｅ．４， （２０１２）， ｐｐ．５１３－５２９．
（ｄ）Ｋｅｉｚｏ ＯＧＩＮＯ ａｎｄ Ｋｅｎ－ｉｃｈｉ ＳＨＩＧＥＭＵＲＡ， Ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｅｍｏｖａｌ ｏｆ Ｏｉｌｙ Ｓｏｉｌ ｂｙ Ｒｏｌｌｉｎｇ－ｕｐ ｉｎ Ｄｅｔｅｒｇｅｎｃｙ． ＩＩ． Ｏｎ Ｂｉｎａｒｙ Ｓｏｉｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ Ｏｌｅｉｃ Ａｃｉｄ ａｎｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐａｒａｆｆｉｎ， ＢＵＬＬＥＴＩＮ ＯＦ ＴＨＥ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＳＯＣＩＥＴＹ ＯＦ ＪＡＰＡＮ， Ｖｏｌ．４９ （１１）， （１９７６）， ｐｐ．３２３６－３２３８．
（ｅ）Ｖｉｃｔｏｒｉａ Ｂｒｏｊｅ ａｎｄ Ａｒｔｕｒｏ Ａ． Ｋｅｌｌｅｒ， Ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ ｌｉｑｕｉｄｓ ａｎｄ ｓｏｌｉｄ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｏｉｌ ｓｐｉｌｌ ｒｅｃｏｖｅｒｙ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｌｌｏｉｄ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｖｏｌ． ３０５， （２００７）， ｐｐ．２８６－２９２．

上記式（６）より、Ｚ方向の吸い上げ高さｈは、次の式（７）により求めることができる。

また、最小計算ユニット１０における油脂吸着前の質量（自重）をｍとし、油脂吸着後の質量をＭとすると、次の式（８）が成立する。

式（８）により、油脂吸着前に取得可能なパラメータである空隙率η、繊維の密度ρ、および、油脂の密度ρ_ｏを用いて吸着率Ｍ／ｍの推定値を算出することができる。

また、最小計算ユニット１０における油脂吸着後の体積Ｖは、油脂吸着用繊維集積体の体積（ｖｆｉｂｅｒ）および吸着した油脂（ｖｏｉｌ）の体積を合計した値となる。そして、最小計算ユニット１０における油脂吸着前の体積をＶｎとすると、体積膨張率Ｖ／Ｖｎは次の式（９）および式（１０）により表すことができる。

上記式（８）により吸着率Ｍ／ｍを推定し、さらに、式（９）により、油脂吸着前に取得可能なパラメータである油脂吸着前の質量ｍ、繊維の密度ρ、および、油脂の密度ρ_ｏ繊維の密度を用いて油脂吸着後の体積Ｖの推定値を算出することができる。

εは最小計算ユニット１０における油脂吸着前の長さ係数であり、ε´は油脂吸着後の長さ係数である。

上述した各計算式は最小計算ユニット１０についてのものであるが、油脂吸着用ナノファイバー集積体は最小計算ユニット１０が多数集合して構成されていることを考えると、各計算式は油脂吸着用ナノファイバー集積体にも適用できる。

（検証）
次に、本発明者は、下記に示す本発明の実施例１－１～１－８および比較例１－１、１－２、２－１、２－２、３－１、３－２、４、５の油脂吸着用ナノファイバー集積体を作製し、それらを用いて油脂吸着に関する性能についての検証を行った。

（実施例１－１～１－８）
上述した製造装置５０を用いて、ポリプロピレンを材料とした平均繊維径１５００ｎｍの微細繊維９５を製造した。繊維径の標準偏差は９００であり、標準偏差を平均繊維径で割った変動係数は０．６０である。堆積した微細繊維９５を、かさ密度０．０１［ｇ／ｃｍ^３］、０．０３［ｇ／ｃｍ^３］、０．０４［ｇ／ｃｍ^３］、０．０５［ｇ／ｃｍ^３］、０．０９［ｇ／ｃｍ^３］、０．１［ｇ／ｃｍ^３］、０．１３［ｇ／ｃｍ^３］および０．２［ｇ／ｃｍ^３］となるように成形して、実施例１－１～１－８の油脂吸着用ナノファイバー集積体を得た。なお、実施例１－１～１－８を上記モデルにあてはめると、式（５）から算出される繊維間距離ｅ_１は２０．３μｍ、１１．１μｍ、９．４μｍ、８．２μｍ、５．８μｍ、５．４μｍ、４．５μｍおよび３．４μｍとなる。

（比較例１－１、１－２）
上述した製造装置５０を用いて、ポリプロピレンを材料とした平均繊維径８００ｎｍの微細繊維９５を製造した。繊維径の標準偏差は４４０であり、標準偏差を平均繊維径で割った変動係数は０．５５である。堆積した微細繊維９５を、かさ密度０．０１［ｇ／ｃｍ^３］および０．１［ｇ／ｃｍ^３］となるように成形して、比較例１－１、１－２の油脂吸着用ナノファイバー集積体を得た。なお、比較例１－１、１－２を上記モデルにあてはめると、式（５）から算出される繊維間距離ｅ_１は１０．８μｍおよび２．９μｍとなる。

（比較例２－１、２－１）
上述した製造装置５０を用いて、ポリプロピレンを材料とした平均繊維径４４５０ｎｍの微細繊維９５を製造した。繊維径の標準偏差は２２８０であり、標準偏差を平均繊維径で割った変動係数は０．５１である。堆積した微細繊維９５を、かさ密度０．０１［ｇ／ｃｍ^３］および０．１［ｇ／ｃｍ^３］となるように成形して、比較例２－１、２－２の油脂吸着用ナノファイバー集積体を得た。なお、比較例２－１、２－２を上記モデルにあてはめると、式（５）から算出される繊維間距離ｅ_１は６０．２μｍおよび１６．０μｍとなる。

（比較例３－１、３－２）
上述した製造装置５０を用いて、ポリプロピレンを材料とした平均繊維径７７００ｎｍの微細繊維９５を製造した。繊維径の標準偏差は４３６０であり、標準偏差を平均繊維径で割った変動係数は０．５７である。堆積した微細繊維９５を、かさ密度０．０１［ｇ／ｃｍ^３］および０．１［ｇ／ｃｍ^３］となるように成形して、比較例３－１、３－２の油脂吸着用ナノファイバー集積体を得た。なお、比較例３－１、３－２を上記モデルにあてはめると、式（５）から算出される繊維間距離ｅ_１は１０４．１μｍおよび２７．７μｍとなる。

（比較例４）
上述した製造装置５０を用いて、ポリプロピレンを材料とした平均繊維径１５００ｎｍの微細繊維９５を製造した。繊維径の標準偏差は９００であり、標準偏差を平均繊維径で割った変動係数は０．６０である。堆積した微細繊維９５を、かさ密度０．３［ｇ／ｃｍ^３］となるように成形して、比較例４の油脂吸着用ナノファイバー集積体を得た。なお、比較例４を上記モデルにあてはめると、式（５）から算出される繊維間距離ｅ_１は２．５μｍとなる。

（比較例５）
上述した製造装置５０を用いて、ポリプロピレンを材料とした平均繊維径１５００ｎｍの微細繊維９５を製造した。繊維径の標準偏差は９００であり、標準偏差を平均繊維径で割った変動係数は０．６０である。堆積した微細繊維９５を、かさ密度０．４９［ｇ／ｃｍ^３］となるように成形して、比較例５の油脂吸着用ナノファイバー集積体を得た。なお、比較例５を上記モデルにあてはめると、式（５）から算出される繊維間距離ｅ_１は１．６μｍとなる。

これら、各実施例および各比較例において、繊維径の変動係数は０．５５～０．６０の範囲にあり、ほぼ同一となっていた。

表１に、各実施例および比較例の構成一覧を示す。

（検証１：平均繊維径と吸着率の関係１）
上記実施例１－１、１－６および比較例１－１、１－２、２－１、２－２、３－１、３－２を用いて直径１８ｍｍ、高さ２ｍｍの円柱状の試験片を作製し、高精度電子天秤を用いて油脂吸着前の質量ｍを測定した。次に、上記試験片を、吸着対象の油脂（ＴＲＵＳＣＯ社製マシンオイル（ＩＳＯＶＧ：４６）、比重ρ_ｏ＝８５０ｋｇ／ｍ^３、接触角２９度～３５度）に浸漬した。油脂の吸着量が飽和するのに十分な時間が経過したのち上記試験片を油脂から引き上げて、吸着した油脂が自然に落下するように金網上に置いた。そして、高精度電子天秤を用いて、油脂から引き上げ直後（０秒）の質量Ｍ_Ａ、および引き上げから３０秒後の質量Ｍ_Ｂを測定した。質量Ｍ_Ａおよび質量Ｍ_Ｂを質量ｍで割った値を吸着率（Ｓｕｃｔｉｏｎ Ｒａｔｅ）Ｍ／ｍ（Ｍ_Ａ／ｍ、Ｍ_Ｂ／ｍ）とする。また、質量Ｍ_Ｂを質量Ｍ_Ａで割った値に１００をかけたものを保持率（Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ Ｒａｔｅ）Ｍ_Ｂ／Ｍ_Ａ×１００［％］とする。図９（ａ）に、実施例１－１および比較例１－１、２－１、３－１における平均繊維径と吸着率および保持率との関係を示す。図９（ｂ）に、実施例１－６および比較例１－２、２－２、３－２における平均繊維径と吸着率および保持率との関係を示す。

図９（ａ）、（ｂ）から明らかなように、各比較例１－１、１－２、２－１、２－２、３－１、３－２に比べて、実施例１－１、１－６の方が優れた吸着率を有する。特に、吸着率Ｍ_Ａ／ｍおよび吸着率Ｍ_Ｂ／ｍともに、平均繊維径が１０００ｎｍ～２０００ｎｍのとき、比較的高い吸着率となり、平均繊維径が１５００ｎｍ近傍に吸着率のピークがある。

（検証２：繊維集積体の厚さと吸着率の関係２）
上記実施例１－１および比較例１－１、２－１、３－１を用いて直径１８ｍｍ、高さ（厚さｔ）１ｍｍ、２ｍｍ、４ｍｍ、２０ｍｍおよび４０ｍｍの円柱状の試験片を作製し、高精度電子天秤を用いて油脂吸着前の質量ｍを測定した。次に、上記試験片を、吸着対象の油脂（ＴＲＵＳＣＯ社製マシンオイル（ＩＳＯＶＧ：４６）、比重ρ_ｏ＝８５０ｋｇ／ｍ^３、接触角２９度～３５度）に浸漬した。油脂の吸着量が飽和するのに十分な時間が経過したのち上記試験片を油脂から引き上げて、吸着した油脂が自然に落下するように金網上に置いた。そして、高精度電子天秤を用いて、油脂から引き上げ直後（０秒）の質量Ｍ_Ａ、および引き上げから３０秒後の質量Ｍ_Ｂを測定した。質量Ｍ_Ａおよび質量Ｍ_Ｂを質量ｍで割った値を吸着率Ｍ／ｍ（Ｍ_Ａ／ｍ、Ｍ_Ｂ／ｍ）とする。また、質量Ｍ_Ｂを質量Ｍ_Ａで割った値に１００をかけたものを保持率Ｍ_Ｂ／Ｍ_Ａ×１００［％］とする。図１０に、実施例１－１および比較例１－１、２－１、３－１における試験片の厚さと吸着率および保持率との関係を示す。

図１０から明らかなように、試験片のいずれの高さにおいても実施例１－１が最も高い吸着率となる。また、いずれの平均繊維径においても試験片の厚さが小さいほど高い吸着率となる。これは、試験片の下部の繊維が上部を支えているものの、上部の油脂により下部の油脂が試験片から押し出されてしまい、試験片の厚さが大きいほど押し出される油脂の量も多くなると考えられる。また、試験片の厚さが小さいと吸着率は高くなるものの吸着する油脂の量を十分に確保できない。このことから、油脂吸着用ナノファイバー集積体の厚さｔは、以下の式（ｉｉｉ）を満足することが好ましい。
（ｉｉｉ） ２ｍｍ≦ｔ≦５ｍｍ

（検証３：平均繊維径と係数拡大率および体積膨張率の関係）
上記実施例１－６および比較例１－２、２－２、３－２を用いて直径１８ｍｍ、高さ２ｍｍの円柱状の試験片を作製し、高精度電子天秤を用いて油脂吸着前の質量ｍを測定した。次に、上記試験片を、吸着対象の油脂（ＴＲＵＳＣＯ社製マシンオイル（ＩＳＯＶＧ：４６）、比重ρ_ｏ＝８５０ｋｇ／ｍ^３、接触角２９度～３５度）に浸漬した。油脂の吸着量が飽和するのに十分な時間が経過したのち上記試験片を油脂から引き上げて、吸着した油脂が自然に落下するように金網上に置いた。そして、高精度電子天秤を用いて、油脂からの引き上げから５分後の質量Ｍを測定した。これら質量ｍおよび質量Ｍを上記式（８）～（１０）に適用して、係数拡大率ε´／εを得た。そして、係数拡大率ε´／εから体積膨張率Ｖ／Ｖｎを得た。図１１に、実施例１－６および比較例１－２、２－２、３－２における平均繊維径と係数拡大率および体積膨張率との関係を示す。

図１１から明らかなように、各比較例１－２、２－２、３－２に比べて、実施例１－２の方が優れた係数拡大率および体積膨張率を有する。また、平均繊維径が１０００ｎｍ～２０００ｎｍのとき、比較的高い係数拡大率および体積膨張率となり、平均繊維径が１５００ｎｍ近傍に係数拡大率および体積膨張率のピークがある。

（検証４：かさ密度と吸着率の関係）
上記実施例１－１、１－３、１－５、１－７および比較例５を用いて直径１８ｍｍ、高さ２ｍｍの円柱状の試験片を作製し、高精度電子天秤を用いて油脂吸着前の質量ｍを測定した。次に、上記試験片を、吸着対象の油脂［１］（ＴＲＵＳＣＯ社製マシンオイル（ＩＳＯＶＧ：４６））、および、油脂［２］（ＴＲＵＳＣＯ社製マシンオイル（ＩＳＯＶＧ：１０））に浸漬した。油脂の吸着量が飽和するのに十分な時間が経過したのち上記試験片を油脂から引き上げて、吸着した油脂が自然に落下するように金網上に置いた。そして、高精度電子天秤を用いて、油脂から引き上げ直後（０秒）の質量Ｍ_Ａ、および引き上げから３０秒後の質量Ｍ_Ｂを測定した。質量Ｍ_Ａおよび質量Ｍ_Ｂを質量ｍで割った値を吸着率Ｍ／ｍ（Ｍ_Ａ／ｍ、Ｍ_Ｂ／ｍ）とする。また、質量Ｍ_Ｂを質量Ｍ_Ａで割った値に１００をかけたものを保持率Ｍ_Ｂ／Ｍ_Ａ×１００［％］とする。図１２に、実施例１－１、１－３、１－５、１－７および比較例５におけるかさ密度と吸着率および保持率との関係を示す。

図１２から明らかなように、油脂の粘度にかかわらず、吸着率Ｍ_Ａ／ｍおよび吸着率Ｍ_Ｂ／ｍともにかさ密度が小さいほど高くなる。特に、かさ密度が０．２ｇ／ｃｍ^３以下の場合、かさ密度が小さくなるにしたがって各吸着率の増加度合いがより大きくなる。

（検証５：かさ密度と吸着速度との関係）
上記実施例１－１、１－２、１－４および比較例４を用いて直径１８ｍｍ、高さ２０ｍｍの円柱状の試験片を作製した。吸着対象の油脂（ＴＲＵＳＣＯ社製マシンオイル（ＩＳＯＶＧ：４６）、比重ρ_ｏ＝８５０ｋｇ／ｍ^３、接触角２９度～３５度）が深さ１ｍｍとなるように入れられた容器に、上記試験片を下部が油脂に浸るように入れて、時間ごとの吸い上げ高さを測定した。図１３に、実施例１－１、１－２、１－４および比較例４における吸い上げ時間と吸い上げ高さとの関係を示す。

図１３から明らかなように、かさ密度が小さいほど、短い時間で上端高さ（２０ｍｍ）まで油脂を吸い上げ、吸着速度が高いことがわかる。特に、かさ密度が０．２ｇ／ｃｍ^３以下のとき、１０分未満で吸い上げ高さが１５ｍｍに到達し、良好な吸着速度となる。

（検証６：体積膨張率と吸着率の関係）
上記実施例１－６および比較例１－２、２－２、３－２を用いて直径１８ｍｍ、高さ２ｍｍの円柱状の試験片を作製し、高精度電子天秤を用いて油脂吸着前の質量ｍを測定した。次に、上記試験片を、吸着対象の油脂（ＴＲＵＳＣＯ社製マシンオイル（ＩＳＯＶＧ：４６）、比重ρ_ｏ＝８５０ｋｇ／ｍ^３、接触角２９度～３５度）に浸漬した。油脂の吸着量が飽和するのに十分な時間が経過したのち上記試験片を油脂から引き上げて、吸着した油脂が自然に落下するように金網上に置いた。そして、高精度電子天秤を用いて、油脂から引き上げ直後（０秒）の質量Ｍ_Ａ、引き上げから３０秒後の質量Ｍ_Ｂ、および引き上げから５分後の質量Ｍ_Ｃを測定した。質量Ｍ_Ａ、質量Ｍ_Ｂおよび質量Ｍ_Ｃを質量ｍで割った値を吸着率Ｍ／ｍ（Ｍ_Ａ／ｍ、Ｍ_Ｂ／ｍ，Ｍ_Ｃ／ｍ）とする。また、これら質量ｍおよび質量Ｍを上記式（８）～（１０）に適用して、係数拡大率ε´／εを得た。係数拡大率ε´／εから体積膨張率Ｖ／Ｖｎを得た。図１４に、実施例１－６および比較例１－２、２－２、３－２における体積膨張率と吸着率との関係を示す。

図１４から明らかなように、係数拡大率および体積膨張率ともに、平均繊維径が１５００ｎｍのときに、最も体積膨張率が大きくかつ吸着率が高くなり、効率よく油脂を吸着することができる。

上記検証１～６の結果から、平均繊維径が１０００ｎｍ～２０００ｎｍでかつかさ密度が０．０１ｇ／ｃｍ^３～０．２ｇ／ｃｍ^３となる油脂吸着用ナノファイバー集積体が、良好な油脂吸着性能を有することが判明した。特に、平均繊維径が１５００ｎｍ近傍（１３００ｎｍ～１７００ｎｍ）でかつかさ密度が０．０１ｇ／ｃｍ^３～０．０５ｇ／ｃｍ^３となるものが、より良好な油脂吸着性能を有していることが判明した。

（検証７：空隙率と吸着率の関係）
平均繊維径が１５００ｎｍで空隙率（すなわち、かさ密度）が異なる複数の油脂吸着用ナノファイバー集積体を作製し、高精度電子天秤を用いて油脂吸着前の質量ｍを測定した。次に、上記試験片を、吸着対象の油脂（ＴＲＵＳＣＯ社製マシンオイル（ＩＳＯＶＧ：４６）、比重ρ_ｏ＝８５０ｋｇ／ｍ^３、接触角２９度～３５度）に浸漬した。油脂の吸着量が飽和するのに十分な時間が経過したのち上記試験片を油脂から引き上げて、吸着した油脂が自然に落下するように金網上に置いた。そして、高精度電子天秤を用いて、油脂からの引き上げから３０秒後の質量Ｍ_Ｂ、および引き上げから５分後の質量Ｍ_Ｃを測定した。質量Ｍ_Ｂおよび質量Ｍ_Ｃを質量ｍで割った値を吸着率Ｍ／ｍ（Ｍ_Ｂ／ｍ，Ｍ_Ｃ／ｍ）とする。また、上記式（８）を用いて、空隙率に対する吸着率の理論値を算出した。図１５に、平均繊維径が１５００ｎｍの油脂吸着用ナノファイバー集積体における空隙率と吸着率の実測値および理論値との関係を示す。

図１５から明らかなように、実測値と理論値とが概ね一致している。このことから、油脂吸着用ナノファイバー集積体の平均繊維径およびかさ密度（空隙率）から吸着率Ｍ／ｍを近似的に推定することができ、上述したモデルの有用性を確認することができた。

上記に本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。前述の実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、実施形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。

１…油脂吸着用ナノファイバー集積体、７…油脂、１０…最小計算ユニット、２０…繊維、２０ｘ、２０ｙ、２０ｚ…繊維部分、５０…製造装置、６２…ホッパー、６３…加熱シリンダー、６４…ヒーター、６５…スクリュー、６６…モーター、６８…ガス供給管、７０…ヘッド、９０…捕集網、９５…微細繊維、ｄ…平均繊維径、ρ_ｂ…かさ密度、ｅ_１…繊維間距離、η…空隙率

Claims (5)

1. 油脂吸着用ナノファイバー集積体であって、
   前記油脂吸着用ナノファイバー集積体の平均繊維径をｄとし、前記油脂吸着用ナノファイバー集積体のかさ密度をρｂとしたとき、以下の式（ｉ´）および（ｉｉ´）を満足すること、
   （ｉ´）１３００ｎｍ≦ｄ≦１７００ｎｍ
   （ｉｉ´）０．０１ｇ／ｃｍ ^３ ≦ρｂ≦０．０５ｇ／ｃｍ ^３
   並びに
   前記油脂吸着用ナノファイバー集積体の空隙率をηとしたとき、以下の式（５）によって算出される前記油脂吸着用ナノファイバー集積体における繊維間距離ｅ_１が以下の式（ｖｉｉ）を満足すること、
   

   

   （ｖｉｉ）３．４μｍ≦ｅ_１≦２０．３μｍ
   を特徴とする油脂吸着用ナノファイバー集積体。
2. 前記油脂吸着用ナノファイバー集積体を構成するナノファイバーの径の変動係数が０．６以下であることを特徴とする請求項１に記載の油脂吸着用ナノファイバー集積体。
3. 前記油脂吸着用ナノファイバー集積体の厚さをｔとしたとき、以下の式（ｉｉｉ）をさらに満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の油脂吸着用ナノファイバー集積体。
   （ｉｉｉ）２ｍｍ≦ｔ≦５ｍｍ
4. 油脂吸着用ナノファイバー集積体であって、
   前記油脂吸着用ナノファイバー集積体の平均繊維径をｄとし、前記油脂吸着用ナノファイバー集積体のかさ密度をρｂとしたとき、以下の式（ｉ）および（ｉｉ）を満足すること、
   （ｉ）１０００ｎｍ≦ｄ≦２０００ｎｍ
   （ｉｉ）０．０１ｇ／ｃｍ ^３ ≦ρｂ≦０．２ｇ／ｃｍ ^３
   並びに
   前記油脂吸着用ナノファイバー集積体の空隙率をηとしたとき、以下の式（５）によって算出される前記油脂吸着用ナノファイバー集積体における繊維間距離ｅ _１ が以下の式（ｖｉｉ）を満足すること、
   

   

   （ｖｉｉ）３．４μｍ≦ｅ _１ ≦２０．３μｍ
   
   前記油脂吸着用ナノファイバー集積体の厚さをｔとしたとき、以下の式（ｉｉｉ）をさらに満足すること、並びに
   （ｉｉｉ）２ｍｍ≦ｔ≦５ｍｍ
   ＩＳＯ粘度グレード番号がＩＳＯ ＶＧ ４６であり且つ比重が８５０ｋｇ／ｍ^３である油脂を吸着する前の質量ｍに対する当該油脂を吸着した後の質量Ｍの比を示す油脂の吸着率Ｍ／ｍが以下の式（ｖｉ）を満足すること、
   （ｖｉ）４０≦Ｍ／ｍ
   を特徴とする油脂吸着用ナノファイバー集積体。
5. 油脂吸着用ナノファイバー集積体であって、
   前記油脂吸着用ナノファイバー集積体の平均繊維径をｄとし、前記油脂吸着用ナノファイバー集積体のかさ密度をρｂとしたとき、以下の式（ｉ）および（ｉｉ）を満足すること、
   （ｉ）１０００ｎｍ≦ｄ≦２０００ｎｍ
   （ｉｉ）０．０１ｇ／ｃｍ ^３ ≦ρｂ≦０．２ｇ／ｃｍ ^３
   並びに
   前記油脂吸着用ナノファイバー集積体の空隙率をηとしたとき、以下の式（５）によって算出される前記油脂吸着用ナノファイバー集積体における繊維間距離ｅ _１ が以下の式（ｖｉｉ）を満足すること、並びに
   

   

   （ｖｉｉ）３．４μｍ≦ｅ _１ ≦２０．３μｍ
   ＩＳＯ粘度グレード番号がＩＳＯ ＶＧ ４６であり且つ比重が８５０ｋｇ／ｍ^３である油脂に前記油脂吸着用ナノファイバー集積体の下端を浸した時点から前記油脂吸着用ナノファイバー集積体によって吸い上げられた前記油脂の高さが１５ｍｍに到達するまでに要する時間が１０分未満であること、
   を特徴とする油脂吸着用ナノファイバー集積体。

Images