JP7409107B2 - 熱交換用シート - Google Patents
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Description
(1)少なくとも多孔質基材と樹脂層との積層体を備え、前記樹脂層が、アクリル樹脂に親水基が導入された変性アクリル樹脂とポリビニルピロリドンおよび/またはビニルピロリドン共重合体との架橋構造を有している、熱交換素子用シート、
(2)前記変性アクリル樹脂、炭素-炭素二重結合を2個以上有するアクリレートが架橋されてなる架橋構造を含む、(1)の熱交換素子用シート、
(3)前記炭素-炭素二重結合を2個以上有するアクリレートが架橋されてなる架橋構造が下記化学式(1)または(2)で表される構造を含む(1)または(2)の熱交換素子用シート、
(4)
前記変性アクリル樹脂が、ウレタンアクリレートが架橋されてなる架橋構造を含む、請求(1)~(3)いずれかに記載の熱交換素子用シート、
(5)前記ポリビニルピロリドンおよび/またはビニルピロリドン共重合体が、架橋構造を有することを特徴とする、(1)~(4)いずれかに記載の熱交換素子用シート、
(6)ポリビニルピロリドンおよび/またはビニルピロリドン共重合体と、親水基が導入された変性アクリル樹脂を含む塗液組成物を、前記多孔質基材の上に塗布して塗膜を形成した後に、前記塗膜に紫外線を照射する工程を有する、(1)~(5)いずれかの熱交換素子用シートの製造方法、
(7)(1)~(5)のいずれかに記載の熱交換素子用シートを用いた熱交換素子、
(8)(7)記載の熱交換素子を用いた熱交換器である。
[熱交換素子用シート]
本発明の熱交換素子用シートは、少なくとも多孔質基材と樹脂層の積層体を備え、前記樹脂層が、アクリル樹脂に親水基が導入された変性アクリル樹脂とポリビニルピロリドンおよび/またはビニルピロリドン共重合体との架橋構造を有している。ここで、本願では、アクリル樹脂に親水基が導入された変性アクリル樹脂を、変性アクリル樹脂と称することがある。また、本願では、ポリビニルピロリドンおよび/またはビニルピロリドン共重合体を、ポリビニルピロリドン等と称することがある。また、本願では、樹脂層がポリビニルピロリドン等を含むとの記載があるが、このポリビニルピロリドン等とは、変性アクリル樹脂と架橋構造を形成しているものをいう。なお、樹脂層は、変性アクリル樹脂と架橋構造を形成していないポリビニルピロリドン等を有していてもよい。ここで、変性アクリル樹脂と架橋構造を形成していないポリビニルピロリドン等としては、架橋していないポリビニルピロリドン等やポリビニルピロリドン等同士で架橋構造を形成しているものがある。また、本願では、樹脂層が変性アクリル樹脂を含むとの記載があるが、この変性アクリル樹脂とは、ポリビニルピロリドン等と架橋構造を形成しているものをいう。なお、樹脂層は、ポリビニルピロリドン等と架橋構造を形成していない変性アクリル樹脂を有していてもよい。ここで、ポリビニルピロリドン等と架橋構造を形成していない変性アクリル樹脂としては、架橋していない変性アクリル樹脂や変性アクリル樹脂同士で架橋構造を形成しているものがある。
本発明に用いられる多孔質基材(以下、多孔質基材を基材と称することがある)は透気度および透湿度を有し、微細な貫通孔を多数有している。高湿度環境での強度低下が少ないことや薄膜化しやすいことから高分子樹脂を原料とする多孔質基材が好適に用いられる。多孔質基材を構成する高分子樹脂としてはポリオレフィン樹脂、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、芳香族ポリアミド、フッ素系樹脂などいずれでも構わないが、生産コスト、入手し易さなどの観点からポリオレフィン樹脂が好ましい。上記ポリオレフィン樹脂を構成する単量体成分としては、例えば、エチレン、プロピレン、1-ブテン、1-ペンテン、3-メチルペンテン-1、3-メチル-1-ブテン、1-ヘキセン、4-メチル-1-ペンテン、5-エチル-1-ヘキセン、1-ヘプテン、1-オクテン、1-デセン、1-ドデセン、1-テトラデセン、1-ヘキサデセン、1-ヘプタデセン、1-オクタデセン、1-エイコセン、ビニルシクロヘキセン、スチレン、アリルベンゼン、シクロペンテン、ノルボルネン、5-メチル-2-ノルボルネンなどが挙げられ、これらの単独重合体や、これらの単量体成分からなる群から選ばれる少なくとも2種の共重合体、これら単独重合体や共重合体のブレンドなどが挙げられるが、これらに限定されるわけではない。上記の単量体成分以外にも、例えば、ビニルアルコール、無水マレイン酸などを共重合しても構わない。特に多孔性基材において、空孔率や細孔径など調整や製膜性、生産コストの低減などの観点から、上記の樹脂を構成する単量体成分は、エチレンおよびプロピレンからなる群から選ばれる1以上であることがより好ましい。
本発明の樹脂層は少なくともポリビニルピロリドン等と変性アクリル樹脂を含み、この樹脂層は前記変性アクリル樹脂とポリビニルピロリドン等と架橋構造を有する。本発明の樹脂層におけるポリビニルピロリドン等の含有量は、樹脂層全体に対し50質量%以上が好ましく、75質量%以上がより好ましく、90質量%以上が特に好ましく、97質量%以下が好ましい。ポリビニルピロリドン等の含有量が上記の下限以上であることで、熱交換素子用シートの透湿度および気体遮蔽性が優れたものとなる。ポリビニルピロリドン等の含有量が上記の上限以下であることで、熱交換素子用シートの洗浄耐久性が優れたものとなる。なお、樹脂層がポリビニルピロリドンとビニルピロリドン共重合体の両方を含有する場合には、上記の含有量はポリビニルピロリドンとビニルピロリドン共重合体の合計の含有量を指す。また、樹脂層が、変性アクリル樹脂と架橋構造を形成しているポリビニルピロリドン等および変性アクリル樹脂と架橋構造を形成していないポリビニルピロリドン等を含む場合には、上記の含有量は変性アクリル樹脂と架橋構造を形成しているポリビニルピロリドン等および変性アクリル樹脂と架橋構造を形成していないポリビニルピロリドン等の合計の含有量を指す。
本発明の樹脂層はポリビニルピロリドンおよび/またはビニルピロリドン共重合体を含む。ポリビニルピロリドンおよび/またはビニルピロリドン共重合体を含むことで樹脂層は高い吸湿性を得ることができ、上記樹脂層が積層された熱交換素子用シートは高い透湿度を得ることができる。ポリビニルピロリドン等の吸湿性は、23℃75%RHのときの水分吸収率が10質量%以上50質量%以下であることが好ましく、15質量%以上48質量%以下がより好ましく、25質量%以上45質量%以下が特に好ましい。前記水分吸収率が上記の下限以上にあるとき前記樹脂層は高い吸湿性を得ることができ、熱交換素子用シートは高い透湿度を得ることができる。水分吸収率が上記の上限以下にあるとき、樹脂層の吸湿による膨潤を抑制でき、熱交換素子用シートは高い耐水性を得ることができる。
本発明の熱交換素子用シートが備える樹脂層は変性アクリル樹脂を含む。変性アクリル樹脂には、親水基が導入されたアクリル樹脂である。親水基の導入されていないアクリル樹脂は、一般的に疎水性である。そして、この疎水性のアクリル樹脂を含む樹脂層では、この樹脂層内への水分の浸入が抑制され、結果として、この樹脂層を備える熱交換用シートの透湿度を損なう傾向がみられる。しかし、変性アクリル樹脂を含んだ樹脂層の場合、変性アクリル樹脂が有する親水基により、変性樹脂を有する樹脂層内への水分の浸入が損なわれ難いため、この樹脂層を備える熱交換素子用シートの透湿度は、親水基が導入されていないアクリル樹脂を含んだ熱交換素子用シートの透湿度と比べて優れたものとなる。
4級アンモニウム基を含んだ変性アクリル樹脂としては、大成ファインケミカル社製“1WX”(登録商標)シリーズや“8WX”(登録商標)シリーズ、“3WX”(登録商標)シリーズなどが挙げられる。
樹脂層に含まれる変性アクリル樹脂は、炭素-炭素二重結合を2つ以上持つアクリレートが架橋されてなる架橋構造を含むことが好ましい(以降、炭素-炭素二重結合を2つ以上持つアクリレートが架橋されてなる架橋構造を三次元的な架橋構造と称することがある)。炭素-炭素二重結合を2つ持つアクリレートが架橋されてなる架橋構造は下記化学式(1)または(2)で表される構造を含むことが好ましい。これらの架橋構造は、三次元的に絡み合った構造を有する化学的に安定な分子構造であるため、熱交換素子用シートの洗浄耐久性を向上させることができる。
ここで、炭素-炭素二重結合を2つ以上持つアクリレートとしては、トリエチレングルコールジアクリレート、トリメチロルプロパントリアクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレートなどが挙げられる。中でも、炭素-炭素二重結合を多く持ち、架橋密度が高くでき、高耐久性の樹脂層が得られることから、炭素-炭素二重結合を4つ持つペンタエリスリトールテトラアクリレート、炭素-炭素二重結合を6つ持つジペンタエリスリトールヘキサアクリレートが好ましい。
本発明の樹脂層は必要に応じて添加剤を含んでも良い。添加剤としては無機粒子あるいは有機粒子、難燃剤、防かび剤、防腐剤、難燃剤、染料、顔料などを含んでもよい。
樹脂層の目付は少なすぎると多孔質基材に存在する孔を十分に閉塞できないことがあり、熱交換素子用シートの気体遮蔽性を損なうことがある。一方、多すぎると熱交換素子用シートの透湿度を損なうことがある。さらに、樹脂層が吸放湿した際に樹脂層の収縮が大きくなり熱交換素子用シートが変形してしまうことがある。また、前述のように紫外線を照射して樹脂層を架橋させる場合、樹脂層の目付が多すぎると樹脂層に含まれる成分が十分架橋できず、洗浄耐久性を損なうことがある。上記の点より樹脂層の目付は0.5g/m2以上であることが好ましく、0.7g/m2以上であることがより好ましく、1.0g/m2以上であることが特に好ましい。一方で、樹脂層の目付は、4.0g/m2以下であることが好ましく、3.5g/m2以下であることがより好ましく、3.0g/m2以下であることが特に好ましい。樹脂層の目付が上記好ましい範囲にある場合、本発明の熱交換素子用シートは高い気体遮蔽性と洗浄耐久性を得ることができる。
前述したポリビニルピロリドン等、及び変性アクリル樹脂、並びに必要に応じて、添加剤や溶媒を含有する樹脂層形成用の塗液を基材上へ塗布し、必要に応じて溶媒を乾燥させることによって、基材上に樹脂層を形成することができる。
基材上に形成された樹脂層はその中にポリビニルピロリドン等および変性アクリル樹脂を含み、前記変性アクリル樹脂は前記ポリビニルピロリドンおよび/またはビニルピロリドン共重合体との架橋構造を形成している。ポリビニルピロリドン等が変性アクリル樹脂との架橋構造を有することにより熱交換素子用シートの洗浄耐久性が向上する。熱交換素子用シートの洗浄耐久性が向上することにより、前記樹脂層を温水や洗剤を用いて熱交換素子用シートを洗浄した際に樹脂層からのポリビニルピロリドン等の流出が抑制でき、熱交換シートの性能劣化を抑制することができる。
紫外線照射の積算光量は、50~3,000mJ/cm2であることが好ましく、100~1,000mJ/cm2がより好ましく、250~700mJ/cm2が特に好ましい。前記積算光量が50mJ/cm2以上であれば樹脂層の洗浄耐久性が向上するため好ましい。また、前記積算光量が3,000mJ/cm2以下であれば基材へのダメージを少なくすることができるため好ましい。
(8)ウレタンアクリレート
樹脂層に含まれている変性アクリル樹脂は、ウレタンアクリレートが架橋されてなる架橋構造を含むことが好ましい。ウレタンアクリレートとは、イソシアネート基とヒドロキシ基を反応させたウレタン結合とアクリル基を有する分子である。ウレタンアクリレートが架橋されてなる架橋構造は下記化学式11で表される構造を含むことが好ましい。
ウレタンアクリレートが有するアクリル基は紫外線照射などのエネルギー線照射により他の分子と架橋することができる。ウレタンアクリレートが架橋されてなる架橋構造は構造内にウレタン結合を持ち、ウレタン結合は樹脂層に含まれる他の分子の水酸基などと水素結合を形成できるため強靭な樹脂層を形成することができる。強靭な樹脂層は物理的な外力による亀裂や破壊が起きにくいため、樹脂層に含まれている変性アクリル樹脂がウレタンアクリレートが架橋されてなる架橋構造を含むことで、熱交換素子用シートが曲がったり、折れたりした場合に、樹脂層の亀裂や破壊に起因する熱交換素子用シートの気体遮蔽性の劣化を抑制することができる。 また、前記ウレタンアクリレートが架橋されてなる架橋構造は一般的に伸度が高いという特性を持つ。したがって、変性アクリル樹脂が、ウレタンアクリレートが架橋されてなる架橋構造を持つことにより、変性アクリル樹脂は部分的に伸度が高い特性を持つ。その結果、変性アクリル樹脂が紫外線照射などで架橋した際に発生する、収縮応力をその構造内で緩和することができる。変性アクリル樹脂が収縮応力を緩和できるため、結果的に、樹脂層全体が収縮して熱交換素子用シートのカールなどの形状変化を抑制することができる。
次に熱交換素子の製造方法の一例を説明する。熱交換素子用シートと、間隔保持部材であるコルゲートシートを接着剤等で貼り合わせ、片面段ボールを得る。接着剤は、酢酸ビニル系、エチレン酢酸ビニル系を用いることで、本発明の樹脂層との接着力が向上するため好ましい。また、必要に応じてコルゲートシートに、難燃剤加工を施しておいてもよい。コルゲート加工は、コルゲートシートを形成する互いに噛み合って回転する一対の歯車状のコルゲーターにより行われ、熱交換素子用シートとコルゲートシートとの貼り合わせは、熱交換素子用シートをコルゲート加工されたコルゲートシートに押し付けるプレスロールからなる装置により行われる。コルゲートシートと熱交換素子用シートの接着には、コルゲートシートの段加工された頂点部に接着剤を塗布し、熱交換素子用シートを押圧し接着する工程等を採用することもできる。またコルゲートシートと熱交換素子用シートとの少なくともいずれか一方に接着剤を塗布し、コルゲートシートと熱交換素子用シートを加熱しながら押圧することで接着させることもできる。本発明の熱交換素子用シートは上記コルゲートシートの素材としても使用することができる。
(1)熱交換素子用シートの目付
100mm角の熱交換素子用シートの試験片を5枚用意し、それらを温度20℃、湿度65%RHの雰囲気中にて24hr静置し、その後に、5枚の試験片それぞれの質量(g)を測定し、その平均値を1m2当たりの質量(g/m2)で表し、熱交換素子用シートの目付(g/m2)とした。
300ml容量の容器に充填された200mlの溶媒(酢酸エチル)に5枚の(1)の試験片を2分間含浸させ、5枚の試験片の表面および裏面を5回ずつ拭き取った。次に、再度、5枚の試験片を300ml容量の容器に充填された200mlの溶媒(酢酸エチル)に2分間浸漬させた。続いて、5枚の試験片を温度20℃、湿度65%RHの雰囲気中にて24hr静置し、熱交換素子用シートから樹脂層を除去した多孔質基材の試験片を得た。その後に、5枚の試験片それぞれの質量(g)を測定し、その平均値を1m2当たりの質量(g/m2)で表し、多孔質基材の目付(g/m2)とした。
次に、(1)と(2)で求めた熱交換素子用シートの目付および、多孔質基材の目付から下記式より樹脂層の目付(g/m2)を計算した。
樹脂層の目付(g/m2)=熱交換素子用シートの目付(g/m2)-多孔質基材の目付(g/m2)。
5gの熱交換素子用シートの試験片を、熱分解ガスクロマトグラフィー(熱分解GC-MS)で測定し、樹脂層に含まれている成分を特定し、さらに、樹脂層に含まれる成分の含有量を求めた。
(4)で求めた樹脂層を構成する各成分の含有量に基づき、樹脂層を構成する全成分の含有量に対する樹脂層に含まれる変性アクリル樹脂の含有量の比率(変性アクリル樹脂の含有量/樹脂層を構成する全成分の含有量)を算出し、(3)で求めた樹脂層の目付に上記の比率を乗算して変性アクリル樹脂の目付とした。
試料(熱交換素子用シート)の樹脂層の面を赤外分光分析(IR)の全反射測定法(ATR法)にて測定し、得られたスペクトルから樹脂層中に含まれる官能基を特定し、(4)で特定した樹脂層に含まれる成分および含有量と照合して、樹脂層中に含まれる成分が架橋した構造を特定した。
厚さは、試料(熱交換素子用シート)の異なる箇所から200mm角の試験片を3枚採取し、温度20℃、湿度65%RHの雰囲気中にて24hr静置し、その後、3枚の試験片それぞれの中央と4隅の5点の厚さ(μm)を測定器(型式ID-112、(株)ミツトヨ製)を用いて測定し、15個の測定値の平均値を値とした。
透湿度は、JIS Z0208(1976)透湿度(カップ法)の方法により測定した。使用したカップは、直径60mmで深さ25mmである。試験片は、直径70mmの円形の熱交換素子用シートを5枚用意した。試験片を、温度20℃、湿度65%RHで24hr放置した。次に、その試験片を、水分測定用塩化カルシウム(和光純薬工業製)の入ったカップに設置し、試験片、塩化カルシウム、カップを併せた初期重量(T0)を測定し、次いで、温度20℃、湿度65%RHに設定した恒温恒湿槽内に試験片を静置し、静置を開始して、1時間後、2時間後、3時間後、4時間後および5時間後の時点における試験片、塩化カルシウム、カップを併せた重量(それぞれT1、T2、T3、T4、T5)を測定した。下記式により透湿度を求め、5枚の平均値を透湿度(g/m2/hr)とした。
透湿度(g/m2/hr)={[((T0-T1)/T1)+((T0-T2)/T2)+((T0-T3)/T3)+((T0-T4)/T4)+((T0-T5)/T5)]/5}×100。
透気度は、JIS P8117(1998)透気度(ガーレ試験機法)の方法により測定した。長さ100mm、幅100mmの試験片(熱交換素子用シート)を5枚用意した。試験片は温度20℃、湿度65%RHで24hr放置後、同温湿度の環境下で、ガーレ式デンソメータ(型式G-B3C、(株)東洋精機製作所)に試験片を設置し、空気100mlが通過する時間を測定し、5枚の平均値を透気度(秒/100ml)とした。なお、透気度の値が大きいほど、熱交換素子用シートの気体遮蔽性は優れたものとなる。
100mm角の熱交換素子用シートの試験片を10枚用意した。次いで、家庭用食器洗剤を40℃の温水に溶かして濃度0.01質量%の洗浄液を作製した。この洗浄液に試験片を浸漬し、5分間静置した。次にサンプルを取り出し、40℃の流水で10秒間リンスする動作を2回繰り返した。以上の洗浄液に浸漬する動作からリンスまで処理を1サイクルの洗浄処理とし、ひとつのサンプルにつき5サイクルの洗浄処理を繰り返した。この5サイクルの洗浄処理を洗浄耐久試験と称する。回収した洗浄耐久試験後の試験片を60℃設定の熱風オーブンで3分間乾燥した後、20℃65%RHの雰囲気中にて24hr静置した。
変化率(%)={洗浄耐久試験後の測定値-洗浄耐久試験前の測定値)/洗浄耐久試験前の測定値}×100 。
(11)熱交換素子用シートのカール
熱交換素子用シートを100mm角に切り出し、20℃65%RH環境下で平らな試験台の上に静置した。静置した熱交換素子用シートが筒状に変形した場合をカールありと判定した。
(実施例1)
多孔質基材として、目付6.7g/m2、厚さ12μm、空孔率43%、細孔径33nmのポリエチレン多孔性フィルムを多孔質基材として用意した。この多孔質基材の物性は、透湿度101g/m2/hrであった。
以下の操作により樹脂層の塗料組成物を作製した。
以下の操作により樹脂層の塗料組成物を作製した。
以下の操作により樹脂層の塗料組成物を作製した。
以下の操作により樹脂層の塗料組成物を作製した。
以下の操作により樹脂層の塗料組成物を作製した。
以下の操作により樹脂層の塗料組成物を作製した。
以下の操作により樹脂層の塗料組成物を作製した。
以下の操作により樹脂層の塗料組成物を作製した。
102.多孔質基材
103.樹脂層
104.孔
105.孔の中に浸入した樹脂層成分
Claims (7)
- 少なくとも多孔質基材と樹脂層との積層体を備え、
前記樹脂層が、アクリル樹脂に親水基が導入された変性アクリル樹脂と
ポリビニルピロリドンおよび/またはビニルピロリドン共重合体との架橋構造を有しており、
前記変性アクリル樹脂が、炭素-炭素二重結合を2個以上有するアクリレートが架橋されてなる架橋構造を含む、熱交換素子用シート。 - 前記変性アクリル樹脂が、ウレタンアクリレートが架橋されてなる架橋構造を含む、請求項1または2に記載の熱交換素子用シート。
- 前記ポリビニルピロリドンおよび/またはビニルピロリドン共重合体が、架橋構造を有することを特徴とする、請求項1~3いずれかに記載の熱交換素子用シート。
- ポリビニルピロリドンおよび/またはビニルピロリドン共重合体と、親水基が導入された変性アクリル樹脂を含む塗液組成物を、前記多孔質基材の上に塗布して塗膜を形成した後に、前記塗膜に紫外線を照射する工程を有する、請求項1~4いずれかの熱交換素子用シートの製造方法。
- 請求項1~4のいずれかに記載の熱交換素子用シートを用いた熱交換素子。
- 請求項6に記載の熱交換素子を用いた熱交換器。
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