JPS61230711A

JPS61230711A - 高性能フイルタ−エレメント

Info

Publication number: JPS61230711A
Application number: JP10141585A
Authority: JP
Inventors: Katsutoshi Ando; 勝敏安藤; Ryoichi Togashi; 良一富樫
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1985-05-15
Filing date: 1985-05-15
Publication date: 1986-10-15
Also published as: JPH047243B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は表面に荷電した電荷が、高度に分極して、かつ
規則的に荷電した電荷構成を有する捕集効率の高い、圧
力損失の小さいエレクトレット繊維シートからなる高性
能フィルターエレメント、特にクリーンルーム用として
有用なフィルターエレメントに関する。

〔従来の技術〕

従来、クリーンルーム用フィルターエレメントとして極
細ガラス繊維を緻密に、かつ均一に抄紙したシートを用
い、濾過面積を大きくするためにジグザグ状に折曲げて
収納したエレメントが知られているが、このエレメント
は極細繊維からなる緻密な構造に起因して、シート内の
空隙が小さく、濾過時の圧力損失の上昇が大きく、かつ
シートの折曲げ数を多くしようとするとシートの厚みに
限界があったり、スペーサーを挿入する必要が生ずるた
めに圧力損失の低下をまぬがれ得なかった。

他方、エレクトレット化した繊維からなる繊維シートは
公知であり　（特開昭５９−１２４号公報）、それによ
るとメルトブローによって紡出された繊維糸条に高圧印
加し、繊維糸条に電荷粒子を衝突せしめ繊維表面を荷電
し、この繊維糸条をコンベア上に捕集してエレクトレッ
ト化した繊維シートを得る方法が提案されている。しか
じなか、ら、かかる方法によって得られるエレクトレッ
ト化繊維シートは、繊維シート内の分極電荷の配向がラ
ンダム（不規則）になるから、相互に電荷が弱め合い、
電界強度が経時的に低下する欠点があり、製品としても
エレクトレット化によるメリットが必ずしも十分に発揮
されないという問題があった。

このようなエレクトレット繊維シート濾過体として使用
しても本発明の目的とする高性能フィルターエレメント
を得ることはできないのである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は、上記公知のガラス繊維紙からなるフィ
ルターエレメントの欠点を解消し、かつ前記公知のエレ
クトレット化繊維からなる繊維シートとは、そのエレク
トレット化の電界構造を全く異にする構造を有し、経時
的にその高度の電荷が失われることのない、安定したエ
レクトレット性能を発揮し、高い捕集効率ならびに低い
圧力損失を示すエレクトレット繊維シートからなる高性
能フィルターエレメント、特にクリーンルーム用として
有用なフィルターエレメントを提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

このような本発明の目的は、表面に電荷を有し、該電荷
を構成する分極電荷の活性化エネルギーが少なくとも０
．２ｅＶであるエレクトレット繊維シートを所定の厚さ
に折畳み、該折畳まれたエレクトレット繊維シートを収
納体に収納してなる高性能フィルターエレメントからな
る高性能フィルターエレメント、好ましくは、該エレク
トレット繊維シートの目付が８０ｇ／　ｒｄ以下、見掛
は密度が０．０５ｇ／ｃ１１以上および繊維直径が２０
ミクロン以下であるエレクトレット繊維シートを少なく
とも２層に積層してなる高性能フィルターエレメントに
よって達成することができる。

以下、図面により本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明になる高性能フィルターエレメントの一
実施態様を示す一部切開斜視図である。図において、１
はフィルターエレメント、２は折畳まれたエレクトレッ
ト繊維シート、３はスペーサーを示し、４のフレーム内
にはエレクトレット繊維シート２が折畳まれて収納され
ており、該繊維シート２の折畳み部分にはスペーサー３
が介在している。エレメント収納体の形態は、矩形１円
形２円筒など種々可能である。

また、流体がリークしないように、繊維シート２はフレ
ーム４に接着剤で接合されている。このフィルターエレ
メントにおいて、濾過されるべき流体はＡ面からエレメ
ントに導入され、裏側のＢ面に抜ける。

ここで、本発明の該高性能フィルターエレメントを構成
する繊維シートはエレクトレット化、すなわち、その表
面に正電荷または負電荷を有するが、該電荷は分極して
おり、しかもこの分極電荷は０．２ｅＶ以上の活性化エ
ネルギーを有することに一つの特徴がある。

すなわち、第２図は、本発明になる高性能フイルターエ
レメントを構成するエレクトレット繊維シートの荷電状
態の一態様を示す模式断面図であり、図において、２は
繊維シート、５は該繊維シートを構成する繊維を示す。

図に示すように、本発明になる繊維シートに荷電した電
荷は一方の面は正電荷、他方の面には負電荷が荷電し、
電荷が分極している。

このような分極電荷によって発生する電力の方向をベク
トル線（矢印）によって模式的に示すと、第３図に示す
通りであり、本発明の繊維シートは、繊維シート内の分
極電荷が一方向に配向した電界構成を有しており、前記
第３図の分極電荷の方向がランダムな電界構成を有する
従来のエレクトレット化繊維シートとは明白に相違して
いる。

これに対して、第４図および第５図は、前記公知のエレ
クトレット化された繊維から得られる繊維シートの分極
電荷状態を示す模式断面図および繊維シートに荷電した
分極電荷の電力方向をベクトル（矢印）で示した模式図
である。

図に示すように、該繊維シート２を構成する繊維５に荷
電した電荷は、その電力方向がランダムであり、第２図
から明らかなようにそのベクトル量は相互に相殺される
。したがって、電力方向がランダムな電界構造を有する
これらの繊維シートを積層しても、電気的力は相互に打
消されるから、エレクトレット化の効果は助長されるこ
とはないといえる。

本発明のエレクトレット繊維シートは、上記分極の方向
がランダムな従来の繊維シートのように、繊維シートに
荷電された電荷が相殺されることがないから、エレクト
レット繊維シートとして長期間に亙って安定したエレク
トレット機能を発揮する。さらに、第９図にエレクトレ
ット繊維シートの積層の様子を示す。この積層によって
全電荷量が増加するために、それだけフィルターの性能
も向上する。積層したシートの極性については同極また
は異極のいずれであってもよい。

また、本発明において、該繊維シートの活性化エネルギ
ーは、第７図の昇温速度−電流曲線関係図に示すように
、温度を上げていったときに、分極電荷が脱分極された
ときに発生する電気量によって表わされる値であり、こ
の活性化エネルギーは、第６図に示す測定方法によって
測定される。すなわち、第６図は、該活性化エネルギー
を測定するための測定法のフローチャート図であり、図
において、２はエレクトレット化された繊維シート試料
、６および７は電極、８は温度コントロール装置、９は
加熱槽、１０は高感度温度計、１１はデータ処理装置、
１２はレコーダーを示し、電極６および７によって両面
を強く挟持されたエレクトレット化された繊維シート試
料２は、加熱槽９中に設置され、電極６．７を介して高
感度温度計１０に接続されている。

加熱槽９を一定昇温速度、たとえば室温から繊維の融点
付近まで５℃／分で昇温すると、トラップされた電荷が
脱分極し、電流が流れる。この電流をデータ処理装置１
１を経由してレコーダー１２で記録すると、第７図に示
すような昇温温度に対する電流曲線が得られるが、この
電流曲線の面積を測定試料の面積で割った値が分極電荷
量である。

このチャートの、それぞれのピークの立ち上り部分につ
いてＩｎＪ対１／Ｔのプロットを採り、得られた直線の
勾配から、次式により分極電荷の活性化エネルギー（Δ
Ｅ）を算出する。

Ｉｎ　Ｊ＝Ｃ−ΔＥ／ｋＴ上式において、Ｊは脱分極電流囚、Ｃは定数、△Ｅは活
性化エネルギー（ｅＶ）　、ｋはボルツマン定数、Ｔは
温度（’Ｋ）を示す。

本発明のエレメントを構成するエレクトレット繊維状シ
ートが有する電荷は、これを構成する分極電荷が少なく
とも０．２ｅＶの活性化エネルギーを有する点で特徴的
である。さらに、好ましくは０．５ｅＶ以上、最も好ま
しくは０．７ｅＶ以上有するのがよい。この活性化エネ
ルギーはエレクトレットにおける電荷のトラップの深さ
を表わすものであり、エレクトレットの寿命、耐久性に
大きな影響を与える。

そして、上記のチャートにおいて、ピークの出る温度領
域が高いほど、繊維シートのエレクトレフ）の耐久性お
よび安定性が大きいが、本発明の繊維シートは、該ピー
クの値が少なくとも４０℃、好ましくは８０℃以上、最
も好ましくは１３０℃以上の高温領域にあり、寿命のみ
ならず耐久性ならびに安定性においても極めて優れてい
る。

さらに該繊維シートの分極電荷量は、該高性能フィルタ
ーエレメントの電気的性能と直接関係するが、本発明の
繊維シートは、該分極電荷量が少なくとも７Ｘ１０−”
クーロン（ｃ）　／　ｃｄ、好ましくは２　Ｘｌ０−”
ｃ／−以上さらに好ましくは５　Ｘｌ０−”Ｃ／−以上
の電荷量を有する。さらに、本発明の高性能エレクトレ
ットフィルターを構成する繊維シートの電界構成は、そ
の分極した電荷が一方向に配向した構成を有しているか
ら、前記公知のエレクトレット化繊維シートのように、
分極電荷がランダム方向に分布した電界構成を有するも
のに比較して、電界構成が極めて安定しており、かつこ
のことは本発明の繊維シートがエレクトレット繊維シー
トであるにもかかわらず、少なくとも０．２ｅＶという
高度の分極電荷の活性化エネルギーを具備する一つの大
きな要因となっているのである。

ここで、本発明のエレメントに介在するスペーサーとし
ては、エレクトレット繊維シートの間隙を形成し、流体
が容易にシートの間を流れるようにするものであればよ
く、特に限定されないが、たとえば紙、不織布、金属フ
ォイル、プラスチックシート、またはフィルムなどを挙
げることができる。

このような本発明になるエレクトレットフィルターエレ
メントを構成するエレクトレット繊維シートの製造法と
しては、公知のエレクトレット化可能な各種ポリマ、好
ましくは電気比抵抗が１０″Ω・１以上のポリマまたは
ガラス、その他の無機化合物、具体的には、ポリオレフ
ィン、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリ弗化系樹
脂、塩化ビニル系樹脂など、好ましくはポリオレフィン
、特にポリプロピレンを使用し、メルトブロー、即ち、
前記繊維形成性素材を紡糸口金から吐出すると共に、紡
出された吐出繊維糸条を高速気流に随伴させて一挙に繊
維化し、繊維化された極細繊維糸条を捕集して繊維シー
トとする方法によって繊維シートを作成し、次いで得ら
れた繊維シートをエレクトレット化する、好ましくは次
の方法によってエレクトレット化するのがよい。

すなわち、第８図は、本発明のエレクトレット繊維シー
トの製造に使用される装置の一態様を示す断面図であり
、図において、２は繊維シート、１３は水電極、１４は
針状型−を示し、メルトブロー法によって作成された本
発明に規定する目付、見掛は密度および繊維直径を満足
する繊維シート２は、適切な温度に保たれた水電極１３
上に載置され、該水電極１３の反対側の繊維シート面に
針状電極１４を繋いで直流電流を高圧印加し、該繊維シ
ートをエレクトレット化するのである。

この場合に、該繊維シート２と該水電極１３との接触面
積を大きくすることによって、より有効に該繊維シート
をエレクトレット化することができる。また、印加電圧
は、繊維シートを構成する繊維素材や電極間の距離など
によって相違するが、たとえば電極間距離を３ｃｍとし
た場合は、少なくともｌ０ＫＶ、好ましくは１５〜５０
ＫＶ、さらに好ましくは２５〜４０ＫＶの印加電圧を瞬
間的もしくは約０．１秒以上、好ましくは１〜１２０秒
の時間印加するのがよい。

高電圧印加手段として、繊維シートの片面を正に高電圧
印加し、反対面を負に高電圧印加する両面処理によって
、さらに電荷の分極を大きくし、容易に本発明に規定す
る高度の活性化エネルギーを繊維シートに付与すること
ができる。

かくして得られたエレクトレット繊維シートは、所定の
厚さに折畳まれる。この場合に、上記方法によってエレ
クトレット化される繊維シートは、その目付が８０ｇ／
　ｒｄ以下、好ましくは５０ｇ／ｒｄ以下がよく、また
、見掛は密度は０．３　ｇ／ｃｎｆ以下、好ましくは０
．２ｇ／ａｎｔ以下、さらに好ましくは０．１７ｇ／ｃ
Ｊ以下であり、繊維シートを構成する繊維直径が２０ミ
クロン以下、好ましくは１０ミクロン以下の極細繊維か
らなり、かつシートムラ変動率が１０％以下、好ましく
は６％以下である均一な繊維シートが好ましい。ここで
、シートムラ変動率は１０ｃ１１角のサンプルを５０〜
１００個採取して、その重量を測定し、統計的に算出し
た値である。このエレクトレット繊維シートを少なくと
も２層に積層することにより、本発明の効果はさらに大
きく向上する。

このような目付、見掛は密度、シートムラ変動率および
繊維直径を満足することによって、高電圧による印加効
率のよい、良好な電荷安定性および大きい分極電荷量を
有する繊維シートにすることができる。特に、繊維シー
トとしての本来の布帛性能、機能を保有するから、該繊
維シートを積層して捕集効率を向上させる場合に、積層
が容易であるばかりでなく、任意の折畳み構造、たとえ
ば、ピンチが０．４〜５山／値の折畳み構造をとっても
その高度のエレクトレット効果および濾過特性が失われ
ることがないのである。

〔発明の効果〕

本発明になる高性能フィルターエレメントは、繊維シー
トに荷電された電荷が長期間に互って安定しており、し
かも活性化エネルギーが大きいために薬品、熱によって
もその電荷が失われることが少なく、優れた耐久性を示
す。

そして、該エレメントは、通常のエレメントと同等以上
の均一性、機械的・物理的物性を有し、しかも極細繊維
であるために柔軟性、ドレープ性質などに優れた繊維シ
ートであるから、多くの多種用途に使用することが可能
である。

以下、実施例、比較例により、本発明の効果を具体的に
説明する。

実施例１ポリプロピレンをメルトブロー紡糸法によって紡糸し、
平均直径３．５μｍの繊維からなる目付が１８ｇ／　ｉ
、見掛密度が０．１３ｇ／ｃｊおよびシートムラ変動率
が４．４％の繊維シートを作成し、第７図に示す装置を
用いてエレクトレット化した。

エレクトレット化の条件としては、水電極の温度を５０
℃、針電極の電極間距離を３ａａ、印加電圧を一３０Ｋ
Ｖ、処理時間を６０秒とした。

このエレクトレット化処理後、繊維シートを乾燥し、該
繊維シートを裏返して水電極上に載置し、＋２０ＫＶで
６０秒間再度エレクトレット化した。

かくして得られた高性能フィルターエレメントの電流ピ
ークは、９２℃と１５３℃であり、それぞれのピークに
おける活性化エネルギーは０．５５ｅＶおよび０．８４
ｅＶであり、分極電荷量は８．５Ｘ１０−”ｃ／ｃｄで
あった。

この繊維シート５枚を表面電荷極性が異極になるように
積層した。得られたエレクトレット繊維シートをピッチ
間隔２１山／２０ｃＩ１１に折畳み、折畳み間隙に波状
の紙製のスペーサーを挿入し、木枠に接着剤を用いて流
体のリークがないように接合し、第１図に示すようなサ
イズが２０ｃｍ角のフィルターエレメントを作成した。

このエレメントのフィルター面は８４００ａａであった
。

このフィルターエレメントを用いて、０．３ミクロンの
ポリスチレンエアゾール（米国ダウケミカル社製：ポリ
スチレンユニフォームラテックスバーテル）を通過速度
２．５ｃｍ／秒に設定して通過させ、フィルターの性能
を調べた。

その結果、フィルターエレメントの捕集効率を光散乱方
式のエアゾールカウンター（日立製作所型）を使用し、
フィルターエレメント通過前後の粒子カウントを測定し
て求めた。同様にフィルター通過前後の圧力損失を測定
した。

その結果、初期性能は捕集効率９９．９９７％、圧力損
失５　ｍｍ−ａｑであった。また、１ケ月使用後の性能
を測定したところ、捕集効率は９９．９９７％、圧力損
失は５．７鶴・ａｑであり、初期性能とほとんど変わり
なかった。

実施例２実施例１と同様にメルトブロー法により平均繊維直径が
４．５ミクロンのポリプロピレン繊維からなる目付６０
ｇ／　ｒｒ？、見掛密度０．１３５ｇ／ｃｉの繊維シー
トを作成し、実施例１に準じてエレクトレット化した。

得られた繊維シートの電流ピーク温度は８５℃と１４９
℃であり、それぞれのピークにおける活性化エネルギー
は０．２４ｅＶおよび０．６２ｅＶであり、繊維シート
の分極電荷量は５　Ｘｌ０−”ｃ／ｃｎｌであり、１３
０℃以上の分極電荷量は５　Ｘ　１Ｏ−ＩＯｃ／　ａｎ
ｔであった。

実施例１と同様にしてフィルターエレメントを作成し、
そのフィルター性能を測定した結果、初期性能は捕集効
率９９．９９２％、圧力損失３．０鶴・ａｑであった。

比較例１繊維直径が０．７５ミクロンのガラス繊維からなる、目
付が７８ｇ／　ｒｄ、シートの見掛密度が０．１８ｇ／
−であるガラスフィルターを用いて実施例１と同様のフ
ィルターエレメントを作成した。

このフィルターエレメントの性能を実施例１と同様に測
定した結果、初期性能は捕集効率９９゜９８５％、圧力
損失２３龍・ａｑであり、また、１ケ月使用後の性能は
捕集効率９９．９８８％、圧力損失２４．５龍・ａｑで
あった。圧力損失が非常に高く、捕集効率も本発明のエ
レメントに比較して劣っていた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明になるフィルターエレメントの一実施態
様を示す一部切開斜視図、第２図および第３図は該フィ
ルターエレメントを構成するエレクトレット繊維シート
の模式断面図およびシート内の分極電荷の配向状態を電
力ベクトルで表示した断面図、第４図および第５図は同
様に従来のエレクトレット繊維シートの模式断面図およ
びシート内の分極電荷の配向状態を電力ベクトルで表示
した断面図、第６図は本発明の繊維シートの活性化エネ
ルギーを測定するのに使用される装置のフローチャート
図、第７図はエレクトレット繊維シートを製造するため
の装置の一例を示す断面図、第８図はエレクトレット化
装置の一例を示す模式図ミ第９図はエレクトレット繊維
シートの積層の様子を示す図である。１・・・エレメント、２・・・繊維シート、６，７・・
・電極、８・・・温度コントロール装置、９・・・加熱
槽、１０・・・高感度温度計、１１・・・データ処理装
置、１２・・・レコーダー、１３・・・水電極、１４・
・・針状電極。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）表面に電荷を有し、該電荷を構成する分極電荷の
活性化エネルギーが少なくとも０．２ｅＶであるエレク
トレット繊維シートを所定の厚さに折畳み、該折畳まれ
たエレクトレット繊維シートを収納体に収納してなる高
性能フィルターエレメント。
（２）特許請求の範囲第１項において折畳まれるエレク
トレット繊維シートの分極電荷の電荷量が、室温以上の
温度において少なくとも７×１０＾−＾１＾１クーロン
／ｃｍ＾２以上である高性能フィルターエレメント。
（３）特許請求の範囲第１項において、折畳まれるエレ
クトレット繊維シートの分極電荷の脱分極温度が、少な
くとも４０℃である高性能フィルターエレメント。
（４）特許請求の範囲第１〜３項において、繊維シート
を構成する繊維の平均径が１０ミクロン以下である高性
能フィルターエレメント。
（５）特許請求の範囲第１、２又は３項において、繊維
シートのシートムラ変動率が１０％以下である高性能フ
ィルターエレメント。
（６）特許請求の範囲第１、２、３又は４項において、
エレクトレット繊維シートの目付が８０ｇ／ｍ＾２以下
、見掛け密度が０．０５ｇ／ｃｍ＾２以上および繊維直
径が２０ミクロン以下であるエレクトレット繊維シート
を少なくとも２層に積層してなる高性能フィルターエレ
メント。
（７）特許請求の範囲１、２、３、４、５又は６項にお
いて、繊維シート構成繊維がポリプロピレン系重合体か
らなる繊維である高性能フィルターエレメント。