TWI406699B - 吸收性過濾材料 - Google Patents

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Description

吸收性過濾材料
發明係有關於具有吸收性質的材料，且特別是針對吸收酸及酸形成物質。此發明尚包含由該材料組成之過濾元件。
在許多工業上應用以及個人或物體的保護上，移除空氣中不想要的微量酸或酸形成物質是相當重要的。
酸以及酸形成物質會對物體的表面造成腐蝕性或其他破壞性作用，使得整個物體受到傷害或永久性的破壞。
其中一種酸形成物質是燃燒石化燃料所產生的二氧化硫。二氧化硫產生之後會釋放到大氣中，並和新鮮空氣混合，然後成為新鮮空氣的一部份，以稀釋的形式再次進入大樓。
二氧化硫於潮濕薄膜表面上或與潮濕薄膜結合，會轉變為亞硫酸，之後變為硫酸。和氨結合後，會形成鹼性鹽類產物，例如：於光學元件(如半導體製程中的聚光光罩)表面上形成硫酸銨結晶，將對製程中造成顯著的干擾。
更多酸性物質如氯化氫(HCl)和氟化氫(HF)，皆會侵蝕金屬或非金屬表面。例如：氟化氫會侵蝕無塵室中過濾粒子系統的玻璃纖維組織。氟化氫部分會和玻璃纖維的硼反應，產生具揮發性的三氟化硼並散逸到空氣中，也會造成半導體製程中矽晶圓受到不預期的摻雜影響。
茲列舉一些受損害物品的例子，例如：在半導體製程中，一些金屬或半導體的結構和基材表面；含有礦物成份(如大理石或琺瑯)的日用品或藝術品表面。
酸或酸形成物質也可能發生於呼吸的空氣，例如在火災或是天災期間關於吸入酸性與腐蝕性氣體的防護。一典型例子為燃燒含有氯化物的塑膠(如聚氯乙烯(PVC))，過程中會釋放HCl。
已有不少從氣流中移除酸和形成酸性之物質的處理方法被提出。
根據此領域所知之方法，大部分的處理方法是依賴吸附性材料，其為未經修飾或化學修飾的碳為主成份，酸性氣體會立即儲存於表面，並藉由化學變化產生一穩定且非揮發性的產物。
使用活性碳吸附的缺點在於：必須在理想的溫度和溼度情形下，對表面沉積與總孔洞體積之比例進行良好控制，才能完成可信且有效率之操作。此外，由於孔洞的結構，無可避免地會發生非預期的有機物與疏水性物質共吸附，如此一來，不僅侷限對酸的吸附能力，也將完全妨礙吸附效能的預估與控制。
活性碳上吸附過程的另一缺點為多步驟的傳輸程序，包含傳輸到活性碳核心，遷移進入核心中，中間產物的儲存和化學反應。即使該反應之反應焓是符合熱力學，然而基於傳輸動力學的原因，鏈鎖反應中有些步驟的反應速率非常慢，因此造成較差的吸附表現。
也有一些非預期且不可控制的反應發生於活性碳表面，此等表面反應，將使表面由無害且溫和的活性物質轉為較高氧化態且具腐蝕性的物質。二氧化氮(NO2 )在活性碳表面被部分轉化為亞硝酸(HNO2 )即為一例。
專利號EP0991470B1揭示一過濾器，能夠清潔氣流中的氣態酸性物質，如二氧化硫或氨。該過濾器包含一高透氣性的三維載體，其中該載體是大孔洞的網狀聚烯烴泡棉並藉由加熱法附著於離子交換球體上，而該離子交換球體可以是強鹼陰離子交換樹脂或強酸陽離子交換樹脂。
專利號WO 01/70391揭示一具有吸附特徵之過濾材料，包含一載體層和吸附其上的第一吸附層。此外，該過濾材料還擁有第二吸附層，甚至是第二與第三吸附層，其中個別吸附層形成一個完整的吸附層。吸附層的一或兩層較佳由活性碳材料所構成。此外，一或兩層吸附層較佳由離子交換材料所構成。離子交換樹脂為高效率之過濾性材料，具有延長材料生命週期之優點。
如文件中所述，本技術之缺點，在於該材料中所含之活性碳具有前述缺點。此外，有些微鹼性陽離子交換樹脂和形成酸性之物質(如二氧化硫)鍵結的效能較差。含有羥基(OH－ )之強鹼性陰離子交換樹脂，在高分子結構連續分解過程中，會持續產生揮發性之胺基化合物。因而具有化學和熱不穩定性。
上述缺點使得含有氫氧根(OH－ )之強鹼性陰離子交換樹脂不適合移除寬廣範圍之酸性或形成酸性之物質。另一個缺點是會釋放氣味難聞的胺基化合物，導致該材料無法使用於住宅大樓或是製程區。
胺基化合物的釋放限制了含有氫氧根(OH－ )之強鹼性陰離子交換樹脂在呼吸防護領域的應用。同樣地，化合物的釋放在半導體製程中也會導致製程的破壞。
本發明的目的為提供一種能和來自於空氣中的酸和形成酸性之物質鍵結的材料，由於其快速傳遞機制，因此具高吸附效率。
本發明的另一目的為提供一種符合目前對於清潔空氣之嚴格規定的材料。
如申請專利範圍第一項之過濾性材料可以達成上述與其他目的。其他較佳實施例敘述於專利範圍附屬項中。
依照本發明之實施例，該吸收性過濾性材料包括：一比例至少為60%之四級強鹼碳酸氫根型陰離子交換樹脂；一比例不超過15%之氫離子型陽離子交換樹脂。
該材料對於酸與形成酸性之物質具有高過濾效率，不會釋放微量元素或其他非預期之化合物。
本發明之另一較佳實施例，是將該材料結合於一含水量25%的高分子基質中(離子交換樹脂)。並藉此使得文中所述之化學吸附功能，能在濕氣含量20%或40%下進行。
本發明之離子交換樹脂材料，其較佳之顆粒直徑為0.5－0.8 mm，更佳之顆粒平均直徑為0.5－0.6 mm。
本發明之另一實施例，該吸收性過濾材料包含一混合物：一比例為68%之碳酸氫根型陰離子交換樹脂；一比例為17%之氫氧根型陰離子交換樹脂；一比例為15%之氫離子型陽離子交換樹脂。當進行檢測該材料之過濾效果時，其含水量佔吸收性過濾材料總重之25%。此外，上述之材料完全無氣味。
在一測試裝置中，藉由二氧化硫之沉降試驗分析高度為1cm之材料樣品，例如以一吸附管柱檢測其動態吸附能力，即相對於沉降之流動狀態。此分析在相對溼度50%，溫度23℃下進行，將含有20 ppmv二氧化硫之純空氣，直接通過該樣品材料。該床交換速率為122,000次/小時。
該材料對於二氧化硫之沉降能力為92%，且能維持超過90%的沉降能力至少長達120分鐘。
本發明之另一實施例，該吸收性過濾材料包括下列混合物：一比例為89%之碳酸氫根型陰離子交換樹脂與一比例為11%之碳酸氫根型陽離子交換樹脂，其平均含水量佔總重之26%。將該材料樣品填充於一吸附管柱中，填充高度為1cm，在相對溼度50%，溫度23℃的條件下，測試氣體以流速0.7 m/s流動，同時連續地加入10ppvm之二氧化硫於測試氣體中。該特殊樣品起始沉降能力大於95%。。
為達最佳效能，最好將本發明之材料併入支撐性結構使用。例如，網狀開孔之高分子泡棉結構，其主成分為PE－PU或聚酯，並在其上形成一層薄黏著膜。
該材料併入支撐性結構的製程，第一步驟是在一厚度20mm之網狀開孔PE－PU泡棉的堅固基材上，塗上雙成份之PU反應性黏著劑，使得表面上所有條狀材料都形成一層黏著層。第二步驟是將過濾材料其成分包含68%之碳酸氫根型陰離子交換樹脂，17%之氫氧根型陰離子交換樹脂，以及15%之氫離子型陽離子交換樹脂之混合物摻入支撐性結構中，黏著固定於PE－PU泡棉上。黏著劑硬化後，在考慮殘餘水含量的條件下，測得離子交換樹脂在泡棉基材上的含量約為2800g/m2 。
在無塵室中進行所述材料之性能測試。
將一卡匣式過濾器元件置於過濾板入口處，通過該元件後的平均氣流流速為1m/s。在測試期間，以未過濾之空氣檢測元件過濾能力，得到以下平均濃度：二氧化硫：0.5ppbv、氮氧化物：6.1 ppbv、氯化氫：0.2 ppbv。
二氧化硫之沉降能力超過80%，氯化氫之沉降能力超過75%，其中，二氧化氮在統計上並無明顯的沉降。上述測試未被過程中釋放出之氣味干擾。
本發明之另一較佳實施例，將該過濾性材料與紡織結構結合，例如位於載體與交聯纖維微結構上方的被覆不織布之間。
本發明之另一實施例，吸收性過濾材料包含70%之碳酸氫根型陰離子交換樹脂，17%之氫氧根型陰離子交換樹脂，以及13%之氫離子型陽離子交換樹脂，並將其製造成浸透型之材料，其剩餘水含量為28%。在製程中，厚度1.6mm之過濾材料藉由纖維之反應性黏著劑，吸附在紡織結構上，之後永久地覆蓋上一開口織布。
以此方法製備混床式含量為540－560g/m2 之吸收性過濾材料，並測試其對形成酸性之物質的沉降能力。
因此，在相對溼度50%，溫度23℃下，將混有二氧化硫10 ppmv之純空氣以流速7cm/s通過測試裝置之材料樣品。該材料樣品具有93.5%之沉降能力，且90分鐘內維持不變。
於另一實施例，在相對溼度50%，溫度23℃下，將混有氮氧化物10 ppmv之純空氣以流速7cm/s通過測試裝置之材料樣品。結果如同預期，該材料樣品對於氮氧化物與一氧化氮不具有任何沉降能力，也未觀察到亞硝酸與硝酸形成。
於另一實施例，將混床式含量為550±20 g/cm2 的上述吸收性過濾材料，製備成摺形結構，即可適用於無塵室製程的過濾元件。
在上述的過濾元件中，可藉由一支撐工具，使高度為60 mm之摺型結構，其打摺處角落的間距為9 mm。
將卡匣式的過濾元件置於一過濾板中未經過濾之空氣側邊。氣體通過該元件的混床之流速為5cm/s。檢測此元件對於未過濾氣體之沉降能力，得到以下平均濃度：二氧化硫0.8 ppbv、二氧化氮5.2 ppbv及氯化氫0.2 ppbv。
二氧化硫之沉降能力超過90%，氯化氫之沉降能力超過85%，其中，二氧化氮在統計上並無明顯的沉降。上述測試未被過程中釋放出之氣味干擾。
本發明之另一實施例，該吸收性過濾材料，包含75%之碳酸氫根型陰離子交換樹脂、10%之氫氧根型陰離子交換樹脂及15%之氫離子型陽離子交換樹脂，以浸透形式製造而得，其剩餘含水量為25%。藉由紡織印製製程，將PU反應性熱熔黏著劑之黏著點，複製到一方形開口為2 mm之開口式紡織物(支撐網)上。然後將本發明之混合物沉積於該紡織物上，其中，吸附材料之粒子以單層型式固定於黏著點上。最後得到一高透氣結構，厚度為1或2 mm時，具有250±30g/m2 的吸附能力。將上述材料壓印出三個直徑為105 mm的材料樣品，其彼此重疊夾入測試裝置中。在23℃，相對溼度50%的條件下，進行材料之性能測試，將混有5 ppmv二氧化硫之純空氣，以2 cm/s的流速通過該材料。二氧化硫之沉降能力為97%。

Claims (14)

  1. 一種吸收性過濾材料，用來吸收來自於空氣中的酸和形成酸性之物質，包含一離子交換材料，其包含：(a)一比例至少為60%之強鹼碳酸氫根型離子交換樹脂；以及(b)一比例不超過15%之氫離子型陽離子交換樹脂。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之吸收性過濾材料，尚包含比例少於20%的氫氧根型交換樹脂材料。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之吸收性過濾材料，其中該材料之含水量比例為20-40%，其存在於一高分子基質中。
  4. 如前述專利範圍第3項所述之吸收性過濾材料，其中該離子交換材料以球體或纖維形式存在。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之吸收性過濾材料，其中該球體的平均半徑為0.5-0.8 mm。
  6. 如前述專利範圍第5項所述之吸收性過濾材料，包含：(a)一比例為68%之強鹼碳酸氫根型陰離子交換樹脂；(b)一比例為17%之強鹼氫氧根型陰離子交換樹脂；(c)一比例為15%之氫離子型陽離子交換樹脂；(d)一含水量比例佔吸收性過濾材料總重之25%。
  7. 如前述專利範圍第6項所述之吸收性過濾材料，其中該材料合併於一支撐性結構。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之吸收性過濾材料，其中該支撐性結構是一網狀開孔之高分子泡棉。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之吸收性過濾材料，其中該材料固定於一透氣不織布之載體與一透氣不織布之被覆之間。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之吸收性過濾材料，其中該材料應用二維結構於單邊或雙邊之支撐網上。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之吸收性過濾材料，其中該支撐網是一開孔式網子，其開口約為2 mm。
  12. 一種吸收性過濾器之製備方法，其包含如申請專利範圍第1-11項任意一項所述之吸收性過濾材料，其中該方法包括下列步驟：(a)以一雙成份之反應性黏著劑濕潤一網狀聚氨酯泡棉；以及(b)將該吸收性過濾材料用於此泡棉結構。
  13. 一種過濾器主體，包含如申請專利範圍第1到11項之一或多項所述之吸收性過濾材料。
  14. 一種使用如申請專利範圍第13項所述之過濾器主體於清潔空氣氣流的方法。
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