JP4006026B2 - 固体粒子を充填させた中空繊維 - Google Patents

Description

発明の背景
１．発明の分野
本発明は、繊繊に関し、より詳細には活性炭粉末などの小さな固体粒子を内部に永続的に保持する中空繊維に関する。
２．従来の技術の説明
従来の技術では、繊維は、細かく分割された粉状粒子から粗粒状の粒子までの範囲の粒子を被覆された表面を有している。粒子を繊維に機械的に保持させる接着被覆によるか、またはポリマー加工における粘着段階中に粉状粒子を繊維表面に埋め込むことによって粒子を被覆していた。
フィルタへの応用例において活性炭を使用すること周知である。炭素繊維は加熱し炭化された有機ポリマー繊維で形成される。炭素繊維はまた、ポリマー繊維を加熱して、ポリマーが粘着性であるとき炭素粒子を付けることによって、または接着剤を使用して炭素粒子を繊維に維持させることによっても形成することができる。様々な粉末微粒子材料を繊維の表面被覆できるためには、一般に粉末微粒子を繊維表面上に固定し保持するために接着層を使用することを必要とする。粒子を保持するために接着材を使用するという行為の結果、粉末微粒子の表面の一部分が接着剤によって汚染され、したがってろ過などに有効でなくなる。固定の強さと粉末層の効果維持との間のバランスを満たさなければならない。
この汚染を最小限に抑えるために、概してより大きな粒子を使用することが多く、こうして表面接着剤と粉末粒子との間の接触点は小さくなる。活性炭を使用する代表的な気体への適用例では、使用される粒子は１００ミクロン以上であることが多く、細粉にした活性炭は、より強力な活性の潜在能力を保持しているにもかかわらず、基本的には液体脱色の適用例においてのみ使用されていた。
発明の概要
本発明は、繊維中に形成された長手方向の空洞の内部に活性炭粉末などの固体粒子が、接着剤を使用することなく、固定されている柔軟性のある繊維を提供する。複数の繊維で１つのマットに形成される。繊維は長手方向に延びる内部空洞を有し、これらの内部空洞は繊維の外表面を延びる開口部を有する。粒子を長手方向の空洞中に押し込んだとき永続的に保持されるように、繊維、開口部のサイズ、および固定すべき粒子を選択する。選択された繊維は、接着剤を使用することなく、粉状活性炭吸着粒子を機械的に固定する一つの方法を与えている。活性炭粉末は繊維の長手方向の空洞の内部に機械的に固定された状態になり、基本的には不可逆的に結合されている。このアプローチを、ゼオライトなどの薬剤、重ソウ、シクロデキストリン、またはかなり多数の対象とされる他の固体粒子を含む、繊維媒体の内部に固定したいあらゆる粉末に拡張することができる。
本発明は、繊維の表面に達する開口部を有する内部空洞のある断面を有するたわみ繊維を提供する。その内部空洞には固体粒子が充填される。内部空洞は、繊維の長手方向に沿って縦方向に延び、固体粒子材料によって満たされており、この固体粒子材料は空洞中に永続的に保持され、機械的拘束によって、開口部を通じてこぼれだすことはない。繊維に固体粒子をふりかけてからローラーをかけ、繊維空洞中に粒子を強制的に入れる。過剰の粒子は、撹拌と強い空気流によって物理的に除去する。空洞中に固定されている粒子は驚くほど安定しており、物理的作用に耐える。本発明は炭素繊維より大幅に費用節減を図ることができ、粒状活性炭で被覆された繊維よりも性能がすぐれている。
【図面の簡単な説明】
本発明をさらによく理解するために、添付の図面に示す本発明の例示的な好ましい実施形態を参照する。
第１図は、本発明による炭素粒子を含む繊維を利用する不織繊維マットの一部分を示す部分図である。
第２図は、本発明による繊維を利用する第１図に示す繊維マットの一部分の拡大図である。
第３図は、本発明を実行するために適した繊維を示す斜視図である。
好ましい実施形態の詳細な説明
第１図と第２図には特に、複数のたわみ繊維で形成された繊維マット１０が示されている。たわみ繊維２０は、フィルタとして使用することのできる不織繊維マット１０に形成される。各繊維２０は内部空洞２２を含み、その中には小さな乾燥活性炭粒子１８が配置されている。長手方向の開口部２４が、各空洞２２から各繊維２０の表面まで延びている。多ローブ繊維２０は比較的小さく、その直径は２５０〜１０ミクロンまたはそれ以下である。第１図と第２図に示す繊維の直径は約３０ミクロンである。粒子１８を空洞２２中に配置したとき、ほぼ永続的に固定されて容易に移動できないように、開口部２４のサイズが選択される。活性炭粒子１８は、非常に小さくて直径は１または２ミクロン以下である。
小さな炭素粒子１８は機械的に固定されて、繊維空洞２２の内部にとどまり、一搬には繊維２０どうしの間には入らず、それでもろ過中は、長手方向の開口部２４を通じて、粒子１８は概して中空である繊維２０を通り過ぎる流体または空気の流れと連絡している。
悪臭除却に使用するにあたり空気の流れから除去すべき望ましくない気体に対して親和力を有する、気体吸着活性炭粒子１８が選択され、それが中空である繊維２０中に形成された内部チャネルすなわち空洞２２中に配置されている。選択された粒子は、空気の流れの汚染を除去しまたは清浄化するための機構として、吸収ではなく吸着を使用する。使用される粒子１８は、対象とされる蒸気を吸着し、無害であり、特定の気体または悪臭蒸気を中和し除くように選択される。
本発明を実施するのに適した中空である繊維２０が、米国特許第５０５７３６８号に開示されており、これを第３図に示す。この特許は、繊維が１個の中央コアと３個または４個のＴ形ローブ２６を備えた断面を有する、熱可塑性ポリマーで形成された３ローブまたは４ローブ繊維を開示している。ローブの脚はコア３０の位置で交差しているので、隣接するローブの脚の間の角度は約８０度から１３０度である。熱可塑性ポリマーは、一搬にポリアミド、ポリエステル、ポリオレフィン、またはこれらの組合せである。第３図に示すような繊維２０は、３つの中空の内部に長手方向に延びる空洞２２を有する押出しストランドとして形成され、各空洞は、Ｔ形ローブの外端部の間に形成された長手方向に延びるスロット２４によって、ストランド外表面と連絡している。
第１図と第２図に明確に示されているように、活性炭粒子１８は空洞２２中に保持されており、繊維相互間空隙中にこぼれることはない。繊維２０は活性炭粒子１８を空洞２２内に強く保持しているので、触られたり、握られた時粒子１８は振り落とされることはなく、繊維マット１０は粒子１８を保持する。このような繊維２０のろ過マット１０中の個別ストランド間の区域は、気体吸着活性炭粒子１８を比較的含まない状態に留まり、各繊維２０の内部空洞２２がこの気体吸着活性炭粒子で満たされている。ろ過マット１０の繊維２０は、ポリアミド、ポリエステル、ポリオレフィンなどの１つのまたは複数の種類の材料によって作ることができる。３つのＴ形断面のセグメント２６は図示するように湾曲した外表面２８を有することができ、または外表面を直線状にすることもできる。繊維２０は３つのローブを有するものとして示されているが、別の数のローブでもよい。さらに、Ｃ形またはその他の断面を有する他の外部および内部繊維も、空洞からの開口部が粒子１８を繊維内部に保持するように寸法決定されるならば、小さな気体吸着粒子１８を保持するのに適している。
繊維マット１０を形成する際に、固体粒子は繊維２０中に激しくこすり込まれる。乾式充填のために使用される手順は、繊維２０に吸着剤粉末を自由にふりかけることである。吸着剤粉末の粒子１８は、繊維２０の断面直径の半分より小さな直径を有する。粉末粒子１８は数回ローラーをかけることによって繊維２０中に入れられる。過剰の粉末は、強力な空気流で支援された撹拌によって物理的に除去される。控洞２２の内部に残る粉末粒子１８は驚くほど安定しており、物理的作用に耐える。これは、繊維２０の内部に粒子１８を非常に頑強に保持するくさび石形式の機械的固定効果であると思われる。粒子１８は互いにかみ合い、開口部２４を通じて空洞２２からこぼれることはない。３ローブ繊維の充填が試みられ、ローブ２６の外端部すなわちキャップは除去された。このような繊維によって、非常に小さな炭素粒子が保持された。
繊維２０と微粉粒子１８との間の強い相互作用の原因である力の理由を判定するために、発明者等は、この頑強な凝集を引き起こしていると思われる静電結合力を減らすことを試みた。発明者等は最初に、充填された炭素繊維を１００％の相対湿度に当て、繊維２０に４０ｍ／分の空気を向け、あらゆるゴミを集めた。これは検知されない程度の量であることがわかった。さらに繊維ろ過マット１０を室温の水中に沈めて撹拌しても、炭素粒子１８がなお確実に適所に残っていることがわかった。それから繊維ろ過マット１０を用意し、水に清浄剤を加えて撹拌しても、さらなる損失はないことがわかった。さらに、炭素充填繊維２０はアルコール洗浄とアセトン洗浄の両方に耐え、炭素粒子１８の損失はなかった。これらの試験は明らかに、この相互作用の原因である力は静電的でなく、機械的固定を示唆していることを示している。これらの試験はまた、活性炭またはその他の粒子によって充填された繊維２０が、気体および液体を含む様々な流体媒質への適用例がありうることも示している。
開示されたアプローチを、ゼオライトなどの薬剤、重ソウ、シクロデキストリン、または対象とされるあらゆる多くの固体粒子を含む、繊維媒体の内部に固定したいあらゆる粉体に拡張することができる。繊維２０はまた、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、シリカ、様々な相のアルミナ、カオリンやベントナイトを含む粘土の粒子を固定するためにも使用されてきた。第１図と第２図に示す繊維２０では、繊維の直径はほぼ３０ミクロンである。空洞２２の開口部２４のサイズは約１０ミクロンである。炭素粒子は約１〜２ミクロンおよびそれ以下の大きさである。
本発明で説明する材料は、粉体の性質を事実上完全に保持して表面被覆させることができ、極めて微粒の粉体の使用に拡張することができる。こうすることによって、粉体の性能と効率を大幅に改善することができる。活性炭の場合には、典型的な気体への適用例ではより大きい粒状炭素粒子が使用され、微粉活性炭は、粉状活性炭がはるかに高い活性の可能性を保有するにもかかわらず、基本的には液体脱臭の適用例にのみ使用されていた。本発明によって、気体相への適用例として微粉活性炭を利用するフィルタを製造することができる。さらに、本発明を液体ベースの適用例にも使用することもできる。
基本的に、本発明の一適用例は、簡単な低費用バージョンの炭素繊維エレメントを提供する。有機ポリマーによって始め、その後これを加熱し炭化するかまたはこれに炭素粒子を接着する代りに、発明者等は、ほぼ中空の繊繊よって始め、これに粉状炭素を充填させる。炭素粒子を使用する本発明を説明したが、所望のサイズの範囲にある有機粒子または無機粒子によって形成された他の粉体を使用することもできる。本発明のための他のいくつかのフィルタ使用例として、臭気抑制炭素フィルタ、ゼオライト被覆臭気抑制フィルタ、および金属イオン封鎖水フィルタがある。

Claims (2)

1. 各繊維は少なくとも３つのＴ形部分から形成され、それら３つのＴ形部分は、それらのベースで前記繊維のセンタに取り付けられ、複数の長手方向に延びる内部空洞の開口部を定め、前記開口部は前記Ｔ形部分の外側端の間に前記外側の繊維表面まで形成されている、複数の細長い繊維と、
   前記複数の細長い繊維の前記内部空洞内に配置された、前記Ｔ形部分の外側端の間に形成された前記開口部よりも小さい活性炭粒子からなる微粉と、
   を備え、
   前記微粉の活性炭粒子は、それらが前記内部空洞内に確実に保持されるようなサイズ、形状そして構造である、繊維マット。
2. 各細長い繊維は直径が２５０ミクロン以下であり、そして前記微粉の活性炭粒子の大部分は２０ミクロン以下の大きさである、請求項１に記載の繊維マット。

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