JPH03500733A - 空気含有濾過材料 - Google Patents

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】 空気含有濾過材料 本発明は、気体或いは液体を濾過するのに使用することができる空気含有不織繊 維濾過材料に関する。

内燃機関の燃焼用空気および潤滑油から汚染物を取り除くのに長年に亘って濾過 装置が使用されてきた。これらの濾過装置で使用される濾過材料は、最も普通に は含湿紙製造工程によって作られる濾紙である。しかしながら、最も最近では１ ８例えば、米国特許第３９１８１２６号および米国特許第４３５２６４９号に開 示されている工程によって作られる空気含有マットが提案された。含湿濾紙は「 表面」濾過材料である。すなわち、含湿濾紙は、粒子を篩にかけ、それによって 、流体濾過物を通過させながら、粒子を濾紙の１つの表面上に捕捉することによ って濾過すべき流体から汚染物粒子を取り除く。含湿濾紙は比較的高い効率を有 する。すなわち、含湿濾紙は、液体濾過物から粒状汚染物を取り除くのに効果的 である。しかしながら、又、濾過材料は不当に制限的でなく比較的高い容量を有 することが望ましい。言い換えると、容量、すなわち、濾過材料が詰まる前に捕 獲することができる汚染物の量は、濾過材料を通る液体濾過物の流れを不当に制 限することな（適度に大きくなければならない。例えば、内燃機関の流入空気を 濾過するための濾過装置は内燃機関をひどく損傷せずに内燃機関への空気の流れ を不当に制限することができず、しかも、濾過材料は大量の粒状汚染物を捕獲す る容量を有さなければならないことはあきらかである。又、両方の形式の材料は 繊維によって作られ、繊維は一般的には重量で販売されるから、濾過材料の効率 および容量を最大にしながら、基本重量（すなわち、単位表面積あたりの重量） を最小にすることが望ましい。

空気含有繊維のバットは、いわゆる［深さ式Ｊ濾過材料を提供する。すなわち、 空気含有工程を調整して３つのすべての空間次元に配列されたバットからなるか なりの割合の繊維を有するバットを形成することができるから、濾過材料の深さ に亘ってバットをいきわたらせるのに使用される比較的短い繊維の交わりによっ て形成された気孔を有する３次元マトリックスすなわち構造が形成される。従っ て、空気含有濾過材料は、濾過装置の表面で濾過物から粒状汚染物を篩分けるこ とにたよらない。代わりに、粒状汚染物は、粒子が繊維に付着することによって 、繊維の交わりによって形成された気孔の中に連行される。空気含有材料は比較 的開放的な構造物であるから、容量は最大にされ、制限は最小にされ、かくして 、空気含有材料は比較的効率的である。一般的には、空気含有材料は木材パルプ から形成されてきた。その理由は、木材パルプが比較的安価であり、良好な濾過 特性を有するからである。かかる木材パルプは、一般的には２０ミクロンよりも ずっと大きい径を有する。含湿紙濾過材料にまさる空気含有濾過材料のさらに別 の利点は、空気含有濾過材料の製造コストが、空気が含有機に必要とされる資本 投資がより小さいため概してより低いこと、および、紙製造工程で材料を乾燥さ せるのにエネルギーが必要とされるから、空気含有材料に必要なエネルギーが、 含湿紙材料に必要なエネルギーよりもはるかに少ないことである。空気含有材料 には又、一般的には樹脂が含浸され、樹脂は、繊維を一体に保持し、かくして、 材料の取り扱いを容易にし、又、繊維によって形成された気孔の寸法を固定する 接着剤として役立つ。

本発明は、小径の繊維が先行技術の空気台をマツ゛トで使用される粗繊維に混合 された空気含有濾過材料に関する。微繊維は、一般的には約０．　５ミクロンか ら３ミクロンの径を有するガラス繊維である。この繊維混合物は空気含有材料に 大変微小な気孔構造を与え、それによって、先行技術の材料に比べて材料を非常 に効率的にしながら、しかも先行技術の空気含有濾過材料に固有の高い空隙率を 保持し、それによって、制限を最小にしながら材料の容量を最大にしている。微 径ガラス繊維を使用する含湿紙濾過材料が作られたけれども、含湿構造物は、（ ３次元構造の空気含有材料と比べて）はぼ２次元的であり、はるかに高い密度す なわち基本重量を有し、所望の効率を達成するため空気含有材料で必要とされる よりもほぼ２倍の量の微繊維を必要とし、しかも、より低い密度（すなわちより 小さい基本重量）の空気含有材料のより小さい汚染物捕獲容量しかもたらさない 。

省みるに、この予想されなかった現象は、３次元配列にある空気含有材料の微繊 維の利用可能性がより大きいことに帰着される。

含湿紙濾過材料では、微繊維はほぼ２次元にあることのみが許される。空気含有 材料は本来的により大きい空隙率（すなわち、濾過物を通過させる繊維間の容積 ）を有し、かつ含湿材料よりも小さいからみ傾向を有するから、微径繊維により 、容量を小さくし、制限を大きくする傾向のある早期詰まりなしに、汚染物粒子 を気孔空間内に捕獲することができる。大きな径の繊維と小さな径の繊維の両方 を使用する共同効果によって、大径すなわち粗繊維が適当な位置に微径繊維を保 持する能力を有するから、これらに予想されなかった特性が生じる。

もし小径繊維しか使用されなかったとすると、小径繊維は必要な大きな空隙率を 備えたマットを形成するのに十分な強度を有さず、又、気孔の寸法は容認できな いレベルにまで小さくされる。

かかるバットは又、大変高価になる。大きい繊維は大きい気孔を形成し、微繊維 は粗繊維によって形成された大きな気孔を小さな気孔に細分する。その結果、気 孔の寸法は、微繊維が粗繊維によって形成された気孔内に支持されるため比較的 小さくなり、しかも大きい繊維によって形成されたバットの高い空隙率が保持さ れる。言い換えると、効果的な小さい気孔寸法が得られ、それに伴う利点として 効率が増す一方、なお大部分の繊維を比較的大きい径を有する粗い形式のバット にし、かくして、基本重量を小さいままにし、それゆえコストはより低いままで ある。

本発明のこれらの利点及びその他の利点は、添付図面を参照して以下の説明から 明らかになるであろう。図面中の唯一の図は、本発明の濾過材料に用いられ、数 倍に拡大した繊維によって形成された気孔である。

本発明は、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂のような結合材料約１０Ｘ乃至約２０Ｘ と、繊維混合物約８０Ｘ乃至約９０Ｘとを有する空気混合濾過材料からなる。本 記載に掲げられる全ての％は、重量％である。繊維混合物は、上記で言及した特 許のうちの１つに説明された方法及び装置を用いて、空気作用により移動スクリ ーンに運ばれ、堆積される。使用した空気を含ませる方法に関係なく、繊維の大 部分が３空間方向の各々に差し向けられるように装置を調節し、当業者にとって 周知な仕方で三次元マトリックス構造を形成する。繊維は無秩序に相互に交わり 、これによって、材料の深さを貫通する気孔を形成する。次いで、当業者にとっ て周知な仕方で樹脂を作り、この樹脂を材料に加える。適当な樹脂を使用するこ とができるけれども、使用することができる代表的な樹脂は、ユニオンカーバイ ドコーポレーションから市販されているユニオンカーバイド８２８ポリ酢酸ビニ ルである。

繊維混合物の粗繊維は、一般に、少なくとも２０ミクロンの直径を有する。比較 的低コストで、比較的良好な濾過特性のため、粗繊維の大部分はほぼ木材パルプ 繊維であるけれども、成る濾過装置の用途は木材パルプ以外の繊維を必要とする 。例えば、外面が高温の用途に用いられる繊維は、ガラス繊維からなる粗繊維を 有する。木材パルプが使用される場合であっても、材料強度を与え、一定の濾過 特性を高めるために、レーヨンやポリエステルのような人造繊維の繊維混合物約 ５ｘ乃至２ＯＮを有するのが望ましい。

従って、好ましい材料は、木材パルプ繊維約５５Ｘ乃至７０Ｘ、レーヨンやポリ エステルのような人造繊維約５ｘ乃至２０ｘ、及び約３ミクロン以下の直径、好 ましくは、約０．５ミクロン乃至３ミクロンの範囲の直径を有する微径ガラス繊 維約５ｘ乃至２５％を有することになる。試験の結果、微径ガラス繊維の量を５ ％以下まで減らすと、材料の上記高められた濾過特性が大変減じられ、微径ガラ ス繊維を２５重量％よりも高い量に増やしても濾過性能は高まらないことがわか った。

今、図面を参照すると、数倍に拡大した上述した繊維混合物によって形成された 材料の典型的な気孔の断面が示されている。この気孔を参照番号】０で示す。木 材パルプ繊維１２は１４で互いに交差し、かくして全体を参照番号１６で示す気 孔を形成する。

図面では気孔を二次元で示すことしかできないけれども、勿論、気孔１６は、多 くの木材パルプの交差によって形成された三次元構造体であることを理解すべき である。木材パルプ繊維１２は、微径ガラス繊維１８を気孔１６内に支持する。

従って、微小ガラス繊維、すなわち小径ガラス繊維１８は、気孔Ｉ６を多数の副 気孔に分割する。微径ガラス繊維Ｉ８は、木材パルプ繊維１２と交差し、かくし て、これらの繊維間の静電気引力のため、木材パルプ繊維によって支持される。

従って、濾過材料の効果的な気孔寸法は、微径ガラス繊維１８によって形成され た副分割気孔の寸法によって決定されるから、比較的小さな気孔寸法を持つ構造 体が形成される。しかしながら、ガラス繊維の直径は非常に小さく、該ガラス繊 維は粗繊維１２によって気孔１６内の適所に保持されるから、ガラス繊維１８の 混入は気孔を通る流体流を僅かに制限するにすぎない。しかしながら、気孔１６ を分割することによって、粒状汚染物を捕らえる気孔寸法をずっと小さくし、こ れによって、濾過材料の効率を高める。微小径ガラス繊維は、現在、大径繊維に よって形成された三次元気孔構造体を副分割する好ましい小径繊維であり、直径 約０．５ミクロン以上約３ミクロン以下であって、かかる気孔構造体を形成し、 支持することができる繊維はどれも、同じく有利な濾過作用能力を達成すること になる。かかるガラス繊維は、上記範囲の直径を持つ、現在入手できる唯一の繊 維であり、安価に大量生産できるので好ましい。しかしながら、かかる微径範囲 の直径を持つＰＥＴ繊維が現在、試験的生産にあり、大量生産できるようになる かもしれない。０．５ミクロン乃至３ミクロンの範囲の直径を有するその他の微 径繊維は、将来入手できるようになり、上記小径ガラス繊維の代わりにかかる繊 維を用いても良い。

空気含有材料の別の利点は、材料の成形特性を高めるために、結合繊維、例えば 、ポリエステル繊維、ポリ塩化ビニル繊維、或いは、シースコア（ｓｈｅａｔｈ 　ｃｏｒｅ）繊維のような二成分繊維を繊維混合物に含有させることことにある 。濾過装置を設計するにあたっては、材料を錯体形態に成形することがしばしば 必要であり、また望ましい。従って、繊維混合物中の粗繊維のいくつかを、結合 繊維、例えば、イーストマン　コダック　カンパニーから市販される、コブル（ ＫＯＤＥＬ）４１０結合繊維と置き換えるのが良い。結合繊維が総繊維混合物の １０％乃至２０％の割合を占めるように、十分な量の粗繊維を結合繊維と置き換 えるのが好ましい。かかる結合繊維は十分に低い融点を持つので、該繊維を鋳型 で、混合物の他の繊維に影響を及ぼすことなく結合材料が粘着性になる温度まで 加熱することができる。従って、材料は、鋳型によって与えられた形状を維持す る。シースコア繊維は、高融点ポリマー、例えば、ポリエステルを紡いだコアと 、低融点ポリマー、例えば、ポリオレフィンを紡いだシースとを有する。高融点 のポリアミド、ポリエステル、或いはポリオレフィン成分と、低融点のポリアミ ド、ポリエステル、或いはポリオレフィン成分の両方を有する二成分結合繊維は 、はぼどんな組合せでも利用できる。もつと一般的なモノ（単一）成分のコポリ マー結合繊維は、熱で活性化すると溶融し、繊維の接点を内封する傾向、すなわ ち、無秩序な箇所で溶融する傾向があるのに対して、二成分繊維（特に、シース コア繊維）は、加熱したときに、シースの粘着性によって繊維ウェブを結合させ る傾向がある。最近まで、シース／コア繊維は、限られた供給で入手できたけれ ども、手に入れにくく、モノ成分結合繊維よりもかなり高価であった。シース／ コア繊維は、現在、容易に入手でき、競争して値段が定められている。

濾過液及び同伴した粒状汚染物が空気含有濾過材料を通過すると、かかる充填物 は材料の繊維上に誘導されることがわかった。

この繊維上の充填物は、粒状物質を引きつけ、繊維に保持し、これによって、濾 過効率を高める。特定の繊維がこの動電効果を高めることもわかっている。従っ て、所望ならば、繊維混合物に用いた粗繊維の幾らかを、上述した動電効果を増 大させ、高めることがわかっている、ガラス繊維、ナイロン、ポリオレフィン、 アクリル系繊維、アラミド（ａｒａｍｉｄ）繊維のような繊維と置き換えても良 い。かかる繊維の１つは、１９８７年４月２０に出願された米国特許出願第４０ ４４６号に開示されたポリマー配合繊維である。ポリマー配合がポリエチレン７ ．５％、ポリエステル９２．５％からなり、各成分が材料の摩擦電気分類の位置 によって選択された、かかる複合繊維、すなわちポリマー配合繊維が空気含有濾 過材料に用いられている。

本発明による代表的な濾過材料の１例として、０．９１４４ｒｒｒ当たり重さ約 １９８．４４６５ｇ　（１平方ヤード当たり重さ約７オンス）の−片の空気含有 濾過材料は、０．９１４４耐当たり１７０．０９７ｇ　（１平方ヤード当たり重 さ約６オンス）の重さの繊維と、０．９１４４ｒｒｒ当たり２８．３４９５ｇ（ １平方ヤード当たり重さ約１オンス）の重さの樹脂からなる。この樹脂は、上述 したユニオンカーバイド８２８ポリ酢酸ビニルが良い。従って、樹脂の重量は材 料の総重量の約１４．３Ｘであり、繊維混合物は材料の総重量の約８５．７Ｎで ある。この材料を試験したときに、濾過装置の効率と容量の両方が、ガラス繊維 の殆ど２倍の量を有する含湿濾紙材料と殆ど同じであることがわかった。所望な らば、木材バルブの部分及びレーヨンを、結合繊維、例えば、コブル（登録商標 ）４１０と置き換え、材料の成形性を高めるために、かかるコブル（登録商標） が総繊維混合物の約１５％を構成するようにしても良い。

１゜ 補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８） ２．５．−１ 平成　年　月　日 特許庁長官　吉　１）文　毅　殿 １、特許出願の表示　ＰＣＴ／ＵＳ　８８１０　ＯＯ０９２、発明の名称　空気 含有濾過材料 ３、特許出願人 名　称　アライド　シグナル　インコーホレーテッド４、代理人 ５、補正書の提出年月日　１９８９年　８月３０日１９８９年１１月　６百 しかしながら、最も最近では、米国特許第３３１６９０４号に開示された濾過装 置のような濾過装置を製造するために、例えば、米国特許第３９１８１２６号お よび米国特許第４３５２６４９号に開示されている工程によって作られる空気含 有マットが提案された。

二次元構造に構成された小径繊維を有するかかる濾過装置は、米国特許第４０３ ２４５７号に開示されている。

従って、好ましい材料は、木材パルプ繊維約５５ｘ乃至７０％、レーヨンやポリ エステルのような人造繊維約５ｘ乃至２ｏＸ、及び約３ミクロン以下の直径、好 ましくは、約０．５ミクロン乃至３ミクロンの範囲の直径を有するガラス繊維約 ５ｘ乃至２５Ｘを有することになる。

本発明による代表的な濾過材料の１例として、１ｒｒｒ当たり重さ約２３７ｇの 一片の空気含有濾過材料は、１イ当たり２０３ｇ　（１平方ヤード当たり重さ約 ６オンス）の重さの繊維と、ｌｒ／当たり３３．９ｇの重さの樹脂からなる。

請　求　の　範　囲 （１）重量％において、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂からなるグループから選 択された結合材料約１０％乃至２０％と、繊維混合物約８０％乃至９０％とから なり、前記繊維混合物が、少なくとも２０ミクロンの直径を有する粗繊維約７５ ％乃至９０％を有し、前記粗繊維が、比較的大きな気孔寸法を有する三次元マト リックスに無秩序に配列され、前記粗繊維の大部分が、前記マトリックスを形成 するために、３空間方向の夫々に差し向けられ、前記混合物が更に、約３ミクロ ン以下の直径を有する繊維約５％乃至２５％を有し、約３ミクロン以下の直径を 有する前記繊維が、粗繊維によって形成された比較的大きな気孔内に３空間方向 の全てに無秩序に配置され、これによって、粗繊維によって形成された比較的大 きな気孔をかなり小さな気孔に分割する、空気含有不織繊維濾過材料。

（２）前記粗繊維が、木材パルプと人造繊維との混合物である、請求項（１）に 記載した空気含有不織繊維濾過材料。

（３）３ミクロン以下の直径を有する前記繊維がガラス繊維である、請求項（１ ）に記載した空気含有不織繊維濾過材料。

（４）前記繊維混合物が、重量％において、木材パルプ繊維約５５％乃至約７０ ％と、人造繊維約５％乃至約２０％と、３ミクロン以下の直径を有するガラス繊 維約５％乃至約２５％とからなる、請求項（２）に記載した空気含有不織繊維濾 過材料。

（５）人造繊維が結合繊維を有し、この結合繊維が、該結合繊維の軟化を可能に しながら、繊維混合物の繊維の残部が影響を受けないようにするのに十分に低い 融点を有する、請求項（３）に記載した空気含有不織繊維濾過材料。

及び、低融点ポリマー成分と高融点ポリマー成分とを有するシースコアニ成分繊 維のグループから選択される、請求項（５）に記載した空気含有不織繊維濾過材 料。

（７）前記繊維混合物が、重量％において、前記結合繊維約１０％乃至約２０％ からなる、請求項（５）に記載した空気含有不織繊維濾過材料。

（８）前記ガラス繊維の直径が、０．５ミクロン以上３ミクロン以下である、請 求項（１）に記載した空気含有不織繊維濾過材料。

（９）前記繊維混合物が、レーヨン及びポリエステル繊維からなるグループから 選択された繊維を有する、請求項（１）に記載した空気含有不織繊維濾過材料。

００）前記繊維混合物は、濾過すべき流体が材料を通過するときに濾過材料に付 着する充填物の動電効果を高める繊維を有する、請求項（１）に記載した空気含 有不織繊維濾過材料。

（１１１動電効果を高める前記繊維が、ガラス繊維、ナイロン、アクリル系繊維 、ポリオレフィン、アラミド繊維からなるグループから選択される、請求項００ ）に記載した空気含有不織繊維濾過材料。

国際調査報告 国際調査報告 ＵＳ　８８００００９ ＳＡ　２０７５７ ン アメリカ合衆国　ロードアイランド州　０２９１５　イースト　ブロヴイデンス 　ボンド　ロード　５１

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量％において、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂からなるグループから選 択された結合材料約１０％乃至２０％と、繊維混合物約８０％乃至９０％とから なり、前記繊維混合物が、少なくとも２０ミクロンの直径を有する粗繊維約７５ ％乃至９０％を有し、前記粗繊維が、比較的大きな気孔寸法を有する三次元マト リックスに無秩序に配列され、前記粗繊維の大部分が、前記マトリックスを形成 するために、３空間方向の夫々に差し向けられ、前記混合物が更に、約３ミクロ ン以下の直径を有する繊維約５％乃至２５％を有し、前記ガラス繊維が、粗繊維 によって形成された比較的大きな気孔内に３空間方向の全てに無秩序に配置され 、これによって、粗繊維によって形成された比較的大きな気孔をかなり小さな気 孔に分割する、空気含有不織繊維ろ過材料。
2. （２）前記粗繊維が、木材パルプと人造繊維との混合物である、請求項（１）に 記載した空気含有不織繊維ろ過材料。
3. （３）３ミクロン以下の直径を有する前記繊維がガラス繊維である、請求項（１ ）に記載した空気含有不織繊維ろ過材料。
4. （４）前記繊維混合物が、重量％において、木材パルプ繊維約５５％乃至約７０ ％と、人造繊維約５％乃至約２０％と、３ミクロン以下の直径を有するガラス繊 維約５％乃至約２５％とからなる、請求項（２）に記載した空気含有不織繊維ろ 過材料。
5. （５）人造繊維が結合繊維を有し、この結合繊維が、該結合繊維の軟化を可能に しながら、繊維混合物の繊維の残部が影響を受けないようにするのに十分に低い 融点を有する、請求項（３）に記載した空気含有不織繊維ろ過材料。
6. （６）前記結合繊維が、ポリエステル繊維、ポリ塩化ビニル繊維、及び、低融点 ポリマー成分と高融点ポリマー成分とを有するシースコア二成分繊維のグループ から選択される、請求項（５）に記載した空気含有不織繊維ろ過材料。
7. （７）前記繊維混合物が、重量％において、前記結合繊維約１０％乃至約２０％ からなる、請求項（５）に記載した空気含有不織繊維ろ過材料。
8. （８）前記ガラス繊維の直径が、０．５ミクロン以上３ミクロン以下である、請 求項（１）に記載した空気含有不織繊維ろ過材料。
9. （９）前記繊維混合物が、レーヨン及びポリエステル繊維からなるグループから 選択された繊維を有する、請求項（１）に記載した空気含有不織繊維ろ過材料。
10. （１０）前記繊維混合物は、ろ過すべき流体が材料を通過するときにろ過材料に 付着する充填物の動電効果を高める繊維を有する、請求項（１）に記載した空気 含有不織繊維ろ過材料。
11. （１１）動電効果を高める前記繊維が、ガラス繊維、ナイロン、アクリル系繊維 、ポリオレフィン、アラミド繊維からなるグループから選択される、請求項（１ ０）に記載した空気含有不織繊維ろ過材料。
12. （１２）重量％において、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂からなるグループから 選択された結合材料約１０％乃至２０％と、繊維混合物約８０％乃至９０％とか らなり、前記繊維混合物が、少なくとも２０ミクロンの直径を有する粗繊維約７ ５％乃至９０％と、約３ミクロン以下の直径を有する微小繊維約５％乃至約２５ ％とを有し、前記粗繊維混合物が、結合繊維を有し、この結合繊維が、該結合繊 維の軟化を可能にしながら、繊維混合物の繊維の残部が影響を受けないようにす るのに十分に低い融点を有し、前記粗繊維混合物が更に、木材パルプ繊維約５５ ％乃至約７０％と、結合繊維以外の人造繊維０％乃至約２０％とを有し、前記粗 繊維が、比較的大きな気孔寸法を有する三次元マトリックスに無秩序に配列され 、前記粗繊維の大部分が、前記マトリックスを形成するために、３空間方向の夫 々に差し向けられ、約３ミクロン以下の直径を有する前記繊維が、粗繊維によっ て形成された比較的大きな気孔内に３空間方向全てに無秩序に配置され、これに よって、粗繊維によって形成された比較的大きな気孔をかなり小さな気孔に分割 する、空気含有不織繊維ろ過材料。
13. （１３）約３ミクロン以下の直径を有する前記繊維が、ガラス繊維である、請求 項（１２）に記載した空気含有不織繊維ろ過材料。