JPH04313311A - 濾過材及び濾過方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体中に含まれる微粒
子とりわけサブミロン粒子の分離を行うための極細繊維
集合体よりなる濾過材及び濾過方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、エレクトロニクス分野、フアイン
ケミカル、食品分野を中心として精密濾過に対する要求
が高まっている。このような濾過に対して従来、高分子
材料等からなる膜材や不織布やフィラメントよりなるデ
プスフィルター、セラミック等の粒子や塊を焼結させた
材料を用いてきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】濾過に用いられる膜材
料については絶対濾過を保証する事が可能であり、性能
的には安定している。しかしながら、濾過に供すること
の出来る液量に深く関係する粒子保持量が小さく濾過材
の交換を頻繁に行う必要があった。そのためにスタック
トディスク等が提案されているが、その効果は十分では
なかった。又、コスト的にも高くつくという問題があっ
た。また、焼結材では十分な精度が出なかったり、濾過
材を構成する物質が脱落して濾液に流失してくるという
可能性があり、またコスト的にも問題があった。一方、
デプスフィルターにおいては、特開昭６０−２１６８１
８号公報や実開昭６０−２８００９号公報に開示されて
いるようにいろいろな研究が進められているが、処理液
量に大きく関与するフィルターの粒子保持量が大きく、
フィルターライフは長いが、その原理から公称精度より
かなり大きい粒子が流出する場合が多く、絶対濾過が必
要な用途には適用ができないという問題があった。また
、メルトブロー法により製造された不織布繊維は、繊維
配向ランダムであり、不織布シートの形成が容易である
点で適用が好ましいが、構成繊維長が一般に短いために
繊維が濾過液側に流れ出ることがあるという問題があっ
た。濾過材を形成する繊維の平均径についても、現在サ
ブミクロン粒子の濾過に用いられる繊維のほとんどが２
ミクロンかまたはそれ以上であり、従って複数の繊維が
構成するミクロポアー（孔）を十分小さくすることが困
難であり、繊維集合体を強くプレスして融着させること
により濾過精度を確保してきた。それにより、流体の通
過抵抗（通水または通気抵抗）が大幅に増加し、流体供
給装置にコストがかかったり、処理速度が小さくなると
いう問題点があった。また、平均径が小さくても繊維中
にかなり太い繊維が混じっているためにその近辺に大き
な孔が開きチャンネリングを生じることにより大きな粒
子が大量に流失する可能性が高くなり、プレスを強くし
たり、シートの厚みや積層枚数を増す必要があった。 本発明の目的は、流体の濾材内圧力損失が小さいために
、流体の処理速度が高く、濾過精度の高く、さらにはコ
スト的にも優れた特性を示す濾過材および濾過方法を提
供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】かかる問題を解決してサ
ブミクロン粒子の濾過を十分な精度で行うには、以下の
要点の満たさねばならない。すなわち、本発明は、極細
繊維集合体からなり、バブルポイント測定において求め
られる最大孔径と平均孔径の比が１．８以下であること
を特徴とする濾過材である。また、サブミクロン粒子の
濾過に望ましい濾過材の形態としては、平均糸径が０．
１ミクロン以上０．５ミクロン以下であって糸径の標準
偏差が１．０ミクロン以下である繊維よりなる極細繊維
集合体を用いることが好ましい。また、濾過材を構成す
る繊維が実質的に長繊維に近く、かつ隣合う繊維と少な
くとも一カ所は実質的に融着されており、濾材を構成す
る繊維の脱落の無い事も好ましい。濾過材を構成する繊
維集合体の充填率が０．０２〜０．６５、液体の濾過で
は０．３〜０．６５の範囲に、気体の濾過では０．０２
〜０．３５にあることが好ましい。濾過材を構成する繊
維集合体の引張り強度が４００ｇ／ｃｍ幅以上であるこ
とが好ましい形態である。

【０００５】以下、その要件と作用を順次説明する。濾
過材を構成する繊維の材質は有機物であってもよいし、
無機物を付与したり混合したりした物であってもよい。 繊維を製造する方法についても特に規定するものではな
いが、極細繊維を製造する方法としては、例えば特開昭
５０−４６９７２号公報に開示されるメルトブロー法や
例えば特開昭４４−１８３６９号公報や特開昭４８−２
８００５号公報に開示されるような海島型や分割型の複
合紡糸による方法を用いることができる。繊維の断面形
状について通常の丸断面でも良いが、それ以外の異形断
面の繊維を用いることも繊維表面積を増やしたり、繊維
がかさなりあって形成するミクロポア（円相当）径を小
さくしたりすることも好ましい形態の一つである。

【０００６】本発明者らは鋭意研究の結果、繊維集合体
を構成する繊維の平均糸径が以下の範囲となる必要があ
ることを明らかとした。すなわち、０．１ミクロン以上
５ミクロン以下にする必要がある。繊維の平均糸径は一
般に細いほどよいといわれていたが、平均糸径が０．１
ミクロンより小さいとシートの形態保持性や寸法安定性
が低下することが明らかとなった。すなわち、シートの
毛羽だちや糸切れ等によりハンドリング性が低下したり
、また、濾過過程に於て濾過液の流れによりシートを構
成する繊維が曲げられる等して移動させられたためにチ
ヤンネリングを生じたり、繊維の移動のために一旦捕集
された粒子が再び飛散して濾液に混じるということが起
こり、捕集精度が悪くなるという問題点を生じる。また
、極細繊維を製造するに当たり、糸切れを生じやすくな
り、生産性が低下したり、非常に短い繊維が不織布シー
ト中に混じり濾過途中で脱落して濾液中に流入してくる
という問題も生じる場合があった。他方、平均糸径が５
ミクロンより大きくなるとサブミクロン粒子の捕集効率
が著しく低下する。粒子の捕集は複数の繊維の構成する
ミクロポア（孔）径によるが、充填率が一定の場合には
平均糸径が細くなるほど繊維長くなる。そのため、通液
抵抗をほぼ一定にして、ミクロポアを小さくできるとい
う利点がある。一方、繊維が太い場合には、ミクロポア
の大きさを同じにするには繊維集合体のプレスを強化し
て充填率を上げねばならない。したがって、平均糸径が
５ミクロンより大きいと繊維が著しく変形するまでプレ
スせねばならず、それによりミクロボアーがつぶれて閉
塞してしまい、濾過材として働きの無いデッドスペース
になってしまう所を生じたり、濾過液の通液抵抗が著し
く増加するという問題点があり実用上好ましくない事が
明らかとなった。

【０００７】繊維集合体を構成する繊維の標準偏差につ
いては、小さいほど好ましい。標準偏差については、従
来その重要性があまり考慮されていなかった。すなわち
、短繊維により製造された不織布は、繊維平均径が太く
、かつ標準偏差が小さいために問題とならなかった。 また、糸径の異なる繊維を混合した不織布においても、
繊維端部が多いためにその繊維端部近傍でチャンネリン
グを生じたりするためにその効果が明らかでなかった。 最近、メルトプロー法に代表される紡糸方法により極細
繊維繊維集合体を安価に製造することが可能となり、繊
維の標準偏差の大きい繊維集合体を利用する事が可能と
なってきた。本発明者は鋭意研究より、標準偏差が以下
の範囲にあることが必要であることを明らかとなった。 即ち、標準偏差が１．０ミクロン以下であることが必要
である。発明者は、標準偏差が１．０ミクロン以下の繊
維集合体を製造し、各種テストを繰り返すことにより、
繊維糸径の標準偏差が１．０ミクロン以下、好ましくは
０．５ミクロン以下、より好ましくは０．３ミクロン以
下であることがサブミクロン粒子の濾過に良い。ここで
、濾過に供されるサブミクロン粒子は粒径分布が大きい
多分散粒子中の一部であっても良いし、粒子径がほぼ等
しい単分散粒子であってもよい。繊維糸径の標準偏差が
小さい方がよい理由に付いては充分明らかではないが、
本発明者らは以下のように推定している。

【０００８】もし、繊維糸径の標準偏差が大きいと、太
い糸径の繊維の存在により、その近傍で平均よりかなり
大きいミクロポアが存在してしまうためか大きな粒子が
濾液に流失されてしまう。また、このミクロポアの流れ
は一般的に層流であり、ハーゲンポアズイユの法則が成
立すると仮定される場合が多いが、その仮定が成立する
と、ミクロポアを流れる濾過液の流量はポア径の４乗と
比例し、その大きなポアーの捕集効率に対する効果は極
めて大きいと考えられる。また、流速も速くなることが
予測され、特にブラウン拡散により支配される微小粒子
の捕集効率を著しく低下させる。一方、繊維径の標準偏
差が小さくなるとミクロポアの径もそろってくるために
ポア径が揃ってくるだけでなく、不織布シート全体の流
れが均一化され、デッドスペースの存在も小さくなると
考えられ、実験による検証でも、濾過精度がよく、粒子
保持量が大きくなった。この効果は繊維構成物質に対す
る濾過流体の濡れ性が低いときに特に効果を発揮する傾
向にある。糸径の標準偏差がミクロポア径に与える効果
は、バブルポイント測定により明かとなる最大孔径と平
均孔径の比で推定可能であると考えられる。種々の文献
では、この比は、不織布では２以上の値となるという報
告があるが、極細繊維の糸径の標準偏差を小さくして、
最大孔径／平均孔径の比を小さくすることが本発明によ
り明らかとなり、それが本濾過材の高い濾過精度、小さ
い濾過液の通液抵抗の原因であることを明らかとした。 サブミクロン粒子の濾過に不織布を用いる際にはこの比
の値が１．８以下であることが必要であり、より好まし
くは１．１以上１．５以下であることが判明した。適正
なミクロポアの孔径は捕集しようとする粒子の大きさに
大きく依存し、大きな粒子を取るには流体の通過時の抵
抗を小さくするために大きな孔径でよく、他方微小な粒
子の濾過には充分小さな孔径になるようにシートの製造
条件を調整する必要がある。本発明者らは、経験的に捕
集しようとする目的の粒子の大きさの３倍以下の平均孔
径が高精度の濾過の目安となることがわかっている。最
大孔径と平均孔径の比が１．８より大きいと本発明者ら
は期待する低い濾過抵抗と高い濾過精度の達成ができな
くなる。

【０００９】また、メルトブロー法により得られる繊維
の標準偏差の大きさは繊維集合体構成繊維の繊維長とも
関係している。標準偏差が小さいと言うことは紡糸時の
安定性がよいために糸切れの発生が少ないことをも意味
していると思われる。最も問題となる原因と思われるメ
ルトブロー法における繊維の糸切れが発生する理由とし
ては脆性破断と延性破断が挙げられるが脆性破断を生じ
た場合には延伸不良の太い繊維が、また延性破断を生じ
た場合には細い繊維や玉状物の発生につながる場合が多
い。太い繊維および細い繊維の存在は、前述のようにそ
れぞれ、マイクロポア径の増加や濾液中への繊維やポリ
マー玉の脱落を生じやすくする。また、糸切れが生じる
と構成繊維の長さが短くなり、濾液中への短い繊維の流
入を生じるケースもでてくる。

【００１０】シート目付けは、本発明では特に問題とは
ならないが、経済性を考えると２０ｇ／ｍ２　〜８０ｇ
／ｍ２　の間にあることが好ましい。シート目付けが２
０ｇ／ｍ２　より小さくなると、デプスフィルターとし
ての性能はかんばくしくない場合が多い。即ち、不織布
の欠点の存在を深さ方向で補償できないためにバブルポ
ント測定や水銀圧入法試験で求められる最大孔径、平均
孔径が大きく、従って、チャンネリングを生じやすい大
きな孔を有する部分の存在確率が増加すると考えられる
。他方、目付けが８０ｇ／ｍ２　より大きくなると、い
ったん上流で流れに分布を生じると下流側での流れを均
一にしにくい為に濾過材中の均一な流れを期待しにくく
なるためか、目付けの増加の割には捕集効率の向上が認
められない場合が多かった。従って、濾材の厚み方向深
さで捕集効率を稼ぐには目付けが２０〜８０ｇ／ｍ２　
の間にあるシートを積層して用いるのが好ましい。

【００１１】シートの繊維充填率は、液体の濾過では、
繊維集合体シートを熱プレスして調整することが多いが
０．３〜０．６５の間にあることが好ましい。充填率が
０．３より小さくなるとミクロポア径が大きくなるため
にサブミクロン粒子の濾過が非常に困難になってしまっ
た。シートを積層することによってもその改善は困難で
ある。一方、充填率が０．６５より大きくなると、通液
抵抗が大きくなりすぎて、処理速度を大きくすることが
できなくなったり、マイクロポア径が小さくなりすぎて
孔がつぶれてふさがるために有効濾過面積が小さくなる
という問題を生じた。従って、繊維集合体シートの繊維
充填率は、濾液の通液抵抗を小さくし、速い濾過速度が
期待されるときには充填率を下げ、積層シートの枚数を
増やしたり、目付けを大きくすることが必要であり、濾
過精度をあげるためにはシートの充填率をあげる必要が
ある。同じ繊維よりなる繊維集合体で、充填密度をあげ
ると濾過精度が上がるが、通液抵抗が上昇するだけでな
く粒子保持量も若干低下する傾向にあり、要求性能との
バランスで決定する必要がある。また、気体の濾過に付
いては流体の濾過処理速度を適正にするために充填率を
０．０２〜０．３５の間にくるように設定するのが経済
的に好ましかった。

【００１２】シートの強力については、濾過時のシート
にかかる力に対して性能に関与するような変形や破断が
生じない強度とシート加工時にかかる引張りや曲げの応
力に耐える強度が必要である。そのためには、繊維集合
体を構成する繊維自身の強力が高いこと、繊維の長さが
短かすぎないこと、繊維相互の交絡が充分有ること、隣
りあう繊維が接着されていること等があげられる。繊維
の強力を上げるには分子量の大きいポリマーを用いるこ
とと、紡糸条件の適正化を進めて繊維の配向結晶化を進
める必要がある。繊維の交絡状態の制御については紡糸
時に吹き出すエアージェットにまきこまれる同伴エアー
流の制御とシート引き取り条件がポイントであると考え
られるが、その適正化により繊維をランダムに配向させ
ることがシートの強力向上、粒子の濾過性能の両面から
好ましいと考えられる。水などの流体ジェット流をシー
トに作用させることにより交絡を高める手段を用いても
好ましい。隣接する繊維同志の接着は、シート引き取り
時に溶融状態で繊維層に繊維を落下させて接着させたり
、繊維充填率やシート表面特性の改善のために熱プレス
処理する際の条件を適正化することにより調整可能であ
る。シート引き取り時に接着性粒子や繊維などを吹き込
むコンフォーム等の処理を実施後、プレスすることも好
ましい形態の一つである。また、繊維相互の接着は、濾
液中への繊維などの脱落や流入を防ぐ上でも重要である
と同時にシート表面の毛羽だちを抑えハンドリングを良
くする効果もある。

【００１３】

【実施例】実施例１〜６、比較例１〜６平均糸径１〜７
ミクロンのポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレー
トおよびポリブチレンテレフタレートよりなるメルトブ
ロー法により得られた不織布を熱プレスローラにより圧
縮し、所望の充填率に調製した。測定結果を表１〜表４
にまとめた。また、実施例６及び比較例６は２０ｋｖで
１０秒間エレクトレット処理をしたシートを用いた。

【００１４】

【表１】

【００１５】

【表２】

【００１６】

【表３】

【００１７】

【表４】

【００１８】なお、表１〜表４におけるＰＥＴ、ＰＢＴ
、ＰＰは次の意味を有する。 ＰＥＴ‥ポリエチレンテレフタレート繊維、ＰＢＴ‥ポ
リブチレンテレフタレート繊維、ＰＰ‥ポリプロピレン
繊維また、測定方法は以下のとおりである。 平均糸径および標準偏差：シートの表面の走査型電子顕
微鏡写真を１０００〜３０００倍前後で撮影し、その写
真の糸径をランダムに２００本測定して、その算術平均
値を取った。 シート強力：インストロン型テンシロンにより試長５０
ｍｍ，幅２０ｍｍ，把持長５０ｍｍでクロスヘッド５０
ｍｍ／分で引張り試験を行った際の破断強力を測定し、
１ｃｍ幅当りに換算した。 繊維充填率：シート目付けを加重１ｇでのシート平均厚
みで除し、さらに構成繊維密度で割った値を利用した。 シート目付け：２０ｃｍ角のサンプルの重量を測定し、
１ｍ２　当りに換算した。 液相粒子捕集効率：ＪＩＳ　　１１種標準粒子を０．５
ｇ／１の濃度を分散させた水を用いて濾過テストを行い
、初期１０ｍ１を濾過したときの前後の０．８ミクロン
粒子濃度を測定し、その差より求めた。 バブルポイント測定：ＡＳＴＭのＦ３１６−７０に準じ
て、イソプロピルアルコールを用いて測定を行った。但
し、平均孔径は１図の流量と圧力のグラフの接線の交点
の圧力を採用し、平均孔径＝Ｋ／Ｐｅｓにより求めた。 Ｋは比例定数、Ｐｅｓはバブルポイント圧である。また
、最大孔径＝Ｋ／Ｐａｓにより最大孔径を求めた。Ｋは
比例定数で、Ｐａｓは最初に気泡の出る圧力をいう。 気相捕集効率：シートに構成繊維体積を考慮しないとき
の速度である空塔速度を５．３ｃｍ／秒にして大気塵を
含むエアーを流したときに、０．３μｍの粒子の出口及
び入口の濃度を測定し、その差より求めた。 通過速度：１／２インチの水柱圧をかけたときのシート
の空気通過体積流量をシートの断面積で除した値を採用
した。 実施例より明らかなように、最大孔径／平均孔径が１．
８以下の場合には、捕集効率が１００％に近く、他方、
比較例にあっては捕集効率がかなり低かった。

【００１９】

【発明の効果】本発明により、サブミクロン粒子の濾過
に濾過精度、通液抵抗の両面で有用な素材を供給でき、
その処理が可能となる。本発明の濾過材は液体だけでな
く、気体の濾過にも非常に有用である。また、濾過に供
する濾過液および濾過気体の処理量すなわちフィルター
ライフを改善するために本発明の範囲外の不織布シート
や多孔性フィルムなどのシート状物と積層しても本発明
による効果は保持される。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　極細繊維集合体からなり、バブルポイ
   ント測定において求められる最大孔径と平均孔径の比が
   １．８以下であることを特徴とする濾過材。
2. 【請求項２】　　平均糸径が０．１ミクロン〜５．０ミ
   クロンであって、糸径の標準偏差が１．０ミクロン以下
   である繊維よりなる請求項１に記載の濾過材。
3. 【請求項３】　　濾過材を構成する繊維の繊維長が実質
   的に無限大に近く、且つ隣り合う繊維と少なくとも一カ
   所は実質的に融着しており、濾過材を構成する繊維の脱
   落のない請求項１に記載の濾過材。
4. 【請求項４】　　濾過材を構成する繊維集合体の充填率
   が０．０２〜０．６５の範囲にある請求項１、２、又は
   ３に記載の濾過材。
5. 【請求項５】　　請求項１、２、３又は４に記載の濾過
   材を用いることを特徴とする濾過方法。