イオン交換フィルタおよびその製造方法
【課題】 多種多様の製品の製造フローの創出、ハンドリング性の向上、濾過性能の高効率化などが期待できる、イオン交換フィルタおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】 合成樹脂粉末を加熱・焼結することにより得られる連通多孔性成形体にイオン交換樹脂の原料溶液を含浸させ、該連通多孔性成形体内で該原料を塊状重合反応させて得られる。また、該上記原料溶液には水を含むことが好ましい。水の含有量としては特に限定されないが、０質量部よりも多く２５質量部未満であることが好ましく、５〜１５質量部がより好ましい。
【解決手段】 合成樹脂粉末を加熱・焼結することにより得られる連通多孔性成形体にイオン交換樹脂の原料溶液を含浸させ、該連通多孔性成形体内で該原料を塊状重合反応させて得られる。また、該上記原料溶液には水を含むことが好ましい。水の含有量としては特に限定されないが、０質量部よりも多く２５質量部未満であることが好ましく、５〜１５質量部がより好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン交換フィルタおよびその製造方法に関し、詳細には、多種多様の製品の製造フローの創出、ハンドリング性の向上、濾過性能の高効率化などが期待できる、イオン交換フィルタおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、工場において発生する粉塵を捕集する方法として、その粉塵が製品である場合や作業環境保全のための集塵の場合等に用いられ、ガラス繊維や合成樹脂からなる繊維を編組してなる濾布を袋状に縫製したバグフィルタや、フェルト濾布が用いられていた。しかしながら、耐熱性濾布を組み込んだバグフィルタは、生地織り目が粗く、粉塵の粒子が漏れることがある。また、フェルト濾布では、次第に目詰まりして通気抵抗が大きくなるため、多大な送風機動力が必要となり、捕集した粉塵の逆洗払い落としによって、濾布がリテーナー（濾布形状保持体）との摩擦で損傷する欠点もあった。
上記欠点を克服するものとしては、例えば、特許文献１および２等に、合成樹脂粉末を加熱・焼結することにより得られる連通多孔性成形体（以下、単に樹脂焼結体フィルタまたは樹脂焼結体とも称する）が開示されている。この樹脂焼結体フィルタは、シンターラメラーフィルタ（日鉄鉱業株式会社登録商標）として市販されている。
【０００３】
【特許文献１】特公昭６４−５９３４号公報
【特許文献２】特公平２−３９９２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
また、前述の樹脂焼結体フィルタは、現状の集塵、粉体回収等の固気分離に止まらず、新たな用途への適用が期待され、調査、開発がなされている。これらの調査、開発の一環として、樹脂焼結体フィルタの高機能化を目指し、樹脂焼結体フィルタへのイオン交換能付与が期待された。イオン交換能は、純水製造、脱塩、飲料精製や重金属の回収など多岐にわたる用途に用いられているためである。イオン交換能を持った樹脂焼結体フィルタが開発できれば、樹脂焼結体フィルタが有する性能との組合せによる、多種多様の製品の製造フローが考えられ、ハンドリング性の向上、性能の高効率化など多くのメリットが期待できる。
すなわち、本発明は、多種多様の製品の製造フローの創出、ハンドリング性の向上、濾過性能の高効率化などが期待できる、イオン交換フィルタおよびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、樹脂焼結体フィルタにイオン交換能を付与すべく鋭意検討を重ねた結果、本発明に到達した。
即ち、本発明は以下の通りである。
（１）合成樹脂粉末を加熱・焼結することにより得られる連通多孔性成形体にイオン交換樹脂の原料溶液を含浸させ、該連通多孔性成形体内で該原料を塊状重合反応させて得られたイオン交換フィルタ。
（２）前記原料溶液が水を含むものである前記（１）のイオン交換フィルタ。
（３）合成樹脂粉末を加熱・焼結することにより得られる連通多孔性成形体にイオン交換樹脂の原料溶液を含浸させ、該連通多孔性成形体内で該原料を塊状重合反応さるイオン交換フィルタの製造方法。
（４）前記原料溶液に水を含ませる前記（３）のイオン交換フィルタの製造方法。
【０００６】
本発明者らは、樹脂焼結体フィルタにイオン交換能を付与すべく、当初、樹脂焼結体の樹脂表面へイオン交換性基をグラフト結合して付与することを試みた。しかし、この場合、樹脂焼結体の樹脂表面へイオン交換性基を付与することはできたが、その量は少なく、満足できるものではなかった。
そこで、本発明者らは、樹脂焼結体にイオン交換樹脂の原料溶液を含浸させ、該樹脂焼結体孔内で該原料を塊状重合反応させることにより、反応熱が発生し、その反応熱で、イオン交換樹脂と樹脂焼結体が融着して、イオン交換樹脂が樹脂焼結体内部にまで強固に沈着されることを見出した。
なお、通常、イオン交換樹脂の合成は、懸濁重合法により行なわれるが、樹脂焼結体の孔内で重合反応させる必要があり、そのためには懸濁重合法では不適であった。よって、本発明においては、イオン交換樹脂が塊状重合法により重合させることにより、樹脂焼結体内部にまで強固に沈着されることができた。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のイオン交換フィルタは、合成樹脂粉末を加熱・焼結することにより得られる連通多孔性成形体にイオン交換樹脂の原料溶液を含浸させ、該連通多孔性成形体内で該原料を塊状重合反応させて得られたことにより、イオン交換樹脂が樹脂焼結体内部にまで強固に沈着されたものとなり、十分なイオン交換能を有するものとなった。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に本発明のイオン交換フィルタおよびその製造方法について詳細に説明する。
本発明のイオン交換フィルタは、合成樹脂粉末を加熱・焼結することにより得られる連通多孔性成形体にイオン交換樹脂の原料溶液を含浸させ、該連通多孔性成形体内で該原料を塊状重合反応させて得られることを特徴とする。
【０００９】
本発明で用いるイオン交換樹脂の原料とは、イオン交換樹脂の塊状重合反応に必要なモノマー成分、重合開始剤等からなるものである。
モノマー成分としては、イオン交換基と成り得る基を含むものがあれば特に限定されない。
イオン交換基と成り得る基を含むモノマー成分としては、特に限定されないが、アクリル酸、メタクリル酸、アクリレート、メタクリレート、無水マレイン酸等の不飽和基を有するジカルボン酸の無水物、スチレン等が挙げられる。アクリレート、メタクリレート、無水マレイン酸等を用いる場合には、重合後に加水分解を行う必要がある。これに対して、アクリル酸、メタクリル酸を用いる場合は、イオン交換性基である−ＣＯＯＨ基を元々有しているので、重合後の加水分解は不要である。すなわち、製造工程が削減できる。
【００１０】
また、イオン交換基と成り得る基を含むモノマー成分を必須として、さらに、イオン交換基と成り得る基を含まないモノマー成分を用いてもよい。このイオン交換基と成り得る基を含まないモノマー成分は、重合で得られるイオン交換樹脂の構造に寄与する。例えば、ジビニルベンゼン（ＤＶＢ）等は、重合性基を２つ持っているため、このＤＶＢをモノマー成分として重合で得られるイオン交換樹脂は、３次元網目構造を持つことができる。
モノマー成分としては、アクリル酸−ＤＶＢの組合せが、重合で得られるイオン交換樹脂のイオン交換能が大きくなるので、好ましい。
【００１１】
本発明で用いるイオン交換樹脂原料の重合開始剤としては、懸濁重合に使用できるものであれば特に限定されない。
具体的には、ベンゾイルパーオキサイド（ＢＰＯ）等が挙げられる。
【００１２】
また、本発明で用いるイオン交換樹脂の原料溶液には、上記のモノマー成分および重合開始剤等の他に、水を含有していることが好ましい。該原料溶液に水が含有されていることにより、イオン交換樹脂原料の塊状重合反応による重合熱の過剰の発生を抑え、過剰の重合熱による樹脂焼結体フィルタの変形を抑えることができる。
【００１３】
イオン交換樹脂の原料溶液中の水の含有量としては特に限定されないが、０質量部よりも多く２５質量部未満であることが好ましい。５〜１５質量部がより好ましい。０質量部であると、イオン交換樹脂原料の塊状重合反応による重合熱の発生が過剰となり樹脂焼結体フィルタが変形することがある。また２５質量部以上であると、樹脂焼結体フィルタに十分な量のイオン交換樹脂が沈着されないことがある。
【００１４】
上記イオン交換樹脂の原料溶液を樹脂焼結体に含浸させた後、該イオン交換樹脂の原料を塊状重合反応させるが、これは、イオン交換樹脂原料溶液を含浸させた樹脂焼結体を、使用した重合開始剤の活性化温度下に置くことを意味し、さらに詳細には、７０〜１１０℃、好ましくは８０〜１００℃の乾燥機（室）内に置く操作等が挙げられる。
【００１５】
本発明のイオン交換フィルタにおける、イオン交換樹脂の沈着（固定）量としては、特に限定されないが、イオン交換樹脂の沈着後のイオン交換フィルタに対し２５〜４０質量％が好ましく、より好ましくは３０〜３５質量％である。２５質量％未満では、イオン交換樹脂の沈着量が少なく、フィルタのイオン交換能が不十分となることがあり、４０質量％以上では、樹脂焼結体の内孔が塞がれ、通気度が無くなり、イオン交換フィルタにおけるイオン交換樹脂の表面積が小さくなりイオン交換能が不十分となることがある。
【００１６】
本発明のイオン交換フィルタにおけるイオン交換樹脂の沈着（固定）量を調節する手法としては、特に限定されないが、樹脂焼結体に含浸させるイオン交換樹脂原料溶液量を調節する方法等が挙げられる。
但し、イオン交換フィルタにおけるイオン交換樹脂の沈着（固定）量は、樹脂焼結体に含浸させるイオン交換樹脂原料溶液量のみによって決定されるものではなく、イオン交換樹脂の沈着前の樹脂焼結体の通気度（空隙率）、イオン交換樹脂原料溶液の水含有量、重合雰囲気等も関与する。しかし、イオン交換樹脂の沈着前の樹脂焼結体の通気度（空隙率）、イオン交換樹脂原料溶液の水含有量、重合雰囲気等は、樹脂焼結体に含浸させるイオン交換樹脂原料溶液量に比べて、イオン交換フィルタにおけるイオン交換樹脂の沈着（固定）量に及ぼす影響が少ないため、これらのイオン交換樹脂の沈着前の樹脂焼結体の通気度（空隙率）、イオン交換樹脂原料溶液の水含有量、重合雰囲気等を考慮しながら、樹脂焼結体に含浸させるイオン交換樹脂原料溶液量を適宜決定することが好ましい。
【００１７】
本発明のイオン交換フィルタに用いられる樹脂焼結体としては、合成樹脂粉末を加熱・焼結することにより得られたものであれば特に限定されないが、特公昭６４−５９３４号公報、特表昭６１−５０２３８１号公報、特開２００２−３３６６１９号公報、特開２００３−１２６６２７号公報等に記載のもの等が挙げられ、具体的には、ポリエチレンを樹脂成分の主成分として含有する樹脂組成物の粒子同士（以下「樹脂組成物粒子」という）を粒子表面で融着させて得たものが好ましい。
【００１８】
樹脂成分としてポリエチレンを主成分とする樹脂組成物粒子は、ポリエチレン粒子単独である場合、ポリエチレン粒子とポリエチレン以外の他の樹脂の粒子との混合粒子である場合、及びポリエチレンとポリエチレン以外の他の樹脂との溶融混合物の粒子である場合を含む。なかでも、ポリエチレン粒子単独である場合及びポリエチレン粒子とポリエチレン以外の他の樹脂の粒子との混合粒子である場合が好ましい。そして、樹脂組成物粒子の樹脂成分は、ポリエチレンが該樹脂成分中に５０質量％以上、好ましくは６５質量％以上、あるいは１００質量％占める。
【００１９】
上記樹脂組成物粒子の樹脂成分であるポリエチレンとしては、エチレンの単独重合体、エチレンと少量の炭素数３〜１０のα−オレフィンとの結晶性共重合体等が挙げられる。上記ポリエチレンは、デカリン溶媒中、１３５℃で測定された粘度数が３００〜２５００ｍｌ／ｇであるものが好ましい。粘度数が上記範囲のポリエチレンは、重量平均分子量Ｍｗが１００万を越す、いわゆる超高分子量ポリエチレンを包含する。超高分子量ポリエチレン粒子あるいは超高分子量ポリエチレンを含有する樹脂粒子は、本発明のイオン交換フィルタの樹脂焼結体を製造する際に、融点以上に加熱してもその流動性が低いため、粒子形状を長時間保持する。このため、上記樹脂焼結体を容易に製造することができ、極めて好ましく用いられる。なお、重量平均分子量はゲルパーミエーションクロマトグラフィー法によりポリスチレン換算値として測定された値である。
【００２０】
ポリエチレンはエチレンの重合あるいはエチレンと少量の炭素数３〜１０のα−オレフィンとの共重合により得ることができる。また、ポリエチレンは粒子あるいはペレットとして市販されており、これらを用いることができる。
樹脂成分としてポリエチレンを主成分とする樹脂組成物粒子は、ポリエチレン以外のその他の樹脂、例えばポリプロピレン等を含むことができる。上記その他の樹脂は、粒子としてポリエチレン粒子と混合されあるいはポリエチレンと溶融混合、粉砕されて、樹脂組成物粒子の樹脂成分を構成する。その他の樹脂がポリプロピレンの場合、プロピレンの重合あるいはプロピレンと少量の他のオレフィン（エチレン等）との共重合により粒子として得ることができる。またポリプロピレンは、粒子状あるいはペレット状で市販されており、これらを用いることができる。樹脂組成物粒子がポリエチレンとポリエチレン以外の他の樹脂との溶融混合物の粒子である場合、両者を溶融混合後、機械粉砕等の手段により、所望の粒径の樹脂組成物粒子に調製することができる。
【００２１】
樹脂組成物粒子は、平均粒径が５０〜５００μｍであることが好ましく、より好ましくは１００〜３００μｍである。平均粒径が５０μｍ未満の場合は、フィルタエレメントに目詰まり部分が多くなり通気抵抗が大きくなる。一方、平均粒径が５００μｍより大きい場合は、微細粉塵の目抜けが生じ、かつ強度が低下する。
【００２２】
本発明のイオン交換フィルタの概略（断面）を図１に示す。本発明のイオン交換フィルタ１は、樹脂焼結体を構成している合成樹脂粉末２の周囲を覆うようにイオン交換樹脂３が沈着しているものである。このイオン交換フィルタ１は、適度な空隙４を有する（通気度がある）ことが好ましい。空隙４が少ない（通気度が低い）と、イオン交換処理対象の気体または液体が本イオン交換フィルタ１の内部に入りこむことができず、即ち、イオン交換フィルタ１内部に沈着したイオン交換樹脂３を有効に利用することができず、結果的に、イオン交換能が低いものとなる。
【００２３】
これに対し、空隙４が多い（通気度が高い）と、イオン交換処理対象の気体または液体が本イオン交換フィルタ１の内部に入りこむことができ、即ち、イオン交換フィルタ１内部に沈着したイオン交換樹脂３を有効に利用することができ、結果的に、イオン交換能が高いものとなる。しかし、空隙４が多い（通気度が高い）ということは、イオン交換樹脂３の沈着量が少ないという場合も有り得る。また、本発明のイオン交換フィルタ１の空隙率（通気度）は、イオン交換樹脂３沈着前の樹脂焼結体自体の空隙率（通気度）にも依存する。よって、本発明のイオン交換フィルタ１の好ましい空隙率（通気度）範囲を、一概に特定することは難しい。
【００２４】
本発明のイオン交換フィルタは、イオン交換処理に使用した後、適当な再生処理により再生することも可能である。例えば、弱酸性陽イオン交換樹脂を沈着させたものであれば、１N塩酸に浸漬する等して再生することができる。
【実施例】
【００２５】
以下に本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、勿論本発明の範囲は、これらによって限定されるものではない。
１．イオン交換樹脂の原料溶液の調整
アクリル酸とジビニルベンゼン（ＤＶＢ）とベンゾイルパーオキサイド（ＢＰＯ）を９０：１０：５（アクリル酸：ＤＶＢ：ＢＰＯ）の割合で配合したものに、水を０、５、１５、２５質量部添加したものを、それぞれ、原料溶液Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄとした。
【００２６】
２．樹脂焼結体の作製
ポリエチレン粒子（平均粒径＝２００μｍ（ふるい分け法による）、融点＝１３５℃）１００質量部をテストピース用金型（外形寸法：８５ｍｍ×８５ｍｍ、厚み：３．０ｍｍ）に振動を与えながら充填した。次いでこの金型を加熱炉に入れ、炉内温度２４０℃で３時間加熱処理し、シート状の連通多孔質成形体（樹脂焼結体）を得た。なお、得られる樹脂焼結体の大きさ及び質量等は、厳密には個々に異なるため、後述の各種試験では、これらの厳密な値を採用することがある。
【００２７】
３．樹脂焼結体へのイオン交換樹脂原料溶液の含浸及び塊状重合反応
上記２で得られた樹脂焼結体へ、上記１で得られたイオン交換樹脂原料溶液を含浸させる。
具体的には、イオン交換樹脂原料溶液Ａ〜Ｄを下記表１の「含浸量率（％）」となるように滴下含浸させた。なお「含浸量率（％）」は以下の式により算出する。
【００２８】
含浸量率（％）
＝（原料溶液含浸量／原料溶液含浸前の樹脂焼結体質量）×１００
【００２９】
次いで、イオン交換樹脂原料溶液を含浸させた樹脂焼結体を１００℃に設定した乾燥機内に置き塊状重合反応させた。乾燥機内の置き時間は塊状重合反応が完全に終了するまでの時間とした。よって個々の試料によって異なる。
各試料の「樹脂沈着量率（％）」、並びに、変形、目詰り（通気性）の有無、およびその他の可否を下記表１に示す。
なお「樹脂沈着量率（％）」は以下の式により算出する。
【００３０】
樹脂沈着量率（％）
＝（イオン交換樹脂沈着量／原料溶液含浸前の樹脂焼結体質量）×１００
【００３１】
また、目詰り（通気性）の有無は、ＪＩＳ Ｌ １０９６ ８．２７．１ Ａ の通気度試験（フラジール方法）にて観察した。
その通気度値が０．５ｃｍ３／ｃｍ２・ｓｅｃ以上を「通気性有り」、０〜０〜０．０６５ｃｍ３／ｃｍ２・ｓｅｃを「通気性僅か」、０５ｃｍ３／ｃｍ２・ｓｅｃを「通気性無し」とした。
【００３２】
【表１】
【００３３】
４．イオン交換能の測定
上記３．で得られたイオン交換フィルタ試料のうち、試料番号(4)、(7)、(8)、(11)、(12)についてイオン交換能を測定した。
なお、比較のため市販のアクリル酸系イオン交換樹脂（粒状、三菱化学（株）製ＷＫ４０）をコントロール試料（試料番号(c)）、として用いた。また、試料番号(4)、(7)、(8)、(11)、(12)に沈着されているイオン交換樹脂量および試料番号(c)のイオン交換樹脂量を下記表２に示す。
【００３４】
【表２】
【００３５】
イオン交換能は、具体的には以下の手法で測定した。
（１）各試料を２５０ｍｌのＮ／５−ＮａＯＨ溶液に室温で４４時間浸漬し、その上澄液２５ｍｌをＮ／１０−ＨＣｌ溶液で中和滴定し、その中和滴定量Ａ（ｍｌ）を測定した。なお、この中和滴定における指示薬としては、メチルオレンジを用いた。
（２）また、試料未浸漬のＮ／５−ＮａＯＨ溶液２５ｍｌを、同様にＮ／１０−ＨＣｌ溶液で中和滴定し、その中和滴定量Ｂ（ｍｌ）を測定した。 その中和滴定量Ｂは４９．３０ｍｌであった。
【００３６】
（３）各試料における中和滴定量Ｂと中和滴定量Ａの差（Ｂ−Ａ差量（ｍｌ））を求め、次いで「イオン交換樹脂単位量当りの滴定量差（ｍｌ／ｇ）」を求めた。さらに、コントロール試料（試料番号(c)）の「イオン交換樹脂単位量当りの滴定量差」を１００％とした場合の、各試料の「イオン交換樹脂単位量当りの滴定量差」の比率を求め、「イオン交換能」とした。
【００３７】
各試料における中和滴定量Ａ（ｍｌ）、Ｂ−Ａ差量（ｍｌ）、イオン交換樹脂単位量当りの滴定量（ｍｌ／ｇ）及びイオン交換能（％）を下記表３に示す。
【００３８】
【表３】
【００３９】
上記表３から、試料(7)および(11)のイオン交換能が試料(c)よりも優れていることがわかった。
【００４０】
なお、本明細書の実施例では、弱酸性陽イオン交換樹脂であるアクリル酸系イオン交換樹脂を沈着させたものについて詳細な検討を行ったが、弱酸性陽イオン交換樹脂以外についても、同様な塊状重合の手法で樹脂焼結体に、沈着させることが可能であると考えられる。例えば、強酸性陽イオン交換樹脂の場合は、スチレンとＤＶＢの塊状重合反応により形成された共重合体層にクロロ硫酸を反応させてスルホン化すれば良い。また、強塩基性陰イオン交換樹脂の場合、スチレンとＤＶＢの塊状重合反応により形成された共重合体層にＬｅｗｉｓ酸触媒を用いてクロルメチルエーテルでクロルメチル化する。このクロルメチル化三次元ポリマーを３級アミンと反応させることにより４級アンモニウムを付加すれば良い。弱塩基性陰イオン交換樹脂の場合は、エチルアクリレートとＤＶＢの塊状重合反応により形成された共重合体層に、ジエチレントリアミンを吸収させて加熱させることにより３級アミンを付加すれば良いと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明のイオン交換フィルタは、多種多様の製品の製造フローの創出、イオン交換フィルタとしてのハンドリング性の向上、樹脂焼結体フィルタとして濾過性能の高効率化などが期待できる。
また、本発明のイオン交換フィルタは、イオン交換処理に使用した後、適当な再生処理により再生することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明のイオン交換フィルタの概略（断面）図である。
【符号の説明】
【００４３】
１ イオン交換フィルタ
２ 合成樹脂粉末
３ イオン交換樹脂
４ 空隙
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン交換フィルタおよびその製造方法に関し、詳細には、多種多様の製品の製造フローの創出、ハンドリング性の向上、濾過性能の高効率化などが期待できる、イオン交換フィルタおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、工場において発生する粉塵を捕集する方法として、その粉塵が製品である場合や作業環境保全のための集塵の場合等に用いられ、ガラス繊維や合成樹脂からなる繊維を編組してなる濾布を袋状に縫製したバグフィルタや、フェルト濾布が用いられていた。しかしながら、耐熱性濾布を組み込んだバグフィルタは、生地織り目が粗く、粉塵の粒子が漏れることがある。また、フェルト濾布では、次第に目詰まりして通気抵抗が大きくなるため、多大な送風機動力が必要となり、捕集した粉塵の逆洗払い落としによって、濾布がリテーナー（濾布形状保持体）との摩擦で損傷する欠点もあった。
上記欠点を克服するものとしては、例えば、特許文献１および２等に、合成樹脂粉末を加熱・焼結することにより得られる連通多孔性成形体（以下、単に樹脂焼結体フィルタまたは樹脂焼結体とも称する）が開示されている。この樹脂焼結体フィルタは、シンターラメラーフィルタ（日鉄鉱業株式会社登録商標）として市販されている。
【０００３】
【特許文献１】特公昭６４−５９３４号公報
【特許文献２】特公平２−３９９２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
また、前述の樹脂焼結体フィルタは、現状の集塵、粉体回収等の固気分離に止まらず、新たな用途への適用が期待され、調査、開発がなされている。これらの調査、開発の一環として、樹脂焼結体フィルタの高機能化を目指し、樹脂焼結体フィルタへのイオン交換能付与が期待された。イオン交換能は、純水製造、脱塩、飲料精製や重金属の回収など多岐にわたる用途に用いられているためである。イオン交換能を持った樹脂焼結体フィルタが開発できれば、樹脂焼結体フィルタが有する性能との組合せによる、多種多様の製品の製造フローが考えられ、ハンドリング性の向上、性能の高効率化など多くのメリットが期待できる。
すなわち、本発明は、多種多様の製品の製造フローの創出、ハンドリング性の向上、濾過性能の高効率化などが期待できる、イオン交換フィルタおよびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、樹脂焼結体フィルタにイオン交換能を付与すべく鋭意検討を重ねた結果、本発明に到達した。
即ち、本発明は以下の通りである。
（１）合成樹脂粉末を加熱・焼結することにより得られる連通多孔性成形体にイオン交換樹脂の原料溶液を含浸させ、該連通多孔性成形体内で該原料を塊状重合反応させて得られたイオン交換フィルタ。
（２）前記原料溶液が水を含むものである前記（１）のイオン交換フィルタ。
（３）合成樹脂粉末を加熱・焼結することにより得られる連通多孔性成形体にイオン交換樹脂の原料溶液を含浸させ、該連通多孔性成形体内で該原料を塊状重合反応さるイオン交換フィルタの製造方法。
（４）前記原料溶液に水を含ませる前記（３）のイオン交換フィルタの製造方法。
【０００６】
本発明者らは、樹脂焼結体フィルタにイオン交換能を付与すべく、当初、樹脂焼結体の樹脂表面へイオン交換性基をグラフト結合して付与することを試みた。しかし、この場合、樹脂焼結体の樹脂表面へイオン交換性基を付与することはできたが、その量は少なく、満足できるものではなかった。
そこで、本発明者らは、樹脂焼結体にイオン交換樹脂の原料溶液を含浸させ、該樹脂焼結体孔内で該原料を塊状重合反応させることにより、反応熱が発生し、その反応熱で、イオン交換樹脂と樹脂焼結体が融着して、イオン交換樹脂が樹脂焼結体内部にまで強固に沈着されることを見出した。
なお、通常、イオン交換樹脂の合成は、懸濁重合法により行なわれるが、樹脂焼結体の孔内で重合反応させる必要があり、そのためには懸濁重合法では不適であった。よって、本発明においては、イオン交換樹脂が塊状重合法により重合させることにより、樹脂焼結体内部にまで強固に沈着されることができた。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のイオン交換フィルタは、合成樹脂粉末を加熱・焼結することにより得られる連通多孔性成形体にイオン交換樹脂の原料溶液を含浸させ、該連通多孔性成形体内で該原料を塊状重合反応させて得られたことにより、イオン交換樹脂が樹脂焼結体内部にまで強固に沈着されたものとなり、十分なイオン交換能を有するものとなった。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に本発明のイオン交換フィルタおよびその製造方法について詳細に説明する。
本発明のイオン交換フィルタは、合成樹脂粉末を加熱・焼結することにより得られる連通多孔性成形体にイオン交換樹脂の原料溶液を含浸させ、該連通多孔性成形体内で該原料を塊状重合反応させて得られることを特徴とする。
【０００９】
本発明で用いるイオン交換樹脂の原料とは、イオン交換樹脂の塊状重合反応に必要なモノマー成分、重合開始剤等からなるものである。
モノマー成分としては、イオン交換基と成り得る基を含むものがあれば特に限定されない。
イオン交換基と成り得る基を含むモノマー成分としては、特に限定されないが、アクリル酸、メタクリル酸、アクリレート、メタクリレート、無水マレイン酸等の不飽和基を有するジカルボン酸の無水物、スチレン等が挙げられる。アクリレート、メタクリレート、無水マレイン酸等を用いる場合には、重合後に加水分解を行う必要がある。これに対して、アクリル酸、メタクリル酸を用いる場合は、イオン交換性基である−ＣＯＯＨ基を元々有しているので、重合後の加水分解は不要である。すなわち、製造工程が削減できる。
【００１０】
また、イオン交換基と成り得る基を含むモノマー成分を必須として、さらに、イオン交換基と成り得る基を含まないモノマー成分を用いてもよい。このイオン交換基と成り得る基を含まないモノマー成分は、重合で得られるイオン交換樹脂の構造に寄与する。例えば、ジビニルベンゼン（ＤＶＢ）等は、重合性基を２つ持っているため、このＤＶＢをモノマー成分として重合で得られるイオン交換樹脂は、３次元網目構造を持つことができる。
モノマー成分としては、アクリル酸−ＤＶＢの組合せが、重合で得られるイオン交換樹脂のイオン交換能が大きくなるので、好ましい。
【００１１】
本発明で用いるイオン交換樹脂原料の重合開始剤としては、懸濁重合に使用できるものであれば特に限定されない。
具体的には、ベンゾイルパーオキサイド（ＢＰＯ）等が挙げられる。
【００１２】
また、本発明で用いるイオン交換樹脂の原料溶液には、上記のモノマー成分および重合開始剤等の他に、水を含有していることが好ましい。該原料溶液に水が含有されていることにより、イオン交換樹脂原料の塊状重合反応による重合熱の過剰の発生を抑え、過剰の重合熱による樹脂焼結体フィルタの変形を抑えることができる。
【００１３】
イオン交換樹脂の原料溶液中の水の含有量としては特に限定されないが、０質量部よりも多く２５質量部未満であることが好ましい。５〜１５質量部がより好ましい。０質量部であると、イオン交換樹脂原料の塊状重合反応による重合熱の発生が過剰となり樹脂焼結体フィルタが変形することがある。また２５質量部以上であると、樹脂焼結体フィルタに十分な量のイオン交換樹脂が沈着されないことがある。
【００１４】
上記イオン交換樹脂の原料溶液を樹脂焼結体に含浸させた後、該イオン交換樹脂の原料を塊状重合反応させるが、これは、イオン交換樹脂原料溶液を含浸させた樹脂焼結体を、使用した重合開始剤の活性化温度下に置くことを意味し、さらに詳細には、７０〜１１０℃、好ましくは８０〜１００℃の乾燥機（室）内に置く操作等が挙げられる。
【００１５】
本発明のイオン交換フィルタにおける、イオン交換樹脂の沈着（固定）量としては、特に限定されないが、イオン交換樹脂の沈着後のイオン交換フィルタに対し２５〜４０質量％が好ましく、より好ましくは３０〜３５質量％である。２５質量％未満では、イオン交換樹脂の沈着量が少なく、フィルタのイオン交換能が不十分となることがあり、４０質量％以上では、樹脂焼結体の内孔が塞がれ、通気度が無くなり、イオン交換フィルタにおけるイオン交換樹脂の表面積が小さくなりイオン交換能が不十分となることがある。
【００１６】
本発明のイオン交換フィルタにおけるイオン交換樹脂の沈着（固定）量を調節する手法としては、特に限定されないが、樹脂焼結体に含浸させるイオン交換樹脂原料溶液量を調節する方法等が挙げられる。
但し、イオン交換フィルタにおけるイオン交換樹脂の沈着（固定）量は、樹脂焼結体に含浸させるイオン交換樹脂原料溶液量のみによって決定されるものではなく、イオン交換樹脂の沈着前の樹脂焼結体の通気度（空隙率）、イオン交換樹脂原料溶液の水含有量、重合雰囲気等も関与する。しかし、イオン交換樹脂の沈着前の樹脂焼結体の通気度（空隙率）、イオン交換樹脂原料溶液の水含有量、重合雰囲気等は、樹脂焼結体に含浸させるイオン交換樹脂原料溶液量に比べて、イオン交換フィルタにおけるイオン交換樹脂の沈着（固定）量に及ぼす影響が少ないため、これらのイオン交換樹脂の沈着前の樹脂焼結体の通気度（空隙率）、イオン交換樹脂原料溶液の水含有量、重合雰囲気等を考慮しながら、樹脂焼結体に含浸させるイオン交換樹脂原料溶液量を適宜決定することが好ましい。
【００１７】
本発明のイオン交換フィルタに用いられる樹脂焼結体としては、合成樹脂粉末を加熱・焼結することにより得られたものであれば特に限定されないが、特公昭６４−５９３４号公報、特表昭６１−５０２３８１号公報、特開２００２−３３６６１９号公報、特開２００３−１２６６２７号公報等に記載のもの等が挙げられ、具体的には、ポリエチレンを樹脂成分の主成分として含有する樹脂組成物の粒子同士（以下「樹脂組成物粒子」という）を粒子表面で融着させて得たものが好ましい。
【００１８】
樹脂成分としてポリエチレンを主成分とする樹脂組成物粒子は、ポリエチレン粒子単独である場合、ポリエチレン粒子とポリエチレン以外の他の樹脂の粒子との混合粒子である場合、及びポリエチレンとポリエチレン以外の他の樹脂との溶融混合物の粒子である場合を含む。なかでも、ポリエチレン粒子単独である場合及びポリエチレン粒子とポリエチレン以外の他の樹脂の粒子との混合粒子である場合が好ましい。そして、樹脂組成物粒子の樹脂成分は、ポリエチレンが該樹脂成分中に５０質量％以上、好ましくは６５質量％以上、あるいは１００質量％占める。
【００１９】
上記樹脂組成物粒子の樹脂成分であるポリエチレンとしては、エチレンの単独重合体、エチレンと少量の炭素数３〜１０のα−オレフィンとの結晶性共重合体等が挙げられる。上記ポリエチレンは、デカリン溶媒中、１３５℃で測定された粘度数が３００〜２５００ｍｌ／ｇであるものが好ましい。粘度数が上記範囲のポリエチレンは、重量平均分子量Ｍｗが１００万を越す、いわゆる超高分子量ポリエチレンを包含する。超高分子量ポリエチレン粒子あるいは超高分子量ポリエチレンを含有する樹脂粒子は、本発明のイオン交換フィルタの樹脂焼結体を製造する際に、融点以上に加熱してもその流動性が低いため、粒子形状を長時間保持する。このため、上記樹脂焼結体を容易に製造することができ、極めて好ましく用いられる。なお、重量平均分子量はゲルパーミエーションクロマトグラフィー法によりポリスチレン換算値として測定された値である。
【００２０】
ポリエチレンはエチレンの重合あるいはエチレンと少量の炭素数３〜１０のα−オレフィンとの共重合により得ることができる。また、ポリエチレンは粒子あるいはペレットとして市販されており、これらを用いることができる。
樹脂成分としてポリエチレンを主成分とする樹脂組成物粒子は、ポリエチレン以外のその他の樹脂、例えばポリプロピレン等を含むことができる。上記その他の樹脂は、粒子としてポリエチレン粒子と混合されあるいはポリエチレンと溶融混合、粉砕されて、樹脂組成物粒子の樹脂成分を構成する。その他の樹脂がポリプロピレンの場合、プロピレンの重合あるいはプロピレンと少量の他のオレフィン（エチレン等）との共重合により粒子として得ることができる。またポリプロピレンは、粒子状あるいはペレット状で市販されており、これらを用いることができる。樹脂組成物粒子がポリエチレンとポリエチレン以外の他の樹脂との溶融混合物の粒子である場合、両者を溶融混合後、機械粉砕等の手段により、所望の粒径の樹脂組成物粒子に調製することができる。
【００２１】
樹脂組成物粒子は、平均粒径が５０〜５００μｍであることが好ましく、より好ましくは１００〜３００μｍである。平均粒径が５０μｍ未満の場合は、フィルタエレメントに目詰まり部分が多くなり通気抵抗が大きくなる。一方、平均粒径が５００μｍより大きい場合は、微細粉塵の目抜けが生じ、かつ強度が低下する。
【００２２】
本発明のイオン交換フィルタの概略（断面）を図１に示す。本発明のイオン交換フィルタ１は、樹脂焼結体を構成している合成樹脂粉末２の周囲を覆うようにイオン交換樹脂３が沈着しているものである。このイオン交換フィルタ１は、適度な空隙４を有する（通気度がある）ことが好ましい。空隙４が少ない（通気度が低い）と、イオン交換処理対象の気体または液体が本イオン交換フィルタ１の内部に入りこむことができず、即ち、イオン交換フィルタ１内部に沈着したイオン交換樹脂３を有効に利用することができず、結果的に、イオン交換能が低いものとなる。
【００２３】
これに対し、空隙４が多い（通気度が高い）と、イオン交換処理対象の気体または液体が本イオン交換フィルタ１の内部に入りこむことができ、即ち、イオン交換フィルタ１内部に沈着したイオン交換樹脂３を有効に利用することができ、結果的に、イオン交換能が高いものとなる。しかし、空隙４が多い（通気度が高い）ということは、イオン交換樹脂３の沈着量が少ないという場合も有り得る。また、本発明のイオン交換フィルタ１の空隙率（通気度）は、イオン交換樹脂３沈着前の樹脂焼結体自体の空隙率（通気度）にも依存する。よって、本発明のイオン交換フィルタ１の好ましい空隙率（通気度）範囲を、一概に特定することは難しい。
【００２４】
本発明のイオン交換フィルタは、イオン交換処理に使用した後、適当な再生処理により再生することも可能である。例えば、弱酸性陽イオン交換樹脂を沈着させたものであれば、１N塩酸に浸漬する等して再生することができる。
【実施例】
【００２５】
以下に本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、勿論本発明の範囲は、これらによって限定されるものではない。
１．イオン交換樹脂の原料溶液の調整
アクリル酸とジビニルベンゼン（ＤＶＢ）とベンゾイルパーオキサイド（ＢＰＯ）を９０：１０：５（アクリル酸：ＤＶＢ：ＢＰＯ）の割合で配合したものに、水を０、５、１５、２５質量部添加したものを、それぞれ、原料溶液Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄとした。
【００２６】
２．樹脂焼結体の作製
ポリエチレン粒子（平均粒径＝２００μｍ（ふるい分け法による）、融点＝１３５℃）１００質量部をテストピース用金型（外形寸法：８５ｍｍ×８５ｍｍ、厚み：３．０ｍｍ）に振動を与えながら充填した。次いでこの金型を加熱炉に入れ、炉内温度２４０℃で３時間加熱処理し、シート状の連通多孔質成形体（樹脂焼結体）を得た。なお、得られる樹脂焼結体の大きさ及び質量等は、厳密には個々に異なるため、後述の各種試験では、これらの厳密な値を採用することがある。
【００２７】
３．樹脂焼結体へのイオン交換樹脂原料溶液の含浸及び塊状重合反応
上記２で得られた樹脂焼結体へ、上記１で得られたイオン交換樹脂原料溶液を含浸させる。
具体的には、イオン交換樹脂原料溶液Ａ〜Ｄを下記表１の「含浸量率（％）」となるように滴下含浸させた。なお「含浸量率（％）」は以下の式により算出する。
【００２８】
含浸量率（％）
＝（原料溶液含浸量／原料溶液含浸前の樹脂焼結体質量）×１００
【００２９】
次いで、イオン交換樹脂原料溶液を含浸させた樹脂焼結体を１００℃に設定した乾燥機内に置き塊状重合反応させた。乾燥機内の置き時間は塊状重合反応が完全に終了するまでの時間とした。よって個々の試料によって異なる。
各試料の「樹脂沈着量率（％）」、並びに、変形、目詰り（通気性）の有無、およびその他の可否を下記表１に示す。
なお「樹脂沈着量率（％）」は以下の式により算出する。
【００３０】
樹脂沈着量率（％）
＝（イオン交換樹脂沈着量／原料溶液含浸前の樹脂焼結体質量）×１００
【００３１】
また、目詰り（通気性）の有無は、ＪＩＳ Ｌ １０９６ ８．２７．１ Ａ の通気度試験（フラジール方法）にて観察した。
その通気度値が０．５ｃｍ３／ｃｍ２・ｓｅｃ以上を「通気性有り」、０〜０〜０．０６５ｃｍ３／ｃｍ２・ｓｅｃを「通気性僅か」、０５ｃｍ３／ｃｍ２・ｓｅｃを「通気性無し」とした。
【００３２】
【表１】
【００３３】
４．イオン交換能の測定
上記３．で得られたイオン交換フィルタ試料のうち、試料番号(4)、(7)、(8)、(11)、(12)についてイオン交換能を測定した。
なお、比較のため市販のアクリル酸系イオン交換樹脂（粒状、三菱化学（株）製ＷＫ４０）をコントロール試料（試料番号(c)）、として用いた。また、試料番号(4)、(7)、(8)、(11)、(12)に沈着されているイオン交換樹脂量および試料番号(c)のイオン交換樹脂量を下記表２に示す。
【００３４】
【表２】
【００３５】
イオン交換能は、具体的には以下の手法で測定した。
（１）各試料を２５０ｍｌのＮ／５−ＮａＯＨ溶液に室温で４４時間浸漬し、その上澄液２５ｍｌをＮ／１０−ＨＣｌ溶液で中和滴定し、その中和滴定量Ａ（ｍｌ）を測定した。なお、この中和滴定における指示薬としては、メチルオレンジを用いた。
（２）また、試料未浸漬のＮ／５−ＮａＯＨ溶液２５ｍｌを、同様にＮ／１０−ＨＣｌ溶液で中和滴定し、その中和滴定量Ｂ（ｍｌ）を測定した。 その中和滴定量Ｂは４９．３０ｍｌであった。
【００３６】
（３）各試料における中和滴定量Ｂと中和滴定量Ａの差（Ｂ−Ａ差量（ｍｌ））を求め、次いで「イオン交換樹脂単位量当りの滴定量差（ｍｌ／ｇ）」を求めた。さらに、コントロール試料（試料番号(c)）の「イオン交換樹脂単位量当りの滴定量差」を１００％とした場合の、各試料の「イオン交換樹脂単位量当りの滴定量差」の比率を求め、「イオン交換能」とした。
【００３７】
各試料における中和滴定量Ａ（ｍｌ）、Ｂ−Ａ差量（ｍｌ）、イオン交換樹脂単位量当りの滴定量（ｍｌ／ｇ）及びイオン交換能（％）を下記表３に示す。
【００３８】
【表３】
【００３９】
上記表３から、試料(7)および(11)のイオン交換能が試料(c)よりも優れていることがわかった。
【００４０】
なお、本明細書の実施例では、弱酸性陽イオン交換樹脂であるアクリル酸系イオン交換樹脂を沈着させたものについて詳細な検討を行ったが、弱酸性陽イオン交換樹脂以外についても、同様な塊状重合の手法で樹脂焼結体に、沈着させることが可能であると考えられる。例えば、強酸性陽イオン交換樹脂の場合は、スチレンとＤＶＢの塊状重合反応により形成された共重合体層にクロロ硫酸を反応させてスルホン化すれば良い。また、強塩基性陰イオン交換樹脂の場合、スチレンとＤＶＢの塊状重合反応により形成された共重合体層にＬｅｗｉｓ酸触媒を用いてクロルメチルエーテルでクロルメチル化する。このクロルメチル化三次元ポリマーを３級アミンと反応させることにより４級アンモニウムを付加すれば良い。弱塩基性陰イオン交換樹脂の場合は、エチルアクリレートとＤＶＢの塊状重合反応により形成された共重合体層に、ジエチレントリアミンを吸収させて加熱させることにより３級アミンを付加すれば良いと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明のイオン交換フィルタは、多種多様の製品の製造フローの創出、イオン交換フィルタとしてのハンドリング性の向上、樹脂焼結体フィルタとして濾過性能の高効率化などが期待できる。
また、本発明のイオン交換フィルタは、イオン交換処理に使用した後、適当な再生処理により再生することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明のイオン交換フィルタの概略（断面）図である。
【符号の説明】
【００４３】
１ イオン交換フィルタ
２ 合成樹脂粉末
３ イオン交換樹脂
４ 空隙
【特許請求の範囲】
【請求項１】
合成樹脂粉末を加熱・焼結することにより得られる連通多孔性成形体にイオン交換樹脂の原料溶液を含浸させ、該連通多孔性成形体内で該原料を塊状重合反応させて得られたイオン交換フィルタ。
【請求項２】
前記原料溶液が水を含むものである請求項１記載のイオン交換フィルタ。
【請求項３】
合成樹脂粉末を加熱・焼結することにより得られる連通多孔性成形体にイオン交換樹脂の原料溶液を含浸させ、該連通多孔性成形体内で該原料を塊状重合反応さるイオン交換フィルタの製造方法。
【請求項４】
前記原料溶液に水を含ませる請求項３記載のイオン交換フィルタの製造方法。
【請求項１】
合成樹脂粉末を加熱・焼結することにより得られる連通多孔性成形体にイオン交換樹脂の原料溶液を含浸させ、該連通多孔性成形体内で該原料を塊状重合反応させて得られたイオン交換フィルタ。
【請求項２】
前記原料溶液が水を含むものである請求項１記載のイオン交換フィルタ。
【請求項３】
合成樹脂粉末を加熱・焼結することにより得られる連通多孔性成形体にイオン交換樹脂の原料溶液を含浸させ、該連通多孔性成形体内で該原料を塊状重合反応さるイオン交換フィルタの製造方法。
【請求項４】
前記原料溶液に水を含ませる請求項３記載のイオン交換フィルタの製造方法。
【図１】
【公開番号】特開２００６−７１６２（Ｐ２００６−７１６２Ａ）
【公開日】平成１８年１月１２日（２００６．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１９１１５９（Ｐ２００４−１９１１５９）
【出願日】平成１６年６月２９日（２００４．６．２９）
【出願人】（０００２２７２５０）日鉄鉱業株式会社 (82)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月１２日（２００６．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月２９日（２００４．６．２９）
【出願人】（０００２２７２５０）日鉄鉱業株式会社 (82)
【Ｆターム（参考）】
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