エアフィルタ用濾材
【課題】圧力損失が極めて低く高風量での気体濾過処理に最適であり、且つ微細な粉塵を高効率で捕集できるエアフィルタ用濾材を得る。
【解決手段】本発明にかかるエアフィルタ用濾材は、繊維の直径が３００ｎｍ以下のナノ繊維が三次元的に交絡されてなるナノ繊維構造体層を有するエアフィルタ用濾材であって、ナノ繊維構造体層が、下記数式１の条件を満たす。
０．０００４＊Ｄ＋０．０９４４≦Ｗ≦０．０００４＊Ｄ＋０．１９４４ ・・・（数式１）
Ｄ：ナノ繊維構造体層の平均繊維径（ｎｍ）、Ｗ：ナノ繊維構造体層の目付け（ｇ／ｍ２）
【解決手段】本発明にかかるエアフィルタ用濾材は、繊維の直径が３００ｎｍ以下のナノ繊維が三次元的に交絡されてなるナノ繊維構造体層を有するエアフィルタ用濾材であって、ナノ繊維構造体層が、下記数式１の条件を満たす。
０．０００４＊Ｄ＋０．０９４４≦Ｗ≦０．０００４＊Ｄ＋０．１９４４ ・・・（数式１）
Ｄ：ナノ繊維構造体層の平均繊維径（ｎｍ）、Ｗ：ナノ繊維構造体層の目付け（ｇ／ｍ２）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エアフィルタ用濾材に関し、特に例えば、圧力損失が極めて低く、且つ微細な粉塵を高効率で捕集できるエレクトロスピニング法により作製されたナノ繊維構造体層で構成されたエアフィルタ用濾材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ナノ繊維構造体層を有するエアフィルタでは、特許文献１や特願２００６−１２９６８５で開示されているように、エアの流れが特殊な現象を示す。数ミクロン以上の繊維径を有する繊維で構成されたエアフィルタではフィルタ内部及び下流で激しい乱流が発生するが、ナノファイバーで構成されたフィルタでは繊維が構成するポアサイズ小さいことはもちろんのことであるが、その内部及び下流では、繊維径が５００ｎｍ以下になるに従って乱流発生が少なくなってゆく。乱流の発生が小さくなると粉塵及びフィルタを構成する繊維の振動がなくなり、粉塵の再飛散が少なくなることによって粉塵捕集効率が高くなる。また乱流発生が少ないことは、ナノ繊維構造体層をエアが流れやすいことを示し、高い粉塵捕集率を有して低圧力損失のエアフィルタを得ることができる。またＵＬＰＡ，ＨＥＰＡ，中性能フィルタなどの汎用フィルタと複合化することによりさらに有用なフィルタを提供することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００５−５２７３４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
エアフィルタの粉塵捕集は、大きな粉塵はポアサイズの大小によるふるい効果によって捕集され、小さな粉塵ほど衝突効果による吸着・凝集・包括等の作用によって捕集されるが、この時、フィルタ内部あるいは背面に乱流がなくフィルタ及び粉塵に振動がないことが効率に大きく影響する。エアフィルタの粉塵捕集効率を高くするにはポアサイズを小さくして、かつエアが抜けやすく乱流発生を小さくすることが重要である。ナノ繊維構造体層では、ある繊維径においては目付けが低くなるに従ってポアサイズが大きくなり、目付けが高くなるに従ってポアサイズが小さくなる。しかし、ポアサイズが大きい方がエアは抜けやすく乱流発生が小さく、ポアサイズが小さい方がエアは抜けにくく乱流発生が大きくなる。したがって、単に繊維径５００ｎｍ以下のナノ繊維によりナノ繊維構造体層を形成したたけでは、効率の良いエアフィルタ用濾材は得ることはできず、エアフィルタ用濾材が最大の粉塵捕集効率を発現させるには最適な繊維径と目付けの関係を有する状態に形成しなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで発明者は、ＪＩＳ規定のフィルタ性能試験装置を用い、風速を変化させその時の０．３から０．５μｍの大きさの粉塵捕集効率を数多く計測し、分析・検討を重ねた結果、ナノ繊維構造体層が最大捕集効率を発揮する為の最適な繊維径と目付けの関係を見出した。
【０００６】
請求項１に記載の発明は、繊維の直径が３００ｎｍ以下のナノ繊維が三次元的に交絡されてなるナノ繊維構造体層を有するエアフィルタ用濾材であって、ナノ繊維構造体層は、下記数式１の条件を満たし、ナノ繊維構造体層の濾過下流側の面に、表面平滑で風速１ｍ／ｓでの圧力損失が１００ｐａ以下の下流側多孔質体層が一体に積層されている、エアフィルタ用濾材である。
０．０００４＊Ｄ＋０．０９４４≦Ｗ≦０．０００４＊Ｄ＋０．１９４４ ・・・（数式１）
ここで、Ｄはナノ繊維構造体層の平均繊維径（ｎｍ）であり、Ｗはナノ繊維構造体層の目付け（ｇ／ｍ２）である。
請求項２に記載の発明は、ナノ繊維構造体層が、平均繊維径の異なる複数の層で構成され、複数の層で構成されたナノ繊維構造体層の平均繊維径の平均が請求項１の式を満たす、請求項１に記載のエアフィルタ用濾材である。
請求項３に記載の発明は、汎用フィルタと複合化された、請求項１また請求項２に記載のエアフィルタ用濾材である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、既存のフィルタで発生する乱流を減少させ、かつ抜けてきた粉塵を捕集して効率をあげることが出来る。また、性能評価あるいは計測困難な１００ｎｍ以下の繊維径のナノ繊維構造体層ついても最適目付を提供することができる。従って、従来困難であった大きさが直径５０ｎｍ程度のウイルス等を濾過するフィルタを提供も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明にかかるエアフィルタ用濾材の一実施の形態を示す断面図解図である。
【図２】本発明にかかる別の実施の形態を示す断面図解図である。
【図３】本発明にかかるさらに別の実施形態を示す図解図である。
【図４】１２種のナノ繊維構造体層の走査電子顕微鏡画像（１万倍）である。
【図５】ＨＥＰＡフィルタの粉塵捕集効率の測定試験結果を示すグラフである。
【図６】ＨＥＰＡフィルタと繊維直径が１００ｎｍで目付けが０．１ｇ／ｍ２の試料を重ねたものの粉塵捕集効率の測定試験結果を示すグラフである。
【図７】ＨＥＰＡフィルタと繊維直径が１００ｎｍで目付けが０．２ｇ／ｍ２の試料を重ねたものの粉塵捕集効率の測定試験結果を示すグラフである。
【図８】ＨＥＰＡフィルタと繊維直径が１００ｎｍで目付けが０．３ｇ／ｍ２の試料を重ねたものの粉塵捕集効率の測定試験結果を示すグラフである。
【図９】ＨＥＰＡフィルタと繊維直径が１００ｎｍで目付けが０．４ｇ／ｍ２の試料を重ねたものの粉塵捕集効率の測定試験結果を示すグラフである。
【図１０】ＨＥＰＡフィルタと繊維直径が２００ｎｍで目付けが０．１ｇ／ｍ２の試料を重ねたものの粉塵捕集効率の測定試験結果を示すグラフである。
【図１１】ＨＥＰＡフィルタと繊維直径が２００ｎｍで目付けが０．２ｇ／ｍ２の試料を重ねたものの粉塵捕集効率の測定試験結果を示すグラフである。
【図１２】ＨＥＰＡフィルタと繊維直径が２００ｎｍで目付けが０．３ｇ／ｍ２の試料を重ねたものの粉塵捕集効率の測定試験結果を示すグラフである。
【図１３】ＨＥＰＡフィルタと繊維直径が２００ｎｍで目付けが０．４ｇ／ｍ２の試料を重ねたものの粉塵捕集効率の測定試験結果を示すグラフである。
【図１４】ＨＥＰＡフィルタと繊維直径が３００ｎｍで目付けが０．１ｇ／ｍ２の試料を重ねたものの粉塵捕集効率の測定試験結果を示すグラフである。
【図１５】ＨＥＰＡフィルタと繊維直径が３００ｎｍで目付けが０．２ｇ／ｍ２の試料を重ねたものの粉塵捕集効率の測定試験結果を示すグラフである。
【図１６】ＨＥＰＡフィルタと繊維直径が３００ｎｍで目付けが０．３ｇ／ｍ２の試料を重ねたものの粉塵捕集効率の測定試験結果を示すグラフである。
【図１７】ＨＥＰＡフィルタと繊維直径が３００ｎｍで目付けが０．４ｇ／ｍ２の試料を重ねたものの粉塵捕集効率の測定試験結果を示すグラフである。
【図１８】表１５の値を散布図化したうえ近似曲線を挿入したグラフである。
【図１９】表１７の値を散布図化したうえ近似曲線を挿入したグラフである。
【図２０】表１９の値を散布図化したうえ近似曲線を挿入したグラフである。
【図２１】表２１の値を散布図化したうえ近似曲線を挿入したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、本発明にかかるエアフィルタ用濾材の一実施の形態を示す断面図解図である。エアフィルタ用濾材１０は、ナノ繊維構造体層１２を含む。ナノ繊維構造体層１２は、ナノ繊維１２ａが３次元的に交絡されてなるシート状の繊維構造体からなる。ナノ繊維構造体層１２は、公知のナノ繊維ウェブ製造方法などの繊維構造体製造方法により作製されるが、ナノ繊維１２ａの繊維径、ウェブの目付け，ポアサイズの制御が容易なことによりエレクトロスピニング法により作製されるのが好ましい。ナノ繊維１２ａの繊維径およびナノ繊維構造体層１２の目付けは、ナノ繊維構造体層１２のポアサイズを決定する要素であり、繊維径が細く、目付けが大きいほど形成されるポアサイズは小さくなり、細かい粉塵を捕集する事が可能となるが、繊維径が略３００ｎｍより小さくなるほど被濾過気体が抜け易くなることより、ナノ繊維１２ａの繊維径は３００ｎｍ以下に形成する。なお、ナノ繊維構造体層１２は、最大の粉塵捕集効率を発現させるために下記数式１の条件を満たすような平均繊維径（ｎｍ）と目付け（ｇ／ｍ２）で作製される。
０．０００４＊Ｄ＋０．０９４４≦Ｗ≦０．０００４＊Ｄ＋０．１９４４ ・・・（数式１）
ここで、Ｄはナノ繊維構造体層１２の平均繊維径（ｎｍ）であり、Ｗはナノ繊維構造体層１２の目付け（ｇ／ｍ２）である。
【００１０】
ナノ繊維１２ａの原料としては、ポリアクリロニトリル，６ナイロン，６６ナイロン，ポリエチレン，ポリプロピレン，ポリエチレンテレフタレート，ポリ塩化ビニル，ポリ塩化ビニリデン，ポリスチレン，ポリエチレンオキサイド，セルロース，ポリエーテルウレタン，導電性高分子，ポリ乳酸，ポリカプロラクタン，フィブロイン，コラーゲンその他のタンパク質等のポリマーを使用することができる。
【００１１】
ナノ繊維構造体層１２の濾過下流側の面には、下流側多孔質体層１４が一体に積層されている。下流層多孔質体層１６は、ナノ繊維構造体層１２を濾過下流側から支持し、被濾過気体より加えられる風圧等によりナノ繊維構造体層１２が破損しないようにするためのものである。下流側多孔質体層１４としては、有機繊維または無機繊維からなる不織布、ウェブ、織物、紙、ネット、有孔フィルム等の被濾過気体を通過させることのできるポアまたは流路に有しているものが適用可能であるが、ナノ繊維構造体層１２をスムーズに流れてきたエア流を乱さないように圧力損失が低いものでなければならない。また、下流側多孔質体層１４の濾過上流側の面に繊維状のケバなどがあると、ナノ繊維構造体層１２中のエア流の流れの妨げになるばかりか、ケバ状の繊維が激しく振動し、ナノ繊維構造体層１２中のナノ繊維１２ａの配列を乱したり、損傷する可能性が生じ、その結果、エアフィルタ用濾材１０の捕集効率の低下を招く可能性がある。このことより、下流側多孔質体層１４にはエア流速１ｍ／ｓにおいて圧力損失が１００ｐａ以下となる多孔質体であることが好ましい。また、ケバにより生ずる問題に対処するため、連続繊維により構成され表面にケバがなく平滑なスパンボンド不織布を使用することが望ましい。しかしながら、下流側多孔質体層１４に適用可能な多孔質体は、スパンボンド不織布に限られるのではなく、ナノ繊維構造体層１２と接触する面のケバ焼き処理や熱ロール加工，樹脂コーティング加工によって表面にケバが存在せず、表面が平滑な状態にすることにより、上述の材料からなる中性能フィルタ，ＨＥＰＡフィルタ，ＵＬＰＡフィルタ等の汎用エアフィルタ用濾材が使用可能である。さらには、下流側多孔質体層１４には、上述した条件を具備したものであれば、多孔質体とネット材などのような強度保持材とが複合された複合体が使用されてもよい。
【００１２】
図２は、本発明にかかる別の実施の形態を示す断面図解図である。この実施の形態のエアフィルタ用濾材２０は、図１に示す実施の形態とはナノ繊維構造体層の構造が異なる。ナノ繊維構造体層２２は、濾過上流側よりナノ繊維構造体層２２ａ，ナノ繊維構造体層２２ｂ，ナノ繊維構造体層２２ｃの順に構成された複数の層から形成されている。ナノ繊維構造体層２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、全て繊維径が３００ｎｍ以下のナノ繊維により形成されているが、濾過下流側の層にいくにしたがって、層を構成するナノ繊維２３の繊維径が小さくなっているが、ナノ繊維構造体層２２は、最大の粉塵捕集効率を発現させるために、図１で示した実施の形態と同様に、ナノ繊維構造体層２２ａ，２２ｂ，２２ｃの平均繊維径が、式１の条件を満たすような平均繊維径と目付けで作製されている。これによりこの実施の形態では、図１に示す実施の形態が奏する効果に加え、ナノ繊維構造体層２２内でふるい効果と衝突効果が発生することにより、さらに効率的に濾過粉塵を捕集することが可能であり、また製品の高寿命化が可能となる。なお、本実施の形態においては、ナノ繊維構造体層２２を３層構造としたが、これに限らず、所望の粉塵捕集効率、製品寿命が得られるように適宜な数に層は増減されてもよい。またさらに、明確に層状に形成されることなくナノ繊維構造体層２２の繊維径を徐々に変化させてもよい。
【００１３】
図３は、本発明にかかるさらに別の実施形態を示す図解図である。本実施の形態は、図１または図２に示すエアフィルタ用濾材１０，２０と汎用エアフィルタ用濾材３２とを一体に配置・組合せることにより構成したエアフィルタ用濾材３０である。なお、本発明で示す汎用エアフィルタ用濾材３２とは、従来よりあるプレフィルタ，中性能フィルタ，ＨＥＰＡフィルタ，ＵＬＰＡフィルタ等のような気体濾過に使用されるエアフィルタ用濾材のことを指す。
【００１４】
エアフィルタ用濾材３０では、エアフィルタ用濾材１０またはエアフィルタ用濾材２０の濾過上流側の面に、汎用エアフィルタ用濾材３２が一体に配置されている。この実施の形態では、汎用フィルタ濾材３２はナノ繊維構造体層の前処理濾材として作用し、長時間のフィルトレーションに於いてナノ繊維構造体層１０，２０の急激な目詰まりを防止する役目を果たす。さらに上述の構成とすることで、汎用エアフィルタ用濾材３２がその濾過下流側において発生するカルマン渦，乱流渦を、エアフィルタ用濾材１０またはエアフィルタ用濾材２０が整流し消滅させる。これにより、汎用エアフィルタ濾材３２を単独で使用したときと比較して、カルマン渦等が原因により生ずる粉塵の再飛散が起こりにくくなり、汎用エアフィルタ濾材３２が処理可能な風速が約１０倍前後向上させることも可能である。なお、汎用エアフィルタ濾材３２は、エアフィルタ用濾材１０，２０の濾過上流側の面に一体に積層または密着させて配置することが最も好ましい。しかし、汎用エアフィルタ濾材３２が影響をうけるカルマン渦や乱流が生じている範囲内にエアフィルタ用濾材１０，２０を配置すれば、汎用エアフィルタ濾材３２へカルマン渦等の影響が小さくすることができるので、汎用エアフィルタ濾材３２が影響を受けるカルマン渦、乱流等が発生する範囲内に、エアフィルタ用濾材１０，２０が配置されればよい。また、この実施の形態においては、汎用エアフィルタ濾材３２と、エアフィルタ用濾材１０，２０とを平らなシート状のまま使用したが、汎用エアフィルタ濾材３２とエアフィルタ用濾材１０，２０とが双方とも又はいずれか一方がプリーツ加工などを施してユニット化されてもよい。
【実施例】
【００１５】
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。請求項に記載した範囲内で適宜変更することにより、所望のエアフィルタ用濾材が作製されればよい。
【００１６】
［ナノ繊維構造体層の作製］
エレクトロスピニングによるナノ繊維構造体層１２の材料として、ポリアクリロニトリル繊維（帝人テクノプロダクツ株式会社製）を使用した。このポリアクリロニトリル繊維をＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（和光純薬工業株式会社製、濃度９９．５％、）で常温溶解して７．５重量％濃度，１０重量％濃度，１２．５重量％濃度のポリアクリロニトリル溶液をそれぞれ１００ｇ作製した。７．５重量％濃度が平均繊維径１００ｎｍ用、１０重量％濃度が２００ｎｍ用、１２．５重量％濃度が３００ｎｍ用である。
【００１７】
このポリアクリロニトリル溶液をルアーロック先注射筒（容量１ｍｌ、硬質ガラス）に入れエレクトロスピニング装置（株式会社フューエンス製Ｅｓｐｒａｙｅｒ ＥＳ−２０００）に装着し、コレクタ電極上の載置した下流側多孔質体層１４となる２５ｃｍ四方のスパンボンド上にエレクトロスピニングすることによりナノ繊維構造体層１２を作製した。なお、下流側多孔質体層１４には、エア流１ｍ／ｓの時の圧力損失が４３ｐａであるポリエステル製スパンボンド（目付け３０ｇ／ｍ２、厚み０．１７ｍｍ、縦引張強力１５ｋｇ／５ｃｍ巾 ユニチカ株式会社製２０３０７ＢＫＤ）を使用した。また、このときのエレクトロスピニングの条件は、スプレーノズルとして内径φ０．２１ｍｍのＭＮ−２７Ｇ−１３（岩下エンジニアリング株式会社製）を使用して、溶液送液速度１〜２μｌ／ｍｉｎ、ノズルコレクタ電極間電圧８〜１０ｋＶ、ノズルコレクタ電極間距離１５ｃｍとした。上述の条件によりポリエステル製スパンボンド上に、平均繊維径１００ｎｍと２００ｎｍと３００ｎｍについて目付けがそれぞれ０．１ｇ／ｍ２と０．２ｇ／ｇ／ｍ２と０．３ｇ／ｍ２と０．４ｇ／ｍ２の計１２種を作成した。ナノ繊維構造体の材料のポリアクリロニトリル繊維とエレクトロスピニングによって作製したナノ繊維構造体の吸湿率を測定した。それぞれの試料２ｇを熱風乾燥機で１００°Ｃ、３０ｍｉｎ乾燥し、重量を測定後、簡易恒湿槽で相対湿度７０％、１時間吸湿後重量を測定して吸湿率とした。材料のポリアクリロニトリル繊維は１．１％で、ナノ繊維構造体は２．４％で市販のナイロン繊維・アクリル繊維と略同等の弱吸湿性を示した。
［ナノ繊維構造体層の特性］
作成したナノ繊維構造体層１２の繊維径・孔径に関する特性を表１に示す。
【００１８】
【表１】
【００１９】
実測平均繊維径・実測平均ポアサイズは、走査電子顕微鏡の画像を取り、画像分析ソフトｓｃｉｏｎ−ｉｍａｇｅによって計測した。１２種のナノ繊維構造体層１２の走査電子顕微鏡画像（１万倍）を図４の（ａ）から（ｌ）に示す。図４の走査電子顕微鏡画像が示すように、１つの孔は約５本前後のナノ繊維で構成されており、従って上記の画像層は平均繊維径１００ｎｍの試料では約０．５μｍ前後である。つまり繊維径１００ｎｍ目付け０．２ｇ／ｍ２のナノ繊維構造体層（ｂ）においては、膜厚が２．０μｍ（膜厚は、株式会社フィッシャーインストルメンツ製小型膜厚計デルタスコープＭＰ３０で計測）なので、画像層が約４層重なっている事になる。同様に考えると目付け０．１ｇ／ｍ２は３から４層、目付け０．４ｇ／ｍ２では６から７層である。従ってエア流上流から見た見掛けの平均孔径は表１の平均孔径より小さい事が予想できる。
【００２０】
［粉塵捕集効率の測定］
上記のポリエステルスパンボンド基材上のナノ繊維構造体層１２に、ガラス繊維３０％とポリエステル繊維７０％で構成されたＨＥＰＡフィルタ（厚み０．５ｍｍ，目付け８８ｇ／ｍ２）のエア下流面を重ねてＨＥＰＡフィルター・ナノ繊維構造体層１２一体濾材とし、ＨＥＰＡを上流側としてフィルタ濾材試験装置（Ｓ０３０９５１株式会社日本カノマックス製）にかけ、パーティクルカウンタとしてリオン株式会社製ＫＣ−０１Ｂで測定した。粉塵としては一般大気粉塵（吸引空気量０．０１ＣＦ当たり粒径が０．３〜０．５μｍの粉塵数約３０００から５０００個）に蚊取り線香（金鳥の渦巻（登録商標）大日本除虫菊株式会社製）の煙（吸引空気量０．０１ＣＴＦ当たり粒径が０．３〜０．５μｍの粉塵数５０００〜１００００個）を混入した混合粉塵を使用し、濾材通過風速を０．０５ｍ／ｓ，０．１ｍ／ｓ，０．２ｍ／ｓ，０．３ｍ／ｓ，０．４ｍ／ｓ，０．５ｍ／ｓでの粉塵粒径が０．３μｍから０．５μｍの粉塵捕集効率を測定した。前記試料用のＨＥＰＡフィルタのみの測定試験結果を表２に示し、そのグラフを図５に示す。風速を０．０５ｍ／ｓから０．５ｍ／ｓまで順次上げていき、各風速での粉塵捕集効率を３回測定して平均を取り、それを３回繰り返して全体平均粉塵捕集効率を出した。
【００２１】
【表２】
【００２２】
グラフ凡例の１ｎ，２ｎ，３ｎは表２の１回目，２回目，３回を示す。次にＨＥＰＡフィルタと繊維直径が１００ｎｍで目付けが０．１，０．２，０．３，０．４ｇ／ｍ２の上記試料を重ねたものの効率を同様に測定し、その結果を表３乃至６に示し、そのグラフを図６乃至９に示す。
【００２３】
【表３】
【００２４】
【表４】
【００２５】
【表５】
【００２６】
【表６】
【００２７】
平均繊維径１００ｎｍでは、目付け０．２ｇ／ｍ２が最も良い効率を示し、ＨＥＰＡ以上の捕集効率を示した。同様にして、平均繊維径２００ｎｍについて表７乃至１０に示し、そのグラフを図１０乃至１３に示す。
【００２８】
【表７】
【００２９】
【表８】
【００３０】
【表９】
【００３１】
【表１０】
【００３２】
平均繊維径２００ｎｍについては、目付け０．２ｇ／ｍ２が最も良い効率を示した。同様に、平均繊維径３００ｎｍについて表１１乃至１４に示し、そのグラフを図面１４乃至１７に示す。
【００３３】
【表１１】
【００３４】
【表１２】
【００３５】
【表１３】
【００３６】
【表１４】
【００３７】
平均繊維径３００ｎｍについては目付け０．２から０．３ｇ／ｍ２で良い効率を示す。前記の全ての表・グラフより、目付け０．２ｇ／ｍ２近傍に於ける粉塵捕集効率が良い事がわかる。次に、前記の表３から６より、平均繊維径１００ｎｍにおける風速（０．０５から０．５ｍ／ｓ）と目付け（０．１から０．４ｇ／ｍ２）の粉塵捕集効率の関係表を作成し、表１５に示す。
【００３８】
【表１５】
【００３９】
上記の表を散布図グラフ化し，近似曲線を挿入すると図１８に示すグラフとなり、それぞれの風速で最も良い極大効率を示す目付けが存在することがわかる。グラフの各風速別の近似曲線２次式をもとめ、その最大効率となる目付けと最大効率の値を表１６に示す。
【００４０】
【表１６】
【００４１】
上記の表１６における各風速の最大効率を示す目付けの平均は０．１７０ｇ／ｍ２となった。同様に平均繊維径２００ｎｍの風速別と目付け別の粉塵捕集効率を表１７、その近似曲線を描いたグラフを図１９、その近似曲線式より求まる最大効率目付け・最大効率を表１８に示す。
【００４２】
【表１７】
【００４３】
【表１８】
【００４４】
表１８に於ける最大効率を示す目付けの平均は０．２３７ｇ／ｍ２となった。同様に平均繊維径３００ｎｍの風速別と目付け別の粉塵捕集効率を表１９、その近似曲線を描いたグラフを図２０、その近似曲線式より求まる最大効率目付け・最大効率を表２０に示す。
【００４５】
【表１９】
【００４６】
【表２０】
【００４７】
表２０に於ける最大効率を示す目付けの平均は０．２４４ｇ／ｍ２となった。上記の結果をまとめて、平均繊維径と最大効率を示す目付けの平均を表２１に示す。
【００４８】
【表２１】
【００４９】
表２１に於ける実測平均繊維径は、表１に於ける目標繊維径４種の試料についてｓｃｉｏｎ−ｉｍａｇｅ計測値の平均値を示す。表２１の実測平均繊維径と最大効率の目付けの散布図を作成し、近似直線を求めて描いたグラフを図２１に示す。この時、実測平均繊維径Ｄ（ｎｍ）と最大効率の目付けＷ（ｇ／ｍ２）の関係式は、
（式１） Ｗ＝０．０００４＊Ｄ＋０．１４４４ 決定係数 ０．８０６９
となる。ＨＥＰＡフィルタと平均繊維径１００ｎｍで目付け０．２ｇ／ｍ２のナノフィバー層を重ねた試料は明らかにＨＥＰＡフィルタ以上の粉塵捕集効率を発揮して、かつＨＥＰＡフィルタと略同等の圧力損失を示すフィルタとなる。ナノ繊維構造体層には平均繊維径に対して、粉塵捕集効率を示す最適な目付けが存在する事がわかる。これは、ナノ繊維構造体層に乱流が発生することなく、かつ、ポアサイズを出来るだけ小さくする事によって粉塵捕集効率を最大にする条件を満たすものである。本実施例においては、ＨＥＰＡフィルタとナノ繊維構造体層との組み合わせであるが、ＨＥＰＡフィル以外に、中性能フィルタ・プレフィメルタ・エレクトレットフィルタ等の既存フィメルタとの組み合わせにおいても本発明を適用できる。また、本実施例は、エレクトロスピニング用ポリマーとしてポリアクリロナトリルを使用しているが、ナイロン・ポリエステル・ポリプロピレン・セルロース等の合成繊維用ポリマー、あるいはガラス繊維・炭素繊維・セラミック繊維等の無機材料においても本発明を適用できる。式１に於ける繊維径に最適な目付けは、エレクトロスピニングの目付け設定精度を考慮すると±０．０５ｇ／ｍ２の範囲が適当である。さらに、平均繊維直径の異なる層を複数層重ねたナノ繊維構造体層においても、全体目付けが１式に出来るだけ適合することが望ましい。なお本実施例で使用したベース基材スパンボンドは、平均繊維径８から１０μｍ，目付け３０ｇ／ｍ２，厚み０．１７ｍｍ，平均ポアサイズ１から４ｍｍ，圧力損失が風速１ｍ／ｓで４３ｐａと極めてエアの抜けやすいもので、ナノ繊維構造体層の強度的補強をするが、フィルタ性能に対する影響は無視できる。
【００５０】
図２１に示すグラフの結果は、既存のフィルタ（ＨＥＰＡ中性能フィルタ・プレフィルタ等）とナノ繊維構造体層との組み合わせには、ナノ繊維構造体層には繊維径に対して粉塵捕集効率を最大とする最適な目付けが存在する事を示す。ナノ繊維構造体層の粉塵捕集効率を上げる為には、繊維直径の細い乱流発生の少ないナノ繊維構造体層では目付を低くし，繊維直径が太くなるに従って乱流発生が多くなるので、ポアサイズを下げる目的でナノ繊維構造体層の目付を高くしたほうが良いことを示している。この結果を適用することで、既存フィルタの発生する乱流を減少させ、かつ抜けてきた粉塵を捕集して効率をあげることが出来る。また上記の式１の結果を適用すると、性能評価あるいは計測困難な１００ｎｍ以下の繊維径のナノ繊維構造体層ついても最適目付を提供できる。従って、従来困難であった大きさが直径５０ｎｍ程度のウイルス等を濾過するフィルタを提供も可能となる。本発明は、空調用濾材・集塵機用濾材・気体処理用濾材等の工業用濾材、マスク用濾材・手術着用基材、防護服用基材等に優れたナノ繊維構造体層気体濾材を提供できる。
【符号の説明】
【００５１】
１０，２０，３０ エアフィルタ用濾材
１２，２２ ナノ繊維構造体層
１４ 下流側多孔質体層
３２ 汎用エアフィルタ用濾材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エアフィルタ用濾材に関し、特に例えば、圧力損失が極めて低く、且つ微細な粉塵を高効率で捕集できるエレクトロスピニング法により作製されたナノ繊維構造体層で構成されたエアフィルタ用濾材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ナノ繊維構造体層を有するエアフィルタでは、特許文献１や特願２００６−１２９６８５で開示されているように、エアの流れが特殊な現象を示す。数ミクロン以上の繊維径を有する繊維で構成されたエアフィルタではフィルタ内部及び下流で激しい乱流が発生するが、ナノファイバーで構成されたフィルタでは繊維が構成するポアサイズ小さいことはもちろんのことであるが、その内部及び下流では、繊維径が５００ｎｍ以下になるに従って乱流発生が少なくなってゆく。乱流の発生が小さくなると粉塵及びフィルタを構成する繊維の振動がなくなり、粉塵の再飛散が少なくなることによって粉塵捕集効率が高くなる。また乱流発生が少ないことは、ナノ繊維構造体層をエアが流れやすいことを示し、高い粉塵捕集率を有して低圧力損失のエアフィルタを得ることができる。またＵＬＰＡ，ＨＥＰＡ，中性能フィルタなどの汎用フィルタと複合化することによりさらに有用なフィルタを提供することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００５−５２７３４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
エアフィルタの粉塵捕集は、大きな粉塵はポアサイズの大小によるふるい効果によって捕集され、小さな粉塵ほど衝突効果による吸着・凝集・包括等の作用によって捕集されるが、この時、フィルタ内部あるいは背面に乱流がなくフィルタ及び粉塵に振動がないことが効率に大きく影響する。エアフィルタの粉塵捕集効率を高くするにはポアサイズを小さくして、かつエアが抜けやすく乱流発生を小さくすることが重要である。ナノ繊維構造体層では、ある繊維径においては目付けが低くなるに従ってポアサイズが大きくなり、目付けが高くなるに従ってポアサイズが小さくなる。しかし、ポアサイズが大きい方がエアは抜けやすく乱流発生が小さく、ポアサイズが小さい方がエアは抜けにくく乱流発生が大きくなる。したがって、単に繊維径５００ｎｍ以下のナノ繊維によりナノ繊維構造体層を形成したたけでは、効率の良いエアフィルタ用濾材は得ることはできず、エアフィルタ用濾材が最大の粉塵捕集効率を発現させるには最適な繊維径と目付けの関係を有する状態に形成しなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで発明者は、ＪＩＳ規定のフィルタ性能試験装置を用い、風速を変化させその時の０．３から０．５μｍの大きさの粉塵捕集効率を数多く計測し、分析・検討を重ねた結果、ナノ繊維構造体層が最大捕集効率を発揮する為の最適な繊維径と目付けの関係を見出した。
【０００６】
請求項１に記載の発明は、繊維の直径が３００ｎｍ以下のナノ繊維が三次元的に交絡されてなるナノ繊維構造体層を有するエアフィルタ用濾材であって、ナノ繊維構造体層は、下記数式１の条件を満たし、ナノ繊維構造体層の濾過下流側の面に、表面平滑で風速１ｍ／ｓでの圧力損失が１００ｐａ以下の下流側多孔質体層が一体に積層されている、エアフィルタ用濾材である。
０．０００４＊Ｄ＋０．０９４４≦Ｗ≦０．０００４＊Ｄ＋０．１９４４ ・・・（数式１）
ここで、Ｄはナノ繊維構造体層の平均繊維径（ｎｍ）であり、Ｗはナノ繊維構造体層の目付け（ｇ／ｍ２）である。
請求項２に記載の発明は、ナノ繊維構造体層が、平均繊維径の異なる複数の層で構成され、複数の層で構成されたナノ繊維構造体層の平均繊維径の平均が請求項１の式を満たす、請求項１に記載のエアフィルタ用濾材である。
請求項３に記載の発明は、汎用フィルタと複合化された、請求項１また請求項２に記載のエアフィルタ用濾材である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、既存のフィルタで発生する乱流を減少させ、かつ抜けてきた粉塵を捕集して効率をあげることが出来る。また、性能評価あるいは計測困難な１００ｎｍ以下の繊維径のナノ繊維構造体層ついても最適目付を提供することができる。従って、従来困難であった大きさが直径５０ｎｍ程度のウイルス等を濾過するフィルタを提供も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明にかかるエアフィルタ用濾材の一実施の形態を示す断面図解図である。
【図２】本発明にかかる別の実施の形態を示す断面図解図である。
【図３】本発明にかかるさらに別の実施形態を示す図解図である。
【図４】１２種のナノ繊維構造体層の走査電子顕微鏡画像（１万倍）である。
【図５】ＨＥＰＡフィルタの粉塵捕集効率の測定試験結果を示すグラフである。
【図６】ＨＥＰＡフィルタと繊維直径が１００ｎｍで目付けが０．１ｇ／ｍ２の試料を重ねたものの粉塵捕集効率の測定試験結果を示すグラフである。
【図７】ＨＥＰＡフィルタと繊維直径が１００ｎｍで目付けが０．２ｇ／ｍ２の試料を重ねたものの粉塵捕集効率の測定試験結果を示すグラフである。
【図８】ＨＥＰＡフィルタと繊維直径が１００ｎｍで目付けが０．３ｇ／ｍ２の試料を重ねたものの粉塵捕集効率の測定試験結果を示すグラフである。
【図９】ＨＥＰＡフィルタと繊維直径が１００ｎｍで目付けが０．４ｇ／ｍ２の試料を重ねたものの粉塵捕集効率の測定試験結果を示すグラフである。
【図１０】ＨＥＰＡフィルタと繊維直径が２００ｎｍで目付けが０．１ｇ／ｍ２の試料を重ねたものの粉塵捕集効率の測定試験結果を示すグラフである。
【図１１】ＨＥＰＡフィルタと繊維直径が２００ｎｍで目付けが０．２ｇ／ｍ２の試料を重ねたものの粉塵捕集効率の測定試験結果を示すグラフである。
【図１２】ＨＥＰＡフィルタと繊維直径が２００ｎｍで目付けが０．３ｇ／ｍ２の試料を重ねたものの粉塵捕集効率の測定試験結果を示すグラフである。
【図１３】ＨＥＰＡフィルタと繊維直径が２００ｎｍで目付けが０．４ｇ／ｍ２の試料を重ねたものの粉塵捕集効率の測定試験結果を示すグラフである。
【図１４】ＨＥＰＡフィルタと繊維直径が３００ｎｍで目付けが０．１ｇ／ｍ２の試料を重ねたものの粉塵捕集効率の測定試験結果を示すグラフである。
【図１５】ＨＥＰＡフィルタと繊維直径が３００ｎｍで目付けが０．２ｇ／ｍ２の試料を重ねたものの粉塵捕集効率の測定試験結果を示すグラフである。
【図１６】ＨＥＰＡフィルタと繊維直径が３００ｎｍで目付けが０．３ｇ／ｍ２の試料を重ねたものの粉塵捕集効率の測定試験結果を示すグラフである。
【図１７】ＨＥＰＡフィルタと繊維直径が３００ｎｍで目付けが０．４ｇ／ｍ２の試料を重ねたものの粉塵捕集効率の測定試験結果を示すグラフである。
【図１８】表１５の値を散布図化したうえ近似曲線を挿入したグラフである。
【図１９】表１７の値を散布図化したうえ近似曲線を挿入したグラフである。
【図２０】表１９の値を散布図化したうえ近似曲線を挿入したグラフである。
【図２１】表２１の値を散布図化したうえ近似曲線を挿入したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、本発明にかかるエアフィルタ用濾材の一実施の形態を示す断面図解図である。エアフィルタ用濾材１０は、ナノ繊維構造体層１２を含む。ナノ繊維構造体層１２は、ナノ繊維１２ａが３次元的に交絡されてなるシート状の繊維構造体からなる。ナノ繊維構造体層１２は、公知のナノ繊維ウェブ製造方法などの繊維構造体製造方法により作製されるが、ナノ繊維１２ａの繊維径、ウェブの目付け，ポアサイズの制御が容易なことによりエレクトロスピニング法により作製されるのが好ましい。ナノ繊維１２ａの繊維径およびナノ繊維構造体層１２の目付けは、ナノ繊維構造体層１２のポアサイズを決定する要素であり、繊維径が細く、目付けが大きいほど形成されるポアサイズは小さくなり、細かい粉塵を捕集する事が可能となるが、繊維径が略３００ｎｍより小さくなるほど被濾過気体が抜け易くなることより、ナノ繊維１２ａの繊維径は３００ｎｍ以下に形成する。なお、ナノ繊維構造体層１２は、最大の粉塵捕集効率を発現させるために下記数式１の条件を満たすような平均繊維径（ｎｍ）と目付け（ｇ／ｍ２）で作製される。
０．０００４＊Ｄ＋０．０９４４≦Ｗ≦０．０００４＊Ｄ＋０．１９４４ ・・・（数式１）
ここで、Ｄはナノ繊維構造体層１２の平均繊維径（ｎｍ）であり、Ｗはナノ繊維構造体層１２の目付け（ｇ／ｍ２）である。
【００１０】
ナノ繊維１２ａの原料としては、ポリアクリロニトリル，６ナイロン，６６ナイロン，ポリエチレン，ポリプロピレン，ポリエチレンテレフタレート，ポリ塩化ビニル，ポリ塩化ビニリデン，ポリスチレン，ポリエチレンオキサイド，セルロース，ポリエーテルウレタン，導電性高分子，ポリ乳酸，ポリカプロラクタン，フィブロイン，コラーゲンその他のタンパク質等のポリマーを使用することができる。
【００１１】
ナノ繊維構造体層１２の濾過下流側の面には、下流側多孔質体層１４が一体に積層されている。下流層多孔質体層１６は、ナノ繊維構造体層１２を濾過下流側から支持し、被濾過気体より加えられる風圧等によりナノ繊維構造体層１２が破損しないようにするためのものである。下流側多孔質体層１４としては、有機繊維または無機繊維からなる不織布、ウェブ、織物、紙、ネット、有孔フィルム等の被濾過気体を通過させることのできるポアまたは流路に有しているものが適用可能であるが、ナノ繊維構造体層１２をスムーズに流れてきたエア流を乱さないように圧力損失が低いものでなければならない。また、下流側多孔質体層１４の濾過上流側の面に繊維状のケバなどがあると、ナノ繊維構造体層１２中のエア流の流れの妨げになるばかりか、ケバ状の繊維が激しく振動し、ナノ繊維構造体層１２中のナノ繊維１２ａの配列を乱したり、損傷する可能性が生じ、その結果、エアフィルタ用濾材１０の捕集効率の低下を招く可能性がある。このことより、下流側多孔質体層１４にはエア流速１ｍ／ｓにおいて圧力損失が１００ｐａ以下となる多孔質体であることが好ましい。また、ケバにより生ずる問題に対処するため、連続繊維により構成され表面にケバがなく平滑なスパンボンド不織布を使用することが望ましい。しかしながら、下流側多孔質体層１４に適用可能な多孔質体は、スパンボンド不織布に限られるのではなく、ナノ繊維構造体層１２と接触する面のケバ焼き処理や熱ロール加工，樹脂コーティング加工によって表面にケバが存在せず、表面が平滑な状態にすることにより、上述の材料からなる中性能フィルタ，ＨＥＰＡフィルタ，ＵＬＰＡフィルタ等の汎用エアフィルタ用濾材が使用可能である。さらには、下流側多孔質体層１４には、上述した条件を具備したものであれば、多孔質体とネット材などのような強度保持材とが複合された複合体が使用されてもよい。
【００１２】
図２は、本発明にかかる別の実施の形態を示す断面図解図である。この実施の形態のエアフィルタ用濾材２０は、図１に示す実施の形態とはナノ繊維構造体層の構造が異なる。ナノ繊維構造体層２２は、濾過上流側よりナノ繊維構造体層２２ａ，ナノ繊維構造体層２２ｂ，ナノ繊維構造体層２２ｃの順に構成された複数の層から形成されている。ナノ繊維構造体層２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、全て繊維径が３００ｎｍ以下のナノ繊維により形成されているが、濾過下流側の層にいくにしたがって、層を構成するナノ繊維２３の繊維径が小さくなっているが、ナノ繊維構造体層２２は、最大の粉塵捕集効率を発現させるために、図１で示した実施の形態と同様に、ナノ繊維構造体層２２ａ，２２ｂ，２２ｃの平均繊維径が、式１の条件を満たすような平均繊維径と目付けで作製されている。これによりこの実施の形態では、図１に示す実施の形態が奏する効果に加え、ナノ繊維構造体層２２内でふるい効果と衝突効果が発生することにより、さらに効率的に濾過粉塵を捕集することが可能であり、また製品の高寿命化が可能となる。なお、本実施の形態においては、ナノ繊維構造体層２２を３層構造としたが、これに限らず、所望の粉塵捕集効率、製品寿命が得られるように適宜な数に層は増減されてもよい。またさらに、明確に層状に形成されることなくナノ繊維構造体層２２の繊維径を徐々に変化させてもよい。
【００１３】
図３は、本発明にかかるさらに別の実施形態を示す図解図である。本実施の形態は、図１または図２に示すエアフィルタ用濾材１０，２０と汎用エアフィルタ用濾材３２とを一体に配置・組合せることにより構成したエアフィルタ用濾材３０である。なお、本発明で示す汎用エアフィルタ用濾材３２とは、従来よりあるプレフィルタ，中性能フィルタ，ＨＥＰＡフィルタ，ＵＬＰＡフィルタ等のような気体濾過に使用されるエアフィルタ用濾材のことを指す。
【００１４】
エアフィルタ用濾材３０では、エアフィルタ用濾材１０またはエアフィルタ用濾材２０の濾過上流側の面に、汎用エアフィルタ用濾材３２が一体に配置されている。この実施の形態では、汎用フィルタ濾材３２はナノ繊維構造体層の前処理濾材として作用し、長時間のフィルトレーションに於いてナノ繊維構造体層１０，２０の急激な目詰まりを防止する役目を果たす。さらに上述の構成とすることで、汎用エアフィルタ用濾材３２がその濾過下流側において発生するカルマン渦，乱流渦を、エアフィルタ用濾材１０またはエアフィルタ用濾材２０が整流し消滅させる。これにより、汎用エアフィルタ濾材３２を単独で使用したときと比較して、カルマン渦等が原因により生ずる粉塵の再飛散が起こりにくくなり、汎用エアフィルタ濾材３２が処理可能な風速が約１０倍前後向上させることも可能である。なお、汎用エアフィルタ濾材３２は、エアフィルタ用濾材１０，２０の濾過上流側の面に一体に積層または密着させて配置することが最も好ましい。しかし、汎用エアフィルタ濾材３２が影響をうけるカルマン渦や乱流が生じている範囲内にエアフィルタ用濾材１０，２０を配置すれば、汎用エアフィルタ濾材３２へカルマン渦等の影響が小さくすることができるので、汎用エアフィルタ濾材３２が影響を受けるカルマン渦、乱流等が発生する範囲内に、エアフィルタ用濾材１０，２０が配置されればよい。また、この実施の形態においては、汎用エアフィルタ濾材３２と、エアフィルタ用濾材１０，２０とを平らなシート状のまま使用したが、汎用エアフィルタ濾材３２とエアフィルタ用濾材１０，２０とが双方とも又はいずれか一方がプリーツ加工などを施してユニット化されてもよい。
【実施例】
【００１５】
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。請求項に記載した範囲内で適宜変更することにより、所望のエアフィルタ用濾材が作製されればよい。
【００１６】
［ナノ繊維構造体層の作製］
エレクトロスピニングによるナノ繊維構造体層１２の材料として、ポリアクリロニトリル繊維（帝人テクノプロダクツ株式会社製）を使用した。このポリアクリロニトリル繊維をＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（和光純薬工業株式会社製、濃度９９．５％、）で常温溶解して７．５重量％濃度，１０重量％濃度，１２．５重量％濃度のポリアクリロニトリル溶液をそれぞれ１００ｇ作製した。７．５重量％濃度が平均繊維径１００ｎｍ用、１０重量％濃度が２００ｎｍ用、１２．５重量％濃度が３００ｎｍ用である。
【００１７】
このポリアクリロニトリル溶液をルアーロック先注射筒（容量１ｍｌ、硬質ガラス）に入れエレクトロスピニング装置（株式会社フューエンス製Ｅｓｐｒａｙｅｒ ＥＳ−２０００）に装着し、コレクタ電極上の載置した下流側多孔質体層１４となる２５ｃｍ四方のスパンボンド上にエレクトロスピニングすることによりナノ繊維構造体層１２を作製した。なお、下流側多孔質体層１４には、エア流１ｍ／ｓの時の圧力損失が４３ｐａであるポリエステル製スパンボンド（目付け３０ｇ／ｍ２、厚み０．１７ｍｍ、縦引張強力１５ｋｇ／５ｃｍ巾 ユニチカ株式会社製２０３０７ＢＫＤ）を使用した。また、このときのエレクトロスピニングの条件は、スプレーノズルとして内径φ０．２１ｍｍのＭＮ−２７Ｇ−１３（岩下エンジニアリング株式会社製）を使用して、溶液送液速度１〜２μｌ／ｍｉｎ、ノズルコレクタ電極間電圧８〜１０ｋＶ、ノズルコレクタ電極間距離１５ｃｍとした。上述の条件によりポリエステル製スパンボンド上に、平均繊維径１００ｎｍと２００ｎｍと３００ｎｍについて目付けがそれぞれ０．１ｇ／ｍ２と０．２ｇ／ｇ／ｍ２と０．３ｇ／ｍ２と０．４ｇ／ｍ２の計１２種を作成した。ナノ繊維構造体の材料のポリアクリロニトリル繊維とエレクトロスピニングによって作製したナノ繊維構造体の吸湿率を測定した。それぞれの試料２ｇを熱風乾燥機で１００°Ｃ、３０ｍｉｎ乾燥し、重量を測定後、簡易恒湿槽で相対湿度７０％、１時間吸湿後重量を測定して吸湿率とした。材料のポリアクリロニトリル繊維は１．１％で、ナノ繊維構造体は２．４％で市販のナイロン繊維・アクリル繊維と略同等の弱吸湿性を示した。
［ナノ繊維構造体層の特性］
作成したナノ繊維構造体層１２の繊維径・孔径に関する特性を表１に示す。
【００１８】
【表１】
【００１９】
実測平均繊維径・実測平均ポアサイズは、走査電子顕微鏡の画像を取り、画像分析ソフトｓｃｉｏｎ−ｉｍａｇｅによって計測した。１２種のナノ繊維構造体層１２の走査電子顕微鏡画像（１万倍）を図４の（ａ）から（ｌ）に示す。図４の走査電子顕微鏡画像が示すように、１つの孔は約５本前後のナノ繊維で構成されており、従って上記の画像層は平均繊維径１００ｎｍの試料では約０．５μｍ前後である。つまり繊維径１００ｎｍ目付け０．２ｇ／ｍ２のナノ繊維構造体層（ｂ）においては、膜厚が２．０μｍ（膜厚は、株式会社フィッシャーインストルメンツ製小型膜厚計デルタスコープＭＰ３０で計測）なので、画像層が約４層重なっている事になる。同様に考えると目付け０．１ｇ／ｍ２は３から４層、目付け０．４ｇ／ｍ２では６から７層である。従ってエア流上流から見た見掛けの平均孔径は表１の平均孔径より小さい事が予想できる。
【００２０】
［粉塵捕集効率の測定］
上記のポリエステルスパンボンド基材上のナノ繊維構造体層１２に、ガラス繊維３０％とポリエステル繊維７０％で構成されたＨＥＰＡフィルタ（厚み０．５ｍｍ，目付け８８ｇ／ｍ２）のエア下流面を重ねてＨＥＰＡフィルター・ナノ繊維構造体層１２一体濾材とし、ＨＥＰＡを上流側としてフィルタ濾材試験装置（Ｓ０３０９５１株式会社日本カノマックス製）にかけ、パーティクルカウンタとしてリオン株式会社製ＫＣ−０１Ｂで測定した。粉塵としては一般大気粉塵（吸引空気量０．０１ＣＦ当たり粒径が０．３〜０．５μｍの粉塵数約３０００から５０００個）に蚊取り線香（金鳥の渦巻（登録商標）大日本除虫菊株式会社製）の煙（吸引空気量０．０１ＣＴＦ当たり粒径が０．３〜０．５μｍの粉塵数５０００〜１００００個）を混入した混合粉塵を使用し、濾材通過風速を０．０５ｍ／ｓ，０．１ｍ／ｓ，０．２ｍ／ｓ，０．３ｍ／ｓ，０．４ｍ／ｓ，０．５ｍ／ｓでの粉塵粒径が０．３μｍから０．５μｍの粉塵捕集効率を測定した。前記試料用のＨＥＰＡフィルタのみの測定試験結果を表２に示し、そのグラフを図５に示す。風速を０．０５ｍ／ｓから０．５ｍ／ｓまで順次上げていき、各風速での粉塵捕集効率を３回測定して平均を取り、それを３回繰り返して全体平均粉塵捕集効率を出した。
【００２１】
【表２】
【００２２】
グラフ凡例の１ｎ，２ｎ，３ｎは表２の１回目，２回目，３回を示す。次にＨＥＰＡフィルタと繊維直径が１００ｎｍで目付けが０．１，０．２，０．３，０．４ｇ／ｍ２の上記試料を重ねたものの効率を同様に測定し、その結果を表３乃至６に示し、そのグラフを図６乃至９に示す。
【００２３】
【表３】
【００２４】
【表４】
【００２５】
【表５】
【００２６】
【表６】
【００２７】
平均繊維径１００ｎｍでは、目付け０．２ｇ／ｍ２が最も良い効率を示し、ＨＥＰＡ以上の捕集効率を示した。同様にして、平均繊維径２００ｎｍについて表７乃至１０に示し、そのグラフを図１０乃至１３に示す。
【００２８】
【表７】
【００２９】
【表８】
【００３０】
【表９】
【００３１】
【表１０】
【００３２】
平均繊維径２００ｎｍについては、目付け０．２ｇ／ｍ２が最も良い効率を示した。同様に、平均繊維径３００ｎｍについて表１１乃至１４に示し、そのグラフを図面１４乃至１７に示す。
【００３３】
【表１１】
【００３４】
【表１２】
【００３５】
【表１３】
【００３６】
【表１４】
【００３７】
平均繊維径３００ｎｍについては目付け０．２から０．３ｇ／ｍ２で良い効率を示す。前記の全ての表・グラフより、目付け０．２ｇ／ｍ２近傍に於ける粉塵捕集効率が良い事がわかる。次に、前記の表３から６より、平均繊維径１００ｎｍにおける風速（０．０５から０．５ｍ／ｓ）と目付け（０．１から０．４ｇ／ｍ２）の粉塵捕集効率の関係表を作成し、表１５に示す。
【００３８】
【表１５】
【００３９】
上記の表を散布図グラフ化し，近似曲線を挿入すると図１８に示すグラフとなり、それぞれの風速で最も良い極大効率を示す目付けが存在することがわかる。グラフの各風速別の近似曲線２次式をもとめ、その最大効率となる目付けと最大効率の値を表１６に示す。
【００４０】
【表１６】
【００４１】
上記の表１６における各風速の最大効率を示す目付けの平均は０．１７０ｇ／ｍ２となった。同様に平均繊維径２００ｎｍの風速別と目付け別の粉塵捕集効率を表１７、その近似曲線を描いたグラフを図１９、その近似曲線式より求まる最大効率目付け・最大効率を表１８に示す。
【００４２】
【表１７】
【００４３】
【表１８】
【００４４】
表１８に於ける最大効率を示す目付けの平均は０．２３７ｇ／ｍ２となった。同様に平均繊維径３００ｎｍの風速別と目付け別の粉塵捕集効率を表１９、その近似曲線を描いたグラフを図２０、その近似曲線式より求まる最大効率目付け・最大効率を表２０に示す。
【００４５】
【表１９】
【００４６】
【表２０】
【００４７】
表２０に於ける最大効率を示す目付けの平均は０．２４４ｇ／ｍ２となった。上記の結果をまとめて、平均繊維径と最大効率を示す目付けの平均を表２１に示す。
【００４８】
【表２１】
【００４９】
表２１に於ける実測平均繊維径は、表１に於ける目標繊維径４種の試料についてｓｃｉｏｎ−ｉｍａｇｅ計測値の平均値を示す。表２１の実測平均繊維径と最大効率の目付けの散布図を作成し、近似直線を求めて描いたグラフを図２１に示す。この時、実測平均繊維径Ｄ（ｎｍ）と最大効率の目付けＷ（ｇ／ｍ２）の関係式は、
（式１） Ｗ＝０．０００４＊Ｄ＋０．１４４４ 決定係数 ０．８０６９
となる。ＨＥＰＡフィルタと平均繊維径１００ｎｍで目付け０．２ｇ／ｍ２のナノフィバー層を重ねた試料は明らかにＨＥＰＡフィルタ以上の粉塵捕集効率を発揮して、かつＨＥＰＡフィルタと略同等の圧力損失を示すフィルタとなる。ナノ繊維構造体層には平均繊維径に対して、粉塵捕集効率を示す最適な目付けが存在する事がわかる。これは、ナノ繊維構造体層に乱流が発生することなく、かつ、ポアサイズを出来るだけ小さくする事によって粉塵捕集効率を最大にする条件を満たすものである。本実施例においては、ＨＥＰＡフィルタとナノ繊維構造体層との組み合わせであるが、ＨＥＰＡフィル以外に、中性能フィルタ・プレフィメルタ・エレクトレットフィルタ等の既存フィメルタとの組み合わせにおいても本発明を適用できる。また、本実施例は、エレクトロスピニング用ポリマーとしてポリアクリロナトリルを使用しているが、ナイロン・ポリエステル・ポリプロピレン・セルロース等の合成繊維用ポリマー、あるいはガラス繊維・炭素繊維・セラミック繊維等の無機材料においても本発明を適用できる。式１に於ける繊維径に最適な目付けは、エレクトロスピニングの目付け設定精度を考慮すると±０．０５ｇ／ｍ２の範囲が適当である。さらに、平均繊維直径の異なる層を複数層重ねたナノ繊維構造体層においても、全体目付けが１式に出来るだけ適合することが望ましい。なお本実施例で使用したベース基材スパンボンドは、平均繊維径８から１０μｍ，目付け３０ｇ／ｍ２，厚み０．１７ｍｍ，平均ポアサイズ１から４ｍｍ，圧力損失が風速１ｍ／ｓで４３ｐａと極めてエアの抜けやすいもので、ナノ繊維構造体層の強度的補強をするが、フィルタ性能に対する影響は無視できる。
【００５０】
図２１に示すグラフの結果は、既存のフィルタ（ＨＥＰＡ中性能フィルタ・プレフィルタ等）とナノ繊維構造体層との組み合わせには、ナノ繊維構造体層には繊維径に対して粉塵捕集効率を最大とする最適な目付けが存在する事を示す。ナノ繊維構造体層の粉塵捕集効率を上げる為には、繊維直径の細い乱流発生の少ないナノ繊維構造体層では目付を低くし，繊維直径が太くなるに従って乱流発生が多くなるので、ポアサイズを下げる目的でナノ繊維構造体層の目付を高くしたほうが良いことを示している。この結果を適用することで、既存フィルタの発生する乱流を減少させ、かつ抜けてきた粉塵を捕集して効率をあげることが出来る。また上記の式１の結果を適用すると、性能評価あるいは計測困難な１００ｎｍ以下の繊維径のナノ繊維構造体層ついても最適目付を提供できる。従って、従来困難であった大きさが直径５０ｎｍ程度のウイルス等を濾過するフィルタを提供も可能となる。本発明は、空調用濾材・集塵機用濾材・気体処理用濾材等の工業用濾材、マスク用濾材・手術着用基材、防護服用基材等に優れたナノ繊維構造体層気体濾材を提供できる。
【符号の説明】
【００５１】
１０，２０，３０ エアフィルタ用濾材
１２，２２ ナノ繊維構造体層
１４ 下流側多孔質体層
３２ 汎用エアフィルタ用濾材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維の直径が３００ｎｍ以下のナノ繊維が三次元的に交絡されてなるナノ繊維構造体層を有するエアフィルタ用濾材であって、
前記ナノ繊維構造体層は、下記数式１の条件を満たし、
前記ナノ繊維構造体層の濾過下流側の面に、表面平滑で風速１ｍ／ｓでの圧力損失が１００ｐａ以下の下流側多孔質体層が一体に積層されている、エアフィルタ用濾材。
０．０００４＊Ｄ＋０．０９４４≦Ｗ≦０．０００４＊Ｄ＋０．１９４４ ・・・（数式１）
ここで、Ｄはナノ繊維構造体層の平均繊維径（ｎｍ）であり、Ｗはナノ繊維構造体層の目付け（ｇ／ｍ２）である。
【請求項２】
前記ナノ繊維構造体層は、平均繊維径の異なる複数の層で構成され、前記複数の層で構成されたナノ繊維構造体層の平均繊維径の平均が請求項１の式を満たす、請求項１に記載のエアフィルタ用濾材。
【請求項３】
汎用フィルタと複合化された、請求項１また請求項２に記載のエアフィルタ用濾材。
【請求項１】
繊維の直径が３００ｎｍ以下のナノ繊維が三次元的に交絡されてなるナノ繊維構造体層を有するエアフィルタ用濾材であって、
前記ナノ繊維構造体層は、下記数式１の条件を満たし、
前記ナノ繊維構造体層の濾過下流側の面に、表面平滑で風速１ｍ／ｓでの圧力損失が１００ｐａ以下の下流側多孔質体層が一体に積層されている、エアフィルタ用濾材。
０．０００４＊Ｄ＋０．０９４４≦Ｗ≦０．０００４＊Ｄ＋０．１９４４ ・・・（数式１）
ここで、Ｄはナノ繊維構造体層の平均繊維径（ｎｍ）であり、Ｗはナノ繊維構造体層の目付け（ｇ／ｍ２）である。
【請求項２】
前記ナノ繊維構造体層は、平均繊維径の異なる複数の層で構成され、前記複数の層で構成されたナノ繊維構造体層の平均繊維径の平均が請求項１の式を満たす、請求項１に記載のエアフィルタ用濾材。
【請求項３】
汎用フィルタと複合化された、請求項１また請求項２に記載のエアフィルタ用濾材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１２−１８３５３８（Ｐ２０１２−１８３５３８Ａ）
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１２１３７３（Ｐ２０１２−１２１３７３）
【出願日】平成２４年５月２８日（２０１２．５．２８）
【分割の表示】特願２００７−２１５２７２（Ｐ２００７−２１５２７２）の分割
【原出願日】平成１９年７月２４日（２００７．７．２４）
【出願人】（０００１６３７７４）金井重要工業株式会社 (12)
【出願人】（３０２０６４５８８）株式会社 フューエンス (12)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年５月２８日（２０１２．５．２８）
【分割の表示】特願２００７−２１５２７２（Ｐ２００７−２１５２７２）の分割
【原出願日】平成１９年７月２４日（２００７．７．２４）
【出願人】（０００１６３７７４）金井重要工業株式会社 (12)
【出願人】（３０２０６４５８８）株式会社 フューエンス (12)
【Ｆターム（参考）】
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