カスタム水吸着材料
本明細書中で開示されている技術は、閉鎖環境内の湿度レベルなどの湿度レベルの制御に関する。吸着剤材料の水等温線は、吸着剤の界面化学の改質を通してカスタマイズされる。吸着剤の界面化学をさまざまな方法でさまざまな程度で改質することにより、異なる湿度レベル範囲まで吸着剤特性をカスタマイズすることが可能である。このような改質は、特に低分子量の水溶性化合物に関して、吸着剤の吸着能力および効率を増強することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、米国以外の全ての国の指定の出願人である米国国内企業であるＤｏｎａｌｄｓｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ．Ｉｎｃ、および米国のみの指定の出願人であるレバノン国民Ｙａｈｙａ Ａ．Ｅｌｓａｙｅｄ、米国国民Ａｎｄｒｅｗ Ｊ．Ｄａｌｌａｓ、米国国民Ｊｏｎ Ｄ．Ｊｏｒｉｍａｎおよび米国国民Ｄｕｓｔｉｎ Ｚａｓｔｅｒａ名義の２００９年１１月４日付けＰＣＴ国際特許出願として提出されており、内容が参照により本明細書に援用されている２００８年１１月４日付け米国仮特許出願第６１／１１１，２０７号明細書に対する優先権を請求するものである。
【０００２】
本技術は吸着剤材料に関する。より詳細には、本技術は、カスタマイズ可能な吸着剤材料に関する。さらに一層詳細には、本技術はカスタマイズ可能な水吸着材料に関する。
【背景技術】
【０００３】
さまざまな状況において、空気中の水分量を制御する能力を可能にする条件が必要とされる。例えば、感度の高い電子部品および機器を収納するエンクロージャ内部での利用分野では、多くの場合、一貫性ある形で動作するようにそのエンクロージャ内部の水分レベルを維持し調節することが求められる。不適切な水分レベルは、部品および機器の機械的および電気的動作を妨げる可能性がある。別の例においては、閉鎖環境内の無機塩などの水溶性汚染物質化合物を除去することが望ましい可能性がある。これらの状況においては、水を除去することで、エンクロージャ内部を自由に循環している汚染物質化合物の量を削減して、湿度レベルを制御すると共に水溶性汚染物質を循環から除去することができる。
【０００４】
連通している第２の環境とは異なる相対湿度（ＲＨ）を有する第１の環境内に重要な機械が位置づけられているかまたはその中でプロセスが実施される場合には、湿度レベルを調節することが特に重要であり得る。例えば、ディスクドライブの内部は、多くの場合、そのディスクドライブエンクロージャがある外部環境の相対湿度と異なる好ましい相対湿度を有する。ディスクドライブは典型的にはそのエンクロージャの内部に、ドライブへの空気の流入および流出を可能にするブリーザ・ポートを有しており、これがドライブエンクロージャ内の湿度の変動を結果としてもたらす。外部環境は、エンクロージャ内部の所望の相対湿度より高い相対湿度を有することもあれば、エンクロージャ内部の所望の相対湿度より低い相対湿度を有することもある。同様に、一部の実施において、外部環境は、時としてエンクロージャ内部の所望の相対湿度より高いまたは時としてそれより低い相対湿度レベルの間で変動する。コンピュータディスクドライブに関しては、過度に高い湿度は感受性の高い構成部品の腐食を導く可能性があり、過度に低い湿度は、高感度電気構成部品を損傷し得る静電気を導く可能性がある。
【０００５】
したがって、湿度の制御が望ましいことの多い利用分野としては、上述の内部ハードディスクドライブ、および高感度光学表面または電子接続を伴うその他のエンクロージャ、および電子制御ボックスがある。これらは、自動車、半導体施設および加工用機器、オストミーバッグベント、補聴器、ＨＶＡＣ利用分野における受動素子、油圧機器、エンジン、エンジンベルトおよび数多くのその他の利用分野にその用途がある。
【０００６】
吸着剤は一般に、以上で列挙したものに類似するシナリオにおいて湿度レベルを制御するために利用される。しかしながら各々の利用分野は、特定の利用分野の相対湿度範囲に応じて固有の要件を有し、したがって各々の特定の相対湿度範囲内で適正に性能を発揮する吸着剤が選択されなくてはならない。同様に、吸着剤は、その他の濾過用構成部品に比べ相対的に大きい体積を占めることが多く、したがって多くの場合吸着剤の能力を増大させることが望まれる。ディスクドライブなどのさまざまな製品アセンブリがさらに小さくなり、空間が貴重になるにつれて、この事実はさらに重要性を増している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、湿度を制御するための改良型吸着剤材料に対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書中に開示されている技術は、閉鎖環境内の湿度レベルなどの湿度レベルの制御に向けられている。本明細書中に開示されている技術は同様に、開放環境内、および外部環境との空気交換が制限されている内部環境内で湿度レベルを制御するためにも使用することができる。吸着剤材料の水等温線は、吸着剤の界面化学の改質を通してカスタマイズされる。吸着剤の界面化学をさまざまな方法でさまざまな程度で改質することにより、異なる湿度レベル範囲まで吸着剤特性をカスタマイズすることが可能である。このような改質は、特に低分子量の水溶性化合物に関して、吸着剤の吸着能力および効率を増強することができる。
【０００９】
吸着剤は、本発明の数多くの実施形態において炭素、特に活性炭である。ただし、本発明の一部の実施においては、その他の吸着剤材料を使用することができる。表面改質は一般に、シリカ、ゼオライトおよび分子ふるいを含めたその他の多孔質媒体上で行なうことができる。さらに、細繊維媒体およびナノ繊維ウェブ媒体を改質することができ、あるいは改質された吸着剤を媒体内に取込むことができる。メルトブローン繊維、エレクトロスピニング、および押出ＰＴＦＥ媒体は全て使用してよい。
【００１０】
本明細書中で使用する表面改質には、他のアプローチのなかでも、化学ボンディングまたは含浸を通して吸着剤の表面上に化学基を導入するための化学処理が含まれる。このような化学基は、その親水性、ルイス／ブレンステッド酸−塩基特性および水和能力（生産量および反応速度）により識別可能である。エンクロージャの湿度を制御する上で使用するのに適した吸着炭素材料としては、例えば酸処理による改質表面を有する炭素材料がある。
【００１１】
吸着剤の表面を改質するために酸処理が使用される場合、一般にこの酸処理は、強酸、多くの場合酸が少なくとも５重量パーセントである酸水溶液、より典型的には強酸が少なくとも１０重量パーセントである酸水溶液を用いて吸着剤材料または基材を処理するステップを含む。一部の実施において、酸処理は、酸が少なくとも３５パーセントである酸溶液そして任意には酸が少なくとも７０パーセントである溶液の中での基材の処理を含む。一部の実施形態において、酸溶液は、５〜８５パーセントの酸を含み、その他の実施形態では、酸溶液は２０〜７５パーセントの酸を含み、さらにその他の実施形態では、酸溶液は３０〜６０パーセントの酸を含む。８５パーセント超の酸を、典型的には酸煙または蒸気を用いて添加することさえ可能である。
【００１２】
一部の実施において、酸水溶液は、硝酸、任意には少なくとも５パーセントの硝酸、より典型的には少なくとも１０パーセントの硝酸を含む。一部の実施において、酸溶液は少なくとも３５パーセントの硝酸、そして任意には少なくとも７０パーセントの硝酸を含む。一部の実施形態において、酸溶液は５〜８５パーセントの硝酸を含み、その他の実施形態において、酸処理は２０〜７５パーセントの硝酸を含み、さらにその他の実施形態において、酸溶液は３０〜６０パーセントの硝酸を含む。
【００１３】
一部の実施では、吸着剤に２つ以上の表面改質剤が添加されるか、あるいは異なる表面改質を伴う２つ以上の吸着剤が組合わされる。例えば、異なる表面化学および改質を伴う粒状吸着剤、ポリマー、および／または繊維を物理的に混合することができる。
【００１４】
以上の本発明の概要は、論述された本発明の各実施形態を説明することを意図したものではない。これは、図面ならびに以下の詳細な説明の目的である。
【００１５】
本発明は、図面中に反映された付随する実施例と関連して本発明のさまざまな実施形態についての以下の詳細な説明を考慮することで、より完全に理解し認識されるかもしれない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】炭素材料の水吸着／脱着等温線に対する酸化の効果を示すグラフである。
【図２】硝酸で処理された炭素材料の水吸着等温線に対する酸化の効果を示すグラフである。
【図３】７０％の硝酸処理の前後の活性炭についてのアセトン破過曲線を示すグラフである。
【図４】１０％のクエン酸、５％の炭酸カリウムまたは５％の硫酸ナトリウムのいずれかが含浸された活性炭の水等温線に対する含浸の効果を示すグラフである。
【図５】７０％の酸で処理された活性炭、５％の硫酸ナトリウムが含浸された活性炭およびその両方の物理的混合物上での水等温線を示すグラフである。
【図６】１０％の酸処理により改質された活性炭上での水等温線サイクルを示すグラフである。
【図７】異なる濃度の硝酸での処理により改質された活性炭上での水等温線を示すグラフである。
【図８】炭素表面のｐＨに対する水吸着の依存性を示すグラフである。
【図９】炭素表面上の酸性基の量に対する水吸着の依存性を示すグラフである。
【図１０】粒状炭素およびウェブ炭素の水吸着を比較するグラフである。
【図１１】一範囲のＲＨを網羅するさまざまな媒体上での水等温線を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明はさまざまな修正および変形形態の対象となり得るが、その明細は実施例および図面によって示されており、以下で詳述される。ただし、本発明は記載されている特定の実施形態に限定されるものではないということを理解すべきである。反対に、意図されているのは、本発明の精神および範囲内に入る修正、等価物および変形形態を網羅することである。
【００１８】
本明細書中で開示されている技術は、閉鎖環境内の湿度レベルなどの湿度レベルの制御に向けられている。吸着剤材料の水等温線は、吸着剤の界面化学の改質を通してカスタマイズされる。このような改質は、特に低分子量の水溶性化合物に関して、吸着剤の吸着能力および効率を増強することができる。吸着剤の界面化学をさまざまな方法でさまざまな程度で改質することにより、異なる湿度レベル範囲まで吸着剤特性をカスタマイズすることが可能である。
【００１９】
表面改質には、他のアプローチのなかでも、化学ボンディングまたは含浸を通して吸着剤の表面内に化学基を導入するための化学処理が含まれる。吸着剤の親水性および表面化学の変更は、酸処理を通して達成可能である。このプロセスにおいては、例えば硝酸、リン酸および硫酸などのいくつかの酸を使用することができる。追加の酸としては例えば、クエン酸およびマロン酸が含まれる。このプロセスにおいては、異なる改質レベルを達成するために、単一の酸または混合物および一範囲の異なる酸濃度を使用することができる。静的または動的条件において処理プロセスを行なうことができる。静的条件には、例えば、酸溶液中に吸着剤を浸漬することが含まれる。動的条件には、撹拌および／または回転または軌道振盪下で酸と吸着剤を混合させることが含まれる。
【００２０】
典型的には、酸に対する吸着剤の特定の質量対体積比に整合する量の酸が用いられる。このような質量対体積比は、例えば吸着剤の細孔容積、吸着剤の由来、および吸着剤の嵩密度などの因子により左右されるが、その他の因子も関連する可能性がある。適切な体積−質量（ｍｌ／ｇ）比には、活性炭の場合、例えば０．１〜１、１〜１０そして１０〜１００が含まれる。炭素単位質量との関係における細孔容積に対する酸体積の比率には、０．０１〜１、１〜１０および１０〜１００が含まれる。
【００２１】
吸着剤の表面を改質するために酸処理が使用される場合、一般にこの酸処理は、強酸を用いて基材を処理するステップを含み、多くの場合酸は、溶液の重量で強酸が少なくとも５パーセント、より典型的には溶液の重量で強酸が少なくとも１０パーセントである水溶液の形をとる。一部の実施において、酸は、溶液の重量で少なくとも３５パーセントの酸、そして任意には溶液の重量で少なくとも７０パーセントの酸を含む。一部の実施形態において、酸水溶液は、溶液の重量で５〜８５パーセントの酸を含み、その他の実施形態では酸は溶液の重量で２０〜７５パーセントの酸を含み、さらにその他の実施形態では酸は溶液の重量で３０〜６０パーセントの酸を含む。
【００２２】
処理時間も同様に、吸着剤の細孔容積、吸着剤の由来および吸着剤の嵩密度を含むさまざまな因子に基づいて変動する。処理時間は典型的には数分から最長数日まで変動する。一部の実施において、表面処理は最長１時間であり、他の実施において、表面処理は最長２４時間であり、さらにその他の実施において、表面処理は２４時間超である。
【００２３】
さまざまな実施形態において、酸処理の直後に吸収剤を使用することができる。その他の実施形態において、吸着剤は、酸の一部分を除去するため水で洗浄される。このような実施形態において、吸着剤中には１〜１０重量％、時として１〜２０重量％の酸が残留してよい。これらの実施形態の一部においては、吸着剤中に２％〜７％の酸が残留していてよい。少なくとも１つの実施形態においては、３％〜５％の酸が吸着剤中に残留する。試料のｐＨは、洗浄液中に使用する水の量によって制御することができる。さまざまな実施形態において、試料のｐＨはわずかに酸性である。少なくとも１つの実施形態において、試料のｐＨは４〜５であり、他の実施形態において、ｐＨは３．５〜６．５であり、さらにその他の実施においてｐＨは３〜７であり、一方その他の実施においてｐＨは２〜８である。一般に、酸性基の量は、炭素１グラムあたり０．１〜１０ｍｍｏｌの酸性基の範囲内である。一部の実施においては、酸性基の量は、炭素１グラムあたり１．０〜１０ｍｍｏｌの酸性基、その他の実施においては炭素１グラムあたり１．０〜５．０ｍｍｏｌの酸性基の範囲内である。
【００２４】
吸着剤の表面を改質するための酸の使用に加えて、その他の化合物を使用することができる。例えば、酸と組合せた形でかまたは別個に、表面を改質するために過酸化水素、酸素ガス、酸蒸気、過マンガン酸カリウム、重クロム酸カリウムまたはオゾンなどの酸化剤を使用することができる。典型的にはこれらの酸化剤は、吸着剤の水等温線に影響を及ぼすのに充分なレベルで添加される。大部分の実施において、等温線は、未処理の吸着剤に比べ等温線に沿った１つ以上の点において少なくとも２パーセントの吸水変化を示し、その他の実施において、５パーセントの吸水変化を示し、さらにその他の実施においてそれはそれに沿った１つ以上の点において少なくとも１０パーセントの吸水変化を示し、さらにその他の実施では、非処理の吸着剤に比べ等温線に沿った１つ以上の点において少なくとも２０パーセントの変化、一般的には３００パーセント超の変化そして一部の実施では最高３００パーセントの変化を示す。
【００２５】
吸着剤材料の表面に、異なる相対湿度でさまざまな水和能力を有する成分を含浸させることも同様に可能である。これには、例えば無水硫酸ナトリウム、クエン酸、炭酸カリウム、メリト酸および／またはそれらの混合物が含まれる。吸着剤特性は、全体的吸着能力の改善と共に、一範囲の相対湿度についてカストマイズ可能である。含浸は、吸着剤の重量で０．０１〜９９．９パーセントの間で変動し得る。しかしながら、より典型的には、含浸は、吸着剤の重量の１〜８０パーセント、より典型的には１〜５０パーセント、任意には１〜３０パーセントを構成する。一部の実施において、含浸は吸着剤の重量の１〜１０パーセントを構成する。
【００２６】
選択された異なる相対湿度範囲において湿度を制御するために異なる表面改質方法を組合わせる結果としても同様に、カスタマイズされた吸水が得られる。吸着剤材料をさまざまな材料と混合することまたはさまざまな材料を吸着剤材料の酸化済み表面に含浸することによって、一部の状況で吸着能力を改善することができ、吸着剤をカストマイズすることができる。材料例としては、無水硫酸ナトリウム、クエン酸、炭酸カリウム、メリト酸および／またはそれらの混合物が含まれる。含浸は０．０１〜９９．９重量パーセントの間で変動でき、混合比は０〜１００重量％で変動し得る。含浸は吸着剤の重量で０．０１〜９９．９パーセントで変動し得る。しかしながら、より典型的には、含浸は吸着剤の重量で１〜８０パーセント、より典型的には１〜５０パーセント、任意には１〜３０パーセントを構成する。一部の実施において、含浸は吸着剤で１〜１０パーセントを構成する。
【実施例】
【００２７】
以下の例は、本発明のさまざまな態様を実証する。露点分析器を伴うＶＴＩ熱重量分析器上で、実施例用の水等温線を測定した。試量の典型的重量は１０〜２０ｍｇの間、好ましくは１５ｍｇであった。これらの試料を、８０℃で乾燥空気（ｄｐ（露点）＜−３０Ｃ）中で加熱乾燥させた。その後、試料を、吸着および脱着の両方で５％ｒｈ（相対湿度）の段階で５〜９５％ｒｈの範囲内の湿度に付した。次の湿度段階への進行は、毎分０．００１％未満の重量変化速度あるいは最後の段階から３時間経過のいずれか先に発生した時点という平衡基準によって制御した。
【００２８】
Ｂｏｅｈｍ滴定法を用いて酸素化表面基の量を決定した。すなわち、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、重炭酸ナトリウムおよび塩酸の０．０５Ｎ溶液５０ｍｌの中に１グラムの炭素試料を入れた。バイアルを封止して２４時間撹拌し、その後各ろ液１０ｍｌをピペットで取り、溶液中に残った塩基または酸の余剰分を、使用したもとの滴定剤に応じてＨＣｌまたはＮａＯＨで滴定した。水酸化ナトリウムがカルボン酸基、フェノールおよびラクトン基を中和し；炭酸ナトリウムがカルボン酸基およびラクトン基を中和し；重炭酸ナトリウムがカルボン酸基のみを中和するという仮定の下で、さまざまなタイプの酸性サイトの量を計算した。炭素と反応した塩酸の量から表面塩基性サイトの数を計算した。
【００２９】
懸濁状態の炭素試料のｐＨは表面の酸性度およびアルカリ度についての情報を提供する。２０ｍｌの水に対して、０．４ｇの乾燥炭素粉末の試料を加え、懸濁液を一晩撹拌して平衡に達した。次に試料を濾過し、溶液のｐＨを測定した。
【００３０】
７７ＫでＡＳＡＰ２０２０（Ｍｉｃｒｏｍｅｖｉｔｉｃｓ）を用いて、窒素等温線を測定した。実験の前に、試料を３９３Ｋで加熱し、次にこの温度で１０−５ｔｏｒｒの真空下で定圧まで脱ガスした。比表面積ＳＤＦＴ、１０Åより小さい微小孔容積Ｖ＜１０Å、微小孔容積Ｖｍｉｃおよび合計細孔容積Ｖｔを計算するために、等温線を使用した。これらのパラメータは全て、密度関数理論（ＤＦＴ）を用いて計算した。
【００３１】
具体的実施例に関しては、図１は「ｃａｒｂｏｎ Ｆ」についての水吸着能力および反応速度に対する表面酸化の効果を実証する。粉末状の活性炭吸着剤８グラムを１００ｍｌの７０パーセント硝酸と混合しそれに続いて２６時間撹拌した。処理の後、酸をドレンし、炭素試料を水で２回洗浄して酸の一部分を除去した。このような処理は少なくとも部分的に吸着剤の表面を酸化し、より低い相対湿度で水吸着を増大させた。図１は、酸化処理されていない炭素である「ｃａｒｂｏｎ Ｆ」および酸化処理された炭素である「ｃａｒｂｏｎ Ｆ−Ｏ」を示す。図１から明らかであるように、活性炭Ｆ（ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ Ｆ）の硝酸処理は水等温線をより低い湿度レベルへとシフトさせており、これは酸化された表面の親和性特性がより高いものであることを表している。
【００３２】
図２は、炭素の水吸着等温線に対する粒状「ｃａｒｂｏｎ Ｃ」の硝酸処理の効果を実証している。図１で観察されたものと類似の傾向が図２内でも観察される。ビーカ内で６グラムの炭素Ｃ（ｃａｒｂｏｎ Ｃ）を８ｍｌの７０パーセント硝酸と５分間混合し、次にガラスで覆ってさらに２５分間観察した。その後、改質した吸着剤試料を２５ｍｌの蒸留水で２回洗った。その後、試料をオーブン内に入れて１１０℃で７２時間乾燥させ、次に、試験されるまで７０℃のオーブン内に試料を置いた。図２で示されているように、硝酸で処理されていなかった「ｃａｒｂｏｎ Ｃ」は、硝酸で処理された「ｃａｒｂｏｎ Ｃ−Ｏ」のものよりも低い親水性特性を実証する水吸着等温線を有していた。
【００３３】
図３は、図１に示した炭素Ｆ（ｃａｒｂｏｎ Ｆ）の表面改質がアセトンについての吸着能力に与える効果を実証している。表面処理は、アセトンについての炭素Ｆ（ｃａｒｂｏｎ Ｆ）の１０％破過時間を３４０分から約４８０分まで延長し、１０％破過濃度における能力の約４１％の増大を表わしている。実験条件は以下の通りであった：アセトン５０ｐｐｍ、流速毎分３０リットル、ＲＨ５０％および温度２５Ｃ。円筒形の充填層内の炭素寸法は深さ１インチ、直径１．５インチであった。炭素メッシュサイズは１２×２０であった。試験開始に先立ち、試料を５０％ＲＨで条件づけした。こうして、図３は、酸化した活性炭が、酸化していない活性炭に比べてより多くの有機化合物アセトンを吸着することを実証している。
【００３４】
図４は、水吸着に対する硫酸ナトリウム（５％）、クエン酸（１０％）または炭酸カリウム（５％）での活性炭含浸の効果を実証している。含浸は、主として炭酸カリウムおよびクエン酸含浸の場合に、４０〜６０％のＲＨ範囲内で水吸着を増強させた。Ｃａｒｂｏｎ Ｃ−５％ＳＳは５パーセントの硫酸ナトリウムで処理し、Ｃａｒｂｏｎ Ｃ−１０％ＣＡは１０パーセントのクエン酸で処理し、Ｃａｒｂｏｎ Ｃ−５％Ｋ２ＣＯ３は５パーセントの炭酸カリウムで処理した。
【００３５】
図５は、水吸着に対する、硫酸ナトリウム（５％）を含浸させた酸化活性炭の間の組合せの効果を実証している。７０％の酸で処理された活性炭Ｆ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆ−Ｏ）、５％の硫酸ナトリウムが含浸された活性炭（Ｃａｒｂｏｎ Ｃ−５％ＳＳ）およびこれら両方の物理的混合物が示されている。
【００３６】
物理的組合せは、混合物の水吸着が少なくとも部分的に個々の吸着剤の水等温線間にあるという点で、性能に対する平均された効果を提供した。
【００３７】
表１は活性炭の表面化学に対する硝酸処理濃度の効果を提供している。表面化学は、表面上の酸性および塩基性基の量を計算するＢｏｅｈｍ滴定法を用いて分析された。表面は、表面基の量の増加が大きいことに起因してより親水性が高くなると考えられている。全ての処理についての酸性基の量は、炭素１ｇあたり１ｍｍｏｌ超増大した。
【００３８】
【表１】
【００３９】
表２は、活性炭の多孔質構造に対する硝酸処理濃度の効果を提示している。構造的特徴は、１０〜７０％の酸処理による有意な影響を受けていない。表面積（ＳＢＥＴ）、微小孔面積（Ｓｍｉｃ）、１０Åより小さい細孔の容積（Ｖ＜１０Å）、微小孔容積（Ｖｍｉｃ）、合計細孔容積（Ｖｔ）および平均孔径（Ｌ）などの構造的特徴を、全ての活性炭についての窒素等温線から計算した。
【００４０】
【表２】
【００４１】
表３は、１０％の硝酸で処理した炭素の表面化学に対するエタノール洗浄の効果を示している。１０％の硝酸で処理した活性炭の表面化学は、エタノール洗浄によりほぼ無傷の状態にとどまり、これはいくつかの製造プロセスの下での表面化学の安定性を表わしている。
【００４２】
【表３】
【００４３】
図６は、２４時間にわたる１０％の硝酸の処理によって改質された炭素Ｃ（ｃａｒｂｏｎ Ｃ）上での３つの水吸着／脱着等温線サイクルを示す。３サイクルにわたり吸着／脱着挙動の変化は全く指摘されず、これは、改質された炭素およびその再生能力の安定性を表わしている。
【００４４】
図７は、１０％の酸処理により改質された活性炭上での水等温線サイクルを示す。図７に示されているように、処理に使用される硝酸の濃度が高くなるにつれて、水等温線全体が、特に７０％未満のＲＨで、より高い水吸着に向かってシフトした。さまざまな実験的処理において、活性炭の水吸着の最大の増強は、硝酸での処理の結果であった。
【００４５】
図８は、処理中の酸の濃度を変動させることによって変動させられた活性炭表面のｐＨに対する水吸着の依存性を示す。この図によると、６０％のＲＨでのこの水吸着は、活性炭の表面ｐＨが低下するにつれて増大する。
【００４６】
図９は、処理中の酸の濃度を変動させることによって変動させられた活性炭表面上での酸性基の量に対する水吸着の依存性を示す。この図によると、６０％未満のＲＨまたは４０％のＲＨにおけるこの水吸着は、活性炭の表面上の酸性基の量が増加するにつれて増大する。
【００４７】
図１０は、粒状炭素およびウェブ炭素の比較を示す。酸処理した粒状炭素曲線は、酸処理された炭素上の水等温線を示しており、ここには４０〜６０％のＲＨ範囲内の高い吸水が見られる。酸処理した炭素の曲線は、同じただしウェブ形態の酸洗浄した炭素についての水等温線を表わしているが、ここでウェブ重量の約２０％が炭素でないことは分っている。炭素は、ウェブプロセスでも同様にその能力の約１０％を失う。このことは、粒状酸洗浄炭素の性能に比べてウェブについて重量で３０％水が減少することを説明している。ウェブ材料は、任意には、ＰＴＦＥと粒状吸着剤材料の複合材である。この複合材は、吸着剤材料とＰＴＦＥエマルジョンを合わせて押出しすることにより形成可能である。押出された材料は次に、シートまたはタブレットとしてのその最終的形態へと機械的に整形される。
【００４８】
図１１は、異なる表面化学を有する異なる材料を使用することにより全てのＲＨ範囲で効率良く水を除去する能力を示す。これらの材料を物理的に混合することによって、図５に示されているように水除去をカスタマイズすることが可能である。
【００４９】
同様に、本明細書および添付のクレームの中で使用されている「構成された（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ）」という言いまわしは、特定の任務を実施するかまたは特定の構成をとるように構築または構成されているシステム、器具またはその他の構造を説明するということを指摘しておくべきである。「構成された」という言いまわしは、「配置された（ａｒｒａｎｇｅｄ）」、「配置され構成された」、「構築され配置された」、「構築された（ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ）」、「製造され配置された」などの他の類似の言い回しと互換的に使用可能である。
【００５０】
本明細書中の全ての出版物および特許出願は、本発明が関わる技術分野における当業者のレベルを表示するものである。全ての出版物および特許出願は、各々の個別の出版物または特許出願が具体的かつ個別的に参照により援用された場合と同一程度に、参照により本明細書に援用される。
【００５１】
上述の本発明の実施はハードドライブエンクロージャに向けられているものの、本デバイスは、その他の電子エンクロージャと共に使用されてよく、ハードドライブエンクロージャに限定されない。さらに、本発明はいくつかの特定の実施を基準にして記述されてきたが、当業者であれば本発明の精神および範囲から逸脱することなくこれに対して数多くの変更を加えてよいということを認識するものである。
【技術分野】
【０００１】
本出願は、米国以外の全ての国の指定の出願人である米国国内企業であるＤｏｎａｌｄｓｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ．Ｉｎｃ、および米国のみの指定の出願人であるレバノン国民Ｙａｈｙａ Ａ．Ｅｌｓａｙｅｄ、米国国民Ａｎｄｒｅｗ Ｊ．Ｄａｌｌａｓ、米国国民Ｊｏｎ Ｄ．Ｊｏｒｉｍａｎおよび米国国民Ｄｕｓｔｉｎ Ｚａｓｔｅｒａ名義の２００９年１１月４日付けＰＣＴ国際特許出願として提出されており、内容が参照により本明細書に援用されている２００８年１１月４日付け米国仮特許出願第６１／１１１，２０７号明細書に対する優先権を請求するものである。
【０００２】
本技術は吸着剤材料に関する。より詳細には、本技術は、カスタマイズ可能な吸着剤材料に関する。さらに一層詳細には、本技術はカスタマイズ可能な水吸着材料に関する。
【背景技術】
【０００３】
さまざまな状況において、空気中の水分量を制御する能力を可能にする条件が必要とされる。例えば、感度の高い電子部品および機器を収納するエンクロージャ内部での利用分野では、多くの場合、一貫性ある形で動作するようにそのエンクロージャ内部の水分レベルを維持し調節することが求められる。不適切な水分レベルは、部品および機器の機械的および電気的動作を妨げる可能性がある。別の例においては、閉鎖環境内の無機塩などの水溶性汚染物質化合物を除去することが望ましい可能性がある。これらの状況においては、水を除去することで、エンクロージャ内部を自由に循環している汚染物質化合物の量を削減して、湿度レベルを制御すると共に水溶性汚染物質を循環から除去することができる。
【０００４】
連通している第２の環境とは異なる相対湿度（ＲＨ）を有する第１の環境内に重要な機械が位置づけられているかまたはその中でプロセスが実施される場合には、湿度レベルを調節することが特に重要であり得る。例えば、ディスクドライブの内部は、多くの場合、そのディスクドライブエンクロージャがある外部環境の相対湿度と異なる好ましい相対湿度を有する。ディスクドライブは典型的にはそのエンクロージャの内部に、ドライブへの空気の流入および流出を可能にするブリーザ・ポートを有しており、これがドライブエンクロージャ内の湿度の変動を結果としてもたらす。外部環境は、エンクロージャ内部の所望の相対湿度より高い相対湿度を有することもあれば、エンクロージャ内部の所望の相対湿度より低い相対湿度を有することもある。同様に、一部の実施において、外部環境は、時としてエンクロージャ内部の所望の相対湿度より高いまたは時としてそれより低い相対湿度レベルの間で変動する。コンピュータディスクドライブに関しては、過度に高い湿度は感受性の高い構成部品の腐食を導く可能性があり、過度に低い湿度は、高感度電気構成部品を損傷し得る静電気を導く可能性がある。
【０００５】
したがって、湿度の制御が望ましいことの多い利用分野としては、上述の内部ハードディスクドライブ、および高感度光学表面または電子接続を伴うその他のエンクロージャ、および電子制御ボックスがある。これらは、自動車、半導体施設および加工用機器、オストミーバッグベント、補聴器、ＨＶＡＣ利用分野における受動素子、油圧機器、エンジン、エンジンベルトおよび数多くのその他の利用分野にその用途がある。
【０００６】
吸着剤は一般に、以上で列挙したものに類似するシナリオにおいて湿度レベルを制御するために利用される。しかしながら各々の利用分野は、特定の利用分野の相対湿度範囲に応じて固有の要件を有し、したがって各々の特定の相対湿度範囲内で適正に性能を発揮する吸着剤が選択されなくてはならない。同様に、吸着剤は、その他の濾過用構成部品に比べ相対的に大きい体積を占めることが多く、したがって多くの場合吸着剤の能力を増大させることが望まれる。ディスクドライブなどのさまざまな製品アセンブリがさらに小さくなり、空間が貴重になるにつれて、この事実はさらに重要性を増している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、湿度を制御するための改良型吸着剤材料に対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書中に開示されている技術は、閉鎖環境内の湿度レベルなどの湿度レベルの制御に向けられている。本明細書中に開示されている技術は同様に、開放環境内、および外部環境との空気交換が制限されている内部環境内で湿度レベルを制御するためにも使用することができる。吸着剤材料の水等温線は、吸着剤の界面化学の改質を通してカスタマイズされる。吸着剤の界面化学をさまざまな方法でさまざまな程度で改質することにより、異なる湿度レベル範囲まで吸着剤特性をカスタマイズすることが可能である。このような改質は、特に低分子量の水溶性化合物に関して、吸着剤の吸着能力および効率を増強することができる。
【０００９】
吸着剤は、本発明の数多くの実施形態において炭素、特に活性炭である。ただし、本発明の一部の実施においては、その他の吸着剤材料を使用することができる。表面改質は一般に、シリカ、ゼオライトおよび分子ふるいを含めたその他の多孔質媒体上で行なうことができる。さらに、細繊維媒体およびナノ繊維ウェブ媒体を改質することができ、あるいは改質された吸着剤を媒体内に取込むことができる。メルトブローン繊維、エレクトロスピニング、および押出ＰＴＦＥ媒体は全て使用してよい。
【００１０】
本明細書中で使用する表面改質には、他のアプローチのなかでも、化学ボンディングまたは含浸を通して吸着剤の表面上に化学基を導入するための化学処理が含まれる。このような化学基は、その親水性、ルイス／ブレンステッド酸−塩基特性および水和能力（生産量および反応速度）により識別可能である。エンクロージャの湿度を制御する上で使用するのに適した吸着炭素材料としては、例えば酸処理による改質表面を有する炭素材料がある。
【００１１】
吸着剤の表面を改質するために酸処理が使用される場合、一般にこの酸処理は、強酸、多くの場合酸が少なくとも５重量パーセントである酸水溶液、より典型的には強酸が少なくとも１０重量パーセントである酸水溶液を用いて吸着剤材料または基材を処理するステップを含む。一部の実施において、酸処理は、酸が少なくとも３５パーセントである酸溶液そして任意には酸が少なくとも７０パーセントである溶液の中での基材の処理を含む。一部の実施形態において、酸溶液は、５〜８５パーセントの酸を含み、その他の実施形態では、酸溶液は２０〜７５パーセントの酸を含み、さらにその他の実施形態では、酸溶液は３０〜６０パーセントの酸を含む。８５パーセント超の酸を、典型的には酸煙または蒸気を用いて添加することさえ可能である。
【００１２】
一部の実施において、酸水溶液は、硝酸、任意には少なくとも５パーセントの硝酸、より典型的には少なくとも１０パーセントの硝酸を含む。一部の実施において、酸溶液は少なくとも３５パーセントの硝酸、そして任意には少なくとも７０パーセントの硝酸を含む。一部の実施形態において、酸溶液は５〜８５パーセントの硝酸を含み、その他の実施形態において、酸処理は２０〜７５パーセントの硝酸を含み、さらにその他の実施形態において、酸溶液は３０〜６０パーセントの硝酸を含む。
【００１３】
一部の実施では、吸着剤に２つ以上の表面改質剤が添加されるか、あるいは異なる表面改質を伴う２つ以上の吸着剤が組合わされる。例えば、異なる表面化学および改質を伴う粒状吸着剤、ポリマー、および／または繊維を物理的に混合することができる。
【００１４】
以上の本発明の概要は、論述された本発明の各実施形態を説明することを意図したものではない。これは、図面ならびに以下の詳細な説明の目的である。
【００１５】
本発明は、図面中に反映された付随する実施例と関連して本発明のさまざまな実施形態についての以下の詳細な説明を考慮することで、より完全に理解し認識されるかもしれない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】炭素材料の水吸着／脱着等温線に対する酸化の効果を示すグラフである。
【図２】硝酸で処理された炭素材料の水吸着等温線に対する酸化の効果を示すグラフである。
【図３】７０％の硝酸処理の前後の活性炭についてのアセトン破過曲線を示すグラフである。
【図４】１０％のクエン酸、５％の炭酸カリウムまたは５％の硫酸ナトリウムのいずれかが含浸された活性炭の水等温線に対する含浸の効果を示すグラフである。
【図５】７０％の酸で処理された活性炭、５％の硫酸ナトリウムが含浸された活性炭およびその両方の物理的混合物上での水等温線を示すグラフである。
【図６】１０％の酸処理により改質された活性炭上での水等温線サイクルを示すグラフである。
【図７】異なる濃度の硝酸での処理により改質された活性炭上での水等温線を示すグラフである。
【図８】炭素表面のｐＨに対する水吸着の依存性を示すグラフである。
【図９】炭素表面上の酸性基の量に対する水吸着の依存性を示すグラフである。
【図１０】粒状炭素およびウェブ炭素の水吸着を比較するグラフである。
【図１１】一範囲のＲＨを網羅するさまざまな媒体上での水等温線を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明はさまざまな修正および変形形態の対象となり得るが、その明細は実施例および図面によって示されており、以下で詳述される。ただし、本発明は記載されている特定の実施形態に限定されるものではないということを理解すべきである。反対に、意図されているのは、本発明の精神および範囲内に入る修正、等価物および変形形態を網羅することである。
【００１８】
本明細書中で開示されている技術は、閉鎖環境内の湿度レベルなどの湿度レベルの制御に向けられている。吸着剤材料の水等温線は、吸着剤の界面化学の改質を通してカスタマイズされる。このような改質は、特に低分子量の水溶性化合物に関して、吸着剤の吸着能力および効率を増強することができる。吸着剤の界面化学をさまざまな方法でさまざまな程度で改質することにより、異なる湿度レベル範囲まで吸着剤特性をカスタマイズすることが可能である。
【００１９】
表面改質には、他のアプローチのなかでも、化学ボンディングまたは含浸を通して吸着剤の表面内に化学基を導入するための化学処理が含まれる。吸着剤の親水性および表面化学の変更は、酸処理を通して達成可能である。このプロセスにおいては、例えば硝酸、リン酸および硫酸などのいくつかの酸を使用することができる。追加の酸としては例えば、クエン酸およびマロン酸が含まれる。このプロセスにおいては、異なる改質レベルを達成するために、単一の酸または混合物および一範囲の異なる酸濃度を使用することができる。静的または動的条件において処理プロセスを行なうことができる。静的条件には、例えば、酸溶液中に吸着剤を浸漬することが含まれる。動的条件には、撹拌および／または回転または軌道振盪下で酸と吸着剤を混合させることが含まれる。
【００２０】
典型的には、酸に対する吸着剤の特定の質量対体積比に整合する量の酸が用いられる。このような質量対体積比は、例えば吸着剤の細孔容積、吸着剤の由来、および吸着剤の嵩密度などの因子により左右されるが、その他の因子も関連する可能性がある。適切な体積−質量（ｍｌ／ｇ）比には、活性炭の場合、例えば０．１〜１、１〜１０そして１０〜１００が含まれる。炭素単位質量との関係における細孔容積に対する酸体積の比率には、０．０１〜１、１〜１０および１０〜１００が含まれる。
【００２１】
吸着剤の表面を改質するために酸処理が使用される場合、一般にこの酸処理は、強酸を用いて基材を処理するステップを含み、多くの場合酸は、溶液の重量で強酸が少なくとも５パーセント、より典型的には溶液の重量で強酸が少なくとも１０パーセントである水溶液の形をとる。一部の実施において、酸は、溶液の重量で少なくとも３５パーセントの酸、そして任意には溶液の重量で少なくとも７０パーセントの酸を含む。一部の実施形態において、酸水溶液は、溶液の重量で５〜８５パーセントの酸を含み、その他の実施形態では酸は溶液の重量で２０〜７５パーセントの酸を含み、さらにその他の実施形態では酸は溶液の重量で３０〜６０パーセントの酸を含む。
【００２２】
処理時間も同様に、吸着剤の細孔容積、吸着剤の由来および吸着剤の嵩密度を含むさまざまな因子に基づいて変動する。処理時間は典型的には数分から最長数日まで変動する。一部の実施において、表面処理は最長１時間であり、他の実施において、表面処理は最長２４時間であり、さらにその他の実施において、表面処理は２４時間超である。
【００２３】
さまざまな実施形態において、酸処理の直後に吸収剤を使用することができる。その他の実施形態において、吸着剤は、酸の一部分を除去するため水で洗浄される。このような実施形態において、吸着剤中には１〜１０重量％、時として１〜２０重量％の酸が残留してよい。これらの実施形態の一部においては、吸着剤中に２％〜７％の酸が残留していてよい。少なくとも１つの実施形態においては、３％〜５％の酸が吸着剤中に残留する。試料のｐＨは、洗浄液中に使用する水の量によって制御することができる。さまざまな実施形態において、試料のｐＨはわずかに酸性である。少なくとも１つの実施形態において、試料のｐＨは４〜５であり、他の実施形態において、ｐＨは３．５〜６．５であり、さらにその他の実施においてｐＨは３〜７であり、一方その他の実施においてｐＨは２〜８である。一般に、酸性基の量は、炭素１グラムあたり０．１〜１０ｍｍｏｌの酸性基の範囲内である。一部の実施においては、酸性基の量は、炭素１グラムあたり１．０〜１０ｍｍｏｌの酸性基、その他の実施においては炭素１グラムあたり１．０〜５．０ｍｍｏｌの酸性基の範囲内である。
【００２４】
吸着剤の表面を改質するための酸の使用に加えて、その他の化合物を使用することができる。例えば、酸と組合せた形でかまたは別個に、表面を改質するために過酸化水素、酸素ガス、酸蒸気、過マンガン酸カリウム、重クロム酸カリウムまたはオゾンなどの酸化剤を使用することができる。典型的にはこれらの酸化剤は、吸着剤の水等温線に影響を及ぼすのに充分なレベルで添加される。大部分の実施において、等温線は、未処理の吸着剤に比べ等温線に沿った１つ以上の点において少なくとも２パーセントの吸水変化を示し、その他の実施において、５パーセントの吸水変化を示し、さらにその他の実施においてそれはそれに沿った１つ以上の点において少なくとも１０パーセントの吸水変化を示し、さらにその他の実施では、非処理の吸着剤に比べ等温線に沿った１つ以上の点において少なくとも２０パーセントの変化、一般的には３００パーセント超の変化そして一部の実施では最高３００パーセントの変化を示す。
【００２５】
吸着剤材料の表面に、異なる相対湿度でさまざまな水和能力を有する成分を含浸させることも同様に可能である。これには、例えば無水硫酸ナトリウム、クエン酸、炭酸カリウム、メリト酸および／またはそれらの混合物が含まれる。吸着剤特性は、全体的吸着能力の改善と共に、一範囲の相対湿度についてカストマイズ可能である。含浸は、吸着剤の重量で０．０１〜９９．９パーセントの間で変動し得る。しかしながら、より典型的には、含浸は、吸着剤の重量の１〜８０パーセント、より典型的には１〜５０パーセント、任意には１〜３０パーセントを構成する。一部の実施において、含浸は吸着剤の重量の１〜１０パーセントを構成する。
【００２６】
選択された異なる相対湿度範囲において湿度を制御するために異なる表面改質方法を組合わせる結果としても同様に、カスタマイズされた吸水が得られる。吸着剤材料をさまざまな材料と混合することまたはさまざまな材料を吸着剤材料の酸化済み表面に含浸することによって、一部の状況で吸着能力を改善することができ、吸着剤をカストマイズすることができる。材料例としては、無水硫酸ナトリウム、クエン酸、炭酸カリウム、メリト酸および／またはそれらの混合物が含まれる。含浸は０．０１〜９９．９重量パーセントの間で変動でき、混合比は０〜１００重量％で変動し得る。含浸は吸着剤の重量で０．０１〜９９．９パーセントで変動し得る。しかしながら、より典型的には、含浸は吸着剤の重量で１〜８０パーセント、より典型的には１〜５０パーセント、任意には１〜３０パーセントを構成する。一部の実施において、含浸は吸着剤で１〜１０パーセントを構成する。
【実施例】
【００２７】
以下の例は、本発明のさまざまな態様を実証する。露点分析器を伴うＶＴＩ熱重量分析器上で、実施例用の水等温線を測定した。試量の典型的重量は１０〜２０ｍｇの間、好ましくは１５ｍｇであった。これらの試料を、８０℃で乾燥空気（ｄｐ（露点）＜−３０Ｃ）中で加熱乾燥させた。その後、試料を、吸着および脱着の両方で５％ｒｈ（相対湿度）の段階で５〜９５％ｒｈの範囲内の湿度に付した。次の湿度段階への進行は、毎分０．００１％未満の重量変化速度あるいは最後の段階から３時間経過のいずれか先に発生した時点という平衡基準によって制御した。
【００２８】
Ｂｏｅｈｍ滴定法を用いて酸素化表面基の量を決定した。すなわち、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、重炭酸ナトリウムおよび塩酸の０．０５Ｎ溶液５０ｍｌの中に１グラムの炭素試料を入れた。バイアルを封止して２４時間撹拌し、その後各ろ液１０ｍｌをピペットで取り、溶液中に残った塩基または酸の余剰分を、使用したもとの滴定剤に応じてＨＣｌまたはＮａＯＨで滴定した。水酸化ナトリウムがカルボン酸基、フェノールおよびラクトン基を中和し；炭酸ナトリウムがカルボン酸基およびラクトン基を中和し；重炭酸ナトリウムがカルボン酸基のみを中和するという仮定の下で、さまざまなタイプの酸性サイトの量を計算した。炭素と反応した塩酸の量から表面塩基性サイトの数を計算した。
【００２９】
懸濁状態の炭素試料のｐＨは表面の酸性度およびアルカリ度についての情報を提供する。２０ｍｌの水に対して、０．４ｇの乾燥炭素粉末の試料を加え、懸濁液を一晩撹拌して平衡に達した。次に試料を濾過し、溶液のｐＨを測定した。
【００３０】
７７ＫでＡＳＡＰ２０２０（Ｍｉｃｒｏｍｅｖｉｔｉｃｓ）を用いて、窒素等温線を測定した。実験の前に、試料を３９３Ｋで加熱し、次にこの温度で１０−５ｔｏｒｒの真空下で定圧まで脱ガスした。比表面積ＳＤＦＴ、１０Åより小さい微小孔容積Ｖ＜１０Å、微小孔容積Ｖｍｉｃおよび合計細孔容積Ｖｔを計算するために、等温線を使用した。これらのパラメータは全て、密度関数理論（ＤＦＴ）を用いて計算した。
【００３１】
具体的実施例に関しては、図１は「ｃａｒｂｏｎ Ｆ」についての水吸着能力および反応速度に対する表面酸化の効果を実証する。粉末状の活性炭吸着剤８グラムを１００ｍｌの７０パーセント硝酸と混合しそれに続いて２６時間撹拌した。処理の後、酸をドレンし、炭素試料を水で２回洗浄して酸の一部分を除去した。このような処理は少なくとも部分的に吸着剤の表面を酸化し、より低い相対湿度で水吸着を増大させた。図１は、酸化処理されていない炭素である「ｃａｒｂｏｎ Ｆ」および酸化処理された炭素である「ｃａｒｂｏｎ Ｆ−Ｏ」を示す。図１から明らかであるように、活性炭Ｆ（ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ Ｆ）の硝酸処理は水等温線をより低い湿度レベルへとシフトさせており、これは酸化された表面の親和性特性がより高いものであることを表している。
【００３２】
図２は、炭素の水吸着等温線に対する粒状「ｃａｒｂｏｎ Ｃ」の硝酸処理の効果を実証している。図１で観察されたものと類似の傾向が図２内でも観察される。ビーカ内で６グラムの炭素Ｃ（ｃａｒｂｏｎ Ｃ）を８ｍｌの７０パーセント硝酸と５分間混合し、次にガラスで覆ってさらに２５分間観察した。その後、改質した吸着剤試料を２５ｍｌの蒸留水で２回洗った。その後、試料をオーブン内に入れて１１０℃で７２時間乾燥させ、次に、試験されるまで７０℃のオーブン内に試料を置いた。図２で示されているように、硝酸で処理されていなかった「ｃａｒｂｏｎ Ｃ」は、硝酸で処理された「ｃａｒｂｏｎ Ｃ−Ｏ」のものよりも低い親水性特性を実証する水吸着等温線を有していた。
【００３３】
図３は、図１に示した炭素Ｆ（ｃａｒｂｏｎ Ｆ）の表面改質がアセトンについての吸着能力に与える効果を実証している。表面処理は、アセトンについての炭素Ｆ（ｃａｒｂｏｎ Ｆ）の１０％破過時間を３４０分から約４８０分まで延長し、１０％破過濃度における能力の約４１％の増大を表わしている。実験条件は以下の通りであった：アセトン５０ｐｐｍ、流速毎分３０リットル、ＲＨ５０％および温度２５Ｃ。円筒形の充填層内の炭素寸法は深さ１インチ、直径１．５インチであった。炭素メッシュサイズは１２×２０であった。試験開始に先立ち、試料を５０％ＲＨで条件づけした。こうして、図３は、酸化した活性炭が、酸化していない活性炭に比べてより多くの有機化合物アセトンを吸着することを実証している。
【００３４】
図４は、水吸着に対する硫酸ナトリウム（５％）、クエン酸（１０％）または炭酸カリウム（５％）での活性炭含浸の効果を実証している。含浸は、主として炭酸カリウムおよびクエン酸含浸の場合に、４０〜６０％のＲＨ範囲内で水吸着を増強させた。Ｃａｒｂｏｎ Ｃ−５％ＳＳは５パーセントの硫酸ナトリウムで処理し、Ｃａｒｂｏｎ Ｃ−１０％ＣＡは１０パーセントのクエン酸で処理し、Ｃａｒｂｏｎ Ｃ−５％Ｋ２ＣＯ３は５パーセントの炭酸カリウムで処理した。
【００３５】
図５は、水吸着に対する、硫酸ナトリウム（５％）を含浸させた酸化活性炭の間の組合せの効果を実証している。７０％の酸で処理された活性炭Ｆ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆ−Ｏ）、５％の硫酸ナトリウムが含浸された活性炭（Ｃａｒｂｏｎ Ｃ−５％ＳＳ）およびこれら両方の物理的混合物が示されている。
【００３６】
物理的組合せは、混合物の水吸着が少なくとも部分的に個々の吸着剤の水等温線間にあるという点で、性能に対する平均された効果を提供した。
【００３７】
表１は活性炭の表面化学に対する硝酸処理濃度の効果を提供している。表面化学は、表面上の酸性および塩基性基の量を計算するＢｏｅｈｍ滴定法を用いて分析された。表面は、表面基の量の増加が大きいことに起因してより親水性が高くなると考えられている。全ての処理についての酸性基の量は、炭素１ｇあたり１ｍｍｏｌ超増大した。
【００３８】
【表１】
【００３９】
表２は、活性炭の多孔質構造に対する硝酸処理濃度の効果を提示している。構造的特徴は、１０〜７０％の酸処理による有意な影響を受けていない。表面積（ＳＢＥＴ）、微小孔面積（Ｓｍｉｃ）、１０Åより小さい細孔の容積（Ｖ＜１０Å）、微小孔容積（Ｖｍｉｃ）、合計細孔容積（Ｖｔ）および平均孔径（Ｌ）などの構造的特徴を、全ての活性炭についての窒素等温線から計算した。
【００４０】
【表２】
【００４１】
表３は、１０％の硝酸で処理した炭素の表面化学に対するエタノール洗浄の効果を示している。１０％の硝酸で処理した活性炭の表面化学は、エタノール洗浄によりほぼ無傷の状態にとどまり、これはいくつかの製造プロセスの下での表面化学の安定性を表わしている。
【００４２】
【表３】
【００４３】
図６は、２４時間にわたる１０％の硝酸の処理によって改質された炭素Ｃ（ｃａｒｂｏｎ Ｃ）上での３つの水吸着／脱着等温線サイクルを示す。３サイクルにわたり吸着／脱着挙動の変化は全く指摘されず、これは、改質された炭素およびその再生能力の安定性を表わしている。
【００４４】
図７は、１０％の酸処理により改質された活性炭上での水等温線サイクルを示す。図７に示されているように、処理に使用される硝酸の濃度が高くなるにつれて、水等温線全体が、特に７０％未満のＲＨで、より高い水吸着に向かってシフトした。さまざまな実験的処理において、活性炭の水吸着の最大の増強は、硝酸での処理の結果であった。
【００４５】
図８は、処理中の酸の濃度を変動させることによって変動させられた活性炭表面のｐＨに対する水吸着の依存性を示す。この図によると、６０％のＲＨでのこの水吸着は、活性炭の表面ｐＨが低下するにつれて増大する。
【００４６】
図９は、処理中の酸の濃度を変動させることによって変動させられた活性炭表面上での酸性基の量に対する水吸着の依存性を示す。この図によると、６０％未満のＲＨまたは４０％のＲＨにおけるこの水吸着は、活性炭の表面上の酸性基の量が増加するにつれて増大する。
【００４７】
図１０は、粒状炭素およびウェブ炭素の比較を示す。酸処理した粒状炭素曲線は、酸処理された炭素上の水等温線を示しており、ここには４０〜６０％のＲＨ範囲内の高い吸水が見られる。酸処理した炭素の曲線は、同じただしウェブ形態の酸洗浄した炭素についての水等温線を表わしているが、ここでウェブ重量の約２０％が炭素でないことは分っている。炭素は、ウェブプロセスでも同様にその能力の約１０％を失う。このことは、粒状酸洗浄炭素の性能に比べてウェブについて重量で３０％水が減少することを説明している。ウェブ材料は、任意には、ＰＴＦＥと粒状吸着剤材料の複合材である。この複合材は、吸着剤材料とＰＴＦＥエマルジョンを合わせて押出しすることにより形成可能である。押出された材料は次に、シートまたはタブレットとしてのその最終的形態へと機械的に整形される。
【００４８】
図１１は、異なる表面化学を有する異なる材料を使用することにより全てのＲＨ範囲で効率良く水を除去する能力を示す。これらの材料を物理的に混合することによって、図５に示されているように水除去をカスタマイズすることが可能である。
【００４９】
同様に、本明細書および添付のクレームの中で使用されている「構成された（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄ）」という言いまわしは、特定の任務を実施するかまたは特定の構成をとるように構築または構成されているシステム、器具またはその他の構造を説明するということを指摘しておくべきである。「構成された」という言いまわしは、「配置された（ａｒｒａｎｇｅｄ）」、「配置され構成された」、「構築され配置された」、「構築された（ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ）」、「製造され配置された」などの他の類似の言い回しと互換的に使用可能である。
【００５０】
本明細書中の全ての出版物および特許出願は、本発明が関わる技術分野における当業者のレベルを表示するものである。全ての出版物および特許出願は、各々の個別の出版物または特許出願が具体的かつ個別的に参照により援用された場合と同一程度に、参照により本明細書に援用される。
【００５１】
上述の本発明の実施はハードドライブエンクロージャに向けられているものの、本デバイスは、その他の電子エンクロージャと共に使用されてよく、ハードドライブエンクロージャに限定されない。さらに、本発明はいくつかの特定の実施を基準にして記述されてきたが、当業者であれば本発明の精神および範囲から逸脱することなくこれに対して数多くの変更を加えてよいということを認識するものである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
湿度を制御する上で使用するのに適した改質吸着剤材料において、
− 吸着剤と、
− 前記吸着材料の少なくとも一表面上の酸化処理であって、前記吸着剤に対し改質された吸水特性を提供する酸化処理と、
を含む改質吸着材材料。
【請求項２】
前記吸着剤が活性炭を含む、請求項１に記載の改質吸着剤材料。
【請求項３】
前記吸着剤が炭素、シリカ、分子ふるい、ゼオライト、およびこれらの組合せを含む群から選択される、請求項１に記載の改質吸着剤材料。
【請求項４】
前記酸化処理が酸処理を含む、請求項１に記載の改質吸着剤材料。
【請求項５】
吸着剤が３〜７のｐＨ範囲を有する、請求項４に記載の改質吸着剤材料。
【請求項６】
酸性基の量が吸着剤１グラムあたり酸性基１．０〜１０ｍｍｏｌの範囲内にある、請求項４に記載の改質吸着剤材料。
【請求項７】
前記酸化処理が分子酸素、オゾンまたはそれらの組合せを用いた処理を含む、請求項１に記載の改質吸着剤材料。
【請求項８】
前記酸化処理が過酸化水素、過マンガン酸カリウム、重クロム酸カリウムおよびそれらの組合せを用いた吸着剤の処理を含む、請求項１に記載の改質吸着剤材料。
【請求項９】
前記酸処理が、硝酸溶液を用いた処理を含む、請求項４に記載の吸着炭素材料。
【請求項１０】
前記硝酸が、少なくとも５パーセントの硝酸を含む濃度で炭素材料に塗布される、請求項９に記載の吸着炭素材料。
【請求項１１】
前記硝酸が、少なくとも５〜８５パーセントの硝酸を含む濃度で炭素材料に塗布される、請求項１１に記載の吸着炭素材料。
【請求項１２】
前記硝酸が、少なくとも２０〜７５パーセントの硝酸を含む濃度で炭素材料に塗布される、請求項７に記載の吸着炭素材料。
【請求項１３】
前記硝酸が、少なくとも３０〜６０パーセントの硝酸を含む濃度で炭素材料に塗布される、請求項７に記載の吸着炭素材料。
【請求項１４】
前記吸着剤が、異なる表面処理を伴う２つ以上の吸着剤材料の混合物を含む、請求項７に記載の吸着炭素材料。
【請求項１５】
湿度を制御する上で使用するのに適した吸着剤材料において、前記炭素材料が、水吸着を制御するための非酸化プロセスを介して改質された表面を有する、吸着剤材料。
【請求項１６】
前記表面改質が、アルカリ金属酸化物、アルカリ金属硫酸塩、クエン酸、アルカリ金属炭酸塩、アルカリ金属重炭酸塩、マロン酸、アクリル酸、メリト酸、ポリアクリル酸、ポリアクリレート塩および／またはそれらの混合物を含む群から選択される表面改質剤を用いた処理を含む、請求項１５に記載の吸着剤材料。
【請求項１７】
前記吸着剤が、活性炭、ゼオライト、シリカおよびそれらの組合せを含む群から選択される、請求項１５に記載の吸着剤材料。
【請求項１８】
前記処理が少なくとも２パーセントの表面改質剤を含む、請求項１５に記載の吸着炭素材料。
【請求項１９】
前記処理が少なくとも３５パーセントの表面改質剤を含む、請求項１５に記載の吸着炭素材料。
【請求項２０】
前記処理が少なくとも７０パーセントの表面改質剤を含む、請求項１５に記載の吸着炭素材料。
【請求項２１】
前記処理が２〜８５重量パーセントの表面改質剤を含む、請求項１５に記載の吸着炭素材料。
【請求項２２】
前記処理が２０〜７５パーセントの表面改質剤を含む、請求項１５に記載の吸着炭素材料。
【請求項２３】
前記処理が３０〜６０パーセントの表面改質剤を含む、請求項１５に記載の吸着炭素材料。
【請求項２４】
前記吸着剤が異なる表面処理を伴う２つ以上の吸着剤材料の混合物を含む、請求項１５に記載の吸着炭素材料。
【請求項２５】
湿度を制御する上で使用するのに適した材料において、
− 吸着剤に対し改質された吸水特性を提供する第１の処理を、少なくともその表面に受けた第１の吸着剤材料と、
− 第２の吸着剤に対し改質された吸水特性を提供する第２の処理を、少なくとも前記第１の吸着剤材料の表面に受けた第２の吸着剤材料と、
を含む材料。
【請求項２６】
前記第１および第２の吸着剤材料が層状配置で配置される、請求項２５に記載の改質吸着剤材料。
【請求項２７】
前記第１および第２の吸着剤材料が混合配置にある、請求項２５に記載の改質吸着剤材料。
【請求項２８】
少なくとも前記第１および第２の吸着剤が活性炭を含む、請求項２５に記載の改質吸着剤材料。
【請求項２９】
少なくとも前記第１または第２の吸着剤が、炭素、シリカ、分子ふるい、ゼオライトおよびそれらの組合せを含む群から選択される、請求項２５に記載の改質吸着剤材料。
【請求項３０】
少なくとも１つの処理が酸処理を含む、請求項２５に記載の改質吸着剤材料。
【請求項３１】
少なくとも１つの処理が分子酸素、オゾンまたはそれらの組合せを用いた処理を含む、請求項２５に記載の改質吸着剤材料。
【請求項３２】
少なくとも１つの処理が過酸化水素、過マンガン酸カリウム、重クロム酸カリウムおよびそれらの組合せを用いた吸着剤の処理を含む、請求項２５に記載の改質吸着剤材料。
【請求項３３】
前記吸着剤材料がウェブを含む、請求項２５に記載の改質吸着剤材料。
【請求項３４】
前記ウェブが、メルトブローン繊維、エレクトロスパン繊維、押出ＰＴＦＥまたはそれらの組合せから形成される、請求項２５に記載の改質吸着剤材料。
【請求項３５】
水溶性有機化合物を除去する上で使用するのに適した改質吸着剤材料において、
− 吸着剤と、
− 前記吸着材料の少なくとも一表面上の処理であって、有機化合物のための改質された吸収特性を提供する処理と、
を含む改質吸着材材料。
【請求項３６】
前記吸着剤が活性炭を含む、請求項３５に記載の改質吸着剤材料。
【請求項３７】
前記吸着剤が炭素、シリカ、分子ふるい、ゼオライト、およびこれらの組合せを含む群から選択される、請求項３５に記載の改質吸着剤材料。
【請求項３８】
前記酸化処理が酸処理を含む、請求項３５に記載の改質吸着剤材料。
【請求項３９】
吸着剤が３〜７のｐＨ範囲を有する、請求項３５に記載の改質吸着剤材料。
【請求項１】
湿度を制御する上で使用するのに適した改質吸着剤材料において、
− 吸着剤と、
− 前記吸着材料の少なくとも一表面上の酸化処理であって、前記吸着剤に対し改質された吸水特性を提供する酸化処理と、
を含む改質吸着材材料。
【請求項２】
前記吸着剤が活性炭を含む、請求項１に記載の改質吸着剤材料。
【請求項３】
前記吸着剤が炭素、シリカ、分子ふるい、ゼオライト、およびこれらの組合せを含む群から選択される、請求項１に記載の改質吸着剤材料。
【請求項４】
前記酸化処理が酸処理を含む、請求項１に記載の改質吸着剤材料。
【請求項５】
吸着剤が３〜７のｐＨ範囲を有する、請求項４に記載の改質吸着剤材料。
【請求項６】
酸性基の量が吸着剤１グラムあたり酸性基１．０〜１０ｍｍｏｌの範囲内にある、請求項４に記載の改質吸着剤材料。
【請求項７】
前記酸化処理が分子酸素、オゾンまたはそれらの組合せを用いた処理を含む、請求項１に記載の改質吸着剤材料。
【請求項８】
前記酸化処理が過酸化水素、過マンガン酸カリウム、重クロム酸カリウムおよびそれらの組合せを用いた吸着剤の処理を含む、請求項１に記載の改質吸着剤材料。
【請求項９】
前記酸処理が、硝酸溶液を用いた処理を含む、請求項４に記載の吸着炭素材料。
【請求項１０】
前記硝酸が、少なくとも５パーセントの硝酸を含む濃度で炭素材料に塗布される、請求項９に記載の吸着炭素材料。
【請求項１１】
前記硝酸が、少なくとも５〜８５パーセントの硝酸を含む濃度で炭素材料に塗布される、請求項１１に記載の吸着炭素材料。
【請求項１２】
前記硝酸が、少なくとも２０〜７５パーセントの硝酸を含む濃度で炭素材料に塗布される、請求項７に記載の吸着炭素材料。
【請求項１３】
前記硝酸が、少なくとも３０〜６０パーセントの硝酸を含む濃度で炭素材料に塗布される、請求項７に記載の吸着炭素材料。
【請求項１４】
前記吸着剤が、異なる表面処理を伴う２つ以上の吸着剤材料の混合物を含む、請求項７に記載の吸着炭素材料。
【請求項１５】
湿度を制御する上で使用するのに適した吸着剤材料において、前記炭素材料が、水吸着を制御するための非酸化プロセスを介して改質された表面を有する、吸着剤材料。
【請求項１６】
前記表面改質が、アルカリ金属酸化物、アルカリ金属硫酸塩、クエン酸、アルカリ金属炭酸塩、アルカリ金属重炭酸塩、マロン酸、アクリル酸、メリト酸、ポリアクリル酸、ポリアクリレート塩および／またはそれらの混合物を含む群から選択される表面改質剤を用いた処理を含む、請求項１５に記載の吸着剤材料。
【請求項１７】
前記吸着剤が、活性炭、ゼオライト、シリカおよびそれらの組合せを含む群から選択される、請求項１５に記載の吸着剤材料。
【請求項１８】
前記処理が少なくとも２パーセントの表面改質剤を含む、請求項１５に記載の吸着炭素材料。
【請求項１９】
前記処理が少なくとも３５パーセントの表面改質剤を含む、請求項１５に記載の吸着炭素材料。
【請求項２０】
前記処理が少なくとも７０パーセントの表面改質剤を含む、請求項１５に記載の吸着炭素材料。
【請求項２１】
前記処理が２〜８５重量パーセントの表面改質剤を含む、請求項１５に記載の吸着炭素材料。
【請求項２２】
前記処理が２０〜７５パーセントの表面改質剤を含む、請求項１５に記載の吸着炭素材料。
【請求項２３】
前記処理が３０〜６０パーセントの表面改質剤を含む、請求項１５に記載の吸着炭素材料。
【請求項２４】
前記吸着剤が異なる表面処理を伴う２つ以上の吸着剤材料の混合物を含む、請求項１５に記載の吸着炭素材料。
【請求項２５】
湿度を制御する上で使用するのに適した材料において、
− 吸着剤に対し改質された吸水特性を提供する第１の処理を、少なくともその表面に受けた第１の吸着剤材料と、
− 第２の吸着剤に対し改質された吸水特性を提供する第２の処理を、少なくとも前記第１の吸着剤材料の表面に受けた第２の吸着剤材料と、
を含む材料。
【請求項２６】
前記第１および第２の吸着剤材料が層状配置で配置される、請求項２５に記載の改質吸着剤材料。
【請求項２７】
前記第１および第２の吸着剤材料が混合配置にある、請求項２５に記載の改質吸着剤材料。
【請求項２８】
少なくとも前記第１および第２の吸着剤が活性炭を含む、請求項２５に記載の改質吸着剤材料。
【請求項２９】
少なくとも前記第１または第２の吸着剤が、炭素、シリカ、分子ふるい、ゼオライトおよびそれらの組合せを含む群から選択される、請求項２５に記載の改質吸着剤材料。
【請求項３０】
少なくとも１つの処理が酸処理を含む、請求項２５に記載の改質吸着剤材料。
【請求項３１】
少なくとも１つの処理が分子酸素、オゾンまたはそれらの組合せを用いた処理を含む、請求項２５に記載の改質吸着剤材料。
【請求項３２】
少なくとも１つの処理が過酸化水素、過マンガン酸カリウム、重クロム酸カリウムおよびそれらの組合せを用いた吸着剤の処理を含む、請求項２５に記載の改質吸着剤材料。
【請求項３３】
前記吸着剤材料がウェブを含む、請求項２５に記載の改質吸着剤材料。
【請求項３４】
前記ウェブが、メルトブローン繊維、エレクトロスパン繊維、押出ＰＴＦＥまたはそれらの組合せから形成される、請求項２５に記載の改質吸着剤材料。
【請求項３５】
水溶性有機化合物を除去する上で使用するのに適した改質吸着剤材料において、
− 吸着剤と、
− 前記吸着材料の少なくとも一表面上の処理であって、有機化合物のための改質された吸収特性を提供する処理と、
を含む改質吸着材材料。
【請求項３６】
前記吸着剤が活性炭を含む、請求項３５に記載の改質吸着剤材料。
【請求項３７】
前記吸着剤が炭素、シリカ、分子ふるい、ゼオライト、およびこれらの組合せを含む群から選択される、請求項３５に記載の改質吸着剤材料。
【請求項３８】
前記酸化処理が酸処理を含む、請求項３５に記載の改質吸着剤材料。
【請求項３９】
吸着剤が３〜７のｐＨ範囲を有する、請求項３５に記載の改質吸着剤材料。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公表番号】特表２０１２−５０８０９４（Ｐ２０１２−５０８０９４Ａ）
【公表日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５３４８９７（Ｐ２０１１−５３４８９７）
【出願日】平成２１年１１月４日（２００９．１１．４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０６３２３２
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０５３９５９
【国際公開日】平成２２年５月１４日（２０１０．５．１４）
【出願人】（５９１１６３２１４）ドナルドソン カンパニー，インコーポレイティド (96)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月４日（２００９．１１．４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０６３２３２
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０５３９５９
【国際公開日】平成２２年５月１４日（２０１０．５．１４）
【出願人】（５９１１６３２１４）ドナルドソン カンパニー，インコーポレイティド (96)
【Ｆターム（参考）】
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