多層繊維構造体およびそれからなるフィルター
【課題】高捕集効率および低圧力損失といった特性を有し、超極細繊維の破損を抑制し、耐熱性にも優れ高温で使用した後もかかる特性が低下しない多層繊維構造体およびそれからなるフィルターを提供する。
【解決手段】下層、中間層、上層の少なくとも３層以上の繊維構造体からなる多層繊維構造体であって、中間層が直径１０〜５００ｎｍの超極細繊維からなる繊維構造体、上層および下層が直径１〜１００μｍの繊維からなる繊維構造体であり、中間層が、熱分解温度が３００℃以上または融点もしくは軟化点が２００℃以上の繊維径１０〜５００ｎｍの超極細繊維からなり、上層および／または下層が、融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の繊維径１〜１００μｍの繊維または樹脂を含み、さらに上層と下層とが部分的に接着する部分を有していることを特徴とする多層繊維構造体とする。また、上記の多層繊維構造体からなることを特徴とするフィルターとする。
【解決手段】下層、中間層、上層の少なくとも３層以上の繊維構造体からなる多層繊維構造体であって、中間層が直径１０〜５００ｎｍの超極細繊維からなる繊維構造体、上層および下層が直径１〜１００μｍの繊維からなる繊維構造体であり、中間層が、熱分解温度が３００℃以上または融点もしくは軟化点が２００℃以上の繊維径１０〜５００ｎｍの超極細繊維からなり、上層および／または下層が、融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の繊維径１〜１００μｍの繊維または樹脂を含み、さらに上層と下層とが部分的に接着する部分を有していることを特徴とする多層繊維構造体とする。また、上記の多層繊維構造体からなることを特徴とするフィルターとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超極細繊維層を含む３層以上の繊維構造体を熱圧着させた多層繊維構造体およびそれからなる耐熱フィルターに関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼、火力発電所、ごみ焼却炉、石炭ボイラー等から排出される気体中には、多くの有害物質が含まれており、これらの除去や回収が要求されている。排出ガスは高温であるため、耐熱フィルターが要求され、その素材には全芳香族ポリアミド繊維、ポリフェニレンサルファイド繊維、ガラス繊維等の不織布や織物等が使用されている。しかしながら、環境保全の観点から排ガス中に含まれる有害物質の規制値が厳しくなり、該有害物質の高捕集効率、低圧力損失、微細粒子の捕集といった特性を有するろ材が求められ、さらには、使用後のフィルターろ材の処分についても、より環境負荷の小さい方法が要求されている。捕集効率を向上させ、微細粒子を捕集するためには、繊維間の空隙が小さいおよび／または繊維表面積が大きいことが適しているが、繊維間の空隙を小さくするために繊維密度を単に増加させた場合は、圧力損失が大きくなるため、繊維表面積を増加、つまり繊維径を小さくする方法が提案されている（例えば、特許文献１）。また、ろ材に超極細繊維を使用する方法も知られているが、超極細繊維は、その単糸強度が非常に低く、表面を軽く擦っただけでも容易に破損する（例えば、特許文献２）。したがって、超極細繊維が破損せず、また取扱性にも優れ、さらに耐熱性をも有する繊維構造体の開発が望まれている。
【０００３】
【特許文献１】２００２−２０１５６０号公報
【特許文献２】２００７−２２４４６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、高捕集効率および低圧力損失といった特性を有し、超極細繊維の破損を抑制し、耐熱性にも優れ高温で使用した後もかかる特性が低下しない多層繊維構造体およびそれからなるフィルターを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らが検討したところ、上記課題は次の構成により達成できることを見出した。すなわち、本発明によれば、
下層、中間層、上層の少なくとも３層からなる多層繊維構造体であって、下記要件を満足することを特徴とする多層繊維構造体
ａ）中間層が直径１０〜５００ｎｍの超極細繊維からなる繊維構造体であること。
ｂ）上層および下層が直径１〜１００μｍの繊維からなる繊維構造体であること。
ｃ）中間層が、熱分解温度が３００℃以上の繊維及び／又は融点もしくは軟化点が２００℃以上の繊維からなること。
ｄ）上層及び／又は下層を構成する繊維が、融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の繊維及び／又は融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の樹脂を含むこと。
ｅ）上層と下層を構成する繊維とが接着している部分を有すること。
及び該多層繊維構造体を含むフィルターが提供される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の繊維構造体は、超極細繊維からなる層が他の繊維構造体にて挟まれているため、超極細繊維の毛羽立ちや多層繊維構造体の基材からの剥離を抑制することができ、さらに、超極細繊維層への外部からの接触がなくなるため、超極細繊維層の破損が抑制され、加工性に優れた超極細繊維を含む多層繊維構造体を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の多層繊維構造体は、下層、中間層、上層の少なくとも３層の繊維構造体からなる多層繊維構造体であって、中間層を構成する繊維は熱分解温度が３００℃以上の繊維及び／又は融点もしくは軟化点が２００℃以上の繊維で且つ繊維軸に直交する断面における直径が１０〜５００ｎｍの超極細繊維であることが必要である。中間層の超極細繊維の直径が１０ｎｍ未満では、繊維強度が極端に弱く、一方、５００ｎｍを超えると単位面積あたりの本数が少なくなりフィルターとしての捕集効率が低下する。超極細繊維は、その微小な繊維径による広い表面積の発現を効率良く発現するために、１００〜３００ｎｍがより好ましい。
【０００８】
上記の超極細繊維を構成するポリマーとしては、例えば、ナイロン６６などの脂肪族ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル、全芳香族ポリアミド、ポリアクリルニトリル、ポリビニルアルコールなどを挙げることができる。中でも、全芳香族ポリアミドが耐熱性の点から特に好ましい。
中間層の目付はフィルターとしての捕集効率ならびに圧力損失の点から、０．０１〜２０ｇ／ｍ２であることが好ましく、０．１〜３ｇ／ｍ２であることが更に好ましい。
【０００９】
本発明において、上記超極細繊維は、エレクトロスピニング法により容易に作成することが好ましい。
一方、上層及び／又は下層の繊維構造体を構成する繊維の直径は、超極細繊維からなる中間層の保護層となるため１〜１００μｍとする必要があり、好ましくは１μｍ〜２０μｍである。１μｍ未満であれば強度が弱く、１００μｍを超える場合は硬くなり取り扱い性が低下する。
【００１０】
又上層及び／又は下層を構成する繊維は融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の繊維及び／又は融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の樹脂を含む必要がある。
かかる上層、下層と、前述した熱分解温度、融点もしくは軟化点の高い超極細繊維からなる中間層により多層繊維構造体を構成することで、従来にない優れた耐熱性を発揮することができる。
【００１１】
上記上層及び／又は下層に含まれる、融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の繊維及び／又は融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の樹脂を構成するポリマーとしては、例えば、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、熱可塑性ポリイミドなどが挙げられる。中でも中間層の超極細繊維を構成するポリマーの分解点あるいは融点との差が大きく、加工時に中間層の超極細繊維を劣化させない点から、ポリフェニレンサルファイドが好ましい。
【００１２】
上層および下層の融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の繊維には更に他の繊維が含まれていてもよい。該繊維としては熱分解温度が３００℃以上の繊維が好ましく、例えば、全芳香族ポリアミド繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール（ＰＢＯ）繊維、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）繊維、ポリイミド（ＰＩ）繊維などを挙げることができるが、特に全芳香族ポリアミド繊維が好ましい。
【００１３】
上層及び／又は下層が、熱分解温度が３００℃以上の繊維、特に全芳香族ポリアミド繊維と前述した融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の繊維で構成されている場合、上層及び／又は下層の繊維構造体全重量に対する該融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の繊維の重量比率は５〜１００重量％が好ましく、２０〜５０重量％がより好ましい。
【００１４】
本発明においては、上層または下層のいずれか一方にのみ、融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の繊維が含まれている構成でも良い。その際、他方の層は前述した熱分解温度が３００℃以上の繊維を含んでいることが好ましい。具体的には、上層または下層のいずれか一方が全芳香族ポリアミド繊維と上記繊維からなる繊維構造体であり、他方の層が全芳香族ポリアミド繊維のみからなる繊維構造体である構成などを好ましく提示することができる。
【００１５】
本発明においては、上層及び／又は下層の繊維構造体に融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の樹脂を付着させてもよい。この場合、上層および／または下層の繊維構造体全重量に対する樹脂の重量比率は５〜５０重量％が好ましく、２０〜５０重量％がより好ましい。この際、上層および／または下層の繊維構造体は、前述した融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の繊維か、該融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の繊維に前述した熱分解温度が３００℃以上の繊維を含んでいることが好ましい。この場合の好ましい構成としては、上層および下層が、熱分解温度が３００℃以上の繊維、特に全芳香族ポリアミド繊維からなる繊維構造体で、上層または下層の少なくとも一方に、上記の融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の樹脂が付着している構成などを好ましく提示することができる。
【００１６】
上層及び／又は下層の繊維構造体は織物、編物、不織布などを採用することができるが、特に通気性および剛性の点から不織布が好ましい。
上層および下層の繊維構造体の目付は、圧力損失の観点から１０〜１００ｇ／ｍ２が好ましく、２０〜７０ｇ／ｍ２がより好ましい。
【００１７】
さらに、本発明の多層繊維構造体をフィルターとして用いる場合は、上流側に配する層の目付はフィルター寿命の観点から３０〜１００ｇ／ｍ２が好ましく、５０〜１００ｇ／ｍ２がより好ましい。一方、下流側に配する層の目付は、圧力損失の観点から１０〜７０ｇ／ｍ２が好ましく、１０〜５０ｇ／ｍ２がより好ましい。
【００１８】
下流側に配する層は、該層の繊維構造体からの繊維の脱離を抑制する観点から、加熱または加熱加圧処理により、該繊維構造体を構成する繊維の一部を溶融し、繊維同士を部分的に熱接着させることが好ましい。また、下流側に配する層の繊維構造体に樹脂を付着しておき、加熱または加圧加熱処理をして、繊維同士を部分的に熱接着させてもよい。
【００１９】
本発明の多層繊維構造体においては、熱分解温度が３００℃以上の超極細繊維を含む中間層を挟んで、上層と下層を構成する繊維とが接着している部分を含む必要がある。好ましくは熱圧着されている部分を有することが好ましい。この際上層と下層は直接熱圧着により接着（以後熱接着と言う場合がある）されていても良く、中間層繊維を介して熱接着されていても良く、樹脂を介して熱接着されていても良い。
【００２０】
かかる多層繊維構造体の構成とすることにより、超極細繊維の破損を抑制し、超極細繊維が多層繊維構造体から剥離したり、毛羽となって発生したりすることがない。また、上層および／または下層が、融点または軟化点が２７０〜４００℃の繊維を有し、それが溶融または軟化して他の繊維または同種の繊維と互いに固着しているため、高い耐熱性を有している。
【００２１】
本発明の多層繊維構造体の全表面積に対する熱圧着している部分の数は０．１〜７０ｄｏｔ／ｃｍ２が好ましく、３〜６０ｄｏｔ／ｃｍ２がより好ましい。該部分の数が１ｄｏｔ／ｃｍ２未満の場合には上層および／または下層と中間層が剥離し易くなり、７０ｄｏｔ／ｃｍ２を超える場合には、多層繊維構造体をフィルターろ材として使用した場合の圧力損失が高くなる。
【００２２】
又多層繊維構造体の全表面積に対する熱圧着している部分の面積比率は１〜１５％が好ましく、３〜８％がより好ましい。該当部分の面積比率が１％未満の場合には、十分な接着強度が得られず、多層繊維構造体の剥離が生じ易くなる。以上の観点から、１ｄｏｔ当たりの熱接着面積は、０．０００１４〜０．１５ｃｍ２がより好ましく、０．０００５〜０．０２７ｃｍ２がより好ましい。
【００２３】
多層繊維構造体の熱接着している部分の形状は特に限定されるものではないが、多層構造体をプリーツ状等への加工の際に、熱接着部分への応力集中を考慮して、円形、楕円形、角丸長方形等の交差しておらず、凸状で、閉じた平面状の曲線が好ましい。
【００２４】
なお、多層繊維構造体の全表面積に対する熱圧着している部分とは、上層または下層が、他方の層と熱圧着している、該上層または下層の全表面積に対する熱接着している部分をいう。また、この熱接着している面積、形状などは、例えば、ドットパターンを有する加熱エンボスローラとフラットローラで熱圧着させて、多層繊維構造体を形成する場合、該ドットパターンの配置、各ドットの面積や形状などにより任意に変更することができる。
【００２５】
上層または下層の繊維構造体は例えば織物、編物又不織布を挙げることが出来るが、織編物の場合公知の方法により製織、製編することに製造できる。また、不織布の場合は、スパンレース法、スパンボンド法、メルトブロー法、フラッシュ紡糸法、トウ開繊法、抄紙法、カーディング法、エアレイド法、フィラメント直交法などにより製造できる。これらの繊維構造体はそのまま用いても良いが、制電加工、撥水加工、親水加工などが目的に応じて施されていてもよい。
【００２６】
さらに、本発明においては、中間層を構成する超極細繊維を形成する手法としてはエレクトロスピニング法を好ましく例示することができる。
エレクトロスピニング法とは、ポリマー溶液に、高電圧を印加して繊維構造体上にスプレーして超極細繊維を形成する方法である。また、得られる超極細繊維の繊維径は印加電圧、溶液濃度、スプレーの飛散距離等に依存し、これらの条件を調整することで任意の繊維径とすることができる。超極細繊維を構成する極細繊維が、全芳香族ポリアミドである場合は、溶媒としては、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルスルホキシドなどを用いることができる。
【００２７】
エレクトロスピニング法の条件しては、濃度は１〜１６％、電圧は５．０〜７０ｋＶ、紡糸距離は５．０〜５０ｃｍ、単位距離あたりの電圧に換算すると、０．５〜７．０ｋｖ／ｃｍであるのが好ましい。
【００２８】
具体的には、全芳香族ポリアミドポリマーと溶媒とを５：９５〜１５：８５の重量比で溶解させたポリマー溶液を紡糸溶液とし、５〜７０ｋＶの電圧下で行うことにより前述した繊維径を有する芳香族ポリアミド超極細繊維を作製することができる。
【００２９】
紡糸溶液の供給は、ノズルや口金から押し出す方法や、紡糸溶液中に浸した円盤やドラムに、必要量となるように紡糸溶液を付着させ、連続回転させることにより供給する方法が挙げられる。ノズルや口金から供給する場合、吐出部の内径は超極細繊維の繊維径と相関がないため、限定はない。
【００３０】
上層または下層の繊維構造体の上に超極細繊維の繊維構造体からなる中間層を形成した後、さらにその上に反対の層を積層、すなわち上層の繊維構造体上に中間層を形成した場合はその上に下層を、下層の繊維構造体上に中間層を形成した場合はその上に上層を積層し、中間層を介して上層と下層を部分的に熱圧着する。
【００３１】
部分的に熱圧着する方法は特に限定されないが、エンボスローラによる熱溶着、つまりエンボス加工が好ましい。より具体的には、前述したドットパターンを有する加熱エンボスローラとフラットローラで熱圧着させて、エンボス加工を行うことができる。この際、エンボスローラ温度は、上層および／または下層に含まれる熱可塑性繊維もしくは熱可塑性樹脂の融点±５０℃となる温度領域が好ましく、融点±２０℃の温度領域がより好ましい。また、２本のローラ間で付与される線圧も積層される繊維構造体の目付などにより任意に選択すればよいが、例えば、上層の目付を３０〜１００ｇ／ｃｍ２、下層の目付を１０〜７０ｇ／ｃｍ２とした場合は、線圧を０．１〜１ｔ／３０ｃｍでエンボス加工を行うことができる。
【００３２】
また、前述したように、エンボスローラのドットパターンの配置、各ドットの面積や形状などを変更することにより、熱圧着している部分の形状や面積、単位面積あたりの熱圧着部分の数などを任意に変更することができる。
【００３３】
本発明の多層繊維構造体の用途は何ら制限されるものではないが、超極細繊維からなる中間層を含むため、低圧力損失ならびに高捕集効率といった特性を有するため、フィルターとしての使用が好まれる。さらに、該多層繊維構造体は耐熱性繊維から構成されるため、耐熱フィルターとして使用することがより好ましい。
【実施例】
【００３４】
以下、実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。しかし、以下の例によって、本発明が限定されることはない。なお、実施例中の各特性値は下記の方法で測定した。
【００３５】
１．繊維径
上層、中間層、下層の繊維構造体から任意にサンプリングした繊維１００本について、走査型電子顕微鏡ＪＳＭ６３３０Ｆ（ＪＥＯＬ社製）にて測定し、繊維径の平均値を求めた。なお測定は、上層および下層は３，０００倍、中層は３０，０００倍の倍率で行った。
【００３６】
２．熱分解温度、融点、軟化点
熱分解温度は、繊維を空気中にて１０℃／ｍｉｎで昇温しながら、繊維の質量を温度の関数として測定する熱重量分析を用いて測定し、繊維の熱分解が無く質量変化の無い直線部分の延長線と、繊維の熱分解により質量が急激に低下し直線状となった部分の延長線との交点における温度とした。
融点は、繊維を空気中にて１０℃／ｍｉｎで昇温しながら、ＤＳＣ法にて繊維からの発熱および繊維への吸熱を測定し、融点に相当する吸熱ピークが得られた温度とした。また、軟化点は、繊維を空気中にて１０℃／ｍｉｎで昇温しながら、ＤＳＣ法にて繊維からの発熱および繊維への吸熱を測定し、軟化点に相当する吸熱曲線が得られ始めた温度とした。
【００３７】
３．圧力損失
実施例および比較例の多層繊維構造体を用い、エアーを、面速度１０ｃｍ／ｓになるように該多層繊維構造体に該多層繊維構造体の上層側から流し、該多層繊維構造体前後の圧力差（Ｐａ）を微差圧計にて測定し、該圧力差を圧量損失とした。
また、実施例および比較例の多層繊維構造体を１８０℃で１箇月間暴露した後、上記と同じ方法にて圧力損失を測定した。
これらの圧量損失をそれぞれ、１８０℃暴露前圧力損失、１８０℃暴露後圧力損失とした。また、１８０℃暴露後の圧力損失の保持率を下記式によって求めた。
捕集効率の保持率（％）＝（１８０℃暴露後圧力損失（Ｐａ）／１８０℃暴露前圧力損失（Ｐａ））×１００
【００３８】
４．捕集効率
実施例および比較例の多層繊維構造体を用い、該多層繊維構造体の上層側を上流側、下層側を下流側とし、これに０．３μｍのＮａＣｌ粒子の試験用粉塵含有空気を面速度１０ｃｍ／ｓとなる流量で通過させ、上流側および下流側におけるＮａＣｌ粒子濃度ＣＩＮおよびＣＯＵＴを、それぞれパーティクルカウンタによって測定し、下記式によって捕集効率を求めた。
捕集効率（％）＝（１−ＣＩＮ／ＣＯＵＴ）×１００
また、実施例および比較例の多層繊維構造体を１８０℃で１箇月間暴露した後、上記と同じ方法にて捕集効率を測定した。
上記の捕集効率をそれぞれ、１８０℃暴露前捕集効率、１８０℃暴露後捕集効率とした。また、１８０℃暴露後の捕集効率の保持率を下記式によって求めた。
捕集効率の保持率（％）＝（１８０℃暴露後捕集効率（％）／１８０℃暴露前捕集効率（％））×１００
【００３９】
［実施例１］
上層の繊維構造体には、全芳香族ポリアミド（ポリメタフェニレンイソフタルアミド）繊維（ＭＰＩＡ）（熱分解温度４１０℃、繊維長６０ｍｍ）（帝人テクノプロダクツ製コーネックス）とポリフェニレンサルファイド繊維（ＰＰＳ）（融点２８５℃、繊維長６０ｍｍ）（東洋紡社製プロコン）とを重量比５０：５０で混綿した目付５０ｇ／ｍ２の混綿スパンレース不織布を使用した。
【００４０】
また、下層の繊維構造体には、全芳香族ポリアミド（ポリメタフェニレンイソフタルアミド）繊維（ＭＰＩＡ）（熱分解温度４１０℃、繊維長６０ｍｍ）（帝人テクノプロダクツ社製コーネックス）とポリフェニレンサルファイド繊維（ＰＰＳ）（融点２８５℃、繊維長６０ｍｍ）（東洋紡社製プロコン）とを重量比が８０：２０で混綿した目付５０ｇ／ｍ２の混綿スパンレース不織布を、金属製フラットローラ（上ローラ）と耐熱樹脂製フラットローラ（下ローラ）にて、上ローラ温度を２７０℃、線圧を５０ｋｇ／ｃｍの条件でカレンダー加工した不織布を使用した。カレンダー加工後、下層の繊維構造体中の全芳香族ポリアミド繊維はポリフェニレンサルファイド繊維が一部溶融することにより両繊維が部分的に結合されているため、繊維構造体を激しく振動させて場合においても、全芳香族ポリアミド短繊維の繊維構造体からの脱離はなかった。
【００４１】
また、上層及び下層のスパンレース不織布を走査型電子顕微鏡にて観察し、繊維径の測長を行い、その平均値を表１に示した。なお、上層及び下層において、それぞれ全芳香族ポリアミド繊維（ＭＰＩＡ）とポリフェニレンサルファイド繊維（ＰＰＳ）は、繊維径が同程度のものを使用したので繊維径の測定は繊維の種類を区別せずに行い、それら測定値から平均値を求めた。
【００４２】
さらに、中間層を構成する超極細繊維を製造するために、界面重合法により目的ポリマーを製造した。詳細には、イソフタル酸クロライド１４．２ｇを金属ナトリウムにて脱水したテトラヒドロフラン１００ｍｌに溶解し、攪拌しながら、メタフェニレンジアミン７．４１ｇをテトラヒドロヒラン１００ｍｌに溶解した溶液を細流として徐々に加えていくと白濁した乳化液を作製した。攪拌を約５分継続した後、炭酸ソーダ１４．８ｇおよび食塩２８．０ｇを３００ｍｌの水に溶かした水溶液を速やかに加え、約５分間激しく攪拌した。得られた白色重合体を静置して沈殿させ、透明な水溶液相を除去、ろ過することで全芳香族ポリアミドポリマー（ポリメタフェニレンイソフタルアミド）を得た。
【００４３】
次に、特開２００６−３３６１７３号公報記載の方法に準じ、エレクトロスピニングにより、超極細繊維を製造した。すなわち、得られた全芳香族ポリアミドポリマー（ポリメタフェニレンイソフタルアミド）をＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミドに、１０重量％となるように溶解し、１ｋＶ／ｃｍとなるように電界をかけてエレクトロスピニングを２０分間行い、下層となる混綿スパンレース不織布上に超極細繊維からなる中間層を形成した。この中間層の目付は、０．１ｇ／ｍ２であった。
得られた超極細繊維を走査型電子顕微鏡にて観察し、繊維径の測長を行い、その平均値を表１に示した。
【００４４】
さらに、この中間層の繊維構造体上を前述した上層となる混綿スパンレース不織布で覆い、上層、中間層、下層の３層からなる積層体とした。
次にこの積層体を、円形ドットパターンを有する金属製ローラ（上ローラ）と、耐熱樹脂製フラットローラ（下ローラ）を用いて、３層繊維構造体の全表面積に対するエンボスの熱圧着面積が７．８％、エンボス熱圧着数が６２ｄｏｔ／ｃｍ２（１ｄｏｔ当たりの熱圧着面積０．００１３ｃｍ２）となるよう点状（円形）エンボス加工を上ローラの温度を２８５℃、上下ローラ間の線圧０．５ｔ／３０ｃｍとして行い、中間層を挟み上層と下層を部分的に熱圧着させ、上層、中間層、下層からなる多層繊維構造体（３層繊維構造体）を得た。
得られた３層繊維構造体は中間層を構成する超極細繊維が上層および下層に保護されているため、これを折り曲げた場合でも超極細繊維が破損せず、取扱性の優れるものであった。結果を表１に示すが、耐熱性フィルターとして十分な性能を有していた。
【００４５】
［実施例２］
中間層を積層する前の下層の熱処理をカレンダーロールで行わず、３００℃のスルーエアーの加熱で行った以外は実施例１と同様に行い、下層上に中間層となる超極細繊維を製造し、中間層を上層と下層で挟んだ後、エンボス加工を実施することで３層繊維構造体を製造した。該３層繊維構造体は実施例１同様取扱性に優れるものであった。結果を表１に示すが、耐熱性フィルターとして十分な性能を有していた。
【００４６】
［実施例３］
上ローラをエンボス総面積が２８％、エンボス数が１６５ｄｏｔ／ｃｍ２、１ｄｏｔ当りの面積が０．００１７ｃｍ２の円形ドットパターンを有する加熱ローラに変更した以外は実施例１と同様に３層繊維構造体を製造した。該３層繊維構造体は実施例１同様取扱性に優れるものであった。結果を表１に示すが、耐熱性フィルターとして十分な性能を有していた。
【００４７】
［実施例４〜５］
エレクトロスピニングにより超極細繊維を下層の繊維構造体上に成形する時間を変更し中層の繊維構造体の目付を表１のようにした以外は実施例１と同様に３層繊維構造体を製造した。該３層繊維構造体は実施例１同様取扱性に優れるものであった。結果を表１に示すが、耐熱性フィルターとして十分な性能を有していた。
【００４８】
［実施例６］
上層の目付を変更した以外は実施例１と同様に３層繊維構造体を製造した。該３層繊維構造体は実施例１同様取扱性に優れるものであった。結果を表１に示すが、耐熱性フィルターとして十分な性能を有していた。
【００４９】
［実施例７］
上ローラをエンボス総面積が１３．８％、エンボス数が９．５ｄｏｔ／ｃｍ２、１ｄｏｔ当りの面積が０．０１５ｃｍ２の角丸長方形ドットパターンを有する加熱ローラに変更した以外は実施例１と同様に３層繊維構造体を製造した。該３層繊維構造体は実施例１同様取扱性に優れるものであった。結果を表１に示すが、耐熱性フィルターとして十分な性能を有していた。
【００５０】
[実施例８]
全芳香族ポリアミドポリマー（ポリメタフェニレンイソフタルアミド）をＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミドに、１６重量％となるように溶解し、１ｋＶ／ｃｍとなるように電界をかけてエレクトロスピニングを２０分間行った以外は、実施例１同様に３層構造体を製造した。該３層構造体は実施例１同様取扱性に優れるものであった。結果を表１に示すが、耐熱性フィルターとして十分な性能を有していた。
【００５１】
［比較例１］
中間層を構成するポリマーをポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）（軟化点１９０℃）（東邦テナックス社製）に変更する以外は、実施例１と同様に３層繊維構造体を製造した。該３層繊維構造体は実施例１同様取扱性に優れるものであった。この結果を表１に示す。ただし、１８０℃暴露後の捕集効率は大きく低下しており、高温で使用した後に性能が低下するため、耐熱フィルターとして不適であった。
【００５２】
［比較例２］
上層および下層の熱可塑性繊維を、ポリフェニレンサルファイド繊維からポリエステル不織布（ＰＥ）（融点１２５℃、日東紡社製スパンファブ）を開繊し、繊維長が６０ｍｍとなるようにカットしたものに変更し、下層の繊維構造体にカレンダー加工する際の金属フラットローラ（上ローラ）の温度を１２０℃に変更する以外は、実施例１と同様に３層繊維構造体を製造した。該３層繊維構造体は実施例１同様取扱性に優れるものであった。この結果を表１に示す。ただし、１８０℃暴露後には３層繊維構造体形状を維持していなかったため、該暴露後の性能は測定不能であった。
【００５３】
［比較例３］
エンボス加工を実施しない以外は、実施例１と同様にして３層繊維構造体を製造した。該３層繊維構造体は上層、中間層、下層が容易に剥離するため、フィルターとして不適であった。このため性能評価は実施しなかった。
【００５４】
［比較例４］
上層の不織布を積層せず、またエンボス加工を実施しない以外は、実施例１と同様して２層繊維構造体を製造した。該２層繊維構造体は超極細繊維が表面に露出しているため、超極細繊維面への軽い摩擦でも超極細繊維が破損し、フィルターとして不適であった。このため性能評価は実施しなかった。
【００５５】
【表１】
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明によれば、高捕集効率および低圧力損失といった特性を有し、超極細繊維の破損することがなく、耐熱性にも優れ高温で使用した後も上記特性が低下しない多層繊維構造体を提供することができる。また、これを用いたフィルターを提供することができる。このため、上記の繊維構造体及びフィルターは各種フィルターに広く用いることができ、特に耐熱性が要求される用途でその性能を十分に発揮するものである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超極細繊維層を含む３層以上の繊維構造体を熱圧着させた多層繊維構造体およびそれからなる耐熱フィルターに関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼、火力発電所、ごみ焼却炉、石炭ボイラー等から排出される気体中には、多くの有害物質が含まれており、これらの除去や回収が要求されている。排出ガスは高温であるため、耐熱フィルターが要求され、その素材には全芳香族ポリアミド繊維、ポリフェニレンサルファイド繊維、ガラス繊維等の不織布や織物等が使用されている。しかしながら、環境保全の観点から排ガス中に含まれる有害物質の規制値が厳しくなり、該有害物質の高捕集効率、低圧力損失、微細粒子の捕集といった特性を有するろ材が求められ、さらには、使用後のフィルターろ材の処分についても、より環境負荷の小さい方法が要求されている。捕集効率を向上させ、微細粒子を捕集するためには、繊維間の空隙が小さいおよび／または繊維表面積が大きいことが適しているが、繊維間の空隙を小さくするために繊維密度を単に増加させた場合は、圧力損失が大きくなるため、繊維表面積を増加、つまり繊維径を小さくする方法が提案されている（例えば、特許文献１）。また、ろ材に超極細繊維を使用する方法も知られているが、超極細繊維は、その単糸強度が非常に低く、表面を軽く擦っただけでも容易に破損する（例えば、特許文献２）。したがって、超極細繊維が破損せず、また取扱性にも優れ、さらに耐熱性をも有する繊維構造体の開発が望まれている。
【０００３】
【特許文献１】２００２−２０１５６０号公報
【特許文献２】２００７−２２４４６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、高捕集効率および低圧力損失といった特性を有し、超極細繊維の破損を抑制し、耐熱性にも優れ高温で使用した後もかかる特性が低下しない多層繊維構造体およびそれからなるフィルターを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らが検討したところ、上記課題は次の構成により達成できることを見出した。すなわち、本発明によれば、
下層、中間層、上層の少なくとも３層からなる多層繊維構造体であって、下記要件を満足することを特徴とする多層繊維構造体
ａ）中間層が直径１０〜５００ｎｍの超極細繊維からなる繊維構造体であること。
ｂ）上層および下層が直径１〜１００μｍの繊維からなる繊維構造体であること。
ｃ）中間層が、熱分解温度が３００℃以上の繊維及び／又は融点もしくは軟化点が２００℃以上の繊維からなること。
ｄ）上層及び／又は下層を構成する繊維が、融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の繊維及び／又は融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の樹脂を含むこと。
ｅ）上層と下層を構成する繊維とが接着している部分を有すること。
及び該多層繊維構造体を含むフィルターが提供される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の繊維構造体は、超極細繊維からなる層が他の繊維構造体にて挟まれているため、超極細繊維の毛羽立ちや多層繊維構造体の基材からの剥離を抑制することができ、さらに、超極細繊維層への外部からの接触がなくなるため、超極細繊維層の破損が抑制され、加工性に優れた超極細繊維を含む多層繊維構造体を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の多層繊維構造体は、下層、中間層、上層の少なくとも３層の繊維構造体からなる多層繊維構造体であって、中間層を構成する繊維は熱分解温度が３００℃以上の繊維及び／又は融点もしくは軟化点が２００℃以上の繊維で且つ繊維軸に直交する断面における直径が１０〜５００ｎｍの超極細繊維であることが必要である。中間層の超極細繊維の直径が１０ｎｍ未満では、繊維強度が極端に弱く、一方、５００ｎｍを超えると単位面積あたりの本数が少なくなりフィルターとしての捕集効率が低下する。超極細繊維は、その微小な繊維径による広い表面積の発現を効率良く発現するために、１００〜３００ｎｍがより好ましい。
【０００８】
上記の超極細繊維を構成するポリマーとしては、例えば、ナイロン６６などの脂肪族ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル、全芳香族ポリアミド、ポリアクリルニトリル、ポリビニルアルコールなどを挙げることができる。中でも、全芳香族ポリアミドが耐熱性の点から特に好ましい。
中間層の目付はフィルターとしての捕集効率ならびに圧力損失の点から、０．０１〜２０ｇ／ｍ２であることが好ましく、０．１〜３ｇ／ｍ２であることが更に好ましい。
【０００９】
本発明において、上記超極細繊維は、エレクトロスピニング法により容易に作成することが好ましい。
一方、上層及び／又は下層の繊維構造体を構成する繊維の直径は、超極細繊維からなる中間層の保護層となるため１〜１００μｍとする必要があり、好ましくは１μｍ〜２０μｍである。１μｍ未満であれば強度が弱く、１００μｍを超える場合は硬くなり取り扱い性が低下する。
【００１０】
又上層及び／又は下層を構成する繊維は融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の繊維及び／又は融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の樹脂を含む必要がある。
かかる上層、下層と、前述した熱分解温度、融点もしくは軟化点の高い超極細繊維からなる中間層により多層繊維構造体を構成することで、従来にない優れた耐熱性を発揮することができる。
【００１１】
上記上層及び／又は下層に含まれる、融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の繊維及び／又は融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の樹脂を構成するポリマーとしては、例えば、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、熱可塑性ポリイミドなどが挙げられる。中でも中間層の超極細繊維を構成するポリマーの分解点あるいは融点との差が大きく、加工時に中間層の超極細繊維を劣化させない点から、ポリフェニレンサルファイドが好ましい。
【００１２】
上層および下層の融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の繊維には更に他の繊維が含まれていてもよい。該繊維としては熱分解温度が３００℃以上の繊維が好ましく、例えば、全芳香族ポリアミド繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール（ＰＢＯ）繊維、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）繊維、ポリイミド（ＰＩ）繊維などを挙げることができるが、特に全芳香族ポリアミド繊維が好ましい。
【００１３】
上層及び／又は下層が、熱分解温度が３００℃以上の繊維、特に全芳香族ポリアミド繊維と前述した融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の繊維で構成されている場合、上層及び／又は下層の繊維構造体全重量に対する該融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の繊維の重量比率は５〜１００重量％が好ましく、２０〜５０重量％がより好ましい。
【００１４】
本発明においては、上層または下層のいずれか一方にのみ、融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の繊維が含まれている構成でも良い。その際、他方の層は前述した熱分解温度が３００℃以上の繊維を含んでいることが好ましい。具体的には、上層または下層のいずれか一方が全芳香族ポリアミド繊維と上記繊維からなる繊維構造体であり、他方の層が全芳香族ポリアミド繊維のみからなる繊維構造体である構成などを好ましく提示することができる。
【００１５】
本発明においては、上層及び／又は下層の繊維構造体に融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の樹脂を付着させてもよい。この場合、上層および／または下層の繊維構造体全重量に対する樹脂の重量比率は５〜５０重量％が好ましく、２０〜５０重量％がより好ましい。この際、上層および／または下層の繊維構造体は、前述した融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の繊維か、該融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の繊維に前述した熱分解温度が３００℃以上の繊維を含んでいることが好ましい。この場合の好ましい構成としては、上層および下層が、熱分解温度が３００℃以上の繊維、特に全芳香族ポリアミド繊維からなる繊維構造体で、上層または下層の少なくとも一方に、上記の融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の樹脂が付着している構成などを好ましく提示することができる。
【００１６】
上層及び／又は下層の繊維構造体は織物、編物、不織布などを採用することができるが、特に通気性および剛性の点から不織布が好ましい。
上層および下層の繊維構造体の目付は、圧力損失の観点から１０〜１００ｇ／ｍ２が好ましく、２０〜７０ｇ／ｍ２がより好ましい。
【００１７】
さらに、本発明の多層繊維構造体をフィルターとして用いる場合は、上流側に配する層の目付はフィルター寿命の観点から３０〜１００ｇ／ｍ２が好ましく、５０〜１００ｇ／ｍ２がより好ましい。一方、下流側に配する層の目付は、圧力損失の観点から１０〜７０ｇ／ｍ２が好ましく、１０〜５０ｇ／ｍ２がより好ましい。
【００１８】
下流側に配する層は、該層の繊維構造体からの繊維の脱離を抑制する観点から、加熱または加熱加圧処理により、該繊維構造体を構成する繊維の一部を溶融し、繊維同士を部分的に熱接着させることが好ましい。また、下流側に配する層の繊維構造体に樹脂を付着しておき、加熱または加圧加熱処理をして、繊維同士を部分的に熱接着させてもよい。
【００１９】
本発明の多層繊維構造体においては、熱分解温度が３００℃以上の超極細繊維を含む中間層を挟んで、上層と下層を構成する繊維とが接着している部分を含む必要がある。好ましくは熱圧着されている部分を有することが好ましい。この際上層と下層は直接熱圧着により接着（以後熱接着と言う場合がある）されていても良く、中間層繊維を介して熱接着されていても良く、樹脂を介して熱接着されていても良い。
【００２０】
かかる多層繊維構造体の構成とすることにより、超極細繊維の破損を抑制し、超極細繊維が多層繊維構造体から剥離したり、毛羽となって発生したりすることがない。また、上層および／または下層が、融点または軟化点が２７０〜４００℃の繊維を有し、それが溶融または軟化して他の繊維または同種の繊維と互いに固着しているため、高い耐熱性を有している。
【００２１】
本発明の多層繊維構造体の全表面積に対する熱圧着している部分の数は０．１〜７０ｄｏｔ／ｃｍ２が好ましく、３〜６０ｄｏｔ／ｃｍ２がより好ましい。該部分の数が１ｄｏｔ／ｃｍ２未満の場合には上層および／または下層と中間層が剥離し易くなり、７０ｄｏｔ／ｃｍ２を超える場合には、多層繊維構造体をフィルターろ材として使用した場合の圧力損失が高くなる。
【００２２】
又多層繊維構造体の全表面積に対する熱圧着している部分の面積比率は１〜１５％が好ましく、３〜８％がより好ましい。該当部分の面積比率が１％未満の場合には、十分な接着強度が得られず、多層繊維構造体の剥離が生じ易くなる。以上の観点から、１ｄｏｔ当たりの熱接着面積は、０．０００１４〜０．１５ｃｍ２がより好ましく、０．０００５〜０．０２７ｃｍ２がより好ましい。
【００２３】
多層繊維構造体の熱接着している部分の形状は特に限定されるものではないが、多層構造体をプリーツ状等への加工の際に、熱接着部分への応力集中を考慮して、円形、楕円形、角丸長方形等の交差しておらず、凸状で、閉じた平面状の曲線が好ましい。
【００２４】
なお、多層繊維構造体の全表面積に対する熱圧着している部分とは、上層または下層が、他方の層と熱圧着している、該上層または下層の全表面積に対する熱接着している部分をいう。また、この熱接着している面積、形状などは、例えば、ドットパターンを有する加熱エンボスローラとフラットローラで熱圧着させて、多層繊維構造体を形成する場合、該ドットパターンの配置、各ドットの面積や形状などにより任意に変更することができる。
【００２５】
上層または下層の繊維構造体は例えば織物、編物又不織布を挙げることが出来るが、織編物の場合公知の方法により製織、製編することに製造できる。また、不織布の場合は、スパンレース法、スパンボンド法、メルトブロー法、フラッシュ紡糸法、トウ開繊法、抄紙法、カーディング法、エアレイド法、フィラメント直交法などにより製造できる。これらの繊維構造体はそのまま用いても良いが、制電加工、撥水加工、親水加工などが目的に応じて施されていてもよい。
【００２６】
さらに、本発明においては、中間層を構成する超極細繊維を形成する手法としてはエレクトロスピニング法を好ましく例示することができる。
エレクトロスピニング法とは、ポリマー溶液に、高電圧を印加して繊維構造体上にスプレーして超極細繊維を形成する方法である。また、得られる超極細繊維の繊維径は印加電圧、溶液濃度、スプレーの飛散距離等に依存し、これらの条件を調整することで任意の繊維径とすることができる。超極細繊維を構成する極細繊維が、全芳香族ポリアミドである場合は、溶媒としては、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルスルホキシドなどを用いることができる。
【００２７】
エレクトロスピニング法の条件しては、濃度は１〜１６％、電圧は５．０〜７０ｋＶ、紡糸距離は５．０〜５０ｃｍ、単位距離あたりの電圧に換算すると、０．５〜７．０ｋｖ／ｃｍであるのが好ましい。
【００２８】
具体的には、全芳香族ポリアミドポリマーと溶媒とを５：９５〜１５：８５の重量比で溶解させたポリマー溶液を紡糸溶液とし、５〜７０ｋＶの電圧下で行うことにより前述した繊維径を有する芳香族ポリアミド超極細繊維を作製することができる。
【００２９】
紡糸溶液の供給は、ノズルや口金から押し出す方法や、紡糸溶液中に浸した円盤やドラムに、必要量となるように紡糸溶液を付着させ、連続回転させることにより供給する方法が挙げられる。ノズルや口金から供給する場合、吐出部の内径は超極細繊維の繊維径と相関がないため、限定はない。
【００３０】
上層または下層の繊維構造体の上に超極細繊維の繊維構造体からなる中間層を形成した後、さらにその上に反対の層を積層、すなわち上層の繊維構造体上に中間層を形成した場合はその上に下層を、下層の繊維構造体上に中間層を形成した場合はその上に上層を積層し、中間層を介して上層と下層を部分的に熱圧着する。
【００３１】
部分的に熱圧着する方法は特に限定されないが、エンボスローラによる熱溶着、つまりエンボス加工が好ましい。より具体的には、前述したドットパターンを有する加熱エンボスローラとフラットローラで熱圧着させて、エンボス加工を行うことができる。この際、エンボスローラ温度は、上層および／または下層に含まれる熱可塑性繊維もしくは熱可塑性樹脂の融点±５０℃となる温度領域が好ましく、融点±２０℃の温度領域がより好ましい。また、２本のローラ間で付与される線圧も積層される繊維構造体の目付などにより任意に選択すればよいが、例えば、上層の目付を３０〜１００ｇ／ｃｍ２、下層の目付を１０〜７０ｇ／ｃｍ２とした場合は、線圧を０．１〜１ｔ／３０ｃｍでエンボス加工を行うことができる。
【００３２】
また、前述したように、エンボスローラのドットパターンの配置、各ドットの面積や形状などを変更することにより、熱圧着している部分の形状や面積、単位面積あたりの熱圧着部分の数などを任意に変更することができる。
【００３３】
本発明の多層繊維構造体の用途は何ら制限されるものではないが、超極細繊維からなる中間層を含むため、低圧力損失ならびに高捕集効率といった特性を有するため、フィルターとしての使用が好まれる。さらに、該多層繊維構造体は耐熱性繊維から構成されるため、耐熱フィルターとして使用することがより好ましい。
【実施例】
【００３４】
以下、実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。しかし、以下の例によって、本発明が限定されることはない。なお、実施例中の各特性値は下記の方法で測定した。
【００３５】
１．繊維径
上層、中間層、下層の繊維構造体から任意にサンプリングした繊維１００本について、走査型電子顕微鏡ＪＳＭ６３３０Ｆ（ＪＥＯＬ社製）にて測定し、繊維径の平均値を求めた。なお測定は、上層および下層は３，０００倍、中層は３０，０００倍の倍率で行った。
【００３６】
２．熱分解温度、融点、軟化点
熱分解温度は、繊維を空気中にて１０℃／ｍｉｎで昇温しながら、繊維の質量を温度の関数として測定する熱重量分析を用いて測定し、繊維の熱分解が無く質量変化の無い直線部分の延長線と、繊維の熱分解により質量が急激に低下し直線状となった部分の延長線との交点における温度とした。
融点は、繊維を空気中にて１０℃／ｍｉｎで昇温しながら、ＤＳＣ法にて繊維からの発熱および繊維への吸熱を測定し、融点に相当する吸熱ピークが得られた温度とした。また、軟化点は、繊維を空気中にて１０℃／ｍｉｎで昇温しながら、ＤＳＣ法にて繊維からの発熱および繊維への吸熱を測定し、軟化点に相当する吸熱曲線が得られ始めた温度とした。
【００３７】
３．圧力損失
実施例および比較例の多層繊維構造体を用い、エアーを、面速度１０ｃｍ／ｓになるように該多層繊維構造体に該多層繊維構造体の上層側から流し、該多層繊維構造体前後の圧力差（Ｐａ）を微差圧計にて測定し、該圧力差を圧量損失とした。
また、実施例および比較例の多層繊維構造体を１８０℃で１箇月間暴露した後、上記と同じ方法にて圧力損失を測定した。
これらの圧量損失をそれぞれ、１８０℃暴露前圧力損失、１８０℃暴露後圧力損失とした。また、１８０℃暴露後の圧力損失の保持率を下記式によって求めた。
捕集効率の保持率（％）＝（１８０℃暴露後圧力損失（Ｐａ）／１８０℃暴露前圧力損失（Ｐａ））×１００
【００３８】
４．捕集効率
実施例および比較例の多層繊維構造体を用い、該多層繊維構造体の上層側を上流側、下層側を下流側とし、これに０．３μｍのＮａＣｌ粒子の試験用粉塵含有空気を面速度１０ｃｍ／ｓとなる流量で通過させ、上流側および下流側におけるＮａＣｌ粒子濃度ＣＩＮおよびＣＯＵＴを、それぞれパーティクルカウンタによって測定し、下記式によって捕集効率を求めた。
捕集効率（％）＝（１−ＣＩＮ／ＣＯＵＴ）×１００
また、実施例および比較例の多層繊維構造体を１８０℃で１箇月間暴露した後、上記と同じ方法にて捕集効率を測定した。
上記の捕集効率をそれぞれ、１８０℃暴露前捕集効率、１８０℃暴露後捕集効率とした。また、１８０℃暴露後の捕集効率の保持率を下記式によって求めた。
捕集効率の保持率（％）＝（１８０℃暴露後捕集効率（％）／１８０℃暴露前捕集効率（％））×１００
【００３９】
［実施例１］
上層の繊維構造体には、全芳香族ポリアミド（ポリメタフェニレンイソフタルアミド）繊維（ＭＰＩＡ）（熱分解温度４１０℃、繊維長６０ｍｍ）（帝人テクノプロダクツ製コーネックス）とポリフェニレンサルファイド繊維（ＰＰＳ）（融点２８５℃、繊維長６０ｍｍ）（東洋紡社製プロコン）とを重量比５０：５０で混綿した目付５０ｇ／ｍ２の混綿スパンレース不織布を使用した。
【００４０】
また、下層の繊維構造体には、全芳香族ポリアミド（ポリメタフェニレンイソフタルアミド）繊維（ＭＰＩＡ）（熱分解温度４１０℃、繊維長６０ｍｍ）（帝人テクノプロダクツ社製コーネックス）とポリフェニレンサルファイド繊維（ＰＰＳ）（融点２８５℃、繊維長６０ｍｍ）（東洋紡社製プロコン）とを重量比が８０：２０で混綿した目付５０ｇ／ｍ２の混綿スパンレース不織布を、金属製フラットローラ（上ローラ）と耐熱樹脂製フラットローラ（下ローラ）にて、上ローラ温度を２７０℃、線圧を５０ｋｇ／ｃｍの条件でカレンダー加工した不織布を使用した。カレンダー加工後、下層の繊維構造体中の全芳香族ポリアミド繊維はポリフェニレンサルファイド繊維が一部溶融することにより両繊維が部分的に結合されているため、繊維構造体を激しく振動させて場合においても、全芳香族ポリアミド短繊維の繊維構造体からの脱離はなかった。
【００４１】
また、上層及び下層のスパンレース不織布を走査型電子顕微鏡にて観察し、繊維径の測長を行い、その平均値を表１に示した。なお、上層及び下層において、それぞれ全芳香族ポリアミド繊維（ＭＰＩＡ）とポリフェニレンサルファイド繊維（ＰＰＳ）は、繊維径が同程度のものを使用したので繊維径の測定は繊維の種類を区別せずに行い、それら測定値から平均値を求めた。
【００４２】
さらに、中間層を構成する超極細繊維を製造するために、界面重合法により目的ポリマーを製造した。詳細には、イソフタル酸クロライド１４．２ｇを金属ナトリウムにて脱水したテトラヒドロフラン１００ｍｌに溶解し、攪拌しながら、メタフェニレンジアミン７．４１ｇをテトラヒドロヒラン１００ｍｌに溶解した溶液を細流として徐々に加えていくと白濁した乳化液を作製した。攪拌を約５分継続した後、炭酸ソーダ１４．８ｇおよび食塩２８．０ｇを３００ｍｌの水に溶かした水溶液を速やかに加え、約５分間激しく攪拌した。得られた白色重合体を静置して沈殿させ、透明な水溶液相を除去、ろ過することで全芳香族ポリアミドポリマー（ポリメタフェニレンイソフタルアミド）を得た。
【００４３】
次に、特開２００６−３３６１７３号公報記載の方法に準じ、エレクトロスピニングにより、超極細繊維を製造した。すなわち、得られた全芳香族ポリアミドポリマー（ポリメタフェニレンイソフタルアミド）をＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミドに、１０重量％となるように溶解し、１ｋＶ／ｃｍとなるように電界をかけてエレクトロスピニングを２０分間行い、下層となる混綿スパンレース不織布上に超極細繊維からなる中間層を形成した。この中間層の目付は、０．１ｇ／ｍ２であった。
得られた超極細繊維を走査型電子顕微鏡にて観察し、繊維径の測長を行い、その平均値を表１に示した。
【００４４】
さらに、この中間層の繊維構造体上を前述した上層となる混綿スパンレース不織布で覆い、上層、中間層、下層の３層からなる積層体とした。
次にこの積層体を、円形ドットパターンを有する金属製ローラ（上ローラ）と、耐熱樹脂製フラットローラ（下ローラ）を用いて、３層繊維構造体の全表面積に対するエンボスの熱圧着面積が７．８％、エンボス熱圧着数が６２ｄｏｔ／ｃｍ２（１ｄｏｔ当たりの熱圧着面積０．００１３ｃｍ２）となるよう点状（円形）エンボス加工を上ローラの温度を２８５℃、上下ローラ間の線圧０．５ｔ／３０ｃｍとして行い、中間層を挟み上層と下層を部分的に熱圧着させ、上層、中間層、下層からなる多層繊維構造体（３層繊維構造体）を得た。
得られた３層繊維構造体は中間層を構成する超極細繊維が上層および下層に保護されているため、これを折り曲げた場合でも超極細繊維が破損せず、取扱性の優れるものであった。結果を表１に示すが、耐熱性フィルターとして十分な性能を有していた。
【００４５】
［実施例２］
中間層を積層する前の下層の熱処理をカレンダーロールで行わず、３００℃のスルーエアーの加熱で行った以外は実施例１と同様に行い、下層上に中間層となる超極細繊維を製造し、中間層を上層と下層で挟んだ後、エンボス加工を実施することで３層繊維構造体を製造した。該３層繊維構造体は実施例１同様取扱性に優れるものであった。結果を表１に示すが、耐熱性フィルターとして十分な性能を有していた。
【００４６】
［実施例３］
上ローラをエンボス総面積が２８％、エンボス数が１６５ｄｏｔ／ｃｍ２、１ｄｏｔ当りの面積が０．００１７ｃｍ２の円形ドットパターンを有する加熱ローラに変更した以外は実施例１と同様に３層繊維構造体を製造した。該３層繊維構造体は実施例１同様取扱性に優れるものであった。結果を表１に示すが、耐熱性フィルターとして十分な性能を有していた。
【００４７】
［実施例４〜５］
エレクトロスピニングにより超極細繊維を下層の繊維構造体上に成形する時間を変更し中層の繊維構造体の目付を表１のようにした以外は実施例１と同様に３層繊維構造体を製造した。該３層繊維構造体は実施例１同様取扱性に優れるものであった。結果を表１に示すが、耐熱性フィルターとして十分な性能を有していた。
【００４８】
［実施例６］
上層の目付を変更した以外は実施例１と同様に３層繊維構造体を製造した。該３層繊維構造体は実施例１同様取扱性に優れるものであった。結果を表１に示すが、耐熱性フィルターとして十分な性能を有していた。
【００４９】
［実施例７］
上ローラをエンボス総面積が１３．８％、エンボス数が９．５ｄｏｔ／ｃｍ２、１ｄｏｔ当りの面積が０．０１５ｃｍ２の角丸長方形ドットパターンを有する加熱ローラに変更した以外は実施例１と同様に３層繊維構造体を製造した。該３層繊維構造体は実施例１同様取扱性に優れるものであった。結果を表１に示すが、耐熱性フィルターとして十分な性能を有していた。
【００５０】
[実施例８]
全芳香族ポリアミドポリマー（ポリメタフェニレンイソフタルアミド）をＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミドに、１６重量％となるように溶解し、１ｋＶ／ｃｍとなるように電界をかけてエレクトロスピニングを２０分間行った以外は、実施例１同様に３層構造体を製造した。該３層構造体は実施例１同様取扱性に優れるものであった。結果を表１に示すが、耐熱性フィルターとして十分な性能を有していた。
【００５１】
［比較例１］
中間層を構成するポリマーをポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）（軟化点１９０℃）（東邦テナックス社製）に変更する以外は、実施例１と同様に３層繊維構造体を製造した。該３層繊維構造体は実施例１同様取扱性に優れるものであった。この結果を表１に示す。ただし、１８０℃暴露後の捕集効率は大きく低下しており、高温で使用した後に性能が低下するため、耐熱フィルターとして不適であった。
【００５２】
［比較例２］
上層および下層の熱可塑性繊維を、ポリフェニレンサルファイド繊維からポリエステル不織布（ＰＥ）（融点１２５℃、日東紡社製スパンファブ）を開繊し、繊維長が６０ｍｍとなるようにカットしたものに変更し、下層の繊維構造体にカレンダー加工する際の金属フラットローラ（上ローラ）の温度を１２０℃に変更する以外は、実施例１と同様に３層繊維構造体を製造した。該３層繊維構造体は実施例１同様取扱性に優れるものであった。この結果を表１に示す。ただし、１８０℃暴露後には３層繊維構造体形状を維持していなかったため、該暴露後の性能は測定不能であった。
【００５３】
［比較例３］
エンボス加工を実施しない以外は、実施例１と同様にして３層繊維構造体を製造した。該３層繊維構造体は上層、中間層、下層が容易に剥離するため、フィルターとして不適であった。このため性能評価は実施しなかった。
【００５４】
［比較例４］
上層の不織布を積層せず、またエンボス加工を実施しない以外は、実施例１と同様して２層繊維構造体を製造した。該２層繊維構造体は超極細繊維が表面に露出しているため、超極細繊維面への軽い摩擦でも超極細繊維が破損し、フィルターとして不適であった。このため性能評価は実施しなかった。
【００５５】
【表１】
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明によれば、高捕集効率および低圧力損失といった特性を有し、超極細繊維の破損することがなく、耐熱性にも優れ高温で使用した後も上記特性が低下しない多層繊維構造体を提供することができる。また、これを用いたフィルターを提供することができる。このため、上記の繊維構造体及びフィルターは各種フィルターに広く用いることができ、特に耐熱性が要求される用途でその性能を十分に発揮するものである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下層、中間層、上層の少なくとも３層からなる多層繊維構造体であって、下記ａ）〜ｅ）の要件を満足することを特徴とする多層繊維構造体。
ａ）中間層が直径１０〜５００ｎｍの超極細繊維からなる繊維構造体であること。
ｂ）上層および下層が直径１〜１００μｍの繊維からなる繊維構造体であること。
ｃ）中間層が熱分解温度が３００℃以上の繊維及び／又は融点もしくは軟化点が２００℃以上の繊維からなること。
ｄ）上層及び／又は下層を構成する繊維が、融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の繊維及び／又は融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の樹脂を含むこと。
ｅ）上層と下層を構成する繊維とが接着している部分を有すること。
【請求項２】
中間層を構成する超極細繊維が、全芳香族ポリアミドからなる請求項１記載の多層繊維構造体。
【請求項３】
中間層の超極細繊維が、エレクトロスピニング法により成形された超極細繊維である請求項１〜２いずれかに記載の多層繊維構造体。
【請求項４】
上層及び／又は下層を構成する繊維が、ポリフェニレンサルファイドからなる請求項１〜３いずれかに記載の多層繊維構造体。
【請求項５】
上層及び／又は下層を構成する繊維に、熱分解温度が３００℃以上の繊維を含む請求項１〜４いずれかに記載の多層繊維構造体。
【請求項６】
熱分解温度が３００℃以上の繊維が、全芳香族ポリアミド繊維である請求項５記載の多層繊維構造体。
【請求項７】
上層と下層を構成する繊維の接着が、熱エンボス加工による熱圧着である請求項１〜６いずれかに記載の多層繊維構造体。
【請求項８】
エンボス加工により熱圧着している部分の形状が、円、楕円、角丸長方形のいずれかである請求項７記載の多層繊維構造体。
【請求項９】
上層と下層が中間層を介して隣接している面の全表面積に対して熱圧着している部分の面積の比率が、１〜１５%であり、該部分の数が１〜７０ｄｏｔ／ｃｍ２である請求項７または８記載の多層繊維構造体。
【請求項１０】
上層または下層の少なくとも一方が、加熱処理または加圧加熱処理されている請求項１〜９いずれかに記載の多層繊維構造体。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の多層繊維構造体を含むことを特徴とするフィルター。
【請求項１】
下層、中間層、上層の少なくとも３層からなる多層繊維構造体であって、下記ａ）〜ｅ）の要件を満足することを特徴とする多層繊維構造体。
ａ）中間層が直径１０〜５００ｎｍの超極細繊維からなる繊維構造体であること。
ｂ）上層および下層が直径１〜１００μｍの繊維からなる繊維構造体であること。
ｃ）中間層が熱分解温度が３００℃以上の繊維及び／又は融点もしくは軟化点が２００℃以上の繊維からなること。
ｄ）上層及び／又は下層を構成する繊維が、融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の繊維及び／又は融点もしくは軟化点が２７０〜４００℃の樹脂を含むこと。
ｅ）上層と下層を構成する繊維とが接着している部分を有すること。
【請求項２】
中間層を構成する超極細繊維が、全芳香族ポリアミドからなる請求項１記載の多層繊維構造体。
【請求項３】
中間層の超極細繊維が、エレクトロスピニング法により成形された超極細繊維である請求項１〜２いずれかに記載の多層繊維構造体。
【請求項４】
上層及び／又は下層を構成する繊維が、ポリフェニレンサルファイドからなる請求項１〜３いずれかに記載の多層繊維構造体。
【請求項５】
上層及び／又は下層を構成する繊維に、熱分解温度が３００℃以上の繊維を含む請求項１〜４いずれかに記載の多層繊維構造体。
【請求項６】
熱分解温度が３００℃以上の繊維が、全芳香族ポリアミド繊維である請求項５記載の多層繊維構造体。
【請求項７】
上層と下層を構成する繊維の接着が、熱エンボス加工による熱圧着である請求項１〜６いずれかに記載の多層繊維構造体。
【請求項８】
エンボス加工により熱圧着している部分の形状が、円、楕円、角丸長方形のいずれかである請求項７記載の多層繊維構造体。
【請求項９】
上層と下層が中間層を介して隣接している面の全表面積に対して熱圧着している部分の面積の比率が、１〜１５%であり、該部分の数が１〜７０ｄｏｔ／ｃｍ２である請求項７または８記載の多層繊維構造体。
【請求項１０】
上層または下層の少なくとも一方が、加熱処理または加圧加熱処理されている請求項１〜９いずれかに記載の多層繊維構造体。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の多層繊維構造体を含むことを特徴とするフィルター。
【公開番号】特開２０１０−８９４５６（Ｐ２０１０−８９４５６Ａ）
【公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２６３９２１（Ｐ２００８−２６３９２１）
【出願日】平成２０年１０月１０日（２００８．１０．１０）
【出願人】（３０３０１３２６８）帝人テクノプロダクツ株式会社 (504)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月１０日（２００８．１０．１０）
【出願人】（３０３０１３２６８）帝人テクノプロダクツ株式会社 (504)
【Ｆターム（参考）】
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