液体ろ過のためのろ材
１０００ナノメートル未満の平均直径を有するナノファイバーの少なくとも１つの層を、場合によりスクリム層と共に含むろ材が、液体中の微粒子物質をろ過するために開示されている。ろ材は、少なくとも０．０５５Ｌ／分／ｃｍ２の流量を、比較的高レベルの容積で達成する。ろ材はまた、差圧が２ｐｓｉ（１４ｋＰａ）〜１５ｐｓｉ（１００ｋＰａ）の間で増加する際に流量を低減させないことが有利に見出されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノファイバーの１つもしくはそれ以上の層を含んでなるろ材に関する。ろ材は、汚染物を液体からろ過するのに特に好適である。
【背景技術】
【０００２】
液体ろ材は、一般的には、２つのタイプの一方に分類される。一タイプは、繊維状不織ろ材であり、特に限定されないが、連続繊維から形成されるスパンボンド、メルトブローンまたはスパンレース不織ろ材、カードステープル繊維から形成される水流交絡不織ろ材、および上記技術の併用から形成されるろ材が挙げられる。液体ろ過用の不織ろ材は、１μｍを超える孔径を有する。液体ろ材の第２のタイプは、非支持状態でまたは支持層と併せて用いられることができる多孔性フィルムメンブランである。ろ過メンブランは、０．０１μｍ未満の孔径を有し、および典型的には、約０．１μｍ〜約１０μｍの範囲の微粒子が液体からろ過される精密ろ過、約５０ｎｍ〜約０．５μｍの範囲の微粒子がろ過される限外ろ過および約１Å〜約１ｎｍの範囲の物体がろ過される逆浸透法などの微細なろ過作業を達成するために用いられる。不織ろ材およびメンブランは共に、精密ろ過における使用に好適である。
【０００３】
１μｍ未満の孔径に等しい粒子の不織ろ材での保持を達成するために、不織ろ材は、繊維材料の層の数を増やすことにより、大きい深さで形成されてきた。これは、汚染物粒子がろ材による捕獲から逃れるために通らなければならない障害経路の高い屈曲係数、およびろ材の高い汚染物保持能を望ましくもたらす。不織ろ材における繊維層の数の増加はまた、フィルタ使用者に対するエネルギーの増加および短いフィルタ寿命に反映される、圧力低下または用いるろ材を隔てた差圧を不要に高める。他方で、メンブランは、良好な粒子保持、圧力低下およびフラックスの組み合わせを呈することが可能であるが、費用がきわめて高い傾向にあり、および圧力低下の全範囲にわたって良好な汚染物保持能を提供せず、従って、メンブランを用いるフィルタの需要を制限している。
【０００４】
（特許文献１）は、汚染物を空気または液体からろ過する不織ろ材を開示し、このろ材は、微細繊維の単一層または多層を含んでなる。微細繊維は、それらの間に高電圧静電界が維持された放射デバイスおよびグリッドを含む装置を利用する静電紡糸プロセスにより形成される。ポリマーの溶剤中の溶液が、そこから溶液の小滴が静電界によりグリッドに向かって加速される放射デバイスに送られ、ここで、溶剤が蒸発してポリマーが微細繊維に延伸され、および乾燥繊維として、放射デバイスおよびグリッドの間に位置された収集基材上に収集される。
【０００５】
合成ポリマーは、きわめて小さい直径繊維（すなわち、約数マイクロメートルまたは１μｍ未満）のウェブに、メルトブローイング、静電紡糸およびエレクトロブローイングを含む種々のプロセスを用いて形成されてきた。このようなウェブは、液体バリア材料およびフィルタとして有用である。度々、これらは、より強固なシートと組み合わされて複合体が形成され、より強固なシートは、最終フィルタ製品の要求を満たす強度を提供する。
【０００６】
圧力低下および流量の向上した組み合わせを提供する、汚染物を液体からろ過するために好適である不織ろ材を有することが望ましいであろう。このようなろ材は、増加したフィルタ耐用寿命を提供するであろうと考えられている。
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４／００３８０１４ Ａ号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の実施形態において、本発明は、高分子ナノファイバーの少なくとも１つのナノファイバー層を含んでなるろ材に関し、ここで、ナノファイバーは、約１μｍ未満の平均繊維直径を有し、ろ材は、約０．５μｍ〜約５．０μｍの間の平均流孔サイズ、約１５容量％〜約９０容量％の間の容積および、１０ｐｓｉ（６９ｋＰａ）差圧における約０．０５５Ｌ／分／ｃｍ２を超える水のろ材通過流量を有する。
【０００９】
本発明の第２の実施形態は、紡糸ノズル、ブローイングガス射出ノズルおよびコレクタを含んでなる少なくとも１つの紡糸ビームを含んでなる紡糸ビームを含んでなる微細繊維紡糸装置であって、紡糸ビームおよびコレクタがそれらの間に高電圧静電界を維持する装置を提供し、紡糸ノズルにポリマーおよび溶剤を含んでなるポリマー溶液を供給し、ポリマー溶液を紡糸ノズルから圧力をかけながら吐出し、かつ前記溶液を前記ガス射出ノズルから吐出されるブローイングガスと共に吹出して、ナノファイバーの繊維状ウェブを形成し、そして乾量基準で計測した場合約２ｇ／ｍ２〜約１００ｇ／ｍ２の間の坪量を有する繊維状ウェブを、単一の紡糸ビーム下で単一パスにおいて移動収集装置上に収集すること、を含んでなるろ材の製造方法に関する。
【００１０】
本発明の他の実施形態は、高分子ナノファイバーの少なくとも１つのナノファイバー層を有するろ材を含んでなるフィルタに関し、ここで、ナノファイバーは約１μｍ未満の平均繊維直径を有し、およびろ材は、約０．５μｍ〜約５．０μｍの間の平均流孔サイズ、約１５容量％〜約９０容量％の間の容積および１０ｐｓｉ（６９ｋＰａ）差圧における約０．０５５Ｌ／分／ｃｍ２を超える水のろ材通過流量を有する。
【００１１】
本発明の他の実施形態は、微粒子を含有する液体を、高分子ナノファイバーの少なくとも１つのナノファイバー層を含んでなるろ材に通過させることを含んでなる液体から微粒子を除去する方法に関し、ここで、ナノファイバーは、約１μｍ未満の平均繊維直径を有し、ろ材は、約０．５μｍ〜約５．０μｍの間の平均流孔サイズ、約１５容量％〜約９０容量％の間の容積および１０ｐｓｉ（６９ｋＰａ）差圧における約０．０５５Ｌ／分／ｃｍ２を超える水のろ材通過流量を有する。
【００１２】
この明細書に組み込まれ、一部を構成する添付の図面は、本発明の現在想達される実施形態を図示し、本明細書と一緒に、本発明の原理の説明に役立つ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、汚損物質または汚染物を液体から除去するためのろ材であって、少なくとも１つのナノファイバー層を含むろ材、ろ材の製造方法、および微粒子を液体から除去する方法に関する。
【００１４】
用語「ナノファイバー」は、数十ナノメートルから、数百ナノメートル以下で異なるが、一般的には１マイクロメートル未満の直径を有する繊維を指す。
【００１５】
用語「ろ材」は、微粒子材料の材料中または上での同時のおよび少なくとも一時的な滞積を伴って、微粒子担持流体が通過する材料または材料の集合を指す。
【００１６】
用語「フラックス」および「流量」は、体積量の流体が所与の面積のろ材を通過する流量を指すために同義的に用いられる。
【００１７】
本発明のろ材は、高分子ナノファイバーの少なくとも１つのナノファイバー層を含む。ナノファイバーは、約１μｍ未満、好ましくは約０．１μｍ〜約１μｍの間の平均繊維直径を有する。ろ材は、約０．５μｍ〜約５．０μｍの間の平均流孔サイズを有する。ろ材は、少なくとも約１５容量％、さらには、約１５容量％〜約９０容量％の間、およびさらには、約３０容量％〜約７５容量％の間の容積を有する。ろ材は、１０ｐｓｉ（６９ｋＰａ）差圧での約０．０５５Ｌ／分／ｃｍ２を超える水のろ材通過流量を有する。ろ材は、約１０μｍ〜約６００μｍの間の、さらには、約３０μｍ〜約１３０μｍの間の厚さを有する。ろ材は、約２ｇ／ｍ２〜約１００ｇ／ｍ２の間の、さらには、約１５ｇ／ｍ２〜約９０ｇ／ｍ２の間の坪量を有する。
【００１８】
ろ材は、単に、ナノファイバーから構成されることが可能であり、またはナノファイバー層と構造的支持のための多孔性基材（スクリムとしても称される）との組み合わせであることが可能である。
【００１９】
本発明における使用に好適であるポリマーとしては、熱可塑性および熱硬化性ポリマーが挙げられる。本発明における使用に好適であるポリマーとしては、限定されないが、ポリイミド、脂肪族ポリアミド、芳香族ポリアミド、ポリスルホン、セルロースアセテート、ポリエーテルスルホン、ポリウレタン、ポリ（尿素ウレタン）、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルイミド、ポリアクリロニトリル、ポリ（エチレンテレフタレート）、ポリプロピレン、ポリアニリン、ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（エチレンナフタレート）、ポリ（ブチレンテレフタレート）、スチレンブタジエンゴム、ポリスチレン、ポリ（塩化ビニル）、ポリ（ビニルアルコール）、ポリ（フッ化ビニリデン）、ポリ（ビニルブチレン）、これらのコポリマーまたは誘導体化合物、およびこれらの組み合わせ。
【００２０】
ろ材のナノファイバー層の製造方法は、本願明細書において参照により援用される国際公開第２００３／０８０９０５号パンフレット（米国特許出願第１０／８２２，３２５号明細書）に開示されている。図１は、国際公開第２００３／０８０９０５号パンフレットに記載のとおり、エレクトロブローイング（または「エレクトロブロー紡糸」）を用いる本発明の方法を実施するために有用であるエレクトロブローイング装置の概略図である。この従来技術エレクトロブローイング方法は、溶剤中のポリマーの溶液を混合チャンバ１００から、紡糸ビーム１０２を介して、高電圧が印加される紡糸ノズル１０４に供給する一方で、ノズルから吐出される、ブローイングガス流１０６中のポリマー溶液に向けて圧縮ガスを指向して、ナノファイバーを形成し、接地したコレクタ１１０上に、減圧チャンバ１１４およびブロア１１２によって形成された減圧下でナノファイバーをウェブに収集することを含んでなる。
【００２１】
本発明の一実施形態において、ろ材は、プロセスを通して、紡糸ビームおよびコレクタの間に位置された移動収集装置の単一パスによって形成される単一のナノファイバー層を含んでなる。繊維状ウェブは、同一の移動収集装置上で同時に操作される１つもしくはそれ以上の紡糸ビームによって形成されることが可能であることは、理解されるであろう。
【００２２】
本発明の一実施形態において、単一のナノファイバー層は、単一の紡糸ビームからのナノファイバーを、移動収集装置の単一パスで堆積させることにより形成され、ナノファイバー層は、乾量基準（すなわち、残存溶剤が蒸発し、または除去された）で計測して、約２ｇ／ｍ２〜約１００ｇ／ｍ２の間の、さらには、約１０ｇ／ｍ２〜約９０ｇ／ｍ２の間の、およびさらには、約２０ｇ／ｍ２〜約７０ｇ／ｍ２の間の坪量を有する。
【００２３】
移動収集装置は、好ましくは、静電界内において、紡糸ビーム１０２およびコレクタ１１０の間に位置された移動収集ベルトである。収集された後、単一のナノファイバー層は、紡糸ビームの下流側の巻取ロールに向けられ、および巻かれる。
【００２４】
本発明の一実施形態においては、得られるナノファイバー層および多孔性基材の複合体が本発明のろ材として用いられるよう、多様な多孔性基材のいずれも、移動収集ベルト上に配置されて、収集されると共に基材上にスパンされたナノファイバーウェブと組み合わされることが可能である。多孔性基材の実施例としては、スパンボンド不織布、メルトブローン不織布、ニードルパンチ不織布、スパンレース不織布、湿式不織布、樹脂接合不織布、織布、メリヤス生地、開孔フィルム、紙、およびこれらの組み合わせが挙げられる。
【００２５】
収集されたナノファイバー層は、有利には、接合される。接合は、特に限定されないが、加熱された平滑なニップロール間での熱カレンダ加工、超音波接合、およびガス中接合を含む公知の方法によって達成され得る。接合は、ろ材が、取り扱い、有用なフィルタへの形成、およびフィルタにおける使用に関連する力に耐え得るようろ材の強度および耐圧縮性を増加させ、および用いられる接合方法に応じて、厚さ、密度、および孔のサイズおよび形状などの物理特性を調整する。例えば、熱カレンダ加工を用いて、ろ材の厚さを低減させ、密度および容積を増加させ、ならびに孔のサイズを低減させることが可能である。これは、次いで、所与の適用された差圧でのろ材通過流量を低減させる。一般には、超音波接合は、ろ材を熱カレンダ加工より小さい面積で接合し、従って厚さ、密度および孔径により小さい影響を有する。ガス中結合は、一般的には、厚さ、密度および孔径に最低の影響を有し、従って、この結合法が高流量の維持が最も重要である用途において好ましい場合がある。
【００２６】
熱カレンダ加工を用いる場合、ナノファイバーが溶融し、および個別の繊維としてのそれらの構造をもはや維持しなくなるまで、材料を過度に接合しないよう注意をしなければならない。極端な場合には、過剰な接合は、フィルムが形成されることとなるような微細繊維の完全な溶融をもたらすであろう。用いるニップロールの一方または両方は、約周囲温度、例えば約２５℃〜約３００℃の間、さらには、約５０℃〜約２００℃の間の温度に加熱される。ナノファイバー層は、約０ ｌｂ／ｉｎ〜約１０００ ｌｂ／ｉｎ（１７８ｋｇ／ｃｍ）の間、さらには、約５０ ｌｂ／ｉｎ（８．９ｋｇ／ｃｍ）〜約５５０ ｌｂ／ｉｎ（９８ｋｇ／ｃｍ）の間の圧力で、ニップロールの間で圧縮される。ナノファイバー層は、有利には、少なくとも約１０ｆｔ／分（３ｍ／分）、さらには、少なくとも約３０ｆｔ／分（９ｍ／分）のライン速度で圧縮される。カレンダ加工条件（例えば、ロール温度、ニップ圧およびライン速度）は、所望の容積を達成するために調節することが可能である。一般には、より高い温度、圧力の適用、および／または、高温および／または高圧下での長い滞留時間は増加された容積をもたらす。いくつかの事例においては、収集したナノファイバー層を、約６５℃以下の温度、約１００ ｌｂ／ｉｎ（１７．８ｋｇ／ｃｍ）未満のニップ圧、約３０ｆｔ／分（９ｍ／分）を超えるライン速度、または前記条件の組み合わせで軽く圧延処理して、約１５容量％〜約３０容量％の間の容積を有するろ材をもたらすことが望ましい。
【００２７】
試験法
坪量を、本願明細書において参照により援用されるＡＳＴＭ Ｄ−３７７６に準拠して測定し、およびｇ／ｍ２で報告した。
【００２８】
容積を、ｇ／ｍ２でのサンプルの坪量で、ｇ／ｃｍ３でのポリマー密度およびマイクロメートルでのサンプル厚さで除すると共に、１００を乗すること、すなわち、容積＝坪量／（密度×厚さ）×１００により算出した。
【００２９】
繊維直径を、以下のとおり測定した。５，０００×倍率での、１０の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を、各ナノファイバー層サンプルについて撮った。１１のはっきりと識別可能なナノファイバーの直径を各ＳＥＭイメージから計測し記録した。欠陥は含まなかった（すなわち、ナノファイバー塊、ポリマー液滴、ナノファイバーの交差部）。各サンプルについての平均繊維直径を算出した。
【００３０】
厚さを本願明細書において参照により援用されるＡＳＴＭ Ｄ１７７７−６４に準拠して測定し、およびマイクロメートルで報告する。
【００３１】
最小孔径を、ＡＳＴＭ名Ｅ１２９４−８９、「メンブランフィルタの孔径特徴に対する自動化液体ポロシメータを用いる標準試験法（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｐｏｒｅ Ｓｉｚｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｉｌｔｅｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｏｒｏｓｉｍｅｔｅｒ）」に基づいて計測し、これは、およそ、毛管流ポロシメータ（モデルナンバーＣＦＰ−３４ＲＴＦ８Ａ−３−６−Ｌ４、ニューヨーク州イサカ（Ｉｔｈａｃａ，ＮＹ）のポロスマテリアルズ社（Ｐｏｒｏｕｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．）（ＰＭＩ））を用いるＡＳＴＭ名Ｆ３１６からの自動化泡立ち点法を用いることにより、０．０５μｍ〜３００μｍの孔径直径を有するメンブランの孔径特徴を計測する。異なるサイズの個体サンプル（８、２０または３０ｍｍ直径）を、低表面張力流体（１，１，２，３，３，３−ヘキサフルオロプロペン、または１６ｄｙｎｅ／ｃｍの表面張力を有する「ガルウィック（Ｇａｌｗｉｃｋ）」）で濡らした。各サンプルをホルダー中に置き、および空気の差圧を適用し、および流体をサンプルから除去した。最小孔径は圧縮圧力がサンプルシートに加圧された後に開く最後の孔であり、ベンダーから供給されたソフトウェアを用いて算出される。
【００３２】
平均流孔サイズを、ＡＳＴＭ名Ｅ１２９４−８９、「メンブランフィルタの孔径特徴に対する自動化液体ポロシメータを用いる標準試験法（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｐｏｒｅ Ｓｉｚｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｉｌｔｅｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｏｒｏｓｉｍｅｔｅｒ）」に基づいて計測した。再度、異なるサイズの個体サンプル（８、２０または３０ｍｍ直径）を上記の低表面張力流体で濡らし、およびホルダー中に置き、および空気の差圧を適用し、および流体をサンプルから除去した。濡れた流れが、乾燥した流れ（湿潤溶剤無しでの流れ）の半分と等しくなる差圧が、提供されたソフトウェアを用いる平均流孔サイズの算出に用いられる。
【００３３】
泡立ち点を、ＡＳＴＭ名Ｆ３１６、「泡立点および平均流孔テストによるメンブランフィルタの孔径特徴に対する標準試験法（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｐｏｒｅ Ｓｉｚｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｉｌｔｅｒｓ ｂｙ Ｂｕｂｂｌｅ Ｐｏｉｎｔ ａｎｄ Ｍｅａｎ Ｆｌｏｗ Ｐｏｒｅ Ｔｅｓｔ）」に基づいて計測した。個体サンプル（８、２０または３０ｍｍ直径）を上記の低表面張力流体で濡らした。サンプルをホルダー中に置いた後、差圧（空気）が適用され、および流体がサンプルから除去される。泡立ち点は、圧縮空気圧力がサンプルシートに適用された後は、最初は開口であり、およびベンダーに提供されたソフトウェアを用いて算出される。
【００３４】
流量（フラックスとしても称される）は、所与の面積のサンプルを通過する流体の量であり、および脱イオン水を、８ｍｍの直径を有するろ材サンプルに通して計測した。水を、水圧（水頭圧）または空気圧（水上での気圧）を用いて、強制的にサンプルを通過させた。テストは、磁性フロートを含有する流体で充填したカラムを用い、およびカラムに取り付けられたセンサが磁性フロートの位置を読み取り、およびデジタルインフォメーションをコンピュータに提供する。流量は、ＰＭＩにより提供されるデータ分析ソフトウェアを用いて算出される。
【実施例】
【００３５】
本願明細書中以下に、本発明を以下の実施例においてより詳細に説明する。国際公開第２００３／０８０９０５号パンフレットにおいて、その図１に例示のとおり開示されている発明のナノファイバーウェブを形成するためのエレクトロブローン紡糸またはエレクトロブローイングプロセスおよび装置を用いて、以下の実施例のナノファイバー層およびウェブを製造した。
【００３６】
１．１４ｇ／ｃｃの密度を有するナイロン６，６ポリマー（デラウェア州ウィルミントン（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，Ｄｅｌａｗａｒｅ）のイーアイデュポンドゥヌムールアンドカンパニー（Ｅ．Ｉ．ｄｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙ）から入手可能）の（２４重量パーセントでの）、ギ酸（９９％純度での）（フィンランドヘルシンキ（Ｈｅｌｓｉｎｋｉ，Ｆｉｎｌａｎｄ）のケミラオイジ（ＫｅｍｉｒａＯｙｊ）から入手可能）中の溶液をエレクトロブローイングすることにより、ナノファイバー層を形成した。ポリマーおよび溶剤を溶液混合タンク中に供給し、溶液をリザーバに移し、ギアポンプを介して、一連の紡糸ノズルおよびガス射出ノズルを有するエレクトロブローイングスピンパックへ計量した。スピンパックを、約１３℃〜約２６℃の間の温度に、約９ｂａｒ〜約１３ｂａｒの間の紡糸ノズル中の溶液の圧力で維持した。スピナレットを電気的に絶縁すると共に、６５ｋＶの電圧を印加した。約３４℃〜約７９℃の間の温度の圧縮空気を、ガス射出ノズルを介して、スピンパックから、約４．７ｍ３／分〜約６ｍ３／分の量および２４０ｍｍ Ｈ２Ｏ〜約４１０ｍｍ Ｈ２Ｏの間の圧力で射出した。繊維を、紡糸ノズルから、大気圧、約５０％〜約７２％の間の相対湿度および約１３℃〜約２４℃の間の温度で空気中に排出させた。繊維を、パックの出口から約３００ｍｍ〜約３６０ｍｍの間の距離下の、約２．０ｍ／分〜約１５ｍ／分の速度で移動する多孔性ベルト上に敷いた。多孔性ベルト下の減圧チャンバが繊維のレイダウンを補助した。
【００３７】
実施例１
ナノファイバーの層を形成した。スピンパックは、１０ｂａｒ（１０００ｋＰａ）での紡糸ノズル中の溶液の圧力で２１℃の温度であった。７０℃の温度の圧縮空気を、ガス射出ノズルを介して、スピンパックから５ｍ３／分の量、および４００ｍｍ Ｈ２Ｏの圧力で射出した。繊維を、パックの出口から３３０ｍｍ下の、１５ｍ／分で移動する多孔性ベルト上に敷いた。ナノファイバー層サンプルを、スピンパック下を移動するベルトの５パスで、移動する収集ベルト上に繊維を直接的に堆積することによりスクリム無しで形成した。ナノファイバーの各層は、約５ｇ／ｍ２の目標坪量を有していた。ナノファイバー層サンプルを、表１に示す条件に従って接合した。
【００３８】
実施例２〜４
ナノファイバーの層を、スピンパックは、１２ｂａｒ（１２００ｋＰａ）での紡糸ノズル中の溶液の圧力で、２６℃の温度であり、および圧縮空気を、５４℃の温度、５．７ｍ３／分の量、および３２０ｍｍ Ｈ２Ｏの圧力で供給したこと以外は、実質的に実施例１に規定のとおり形成した。繊維を、パックの出口から３３０ｍｍ下の、７．４ｍ／分で移動する多孔性ベルト上に敷いた。ナノファイバー層サンプルを、スピンパック下を移動するベルトの４パスで、移動する収集ベルト上に繊維を直接的に堆積することによりスクリム無しで形成した。ナノファイバーの各層は、約１０ｇ／ｍ２の目標坪量を有していた。ナノファイバー層サンプルを、表１に示す条件に従って接合した。
【００３９】
実施例５〜７
ナノファイバーの層を、スピンパックは、１２ｂａｒ（１２００ｋＰａ）での紡糸ノズル中の溶液の圧力で、２０℃の温度であり、および圧縮空気を、３５℃の温度、５ｍ３／分の量、および２８０ｍｍ Ｈ２Ｏの圧力で供給したこと以外は、実質的に実施例１に規定のとおり形成した。繊維を、パックの出口から３００ｍｍ下の、１１．３ｍ／分で移動する多孔性ベルト上に敷いた。ナノファイバー層サンプルを、スピンパック下を移動するベルトの５パスで、移動する収集ベルト上に繊維を直接的に堆積することによりスクリム無しで形成した。ナノファイバーの各層は、約５ｇ／ｍ２の目標坪量を有していた。ナノファイバー層サンプルを、表１に示す条件に従って接合した。
【００４０】
実施例８
ナノファイバーの層を、スピンパックは、１１ｂａｒ（１１００ｋＰａ）での紡糸ノズル中の溶液の圧力で、２４℃の温度であり、および圧縮空気を、５９℃の温度、５．５ｍ３／分の量および３３０ｍｍ Ｈ２Ｏの圧力で供給したこと以外は、実質的に実施例１に規定のとおり形成した。繊維を、パックの出口から３３０ｍｍ下の、１４．７ｍ／分で移動する多孔性ベルト上に敷いた。ナノファイバー層サンプルを、スピンパック下を移動するベルトの１３パスで、移動する収集ベルト上に繊維を直接的に堆積することによりスクリム無しで形成した。ナノファイバーの各層は、約５ｇ／ｍ２の目標坪量を有していた。ナノファイバー層サンプルを、表１に示す条件に従って接合した。
【００４１】
【表１】
【００４２】
実施例の各々において、単一のナノファイバー層を、通常の手段によっては、ナノファイバーの２つ以上の層に剥がすことはできなかった。
【００４３】
液体流量は、以外にも、３０容量％を超える容積レベルについてより高いことが見出された。２ｐｓｉ（１４ｋＰａ）〜１５ｐｓｉ（１００ｋＰａ）の間で適用した差圧での特定の流量を、実施例４および８についての差圧に対してプロットした。図２のグラフに見ることが可能であるとおり、ろ材通過流量の変化対ろ材を隔てた差圧の対応する変化の比は、この差圧の範囲にわたって正である。換言すると、この範囲内で差圧が増加するに伴って、流量もまた増加する。本発明のろ材を含むフィルタを通過する流れ、従ってフィルタ寿命がこの範囲内での圧力低下によって制限されないため、これは本発明のろ材の利点である。
【００４４】
本発明のろ材は、望ましくない圧力低下に達せずに高質量の微粒子を保持するために必要な嵩高性を提供することが可能であると考えられている。ろ材は、公知のメンブランと比して、より大きい流量および／またはより低い圧力低下を微粒子の所与の保持で提供することが可能である。
【００４５】
本発明によるろ材は、食品および飲料、医薬品、バイオテクノロジー、マイクロエレクトロニクス、化学処理、水処理、および他の液体処理産業において有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明によるろ材を調製する従来技術のナノファイバーウェブ調製装置の概略図である。
【図２】特定の流量対、本発明によるろ材を隔てた差圧のグラフである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノファイバーの１つもしくはそれ以上の層を含んでなるろ材に関する。ろ材は、汚染物を液体からろ過するのに特に好適である。
【背景技術】
【０００２】
液体ろ材は、一般的には、２つのタイプの一方に分類される。一タイプは、繊維状不織ろ材であり、特に限定されないが、連続繊維から形成されるスパンボンド、メルトブローンまたはスパンレース不織ろ材、カードステープル繊維から形成される水流交絡不織ろ材、および上記技術の併用から形成されるろ材が挙げられる。液体ろ過用の不織ろ材は、１μｍを超える孔径を有する。液体ろ材の第２のタイプは、非支持状態でまたは支持層と併せて用いられることができる多孔性フィルムメンブランである。ろ過メンブランは、０．０１μｍ未満の孔径を有し、および典型的には、約０．１μｍ〜約１０μｍの範囲の微粒子が液体からろ過される精密ろ過、約５０ｎｍ〜約０．５μｍの範囲の微粒子がろ過される限外ろ過および約１Å〜約１ｎｍの範囲の物体がろ過される逆浸透法などの微細なろ過作業を達成するために用いられる。不織ろ材およびメンブランは共に、精密ろ過における使用に好適である。
【０００３】
１μｍ未満の孔径に等しい粒子の不織ろ材での保持を達成するために、不織ろ材は、繊維材料の層の数を増やすことにより、大きい深さで形成されてきた。これは、汚染物粒子がろ材による捕獲から逃れるために通らなければならない障害経路の高い屈曲係数、およびろ材の高い汚染物保持能を望ましくもたらす。不織ろ材における繊維層の数の増加はまた、フィルタ使用者に対するエネルギーの増加および短いフィルタ寿命に反映される、圧力低下または用いるろ材を隔てた差圧を不要に高める。他方で、メンブランは、良好な粒子保持、圧力低下およびフラックスの組み合わせを呈することが可能であるが、費用がきわめて高い傾向にあり、および圧力低下の全範囲にわたって良好な汚染物保持能を提供せず、従って、メンブランを用いるフィルタの需要を制限している。
【０００４】
（特許文献１）は、汚染物を空気または液体からろ過する不織ろ材を開示し、このろ材は、微細繊維の単一層または多層を含んでなる。微細繊維は、それらの間に高電圧静電界が維持された放射デバイスおよびグリッドを含む装置を利用する静電紡糸プロセスにより形成される。ポリマーの溶剤中の溶液が、そこから溶液の小滴が静電界によりグリッドに向かって加速される放射デバイスに送られ、ここで、溶剤が蒸発してポリマーが微細繊維に延伸され、および乾燥繊維として、放射デバイスおよびグリッドの間に位置された収集基材上に収集される。
【０００５】
合成ポリマーは、きわめて小さい直径繊維（すなわち、約数マイクロメートルまたは１μｍ未満）のウェブに、メルトブローイング、静電紡糸およびエレクトロブローイングを含む種々のプロセスを用いて形成されてきた。このようなウェブは、液体バリア材料およびフィルタとして有用である。度々、これらは、より強固なシートと組み合わされて複合体が形成され、より強固なシートは、最終フィルタ製品の要求を満たす強度を提供する。
【０００６】
圧力低下および流量の向上した組み合わせを提供する、汚染物を液体からろ過するために好適である不織ろ材を有することが望ましいであろう。このようなろ材は、増加したフィルタ耐用寿命を提供するであろうと考えられている。
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４／００３８０１４ Ａ号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の実施形態において、本発明は、高分子ナノファイバーの少なくとも１つのナノファイバー層を含んでなるろ材に関し、ここで、ナノファイバーは、約１μｍ未満の平均繊維直径を有し、ろ材は、約０．５μｍ〜約５．０μｍの間の平均流孔サイズ、約１５容量％〜約９０容量％の間の容積および、１０ｐｓｉ（６９ｋＰａ）差圧における約０．０５５Ｌ／分／ｃｍ２を超える水のろ材通過流量を有する。
【０００９】
本発明の第２の実施形態は、紡糸ノズル、ブローイングガス射出ノズルおよびコレクタを含んでなる少なくとも１つの紡糸ビームを含んでなる紡糸ビームを含んでなる微細繊維紡糸装置であって、紡糸ビームおよびコレクタがそれらの間に高電圧静電界を維持する装置を提供し、紡糸ノズルにポリマーおよび溶剤を含んでなるポリマー溶液を供給し、ポリマー溶液を紡糸ノズルから圧力をかけながら吐出し、かつ前記溶液を前記ガス射出ノズルから吐出されるブローイングガスと共に吹出して、ナノファイバーの繊維状ウェブを形成し、そして乾量基準で計測した場合約２ｇ／ｍ２〜約１００ｇ／ｍ２の間の坪量を有する繊維状ウェブを、単一の紡糸ビーム下で単一パスにおいて移動収集装置上に収集すること、を含んでなるろ材の製造方法に関する。
【００１０】
本発明の他の実施形態は、高分子ナノファイバーの少なくとも１つのナノファイバー層を有するろ材を含んでなるフィルタに関し、ここで、ナノファイバーは約１μｍ未満の平均繊維直径を有し、およびろ材は、約０．５μｍ〜約５．０μｍの間の平均流孔サイズ、約１５容量％〜約９０容量％の間の容積および１０ｐｓｉ（６９ｋＰａ）差圧における約０．０５５Ｌ／分／ｃｍ２を超える水のろ材通過流量を有する。
【００１１】
本発明の他の実施形態は、微粒子を含有する液体を、高分子ナノファイバーの少なくとも１つのナノファイバー層を含んでなるろ材に通過させることを含んでなる液体から微粒子を除去する方法に関し、ここで、ナノファイバーは、約１μｍ未満の平均繊維直径を有し、ろ材は、約０．５μｍ〜約５．０μｍの間の平均流孔サイズ、約１５容量％〜約９０容量％の間の容積および１０ｐｓｉ（６９ｋＰａ）差圧における約０．０５５Ｌ／分／ｃｍ２を超える水のろ材通過流量を有する。
【００１２】
この明細書に組み込まれ、一部を構成する添付の図面は、本発明の現在想達される実施形態を図示し、本明細書と一緒に、本発明の原理の説明に役立つ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、汚損物質または汚染物を液体から除去するためのろ材であって、少なくとも１つのナノファイバー層を含むろ材、ろ材の製造方法、および微粒子を液体から除去する方法に関する。
【００１４】
用語「ナノファイバー」は、数十ナノメートルから、数百ナノメートル以下で異なるが、一般的には１マイクロメートル未満の直径を有する繊維を指す。
【００１５】
用語「ろ材」は、微粒子材料の材料中または上での同時のおよび少なくとも一時的な滞積を伴って、微粒子担持流体が通過する材料または材料の集合を指す。
【００１６】
用語「フラックス」および「流量」は、体積量の流体が所与の面積のろ材を通過する流量を指すために同義的に用いられる。
【００１７】
本発明のろ材は、高分子ナノファイバーの少なくとも１つのナノファイバー層を含む。ナノファイバーは、約１μｍ未満、好ましくは約０．１μｍ〜約１μｍの間の平均繊維直径を有する。ろ材は、約０．５μｍ〜約５．０μｍの間の平均流孔サイズを有する。ろ材は、少なくとも約１５容量％、さらには、約１５容量％〜約９０容量％の間、およびさらには、約３０容量％〜約７５容量％の間の容積を有する。ろ材は、１０ｐｓｉ（６９ｋＰａ）差圧での約０．０５５Ｌ／分／ｃｍ２を超える水のろ材通過流量を有する。ろ材は、約１０μｍ〜約６００μｍの間の、さらには、約３０μｍ〜約１３０μｍの間の厚さを有する。ろ材は、約２ｇ／ｍ２〜約１００ｇ／ｍ２の間の、さらには、約１５ｇ／ｍ２〜約９０ｇ／ｍ２の間の坪量を有する。
【００１８】
ろ材は、単に、ナノファイバーから構成されることが可能であり、またはナノファイバー層と構造的支持のための多孔性基材（スクリムとしても称される）との組み合わせであることが可能である。
【００１９】
本発明における使用に好適であるポリマーとしては、熱可塑性および熱硬化性ポリマーが挙げられる。本発明における使用に好適であるポリマーとしては、限定されないが、ポリイミド、脂肪族ポリアミド、芳香族ポリアミド、ポリスルホン、セルロースアセテート、ポリエーテルスルホン、ポリウレタン、ポリ（尿素ウレタン）、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルイミド、ポリアクリロニトリル、ポリ（エチレンテレフタレート）、ポリプロピレン、ポリアニリン、ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（エチレンナフタレート）、ポリ（ブチレンテレフタレート）、スチレンブタジエンゴム、ポリスチレン、ポリ（塩化ビニル）、ポリ（ビニルアルコール）、ポリ（フッ化ビニリデン）、ポリ（ビニルブチレン）、これらのコポリマーまたは誘導体化合物、およびこれらの組み合わせ。
【００２０】
ろ材のナノファイバー層の製造方法は、本願明細書において参照により援用される国際公開第２００３／０８０９０５号パンフレット（米国特許出願第１０／８２２，３２５号明細書）に開示されている。図１は、国際公開第２００３／０８０９０５号パンフレットに記載のとおり、エレクトロブローイング（または「エレクトロブロー紡糸」）を用いる本発明の方法を実施するために有用であるエレクトロブローイング装置の概略図である。この従来技術エレクトロブローイング方法は、溶剤中のポリマーの溶液を混合チャンバ１００から、紡糸ビーム１０２を介して、高電圧が印加される紡糸ノズル１０４に供給する一方で、ノズルから吐出される、ブローイングガス流１０６中のポリマー溶液に向けて圧縮ガスを指向して、ナノファイバーを形成し、接地したコレクタ１１０上に、減圧チャンバ１１４およびブロア１１２によって形成された減圧下でナノファイバーをウェブに収集することを含んでなる。
【００２１】
本発明の一実施形態において、ろ材は、プロセスを通して、紡糸ビームおよびコレクタの間に位置された移動収集装置の単一パスによって形成される単一のナノファイバー層を含んでなる。繊維状ウェブは、同一の移動収集装置上で同時に操作される１つもしくはそれ以上の紡糸ビームによって形成されることが可能であることは、理解されるであろう。
【００２２】
本発明の一実施形態において、単一のナノファイバー層は、単一の紡糸ビームからのナノファイバーを、移動収集装置の単一パスで堆積させることにより形成され、ナノファイバー層は、乾量基準（すなわち、残存溶剤が蒸発し、または除去された）で計測して、約２ｇ／ｍ２〜約１００ｇ／ｍ２の間の、さらには、約１０ｇ／ｍ２〜約９０ｇ／ｍ２の間の、およびさらには、約２０ｇ／ｍ２〜約７０ｇ／ｍ２の間の坪量を有する。
【００２３】
移動収集装置は、好ましくは、静電界内において、紡糸ビーム１０２およびコレクタ１１０の間に位置された移動収集ベルトである。収集された後、単一のナノファイバー層は、紡糸ビームの下流側の巻取ロールに向けられ、および巻かれる。
【００２４】
本発明の一実施形態においては、得られるナノファイバー層および多孔性基材の複合体が本発明のろ材として用いられるよう、多様な多孔性基材のいずれも、移動収集ベルト上に配置されて、収集されると共に基材上にスパンされたナノファイバーウェブと組み合わされることが可能である。多孔性基材の実施例としては、スパンボンド不織布、メルトブローン不織布、ニードルパンチ不織布、スパンレース不織布、湿式不織布、樹脂接合不織布、織布、メリヤス生地、開孔フィルム、紙、およびこれらの組み合わせが挙げられる。
【００２５】
収集されたナノファイバー層は、有利には、接合される。接合は、特に限定されないが、加熱された平滑なニップロール間での熱カレンダ加工、超音波接合、およびガス中接合を含む公知の方法によって達成され得る。接合は、ろ材が、取り扱い、有用なフィルタへの形成、およびフィルタにおける使用に関連する力に耐え得るようろ材の強度および耐圧縮性を増加させ、および用いられる接合方法に応じて、厚さ、密度、および孔のサイズおよび形状などの物理特性を調整する。例えば、熱カレンダ加工を用いて、ろ材の厚さを低減させ、密度および容積を増加させ、ならびに孔のサイズを低減させることが可能である。これは、次いで、所与の適用された差圧でのろ材通過流量を低減させる。一般には、超音波接合は、ろ材を熱カレンダ加工より小さい面積で接合し、従って厚さ、密度および孔径により小さい影響を有する。ガス中結合は、一般的には、厚さ、密度および孔径に最低の影響を有し、従って、この結合法が高流量の維持が最も重要である用途において好ましい場合がある。
【００２６】
熱カレンダ加工を用いる場合、ナノファイバーが溶融し、および個別の繊維としてのそれらの構造をもはや維持しなくなるまで、材料を過度に接合しないよう注意をしなければならない。極端な場合には、過剰な接合は、フィルムが形成されることとなるような微細繊維の完全な溶融をもたらすであろう。用いるニップロールの一方または両方は、約周囲温度、例えば約２５℃〜約３００℃の間、さらには、約５０℃〜約２００℃の間の温度に加熱される。ナノファイバー層は、約０ ｌｂ／ｉｎ〜約１０００ ｌｂ／ｉｎ（１７８ｋｇ／ｃｍ）の間、さらには、約５０ ｌｂ／ｉｎ（８．９ｋｇ／ｃｍ）〜約５５０ ｌｂ／ｉｎ（９８ｋｇ／ｃｍ）の間の圧力で、ニップロールの間で圧縮される。ナノファイバー層は、有利には、少なくとも約１０ｆｔ／分（３ｍ／分）、さらには、少なくとも約３０ｆｔ／分（９ｍ／分）のライン速度で圧縮される。カレンダ加工条件（例えば、ロール温度、ニップ圧およびライン速度）は、所望の容積を達成するために調節することが可能である。一般には、より高い温度、圧力の適用、および／または、高温および／または高圧下での長い滞留時間は増加された容積をもたらす。いくつかの事例においては、収集したナノファイバー層を、約６５℃以下の温度、約１００ ｌｂ／ｉｎ（１７．８ｋｇ／ｃｍ）未満のニップ圧、約３０ｆｔ／分（９ｍ／分）を超えるライン速度、または前記条件の組み合わせで軽く圧延処理して、約１５容量％〜約３０容量％の間の容積を有するろ材をもたらすことが望ましい。
【００２７】
試験法
坪量を、本願明細書において参照により援用されるＡＳＴＭ Ｄ−３７７６に準拠して測定し、およびｇ／ｍ２で報告した。
【００２８】
容積を、ｇ／ｍ２でのサンプルの坪量で、ｇ／ｃｍ３でのポリマー密度およびマイクロメートルでのサンプル厚さで除すると共に、１００を乗すること、すなわち、容積＝坪量／（密度×厚さ）×１００により算出した。
【００２９】
繊維直径を、以下のとおり測定した。５，０００×倍率での、１０の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を、各ナノファイバー層サンプルについて撮った。１１のはっきりと識別可能なナノファイバーの直径を各ＳＥＭイメージから計測し記録した。欠陥は含まなかった（すなわち、ナノファイバー塊、ポリマー液滴、ナノファイバーの交差部）。各サンプルについての平均繊維直径を算出した。
【００３０】
厚さを本願明細書において参照により援用されるＡＳＴＭ Ｄ１７７７−６４に準拠して測定し、およびマイクロメートルで報告する。
【００３１】
最小孔径を、ＡＳＴＭ名Ｅ１２９４−８９、「メンブランフィルタの孔径特徴に対する自動化液体ポロシメータを用いる標準試験法（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｐｏｒｅ Ｓｉｚｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｉｌｔｅｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｏｒｏｓｉｍｅｔｅｒ）」に基づいて計測し、これは、およそ、毛管流ポロシメータ（モデルナンバーＣＦＰ−３４ＲＴＦ８Ａ−３−６−Ｌ４、ニューヨーク州イサカ（Ｉｔｈａｃａ，ＮＹ）のポロスマテリアルズ社（Ｐｏｒｏｕｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．）（ＰＭＩ））を用いるＡＳＴＭ名Ｆ３１６からの自動化泡立ち点法を用いることにより、０．０５μｍ〜３００μｍの孔径直径を有するメンブランの孔径特徴を計測する。異なるサイズの個体サンプル（８、２０または３０ｍｍ直径）を、低表面張力流体（１，１，２，３，３，３−ヘキサフルオロプロペン、または１６ｄｙｎｅ／ｃｍの表面張力を有する「ガルウィック（Ｇａｌｗｉｃｋ）」）で濡らした。各サンプルをホルダー中に置き、および空気の差圧を適用し、および流体をサンプルから除去した。最小孔径は圧縮圧力がサンプルシートに加圧された後に開く最後の孔であり、ベンダーから供給されたソフトウェアを用いて算出される。
【００３２】
平均流孔サイズを、ＡＳＴＭ名Ｅ１２９４−８９、「メンブランフィルタの孔径特徴に対する自動化液体ポロシメータを用いる標準試験法（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｐｏｒｅ Ｓｉｚｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｉｌｔｅｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｏｒｏｓｉｍｅｔｅｒ）」に基づいて計測した。再度、異なるサイズの個体サンプル（８、２０または３０ｍｍ直径）を上記の低表面張力流体で濡らし、およびホルダー中に置き、および空気の差圧を適用し、および流体をサンプルから除去した。濡れた流れが、乾燥した流れ（湿潤溶剤無しでの流れ）の半分と等しくなる差圧が、提供されたソフトウェアを用いる平均流孔サイズの算出に用いられる。
【００３３】
泡立ち点を、ＡＳＴＭ名Ｆ３１６、「泡立点および平均流孔テストによるメンブランフィルタの孔径特徴に対する標準試験法（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｐｏｒｅ Ｓｉｚｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｉｌｔｅｒｓ ｂｙ Ｂｕｂｂｌｅ Ｐｏｉｎｔ ａｎｄ Ｍｅａｎ Ｆｌｏｗ Ｐｏｒｅ Ｔｅｓｔ）」に基づいて計測した。個体サンプル（８、２０または３０ｍｍ直径）を上記の低表面張力流体で濡らした。サンプルをホルダー中に置いた後、差圧（空気）が適用され、および流体がサンプルから除去される。泡立ち点は、圧縮空気圧力がサンプルシートに適用された後は、最初は開口であり、およびベンダーに提供されたソフトウェアを用いて算出される。
【００３４】
流量（フラックスとしても称される）は、所与の面積のサンプルを通過する流体の量であり、および脱イオン水を、８ｍｍの直径を有するろ材サンプルに通して計測した。水を、水圧（水頭圧）または空気圧（水上での気圧）を用いて、強制的にサンプルを通過させた。テストは、磁性フロートを含有する流体で充填したカラムを用い、およびカラムに取り付けられたセンサが磁性フロートの位置を読み取り、およびデジタルインフォメーションをコンピュータに提供する。流量は、ＰＭＩにより提供されるデータ分析ソフトウェアを用いて算出される。
【実施例】
【００３５】
本願明細書中以下に、本発明を以下の実施例においてより詳細に説明する。国際公開第２００３／０８０９０５号パンフレットにおいて、その図１に例示のとおり開示されている発明のナノファイバーウェブを形成するためのエレクトロブローン紡糸またはエレクトロブローイングプロセスおよび装置を用いて、以下の実施例のナノファイバー層およびウェブを製造した。
【００３６】
１．１４ｇ／ｃｃの密度を有するナイロン６，６ポリマー（デラウェア州ウィルミントン（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，Ｄｅｌａｗａｒｅ）のイーアイデュポンドゥヌムールアンドカンパニー（Ｅ．Ｉ．ｄｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙ）から入手可能）の（２４重量パーセントでの）、ギ酸（９９％純度での）（フィンランドヘルシンキ（Ｈｅｌｓｉｎｋｉ，Ｆｉｎｌａｎｄ）のケミラオイジ（ＫｅｍｉｒａＯｙｊ）から入手可能）中の溶液をエレクトロブローイングすることにより、ナノファイバー層を形成した。ポリマーおよび溶剤を溶液混合タンク中に供給し、溶液をリザーバに移し、ギアポンプを介して、一連の紡糸ノズルおよびガス射出ノズルを有するエレクトロブローイングスピンパックへ計量した。スピンパックを、約１３℃〜約２６℃の間の温度に、約９ｂａｒ〜約１３ｂａｒの間の紡糸ノズル中の溶液の圧力で維持した。スピナレットを電気的に絶縁すると共に、６５ｋＶの電圧を印加した。約３４℃〜約７９℃の間の温度の圧縮空気を、ガス射出ノズルを介して、スピンパックから、約４．７ｍ３／分〜約６ｍ３／分の量および２４０ｍｍ Ｈ２Ｏ〜約４１０ｍｍ Ｈ２Ｏの間の圧力で射出した。繊維を、紡糸ノズルから、大気圧、約５０％〜約７２％の間の相対湿度および約１３℃〜約２４℃の間の温度で空気中に排出させた。繊維を、パックの出口から約３００ｍｍ〜約３６０ｍｍの間の距離下の、約２．０ｍ／分〜約１５ｍ／分の速度で移動する多孔性ベルト上に敷いた。多孔性ベルト下の減圧チャンバが繊維のレイダウンを補助した。
【００３７】
実施例１
ナノファイバーの層を形成した。スピンパックは、１０ｂａｒ（１０００ｋＰａ）での紡糸ノズル中の溶液の圧力で２１℃の温度であった。７０℃の温度の圧縮空気を、ガス射出ノズルを介して、スピンパックから５ｍ３／分の量、および４００ｍｍ Ｈ２Ｏの圧力で射出した。繊維を、パックの出口から３３０ｍｍ下の、１５ｍ／分で移動する多孔性ベルト上に敷いた。ナノファイバー層サンプルを、スピンパック下を移動するベルトの５パスで、移動する収集ベルト上に繊維を直接的に堆積することによりスクリム無しで形成した。ナノファイバーの各層は、約５ｇ／ｍ２の目標坪量を有していた。ナノファイバー層サンプルを、表１に示す条件に従って接合した。
【００３８】
実施例２〜４
ナノファイバーの層を、スピンパックは、１２ｂａｒ（１２００ｋＰａ）での紡糸ノズル中の溶液の圧力で、２６℃の温度であり、および圧縮空気を、５４℃の温度、５．７ｍ３／分の量、および３２０ｍｍ Ｈ２Ｏの圧力で供給したこと以外は、実質的に実施例１に規定のとおり形成した。繊維を、パックの出口から３３０ｍｍ下の、７．４ｍ／分で移動する多孔性ベルト上に敷いた。ナノファイバー層サンプルを、スピンパック下を移動するベルトの４パスで、移動する収集ベルト上に繊維を直接的に堆積することによりスクリム無しで形成した。ナノファイバーの各層は、約１０ｇ／ｍ２の目標坪量を有していた。ナノファイバー層サンプルを、表１に示す条件に従って接合した。
【００３９】
実施例５〜７
ナノファイバーの層を、スピンパックは、１２ｂａｒ（１２００ｋＰａ）での紡糸ノズル中の溶液の圧力で、２０℃の温度であり、および圧縮空気を、３５℃の温度、５ｍ３／分の量、および２８０ｍｍ Ｈ２Ｏの圧力で供給したこと以外は、実質的に実施例１に規定のとおり形成した。繊維を、パックの出口から３００ｍｍ下の、１１．３ｍ／分で移動する多孔性ベルト上に敷いた。ナノファイバー層サンプルを、スピンパック下を移動するベルトの５パスで、移動する収集ベルト上に繊維を直接的に堆積することによりスクリム無しで形成した。ナノファイバーの各層は、約５ｇ／ｍ２の目標坪量を有していた。ナノファイバー層サンプルを、表１に示す条件に従って接合した。
【００４０】
実施例８
ナノファイバーの層を、スピンパックは、１１ｂａｒ（１１００ｋＰａ）での紡糸ノズル中の溶液の圧力で、２４℃の温度であり、および圧縮空気を、５９℃の温度、５．５ｍ３／分の量および３３０ｍｍ Ｈ２Ｏの圧力で供給したこと以外は、実質的に実施例１に規定のとおり形成した。繊維を、パックの出口から３３０ｍｍ下の、１４．７ｍ／分で移動する多孔性ベルト上に敷いた。ナノファイバー層サンプルを、スピンパック下を移動するベルトの１３パスで、移動する収集ベルト上に繊維を直接的に堆積することによりスクリム無しで形成した。ナノファイバーの各層は、約５ｇ／ｍ２の目標坪量を有していた。ナノファイバー層サンプルを、表１に示す条件に従って接合した。
【００４１】
【表１】
【００４２】
実施例の各々において、単一のナノファイバー層を、通常の手段によっては、ナノファイバーの２つ以上の層に剥がすことはできなかった。
【００４３】
液体流量は、以外にも、３０容量％を超える容積レベルについてより高いことが見出された。２ｐｓｉ（１４ｋＰａ）〜１５ｐｓｉ（１００ｋＰａ）の間で適用した差圧での特定の流量を、実施例４および８についての差圧に対してプロットした。図２のグラフに見ることが可能であるとおり、ろ材通過流量の変化対ろ材を隔てた差圧の対応する変化の比は、この差圧の範囲にわたって正である。換言すると、この範囲内で差圧が増加するに伴って、流量もまた増加する。本発明のろ材を含むフィルタを通過する流れ、従ってフィルタ寿命がこの範囲内での圧力低下によって制限されないため、これは本発明のろ材の利点である。
【００４４】
本発明のろ材は、望ましくない圧力低下に達せずに高質量の微粒子を保持するために必要な嵩高性を提供することが可能であると考えられている。ろ材は、公知のメンブランと比して、より大きい流量および／またはより低い圧力低下を微粒子の所与の保持で提供することが可能である。
【００４５】
本発明によるろ材は、食品および飲料、医薬品、バイオテクノロジー、マイクロエレクトロニクス、化学処理、水処理、および他の液体処理産業において有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明によるろ材を調製する従来技術のナノファイバーウェブ調製装置の概略図である。
【図２】特定の流量対、本発明によるろ材を隔てた差圧のグラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子ナノファイバーの少なくとも１つのナノファイバー層を含んでなるろ材であって、ナノファイバーが約１μｍ未満の平均繊維直径を有し、ろ材が、約０．５μｍ〜約５．０μｍの間の平均流孔サイズ、約１５容量％〜約９０容量％の間の容積および１０ｐｓｉ（６９ｋＰａ）差圧において約０．０５５Ｌ／分／ｃｍ２を超える水のろ材通過流量を有するろ材。
【請求項２】
容積が約３０容量％〜約７０容量％の間である請求項１に記載のろ材。
【請求項３】
ろ材が約１０μｍ〜約６００μｍの間の厚さを有する請求項１に記載のろ材。
【請求項４】
ろ材が約２ｇ／ｍ２〜約１００ｇ／ｍ２の間の坪量を有する請求項１に記載のろ材。
【請求項５】
ろ材通過流量の変化対ろ材を隔てた差圧の対応する変化の比が、２ｐｓｉ（１４ｋＰａ）〜１５ｐｓｉ（１００ｋＰａ）の間の範囲の差圧において正である請求項１に記載のろ材。
【請求項６】
支持スクリム層をさらに含んでなる請求項１に記載のろ材。
【請求項７】
支持スクリム層がスパンボンド不織布、メルトブローン不織布、ニードルパンチ不織布、スパンレース不織布、湿式不織布、樹脂接合不織布、織布、メリヤス生地、開孔フィルム、紙、およびこれらの組み合わせよりなる群から選択される請求項６に記載のろ材。
【請求項８】
ナノファイバーが約０．１０μｍ〜約１μｍの平均繊維直径を有する請求項１に記載のろ材。
【請求項９】
高分子ナノファイバーがポリイミド、脂肪族ポリアミド、芳香族ポリアミド、ポリスルホン、セルロースアセテート、ポリエーテルスルホン、ポリウレタン、ポリ（尿素ウレタン）、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルイミド、ポリアクリロニトリル、ポリ（エチレンテレフタレート）、ポリプロピレン、ポリアニリン、ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（エチレンナフタレート）、ポリ（ブチレンテレフタレート）、スチレンブタジエンゴム、ポリスチレン、ポリ（塩化ビニル）、ポリ（ビニルアルコール）、ポリ（フッ化ビニリデン）、ポリ（ビニルブチレン）およびこれらのコポリマーまたは誘導体化合物よりなる群から選択されるポリマーを含んでなる請求項１に記載のろ材。
【請求項１０】
紡糸ノズル、ブローイングガス射出ノズルおよびコレクタを含んでなる少なくとも１つの紡糸ビームを含んでなる紡糸ビームを含んでなる微細繊維紡糸装置であって、紡糸ビームおよびコレクタがそれらの間に高電圧静電界を維持する装置を提供し、
紡糸ノズルに、ポリマーおよび溶剤を含んでなるポリマー溶液を供給し、
ポリマー溶液を紡糸ノズルから圧力をかけながら吐出し、かつ前記溶液を前記ガス射出ノズルから吐出されるブローイングガスと共に吹出して、ナノファイバーの繊維状ウェブを形成し、そして
乾量基準で計測した場合約２ｇ／ｍ２〜約１００ｇ／ｍ２の間の坪量を有する繊維状ウェブを、単一の紡糸ビーム下で単一パスにおいて移動収集装置上に収集すること
を含んでなるろ材の製造方法。
【請求項１１】
約２５℃〜約３００℃の間の温度および約０ ｌｂ／ｉｎ〜約１０００ ｌｂ／ｉｎ（１７８ｋｇ／ｃｍ）の間の圧力で、平滑なニップロール間で繊維状ウェブをカレンダ加工することをさらに含んでなる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
高分子ナノファイバーの少なくとも１つのナノファイバー層を有するろ材を含んでなるフィルタであって、ナノファイバーが、約１μｍ未満の平均繊維直径を有し、ろ材が、約０．５μｍ〜約５．０μｍの間の平均流孔サイズ、約１５容量％〜約９０容量％の間の容積および１０ｐｓｉ（６９ｋＰａ）差圧において約０．０５５Ｌ／分／ｃｍ２を超える水のろ材通過流量を有するフィルタ。
【請求項１３】
液体から微粒子を除去する方法であって、微粒子を含有する液体を、高分子ナノファイバーの少なくとも１つのナノファイバー層を含んでなるろ材に通過させることを含んでなり、ナノファイバーが、約１μｍ未満の平均繊維直径を有し、ろ材が、約０．５μｍ〜約５．０μｍの間の平均流孔サイズ、約１５容量％〜約９０容量％の間の容積および１０ｐｓｉ（６９ｋＰａ）差圧において約０．０５５Ｌ／分／ｃｍ２を超える水のろ材通過流量を有する方法。
【請求項１】
高分子ナノファイバーの少なくとも１つのナノファイバー層を含んでなるろ材であって、ナノファイバーが約１μｍ未満の平均繊維直径を有し、ろ材が、約０．５μｍ〜約５．０μｍの間の平均流孔サイズ、約１５容量％〜約９０容量％の間の容積および１０ｐｓｉ（６９ｋＰａ）差圧において約０．０５５Ｌ／分／ｃｍ２を超える水のろ材通過流量を有するろ材。
【請求項２】
容積が約３０容量％〜約７０容量％の間である請求項１に記載のろ材。
【請求項３】
ろ材が約１０μｍ〜約６００μｍの間の厚さを有する請求項１に記載のろ材。
【請求項４】
ろ材が約２ｇ／ｍ２〜約１００ｇ／ｍ２の間の坪量を有する請求項１に記載のろ材。
【請求項５】
ろ材通過流量の変化対ろ材を隔てた差圧の対応する変化の比が、２ｐｓｉ（１４ｋＰａ）〜１５ｐｓｉ（１００ｋＰａ）の間の範囲の差圧において正である請求項１に記載のろ材。
【請求項６】
支持スクリム層をさらに含んでなる請求項１に記載のろ材。
【請求項７】
支持スクリム層がスパンボンド不織布、メルトブローン不織布、ニードルパンチ不織布、スパンレース不織布、湿式不織布、樹脂接合不織布、織布、メリヤス生地、開孔フィルム、紙、およびこれらの組み合わせよりなる群から選択される請求項６に記載のろ材。
【請求項８】
ナノファイバーが約０．１０μｍ〜約１μｍの平均繊維直径を有する請求項１に記載のろ材。
【請求項９】
高分子ナノファイバーがポリイミド、脂肪族ポリアミド、芳香族ポリアミド、ポリスルホン、セルロースアセテート、ポリエーテルスルホン、ポリウレタン、ポリ（尿素ウレタン）、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルイミド、ポリアクリロニトリル、ポリ（エチレンテレフタレート）、ポリプロピレン、ポリアニリン、ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（エチレンナフタレート）、ポリ（ブチレンテレフタレート）、スチレンブタジエンゴム、ポリスチレン、ポリ（塩化ビニル）、ポリ（ビニルアルコール）、ポリ（フッ化ビニリデン）、ポリ（ビニルブチレン）およびこれらのコポリマーまたは誘導体化合物よりなる群から選択されるポリマーを含んでなる請求項１に記載のろ材。
【請求項１０】
紡糸ノズル、ブローイングガス射出ノズルおよびコレクタを含んでなる少なくとも１つの紡糸ビームを含んでなる紡糸ビームを含んでなる微細繊維紡糸装置であって、紡糸ビームおよびコレクタがそれらの間に高電圧静電界を維持する装置を提供し、
紡糸ノズルに、ポリマーおよび溶剤を含んでなるポリマー溶液を供給し、
ポリマー溶液を紡糸ノズルから圧力をかけながら吐出し、かつ前記溶液を前記ガス射出ノズルから吐出されるブローイングガスと共に吹出して、ナノファイバーの繊維状ウェブを形成し、そして
乾量基準で計測した場合約２ｇ／ｍ２〜約１００ｇ／ｍ２の間の坪量を有する繊維状ウェブを、単一の紡糸ビーム下で単一パスにおいて移動収集装置上に収集すること
を含んでなるろ材の製造方法。
【請求項１１】
約２５℃〜約３００℃の間の温度および約０ ｌｂ／ｉｎ〜約１０００ ｌｂ／ｉｎ（１７８ｋｇ／ｃｍ）の間の圧力で、平滑なニップロール間で繊維状ウェブをカレンダ加工することをさらに含んでなる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
高分子ナノファイバーの少なくとも１つのナノファイバー層を有するろ材を含んでなるフィルタであって、ナノファイバーが、約１μｍ未満の平均繊維直径を有し、ろ材が、約０．５μｍ〜約５．０μｍの間の平均流孔サイズ、約１５容量％〜約９０容量％の間の容積および１０ｐｓｉ（６９ｋＰａ）差圧において約０．０５５Ｌ／分／ｃｍ２を超える水のろ材通過流量を有するフィルタ。
【請求項１３】
液体から微粒子を除去する方法であって、微粒子を含有する液体を、高分子ナノファイバーの少なくとも１つのナノファイバー層を含んでなるろ材に通過させることを含んでなり、ナノファイバーが、約１μｍ未満の平均繊維直径を有し、ろ材が、約０．５μｍ〜約５．０μｍの間の平均流孔サイズ、約１５容量％〜約９０容量％の間の容積および１０ｐｓｉ（６９ｋＰａ）差圧において約０．０５５Ｌ／分／ｃｍ２を超える水のろ材通過流量を有する方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公表番号】特表２００９−５０９７５４（Ｐ２００９−５０９７５４Ａ）
【公表日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５３３６６９（Ｐ２００８−５３３６６９）
【出願日】平成１８年９月２９日（２００６．９．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０３８０９６
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０４１３１１
【国際公開日】平成１９年４月１２日（２００７．４．１２）
【出願人】（３９００２３６７４）イー・アイ・デュポン・ドウ・ヌムール・アンド・カンパニー (2,692)
【氏名又は名称原語表記】Ｅ．Ｉ．ＤＵ ＰＯＮＴ ＤＥ ＮＥＭＯＵＲＳ ＡＮＤ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月２９日（２００６．９．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０３８０９６
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０４１３１１
【国際公開日】平成１９年４月１２日（２００７．４．１２）
【出願人】（３９００２３６７４）イー・アイ・デュポン・ドウ・ヌムール・アンド・カンパニー (2,692)
【氏名又は名称原語表記】Ｅ．Ｉ．ＤＵ ＰＯＮＴ ＤＥ ＮＥＭＯＵＲＳ ＡＮＤ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]