超微細粉末又はナノサイズ粉末を組み込んだ不織媒体
【解決手段】本発明は、流体流の繊維構造体であり、該流体流は、非対称の細孔を生成するようにマトリクスに配列されているナノアルミナ繊維と第２繊維の混合物であって、結合剤を使わずに、粉末活性炭のような微粒子、超微粒子又はナノサイズ粒子が付着されている。粉末活性炭を含有する繊維構造体は、流体流からの汚染物質を阻止する。本発明は、繊維構造体の製造及び使用する方法でもある。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願の相互参照＞
この出願は、２００５年９月１２日に出願され、「静電気エアフィルタ」と題された米国仮特許出願第６０／７１６,２１８号の優先権を主張する、２００６年９月１２日に出願され、「静電気エアフィルタ」と題された米国特許出願第１１／５３１,１０７号の一部継続出願である。この出願は、２００６年３月３１日に出願され、「金属含浸ナノアルミナ繊維組成物」と題された米国仮特許出願第６０／７４４,０４３号の優先権も主張する。
【０００２】
＜政府権利の陳述＞
本発明は、米空軍契約ＦＡ８６５０−０−０５−Ｍｓ５８２２により支援されている研究プロジェクトの結果によって作られた。したがって、政府は、本発明に一定の権利を有する。
【０００３】
＜発明の分野＞
本発明は、ナノ粒子に関し、特に、不織構造用に接着剤を使うことなく不織フィルタ媒体にナノ粉末を使用して、水、空気及びガスから汚染物質を濾過するものである。
【背景技術】
【０００４】
＜背景＞
ナノテクノロジーの分野及びナノサイズ粒子の使用は、急速に伸びている。特に、ナノ粉末は、研磨材(例えばタングステンカーバイド)や、紫外線吸収材(例えばチタニウムや酸化亜鉛)として開発されている。さらに、生物学的機能をナノ構造中で設計すること(ナノバイオテクノロジー)に、より大きな関心及び投資が行なわれている。小粒子、特に超微細ナノ粒子は、粗粒子に比べて、優れた、予期せぬ吸着作用を有している。この改良された反応性は、一層高い表面積と、より活性な表面によるものである。膜のような基材上又は繊維上にナノ粉末を構成することは、先進的な用途へ、これらを最良に利用するために必要とされることがある。したがって、ナノ粒子を不織繊維の構成媒体に固定することが望まれており、高速方法によるナノ複合材料の製造が実用的である。
【０００５】
残念なことに、ナノ粒子は、小さすぎて通常の織布(web)では捕獲できない。なぜなら、ナノ粒子は、凝集する傾向があり、流体を濃くすると、ナノ粒子が支持する織布を通り抜け難くなり、それによって、ナノ粒子が失われることとなるためである。このため、例えば従来の高速で低コストの製紙技術によって、ナノ粒子を含有する媒体を製造することは不可能である。結合剤を使ってナノ粒子を媒体中の繊維構造体に付着させることは可能であるが、結合剤は、ナノ粒子を容易に覆い、それによって、ナノ粒子が部分的又は完全に非活性化され、意図された機能が大きく損なわれる。
【発明の開示】
【０００６】
従来技術では、ガス流(fluid streams)から汚染物質を除去、濾過又は捕獲する多種類の材料が提示されている。これらのフィルタは、設計された用途ではかなりの効果があるが、高性能用途に必要なレベルの効果を提供しない。現在、フィルタ媒体は、高濾過率、高い汚れ保持力、低い圧力降下、低コスト、より大きな耐久性、改良された耐化学性、粉塵(即ち、濾過流へのフィルタ媒体粒子の放出)発生ゼロ(no particulation)、及び圧力振れに対処する機械的強度を提供するが期待されている。吸収剤粒子がより小さくなると、より優れた吸着効率を提供するが、フィルタ内の圧力降下は犠牲にされる。
【０００７】
粒状触媒は、液体及びガスの浄化に使用される。それらの反応性は、液体又はガス流に曝される触媒の外部表面積に大きな影響を受ける。サイズが僅かナノメートルのプラチナや他の貴金属触媒は、一般的に、セラミックビード、ハニカム状セラミック構造を含むことがある吸着媒体上や、活性炭や活性アルミナのような粗い顆粒上に分散される。
【０００８】
活性炭は、よく知られている吸収材粒子である。それは、直径が約０.２〜２０ｎｍの細孔を有している。活性炭が吸収材粒子として有用であるのは、その小孔寸法が、粒子内外に連繋した多数の活性吸着部位を有しており、単位重量当たりの大きな表面積をもたらすからである。同時に、細孔の寸法は、顆粒を通る種々の流体(fluid species)の拡散率への影響が大きい。概して、吸着剤媒体内の様々な流体の拡散率は、そのような吸収媒体によって吸着される流体分子の平均自由行程によって決定される。そのような吸着剤中の細孔が小さければ小さいほど、平均自由行程が長くなり、拡散速度が遅くなる。それゆえに、活性炭中の小孔は、多孔性の小サイズの極めて曲がりくねった通路へ様々な流体が侵入することを抑制する。粒径が小さくなると、実質的に経路長は短くなり、それによって、何れかの吸着物が構造内の吸収部位に到達するために必要となる時間が低減される。これは、流体流から汚染物質を除去する濾過効率を大きくする結果をもたらす。
【０００９】
粒状活性炭(ＧＡＣ)の使用は、飲料水を含む浄水用途と、製薬産業や飲料製造を含む多くの産業用途で知られている。飲料水では、ＧＡＣは、溶解された有機物(その多くは中毒性又は発癌性である)と塩素を吸収するために使用される。空気浄化では、ＧＡＣは、病院、研究室レストラン、動物施設、図書館、空港、商業ビル及び呼吸装置内の臭気、ガス状汚染物質及び蒸気状汚染物質をコントロールするために使用される。ＧＡＣは、空気流から揮発性有機化合物を除去するために含まれることが多い。このアプローチの不利点は、これらのフィルタが大きな格子間空間を有しており、フィルタにより、極めて低い圧力降下を呈することになることである。その結果として、これらのフィルタは、揮発性汚染物質と同様に、小粒子の捕獲に全く役に立たない。これらのフィルタの細孔径を、フィルタを通り抜ける空気中の粒子の大部分(計算による)を捕獲するために十分に小さくすると、フィルタは、圧力降下が極めて高くなる(即ち、非常に高い流れ抵抗を示す)から、強制的に空気を加熱するユニットと併用することができない。さらに、非常に小さい細孔径を有するフィルタは、上流の表面上の残屑が堆積することで、容易に且つ急速に詰まり、極めて高い勾配圧力を与えていない空気を通すと、フィルタ能力の急激な減退を引き起こす。ＧＡＣは、充填層中で、ルーズな状態の顆粒として使用されることが多い。しかしながら、炭素層は、ルーズな粒子が移動して、層のチャネリング及び目詰まり(clogging)を引き起こすから、有用なフィルタ構造に設計することは困難である。
【００１０】
繊維構造の媒体は、フィルタとして幅広く利用されている。ＧＡＣのような粒状層と比べて、繊維構造体は、チャネリングを最小限にし、フィルタ設計に有意な変更を許容しており、製紙などの低コストな組立法によって製造することができる。
【００１１】
粉末活性炭(ＰＡＣ)は、一般的にＧＡＣより優れた吸着反応速度を有すると認識されているが、高い外部表面積を有し、ほぼ同等のヨウ素価(iodine numbers)を有している。しかしながら、ＰＡＣを不織マトリクスに組み入れるには、それを繊維マトリクスに接着するために接着剤が必要であり、粒子の表面の一部が接着剤によって汚染されるため、少なくとも幾つかの粒子は濾過効果がなくなるから困難であることが先行技術で報告されている。この汚染を最小限にするために、接着剤とＰＡＣの粒子との間の接点を最小にするために大きい粒子が使用されることがある。例えば、ガス用途では、約１００ミクロン以上の粒径を有するＰＡＣの使用が知られている。液体用途へのＰＡＣの使用は、大抵、脱色用途に限定される。活性炭素に、炭素には容易に物理的に吸着しない汚染物質を除去又は変更するような、触媒や化学吸着剤を含む様々な化合物を含浸させることが当該分野で知られている。例として、ＡＳＣ Whetleriteは、塩化シアン、シアン化水素及びアルシンのような化学兵器剤を吸収及び破壊する、銅、クロム及び銀塩を含浸した活性炭素から構成される。銅及びクロム(現在はトリエチレンジアミン(ＴＥＤＡ)と置換されている)は、塩化シアンとシアン化水素に対しては化学吸着剤として作用し、銀は、触媒作用により、アルシンを酸化物にする。その他の実施例において、活性炭素には、活性炭素の能力を高め、アンモニアを吸着するためにクエン酸を含浸させたり、硫化水素を除去するために、水酸化ナトリウムや他の苛性化合物のような水酸化物を含浸させている。原子核場では、活性炭素の幾つかの層を有するフィルタに、ヨウ化カリウム(ＫＩ)を含浸させ、アイソトープが空気への偶発的な放出した場合に、放射性ヨードに変換することが知られている。
【００１２】
触媒寿命は、顆粒又は粉末の表面に沈着している有害物によって制限を受ける。体積に対する表面積比が顆粒触媒より高い粉末触媒は、汚染され難い。さらに、粉末触媒のサポートとして使用される不織媒体は、高い反応度と、低減された層深さと、可撓性構造をもたらし、自由設計を許容する。したがって、粉末触媒を、結合剤を使用せずに、十分な強度を有する繊維構造体に結合し、流体流(fluid stream)又はガス流に入る触媒の損失を最小限にする必要がある。
【００１３】
フィルタ能力は、吸着剤のパッキング又はチャネリングによって、吸着剤顆粒が互いに対して摩擦する結果低下する。不織フィルタは、吸着剤が、結合剤を使用せずに、構造内で分散及び収容されており、濾過機能を向上させる。上記のことから、消費者や個人ユーザの間では、超微粒子及びナノサイズ粒子を保持する不織繊維構造体への要請がある。不織構造を含む媒体は、小粒子、可溶性水質汚染物質、及び揮発性空気汚染物質を保持するための高い効率を有することが望ましい。
【００１４】
＜発明の要旨＞
本発明は、これらの要請に対応するものである。一実施例において、本発明は、ガス状媒質のための新規な粒子フィルタ又はフィルタ媒体であって、液体エアロゾル化された粒状物質を含み、空気流又はガス流からの病原体及び他の粒状物質を阻止する一方、圧力降下が低い、高効率で高容量の粒子フィルタへの要請を満足させるものである。
【００１５】
別の実施例において、本発明は、結合剤又は接着剤を使用せずに、微粒子又はナノ粒子を保持する不織繊維媒体への要請を満足させるものである。
したがって、本発明の一実施例における目的は、少なくとも従来のＨＥＰＡフィルタと同じくらい高いものであり、液体エアロゾルの目詰まりが起き難い、フィルタ効率を提供することである。
【００１６】
本発明の一実施例における別の目的は、エアロゾル化された細菌及びウイルスを濾過する媒体を提供することである。
本発明の一実施例におけるさらなる目的は、高い空隙率を有し、これにより、従来のフィルタ材料より水性ミストの吸収への耐性が高いエアフィルタを製造することである。
本発明の一実施例におけるさらなる目的は、少なくとも従来のＵＬＰＡ又はスーパーＵＬＰＡフィルタと同じくらい高いフィルタ効率を有する媒体を提供することである。
【００１７】
本発明の一実施例におけるさらなる目的は、圧力降下が、従来のフィルタで起きる低下より低いフィルタ媒体を提供することである。
本発明の一実施例におけるさらなる目的は、ＨＥＰＡフィルタより細孔径が大きく、空隙率が高いフィルタ媒体を提供することであって、これにより、冠水する前に水滴に対して高い収容力を提供するものである。
本発明の一実施例におけるさらなる目的は、エネルギー効率の良いフィルタ媒体を提供することである。
【００１８】
本発明の一実施例におけるさらに別の目的は、従来のフィルタと比べて長いフィルタ寿命を有するフィルタ媒体を提供することである。
本発明の一実施例におけるさらなる目的は、メンテナンスコストが低いフィルタ媒体を提供することである。
本発明の一実施例におけるさらに別の目的は、有害廃棄物質を濾過し、それに関連するコストが最小限である、フィルタ媒体を提供することである。
本発明の一実施例におけるさらに別の目的は、プリーツ加工に耐えられるほど強いフィルタ媒体を提供することである。
【００１９】
本発明の一実施例における別の目的は、少なくとも従来のＨＥＰＡフィルタと同じくらい高いものであり、液体エアロゾルの目詰まりが起きにくいフィルタ効率で、ガス状媒質を濾過するフィルタ又はフィルタ媒体の製造方法を提供することである。
本発明の一実施例におけるさらに別の目的は、ガス状媒質から微粒子とエーロゾルを除去するために、フィルタ又はフィルタ媒体を使用する方法提供することである。
本発明の一実施例における別の目的は、低製造コストで製造されたナノ構造中に、不織繊維マトリクスを提供することである。
【００２０】
本発明の一実施例におけるさらなる目的は、高効率、高容量で圧力降下の低い状況で、流体流及びガス流から、可溶性及び揮発性の有機物及びハロゲンを除去する不織媒体を提供することである。
本発明の一実施例におけるさらに別の目的は、流状媒体から、微生物病原体を含む微粒子も濾過する化学吸着媒体を提供することである。
本発明の一実施例におけるさらなる目的は、触媒又は粉末活性炭を不織構造の骨格(scaffold)に付着させることによって、不織媒体に、光触媒、酸化触媒又は、触媒が含浸された粉末活性炭を含む粉末状ナノサイズ触媒を組み入れることである。
【００２１】
本発明の一実施例におけるさらなる目的は、ダスティング(dusting)を最小限にするために媒体を持つ、超微細又はナノサイズ粉末を含む不織媒体をすることである。
本発明の一実施例におけるさらに別の目的は、微粉状又はナノサイズイオン交換樹脂とマクロ多孔性ポリマーを不織媒体に組み入れることである。
本発明の一実施例におけるさらなる目的は、ＤＮＡ又はＲＮＡのような生物活性成分を不織媒体に組み入れることである。
本発明の一実施例における別の目的は、ナノサイズ色素と、色素反応化学薬品と、微細な研磨剤を、不織媒体に組み入れることである。
【００２２】
一般的に、本発明は、流体用のフィルタ又は繊維構造体であって、流体から粒子を吸収するナノアルミナ繊維と、ナノアルミナ繊維に対してマトリクスとなり、非対称の細孔を生成する複数の第２繊維とを含んでいる。一実施例において、第２繊維は、小さい側の寸法(小寸法：minor dimension)が、ナノアルミナ繊維の小寸法より約１けた大きい繊維から構成される。第２繊維は、ナノアルミナ繊維が分散する細孔又は大きい繊維間スペースを生成する骨格を提供するために、ナノアルミナ繊維とともに含まれている。一例において、非対称の細孔のサイズは、約５ｍｍ以上である。一実施例において、複数の微粒子、超微粒子及びナノサイズ粒子は、ナノアルミナ繊維上に沈着され、流状媒体からの汚染物質の除去を改善する。
【００２３】
粗繊維は、大きな細孔が提供又は形成され、その中又は上にナノアルミナ繊維が分散される。しかしながら、粗繊維は、単位体積又は質量当たりの表面積が少ないから、細孔中又は上に分散されるナノアルミナの量は有意に低減する。それゆえに、別の実施例において、第２繊維は、粗繊維と細繊維の組み合わせから成っている。細繊維を含めることで、表面積を追加でき、より多くのナノアルミナ繊維を媒体に装着できる。
【００２４】
理論により縛られることを望むものではないが、フィルタ媒体の平均細孔径より小さい直径を有する超微粒子とナノサイズ粒子は、ナノアルミナ繊維に作用する電気吸着力によって保持される。媒体の細孔径より大きい粒子は、主として機械的エントレインメントによって保持される。ナノアルミナ繊維上に沈着した粒子を包む、或いは鈍感にする繊維構造体には、結合剤を使用していない。
【００２５】
別の実施例において、本発明は、フィルタ媒体又は繊維構造体を製造する方法に関するものである。
別の実施例において、本発明は、ナノアルミナフィルタ媒体を使用し、流体流から毒性汚染物質やその他の粒状物質を除去する方法に関するものである。
【００２６】
本発明のこれら及びその他の詳細、目的及び利点は、下記の説明、実施例及びその実施例を示す図から、よりよく理解され、明白になるであろう。
【００２７】
＜詳細な説明＞
＜定義＞
特許請求の範囲に記載されている発明の開示を適切に理解するために、ここで使用される特定の用語について以下の段落で説明する。発明者は、以下の用語を記載しているが、発明者は、これらの用語の一般的且つ慣用的な意味を否定することを意図するものではない。
【００２８】
ここで使用される用語「静電気」は、電荷又はそれに関するものと規定される。
ここで使用される用語「アスペクト比」は、繊維の長手方向長さと繊維の断面直径の比と規定される。
【００２９】
ここで使用される用語「ナノアルミナ」は、アスペクト比が約５以上で、最小寸法が約５０ｎｍ未満である繊維と規定される。繊維の断面は、円形(円筒形繊維)でも矩形(プレートレット)でもよい。繊維は、アルミナと、様々な量のＡｌ(ＯＨ)3を含むＡｌＯＯＨを主とする組成物を生じる様々な内容の化合水と、ガンマ及びアルファアルミナの予想される不純物から成っている。
ここで使用される用語「リヨセル」は、ヒドロキシル基の置換が行われず、化学中間物が形成されない有機溶液から沈殿した、繊維状構造のセルロース繊維(Courtaulds, Ltd.)を意味する。
【００３０】
用語「超高性能濾過空気」(ＨＥＰＡ)は、０.３μｍ粒子＞９９.９７％を保持することができるフィルタ媒体の品質等級を意味する。
用語「ウルトラ低透過空気」(ＵＬＰＡ)は、特定の媒体速度において特定の粒径＞９９.９９％を保持できるフィルタ媒体の品質等級を意味する。
用語「スーパーＵＬＰＡ」は、特定の媒体速度において特定の粒径＞９９.９９９９％を保持できるフィルタ媒体の品質等級を意味する。
【００３１】
ここで使用される用語「吸着剤」は、主に物理吸着によって不純物を吸着できる任意の材料であると規定される。
用語「吸収剤」は、その内部構造に材料を引き込むことができる任意の物質であると規定される。
用語「汚染物質の削減」は、流体中の不純物の減衰であると規定され、流体をヒト用により安全にし、産業上の利用により有用にすることなどによって、流体の統一性を改善するために、不純物は、阻止され、除去され、化学的又は生物学的に不活性にされる。
用語「ナノセラム(NanoCeram)」は、ナノアルミナ繊維と粗繊維の混合物を意味し、粗繊維は、非対称の細孔を有するアレイを生成するために、ナノアルミナ繊維の足場を担う。
【００３２】
「微粉」は、平均粒径がおよそ１００メッシュ未満、望ましくは３２５メッシュ(４４μｍ)未満の粉末と規定される。
「超微粉」は、平均粒径が０.１〜１０μｍである粒子と規定される。
「ナノ粒子」は、平均粒径が０.１μｍ未満の粒子であると規定され、例として、核酸(例えばＤＮＡやＲＮＡ)、タンパク質、低溶解度又は半揮発性薬剤、高分子粒子、機能性高分子、改変された官能性を含むリガンド、カーボンチューブが挙げられるが、それらに限定されるものではない。
「微生物」は、流体中に懸濁されている可能性がある任意の生体であると規定され、例として、細菌、ウイルス、菌類、原生動物、それら生殖型、例えば嚢胞や胞子が挙げられるが、それらに限定されるものではない。
【００３３】
「紙」又は「紙状」は、概ね平らな、繊維層又は、ウエットレイド法(wet laid process)によって形成されたマット材料であると規定される。
「粒子」は、固体又はマイクロカプセル化した液体であり、コロイドからマクロまでの範囲のサイズを有するものと規定される。
「吸着剤」は、流体流から汚染物質を除去できる任意の粉末粒子であると規定され、汚染物質を、有害性が低い別の形態に変換できる触媒を含んでいる。用語「吸着剤」は、粉末触媒又は、活性炭素のような固体粉末又は顆粒サポート上に含浸された触媒も含んでいる。
「医療用構造体」は、感染、創傷保護などのような医療用途に有用な不織媒体であると規定される。
【００３４】
一実施例において、本発明は、流状媒体から、液体及び特に水性エアロゾル化された粒子を含む粒子を除去するフィルタ媒体を提供するものであり、流状媒体がフィルタ媒体を通過することで、流状媒体に含まれる汚染物質を低減するものである。実施例において、粒子は、病原体、例えば、細菌、ウイルス、菌類、うどん粉菌、有機物、無機物、微生物、炭素質粒子、金属加工流体ミスト、塗料ミスト、殺虫剤、インクミスト又は酸性ミストである。例えば、流状流は、水性エアロゾル化された粒子のような液状エアロゾルかされた粒子を有している。実施例において、フィルタ媒体は、不織静電気媒体である。フィルタ媒体は、第２繊維と混合されたナノアルミナ繊維を含んでいる。一実施例において、ナノアルミナは非球形である。第２繊維は、非対称細孔を生成するように、縦横に配列されている。一実施例において、微細金属アルミニウム粉末は、第２繊維と反応し、静電気媒体を形成する。反応は、アンモニアを、アルミニウムと第２繊維の混合物に添加することによって行なわれる。混合物は、水の沸点まで加熱される。別の実施例において、アルミニウムは、第２繊維の存在下で、高温及び高圧の条件の下で加熱され、静電気媒体が形成される。反応は、約１７５℃及びおよそ５バールで、約３０分間行なわれる。
【００３５】
第２繊維は、プリーツ加工に耐えられるほど強い繊維であって、例えば、マイクロガラス、セルロース、繊維状セルロースがある。一実施例において、第２繊維は、小寸法が、ナノアルミナ繊維の小寸法より少なくとも約１けた大きい。空気又はガスフィルタの実施例において、平均細孔径は、約４〜約４８μｍの範囲である。平均細孔径は、約１０μｍより大きいことが望ましい。平均細孔径は、約２０μｍより大きいことがより望ましい。通常、細孔径は、第２繊維の直径と関係がある。それゆえに、小直径を有する複数の第２繊維は、小さな細孔径を有する複数の非対称細孔を生成する一方、大直径を有する複数の第２繊維は、比較的大きな細孔径を有する複数の非対称細孔を生成することとなる。例えば、表１及び図１３を参照のこと。しかしながら、第２繊維の直径が大きくなるにつれ、単位体積に対する表面積は減少し、結果として、第２繊維上及び／又は細孔内に分散されるナノアルミナ繊維は、非常に少なくなる。したがって、望ましい実施例では、複数の第２繊維は、複数の粗繊維と複数の細繊維の組み合わせを包含する。細繊維は、全てがほぼ同様の平均直径を有することもできるし、幾つかの細繊維が、異なった直径を有することもできる。細繊維を含めることにより、対応する細孔径の低減がもたらされる。例として、表１及び図１３を参照のこと。
【００３６】
細孔径により、フィルタ媒体を横切る圧力降下が決定される。望ましい実施例では、圧力降下は、最終複合フィルター又は濾過ユニットについて、流速約３.２ｍ／分にて、約３５ｍｍＨ2Ｏより小さい。
一実施例において、請求項に記載のフィルタ媒体は、粒子状吸着剤、望ましくは、フィルタ媒体に添加されるコロイド状粒子をさらに含む。揮発性有機体、神経系に作用する物質又はマスタードガスを吸着するには、活性炭を、微粉(例えば、約１μｍ程度に小さいサイズを有し、平均サイズが約２８μｍである粒子)として添加することで、一般的な大きな顆粒炭素より速い吸着をもたらす。
一実施例において、請求項に記載のフィルタ媒体は、結合剤をさらに含んでいる。結合剤は、繊維形状(Invista T104)を有するか、Rohm又はHaas Rhoplex HA-16のような樹脂とすることができる。結合剤は、粒子を構造体に接着するために必要不可欠ではないが、結合剤を含めることにより、フィルタ媒体の強度及び／又はプリーツ加工性が向上する。
【００３７】
一実施例において、フィルタ媒体は、複数のナノアルミナ及び第２繊維と混合される抗菌薬剤をさらに含んでいる。製造中、スラリーが作られた後、混合物がスクリーン上に濾過される前に、抗菌薬剤が、ナノアルミナ繊維に添加及び吸着され、該繊維が抗菌薬剤として利用可能となる。一実施例において、抗菌薬剤は銀である。他の実施例において、銅や亜鉛のようなイオンは、何れも抗菌薬剤として銀と相乗して作用する。さらに別の実施例において、銅や亜鉛のようなイオンは、抗菌薬剤として単独で作用する。
本発明の一実施例において、フィルタ媒体は、ナノアルミナ繊維が病原体やその他の材料などの粒子を捕獲するように帯電される。一実施例において、フィルタ媒体は、均質な不織フィルタである。
【００３８】
一実施例において、流状媒体は、流状媒体に複数の粒子を通って流すことによって、前処理又は前調整される。粒子は、約０.３〜約１.５μｍの範囲の直径を有することができる。これらの粒子を含めることにより、複数の非対称細孔のうち最も大きな細孔のいくつかが少なくともブロックされ、フィルタ媒体を通る初期の漏れを低減する。さらに、前調整は、フィルタ使用中、ＨＥＰＡ及びＵＬＰＡ機能を生成又は製造する助けとなる。一実施例において、複数の粒子は、複数のラテックス球としているが、複数の粒子は、最も大きな細孔の少なくともいくつかをブロックすることができれば、如何なる物質で作られてもよい。
一実施例において、請求項に記載のナノアルミナフィルタ媒体は、少なくともＨＥＰＡと同等にすぐれた保持効率を有している。別の実施例において、請求項に記載のナノアルミナフィルタ媒体は、少なくともＵＬＰＡと同等にすぐれた保持効率を有している。
【００３９】
別の実施例において、請求項に記載の発明は、ナノアルミナ流体フィルタを製造する方法である。製造方法は、複数の第２繊維の存在下でナノアルミナ繊維を形成するステップを含んでいる。第２繊維は、複数の非対称の細孔を形成するように配置される。一実施例において、ナノアルミナフィルタ媒体は、均質な単一層に形成される。別の実施例において、ナノアルミナフィルタ媒体は、１層以上に形成される。さらに別の実施例において、ナノアルミナフィルタ媒体は、プリーツ加工される。
【００４０】
フィルタ媒体は濾過システムで使用することができる。使用中、空気流又はガス流は、フィルタ媒体を通り抜け、粒子状物質は、フィルタ媒体中に粒子が保持されることで、空気流又はガス流から除去される。一実施例において、流状媒体は、懸濁した水滴を含んでいる。限定されるものではないが、フィルタの使用例として、室内空気濾過での使用、呼吸器又は顔マスクでの使用、自動車用エアフィルタでの使用、無菌室での使用、手術室での使用又は、工業ミストに含まれる塗料又は他の特定物質を除去するためなど、工業環境での使用が挙げられる。一実施例において、フィルタ媒体は、約７５％ＲＨより多い湿度を有する環境で使用される。
【００４１】
別の実施例において、本発明は、ナノテクノロジーで幅広い用途を有しており、繊維織布内で分散及び含有が非常に困難な粒子を保持するための繊維構造体を提供する。実施例において、分散した粒子は、流体流から汚染物質を除去することのできる吸着剤又は触媒である。汚染物質の例として、ハロゲン化有機物のような有機化合物、殺菌剤及び揮発性有機化合物が挙げられる。他の実施例において、汚染物質は、細菌及びウイルス、カビ、菌類、うどん粉菌、有機物、無機物、微生物、炭素質粒子、金属加工流体ミスト、塗料ミスト、殺虫剤、インクミスト又は酸性ミストである。
【００４２】
繊維構造体は、織布若しくは織物、又は、個々の繊維が不規則な様式で中間に配置された構造の媒体である。望ましくは、繊維構造体は、ウエットレイ(wet laying)によって作成されるが、エアレイ(air laying)、メルトブロー(meltblowing)、スパンボンド(spumbonding)及びカーディング(carding)を含む当該分野でよく知られている他の方法によって作成することもできる。繊維構造体は、上記のように第２繊維と混合し、第２繊維に付着したナノアルミナ繊維を含み、ナノアルミナ繊維上に配置された複数の微粒子、超微粒子又はナノサイズ粒子(下記でより詳細に説明する)をさらに含んでいる。第２繊維は、非対称の細孔を生成するために、マトリクスに配列されている。上記の如く、微細金属アルミニウム粉末は、第２繊維と反応し、繊維構造体を形成する。反応は、アンモニアをアルミニウムと第２繊維の混合物に添加することによって行われる。混合物は、水の沸点まで加熱される。微粒子、超微粒子又はナノサイズ粒子は、アルミニウム・水反応の前、沸点での水反応中、又は混合物が室温まで冷却された後の何れかに、混合物に添加される。得られたファーニッシュ(フォーミュレーション)は、紙ハンドシート(a paper handsheet)を形成する際、又は、湿式処理を介して不織媒体を形成することにおいてよく知られている製紙機械や方法で、スクリーンの裏面に吸引力を与えることによって、繊維構造体に変換される。
【００４３】
複数の微粒子、超微粒子又はナノサイズ粒子は、ナノアルミナ繊維上に配置される。実施例において、複数の粒子は、化学吸着剤、高表面積吸着剤、又は汚染物質を有害性が少ない化合物に変換する触媒である。吸着剤の例として、活性炭；シリカ、シリケート、アルミナシリケート、チタニウムシリケート鉛吸着剤、シリカゲル；ゼオライト；活性アルミナ；酸化チタンを含む金属及び金属酸化物；貴金属及び遷移金属触媒、例えばプラチナ、パラジウム、銀及び銀酸化物、イリジウム、ロジウム及び金、銅活性二酸化マンガンのような触媒；骨炭；カルシウムヒドロキシアパタイト；マグネシア；パーライト；タルク；高分子微粒子；クレー；イオン交換樹脂；セラミックス；及びそれらの組み合わせがある。
【００４４】
別の実施例において、複数の微粒子、超微粒子又はナノサイズ粒子は、ＲＮＡ、マイクロポリマー又はナノサイズポリマー、ＤＮＡのような生物活性巨大分子、機能化巨大分子又は、マイクロカプセル化染料のような、包まれた材料の放出を制御する物質のカプセルの材料、不織創傷被覆材から放出される可能性がある薬剤、蒸発して吸息流になる可能性がある薬剤、化学兵器のような毒剤を中和することができる薬剤である。
【００４５】
別の実施例において、複数の超微粒子又はナノサイズ粒子は、活性炭である。粉末活性炭を含む請求項に記載の繊維構造体は、市販の活性炭充填媒体に比べて、汚染物質のより速い吸着をもたらす。粉末活性炭を含む請求項に記載の繊維構造体の例は、エアロゾルとして又は給水の汚染物質を通じて送達される生物攻撃及び化学攻撃から、軍人と文官を保護するために有用である。
一実施例において、繊維構造体は、創傷被覆材又は吸入器のような医療用途に使用される。
【００４６】
別の実施例において、請求項に記載の発明は、繊維構造体を製造する方法である。製造方法は、複数の第２繊維の存在下でナノアルミナ繊維を形成するステップを含んでいる。第２繊維は、複数の非対称の細孔を形成するように配置される。複数の微粒子、超微粒子又はナノサイズ粒子は、ナノ繊維上への処理用の混合物に添加される。一実施例において、水は、混合物から除去される。一実施例において、繊維構造は、均質な単一層に形成される。別の実施例において、ナノアルミナフィルタ媒体は、１層以上に形成される。さらに別の実施例において、ナノアルミナフィルタ媒体は、プリーツ加工される。
【００４７】
使用中、流体流は、繊維構造を通過し、汚染物質は、汚染物質を繊維構造体内に保持することによって、そこから除去される。請求項に記載の繊維構造体の使用の実施例は、飲料水又は供給空気の精製を含むが、これらに限定されるものではない。特定の実施例として、室内空気濾過システム内、呼吸器内、自動車用エアフィルタ内、無菌室内、手術室内及び、工業ミスト中に含まれる塗料又は他の特定物質を除去するためなど、工業環境での使用が挙げられるが、これらに限定されるものではない。さらに、請求項に記載の繊維構造体は、生物学的作用物質、例えば、炭疽菌ウイルス、天然痘ウイルス、神経ガスのような化学剤又は、放射能で汚染された爆発物、飲料水又は供給空気から送達される可能性のある物質などの放射線剤を除去するために有用である。核生物化学剤(ＮＢＣ)を除去する能力は、個人的な呼吸器や保護シェルター及び、薬剤の吸収作用から着用者を保護することができるＮＢＣスーツに要求される。
【００４８】
別の使用例において、ナノアルミナ／粗繊維複合体の層は、使用中に逃れる粒子又は汚染物質を回収するために、請求項に記載の繊維構造体の下流に配置される。
【００４９】
＜本発明の実施例＞
＜エアフィルタ媒体の例＞
下記の例は、本発明の幾つかの実施例を示している。これらの例は、限定するものと解釈されてはならない。割合はすべて重量％である。細孔径を決定するための計算は、以下の例で説明する。
【００５０】
＜例１＞
以下に概略を説明する実験の目的は、ＨＥＰＡとほぼ同等の圧力降下と、ＨＥＰＡより実質的に高い濾過効率を有するナノアルミナ媒体を開発することである。ナノアルミナフィルタ媒体の水吸着性能と、公知のＨＥＰＡフィルタ媒体(以下「ドナルドソン(Donaldson)ＨＥＰＡフィルタ」)の水吸着性を関連づけ、水吸着データを用いて空気濾過作用を最適化するることも、実験の目的である。
【００５１】
マイクロガラス混合物上のナノアルミナの２４のスラリーは、ランダムな長さのマルチホウケイ酸塩ガラス繊維ウール(Lauscha)の存在下で、１００℃の水中で直径５μｍのアルミナ粉末(Valimet Corp. #H-5)を反応させて製造した。ナノアルミナを含む不織繊維媒体は、１×１フィートのシート型に形成し、結合剤としての役割を果たす１７〜２３％(Invista T104, 直径２０μｍ、長さ１／２'')で強化した。Rhoplex結合剤も、液状で約２重量％添加した。シートには、ＡＦ１〜ＡＦ２４のラベルを付した。
【００５２】
フィルタは、単一層とし、約５.６〜約２３ｍ／分の範囲の流速を有する空気流を用いてテストした。濾過に利用できる表面積は、約８.２ｃｍ2であった。フィルタは、本発明のナノアルミナ空気又はガスフィルタの特性を、浄水フィルタ及び従来のＨＥＰＡフィルタと比較するために、ナノセラム(NanoCeram：登録商標)浄水フィルタ及びドナルドソンＨＥＰＡフィルタと比較した。
【００５３】
表１は、各ハンドシートとナノセラム及びＨＥＰＡ媒体についての組成、孔隙率、圧力降下及び平均細孔径を示している。図１３も、テストしたナノアルミナフィルタの幾つかについての細孔径及び圧力降下を示している。表１及び図１３に示した各フィルタ媒体は、単一層としてテストした。しかしながら、使用に際し、性能は、１層以上を積み重ねることによって向上できる。
【００５４】
表１に示すように、フィルタＡＦ１〜ＡＦ１２は、単一の平均直径、約０.６μｍ、約１.５μｍ又は約２.５μｍのマイクロガラス繊維と混合したナノアルミナ繊維からなる。フィルタＡＦ１３〜ＡＦ２４は、粗マイクロガラス繊維と細マイクロガラス繊維の組み合わせ(約０.６μｍ＋約１.５μｍ；約０.６μｍ＋約２.５μｍ；又は約１.５μｍ＋約２.５μｍ)と混合したナノアルミナ繊維からなる。所定のナノアルミナフィルタ媒体を含む各繊維サイズの割合を表１に示している。
【００５５】
【表１】
【００５６】
＜マイクロガラス繊維の直径と媒体孔隙率の関係＞
表１のデータは、小直径を有するマイクロガラス繊維から成る媒体は、低孔隙率と小さい細孔径も有していることを示している。これらの関係をさらに図１３で示している。例えば、約０.６μｍのマイクロガラス繊維から成る媒体は、孔隙率が約９０％で、細孔径が約４.２〜１０μｍの間であった。約１.５μｍのマイクロガラス繊維から成る媒体は、孔隙率が約９２.３％で、細孔径が約１６〜２１μｍの間であった。最後に、約２.５μｍのマイクロガラス繊維から成る媒体は、孔隙率が約９５.３％で、細孔径が約３５〜３８μｍの間であった。
【００５７】
表１及び図１３のデータも、最大細孔径又は孔隙率を有する媒体は、圧力降下が最も小さいことを示している。例えば、孔隙率が約９５％の媒体は、圧力降下が約３.４〜約４.３ｍｍＨ2Ｏであったのに対して、孔隙率約９０％については、圧力降下が約１２５〜２０４ｍｍＨ2Ｏであった。
【００５８】
フィルタ媒体が粗繊維と細繊維の組み合わせから成っている場合の例では、細孔径は、粗繊維だけが存在する場合のように劇的には増大しなかった。表１及び図１３を参照。例えば、１.５μｍ繊維と組み合わされた２.５μｍ繊維は、細孔径が約２２〜２８μｍ、孔隙率が約９４％、それに対応する圧力降下は約５.７〜約９.２ｍｍＨ2Ｏであった。
【００５９】
特に、試料ＡＦ１〜ＡＦ２４の大部分の細孔径は、ドナルドソンＨＥＰＡフィルタの細孔径より大きかった。例えば、ＡＦ６の細孔径は、ドナルドソンＨＥＰＡフィルタの細孔径より６倍大きかった。
【００６０】
＜エアフロー濾過特性＞
テストフィルタＡＦ１〜ＡＦ２４のセットからなるフィルタは、エアーフロー性能に基づいて分けた。３.２ｍ／分で圧力降下が１０ｍｍＨ2Ｏ未満のフィルタのデータを図１に示している。実線は、流速３.２ｍ／分に相当する。結果は、ＨＥＰＡフィルタより圧力降下の低い請求項に記載のナノアルミナ繊維材料には、幾つかのフォーミュレーションの変化があることを示している。これらの結果は、新しいフィルター媒体のより大きな孔径によるものと考えられる。
【００６１】
＜単分散ラテックステストを用いた粒状物質の濾過の評価＞
従来よりＤＯＰ(ジ-オクチルフタレート)のようなオイルベースのエアロゾルは、液体エアロゾルをシミュレートするために使用されており、塩化ナトリウム(Ｎａｃｌ)又はカリウム(ＫＣｌ)エアロゾルは、エアフィルタ材料を評価する際に、固体粒子をシミュレートするために使用されてきた。発明者は、水中の超微細単分散ラテックス球の吸着を、ＨＥＰＡフィルタと比較し、その後、ＤＯＰ及びＮａＣｌテストからのデータに基づいて、相関関係の確立を試みた。具体的には、エアフィルタＡＦ３(平均細孔径１６μｍ、表１参照)と、ＡＦ６(平均細孔径３８μｍ、表１参照)と、直径約２５ｍｍ及び有効表面積約３.７ｃｍ2のドナルドソンＨＥＰＡフィルタは、約０.１ｍ／分の一定流量で、１μｍのラテックス球を有する清浄水の流体流(ＲＯ)で試行した。表１は、単一層に構成されたフィルタ媒体を記載しているが、空気及び水での応用でフィルタ媒体の性能を最適化するために、この実験では１〜４層の積み重ねを使用した。水中の流入及び流出濁度は(ＮＴＵ又はネフェロ濁度単位で)、濁度計LaMotte Model 2020を用いて測定した。
【００６２】
図２は、ナノアルミナとマイクロガラス繊維を含む、流出液放出フィルタ(effluent leaving filters)中の濁度を、従来のＨＥＰＡフィルタと比較したグラフ図を示している。図示の如く、ナノアルミナとマイクロガラス繊維を含む本発明のフィルタは、ＨＥＰＡフィルタと比べて、流出液中の濁度がほとんど検出できなかったことを示している。
【００６３】
本発明のフィルタは、フィルタＡＦ３及びＡＦ１６の平均細孔径がそれぞれ約１６及び３８μｍであっても、０.２μｍの粒子を保持したから、この実験の結果は意外であった。そのような大きな平均細孔径を有するフィルタは、かなり小さかった粒子を保持することができないと予想されていた。水溶媒でのＨＥＰＡフィルタの保持率が極めて悪かったことも意外であって、ＨＥＰＡフィルタは、空気中より水中での粒子保持率が非常に悪く、したがって、２つの環境ではかなり異なって作用することを示している。
水吸着データと空気性能を関連付ける目的は、成功しなかったので、エアフィルタテストデータは、次の実験を頼みにした。
【００６４】
＜例２〜１０＞
例２〜１０において、ドナルドソンＨＥＰＡフィルタと比較して、本発明のナノアルミナフィルタ媒体をさらに特徴付けるために、ＡＦ３、ＡＦ６、ＡＦ１１及びＡＦ１６とラベル付けされたナノアルミナフィルタ媒体を使用した。表１に開示したように、ＡＦ３は、１.５μｍのマイクロガラス繊維から成り、ＡＦ６及びＡＦ１１は、２.５μｍのマイクロガラス繊維から成り、ＡＦ１６は、１.５μｍと２.５μｍのマイクロガラス繊維の組み合わせから成っている。
【００６５】
＜例２＞
＜初期ＤＯＰ及びＮａＣｌの初期粒子透過＞
例１で製造したフィルタＡＦ３(平均細孔径１６μｍ)、フィルタＡＦ６(平均細孔径３８μｍ)、フィルタＡＦ１１(平均細孔径３７μｍ)及びフィルタＡＦ１６(平均細孔径２８μｍ)とＨＥＰＡフィルタを、ＤＯＰと、中和された単分散ＮａＣｌエアロゾルテストのために、ユタ州ソルトレークシティのNelson Laboratoriesに送った。試行濃度は、１００ｃｍ2のフィルタを通し、３２Ｌ／分で１.５×１０6粒子／ｃｍ3であった。エアロゾルは、平均粒径が０.３μｍであり、これは、最も透過性のある粒径範囲と考えられた。テスト試料は、１０×１０ｃｍの正方形又は直径約４〜５''のディスク形状に作成した。３プライ又は３層の平たいシートは、テストデバイスに固定し、３２Ｌ／分にて空気流で試行した。データを表２に示している。
【００６６】
【表２】
【００６７】
ＡＦ１６の初期ＮａＣｌ及びＤＯＰエアロゾル透過は最も低かったが、この透過であっても、ＨＥＰＡフィルタとは比べものにならなかった。この試料は、１.５ミクロンと２.５ミクロンのマイクロガラスから成っており、僅か７.７％のナノアルミナを含有している。その細孔径はおよそ２８μｍである。結果は、ナノアルミナフォーミュレーションの多くは、初期透過がＨＥＰＡ仕様より高かったことを示している。
【００６８】
＜例３＞
＜ＮａＣｌエアロゾル性能テスト＞
フィルタＡＦ３、ＡＦ６、ＡＦ１１及びＡＦ１６と、ＨＥＰＡフィルタ(テスト面積１００ｃｍ2)は、それぞれ、およそ３時間、流速３２リットル／分にてＮａＣｌエアロゾルで試行した。約０.００３７ｍｇ／分／ｃｍ2のＮａＣｌ(約４０ｍｇ／時に相当)を各フィルタに送り込んだ。上記の如く、一般的に、ＡＦ１６の３層(各１.２ｍｍ、全体で３.６ｍｍ)は、ＨＥＰＡと等しい圧力降下を実現するために必要であったので、テストは、３層体ＨＥＰＡで行なった。
【００６９】
図３は、ＮａＣｌエアロゾルによってテストされた各フィルタの透過を、時間の関数として表したグラフ図を示している。図示の如く、フィルタＡＦ１６は、初期ＮａＣｌ及びＤＯＰエアロゾル透過が最も低かったが、それでも、ＨＥＰＡよりかなり高かった。ＡＦ１６は、初期透過が最も低かったため、さらなる評価のために使用した。
【００７０】
図４は、フィルタの空気抵抗を、時間の関数として表したグラフ図を示している。この例における性能(又はフィルタ寿命)は、５０ｍｍＨ2Ｏの圧力降下(ΔＰ)に達するために必要とされる時間(分)として規定される。図４に示すように、テストした本発明のナノアルミナフィルタは、ＨＥＰＡフィルタの少なくとも１０倍の性能を有していた。フィルタＡＦ６及びＡＦ１１は、ＨＥＰＡより約３０倍を超える性能を有している。これらのデータが重要なのは、フィルタの「寿命」は、一般的に、フィルタの選択された限界圧力降下によると規定されるからである。フィルタの圧力上昇は、用途又は設計のために定められたレベルで寿命を規定する。圧力の上昇は、等しい効率のシステムについての負荷の結果であるから、より長い寿命は、一般的に、性能の高さと直接的に関係する。効率は、粒子を通すのではなく捕獲するという媒体の性質である。一般的に、より効率良くフィルタ媒体がガス流から粒子を除去する状態であれば、概して、より急速にフィルタ媒体は「寿命」圧力差に近づき、他の変数を確実に一定に保つこととなる。
【００７１】
向上した性能を有するフィルタは、頻繁なフィルタ交換のコストを低減するから、かなりの利点がある。さらに、細菌やウイルス又は核物質を阻止するフィルタを含む多くのフィルタは、有害廃棄物として廃棄されなければならない。それゆえに、有害廃棄物フィルタを交換及び廃棄する頻度を低減することは、さらなる経済的利益になる。
【００７２】
表３は、Kohlbaughの米国特許第６,８７２,４３１号(「'４３１特許」)に開示されたフィルタと、０.３μｍ粒子の除去のための「プレＨＥＰＡ」レベルのナノアルミナ繊維とマイクロガラス繊維を含む本発明の繊維について、気流速度約３.２ｍ／分でのＮａＣｌエアロゾルテストの結果を示しており、「プレＨＥＰＡ」は、約９８.９％〜約９９.６％の範囲の媒体効率と規定される。表３は、発明のフィルタの１つ(フィルタＡＦ１６の単一層)を、流速約４.６ｍ／分にて、０.３３〜０.４０μｍの中和されたＫＣｌの最も透過された粒径で試行した結果も示している。
【００７３】
【表３】
【００７４】
表３に示した結果は、「プレＨＥＰＡ」レベルでは、以下の通りであることを示している。
１．ＡＦ６媒体は、プリーツ加工可能であり、１０、１４又は２５層を組み入れている'４３１特許に開示された媒体と比べて、約１２５ｍｍＨ2ＯとＨ2Ｏ約５０ｍｍＨ2Ｏの圧力降下に達する素晴らしい性能を有している。１２５ｍｍＨ2Ｏと５０ｍｍＨ2Ｏにおける推定寿命は、それぞれに約４０％、２８％及び２０％向上する。
２．ＡＦ６媒体の単一層は、最も透過する粒子(ＫＣｌ、０.３３〜０.４μｍ)の推定寿命及び除去効率を有しており、それは、１０及び１４層複合材についての'４３１特許に開示されたフィルタを超えている。
【００７５】
これらのデータが重要であるのは、ナノアルミナ繊維媒体が、'４３１特許と比較して向上した推定寿命を有するから、そして、粒子の除去効率が'４３１特許を超えるからである。したがって、請求の範囲に記載のナノアルミナフィルタは、費用効率が高いだけでなく、性能も優れている。さらに、単一媒体は、１０〜１４の異なった層を有する媒体より製造が極めて安価であり、後者の場合、層間剥離の懸念がある。
【００７６】
表４は、'４３１特許に開示されたフィルタと、０.３μｍ粒子の除去のための「プレＨＥＰＡ」レベルのナノアルミナ繊維とマイクロガラス繊維を含む本発明の繊維について、気流速度約３.２ｍ／分でのＮａＣｌエアロゾルテストの結果を示している。
【００７７】
【表４】
【００７８】
表４に示したデータは、ＡＦ６及びＡＦ１１媒体は、１６又は２５層を有する'４３１特許に開示された媒体と比べて、１２５又は５０ｍｍＨ2Ｏの圧力降下に達する素晴らしい性能を有している。本発明の媒体は、フィルタの推定寿命を、'４３１特許の媒体に対して、終圧１２５ｍｍＨ2Ｏまで少なくとも８０％改善されている一方、２５層を有する'４３１特許の媒体は、５０ｍｍＨ2Ｏの圧力降下までの同程度の推定寿命を有する。
【００７９】
＜例４＞
＜前調整＞
この例の目的は、ＨＥＰＡプロトコルをテストする時に、初期漏れを排除することであった。(非対称の繊維構成のために幅広い細孔径を含んでいる)フィルタ媒体の最大細孔径が、初期漏れの原因であると仮定した。使用前のフィルタを調整するために、外来微粒子をフィルタへの注入すると、最大の細孔内に流入し、それらをブロックし、それにより、この漏れが低減し、フィルタの効率を向上させるであろうとさらに仮定した。
【００８０】
この仮定をテストするために、フィルタは、使用前に細孔が塞がれるように、品質改良剤を前負荷した(pre-loaded)。このテストには、試料ＡＦ１６(直径２５ｍｍのフィルタ)を使用した。フィルタを調整するために単分散ラテックス球(Duke Scientific)を使用したのは、これらの球は、空気中で安定しており、湿った空気流によって影響を受けないからである。ラテックス球の直径が０.２、０.５又は１μｍである実験を行った。球は、フィルタ上に負荷し、空気抵抗を測定した。
通気抵抗は上記のように測定した。０.２μｍの前負荷は、本発明におけるフィルタの圧力降下への影響が最小限であり、いくらかの前負荷の後、流出液の濁度を測定した。
【００８１】
図５は、本発明のフィルタに０.５及び１μｍラテックス球で前負荷した後の、気流速度と圧力変化を示すグラフ図である。前負荷中、流出液の濁度は、検出限界の０.０１ＮＴＵ未満であり、フィルタ媒体によるこれらの大型粒子の定量的吸着を示唆することに注目した。データは、０.５及び１μｍラテックス球が、フィルタを球で前処理するために適することを示唆している。
【００８２】
要約すると、例４の結果は以下のことを示している。
１．単分散粒子のような外来微粒子は、ナノアルミナフィルタ媒体を調節するために使用されることができる。
２．前負荷中の濁度の測定は、前負荷プロセスをモニター及び制御するために有効な方法である。
３．試料には、ＮａＣｌエアロゾルテスト中に生じる圧力降下(ΔＰ)を映し出すために、０.５及び１μｍラテックスビーズを負荷させることができる。
４．０.２μｍのラテックス粒子は、小さすぎて所望のΔＰを達成することができない。
高価なラテックス粒子に代えて、安価且つ所望のサブミクロンサイズの粒子(例えば、超微粒炭素、ヒュームドシリカ凝集体(Cab-O-Sil)、又は金属酸化物)をフィルターの前調整に用いることもできる。
【００８３】
＜例５＞
＜ＡＦ１６試料についての前負荷ＮａＣｌ透過及び性能テスト＞
テスト試料は、３層からなるフィルタＡＦ１６媒体上に０.５μｍラテックス球を前負荷することによって作成した。該媒体は、面積１７５ｃｍ2の円板状に作成した。試料(テスト面積１００ｃｍ2)を、それぞれ、およそ３時間、流速３２リットル／分にてＮａＣｌエアロゾルで試行した。フィルタに送達されたＮａＣｌのおよその質量は、約０.００６７ｍｇ／分／ｃｍ2であるか、フィルタの露出した質量が４０ｍｇ／時又は０.５％／時であった。流速３２リットル／分の時、速度は３.２ｍ／分であった。３層のＡＦ１６のフィルタ厚さは約０.３６ｃｍであり、約０.０７秒という計算された滞留時間を生じた。
【００８４】
図６は、ＮａＣｌ負荷中にラテックス球で前処理した、ナノアルミナフィルタの空気抵抗を示すグラフ図である。図示の如く、テストの３時間以上にわたって、ナノアルミナテスト試料の全ての空気抵抗は、ＨＥＰＡより遙かに低かった。ＨＥＰＡフィルタは、約４分で５０ｍｍＨ2ＯのΔＰに達したが、ナノアルミナ試料は、同じΔＰに達するまでに約４０分掛かった(ラテックス９重量％を含むナノアルミナフィルタは、約３０分で５０ｍｍＨ2ＯのΔＰに達した)。フィルタ寿命におけるこの改良は、ＨＥＰＡより約７〜１０倍優れており、高効率フィルタ、例えば、病院、集団軍事防護、国土防衛、自動車用及び呼吸用保護具のフィルタを使用する用途に有用である。
【００８５】
図７は、ラテックスビーズで前処理したナノアルミナフィルタのＮａＣｌ透過を示すグラフ図である。初期透過は０.０３％まで低減されなかったが、保持率は、ＮａＣｌ粒子の連続負荷で向上した。前処理したＡＦ１６試料はすべて、ＡＦ１６自体より初期ＮａＣｌ透過が低かった。０.５μｍラテックスビーズの増大した前処理で、より良い性能に向かう傾向があり、ＨＥＰＡを規定する透過率０.０３％と比べて、９重量％ラテックスについては透過率が０.０４７％という最も低い値であった。
【００８６】
＜例６＞
フィルタ媒体は、例２と同様に、Nelson Laboratoriesにて、ＮａＣｌエアロゾル保持率についてテストした。図８は、０.３μｍＮａＣｌエアロゾルがテスト媒体を通る透過率を示すグラフ図である。この例において、以下の試料、即ちＨＥＰＡと；ＨＥＰＡフィルタ用の前置フィルタとして使用した、前負荷なしのＡＦ１６の単一層と；ラテックス粒子で前処理したＡＦ１６の３層とを比較した。図示の如く、ＨＥＰＡだけのフィルタは、ＵＬＰＡと評価できなかった。対照的に、前処理したＡＦ１６フィルタは、初期及び連続保持率が＞９９.９９％であり、それゆえに、ＵＬＰＡフィルタと見なした。さらに、図８に示すように、ＡＦ１６の単一層(前処理せず)を、前置フィルタとしてＨＥＰＡに加えることは、ＵＬＰＡ評価をもたらした。これらのデータは、請求の範囲に記載のナノアルミナフィルタ媒体は、ドナルドソンＨＥＰＡフィルタのような従来のＨＥＰＡフィルタを超える保持率を有していることと、ナノアルミナを前置フィルタとして使用することは、ＨＥＰＡ評価からＵＬＰＡ評価に上げることを示している。
【００８７】
図９は、上記の試料に関するＮａＣｌエアロゾル性能テスト中の、テストフィルタの空気抵抗を示すグラフ図である。前処理なしのＡＦ１６の単一層の添加は、ＨＥＰＡフィルタの寿命を約７００％延ばし、ΔＰ閾値を５０ｍｍにしたが、これは、実際に使用される場合、相当の節約をもたらすであろう。
【００８８】
したがって、請求の範囲に記載のフィルタは、従来のＨＥＰＡフィルタより、粒子の保持がより効果的であり、推定寿命が大きくなっており、それゆえに、これらの請求の範囲に記載のナノアルミナフィルタ媒体は、より費用効果が高い。
【００８９】
＜例７＞
ＡＦ１６媒体の試料は、航空宇宙産業における、塗料スプレーしぶき捕集(paint overspray arrestance)のための濾過システムの測定に特異的なEPA Method 319規則に基づいて、LMS Technologies, Inc. (Edina, MN)でテストした。米国産業最終操作において、スプレーされる塗料の３０％である９千万ガロンは、大気中に分散されるこの大部分を上塗りする。
【００９０】
ＡＦ１６媒体の１層は、流速１５ｆｐｍでテストした。初期圧力降下は、２２ｍｍＨ2Ｏであった。図１０は、テストフィルタの保持率又は分別効率を粒径の関数として示すグラフ図である。これら同じデータは、表５に示している。
【００９１】
フィルタは、市販のサブＨＥＰＡフィルタ(Ahlstromによって製造されたTrinitex K903-70)と比較もした。図１４は、TrinitexフィルタとフィルタＡＦ１６の圧力降下を比較している。図示の如く、２つのフィルタの圧力降下は、極めて似ている。重要なことには、ＡＦ１６による保持率は、比較の全ての粒径範囲に対して、Ahlstrom媒体と同様に、ＥＰＡ仕様より非常に優れていた。データは、新規な媒体が、前処理を必要とせずに、サブＨＥＰＡ媒体の性能を実質的に向上させることができることを示している。
【００９２】
【表５】
【００９３】
＜例８＞
同時継続特許出願は、細菌の増殖を制御するのに銀の使用を取り上げている。それゆえに、空気濾過媒体に銀を含めることをテストした。３枚のナノアルミナハンドシートは、硝酸銀(スラリーの乾燥重量に対して銀が０.１％、０.３％及び１重量％)をスラリーに添加したことを別として、例１の試料ＨＦ０４０４について記載したように、アルミニウム粉末から作成した。試料(直径２５ｍｍ)は、フィルタホルダに取り付け、Klebsiella terrigena懸濁８×１０7ＣＦＵ／ｍｌの１０ｍｌ緩衝水溶液をロードした。細菌は、負荷直後と、１、５及び１８時間の放置後に、３％牛肉エキスを含有する３ｍｌの溶液と、Ｐｈ７.５の０.３５％グリシン溶液とフィルタから逆方向に溶出させた。
【００９４】
図１１は、フィルタへの露出時間の関数として、イオン化銀をナノアルミナフィルタに含めることによる抗菌効果を示すグラフ図である。図示の如く、銀が含浸されたナノアルミナフィルタは、硝酸銀の割合が増加するよう変えられた対照で、細胞増殖が制御されている。
テストは、１％銀が、ＭＳ２ウイルスを濾過することに対しては認識できるほどの影響を示しておらず、フィルタ媒体のウイルス効率が、１％銀の吸着後に影響を受けなかったことも示している。
【００９５】
これらの結果は、フィルタへの硝酸塩の添加、抗菌薬剤として作用するから、フィルタから引きずられる細菌又はウイルスを最小限にすることを示している。含浸されたフィルタからの銀の溶出は、約３０μｇ／Ｌであって、飲料水用にＥＰＡに要求される１００μｇ／Ｌ未満である。一旦使用されると、フィルタは、コストの掛かる有害廃棄物ではなく、衛生廃棄物として廃棄可能である。
【００９６】
＜例９＞
＜エアロゾル化された大腸菌を含む媒体試料のテスト＞
Hendersonが最初に開発した装置[１]を組み立て、大腸菌でテストした。図１２に概略的に示した装置において、大腸菌懸濁１.４×１０9ＣＦＵ／ｍｌの５ｍｌ緩衝液を、DeVilbiss PulmoMate Neblizer (Model SR4650D)によって噴霧した。第２のネブライザは、同量の緩衝液で操作した。生成したエアロゾルは、直径５ｃｍ、長さ９０ｃｍのチューブに注入した。相対湿度は、スプレーチューブに入る前に、空調装置の湿ったアームと乾燥したアームを通る空気を混合することによって調節した。チューブの端部付近の相対湿度及び温度は、湿度計によって測定した。エアロゾルチューブの出口からの流れのおよそ１／３は、AGI-30インピンジャ(impinger)を通過した。残りの流れは、内径１２ｍｍのチュービングを通過し、次に、インピンジャから逃げる空気と混合した。エアフローは、ＨＥＰＡフィルタ(Whatman, Poly Vent-1000 Cat #6713-1075)を通過した。
【００９７】
総流量は、１分当たりエア３８リットルであった。２つのネブライザは、エアフロー１２Ｌ／分(各６Ｌ／分)を生成し、２６Ｌ／分のエアフローは、空気圧縮機によって供給された。インピンジャのエアフローは、１２Ｌ／分であった。
【００９８】
濾過効率は、以下のように計算した。
％効率＝(上流大腸菌濃度−下流大腸菌濃度)×１００％／上流大腸菌濃度 [１]
但し、上流大腸菌濃度は、大腸菌を含んだ空気流中、フィルタを用いずに決定した。下流大腸菌濃度は、相対湿度１００％又はほぼ１００％にて、大腸菌を含んだ空気流中、フィルタを用いて決定した。
【００９９】
第１の実験において、３層のＡＦフィルタ媒体(粒子で前処理されていない)は、直径９０ｍｍのフィルタホルダへと組み立てた。第２の実験において、１層のドナルドソンＨＥＰＡは、同じフィルタホルダへと組み立てた。図６に示すように、ＡＦ１６フィルタ媒体は、ＨＥＰＡフィルタの５０倍の細菌を保持した。
【０１００】
【表６】
【０１０１】
各ＡＦ試料は、従来のＨＥＰＡエアフィルタの細孔径より実質的に大きい細孔径を有している。濾過で一般的に知られているように、細孔径が大きい媒体は、目詰まりの傾向が少ない。この目詰まり許容度は、本発明のフィルタが、水滴によるフラッディングに対する耐久性を乏しくする能力にまでも及ぶ。
【０１０２】
例示したナノアルミナ繊維が高濃度の細菌を除去する能力は、驚くべき結果であって、特にフィルタが、免疫を含む患者が治療される病院での集団防護や、生物攻撃戦争中の保護に使用される場合に、主要な利益がある。そのような媒体は、細菌保持を向上させるために、改良された呼吸フィルタに対しても有効である。さらなる利点は、ＨＥＰＡと比べて、特にフィルタ負荷の際、本発明の圧力降下はより低い。最後に、別の利点は、ナノアルミナフィルタ媒体の細孔径は、さらに大きいことであって、一層多孔性のフィルタを生じ、水滴又はミストによって連続負荷が施される場合、一層多くの水を保持することができる。
【０１０３】
エアロゾルがＭＳ２ウイルス(２.５ｎｍ径)を含有することを除いて、例９で記載したように２つの実験を行った。テストは、２つの異なった相対湿度にて行った。この場合、テストした試料は、小さな細孔径(〜２μｍ)と、厚さ０.４ｍｍを有していた。
【０１０４】
【表７】
【０１０５】
表７は、フィルタが、エアロゾル化されたウイルスについて高い収集効率を有したことを示している。これらの結果が重要なのは、細菌より概して１又は２けた大きいウイルスは、深さのあるフィルタ媒体によって保持することが極めて難しいからである。ＨＥＰＡによるウイルスの保持が問題でもあるのは、多くの病原性ウイルスは、粒径が０.１μｍより小さく、ＨＥＰＡを画定するのに使用される０.３μｍのテスト粒子より実質的に小さいからである。単分散ウイルスの有効な濾過は、極めて非能率的である。ウイルスが水エアロゾルに覆われるならば、概して疎水性であるＨＥＰＡフィルタは、水が蓄積するにつれ、効率性を失う。請求項に記載のナノアルミナフィルタ媒体は、より高い効率及び能力を提供し、それゆえに、病院内や生物兵器防衛用のフィルタマスク及び集団防護システムで有用である。
【０１０６】
＜例１１：リヨセル／ＮＣ及びセルロース／ＮＣハンドシート＞
Fiber Innovation Technologyから購入した８グラムの精製リヨセル(２０％固体)は、キッチンスタイルのブレンダー(１２段変速のオスタライザー・ブレンダー)を「高砕氷(high-ice crush)」設定で２分間使用し、０.７５ＬのＲＯ水に分散させた。混合物(１ｇ)に添加したアルミニウム粉末の量は、反応後、固体が、１２部のＡｌＯＯＨと、８８部のリヨセル繊維(表１６ａの試料ＡＦ３４)で構成されるような量であった。同様に、アルミニウム・水反応の前、混合物(２ｇ)と１ｇのヒュームドシリカ乾燥粉末に添加したアルミニウム粉末の量は、反応後、固体が、２０部のＡｌＯＯＨと、５部のヒュームドシリカと、７５部のリヨセル繊維(表８の試料ＡＦ３５)で構成されるような量であった。対照として、純リヨセル(ＡＦ３３)、セルロース(ＡＦ２８)及び、７２％セルロースと２８％ＡｌＯＯＨ(ＡＦ３２)の混合物を調製した。
【０１０７】
【表８】
【０１０８】
ディスク(２５ｍｍ)は、上記の如く、試料から切り取り、投入濃度２.０×１０7ＰＦＵ／ｍｌと、流速４０ｍｌ／分で、ＭＳ２ウイルスで試行した。表８は、純セルロース、マイクロフィブリル化されたセルロース(リヨセル)又は、７２％セルロース／２８％ＮＣ混合物から作られ、ＭＳ２ウイルス除去効率が無い又は非常に少ないハンドシートを示している。８８％リヨセル／１２％ＮＣと、７５％リヨセル／５％Ｃａｂ-Ｏ-ｓｉｌ／２０％ＮＣ混合物は、単一層のＮＣよりも大きい効率を有しており(９９.５％、表１６参照)、リヨセルは、ナノアルミナのための優れた繊維支持体(fiber support)であることを示している。
【０１０９】
＜例−繊維構造＞
以下の例は、微粒子、超微粒子又はナノサイズ粒子の不織構造への組み入れを示す。例は、溶媒、触媒、粉末活性炭、ナノサイズ炭素、ＲＮＡ、ＴｉＯ2粒子(５０ｎｍ)及びヒュームドシリカ(一次粒径およそ１５ｎｍ、凝集体としての大きさ数百ナノメートル)を含んでいる。各ケースにおいて、形成時間は、ナノアルミナが使用されるとき、実質的に少なく、湿式成形(製紙)法による新しい媒体の製造を現実的にする。
【０１１０】
例は、粉末活性炭を含有する請求の範囲に記載の繊維構造と、市販の活性炭媒体の繊維構造を、それぞれの媒体への可溶性ヨウ素のブレークスルー(突き破ること)により比べることによって比較をしたものである。市販媒体とほぼ同じ基本重量の単一層へのブレークスルーは、殆ど即時であるが、請求の範囲に記載の濾過媒体は、約８００倍大きい寿命を有している。
【０１１１】
＜例１２：出発原料＞
マイクロガラスやリヨセルのような粗繊維上のナノアルミナのスラリーは、アルミニウム粉末から調製した。簡単に言うと、２グラムのマイクロガラス繊維(Lauscha Fiber International、ホウケイ酸ガラス、等級Ｂ-０６-Ｆ、直径０.６μｍ)は、キッチンスタイルのブレンダー(１２段変速のオスタライザー・ブレンダー)を「低洗浄(low-clean)」設定で２分間使用し、逆浸透水発生器からの浸透の０.７５Ｌに分散させた。アルミニウム粉末(Atlanticf Equipment Engineers, grade AL-100, １〜５μｍ)の１.３６ｇと０.６１ｇの量はそれぞれ、反応後、それぞれにＡｌＯＯＨ６０部／４０部マイクロガラスと、ＡｌＯＯＨ４０部／６０部マイクロガラスを生成するように、ガラスマイクロ繊維に添加した。
【０１１２】
水酸化アンモニウム(マルチの７５０ｍｌ当たり３６％の８ｍｌ)を添加して、アルミニウムと水の反応を開始し、ＡｌＯＯＨ及び水素を形成した。混合物は、沸騰するまで加熱し、(添加した粒子が黒色でない限り)混合物が白色に変わるまで、１０分間沸騰したまま維持し、その後、冷却し、塩酸を使用しておよそｐＨ７になるまで中和した。その結果は、マイクロガラス又はリヨセルのような粗繊維上に形成されたナノアルミナ(以下「ＮＣ」混合物)となり、これは次の例で説明する。
【０１１３】
次に、溶媒粒子は、アルミニウム反応の前又は後に、乾燥粉末又は粉末の水への懸濁液(例えばＴｉＯ2)として、ナノ繊維や粗繊維のスラリーに添加する。その後、スラリーを手動で混合した。
【０１１４】
以下の例は、請求の範囲に記載されたナノサイズ粒子を含む繊維構造を示しており、非晶質ヒュームドシリカ(平均粒径(ＡＰＳ)〜１５ｎｍ、Cabot Corp., Cab-O-Sil, grade M5)と、ロシアで生産され、アルゴナイドコーポレイションによって販売されているＡＰＳ〜５０ｎｍのＴｉＯ2粉末と、リボ核酸(ＲＮＡ)とを含み、最小径は約１ナノメートル未満である。その他の例では、粒子は、Calgon Carbonから入手した溶媒(ＰＡＣ)(ＷＰＨ grade、９９％−１００メッシュ、９５％−２００メッシュ及び９０％−３２５メッシュ、ＡＰＳ〜２８μｍ)と、Aldrichから入手した３０ナノメートルのカーボンナノ粉末(Ｃａｔ．＃６３３１００)である。
【０１１５】
その他の例において、主にシリカから成るアリゾナテストダスト(Arizona test dusts)は、ＮＣ混合物に添加した。PTI Powder Technology Inc.から入手可能な０〜３μｍ(ＡＰＳ１.１３μｍ)と０〜５μｍ(ＡＰＳ〜２μｍ)という、２つの異なった等級のアリゾナテストダストを使用した。
例は、ＮＣ混合物に添加した触媒として、Carus Chemical Companyから入手可能な、粒径３〜８μｍの銅活性二酸化マンガン粉末(Hopcalite type)であるCarulite−４００(type C)も示している。
【０１１６】
粒子と、ナノアルミナ／粗繊維(「ＮＣ」)ネットワークとの比率は、媒体の所望の性能特性に依存している。例えば、ＰＡＣ−ＮＣ複合材料が、有機物を除去する能力と、選択されたＰＡＣ含有物を変化させるであろう粒子状成分を除去するための能力との対比におけるトレードオフがある。低減された量のＰＡＣを有するＰＡＣ−ＮＣ複合材料は、繊維構造が、流体流から細菌、ウイルス及びその他の汚染物質を除去する能力を増大させ、したがって、例えば、塩素、ハロゲン化炭化水素及び有毒溶解性金属を含む可溶性汚染物質の除去と同様に、微生物が実質的に除菌されている飲料水をもたらす。
セルロース又はポリエステルバイオコンポーネント(biocomponent)は、繊維構造を強化し、一層可撓性にする目的で添加されることができる。
【０１１７】
＜例１３：ファーニッシュ(Furnishes)の形成＞
この実施例において、例１２において記載したような、２グラム又は１.３グラムの粒子(すなわち、非晶質ヒュームドシリカと、ＲＮＡと、カロライト(Carulite)と、微細テストダストと、ナノカーボン及びＰＡＣと、ＴｉＯ2)は、例１２で記載したように調製した６０／４０又は４０／６０ＮＣスラリーに添加し、２８〜ｗｔ％の粒子状粉末を含有するＮＣスラリーを生成した。スラリーは手動で混合した。同様に、上記に掲げた５ｇと３.３３ｇの粉末は、６０／４０と４０／６０スラリーに添加し、５０〜ｗｔ％の粒子状粉末負荷を生成した。ＮＣ構造へのＴｉＯ2の負荷を除けば(以下参照)、粉末は、反応が開始された後に添加された。すべての例において、実験は、粒子を混合物に添加するのに最適な時間を評価するために、反応の開始の前後に粒子を添加して行った。しかしながら、粒子が、微細ダスト(表９)、カロライト(表１１)又はＲＮＡ(表１３)を含む場合、粒子は、粒子の変性を避けるために、反応の開始後に添加される。ＰＡＣの場合(表１４、１５)、粒子は、反応の開始前又は後に添加される。
【０１１８】
混合物は、その後、２０００：１の割合でＲＯ水で希釈した。スラリーの５００ｍｌアリコートを、４７ｍｍの真空フィルタホルダに注入した。ファーニッシュは、フィルタホルダ上に配置された織テフロン(登録商標)媒体(７０メッシュサイズ)から打ち抜かれた直径４７ｍｍのフィルタディスクを通じて濾過した。ロータリーポンプによる真空は、水回収容器に加え、形成時間(濾過ステップの開始から、形成されたディスクをすべての流体が通過するまでの時間)は、形成時間として記録した。完成したディスクは、オーブン乾燥し、冷却後と、周囲温度と平衡した後に計量した。場合によっては、後者の重量を記録し、ＮＣ構造における粒子の収率を予測するために、総重量を元の成分の重量と比較した。
【０１１９】
＜例１４：ナノＴｉＯ2／ナノアルミナ／マイクロガラス繊維構造＞
５ｇの５０ｎｍＴｉＯ2ナノ粉末は、１ＬのＲＯ水で満たされたガラスのビーカーに分散し、それから、超音波発生装置(Fisher Scientific, Model F20)で３０分間攪拌した。２４時間の静置した後、上清の上部分(〜０.６Ｌ)を、ゆっくりとデカントし、沈殿している凝集体から懸濁粒子を分離した。
【０１２０】
上記ＴｉＯ2懸濁液の１００ｍｌアリコートを、例１２と同様に先に形成されたナノセラム６０／４０の０.７５Ｌに添加した。０.８５ＬのＴｉＯ2水(測定重量に対して)を含有する第１混合物と、０.８５Ｌにマイクロガラスを含有する(ナノアルミナを含まない)第２混合物である、２つの対照混合物を使用した。ＴｉＯ2ナノ粉末の濃度は、水を蒸発させ、残渣を計量することによって決定した。同様に、上記ＴｉＯ2懸濁液の２００ｍｌアリコートを、アルミニウム−水反応の前に、６０／４０ファーニッシュの０.７５Ｌに添加した。０.９５ＬのＴｉＯ2水(測定重量に対して)と、０.９５Ｌにマイクロガラスを含有する(ナノアルミナを含まない)第２混合物である、対照混合物を使用した。ＴｉＯ2ナノ粉末の濃度はまた、水を蒸発させ、残渣を計量することによって決定した。
表９は、ファーニッシュの組成と、形成時間と、回収した流出液の濁度を示している。
【０１２１】
【表９】
【０１２２】
混合物中にナノアルミナを含有した試料６２８及び６４３は、混合物中にナノアルミナが添加されなかった試料６２９及び６４４より形成時間が遙かに速かった。それぞれの流出液の濁度の比較は、ナノアルミナが存在する場合、より多くのナノ粒子を繊維構造に保持することを示している。
【０１２３】
繊維構造を含む二酸化チタンの平均細孔径は、上記の例１〜１０に示したような水流測定値に基づいて、約３μｍと推測した。さらに、粒子の基本重量の約７〜１２％を含むことができ、それは、完成した媒体の細孔径よりほぼ２けた小さい。理論に縛られないで、ナノ粒子は、ＮＣ構造にしっかりと結合されていて流れを妨げないから、形成時間が低減されるが、ナノアルミナが存在しない場合、ナノ粒子は、細孔構造内で自由に凝集して混合物を密にし、流れを妨げる。
【０１２４】
その他のナノサイズ酸化物と、炭化物、窒化物又はナノダイヤモンドのような耐火性化合物とは、そのような構造内に同様に保持されることができる。例えば、色素酸化物や、光感受性ナノ材料は、そのような繊維構造に組み入れられることができ、ナノダイヤモンド又はナノタングステンカーバイドを含む繊維構造は、高精度表面処理用の磨き布として使用できる。その構造は、研磨剤を分配及び浮遊させるのに役立つだけでなく、研磨中に現れる残屑の捕集器としても有用である。
【０１２５】
＜例１５：シリカ／ＮＣ／マイクロガラスフィルタ繊維構造＞
シリカを含む繊維構造(表１０)は、例１３で記載したように調製し、ヒュームドシリカをファーニッシュに添加した。ヒュームドシリカは、濾過するのが非常に困難なコロイド懸濁液を形成することが知られている。それは、増粘剤として広範囲に使用される。
【０１２６】
試料６３０は、反応前に添加した。およそ２００ｇｍ／ｍ2に等しい初期固体のうち、わずか６３ｇ／ｍ2がフィルタで回収された。その量は、元のアルミナ及びヒュームドシリカのおよそ９０％となり、７０メッシュフィルタに保持されるべきマイクロガラス繊維だけを残している。我々は、開始時におけるヒュームドシリカの添加は、形成されるときにナノアルミナとの結合をもたらし、ナノアルミナは、マイクロガラスに殆ど又は全く付着しない結果となり、流出液にシリカとアルミナの損失を生じる、と仮定する。
【０１２７】
【表１０】
【０１２８】
試料６４２において、ヒュームドシリカは、アルミナ・水反応の後に添加した。この場合、形成時間は、非常に速く、重量の損失がなかった。これは、超高表面積(２００±２５ｍ2／ｇ)で、ヒュームドシリカを繊維構造に保持するための方法を例示している。図１５は、同じ６４２の透過型電子顕微鏡図である。ナノ繊維は、これと、長さが数百ナノメートルで、直径が２〜３ナノメートルである他の顕微鏡写真から推定した僅差として現れる。ナノシリカの球体は、軸に沿って現れ、ナノアルミナ／マイクロガラス複合材料を完全に包み込んでいる。
ナノアルミナを含まない対照である試料６３１において、ヒュームドシリカは、メッシュを詰まらせたコロイドを形成し、形成時間を大幅に１００分以上延ばした。
【０１２９】
試料６３２〜６３６は、フィルタ開発において幅広く使用され、殆どがミクロンサイズのシリカからなるテストダストの添加によって製造された媒体を表している。テストダストは、アルミニウム反応の前に添加した。混合物にダストが添加されなかった場合、流出液に入る粒子の損失は、ほぼ全部であり、サイズが０〜３又は０〜５μｍのダストが混合物に添加された場合、流出液に入る粒子の損失は、ほぼゼロであった。さらに、ナノアルミナを含まない０〜３μｍ及び０〜５μｍのダストについて、形成時間は、ファーニッシュに存在するものより、それぞれ３５倍及び２２倍大きかった。
付着したヒュームドシリカは、溶媒として機能することができ又は、有機配位子を付着させる反応によって、化学的に操作されることができる。
【０１３０】
＜例１６：触媒＞
上記の例１５で示した試料６３４のテストを、銅活性ＭｎＯ2触媒であるカロライトをシリカと置換したことを除いて、この例で繰り返した。表１１に示した形成時間は、カロライト触媒のＮＣファーニッシュへの添加は、ナノアルミナを含まないファーニッシュのフラクションである形成時間を有することを示している。短い形成時間は、自由度に関係しており、湿式形成法による不織媒体の連続製造には不可欠である。
【０１３１】
生じた触媒は、顆粒状より有効であり、より浅い層深さで、一酸化炭素又はオゾンの酸化を実現するであろう。これは、大きな顆粒の表面積と比べて、それより大きな触媒の表面積は、例えばガス相成分について速い反応をもたらすからである。
【０１３２】
触媒は、ナノアルミナに付着したナノサイズのプラチナのような貴金属であるかもしれない。構造を支持するナノアルミナとマイクロガラスは、およそ１５０℃以上で安定するから、ＮＣ／プラチナ触媒構造も安定する。約１５０℃で始まる温度において、ナノサイズのプラチナは、自動車の排気を含むガスからの一酸化炭素及び未燃炭化水素のような、汚染物質を酸化させることができる。
【０１３３】
【表１１】
【０１３４】
＜例１７：ナノカーボン＞
上記の例１５で示した試料６３４のテストを、ナノカーボン粒子をシリカと置換したことを除いて、この例で繰り返して行なった。表１２は、ナノカーボンを負荷したＮＣファーニッシュは、ナノアルミナを含まないファーニッシュのフラクションである形成時間を有することを示している。ＮＣ形成の前又は後にナノカーボンが添加された場合、形成時間に差異がないことに注目した。
不織布に保留されたカーボンのそのような形状は、ＧＡＣと、恐らくＰＡＣも超える吸着特性を有するであろう。
【０１３５】
【表１２】
【０１３６】
＜例１８：ＲＮＡ＞
上記の例１５で示した試料６３４のテストを、ＲＮＡ(Sigmaより入手可能なトルラ酵母からのリボ核酸、Cat # R6625)をシリカと置換したことを除いて、この例で繰り返した。表１３は、ＲＮＡを負荷したＮＣファーニッシュは、ナノアルミナを含まないファーニッシュの約８％の形成時間であることを示している。
【０１３７】
【表１３】
【０１３８】
この例は、ナノアルミナ繊維は、生物学的機能を提供するために、繊維構造に組み入れられることができる生物学的素粒子を付着できることを示している。一実施例において、成長因子のような生物学的に活性の成分は、治療を向上させるために不織創傷被覆材のような医療構造体に組み入れられる。さらなる例において、ナノ銀粒子は、そのような被覆材に加えられて、抗菌薬としての機能を果たす。別の例において、繊維構造は、栄養食品や薬剤を表皮に浸透させるように送達するために使用される。さらに別の例において、繊維構造は、不織布に付着した特定の核酸又はタンパク質が、特定の生物剤又は化学薬品と相互作用できる。
【０１３９】
さらに別の例において、例えば、特定の官能基を有するポリマー粒子を含む、人工の高分子粒子は、さらに不織フォーマットに分散及び固定される。例において、細菌は、生体触媒として機能するように付着される。不織布に保留された細菌が生存率を維持するのは、酸素、二酸化炭素及び廃棄物が、容易に媒体を通って潅流するからである。
【０１４０】
＜例１９：粉末活性炭＞
上記の例１４で示した試料６３４のテストを、粉末活性炭(ＰＡＣ)をシリカと置換したことを除いて、この例で繰り返した。表１２に示すように、ＰＡＣを含む繊維構造は、ナノアルミナを含まないファーニッシュの５％未満の形成時間である。
【０１４１】
【表１４】
【０１４２】
＜例２０：リヨセル＞
Fiber Innovation Technologyから購入した２グラムの精製されたリヨセルは、例１２で説明したブレンダーを「高砕氷」設定で２分間使用し、０.７５ＬのＲＯ水に分散させた。混合物(０.６１ｇ)に添加したアルミニウム粉末の量は、反応後、固体が、４０部のＡｌＯＯＨと、６０部のリヨセル繊維で構成されるような量であった。乾燥ＰＡＣ粉末は、アルミニウム・水反応の前に添加し、次に、スラリーは、１Ｌのビーカー内で混合し、アルミニウム・水反応は、例１２と同様に行なった。
【０１４３】
表１５は、ＰＡＣ含有ファーニッシュの組成と、ナノアルミナを含まない組成を示している。ＰＡＣバージョンの形成時間は、ナノアルミナを含有する場合、１６％である。ＰＡＣファーニッシュの流入濁度は、ＰＡＣと他の繊維とも急速な一体化の結果として、１０ＮＴＵであるのに対し、ナノアルミナを含まない場合の流入濁度が３６０ＮＴＵである。マクロ繊維凝集体は、ナノアルミナが存在する場合、原液中に目に見えるほど形成された。注目したのは、ＰＡＣ−ＮＣの原液の１／２リットルが７５０ｍｌのビーカー内で混合された場合、沈殿は極めて急速であり、沈殿は、３０〜４０秒内にビーカー内で起こり、最終的には、上清の量の約８０％を清浄して濁度を１０ＮＴＵ未満にするが、ＰＡＣ／リヨセル(ナノアルミナを含まない)混合物は、数時間は沈殿しなかったことである。さらに注目したのは、ＰＡＣ−ＮＣの場合の流出濁度は、ナノアルミナが存在しなかった場合のおよそ１２分の１であり、活性炭粒子の大きなフラクションがドレーンに入るという結果を生じたことである。これらは、粒子の最小であり、急速な吸着速度の一因となる可能性が最も高いと考えられる。ＮＣがＰＡＣと凝集体を形成する能力は、複合材料の高収率をもたらし、リヨセルをマイクロガラスの置換物として用いて明示された。
【０１４４】
【表１５】
【０１４５】
＜例２０：ＰＡＣハンドシート＞
この例において、複合材料をより広い面積のテスト試料のために増やしたことを除いて、様々なハンドシートを、例２３と同様に作成した。さらに、この例において、複合繊維(Invista T105)とセルロースは、可撓性と強度を向上させるために添加した。セルロースは、アルミニウム・水反応が開始される前に添加し、複合繊維は、ファーニッシュが冷却され、約ｐＨ７まで中和された後に添加した。最終的に、この例において、ファーニッシュは、２０００：１ではなく５００：１に希釈された。
【０１４６】
１２"×１２"のハンドシートは、シート状の紙を形成するために、ヘッドボックスを使用し、スクリーンを通じて吸水して作成した。ハンドシートは、室温で空気乾燥させた。複合繊維のようなのような高分子繊維が使用された例では、ハンドシートは、オーブン乾燥し、１６０℃で２０分間硬化した。表１６でＮＣとして示される、ナノセラム媒体を含み、炭素を含まないハンドシートは、同様な方法で作成した。
【０１４７】
【表１６】
【０１４８】
細孔径は、例１〜１０で上述したように決定される。全てのテスト試料の細孔径は、ナノアルミナ／マイクロガラス繊維の細孔径より大きく、少ない圧力降下と高い流速能力をもたらした。
【０１４９】
＜例２２＞
このシリーズの目的は、繊維構造による微生物の保持力を測定することと、それを、ナノアルミナ／マイクロガラス繊維のみから成るフィルタと比較することである。２５ｍｍのディスクは、例２１及び上記の表１６に記載したように、試料番号６１７から切り取った。別の２５ｍｍディスクは、ＮＣ媒体から切り取った。ディスクは、ブレバンディモナスディミヌタ(Brevundimonas diminuta)(ＡＴＣＣから入手可能、Cat. No 11568)の溶液で試行した。Ｂ．ディミヌタ(B. diminuta)は、最小の培養可能な細菌であって、小寸法が僅か０.３μｍである。両方の種類の試料は、４０ｍｌ／分の速度にて、細菌の１０ｍｌアリコートで試行し、無菌バイアルに回収し、Ｂ．ディミヌタの測定を行った。ＰＡＣ−ＮＣ０は９９％を保持できたが(表１７)、ＰＡＣを含まないＮＣはより優れていた。ＰＡＣをその高レベル(５８％)から低減することにより、細菌保持が高められる。両方の種類のフィルタは、サイズが２５ナノメートルであるＭＳ２ウイルス(ＡＴＣＣから入手可能、Cat. No 15597-B1)でも試行した。表１８は、ＰＡＣ−ＮＣが、ＮＣと殆ど同じウイルス保持力を持つことを示している。
【０１５０】
【表１７】
【０１５１】
【表１８】
【０１５２】
＜例２２＞
このシリーズの目的は、水流からの可溶性汚染物質の動的吸着効率を測定することである。ヨウ素がサロゲート(代理)として使用されるのは、活性炭の能力が、ＧＡＣ及びＰＡＣ炭素の製造者によってヨウ素価で示されるからである。ヨウ素は、殺菌剤として水流へ意図的に添加される、塩素の適したサロゲートでもあるが、飲料水の不味い味と悪臭の一因となる。飲料水フィルタは、活性炭を使用し、塩素を除去する。
【０１５３】
この例において、２０ｐｐｍのヨウ素溶液は、ＰＡＣ−ＮＣの幾つかのファーニッシュの２５ｍｍディスクである単一層を通過した。２ｍｌのアリコートは、キュベットに回収した(通過長１ｃｍ)。原液と流出液の吸収値は、Genesys-10 UV/VISスペクトロメーを使用し、２９０ｎｍの波長にて測定した。該方法の検出限界は、およそ０.３ｐｐｍである。
【０１５４】
表１９のデータは、流出量が０.５ｐｐｍ(０.５ｐｐｍ以上で、ヨウ素の味が平均的な人々に分かる)と、１０ｐｐｍ(流入量２０ｐｐｍの５０％)に達することを示している。
ＰＡＣ／ＮＣ構造がヨウ素をそのような動的条件下に保持する効率を、３社の製造者(Ａ、Ｂ及びＣ)からの媒体と比較している。媒体は、市販のカートリッジ(直径２.５"×長さ１０")から選択した。
【０１５５】
ブレークスルーは、市販のフィルタ媒体では、ＰＡＣ−ＮＣ構造がヨウ素に対する広範囲の能力を有する場合、ほぼ即時である。図１６は、試料６１７と、３社の製造者の媒体を比較したブレークスルー曲線を示している。片対数プロットは、特に市販のフィルタ媒体に関するブレークスルー曲線の詳細を強調するために使用している。
【０１５６】
そのデータは、市販の媒体の単一層は、ヨウ素が直ちに流出液に入ることを許容し、それが、味や臭いによって検出可能であることを示している。対照的に、新しいＰＡＣ−ＮＣ構造は、ヨウ素が０.５ｐｐｍに達する前に、２０ｐｐｍのヨウ素を含有する約８００ｍｌの溶液を通過することができる。市販の媒体と比べてそのように急速な吸着反応を有する(８００倍大きい)、この非常に動的な能力は、予期されなかった。理論にとらわれたくないが、粉末活性炭のの微粒子は、構造内に保持され、洗浄されないと思われる。
【０１５７】
表１９は、ヨウ素を濃度０.５と１０ｐｐｍに精製した溶液の量を示している。１０ｐｐｍまで吸着されたヨウ素の量は、ヨウ素能力の計算された値とともに示されており、動的条件下で除去されたヨウ素の質量と、製造者のヨウ素数値の界面吸着能を比較している。ＰＡＣ／ＮＣ試料はすべて、同様なブレークスルー曲線を有しており、ヨウ素漏れの検出前、それぞれヨウ素の界面容量のおよそ５５％〜７２％を保持するが、市販の媒体によって利用される容量は、最大限で３.４％であった。これらのデータは、流体から汚染物質を物理的に吸着又は化学的に吸着するために、構造内に保持されている極微細な粒子を利用する利点を浮き彫りにしている。
【０１５８】
【表１９】
【０１５９】
＜例２４＞
例２３にあるような試料のテストを、流入が２００ｐｐｍと対比して５００ｐｐｍだったことを除いて、この例で繰り返した。２つの異なった波長は、検出限界を増大するために使用した。即ち、検出限界がおよそ３ｐｐｍである場合、低濃度流出液については２９０ｎｍ、高濃度については４５０ｎｍであった。より高い利用特性(７６％から１４７％)は、達成可能であり(表２０)、ヨウ素数によって画定される静止限界の低値に近づき超える。より高い試行濃度での一層高度な利用は、高濃度のソルベートの高い保持率を予測するラングミュア又はフロイントリヒ吸着等温線によって説明することができる[C. Tien, Adsorption Calculations and Modeling, Butterworth-Heinemann, Boston, 2001]。１００％以上の界面容量値が説明されるのは、製造者であるカルゴンカーボンによって画定されるヨウ素数が８００ｍｇ／ｇを超えるからである。８００ｍｇ／ｇの値は、計算で想定された。
【０１６０】
【表２０】
【０１６１】
可溶性汚染物質についてのＰＡＣ−ＮＣの高吸着容量は、揮発性有機分子が、エアフィルタに取り込まれるＰＡＣによって吸着されることができる場合、エアフィルタに直接的に転写可能である。
【０１６２】
さらに、空気中又は水中で動作するＰＡＣ−ＮＣ媒体は、ヨウ素を除去する急速な速度で、塩化物及び臭素を除去することができる。このフィルタ媒体は、塩化物が反応物質である場合、化学処理で使用されることができる。特に、排出ガスを介してのように、大気へ漏れからの塩化物の保持は、約３０万分の１以上で、人の嗅覚によって検出可能であり、約５０万分の１の刺激閾値(irritation threshold)を有する際、極めて重要である。さらに、請求の範囲に記載のＰＡＣ−ＮＣ媒体は、移送中に塩素ガスの漏れを防止するのに有用である。
【０１６３】
＜例２５：ダート保持力＞
Ａ２微細テストダスト(ＰＴＩ，Ｉｎｃ．)のための試料ＰＡＣ−ＮＣ(試料６２１)のダート保持力を測定し、ＮＣ媒体と比較した(表２１)。テストは、圧力降下が４０ｐｓｉに到達するまで、直径２.５ｍｍのディスクを、ＲＯ水中、Ａ２微細ダストが入った２５０ＮＴＵ懸濁液に試行することを含んだ。流出濁度は、各ケースにおいて、テスト中、検出限界の０.０１ＮＴＵ未満であって、流出液に入る粉末が最小限であることを示した。これが驚くべき結果であるのは、従来、ＰＡＣが、ＮＣ媒体が粒子を吸着する能力を減少させると推測されていたからである。
【０１６４】
【表２１】
【０１６５】
＜計算式＞
表１に示したデータから、試料の透気度はＢ(ｍ2)は、以下のように決定された。
Ｂ＝ｖμｚ／ΔＰ [２]
但し、
ｖ−所定ΔＰにおける流速、ｍ／ｓ
μ−気流速度。空気について−μ＝１８.６×１０-6Ｐａｓ
ｚ−媒体の厚さ
ΔＰ−媒体の圧力降下、Ｐａである。
【０１６６】
等式２は、フィルタを通る流れは、粘性範囲内であることを想定している。さらに、ガスフロー測定の場合、２つの追加条件[２]を要求する。(i)細孔径が１ミクロンより大きい、(ii)上流面への絶対圧力が、下流面への絶対圧力の１.１倍を超えない、即ち、上流ゲージ圧は、下流ゲージ圧がゼロ(即ち、４００インチＨ2Ｏ絶対値)である場合、４０インチＨ2Ｏ未満でなければならない。それら２つの条件が合う場合、等式２は、浸透性を推測するために使用することができる。
【０１６７】
等式[２]と図１から、フィルタ媒体の浸透性を決定した、浸透値と多孔率から、流量を平均化した流れ直径ｄを次の通り決定した。
ｄ2＝３２Ｂ／ε2 [３]
但し、ε−多孔率である。
流れ直径ｄは、表１に示している。ナノアルミナ媒体の平均細孔径は、４.２〜３８μｍの範囲であった。
【０１６８】
図１と、他の試料に関する同様なグラフから、媒体を通る直線速度の依存度と、与えられる圧力降下を比較し、表１に示している。これらの等式から、３.２ｍ／分の直線流における空気ΔＰ(ｍｍ水量、ゲージ)を、ＨＥＰＡと比較している。
【０１６９】
以上は、かなり詳細に開示してきたが、例及び詳細な実施例は、説明のために示したものであり、制限するものではないと理解されるべきである。特に、形状、サイズ及び配置についての設計変更は、発明の原理の範囲内であればなし得ることができる。当該分野の専門家であれば、発明や、要素の組み合わせのそのような変化又は変更、バリエーション、同等物、又は改良は、添付の特許請求の範囲に規定されるような発明の範囲内にあり、本発明は、この文書中に明示されていない制限がない限り、適当に実践されることができると理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【０１７０】
【図１】フィルタを横切る圧力降下の関数として、特許請求の範囲に記載されているナノアルミナフィルタ及びＨＥＰＡフィルタを通る気流速度を示すグラフ図である。
【図２】特許請求の範囲に記載されているナノアルミナフィルタ及びＨＥＰＡフィルタを通る水中に懸濁している０.２μｍラテックス球の濾過中に体積の関数として、濁度を示すグラフ図である。
【図３】特許請求の範囲に記載されているナノアルミナフィルタ及びＨＥＰＡフィルタを、０.３μｍＮａＣｌエアロゾルで連続的に試行する際の透過を示すグラフ図である。
【図４】特許請求の範囲に記載されているナノアルミナフィルタ及びＨＥＰＡフィルタを、０.３μｍＮａＣｌエアロゾルで連続的に試行する際の空気抵抗を示すグラフ図である。
【図５】０.５及び１μｍラテックス球で前処理されている、特許請求の範囲に記載されているナノアルミナフィルタを通る気流速度対圧力降下を示すグラフ図である。
【図６】０.３μｍＮａＣｌエアロゾルで透過された場合における、ラテックスビーズで前処理された特許請求の範囲に記載されているナノアルミナフィルタの透過と、前処理なしのナノアルミナフィルタ及びＨＥＰＡフィルタとの透過を比較するグラフ図である。
【図７】ラテックスビーズで前処理された特許請求の範囲に記載されているナノアルミナフィルタの空気抵抗と、前処理なしのナノアルミナフィルタ及びＨＥＰＡフィルタの透過を示すグラフ図である。
【図８】特許請求の範囲に記載されているナノアルミナフィルタ及びＨＥＰＡフィルタへの０.３μｍＮａＣｌエアロゾルの透過を示すグラフ図である。
【図９】ＮａＣｌエアロゾル性能テストにおける特許請求の範囲に記載されているナノアルミナフィルタ及びＨＥＰＡフィルタの空気抵抗を示すグラフ図である。
【図１０】エアロゾル化されたＫＣｌ液滴の粒径の関数として、特許請求の範囲に記載されているナノアルミナフィルタの分別効率を示すグラフ図である。
【図１１】特許請求の範囲に記載されている銀を含浸するナノアルミナフィルタが、細菌増殖に及ぼす抗菌効果を示すグラフ図である。
【図１２】特許請求の範囲に記載されているナノアルミナフィルタを、水媒介性細菌エアロゾルで連続的に試行する際の透過をグラフで描いた図である。
【図１３】圧力降下と細孔径の間の関係を、繊維径の関数として示すグラフ図である。
【図１４】特許請求の範囲に記載されているナノアルミナフィルタ媒体とサブＨＥＰＡフィルタの圧力降下を比較する図である。
【図１５】シリカのナノ粒子によって包まれたマイクロガラス繊維上のナノアルミナ繊維の透過型電子顕微鏡写真を示す図である。
【図１６】特許請求の範囲に記載されているナノアルミナ繊維による可溶性ヨウ素の吸着と、活性炭を含有する市販の媒体による吸着を比較するグラフ図である。
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願の相互参照＞
この出願は、２００５年９月１２日に出願され、「静電気エアフィルタ」と題された米国仮特許出願第６０／７１６,２１８号の優先権を主張する、２００６年９月１２日に出願され、「静電気エアフィルタ」と題された米国特許出願第１１／５３１,１０７号の一部継続出願である。この出願は、２００６年３月３１日に出願され、「金属含浸ナノアルミナ繊維組成物」と題された米国仮特許出願第６０／７４４,０４３号の優先権も主張する。
【０００２】
＜政府権利の陳述＞
本発明は、米空軍契約ＦＡ８６５０−０−０５−Ｍｓ５８２２により支援されている研究プロジェクトの結果によって作られた。したがって、政府は、本発明に一定の権利を有する。
【０００３】
＜発明の分野＞
本発明は、ナノ粒子に関し、特に、不織構造用に接着剤を使うことなく不織フィルタ媒体にナノ粉末を使用して、水、空気及びガスから汚染物質を濾過するものである。
【背景技術】
【０００４】
＜背景＞
ナノテクノロジーの分野及びナノサイズ粒子の使用は、急速に伸びている。特に、ナノ粉末は、研磨材(例えばタングステンカーバイド)や、紫外線吸収材(例えばチタニウムや酸化亜鉛)として開発されている。さらに、生物学的機能をナノ構造中で設計すること(ナノバイオテクノロジー)に、より大きな関心及び投資が行なわれている。小粒子、特に超微細ナノ粒子は、粗粒子に比べて、優れた、予期せぬ吸着作用を有している。この改良された反応性は、一層高い表面積と、より活性な表面によるものである。膜のような基材上又は繊維上にナノ粉末を構成することは、先進的な用途へ、これらを最良に利用するために必要とされることがある。したがって、ナノ粒子を不織繊維の構成媒体に固定することが望まれており、高速方法によるナノ複合材料の製造が実用的である。
【０００５】
残念なことに、ナノ粒子は、小さすぎて通常の織布(web)では捕獲できない。なぜなら、ナノ粒子は、凝集する傾向があり、流体を濃くすると、ナノ粒子が支持する織布を通り抜け難くなり、それによって、ナノ粒子が失われることとなるためである。このため、例えば従来の高速で低コストの製紙技術によって、ナノ粒子を含有する媒体を製造することは不可能である。結合剤を使ってナノ粒子を媒体中の繊維構造体に付着させることは可能であるが、結合剤は、ナノ粒子を容易に覆い、それによって、ナノ粒子が部分的又は完全に非活性化され、意図された機能が大きく損なわれる。
【発明の開示】
【０００６】
従来技術では、ガス流(fluid streams)から汚染物質を除去、濾過又は捕獲する多種類の材料が提示されている。これらのフィルタは、設計された用途ではかなりの効果があるが、高性能用途に必要なレベルの効果を提供しない。現在、フィルタ媒体は、高濾過率、高い汚れ保持力、低い圧力降下、低コスト、より大きな耐久性、改良された耐化学性、粉塵(即ち、濾過流へのフィルタ媒体粒子の放出)発生ゼロ(no particulation)、及び圧力振れに対処する機械的強度を提供するが期待されている。吸収剤粒子がより小さくなると、より優れた吸着効率を提供するが、フィルタ内の圧力降下は犠牲にされる。
【０００７】
粒状触媒は、液体及びガスの浄化に使用される。それらの反応性は、液体又はガス流に曝される触媒の外部表面積に大きな影響を受ける。サイズが僅かナノメートルのプラチナや他の貴金属触媒は、一般的に、セラミックビード、ハニカム状セラミック構造を含むことがある吸着媒体上や、活性炭や活性アルミナのような粗い顆粒上に分散される。
【０００８】
活性炭は、よく知られている吸収材粒子である。それは、直径が約０.２〜２０ｎｍの細孔を有している。活性炭が吸収材粒子として有用であるのは、その小孔寸法が、粒子内外に連繋した多数の活性吸着部位を有しており、単位重量当たりの大きな表面積をもたらすからである。同時に、細孔の寸法は、顆粒を通る種々の流体(fluid species)の拡散率への影響が大きい。概して、吸着剤媒体内の様々な流体の拡散率は、そのような吸収媒体によって吸着される流体分子の平均自由行程によって決定される。そのような吸着剤中の細孔が小さければ小さいほど、平均自由行程が長くなり、拡散速度が遅くなる。それゆえに、活性炭中の小孔は、多孔性の小サイズの極めて曲がりくねった通路へ様々な流体が侵入することを抑制する。粒径が小さくなると、実質的に経路長は短くなり、それによって、何れかの吸着物が構造内の吸収部位に到達するために必要となる時間が低減される。これは、流体流から汚染物質を除去する濾過効率を大きくする結果をもたらす。
【０００９】
粒状活性炭(ＧＡＣ)の使用は、飲料水を含む浄水用途と、製薬産業や飲料製造を含む多くの産業用途で知られている。飲料水では、ＧＡＣは、溶解された有機物(その多くは中毒性又は発癌性である)と塩素を吸収するために使用される。空気浄化では、ＧＡＣは、病院、研究室レストラン、動物施設、図書館、空港、商業ビル及び呼吸装置内の臭気、ガス状汚染物質及び蒸気状汚染物質をコントロールするために使用される。ＧＡＣは、空気流から揮発性有機化合物を除去するために含まれることが多い。このアプローチの不利点は、これらのフィルタが大きな格子間空間を有しており、フィルタにより、極めて低い圧力降下を呈することになることである。その結果として、これらのフィルタは、揮発性汚染物質と同様に、小粒子の捕獲に全く役に立たない。これらのフィルタの細孔径を、フィルタを通り抜ける空気中の粒子の大部分(計算による)を捕獲するために十分に小さくすると、フィルタは、圧力降下が極めて高くなる(即ち、非常に高い流れ抵抗を示す)から、強制的に空気を加熱するユニットと併用することができない。さらに、非常に小さい細孔径を有するフィルタは、上流の表面上の残屑が堆積することで、容易に且つ急速に詰まり、極めて高い勾配圧力を与えていない空気を通すと、フィルタ能力の急激な減退を引き起こす。ＧＡＣは、充填層中で、ルーズな状態の顆粒として使用されることが多い。しかしながら、炭素層は、ルーズな粒子が移動して、層のチャネリング及び目詰まり(clogging)を引き起こすから、有用なフィルタ構造に設計することは困難である。
【００１０】
繊維構造の媒体は、フィルタとして幅広く利用されている。ＧＡＣのような粒状層と比べて、繊維構造体は、チャネリングを最小限にし、フィルタ設計に有意な変更を許容しており、製紙などの低コストな組立法によって製造することができる。
【００１１】
粉末活性炭(ＰＡＣ)は、一般的にＧＡＣより優れた吸着反応速度を有すると認識されているが、高い外部表面積を有し、ほぼ同等のヨウ素価(iodine numbers)を有している。しかしながら、ＰＡＣを不織マトリクスに組み入れるには、それを繊維マトリクスに接着するために接着剤が必要であり、粒子の表面の一部が接着剤によって汚染されるため、少なくとも幾つかの粒子は濾過効果がなくなるから困難であることが先行技術で報告されている。この汚染を最小限にするために、接着剤とＰＡＣの粒子との間の接点を最小にするために大きい粒子が使用されることがある。例えば、ガス用途では、約１００ミクロン以上の粒径を有するＰＡＣの使用が知られている。液体用途へのＰＡＣの使用は、大抵、脱色用途に限定される。活性炭素に、炭素には容易に物理的に吸着しない汚染物質を除去又は変更するような、触媒や化学吸着剤を含む様々な化合物を含浸させることが当該分野で知られている。例として、ＡＳＣ Whetleriteは、塩化シアン、シアン化水素及びアルシンのような化学兵器剤を吸収及び破壊する、銅、クロム及び銀塩を含浸した活性炭素から構成される。銅及びクロム(現在はトリエチレンジアミン(ＴＥＤＡ)と置換されている)は、塩化シアンとシアン化水素に対しては化学吸着剤として作用し、銀は、触媒作用により、アルシンを酸化物にする。その他の実施例において、活性炭素には、活性炭素の能力を高め、アンモニアを吸着するためにクエン酸を含浸させたり、硫化水素を除去するために、水酸化ナトリウムや他の苛性化合物のような水酸化物を含浸させている。原子核場では、活性炭素の幾つかの層を有するフィルタに、ヨウ化カリウム(ＫＩ)を含浸させ、アイソトープが空気への偶発的な放出した場合に、放射性ヨードに変換することが知られている。
【００１２】
触媒寿命は、顆粒又は粉末の表面に沈着している有害物によって制限を受ける。体積に対する表面積比が顆粒触媒より高い粉末触媒は、汚染され難い。さらに、粉末触媒のサポートとして使用される不織媒体は、高い反応度と、低減された層深さと、可撓性構造をもたらし、自由設計を許容する。したがって、粉末触媒を、結合剤を使用せずに、十分な強度を有する繊維構造体に結合し、流体流(fluid stream)又はガス流に入る触媒の損失を最小限にする必要がある。
【００１３】
フィルタ能力は、吸着剤のパッキング又はチャネリングによって、吸着剤顆粒が互いに対して摩擦する結果低下する。不織フィルタは、吸着剤が、結合剤を使用せずに、構造内で分散及び収容されており、濾過機能を向上させる。上記のことから、消費者や個人ユーザの間では、超微粒子及びナノサイズ粒子を保持する不織繊維構造体への要請がある。不織構造を含む媒体は、小粒子、可溶性水質汚染物質、及び揮発性空気汚染物質を保持するための高い効率を有することが望ましい。
【００１４】
＜発明の要旨＞
本発明は、これらの要請に対応するものである。一実施例において、本発明は、ガス状媒質のための新規な粒子フィルタ又はフィルタ媒体であって、液体エアロゾル化された粒状物質を含み、空気流又はガス流からの病原体及び他の粒状物質を阻止する一方、圧力降下が低い、高効率で高容量の粒子フィルタへの要請を満足させるものである。
【００１５】
別の実施例において、本発明は、結合剤又は接着剤を使用せずに、微粒子又はナノ粒子を保持する不織繊維媒体への要請を満足させるものである。
したがって、本発明の一実施例における目的は、少なくとも従来のＨＥＰＡフィルタと同じくらい高いものであり、液体エアロゾルの目詰まりが起き難い、フィルタ効率を提供することである。
【００１６】
本発明の一実施例における別の目的は、エアロゾル化された細菌及びウイルスを濾過する媒体を提供することである。
本発明の一実施例におけるさらなる目的は、高い空隙率を有し、これにより、従来のフィルタ材料より水性ミストの吸収への耐性が高いエアフィルタを製造することである。
本発明の一実施例におけるさらなる目的は、少なくとも従来のＵＬＰＡ又はスーパーＵＬＰＡフィルタと同じくらい高いフィルタ効率を有する媒体を提供することである。
【００１７】
本発明の一実施例におけるさらなる目的は、圧力降下が、従来のフィルタで起きる低下より低いフィルタ媒体を提供することである。
本発明の一実施例におけるさらなる目的は、ＨＥＰＡフィルタより細孔径が大きく、空隙率が高いフィルタ媒体を提供することであって、これにより、冠水する前に水滴に対して高い収容力を提供するものである。
本発明の一実施例におけるさらなる目的は、エネルギー効率の良いフィルタ媒体を提供することである。
【００１８】
本発明の一実施例におけるさらに別の目的は、従来のフィルタと比べて長いフィルタ寿命を有するフィルタ媒体を提供することである。
本発明の一実施例におけるさらなる目的は、メンテナンスコストが低いフィルタ媒体を提供することである。
本発明の一実施例におけるさらに別の目的は、有害廃棄物質を濾過し、それに関連するコストが最小限である、フィルタ媒体を提供することである。
本発明の一実施例におけるさらに別の目的は、プリーツ加工に耐えられるほど強いフィルタ媒体を提供することである。
【００１９】
本発明の一実施例における別の目的は、少なくとも従来のＨＥＰＡフィルタと同じくらい高いものであり、液体エアロゾルの目詰まりが起きにくいフィルタ効率で、ガス状媒質を濾過するフィルタ又はフィルタ媒体の製造方法を提供することである。
本発明の一実施例におけるさらに別の目的は、ガス状媒質から微粒子とエーロゾルを除去するために、フィルタ又はフィルタ媒体を使用する方法提供することである。
本発明の一実施例における別の目的は、低製造コストで製造されたナノ構造中に、不織繊維マトリクスを提供することである。
【００２０】
本発明の一実施例におけるさらなる目的は、高効率、高容量で圧力降下の低い状況で、流体流及びガス流から、可溶性及び揮発性の有機物及びハロゲンを除去する不織媒体を提供することである。
本発明の一実施例におけるさらに別の目的は、流状媒体から、微生物病原体を含む微粒子も濾過する化学吸着媒体を提供することである。
本発明の一実施例におけるさらなる目的は、触媒又は粉末活性炭を不織構造の骨格(scaffold)に付着させることによって、不織媒体に、光触媒、酸化触媒又は、触媒が含浸された粉末活性炭を含む粉末状ナノサイズ触媒を組み入れることである。
【００２１】
本発明の一実施例におけるさらなる目的は、ダスティング(dusting)を最小限にするために媒体を持つ、超微細又はナノサイズ粉末を含む不織媒体をすることである。
本発明の一実施例におけるさらに別の目的は、微粉状又はナノサイズイオン交換樹脂とマクロ多孔性ポリマーを不織媒体に組み入れることである。
本発明の一実施例におけるさらなる目的は、ＤＮＡ又はＲＮＡのような生物活性成分を不織媒体に組み入れることである。
本発明の一実施例における別の目的は、ナノサイズ色素と、色素反応化学薬品と、微細な研磨剤を、不織媒体に組み入れることである。
【００２２】
一般的に、本発明は、流体用のフィルタ又は繊維構造体であって、流体から粒子を吸収するナノアルミナ繊維と、ナノアルミナ繊維に対してマトリクスとなり、非対称の細孔を生成する複数の第２繊維とを含んでいる。一実施例において、第２繊維は、小さい側の寸法(小寸法：minor dimension)が、ナノアルミナ繊維の小寸法より約１けた大きい繊維から構成される。第２繊維は、ナノアルミナ繊維が分散する細孔又は大きい繊維間スペースを生成する骨格を提供するために、ナノアルミナ繊維とともに含まれている。一例において、非対称の細孔のサイズは、約５ｍｍ以上である。一実施例において、複数の微粒子、超微粒子及びナノサイズ粒子は、ナノアルミナ繊維上に沈着され、流状媒体からの汚染物質の除去を改善する。
【００２３】
粗繊維は、大きな細孔が提供又は形成され、その中又は上にナノアルミナ繊維が分散される。しかしながら、粗繊維は、単位体積又は質量当たりの表面積が少ないから、細孔中又は上に分散されるナノアルミナの量は有意に低減する。それゆえに、別の実施例において、第２繊維は、粗繊維と細繊維の組み合わせから成っている。細繊維を含めることで、表面積を追加でき、より多くのナノアルミナ繊維を媒体に装着できる。
【００２４】
理論により縛られることを望むものではないが、フィルタ媒体の平均細孔径より小さい直径を有する超微粒子とナノサイズ粒子は、ナノアルミナ繊維に作用する電気吸着力によって保持される。媒体の細孔径より大きい粒子は、主として機械的エントレインメントによって保持される。ナノアルミナ繊維上に沈着した粒子を包む、或いは鈍感にする繊維構造体には、結合剤を使用していない。
【００２５】
別の実施例において、本発明は、フィルタ媒体又は繊維構造体を製造する方法に関するものである。
別の実施例において、本発明は、ナノアルミナフィルタ媒体を使用し、流体流から毒性汚染物質やその他の粒状物質を除去する方法に関するものである。
【００２６】
本発明のこれら及びその他の詳細、目的及び利点は、下記の説明、実施例及びその実施例を示す図から、よりよく理解され、明白になるであろう。
【００２７】
＜詳細な説明＞
＜定義＞
特許請求の範囲に記載されている発明の開示を適切に理解するために、ここで使用される特定の用語について以下の段落で説明する。発明者は、以下の用語を記載しているが、発明者は、これらの用語の一般的且つ慣用的な意味を否定することを意図するものではない。
【００２８】
ここで使用される用語「静電気」は、電荷又はそれに関するものと規定される。
ここで使用される用語「アスペクト比」は、繊維の長手方向長さと繊維の断面直径の比と規定される。
【００２９】
ここで使用される用語「ナノアルミナ」は、アスペクト比が約５以上で、最小寸法が約５０ｎｍ未満である繊維と規定される。繊維の断面は、円形(円筒形繊維)でも矩形(プレートレット)でもよい。繊維は、アルミナと、様々な量のＡｌ(ＯＨ)3を含むＡｌＯＯＨを主とする組成物を生じる様々な内容の化合水と、ガンマ及びアルファアルミナの予想される不純物から成っている。
ここで使用される用語「リヨセル」は、ヒドロキシル基の置換が行われず、化学中間物が形成されない有機溶液から沈殿した、繊維状構造のセルロース繊維(Courtaulds, Ltd.)を意味する。
【００３０】
用語「超高性能濾過空気」(ＨＥＰＡ)は、０.３μｍ粒子＞９９.９７％を保持することができるフィルタ媒体の品質等級を意味する。
用語「ウルトラ低透過空気」(ＵＬＰＡ)は、特定の媒体速度において特定の粒径＞９９.９９％を保持できるフィルタ媒体の品質等級を意味する。
用語「スーパーＵＬＰＡ」は、特定の媒体速度において特定の粒径＞９９.９９９９％を保持できるフィルタ媒体の品質等級を意味する。
【００３１】
ここで使用される用語「吸着剤」は、主に物理吸着によって不純物を吸着できる任意の材料であると規定される。
用語「吸収剤」は、その内部構造に材料を引き込むことができる任意の物質であると規定される。
用語「汚染物質の削減」は、流体中の不純物の減衰であると規定され、流体をヒト用により安全にし、産業上の利用により有用にすることなどによって、流体の統一性を改善するために、不純物は、阻止され、除去され、化学的又は生物学的に不活性にされる。
用語「ナノセラム(NanoCeram)」は、ナノアルミナ繊維と粗繊維の混合物を意味し、粗繊維は、非対称の細孔を有するアレイを生成するために、ナノアルミナ繊維の足場を担う。
【００３２】
「微粉」は、平均粒径がおよそ１００メッシュ未満、望ましくは３２５メッシュ(４４μｍ)未満の粉末と規定される。
「超微粉」は、平均粒径が０.１〜１０μｍである粒子と規定される。
「ナノ粒子」は、平均粒径が０.１μｍ未満の粒子であると規定され、例として、核酸(例えばＤＮＡやＲＮＡ)、タンパク質、低溶解度又は半揮発性薬剤、高分子粒子、機能性高分子、改変された官能性を含むリガンド、カーボンチューブが挙げられるが、それらに限定されるものではない。
「微生物」は、流体中に懸濁されている可能性がある任意の生体であると規定され、例として、細菌、ウイルス、菌類、原生動物、それら生殖型、例えば嚢胞や胞子が挙げられるが、それらに限定されるものではない。
【００３３】
「紙」又は「紙状」は、概ね平らな、繊維層又は、ウエットレイド法(wet laid process)によって形成されたマット材料であると規定される。
「粒子」は、固体又はマイクロカプセル化した液体であり、コロイドからマクロまでの範囲のサイズを有するものと規定される。
「吸着剤」は、流体流から汚染物質を除去できる任意の粉末粒子であると規定され、汚染物質を、有害性が低い別の形態に変換できる触媒を含んでいる。用語「吸着剤」は、粉末触媒又は、活性炭素のような固体粉末又は顆粒サポート上に含浸された触媒も含んでいる。
「医療用構造体」は、感染、創傷保護などのような医療用途に有用な不織媒体であると規定される。
【００３４】
一実施例において、本発明は、流状媒体から、液体及び特に水性エアロゾル化された粒子を含む粒子を除去するフィルタ媒体を提供するものであり、流状媒体がフィルタ媒体を通過することで、流状媒体に含まれる汚染物質を低減するものである。実施例において、粒子は、病原体、例えば、細菌、ウイルス、菌類、うどん粉菌、有機物、無機物、微生物、炭素質粒子、金属加工流体ミスト、塗料ミスト、殺虫剤、インクミスト又は酸性ミストである。例えば、流状流は、水性エアロゾル化された粒子のような液状エアロゾルかされた粒子を有している。実施例において、フィルタ媒体は、不織静電気媒体である。フィルタ媒体は、第２繊維と混合されたナノアルミナ繊維を含んでいる。一実施例において、ナノアルミナは非球形である。第２繊維は、非対称細孔を生成するように、縦横に配列されている。一実施例において、微細金属アルミニウム粉末は、第２繊維と反応し、静電気媒体を形成する。反応は、アンモニアを、アルミニウムと第２繊維の混合物に添加することによって行なわれる。混合物は、水の沸点まで加熱される。別の実施例において、アルミニウムは、第２繊維の存在下で、高温及び高圧の条件の下で加熱され、静電気媒体が形成される。反応は、約１７５℃及びおよそ５バールで、約３０分間行なわれる。
【００３５】
第２繊維は、プリーツ加工に耐えられるほど強い繊維であって、例えば、マイクロガラス、セルロース、繊維状セルロースがある。一実施例において、第２繊維は、小寸法が、ナノアルミナ繊維の小寸法より少なくとも約１けた大きい。空気又はガスフィルタの実施例において、平均細孔径は、約４〜約４８μｍの範囲である。平均細孔径は、約１０μｍより大きいことが望ましい。平均細孔径は、約２０μｍより大きいことがより望ましい。通常、細孔径は、第２繊維の直径と関係がある。それゆえに、小直径を有する複数の第２繊維は、小さな細孔径を有する複数の非対称細孔を生成する一方、大直径を有する複数の第２繊維は、比較的大きな細孔径を有する複数の非対称細孔を生成することとなる。例えば、表１及び図１３を参照のこと。しかしながら、第２繊維の直径が大きくなるにつれ、単位体積に対する表面積は減少し、結果として、第２繊維上及び／又は細孔内に分散されるナノアルミナ繊維は、非常に少なくなる。したがって、望ましい実施例では、複数の第２繊維は、複数の粗繊維と複数の細繊維の組み合わせを包含する。細繊維は、全てがほぼ同様の平均直径を有することもできるし、幾つかの細繊維が、異なった直径を有することもできる。細繊維を含めることにより、対応する細孔径の低減がもたらされる。例として、表１及び図１３を参照のこと。
【００３６】
細孔径により、フィルタ媒体を横切る圧力降下が決定される。望ましい実施例では、圧力降下は、最終複合フィルター又は濾過ユニットについて、流速約３.２ｍ／分にて、約３５ｍｍＨ2Ｏより小さい。
一実施例において、請求項に記載のフィルタ媒体は、粒子状吸着剤、望ましくは、フィルタ媒体に添加されるコロイド状粒子をさらに含む。揮発性有機体、神経系に作用する物質又はマスタードガスを吸着するには、活性炭を、微粉(例えば、約１μｍ程度に小さいサイズを有し、平均サイズが約２８μｍである粒子)として添加することで、一般的な大きな顆粒炭素より速い吸着をもたらす。
一実施例において、請求項に記載のフィルタ媒体は、結合剤をさらに含んでいる。結合剤は、繊維形状(Invista T104)を有するか、Rohm又はHaas Rhoplex HA-16のような樹脂とすることができる。結合剤は、粒子を構造体に接着するために必要不可欠ではないが、結合剤を含めることにより、フィルタ媒体の強度及び／又はプリーツ加工性が向上する。
【００３７】
一実施例において、フィルタ媒体は、複数のナノアルミナ及び第２繊維と混合される抗菌薬剤をさらに含んでいる。製造中、スラリーが作られた後、混合物がスクリーン上に濾過される前に、抗菌薬剤が、ナノアルミナ繊維に添加及び吸着され、該繊維が抗菌薬剤として利用可能となる。一実施例において、抗菌薬剤は銀である。他の実施例において、銅や亜鉛のようなイオンは、何れも抗菌薬剤として銀と相乗して作用する。さらに別の実施例において、銅や亜鉛のようなイオンは、抗菌薬剤として単独で作用する。
本発明の一実施例において、フィルタ媒体は、ナノアルミナ繊維が病原体やその他の材料などの粒子を捕獲するように帯電される。一実施例において、フィルタ媒体は、均質な不織フィルタである。
【００３８】
一実施例において、流状媒体は、流状媒体に複数の粒子を通って流すことによって、前処理又は前調整される。粒子は、約０.３〜約１.５μｍの範囲の直径を有することができる。これらの粒子を含めることにより、複数の非対称細孔のうち最も大きな細孔のいくつかが少なくともブロックされ、フィルタ媒体を通る初期の漏れを低減する。さらに、前調整は、フィルタ使用中、ＨＥＰＡ及びＵＬＰＡ機能を生成又は製造する助けとなる。一実施例において、複数の粒子は、複数のラテックス球としているが、複数の粒子は、最も大きな細孔の少なくともいくつかをブロックすることができれば、如何なる物質で作られてもよい。
一実施例において、請求項に記載のナノアルミナフィルタ媒体は、少なくともＨＥＰＡと同等にすぐれた保持効率を有している。別の実施例において、請求項に記載のナノアルミナフィルタ媒体は、少なくともＵＬＰＡと同等にすぐれた保持効率を有している。
【００３９】
別の実施例において、請求項に記載の発明は、ナノアルミナ流体フィルタを製造する方法である。製造方法は、複数の第２繊維の存在下でナノアルミナ繊維を形成するステップを含んでいる。第２繊維は、複数の非対称の細孔を形成するように配置される。一実施例において、ナノアルミナフィルタ媒体は、均質な単一層に形成される。別の実施例において、ナノアルミナフィルタ媒体は、１層以上に形成される。さらに別の実施例において、ナノアルミナフィルタ媒体は、プリーツ加工される。
【００４０】
フィルタ媒体は濾過システムで使用することができる。使用中、空気流又はガス流は、フィルタ媒体を通り抜け、粒子状物質は、フィルタ媒体中に粒子が保持されることで、空気流又はガス流から除去される。一実施例において、流状媒体は、懸濁した水滴を含んでいる。限定されるものではないが、フィルタの使用例として、室内空気濾過での使用、呼吸器又は顔マスクでの使用、自動車用エアフィルタでの使用、無菌室での使用、手術室での使用又は、工業ミストに含まれる塗料又は他の特定物質を除去するためなど、工業環境での使用が挙げられる。一実施例において、フィルタ媒体は、約７５％ＲＨより多い湿度を有する環境で使用される。
【００４１】
別の実施例において、本発明は、ナノテクノロジーで幅広い用途を有しており、繊維織布内で分散及び含有が非常に困難な粒子を保持するための繊維構造体を提供する。実施例において、分散した粒子は、流体流から汚染物質を除去することのできる吸着剤又は触媒である。汚染物質の例として、ハロゲン化有機物のような有機化合物、殺菌剤及び揮発性有機化合物が挙げられる。他の実施例において、汚染物質は、細菌及びウイルス、カビ、菌類、うどん粉菌、有機物、無機物、微生物、炭素質粒子、金属加工流体ミスト、塗料ミスト、殺虫剤、インクミスト又は酸性ミストである。
【００４２】
繊維構造体は、織布若しくは織物、又は、個々の繊維が不規則な様式で中間に配置された構造の媒体である。望ましくは、繊維構造体は、ウエットレイ(wet laying)によって作成されるが、エアレイ(air laying)、メルトブロー(meltblowing)、スパンボンド(spumbonding)及びカーディング(carding)を含む当該分野でよく知られている他の方法によって作成することもできる。繊維構造体は、上記のように第２繊維と混合し、第２繊維に付着したナノアルミナ繊維を含み、ナノアルミナ繊維上に配置された複数の微粒子、超微粒子又はナノサイズ粒子(下記でより詳細に説明する)をさらに含んでいる。第２繊維は、非対称の細孔を生成するために、マトリクスに配列されている。上記の如く、微細金属アルミニウム粉末は、第２繊維と反応し、繊維構造体を形成する。反応は、アンモニアをアルミニウムと第２繊維の混合物に添加することによって行われる。混合物は、水の沸点まで加熱される。微粒子、超微粒子又はナノサイズ粒子は、アルミニウム・水反応の前、沸点での水反応中、又は混合物が室温まで冷却された後の何れかに、混合物に添加される。得られたファーニッシュ(フォーミュレーション)は、紙ハンドシート(a paper handsheet)を形成する際、又は、湿式処理を介して不織媒体を形成することにおいてよく知られている製紙機械や方法で、スクリーンの裏面に吸引力を与えることによって、繊維構造体に変換される。
【００４３】
複数の微粒子、超微粒子又はナノサイズ粒子は、ナノアルミナ繊維上に配置される。実施例において、複数の粒子は、化学吸着剤、高表面積吸着剤、又は汚染物質を有害性が少ない化合物に変換する触媒である。吸着剤の例として、活性炭；シリカ、シリケート、アルミナシリケート、チタニウムシリケート鉛吸着剤、シリカゲル；ゼオライト；活性アルミナ；酸化チタンを含む金属及び金属酸化物；貴金属及び遷移金属触媒、例えばプラチナ、パラジウム、銀及び銀酸化物、イリジウム、ロジウム及び金、銅活性二酸化マンガンのような触媒；骨炭；カルシウムヒドロキシアパタイト；マグネシア；パーライト；タルク；高分子微粒子；クレー；イオン交換樹脂；セラミックス；及びそれらの組み合わせがある。
【００４４】
別の実施例において、複数の微粒子、超微粒子又はナノサイズ粒子は、ＲＮＡ、マイクロポリマー又はナノサイズポリマー、ＤＮＡのような生物活性巨大分子、機能化巨大分子又は、マイクロカプセル化染料のような、包まれた材料の放出を制御する物質のカプセルの材料、不織創傷被覆材から放出される可能性がある薬剤、蒸発して吸息流になる可能性がある薬剤、化学兵器のような毒剤を中和することができる薬剤である。
【００４５】
別の実施例において、複数の超微粒子又はナノサイズ粒子は、活性炭である。粉末活性炭を含む請求項に記載の繊維構造体は、市販の活性炭充填媒体に比べて、汚染物質のより速い吸着をもたらす。粉末活性炭を含む請求項に記載の繊維構造体の例は、エアロゾルとして又は給水の汚染物質を通じて送達される生物攻撃及び化学攻撃から、軍人と文官を保護するために有用である。
一実施例において、繊維構造体は、創傷被覆材又は吸入器のような医療用途に使用される。
【００４６】
別の実施例において、請求項に記載の発明は、繊維構造体を製造する方法である。製造方法は、複数の第２繊維の存在下でナノアルミナ繊維を形成するステップを含んでいる。第２繊維は、複数の非対称の細孔を形成するように配置される。複数の微粒子、超微粒子又はナノサイズ粒子は、ナノ繊維上への処理用の混合物に添加される。一実施例において、水は、混合物から除去される。一実施例において、繊維構造は、均質な単一層に形成される。別の実施例において、ナノアルミナフィルタ媒体は、１層以上に形成される。さらに別の実施例において、ナノアルミナフィルタ媒体は、プリーツ加工される。
【００４７】
使用中、流体流は、繊維構造を通過し、汚染物質は、汚染物質を繊維構造体内に保持することによって、そこから除去される。請求項に記載の繊維構造体の使用の実施例は、飲料水又は供給空気の精製を含むが、これらに限定されるものではない。特定の実施例として、室内空気濾過システム内、呼吸器内、自動車用エアフィルタ内、無菌室内、手術室内及び、工業ミスト中に含まれる塗料又は他の特定物質を除去するためなど、工業環境での使用が挙げられるが、これらに限定されるものではない。さらに、請求項に記載の繊維構造体は、生物学的作用物質、例えば、炭疽菌ウイルス、天然痘ウイルス、神経ガスのような化学剤又は、放射能で汚染された爆発物、飲料水又は供給空気から送達される可能性のある物質などの放射線剤を除去するために有用である。核生物化学剤(ＮＢＣ)を除去する能力は、個人的な呼吸器や保護シェルター及び、薬剤の吸収作用から着用者を保護することができるＮＢＣスーツに要求される。
【００４８】
別の使用例において、ナノアルミナ／粗繊維複合体の層は、使用中に逃れる粒子又は汚染物質を回収するために、請求項に記載の繊維構造体の下流に配置される。
【００４９】
＜本発明の実施例＞
＜エアフィルタ媒体の例＞
下記の例は、本発明の幾つかの実施例を示している。これらの例は、限定するものと解釈されてはならない。割合はすべて重量％である。細孔径を決定するための計算は、以下の例で説明する。
【００５０】
＜例１＞
以下に概略を説明する実験の目的は、ＨＥＰＡとほぼ同等の圧力降下と、ＨＥＰＡより実質的に高い濾過効率を有するナノアルミナ媒体を開発することである。ナノアルミナフィルタ媒体の水吸着性能と、公知のＨＥＰＡフィルタ媒体(以下「ドナルドソン(Donaldson)ＨＥＰＡフィルタ」)の水吸着性を関連づけ、水吸着データを用いて空気濾過作用を最適化するることも、実験の目的である。
【００５１】
マイクロガラス混合物上のナノアルミナの２４のスラリーは、ランダムな長さのマルチホウケイ酸塩ガラス繊維ウール(Lauscha)の存在下で、１００℃の水中で直径５μｍのアルミナ粉末(Valimet Corp. #H-5)を反応させて製造した。ナノアルミナを含む不織繊維媒体は、１×１フィートのシート型に形成し、結合剤としての役割を果たす１７〜２３％(Invista T104, 直径２０μｍ、長さ１／２'')で強化した。Rhoplex結合剤も、液状で約２重量％添加した。シートには、ＡＦ１〜ＡＦ２４のラベルを付した。
【００５２】
フィルタは、単一層とし、約５.６〜約２３ｍ／分の範囲の流速を有する空気流を用いてテストした。濾過に利用できる表面積は、約８.２ｃｍ2であった。フィルタは、本発明のナノアルミナ空気又はガスフィルタの特性を、浄水フィルタ及び従来のＨＥＰＡフィルタと比較するために、ナノセラム(NanoCeram：登録商標)浄水フィルタ及びドナルドソンＨＥＰＡフィルタと比較した。
【００５３】
表１は、各ハンドシートとナノセラム及びＨＥＰＡ媒体についての組成、孔隙率、圧力降下及び平均細孔径を示している。図１３も、テストしたナノアルミナフィルタの幾つかについての細孔径及び圧力降下を示している。表１及び図１３に示した各フィルタ媒体は、単一層としてテストした。しかしながら、使用に際し、性能は、１層以上を積み重ねることによって向上できる。
【００５４】
表１に示すように、フィルタＡＦ１〜ＡＦ１２は、単一の平均直径、約０.６μｍ、約１.５μｍ又は約２.５μｍのマイクロガラス繊維と混合したナノアルミナ繊維からなる。フィルタＡＦ１３〜ＡＦ２４は、粗マイクロガラス繊維と細マイクロガラス繊維の組み合わせ(約０.６μｍ＋約１.５μｍ；約０.６μｍ＋約２.５μｍ；又は約１.５μｍ＋約２.５μｍ)と混合したナノアルミナ繊維からなる。所定のナノアルミナフィルタ媒体を含む各繊維サイズの割合を表１に示している。
【００５５】
【表１】
【００５６】
＜マイクロガラス繊維の直径と媒体孔隙率の関係＞
表１のデータは、小直径を有するマイクロガラス繊維から成る媒体は、低孔隙率と小さい細孔径も有していることを示している。これらの関係をさらに図１３で示している。例えば、約０.６μｍのマイクロガラス繊維から成る媒体は、孔隙率が約９０％で、細孔径が約４.２〜１０μｍの間であった。約１.５μｍのマイクロガラス繊維から成る媒体は、孔隙率が約９２.３％で、細孔径が約１６〜２１μｍの間であった。最後に、約２.５μｍのマイクロガラス繊維から成る媒体は、孔隙率が約９５.３％で、細孔径が約３５〜３８μｍの間であった。
【００５７】
表１及び図１３のデータも、最大細孔径又は孔隙率を有する媒体は、圧力降下が最も小さいことを示している。例えば、孔隙率が約９５％の媒体は、圧力降下が約３.４〜約４.３ｍｍＨ2Ｏであったのに対して、孔隙率約９０％については、圧力降下が約１２５〜２０４ｍｍＨ2Ｏであった。
【００５８】
フィルタ媒体が粗繊維と細繊維の組み合わせから成っている場合の例では、細孔径は、粗繊維だけが存在する場合のように劇的には増大しなかった。表１及び図１３を参照。例えば、１.５μｍ繊維と組み合わされた２.５μｍ繊維は、細孔径が約２２〜２８μｍ、孔隙率が約９４％、それに対応する圧力降下は約５.７〜約９.２ｍｍＨ2Ｏであった。
【００５９】
特に、試料ＡＦ１〜ＡＦ２４の大部分の細孔径は、ドナルドソンＨＥＰＡフィルタの細孔径より大きかった。例えば、ＡＦ６の細孔径は、ドナルドソンＨＥＰＡフィルタの細孔径より６倍大きかった。
【００６０】
＜エアフロー濾過特性＞
テストフィルタＡＦ１〜ＡＦ２４のセットからなるフィルタは、エアーフロー性能に基づいて分けた。３.２ｍ／分で圧力降下が１０ｍｍＨ2Ｏ未満のフィルタのデータを図１に示している。実線は、流速３.２ｍ／分に相当する。結果は、ＨＥＰＡフィルタより圧力降下の低い請求項に記載のナノアルミナ繊維材料には、幾つかのフォーミュレーションの変化があることを示している。これらの結果は、新しいフィルター媒体のより大きな孔径によるものと考えられる。
【００６１】
＜単分散ラテックステストを用いた粒状物質の濾過の評価＞
従来よりＤＯＰ(ジ-オクチルフタレート)のようなオイルベースのエアロゾルは、液体エアロゾルをシミュレートするために使用されており、塩化ナトリウム(Ｎａｃｌ)又はカリウム(ＫＣｌ)エアロゾルは、エアフィルタ材料を評価する際に、固体粒子をシミュレートするために使用されてきた。発明者は、水中の超微細単分散ラテックス球の吸着を、ＨＥＰＡフィルタと比較し、その後、ＤＯＰ及びＮａＣｌテストからのデータに基づいて、相関関係の確立を試みた。具体的には、エアフィルタＡＦ３(平均細孔径１６μｍ、表１参照)と、ＡＦ６(平均細孔径３８μｍ、表１参照)と、直径約２５ｍｍ及び有効表面積約３.７ｃｍ2のドナルドソンＨＥＰＡフィルタは、約０.１ｍ／分の一定流量で、１μｍのラテックス球を有する清浄水の流体流(ＲＯ)で試行した。表１は、単一層に構成されたフィルタ媒体を記載しているが、空気及び水での応用でフィルタ媒体の性能を最適化するために、この実験では１〜４層の積み重ねを使用した。水中の流入及び流出濁度は(ＮＴＵ又はネフェロ濁度単位で)、濁度計LaMotte Model 2020を用いて測定した。
【００６２】
図２は、ナノアルミナとマイクロガラス繊維を含む、流出液放出フィルタ(effluent leaving filters)中の濁度を、従来のＨＥＰＡフィルタと比較したグラフ図を示している。図示の如く、ナノアルミナとマイクロガラス繊維を含む本発明のフィルタは、ＨＥＰＡフィルタと比べて、流出液中の濁度がほとんど検出できなかったことを示している。
【００６３】
本発明のフィルタは、フィルタＡＦ３及びＡＦ１６の平均細孔径がそれぞれ約１６及び３８μｍであっても、０.２μｍの粒子を保持したから、この実験の結果は意外であった。そのような大きな平均細孔径を有するフィルタは、かなり小さかった粒子を保持することができないと予想されていた。水溶媒でのＨＥＰＡフィルタの保持率が極めて悪かったことも意外であって、ＨＥＰＡフィルタは、空気中より水中での粒子保持率が非常に悪く、したがって、２つの環境ではかなり異なって作用することを示している。
水吸着データと空気性能を関連付ける目的は、成功しなかったので、エアフィルタテストデータは、次の実験を頼みにした。
【００６４】
＜例２〜１０＞
例２〜１０において、ドナルドソンＨＥＰＡフィルタと比較して、本発明のナノアルミナフィルタ媒体をさらに特徴付けるために、ＡＦ３、ＡＦ６、ＡＦ１１及びＡＦ１６とラベル付けされたナノアルミナフィルタ媒体を使用した。表１に開示したように、ＡＦ３は、１.５μｍのマイクロガラス繊維から成り、ＡＦ６及びＡＦ１１は、２.５μｍのマイクロガラス繊維から成り、ＡＦ１６は、１.５μｍと２.５μｍのマイクロガラス繊維の組み合わせから成っている。
【００６５】
＜例２＞
＜初期ＤＯＰ及びＮａＣｌの初期粒子透過＞
例１で製造したフィルタＡＦ３(平均細孔径１６μｍ)、フィルタＡＦ６(平均細孔径３８μｍ)、フィルタＡＦ１１(平均細孔径３７μｍ)及びフィルタＡＦ１６(平均細孔径２８μｍ)とＨＥＰＡフィルタを、ＤＯＰと、中和された単分散ＮａＣｌエアロゾルテストのために、ユタ州ソルトレークシティのNelson Laboratoriesに送った。試行濃度は、１００ｃｍ2のフィルタを通し、３２Ｌ／分で１.５×１０6粒子／ｃｍ3であった。エアロゾルは、平均粒径が０.３μｍであり、これは、最も透過性のある粒径範囲と考えられた。テスト試料は、１０×１０ｃｍの正方形又は直径約４〜５''のディスク形状に作成した。３プライ又は３層の平たいシートは、テストデバイスに固定し、３２Ｌ／分にて空気流で試行した。データを表２に示している。
【００６６】
【表２】
【００６７】
ＡＦ１６の初期ＮａＣｌ及びＤＯＰエアロゾル透過は最も低かったが、この透過であっても、ＨＥＰＡフィルタとは比べものにならなかった。この試料は、１.５ミクロンと２.５ミクロンのマイクロガラスから成っており、僅か７.７％のナノアルミナを含有している。その細孔径はおよそ２８μｍである。結果は、ナノアルミナフォーミュレーションの多くは、初期透過がＨＥＰＡ仕様より高かったことを示している。
【００６８】
＜例３＞
＜ＮａＣｌエアロゾル性能テスト＞
フィルタＡＦ３、ＡＦ６、ＡＦ１１及びＡＦ１６と、ＨＥＰＡフィルタ(テスト面積１００ｃｍ2)は、それぞれ、およそ３時間、流速３２リットル／分にてＮａＣｌエアロゾルで試行した。約０.００３７ｍｇ／分／ｃｍ2のＮａＣｌ(約４０ｍｇ／時に相当)を各フィルタに送り込んだ。上記の如く、一般的に、ＡＦ１６の３層(各１.２ｍｍ、全体で３.６ｍｍ)は、ＨＥＰＡと等しい圧力降下を実現するために必要であったので、テストは、３層体ＨＥＰＡで行なった。
【００６９】
図３は、ＮａＣｌエアロゾルによってテストされた各フィルタの透過を、時間の関数として表したグラフ図を示している。図示の如く、フィルタＡＦ１６は、初期ＮａＣｌ及びＤＯＰエアロゾル透過が最も低かったが、それでも、ＨＥＰＡよりかなり高かった。ＡＦ１６は、初期透過が最も低かったため、さらなる評価のために使用した。
【００７０】
図４は、フィルタの空気抵抗を、時間の関数として表したグラフ図を示している。この例における性能(又はフィルタ寿命)は、５０ｍｍＨ2Ｏの圧力降下(ΔＰ)に達するために必要とされる時間(分)として規定される。図４に示すように、テストした本発明のナノアルミナフィルタは、ＨＥＰＡフィルタの少なくとも１０倍の性能を有していた。フィルタＡＦ６及びＡＦ１１は、ＨＥＰＡより約３０倍を超える性能を有している。これらのデータが重要なのは、フィルタの「寿命」は、一般的に、フィルタの選択された限界圧力降下によると規定されるからである。フィルタの圧力上昇は、用途又は設計のために定められたレベルで寿命を規定する。圧力の上昇は、等しい効率のシステムについての負荷の結果であるから、より長い寿命は、一般的に、性能の高さと直接的に関係する。効率は、粒子を通すのではなく捕獲するという媒体の性質である。一般的に、より効率良くフィルタ媒体がガス流から粒子を除去する状態であれば、概して、より急速にフィルタ媒体は「寿命」圧力差に近づき、他の変数を確実に一定に保つこととなる。
【００７１】
向上した性能を有するフィルタは、頻繁なフィルタ交換のコストを低減するから、かなりの利点がある。さらに、細菌やウイルス又は核物質を阻止するフィルタを含む多くのフィルタは、有害廃棄物として廃棄されなければならない。それゆえに、有害廃棄物フィルタを交換及び廃棄する頻度を低減することは、さらなる経済的利益になる。
【００７２】
表３は、Kohlbaughの米国特許第６,８７２,４３１号(「'４３１特許」)に開示されたフィルタと、０.３μｍ粒子の除去のための「プレＨＥＰＡ」レベルのナノアルミナ繊維とマイクロガラス繊維を含む本発明の繊維について、気流速度約３.２ｍ／分でのＮａＣｌエアロゾルテストの結果を示しており、「プレＨＥＰＡ」は、約９８.９％〜約９９.６％の範囲の媒体効率と規定される。表３は、発明のフィルタの１つ(フィルタＡＦ１６の単一層)を、流速約４.６ｍ／分にて、０.３３〜０.４０μｍの中和されたＫＣｌの最も透過された粒径で試行した結果も示している。
【００７３】
【表３】
【００７４】
表３に示した結果は、「プレＨＥＰＡ」レベルでは、以下の通りであることを示している。
１．ＡＦ６媒体は、プリーツ加工可能であり、１０、１４又は２５層を組み入れている'４３１特許に開示された媒体と比べて、約１２５ｍｍＨ2ＯとＨ2Ｏ約５０ｍｍＨ2Ｏの圧力降下に達する素晴らしい性能を有している。１２５ｍｍＨ2Ｏと５０ｍｍＨ2Ｏにおける推定寿命は、それぞれに約４０％、２８％及び２０％向上する。
２．ＡＦ６媒体の単一層は、最も透過する粒子(ＫＣｌ、０.３３〜０.４μｍ)の推定寿命及び除去効率を有しており、それは、１０及び１４層複合材についての'４３１特許に開示されたフィルタを超えている。
【００７５】
これらのデータが重要であるのは、ナノアルミナ繊維媒体が、'４３１特許と比較して向上した推定寿命を有するから、そして、粒子の除去効率が'４３１特許を超えるからである。したがって、請求の範囲に記載のナノアルミナフィルタは、費用効率が高いだけでなく、性能も優れている。さらに、単一媒体は、１０〜１４の異なった層を有する媒体より製造が極めて安価であり、後者の場合、層間剥離の懸念がある。
【００７６】
表４は、'４３１特許に開示されたフィルタと、０.３μｍ粒子の除去のための「プレＨＥＰＡ」レベルのナノアルミナ繊維とマイクロガラス繊維を含む本発明の繊維について、気流速度約３.２ｍ／分でのＮａＣｌエアロゾルテストの結果を示している。
【００７７】
【表４】
【００７８】
表４に示したデータは、ＡＦ６及びＡＦ１１媒体は、１６又は２５層を有する'４３１特許に開示された媒体と比べて、１２５又は５０ｍｍＨ2Ｏの圧力降下に達する素晴らしい性能を有している。本発明の媒体は、フィルタの推定寿命を、'４３１特許の媒体に対して、終圧１２５ｍｍＨ2Ｏまで少なくとも８０％改善されている一方、２５層を有する'４３１特許の媒体は、５０ｍｍＨ2Ｏの圧力降下までの同程度の推定寿命を有する。
【００７９】
＜例４＞
＜前調整＞
この例の目的は、ＨＥＰＡプロトコルをテストする時に、初期漏れを排除することであった。(非対称の繊維構成のために幅広い細孔径を含んでいる)フィルタ媒体の最大細孔径が、初期漏れの原因であると仮定した。使用前のフィルタを調整するために、外来微粒子をフィルタへの注入すると、最大の細孔内に流入し、それらをブロックし、それにより、この漏れが低減し、フィルタの効率を向上させるであろうとさらに仮定した。
【００８０】
この仮定をテストするために、フィルタは、使用前に細孔が塞がれるように、品質改良剤を前負荷した(pre-loaded)。このテストには、試料ＡＦ１６(直径２５ｍｍのフィルタ)を使用した。フィルタを調整するために単分散ラテックス球(Duke Scientific)を使用したのは、これらの球は、空気中で安定しており、湿った空気流によって影響を受けないからである。ラテックス球の直径が０.２、０.５又は１μｍである実験を行った。球は、フィルタ上に負荷し、空気抵抗を測定した。
通気抵抗は上記のように測定した。０.２μｍの前負荷は、本発明におけるフィルタの圧力降下への影響が最小限であり、いくらかの前負荷の後、流出液の濁度を測定した。
【００８１】
図５は、本発明のフィルタに０.５及び１μｍラテックス球で前負荷した後の、気流速度と圧力変化を示すグラフ図である。前負荷中、流出液の濁度は、検出限界の０.０１ＮＴＵ未満であり、フィルタ媒体によるこれらの大型粒子の定量的吸着を示唆することに注目した。データは、０.５及び１μｍラテックス球が、フィルタを球で前処理するために適することを示唆している。
【００８２】
要約すると、例４の結果は以下のことを示している。
１．単分散粒子のような外来微粒子は、ナノアルミナフィルタ媒体を調節するために使用されることができる。
２．前負荷中の濁度の測定は、前負荷プロセスをモニター及び制御するために有効な方法である。
３．試料には、ＮａＣｌエアロゾルテスト中に生じる圧力降下(ΔＰ)を映し出すために、０.５及び１μｍラテックスビーズを負荷させることができる。
４．０.２μｍのラテックス粒子は、小さすぎて所望のΔＰを達成することができない。
高価なラテックス粒子に代えて、安価且つ所望のサブミクロンサイズの粒子(例えば、超微粒炭素、ヒュームドシリカ凝集体(Cab-O-Sil)、又は金属酸化物)をフィルターの前調整に用いることもできる。
【００８３】
＜例５＞
＜ＡＦ１６試料についての前負荷ＮａＣｌ透過及び性能テスト＞
テスト試料は、３層からなるフィルタＡＦ１６媒体上に０.５μｍラテックス球を前負荷することによって作成した。該媒体は、面積１７５ｃｍ2の円板状に作成した。試料(テスト面積１００ｃｍ2)を、それぞれ、およそ３時間、流速３２リットル／分にてＮａＣｌエアロゾルで試行した。フィルタに送達されたＮａＣｌのおよその質量は、約０.００６７ｍｇ／分／ｃｍ2であるか、フィルタの露出した質量が４０ｍｇ／時又は０.５％／時であった。流速３２リットル／分の時、速度は３.２ｍ／分であった。３層のＡＦ１６のフィルタ厚さは約０.３６ｃｍであり、約０.０７秒という計算された滞留時間を生じた。
【００８４】
図６は、ＮａＣｌ負荷中にラテックス球で前処理した、ナノアルミナフィルタの空気抵抗を示すグラフ図である。図示の如く、テストの３時間以上にわたって、ナノアルミナテスト試料の全ての空気抵抗は、ＨＥＰＡより遙かに低かった。ＨＥＰＡフィルタは、約４分で５０ｍｍＨ2ＯのΔＰに達したが、ナノアルミナ試料は、同じΔＰに達するまでに約４０分掛かった(ラテックス９重量％を含むナノアルミナフィルタは、約３０分で５０ｍｍＨ2ＯのΔＰに達した)。フィルタ寿命におけるこの改良は、ＨＥＰＡより約７〜１０倍優れており、高効率フィルタ、例えば、病院、集団軍事防護、国土防衛、自動車用及び呼吸用保護具のフィルタを使用する用途に有用である。
【００８５】
図７は、ラテックスビーズで前処理したナノアルミナフィルタのＮａＣｌ透過を示すグラフ図である。初期透過は０.０３％まで低減されなかったが、保持率は、ＮａＣｌ粒子の連続負荷で向上した。前処理したＡＦ１６試料はすべて、ＡＦ１６自体より初期ＮａＣｌ透過が低かった。０.５μｍラテックスビーズの増大した前処理で、より良い性能に向かう傾向があり、ＨＥＰＡを規定する透過率０.０３％と比べて、９重量％ラテックスについては透過率が０.０４７％という最も低い値であった。
【００８６】
＜例６＞
フィルタ媒体は、例２と同様に、Nelson Laboratoriesにて、ＮａＣｌエアロゾル保持率についてテストした。図８は、０.３μｍＮａＣｌエアロゾルがテスト媒体を通る透過率を示すグラフ図である。この例において、以下の試料、即ちＨＥＰＡと；ＨＥＰＡフィルタ用の前置フィルタとして使用した、前負荷なしのＡＦ１６の単一層と；ラテックス粒子で前処理したＡＦ１６の３層とを比較した。図示の如く、ＨＥＰＡだけのフィルタは、ＵＬＰＡと評価できなかった。対照的に、前処理したＡＦ１６フィルタは、初期及び連続保持率が＞９９.９９％であり、それゆえに、ＵＬＰＡフィルタと見なした。さらに、図８に示すように、ＡＦ１６の単一層(前処理せず)を、前置フィルタとしてＨＥＰＡに加えることは、ＵＬＰＡ評価をもたらした。これらのデータは、請求の範囲に記載のナノアルミナフィルタ媒体は、ドナルドソンＨＥＰＡフィルタのような従来のＨＥＰＡフィルタを超える保持率を有していることと、ナノアルミナを前置フィルタとして使用することは、ＨＥＰＡ評価からＵＬＰＡ評価に上げることを示している。
【００８７】
図９は、上記の試料に関するＮａＣｌエアロゾル性能テスト中の、テストフィルタの空気抵抗を示すグラフ図である。前処理なしのＡＦ１６の単一層の添加は、ＨＥＰＡフィルタの寿命を約７００％延ばし、ΔＰ閾値を５０ｍｍにしたが、これは、実際に使用される場合、相当の節約をもたらすであろう。
【００８８】
したがって、請求の範囲に記載のフィルタは、従来のＨＥＰＡフィルタより、粒子の保持がより効果的であり、推定寿命が大きくなっており、それゆえに、これらの請求の範囲に記載のナノアルミナフィルタ媒体は、より費用効果が高い。
【００８９】
＜例７＞
ＡＦ１６媒体の試料は、航空宇宙産業における、塗料スプレーしぶき捕集(paint overspray arrestance)のための濾過システムの測定に特異的なEPA Method 319規則に基づいて、LMS Technologies, Inc. (Edina, MN)でテストした。米国産業最終操作において、スプレーされる塗料の３０％である９千万ガロンは、大気中に分散されるこの大部分を上塗りする。
【００９０】
ＡＦ１６媒体の１層は、流速１５ｆｐｍでテストした。初期圧力降下は、２２ｍｍＨ2Ｏであった。図１０は、テストフィルタの保持率又は分別効率を粒径の関数として示すグラフ図である。これら同じデータは、表５に示している。
【００９１】
フィルタは、市販のサブＨＥＰＡフィルタ(Ahlstromによって製造されたTrinitex K903-70)と比較もした。図１４は、TrinitexフィルタとフィルタＡＦ１６の圧力降下を比較している。図示の如く、２つのフィルタの圧力降下は、極めて似ている。重要なことには、ＡＦ１６による保持率は、比較の全ての粒径範囲に対して、Ahlstrom媒体と同様に、ＥＰＡ仕様より非常に優れていた。データは、新規な媒体が、前処理を必要とせずに、サブＨＥＰＡ媒体の性能を実質的に向上させることができることを示している。
【００９２】
【表５】
【００９３】
＜例８＞
同時継続特許出願は、細菌の増殖を制御するのに銀の使用を取り上げている。それゆえに、空気濾過媒体に銀を含めることをテストした。３枚のナノアルミナハンドシートは、硝酸銀(スラリーの乾燥重量に対して銀が０.１％、０.３％及び１重量％)をスラリーに添加したことを別として、例１の試料ＨＦ０４０４について記載したように、アルミニウム粉末から作成した。試料(直径２５ｍｍ)は、フィルタホルダに取り付け、Klebsiella terrigena懸濁８×１０7ＣＦＵ／ｍｌの１０ｍｌ緩衝水溶液をロードした。細菌は、負荷直後と、１、５及び１８時間の放置後に、３％牛肉エキスを含有する３ｍｌの溶液と、Ｐｈ７.５の０.３５％グリシン溶液とフィルタから逆方向に溶出させた。
【００９４】
図１１は、フィルタへの露出時間の関数として、イオン化銀をナノアルミナフィルタに含めることによる抗菌効果を示すグラフ図である。図示の如く、銀が含浸されたナノアルミナフィルタは、硝酸銀の割合が増加するよう変えられた対照で、細胞増殖が制御されている。
テストは、１％銀が、ＭＳ２ウイルスを濾過することに対しては認識できるほどの影響を示しておらず、フィルタ媒体のウイルス効率が、１％銀の吸着後に影響を受けなかったことも示している。
【００９５】
これらの結果は、フィルタへの硝酸塩の添加、抗菌薬剤として作用するから、フィルタから引きずられる細菌又はウイルスを最小限にすることを示している。含浸されたフィルタからの銀の溶出は、約３０μｇ／Ｌであって、飲料水用にＥＰＡに要求される１００μｇ／Ｌ未満である。一旦使用されると、フィルタは、コストの掛かる有害廃棄物ではなく、衛生廃棄物として廃棄可能である。
【００９６】
＜例９＞
＜エアロゾル化された大腸菌を含む媒体試料のテスト＞
Hendersonが最初に開発した装置[１]を組み立て、大腸菌でテストした。図１２に概略的に示した装置において、大腸菌懸濁１.４×１０9ＣＦＵ／ｍｌの５ｍｌ緩衝液を、DeVilbiss PulmoMate Neblizer (Model SR4650D)によって噴霧した。第２のネブライザは、同量の緩衝液で操作した。生成したエアロゾルは、直径５ｃｍ、長さ９０ｃｍのチューブに注入した。相対湿度は、スプレーチューブに入る前に、空調装置の湿ったアームと乾燥したアームを通る空気を混合することによって調節した。チューブの端部付近の相対湿度及び温度は、湿度計によって測定した。エアロゾルチューブの出口からの流れのおよそ１／３は、AGI-30インピンジャ(impinger)を通過した。残りの流れは、内径１２ｍｍのチュービングを通過し、次に、インピンジャから逃げる空気と混合した。エアフローは、ＨＥＰＡフィルタ(Whatman, Poly Vent-1000 Cat #6713-1075)を通過した。
【００９７】
総流量は、１分当たりエア３８リットルであった。２つのネブライザは、エアフロー１２Ｌ／分(各６Ｌ／分)を生成し、２６Ｌ／分のエアフローは、空気圧縮機によって供給された。インピンジャのエアフローは、１２Ｌ／分であった。
【００９８】
濾過効率は、以下のように計算した。
％効率＝(上流大腸菌濃度−下流大腸菌濃度)×１００％／上流大腸菌濃度 [１]
但し、上流大腸菌濃度は、大腸菌を含んだ空気流中、フィルタを用いずに決定した。下流大腸菌濃度は、相対湿度１００％又はほぼ１００％にて、大腸菌を含んだ空気流中、フィルタを用いて決定した。
【００９９】
第１の実験において、３層のＡＦフィルタ媒体(粒子で前処理されていない)は、直径９０ｍｍのフィルタホルダへと組み立てた。第２の実験において、１層のドナルドソンＨＥＰＡは、同じフィルタホルダへと組み立てた。図６に示すように、ＡＦ１６フィルタ媒体は、ＨＥＰＡフィルタの５０倍の細菌を保持した。
【０１００】
【表６】
【０１０１】
各ＡＦ試料は、従来のＨＥＰＡエアフィルタの細孔径より実質的に大きい細孔径を有している。濾過で一般的に知られているように、細孔径が大きい媒体は、目詰まりの傾向が少ない。この目詰まり許容度は、本発明のフィルタが、水滴によるフラッディングに対する耐久性を乏しくする能力にまでも及ぶ。
【０１０２】
例示したナノアルミナ繊維が高濃度の細菌を除去する能力は、驚くべき結果であって、特にフィルタが、免疫を含む患者が治療される病院での集団防護や、生物攻撃戦争中の保護に使用される場合に、主要な利益がある。そのような媒体は、細菌保持を向上させるために、改良された呼吸フィルタに対しても有効である。さらなる利点は、ＨＥＰＡと比べて、特にフィルタ負荷の際、本発明の圧力降下はより低い。最後に、別の利点は、ナノアルミナフィルタ媒体の細孔径は、さらに大きいことであって、一層多孔性のフィルタを生じ、水滴又はミストによって連続負荷が施される場合、一層多くの水を保持することができる。
【０１０３】
エアロゾルがＭＳ２ウイルス(２.５ｎｍ径)を含有することを除いて、例９で記載したように２つの実験を行った。テストは、２つの異なった相対湿度にて行った。この場合、テストした試料は、小さな細孔径(〜２μｍ)と、厚さ０.４ｍｍを有していた。
【０１０４】
【表７】
【０１０５】
表７は、フィルタが、エアロゾル化されたウイルスについて高い収集効率を有したことを示している。これらの結果が重要なのは、細菌より概して１又は２けた大きいウイルスは、深さのあるフィルタ媒体によって保持することが極めて難しいからである。ＨＥＰＡによるウイルスの保持が問題でもあるのは、多くの病原性ウイルスは、粒径が０.１μｍより小さく、ＨＥＰＡを画定するのに使用される０.３μｍのテスト粒子より実質的に小さいからである。単分散ウイルスの有効な濾過は、極めて非能率的である。ウイルスが水エアロゾルに覆われるならば、概して疎水性であるＨＥＰＡフィルタは、水が蓄積するにつれ、効率性を失う。請求項に記載のナノアルミナフィルタ媒体は、より高い効率及び能力を提供し、それゆえに、病院内や生物兵器防衛用のフィルタマスク及び集団防護システムで有用である。
【０１０６】
＜例１１：リヨセル／ＮＣ及びセルロース／ＮＣハンドシート＞
Fiber Innovation Technologyから購入した８グラムの精製リヨセル(２０％固体)は、キッチンスタイルのブレンダー(１２段変速のオスタライザー・ブレンダー)を「高砕氷(high-ice crush)」設定で２分間使用し、０.７５ＬのＲＯ水に分散させた。混合物(１ｇ)に添加したアルミニウム粉末の量は、反応後、固体が、１２部のＡｌＯＯＨと、８８部のリヨセル繊維(表１６ａの試料ＡＦ３４)で構成されるような量であった。同様に、アルミニウム・水反応の前、混合物(２ｇ)と１ｇのヒュームドシリカ乾燥粉末に添加したアルミニウム粉末の量は、反応後、固体が、２０部のＡｌＯＯＨと、５部のヒュームドシリカと、７５部のリヨセル繊維(表８の試料ＡＦ３５)で構成されるような量であった。対照として、純リヨセル(ＡＦ３３)、セルロース(ＡＦ２８)及び、７２％セルロースと２８％ＡｌＯＯＨ(ＡＦ３２)の混合物を調製した。
【０１０７】
【表８】
【０１０８】
ディスク(２５ｍｍ)は、上記の如く、試料から切り取り、投入濃度２.０×１０7ＰＦＵ／ｍｌと、流速４０ｍｌ／分で、ＭＳ２ウイルスで試行した。表８は、純セルロース、マイクロフィブリル化されたセルロース(リヨセル)又は、７２％セルロース／２８％ＮＣ混合物から作られ、ＭＳ２ウイルス除去効率が無い又は非常に少ないハンドシートを示している。８８％リヨセル／１２％ＮＣと、７５％リヨセル／５％Ｃａｂ-Ｏ-ｓｉｌ／２０％ＮＣ混合物は、単一層のＮＣよりも大きい効率を有しており(９９.５％、表１６参照)、リヨセルは、ナノアルミナのための優れた繊維支持体(fiber support)であることを示している。
【０１０９】
＜例−繊維構造＞
以下の例は、微粒子、超微粒子又はナノサイズ粒子の不織構造への組み入れを示す。例は、溶媒、触媒、粉末活性炭、ナノサイズ炭素、ＲＮＡ、ＴｉＯ2粒子(５０ｎｍ)及びヒュームドシリカ(一次粒径およそ１５ｎｍ、凝集体としての大きさ数百ナノメートル)を含んでいる。各ケースにおいて、形成時間は、ナノアルミナが使用されるとき、実質的に少なく、湿式成形(製紙)法による新しい媒体の製造を現実的にする。
【０１１０】
例は、粉末活性炭を含有する請求の範囲に記載の繊維構造と、市販の活性炭媒体の繊維構造を、それぞれの媒体への可溶性ヨウ素のブレークスルー(突き破ること)により比べることによって比較をしたものである。市販媒体とほぼ同じ基本重量の単一層へのブレークスルーは、殆ど即時であるが、請求の範囲に記載の濾過媒体は、約８００倍大きい寿命を有している。
【０１１１】
＜例１２：出発原料＞
マイクロガラスやリヨセルのような粗繊維上のナノアルミナのスラリーは、アルミニウム粉末から調製した。簡単に言うと、２グラムのマイクロガラス繊維(Lauscha Fiber International、ホウケイ酸ガラス、等級Ｂ-０６-Ｆ、直径０.６μｍ)は、キッチンスタイルのブレンダー(１２段変速のオスタライザー・ブレンダー)を「低洗浄(low-clean)」設定で２分間使用し、逆浸透水発生器からの浸透の０.７５Ｌに分散させた。アルミニウム粉末(Atlanticf Equipment Engineers, grade AL-100, １〜５μｍ)の１.３６ｇと０.６１ｇの量はそれぞれ、反応後、それぞれにＡｌＯＯＨ６０部／４０部マイクロガラスと、ＡｌＯＯＨ４０部／６０部マイクロガラスを生成するように、ガラスマイクロ繊維に添加した。
【０１１２】
水酸化アンモニウム(マルチの７５０ｍｌ当たり３６％の８ｍｌ)を添加して、アルミニウムと水の反応を開始し、ＡｌＯＯＨ及び水素を形成した。混合物は、沸騰するまで加熱し、(添加した粒子が黒色でない限り)混合物が白色に変わるまで、１０分間沸騰したまま維持し、その後、冷却し、塩酸を使用しておよそｐＨ７になるまで中和した。その結果は、マイクロガラス又はリヨセルのような粗繊維上に形成されたナノアルミナ(以下「ＮＣ」混合物)となり、これは次の例で説明する。
【０１１３】
次に、溶媒粒子は、アルミニウム反応の前又は後に、乾燥粉末又は粉末の水への懸濁液(例えばＴｉＯ2)として、ナノ繊維や粗繊維のスラリーに添加する。その後、スラリーを手動で混合した。
【０１１４】
以下の例は、請求の範囲に記載されたナノサイズ粒子を含む繊維構造を示しており、非晶質ヒュームドシリカ(平均粒径(ＡＰＳ)〜１５ｎｍ、Cabot Corp., Cab-O-Sil, grade M5)と、ロシアで生産され、アルゴナイドコーポレイションによって販売されているＡＰＳ〜５０ｎｍのＴｉＯ2粉末と、リボ核酸(ＲＮＡ)とを含み、最小径は約１ナノメートル未満である。その他の例では、粒子は、Calgon Carbonから入手した溶媒(ＰＡＣ)(ＷＰＨ grade、９９％−１００メッシュ、９５％−２００メッシュ及び９０％−３２５メッシュ、ＡＰＳ〜２８μｍ)と、Aldrichから入手した３０ナノメートルのカーボンナノ粉末(Ｃａｔ．＃６３３１００)である。
【０１１５】
その他の例において、主にシリカから成るアリゾナテストダスト(Arizona test dusts)は、ＮＣ混合物に添加した。PTI Powder Technology Inc.から入手可能な０〜３μｍ(ＡＰＳ１.１３μｍ)と０〜５μｍ(ＡＰＳ〜２μｍ)という、２つの異なった等級のアリゾナテストダストを使用した。
例は、ＮＣ混合物に添加した触媒として、Carus Chemical Companyから入手可能な、粒径３〜８μｍの銅活性二酸化マンガン粉末(Hopcalite type)であるCarulite−４００(type C)も示している。
【０１１６】
粒子と、ナノアルミナ／粗繊維(「ＮＣ」)ネットワークとの比率は、媒体の所望の性能特性に依存している。例えば、ＰＡＣ−ＮＣ複合材料が、有機物を除去する能力と、選択されたＰＡＣ含有物を変化させるであろう粒子状成分を除去するための能力との対比におけるトレードオフがある。低減された量のＰＡＣを有するＰＡＣ−ＮＣ複合材料は、繊維構造が、流体流から細菌、ウイルス及びその他の汚染物質を除去する能力を増大させ、したがって、例えば、塩素、ハロゲン化炭化水素及び有毒溶解性金属を含む可溶性汚染物質の除去と同様に、微生物が実質的に除菌されている飲料水をもたらす。
セルロース又はポリエステルバイオコンポーネント(biocomponent)は、繊維構造を強化し、一層可撓性にする目的で添加されることができる。
【０１１７】
＜例１３：ファーニッシュ(Furnishes)の形成＞
この実施例において、例１２において記載したような、２グラム又は１.３グラムの粒子(すなわち、非晶質ヒュームドシリカと、ＲＮＡと、カロライト(Carulite)と、微細テストダストと、ナノカーボン及びＰＡＣと、ＴｉＯ2)は、例１２で記載したように調製した６０／４０又は４０／６０ＮＣスラリーに添加し、２８〜ｗｔ％の粒子状粉末を含有するＮＣスラリーを生成した。スラリーは手動で混合した。同様に、上記に掲げた５ｇと３.３３ｇの粉末は、６０／４０と４０／６０スラリーに添加し、５０〜ｗｔ％の粒子状粉末負荷を生成した。ＮＣ構造へのＴｉＯ2の負荷を除けば(以下参照)、粉末は、反応が開始された後に添加された。すべての例において、実験は、粒子を混合物に添加するのに最適な時間を評価するために、反応の開始の前後に粒子を添加して行った。しかしながら、粒子が、微細ダスト(表９)、カロライト(表１１)又はＲＮＡ(表１３)を含む場合、粒子は、粒子の変性を避けるために、反応の開始後に添加される。ＰＡＣの場合(表１４、１５)、粒子は、反応の開始前又は後に添加される。
【０１１８】
混合物は、その後、２０００：１の割合でＲＯ水で希釈した。スラリーの５００ｍｌアリコートを、４７ｍｍの真空フィルタホルダに注入した。ファーニッシュは、フィルタホルダ上に配置された織テフロン(登録商標)媒体(７０メッシュサイズ)から打ち抜かれた直径４７ｍｍのフィルタディスクを通じて濾過した。ロータリーポンプによる真空は、水回収容器に加え、形成時間(濾過ステップの開始から、形成されたディスクをすべての流体が通過するまでの時間)は、形成時間として記録した。完成したディスクは、オーブン乾燥し、冷却後と、周囲温度と平衡した後に計量した。場合によっては、後者の重量を記録し、ＮＣ構造における粒子の収率を予測するために、総重量を元の成分の重量と比較した。
【０１１９】
＜例１４：ナノＴｉＯ2／ナノアルミナ／マイクロガラス繊維構造＞
５ｇの５０ｎｍＴｉＯ2ナノ粉末は、１ＬのＲＯ水で満たされたガラスのビーカーに分散し、それから、超音波発生装置(Fisher Scientific, Model F20)で３０分間攪拌した。２４時間の静置した後、上清の上部分(〜０.６Ｌ)を、ゆっくりとデカントし、沈殿している凝集体から懸濁粒子を分離した。
【０１２０】
上記ＴｉＯ2懸濁液の１００ｍｌアリコートを、例１２と同様に先に形成されたナノセラム６０／４０の０.７５Ｌに添加した。０.８５ＬのＴｉＯ2水(測定重量に対して)を含有する第１混合物と、０.８５Ｌにマイクロガラスを含有する(ナノアルミナを含まない)第２混合物である、２つの対照混合物を使用した。ＴｉＯ2ナノ粉末の濃度は、水を蒸発させ、残渣を計量することによって決定した。同様に、上記ＴｉＯ2懸濁液の２００ｍｌアリコートを、アルミニウム−水反応の前に、６０／４０ファーニッシュの０.７５Ｌに添加した。０.９５ＬのＴｉＯ2水(測定重量に対して)と、０.９５Ｌにマイクロガラスを含有する(ナノアルミナを含まない)第２混合物である、対照混合物を使用した。ＴｉＯ2ナノ粉末の濃度はまた、水を蒸発させ、残渣を計量することによって決定した。
表９は、ファーニッシュの組成と、形成時間と、回収した流出液の濁度を示している。
【０１２１】
【表９】
【０１２２】
混合物中にナノアルミナを含有した試料６２８及び６４３は、混合物中にナノアルミナが添加されなかった試料６２９及び６４４より形成時間が遙かに速かった。それぞれの流出液の濁度の比較は、ナノアルミナが存在する場合、より多くのナノ粒子を繊維構造に保持することを示している。
【０１２３】
繊維構造を含む二酸化チタンの平均細孔径は、上記の例１〜１０に示したような水流測定値に基づいて、約３μｍと推測した。さらに、粒子の基本重量の約７〜１２％を含むことができ、それは、完成した媒体の細孔径よりほぼ２けた小さい。理論に縛られないで、ナノ粒子は、ＮＣ構造にしっかりと結合されていて流れを妨げないから、形成時間が低減されるが、ナノアルミナが存在しない場合、ナノ粒子は、細孔構造内で自由に凝集して混合物を密にし、流れを妨げる。
【０１２４】
その他のナノサイズ酸化物と、炭化物、窒化物又はナノダイヤモンドのような耐火性化合物とは、そのような構造内に同様に保持されることができる。例えば、色素酸化物や、光感受性ナノ材料は、そのような繊維構造に組み入れられることができ、ナノダイヤモンド又はナノタングステンカーバイドを含む繊維構造は、高精度表面処理用の磨き布として使用できる。その構造は、研磨剤を分配及び浮遊させるのに役立つだけでなく、研磨中に現れる残屑の捕集器としても有用である。
【０１２５】
＜例１５：シリカ／ＮＣ／マイクロガラスフィルタ繊維構造＞
シリカを含む繊維構造(表１０)は、例１３で記載したように調製し、ヒュームドシリカをファーニッシュに添加した。ヒュームドシリカは、濾過するのが非常に困難なコロイド懸濁液を形成することが知られている。それは、増粘剤として広範囲に使用される。
【０１２６】
試料６３０は、反応前に添加した。およそ２００ｇｍ／ｍ2に等しい初期固体のうち、わずか６３ｇ／ｍ2がフィルタで回収された。その量は、元のアルミナ及びヒュームドシリカのおよそ９０％となり、７０メッシュフィルタに保持されるべきマイクロガラス繊維だけを残している。我々は、開始時におけるヒュームドシリカの添加は、形成されるときにナノアルミナとの結合をもたらし、ナノアルミナは、マイクロガラスに殆ど又は全く付着しない結果となり、流出液にシリカとアルミナの損失を生じる、と仮定する。
【０１２７】
【表１０】
【０１２８】
試料６４２において、ヒュームドシリカは、アルミナ・水反応の後に添加した。この場合、形成時間は、非常に速く、重量の損失がなかった。これは、超高表面積(２００±２５ｍ2／ｇ)で、ヒュームドシリカを繊維構造に保持するための方法を例示している。図１５は、同じ６４２の透過型電子顕微鏡図である。ナノ繊維は、これと、長さが数百ナノメートルで、直径が２〜３ナノメートルである他の顕微鏡写真から推定した僅差として現れる。ナノシリカの球体は、軸に沿って現れ、ナノアルミナ／マイクロガラス複合材料を完全に包み込んでいる。
ナノアルミナを含まない対照である試料６３１において、ヒュームドシリカは、メッシュを詰まらせたコロイドを形成し、形成時間を大幅に１００分以上延ばした。
【０１２９】
試料６３２〜６３６は、フィルタ開発において幅広く使用され、殆どがミクロンサイズのシリカからなるテストダストの添加によって製造された媒体を表している。テストダストは、アルミニウム反応の前に添加した。混合物にダストが添加されなかった場合、流出液に入る粒子の損失は、ほぼ全部であり、サイズが０〜３又は０〜５μｍのダストが混合物に添加された場合、流出液に入る粒子の損失は、ほぼゼロであった。さらに、ナノアルミナを含まない０〜３μｍ及び０〜５μｍのダストについて、形成時間は、ファーニッシュに存在するものより、それぞれ３５倍及び２２倍大きかった。
付着したヒュームドシリカは、溶媒として機能することができ又は、有機配位子を付着させる反応によって、化学的に操作されることができる。
【０１３０】
＜例１６：触媒＞
上記の例１５で示した試料６３４のテストを、銅活性ＭｎＯ2触媒であるカロライトをシリカと置換したことを除いて、この例で繰り返した。表１１に示した形成時間は、カロライト触媒のＮＣファーニッシュへの添加は、ナノアルミナを含まないファーニッシュのフラクションである形成時間を有することを示している。短い形成時間は、自由度に関係しており、湿式形成法による不織媒体の連続製造には不可欠である。
【０１３１】
生じた触媒は、顆粒状より有効であり、より浅い層深さで、一酸化炭素又はオゾンの酸化を実現するであろう。これは、大きな顆粒の表面積と比べて、それより大きな触媒の表面積は、例えばガス相成分について速い反応をもたらすからである。
【０１３２】
触媒は、ナノアルミナに付着したナノサイズのプラチナのような貴金属であるかもしれない。構造を支持するナノアルミナとマイクロガラスは、およそ１５０℃以上で安定するから、ＮＣ／プラチナ触媒構造も安定する。約１５０℃で始まる温度において、ナノサイズのプラチナは、自動車の排気を含むガスからの一酸化炭素及び未燃炭化水素のような、汚染物質を酸化させることができる。
【０１３３】
【表１１】
【０１３４】
＜例１７：ナノカーボン＞
上記の例１５で示した試料６３４のテストを、ナノカーボン粒子をシリカと置換したことを除いて、この例で繰り返して行なった。表１２は、ナノカーボンを負荷したＮＣファーニッシュは、ナノアルミナを含まないファーニッシュのフラクションである形成時間を有することを示している。ＮＣ形成の前又は後にナノカーボンが添加された場合、形成時間に差異がないことに注目した。
不織布に保留されたカーボンのそのような形状は、ＧＡＣと、恐らくＰＡＣも超える吸着特性を有するであろう。
【０１３５】
【表１２】
【０１３６】
＜例１８：ＲＮＡ＞
上記の例１５で示した試料６３４のテストを、ＲＮＡ(Sigmaより入手可能なトルラ酵母からのリボ核酸、Cat # R6625)をシリカと置換したことを除いて、この例で繰り返した。表１３は、ＲＮＡを負荷したＮＣファーニッシュは、ナノアルミナを含まないファーニッシュの約８％の形成時間であることを示している。
【０１３７】
【表１３】
【０１３８】
この例は、ナノアルミナ繊維は、生物学的機能を提供するために、繊維構造に組み入れられることができる生物学的素粒子を付着できることを示している。一実施例において、成長因子のような生物学的に活性の成分は、治療を向上させるために不織創傷被覆材のような医療構造体に組み入れられる。さらなる例において、ナノ銀粒子は、そのような被覆材に加えられて、抗菌薬としての機能を果たす。別の例において、繊維構造は、栄養食品や薬剤を表皮に浸透させるように送達するために使用される。さらに別の例において、繊維構造は、不織布に付着した特定の核酸又はタンパク質が、特定の生物剤又は化学薬品と相互作用できる。
【０１３９】
さらに別の例において、例えば、特定の官能基を有するポリマー粒子を含む、人工の高分子粒子は、さらに不織フォーマットに分散及び固定される。例において、細菌は、生体触媒として機能するように付着される。不織布に保留された細菌が生存率を維持するのは、酸素、二酸化炭素及び廃棄物が、容易に媒体を通って潅流するからである。
【０１４０】
＜例１９：粉末活性炭＞
上記の例１４で示した試料６３４のテストを、粉末活性炭(ＰＡＣ)をシリカと置換したことを除いて、この例で繰り返した。表１２に示すように、ＰＡＣを含む繊維構造は、ナノアルミナを含まないファーニッシュの５％未満の形成時間である。
【０１４１】
【表１４】
【０１４２】
＜例２０：リヨセル＞
Fiber Innovation Technologyから購入した２グラムの精製されたリヨセルは、例１２で説明したブレンダーを「高砕氷」設定で２分間使用し、０.７５ＬのＲＯ水に分散させた。混合物(０.６１ｇ)に添加したアルミニウム粉末の量は、反応後、固体が、４０部のＡｌＯＯＨと、６０部のリヨセル繊維で構成されるような量であった。乾燥ＰＡＣ粉末は、アルミニウム・水反応の前に添加し、次に、スラリーは、１Ｌのビーカー内で混合し、アルミニウム・水反応は、例１２と同様に行なった。
【０１４３】
表１５は、ＰＡＣ含有ファーニッシュの組成と、ナノアルミナを含まない組成を示している。ＰＡＣバージョンの形成時間は、ナノアルミナを含有する場合、１６％である。ＰＡＣファーニッシュの流入濁度は、ＰＡＣと他の繊維とも急速な一体化の結果として、１０ＮＴＵであるのに対し、ナノアルミナを含まない場合の流入濁度が３６０ＮＴＵである。マクロ繊維凝集体は、ナノアルミナが存在する場合、原液中に目に見えるほど形成された。注目したのは、ＰＡＣ−ＮＣの原液の１／２リットルが７５０ｍｌのビーカー内で混合された場合、沈殿は極めて急速であり、沈殿は、３０〜４０秒内にビーカー内で起こり、最終的には、上清の量の約８０％を清浄して濁度を１０ＮＴＵ未満にするが、ＰＡＣ／リヨセル(ナノアルミナを含まない)混合物は、数時間は沈殿しなかったことである。さらに注目したのは、ＰＡＣ−ＮＣの場合の流出濁度は、ナノアルミナが存在しなかった場合のおよそ１２分の１であり、活性炭粒子の大きなフラクションがドレーンに入るという結果を生じたことである。これらは、粒子の最小であり、急速な吸着速度の一因となる可能性が最も高いと考えられる。ＮＣがＰＡＣと凝集体を形成する能力は、複合材料の高収率をもたらし、リヨセルをマイクロガラスの置換物として用いて明示された。
【０１４４】
【表１５】
【０１４５】
＜例２０：ＰＡＣハンドシート＞
この例において、複合材料をより広い面積のテスト試料のために増やしたことを除いて、様々なハンドシートを、例２３と同様に作成した。さらに、この例において、複合繊維(Invista T105)とセルロースは、可撓性と強度を向上させるために添加した。セルロースは、アルミニウム・水反応が開始される前に添加し、複合繊維は、ファーニッシュが冷却され、約ｐＨ７まで中和された後に添加した。最終的に、この例において、ファーニッシュは、２０００：１ではなく５００：１に希釈された。
【０１４６】
１２"×１２"のハンドシートは、シート状の紙を形成するために、ヘッドボックスを使用し、スクリーンを通じて吸水して作成した。ハンドシートは、室温で空気乾燥させた。複合繊維のようなのような高分子繊維が使用された例では、ハンドシートは、オーブン乾燥し、１６０℃で２０分間硬化した。表１６でＮＣとして示される、ナノセラム媒体を含み、炭素を含まないハンドシートは、同様な方法で作成した。
【０１４７】
【表１６】
【０１４８】
細孔径は、例１〜１０で上述したように決定される。全てのテスト試料の細孔径は、ナノアルミナ／マイクロガラス繊維の細孔径より大きく、少ない圧力降下と高い流速能力をもたらした。
【０１４９】
＜例２２＞
このシリーズの目的は、繊維構造による微生物の保持力を測定することと、それを、ナノアルミナ／マイクロガラス繊維のみから成るフィルタと比較することである。２５ｍｍのディスクは、例２１及び上記の表１６に記載したように、試料番号６１７から切り取った。別の２５ｍｍディスクは、ＮＣ媒体から切り取った。ディスクは、ブレバンディモナスディミヌタ(Brevundimonas diminuta)(ＡＴＣＣから入手可能、Cat. No 11568)の溶液で試行した。Ｂ．ディミヌタ(B. diminuta)は、最小の培養可能な細菌であって、小寸法が僅か０.３μｍである。両方の種類の試料は、４０ｍｌ／分の速度にて、細菌の１０ｍｌアリコートで試行し、無菌バイアルに回収し、Ｂ．ディミヌタの測定を行った。ＰＡＣ−ＮＣ０は９９％を保持できたが(表１７)、ＰＡＣを含まないＮＣはより優れていた。ＰＡＣをその高レベル(５８％)から低減することにより、細菌保持が高められる。両方の種類のフィルタは、サイズが２５ナノメートルであるＭＳ２ウイルス(ＡＴＣＣから入手可能、Cat. No 15597-B1)でも試行した。表１８は、ＰＡＣ−ＮＣが、ＮＣと殆ど同じウイルス保持力を持つことを示している。
【０１５０】
【表１７】
【０１５１】
【表１８】
【０１５２】
＜例２２＞
このシリーズの目的は、水流からの可溶性汚染物質の動的吸着効率を測定することである。ヨウ素がサロゲート(代理)として使用されるのは、活性炭の能力が、ＧＡＣ及びＰＡＣ炭素の製造者によってヨウ素価で示されるからである。ヨウ素は、殺菌剤として水流へ意図的に添加される、塩素の適したサロゲートでもあるが、飲料水の不味い味と悪臭の一因となる。飲料水フィルタは、活性炭を使用し、塩素を除去する。
【０１５３】
この例において、２０ｐｐｍのヨウ素溶液は、ＰＡＣ−ＮＣの幾つかのファーニッシュの２５ｍｍディスクである単一層を通過した。２ｍｌのアリコートは、キュベットに回収した(通過長１ｃｍ)。原液と流出液の吸収値は、Genesys-10 UV/VISスペクトロメーを使用し、２９０ｎｍの波長にて測定した。該方法の検出限界は、およそ０.３ｐｐｍである。
【０１５４】
表１９のデータは、流出量が０.５ｐｐｍ(０.５ｐｐｍ以上で、ヨウ素の味が平均的な人々に分かる)と、１０ｐｐｍ(流入量２０ｐｐｍの５０％)に達することを示している。
ＰＡＣ／ＮＣ構造がヨウ素をそのような動的条件下に保持する効率を、３社の製造者(Ａ、Ｂ及びＣ)からの媒体と比較している。媒体は、市販のカートリッジ(直径２.５"×長さ１０")から選択した。
【０１５５】
ブレークスルーは、市販のフィルタ媒体では、ＰＡＣ−ＮＣ構造がヨウ素に対する広範囲の能力を有する場合、ほぼ即時である。図１６は、試料６１７と、３社の製造者の媒体を比較したブレークスルー曲線を示している。片対数プロットは、特に市販のフィルタ媒体に関するブレークスルー曲線の詳細を強調するために使用している。
【０１５６】
そのデータは、市販の媒体の単一層は、ヨウ素が直ちに流出液に入ることを許容し、それが、味や臭いによって検出可能であることを示している。対照的に、新しいＰＡＣ−ＮＣ構造は、ヨウ素が０.５ｐｐｍに達する前に、２０ｐｐｍのヨウ素を含有する約８００ｍｌの溶液を通過することができる。市販の媒体と比べてそのように急速な吸着反応を有する(８００倍大きい)、この非常に動的な能力は、予期されなかった。理論にとらわれたくないが、粉末活性炭のの微粒子は、構造内に保持され、洗浄されないと思われる。
【０１５７】
表１９は、ヨウ素を濃度０.５と１０ｐｐｍに精製した溶液の量を示している。１０ｐｐｍまで吸着されたヨウ素の量は、ヨウ素能力の計算された値とともに示されており、動的条件下で除去されたヨウ素の質量と、製造者のヨウ素数値の界面吸着能を比較している。ＰＡＣ／ＮＣ試料はすべて、同様なブレークスルー曲線を有しており、ヨウ素漏れの検出前、それぞれヨウ素の界面容量のおよそ５５％〜７２％を保持するが、市販の媒体によって利用される容量は、最大限で３.４％であった。これらのデータは、流体から汚染物質を物理的に吸着又は化学的に吸着するために、構造内に保持されている極微細な粒子を利用する利点を浮き彫りにしている。
【０１５８】
【表１９】
【０１５９】
＜例２４＞
例２３にあるような試料のテストを、流入が２００ｐｐｍと対比して５００ｐｐｍだったことを除いて、この例で繰り返した。２つの異なった波長は、検出限界を増大するために使用した。即ち、検出限界がおよそ３ｐｐｍである場合、低濃度流出液については２９０ｎｍ、高濃度については４５０ｎｍであった。より高い利用特性(７６％から１４７％)は、達成可能であり(表２０)、ヨウ素数によって画定される静止限界の低値に近づき超える。より高い試行濃度での一層高度な利用は、高濃度のソルベートの高い保持率を予測するラングミュア又はフロイントリヒ吸着等温線によって説明することができる[C. Tien, Adsorption Calculations and Modeling, Butterworth-Heinemann, Boston, 2001]。１００％以上の界面容量値が説明されるのは、製造者であるカルゴンカーボンによって画定されるヨウ素数が８００ｍｇ／ｇを超えるからである。８００ｍｇ／ｇの値は、計算で想定された。
【０１６０】
【表２０】
【０１６１】
可溶性汚染物質についてのＰＡＣ−ＮＣの高吸着容量は、揮発性有機分子が、エアフィルタに取り込まれるＰＡＣによって吸着されることができる場合、エアフィルタに直接的に転写可能である。
【０１６２】
さらに、空気中又は水中で動作するＰＡＣ−ＮＣ媒体は、ヨウ素を除去する急速な速度で、塩化物及び臭素を除去することができる。このフィルタ媒体は、塩化物が反応物質である場合、化学処理で使用されることができる。特に、排出ガスを介してのように、大気へ漏れからの塩化物の保持は、約３０万分の１以上で、人の嗅覚によって検出可能であり、約５０万分の１の刺激閾値(irritation threshold)を有する際、極めて重要である。さらに、請求の範囲に記載のＰＡＣ−ＮＣ媒体は、移送中に塩素ガスの漏れを防止するのに有用である。
【０１６３】
＜例２５：ダート保持力＞
Ａ２微細テストダスト(ＰＴＩ，Ｉｎｃ．)のための試料ＰＡＣ−ＮＣ(試料６２１)のダート保持力を測定し、ＮＣ媒体と比較した(表２１)。テストは、圧力降下が４０ｐｓｉに到達するまで、直径２.５ｍｍのディスクを、ＲＯ水中、Ａ２微細ダストが入った２５０ＮＴＵ懸濁液に試行することを含んだ。流出濁度は、各ケースにおいて、テスト中、検出限界の０.０１ＮＴＵ未満であって、流出液に入る粉末が最小限であることを示した。これが驚くべき結果であるのは、従来、ＰＡＣが、ＮＣ媒体が粒子を吸着する能力を減少させると推測されていたからである。
【０１６４】
【表２１】
【０１６５】
＜計算式＞
表１に示したデータから、試料の透気度はＢ(ｍ2)は、以下のように決定された。
Ｂ＝ｖμｚ／ΔＰ [２]
但し、
ｖ−所定ΔＰにおける流速、ｍ／ｓ
μ−気流速度。空気について−μ＝１８.６×１０-6Ｐａｓ
ｚ−媒体の厚さ
ΔＰ−媒体の圧力降下、Ｐａである。
【０１６６】
等式２は、フィルタを通る流れは、粘性範囲内であることを想定している。さらに、ガスフロー測定の場合、２つの追加条件[２]を要求する。(i)細孔径が１ミクロンより大きい、(ii)上流面への絶対圧力が、下流面への絶対圧力の１.１倍を超えない、即ち、上流ゲージ圧は、下流ゲージ圧がゼロ(即ち、４００インチＨ2Ｏ絶対値)である場合、４０インチＨ2Ｏ未満でなければならない。それら２つの条件が合う場合、等式２は、浸透性を推測するために使用することができる。
【０１６７】
等式[２]と図１から、フィルタ媒体の浸透性を決定した、浸透値と多孔率から、流量を平均化した流れ直径ｄを次の通り決定した。
ｄ2＝３２Ｂ／ε2 [３]
但し、ε−多孔率である。
流れ直径ｄは、表１に示している。ナノアルミナ媒体の平均細孔径は、４.２〜３８μｍの範囲であった。
【０１６８】
図１と、他の試料に関する同様なグラフから、媒体を通る直線速度の依存度と、与えられる圧力降下を比較し、表１に示している。これらの等式から、３.２ｍ／分の直線流における空気ΔＰ(ｍｍ水量、ゲージ)を、ＨＥＰＡと比較している。
【０１６９】
以上は、かなり詳細に開示してきたが、例及び詳細な実施例は、説明のために示したものであり、制限するものではないと理解されるべきである。特に、形状、サイズ及び配置についての設計変更は、発明の原理の範囲内であればなし得ることができる。当該分野の専門家であれば、発明や、要素の組み合わせのそのような変化又は変更、バリエーション、同等物、又は改良は、添付の特許請求の範囲に規定されるような発明の範囲内にあり、本発明は、この文書中に明示されていない制限がない限り、適当に実践されることができると理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【０１７０】
【図１】フィルタを横切る圧力降下の関数として、特許請求の範囲に記載されているナノアルミナフィルタ及びＨＥＰＡフィルタを通る気流速度を示すグラフ図である。
【図２】特許請求の範囲に記載されているナノアルミナフィルタ及びＨＥＰＡフィルタを通る水中に懸濁している０.２μｍラテックス球の濾過中に体積の関数として、濁度を示すグラフ図である。
【図３】特許請求の範囲に記載されているナノアルミナフィルタ及びＨＥＰＡフィルタを、０.３μｍＮａＣｌエアロゾルで連続的に試行する際の透過を示すグラフ図である。
【図４】特許請求の範囲に記載されているナノアルミナフィルタ及びＨＥＰＡフィルタを、０.３μｍＮａＣｌエアロゾルで連続的に試行する際の空気抵抗を示すグラフ図である。
【図５】０.５及び１μｍラテックス球で前処理されている、特許請求の範囲に記載されているナノアルミナフィルタを通る気流速度対圧力降下を示すグラフ図である。
【図６】０.３μｍＮａＣｌエアロゾルで透過された場合における、ラテックスビーズで前処理された特許請求の範囲に記載されているナノアルミナフィルタの透過と、前処理なしのナノアルミナフィルタ及びＨＥＰＡフィルタとの透過を比較するグラフ図である。
【図７】ラテックスビーズで前処理された特許請求の範囲に記載されているナノアルミナフィルタの空気抵抗と、前処理なしのナノアルミナフィルタ及びＨＥＰＡフィルタの透過を示すグラフ図である。
【図８】特許請求の範囲に記載されているナノアルミナフィルタ及びＨＥＰＡフィルタへの０.３μｍＮａＣｌエアロゾルの透過を示すグラフ図である。
【図９】ＮａＣｌエアロゾル性能テストにおける特許請求の範囲に記載されているナノアルミナフィルタ及びＨＥＰＡフィルタの空気抵抗を示すグラフ図である。
【図１０】エアロゾル化されたＫＣｌ液滴の粒径の関数として、特許請求の範囲に記載されているナノアルミナフィルタの分別効率を示すグラフ図である。
【図１１】特許請求の範囲に記載されている銀を含浸するナノアルミナフィルタが、細菌増殖に及ぼす抗菌効果を示すグラフ図である。
【図１２】特許請求の範囲に記載されているナノアルミナフィルタを、水媒介性細菌エアロゾルで連続的に試行する際の透過をグラフで描いた図である。
【図１３】圧力降下と細孔径の間の関係を、繊維径の関数として示すグラフ図である。
【図１４】特許請求の範囲に記載されているナノアルミナフィルタ媒体とサブＨＥＰＡフィルタの圧力降下を比較する図である。
【図１５】シリカのナノ粒子によって包まれたマイクロガラス繊維上のナノアルミナ繊維の透過型電子顕微鏡写真を示す図である。
【図１６】特許請求の範囲に記載されているナノアルミナ繊維による可溶性ヨウ素の吸着と、活性炭を含有する市販の媒体による吸着を比較するグラフ図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体フィルタであって、
ａ．ナノアルミナ繊維、及び
ｂ．該ナノアルミナ繊維と混合された第２繊維であって、非対称の細孔を生成するように配列されている第２繊維、
を含んでいる流体フィルタ。
【請求項２】
第２ナノ繊維は、粗繊維と細繊維の組み合わせからなる請求項１に記載のフィルタ。
【請求項３】
非対称の細孔は、平均細孔径約が５μｍより大きい請求項１に記載のフィルタ。
【請求項４】
第２繊維は、マイクロガラス繊維、セルロース繊維、繊維状構造のセルロース繊維及びリヨセル繊維からなる群から選択される請求項１に記載のフィルタ。
【請求項５】
繊維構造体であって、
ａ．ナノアルミナ繊維、
ｂ．該ナノアルミナ繊維と混合された第２繊維であって、非対称の細孔を生成するように配列されている第２繊維、及び
ｃ．前記ナノアルミナ繊維上に配置された複数の粒子、
とを含んでいる繊維構造体。
【請求項６】
ナノアルミナ繊維は、アスペクト比が約５より大きく、小さい側の寸法が約５０ｎｍ未満である請求項５に記載の繊維構造体。
【請求項７】
第２繊維は、マイクロガラス繊維、セルロース繊維、繊維状構造のセルロース繊維及びリヨセルからなる群から選択される請求項５に記載の繊維構造体。
【請求項８】
第２繊維は、夫々ナノアルミナ繊維の平均直径の約１０倍以上の直径を有している請求項５に記載の繊維構造体。
【請求項９】
前記各粒子は、約５０μｍ未満の直径を有している請求項５に記載の繊維構造体。
【請求項１０】
粒子は、微粒子、超微粒子及びナノサイズ粒子からなる群から選択される請求項５に記載の繊維構造体。
【請求項１１】
粒子は、吸着剤、イオン交換樹脂、触媒及び金属酸化物からなる群から選択される請求項５に記載の繊維構造体。
【請求項１２】
吸着剤粒子は、粉末活性炭、貴金属、高分子有機物、生体化合物及び抗菌剤からなる群から選択される請求項１１に記載の繊維構造体。
【請求項１３】
金属酸化物粒子は、ヒュームドシリカ、ヒュームドアルミナ、ナノ酸化亜鉛及びナノ酸化チタンからなる群から選択される請求項１１に記載の繊維構造体。
【請求項１４】
粒子は粉末活性炭である請求項５に記載の繊維構造体。
【請求項１５】
粉末活性炭は含浸される請求項１４に記載の繊維構造体。
【請求項１６】
含浸材は触媒である請求項１５に記載の繊維構造体。
【請求項１７】
触媒は酸化触媒である請求項１１に記載の繊維構造体。
【請求項１８】
金属酸化物はサブミクロンサイズである請求項１１に記載の繊維構造体。
【請求項１９】
繊維構造体は、液体、ガス又は空気媒体から汚染物質を除去するために使用される請求項５に記載の繊維構造体。
【請求項２０】
汚染物質は、少なくとも１の粒子状物質を含んでいる請求項１９に記載の繊維構造体。
【請求項２１】
少なくとも１の粒子状物質は、サブミクロン粒子を含んでいる請求項２０に記載の繊維構造体。
【請求項２２】
繊維構造体を製造する方法であって、
ａ．ナノアルミナ繊維を形成するステップ、
ｂ．複数の第２繊維を、第２繊維の存在下でナノアルミナ繊維と混合するステップ、
ｃ．複数の非対称の細孔を形成するステップ、及び
ｄ．複数の粒子を該混合物に加えるステップ、
を含んでいる、繊維構造体の製造方法。
【請求項２３】
方法は、混合物から水を除去し、不織構造を形成するステップをさらに含んでいる請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
繊維構造体を使用する方法であって、該構造は、複数のアルミナ繊維が、複数の第２繊維と混合され、これらの間に非対称の細孔が生成されており、アルミナ繊維上に複数の粒子が配置されたものであって、該使用方法は、
ａ．流状媒体を該繊維構造体に通すステップ、及び
ｂ．流状媒体から汚染物質を除去するステップ、
を含んでいる繊維構造体の使用方法。
【請求項２５】
汚染物質は、ハロゲン及び少なくとも１つの微生物病原体からなる群から選択される請求項２４に記載の使用方法。
【請求項２６】
医療用構造体であって、
ａ．ナノアルミナ繊維、
ｂ．該ナノアルミナ繊維と混合された第２繊維であって、非対称の細孔を生成するように配列されている第２繊維、及び
ｃ．該ナノアルミナ繊維上に配置された複数の粒子、
を含んでいる医療用構造体。
【請求項２７】
粒子は、微粒子、超微粒子及びナノサイズ粒子からなる群から選択される請求項２６に記載の医療用構造体。
【請求項２８】
粒子は、吸着剤、薬剤及び抗菌剤からなる群から選択される請求項２６に記載の医療用構造体。
【請求項２９】
粒子は粉末活性炭を含んでいる請求項２６に記載の医療用構造体。
【請求項３０】
医療用構造体は創傷被覆材である請求項２６に記載の医療用構造体。
【請求項１】
流体フィルタであって、
ａ．ナノアルミナ繊維、及び
ｂ．該ナノアルミナ繊維と混合された第２繊維であって、非対称の細孔を生成するように配列されている第２繊維、
を含んでいる流体フィルタ。
【請求項２】
第２ナノ繊維は、粗繊維と細繊維の組み合わせからなる請求項１に記載のフィルタ。
【請求項３】
非対称の細孔は、平均細孔径約が５μｍより大きい請求項１に記載のフィルタ。
【請求項４】
第２繊維は、マイクロガラス繊維、セルロース繊維、繊維状構造のセルロース繊維及びリヨセル繊維からなる群から選択される請求項１に記載のフィルタ。
【請求項５】
繊維構造体であって、
ａ．ナノアルミナ繊維、
ｂ．該ナノアルミナ繊維と混合された第２繊維であって、非対称の細孔を生成するように配列されている第２繊維、及び
ｃ．前記ナノアルミナ繊維上に配置された複数の粒子、
とを含んでいる繊維構造体。
【請求項６】
ナノアルミナ繊維は、アスペクト比が約５より大きく、小さい側の寸法が約５０ｎｍ未満である請求項５に記載の繊維構造体。
【請求項７】
第２繊維は、マイクロガラス繊維、セルロース繊維、繊維状構造のセルロース繊維及びリヨセルからなる群から選択される請求項５に記載の繊維構造体。
【請求項８】
第２繊維は、夫々ナノアルミナ繊維の平均直径の約１０倍以上の直径を有している請求項５に記載の繊維構造体。
【請求項９】
前記各粒子は、約５０μｍ未満の直径を有している請求項５に記載の繊維構造体。
【請求項１０】
粒子は、微粒子、超微粒子及びナノサイズ粒子からなる群から選択される請求項５に記載の繊維構造体。
【請求項１１】
粒子は、吸着剤、イオン交換樹脂、触媒及び金属酸化物からなる群から選択される請求項５に記載の繊維構造体。
【請求項１２】
吸着剤粒子は、粉末活性炭、貴金属、高分子有機物、生体化合物及び抗菌剤からなる群から選択される請求項１１に記載の繊維構造体。
【請求項１３】
金属酸化物粒子は、ヒュームドシリカ、ヒュームドアルミナ、ナノ酸化亜鉛及びナノ酸化チタンからなる群から選択される請求項１１に記載の繊維構造体。
【請求項１４】
粒子は粉末活性炭である請求項５に記載の繊維構造体。
【請求項１５】
粉末活性炭は含浸される請求項１４に記載の繊維構造体。
【請求項１６】
含浸材は触媒である請求項１５に記載の繊維構造体。
【請求項１７】
触媒は酸化触媒である請求項１１に記載の繊維構造体。
【請求項１８】
金属酸化物はサブミクロンサイズである請求項１１に記載の繊維構造体。
【請求項１９】
繊維構造体は、液体、ガス又は空気媒体から汚染物質を除去するために使用される請求項５に記載の繊維構造体。
【請求項２０】
汚染物質は、少なくとも１の粒子状物質を含んでいる請求項１９に記載の繊維構造体。
【請求項２１】
少なくとも１の粒子状物質は、サブミクロン粒子を含んでいる請求項２０に記載の繊維構造体。
【請求項２２】
繊維構造体を製造する方法であって、
ａ．ナノアルミナ繊維を形成するステップ、
ｂ．複数の第２繊維を、第２繊維の存在下でナノアルミナ繊維と混合するステップ、
ｃ．複数の非対称の細孔を形成するステップ、及び
ｄ．複数の粒子を該混合物に加えるステップ、
を含んでいる、繊維構造体の製造方法。
【請求項２３】
方法は、混合物から水を除去し、不織構造を形成するステップをさらに含んでいる請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
繊維構造体を使用する方法であって、該構造は、複数のアルミナ繊維が、複数の第２繊維と混合され、これらの間に非対称の細孔が生成されており、アルミナ繊維上に複数の粒子が配置されたものであって、該使用方法は、
ａ．流状媒体を該繊維構造体に通すステップ、及び
ｂ．流状媒体から汚染物質を除去するステップ、
を含んでいる繊維構造体の使用方法。
【請求項２５】
汚染物質は、ハロゲン及び少なくとも１つの微生物病原体からなる群から選択される請求項２４に記載の使用方法。
【請求項２６】
医療用構造体であって、
ａ．ナノアルミナ繊維、
ｂ．該ナノアルミナ繊維と混合された第２繊維であって、非対称の細孔を生成するように配列されている第２繊維、及び
ｃ．該ナノアルミナ繊維上に配置された複数の粒子、
を含んでいる医療用構造体。
【請求項２７】
粒子は、微粒子、超微粒子及びナノサイズ粒子からなる群から選択される請求項２６に記載の医療用構造体。
【請求項２８】
粒子は、吸着剤、薬剤及び抗菌剤からなる群から選択される請求項２６に記載の医療用構造体。
【請求項２９】
粒子は粉末活性炭を含んでいる請求項２６に記載の医療用構造体。
【請求項３０】
医療用構造体は創傷被覆材である請求項２６に記載の医療用構造体。
【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】
【公表番号】特表２００９−５３８７２３（Ｐ２００９−５３８７２３Ａ）
【公表日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５０３１１５（Ｐ２００９−５０３１１５）
【出願日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０６２５６６
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０７３５０７
【国際公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【出願人】（５０８２６２１０２）アルゴナイド コーポレイション (2)
【氏名又は名称原語表記】ＡＲＧＯＮＩＤＥ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０６２５６６
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０７３５０７
【国際公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【出願人】（５０８２６２１０２）アルゴナイド コーポレイション (2)
【氏名又は名称原語表記】ＡＲＧＯＮＩＤＥ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
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