高度帯電電荷安定ナノ繊維ウェブ
帯電多層フィルターは、多孔質のロールツーロール方式で加工可能な支持層の上に、約１２〜約３００ｍｍの有限長を有する複数の絡み合ったナノ繊維を含むハイドロ帯電濾過層を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維性空気濾過ウェブに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に空気濾過ウェブの濾過効率は、サブミクロン粒子を含有する気流に暴露されるとき、低下する。濾過効率は、例えば、塩化ナトリウム又はフタル酸ジオクチルの粒子を含有するチャレンジエアゾールを用いて、パーセント貫通テストにより評価することができる。初期貫通率及び最大貫通率共に、こうしたテストにより決定することができる。最大貫通率値は、フィルターの耐用期間を示すため、特に興味深い。
【０００３】
濾過効率を改善するために、様々な帯電技術が採用されてきた。しかしながら、油状エアゾールなどの特定の物質は、徐々に電荷を低下させることが知られている。高い初期濾過効率は、ニードルフェルトなどの帯電濾材、又は、帯電スパンボンドウェブ若しくはメルトブロウンウェブを用いて達成できる。しかしながら、特に繊維直径が比較的大きい帯電濾材にも、不必要に大きい坪量が要求される場合がある。粗繊維性の帯電濾材は、多くの場合高い初期効率を有するが、フィルターが微細粒子を堆積するにつれて、効率を著しく低下させることがある。帯電濾材におけるこの効率低下は、エレクトレット劣化と呼ばれることがある。米国暖房冷凍空調技術者協会（American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc.）（ASHRAE）の規格Ｎｏ．５２．２、表題「粒径による全体換気空気清浄装置の除去効率の試験方法（Method of Testing General Ventilation Air Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size）」では、冷暖房空調設備（ＨＶＡＣ）用フィルターを格付けする最小効率値（ＭＥＲＶ）を決定する。エレクトレット劣化の理由を説明する規格Ｎｏ．５２．２の改定案は、エレクトレットフィルターが比較的割合の高い小粒子に暴露されるように、規格が変更される可能性がある。もし成立すれば、これらの規格の変更点により、典型的なエレクトレット濾材のＭＥＲＶ等級は、２〜３点下がるであろう。
【０００４】
一般的に、微細繊維（例えば、ナノ繊維）も高い濾過効率に寄与するが、繊維直径が小さくなるにつれて、圧力低下が典型的にみられる。例えば、サブミクロン繊維を含有する繊維ガラス複合物を用いて、高い初期濾過効率を達成することができるが、これら良好な初期濾過効率は、多くの場合初期圧力を大きく低下させて達成される。一般に繊維の再利用ができず、その脆性のため破壊傾向があるという点で、ガラス繊維にも問題がある。ガラス繊維フラグメントは、呼吸器刺激性又は皮膚刺激性の原因となる恐れもある。ポリマーナノ繊維製の濾材は、ガラス繊維の代わりに使用されている。しかしながら、ポリマーナノ繊維は、ガラス繊維よりも耐薬品性及び耐溶媒性が悪い。例えば、電界紡糸で製造されたポリマーナノ繊維は、紡糸された溶媒の影響が最小限である。また、現在入手可能である多くのナノ繊維は、通常は、多くの用途においてコスト超過となるほど非常に低速で製造される。電界紡糸ナノ繊維は、通常は、一日あたりグラムオーダーの速度で製造され、標準的な濾材と比較すると、ブロウンガラスナノ繊維は比較的高価である。高速で製造可能な海島型ナノ繊維でさえ、取り外し可能な海と、海を取り外すプロセス工程を必要とするため、製造コストがかかる。
【０００５】
初期貫通率値及び最大貫通率値は、相関関係が弱い場合がある。この相関関係の欠如により、初期貫通の測定値を基準とした最大貫通率値の予測が困難になる。代わりに最大貫通率値を測定する場合もあるが、微小（例えば、サブミクロン）粒子に暴露された濾材の測定には時間がかかる場合がある。ウェブの初期貫通率値及び最大貫通率値がほとんど相関しないとき、フィルターの設計もより困難になる場合がある。
【０００６】
繊維性空気濾過ウェブは、例えば、米国特許第４，０１１，０６７号（ケアリー（Carey））、同第４，２１５，６８２号（キュービック（Kubik）ら）、同第４，５９２，８１５号（ナカオ（Nakao））、同第４，７２９，３７１号（クルーガー（Krueger）ら）、同第４，７９８，８５０号（ブラウン（Brown））、同第５，４０１，４４６号（ツァイ（Tsai）ら）、同第５，４９６，５０７号（アンガドジバンド（Angadjivand）ら、‘５０７）、同第６，１１９，６９１号（アンガドジバンド（Angadjivand）ら、‘６９１）、同第６，１８３，６７０ Ｂ１号（トロビン（Torobin）ら、‘６７０）、同第６，３１５，８０６ Ｂ１号（トロビン（Torobin）ら、‘８０６）、同第６，３９７，４５８ Ｂ１号（ジョーンズ（Jones）ら、‘４５８）、同第６，５５４，８８１ Ｂ１号（ヒーリー（Healey））、同第６，５６２，１１２ Ｂ２号（ジョーンズ（Jones）ら、‘１１２）、同第６，６２７，５６３ Ｂ１号（ヒューバティ（Huberty））、同第６，６７３，１３６ Ｂ２号（ギリンガム（Gillingham）ら）、同第６，７１６，２７４ Ｂ２号（ゴギンズ（Gogins）ら）、同第６，７４３，２７３ Ｂ２号（チャン（Chung）ら）、並びに同第６，８２７，７６４ Ｂ２号（スプリンゲット（Springett）ら）、及びツァイ（Tsai）らによる、電界紡糸の理論と技術（Electrospinning Theory and Techniques）（第１４回国際ＴＡＮＤＥＣ不織布会議年会（Annual International TANDEC Nonwovens Conference）、２００４年１１月９〜１１日）に記載されている。その他の繊維性ウェブは、例えば、米国特許第４，５３６，３６１号（トロビン（Torobin））、及び同第５，９９３，９４３号（ボダギ（Bodaghi）ら）に記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、小粒子を含有する気流に暴露した後においても、驚くほど有効な濾過性能を有する帯電空気濾過材料を提供する。開示される濾材は、非常に良好な電荷保持能を有し、初期貫通率値及び最大貫通率値の相関関係が、典型的なエレクトレット濾材の場合と比較してはるかに優れている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一態様では、本発明の濾材は、
ａ）約１２〜約３００ミリメートル（ｍｍ）の長さを有する複数の絡み合ったナノ繊維を含むハイドロ帯電（hydrocharged）繊維性濾過層と、
ｂ）多孔質のロールツーロール方式で加工可能な支持層と、を含む。
【０００９】
開示される濾材における濾過層は、例えば、米国特許第４，５３６，３６１号又は同第６，３１５，８０６ Ｂ１号により製造されてよく、例えば、米国特許第５，４９６，５０７号によりハイドロ帯電している。得られる濾材は、微粒子への暴露後、参照特許で開示される濾材の場合よりも良好な濾過効率を提供すると考えられ、初期貫通率値及び最大貫通率値の相関関係が強い。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１ａ】本発明による多層濾材の概略断面図。
【図１ｂ】本発明による多層濾材の概略断面図。
【図２ａ】本発明によるプリーツフィルターの斜視図。
【図２ｂ】本発明による使い捨て個人用マスク装置の部分的断面の透視図。
【図３ａ】本発明により開示される濾材における濾過層の走査型電子顕微鏡写真。
【図３ｂ】本発明により開示される濾材における濾過層の走査型電子顕微鏡写真。
【図４】本発明の濾材における濾過層の坪量に対する圧力低下を示すプロット。
【図５】本発明の濾材における濾過層の坪量に対する貫通率を示すプロット。
【図６】種々の濾過層の坪量において、圧力低下に対して貫通率が相関しているプロット。
【図７】本発明の濾材における塩化ナトリウムチャレンジ量に対する貫通率を示すプロット。
【図８】本発明の濾材における塩化ナトリウムチャレンジ量に対する圧力低下を示すプロット。
【図９】初期塩化ナトリウム貫通率に対する最大貫通率のプロット。
【図１０】初期塩化ナトリウム貫通率に対する最大貫通率のプロット。
【図１１】推定チャレンジ量に対するフタル酸ジオクチル貫通率及び圧力低下を示すプロット。 図面の様々な図における同様の参照記号は、同様の要素を指し示す。図中の要素は原寸に比例していない。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本明細書で用いる用語を以下に定義する。
【００１２】
「エアゾール」は、固体又は液体形状に懸濁した粒子を含有するガスを意味する。
【００１３】
「坪量」は、フィルター又はフィルター層に関して使用するとき、フィルター又はフィルター層の主表面における、単位表面積あたりのフィルター又はフィルター層中の材料の重量を意味する。
【００１４】
「帯電（した）（charged）」という用語は、繊維群に関して使用するとき、７ｃｍ／秒の面速度におけるフタル酸ジオクチル貫通率（％ＤＯＰ）について評価した際、１ｍｍのベリリウムフィルターの付いた、吸収線量２０グレイ、８０ＫＶｐのＸ線への暴露後に、品質係数ＱＦ（下で説明する）で少なくとも５０％減を示す繊維を意味する。
【００１５】
「連続的」という用語は、繊維又は繊維群に関して使用するとき、本質的に無限のアスペクト比（すなわち、例えば、少なくとも約１０，０００以上の長さ対寸法比）を有する繊維を意味する。
【００１６】
「有効繊維直径」（ＥＦＤ）という用語は、繊維群に関して使用するとき、円形又は非円形であるいずれかの断面形状を持つ繊維のウェブに関して、デイビーズ，Ｃ．Ｎ．（Davies, C. N.）著「空中に浮遊する埃及び粒子の分離（The Separation of Airborne Dust and Particles）」（ロンドンの英国機械工学学会（Institution of Mechanical Engineers, London）、会報１Ｂ、１９５２年）に記載の方法に従って求めた値を意味する。
【００１７】
「効率」は、フィルターに関して使用するとき、フィルターにより除去されたチャレンジエアゾールの量をパーセントで表したものを意味し、貫通率に基づき以下の式で決定される。
効率（％）＝１００−貫通率（％）
例えば、貫通率５％を示すフィルターは、対応する９５％の効率を有することになる。
【００１８】
「ハイドロ帯電（した）（hydrocharged）」は、繊維群に関して使用するとき、極性流体（例えば、水、アルコール、ケトン、又は極性流体の混合物）と密接する状態におき、続いて繊維が帯電するのに十分な条件下で乾燥させた繊維を意味する。
【００１９】
「層」は、２つの主表面と、主表面間に厚みを有するフィルターの一部を意味し、層は、主表面に沿って不定長さで延びることがあり、又は、定められた境界を有することがある。
【００２０】
「大部分」は、５０％超を意味する。
【００２１】
「ナノ繊維」は、１μｍ未満のメジアン径（顕微鏡及び手集計により決定される）を有する繊維を意味する。
【００２２】
「不織布ウェブ」は、例えば、ある組の繊維が、規則正しい配列で別の組の繊維の上及び下に配置されるといった、所定の方式に配列された繊維を有さないウェブを意味する。
【００２３】
「ポリマー」は、モノマーから製造された巨大分子を意味し、ホモポリマー、コポリマー、及びポリマーブレンドを含む。
【００２４】
「ポリマー材料」は、少なくとも１種のポリマー、及び場合により、ポリマーに追加するその他成分を含む材料を意味する。
【００２５】
「多孔質」は、通気性を意味する。
【００２６】
「圧力低下」は、流体流（例えば、気流）が通るフィルターの上流側及び下流側の間で、流体流の静圧が低下することを意味する。
【００２７】
「マスク装置」は、ヒトの呼吸器官上に着用するよう設計され、汚染物質が着用者の気道に侵入するのを防いだり、着用者の呼吸により放出される病原菌や他の汚染物質に、他の人物や物質が暴露されるのを防いだりするシステム又は装置を意味し、フィルター付きフェイスマスクを含むが、これに限定されない。
【００２８】
「ロールツーロール方式で加工可能」は、フィルター又は支持層に関して使用するとき、ロールツーロールウェブ処理装置を用いて別個のフィルターへの転換を所望する場合、フィルター又は支持層が製造可能であることを意味する。
【００２９】
用語「径」は、繊維に関して使用するとき、円形断面を有する繊維については、繊維直径を意味し、又は非円形断面を有する繊維を横切って構成されてもよい横断面の最長弦の長さを意味する。
【００３０】
「実質的に全て」は、少なくとも８０％を意味する。
【００３１】
図１ａは、開示される多層濾材の一実施形態の概略断面図を示す。濾材１は、支持層４に隣接する繊維性濾過層２を備える。層２はナノ繊維６を含有し、例えば、米国特許第４，５３６，３６１号により調製することができる。繊維６は絡み合っており、層１２中の、好ましくは大部分、より好ましくは実質的に全ての繊維に相当する。繊維６は、約１２〜約３００ｍｍ、約２５〜約２００ｍｍ、又は約５０〜約１５０ｍｍの有限長を有し、連続的ではない。層２は多孔質であるが、濾材１を通過する流体（例えば、空気）中に一緒に運ばれる小粒子（例えば、マイクロメートルサイズ及びより小さい粒子）を捕捉するのに十分に小さい孔径を有する。層４も多孔質であるが、典型的には層２よりもはるかに大きい孔径を有する。例示する実施形態では、層４は糸目の粗いニット織物である。流体は、様々な方向（例えば、濾材１に垂直に層２を通過してから層４を通過、又は濾材１に垂直に層４を通過してから層２を通過）で濾材１を貫流してもよい。空気濾過においては、典型的な流れの方向は、層４を通過してから層２を通過することである。
【００３２】
図１ｂは、開示される多層濾材の別の実施形態の概略断面図を示す。濾材１０は、支持層１４に隣接する繊維性濾過層１２を備える。層１２は、１マイクロメートル以上のメジアン繊維径を有する複数の第１の繊維１６、及び、サブミクロン径を有し、かつ層１２中の好ましくは大部分の繊維に相当する複数の第２の繊維１８を含有する。層１２は、例えば、米国特許第６，３１５，８０６ Ｂ１号により調製することができる。繊維１６は、好ましくは層１２中の半分未満の繊維に相当する。繊維１６は、層１２中で、例えば総繊維数（又は繊維の代表的なサンプルについて）の約１〜約４９、約２〜約４０、又は約３〜約２０、又は約５〜約１５パーセントに相当する。繊維１８は、層１２中で、例えば総繊維数（又は繊維の代表的なサンプルについて）の約５１〜約９９、又は約６０〜約９８、又は約８０〜約９７、又は約８５〜約９５パーセントに相当する。繊維１８は、例えば約１２〜約３００ｍｍ、約２５〜約２００ｍｍ、又は約５０〜約１５０ｍｍの有限長を有し、繊維１６より短い平均長を有してもよいし、繊維１６より長い平均長を有してもよい。繊維１８は、第１の繊維１６の一部に少なくとも部分的に巻かれてもよいし、複数の第１の繊維１６により層１２に支持されてもよい。層１２は多孔質であるが、濾材１０を通過する流体中に一緒に運ばれる小粒子を捕捉するのに十分に小さい孔径を有する。層１４も多孔質であるが、典型的には層１２よりもはるかに大きい孔径を有する。例示する実施形態では、層１４は不織布ウェブ内に配置される繊維２０を含む。流体は、様々な方向（例えば、濾材１０に垂直に層１２を通過してから層１４を通過、又は濾材１０に垂直に層１４を通過してから層１２を通過）で濾材１０を貫流してもよい。空気濾過においては、標準的な流れの方向は、層１４を通過してから層１２を通過し得る。
【００３３】
図２ａは、開示される多層濾材（例えば、濾材１又は１０）を離間したプリーツ２４の列に成形することにより作製されているプリーツフィルター２２の斜視図を示す。フィルター２２を「そのまま」使用してもよいし、又は、（例えば、平面的に伸張された金属面層、ホットメルト接着剤の補強線、接着剤で結合された補強バー、又はその他選択的補強支持体により）更に安定化又は補強され、所望により、例えば、ＨＶＡＣシステムで用いるための交換可能なフィルターを提供するために好適なフレーム（例えば、金属フレーム又は厚紙フレーム）に取り付けられたフィルター２２の選択された部分を有してもよい。多層濾材は別として、フィルター２２の構造に関する更なる詳細については、当業者には周知となろう。
【００３４】
図２ｂは、カップ型の使い捨て個人用マスク装置２６の透視図及び部分断面図を示す。マスク装置２６は、内部カバーウェブ２８、開示される多層濾材（例えば、濾材１又は１０）で作製される濾過層３０、及び外部カバー層３２を備える。溶接縁部３４は、これらの層を一体に保持して顔面封止領域を提供し、マスク装置２６の縁部からの漏れを低減する。この漏れは、例えば、アルミニウムなどの金属、又はポリプロピレンなどのプラスチック製の柔軟な極軟鼻バンド３６により、更に低減することができる。マスク装置２６は、タブ４０を用いて固定される調整可能なヘッド及びネックストラップ３８、及び呼気弁４２もまた備える。多層濾材は別にして、マスク装置２６の構造に関する更なる詳細については、当業者には周知となろう。
【００３５】
開示される濾過層は、別個に形成されるよりは、好ましくは支持層上に直接形成される。濾過層は、同一の又は異なるポリマー繊維形成材料から製造される１種以上の繊維を含むことができる。濾過層中の大部分及び好ましくは全ての繊維は、エレクトレット電荷を十分に受容し、適切な電荷分離を維持できる繊維形成材料から形成される。好ましいポリマー繊維形成材料は、室温（２２℃）で１０１４オーム−センチメートル以上の体積抵抗率を有する非導電性樹脂である。好ましくは、この樹脂は、約１０１６オーム−センチメートル以上の体積抵抗性を有する。ポリマー繊維形成材料の固有抵抗は、標準検査ＡＳＴＭ Ｄ ２５７−９３に従って測定できる。使用してもよいポリマーの一例として、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリ（４−メチル−１−ペンテン）などのポリオレフィン及び環状オレフィンコポリマー、並びにこれらのポリマーの組み合わせを含む熱可塑性ポリマーが挙げられる。使用してもよいが、荷電が困難であるか、又は電荷を迅速に失うことがある他のポリマーとしては、ポリカーボネート類、スチレン−ブタジエン−スチレン及びスチレン−イソプレン−スチレンブロックコポリマーなどのブロックコポリマー類、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル類、ポリアミド類、ポリウレタン類、並びに当業者には周知であろう他のポリマーが挙げられる。濾過層繊維の一部又は全部を、所望される場合、スプリット繊維などの複合成分繊維から製造してもよい。好適な複合成分（例えば、２成分）繊維として、サイド−バイ−サイド型、シース−コア型、セグメント化パイ型、海島型、チップ化及びセグメント化リボン型繊維が挙げられる。スプリット繊維が採用される場合、スプリットは、カーディング、エアジェット、エンボス加工、カレンダー加工、水流交絡、又はニードルパンチングを含む、様々な当業者に周知であろう技術を用いて実施又は促成されてもよい。濾過層は、好ましくは、ポリ−４−メチル−１ペンテン若しくはポリプロピレンの単成分繊維、又は、例えば外側表面上にポリ−４−メチル−１ペンテン若しくはポリプロピレンを用いた層状又はコア−シース配置である、ポリ−４−メチル−１ペンテン及びポリプロピレンの２成分繊維から調製される。特に湿潤環境でのポリプロピレンの電荷保持性能のため、最も好ましくは、濾過層はポリプロピレンホモポリマーの単成分繊維から調製される。添加剤をポリマーに添加し、ウェブの濾過性能、エレクトレット帯電機能、機械的特性、老化特性、呈色性、表面特性又はその他の重要な特性を強化してもよい。代表的な添加剤としては、充填剤、核剤（例えば、ミリケンケミカル（Milliken Chemical）から市販されているミラッド（MILLAD）（商標）３９８８、ジベンジリデンソルビトール）、エレクトレット帯電増強剤（例えば、トリステアリルメラミン、及びチバ・スペシャルティ・ケミカルズ（Ciba Specialty Chemicals）のチマソルブ（CHIMASSORB）（商標）１１９及びチマソルブ（CHIMASSORB）９４４などの様々な光安定剤）、硬化開始剤、強化剤（例えば、ポリ（４−メチル−１−ペンテン））、界面活性剤、並びに表面処理（例えば、ジョーンズ（Jones）への米国特許第６，３９８，８４７ Ｂ１号、同第６，３９７，４５８ Ｂ１号、及び同第６，４０９，８０６ Ｂ１号に記載されているように、油霧環境における濾過性能を向上させるためのフッ素原子処理）が挙げられる。こうした添加剤の種類及び添加量は、当業者には周知であろう。例えば、エレクトレット帯電増強剤は、約５重量％未満、及びより典型的には約２重量％未満の量で一般に存在する。ポリマー繊維形成材料はまた、好ましくは、電気伝導度を顕著に上昇できる、ないしは別の方法で繊維の静電荷の受容及び保持能力を顕著に干渉できる静電気防止剤などの成分を実質的に含まない。
【００３６】
濾過層は、様々な坪量、繊維径、厚さ、圧力低下、及びその他特徴を有することができ、ロールツーロール方式で加工不可能であるように、それ自体は十分に脆弱であってもよい。濾過層は、例えば、約０．５〜約３００ｇ／ｍ２（ｇｓｍ）、約０．５〜約１００ｇｓｍ、約１〜約５０ｇｓｍ、又は約２〜約４０ｇｓｍの範囲の坪量を有してもよい。比較的低い坪量、例えば、約２、５、１５、２５、又は４０ｇｓｍが濾過層に好ましい。濾過層中の繊維は、例えば、約１０μｍ未満、約５μｍ未満、又は約１μｍ未満のメジアン繊維径を有してもよい。濾過層の厚さは、例えば、約０．１〜約２０ｍｍ、約０．２〜約１０ｍｍ、又は約０．５〜約５ｍｍであってもよい。ある支持層（例えば、粗く非平坦な支持層）に極めて低い坪量で適用されるナノ繊維濾過層は、全体の濾材の厚さを変えないことがある。濾過層の坪量及び厚さは、例えば、回収装置の速度又はポリマーのスループットを変更することにより、制御又は調整することができる。
【００３７】
濾過層が支持層上に形成でき、ロールツーロール加工装置を用いて、得られた濾材を必要に応じて更に変換できるように、支持層は十分に堅牢である。支持層は、様々な材料から形成でき、様々な坪量、厚さ、圧力低下、及びその他の特徴を有することができる。例えば、支持層は、不織布ウェブ、織布、編布、連続気泡フォーム、又は穿孔付き膜であってもよい。不織布である繊維性ウェブは、好ましい支持層である。こうした不織布ウェブの製造に好適な繊維性前駆体として、上述のポリマー繊維形成材料、及び、静電荷を容易に受容しない又は維持しないその他のポリマー繊維形成材料が挙げられる。支持層は、天然繊維、又は合成及び天然繊維のブレンドから形成されてもよい。不織布ウェブから作られる場合、支持層は、例えば、メルトブロウン加工、溶融紡糸加工、若しくはその他好適なウェブ加工技術を用いて溶融熱可塑性ポリマーから、カーディング加工若しくはランド・ウェバー（Rando-Webber）機器からの付着加工を用いて天然繊維又は合成及び天然繊維のブレンドから、又は当業者には周知であろうその他技術を用いて形成されてもよい。織布ウェブ又は編布から作られる場合、支持層は、例えば、マイクロデニール連続フィラメント又はステープルファイバー糸（すなわち、約１未満のフィラメントあたりのデニール（ｄｐｆ）を有する糸）から形成され、当業者には周知であろう好適な加工技術を用いて織物又は編物の支持布へ加工されてもよい。支持層は、例えば、約５〜約３００ｇｓｍ、より好ましくは約４０〜約１５０ｇｓｍの範囲の坪量を有してもよい。支持層の厚さは、例えば、約０．２〜約４０ｍｍ、約０．２〜約２０ｍｍ、約０．５〜約５ｍｍ、又は約０．５〜約１．５ｍｍであってもよい。
【００３８】
所望の場合、更なる層を開示される濾材に追加してもよい。代表的な追加の層は当業者には周知であり、保護層（例えば、抗剥離層、抗刺激層、及びその他のカバー層）、強化層、並びに吸着層が挙げられる。吸着粒子（例えば、活性炭粒子又はアルミナ粒子）もまた、当業者には周知であろう方法を用いて濾材内（例えば、支持層１４内）に導入してもよい。
【００３９】
開示される多層濾材のハイドロ帯電は、濾材上に極性流体を吹付け、浸漬、又は濃縮し、続いて濾材が帯電するように乾燥するといった様々な技術を用いて行うことができる。ハイドロ帯電を説明している代表的な特許としては、上述の米国特許第５，４９６，５０７号、並びに同第５．９０８，５９８号（ルソー（Rousseau）ら）、同第６，３７５，８８６ Ｂ１号（アンガドジバンド（Angadjivand）ら、‘８８６）、同第６，４０６，６５７ Ｂ１号（エイツマン（Eitzman）ら、‘６５７）、同第６，４５４，９８６ Ｂ１号（エイツマン（Eitzman）ら、‘９８６）、及び同６，７４３，４６４ Ｂ１号（インズリー（Insley）ら）が挙げられる。好ましくは、水は極性ハイドロ帯電液として用いられ、濾材は、好ましくは、液体噴流又は任意の好適な噴霧手段により提供される液滴流を用いて、極性ハイドロ帯電液に暴露される。繊維を水圧で交絡するのに有用な装置は、一般的にハイドロ帯電を行うのに有用であるが、ハイドロ帯電においてその操作は、一般に水流交絡で用いられるものよりも低い圧力で行われる。米国特許第５，４９６，５０７号は、代表的な装置について説明しており、その装置では、濾過性能増強エレクトレット電荷を有し、後で乾燥される濾材を提供するのに十分な圧力で、水の噴流又は水滴流が濾材上に吹付けられる。最適な結果を得るのに必要な圧力は、用いる噴霧器の種類、濾過層１２を形成するポリマーの種類、濾材の厚さ及び密度、並びに、コロナ帯電などの前処理がハイドロ帯電の前に行われるかどうかにより変わる。一般的には、約６９〜約３４５０ｋＰａの範囲の圧力が好適である。好ましくは、水滴を提供するために使用される水は、相対的に純粋である。蒸留水又は脱イオン水が、水道水より好ましい。
【００４０】
開示される濾材は、静電帯電（例えば、米国特許第４，２１５，６８２号、同第５，４０１，４４６号、及び同第６，１１９，６９１号に記載のような）、摩擦帯電（例えば、米国特許第４，７９８，８５０号に記載のような）、又はプラズマフッ素化（例えば、米国特許第６，３９７，４５８ Ｂ１号に記載のような）などのハイドロ帯電の前又は後に、その他の帯電技術で処理してもよい。ハイドロ帯電前のコロナ帯電、及び、ハイドロ帯電前のプラズマフッ素化は、好ましい複合帯電技術である。
【００４１】
開示される多層濾材を評価し、貫通パーセント、圧力低下、及び濾過品質係数ＱＦ（（特に指示のない限り）ＮａＣｌ粒子については６０リットル／分、ＤＯＰ粒子については８５リットル／分の流速で供給されるＮａＣｌ又はＤＯＰ粒子を含有するチャレンジエアゾールを用い、ＴＳＩ（商標）モデル８１３０高速自動濾過試験機（ＴＳＩ社（TSI Inc.）から市販）を用いて評価される）を求めることができる。ＮａＣｌ試験において、粒子は、２％のＮａＣｌ溶液から生成してもよく、約１６〜２３ｍｇ／ｍ３の大気中濃度で、約０．０７５μｍの直径を有する粒子を含むエアゾールを提供し、自動濾過試験機は、加熱機及び粒子中和器を稼動しながら操作してもよい。ＤＯＰ試験において、エアゾールは、約１００ｍｇ／ｍ３の濃度で、約０．１８５μｍの直径を有する粒子を含んでもよく、自動濾過試験機は、加熱機及び粒子中和器を稼動させずに操作してもよい。較正された光度計をフィルターの入口と出口に使用し、濾材を通る粒子濃度及び粒子貫通％を測定することができる。ＭＫＳ圧力変換器（ＭＫＳインスツルメンツ（MKS Instruments）から市販される）を使用して、濾材通過の圧力低下（ΔＰ、ｍｍ Ｈ２Ｏ）を測定してもよい。式：
【数１】
は、ＱＦを算出するために用いてもよい。選択されたチャレンジエアゾールを測定又は計算することができるパラメータは、初期粒子貫通率、初期圧力低下、初期線質係数ＱＦ、最大粒子貫通率、最大貫通率での圧力低下、最大貫通率でのミリグラムの粒子荷重（最大貫通率の時間までのフィルターに対する総重量チャレンジ）を含む。最大貫通率を決定する荷重テストは、貫通率及び圧力低下を連続的に測定しながら、フィルターにエアゾールを連続的に曝すことにより行われ、このテストは、典型的には明確に最大貫通率が観察された後に終了する。開示される濾材については、初期貫通率と最大貫通率との間に比較的良好な相関関係があるため、初期品質係数ＱＦ値は、全般性能に対する非常に信頼できる指標となり、初期ＱＦ値が高いほど濾過性能が良いことを示し、初期ＱＦ値が低いほど濾過性能が落ちていることを示す。５．５ｃｍ／ｓの流速で０．０７５μｍのＮａＣｌ粒子に暴露されるとき、濾材は、好ましくは少なくとも約０．９ｍｍ−１ Ｈ２Ｏ、及びより好ましくは少なくとも約１．８ｍｍ−１ Ｈ２Ｏの初期品質係数ＱＦを有する。１０ｃｍ／ｓの流速で０．０７５μｍのＮａＣｌ粒子に暴露されるとき、濾材は、好ましくは少なくとも約０．４ｍｍ−１ Ｈ２Ｏ、及びより好ましくは少なくとも約０．８ｍｍ−１ Ｈ２Ｏの初期品質係数ＱＦを有する。１４ｃｍ／ｓの流速で０．１８５μｍのＤＯＰ粒子に暴露されるとき、濾材は、好ましくは少なくとも約０．２ｍｍ−１ Ｈ２Ｏ、及びより好ましくは少なくとも約０．４ｍｍ−１ Ｈ２Ｏの品質係数ＱＦを有する。
【００４２】
開示される多層濾材はシート状で用いてもよいし、成形、折り重ね、ないしは別の方法で三次元形状を有する濾材形状に形成してもよい。例えば、開示される濾材は、例えば米国特許第６，７４０，１３７ Ｂ２号（クボカワ（Kubokawa）ら）及び米国特許出願公開第２００５／０２１７２２６ Ａ１号（サンデット（Sundet）ら、‘２２６）に記載される方法及び構成要素を用いて、プリーツフィルター状に成形してもよい。一般に、少なくともいくつかの繊維交点で互いに繊維を固着する（又は更に固着する）加熱の使用により、プリーツ成形を補助するであろう。プリーツ成形は、当業者に周知のその他の方法及び構成要素を用い、実施又は増大してもよい。また、フィルター要素の選択された部分は、先端安定化（例えば、平面のワイヤー面層若しくはホットメルト接着剤の線）又は周辺補強（例えば、縁部接着剤若しくはフィルターフレーム）を追加することによって、安定化又は補強されてもよい。開示される濾材はまた、米国特許第４，５３６，４４０号（バーグ（Berg））、同第４，５４７，４２０号（クルーガー（Krueger）ら）、同第５，３７４，４５８号（ブルジョ（Burgio））、同第６，３９４，０９０ Ｂ１号（チェン（Chen）ら）、同第６，８２７，７６４ Ｂ２号（スプリンゲット（Springett）ら）、及び同第７，０６９，９３０ Ｂ２号（ボストック（Bostock）ら）に記載されるような当業者には周知であろう方法を用いて、マスク装置状に形成してもよい。
【００４３】
ＥＦＤは、（特に指示がない限り）８５リットル／分の気流速度（１３．８ｃｍ／秒の面速度に相当する）を採用して、デイビーズ，Ｃ．Ｎ．（Davies, C. N.）著「空中に浮遊する埃及び粒子の分離（The Separation of Airborne Dust and Particles）」（ロンドンの英国機械工学学会（Institution of Mechanical Engineers, London）、会報１Ｂ、１９５２年）に記載されている方法を用いて求めてもよい。
【００４４】
開示される多層濾材は、効率がＭＥＲＶ１２以上のものに特に好適であろう冷暖房空調設備（ＨＶＡＣ）用濾過用途に用いることができる。帯電ナノ繊維は、通常ＨＥＰＡ（高性能）、ＵＬＰＡ（超高性能）、及びより高い性能が要求されるクリーンルームの濾過用途でも用いることができる。開示される多層濾材は、個人用呼吸保護装置、例えば、手入れの要らないマスク装置、防塵マスク、及び顔半面用マスク装置、顔全面用マスク装置、又は電動マスク装置のカートリッジフィルターで用いることができる。多層濾材は、自動車用空気濾過、吸気濾過、真空バッグ、及びその他真空フィルター装置でも用いることができる。多層濾材は、空気清浄機用途でも用いることができる。
【００４５】
本発明を、以下の例証的な実施例で更に説明しており、ここで、全ての部及び割合は、指示がない限り重量基準である。
【実施例】
【００４６】
（実施例１）
米国特許第６，６０７，６２４ Ｂ２号（ベリガン（Berrigan）ら、‘６２４）及び同第６，９１６，７５２ Ｂ２号（ベリガン（Berrigan）ら、‘７５２）に示されるような装置、及び２００６年７月３１日に出願された米国特許出願第１１／４５７，８９９号に示されるような急冷流体加熱機を用い、３種のポリプロピレン・スパンボンド支持層ウェブを、メルトフローレートインデックスが１００であるダイプロ（DYPRO）（商標）３８６０ポリプロピレン（トータル・ペトロケミカルズ（Total Petrochemicals）から入手可能）から調製した。支持体ウェブの特徴を以下の表１に示す。
【表１】
【００４７】
運転番号１−１の支持層を、３ｍ／分のベルト速度及び２９ｋＶのコロナ電圧で操作する４ビームベルトのコロナ帯電ユニットを用いてコロナ帯電し、次いで１．５ｍ／分のベルト速度、０．８ＭＰａの水圧、及び脱イオン水で操作するハイドロ帯電ユニットを用いてハイドロ帯電した。ウェブの両側に水を噴霧し、真空により水を除去した。運転番号１−２及び１−３の支持層は帯電しなかった。ナノファイバーズ社（Nanofibers, Inc.）（ノースカロライナ州アバディーン（Aberdeen））の単一エミッター、３０．５ｃｍ幅の繊維成形装置を用いて、運転番号１−１及び１−２の支持層ウェブを５、１５、２５、及び５０ｇｓｍの坪量のポリプロピレンナノ繊維でコーティングし、運転番号１−３の支持層ウェブを５、８、１０、及び１３ｇｓｍの坪量のポリプロピレンナノ繊維でコーティングした。運転番号１−１及び１−２の支持層ウェブに適用したポリプロピレンはナノファイバーズ社（Nanofibers, Inc.）の担当者が選択し、運転番号１−３の支持層ウェブに適用したポリプロピレンは、メルトフローレート・インデックスが３５０であるＦＩＮＡ（商標）３９６０ポリプロピレン（トータル・ペトロケミカルズ（Total Petrochemicals）から入手可能）とした。ナノ繊維層は、スパンボンド支持層に良好に接着した。これは、ナノ繊維がスパンボンド支持層上に付着されるときに起こる、交絡と熱接着の両方によるものと思われる。
【００４８】
運転番号１−１の支持体上の５ｇｓｍナノ繊維層、及び、運転番号１−３の支持体上の１１ｇｓｍナノ繊維層の金／パラジウムコーティングされたサンプルを、カール・ツァイス社（Carl Zeiss SMT）のＬＥＯ ＶＰ １４５０走査電子顕微鏡を高真空下、加速電圧１５ｋＶ、作動距離（ＷＤ）１５ｍｍ、及び傾斜０°の条件で操作し、１００倍〜３，０００倍の倍率の走査電子顕微鏡により評価した。繊維直径は、テキサス大学ヘルスサイエンスセンターサンアントニオ校（University of Texas Health Science Center at San Antonio）のＵＴＨＳＣＳＡイメージツール（UTHSCSA IMAGE TOOL）画像解析プログラムを用いて、１０００倍以上の倍率で撮影した画像から測定した。ナノ繊維は、表２に示す特徴を有していた。
【表２】
【００４９】
１１ｇｓｍ濾過層のＳＥＭ写真を図３ａ（２０００倍）及び図３ｂ（２５０倍）に示す。特に、ナノ繊維が絡み合っており、サブミクロン径を有するものの写真を示す。
【００５０】
多層濾材サンプルを、運転番号１−１の支持層について記載した手順を用いてコロナ帯電、又は、コロナ帯電かつハイドロ帯電した。追加のサンプルを、０．０３９ｋＰａ（３００ミリトル）において１００ｓｃｃｍのペルフルオロプロパン、及び１分間１．０ｋＷ暴露の処理条件を用いて、プラズマフッ素化システム上でプラズマフッ素化した。サンプルをひっくり返し、プラズマフッ素化処理を繰り返した。次に、上述の手順によりサンプルをハイドロ帯電した。得られた帯電多層濾材サンプルを、続いて評価し、圧力低下を判定した。図４に結果を示す。運転番号１−１の支持層上の多層濾材サンプルについて、約１０ｇｓｍのナノ繊維により、流速８５リットル／分において約２．５〜３ｍｍ Ｈ２Ｏの圧力低下が得られると考えられた。より低い坪量のナノ繊維層では、グラム数がほとんどない場合はより高い限界圧力低下が得られると考えられ、これは基材との界面効果の可能性を示した。２５及び５０ｇｓｍのナノ繊維サンプルは、ハイドロ帯電中に圧密されたと考えられ、その結果圧力低下が大きかった。運転番号１−１の濾過層は、運転番号１−３の濾過層よりも、より粒状の、かつ、よりロープ状／束状の繊維を含有し、繊維直径分布が狭くないと考えられ、これらの要因により、運転番号１−１及び１−３の結果間で観察された圧力低下の違いを部分的に説明できる。運転番号１−３の支持層上にコーティングされたナノ繊維は、他のサンプルでみられたものよりも、重量あたりの実質的な圧力低下がより大きいと考えられた。より均一なナノ繊維横置き特性を求めることにより、圧力低下を部分的に制御可能にできる。
【００５１】
運転番号１−１（帯電支持層）及び運転番号１−２（非帯電支持層）上にコーティングされた多層濾材を評価して初期ＤＯＰ貫通率及び品質係数ＱＦ値を判定し、続いて種々ナノ繊維の坪量において互いに比較した。図５はＤＯＰの結果を示し、曲線Ａはナノ繊維層帯電前の運転番号１−２の支持層上のサンプル、曲線Ｂはナノ繊維層帯電前の運転番号１−１の支持層上のサンプル、曲線Ｃはナノ繊維層帯電後の運転番号１−１の支持層上のサンプル、曲線Ｄはナノ繊維層帯電後の運転番号１−２の支持層上のサンプルを表す。これらの曲線は特に、運転番号１−２の支持層上に形成された多層濾材が、多層濾材の両方の層をハイドロ帯電したとき、より高い品質係数とより低い初期貫通率をもたらすことを示す。曲線Ａは、非帯電支持層とナノ繊維層の機械的濾過性能も示す。曲線Ｂの左方原点は、ナノ繊維重量がゼロにおいてハイドロ帯電支持層ウェブを用いる効果を示す。曲線Ａ及びＢを比較すると、ハイドロ帯電支持層ウェブの効果とナノ繊維の効果の両方が、適用されるナノ繊維の各重量について一定のままであることが示される。曲線Ｃは、最初から帯電支持層とナノ繊維が帯電されるとき、支持体ウェブは影響を受けない（ナノ繊維重量がゼロにおいて観察される貫通率が同じ）が、貫通率は、ナノ繊維が存在すると著しく低下することを示し、ひいてはナノ繊維自体が帯電するようになることを示す。ナノ繊維が帯電するようにならなかった場合、曲線Ｂ及び曲線Ｃは重なり合うだろう。最後に、曲線Ｄは、ナノ繊維及び支持層の両方を一緒に帯電でき、得られる性能は、支持層よりも主にナノ繊維の寄与による場合があることを示す。
【００５２】
種々ナノ繊維の坪量において、貫通率に対して圧力低下をプロットし、コロナ帯電かつハイドロ帯電されたサンプルを評価した。結果を図６に示す。圧力低下及び貫通率値は極めて強く相関し、圧力低下を貫通率値の自然対数と比較するとき、補正係数Ｒ２は７８％である。
【００５３】
運転番号１−３の支持層上に形成された非帯電かつコロナ＋ハイドロ帯電サンプルを比較し、種々ナノ繊維の坪量における初期ＤＯＰ貫通率及び品質係数ＱＦを確認した。更に、１０ｇｓｍのナノ繊維でコーティングし、コロナ帯電のみ、又は、プラズマフッ素化かつハイドロ帯電サンプルも検査し、一定のナノ繊維コーティング重量における様々な帯電処理の影響を確認した。以下の表３ａに結果を示す。
【表３】
【００５４】
表３ａに示すように、プラズマフッ素化／ハイドロ帯電濾材は、コロナ／ハイドロ帯電濾材、コロナ処理濾材、又は非帯電濾材よりも、低い貫通率と高い品質係数ＱＦ値を示した。１０ｇｓｍのナノ繊維重量では、プラズマフッ素化／ハイドロ帯電濾材は、０．５３という最大の品質係数ＱＦを有した。
ＮａＣｌ荷重テストも実施した。運転番号１−２の支持層上に形成されたコロナ＋ハイドロ帯電サンプルを比較し、１０ｃｍ／秒の面速度を用いて、種々ナノ繊維の坪量における、初期圧力低下、初期ＮａＣｌ貫通率、初期品質係数ＱＦ、最大貫通率での圧力低下、最大貫通％、及び最大貫通率でのチャレンジ量を確認した。以下表３ｂに結果を示す。
【表４】
【００５５】
運転番号１−２及び１−３の支持層上に形成された非帯電、コロナ帯電、コロナ＋ハイドロ帯電、及びプラズマフッ素化＋ハイドロ帯電サンプルを比較し、種々ナノ繊維の坪量における、初期圧力低下、初期ＮａＣｌ貫通率、初期品質係数ＱＦ、最大貫通率での圧力低下、最大貫通％、及び最大貫通率でのチャレンジ量を確認した。以下表３Ｃに結果を示す。
【表５】
【００５６】
図７は、１０ｇｓｍのナノ繊維濾過層を含む多層濾材における貫通率対荷重量の曲線を示し、図８は、対応する圧力低下対荷重量の曲線を示す。図７及び図８では、曲線Ａは非帯電濾材の結果を示し、曲線Ｂはコロナ帯電濾材の結果を示し、曲線Ｃはコロナ＋ハイドロ帯電濾材の結果を示し、曲線Ｄはプラズマフッ素化＋ハイドロ帯電濾材の結果を示す。この結果は特に、低い初期貫通率値を有するサンプルが、０．０７５μｍのＮａＣｌ粒子での低い最大貫通率をも有することを示す（他の濾材では、初期及び最大貫通率の結果の相関性は乏しいことが多い）。また、４種の帯電技術により、類似する圧力低下−荷重曲線を有する濾材が得られた。
【００５７】
荷重挙動を更に調べるため、ナノ繊維濾過層を利用した様々な非帯電及び帯電多層濾材サンプルと、様々な帯電スパンボンドエレクトレットウェブサンプルを比較した。全てのサンプルをダイプロ（DYPRO）３８６０ポリプロピレンから製造し、全てのサンプルをハイドロ帯電した。サンプルは、坪量が１００〜２３０ｇｓｍの範囲、ＥＦＤが８〜約１５マイクロメートルの範囲であった。サンプルの一部をエレクトレット帯電添加剤（０．２５〜２％トリ−ステアリルメラミン又はチマソルブ（CHIMASSORB）９４４）存在下で製造し、別の一部をこうした添加剤の非存在下で製造した。サンプルの一部をカレンダリングして表面ウェブ特性を改変し、その他のものはカレンダリングしなかった。平滑及び模様付きの両方のカレンダーパターンを用いた。サンプルの一部をハイドロ帯電前に更にコロナ帯電したが、その他のものはしなかった。図９は、運転番号１−２及び１−３の支持層ウェブ上にコーティングされた非帯電及び帯電多層濾材サンプルについて、同一の試験条件下での初期及び最大ＮａＣｌ貫通率値間の比較を示す。図１０は、スパンボンド・エレクトレットについて、同一の試験条件下での初期及び最大ＮａＣｌ貫通率値間の比較を示す。図９は、２種の異なるキャリアウェブと数種の異なる帯電技術を備えるナノ繊維含有サンプルにおいて、直線になることを示す。ナノ繊維含有サンプルの最大ＮａＣｌ貫通率は、初期貫通率の結果に基づき適宜予測できた。図１０は、スパンボンド・エレクトレットサンプルのばらつきは１桁以上であり、最大ＮａＣｌ貫通率値が、初期貫通率の結果に基づき確実に予測できないことを示す。
【００５８】
更にテストを実施し、１０ｇｓｍのプラズマフッ素化＋ハイドロ帯電ナノ繊維を含む多層濾材について、及び同一の初期圧力低下を有する非帯電繊維ガラスサンプルについて、ＤＯＰ荷重及び圧力低下を比較した。ＤＯＰは、ＮａＣｌよりも低度のチャレンジであると看做されることがある。繊維ガラス濾材サンプルは、９０〜９５％の粉塵スポット等級（ＭＥＲＶ １４）を提供するとされており、その特性を以下表４に示した。
【表６】
【００５９】
平坦な円形ウェブサンプルを用い、流速８５リットル／分において、少なくとも２００ｍｇの推定ＤＯＰ荷重がかかるまで荷重テストを実施した。ナノ繊維のテストを一時的に停止し、再度開始すると、収集データを継ぐことになった。両サンプルとも、約１１．８ｍｍ Ｈ２Ｏ初期圧力低下を示した。図１１中、曲線Ａ及び曲線Ｂはそれぞれ、ナノ繊維含有濾材サンプル、及び繊維ガラス濾材サンプルについてのＤＯＰ荷重曲線を示す。曲線Ｃ及び曲線Ｄはそれぞれ、ナノ繊維含有濾材サンプル、及び繊維ガラス濾材サンプルについての圧力低下曲線を示す。図１１に示すように、ナノ繊維含有濾材は、約１％の貫通率から始まり、徐々に上昇して２００ｍｇの推定荷重量では１３％の貫通率となった。図１１には示していないが、ナノ繊維含有サンプルは、４００ｍｇの荷重量で約２５％の貫通率に達し、４００ｍｇを超えると、徐々にではあるが更に上昇すると思われた。繊維ガラスサンプルは、５２％の貫通率で始まり、２００ｍｇの推定荷重後６４％の貫通率まで上昇した。２００ｍｇを超えると、徐々にではあるが更に上昇すると思われた。同等のＤＯＰ荷重について、両サンプルとも圧力低下では同様の上昇を示した。
【００６０】
更なる試験を実施し、運転番号１−３の支持体ウェブ上に１０ｇｓｍのプラズマフッ素化＋ハイドロ帯電ナノ繊維を含む多層濾材を、米国特許第６，１８３，６７０ Ｂ１号（トロビン（Torobin）ら、‘６７０）に示される好ましい実施形態（「特許実施形態」）と比較した。特許実施形態は、トロビン（Torobin）ら、‘６７０において、米国特許第５，４０１，４４６号に従って静電的に帯電されており、トロビン（Torobin）ら、‘６７０の図９に示される濾過性能を示すことが提示される。ＴＳＩ ８１３０自動濾過試験機と、トロビン（Torobin）ら、‘６７０にあるように、面速度５．５ｃｍ／秒で流れる直径０．０７５μｍのＮａＣｌ粒子を用いて、ナノ繊維含有濾材を評価した。特許実施形態のサンプルが手元になかったため、その濾過性能は、トロビン（Torobin）ら、‘６７０の図９から得られる値に基づき計算した。得られた比較結果を以下表５に示す。
【表７】
＿＿＿＿＿＿
（１）グラフより推定
（２）推定値に基づいて計算
【００６１】
ナノ繊維含有濾材は、特許実施形態よりも約２桁低い貫通率をもたらした。特許実施形態は、非帯電サンプルよりも約５０％高い品質係数ＱＦをもたらしたのに対して、ナノ繊維含有濾材は、非帯電サンプルよりも約３００％高い品質係数ＱＦをもたらした。
【００６２】
５、２５、及び５０ｇｓｍでナノ繊維濾過層をコーティングした開示される多層濾材の３種のサンプルをコロナ帯電かつハイドロ帯電し、１６日間保存後に試験し、初期ＮａＣｌ貫通率及び品質係数ＱＦを判定した。それらの結果を下の表６に示す。
【表８】
【００６３】
サンプルは、帯電を大幅に保持した。ナノ繊維は、電界紡糸を用いて製造してもよい。しかしながら、ツァイ（Tsai）らによる、電界紡糸の理論と技術（Electrospinning Theory and Techniques）（第１４回国際ＴＡＮＤＥＣ不織布会議年会（Annual International TANDEC Nonwovens Conference）、２００４年１１月９〜１１日）で報告されるように、電界紡糸繊維は、その電荷を２〜３日以内に失う。
【００６４】
（実施例２）
実施例１の方法を用いて、坪量３５ｇｓｍ、厚さ０．０４５ｃｍ（０．０１８インチ）、及びＥＦＤ ２０μｍのスパンボンドウェブを、ダイプロ（DYPRO）３８６０ポリプロピレンから調製した。ナノファイバーズ社（Nanofibers, Inc.）の７６．２ｃｍ幅の繊維成形装置を用いて、得られた支持層ウェブを４．６、７．０、及び２７．４４ｇｓｍの坪量のポリプロピレンナノ繊維でコーティングした。ナノ繊維は、約０．６５μｍの平均繊維直径を有した。得られた多層濾材サンプルの追加特性を以下表７に示す。圧力低下値は流速３２リットル／分で得た。
【表９】
【００６５】
これらのサンプルをハイドロ帯電し、ナノ繊維濾過層を含む帯電多層濾材を得ることができた。運転番号２−２のナノ繊維を、ＳＥＭを用いて検査し繊維径の分布を判定した。以下表８及び表９に結果を示す。
【表１０】
【表１１】
【００６６】
（実施例３）
５５ｇｓｍの坪量、１ｍｍの厚さ、及び８．４μｍのＥＦＤを有するプロピレンのメルトブロウン支持層ウェブを、５０．８ｃｍ幅のメルトブロウン加工ラインで調製した。実施例２の方法を用いて、支持体ウェブを、１．８、３．０、及び７．２ｇｓｍの坪量のダイプロ（DYPRO）３８６０ポリプロピレンから作製したナノ繊維でコーティングした。ナノ繊維の平均繊維直径は約０．７７μｍであった。得られた多層濾材サンプルの追加特性を以下の表１０に示す。圧力低下値は流速３２リットル／分で得た。
【表１２】
【００６７】
これらのサンプルをハイドロ帯電し、ナノ繊維濾過層を含む帯電多層濾材を得ることができた。
【００６８】
（実施例４）
エアレイド不織布支持体ウェブを、３０．５ｃｍ幅のランド・ウェバー（Rando-Webber）機器で調製した。供給した繊維の組成は、３２デニール×７６ｍｍのポリエチレンテレフタレート繊維であるＴ２９３（インビスタ（Invista）から入手可能）８０％、及び、２デニール×３８ｍｍの２成分ｃｏＰＥＴ／ＰＥＴのシース／コア繊維（シースの融点が約１１０℃）であるセルボンド（CELBOND）（商標）Ｔ２５４（インビスタ（Invista）から入手可能）２０％であった。エアレイドウェブの平均坪量は４２ｇｓｍであった。実施例２の方法を用いて、支持体ウェブを、３０、４１、及び１２６ｇｓｍの坪量のナノ繊維でコーティングした。ナノ繊維の平均繊維直径は約０．６０μｍであった。得られた多層濾材サンプルの追加特性を以下表１１に示す。圧力低下値は流速３２リットル／分で得た。
【表１３】
【００６９】
これらのサンプルをハイドロ帯電し、ナノ繊維濾過層を含む帯電多層濾材を得ることができた。
【００７０】
本発明の多数の実施形態を記載してきた。いずれにしても、本発明から逸脱することなく様々な修正を行ってもよいことが理解されるであろう。したがって、その他の実施形態も、以下の特許請求の範囲の範疇にある。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維性空気濾過ウェブに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に空気濾過ウェブの濾過効率は、サブミクロン粒子を含有する気流に暴露されるとき、低下する。濾過効率は、例えば、塩化ナトリウム又はフタル酸ジオクチルの粒子を含有するチャレンジエアゾールを用いて、パーセント貫通テストにより評価することができる。初期貫通率及び最大貫通率共に、こうしたテストにより決定することができる。最大貫通率値は、フィルターの耐用期間を示すため、特に興味深い。
【０００３】
濾過効率を改善するために、様々な帯電技術が採用されてきた。しかしながら、油状エアゾールなどの特定の物質は、徐々に電荷を低下させることが知られている。高い初期濾過効率は、ニードルフェルトなどの帯電濾材、又は、帯電スパンボンドウェブ若しくはメルトブロウンウェブを用いて達成できる。しかしながら、特に繊維直径が比較的大きい帯電濾材にも、不必要に大きい坪量が要求される場合がある。粗繊維性の帯電濾材は、多くの場合高い初期効率を有するが、フィルターが微細粒子を堆積するにつれて、効率を著しく低下させることがある。帯電濾材におけるこの効率低下は、エレクトレット劣化と呼ばれることがある。米国暖房冷凍空調技術者協会（American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc.）（ASHRAE）の規格Ｎｏ．５２．２、表題「粒径による全体換気空気清浄装置の除去効率の試験方法（Method of Testing General Ventilation Air Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size）」では、冷暖房空調設備（ＨＶＡＣ）用フィルターを格付けする最小効率値（ＭＥＲＶ）を決定する。エレクトレット劣化の理由を説明する規格Ｎｏ．５２．２の改定案は、エレクトレットフィルターが比較的割合の高い小粒子に暴露されるように、規格が変更される可能性がある。もし成立すれば、これらの規格の変更点により、典型的なエレクトレット濾材のＭＥＲＶ等級は、２〜３点下がるであろう。
【０００４】
一般的に、微細繊維（例えば、ナノ繊維）も高い濾過効率に寄与するが、繊維直径が小さくなるにつれて、圧力低下が典型的にみられる。例えば、サブミクロン繊維を含有する繊維ガラス複合物を用いて、高い初期濾過効率を達成することができるが、これら良好な初期濾過効率は、多くの場合初期圧力を大きく低下させて達成される。一般に繊維の再利用ができず、その脆性のため破壊傾向があるという点で、ガラス繊維にも問題がある。ガラス繊維フラグメントは、呼吸器刺激性又は皮膚刺激性の原因となる恐れもある。ポリマーナノ繊維製の濾材は、ガラス繊維の代わりに使用されている。しかしながら、ポリマーナノ繊維は、ガラス繊維よりも耐薬品性及び耐溶媒性が悪い。例えば、電界紡糸で製造されたポリマーナノ繊維は、紡糸された溶媒の影響が最小限である。また、現在入手可能である多くのナノ繊維は、通常は、多くの用途においてコスト超過となるほど非常に低速で製造される。電界紡糸ナノ繊維は、通常は、一日あたりグラムオーダーの速度で製造され、標準的な濾材と比較すると、ブロウンガラスナノ繊維は比較的高価である。高速で製造可能な海島型ナノ繊維でさえ、取り外し可能な海と、海を取り外すプロセス工程を必要とするため、製造コストがかかる。
【０００５】
初期貫通率値及び最大貫通率値は、相関関係が弱い場合がある。この相関関係の欠如により、初期貫通の測定値を基準とした最大貫通率値の予測が困難になる。代わりに最大貫通率値を測定する場合もあるが、微小（例えば、サブミクロン）粒子に暴露された濾材の測定には時間がかかる場合がある。ウェブの初期貫通率値及び最大貫通率値がほとんど相関しないとき、フィルターの設計もより困難になる場合がある。
【０００６】
繊維性空気濾過ウェブは、例えば、米国特許第４，０１１，０６７号（ケアリー（Carey））、同第４，２１５，６８２号（キュービック（Kubik）ら）、同第４，５９２，８１５号（ナカオ（Nakao））、同第４，７２９，３７１号（クルーガー（Krueger）ら）、同第４，７９８，８５０号（ブラウン（Brown））、同第５，４０１，４４６号（ツァイ（Tsai）ら）、同第５，４９６，５０７号（アンガドジバンド（Angadjivand）ら、‘５０７）、同第６，１１９，６９１号（アンガドジバンド（Angadjivand）ら、‘６９１）、同第６，１８３，６７０ Ｂ１号（トロビン（Torobin）ら、‘６７０）、同第６，３１５，８０６ Ｂ１号（トロビン（Torobin）ら、‘８０６）、同第６，３９７，４５８ Ｂ１号（ジョーンズ（Jones）ら、‘４５８）、同第６，５５４，８８１ Ｂ１号（ヒーリー（Healey））、同第６，５６２，１１２ Ｂ２号（ジョーンズ（Jones）ら、‘１１２）、同第６，６２７，５６３ Ｂ１号（ヒューバティ（Huberty））、同第６，６７３，１３６ Ｂ２号（ギリンガム（Gillingham）ら）、同第６，７１６，２７４ Ｂ２号（ゴギンズ（Gogins）ら）、同第６，７４３，２７３ Ｂ２号（チャン（Chung）ら）、並びに同第６，８２７，７６４ Ｂ２号（スプリンゲット（Springett）ら）、及びツァイ（Tsai）らによる、電界紡糸の理論と技術（Electrospinning Theory and Techniques）（第１４回国際ＴＡＮＤＥＣ不織布会議年会（Annual International TANDEC Nonwovens Conference）、２００４年１１月９〜１１日）に記載されている。その他の繊維性ウェブは、例えば、米国特許第４，５３６，３６１号（トロビン（Torobin））、及び同第５，９９３，９４３号（ボダギ（Bodaghi）ら）に記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、小粒子を含有する気流に暴露した後においても、驚くほど有効な濾過性能を有する帯電空気濾過材料を提供する。開示される濾材は、非常に良好な電荷保持能を有し、初期貫通率値及び最大貫通率値の相関関係が、典型的なエレクトレット濾材の場合と比較してはるかに優れている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一態様では、本発明の濾材は、
ａ）約１２〜約３００ミリメートル（ｍｍ）の長さを有する複数の絡み合ったナノ繊維を含むハイドロ帯電（hydrocharged）繊維性濾過層と、
ｂ）多孔質のロールツーロール方式で加工可能な支持層と、を含む。
【０００９】
開示される濾材における濾過層は、例えば、米国特許第４，５３６，３６１号又は同第６，３１５，８０６ Ｂ１号により製造されてよく、例えば、米国特許第５，４９６，５０７号によりハイドロ帯電している。得られる濾材は、微粒子への暴露後、参照特許で開示される濾材の場合よりも良好な濾過効率を提供すると考えられ、初期貫通率値及び最大貫通率値の相関関係が強い。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１ａ】本発明による多層濾材の概略断面図。
【図１ｂ】本発明による多層濾材の概略断面図。
【図２ａ】本発明によるプリーツフィルターの斜視図。
【図２ｂ】本発明による使い捨て個人用マスク装置の部分的断面の透視図。
【図３ａ】本発明により開示される濾材における濾過層の走査型電子顕微鏡写真。
【図３ｂ】本発明により開示される濾材における濾過層の走査型電子顕微鏡写真。
【図４】本発明の濾材における濾過層の坪量に対する圧力低下を示すプロット。
【図５】本発明の濾材における濾過層の坪量に対する貫通率を示すプロット。
【図６】種々の濾過層の坪量において、圧力低下に対して貫通率が相関しているプロット。
【図７】本発明の濾材における塩化ナトリウムチャレンジ量に対する貫通率を示すプロット。
【図８】本発明の濾材における塩化ナトリウムチャレンジ量に対する圧力低下を示すプロット。
【図９】初期塩化ナトリウム貫通率に対する最大貫通率のプロット。
【図１０】初期塩化ナトリウム貫通率に対する最大貫通率のプロット。
【図１１】推定チャレンジ量に対するフタル酸ジオクチル貫通率及び圧力低下を示すプロット。 図面の様々な図における同様の参照記号は、同様の要素を指し示す。図中の要素は原寸に比例していない。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本明細書で用いる用語を以下に定義する。
【００１２】
「エアゾール」は、固体又は液体形状に懸濁した粒子を含有するガスを意味する。
【００１３】
「坪量」は、フィルター又はフィルター層に関して使用するとき、フィルター又はフィルター層の主表面における、単位表面積あたりのフィルター又はフィルター層中の材料の重量を意味する。
【００１４】
「帯電（した）（charged）」という用語は、繊維群に関して使用するとき、７ｃｍ／秒の面速度におけるフタル酸ジオクチル貫通率（％ＤＯＰ）について評価した際、１ｍｍのベリリウムフィルターの付いた、吸収線量２０グレイ、８０ＫＶｐのＸ線への暴露後に、品質係数ＱＦ（下で説明する）で少なくとも５０％減を示す繊維を意味する。
【００１５】
「連続的」という用語は、繊維又は繊維群に関して使用するとき、本質的に無限のアスペクト比（すなわち、例えば、少なくとも約１０，０００以上の長さ対寸法比）を有する繊維を意味する。
【００１６】
「有効繊維直径」（ＥＦＤ）という用語は、繊維群に関して使用するとき、円形又は非円形であるいずれかの断面形状を持つ繊維のウェブに関して、デイビーズ，Ｃ．Ｎ．（Davies, C. N.）著「空中に浮遊する埃及び粒子の分離（The Separation of Airborne Dust and Particles）」（ロンドンの英国機械工学学会（Institution of Mechanical Engineers, London）、会報１Ｂ、１９５２年）に記載の方法に従って求めた値を意味する。
【００１７】
「効率」は、フィルターに関して使用するとき、フィルターにより除去されたチャレンジエアゾールの量をパーセントで表したものを意味し、貫通率に基づき以下の式で決定される。
効率（％）＝１００−貫通率（％）
例えば、貫通率５％を示すフィルターは、対応する９５％の効率を有することになる。
【００１８】
「ハイドロ帯電（した）（hydrocharged）」は、繊維群に関して使用するとき、極性流体（例えば、水、アルコール、ケトン、又は極性流体の混合物）と密接する状態におき、続いて繊維が帯電するのに十分な条件下で乾燥させた繊維を意味する。
【００１９】
「層」は、２つの主表面と、主表面間に厚みを有するフィルターの一部を意味し、層は、主表面に沿って不定長さで延びることがあり、又は、定められた境界を有することがある。
【００２０】
「大部分」は、５０％超を意味する。
【００２１】
「ナノ繊維」は、１μｍ未満のメジアン径（顕微鏡及び手集計により決定される）を有する繊維を意味する。
【００２２】
「不織布ウェブ」は、例えば、ある組の繊維が、規則正しい配列で別の組の繊維の上及び下に配置されるといった、所定の方式に配列された繊維を有さないウェブを意味する。
【００２３】
「ポリマー」は、モノマーから製造された巨大分子を意味し、ホモポリマー、コポリマー、及びポリマーブレンドを含む。
【００２４】
「ポリマー材料」は、少なくとも１種のポリマー、及び場合により、ポリマーに追加するその他成分を含む材料を意味する。
【００２５】
「多孔質」は、通気性を意味する。
【００２６】
「圧力低下」は、流体流（例えば、気流）が通るフィルターの上流側及び下流側の間で、流体流の静圧が低下することを意味する。
【００２７】
「マスク装置」は、ヒトの呼吸器官上に着用するよう設計され、汚染物質が着用者の気道に侵入するのを防いだり、着用者の呼吸により放出される病原菌や他の汚染物質に、他の人物や物質が暴露されるのを防いだりするシステム又は装置を意味し、フィルター付きフェイスマスクを含むが、これに限定されない。
【００２８】
「ロールツーロール方式で加工可能」は、フィルター又は支持層に関して使用するとき、ロールツーロールウェブ処理装置を用いて別個のフィルターへの転換を所望する場合、フィルター又は支持層が製造可能であることを意味する。
【００２９】
用語「径」は、繊維に関して使用するとき、円形断面を有する繊維については、繊維直径を意味し、又は非円形断面を有する繊維を横切って構成されてもよい横断面の最長弦の長さを意味する。
【００３０】
「実質的に全て」は、少なくとも８０％を意味する。
【００３１】
図１ａは、開示される多層濾材の一実施形態の概略断面図を示す。濾材１は、支持層４に隣接する繊維性濾過層２を備える。層２はナノ繊維６を含有し、例えば、米国特許第４，５３６，３６１号により調製することができる。繊維６は絡み合っており、層１２中の、好ましくは大部分、より好ましくは実質的に全ての繊維に相当する。繊維６は、約１２〜約３００ｍｍ、約２５〜約２００ｍｍ、又は約５０〜約１５０ｍｍの有限長を有し、連続的ではない。層２は多孔質であるが、濾材１を通過する流体（例えば、空気）中に一緒に運ばれる小粒子（例えば、マイクロメートルサイズ及びより小さい粒子）を捕捉するのに十分に小さい孔径を有する。層４も多孔質であるが、典型的には層２よりもはるかに大きい孔径を有する。例示する実施形態では、層４は糸目の粗いニット織物である。流体は、様々な方向（例えば、濾材１に垂直に層２を通過してから層４を通過、又は濾材１に垂直に層４を通過してから層２を通過）で濾材１を貫流してもよい。空気濾過においては、典型的な流れの方向は、層４を通過してから層２を通過することである。
【００３２】
図１ｂは、開示される多層濾材の別の実施形態の概略断面図を示す。濾材１０は、支持層１４に隣接する繊維性濾過層１２を備える。層１２は、１マイクロメートル以上のメジアン繊維径を有する複数の第１の繊維１６、及び、サブミクロン径を有し、かつ層１２中の好ましくは大部分の繊維に相当する複数の第２の繊維１８を含有する。層１２は、例えば、米国特許第６，３１５，８０６ Ｂ１号により調製することができる。繊維１６は、好ましくは層１２中の半分未満の繊維に相当する。繊維１６は、層１２中で、例えば総繊維数（又は繊維の代表的なサンプルについて）の約１〜約４９、約２〜約４０、又は約３〜約２０、又は約５〜約１５パーセントに相当する。繊維１８は、層１２中で、例えば総繊維数（又は繊維の代表的なサンプルについて）の約５１〜約９９、又は約６０〜約９８、又は約８０〜約９７、又は約８５〜約９５パーセントに相当する。繊維１８は、例えば約１２〜約３００ｍｍ、約２５〜約２００ｍｍ、又は約５０〜約１５０ｍｍの有限長を有し、繊維１６より短い平均長を有してもよいし、繊維１６より長い平均長を有してもよい。繊維１８は、第１の繊維１６の一部に少なくとも部分的に巻かれてもよいし、複数の第１の繊維１６により層１２に支持されてもよい。層１２は多孔質であるが、濾材１０を通過する流体中に一緒に運ばれる小粒子を捕捉するのに十分に小さい孔径を有する。層１４も多孔質であるが、典型的には層１２よりもはるかに大きい孔径を有する。例示する実施形態では、層１４は不織布ウェブ内に配置される繊維２０を含む。流体は、様々な方向（例えば、濾材１０に垂直に層１２を通過してから層１４を通過、又は濾材１０に垂直に層１４を通過してから層１２を通過）で濾材１０を貫流してもよい。空気濾過においては、標準的な流れの方向は、層１４を通過してから層１２を通過し得る。
【００３３】
図２ａは、開示される多層濾材（例えば、濾材１又は１０）を離間したプリーツ２４の列に成形することにより作製されているプリーツフィルター２２の斜視図を示す。フィルター２２を「そのまま」使用してもよいし、又は、（例えば、平面的に伸張された金属面層、ホットメルト接着剤の補強線、接着剤で結合された補強バー、又はその他選択的補強支持体により）更に安定化又は補強され、所望により、例えば、ＨＶＡＣシステムで用いるための交換可能なフィルターを提供するために好適なフレーム（例えば、金属フレーム又は厚紙フレーム）に取り付けられたフィルター２２の選択された部分を有してもよい。多層濾材は別として、フィルター２２の構造に関する更なる詳細については、当業者には周知となろう。
【００３４】
図２ｂは、カップ型の使い捨て個人用マスク装置２６の透視図及び部分断面図を示す。マスク装置２６は、内部カバーウェブ２８、開示される多層濾材（例えば、濾材１又は１０）で作製される濾過層３０、及び外部カバー層３２を備える。溶接縁部３４は、これらの層を一体に保持して顔面封止領域を提供し、マスク装置２６の縁部からの漏れを低減する。この漏れは、例えば、アルミニウムなどの金属、又はポリプロピレンなどのプラスチック製の柔軟な極軟鼻バンド３６により、更に低減することができる。マスク装置２６は、タブ４０を用いて固定される調整可能なヘッド及びネックストラップ３８、及び呼気弁４２もまた備える。多層濾材は別にして、マスク装置２６の構造に関する更なる詳細については、当業者には周知となろう。
【００３５】
開示される濾過層は、別個に形成されるよりは、好ましくは支持層上に直接形成される。濾過層は、同一の又は異なるポリマー繊維形成材料から製造される１種以上の繊維を含むことができる。濾過層中の大部分及び好ましくは全ての繊維は、エレクトレット電荷を十分に受容し、適切な電荷分離を維持できる繊維形成材料から形成される。好ましいポリマー繊維形成材料は、室温（２２℃）で１０１４オーム−センチメートル以上の体積抵抗率を有する非導電性樹脂である。好ましくは、この樹脂は、約１０１６オーム−センチメートル以上の体積抵抗性を有する。ポリマー繊維形成材料の固有抵抗は、標準検査ＡＳＴＭ Ｄ ２５７−９３に従って測定できる。使用してもよいポリマーの一例として、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリ（４−メチル−１−ペンテン）などのポリオレフィン及び環状オレフィンコポリマー、並びにこれらのポリマーの組み合わせを含む熱可塑性ポリマーが挙げられる。使用してもよいが、荷電が困難であるか、又は電荷を迅速に失うことがある他のポリマーとしては、ポリカーボネート類、スチレン−ブタジエン−スチレン及びスチレン−イソプレン−スチレンブロックコポリマーなどのブロックコポリマー類、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル類、ポリアミド類、ポリウレタン類、並びに当業者には周知であろう他のポリマーが挙げられる。濾過層繊維の一部又は全部を、所望される場合、スプリット繊維などの複合成分繊維から製造してもよい。好適な複合成分（例えば、２成分）繊維として、サイド−バイ−サイド型、シース−コア型、セグメント化パイ型、海島型、チップ化及びセグメント化リボン型繊維が挙げられる。スプリット繊維が採用される場合、スプリットは、カーディング、エアジェット、エンボス加工、カレンダー加工、水流交絡、又はニードルパンチングを含む、様々な当業者に周知であろう技術を用いて実施又は促成されてもよい。濾過層は、好ましくは、ポリ−４−メチル−１ペンテン若しくはポリプロピレンの単成分繊維、又は、例えば外側表面上にポリ−４−メチル−１ペンテン若しくはポリプロピレンを用いた層状又はコア−シース配置である、ポリ−４−メチル−１ペンテン及びポリプロピレンの２成分繊維から調製される。特に湿潤環境でのポリプロピレンの電荷保持性能のため、最も好ましくは、濾過層はポリプロピレンホモポリマーの単成分繊維から調製される。添加剤をポリマーに添加し、ウェブの濾過性能、エレクトレット帯電機能、機械的特性、老化特性、呈色性、表面特性又はその他の重要な特性を強化してもよい。代表的な添加剤としては、充填剤、核剤（例えば、ミリケンケミカル（Milliken Chemical）から市販されているミラッド（MILLAD）（商標）３９８８、ジベンジリデンソルビトール）、エレクトレット帯電増強剤（例えば、トリステアリルメラミン、及びチバ・スペシャルティ・ケミカルズ（Ciba Specialty Chemicals）のチマソルブ（CHIMASSORB）（商標）１１９及びチマソルブ（CHIMASSORB）９４４などの様々な光安定剤）、硬化開始剤、強化剤（例えば、ポリ（４−メチル−１−ペンテン））、界面活性剤、並びに表面処理（例えば、ジョーンズ（Jones）への米国特許第６，３９８，８４７ Ｂ１号、同第６，３９７，４５８ Ｂ１号、及び同第６，４０９，８０６ Ｂ１号に記載されているように、油霧環境における濾過性能を向上させるためのフッ素原子処理）が挙げられる。こうした添加剤の種類及び添加量は、当業者には周知であろう。例えば、エレクトレット帯電増強剤は、約５重量％未満、及びより典型的には約２重量％未満の量で一般に存在する。ポリマー繊維形成材料はまた、好ましくは、電気伝導度を顕著に上昇できる、ないしは別の方法で繊維の静電荷の受容及び保持能力を顕著に干渉できる静電気防止剤などの成分を実質的に含まない。
【００３６】
濾過層は、様々な坪量、繊維径、厚さ、圧力低下、及びその他特徴を有することができ、ロールツーロール方式で加工不可能であるように、それ自体は十分に脆弱であってもよい。濾過層は、例えば、約０．５〜約３００ｇ／ｍ２（ｇｓｍ）、約０．５〜約１００ｇｓｍ、約１〜約５０ｇｓｍ、又は約２〜約４０ｇｓｍの範囲の坪量を有してもよい。比較的低い坪量、例えば、約２、５、１５、２５、又は４０ｇｓｍが濾過層に好ましい。濾過層中の繊維は、例えば、約１０μｍ未満、約５μｍ未満、又は約１μｍ未満のメジアン繊維径を有してもよい。濾過層の厚さは、例えば、約０．１〜約２０ｍｍ、約０．２〜約１０ｍｍ、又は約０．５〜約５ｍｍであってもよい。ある支持層（例えば、粗く非平坦な支持層）に極めて低い坪量で適用されるナノ繊維濾過層は、全体の濾材の厚さを変えないことがある。濾過層の坪量及び厚さは、例えば、回収装置の速度又はポリマーのスループットを変更することにより、制御又は調整することができる。
【００３７】
濾過層が支持層上に形成でき、ロールツーロール加工装置を用いて、得られた濾材を必要に応じて更に変換できるように、支持層は十分に堅牢である。支持層は、様々な材料から形成でき、様々な坪量、厚さ、圧力低下、及びその他の特徴を有することができる。例えば、支持層は、不織布ウェブ、織布、編布、連続気泡フォーム、又は穿孔付き膜であってもよい。不織布である繊維性ウェブは、好ましい支持層である。こうした不織布ウェブの製造に好適な繊維性前駆体として、上述のポリマー繊維形成材料、及び、静電荷を容易に受容しない又は維持しないその他のポリマー繊維形成材料が挙げられる。支持層は、天然繊維、又は合成及び天然繊維のブレンドから形成されてもよい。不織布ウェブから作られる場合、支持層は、例えば、メルトブロウン加工、溶融紡糸加工、若しくはその他好適なウェブ加工技術を用いて溶融熱可塑性ポリマーから、カーディング加工若しくはランド・ウェバー（Rando-Webber）機器からの付着加工を用いて天然繊維又は合成及び天然繊維のブレンドから、又は当業者には周知であろうその他技術を用いて形成されてもよい。織布ウェブ又は編布から作られる場合、支持層は、例えば、マイクロデニール連続フィラメント又はステープルファイバー糸（すなわち、約１未満のフィラメントあたりのデニール（ｄｐｆ）を有する糸）から形成され、当業者には周知であろう好適な加工技術を用いて織物又は編物の支持布へ加工されてもよい。支持層は、例えば、約５〜約３００ｇｓｍ、より好ましくは約４０〜約１５０ｇｓｍの範囲の坪量を有してもよい。支持層の厚さは、例えば、約０．２〜約４０ｍｍ、約０．２〜約２０ｍｍ、約０．５〜約５ｍｍ、又は約０．５〜約１．５ｍｍであってもよい。
【００３８】
所望の場合、更なる層を開示される濾材に追加してもよい。代表的な追加の層は当業者には周知であり、保護層（例えば、抗剥離層、抗刺激層、及びその他のカバー層）、強化層、並びに吸着層が挙げられる。吸着粒子（例えば、活性炭粒子又はアルミナ粒子）もまた、当業者には周知であろう方法を用いて濾材内（例えば、支持層１４内）に導入してもよい。
【００３９】
開示される多層濾材のハイドロ帯電は、濾材上に極性流体を吹付け、浸漬、又は濃縮し、続いて濾材が帯電するように乾燥するといった様々な技術を用いて行うことができる。ハイドロ帯電を説明している代表的な特許としては、上述の米国特許第５，４９６，５０７号、並びに同第５．９０８，５９８号（ルソー（Rousseau）ら）、同第６，３７５，８８６ Ｂ１号（アンガドジバンド（Angadjivand）ら、‘８８６）、同第６，４０６，６５７ Ｂ１号（エイツマン（Eitzman）ら、‘６５７）、同第６，４５４，９８６ Ｂ１号（エイツマン（Eitzman）ら、‘９８６）、及び同６，７４３，４６４ Ｂ１号（インズリー（Insley）ら）が挙げられる。好ましくは、水は極性ハイドロ帯電液として用いられ、濾材は、好ましくは、液体噴流又は任意の好適な噴霧手段により提供される液滴流を用いて、極性ハイドロ帯電液に暴露される。繊維を水圧で交絡するのに有用な装置は、一般的にハイドロ帯電を行うのに有用であるが、ハイドロ帯電においてその操作は、一般に水流交絡で用いられるものよりも低い圧力で行われる。米国特許第５，４９６，５０７号は、代表的な装置について説明しており、その装置では、濾過性能増強エレクトレット電荷を有し、後で乾燥される濾材を提供するのに十分な圧力で、水の噴流又は水滴流が濾材上に吹付けられる。最適な結果を得るのに必要な圧力は、用いる噴霧器の種類、濾過層１２を形成するポリマーの種類、濾材の厚さ及び密度、並びに、コロナ帯電などの前処理がハイドロ帯電の前に行われるかどうかにより変わる。一般的には、約６９〜約３４５０ｋＰａの範囲の圧力が好適である。好ましくは、水滴を提供するために使用される水は、相対的に純粋である。蒸留水又は脱イオン水が、水道水より好ましい。
【００４０】
開示される濾材は、静電帯電（例えば、米国特許第４，２１５，６８２号、同第５，４０１，４４６号、及び同第６，１１９，６９１号に記載のような）、摩擦帯電（例えば、米国特許第４，７９８，８５０号に記載のような）、又はプラズマフッ素化（例えば、米国特許第６，３９７，４５８ Ｂ１号に記載のような）などのハイドロ帯電の前又は後に、その他の帯電技術で処理してもよい。ハイドロ帯電前のコロナ帯電、及び、ハイドロ帯電前のプラズマフッ素化は、好ましい複合帯電技術である。
【００４１】
開示される多層濾材を評価し、貫通パーセント、圧力低下、及び濾過品質係数ＱＦ（（特に指示のない限り）ＮａＣｌ粒子については６０リットル／分、ＤＯＰ粒子については８５リットル／分の流速で供給されるＮａＣｌ又はＤＯＰ粒子を含有するチャレンジエアゾールを用い、ＴＳＩ（商標）モデル８１３０高速自動濾過試験機（ＴＳＩ社（TSI Inc.）から市販）を用いて評価される）を求めることができる。ＮａＣｌ試験において、粒子は、２％のＮａＣｌ溶液から生成してもよく、約１６〜２３ｍｇ／ｍ３の大気中濃度で、約０．０７５μｍの直径を有する粒子を含むエアゾールを提供し、自動濾過試験機は、加熱機及び粒子中和器を稼動しながら操作してもよい。ＤＯＰ試験において、エアゾールは、約１００ｍｇ／ｍ３の濃度で、約０．１８５μｍの直径を有する粒子を含んでもよく、自動濾過試験機は、加熱機及び粒子中和器を稼動させずに操作してもよい。較正された光度計をフィルターの入口と出口に使用し、濾材を通る粒子濃度及び粒子貫通％を測定することができる。ＭＫＳ圧力変換器（ＭＫＳインスツルメンツ（MKS Instruments）から市販される）を使用して、濾材通過の圧力低下（ΔＰ、ｍｍ Ｈ２Ｏ）を測定してもよい。式：
【数１】
は、ＱＦを算出するために用いてもよい。選択されたチャレンジエアゾールを測定又は計算することができるパラメータは、初期粒子貫通率、初期圧力低下、初期線質係数ＱＦ、最大粒子貫通率、最大貫通率での圧力低下、最大貫通率でのミリグラムの粒子荷重（最大貫通率の時間までのフィルターに対する総重量チャレンジ）を含む。最大貫通率を決定する荷重テストは、貫通率及び圧力低下を連続的に測定しながら、フィルターにエアゾールを連続的に曝すことにより行われ、このテストは、典型的には明確に最大貫通率が観察された後に終了する。開示される濾材については、初期貫通率と最大貫通率との間に比較的良好な相関関係があるため、初期品質係数ＱＦ値は、全般性能に対する非常に信頼できる指標となり、初期ＱＦ値が高いほど濾過性能が良いことを示し、初期ＱＦ値が低いほど濾過性能が落ちていることを示す。５．５ｃｍ／ｓの流速で０．０７５μｍのＮａＣｌ粒子に暴露されるとき、濾材は、好ましくは少なくとも約０．９ｍｍ−１ Ｈ２Ｏ、及びより好ましくは少なくとも約１．８ｍｍ−１ Ｈ２Ｏの初期品質係数ＱＦを有する。１０ｃｍ／ｓの流速で０．０７５μｍのＮａＣｌ粒子に暴露されるとき、濾材は、好ましくは少なくとも約０．４ｍｍ−１ Ｈ２Ｏ、及びより好ましくは少なくとも約０．８ｍｍ−１ Ｈ２Ｏの初期品質係数ＱＦを有する。１４ｃｍ／ｓの流速で０．１８５μｍのＤＯＰ粒子に暴露されるとき、濾材は、好ましくは少なくとも約０．２ｍｍ−１ Ｈ２Ｏ、及びより好ましくは少なくとも約０．４ｍｍ−１ Ｈ２Ｏの品質係数ＱＦを有する。
【００４２】
開示される多層濾材はシート状で用いてもよいし、成形、折り重ね、ないしは別の方法で三次元形状を有する濾材形状に形成してもよい。例えば、開示される濾材は、例えば米国特許第６，７４０，１３７ Ｂ２号（クボカワ（Kubokawa）ら）及び米国特許出願公開第２００５／０２１７２２６ Ａ１号（サンデット（Sundet）ら、‘２２６）に記載される方法及び構成要素を用いて、プリーツフィルター状に成形してもよい。一般に、少なくともいくつかの繊維交点で互いに繊維を固着する（又は更に固着する）加熱の使用により、プリーツ成形を補助するであろう。プリーツ成形は、当業者に周知のその他の方法及び構成要素を用い、実施又は増大してもよい。また、フィルター要素の選択された部分は、先端安定化（例えば、平面のワイヤー面層若しくはホットメルト接着剤の線）又は周辺補強（例えば、縁部接着剤若しくはフィルターフレーム）を追加することによって、安定化又は補強されてもよい。開示される濾材はまた、米国特許第４，５３６，４４０号（バーグ（Berg））、同第４，５４７，４２０号（クルーガー（Krueger）ら）、同第５，３７４，４５８号（ブルジョ（Burgio））、同第６，３９４，０９０ Ｂ１号（チェン（Chen）ら）、同第６，８２７，７６４ Ｂ２号（スプリンゲット（Springett）ら）、及び同第７，０６９，９３０ Ｂ２号（ボストック（Bostock）ら）に記載されるような当業者には周知であろう方法を用いて、マスク装置状に形成してもよい。
【００４３】
ＥＦＤは、（特に指示がない限り）８５リットル／分の気流速度（１３．８ｃｍ／秒の面速度に相当する）を採用して、デイビーズ，Ｃ．Ｎ．（Davies, C. N.）著「空中に浮遊する埃及び粒子の分離（The Separation of Airborne Dust and Particles）」（ロンドンの英国機械工学学会（Institution of Mechanical Engineers, London）、会報１Ｂ、１９５２年）に記載されている方法を用いて求めてもよい。
【００４４】
開示される多層濾材は、効率がＭＥＲＶ１２以上のものに特に好適であろう冷暖房空調設備（ＨＶＡＣ）用濾過用途に用いることができる。帯電ナノ繊維は、通常ＨＥＰＡ（高性能）、ＵＬＰＡ（超高性能）、及びより高い性能が要求されるクリーンルームの濾過用途でも用いることができる。開示される多層濾材は、個人用呼吸保護装置、例えば、手入れの要らないマスク装置、防塵マスク、及び顔半面用マスク装置、顔全面用マスク装置、又は電動マスク装置のカートリッジフィルターで用いることができる。多層濾材は、自動車用空気濾過、吸気濾過、真空バッグ、及びその他真空フィルター装置でも用いることができる。多層濾材は、空気清浄機用途でも用いることができる。
【００４５】
本発明を、以下の例証的な実施例で更に説明しており、ここで、全ての部及び割合は、指示がない限り重量基準である。
【実施例】
【００４６】
（実施例１）
米国特許第６，６０７，６２４ Ｂ２号（ベリガン（Berrigan）ら、‘６２４）及び同第６，９１６，７５２ Ｂ２号（ベリガン（Berrigan）ら、‘７５２）に示されるような装置、及び２００６年７月３１日に出願された米国特許出願第１１／４５７，８９９号に示されるような急冷流体加熱機を用い、３種のポリプロピレン・スパンボンド支持層ウェブを、メルトフローレートインデックスが１００であるダイプロ（DYPRO）（商標）３８６０ポリプロピレン（トータル・ペトロケミカルズ（Total Petrochemicals）から入手可能）から調製した。支持体ウェブの特徴を以下の表１に示す。
【表１】
【００４７】
運転番号１−１の支持層を、３ｍ／分のベルト速度及び２９ｋＶのコロナ電圧で操作する４ビームベルトのコロナ帯電ユニットを用いてコロナ帯電し、次いで１．５ｍ／分のベルト速度、０．８ＭＰａの水圧、及び脱イオン水で操作するハイドロ帯電ユニットを用いてハイドロ帯電した。ウェブの両側に水を噴霧し、真空により水を除去した。運転番号１−２及び１−３の支持層は帯電しなかった。ナノファイバーズ社（Nanofibers, Inc.）（ノースカロライナ州アバディーン（Aberdeen））の単一エミッター、３０．５ｃｍ幅の繊維成形装置を用いて、運転番号１−１及び１−２の支持層ウェブを５、１５、２５、及び５０ｇｓｍの坪量のポリプロピレンナノ繊維でコーティングし、運転番号１−３の支持層ウェブを５、８、１０、及び１３ｇｓｍの坪量のポリプロピレンナノ繊維でコーティングした。運転番号１−１及び１−２の支持層ウェブに適用したポリプロピレンはナノファイバーズ社（Nanofibers, Inc.）の担当者が選択し、運転番号１−３の支持層ウェブに適用したポリプロピレンは、メルトフローレート・インデックスが３５０であるＦＩＮＡ（商標）３９６０ポリプロピレン（トータル・ペトロケミカルズ（Total Petrochemicals）から入手可能）とした。ナノ繊維層は、スパンボンド支持層に良好に接着した。これは、ナノ繊維がスパンボンド支持層上に付着されるときに起こる、交絡と熱接着の両方によるものと思われる。
【００４８】
運転番号１−１の支持体上の５ｇｓｍナノ繊維層、及び、運転番号１−３の支持体上の１１ｇｓｍナノ繊維層の金／パラジウムコーティングされたサンプルを、カール・ツァイス社（Carl Zeiss SMT）のＬＥＯ ＶＰ １４５０走査電子顕微鏡を高真空下、加速電圧１５ｋＶ、作動距離（ＷＤ）１５ｍｍ、及び傾斜０°の条件で操作し、１００倍〜３，０００倍の倍率の走査電子顕微鏡により評価した。繊維直径は、テキサス大学ヘルスサイエンスセンターサンアントニオ校（University of Texas Health Science Center at San Antonio）のＵＴＨＳＣＳＡイメージツール（UTHSCSA IMAGE TOOL）画像解析プログラムを用いて、１０００倍以上の倍率で撮影した画像から測定した。ナノ繊維は、表２に示す特徴を有していた。
【表２】
【００４９】
１１ｇｓｍ濾過層のＳＥＭ写真を図３ａ（２０００倍）及び図３ｂ（２５０倍）に示す。特に、ナノ繊維が絡み合っており、サブミクロン径を有するものの写真を示す。
【００５０】
多層濾材サンプルを、運転番号１−１の支持層について記載した手順を用いてコロナ帯電、又は、コロナ帯電かつハイドロ帯電した。追加のサンプルを、０．０３９ｋＰａ（３００ミリトル）において１００ｓｃｃｍのペルフルオロプロパン、及び１分間１．０ｋＷ暴露の処理条件を用いて、プラズマフッ素化システム上でプラズマフッ素化した。サンプルをひっくり返し、プラズマフッ素化処理を繰り返した。次に、上述の手順によりサンプルをハイドロ帯電した。得られた帯電多層濾材サンプルを、続いて評価し、圧力低下を判定した。図４に結果を示す。運転番号１−１の支持層上の多層濾材サンプルについて、約１０ｇｓｍのナノ繊維により、流速８５リットル／分において約２．５〜３ｍｍ Ｈ２Ｏの圧力低下が得られると考えられた。より低い坪量のナノ繊維層では、グラム数がほとんどない場合はより高い限界圧力低下が得られると考えられ、これは基材との界面効果の可能性を示した。２５及び５０ｇｓｍのナノ繊維サンプルは、ハイドロ帯電中に圧密されたと考えられ、その結果圧力低下が大きかった。運転番号１−１の濾過層は、運転番号１−３の濾過層よりも、より粒状の、かつ、よりロープ状／束状の繊維を含有し、繊維直径分布が狭くないと考えられ、これらの要因により、運転番号１−１及び１−３の結果間で観察された圧力低下の違いを部分的に説明できる。運転番号１−３の支持層上にコーティングされたナノ繊維は、他のサンプルでみられたものよりも、重量あたりの実質的な圧力低下がより大きいと考えられた。より均一なナノ繊維横置き特性を求めることにより、圧力低下を部分的に制御可能にできる。
【００５１】
運転番号１−１（帯電支持層）及び運転番号１−２（非帯電支持層）上にコーティングされた多層濾材を評価して初期ＤＯＰ貫通率及び品質係数ＱＦ値を判定し、続いて種々ナノ繊維の坪量において互いに比較した。図５はＤＯＰの結果を示し、曲線Ａはナノ繊維層帯電前の運転番号１−２の支持層上のサンプル、曲線Ｂはナノ繊維層帯電前の運転番号１−１の支持層上のサンプル、曲線Ｃはナノ繊維層帯電後の運転番号１−１の支持層上のサンプル、曲線Ｄはナノ繊維層帯電後の運転番号１−２の支持層上のサンプルを表す。これらの曲線は特に、運転番号１−２の支持層上に形成された多層濾材が、多層濾材の両方の層をハイドロ帯電したとき、より高い品質係数とより低い初期貫通率をもたらすことを示す。曲線Ａは、非帯電支持層とナノ繊維層の機械的濾過性能も示す。曲線Ｂの左方原点は、ナノ繊維重量がゼロにおいてハイドロ帯電支持層ウェブを用いる効果を示す。曲線Ａ及びＢを比較すると、ハイドロ帯電支持層ウェブの効果とナノ繊維の効果の両方が、適用されるナノ繊維の各重量について一定のままであることが示される。曲線Ｃは、最初から帯電支持層とナノ繊維が帯電されるとき、支持体ウェブは影響を受けない（ナノ繊維重量がゼロにおいて観察される貫通率が同じ）が、貫通率は、ナノ繊維が存在すると著しく低下することを示し、ひいてはナノ繊維自体が帯電するようになることを示す。ナノ繊維が帯電するようにならなかった場合、曲線Ｂ及び曲線Ｃは重なり合うだろう。最後に、曲線Ｄは、ナノ繊維及び支持層の両方を一緒に帯電でき、得られる性能は、支持層よりも主にナノ繊維の寄与による場合があることを示す。
【００５２】
種々ナノ繊維の坪量において、貫通率に対して圧力低下をプロットし、コロナ帯電かつハイドロ帯電されたサンプルを評価した。結果を図６に示す。圧力低下及び貫通率値は極めて強く相関し、圧力低下を貫通率値の自然対数と比較するとき、補正係数Ｒ２は７８％である。
【００５３】
運転番号１−３の支持層上に形成された非帯電かつコロナ＋ハイドロ帯電サンプルを比較し、種々ナノ繊維の坪量における初期ＤＯＰ貫通率及び品質係数ＱＦを確認した。更に、１０ｇｓｍのナノ繊維でコーティングし、コロナ帯電のみ、又は、プラズマフッ素化かつハイドロ帯電サンプルも検査し、一定のナノ繊維コーティング重量における様々な帯電処理の影響を確認した。以下の表３ａに結果を示す。
【表３】
【００５４】
表３ａに示すように、プラズマフッ素化／ハイドロ帯電濾材は、コロナ／ハイドロ帯電濾材、コロナ処理濾材、又は非帯電濾材よりも、低い貫通率と高い品質係数ＱＦ値を示した。１０ｇｓｍのナノ繊維重量では、プラズマフッ素化／ハイドロ帯電濾材は、０．５３という最大の品質係数ＱＦを有した。
ＮａＣｌ荷重テストも実施した。運転番号１−２の支持層上に形成されたコロナ＋ハイドロ帯電サンプルを比較し、１０ｃｍ／秒の面速度を用いて、種々ナノ繊維の坪量における、初期圧力低下、初期ＮａＣｌ貫通率、初期品質係数ＱＦ、最大貫通率での圧力低下、最大貫通％、及び最大貫通率でのチャレンジ量を確認した。以下表３ｂに結果を示す。
【表４】
【００５５】
運転番号１−２及び１−３の支持層上に形成された非帯電、コロナ帯電、コロナ＋ハイドロ帯電、及びプラズマフッ素化＋ハイドロ帯電サンプルを比較し、種々ナノ繊維の坪量における、初期圧力低下、初期ＮａＣｌ貫通率、初期品質係数ＱＦ、最大貫通率での圧力低下、最大貫通％、及び最大貫通率でのチャレンジ量を確認した。以下表３Ｃに結果を示す。
【表５】
【００５６】
図７は、１０ｇｓｍのナノ繊維濾過層を含む多層濾材における貫通率対荷重量の曲線を示し、図８は、対応する圧力低下対荷重量の曲線を示す。図７及び図８では、曲線Ａは非帯電濾材の結果を示し、曲線Ｂはコロナ帯電濾材の結果を示し、曲線Ｃはコロナ＋ハイドロ帯電濾材の結果を示し、曲線Ｄはプラズマフッ素化＋ハイドロ帯電濾材の結果を示す。この結果は特に、低い初期貫通率値を有するサンプルが、０．０７５μｍのＮａＣｌ粒子での低い最大貫通率をも有することを示す（他の濾材では、初期及び最大貫通率の結果の相関性は乏しいことが多い）。また、４種の帯電技術により、類似する圧力低下−荷重曲線を有する濾材が得られた。
【００５７】
荷重挙動を更に調べるため、ナノ繊維濾過層を利用した様々な非帯電及び帯電多層濾材サンプルと、様々な帯電スパンボンドエレクトレットウェブサンプルを比較した。全てのサンプルをダイプロ（DYPRO）３８６０ポリプロピレンから製造し、全てのサンプルをハイドロ帯電した。サンプルは、坪量が１００〜２３０ｇｓｍの範囲、ＥＦＤが８〜約１５マイクロメートルの範囲であった。サンプルの一部をエレクトレット帯電添加剤（０．２５〜２％トリ−ステアリルメラミン又はチマソルブ（CHIMASSORB）９４４）存在下で製造し、別の一部をこうした添加剤の非存在下で製造した。サンプルの一部をカレンダリングして表面ウェブ特性を改変し、その他のものはカレンダリングしなかった。平滑及び模様付きの両方のカレンダーパターンを用いた。サンプルの一部をハイドロ帯電前に更にコロナ帯電したが、その他のものはしなかった。図９は、運転番号１−２及び１−３の支持層ウェブ上にコーティングされた非帯電及び帯電多層濾材サンプルについて、同一の試験条件下での初期及び最大ＮａＣｌ貫通率値間の比較を示す。図１０は、スパンボンド・エレクトレットについて、同一の試験条件下での初期及び最大ＮａＣｌ貫通率値間の比較を示す。図９は、２種の異なるキャリアウェブと数種の異なる帯電技術を備えるナノ繊維含有サンプルにおいて、直線になることを示す。ナノ繊維含有サンプルの最大ＮａＣｌ貫通率は、初期貫通率の結果に基づき適宜予測できた。図１０は、スパンボンド・エレクトレットサンプルのばらつきは１桁以上であり、最大ＮａＣｌ貫通率値が、初期貫通率の結果に基づき確実に予測できないことを示す。
【００５８】
更にテストを実施し、１０ｇｓｍのプラズマフッ素化＋ハイドロ帯電ナノ繊維を含む多層濾材について、及び同一の初期圧力低下を有する非帯電繊維ガラスサンプルについて、ＤＯＰ荷重及び圧力低下を比較した。ＤＯＰは、ＮａＣｌよりも低度のチャレンジであると看做されることがある。繊維ガラス濾材サンプルは、９０〜９５％の粉塵スポット等級（ＭＥＲＶ １４）を提供するとされており、その特性を以下表４に示した。
【表６】
【００５９】
平坦な円形ウェブサンプルを用い、流速８５リットル／分において、少なくとも２００ｍｇの推定ＤＯＰ荷重がかかるまで荷重テストを実施した。ナノ繊維のテストを一時的に停止し、再度開始すると、収集データを継ぐことになった。両サンプルとも、約１１．８ｍｍ Ｈ２Ｏ初期圧力低下を示した。図１１中、曲線Ａ及び曲線Ｂはそれぞれ、ナノ繊維含有濾材サンプル、及び繊維ガラス濾材サンプルについてのＤＯＰ荷重曲線を示す。曲線Ｃ及び曲線Ｄはそれぞれ、ナノ繊維含有濾材サンプル、及び繊維ガラス濾材サンプルについての圧力低下曲線を示す。図１１に示すように、ナノ繊維含有濾材は、約１％の貫通率から始まり、徐々に上昇して２００ｍｇの推定荷重量では１３％の貫通率となった。図１１には示していないが、ナノ繊維含有サンプルは、４００ｍｇの荷重量で約２５％の貫通率に達し、４００ｍｇを超えると、徐々にではあるが更に上昇すると思われた。繊維ガラスサンプルは、５２％の貫通率で始まり、２００ｍｇの推定荷重後６４％の貫通率まで上昇した。２００ｍｇを超えると、徐々にではあるが更に上昇すると思われた。同等のＤＯＰ荷重について、両サンプルとも圧力低下では同様の上昇を示した。
【００６０】
更なる試験を実施し、運転番号１−３の支持体ウェブ上に１０ｇｓｍのプラズマフッ素化＋ハイドロ帯電ナノ繊維を含む多層濾材を、米国特許第６，１８３，６７０ Ｂ１号（トロビン（Torobin）ら、‘６７０）に示される好ましい実施形態（「特許実施形態」）と比較した。特許実施形態は、トロビン（Torobin）ら、‘６７０において、米国特許第５，４０１，４４６号に従って静電的に帯電されており、トロビン（Torobin）ら、‘６７０の図９に示される濾過性能を示すことが提示される。ＴＳＩ ８１３０自動濾過試験機と、トロビン（Torobin）ら、‘６７０にあるように、面速度５．５ｃｍ／秒で流れる直径０．０７５μｍのＮａＣｌ粒子を用いて、ナノ繊維含有濾材を評価した。特許実施形態のサンプルが手元になかったため、その濾過性能は、トロビン（Torobin）ら、‘６７０の図９から得られる値に基づき計算した。得られた比較結果を以下表５に示す。
【表７】
＿＿＿＿＿＿
（１）グラフより推定
（２）推定値に基づいて計算
【００６１】
ナノ繊維含有濾材は、特許実施形態よりも約２桁低い貫通率をもたらした。特許実施形態は、非帯電サンプルよりも約５０％高い品質係数ＱＦをもたらしたのに対して、ナノ繊維含有濾材は、非帯電サンプルよりも約３００％高い品質係数ＱＦをもたらした。
【００６２】
５、２５、及び５０ｇｓｍでナノ繊維濾過層をコーティングした開示される多層濾材の３種のサンプルをコロナ帯電かつハイドロ帯電し、１６日間保存後に試験し、初期ＮａＣｌ貫通率及び品質係数ＱＦを判定した。それらの結果を下の表６に示す。
【表８】
【００６３】
サンプルは、帯電を大幅に保持した。ナノ繊維は、電界紡糸を用いて製造してもよい。しかしながら、ツァイ（Tsai）らによる、電界紡糸の理論と技術（Electrospinning Theory and Techniques）（第１４回国際ＴＡＮＤＥＣ不織布会議年会（Annual International TANDEC Nonwovens Conference）、２００４年１１月９〜１１日）で報告されるように、電界紡糸繊維は、その電荷を２〜３日以内に失う。
【００６４】
（実施例２）
実施例１の方法を用いて、坪量３５ｇｓｍ、厚さ０．０４５ｃｍ（０．０１８インチ）、及びＥＦＤ ２０μｍのスパンボンドウェブを、ダイプロ（DYPRO）３８６０ポリプロピレンから調製した。ナノファイバーズ社（Nanofibers, Inc.）の７６．２ｃｍ幅の繊維成形装置を用いて、得られた支持層ウェブを４．６、７．０、及び２７．４４ｇｓｍの坪量のポリプロピレンナノ繊維でコーティングした。ナノ繊維は、約０．６５μｍの平均繊維直径を有した。得られた多層濾材サンプルの追加特性を以下表７に示す。圧力低下値は流速３２リットル／分で得た。
【表９】
【００６５】
これらのサンプルをハイドロ帯電し、ナノ繊維濾過層を含む帯電多層濾材を得ることができた。運転番号２−２のナノ繊維を、ＳＥＭを用いて検査し繊維径の分布を判定した。以下表８及び表９に結果を示す。
【表１０】
【表１１】
【００６６】
（実施例３）
５５ｇｓｍの坪量、１ｍｍの厚さ、及び８．４μｍのＥＦＤを有するプロピレンのメルトブロウン支持層ウェブを、５０．８ｃｍ幅のメルトブロウン加工ラインで調製した。実施例２の方法を用いて、支持体ウェブを、１．８、３．０、及び７．２ｇｓｍの坪量のダイプロ（DYPRO）３８６０ポリプロピレンから作製したナノ繊維でコーティングした。ナノ繊維の平均繊維直径は約０．７７μｍであった。得られた多層濾材サンプルの追加特性を以下の表１０に示す。圧力低下値は流速３２リットル／分で得た。
【表１２】
【００６７】
これらのサンプルをハイドロ帯電し、ナノ繊維濾過層を含む帯電多層濾材を得ることができた。
【００６８】
（実施例４）
エアレイド不織布支持体ウェブを、３０．５ｃｍ幅のランド・ウェバー（Rando-Webber）機器で調製した。供給した繊維の組成は、３２デニール×７６ｍｍのポリエチレンテレフタレート繊維であるＴ２９３（インビスタ（Invista）から入手可能）８０％、及び、２デニール×３８ｍｍの２成分ｃｏＰＥＴ／ＰＥＴのシース／コア繊維（シースの融点が約１１０℃）であるセルボンド（CELBOND）（商標）Ｔ２５４（インビスタ（Invista）から入手可能）２０％であった。エアレイドウェブの平均坪量は４２ｇｓｍであった。実施例２の方法を用いて、支持体ウェブを、３０、４１、及び１２６ｇｓｍの坪量のナノ繊維でコーティングした。ナノ繊維の平均繊維直径は約０．６０μｍであった。得られた多層濾材サンプルの追加特性を以下表１１に示す。圧力低下値は流速３２リットル／分で得た。
【表１３】
【００６９】
これらのサンプルをハイドロ帯電し、ナノ繊維濾過層を含む帯電多層濾材を得ることができた。
【００７０】
本発明の多数の実施形態を記載してきた。いずれにしても、本発明から逸脱することなく様々な修正を行ってもよいことが理解されるであろう。したがって、その他の実施形態も、以下の特許請求の範囲の範疇にある。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）約１２〜約３００ｍｍの長さを有する複数の絡み合ったナノ繊維を含むハイドロ帯電した繊維性濾過層と、
ｂ）多孔質のロールツーロール方式で加工可能な支持層と、を含む、帯電多層濾材。
【請求項２】
前記濾過層内の繊維が約１０μｍ未満のメジアン繊維径を有する、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項３】
前記濾過層内の繊維が約５μｍ未満のメジアン繊維径を有する、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項４】
前記濾過層内の繊維が約１μｍ未満のメジアン繊維径を有する、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項５】
前記ナノ繊維が約２５〜約２００ｍｍの長さを有する、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項６】
前記ナノ繊維が約５０〜約１５０ｍｍの長さを有する、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項７】
前記濾過層内の繊維の大部分がナノ繊維である、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項８】
前記濾過層内の繊維の約６０〜約９８パーセントがナノ繊維である、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項９】
前記濾過層内の繊維の約８０〜約９７パーセントがナノ繊維である、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項１０】
前記ナノ繊維がオレフィンを含む、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項１１】
前記ナノ繊維がポリプロピレンを含む、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項１２】
前記濾過層が約０．５〜約３００ｇ／ｍ２の坪量を有する、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項１３】
前記濾過層が約２〜約４０ｇ／ｍ２の坪量を有する、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項１４】
前記濾過層が約０．１〜約２０ｍｍの厚さを有する、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項１５】
前記支持層が織布、編布、連続気泡フォーム、又は穿孔付き膜を含む、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項１６】
前記支持層が不織布ウェブを含む、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項１７】
抗剥離層、抗刺激層、強化層、又は吸着層を更に含む、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項１８】
前記濾過層が静電的に帯電され、かつハイドロ帯電される、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項１９】
前記濾過層がプラズマフッ素化され、かつハイドロ帯電される、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項２０】
面速度５．５ｃｍ／秒で流れる０．０７５μｍの塩化ナトリウムエアゾールを使用して評価するとき、少なくとも約０．９ｍｍ−１Ｈ２Ｏの初期濾過品質係数ＱＦを有する、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項２１】
面速度５．５ｃｍ／秒で流れる０．０７５μｍの塩化ナトリウムエアゾールを使用して評価するとき、少なくとも約１．８ｍｍ−１Ｈ２Ｏの初期濾過品質係数ＱＦを有する、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項２２】
１０ｃｍ／秒で流れる０．０７５μｍの塩化ナトリウムエアゾールに暴露されるとき、５％未満の最大貫通率を示す、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項２３】
１０ｃｍ／秒で流れる０．０７５μｍの塩化ナトリウムエアゾールに暴露されるとき、１％未満の最大貫通率を示す、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項２４】
請求項１に記載の帯電多層濾材を含むプリーツフィルター。
【請求項２５】
請求項１に記載の帯電多層濾材を含むマスク装置。
【請求項１】
ａ）約１２〜約３００ｍｍの長さを有する複数の絡み合ったナノ繊維を含むハイドロ帯電した繊維性濾過層と、
ｂ）多孔質のロールツーロール方式で加工可能な支持層と、を含む、帯電多層濾材。
【請求項２】
前記濾過層内の繊維が約１０μｍ未満のメジアン繊維径を有する、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項３】
前記濾過層内の繊維が約５μｍ未満のメジアン繊維径を有する、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項４】
前記濾過層内の繊維が約１μｍ未満のメジアン繊維径を有する、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項５】
前記ナノ繊維が約２５〜約２００ｍｍの長さを有する、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項６】
前記ナノ繊維が約５０〜約１５０ｍｍの長さを有する、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項７】
前記濾過層内の繊維の大部分がナノ繊維である、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項８】
前記濾過層内の繊維の約６０〜約９８パーセントがナノ繊維である、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項９】
前記濾過層内の繊維の約８０〜約９７パーセントがナノ繊維である、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項１０】
前記ナノ繊維がオレフィンを含む、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項１１】
前記ナノ繊維がポリプロピレンを含む、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項１２】
前記濾過層が約０．５〜約３００ｇ／ｍ２の坪量を有する、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項１３】
前記濾過層が約２〜約４０ｇ／ｍ２の坪量を有する、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項１４】
前記濾過層が約０．１〜約２０ｍｍの厚さを有する、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項１５】
前記支持層が織布、編布、連続気泡フォーム、又は穿孔付き膜を含む、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項１６】
前記支持層が不織布ウェブを含む、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項１７】
抗剥離層、抗刺激層、強化層、又は吸着層を更に含む、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項１８】
前記濾過層が静電的に帯電され、かつハイドロ帯電される、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項１９】
前記濾過層がプラズマフッ素化され、かつハイドロ帯電される、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項２０】
面速度５．５ｃｍ／秒で流れる０．０７５μｍの塩化ナトリウムエアゾールを使用して評価するとき、少なくとも約０．９ｍｍ−１Ｈ２Ｏの初期濾過品質係数ＱＦを有する、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項２１】
面速度５．５ｃｍ／秒で流れる０．０７５μｍの塩化ナトリウムエアゾールを使用して評価するとき、少なくとも約１．８ｍｍ−１Ｈ２Ｏの初期濾過品質係数ＱＦを有する、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項２２】
１０ｃｍ／秒で流れる０．０７５μｍの塩化ナトリウムエアゾールに暴露されるとき、５％未満の最大貫通率を示す、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項２３】
１０ｃｍ／秒で流れる０．０７５μｍの塩化ナトリウムエアゾールに暴露されるとき、１％未満の最大貫通率を示す、請求項１に記載の帯電多層濾材。
【請求項２４】
請求項１に記載の帯電多層濾材を含むプリーツフィルター。
【請求項２５】
請求項１に記載の帯電多層濾材を含むマスク装置。
【図１ａ】
【図１ｂ】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１ｂ】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公表番号】特表２０１０−５３４５５９（Ｐ２０１０−５３４５５９Ａ）
【公表日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５１８１６１（Ｐ２０１０−５１８１６１）
【出願日】平成１９年７月２６日（２００７．７．２６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０７４４２３
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０１４５３９
【国際公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【出願人】（５０５００５０４９）スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー (2,080)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月２６日（２００７．７．２６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０７４４２３
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０１４５３９
【国際公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【出願人】（５０５００５０４９）スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー (2,080)
【Ｆターム（参考）】
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