JP4126679B2

JP4126679B2 - フィルタ及びその製造方法

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Publication number: JP4126679B2
Application number: JP2000165630A
Authority: JP
Inventors: 田中　　栄太郎; 良介小野寺; 良平古市
Original assignee: Koken Co Ltd
Current assignee: Koken Co Ltd
Priority date: 2000-06-02
Filing date: 2000-06-02
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2020-06-02
Also published as: JP2001340716A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気調整機等に送る空気や、人間等に吸引される空気から粉塵，塵埃，花粉，霧状の微粒子等（以下「粉塵等」という）を除去するフィルタ、特に、慣性，遮りの濾過作用と静電気とによって粉塵等を捕集するエレクトレットフィルタ及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ポリプロピレン系合成樹脂等をメルトブロー紡糸したメルトブロー不織布からなるエレクトレットフィルタ（以下「メルトブロー不織布のエレクトレットフィルタ」という）は、繊維径が極細で、繊維間距離が狭い、即ち空隙率が小さくて、粉塵等を捕集する性能（以下「捕集効率」という）が高い上、繊維は成形，溶着等の後加工が容易な性質を有するため、プレフィルタ層，捕集フィルタ層及び保型フィルタ層を積層した状態で加熱成形して型抜きする使い捨ての防塵マスク等の捕集フィルタ層として主に使用されている。
【０００３】
又、羊毛とポリエステル等の合成繊維とを混合した不織布に特殊な樹脂を付着させた上、機械的二次加工を施して繊維に帯電加工した不織布からなるエレクトレットフィルタ（以下「帯電加工不織布のエレクトレットフィルタ」という）〔特公平３−３１４８３号公報及び特公平３−６３４０６号公報参照〕は、厚みのあるフィルタ層全体で粉塵等を捕集するため、粉塵等の保持容量が大きい上、通気時の圧力損失（以下「通気抵抗」という）の上昇も緩やかなので、取替式マスク等の捕集フィルタとして主に使用されている。
【０００４】
ところで、一般的に、エレクトレットフィルタは、粉塵等を含む空気を通し続ける試験を行うと、粉塵等が静電作用によりフィルタに吸着，捕集されて、粉塵等の保持量或いは堆積量が増加するが、接触した粉塵等によって帯電した繊維が放電してしまうため、静電気が次第に低下して、捕集効率が低下する傾向にあるものの、粉塵等が保持されたり、堆積して、エレクトレットフィルタが目詰りしてくると、目詰りによる濾過作用が起きて、捕集効率が逆に上昇し始める特性があり、この捕集効率が低下から上昇に転ずるときのボトム値がこの特性における最小捕集効率となる。
【０００５】
又、エレクトレットフィルタは、空気の流れが早くなると、粉塵等の捕集効率が低下するので、フィルタの空隙率を低下させて、濾過作用を大きくする必要がある。
【０００６】
そこで、繊維がウェッブ状態で、空隙率が高すぎて、フィルタとしてそのまま使用することができない帯電加工不織布のエレクトレットフィルタは、ニードルパンチング法で繊維を上下に絡ませてフェルト状に加工することにより、空隙率を低下させることが行われている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、メルトブロー不織布のエレクトレットフィルタは、粉塵等をフィルタの表面で集中的に捕集するため、フィルタの表面が短時間に目詰まりして、フィルタ内部に粉塵等を保持できないという課題と、フィルタの目詰りにより通気が阻害されて、通気抵抗が急激に上昇するため、長時間の使用に耐えられないという課題があった。
【０００８】
このエレクトレットフィルタの課題を解決するには、フィルタの面積を拡大すれば、ある程度改善できるが、例えば、人間の顔面に着ける使い捨ての防塵マスクであれば、その拡大できる面積にも自ずと限度があり、この課題の根本的な解決策とはならない。
【０００９】
又、帯電加工不織布のエレクトレットフィルタは、捕集フィルタ層が厚く、繊維が樹脂加工されているため、成形，溶着等の後加工が困難で、用途が限定されるという課題がある。
【００１０】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、粉塵等の捕集効率が高く、フィルタ内部に粉塵等を捕集して保持できる量が多くて、粉塵等の堆積による通気抵抗の上昇が緩やかで、長時間の使用に耐えられるフィルタを提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、合成樹脂をメルトブローして製造した繊維径７〜１５μｍの極細繊維からなるエレクトレット化されたメルトブロー不織布と、このエレクトレット化されたメルトブロー不織布と、少なくとも繊維径１５μｍ以上の羊毛及び合成繊維を樹脂加工して機械的に二次加工を施した帯電加工繊維とを解繊して混合した混合ウェッブと、スパンボンド不織布からなるプレフィルタとを順次積層したフィルタである。なお、スパンボンド不織布の代わりに、エレクトレット化されたメルトブロー不織布と混合ウェッブとに積層した状態で切断及び熱溶着できる不織布を積層してもよい。
【００１２】
請求項３に係る発明は、合成樹脂をメルトブローして製造した繊維径７〜１５μｍの極細繊維からなるエレクトレット化されたメルトブロー不織布に、このエレクトレット化されたメルトブロー不織布と、少なくとも繊維径１５μｍ以上の羊毛及び合成繊維を樹脂加工して機械的に二次加工を施した帯電加工繊維とを解繊して混合した混合ウェッブをクロスレイヤー方式で折り畳みながら積層し、且つ、スパンボンド不織布からなるプレフィルタを更に積層するフィルタの製造方法である。なお、スパンボンド不織布の代わりに、エレクトレット化されたメルトブロー不織布と混合ウェッブとに積層した状態で切断及び熱溶着できる不織布を積層してもよい。
【００１３】
本発明によれば、繊維径が極細のメルトブロー紡糸の繊維に、その繊維径より太い繊維径で、倦縮性及び繊維長を有する羊毛繊維を混合することにより、メルトブロー紡糸の繊維単体では困難であったウェッブ状への加工が容易となる上、層の厚みを保持する繊維の混合割合を調整して繊維間空隙率を変化させることにより、粉塵等の捕集効率が高く、フィルタ内部に粉塵等を捕集して保持できる量が多くて、通気抵抗の上昇が緩やかで、長時間使用することができるようになる。
【００１４】
又、本発明によれば、羊毛と合成繊維とを混合して機械的二次加工を施すことにより帯電加工した不織布からマスク等を型抜きした後の原反を原料とすることもできる上、混合ウェッブを製造するカード機は繊維をウェッブ状に加工する一般的な機械で、エアーレイ等の加工機械より低価格であるため、製造原価を安くすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のフィルタの一部を破断した部分斜視図で、このフィルタは、合成樹脂をメルトブローして製造した繊維径７〜１５μｍの極細繊維からなるメルトブロー不織布１と、このメルトブロー不織布１と、裁断布等の繊維と、少なくとも繊維径１５μｍ以上の羊毛及びポリエステル，ポリアミド，ポリプロピレン等の合成繊維（以下「羊毛を基材とする繊維」という）を樹脂加工して機械的に二次加工を施した帯電加工繊維とを解繊して混合した上、クロスレイヤー方式で折り畳まれた混合ウェッブ２と、スパンボンド不織布３とを順次積層したものである。
【００１６】
このように、極細の合成繊維からなるメルトブロー不織布をウェッブに多く混合した混合ウェッブ２を使用することにより、空隙率が低下して、空気の流れが早くても、捕集効率が高く且つ保持量が多くなると共に、溶着し易くなって、使い捨て式マスク等にも加工できるようなる。
【００１７】
（製造方法）
次に、本発明のフィルタの原反の製造方法について説明する。
【００１８】
フィルタ原反（図示しない）、すなわちメルトブロー紡糸繊維のエレクトレットフィルタと羊毛を基材とする繊維からなる帯電加工樹脂のエレクトレットフィルタとは、それぞれ、ベルトコンベア４によって矢印Ｘ方向に搬送されて、矢印Ｙ方向に回転する解繊機５のスパイク，ストリッパーローラ，ビータ６等によって繊維が解かれ且つ除塵される〔以下「解繊」という（図２参照）〕。
【００１９】
そして、解繊機５で解繊されたメルトブロー紡糸繊維のエレクトレットフィルタの繊維は、ブロワー７によってダクト８からサイクロン９に送られて、繊維長１〜２０ｍｍの短繊維に分級された上、この繊維を原料Ａとしてホッパ１０に送る（図２及び図３参照）。
【００２０】
又、解繊機５で解繊された帯電加工繊維のエレクトレットフィルタの繊維は、ブロワー７によってダクト８からサイクロン１１に送って、繊維長１０〜５０ｍｍの長繊維を分級し、この繊維を原料Ｂとしてホッパ１２に送る（図３参照）。
【００２１】
そこで、定量の原料Ａをホッパ１０から連続して送り出して、矢印Ｚ方向に走行するベルトコンベア１３（図３参照）の上に原料Ａを層状に堆積させると共に、定量の原料Ｂをホッパ１２から連続して送り出して、ベルトコンベア１３の上の層状の原料Ａの上に更に層状に原料Ｂとの混合比率Ａ：Ｂを調整する。
【００２２】
即ち、エレクトレット化されたメルトブロー不織布１を解繊した原料Ａと、樹脂加工及び機械加工によって帯電処理された羊毛を基材とする原料Ｂとの混合比率Ａ：Ｂは、ホッパ１０からの原料Ａの供給量とホッパ１２からの原料Ｂの供給量とを調整することによって設定できる。本発明において混合比率Ａ：Ｂは重量比で９０：１０〜３０：７０の範囲で調整可能であるが、７０：３０程度が最適である。
【００２３】
次に、ベルトコンベア１３の上に層状に堆積させた２種類の原料Ａ及び原料Ｂを図３のカード機１４に送って、原料Ａの極細のメルトブロー繊維と、原料Ｂの繊維径が太く、倦縮性及び繊維長を有する羊毛繊維とを混合し、且つ、原料Ａの短繊維を原料Ｂの長繊維に機械的に絡ませると、メルトブロー不織布に比較して繊維の充填密度の低い混合ウェッブ２が形成されると共に、このとき原料Ａ及び原料Ｂに加わる機械的外力によって、混合ウェッブ２の繊維の表面に静電気を生じる。
【００２４】
このようにして形成された混合ウェッブ２は、クロスレイヤー積層機１５（図３及び図４参照）に送られて、ベルトコンベア１６の上に積載されて搬送されてくる通気抵抗の低いポリエステル系の繊維によってスパンボンド方式で製造した不織布３（以下「スパンボンド不織布３」という）の上に、クロスレイヤー方式で折り畳まれながら積層される。
【００２５】
そして、スパンボンド不織布３の上にクロスレイヤー方式で折り畳み積層した混合ウェッブ２の上に更にメルトブロー不織布１を積層して、繊維の密度勾配を付けた原反１７が巻取軸１８に巻き取られていく（図４参照）。
【００２６】
なお、メルトブロー不織布と混合ウェッブとに積層した状態で切断及び熱溶着できる不織布であれば、スパンボンド不織布３に限定されるものではない。
【００２７】
（性能）
次に、本発明のフィルタの性能、特に捕集効率、通気抵抗及び堆積量について説明する。
【００２８】
図５及び（表１）は、粒径２μm以下の石英の粉塵が濃度３０mg／m³，線速６.７cm／secで流れるように通気しているときの、メルトブロー不織布１と混合ウェッブ２とスパンボンド不織布３とを積層した本発明の実施例のフィルタ（イ）と、メルトブロー不織布１とスパンボンド不織布３とを積層した従来例のフィルタ（ロ）と、混合ウェッブ２とスパンボンド不織布３とを積層した参考例のフィルタ（ハ）とにおける粉塵の堆積量と捕集効率或いは通気抵抗との関係を示したものである。
【００２９】
なお、捕集効率の測定は、光散乱方式により、フィルタサンプルの前側と後側との粉塵等の濃度差から求め、通気抵抗はフィルタサンプルの上流側と下流側との圧力差から求めた。
【００３０】
【表１】

【００３１】
図５及び（表１）に示すように、捕集効率は、石英の粉塵の堆積量が０mgから５０mgまで増加する間に、本発明の実施例のフィルタ（イ）によると、初期値の９９.９５％から最小値の９９.８８％まで０.０７％低下するだけで、捕集効率は一様に高く且つ捕集効率の低下もほとんど見られないのに対して、従来例のフィルタ（ロ）によると、静電気の低下に伴って初期値の９９.１６％から最小値の９９.０１％まで０.１５％も低下し、参考例のフィルタ（ハ）によると、初期値の９７.４１％から最小値の９２.５７％まで４.８４％も急激に低下してしまう。
【００３２】
又、通気抵抗は、石英の粉塵の堆積量が０mgから５０mgまで増加する間に、本発明の実施例のフィルタ（イ）によると、初期値の４.６mmH₂Oから５０mg堆積時の１２.３mmH₂Oまで７.７mmH₂O上昇し、参考例のフィルタ（ハ）によると、初期値の１.４mmH₂Oから５０mg堆積時の７.３mmH₂Oまで５.９mmH₂O上昇するだけで、通気抵抗の上昇はほとんど見られない。しかし、参考例（ハ）は捕集効率が低くて粉塵等の透過量が多いために、通気抵抗の上昇が低いともいえるので、捕集用フィルタとして適さない。これに対して、従来例のフィルタ（ロ）によると、粉塵の堆積によるフィルタの目詰りに伴って初期値の３.５mmH₂Oから５０mg堆積時の２８.３mmH₂Oまで２４.８mmH₂Oも急激に上昇してしまう。
【００３３】
この結果、本発明の実施例のフィルタ（イ）によれば、粉塵の捕集効率の向上と、フィルタ内部に粉塵等を捕集して保持できる量の増加とが容易に図れると共に、長時間の使用も可能になる。
【００３４】
図６及び表１は、粒径２μm以下の石英の粉塵が濃度３０mg／m³，線速６.７cm／secで流れるように通気しているときの、メルトブロー不織布１と混合ウェッブ２とスパンボンド不織布３とを積層した本発明の実施例のフィルタ（イ）と、１枚のメルトブロー不織布１とスパンボンド不織布３とを積層した従来例のフィルタ（ロ）と、２枚重ねのメルトブロー不織布１とスパンボンド不織布３とを積層した参考例のフィルタ（ニ）とにおける粉塵の堆積量と捕集効率或いは通気抵抗との関係をそれぞれ示したものである。
【００３５】
図６及び（表１）に示すように、捕集効率は、石英の粉塵の堆積量が０mgから５０mgまで増加する間に、本発明の実施例のフィルタ（イ）によると、初期値の９９.９５％から最小値の９９.８８％まで０.０７％低下し、参考例のフィルタ（ニ）によると、初期値の９９.８９％から最小値の９９.８７％まで０.０２％低下するだけで、本発明の実施例のフィルタ（イ）と参考例のフィルタ（ニ）とは共に捕集効率が一様に高く且つ捕集効率の低下もほとんど見られないのに対して、従来例のフィルタ（ロ）によると、初期値の９９.１６％から最小値の９９.０１％まで０.１５％も低下してしまう。
【００３６】
又、通気抵抗は、本発明の実施例のフィルタ（イ）によると、初期値の４.６mmH₂Oから５０mg堆積時の１２.３mmH₂Oまで７.７mmH₂O上昇するだけで、通気抵抗の上昇はほとんど見られないのに対して、従来例のフィルタ（ロ）によると、粉塵の堆積によるフィルタの目詰りに伴って初期値の３.５mmH₂Oから５０mg堆積時の２８.３mmH₂Oまで２４.８mmH₂Oも急激に上昇し、参考例のフィルタ（ニ）によると、初期値の５.２mmH₂Oから５０mg堆積時の２９.７mmH₂Oまで２４.５mmH₂Oも急激に上昇してしまう。
【００３７】
この結果、本発明の実施例のフィルタ（イ）によれば、粉塵の捕集効率の向上とフィルタ内部に粉塵等を捕集して保持できる量の増加とが容易に図れると共に、長時間の使用も可能になる。
【００３８】
図７及び表２は、粒径２μm以下の石英の粉塵が濃度３０mg／m³，線速６.７cm／secで流れるように通気しているときの、メルトブロー不織布の解繊体が７０％、羊毛を基材とした不織布の解繊体が３０％からなる原料をウェッブ状にした本発明の実施例の混合ウェッブ（ホ）と、羊毛を基材として帯電加工した不織布の解繊体が１００％の原料をウェッブ状にした上、ニードルパンチング加工によってフェルト状に加工した参考例のウェッブ（ヘ）とにおける粉塵の堆積量と捕集効率或いは通気抵抗との関係をそれぞれ示したものである。
【００３９】
【表２】

【００４０】
図７及び（表２）に示すように、捕集効率において、本発明の実施例の混合ウェッブ（ホ）の初期値が９７.８１％であるのに対して、参考例のウェッブ（ヘ）の初期値が９９.５２％で、参考例のウェッブ（ヘ）の初期値の方が高いのは、参考例のウェッブ（へ）が樹脂加工されたときの帯電作用（特公平３−３１４８３号公報及び特公平３−６３４０６号公報参照）によるものであり、又、本発明の実施例の混合ウェッブ（ホ）の最小値が９４.１７％であるのに対して、参考例のウェッブ（へ）の最小値が９１.８７％で、本発明の実施例の混合ウェッブ（ホ）の最小値の方が高いのは、本発明の実施例の混合ウェッブ（ホ）の空隙率が小さくて、濾過作用が強いためである。
【００４１】
なお、本発明の実施例の混合ウェッブ（ホ）及び参考例のウェッブ（ヘ）の通気抵抗は一様に低く且つ通気抵抗の上昇も緩やかである。
【００４２】
この特性は、空気の流れが早い空気調整機用のフィルタや、空気の流量を多くして防塵マスクのフィルタを試験する外国の規格等と比較するときに、有効である。
【００４３】
（使用例）
図８は、本発明のフィルタを使い捨ての防塵マスクに使用した例を示すもので、スパンボンド不織布３，混合ウェッブ２及びメルトブロー不織布１を積層した原反１７に、更に、フィルタを所定の形状、例えば半球状に保型する通気性の保型材１９を積層したものを型抜きした上、型抜きした接顔クッション２０との間に紐通し２１を挟みこんだ状態で加熱成形することにより、図８に示すような略半球状のマスクを製造する。なお、紐通し２１には、マスクを口の周囲に固定するために頭に掛ける紐２２がその長さが調整できるようにして取り付けられている。
【００４４】
図９は、図８に示した本発明のフィルタ、すなわちスパンボンド不織布３，混合ウェッブ２，メルトブロー不織布１，保型材１９を積層して型抜きした上、型抜きした接顔クッション２０との間に紐通し２１を挟みこんで加熱成形したマスクの特性（ト）と、従来のメルトブロー不織布からなるフィルタ、すなわちスパンボンド不織布，メルトブロー不織布，保型材を積層して型抜きした上、型抜きした接顔クッションとの間に紐通しを挟みこんで加熱成形したマスクの特性（チ）とを示す図で、マスクの形状は同一である。
【００４５】
なお、粒径２μm以下の石英の粉塵が濃度５mg／m³，流量４０l／minで流れるように通気したときの捕集率及び通気抵抗で示したもので、一般に、通気抵抗が１０mmH₂Oを超えると、呼吸が苦しくなると言われている。
【００４６】
そこで、５mg／m³の粉塵環境下で、通気抵抗が１０mmH₂Oに達するまでの時間を比較すると、従来のメルトブロー不織布からなるフィルタを使用したマスクは約８時間であるのに対して、本発明のフィルタを使用したマスクは約１４時間となり、従来のものより長時間使用できる。
【００４７】
なお、本発明のフィルタの使用例として使い捨ての防塵マスクで説明したが、これ以外のマスクのフィルタとしても使用できる上、空気調整機等のフィルタとしても使用できる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、粉塵等の捕集効率が高いメルトブロー不織布と、羊毛を基材とする繊維とを混合して機械的二次加工を施すことにより帯電加工した繊維を原料として使用した、通気抵抗が低く、フィルタの内部に粉塵等を捕集して保持できる量が多い混合ウェッブとを積層することにより、粉塵等の捕集効率が高く、通気抵抗の低減が緩やかで、フィルタの内部に粉塵等を捕集して保持できる量が多くて、長時間使用できるフィルタを提供できるという効果がある。
【００４９】
又、混合ウェッブは、羊毛と合成繊維とを混合して機械的二次加工を施すことにより帯電加工した不織布からマスク等を型抜きした後の原反を原料とすることができる上、混合ウェッブを製造するカード機は繊維をウェッブ状に加工する一般的な機械で、エアーレイ等の加工機械より低価格であるため、製造原価を安くできるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のフィルタの一部を破断した部分斜視図
【図２】本発明のフィルタを製造するために使用する解繊機の模式断面図
【図３】本発明のフィルタに使用する混合ウェッブの製造ラインの模式図
【図４】本発明のフィルタに使用する混合ウェッブの製造ラインにおけるクロスレイヤー積層機の模式図
【図５】本発明の実施例のフィルタと従来のフィルタと参考例のフィルタとにおける粉塵の堆積量と捕集効率或いは通気抵抗との関係を示す特性図
【図６】本発明の実施例のフィルタと従来のフィルタと参考例のフィルタとにおける粉塵の堆積量と捕集効率或いは通気抵抗との関係を示す特性図
【図７】本発明の実施例の混合ウェッブと参考例のウェッブとにおける粉塵の堆積量と捕集効率或いは通気抵抗との関係を示す特性図
【図８】本発明のフィルタを使用したマスクの一部を破断した斜視図
【図９】従来のフィルタを使用したマスクと本発明のフィルタを使用したマスクとの使用時間に対する捕集効率及び通気抵抗との関係を示す特性図
【符号の説明】
１メルトブロー不織布
２混合ウェッブ
３スパンボンド不織布
５解繊機
７ブロワー
８ダクト
９，１１サイクロン
１０，１２ホッパ
１４カード機
１５クロスレイヤー積層機
１９保型材
２０接顔クッション
２１紐通し
２２紐

Claims

合成樹脂をメルトブローして製造した繊維径７〜１５μｍの極細繊維からなるエレクトレット化されたメルトブロー不織布と、該エレクトレット化されたメルトブロー不織布と、少なくとも繊維径１５μｍ以上の羊毛を基材とする繊維とを解繊して混合してなり、クロスレイヤー方式で折り畳まれた混合ウェッブと、スパンボンド不織布とを順次積層してなることを特徴とするフィルタ。
前記スパンボンド不織布の代わりに、前記エレクトレット化されたメルトブロー不織布と前記混合ウェッブとに積層した状態で切断及び熱溶着できる不織布を積層してなることを特徴とする請求項１記載のフィルタ。
合成樹脂をメルトブローして製造した繊維径７〜１５μｍの極細繊維からなるエレクトレット化されたメルトブロー不織布に、該エレクトレット化されたメルトブロー不織布と、少なくとも繊維径１５μｍ以上の羊毛を基材とする繊維とを解繊して混合した混合ウェッブをクロスレイヤー方式で折り畳みながら積層した上、スパンボンド不織布を更に積層することを特徴とするフィルタの製造方法。
前記スパンボンド不織布の代わりに、前記エレクトレット化されたメルトブロー不織布と前記混合ウェッブとに積層した状態で切断及び熱溶着できる不織布を積層することを特徴とする請求項３記載のフィルタの製造方法。