JP4176932B2 - 水分吸脱着材料 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体中の水分を吸脱着する材料に関する。本発明は、特に、空調装置における湿度の調節に利用されるデシカント剤に関する。
【０００２】
【従来の技術】
除湿剤（デシカント剤）による水分の吸着／脱着処理が連続的に可能な装置を内蔵したデシカント空調装置が実用化されている。
【０００３】
このデシカント空調装置の性能は、その中で使用されるデシカント剤の性能によって大きく左右される。このデシカント剤としては、従来は、シリカゲルやゼオライトのような無機系デシカント剤が用いられてきた。デシカント剤は、室温で水分を吸着させ、また、一定時間の使用後に高温の空気を流すことによって水分を脱着させて吸着性能を再生させるというものであるが、これらの無機系材料は、耐熱性があるため、水分脱着に使用する再生用空気の温度を１００℃以上に設定することができ、２０℃での水分吸着と１００℃での水分脱着という広い温度範囲で、ある程度の性能を発揮することができた。
【０００４】
しかしながら、省資源・省エネルギー・地球環境保護の社会的背景により、デシカント剤の性能を更に向上させることが求められている。即ち、再生用空気の加熱温度、デシカント剤の熱容量、成形加工の容易性、廃棄物処理し易い材料の選定等に対する対策が急務である。
【０００５】
この対策の一つとして、水分吸脱着機能を有する有機高分子材料をを使用することも提案されており、これにより再生用空気の加熱温度を低下させることが可能であると示唆されている。このような水分吸脱着機能を有する有機高分子材料の代表的なものはイオン交換樹脂である。
【０００６】
有機高分子材料の水分吸脱着性能は、官能基（親水基）の種類と、高分子の構造に大きく依存している。親水基はその周囲に水を配位することによって水を吸着することができるが、有機高分子が、水分子が容易に親水基の周囲に拡散移動できる高分子構造を有していないと十分な水分吸脱着性能を期待することができない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来提案されている有機高分子材料よりなるデシカント剤は、イオン交換樹脂も含めて、全て高分子鎖が架橋構造を有するものであり、この架橋構造が水分子の拡散移動を阻害するので、親水基を有していながら十分な水分吸脱着性能が得られず、デシカント空調装置に装填するデシカント剤が大きくなったり、コストアップを招いていた。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記のような従来の有機高分子材料よりなるデシカント剤の問題点を解決して、水分吸脱着性能に優れた有機高分子水分吸脱着材料を提供するものである。
【０００９】
本発明は、有機高分子基材の主鎖上に、親水基を含む重合体側鎖を有することを特徴とする水分吸脱着材料に関する。
一般に、有機高分子よりなる水分吸脱着剤は、高分子主鎖に親水基を導入して水分吸脱着機能を持たせると共に、この親水基の導入によって生じる物理的強度の劣化を補うために高分子主鎖同士を架橋している。この代表的なものはイオン交換樹脂である。イオン交換樹脂においては、一般にスチレンモノマーを重合したポリスチレン主鎖に、スルホン基や４級アンモニウム基などのイオン交換基が導入されている。しかしながら、これらのイオン交換基は、水を吸着すると、基の周辺に水分子を数個配位して嵩張ってしまうために、このままでは樹脂の物理的強度が十分でなく、水にも溶解してしまう。イオン交換樹脂においては、この問題を解決するために、ジビニルベンゼンなどの架橋剤を加えてポリスチレン主鎖同士を架橋させている。これによって、樹脂の物理的強度が増し、水への溶解もなくなるが、その反面、架橋構造が形成されることによって、吸着速度や拡散速度等の吸着分離機能が低下するという問題が生じる。
【００１０】
本発明においては、有機高分子基材の高分子主鎖上に、親水基を含む重合体鎖の形態の側鎖を配置させることによって、高分子主鎖の物理的強度をそのまま保持しながら、優れた水分吸脱着性能を基材に付与することが可能なことを見出した。また、本発明に係る水分吸脱着材料は、高分子主鎖において架橋構造を有していないので、吸着／脱着速度及び拡散速度がともに大きく保持される。本発明に係る水分吸脱着材料においては、主鎖が物理的強度の維持や形状の保持の役割を担う。
【００１１】
本発明に係る有機高分子水分吸脱着材料において、高分子主鎖上に、親水基を含む重合体鎖の形態の側鎖を導入する手段としては、グラフト重合法を用いることができる。中でも、放射線グラフト重合法は、有機高分子基材に放射線を照射してラジカルを生成させ、それにグラフトモノマーを反応させることによって、所望のグラフト重合体側鎖を基材に導入することのできる方法であり、グラフト鎖の数や長さを比較的自由にコントロールすることができ、また、各種形状の既存の高分子材料に重合体側鎖を導入することができるので、本発明の目的のために用いるのに最適である。
【００１２】
本発明において、親水基を含む重合体鎖の形態の側鎖を導入する基材として用いることができる材料としては、高分子素材繊維やその集合体である織布や不織布を用いることができる。織布／不織布基材は、放射線グラフト重合用の基材として好適に用いることができ、また、表面積が大きく、更に軽量で成形加工するのが容易である。また、織布／不織布から製造した水分吸脱着材料は、従来用いられている架橋構造を有するイオン交換樹脂が焼却処理が容易でないのに比較して、廃棄処分の際の取り扱いも簡単で、容易に焼却処理することができる。
【００１３】
本発明の目的のために好適に用いることのできる放射線グラフト重合法において、用いることのできる放射線としては、α線、β線、γ線、電子線、紫外線などを挙げることができるが、本発明において用いるのにはγ線や電子線が適している。放射線グラフト重合法には、グラフト用基材に予め放射線を照射した後、重合性単量体（グラフトモノマー）と接触させて反応させる前照射グラフト重合法と、基材とモノマーの共存下に放射線を照射する同時照射グラフト重合法とがあるが、いずれの方法も本発明において用いることができる。また、モノマーと基材との接触方法により、モノマー溶液に基材を浸漬させたまま重合を行う液相グラフト重合法、モノマーの蒸気に基材を接触させて重合を行う気相グラフト重合法、基材をモノマー溶液に浸漬した後、モノマー溶液から取り出して気相中で反応を行わせる含浸気相グラフト重合法などが挙げられるが、いずれの方法も本発明において用いることができる。
【００１４】
繊維や繊維の集合体である織布／不織布は本発明の水分吸脱着材料用の有機高分子基材として用いるのに最も適した素材であるが、これはモノマー溶液を保持し易いので、含浸気相グラフト重合法において用いるのに適している。
【００１５】
本発明に係る有機高分子水分吸脱着材料において水分を吸脱着させる官能基である親水基としては、イオン交換基としてカチオン交換基及びアニオン交換基、並びに非イオン交換基から選択することができる。この中でも、イオン交換基を重合体グラフト側鎖上に有していると、隣り合うイオン交換基の電荷による反発力によってグラフト側鎖が広がり易くなって、水分子の拡散移動が促進されるので、本発明において好ましい。例えば、スルホン酸基は、マイナスの電荷を有しているため、近接するスルホン酸基の影響を受けてグラフト側鎖が反発して立ち上がり、グラフト側鎖のモビリティーが大きくなる。また、４級アンモニウム基の場合には、逆にプラスに電荷を帯びており、同様に近接する４級アンモニウム基の影響を受けてグラフト側鎖が反発して立ち上がる。
【００１６】
これら親水基を含む重合体側鎖を有機高分子材料の主鎖上に導入する手法としては、親水基を有する重合性単量体（モノマー）を主鎖上にグラフト重合する方法と、それ自体は親水基を有しないが、親水基を導入することが可能な重合性単量体を主鎖上にグラフト重合した後に、グラフトされた重合体側鎖上に親水基を導入する方法とを採用することができる。
【００１７】
イオン交換基であるカチオン交換基としては、スルホン酸基、リン酸基及びカルボキシル基が一般的であるが、いずれも本発明に係る有機高分子水分吸脱着材料における親水基として利用することができる。但し、カルボキシル基の場合、−ＣＯＯＨ型であれば解離しておらず、カルボキシル基間の水素結合のためにグラフト側鎖同士が絡み付いてしまう。これを解消するためには、−ＣＯＯＨ型からアルカリ塩型又はアルカリ土類塩型（−ＣＯＯＭｅ）に変換した方がよい。スルホン酸基、リン酸基の場合には、再生・非再生型を問わず、イオン交換基が解離しているのでカルボキシル基のような問題はないが、塩型にすると水分の吸脱着性能が変化し、また熱安定性も変化するので、塩型がよいかどうかは総合的に判断する必要がある。
【００１８】
スルホン酸基を有する重合性単量体としては、スチレンスルホン酸ナトリウム、ビニルスルホン酸ナトリウム、メタリルスルホン酸ナトリウム等が挙げられる。カルボキシル基を有する重合性単量体としては、アクリル酸、メタクリル酸等が挙げられる。スチレンスルホン酸ナトリウムとアクリル酸とを併用して複数のカチオン交換基を同時に導入することもできる。また、それ自体カチオン交換基を有しないが、カチオン交換基を導入することが可能な重合性単量体としては、メタクリル酸グリシジル、スチレン、アクリロニトリル、アクロレイン、クロロメチルスチレン等を挙げることができる。これらの重合性単量体をグラフト重合した後にカチオン交換基を導入する方法としては、公知の方法を採用することができる。例えば、スチレンをグラフト重合した後、硫酸やクロロスルホン酸を反応させてスルホン化することによって、スルホン酸基を重合体側鎖上に導入することができる。
【００１９】
これらのカチオン交換基を重合体側鎖上に導入すると、水分の吸着と共に、塩基性ガスの吸着除去及びプラスに帯電した粒子の除去も行うことが期待できる。本発明に係る有機高分子水分吸脱着材料における親水基として利用することができるアニオン交換基としては、４級アンモニウム基、３級アミノ基、２級アミノ基、１級アミノ基から選択される基を採用することができる。但し、４級アンモニウム基は、熱安定性が高くなく、アミン臭の発生があるため、用途が限定される。
【００２０】
アニオン交換基を有する重合性単量体としては、ビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロライド（ＶＢＴＡＣ）、ジメチルアミノエチルメタクリレート（ＤＭＡＥＭＡ）、ジエチルアミノエチルメタクリレート（ＤＥＡＥＭＡ）、ジメチルアミノプロピルアクリルアミド（ＤＭＡＰＡＡ）等が挙げられる。それ自体アニオン交換基を有しないが、アニオン交換基を導入することが可能な重合性単量体としては、メタクリル酸グリシジル、スチレン、アクリロニトリル、アクロレイン、クロロメチルスチレン等を挙げることができる。これらの重合性単量体をグラフト重合した後にアニオン交換基を導入する方法としては、公知の方法を採用することができ、例えば、クロロメチルスチレンをグラフト重合した後、基材をトリメチルアミン水溶液に浸漬して４級アンモニウム化を行うことによって、４級アンモニウム基を重合体側鎖上に導入することができる。
【００２１】
これらのアニオン交換基を重合体側鎖上に導入すると、水分の吸着と共に、酸性ガスの吸着除去及びマイナスに帯電した粒子の除去も行うことが期待できる。イオン交換性はないが親水基であるアミド基や水酸基も、本発明に係る有機高分子水分吸脱着材料における親水基として利用することができる。アミド基を有する重合性単量体としては、アクリルアミド、ジメチルアクリルアミド、メタクリルアミド及びイソプロピルアクリルアミド等が挙げられる。水酸基を有する重合性単量体としては、２−ヒドロキシエチルメタクリレート等が挙げられる。また、それ自体これらの親水基を有しないが、これらの親水基を導入することが可能な重合性単量体としては、メタクリル酸グリシジル、クロロメチルスチレン、酢酸ビニル等が挙げられる。これらの重合性単量体をグラフト重合した後に、親水基を導入する方法としては、公知の方法を採用することができ、例えば、メタクリル酸グリシジルをグラフト重合した後、硫酸水溶液で基材を加温処理してエポキシ基を開環させてジオール化することによって、水酸基を重合体側鎖上に導入することができる。
【００２２】
なお、異なる種類の複数の親水基をグラフト側鎖上に導入してもよい。例えば、４級アンモニウム基を有するビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロライド（ＶＢＴＡＣ）は、単独で放射線グラフト重合をすることが困難なので、アクリルアミド系の親水性モノマーやエステル系の親水性モノマーと併用する場合が多いが、この場合には、アニオン交換基である４級アンモニウム基と共に、非イオン交換基であるアミド基やエステル基が同時に導入される。このように異なる種類の複数の親水基がグラフト側鎖上に導入された有機高分子材料も、本発明に係る水分吸脱着材料として用いることができる。
【００２３】
本発明の水分吸脱着材料用の有機高分子基材としては、ポリオレフィン系の有機高分子基材が好ましく用いられる。ポリオレフィン系の有機高分子基材は、放射線に対して崩壊性ではないので、放射線グラフト重合法によってグラフト側鎖を導入する目的に用いるのに適している。
【００２４】
【発明の効果】
本発明に係る水分吸脱着材料は、有機高分子基材の主鎖上に、親水基を含む重合体側鎖を有していることを特徴としており、物理的強度が高く、また、水分子の吸脱着速度及び拡散速度が高いので、より優れた水分吸脱着性能を達成することができる。本発明に係る水分吸脱着材料は、加熱再生用空気の温度を低くしても、効率よく水分脱着を行うことができる。また、親水基としてアニオン交換基又はカチオン交換基を導入した場合には、水分に加えて、酸性ガス又は塩基性ガス、及び帯電した粒子も同時に吸脱着することができる。更には、従来のイオン交換樹脂等と比較して、焼却等の処理が簡単で、より軽量かつ安価に水分吸脱着材料を得ることができる。
【００２５】
以下、本発明の実施の種々の形態を説明する。これらの記載は、本発明を限定するものではない。
【００２６】
【実施例】
実施例１
有機高分子基材として、繊維径約１５μｍの、ポリエチレンテレフタレート（芯）／ポリエチレン（鞘）の複合繊維よりなる目付５０ｇ／ｍ²の熱融着不織布を用いた。この不織布基材に、ガンマ線を窒素雰囲気中で１５０ｋＧｙ照射した後、メタクリル酸グリシジルを含浸させ、５０℃で４時間反応させることによって、グラフト率１３３％のメタクリル酸グリシジルグラフト不織布を得た。このグラフト不織布を、亜硫酸ナトリウム水溶液８％、イソプロピルアルコール１２％の水溶液に浸漬し、８０℃で８時間加温処理して、中性塩分解容量２．８１ｍｅｑ／ｇの強酸性カチオン交換不織布材料を得た。
【００２７】
得られた不織布を１０ｃｍ角に切断し、塩酸で再生させた後、６０℃の乾燥器で３時間乾燥した。不織布試料を乾燥器から取り出し、相対湿度７０％、温度２５℃の室内の実験台上に静置し、空気中の水分の吸着による重量増加の経時変化を調べた。３分後の重量増加率は７％、１０分後は１２％と、高い水分吸着速度が得られた。
【００２８】
実施例２
実施例１で用いたものと同様の不織布基材に、実施例１と同様の方法で放射線照射した後、基材にクロロメチルスチレン溶液を含浸させて、４０℃で７時間反応させることによってクロロメチルスチレンをグラフト重合した。グラフト率は１１６％であった。この不織布を、１０％トリメチルアミン水溶液に浸漬し、５０℃で３時間反応させることにより、中性塩分解容量２．３２ｍｅｑ／ｇの強塩基性アニオン交換不織布材料を得た。
【００２９】
得られた不織布を１０ｃｍ角に切断し、水酸化ナトリウム水溶液で再生させた後、５０℃の乾燥器で５時間乾燥した。不織布試料を乾燥器から取り出し、相対湿度５５％、温度２２℃の室内の実験台上に静置し、空気中の水分の吸着による重量増加の経時変化を調べた。３分後の重量増加率は５．８％、１０分後は１０．３％と、高い水分吸着速度が得られた。
【００３０】
参考例
実施例１と同様の不織布基材に同様の方法で放射線照射した後、非イオン性の親水性モノマーであるアクリルアミドを不織布基材を含浸させ、５０℃で２時間反応させることによってアクリルアミドをグラフト重合した。グラフト率は１７３％であった。
【００３１】
得られた不織布を１０ｃｍ角に切断し、５０℃の乾燥器で５時間乾燥した。不織布試料を乾燥器から取り出し、相対湿度５５％、温度２２℃の室内の実験台上に静置し、空気中の水分の吸着による重量増加の経時変化を調べた。３分後の重量増加率は４．９％、１０分後は８．９％と、高い水分吸着速度が得られた。
【００３２】
実施例４
実施例１で製造した強酸性カチオン交換不織布と、３ｍｍ目の斜交網とを、のり巻き状に巻き、直径５０ｍｍのガラス管中に隙間がないように装填した。このガラス管に、相対湿度７０％の空気を流量５０Ｌ／分で流し、流出した空気を流しはじめから５分間採取した。採取された空気の相対湿度は４３％であった。更に、このガラス管に５５℃の空気を同一の流量で５分間流すことによって、不織布に吸着した水分を脱着させた。その後、再び相対湿度７０％の空気を同一流量で流し、流出した空気を採取した。採取された空気の相対湿度は４３％であり、不織布材料の水分吸脱着特性が繰り返し再現できることが確認された。
【００３３】
この不織布と斜交網との成形体の製造は極めて簡単であり、また不要となった成形体は容易に焼却処分が可能であった。
比較例１
市販の強酸性カチオン交換樹脂（三菱化学製、ダイヤイオンＳＫ１Ｂ）を、塩酸で再生及び乾燥した。次いで樹脂を粉砕器で粉砕して、粉末状のイオン交換樹脂を得た。これを、セラミック繊維とガラス繊維を主成分とする難燃紙に、接着剤を用いて接着した。
【００３４】
この粉末イオン交換樹脂接着紙を１０ｃｍ角に切断し、６０℃の乾燥器で３時間乾燥した。粉末イオン交換樹脂接着紙を乾燥器から取り出し、相対湿度７０％、温度２５℃の室内の実験台上に静置し、空気中の水分の吸着による重量増加の経時変化を調べた。３分後の重量増加率は３．５％、１０分後は７．１％という水分吸着速度が得られた。これは、実施例１の強酸性カチオン交換不織布材料よりも小さな値であった。
【００３５】
また、イオン交換樹脂の粉砕、粉砕したイオン交換樹脂の難燃紙への接着などの工程で手間がかかり、接着しなかった微細なイオン交換樹脂の周辺への飛散の問題があった。また、使用後の処分を想定して焼却処理したが、イオン交換樹脂が容易に燃えない等、問題が多かった。
【００３６】
本発明の実施態様は、以下の通りである。
１． 有機高分子基材の主鎖上に、親水基を含む重合体側鎖を有することを特徴とする水分吸脱着材料。
【００３７】
２． 前記有機高分子基材の形状が、繊維の集合体である織布又は不織布である上記第１項に記載の水分吸脱着材料。
３． 前記親水基を含む重合体側鎖が、放射線グラフト重合法を用いて有機高分子基材の主鎖上に導入されたものである上記第１項又は第２項に記載の水分吸脱着材料。
【００３８】
４． 前記親水基が、カチオン交換基、アニオン交換基、非イオン交換基から選択される上記第１項〜第３項のいずれかに記載の水分吸脱着材料。
５． 前記カチオン交換基が、スルホン酸基、リン酸基、カルボキシル基から選択される上記第４項に記載の水分吸脱着材料。
【００３９】
６． 前記アニオン交換基が、４級アンモニウム基、３級アミノ基、２級アミノ基、１級アミノ基から選択される上記第４項に記載の水分吸脱着材料。
７． 前記非イオン交換基が、アミド基、水酸基から選択される上記第４項に記載の水分吸脱着材料。
【００４０】
８． 有機高分子基材に、親水基を有する重合性単量体をグラフト重合するか、又は、親水基を導入することができる重合性単量体をグラフト重合した後に形成された重合体側鎖に親水基を導入することを特徴とする上記第１項〜第７項のいずれかに記載の水分吸脱着材料の製造方法。

Claims (2)

1. 架橋構造を有していないポリオレフィン系の有機高分子基材の主鎖上に、放射線グラフト重合法を用いて導入された、親水基を含む重合体側鎖を有する水分吸脱着材料であって、該親水基がスルホン酸基または４級アンモニウム基であり放射線グラフト重合後に導入されたものであることを特徴とする水分吸脱着材料。
2. ポリオレフィン系の有機高分子基材に、親水基を導入することができる重合性単量体を放射線グラフト重合した後に、放射線グラフト重合により形成された重合体側鎖にスルホン酸基または４級アンモニウム基から選択される親水基を導入する水分吸脱着材料の製造方法であって、主鎖に架橋構造を有していない有機高分子基材を用いることを特徴とする、前記製造方法。