JP7585653B2 - エレクトレットフィルター - Google Patents

Description

本発明はエレクトレットフィルターに関する。

従来、防塵マスク、各種空調用エレメント、空気清浄機、キャビンフィルター、各種装置において集塵、保護、通気などを目的とした多孔質フィルターが用いられている。

多孔質フィルターのうち繊維状物からなるフィルターは高い空隙率を持ち長寿命、低通気抵抗という利点を有しており幅広く用いられている。これら繊維状物からなるフィルターは、さえぎり、拡散、慣性衝突などの機械的捕集機構により繊維上に粒子を捕捉するが、実用的な使用環境において捕捉する粒子の空気力学相当径が０．１～１．０μｍ程度の場合にフィルター捕集効率の極小値を持つことが知られている。

上記の極小値におけるフィルター捕集効率を向上させるため、電気的な引力を併用する方法が知られている。例えば、被捕集粒子に電荷を与える方法、フィルターに電荷を与える方法、フィルターを電界中に設置する方法、これらを組み合わせた方法等である。フィルターに電荷を与えたものは、エレクトレットフィルターとして幅広く用いられている。

エレクトレットフィルターに関して、主成分であるポリプロピレン樹脂に加えて結晶核剤、変性ポリプロピレン、各種金属塩などを必要に応じて添加されたものが開示されている（特許文献１～４）。

特許第６３４６６４０号 特開２０１８－２０２３６９号公報 特表２０１８－５２３７６１号公報 特開２０１９－９３３６７号公報

現在、フィルターにおいて生産速度の向上や繊維径低減のため、高い紡糸温度が求められるようになってきている。本発明者の検討によると従来用いられる核剤は、２５０℃以上では熱分解が開始され、更には３００℃以上では核剤効果を失うばかりか分解物による臭気発生といった問題が発生することが明らかとなった。

そこで、本発明は上記課題に鑑みなされ、その目的は、高温での生産性及びエレクトレット特性に優れたエレクトレットフィルターを提供することにある。

上記課題を解決するために発明者らは鋭意検討し、その結果、遂に本発明を完成するに到った。すなわち、本発明は下記の通りである。
（１）ポリオレフィン樹脂のうちの５０重量％以上がポリプロピレン樹脂であるポリオレフィン樹脂を９０重量％以上、含窒素化合物を０．１重量％以上５重量％以下、及び酸化亜鉛粒子を０．１重量％以上９．９重量％以下含有し、３００℃昇温後のポリプロピレン樹脂由来の結晶化温度が１１５℃以上であることを特徴とするエレクトレットフィルター。
（２）前記含窒素化合物がヒンダードアミン系化合物である（１）に記載のエレクトレットフィルター。
（３）炭素数１０～５０の脂肪酸金属塩および又は炭素数１０～５０の脂肪酸を含有する（１）または（２）に記載のエレクトレットフィルター。
（４）メルトブローン法により得られる不織布である（１）～（３）のいずれか１つに記載のエレクトレットフィルター。

本発明のエレクトレットフィルターに含有される酸化亜鉛粒子は、高温でも熱分解されずに核剤効果を失うこともなく臭気も発生しない。よって、フィルターの製造において核剤として好適に作用する。よって、本発明により、生産性に優れたエレクトレットフィルターを得ることができる。

以下に本発明の実施の形態を説明する。

本発明のエレクトレットは、ポリオレフィン樹脂のうちの５０重量％以上がポリプロピレン樹脂であるポリオレフィン樹脂を９０重量％以上、含窒素化合物を０．１重量％以上５重量％以下、及び酸化亜鉛粒子を０．１重量％以上９．９重量％以下含有し、３００℃昇温後のポリプロピレン樹脂由来の結晶化温度が１１５℃以上である。

本発明のエレクトレットフィルターは、形状の自由度および素材自身の電荷安定性を考慮し、構成素材として疎水性かつ電気抵抗の高いポリオレフィン樹脂を９０重量％以上含有し、このうちポリプロピレン樹脂を５０重量％以上用いて成る。この場合に意味するところは、均質材料もしくは芯鞘の鞘部分、２種以上の混合繊維の場合は少なくとも一方の組成がポリオレフィンであり本発明の組成を有してなるものである。ポリオレフィン樹脂９０重量％以上含有することで、電気抵抗が高く、かつ、疎水性、成形性などのバランスが良好であり、エレクトレットフィルターの場合には、粒径０．３～０．５μｍの粒子の捕集効率（以下、単に捕集効率ということがある）に優れた、すなわち、実用性に優れたものにすることができる。

本発明のエレクトレットフィルターは、上記のポリオレフィン樹脂に対して１種類以上の含窒素化合物と酸化亜鉛粒子とが混合されてなる。これにより、特定組成と荷電法を組み合わせることにより、とりわけ高い初期電荷量と電荷安定性を付与される。

含窒素化合物の含有率としては、エレクトレットフィルターの０．１重量％以上５重量％以下が好ましく、より好ましくは０．５重量％以上３重量％以下であり、最も好ましくは０．７５重量％以上１．５重量％以下である。含有率が小さすぎる場合には電荷量が低くなり、大きすぎる場合には吸湿性の増大によりエレクトレットフィルターとしての安定性が失われる。

含窒素化合物としては所望の特性が得られるものであれば特に制限されないが、ヒンダードアミン系添加剤に代表されるようなアミノ基およびトリアジン構造の両者もしくは一方を含む化合物が好ましく用いられる。

ヒンダードアミン系もしくはトリアジン系添加剤としては、特に限定するわけではない
が、具体的には、ポリ〔（６－（１，１，３，３，－テトラメチルブチル）イミノ－１，
３，５－トリアジン－２，４－ジイル）（（２，２，６，６，－テトラメチル－４－ピペ
リジル）イミノ）ヘキサメチレン（（２，２，６，６，－テトラメチル－４－ピペリジル
）イミノ）〕（キマソーブ９４４ＬＤ、ＢＡＳＦ社製）、Ｎ，Ｎ’，４，７－テトラキス〔４，６－ビス［Ｎ－ブチル－Ｎ－（１，２，２，６，６－ペンタメチル－４－ピペリジル）アミノ]－１，３，５－トリアジン－２－イル〕－４，７－ジアザデカン－1，１０－ジアミン（キマソーブ１１９、ＢＡＳＦ社製）、ハコク酸ジメチル－１－（２－ヒドロキシエチル）－４－ヒドロキシ－２，２，６，６－テトラメチルピペリジン重縮合物（チヌビン６２２ＬＤ、ＢＡＳＦ社製）、２－（３，５－ジ－ｔ－ブチル－４－ヒドロキシベンジル）－２－ｎ－ブチルマロン酸ビス（１，２，２，６，６－ペンタメチル－４－ピペリジル）（チヌビン１４４、ＢＡＳＦ社製）、ジブチルアミン・１，３，５－トリアジン・Ｎ，Ｎ’－ビス（２，２，６，６ーテトラメチルー４－ピペリジル－１，６－ヘキサメチレンジアミン・Ｎ－（２，２，６，６ーテトラメチルー４－ピペリジル）ブチルアミンの重縮合物（キマソーブ２０２０ＦＤＬ、ＢＡＳＦ社製）、２－（４，６－ジフェニル－１，３，５－トリアジン－２－イル）－５－（（ヘキシル）オキシ）－フェノール（チヌビン１５７７ＦＦ、ＢＡＳＦ社製）などが挙げられる。

酸化亜鉛粒子の含有率に関しては、０．１重量％以上９．９重量％以下であることが好ましく、より好ましくは０．５重量％以上７重量％以下であり、更に好ましくは０．７重量％以上５重量％以下であり、最も好ましくは１重量％以上３重量％以下である。

酸化亜鉛粒子の形状に関しては特に限定するものではないが、球形、円筒形、矩形、針状、板状などを好ましく用いることが可能であり、より好ましくは球形、矩形、板状、最も好ましくは球形である。また、２成分以上から構成されていてもよく、この場合は芯鞘構造の外表面が酸化亜鉛であることが好ましい。

酸化亜鉛粒子の粒子径（直径）に関しては特に制限されないが、二次粒子径として５μｍ～０．０１μｍであることが好ましく、より好ましくは０．０２～２μｍであり、更に好ましくは０．０３～１．５μｍであり、最も好ましくは０．０５～１μｍである。粒子径が大きい場合には樹脂成分との接触面積が不足することで効果が小さくなるとともに、樹脂の成型特性が失われる。

また酸化亜鉛粒子に関しては、流動性、分散性などを考慮し、各種分散剤や粘着防止剤をコーティングして用いることが知られている。本発明のエレクトレットフィルターにおいては、繊維状物の場合には紡糸もしくはマスターバッチ化の時点で揮散もしくは分解されてなるものが好ましい。すなわち、これらの成分は窒素中の加熱減量特性において２５０℃から５５０℃における加熱減量が１０重量％以下であることが好ましく、より好ましくは上記加熱減量が５重量％以下であり、最も好ましくは上記加熱減量が１重量％以下である。好ましい様態としては、紡糸と同一のポリプロピレン樹脂に予め分散させ、マスターバッチ化の時点で酸化亜鉛粒子のみとしておくことである。

本発明のエレクトレットフィルターにおいては、酸化亜鉛粒子と併用して、脂肪酸および／または脂肪酸金属塩を含有していてもよい。脂肪酸基は特に限定するわけではないが、直鎖飽和脂肪酸基を有するものが好ましく、脂肪酸基は炭素数１０～５０のものが好ましい。具体的には、ラウリル酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸等が挙げられる。金属元素としては亜鉛、アルミニウム、マグネシウムが好ましい。酸化亜鉛粒子に脂肪酸および／または脂肪酸金属塩を併用することで、脂肪酸金属塩からの遊離脂肪酸を低減し、酸化亜鉛からの遊離イオンを補足するためである。脂肪酸および／または脂肪酸金属円は紡糸時に添加してもよいし、予め酸化亜鉛粒子と混合して用いてもよい。

好ましく用いられる脂肪酸および／または脂肪酸金属塩の添加量は、エレクトレットフィルターに対し０．１重量％以上５重量％以下の範囲であり、より好ましくは０．１５重量％以上２重量％以下であり最も好ましくは０．２重量％以上１重量％以下である。

本発明のエレクトレットフィルターは、３００℃昇温後のポリプロピレン樹脂由来の結晶化温度が１１５℃以上である。結晶化温度の測定については後述する。ポリプロピレン樹脂単体の結晶化温度は１１０℃前後であるが、それよりも高いことで、本発明のエレクトレットフィルターは、製造時において高温での紡糸性に優れ、生産速度を向上させられ、繊維径を小さくできる。本発明により、生産性を向上させて、電荷安定性や嵩高さに優れたエレクトレットフィルターを提供することができる。

本発明のエレクトレットフィルターは、必要とされるあらゆる形状を有してよいが、繊維状物として形成されるのが好ましい。

繊維状物とは、長繊維または短繊維からなる織編物、不織布、綿状物等の繊維状物や延伸フィルムから得られる繊維状物を含むものであり、用途に応じて適当な形状および厚みに成形できる。エレクトレットフィルターは、特に、不織布であると使用にも取り扱いにも好適である。

不織布を得る方法としては、単成分繊維、芯鞘繊維やサイドバイサイド繊維といった複合繊維、分割繊維等の短繊維をカーディング、エアレイド、湿式抄紙法などによりシート化する方法、連続繊維よりなるスパンボンド法、メルトブローン法、エレクトロスピニング法、フォーススピニング法などにより得る方法など、従来公知の方法を用いることが可能である。なかでも、機械的捕集機構を効果的に利用する観点から緻密で細繊度を容易に得られるメルトブローン法、エレクトロスピニング法やフォーススピニング法で得られる不織布が好ましく、残溶剤の処理を必要としない観点からメルトブローン法、溶融エレクトロスピニング法や溶融フォーススピニング法で得られる不織布がより好ましい。

特に高温での紡糸性とエレクトレット特性に優れることから、本発明のエレクトレットフィルターは、不織布とする場合、メルトブローン法ならびにスパンボンド法を用いて製造することが好ましく、特にメルトブローン法で製造するのが好ましい。

本発明のエレクトレットフィルターは、繊維状物である場合、繊維径（直径）は、０．００１～１００μｍであることが好ましく、０．００５～２０μｍであることがより好ましく、０．０１～１０μｍであることがさらに好ましく、０．０２～５μｍであることが特に好ましく、０．０３～３μｍであることが最も好ましい。繊維の直径が１００μｍよりも太い場合には、フィルターとしての実用的な捕集効率を得ることが困難であり、電荷減衰時の効率低下が大きい。繊維の直径が０．００１μｍよりも小さい場合には、エレクトレットとしての電荷を付与することが困難である。

本発明のエレクトレットフィルターは、繊維状物である場合、単独の製法、繊維からなる均一物であってもよく、製法、素材および繊維径の異なる２種以上の繊維を用いてなる混合物であってもよい。上述のとおり、エレクトレット特性を有する部分の少なくとも一部が本発明の組成であることが特性発現に必要なことである。

本発明のエレクトレットフィルターにおけるエレクトレット化（荷電）法は使用時に所望の特性が得られるものであれば特に制限されないが、液体との接触ならびに衝突を利用した方法を好ましく用いることができる。より具体的には、エレクトレット化前のフィルターに、吸引、加圧、噴出などの方法により液体を接触させて荷電させることで、高い電荷量および濾過特性を有するエレクトレットフィルターを得ることができる。

上記の液体は所望の特性が得られるものであれば特に制限されないが、取扱い性ならびに性能面から鑑みて、水または水を主成分とした液体を用いることが好ましい。また、水の導電率ならびにｐＨ、混合される副成分に関しては必要に応じて調整することができる。エレクトレットフィルターの製造においては、ｐＨ１～１１かつ導電率１００μＳ以下の水を用いることが好ましい。

本発明のエレクトレットフィルターは必要に応じて他の構成部材と併用してもよい。すなわち、プレフィルター層、繊維保護層、補強部材、または機能性繊維層などと組み合わせて用いることも可能である。また、本発明のエレクトレットフィルターは、形状を例えばプリーツ状などに加工して用いてもよい。

本発明のエレクトレットフィルターは、フィルターとしての集塵、保護、通気、防汚、防水などの機能により幅広く用いることが可能であり、とりわけ、防塵マスク、各種空調用エレメント、空気清浄機、キャビンフィルター、各種装置の保護を目的としたフィルターとして好適に用いることができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
〔濾材品質係数（ＱＦ値）〕
エレクトレット電荷量およびフィルター性能の指標として下記で定められるＱＦ値を用いた。
ＱＦ[ｍｍＡｑ^-１]＝－（ｌｎ（粒子透過率）／（通気抵抗））

（粒子透過率）
７２ｍｍφに打ち抜いた試料を有効通気径５０ｍｍφのアダプターに装着し、光散乱式粒子計数装置リオン社製ＫＣ－０１Ｅを用いて以下の条件にて、粒子透過率を算出した。
評価粒子：大気塵粒子
風速 ：１０ｃｍ／ｓ
粒子個数：光散乱計数法による０．３～０．５μｍの粒子を算出
粒子透過率＝試料下流側粒子個数／試料上流側粒子個数

（通気抵抗）
７２ｍｍφに打ち抜いたサンプルを有効通気径５０ｍｍφアダプターに装着し、微差圧計を接続した内径５０ｍｍの配管を上下に連結、１０ｃｍ／ｓにて通風し、絞りの無い状態での通気抵抗（圧力損失）（ｍｍＡｑ）を計測した。

〔結晶化温度〕
ＪＩＳ Ｋ７１２１ プラスチックの転移温度測定方法に従って、Ｔｇ－ＤＴＡ装置を用い、窒素中にて１０℃／ｍｉｎの条件で５０℃から３００℃に昇温しそこから５０℃に冷却し、冷却時の頂点温度をＰＰ由来の結晶化温度とした。
＜実施例１＞
ＭＦＲ１２００のポリプロピレンホモポリマーを９４重量％でと、ＢＡＳＦ社Ｃｈｉｍａｓｓｏｒｂ９４４を１重量％と、２５０～５５０℃における熱重量減少１重量％以下の平均粒子径０．７５μｍの酸化亜鉛粒子を５重量％と、を混合し、メルトブローン装置を用い、樹脂温度２６５℃、空気温度２６５℃にて紡糸し、目付２０ｇ／ｍ^２の不織布シートを得た。得られた不織布シートに対し電気伝導度０．７μＳ、ｐＨ６．８の水を衝突させることで荷電を行った後に１００℃にて３０分放置して乾燥させて、エレクトレットフィルターを得た。エレクトレットフィルターの通気抵抗は３．４７ｍｍＡｑ、フィルター性能を表すＱＦ値は１．６３ｍｍＡｑ^-１、結晶化温度は１３８℃であった。

＜実施例２＞
紡糸時の樹脂温度ならびに空気温度を３００℃とした以外は実施例１と同様の操作を行ってエレクトレットフィルターを得た。エレクトレットフィルターの通気抵抗は５．６０ｍｍＡｑ、ＱＦ値は１．３３ｍｍＡｑ^-１、結晶化温度は１３６℃であった。

＜実施例３＞
ポリプロピレンホモポリマーを８４．６重量部、三井化学ポリメチルペンテン樹脂ＤＸ８２０を９．４重量部とした以外は実施例１と同様の操作を行った。通期抵抗は３．３５ｍｍＡｑ、フィルター性能を示すＱＦは１．７３ｍｍＡｑ^-１、結晶化温度は１３７℃であった。

＜実施例４＞
マグネシウムジステアレートを０．１重量部添加した以外は実施例１と同様の操作を行った。通気抵抗は３．５２ｍｍＡｑ、ＱＦ値は１．６５ｍｍＡｑ^-１、結晶化温度は１３７℃であった。であった。

＜比較例１＞
酸化亜鉛粒子の代わりにジベンジリデンソルビトールを０．３重量％用いた以外は実施例１と同様の操作を行った。紡糸時および不織布シートからベンズアミド臭が確認された。エレクトレットフィルターの通気抵抗は３．６８ｍｍＡｑ、ＱＦ値は１．２６ｍｍＡｑ^-１、結晶化温度は１１２℃であった。

＜比較例２＞
酸化亜鉛粒子の代わりに１,３,５－トリス(２,２－ジメチルプロピオニルアミノ)ベンゼン ＣａｓＲＮ．７４５０７０－６１－５を０．０１重量％用いた以外は実施例２と同様の操作を行った。エレクトレットフィルターの通気抵抗は、６．２１ｍｍＡｑ、ＱＦ値は１．１３ｍｍＡｑ^-１、結晶化温度は１１４℃であった。

＜比較例３＞
酸化亜鉛粒子を除いた以外は実施例１と同様の操作を行った。エレクトレットフィルターの通気抵抗は３．７２ｍｍＡｑ^-１、ＱＦ値は１．１８ｍｍＡｑ^-１、結晶化温度は１１０℃であった。

実施例１～４は、比較例１～３に対して、フィルター性能と高温での生産性に優れたエレクトレットフィルターであることがわかる。

本発明のエレクトレットフィルターは、電高温での生産性及びエレクトレット特性に優れており、フィルター分野に大いに貢献できる。

Claims (1)

1. ポリオレフィン樹脂のうちの５０重量％以上がポリプロピレン樹脂であるポリオレフィン樹脂を９０重量％以上、ヒンダードアミン系化合物を０．１重量％以上５重量％以下、２５０～５５０℃における熱重量減少１重量％以下で二次粒子径が０．０１～５μｍである酸化亜鉛粒子を０．１重量％以上９．９重量％以下、及び炭素数１０～５０の脂肪酸金属塩および又は炭素数１０～５０の脂肪酸を含有しており、
   ３００℃昇温後のポリプロピレン樹脂単体由来の結晶化温度が１３６℃以上である不織布を、メルトブローン法により得るステップと、
   前記不織布をエレクトレット化するステップを含む、ことを特徴とするエレクトレットフィルターの製造方法。