空氣過濾器用過濾材料以及空氣過濾器的製作方法

2023-09-17 14:02:00

專利名稱：：空氣過濾器用過濾材料以及空氣過濾器的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種使用了納米纖維制過濾材料的空氣過濾器用過濾材料以及高風量低壓損型的高性能空氣過濾器。
背景技術：
：空氣過濾器用過濾材料的高性能化是同時達到高效率和低壓損。納米纖維由纖維直徑不到lym(50800nm)的纖維構成，其特徵是細纖維多、纖維直徑整齊。通常纖維直徑越細，1根1根的纖維越能有效地捕集顆粒，並且所受到的阻力也越小。也就是說，效率變高，並且壓損變低。此外，由於還具有因極細纖維表面上的中間流、所謂的"滑流"而帶來的壓損降低效果，因此認為納米纖維有望實現過濾材料的高性能化。此外，當將半導體的布線間隔減少至納米規格，則半導體製造工廠、半導體處理工廠等中被清理的顆粒也變為納米規格，通過空氣過濾器捕集這樣的納米顆粒時，過濾材料使用納米纖維更為有效。作為納米纖維的製造方法，有稱為靜電紡絲法(electro-spinning法)的方法。詳細而言，已知的是通過對聚合物溶液施加正的高電壓，並將其噴射到帶負電的靶材上，由此來製造納米纖維的方法，還研究了利用該納米纖維來製造高性能空氣過濾器用的過濾材料(參照非專利文獻1)。然而，納米纖維經由靜電紡絲法集棉後的過濾材料，通過極細纖維緻密地互相纏繞而使得纖維填充率變高，且像膜濾器過濾材料那樣具有表面過濾起主導作用的內部結構，雖然能夠高效地將顆粒除去，但由於壓力損失變高等原因而沒有達到實用化。此外，還指出了由於過濾材料結構上存在氣流的竄氣等纖維填充不均勻，因此過濾材料內部的纖維、特別是細纖維未能被有效地使用，對於顆粒捕集也未能更有效地發揮作用等問題。因此，若降低纖維填充率，以改善纖維填充的不均勻性，則能夠優化成深層過濾起主導作用的內部結構，能夠實現更高性能化。另一方面，作為能夠高效地除去納米顆粒的低壓損的過濾材料，提出了將大量納米纖維和大量骨架顆粒以規定的比率混合而製成多孔性壓縮層(參照專利文獻1)。然而，在利用使很多納米纖維和很多骨架顆粒以規定的比率分散於水等溶劑中、再從該混合物分散溶液中除去溶劑而製得的多孔性壓縮層作為過濾材料時，存在如下問題。即，由於納米纖維和骨架顆粒作為不同構件而混合，若利用乾式法(不介於溶劑而在空氣中混合的方法)作為混合方法，則由於混合時的不均勻的原因，在集棉後的乾式無紡布層中由纖維之間、或者由纖維和顆粒之間形成的空隙的分布出現不均。此外，若利用通常的抄漿作為混合方法，則由於顆粒的沉降，顆粒向集棉網側的表面偏移，整體上沒有均勻分散，因此抄漿後的溼式無紡布層中由纖維和顆粒形成的空隙的分布出現不均。因此，作為空氣過濾器的性能，使用納米纖維制的過濾材料、且例如將處理風量70mVmin時的初期壓損恆定地抑制在305Pa以下、將處理風量50m3/min時的初期壓損恆定地抑制在220Pa以下是困難的，從節能性等觀點出發，這樣大的高風量時的初期壓損對實用上獲得充分的優勢構成了阻礙，很難實現高風量低壓損型的高性能的空氣過濾器的產品化。非專利文獻1:"採用了靜電紡絲法的納米纖維過濾器的製作及其性能評價"(靜電紡糸法企用^t*乂77<K—7O夕作製及子性能評価)(日本氣溶膠學會第24次氣溶膠科學技術研討會論文集2007年8月9日發行)專利文獻1:日本特表2000-507382號公報
發明內容制月蒲糾響頁因此，本發明的課題在於提供一種使用納米纖維制的過濾材料、且高風量低壓損型的高性能的空氣過濾器。肝碰l、口扁勺錄為了解決上述問題，如權利要求l所述，本發明的空氣過濾器用過濾材料的特徵在於，由下述納米纖維過濾材料構成，所述納米纖維過濾材料，在過濾材料通過風速為5.3cm/s時，捕集對象粒徑0.3iim的性能指標為0.040(1/Pa)以上，捕集對象粒徑0.1ym的性能指標為0.030(1/Pa)以上，捕集對象粒徑0.05iim的性能指標為0.050(1/Pa)以上。此外，權利要求2所述的空氣過濾器用過濾材料的特徵在於，在權利要求1所述的空氣過濾器用過濾材料中，捕集對象粒徑0.3iim的性能指標為0.060(1/Pa)以上，捕集對象粒徑0.1iim的性能指標為0.040(1/Pa)以上，捕集對象粒徑0.05ym的性能指標為0.070(1/Pa)以上。此外，權利要求3所述的空氣過濾器用過濾材料的特徵在於，在權利要求1或2所述的空氣過濾器用過濾材料中，所述納米纖維過濾材料的纖維填充率為0.010.25，纖維填充不均勻性為1.02.0。此外，權利要求4所述的空氣過濾器用過濾材料的特徵在於，在權利要求13中任一項所述的空氣過濾器用過濾材料中，所述納米纖維過濾材料由纖維和微珠製成。此外，權利要求5所述的空氣過濾器用過濾材料的特徵在於，在權利要求4所述的空氣過濾器用過濾材料中，所述纖維的平均纖維直徑為0.010.50iim，所述微珠的粒徑為所述平均纖維直徑的19倍。此外，如權利要求6所述，本發明的空氣過濾器的特徵在於，其為通過密封材料將納米纖維過濾材料摺疊而成的過濾器組合件安裝在過濾器框架中的空氣過濾器，作為所述納米纖維過濾材料，使用權利要求15中任一項所述的空氣過濾器用過濾材料。此外，權利要求7所述的空氣過濾器的特徵在於，在權利要求6所述的空氣過濾器中，處理風量70mVmin時的初期壓損為305Pa以下或處理風量50m3/min時的初期壓損為220Pa以下，0.3iim顆粒的捕集效率為99.97%以上。圖1是表示用於實施發明的最佳方式的空氣過濾器的說明圖。圖2是表示空氣過濾器中使用的過濾材料的實施例和比較例的電子顯微鏡照片。圖3是表示用於製作過濾材料的製造裝置的說明圖。圖4是表示過濾材料的製造方法的說明圖。圖5是表示過濾材料的其它製造方法的說明圖。酬feiP'綱1空氣過濾器2過濾材料3隔板4過濾器組合件5密封材料6過濾器框架7超細纖維8微珠9念珠狀纖維10空隙ll聚合物溶液lla聚合物溶液llb聚合物溶液12殼體13注射器13a注射器13b注射器14鋁板具體實施例方式以下，參照所附附圖對用於實施本發明的空氣過濾器的最佳方式進行說明。如圖l所示，本方式的空氣過濾器l如下構成過濾材料2摺疊成鋸齒狀(閃電形狀)，在摺疊的過濾材料2的各部分之間安裝隔板3使得該摺疊的過濾材料2的各部分不與其它部分相接觸而重疊，從而構成過濾器組合件4，該過濾器組合件4通過密封材料5被安裝在過濾器框架6中。以後述實施例2的情況為例進行說明，如圖2所示，過濾材料2，由線狀的超細纖維7和粒狀的微珠8相連的念珠狀纖維(納米纖維)9、和念珠狀纖維9之間形成的空隙10而構成。製造過濾材料2時，可以使用原理上如圖3、圖4所示的靜電紡絲法，將在溶劑中溶解納米纖維的原料而得到的聚合物溶液11加入到位於不鏽鋼製殼體12內部的注射器13中，在該注射器13側與設置於同一殼體12內部的接地電極即鋁板14之間施加高電壓，聚合物溶液11從注射器13進行噴霧，由此能夠在鋁板14上製作過濾材料2。或者，以後述實施例1的情況為例進行說明，則如圖5所示，(在殼體12的內部)準備兩個注射器13a、13b，從裝有聚合物溶液lla的注射器13a噴出超細纖維7'，從裝有聚合物溶液lib的注射器13b噴出微珠8'，由此能夠在鋁板14'上製作由超細纖維7'、微珠8'以及由它們形成的空隙10'構成的過濾材料2'。作為納米纖維的原料，例如在中等性能等級的通常用途的空氣過濾器中可以使用聚氨酯(PU)，在具有耐化學藥品性的空氣過濾器中可以使用聚偏氟乙烯(PVDF)，在高性能等級的通常用途的空氣過濾器中可以使用聚丙烯腈(PAN)，在具有耐熱性和耐化學藥品性的空氣過濾器中可以使用聚醚碸(PES)。除此之外，作為能成為具有極性的液體的物質，還考慮利用尼龍、聚乙烯醇(PVA)、矽石(Si0》、二氧化鈦(Ti02)等。另一方面，作為溶劑，例如可以採用N，N-二甲基甲醯胺(DMF)。聚合物溶液的濃度不到2wt^時則無法纖維化，超過10wt^時則無法從注射器噴出，因此優選為210wt%。特別地，最優選為58wt%。此外，作為評價同時考慮了捕集效率和壓力損失的性能的指標，常常利用透過率的對數與壓力損失之比(-lnP/AP)。其通常被稱為I值(性能指數，Performancelndex)或Q值(品質因數，QualityFactor)。由於性能指標具有風速依賴性、和粒徑依賴性，因此若從具代表性的風速和粒徑方面考慮，由納米纖維構成的過濾材料，在過濾材料通過風速5.3cm/s時，捕集對象粒徑0.3iim的性能指標為0.040(1/Pa)以上、優選為0.060(1/Pa)以上。捕集對象粒徑O.liim的性能指標為0.030(1/Pa)以上、優選為0.040(1/Pa)以上。捕集對象粒徑O.05iim的性能指標為0.050(1/Pa)以上、優選為0.070(1/Pa)以上。此外，關於過濾材料的纖維填充率(=總纖維容積/過濾材料容積)，其高的話，則實現高效率的同時很可能變得高壓損，因此其為0.010.25、優選為0.010.10。關於過濾材料的纖維填充不均勻性(=壓力損失的理論值/壓力損失的實測值)，其若高的話，則由於纖維層內部發生空氣的竄氣，具有不利於纖維有效地捕集顆粒的可能性，因此其為1.02.0、優選為1.01.5。超細纖維的過濾材料中的容積率，根據與上述纖維填充率的關係，為125%、優選為110%。進而，關於超細纖維的平均纖維直徑，其若小的話，則對捕集效率有效地發揮作用，因此其為0.010.50iim、優選為0.010.25iim。有關微珠的粒徑，其若過小的話，則不能擴大纖維間距離，過濾材料無法製成所期望的低填充率之物，因而不能實現高效率、低壓損。另一方面，其若過大的話，雖然降低了壓力損失且提高了捕集效率，但不能確保每單位面積的纖維總長，因此不能提高具有一定厚度的過濾材料的整體效率。因此，微珠的粒徑設為超細纖維的平均纖維直徑的19倍。此外，若微珠8採用由PVA等材質獲得的具有通氣性的多孔質材，則能夠提供與無孔質的微珠8相比低阻力的過濾材料。實施例以下，對本發明的實施例以及用於對照的比較例進行說明。[實施例1]首先，對並用了靜電噴霧法和靜電紡絲法的實施例(微珠和纖維的層壓過濾材料)進行說明。利用靜電噴霧法，在注射器13b側和鋁板14'之間施加電壓68kV，將在溶劑DMF中溶解有PMMA的濃度10wt^的聚合物溶液lib從注射器13b以流量6ii1/min進行噴霧，製成平均粒徑12iim的微珠8'。另一方面，利用靜電紡絲法，對注射器13a側和鋁板14'之間施加電壓710kV，將在溶劑DMF中溶解有PAN的濃度8wt%的聚合物溶液lla從注射器13a以流量8y1/min進行噴霧，製成平均纖維直徑400nm600nm的超細纖維7'。將由上述靜電噴霧法製造的超細微珠8'和由靜電紡絲法製造的超細纖維7'交替地堆積在鋁板14'上，從而製成纖維填充率為0.05、纖維填充不均勻性為1.1、超細纖維7'的容積率為5%、包括保護層等在內的厚度為0.38mm、單位面積重量為91g/m2的過濾材料2'。這樣獲得的過濾材料2'的電子顯微鏡照片示於圖2中。接著，採用28.4m2(/臺)的該過濾材料2，將其摺疊成鋸齒狀，並用鋁製的隔板6保持過濾材料2的鋸齒(閃電形)部分的間隔，製作580X580X265mm的過濾器組合件3。然後，用聚氨酯制的密封材料5將過濾器組合件4和金屬或木製的過濾器框架6的上下面進行面密封，利用聚氨酯等密封劑將過濾器組合件4和過濾器框架6的側面以線狀密封，製作610X610X290mm的空氣過濾器1。[實施例2]接下來，對利用了靜電紡絲法的實施例"由含有微珠的纖維的念珠狀纖維構成的過濾材料"進行說明。在注射器13側和鋁板14之間施加電壓812kV，將在DMF中溶解有PAN的濃度7wt^的聚合物溶液11從注射器13以流量46iU/min進行噴霧，在鋁板14上堆積由400nm600nm的超細纖維7和平均粒徑12ym的超級細微珠8構成的念珠狀纖維9，製成纖維填充率為O.05、纖維填充不均勻性為1.1、超細纖維7的容積率為5%、包括保護層等在內的厚度為0.38mm、單位面積重量為91g/m2的過濾材料2。除此之外，與實施例1同樣地製作空氣過濾器。另外，過濾材料2的電子顯微鏡照片示於圖2中。[實施例3]除了採用纖維填充率為0.113、纖維填充不均勻性為1.5、保護層等包括在內厚度為O.38mm、單位面積重量為91g/m2的僅由不含微珠的線狀超細纖維構成的納米纖維制過濾材料以外，與實施例1同樣地製作空氣過濾器。另外，過濾材料的電子顯微鏡照片示於圖2中。[比較例]除了採用纖維填充率為0.065、纖維填充不均勻性為2.3、厚度為0.38mm、單位面積重量為70g/m2的玻璃纖維制過濾材料以外，與實施例1同樣地製作空氣過濾器。另外，過濾材料2的電子顯微鏡照片示於圖2中。關於這些實施例1、2、3及比較例中獲得的各空氣過濾器的特性，應用JISB9908(換氣用空氣過濾器、電集塵器的性能試驗方法)的模式l(計數法)對捕集效率、壓力損失進行了試驗。該結果示於表1中。[表1]7tableseeoriginaldocumentpage8權利要求一種空氣過濾器用過濾材料，其特徵在於，其由下述納米纖維過濾材料構成，所述納米纖維過濾材料在過濾材料通過風速5.3cm/s時，捕集對象粒徑0.3μm的性能指標為0.040(1/Pa)以上，捕集對象粒徑0.1μm的性能指標為0.030(1/Pa)以上，捕集對象粒徑0.05μm的性能指標為0.050(1/Pa)以上。2.根據權利要求1所述的空氣過濾器用過濾材料，其特徵在於，捕集對象粒徑0.3m的性能指標為0.060(1/Pa)以上，捕集對象粒徑0.1iim的性能指標為0.040(1/Pa)以上，捕集對象粒徑0.05iim的性能指標為0.070(1/Pa)以上。3.根據權利要求1或2所述的空氣過濾器用過濾材料，其特徵在於，所述納米纖維過濾材料的纖維填充率為0.010.25，纖維填充不均勻性為1.02.0。4.根據權利要求13中任一項所述的空氣過濾器用過濾材料，其特徵在於，所述納米纖維過濾材料由纖維和微珠製成。5.根據權利要求4所述的空氣過濾器用過濾材料，其特徵在於，所述纖維的平均纖維直徑為0.010.50iim，所述微珠的粒徑為所述平均纖維直徑的19倍。6.—種空氣過濾器，其特徵在於，其為通過密封材料將納米纖維過濾材料摺疊而成的過濾器組合件安裝在過濾器框架中的空氣過濾器，作為所述納米纖維過濾材料，使用權利要求15中任一項所述的空氣過濾器用過濾材料。7.根據權利要求6所述的空氣過濾器，其特徵在於，處理風量70mVmin時的初期壓損為305Pa以下或處理風量50mVmin時的初期壓損為220Pa以下，且0.3ym顆粒的捕集效率為99.97%以上。全文摘要本發明提供一種使用納米纖維制過濾材料、且高風量低壓損型的高性能的空氣過濾器，其是通過密封材料將納米纖維過濾材料摺疊而成的過濾器組合件安裝在過濾器框架中的空氣過濾器。其中，作為所述納米纖維過濾材料使用由具有如下性能的納米纖維過濾材料構成的空氣過濾器用過濾材料，即在過濾材料通過風速5.3cm/s時，捕集對象粒徑0.3μm的性能指標為0.040(1/Pa)以上；捕集對象粒徑0.1μm的性能指標為0.030(1/Pa)以上；捕集對象粒徑0.05μm的性能指標為0.050(1/Pa)以上。文檔編號B01D46/52GK101795747SQ200880106108公開日2010年8月4日申請日期2008年3月31日優先權日2007年9月8日發明者包理,小林誠,新沼仁,林嗣郎,金鎮喆申請人:日本無機株式會社