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CN101795747B - 空气过滤器用过滤材料以及空气过滤器 - Google Patents

空气过滤器用过滤材料以及空气过滤器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种使用纳米纤维制过滤材料、且高风量低压损型的高性能的空气过滤器，其是通过密封材料将纳米纤维过滤材料折叠而成的过滤器组合件安装在过滤器框架中的空气过滤器。其中，作为所述纳米纤维过滤材料使用由具有如下性能的纳米纤维过滤材料构成的空气过滤器用过滤材料，即在过滤材料通过风速5.3cm/s时，捕集对象粒径0.3μm的性能指标为0.040(1/Pa)以上；捕集对象粒径0.1μm的性能指标为0.030(1/Pa)以上；捕集对象粒径0.05μm的性能指标为0.050(1/Pa)以上。

Description

空气过滤器用过滤材料以及空气过滤器
技术领域
本发明涉及一种使用了纳米纤维制过滤材料的空气过滤器用过滤材料以及高风量低压损型的高性能空气过滤器。 
背景技术
空气过滤器用过滤材料的高性能化是同时达到高效率和低压损。纳米纤维由纤维直径不到1μm(50～800nm)的纤维构成，其特征是细纤维多、纤维直径整齐。通常纤维直径越细，1根1根的纤维越能有效地捕集颗粒，并且所受到的阻力也越小。也就是说，效率变高，并且压损变低。此外，由于还具有因极细纤维表面上的中间流、所谓的“滑流”而带来的压损降低效果，因此认为纳米纤维有望实现过滤材料的高性能化。 
此外，当将半导体的布线间隔减少至纳米规格，则半导体制造工厂、半导体处理工厂等中被清理的颗粒也变为纳米规格，通过空气过滤器捕集这样的纳米颗粒时，过滤材料使用纳米纤维更为有效。 
作为纳米纤维的制造方法，有称为静电纺丝法(electro-spinning法)的方法。详细而言，已知的是通过对聚合物溶液施加正的高电压，并将其喷射到带负电的靶材上，由此来制造纳米纤维的方法，还研究了利用该纳米纤维来制造高性能空气过滤器用的过滤材料(参照非专利文献1)。 
然而，纳米纤维经由静电纺丝法集棉后的过滤材料，通过极细纤维致密地互相缠绕而使得纤维填充率变高，且像膜滤器过滤材料那样具有表面过滤起主导作用的内部结构，虽然能够高效地将颗粒除去，但由于压力损失变高等原因而没有达到实 用化。此外，还指出了由于过滤材料结构上存在气流的窜气等纤维填充不均匀，因此过滤材料内部的纤维、特别是细纤维未能被有效地使用，对于颗粒捕集也未能更有效地发挥作用等问题。因此，若降低纤维填充率，以改善纤维填充的不均匀性，则能够优化成深层过滤起主导作用的内部结构，能够实现更高性能化。 
另一方面，作为能够高效地除去纳米颗粒的低压损的过滤材料，提出了将大量纳米纤维和大量骨架颗粒以规定的比率混合而制成多孔性压缩层(参照专利文献1)。 
然而，在利用使很多纳米纤维和很多骨架颗粒以规定的比率分散于水等溶剂中、再从该混合物分散溶液中除去溶剂而制得的多孔性压缩层作为过滤材料时，存在如下问题。即，由于纳米纤维和骨架颗粒作为不同构件而混合，若利用干式法(不介于溶剂而在空气中混合的方法)作为混合方法，则由于混合时的不均匀的原因，在集棉后的干式无纺布层中由纤维之间、或者由纤维和颗粒之间形成的空隙的分布出现不均。此外，若利用通常的抄浆作为混合方法，则由于颗粒的沉降，颗粒向集棉网侧的表面偏移，整体上没有均匀分散，因此抄浆后的湿式无纺布层中由纤维和颗粒形成的空隙的分布出现不均。 
因此，作为空气过滤器的性能，使用纳米纤维制的过滤材料、且例如将处理风量70m3/min时的初期压损恒定地抑制在305Pa以下、将处理风量50m3/min时的初期压损恒定地抑制在220Pa以下是困难的，从节能性等观点出发，这样大的高风量时的初期压损对实用上获得充分的优势构成了阻碍，很难实现高风量低压损型的高性能的空气过滤器的产品化。 
非专利文献1：“采用了静电纺丝法的纳米纤维过滤器的制作及其性能评价”(静電紡糸法を用いたナノフアイバ一フイル タの作製及びその性能評価)(日本气溶胶学会第24次气溶胶科学·技术研讨会论文集2007年8月9日发行) 
专利文献1：日本特表2000-507382号公报 
发明内容
发明要解决的问题
因此，本发明的课题在于提供一种使用纳米纤维制的过滤材料、且高风量低压损型的高性能的空气过滤器。 
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，如权利要求1所述，本发明的空气过滤器用过滤材料的特征在于，由下述纳米纤维过滤材料构成，所述纳米纤维过滤材料，在过滤材料通过风速为5.3cm/s时，捕集对象粒径0.3μm的性能指标为0.040(1/Pa)以上，捕集对象粒径0.1μm的性能指标为0.030(1/Pa)以上，捕集对象粒径0.05μm的性能指标为0.050(1/Pa)以上。 
此外，权利要求2所述的空气过滤器用过滤材料的特征在于，在权利要求1所述的空气过滤器用过滤材料中，捕集对象粒径0.3μm的性能指标为0.060(1/Pa)以上，捕集对象粒径0.1μm的性能指标为0.040(1/Pa)以上，捕集对象粒径0.05μm的性能指标为0.070(1/Pa)以上。 
此外，权利要求3所述的空气过滤器用过滤材料的特征在于，在权利要求1或2所述的空气过滤器用过滤材料中，所述纳米纤维过滤材料的纤维填充率为0.01～0.25，纤维填充不均匀性为1.0～2.0。 
此外，权利要求4所述的空气过滤器用过滤材料的特征在于，在权利要求1～3中任一项所述的空气过滤器用过滤材料中，所述纳米纤维过滤材料由纤维和微珠制成。 
此外，权利要求5所述的空气过滤器用过滤材料的特征在于，在权利要求4所述的空气过滤器用过滤材料中，所述纤维的平均纤维直径为0.01～0.50μm，所述微珠的粒径为所述平均纤维直径的1～9倍。 
此外，如权利要求6所述，本发明的空气过滤器的特征在于，其为通过密封材料将纳米纤维过滤材料折叠而成的过滤器组合件安装在过滤器框架中的空气过滤器，作为所述纳米纤维过滤材料，使用权利要求1～5中任一项所述的空气过滤器用过滤材料。 
此外，权利要求7所述的空气过滤器的特征在于，在权利要求6所述的空气过滤器中，处理风量70m3/min时的初期压损为305Pa以下或处理风量50m3/min时的初期压损为220Pa以下，0.3μm颗粒的捕集效率为99.97％以上。 
附图说明
图1是表示用于实施发明的最佳方式的空气过滤器的说明图。 
图2是表示空气过滤器中使用的过滤材料的实施例和比较例的电子显微镜照片。 
图3是表示用于制作过滤材料的制造装置的说明图。 
图4是表示过滤材料的制造方法的说明图。 
图5是表示过滤材料的其它制造方法的说明图。 
附图标记说明
1空气过滤器 
2过滤材料 
3隔板 
4过滤器组合件 
5密封材料 
6过滤器框架 
7超细纤维 
8微珠 
9念珠状纤维 
10空隙 
11聚合物溶液 
11a聚合物溶液 
11b聚合物溶液 
12壳体 
13注射器 
13a注射器 
13b注射器 
14铝板 
具体实施方式
以下，参照所附附图对用于实施本发明的空气过滤器的最佳方式进行说明。 
如图1所示，本方式的空气过滤器1如下构成：过滤材料2折叠成锯齿状(闪电形状)，在折叠的过滤材料2的各部分之间安装隔板3使得该折叠的过滤材料2的各部分不与其它部分相接触而重叠，从而构成过滤器组合件4，该过滤器组合件4通过密封材料5被安装在过滤器框架6中。 
以后述实施例2的情况为例进行说明，如图2所示，过滤材料2，由线状的超细纤维7和粒状的微珠8相连的念珠状纤维(纳米纤维)9、和念珠状纤维9之间形成的空隙10而构成。制造过滤材料2时，可以使用原理上如图3、图4所示的静电纺丝法，将 在溶剂中溶解纳米纤维的原料而得到的聚合物溶液11加入到位于不锈钢制壳体12内部的注射器13中，在该注射器13侧与设置于同一壳体12内部的接地电极即铝板14之间施加高电压，聚合物溶液11从注射器13进行喷雾，由此能够在铝板14上制作过滤材料2。或者，以后述实施例1的情况为例进行说明，则如图5所示，(在壳体12的内部)准备两个注射器13a、13b，从装有聚合物溶液11a的注射器13a喷出超细纤维7’，从装有聚合物溶液11b的注射器13b喷出微珠8’，由此能够在铝板14’上制作由超细纤维7’、微珠8’以及由它们形成的空隙10’构成的过滤材料2’。 
作为纳米纤维的原料，例如在中等性能等级的通常用途的空气过滤器中可以使用聚氨酯(PU)，在具有耐化学药品性的空气过滤器中可以使用聚偏氟乙烯(PVDF)，在高性能等级的通常用途的空气过滤器中可以使用聚丙烯腈(PAN)，在具有耐热性和耐化学药品性的空气过滤器中可以使用聚醚砜(PES)。除此之外，作为能成为具有极性的液体的物质，还考虑利用尼龙、聚乙烯醇(PVA)、硅石(SiO2)、二氧化钛(TiO2)等。另一方面，作为溶剂，例如可以采用N，N-二甲基甲酰胺(DMF)。聚合物溶液的浓度不到2wt％时则无法纤维化，超过10wt％时则无法从注射器喷出，因此优选为2～10wt％。特别地，最优选为5～8wt％。 
此外，作为评价同时考虑了捕集效率和压力损失的性能的指标，常常利用透过率的对数与压力损失之比(-lnP/ΔP)。其通常被称为I值(性能指数，PerformanceIndex)或Q值(品质因数，QualityFactor)。由于性能指标具有风速依赖性、和粒径依赖性，因此若从具代表性的风速和粒径方面考虑，由纳米纤维构成的过滤材料，在过滤材料通过风速5.3cm/s时，捕集对象粒径0.3μm的性能指标为0.040(1/Pa)以上、优选为0.060(1/Pa) 以上。捕集对象粒径0.1μm的性能指标为0.030(1/Pa)以上、优选为0.040(1/Pa)以上。捕集对象粒径0.05μm的性能指标为0.050(1/Pa)以上、优选为0.070(1/Pa)以上。 
此外，关于过滤材料的纤维填充率(＝总纤维容积/过滤材料容积)，其高的话，则实现高效率的同时很可能变得高压损，因此其为0.01～0.25、优选为0.01～0.10。关于过滤材料的纤维填充不均匀性(＝压力损失的理论值/压力损失的实测值)，其若高的话，则由于纤维层内部发生空气的窜气，具有不利于纤维有效地捕集颗粒的可能性，因此其为1.0～2.0、优选为1.0～1.5。超细纤维的过滤材料中的容积率，根据与上述纤维填充率的关系，为1～25％、优选为1～10％。 
进而，关于超细纤维的平均纤维直径，其若小的话，则对捕集效率有效地发挥作用，因此其为0.01～0.50μm、优选为0.01～0.25μm。有关微珠的粒径，其若过小的话，则不能扩大纤维间距离，过滤材料无法制成所期望的低填充率之物，因而不能实现高效率、低压损。另一方面，其若过大的话，虽然降低了压力损失且提高了捕集效率，但不能确保每单位面积的纤维总长，因此不能提高具有一定厚度的过滤材料的整体效率。因此，微珠的粒径设为超细纤维的平均纤维直径的1～9倍。 
此外，若微珠8采用由PVA等材质获得的具有通气性的多孔质材，则能够提供与无孔质的微珠8相比低阻力的过滤材料。 
实施例 
以下，对本发明的实施例以及用于对照的比较例进行说明。 
[实施例1] 
首先，对并用了静电喷雾法和静电纺丝法的实施例(微珠和纤维的层压过滤材料)进行说明。 
利用静电喷雾法，在注射器13b侧和铝板14’之间施加电压 6～8kV，将在溶剂DMF中溶解有PMMA的浓度10wt％的聚合物溶液11b从注射器13b以流量6μl/min进行喷雾，制成平均粒径1～2μm的微珠8’ 
另一方面，利用静电纺丝法，对注射器13a侧和铝板14’之间施加电压7～10kV，将在溶剂DMF中溶解有PAN的浓度8wt％的聚合物溶液11a从注射器13a以流量8μl/min进行喷雾，制成平均纤维直径400nm～600nm的超细纤维7’。 
将由上述静电喷雾法制造的超细微珠8’和由静电纺丝法制造的超细纤维7’交替地堆积在铝板14’上，从而制成纤维填充率为0.05、纤维填充不均匀性为1.1、超细纤维7’的容积率为5％、包括保护层等在内的厚度为0.38mm、单位面积重量为91g/m2的过滤材料2’。这样获得的过滤材料2’的电子显微镜照片示于图2中。 
接着，采用28.4m2(/台)的该过滤材料2’，将其折叠成锯齿状，并用铝制的隔板3保持过滤材料2的锯齿(闪电形)部分的间隔，制作580×580×265mm的过滤器组合件4。 
然后，用聚氨酯制的密封材料5将过滤器组合件4和金属或木制的过滤器框架6的上下面进行面密封，利用聚氨酯等密封剂将过滤器组合件4和过滤器框架6的侧面以线状密封，制作610×610×290mm的空气过滤器1。 
[实施例2] 
接下来，对利用了静电纺丝法的实施例“由含有微珠的纤维的念珠状纤维构成的过滤材料”进行说明。 
在注射器13侧和铝板14之间施加电压8～12kV，将在DMF中溶解有PAN的浓度7wt％的聚合物溶液11从注射器13以流量4～6μl/min进行喷雾，在铝板14上堆积由400nm～600nm的超细纤维7和平均粒径1～2μm的超级细微珠8构成的念珠状纤维9， 制成纤维填充率为0.05、纤维填充不均匀性为1.1、超细纤维7的容积率为5％、包括保护层等在内的厚度为0.38mm、单位面积重量为91g/m2的过滤材料2。除此之外，与实施例1同样地制作空气过滤器。另外，过滤材料2的电子显微镜照片示于图2中。 
[实施例3] 
除了采用纤维填充率为0.113、纤维填充不均匀性为1.5、保护层等包括在内厚度为0.38mm、单位面积重量为91g/m2的仅由不含微珠的线状超细纤维构成的纳米纤维制过滤材料以外，与实施例1同样地制作空气过滤器。另外，过滤材料的电子显微镜照片示于图2中。 
[比较例] 
除了采用纤维填充率为0.065、纤维填充不均匀性为2.3、厚度为0.38mm、单位面积重量为70g/m2的玻璃纤维制过滤材料以外，与实施例1同样地制作空气过滤器。另外，过滤材料的电子显微镜照片示于图2中。 
关于这些实施例1、2、3及比较例中获得的各空气过滤器的特性，应用JIS B 9908(换气用空气过滤器、电集尘器的性能试验方法)的模式1(计数法)对捕集效率、压力损失进行了试验。该结果示于表1中。 
[表1] 
Figure GPA00001045743000101
表1中，捕集效率栏的“◎”表示0.3μm颗粒的捕集效率为99.97％以上。此外，关于压力损失，若处理风量为70m3/min时初期压损为250Pa以下则为“◎”，若超过250Pa且300Pa以下则为“○”，若超过300Pa则为“×”，若处理风量为50m3/min时初期压损为185Pa以下则为“◎”，若超过185Pa且220Pa以下则为“○”，若超过220Pa则为“×”。 
此外，关于过滤材料通过风速5.3cm/s时的、过滤材料的性能指标，对象粒径0.3μm栏的“◎”表示0.060(1/Pa)以上，“○”表示0.040(1/Pa)以上，“×”表示不到0.040(1/Pa)。对象粒径0.1μm栏的“◎”表示0.040(1/Pa)以上，“○”表示0.030(1/Pa)以上，“×”表示不到0.030(1/Pa)，对象粒径0.05μm栏的“◎”表示0.070(1/Pa)以上，“○”表示0.050(1/Pa)以上，“×”表示不到0.050(1/Pa)。 
由表1可知，过滤材料使用纳米纤维的实施例1、2、3的空气过滤器，由于在处理目标的处理风量下能够同时维持高捕集效率和低压力损失，从而节能性等优势大等，因此能够实现高风量低压损型的高性能的空气过滤器的产品化的可能性高。与此相对，过滤材料使用玻璃纤维的比较例的空气过滤器，由于在目标处理风量下不能同时维持高捕集效率和低压力损失，从而节能性等优势少，因此对于实现高风量低压损型的高性能的空气过滤器的产品化存在障碍。 
另外，本发明不限于以上说明的方式，例如可以利用实施例以外的原料制作过滤材料，或者也可以改变过滤器组合件中过滤材料的折叠方法。 
产业上的可利用性
本发明主要可以应用于高风量低压损型的HEPA，而且通过适当调整纤维直径、纤维填充率、过滤材料厚度等，也可以应用于ULPA等，具有产业上的可利用性。 

Claims (4)

1.一种空气过滤器用过滤材料，其特征在于，其由下述纳米纤维过滤材料构成，所述纳米纤维过滤材料在过滤材料通过风速5.3cm/s时，捕集对象粒径0.3μm的性能指标为0.060(1/Pa)以上，捕集对象粒径0.1μm的性能指标为0.040(1/Pa)以上，捕集对象粒径0.05μm的性能指标为0.070(1/Pa)以上，
所述纳米纤维过滤材料的纤维填充率为0.01～0.25，纤维填充不均匀性为1.0～2.0，
所述纳米纤维过滤材料由纤维和微珠制成，
所述纳米纤维过滤材料由线状的超细纤维和粒状的微珠相连的念珠状纤维、和所述念珠状纤维之间形成的空隙而构成。
2.根据权利要求1所述的空气过滤器用过滤材料，其特征在于，所述纤维的平均纤维直径为0.01～0.50μm，所述微珠的粒径为所述平均纤维直径的1～9倍。
3.一种空气过滤器，其特征在于，其为通过密封材料将纳米纤维过滤材料折叠而成的过滤器组合件安装在过滤器框架中的空气过滤器，作为所述纳米纤维过滤材料，使用权利要求1或2所述的空气过滤器用过滤材料。
4.根据权利要求3所述的空气过滤器，其特征在于，处理风量70m3/min时的初期压损为305Pa以下或处理风量50m3/min时的初期压损为220Pa以下，且0.3μm颗粒的捕集效率为99.97％以上。
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