JP4876397B2

JP4876397B2 - ガス吸着性シート

Info

Publication number: JP4876397B2
Application number: JP2005004155A
Authority: JP
Inventors: 慎一峯村
Original assignee: Toyobo Co Ltd
Current assignee: Toyobo Co Ltd
Priority date: 2005-01-11
Filing date: 2005-01-11
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2025-01-11
Also published as: JP2006192333A

Description

本発明は、粒状吸着材をシート状に成形した構造において安定した品質、及び脱落性の少ないシート、特に内燃機関に設置、あるいはキャニスタ近辺に設置する燃料タンクから発生する燃料蒸気の蒸散を抑制するフィルタ濾材に用いて好適な吸着性シートに関する。

従来から粒子状の吸着材を、熱可塑性樹脂、カバーシート間に挟み込み熱プレスし、不離一体構造の吸着性シートを製造する方法が知られている。このような構造を採用することによって、ハンドリング性が良好になり、更には安定した品質となるため、室内、自動車室内等に配設し空気浄化目的で使用されている。そしてその形状的は、プリーツ状、ハニカム状等、目的等に応じて更に成形されユニット化され使用される場合も多い。また、最近では自動車の内燃機関において発生する燃料蒸気が、大気に蒸散するのを抑止するための方法として、シート状に成形した吸着材や、更にプリーツ状にフィルタユニット化したものを内燃機関の吸気系等に設置する場合も多くなっている。

このようなフィルタに使用する吸着材は一般的にガス物理吸着能が大きいものを使用するが、一般に脆い性質であり、シート化時、あるいはフィルタユニット化時のプレス工程等の負荷、あるいは振動によって吸着材の破損等が発生し、通気抵抗がアップしたり脱落する等の問題が生じやすかった。そこで、吸着材自身の硬度をあげるため吸着材にバインダーを併用し造粒炭とする方法もあるが、必要とする硬度を得るために過度のバインダーの添加が必要となる場合もあり、この場合逆に吸着性能の低下が起こり実用上問題となる（例えば特許文献１、２参照）。
特開平１１−５０５８号公報特開２００４―１４３９５０号公報

また、粒状吸着材を粉末状熱可塑性樹脂と混合後、シート間に挟み込み、そのロール間で熱圧着する方法が開示されているが、この方法では圧着時に急激な力学的負荷がかかりやすく吸着材が脆い場合、安定した品質のものは得られにくい。更に、吸着材が潰れにくいように力学的負荷を小さく設定すれば、吸着材の移動等が発生し易く、接着性、通気抵抗の観点等で安定した品質のものを得ることができない。また、燃料タンクから発生する蒸気を吸着する目的で活性炭をシート間にサンドイッチする方法が開示されているが、上記要求を十分に満足するものは開示されていないのが現状である。

本発明は、上記従来技術の課題を背景になされたもので、硬度の小さい吸着材を使用した場合にでもシート化時にプレス等の力学的負荷をかけても、吸着材が潰れることなく、安定した品質を実現し、かつ脱落性にも問題のないシートを提供するものである。特に、内燃機関に設置、あるいはキャニスタ近辺に設置する燃料タンクから発生する燃料蒸気を吸脱着させるフィルタ用途において好適なシートを提供することを課題とするものである。

本発明者らは上記課題を解決するため、鋭意研究した結果、遂に本発明を完成するに到った。即ち、本発明は、（１）平均粒径が０．１〜２ｍｍの吸着材、熱可塑性樹脂、及びこれらを挟み込むカバーシートを熱圧着により接着一体化したシートであって、少なくとも片側のカバーシートの圧縮率が３０％以上、圧縮弾性率が６０〜１００％である吸着性シート、（２）吸着材が比表面積１２００ｍ²／ｇ以上である（１）に記載の吸着性シート、（３）吸着材のＪＩＳＫ１４７４による硬度が９３％以下である（１）又は（２）に記載の吸着性シート、
（４）吸着材の平均細孔径が１６〜３０Åである（１）〜（３）何れかに記載の吸着性シート、（５）燃料蒸気蒸散抑制用として使用される（１）〜（４）何れかに記載の吸着性シート、（６）吸着材が活性炭である（１）〜（５）何れかに記載の吸着性シートである。

本発明による濾材は、圧力、振動によって潰れやすい吸着材を、シート構造にする場合、吸着材の潰れ等もなく、安定した品質のシートを提供できる利点がある。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明に係る吸着性シートに用いられる吸着剤の平均粒子径は、吸着速度、通気性、吸着材の脱落、シート加工性等を考慮して、ＪＩＳ標準ふるい（ＪＩＳＺ８８０１）による値で０．１〜２ｍｍであることが好ましい。平均粒子径が０．１ｍｍ未満の場合には、一定の高吸着容量を得るのに通気抵抗が大きくなりすぎ、また、同時にシート充填密度が高くなりやすく、粉塵供給時に早期の通気抵抗上昇を引き起こす原因にもなる。平均粒子径が２ｍｍを越える場合には、脱落が生じやすくなり、またワンパスでの初期吸着性能が極端に低くなり、更にはプリーツ形状及び波状等のフィルターユニットに仕上げる際の折り曲げ性、及び波状加工時の加工性が悪くなる。

本発明に係る吸着性シートに用いられる吸着剤の種類は、特に限定されるものではないが幅広く種々のガスを吸着できる活性炭が好ましい。例えば、ヤシガラ系、木質系、石炭系、ピッチ系等の活性炭が好適に用いられる。また、上記の活性炭は、形状的には破砕炭、造粒炭、ビーズ炭等が好適に用いられる。

本発明に係る吸着性シートに用いられる吸着剤の比表面積は１２００ｍ²／ｇ〜３０００ｍ²／ｇであることが好ましい。１２００ｍ²／ｇ以上の比表面積を有する吸着剤は高い吸着性能を発揮するからである。一方３０００ｍ²／ｇを超えると硬度が極端に小さくなるため好ましくない。

本発明に係る吸着性シートに用いる吸着剤はＪＩＳＫ１４７４による硬度が９３％以下であることが好ましい。硬度が９３％を越えるとカバーシートを熱圧着した際にカバーシート側に破損、破れ等が発生する場合があり圧損をはじめ、安定した品質の吸着性シートが得られない場合がある。下限は特に限定しないが、３０％を下回ると極端に吸着剤が脆くなるため潰れにより圧損が高くなるだけでなく、脱落も生じやすくなり実用上問題が生じる。

また、ガソリン蒸散成分吸着用を考慮した場合、平均細孔径は１６〜３０Åの範囲が好ましい。吸着性だけでなく脱着性にも優れるため好適である。

本発明に係る吸着性シートは、熱可塑性樹脂を含むことが好ましい。熱可塑性樹脂は吸着剤同志の結着、及び吸着剤とカバーシートとの接着する役割を果すからである。熱可塑性樹脂として種類はポリオレフィン系、ポリアミド系、ポリウレタン系、ポリエステル系、エチレンーアクリル共重合体、ポリアクリレート、ポリアーレン、ポリアクリル、ポリジエン、エチレンー酢酸ビニル、ＰＶＣ、ＰＳ等があげられる。熱可塑性樹脂は形状的には粉末状、シート状等があげられるがこれらに限定されるものではない。粉末状であれば吸着剤と混合後、カバーシートに散布し熱プレスして所望のシートを得ることができるし、不織布、織物等のシート状であっても吸着材の両側から挟み込み熱プレスする等で所望のシートを得ることができる。粉末状、シート状を併用することももちろん可能である。吸着材同志、及び吸着材とカバーシートをより強固に接着することができる。

本発明に係る吸着性シートに使用するカバーシートは、少なくとも片側が圧縮率３０％〜９０％であることが好ましい。圧縮率３０％以下であれば、圧着設備のクリアランスを極めて厳格にコントロールしなければ、シート間接着が不安定となるからである。また、吸着材への負荷が大きくなり、吸着材の潰れが発生する等問題が生じ好ましくない。一方、圧縮率が９０％を超えると、シート加工時に内部まで圧力、熱が伝わりにくくなり使用している熱可塑性樹脂の溶融度合いが不安定となり、接着性に問題が生じやすい。

本発明に係る吸着性シートに使用するカバーシートは、少なくとも片側は圧縮弾性率６０〜１００％のシートであるのことが好ましい。
圧縮弾性率が６０％以下であれば、シート成形後の厚みのバラツキが大きく、プリーツ状に成形する工程において山高さ不揃いとなることにより通気抵抗、吸着性能等が安定品質に問題が起こりやすくなる。カバーシートの製法には特に制限はないが、短繊維や長繊維不織布あるいは織物を適用したり、これらにエンボス加工やニーパン加工を施すことや、補強用シートと一体にしたり、また、バインダー樹脂を含浸したりして製造することができる。この際、ある程度のテンションをかけた際に前記不織布や織物が切れたりしない程度の強度は必要である。

カバーシートを構成する繊維材質は特に制限されないが、ポリオレフィン系、レーヨン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリウレタン系、アクリル系、ポリビニルアルコール系、ポリカーボネート等があげられる。これらは、芯鞘繊維を使用しても種々の混合繊維であっても当然構わない。また、タバコ煙粒子、カーボン粒子、海塩粒子をはじめとするサブミクロン粒子に対する除去効果も増大することができる帯電した不織布、いわゆるエレクトレットシートを基材に使用することもできる。

カバーシートの目付量は、１０ｇ／ｍ²以上、好ましくは３０ｇ／ｍ²以上であることが熱プレスによる吸着材への負荷を低減できること、及び吸着材のカバーシート面からの脱落性等を考慮すると望ましい。

本発明に係る吸着性シートは、燃料蒸気蒸散抑制用と用いて特に効果を発揮する。吸着性だけでなく脱着性にも優れ、かつ取り扱い性に非常にすぐれた吸着性シートを提供できるからである。

以下、吸着性シートの代表的な製法について説明する。まず、粒状吸着剤と熱可塑性粉末樹脂を所定の重量秤量し、シェーカー（撹拌器）に入れ撹拌する。次に、この混合粉粒体をカバーシートの上（以下、下側に配置するカバーシートを基材シートと呼ぶ）に散布し、熱プレス処理を実施する。熱プレス温度は熱可塑性粉末樹脂融点の５〜１０℃高い程度が好ましい。この際、反対側にカバーシートを更に積層すれば、より取り扱い性に優れた吸着性シートが得られる。また、熱処理する前に赤外線等で予め予備加熱し、仮接着しておけば、プレス時におこりがちな混合粉粒体の不規則な流動も生じず、より分散性が良好な吸着性シートが製造できる。

赤外線による熱処理は、気流などを起こさず、混合粉粒体を静置した状態で加熱することができ、混合粉粒体の飛散などを防止することができる。最終的に熱プレスしシート製造するにはよく使用されるロール間熱プレス法、あるいは上下ともフラットな熱ベルトコンベヤー間にはさみこむフラットベッドラミネート法等があげられる。より均一な厚み、接着状態をつくりだすには後者の方がより好ましい。

本発明の吸着性シートはプリーツ状、コルゲート状に加工し、フィルターユニット化することができる。フィルター厚みは、１０〜４００ｍｍが好ましい。車載用途や家庭用空気清浄機であれば、通常の内部スペースの関係から、１０〜６０ｍｍ程度、ビル空調用途へよく設置される大型のフィルターユニットであれば４０〜４００ｍｍ程度が収納スペースから考えると好ましい。本発明のフィルターユニットのひだ山頂点間隔は２〜３０ｍｍが好ましい。２ｍｍ以下ではひだ山間が密着しすぎでデッドスペースが多く、効率的にシートを活用できなくなる。一方、３０ｍｍ以上ではシート展開面積が小さくなるためフィルター厚みに応じた除去効果を得ることができなくなる。

フィルターユニット化は金型を使用した、いわゆるインサート成形のようなフィルタ部と樹脂枠部を一体にする方法、あるいは不織布、織物等のような比較的腰の強いシートで枠を作製し一体とすることができる。本発明のフィルターユニットは、いずれの面を上流側に使用しても構わないが、嵩高性を有するシート側を上流に使用した方が、粉塵に対して目詰まりしにくくより実用的である。

以下本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に沿って設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。

まず、本実施例で用いた濾材の試験方法を以下に示す。
（圧縮率、圧縮弾性率）
圧縮率、圧縮弾性率の測定法は、圧縮弾性試験機を使用して以下のように測定した。約５ｃｍ×約５ｃｍの試験片を採取し、５０ｇｆ／ｃｍ²の下で厚さを測定、次に１０００ｇｆ／ｃｍ²の一定圧力下で１分間放置し厚さを測定。次に、加えた圧力を除き１分間放置後、再び５０ｇｆ／ｃｍ²の下で厚さを測定した。この結果を以下の計算式に当てはめ圧縮率、圧縮弾性率を算出した。
圧縮率％＝（Ｔ₀−Ｔ₁）／Ｔ₀×１００
圧縮弾性率％＝（Ｔ^` ₀−Ｔ₁）／（Ｔ₀−Ｔ₁）×１００
ここに、Ｔ₀：はじめに５０ｇｆ／ｃｍ²かけた時の厚み（ｍｍ）
Ｔ₁：１０００ｇｆ／ｃｍ²を加え１分間放置後の厚み（ｍｍ）
Ｔ^` ₀：圧力を除き、１分間放置後、再び５０ｇｆ／ｃｍ²かけたときの厚み（ｍｍ）

（通気抵抗）
線速３０ｃｍ／ｓの条件下での値。測定は７０φに切り取ったサンプルで実施。単位はＰａである。

［実施例１］
シートＡ：ポリエステル繊維６．６ｄｔｅｘ×５１、１．５ｄｔｅｘ×５１ｍｍを重量比１：１でカードで目付２００ｇ／ｍ²に調整後、アクリルエマルジョンバインダーを含浸、乾燥して目付２４０ｇ／ｍ²、厚み３．７ｍｍの弾力性のあるシートを製造した。このシートの圧縮率は５５％、圧縮弾性率は７０％、通気抵抗は５０Ｐａであった。
シートＢ：：オレフィン系スパンボンド不織布、シート目付は５０ｇ／ｍ²、厚み０．２５ｍｍ、このシートの圧縮率は４５％、圧縮弾性率は５５％、通気抵抗は１６Ｐａであった。
シートＣ：：ポリアミド系蜘蛛の巣状スパンボンド不織布（融点１１０℃）、シート目付は１０ｇ／ｍ²、通気抵抗は０Ｐａであった。

平均粒径３００μｍ、比表面積１２５０ｍ２／ｇ（ＢＥＴ法）、平均細孔径２６Å、硬度９０％（ＪＩＳＫ１４７４法）、充填密度０．３０ｇ／ｃｃである石炭系活性炭を、平均粒径１０μｍのエチレンーアクリル酸共重合系熱可塑性粉末樹脂（融点１０６℃）と重量比１０：２でよく撹拌混合した。シートＡを基材シートとしてこの上に前述の混合粉体を１７０ｇ／ｍ²になるように散布し、更にシートＢを上から重ね合わせ熱プレス加工、及び冷却、巻き取りを実施し吸着性シートを得た。

以下に今回使用した更に詳細な散布、熱プロセスを以下に記載する。図１は本発明の吸着性シート製造に係る概略図でありフラットベッドラミネート法と言われる方法である。この装置にはシートＡを搬送するフッ素樹脂被覆加工が施された上部ベルトコンベヤー２及び下部ベルトコンベヤー３が配設されている。まず、活性炭と熱可塑性粉末樹脂を予め混合しておいた混合粉体５をホッパー６に投入した。次に、基材シート１を巻きだし装置４から巻きだし、ホッパー６内の混合粉粒体５を略均等密度に散布するための粒体振動散布機７により基材シート１上に散布した。粒体振動散布機７はホッパー６に投入された混合粉体５は垂直方向の下部に設けた断面円形状で表面に突起針体９が多数取り付けられ、回転しながら振動させ散布することにより、混合粉体５を略均等密度に散布できる。

次にシートＢを巻出し装置１０から巻出し、約３ｍの長さを有する上述の同素材上下のベルト表面温度が１２５℃になるように設定した熱圧着ゾーン１２にあるベルトコンベヤー間に挟みこんだ。この際のベルト間クリアランスは最終的に完成する吸着性シート厚みより小さく設定することが品質が安定した吸着性シートを製造するには必要であるので、２．０ｍｍに設定、更にプレスロール部の圧力を１０Ｎ／ｃｍ²に設定した。この際、ベルトコンベヤー間に挿入する前に、予熱を施すための赤外線を用いた予熱装置８を作動させ、熱可塑性粉末樹脂の融点より少し高めの１２０℃になるように設定すると、コンベヤー間に挟む際に発生しやすい混合粉粒体の不規則な流動もより一層生じにくくなり、厚み、通気抵抗等のバラツキがより小さくなることがわかった。その後、冷却ゾーン１１を通すことによって、熱可塑性粉末樹脂を安定化した状態にし、巻き取り装置１３で巻き取った。上記のライン速度は５ｍ／ｍｉｎで実施した。脆い活性炭を使用しているが、接着力に問題ないのはもちろんの事、更にはシート化によって、活性炭が粉砕されている様子もなく、圧損も低く、取り扱い性にすぐれたシートであった。

［実施例２］
基材シートの上に更にシートＣ、シートＢの下にシートＣを積層し、実施例１同様の方法で吸着性シートを作製した。接着力が更に強固になり、一層取り扱い性に優れたものとなった。

［実施例３］
硬度８０％、充填密度０．２５ｇ／ｃｃである石炭系活性炭を使用し実施例２と同様の処方で吸着性シートを作製した。活性炭の硬度は小さくかなりもろいものであったが、接着力に問題ないのはもちろんの事、シート化によって、活性炭が粉砕されている様子もなく、圧損も低く、取り扱い性にすぐれたシートであった。

［比較例１］
実施例１に記載した活性炭を使用し、基材シートにはシートＡ作製時にアクリルバインダー使用量を約２倍量にアップした。その結果目付２８０ｇ／ｍ２、厚み３．７ｍｍ、圧縮率は２０％、圧縮弾性率は８０％、通気抵抗は５５Ｐａであった。この基材シートを使用し、実施例２同様の方法で吸着性シートを製造した。シート化によって、活性炭が一部粉砕されており、圧損も高いシートとなった。

［比較例２］
実施例１に記載した活性炭を使用し、基材シートにはシートＡ作製時に粘着性のあるバインダーを使用した。その結果目付２４０ｇ／ｍ２、厚み３．７ｍｍ、圧縮率は５０％、圧縮弾性率は５０％、通気抵抗は５０Ｐａであった。この基材シートを使用し、実施例２同様の方法で吸着性シートを製造した。シート化によって、厚みが小さくなったため、プリーツ品をインサート成型した際に、樹脂のバリが発生し、そのため外観不良になるだけでなく、通気抵抗も高くなっていた。

［比較例３］
平均粒径３００μｍ、比表面積１０００ｍ２／ｇ（ＢＥＴ法）、平均細孔径２６Å、硬度９８％（ＪＩＳＫ１４７４法）、である石炭系活性炭を、平均粒径１０μｍのエチレンーアクリル酸共重合系熱可塑性粉末樹脂（融点１０６℃）と重量比１０：２でよく撹拌混合した。シートＡを基材シートとしてこの上に前述の混合粉体を１７０ｇ／ｍ²になるように散布し、更にシートＢを上から重ね合わせ熱プレス加工、及び冷却、巻き取りを実施し吸着性シートを得た。基材シート及びシートＢに破れが発生し、シート端面から活性炭の脱落が見られた。

［比較例４］
平均粒径３００μｍ、比表面積１２５０ｍ２／ｇ（ＢＥＴ法）、平均細孔径１８Å、硬度９０％（ＪＩＳＫ１４７４法）、である石炭系活性炭を、平均粒径１０μｍのエチレンーアクリル酸共重合系熱可塑性粉末樹脂（融点１０６℃）と重量比１０：２でよく撹拌混合した。シートＡを基材シートとしてこの上に前述の混合粉体を１７０ｇ／ｍ²になるように散布し、更にシートＢを上から重ね合わせ熱プレス加工、及び冷却、巻き取りを実施し吸着性シートを得た。燃料蒸気を使用した吸脱着試験を繰り返し実施したところ初回の吸着性能は良好であったが、脱着性が悪く、細孔閉塞が起こっていることが伺える。
以下表１に主なデータ等をまとめた。

以上述べた如く、本発明の吸着性シートは、比表面積の大きな吸着材を使用した場合でもシート化時にプレス等の力学的負荷をかけても、吸着材が潰れることなく、安定性した品質を実現し、かつ脱落性に優れたシートを提供する。特に、内燃機関に設置、あるいはキャニスタ近辺に設置する燃料タンクから発生する燃料蒸気を吸脱着させるしフィルタ用途において好適なシートを提供でき、産業界に貢献することが大である。

本発明に係る吸着性シートをフラットベッドラミネート法によって製造する際の装置構成例を示す概略説明図である。

本発明の吸着性シートの模式図

符号の説明

１：カバーシート（基材シート）
２、３：ベルトコンベヤ
４：巻きだし装置
５：混合粉体
６：ホッパー
７：粉体振動散布機
８：熱装置
９：突起針体
１０：カバーシート
１１：冷却ゾーン
１２：熱圧着ゾーン
１３：巻き取り装置

Claims

平均粒径が０．１〜２ｍｍ、平均細孔径が２６〜３０Å、比表面積が１２００〜３０００ｍ²／ｇ、ＪＩＳＫ１４７４による硬度が８０〜９０％である吸着材、熱可塑性樹脂、及びこれらを挟み込むカバーシートを熱圧着により接着一体化したシートであって、少なくとも片側のカバーシートの接着一体化前の圧縮率が５５〜９０％、圧縮弾性率が７０〜１００％である吸着性シート。
燃料蒸気蒸散抑制用として使用される請求項１に記載の吸着性シート。
吸着材が活性炭である請求項１または２に記載の吸着性シート。