JP6640606B2 - 不織布 - Google Patents
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Description
また、フィルタ用途においては、フィルタ全般に求められる、適度な通気性及び粒子捕集性の他、上記の消臭機能、及び、特に高湿度下で使用した場合におけるカビや菌糸の生育・発育を効果的かつ継続的に抑制することが求められる。
さらに、不織布が高湿度環境下に置かれたり、湿潤した場合に、消臭・抗菌効果が低下する問題がある。ここで湿潤時とは、例えば、不織布の乾燥後の一定質量に対して質量比100%以上の水分を含んだ状態をいう。
また、特許文献5に記載の紙基材においては、消臭効果が十分とはいえない。
前記金属イオンが、Agイオン又はCuイオンであることが好ましい。
本発明の実施形態に係る不織布は、カルボキシル基又はカルボキシレート基を有するセルロース系繊維に対し、Ag、Au、Pt、Pd、Ni、Mn、Fe、Ti、Al、Zn及びCuの群から選ばれる1種以上の金属イオンを含有する金属イオン含有セルロース系繊維を含む。
金属イオン含有セルロース系繊維の含有量は、不織布に対し1質量%以上であることが好ましい。上記含有量が1質量%未満であると、十分な消臭・抗菌効果を付与することができない場合がある。上記含有量の上限値は特に限定されず、求める消臭・抗菌効果の程度に応じて適宜調整できるが、コスト等の観点から、例えば95質量%とすることができる。
本発明の実施形態に係る不織布は、上記金属イオン含有セルロース系繊維に加え、金属イオンを含有しないセルロース系繊維(以下、「一般セルロース系繊維」と称する)を、吸湿性、吸水性、風合等の求める機能に応じて含有してもよい。
一般セルロース系繊維は、例えば、木材パルプ;竹、綿、麻、ジュート、ケナフ、農地残廃物、動物(例えばホヤ類)、藻類、微生物(例えば酢酸菌(アセトバクター))生産物などの非木材パルプ;を例示できる。
一般セルロース系繊維としては木材パルプが好ましく、1種又は2種類以上の一般セルロース系繊維を混合して使用することができる。
例として、天然セルロース繊維の一つである針葉樹クラフトパルプ(NBKP)の場合は、数平均繊維径30〜60μm程度、数平均繊維長3〜5mm程度、広葉樹漂白クラフトパルプ(LBKP)の場合、数平均繊維径は10〜30μm程度、数平均繊維長は1〜2mm程度である。
特に金属イオン含有セルロース系繊維の場合、叩解処理を行うことにより、金属イオンを担持させた後の消臭効果や抗菌効果をさらに高めることができる。
ろ水度が30mlよりも低いと、不織布の製造工程において、不織布中への歩留まりが減少し、またろ水度が600mlよりも高いと、フィブリル化が不十分であるために消臭・抗菌効果が低下することがある。
又、一般セルロース系繊維のろ水度は、特に制限されず、一般的なろ水度の範囲、例えば5〜950mlの範囲から、求める品質に応じて自由に選択することができる。
上記金属イオン含有セルロース系繊維は、一般セルロース系繊維を、以下のように化学変性処理して表面のグルコース単位中にカルボキシル基又はカルボキシレート基を導入し、その後にさらに金属イオンを担持させることにより製造することができる。
以下、セルロース系繊維の表面におけるグルコース単位中にカルボキシル基又はカルボキシレート基を導入する方法、及び、その後に金属イオンを担持する方法について、それぞれ説明する。
セルロースは、グルコース単位あたり3つのヒドロキシル基を有しており、各種の化学変性処理を行うことが可能である。本発明では、後述する工程においてセルロース系繊維の少なくとも一部に対してカルボキシル基又はカルボキシレート基を導入する変性を行う。
ここで、カルボキシル基とは−COOHで表される基をいい、カルボキシレート基とは−COO−で表される基をいう。カルボキシレート基のカウンターイオンは特に限定されない。なお、カルボキシル基またはカルボキシレート基を合わせて「酸基」ともいう。
上記セルロース系繊維の酸基の量は、0.1〜3.0mmol/gが好ましい。酸基の量が0.1mmol/g未満であると、後述する金属イオンを担持する工程において、セルロース系繊維表面に存在する金属粒子の量が十分でなく、消臭及び抗菌機能が劣ることがある。一方、酸基の量が3.0mmol/gを超えると、金属粒子の凝集が起こり、同様に消臭及び抗菌機能が劣ることがある。
本発明において、セルロース系繊維を酸化する方法は特に限定されず、公知の方法を用いることができる。一例としては、N−オキシル化合物、臭化物、ヨウ化物、及びこれらの混合物からなる群より選択される物質の存在下で、酸化剤を用いて水中でセルロース原料を酸化する方法が挙げられる。この方法によれば、セルロース表面のグルコピラノース環のC6位の一級水酸基が選択的に酸化され、アルデヒド基、カルボキシル基、及びカルボキシレート基からなる群より選ばれる基が生じる。反応時のセルロース原料の濃度は特に限定されないが、5質量%以下が好ましい。
酸化剤の使用量は、絶乾1gのセルロースに対して、0.5mmol以上が好ましく、1mmol以上がより好ましく、3mmol以上が更に好ましい。上限は、500mmol以下が好ましく、50mmol以下がより好ましく、25mmol以下が更に好ましい。
N−オキシル化合物を用いる場合、酸化剤の使用量はN−オキシル化合物1molに対して1mol以上が好ましく、上限は、40molが好ましい。従って、酸化剤の使用量はN−オキシル化合物1molに対して1〜40molが好ましい。
反応液のpHは、8以上が好ましく、10以上がより好ましい。上限は、12以下が好ましく、11以下がより好ましい。従って、反応液のpHは、好ましくは8〜12、より好ましくは10〜11程度である。
通常、酸化反応の進行に伴ってセルロース中にカルボキシル基が生成するため、反応液のpHは低下する傾向にある。そのため、酸化反応を効率よく進行させるためには、水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ性溶液を添加して、反応液のpHを上記の範囲に維持することが好ましい。酸化の際の反応媒体は、取扱い性の容易さや、副反応が生じにくいこと等の理由から、水が好ましい。
オゾン処理は通常、オゾンを含む気体とセルロース原料とを接触させることにより行われる。気体中のオゾン濃度は、50g/m3以上であることが好ましい。上限は、250g/m3以下であることが好ましく、220g/m3以下であることがより好ましい。従って、気体中のオゾン濃度は、50〜250g/m3であることが好ましく、50〜220g/m3であることがより好ましい。
オゾン処理温度は、通常0℃以上であり、好ましくは20℃以上である。上限は通常50℃以下である。従って、オゾン処理温度は、0〜50℃であることが好ましく、20〜50℃であることがより好ましい。
オゾン処理時間は、通常は1分以上であり、好ましくは30分以上である。上限は通常360分以下である。従って、オゾン処理時間は、通常は1〜360分程度であり、30〜360分程度が好ましい。
オゾン処理の条件が上述の範囲内であると、セルロースが過度に酸化及び分解されることを防ぐことができ、酸化セルロースの収率が良好となる。
エーテル化としては、後工程においてセルロース系繊維に金属イオンを導入する都合上、反応後の官能基にカルボキシル基又はカルボキシレート基を含有する方法であればいずれの方法でもよく、公知の方法を用いることができる。例としては、カルボキシメチル(エーテル)化、カルボキシエチル(エーテル)化、カルボキシプロピル(エーテル)化、カルボキシブチル(エーテル)化等のカルボキシアルキルエーテル化や、カルボキシフェニル(エーテル)化 を挙げることができる。この中から一例としてカルボキシメチル化の方法を以下に説明する。
混合溶媒における低級アルコールの混合割合は、通常は60質量%以上又は95質量%以下であり、60〜95質量%であることが好ましい。溶媒の量は、セルロース原料に対し通常は3質量倍である。上限は特に限定されないが20質量倍である。従って、溶媒の量は3〜20質量倍であることが好ましい。
反応温度は通常30℃以上、好ましくは40℃以上であり、上限は通常90℃以下、好ましくは80℃以下である。従って反応温度は通常30〜90℃、好ましくは40〜80℃である。反応時間は、通常30分以上であり、好ましくは1時間以上である。上限は、通常は10時間以下、好ましくは4時間以下である。従って反応時間は、通常は30分〜10時間であり、好ましくは1時間〜4時間である。
カルボキシメチル化反応の間必要に応じて、反応液を撹拌してもよい。
A=[(100×F'−(0.1NのH2SO4)(mL)×F)×0.1]/(水素型カルボキシメチル化セルロースの絶乾質量(g))
DS=0.162×A/(1−0.058×A)
A:水素型カルボキシメチル化セルロースの1gの中和に要する
1NのNaOH量(mL)
F':0.1NのNaOHのファクター
F:0.1NのH2SO4のファクター
カルボキシル基又はカルボキシレート基を含有するセルロース系繊維に対し、更にAg、Au、Pt、Pd、Ni、Mn、Fe、Ti、Al、Zn及びCuの群から選ばれる1種以上の金属元素のイオン又はナノ粒子を担持することにより、高い消臭効果が発現する。特にAg及びCuを用いることにより、抗菌機能がさらに向上する。
本発明では、この金属イオンとセルロース系繊維が化学的に強固に結合しているため、不織布に含有した際に、不織布から金属成分が脱離しにくく、また引張強さ等の力学特性も良好である。
詳細は不明であるが、これらの方法により、金属化合物に由来する金属イオンが、カルボキシレート基とイオン結合を形成、又は配位することにより、セルロース系繊維に対して金属イオンが付加されると考えられる。
接触させる際の温度は特に限定されないが、2〜50℃の範囲であることが好ましい。また、接触させる際の液のpHは特に限定されないが、pHが低いと、カルボキシル基に金属イオンが結合しにくくなるため、7〜13の範囲であることが好ましく、pH8〜12の範囲であることが特に好ましい。
但し、特別な還元処理を行わず、金属化合物の全量を金属のイオンのまま用いることが、消臭効果の点から好ましい。
本発明の実施形態に係る不織布は、合成繊維、すなわち石油等の有機低分子を重合した合成樹脂からなる繊維を少なくとも一種類以上含む。一般に、合成繊維は、上述のセルロ−ス系繊維に比べ、吸湿性や吸水性や柔軟性等の点では劣るが、寸法安定性や耐光性等の点では優れている。
合成繊維の含有量は、不織布に対し5質量%以上であることが、寸法安定性の点から好ましい。また、金属イオン含有セルロース系繊維の含有量が、不織布に対し1質量%以上であることが好ましいことから、合成繊維の含有量は不織布に対し99質量%以下であることが好ましい。
本発明の不織布においては、上記金属イオン含有セルロース系繊維、一般セルロース系繊維、及び合成繊維以外に、必要に応じて、他の材料を一種類以上含んでもよい。他の材料の種類としては、特に限定されないが、例えば、耐熱安定剤、耐候安定剤等の安定剤、充填剤、帯電防止剤、スリップ剤、アンチブロッキング剤、防曇剤、滑剤、染料、顔料、天然油、合成油、ワックス等が挙げられる。これらは一種を用いてもよく、二種以上を併用してもよい。これらの材料の合計含有量は、不織布に対し10質量%を超えない範囲であることが好ましい。
滑剤としては、例えば、オレイン酸アミド、エルカ酸アミド、ステアリン酸アミド等が挙げられる。
本発明の不織布は、上記金属イオン含有セルロース系繊維、一般セルロース系繊維、合成繊維、及び必要に応じて含有される他の材料から、フリースと呼ばれる繊維の集積層を形成し、該繊維同士を結合させ、必要に応じ染色、ラミネート、コーティング等の加工を行うことにより製造することができる。
特に、セルロース系繊維が親水性であることから湿式法を用いることが好ましい。湿式法の場合、従来の抄紙方法を用いて製造することができる。抄紙機としては、従来公知の各種のもの、例えば、円網抄紙機、傾斜短網抄紙機、長網抄紙機、短網抄紙機等を用いることができ、適宜要求特性に応じて抄紙機を組み合わせることができる。抄紙法における乾燥工程としては、ヤンキードライヤー式、多筒式、熱風式、赤外線加熱式、などを挙げることができる。
[酸化セルロース繊維の製造]
針葉樹由来の漂白済み未叩解クラフトパルプ(白色度85%)5.00g(絶乾)をTEMPO(2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル;Sigma Aldrich社)39mg(絶乾1gのセルロースに対し0.05mmol)と臭化ナトリウム514mg(絶乾1gのセルロースに対し1.0mmol)を溶解した水溶液500mlに加え、パルプが均一に分散するまで撹拌した。
反応系に次亜塩素酸ナトリウム水溶液を、次亜塩素酸ナトリウムが5.5mmol/gになるように添加し、室温にて酸化反応を開始した。反応中は系内のpHが低下するが、3M水酸化ナトリウム水溶液を逐次添加し、pH10に調整した。次亜塩素酸ナトリウムを消費し、系内のpHが変化しなくなった時点で反応を終了した。
反応後の混合物をガラスフィルターで濾過した後、十分な水の量による水洗、ろ過を2回繰り返すことにより、固形分10質量%の、水を含浸させた酸化セルロース繊維を得た。この時のパルプ収率は90%であり、酸化反応に要した時間は90分、カルボキシル基量は1.68mmol/gであった。
上記酸化セルロース繊維に対し、水を加えて固形分濃度2%の分散液とし、pHを9.0に調整した後、CuCl2(和光純薬工業株式会社製)を、酸化セルロース繊維1gに対する濃度が1.0mmol/gになるよう撹拌しながら加え、さらに30分間撹拌することにより、酸化セルロース繊維にCuイオンを含有させた。
これに対し、十分な水の量による水洗、ろ過を2回繰り返すことにより、未反応の金属塩を除去し、固形分30質量%の、水を含浸させたCuイオン担持セルロース繊維(金属イオン含有セルロース系繊維)を得た。
酸化セルロース繊維に対する金属イオンの含有量は31.9mg/gであり、金属イオン含有セルロース系繊維のろ水度は500mlであった。
上記金属イオン含有セルロース系繊維、金属イオンを含有しないセルロース系繊維(一般セルロース系繊維)としてパルプ(ろ水度600mlのNBKP;日本製紙株式会社製)、合成繊維としてポリエステル繊維(製品名:テピルスTT04N。カット長5mm、帝人株式会社製)、湿潤紙力剤(製品名:WS4020、星光PMC株式会社製)を表1の配合割合で混合し、さらに水を加えて固形分濃度0.5質量%の水分散体を調製した。なお、表1において、各繊維及び湿潤紙力剤の配合割合は、全繊維の合計量に対する値である。
これを丸型手抄き機にて抄紙し、プレス装置にて脱水し、さらにシリンダードライヤーにより85℃で乾燥させることにより、直径約16cmの丸型不織布を作製した。
酸化セルロース系繊維に金属イオンを担持する工程において、CuCl2の水溶液をAgNO3の水溶液に変更(酸化セルロース系繊維1g当たりの濃度:1.0mmol/g)したこと以外は、実施例1と同様の方法で不織布を作製した。
酸化セルロース繊維に対するAgイオンの含有量は20.0mg/gであり、金属イオン含有セルロース系繊維のろ水度は500mlであった。
不織布を製造する工程において、全繊維分に対する金属イオン含有セルロース系繊維の配合割合を20質量%から50質量%に変更し、かつ全繊維分に対する金属イオンを含有しないセルロース系繊維の配合割合を50質量%から20質量%に変更したこと以外は、実施例1と同様の方法で不織布を作製した。
不織布を製造する工程において、金属イオン含有セルロース系繊維を配合せず、同量の金属イオンを含有しないセルロース系繊維(ろ水度600mlのNBKPパルプ、日本製紙株式会社製)に置き換えたこと以外は、実施例1と同様の方法で不織布を作製した。
不織布を製造する工程において、金属イオン含有セルロース系繊維の代わりに、市販の金属(Cu)イオン担持ゼオライト高密度結晶化パルプ(商品名:銅セルガイア、レンゴー株式会社製)を配合したこと以外は、実施例1と同様の方法で不織布を作製した。
酸化セルロース繊維に金属イオンを担持させる処理を行わず、酸化セルロース繊維をそのまま不織布に含有したこと以外は、実施例1と同様の方法で不織布を作製した。
得られた不織布のシートを、200ppmの還元剤溶液に含浸させ、ろ紙を重ねて余分な水溶液を取り除き、50℃の送風乾燥機で15分乾燥させることにより、金属イオン含有セルロース系繊維に含まれるCuイオンをCuナノ粒子に還元したこと以外は、実施例1と同様の方法で不織布を作製した。
得られた不織布から試験片を作製し、この試験片について、以下に示す方法により、消臭性、抗菌性、力学特性として引張強さ及び伸び率、微粉の脱離の指標としてリント、ならびにフィルタ性能として通気性、粒子捕集率をそれぞれ評価した。
5cm×5cmの試験片が4枚入ったコック付きガスバッグに、300ppmに調整した湿度50%、のアンモニアガスをエアーポンプでそれぞれ1.5L充填した。次に、検知管に吸引器とゴムチューブを繋ぎ、ゴムチューブをガスバッグに繋いだ。そして、空気を充填してから50分経過後のガスバッグ内のアンモニアガス濃度を測定した。
◎:非常に良い 残存濃度が初期の1/5以下
○:良い 残存濃度が初期の1/4以下
△:普通 残存濃度が初期の1/4より高く1/3以下
×:悪い 残存濃度が初期の1/3より高い
また、同様の試験を、500ppmに調整した湿度90%のアンモニアガスを用いた場合、及び試験片に0.5mlの水を滴下した状態(湿潤時)でそれぞれ行い、同様に評価した。
評価が◎であれば、消臭性に優れる。
JIS L1902「繊維製品の抗菌性試験方法及び抗菌効果」に従い、ハロー法による定性試験を実施した。具体的には、大腸菌を含んだ寒天培地を作製し、その上に5cm×5cmの試験片を載せ、37℃で17時間培養後、試料の周りにできた試験菌の「生育阻止帯」の有無を確認した。次の基準で評価した。
○:生育阻止帯が認められ抗菌性を有する。
×:生育阻止帯の認められず、抗菌性を認めない。
JIS L1913「一般不織布試験方法」に従い、幅25mm、長さ300mmの試験片を、定速伸長形引張試験機(熊谷理機工業社製)を用いて、つかみ間隔200mm、10mm/minの引張速度で試験片が切断するまで荷重を加え、最大荷重時の強さを引張強さとし、測定結果を坪量で除すことにより比引張強さを得た。
JIS B9923(タンブリング法)に準じて発塵試験を行い、パーティクルカウンター(リオン製、製品名「KC−01D1」)にて測定を行った。次の基準で評価した。評価が良いほど紙粉やゼオライト等の微粉の落下が少ない。評価が○であれば、実用上問題はない。
○:普通
×:悪い
JIS L1913「一般不織布試験方法」に従い、ガーレ形法にて測定した。具体的には、ガーレ形通気性試験機(東洋精機製作所製)を用いて、50 mm×130 mmの試験片にについて、空気噴出口に試験片10枚を重ねて差し込んで締め付け,内筒の質量によって生じた荷重で 200 mL の空気が試験片を通して噴出されるのに要する時間(秒)を測定した。
JIS B9908「換気用エアフィルタユニット・換気用電気集じん器の性能試験方法」に従い、試験方式形式3を実施した。具体的には、粉じんとしてJIS Z 8901 に規定する試験用粉体 1 の 11 種(関東ローム,50 %中位径 2 μm)を用い、捕集効率を以下の式で算出した。
粒子捕集率(%)=(1−C2 /C1 )×100
C1:フィルタの上流側における粉じんの個数
C2:フィルタの下流側における粉じんの個数
算出した結果について、後述する比較例1と同等以上の場合を○、劣った場合を×とした。評価が○であれば、実用上問題はない。
一方、金属イオン含有セルロース系繊維を含有しなかった比較例1の場合、消臭性及び力学特性に劣った。
金属イオン含有セルロース系繊維の代わりに、市販の金属(Cu)イオン担持ゼオライト高密度結晶化パルプを含有した比較例2の場合、消臭性が各実施例より劣り、特に高湿度下及び湿潤時における消臭性に劣ると共に、粉落ちが生じた。
酸化セルロース繊維が金属イオンを担持しなかった比較例3の場合、消臭性に劣った。
Claims (3)
- 表面にカルボキシル基又はカルボキシレート基を有するセルロース系繊維に対し、Ag、Au、Pt、Pd、Ni、Mn、Fe、Ti、Al、Zn及びCuの群から選ばれる1種以上の金属イオンを含有する金属イオン含有セルロース系繊維と、合成繊維とを含む不織布であって、
前記金属イオンを含有しないセルロース系繊維を更に含む不織布。 - 前記金属イオン含有セルロース系繊維において、セルロースのグルコース単位中におけるC6位のヒドロキシル基の一部がカルボキシル基に酸化されている請求項1に記載の不織布。
- 前記金属イオンが、Agイオン又はCuイオンである請求項1又は2に記載の不織布。
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