JP2017196581A - フィルタ用の濾材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ダストおよびカーボンの双方に対して、寿命と捕捉効率とを高いレベルで両立させるとともに、化学繊維の配合に伴う強度の低下を回避する。【解決手段】上層用の第１の抄紙原料と下層用の第２の抄紙原料とを用いて、上層から下層へと層間で連続的な密度勾配を有するように抄紙する。各抄紙原料は、パルプ等の天然繊維とＰＥＴ等の化学繊維とを含むが、第１の抄紙原料における化学繊維の配合比は第２の抄紙原料における化学繊維の配合比よりも高く、第１の抄紙原料の化学繊維は第２の抄紙原料の化学繊維よりも太い。さらに、第２の抄紙原料の化学繊維の一部として、融点が低い鞘部を備えたバイコンポーネント繊維を配合する。抄紙後の乾燥工程において鞘部が軟化ないし溶融し、繊維同士を結合するので、強度が向上する。【選択図】図１

Description

この発明は、自動車用内燃機関のエアクリーナ等のフィルタに用いられる濾材、特に、パルプ等の天然繊維とポリエステルやレーヨン等の化学繊維とを用いて湿式の抄紙により製造される濾材の製造方法に関する。

例えば自動車用内燃機関のエアクリーナの濾材は、一般に、パルプやリンター等の天然繊維を主体とした濾紙からなり、この濾紙を多数回折り返した形としてケース内に収容した構成となっている。このような濾紙は、一般に単層のものであるが、濾材の長寿命化を図るために、特許文献１では、上層用の抄紙原料と下層用の抄紙原料とを用い、両者が部分的に混合するように抄紙機のワイヤ上に供給することで、上層と下層との層間で連続した密度勾配を有する複合濾紙を得るようにした製造方法が提案されている。

さらに、特許文献２においては、連続的な密度勾配を有する濾紙を製造するに際して、上層用の抄紙原料と下層用の抄紙原料の化学繊維の配合比や化学繊維の太さをより適切に設定して、捕捉効率と寿命とをより高いレベルで両立させた濾材が開示されている。

特公昭５３−１７６８７号公報 特開２０１４−５５７号公報

上記のように上層と下層とで密度が異なるようにした複合型の濾紙にあっては、上層では化学繊維の割合が多くなるため、濾紙の強度は、天然繊維（パルプ等）を主体とした下層に主に依存することとなる。そのため、単層の濾紙に比較して強度が低下する傾向となり、単層の濾紙よりも厚さを厚くしても強度が低くなってしまう。このような強度の低下に伴い、抄紙時や樹脂加工時に応力に耐えられずに破れてしまうことが発生しやすくなり、これを回避するためには、生産設備での生産速度を低くせざるを得ない、といった問題が生じる。

この発明は、連続的な密度勾配を有する複合型の濾紙において、その強度を向上させることを目的とする。

この発明は、上層用の第１の抄紙原料と下層用の第２の抄紙原料とを用いて、上層から下層へと層間で連続的な密度勾配を有するように抄紙するフィルタ用の濾材の製造方法であって、
上記第１の抄紙原料および上記第２の抄紙原料は、天然繊維と化学繊維とを含み、
上記第１の抄紙原料における化学繊維の配合比は上記第２の抄紙原料における化学繊維の配合比よりも高く、
上記第１の抄紙原料における化学繊維の太さが上記第２の抄紙原料における化学繊維の太さよりも太く、
上記第２の抄紙原料における化学繊維の少なくとも一部は、相対的に高融点の芯部の周囲に相対的に低融点の鞘部を備えたバイコンポーネント繊維からなり、上記芯部の融点が抄紙後の乾燥工程におけるドライヤ温度よりも高く、かつ上記鞘部の融点が上記ドライヤ温度よりも低い、ことを特徴としている。

上記のような第１の抄紙原料と第２の抄紙原料とを用いて連続密度勾配となるように抄紙することで、層間で単に配合比が連続的に変化するにとどまらず、繊維径の太い化学繊維が上層ほど多く存在し、繊維径の細い化学繊維が下層ほど多く存在する形となり、比較的大きなダスト粒子（例えば７μｍの粒子で試験が行われる）に対するダスト性能と、非常に小さなカーボン粒子（例えば０．５μｍ程度のすす）に対するカーボン性能と、の双方について、捕捉効率と寿命（目詰まりまでの期間）とがより高いレベルで両立する。

そして、第２の抄紙原料に含まれる化学繊維の少なくとも一部として配合されたバイコンポーネント繊維は、抄紙後の乾燥工程においてドラム状のドライヤを通過する際に、鞘部の化学繊維材料が軟化ないし溶融し、バイコンポーネント繊維同士、あるいは、他の天然繊維や化学繊維と結合する。そのため、主に下層側部分の強度が向上し、濾紙としての強度が高く得られる。また、第１の抄紙原料と第２の抄紙原料とは、連続的な密度勾配を構成するように部分的に混合しながら抄紙されるので、バイコンポーネント繊維の一部は上層側へも混ざっていき、同様に乾燥工程において他の繊維と結合する。そのため、上層側部分と下層側部分との結合強度が向上し、両者の剥離が防止される。

本発明の好ましい一つの態様では、上記バイコンポーネント繊維は、上記芯部および上記鞘部が互いに融点の異なるポリエステルからなる。

また、本発明の好ましい一つの態様では、上記第１の抄紙原料における化学繊維の一部として、上記ドライヤ温度よりも融点が高い芯部の周囲に上記ドライヤ温度よりも融点が低い鞘部を備えたバイコンポーネント繊維を配合する。このように上層用の第１の抄紙原料にもバイコンポーネント繊維を配合することで、上層側部分の強度も向上し、濾紙としての強度がより高く得られる。

このような場合に、好ましくは、上記第１の抄紙原料に配合されるバイコンポーネント繊維の太さが、上記第２の抄紙原料におけるバイコンポーネント繊維の太さよりも太い。これにより、上述したダスト粒子ならびにカーボン粒子に対する捕捉効率と寿命との両立を損なうことがない。

この発明によれば、ダスト粒子ならびにカーボン粒子の双方に対して捕捉効率と寿命とを高いレベルで両立させることができるとともに、上層で化学繊維を多く含むことによる濾紙の強度の低下を回避することができる。

この発明における抄紙工程の説明図。 この発明により製造された濾材の説明図。 バイコンポーネント繊維の断面形状を模式的に示した説明図。

以下、この発明の具体的な実施例を詳細に説明する。ここでは、自動車用内燃機関のエアクリーナエレメントに適用する濾材を例に説明する。

図１は、本発明の濾材の製造方法における抄紙工程の説明図であって、これは、特許文献１に記載されている方法と特に変わりがない。すなわち、図示しない別々のヘッドボックスから第１の抄紙原料１と第２の抄紙原料２とが、ワイヤ送りドラム３およびワイヤ４からなる抄紙機のワイヤパートへ供給されるが、混合率調整板５よりも下流側では、２つの抄紙原料１，２が部分的に混合し、明確な界面が存在しない状態となってワイヤ４上に載る。これにより、上面から下面の間で２つの抄紙原料１，２の配合割合が連続的に変化した濾紙が得られる。なお、本発明における「上層」および「下層」の語は、濾過される流体の流れ（例えばエアクリーナ用の濾材であれば空気の流れ）に対する上流側の層および下流側の層の意味であり、抄紙時の上下がこれに限定されるものではない。図１に示す抄紙工程で抄紙された濾紙は、図示せぬ乾燥工程に送られ、この乾燥工程において水分の蒸発が行われる。乾燥工程は、１つあるいは複数のドラム状のドライヤを備えており、抄紙された濾紙が、所定温度に加熱されたドライヤの表面に巻き付きながら送られるようになっている。ドライヤの温度は、水分を蒸発させるために必要な１００℃以上の温度、例えば１３０℃に設定される。

図２は、本発明の製造方法によって製造された濾材の説明図であって、各々の層の密度ないしポアサイズを孔の大きさで模式的に示した説明図である。図示するように、２つの層の界面は存在せず、密度ないしポアサイズが厚さ方向に変化する。そのため、基本的に、界面での目詰まりが生じにくいものとなる。

第１の抄紙原料１および第２の抄紙原料２は、いずれもパルプやリンター等の天然繊維とポリエステルやレーヨン等の化学繊維を含む。そして、第１の抄紙原料１における化学繊維の配合比は第２の抄紙原料２における化学繊維の配合比よりも高く、また、第１の抄紙原料１における化学繊維の太さが第２の抄紙原料２における化学繊維の太さよりも太いものとなっている。

化学繊維は、パルプ等の天然繊維に比較して真っ直ぐなため、化学繊維が多く配合されると濾材内部に空隙が生じ、密度が低下する。このような作用は、同じ化学繊維でも、繊維径が太いほど大となる。そのため、図１に示したような抄紙方法で層間が連続密度勾配となるように抄紙した場合に、層間で単に配合比が連続的に変化するにとどまらず、繊維径の太い化学繊維が上層ほど多く存在し、繊維径の細い化学繊維が下層ほど多く存在する形となり、比較的大きなダスト粒子（例えば７μｍの粒子で試験が行われる）に対するダスト性能と、非常に小さなカーボン粒子（例えば０．５μｍ程度のすす）に対するカーボン性能と、の双方について、捕捉効率と寿命（目詰まりまでの期間）とがより高いレベルで両立する。

好ましい一つの例では、第１の抄紙原料１における化学繊維の配合比は、１０〜８０％（重量％、以下同じ）であり、その繊維の太さは、２〜３デシテックス前後である。第２の抄紙原料における化学繊維の配合比は、６０％以下であり、その繊維の太さは、１デシテックス前後である。

すなわち、上層における化学繊維の配合量が少ないと、空隙率が低く、低密度化の効果が得られない。逆に配合量が多すぎると、空隙率が高くなりすぎてダストが上層を通過してしまい、上層の役割を果たせなくなる。従って、第１の抄紙原料における化学繊維の配合比は、１０〜８０％が好ましい。また、下層は、上層よりも密度を高くして密度勾配を確保するとともに、例えばエアクリーナエレメントとして後行程でプリーツ加工しやすいように天然繊維の割合を多くする必要があることから、第２の抄紙原料における化学繊維の配合比は、６０％以下であることが好ましい。また、化学繊維の繊維太さは、上述したように太い方が空隙を確保して密度を下げる効果が高いことから、上層を２〜３デシテックス前後とし、下層を１デシテックス前後とすることが好ましい。

また、原紙の坪量は、紙力（強度）や厚さとの相関が高く、６０ｇ／ｍ²未満ではフィルタ例えばエアクリーナエレメントとしての必要強度が得られないことから、６０ｇ／ｍ²以上であることが望ましい。但し、２５０ｇ／ｍ²を越えると、強度は強いものの、ある厚さを越えてしまい、プリーツ加工してフィルタ（例えばエアクリーナエレメント）としてケース内に収容するに際して、必要な濾材の面積を十分に確保できなくなる（つまり濾材の嵩が過大となる）とともに、厚みが過大で通気抵抗が高くなることから、２５０ｇ／ｍ²以下であることが望ましい。

本発明においては、望ましくは、第１の抄紙原料１と第２の抄紙原料２とが、坪量比で、２：８〜６：４の割合で用いられる。

本発明のような密度勾配を有する濾材では、上層および下層の坪量比は、濾過性能（例えばダストホールディングキャパシティ：ＤＨＣ）および濾材の剛性との相関が高い。上流側となる低密度層の割合が大きくなると、ダスト性能の寿命（ライフ）が向上するが、これに伴って下流側の高密度材料の割合が少なくなり過ぎると、濾材の剛性が低下し、濾材密着等が発生してフィルタとしての性能低下（寿命の低下や効率の低下）が起こりやすくなる。従って、両者を勘案して、ダスト性能と剛性とのバランスがとれた２：８〜６：４の割合が望ましい。

また望ましくは、濾材（濾紙）の厚みは、０．４〜１．５ｍｍの範囲である。濾材の厚みは、濾過面積および通気抵抗との相関が高く、濾材が薄いほど、同じフィルタにおいて濾過面積を大きく確保できるとともに、通気抵抗を小さくできるので、１．５ｍｍ以下であることが望ましい。但し、強度の点で、少なくとも０．４ｍｍは必要である。

また望ましくは、濾材（濾紙）の密度は、０．１〜０．５ｇ／ｃｍ³の範囲にある。濾材の密度は濾過性能との相関が高く、密度が低いほど目詰まりまでの寿命（ライフ）は長くなるが、効率は低くなるので、両者のバランスがとれた０．１〜０．５ｇ／ｃｍ³の範囲が望ましい。

ここで、第２の抄紙原料２には、化学繊維の少なくとも一部として、バイコンポーネント繊維が配合されている。このバイコンポーネント繊維は、図３に断面形状を模式的に示したように、相対的に高融点の芯部１１の周囲に相対的に低融点の鞘部１２を備えたいわゆる芯鞘型の構造を有している。特に、芯部１１の融点が上記の乾燥工程におけるドライヤの温度（例えば１３０℃）よりも高く、かつ鞘部１２の融点がドライヤの温度よりも低いものとなっている。

さらに、本発明の好ましい実施例においては、上層用の第１の抄紙原料１に、その化学繊維の一部として同様のバイコンポーネント繊維を配合するようにしてもよい。

下記表１に実施例１として示すように、上層を構成する第１の抄紙原料１としては、天然繊維としてパルプを４０％、化学繊維として繊維太さが３．３デシテックスのポリエステル繊維詳しくはＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）繊維を５０％、さらに化学繊維の一部として繊維太さが２．２デシテックスのバイコンポーネント繊維を１０パーセント、配合したものを用いた。下層を構成する第２の抄紙原料２としては、天然繊維としてパルプを９０％、化学繊維として繊維太さが１．１デシテックスのバイコンポーネント繊維を１０％、配合したものを用いた。

ここで、第１の抄紙原料１に配合したバイコンポーネント繊維および第２の抄紙原料２に配合したバイコンポーネント繊維のいずれも、芯部１１および鞘部１２の双方がポリエステル詳しくはＰＥＴからなり、芯部１１の融点が約２２０℃、鞘部１２の融点が約１２０℃である。具体的には、第１の抄紙原料１に配合した２．２デシテックスのバイコンポーネント繊維は、帝人株式会社が市販している商標名「テピルス（tepyrus）」製品番号「TJ04CN SD2.2×5」のバイコンポーネント繊維であり、第２の抄紙原料２に配合した１．１デシテックスのバイコンポーネント繊維は、同じく帝人株式会社が市販している商標名「テピルス（tepyrus）」製品番号「TJ04CN SD1.1×5」のバイコンポーネント繊維である。なお、繊維長は、いずれも５ｍｍである。

これら２つの抄紙原料を用いて、前述した図１のような湿式の抄紙方法によって、連続的な密度勾配を有する濾材（濾紙）を抄紙した。そして、ドライヤの温度を１３０℃に設定した乾燥工程でもって水分の除去を行った。ここで、全体の坪量が１２０ｇ／ｍ²となり、かつ第１の抄紙原料１と第２の抄紙原料２との坪量比が４：６となるように、それぞれの原料の供給量を調整した。これにより得られた濾紙の厚み（カレンダー処理していない厚み）は、０．９５ｍｍであり、ポアサイズは７５μｍ、全体の密度は０．１３ｇ／ｃｍ³であった。

下記表１に実施例２として示すように、上層を構成する第１の抄紙原料１としては、天然繊維としてパルプを４０％、化学繊維として繊維太さが３．３デシテックスのＰＥＴ繊維を６０％、配合したものを用いた。下層を構成する第２の抄紙原料２としては、実施例１と同じく、天然繊維としてパルプを９０％、化学繊維として繊維太さが１．１デシテックスの上述したバイコンポーネント繊維を１０％、配合したものを用いた。つまり、実施例２は、上層用の第１の抄紙原料１にバイコンポーネント繊維が含まれていない。

これら２つの抄紙原料を用いて、前述した図１のような湿式の抄紙方法によって、連続的な密度勾配を有する濾材（濾紙）を抄紙した。そして、ドライヤの温度を１３０℃に設定した乾燥工程でもって水分の除去を行った。ここで、全体の坪量が１２０ｇ／ｍ²となり、かつ第１の抄紙原料１と第２の抄紙原料２との坪量比が４：６となるように、それぞれの原料の供給量を調整した。これにより得られた濾紙の厚み（カレンダー処理していない厚み）は、０．９５ｍｍであり、ポアサイズは７５μｍ、全体の密度は０．１３ｇ／ｃｍ³であった。

表１に比較例として示すものは、第１の抄紙原料１および第２の抄紙原料２のいずれもバイコンポーネント繊維を含まない。すなわち、上層を構成する第１の抄紙原料１としては、天然繊維としてパルプを４０％、化学繊維として繊維太さが３．３デシテックスのＰＥＴ繊維を６０％、配合したものを用いた。下層を構成する第２の抄紙原料２としては、天然繊維としてパルプを９５％、化学繊維として繊維太さが３．３デシテックスのＰＥＴ繊維を５％、配合したものを用いた。

これら２つの抄紙原料を用いて、前述した図１のような湿式の抄紙方法によって、連続的な密度勾配を有する濾材（濾紙）を抄紙した。そして、ドライヤの温度を１３０℃に設定した乾燥工程でもって水分の除去を行った。ここで、全体の坪量が１２０ｇ／ｍ²となり、かつ第１の抄紙原料１と第２の抄紙原料２との坪量比が４：６となるように、それぞれの原料の供給量を調整した。これにより得られた濾紙の厚み（カレンダー処理していない厚み）は、０．９５ｍｍであり、ポアサイズは７５μｍ、全体の密度は０．１３ｇ／ｃｍ³であった。

上記のような実施例１，２および比較例のそれぞれの濾紙に対し、フェノール樹脂を含浸させる前の原紙状態において、ＩＳＯ２７５８に規定される破裂強度試験を実施した。この試験によって示された破裂強度は、表１に示したように、比較例では４０ｋＰａであったのに対し、実施例２では６０ｋＰａであり、実施例１ではさらに高い７０ｋＰａの破裂強度が得られた。

このように、実施例１，２によれば、乾燥工程において鞘部が軟化ないし溶融するバイコンポーネント繊維を配合することにより、厚みを厚くすることなく高い強度の濾紙が提供される。従って、抄紙時や樹脂加工時における濾紙の破損を抑制することができるとともに、生産設備での生産速度を高く設定することが可能となる。また、バイコンポーネント繊維は、第１の抄紙原料を主とする上層部分と第２の抄紙原料を主とする下層部分との間の結合強度の向上にも寄与し、両者の剥離がより確実に抑制される。

さらに、実施例１のように上層用の第１抄紙原料に配合したバイコンポーネント繊維は、上層の表面付近における化学繊維の結合強度を高めるため、化学繊維が多く含まれる上層表面での「ささくれ」や皺の抑制にも寄与する。

なお、この発明は、エアクリーナ用の濾材に限定されず、オイルフィルタや燃料フィルタ等の濾材の製造にも適用することができる。

Claims (4)

1. 上層用の第１の抄紙原料と下層用の第２の抄紙原料とを用いて、上層から下層へと層間で連続的な密度勾配を有するように抄紙するフィルタ用の濾材の製造方法であって、
   上記第１の抄紙原料および上記第２の抄紙原料は、天然繊維と化学繊維とを含み、
   上記第１の抄紙原料における化学繊維の配合比は上記第２の抄紙原料における化学繊維の配合比よりも高く、
   上記第１の抄紙原料における化学繊維の太さが上記第２の抄紙原料における化学繊維の太さよりも太く、
   上記第２の抄紙原料における化学繊維の少なくとも一部は、相対的に高融点の芯部の周囲に相対的に低融点の鞘部を備えたバイコンポーネント繊維からなり、上記芯部の融点が抄紙後の乾燥工程におけるドライヤ温度よりも高く、かつ上記鞘部の融点が上記ドライヤ温度よりも低い、ことを特徴とするフィルタ用の濾材の製造方法。
2. 上記バイコンポーネント繊維は、上記芯部および上記鞘部が互いに融点の異なるポリエステルからなる、ことを特徴とする請求項１に記載のフィルタ用の濾材の製造方法。
3. 上記第１の抄紙原料における化学繊維の一部として、上記ドライヤ温度よりも融点が高い芯部の周囲に上記ドライヤ温度よりも融点が低い鞘部を備えたバイコンポーネント繊維を配合した、ことを特徴とする請求項１または２に記載のフィルタ用の濾材の製造方法。
4. 上記第１の抄紙原料に配合されるバイコンポーネント繊維の太さが、上記第２の抄紙原料におけるバイコンポーネント繊維の太さよりも太い、ことを特徴とする請求項３に記載のフィルタ用の濾材の製造方法。

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