JP6661098B1 - 積層ポリテトラフルオロエチレン多孔膜及びその製法 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、高強度で、耐水性、通気性及び捕集性能が良好で、剥離しない積層PTFE多孔膜及びその製法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る積層PTFE多孔膜は、第1層〜第3層の3つの層を含む3層以上の積層体から構成され、第1層及び第3層は、平均分子量が300万以上のPTFE乳化重合粒子により作製され、フィブリルとノードとにより形成された微細孔を有するPTFE多孔膜層であり、第2層は、第1層と第3層との間に位置し、共重合性変性剤を含んだPTFE乳化重合粒子により作製された難フィブリル化の変性PTFE多孔膜層であることを特徴とする。【選択図】なし

Description

本発明は、積層されたポリテトラフルオロエチレン(以下、「ポリテトラフルオロエチレン」を単に「PTFE」という。)の多孔膜及びその製法に関する。
なお、本明細書において、340℃以上に加熱する工程を経ていないPTFEを未焼成PTFEという。ちなみにPTFEの融点といえば340℃であり、焼成されたPTFEの融点は327℃である。
最近の半導体工業、精密工業、バイオテクノロジーなどにおける製造工程においては、高度に清浄化された空間や高度に清浄化された薬液が要求される。特に半導体工業において近来の高集積化に伴い微細な粒子の除去等、装置内部の雰囲気を高度に清浄化することが要請される。これらの課題を解決するために装備される高性能エアフィルタや薬液中の微細粒子除去フィルタにPTFEの多孔膜が濾材として使用されている。乳化重合によって得られた結晶化度98%以上のPTFEファインパウダーにより、高倍率の延伸多孔膜を作成することが重要である。そして押出方向に沿った長手方向(以下、「MD方向」と称す。)と押出方向に直交する幅方向(以下、「TD方向」と称す)の延伸倍率を大きくしていけば、フィブリルが増大し、ノードが減少して厚みが薄くなり、孔径を小さくすることができる。この現象は、濾材にあっては、微細粒子の除去、透過流量の増大という好ましい結果をもたらす。
PTFE多孔膜は、一般的に次のように製造される。すなわち、PTFEを乳化重合することによって得られるPTFEファインパウダーに、成形助剤として石油溶剤等の溶剤を添加したペースト状の予備成形体を作製し、この予備成形体を押出成形金型となるシリンダーに装填する。そして、押出成形金型の先端に設置されたノズル部分から、前記ペースト状の予備成形体をロッド状又はシート状に押し出すとペースト状の押出成形体が作製される。ここまでの工程を本明細書においては「ペースト押出成形」または単に「ペースト押出」という。
次に、前記押出成形体は、一対の金属ロールからなる圧延ロールによって、厚み50〜1000μmの未焼成PTFEフィルムに加工される。この段階における未焼成PTFEフィルムには成形助剤が混入している。本明細書においては、この成形助剤が混入している未焼成PTFEフィルムを「成形助剤混入フィルム」という。
このフィルムを揮発乾燥することにより前記の成形助剤を除去すると、成形助剤が除去された未焼成PTFEフィルムが製造される。本明細書においては、成形助剤を除去した未焼成PTFEフィルムを「成形助剤除去フィルム」という。
前記成形助剤除去フィルムは、ガス管等の管類が連結される接合ネジ部分のシールテープ、電気を絶縁するための電線被覆材、フラットケーブルの形成材料などの用途に使われる。
上記の成形助剤除去フィルムをPTFEの融点、すなわち340℃未満の温度に加熱して、当該フィルムをMD方向に延伸し、さらにTD方向に延伸し、延伸したのちにPTFEの融点以上の温度に加熱処理するとPTFE多孔膜が製造される。
このPTFE多孔膜は、スキーウエアや登山服、キャンプ用テント、自動車のランプ、ハードディスクなどのエアベンド、薬液フィルターやエアフィルターなどに使用される。
ところで、PTFE多孔膜は、その厚みが薄くなると、機械的強度が弱くなるため加工時点での帯電による放電破損が生じ、オイルミストなどが付着することにより通気性と粒子の捕集性能が低下し、液圧などの作用によってPTFE多孔膜が厚み方向に圧縮されると隙間が減少するために流量低下が発生し、プリーツ加工時の曲げ加工で破損が生ずるなどの問題点がある。アパレル分野では通気性衣料品について、生地に界面活性剤が接触すると耐水性が低下し、皮脂などの油分が接触すると通気性が低下する問題点がある。
上記のような問題点に対して下記特許文献1に記載の発明が提案されている。すなわち、特許文献1による多孔質PTFE物品は、高強度、低い流れ抵抗、小孔径の組み合わせを提供するものである。
しかし、上記特許文献1の方法では、まず助剤を除去していない圧延フィルムをTD方向に延伸し、その後フィルムを積層して再度圧延を行い一体化する工程を経た上で、助剤を乾燥除去し、フィルムをMD方向に延伸し、続いてTD方向に延伸した後、焼結して作製する方法であり、前半の一体化工程が簡潔でない。
下記特許文献2においては、粒子の捕集効率を高めるために、微細孔を有するPTFE多孔膜とその孔径より少し大きい5μm以下のPTFE多孔膜を交互に積み重ねるという提案がなされている。
しかし、上記特許文献2の方法は、薄くて腰のない複数のPTFE多孔膜を交互に積み重ねる作業上の困難性があり、また、容易に多孔膜が剥離する問題がある。
上記のPTFE多孔膜の積層方法については、下記特許文献3及び4に示される本願の発明者が提案した多層押出の方法により解決される。
すなわち、下記特許文献3には、PTFE多孔膜の積層体の作製方法について、箱状の金型内に、第1層を得るためのPTFEペーストを層状に下金型上に乗せ、上金型で押圧する。こうして圧縮された第1層が形成される。次に上金型を取り外して、第2層を形成するためにPTFEペーストを入れ、上金型を用いて圧縮し、第1層の上に第2層を形成する。その後、さらに第3層のためのPTFEペーストを入れて上金型によって押圧する。こうして第1層、第2層及び第3層を有し、ペースト押出金型のシリンダーに収納される寸法に成形された複層予備成形体が得られる。この複層予備成形体を使用して、上記したPTFE多孔膜の製造手順によりPTFE多孔膜複層体が作製される。
なお、当該特許文献4には、PTFE多孔膜複層体を形成する層の組合せとして、平均分子量が相違するPTFEファインパウダー同士の組み合わせや低分子量重合体等の非繊維化物を含有しているPTFEファインパウダーの組み合わせが示されている。
特表2009−501632号公報 特開2012−120969号公報 特開平4−118212号公報 特開平3−179038号公報
しかしながら、上記特許文献4においては、平均分子量が相違するPTFEファインパウダー同士を組み合わせた層や低分子量重合体等の非繊維化物を含有しているPTFEファインパウダーの層を中間層として介在させているが、未だ、上記の問題点を解決するに至っていない。
そこで、本発明者は、少なくとも三層のうちの中間層に、フィブリルの発現が少なく、多角形的に広がったノード層を構成する膜材料を、ペースト押出前の予備成形体の段階から作製し、通常の工程、すなわちペースト押出によるシートの作製、シートの圧延、助剤の乾燥除去、縦延伸、横延伸は従来の方法で行うことで、容易に上記の問題点が解決することを見出した。
該発明の最大の特徴は、多層、すなわち少なくとも三層以上からなる積層構造において、中間層に0.5%以下のコモノマーが含まれた変性PTFEファインパウダーの層を配置すること、三層構造の上下層は結晶化度98%以上のPTFEファインパウダーであること、さらに圧延及び助剤除去されたフィルムをMD方向に5倍以上、TD方向に20倍以上延伸し、その後、焼結したPTFE多孔膜の構造にしたこと、にある。
このように構成したことによって得られる積層PTFE多孔膜は、中間層の変性PTFEポリマーがほとんどフィブリルを形成せず、ノードのみとなり、大きな孔径を形成した膜となる。さらに厚みの減少率も上下面に比べはるかに小さいことにより全体の厚みを嵩上げする。
本発明に係る第1の積層PTFE多孔膜は、第1層〜第3層の3つの層を含む3層以上の積層体から構成され、第1層及び第3層は、数平均分子量が300万以上のポリテトラフルオロエチレン乳化重合粒子により作製され、フィブリルとノードとにより形成された微細孔を有するポリテトラフルオロエチレン多孔膜層であり、第2層は、第1層と第3層との間に位置し、共重合性変性剤を含んだポリテトラフルオロエチレン乳化重合粒子により作製された難フィブリル化の変性ポリテトラフルオロエチレン多孔膜層であって、ノードにより形成され、第1層及び第3層に形成された微細孔よりも大きな孔径を有する変性ポリテトラフルオロエチレン多孔膜層であることを特徴とする。
本発明に係る第2の積層PTFE多孔膜は、前記第1の積層PTFE多孔膜の構成に加えて、第1層と第3層のポリテトラフルオロエチレン多孔膜層の厚みは、第2層の変性ポリテトラフルオロエチレン多孔膜層の厚みより小であることを特徴とする。
本発明に係る積層PTFE多孔膜の第1の製法は、前記第1の積層PTFE多孔膜における第1層を形成するための成形助剤添混入PTFE乳化重合粒子と、前記第1の積層PTFE多孔膜における第2層を形成するための成形助剤混入変性PTFE乳化重合粒子と、前記第1の積層PTFE多孔膜における第3層を形成するための成形助剤混入PTFE乳化重合粒子とを、第1層、第2層、第3層の順序に積層して予備成形体を作製し、当該予備成形体を押出成形金型に装填し、装填した前記予備成形体を当該押出成形金型から押し出して押出成形体を作製し、前記押出成形体を圧延及び乾燥して成形助剤除去フィルムを作製し、前記成形助剤除去フィルムを押出方向に5倍以上延伸し、押出方向に延伸した後、押出方向と直交する方向に20倍以上延伸して、延伸膜を作製し、当該延伸膜をポリテトラフルオロエチレンの融点以上の温度で焼成して前記第1又は第2の積層ポリテトラフルオロエチレン多孔膜を製造することを特徴とする。
本発明に係る積層PTFE多孔膜の第2の製法は、前記積層PTFE多孔膜の第1の製法における成形助剤除去フィルムを作製した後、当該成形助剤除去フィルムを、2本一対のロールから構成され、一方は金属製ロールであり、他方は金属製の軸芯にゴムを被覆したゴムロールからなるニップロールにより狭圧して高密度未焼成フィルムを作製し、作製した前記高密度未焼成フィルムを押出方向に5倍以上延伸し、押出方向に延伸した後、押出方向と直交する方向に20倍以上延伸して、高密度延伸膜を作製し、当該高密度延伸膜をポリテトラフルオロエチレンの融点以上の温度で焼成して前記第1又は第2の積層ポリテトラフルオロエチレン多孔膜を製造することを特徴とする。
上記のように構成された積層PTFE多孔膜は、機械的強度が向上し、十分な耐水性、通気性及び粒子の捕集性能を有する。
また、当該積層PTFE多孔膜は、静電気帯電の放電によるピンホールが減少する。
さらに、当該積層PTFE多孔膜は、十分な厚みを確保できるので、外力による圧密を抑制する。完全一体化された膜単体となるので、剥離などが生じることがなく、取り扱い性が向上する。
さらにまた、当該積層PTFE多孔膜は、接着剤で他の布帛とラミネートするときに接着剤が当該積層PTFE多孔膜に吸収されて布帛の表面へ接着剤が染み出すおそれがない。
また、当該積層PTFE多孔膜は、界面活性剤や皮脂などの接触による通気性の悪化を抑制する効果がある。
本発明の実施例1における積層PTFE多孔膜の一部を剥がして内部の層が確認できるようにした表面写真である。 本発明の実施例1におけるB層の拡大表面写真である。 図中の左図は実施例1の積層PTFE多孔膜にオイルを滴下した状態を示す表面写真であり、右図は比較例1の積層PTFE多孔膜にオイルを滴下した状態を示す表面写真である。 図中の左図は実施例1の積層PTFE多孔膜にオイルを滴下して下に敷いている色紙へ染み出したオイルの状態を示す写真であり、右図は比較例1の積層PTFE多孔膜にオイルを滴下して下に敷いている色紙へ染み出したオイルの状態を示す写真である。 比較例2の積層PTFE多孔膜にオイルを滴下した直後の表面写真である。 比較例2の積層PTFE多孔膜にオイルを滴下して10分経過後の表面写真である。 比較例2の積層PTFE多孔膜にオイルを滴下して下に敷いている色紙へ染み出したオイルの状態を示す写真である。
積層PTFE多孔膜は、その厚み方向の層がA層(第1層)、B層(第2層)、C層(第3層)以上の多層からなる。
A層とC層とは、フィブリルとノードによる多孔膜を形成し易いPTFE乳化重合粒子のファインパウダーからなり、微細孔が形成された層である。A層及びC層は、同一のPTFE乳化重合粒子のファインパウダーであってもよいし、異なるPTFE乳化重合粒子のファインパウダーであってもよい。A層及びC層を形成するフィブリルとノードによる微細孔を形成し易いPTFEは、数平均分子量が300万以上であるPTFE乳化重合粒子から構成される。
B層は、A層とC層との間に介在する中間層であって微細孔を形成していない層である。B層は膜の表面から見た構造が数ミリ単位の葉脈的筋状多角形状の構造の層が形成されている。また、B層は、共重合性変性剤が0.5%以下含まれ、フィブリル化が行われにくいPTFE乳化重合粒子のファインパウダーから構成される。なお、共重合性変性剤としては、ヘキサフルオロプロペン、ω−ヒドロパーフルオロオレフィン、トリフルオロクロロエチレン、炭素数3〜10のパーフルオロアルキルトリフルオロエチレンが好適に使用できる。
A層、B層及びC層は、一度に予備成形の段階から層状に形成して、さらに圧延・乾燥されたフィルムから積層PTFE多孔膜が製造される。
前記積層PTFE多孔膜は、MD方向に5倍以上、TD方向に10倍以上の延伸倍率で作製し、融点以上の温度で熱処理される。
積層PTFE多孔膜を作製する前に、未焼成フィルムをニップロールで高密度化したのち延伸してもよい。
なお、上記のA層、B層及びC層の間やA層及びC層の外側に、他のPTFE多孔膜を積層する構造にしてもよい。
[積層PTFE多孔膜の作製]
PTFE乳化重合粒子からなるファインパウダーF−106(ダイキン工業株式会社製)に成形助剤として溶剤アイソパーH(エクソンモービルコーポレーション製)を22重量部混合した(以後、この混合物を「成形助剤混入PTFE乳化重合粒子A」と称す)。
変性されたPTFE乳化重合粒子からなるファインパウダーF−205(ダイキン工業株式会社製)に成形助剤として溶剤アイソパーH(エクソンモービルコーポレーション製)を20重量部混合した(以後、この混合物を「成形助剤混入変性PTFE乳化重合粒子B」と称す。)。
70mm正方形からなるペースト押出シリンダーに挿入するために、上記特許文献3の製法により、上記成形助剤添混入PTFE乳化重合粒子AからなるA層及びC層と、上記成形助剤混入変性PTFE乳化重合粒子BからなるB層とを3分の1の比率で、A、B、Cの順に、予備成形金型にA層及びC層が上下に、B層が中間に配置されるように充填して、複層予備成形体を作製した。
押出成形金型はダイス出口、すなわちノズル部分の開口は250mm×2mmの細幅の矩形状をなしており、前記複層予備成形体は、押出成形金型から押出されるシートが厚み方向に3層になるように押出成形金型に充填してシート状の押出成形体を作製した。
押出成形金型によりペースト押出したシート状の押出成形体をカレンダロールにて200μmに圧延し、続いて、溶剤を加熱除去して成形助剤除去フィルムを作製した。
前記で作製した成形助剤除去フィルムを、300℃のロール間で長さMD方向に5倍延伸した、続いてテンター装置を用いて200℃でTD方向に20倍延伸した。テンターの熱固定ゾーンは380℃であった。
なお、成形助剤除去フィルムを、2本一対のロールから構成され、一方は金属製ロールであり、他方は金属製の軸芯にゴムを被覆したゴムロールからなるニップロールに挟み込んで圧縮することにより作製した厚みだけを縮小させた高密度化未焼成PTFEフィルムを延伸して熱固定して積層PTFE多孔膜を作製してもよい。
[積層PTFE多孔膜の物性]
積層PTFE多孔膜の重量測定については、積層PTFE多孔膜の中央部を50mm正方形の型で裁断してサンプル5枚を作製し、その1枚ずつの重量を電子天秤(有効桁1000分の1g、アズワン株式会社製アズプロ電子天秤ASP213)で秤量し、その平均値を積層PTFE多孔膜の1枚分の重量とした。
積層PTFE多孔膜の厚みは、ダイヤルシックネスゲージ(株式会社テクロック製SM−112でサンプル5枚分を重ねて測定し、その測定値を5で割った計算値を1枚分の厚みとした。その結果、積層PTFE多孔膜の1枚分の厚みは約30μmであった。
また、MD・TD延伸後で焼結前にサンプルを作製し、粘着テープを両面に貼り付けて、図1に示すように、A層とC層とを剥がして前記のマイクロメーターで測定した。その結果、元のA層〜C層の全厚みは30μmであり、A層及びC層の厚みはそれぞれ約5μm、B層の厚みは約20μmであった。
積層PTFE多孔膜に対する気体の通過性は、実施例1の積層PTFE多孔膜の圧力損失と粒子の粒子除去効率を測定することにより算出した。
すなわち、圧力損失は、実施例1の積層PTFE多孔膜の測定サンプルを、内径100mmのフィルタホルダにセットし、コンプレッサで入口側を加圧し、流速計で空気の透過する流量を5.3cm/秒に調整した。そして、この時の圧力損失をマノメータで測定した。
また、捕集効率は、JIS B9928 附属書5(規定)NaClエアロゾルの発生方法(加圧噴霧法)記載の方法に準じて、アトマイザーで発生させたNaCl粒子を、静電分級器(TSI社製)で、粒子径0.1μmに分級し、アメリシウム241を用いて粒子帯電を中和した後、透過する流量を5.3cm/秒に調整し、パーティクルカウンター(TSI社製、CNC)を用いて、測定試料である実施例1の積層PTFE多孔膜の前後での粒子数を求め、次式により捕集効率を算出した。
CO=測定試料が捕集したNaCl 0.1μmの粒子数
CI=測定試料に供給されたNaCl 0.1μmの粒子数
捕集効率(%)=(CO/CI)×100
PTFE多孔膜の特性としては、圧力損失及び捕集効率が重要であるが、この2つの特性は、一方を上げれば他方が下がる傾向を有しているので、その両立が難しい。圧力損失と捕集効率とのバランスの優劣を評価するための指標としては次式で求められるPF値が用いられる。
PF値={−log((100−捕集効率(%))/100)}/(圧力損失/1000)
その試験結果は以下の表1に示すとおりである。
積層PTFE多孔膜の孔径の測定については、表1に示される0.1μmのNaCl粒子がほぼ100%捕集されていることから、A層及びC層の孔径は、概ね0.1μm程度であると推定できた。
B層については、図2に示すように、実体写真から1cmを選んでその重さを測定し、比較的小さな孔径になる部分と比較的大きな孔径となる部分とを切り抜いて、その重さを測定し、その重さを面積に換算した。そして、その面積を円の面積として孔径を算出した。その結果は、下記表2に示すとおりであり、B層の孔径は概ね22μm〜120μmであると推定できた。
積層PTFE多孔膜の流体浸透性については、積層PTFE多孔膜の下に色紙を敷き、エクストラバージンオリーブオイル70g入り(株式会社J-オイルミルズ製、味の素販売)を使用してオリーブオイルを積層PTFE多孔膜に一滴(約0.025g)滴下して測定した。まず、オリーブオイル滴下前の前記色紙の重量を測定し、オリーブオイル滴下10分後の色紙の重量を測定して、その差を浸透量とした。
[比較例1]
比較例1として、成形助剤混入PTFE乳化重合粒子Aのみからなる多孔膜を、実施例1と同様の製法でペースト押出、圧延、二軸延伸で多孔膜を作製した。
[比較例2]
比較例2として、厚み15μmの比較例1の多孔膜を2枚重ねて厚み30μmの多孔膜を作製した。
[試験結果]
実施例1、比較計1及び比較例2について、上記した測定を行ったところ、下記表3の結果となった。
上記表3に示されるように、実施例1は、比較例1と重量において差がほとんどないが、厚みにおいては実施例1の方が2倍になった。
また、浸透試験を行った結果、図3に示すように、実施例1の多孔膜と比較例1の多孔膜にオリーブオイルを滴下したところ、図4に示すように、色紙に対して実施例1は浸透量が目に見えて僅かであり、比較例1の浸透量は多かった。数値的には、表3に示すように実施例1の浸透量が非常に少ない結果になった。
さらに、図5に示すように、比較例2の多孔膜にオリーブオイルを滴下すると、10分経過後には図6に示すような状態となり、色紙に対しては、図7及び表3に示すように、浸透量は比較例1と大した差がなく、比較例1の多孔膜を2枚重ねた場合も浸透量はかなり大きいことが解った。また、浸透速度は比較例1の1枚の場合と変わらなかった。つまり単純に厚みによっては浸透量も浸透速度も変わらないことが判った。
以上のことから、実施例1のB層、すなわち成形助剤混入変性PTFE乳化重合粒子Bから構成された多孔膜層は、空間層となり液を捕集して浸透を遮断する効果が確認された。
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

Claims (4)

  1. 第1層〜第3層の3つの層を含む3層以上の積層体から構成され、
    第1層及び第3層は、数平均分子量が300万以上のポリテトラフルオロエチレン乳化重合粒子により作製され、フィブリルとノードとにより形成された微細孔を有するポリテトラフルオロエチレン多孔膜層であり、
    第2層は、第1層と第3層との間に位置し、共重合性変性剤を含んだポリテトラフルオロエチレン乳化重合粒子により作製された難フィブリル化の変性ポリテトラフルオロエチレン多孔膜層であって、ノードにより形成され、第1層及び第3層に形成された微細孔よりも大きな孔径を有する変性ポリテトラフルオロエチレン多孔膜層である
    ことを特徴とする積層ポリテトラフルオロエチレン多孔膜。
  2. 第1層と第3層のポリテトラフルオロエチレン多孔膜層の厚みは第2層の変性ポリテトラフルオロエチレン多孔膜層の厚みより小である
    ことを特徴とする請求項1に記載の積層ポリテトラフルオロエチレン多孔膜。
  3. 請求項1に記載の第1層を形成するための成形助剤混入ポリテトラフルオロエチレン乳化重合粒子と、請求項1に記載の第2層を形成するための成形助剤混入変性ポリテトラフルオロエチレン乳化重合粒子と、請求項1に記載の第3層を形成するための成形助剤混入ポリテトラフルオロエチレン乳化重合粒子とを、第1層、第2層、第3層の順序に積層して予備成形体を作製し、
    当該予備成形体を押出成形金型に装填し、
    装填した前記予備成形体を当該押出成形金型から押し出して押出成形体を作製し、
    前記押出成形体を圧延及び乾燥して成形助剤除去フィルムを作製し、
    前記成形助剤除去フィルムを押出方向に5倍以上延伸し、
    押出方向に延伸した後、押出方向と直交する方向に20倍以上延伸して、延伸膜を作製し、
    当該延伸膜をポリテトラフルオロエチレンの融点以上の温度で焼成して請求項1又は2に記載の積層ポリテトラフルオロエチレン多孔膜を製造する
    ことを特徴とする積層ポリテトラフルオロエチレン多孔膜の製法。
  4. 請求項3に記載の成形助剤除去フィルムを作製した後、
    当該成形助剤除去フィルムを、2本一対のロールから構成され、一方は金属製ロールであり、他方は金属製の軸芯にゴムを被覆したゴムロールからなるニップロールにより狭圧して高密度未焼成フィルムを作製し、
    作製した前記高密度未焼成フィルムを押出方向に5倍以上延伸し、
    押出方向に延伸した後、押出方向と直交する方向に20倍以上延伸して、高密度延伸膜を作製し、
    当該高密度延伸膜をポリテトラフルオロエチレンの融点以上の温度で焼成して請求項1又は2に記載の積層ポリテトラフルオロエチレン多孔膜を製造する
    ことを特徴とする積層ポリテトラフルオロエチレン多孔膜の製法。
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