JP2018202295A - エアフィルター及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】濾材要素における平均繊維径が１μｍ未満の極細繊維層の坪量を増やさなくても捕集効率を向上させ、その一方で圧力損失の増大を抑制して高いＱＦ値を維持できるエアフィルター及びその製造方法の提供。【解決手段】基材１と、基材１上に平均繊維径が１μｍ未満の極細繊維で形成された極細繊維層２とを含む濾材要素１０が、その濾材要素１０の厚さ方向に複数枚積層されたエアフィルター２０であって、基材１上の極細繊維層２の坪量は５ｇ／ｍ２以下である。【選択図】図２

Description

本発明は、エアフィルター及びその製造方法に関する。

近年、ＰＭ２．５(粒径が２．５μｍ以下の粒子状物質)などによる大気汚染が問題になっており、それらを捕集するためのエアフィルターの開発が盛んに行われている。この種のエアフィルターに用いる材料として、繊維径が１μｍ未満の極細繊維（ナノファイバー）を含む複合不織布（ナノファイバー不織布）が注目を集めている（例えば、特許文献１〜３参照）。

ナノファイバーはナノスケールの直径に由来する機能とマクロなスケールの長さに由来するハンドリングの容易さを併せ持つユニークな材料である。ナノファイバーの代表的な効果として、（１）比表面積が大きいこと（超比表面積効果）、（２）サイズがナノスケールであること（ナノサイズ効果）、（３）ファイバー内で分子が配列すること（分子配列効果）があげられる。

国際公開第２００８／０８４７９７号 特開２０１０−２３６１３３号公報 特許第３５３４１０８号公報

不織布などの基材上に平均繊維径が１μｍ未満の極細繊維（以下、「ナノファイバー」という）が成膜された複合不織布をエアフィルターとして用いる場合、基材上の極細繊維層（以下、「ナノファイバー層」という）の坪量（ｇ／ｍ^２）の増加に伴って捕集効率（％）は向上するが、空隙率が低下するため、圧力損失（Ｐａ）が急増し、その結果、下記式で表されるＱＦ値が低下するという問題があった。ＱＦ値とは、フィルターの単位通気抵抗あたりの捕集性能を示す。
ＱＦ値（１／Ｐａ）＝−ｌｎ［１−捕集効率（％）／１００］／［圧力損失（Ｐａ）］
ＱＦ値は各粒子径範囲の粒子に対応する値である。例えば、捕集対象粒子の粒子径分布が０．３００μｍ以上１０μｍ未満であれば、粒子径が０．３００μｍ以上０．３７４μｍ未満の範囲に含まれる粒子を捕集対象とした場合のＱＦ値、粒子径が０．３７４μｍ以上０．４６５μｍ未満の範囲に含まれる粒子を捕集対象とした場合のＱＦ値、粒子径が０．４６５μｍ以上０．５７９μｍ未満の範囲に含まれる粒子を捕集対象とした場合のＱＦ値はそれぞれ異なる。なぜなら捕集対象粒子のサイズによって捕集効率が異なるためである。一般に捕集対象粒子のサイズが大きくなると、捕集効率は増加する。従って、上記ＱＦ値の式より、捕集対象粒子径が大きくなるほど、ＱＦ値が大きくなる。また同様の理由で、粒子径が０．３００μｍ以上０．３７４μｍ未満の範囲に含まれる粒子を捕集対象とした場合のＱＦ値も、粒子径が０．３７４μｍ以上の粒子を捕集対象とした場合のＱＦ値とは異なる。粒子径が０．３００μｍ以上０．３７４μｍ未満の範囲に含まれる粒子を捕集対象とした場合の方が、粒子径が０．３７４μｍ以上の粒子を捕集対象とした場合よりも小さい粒子を含んでいるため、捕集効率が小さくなる。従って、粒子径が０．３００μｍ以上０．３７４μｍ未満の範囲に含まれる粒子を捕集対象とした場合のＱＦ値の方が、粒子径が０．３７４μｍ以上の粒子を捕集対象とした場合のＱＦ値よりも小さくなる。なお、上記ＱＦ値の式より、捕集効率が１００％になった場合は、−ｌｎ（０）となってしまうため、計算上ＱＦ値は算出できない。このため捕集効率１００％に対応するＱＦ値は存在しない。また、圧力損失は粒子径のサイズによらず、エアフィルターの構造によって決まるものであり一定である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、濾材要素における極細繊維層の坪量を増やさなくても捕集効率を向上させ、その一方で圧力損失の増大を抑制して高いＱＦ値を維持できるエアフィルター及びその製造方法を提供することを課題とする。

本発明の第一の態様は、基材と、該基材上に極細繊維で形成された極細繊維層とを含む濾材要素が、該濾材要素の厚さ方向に複数枚積層されたエアフィルターであって、前記基材上の前記極細繊維層の坪量が５ｇ／ｍ^２以下であるエアフィルターである。

本発明の第二の態様は、極細繊維を生成する工程と、
前記極細繊維を、極細繊維層の坪量が５ｇ／ｍ^２以下となるように基材上に成膜して濾材要素を得る工程と、
前記濾材要素を該要素の厚さ方向に複数積層する工程と
を有するエアフィルターの製造方法である。

本発明によれば、濾材要素１枚当りの極細繊維層の坪量を増やさなくても捕集効率を向上させ、その一方で圧力損失の増大を抑制して高いＱＦ値を維持できるエアフィルター及びその製造方法が提供出来る。

本実施形態における濾材要素の一例を示す断面模式図である。 本実施形態のエアフィルターの一例を示す断面模式図である。 本実施形態における濾材要素を製造する装置の一例を示す図である。 本実施形態のエアフィルターの変更例を示す断面模式図である。 比較例の結果を示すグラフである。 比較例の結果を示すグラフである。 実施例の結果を示すグラフである。 実施例の結果を示すグラフである。 実施例及び比較例の結果を示すグラフである。

本実施形態にかかるエアフィルターは、基材と、該基材上に平均繊維径が１μｍ未満の極細繊維（以下、「ナノファイバー」という。）で形成された極細繊維層（以下、「ナノファイバー層」という。）とを含む濾材要素が、該濾材要素の厚さ方向に複数枚積層されたエアフィルターであって、前記基材上の前記ナノファイバー層の坪量が５ｇ／ｍ^２以下である。

（濾材要素）
図１は、本実施形態における濾材要素の一例を示す断面模式図である。本実施形態において、濾材要素１０は、不織布などの基材１と、基材１上に成膜されたナノファイバー層２とを含む。

（基材）
本実施形態において、基材とは、いわゆる不織布として公知のもの全般を指す。
基材１としては、例えば、乾式不織布、湿式法不織布、スパンボンド不織布、メルトブロー不織布、サーマルボンド不織布、ケミカルボンド不織布、ニードルパンチ不織布、スパンレース不織布、ステッチボンド不織布、スチームジェット不織布等が挙げられる。
基材１の材料としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、レーヨン、ポリエステル、ポリアミド、ポリオレフィン、アクリル繊維、ビニロン、アラミド繊維、ガラス繊維、ゼルロース繊維等が挙げられる。基材１は、１種の材料からなるものであってもよいし、２種以上の異なる材料を混合したものでもよい。

基材１の種類は特に限定されないが、製品としてのエアフィルターに求められる各種物性値(捕集効率、圧力損失、厚みなど)に応じて、基材１に求められる各種物性値(捕集効率、圧力損失、厚み、空隙率など)は自ずと特定される。一般的に、エアフィルターでは低圧損化が求められるため、ハンドリング性や強度に問題が出ない限り、基材は薄く、空隙率が大きく、通気性の良い物が望ましい。基材の空隙率について、特に制限は無いが、後述するように、粒子径が０．３００μｍ以上０．３７４μｍ未満の範囲に含まれる粒子を捕集対象とした場合のエアフィルターのＱＦ値が０．０１８以上に保てるものが望ましい。

（ナノファイバー）
本実施形態において、ナノファイバーとは、樹脂を平均繊維径１μｍ未満の繊維としたものをいう。
本実施形態において、ナノファイバー層２の坪量は５ｇ／ｍ^２以下であり、好ましくは４ｇ／ｍ^２以下であり、より好ましくは３ｇ／ｍ^２以下である。ナノファイバー層２の坪量が上記範囲の上限値以下であることにより、エアフィルターの圧力損失の増大を抑制できる。

（ＱＦ値）
ＱＦ値（１／Ｐａ）＝−ｌｎ［１−捕集効率（％）／１００］／［圧力損失（Ｐａ）］
ＱＦ値は各粒子径範囲の粒子に対応する値である。例えば、捕集対象粒子の粒子径分布が０．３００μｍ以上１０μｍ未満であれば、粒子径が０．３００μｍ以上０．３７４μｍ未満の範囲に含まれる粒子を捕集対象とした場合のＱＦ値、粒子径が０．３７４μｍ以上０．４６５μｍ未満の範囲に含まれる粒子を捕集対象とした場合のＱＦ値、粒子径が０．４６５μｍ以上０．５７９μｍ未満の範囲に含まれる粒子を捕集対象とした場合のＱＦ値はそれぞれ異なる。なぜなら捕集対象粒子のサイズによって捕集効率が異なるためである。一般に捕集対象粒子のサイズが大きくなると、捕集効率は増加する。従って、上記ＱＦ値の式より、捕集対象粒子径が大きくなるほど、ＱＦ値が大きくなる。また同様の理由で、粒子径が０．３００μｍ以上０．３７４μｍ未満の範囲に含まれる粒子を捕集対象とした場合のＱＦ値も、粒子径が０．３７４μｍ以上の粒子を捕集対象とした場合のＱＦ値とは異なる。粒子径が０．３００μｍ以上０．３７４μｍ未満の範囲に含まれる粒子を捕集対象とした場合の方が、粒子径が０．３７４μｍ以上の粒子を捕集対象とした場合よりも小さい粒子を含んでいるため、捕集効率が小さくなる。従って、粒子径が０．３００μｍ以上０．３７４μｍ未満の範囲に含まれる粒子を捕集対象とした場合のＱＦ値の方が、粒子径が０．３７４μｍ以上の粒子を捕集対象とした場合のＱＦ値よりも小さくなる。なお、上記ＱＦ値の式より、捕集効率が１００％になった場合は、−ｌｎ（０）となってしまうため、計算上ＱＦ値は算出できない。このため捕集効率１００％に対応するＱＦ値は存在しない。また、圧力損失は粒子径のサイズによらず、エアフィルターの構造によって決まるものであり一定である。

また、本実施形態において、ナノファイバー層２は、下記式で表される空隙率が９５％以上であることが好ましく、９６％以上であることがより好ましい。ナノファイバー層２の空隙率が上記範囲の下限値以上であることにより、エアフィルターの圧力損失の増大をより抑制し、より高いＱＦ値を維持できる。
空隙率（％）＝１００−｛坪量（ｇ／ｍ^２）×１００／樹脂密度（ｇ／ｃｍ^３）／厚み（μｍ）｝
ここで、樹脂密度（ｇ／ｃｍ^３）とはナノファイバー層２を構成する樹脂の材料密度を指し、厚み（μｍ）とはナノファイバー層２の膜厚を指す。

ナノファイバー層２の原材料として使用可能な樹脂は、糸状に加工可能な熱可塑性樹脂である。例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリ乳酸を含むポリエステル、ナイロン（ナイロン６、ナイロン６６）を含むポリアミド、ポリプロピレン、ポリエチレンを含むポリオレフィン、ポリビニルアルコール系ポリマー、アクリロニトリル系ポリマー、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(ＰＦＡ)などを含むフッ素系ポリマー、ウレタン系ポリマー、塩化ビニル系ポリマー、スチレン系ポリマー、（メタ）アクリル系ポリマー、ポリオキシメチレン、エーテルエステル系ポリマー、トリアセチルセルロース等のセルロース修飾ポリマーなどが使用され得る。なかでも、ポリエチレンテレフタレート、ポリ乳酸、ナイロン（ナイロン６、ナイロン６６）及びポリプロピレンは、延伸性及び分子配向性が良いため好ましい。

本実施形態におけるナノファイバー層２は、構成繊維の平均繊維径（１μｍ未満）の２倍以上１０倍以下の繊維径を有した繊維（すなわち、相対的に太い繊維）を所定の割合で含むことが好ましい。具体的には、本発明による濾材要素において、前記平均繊維径の２倍以上１０倍以下の繊維径を有する繊維が繊維総数の２〜２０％を占めていることが好ましい。これにより、本実施形態における濾材要素は、前記エアフィルターに用いられた場合に、実用上で十分な捕集効率を実現しつつ、従来のナノファイバー不織布に比べて、通気性を高めることで圧力損失を改善し、また、前記エアフィルターの寿命を長期化することを可能とする。

ナノファイバー層２は、エレクトレット化されていてもよい。ナノファイバー層２がエレクトレット化されている場合、圧力損失が変わらないままさらに捕集効率を向上させることができる。
ナノファイバー層２をエレクトレット化する方法は特に限定されず、コロナ放電処理、電子線照射、放射線照射等で行われるが、なかでもコロナ放電処理が好ましい。
コロナ放電処理における印加電圧は、ナノファイバー層２の坪量、ナノファイバーの繊維径、電圧印加時間などに応じて適宜調整される。

（エアフィルター）
図２は、本実施形態のエアフィルターの一例を示す断面模式図である。
本実施形態において、エアフィルター２０は、濾材要素１０が複数積層されたものである。
なお、図２では、３枚の濾材要素１０が積層されたエアフィルター２０を一例として示しているが、本発明はこれに限定されない。積層すべき濾材要素１０の枚数は、製品としてのエアフィルターに求められる捕集性能に応じて適宜調整される。

本実施形態のエアフィルター２０は、粒子径が０．３００μｍ以上０．３７４μｍ未満の範囲に含まれる粒子を捕集対象としたとき、下記式で表されるＱＦ値は０．０１８以上であることが好ましく、０．０２０以上であることがより好ましい。粒子径が０．３００μｍ以上０．３７４μｍ未満の範囲に含まれる粒子を捕集対象とするエアフィルター２０のＱＦ値が上記範囲の下限値以上であることにより、良好なエアフィルター性能が得られる。なお、上記で説明した通り、粒子径が０．３７４μｍ以上の粒子を捕集対象とした場合のＱＦ値は、粒子径が０．３００μｍ以上０．３７４μｍ未満の範囲に含まれる粒子を捕集対象とした場合のＱＦ値よりも基本的に大きくなる。具体的には、粒子径が０．３７４μｍ以上の粒子を捕集対象としたとき、下記式で表されるＱＦ値は０．０１８以上であることが好ましい。
ＱＦ値（１／Ｐａ）＝−ｌｎ［１−捕集効率（％）／１００］／［圧力損失（Ｐａ）］

本実施形態のエアフィルター２０は、例えば、粗塵用フィルター、中高性能フィルター、ＨＥＰＡフィルター、ＵＬＰＡフィルター、ガス除去フィルター、マスク、エアエレメント、エアコンフィルター、空気清浄器用フィルター等に適用できる。

＜エアフィルターの製造方法＞
本実施形態にかかるエアフィルターの製造方法は、ナノファイバーを生成する工程と、前ナノファイバーを、該ナノファイバー層の坪量が５ｇ／ｍ^２以下となるように基材上に成膜して濾材要素を得る工程と、前記濾材要素を該要素の厚さ方向に複数積層する工程とを有する。

（ナノファイバー生成工程）
ナノファイバー生成工程は、従来公知の方法を用いることができる。例えば、エレクトロスピニング法（電界紡糸法）、メルトブロー法、海島溶融紡糸法、炭酸ガス超音速レーザー延伸法等が挙げられる。なかでも、炭酸ガス超音速レーザー延伸法は、（１）熱可塑性高分子材料であれば適用でき、（２）得られるナノファイバーは無限長繊維であり、（３）繊維配向性は高く、（４）溶剤を使用しないために作業環境やナノファイバーの安全性は高く、（５）減圧化で繊維を捕集するためにナノファイバーの飛散を防止でき、（６）装置は小型で簡便な構造であるため、設置場所を選ばず、拡張性にも優れているので好ましい。

以下、本実施形態におけるナノファイバー生成工程の好ましい一例について説明する。
本発明の実施形態に係るナノファイバーは、原フィラメント送出手段と延伸室とがノズルを介して接続されると共にノズルの入口と出口との圧力差が２０ｋＰａ以上である装置を用いて生成される。すなわち、前記原フィラメント送出手段が原フィラメントを送り出し、この送り出された原フィラメントが前記ノズルを通過して前記延伸室へと導かれる。前記延伸室では、前記ノズルから出てきた原フィラメントにレーザー照射が行われ、これにより、原フィラメントが連続的に溶融、延伸されて、ナノファイバーが生成される。

本実施形態において、原フィラメントとして多原糸（マルチフィラメント）が使用される。したがって、以下では原フィラメントをマルチフィラメントという場合がある。多原糸（マルチフィラメント）とは、複数本の単原糸（モノフィラメント）からなる束のことを指す。マルチフィラメントを構成する１本のモノフィラメントの断面形状については特に制限されない。すなわち、モノフィラメントは、断面形状が円形はもちろん、断面形状が楕円形、四角形、三角形、台形、その他多角形などの各種異形原糸であってもよい。また、モノフィラメントとして、中空糸、芯鞘型原糸、サイドバイサイド型原糸などの複合原糸が用いられてよい。さらに、マルチフィラメントを構成するモノフィラメントは、全て同じものである必要はない。形状、材質が異なるモノフィラメントが組み合わされてマルチフィラメントを構成してもよい。

本実施形態においてはモノフィラメントが１０本以上束ねられたマルチフィラメントが原フィラメントとして使用される。束ねられるモノフィラメントの本数は、使用されるノズルに応じて調整できる。具体的には、ノズルの整流部の断面積Ｓ１に対するマルチフィラメントの総断面積Ｓ２の比率（Ｓ２／Ｓ１）が適切な範囲に収まるように適宜調整され得る。好ましくは２０本以上、より好ましくは４０本以上のモノフィラメントが束ねられたマルチフィラメントが原フィラメントとして使用される。また、マルチフィラメントを構成する各モノフィラメントの直径は、好ましくは１０〜２００μｍである。なお、マルチフィラメントは、複数本のモノフィラメントが束としての一体性を失うことが無いように、通常は撚りがかけられている。撚りの数は、モノフィラメントの本数、形状、材質等によって適宜調整される（通常は２０回／ｍ以上である）。

マルチフィラメントとして使用可能な樹脂は、糸状に加工可能な熱可塑性樹脂である。例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリ乳酸を含むポリエステル、ナイロン（ナイロン６、ナイロン６６）を含むポリアミド、ポリプロピレン、ポリエチレンを含むポリオレフィン、ポリビニルアルコール系ポリマー、アクリロニトリル系ポリマー、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(ＰＦＡ)などを含むフッ素系ポリマー、ウレタン系ポリマー、塩化ビニル系ポリマー、スチレン系ポリマー、（メタ）アクリル系ポリマー、ポリオキシメチレン、エーテルエステル系ポリマー、トリアセチルセルロース等のセルロース修飾ポリマーなどが使用され得る。特に、ポリエチレンテレフタレート、ポリ乳酸、ナイロン（ナイロン６、ナイロン６６）及びポリプロピレンは、延伸性及び分子配向性が良いため、ナノファイバーの生成に好適である。

また、マルチフィラメントは、その繊維の中に各種有機物、有機金属錯体、無機物質などの各種物質が練り込まれたり、その繊維の表面に付着されたりされ得る。この場合、ナノファイバーが生成される際に、練り込まれ及び／又は付着された物質が均一に分散して、ナノファイバーに機能性を付与することが可能である。

図３は、本実施形態における濾材要素を製造する装置の一例を示す図である。
図３において、原フィラメント供給室Ｃ１と延伸室Ｃ２とは、ノズル３０を介して接続されている。なお、原フィラメント供給室Ｃ１の上流側には、原フィラメント（マルチフィラメント）をノズル３０に向けて送り出す原フィラメント送出装置２５が設けられている。原フィラメント送出装置２５は、一定の送出速度でマルチフィラメントを送り出することができればよく、その構成等は特に限定されない。以下、原フィラメント送出装置２５及び原フィラメント供給室Ｃ１をまとめて「原フィラメント送出手段」という場合がある。

ノズル３０は、内面が、下流に向かうほど内径が小さくなるテーパ状に形成された導入部３１と、導入部３１の下流端に連続して形成され、内径が一様の直管状の整流部３２とを有するのが好ましい。
整流部３２の長さＬと整流部３２の径Ｄとの比（Ｌ／Ｄ）は、好ましくは１〜１００であり、より好ましくは１〜５０であり、さらに好ましくは１〜１０である。なお、整流部３２には、使用されるマルチフィラメントにおけるモノフィラメントの本数、形状、材質などに応じて、気流調整用の加工などが適宜施されてもよい。

原フィラメント供給室Ｃ１は、Ｐ１気圧の雰囲気下にある。一方、延伸室Ｃ２は、Ｐ１気圧よりも低いＰ２気圧の雰囲気に保たれている。Ｐ１気圧の原フィラメント供給室Ｃ１とＰ２気圧の延伸室との圧力差（Ｐ１−Ｐ２）によって、ノズル３０中にはノズルの入口（導入部３１）から出口（整流部３２の下流末端部）に向かう気流が生じる。ノズル３０に送り込まれたマルチフィラメントは、ノズル３０中に生じた気流によってノズル３０を通過して延伸室Ｃ２へと送られる。
なお、Ｐ１≧２×Ｐ２であることが好ましく、Ｐ１≧３×Ｐ２がさらに好ましく、Ｐ１≧５×Ｐ２であることが最も好ましい。また、Ｐ１とＰ２との圧力差（Ｐ１−Ｐ２）は、具体的には、２０ｋＰａ以上であることが好ましく、５０ｋＰａ以上であることがより好ましい。

本実施形態においては、Ｐ１が大気圧とされ、Ｐ２が大気圧未満の圧力とされるのが特に好ましい。装置を比較的簡便に構成できるからである。なお、原フィラメント供給室Ｃ１及び延伸室Ｃ２の温度は、通常、室温（常温）とされる。但し、マルチフィラメントを予熱したい場合や延伸後のフィラメントを熱処理したい場合などにおいては、加熱エアーが適宜使用され得る。フィラメントが酸化されるのを防ぐ場合には窒素ガス等の不活性ガスが使用され得る。水分の飛散を防ぐ場合には水蒸気や水分を含む気体が使用され得る。また、マルチフィラメントの振動（後述する）を制御する目的で、その他各種の不活性ガスも使用され得る。

本実施形態において、マルチフィラメントを延伸室Ｃ２へと送るために十分な気流を生じさせるためには、ノズル３０の整流部３２の断面積Ｓ１に対するマルチフィラメントの総断面積Ｓ２の比率（＝Ｓ２／Ｓ１、以下「ノズル整流部占有率」という）が５０％以下になるようにしなければならない。ノズル整流部占有率（Ｓ２／Ｓ１）が５０％よりも大きいと、整流部３２内を流通する高速気流の量が不足して、マルチフィラメントの振動（後述する）が十分に得られないからである。マルチフィラメントの振動が不十分であると、溶融したマルチフィラメントが糸状にならず、溶融塊として落下するため、ナノファイバーが得られない。他方、ノズル整流部占有率（Ｓ２／Ｓ１）が５％よりも小さくなると、マルチフィラメントの振動が大きくなりすぎたり、気流の力がマルチフィラメントにうまく加わらなかったりして、所望のナノファイバーが得られない。したがって、ノズル整流部占有率（Ｓ２／Ｓ１）は、５〜５０％とする必要があり、１０〜３５％であることが好ましい。

ノズル３０を通過したマルチフィラメントにはレーザー照射が行われ、マルチフィラメントの先端部が加熱されて溶融する。このとき、マルチフィラメントに振動を生じさせる必要があり、そのために、レーザー照射位置、レーザー形状及びレーザーパワーなどのレーザー照射条件が適宜調整される。

マルチフィラメントからナノファイバーを得るには、レーザー照射によってマルチフィラメントを振動させる必要があるが、単にマルチフィラメントを振動させればよいというわけではない。所望のナノファイバーを安定して得るためには、ノズル３０の中心軸に対し、振動時のマルチフィラメント（の束中央）の角度（以下「マルチフィラメントの振動角」という）が５°〜８０°の範囲である必要がある。好ましくは、マルチフィラメントの振動角が、１５°〜５０°の範囲であり、より好ましくは、２０°〜４０°の範囲である。

また、マルチフィラメントに振動を生じさせるためには、レーザー照射を行う位置も重要である。具体的には、マルチフィラメントの溶融部の中心位置がノズル出口の垂直下１ｍｍ以上１５ｍｍ以下の位置となるように、レーザー照射が行われる必要がある。マルチフィラメントの溶融部がノズル出口から１ｍｍよりも近い距離にあると、ノズルから流出する気流によってマルチフィラメントの振動角が上述した範囲の上限を超えてしまうおそれがあり、マルチフィラメントの溶融部がノズル出口から１５ｍｍよりも離れた距離にあると、ノズルから流出する気流が弱まるため、マルチフィラメントの振動角が上述した範囲の下限を下回ってしまうおそれがあるからである。好ましくは、レーザー照射は、マルチフィラメントの溶融部の中心位置がノズル出口の垂直下３ｍｍ以上１０ｍｍ以下の位置となるように行われ、より好ましくは、レーザー照射は、マルチフィラメントの溶融部の中心位置がノズル出口の垂直下３ｍｍ以上５ｍｍ以下の位置となるように行われる。
以上に述べた条件を満たしたマルチフィラメントに振動が生じるとき、ナノファイバーが生成される。

上記の工程においては、使用される原フィラメント（マルチフィラメント）、原フィラメント（マルチフィラメント）の送出速度、ノズル形状、レーザー照射条件、及び／又は、原フィラメント供給室と延伸室との圧力差（Ｐ１−Ｐ２）を変更することによって、得られるナノファイバーの平均繊維径や繊維径分布を調整することが可能である。例えば、本実施形態のエアフィルター用のナノファイバーを生成する場合には、構成繊維中に、構成繊維の平均繊維径の２倍以上１０倍以下の繊維径を有する繊維（相対的に太い繊維）が所定の割合で含まれるように、原フィラメント、原フィラメントの送出速度、ノズル形状、レーザー照射条件、及び／又は、圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が選択又は決定される。

（濾材要素製造工程）
上記の工程において生成されたナノファイバーを、不織布からなる基材上に成膜して濾材要素を製造する。濾材要素を製造するにあたっては、シート状の基材を一方向に送り出しつつ、その片側表面に上述の装置からナノファイバーを射出して基材の繊維表面にナノファイバー層を形成する。このとき、基材上のナノファイバー層の坪量が５ｇ／ｍ^２以下となるように、ナノファイバーの射出量、及びシート状基材の送り出し速度を適宜調整する。なお、生成されたナノファイバー層を基材上に効率的に形成するため、例えば上述の装置においては、ノズルをシート状基材の移動方向に対して交差する方向に複数並べて配置してもよい。この場合においては、振動したマルチフィラメント同士が接触しないように、及び／又は、隣接するノズルの気流による悪影響を受けないように、ノズルの間隔が適宜調整される。

以上説明した方法により得られた濾材要素は、例えばニップ処理を加えた上で、ロール等で巻き取ることができる。

（積層工程）
積層工程では、上記の工程で製造した濾材要素のロールを所定の寸法に裁断して濾材要素１０とし、さらにそれら濾材要素１０を複数枚積層してエアフィルター２０とする。なお、図２においては、ナノファイバー層２／基材１／ナノファイバー層２／基材１／ナノファイバー層２／基材１の順となるように濾材要素１０を積層した実施形態を例示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、基材１／ナノファイバー層２／ナノファイバー層２／基材１／基材１／ナノファイバー層２／ナノファイバー層２／基材１など、積層順序、方向等は特に限定されない。
また、坪量の異なる濾材要素１０を積層しても構わない。例えば、ナノファイバー層２ａ(坪量１ｇ）／基材１ａ（坪量５ｇ）／ナノファイバー層２ｂ（坪量２ｇ）／基材１ｂ（坪量５ｇ）／ナノファイバー層２ｃ（坪量３ｇ）／基材１ｃ（坪量５ｇ）という構成（図４（ａ））、ナノファイバー層２ｄ（坪量１ｇ）／基材１ｄ（坪量５ｇ）／ナノファイバー層２ｅ（坪量２ｇ）／基材１ｅ（坪量７ｇ）／ナノファイバー層２ｆ（坪量３ｇ）／基材１ｆ（坪量１０ｇ)という構成（図４（ｂ））など、積層するナノファイバー層と基材の坪量は特に限定されない。また、濾材要素１０以外の素材が間に入っていても構わない。例えば、ナノファイバー層２／基材１／ナノファイバー２／基材１／要素外不織布３／ナノファイバー層２／基材１／要素外不織布３という構成（図４（ｃ））など、要素外不織布の種類や挿入する位置は特に限定されない。
複数の濾材要素１０を積層するための方法はエアフィルターの性能が発揮できれば特に限定されない。例えば、ホットメルトパウダー接着、エンボス加工、外周部のみの熱圧着加工または超音波融着加工用いることができる。また、加工する箇所も特に限定されない。加工が施されるのは、積層品の全面でも良いし、外周部のみでも良い。

次に、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。また、実施例及び比較例中における各値は下記の方法で求めた。

（１）平均繊維径
製造された濾材要素の表面を走査型電子顕微鏡（株式会社日本電子製ＪＣＭ−５０００）により撮影（倍率４０００倍）した。得られた写真を無作為に２０枚選び、写真内の繊維の本数を数えると共に、全ての繊維の径を測定した。写真２０枚のデータを一つのデータとして扱い、写真２０枚の中に含まれる繊維の総数及びすべての繊維の繊維径に基づき繊維径の平均値を求め、それを濾材要素中のナノファイバーの平均繊維径とした。

（２）空隙率
ナノファイバー層の空隙率は、下式によって算出した。
空隙率（％）＝１００−｛坪量（ｇ／ｍ^２）×１００／樹脂密度（ｇ／ｃｍ^３）／厚み（μｍ）｝
ここで、樹脂密度（ｇ／ｃｍ^３）とは前記ナノファイバー層を構成する樹脂の密度を指し、厚み（μｍ）とは前記ナノファイバー層の膜厚を指す。

（３）エアフィルター試験（初期性能試験）
製造されたエアフィルターについて、フィルター性能試験機（東京ダイレック株式会社製ＤＦＴ−４）により、圧力損失および粒子径が０．３００μｍ以上０．３７４μｍ未満の範囲に含まれる粒子を捕集対象とした場合の粒子捕集効率を評価した。試験粒子種は大気塵を使用した。試験風速は１０ｃｍ／ｓとした。捕集効率は光散乱法式のパーティクルカウンタ（ＴＳＩ Ｍｏｄｅｌ ３３３０）を用いて算出した。
また、エアフィルターのＱＦ値は、下記式によって算出した。
ＱＦ値（１／Ｐａ）＝−ｌｎ［１−捕集効率（％）／１００］／［圧力損失（Ｐａ）］

（４）エアフィルター試験（寿命試験）
製造されたエアフィルターについて、フィルター性能試験機(東京ダイレック株式会社製ＤＦＴ−４）により、フィルターの寿命(圧力損失の変化)を評価した。試験粒子種はＪＩＳ１１種を使用し、粒子濃度２５ｍｇ／ｍ３にて粒子付加を行い、試験風速は１０ｃｍ/ｓとした。粒子濃度は光散乱法式のパーティクルカウンタ（ＴＳＩ Ｍｏｄｅｌ ３３３０）を用いて算出した。

（実施例１）
原フィラメントであるマルチフィラメントとして、ポリプロピレン製のマルチフィラメント（８３０ｄｔｅｘ、２５フィラメント）を用意した。ノズルには、整流部の内径が０．８ｍｍであり、整流部の長さが２．４ｍｍのノズルを用い、これを１０ｍｍ間隔で４０個並べて配置した。ノズル占有率を１８％とし、延伸室の真空度が３０ｋＰａの状態でマルチフィラメントを０．２ｍ／ｍｉｎで供給し、マルチフィラメントの溶融部の中心位置がノズル下３ｍｍの位置になるように５００Ｗのφ６ｍの円形レーザーを照射した。このときノズル出口でマルチフィラメントが振動角２３度で振動し、生成されたナノファイバーをポリオレフィン製湿式不織布（基材）で受けることにより複合不織布（濾材要素）を得た。得られた複合不織布は、ニップ処理を加えた上で巻き取った。得られた複合不織布、より具体的には、ポリオレフィン製湿式不織布上に形成されたナノファイバー層からなる複合不織布において、そのナノファイバーの平均繊維径は３００ｎｍであった。また、ナノファイバー層の空隙率は９６％であった。また、ナノファイバー層の坪量は２ｇ／ｍ^２であった。
得られた複合不織布を２枚積層（ナノファイバー層／基材／ナノファイバー層／基材の形態で）し、前記エアフィルター試験（初期性能試験）を行った。結果を表１に示す。なお、表１中、参考例１は、複合不織布１枚について評価した結果を示す。このとき、ナノファイバー層の坪量は、２ｇ／ｍ^２が２枚あるので、４ｇ／ｍ^２となる。

（実施例２〜９）
積層する複合不織布を表１に示す枚数に変更した以外は、実施例１と同様に前記エアフィルター試験（初期性能試験）を行った。結果を表１に示す。

（比較例１〜４）
ナノファイバー層の坪量が表１に示す値となるように複合不織布の製造条件を変更した以外は実施例１と同様に複合不織布を製造した。
ナノファイバー層の坪量の調整は、ポリオレフィン製湿式不織布で受ける時の速度を変更する事により行った。空隙率は、ナノファイバー層の坪量の増加に伴って低下した。
各比較例で得られた単一の複合不織布について、実施例１と同様に前記エアフィルター試験（初期性能試験）を行った。結果を表１に示す。

（実施例１０）
原フィラメントであるマルチフィラメントとして、ポリプロピレン製のマルチフィラメント（８３０ｄｔｅｘ、２５フィラメント）を用意した。ノズルには、整流部の内径が０．８ｍｍであり、整流部の長さが２．４ｍｍのノズルを用い、これを１０ｍｍ間隔で４０個並べて配置した。ノズル占有率を１８％とし、延伸室の真空度が３０ｋＰａの状態でマルチフィラメントを０．２ｍ／ｍｉｎで供給し、マルチフィラメントの溶融部の中心位置がノズル下３ｍｍの位置になるように５００Ｗのφ６ｍの円形レーザーを照射した。このときノズル出口でマルチフィラメントが振動角２３度で振動し、生成されたナノファイバーをポリオレフィン製湿式不織布（基材）で受けることにより複合不織布（濾材要素）を得た。得られた複合不織布は、ニップ処理を加えた上で巻き取った。得られた複合不織布、より具体的には、ポリオレフィン製湿式不織布上に形成されたナノファイバー層からなる複合不織布において、そのナノファイバーの平均繊維径は３００ｎｍであった。また、ナノファイバー層の空隙率は９６％であった。また、ナノファイバー層の坪量は１ｇ／ｍ^２であった。
得られた複合不織布３枚と骨材不織布（要素外不織布）とを、骨材不織布／ナノファイバー層／基材／ナノファイバー層／基材／ナノファイバー層／基材の形態で、エンボス加工により一体化させた。実施例１と同様に前記エアフィルター試験（初期性能試験）を行った。結果を表１に示す。

図５は、比較例１〜４における、ナノファイバー層の坪量（ｇ／ｍ^２）、粒子径が０．３００μｍ以上０．３７４μｍ未満の範囲に含まれる粒子を捕集対象とした場合の捕集効率（％）及びＱＦ値（Ｐａ^−１）の関係を示すグラフである。また、図６は、比較例１〜４における、ナノファイバー層の坪量（ｇ／ｍ^２）、圧力損失（Ｐａ）及び粒子径が０．３００μｍ以上０．３７４μｍ未満の範囲に含まれる粒子を捕集対象とした場合のＱＦ値（Ｐａ^−１）の関係を示すグラフである。
図５及び図６に示されるように、単一の複合不織布を用いた比較例１〜４では、ナノファイバー層の坪量（ｇ／ｍ^２）の増加に伴って粒子径が０．３００μｍ以上０．３７４μｍ未満の範囲に含まれる粒子を捕集対象とした場合の捕集効率（％）は向上するが、圧力損失（Ｐａ）が急増し、粒子径が０．３００μｍ以上０．３７４μｍ未満の範囲に含まれる粒子を捕集対象とした場合のＱＦ値が大きく低下する事が確認された。

図７は、実施例１〜９における、ナノファイバー層の坪量（ｇ／ｍ^２）、粒子径が０．３００μｍ以上０．３７４μｍ未満の範囲に含まれる粒子を捕集対象とした場合の捕集効率（％）及び粒子径が０．３００μｍ以上０．３７４μｍ未満の範囲に含まれる粒子を捕集対象とした場合のＱＦ値（Ｐａ^−１）の関係を示すグラフである。また、図８は、実施例１〜９における、ナノファイバー層の坪量（ｇ／ｍ^２）、圧力損失（Ｐａ）及び粒子径が０．３００μｍ以上０．３７４μｍ未満の範囲に含まれる粒子を捕集対象とした場合のＱＦ値（Ｐａ^−１）の関係を示すグラフである。
図７及び図８に示されるように、ナノファイバー層の坪量５ｇ／ｍ^２以下の複合不織布を複数枚積層した実施例１〜９では、濾材要素１０におけるナノファイバー層の坪量（ｇ／ｍ^２）を増やさなくても捕集効率を向上させ、その一方で圧力損失（Ｐａ）の増大を抑制して高いＱＦ値（Ｐａ^−１）を維持できることが確認された。

実施例１０では、要素外不織布として骨材不織布も積層したが、実施例１〜９と同様に、濾材要素１０におけるナノファイバー層の坪量（ｇ／ｍ^２）を増やさなくても捕集効率を向上させ、その一方で圧力損失（Ｐａ）の増大を抑制して高いＱＦ値（Ｐａ^−１）を維持できることが確認された。

（エアフィルターの寿命の評価）
ナノファイバー層の坪量が等しい、実施例１０のサンプルと比較例２のサンプルについて、前記エアフィルター試験（寿命試験）を行った。
図９は、実施例１０及び比較例２における、粒子付加時間（分）と圧力損失（Ｐａ）との関係を示すグラフである。図９に示されるように、実施例１０及び比較例２のサンプルの初期圧力損失はほぼ同等であったが、２５０Ｐａに到達するまでの時間は、実施例１０のサンプルが１５１分だったのに対し、比較例２のサンプルは９４分であり、実施例１０のサンプルの方が１．６倍長寿命であった。濾材要素を複数枚積層する事により、フィルターを長寿命化させる効果もあることが確認された。

（各粒子径範囲に粒子に対応するＱＦ値の評価）
実施例１〜１０の積層した複合不織布、及び参考例１、比較例１〜４の単一の複合不織布のそれぞれについて、表２〜４に示す粒子径範囲に変更した以外は実施例１と同様に前記エアフィルター試験（初期性能試験）を行った。結果を表２〜４に示す。なお、圧力損失（Ｐａ）は表１に示した値と同じである。

表２〜４に示す結果から、ナノファイバー層の坪量５ｇ／ｍ^２以下の複合不織布を複数枚積層した実施例１〜９では、異なる粒子径範囲においても、濾材要素１０におけるナノファイバー層の坪量（ｇ／ｍ^２）を増やさなくても捕集効率を向上させ、その一方で圧力損失（Ｐａ）の増大を抑制して高いＱＦ値（Ｐａ^−１）を維持できることが確認された。
また、実施例１０では、要素外不織布として骨材不織布も積層したが、実施例１〜９と同様に、異なる粒子径範囲においても、濾材要素１０におけるナノファイバー層の坪量（ｇ／ｍ^２）を増やさなくても捕集効率を向上させ、その一方で圧力損失（Ｐａ）の増大を抑制して高いＱＦ値（Ｐａ^−１）を維持できることが確認された。
一方、単一の複合不織布を用いた比較例１〜４では、ナノファイバー層の坪量（ｇ／ｍ^２）の増加に伴って各粒子径範囲の粒子に対応する捕集効率（％）は向上するが、圧力損失（Ｐａ）が急増し、各粒子径範囲の粒子に対応するＱＦ値が大きく低下する事が確認された。

１…基材、２…ナノファイバー層、１０…濾材要素、２０…エアフィルター

Claims (11)

1. 基材と、該基材上に平均繊維径が１μｍ未満の極細繊維で形成された極細繊維層とを含む濾材要素が、該濾材要素の厚さ方向に複数枚積層されたエアフィルターであって、
   前記基材上の前記極細繊維層の坪量が５ｇ／ｍ^２以下であるエアフィルター。
2. 前記極細繊維層の、下記式で表される空隙率が９５％以上である、請求項１に記載のエアフィルター。
   空隙率（％）＝１００−｛坪量（ｇ／ｍ^２）×１００／樹脂密度（ｇ／ｃｍ^３）／厚み（μｍ）｝
   ここで、樹脂密度（ｇ／ｃｍ^３）とは前記極細繊維層を構成する樹脂の密度を指し、厚み（μｍ）とは前記極細繊維層の膜厚を指す。
3. 粒子径が０．３００μｍ以上０．３７４μｍ未満の範囲に含まれる粒子を捕集対象としたとき、下記式で表されるＱＦ値が０．０１８以上である、請求項１又は２に記載のエアフィルター。
   ＱＦ値（１／Ｐａ）＝−ｌｎ［１−捕集効率（％）／１００］／［圧力損失（Ｐａ）］
4. 粒子径が０．３７４μｍ以上の粒子を捕集対象としたとき、下記式で表されるＱＦ値が０．０１８以上である、請求項１又は２に記載のエアフィルター。
   ＱＦ値（１／Ｐａ）＝−ｌｎ［１−捕集効率（％）／１００］／［圧力損失（Ｐａ）］
5. 前記極細繊維層が、前記平均繊維径の２倍以上１０倍以下の繊維径を有する繊維の数が繊維総数の２〜２０％を占める、請求項１〜４のいずれか一項に記載のエアフィルター。
6. 平均繊維径が１μｍ未満の極細繊維を生成する工程と、
   前記極細繊維を、該極細繊維層の坪量が５ｇ／ｍ^２以下となるように基材上に成膜して濾材要素を得る工程と、
   前記濾材要素を該要素の厚さ方向に複数積層する工程と
   を有するエアフィルターの製造方法。
7. 前記不織布製造工程が、原フィラメント送出手段と延伸室がノズルを介して接続され、ノズルの入口の圧力とノズルの出口の圧力差が２０ｋＰａ以上である装置を用いて、ノズルから延伸室へ導かれた原フィラメントにレーザー照射することにより極細繊維を製造することを含み、
   原フィラメントとして単原糸（モノフィラメント）が１０本以上束ねられた多原糸（マルチフィラメント）を用い、ノズルの整流部の断面積Ｓ１とマルチフィラメントの総断面積Ｓ２の比（Ｓ２／Ｓ１）が５０％以下になる条件でマルチフィラメントを延伸室へ導き、ノズルから出てきたマルチフィラメントに対し、溶融部の中心位置がノズル出口の垂直下１ｍｍ以上１５ｍｍ以下の位置になるようにレーザー照射を行うことでマルチフィラメント先端部を溶融し、このとき圧力差によって生じる気流により、マルチフィラメント全体がノズルの中心軸に対して、５°以上８０°以下の最大角度をもって、ノズル孔を頂点とする円錐形状空間の内部をランダムに揺れ動くことにより、マルチフィラメントの先端溶融部が延伸される、請求項６に記載のエアフィルターの製造方法。
8. 前記Ｓ２／Ｓ１が１０〜３５％である、請求項７に記載のエアフィルターの製造方法。
9. 前記圧力差が５０ｋＰａ以上である、請求項７又は８に記載のエアフィルターの製造方法。
10. ノズルの整流部径Ｄと整流部長さＬの比（Ｌ／Ｄ）が０．１〜１００である、請求項７〜９のいずれか一項に記載のエアフィルターの製造方法。
11. 原フィラメントが熱可塑性樹脂からなる、請求項７〜１０のいずれか一項に記載のエアフィルターの製造方法。

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