(57)【要約】【課題】高効率ＰＭ２．５捕捉のための空気フィルタを提供すること【解決手段】本明細書に説明されるのは、基板と、基板上に堆積されるポリマーナノ繊維の網とを含む、空気フィルタであって、空気フィルタは、光透過率が５０％を下回るとき、ＰＭ２．５に対して少なくとも７０％の除去効率を有する。また、本明細書に説明されるのは、第１の電気電圧を受容するように適合される第１の層を含む、電気空気フィルタであって、第１の層は、伝導性材料でコーティングされた有機繊維を含む。さらに説明されるのは、基板と、基板上に堆積されるポリマーナノ繊維の網とを含む、高温濾過のための空気フィルタであって、空気フィルタは、少なくとも７０℃の温度でＰＭ２．５に対して少なくとも７０％の除去効率を有する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
本明細書に記載の発明。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、２０１４年１２月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／０９１，０４１の利益を主張するものであり、該米国仮特許出願の内容は、その全体が参照により本明細書中に援用される。
【０００２】
空気中の粒子状物質（ＰＭ）汚染は、人々の生活の質に著しく影響を及ぼし、公衆に対して深刻な健康上の脅威を与え、かつ可視性、直接および間接放射強制力、気候、ならびに生態系を脅かす。ＰＭは、非常に小さい粒子と液体液滴の複合混合物である。粒子サイズに基づいて、ＰＭは、それぞれ、２．５μｍおよび１０μｍを下回る粒子サイズを指す、ＰＭ２．５およびＰＭ１０に分類される。ＰＭ２．５汚染は、その小サイズに起因して、ヒト気管支および肺に侵入し得るため、特に有害である。故に、ＰＭ２．５への長期暴露は、罹患率および死亡率を増加させる。最近、深刻なＰＭ汚染問題が、中国等の大規模製造産業を伴う発展途上国に発生している。図１Ａおよび１Ｂは、それぞれ、晴れた日と曇った日の北京内のある場所の画像を示す。曇った日は、可視性は、著しく低下し、空気質は、非常に高いレベルのＰＭ２．５に起因して、健康に有害なものとなっている。
【０００３】
曇った日の公衆によって講じられる対策は、殆どが、マスクフィルタの使用等の屋外用の個々の保護に焦点を当てたものであるが、これは、多くの場合、大型であって、気流を通さない。屋内空間では、保護は、換気システムまたは中央空調設備内の濾過を通して現代の商業用建物において利用可能であるが、居住用住宅は、ＰＭからの濾過保護をめったに有していない。さらに、機械的換気によるこれらの能動的空気交換は全て、圧送システムの大量の使用に起因して、膨大なエネルギーを消費する。十分な空気交換を伴わずに屋内に留まる場合、屋内空気質もまた、大きな懸念となる。窓を通した風による、受動的空気交換、すなわち、天然換気が、屋内用空気濾過のために使用され得る場合、理想的であろう。広面積の窓のおかげで、空気交換は、非常に効率的である。窓における保護は、高ＰＭ捕捉能力だけではなく、また、太陽および景観からの天然照明のための高光学透明性も同時に呈する、空気フィルタを要求する。
【０００４】
空気中のＰＭ２．５汚染粒子は、土埃、自動車排ガス、石炭燃焼、二次エアロゾル、産業排ガス、およびバイオマス燃焼を含む、多様な源からの無機物質（ＳｉＯ２、ＳＯ４２−、およびＮＯ３−等）および有機物質（有機炭素および元素炭素等）を含む、複合組成を有する。ＰＭ粒子の挙動は、その化学組成、形態、および機械的特性に起因して異なる。いくつかの硬質無機ＰＭ粒子は、主に、フィルタ表面上における捕獲および嵌入によって捕捉される。燃焼排気からのもの等の多くの炭素化合物または水を含有する、いくつかの軟質ＰＭは、フィルタ表面上で変形し、フィルタに付着するプロセスの際、より強力な結合を要求するであろう。しかしながら、既存の空気フィルタ技術では、フィルタ材料特性を調査するための研究は、殆ど行われていない。２つのタイプの空気フィルタが、一般的に使用されている。１つは、水濾過フィルタに類似する、多孔性膜フィルタである（図１Ｃ参照）。本タイプの空気フィルタは、中実基板上に細孔を作成することによって作製され、通常、より大きいサイズを伴うＰＭを濾過除去するために、非常に小さい細孔サイズを有し、本タイプのフィルタの多孔率は、低い（＜３０％）。故に、濾過効率は、高いが、圧力降下は、大きい。別のタイプの空気フィルタは、厚い物理障壁と付着の組み合わせによってＰＭ粒子を捕捉する、繊維状空気フィルタである（図１Ｄ参照）。本タイプのフィルタは、通常、多孔率＞７０％を有し、数ミクロン〜数十ミクロンの多様な直径の厚い繊維の多層から作製される。高効率を得るために、本タイプのフィルタは、通常、非常に厚くされる。第２のタイプのフィルタの欠点は、大型であること、非透明性、および気流とフィルタ効率との間の妥協である。
【０００５】
空気中へのＰＭの放出を排除または低減させるために、ＰＭは、多くの場合、高温と関連付けられた源から除去される必要がある。これは、高温空気濾過を可能とする技術を要求する。さらに、排気ガスからの高温埃除去も、産業において望ましく、最近、より注目を集めている。しかしながら、既存の技術は、高温における高効率ＰＭ２．５除去の要件を満たし得ない。図１８Ｄに示されるように、サイクロン、集塵器、および沈殿タンク等の産業用埃収集機の大部分は、１０μｍより大きい粒子を除去するためだけに効果的であって、１０μｍより小さい粒子には非効果的である。加えて、サイクロン、スプレー塔、およびベンチュリ集塵器は、動作の間、多くのエネルギーを消費し、大流動抵抗を有する（すなわち、圧力降下が大きい）。静電式空気清浄装置は、高建設および動作コストを有し、そのＰＭ除去効率は、サイズ、電荷状態、および伝導性等のＰＭ特性に依存する。ミクロンサイズの繊維状フィルタは、小粒子に対して比較的に効果的であるが、繊維状フィルタの大部分は、高温（通常、＜１００℃）では機能せず、大圧力降下を有する。
【０００６】
既存の技術は、高効率ＰＭ２．５フィルタの要件を満たさないであろうため、改良の必要性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書に開示されるのは、図１Ｅに示されるように、高濾過効率、気流に対して低抵抗、かつ軽量という魅力的属性を有する、改良されたポリマーナノ繊維フィルタ技術である。必要に応じて、また、良好な光学透明性を有することができる。空気フィルタの表面化学性質がＰＭ粒子のものに合致するように最適化されると、単繊維捕捉能力が既存の繊維状フィルタをはるかに上回って向上されることが見出された。したがって、空気フィルタ内で使用される材料は、太陽光に対する透明性および十分な気流の両方を提供するための透明レベルまで有意に低減されることができる。また、繊維直径が、同一充塞密度を伴って、ナノメートル規模まで低下されると、粒子捕捉能力は、大表面積に起因して、有意に増加され、これはまた、はるかに薄い空気フィルタを用いて、効果的ＰＭ捕捉を確実にする。ポリマーナノ繊維の中に注入される静電荷もまた、ＰＭ粒子を表面に誘引するために重要である。本改良されたフィルタは、個人用マスク、空調設備、屋内用空気清浄機、建物用窓、屋外用途、自動車、および産業用濾過等のあらゆるタイプの空気濾過状況に適用されることができる。空気フィルタの表面化学性質およびマイクロ構造を制御することによって、非常に危険な空気質条件下において、ＰＭ２．５粒子の＞９５％除去を伴う約９０％透明性、＞９９％除去を伴う約６０％透明性、および＞９９．９７％除去を伴う約３０％透明性を有する、透明の超薄フィルタが達成された。また、任意の光学透明性要件を伴わない用途にも使用されることができる。
【０００８】
高効率ナノ繊維状空気フィルタ
本明細書に説明される本発明のいくつかの実施形態の一側面は、基板と、基板上に堆積されるポリマーナノ繊維の網とを含む、空気フィルタに関し、空気フィルタは、少なくとも５０％の光透過率と、ＰＭ２．５に対して少なくとも７０％の除去効率とを有する。
【０００９】
いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、少なくとも０．５デバイ（Ｄ）または少なくとも１Ｄの双極子モーメントを有する反復単位を含む、ポリマーを含む。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、少なくとも２Ｄの双極子モーメントを有する反復単位を含む、ポリマーを含む。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、少なくとも３Ｄの双極子モーメントを有する反復単位を含む、ポリマーを含む。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、少なくとも３．５Ｄ、少なくとも４Ｄ、または少なくとも５Ｄ、および最大１０Ｄ、最大１２Ｄ、またはそれを上回る双極子モーメントを有する反復単位を含む、ポリマーを含む。好適な反復単位の実施例として、置換アルキル基（例えば、１、２、３、もしくはそれを上回るハロ基または以下に列挙される他の極性基と置換される）、置換アルキレン基（例えば、１、２、３、もしくはそれを上回るハロ基または以下に列挙される他の極性基と置換される）、置換アルキニル基（例えば、１、２、３、もしくはそれを上回るハロ基または以下に列挙される他の極性基と置換される）、置換アリール基（例えば、１、２、３、もしくはそれを上回るハロ基または以下に列挙される他の極性基と置換される）、ヒドロキシル基、ケトン基、スルホン基、アルデヒド基、エーテル基、チオ基、シアノ基（またはニトリル基）、ニトロ基、アミノ基、Ｎ−置換アミノ基、アンモニウム基、Ｎ−置換アンモニウム基、アミド基、Ｎ−置換アミド基、カルボキシ基、アルキルカルボニルオキシ基、アルケニルカルボニルオキシ基、アルキニルカルボニルオキシ基、アリールカルボニルオキシ基、アルキルカルボニルアミノ基、Ｎ−置換アルキルカルボニルアミノ基、アルケニルカルボニルアミノ基、Ｎ−置換アルケニルカルボニルアミノ基、アルキニルカルボニルアミノ基、Ｎ−置換アルキニルカルボニルアミノ基、アリールカルボニルアミノ基、Ｎ−置換アリールカルボニルアミノ基、尿素基、エポキシ基、オキサゾリドン基、およびその荷電またはヘテロ形態等の極性基を含む、反復単位が挙げられる。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、ケトン基および／またはスルホン基を有する反復単位を含む、ポリマーを含む。
【００１０】
いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、ニトリル基を含む反復単位を含む、ポリマーを含む。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を含む。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、極性官能基（例えば、−ＣＮ、−ＯＨ、−ＣＯ−、−Ｃ−Ｏ−、−ＮＯ２、−ＮＨ−、−ＮＨ２等）を含む反復単位を含む、ポリマーを含む。ポリマーの反復単位の双極子モーメントが高いほど、ＰＭ粒子へのポリマーの付着性が高まる。
【００１１】
いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、平均直径１ミクロン未満を有する。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、平均直径１０〜９００ｎｍを有する。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、平均直径２０〜８００ｎｍを有する。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、平均直径３０〜７００ｎｍを有する。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、平均直径５０〜５００ｎｍを有する。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、平均直径１００〜３００ｎｍを有する。
【００１２】
いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、基板上に電界紡糸される。
【００１３】
いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、電荷を担持する。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、正の電荷を担持する。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、負の電荷を担持する。
【００１４】
いくつかの実施形態では、空気フィルタは、光透過率少なくとも６０％を有する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、光透過率少なくとも７０％を有する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、光透過率少なくとも７５％を有する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、光透過率少なくとも８０％を有する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、光透過率少なくとも８５％を有する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、光透過率少なくとも９０％を有する。透過率値は、４００〜８００ｎｍのＡＭ１．５太陽スペクトルを計測し、平均透過率値を得ることによって表されることができる。透過率値はまた、ヒト視覚または測光加重透過率、５５０ｎｍ等の可視範囲内の所与の波長もしくは波長の範囲における透過率、または他の波長もしくは波長の範囲の観点から表されることができる。
【００１５】
いくつかの実施形態では、空気フィルタは、光学透明性要件を有していない用途のために使用される。空気フィルタは、光透過率６０％未満、または３０％未満、または１０％未満、または５％未満を有する。
【００１６】
いくつかの実施形態では、空気フィルタは、ＰＭ２．５に対して少なくとも８０％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、ＰＭ２．５に対して少なくとも９０％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、ＰＭ２．５に対して少なくとも９５％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、ＰＭ２．５に対して少なくとも９８％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、ＰＭ２．５に対して少なくとも９９％の除去効率を有する。
【００１７】
いくつかの実施形態では、複数の層の空気フィルタが、少なくとも８０％の除去効率を達成するために使用され得る。いくつかの実施形態では、複数の層の空気フィルタは、ＰＭ２．５に対して少なくとも９０％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、複数の層の空気フィルタは、ＰＭ２．５に対して少なくとも９５％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、複数の層の空気フィルタは、ＰＭ２．５に対して少なくとも９８％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、複数の層の空気フィルタは、ＰＭ２．５に対して少なくとも９９％の除去効率を有する。
【００１８】
いくつかの実施形態では、空気フィルタは、ＰＭ１０−２．５に対して少なくとも８０％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、ＰＭ１０−２．５に対して少なくとも９０％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、ＰＭ１０−２．５に対して少なくとも９５％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、ＰＭ１０−２．５に対して少なくとも９８％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、ＰＭ１０−２．５に対して少なくとも９９％の除去効率を有する。
【００１９】
いくつかの実施形態では、空気フィルタは、湿潤条件下でその濾過効率を維持する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、相対湿度６０％で２５℃において、ＰＭ２．５に対して少なくとも９０％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、相対湿度７０％で２５℃において、ＰＭ２．５に対して少なくとも９０％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、相対湿度８０％で２５℃において、ＰＭ２．５に対して少なくとも９０％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、相対湿度９０％で２５℃において、ＰＭ２．５に対して少なくとも９０％の除去効率を有する。
【００２０】
いくつかの実施形態では、空気フィルタは、ＰＭ２．５への長期暴露後、その濾過効率を維持する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、平均ＰＭ２．５指数３００および平均風速１マイル／時間を有する空気への５０時間の暴露後、ＰＭ２．５に対して少なくとも９０％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、平均ＰＭ２．５指数３００および平均風速１マイル／時間を有する空気への１００時間の暴露後、ＰＭ２．５に対して少なくとも９０％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、平均ＰＭ２．５指数３００および平均風速１マイル／時間を有する空気への２００時間の暴露後、ＰＭ２．５に対して少なくとも９０％の除去効率を有する。
【００２１】
いくつかの実施形態では、空気フィルタはさらに、別のまたはより多くの材料を含む。いくつかの実施形態では、空気フィルタはさらに、ポリマーナノ繊維上に吸着されるＰＭを分解するために適合される、触媒（例えば、ＴｉＯ２、ＭｏＳ２）を含む。いくつかの実施形態では、空気フィルタはさらに、ポリマーナノ繊維上に吸着される細菌およびウイルスを死滅させるために適合される、抗生物病原体材料（例えば、Ａｇ）を含む。いくつかの実施形態では、空気フィルタはさらに、他の空気汚染物質（例えば、アルデヒド、ＮＯｘ、およびＳＯｘ）を吸着および／または分解するために適合される、材料を含む。
【００２２】
本明細書に説明される本発明のいくつかの実施形態の別の側面は、本明細書に説明される空気フィルタを備える、空気濾過デバイスに関する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、可撤性、着脱可能、および／または交換可能である。
【００２３】
いくつかの実施形態では、空気濾過デバイスは、受動的空気濾過デバイスである。いくつかの実施形態では、空気濾過デバイスは、窓網戸である。いくつかの実施形態では、空気濾過デバイスは、装着式マスクである。いくつかの実施形態では、空気濾過デバイスは、ヘルメットである。いくつかの実施形態では、空気濾過デバイスは、鼻用フィルタである。いくつかの実施形態では、空気濾過デバイスは、建物用空気処理システムである。いくつかの実施形態では、空気濾過デバイスは、自動車用空調システムである。いくつかの実施形態では、空気濾過デバイスは、産業用排気濾過システムである。いくつかの実施形態では、空気濾過デバイスは、クリーンルーム濾過システムである。いくつかの実施形態では、空気濾過デバイスは、病院用空気清浄システムである。いくつかの実施形態では、空気濾過デバイスは、屋外用濾過のためのネットである。いくつかの実施形態では、空気濾過デバイスは、タバコフィルタである。
【００２４】
本明細書に説明される本発明のいくつかの実施形態のさらなる側面は、ポリマー溶液からポリマーナノ繊維を基板上に電界紡糸するステップを含む、本明細書に説明される空気フィルタを作製するための方法に関する。いくつかの実施形態では、ポリマー溶液は、１〜２０重量％のポリマーを含む。いくつかの実施形態では、ポリマー溶液は、３〜１５重量％のポリマーを含む。いくつかの実施形態では、ポリマー溶液は、５〜１０重量％のポリマーを含む。
【００２５】
本明細書に説明される本発明のいくつかの実施形態のさらなる側面は、本明細書に説明される空気フィルタを窓網戸の中に組み込むステップを含む、空気濾過デバイスを作製するための方法に関する。本明細書に説明される本発明のいくつかの実施形態のさらなる側面は、本明細書に説明される空気フィルタを装着式マスクの中に組み込むステップを含む、空気濾過デバイスを作製するための方法に関する。本明細書に説明される本発明のいくつかの実施形態のさらなる側面は、本明細書に説明される窓網戸を窓フレーム内に据え付けるステップを含む、屋内空気質を改良するための方法に関する。
【００２６】
電気空気フィルタ
また、本明細書に開示されるのは、導電性空気フィルタである。故に、本明細書に説明される本発明のいくつかの実施形態の一側面は、第１の電気電圧を受容するように適合される第１の層を含む、電気空気フィルタに関し、第１の層は、伝導性材料でコーティングされた有機繊維を含む。
【００２７】
いくつかの実施形態では、第１の層は、少なくとも１つの横寸法１０００ミクロンまたはそれ未満を有する、マイクロ繊維を含む。いくつかの実施形態では、第１の層は、少なくとも１つの横寸法１ミクロンまたはそれ未満を有する、ナノ繊維を含む。いくつかの実施形態では、マイクロ繊維またはナノ繊維は、極性官能基（例えば、−ＣＮ、−ＯＨ、−ＣＯ−、−Ｃ−Ｏ−Ｃ−、−ＳＯ２−、−ＮＯ２、−ＮＨ−、−ＮＨ２）を含む反復単位を含む、ポリマーを含む。ポリマーの反復単位の双極子モーメントが高いほど、ＰＭ粒子へのポリマーの付着性が高まる。いくつかの実施形態では、マイクロ繊維またはナノ繊維は、ナイロン、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、またはポリエチレン（ＰＥ）から選択されるポリマーを含む。
【００２８】
いくつかの実施形態では、伝導性材料は、金属を含む。いくつかの実施形態では、伝導性材料は、Ｃｕ等の元素金属を含む。いくつかの実施形態では、伝導性材料は、伝導性炭素、炭素ナノ管、グラフェン、酸化グラフェン、または黒鉛を含む。いくつかの実施形態では、伝導性材料は、金属酸化物を含む。いくつかの実施形態では、伝導性材料は、金属窒化物を含む。いくつかの実施形態では、伝導性材料は、伝導性ポリマーを含む。いくつかの実施形態では、伝導性材料は、数ヶ月またはさらに数年、空気中で高伝導性を維持するように適合される。
【００２９】
いくつかの実施形態では、有機繊維は、伝導性材料で部分的にコーティングされる。いくつかの実施形態では、有機繊維は、コーティングされた側と、コーティングされない側とを含む。
【００３０】
いくつかの実施形態では、有機繊維は、伝導性材料で完全にコーティングされ、伝導性コーティングの外側表面はさらに、官能化される。いくつかの実施形態では、伝導性コーティングの外側表面は、極性基で官能化され、ＰＭ粒子に対する親和性を増加させる。
【００３１】
いくつかの実施形態では、電気空気フィルタはさらに、第２の電気電圧を受容するように適合される第２の層を備え、第２の層は、第１の層と同じまたは異なる。いくつかの実施形態では、第１の層および第２の層は、電気空気フィルタ内で相互に平行に配置される。いくつかの実施形態では、正の電圧が、第１の層上に印加され、負のまたは中立電圧が、第２の層上に印加される。いくつかの実施形態では、負の電圧が、第１の層上に印加され、正のまたは中立電圧が、第２の層上に印加される。いくつかの実施形態では、気流は、第２の層に接触する前に、第１の層を通して通過する。いくつかの実施形態では、気流は、第１の層に接触する前に、第２の層を通して通過する。
【００３２】
いくつかの実施形態では、電気空気フィルタは、ＰＭ２．５に対して少なくとも８０％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、電気空気フィルタは、ＰＭ２．５に対して少なくとも９０％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、電気空気フィルタは、ＰＭ２．５に対して少なくとも９５％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、電気空気フィルタは、ＰＭ２．５に対して少なくとも９８％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、電気空気フィルタは、ＰＭ２．５に対して少なくとも９９％の除去効率を有する。
【００３３】
いくつかの実施形態では、電気空気フィルタは、ＰＭ１０−２．５に対して少なくとも８０％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、電気空気フィルタは、ＰＭ１０−２．５に対して少なくとも９０％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、電気空気フィルタは、ＰＭ１０−２．５に対して少なくとも９５％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、電気空気フィルタは、ＰＭ１０−２．５に対して少なくとも９８％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、電気空気フィルタは、ＰＭ１０−２．５に対して少なくとも９９％の除去効率を有する。
【００３４】
本明細書に説明される本発明のいくつかの実施形態の別の側面は、本明細書に説明される電気空気フィルタを備える、空気濾過デバイスに関する。いくつかの実施形態では、空気濾過デバイスは、換気システムである。いくつかの実施形態では、空気濾過デバイスは、空調システムである。いくつかの実施形態では、空気濾過デバイスは、自動車室内用空気フィルタである。いくつかの実施形態では、空気濾過デバイスは、窓網戸である。
【００３５】
本明細書に説明される本発明のいくつかの実施形態のさらなる側面は、電気空気フィルタを作製するための方法に関する。いくつかの実施形態では、本方法は、金属または金属酸化物をマイクロ繊維またはナノ繊維上にスパッタコーティングするステップを含む。いくつかの実施形態では、マイクロ繊維またはナノ繊維は、指向性スパッタコーティングによって、金属または金属酸化物で部分的にコーティングされる。いくつかの実施形態では、マイクロ繊維またはナノ繊維は、金属または金属酸化物で完全にコーティングされる。
【００３６】
いくつかの実施形態では、本方法は、金属または金属酸化物コーティングの外側表面を処理し、反応基を発生させるステップと、該反応基と有機化合物を反応させ、金属または金属酸化物コーティングの外側表面を官能化し、ＰＭ粒子に対する親和性を増加させるステップとを含む。いくつかの実施形態では、金属または金属酸化物コーティングの外側表面は、空気プラズマで処理され、−ＯＨ基を発生させる。いくつかの実施形態では、−ＯＨ基は、シラン誘導体（例えば、３−シアノプロピルトリクロロシラン）と反応され、金属または金属酸化物コーティングの外側表面を官能化する。他の好適な官能基として、高極性および高双極子モーメントを有するものが挙げられる（例えば、−ＣＮ、−ＯＨ、−ＣＯ−、−ＮＯ２、−ＮＨ−、−ＮＨ２）。双極子モーメントが高いほど、ＰＭ粒子への付着性が高まる。
【００３７】
本明細書に説明される本発明のいくつかの実施形態のさらなる側面は、電気電圧を電気空気フィルタの第１の層に印加するステップを含む、電気空気フィルタを使用してＰＭ粒子を濾過するための方法に関する。第１の層内の有機繊維が、コーティングされた側と、コーティングされない側とを含む、いくつかの実施形態では、本方法は、コーティングされない側が気流方向に面することを可能にする様式で電気空気フィルタを設置するステップを含むことができる。
【００３８】
いくつかの実施形態では、正の電気電圧が、第１の層上に印加される。いくつかの実施形態では、負の電気電圧が、第１の層上に印加される。いくつかの実施形態では、正の電圧が、第１の層上に印加され、負のまたは中立電圧が、第２の層上に印加される。いくつかの実施形態では、負の電圧が、第１の層上に印加され、正のまたは中立電圧が、第２の層上に印加される。
【００３９】
汚染源からの効率的ＰＭ２．５除去のための高温安定性を伴うナノ繊維状空気フィルタ
本明細書に説明される本発明のいくつかの実施形態の別の側面は、基板と、基板上に堆積されるポリマーナノ繊維の網とを含む、高温濾過のための空気フィルタに関し、空気フィルタは、動作温度少なくとも７０℃でＰＭ２．５に対して少なくとも７０％の除去効率を有する。
【００４０】
いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、少なくとも１Ｄ、少なくとも２Ｄ、または少なくとも３Ｄ、または少なくとも４Ｄ、または少なくとも５Ｄ、または少なくとも６Ｄ、および最大１０Ｄ、最大１２Ｄ、またはそれを上回る双極子モーメントを有する反復単位を含む、ポリマーを含む。好適な反復単位の実施例として、置換アルキル基（例えば、１、２、３、もしくはそれを上回るハロ基または以下に列挙される他の極性基と置換される）、置換アルキレン基（例えば、１、２、３、もしくはそれを上回るハロ基または以下に列挙される他の極性基と置換される）、置換アルキニル基（例えば、１、２、３、もしくはそれを上回るハロ基または以下に列挙される他の極性基と置換される）、置換アリール基（例えば、１、２、３、もしくはそれを上回るハロ基または以下に列挙される他の極性基と置換される）、ヒドロキシル基、ケトン基、スルホン基、アルデヒド基、エーテル基、チオ基、シアノ基（またはニトリル基）、ニトロ基、アミノ基、Ｎ−置換アミノ基、アンモニウム基、Ｎ−置換アンモニウム基、アミド基、Ｎ−置換アミド基、カルボキシ基、アルキルカルボニルオキシ基、アルケニルカルボニルオキシ基、アルキニルカルボニルオキシ基、アリールカルボニルオキシ基、アルキルカルボニルアミノ基、Ｎ−置換アルキルカルボニルアミノ基、アルケニルカルボニルアミノ基、Ｎ−置換アルケニルカルボニルアミノ基、アルキニルカルボニルアミノ基、Ｎ−置換アルキニルカルボニルアミノ基、アリールカルボニルアミノ基、Ｎ-置換アリールカルボニルアミノ基、尿素基、エポキシ基、オキサゾリドン基、およびその荷電またはヘテロ形態等の極性基を含む、反復単位が挙げられる。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、ケトン基および／またはスルホン基を有する反復単位を含む、ポリマーを含む。
【００４１】
いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、イミド基を含む反復単位を含む、ポリマーを含む。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、ポリイミド（ＰＩ）を含む。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、ニトリル基を含む反復単位を含む、ポリマーを含む。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を含む。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、ポリ（ｐ−フェニレンスルフィド）を含む。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、ポリ−ｐ−フェニレンテレフタルアミドを含む。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、ポリテトラフルオロエチレンを含む。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、極性官能基（例えば、−ＣＮ、−ＯＨ、−ＣＯ−、−ＮＯ２、−ＮＨ−、−ＮＨ２等）を含む反復単位を含む、ポリマーを含む。ポリマーの反復単位の双極子モーメントが高いほど、ＰＭ粒子へのポリマーの付着性が高まる。
【００４２】
いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、平均直径１ミクロン未満を有する。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、平均直径１０〜９００ｎｍを有する。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、平均直径２０〜８００ｎｍを有する。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、平均直径３０〜７００ｎｍを有する。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、平均直径５０〜５００ｎｍを有する。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、平均直径１００〜３００ｎｍを有する。
【００４３】
いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、基板上に電界紡糸される。
【００４４】
いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、電荷を担持する。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、正の電荷を担持する。いくつかの実施形態では、ポリマーナノ繊維は、負の電荷を担持する。
【００４５】
いくつかの実施形態では、空気フィルタは、光透過率少なくとも３０％、または少なくとも４０％、または少なくとも５０％、または少なくとも６０％、または少なくとも７０％、または少なくとも８０％、または少なくとも９０％を有する。透過率値は、４００〜８００ｎｍのＡＭ１．５太陽スペクトルを計測し、平均透過率値を得ることによって表されることができる。透過率値はまた、ヒト視覚もしくは測光加重透過率、５５０ｎｍ等の可視範囲内の所与の波長もしくは波長の範囲における透過率、または他の波長もしくは波長の範囲の観点から表されることができる。
【００４６】
いくつかの実施形態では、空気フィルタは、光学透明性要件を有していない用途のために使用される。空気フィルタは、光透過率６０％、または３０％、または１０％、または５％未満を有する。
【００４７】
いくつかの実施形態では、動作温度７０℃で、空気フィルタは、ＰＭ２．５に対して少なくとも７０％、または少なくとも８０％、または少なくとも９０％、または少なくとも９５％、または少なくとも９８％、または少なくとも９９％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、動作温度１５０℃で、空気フィルタは、ＰＭ２．５に対して少なくとも７０％、または少なくとも８０％、または少なくとも９０％、または少なくとも９５％、または少なくとも９８％、または少なくとも９９％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、動作温度２００℃で、空気フィルタは、ＰＭ２．５に対して少なくとも７０％、または少なくとも８０％、または少なくとも９０％、または少なくとも９５％、または少なくとも９８％、または少なくとも９９％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、動作温度２５０℃で、空気フィルタは、ＰＭ２．５に対して少なくとも７０％、または少なくとも８０％、または少なくとも９０％、または少なくとも９５％、または少なくとも９８％、または少なくとも９９％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、動作温度３００℃で、空気フィルタは、ＰＭ２．５に対して少なくとも７０％、または少なくとも８０％、または少なくとも９０％、または少なくとも９５％、または少なくとも９８％、または少なくとも９９％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、動作温度３５０℃で、空気フィルタは、ＰＭ２．５に対して少なくとも７０％、または少なくとも８０％、または少なくとも９０％、または少なくとも９５％、または少なくとも９８％、または少なくとも９９％の除去効率を有する。
【００４８】
いくつかの実施形態では、動作温度７０℃で、空気フィルタは、ＰＭ１０−２．５に対して少なくとも７０％、または少なくとも８０％、または少なくとも９０％、または少なくとも９５％、または少なくとも９８％、または少なくとも９９％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、動作温度１５０℃で、空気フィルタは、ＰＭ１０−２．５に対して少なくとも８０％、または少なくとも９０％、または少なくとも９５％、または少なくとも９８％、または少なくとも９９％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、動作温度２００℃で、空気フィルタは、ＰＭ１０−２．５に対して少なくとも８０％、または少なくとも９０％、または少なくとも９５％、または少なくとも９８％、または少なくとも９９％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、動作温度２５０℃で、空気フィルタは、ＰＭ１０−２．５に対して少なくとも８０％、または少なくとも９０％、または少なくとも９５％、または少なくとも９８％、または少なくとも９９％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、動作温度３００℃で、空気フィルタは、ＰＭ１０−２．５に対して少なくとも８０％、または少なくとも９０％、または少なくとも９５％、または少なくとも９８％、または少なくとも９９％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、動作温度３５０℃で、空気フィルタは、ＰＭ１０−２．５に対して少なくとも８０％、または少なくとも９０％、または少なくとも９５％、または少なくとも９８％、または少なくとも９９％の除去効率を有する。
【００４９】
いくつかの実施形態では、空気フィルタは、ガス速度０．２ｍ／秒で、圧力降下５００Ｐａもしくはそれ未満、または３００Ｐａもしくはそれ未満、または２００Ｐａもしくはそれ未満、または１００Ｐａもしくはそれ未満、または５０Ｐａもしくはそれ未満を有する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、ガス速度０．４ｍ／秒で、圧力降下５００Ｐａもしくはそれ未満、または３００Ｐａもしくはそれ未満、または２００Ｐａもしくはそれ未満、または１００Ｐａもしくはそれ未満、または５０Ｐａもしくはそれ未満を有する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、ガス速度０．６ｍ／秒で、圧力降下７００Ｐａもしくはそれ未満、または５００Ｐａもしくはそれ未満、または３００Ｐａもしくはそれ未満、または２００Ｐａもしくはそれ未満、または１００Ｐａもしくはそれ未満を有する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、ガス速度０．８ｍ／秒で、圧力降下７００Ｐａもしくはそれ未満、または５００Ｐａもしくはそれ未満、または３００Ｐａもしくはそれ未満、または２００Ｐａもしくはそれ未満、または１００Ｐａもしくはそれ未満を有する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、ガス速度１．０ｍ／秒で、圧力降下１０００Ｐａもしくはそれ未満、または７００Ｐａもしくはそれ未満、または５００Ｐａもしくはそれ未満、または３００Ｐａもしくはそれ未満、または２００Ｐａもしくはそれ未満、または１００Ｐａもしくはそれ未満を有する。
【００５０】
いくつかの実施形態では、空気フィルタは、高温でＰＭ２．５への長期暴露後、その濾過効率を維持する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、動作温度２００℃で、平均ＰＭ２．５指数３００および平均風速０．２ｍ／秒を有する空気への５０時間の暴露後、ＰＭ２．５に対して少なくとも８０％、または少なくとも９０％、または少なくとも９５％、または少なくとも９８％、または少なくとも９９％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、動作温度２００℃で、平均ＰＭ２．５指数３００および平均風速０．２ｍ／秒を有する空気への１００時間の暴露後、ＰＭ２．５に対して少なくとも８０％、または少なくとも９０％、または少なくとも９５％、または少なくとも９８％、または少なくとも９９％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、動作温度２００℃で、平均ＰＭ２．５指数３００および平均風速０．２ｍ／秒を有する空気への２００時間の暴露後、ＰＭ２．５に対して少なくとも８０％、または少なくとも９０％、または少なくとも９５％、または少なくとも９８％、または少なくとも９９％の除去効率を有する。
【００５１】
いくつかの実施形態では、空気フィルタは、温度５０〜８０℃およびガス速度２〜３ｍ／秒を有する自動車排気ガスからＰＭ２．５粒子を除去するために、少なくとも８０％、または少なくとも９０％、または少なくとも９５％、または少なくとも９８％、または少なくとも９９％の除去効率を有する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、温度５０〜８０℃およびガス速度２〜３ｍ／秒を有する自動車排気ガスからＰＭ１０−２．５粒子を除去するために、少なくとも８０％、または少なくとも９０％、または少なくとも９５％、または少なくとも９８％、または少なくとも９９％の除去効率を有する。
【００５２】
本明細書に説明される本発明のいくつかの実施形態の別の側面は、本明細書に説明される空気フィルタを備える、汚染源から高温ＰＭ２．５粒子を除去するための空気濾過デバイスに関する。いくつかの実施形態では、空気フィルタは、可撤性、着脱可能、および／または交換可能である。
【００５３】
いくつかの実施形態では、汚染源から高温ＰＭ２．５粒子を除去するための空気濾過デバイスは、排気用空気フィルタである。いくつかの実施形態では、空気濾過デバイスは、車両用排気フィルタである。いくつかの実施形態では、空気濾過デバイスは、産業用排気フィルタである。いくつかの実施形態では、空気濾過デバイスは、発電所用排気フィルタである。
【００５４】
本明細書に説明される本発明のいくつかの実施形態のさらなる側面は、ポリマー溶液からポリマーナノ繊維を基板上に電界紡糸するステップを含む、高温濾過のために構成される空気フィルタを作製するための方法に関する。いくつかの実施形態では、ポリマー溶液は、１〜３０重量％のポリマーを含む。いくつかの実施形態では、ポリマー溶液は、２〜２０重量％のポリマーを含む。いくつかの実施形態では、ポリマー溶液は、３〜１５重量％のポリマーを含む。いくつかの実施形態では、ポリマー溶液は、５〜１０重量％のポリマーを含む。
【００５５】
本明細書に説明される本発明のいくつかの実施形態のさらなる側面は、本明細書に説明される空気フィルタを車両用排気フィルタの中に組み込むステップを含む、高温空気濾過デバイスを作製するための方法に関する。本明細書に説明される本発明のいくつかの実施形態のさらなる側面は、本明細書に説明される空気フィルタを産業用排気フィルタの中に組み込むステップを含む、高温空気濾過デバイスを作製するための方法に関する。本明細書に説明される本発明のいくつかの実施形態のさらなる側面は、本明細書に説明される空気フィルタを発電所用排気フィルタの中に組み込むステップを含む、高温空気濾過デバイスを作製するための方法に関する。
【００５６】
これらおよび他の特徴は、その編成および動作様式とともに、付随の図面と関連して検討されることによって、以下の発明を実施するための形態から明白となるであろう。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
基板と、前記基板上に堆積されるポリマーナノ繊維の網とを含む、空気フィルタであって、前記フィルタを通した光透過率が５０％を下回るとき、ＰＭ２．５に対して少なくとも７０％の除去効率を有する、空気フィルタ。
（項目２）
前記ポリマーナノ繊維は、少なくとも１Ｄの双極子モーメントを有する反復単位を含む、ポリマーを含む、項目１に記載の空気フィルタ。
（項目３）
前記ポリマーナノ繊維は、少なくとも２Ｄの双極子モーメントを有する反復単位を含む、ポリマーを含む、項目１に記載の空気フィルタ。
（項目４）
前記ポリマーナノ繊維は、少なくとも３Ｄの双極子モーメントを有する反復単位を含む、ポリマーを含む、項目１に記載の空気フィルタ。
（項目５）
前記ポリマーナノ繊維は、ポリアクリロニトリルを含む、項目１に記載の空気フィルタ。
（項目６）
前記ポリマーナノ繊維は、ナイロンを含む、項目１に記載の空気フィルタ。
（項目７）
前記ポリマーナノ繊維は、平均直径１０〜９００ｎｍを有する、項目１に記載の空気フィルタ。
（項目８）
前記ポリマーナノ繊維は、正または負の正味電荷を有する、項目１に記載の空気フィルタ。
（項目９）
前記空気フィルタは、光透過率が７０％を下回るとき、ＰＭ２．５に対して少なくとも９０％の除去効率と、ＰＭ１０−２．５に対して少なくとも９０％の除去効率とを有する、項目１に記載の空気フィルタ。
（項目１０）
前記空気フィルタは、平均ＰＭ２．５指数３００および平均風速１マイル／時間を有する空気への１００時間の暴露後、ＰＭ２．５に対して少なくとも９０％の除去効率を有する、項目１に記載の空気フィルタ。
（項目１１）
他の材料も、より多くの機能性を提供するために、ポリマーナノ繊維に追加される、項目１に記載の空気フィルタ。
（項目１２）
項目１に記載の空気フィルタを備える、空気濾過デバイス。
（項目１３）
窓網戸、装着式マスク、屋内用空気濾過ユニット、建物用空調および換気システム、自動車用空調システム、自動車用排気システム、産業用排気システム、クリーンルーム空気濾過システム、タバコフィルタ、または屋外用濾過システムの中に組み込まれる、項目１２に記載の空気濾過デバイス。
（項目１４）
項目１に記載の空気フィルタを作製するための方法であって、少なくとも１Ｄ、または少なくとも２Ｄ、または少なくとも３Ｄの双極子モーメントを有する反復単位を含む１〜２０重量％のポリマーを含むポリマー溶液から、前記ポリマーナノ繊維を前記基板上に電界紡糸するステップを含む、方法。
（項目１５）
空気濾過デバイスを作製するための方法であって、項目１に記載の空気フィルタを窓網戸、装着式マスク、屋内用空気濾過ユニット、建物用空調および換気システム、自動車用空調システム、自動車用排気システム、産業用排気システム、クリーンルーム空気濾過システム、タバコフィルタ、または屋外用濾過システムの中に組み込むステップを含む、方法。
（項目１６）
第１の電気電圧を受容するように適合される第１の層を含む、電気空気フィルタであって、前記第１の層は、伝導性材料でコーティングされた有機繊維を含む、電気空気フィルタ。
（項目１７）
前記有機繊維は、マイクロ繊維またはナノ繊維であって、前記有機繊維は、前記伝導性材料で部分的にコーティングされ、前記伝導性材料は、炭素、金属、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、および伝導性ポリマーから選択される、項目１６に記載の電気空気フィルタ。
（項目１８）
前記有機繊維は、コーティングされた側と、コーティングされない側とを含み、前記コーティングされない側は、気流方向に面する、項目１７に記載の電気空気フィルタ。
（項目１９）
前記有機繊維は、マイクロ繊維またはナノ繊維であって、前記有機繊維は、前記伝導性材料でコーティングされ、前記伝導性材料は、炭素、金属、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、および伝導性ポリマーから選択され、前記伝導性材料は、ＰＭ２．５に対して親和性を増加させるための極性基で官能化された表面である、項目１６に記載の電気空気フィルタ。
（項目２０）
第２の電気電圧を受容するように適合される第２の層をさらに備える、項目１６に記載の電気空気フィルタ。
（項目２１）
項目１６に記載の電気空気フィルタを備える、空気濾過システム。
（項目２２）
換気システム、空調システム、および自動車室内用空気フィルタから選択される、項目２１に記載の空気濾過システム。
（項目２３）
項目１６に記載の電気空気フィルタを作製するための方法であって、金属または金属酸化物をマイクロ繊維またはナノ繊維上にスパッタコーティングするステップを含み、前記スパッタコーティングは、指向性であって、前記マイクロ繊維またはナノ繊維は、前記金属または金属酸化物で部分的にコーティングされる、方法。
（項目２４）
項目１６に記載の電気空気フィルタを作製するための方法であって、金属または金属酸化物でコーティングされたマイクロ繊維またはナノ繊維を処理し、反応基を発生させるステップと、前記反応基と有機化合物を反応させ、前記金属または金属酸化物コーティングの表面を官能化させ、ＰＭ２．５に対する親和性を増加させるステップとを含む、方法。（項目２５）
項目１６に記載の電気空気フィルタを使用してＰＭ２．５を濾過するための方法であって、電気電圧を前記電気空気フィルタの第１の層に印加するステップを含む、方法。
（項目２６）
基板と、前記基板上に堆積されるポリマーナノ繊維の網とを含む、高温濾過のための空気フィルタであって、少なくとも７０℃の動作温度でＰＭ２．５に対して少なくとも７０％の除去効率を有する、空気フィルタ。
（項目２７）
前記ポリマーナノ繊維は、少なくとも１Ｄ、または少なくとも２Ｄ、または少なくとも３Ｄの双極子モーメントを有する反復単位を含む、ポリマーを含む、項目２６に記載の空気フィルタ。
（項目２８）
前記ポリマーナノ繊維は、ポリイミドを含む、項目２６に記載の空気フィルタ。
（項目２９）
前記ポリマーナノ繊維は、平均直径１０〜９００ｎｍを有する、項目２６に記載の空気フィルタ。
（項目３０）
前記空気フィルタは、ガス速度０．２ｍ／秒で圧力降下５００Ｐａもしくはそれ未満と、少なくとも７０℃の動作温度でＰＭ２．５に対して少なくとも８０％の除去効率と、少なくとも７０℃の動作温度でＰＭ１０−２．５に対して少なくとも８０％の除去効率とを有する、項目２６に記載の空気フィルタ。
（項目３１）
前記空気フィルタは、少なくとも７０℃の動作温度で、平均ＰＭ２．５指数３００および平均風速０．２ｍ／秒を有する空気への１００時間の暴露後、ＰＭ２．５に対して少なくとも８０％の除去効率を有する、項目２６に記載の空気フィルタ。
（項目３２）
項目２６に記載の空気フィルタを備える汚染源から高温ＰＭ２．５粒子を除去するための空気濾過デバイス。
（項目３３）
車両用排気フィルタ、産業用排気フィルタ、および発電所用排気フィルタから選択される、項目３２に記載の空気濾過デバイス。
（項目３４）
項目２６に記載の空気フィルタを作製するための方法であって、少なくとも１Ｄの双極子モーメントを有する反復単位を含む１〜３０重量％のポリマーを含むポリマー溶液から、前記ポリマーナノ繊維を前記基板上に電界紡糸するステップを含む、方法。
（項目３５）
汚染源から高温ＰＭ２．５粒子を除去するための空気濾過デバイスを作製するための方法であって、項目２６に記載の空気フィルタを車両用排気フィルタ、産業用排気フィルタ、または発電所用排気フィルタの中に組み込むステップを含む、方法。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】図１Ａ−１Ｅは、ＰＭ汚染の写真と、透明空気フィルタと比較した既存の空気フィルタの概略とを示す。（図１Ａ）晴れた日の北京内の無作為場所の写真。（図１Ｂ）危険ＰＭ２．５レベルを伴う曇った日の北京内の同一場所の写真。（図１Ｃ）サイズ排除によってＰＭ粒子を捕捉する、多孔性空気フィルタの概略。（図１Ｄ）厚物理障壁および付着によるＰＭ粒子を捕捉する、大型繊維状空気フィルタの概略。（図１Ｅ）強表面付着によってＰＭ粒子を捕捉し、高光および空気透過を可能にする、透明空気フィルタの概略。
【図２−１】図２Ａ−２Ｆは、異なる表面を伴う透明空気フィルタによるＰＭ２．５捕捉の性能を示す。（図２Ａ）電界紡糸による透明空気フィルタの加工を示す、概略。（図２Ｂ）各ポリマーの反復単位の計算された双極子モーメントを伴う、ＰＡＮ、ＰＶＰ、ＰＳ、ＰＶＡ、およびＰＰを含む、異なるポリマーの分子モデルおよび調合。（図２Ｃ）濾過前のＰＡＮ、ＰＶＰ、ＰＳ、ＰＶＡ、およびＰＰ透明フィルタのＳＥＭ画像。（図２Ｄ）ＰＭ付着を示す、濾過後のＰＡＮ、ＰＶＰ、ＰＳ、ＰＶＡ、およびＰＰ透明フィルタのＳＥＭ画像。（ｃ−ｄ）におけるスケールバーは、５μｍである。（図２Ｅ）同一繊維直径約２００ｎｍおよび同一透過率約７０％を伴う、ＰＡＮ、ＰＶＰ、ＰＳ、ＰＶＡ、ＰＰ炭素、および銅透明フィルタ間の除去効率比較。（図２Ｆ）屋外（右の瓶）からのＰＭが屋内（左の瓶）環境に進入しないように遮断するための透明フィルタの使用の実証。
【図２−２】図２Ａ−２Ｆは、異なる表面を伴う透明空気フィルタによるＰＭ２．５捕捉の性能を示す。（図２Ａ）電界紡糸による透明空気フィルタの加工を示す、概略。（図２Ｂ）各ポリマーの反復単位の計算された双極子モーメントを伴う、ＰＡＮ、ＰＶＰ、ＰＳ、ＰＶＡ、およびＰＰを含む、異なるポリマーの分子モデルおよび調合。（図２Ｃ）濾過前のＰＡＮ、ＰＶＰ、ＰＳ、ＰＶＡ、およびＰＰ透明フィルタのＳＥＭ画像。（図２Ｄ）ＰＭ付着を示す、濾過後のＰＡＮ、ＰＶＰ、ＰＳ、ＰＶＡ、およびＰＰ透明フィルタのＳＥＭ画像。（ｃ−ｄ）におけるスケールバーは、５μｍである。（図２Ｅ）同一繊維直径約２００ｎｍおよび同一透過率約７０％を伴う、ＰＡＮ、ＰＶＰ、ＰＳ、ＰＶＡ、ＰＰ炭素、および銅透明フィルタ間の除去効率比較。（図２Ｆ）屋外（右の瓶）からのＰＭが屋内（左の瓶）環境に進入しないように遮断するための透明フィルタの使用の実証。
【図３−１】図３Ａ−３Ｆは、透明空気フィルタの透明性および気流評価を示す。（図３Ａ）異なる透明性におけるＰＡＮ透明空気フィルタの写真。（図３Ｂ）異なる透過率におけるＰＡＮ、ＰＶＰ、ＰＳ、およびＰＶＡ透明フィルタのＰＭ２．５除去効率。（図３Ｃ）異なる透過率におけるＰＡＮ、ＰＶＰ、ＰＳ、およびＰＶＡ透明フィルタのＰＭ１０−２．５除去効率。（図３Ｄ）電気ファンによって実証される、透明フィルタが効率的空気交換につながり得ることを示す、写真。（図３Ｅ）空気フィルタの圧力降下の測定のための設定を示す、概略。（図３Ｆ）市販の空気フィルタと比較した透明空気フィルタの透過率、効率、圧力降下、および品質係数を要約した表。
【図３−２】図３Ａ−３Ｆは、透明空気フィルタの透明性および気流評価を示す。（図３Ａ）異なる透明性におけるＰＡＮ透明空気フィルタの写真。（図３Ｂ）異なる透過率におけるＰＡＮ、ＰＶＰ、ＰＳ、およびＰＶＡ透明フィルタのＰＭ２．５除去効率。（図３Ｃ）異なる透過率におけるＰＡＮ、ＰＶＰ、ＰＳ、およびＰＶＡ透明フィルタのＰＭ１０−２．５除去効率。（図３Ｄ）電気ファンによって実証される、透明フィルタが効率的空気交換につながり得ることを示す、写真。（図３Ｅ）空気フィルタの圧力降下の測定のための設定を示す、概略。（図３Ｆ）市販の空気フィルタと比較した透明空気フィルタの透過率、効率、圧力降下、および品質係数を要約した表。
【図４−１】図４Ａ−４Ｊは、ＰＡＮ透明フィルタによるＰＭ捕捉の原位置時間発展研究を示す。（図４Ａ−４Ｄ）連続給送の間の異なる時系列におけるフィルタ形態を示す、ＯＭによって特徴付けられるＰＡＮナノ繊維によるＰＭ捕捉の原位置研究。スケールバーは、２０μｍである。（図４Ａ−４Ｈ）異なる時系列におけるナノ繊維状フィルタによるＰＭ捕捉の機構を示す、概略。（図４Ｉ）ＰＡＮナノ繊維の周囲に巻着されたコーティング層を形成した、付着した軟質ＰＭの詳述な形態を示す、ＳＥＭ画像。スケールバーは、１μｍである。（図４Ｊ）ナノ繊維接合部がより多くのＰＭを凝集させ、より大きい粒子を形成することを示す、ＳＥＭ画像。スケールバーは、１μｍである。
【図４−２】図４Ａ−４Ｊは、ＰＡＮ透明フィルタによるＰＭ捕捉の原位置時間発展研究を示す。（図４Ａ−４Ｄ）連続給送の間の異なる時系列におけるフィルタ形態を示す、ＯＭによって特徴付けられるＰＡＮナノ繊維によるＰＭ捕捉の原位置研究。スケールバーは、２０μｍである。（図４Ａ−４Ｈ）異なる時系列におけるナノ繊維状フィルタによるＰＭ捕捉の機構を示す、概略。（図４Ｉ）ＰＡＮナノ繊維の周囲に巻着されたコーティング層を形成した、付着した軟質ＰＭの詳述な形態を示す、ＳＥＭ画像。スケールバーは、１μｍである。（図４Ｊ）ナノ繊維接合部がより多くのＰＭを凝集させ、より大きい粒子を形成することを示す、ＳＥＭ画像。スケールバーは、１μｍである。
【図５−１】図５Ａ−５Ｊは、ＸＰＳ、ＦＴＩＲ、ＴＥＭ、およびＥＥＬＳによる煙ＰＭ組成分析を示す。（図５Ａ）Ｃ１、Ｏ１、およびＮ１ピーク分析および組成比率を示す、ＰＭ粒子のＸＰＳ特性評価。（図５Ｂ）既存の官能基を示す、ＰＭ粒子のＦＴＩＲ特性評価。（図５Ｃ）ＰＡＮフィルタ上に捕捉されたＰＭ粒子の形態を示す、ＴＥＭ画像。（図５Ｄ）ＥＥＬＳ分析のために使用される、ＰＡＮナノ繊維上に捕捉されたＰＭ粒子のＴＥＭ画像。（図５Ｅ−５Ｆ）ＰＭ粒子およびＰＡＮ繊維に対応する、位置ｅおよびｆのＥＥＬＳデータ。（図５Ｇ−５Ｉ）異なる位置上において抽出されたＥＥＬＳデータ。（図５Ｇ）ＰＭ粒子の表面。（図５Ｈ）ＰＭ粒子の集団。（図５Ｉ）ＰＡＮ繊維。（図５Ｊ）内側の非極性官能基（Ｃ−Ｃ、Ｃ−Ｈ、およびＣ＝Ｃ）および外側の極性官能基（Ｃ＝Ｏ、Ｃ−ＯおよびＣ−Ｎ）を伴うＰＭ粒子組成を示す、概略。
【図５−２】図５Ａ−５Ｊは、ＸＰＳ、ＦＴＩＲ、ＴＥＭ、およびＥＥＬＳによる煙ＰＭ組成分析を示す。（図５Ａ）Ｃ１、Ｏ１、およびＮ１ピーク分析および組成比率を示す、ＰＭ粒子のＸＰＳ特性評価。（図５Ｂ）既存の官能基を示す、ＰＭ粒子のＦＴＩＲ特性評価。（図５Ｃ）ＰＡＮフィルタ上に捕捉されたＰＭ粒子の形態を示す、ＴＥＭ画像。（図５Ｄ）ＥＥＬＳ分析のために使用される、ＰＡＮナノ繊維上に捕捉されたＰＭ粒子のＴＥＭ画像。（図５Ｅ−５Ｆ）ＰＭ粒子およびＰＡＮ繊維に対応する、位置ｅおよびｆのＥＥＬＳデータ。（図５Ｇ−５Ｉ）異なる位置上において抽出されたＥＥＬＳデータ。（図５Ｇ）ＰＭ粒子の表面。（図５Ｈ）ＰＭ粒子の集団。（図５Ｉ）ＰＡＮ繊維。（図５Ｊ）内側の非極性官能基（Ｃ−Ｃ、Ｃ−Ｈ、およびＣ＝Ｃ）および外側の極性官能基（Ｃ＝Ｏ、Ｃ−ＯおよびＣ−Ｎ）を伴うＰＭ粒子組成を示す、概略。
【図５−３】図５Ａ−５Ｊは、ＸＰＳ、ＦＴＩＲ、ＴＥＭ、およびＥＥＬＳによる煙ＰＭ組成分析を示す。（図５Ａ）Ｃ１、Ｏ１、およびＮ１ピーク分析および組成比率を示す、ＰＭ粒子のＸＰＳ特性評価。（図５Ｂ）既存の官能基を示す、ＰＭ粒子のＦＴＩＲ特性評価。（図５Ｃ）ＰＡＮフィルタ上に捕捉されたＰＭ粒子の形態を示す、ＴＥＭ画像。（図５Ｄ）ＥＥＬＳ分析のために使用される、ＰＡＮナノ繊維上に捕捉されたＰＭ粒子のＴＥＭ画像。（図５Ｅ−５Ｆ）ＰＭ粒子およびＰＡＮ繊維に対応する、位置ｅおよびｆのＥＥＬＳデータ。（図５Ｇ−５Ｉ）異なる位置上において抽出されたＥＥＬＳデータ。（図５Ｇ）ＰＭ粒子の表面。（図５Ｈ）ＰＭ粒子の集団。（図５Ｉ）ＰＡＮ繊維。（図５Ｊ）内側の非極性官能基（Ｃ−Ｃ、Ｃ−Ｈ、およびＣ＝Ｃ）および外側の極性官能基（Ｃ＝Ｏ、Ｃ−ＯおよびＣ−Ｎ）を伴うＰＭ粒子組成を示す、概略。
【図６−１】図６Ａ−６Ｅは、ＰＡＮ透明フィルタの長期性能および実地試験（北京）性能を示す。（図６Ａ）ＰＭ汚染の連続危険レベル下における７０％透過率のＰＡＮ透明フィルタによる長期ＰＭ２．５およびＰＭ１０−２．５除去効率。（図６Ｂ−６Ｃ）１００時間のＰＭ捕捉試験後のＰＡＮ透明空気フィルタ形態を示す、ＳＥＭ。スケールバーは、それぞれ、５０μｍおよび１０μｍである。（図６Ｄ−６Ｅ）市販−１および市販−２マスクと比較した、異なる透過率を伴うＰＡＮおよびＰＳ透明フィルタのＰＭ２．５およびＰＭ１０−２．５除去効率。試験は、ＰＭ２．５指数＞３００の空気質条件下において、２０１４年７月３日に北京内で行われた。
【図６−２】図６Ａ−６Ｅは、ＰＡＮ透明フィルタの長期性能および実地試験（北京）性能を示す。（図６Ａ）ＰＭ汚染の連続危険レベル下における７０％透過率のＰＡＮ透明フィルタによる長期ＰＭ２．５およびＰＭ１０−２．５除去効率。（図６Ｂ−６Ｃ）１００時間のＰＭ捕捉試験後のＰＡＮ透明空気フィルタ形態を示す、ＳＥＭ。スケールバーは、それぞれ、５０μｍおよび１０μｍである。（図６Ｄ−６Ｅ）市販−１および市販−２マスクと比較した、異なる透過率を伴うＰＡＮおよびＰＳ透明フィルタのＰＭ２．５およびＰＭ１０−２．５除去効率。試験は、ＰＭ２．５指数＞３００の空気質条件下において、２０１４年７月３日に北京内で行われた。
【図７】図７Ａ−７Ｂは、硬質埃ＰＭおよび軟質煙ＰＭを捕捉する際の異なるポリマーから作製されるナノ繊維状フィルタ間の性能比較を示す。（図７Ａ）埃ＰＭ粒子および煙ＰＭ粒子に対するＰＡＮ、ＰＶＰ、ＰＳ、およびＰＶＡのＰＭ２．５およびＰＭ１０−２．５除去効率。（図７Ｂ）埃ＰＭ粒子を捕捉後のＰＡＮナノ繊維状フィルタを示す、ＳＥＭ画像。
【図８】図８Ａ−８Ｄは、ＰＡＮナノ繊維状フィルタ性能の直径依存性を示す。（図８Ａ−８Ｃ）直径２００ｎｍ、７００ｎｍ、および１．５μｍを伴う、ＰＡＮナノ繊維状フィルタのＳＥＭ画像。スケールバーは、５μｍである。（図８Ｄ）直径２００ｎｍ、７００ｎｍ、および１．５μｍを伴う、ＰＡＮナノ繊維状フィルタのＰＭ２．５およびＰＭ１０−２．５除去効率。
【図９−１】図９Ａ−９Ｄは、ＰＭ捕捉後のＰＡＮナノ繊維のエネルギー分散Ｘ線分光分析（ＥＤＸ）を示す。（図９Ａ）捕捉されたＰＭ粒子を伴う、ＰＡＮナノ繊維のＳＥＭ画像。（図９Ｂ−９Ｄ）元素Ｃ、Ｎ、およびＯのＥＤＸマッピング。
【図９−２】図９Ａ−９Ｄは、ＰＭ捕捉後のＰＡＮナノ繊維のエネルギー分散Ｘ線分光分析（ＥＤＸ）を示す。（図９Ａ）捕捉されたＰＭ粒子を伴う、ＰＡＮナノ繊維のＳＥＭ画像。（図９Ｂ−９Ｄ）元素Ｃ、Ｎ、およびＯのＥＤＸマッピング。
【図１０】図１０Ａ−１０Ｄは、市販のフィルタのＳＥＭ画像を示す。（図１０Ａ）市販−１、（図１０Ｂ）市販−２、（図１０Ｃ）市販−３、および（図１０Ｄ）市販−４．スケールバーは、５０μｍである。
【図１１】図１１は、ＰＡＮ、ＰＶＰ、ＰＳ、およびＰＶＡから作製されるナノ繊維状フィルタのＰＭ２．５およびＰＭ１０−２．５除去効率の風速依存性を示す。
【図１２】図１２は、ＰＡＮ、ＰＶＰ、ＰＳ、およびＰＶＡから作製されるナノ繊維状フィルタのＰＭ２．５およびＰＭ１０−２．５除去効率の湿度依存性を示す。
【図１３】図１３は、市販の空気フィルタと比較した、透明ＰＡＮ空気フィルタの透過率、効率、圧力降下、および品質係数の概要を示す。
【図１４】図１４Ａは、例示的伝導性空気フィルタの概略図を示す。濾過の間、負の電圧（０〜−１０ｋＶ）が、正面電極に追加され、正の電圧（０〜＋１０ｋＶ）が、背面電極に追加される。図１４Ｂは、伝導性空気フィルタのための第１および第２の材料合成オプションの概略図を示す。
【図１５】図１５Ａは、例示的Ｃｕスパッタマイクロ繊維のＳＥＭ画像を示す。図１５Ｂは、伝導性空気フィルタのための第１の材料合成オプションの概略図を示す。
【図１６】図１６は、例示的Ｃｕコーティングおよび機能化されたナイロンナノ繊維のＳＥＭ画像を示す。
【図１７】図１７は、例示的電気空気フィルタの性能を示す。
【図１８−１】図１８Ａ−１８Ｄは、ＰＭの源および温度分布ならびに異なる産業用埃収集機のＰＭ除去性能を示す。（図１８Ａ）大量の高温ＰＭ粒子を含有する煙突排気の写真（Ｙｕｌｉｎ、中国）。（図１８Ｂ）北京内のＰＭ２．５源。（図１８Ｃ）種々の高温ＰＭ源の温度およびＰＭ濃度分布。（図１８Ｄ）異なる産業用埃収集機のＰＭ除去性能の比較。Ａ；バッフル付き沈殿槽；Ｂ、サイクロン「既製」；Ｃ、緻密に設計されたサイクロン；Ｄ、静電式空気清浄装置；Ｅ、スプレー塔；Ｆ、ベンチュリ集塵器；Ｇ、バッグフィルタ。
【図１８−２】図１８Ａ−１８Ｄは、ＰＭの源および温度分布ならびに異なる産業用埃収集機のＰＭ除去性能を示す。（図１８Ａ）大量の高温ＰＭ粒子を含有する煙突排気の写真（Ｙｕｌｉｎ、中国）。（図１８Ｂ）北京内のＰＭ２．５源。（図１８Ｃ）種々の高温ＰＭ源の温度およびＰＭ濃度分布。（図１８Ｄ）異なる産業用埃収集機のＰＭ除去性能の比較。Ａ；バッフル付き沈殿槽；Ｂ、サイクロン「既製」；Ｃ、緻密に設計されたサイクロン；Ｄ、静電式空気清浄装置；Ｅ、スプレー塔；Ｆ、ベンチュリ集塵器；Ｇ、バッグフィルタ。
【図１８−３】図１８Ａ−１８Ｄは、ＰＭの源および温度分布ならびに異なる産業用埃収集機のＰＭ除去性能を示す。（図１８Ａ）大量の高温ＰＭ粒子を含有する煙突排気の写真（Ｙｕｌｉｎ、中国）。（図１８Ｂ）北京内のＰＭ２．５源。（図１８Ｃ）種々の高温ＰＭ源の温度およびＰＭ濃度分布。（図１８Ｄ）異なる産業用埃収集機のＰＭ除去性能の比較。Ａ；バッフル付き沈殿槽；Ｂ、サイクロン「既製」；Ｃ、緻密に設計されたサイクロン；Ｄ、静電式空気清浄装置；Ｅ、スプレー塔；Ｆ、ベンチュリ集塵器；Ｇ、バッグフィルタ。
【図１９−１】図１９Ａ−１９Ｏは、室温におけるＰＩナノ繊維状空気フィルタの構造および濾過性能を示す。（図１９Ａ）ＰＩの一般的分子構造。（図１９Ｂ）電界紡糸による透明ＰＩ空気フィルタの加工の概略。（図１９Ｃ）光学透過率７０％を伴う典型的透明ＰＩ空気フィルタの写真。（図１９Ｄ）透明ＰＩ空気フィルタのＯＭ画像。（図１９Ｅ−１９Ｇ）異なる拡大率を伴うＰＩ空気フィルタのＳＥＭ画像。（図１９Ｈ）ＰＭ粒子を伴う濾過後のＰＩ空気フィルタのＳＥＭ画像。（図１９Ｉ）ＰＭ粒子を伴う濾過後のＰＩ空気フィルタのＯＭ画像。（図１９Ｊ）異なるサイズを伴うＰＭ粒子に対する光学透過率５０％を伴うＰＩ空気フィルタの除去効率。（図１９Ｋ）ＰＭが源（左の瓶）から環境（右の瓶）に進入しないように阻止するためのＰＩ空気フィルタの使用の実証。（図１９Ｌ−１９Ｏ）ＰＭガスの連続給送の間の異なる時系列におけるＯＭ下のＰＩ空気フィルタによるＰＭ捕捉の原位置発展研究。（図１９Ｌ−１９Ｏ）のための時間スケールは、それぞれ、０、５、６０、１５０秒である。
【図１９−２】図１９Ａ−１９Ｏは、室温におけるＰＩナノ繊維状空気フィルタの構造および濾過性能を示す。（図１９Ａ）ＰＩの一般的分子構造。（図１９Ｂ）電界紡糸による透明ＰＩ空気フィルタの加工の概略。（図１９Ｃ）光学透過率７０％を伴う典型的透明ＰＩ空気フィルタの写真。（図１９Ｄ）透明ＰＩ空気フィルタのＯＭ画像。（図１９Ｅ−１９Ｇ）異なる拡大率を伴うＰＩ空気フィルタのＳＥＭ画像。（図１９Ｈ）ＰＭ粒子を伴う濾過後のＰＩ空気フィルタのＳＥＭ画像。（図１９Ｉ）ＰＭ粒子を伴う濾過後のＰＩ空気フィルタのＯＭ画像。（図１９Ｊ）異なるサイズを伴うＰＭ粒子に対する光学透過率５０％を伴うＰＩ空気フィルタの除去効率。（図１９Ｋ）ＰＭが源（左の瓶）から環境（右の瓶）に進入しないように阻止するためのＰＩ空気フィルタの使用の実証。（図１９Ｌ−１９Ｏ）ＰＭガスの連続給送の間の異なる時系列におけるＯＭ下のＰＩ空気フィルタによるＰＭ捕捉の原位置発展研究。（図１９Ｌ−１９Ｏ）のための時間スケールは、それぞれ、０、５、６０、１５０秒である。
【図２０−１】図２０Ａ−２０Ｇは、ＰＩ空気フィルタの熱安定性および高温ＰＭ除去効率測定の設定を示す。（図２０Ａ−２０Ｆ）異なる温度におけるＰＩ空気フィルタの構造および形態比較。（図２０Ｇ）高温ＰＭ除去効率測定のための設定の略図。
【図２０−２】図２０Ａ−２０Ｇは、ＰＩ空気フィルタの熱安定性および高温ＰＭ除去効率測定の設定を示す。（図２０Ａ−２０Ｆ）異なる温度におけるＰＩ空気フィルタの構造および形態比較。（図２０Ｇ）高温ＰＭ除去効率測定のための設定の略図。
【図２１−１】図２１Ａ−２１Ｄは、異なる空気フィルタのＰＭ除去効率比較を示す。（図２１Ａ）異なる透明性を伴うＰＩ空気フィルタのＰＭ２．５除去効率比較。ここでは、ＰＩ−４５は、光学透過率４５％を伴うＰＩ空気フィルタを意味し、その他も、類似意味を有する。（図２１Ｂ）異なる光学透過率を伴うＰＩ空気フィルタのＰＭ１０−２．５除去効率比較。（図２１Ｃ）異なる材料から作製される異なる空気フィルタのＰＭ２．５除去効率比較。ここでは、「Ｃｏｍ−」は、市販の空気フィルタを意味する。（図２１Ｄ）異なる材料から作製される異なる空気フィルタのＰＭ１０−２．５除去効率比較。
【図２１−２】図２１Ａ−２１Ｄは、異なる空気フィルタのＰＭ除去効率比較を示す。（図２１Ａ）異なる透明性を伴うＰＩ空気フィルタのＰＭ２．５除去効率比較。ここでは、ＰＩ−４５は、光学透過率４５％を伴うＰＩ空気フィルタを意味し、その他も、類似意味を有する。（図２１Ｂ）異なる光学透過率を伴うＰＩ空気フィルタのＰＭ１０−２．５除去効率比較。（図２１Ｃ）異なる材料から作製される異なる空気フィルタのＰＭ２．５除去効率比較。ここでは、「Ｃｏｍ−」は、市販の空気フィルタを意味する。（図２１Ｄ）異なる材料から作製される異なる空気フィルタのＰＭ１０−２．５除去効率比較。
【図２２−１】図２２Ａ−２２Ｃは、異なる透過率を伴う透明ＰＩ空気フィルタの透明性および圧力降下比較を示す。（図２２Ａ）異なる透過率を伴うＰＩ透明空気フィルタの写真。（図２２Ｂ）ＰＩフィルタのための異なるガス速度における圧力降下および透過率の関係。（図２２Ｃ）異なる空気フィルタの圧力降下の比較。
【図２２−２】図２２Ａ−２２Ｃは、異なる透過率を伴う透明ＰＩ空気フィルタの透明性および圧力降下比較を示す。（図２２Ａ）異なる透過率を伴うＰＩ透明空気フィルタの写真。（図２２Ｂ）ＰＩフィルタのための異なるガス速度における圧力降下および透過率の関係。（図２２Ｃ）異なる空気フィルタの圧力降下の比較。
【図２３】図２３Ａ−２３Ｃは、ＰＩ空気フィルタの長期および実地試験性能を示す。（図２３Ａ）ＰＭ汚染の連続危険レベル下における透過率５０％を伴うＰＩ空気フィルタによる長期ＰＭ２．５およびＰＭ１０−２．５除去効率。（図２３Ｂ）空気フィルタを伴わない自動車排気のＰＭ個数濃度測定。（図２３Ｃ）空気フィルタを伴う自動車排気のＰＭ個数濃度測定。差込図は、ｃ内の赤色円形によって示される、透過率５０％を伴うＰＩフィルタでコーティングされたステンレス鋼パイプを示す。
【図２４】図２４は、抹香の燃焼によって経時的に発生されるＰＭ粒子のサイズ分布を示す。
【図２５】図２５は、異なる温度における異なる空気フィルタの構造および形態比較を示す。
【図２６】図２６は、異なる温度における異なる空気フィルタの構造および形態比較を示す。
【図２７】図２７は、圧力降下測定の概略を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５８】
緒言。ＰＭ汚染の除去のための低気流抵抗を伴う非常に効果的な空気フィルタが、本明細書に説明される。市販の空気フィルタは、大型であって、低気流を有し、光学透明性および高気流を有する透明空気フィルタの要件と互換性がない。本明細書では、ナノ繊維の表面化学性質を制御し、ＰＭと空気フィルタとの間の強付着を可能にすることによって、電荷をナノ繊維の中に注入することによって、かつまた、空気フィルタのマイクロ構造を制御し、捕捉可能性を増加させることによって、透明な高気流かつ非常に効果的な空気フィルタが、達成されることができ、非常に危険な空気質条件（ＰＭ２．５指数＞３００またはＰＭ２．５質量濃度＞２５０μｇ／ｍ３）下において、ＰＭ２．５の＞９５％除去を伴う約９０％透明性、＞９９％除去を伴う約６０％透明性、および＞９９．９７％除去を伴う約３０％透明性を有することができることが実証される。そのようなナノ繊維フィルタは、任意の特定の使用分野に限定されない。その光学透明性は、非常に薄い層のナノ繊維フィルタが高効率のＰＭ除去を有することができることを示す。北京における実地試験は、例示的ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）透明空気フィルタが優れた性能を有することを示し、高透過率（それぞれ、約７７％、約５４％、および約４０％）において高ＰＭ２．５除去効率（９８．６９％、９９．４２％、および９９．８８％）を実証した。本明細書に説明される透明空気フィルタは、屋内空気濾過、屋外個人保護、および産業用排気濾過を通して、深刻な空気汚染問題を解決するために使用されることができる。
【００５９】
空気フィルタ表面スクリーニング。空気フィルタのための効果的材料を見出すために、異なるポリマーおよび他のコーティングを伴うポリマーが、ＰＭ捕捉のために調査された。電界紡糸が、ポリマーナノ繊維状空気フィルタを作製するために使用された（図２Ａ参照）。電界紡糸は、多様なポリマー溶液から制御可能寸法を伴う均一繊維状フィルタを作製する際、大きな利点を有する。本多用途性は、電界紡糸を透明ナノ繊維の網を生産するための理想的ツールにする。電界紡糸の間、高電圧が、ポリマー溶液を含有する注入器の先端に印加される。結果として生じる電力は、ポリマー溶液をナノ繊維の中に引き込み、繊維を接地された収集機（本実験では、市販の金属コーティングされた窓網戸メッシュであった）上に堆積させる。電場分布に起因して、電界紡糸されたポリマーナノ繊維は、メッシュ孔に横架し、空気濾過のための網を形成する。本電界紡糸方法は、拡張性があり、支持かつ付着基板として窓網戸を用いることで、空気フィルタは、機械的に堅牢となる。異なる表面特性を伴うナノ繊維が、ポリマー側鎖上の官能基を変化させることによって、かつまた、スパッタリング方法を使用して異なる材料をコーティングすることによって作製される。選定されるポリマーは、大量かつ低コストで利用可能であって、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、およびポリプロピレン（ＰＰ）を含む。コーティング材料は、銅および炭素である。ＰＰ、銅、および炭素は全て、市販繊維状または多孔性膜空気フィルタにおいて一般に使用される材料である。異なるポリマーの分子モデルおよび調合は、図２Ｂに示される。極性および疎水性は、各ポリマー間で異なり、双極子モーメントは、それぞれ、ＰＡＮ、ＰＶＰ、ＰＳ、ＰＶＡ、およびＰＰの反復単位に対して３．６Ｄ、２．３Ｄ、０．７Ｄ、１．２Ｄ、および０．６Ｄである。
【００６０】
本明細書に説明される透明空気フィルタを試験するために、ＰＭが、抹香を燃焼させることによって発生される。燃焼抹香は、４５ｍｇ／ｇを上回る燃焼ＰＭを含有し、排気煙は、ＣＯ、ＣＯ２、ＮＯ２、ＳＯ２を含む、種々の汚染ガスと、また、ベンゼン、トルエン、キシレン、アルデヒド、および多環芳香族炭化水素（ＰＡＨ）等の揮発性有機化合物とを含有する。本複合空気排気は、曇った日の汚染された空気中に存在する成分の多くを含有する、モデルシステムである。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）が、最初に、濾過前および後の異なる繊維状フィルタを特性評価するために使用された。画像は、図２Ｃ、２Ｄに示される。異なるポリマーの作製されたままのナノ繊維フィルタは、繊維サイズ約２００ｎｍおよび類似充塞密度を伴って、類似形態を有していた。ＰＰ繊維は、電界紡糸によって作製されることができないため、透過率７０％となるように市販のマスクから剥離された。ＰＰは、したがって、電界紡糸されたナノ繊維と比較してはるかに大きい直径の繊維を伴う、異なる形態を有する。濾過試験後の異なるフィルタのＳＥＭ画像は、ＰＡＮフィルタ上にコーティングされたＰＭ粒子の数およびサイズが両方とも、他のポリマーのものより大きかったことを示す。煙ＰＭは、無機ＰＭの場合のように、ナノ繊維の表面のみに付着する代わりに、各ナノ繊維の周囲に強く巻着されたコーティング層を形成した（図７Ａ−７Ｂ参照）。市販のＰＰ空気フィルタに関して、捕捉されたＰＭ粒子は、殆ど認められることができない。
【００６１】
異なる繊維状フィルタによる定量化されたＰＭ２．５およびＰＭ１０−２．５除去は、図２Ｅに示される。全ての繊維状フィルタは、同一透過率（約７０％）である。効率比較から、ＰＡＮは、ＰＭ２．５およびＰＭ１０−２．５の両方の最高除去を有し、その後、ＰＶＰ、ＰＶＡ、ＰＳ、ＰＰ、銅、および炭素が続くことが示される。図２Ｅにおいてハイライトされたゾーン（９５％〜１００％）は、高効率フィルタの標準をマークし、試験されたもののうち、透明ＰＡＮフィルタのみが、本要件を満たす。除去効率は、空気フィルタの有無別のＰＭ粒子個数濃度を比較することによって計算される。結果は、ポリマー捕捉効率が、ポリマー反復単位の双極子モーメントの増加に伴って増加することを示し、双極子間または誘発双極子力が、ポリマー表面へのＰＭの結合を著しく向上させることができ、より高い双極子モーメントを伴うポリマーは、ＰＭ粒子のより優れた除去効率を有するであろうことを示唆した。無機ＰＭ２．５およびＰＭ１０−２．５はまた、ＰＡＮ空気フィルタが、ＰＭ粒子を捕捉する際、非常に効果的であることを示した。より大量の炭素および水含有量を伴う軟質ＰＭは、同一材料から作製される繊維状フィルタの捕捉効率が軟質ＰＭ捕捉においてより低いため、硬質無機ＰＭより捕捉が困難である傾向にある（図７Ａ−７Ｂ）。表面化学性質に加えて、フィルタの繊維寸法もまた、図８Ａ−８Ｄに示されるように、ＰＭ除去効率に有意に影響を及ぼす。繊維直径が約２００ｎｍから約１μｍに増加するにつれて、同一透過率７０％を伴うＰＡＮ空気フィルタの除去効率は、９７％から４８％に低下した。ＰＭ汚染を遮断するための透明フィルタの使用の実証が、図２Ｆに示される。右の瓶では、ＰＭ２．５指数＞３００またはＰＭ２．５質量濃度＞２５０μｇ／ｍ３を伴うＰＭの危険レベルが、発生され、約７０％透過率を伴うＰＡＮ透明フィルタが、ＰＭ源と別の瓶との間に設置された。図２Ｆに示されるように、左の瓶は、依然として、クリアであって、ＰＭ２．５濃度は、ＰＭ２．５指数（質量濃度＜１５μｇ／ｍ３）によって求められる良好なレベルであった。本実証は、ＰＡＮ透明フィルタの有効性を示す。
【００６２】
透明空気フィルタのＰＭ除去効率、光学透明性、および気流の評価。捕捉効率に加えて、透明空気フィルタのための他の２つのパラメータ、すなわち、光透過率および気流が、次いで、評価された。図３Ａは、透過率約８５％、約７５％、約５５％、約３０％、および約１０％を伴う、ＰＡＮ透明空気フィルタの写真を示す。５０％を上回る透過率を伴う空気フィルタに関して、十分な光が、太陽および景観を通して透過し、そこからの照明を可能にすることができる。異なるポリマーナノ繊維状フィルタのＰＭ捕捉効率が、異なる透過率レベルにおいて査定され、結果は、図３Ｂ−３Ｃに示される。繊維状フィルタの厚さを増加させることによって、ＰＡＮ、ＰＶＰ、およびＰＶＡフィルタのＰＭ２．５捕捉効率は、増加した（図２Ｂ−２Ｃ参照）。ＰＡＮフィルタに関して、優れた捕捉効率が、ＰＭ２．５捕捉に対して約９０％透明性における＞９５％除去および約６０％透過率における＞９９％除去として、種々の光学透過率レベルに対して達成された。ＰＶＰおよびＰＶＡフィルタによるＰＭ２．５捕捉の＞９５％効率は、それぞれ、約６０％および約３０％のより低い透過率でも達成された。しかしながら、多くの市販のフィルタにおいて使用されるＰＳ繊維に関しては、フィルタ厚を増加させても、ＰＭ２．５捕捉効率をそれほど改良しない。ＰＭ１０−２．５粒子の除去効率（図３Ｃ参照）は全て、全４つのポリマー空気フィルタにおいてＰＭ２．５のものより高く、その大部分において、除去効率は、＞９５％効率標準を満たす。ＰＡＮは、類似透過率を伴う他のポリマーフィルタより優れた捕捉能力を示した。
【００６３】
捕捉効率に加えて、高気流を保つことも、空気フィルタの性能を査定するための別のパラメータである。全ての気流試験は、ＰＡＮ空気フィルタに基づいた。図３Ｄでは、ＰＡＮ透明空気フィルタを通して透過する空気が、ファンによって発生された風によって実証された。透過率約９０％を伴うＰＡＮ透明空気フィルタが、棒に吊架された紙房の束の正面に設置された。風がファンから吹いているとき、紙房は、その正面のＰＡＮ空気フィルタに伴って吹き上げられ、透明フィルタを通した空気の大量の透過を実証した。空気透過の定量的分析が、異なるレベルの透過率を伴う透明ＰＡＮフィルタの圧力降下（ΔＰ）を調査することによって行われた。図３Ｅは、圧力降下測定の概略を示す。空気フィルタを横断する圧力差が、測定された。図３Ｆでは、面速０．２１ｍ／秒において、８５％および７５％透過率空気フィルタの圧力降下は、それぞれ、わずか１３３および２０６Ｐａであることが示される。本圧力降下は、大気圧力のわずか＜０．２％であって、無視可能である。これらのレベルの圧力降下は、ナノ繊維を伴わない空の窓網戸のものに類似する（１３１Ｐａ）。ΔＰは、フィルタ厚さの増加または透過率の低下に伴って増加する。効率および圧力降下の両方を考慮した空気フィルタの全体的性能は、品質係数（ＱＦ）によって査定される（図３Ｆおよび図１３参照）。透明ＰＡＮフィルタは、２倍からさらには数桁までの４つの市販のフィルタより高いＱＦを示した（図８Ａ−８Ｄに示されるＳＥＭ）。
【００６４】
ＰＡＮ透明フィルタによるＰＭ捕捉の原位置時間発展研究。ＰＭ捕捉プロセスおよび機構が、繊維直径約２００ｎｍを伴うＰＡＮナノ繊維状フィルタを使用して、原位置光学顕微鏡（ＯＭ）およびＳＥＭによって研究された。ＰＡＮナノ繊維状フィルタは、ＯＭ下に設置された。高濃度の煙ＰＭを伴う連続流が、繊維状フィルタに給送された。図４Ａは、ＰＭを捕捉する前のＰＡＮ繊維フィルタを示す。図４Ｂ−４Ｄでは、ＰＭ捕捉の時系列が、示される。異なる段階におけるＰＭ捕捉を説明する概略が、図４Ｅ−４Ｈに示される。初期捕捉段階（図４Ｂおよび４Ｆ）では、ＰＭは、ＰＡＮナノ繊維によって捕捉され、ナノ繊維上に緊密に結合された。より多くの煙がフィルタに継続的に給送されるにつれて、より多くのＰＭ粒子が、付着された。粒子は、ＰＡＮナノ繊維に沿って移動し、凝集し、より大きい粒子を形成し、新しいＰＭ粒子が取着するためのいくつかの空の空間を残すことが可能であった。加えて、流入する新しいＰＭ粒子は、直接、ＰＡＮナノ繊維上にすでにあるＰＭに付着し、ともに融合され得る（図４Ｆ参照）。捕捉が進み続けるにつれて、ＰＡＮフィルタは、大きな凝集されたＰＭ粒子で充填された。ナノ繊維の接合部は、より多くのＰＭを蓄積させ、より大きいサイズの球状粒子を形成させた。
【００６５】
ＳＥＭが、ＰＭ粒子とＰＡＮナノ繊維との間の詳細な相互作用を特性評価するために使用され、画像は、図４Ｉ−４Ｊに示される。軟質ＰＭ粒子の一般的捕捉機構は、ＰＡＮナノ繊維と接触後、ＰＭ粒子が、ナノ繊維の周囲に緊密に巻着し（図４Ｉ参照）、変形し、最後に、ナノ繊維上の安定球状形状に至ることとなるであろうというものである。本巻着コーティングは、その接触面積を拡大させ、緊密に結合し、優れた捕捉性能を確実にする傾向となるであろうように、ＰＭ粒子がＰＡＮナノ繊維の表面に有利に働くことを示す。
【００６６】
ＰＭ化学組成分析。煙ＰＭを捕捉する際の異なる繊維状フィルタの性能差をさらに説明するために、煙ＰＭの組成および表面化学性質が、調査された。図５Ａは、ＰＭのＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）特性評価を示す。ＸＰＳは、煙ＰＭの表面元素組成（深度約５ｎｍ）のみを検出した。Ｃ１信号は、Ｃ−Ｃ、Ｃ−Ｏ、およびＣ＝Ｏ結合に対応する、２８４．７ｅＶ、２８５．９ｅＶ、および２８６．６ｅＶにおける３つの主要ピークを含むことが示される。Ｏ１ピークは、Ｃ１ピークの結果を支持し、５３３．１ｅＶおよび５３１．９ｅＶにおけるＣ−ＯおよびＣ＝Ｏの存在を示す。これらの元素に加えて、わずかな割合のＮも、煙粒子の表面上に存在し、これは、Ｎ１の４００．８ｅＶのピークに示される。全体的結果は、Ｃ、Ｏ、およびＮが、煙ＰＭ表面上に存在する３つの元素であって、その比率が、５８．５％、３６．１％、および５．４％であることを示す。官能基は、４．８：５．１：１．３：１の比率を伴う、Ｃ−Ｃ、Ｃ−Ｏ、Ｃ＝Ｏ、およびＣ−Ｎである。煙ＰＭの総組成が、赤外線フーリエ変換赤外分光法（ＦＴＩＲ）によって特性評価され、スペクトルは、図５Ｂに示される。主要ピークは、約３３１１ｃｍ−１、２２９１ｃｍ−１、１７５７ｃｍ−１、１６４３ｃｍ−１、１３８６ｃｍ−１、１２３８ｃｍ−１、１１１８ｃｍ−１、および１０７６ｃｍ−１であって、これは、Ｏ−Ｈ、Ｃ−Ｈ、Ｃ＝Ｏ、Ｃ＝Ｃ、Ｃ−Ｎ、およびＣ−Ｏ（最後の３つのピーク）官能基の存在を示した。また、エネルギー分散Ｘ線分光分析（ＥＤＸ）特性評価は、ＰＭ粒子中のＣ、ＮおよびＯの同一組成を示した（図９Ａ−９Ｄ参照）。ＸＰＳ、ＦＴＩＲ、およびＥＤＸ分析は、煙組成の一貫した結果を示し、大部分は、アルケン、アルデヒド等の異なる極性の官能基を伴う有機炭素を含有する。Ｃ−Ｏ、Ｃ＝Ｏ、およびＣ−Ｎ等の高極性の官能基は、主に、粒子の外側表面上に分布される。ＰＭ粒子を横断した官能基分布をさらに実証するために、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）および電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）が、ＰＡＮ繊維上に捕捉された煙ＰＭを特性評価するために使用される。図５Ｃは、ＰＡＮ繊維に付着されたＰＭの形態を示す。ＰＭ粒子は、コアがいくつかの濃縮された固体を含有する一方、外側表面が軽有機物質を含有する、粘性非晶質炭素状形態を有する。ＥＥＬＳが、ＰＡＮ繊維に付着されたＰＭ（図５Ｄおよび５Ｅ）ならびに裸ＰＡＮ繊維（図５Ｄおよび５Ｆ）を横断するエネルギー損失を測定するために使用された。結果は、ＰＭ粒子では、化学含有量が、位置に伴って変化することを示す。ＰＭの一端から他端にビームを走査することによって、ＣＫエッジ（２８４ｅＶ）、ＮＫエッジ（４０１ｅＶ）、およびＯＫエッジ（５３２ｅＶ）のピークが、最初に、ＰＭの外側表面で示された（図５Ｇ参照）。ビームがＰＭの中心に移動するにつれて、ＮＫエッジおよびＯＫエッジ信号は、減少し、Ｃ信号のみが存在した（図５Ｈに示される）。最後に、位置が外側表面に移動するにつれて、再び、ＮＫエッジ（４０１ｅＶ）およびＯＫエッジ（５３２ｅＶ）ピークが、再び現れた。対照として、ＰＡＮ繊維のＥＥＬＳ信号も、ＣＫエッジ（２８４ｅＶ）およびＮＫエッジ（４０１ｅＶ）を伴って、全体的繊維全体を横断して同一信号を示し、これは、ＰＡＮポリマーの化学組成に合致する（図５Ｉ参照）。これは、再び、ＯおよびＮを含有する極性官能基（Ｃ−Ｏ、Ｃ＝Ｏ、およびＣ−Ｎ）が、主に、アルケン等のいくつかの非極性官能基が同伴されてＰＭの外側表面に存在することを示す（図４Ｊ参照）。これは、より高い双極子モーメントを伴うポリマー空気フィルタがより高いＰＭ捕捉効率を有する結果と一貫する。Ｃ−Ｏ、Ｃ＝Ｏ、およびＣ−Ｎ等の極性官能基は、ＰＭ粒子の外側表面に存在したため、より高い双極子モーメントを伴うポリマーは、ＰＭ捕捉効率がより高くなるように、より強い双極子間および誘発双極子分子間力を有することができる。
【００６７】
ＰＡＮ透明空気フィルタ長期性能。透明フィルタの長期性能が、ＰＭ２．５指数＞３００に相当する危険レベルの条件および弱風条件（＜１マイル／時間）下において、透過率約７５％を伴うＰＡＮフィルタを使用して評価された。性能は、図６Ａに示される。１００時間後、ＰＡＮフィルタは、依然として、それぞれ、９５−１００％および１００％の高ＰＭ２．５およびＰＭ１０−２．５除去効率を維持し、圧力降下は、約２Ｐａから約５Ｐａへと若干のみ増加した。図６Ｂ、６ＣにおけるＳＥＭ画像は、１００時間試験後のＰＡＮナノ繊維状フィルタの形態を示す。捕捉されたＰＭ粒子は、凝集され、２０〜５０μｍの非常に大粒子の領域を形成した。質量損失を測定することによるＰＭの剥離は、清浄空気を使用して使用済みＰＡＮフィルタに吹き込んだ後も認められなかった（エラーバーの０．００６％以内）。別個のＰＭ吸着試験は、ＰＡＮ透明フィルタがフィルタの自重に対する質量の１０倍のＰＭ汚染の捕捉を達成したことを示している。本１０倍能力は、透過率約７５％を伴う透明フィルタの寿命が危険ＰＭレベル（ＰＭ指数＞３００）下で３００時間を上回ることが予期されることを含意する。
【００６８】
実地試験（北京、中国）における透明空気フィルタの性能。実際の汚染空気環境におけるフィルタの有効性を研究するために、実地試験が、２０１４年７月３日に中国の北京で実施された。ＰＭ２．５は、ＰＭ２．５指数＞３００に相当する危険レベルであった。結果は、図６Ｄ、６Ｅに示される。透過率約７７％、約５４％、約４０％を伴うＰＡＮフィルタは、それぞれ、９８．６９％、９９．４２％、９９．８８％、および９９．７３％、９９．７６％、９９．９２％のＰＭ２．５およびＰＭ１０−２．５除去効率を達成した。比較のために、煙ＰＭのより低い除去を示した、ＰＳフィルタは、一貫して、実地試験において、それぞれ、透過率７１％、６１％、４１％において、７６．６１％、７３．５０％、９６．７６％、および９５．９１％、９５．１７％、９９．４４％のＰＭ２．５およびＰＭ１０−２．５のより低い除去を示した。またＰＰ繊維を伴う市販のマスクである市販−１および市販−２（図１０Ａ−１０Ｄに示される画像）も、比較のために試験された。市販−１は、はるかに低いＰＭ２．５およびＰＭ１０−２．５除去７０．４０％および９４．６６％を示した。市販−２は、同等除去効率ＰＭ２．５（９９．１３％）およびＰＭ１０−２．５（９９．７８％）を示したが、本質的に、透明ではない（透過率６％）。故に、ＰＡＮは、透明フィルタとして優れた性能を示した。
【００６９】
異なる湿度および風力条件下におけるＰＡＮ透明空気フィルタの性能。実際の天候状況に基づいて、風力および湿度もまた、考慮され、結果は、図１１および図１２に示される。透過率約７３％を伴うＰＡＮ繊維状フィルタが、平穏（０．２１ｍ／秒）、軽風（３．１２ｍ／秒）、軟風（５．２５ｍ／秒）、および疾風（１０．５ｍ／秒）条件を表す、異なる風力において試験された。全例下の除去効率は、＞９６％であって、風速に対して除去効率の増加傾向を示し、これは、ＰＭ粒子排除の増加に起因し得る。これは、他の研究とも一貫する。極度の湿潤条件下におけるＰＭ捕捉に関して、結果は、湿度が、透過率約７０％を伴うＰＡＮおよびＰＳがより優れたＰＭ捕捉を達成することに役立つことを示し、特に、ＰＳに関しては、３７％から９５％まで増加した。これは、周囲含水量が、ＰＭ付着の際のＰＭ粒子とＰＳナノ繊維との間の毛細管力を増加させたたまである。しかしながら、ＰＶＰおよびＰＶＡに関して、水中へのその溶解度のため、極端な湿潤条件下では、フィルタは、有意に損傷され、検出可能除去をもたらさない。湿潤条件では、ＰＡＮ透明フィルタが、優れた性能を示した。
【００７０】
結論として、電界紡糸されたＰＡＮナノ繊維は、その小繊維直径および表面化学性質のため、非常に効果的な透明ＰＭフィルタであり得ることが実証された。そのようなナノ繊維状フィルタは、ＰＭが屋内環境に進入しないように遮断し、天然換気を維持し、窓上に据え付けられると、光学透明性を保存することができる。透過率約７５％を伴う電界紡糸されたＰＡＮ透明空気フィルタは、効率が９５〜１００％に維持されたままで、１００時間もの長い間、危険ＰＭ２．５レベル下で使用されることができる。本高粒子除去効率はまた、北京内の実地試験によっても証明されており、透明フィルタの実践的可用性を示す。本明細書に説明される透明空気フィルタは、独立型デバイスとして使用される、または既存のマスクもしくはＨＥＰＡフィルタと組み込まれ、より健康な屋内生活環境を達成することと考えられる。
【００７１】
汚染源からの効率的ＰＭ２．５除去のための高温安定性を伴うナノ繊維状空気フィルタ。粒子状物質（ＰＭ）汚染は、最近、多くの国々において深刻な環境問題となっている。その源からのＰＭ、特に、ＰＭ２．５の直接除去は、ＰＭ汚染の低減のために、非常に重要である。しかしながら、ＰＭ源の大部分は、排気中で最大３００℃の高温であって、既存の技術を用いたＰＭ２．５除去にとって課題を生じさせる。本明細書に説明されるのは、高温ＰＭ２．５除去のための高効率空気フィルタである。空気フィルタは、電界紡糸によって、ポリイミド（ＰＩ）ナノ繊維から作製される。５０％光透明性（わずか３０〜６０μｍ厚）を伴うＰＩフィルタに関して、＞９９．５０％ＰＭ２．５除去効率が、達成された。ＰＩナノ繊維状空気フィルタは、高熱安定性を呈し、ＰＭ２．５除去効率は、２５℃〜３７０℃の温度に対してほぼ不変のまま保たれた。加えて、ＰＩフィルタは、非常に低い圧力降下を伴って、高空気流束を有していた。長期試験は、ＰＩナノ繊維状空気フィルタが、非常に危険な空気質条件（ＰＭ２．５指数＞３００）下でも高ＰＭ２．５除去効率を伴って、１２０時間を上回って継続的に機能し得ることを示した。実地試験は、ポリイミド空気フィルタが、高温において、自動車排気からあらゆるサイズにわたるＰＭ粒子の＞９９．５％を効果的に除去することを示した。
【００７２】
高効率ＰＩ空気フィルタ加工。ＰＩは、高温におけるその優れた熱安定性のため、例示的高温空気フィルタ材料として選定された。ＰＩは、イミドモノマーのポリマーであって、熱安定性、良好な化学抵抗、ならびに優れた機械的特性に関して知られている。しかしながら、高温における空気中のＰＭを除去するその能力についてはまだ知られていない。極性官能基は、ＰＭと結合するために好適であって、ＰＩは、本目的のための適切な極性基を有すると考えられる。分子構造の観点から、種々のタイプのＰＩが存在する。ＰＩの一般的分子構造は、図１９Ａに示される。本タイプのＰＩ分子に関して、その双極子モーメントは、６．１６Ｄである。
【００７３】
ＰＩナノ繊維状空気フィルタが、ＰＩ−ジメチルホルムアミド溶液の電界紡糸を使用して加工された。電界紡糸は、多様なポリマー溶液から制御可能寸法を伴う均一ナノ繊維状フィルタを調製する万能処理技法である（図１９Ｂ）。均一ＰＩナノ繊維の合成のために、好適な溶液濃度、注入器先端と接地された繊維収集機との間の好適な距離および電圧に関して模索することが望ましい。本明細書で使用される収集機は、銅メッシュであった。溶液濃度および印加される電圧を変化させることによって、ＰＩナノ繊維の直径は、適宜、変更されることができる。所与の作業電圧および注入器先端と収集機との間の距離では、ＰＩナノ繊維状空気フィルタの光学透明性および厚さは、主に、電界紡糸時間に依存する。図１９Ｃは、電界紡糸によって加工される典型的透明ＰＩ空気フィルタの写真を示す。図１９Ｄ−１９Ｆにおける光学顕微鏡（ＯＭ）および走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像によって示されるように、作製されたままのＰＩナノ繊維は、メッシュ基板上に均一に分布された。孔は、繊維直径よりはるかに大きく、殆ど抵抗なく気流を可能にする。繊維寸法は、ＰＭ捕捉効率に影響を及ぼすことが見出された。小直径を伴う繊維は、大直径を伴うものより広い利用可能な比表面積を有する。繊維直径が小さいほど、ＰＭ捕捉効率が高くなる。本明細書で加工されるＰＩナノ繊維の直径は、約２００ｎｍとなるように選定された（図１９Ｇ）。
【００７４】
本研究において使用されるＰＭ粒子は、広サイズ分布の粒子と、ＣＯ、ＣＯ２、ＮＯ２、ＳＯ２等の曇った日の汚染された空気中に存在する成分だけではなく、また、ベンゼン、トルエン、キシレン、アルデヒド、多環芳香族炭化水素等の揮発性有機化合物の多くとを含有するため、空気濾過のための良好なモデルシステムである、抹香を燃焼させることによって発生された。図１９Ｈおよび１９Ｉに示されるように、ＰＩナノ繊維は、濾過後、多くのＰＭ粒子でコーティングされた。粒子は、ナノ繊維の表面に強力に付着されたコーティング層を形成した。図１９Ｊは、室温における光学透過率５０％を伴うＰＩフィルタ（厚さは、約３０〜６０μｍである）のＰＭ除去効率を示す。本明細書では、光学透過率は、高気流の能力と相関する、フィルタ厚の薄さを示すために使用された。これは、異なるサイズを伴う粒子に対して、非常に高いＰＭ除去効率を有する。例えば、フィルタ厚の薄さにかかわらず、サイズ０．３μｍを伴う粒子に対するＰＭ除去効率は、９９．９８％と高く、０．３μｍ空気媒介粒子に対して濾過効率＞９９．９７％を伴うフィルタとして定義された高効率粒子状空気（ＨＥＰＡ）フィルタの標準に達する。
【００７５】
図１９Ｋは、高濃度ＰＭ汚染を遮断するためのＰＩ空気フィルタの使用の実証を示す。左の瓶は、５００μｇ／ｍ３より高いＰＭ２．５濃度を伴う危険レベルのＰＭを含有し、光学透過率６５％を伴うＰＩフィルタが、２つの瓶間に設置された。ＰＩフィルタは、ＰＭが右の瓶に移動しないように遮断することに成功した。長時間（約１時間）後でも、右の瓶は、依然として、非常にクリアであって、ＰＭ２．５濃度は、低レベル（＜２０μｇ／ｍ３、左側瓶の４％未満）のままであった。
【００７６】
ＰＩナノ繊維のＰＭ捕捉プロセスおよび機構もまた、原位置でＯＭ撮像によって研究された。図１９Ｌ−１９Ｏに示されるように、ＰＩフィルタへの高濃度煙ＰＭの連続流に伴って、ＰＭ粒子は、ＰＩナノ繊維によって捕捉され、その上に緊密に付着された。煙ＰＭの連続給送に伴って、より多くのＰＭ粒子が、付着された。一方、小粒子は、より大きいものに徐々に融合した。図１９Ｈによって示されるように、単一ＰＩナノ繊維と比較して、より多くのＰＭ粒子が、ナノ繊維の接合部の周囲にともに融合し、さらにより大きいものに形成された。
【００７７】
ＰＩ空気フィルタの高温ＰＭ除去性能。空気フィルタの熱安定性は、高温におけるその濾過性能に影響を及ぼす。ＰＩナノ繊維状空気フィルタの高温性能を試験する前に、その熱安定性が、最初に、チェックされた。ＰＩナノ繊維は、異なる温度を用いて設定されたボックス炉内に設置された。各サンプルは、１時間、各温度に保たれた。図２０Ａ−２０Ｅによって示されるように、温度が２５℃から３７０℃に増加しても、ＰＩナノ繊維の直径および形態は両方とも、不変のまま保たれ、その高熱安定性を示す。温度が３８０℃まで増加したときだけ、ＰＩナノ繊維の構造は、破壊し始める。大きな孔が、ＰＩフィルタ内に現れた（図２０Ｆ）。ＰＩナノ繊維は、明白な変形を有し、その大部分が歪曲した。ＰＩナノ繊維の直径は、より小さくなり、その一部はさらに、破砕した。図１８Ｃに示されるように、大部分の排気ガスの温度は、３００℃を下回り、したがって、ＰＩナノ繊維は、ＰＭ粒子をこれらの排気ガスから除去するために使用されるとき、安定することが予期されるであろう。
【００７８】
高温における作製されたままのＰＩ空気フィルタのＰＭ除去性能を試験するために、特殊試験デバイスが、図２０Ｇに示されるように設計された。ＰＩフィルタが、炉の内側に設置され、濾過性能試験システムと接続された。ＰＭ粒子カウンタが、粒子個数濃度を測定するために使用された。本研究において使用されるＰＭは、あらゆるサイズ＜０．３μｍ〜＞１０μｍの粒子を含有する抹香を燃焼することによって発生され、各サイズの粒子個数濃度は、試験周期の間、比較的に安定して保たれた（図２４参照）。除去効率は、ＰＩフィルタの有無別のＰＭ粒子個数濃度を比較することによって計算された。
【００７９】
ＰＩフィルタのＰＭ除去効率は、異なる温度において異なる光学透明性で体系的に研究された。図２１Ａ（ＰＭ２．５除去に関して）および２１Ｂ（ＰＭ１０−２．５除去に関して）に示されるように、、広範囲の光学透過率を伴うフィルタに関して、ＰＩナノ繊維状フィルタは、優れた熱安定性を示し、その濾過性能が３５０℃を下回る温度でほぼ不変に保たれた。光学透過率約６０％を伴うＰＩフィルタに関して、ＰＭ２．５除去効率は、９５％より高く、高効率フィルタの標準に到達した。光学透過率約４５％を伴うＰＩフィルタに関して、ＰＭ２．５除去効率は、９９．９８％より高く、０．３μｍ空気媒介粒子に対して＞９９．９７％の濾過効率を伴うフィルタとして定義されるＨＥＰＡフィルタの標準に到達した。温度の増加に伴って、それらは、安定し、その濾過性能は、不変のまま保たれた。温度が３５０℃より高くなったときのみ、ＰＩフィルタの構造は、変化し始め、ＰＭ除去効率は、低下し始めた。温度が３９０℃に到達したとき、ＰＩフィルタは、著しく損傷され、ＰＭ除去効率は、ほぼゼロになった。
【００８０】
より優れた比較を得るために、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、および３種類の市販の空気フィルタ等、他のポリマーから作製される空気フィルタもまた、試験された。ＰＡＮおよびＰＶＰもまた、較正値２００ｎｍの直径を有していた。図２１Ｃおよび２１Ｄによって示されるように、６つの異なる種類の空気フィルタ間において、ＰＩフィルタが、高温において最良濾過性能を呈したことが明白である。９０％を下回る光学透過率を伴うＰＩフィルタに関して、ＰＭ１０−２．５およびＰＭ２．５除去効率は両方とも、２５〜３５０℃の温度範囲においてほぼ不変に保たれた。ＰＩと比較して、ＰＡＮフィルタはまた、室温において高ＰＭ除去効率を有する。しかしながら、温度が２３０℃まで増加すると、ＰＡＮフィルタのＰＭ除去効率は、徐々に低下した。理由は、温度が２３０℃より高いとき、ＰＡＮが、空気中で熱的に酸化され、酸化されたＰＡＮ繊維を形成するであろうためである（図２５）。ＰＡＮの表面化学性質は、酸化後、著しく変化し、これは、直接、ＰＡＮフィルタのＰＭ除去効率に影響を及ぼすであろう。ＰＶＰフィルタに関して、その濾過性能は、温度が１５０℃より高いとき、低下した。３種類の市販のフィルタに関して、その熱安定性は、より悪化する。例えば、温度が１５０℃より高いとき、Ｃｏｍ−１＃フィルタは、完全に溶融するであろう。Ｃｏｍ−２＃フィルタは、温度が１７０℃まで増加すると、類似現象を有する。Ｃｏｍ−３＃フィルタは、室温でさえ不良濾過性能を有する。温度が２００℃まで増加すると、Ｃｏｍ−３＃フィルタは、徐々に溶融する。前述の比較から、ＰＩナノ繊維状フィルタは、最良ＰＭ除去性能および最良熱安定性を有する。
【００８１】
市販のフィルタと比較したＰＩフィルタの圧力降下。ＰＭ除去効率に加え、別の望ましいパラメータは、低圧力降下を伴う空気流束である。エネルギー消費は、フィルタにわたる圧力降下に正比例し、通常、空気フィルタの総寿命サイクルコストの７０％を占めることが報告された。平均的商業用建物では、エネルギー請求の５０％は、ＨＶＡＣ（暖房、換気、および空調）システムであって、その３０％は、直接、空気濾過に関連する。したがって、フィルタの低圧力降下は、その用途の際、多くのエネルギーおよびコストを節約するであろう。
【００８２】
通常、２つの望ましい濾過パラメータ、すなわち、除去効率と低圧力降下を伴う高空気流束との間に衝突が生じる。良好なフィルタは、高濾過効率および低圧力降下の両方を示すことが予期される。光学透過率は、空気流束と相関される、フィルタの厚さの直接観察である。図２２Ａに示されるように、異なる光学透過率を伴う、４つのＰＩナノ繊維状空気フィルタが存在する。本明細書では、異なる光学透過率を伴うＰＩナノ繊維フィルタの圧力降下は、種々の空気流率下で比較された（図２２Ｂ）。図２７は、圧力降下測定の概略を示す。図２２Ｂに示されるように、光学透過率の低下に伴って、ＰＩ空気フィルタの圧力降下は、増加する。しかしながら、最低光学透過率４０％を伴う最厚ＰＩフィルタでさえ、圧力降下は、ガス速度０．２ｍ／秒においてわずか約７０Ｐａである。ガス速度１ｍ／秒でさえ、光学透過率４０％を伴うＰＩフィルタに関する圧力降下は、わずか約３００Ｐａである。比較として、３つの異なる市販の空気フィルタは、ＰＩ空気フィルタよりはるかに高い圧力降下を有する（図２２Ｃ）。Ｃｏｍ−１＃およびＣｏｍ−２＃の市販の空気フィルタは、高ＰＭ除去効率を有するが（図２１Ｃおよび２１Ｄ）、その圧力降下は、大きすぎて、高気流を可能にしない（図２２Ｃ）。例えば、流率０．６ｍ／秒において、同様に高ＰＭ除去効率を伴うＰＩ−４０（４０％光学透過率）は、わずかな圧力降下約２００を有する一方、Ｃｏｍ−１＃およびＣｏｍ−２＃は、それぞれ、約１桁高い約２０００および約２２００Ｐａの圧力降下を有する。効率および圧力降下の両方を考慮した空気フィルタの全体的性能は、ＱＦ＝−ｌｎ（１−Ｅ）／ΔＰとして定義される、品質係数（ＱＦ）によって査定される（式中、Ｅは、ＰＭ除去効率であって、ΔＰは、フィルタの圧力降下である）。ＱＦが高いほど、より優れたフィルタである。異なる空気フィルタの全体的性能比較は、表１に要約されており、ＰＩフィルタが、ＰＭ除去効率、圧力降下、品質係数、および最高安定作業温度を考慮した最良空気濾過性能を有することを明白に示す。
【００８３】
【表１】
2020199504.tif 000002
【００８４】
ＰＩナノ繊維状空気フィルタの長期および実地試験性能。長期および実地試験性能は、実際の環境におけるＰＩ空気フィルタの実践的用途のために望ましい。ＰＩナノ繊維状空気フィルタの長期性能が、ＰＭ２．５指数＞３００に相当する危険レベルの条件および弱風条件（風速は、約０．２ｍ／秒）下において、温度２００℃で、光学透過率５５％を伴うＰＩフィルタを使用することによって評価された。ＰＩフィルタの長期ＰＭ粒子除去性能は、図２３Ａに示される。２００℃で１２０時間継続的に機能後、ＰＩ空気フィルタは、依然として、高ＰＭ除去効率を維持した。図２３Ａに示されるように、ＰＭ２．５およびＰＭ１０−２．５除去効率は、それぞれ、９７〜９９％および９９〜１００％と高いまま保たれる一方、圧力降下は、１０Ｐａ未満のみ増加した。ＰＩフィルタの粒子除去効率もまた、実践的環境において試験された。図２３Ｂおよび２３Ｃに示されるように、光学透過率５０％を伴うＰＩフィルタが、ＰＭ粒子を自動車排気ガスから除去するために使用された。自動車排気の温度は、通常、５０〜８０℃の範囲内である。ＰＭ粒子カウンタが、濾過前および後の排気ガス中のＰＭ濃度を測定するために使用された。ＰＩフィルタは、ガス速度２〜３ｍ／秒を伴う排気による強吹送下でも安定して保たれた。濾過前および後の排気中のＰＭ濃度は、表２に示され、そこから、ＰＩフィルタは、非常に高い効率を伴って、サイズ＜０．３μｍ〜＞１０μｍを伴うあらゆる種類の粒子を効果的に除去することができることが分かる。特に、濾過後、排気のＰＭ濃度は、周囲空気のものとほぼ同一まで低下され、室温および高温の量においてＰＩナノ繊維状フィルタの高濾過効率を明白に示す。
【００８５】
【表２】
2020199504.tif 000003
【００８６】
前述の実証および比較から、ＰＩナノ繊維状空気フィルタは、高効率および低空気圧力降下を伴って、高温濾過のために、優れた性能を示すことが明白である。前述のように、ＰＩ分子中の極性化学官能基は、ＰＭ２．５と強結合親和性をもたらす。ＰＩの反復単位に関する双極子モーメント（６．１６Ｄ）は、ＰＡＮ（３．６Ｄ）およびＰＶＰ（２．３Ｄ）のものよりはるかに高く、ＰＩを高ＰＭ２．５除去効率にする。ＰＩナノ繊維は、高熱安定性を有し、広範囲の温度で機能することができる。ＰＩ空気フィルタは、室温および高温の両方において、高ＰＭ２．５除去効率を有する。ＰＡＮおよびＰＶＰならびにいくつかの市販の空気フィルタ等の異なるポリマーから作製される他のフィルタもまた、高ＰＭ除去効率を有するが、それらは、不安定であって、高温では機能しない。加えて、市販の空気フィルタは、高圧力低下を有し、したがって、ＰＭ粒子を除去するとき、より多くのエネルギーを消費するであろう。比較として、ＰＩフィルタは、高除去効率および非常に低い圧力降下の両方を有する。これは、フィルタを通して高気流を可能にし、ＰＭ粒子を除去するとき、多くのエネルギーを節約するであろう。
【００８７】
ＰＩナノ繊維状空気フィルタがそのような低圧力降下を有する理由は、少なくとも、以下の３つの側面にある。第１に、ナノ繊維直径が、小さく、ＰＩ空気フィルタは、薄厚を有する。ＰＩフィルタの厚さは、厚さ２〜３０ｍｍを伴う従来の繊維と比較して、０．０１〜０．１ｍｍの範囲内である。ナノ繊維間に多くの空の空間が存在する。第２に、ナノ繊維は、マイクロ繊維よりはるかに広い利用可能な比表面積を有し、これは、ＰＭと繊維との間により多くの接触を提供する。第３に、ナノ繊維の直径が、空気分子の平均自由行程に相当するとき（通常条件下では６６ｎｍ）、ガス速度は、「スリップ」効果に起因して、繊維表面では非ゼロである。「スリップ」効果のため、気流上へのナノ繊維からの抗力は、大幅に低減され、したがって、圧力降下を大幅に低減させる。
【００８８】
長期性能試験は、ＰＩ空気フィルタが、高ＰＭ粒子除去効率および長寿命時間を有することを示す。ＰＩフィルタは、高温において、ほぼあらゆるＰＭ粒子を自動車排気から効果的に除去することができる。前述の性能は、ＰＩナノ繊維状空気フィルタが、高温ＰＭ２．５粒子除去のために非常に効果的な高効率空気フィルタとして使用されることができることを証明する。ＰＩ空気フィルタの産業用途のために、それらは、室温および高温の両方において、独立して機能し、かつ産業用埃収集機とともに機能することもできる。
【００８９】
（実施例）
（実施例１．１）電界紡糸。ポリマーのための溶液系は、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ、ＥＭＤＭｉｌｌｉｐｏｒｅ）中６重量％ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ、ＭＷ＝１．５×１０５ｇ／モル、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）と、エタノール（ＦｉｓｈｅｒＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）中７重量％ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ、ＭＷ＝１．３×１０６ｇ／モル、Ａｃｒｏｓ）と、蒸留水中１０重量％ポリビニルアルコール（ＰＶＡ、ＭＷ＝９．５×１０４ｇ／モル、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）と、０．１重量％臭化ミリスチルトリメチルアンモニウム（ＭＴＡＢ、Ａｃｒｏｓ）とともにＤＭＦ中６重量％ポリスチレン（ＰＳ、ＭＷ＝２．８×１０５ｇ／モル、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）とである。ポリマー溶液は、電圧源（ＥＳ３０Ｐ−５Ｗ、Ｇａｍｍａ  Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ）に接続される２２ゲージ針先端を伴う１−ｍＬ注入器内に装填された。溶液は、注入器ポンプ（ＫＤ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）を使用して、針先端から圧送された。繊維ガラスワイヤメッシュ（Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ  Ｗｉｒｅ）が、約１５０ｎｍの銅で両側にスパッタコーティングされ（ＡＪＡ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）、電界紡糸されたナノ繊維を収集するために接地された。ワイヤ直径は、０．０１１インチであって、メッシュサイズは、１８×１６であった。電界紡糸されたナノ繊維は、以前の報告同様に、メッシュ孔に横架し、空気フィルタを形成するであろう。印加される電位、圧送率、電界紡糸持続時間、および針収集機距離は、ナノ繊維直径および充塞密度を制御するために緻密に調節された。
【００９０】
（実施例１．２）光学透過率測定。透過率測定は、モノクロメータ（７４１２５、Ｎｅｗｐｏｒｔ）と結合されるキセノン灯（６９９１１、Ｎｅｗｐｏｒｔ）を光源として使用し、波長を制御した。虹彩が、透過率測定のための積分球（Ｎｅｗｐｏｒｔ）に進入する前に、ビームサイズを約５ｍｍ×５ｍｍにトリムするために使用された。光検出器（７０３５６、Ｎｅｗｐｏｒｔ）が、積分球のポートの１つの中に挿入された。フォトダイオードが、光電流測定のためにロックイン放射測定システム（７０１００  ＭｅｒｌｉｎＴＭ、Ｎｅｗｐｏｒｔ）に接続される。サンプルが、積分球の正面に接地された。したがって、正透過率および拡散透過率の両方が、含まれた。銅ワイヤメッシュ上にコーティングされた空気フィルタのために、同一幾何学形状を伴う清浄銅ワイヤメッシュが、基準として使用された。自立フィルタのために、周囲空気が、基準のために使用された。透過率スペクトルが、次いで、平均透過率を得るために、４００〜８００ｎｍのＡＭ１．５太陽スペクトルによって計測された。
【００９１】
（実施例１．３）ＰＭ発生および効率測定。全性能試験のために、別様に述べられない限り、モデルＰＭ粒子は、燃焼による抹香煙から発生された。煙ＰＭ粒子は、広サイズ分布＜３００ｎｍ〜＞１０μｍを有し、大部分の粒子は、＜１μｍである。流入濃度は、ＰＭ２．５指数＞３００に相当する危険汚染レベルまで、煙ＰＭを空気によって希釈することによって制御された。ＰＭ粒子個数濃度が、粒子カウンタ（ＣＥＭ）によってフィルタの有無別に検出され、除去効率が、濾過前および後の個数濃度を比較することによって計算された。硬質ＰＭ捕捉試験では、埃ＰＭ粒子は、ボールミルを使用して土壌粒子をサブミクロンサイズまで研磨することによって加工された。圧力降下が、差圧計（ＥＭ２０１Ｂ、ＵＥｉ試験器具）によって測定された。
【００９２】
（実施例１．４）特性評価。ＳＥＭ画像およびＥＤＸが、撮像のために５ｋＶおよびＥＤＸ収集のために１５ｋＶの加速電圧を用いてＦＥＩ  ＸＬ３０  Ｓｉｒｉｏｎ  ＳＥＭによって行われた。ＴＥＭ画像およびＥＥＬＳデータが、３００ｋＶの加速電圧を用いてＦＥＩ  Ｔｉｔａｎ  ＴＥＭによって収集された。ＸＰＳスペクトルが、ＡｌＫα源を用いてＰＨＩ  ＶｅｒｓａＰｒｏｂｅ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  ＸＰＳ  Ｍｉｃｒｏｐｒｏｂｅによって収集された。ＦＴＩＲスペクトルが、Ｂｒｕｋｅｒ  Ｖｅｒｔｅｘ  ７０  ＦＴＩＲ分光計によって測定された。
【００９３】
（実施例２）電気空気フィルタ。
【００９４】
（実施例２．１）Ｃｕスパッタマイクロ繊維／ナノ繊維のための材料合成手順。マイクロ繊維が、市販のポリプロピレン（ＰＰ）を２００〜５００μｍまで剥離することによって生産された。ナノ繊維は、電界紡糸プロセスによって作製された。ポリマー溶液が、電圧源（ＥＳ３０Ｐ−５Ｗ、Ｇａｍｍａ  Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ）に接続される、２２ゲージ針先端を伴う１−ｍＬ注入器内に装填された。溶液は、注入器ポンプ（ＫＤ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）を使用して、針先端から圧送された。マイクロ繊維またはナノ繊維は、５０−３００ｎｍの銅でスパッタコーティングされた（ＡＪＡ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）。図１４Ａ−１４および１５Ａ−１５Ｂを参照されたい。
【００９５】
（実施例２．２）官能化されたＣｕコーティングナノ繊維のための材料合成手順。コアポリマーナノ繊維が、前述と同一の電界紡糸プロセスによって合成された。５０〜３００ｎｍの銅が、スパッタによってコーティングされた。次いで、ナノ繊維が、空気プラズマ処理され、−ＯＨ基を発生させ、蒸気表面修飾を通して、３−シアノプロピルトリクロロシランと結合された。他の官能コーティングは、希釈ポリマー溶液から浸漬コーティングを通して作製されることができる。図１４Ａ−１４Ｂおよび１６を参照されたい。
【００９６】
（実施例２．３）ＰＭ発生および効率測定。全性能試験のために、別様に述べられない限り、モデルＰＭ粒子は、燃焼による抹香煙から発生された。煙ＰＭ粒子は、広サイズ分布＜３００ｎｍ〜＞１０μｍを有し、大部分の粒子は、＜１μｍである。流入濃度は、空気によって煙ＰＭをＰＭ２．５指数＞３００に相当する危険汚染レベルまで希釈することによって制御された。ＰＭ粒子個数濃度は、粒子カウンタ（ＣＥＭ）によって、フィルタの有無別に検出され、除去効率が、濾過前および後の個数濃度を比較することによって計算された。硬質ＰＭ捕捉試験では、埃ＰＭ粒子は、ボールミルを使用して土壌粒子をサブミクロンサイズまで研磨することによって加工された。圧力降下が、差圧計（ＥＭ２０１Ｂ、ＵＥｉ試験器具）によって測定された。述べられない限り、効率試験において使用される風速は、０．２１ｍ／秒であって、湿度は、３０％であった。
【００９７】
（実施例２．４）濾過実験。２つの同じ伝導性空気フィルタ電極が、相互に平行に置かれた。流入空気は、高濃度のＰＭ汚染（＞２５０μｇ／ｍ３）を搬送した。風速は、０．２１ｍ／秒であった。濾過の間、電圧０〜１５ｋＶが、２つの伝導性空気フィルタに追加された。除去効率は、粒子カウンタによって検出された流入および流出中のＰＭ濃度を比較することによって計算された。
【００９８】
（実施例２．５）結果。図１７に示されるように、負の電圧（０〜−１０ｋＶ）が、正面電極に追加され、正の電圧（０〜＋１０ｋＶ）が、背面電極に追加された。マイクロ繊維状フィルタは、通常、不十分なＰＭ２．５捕捉効率を有するが、外部電圧が印加されると、効率は、有意に増加した。例えば、ＰＭ２．５除去効率は、０Ｖにおける７８．３％から（−５ｋＶ、１０ｋＶ）における９８．０％または（０Ｖ、１０ｋＶ）における９６．０％まで増加した。
【００９９】
（実施例３．１）電界紡糸。本研究において使用されるポリマーのための溶液系は、ジメチルホルムアミド（ＥＭＤ  Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ）中１５重量％ＰＩ樹脂（ＣＡＳ＃６２９２９−０２−６、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ）と、ジメチルホルムアミド（ＥＭＤ  Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ）中６重量％ＰＡＮ（ＭＷ＝１．５×１０５ｇ／モル、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）と、エタノール（Ｆｉｓｈｅｒ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）中７重量％ポリビニルピロリドン（ＭＷ＝１．３×１０６ｇ／モル、Ａｃｒｏｓｓ）とであった。２２ゲージ針先端を伴う１−ｍＬ注入器が、ポリマー溶液を装填するために使用され、電圧源（ＥＳ３０Ｐ−５Ｗ、Ｇａｍｍａ  Ｈｉｇｈ  Ｖｏｔａｇｅ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ）に接続された。注入器ポンプ（ＫＤ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）が、溶液を針先端から圧送するために使用された。電界紡糸されたナノ繊維は、接地された銅メッシュによって収集された。銅メッシュのワイヤ直径は、０．０１１インチであって、メッシュサイズは、１８×１６であった。電界紡糸の間、ナノ繊維は、メッシュ孔に横架し、空気フィルタを形成するであろう。
【０１００】
（実施例３．２）ＰＭ発生および効率測定。本研究において使用されるＰＭ粒子は、抹香を燃焼することによって発生された。抹香煙ＰＭ粒子は、広サイズ分布＜３００ｎｍ〜＞１０μｍを有し、大部分の粒子は、＜１μｍである。煙ＰＭを空気によって希釈することによって、流入濃度は、ＰＭ２．５指数＞３００に相当する危険汚染レベルまで制御された。粒子カウンタ（ＣＥＭ）が、濾過前および後のＰＭ粒子個数濃度を検出するために使用された。除去効率が、濾過前および後の個数濃度を比較することによって計算された。
【０１０１】
（実施例３．３）高温濾過測定。高温濾過測定が、電気管炉（Ｌｉｎｄｂｅｒｇ／Ｂｌｕｅ）上で実施された。最初に、ＰＩフィルタの縁が、銅テープによってコーティングされた。次いで、フィルタが、２つのステンレス鋼パイプフランジ間に設置され、ねじでしっかりと固定された。次いで、パイプフランジが、濾過測定システムの中に接続され、管炉の内側に設置された。ＰＭ粒子カウンタ（ＣＥＭ）が、粒子個数濃度を測定するために使用された。温度毎に、フィルタは、安定化されるように、２０分間保たれた。
【０１０２】
（実施例３．４）光学透過率測定。光学透過率測定が、以下のように実施された。キセノン灯（６９９１１、Ｎｅｗｐｏｒｔ）が、波長を制御するために、モノクロメータ（７４１２５、Ｎｅｗｐｏｒｔ）と結合された光源として使用された。ビームサイズは、透過率測定のために、積分球（Ｎｅｗｐｏｒｔ）に進入する前に、虹彩によって約５ｍｍ×５ｍｍまでトリムされた。フォトダイオードが、光電流測定のために、ロックイン放射測定システム（７０１００  Ｍｅｒｌｉｎ、Ｎｅｗｐｏｒｔ）に接続された。光検出器（７０３５６、Ｎｅｗｐｏｒｔ）が、積分球のポートの１つの中に挿入された。フィルタサンプルが、積分球の正面に設置された。正透過率および拡散透過率の両方が、含まれた。銅メッシュ上に収集された空気フィルタのために、同一幾何学形状を伴う清浄銅メッシュが、基準として使用された。自立フィルタのために、周囲空気が、基準のために使用された。透過率スペクトルが、平均透過率を得るために、ＡＭ１．５太陽スペクトル４００〜８００ｎｍによって計測された。
【０１０３】
（実施例３．５）圧力降下測定。圧力降下が、差圧計（ＥＭ２０１Ｂ、ＵＥｉ試験器具）によって測定された。
【０１０４】
（実施例３．６）特性評価。ＳＥＭ画像が、撮像のための加速電圧５ｋＶを用いてＦＥＩ  ＸＬ３０  Ｓｉｒｉｏｎ  ＳＥＭによって撮影された。
【０１０５】
実施形態１：基板と、基板上に堆積されるポリマーナノ繊維の網とを含む、空気フィルタであって、少なくとも５０％の光透過率と、ＰＭ２．５に対して少なくとも７０％の除去効率とを有する、空気フィルタ。
【０１０６】
実施形態２：ポリマーナノ繊維は、少なくとも２Ｄの双極子モーメントを有する反復単位を含む、ポリマーを含む、実施形態１に記載の空気フィルタ。
【０１０７】
実施形態３：ポリマーナノ繊維は、少なくとも３Ｄの双極子モーメントを有する反復単位を含む、ポリマーを含む、実施形態１に記載の空気フィルタ。
【０１０８】
実施形態４：ポリマーナノ繊維は、ニトリル基を含む反復単位を含む、ポリマーを含む、実施形態１−３のいずれかに記載の空気フィルタ。
【０１０９】
実施形態５：ポリマーナノ繊維は、ポリアクリロニトリルを含む、実施形態１−４のいずれかに記載の空気フィルタ。
【０１１０】
実施形態６：ポリマーナノ繊維は、平均直径１０〜９００ｎｍを有する、実施形態１−５のいずれかに記載の空気フィルタ。
【０１１１】
実施形態７：ポリマーナノ繊維は、平均直径５０〜５００ｎｍを有する、実施形態１−６のいずれかに記載の空気フィルタ。
【０１１２】
実施形態８：ポリマーナノ繊維は、基板上に電界紡糸される、実施形態１−７のいずれかに記載の空気フィルタ。
【０１１３】
実施形態９：空気フィルタは、少なくとも７０％の光透過率を有する、実施形態１−８のいずれかに記載の空気フィルタ。
【０１１４】
実施形態１０：空気フィルタは、ＰＭ２．５に対して少なくとも９０％の除去効率を有する、実施形態１−９のいずれかに記載の空気フィルタ。
【０１１５】
実施形態１１：空気フィルタは、ＰＭ１０−２．５に対して少なくとも９０％の除去効率を有する、実施形態１−１０のいずれかに記載の空気フィルタ。
【０１１６】
実施形態１２：空気フィルタは、相対湿度７０％で、ＰＭ２．５に対して少なくとも９０％の除去効率を有する、実施形態１−１１のいずれかに記載の空気フィルタ。
【０１１７】
実施形態１３：空気フィルタは、平均ＰＭ２．５指数３００および平均風速１マイル／時間を有する空気への１００時間の暴露後、ＰＭ２．５に対して少なくとも９０％の除去効率を有する、実施形態１−１２のいずれかに記載の空気フィルタ。
【０１１８】
実施形態１４：実施形態１−１３のいずれかに記載の空気フィルタを備える、受動的空気濾過デバイス。
【０１１９】
実施形態１５：実施形態１−１３のいずれかに記載の空気フィルタを備える、窓網戸。
【０１２０】
実施形態１６：実施形態１−１３のいずれかに記載の空気フィルタを備える、装着式マスク。
【０１２１】
実施形態１７：実施形態１−１３のいずれかに記載の空気フィルタを作製するための方法であって、ポリマー溶液からポリマーナノ繊維を基板上に電界紡糸するステップを含む、方法。
【０１２２】
実施形態１８：ポリマー溶液は、１〜２０重量％のポリマーを含む、実施形態１７に記載の方法。
【０１２３】
実施形態１９：実施形態１−１３のいずれかに記載の空気フィルタを窓網戸の中に組み込むステップを含む、空気濾過デバイスを作製するための方法。
【０１２４】
実施形態２０：実施形態１−１３のいずれかに記載の空気フィルタを装着式マスクの中に組み込むステップを含む、空気濾過デバイスを作製するための方法。
【０１２５】
実施形態２１：第１の電気電圧を受容するように適合される第１の層を含む、電気空気フィルタであって、第１の層は、伝導性材料でコーティングされた有機繊維を含む、電気空気フィルタ。
【０１２６】
実施形態２２：有機繊維は、伝導性材料で部分的にコーティングされる、実施形態２１に記載の電気空気フィルタ。
【０１２７】
実施形態２３：有機繊維は、マイクロ繊維またはナノ繊維であって、伝導性材料は、金属、金属酸化物、および伝導性ポリマーから選択される、実施形態２２に記載の電気空気フィルタ。
【０１２８】
実施形態２４：有機繊維は、コーティングされた側と、コーティングされない側とを含み、コーティングされない側は、気流方向に面する、実施形態２２に記載の電気空気フィルタ。
【０１２９】
実施形態２５：有機繊維は、伝導性材料でコーティングされ、伝導性材料は、表面が官能化される、実施形態２１に記載の電気空気フィルタ。
【０１３０】
実施形態２６：有機繊維は、マイクロ繊維またはナノ繊維であって、伝導性材料は、金属、金属酸化物、および伝導性ポリマーから選択され、伝導性材料は、極性基で表面が機能化され、ＰＭ２．５に対する親和性を増加させる、実施形態２５に記載の電気空気フィルタ。
【０１３１】
実施形態２７：第２の電気電圧を受容するように適合される第２の層をさらに備える、実施形態２１−２６のいずれかに記載の電気空気フィルタ。
【０１３２】
実施形態２８：実施形態２１−２７のいずれかに記載の電気空気フィルタを備える、換気システム。
【０１３３】
実施形態２９：実施形態２１−２７のいずれかに記載の電気空気フィルタを備える、空調システム。
【０１３４】
実施形態３０：実施形態２１−２７のいずれかに記載の電気空気フィルタを備える、自動車室内用空気フィルタ。
【０１３５】
実施形態３１：実施形態２１−２７のいずれかに記載の電気空気フィルタを備える、窓網戸。
【０１３６】
実施形態３２：実施形態２１−２７のいずれかに記載の電気空気フィルタを作製するための方法であって、金属または金属酸化物をマイクロ繊維またはナノ繊維上にスパッタコーティングするステップを含む、方法。
【０１３７】
実施形態３３：スパッタコーティングは、指向性であって、マイクロ繊維またはナノ繊維は、金属または金属酸化物で部分的にコーティングされる、実施形態３２に記載の方法。
【０１３８】
実施形態３４：実施形態２１−２７のいずれかに記載の電気空気フィルタを作製するための方法であって、金属または金属酸化物でコーティングされたマイクロ繊維またはナノ繊維を処理し、反応基を発生させるステップと、該反応基と有機化合物を反応させ、金属または金属酸化物コーティングの表面を官能化させ、ＰＭ２．５に対する親和性を増加させるステップとを含む、方法。
【０１３９】
実施形態３５：金属または金属酸化物でコーティングされるマイクロ繊維またはナノ繊維は、空気プラズマで処理され、−ＯＨ基を発生させ、−ＯＨ基は、シラン誘導体と反応される、実施形態３４に記載の方法。
【０１４０】
実施形態３６：実施形態２１−２７のいずれかに記載の電気空気フィルタを使用してＰＭ２．５を濾過するための方法であって、電気電圧を電気空気フィルタの第１の層に印加するステップを含む、方法。
【０１４１】
実施形態３７：第１の電気電圧は、正の電圧である、実施形態３６に記載の方法。
【０１４２】
実施形態３８：第１の電気電圧は、負の電圧である、実施形態３６に記載の方法。
【０１４３】
実施形態３９：実施形態２４に記載の電気空気フィルタを使用してＰＭ２．５を濾過するための方法であって、電気電圧を電気空気フィルタの第１の層に印加するステップと、コーティングされない側が気流方向に面することを可能にするように電気空気フィルタを設置するステップとを含む、方法。
【０１４４】
実施形態４０：実施形態２７に記載の電気空気フィルタを使用してＰＭ２．５を濾過するための方法であって、第１の電気電圧を第１の層上に印加するステップと、第２の電気電圧を第２の層上に印加するステップとを含み、第１の電気電圧および第２の電気電圧は、反対極性を有する、方法。
【０１４５】
実施形態４１：基板と、基板上に堆積されるポリマーナノ繊維の網とを含む、高温濾過のための空気フィルタであって、動作温度２００℃で、ＰＭ２．５に対して少なくとも７０％の除去効率を有する、空気フィルタ。
【０１４６】
実施形態４２：ポリマーナノ繊維は、少なくとも３Ｄの双極子モーメントを有する反復単位を含む、ポリマーを含む、実施形態４１に記載の空気フィルタ。
【０１４７】
実施形態４３：ポリマーナノ繊維は、少なくとも６Ｄの双極子モーメントを有する反復単位を含む、ポリマーを含む、実施形態４１に記載の空気フィルタ。
【０１４８】
実施形態４４：ポリマーナノ繊維は、ポリイミド、ポリ（ｐ−フェニレンスルフィド）、ポリアクリロニトリル、ポリ−ｐ−フェニレンテレフタルアミド、ポリテトラフルオロエチレン、およびその誘導体から選択されるポリマーを含む、実施形態４１−４３のいずれかに記載の空気フィルタ。
【０１４９】
実施形態４５：ポリマーナノ繊維は、ポリイミドを含む、実施形態４１−４４のいずれかに記載の空気フィルタ。
【０１５０】
実施形態４６：ポリマーナノ繊維は、平均直径１０〜９００ｎｍを有する、実施形態４１−４５のいずれかに記載の空気フィルタ。
【０１５１】
実施形態４７：ポリマーナノ繊維は、平均直径５０〜５００ｎｍを有する、実施形態４１−４６のいずれかに記載の空気フィルタ。
【０１５２】
実施形態４８：ポリマーナノ繊維は、基板上に電界紡糸される、実施形態４１−４７のいずれかに記載の空気フィルタ。
【０１５３】
実施形態４９：空気フィルタは、少なくとも３０％の光透過率を有する、実施形態４１−４８のいずれかに記載の空気フィルタ。
【０１５４】
実施形態５０：空気フィルタは、動作温度２００℃で、ＰＭ２．５に対して少なくとも８０％の除去効率を有する、実施形態４１−４９のいずれかに記載の空気フィルタ。
【０１５５】
実施形態５１：空気フィルタは、動作温度２００℃で、ＰＭ１０−２．５に対して少なくとも８０％の除去効率を有する、実施形態４１−５０のいずれかに記載の空気フィルタ。
【０１５６】
実施形態５２：空気フィルタは、ガス速度０．２ｍ／秒で、圧力降下１００Ｐａまたはそれ未満を有する、実施形態４１−５１のいずれかに記載の空気フィルタ。
【０１５７】
実施形態５３：空気フィルタは、動作温度２００℃で、平均ＰＭ２．５指数３００および平均風速０．２ｍ／秒を有する空気への１００時間の暴露後、ＰＭ２．５に対して少なくとも８０％の除去効率を有する、実施形態４１−５２のいずれかに記載の空気フィルタ。
【０１５８】
実施形態５４：実施形態４１−５３のいずれかに記載の空気フィルタを備える、粒子汚染源から高温ＰＭ２．５を除去するための空気濾過デバイス。
【０１５９】
実施形態５５：実施形態４１−５３のいずれかに記載の空気フィルタを備える、車両用排気フィルタ。
【０１６０】
実施形態５６：実施形態４１−５３のいずれかに記載の空気フィルタを備える、産業用排気フィルタまたは発電所用排気フィルタ。
【０１６１】
実施形態５７：実施形態４１−５３のいずれかに記載の空気フィルタを作製するための方法であって、ポリマー溶液からポリマーナノ繊維を基板上に電界紡糸するステップを含む、方法。
【０１６２】
実施形態５８：ポリマー溶液は、１〜３０重量％のポリマーを含む、実施形態５７に記載の方法。
【０１６３】
実施形態５９：実施形態４１−５３のいずれかに記載の空気フィルタを車両用排気フィルタの中に組み込むステップを含む、空気濾過デバイスを作製するための方法。
【０１６４】
実施形態６０：実施形態４１−５３のいずれかに記載の空気フィルタを産業用排気フィルタまたは発電所用排気フィルタの中に組み込むステップを含む、空気濾過デバイスを作製するための方法。
【０１６５】
本明細書で使用されるように、単数用語「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明確にそうでないことを示さない限り、複数指示物も含む。したがって、例えば、ある分子の言及は、文脈が明確にそうでないことを示さない限り、複数の分子を含むことができる。
【０１６６】
本明細書で使用されるように、用語「実質的に」「実質的」、および「約」は、わずかな変動を説明および考慮するために使用される。ある事象または状況と併用されるとき、本用語は、その事象または状況が精密に生じる事例ならびにその事象または状況が近似的に生じる事例を指すことができる。例えば、本用語は、例えば、±５％未満またはそれに等しい、±４％未満またはそれに等しい、±３％未満またはそれに等しい、±２％未満またはそれに等しい、±１％未満またはそれに等しい、±０．５％未満またはそれに等しい、±０．１％未満またはそれに等しい、もしくは±０．０５％未満またはそれに等しい等、±１０％未満またはそれに等しいことを指すことができる。
【０１６７】
加えて、量、比率、および他の数値が、時として、範囲形式で本明細書に提示される。そのような範囲形式は、便宜的かつ簡潔にするために使用されされており、範囲の限界として明示的に規定された数値だけではなく、また、各数値および下位範囲が明示的に規定される場合と同様に、その範囲内に包含される全個々の数値または下位範囲も含むものと柔軟に理解されたい。例えば、約１〜約２００の範囲内の比率は、約１〜約２００の明示的に列挙された限界だけではなく、また、約２、約３、および約４等の個々の比率ならびに約１０〜約５０、約２０〜約１００等の下位範囲も含むものと理解されたい。
【０１６８】
前述の説明では、様々な代用および修正が、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、本明細書に開示される本発明に成されてもよいことが当業者に容易に明白となるであろう。本明細書に例証的に説明される本発明は、本明細書に具体的に開示されない、任意の要素または複数の要素、限界または複数の限界の不在下でも好適に実践され得る。採用される用語および表現は、限定ではなく、説明の用語として使用され、そのような用語および表現の使用では、図示および説明される特徴またはその一部の任意の均等物を除外することは意図されず、種々の修正が本発明の範囲内であることが可能性として考えられることを認識されたい。したがって、本発明は、具体的実施形態および随意の特徴によって図示されるが、本明細書に開示される概念の修正および／または変形例が、当業者によって行使され得、そのような修正および変形例は、本発明の範囲内であると見なされることを理解されたい。
【図１】
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【図２−１】
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【図２−２】
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【図３−１】
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【図３−２】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図５−１】
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【図５−２】
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【図５−３】
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【図６−１】
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【図６−２】
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【図７】
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【図８】
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【図９−１】
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【図９−２】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８−１】
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【図１８−２】
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【図１８−３】
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【図１９−１】
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【図１９−２】
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【図２０−１】
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【図２０−２】
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【図２１−１】
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【図２１−２】
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【図２２−１】
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【図２２−２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【外国語明細書】
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