(57)【要約】【課題】  長手方向での圧損差の小さい均一性に優れた成形濾材を製造するための製造方法を提供する。【解決手段】  本発明の成形濾材の製造方法は、粉末又は粒状の活性炭と熱可塑性樹脂のバインダーとを含む混合物を撹拌し、撹拌した混合物を所定の金型に充填し、金型に充填された混合物を加熱しながら加圧して成形する乾式成形濾材の製造方法であって、金型に有底の金型を用い、金型の開放端から金型の底方向に向けて混合物を加圧し、次いで、混合物の加熱を開始し、混合物の加熱の進行とともに、混合物を加圧する力を小さくして行く。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末又は粒状の活性炭と熱可塑性樹脂のバインダーとを含む混合物を撹拌し、前記撹拌した混合物を所定の金型に充填し、前記金型に充填された混合物を加熱しながら加圧して成形する乾式成形濾材の製造方法であって、
前記金型に有底の金型を用い、
前記金型の開放端から金型の底方向に向けて前記混合物を加圧し、
次いで、前記混合物の加熱を開始し、
前記混合物の加熱の進行とともに、混合物を加圧する力を小さくして行く、成形濾材の製造方法。
【請求項２】
前記混合物の加圧を圧縮したコイルバネを用いて行う、請求項１の成形濾材の製造方法。
【請求項３】
前記混合物の加熱を１４０℃〜１９０℃の範囲で行う、請求項１または２の成形濾材の製造方法。
【請求項４】
前記混合物の加熱を開始する際の混合物にかける圧力を０．１２〜０．２９ＭＰａの範囲とする、請求項１〜３のいずれかの成形濾材の製造方法。
【請求項５】
前記熱可塑性樹脂が、ＭＦＲが０．３ｇ／１０ｍｉｎ以下のポリエチレンである、請求項１〜４のいずれかの成形濾材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水中あるいは空気中の種々の分離プロセスにおいて好適に用いられる活性炭とバインダーとを含む成形濾材を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
濾材成形技術の一つに乾式成形と呼ばれるものがある。これは、一般的には活性炭などの吸着剤を高分子量で低ＭＦＲ（メルトフローレイト）のバインダー（熱可塑性樹脂粉末）を所定容器内で混合撹拌したものを円筒状の金型に充填して蓋をし、バインダーの融点以上に加熱し、必要に応じて加圧して成形することにより、円柱状あるいは円筒状の成形濾材を得る成形方法である。このようにして得られる成形濾材は、水中あるいは空気中の不純物を除去する浄水器や空気清浄機に用いられる濾材として活用されている。
【０００３】
代表的な成形濾材の製造方法として、粉末もしくは粒状の活性炭と低ＭＦＲのバインダーとを混合撹拌した後、一端が開放で他端が有底の金型に振動を加えて充填し、混合原料を加熱した後に、開放端側より混合原料を加圧して成形する製造方法が開示されている（特許文献１）。
【０００４】
しかしながら、この方法により得られる成形濾材は、濾材の長手方向（金型に充填されている状態で、開放端側から底に向かう方向）で密度差が大きく圧損に差を生じるため、長尺体を切り分けて複数の濾材にしたときに、両端の濾材では性能差が大き過ぎて、切り分けた全ての濾材を製品仕様内に収めることが難しかった。
【０００５】
成形濾材の密度差を小さくするために、金型に充填された混合原料を、金型の長手方向の両側から加圧する製造方法が開示されている（特許文献２）。また、吸着剤にバインダーを付着させて均一な造粒体を形成し、それらを乾式成形する製造方法が開示されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１８７３０５号公報
【特許文献２】特開２００３−２６６４６２号公報
【特許文献３】特開２０１７−１２７８６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２に開示されている製造方法であっても、実際に浄水器の濾材として用いるにはまだ圧損の差大きく、濾材品質の均一性として満足できるレベルには至っていない。
【０００８】
特許文献３に開示されている製造方法では、吸着剤に対するバインダーの割合が多くなり、吸着性能が相対的に低下してしまうため、濾材の容量に制限のある浄水器に適用する成形濾材には適していない。
【０００９】
本発明は、長手方向の圧損が均一であり、量産性に優れた成形濾材を製造する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）上記課題を解決する本発明の成形濾材の製造方法は、粉末又は粒状の活性炭と熱可塑性樹脂のバインダーとを含む混合物を撹拌し、上記撹拌した混合物を所定の金型に充填し、上記金型に充填された混合物を加熱しながら加圧して成形する乾式成形濾材の製造方法であって、
上記金型に有底の金型を用い、金型の開放端から金型の底方向に向けて上記混合物を加圧し、次いで、混合物の加熱を開始し、混合物の加熱の進行とともに、混合物を加圧する力を小さくしてゆく、成形濾材の製造方法である。
【００１１】
本発明の成形濾材の製造方法は、以下の（２）〜（５）の少なくともひとつの条件を満たすことが好ましい。
（２）上記混合物の加圧を圧縮したコイルバネを用いて行う。
（３）上記混合物の加熱を１４０℃〜１９０℃の範囲で行う。
（４）上記混合物の加熱を開始する際の混合物にかける圧力を０．１２〜０．２９ＭＰａの範囲とする。
（５）上記熱可塑性樹脂が、ＭＦＲが０．３ｇ／１０ｍｉｎ以下のポリエチレンである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の成形濾材の製造方法により、長手方向の圧損差が小さく、量産性に優れた成形濾材を得ることができる。本発明の成形濾材の製造方法で得られる成形濾材は、浄水器用の濾材として好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１、２における、活性炭とバインダーとの混合物を加圧している状態を示す概略断面図である。
【図２】比較例１における、活性炭とバインダーとの混合物を加圧している状態を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本願発明者らは、長手方向で成形濾材の圧損を均一化することで、一度にほぼ同じ圧損の複数の成形濾材を製造できる方法を鋭意検討した結果、乾式成形時の加圧条件が成形される濾材の圧損に大きく影響することを見出し、本発明の製造方法を開発するに至った。      
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１６】
本発明の製造方法により得られる成形濾材は、円柱あるいは円筒形状を有するもので、この成形濾材に水あるいは空気を通すことにより、清浄化を行うように構成されたものであり、単独の濾材として用いることもでき、例えば中空糸膜モジュールと組み合わせ使用することもできる。
【００１７】
成形濾材の原料として、粉末あるいは粒状の活性炭と、高分子量の熱可塑性樹脂であるバインダーを用いる。活性炭とバインダーを均一に分散させるために、例えばヘンシェルミキサーを用いて撹拌混合する。
【００１８】
活性炭は市販のものを用いることができるが、粒径が小さ過ぎる活性炭で成形された濾材は圧損が高く、浄水器用濾材として用いる場合、濁質が目詰まりすることが懸念される。そのため、活性炭は、粒径がメジアン径で１５０μｍ〜３００μｍの範囲で選定することが好ましい。粒径がメジアン径で３００μｍ以下であれば、濾材体積に制限のある浄水器用濾材であっても、十分な活性炭の吸着面積を確保できるので好ましい。
【００１９】
バインダーは、平均粒径が２０μｍ〜１２０μｍの超高分子量ポリエチレンを用いるのが好ましい。活性炭粒子と結合させるため、バインダー粒径は活性炭粒子よりも小さい方が少量の添加でも効果が得られるため、２０μｍ〜６０μｍの範囲がより好ましい。
【００２０】
バインダーの流動性を示すＭＦＲ（メルトフローレイト）は０．３ｇ／１０ｍｉｎ以下が好ましい。この値が小さいほど流動特性が低くなる。バインダーの流動性が良すぎると、濾材成形時に溶融したバインダーが活性炭の細孔を覆ってしまい、吸着特性が発揮されなくなる場合がある。バインダーのＭＦＲが０．３ｇ／１０ｍｉｎ以下であれば、このような問題が起こりにくくなり、好ましい。
【００２１】
活性炭とバインダーとの混合物（以下、単に「混合物」とする）を所定の金型に充填するだけでは、金型内の空隙が不均一であるため、振盪器などを用いて密に充填する必要がある。この振盪処理を十分に行うことが、濾材の長手方向の圧損差を小さくするためにも有効な手段である。振盪処理を長時間行えば、最終的に濾材の体積は一定値に近づくが、そこまで長時間行う必要はない。その一定値の体積の＋３％の体積となるように、振盪処理の時間を決めればよい。
【００２２】
振盪処理の後に、金型の一方の端から混合物に加重を加えて、混合物の加圧を開始した状態で混合物の加熱を開始するのが好ましい。バインダーの流動特性が低いと、混合物がバインダーの融点以上の温度になってから混合物に加圧しても、力が混合物全体に伝わらず、荷重を加えている付近だけが圧縮されることになり、濾材密度の不均一性が拡大してしまう。振盪後にさら密充填の状態とするために、混合物を加熱する前より、混合物への加圧を開始することが好ましい。
【００２３】
本発明の成形濾材の製造方法では、混合物の加熱の進行とともに、混合物に加える荷重を小さくすることが重要である。その理由として、本願発明者らは以下のように推測している。バインダーは溶融が進むにつれて活性炭粒子間隙に浸透するが、ＭＦＲが小さく流動特性の低いバインダーを含んでいると、混合物に加えられた荷重による圧力が混合物内に均一に伝播しない。そのため、例えば圧縮板を介して混合物を加圧する場合、一定の荷重をかけ続けると、どうしても圧縮板付近の混合物のみが圧縮されることになり、最終的に濾材の密度が不均になってしまう。そこで、混合物の加熱の進行に伴って混合物が圧縮されるにつれて、混合物に加える荷重を小さくしていくことで、圧縮板付近の混合物の圧縮を緩和できる。その結果、圧縮板付近の混合物の密度の上昇を抑えることができ、最終的に濾材の密度を均一にできる。
【００２４】
上記の加重のかけ方を実現するには、簡易的にはコイルバネを使うことができる。先ず、コイルバネを圧縮させた状態で圧縮板を介して混合物に荷重を加え始める。その状態から混合物を加熱し始めると、加熱の進行とともに混合物は徐々に圧縮されて行くが、それとは反対にコイルバネは徐々に伸びて行く。コイルバネが伸びるにつれて、コイルバネが混合物に加える荷重は当然小さくなって行くので、結果的に混合物の加熱の進行とともに、混合物を加圧する力を小さくして行くことができる。コイルバネのばね定数は１．５〜４．５Ｎ／ｍｍの範囲が好ましい。バネ材料の線形、コイル内径、巻き数等を設定することで、所望のバネ定数のコイルバネを選定することができる。もちろん、コイルバネではなく、公知の技術を用いて油圧や空気圧等により荷重を加えてもよく、荷重の大きさをプログラムに従って可変できるような装置を用いて、上記のような荷重のかけ方を実現することもできる。
【００２５】
混合物の加熱温度は１４０℃〜１９０℃の範囲が好ましい。バインダーとして好ましい超高分子ポリエチレンの融点は１３５℃付近なので、加熱温度が１４０℃以上であれば十分に溶融できる。一方、加熱温度が高すぎると、バインダーの溶融粘度が低下して活性炭の細孔を塞いでしまう可能性があるが、加熱温度が１９０℃以下であれば、そのような懸念もない。エネルギー負荷を抑えるためにも１４０〜１７０℃の範囲とすることが好ましい。
【００２６】
混合物の加熱開始時の加圧条件は、活性炭の粒径、成形体強度および濾材特性を鋭意検討したところ０．１２〜０．２９ＭＰａの範囲が好ましい。加熱開始時の加圧が０．１２ＭＰａ未満であると、溶融したバインダーが活性炭粒子間に浸透しなくなり、成形体の強度が低下して、活性炭の微粉が脱落する可能性がある。そして、活性炭の微粉の脱落を防止するために、バインダー量を増やすこととなるが、そのために濾材の吸着特性が低下してしまう。加圧条件が０．１２ＭＰａ以上であれば、溶融したバインダーを活性炭粒子間に浸透させるのに十分な荷重である。一方、加熱開始時の加圧が０．２９ＭＰａより大きくなると、成形濾材の密度差が生じやすくなる場合がある。また、成形濾材全体としての密度が高まり、濾材全体の圧損も大きくなり、所望の流量を得られなくなる場合がある。加圧条件が０．２９ＭＰａ以下であれば、成形濾材の密度が適度な大きさにできる。
【００２７】
なお、加圧条件０．１２〜０．２９ＭＰａは、混合物を加熱開始する際に混合物にかける圧力の範囲である。混合物の加熱と加圧を進めて行くうちに、混合物が圧縮されて行き、混合物にかかる圧力が０．１２〜０．２９ＭＰａの範囲を外れても問題はない。
【実施例】
【００２８】
以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
（１）活性炭粒径の測定
純水に試料少量を入れ軽く撹拌させたものの一部を、レーザー回折式粒度分布測定装置(SALD-3100:島津製作所製)を用いて測定した。測定条件として、装置試料槽内にて常時撹拌を行い、試料槽〜セル間に循環させている状態で超音波処理を１分間行った後、粒度分布を測定し、メジアン径を決定した。
【００２９】
＜実施例１＞
図１に、本実施例における、活性炭とバインダーとの混合物を加圧している状態の概略図を示す。活性炭ＰＧＷ２１０ＭＤ（クラレ社製）：メジアン径２３５μｍ：９０質量部とバインダーＸＭ−２２０（三菱化学社製）：粒径３０μｍ、ＭＦＲ＝０．０：１０質量部を所定の容器内で撹拌して、均一分散された混合物とした。この混合物を所定の金型に充填し、振盪器にかけて密充填した。次いで、金型内にバネ定数１．９Ｎ／ｍｍのコイルバネを仕込んで加熱開始時に０．１２ＭＰａの圧力がかかる状態とした。この状態のまま１６０℃で２時間の加熱処理を行った。加熱処理後に冷却し、金型から記混合物を取り出し、外径３１．４ｍｍ、内径６ｍｍ、長さ９０ｍｍの円筒状の成形濾材を得た。得られた成形濾材は活性炭微粉の脱落もなく、強度的に問題なかった。
【００３０】
成形濾材をのこぎりで上下二分割とし、のこぎりの刃の厚み分だけ短くなることを考慮に入れて、それぞれ長さ４０ｍｍとなるように調整し、成形中にコイルバネで荷重を加えていた側を上部濾材、もう一方を下部濾材とした。上部濾材と下部濾材のそれぞれに、円筒状の内部から外部に向かって通水できるようにキャップを接着し、０．１ＭＰａの水圧にて通水をした。流量を測定したところ、上部濾材３．７３Ｌ／ｍｉｎ、下部濾材３．６９Ｌ／ｍｉｎであった。流量の差（＝（上部濾材の流量−下部濾材の流量）／上部濾材の流量×１００）は１．１％だった。
【００３１】
＜比較例１＞
図２に、本比較例における、活性炭とバインダーとの混合物を加圧している状態の概略図を示す。コイルバネの代わりに常時０．１２ＭＰａの圧力がかかるようにおもりをセットした以外は実施例１と同じ材料、同じ条件で成形濾材を得た。得られた濾材を０．１ＭＰａで通水したところ、上部濾材は３．７４Ｌ／ｍｉｎ、下部濾材は３．１８Ｌ／ｍｉｎで、その差は１５．０％だった。
【００３２】
＜実施例２＞
活性炭ＰＧＷＢ８０／１８０ＭＤ（クラレ社製）：メジアン径＝１９１μｍ：８５質量部、バインダーＸＭ−２２０：１５質量部とした以外は実施例１と同じ材料、同じ条件で成形濾材を得た。
得られた濾材を０．１ＭＰａで通水したところ、上部濾材は４．０４Ｌ／ｍｉｎ、下部濾材は３．９４Ｌ／ｍｉｎで、その差は２．５％だった。
【００３３】
【表１】
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【符号の説明】
【００３４】
１  成形金型
２  胴部
３  上部蓋
４  下部蓋
５  芯棒
６  圧縮板
７  コイルバネ
８  活性炭とバインダーの混合物
９  おもり
【図１】
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【図２】
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