油水分离过滤器及其制造方法

文档序号:1896949 发布日期:2021-11-30 浏览:27次 >En<

阅读说明:本技术 油水分离过滤器及其制造方法 (Oil-water separation filter and manufacturing method thereof ) 是由 白石真也 于 2021-05-26 设计创作,主要内容包括:本发明提供油水分离过滤器,其是包含在纤维间形成有多个气孔的无纺布的油水分离过滤器,所述多个气孔贯通包含水和油的液体流入的一面和与这一面相对且前述液体流出的另一面之间。形成包含平均粒径2~90nm的金属氧化物粒子(B)和含羧基的物质等(C)的拒水拒油性膜,所述平均粒径2~90nm的金属氧化物粒子(B)是在无纺布的纤维表面结合有包含式(1)的全氟醚结构的氟系官能团成分(A)的粒子。成分(A)以0.3~5.0质量%的比例包含于膜中,成分(A)和粒子(B)总计以30~90质量%的比例包含于膜中,质量比(A/B)在0.01~0.2的范围,过滤器透气度为0.05~14ml/cm~(2)/秒。(The present invention provides an oil-water separation filter including a nonwoven fabric having a plurality of pores formed between fibers, the plurality of pores penetrating between one surface into which a liquid including water and oil flows and the other surface opposite to the one surface and from which the liquid flows out. A water-and oil-repellent film is formed which comprises (C) metal oxide particles (B) having an average particle diameter of 2 to 90nm and a carboxyl group-containing substance, wherein the metal oxide particles (B) having an average particle diameter of 2 to 90nm are particles in which a fluorine-based functional group component (A) having a perfluoroether structure of the formula (1) is bonded to the fiber surface of a nonwoven fabric. The component (A) is contained in the film in a proportion of 0.3 to 5.0% by mass, and the total of the component (A) and the particles (B) is 30 to E90% by mass, a mass ratio (A/B) of 0.01 to 0.2, and a filter air permeability of 0.05 to 14ml/cm 2 In seconds.)

油水分离过滤器及其制造方法

技术领域

本发明涉及油水分离过滤器及其制造方法,该油水分离过滤器能够将如油和水混合并乳化而成的乳化油或水溶性油这样的包含水和油的液体分离为水和油。更详细而言,涉及在无纺布的纤维表面形成有拒水拒油性膜的油水分离过滤器,所述拒水拒油性膜具有拒水性和拒油性(以下,有时称为拒水拒油性)。

背景技术

通常,包含水和油的液体(以下,有时简称为液体)根据其油水的混合状态而被分类为油上浮于水面的上浮油、油的粒子浮游于水中的分散油、以及油与水混合并乳化的乳化油或水溶性油。

本申请人提出了一种油水分离滤油器,其是包含在纤维间形成有多个气孔的无纺布的油水分离过滤器,所述多个气孔将包含水和油的液体流入的一面和与这一面相对的另一面之间贯通,该油水分离滤油器的特征在于,在前述纤维表面以每1m2无纺布0.1~30g的比例形成有油水分离膜(相当于本发明的“拒水拒油性膜”),油水分离膜具有硅溶胶水解物,所述硅溶胶水解物包含具有拒水性和拒油性这两种功能的下述式(28)所示的含氟硅烷,含氟硅烷以0.01~10质量%的比例包含在硅溶胶水解物中,油水分离过滤器的透气度为0.05~10ml/cm2/秒,含氟硅烷包含全氟胺结构(参照专利文献1(权利要求1、[0016]段))。该式(28)中,E为碳原子数2~10的烃基,且包含选自醚键、CO-NH键和O-CO-NH键中的1种以上的键。

[化9]

该油水分离过滤器中,液体流入油水分离过滤器内时,在包含水和油的液体的油粒子大于气孔孔径的情况中,物理上会阻止包含水和油的液体的油粒子的通过。而且,即使在包含水和油的液体的油粒子比气孔孔径稍小的情况下,无纺布的纤维表面也会化学性地排斥水溶性油的油粒子。另一方面,以聚四氟乙烯等为代表的显示拒水拒油性的材料由于没有羟基,因而难以对无纺布赋予透水性,但上述本申请人提出的发明由于油水分离膜以具有羟基的硅溶胶水解物为主成分,因此可以对无纺布赋予透水性。其结果是,即使包含水和油的液体为乳化油或水溶性油,油也会积存于油水分离过滤器中,水通过油水分离过滤器,从而能够分离成水和油。进一步,上述油水分离膜由于含有硅溶胶水解物作为主成分,因此油水分离膜牢固地密合于无纺布的纤维表面,具有耐久性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2019-42707号公报。

发明内容

发明要解决的技术问题

但是,专利文献1所示的含氟硅烷为全氟胺结构,全氟基团以氮为中心键合,因此容易采取刚直的结构。因此,若使液体组合物中的氟的含量增多,则有时油水分离膜对无纺布的纤维的密合性降低,从耐久性的观点出发,尚有应改善的余地。此外,由于与全氟醚结构的氟系化合物相比时强烈表现出拒水性,因此若使包含水和油的液体通过专利文献1所示的油水分离过滤器,则存在通液时间较长的课题。

本发明的目的在于提供油水分离过滤器,其从如乳化油或水溶性油这样的包含水和油的液体中除去油的过滤效率良好,且通液时间短也无问题。本发明的另外的目的在于提供简便地制造这种油水分离过滤器的方法。

用于解决课题的方案

本发明的第1观点是油水分离过滤器,其是包含在纤维间形成有多个气孔的无纺布的油水分离过滤器,所述多个气孔将包含水和油的液体流入的一面和与这一面相对且前述液体流出的另一面之间贯通,该油水分离过滤器的特征在于,在前述无纺布的纤维表面形成有拒水拒油性膜,前述拒水拒油性膜包含平均粒径2nm~90nm的金属氧化物粒子(B)与含羧基和/或乙酰基的物质(C)(以下,简称为“含羧基的物质等”),所述金属氧化物粒子(B)结合有包含下述通式(1)或式(2)所示的全氟醚结构的氟系官能团成分(A),前述氟系官能团成分(A)以0.3质量%~5.0质量%的比例包含于前述拒水拒油性膜中,前述氟系官能团成分(A)与前述金属氧化物粒子(B)总计以30质量%~90质量%的比例包含于前述拒水拒油性膜中,前述氟系官能团成分(A)相对于前述金属氧化物粒子(B)的质量比(A/B)在0.01~0.2的范围,前述油水分离过滤器的透气度为0.05ml/cm2/秒~14ml/cm2/秒。

[化1]

上述式(1)和式(2)中,p、q和r各自为相同或相互不同的1~6的整数,全氟醚基可以为直链状或支链状。此外,上述式(1)和式(2)中,X为碳原子数2~10的烃基,且可以包含选自醚键、CO-NH键、O-CO-NH键和磺酰胺键中的1种以上的键。进一步,上述式(1)和式(2)中,Y是硅烷的水解物或硅溶胶凝胶的主成分。

进一步对该Y进行说明,则Y是与金属氧化物粒子(B)结合的部位。作为具体例,在后述式(3)或式(4)中,作为Y,可举出Z部分水解而成的结构。此外,作为Y,还可举出将式(3)或式(4)的硅烷化合物与四乙氧基硅烷、四甲氧基硅烷等硅醇盐混合,进行水解聚合而成的硅溶胶凝胶的主成分等。进一步,作为Y,还可举出将式(3)或式(4)的硅烷化合物与四乙氧基硅烷、四甲氧基硅烷等硅醇盐、以及含有乙氧基、乙烯基、醚基的硅烷等混合,进行水解聚合而成的硅溶胶凝胶的主成分等。另外,上述含羧基的物质等(C)是用于使结合有上述氟系官能团成分(A)的金属氧化物粒子(B)与无纺布的基材密合的粘合剂。

本发明的第2观点是油水分离过滤器,其是基于第1观点的发明,其中,前述金属氧化物粒子(B)是选自Si、Al、Mg、Ca、Ti、Zn和Zr中的1种金属的氧化物粒子。

本发明的第3观点是油水分离过滤器,其是基于第1观点的发明,其中,前述含羧基的物质等(C)是具有羧基的聚烯烃系水分散液、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物的自乳化液、或乙烯-乙酸乙烯酯-丙烯酸共聚物的自乳化液。

本发明的第4观点是油水分离过滤器,其是基于第1观点的发明,其中,前述无纺布由单层构成,或者由多层的层叠体构成。

本发明的第5观点是油水分离过滤器,其是基于第1或第4观点中的任一观点的发明,其中,构成前述无纺布的纤维是选自聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚四氟乙烯(PTFE)、玻璃、氧化铝、碳、纤维素、纸浆、尼龙和金属中的1种或2种以上的纤维。

本发明的第6观点是油水分离过滤器13的制造方法,如图4所示,其包括:将含氟金属氧化物粒子的水分散液54、含羧基的物质等55、以及混合水与碳原子数1~4的醇而成的碳原子数1~4的醇的含有比例为40质量%以下的溶剂56混合,制备拒水拒油性膜形成用液体组合物(以下,有时也简称为液体组合物)60的工序;将无纺布20浸渍于拒水拒油性膜形成用液体组合物60的稀释液中的工序;以及将浸渍的无纺布脱液并干燥的工序。

本发明的第7观点是油水分离过滤器的制造方法,其是基于第6观点的发明,其中,前述含羧基的物质等(C)是具有羧基的聚烯烃系水分散液、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物的自乳化液、或乙烯-乙酸乙烯酯-丙烯酸共聚物的自乳化液。

本发明的第8观点是油水分离过滤器的制造方法,其是基于第6观点的发明,其中,含氟金属氧化物粒子的水分散液54是向金属氧化物粒子的水分散液51中添加混合氟系化合物52,并向该混合液中添加混合催化剂53而制备的。

本发明的第9观点是油水分离过滤器的制造方法,其是基于第6观点的发明,其中,金属氧化物粒子51是选自Si、Al、Mg、Ca、Ti、Zn和Zr中的1种金属的氧化物粒子。

发明效果

本发明的第1观点的油水分离过滤器中,包含水和油的液体从油水分离过滤器的一面流入时,在液体的油粒子大于气孔孔径的情况中,物理上会阻止液体的油粒子的通过。而且,即使在液体的油粒子比气孔孔径稍小的情况下,无纺布的纤维表面也会化学性地排斥水溶性油的油粒子。此外,拒水拒油性膜由于包含结合有氟系官能团成分(A)的平均粒径2nm~90nm的金属氧化物粒子(B)与含羧基的物质等(C),因此形成的膜的拒水性和拒油性高。此外,在成膜时,平均粒径2nm~90nm的金属氧化物粒子(B)彼此通过含羧基的物质等(C)而在膜中结合,因此可以使膜的强度和膜的密合性提高。该油水分离过滤器具有从包含水和油的液体中除去油的过滤效率良好且通液时间短也无问题的优点。

本发明的第2观点的油水分离过滤器中,拒水拒油性膜中所含的金属氧化物粒子是选自Si、Al、Mg、Ca、Ti、Zn和Zr中的1种的金属氧化物粒子,因此可以从多种金属氧化物粒子中包含适于油水分离过滤器的使用环境的金属氧化物粒子。

本发明的第3观点的油水分离过滤器中,含羧基的物质等是具有羧基的聚烯烃系水分散液、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物的自乳化液、或乙烯-乙酸乙烯酯-丙烯酸共聚物的自乳化液,因此该水分散液或自乳化液作为含氟金属氧化物粒子的粘合剂发挥作用,同时在基材表面将液体组合物成膜时,还可以使膜与基材表面牢固地粘接。

本发明的第4观点的油水分离过滤器中,无纺布由单层构成时,成为简单构成的油水分离过滤器,无纺布由多层的层叠体构成时,可以根据流入的包含水和油的液体中的油粒子的粒径、油分的浓度等来构成各层。

本发明的第5观点的油水分离过滤器中,可以根据流入的包含水和油的液体中的油粒子的粒径、油分的浓度等,从聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚四氟乙烯(PTFE)、玻璃、氧化铝、碳、纤维素、纸浆、尼龙和金属中选择构成无纺布的纤维的材质。

本发明的第6观点的方法中,通过将含氟金属氧化物粒子的水分散液、含羧基的物质等以及溶剂混合而制备拒水拒油性膜形成用液体组合物,将无纺布浸渍于该拒水拒油性膜形成用液体组合物的稀释液中,将无纺布脱液并干燥,由此制造油水分离过滤器,因此第一,制造简便。第二,可以在无纺布的纤维表面均匀地形成拒水拒油性膜。另外第三,由于粒子表面为拒水拒油性的金属氧化物粒子存在于含羧基的物质等中,因此在维持拒水拒油性的同时,容易使无纺布的透气度降低。

本发明的第7观点的油水分离过滤器的制造方法中,含羧基的物质等是具有羧基的聚烯烃系水分散液、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物的自乳化液、或乙烯-乙酸乙烯酯-丙烯酸共聚物的自乳化液,因此该水分散液或自乳化液作为含氟金属氧化物粒子的粘合剂发挥作用,同时在基材表面将液体组合物成膜时,还可以使膜与基材表面牢固地粘接。

本发明的第8观点的油水分离过滤器的制造方法中,向金属氧化物粒子的水分散液中添加混合氟系化合物,并向该混合液中添加混合催化剂,因此可以得到含氟金属氧化物粒子均匀地分散的水分散液。

本发明的第9观点的油水分离过滤器的制造方法中,金属氧化物粒子是选自Si、Al、Mg、Ca、Ti、Zn和Zr中的1种的金属氧化物粒子,因此可以从多种金属氧化物粒子中,制造包含适于油水分离过滤器的使用环境的金属氧化物粒子的油水分离过滤器。

本发明的第6至第9观点的任一观点的油水分离过滤器的制造方法中,由于在降低透气度的同时还使拒水拒油性膜粘接于无纺布的纤维表面,因此可以充分得到拒油性能。进一步,通过金属氧化物粒子,还可以得到使膜的摩耗强度提高的效果。

附图说明

图1:是具备本发明实施方式的油水分离过滤器的油水分离装置的构成图。

图2:是本实施方式的单层的无纺布的截面图。

图3:是本实施方式的二层的无纺布的截面图。

图4:是制造本实施方式的油水分离过滤器的流程图。

图5:是实施例和比较例的各油水分离过滤器的过滤试验中所用的装置的构成图。

具体实施方式

接着,参照附图对用于实施本发明的方式进行说明。

〔油水分离装置〕

如图1所示,本实施方式的油水分离装置10具备:包含水和油的液体11流入的筒状的液体流入部12;将液体11的油从水中分离的片材状的油水分离过滤器13;收集油水分离过滤器13中分离的水14的漏斗状的集水部16;以及贮存从集水部16流入的水14的有底筒状的贮水部17。液体流入部12的上方设有液体的流入管18,贮水部17的底部设有排水管19。

油水分离过滤器13仅由无纺布构成的情况中,虽未图示,但在油水分离过滤器13的下面整体设置有用于补强无纺布的金属制的多孔质的支撑板,以使过滤器13能够耐受液体流入部12内的液体的压力,油水分离过滤器13和该支撑板被液体流入部12和集水部16所夹持。

〔油水分离过滤器〕

如图2所示,本实施方式的油水分离过滤器13具备无纺布20和形成于该无纺布的纤维表面的拒水拒油性膜21。作为该油水分离过滤器13的主要构成要素的无纺布20具有包含水和油的液体流入的一面20a、以及与这一面20a相对的过滤液流出的另一面20b,且由单层构成。如图3所示,也可以将无纺布制为上层的无纺布30和下层的无纺布40的二层的层叠体来构成油水分离过滤器23。此时,上层的无纺布30的上面成为包含水和油的液体流入的一面30a,下层的无纺布40的下面成为与这一面30a相对的过滤液流出的另一面40b。无纺布30的下面30b与无纺布40的上面40a密合。应予说明,层叠体不限于二层,也可以由三层、四层等多层构成。

如图2中央的放大图所示,无纺布20是多个纤维20c相互缠绕而形成,在纤维与纤维之间形成有气孔20d。气孔20d将无纺布20的一面20a与另一面20b之间贯通。在无纺布的纤维20c的表面形成有拒水拒油性膜21。无纺布的单位面积重量优选在10g/m2~400g/m2的范围、进一步优选在100g/m2~350g/m2的范围,但并不限定于该范围。拒水拒油性膜21包含平均粒径为2nm~90nm的金属氧化物粒子(B)和含羧基的物质等(C)。前述通式(1)或式(2)所示的氟系官能团成分(A)与该金属氧化物粒子(B)结合。氟系官能团成分(A)以0.3质量%~5.0质量%、优选0.4质量%~4.0质量%的比例包含于拒水拒油性膜21中。此外,含羧基的物质等(C)以10质量%~70质量%、优选15质量%~65质量%的比例包含于拒水拒油性膜21中。此外,氟系官能团成分(A)与金属氧化物粒子(B)总计以30质量%~90质量%、优选35质量%~85质量%的比例包含于拒水拒油性膜21中。进一步,氟系官能团成分(A)相对于金属氧化物粒子(B)的质量比(A/B)在0.01~0.2、优选0.014~0.18的范围。

如图2上部的进一步的放大图所示,拒水拒油性膜21是粒子表面被氟系官能团成分覆盖的多个金属氧化物粒子21a用作为粘合剂的含羧基的物质等21b粘接而构成。拒水拒油性膜21由于包含金属氧化物粒子21a,因此在外观上形成厚膜,可以使纤维与纤维之间的气孔20d变窄。此外,膜厚可以通过改变金属氧化物粒子的粒径和膜成分中的金属氧化物粒子的含有比例来控制。

在纤维表面形成有拒水拒油性膜21的油水分离过滤器13的状态下,无纺布20以具有0.05ml/cm2/秒~14ml/cm2/秒的透气度的方式制作。透气度小于0.05ml/cm2/秒时,或者单位面积重量超过400g/m2时,透水性差,难以得到过滤液。透气度超过14ml/cm2/秒时,或者无纺布的单位面积重量小于10g/m2时,则无纺布的气孔20d的大小变得远大于混合液体中的油粒子22,油粒子22与水一起通过无纺布的气孔,从油水分离过滤器13中漏出,无法将水和油分离。透气度优选为0.1ml/cm2/秒~10ml/cm2/秒。透气度使用JIS-L1913:2000中记载的弗雷泽型试验机进行测定。

拒水拒油性膜21中的氟系官能团成分(A)的含有比例小于0.3质量%时,拒油性的效果差,排斥油粒子的性能变得不充分。氟系官能团成分(A)的含有比例超过5.0质量%时,成膜性差,拒水拒油性膜对无纺布的密合性变差。

拒水拒油性膜21所含的金属氧化物粒子(B)的平均粒径在2nm~90nm、优选2nm~85nm的范围。平均粒径小于2nm时,容易引起金属氧化物粒子的凝集,难以分散于介质中。超过90nm时,则金属氧化物粒子(B)从拒水拒油性膜脱落。拒水拒油性膜21中的含羧基的物质等(C)的含有比例小于10质量%时,膜的强度和膜的密合性容易变差。若超过70质量%,则难以对膜赋予拒油性。拒水拒油性膜21中,氟系官能团成分(A)和金属氧化物粒子(B)总计小于30质量%时,则拒水拒油性膜的拒油性能降低。此外,若总计超过90质量%,则含羧基的物质等(C)的含量相对变低,拒水拒油性膜无法牢固地粘接于无纺布表面。此外,质量比(A/B)小于0.01时,拒水拒油性膜的拒油性差,若超过0.2,则拒水拒油性膜对纤维表面的密合性降低。应予说明,本说明书中,金属氧化物粒子的平均粒径是指利用透射型电子显微镜(TEM)观察到的粒子形状中,利用图像解析测定200点的粒子尺寸而得的尺寸的平均值。

对具有这样的油水分离过滤器13的油水分离装置10的作用进行说明。如图1所示,首先将油水分离过滤器13用液体流入部12和集水部16夹持。接着从流入管18将包含水和油的液体11供给至液体流入部12。该实施方式的液体为水溶性油。贮存于液体流入部12中的液体11与构成油水分离过滤器13的无纺布20的一面20a(图2)接触。本文中,由于油水分离过滤器13具有规定的透气度,另外还由于油水分离膜21显示拒水拒油性,因此水溶性油中的水(未图示)被油水分离膜21所排斥,同时由于含羧基的物质等的羟基的存在,因而通过图2的放大图所示的形成在纤维20c与纤维20c之间的气孔20d而到达另一面20b,通过无纺布20,并从该处滴下,收集至集水部16中。收集的水14从集水部16流下至贮水部17,积存于贮水部17中。在贮水部17中贮留了一定量的水14的时刻,打开未图示的排水阀,由排水管19得到与油分离了的水14。

另一方面,如图2的放大图所示,由于形成在无纺布20的纤维表面的油水分离膜21的拒油性,另外还由于具有油水分离过滤器的规定的透气度,因此液体中的油粒子22在粒径大于气孔20d的孔径的情形自不必说,即使粒径稍小于气孔20d的孔径,也无法通过油水分离过滤器13,而停留于无纺布20的纤维20c与纤维20c之间。由于拒水拒油性膜21中包含金属氧化物粒子21a,因此膜变得凹凸,油粒子22对膜的附着程度低。籍此,油粒子22被无纺布捕集。定期地将油水分离过滤器13从油水分离装置10拆下,对积存于无纺布20的油进行回收处理。

〔油水分离过滤器的制造方法〕

油水分离过滤器大致通过下述方法制造。

如图4所示,在金属氧化物粒子的水分散液51中混合包含氟系官能团成分(A)的氟系化合物52,进一步混合催化剂53,制备含氟金属氧化物粒子的水分散液54。通过将该水分散液54、含羧基的物质等55、以及溶剂56混合而制备拒水拒油性膜形成用液体组合物60。制备将拒水拒油性膜形成用液体组合物60用混合水与沸点小于120℃的碳原子数1~4的范围的醇而成的溶剂61稀释的液体,将无纺布20浸渍于该稀释液62中,从稀释液中提起,在大气中、室温下将无纺布在水平的金属丝网(金網)等上展开,脱液至达到一定的液体分量,进行干燥,由此制造油水分离过滤器13。

〔无纺布的准备〕

首先,准备具有0.05ml/cm2/秒~18ml/cm2/秒的透气度的无纺布。具体地,在成为后述的拒水拒油性膜形成于无纺布的纤维表面的油水分离过滤器的状态下,准备具有0.05ml/cm2/秒~14ml/cm2/秒的透气度的无纺布。在拒水拒油性膜形成为厚膜时,选定透气度大的无纺布,在拒水拒油性膜形成为薄膜时,选定透气度小的无纺布。

作为该无纺布,例如有纤维素混合酯性的膜过滤器、玻璃纤维滤纸、混用了聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维和玻璃纤维的无纺布(安积滤纸公司制,商品名:340)。如此,无纺布由选自聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚四氟乙烯(PTFE)、玻璃、氧化铝、碳、纤维素、纸浆、尼龙和金属中的1种或2种以上的纤维制作。纤维也可以是混合了2种以上纤维而成的纤维。为了获得上述透气度,纤维的粗度(纤维径)适宜为0.01μm~10μm的粗度,但并不限定于该范围。对于无纺布的厚度,在油水分离过滤器为单层时,优选为0.2mm~0.8mm,在为多层的层叠体时,优选为层叠体的厚度达到0.2mm~1.6mm的厚度。

〔拒水拒油性膜形成用液体组合物的制造方法〕

〔金属氧化物粒子的水分散液的制备〕

首先,使金属氧化物粒子分散于水性溶剂中,制备金属氧化物粒子的水分散液。作为金属氧化物粒子,可例示SiO2、Al2O3、MgO、CaO、TiO2、ZnO、ZrO2的粒子等。作为水性溶剂,可例示水、或水与碳原子数1~4的醇的混合溶剂。作为上述水,为了防止混入杂质,理想的是使用离子交换水、纯水等。

〔含氟金属氧化物粒子的水分散液的制备〕

接着,在制备的金属氧化物粒子的水分散液中,添加包含上述式(1)或式(2)所示的氟系官能团成分的氟系化合物,合成金属氧化物粒子与氟系官能团成分被纳米复合化而成的复合材料。为了进一步促进反应,添加催化剂。由此,制备含氟金属氧化物粒子的水分散液。

作为上述催化剂,可举出有机酸、无机酸、碱或钛化合物,作为有机酸,可例示甲酸、草酸,作为无机酸,可例示盐酸、硝酸、磷酸,作为碱,可例示氢氧化钠、氢氧化锂、氢氧化镁、氢氧化钾、氢氧化钙、氨,作为钛化合物,可例示四丙氧基钛、四丁氧基钛、四异丙氧基钛、乳酸钛等。催化剂并不限定于上述物质。

包含氟系官能团成分的氟系化合物由下述通式(3)或式(4)所示。作为这些式(3)或式(4)中的全氟醚基,更具体可举出下述式(5)~(13)所示的全氟醚结构。

[化2]

[化3]

[化4]

此外,作为上述式(3)和式(4)中的X,可举出下述式(14)~(18)所示的结构。应予说明,下述式(14)示出包含醚键的实例,下述式(15)示出包含酯键的实例,下述式(16)示出包含酰胺键的实例,下述式(17)示出包含氨基甲酸酯键的实例,下述式(18)示出包含磺酰胺键的实例。

[化5]

本文中,上述式(14)~(18)中,R2和R3是碳原子数为0至10的烃基、R4是氢原子或碳原子数1至6的烃基。R3的烃基的实例可举出亚甲基、亚乙基等亚烷基,R4的烃基的实例除了甲基、乙基等烷基之外,还可举出苯基等。

此外,上述式(3)和式(4)中,R1可举出甲基、乙基等。

此外,上述式(3)和式(4)中,Z只要是能够水解形成Si-O-Si键的水解性基团则并无特别限定。作为这样的水解性基团,具体可举出例如,甲氧基、乙氧基、丙氧基、丁氧基等烷氧基,苯氧基、萘氧基等芳基氧基,苄氧基、苯乙氧基等芳烷基氧基,乙酰氧基、丙酰氧基、丁酰氧基、戊酰氧基、新戊酰氧基、苯甲酰氧基等酰氧基等。其中,优选适用甲氧基、乙氧基。

本文中,作为上述式(3)或式(4)所示的包含具有全氟醚结构的氟系官能团成分的氟系化合物的具体例,可举出例如下述式(19)~(27)所示的结构。应予说明,下述式(19)~(27)中,R为甲基或乙基。

[化6]

[化7]

如上所述,本实施方式的拒水拒油性膜形成用液体组合物中所含的氟系化合物在分子内具有在氧原子上键合有多个碳原子数为6以下的短链长的全氟烷基和全氟亚烷基的全氟醚基,分子内的氟含有率高,因此可以对形成的膜赋予优异的拒水拒油性。

〔含羧基的物质等〕

含羧基的物质等是具有羧基的聚烯烃系水分散液、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物的自乳化液、或乙烯-乙酸乙烯酯-丙烯酸共聚物的自乳化液。作为市售品,乙烯-乙酸乙烯酯系的市售品可举出SEPOLSION VA406N、SEPOLSION VA407N(均为住友精化公司制)、Sumikaflex S-201HQ、S-465HQ、S-408HQE(均为住友化学公司制)、AQUATEX EC-1800、EC-1200(均为ジャパンコーティングレジン公司制)。另外,作为具有羧基的聚烯烃系的市售品,可举出ZAIKTHENE A、ZAIKTHENE L、ZAIKTHENE N(均为住友精化公司制)等,作为具有乙烯-乙酸乙烯酯-丙烯酸系的市售品,可举出Sumikaflex S-900HL(住友化学公司制)等。

〔拒水拒油性膜形成用液体组合物〕

本实施方式的拒水拒油性膜形成用液体组合物通过上述制造方法制造,包含结合有前述氟系官能团成分(A)的金属氧化物粒子(B)、含羧基的物质等(C)、以及溶剂(D)。该氟系官能团成分(A)具有上述通式(1)或式(2)所示的全氟醚结构,在除溶剂(D)之外的拒水拒油性膜形成用液体组合物中以0.3质量%~5.0质量%包含。此外,将除溶剂(D)之外的全部成分量设为100质量%时,含羧基的物质等(C)在拒水拒油性膜形成用液体组合物中以10质量%~70质量%包含。进一步,将除溶剂(D)之外的全部成分量设为100质量%时,氟系官能团成分(A)和金属氧化物粒子(B)的总计含有比例在液体组合物中为30质量%~90质量%。进一步,氟系官能团成分(A)相对于金属氧化物粒子(B)的质量比(A/B)在0.01~0.2的范围。上述溶剂(D)是混合水与碳原子数1~4的醇而成的碳原子数1~4的醇的含有比例为40质量%以下的溶剂。将碳原子数1~4的醇的含有比例设为40质量%以下是为了操作上的安全性和液体组合物的保存稳定性。此外,通过形成混合水和碳原子数1~4的醇而成的混合溶剂,干燥速度提高,成膜性得到改善。作为碳原子数1~4的醇,可举出甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、1-丁醇、2-丁醇、2-甲基-2-丙醇。

作为上述通式(1)或式(2)所示的全氟醚结构的具体例,可举出上述式(19)~(27)所示的结构。

除了溶剂之外的本实施方式的拒水拒油性膜形成用液体组合物含有含羧基的物质等作为主成分,进而还含有金属氧化物粒子,因此拒水拒油性膜的强度提高,可以得到对无纺布的纤维的密合性优异、难以剥离的高强度的拒水拒油性膜。此外,拒水拒油性膜形成用液体组合物包含上述通式(1)或式(2)所示的全氟醚结构的氟系官能团成分,因此具有拒油性的效果。

〔在无纺布的纤维表面上形成拒水拒油性膜的方法〕

为了在本实施方式的无纺布的纤维表面上形成拒水拒油性膜,制备将拒水拒油性膜形成用液体组合物用混合水和沸点小于120℃的碳原子数1~4的范围的醇而成的溶剂稀释的液体。该溶剂中的水和醇的混合比例(水:醇)以质量比计为1:0~5。此外,相对于液体组合物的溶剂的质量比(液体组合物:溶剂)为1:0.1~10的比例。将无纺布浸渍于如此制备的稀释液中,从稀释液中提起,在大气中、室温下将无纺布在水平的金属丝网等上展开,脱液至达到一定的液体分量。作为其它方法,抖动提起的无纺布而除去多余的液体、或者将提起的无纺布通过轧液辊(压榨机)进行脱液。进行了脱液的无纺布在大气中、25℃~140℃的温度下干燥0.5小时~24小时。籍此,如图2中央的放大图所示,在构成无纺布20的纤维20c的表面形成拒水拒油性膜21。脱液量少时,拒水拒油性膜以厚膜形成在无纺布的纤维表面,脱液量多时,拒水拒油性膜以薄膜形成在无纺布的纤维表面。

实施例

接着,与比较例一起详细地说明本发明的实施例。首先,对制备含氟金属氧化物粒子的水分散液的合成例1~6和比较合成例1~3进行说明,接着对涉及使用这些合成例和比较合成例的拒水拒油性膜形成用液体组合物的制备以及油水分离过滤器的制造的实施例1~8和比较例1~4进行说明。

〔用于制备含氟金属氧化物粒子的水分散液的合成例1~6、比较合成例1~3〕

<合成例1>

在加入有平均粒径为5nm的二氧化硅的水分散液(ST-OXS,日产化学公司制,SiO2浓度10%)50.0g的烧杯中,添加上述式(19)所示的氟系化合物0.08g并混合。接着,添加硝酸0.005g,在40℃下混合2小时,得到二氧化硅粒子与氟系化合物结合的二氧化硅(silica)粒子的水分散液(含氟二氧化硅粒子的水分散液)。氟系官能团成分(A)相对于作为金属氧化物粒子(B)的二氧化硅的质量比(A/B)为0.01。

<合成例2>

在加入有平均粒径为45nm的二氧化硅的水分散液(ST-XS,日产化学公司制,SiO2浓度30%)50.0g的烧杯中,添加上述式(20)所示的氟系化合物0.45g并混合。接着,添加硝酸0.005g,之后与合成例1相同地操作,得到二氧化硅(silica)粒子的水分散液(含氟二氧化硅粒子的水分散液)。质量比(A/B)为0.03。

<合成例3>

在加入有平均粒径为80nm的二氧化硅的水分散液(ST-ZL,日产化学公司制,SiO2浓度30%)50.0g的烧杯中,添加上述式(21)所示的氟系化合物0.75g并混合。接着,添加硝酸0.005g,之后与合成例1相同地操作,得到二氧化硅(silica)粒子的水分散液(含氟二氧化硅粒子的水分散液)。质量比(A/B)为0.05。

<合成例4>

在加入有平均粒径为3nm的二氧化锆的水分散液(SZR-W,堺化学公司制,ZrO2浓度30%)50.0g的烧杯中,添加上述式(27)所示的氟系化合物3.00g并混合。接着,添加硝酸0.009g,之后与合成例1相同地操作,得到二氧化锆粒子的水分散液(含氟二氧化锆粒子的水分散液)。氟系官能团成分(A)相对于作为金属氧化物粒子(B)的二氧化锆的质量比(A/B)为0.19。

<合成例5>

在加入有平均粒径为6nm的二氧化钛的水分散液(TKS-203,テイカ公司制,TiO2浓度20%)50.0g的烧杯中,添加上述式(27)所示的氟系化合物0.30g并混合。接着,添加硝酸0.001g,之后与合成例1相同地操作,得到二氧化钛粒子的水分散液(含氟二氧化钛粒子的水分散液)。氟系官能团成分(A)相对于作为金属氧化物粒子(B)的二氧化钛的质量比(A/B)为0.03。

<合成例6>

在加入有平均粒径为25nm的氧化锌的水分散液(MZ-500,テイカ公司制,ZnO浓度30%)50.0g的烧杯中,添加上述式(27)所示的氟系化合物0.45g并混合。接着,添加硝酸0.005g,之后与合成例1相同地操作,得到氧化锌粒子的水分散液(含氟氧化锌粒子的水分散液)。氟系官能团成分(A)相对于作为金属氧化物粒子(B)的氧化锌的质量比(A/B)为0.03。

<比较合成例1>

在加入有平均粒径为230nm的二氧化钛的水分散液(R32,堺化学公司制,TiO2浓度30%)50.0g的烧杯中,添加上述式(27)所示的氟系化合物0.45g并混合。接着,添加硝酸0.005g,之后与合成例1相同地操作,得到二氧化钛粒子的水分散液(含氟二氧化钛粒子的水分散液)。氟系官能团成分(A)相对于作为金属氧化物粒子(B)的二氧化钛的质量比(A/B)为0.03。

<比较合成例2>

在加入有与合成例2相同的二氧化硅的水分散液50.0g的烧杯中,添加上述式(27)所示的氟系化合物0.08g并混合。接着,添加硝酸0.005g,之后与合成例1相同地操作,得到二氧化硅(silica)粒子的水分散液(含氟二氧化硅粒子的水分散液)。质量比(A/B)为0.005。

<比较合成例3>

在加入有与合成例2相同的二氧化硅的水分散液50.0g的烧杯中,添加上述式(27)所示的氟系化合物3.45g并混合。接着,添加硝酸0.011g,之后与合成例1相同地操作,得到二氧化硅(silica)粒子的水分散液(含氟二氧化硅粒子的水分散液)。质量比(A/B)为0.22。

以下表1中示出合成例1~6和比较合成例1~3的含氟金属氧化物粒子的水分散液的内容。应予说明,在表1中,作为氟系化合物的式(19)~式(21)和式(27)所示的含氟硅烷的式中的R均为乙基。

〔用于拒水拒油性膜形成用液体组合物的制备和油水分离过滤器的制造的实施例1~8、比较例1~4〕

<实施例1>

将合成例1中所得的含氟二氧化硅粒子的水分散液10.57g、作为含羧基的物质等的1种的乙烯-乙酸乙烯酯共聚物的自乳化液的SEPOLSION VA406N(住友精化公司制)5.00g、以及混合水513.13g与工业醇(AP-7,日本Alcohol产业公司制)276.30g而成的溶剂789.43g混合,制备拒水拒油性膜形成用液体组合物。将所得的拒水拒油性膜形成用液体组合物250.00g用水与工业醇的混合溶剂(以质量比计,水:工业醇=1:1)50.00g稀释,制备稀释液。

作为油水分离过滤器的基材,使用上层由玻璃纤维构成的无纺布与下层由PET纤维构成的无纺布的层叠体(二层的无纺布)。该层叠体的透气度为2.1ml/m2/秒。将二层的无纺布浸渍于上述稀释液中,抖落多余的液体,在室温下干燥24小时,制作透气度为2.00ml/cm2/秒的油水分离过滤器。

该内容示于以下的表2和表3。

表2中还示出“除溶剂之外的液体组合物中的氟系官能团成分(A)”的含有比例、“除溶剂之外的液体组合物中的含羧基的物质等(C)”的含有比例和“除溶剂之外的液体组合物中的氟系官能团成分(A)与金属氧化物粒子(B)总计的含有比例”。应予说明,除溶剂之外的液体组合物中的氟系官能团成分(A)的含有比例(%)若考虑含羧基的物质等(C)的含有比例来表述,则为{(A)/[(A)+(B)+(C)]}的百分率,除溶剂之外的液体组合物中的含羧基的物质等(C)的含有比例(%)为{(C)/[(A)+(B)+(C)]}的百分率,除溶剂之外的液体组合物中的氟系官能团成分(A)和金属氧化物粒子(B)总计的含有比例(%)若考虑含羧基的物质等(C)的含有比例来表述,则为{[(A)+(B)]/[(A)+(B)+(C)]}的百分率。

<实施例2~8和比较例1~3>

如表2所示,实施例2~6中,各自使用表1示出的合成例1~6中所得的含氟金属氧化物粒子的水分散液,确定各自的称重。实施例7中,使用表1示出的合成例1中所得的含氟金属氧化物粒子的水分散液,确定其称重。实施例8中,使用表1示出的合成例2中所得的含氟金属氧化物粒子的水分散液,确定其称重。比较例1~3中,各自使用表1示出的比较合成例1~3中所得的含氟金属氧化物粒子的水分散液,确定各自的称重。

作为含羧基的物质等,实施例2和实施例8中使用乙烯-乙酸乙烯酯共聚物的自乳化液即Sumikaflex S-408HQE(住友化学公司制),实施例3~6、比较例1~3中,使用乙烯-乙酸乙烯酯共聚物的自乳化液的SEPOLSION VA406N(住友精化公司制),确定各自的称重。实施例7中,使用具有羧基的聚烯烃系水分散液的ZAIKTHENE A(住友精化公司制),确定其称重。

作为溶剂,在实施例2~8和比较例1~3中使用了将水和工业醇(AP-7,日本Alcohol产业公司制)以表2示出的配合量混合而成的溶剂。

如此进行,制备实施例2~8和比较例1~3的各拒水拒油性膜形成用液体组合物。

另外,如表3所示,选定浸渍前的无纺布的透气度、油水分离过滤器的基材的种类、以及油水分离过滤器的透气度(浸渍后)。

应予说明,实施例7和比较例2、3中使用的无纺布与实施例1的无纺布不同,是由PET纤维与玻璃纤维的混合纤维(以质量比计,PET:玻璃=80:20)构成的一层的无纺布,浸渍前的透气度各自为9.5ml/cm2/秒(实施例7和比较例2)、15.0ml/cm2/秒(比较例3)。实施例8中使用的无纺布是由聚丙烯(PP)纤维构成的一层的无纺布,浸渍前的透气度为14.0ml/cm2/秒。

进一步,与实施例1相同地操作,将无纺布分别浸渍于所得的实施例2~8和比较例1~3中得到的拒水拒油性膜形成用液体组合物的稀释液中,进行脱液・干燥,得到具有表3示出的透气度的实施例2~8和比较例1~3的油水分离过滤器。

<比较例4>

比较例4中,与专利文献1中记载的实施例1相同地操作,得到拒水拒油性膜形成用液体组合物。具体地,将作为硅醇盐的四甲氧基硅烷(TMOS)的3~5聚体(三菱化学公司制,商品名:MKCシリケートMS51)8.52g、作为含乙氧基硅烷的3-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷(GPTMS:信越化学工业公司制,商品名:KBM-403)0.48g、作为氟系化合物的下述式(29)所示的含氟硅烷(R:乙基)0.24g、以及作为有机溶剂的乙醇(EtOH)(沸点78.3℃)17.58g混合,进而添加离子交换水3.37g,在可拆式烧瓶内,在25℃的温度下进行5分钟搅拌,由此制备混合液。另外,在该混合液中添加作为催化剂的浓度35质量%的盐酸0.05g,在40℃下进行2小时搅拌。籍此,制备包含硅溶胶水解物的油水分离膜形成用液体组合物。与实施例1相同地,将与实施例1相同的无纺布浸渍于该拒水拒油性膜形成用液体组合物的稀释液中,进行脱液・干燥,得到具有表3示出的特性的油水分离过滤器。

[化8]

<比较试验和评价>

将实施例1~8和比较例1~4中得到的11种油水分离过滤器分别单独安装于图5示出的油水分离试验装置100。在该试验装置100中,在与图1示出的油水分离装置10对应的要素的各符号上加上100,表示试验装置100的各符号。在该油水分离试验装置100中,作为乳化油,使用了将日立产机制螺杆压缩机用油HISCREW OIL NEXT 0.25g与离子交换水5升以9000rpm混合3分钟、白浊的油浓度为50ppm的乳化油(包含水和油的液体)。将该乳化油供给至液体流入部112,用油水分离过滤器113过滤。采集通过油水分离过滤器113而贮存于贮水部(带分支的烧瓶)117的过滤液114,通过以下方法评价“(a)过滤液的油浓度”、“(b)过滤液的浊度”、以及“(c)过滤液的通过时间”。其结果示于上述表3。应予说明,油水分离过滤器113用金属制的筛板(目皿)120支撑。另外,在过滤乳化油之际,通过与烧瓶117的支管121连接的未图示的抽吸泵,将实施例1~8和比较例1~4中得到的12种油水分离过滤器调节至规定的真空度(-10kPa),同时对烧瓶内进行减压,对油水分离过滤器113进行抽吸过滤。符号122是真空计。

(a) 过滤液的油浓度

过滤液的油浓度使用油分测定计(堀场制作所公司制,OCMA-555)测定过滤液的残留油分,作为过滤液的油浓度。该油分测定计的检测限根据油种类而不同,就使用的乳化油而言是1ppm。应予说明,表3和后述表4的“过滤液的油浓度”中,“<1”表示为油分测定计的检测限以下。

(b) 过滤液的浊度

过滤液的浊度使用Lacom Tester浊度计TN-100(アズワン公司制)来测定。浊度越小,油水分离性越良好,1.5以下为合格水平。

(c) 过滤液的通过时间

过滤液的通过时间的测定是测定上述乳化油的全部量从抽吸泵开始工作时起至通过油水分离过滤器113到达贮水部(带有分支的烧瓶)117中为止的时间。

由表3可明确,比较例1的油水分离过滤器是由包含平均粒径为230nm的金属氧化物(二氧化钛)粒子的比较合成例1制备拒水拒油性膜形成用液体组合物,将无纺布浸渍于该液体组合物中,并进行脱液、干燥而制作的,因此金属氧化物粒子的平均粒径过大,难以用作为粘合剂成分的含羧基的物质等将金属氧化物粒子粘接于无纺布的纤维表面。其结果是,过滤液的油浓度为小于1ppm的检测限以下,过滤液的浊度高,为4.0,另外过滤液的通过时间较长,为96秒,过滤效率差。

比较例2的油水分离过滤器,由于拒水拒油性膜中的氟系官能团成分(A)过少,为0.005质量%,因此拒油性差,过滤液的通过时间短,为40秒,过滤液的油浓度高,为7.0ppm,过滤液的浊度也高,为2.0。

比较例3的油水分离过滤器,由于其透气度过大,为15.0ml/cm2/秒,因此过滤液的通过时间短,为35秒,但由于拒水拒油性膜中的氟系官能团成分(A)过多,为17.8质量%,因此拒水拒油性膜对无纺布的密合性变差,过滤液的油浓度非常高,为42.0ppm,过滤液的浊度也非常高,为5.0。

比较例4的油水分离过滤器的透气度恰当,为2.1ml/cm2/秒,过滤液的油浓度为小于1ppm的检测限以下,过滤液的浊度为0.5。另一方面,由于使用了具有式(29)的全氟胺结构的氟系化合物,因此比较例4的油水分离过滤器的氟系化合物的结构刚直,且拒水性容易表现强烈,因此与实施例1~8的包含具有全氟醚结构的氟系化合物的油水分离过滤器相比,过滤液的通过时间较长,为120秒,过滤效率差。

与之相对,实施例1~8的油水分离过滤器由于满足本发明的第1观点的要件,因此过滤液的油浓度为小于1ppm的检测限以下、或者为1.3ppm(实施例7)、1.4ppm(实施例8),过滤液的浊度小于0.5、或者为1.1(实施例7)、1.2(实施例8),并且过滤液的通过时间为33秒~95秒,过滤效率良好。实施例8中过滤液的油浓度为1.4ppm、并且过滤液的浊度为1.2是由于油水分离过滤器的透气度较大,为13.1ml/cm2/秒的缘故。

产业实用性

本发明的油水分离过滤器可用于需要从油乳化而成的乳化油或水溶性油中分离油并回收水的领域。

符号说明

13、23 油水分离过滤器

20 无纺布

20a 无纺布的一面

20b 无纺布的另一面

20c 无纺布的纤维

20d 无纺布的气孔

21 拒水拒油性膜

21a 含氟金属氧化物粒子

21b 含羧基的物质等

22 油粒子。

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